JPH07117069B2 - 渦流形ターボ機械 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、渦流形の真空ポンプ、圧縮機及びタービン
等、羽根車の回転により流体に螺旋運動を与え、この角
運動エネルギを圧力に変換する渦流形ターボ機械の改良
に関するものである。

（従来の技術） 従来より、この種の渦流形ターボ機械としては、例え
ば、特開昭52−142313号公報に開示されているように、
多数の羽根を有する羽根車をハウジング内に回転可能に
配置し、上記羽根車を駆動モータの駆動によって回転さ
せ、流体をハウジングの吸込口より該ハウジング内の主
流路に吸い込み、該主流路内において流体を主流路の軸
方向に螺旋運動させながら移送しつつ圧縮し、吐出口よ
りハウジング外に吐出させるようにしたものが知られて
いる。

（発明が解決しようとする課題） 上述した渦流形ターボ機械において、従来、吸込管及び
吐出管は断面円形に形成され、羽根の前縁にほぼ対面し
てハウジング側面に接続されており、主流路に対して流
体をほぼ真直に流出入させていた。

しかしながら、これでは、上記吸込管より導入する吸込
流及び吐出管に流れる吐出流に対して羽根車の羽根が略
直交方向に横断することになり、大きい騒音を発生する
という問題があった。すなわち、羽根は吸込流及び吐出
流に対して次式で示す周期で通過することとなり、 ｎ＝（Ｎ・Ｚ）/60 …… n:基本周波数（Hz） N:回転数（rpm） Z:羽根の枚数 この周期で通過する羽根と流体とが干渉し、所謂干渉音
が発生することになり、特に、羽根車が高回転するに従
って大なる騒音を発生するという問題があった。

また、上記吸込管の開口と羽根とが近接して流体がほぼ
真直に羽根に流入するので、この吸込流が渦流をスムー
ズに形成することができず、圧縮効率が悪いという問題
があった。

更に、上記主流路内において、流体は外周側の流速が大
きく、中心軸側に向って流速が小さくなる速度分布とな
り、この速度分布のまま吐出管に吐出すると、該吐出管
の途中で整流する必要があり、吐出管を折屈するなど構
造が複雑となる。特に、上記渦流形ターボ機械を多段に
組合わせた場合、１段目より吐出した流体が偏流してお
り、この偏流したまま２段めに吸込まれると、羽根にス
ムーズに流入せず、圧縮効率が悪いという問題があっ
た。

本発明は、斯かる点に鑑み、流体を主流路の外周部より
整流して流出入させるようにすることにより、騒音を低
減させると共に、羽根にスムーズに流出入するようにし
て圧縮効率の向上を図ることを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明が講じた手段は、第
１図及び第２図に示すように、先ず、流体の主流路（2
4）を形成する中空環状部（23）を有するハウジング
（２）が設けられている。更に、該ハウジング（２）に
は、流体を主流路（24）に導入する吸込路（61）と、流
体を主流路（24）より導出する吐出路（62）とが形成さ
れている。その上、上記ハウジング（２）内には、駆動
軸（７）が連結されたハブ（31）の外周面（31a）に複
数枚の羽根（32,32,…）が突設されて成り、上記吸込路
（61）より主流路（24）に吸込まれた流体を螺旋状に移
送しつつ圧縮して上記吐出路（62）よりハウジング
（２）外に吐出させる羽根車が収納された渦流形ターボ
機械を対象としている。

そして、上記吸込路（61）及び吐出路（62）は、ハウジ
ング（２）の外面に開口する外部開口（61a,62a）から
主流路（24）の外周面に開口する内部開口（61d,62d）
に亘って断面矩形状に形成されている。

加えて、上記吸込路（61）及び吐出路（62）は、主流路
（24）の横断面視上における流体の回転方向に対して逆
方向に流体の流れを略直角に方向転換させる屈曲部（61
e,62e）を備えて主流路（24）の横断面視上で略Ｌ字状
に形成されている。

（作用） 上記構成により、本発明では、羽根車（３）を回転する
と、流体は吸込路（61）より主流路（24）の外周部より
吸込まれ、該主流路（24）内において、羽根前縁より該
羽根（32）に流入し、後縁より流出して主流路（24）内
を回転し、再び羽根（32）に流入することになる。そし
て、流体は上記羽根（32）により角運動エネルギを得て
回転しつつ主流路（24）の軸方向に流れ、この螺旋運動
により圧縮されて主流路（24）の外周部より吐出路（6
2）を介してハウジング（２）外に吐出される。

また、上記流体を吸込路（61）内で方向転換させること
から、流体は羽根（32）に対して整流されて且つ干渉す
ることなく流入するので、所謂干渉音の発生を防止する
ことができ、騒音を低減することができる。また、羽根
（32）に対して斜めに流入させることができるので、ス
ムーズに流入させて渦流を形成させることができるの
で、圧縮効率の向上を図ることができる。

更に、流体を吐出路（62）内で方向転換させることか
ら、流体を吐出路（62）より整流した状態で吐出させる
ことができるので、多段に組み合わせた場合、一層圧縮
効率を向上させることができると共に、別個に整流手段
を設ける必要がなく、構造を簡素にすることができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１図及び第２図に示すように、（１）は渦流形ターボ
機械としての圧縮ポンプであって、気体等の各種流体を
螺旋状に移送しつつ圧縮して吐出するようにしている。

該圧縮ポンプ（１）はハウジング（２）内に羽根車
（３）が収納されて構成されており、該ハウジング
（２）は、第１図において左右に分割された第１ハウジ
ング部材（21）と第２ハウジング部材（22）とを一体的
に組合わせて形成されている。そして、該両ハウジング
部材（21,22）は、上記羽根車（３）の両端面を覆うデ
ィスク部（21a,22a）と、該ディスク部（21a,22a）の外
周縁に連続形成され、半円弧状の環状凹部を有する半ト
ーラス部（21b,22b）とより成り、該両半トーラス部（2
1b,22b）で中空環状部（23）を形成しており、該中央環
状部（23）内が流体の主流路（24）に構成されている。

上記中空環状部（23）内の主流路（24）には、流体の流
れを案内する環状ガイド部材（４）が配設されており、
該ガイド部材（４）の外周面と中空環状部（23）の内周
面との間が上記主流路（24）に成っている。また、上記
ガイド部材（４）の外周部には、遠心方向に突出した複
数個の支持片（41）が周方向に所定間隔を存して一体的
に形成されている。そして、該支持片（41）の外端部が
上記ハウジング（２）の中空環状部（23）に嵌合されて
いて、上記ガイド部材（４）がハウジング（２）に主流
路（24）の中心軸上に固定支持されている。

更に、上記主流路（24）には、中空環状部（23）の内周
面からガイド部材（４）の外周面に亘る所定幅の仕切部
材（５）が設けられていて、上記ガイド部材（４）を支
持すると共に、上記主流路（24）を高圧側と低圧側とに
区画している。そして、該仕切部材（５）の内周部には
上記羽根車（３）が通る案内路（51）が刳設されてお
り、該仕切部材（５）の一側方（第２図において右側）
における第１ハウジング部材（21）の半トーラス部（21
b）には流体の吸込路（61）が、他側方（第２図におい
て左側）における第２ハウジング部材（22）の半トーラ
ス部（22b）には流体の吐出路（62）がそれぞれ閉設さ
れていて、該吸込路（61）から導入された流体と吐出路
（62）から吐出される流体とが仕切部材（５）で合流し
ないように構成されている。

一方、上記羽根車（３）は、円板状のハブ（31）の外周
面（31a）に複数枚の羽根（32）が放射状に延設されて
構成されている。該ハブ（31）の両端面は上記両ハウジ
ング部材（21,22）のディスク部（21a,22a）が近接して
覆われており、該ハブ（31）の中央部に駆動軸（７）が
連結されている。該駆動軸（７）は上記主流路（24）及
びガイド部材（４）と同心上に位置し、上記第２ハウジ
ング部材（22）のディスク部（22a）を貫通し、図示し
ないが、外端にモータが連結されており、該モータの駆
動により羽根車（３）が回転するように成っている。ま
た、上記ハブ外周面（31a）は、駆動軸（７）と同心上
の円筒面に形成され、上記主流路（24）外周面の一部を
構成している。

上記羽根車（３）の羽根（32）は、上記ハブ外周面（31
a）より遠心方向に突出して上記主流路（24）内に臨ん
でおり、先端が上記ガイド部材（４）の内周部に近接す
るように形成されている。更に、該羽根（32）は、上記
ハブ（31）の両端面に亘って形成され、流体が羽根前縁
（32a）から後縁（32b）に通り抜けると、上記ハブ（3
1）の前面から後面に通り抜けるように成っており、該
羽根（32）の通過時の流れがほぼ軸流流れになり、この
羽根（32）通過時に角運動エネルギが流体に与えられる
ように構成されている。

次に、本発明の特徴とする上記吸込路（61）及び吐出路
（62）について、第３図及び第４図に基づいて説明す
る。

該吸込路（61）は上記羽根（32）の前縁（32a）側であ
る第１ハウジング部材（21）に、吐出路（62）は羽根
（32）の後縁（32b）側である第２ハウジング（22）に
それぞれ形成されている。そして、該吸込路（61）及び
吐出路（62）は、外部開口（61a,62a）と、縦路部（61
b,62b）と、横路部（61c,62c）と、内部開口（61d,62
d）とより構成されている。

該外部開口（61a,62a）は、上記第１ハウジング部材（2
1）及び第２ハウジング部材（22）の側面、つまり、第
１図において、駆動軸（７）と直交するハウジング
（２）の右側面及び左側面にそれぞれ開口しており、上
記主流路（24）より外側に位置して上記第１及び第２ハ
ウジング部材（21,22）の外周縁部に形成され、図示し
ないが、外部吸込管及び外部吐出管が接続されるように
成っている。

更に、上記吸込路（61）の外部開口（61a）と吐出路（6
2）の外部開口（62a）とは、図３に示すように、主流路
（24）の横断面視上で吐出路（62）からの流体の流出方
向が吸込路（61）への流体の流入方向の前方で延長線上
に位置するように形成されている。

上記縦路部（61b,62b）は、上記外部開口（61a,62a）に
連続して形成され、上記駆動軸（７）の軸方向に穿設さ
れ、上記第１及び第２ハウジング部材（21）及び（22）
の半トーラス部（21b,22b）における厚さ方向のほぼ中
央部まで形成されている。

更に、上記横路部（61c,62c）は、上記縦路部（61b,62
b）よりほぼ直角の屈折部（61e,62e）を介して連続形成
されている。該屈折部（61e,62e）は、主流路（24）の
横断面視上における流体の回転方向に対して逆方向に流
体の流れを略直角に方向転換させるように形成されて、
吸込路（61）及び吐出路（62）が主流路（24）の横断面
視上で略Ｌ字状に形成されている。

上記横路部（61c,62c）は、駆動軸（７）と直交方向に
穿設され、求心方向に上記主流路（24）に向って形成さ
れると共に、やや外側に傾斜している。つまり、第４図
に示すように、上記吸込路（61）の横路部（61c）は縦
路部（61b）より主流路（24）に向って羽根車（３）の
回転方向にやや傾斜し、上記吐出路（62）の横路部（62
c）は縦路部（62b）より主流路（24）に向って羽根車
（３）の反回転方向にやや傾斜している。上記内部開口
（61d,62d）は、上記横路部（61c,62d）が連続して形成
されており、上記主流路（24）の外周部に位置し、且つ
上記外部開口（61a,62a）とほぼ直交する直交面に開口
し、上記横路部（61c,62c）の延長方向に上記ガイド部
材（４）がほぼ位置しないように該延長方向と上記主流
路（24）の接線方向とがほぼ一致するように形成されて
いる。また、上記吸込路（61）及び吐出路（62）は外部
開口（61a）及び（62a）から内部開口（61d）及び（62
d）に亘って断面横長の長方形に形成されている。

一方、上記仕切部材（５）の両側面（5a,5b）は、上記
吸込路（61）及び吐出路（62）の内部開口（61d,62d）
における一辺に連続して形成されると共に、上記横路部
（61c,62c）の延長方向に傾斜している。つまり、上記
吸込側の側面（5a）は上記主流路（24）の外周部から内
周部の羽根（32）に向って該羽根（32）の回転方向に傾
斜して吸込流体を案内する一方、上記吐出側の側面（5
b）は上記主流路（24）の外周部から内周部の羽根（3
2）に向って該羽根（32）の反回転方向に傾斜して吐出
流体を案内するように形成されている。

次に、この圧縮ポンプ（１）の圧縮動作について説明す
る。

先ず、モータを駆動して駆動軸（７）を回転すると、羽
根車（３）がハウジング（２）内で回転し、各羽根車
（32,32,…）が主流路（24）内を回転移動することにな
る。一方、流体は吸込路（61）よりハウジング（２）内
の主流路（24）に吸込まれ、羽根前縁（32a）より該羽
根（32）に流入し、後縁（32b）より流出することにな
り、この羽根（32）によって流体に角運動エネルギが与
えられ、流体はガイド部材（４）の回りを回転し、再び
羽根（32）に流入することになる。そして、流体は上記
回転を繰り返しつつ主流路（24）の軸方向に移送され、
螺旋運動して圧縮され、吐出路（62）よりハウジング
（２）外に吐出されることになる。

そこで、上記吸込路（61）から羽根（32）に流れる流体
の流れ、及び上記羽根（32）から吐出路（61）に流れる
流体の流れについて詳述する。

先ず、第３図（ａ）に示すように、上記吸込路（61）の
外部開口（61a）に流入する流体の速度分布（v₁）は全
域に亘って略均一な状態になっており、この略均一な速
度分布（v₁）のまま縦路部（61b）を流れ、その後、流
体は屈折部（61e）を介して横路部（61c）に流れること
になる。その際、該屈折部（61e）において、流体の速
度は曲率半径の小さい内側が遅く、曲率半径の大きい外
側に向って漸次速くなり、横路部（61c）における速度
分布（v₂）は外側に偏流した状態となる。そして、この
偏流したまま流体は内部開口（61d）より主流路（24）
に吸込まれることになり、しかも、その際、横路部（61
c）及び仕切部材（５）の側面（5a）が羽根車（３）の
回転方向にやや傾斜しているので、該羽根車（３）の回
転方向に向って流れることになる（第４図（ａ）参
照）。

次いで、上記偏流した流体は、中空環状部（23）の内周
面に沿って流れて方向転換することになり、その際、上
記速度分布（v₂）において、速度の速い側がガイド部材
（４）側の内側に、遅い側が中空環状部（23）側の外側
になるので、羽根前縁（32a）において流体は再び整流
され、略均一な速度分布（v₃）となり、該羽根（32）に
流入することになる。

一方、上記吐出路（62）の近傍において、羽根（32）よ
り流出する流体は、第３図（ｂ）に示すように、主流路
（24）内を回転するので、速度分布（v₄）は外周側にや
や偏流した状態となり、この偏流した状態のまま螺旋方
向に流れ、その際、上記仕切部材（５）の側面（5b）及
び吐出路（62）の横路部（62c）が外側に向って羽根車
（３）の回転方向に傾斜しているので、流体の移動方向
にほぼ一致することになる（第４図（ｂ）参照）。

その後、流体は屈折部（62e）を介して縦路部（62b）に
流れ、その際、上記速度分布（v₄）における速度の速い
側が曲率半径の小さい内側に、速度の遅い側が曲率半径
の大きい外側になるので、整流されて略均一な速度分布
（v₅）になり、流体は外部開口（62a）より整流された
状態でハウジング（２）外に吐出されることになる。

従って、上記流体を主流路（24）の外周部より流出入さ
せ、該流体を羽根（32）の流出入方向に案内するように
しているので、流体と羽根（32）とが干渉することがな
く、所謂干渉音の発生を防止することができ、騒音の軽
減を図ることができる。

また、流体は整流されて羽根（32）に流入すると共に、
吸込路（61）より螺旋方向に羽根（32）に流入するの
で、スムーズに流入して渦流を形成することになり、そ
の上、羽根（32）より流出した流体はその流れ方向に吐
出路（62）が設けられているので、スムーズに流出する
ことになり、圧縮効率の向上を図ることができる。

第５図は他の実施例を示し、前記圧縮ポンプ（１）を２
段に組合せたものである。つまり、第１段目の圧縮ポン
プ（１）における第２ハウジング部材（22）の側面と、
第２段目の圧縮ポンプ（１）における第１ハウジング部
材（21）の側面とを接着して両圧縮ポンプ（1,1）が一
体に組み合されて構成されている。そして、該圧縮ポン
プ（1,1）の羽根車（3,3）は１本の駆動軸（７）に連結
されている。

更に、上記第１段目の圧縮ポンプ（１）における吐出路
（62）の外部開口（62a）と、第２段目の圧縮ポンプ
（１）における吸込路（61）の外部開口（61a）とが接
続されている。

従って、第１段目の圧縮ポンプ（１）で圧縮された流体
は吐出路（62）より第２段目の圧縮ポンプ（１）に吸込
路（61）を介して吸込まれて圧縮されることになる。そ
の際、第１段目の圧縮ポンプ（１）より流出する流体は
外部開口（62a）にて整流されているので（第３図
（ｂ）参照）、第２段目の圧縮ポンプ（１）において、
第３図（ａ）に示すように、整流された状態で羽根（3
2）に流入することになる。これにより第２段目の圧縮
ポンプ（１）における圧縮効率を向上させることがで
き、その上、流体の整流手段を何ら設ける必要がないの
で、構造を簡素にすることができる。

第６図及び第７図は他の羽根車（32′,32″）を示して
おり、第６図に示すものはハブ（31′）の外周面（31
a′）が駆動軸（７）と直交方向の直交部を有する略２
次曲線状に形成され、この直交部に子午面略矩形状の羽
根（32′）が駆動軸（７）方向に突設されて成り、中空
環状部（23′）及びガイド部材（４′）は断面縦長の長
円に形成されている。また、第７図に示すものはハブ
（31″）の外周面（31a″）が略中心角90度の円弧状に
形成され、該ハブ外周面（31a″）に子午面略扇状の羽
根（32″）が突設されて成り、中空環状部（23″）及び
ガイド部材（４″）は断面略真円状に形成されている。
その他の構成並びに作用・効果は第１図及び第２図に示
すものと同様である。

尚、各実施例において、中空環状部（23）内にはガイド
部材（４）を設けたが、本発明では必ずしも設ける必要
はない。

また、本発明は、圧縮ポンプ（１）の他、タービンなど
各種の渦流形ターボ機械に適用することができる。

また、圧縮ポンプ（１）は、２段の他、３段以上に組合
わせてもよいことは勿論である。

（発明の効果） 以上のように、本発明の渦流形ターボ機械によれば、流
体を主流路の外周部より流出入させると共に、吸込路及
び吐出路内で方向転換させるようにしたために、流体に
対して羽根車の羽根が干渉することがなく、該羽根に流
体がスムーズに流出入することになるので、干渉音の発
生を防止することができ、騒音の軽減を図ることができ
る。

また、流体が整流されて羽根に流入すると共に、該羽根
に向って斜めに流入させることができるので渦流流れを
容易に形成することができ、圧縮効率を向上させること
ができる。

更に、流体を整流して吐出させることができると共に、
ハウジングの側面より流出入させるので、複数段に容易
に組み合せることができると同時に、流体の整流手段を
別個に設ける必要がなく、構造を簡素にすることができ
る一方、圧縮効率の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図は圧縮ポンプの縦
断面図、第２図は第１図II−II線における断面図であ
る。第３図（ａ）は第２図III−III線における断面図、
第３図（ｂ）は第２図IV−IV線における断面図、第４図
（ａ）は第１図Ｖ−Ｖ線における断面図、第４図は第１
図VI−VI線における断面図である。第５図は圧縮ポンプ
を２段に組み合せた縦断面図である。第６図及び第７図
はそれぞれ他の羽根車を示す縦断面図である。 （１）…圧縮ポンプ、（２）…ハウジング、（３）…羽
根車、（５）…仕切部材、（23）…中空環状部、（24）
…主流路、（31,31′,31″）…ハブ、（31a,31a′,31
a″）…ハブ外周面、（32,32′,32″）…羽根、（61）
…吸込路、（62）…吐出路、（61a,62a）…外部開口、
（61b,62b）…縦路部、（61c,62c）…横路部、（61d,62
d）…内部開口。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流体の主流路（24）を形成する中空環状部
   （23）を有するハウジング（２）と、該ハウジング
   （２）に形成され、上記主流路（24）に流体を導入する
   吸込路（61）と、 上記ハウジング（２）に形成され、上記主流路（24）よ
   り流体を導出する吐出路（62）と、 駆動軸（７）が連結されたハブ（31）に複数枚の羽根
   （32,32,…）が突設されて成り、上記ハウジング（２）
   内に収納されて上記吸込路（61）より主流路（24）に吸
   込まれた流体を螺旋状に移送しつつ圧縮して上記吐出路
   （62）よりハウジング（２）外に吐出させる羽根車
   （３）と を備えた渦流形ターボ機械であって、 上記吸込路（61）及び吐出路（62）は、ハウジング
   （２）の外面に開口する外部開口（61a,62a）から主流
   路（24）の外周面に開口する内部開口（61d,62d）に亘
   って断面矩形状に形成されると共に、 上記吸込路（61）及び吐出路（62）は、主流路（24）の
   横断面視上における流体の回転方向に対して逆方向に流
   体の流れを略直角に方向転換させる屈曲部（61e,62e）
   を備えて主流路（24）の横断面視上で略Ｌ字状に形成さ
   れている ことを特徴とする渦流形ターボ機械。