(57)【要約】【課題】高い信頼性を有するターボ機械を提供する。【解決手段】  本開示のターボ機械（１００）は、配置面（Ｓ）に配置される。ターボ機械（１００）は、回転軸（４０）と、第一翼車（３０ａ）と、第二翼車（３０ｂ）と、軸受（１０ａ、１０ｂ）と、第一ケーシング（７０ａ）と、第二ケーシング（７０ｂ）と、第一配管（９１）と、第二配管（９２）とを備えている。回転軸線Ｘ１に垂直な第二の面に対して、第一ケーシング（７０ａ）に接続された第一配管（９１）の端の内側の輪郭及び第二ケーシング（７０ｂ）に接続された第二配管（９２）の端の外側の輪郭を回転軸線Ｘ１に平行な方向に射影して定まる領域の面積をそれぞれ面積Ａ１及び面積Ａ２と定義したときに、面積Ａ１＞面積Ａ２である。ターボ機械（１００）は、Ｆｍ×Ｌｘ−Ｆｘ１×Ｌｙ＞０の関係を満たす。【選択図】図２Ａ
2018059454.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配置面に配置されるターボ機械であって、
回転軸と、
前記回転軸の軸線方向において前記回転軸の重心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、前記回転軸の回転軸線周りで回転して作動流体を圧縮又は膨張させる第一翼車と、
前記回転軸の軸線方向において前記回転軸の重心に対して前記第一翼車と反対側の位置で前記回転軸に固定され、前記回転軸線周りで回転して前記作動流体を圧縮又は膨張させる第二翼車と、
前記回転軸を回転可能に支持する軸受と、
前記第一翼車の周囲に配置された第一ケーシングと、
前記第二翼車の周囲に配置された第二ケーシングと、
前記第一ケーシングに接続され、前記作動流体を前記第一翼車に向かって流入させる第一配管と、
前記第一配管の端部に接続され、前記第一配管に前記作動流体を流入させる第一外部配管と前記第一配管との間に配置され、前記第一配管の外部の大気が前記第一配管の内部へ流入することを防止する第一シール部材と、
前記第二ケーシングに接続され、前記回転軸の軸線方向において前記回転軸の重心に対して前記第一配管と反対側に配置され、前記作動流体を前記第二翼車に向かって流入させる第二配管と、
前記第二配管の端部に接続され、前記第二配管に前記作動流体を流入させる第二外部配管と前記第二配管との間に配置され、前記第二配管の外部の大気が前記第二配管の内部へ流入することを防止する第二シール部材と、を備え、
当該ターボ機械に作用する重力の大きさをＦｍと定義し、
前記重力方向に垂直な第一の面に対して、当該ターボ機械と前記配置面とが接触している領域を重力方向に射影して定まる領域を射影領域と定義し、
前記第一の面に対して、当該ターボ機械の重心を射影して定まる点を射影点Ｏｐと定義し、
前記回転軸線及び前記重力方向に垂直な方向を第一の方向と定義し、
前記射影領域を前記第一の方向から見たときに、前記射影領域において最も外側に位置する２つの端のうち相対的に前記第一翼車の近くに位置する端を端Ｏｅと定義し、
前記射影点Ｏｐ及び前記端Ｏｅを前記第一の方向から見たときに、前記射影点Ｏｐと前記端Ｏｅとの距離をＬｘと定義し、
前記端Ｏｅ及び前記回転軸線を前記第一の方向から見たときに、前記端Ｏｅと、前記端Ｏｅから前記回転軸線に降ろした垂線と前記回転軸線との交点との距離をＬｙと定義し、
前記回転軸の軸線方向から前記第一シール部材を見たときの前記第一シール部材の外径及び内径を算術平均した値を径Ｄｌと定義し、
前記径Ｄｌを直径とした円の面積を面積Ａ１と定義し、
前記回転軸の軸線方向から前記第二シール部材を見たときの前記第二シール部材の外径及び内径を算術平均した値を径Ｄｈと定義し、
前記径Ｄｈを直径とした円の面積を面積Ａ２と定義したとき、
前記面積Ａ１＞前記面積Ａ２であり、面積Ａ１から面積Ａ２を差し引いた面積の差Ａ１２及び大気圧Ｐ０に応じて前記回転軸線に平行な方向に生じる力をＦｘ１と定義した場合に、
Ｆｍ×Ｌｘ−Ｆｘ１×Ｌｙ＞０の関係を満たす、
ターボ機械。
【請求項２】
前記力Ｆｘ１は、Ｆｘ１＝Ａ１２×Ｐ０と表される、請求項１に記載のターボ機械。
【請求項３】
前記径Ｄｈに対する前記径Ｄｌの比Ｄｌ／Ｄｈは、１＜Ｄｌ／Ｄｈ≦１．３の関係を満たす、請求項１又は２に記載のターボ機械。
【請求項４】
前記射影領域を前記第一の方向から見たときに、前記射影領域において最も外側に位置する２つの端の距離をＬｘ１と定義した場合に、前記距離Ｌｘ１に対する前記距離Ｌｙの比Ｌｙ／Ｌｘ１が、０．５＜Ｌｙ／Ｌｘ１＜１．３の関係を満たす、請求項１〜３のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項５】
前記第一配管に接続され、弾性変形可能な前記第一外部配管である第一弾性配管と、
前記第二配管に接続され、弾性変形可能な前記第二外部配管である第二弾性配管と、をさらに備えた、
請求項１〜４のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項６】
前記第一ケーシング及び前記第二ケーシングの少なくともいずれかは、前記配置面を定めている弾性支持部材と接触している、請求項１〜５のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項７】
常温における飽和蒸気圧が絶対圧で大気圧より低い冷媒が流れる冷凍サイクル経路と、
前記冷凍サイクル経路上に配置され、液相状態である前記冷媒を蒸発させて冷媒蒸気を発生させる蒸発器と、
前記冷凍サイクル経路上に配置され、前記蒸発器で発生した前記冷媒蒸気を前記作動流体として圧縮する、請求項１〜６のいずれか１項に記載のターボ機械と、
前記冷凍サイクル経路上に配置され、前記ターボ機械によって圧縮された前記冷媒蒸気を凝縮させる凝縮器と、を備えた、
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、ターボ機械及び冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の翼車によって作動流体を圧縮する又は膨張させるターボ機械が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、図９Ａ及び図９Ｂに示す通り、多段圧縮機３０３を備えたターボ冷凍機が記載されている。このターボ冷凍機は、蒸発器３０１と、凝縮器３０２と、多段圧縮機３０３とを備えている。蒸発器３０１と凝縮器３０２とは隣接して配置されており、多段圧縮機３０３は蒸発器３０１の上に配置されている。多段圧縮機３０３は、電動機３０９を中心にその両側に低段圧縮ユニット３１０と高段圧縮ユニット３１１とを備える。低段圧縮ユニット３１０及び高段圧縮ユニット３１１の羽根車の回転軸は電動機３０９の回転軸に直結している。低段圧縮ユニット３１０の吐出口３１０ｂと高段圧縮ユニット３１１の吸入口３１１ａとを接続する連絡管はダクト３１２−１及び配管３１２−２で構成されている。ダクト３１２−１は、凝縮器３０２の上部に配置されている。
【０００４】
蒸発器３０１の吐出口から排出された冷媒蒸気４０１は配管３１３を通って多段圧縮機３０３の低段圧縮ユニット３１０に吸い込まれて圧縮される。冷媒蒸気４０１は、ダクト３１２−１及び配管３１２−２からなる連絡管を通って高段圧縮ユニット３１１に吸い込まれ、さらに圧縮される。圧縮された冷媒蒸気４０２は、配管３１６を通って凝縮器２に送られ、凝縮されて冷媒液になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２９２０１１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に記載のターボ冷凍機は、信頼性を向上させる観点から改良の余地を有する。そこで、本開示は高い信頼性を有するターボ機械を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示は、
配置面に配置されるターボ機械であって、
回転軸と、
前記回転軸の軸線方向において前記回転軸の重心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、前記回転軸の回転軸線周りで回転して作動流体を圧縮又は膨張させる第一翼車と、
前記回転軸の軸線方向において前記回転軸の重心に対して前記第一翼車と反対側の位置で前記回転軸に固定され、前記回転軸線周りで回転して前記作動流体を圧縮又は膨張させる第二翼車と、
前記回転軸を回転可能に支持する軸受と、
前記第一翼車の周囲に配置された第一ケーシングと、
前記第二翼車の周囲に配置された第二ケーシングと、
前記第一ケーシングに接続され、前記作動流体を前記第一翼車に向かって流入させる第一配管と、
前記第一配管の端部に接続され、前記第一配管に前記作動流体を流入させる第一外部配管と前記第一配管との間に配置され、前記第一配管の外部の大気が前記第一配管の内部へ流入することを防止する第一シール部材と、
前記第二ケーシングに接続され、前記回転軸の軸線方向において前記回転軸の重心に対して前記第一配管と反対側に配置され、前記作動流体を前記第二翼車に向かって流入させる第二配管と、
前記第二配管の端部に接続され、前記第二配管に前記作動流体を流入させる第二外部配管と前記第二配管との間に配置され、前記第二配管の外部の大気が前記第二配管の内部へ流入することを防止する第二シール部材と、を備え、
当該ターボ機械に作用する重力の大きさをＦｍと定義し、
前記重力方向に垂直な第一の面に対して、当該ターボ機械と前記配置面とが接触している領域を重力方向に射影して定まる領域を射影領域と定義し、
前記第一の面に対して、当該ターボ機械の重心を射影して定まる点を射影点Ｏｐと定義し、
前記回転軸線及び前記重力方向に垂直な方向を第一の方向と定義し、
前記射影領域を前記第一の方向から見たときに、前記射影領域において最も外側に位置する２つの端のうち相対的に前記第一翼車の近くに位置する端を端Ｏｅと定義し、
前記射影点Ｏｐ及び前記端Ｏｅを前記第一の方向から見たときに、前記射影点Ｏｐと前記端Ｏｅとの距離をＬｘと定義し、
前記端Ｏｅ及び前記回転軸線を前記第一の方向から見たときに、前記端Ｏｅと、前記端Ｏｅから前記回転軸線に降ろした垂線と前記回転軸線との交点との距離をＬｙと定義し、
前記回転軸の軸線方向から前記第一シール部材を見たときの前記第一シール部材の外径及び内径を算術平均した値を径Ｄｌと定義し、
前記径Ｄｌを直径とした円の面積を面積Ａ１と定義し、
前記回転軸の軸線方向から前記第二シール部材を見たときの前記第二シール部材の外径及び内径を算術平均した値を径Ｄｈと定義し、
前記径Ｄｈを直径とした円の面積を面積Ａ２と定義したとき、
前記面積Ａ１＞前記面積Ａ２であり、面積Ａ１から面積Ａ２を差し引いた面積の差Ａ１２及び大気圧Ｐ０に応じて前記回転軸線に平行な方向に生じる力をＦｘ１と定義した場合に、
Ｆｍ×Ｌｘ−Ｆｘ１×Ｌｙ＞０の関係を満たす、
ターボ機械を提供する。
【０００８】
上記の課題を解決するための包括的又は具体的な態様は、ターボ機械を含む装置、システム、又は方法として実現されてもよい。あるいは、装置、システム、及び方法の任意な組み合わせで実現されてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
上記のターボ機械は、高い信頼性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本開示のターボ機械の一例を示す断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、図１に示すターボ機械の内部の圧力及びターボ機械に作用する力を概念的に示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａに示すターボ機械及びターボ機械に作用する力の力点を重力方向に見た状態を概念的に示す図である。
【図３】図３は、図１における第一シール部材及び第二シール部材を示す図である。
【図４】図４は、ターボ機械の自重に対して働く抗力Ｆｙｈと径Ｄｈに対する径Ｄｌの比Ｄｌ／Ｄｈとの関係を示すグラフである。
【図５】図５は、本開示のターボ機械の別の一例を示す断面図である。
【図６】図６は、図５に示すターボ機械の内部の圧力及びターボ機械に作用する力を概念的に示す図である。
【図７】図７は、本開示のターボ機械のさらに別の一例に関するターボ機械の内部の圧力及びターボ機械に作用する力を概念的に示す図である。
【図８】図８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９Ａ】図９Ａは、従来のターボ冷凍機を示す側面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、従来のターボ冷凍機を示す平面図である。
【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＞
本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。なお、以下の知見は本発明者らの検討に基づく知見であり先行技術として自認するものではない。特許文献１に記載のターボ冷凍機の多段圧縮機のように、多段式のターボ機械によってターボ機械の効率を高めることが考えられる。この場合、複数の段のうちのいずれか１つの段における翼車に向かって作動流体を導く配管の大きさが複数の段のうちの別の段における翼車に向かって作動流体を導く配管の大きさと異なることがある。本発明者らは、異なる翼車に向かって作動流体を導く複数の配管における配管の大きさの違い及びターボ機械の内部の圧力とターボ機械の外部の圧力（典型的には、大気圧）との差により転覆モーメントを発生させる軸線方向の押し付け力が生じることを新たに見出した。本発明者らは、例えば、ターボ機械の内部の圧力がターボ機械の外部の圧力よりも低いとこのような転覆モーメントが発生しやすいことを新たに見出した。そのうえで、本発明者らは、この転覆モーメントによりターボ機械が転覆すると、せん断応力等の応力がターボ機械の配管等の部材に加わり、ターボ機械の信頼性が低下することを新たに見出した。
【００１２】
本発明者らは、このような新たな知見を踏まえて、転覆モーメントが発生するような状態で運転されるターボ機械に関し、転覆モーメントによるターボ機械の転覆を防止する技術について日夜検討を重ねた。検討の結果、本発明者らは、ターボ機械の転覆を抑制するターボ機械の自重に伴う回転モーメントを、ターボ機械の転覆を助長する軸線方向の力に伴う回転モーメントよりも大きくすれば、ターボ機械の転覆を防止できることを新たに見出した。以上の考察により、本発明者らは以下に説明する本開示の各態様を案出した。
【００１３】
本開示の第１態様は、
配置面に配置されるターボ機械であって、
回転軸と、
前記回転軸の軸線方向において前記回転軸の重心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、前記回転軸の回転軸線周りで回転して作動流体を圧縮又は膨張させる第一翼車と、
前記回転軸の軸線方向において前記回転軸の重心に対して前記第一翼車と反対側の位置で前記回転軸に固定され、前記回転軸線周りで回転して前記作動流体を圧縮又は膨張させる第二翼車と、
前記回転軸を回転可能に支持する軸受と、
前記第一翼車の周囲に配置された第一ケーシングと、
前記第二翼車の周囲に配置された第二ケーシングと、
前記第一ケーシングに接続され、前記作動流体を前記第一翼車に向かって流入させる第一配管と、
前記第一配管の端部に接続され、前記第一配管に前記作動流体を流入させる第一外部配管と前記第一配管との間に配置され、前記第一配管の外部の大気が前記第一配管の内部へ流入することを防止する第一シール部材と、
前記第二ケーシングに接続され、前記回転軸の軸線方向において前記回転軸の重心に対して前記第一配管と反対側に配置され、前記作動流体を前記第二翼車に向かって流入させる第二配管と、
前記第二配管の端部に接続され、前記第二配管に前記作動流体を流入させる第二外部配管と前記第二配管との間に配置され、前記第二配管の外部の大気が前記第二配管の内部へ流入することを防止する第二シール部材と、を備え、
当該ターボ機械に作用する重力の大きさをＦｍと定義し、
前記重力方向に垂直な第一の面に対して、当該ターボ機械と前記配置面とが接触している領域を重力方向に射影して定まる領域を射影領域と定義し、
前記第一の面に対して、当該ターボ機械の重心を射影して定まる点を射影点Ｏｐと定義し、
前記回転軸線及び前記重力方向に垂直な方向を第一の方向と定義し、
前記射影領域を前記第一の方向から見たときに、前記射影領域において最も外側に位置する２つの端のうち相対的に前記第一翼車の近くに位置する端を端Ｏｅと定義し、
前記射影点Ｏｐ及び前記端Ｏｅを前記第一の方向から見たときに、前記射影点Ｏｐと前記端Ｏｅとの距離をＬｘと定義し、
前記端Ｏｅ及び前記回転軸線を前記第一の方向から見たときに、前記端Ｏｅと、前記端Ｏｅから前記回転軸線に降ろした垂線と前記回転軸線との交点との距離をＬｙと定義し、
前記回転軸の軸線方向から前記第一シール部材を見たときの前記第一シール部材の外径及び内径を算術平均した値を径Ｄｌと定義し、
前記径Ｄｌを直径とした円の面積を面積Ａ１と定義し、
前記回転軸の軸線方向から前記第二シール部材を見たときの前記第二シール部材の外径及び内径を算術平均した値を径Ｄｈと定義し、
前記径Ｄｈを直径とした円の面積を面積Ａ２と定義したとき、
前記面積Ａ１＞前記面積Ａ２であり、面積Ａ１から面積Ａ２を差し引いた面積の差Ａ１２及び大気圧Ｐ０に応じて前記回転軸線に平行な方向に生じる力をＦｘ１と定義した場合に、
Ｆｍ×Ｌｘ−Ｆｘ１×Ｌｙ＞０の関係を満たす、
ターボ機械を提供する。
【００１４】
第１態様によれば、例えば、ターボ機械の内部の圧力がターボ機械の外部の圧力である大気圧Ｐ０よりも低い状態でターボ機械が運転されると、回転軸線に平行な方向に生じる力Ｆｘ１により、転覆モーメントが発生する。この場合に、第１態様によれば、ターボ機械の自重により重力方向にかかる力Ｆｍに伴う回転モーメントの大きさが転覆モーメントの大きさよりも大きいのでターボ機械の転覆を防止できる。その結果、ターボ機械の配管及びターボ機械を支持する支持部材等の部材に生じる応力の大きさを低減でき、ターボ機械の信頼性を高めることができる。
【００１５】
なお、特許文献１には、ターボ冷凍機が運転されているときの多段圧縮機３０３の内部の圧力及び多段圧縮機３０３の外部の圧力の大きさについて何ら記載されていない。このため、特許文献１の記載から多段圧縮機３０３に転覆モーメントが発生することを当業者は認識できず、本開示のターボ機械に想到することはできない。
【００１６】
本開示の第２態様は、第１態様に加えて、前記力Ｆｘ１は、Ｆｘ１＝Ａ１２×Ｐ０と表される、ターボ機械を提供する。ターボ機械の内部の圧力は回転軸線に平行な方向に生じる力であるＦｘ１を減少させるように作用する。このため、ターボ機械の内部の圧力が大気圧Ｐ０に比べて無視できるほど小さいと仮定して上記のようにＦｘ１を決定すると、Ｆｘ１が実際よりも大きな値に見積もられる。このように、Ｆｘ１を決定したうえで、Ｆｍ×Ｌｘ−Ｆｘ１×Ｌｙ＞０の関係を満たすようにターボ機械を設計すれば、ターボ機械の内部の圧力がかなり小さくなったとしても、Ｆｍ×Ｌｘ−Ｆｘ１×Ｌｙ＞０の関係が覆ることはない。このため、第２態様によれば、より確実にターボ機械の転覆を防止でき、ターボ機械の信頼性を高めることができる。
【００１７】
本開示の第３態様は、第１態様又は第２態様に加えて、前記径Ｄｈに対する前記径Ｄｌの比Ｄｌ／Ｄｈは、１＜Ｄｌ／Ｄｈ≦１．３の関係を満たす、ターボ機械を提供する。第３態様によれば、回転軸線に平行な方向に生じる力であるＦｘ１を低減できる。Ｆｘ１は、第二ケーシングに作用するので、Ｆｘ１による第二ケーシングの変形に伴う軸受の傾きを抑制でき、回転軸と軸受との間のクリアランスが十分に確保されやすい。このため、特にターボ機械の運転中にターボ機械の信頼性を高めることができる。なお、第３態様によれば、ターボ機械の作動流体が水である場合にターボ機械の転覆を特に有利に防止できる。
【００１８】
本開示の第４態様は、第１態様〜第３態様のいずれか１つの態様に加えて、前記射影領域を前記第一の方向から見たときに、前記射影領域において最も外側に位置する２つの端の距離をＬｘ１と定義した場合に、前記距離Ｌｘ１に対する前記距離Ｌｙの比Ｌｙ／Ｌｘ１が、０．５＜Ｌｙ／Ｌｘ１＜１．３の関係を満たす、ターボ機械を提供する。Ｌｙ／Ｌｘ１＜１．３であれば、Ｆｍ×Ｌｘ−Ｆｘ１×Ｌｙ＞０の関係が満たされやすく、ターボ機械が転覆しにくい。また、０．５＜Ｌｙ／Ｌｘ１であれば、Ｌｙが大きく、かつ、Ｌｘ１が小さくなりやすい。これにより、Ｌｙが大きければ、翼車外径、ディフューザー半径、及びボリュート外径を大きくできる。Ｌｘ１が小さければ回転軸の長さを短くできる。翼車外径、ディフューザー半径、及びボリュート外径が大きければ、ターボ機械の空気力学的性能が低下しにくい。また、回転軸の長さが短ければ、回転軸の固有振動数の低下を抑制でき、回転軸の回転に伴う共振を抑制できる。この結果、第４態様によれば、ターボ機械の起動運転において回転軸の回転に伴う共振による振動を抑制しつつターボ機械の定常運転においてターボ機械の空気力学的性能の低下を抑制できるとともに、ターボ機械の転覆を有利に防止できる。ターボ機械の作動流体が水である場合には、翼車外径周速が高いことが望ましく、翼車の外径が大きいことが有利である。このため、第４態様によれば、特にターボ機械の作動流体が水である場合に、有利な効果が発揮されやすい。
【００１９】
本開示の第５態様は、第１態様〜第４態様のいずれか１つの態様に加えて、前記第一配管に接続され、弾性変形可能な前記第一外部配管である第一弾性配管と、前記第二配管に接続され、弾性変形可能な前記第二外部配管である第二弾性配管と、をさらに備えた、ターボ機械を提供する。第５態様によれば、ターボ機械の振動は、第一弾性配管及び第二弾性配管によって減衰し、ターボ機械の外部に配置された別の装置に伝わりにくい。その結果、ターボ機械の転覆を防止しつつ、第一弾性配管及び第二弾性配管によるターボ機械の振動の減衰により、ターボ機械の信頼性を高めることができる。
【００２０】
本開示の第６態様は、第１態様〜第５態様のいずれか１つの態様に加えて、前記第一ケーシング及び前記第二ケーシングの少なくともいずれかは、前記配置面を定めている弾性支持部材と接触している、ターボ機械を提供する。この場合、ターボ機械１００の運転時又は運搬時の振動を弾性支持部材によって減衰させることができる。その結果、ターボ機械の信頼性を高めることができる。
【００２１】
本開示の第７態様は、
常温における飽和蒸気圧が絶対圧で大気圧よりも低い冷媒が流れる冷凍サイクル経路と、
前記冷凍サイクル経路上に配置され、液相状態である前記冷媒を蒸発させて冷媒蒸気を発生させる蒸発器と、
前記冷凍サイクル経路上に配置され、前記蒸発器で発生した前記冷媒蒸気を前記作動流体として圧縮する、第１態様〜第６態様のいずれか１つの態様のターボ機械と、
前記冷凍サイクル経路上に配置され、前記ターボ機械によって圧縮された前記冷媒蒸気を凝縮させる凝縮器と、を備えた、
冷凍サイクル装置を提供する。
【００２２】
本開示の第７態様によれば、冷凍サイクル装置が第１態様〜第６態様のいずれか１つの態様のターボ機械を備えることにより、冷凍サイクル装置の信頼性を高めることができる。
【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、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、添付の図面においてＸ軸は水平面に対して平行であり、Ｙ軸は水平面に対して垂直である。また、Ｘ軸及びＹ軸の両方に垂直な軸がＺ軸であり、Ｚ軸方向を第一の方向と定義する。
【００２４】
図１に示す通り、ターボ機械１００は配置面Ｓに配置される。ターボ機械１００は、回転軸４０と、第一翼車３０ａと、第二翼車３０ｂと、軸受（第一軸受１０ａ及び第二軸受１０ｂ）と、第一ケーシング７０ａと、第二ケーシング７０ｂと、第一配管９１と、第一シール部材２５ａと、第二配管９２と、第二シール部材２５ｂとを備えている。第一翼車３０ａは、回転軸４０の軸線方向において回転軸４０の重心よりも回転軸４０の一端に近い位置で回転軸４０に固定されている。第一翼車３０ａは、回転軸４０の回転軸線Ｘ１周りで回転して作動流体を圧縮又は膨張させる。第二翼車３０ｂは、回転軸４０の軸線方向において回転軸４０の重心に対して第一翼車３０ａと反対側の位置で回転軸４０に固定されている。第二翼車３０ｂは、回転軸線Ｘ１周りで回転して作動流体を圧縮又は膨張させる。軸受（第一軸受１０ａ及び第二軸受１０ｂ）は、回転軸４０を回転可能に支持する。第一ケーシング７０ａは、第一翼車３０ａの周囲に配置されている。第二ケーシング７０ｂは、第二翼車３０ｂの周囲に配置されている。第一配管９１は、第一ケーシング７０ａに接続され、作動流体を第一翼車３０ａに向かって流入させる。第二配管９２は、第二ケーシング７０ｂに接続され、回転軸４０の軸線方向において回転軸４０の重心に対して第一配管９１と反対側に配置され、作動流体を第二翼車３０ｂに向かって流入させる。回転軸線Ｘ１は、典型的には水平である。第一シール部材２５ａは、第一外部配管９３と第一配管９１との間に配置され、第一配管９１の外部の大気が第一配管９１の内部へ流入することを防止する。第一外部配管９３は、第一配管９１の端部に接続され、第一配管９１に作動流体を流入させる。第一外部配管９３は、後述する第一弾性配管であってもよい。第一シール部材２５ａによって、後述する第一配管９１の外部の大気圧Ｐ０と真空状態に近い第一配管９１の内部の圧力Ｐ１とが保たれる。第二シール部材２５ｂは、第二外部配管９４と第二配管９２との間に配置され、第二配管９２の外部の大気が第二配管９２の内部へ流入することを防止する。第二外部配管９４は、第二配管９２の端部に接続され、第二配管９２に作動流体を流入させる。第二シール部材２５ｂによって、後述する第二配管９２の外部の大気圧Ｐ０と真空状態に近い第二配管９２の内部の圧力Ｐ２とが保たれる。第一シール部材２５ａ及び第二シール部材２５ｂのそれぞれは、例えばＯリング又はゴムからなるリングである。なお、第一シール部材２５ａ及び第二シール部材２５ｂのそれぞれは、弾性体を含む。
【００２５】
図２Ａは、図１に示すターボ機械の内部の圧力及びターボ機械に作用する力を概念的に示す図である。図２Ｂは、図２Ａに示すターボ機械及びターボ機械に作用する力の力点を重力方向に見た状態を概念的に示す図である。図２Ａに示す通り、ターボ機械１００の自重により重力方向にかかる力の大きさをＦｍと定義する。換言すると、ターボ機械１００に作用する重力の大きさをＦｍと定義する。図２Ｂに示す通り、重力方向に垂直で仮想的な面である第一の面Ｖ１（ここでは、仮に紙面とする）に対して、ターボ機械１００と配置面Ｓとが接触している領域を重力方向に射影して定まる領域を射影領域Ｓ１と定義する。第一の面Ｖ１に対して、ターボ機械１００の重心を射影して定まる点を射影点Ｏｐと定義する。図２Ｂにおいて、射影点Ｏｐと射影領域Ｓ１とは重なっていない。それは、ターボ機械１００の底面が一つの面の全体に配置されておらず、配置面Ｓが４つの箇所に分かれて配置されているからである。図２Ａに示す通り、射影領域を第一の方向から見たときに、射影領域において最も外側に位置する２つの端（端Ｏ１及び端Ｏ２）のうち相対的に第一翼車３０ａの近くに位置する端を端Ｏｅと定義する。射影点Ｏｐ及び端Ｏｅを第一の方向から見たときに、射影点Ｏｐと端Ｏｅとの距離をＬｘと定義する。また、端Ｏｅ及び回転軸線Ｘ１を第一の方向から見たときに、端Ｏｅと、端Ｏｅから回転軸線Ｘ１に降ろした垂線と回転軸線Ｘ１との交点との距離をＬｙと定義する。
【００２６】
図１に示す通り、第一シール部材２５ａ及び第二シール部材２５ｂは、例えば、Ｏリング又はゴムからなるリングである。一般的には、第一シール部材２５ａ及び第二シール部材２５ｂの外側及び内側の輪郭は、円形である。図３は、回転軸４０の軸線方向から見た第一シール部材２５ａ及び第二シール部２５ｂを示す。第一シール部材２５ａの外側の輪郭ａ１によって規定される円の直径を外径Ｄａ１と定義し、第一シール部材２５ａの内側の輪郭ｂ１によって規定される円の直径を内径Ｄｂ１と定義する。また、第二シール部材２５ｂの外側の輪郭ａ２によって規定される円の直径を内径Ｄａ２と定義し、第二シール２５ｂ部材の内側の輪郭ｂ２によって規定される円の直径を内径Ｄｂ２と定義する。さらに、第一シール部材２５ａの外径Ｄａ１及び内径Ｄｂ１を算術平均した値を径Ｄｌと定義する。すなわち、Ｄｌ＝（Ｄａ１＋Ｄｂ１）／２の関係を満たす。また、第二シール部材２５ｂの外径Ｄａ２及び内径Ｄｂ２を算術平均した値をＤｈと定義する。すなわち、Ｄｈ＝（Ｄａ２＋Ｄｂ２）／２の関係を満たす。さらに、径Ｄｌを直径とした円の面積を面積Ａ１と定義する。すなわちＡ１＝π×（Ｄｌ／２）2の関係を満たす。また、径Ｄｈを直径とした円の面積を面積Ａ２と定義する。すなわち、すなわちＡ２＝π×（Ｄｈ／２）2の関係を満たす。なお、第一シール部材２５ａ及び第二シール部材２５ｂの外側及び内側の輪郭は円形でないときには、上記の外径又は内径として、輪郭に内接する円の直径を代用する。上述の場合、面積Ａ１と面積Ａ２との関係は、面積Ａ１＞面積Ａ２である。よって、面積Ａ１から面積Ａ２を差し引いた面積の差Ａ１２は正となる。面積の差Ａ１２及び大気圧Ｐ０に応じて回転軸線Ｘ１に平行な方向に生じる力をＦｘ１と定義した場合、ターボ機械１００は、Ｆｍ×Ｌｘ−Ｆｘ１×Ｌｙ＞０の関係を満たす。上記の記載の詳細については後述する。
【００２７】
例えば、第一ケーシング７０ａ及び第二ケーシング７０ｂは、それぞれ、回転軸４０の周方向において第一翼車３０ａ及び第二翼車３０ｂの周囲に配置されている。第一ケーシング７０ａはその内部に作動流体の流路としての第一ボリュート７３ａを有し、第二ケーシング７０ｂはその内部に作動流体の流路としての第二ボリュート７３ｂを有する。第一ボリュート７３ａ及び第二ボリュート７３ｂのそれぞれは、作動流体の流れ方向に沿って拡大する流路断面を有する。
【００２８】
ターボ機械１００は、例えば遠心式のターボ圧縮機である。ターボ機械１００は、例えば、電動機５０と、電動機ケーシング５５と、第一軸受ケーシング６０ａと、第二軸受ケーシング６０ｂと、第一連結部材８１ａと、第二連結部材８１ｂとをさらに備えている。電動機５０は、電動機ケーシング５５に固定されている固定子５０ａと、回転軸４０に固定されている回転子５０ｂとを含む。ターボ機械１００は、例えば、軸受として、第一軸受１０ａ及び第二軸受１０ｂを備えている。回転軸４０は、回転軸４０の軸線方向の両端部に第一軸受１０ａ又は第二軸受１０ｂによって回転可能に支持される円柱状部４２を有する。ターボ機械１００が動作するときに、第一翼車３０ａの前方から第一翼車３０ａに向かって作動流体が流れ、かつ、第二翼車３０ｂの前方から第二翼車３０ｂに向かって作動流体が流れる。回転軸４０の軸線方向において、第一翼車３０ａ及び第二翼車３０ｂは、第一軸受１０ａと第二軸受１０ｂとの間に配置されている。
【００２９】
第一翼車３０ａは、例えば、回転軸４０の軸線方向において第一軸受１０ａと電動機５０との間で回転軸４０に固定されている。第二翼車３０ｂは、例えば、回転軸４０の軸線方向において第二軸受１０ｂと電動機５０との間で回転軸４０に固定されている。例えば、第一翼車３０ａは、第一翼車３０ａの前方を向く前面部３１ａを有し、第二翼車３０ｂは、第二翼車３０ｂの前方を向く前面部３１ｂを有する。例えば、前面部３１ａと前面部３１ｂとが回転軸４０の軸線方向において反対を向くように、第一翼車３０ａ及び第二翼車３０ｂが回転軸４０に固定されている。すなわち、第一翼車３０ａにとっての前方と第二翼車３０ｂにとっての前方とが逆向きである。
【００３０】
第一ケーシング７０ａは、例えば、第一連結部材８１ａを介して電動機ケーシング５５に固定され、第二ケーシング７０ｂは、例えば、第二連結部材８１ｂを介して電動機ケーシング５５に固定されている。第一ケーシング７０ａは、例えば、第一翼車３０ａの前面部３１ａを第一翼車３０ａの半径方向外側で取り囲むように定められた内周面７１ａを有する。また、第二ケーシング７０ｂは、例えば、第二翼車３０ｂの前面部３１ｂを第二翼車３０ｂの半径方向外側で取り囲むように定められた内周面７１ｂを有する。例えば、第一ケーシング７０ａにおいて、第一翼車３０ａの半径方向外側に第一吐出経路７２ａが延びている。また、第二ケーシング７０ｂにおいて、第二翼車３０ｂの半径方向外側に第二吐出経路７２ｂが延びている。例えば、第一ケーシング７０ａの内部には、第一ケーシング７０ａの外壁７４ａによって、第一吐出経路７２ａに連通する第一ボリュート７３ａが定められている。また、第二ケーシング７０ｂの内部には、第二ケーシング７０ｂの外壁７４ｂによって、第二吐出経路７２ｂに連通する第二ボリュート７３ｂが定められている。
【００３１】
第一ケーシング７０ａ及び第二ケーシング７０ｂの材料は、特に制限されないが、第一ケーシング７０ａ及び第二ケーシング７０ｂは、典型的には、鋳鉄及びステンレス鋼等の鉄鋼又はアルミニウム及びチタンなどの非鉄金属でできている。例えば、第一ケーシング７０ａ及び第二ケーシング７０ｂがステンレス鋼でできている場合、ターボ機械１００の作動流体が水であっても第一ケーシング７０ａ及び第二ケーシング７０ｂが耐腐食性に優れる。その結果、ターボ機械１００が高い信頼性を有する。また、第一ケーシング７０ａ及び第二ケーシング７０ｂがアルミニウムでできている場合、第一ケーシング７０ａ及び第二ケーシング７０ｂが鉄鋼材料でできている場合に比べて、第一ケーシング７０ａ及び第二ケーシング７０ｂの重量を大幅に低減できる。ターボ機械１００において第一ケーシング７０ａ及び第二ケーシング７０ｂは比較的大きい部品である。このため、第一ケーシング７０ａ及び第二ケーシング７０ｂがアルミニウムでできている場合、ターボ機械１００を有利に軽量化できる。
【００３２】
例えば、第一軸受ケーシング６０ａは第一ケーシング７０ａに固定されており、第一軸受ケーシング６０ａの内部に第一軸受１０ａが収容されている。これにより、第一軸受１０ａが第一ケーシング７０ａに対して位置決めされている。また、第二軸受ケーシング６０ｂは、第二ケーシング７０ｂに固定されており、第二軸受ケーシング６０ｂの内部に第二軸受１０ｂが収容されている。これにより、第二軸受１０ｂが第二ケーシング７０ｂに対して位置決めされている。
【００３３】
電動機５０の働きにより、第一翼車３０ａ及び第二翼車３０ｂが回転軸４０とともに高速で回転する。これにより、第一翼車３０ａの前方の作動流体が第一翼車３０ａを通過して圧縮される。第一翼車３０ａを通過した作動流体は、第一吐出経路７２ａ及び第一ケーシング７０ａの内部に形成された第一ボリュート７３ａを通過して第一ケーシング７０ａの外部に吐出された後、第二翼車３０ｂの前方の空間に導かれる。第二翼車３０ｂの前方の作動流体は、第二翼車３０ｂを通過してさらに圧縮される。第二翼車３０ｂを通過して圧縮された作動流体は、第二吐出経路７２ｂ及び第二ケーシング７０ｂの内部に形成された第二ボリュート７３ｂを通過してターボ機械１００の外部に吐出される。このように、ターボ機械１００によれば、第一翼車３０ａ及び第二翼車３０ｂによって作動流体が二段圧縮されるので、ターボ機械１００が高い圧縮効率を有し、高い圧力比を達成できる。
【００３４】
ターボ機械１００の作動流体は特に制限されないが、例えば、常温（日本工業規格：２０℃±１５℃／ＪＩＳ  Ｚ  ８７０３）における飽和蒸気圧が絶対圧で大気圧よりも低い流体である。このような流体としては、水、アルコール、又はエーテルを主成分として含む流体を挙げることができる。ターボ機械１００の作動流体は、例えば、水である。なお、本明細書において主成分とは、質量基準で最も多く含まれている成分を意味する。例えば、作動流体における、水、アルコール、又はエーテルの質量は、作動流体の質量の９８％以上である。
【００３５】
図１に示す通り、第一配管９１が第一ケーシング７０ａに隣接しており、第二配管９２が第二ケーシング７０ｂに隣接している。
【００３６】
ターボ機械１００は、例えば、第一外部配管９３である弾性変形可能な第一弾性配管９３と、第二外部配管９４である弾性変形可能な第二弾性配管９４とをさらに備えている。第一弾性配管９３の一方の端部は、第一配管９１と接続される。また、第一弾性配管９３の他方の端部は、第一供給配管９５と接続される。第一弾性配管９３は弾性変形可能な材料からなり、第一配管９１と第一供給配管９５との位置ずれを吸収する。第二弾性配管９４の一方の端部は、第二配管９２と接続される。第二弾性配管９４の他方の端部は、第二供給配管９６と接続される。第二弾性配管９４は弾性変形可能な材料からなり、第二配管９２と第二供給配管９６との位置ずれを吸収する。よって、ターボ機械１００の振動は、第一弾性配管９３及び第二弾性配管９４によって減衰し、ターボ機械１００の外部に配置された別の装置に伝わりにくい。その結果、第一弾性配管９３及び第二弾性配管９４によるターボ機械１００の振動の減衰により、ターボ機械１００の信頼性を高めることができる。なお、第一弾性配管９３は、第一供給配管９５以外の作動流体を供給する部材と接続してもよい。また、第二弾性配管９４は、第二供給配管９６以外の作動流体を供給する部材と接続してもよい。例えば、第一外部配管９５及び第二外部配管９６は、それぞれ、ターボ機械１００の外部の熱交換器（図示省略）に接続されている。
【００３７】
図１に示す通り、例えば、ターボ機械１００が配置される配置面Ｓは支持部材９９によって形成されている。支持部材９９は、例えば、ターボ機械１００の自重により実質的に変形しない強度を有する。支持部材９９は、例えば、ターボ機械１００の外部の熱交換器の筐体の一部であってもよい。配置面Ｓは、典型的には水平である。
【００３８】
図２Ａを参照しつつ、ターボ機械１００に働く力及び回転モーメントを説明する。ターボ機械１００は、例えば、低段圧縮ユニット１０１、高段圧縮ユニット１０２、及び電動機ユニット１０３を含む。低段圧縮ユニット１０１は、その内部に、第一吸入空間１０１ａ、第一翼車空間１０１ｂ、及び第一吐出空間１０１ｃを有する。第一吸入空間１０１ａは、第一配管９１の内部空間に相当する。第一翼車空間１０１ｂは、第一翼車３０ａが収容されている空間に相当する。第一吐出空間１０１ｃは、第一吐出経路７２ａ及び第一ボリュート７３ａに相当する。高段圧縮ユニット１０２は、その内部に、第二吸入空間１０２ａ、第二翼車空間１０２ｂ、及び第二吐出空間１０２ｃを有する。第二吸入空間１０２ａは、第二配管９２の内部空間に相当する。第二翼車空間１０２ｂは、第二翼車３０ｂが収容されている空間に相当する。第二吐出空間１０２ｃは、第二吐出経路７２ｂ及び第二ボリュート７３ｂに相当する。電動機ユニット１０３は、その内部に電動機空間１０３ａを有する。電動機空間１０３ａは、電動機５０が収容されている空間である。
【００３９】
第一吸入空間１０１ａにおける圧力、第一吐出空間１０１ｃ及び第二吸入空間１０２ａにおける圧力、並びに第二吐出空間１０２ｃにおける圧力をそれぞれＰ１、Ｐ２、及びＰ３と表す。電動機空間１０３ａにおける圧力をＰ４と表し、ターボ機械１００の周囲の圧力である大気圧をＰ０と表す。ターボ機械１００が動作しているとき、典型的には、Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３＜Ｐ０の関係が満たされる。第一翼車空間１０１ｂにおける圧力は、実際にはＰ１より大きく、かつ、Ｐ２より小さいが、第一翼車空間１０１ｂにおける圧力をＰ１とみなしてもターボ機械１００に働く力及び回転モーメントへの影響は十分に小さい。第二翼車空間１０２ｂにおける圧力は、実際にはＰ２より大きく、かつ、Ｐ３より小さいが、第二翼車空間１０２ｂにおける圧力をＰ２とみなしてもターボ機械１００に働く力及び回転モーメントへの影響は十分に小さい。
【００４０】
射影領域を第一の方向から見たときに、射影領域において最も外側に位置する２つの端（Ｏｅ及びＯｄ）の距離をＬｘ１と定義する。図２Ａに示す通り、第二ケーシング７０ｂには、回転軸線Ｘ１に平行な方向（Ｘ軸負方向）に、大気圧Ｐ０から第一吸入空間１０１ａにおける圧力Ｐ１を差し引いた差圧と差Ａ１２との積に相当する力Ｆｘ１（＝Ａ１２×（Ｐ０−Ｐ１））が働く。また、第二ケーシング７０ｂには、回転軸線Ｘ１に平行な方向（Ｘ軸負方向）に、第二吸入空間１０２ａにおける圧力Ｐ２から第一吸入空間１０１ａにおける圧力Ｐ１を差し引いた差圧と面積Ａ２との積に相当する力Ｆｘ２が働く。すなわち、Ｆｘ２＝Ａ２×（Ｐ２−Ｐ１）である。Ｆｘ１及びＦｘ２が作用する面の中心は回転軸線Ｘ１と一致する。
【００４１】
Ｆｍ、Ｆｘ１、及びＦｘ２に対する抗力について説明する。射影領域を第一の方向から見たときに、射影領域において最も外側に位置する２つの端のうち第一翼車３０ａに相対的に近い端を端Ｏ１と定義し、かつ、第二翼車３０ｂに相対的に近い端を端Ｏ２と定義する。力Ｆｍに対して、端Ｏ１及び端Ｏ２において重力方向と反対方向（Ｙ軸正方向）に抗力Ｆｙｌ及びＦｙｈがそれぞれ発生する。回転軸線Ｘ１に平行な方向（Ｘ軸負方向）の力Ｆｘ１及びＦｘ２に対して、端Ｏ１及び端Ｏ２においてＸ軸正方向に抗力Ｆｘｌ及びＦｘｈがそれぞれ発生する。第一弾性配管９３及び第二弾性配管９４がそれぞれ第一配管９１及び第二配管９２に接続されており、かつ、第一弾性配管９３及び第二弾性配管９４の弾性変形量は十分に大きく設計されている。このため、Ｆｘ１及びＦｘ２に対する抗力のほとんどは支持部材９９によって発生する。ターボ機械１００は、例えば、配置面Ｓに設置された後に、第一供給配管９５及び第二供給配管９６に第一弾性配管９３及び第二弾性配管９４がそれぞれ接続される。この場合、配置位置のずれ又は部品寸法誤差を考慮して、第一弾性配管９３及び第二弾性配管９４の弾性変形量は十分に大きく定められている。
【００４２】
ターボ機械１００に関するＸ方向及びＹ方向における力のつり合いから以下の式（１）及び（２）がそれぞれ得られる。
Ｆｘｌ＋Ｆｘｈ＝Ｆｘ１＋Ｆｘ２      （１）
Ｆｙｌ＋Ｆｙｈ＝Ｆｍ                （２）
ここで、Ｘ方向の力に関しては、端Ｏ１と端Ｏ２とに均しい大きさの力が加わると考えられるので、Ｆｘｌ＝Ｆｘｈ＝（Ｆｘ１＋Ｆｘ２）／２である。
【００４３】
図２Ａの左下に示されたＸＹ座標の表示の通り、時計回りの方向をモーメントの正方向と定めると、端Ｏ１を中心としたモーメントのつり合いから以下の式（３）が得られる。
Ｆｍ×Ｌｘ−（Ｆｘ１＋Ｆｘ２）×Ｌｙ−Ｆｙｈ×Ｌｘ＝０      （３）
【００４４】
次に、ターボ機械１００の転覆について説明する。転覆とは、ターボ機械１００の自重により重力方向にかかる力Ｆｍに伴う回転モーメントよりも、ターボ機械１００にかかる水平方向の力によって発生する回転モーメントが勝り、ターボ機械１００が本来あるべき姿勢を保てなくなる現象を意味する。具体的には、転覆とは、ターボ機械１００の自重により重力方向にかかる力Ｆｍに対して働くＹ軸正方向の抗力Ｆｙｌ及びＦｙｈのいずれかが負の値を有する状態を意味する。このため、非転覆の条件は以下の式（４）の通り表される。
Ｆｙｌ＞０、かつ、Ｆｙｈ＞０      （４）
【００４５】
式（２）、式（３）、及び式（４）から、以下の式（５）及び（６）が導かれる。
Ｆｍ−Ｆｙｈ＝Ｆｙｌ＞０      （５）
｛Ｆｍ×Ｌｘ−（Ｆｘ１＋Ｆｘ２）×Ｌｙ｝／Ｌｘ１＝Ｆｙｈ＞０      （６）
【００４６】
ターボ機械１００の作動流体の種類及びターボ機械１００の動作条件によっては、ターボ機械１００の内部空間の圧力Ｐ１、Ｐ２、及びＰ３は、Ｐ０に比べて非常に小さく、Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３≪Ｐ０の関係が成り立つ。例えば、ターボ機械１００が冷凍サイクル装置の圧縮機として機能する場合に、作動流体の種類毎の動作条件の一例を表１に示す。なお、表１に示す動作条件は、以下の前提条件に基づいて算出した。
蒸発器作動流体温度：７℃
凝縮器作動流体温度：３５℃
２段圧縮（回転数及び翼車外径は低段側の翼車に関する値）
翼車全圧圧力比＝冷凍サイクル圧力比／０．７
翼車全圧断熱効率：η＝０．８
比速度：Ｎｓ＝０．６
スリップ係数：σ＝０．９１
単位能力質量流量：蒸発器蒸気圧における渇き度０〜１間のエンタルピー差から計算
【００４７】
【表１】
2018059454.tif 000003
【００４８】
表１に示す通り、例えば、ターボ機械１００における作動流体が水である場合、ターボ機械１００の内部空間のは低真空状態に近い負圧である（表１の蒸発器圧力及び凝縮器圧力を参照）。この場合、ターボ機械１００の内部空間の圧力と大気圧Ｐ０（例えば、１０１．３ｋＰａ）との間には、Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３≪Ｐ０の関係が成り立つ。このため、Ｆｘ２≪Ｆｘ１となる。この条件を踏まえて式（６）を改めると以下の式（６ａ）が得られる。
（Ｆｍ×Ｌｘ−Ｆｘ１×Ｌｙ）／Ｌｘ１＝Ｆｙｈ＞０      （６ａ）
【００４９】
式（６ａ）からＦｙｈ＞０となるための条件として以下の式（７）が得られる。
Ｆｍ×Ｌｘ−Ｆｘ１×Ｌｙ＞０      （７）
【００５０】
式（５）及び式（６）より以下の式（８）が導かれる。
Ｆｙｌ＝Ｆｍ／２＋Ｆｘ１×Ｌｙ／Ｌｘ１      （８）
【００５１】
ターボ機械１００の内部空間における圧力が大気圧よりも低い限り、Ｆｘ１の方向はいかなる動作条件でも不変であるので、Ｆｙｌ＞Ｆｍ／２の関係が常に成立する。このため、Ｆｙｌ＞Ｆｙｈとなるため、非転覆のための条件としてはＦｙｈ＞０を考慮すればよい。よって、式（７）の関係を満たすことがターボ機械１００の転覆を防止する条件となる。
【００５２】
このように、ターボ機械１００は、Ｆｍ×Ｌｘ−Ｆｘ１×Ｌｙ＞０の関係を満たすことにより、ターボ機械１００の自重により重力方向にかかる力Ｆｍに伴う回転モーメントの大きさが転覆モーメントの大きさよりも大きいのでターボ機械の転覆を防止できる。その結果、ターボ機械１００の配管及びターボ機械１００を支持する支持部材９９等の部材に生じる応力（圧縮応力、引張応力、又はせん断応力）の大きさを低減でき、ターボ機械１００の信頼性を高めることができる。
【００５３】
ターボ機械１００は、力Ｆｘ１が、Ｆｘ１＝Ａ１２×Ｐ０と表されたうえで、Ｆｍ×Ｌｘ−Ｆｘ１×Ｌｙ＞０の関係を満たしていてもよい。厳密には、Ｆｘ１＝Ａ１２×（Ｐ０−Ｐ１）であるので、ターボ機械１００の内部の圧力であるＰ１はＦｘ１を減少させるように作用する。ターボ機械１００の内部の圧力Ｐ１が大気圧Ｐ０に比べて無視できるほど小さいと仮定して上記のようにＦｘ１を決定すると、Ｆｘ１が実際よりも大きな値に見積もられる。このように、Ｆｘ１を決定したうえで、Ｆｍ×Ｌｘ−Ｆｘ１×Ｌｙ＞０の関係を満たすようにターボ機械１００が設計されていれば、ターボ機械１００の内部の圧力がかなり小さくなったとしても、Ｆｍ×Ｌｘ−Ｆｘ１×Ｌｙ＞０の関係が覆ることはない。これにより、より確実にターボ機械１００の転覆を防止でき、ターボ機械１００の信頼性を高めることができる。
【００５４】
ターボ機械１００が作動流体として水を用いた冷凍サイクル装置の圧縮機である場合に、抗力Ｆｙｈの大きさと径Ｄｈに対する径Ｄｌの比Ｄｌ／Ｄｈとの関係をシミュレーションにより算出した。ここで、径Ｄｌは、前述したように、回転軸４０の軸線方向から第一シール部材２５ａを見たときの、第一シール部材２５ａの外径及び内径を算術平均した値である。また、径Ｄｈは、回転軸４０の軸線方向から第二シール部材２５ｂを見たときの、第二シール部材２５ｂの外径及び内径を算術平均した値である。このシミュレーションにおいて、冷凍サイクル装置の冷凍サイクル能力を１００ｋＷと定めた。また、このシミュレーションにおいて、ターボ機械１００の自重を１０００ｋｇ（＝１０ｋｇ／ｋＷ）、Ｄｌ＝０．３８ｍ、翼車外径Ｄｉ＝０．３８５ｍｍ、Ｌｙ＝０．４８１ｍ（＝（０．３８５ｍｍ／２）×２．５）、及びＬｘ１＝Ｌｙと定めた。距離Ｌｙは、通常、翼車外径Ｄｉ（第一翼車３０ａの外径）に対して所定の関係になるように定められており、例えば、翼車外径Ｄｉが大きくなると、翼車外径Ｄｉに比例して大きくなる。通常、翼車外径Ｄｉが大きいほど、第一吐出経路７２ａの半径（「ディフューザー半径」ともいう）が大きくなる。ディフューザー半径は、ｋ×翼車外径Ｄｉ／２（ｋ＝１．６〜２．０）に定められることが多い。典型的には、ディフューザー半径は、１．８×翼車外径Ｄｉ／２と定められる。この場合、第一ボリュート７３ａのための空間を確保するために距離Ｌｙをディフューザー半径×１．４と定めると、翼車外径Ｄｉが０．３８５ｍであるので、Ｌｙ＝０．４８１ｍと決定した。径Ｄｌの値は、作動流体の体積流量に基づき配管における圧力損失の許容範囲を考慮したうえで決定した。この条件下で、Ｄｈの値を変更しながらＦｙｈの大きさを求めた。結果を図４に示す。
【００５５】
図４に示す通り、Ｄｌ／Ｄｈ＝１．３の場合、Ｆｙｈは正の値であった。本発明者らは、Ｆｙｈが正の値であること及び面積Ａ１＞面積Ａ２の関係から、１＜Ｄｌ／Ｄｈ≦１．３の関係が満たされれば、ターボ機械１００の転覆を防止しやすいことを見出した。すなわち、ターボ機械１００において、望ましくは、径Ｄｈに対する径Ｄｌの比Ｄｌ／Ｄｈは、１＜Ｄｌ／Ｄｈ≦１．３の関係を満たす。これにより、第二ケーシング７０ｂにかかる力Ｆｘ１を低減できる。その結果、第二ケーシング７０ｂの変形にともなう第二軸受１０ｂの傾きが抑制され、回転軸４０の円柱状部４２と第二軸受１０ｂとの間のクリアランスが十分に確保され、特に運転時におけるターボ機械１００の信頼性を高めることができる。
【００５６】
式（７）によれば、ターボ機械１００の転覆防止の観点からＬｙ／Ｌｘ１はできるだけ小さいことが有利である。Ｌｙを低減するためには、翼車外径Ｄｉ、ディフューザー半径、及びボリュート外径を小さくすることが望ましい。しかし、この場合、ターボ機械１００の空気力学的性能が低下する可能性がある。例えば、ターボ機械１００が、水、Ｒ１３４ａ、又はＲ２４５ｆａが作動流体（冷媒）として用いられる冷凍サイクル装置の圧縮機として機能する場合を考える。この場合、表１に示す通り、冷凍サイクル装置の作動流体がＲ１３４ａ及びＲ２４５ｆａである場合の冷凍サイクル圧力比はそれぞれ２．４及び２．９である。これに対し、冷凍サイクル装置の作動流体が水である場合の冷凍サイクル圧力比は５．６である。このように、作動流体にＲ１３４ａ及びＲ２４５ｆａ等のハイドロフルオロカーボンを用いた場合に比べて、作動流体に水を用いた場合には、冷凍サイクルの圧力比を高くすること、すなわち、ターボ機械１００の圧力比を高くすることが必要になる。ターボ機械１００の圧力比を高くするためには、ターボ機械１００の翼車出口における周速を高くすること、及び作動流体が翼車を通過した後において、作動流体が十分に静圧を回復できることが必要になる。翼車出口における周速を高くするためには、ターボ機械は、大きな翼車外径を備えることが必要になる。さらに、作動流体が十分に静圧を回復できるためには、ターボ機械１００は、大きなディフューザー半径及び大きなボリュート外径を備えることが必要になる。このように、ターボ機械１００において高い圧力比を実現するためには、ターボ機械１００は、大きな翼車外径Ｄｉ、大きなディフューザー半径、及び大きなボリュート外径を備えることが必要になる。以上より、ターボ機械１００の空気力学的性能の低下の抑制の観点から、距離Ｌｙを短くするために翼車外径Ｄｉ、ディフューザ―半径、及びボリュート外径を小さくしにくい。一方、Ｌｘ１を長くすることにより、Ｌｙ／Ｌｘ１の比を小さくできる。しかし、Ｌｘ１が長く、すなわち回転軸４０が長いと、回転軸４０の固有振動数が低下する。その結果、ターボ機械１００の動作時に回転軸４０の回転数と回転軸４０の固有振動数による共振が発生し、ターボ機械１００の信頼性が低下する可能性がある。
【００５７】
ターボ機械１００は、例えば、距離Ｌｘ１に対する距離Ｌｙの比Ｌｙ／Ｌｘ１が、０．５＜Ｌｙ／Ｌｘ１＜１．３の関係を満たす。Ｌｙ／Ｌｘ１＜１．３であれば、Ｆｍ×Ｌｘ−Ｆｘ１×Ｌｙ＞０の関係が満たされやすく、ターボ機械１００が転覆しにくい。また、０．５＜Ｌｙ／Ｌｘ１であれば、Ｌｙが大きく、かつ、Ｌｘ１が小さくなりやすい。これにより、Ｌｙが大きければ翼車外径Ｄｉを大きくできる。Ｌｘ１が小さければ回転軸４０の長さを短くできる。翼車外径Ｄｉが大きければ、ターボ機械１００の空気力学的性能が低下しにくい。また、回転軸４０の長さが短ければ、回転軸４０の固有振動数の低下を抑制でき、回転軸４０の回転に伴う共振を抑制できる。その結果、ターボ機械１００の起動運転において回転軸４０の回転に伴う振動を抑制しつつターボ機械１００の定常運転においてターボ機械１００の空気力学的性能の低下を抑制できるとともに、ターボ機械１００の転覆を有利に防止できる。
【００５８】
図５に示す通り、ターボ機械１００において、第一ケーシング７０ａ及び第二ケーシング７０ｂの少なくともいずれかは、配置面Ｓを定めている弾性支持部材９７と接触していてもよい。この場合、ターボ機械１００の運転時又は運搬時の振動を弾性支持部材９７によって減衰させることができる。
【００５９】
加えて、ターボ機械１００の振動は、第一弾性配管９３及び第二弾性配管９４によって減衰し、ターボ機械１００の外部に配置された別の装置に伝わりにくい。その結果、弾性支持部材、第一弾性配管９３、及び第二弾性配管９４によるターボ機械１００の振動減衰により、ターボ機械１００の運搬、ターボ機械１００の起動運転、又はターボ機械１００の定常運転においてターボ機械１００の信頼性を高めることができる。
【００６０】
例えば、図５に示す通り、配置面Ｓは、弾性支持部材９７ａ及び弾性支持部材９７ｂによって定められている。この場合、例えば、第一ケーシング７０ａが弾性支持部材９７ａに接触し、第二ケーシング７０ｂが弾性支持部材９７ｂに接触している。弾性支持部材９７ａ及び弾性支持部材９７ｂは、例えば、支持部材９９上に配置されている。弾性支持部材９７ａ及び弾性支持部材９７ｂのそれぞれの回転軸線Ｘ１に平行な方向の寸法は、第一ケーシング７０ａの底面及び第二ケーシング７０ｂの底面の回転軸線Ｘ１に平行な方向の寸法よりも小さい。このため、図６に示す通り、第一ケーシング７０ａの底面の一部は、ターボ機械１００と配置面Ｓとが接触している領域からＸ軸負方向に延びている。この場合、ターボ機械１００と配置面Ｓとが接触している領域の射影領域の端は、Ｏ１となる。射影領域を第一の方向から見たときに、射影領域において最も外側に位置する２つの端のうち相対的に第一翼車３０ａの近くに位置する端は、端Ｏｅとなる。なお、端Ｏｅの回転軸線Ｘ１に平行な方向の位置は、弾性支持部材９７ａの第一ケーシング７０ａに接している端面における端の回転軸線Ｘ１に平行な方向の位置と一致している。また、第二ケーシング７０ｂの底面の一部はターボ機械１００と配置面Ｓとが接触している領域からＸ軸正方向に延びている。
【００６１】
弾性支持部材９７ａ及び弾性支持部材９７ｂは、特に制限されないが、例えばゴム又はバネである。弾性支持部材９７ａ及び弾性支持部材９７ｂによりターボ機械１００の振動を減衰させる場合、弾性支持部材９７ａ及び弾性支持部材９７ｂに加わる圧縮荷重によってターボ機械１００の振動の減衰に最適な減衰係数も変動し得る。このため、弾性支持部材９７ａ及び弾性支持部材９７ｂがそれぞれ異なる減衰係数を有することによりターボ機械１００の振動を効果的に減衰できる。
【００６２】
例えば、図７に示す通り、配置面Ｓは、単一の弾性支持部材９７によって定められていてもよい。この場合、例えば、第一ケーシング７０ａ及び第二ケーシング７０ｂが弾性支持部材９７に接触している。弾性支持部材９７の一部は、例えば、ターボ機械１００の第一ケーシング７０ａと配置面Ｓとが接触している領域からＸ軸負方向に延びている。加えて、弾性支持部材９７の一部は、例えば、ターボ機械１００の第二ケーシング７０ｂと配置面Ｓとが接触している領域からＸ軸正方向に延びている。この場合、図７に示す通り、ターボ機械１００と配置面Ｓとが接触している領域の射影領域の端は、Ｏ１となる。射影領域を第一の方向から見たときに、射影領域において最も外側に位置する２つの端のうち相対的に第一翼車３０ａの近くに位置する端は、端Ｏｅとなる。なお、端Ｏｅの回転軸線Ｘ１に平行な方向の位置は、弾性支持部材９７に接している第一ケーシング７０ａの底面における端の回転軸線Ｘ１に平行な方向の位置と一致している。弾性支持部材９７は、特に制限されないが、例えばゴム又はバネである。
【００６３】
次に、ターボ機械１００を備えた冷凍サイクル装置１について説明する。図８に示す通り、冷凍サイクル装置１は、冷凍サイクル経路５と、蒸発器２と、ターボ機械１００と、凝縮器３とを備えている。冷凍サイクル経路５は、常温における飽和蒸気圧が絶対圧で大気圧より低い冷媒（例えば、水）が流れる経路である。蒸発器２は、冷凍サイクル経路５上に配置され、液相状態である冷媒を蒸発させて冷媒蒸気を発生させる。ターボ機械１００は、冷凍サイクル経路５上に配置され、蒸発器２で発生した冷媒蒸気を作動流体として圧縮する。凝縮器３は、冷凍サイクル経路５上に配置され、ターボ機械１００によって圧縮された冷媒蒸気を凝縮させる。冷凍サイクル装置１は、ターボ機械１００を備えているので、高い信頼性を有する。
【００６４】
図８に示す通り、冷凍サイクル装置１は、例えば、中間冷却器６を備えている。また。中間冷却器６は、冷凍サイクル経路５上に配置されている。ターボ機械１００は、図２Ａに示す通り、低段圧縮ユニット１０１及び高段圧縮ユニット１０２を含む。中間冷却器６の入口は低段圧縮ユニット１０１の吐出口に接続されている。中間冷却器６の出口は高段圧縮ユニット１０２の吸込口に接続されている。中間冷却器６は、低段圧縮ユニット１０１において圧縮された作動流体を冷却したうえで高段圧縮ユニット１０２に向かって送り出す。これにより、ターボ機械１００が高い圧縮比で作動流体を圧縮しやすい。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本開示のターボ機械は、ターボ冷凍機又は業務用空調等の空調機器に利用される冷凍サイクル装置の圧縮機として特に有利に使用できる。また、本開示のターボ機械は、ターボチャージャー、ガスタービン、及び蒸気タービン等の用途でも使用できる。
【符号の説明】
【００６６】
１                        冷凍サイクル装置
２                        蒸発器
３                        凝縮器
３０ａ                    第一翼車
３０ｂ                    第二翼車
１０ａ、１０ｂ            軸受
４０                      回転軸
７０ａ                    第一ケーシング
７０ｂ                    第二ケーシング
９１                      第一配管
９２                      第二配管
９３                      第一弾性配管（第一外部配管）
９４                      第二弾性配管（第二外部配管）
９７                      弾性支持部材
１００                    ターボ機械
Ｓ                        配置面
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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