(57)【要約】【課題】圧力損失の低減及びコストダウンを図ることができるディフューザ及び遠心圧縮機を提供する。【解決手段】流体の流路を形成するハウジング２と、ハウジング２に回転可能に支持されるとともに複数のブレード３ａを有するインペラ３と、インペラ３により吸い込んだ流体を径方向外方に吐き出す流路を形成するディフューザ４と、ディフューザ４から供給される流体を周方向に送りながら外部に案内するスクロール部５と、を有し、ディフューザ４は、インペラ３の軸方向下流側に平面展開された第一壁面部４１と、インペラ３の軸方向上流側に平面展開された第二壁面部４２と、を備え、第一壁面部４１及び第二壁面部４２が、周方向に凹凸を繰り返した曲面を有し、第二壁面部４２を周方向に回動させることによって、第一壁面部４１と第二壁面部４２との隙間を調節するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インペラにより吸い込んだ流体を径方向外方に吐き出す流路を形成するディフューザにおいて、
前記インペラの軸方向下流側に平面展開された第一壁面部と、前記インペラの軸方向上流側に平面展開された第二壁面部と、を備え、前記第一壁面部及び前記第二壁面部は、周方向に凹凸を繰り返した曲面を有し、少なくとも前記第一壁面部又は前記第二壁面部の一方を周方向に回動させることによって、前記第一壁面部と前記第二壁面部との隙間を調節するようにした、ことを特徴とするディフューザ。
【請求項２】
前記第一壁面部及び前記第二壁面部は、同一形状の前記曲面を有し、同位相の場合に周方向に均一な隙間の流路を形成し、位相をずらした場合に周方向の隙間が変化した流路を形成する、ことを特徴とする請求項１に記載のディフューザ。
【請求項３】
前記第一壁面部及び前記第二壁面部のうち回動される壁面部は、前記インペラの外周に配置される円筒部材の一端面によって構成され、該円筒部材の他端面に周方向に回動させる駆動機構が接続されている、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のディフューザ。
【請求項４】
流体の流路を形成するハウジングと、該ハウジングに回転可能に支持されるとともに複数のブレードを有するインペラと、該インペラにより吸い込んだ流体を径方向外方に吐き出す流路を形成するディフューザと、該ディフューザから供給される流体を周方向に送りながら外部に案内するスクロール部と、を有する遠心圧縮機において、
前記ディフューザは、請求項１〜３の何れか一項に記載のディフューザである、ことを特徴とする遠心圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディフューザ及び遠心圧縮機に関し、特に、羽根を使用せずに整流可能なディフューザ及び該ディフューザを備えた遠心圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心圧縮機は、インペラの回転によって流体を吸い込み、径方向外方に流体を吐き出すことにより、遠心力によって流体の圧力を上昇させるものである。かかる遠心圧縮機は、一般に、流体の流路を形成するハウジングと、該ハウジングに回転可能に支持されるとともに複数のブレードを有し流体を昇圧するインペラと、該インペラにより吸い込んだ流体を径方向外方に吐き出す流路を形成し流体を減速するディフューザと、該ディフューザから供給される流体を周方向に送りながら外部（吐出管）に案内するスクロール部と、を有している（例えば、特許文献１及び特許文献２等参照）。
【０００３】
ところで、スクロール部における圧力損失は、一般に、スクロール部への流入角度で決定される。したがって、ディフューザからスクロール部に供給される流体は、常に一定の流入角度に整流することが好ましい。しかしながら、遠心圧縮機では、インペラが高速回転する場合には流入角度が小さく、インペラが低速回転する場合には流入角度が大きくなることから、インペラの回転速度によって流入角度が変化してしまい、全体として圧力損失の低減を図ることが難しい。
【０００４】
そこで、ディフューザを通過する流体を整流するための機構が種々提案されている。例えば、特許文献１に記載された遠心圧縮機は、ディフューザ内に出没可能な可動羽根を配置したものであり、特許文献２に記載された遠心圧縮機は、ディフューザ内に角度調節可能なガイドベーンを配置したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２０５１８６号公報
【特許文献２】特開２００９−２７０４６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１に記載された遠心圧縮機では、ディフューザ内に出没可能な可動羽根を有するものの、その角度を調節することができないことから、可動羽根の表面で剥離が生じやすい、インペラの回転速度（作動領域）が制限される等の問題を生じる。
【０００７】
また、上述した特許文献２に記載された遠心圧縮機では、ガイドベーンの角度を調節することにより、剥離の低減やインペラの作動領域の拡大を図ることができる。しかしながら、かかるベーンの可変構造は、一般に、複雑であるとともに部品点数が多く、遠心圧縮機のコストアップの要因となってしまう。
【０００８】
本発明は、上述した問題点に鑑み創案されたものであり、圧力損失の低減及びコストダウンを図ることができるディフューザ及び遠心圧縮機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、インペラにより吸い込んだ流体を径方向外方に吐き出す流路を形成するディフューザにおいて、前記インペラの軸方向下流側に平面展開された第一壁面部と、前記インペラの軸方向上流側に平面展開された第二壁面部と、を備え、前記第一壁面部及び前記第二壁面部は、周方向に凹凸を繰り返した曲面を有し、少なくとも前記第一壁面部又は前記第二壁面部の一方を周方向に回動させることによって、前記第一壁面部と前記第二壁面部との隙間を調節するようにした、ことを特徴とするディフューザが提供される。
【００１０】
また、本発明によれば、流体の流路を形成するハウジングと、該ハウジングに回転可能に支持されるとともに複数のブレードを有するインペラと、該インペラにより吸い込んだ流体を径方向外方に吐き出す流路を形成するディフューザと、該ディフューザから供給される流体を周方向に送りながら外部に案内するスクロール部と、を有する遠心圧縮機において、前記ディフューザは、前記インペラの軸方向下流側に平面展開された第一壁面部と、前記インペラの軸方向上流側に平面展開された第二壁面部と、を備え、前記第一壁面部及び前記第二壁面部が、周方向に凹凸を繰り返した曲面を有し、少なくとも前記第一壁面部又は前記第二壁面部の一方を周方向に回動させることによって、前記第一壁面部と前記第二壁面部との隙間を調節するようにした、ことを特徴とする遠心圧縮機が提供される。
【００１１】
上述したディフューザ及び遠心圧縮機において、前記第一壁面部及び前記第二壁面部は、同一形状の前記曲面を有し、同位相の場合に周方向に均一な隙間の流路を形成し、位相をずらした場合に周方向の隙間が変化した流路を形成するように構成してもよい。
【００１２】
また、前記第一壁面部及び前記第二壁面部のうち回動される壁面部は、前記インペラの外周の配置される円筒部材の一端面によって構成され、該円筒部材の他端面に周方向に回動させる駆動機構が接続されていてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
上述した本発明に係るディフューザ及び遠心圧縮機によれば、第一壁面部又は第二壁面部の何れか一方又は両方を周方向に回動させることによって、前記第一壁面部及び前記第二壁面部によって形成される隙間（流路）の大きさを周方向に変化させることができ、スクロール部への流入角度を調節することができ、圧力損失の低減を図ることができる。また、ディフューザの流路内に複数の可動羽根やガイドベーンを配置する必要がなく、駆動機構を簡素化又は簡略化することができ、部品点数を低減することができ、コストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の同位相モードにおける断面図であり、（ａ）は山部、（ｂ）は谷部、を示している。
【図２】本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の逆位相モードにおける断面図であり、（ａ）は閉部、（ｂ）は開部、を示している。
【図３】本発明の実施形態に係るディフューザを示す外観図であり、（ａ）は同位相モード、（ｂ）は逆位相モード、を示している。
【図４】図３に示したディフューザの作用を示す断面図であり、（ａ）は同位相モードの谷部、（ｂ）は逆位相モードの開部、を示している。
【図５】図３に示したディフューザの作用を示す平面図であり、（ａ）は同位相モード、（ｂ）は逆位相モード、を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について図１〜図５を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の同位相モードにおける断面図であり、（ａ）は山部、（ｂ）は谷部、を示している。図２は、本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の逆位相モードにおける断面図であり、（ａ）は閉部、（ｂ）は開部、を示している。図３は、本発明の実施形態に係るディフューザを示す外観図であり、（ａ）は同位相モード、（ｂ）は逆位相モード、を示している。
【００１６】
本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１は、図１〜図３に示したように、流体の流路を形成するハウジング２と、ハウジング２に回転可能に支持されるとともに複数のブレード３ａを有するインペラ３と、インペラ３により吸い込んだ流体を径方向外方に吐き出す流路を形成するディフューザ４と、ディフューザ４から供給される流体を周方向に送りながら外部に案内するスクロール部５と、を有し、ディフューザ４は、インペラ３の軸方向下流側に平面展開された第一壁面部４１と、インペラ３の軸方向上流側に平面展開された第二壁面部４２と、を備え、第一壁面部４１及び第二壁面部４２が、周方向に凹凸を繰り返した曲面を有し、第二壁面部４２を周方向に回動させることによって、第一壁面部４１と第二壁面部４２との隙間の大きさを調節するようにしたものである。
【００１７】
図示した遠心圧縮機１は、例えば、過給器や送風機等に使用される圧縮機である。ハウジング２は、空気等の流体を吸い込む吸気口２１、インペラ３の収容部、ディフューザ４及びスクロール部５により形成される流路を内部に有している。スクロール部５は、吸気口２１の周囲を取り巻くように渦巻き形状に形成されており、吐出口（図示せず）に向かって徐々に流路断面積が増大するように構成されている。
【００１８】
インペラ３は、略円錐台形状を有するディスク３ｂの表面に複数のブレード３ａを配置した羽根車である。ブレード３ａは、ディスク３ｂと鋳造等により一体に形成されていてもよいし、溶接等により後付するようにしてもよい。また、インペラ３のディスク３ｂには駆動軸３ｃが形成されており、駆動軸３ｃは電動モータやタービン等の動力源（図示せず）に接続されている。
【００１９】
かかるインペラ３を回転駆動させると、遠心圧縮機１は、吸気口２１から軸方向に流体を吸い込み、インペラ３によって径方向外方に流体を案内してディフューザ４に吐き出す。インペラ３からディフューザ４に供給される流体は、周方向に流れを有する旋回流となっており、インペラ３の回転速度（回転数）によって、スクロール部５への流入角度が変化することとなる。したがって、ディフューザ４内に整流手段を有しない羽根なしディフューザの場合には、遠心圧縮機１の作動領域によって圧力損失が変動し、効率的な運転をすることが難しかった。
【００２０】
一方、ディフューザ４内に整流手段（可動翼等）を有する羽根ありディフューザの場合には、遠心圧縮機１の作動領域によって流体の流入角度を可変にすることができ、一定の範囲において圧力損失を低減することができ、効率的な運転をすることができる。しかしながら、かかる羽根ありディフューザの場合、特定の遠心圧縮機１の作動領域によっては翼面で流体の剥離を生じて圧力損失が発生してしまう、構造が複雑でありコストアップの要因となりやすい等の問題を有していた。
【００２１】
そこで、本発明では、ディフューザ４を構成する壁面そのものを可変とすることにより、遠心圧縮機１の作動領域に応じて流路形状を変更し、簡便かつ低廉な構造で圧力損失を低減しようとするものである。
【００２２】
ディフューザ４は、インペラ３のディスク３ｂの表面から連なる流路面を形成する第一壁面部４１と、インペラ３のブレード３ａの先端面に連なる流路面を形成する第二壁面部４２と、有している。この第一壁面部４１及び第二壁面部４２からなる一対の対峙する壁面によって形成された隙間によって流路が形成され、ディフューザ４が構成される。
【００２３】
図示したように、第一壁面部４１はハウジング２の内面によって形成される。第一壁面部４１は、後述する第二壁面部４２と対峙する部分に形成されており、周方向に凹凸を繰り返した曲面を有している。例えば、図１（ａ）では、凸部４１ａを実線で表示し、凹部４１ｂを破線で表示している。また、図１（ｂ）では、凹部４１ｂを実線で表示し、凸部４１ａを破線で表示している。かかる曲面の凹部４１ｂは、径方向内方から外方に向かって流路断面積が増大するように傾斜している。なお、かかる第一壁面部４１は、スクロール部５の内面と滑らかに接続するように形成されている。
【００２４】
一方、回動される壁面部を構成する第二壁面部４２は、インペラ３の外周に配置される円筒部材４２ａの一端面によって構成され、円筒部材４２ａの他端面に周方向に回動させる駆動機構４２ｂが接続されている。ハウジング２には、第二壁面部４２を形成する円筒部材４２ａを挿入できるように環状の挿通部が形成されており、図の上側から円筒部材４２ａを挿入できるように構成されている。円筒部材４２ａの外側（ハウジング２の外表面）には、円筒部材４２ａの挿通部を密封するための蓋部材４２ｃが配置されている。蓋部材４２ｃは、ボルト等の締結具によってハウジング２に固定される。なお、円筒部材４２ａの側面部と挿通部との間には軸受けを配置するようにしてもよい。
【００２５】
円筒部材４２ａの駆動機構４２ｂは、例えば、円筒部材４２ａの他端面から延出されたピン４２ｄと、ピン４２ｄに連結されたリンク４２ｅと、リンク４２ｅを回動させるアクチュエータ４２ｆと、を有している。アクチュエータ４２ｆを作動させると、リンク４２ｅを回動させることができ、その回動に合わせて円筒部材４２ａが周方向に回動される。なお、かかる駆動機構４２ｂは、単なる一例であり、例えば、複数の駆動機構４２ｂを配置して同期させるようにしてもよいし、リンク機構以外の動力伝達機構（歯車機構等）によって構成するようにしてもよい。
【００２６】
図示したように、第二壁面部４２は円筒部材４２ａの内側の一端面によって形成される。第二壁面部４２は、第一壁面部４１と対峙する部分に形成されており、周方向に凹凸を繰り返した曲面を有している。例えば、図１（ａ）では、凹部４２ｇを実線で表示し、凸部４２ｈを破線で表示している。また、図１（ｂ）では、凸部４２ｈを実線で表示し、凸部４２ｈを破線で表示している。かかる曲面の凹部４２ｇは、径方向内方から外方に向かって流路断面積が増大するように傾斜している。なお、かかる第二壁面部４２は、隣接するハウジング２の内面と滑らかに接続するように形成されていることが好ましい。
【００２７】
ここで、第一壁面部４１及び第二壁面部４２は、同一形状の曲面を有し、同位相の場合に周方向に均一な隙間の流路を形成し、位相をずらした場合に周方向の隙間が変化した流路を形成するように構成されている。第一壁面部４１及び第二壁面部４２を構成する曲面は、例えば、周方向に湾曲したサインカーブ等によって形成されるが、かかる曲面に限定されるものではない。また、周方向に形成される凹凸の個数は任意に設定することができる。
【００２８】
図１（ａ）及び（ｂ）並びに図３（ａ）は、第一壁面部４１及び第二壁面部４２が同位相に配置された同位相モードを図示しており、かかる同位相モードでは、周方向に均一な隙間の流路が形成される。したがって、ディフューザ４は、図１（ａ）及び図３（ａ）に示したように、流路が上方に向いた山部と、図１（ｂ）に示したように、流路が下方に向いた谷部とを交互に有することとなる。なお、図３（ａ）及び（ｂ）において、説明の便宜上、インペラ３とディフューザ４（第一壁面部４１及び第二壁面部４２）のみを図示している。
【００２９】
この同位相モードでは、ディフューザ４は周方向に凹凸が形成されていることから、インペラ３からスクロール部５に供給される流体の旋回流に対して、若干の抵抗を形成することとなる。したがって、ディフューザ４は、周方向に略均等な流量の流体を吐き出しつつ、スクロール部５の流入角度が大きくなる方向に若干の整流作用を有しているが、実質的には従来の羽根なしディフューザと略同等の機能を有する。なお、この整流作用は、第一壁面部４１及び第二壁面部４２を構成する曲面の凹凸によって任意に調整することができる。
【００３０】
図２（ａ）及び（ｂ）並びに図３（ｂ）は、第一壁面部４１及び第二壁面部４２が逆位相に配置された逆位相モードを図示しており、かかる逆位相モードでは、周方向の隙間の大きさが変化した流路が形成される。具体的には、ディフューザ４は、図２（ａ）及び図３（ｂ）に示したように、流路が閉鎖された閉部と、図２（ｂ）及び図３（ｂ）に示したように、流路が開放された開部とを交互に有することとなる。
【００３１】
この逆位相モードでは、第一壁面部４１及び第二壁面部４２が同一形状の曲面を有していることから、第一壁面部４１の凸部４１ａと第二壁面部４２の凸部４２ｈとが対峙する部分では、第一壁面部４１と第二壁面部４２とが近接し流体が流れ難い閉部を形成する。また、第一壁面部４１の凹部４１ｂと第二壁面部４２の凹部４２ｇとが対峙する部分では、第一壁面部４１と第二壁面部４２とが離隔し流体が流れやすい開部を形成する。したがって、ディフューザ４は、逆位相モードにおいては、放射状の流路を有していることとなる。
【００３２】
それに対して、インペラ３からディフューザ４に供給される流体は、周方向に流れを有する旋回流であることから、インペラ３からディフューザ４に流入する流体は閉部によって整流され、開部からスクロール部５に向かって吐き出されることとなる。したがって、スクロール部５に供給される流体の流入角度を効果的に調整することができる。
【００３３】
なお、ここでは同位相モードと逆位相モードの場合のみを図示したが、遠心圧縮機１の作動領域、インペラ３の回転速度（回転数）等に応じて、第一壁面部４１と第二壁面部４２との位相を任意にずらすことによって、流路を形成する隙間の大きさを周方向に任意に変化させることができ、所定の整流作用を流体に付与することができる。
【００３４】
ここで、図４は、図３に示したディフューザの作用を示す図であり、（ａ）は同位相モードの谷部、（ｂ）は逆位相モードの開部、を示している。図５は、図３に示したディフューザの作用を示す平面図であり、（ａ）は同位相モード、（ｂ）は逆位相モード、を示している。なお、図４の各図において、ディフューザ４の右側はインペラ側であり、左側はスクロール部側である。
【００３５】
図４（ａ）に示したように、同位相モードでは、第一壁面部４１と第二壁面部４２との隙間ｇは、径方向の内側と外側とで略同じ大きさを有しており、傾斜面に沿って流体を吐き出すように形成されている。また、同位相モードでは、隙間ｇの大きさは周方向で略同じ大きさを有していることから、ディフューザ４は従来の羽根なしディフューザに近い特性を有することとなる。
【００３６】
例えば、図５（ａ）に示したように、同位相モードにおいてインペラ３（図示せず）が回転数Ｎで高速回転している場合、ディフューザ４を通過する流体の流量が多く、かつ、周方向成分が大きいことから、ディフューザ４から吐出される流体は、接線方向成分Ｖ１ｔ及び径方向成分Ｖ１ｄにより合成される流速Ｖ１を有し、スクロール部５（図示せず）に対して小さい流入角度で吐き出される。
【００３７】
また、図４（ｂ）に示したように、逆位相モードの開部では、第一壁面部４１と第二壁面部４２との隙間ｇは、径方向の内側から外側に向かって拡大するように形成されており、第一壁面部４１に沿った流れと第二壁面部４２に沿った流れとを合成した流れによって流体を吐き出すように形成されている。
【００３８】
例えば、図５（ｂ）に示したように、逆位相モードでは、第一壁面部４１の凹部４１ｂと第二壁面部４２の凹部４２ｇとにより形成される開部と、第一壁面部４１の凸部４１ａと第二壁面部４２の凸部４２ｈとにより形成される閉部とが、周方向に交互に形成されている。したがって、インペラ３（図示せず）からディフューザ４に進入した流体は閉部によって整流され、開部からスクロール部５（図示せず）に向かって吐き出される。
【００３９】
例えば、インペラ３（図示せず）が回転数Ｎで低速回転している場合、ディフューザ４を通過する流体の流量が少なく、かつ、周方向成分が小さいことから、逆位相モードで整流しても圧力損失が生じ難く、流入角度を調整しやすい。図示したように、ディフューザ４から吐出される流体は、接線方向成分Ｖ２ｔ及び径方向成分Ｖ２ｄにより合成される流速Ｖ２を有し、スクロール部５（図示せず）に対して大きい流入角度で吐き出される。
【００４０】
このように、第二壁面部４２を回動させて、同位相モードと逆位相モードとを切り替えることにより、スクロール部５に供給する流体の流入角度や流速を可変とすることができ、位相のずれを０〜１／２位相の範囲内で調整することにより、インペラ３の回転速度（回転数）や吸気量に応じた整流制御を行うことができる。
【００４１】
上述した本実施形態に係るディフューザ４及び遠心圧縮機１によれば、第二壁面部４２を周方向に回動させることによって、第一壁面部４１及び第二壁面部４２によって形成される隙間（流路）の大きさを周方向に変化させることができ、スクロール部５への流入角度を調節することができ、圧力損失の低減を図ることができる。また、ディフューザ４の流路内に複数の可動羽根やガイドベーンを配置する必要がなく、駆動機構を簡素化又は簡略化することができ、部品点数を低減することができ、コストダウンを図ることもできる。
【００４２】
本発明は上述した実施形態に限定されず、例えば、第一壁面部４１と第二壁面部４２とは異なる曲面形状を有していてもよい、第一壁面部４１に替えて第二壁面部４２を周方向に回動させてもよい、第一壁面部４１及び第二壁面部４２の両方を周方向に回動させてもよい等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００４３】
１  遠心圧縮機
２  ハウジング
３  インペラ
３ａ  ブレード
３ｂ  ディスク
３ｃ  駆動軸
４  ディフューザ
５  スクロール部
２１  吸気口
４１  第一壁面部
４１ａ  凸部
４１ｂ  凹部
４２  第二壁面部
４２ａ  円筒部材
４２ｂ  駆動機構
４２ｃ  蓋部材
４２ｄ  ピン
４２ｅ  リンク
４２ｆ  アクチュエータ
４２ｇ  凹部
４２ｈ  凸部
【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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