JP2003328996A - ターボ圧縮機および冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 羽根車への旋回流供給が可能であるととも
に、低コスト化が可能なターボ圧縮機と、このターボ圧
縮機を備えた冷凍装置の提供を課題とする。 【解決手段】 吸込口８に、昇圧前の流体を取り込む主
流配管１００と、該主流路１００から分岐するととも
に、吸込口８に向かう流体の少なくとも一部を、羽根車
の回転方向に沿った旋回流としてから流す副流配管１０
１とを接続し、主流配管１００と副流配管１０１との分
岐部に、これら主流配管１００及び副流配管１０１間の
流量比を調整するバタフライ弁１０３を備える構成を採
用した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転する羽根車に
よって流体を圧縮するターボ圧縮機およびそれを用いた
冷凍装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ターボ圧縮機は、従来より各種プラント
に広く用いられているが、冷凍装置においても、冷媒を
圧縮するための圧縮機として用いられている。この種の
ターボ圧縮機は、羽根車（インペラ）が設けられた主軸
を電動モータで回転させることにより、冷媒を圧縮させ
るようになっている。

【０００３】また、近年のターボ形圧縮機においては、
冷凍装置の冷凍能力を可変とするために、その吸込口に
可変インレットベーンを設けて流量制御を行うことがな
されている。以下、この可変インレットガイドベーン
を、図１０及び図１１に基づいて説明する。なお、図１
０は、可変インレットガイドベーンの半開状態を示し、
図１１は、可変インレットガイドベーンの全閉状態を示
している。

【０００４】図１０において、符号の１はケーシング、
２は主軸、３は第１の羽根車、４はディフューザ、５は
リターンベンド、６は流路仕切板、７はガイドベーン、
８は吸込口、９はシール部材、１０は可変インレットガ
イドベーンを示している。なお、同図のターボ形圧縮機
は、多段式の遠心圧縮機の一部を示しており、圧縮され
る流体が、図中に白抜矢印で示すように、吸込口８から
吸引された後、ケーシング１に軸支されて図示省略の駆
動機構により主軸２とともに回転する羽根車３、流体の
速度を減少させて運動エネルギを内部エネルギに変換す
るディフューザ４、リターンベンド５及びガイドベーン
７の順に通過して昇圧され、次段の入口へと導かれるよ
うになっている。

【０００５】そして、このターボ形圧縮機の吸込口８
に、例えば翼形断面を有する可変インレットガイドベー
ン１０が、主軸２の外周とケーシング１との間に複数
枚、設置されている。この可変インレットガイドベーン
１０は、昇圧する流体の流れ方向（白抜矢印）に対し
て、それぞれの設置角度を変えることができるように回
動可能に支持されている。

【０００６】すなわち、流れ方向とほぼ平行になる全開
位置と吸込口８を完全に閉じる全閉位置との間で適宜開
度を調整することにより、弁開度を変化させて昇圧する
流体の流入角を調整し、冷凍能力をコントロールし得る
ようになっている。また、第１の羽根車３に吸い込まれ
る流体は、可変インレットベーン１０により、第１の羽
根車３の回転方向に沿った旋回流れを形成可能としてい
る。このような旋回流れは、特に、流量を絞った運転条
件で重要であり、十分な旋回流れが確保できないと、第
１の羽根車３の出口で流れの剥離（いわゆる旋回失速）
が発生する恐れがある。このような旋回失速は、ターボ
圧縮機の運転可能範囲を狭めてしまうため、可変インレ
ットベーン１０の役割は、重要なものとなっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のターボ圧縮機は、その可変インレットベーン１０
が、複数枚の回転羽根や、これら回転羽根を同期させな
がら動かす羽根駆動機構などの複雑で多くの部品で構成
されているため、コスト高になるという問題を有してお
り、これに代わる手段が切望されていた。

【０００８】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、羽根車への旋回流供給が可能であるとともに、
低コスト化が可能なターボ圧縮機と、このターボ圧縮機
を備えた冷凍装置の提供を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために以下の手段を採用した。すなわち、請求項
１に記載のターボ圧縮機は、吸込口および吐出口を有す
るケーシングと、該ケーシング内に回転可能に軸支され
る主軸と、該主軸に設けられた羽根車と、前記主軸の駆
動機構とを有し、前記吸込口から吸い込んだ流体を昇圧
して前記吐出口から流出させるターボ圧縮機において、
前記吸込口に、前記羽根車に向かう前記流体を、前記羽
根車の回転方向に沿った旋回流にする第１の旋回流れ形
成流路が設けられていることを特徴とする。上記請求項
１に記載のターボ圧縮機によれば、第１の旋回流れ形成
流路を通って吸込口に取り込まれる流れは、旋回流とな
って羽根車に流れ込む。

【００１０】請求項２に記載のターボ圧縮機は、吸込口
および吐出口を有するケーシングと、該ケーシング内に
回転可能に軸支される主軸と、該主軸に設けられた羽根
車と、前記主軸の駆動機構とを有し、前記吸込口から吸
い込んだ流体を昇圧して前記吐出口から流出させるター
ボ圧縮機において、前記吸込口に、昇圧前の前記流体を
取り込む主流路と、該主流路から分岐するとともに、前
記吸込口に向かう前記流体の少なくとも一部を、前記羽
根車の回転方向に沿った旋回流としてから流す副流路と
が接続され、前記主流路と前記副流路との分岐部に、こ
れら主流路及び副流路間の流量比を調整する流量比調整
機構が備えられていることを特徴とする。上記請求項２
に記載のターボ圧縮機によれば、流量比調整機構を操作
して、吸込口に流れ込む全流量のうち、副流路側を流れ
る流量割合を増減させることにより、羽根車に流れ込む
流れの旋回強度を増減させることができるようになる。

【００１１】請求項３に記載のターボ圧縮機は、請求項
２に記載のターボ圧縮機において、前記主流路が、該主
流路内を流れる前記流体を、前記羽根車の回転方向に沿
った旋回流としてから流す第２の旋回流れ形成流路であ
ることを特徴とする。上記請求項３に記載のターボ圧縮
機によれば、副流路を全閉した状態でも、わずかな旋回
強度を流れに付与することができるようになる。

【００１２】請求項４に記載の冷凍装置は、吸込口から
吸い込んだ流体を昇圧して吐出口から流出させるターボ
圧縮機と、該ターボ圧縮機からの前記流体を凝縮、液化
させる凝縮器と、該凝縮器で凝縮・液化された前記流体
を減圧する絞り機構と、該絞り機構で減圧された前記流
体と被冷却物との間で熱交換を行わせて該被冷却物を冷
却するとともに、前記流体を蒸発・気化させる蒸発器と
を備えた冷凍装置において、前記ターボ圧縮機として、
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のターボ圧
縮機が備えられていることを特徴とする。上記請求項４
に記載の冷凍装置によれば、そのターボ圧縮機が、羽根
車への旋回流れの形成と低コスト化とを同時に達成する
ことができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明のターボ圧縮機およ
びそれを用いた冷凍装置の各実施例についての説明を、
図面を参照しながら以下に説明するが、本発明がこれら
のみに限定解釈されるものでないことは勿論である。ま
ず、各実施例共通の構成について説明し、その後、各実
施例の特徴点を説明する。

【００１４】図１は、本実施形態の冷凍装置を示す斜視
図であり、また、図２は、その系統図を示している。こ
れら図１及び図２に示すように、本実施形態の冷凍装置
は、吸入口から吸い込んだガス冷媒を昇圧（圧縮）して
吐出口から流出させるターボ圧縮機２０と、ターボ圧縮
機２０において圧縮された冷媒を凝縮、液化する凝縮器
３０と、凝縮器３０において液化された冷媒を減圧する
絞り機構４０と、冷媒と冷水（被冷却物）との間で熱交
換を行わせて冷水を冷却するとともに冷媒を蒸発、気化
する蒸発器５０とを備えて構成されている。

【００１５】また、この冷凍装置においては、上述した
凝縮器３０において液化された冷媒を一時的に溜め置い
て冷却する中間冷却器６０と、凝縮器３０において液化
された冷媒の一部を利用してターボ圧縮機２０の潤滑油
を冷却する油冷却器７０を備えている。なお、ターボ圧
縮機２０には、駆動源となる電動機２１及び動力伝達機
構２２よりなる駆動機構２３が連結されている。

【００１６】ターボ圧縮機２０、凝縮器３０、絞り機構
４０、蒸発器５０および中間冷却器６０は、冷媒を循環
させる閉じた系を構成すべく、主配管８１によって接続
されている。

【００１７】凝縮器３０は、主凝縮器３０ａとサブクー
ラと呼ばれる熱交換器３０ｂとからなり、主凝縮器３０
ａ、サブクーラ３０ｂの順に冷媒が導入されるが、主凝
縮器３０ａにおいて冷却された冷媒の一部が、サブクー
ラ３０ｂを経ずに油冷却器７０に導入されて潤滑油を冷
却する。また、それとは別に主凝縮器３０ａにおいて冷
却された冷媒の一部が、サブクーラ３０ｂを経ずに電動
機２１のケーシング内に導入され、図示省略するロー
タ、ステータやコイルを冷却する。

【００１８】絞り機構４０は、凝縮器３０と中間冷却器
６０との間、中間冷却器６０と蒸発器５０との間にそれ
ぞれ配設されており、凝縮器３０において液化された冷
媒を段階的に減圧する。中間冷却器６０の構造は、中空
容器に等しく、主凝縮器３０ａ、サブクーラ３０ｂにお
いて冷却され、絞り機構４０において減圧自己膨張した
冷媒を一時的に溜め置いて気液分離する。なお、中間冷
却器６０内の気相成分は、蒸発器５０を経ずにバイパス
配管８２を通じてターボ圧縮機２０の第２段羽根車３ｂ
に導入される。

【００１９】図３は、同冷凍装置に備えられているター
ボ圧縮機２０の概略構成を示す断面図である。同図に示
すターボ圧縮機２０において、符号１はケーシング、符
号２は主軸、符号３は羽根車（インペラ）、符号４はデ
ィフューザ、符号５はリターンベンド、符号６は流路仕
切部、符号７はガイドベーン、符号８は吸込口、符号２
１は電動モータ、符号２２は動力伝達機構、２３は駆動
機構、符号２４は吐出口を示している。

【００２０】このターボ圧縮機２０は、第１段羽根車３
ａ及び第２段羽根車３ｂよりなる例えば２段圧縮の羽根
車３が主軸２に設けられ、この羽根車３を駆動機構２３
によって回転させ、吸込口８から吸い込んだガス冷媒な
どの流体（気体）を昇圧して吐出口２４から流出させる
ように構成されている。このようにして圧縮された後の
冷媒は、凝縮器３０へと送出される。なお、ターボ圧縮
機２０としては、上記２段式に限らず、単段式のものを
採用しても良い。

【００２１】以上説明が本発明の各実施例の共通内容で
あり、以下、各実施例の特徴点について説明する。な
お、各実施例は、従来の可動インレットベーンを装備す
る代わりとして、吸込口８に、羽根車３の第１段羽根車
３ａに流れ込む冷媒を旋回流とする旋回流れ形成機構を
接続した点が、特に特徴的となっている。

【００２２】まず、図４から図６参照して、同ターボ圧
縮機２０旋回流れ形成機構（旋回流れ形成流路）の第１
実施例を説明する。なお、図４は、吸込口８を、その軸
線（すなわち、羽根車３の回転軸線ＣＬ）を通る視線よ
り対向視した部分断面図である。また、図５は、同旋回
流形成流路を側方より見た場合の説明図である。また、
図６は、同旋回流形成流路の要部を示す図であって、図
４のＡ部拡大図である。

【００２３】本実施例は、前記旋回流れ形成機構とし
て、吸込口８に、昇圧前の冷媒（流体）を取り込む主流
配管１００（主流路）と、該主流配管１００から分岐す
るとともに、吸込口８に向かう冷媒の少なくとも一部
を、前記羽根車３の回転方向に沿った旋回流としてから
流す副流配管１０１（副流路、第１の旋回流れ形成流
路）とを接続し、主流配管１００と副流配管１０１との
分岐部に、これら主流配管１００及び副流配管１０１間
の流量比を調整するバタフライ弁１０３（流量比調整機
構。図５では図示略。）を備えている。

【００２４】主流配管１０１は、前記蒸発器５０の冷媒
吐出口５０ａと、吸込口８との間を接続する配管であ
り、羽根車３に対して、その軸線ＣＬ方向に沿ったスト
レートな主流ｍを供給することができるようになってい
る。副流配管１０１は、主流配管１０１の根元部分（前
記冷媒吐出口５０ａ近傍部分）と、吸込口８との間を接
続する配管であり、羽根車３の回転方向（図４の視線で
反時計回り）と同一回転方向の副流ｓを吸込口８に供給
できるよう、緩やかに曲がる円弧を描いた曲線流路を備
えている。

【００２５】そして、図６に示すように、主流配管１０
０及び副流配管１０１間の接続口の下流側部分には、蒸
発器５０からの冷媒流れの全てを、主流配管１００から
副流配管１０１に切り替えた際に、主流配管１００側に
流れが漏れるのを最小限とするために、突部１００ａが
その内壁面に突設されている。同様の目的により、冷媒
吐出口５０ａ側にも、突部１００ｂが内壁面に突設され
ている。

【００２６】バタフライ弁１０３は、主流配管１００内
に、弁軸１０３ａによって回動可能に軸支された弁体１
０３ｂを有しており、その回動によって、主流ｍと副流
ｓとの流量比を調整できるようになっている。もちろ
ん、主流ｍの流量を１００％とするとともに副流ｓの流
量を０％にしたり、または、副流ｓの流量を１００％と
するとともに主流ｍの流量を０％にすることも可能であ
る。したがって、このバタフライ弁１０３を操作して、
吸込口８に流れ込む全流量のうち、副流配管１０１側を
流れる流量成分を増減させることにより、羽根車３に流
れ込む流れの旋回強度を増減させることができるように
なる。

【００２７】以上説明の本実施例のターボ圧縮機２０に
よれば、吸込口８への流れを主流配管１００と副流１０
１とに分岐し、これらの流量比をバタフライ弁１０３で
調整するだけという、従来の可変インレットベーンに比
較して極めて単純な構成で旋回流を形成することができ
るようになる。したがって、羽根車３への旋回流れの形
成と低コスト化とが同時に可能になる。

【００２８】なお、図７に示すように、主流配管１００
及び副流配管１０１間の接続口の上流側部分に、冷媒流
れの全てを副流配管１０１から主流配管１００に切り替
えた際に、副流配管１０１側に流れが漏れるのを最小限
とするために、突部１００ｃをその内壁面に突設する構
成も採用可能である。この場合、突部１００ｃによって
剥離流れを形成することができ、主流配管１００から副
流配管１０１側に分岐する流れを抑えることが可能とな
る。

【００２９】続いて、図８を参照して、同ターボ圧縮機
２０の旋回流れ形成機構（旋回流れ形成流路）の第１実
施例を説明する。なお、同図は、図６に相当する部分の
拡大図である。本実施例では、上記第１実施例のバタフ
ライ弁１０３の代わりに、ボール弁１０５を前記流量比
調整機構として採用した点が特徴的となっている。その
他構成については、上記第１実施例と同様である。この
ボール弁１０５は、内部に切替流路１０５ｂが形成され
ており、その軸線１０５ａ回りに回転することにより、
冷媒吐出口５０ａと主流配管１００または副流配管１０
１のいずれか一方もしくは両方とを連通させることがで
きるようになっている。

【００３０】以上説明の本実施例のターボ圧縮機２０に
よれば、吸込口８への流れを主流配管１００と副流１０
１とに分岐し、これらの流量比をボール弁１０５で調整
するだけという、従来の可変インレットベーンに比較し
て極めて単純な構成で旋回流を形成することができるよ
うになる。したがって、羽根車３への旋回流れの形成と
低コスト化とが同時に可能になる。

【００３１】続いて、図９を参照して、同ターボ圧縮機
２０の旋回流れ形成機構（旋回流れ形成流路）の第３実
施例を説明する。なお、同図は、吸込口をその軸線より
対向視した説明図である。本実施例では、上記第１実施
例で説明した前記主流配管１００の代わりに、内部を流
れる冷媒を、羽根車３の回転方向に沿った旋回流として
から流す主流配管２００（第２の旋回流れ形成流路）を
装備した点が特徴的となっている。なお、その他構成
は、上記第１実施例と同様である。

【００３２】本実施例のターボ圧縮機によれば、主流配
管２００を採用することで、副流配管１０１を全閉した
状態でも、わずかな旋回強度を流れに付与することが可
能となる。

【００３３】

【発明の効果】本発明の請求１に記載のターボ圧縮機に
よれば、第１の旋回流れ形成流路という、従来の可変イ
ンレットベーンに比較して単純な構成で旋回流を形成す
ることができるようになる。したがって、羽根車への旋
回流れの形成と低コスト化とが同時に可能になる。

【００３４】本発明の請求２に記載のターボ圧縮機によ
れば、吸込口への流れを主流路と副流路に分岐し、これ
らの流量比を調整するだけという、従来の可変インレッ
トベーンに比較して単純な構成で旋回流を形成すること
ができるようになる。したがって、羽根車への旋回流れ
の形成と低コスト化とが同時に可能になる。

【００３５】また、請求項３に記載のターボ圧縮機によ
れば、主流路を第２の旋回流れ形成流路とすることで、
副流路を全閉した状態でも、わずかな旋回強度を流れに
付与することが可能となる。

【００３６】本発明の請求４に記載の冷凍装置によれ
ば、そのターボ圧縮機が、羽根車への旋回流供給と低コ
スト化とを同時に可能とするものであるため、安価で幅
広い運転範囲を備えた冷凍装置とすることが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る冷凍装置の一実施形態を示す斜
視図である。

【図２】 同冷凍装置の構成例を示す系統図である。

【図３】 同冷凍装置に備えられているターボ圧縮機の
概略構成を示す断面図である。

【図４】 同ターボ圧縮機の旋回流形成流路の第１実施
例を示す図であって、吸込口をその軸線より対向視した
部分断面図である。

【図５】 同ターボ圧縮機の同旋回流形成流路を示す図
であって、側方より見た場合の説明図である。

【図６】 同ターボ圧縮機の同旋回流形成流路の要部を
示す図であって、図４のＡ部拡大図である。

【図７】 同ターボ圧縮機の同旋回流形成流路の変形例
を示す図であって、図６のＢ部に相当する部分の拡大図
である。

【図８】 同ターボ圧縮機の旋回流形成流路の第２実施
例を示す図であって、図６に相当する部分の拡大図であ
る。

【図９】 同ターボ圧縮機の旋回流形成流路の第３実施
例を示す図であって、吸込口をその軸線より対向視した
説明図である。

【図１０】 従来のターボ圧縮機に備えられている可変
インレットガイドベーンを説明する図であって、半開状
態を示している。

【図１１】 同可変インレットベーンを示す図であっ
て、全閉状態を示している。

【符号の説明】

１・・・ケーシング ２・・・主軸 ３，３ａ・・・羽根車，第１段羽根車 ８・・・吸込口 ２０・・・ターボ圧縮機 ２３・・・駆動機構 ２４・・・吐出口 ３０・・・凝縮器 ４０・・・絞り機構 ５０・・・蒸発器 １０１・・・副流配管（第１の旋回流れ形成流路，副流
路） １０３・・・バタフライ弁（流量調整機構） １０５・・・ボール弁（流量比調整機構） ２００・・・主流配管（第２の旋回流れ形成流路）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3H034 AA02 AA18 BB03 BB06 BB20 CC03 DD02 DD26 DD27 EE08 EE12

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吸込口および吐出口を有するケーシング
   と、該ケーシング内に回転可能に軸支される主軸と、該
   主軸に設けられた羽根車と、前記主軸の駆動機構とを有
   し、前記吸込口から吸い込んだ流体を昇圧して前記吐出
   口から流出させるターボ圧縮機において、 前記吸込口には、前記羽根車に向かう前記流体を、前記
   羽根車の回転方向に沿った旋回流にする第１の旋回流れ
   形成流路が設けられていることを特徴とするターボ圧縮
   機。
2. 【請求項２】 吸込口および吐出口を有するケーシング
   と、該ケーシング内に回転可能に軸支される主軸と、該
   主軸に設けられた羽根車と、前記主軸の駆動機構とを有
   し、前記吸込口から吸い込んだ流体を昇圧して前記吐出
   口から流出させるターボ圧縮機において、 前記吸込口には、昇圧前の前記流体を取り込む主流路
   と、該主流路から分岐するとともに、前記吸込口に向か
   う前記流体の少なくとも一部を、前記羽根車の回転方向
   に沿った旋回流としてから流す副流路とが接続され、 前記主流路と前記副流路との分岐部には、これら主流路
   及び副流路間の流量比を調整する流量比調整機構が備え
   られていることを特徴とするターボ圧縮機。
3. 【請求項３】 請求項２に記載のターボ圧縮機におい
   て、 前記主流路は、該主流路内を流れる前記流体を、前記羽
   根車の回転方向に沿った旋回流としてから流す第２の旋
   回流れ形成流路であることを特徴とするターボ圧縮機。
4. 【請求項４】 吸込口から吸い込んだ流体を昇圧して吐
   出口から流出させるターボ圧縮機と、該ターボ圧縮機か
   らの前記流体を凝縮、液化させる凝縮器と、該凝縮器で
   凝縮・液化された前記流体を減圧する絞り機構と、該絞
   り機構で減圧された前記流体と被冷却物との間で熱交換
   を行わせて該被冷却物を冷却するとともに、前記流体を
   蒸発・気化させる蒸発器とを備えた冷凍装置において、 前記ターボ圧縮機として、請求項１から請求項３のいず
   れか１項に記載のターボ圧縮機が備えられていることを
   特徴とする冷凍装置。