JP2010151034A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】安定流量範囲を拡大するだけでなく、圧縮性能を高めることができる遠心圧縮機を提供する。
【解決手段】回転駆動される回転軸３と、この回転軸３に固定され吸入流体を圧縮するインペラ５と、インペラ５からの流体を回転軸３の半径方向外方に案内するディフューザ流路７と、このディフューザ流路７に流れる流体の一部をディフューザ流路７における下流側領域から上流側領域まで循環流体として戻す循環流路９と、を有する遠心圧縮機１０であって、循環流路９に流れる流体は、冷却手段１、２により冷却されるようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、遠心圧縮機に関する。

遠心圧縮機は、回転駆動される回転軸と、この回転軸に固定され吸入流体を圧縮するインペラと、該インペラからの流体を回転軸の半径方向外方に案内するディフューザ流路と、を有する。

インペラからディフューザ流路へ送出される流体流量は、所定の安定流量範囲内にある必要がある。この流体流量が安定流量範囲よりも下回ると、サージ現象や流体の逆流が発生してしまう。なお、サージ現象は、流体の圧力と流れが不安定となって大きな振動が発生する現象である。

サージ現象や逆流を抑制して安定流量範囲を低流量側へ拡大するための技術が、下記特許文献１に開示されている。

特許文献１では、図８に示すように、循環流路２３を設けている。これにより、ディフューザ流路２５を流れる流体が、下流側開口２３ａから循環流路２３に進入し、上流側開口２３ｂからディユーザ流路２５へ戻される。従って、ディフューザ流路２５における見掛け上の流体流量が増加する。その結果、サージ現象や逆流を抑制される。図８において、循環流路２３は、支持部材２７を介してケーシング２１に支持される蓋部材２９と、ケーシング２１とにより形成されている。なお、符号３１はインペラを示し、符号３１ａはインペラ３１の羽根を示し、符号３３は回転軸を示し、符号３５は吸入通路を示す。
なお、特許文献１の別の構成では、上述の支持部材２７を案内翼としている。これにより、循環流路２３からディフューザ流路２５へ戻る流体は、回転軸３３の回転方向の速度成分を有し、旋回流れとなる。その結果、循環流路２３からの流体とディフューザ流路２５内の流体とは、旋回角度がほぼ同様となり、乱流の発生を防止してスムーズな昇圧を可能としている。

特開２００５−２４０６８０号公報

しかし、遠心圧縮機では、インペラからディフューザ流路へ送出される流体は圧縮されることで、高温となる。従って、この高温流体を上述の循環流路２３によりディフューザ流路に戻すと、遠心圧縮機の圧縮性能が低下する。
なお、圧縮により高温となった流体は、ディフューザ流路の下流に設けられたアフタークーラーにより冷却されて、遠心圧縮機の外部へ吐出される。

そこで、本発明の目的は、安定流量範囲を拡大するだけでなく、圧縮性能を高めることができる遠心圧縮機を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明によると、回転駆動される回転軸と、この回転軸に固定され吸入流体を圧縮するインペラと、該インペラからの流体を前記回転軸の半径方向外方に案内するディフューザ流路と、このディフューザ流路に流れる流体の一部を前記ディフューザ流路における下流側領域から上流側領域まで循環流体として戻す循環流路と、を有する遠心圧縮機であって、
前記循環流路に流れる流体は、冷却手段により冷却されるようになっている、ことを特徴とする遠心圧縮機が提供される。

上述した本発明の遠心圧縮機では、前記循環流路に流れる流体は、冷却手段により冷却されるようになっているので、循環流路を流れる流体は冷却されて前記ディフューザ流路の上流側領域に戻される。これにより、遠心圧縮機の圧縮性能が向上する。
また、冷却手段により冷却された流体が、ディフューザ流路に戻されるので、ディフューザ流路の下流に設けられる上述のアフタークーラーの冷却負荷を軽減することができる。
さらに、安定流量範囲を拡大するための循環流路を利用して圧縮流体を冷却することができる。

本発明の好ましい実施形態によると、前記循環流路は、前記下流側領域において前記ディフューザ流路に開口する流入開口と、前記上流側領域において前記ディフューザ流路に開口する流出開口と、を有し、
前記ディフューザ流路の少なくとも一部を区画するディフュ−ザ流路区画部材が設けられ、このディフューザ流路区画部材は、流入貫通孔と流出貫通孔を有し、
前記循環流路は、前記流入側開口を有する前記流入貫通孔と、前記流出開口を有する前記流出貫通孔と、これら流入貫通孔および流出貫通孔に接続される流体管と、から構成され、
前記流体管の外表面は、該流体管の外部に存在する空気に晒されるようになっており、該空気が前記冷却手段となる。

このように、ディフューザ流路区画部材に流入貫通孔と流出貫通孔を設け、これら流入貫通孔と流出貫通孔に流体管を接続することで、循環流路を形成している。この流体管の外表面が、流体管の外部に存在する空気に晒されるようにしているので、この空気を冷却媒体として、循環流路を流れる流体を自然に間接冷却することができる。
例えば、流体管が、遠心圧縮機のケーシングの外部に位置して外気と接触するようにするだけで、この外気を利用して、循環流路を流れる流体を自然に間接冷却することができる。

好ましくは、前記流体管は、銅で形成されている。

銅は、銀に次ぐ熱の良導体であり、比較的安価である。従って、前記流体管を銅で形成することで、安価な手段で、流体管外部の空気と流体管内部の流体との熱交換を促進させることができる。

本発明の好ましい実施形態によると、前記流体管の外表面には、熱伝導性を有するフィンが取り付けられている。

このように、前記流体管の外表面には、熱伝導性を有するフィンが取り付けられているので、流体管の外部に存在する空気と流体管との接触面積を大きくすることができる。これにより、循環流路を流れる流体の冷却能力が高まる。

本発明の別の実施形態によると、前記流体管には、該流体管を流れる流体を冷却媒体で間接冷却する熱交換器が設けられ、該熱交換器が前記冷却手段となる。

このように、前記流体管には、該流体管を流れる流体を冷却媒体で間接冷却する熱交換器が設けられるので、この熱交換器により、循環流路を流れる流体を積極的に冷却して、循環流路を流れる流体の冷却能力を高めることができる。

上述した本発明によると、循環流路により、安定流量範囲を拡大するだけでなく、循環流体を冷却することで圧縮性能を高めることができる。

本発明を実施するための最良の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態による遠心圧縮機１０を示す断面図である。図１に示すように、第１実施形態による遠心圧縮機１０は、回転軸３、インペラ５、ディフューザ流路７、循環流路９などを有する。

回転軸３は、例えば、図示しないタービンインペラに結合されておりタービンインペラの回転により回転駆動されてもよいし、図示しない電動機により回転駆動されてもよいし、他の手段で回転駆動されてもよい。

インペラ５は、回転軸３に固定されており、流体吸込流路１１からの流体を圧縮して半径方向（以下、単に半径方向ともいう）外方へ吐出する。この例では、流体はガスであるが、液体であってもよい。なお、符号５ａは、インペラ５の羽根を示す。羽根５ａは、回転軸３の回転方向（以下、単に回転方向ともいう）に複数設けられる。インペラ５はケーシング１３の内部に収容されている。

ディフューザ流路７は、インペラ５からの流体を回転軸３の半径方向外方に案内する。ディフューザ流路７は、回転軸３の軸方向（以下、単に軸方向ともいう）から見た場合、中心部にインペラ５が位置するドーナツ形状をしている。

循環流路９は、ディフューザ流路７に流れる流体の一部をディフューザ流路７における下流側領域から上流側領域まで循環流体として戻す流路である。図１には、１つの循環流路９が示されているが、第１実施形態によると、循環流路９は、回転方向に複数設けられる。
第１実施形態によると、循環流路９に流れる流体は、後述の冷却手段１、２により冷却されるようになっている。

第１実施形態による循環流路９と冷却手段１、２について、詳しく説明する。各循環流路９は、以下で説明する構成を有している。

循環流路９は、前記下流側領域においてディフューザ流路７に開口する流入開口９ａと、前記上流側領域においてディフューザ流路７に開口する流出開口９ｂと、を有する。流入開口９ａは、ディフューザ流路区画部材１３に形成される流入貫通孔１３ａの開口であり、流出開口９ｂは、ディフューザ流路区画部材１３に形成される流出貫通孔１３ｂの開口である。ディフューザ流路区画部材１３は、ディフューザ流路７の少なくとも一部を区画する部材であり、この例ではケーシング１３である。なお、図１の例では、ディフューザ流路７は、ケーシング１３と、ケーシング１３に結合され軸方向から見た形状が環状のシールプレート部材１４とにより区画形成されている。
循環流路９は、流入開口９ａを有する流入貫通孔１３ａと、流出開口９ｂを有する流出貫通孔１３ｂと、これら流入貫通孔１３ａおよび流出貫通孔１３ｂに接続される流体管１５と、から構成される。流体管１５は、良好な熱伝導性を持つ材料（金属など）で形成されている。好ましくは、流体管１５は、銀に次ぐ熱の良導体である銅により形成されている。なお、流体管１５と流出貫通孔１３ｂおよび流入貫通孔１３ａとの接続は、接着剤でなされてもよいし、流体管１５の各端部にフランジ部を設け、これらフランジ部をネジ等でディフューザ流路区画部材１３に固定することでなされてもよいし、他の適切な手段によりなされてもよい。

流体管１５の外表面は、該流体管１５の外部に存在する空気１に晒されるようになっており、この空気１が前記冷却手段となる。

また、上述の構成に加えて、図２のように、流体管１５の外表面には、熱伝導性を有するフィン１５ａが取り付けられていてもよい。図２の例では、多数のフィン１５ａが流体管１５に取り付けられている。これにより、流体管１５と周囲空気１との接触面積が大きくなる。フィン１５ａも、銅で形成されているのがよい。
なお、図２は、図１の部分拡大図である。

上述の構成に加えて、該流体管１５を流れる流体を冷却媒体で間接冷却する熱交換器２が、前記冷却手段として流体管１５に設けられていてもよい。例えば、図３に示すように、熱交換器２は、流体管１５に巻かれた冷却管であってよく、この冷却管２に水等の冷却媒体を流すようにしてよい。この場合、熱交換器２が前記冷却手段となる、

上述した第１実施形態による遠心圧縮機１０によると、以下の効果（１）〜（６）が得られる。

（１）上述した本発明の遠心圧縮機１０では、循環流路９に流れる流体は、冷却手段１、２により冷却されるようになっているので、循環流路９を流れる流体は冷却されてディフューザ流路７の上流側領域に戻される。これにより、遠心圧縮機１０の圧縮性能が向上する。また、冷却手段１、２により冷却された流体が、ディフューザ流路７に戻されるので、ディフューザ流路７の下流に設けられるアフタークーラーの冷却負荷を軽減することができる。さらに、安定流量範囲を拡大するための循環流路９を利用して圧縮流体を冷却することができる。

（２）ディフューザ流路区画部材１３に流入貫通孔１３ａと流出貫通孔１３ｂを設け、これら流入貫通孔１３ａと流出貫通孔１３ｂに流体管１５を接続することで、循環流路９を形成している。この流体管１５の外表面が、流体管１５の外部に存在する空気１に晒されるようにしているので、この空気１を冷却媒体として、循環流路９を流れる流体を自然に間接冷却することができる。
また、流体管１５を熱の良導体である銅で形成することで、安価な手段で、周囲空気１と流体管１５内部の流体との熱交換を促進させることができる。

（３）流体管１５を銅で形成することで、安価な手段で、流体管１５外部の空気１と流体管１５内部の流体との熱交換を促進させることができる。

（４）流体管１５の外表面にフィン１５ａを取り付けることで、流体管１５の外部に存在する空気１と流体管１５との接触面積を大きくすることができる。これにより、循環流路９を流れる流体の冷却能力が高まる。

（５）流体管１５に、該流体管１５を流れる流体を冷却媒体で間接冷却する熱交換器２を設けることで、循環流路９を流れる流体を積極的に冷却して、循環流路９を流れる流体を冷却する能力を高めることができる。

（６）上述の循環流路９とこれを構成する流体管１５を回転方向に複数設けるので、流体管１５内を流れる流体と周囲空気１との熱交換量を増やすことができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による遠心圧縮機１０について説明する。以下で説明する以外の第２実施形態の構成は、第１実施形態と同じであってよい。

図４は、第２実施形態による遠心圧縮機の断面図である。図５は、図４のＶ−Ｖ線矢視図である。図６は、図５において半径方向から見た１つの循環流路９（後述する）とその周辺を示す。即ち、図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線矢視図であり、図５における複数の循環流路９のうち１つだけを示している。各循環流路９は以下で述べる構成を有する。

循環流路９は、前記下流側領域にてディフューザ流路７に開口する複数の流入開口９ａと、前記上流側領域にてディフューザ流路７に開口する複数の流出開口９ｂと、流入開口９ａから循環流路９の中間部まで延びる複数の流入流路９ｃと、前記中間部から分岐してそれぞれ複数の流出開口９ｂまで延びる複数の流出流路９ｄと、複数の流入流路９ｃにそれぞれ設けられる複数の弁１７と、複数の流出流路９ｄにそれぞれ設けられる複数の弁１９と、を有する。

複数の弁１７、１９は、循環流路９における流体管１５の部分に設けられる。各弁１７、１９は、例えば、開閉弁であってもよいし、流量制御弁であってもよい。図１の例では、弁１７、１９は、その開度が手動で調節されるものであってもよいし、制御部（図示せず）からの制御信号によりその開度が調整されるもの（例えば電磁弁）であってもよい。なお、前記制御部は、人に操作されることで前記制御信号を出力する。
これら弁１７、１９により、ディフューザ流路７における前記上流側領域へ戻す流体の流量や、前記上流側領域へ流体を戻す位置や、ディフューザ流路７における前記下流側領域から循環流路９へ流入する流体の流量や、循環流路９へ流体が流入する位置を調整することができる。よって、安定流量範囲を低流量側へ拡大する調整を行うことができ、低流量側へ一層拡大した安定流量範囲を実現できる。

流出流路９ｄは、流出開口９ｂへ向かって、回転軸３の軸方向に対し回転軸３の回転方向に傾いた方向に延びており、これにより、流出開口９ｂからディフューザ流路７内へ流れ出す流体速度は、回転方向の速度成分を有する。従って、回転方向の速度成分を有するインペラ５からの流体と流出開口９ｂからの循環流体とにより見かけ上の流量が増えて安定流量範囲を低流量側に拡大することができる。本実施形態では、流体管１５において流出流路９ｄを構成する部分が、流出開口９ｂへ向かって、回転軸３の軸方向に対し回転軸３の回転方向に傾いた方向に延びている。
図６において、流出貫通孔１３ｂは、流出流路９ｄの直線状仮想延長部（破線で示す）上が空間となっているように形成される。この構成により、流出流路９ｄから流出貫通孔１３ｂへ流れ込む流体は回転方向の速度成分を有するが、この速度成分がそのまま維持されて状態で、流出貫通孔１３ｂからディフューザ流路７内へ流体が流れ出るようになっている。ただし、循環流路９の前記仮想延長部上が空間となっているように形成されていれば、流出貫通孔１３ｂの形状は、図６に示す形状に限られず、図７（Ａ）に示す形状や図７（Ｂ）に示す形状であってもよい。図７は図６に対応する。なお、図６、図７において、流入貫通孔１３ａと流出貫通孔１３ｂを透視して実線で示している。

上述した本実施形態による遠心圧縮機１０においても、上述の効果（１）〜（５）が得られる。
また、第２実施形態では、１つの循環流路９に複数の流入流路９ｃと複数の流出流路９ｄが設けられるので、これら流路の数だけ、周囲空気１との熱交換量を増やすことができる。なお、第２実施形態において、図２または図３の構成を採用してもよい。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば、流体管１５の断面形状は、円形だけでなく、その外表面の面積を大きくするために、楕円や台形などにしてもよい。

上述の第２実施形態では、１つの循環流路９は、複数の流入流路９ｃを有していたが、１つの循環流路９は単一の流入流路９ｃを有していてもよい。同様に、上述の第２実施形態では、１つの循環流路９は、複数の流出流路９ｄを有していたが、１つの循環流路９は単一の流出流路９ｄを有していてもよい。

上述の第２実施形態では、流出流路９ｄは、流出開口９ｂへ向かって、回転軸３の軸方向に対し回転軸３の回転方向に傾いた方向に延びていたが、本発明によると流出流路９ｄは回転方向の成分を有しない軸方向に延びていてもよい。

また、第２実施形態の構成のうち第１実施形態で採用できるものは、第１実施形態で採用してもよい。即ち、第２実施形態の構成の一部を第１実施形態で採用してもよい。
例えば、第１実施形態においても、第１実施形態において、循環流路９（流体管１５）は、その中間部から流出開口９ｂへ向かって、回転軸３の軸方向に対し回転軸３の回転方向に傾いた方向に延び、これにより、流出開口９ｂからディフューザ流路７内へ流れ出す流体速度は、回転方向の速度成分を有するようにしてもよい。

本発明の第１実施形態による遠心圧縮機の要部を示す断面図である。 図１の部分拡大図である。 図１の部分拡大であり、図２と別の構成を示す。 本発明の第２実施形態による遠心圧縮機の要部を示す断面図である。 図４のＶ−Ｖ線矢視図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線矢視図である。 流出貫通孔の他の形状を示す図である。 特許文献１に記載の遠心圧縮機を示す断面図である。

符号の説明

１ 空気（冷却手段）、２ 熱交換器、冷却管（冷却手段）、３ 回転軸、５ インペラ、５ａ インペラの羽根、７ ディフューザ流路、９ 循環流路、９ａ 流入開口、９ｂ 流出開口、９ｃ 流入流路、９ｄ 流出流路、１１ 流体吸込流路、１０ 遠心圧縮機、１３ ケーシング（ディフューザ流路区画部材）、１３ａ 流入貫通孔、１３ｂ 流出貫通孔、１５ 流体管、１５ａ フィン

Claims (5)

1. 回転駆動される回転軸と、この回転軸に固定され吸入流体を圧縮するインペラと、該インペラからの流体を前記回転軸の半径方向外方に案内するディフューザ流路と、このディフューザ流路に流れる流体の一部を前記ディフューザ流路における下流側領域から上流側領域まで循環流体として戻す循環流路と、を有する遠心圧縮機であって、
   前記循環流路に流れる流体は、冷却手段により冷却されるようになっている、ことを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記循環流路は、前記下流側領域において前記ディフューザ流路に開口する流入開口と、前記上流側領域において前記ディフューザ流路に開口する流出開口と、を有し、
   前記ディフューザ流路の少なくとも一部を区画するディフュ−ザ流路区画部材が設けられ、このディフューザ流路区画部材は、流入貫通孔と流出貫通孔を有し、
   前記循環流路は、前記流入側開口を有する前記流入貫通孔と、前記流出開口を有する前記流出貫通孔と、これら流入貫通孔および流出貫通孔に接続される流体管と、から構成され、
   前記流体管の外表面は、該流体管の外部に存在する空気に晒されるようになっており、該空気が前記冷却手段となる、ことを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記流体管は、銅で形成されている、ことを特徴とする請求項２に記載の遠心圧縮機。
4. 前記流体管の外表面には、熱伝導性を有するフィンが取り付けられている、ことを特徴とする請求項２または３に記載の遠心圧縮機。
5. 前記流体管には、該流体管を流れる流体を冷却媒体で間接冷却する熱交換器が設けられ、該熱交換器が前記冷却手段となる、ことを特徴とする請求項２または３に記載の遠心圧縮機。

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