(57)【要約】【課題】インペラと、インペラの近くに配置される部材とのクリアランスが大きくなることを防止するのに有利なターボ圧縮機を提供する。【解決手段】ターボ圧縮機１ａは、回転軸１０、第一軸受４１、第二軸受４２、第一インペラ２１、第二インペラ２２、及びリターン流路８２ａを備える。第一インペラ２１は、回転軸１０の軸線方向において第一軸受４１及び第二軸受４２よりも回転軸１０の一端１１に近い位置で回転軸１０に固定されている。第二インペラ２２は、第一軸受４１と第二軸受４２との間で回転軸１０に固定されている。第二インペラ２２の第二吸込口２２ａは、第一インペラ２１の第一吸込口２１ａと同じ向きに開口している。リターン流路８２ａは、第一インペラ２１の第一吐出口２１ｂから第二吸込口２２ａに冷媒を導く流路である。第一軸受４１は、回転軸１０のスラスト荷重の負荷容量を有する。【選択図】図１
2020159294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、
前記回転軸を回転可能に支持する第一軸受と、
前記回転軸を回転可能に支持する第二軸受と、
前記回転軸の軸線方向において前記第一軸受及び前記第二軸受よりも前記回転軸の一端に近い位置で前記回転軸に固定され、冷媒が吸い込まれる第一吸込口及び前記冷媒が吐出される第一吐出口を有する、第一インペラと、
前記軸線方向において前記第一軸受と前記第二軸受との間で前記回転軸に固定され、かつ、前記第一吸込口と同じ向きに開口している、前記冷媒が吸い込まれる第二吸込口及び前記冷媒が吐出される第二吐出口を有する、第二インペラと、
前記第一吐出口から前記第二吸込口に前記冷媒を導くリターン流路と、を備え、
前記第一軸受は、前記回転軸のスラスト荷重の負荷容量を有する、
ターボ圧縮機。
【請求項２】
前記第一軸受は、前記回転軸の軸線に垂直な平面に投影したとき投影面をなす軸受面を有する滑り軸受であり、
前記回転軸は、当該回転軸の内部において軸線に沿って延びており、潤滑剤が流れる第一流路と、前記軸受面に接する空間と前記第一流路とを連通させる第二流路と、を有する、
請求項１に記載のターボ圧縮機。
【請求項３】
前記第一軸受は、前記回転軸のラジアル荷重の負荷容量を有する、請求項２に記載のターボ圧縮機。
【請求項４】
前記冷媒は、常温において大気圧以下の飽和蒸気圧を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載のターボ圧縮機。
【請求項５】
前記軸線方向において前記第一軸受と前記第二軸受との間で前記回転軸に固定されている回転子を有するモータをさらに備えた、請求項１から４のいずれか１項に記載のターボ圧縮機。
【請求項６】
蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発した前記冷媒を圧縮する、請求項１から５のいずれか１項に記載のターボ圧縮機と、
前記ターボ圧縮機で圧縮された前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、を備えた、
冷凍サイクル装置。
【請求項７】
前記蒸発器は液相の前記冷媒をその内部に貯留し、
前記凝縮器は液相の前記冷媒をその内部に貯留し、
前記蒸発器に貯留された液相の前記冷媒及び前記凝縮器に貯留された液相の前記冷媒の少なくとも１つが前記第一軸受に供給される、
請求項６に記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ターボ圧縮機及び冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、低圧の冷媒を圧縮するための多段のターボ圧縮機が知られている。
【０００３】
図３に示す通り、特許文献１には、ターボ圧縮機２００が記載されている。ターボ圧縮機２００は、ケーシング２２１と、電動機２１３と、回転軸２２５と、転がり軸受２２７と、滑り軸受２２８とを備える。回転軸２２５の一端には２段のインペラ２２３ａ及び２２３ｂが固定されており、インペラ２２３ａ及び２２３ｂは、圧縮部２２３を構成している。電動機２１３は、ステータ２１３Ａと、回転軸２２５に固定されたロータ２１３Ｂとを備える。ターボ圧縮機２００を備えた冷凍装置において、電動機２１３によって圧縮部２２３が駆動されると、吸入管２１４から気化冷媒が圧縮部２２３に吸入されて圧縮され、この圧縮された冷媒が吐出管２１５から凝縮器に送られる。
【０００４】
転がり軸受２２７は、電動機２１３とインペラ２２３ａ及び２２３ｂとの間で回転軸２２５を軸支し、回転軸２２５の他端が滑り軸受２２８によって軸支されている。転がり軸受２２７は、２つのアンギュラ玉軸受２２７ａ及び２２７ｂを有する。滑り軸受２２８において、軸受ボス２２１ｄに軸受メタル２２８ａが圧入されている。転がり軸受２２７は、回転軸２２５の軸方向への移動を許容しない。換言すると、転がり軸受２２７は、回転軸２２５のスラスト荷重の負荷容量を有していると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１７−１２５４３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の技術は、回転軸の熱膨張を考慮した、インペラと、インペラの近くに配置される部材とのクリアランスの決定において、そのクリアランスが大きくなることを防止する観点から、再検討の余地を有する。
【０００７】
本開示は、インペラと、インペラの近くに配置される部材とのクリアランスが大きくなることを防止する観点から、有利なターボ圧縮機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示は、
回転軸と、
前記回転軸を回転可能に支持する第一軸受と、
前記回転軸を回転可能に支持する第二軸受と、
前記回転軸の軸線方向において前記第一軸受及び前記第二軸受よりも前記回転軸の一端に近い位置で前記回転軸に固定され、冷媒が吸い込まれる第一吸込口及び前記冷媒が吐出される第一吐出口を有する、第一インペラと、
前記軸線方向において前記第一軸受と前記第二軸受との間で前記回転軸に固定され、かつ、前記第一吸込口と同じ向きに開口している、前記冷媒が吸い込まれる第二吸込口及び前記冷媒が吐出される第二吐出口を有する、第二インペラと、
前記第一吐出口から前記第二吸込口に前記冷媒を導くリターン流路と、を備え、
前記第一軸受は、前記回転軸のスラスト荷重の負荷容量を有する、
ターボ圧縮機を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
上記のターボ圧縮機は、第一インペラと、第一インペラの近くに配置される部材とのクリアランスが大きくなることを防止する観点から、有利である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本開示のターボ圧縮機の一例を示す断面図である。
【図２】図２は、本開示の冷凍サイクル装置の一例を示す構成図である。
【図３】図３は、本開示のターボ圧縮機の別の一例の一部を示す断面図である。
【図４】図４は、従来のターボ圧縮機を示す断面図である。
【図５】図５は、参考例に係るターボ圧縮機を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（本開示の基礎となった知見）
例えば、常温（２０℃±１５℃：日本工業規格 JIS Z 8703）で大気圧以下の飽和蒸気圧を有する冷媒を、多段のターボ圧縮機を用いて圧縮することが考えられる。この場合、例えば、図５に示す参考例に係るターボ圧縮機３００を用いることが考えられる。ターボ圧縮機３００は、特に説明する部分を除き、特許文献１に記載のターボ圧縮機２００と同様に構成されている。ターボ圧縮機２００の構成要素と同一又は対応するターボ圧縮機３００の構成要素には同一の符号を付している。
【００１２】
ターボ圧縮機３００において、インペラ２２３ａは、回転軸２２５と一体となって回転する。インペラ２２３ａの変形又はインペラ２２３ａの僅かな移動により、インペラ２２３ａとシュラウド３４０との回転軸２２５の軸線方向のクリアランスｃが変化する。転がり軸受２２７は、回転軸２２５のスラスト荷重の負荷容量を有していると考えられる。このため、ターボ圧縮機３００が長期間運転されるときの回転軸２２５の温度上昇による熱膨張の影響は、転がり軸受２２７からの距離が大きいほど深刻になる。ターボ圧縮機３００において、インペラ２２３ａと転がり軸受２２７との間には、インペラ２２３ｂが配置されている。このため、インペラ２２３ａと転がり軸受２２７との距離を短くすることには限界がある。このため、ターボ圧縮機３００において、どのような運転状態でも、インペラ２２３ａとシュラウド３４０とが接触しないように、クリアランスｃには十分な余裕が必要である。しかし、クリアランスｃを大きくすると、ターボ圧縮機３００の運転において圧力比が低くなりやすく、又は、断熱効率が低くなりやすい。
【００１３】
そこで、本発明者らは、多段のターボ圧縮機において、インペラと、インペラの近くに配置される部材とのクリアランスが大きくなることを防止する観点から鋭意検討を重ねた。その結果、本発明者らは、回転軸のスラスト荷重の負荷容量を有する軸受と、インペラとの所望の配置関係を新たに見出し、本開示のターボ圧縮機を案出した。なお、この知見は、本発明者らの検討に基づくものであり、先行技術として自認するものではない。
【００１４】
（本開示に係る一態様の概要）
本開示の第１態様に係るターボ圧縮機は、
前記回転軸を回転可能に支持する第一軸受と、
前記回転軸を回転可能に支持する第二軸受と、
前記回転軸の軸線方向において前記第一軸受及び前記第二軸受よりも前記回転軸の一端に近い位置で前記回転軸に固定され、冷媒が吸い込まれる第一吸込口及び前記冷媒が吐出される第一吐出口を有する、第一インペラと、
前記軸線方向において前記第一軸受と前記第二軸受との間で前記回転軸に固定され、かつ、前記第一吸込口と同じ向きに開口している、前記冷媒が吸い込まれる第二吸込口及び前記冷媒が吐出される第二吐出口を有する、第二インペラと、
前記第一吐出口から前記第二吸込口に前記冷媒を導くリターン流路と、を備え、
前記第一軸受は、前記回転軸のスラスト荷重の負荷容量を有する。
【００１５】
第１態様によれば、回転軸のスラスト荷重の負荷容量を有する第一軸受は、回転軸の軸線方向において第一インペラと第二インペラとの間に位置する。このため、回転軸の軸線方向における第一軸受と第一インペラとの距離が短くなりやすい。これにより、ターボ圧縮機が長期間運転されるときに、第一インペラと、第一インペラの近くに配置される部材とのクリアランスが回転軸の温度上昇による熱膨張に伴って変化することを抑制しやすい。その結果、第一インペラと、第一インペラの近くに配置される部材との接触防止のために考慮すべきクリアランスの設計値を小さく設定できる。このことは、ターボ圧縮機の運転において、圧力比を高める又は断熱効率を高める観点から有利である。
【００１６】
本開示の第２態様において、例えば、第１態様に係るターボ圧縮機では、前記第一軸受は、前記回転軸の軸線に垂直な平面に投影したとき投影面をなす軸受面を有する滑り軸受であってもよく、前記回転軸は、当該回転軸の内部において軸線に沿って延びており、潤滑剤が流れる第一流路と、前記軸受面に接する空間と前記第一流路とを連通させる第二流路とを、有していてもよい。第２態様によれば、第二流路において回転軸の回転に伴う遠心力により加圧された潤滑剤が第一軸受の軸受面に接する空間に供給される。これにより、回転軸のスラスト荷重に対する第一軸受の支持剛性が高くなりやすい。このため、第一インペラと、第一インペラの近くに配置される部材とのクリアランスの変化が抑制されやすい。その結果、第一インペラと、第一インペラの近くに配置される部材との接触防止のために考慮すべきクリアランスの設計値をより確実に小さく設定できる。このことは、ターボ圧縮機の運転において、圧力比を高める又は断熱効率を高める観点から有利である。
【００１７】
本開示の第３態様において、例えば、第２態様に係るターボ圧縮機では、前記第一軸受は、前記回転軸のラジアル荷重の負荷容量を有していてもよい。第３態様によれば、第一軸受が回転軸をラジアル方向にも支持できる。
【００１８】
本開示の第４態様において、例えば、第１態様から第３態様のいずれか１つの態様に係るターボ圧縮機では、前記冷媒は、常温において大気圧以下の飽和蒸気圧を有していてもよい。第４態様によれば、ターボ圧縮機が常温において大気圧以下の飽和蒸気圧を有する冷媒を圧縮する場合に、圧力比を高めやすく、又は、断熱効率を高めやすい。
【００１９】
本開示の第５態様において、例えば、第１態様から第４態様のいずれか１つの態様に係るターボ圧縮機は、前記軸線方向において前記第一軸受と前記第二軸受との間で前記回転軸に固定されている回転子を有するモータをさらに備えていてもよい。第５態様によれば、モータの回転子が回転軸に固定された状態で、ターボ圧縮機の運転において、圧力比を高めやすく、又は、断熱効率を高めやすい。
【００２０】
本開示の第６態様に係る冷凍サイクル装置は、
蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発した前記冷媒を圧縮する、第１態様から第５態様のいずれか１つの態様に係るターボ圧縮機と、
前記ターボ圧縮機で圧縮された前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、を備える。
【００２１】
第６態様によれば、圧力比が高い状態又は断熱効率が高い状態で、蒸発器で蒸発した冷媒を圧縮でき、冷凍サイクル装置が高い成績係数（ＣＯＰ）を発揮しやすい。
【００２２】
本開示の第７態様において、例えば、第６態様に係る冷凍サイクル装置では、前記蒸発器は液相の前記冷媒をその内部に貯留していてもよく、前記凝縮器は液相の前記冷媒をその内部に貯留していてもよく、前記蒸発器に貯留された液相の前記冷媒及び前記凝縮器に貯留された液相の前記冷媒の少なくとも１つが前記第一軸受に供給されてもよい。第７態様によれば、蒸発器に貯留された液相冷媒及び凝縮器に貯留された液相冷媒の少なくとも１つを第一軸受の潤滑又は冷却に利用できる。
【００２３】
以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本開示の一例に関するものであり、本開示は以下の実施形態に限定されない。
【００２４】
図１に示す通り、ターボ圧縮機１ａは、回転軸１０と、第一軸受４１と、第二軸受４２と、第一インペラ２１と、第二インペラ２２と、リターン流路８２ａとを備えている。第一軸受４１及び第二軸受４２のそれぞれは、回転軸１０を回転可能に支持する。第一インペラ２１は、回転軸１０の軸線方向において第一軸受４１及び第二軸受４２よりも回転軸１０の一端１１に近い位置で回転軸１０に固定されている。第一インペラ２１は、第一吸込口２１ａ及び第一吐出口２１ｂを有する。第一インペラ２１において、第一吸込口２１ａに冷媒が吸い込まれ、第一吐出口２１ｂから冷媒が吐出される。第二インペラ２２は、回転軸１０の軸線方向において第一軸受４１と第二軸受４２との間で回転軸１０に固定されている。第二インペラ２２は、第二吸込口２２ａ及び第二吐出口２２ｂを有する。第二吸込口２２ａは、第一吸込口２１ａと同じ向きに開口している。第二インペラ２２において、第二吸込口２２ａに冷媒が吸い込まれ、第二吐出口２２ｂから冷媒が吐出される。リターン流路８２ａは、第一吐出口２１ｂから第二吸込口２２ａに冷媒を導く流路である。第一軸受４１は、回転軸１０のスラスト荷重の負荷容量を有する。
【００２５】
ターボ圧縮機１ａが長期間運転されると、回転軸１０の温度が上昇する。これにより、回転軸１０の全長が増加する。第一軸受４１は、回転軸１０のスラスト荷重の負荷容量を有するので、回転軸１０の軸線方向において第一軸受４１と回転軸１０との位置関係はほとんど変化しない。回転軸１０の熱膨張の影響は、スラスト荷重の負荷容量を有する第一軸受４１からの距離が大きいほどより深刻になる。回転軸１０の軸線方向において、第一軸受４１は、第一インペラ２１と第二インペラ２２との間に配置されている。このため、回転軸１０の軸線方向における第一インペラ２１と第一軸受４１との距離及び回転軸１０の軸線方向における第二インペラ２２と第一軸受４１との距離を短くしやすい。このため、回転軸１０の軸線方向における回転軸１０の熱膨張による第一インペラ２１の移動量及び回転軸１０の軸線方向における回転軸１０の熱膨張による第二インペラ２２の移動量を少なくできる。その結果、第一インペラ２１と、第一インペラ２１の近くに配置されるシュラウド又はディフューザーリング等の部材との接触防止のために考慮すべきクリアランスの設計値を小さく設定できる。加えて、第二インペラ２２と、第二インペラ２２の近くに配置されるシュラウド又はディフューザーリング等の部材との接触防止のために考慮すべきクリアランスの設計値を小さく設定できる。
【００２６】
第一軸受４１は、回転軸１０のスラスト荷重の負荷容量を有する限り、特定の軸受に限定されない。第一軸受４１は、例えば、滑り軸受である。この場合、第一軸受４１は軸受面４１ｂを有する。軸受面４１ｂは、回転軸１０の軸線に垂直な平面に投影したとき投影面をなすように形成されている。第一軸受４１は、玉軸受等の転がり軸受であってもよいし、磁気軸受であってもよい。
【００２７】
第一軸受４１は、回転軸１０のラジアル荷重の負荷容量を有していてもよい。例えば、第一軸受４１は、回転軸１０をラジアル方向に支持するラジアル軸受面４１ａを有する。なお、第一軸受４１は、回転軸１０をスラスト方向及びラジアル方向に支持する軸受面を有するように構成されていてもよい。このような軸受面は、例えば、第一軸受４１にテーパー孔を形成することによって形成できる。
【００２８】
第二軸受４２は、回転軸１０を回転可能に支持する限り、特定の軸受に限定されない。第二軸受４２は、例えば、滑り軸受である。第二軸受４２は、例えば、ターボ圧縮機１ａの通常運転では、スラスト力を支持しないように構成されている。第二軸受４２は、例えば、回転軸１０の軸線方向において、回転軸１０を含む回転体に対し、回転軸１０の軸線方向における全長の１０００分の１程度又はそれ以上の寸法変化を許容する。これにより、ターボ圧縮機１ａの運転中に回転軸１０の温度上昇に伴い回転軸１０が熱膨張しても、第二軸受４２は、回転軸１０の熱膨張に対応できる。第二軸受４２は、玉軸受等の転がり軸受であってもよいし、磁気軸受であってもよい。
【００２９】
第一軸受４１が滑り軸受である場合、第一軸受４１を潤滑する流体は潤滑油であってもよいし、冷媒に対し相溶性を示す流体であってもよい。第一軸受４１を潤滑する流体は、望ましくは、冷媒と同一成分の流体であってもよい。
【００３０】
ターボ圧縮機１ａは、例えば、ケーシング６０を備えており、第一軸受４１は、ケーシング６０に固定されている。ケーシング６０は、静止流路をなす壁面を有し、リターン流路８２ａはケーシング６０の内部に存在する。
【００３１】
図１に示す通り、ターボ圧縮機１ａは、例えばモータ７０をさらに備えている。モータ７０は、例えば、回転子７１と、固定子７２とを備えている。回転子７１は、例えば、回転軸１０の軸線方向において第一軸受４１と第二軸受４２との間で回転軸１０に固定されている。
【００３２】
固定子７２は、例えば、ケーシング６０に固定されている。モータ７０に電力が供給されると、固定子７２によって回転磁界が発生し、回転子７１に回転トルクが発生する。これにより、回転軸１０に固定された第一インペラ２１及び第二インペラ２２が回転する。ターボ圧縮機１ａが長期間運転されると、回転子７１が発熱し、回転軸１０の温度が上昇する。
【００３３】
ターボ圧縮機１ａは、例えば、常温において大気圧以下の飽和蒸気圧を有する冷媒を加速して圧縮する。ターボ圧縮機１ａにおいて、冷媒は、典型的には気相である。このような冷媒として、望ましくは水を使用できる。このような冷媒はリターン流路を大きな比容積で流れやすいので、リターン流路の断面積を大きくする必要性が高い。なお、ターボ圧縮機１ａは、場合によっては、常温において大気圧を超える飽和蒸気圧を有する冷媒を加速して圧縮してもよい。
【００３４】
第一軸受４１は、回転軸１０の軸線方向において第一インペラ２１と第二インペラ２２との間に配置されているので、回転軸１０の軸線方向の長さの延伸を抑えつつリターン流路８２ａの断面積を大きくしやすい。これにより、回転軸１０の曲げ剛性に基づく固有振動数が低くなりにくい。リターン流路８２ａの断面積が大きいと、大きな比容積で冷媒がリターン流路８２ａを流れやすい。例えば、ターボ圧縮機１ａが、常温において大気圧以下の飽和蒸気圧を有する冷媒を圧縮する場合に、リターン流路８２ａにおいて大きな比容積で冷媒を流しやすい。
【００３５】
例えば、回転軸１０の軸線方向において第一軸受４１が存在する領域の全ては、回転軸１０の軸線方向においてリターン流路８２ａが存在する領域と重なっている。
【００３６】
リターン流路８２ａは、例えば、回転軸１０の軸線に垂直な方向において、第一軸受４１の外側に位置する環状の流路である。第一インペラ２１の第一吐出口２１ｂをなす部位の外径は、例えば、第二インペラ２２の第二吸込口２２ａをなす部位の外径よりも小さい。このため、リターン流路８２ａは、回転軸１０の軸線方向において第二インペラ２２に向かって窄むように形成されている。
【００３７】
回転軸１０は、望ましくは、回転時のアンバランスを最小限に抑えるために、高精度に軸対称な形状を有している。回転子７１は、例えば、焼嵌めによって回転軸１０に固定されている。回転軸１０が高速で回転して遠心力により回転子７１の直径が僅かに拡大しても焼嵌めしろが残るように、回転子７１の焼嵌めにおいて十分に大きな焼嵌めしろが確保されている。回転軸１０の回転数は、例えば、５０００revolutions per minute（ｒｐｍ）から１０００００ｒｐｍである。回転軸１０の材料は、特定の材料に限定されない。回転軸１０の材料は、例えば、ＳＮＣＭ６３０等の高強度の鉄系材料でありうる。
【００３８】
例えば、第二インペラ２２の固定位置における回転軸１０の直径は、第一インペラ２１の固定位置における回転軸１０の直径より大きい。この場合、回転軸１０が中央付近において大きな直径を有し、回転軸１０の曲げ剛性に基づく固有振動数が高くなりやすい。このため、回転軸１０の回転の安定性が高くなりやすい。
【００３９】
ターボ圧縮機１ａにおいて、第一インペラ２１及び第二インペラ２２は、典型的には、遠心式の圧縮機構を構成している。第一インペラ２１の第一吸込口２１ａをなす部位の外径は、例えば、第一インペラ２１の第一吐出口２１ｂをなす部位の外径よりも小さい。第一吸込口２１ａは、例えば、第一インペラ２１の前方に開口している。第一吐出口２１ｂは、第一インペラ２１の半径方向外側に開口している。第二インペラ２２の第二吸込口２２ａをなす部位の外径は、例えば、第二インペラ２２の第二吐出口２２ｂをなす部位の外径よりも小さい。第二吸込口２２ａは、例えば、第二インペラ２２の前方に開口している。第二吐出口２２ｂは、第二インペラ２２の半径方向外側に開口している。
【００４０】
第一吸込口２１ａから吸い込まれた冷媒は、第一インペラ２１によって加速されて、第一吐出口２１ｂから吐出される。その後、冷媒は、リターン流路８２ａを通って、第二吸込口２２ａに吸い込まれ、第二インペラ２２によって加速され、第二吐出口２２ｂから吐出される。これにより、冷媒が圧縮される。ターボ圧縮機１ａには流路８３が接続されており、第二吐出口２２ｂから吐出された冷媒は、流路８３を通ってターボ圧縮機１ａの外部に供給される。
【００４１】
ターボ圧縮機１ａの動作及び作用の一例について説明する。第一インペラ２１の第一吸込口２１ａの前方の空間には、例えば、１ｋＰａの圧力の気相の冷媒が存在している。モータ７０の作動により、回転軸１０が回転すると、回転軸１０と共に第一インペラ２１及び第二インペラ２２が回転する。これにより、第一吸込口２１ａの前方の空間の冷媒は、第一吸込口２１ａを通過して、第一インペラ２１によって加速され、第一吐出口２１ｂから吐出される。これにより、冷媒が圧縮される。第一インペラ２１における冷媒の圧力比は例えば２であり、第一吐出口２１ｂから吐出された冷媒の圧力は２ｋＰａでありうる。第一吐出口２１ｂから吐出された冷媒は、リターン流路８２ａを通って第二吸込口２２ａに吸い込まれる。さらに、冷媒は、第二インペラ２２によって加速され、第二吐出口２２ｂから吐出される。これにより、冷媒がさらに圧縮される。第二インペラ２２における冷媒の圧力比は例えば２であり、第二吐出口２２ｂから吐出された冷媒の圧力は４ｋＰａでありうる。このようにして圧縮された冷媒は、流路８３を通って、ターボ圧縮機１ａの外部に導かれる。
【００４２】
第一吸込口２１ａを含む第一インペラ２１の前面と第一インペラ２１の前面と反対側の背面との間には、例えば、１ｋＰａの圧力差が発生しうる。加えて、第二吸込口２２ａを含む第二インペラ２２の前面と第二インペラ２２の前面と反対側の背面との間には、例えば、２ｋＰａの圧力差が発生しうる。これらの圧力差により、図１において右から左に向かって回転軸１０にスラスト力が発生する。
【００４３】
ターボ機械１ａが長期間運転されると、例えば、回転子７１の発熱により回転軸１０の温度が上昇し、回転軸１０が熱膨張してその全長が増加する。このとき、回転軸１０のスラスト力を受ける第一軸受４１と回転軸１０との位置関係はほとんど変化しない。一方、第二軸受４２は、回転軸１０の軸線方向における所定の寸法変化を許容し、第二軸受４２と回転軸１０との位置関係は変化する。これにより、回転軸１０の熱膨張に対処できる。
【００４４】
例えば、ターボ圧縮機１ａを用いて冷凍サイクル装置を提供できる。図２に示す通り、冷凍サイクル装置１００は、蒸発器３０と、ターボ圧縮機１ａと、凝縮器５０と、を備えている。蒸発器３０において冷媒が蒸発する。ターボ圧縮機１ａは、蒸発器３０で蒸発した冷媒を圧縮する。凝縮器５０は、ターボ圧縮機１ａで圧縮された冷媒を凝縮させる。冷凍サイクル装置１００はターボ圧縮機１ａを備えているので、圧力比が高い状態又は断熱効率が高い状態で、蒸発器３０で蒸発した冷媒を圧縮できる。このため、冷凍サイクル装置が高い成績係数（ＣＯＰ）を発揮しやすい。
【００４５】
冷凍サイクル装置１００は、例えば、空気調和装置として機能させることができる。
【００４６】
蒸発器３０は、例えば、液相冷媒をその内部に貯留する。凝縮器５０は、例えば、液相冷媒をその内部に貯留する。冷凍サイクル装置１００において、蒸発器３０に貯留された液相冷媒及び凝縮器に貯留された液相冷媒の少なくとも１つが第一軸受４１に供給される。この場合、例えば、蒸発器３０に貯留された液相冷媒及び凝縮器５０に貯留された液相冷媒の少なくとも１つを第一軸受４１の潤滑又は冷却に利用できる。
【００４７】
図２に示す通り、冷凍サイクル装置１００は、例えば、主回路８０と、第一循環回路３１と、第二循環回路５１とを備えている。主回路８０は、蒸発器３０、ターボ圧縮機１ａ、及び凝縮器５０がこの順に接続されている回路である。蒸発器３０の内部空間とターボ圧縮機１ａのケーシング６０の内部空間とが流路８１によって連通している。ターボ圧縮機１ａのケーシング６０の内部空間と凝縮器５０の内部空間とが流路８３によって連通している。凝縮器５０の内部空間と蒸発器３０の内部空間とが流路８４によって連通している。
【００４８】
第一循環回路３１は、第一ポンプ３５及び第一熱交換器３３を有する。第一循環回路３１は、蒸発器３０に貯留された液体の冷媒が第一ポンプ３５によって第一熱交換器３３に供給され、第一熱交換器３３で吸熱した冷媒が蒸発器３０に戻るように構成されている。第一循環回路３１において、蒸発器３０と第一ポンプ３５との入口とが流路３１ａによって接続されている。第一ポンプ３５の出口と第一熱交換器３３の入口とが流路３１ｂによって接続されている。第一熱交換器３３の出口と蒸発器３０とが流路３１ｃによって接続されている。
【００４９】
第二循環回路５１は、第二ポンプ５５及び第二熱交換器５３を有する。第二循環回路５１は、凝縮器５０に貯留された液体の冷媒が第二ポンプ５５によって第二熱交換器５３に供給され、第二熱交換器５３で放熱した冷媒が凝縮器５０に戻るように構成されている。第二循環回路５１において、凝縮器５０と第二ポンプ５５の入口とが流路５１ａによって接続されている。第二ポンプ５５の出口と第二熱交換器５３の入口とが流路５１ｂによって接続されている。第二熱交換器５３の出口と凝縮器５０とが流路５１ｃによって接続されている。
【００５０】
冷凍サイクル装置１００において、例えば、蒸発器３０に貯留されている液相冷媒が第一軸受４１及び第二軸受４２に供給されるべき潤滑剤として利用される。冷凍サイクル装置１００において、例えば、凝縮器５０に貯留されている液相冷媒が第一軸受４１及び第二軸受４２に供給されるべき潤滑剤として利用されてもよい。第一軸受４１及び第二軸受４２に供給された液相冷媒は、蒸発器３０又は凝縮器５０に戻される。
【００５１】
ターボ圧縮機１ａは、様々な観点から変更可能である。例えば、ターボ圧縮機１ａは、図３に示すターボ圧縮機１ｂのように変更されてもよい。ターボ圧縮機１ｂは、特に説明する部分を除き、ターボ圧縮機１ａと同様に構成されている。ターボ圧縮機１ａの構成要素と同一又は対応するターボ圧縮機１ｂの構成要素には、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。ターボ圧縮機１ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、ターボ圧縮機１ｂにも当てはまる。
【００５２】
図３に示す通り、ターボ圧縮機１ｂにおいて、第一軸受４１は、軸受面４１ｂを有する滑り軸受である。軸受面４１ｂは、回転軸１０の軸線に垂直な平面に投影したとき投影面をなす。回転軸１０は、第一流路１２と、第二流路１４とを有する。第一流路１２は、回転軸１０の内部において軸線に沿って延びており、潤滑剤が第一流路１２を流れる。第二流路１４は、軸受面４１ｂに接する空間と第一流路１２とを連通させる。例えば、第二流路１４の少なくとも一部は、回転軸１０の半径方向に延びている。
【００５３】
第一流路１２を流れる潤滑剤は、潤滑油であってもよいし、冷媒と相溶性を示す流体であってもよいし、冷媒と同一成分を含有する流体であってもよい。
【００５４】
図３に示す通り、例えば、第一軸受４１のラジアル支持面４１ａと回転軸１０の外面との間にある半径方向隙間Ｒには、第二流路１４から供給された潤滑剤が存在している。また、回転軸１０と第一軸受４１の軸受面４１ｂとの間にある軸方向隙間Ｔには、半径方向隙間Ｒを通過した潤滑剤が存在している。軸方向隙間Ｔに存在している潤滑剤は、半径方向隙間Ｒの圧力及び回転軸１０の回転によって半径方向に流れる。このとき、例えば、軸方向隙間Ｔの流路における潤滑剤の流れの圧力損失は、軸方向隙間Ｔが十分広い場合は、半径方向隙間Ｒの流路における潤滑剤の流れの圧力損失よりも小さい。この場合、軸方向隙間Ｔにおける潤滑剤の圧力は軸方向隙間Ｔの周囲の圧力とほぼ同じである。回転軸１０が受けるスラスト力により回転軸１０が左側に移動すると、軸方向隙間Ｔが減少し、軸方向隙間Ｔの流路における潤滑剤の流れの圧力損失が上昇する。一方、半径方向隙間Ｒの大きさ又は半径方向隙間Ｒの流路における潤滑剤の流れの圧力損失はほとんど変化しない。軸方向隙間Ｔが十分に小さくなると、軸方向隙間Ｔの流路における潤滑剤の流れの圧力損失は、半径方向隙間Ｒの流路における潤滑剤の流れの圧力損失を上回る。このため、軸方向隙間Ｔに存在する潤滑材の圧力が上昇する。これにより、左へ動いた回転軸１０を右側へ押し返す反力が生じる。換言すると、回転軸１０にスラスト負荷容量が発生する。さらに、軸方向隙間Ｔの減少とともに、軸方向の反力が増加するようなスラスト支持剛性が発現する。
【００５５】
ターボ圧縮機１ｂを圧力比が高い条件で運転する場合、回転軸１０を高速回転させる必要がある。ターボ圧縮機１ｂの運転条件における圧力比が高いほど、第一インペラ２１及び第二インペラ２２に作用するスラスト力も大きくなる。ターボ圧縮機１ｂによれば、第二流路１４は、例えば、第一流路１２と、半径方向隙間Ｒとを連通させている。このため、第一流路１２の外部から第一流路１２に導かれた潤滑剤を半径方向隙間Ｒに供給することができる。回転軸１０が回転すると、遠心力により第二流路１４を流れる潤滑剤が加速、加圧され、例えば１ＭＰａの高い圧力で半径方向隙間Ｒ及び軸方向隙間Ｔに潤滑剤を供給できる。これにより、第一軸受４１においてスラスト支持剛性が増加する。このため、圧力比が高い条件でターボ圧縮機１ｂが運転され、回転軸１０が受けるスラスト力が大きい場合でも、回転軸の回転数の高さを利用して、回転軸１０の軸方向の移動量を抑制できる。その結果、第一インペラと、第一インペラの近くに配置される部材との接触防止のために考慮すべきクリアランスの設計値をより確実に小さく設定できる。このことは、ターボ圧縮機１ｂの運転において、圧力比を高める又は断熱効率を高める観点から有利である。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本開示に係るターボ圧縮機は、空気調和装置、チラー、及び熱サイクル発電システム用のターボ圧縮機等の用途に適用できる。
【符号の説明】
【００５７】
１ａ、１ｂ  ターボ圧縮機
１０        回転軸
１１        一端
１２        第一流路
１４        第二流路
２１        第一インペラ
２１ａ      第一吸込口
２１ｂ      第一吐出口
２２        第二インペラ
２２ａ      第二吸込口
２２ｂ      第二吐出口
３０        蒸発器
４１        第一軸受
４１ｂ      軸受面
４２        第二軸受
５０        凝縮器
７０        モータ
７１        回転子
８２ａ      リターン流路
１００      冷凍サイクル装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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