(57)【要約】  【課題】環境条件の影響を受けることがなくどのような環境にも幅広く対応可能な遠心圧縮機の提供にある。  【解決手段】ケーシング１３内に回転可能に軸支されて吸入通路から気体を吸入するとともにディフューザへ流体を供給するインペラ１５と、該インペラ１５の外周に対向配置され背面に背圧室１７を有するダイヤフラム１６を備え、該ダイヤフラム１６がインペラ側圧力と背圧室圧力との差圧で変位する遠心圧縮機において、背圧室１７と吸入通路としての入口通路２１とを連通する圧力連通孔１８を設ける。  【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング内に回転可能に軸支されて吸入通路から気体を吸入するとともにディフューザへ流体を供給するインペラと、該インペラの外周に対向配置され背面に背圧室を有するシュラウドを備え、
該シュラウドがインペラ側圧力と背圧室圧力との差圧で変位する遠心圧縮機において、
前記背圧室と前記吸入通路とを連通する連通路を設けることを特徴とする遠心圧縮機。
【請求項２】
前記吸入通路をケーシングに設けられた入口通路とし、前記連通路を前記背圧室と前記入口通路とを連通する圧力連通孔とす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】
前記吸入通路を吸入側エアクリーナの下流側通路とし、前記連通路を前記背圧室と前記吸入側エアクリーナの下流側通路とを連通する圧力連通孔とす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】
前記シュラウドをダイヤフラムで形成し、該ダイヤフラムの前記ディフューザ側に変形促進部を設けることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の遠心圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はインペラ（羽根車）を備えた遠心圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体を圧縮するための圧縮機の一つとして遠心圧縮機が知られている。
特許文献１で開示された従来技術では、羽根車１０の外周を囲みケーシング５側にはラッパ状の板で形成された可とう性のシュラウド１が設けられている。また、円環状のピストン２が羽根車１０と同心状に設けられ、一端はケーシング５に固定され他端はシュラウド１に連結されている。羽根車１０の出口１１近傍には隙間７が設けられ、羽根車１０の出口圧力（吐出圧力）をピストン２の内側に導くようになっている。ピストン２の外側はケーシング５に開けられた導圧孔６によって圧力が一定に保たれている。
【０００３】
羽根車１０が回転すると羽根車１０に遠心力が作用し、羽根車１０は外周方向に変形する。一方、羽根車１０の回転に伴い吐出圧力は上昇し、この吐出圧力の変化に応じてピストン２の力がシュラウド１に作用し、シュラウド１はラッパ状の拡がりを拡大するように変形する。従って、回転に伴う羽根車１０の変形に応じて、シュラウド１も変形するので、羽根車１０とシュラウド１間のクリアランス８は適正な値に保たれるとしている。
【特許文献１】実開平２−１８６９９号公報（第３〜５頁、図１〜図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし特許文献１で開示された従来技術においては、圧縮比が大きい条件下（例えば高地条件下等）において圧縮機を稼動させた時、次のような問題が発生する。即ち、圧縮機出口において圧縮比が通常の値の条件下（例えば平地条件下等）と同じ吐出圧力を得るためには、羽根車１０の入口圧力をＰｓとし出口圧力をＰｃとすると、出口圧力Ｐｃと入口圧力Ｐｓとの圧力差ΔＰ（ΔＰ＝Ｐｃ−Ｐｓ）は、出口圧力Ｐｃが一定とすると圧縮比が大きい条件下の方がΔＰが大きくなり、その分圧縮比が大きい条件下においては、羽根車１０の回転数を高くする必要がある。羽根車１０の回転数が高くなると、遠心力の影響を多く受け、羽根車１０の変形は大きくなる。
【０００５】
一方、可撓性のシュラウド１は、別に設定された一定圧力と出口圧力Ｐｃとの差圧により変化させているので、出口圧力Ｐｃが一定とすると上記差圧は圧縮比が大きい条件下でも圧縮比が通常の値の条件下でも同等となる。従って、シュラウド１の変形（拡がり）は圧縮比が大きい条件下と圧縮比が通常の値の条件下で同等となり、羽根車１０とシュラウド１とのクリアランス８は、圧縮比が通常の値の条件下と比べて圧縮比が大きい条件下の方が小さくなり、場合によっては羽根車１０とシュラウド１とが接触し破損する恐れがある。
【０００６】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、圧縮機稼動条件の影響を受けることがなくどのような環境にも幅広く対応可能な遠心圧縮機の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を達成するため、請求項１記載の発明は、ケーシング内に回転可能に軸支されされて吸入通路から気体を吸入するとともにディフューザへ流体を供給するインペラと、該インペラの外周に対向配置され背面に背圧室を有するシュラウドを備え、該シュラウドがインペラ側圧力と背圧室圧力との差圧で変位する遠心圧縮機において、前記背圧室と前記吸入通路とを連通する連通路を設けることを特徴とする。
請求項１記載の発明によれば、シュラウドの背面の背圧室と吸入通路とを連通する連通路が設けられているので、インペラの回転に伴いインペラの出口圧力は上昇し、シュラウドはインペラの出口圧力とインペラ吸入側圧力との差圧により背面側に変位する。
例えば、圧縮比が大きい条件下においては、圧縮比が通常の値の条件下と同等の出口圧力を得ようとすると、インペラの回転数を高くする必要があり、遠心力の影響でインペラの変形は大きくなる。一方、インペラ吸入側圧力は圧縮比が通常の値の条件下と比べて圧縮比が大きい条件下では低くなり、上記差圧は圧縮比が通常の値の条件下よりも圧縮比が大きい条件下で大きくなる。よって、シュラウドの背面側への変位は、圧縮比が大きい条件下の方が圧縮比が通常の値の条件下よりも大きくなり、インペラとシュラウドの間のクリアランスを適正な値に保つことが可能となる。
従って、圧縮機稼動条件が変化してもインペラとシュラウドの間のクリアランスは、適正な値に保つことが可能となっているので、圧縮機の効率の向上と信頼性の向上を図ることができる。
【０００８】
請求項２記載の発明は、前記吸入通路をケーシングに設けられた入口通路とし、前記連通路を前記背圧室と前記入口通路とを連通する圧力連通孔とすることを特徴とする。
請求項２記載の発明によれば、背圧室と背圧室に隣接する入口通路とを連通する圧力連通孔をケーシングに形成すればよいので、加工が簡単であり加工工数を削減可能である。
【０００９】
請求項３記載の発明は、前記吸入通路を吸入側エアクリーナの下流側通路とし、前記連通路を前記背圧室と前記下流側通路とを連通する圧力連通孔とすることを特徴とする。
請求項３記載の発明によれば、背圧室と吸入側に設けられている吸入側エアクリーナの下流側通路とを連通する圧力連通孔を設ければよいので、大規模な配管工事の必要が無く、装置の簡略化を図れる。また、入口通路と同じく、外気圧に対して負圧となっている。
【００１０】
請求項４記載の発明は、前記シュラウドをダイヤフラムで形成し、該ダイヤフラムの前記ディフューザ側に変形促進部を設けることを特徴とする。
請求項４記載の発明によれば、シュラウドはダイヤフラムで形成されているので、圧力に応じて面に対して垂直方向への変位を行わせ易い。また、ダイヤフラムのディフューザ側に変形促進部が設けられているので、差圧の影響でダイヤフラムが変位する時に、変形促進部へ応力の集中が起こりダイヤフラムは変形促進部を中心に変形することが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、シュラウドの背圧室と吸入通路とを連通する連通路を設けることにより、圧縮機稼動条件が変化してもインペラとシュラウドの間のクリアランスを適正な値に保つことが可能となり、圧縮機の効率の向上と信頼性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係る遠心圧縮機について、図１〜図４に基づいて説明する。
図１に示されるように、この実施形態の遠心圧縮機１０（以下、略して圧縮機と称する）は、ケーシング１３内にハブ１４を介して回転軸１１に取り付けられたインペラ１５（羽根車）を備えている。回転軸１１は図示しないタービン羽根車およびプーリ等と連結され、タービン羽根車およびプーリ等の作動に伴い回転駆動される。
インペラ１５は、回転により気体を吸入側の吸込み口１９から吸込み、少なくとも遠心力により気体を圧縮して吐出側のディフューザ２０に送り込む機能を有する。
【００１３】
インペラ１５の外周１５ａとそれと対向する位置にあるシュラウドケーシング１３ｃの間には、ラッパ状の薄板で形成されたシュラウドとしてのダイヤフラム１６が配置され、ダイヤフラム１６は入口通路２１と出口通路２２でシュラウドケーシング１３ｃに固定されている。ダイヤフラム１６の背面とそれと対向するシュラウドケーシング１３ｃの間の隙間空間には背圧室１７が形成されている。ダイヤフラム１６はインペラ１５の外周１５ａに倣った形状をしており、ダイヤフラム１６とインペラ１５の外周１５ａとの間のクリアランスｇ（図２に図示）は所定の値に設定されている。また、ダイヤフラム１６の出口通路２２側には変形促進部としての折り曲げ部１６ａを有している。
そして、背圧室１７と吸入通路としての入口ケーシング部１３ａに形成される入口通路２１とは、ケーシング１３に形成された連通路としての圧力連通孔１８により連通されている。
【００１４】
図２に示されるように、入口通路２１の入口圧力をＰｓとし出口通路２２の出口圧力をＰｃとすると、インペラ１５の回転速度は、差圧ΔＰｃ（ΔＰｃ＝Ｐｃ−Ｐｓ）に比例しており、差圧ΔＰｃが小さいほどインペラ１５の回転速度は低くなり、差圧ΔＰｃが大きいほどインペラ１５の回転速度は高くなる。
【００１５】
また、背圧室１７と入口通路２１とは連通されていることにより、背圧室１７内の圧力は入口圧力Ｐｓと等しくなり、ダイヤフラム１６は差圧ΔＰｃにより、ダイヤフラム１６の背面のシュラウドケーシング１３ｃ側へ変位する。このダイヤフラム１６の変位は差圧ΔＰｃに比例している。尚、ダイヤフラム１６の入口通路２１と出口通路２２の中間領域においては、インペラ１５側の圧力Ｐｍは、入口圧力Ｐｓと出口圧力Ｐｃの中間的な圧力となり、この中間的な圧力Ｐｍと背圧室１７内の圧力Ｐｓとの差圧ΔＰｍ（ΔＰｍ＝Ｐｍ−Ｐｓ）により、ダイヤフラム１６はこの差圧ΔＰｍに比例してシュラウドケーシング１３ｃ側へ変位する。従って、背圧室１７におけるダイヤフラム１６とシュラウドケーシング１３ｃの間の隙間は、出口通路２２ほど漸増するように予め設定されている。
【００１６】
次に上記のように構成された遠心圧縮機の作用について説明する。
図３（ａ）に示されるように、初期状態においてはインペラ１５の回転速度は低いので、インペラ１５にかかる遠心力も小さく、インペラ１５は殆ど変形しない。一方、出口通路２２側の出口圧力Ｐｃはそれほど高くはなく、差圧ΔＰｃも小さい状態であり、ダイヤフラム１６は殆ど変位しない。
【００１７】
次に図３（ｂ）に示されるように、高速運転時においては、インペラ１５の回転速度は高くインペラ１５にかかる遠心力は大きくなる。尚、遠心力は回転速度の２乗に比例して増大する。この遠心力の作用により、インペラ１５は回転軸１１を中心として外周方向へ変形する。図３（ｂ）の実線で示すインペラ１５の外周１５ａは、遠心力により変形した状態を示し、二点鎖線で示すインペラ１５の外周１５ａは変形する前の状態を示している。
【００１８】
一方、インペラ１５の高速回転に伴い出口圧力Ｐｃは回転速度に比例して増大する。従って、差圧ΔＰｃも大きくなり、ダイヤフラム１６はこの差圧ΔＰｃによりシュラウドケーシング１３ｃ側へ変位し、背圧室１７は縮小される。この時、ダイヤフラム１６の出口通路２２側には折り曲げ部１６ａを有しているので、ダイヤフラム１６の変位に伴う法線方向の余剰分が折り曲げ部１６ａに集中し、折り曲げ部１６ａはシュラウドケーシング１３ｃと反対方向に突出した形状となる。図３（ｂ）に実線で示すダイヤフラム１６は、差圧により変位した状態を示し、二点鎖線で示すダイヤフラム１６は変位する前の状態を示している。尚、図３（ｂ）はダイヤフラム１６が最も大きく変位し、背圧室１７が殆ど無くなった状態を示している。
【００１９】
このように、インペラ１５が遠心力により変形しても、ダイヤフラム１６も差圧に比例して変位することにより、ダイヤフラム１６とインペラ１５の外周１５ａとの間のクリアランスｇは適正な値に維持される。
【００２０】
次に、圧縮機稼動条件の違いを考える。
図４（ａ）は圧縮比が通常の条件における状態を示す。インペラ１５は高速回転に伴う遠心力により外周方向へ変形する。図４（ａ）の実線で示すインペラ１５の外周１５ａは、遠心力により変形した状態を示し、二点鎖線で示すインペラ１５の外周１５ａは変形する前の状態を示している。
【００２１】
一方、ダイヤフラム１６は差圧ΔＰｃによりシュラウドケーシング１３ｃ側へ変位し、背圧室１７は縮小される。この時、ダイヤフラム１６の折り曲げ部１６ａはシュラウドケーシング１３ｃと反対方向に突出した形状となる。図４（ａ）に実線で示すダイヤフラム１６は、差圧により変位した状態を示し、二点鎖線で示すダイヤフラム１６は変位する前の状態を示している。
このように、インペラ１５は遠心力により変形するが、ダイヤフラム１６も差圧により変位し、クリアランスｇは適正な値に維持される。
【００２２】
図４（ｂ）は圧縮比が大きい条件における状態を示す。圧縮比が大きい条件下において圧縮比が通常の条件下と同じ出口圧力Ｐｃを得るためには、差圧ΔＰｃ＝Ｐｃ−Ｐｓで入口圧力Ｐｓは圧縮比が大きい条件下の方が小さくなるので差圧ΔＰｃについては圧縮比が大きい条件下の方が大きくなることにより、インペラ１５の回転数を高くする必要がある。そのため、遠心力の影響でインペラ１５の変形は大きくなる。図４（ｂ）に実線で示すインペラ１５の外周１５ａは、遠心力により変形した状態を示し、二点鎖線で示すインペラ１５の外周１５ａは変形する前の状態を示している。
【００２３】
一方、ダイヤフラム１６は差圧ΔＰｃに比例して変位するので、ダイヤフラム１６の変位も大きくなる。図４（ｂ）に実線で示すダイヤフラム１６は、差圧により変位した状態を示し、二点鎖線で示すダイヤフラム１６は変位する前の状態を示している。
このように、圧縮比が大きい条件下においては、差圧ΔＰｃの増加に伴いインペラ１５の変形は大きくなるが、ダイヤフラム１６の変位も同様に大きくなることにより、ダイヤフラム１６とインペラ１５の外周１５ａとの間のクリアランスｇは適正な値に維持される。
尚、上記作用説明においては、出口圧力Ｐｃを基準として出口通路２２におけるインペラ１５の変形とダイヤフラム１６の変位として説明したが、入口通路２１と出口通路２２の中間領域においても同様であり説明を省略する。
【００２４】
この実施形態に係る圧縮機によれば以下の効果を奏する。
（１）インペラ１５の回転速度は、差圧ΔＰｃにより決まり、インペラ１５の回転速度が大きいほどインペラ１５にかかる遠心力は大きくなり、インペラ１５は外周方向へ変形する。一方、ダイヤフラム１６の背面の背圧室１７と入口通路２１とは、ケーシング１３に形成された圧力連通孔１８により連通されているので、背圧室１７内の圧力は入口圧力Ｐｓと等しくなり、出口通路２２においてはダイヤフラム１６は差圧ΔＰｃにより、シュラウドケーシング１３ｃ側へ差圧ΔＰｃに比例して変位する。このように、インペラ１５が遠心力により変形しても、ダイヤフラム１６も差圧に比例して変位することにより、ダイヤフラム１６とインペラ１５の外周１５ａとの間のクリアランスｇは適正な値に維持される。
（２）例えば、圧縮比が大きい条件下においては、圧縮比が通常の条件下と同等の出口圧力Ｐｃを得ようとすると、インペラ１５の回転数を高くする必要があり、遠心力の影響でインペラ１５の変形は大きくなる。一方、入口通路２１の入口圧力Ｐｓは圧縮比が通常の条件下と比べて圧縮比が大きい条件下では低くなることにより、差圧ΔＰｃは圧縮比が通常の条件下よりも圧縮比が大きい条件下で大きくなる。よって、ダイヤフラム１６の背面側への変位は、圧縮比が大きい条件下の方が圧縮比が通常の条件下よりも大きくなり、インペラ１５とダイヤフラム１６との間のクリアランスｇを適正な値に保つことが可能となる。従って、圧縮機稼動条件が変化してもインペラ１５とダイヤフラム１６との間のクリアランスｇは、適正な値に保つことが可能となっているので、圧縮機の効率の向上と信頼性の向上を図ることができる。
（３）背圧室１７と背圧室１７に隣接する入口通路２１とを連通させる圧力連通孔１８をケーシング１３に形成すればよいので、加工が簡単であり加工工数を削減可能である。
（４）シュラウドはダイヤフラム１６で形成されているので、ダイヤフラム１６の内側と外側の圧力差に応じて面に対して垂直方向への変位を行わせ易い。また、ダイヤフラム１６の出口通路２２側に折り曲げ部１６ａが設けられているので、差圧ΔＰｃの影響でダイヤフラム１６がシュラウドケーシング１３ｃ側に変位する時に、折り曲げ部１６ａにおいては折り曲げ部１６ａを中心にシュラウドケーシング１３ｃと反対方向に突出した形状となる。このため、ダイヤフラム１６は差圧ΔＰｃに応じて変位し易くなっている。
【００２５】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る圧縮機を図５に基づいて説明する。
この実施形態は、第１の実施形態における入口通路側を変更したものであり、その他の構成は共通である。
従って、ここでは説明の便宜上、先の説明で用いた符号を一部共通して用い、共通する構成についてはその説明を省略し、変更した個所のみ説明を行う。
【００２６】
図５に示されるように、圧縮機３０の入口通路２１の上流には、エアクリーナ３１が配設されている。エアクリーナ３１はフィルタ３２を有し、フィルタ３２にて吸入される空気の浄化を行い、浄化された空気は圧縮機３０の吸込み口１９へと供給される。圧縮機３０のケーシング１３には、背圧室１７に連通される圧力連通孔３４が形成され、圧力連通孔３４の他方の開口端は、エアクリーナ３１の下流側通路３６と配管３５により接続されている。
【００２７】
従って、背圧室１７はエアクリーナ３１の下流側通路３６と連通されていることになり、下流側通路３６の圧力をＰｔとすれば、背圧室１７の圧力もＰｔとなる。圧力Ｐｔは、外気圧に対して負圧を呈しており、第１の実施形態における入口圧力Ｐｓとほぼ同等レベルとなっている。圧縮機３０のその他の構成は、第１の実施形態における構成と同等である。
以上の構成を持つ圧縮機３０の作用については、第１の実施形態における入口圧力Ｐｓを第２の実施形態における圧力Ｐｔに置き換えて考えれば良く、同等なので説明を省略する。
【００２８】
この実施形態に係る圧縮機によれば以下の効果を奏する。
尚、第１の実施形態における（１）、（２）、（４）の効果は同じであり、それ以外の効果を記載する。
（１）圧縮機３０のケーシング１３には、背圧室１７に連通される圧力連通孔３４が形成され、圧力連通孔３４の他方の開口端は、エアクリーナ３１の下流側通路３６と配管３５により接続されている。従って、背圧室１７とエアクリーナ３１の下流側通路３６とを連通させるために大規模な配管工事の必要が無く、装置の簡略化を図れる。
【００２９】
なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、例えば、次のように変更しても良い。
○  第１、第２の実施形態では、シュラウドとしてダイヤフラムを用いるとして説明したが、ダイヤフラム以外の薄板を使用しても構わない。例えば、弾性を持った金属材料、樹脂材料等。
○  第１の実施形態では、ケーシングに形成された圧力連通孔を鉤型に形成するとして説明したが、直線で形成しても良くまた、曲線で形成しても良い。
○  第１の実施形態におけるケーシングに形成された圧力連通孔を全周に渡り複数個設けても構わない。この場合には、それぞれの圧力連通孔を介して背圧室と入口ケーシング部との間が連通されていることにより、差圧に伴うダイヤフラムの変位を速やかに行うことができる。また、圧力連通孔の一部に詰まりが発生しても、他の圧力連通孔で連通しているので、ダイヤフラムを適正に変位させることができる。
○  第１、第２の実施形態では、回転軸１１をタービン羽根車およびプーリ等で駆動するようにしたが、電動モータにより駆動してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１の実施形態に係る遠心圧縮機の全体構成を示す断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る遠心圧縮機の要部拡大断面図である。
【図３】図２におけるＱ部の拡大断面図であり、作用説明用の説明図である。（ａ）初期状態を示す。（ｂ）高速回転時の状態を示す。
【図４】図２におけるＱ部の拡大断面図であり、作用説明用の説明図である。（ａ）圧縮比が通常の条件下における状態を示す。（ｂ）圧縮比が大きい条件下における状態を示す。
【図５】第２の実施形態に係る遠心圧縮機の全体構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１３  ケーシング
１５  インペラ
１６  ダイヤフラム
１７  背圧室
１８  圧力連通孔
２１  入口通路（吸入通路）
３１  エアクリーナ
３６  エアクリーナ下流側通路（吸入通路）
Ｐｓ  入口圧力（吸入側圧力）
Ｐｃ  出口圧力（吐出側圧力）
ｇ  クリアランス
【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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