JP2009019600A - ターボ圧縮機およびターボ冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】 羽根車が設けられる回転軸を支持する軸受の機械損失（軸受損失）を低減することにより、更なる高速化、小型化を図ることができるターボ圧縮機およびターボ冷凍機を提供することを目的とする。
【解決手段】 ハウジング２に転がり軸受１７，１９を介して回転自在に支持され、駆動源３により可変速回転される回転軸１３の少なくとも一端に羽根車１４，１５が設けられるターボ圧縮機において、転がり軸受１７，１９は、内輪３５に沿って遠心力により軸受内部に潤滑油が給油されるアンダーレース潤滑方式の転がり軸受とされ、該転がり軸受１７，１９には、軸受に給油される潤滑油の給油量を調節する給油機構４０が設けられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、羽根車が設けられる回転軸を支持する軸受の構成を改善することにより、更なる高速化、小型化を可能としたターボ圧縮機およびそれを用いたターボ冷凍機に関するものである。

ターボ冷凍機に適用されるターボ圧縮機では、高性能化はもちろんのこと、圧縮機自体を小型化することによる低コスト化のニーズは依然として高い。ターボ圧縮機を小型化するには、羽根車をより高速回転させる必要があり、そのためには、羽根車が設けられる回転軸を支持する軸受の改善が不可欠である。ターボ圧縮機では、回転軸を支持する軸受として、油膜により軸を支え回転支持できる滑り軸受や、玉あるいはコロの転がりを利用する転がり軸受が用いられるが、回転が高速化されるにつれ、軸受での機械損失が増大するため、冷凍機の性能を低下させてしまうという問題がある。

一般に、回転軸系においては、高荷重の場合は滑り軸受、中低荷重の場合は転がり軸受が用いられるが、軸の支持剛性や荷重条件等を許容範囲内にできるのであれば、滑り軸受よりも機械損失の小さい転がり軸受を用いる方が望ましく、ターボ圧縮機でも、高速化のため、羽根車が設けられる回転軸の軸受として、機械損失のより小さい転がり軸受が使用されるようになっている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２９１５８７号公報

しかしながら、回転軸系における機械損失の低減は、軸受を転がり軸受にするだけでは十分とはいえず、転がり軸受に給油される潤滑油を玉やコロが撹拌することにより発生する機械損失（撹拌損失）も無視できない。特に、高速回転や高荷重条件下では、軸受の冷却および潤滑に用いられる潤滑油をノズル孔から軸受にジェット給油する等の工夫がなされているが、給油速度が低下すると公転する玉やコロにより潤滑油が弾かれて給油ができなかったり、あるいはノズル孔を小さくことに限界があったりする等、制約条件が多い。このため、軸受において潤滑油がオーバーフローし、この潤滑油を撹拌することにより発生する撹拌損失を低減することはできない。

一方、一部の機械においては、回転軸を支持する転がり軸受において、軸受の内輪に沿って遠心力により軸受内部に潤滑油を給油するアンダーレース潤滑方式の転がり軸受が採用されている。しかし、このような潤滑方式の転がり軸受を採用しても、回転軸の回転数が変動すると、転がり軸受に供給される潤滑油の油量と、遠心力により軸受内部に給油される潤滑油の油量とのバランスが崩れ、潤滑油がオーバーフローし、この潤滑油を撹拌してしまうため、十分に撹拌損失を低減することはできない。転がり軸受の軸受損失は、撹拌損失の大小によるが、図５に示すように、支持軸の回転数Ｎの２乗〜３乗に比例し、回転数Ｎの３乗に近いほど撹拌損失が支配的である。従って、撹拌損失を低減し、可能な限り回転数Ｎの２乗に近づけることが、ターボ圧縮機を更に高速化、小型化するうえでの課題となる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、羽根車が設けられる回転軸を支持する軸受の機械損失（軸受損失）を低減することにより、更なる高速化、小型化を図ることができるターボ圧縮機およびターボ冷凍機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のターボ圧縮機およびターボ冷凍機は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるターボ圧縮機は、ハウジングに転がり軸受を介して回転自在に支持され、駆動源により可変速回転される回転軸の少なくとも一端に羽根車が設けられるターボ圧縮機において、前記転がり軸受は、内輪に沿って遠心力により軸受内部に潤滑油が給油されるアンダーレース潤滑方式の転がり軸受とされ、該転がり軸受には、軸受に給油される潤滑油の給油量を調節する給油機構が設けられることを特徴とする。

ターボ冷凍機用のターボ圧縮機では、高性能化のほかに、高速化、小型化のニーズが高い。ターボ圧縮機を高速化、小型化するには、羽根車を駆動する回転軸系における機械損失の低減が１つの課題となる。そこで、回転軸を支持する軸受に機械損失の比較的少ない転がり軸受が使用されている。しかし、機械損失の低減は、軸受を転がり軸受にするだけでは不十分であり、転がり軸受に供給された潤滑油を玉やコロが撹拌することにより発生する撹拌損失も無視できない状況となっている。
本発明によれば、羽根車が設けられる回転軸を支持する軸受が、内輪に沿って遠心力により軸受内部に潤滑油が給油されるアンダーレース潤滑方式の転がり軸受とされ、この転がり軸受には、軸受に給油される潤滑油の給油量を調節する給油機構が設けられるので、転がり軸受に対しては、内輪に沿って遠心力により軸受内部に吸い込まれる油量に見合う適正量の潤滑油が給油機構を介して給油される。これにより、転がり軸受において過剰に供給された潤滑油が撹拌されることにより発生する機械損失を抑制することができる。従って、ターボ圧縮機の更なる高速化、小型化を図り、コスト低減と小型高性能化を実現することができる。また、潤滑油が転がり軸受の内輪側から給油されるため、軸受内部で最も温度が高くなる玉やコロの温度に対して内輪を冷却しその温度を低く保つことが可能となる。これによって、軸受内部の隙間が理想的に保たれ、転がり部材が熱膨張により締め付けられることにより発生する機械損失をも低減することができる。

さらに、本発明にかかるターボ圧縮機は、ハウジングに転がり軸受を介して回転自在に支持され、駆動源により可変速回転される回転軸の少なくとも一端に羽根車が設けられるターボ圧縮機において、前記回転軸には、該回転軸を冷却する回転軸冷却機構が設けられるとともに、前記転がり軸受は、内輪に沿って遠心力により軸受内部に潤滑油が給油されるアンダーレース潤滑方式の転がり軸受とされ、該転がり軸受には、軸受に給油される潤滑油の給油量を調節する給油機構が設けられることを特徴とする。

本発明によれば、羽根車が設けられる回転軸は、回転軸に設けられる回転軸冷却機構により冷却される。このため、回転軸を支持する転がり軸受に対して、冷却用に過剰量の潤滑油を供給して高速回転により発生する熱を抑制する必要はなく、給油量を潤滑に必要な最小限量に抑えることができる。さらに羽根車が設けられる回転軸を支持する軸受が、内輪に沿って遠心力により軸受内部に潤滑油が給油されるアンダーレース潤滑方式の転がり軸受とされ、この転がり軸受には、軸受に給油される潤滑油の給油量を調節する給油機構が設けられるので、転がり軸受に対しては、内輪に沿って遠心力により軸受内部に吸い込まれる油量に見合う適正量の潤滑油が給油機構を介して給油される。これにより、転がり軸受において過剰に供給された潤滑油が撹拌されることにより発生する機械損失を抑制することができる。従って、ターボ圧縮機の更なる高速化、小型化を図り、コスト低減と小型高性能化を実現することができる。また、潤滑油が転がり軸受の内輪側から給油されるため、軸受内部で最も温度が高くなる玉やコロの温度に対して内輪を冷却しその温度を低く保つことが可能となる。これにより、軸受内部の隙間が理想的に保たれ、転がり部材が熱膨張により締め付けられることにより発生する機械損失をも低減することができる。

さらに、本発明のターボ圧縮機は、上述のいずれかのターボ圧縮機において、前記転がり軸受の内輪には、前記給油機構から給油される潤滑油を前記内輪に沿わせて前記軸受内部に給油するノズル孔を有するスクープが設けられることを特徴とする。

本発明によれば、転がり軸受の内輪に、潤滑油を内輪に沿わせて軸受内部に給油するノズル孔を有するスクープが設けられるので、給油機構から給油される潤滑油をスクープのノズル孔を介して確実に内輪に沿わせて軸受内部へと導くことができる。従って、給油量が増減されても潤滑油を内輪に沿わせて軸受内部に安定的に給油することができる。

さらに、本発明のターボ圧縮機は、上述のいずれかのターボ圧縮機において、前記給油機構は、前記転がり軸受への給油量を前記回転軸の回転数に比例するように調節することを特徴とする。

本発明によれば、給油機構が、転がり軸受への給油量を回転軸の回転数に比例するように調節する。つまり、転がり軸受の内部に内輪に沿って遠心力により給油される潤滑油の油量は、軸受が支持する回転軸の回転数に比例するので、この油量に見合う量の潤滑油を転がり軸受に給油するには、給油機構からの給油量を回転軸の回転数に比例するように調節すればよい。これにより、転がり軸受に対して、過不足のない適正量の潤滑油を給油することができる。従って、余剰の潤滑油がオーバーフローすることにより発生する撹拌損失を確実に低減することができる。

さらに、本発明のターボ圧縮機は、上記のターボ圧縮機において、前記給油機構は、前記回転軸の回転数に比例する給油量に対応して予め設定される給油圧力に基づいて給油圧力を制御し、前記転がり軸受への給油量を調節することを特徴とする。

本発明によれば、給油機構が、回転軸の回転数に比例する給油量に対応して予め設定される給油圧力に基づいて給油圧力を制御し、転がり軸受への給油量を調節する。これにより、回転軸の回転数変動に対応して給油量を調節し、転がり軸受に対して、過不足のない適正量の潤滑油を給油することができる。従って、余剰の潤滑油を撹拌することにより発生する撹拌損失を低減しながら、転がり軸受を確実に潤滑することができる。

さらに、本発明のターボ圧縮機は、上記のターボ圧縮機において、前記給油機構は、潤滑油を給油する給油ポンプの回転数および／または前記給油ポンプの吐出側と吸込み側との間に設けられるリリーフラインの制御弁開度により前記給油圧力を制御し、前記転がり軸受への給油量を調節することを特徴とする。

本発明によれば、給油機構が、潤滑油を給油する給油ポンプの回転数および／または給油ポンプの吐出側と吸込み側との間に設けられるリリーフラインの制御弁開度により給油圧力を制御し、転がり軸受への給油量を調節する。これにより、回転軸の回転数変動に対応して給油圧力を制御し、転がり軸受に対して、過不足のない適正量の潤滑油を給油することができる。従って、余剰の潤滑油を撹拌することにより発生する撹拌損失を低減しながら、転がり軸受を確実に潤滑することができる。

さらに、本発明のターボ圧縮機は、上述のいずれかのターボ圧縮機において、前記給油機構には、前記転がり軸受への給油ラインに、前記転がり軸受に給油される潤滑油の温度を制御するオイルクーラが設けられることを特徴とする。

本発明によれば、給油機構の給油ラインに、転がり軸受に給油される潤滑油の温度を制御するオイルクーラが設けられるので、転がり軸受に給油される潤滑油の温度をオイルクーラにより制御して、転がり軸受の温度を調節することができる。これにより、転がり軸受に給油される潤滑油の給油量を潤滑に必要な最小限量に抑えながら、転がり軸受の発熱を抑制し、機械損失の発生を最小限に止めることができる。

さらに、本発明のターボ圧縮機は、上記のターボ圧縮機において、前記オイルクーラは、前記転がり軸受の外輪温度を検出し、その温度が一定となるように前記転がり軸受に給油される潤滑油の温度を制御することを特徴とする。

本発明によれば、オイルクーラが、転がり軸受の外輪温度を検出し、その温度が一定となるように転がり軸受に給油される潤滑油の温度を制御する。これにより、転がり軸受の温度を一定に調節することができる。従って、転がり軸受に給油される潤滑油の給油量を潤滑に必要な最小限量に抑えながら、転がり軸受の発熱を抑制し、機械損失の発生を最小限に止めることができる。

さらに、本発明のターボ圧縮機は、上述のいずれかのターボ圧縮機において、前記オイルクーラは、前記ターボ圧縮機を備えたターボ冷凍機の冷凍サイクルから抽出される冷媒を冷熱源とすることを特徴とする。

本発明によれば、オイルクーラにおける冷熱源に、ターボ冷凍機の冷凍サイクルから抽出される冷媒が用いられるため、潤滑油を冷媒との熱交換によって効率よく冷却することができる。従って、転がり軸受に給油される潤滑油の温度を高精度に制御し、転がり軸受の発熱を着実に抑制して機械損失の発生を最小限に止めることができる。

さらに、本発明のターボ圧縮機は、上記のターボ圧縮機において、前記オイルクーラは、前記転がり軸受の外輪温度を検出し、前記冷媒の流量を調整する流量調整弁を有することを特徴とする。

本発明によれば、オイルクーラが、転がり軸受の外輪温度を検出し、冷媒の流量を調整する流量調整弁を有するので、オイルクーラへの冷媒の流量を外輪温度に応じて調整することにより、転がり軸受の外輪温度が一定となるように潤滑油の給油温度を制御することができる。従って、転がり軸受の発熱を着実に抑制して機械損失の発生を最小限に止めることができる。

さらに、本発明にかかるターボ冷凍機は、冷凍サイクルを構成するターボ圧縮機として、上述のいずれかのターボ圧縮機を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ターボ圧縮機として上記により高速化、小型化された高性能のターボ圧縮機を用いて冷凍サイクルを構成することができる。従って、小型高性能でかつ低コストのターボ冷凍機を提供することができる。

本発明のターボ圧縮機によると、羽根車が設けられる回転軸を支持する転がり軸受において過剰に供給された潤滑油が撹拌されることにより発生する機械損失を抑制することができるため、ターボ圧縮機の更なる高速化、小型化を図り、コスト低減と小型高性能化を実現することができる。また、潤滑油が転がり軸受の内輪側より給油されるため、軸受内部で最も温度が高くなる玉やコロの温度に対して内輪を冷却しその温度を低く保つことが可能となる。これによって、軸受内部の隙間が理想的に保たれ、転がり部材が熱膨張により締め付けられることにより発生する機械損失をも低減することができる。
また、本発明のターボ冷凍機によると、高速化、小型化された高性能のターボ圧縮機を用いて冷凍サイクルを構成することができるため、小型高性能でかつ低コストのターボ冷凍機を提供することができる。

以下に、本発明の一実施形態について、図１ないし図５を参照して説明する。
図１には、本発明の一実施形態にかかるターボ圧縮機１の縦断面図が示されている。ターボ圧縮機１は、圧縮機側ハウジング２Ａとモータ側ハウジング２Ｂとを一体に結合して構成されるハウジング２を備えている。モータ側ハウジング２Ｂには、図示省略のインバータ装置を介して可変速駆動される電動モータ３が組み込まれる。この電動モータ３のモータ軸３Ａの一端は、モータ側ハウジング２Ｂから圧縮機側ハウジング２Ａに突出されている。

圧縮機側ハウジング２Ａ内には、可変ガイドベーン４を備えた冷媒ガスの吸い込み口５が形成され、この吸い込み口５に続く下流側流路には、第１段圧縮ステージ６および第２段圧縮ステージ７が順次設けられる。第１段圧縮ステージ６には、ディフューザ部８、リターンベント９およびガイドベーン１０が設けられ、第２段圧縮ステージ７には、ディフューザ部１１およびスクロール室１２が設けられる。このスクロール室１２から図示省略の吐出口を経て圧縮された冷媒ガスが外部に吐き出されるように構成される。

また、圧縮機側ハウジング２Ａ内には、回転軸１３が回転自在に設置され、この回転軸１３の一端側には、第１段圧縮ステージ６用の第１段羽根車１４と、第２段圧縮ステージ７用の第２段羽根車１５とが設けられる。回転軸１３は、ほぼ中央部が軸受箱１６を介して圧縮機側ハウジング２Ａに設置される複数のアンギュラ玉軸受からなる転がり軸受１７により支持され、他端部が軸受箱１８を介してモータ側ハウジング２Ｂに設置される複数のアンギュラ玉軸受からなる転がり軸受１９により支持される。

上記転がり軸受１７，１９によって支持される回転軸１３の中間部位には、小径の歯車２０が設けられる。この歯車２０は、モータ軸３Ａの一端に設けられる大径の歯車２１と噛み合わされ、これらの歯車２０，２１によって、増速機構２２が構成される。
さらに、回転軸１３の軸中心には、その軸線に沿って一端から他端に貫通される貫通孔２３（図２参照）が設けられ、この貫通孔２３内に冷媒を流すことにより、回転軸１３を冷却する回転軸冷却機構２４が構成される。

回転軸冷却機構２４は、ターボ圧縮機１を含むターボ冷凍機の冷凍サイクルの適所（冷凍サイクルを構成する凝縮器内の液溜めから蒸発器内の液溜めに至る迄の間の冷媒配管系または構成機器）から高圧液冷媒または低圧液冷媒の一部を抽出し、ハウジング２内を経て回転軸１３のモータ側端部に導く冷媒導入系路２５と、この冷媒導入系路２５に設けられる流量調整弁２６と、回転軸１３の貫通孔２３に接続され、冷媒導入系路２５を経て導かれる冷媒をオリフィス２７により減圧して貫通孔２３内に流出するノズル２８と、回転軸１３と共に回転するノズル２８と静止側の冷媒導入系路２５との間の回転部分を、ノズル２８の外周面をシール面とし、非接触でシールするラビリンスシールを構成するシール部材２９と、貫通孔２３内を流通した冷媒を回転軸１３の羽根車側端部から吸い込み口５内に周方向に均一に流出させる流出孔３０とから構成される。上記流量調整弁２６は、回転軸１３を冷却した冷媒が圧縮機１への吸い込み冷媒と合流する冷媒吸い込み口５の流出孔３０付近における冷媒温度が圧力飽和温度以上となるように冷媒流量を制御する。

回転軸１３を支持する転がり軸受１７，１９には、図３（Ａ）に示されるように、内輪３５側に円周方向に沿って等間隔で複数のノズル孔３２を有するスクープ３１が設けられる。このスクープ３１には、給油孔３３Ａおよびノズル孔３３Ｂを有する固定側間座３３および軸受箱１６，１８を介してハウジング２に設けられている給油孔３４（図１参照）から潤滑油が給油されるように構成される。スクープ３１に給油された潤滑油は、スクープ３１のノズル孔３２から転がり軸受１７，１９の内輪３５の傾斜に沿って遠心力により軸受内部へと給油され、内輪３５および外輪３６と玉３７との間に油膜を形成して、転がり軸受１７，１９を潤滑する。このようにして、アンダーレース潤滑方式の転がり軸受１７，１９が構成される。転がり軸受１７，１９を潤滑した潤滑油は、ハウジング２内に排出され、ハウジング２に設けられている排油孔３８を経て油タンク３９（図４参照）に戻される。

図４には、転がり軸受１７，１９に対する給油機構４０の構成が示されている。給油機構４０は、油タンク３９内の潤滑油を給油孔３４に供給する給油ライン４１と、給油ライン４１に潤滑油を送り出す給油ポンプ４２と、給油ポンプ４２を可変速駆動するインバータ駆動のモータ４３と、給油ポンプ４２から給油ライン４１に送り出された潤滑油を油タンク３９に戻すリリーフライン４４と、リリーフライン４４に設けられる制御弁４５と、給油ライン４１を経て給油される潤滑油を冷却するオイルクーラ４６と、オイルクーラ４６に冷熱源となる冷媒をターボ冷凍機の冷凍サイクルの適所（冷凍サイクルを構成する凝縮器内の液溜めから蒸発器内の液溜めに至る迄の間の冷媒配管系または構成機器）から分岐して導入する冷媒系路４７と、冷媒系路４７に設けられる流量調整弁４８と、潤滑油の給油圧力を検出する圧力センサ４９と、潤滑油の給油温度を検出する温度センサ５０と、転がり軸受１７，１９の外輪３６の温度を検出する温度センサ５１と、これら圧力センサ４９および温度センサ５０，５１の検出値に基づいて給油ポンプ４２（モータ４３）の回転数ならびに制御弁４５および流量調整弁４８の開度を制御する制御部５２とから構成される。

制御部５２は、回転軸１３の回転数と給油圧力とを検出し、予め設定される回転軸１３の回転数に対応する給油量と給油圧力との関係に基づいて、給油ポンプ４２の回転数または制御弁４５の開度、あるいはその両方により給油圧力を制御し、転がり軸受１７，１９に対する給油量を回転軸１３の回転数に比例するように調節する。これは、転がり軸受１７，１９において、過剰に給油された潤滑油がオーバーフローしないようにするためである。つまり、アンダーレース潤滑方式の転がり軸受１７，１９において、軸受の内部に給油される潤滑油の油量は、軸受の内輪３５の傾斜に沿って遠心力により給油されるため、軸受が支持する回転軸１３の回転数に比例する。従って、この油量に見合う量の潤滑油を転がり軸受１７，１９に対して給油してやれば、過不足のない適正量の潤滑油が給油されることになり、転がり軸受１７，１９において潤滑油がオーバーフローするのを防止することができる。

また、制御部５２は、転がり軸受１７，１９の外輪３６の温度を検出し、外輪温度が一定となるようにオイルクーラ４６により給油温度を調節する。給油温度は、流量調整弁４８により冷媒系路４７を経てオイルクーラ４６に導入される冷媒の流量を制御することによって、調節することができる。このように、給油温度を調節して転がり軸受１７，１９の外輪温度を一定に制御することにより、軸受の冷却用に潤滑油を過剰に供給する必要がなくなり、給油量を潤滑に用いられる必要最小限量に抑制することが可能となる。

次いで、上記構成を有するターボ圧縮機１の動作について説明する。
電動モータ３が駆動され、モータ軸３Ａが回転されると、その一端に設けられている歯車２１および歯車２１に噛み合う歯車２０により構成される増速機構２２により回転が増速され、回転軸１３が高速で回転される。回転軸１３が回転されると、第１段羽根車１４および第２段羽根車１５が回転され、圧縮動作が開始される。第１段羽根車１４および第２段羽根車１５の回転により吸い込み口５から可変ガイドベーン４を経てターボ圧縮機１に吸い込まれた冷媒ガスは、第１段圧縮ステージ６および第２段圧縮ステージ７を経て２段圧縮される。２段圧縮された高圧の冷媒ガスは、スクロール室１２より図示省略の吐出口を経て圧縮機外部へと吐き出される。この高圧冷媒ガスが、ターボ圧縮機１および図示省略の凝縮器、減圧装置、蒸発器等から構成されるターボ冷凍機の冷凍サイクル内を循環することにより、所要の冷凍効果が奏される。

この間、冷凍サイクル内を循環する高圧液冷媒または低圧液冷媒の一部が、冷媒導入系路２５により抽出され、回転軸冷却機構２４へと導入される。この冷媒は、流量調整弁２６の開度に応じて減圧されながら、シール部材２９を経て回転軸１３に接続されているノズル２８へと供給され、さらにノズル２８に設けられているオリフィス２７により低圧状態に減圧された後、回転軸１３の貫通孔２３内に流出される。貫通孔２３内に導かれた冷媒は、貫通孔２３内を流通する間に高速回転する回転軸１３側から吸熱して蒸発され、回転軸１３を冷却する。これにより、回転軸１３を支持する転がり軸受１７，１９が回転軸１３を介して冷却され、その発熱が抑制される。回転軸１３内で蒸発された冷媒は、回転軸１３の羽根車側端部の流出孔３０から周方向に均一に流出され、吸い込み口５から吸い込まれる冷媒ガスと合流して再び圧縮される。この際、流量調整弁２６は、回転軸１３を冷却した冷媒が圧縮機１への吸い込み冷媒と合流する冷媒吸い込み口５の流出孔３０付近における冷媒温度が圧力飽和温度以上となるように冷媒流量を制御し、流出孔３０からの液冷媒戻りにより発生する液圧縮を防止している。

一方、回転軸１３を支持する転がり軸受１７，１９には、給油機構４０から所要量の潤滑油が給油される。この潤滑油は、給油機構４０の給油ライン４１から給油孔３４、軸受箱１６，１８、および固定側間座３３を経てスクープ３１に給油され、スクープ３１の複数のノズル孔３２より内輪３５の傾斜に沿わせて遠心力により軸受内部に給油される。
ここで、アンダーレース潤滑方式の転がり軸受１７，１９において、軸受内部に給油される潤滑油の油量Ｇは、遠心力により給油されることから、軸受が支持する回転軸１３の回転数に左右される。つまり、ノズル孔３２（Φｄ（ｍ））からの遠心力Ｆ（Ｎ）による給油量Ｇ（ｋｇ／ｓ）は、図３（Ｂ）に示されるように、ノズル孔３２の配置ピッチ円をｒ（ｍ）、回転をω（ｒａｄ／ｓ）とすると、以下のとおりとなる。

Ｆ（Ｎ）＝ｍｒω^２＝（π／４）ｄ^２・ｈ・ρ・ｒω^２ （１）
上記（１）式を圧力とすると、
Ｐ（Ｎ／ｍ^２）＝Ｆ／Ａ＝Ｆ／（π／４）ｄ^２＝ｈ・ρ・ｒ・ω^２ （２）
また、差圧による給油量Ｇ（ｋｇ／ｓ）は、
Ｐ（Ｎ／ｍ^２）＝ρｖ^２／２ｇ （３）
Ｇ（ｋｇ／ｓ）＝（π／４）ｄ^２・ｖ・ρ （４）

上記（３）式より
Ｇ（ｋｇ／ｓ）＝（π／４）ｄ^２・ρ・√（２ｇＰ／ρ）
＝πｄ^２／４√（２ｇρＰ）
上記（２）式より
Ｇ（ｋｇ／ｓ）＝πｄ^２／４√（２ｇρ・ｈ・ρ・ｒω^２）
＝πｄ^２・ρω√（ｇｈｒ／８）
これに、ω＝２πｎを代入すると、
Ｇ（ｋｇ／ｓ）＝π^２ｄ^２ρｎ√（ｇｈｒ／２）
となり、給油量Ｇ（ｋｇ／ｓ）は、転がり軸受が支持する軸の回転数ｎ（ｒｐｓ）に比例（Ｇ∝ｎ）することとなる。
ただし、上記において、ρは密度（Ｋｇ／ｍ^３）、ｎは回転数（ｒｐｓ）、ｇは重力加速度（ｍ／ｓ^２）である。

以上のとおり、アンダーレース潤滑方式の転がり軸受１７，１９の遠心力による給油量Ｇ（ｋｇ／ｓ）は、転がり軸受１７，１９が支持する回転軸１３の回転数ｎ（ｒｐｓ）に比例（Ｇ∝ｎ）するので、固定側間座３３からスクープ３１への給油量ｇ（ｋｇ／ｓ）も回転数ｎに比例させればよく、給油機構４０から回転軸１３の回転数ｎに比例する量の潤滑油を各々の転がり軸受１７，１９に給油してやればよい。

上記から、転がり軸受１７，１９のスクープ３１に対して、給油機構４０から給油孔３４および固定側間座３３の給油孔３３Ａ、ノズル孔３３Ｂを経て上記給油量Ｇに見合う量の潤滑油を給油してやれば、転がり軸受１７，１９に適正量の潤滑油が給油され、転がり軸受１７，１９において給油された潤滑油が軸受からオーバーフローすることがなく、過剰に供給された潤滑油が撹拌されることによって発生する機械損失を抑制できることが解かる。これに基づいて、制御部５２は、回転軸１３の回転数ｎと圧力センサ４９により給油圧力を検出し、給油機構４０からの給油量を回転軸１３の回転数ｎに比例するように調節する。

すなわち、制御部５２は、回転軸１３の回転数に比例する給油量に対応して予め設定される給油圧力に基づいて、給油ポンプ４２の回転数またはリリーフライン４４に設けられている制御弁４５の開度、あるいはその両方により給油圧力を制御し、給油機構４０から転がり軸受１７，１９への給油量を調節する。これにより、回転軸１３の回転数変動に対応して、過不足のない適正量の潤滑油を転がり軸受１７，１９に給油することができる。

また、制御部５２は、給油機構４０から転がり軸受１７，１９に給油される潤滑油の給油温度を調節して、転がり軸受１７，１９における外輪３６の温度を一定に制御する。つまり、制御部５２は、温度センサ５１により転がり軸受１７，１９の外輪温度を検出するとともに、温度センサ５０により給油温度を検出し、冷媒系路４７を経てオイルクーラ４６に導入される冷媒流量を流量調整弁４８により調整してオイルクーラ４６の冷却能力を制御することによって、潤滑油の給油温度を調節し、外輪３６の温度を一定に制御する。これにより、転がり軸受１７，１９に対して、冷却用に過剰の潤滑油を給油する必要がなくなり、転がり軸受１７，１９への給油量を潤滑に必要な最小限量に抑制することができるようになる。なお、転がり軸受１７，１９の発熱は、回転軸１３が回転軸冷却機構２４により冷却されることによっても抑制される。

しかして、本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
羽根車１４，１５が設けられる回転軸１３は、回転軸冷却機構２４を介して冷媒により強制冷却されるため、回転軸１３を支持する転がり軸受１７，１９に対して、冷却用に過剰量の潤滑油を供給して発熱を抑制する必要がなくなり、転がり軸受１７，１９への給油量を潤滑に必要な最小限量に抑制することができる。さらに回転軸１３を支持する転がり軸受１７，１９は、内輪３５の傾斜に沿って遠心力により軸受内部に潤滑油が給油されるアンダーレース潤滑方式の転がり軸受１７，１９とされるともに、軸受内部に供給される潤滑油の転がり軸受１７，１９への給油量を調節する給油機構４０が設けられるため、転がり軸受１７，１９に対しては、軸受内部に吸い込まれる油量に見合う適正量の潤滑油が給油機構４０を介して給油される。

従って、転がり軸受１７，１９において、過剰に供給された潤滑油が撹拌されることにより発生する撹拌損失（機械損失）を低減することができ、ターボ圧縮機１の更なる高速化、小型化を図り、コスト低減と小型高性能化を実現することができる。ちなみに、転がり軸受１７，１９の軸受損失（Ｌｏｓｓ）は、図５に示すように、撹拌損失の大小によるが、回転軸１３の回転数Ｎの２乗〜３乗に比例し、回転数Ｎの３乗に近いほど撹拌損失が支配的である。しかるに、本実施形態によれば、上記により撹拌損失を低減し、軸受損失（Ｌｏｓｓ）を回転数Ｎの２乗に限りなく近づけることできるため、ターボ圧縮機１の高速化が可能となり、以って、小型化を図ることができる。

また、潤滑油が転がり軸受１７，１９の内輪３５側より給油されるため、軸受内部で最も温度が高くなる玉やコロの温度に対して内輪を冷却しその温度を低く保つことが可能となる。これによって、軸受内部の隙間が理想的に保たれ、転がり部材である玉３７が内輪３５、外輪３６の熱膨張により締め付けられることにより発生する機械損失をも低減することができる。
また、転がり軸受１７，１９の内輪３５に、潤滑油を内輪３５の傾斜に沿わせて軸受内部に給油するノズル孔３２を有するスクープ３１を設けているため、給油機構４０から給油される潤滑油をスクープ３１のノズル孔３２を介して確実に内輪３５に沿わせて軸受内部へと導くことができる。従って、回転軸１３の回転数変動により給油量が増減されても潤滑油を内輪３５に沿って軸受内部に安定的に給油することができる。

また、アンダーレース潤滑方式の転がり軸受１７，１９に対しては、回転軸１３の回転数変動に応じて、軸受内部に給油される油量に見合う量の潤滑油を、給油機構４０より給油するようにしているため、転がり軸受１７，１９に過不足のない適正量の潤滑油を給油することができる。従って、余剰の潤滑油がオーバーフローすることにより発生する撹拌損失を確実に低減することができる。

さらに、給油機構４０の給油ライン４１に設けられるオイルクーラ４６を設け、転がり軸受１７，１９に給油される潤滑油の温度を調節することによって、転がり軸受１７，１９の外輪温度を一定に保つようにしているため、転がり軸受１７，１９に給油される潤滑油の給油量を必要最小限に抑えながら、転がり軸受１７，１９の発熱を抑制することができる。従って、機械損失の発生を最小限に止めることができる。

なお、本発明は、上記した実施形態にかかる発明に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。例えば、上記実施形態では、２段ターボ圧縮機について説明したが、これに限らず、１段あるいは３段以上の多段ターボ圧縮機にも同様に適用することができる。また、転がり軸受１７，１９については、軸受箱１６，１８の外周に給油孔６０（図１参照）を介して冷却油を循環させ、各軸受の外輪３６を冷却することを妨げるものではなく、これによって各軸受の内外温度差をより小さくすることができる。

本発明の一実施形態に係るターボ圧縮機の縦断面図である。 図１に示すターボ圧縮機における回転軸系のみを取り出した状態の側面図である。 図１に示すターボ圧縮機の回転軸を支持する転がり軸受の縦断面図（Ａ）とそのアンダーレース潤滑給油メカニズムの解析図（Ｂ）である。 図１に示すターボ圧縮機の回転軸を支持する転がり軸受に潤滑油を給油する給油機構の構成図である。 図１に示すターボ圧縮機の回転軸を支持する転がり軸受における軸回転数と軸受損失との関係図である。

符号の説明

１ ターボ圧縮機
２ ハウジング
３ 電動モータ
１３ 回転軸
１４，１５ 羽根車
１７，１９ 転がり軸受
２４ 回転軸冷却機構
３１ スクープ
３２ ノズル孔
３５ 内輪
３６ 外輪
４０ 給油機構
４２ 給油ポンプ
４４ リリーフライン
４５ 制御弁
４６ オイルクーラ
４９ 油圧センサ
５０，５１ 温度センサ
４７ 冷媒系路
４８ 流量調整弁

Claims (11)

1. ハウジングに転がり軸受を介して回転自在に支持され、駆動源により可変速回転される回転軸の少なくとも一端に羽根車が設けられるターボ圧縮機において、
   前記転がり軸受は、内輪に沿って遠心力により軸受内部に潤滑油が給油されるアンダーレース潤滑方式の転がり軸受とされ、
   該転がり軸受には、軸受に給油される潤滑油の給油量を調節する給油機構が設けられることを特徴とするターボ圧縮機。
2. ハウジングに転がり軸受を介して回転自在に支持され、駆動源により可変速回転される回転軸の少なくとも一端に羽根車が設けられるターボ圧縮機において、
   前記回転軸には、該回転軸を冷却する回転軸冷却機構が設けられるとともに、
   前記転がり軸受は、内輪に沿って遠心力により軸受内部に潤滑油が給油されるアンダーレース潤滑方式の転がり軸受とされ、
   該転がり軸受には、軸受に給油される潤滑油の給油量を調節する給油機構が設けられることを特徴とするターボ圧縮機。
3. 前記転がり軸受の内輪には、前記給油機構から給油される潤滑油を前記内輪に沿わせて前記軸受内部に給油するノズル孔を有するスクープが設けられることを特徴とする請求項１または２に記載のターボ圧縮機。
4. 前記給油機構は、前記転がり軸受への給油量を前記回転軸の回転数に比例するように調節することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のターボ圧縮機。
5. 前記給油機構は、前記回転軸の回転数に比例する給油量に対応して予め設定される給油圧力に基づいて給油圧力を制御し、前記転がり軸受への給油量を調節することを特徴とする請求項４に記載のターボ圧縮機。
6. 前記給油機構は、潤滑油を給油する給油ポンプの回転数および／または前記給油ポンプの吐出側と吸込み側との間に設けられるリリーフラインの制御弁開度により前記給油圧力を制御し、前記転がり軸受への給油量を調節することを特徴とする請求項５に記載のターボ圧縮機。
7. 前記給油機構には、前記転がり軸受への給油ラインに、前記転がり軸受に給油される潤滑油の温度を制御するオイルクーラが設けられることを特徴とする請求項１ないし６に記載のターボ圧縮機。
8. 前記オイルクーラは、前記転がり軸受の外輪温度を検出し、その温度が一定となるように前記転がり軸受に給油される潤滑油の温度を制御することを特徴とする請求項７に記載のターボ圧縮機。
9. 前記オイルクーラは、前記ターボ圧縮機を備えたターボ冷凍機の冷凍サイクルから抽出される冷媒を冷熱源とすることを特徴とする請求項７または８に記載のターボ圧縮機。
10. 前記オイルクーラは、前記転がり軸受の外輪温度を検出し、前記冷媒の流量を調整する流量調整弁を有することを特徴とする請求項９に記載のターボ圧縮機。
11. 冷凍サイクルを構成するターボ圧縮機として、請求項１ないし１０のいずれかに記載されたターボ圧縮機を備えたことを特徴とするターボ冷凍機。
    

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