(57)【要約】【課題】翼間の流路における流体の速度の分布を適正化する。【解決手段】本開示のインペラ（２）は、ハブ（２０）及び複数の翼（２１）を備えている。翼（２１）は、ハブ（２０）の上面側に位置する前縁部分（２４）と、ハブ（２０）の下面側に位置する本体部分（２５）とを有する。ハブ（２０）に接する側とは反対側において、前縁部分（２４）の先端（３５）及び本体部分（２５）の先端（３６）がハブ（２０）の上面側から下面側に向かって延びている。インペラ（２）の回転軸（Ｏ）に垂直な半径方向から翼（２１）を平面視したとき、前縁部分（２４）の先端（３５）のプロファイルが直線状であり、本体部分（２５）の先端（３６）のプロファイルが曲線状である。【選択図】図３Ａ
2017133498.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面、下面、及び外周面を有するハブと、
前記ハブに固定され、前記ハブの外周面上に放射状に設けられた複数の翼と、
を備えた、遠心圧縮機用のインペラであって、
前記翼は、前記ハブの上面側に位置する前縁部分と、前記ハブの下面側に位置する本体部分とを有し、
前記翼が前記ハブに固定されている側とは反対側において、前記前縁部分の先端及び前記本体部分の先端が前記ハブの前記上面側から前記下面側に向かって延びており、
前記インペラの回転軸に垂直な半径方向から前記翼を平面視したとき、前記前縁部分の前記先端のプロファイルが直線状であり、前記本体部分の前記先端のプロファイルが曲線状である、インペラ。
【請求項２】
前記翼は、正圧面と負圧面とを含み、
前記半径方向から前記翼を平面視したときの前記前縁部分の前記先端のプロファイルは、前記正圧面側における第１上流部分と、前記負圧面側における第２上流部分とを含み、前記第１上流部分及び前記第２上流部分の両方が直線状であり、
前記半径方向から前記翼を平面視したときの前記本体部分の前記先端のプロファイルは、前記正圧面側における第１下流部分と、前記負圧面側における第２下流部分とを含み、前記第１下流部分及び前記第２下流部分の両方が曲線状である、請求項１に記載のインペラ。
【請求項３】
前記インペラの前記回転軸を含む子午面に前記翼を回転投影することによって得られる子午面投影図において、前記インペラの前記回転軸に平行な軸方向に関する前記翼の全長を子午面長さと定義したとき、
前記前縁部分は、前記子午面投影図において、前記翼の前縁の位置から前記軸方向に向かって前記子午面長さの５％進んだ位置までを占有している、請求項１又は２に記載のインペラ。
【請求項４】
前記複数の翼のそれぞれが前記インペラの主翼を構成し、
前記インペラは、複数の副翼をさらに備え、
前記複数の副翼は、それぞれ、前記インペラの周方向において互いに隣り合う前記主翼と前記主翼との間に配置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のインペラ。
【請求項５】
前記翼の前記前縁の位置において、前記翼の半径に対する前記ハブの半径の比率が０．６〜０．７の範囲にある、請求項１〜４のいずれか１項に記載のインペラ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のインペラと、
前記インペラを収容するシュラウド壁と、
を備えた、遠心圧縮機。
【請求項７】
請求項６に記載の遠心圧縮機を備え、
常温での飽和蒸気圧が負圧の物質が冷媒として使用されている、冷凍サイクル装置。
【請求項８】
前記物質が水を含む、請求項７に記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、インペラ、遠心圧縮機及び冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心圧縮機に使用された回転部品のうち、吸入した流体を主として回転接線方向に加速することによって、流体に運動エネルギーを付与する部品はインペラと称されている。インペラは、通常、円錐台に近似した形状を有し、小径の上面の中心と大径の下面の中心とを結ぶ直線を軸として回転する。非特許文献１に記載されているように、インペラは、放射状に配置された複数の翼（blade）を有する。
【０００３】
翼は、その前縁において、遠心圧縮機に吸入された流体に対し、ある角度で衝突する。この衝突により、翼の表面（負圧面）と裏面（正圧面）との間に速度差が発生し、流体に運動エネルギーが与えられる。
【０００４】
翼の前縁から後縁までの区間においては、インペラの回転半径の増大によって、主として回転接線方向に関する流体の分速度が増加する。インペラが最大外径を有する位置において分速度の増加は最大となり、流体に付与される運動エネルギーの総量が定められる。
【０００５】
また、翼の前縁から後縁に向かって進むにつれて翼間断面の断面積が減少するようにインペラを設計することによって、翼の表面に沿った方向の流体の速度が減速することを防止できる。
【０００６】
インペラの内部（翼間の流路）における流体の速度、つまり、翼の表面における流体の速度は、そのインペラを搭載する圧縮機に対して求められる圧力比に依存する。例えば、圧縮すべき流体が空気であり、圧力比が４を超える圧縮機の場合、翼の前縁において翼から見た流体の速度（相対速度）が遷音速に達する。非特許文献１には、圧力比８を目指した遠心圧縮機が記載されている。この場合、翼の前縁における相対速度はマッハ数にて１．２程度の高遷音速である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１４／０７３３７７号
【特許文献２】国際公開第２０１４／１９９４９８号
【特許文献３】特開２０１１−１１７３４６号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２００８／０２２９７４２号明細書
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Colin Osborne et al. 著、「AERODYNAMIC AND MECHANICAL DESIGNOF AN 8:1 PRESSURE RATIO CENTRIFUGAL COMPRESSOR」、NASA CR-134782、1975年4月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
インペラの翼間の流路における流体の流れは、非常に複雑である。複雑な流れ場では、速度が遅くかつ高強度の渦流れ（流れの渦度の高い渦流れ）が発生するため、翼から流体に運動エネルギーを効率的に付与することが妨げられる。また、渦流れにおける流体の摩擦によって損失が生じる。このことは、圧力比及び断熱効率の低下の要因となる。
【００１０】
本開示は、翼間の流路における流体の速度の分布を適正化して遠心圧縮機の効率を向上させるための技術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】
【００１１】
すなわち、本開示は、
上面、下面、及び外周面を有するハブと、
前記ハブに固定され、前記ハブの外周面上に放射状に設けられた複数の翼と、
を備えた、遠心圧縮機用のインペラであって、
前記翼は、前記ハブの上面側に位置する前縁部分と、前記ハブの下面側に位置する本体部分とを有し、
前記翼が前記ハブに固定されている側とは反対側において、前記前縁部分の先端及び前記本体部分の先端が前記ハブの前記上面側から前記下面側に向かって延びており、
前記インペラの回転軸に垂直な半径方向から前記翼を平面視したとき、前記前縁部分の前記先端のプロファイルが直線状であり、前記本体部分の前記先端のプロファイルが曲線状である、インペラを提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本開示によれば、翼間の流路における流体の速度の分布を適正化して遠心圧縮機の効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本開示の一実施形態に係る遠心圧縮機の断面図である。
【図２】図２は、図１に示す遠心圧縮機のインペラの子午面投影図である。
【図３Ａ】図３Ａは、インペラの主翼の概略的な斜視図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、インペラの主翼の部分拡大側面図である。
【図４】図４は、翼角度βｂと前縁からの距離との関係を示すグラフである。
【図５】図５は、図１に示す遠心圧縮機のインペラのハブチップ比を示す図である。
【図６】図６は、図１に示す遠心圧縮機を用いた冷凍サイクル装置の構成図である。
【図７】図７は、従来のインペラの主翼の部分拡大側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明者らは、インペラの内部（翼間の流路）における流体（例えば、水蒸気）の流れを詳細に解析した。その結果、大規模な渦流れが合流及び崩壊することによって、流れの閉塞した領域（非常に流れの遅い領域）がインペラの内部に発生していることを突き止めた。本発明者らは、大規模な渦流れの合流及び崩壊を抑制することができる翼の形状を鋭意検討し、その結果、本開示のインペラを想到するに至った。
【００１５】
本開示の第１態様に係るインペラは、
上面、下面、及び外周面を有するハブと、
前記ハブに固定され、前記ハブの外周面上に放射状に設けられた複数の翼と、
を備えた、遠心圧縮機用のインペラであって、
前記翼は、前記ハブの上面側に位置する前縁部分と、前記ハブの下面側に位置する本体部分とを有し、
前記翼が前記ハブに固定されている側とは反対側において、前記前縁部分の先端及び前記本体部分の先端が前記ハブの前記上面側から前記下面側に向かって延びており、
前記インペラの回転軸に垂直な半径方向から前記翼を平面視したとき、前記前縁部分の前記先端のプロファイルが直線状であり、前記本体部分の前記先端のプロファイルが曲線状である。
【００１６】
本開示の第１態様に係るインペラの別の表現は、
上面、下面、及び外周面を有するハブと、
前記ハブに固定され、前記ハブの外周面上に放射状に設けられた複数の翼と、
を備えた、遠心圧縮機用のインペラであって、
前記翼は、前記ハブの上面側に位置する前縁部分と、前記ハブの下面側に位置する本体部分とを有し、
前縁部分は、前記インペラの回転軸に平行な方向における前記翼の一端を構成する前縁を含み、
前記前縁部分の先端及び前記本体部分の先端が前記ハブの前記上面側から前記下面側に向かって延びており、
前記前縁部分の前記先端及び前記本体部分の前記先端は、前記インペラの回転軸に垂直な半径方向における前記翼の一端を構成し、前記一端の反対側に位置する他端において前記翼が前記ハブに固定されており、
前記半径方向から前記翼を平面視したとき、前記前縁部分の前記先端のプロファイルが直線状であり、前記本体部分の前記先端のプロファイルが曲線状である。
【００１７】
第１態様のインペラによれば、インペラの内部（翼間の流路）において、境界層の剥離及び／又は翼端での漏れ流れに起因して高強度の渦流れが発生したとしても、それらの渦流れの合流及び大規模化が抑制されうる。言い換えれば、翼間の流路における流体の速度の分布を適正化することができる。その結果、インペラの内部における閉塞が抑制されて流体がスムーズに流れ、翼から流体に運動エネルギーを効率的に付与することができる。特に、第１態様によれば、低レイノルズ数及び低比速度の運転条件においても、圧縮機の性能を維持することができる。第１態様のインペラを使用すれば、低密度かつ高粘度の流体（例えば、水蒸気）を高効率で圧縮することが可能となる。
【００１８】
本開示の第２態様において、例えば、第１態様にかかるインペラの前記翼は、正圧面と負圧面とを含み、前記半径方向から前記翼を平面視したときの前記前縁部分の前記先端のプロファイルは、前記正圧面側における第１上流部分と、前記負圧面側における第２上流部分とを含み、前記第１上流部分及び前記第２上流部分の両方が直線状であり、前記半径方向から前記翼を平面視したときの前記本体部分の前記先端のプロファイルは、前記正圧面側における第１下流部分と、前記負圧面側における第２下流部分とを含み、前記第１下流部分及び前記第２下流部分の両方が曲線状である。このような構造によれば、第１態様における効果を確実に得ることができる。
【００１９】
本開示の第３態様において、例えば、第１又は第２態様にかかるインペラの前記回転軸を含む子午面に前記翼を回転投影することによって得られる子午面投影図において、前記インペラの前記回転軸に平行な軸方向に関する前記翼の全長を子午面長さと定義したとき、前記前縁部分は、前記子午面投影図において、前記翼の前縁の位置から前記軸方向に向かって前記子午面長さの５％進んだ位置までを占有している。前縁部分の範囲をある程度制限すれば、翼の長さ不足を回避できるので、流体に十分なエネルギーを付与することができる。
【００２０】
本開示の第４態様において、例えば、第１〜第３態様のいずれか１つにかかるインペラの前記複数の翼のそれぞれが前記インペラの主翼を構成し、前記インペラは、複数の副翼をさらに備え、前記複数の副翼は、それぞれ、前記インペラの周方向において互いに隣り合う前記主翼と前記主翼との間に配置されている。遠心圧縮機に要求される最大流量から求められるスロート面積（翼間の流路の最小断面積）を考慮して、主翼を切断した形状を有する副翼を設けることができる。第４態様によれば、より広い流量範囲を有する遠心圧縮機を構築できる。
【００２１】
本開示の第５態様において、例えば、第１〜第４態様のいずれか１つにかかるインペラの前記翼の前記前縁の位置において、前記翼の半径に対する前記ハブの半径の比率が０．６〜０．７の範囲にある。第５態様によれば、流れ場の擾乱を効果的に抑制して圧力比を高めることができる。
【００２２】
本開示の第６態様にかかる遠心圧縮機は、第１〜第５態様のいずれか１つのインペラと、前記インペラを収容するシュラウド壁とを備えたものである。第６態様によれば、高効率の遠心圧縮機を提供できる。
【００２３】
本開示の第７態様にかかる冷凍サイクル装置は、第６態様の遠心圧縮機を備え、常温での飽和蒸気圧が負圧の物質が冷媒として使用されたものである。第７態様によれば、冷媒の圧力を効率的に高めることができるので、冷凍サイクル装置の効率を向上させることができる。
【００２４】
本開示の第８態様において、例えば、第７態様の冷凍サイクルの前記物質が水を含む。本開示のインペラを用いた遠心圧縮機は、水（水蒸気）を含む冷媒を効率的に圧縮することに適している。
【００２５】
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。本開示は、以下の実施形態に限定されない。
【００２６】
図１に示すように、本実施形態の遠心圧縮機１００は、シャフト１１、インペラ２、バックプレート１３及びハウジング１５を備えている。インペラ２は、シャフト１１に固定されている。バックプレート１３は、インペラ２の裏側に配置されている。インペラ２は、ハウジング１５に収容されている。遠心圧縮機１００は、シャフト１１の回転により駆動され、作動流体を圧縮する。なお、以下の説明では、インペラ２の回転軸Ｏに平行な方向（軸方向）のうち、バックプレート１３の表面側を前方、裏面側を後方ということもある。
【００２７】
インペラ２は、ハブ２０、複数の主翼２１（full blade）及び複数の副翼２２（splitter blade）を有する。ハブ２０は、軸方向において小径の上面２０ｐと大径の下面２０ｑとを有し、回転軸Ｏに沿って上面２０ｐから下面２０ｑに向かって滑らかに拡径している。主翼２１及び副翼２２は、ハブ２０に固定され、ハブ２０の外周面上に放射状に設けられている。主翼２１及び副翼２２は、インペラ２の周方向に交互に並んでいる。副翼２２は、主翼２１よりも短い翼である。
【００２８】
なお、副翼２２は必須ではなく、省略されていてもよい。
【００２９】
ハウジング１５は、シュラウド壁３、周縁部材１７及びフロント部材１８を有する。シュラウド壁３は、インペラ２に沿う形状を有する。シュラウド壁３は、インペラ２よりも前方に延びて吸入口１２を形成している。周縁部材１７は、インペラ２の周囲に、バックプレート１３とシュラウド壁３との間に形成されたディフューザと連通する渦巻き室１６を形成している。
【００３０】
図２は、インペラ２の回転軸Ｏを含む子午面に主翼２１、副翼２２及びシュラウド壁３を回転投影することによって得られる子午面投影図（回転投影図）である。子午面投影図に表わされた形状は、ターボ機械の分野において、「子午面形状」と呼ばれている。本明細書では、吸入口１２に面する主翼２１の外周縁を主翼２１の前縁３１と定義する。シュラウド壁３に面する主翼２１の外周縁を主翼２１の先端３２と定義する。同様に、吸入口１２に面する副翼２２の外周縁を副翼２２の前縁４１と定義する。シュラウド壁３に面する副翼２２の外周縁を副翼２２の先端４２と定義する。前縁３１及び４１は、軸方向において、ハブ２０の上面２０ｐと同じ側に位置している。本実施形態において、主翼２１の前縁３１は、インペラ２の回転軸Ｏに垂直な方向に平行である。副翼２２の後縁４３は、主翼２１の後縁３３と同じ位置に位置している。副翼２２の前縁４１は、主翼２１の前縁３１よりも後方に位置している。前縁３１は、インペラ２の回転軸に平行な方向における主翼２１の一端を構成する。
【００３１】
図３Ａに示すように、主翼２１は、ハブ２０の上面２０ｐ側に位置する前縁部分２４と、ハブ２０の下面２０ｑ側に位置する本体部分２５とを有する。本体部分２５は、前縁部分２４に滑らかにつながっている。主翼２１がハブ２０に固定されている側とは反対側において、前縁部分２４の先端３５及び本体部分２５の先端３６がハブ２０の上面２０ｐ側から下面２０ｑ側に向かって延びている。図３Ｂに示すように、インペラ２の回転軸Ｏに垂直な半径方向から主翼２１を平面視したとき、前縁部分２４の先端３５のプロファイルが直線状であり、本体部分２５の先端３６のプロファイルが曲線状である。ハブ２０と主翼２１との接続境界３７は、前縁３１から後縁３３まで全体的に曲線状である。図３Ｂにおいて、回転軸Ｏは、直線状の前縁部分２４と曲線状の本体部分２５との境界を通っている。前縁部分２４は、前縁３１を含む。前縁部分２４の先端３５及び本体部分２５の先端３６は、インペラ２の回転軸に垂直な半径方向における主翼２１の一端を構成し、一端の反対側に位置する他端において主翼２１がハブ２０に固定されている。
【００３２】
図３Ｂに示すように、主翼２１は、正圧面２１ｐ及び負圧面２１ｑを有する。インペラ２の回転方向側の主翼２１の表面が正圧面２１ｐ（加圧面）であり、正圧面２１ｐとは反対側の主翼２１の表面が負圧面２１ｑ（非加圧面）である。同様に、インペラ２の回転方向側の副翼２２の表面が正圧面であり、それと反対側の副翼２２の表面が負圧面である。
【００３３】
特許文献１〜４に記載されたインペラは、レイノルズ数Ｒｅが１０6程度となる条件での使用が想定されている。具体的には、空気を作動流体とする過給機又はガスタービンなどの原動機の要素としての遠心圧縮機が想定されている。レイノルズ数Ｒｅは、下記式（１）によって表される。
【００３４】
【数１】
2017133498.tif 000003
【００３５】
ρ：作動流体の密度（吸入時）
Ｒ1T：翼の前縁におけるシュラウドの半径
Ｗ1T：翼の前縁におけるシュラウド側相対速度
ν：作動流体の動粘度（吸入時）
【００３６】
また、特許文献１〜４では、比速度Ｎｓが０．６〜０．８程度となるような設計が想定されている。比速度Ｎｓは、流体機械の大きさを表す指標であり、下記式（２）によって表される。
【００３７】
Ｎｓ＝（ＮＱ1/2）／（Ｈ4）1/3        ・・・（２）
【００３８】
Ｎ：軸の回転数［ｒｐｍ］
Ｑ：作動流体の体積流量（入口）［ｍ3／ｓｅｃ］
Ｈ：熱落差（ヘッド）［ｍ］
【００３９】
一方、空気調和装置などに使用される遠心圧縮機においては、空気以外の圧縮性流体を作動流体として使用する場合がある。作動流体の粘度の低下により、Ｒｅが１０4程度まで低下することがある。この場合、ハブの表面及び翼の表面からの高強度の渦流れの多発が課題となる。高強度の渦流れが互いに影響し合うことによって、インペラの内部に大規模な擾乱が発生する。その結果、遠心圧縮機の性能が大幅に低下する。
【００４０】
図７に示すように、従来のインペラの翼２１０において、正圧面側の先端２１０ａのプロファイルも負圧面側の先端２１０ｂのプロファイルも全体的に曲線状である。そのため、前縁２１０ｃに衝突した流体は直ちに加速される。この場合、高強度の渦流れが互いに影響し合うことによって、インペラの内部に大規模な擾乱が発生しやすい。
【００４１】
これに対し、本実施形態のインペラ２において、主翼２１は前縁部分２４を有する。前縁部分２４の先端３５のプロファイルが直線状なので、流体は前縁部分２４において加速されにくい。その結果、境界層の肥大化が抑制され、境界層の剥離による低エネルギーかつ高強度の渦流れの発生位置が従来の翼２１０（図７）と比較して下流側に移る。渦流れの発生位置が下流側に移ることで、主翼２１の表面以外の表面（ハブ２０の外周面）において境界層の剥離による低エネルギーの渦流れが前縁３１の近傍で発生したとしても、渦流れの発生位置のずれが生じる。これにより、大規模な渦流れが合流及び崩壊することによって流れの閉塞した領域がインペラ２の内部（翼間の流路）に発生することを抑制できる。言い換えれば、翼間の流路における流体の速度の分布を適正化できる。この効果は、１０4程度の低レイノルズ数の流れ場において顕著である。
【００４２】
また、前縁部分２４においては、負圧面２１ｑ側が減速流れとなり、正圧面２１ｐ側が加速流れとなる。負圧面２１ｑにおいては流れが減速されるため、境界層の肥大化及び境界層の剥離が抑制される。正圧面においては流れが加速されるため、隣接する主翼２１の負圧面２１ｑにて発生した剥離境界層による低エネルギー流れを吹き飛ばすことができる。低エネルギー流れが正圧面２１ｐに付着することが防止され、剥離元の主翼２１の負圧面２１ｑに再衝突する。これにより、隣接する主翼２１に由来する二次流れによる主翼２１の正圧面２１ｐにおける流体の速度分布の擾乱が抑制され、流速分布を適正化することができる。
【００４３】
図３Ｂに示すように、半径方向から主翼２１を平面視したときの前縁部分２４の先端３５のプロファイルは、正圧面２１ｐ側における第１上流部分３５ａと、負圧面２１ｑ側における第２上流部分３５ｂとを含む。第１上流部分３５ａ及び第２上流部分３５ｂの両方が直線状である。また、半径方向から主翼２１を平面視したときの本体部分２５の先端３６のプロファイルは、正圧面２１ｐ側における第１下流部分３６ａと、負圧面２１ｑ側における第２下流部分３６ｂとを含む。第１下流部分３６ａ及び第２下流部分３６ｂの両方が曲線状である。第１下流部分３６ａ及び第２下流部分３６ｂは、負圧面２１ｑ側に向かって凸となる曲率を持っている。このような構造によれば、上記した効果を確実に得ることができる。
【００４４】
図２に示すように、インペラ２の回転軸Ｏに平行な軸方向に関する主翼２１の全長を子午面長さＬと定義する。図２の子午面投影図において、前縁部分２４は、主翼２１の前縁３１の位置から軸方向に向かって子午面長さＬの５％進んだ位置までを占有している。本体部分２５は、子午面長さＬの５％の位置から主翼２１の後縁３３の位置までを占有している。なお、図３Ａ及び図３Ｂには、前縁部分２４が誇張して示されている。前縁部分２４の範囲をある程度制限すれば、主翼２１の長さ不足を回避できるので、流体に十分なエネルギーを付与することができる。
【００４５】
図４に示すように、ハブ２０に接する側における翼（主翼）の翼角度βｂに着目すると、前縁の位置（０％）から後縁の位置（１００％）にわたって、本開示の翼（主翼２１）の翼角度βｂと従来の翼の翼角度βｂとの間に大きな差は見られない。一方、翼（主翼）がハブに固定されている側とは反対側（シュラウド側）における翼（主翼）の翼角度βｂに着目すると、本開示の翼（主翼２１）の翼角度βｂと従来の翼の翼角度βｂとの間に大きな差がある。すなわち、本開示の主翼２１は、先端３５のプロファイルが直線状である前縁部分２４を有するので、前縁の位置（０％）から所定の位置（５％）まで、絶対値で非常に大きい翼角度βｂを示している。
【００４６】
図５に示すように、本実施形態のインペラ２は、０．６〜０．７のハブチップ比（Ｄ１／Ｄ２）を有する。「ハブチップ比」とは、主翼２１の前縁３１の位置における主翼２１の半径Ｄ２に対するハブ２０の半径Ｄ１の比率（Ｄ１／Ｄ２）を意味する。ハブチップ比が上記のような範囲にあると、次のような効果が得られる。
【００４７】
一般的な設計の遠心圧縮機のインペラは、０．４〜０．５程度のハブチップ比を有する。本実施形態のように、ハブチップ比を０．６〜０．７の範囲に設定すると、インペラ２への流体の流入速度が増加し、圧力比を高めやすい。しかし、流れ場の擾乱及びそれによる性能の低下も顕在化しやすい。したがって、０．６〜０．７のハブチップ比を有するインペラに図３Ａ及び図３Ｂを参照して説明した構造を持った主翼２１を採用することによって、流れ場の擾乱を効果的に抑制して圧力比を高めることができる。特に、高速回転時において、インデューサチョーキングと呼ばれる主翼２１の前縁３１の近傍での閉塞を防止することができる。その結果、高圧力比かつ広い作動範囲の遠心圧縮機を構築することが可能となる。
【００４８】
（冷凍サイクル装置の実施形態）
図６に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置２００は、冷媒を循環させる主回路６、吸熱用の第１循環路７及び放熱用の第２循環路８を備えている。主回路６、第１循環路７及び第２循環路８内には、常温で液体の冷媒が充填されている。詳細には、冷媒として、常温（日本工業規格：２０℃±１５℃／JIS Z8703）での飽和蒸気圧が負圧である冷媒が使用されている。そのような冷媒として、水又はアルコールを主成分とする冷媒が挙げられる。冷凍サイクル装置２００の運転時において、主回路６、第１循環路７及び第２循環路８内は大気圧よりも低い負圧状態になっている。本明細書において、「主成分」とは質量比で最も多く含まれた成分を意味する。
【００４９】
主回路６は、蒸発器６６、第１圧縮機６１、中間冷却器６２、第２圧縮機６３、凝縮器６４及び膨張弁６５を含み、これらの機器は流路によってこの順に接続されている。
【００５０】
蒸発器６６は、冷媒液を貯留するとともに内部で冷媒液を蒸発させる。具体的に、蒸発器６６に貯留された冷媒液は、第１循環路７により吸熱用熱交換器７１を経由して循環させられる。例えば、冷凍サイクル装置２００が室内の冷房を行う空気調和装置である場合、吸熱用熱交換器７１は室内に設置され、送風機により供給される室内の空気を冷媒液との熱交換により冷却する。
【００５１】
第１圧縮機６１及び第２圧縮機６３は、冷媒蒸気を二段階で圧縮する。第１圧縮機６１として、先に説明した遠心圧縮機１００を使用することができる。第２圧縮機６３は、第１圧縮機６１から独立した容積型圧縮機であってもよいし、第１圧縮機６１とシャフト１１により連結された遠心圧縮機（例えば、先に説明した遠心圧縮機１００）であってもよい。シャフト１１を回転させる電動機６７は、第１圧縮機６１と第２圧縮機６３との間に配置されていてもよいし、どちらかの圧縮機の外側に配置されていてもよい。第１圧縮機６１と第２圧縮機６３とをシャフト１１によって連結すれば、第１圧縮機６１及び第２圧縮機６３の部品点数を減らすことができる。
【００５２】
中間冷却器６２は、第１圧縮機６１から吐出された冷媒蒸気を第２圧縮機６３に吸入される前に冷却する。中間冷却器６２は、直接接触式の熱交換器であってもよいし、間接式の熱交換器であってもよい。
【００５３】
凝縮器６４は、内部で冷媒蒸気を凝縮させるとともに冷媒液を貯留する。具体的に、凝縮器６４に貯留された冷媒液は、第２循環路８により放熱用熱交換器８１を経由して循環させられる。例えば、冷凍サイクル装置２００が室内の冷房を行う空気調和装置である場合、放熱用熱交換器８１は室外に設置され、送風機により供給される室外の空気を冷媒液との熱交換により加熱する。
【００５４】
ただし、冷凍サイクル装置２００は、必ずしも冷房専用の空気調和装置である必要はない。例えば、室内に設置された第１熱交換器及び室外に設置された第２熱交換器のそれぞれを四方弁を介して蒸発器６６及び凝縮器６４に接続すれば、冷房運転と暖房運転とを切り替え可能な空気調和装置を得ることができる。この場合、第１熱交換器及び第２熱交換器の双方が吸熱用熱交換器７１及び放熱用熱交換器８１として機能する。また、冷凍サイクル装置２００は、必ずしも空気調和装置である必要はなく、例えばチラーであってもよい。さらに、吸熱用熱交換器７１の冷却対象及び放熱用熱交換器８１の加熱対象は、空気以外の気体又は液体であってもよい。
【００５５】
膨張弁６５は、凝縮した冷媒液を減圧する減圧機構の一例である。ただし、減圧機構としては、例えば、主回路６に膨張弁６５が設けられておらず、蒸発器６６内の冷媒液の液面が凝縮器６４内の冷媒液の液面よりも高くなるような構成を採用することも可能である。
【００５６】
蒸発器６６は、必ずしも直接接触式の熱交換器である必要はなく、間接式の熱交換器であってもよい。この場合、蒸発器６６内で冷却された熱媒体が第１循環路７を循環する。同様に、凝縮器６４は、必ずしも直接接触式の熱交換器である必要はなく、間接式の熱交換器であってもよい。この場合、凝縮器６４内で加熱された熱媒体が第２循環路８を循環する。
【００５７】
本実施形態の冷凍サイクル装置２００において、冷媒として水が使用されている場合、第１圧縮機６１及び第２圧縮機６３は、負圧の水蒸気を圧縮する。先に説明した遠心圧縮機１００は、水蒸気のように低密度かつ高粘度の流体を圧縮する用途に適している。また、冷凍サイクル装置２００は、要求される圧力比に対して流体の流量が小さい場合、すなわち、低レイノルズ数及び低比速度の条件で運転されうる。そのため、先に説明した遠心圧縮機１００は、本実施形態の冷凍サイクル装置２００に適している。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本明細書に開示された技術によれば、低レイノルズ数及び低比速度の運転条件においても、圧縮機の性能を維持することができる。本明細書に開示された技術は、水蒸気などの自然冷媒を用いた冷凍サイクル装置に適している。本明細書に開示された技術によれば、特に、小出力の冷凍サイクル装置の性能を向上させることができるとともに、冷凍サイクル装置のメンテナンス頻度を減らすことができる。
【符号の説明】
【００５９】
２  インペラ
２０  ハブ
２０ｐ  ハブの上面
２０ｑ  ハブの下面
２１  主翼
２１ｐ  正圧面
２１ｑ  負圧面
２２  副翼
２４  前縁部分
２５  本体部分
３１  前縁
３２  先端
３５  前縁部分の先端
３５ａ  前縁部分の先端のプロファイルの第１上流部分
３５ｂ  前縁部分の先端のプロファイルの第２上流部分
３６ａ  本体部分の先端のプロファイルの第１下流部分
３６ｂ  本体部分の先端のプロファイルの第２下流部分
３６  本体部分の先端
１００  遠心圧縮機
２００  冷凍サイクル装置
Ｏ  インペラの回転軸
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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