(57)【要約】【課題】多段式の遠心圧縮機においても、圧縮機効率の低下を抑えつつ、サージングの発生を有効に抑える。【解決手段】遠心圧縮機１０は、回転軸３０と、回転軸３０の軸線方向に間隔をあけて複数段に設けられたインペラ４０と、回転軸３０を回転可能に保持してインペラ４０の外周側に配置され、インペラ４０との間にガス流路を形成するアウターケーシング１５およびインナーケーシング２０と、それぞれのインペラ４０の出口側と入口側とを連通可能な複数のバイパスライン６５と、バイパスライン６５を開閉する開閉弁６３と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、
前記回転軸の軸線方向に間隔をあけて複数段に設けられたインペラと、
前記回転軸を回転可能に保持して前記インペラの外周側に配置され、前記インペラとの間にガス流路を形成するケーシングと、
それぞれの前記インペラの出口側と入口側とを連通可能な複数のバイパスラインと、
前記バイパスラインを開閉する開閉弁と、
を備える遠心圧縮機。
【請求項２】
前記ケーシングには、それぞれの前記インペラの出口側と入口側の前記ガス流路から外方に向かって延びるホールと、互いに隣接する前記ホール同士を連結する連結孔と、が形成され、
前記バイパスラインは、互いに前記軸線方向に隣接する２つのホールと、前記連結孔とにより構成される請求項１に記載の遠心圧縮機。
【請求項３】
前記ケーシングとして、前記インペラの外周側に間隔を空けて設けられて前記ガス流路を形成するダイヤフラムと、該ダイヤフラムを外周側から覆うアウターケーシングと、
を備え、
前記バイパスラインは、前記ダイヤフラム又は前記アウターケーシングを前記軸線方向に貫通することで形成されている請求項１に記載の遠心圧縮機。
【請求項４】
複数の前記バイパスラインが、周方向に間隔を空けて位相を異ならせて設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の遠心圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠心圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心圧縮機は、回転するインペラの半径方向に気体を通り抜けさせ、その際に発生する遠心力を利用してそれら気体を圧縮する。この種の遠心圧縮機において、インペラを軸方向に多段に備え、気体を段階的に圧縮する多段式の遠心圧縮機が知られている。
【０００３】
遠心圧縮機における気体の流量を減少させていくと、強い音響を伴う流れの脈動（サージング）が発生することがある。
【０００４】
特許文献１には、圧縮機で圧縮した高圧ガスを排気する排気流路と、インペラの入口側を連絡するバイパス流路と、バイパス流路を開閉するバイパス弁とを備えた構成が開示されている。このような構成によれば、遠心圧縮機の流量が減少したときに、バイパス弁を開くことによって、バイパス流路を通して高圧ガスをインペラの入口側に流入させ、サージングの発生を抑制する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０―１７４８０６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、特許文献１に開示された遠心圧縮機は、インペラが１段のみの構成である。多段式の遠心圧縮機においては、複数段のインペラのうち、どの部位でサージングが生じるか分からない。したがって、バイパス流路を設けるにしても、高圧ガスを、どの部位に循環させればよいのかを特定するのが困難である。
また、圧縮した高圧ガスを、バイパス流路を通してインペラの入口側に流入させると、当然、遠心圧縮機の効率が低下する。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、多段式の遠心圧縮機においても、圧縮機効率の低下を抑えつつ、サージングの発生を有効に抑えることのできる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】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明の第一の態様では、回転軸と、前記回転軸の軸線方向に間隔をあけて複数段に設けられたインペラと、前記回転軸を回転可能に保持して前記インペラの外周側に配置され、前記インペラとの間にガス流路を形成するケーシングと、それぞれの前記インペラの出口側と入口側とを連通可能な複数のバイパスラインと、前記バイパスラインを開閉する開閉弁と、を備える。
【０００９】
このような構成によれば、開閉弁を開くことで、バイパスラインを通してインペラの出口側と入口側とが連通する。これにより、インペラの出口側と入口側に向かってガス流路をガスが流れてインペラの前後を循環し、この位置でガス流量を増やすことができる。
また、全てのインペラで同時に開閉弁を開くのではなく、サージングの発生が想定される特定のインペラに対応するバイパスラインのみにおいて開閉弁を開くことで、インペラの前後を循環するガス量を抑えることができる。
【００１０】
本発明の第二の態様では、上記第一の態様において、前記ケーシングには、それぞれの前記インペラの出口側と入口側の前記ガス流路から外方に向かって延びるホールと、互いに隣接する前記ホール同士を連結する連結孔と、が形成され、前記バイパスラインは、互いに前記軸線方向に隣接する２つのホールと、前記連結孔とにより構成されてもよい。
【００１１】
このような構成によれば、各インペラの出口側と入口側にそれぞれ設けたホールと、これらのホール同士を連結する連結孔とによって、インペラの出口側と入口側とを連通するバイパスラインを構成することができる。
径方向に延びるホールと、軸線方向に延びる連結孔とを形成すればよいので、バイパスラインを容易な加工により形成することができる。
【００１２】
本発明の第三の態様では、上記第一の態様において、前記ケーシングとして、前記インペラの外周側に間隔を空けて設けられて前記ガス流路を形成するダイヤフラムと、該ダイヤフラムを外周側から覆うアウターケーシングと、を備え、前記バイパスラインは、前記ダイヤフラム又は前記アウターケーシングを前記軸線方向に貫通することで形成されてもよい。
【００１３】
このような構成によれば、ダイヤフラム又はアウターケーシングを軸線方向に貫通させることで、バイパスラインを容易な加工により形成することができる。
【００１４】
本発明の第四の態様では、上記第一から第三の態様において、複数の前記バイパスラインが、周方向に間隔を空けて位相を異ならせて設けられているようにしてもよい。
【００１５】
遠心圧縮機の周囲の機器類等との干渉によって、全てのインペラのバイパスラインを、周方向の同一位置に設置できないこともある。また、各段のインペラのそれぞれにバイパスラインを設ける場合に、バイパスライン同士が干渉してしまうことがある。これに対し、複数のバイパスラインのそれぞれを、周方向に間隔を空けて位相を異ならせて設けることで、周辺の機器類や他のバイパスライン等との干渉を避けて設置することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る遠心圧縮機によれば、多段式の遠心圧縮機においても、圧縮機効率の低下を抑えつつ、サージングの発生を有効に抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第一実施形態に係る遠心圧縮機を示す断面図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る遠心圧縮機の第一変形例を示す断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図４】本発明の第一実施形態に係る遠心圧縮機の第二変形例を示す断面図である。
【図５】図４のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【図６】本発明の第一実施形態に係る遠心圧縮機の第三変形例を示す断面図である。
【図７】本発明の第二実施形態に係る遠心圧縮機を示す断面図である。
【図８】本発明の第二実施形態に係る遠心圧縮機の変形例を示す断面図である。
【図９】図８のＣ−Ｃ矢視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機を図面に基づき説明する。
（第一実施形態）
図１は、この実施形態に係る遠心圧縮機を示す断面図である。
図１に示すように、本実施形態の遠心圧縮機１０は、主として、車室を形成するアウターケーシング（ケーシング）１５と、アウターケーシング１５内に設けられたインナーケーシング（ケーシング）２０と、インナーケーシング２０内で中心軸Ｏ回りに回転自在に支持された回転軸３０と、回転軸３０に取り付けられて遠心力を利用して作動流体であるガスＧを圧縮するインペラ４０と、を備えている。
【００１９】
インナーケーシング２０は、アウターケーシング１５内に、複数のダイヤフラム２２を回転軸３０の中心軸Ｏ方向に配列した構成をなしている。また、このインナーケーシング２０には、縮径及び拡径を繰り返す内部空間２１が設けられている。
【００２０】
この内部空間２１にはインペラ４０が収容される。複数のインペラ４０は、インナーケーシング２０における各々のダイヤフラム２２の内部に、回転軸３０の中心軸Ｏ方向に間隔を空けて収容されている。なお、図１において、インペラ４０が５つ設けられている場合の一例を示しているが、インペラ４０は、少なくとも２つ以上設けられていればよい。
【００２１】
インナーケーシング２０には、インペラ４０を収容した際にインペラ４０同士の間となる位置にインペラ４０を流通するガスＧを上流側から下流側に流通させるケーシング側流路５０が形成されている。
【００２２】
アウターケーシング１５の一端にはガスＧを外部からケーシング側流路５０に流入させる吸込口２３が設けられている。また、アウターケーシング１５の他端には、ケーシング側流路５０に連続して、ガスＧを外部に流出させる排出口２４が設けられている。
【００２３】
インナーケーシング２０の一端部２０ａ側と他端部２０ｂ側には、それぞれ回転軸３０の両端部を支持する支持孔２５，２６が形成されている。回転軸３０は、これら支持孔２５，２６に、ジャーナル軸受２７を介して中心軸Ｏ回りに回転自在に支持されている。また、インナーケーシング２０の一端部２０ａには、さらにスラスト軸受２８が設けられ、回転軸３０は、その一端側３０ａが、スラスト軸受２８を介して中心軸Ｏ方向に回転自在に支持されている。
【００２４】
ケーシング側流路５０は、ディフューザ部５１と、リターンベンド部５２と、戻り流路５３と、から形成されている。
ディフューザ部５１は、インペラ４０の外周側から、外周側に向けて延びるよう形成されている。
リターンベンド部５２は、ディフューザ部５１の外周部に連続して形成されている。リターンベンド部５２は、ディフューザ部５１の外周部からインナーケーシング２０の他端部２０ｂ側に、断面視Ｕ字状に回り込んで内周側に向かうよう形成されている。
戻り流路５３は、リターンベンド部５２に連続し、内周側に向かって延びるよう形成されている。
【００２５】
各インペラ４０にはインペラ側流路５５が形成されている。このインペラ側流路５５は、インナーケーシング２０の一端部２０ａ側を向く端部５５ａが、ケーシング側流路５０の戻り流路５３に連続し、反対側の端部５５ｂは、外周側を向き、ケーシング側流路５０のディフューザ部５１に連続するよう形成されている。
【００２６】
このような遠心圧縮機１０においては、吸込口２３からケーシング側流路５０に導入されたガスＧは、回転軸３０とともに中心軸Ｏ回りに回転するインペラ４０のそれぞれにおいて、インペラ側流路５５に端部５５ａから流入する。インペラ側流路５５に流入したガスＧは、端部５５ｂから外周側に向かって流出する。
【００２７】
即ち、インペラ４０において周方向に複数設けられたブレード部４２の間は、径方向にガスＧが流通する圧縮流路とされており、インペラ側流路５５を経ることで、ガスＧは圧縮される。
【００２８】
各段のインペラ４０から流出したガスＧは、ケーシング側流路５０のディフューザ部５１を通して外周側に流れ、リターンベンド部５２において流れ方向を折り返し、戻り流路５３を通して後段側のインペラ４０に送り込まれる。このようにして、インナーケーシング２０の一端部２０ａ側から他端部２０ｂ側に向けて多段に設けられたインペラ４０のインペラ側流路５５とケーシング側流路５０を経ることで、ガスＧが多段に圧縮され、排出口２４から送り出される。
【００２９】
このような遠心圧縮機１０には、各段のインペラ４０に対応して、ホール６０が形成されている。
各ホール６０は、一端が各リターンベンド部５２に開口し、他端がアウターケーシング１５の外方に開口している。即ち、このホール６０は、リターンベンド部５２側から、中心軸Ｏを中心とした径方向に延び、インナーケーシング２０を構成する各ダイヤフラム２２、およびアウターケーシング１５を貫通して形成されている。
【００３０】
また、アウターケーシング１５には、中心軸Ｏに平行に連続し、各ホール６０を連結する貫通孔６１が形成されている。この貫通孔６１により、互いに隣接するホール６０同士を連結する連結孔６２が形成されている。貫通孔６１は、アウターケーシング１５の一端に開口しており、この開口は、貫通孔６１の穿設後にプラグ６４によって閉塞される。
【００３１】
さらに、各ホール６０には、連結孔６２を閉塞可能な開閉弁６３が一つずつ備えられている。開閉弁６３は、図示しない駆動機構によって、ホール６０内を進退し、ホール６０の側方に開口する連結孔６２を閉塞する位置と開放する位置との間で移動可能とされている。各開閉弁６３は、図示しないコントローラによってその動作が制御される。
【００３２】
このような構成の遠心圧縮機１０を運転する際に、コントローラの制御により、中心軸Ｏ方向に沿って互いに隣接する二つのホール６０において、開閉弁６３を開く。例えば、図１の例では、３段目のインペラ４０Ｃの上流側のホール６０と下流側のホール６０とにおいて、開閉弁６３が開いている。すると、二つのホール６０と、これらの間の連結孔６２とによって、各段のインペラ４０の下流側と上流側とを連結するバイパスライン６５が形成される。
このバイパスライン６５を通し、インペラ４０の出口側と入口側との間でガスＧを循環させる。
【００３３】
上述した遠心圧縮機によれば、インペラ４０の上流側と下流側のホール６０の開閉弁６３を開くことによって、インペラ４０の出口側と入口側との間でガスＧを循環させることが可能となる。これにより、遠心圧縮機１０を流量の低い状態で運転する場合に、サージングが発生しやすい部位において、循環したガスＧによってガス流量を増やし、サージングの発生を抑えることができる。
【００３４】
また、多段のインペラ４０を備えた遠心圧縮機１０において、全てのインペラ４０においてガスＧを循環させるのではなく、サージングが発生しやすい部位のみでガスＧを循環させるので、インペラ４０の前後を循環するガスＧの量を抑えることができる。よって、効率の低下を最小限に抑えることができる。
【００３５】
さらに、遠心圧縮機１０を低い流量で運転する場合以外では、全ての開閉弁６３を閉じ、ガスＧの循環を行わないようにすることで、効率を高く維持することができる。
【００３６】
また、バイパスライン６５は、径方向に延びるホール６０と、軸線方向に延びる連結孔６２とを形成すればよいので、バイパスライン６５を容易な加工により形成することができる。
【００３７】
（第一実施形態の第一変形例）
上記第一実施形態では、開閉弁６３を、ホール６０に沿って中心軸Ｏを中心とした径方向に進退させるようにしたが、これに限らない。
【００３８】
例えば、図２に示すように、互いに隣接するホール６０を開閉する開閉弁６３を、中心軸Ｏの方向に沿って配置し、貫通孔６１内に通したロッド６７に固定する。ホール６０を開閉するときには、ロッド６７を、貫通孔６１内で、中心軸Ｏの方向に沿って移動させる。
このような構成においても、バイパスライン６５を開閉することができる。
【００３９】
この場合、例えば１段目のインペラ４０に対応する（インペラ４０の前後をつなぐ）バイパスライン６５Ａと、２段目のインペラ４０に対応するバイパスライン６５Ｂと、３段目のインペラ４０に対応するバイパスライン６５Ｃと、４段目のインペラ４０に対応するバイパスライン６５Ｄと、５段目のインペラ４０に対応するバイパスライン６５Ｅとを、それぞれで、個別に開閉操作が行えるような構造を用いるとよい。
【００４０】
具体的には、図３に示すように、複数のインペラ４０に対応したバイパスライン６５のそれぞれで、個別に開閉操作が行えるように、各インペラ４０の前後の２つのホール６０と、これらホール６０同士を連結する貫通孔６１と、貫通孔６１に挿通するロッド６７は、遠心圧縮機１０の周方向に位相を異ならせて配置するとよい。
【００４１】
この変形例においては、バイパスライン６５を構成するホール６０、連結孔６２、開閉弁６３、ロッド６７等は、各段のインペラ４０ごとに、周方向に約６０°ずつ位相を異ならせて配置したが、このように等間隔で配置しなくともよい。
【００４２】
（第一実施形態の第二変形例）
また、図４、図５に示すように、上記第一実施形態で示したバイパスライン６５は、各段のインペラ４０ごとに、周方向に位相を異ならせて配置するようにしてもよい。
即ち、各段のインペラ４０の入口側と出口側とにそれぞれホール６０を形成し、これら互いに隣接するホール６０を連結孔６２により連結する。そして、それぞれのホール６０に開閉弁６３を設け、これら開閉弁６３を開閉することで、バイパスライン６５を開閉する。
【００４３】
この変形例においても、バイパスライン６５を構成するホール６０、連結孔６２、開閉弁６３は、各段のインペラ４０ごとに、周方向に約６０°ずつ位相を異ならせて配置したが、このように等間隔で配置しなくともよい。
【００４４】
ここで、互いに隣接するホール６０に設けた開閉弁６３は、連結部材６６によって一体に連結し、これら開閉弁６３が同期して作動するようにするとよい。
【００４５】
このような構成においても、上記第一実施形態と同様の作用効果を得ることが可能である。
【００４６】
なお、この変形例において、互いに隣接するホール６０に設けた開閉弁６３を、連結部材６６によって一体に連結するようにしたが、これに限らない。互いに隣接するホール６０を連結する連結孔６２に１つの開閉弁６３を設けることで、バイパスライン６５を開閉するようにしてもよい。
【００４７】
（第一実施形態の第三変形例）
上記第一実施形態および、その第一変形例、第二変形例においては、連結孔６２（貫通孔６１）をアウターケーシング１５に形成するようにしたが、図６に示すように、連結孔６２は、インナーケーシング２０に形成するようにしてもよい。
【００４８】
図６の第三変形例では、上記第一実施形態に対応する構成を示したが、上述した第一実施形態の第一変形例、第二変形例においても、同様に、インナーケーシング２０に連結孔６２を形成することができる。
【００４９】
（第二実施形態）
次に、本発明にかかる遠心圧縮機の第二実施形態について説明する。以下に説明する第二実施形態においては、第一実施形態とバイパスラインの構成のみが異なり、遠心圧縮機の基本構成は共通であるので、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複説明を省略する。
【００５０】
図７に示すように、本実施形態の遠心圧縮機１０は、主として、アウターケーシング１５と、インナーケーシング２０と、インナーケーシング２０内で中心軸Ｏ回りに回転自在に支持された回転軸３０と、回転軸３０に取り付けられて遠心力を利用してガスＧを圧縮する複数段のインペラ４０と、を備えている。
【００５１】
各ダイヤフラム２２には、各インペラ４０の入口側の戻り流路５３と出口側のディフューザ部５１とを接続するように、中心軸Ｏに平行に延びる貫通孔７０が形成されている。この貫通孔７０の長さ方向中央部から遠心圧縮機１０の外周側に向かって、シリンダ孔７１が形成されている。シリンダ孔７１は、一端が貫通孔７０に開口し、他端がアウターケーシング１５の外方に開口している。
【００５２】
このシリンダ孔７１は、貫通孔７０側から、中心軸Ｏを中心とした径方向外方に延び、インナーケーシング２０を構成する各ダイヤフラム２２、およびアウターケーシング１５を貫通して形成されている。
【００５３】
さらに、シリンダ孔７１には、貫通孔７０を閉塞可能な開閉弁７２が備えられている。開閉弁７２は、図示しない駆動機構によって、シリンダ孔７１内を径方向に進退し、シリンダ孔７１の側方に開口する貫通孔７０を閉塞する位置と開放する位置との間で移動可能とされている。
また、各開閉弁７２は、図示しないコントローラによってその動作が制御される。
【００５４】
このような構成において、いずれかの貫通孔７０において（図７では、３段目のインペラ４０Ｃ）、開閉弁７２を開く。すると、この貫通孔７０によって、各段のインペラ４０の出口側と入口側とを連結するバイパスライン７５が形成される。
このバイパスライン７５を通し、インペラ４０の出口側と入口側との間でガスＧが循環する。
【００５５】
上述した遠心圧縮機によれば、ダイヤフラム２２に形成した貫通孔７０に設けた開閉弁７２を開くことによって、バイパスライン７５を通してインペラ４０の出口側から入口側にガスＧを循環させることが可能となる。これにより、遠心圧縮機１０を流量の低い状態で運転する場合に、サージングが発生しやすい部位において、循環したガスＧによってガス流量を増やし、この部位でのサージングの発生を抑えることができる。
【００５６】
また、多段のインペラ４０を備えた遠心圧縮機１０において、全てのインペラ４０においてガスＧを循環させるのではなく、サージングが発生しやすい部位のみでガスＧを循環させるので、インペラ４０の前後を循環するガスＧの量を抑えることができる。よって、効率の低下を最小限に抑えることができる。
さらに、遠心圧縮機１０を低い流量で運転する場合以外では、全ての開閉弁７２を閉じ、ガスＧの循環を行わないようにすることで、効率を高く維持することができる。
【００５７】
さらに、バイパスライン７５は、ダイヤフラム２２に貫通孔７０を形成すればよいので、容易に形成することが可能である。
【００５８】
（第二実施形態の変形例）
図８、図９に示すように、上記第二実施形態で示した貫通孔７０（バイパスライン７５）、シリンダ孔７１、開閉弁７２は、各段のインペラ４０ごとに、周方向に位相を異ならせて配置するようにしてもよい。
【００５９】
この変形例においては、貫通孔７０（バイパスライン７５）、シリンダ孔７１、開閉弁７２は、各段のインペラ４０ごとに、周方向に約６０°ずつ位相を異ならせて配置したが、等間隔で配置しなくともよい。
【００６０】
このような構成においても、上記第二実施形態と同様の作用効果を得ることが可能である。
【００６１】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。即ち、実施形態で挙げた具体的な形状や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。
例えば、上記各実施形態およびその変形例では、遠心圧縮機１０の構成を示したが、遠心圧縮機自体の構成は、適宜変更してもよい。
【００６２】
また、サージングが発生する部位が広範にわたる場合には、複数のインペラ４０に対応した領域で、バイパスライン６５，７５を開いてガスＧを循環させるようにしてもよい。
【００６３】
また、上述した実施形態、及び各変形例の構成は、適宜組み合わせてよい。
【符号の説明】
【００６４】
１０  遠心圧縮機
１５  アウターケーシング（ケーシング）
２０  インナーケーシング（ケーシング）
２０ａ  一端部
２０ｂ  他端部
２１  内部空間
２２  ダイヤフラム
２３  吸込口
２４  排出口
２５，２６  支持孔
２７  ジャーナル軸受
２８  スラスト軸受
３０  回転軸
３０ａ  一端側
４０、４０Ｃ  インペラ
４２  ブレード部
５０  ケーシング側流路
５１  ディフューザ部
５２  リターンベンド部
５３  戻り流路
５５  インペラ側流路
５５ａ  端部
５５ｂ  端部
６０  ホール
６１  貫通孔
６２  連結孔
６３  開閉弁
６４  プラグ
６５  バイパスライン
６６  連結部材
７０  貫通孔
７１  シリンダ孔
７２  開閉弁
７５  バイパスライン
Ｇ  ガス
Ｏ  中心軸
【図１】
2016180400.tif 000003
【図２】
2016180400.tif 000004
【図３】
2016180400.tif 000005
【図４】
2016180400.tif 000006
【図５】
2016180400.tif 000007
【図６】
2016180400.tif 000008
【図７】
2016180400.tif 000009
【図８】
2016180400.tif 000010
【図９】
2016180400.tif 000011