(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
音速以上で回転する回転体の外周に複数の突起物（角型、楔形、半円形、多角形）を配設し、前記突起物基部近傍に低圧吸気部を設け、前記突起物より発生する斜め衝撃波により対面する固定容器の壁面に形成される衝撃圧縮空域に高圧排出部を設け、その回転体の軸方向の両端面に一体構造の円盤状の枠面を設けて糸巻き状構造体を形成するとともに、前記一方側枠面の小径部に複数の吸気口を前記突起部の基部近傍に設け、他方側枠面の大径部に前記斜め衝撃波により生成される高圧気体を排出する複数の排出口を配設する構成とし、
前記固定容器は、円筒状容器で構成し内部に二つの直角仕切り板を配設して中央に円筒状気密容器を形成させるとともに、両側に外側開口部を持つ構成とし、上記円筒状気密容器には前記糸巻き状構造体を回転自在に収納させ、前記気密容器の円筒内壁に前記斜め衝撃波による衝撃圧縮空域を形成させる構成とし、
前記低圧吸気部は、円筒状気密容器に収納する糸巻き状構造体の一方側枠面の小径部に設けた複数の吸気口に連通する環状開口部を前記枠面に接触する一方側の仕切り板に設けて、前記円筒状容器の外側開口部の一方側に形成させ、
前記高圧排出部は、前記円筒状気密容器に収納する糸巻き状構造体の他方側枠面の大径部に設けた複数の排気口に連通する環状開口部を前記枠面に接触する他方側の仕切り板に設け、前記円筒状容器の外側開口部の他方側に形成させる構成としたことを特徴とする圧縮機。
【請求項２】
前記吸気口と突起物の配設数は１対１の対応を持つ構成としたことを特徴とする請求項１記載の圧縮機。
【請求項３】
前記吸気口と突起物の配設数は１対２の対応を持つ構成としたことを特徴とする請求項１記載の圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスを圧縮し圧送する分野、冷媒ガスを圧縮する冷凍の分野、その他のガスの圧縮分野に使用されるガス体ないし媒体の高圧発生方法を使用した圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より圧縮機としては、運動のエネルギを使用する遠心型と、ガスの体積を変化させる容量型が知られているが、衝撃波を利用する圧縮機はない。衝撃波を圧縮機構として利用するものには、超音速航空機でラムジェットエンジンと言われているものがある。
【０００３】
上記従来の圧縮機の場合、容積型は機械的に体積を気密裡に減少させ内蔵する圧縮媒体を圧縮させるため、圧縮過程における気密性保持のため、圧縮部への吸入過程から圧縮過程を経て吐出過程まで気密裡に保持された圧縮媒体の通路が必要で、そのためには、高い寸法精度により組み込まれた圧縮機構が必要で、摺動摩擦部の駆動による機械損は大きく、摺動部に対する潤滑油の問題がある。
また、遠心圧縮機の場合は、体積流量が大きく１段当たりの圧縮比が小さい条件で使用されるのが普通であるが、気密摺動部を持たないので給油の問題も小さいが高速回転に対する配慮が必要であり、また、サージングの問題がある。
【０００４】
上記容積型の圧縮機や遠心型の圧縮機のいずれにしても、現状の効率は略７０％以下で、その値も限界に近いものと言われている。
これは一に流体抵抗損失によるものであると考えられている。
【０００５】
ところで、上記従来のものとは異なる形式の圧縮機が特開昭６１−４０４９１号公報に提案されている。上記提案は図８（Ａ）、（Ｂ）に見るように、固定ケーシングカバー５５と、該ケーシングカバー５５内を軸受け６０を介して音速以上の高速回転を可能とし且つ左右の軸管部に低圧空気吸引部５４ａと５４ｂを持つ中空ホィール状ケーシング５２と、該ケーシング内に内蔵された固定複数の突起状吸気口５３、５３、５３、５３を備え且つその右端軸に前記低圧空気吸引部５４ｂ内に同軸状に固設した高圧空気排出路６１を備えた羽根状容器５１と、より構成している。
なお、上記突起状の吸気口５３は、図８（Ｂ）に見るように前記中空ホィール状ケーシング５２の最外周の内壁との間に狭い隙間６２を形成させる構造にしてある。
上記構成により、駆動モータ５９、ベルト５８、プーリ５７を介して矢印Ａ方向に音速以上の高速回転をする中空ホィール状ケーシング５２内には負圧を発生し低圧空気吸入部５４ａ、５４ｂより空気は吸入され、吸入された空気は前記ケーシング内の外周内壁を高速で移動し、前記吸気口５３の頂部との間に形成された狭い隙間６２により衝撃波を発生し、そのため前記吸気口５３に導かれた空気を圧縮し、高圧空気として高圧空気排出路６１より排出するようにしたものである。
【０００６】
上記提案において、中空ホィール状ケーシングの音速以上の回転は理解されるが固定突出吸気口の頂部における、衝撃波による空気圧縮形成の過程は明らかでない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、衝撃波の構造を根本的に検討し、衝撃波の発生に伴い形成される衝撃圧縮を利用し、従来の流体抵抗を伴う圧縮機構とは発想を異にする高圧発生方法を使用した高効率圧縮機の提供を目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、壁に平行の超音速気流中に置かれた楔などにより発生する斜め衝撃波の発生の態様、及び該斜め衝撃波が壁に入射する際形成される衝撃圧縮空域発生の態様を利用するようにしたものである。
そのためには、上記斜め衝撃波の発生手段として音速以上に回転する回転体に設けた突起物により斜め衝撃波を発生させ、それを回転体が対面する容器壁面に入射させ、入射点における衝撃圧縮空域の有効利用を可能とする手段を設けたものである。
【０００９】
上記高圧発生方法を用いた本発明の圧縮機の構成は、音速以上で回転する回転体の外周に複数の突起物（角型、楔形、半円形、多角形）を配設し、前記突起物基部近傍に低圧吸気部を設け、前記突起物より発生する斜め衝撃波により対面する固定容器の壁面に形成される衝撃圧縮空域に高圧排出部を設け、その回転体の軸方向の両端面に一体構造の円盤状の枠面を設けて糸巻き状構造体を形成するとともに、前記一方側枠面の小径部に複数の吸気口を前記突起部の基部近傍に設け、他方側枠面の大径部に前記斜め衝撃波により生成される高圧気体を排出する複数の排出口を配設する構成とし、
前記固定容器は、円筒状容器で構成し内部に二つの直角仕切り板を配設して中央に円筒状気密容器を形成させるとともに、両側に外側開口部を持つ構成とし、上記円筒状気密容器には前記糸巻き状構造体を回転自在に収納させ、前記気密容器の円筒内壁に前記斜め衝撃波による衝撃圧縮空域を形成させる構成とし、
前記低圧吸気部は、円筒状気密容器に収納する糸巻き状構造体の一方側枠面の小径部に設けた複数の吸気口に連通する環状開口部を前記枠面に接触する一方側の仕切り板に設けて、前記円筒状容器の外側開口部の一方側に形成させ、
前記高圧排出部は、前記円筒状気密容器に収納する糸巻き状構造体の他方側枠面の大径部に設けた複数の排気口に連通する環状開口部を前記枠面に接触する他方側の仕切り板に設け、前記円筒状容器の外側開口部の他方側に形成させる構成としたことを特徴とするものである。
【００１０】
【００１１】
【００１２】
前記回転体の突起物を円筒面上に搭載し、その軸方向の両端面に一体構造の円盤状の枠面を設けて糸巻き状構造体を形成させ、該糸巻き状構造体を円筒内壁と二つの仕切り板により形成された円筒状気密容器内に収納させ前記糸巻き状構造体の枠面を前記仕切り板に摺動回転可能に挟持する構成としたため、挟持された枠体を音速以上の回転速度で回転させれば前記構造体の円筒面上に設けた突起により容易に前記円筒状気密容器内に斜め衝撃波を発生させることができる。
【００１３】
また、前記糸巻き状構造体の一方の枠面の前記突起の基部の近傍の小径部に外部よりの吸気口を複数個設け、その枠面に摺動接触する前記円筒状気密容器の一方の仕切り板に同心円状の環状開口部を設け前記複数の吸込み口に連通するようにしたため、仕切り板の外側の外側開口部に低圧吸気部を形成出来る。
また、前記糸巻き状構造体の他方の枠面の斜め衝撃波の入射点近傍の大径部に外部への排出口を複数個設け、その枠面に摺動接触する前記円筒状気密容器の他方の仕切り板に同心円状の環状開口部を設け前記複数の排出口に連通するようにしたため、仕切り板の外側の外側開口部に高圧排出部を形成出来る。
上記のようにして、低圧吸気部、回転体、回転体を内蔵する円筒状気密容器、高圧排出部により本発明の圧縮機は形成され、低圧吸気部より吸込み高圧排出部より高圧気体を排出させることができる。
【００１４】
また、請求項２記載の吸気口と突起物の配設数は１対１の対応を持つ構成としたことを特徴とするものである。
【００１５】
また、請求項２記載の吸気口と突起物の配設数は１対２の対応を持つ構成としても良い。
【００１６】
上記１対２の対応の場合には、前記円筒状気密容器の円筒内壁に形成される衝撃圧縮空域をフラット状に形成出来、圧縮の効率化が図れる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の圧縮機の概略の構成を示す図で、図２は図１に内蔵された回転体の概略の構成を示す図である。
【００１８】
図１に示すように、本発明の圧縮機は、ケーシング１０と、該ケーシング１０が内蔵する回転体１４及び低圧吸気部２０と高圧排出部２１とより構成する。
前記回転体１４は、図２に示すように、円筒面を形成する回転部材１６と該部材の両端に円盤状枠面１７ａ、１７ｂとにより一体構造とした糸巻き状構造体を構成してある。該構造体の両端より軸芯上に突出させた回動軸１５、１５により、後記するケーシング１０の仕切り板１２ａ、１２ｂに設けた軸受け部材１５ａ、１５ａを介して回動自在に円筒状気密容器１３に内蔵するようにしてある。
ケーシング１０は円筒状容器よりなり、円筒内壁１１と仕切り板１２ａと１２ｂとにより中央に円筒状気密容器１３を形成して前記回転体１４の両側の枠面１７ａ、１７ｂと摺動接触させて回転可能に内蔵し、前記したように仕切り板１２ａ、１２ｂに設けた軸受け部材１５ａ、１５ａを介して図示してない駆動部により回動させ、回転体１４を構成する回転部材１６の周速を超音速で回転するようにしてある。
【００１９】
図２及び図３に見るように、上記回転体１４の円筒面を形成する回転部材１６の外周上には軸方向に平行の２次元形態を持つ突起部１９、１９、１９、１９を配設し、該突起部１９の基部の近傍部位にあたる枠面１７ａの小径部に吸気口１８ａ、１８ａ、１８ａ、１８ａを設けるとともに、枠面１７ｂの外周部にあたる大径部に排出口１８ｂ、１８ｂ、１８ｂ、１８ｂを設ける構成とする。
【００２０】
図３（Ａ）には図２のIIIＡ−IIIＡ視図が示され、突起部１９と吸気口１８ａとの関係位置を示してある。また、図３（Ｂ）には図２のIIIＢ−IIIＢ視図が示され突起部１９と排気口１８ｂとの関係位置が示してある。
なお、吸気口１８ａと突起部１９の配設数の関係は図３（Ａ）に示す１個の吸気口に対し１個の突起物を対応させる１対１の対応ばかりでなく図４（Ａ）に示す１対２の対応でも良く、図４（Ｂ）に見るように１対１の対応の場合の圧力分布Ａに比較して１個の吸気口に２個の突起部を対応させた場合の圧力分布Ｂの方がフラットで且つ高圧圧力分布により、良好な衝撃圧縮空域の形成が実験上認められた。
なお、上記排出口１８ｂ、１８ｂ、１８ｂ、１８ｂは図５に見るように後記する突起部１９ａにより発生する斜め衝撃波により惹起される衝撃圧縮空域の高圧発生部２３ａに形成するようにしてある。
また、前記突起１９は３次元形状を使用しても良い。
【００２１】
一方、図１に見るように、回転体１４の枠面１７ａ、１７ｂに摺動接触する仕切り板１２ａ、１２ｂには、前記吸気口１８ａ、１８ａ、１８ａ、１８ａと排出口１８ｂ、１８ｂ、１８ｂ、１８ｂとにそれぞれ連通する環状開口部２０ａ、２１ａを設け、回転体１４が高速回転中でも前記環状開口部２０ａ、２１ａと吸気口１８ａ、…１８ａ、排出口１８ｂ、…１８ｂとを介して流動可能の構造にしてある。
そして、低圧吸気部２０は吸気パイプ２０ｂを介して外気を取り入れた後、該外気は環状開口部２０ａと超音速回転中の回転体１４の吸気口１８ａ、…を介して円筒状気密容器１３内に導入され、導入された外気は低圧より高圧に変換され、回転体１４の排出口１８ｂ、…と環状開口部２１ａを介して高圧排出部２１に排出させるようにっしてある。
【００２２】
図６の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示すように回転体１４の回転部材１６の外周上には、例えば角型、楔形、半円型、多角形形の２次元形状のものまたは図示してない３次元形状の突起部１９が、適当間隔を置いて配設されている。
図５に示すように、例えば楔形突起１９ａの場合、該突起が超音速Ｍで矢印方向に移動させると、境界層の厚さにもよるが、楔形突起１９ａの先端より離脱した位置より斜め衝撃波２２が発生する。
該斜め衝撃波２２は対向位置にある前記円筒状気密容器１３の円筒内壁１１に入射し入射点近傍に衝撃圧縮空域を形成させるとともに反射衝撃波２３を反射させるが、前記衝撃圧縮空域に高圧発生部２３ａを形成する。
即ち、前記排出口１８ｂをこの高圧発生部２３ａに設けてあれば高圧気体を取り出すことができる。
【００２３】
図７には、本発明の衝撃圧縮に関する模擬テストの結果を示してある。図に見るように突起１９に角型突起１９ｂを使用しＭ＝２の超音速下に置いた合、３倍の高圧を得ることができた。
【００２４】
なお、本発明の低圧吸気部、回転体、高圧排出部を同軸上に多連状に組み込めば容易に多段圧縮も可能である。
【００２５】
【発明の効果】
上記構成により、衝撃波の衝撃圧縮を利用するようにしたため、従来の流体抵抗を伴う圧縮機構を使用する従来の圧縮機に対し、高効率圧縮機を提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の圧縮機の概略の構成を示す図である。
【図２】  図１に内蔵された回転体の概略の構成を示す図である。
【図３】  図１の回転体に設けた突起部と吸気口及び排気口との関係位置を示す図で、（Ａ）は図２のIIIＡ−IIIＡ視図で１個の吸気口に１個の突起部を対応配設した場合を示し、（Ｂ）は図２のIIIＢ−IIIＢ視図である。
【図４】  （Ａ）は図２（Ａ）の別の実施例（１個の吸気口に２個の突起部を対応配設した場合を示す）図で、（Ｂ）は吸気口１個に対し１個の突起物を対応させる場合と２個の突起物を対応させる場合の圧力分布の状況を示す比較図である。
【図５】  図２に示す回転体を超音速回転させた場合の斜め衝撃波や反射衝撃波発生の状況を示す模式図である。
【図６】  図２の回転体に設けた突起の２次元形状を示す図である。
【図７】  本発明の衝撃圧縮に関する模擬テストの結果を示す図である。
【図８】  従来の超音速回転による圧縮機の概略の構成を示す図で、（Ａ）は側面から見た断面図で、（Ｂ）は正面から見た断面図である。
【符号の説明】
１０  ケーシング
１１  円筒内壁
１２ａ、１２ｂ  仕切り板
１３  円筒状気密容器
１４  回転体
１５ａ、１５ｂ  軸受け部材
１６  回転部材
１７ａ、１７ｂ  枠面
１８ａ  吸気口
１８ｂ  排出口
１９    突起部
２０    低圧吸気部
２１    高圧排出部
２２    斜め衝撃波
２３    反射衝撃波
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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