(57)【要約】【課題】中間圧力抽気式の２段圧縮機の冷凍能力を確保しながら、２段圧縮機の構成を簡素化かつ低コスト化する。【解決手段】インペラ１４は、主ハブ面２２ａに放射状に設けられ、主軸１６の軸方向上流から流入し半径方向外側へ吐出する被圧縮気体の第１の流路Ｆ１を形成する複数の主ブレード２４と、背面に流入口３４ａが形成され、主ハブ面２２ａに流出口３４ｂが形成された被圧縮気体の複数の第２の流路Ｆ２とを有している。第２の流路Ｆ２は、主軸１６の回転方向に並列に配置され、主ブレード２４側に向けて主軸１６の回転方向ｃにおける主ブレード２４の傾斜方向と同一方向へ傾斜し、流出口３４ｂは、主軸１６の回転軸Ｏ１に対し流入口３４ａより半径方向外側に配置されている。【選択図】図１
2014173499.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸及びインペラを内蔵したケーシングと、該ケーシング内で回転駆動される前記主軸に固定された前記インペラとを備えた遠心圧縮機において、
前記インペラは、
ハブ面に放射状に設けられ、前記主軸の回転によって前記主軸の軸方向上流から流入し半径方向外側へ吐出する被圧縮気体の第１の流路を形成する複数の主ブレードと、
前記インペラのハブ部に形成され、前記インペラの背面に流入口を有すると共に、前記主ブレード間で前記インペラのハブ面に流出口を有する被圧縮気体の複数の第２の流路、とを有し、
前記複数の第２の流路は、前記主軸の回転方向に並列に配置され、前記主ブレード側に向けて前記主軸の回転方向における前記主ブレードの傾斜方向と同一方向へ傾斜し、
前記複数の第２の流路の流出口は、前記主軸の回転中心に対し前記複数の第２の流路の流入口より半径方向外側に配置されていることを特徴とする遠心圧縮機。
【請求項２】
前記複数の第２の流路は、前記ハブ部とシュラウドとの間に架設された複数の従ブレードで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
【請求項３】
前記複数の第２の流路は、前記インペラのハブ部に穿設された孔によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
【請求項４】
前記複数の第２の流路の流入部を形成する前記ハブ部が、前記回転軸の半径方向の分離面で主ハブ部と従ハブ部とに分離され、
前記流入部を形成する従ハブ部に設けられた前記複数の従ブレードの外側端は開放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。
【請求項５】
前記複数の第２の流路の流入部を形成する前記ハブ部が、前記回転軸の半径方向の分離面で主ハブ部と従ハブ部とに分離され、
前記流入部を形成する従ハブ部に設けられた前記複数の従ブレードの外側に円環形のシュラウド部が配置され、前記シュラウド部は前記インペラの背板と一体に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。
【請求項６】
前記複数の第２の流路の前記流入口から前記流出口までの全長が同径の管状流路であることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
【請求項７】
前記複数の第２の流路が前記流入口から前記流出口に向かって徐々に縮径された円錐形を有していることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
【請求項８】
前記複数の第２の流路が前記インペラの主ブレード間に複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかの項に記載の遠心圧縮機を備え、冷凍サイクルを構成する冷凍装置であって、
冷媒循環路と、
該冷媒循環路に順に設けられた前記遠心圧縮機、凝縮器、第１の膨張弁、気液分離器、第２の膨張弁及び蒸発器と、
前記気液分離器で気液分離された中間圧力の冷媒ガスを前記複数の第２の流路に供給する冷媒ガス流路とを備えていることを特徴とする冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、段間に中間吸い込み流路を有し、２つのインペラから構成される従来の２段圧縮機の機能を有し、構成、加工を簡素化した１体のインペラから構成される遠心圧縮機、及び該遠心圧縮機を組み込んだ冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１３は、単段圧縮機を備え、冷凍サイクルを構成する従来の冷凍装置１００Ａを示し、図１４は冷凍装置１００Ａのモリエル線図である。図１４中、ａは飽和液線であり、ｂは飽和蒸気線である。図１３において、冷媒循環路１０２に、単段圧縮機１０４及び単段圧縮機１０４を駆動する電動機１０６と、凝縮器１０８と、膨張弁１１０と、蒸発器１１２とが設けられている。図１４に示すように、冷凍装置１００Ａの冷凍サイクルは、凝縮器１０８による放熱過程（Ｂ→Ｃ）後に、膨張弁１１０で所定の圧力まで等エンタルピー膨張（Ｃ→Ｆ）を行い、低温の冷媒を作る（Ｆ）。次に、蒸発器１１２で、冷熱を放出（熱を吸収）し、他の媒体を冷却する（Ｆ→Ａ）。
【０００３】
図１５は、２段圧縮機を備え、中間圧力抽気式の２段圧縮２段膨張冷凍サイクルを構成する従来の冷凍装置１００Ｂを示し、図１６は冷凍装置１００Ｂのモリエル線図である。図１５において、冷媒循環路１０２に、２段圧縮機１１４及び２段圧縮機１１４を駆動する電動機１０６と、凝縮器１０８と、第１膨張弁１１６と、エコノマイザ（気液分離器）１１８と、第２膨張弁１２０と、蒸発器１１２とが設けられている。２段圧縮機１１４は、低圧圧縮機１１４ａと高圧圧縮機１１４ｂとからなり、エコノマイザ１１８で冷媒液と分離された冷媒ガスは、中間吸込み流路１２２から２段圧縮機１１４の中間圧力部に供給される。
【０００４】
図１６に示すように、冷凍装置１００Ｂでは、低圧圧縮機１１４ａによる圧縮過程（Ａ→Ａ’）及び高圧圧縮機１１４ｂによる圧縮過程（Ａ’→Ｂ）からなる２段階の圧縮過程を行うと共に、第１膨張弁１１６による膨張過程（Ｃ→Ｄ）及び第２膨張弁１２０による膨張過程（Ｅ→Ｆ）からなる２段階の膨張過程を行う。これによって、蒸発過程の開始点Ｆを図中左に移動させ、（Ｆ―Ａ）間を従来の冷凍装置１００Ａに比べ広げることで、冷媒の単位流量当りの冷凍能力を増加可能にしている。
【０００５】
従来の２段圧縮機１１４の構成は、中間圧力部で冷媒ガスの中間吸込みを可能にするため、圧縮機を低圧圧縮機と高圧圧縮機の２段に分割し、中間圧力部に中間吸込み流路を接続している。このように、圧縮機を２段に分割しているので、圧縮機の構成が複雑になり、高コストとなっている。
【０００６】
特許文献１（図１）及び特許文献２には、吸込み方向に発生する軸スラストを軽減するため、インペラのハブ部にインペラの背面側と正面側とを連通させるバランスホールを形成した遠心圧縮機が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６３−８８８９６号公報（図１）
【特許文献２】特開２００７−８５２２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述のように、冷凍装置においては、圧縮機を２段にし、中間圧力部に冷媒ガスを注気することで、冷凍能力を向上できる。一方、２段圧縮機は、単段圧縮機と比べて、構成が複雑となり、高コストとなる。そのため、構成の簡素化及び低コスト化が求められている。
特許文献１及び２に開示された手段は、遠心圧縮機の軸スラストの軽減を目的としており、中間圧力抽気式の冷凍装置に組み込まれる２段圧縮機に適用できるものでもなく、また、２段圧縮機の構成を簡素化するものでもない。
【０００９】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、低圧部と高圧部とからなる２段遠心圧縮機の機能を維持しつつ、その構成を簡素化かつ低コスト化することを目的とする。また、本発明は、構成を簡素化かつ低コスト化した遠心圧縮機を冷凍装置に組み込み、かつ従来の２段圧縮機で得られる冷凍能力を確保することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するため、本発明の遠心圧縮機は、インペラが、ハブ面に放射状に設けられ、主軸の回転によって主軸の軸方向上流から流入し半径方向外側へ吐出する被圧縮気体の第１の流路を形成する複数の主ブレードと、前記インペラのハブ部に形成され、インペラの背面に流入口を有すると共に、主ブレード間でインペラのハブ面に流出口を有する被圧縮気体の複数の第２の流路、とを有している。
そして、複数の第２の流路は、主軸の回転方向に並列に配置され、主ブレード側に向けて主軸の回転方向における主ブレードの傾斜方向と同一方向へ傾斜すると共に、第２の流路の流出口は、主軸の回転中心に対し第２の流路の流入口より半径方向外側に配置されている。
【００１１】
かかる構成により、第２の流路に流入した被圧縮気体は、インペラの回転で発生する遠心力により加圧されながら、主軸に対し流入口より外側にある流出口に向かい、インペラのハブ面に開口した流出口から流出する。このとき、インペラの流出口に向かう第１の流路と第２の流路とを流れる被圧縮気体の流れが混合した被圧縮気体のポンプ作用により、後続の被圧縮気体が第２の流路に吸引されるので、第２の流路を流れる被圧縮気体の流量を維持できる。
【００１２】
第２の流路の流出口から流出する被圧縮気体は、第１の流路を流れ圧縮過程にある被圧縮気体と同等の圧力となっている。この流出口で第２の流路から流出した被圧縮気体と第１の流路の被圧縮気体とが混合した後、主ブレードの外側端から高圧となって吐出する。
【００１３】
本発明の遠心圧縮機によれば、従来の中間圧力抽気式の２段圧縮機と同様の冷凍サイクルを構成しながら、構成、加工及び組立等を簡素化かつ低コスト化できる。また、第２の流路から第１の流路へ流出する被圧縮気体は、ハブ面で主ブレード間を流れる被圧縮気体の流れ方向と同一方向へ流出するので、両者は無衝突で混合し、衝突時の圧力損失を最小限に抑制できる。また、第２の流路の流入口から吸い込まれる被圧縮気体の流れは、第１の流路に吸い込まれる被圧縮気体の流れと軸方向で反対の向きとなる。
【００１４】
従来のインペラでは、インペラの背面に加わる圧力が、第１の流路の流入口側からインペラに加わる圧力より大きいので、主軸に加わるスラスト力は、インペラの背面側から第１の流路の流入口側に向けて作用する。本発明では、第２の流路がインペラのハブ面で第１の流路と連通するので、この連通部で両者の圧力は同一となる。これによって、第２の流路の流入口から半径方向内側領域でインペラの背面に加わる圧力が低減されるので、主軸に働くスラスト力を低減できるという副次的効果が得られる。
【００１５】
本発明の一態様として、複数の第２の流路は、インペラのハブ部とこのハブ部を取り巻くシュラウドとの間に架設された複数の従ブレードで形成することができる。別な態様として、複数の第２の流路は、インペラのハブ部に穿設された孔によって形成することができる。
【００１６】
本発明のさらに別な態様として、複数の第２の流路の流入部を形成するハブ部を、回転軸の半径方向の分離面で主ハブ部と従ハブ部とに分離し、かつ該流入部を形成する従ハブ部に設けられた複数の従ブレードの外側端を開放することができる。
これによって、第２の流路の流入部を形成するハブ部と他のハブ部とを別々に加工できるので、インペラの加工が容易になる。また、第２の流路の流入部は、ハブ部から放射状に設けられた複数の従ブレードを備えてなる、所謂オープンインペラの形態にすることができるため、第２の流路の流入部の従ブレードは、半径方向外側に配置された加工機によって容易に加工できる。
【００１７】
さらに、本発明の別な態様として、複数の第２の流路の流入部を形成するハブ部を、回転軸の半径方向の分離面で主ハブと従ハブ部とに分離し、かつ該流入部を形成する従ハブ部に設けられた複数の従ブレードの外側に円環形のシュラウドを配置し、このシュラウドを前記インペラの背板と一体に形成することができる。
インペラに設けられたブレードとケーシングとの間の隙間は遠心圧縮機の圧縮効率の低下を招くが、従ブレードの外側を円環形のシュラウド部で囲むことで、従ブレードとシュラウドとの間の隙間を最小限にすることができる。これによって、圧縮効率の低下を防止できる。
【００１８】
本発明のさらに別な態様として、複数の第２の流路の流入口から流出口までの全長を同径の管状流路で形成することができる。これによって、該流路をドリルを用いた１切削工程で容易に形成でき、第２の流路の加工に要する手間を省くことができる。
また、さらに別な態様として、複数の第２の流路が流入口から流出口に向かって徐々に縮径された円錐形流路を有するように加工することができる。これによって、第２の流路を流れる被圧縮気体の圧縮比を高めることができる。
【００１９】
また、さらに第２の流路の別な態様として、上記管状流路や円錐型流路をインペラの主ブレード間に複数設けても良い。さらに、第２の流路の形状は、円管状や円錐状だけでなく、矩形断面や三角形状の断面、さらに円形断面が連続して形成される任意の断面形状から構成されても良い。例えば、これらの流路形状はボールエンドミルの側面にて切削加工することができる。
【００２０】
また、本発明の冷凍装置は、前記構成の遠心圧縮機を備え、中間圧力抽気式の２段圧縮２段膨張冷凍サイクルを構成したものである。即ち、冷媒循環路と、冷媒循環路に順に設けられた前記構成の遠心圧縮機、凝縮器、第１の膨張弁、気液分離器、第２の膨張弁及び蒸発器と、気液分離器で気液分離された中間圧力の冷媒ガスを前記構成の遠心圧縮機のインペラに設けられた複数の第２の流路に供給する冷媒ガス流路とを備えている。
【００２１】
かかる構成において、凝縮器を出た冷媒液は、第１の膨張弁を通過して遠心圧縮機の中間圧力部の圧力と同等の圧力となる。この中間圧力を有し、気液分離器で冷媒液と分離された冷媒ガスは、冷媒ガス流路を通って、遠心圧縮機のインペラに設けられた複数の第２の流路に吸引される。こうして、第２の流路に中間圧力を有する冷媒ガスが吸入され、この冷媒ガスは、インペラの回転により第２の流路内で圧縮され、第２の流路の流出口で、第１の流路の冷媒ガスと同等の圧力で合流する。そして、合流した冷媒ガスが、主ブレードの外側端で高圧となって吐出される。
【００２２】
これによって、本発明の冷凍装置は、中間圧力抽気式の２段圧縮２段膨張冷凍サイクルを構成できる。そのため、高い冷凍能力を維持しながら、圧縮機を単段圧縮機と同等の簡素化された構成とすることができる。そのため、加工及び組立等の作業を含め、圧縮機を低コスト化できる。
なお、本発明の遠心圧縮機は、冷凍装置だけでなく、被圧縮気体の流入口を２個有し、被圧縮気体の吐出口を１個有する各種用途の遠心圧縮機に適用できる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の遠心圧縮機によれば、従来の中間圧力抽気式の２段圧縮機と同等の機能を有しつつ、構成、加工及び組立等を簡素化かつ低コスト化できると共に、被圧縮気体の圧力損失を最小限に抑えることができる。
また、本発明の遠心圧縮機を組み込んだ本発明の冷凍装置は、従来の中間圧力抽気式の２段圧縮２段膨張冷凍サイクルと同等の冷凍能力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機の側面図である。
【図２】前記遠心圧縮機の子午面を示す断面図である。
【図３】前記遠心圧縮機の正面図である。
【図４】前記遠心圧縮機を組み込んだ冷凍装置の系統図である。
【図５】前記冷凍装置のモリエル線図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る遠心圧縮機の子午面を示す断面図である。
【図７】前記第２実施形態に係る遠心圧縮機の正面図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る遠心圧縮機の子午面を示す断面図である。
【図９】本発明の第４実施形態に係る遠心圧縮機の子午面を示す断面図である。
【図１０】前記第４実施形態に係る遠心圧縮機の正面図である。
【図１１】前記第４実施形態の変形例に係る遠心圧縮機の正面図である。
【図１２】前記第４実施形態の別な変形例に係る遠心圧縮機の正面図である。
【図１３】従来の単段圧縮機を備えた冷凍装置の系統図である。
【図１４】図１３の冷凍装置のモリエル線図である。
【図１５】従来の２段圧縮機を備えた冷凍装置の系統図である。
【図１６】図１５の冷凍装置のモリエル線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
【００２６】
（実施形態１）
本発明の第１実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。図１において、本実施形態の遠心圧縮機１０Ａは、ケーシング１２の内部に、インペラ１４が配置されている。インペラ１４は主軸１６に固定され、主軸１６と共に回転駆動される。インペラ１４は、一体となった主インペラ部１８Ａと従インペラ部２０Ａとで構成されている。主インペラ部１８Ａは、円錐形状を有する主ハブ部２２と、主ハブ部２２の主ハブ面２２ａから半径方向に放射状に突設された複数の主ブレード２４とから構成されている。図示のように、主ブレード２４の翼前縁２４ａは、主軸１６の中心軸Ｏ１に対し６０°前後の傾きをもち、主ブレード２４の翼後縁２４ｂに向けて半径方向且つ回転方向に滑らかに曲折している。
【００２７】
主ハブ部２２の側面には円盤状の背板２６が主ハブ部２２を半径方向に延在するように一体に形成され、背板２６の内側（図１中左側）には、インペラ１４の背面に開口した流入口３４ａを有する第２の流路３４が形成されている。主ハブ部２２に設けられた第２の流路３４を含む領域を従インペラ部２０Ａと呼ぶことにする。
この従インペラ部２０Ａは、第２の流路３４を形成する円錐形状の周方向面を有する従ハブ部２８と、主ブレードと類似の形状を有し互いに間隔を置いて複数の放射状に突設された部材である従ブレード３０と、従ブレード３０の外側に構成された短尺環状の部分である従シュラウド３２、とで構成されている。
【００２８】
従ブレード３０の翼前縁３０ａは、背板２６を中心として主ブレード２４の翼前縁２４ａの傾斜方向と面対称状となるように、主軸１６の中心軸Ｏ１に対し６０°前後の傾斜角をもって傾斜している。なお、主ブレード２４及び従ブレード３０は、主軸１６の周方向全周に亘って設けられているが、図１には便宜のため一部のみ図示され、他は省略されている。
【００２９】
ケーシング１２には、主ブレード２４の翼後縁２４ｂに対面して開口し、ケーシング壁１２ａで形成された吐出流路１３が形成されている。また、従ブレード３０間に構成された第２の流路３４の流入口３４ａに対面した位置に開口したケーシング壁１２ｂで形成される流入路１５が形成されている。主軸１６と共にインペラ１４が回転すると、主インペラ部１８Ａでは、主軸１６の外側（図１中右側）に位置する低圧の入口領域Ｒ１から被圧縮気体が主インペラ部１８Ａに吸引される。そして、主ブレード２４の間を通る間に高圧となって、主ブレード２４の翼後縁２４ｂから吐出する被圧縮気体の第１の流れＦ１が形成される。
【００３０】
同様に、従インペラ部２０Ａでは、第２の流れＦ２は、従インペラ部２０Ａの回転によってケーシング壁１２ｂで形成された流入路１５から被圧縮気体が吸引され、従ブレード３０の間に被圧縮気体の複数の第２の流れＦ２が形成される。従インペラ部２０Ａは主ハブ部２２に整形された円錐形状の第２の流路３４で構成される。第２の流路３４は従ブレード３０間の流路で形成され、第２の流路３４の流入口３４ａは流入路１５に対向するように開口し、第２の流路３４の流出口３４ｂは主ハブ面２２ａに開口している。
【００３１】
第２の流路３４の入り口３４ａから出口３４ｂに至る従ブレード３０の翼前縁３０ａから翼後縁３０ｂまでの翼形状は、主ブレード２４の翼前縁２４ａから第２の流路３４の流出口３４ａまでの主ブレード２４の入口側領域と同様の翼形状をもって形成されている。
これにより、第２の流れＦ２は、第２の流路３４の流入口３４ａから従インペラ部２０Ａに流入し、従ブレード３０の作用により遠心力が与えられ、流れの圧力が上昇して流出口３４ｂから流出する。
【００３２】
このとき、第２の流路３４の流出口３４ｂにおいて、第２の流れＦ２の圧力と第１の流れＦ１の圧力とは等しくなり、第１の流れＦ１と第２の流れＦ２とが合流する。
図１中、ラインＯ２は、第１の流れＦ１の流れ中心を示し、ラインＯ３は、第２の流れＦ２の流れ中心を示している。
【００３３】
図２は、インペラ１４の子午面（ブレードの形状を回転の中心軸Ｏ１を含む断面に回転投影した図）を示している。図２に示す子午面での流れにおいて、主ブレード２４は翼後縁２４ｂに向けて回転方向に滑らかに曲折し、第１の流れＦ１を背板２６にほぼ平行になるように流出させる。従ブレード３０は流出口３４ｂに向けて回転方向に滑らかに曲折し、主ブレード２４の翼前縁２４ａと軸方向反対側から流入する第２の流れＦ２を背板２６にほぼ平行になるように流出口３４ｂから流出させる。
【００３４】
図３は、インペラ１４を主インペラ部入口側から視た正面図である。流出口３４ｂに於いて、従ブレード３０と主ブレード２４は連続する一枚の翼を構成し、従ブレード３０の翼の勾配と主ブレード２４の翼の勾配とがほぼ一致している。
そのため、第２の流れＦ２は、流出口３４ｂから第１の流れＦ１とほぼ同一方向へ流出するため、第１の流れＦ１とほぼ無衝突で合流できる。合流した流れ（Ｆ１＋Ｆ２）は、流出口３４ｂから翼後縁２４ｂまでの主ブレード２４により同じ仕事を受け、遠心力により高圧となってインペラ吐出口からケーシング壁１２ａで形成された吐出流路１３に流出する。図中、矢印ｃは主軸１６の回転方向を示す。
【００３５】
図２において、第２の流路３４の流入口３４ａの平均半径（流入口３４ａの外径と内径の自乗平均径）ｒ２は、主ブレード２４の翼前縁２４ａの平均半径ｒ１と同等又はそれより大きくなるように設定されている。また、流出口３４ｂの平均半径ｒ３は流入口３４ａの平均半径ｒ２より大きくなるように設定されている。即ち、ｒ１≦ｒ２＜ｒ３＜ｒ４（主ブレード２４の翼後縁２４ｂの平均半径）となるように構成されている。
【００３６】
図３に示すように、従ブレード３０の第２の流路３４の出口端は、主軸回転方向において、主ブレード２４と同一位置にあり、主ブレード２４に連設されている。第２の流路３４の流出口３４ｂは環状に開口するが、複数の主ブレード２４で主軸１６の周方向に複数に仕切られるため、個々の流出口３４ｂは矩形となっている。なお、各流出口３４ｂの回転方向ｃの長さは、主ブレード２４間の間隔の全幅に亘って形成してもよく、あるいは強度上必要であれば、主ブレード２４間で部分幅となるように、従ブレード３０の枚数を増加させてもよい。
【００３７】
遠心圧縮機１０Ａは、図４に示す冷凍装置６０に設けられる。以下、図４により、冷凍装置６０の構成を説明する。図４において、冷媒循環路６２に、遠心圧縮機１０Ａが設けられ、減速機６４を介して遠心圧縮機１０Ａを駆動する電動機６６が設けられている。冷媒循環路６２には、順々に凝縮器６８と、第１膨張弁７０と、エコノマイザ（気液分離器）７２と、第２膨張弁７４と、蒸発器７６とが設けられている。エコノマイザ７２で冷媒液と分離され、中間圧力を有する冷媒ガスは、中間吸込み流路７８から遠心圧縮機１０Ａの流入路１５に供給される。
【００３８】
図５に、冷凍装置６０のモリエル線図を示す。主インペラ部１８Ａの入口領域Ｒ１には、被圧縮気体として、蒸発器７６で蒸発した後のＡ点の状態の冷媒ガスが供給される。主インペラ部１８Ａに供給された冷媒ガスの第１の流れＦ１は、流出口３４ｂ付近で圧力がＨ点まで上昇する。その後、主ブレード２４に沿って流れる間にさらに圧力がＢ点まで連続的に上昇した後、吐出流路１３に吐出される。
【００３９】
一方、エコノマイザ７２で気液分離された冷媒ガスは、Ｇ点の状態で流入口３４ａに流入する。流入口３４ａの平均半径ｒ２と流出口３４ｂの平均半径ｒ３の関係はｒ２＜ｒ３であるため、冷媒ガスの第２の流れＦ２には、インペラ１４の回転により遠心力が作用する。そのため、第２の流れＦ２の圧力が上昇する。
【００４０】
そして、第２の流れＦ２は、流出口３４ｂで第１の流れＦ１と混合し、Ｈ点の状態となる。その後、混合流（Ｆ１＋Ｆ２）はさらに主ブレード２４に沿って流れる間に圧力が上昇し、主ブレード２４の出口端２４ｂでＢ点の状態となり、吐出流路１３に吐出される。その他の状態点の変化は、図１６に示す中間圧力抽気式の２段圧縮２段膨張冷凍サイクルと同じである。
【００４１】
本実施形態によれば、１台の遠心圧縮機１０Ａで、２段分の圧力上昇と、中間圧力での抽気を行うことができる。また、遠心圧縮機１０Ａを冷凍装置６０に組み込むことで、中間圧力抽気式の２段圧縮２段膨張冷凍サイクルを構成でき、冷凍能力を高めることができる。また、遠心圧縮機１０Ａは、従来の２段圧縮機と比べ、構成を簡素化でき、低コスト化できる。さらに、組立、分解等の作業量も削減でき、この点からもさらなる低コスト化が可能になる。
【００４２】
また、第２の流路３４では、従ブレード３０のポンプ作用により、後続の冷媒ガスが流入路１５から流入口３４ａに吸引されるので、第２の流れＦ２の流量を維持できる。また、主ハブ面２２ａから流出する冷媒ガスの第２の流れＦ２は、冷媒ガスの第１の流れＦ１とほぼ同一の方向へ流出するので、両者は無衝突で混合し、衝突時の圧力損失を最小限に抑制できる。
【００４３】
一般に、インペラ１４の背面に加わる圧力は、第１の流れＦ１の流入口側からインペラ１４に加わる圧力より大きいので、スラスト力は、インペラ１４の背面側から第１の流れＦ１の流入口側に向けて作用する。しかし、本実施形態では、前述のように、流入口３４ａから半径方向内側領域で，従インペラ部２０Ａに加わる圧力が低減されるので、主軸１６に働くスラスト力を低減できるという副次的効果が得られる。
【００４４】
（実施形態２）
次に、本発明の第２実施形態を図６及び図７により説明する。図６において、本実施形態の遠心圧縮機１０Ｂは、従インペラ部２０Ｂが、主軸１６の半径方向の分離面４２を境界として主インペラ部１８Ａと別体に構成されている。従インペラ部２０Ｂには、複数の従ブレード３０Ａが従ハブ面２８ａから半径方向に互いに間隔を置いて放射状に突設されている。従ブレード３０Ａの外側端にハウジング１２の内壁が近接配置されている。
【００４５】
従ブレード３０Ａ間には、流入路１５に連なる位置に流入口３４ａを有する被圧縮気体の第２の流路３４の入口側領域が形成されている。主ハブ部２２には、従ブレード３０Ａ間に形成された第２の流路３４の入口側領域に連なる位置に、従ブレード３０Ｂ間で構成される円錐形状の第２の流路３４の出口側領域が形成されている。
【００４６】
即ち、第２の流路３４は、従インペラ部２０Ｂに形成された従ブレード３０Ａ間の流路と、主ハブ部２２に貫通孔を形成し、隣り合う貫通孔間の部材でなる従ブレード３０Ｂの間の流路、として形成され、これらの流路が連続するように構成されている。この第２の流路３４は流入路１５に対向するように流入口３４ａを有し、主インペラのハブ面２２ａに流出口３４ｂが形成されている。
本実施形態の第２の流路３４は、前記第１実施形態の従ブレード３０間に形成される第２の流路３４と同一の配置及び形状となるように構成されている。
【００４７】
従インペラ部２０Ｂを固定する手段として、ライン４０に示す位置で主インペラ部１８Ａにボルト結合してもよく、あるいは、主インペラ部１８Ａとは別個に主軸１６に直接固定してもよい。
図７には、従ブレード３０Ａの入口端３０ａ、従ブレード３０Ｂの出口端３０ｂ、及び背板２６及び主ハブ部２２に形成された貫通孔（第２の流路）３４の主ハブ面２２ａにおける流出口３４ｂが図示されている。その他の構成は第１実施形態と同一であり、同一の機器又は部材には同一符号を付している。
【００４８】
本実施形態によれば、前記第１実施形態で得られる作用効果に加えて、従インペラ部２０Ｂを主インペラ部１８Ａと別体に形成したので、従インペラ部２０Ｂの加工が容易になるという利点がある。特に、従インペラ部２０Ｂの従ブレード３０Ａは、外側端が開放されているので、半径方向外側から５軸ＮＣ加工機等で容易に加工できる。また、主ハブ部２２及び背板２６に貫通孔３４を形成するだけで、第２の流路を形成できるので、第２の流路の加工が容易になるという利点がある。
【００４９】
（実施形態３）
次に、本発明の第３実施形態を図８により説明する。本実施形態の遠心圧縮機１０Ｃでは、従インペラ部２０Ｂは、主軸１６の半径方向の分離面４２を境界として主インペラ部１８Ｂと別体に形成され、前記第２実施形態の従インペラ部２０Ｂと同一の構成を有している。第２実施形態と異なる構成は、従インペラ部２０Ｂのシュラウドの構成である。従シュラウド部４４は、背板２６と一体に形成され、従ブレード３０Ａの外側端と微小間隔をもって、従ブレード３０Ａの外側に配置されている。
【００５０】
従ブレード３０Ａの外側端とケーシング１２の内面との間に隙間があると、該隙間からの漏れにより、遠心圧縮機の圧縮効率は低下する。本実施形態では、従シュラウド部４４を設けたことで、従ブレード３０Ａと従シュラウド部４４との間の隙間を最小限にすることができる。これによって、遠心圧縮機１０Ｃの圧縮効率の低下を防止できるという利点がある。
【００５１】
（実施形態４）
次に、本発明の第４実施形態を図９及び図１０により説明する。本実施形態の遠心圧縮機１０Ｄでは、従インペラ部２０Ｃは、背板２６及び主ハブ部２２と一体に形成されている。従インペラ部２０Ｃに形成される第２の流路３４は、一定直径のドリルで従インペラ部２０Ｃ及び主ハブ部２２に穿設された貫通孔５０で形成されている。貫通孔５０はドリルで切削されるため、長手方向に直線状の軸線５０ｃを有している。貫通孔５０は、前記第１実施形態から前記第３実施形態の第２の流路３４と同様に、第２の流路の流入口３４ａにおける中心軸５０ｃの角度は、回転の中心軸Ｏ１に対し６０°前後の傾斜を有している。かかる形状を有する複数の貫通孔５０が主軸１６の周方向全周に形成されている。軸線５０ｃは第２の流路３４の内周面連続的な冷却中心Ｏ３と一致する。
【００５２】
貫通孔５０の入口５０ａは、流入路１２ｂの開口に対面した位置に配置され、出口５０ｂは主インペラ部１８Ａの主ハブ面２２ａに開口している。入口５０ａは第２の流路３４の流入口３４ａとなり、出口５０ｂは第２の流路３４の流出口３４ｂとなる。
【００５３】
図９は、主軸１６を含む断面に円周方向に投影した子午面を示す図である。貫通孔５０で形成される第２の流路３４は、前記第１実施形態の子午面形状（図２に図示）と同様に湾曲した子午面形状となり、第１実施形態の理想的な第２の流路３４の形状と近似することができる。なお、図１０では、貫通孔５０の出口５０ｂは、主ブレード２４のブレード間のほぼ中央に開口されているが、主ブレード２４の圧力面側に接するように形成されても、負圧面側に接するように形成されてもよい。
【００５４】
図１０に示すように、第２の流路３４は軸方向に対し回転方向ｃに鋭角に傾斜しているので、入口５０ａ及び出口５０ｂの形状は楕円となる。従って、被圧縮気体は、流入路１２ｂから乱れることなく、入口５０ａに流入でき、かつ出口５０ｂから乱れることなく流出し、かつ第１の流れＦ１と無衝突で合流できる。
このように、従インペラ部２０Ｃに形成される第２の流路３４は、入口５０ａから主ハブ面２２ａに開口する出口５０ｂまでの短い長さであるので、インシデンス損失や壁面摩擦損失によるエントロピーの上昇は少ない。従って、本実施形態のように、加工性を優先させ、ドリルを用い、１切削工程で第２の流路３４を形成できるので、低コストとなる。
【００５５】
図１１は前記第４実施形態の変形例を示す。本変形例では、円錐状のミルを用い、直線状の軸線５２ｃを有し、入口５２ａの直径が大きく、出口５２ｂの直径が小さい円錐形状の貫通孔５２（第２の流路３４）を形成している。円錐形状のミルを用いる代わりに、ドリルやミルの中心軸を円錐状に動作させて貫通孔５２を形成してもよい。第２の流路３４を形成する貫通孔５２の流入口５２ａの断面を代表する中心線５２ｃは、貫通孔５０と同様に、中心軸Ｏ１に対し６０°前後の傾斜を有している。かかる形状を有する複数の貫通孔５２が主軸１６の周方向全域に形成されている。
【００５６】
本変形例では、第４実施形態で得られる作用効果に加えて、出口５２ｂの直径が小さい円錐形状の貫通孔５２を形成することで、出口５２ｂから流出する被圧縮気体の流速を調整し、出口５２ｂ（第２の流路３４の流出口３４ｂ）における第１の流れＦ１の流速とほぼ一致させることで、第２の流れＦ２が第１の流れＦ１と混合する際の損失を低減することができる。
【００５７】
図１２は、第４実施形態のさらなる変形例を示す。本変形例では、第２流路３４を複数の円管状または円錐状の貫通孔５４で構成した例である。従インペラ部２０Ｃの流入口５４ａは隣り合う貫通孔５４が周方向に重なり合うように開口されてもよい。図１２では、入口５４ａが１個で、出口５４ｂが２個で、直線状の軸線５４ｃを有する貫通孔５４（第２の流路３４）が形成されており、主ブレード２４の翼間に穿孔された２つの貫通孔５４が入口５４ａで周方向に重なり合っている例である。２個の出口５４ｂは主ブレード２４間に開口している。かかる構成の貫通孔５４によっても、本発明の目的を達成できる。また、ドリルで容易に加工できる。
【００５８】
なお、本変形例とは別な構成として、隣り合う第２の流路３４の貫通孔の入り口がすべて周方向に交差するように形成されていてもよい。あるいは、隣り合う第２の流路の入口の径が異なる流路としてもよい。いずれの例でも、加工が容易な第２の流路を形成できる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明によれば、例えば、冷凍装置に適用可能な中間圧力抽気式の遠心圧縮機の構成を簡素化かつ低コスト化できる。
【符号の説明】
【００６０】
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ        遠心圧縮機
１２                                  ケーシング
１２ａ、１２ｂ                      ケーシング壁
１３                                  吐出流路
１４                                  インペラ
１５                                  流入路
１６                                  主軸
１８Ａ、１８Ｂ                        主インペラ部
２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ                従インペラ部
２２                                  主ハブ部
２２ａ                              主ハブ面
２４                                  主ブレード
２４ａ                              翼前縁
２４ｂ                              翼後縁
２６                                  背板
２８                                  従ハブ部
２８ａ                              従ハブ面
３０、３０Ａ、３０Ｂ                  従ブレード
３０ａ                              翼前縁
３０ｂ                              翼後縁
３２                                  従シュラウド
３４                                  第２の流路
３４ａ                                流入口
３４ｂ                                流出口
５０、５２、５４                      貫通孔（第２の流路）
５０ａ、５２ａ、５４ａ              入口
５０ｂ、５２ｂ、５４ｂ              出口
４２                                  分離面
４４                                  従シュラウド部
６０，１００Ａ、１００Ｂ              冷凍装置
６２，１０２                          冷媒循環路
６４                                  減速機
６６，１０６                          電動機
６８，１０８                          凝縮器
７０，１１６                          第１膨張弁
７２，１１８                          エコノマイザ（気液分離器）
７４，１２０                          第２膨張弁
７６，１１２                          蒸発器
７８，１２２                          中間吸込み流路
１０４                                単段圧縮機
１１０                                膨張弁
１１４                                ２段圧縮機
１１４ａ                              低圧圧縮機
１１４ｂ                              高圧圧縮機
Ｆ１                                    第１の流れ
Ｆ２                                    第２の流れ
Ｏ２，Ｏ３                              流れ中心
Ｏ１                                    中心軸
Ｒ１                                    入口領域
ａ                                      飽和液線
ｂ                                      飽和蒸気線
ｃ                                      回転方向
【図１】
2014173499.tif 000003
【図２】
2014173499.tif 000004
【図３】
2014173499.tif 000005
【図４】
2014173499.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2014173499.tif 000009
【図８】
2014173499.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2014173499.tif 000012
【図１１】
2014173499.tif 000013
【図１２】
2014173499.tif 000014
【図１３】
2014173499.tif 000015
【図１４】
2014173499.tif 000016
【図１５】
2014173499.tif 000017
【図１６】
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