(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータ室（１１）を貫挿し両端に第１及び第２羽根車（１５），（１５´）が設けられているとともに、ジャーナル軸受（３７），（３７´）及びスラスト軸受（４３）に回転自在に支持された回転軸（１３）を回転させ、上記第１羽根車（１５）の回転により昇圧した気体を上記第２羽根車（１５´）の回転によりさらに昇圧して吐出するターボ機械であって、
上記ジャーナル軸受（３７），（３７´）及びスラスト軸受（４３）は共に、動圧型気体軸受で構成され、
上記回転軸（１３）の第２昇圧段側の端部には、上記動圧型スラスト気体軸受（４３）を構成するスラスト円板からなる回転側スラスト軸受（４１）が取り付けられ、
該回転側スラスト軸受（４１）は、プレート室（３９）に収容され、
昇圧前の気体を上記モータ室（１１）を経て上記第１羽根車（１５）に導入して該第１羽根車（１５）の回転により昇圧し、この昇圧した気体を上記プレート室（３９）を経て上記第２羽根車（１５´）に導入して上記回転側スラスト軸受（４１）を第１羽根車（１５）の回転により昇圧した気体に晒すようになっていることを特徴とするターボ機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボ圧縮機等のターボ機械の改良に関し、特に２段昇圧タイプのターボ機械に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ターボ圧縮機等のターボ機械のタイプとして、１つの羽根車を回転軸の一端に連結し、該羽根車を回転軸の回転により昇圧して吐出するようにした単段昇圧タイプのターボ機械がある（特開平８−３１２５８２号公報参照）。
【０００３】
一方、上述の如き単段昇圧タイプのターボ機械に対し、回転軸の両端に取り付けられた一対の羽根車を回転させ、一方の羽根車で昇圧した気体を一旦モータ室に導入してモータを冷却した後、他方の羽根車に導入してさらに昇圧するようにした２段昇圧タイプのターボ機械も知られている（特開平５−２２３０９０号公報参照）。これらターボ機械の回転軸は、ジャーナル軸受及びスラスト軸受に回転自在に支持されている。
【０００４】
そして、後者の２段昇圧タイプのターボ機械によれば、前者の単段昇圧タイプのターボ機械に比べて、低回転で十分な圧力比を得ることができるとともに、スラスト荷重をキャンセルし易く、かつ回転軸の高速回転を必要としないため軸受やモータの設計が簡単であるというメリットを有する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の２段昇圧タイプのターボ機械では、回転軸を回転自在に支持する軸受がすべり軸受やころがり軸受等の機械的軸受であるため、どうしても摩擦抵抗が大きくなりがちであり、軸受性能が低下する嫌いがある。また、この２段昇圧タイプのターボ機械の公報には、上記機械的軸受に代えて磁気軸受を採用可能である旨の記載があり、これによれば、非接触支持構造であるため軸受の負担を軽減することができるが、機械式軸受に比べて単位軸受重量当たりの負荷が低くて汎用性に乏しく、しかも高価であるというデメリットを有する。
【０００６】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、優れた軸受性能を有し、かつ安価で汎用性大なる２段昇圧タイプのターボ機械を提供せんとすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、２段昇圧タイプのターボ機械の回転軸を回転自在に支持する軸受として、すべり軸受等の機械的軸受や磁気軸受の代わりに動圧型気体軸受を採用したことを特徴とする。
【０００８】
具体的には、本発明は、図１に示すように、モータ室（１１）を貫挿し両端に第１及び第２羽根車（１５），（１５´）が設けられているとともに、ジャーナル軸受（３７），（３７´）及びスラスト軸受（４３）に回転自在に支持された回転軸（１３）を回転させ、上記第１羽根車（１５）の回転により昇圧した気体を上記第２羽根車（１５´）の回転によりさらに昇圧して吐出するターボ機械を対象とし、次のような解決手段を講じた。
【０００９】
すなわち、本発明の解決手段は、上記ジャーナル軸受（３７），（３７´）及びスラスト軸受（４３）を共に動圧型気体軸受で構成する。また、上記回転軸（１３）の第２昇圧段側の端部に、上記動圧型スラスト気体軸受（４３）を構成するスラスト円板からなる回転側スラスト軸受（４１）を取り付ける。さらに、該回転側スラスト軸受（４１）を、プレート室（３９）に収容する。そして、昇圧前の気体を上記モータ室（１１）を経て上記第１羽根車（１５）に導入して該第１羽根車（１５）の回転により昇圧し、この昇圧した気体を上記プレート室（３９）を経て上記第２羽根車（１５´）に導入して上記回転側スラスト軸受（４１）を第１羽根車（１５）の回転により昇圧した気体に晒すようにしたことを特徴とする。
【００１０】
上記の構成により、本発明の解決手段では、第１羽根車（１５）の回転により昇圧した気体が、第２羽根車（１５´）の回転によりさらに昇圧される。この場合、上記第１及び第２羽根車（１５），（１５´）が設けられた回転軸（１３）は、動圧型ジャーナル気体軸受（３７），（３７´）及び動圧型スラスト気体軸受（４３）によって回転自在に支持されていることから、その軸受構造により回転軸（１３）は非接触支持されており、すべり軸受やころがり軸受等の機械的軸受に比べて摩擦抵抗が極めて小さくて軸受の負担が軽減され、軸受性能が向上する。また、磁気軸受に比べてその軸受構造からして単位軸受重量当たりの負荷が高くなって汎用性に高く、しかも安価に製作できる。
【００１１】
また、高圧側の１つの回転側スラスト軸受（４１）により回転軸（１３）のスラスト方向の荷重が効果的に支持される。さらに、第２段昇圧気体に比べて低温低圧である第１段昇圧気体により回転側スラスト軸受（４１）が冷却され、回転側スラスト軸受（４１）が過熱しない。
【００１２】
加えて、昇圧前の低温低圧の気体がモータ室（１１）に導入され、モータ（２７）が効率良く冷却されて過熱しない。この昇圧前の気体は、モータ室（１１）から第１羽根車（１５）に導入されて該第１羽根車（１５）の回転により中温中圧の第１段昇圧気体として昇圧され、さらに、プレート室（３９）に導入されて回転側スラスト軸受（４１）を冷却した後、第２羽根車（１５´）に導入されて該第２羽根車（１５´）の回転により高温高圧の第２段昇圧気体としてさらに昇圧される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１は本発明の実施の形態に係るターボ機械としての２段昇圧タイプのターボ圧縮機を示す。同図において、（１）はドーム形のケーシングであって、該ケーシング（１）は両端が開口した筒状のケーシング本体（３）と、該ケーシング本体（３）の両端開口を覆う第１及び第２閉塞部材（５），（５´）とで密閉構造に形成されている。上記ケーシング（１）の内部にはハウジング（２９）が配置され、該ハウジング（２９）は一端（図１左端）が開口した有底筒状のハウジング本体（３０）と、該ハウジング本体（３０）の開口を覆う蓋部材（３１）とで密閉構造に形成され、内部の空間をモータ室（１１）としている。
【００１５】
上記ケーシング（１）の第１閉塞部材（５）とハウジング（２９）の蓋部材（３１）との間には、複数枚の羽根（１５ａ）を有する略円錐台形状の第１羽根車（インペラ）（１５）が配置され、該第１羽根車（１５）外周（インペラ出口）には第１ディフューザ空間（９）及び第１スクロール空間（１７）が形成されている。一方、上記ハウジング（２９）の底壁外面には静止側スラスト軸受（７）が配置され、上記ケーシング（１）の第２閉塞部材（５´）と静止側スラスト軸受（７）との間には、複数枚の羽根（１５ａ）を有する略円錐台形状の第２羽根車（インペラ）（１５´）が配置され、該第２羽根車（１５´）外周（インペラ出口）には第２ディフューザ空間（９´）及び第２スクロール空間（１７´）が形成されている。
【００１６】
上記ケーシング（１）の中央部には回転軸（１３）が回転自在に配置され、該回転軸（１３）は上記モータ室（１１）を貫挿して両端に第１及び第２羽根車（１５），（１５´）が回転一体に取り付けられ、第１羽根車（１５）と第１閉塞部材（５）との間、及び第２羽根車（１５´）と第２閉塞部材（５´）との間にそれぞれ僅かなクリアランスが設けられている。また、上記第１閉塞部材（５）の中央部には、気体を吸入するための第１吸入管（１９）が上記第１羽根車（１５）に対応して接続されているとともに、ケーシング本体（３）の開口側には、第１段昇圧気体を吐出するための第１吐出管（２１）が上記第１スクロール空間（１７）に連通するように接続されている。一方、上記第２閉塞部材（５７）の中央部にも、気体を吸入するための第２吸入管（１９´）が上記第２羽根車（１５´）に対応して接続されているとともに、ケーシング本体（３）の開口側には、第２段昇圧気体を吐出するための第２吐出管（２１´）が上記第２スクロール空間（１７´）に連通するように接続されている。
【００１７】
上記モータ室（１１）には、ロータ（２３）とステータ（２５）とからなるモータ（２７）が配置され、該モータ（２７）のロータ（２３）は上記回転軸（１３）の中途部に固定され、一方、ステータ（２５）はハウジング本体（３０）の周壁（３２）に上記ロータ（２３）と向かい合うように固定されている。
【００１８】
上記回転軸（１３）の両端寄り周面には、複数のヘリングボーングルーブ（３５）が上記ハウジング（２９）の蓋部材（３１）及びハウジング本体（３０）の底壁に向かい合うようにそれぞれ形成され、上記蓋部材（３１）を第１静止側ジャーナル軸受（以下、符号（３１）を付す）とし、上記ハウジング本体（３０）の底壁を第２静止側ジャーナル軸受（３１´）としている。そして、回転軸（１３）の両端寄りのヘリングボーングルーブ（３５）と第１及び第２静止側ジャーナル軸受（３１），（３１´）との間の僅かなクリアランスに生成された気体圧力による気体膜により回転軸（１３）を非接触状態で回転自在に支持する動圧型ジャーナル気体軸受（３７），（３７´）を構成している。
【００１９】
第２昇圧段側である上記静止側スラスト軸受（７）と第２静止側ジャーナル軸受（３１´）との間にはプレート室（３９）が形成され、該プレート室（３９）には、スラスト円板からなる回転側スラスト軸受（４１）が上記回転軸（１３）に外側方に張り出すように嵌着されて収容され、該回転側スラスト軸受（４１）は静止側スラスト軸受（７）と対峙している。また、該回転側スラスト軸受（４１）の静止側スラスト軸受（７）側の面にはスパイラルグルーブ（図示せず）が形成され、静止側スラスト軸受（７）との間の僅かなクリアランスに生成された気体圧力による気体膜により回転軸（１３）のスラスト荷重を非接触状態で回転自在にする動圧型スラスト気体軸受（４３）を構成し、この動圧型スラスト気体軸受（４３）は、動圧型ジャーナル気体軸受（３７´）よりも第２羽根車（１５´）寄りに配置されている。そして、上記回転軸（１３）を動圧型スラスト気体軸受（４３）及び動圧型ジャーナル気体軸受（３７），（３７´）によって回転自在に支持している。
【００２０】
上記回転側スラスト軸受（４１）の外側方で静止側スラスト軸受（７）と回転軸（１３）との間には、上記第２羽根車（１５´）による昇圧気体のラビリンスシール部（４５）が設けられている。
【００２１】
上記ケーシング本体（３）周壁の第２羽根車（１５´）寄りには、第１導入管（４７）がモータ室（１１）に連通するように接続されている。また、上記ケーシング本体（３）周壁の第１羽根車（１５）寄りには、第１導出管（４９）がモータ室（１１）に連通するように接続され、該第１導出管（４９）は第１羽根車（１５）側の第１吸入管（１９）に接続されている。そして、昇圧前の低温低圧の気体を第１導入管（４７）からモータ室（１１）に導入するとともに、このモータ室（１１）に導入された昇圧前の低温低圧の気体を第１導出管（４９）から第１羽根車（１５）により吸引使用するようになっている。
【００２２】
上記ケーシング本体（３）周壁の第２羽根車（１５´）寄りには、第２導入管（４７´）及び第２導出管（４９´）がプレート室（３９）に連通するように接続されている。また、上記第２導出管（４９´）は第２羽根車（１５´）側の第２吸入管（１９´）に接続されている。そして、上記第１羽根車（１５）の回転により昇圧した中温中圧の第１段昇圧気体を第２導入管（４７´）からプレート室（３９）に導入して回転側スラスト軸受（４１）を第１段昇圧気体に晒すとともに、このプレート室（３９）に導入した中温中圧の第１段昇圧気体を第２導出管（４９´）から第２羽根車（１５´）に吸引するようにしている。
【００２３】
そして、上述の如く構成されたターボ圧縮機は、例えば空調機の冷媒回路等に使用される。つまり、冷媒ガス等の気体を第１羽根車（１５）の回転により第１吸入管（１９）から吸入して昇圧し、この昇圧した中温中圧の気体を第１ディフューザ空間（９）及び第１スクロール空間（１７）を経て第１吐出管（２１）から吐出する。この吐出した第１段昇圧気体を第２導入管（４７´）からプレート室（３９）に導入して回転側スラスト軸受（４１）を冷却した後、第２導出管（４９´）及び第２吸入管（１９´）を経て第２羽根車（１５´）に吸引して該第２羽根車（１５´）の回転によりさらに昇圧し、高温高圧の第２段昇温気体として第２吐出管（２１´）から吐出する。一方、昇圧前の低温低圧の気体を第１導入管（４７）からモータ室（１１）に導入してモータ（２７）を冷却した後、第１導出管（４９）から第１吸入管（１９）を経て第１羽根車（１５）に吸入する。
【００２４】
この際、回転軸（１３）を動圧型ジャーナル気体軸受（３７），（３７´）及び動圧型スラスト気体軸受（４３）によって回転自在に支持していることから、その軸受構造により回転軸（１３）は非接触支持されており、すべり軸受やころがり軸受等の機械的軸受に比べて摩擦抵抗が極めて小さくて軸受の負担を軽減でき、軸受性能を向上させることができる。また、磁気軸受に比べてその軸受構造からして単位軸受重量当たりの負荷が高くなって汎用性が高く、しかも安価に製作することができる。
【００２５】
さらに、本例では、高圧側に１つの回転側スラスト軸受（４１）を設けることで回転軸（１３）のスラスト方向の荷重を効果的に支持することができる。
【００２６】
また、本例では、モータ室（１１）に導入する気体が昇圧前の低温低圧であるため、モータ（２７）を効率良く冷却することができる。
【００２７】
さらに、本例では、第１羽根車（１５）の回転により昇圧した中温中圧の第１段昇圧気体をプレート室（３９）に導入して回転側スラスト軸受（４１）を冷却しているので、回転側スラスト軸受（４１）が第２段昇圧気体の高温高圧雰囲気に晒されるのを回避してその過熱を防止することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、回転軸（１３）の両端に設けられた第１及び第２羽根車（１５），（１５´）を回転させ、気体を２段階に昇圧するターボ機械において、上記回転軸（１３）を動圧型ジャーナル気体軸受（３７），（３７´）及び動圧型スラスト気体軸受（４３）で回転自在に支持したので、すべり軸受等の機械的軸受に比べて極めて小さな摩擦抵抗により軸受の負担を軽減して軸受性能を向上させることができるとともに、磁気軸受に比べて単位軸受重量当たりの負荷を高くして汎用性を高く、しかも安価に製作することができる。
【００２９】
また、上記回転軸（１３）の第２昇圧段側の端部に、上記動圧型スラスト気体軸受（４３）を構成するスラスト円板からなる回転側スラスト軸受（４１）を取り付けるとともに、該回転側スラスト軸受（４１）をプレート室（３９）に収容し、昇圧前の気体を上記モータ室（１１）を経て上記第１羽根車（１５）に導入して該第１羽根車（１５）の回転により昇圧し、この昇圧した気体を上記プレート室（３９）を経て上記第２羽根車（１５´）に導入して上記回転側スラスト軸受（４１）を第１羽根車（１５）の回転により昇圧した気体に晒すようにした。したがって、高圧側の１つの回転側スラスト軸受（４１）により回転軸（１３）のスラスト方向の荷重を効果的に支持することができる。さらに、第２段昇圧気体に比べて低温低圧である第１段昇圧気体により回転側スラスト軸受（４１）を冷却して、回転側スラスト軸受（４１）の過熱を防止することができる。加えて、昇圧前の低温低圧の気体をモータ室（１１）に導入して、モータ（２７）を効率良く冷却して過熱を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態に係るターボ圧縮機の断面図である。
【符号の説明】
（１１）                モータ室
（１３）                回転軸
（１５）                第１羽根車
（１５´）              第２羽根車
（３７），（３７´）    動圧型ジャーナル気体軸受
（３９）                プレート室
（４１）                回転側スラスト軸受
（４３）                動圧型スラスト気体軸受
【図１】
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