JPH05340386A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 インペラ（５）背面側にモータ（８）が配設
され、このモータ（８）のロータ（１０）が軸（１２）
を介してインペラ（５）に連結されている遠心圧縮機に
対し、インペラ（５）背面側への圧縮気体の漏れを有効
に低減して損失を少なくするとともに、圧縮機の組立て
を容易にし、回転部分のバランシング精度を高精度に保
つ。 【構成】 インペラ（５）をモータ（８）のロータ（１
０）に連結する軸（１２）を少なくともインペラ（５）
と同径の太軸にし、かつハウジング（１）に気体軸受
（１６）により支持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、インペラ（羽根車）
の回転により気体を遠心力で半径方向に放出して圧縮す
るようにした遠心圧縮機に関し、特に、高圧気体のイン
ペラ背面側からの漏れを低減する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、圧縮機の一種として遠心圧縮
機はよく知られている。この圧縮機は、例えば図３に示
すように、ハウジング（ａ）内に回転可能なインペラ
（ｂ）を有し、このインペラ（ｂ）の回転軸線上のハウ
ジング（ａ）には気体入口（ｃ）が開口されている。ま
た、インペラ（ｂ）周囲の空間は気体の圧縮空間（ｄ）
とされ、この空間（ｄ）はハウジング（ａ）に開口する
気体出口（図示せず）に連通されている。インペラ
（ｂ）の背面側にはインペラ（ｂ）を回転駆動するモー
タ（ｅ）が配設されている。このモータ（ｅ）はハウジ
ング（ａ）に固定されたステータ（ｆ）と、該ステータ
（ｆ）内にインペラ（ｂ）と同心に回転可能に配置され
たロータ（ｇ）と、該ロータ（ｇ）を支持するロータ軸
（ｈ）とを有し、ロータ軸（ｈ）の前端部はハウジング
（ａ）に貫通形成した軸受孔（ｉ）に気体軸受やベアリ
ング等の軸受（ｊ）（図示例では気体軸受）を介して回
転可能に支持され、その前端はインペラ（ｂ）の背面に
同心に連結されている。一方、ロータ軸（ｈ）の後端部
はハウジング（ａ）に貫通形成した軸受孔（ｋ）に気体
軸受やベアリング等の軸受（ｌ）を介して支持されてい
る。そして、モータ（ｅ）の駆動によるインペラ（ｂ）
の回転により気体入口（ｃ）からハウジング（ａ）内に
吸い込んだ気体を遠心力で半径方向外側に放出して圧縮
し、気体出口から吐出するように構成されている。

【０００３】ところで、この種の遠心圧縮機では、例え
ば刊行物「ターボ／送風機と圧縮機」（生井武文、井上
雅弘共著／コロナ社／昭和６３年８月２５日発行）にお
ける「６．遠心送風機・圧縮機の理論と設計」の第２０
７頁〜第２２２頁に示されているように、インペラ
（ｂ）により圧縮されて高圧高温になった気体の一部が
圧縮空間（ｄ）からインペラ（ｂ）背面とハウジング
（ａ）との間に漏れ、圧縮機の損失が増大するという問
題がある。そして、上記のようにインペラ（ｂ）背面側
にモータ（ｅ）があるものでは、この漏れた高温の気体
はモータ（ｅ）に流入するので、モータ（ｅ）が昇温し
てその効率が低下する等の不具合を招く。そこで、この
インペラ（ｂ）背面側への漏れを低減するために、例え
ばインペラ（ｂ）の背面等にラビリンス構造を設けてシ
ールすることが行われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、実際には、上
記インペラ（ｂ）の背面等におけるラビリンス構造のシ
ール長を長くすることは難しく、ラビリンス構造による
シール効果が不十分で、インペラ（ｂ）背面側への圧縮
気体の漏れを有効に低減することはできない。特に、圧
縮機が小型のものである場合は顕著である。

【０００５】また、上記インペラ（ｂ）とモータ（ｅ）
とを組み付けるに当たり、モータ（ｅ）のロータ軸
（ｈ）前端部をハウジング（ａ）の軸受孔（ｉ）に挿通
して、その前端にインペラ（ｂ）を固定することが行わ
れるが、その場合、モータ（ｅ）側のロータ（ｇ）及び
ロータ軸（ｈ）の回転アンバランス、インペラ（ｂ）の
回転アンバランスはそれぞれ良好に取り除くことができ
るものの、ロータ軸（ｈ）先端へのインペラ（ｂ）の組
付けに伴う回転アンバランスを十分に取ることが難し
く、組付後の全体の回転バランシング精度が低下すると
いう問題もある。

【０００６】本発明は斯かる問題を一挙に解決すべくな
されたものであり、その目的は、インペラとモータのロ
ータとを連結する軸に工夫を施すことにより、インペラ
背面側への圧縮気体の漏れを有効に低減するとともに、
圧縮機の組立てを容易にし、回転部分のバランシング精
度を高精度に保つことができるようにすることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成すべ
く、請求項１の発明では、インペラとモータロータとを
連結する軸を少なくともインペラと同径の太軸にし、そ
の回転時の周速を上昇させて軸と軸受孔との間にできる
気体軸受における気体膜の圧力を高くし、圧縮気体の漏
れをシールするようにした。

【０００８】具体的には、この発明では、図１に示すよ
うに、モータ（８）に軸（１２）を介して同心線上に直
列に連結されるインペラ（５）をハウジング（１）内に
有し、モータ（８）の駆動によるインペラ（５）の回転
によりハウジング（１）内に吸い込んだ気体を半径方向
外側に吐出して圧縮するようにした遠心圧縮機におい
て、上記軸（１２）を、少なくともインペラ（５）と同
じ径としてインペラ（５）に対し略隙間なく連結しかつ
ハウジング（１）に対し気体軸受（１６）で支持する構
成とする。

【０００９】請求項２の発明では、さらに、上記軸（１
２）をモータ（８）のロータ（１０）と同じ径としてロ
ータ（１０）に対し略隙間なく連結するとともに、モー
タ（８）のステータ（９）内径は気体軸受（１６）の軸
受孔（１４）と略同じ径とする。

【００１０】請求項３の発明では、図２に示す如く、上
記請求項２の遠心圧縮機において、モータ（８）のステ
ータ（９）内周面に気体軸受（１６）の軸受孔（１４）
内周面と略面一のスリーブ（２１）を配設する。

【００１１】

【作用】上記の構成により、請求項１の発明では、イン
ペラ（５）とモータ（８）のロータ（１０）を連結する
軸（１２）がインペラ（５）と同径の太軸とされている
ので、モータ（８）の駆動によるインペラ（５）の回転
時、軸（１２）の周速が従来の細軸よりも上昇する。そ
して、この軸（１２）は気体軸受（１６）によりハウジ
ング（１）に支持されているので、その周速の上昇に伴
い、気体軸受（１６）では気体圧力が上昇して圧力の高
い気体膜が生成され、この気体膜を壁とした大きなシー
ル効果が得られ、このシール効果により、圧縮気体がイ
ンペラ（５）背面側に漏れるのを有効に低減して漏れに
よる損失を下げることができる。

【００１２】また、軸（１２）とインペラ（５）とが略
隙間なく連結されているので、回転速度の３乗に比例し
て増大する大きな損失である、インペラ（５）背面とそ
れに対向するハウジング（１）との間の円板摩擦損失を
低減することができる。

【００１３】さらに、軸（１２）がインペラ（５）と同
径であるので、圧縮機を組み立てる場合、予めインペラ
（５）、軸（１２）及びロータ（１０）をハウジング
（１）外で一体に組み立てておき、その組立体をハウジ
ング（１）内にモータ（８）側から嵌挿し、インペラ
（５）を軸受孔（１４）に挿通させながら軸（１２）を
軸受孔（１４）に配置して組み付ければよい。このた
め、従来のように、軸をモータ側から軸受孔に挿通した
後、この軸に反対側からインペラを組み付けるという手
間が不要であり、組立ての容易化及び組立工数の低減を
図ることができる。

【００１４】しかも、ハウジング（１）に組み付ける前
にインペラ（５）、軸（１２）及びロータ（１０）を一
体に組み立てるので、そのときに回転アンバランスを取
り除いてバランシング精度を高精度に設定しておけば、
その高い精度をハウジング（１）に組み付けてもそのま
ま維持することができ、バランシング精度を高精度に確
保することができる。

【００１５】請求項２の発明では、軸（１２）がロータ
（１０）と同じ径でかつロータ（１０）に対し略隙間な
く連結され、モータ（８）のステータ（９）の内径は気
体軸受（１６）の軸受孔（１４）と略同じ径とされてい
るので、インペラ（５）、軸（１２）及びロータ（１
０）が全て同径となり、回転に伴う摩擦損失をさらに低
減することができる効果が加わる。

【００１６】請求項３の発明では、モータ（８）のステ
ータ（９）内周面に気体軸受（１６）の軸受孔（１４）
内周面と略面一のスリーブ（２１）が配設されているの
で、モータ（８）のロータ（１０）とステータ（９）と
の間の気体圧力をも高くして一種の気体軸受を形成で
き、モータ（８）部分でも軸（１２）での気体軸受（１
６）と同様のシール効果が得られ、これら２つのシール
効果の相乗効果によりインペラ（５）背面側への気体漏
れをさらに効果的に低減することができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１８】（実施例１）図１は本発明の実施例１に係
る遠心圧縮機（Ｃ）を示し、この圧縮機（Ｃ）は超小型
でかつ超高速型のもので、高速回転により大型圧縮機と
同等の性能を得るように設定されている。図１おいて、
（１）はハウジングで、その前端寄り（図で左側が前側
である）に隔壁（２）を有し、この隔壁（２）によりハ
ウジング（１）の内部空間が前側のインペラ室（３）と
後側のモータ室（４）とに区画されている。上記インペ
ラ室（３）は後方に向かって内径が増大する略円錐台形
状の空間で、その内部には、軸部（５ａ）周りに複数の
略三角板状の羽根（５ｂ），（５ｂ），…を放射状に取
り付けた外径３０〜５０mm程度のインペラ（５）が回転
可能に収容されている。ハウジング（１）の前端部には
インペラ（５）の回転軸線上に気体入口（６）が開口さ
れている一方、インペラ室（３）におけるインペラ
（５）周囲の空間はインペラ（５）から遠心力で放出さ
れる気体の圧縮空間（７）とされ、この圧縮空間（７）
はハウジング（１）に開口する図外の気体出口に連通さ
れている。そして、後述するモータ（８）の駆動による
インペラ（５）の超高速回転により、気体を気体入口
（６）からハウジング（１）内に吸い込み、この吸い込
んだ気体を遠心力で半径方向外側に放出して圧縮し、気
体出口から吐出するようになされている。

【００１９】一方、上記モータ室（４）にはインペラ
（５）を例えば１００００rpm 以上の超高速で回転駆動
するためのモータ（８）がインペラ（５）と同心状に収
容されている。このモータ（８）は、モータ室（４）の
周囲壁部たるハウジング（１）に前端部を隔壁（２）背
面に密着して固定された略円筒状のステータ（９）と、
該ステータ（９）内にインペラ（５）と同心に回転可能
に配置されたロータ（１０）と、該ロータ（１０）の中
心を同心状態に貫通するロータ軸（１１）とを有し、ス
テータ（９）のコイル（図示せず）への給電により磁界
を発生させてロータ（１０）をロータ軸（１１）回りに
回転させる。そして、ロータ（１０）の外径は上記イン
ペラ（５）と同じとされている。

【００２０】さらに、上記ハウジング（１）の隔壁
（２）には上記モータ（８）のステータ（９）と同径の
前側軸受孔（１４）がステータ（９）と同心に開口され
ている一方、モータ室（４）後側のハウジング（１）に
は後側軸受孔（１５）がステータ（９）及び前側軸受孔
（１４）と同心に開口されている。そして、上記ロータ
軸（１１）においてロータ（１０）前方に突出する前側
軸（１２）は上記前側軸受孔（１４）に支持され、その
全長は軸受孔（１４）と同じとされている。また、前側
軸（１２）は上記インペラ（５）及びロータ（１０）と
同じ外径とされ、その背面はロータ（１０）前端面に隙
間なく密着されている一方、前端面はインペラ（５）の
背面に隙間なく密着するように同心状に結合されてお
り、この構造によりインペラ（５）、ロータ軸（１１）
の前側軸（１２）及びロータ（１０）は各々の外周面を
面一にして隙間なく直列に回転一体に連結されている。
また、前側軸（１２）は前側軸受孔（１４）に対し、前
側軸（１２）の回転により軸受孔（１４）内周面との間
の間隙に気体圧力による気体膜を生成して該気体膜で前
側軸（１２）を浮上させる気体軸受（１６）により回転
可能に支承されている。（１７），（１７），…は気体
膜生成のために前側軸（１２）の外面に形成されたヘリ
カル溝部である。

【００２１】一方、ロータ軸（１１）においてロータ
（１０）後方に突出する後側軸（１３）は上記後側軸受
孔（１５）に気体軸受（１８）により回転可能に支承さ
れている。この気体軸受（１８）は間隙をあけて同心状
に配置された内外レース（１９），（２０）からなり、
内側レース（１９）には後側軸（１３）が貫通固定され
ている一方、外側レース（２０）は軸受孔（１５）に嵌
合固定されており、後側軸（１３）と一体の内レース
（１９）の回転により、外レース（２０）内周面との間
の間隙に気体圧力による気体膜を生成して該気体膜で後
側軸（１３）を浮上させるようになっている。

【００２２】したがって、上記実施例においては、圧縮
機（Ｃ）の作動時、モータ（８）の作動によりロータ
（１０）がロータ軸（１１）回りに超高速で回転し、こ
の回転により前側の気体軸受（１６）における前側軸受
孔（１４）とロータ軸（１１）の前側軸（１２）との間
の間隙、及び後側気体軸受（１８）における内外レース
（１９），（２０）間の間隙にそれぞれ圧力を持った気
体膜が生成され、この気体膜でロータ軸（１１）が浮上
した状態で回転する。そして、ロータ（１０）の超高速
回転に伴い、上記ロータ軸（１１）に回転一体に連結さ
れているインペラ（５）も超高速で回転し、このインペ
ラ（５）の超高速回転により、気体が気体入口（６）か
らハウジング（１）内に吸い込まれ、この吸い込まれた
気体は回転に伴う遠心力で半径方向外側に吹き飛ばされ
て圧縮空間（７）内で高圧に圧縮され、この高圧気体は
気体出口からハウジング（１）外に吐出される。

【００２３】そして、このとき、上記モータ（８）のロ
ータ軸（１１）のうち、前端がインペラ（５）に連結さ
れている前側軸（１２）がインペラ（５）と同径で外周
面が面一となるように太軸とされているので、同前側軸
（１２）が細軸である場合に比べ、回転速度が同じでも
その周速は高くなる。このため、上記前側の気体軸受
（１６）では、気体膜を生成している気体圧力が上昇
し、この圧力の高い気体膜を壁とした大きなシール効果
が得られることとなる。その結果、上記インペラ（５）
により圧縮空間（７）で圧縮された気体が圧縮空間
（７）からインペラ（５）背面側に漏れてモータ（８）
のロータ（１０）とステータ（９）との間に流れるのを
上記シール効果により有効に低減でき、圧縮気体の漏れ
による損失を低減することができるとともに、モータ
（８）の温度上昇による効率の低下を防止することがで
きる。

【００２４】しかも、上記前側軸（１２）とインペラ
（５）及びロータ（１０）とは互いに同じ外径で隙間な
く密着して連結されているので、従来のようにインペラ
背面にハウジングが対向配置されている場合に発生する
円板摩擦損失を確実に低減することができる。

【００２５】さらに、互いに同径のインペラ（５）、前
側軸（１２）及びロータ（１０）が同心状に直列に連結
一体化されているので、圧縮機（Ｃ）を組み立てる場
合、予め上記インペラ（５）、モータ（８）のロータ軸
（１１）及びロータ（１０）をハウジング（１）外で一
体に組み立てておき、その組立体をハウジング（１）内
のモータ室（４）ないしインペラ室（３）に後側から嵌
挿し、インペラ（５）を前側軸受孔（１４）に挿通させ
ながら前側軸（１２）を前側軸受孔（１４）に位置付け
て組み付けることができる。このため、従来のように、
ロータ軸前端部をモータ側から前側軸受孔に挿通した
後、この軸の前端に前側からインペラを組み付けるとい
う手間が不要となり、組立てを容易に行い、その組立工
数をも低減することができる。

【００２６】しかも、このようにハウジング（１）に組
み付ける前にインペラ（５）、モータ（８）のロータ軸
（１１）及びロータ（１０）を一体に組み立てるので、
そのときに回転アンバランスを高精度に取り除いておけ
ば、その高いバランシング精度をハウジング（１）に組
み付けてもそのまま維持することができ、高精度のバラ
ンシング精度を確保することができる。

【００２７】（実施例２）図２は本発明の実施例２を示
し（尚、図１と同じ部分については同じ符号を付してそ
の詳細な説明は省略する）、モータ（８）におけるステ
ータ（９）内に前側軸受孔（１４）と略面一となる内周
面を持つスリーブ（２１）を嵌挿したものである。スリ
ーブ（２１）としては、ステータ（９）のロータ（１
０）に対する磁束に大きな影響を及ぼさないように薄肉
部材や透磁性材料が好ましい。

【００２８】したがって、この実施例では、モータ
（８）のステータ（９）内に気体軸受（１６）の軸受孔
（１４）内周面と略面一のスリーブ（２１）が嵌挿され
ているので、モータ（８）のロータ（１０）とステータ
（９）との間の間隙がスリーブ（２１）により全周に亘
り均等に保たれ、ロータ（１０）の超高速回転に伴い上
記間隙で気体軸受における気体膜が生成されて、モータ
（８）部分でも前側気体軸受（１６）と同様のシール効
果が得られる。その結果、ロータ軸（１１）の前側軸
（１２）での気体軸受（１６）の背面側に今１つの気体
軸受が形成されることとなり、２つの気体軸受によるシ
ール効果が相乗的に作用し、インペラ（５）背面側への
気体漏れをさらに効果的に低減することができる。

【００２９】尚、この発明は、上記実施例のように小型
で超高速回転する遠心圧縮機（Ｃ）に特に有効である
が、気体軸受（１６）を形成できかつ前側軸（１２）の
周速上昇が期待できる回転速度が得られるならば比較的
大型の圧縮機にも適用することができる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よると、インペラ背面側にモータが配設され、このモー
タのロータが軸を介してインペラに連結されている遠心
圧縮機に対し、軸を少なくともインペラと同径の太軸に
してハウジングに気体軸受により支持するようにしたこ
とにより、軸の回転時の周速を上昇させて軸と軸受孔と
の間の気体軸受での気体膜を生成する気体圧力を高く
し、シール効果を高めて圧縮気体のインペラ背面側への
漏れを有効に防止することができるとともに、インペラ
背面での円板摩擦損失を小さくすることができ、よって
圧縮機の損失を低減することができる。さらに、予めイ
ンペラ、軸及びモータロータを一体に組み立てた後、ハ
ウジングに組み付けられるので、圧縮機の組立ての容易
化及び組立工数の低減を図ることができるとともに、イ
ンペラ、軸及びモータロータを一体に組み立てるときに
得られる回転バランシング精度をハウジングへの組付時
にそのまま維持して、高精度のバランシング精度を確保
することができる。

【００３１】請求項２の発明によれば、軸をモータロー
タと同じ径でかつロータに対し略隙間なく連結し、かつ
モータのステータ内径を気体軸受の軸受孔と略同じ径と
したことにより、インペラ、軸及びロータを全て同径と
して回転に伴う摩擦損失をさらに低減することができ
る。

【００３２】請求項３の発明によれば、モータのステー
タ内周面に気体軸受の軸受孔内周面と略面一のスリーブ
を配設したことにより、モータ部分でも軸での気体軸受
と同様の気体軸受を形成してシール効果を得ることがで
き、２つのシール効果の相乗効果によりインペラ背面側
への気体漏れをさらに効果的に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における遠心圧縮機の断面図
である。

【図２】実施例２を示す図１相当図である。

【図３】従来例を示す図１相当図である。

【符号の説明】

（Ｃ） 遠心圧縮機 （１） ハウジング （５） インペラ （８） モータ （９） ステータ （１０） ロータ （１１） ロータ軸 （１２） 前側軸（軸） （１４） 前側軸受孔 （１６） 気体軸受 （２１） スリーブ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 モータ（８）に軸（１２）を介して同心
   線上に直列に連結されるインペラ（５）をハウジング
   （１）内に有し、モータ（８）の駆動によるインペラ
   （５）の回転によりハウジング（１）内に吸い込んだ気
   体を半径方向外側に吐出して圧縮するようにした遠心圧
   縮機において、 上記軸（１２）は、少なくともインペラ（５）と同じ径
   とされて略隙間なく連結され、かつハウジング（１）に
   対し気体軸受（１６）により支持されていることを特徴
   とする遠心圧縮機。
2. 【請求項２】 請求項１記載の遠心圧縮機において、 軸（１２）はモータ（８）のロータ（１０）と同じ径と
   されて略隙間なく連結されている一方、 モータ（８）のステータ（９）の内径は気体軸受（１
   ６）の軸受孔（１４）と略同じ径とされていることを特
   徴とする遠心圧縮機。
3. 【請求項３】 請求項２記載の遠心圧縮機において、 モータ（８）のステータ（９）内周面に気体軸受（１
   ６）の軸受孔（１４）内周面と略面一のスリーブ（２
   １）が配設されていることを特徴とする遠心圧縮機。