JP2005155496A - コンプレッサ - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成で、流体の量に影響されることなく、サージ域の小さなコンプレッサとすること。
【解決手段】 流体の吐出通路２５、２６に絞り機構３０、３８を設けて、流量が小さいときには絞り機構を閉鎖しサージの発生を防止した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流体の圧縮を行うコンプレッサ、特に遠心式コンプレッサに関するものである。

一般に知られた遠心コンプレッサは、外部からの駆動力で回転するインペラーがハウジングの内部に配置されている。ハウジングには流体の入口と出口が形成されており、流体はインペラーに向けて供給され、その後、回転するインペラーによって加圧される。加圧された流体は、インペラーの径方向外側に形成されたデフィーザー、内壁の形状を漸進的に変化させた部分を持つボリュートを介してハウジングの出口から排出される。

ところで、遠心式コンプレッサにはサージの問題があることはよく知られている。サージは、低流量、高吐出圧力時ほど発生しやすい圧力変動を伴う不安定現象であり、本サージの発生を防止するための様々な手段が知られている。

ひとつの方法として、ハウジングに形成した流体の入口からインペラーに流体を導く流入通路に、インペラーに向かって流れる流体の流れ方向を調節する複数のベーンを取り付けることが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、インペラーの下流に位置するデフィユーザに複数の作動可能なベーンを配置し、このベーン角度を調整することが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
米国特許第６０３９５３４号明細書 米国特許第３７９９６９４号明細書 なお、サージ域の減少効果は、上記特許文献１に開示された技術のようにインペラーの上流側で流体の流れを調整するものよりも、上記特許文献２に開示される技術のようにデフィユーザの流れを調節するものの効果が一般的に大きいことが知られている。

しかしながら上述した従来の技術では、以下に示すような問題がある。

複数のベーンの角度を流量に応じて調整できるので、サージ域を減らしてコンプレッサの作動域を拡大することができる反面、その構成は非常に複雑なものとなる。

そこで本発明は、上記問題点を解決すべく、簡易な構成で、サージ域を減少させ広い作動域を確保できるコンプレッサを提供することを技術的課題とする。

上記課題を解決するために請求項１の発明は、外部からの動力により回転するインペラーと、インペラーを収容し、インペラーの径方向外周にボリュートを形成するハウジングを有するコンプレッサにおいて、ボリュートの下流側に配置されサージの発生を防止する絞り機構を有するコンプレッサとしたことである。

請求項１の構成によれば、ボリュートより下流側に絞り機構を有することで、絞り機構よりもボリュート側の圧力を高く維持することで、流量が少なく流体の吐出圧力が高い場合でもサージの発生を抑え得る。

請求項２の発明は、絞り機構が流体の吐出流量が小さいときには流路面積が小さくなり、流体の吐出流量が大きいときには流路面積が大きくなるように制御する構成としたことである。

請求項２の発明によれば、サージが発生する可能性のある吐出流量が小さいときに絞り機構を作動させサージの発生を防止し、サージの問題のない吐出流量が大きいときには絞り機構を開放するので、コンプレッサの吐出を効率的に制御し得る。

請求項３の発明は、ハウジングをボリュートの下流側に流体通路を備えたものとし、流体通路に絞り機構を設けた構成としたものである。

請求項３の発明によれば、絞り機構をコンプレッサハウジング内に配置し得る。

請求項４の発明は、絞り機構が、開閉することで通路の断面積を調整可能な弁を備えた構成としたことである。

請求項４の発明によれば、構造が簡単な弁を絞り機構に採用することで、コンプレッサの組み付けを簡素にし得る。

請求項５の発明は、弁が全閉状態のときに流体通路の一部のみを閉鎖する構成としたものである。

請求項５の発明によれば、弁が流体通路を完全に閉鎖することが防止され、コンプレッサの突出を確保することができる。

請求項６の発明は、弁に開閉弁を採用した構成としたことである。

請求項６の発明によれば、構造が単純な開閉弁を採用したことでコンプレッサを安価にし得る。

請求項７の発明は、弁が流れる流体の通路内をスライド可能な弁体を有する構成としたことである。

請求項７の構成によれば、弁の作動方向が常に流体の流れに垂直方向となり、弁の開閉に要する力や時間を容易にコントロールし得る。

本願発明によれば、ボリュートの下流側に絞り機構を備えることで、流量が小さい場合においてもサージ発生を防止し、安定した流体供給が可能なコンプレッサを得ることができる。

以下、本発明に係るコンプレッサの実施形態を、図面を参照して説明する。図１に示す遠心コンプレッサのボリュートハウジング１０は、流体の流入通路１２、渦巻き状のボリュート（排出通路）１４を有している。また、ボリュートハウジング１０はバックプレート１１と係合し、ボリュートハウジング１０とバックプレート１１で形成される内部に、シャフト１６の一端に固定されたインペラー１８が回転可能に収容されている。シャフト１６は図示しないエクスパンダーやモータなどの動力源によって回転駆動力を得ている。インペラー１８の表面（流入通路１２に対向する側）には、複数の翼２０が取り付けられている。それぞれの翼２０は、周知のインペラーと同様に適宜の曲線に沿って彎曲している。インペラー１８の外周には、ボリュートハウジング１０とバックプレート１１との間に形成されるディフューザ２２が形成されている。シャフト１６が回転することでインペラー１８が回転し、流体は流入通路１２からインペラー１８へ供給され、インペラー１８を経た後、ディフューザ２２を介してボリュート１４へ吐出される。インペラー１８の外周に配置されたボリュート１４により集められた吐出流体は、最終的にボリュートハウジング１０に形成された流体通路２５を介して流体排出口２４から排出される。

流体排出口２４には、流体排出路２６を形成するパイプ形状のジョイント部材２７が取り付けられている。流体排出路２６の内部には、シャフト２８に固定されたバルブ３０が配置されている。バルブ３０の大きさは、流体排出路２６の断面積と略同じ大きさであるが、バルブ３０には切欠部３２が設けられているので、バルブ３０が閉鎖状態となっても流体排出路２６の流れを完全に閉鎖しない構成となっている。シャフト２８はリンク３４を介して図示しないモータなどの駆動源に繋がっており、この駆動源によってバルブ３０の開閉が行われる。

図２は図１に示す実施形態において、流体を空気とした場合で、インペラー１８の回転数を４０ｋ回転（図２に(a)で示す）、６０ｋ回転（図２に(b)で示す）、８０ｋ回転（図２に(c)で示す）と回転数を変化させた場合の圧力比と空気流量の関係を示すグラフである。破線で示したグラフはバルブ３０を全開にした状態の様子を示しており、実線で示したグラフはバルブ３０を閉鎖にした状態の様子を示している。

図２から明らかなように、バルブ３０を全開にした場合に比べ、バルブ３０を閉鎖することで流れる空気の流量が少ない状態においても安定した圧力比を発生させることができ、いわゆるサージ域を減少させることができる。これは、コンプレッサの吐出流体を受ける対象（内燃機関など）の種類にかかわらず、通常サージが発生する領域において流路面積を減少させることで常にコンプレッサ内の圧力を高く、すなわちコンプレッサ内を安定した状態に保つことができることに起因している。なお、コンプレッサの吐出圧、流量、インペラーの回転数の情報を基にバルブ３０の開閉を制御し、流路面積を適切な大きさとすることができる。

この発明によれば、流れる空気の流量が小さい場合（バルブ３０が全開の状況においてはサージが発生するような状況）にはバルブ３０を閉鎖して図２に示す実線の特性を得て、流れる空気の流量が大きくなった段階（サージが発生しない状況）で、バルブ３０を開放して図２に示す破線の特性を得ることで、小流量から大流量までの流量でサージを発生させることなく所望の圧力比を得ることが可能となる。

図３には、図１に示した実施の形態の変形例を示す。この変形例においては、図１に示した実施の形態と基本構成は同じであるが、バルブ３０を図１に示したジョイント部材２７に取り付けることなく、ボリュートハウジング１０の流体通路２５に直接取り付けている。この構成によって、バルブ３０をボリュート１４の近くに配置することができ、よりサージの発生を抑える構成とすることができる。併せて、図１に示したように別部材のジョイント部材２７を必要とせずに、部品点数を減らして製造コストを下げることができる。

図４(a),(b),(c)には、図１に示したバルブ３０の変形例を示す。図１に示したバルブ３０は、全開・全閉を制御するバルブであり、バルブ３０を開閉操作しながら所望の一定の圧力比を得るように回転数を調整することは難しい。このような課題に対応するため、図１に示したバルブ３０に代わり、シャフト３６に固着したスライドバルブ３８が流体排出路２６を閉鎖するようにしている。なお、シャフト３６は図示しない駆動源につながれており、スライドバルブ３８を所望の位置へ動かすことができる。図４(a)は流体排出通路２６を完全に閉鎖した状態であり、図４(c)は流体排出通路２６を完全に開放した状態であり、図４(b)は流体排出通路２６を部分的に閉鎖した状態である。このように、スライドバルブ３８をリニアに動かすことで、流体排出通路２６の断面積の大きさを調整することができ、流量の小さな作動領域においても、サージを発生させることなく、所望の圧力比の吐出を得ることが可能となる。なお、図４に示したスライドバルブ３８を、図３におけるバルブ３０およびシャフト２８と同様に、ボリュートハウジング１０の流体通路２５に直接取り付けることも可能である。

図５には、図１に示したバルブ３０の変形例を示す。図５に示した実施の形態においては、流体通路２５内に開口４０を備えたバルブサポート部材４２を、流体通路２５の内壁に固定し配置している。バルブサポート部材４２の外形は流体通路２５の内径の大きさよりも小さく、バルブサポート部材４２と流体通路２５との間には、空間４３が形成されている。一方、回動軸４４によって支持されたバルブ４６は、図示しない駆動機構によって回動し、バルブサポート部材４２に形成された開口を開閉する。この実施の形態においても、流量の小さな作動領域においてはバルブ４６を閉鎖し、吐出流体を空間４３の部分から流すことでサージの発生を防止することができ、流量の大きな作動領域においてはバルブ４６を開放し、吐出流体を空間４３の部分とバルブサポート部材４２の開口４０の部分とから流すことができる。

本実施の形態における遠心コンプレッサの断面図である。 図１の遠心コンプレッサの流量と圧力比を示したグラフであり、実線はバルブ３０を閉鎖した状態、破線はバルブ３０を全開にした状態を示す。 図１の遠心コンプレッサの変形例を示す。 図１のバルブの変形例を示す。 図１のバルブの別の変形例を示す。

符号の説明

１０・・・ボリュートハウジング
１１・・・バックプレート
１４・・・ボリュート
１８・・・インペラー
３０、３８、４６・・・バルブ（絞り機構、弁、弁体）

Claims (7)

1. 外部からの動力により回転するインペラーと、該インペラーを収容し、前記インペラーの径方向外周にボリュートを形成するハウジングを有するコンプレッサにおいて、前記ボリュートより下流側に配置されサージの発生を防止する絞り機構を有することを特徴とするコンプレッサ。
2. 前記絞り機構は、サージの発生を防止するために流体の吐出流量が小さいときに流路面積を小さく、流体の吐出流量が大きいときに流路面積を大きくするように制御させることを特徴とする、請求項１記載のコンプレッサ。
3. 前記ハウジングは前記ボリュートの下流側に流体通路を備えており、該流体排出路に前記絞り機構が配置したことを特徴とする、請求項１又は２記載のコンプレッサ。
4. 前記絞り機構は、開閉することで前記流体通路の断面積を調整可能な弁を備えていることを特徴とする、請求項１乃至３の何れか１項記載のコンプレッサ。
5. 前記弁は、全閉状態のときに前記通路の一部のみを閉鎖することを特徴とする、請求項４記載のコンプレッサ。
6. 前記弁は開閉弁であることを特徴とする、請求項４に記載のコンプレッサ。
7. 前記弁は流れる流体の通路内をスライド可能な弁体を有することを特徴とする、請求項４に記載のコンプレッサ。

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