JP2011026958A - ターボ圧縮機及び冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】長期運転停止の際に冷媒がスクロール室内で凝縮してしまっても、これをスクロール室内から自動的に排除して速やかに運転を再開することができるターボ圧縮機及び冷凍機を提供する。
【解決手段】ターボ圧縮機６は、インペラ２２ａ，２３ａと、インペラ２２ａ，２３ａに冷媒を導入する、又はインペラ２２ａ，２３ａの回転によって圧縮された冷媒を外部に導出するスクロール室２２ｃ，２３ｃ，２３ｄを有する圧縮段２２，２３と、ヒーター３０が配されて潤滑油ＬＯが貯留されるオイルタンク１３と、を備え、オイルタンク１３の近傍に、スクロール室２２ｃ，２３ｃ，２３ｄの少なくとも一部が配されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、流体を複数のインペラにて圧縮可能なターボ圧縮機及び該ターボ圧縮機を備える冷凍機に関する。

水等の冷却対象物を冷却あるいは冷凍する冷凍機として、インペラ等を備えた圧縮手段によって冷媒を圧縮して排出するターボ圧縮機を備えるターボ冷凍機等が知られている。圧縮機においては、圧縮比が大きくなると圧縮機の吐出温度が高くなり容積効率が低下してしまう。そこで、上述のようなターボ冷凍機等が備えるターボ圧縮機においては、複数段に分けて冷媒の圧縮を行う場合がある（例えば、特許文献１参照。）。

このようなターボ圧縮機においては、圧縮された冷媒を外部で導出する、又は、冷媒を圧縮するために内部に導入するための螺旋状のスクロール室が配されている。また、インペラ等を回転支持するための軸受等の摺動部位に、オイルタンクから潤滑油が供給される。

特表２００８−５０６８８５号公報

しかしながら、上記従来のターボ圧縮機及び冷凍機では、長期運転停止の際、冷媒がスクロール室内下方に凝縮してしまう。そのため、圧縮機の運転を再開する前に、凝縮した冷媒液をスクロール室の下方に配されたドレンポート等から外部に排出する作業が必要となり、煩雑となってしまう。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、長期運転停止のため冷媒がスクロール室内で凝縮してしまっても、これをスクロール室内から自動的に排除して速やかに運転を再開することができるターボ圧縮機及び冷凍機を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係るターボ圧縮機は、摺動部位を有する筐体と、前記摺動部位に支持された軸部と接続されて軸線回りに回転されるインペラと、該インペラに流体を導入する、又は、前記インペラの回転によって圧縮された流体を外部に導出するスクロール室を有する複数の圧縮段と、加熱源が配されて前記摺動部位に供給する潤滑油が貯留されるオイルタンクと、を備え、該オイルタンクの近傍に、前記スクロール室の少なくとも一部が配されていることを特徴とする。

この発明は、オイルタンクの近傍に、スクロール室の少なくとも一部が配されているので、加熱源によって運転再開前に加熱された潤滑油の熱をオイルタンク壁面からスクロール室壁面に好適に伝熱させることができる。そして、この熱によって、スクロール室内に凝縮された圧縮される流体を加熱させることができる。
したがって、凝縮した冷媒液をスクロール室の下方に配されたドレンポート等から外部に排出する作業が不要となり、特別な作業なしに運転を再開することができる。

また、本発明に係るターボ圧縮機は、前記ターボ圧縮機であって、前記スクロール室の少なくとも一部が、前記オイルタンク内に貯留される潤滑油の油面よりも下方に配されていることを特徴とする。
この発明は、加熱された潤滑油の熱をスクロール室へより好適に伝えることができる。

本発明に係る冷凍機は、圧縮された冷媒を冷却液化する凝縮器と、液化された前記冷媒を蒸発させて冷却対象物から気化熱を奪うことによって前記冷却対象物を冷却する蒸発器と、前記蒸発器にて蒸発された前記冷媒を圧縮して前記凝縮器に供給するターボ圧縮機と、を備える冷凍機において、前記ターボ圧縮機として、上述したターボ圧縮機を用いることを特徴とする。

この発明は、上記ターボ圧縮機と同様の作用・効果を奏することができる。

本発明によれば、長期運転停止の際、冷媒がスクロール室内で凝縮してしまっても、これをスクロール室内から自動的に排除して速やかに運転再開することができる。

本発明の一実施形態に係るターボ冷凍機の概略構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るターボ冷凍機が備えるターボ圧縮機の垂直断面図である。 図２のIII−III断面図である。 図２のIV−IV断面図である。

本発明に係るターボ圧縮機及び冷凍機の一実施形態について、図１から図４を参照して説明する。
本実施形態に係るターボ冷凍機（冷凍機）１は、例えば空調用の冷却水を生成するためにビルや工場に設置されるものであり、図１に示すように、凝縮器２と、エコノマイザ３と、蒸発器５と、ターボ圧縮機６とを備えている。

凝縮器２は、例えば、気体状態で圧縮されたＲ１３４ａ等の冷媒（流体）である圧縮冷媒ガスＸ１が供給され、この圧縮冷媒ガスＸ１を冷却液化することによって冷媒液Ｘ２とするものである。この凝縮器２は、図１に示すように、圧縮冷媒ガスＸ１が流れる流路Ｒ１を介してターボ圧縮機６と接続されており、冷媒液Ｘ２が流れる流路Ｒ２を介してエコノマイザ３と接続されている。なお、流路Ｒ２には、冷媒液Ｘ２を減圧するための膨張弁７が設置されている。

エコノマイザ３は、膨張弁７にて減圧された冷媒液Ｘ２を一時的に貯留するものである。このエコノマイザ３は、冷媒液Ｘ２が流れる流路Ｒ３を介して蒸発器５と接続されており、エコノマイザ３にて生じた冷媒の気相成分Ｘ３が流れる流路Ｒ４を介してターボ圧縮機６と接続されている。なお、流路Ｒ３は、冷媒液Ｘ２をさらに減圧するための膨張弁８が設置されている。また、流路Ｒ４は、ターボ圧縮機６が備える後述する第二圧縮段２３に気相成分Ｘ３を供給するようにターボ圧縮機６と接続されている。

蒸発器５は、冷媒液Ｘ２を蒸発させて水等の冷却対象物から気化熱を奪うことによって冷却対象物を冷却するものである。この蒸発器５は、冷媒液Ｘ２が蒸発されることによって生じる冷媒ガスＸ４が流れる流路Ｒ５を介してターボ圧縮機６と接続されている。なお、流路Ｒ５は、ターボ圧縮機６が備える後述する第一圧縮段２２と接続されている。

ターボ圧縮機６は、冷媒ガスＸ４を圧縮して上記圧縮冷媒ガスＸ１とするものである。
このターボ圧縮機６は、上述のように圧縮冷媒ガスＸ１が流れる流路Ｒ１を介して凝縮器２と接続されており、冷媒ガスＸ４が流れる流路Ｒ５を介して蒸発器５と接続されている。

図２から図４に示すように、このターボ圧縮機６は、複数の摺動部位１０を有する筐体１１と、複数の圧縮段１２と、潤滑油ＬＯが貯留されるオイルタンク１３と、を備えている。

筐体１１は、モータハウジング１５と、圧縮機ハウジング１６と、ギアハウジング１７と、に区画されており、それぞれが分離可能に接続されている。モータハウジング１５には、軸線Ｏ回りに回転する出力軸１８と、出力軸１８が接続されて圧縮段１２を駆動させるモータ２０と、が配されている。出力軸１８は、モータハウジング１５に固定された第一軸受２１によって回転可能に支持されている。ここで、摺動部位１０は、第一軸受２１だけでなく、後述する第二軸受２６、第三軸受２７、ギアユニット２８等を含む。

圧縮段１２は、冷媒ガスＸ４（図１参照）を吸入して圧縮する第一圧縮段２２と、第一圧縮段２２にて圧縮された冷媒ガスＸ４をさらに圧縮して圧縮冷媒ガスＸ１（図１参照）として排出する第二圧縮段２３とを備えている。第一圧縮段２２は、圧縮機ハウジング１６に配され、第二圧縮段２３は、ギアハウジング１７に配されている。

第一圧縮段２２は、回転軸（軸部）２５に固定され、モータ２０によって軸線Ｏ回りに回転駆動されて、スラスト方向から供給される冷媒ガスＸ４に速度エネルギを付与してラジアル方向に排出する複数の第一インペラ（インペラ）２２ａと、第一インペラ２２ａによって冷媒ガスＸ４に付与された速度エネルギを圧力エネルギに変換することによって圧縮する第一ディフューザ２２ｂと、第一ディフューザ２２ｂによって圧縮された冷媒ガスＸ４を第一圧縮段２２の外部に導出する第一スクロール室（スクロール室）２２ｃと、冷媒ガスＸ４を吸入して第一インペラ２２ａに供給する吸入口２２ｄと、を備えている。ここで、第一ディフューザ２２ｂ、第一スクロール室２２ｃ及び吸入口２２ｄの一部は、第一インペラ２２ａを囲う第一ハウジング２２ｅによって形成されている。

第一圧縮段２２の吸入口２２ｄには、第一圧縮段２２の吸入容量を調節するためのインレットガイドベーン２２ｇが複数設置されている。各インレットガイドベーン２２ｇは、駆動機構２２ｉによって冷媒ガスＸ４の流れ方向からの見かけ上の面積が変更可能なように回転可能とされている。

第一圧縮段２２における第一インペラ２２ａ及びこれの上流側にあたる吸入口２２ｄの外周部の第一ハウジング２２ｅには、軸線Ｏを中心とした円環状をなす中継空間２２ｈが区画形成されている。該中継空間２２ｈには、上記のインレットガイドベーン２２ｇを駆動する駆動機構２２ｉが内部に収納されている。

この中継空間２２ｈは、吸入口２２ｄにおけるインレットガイドベーン２２ｇの背面側と僅かな間隙２２ｊを介して連通状態とされており、これにより中継空間２２ｈと吸入口２２ｄの圧力が常に等しくなるように構成されている。

第二圧縮段２３は、第一圧縮段２２にて圧縮されると共にスラスト方向から供給される冷媒ガスＸ４に速度エネルギを付与してラジアル方向に排出する第二インペラ（インペラ）２３ａと、第二インペラ２３ａによって冷媒ガスＸ４に付与された速度エネルギを圧力エネルギに変換することによって圧縮して圧縮冷媒ガスＸ１として排出する第二ディフューザ２３ｂと、第二ディフューザ２３ｂから排出された圧縮冷媒ガスＸ１を第二圧縮段２３の外部に導出する第二スクロール室（スクロール室）２３ｃと、第一圧縮段２２にて圧縮された冷媒ガスＸ４を第二インペラ２３ａに導く導入スクロール室（スクロール室）２３ｄと、を備えている。ここで、第二ディフューザ２３ｂ、第二スクロール室２３ｃ及び導入スクロール室２３ｄの一部は、第二インペラ２３ａを囲う第二ハウジング２３ｅによって形成されている。

第二インペラ２３ａは、上記回転軸２５に第一インペラ２２ａと背面合わせとなるように固定され、回転軸２５がモータ２０の出力軸１８から回転動力を伝達されて軸線Ｏ回りに回転されることによって回転駆動される。第二ディフューザ２３ｂは、第二インペラ２３ａの周囲に環状に配置されている。

第二スクロール室２３ｃは、圧縮冷媒ガスＸ１を凝縮器２に供給するための流路Ｒ１と接続されており、第二圧縮段２３から導出した圧縮冷媒ガスＸ１を流路Ｒ１に供給する。

なお、第一圧縮段２２の第一スクロール室２２ｃと、第二圧縮段２３の導入スクロール室２３ｄとは、第一圧縮段２２及び第二圧縮段２３とは別体で設けられる外部配管（不図示）を介して接続されており、該外部配管を介して第一圧縮段２２にて圧縮された冷媒ガスＸ４が第二圧縮段２３に供給される。この外部配管には、上述の流路Ｒ４（図１参照）が接続されており、エコノマイザ３にて発生した冷媒の気相成分Ｘ３が外部配管を介して第二圧縮段２３に供給される構成となっている。

回転軸２５は、ギアハウジング１７に固定された第二軸受２６と、圧縮機ハウジング１６に固定された第三軸受２７と、によって、筐体１１に対して回転可能に支持されている。

ギアハウジング１７には、出力軸１８の駆動力を回転軸２５に伝達するためのギアユニット２８が収容される収容空間Ｓ１が形成されている。
オイルタンク１３は、収容空間Ｓ１の下方から、圧縮機ハウジング１６内の下方まで延びるように形成されて配されている。ここで、第一スクロール室２２ｃ、第二スクロール室２３ｃ、及び導入スクロール室２３ｄの下方側は、オイルタンク１３内に貯留される潤滑油ＬＯの油面Ｌよりも下方となるように配されている。
また、オイルタンク１３には、潤滑油ＬＯを所定温度に加熱させるためのヒーター（加熱源）３０が配されている。

ギアユニット２８は、モータ２０の出力軸１８に固定される大径歯車３１と、回転軸２５に固定されると共に大径歯車３１と噛み合う小径歯車３２とを備えている。そして、出力軸１８の回転数に対して回転軸２５の回転数が増加するようにモータ２０の出力軸１８の回転動力を回転軸２５に伝達する。

次に、本実施形態に係るターボ冷凍機１及びターボ圧縮機６の作用について説明する。
まず、ターボ冷凍機１及びターボ圧縮機６の運転開始にともない、図示しないオイルポンプによって、潤滑油ＬＯがオイルタンク１３から摺動部位１０に供給される。その後、モータ２０が駆動され、モータ２０の出力軸１８の回転動力がギアユニット２８を介して回転軸２５に伝達され、これによって第一圧縮段２２及び第二圧縮段２３が回転駆動される。

第一圧縮段２２が回転駆動されると、第一圧縮段２２の吸入口２２ｄが負圧状態となり、流路Ｒ５からの冷媒ガスＸ４が吸入口２２ｄを介して第一圧縮段２２に流入する。この際、インレットガイドベーン２２ｇによって吸入容量が適宜調節される。
第一圧縮段２２の内部に流入した冷媒ガスＸ４は、第一インペラ２２ａにスラスト方向から流入し、第一インペラ２２ａによって速度エネルギを付与されてラジアル方向に排出される。

第一インペラ２２ａから排出された冷媒ガスＸ４は、第一ディフューザ２２ｂによって速度エネルギを圧力エネルギに変換されることで圧縮される。第一ディフューザ２２ｂから排出された冷媒ガスＸ４は、第一スクロール室２２ｃを介して第一圧縮段２２の外部に導出される。
そして、第一圧縮段２２の外部に導出された冷媒ガスＸ４は、外部配管を介して第二圧縮段２３に供給される。

第二圧縮段２３に供給された冷媒ガスＸ４は、導入スクロール室２３ｄを介してスラスト方向から第二インペラ２３ａに流入し、第二インペラ２３ａによって速度エネルギを付与されたラジアル方向に排出される。
第二インペラ２３ａから排出された冷媒ガスＸ４は、第二ディフューザ２３ｂによって速度エネルギを圧力エネルギに変換されることでさらに圧縮されて圧縮冷媒ガスＸ１とされる。

第二ディフューザ２３ｂから排出された圧縮冷媒ガスＸ１は、第二スクロール室２３ｃを介して第二圧縮段２３の外部に導出される。
そして、第二圧縮段２３の外部に導出された圧縮冷媒ガスＸ１は、流路Ｒ１を介して凝縮器２に供給される。

ところで、冷媒液Ｘ２としてＲ１３４ａ等を用いた場合、凝縮温度が３０℃〜４０℃なので、ターボ冷凍機１を長時間停止させた際には、第一スクロール室２２ｃ、第二スクロール室２３ｃ、導入スクロール室２３ｄ内に気体として残存する冷媒が、これらの下方に凝縮される。

運転開始時には、ヒーター３０によって冷媒の凝縮温度以上にオイルタンク１３内に貯留された潤滑油ＬＯを加熱する。これにより、オイルタンク１３の壁面から第一スクロール室２２ｃ、第二スクロール室２３ｃ、導入スクロール室２３ｄの各壁面に加熱された潤滑油ＬＯの熱が伝わり、室内に凝縮されていた冷媒が加熱される。これにともない、冷媒が蒸発して再び気体となる。

このターボ冷凍機１及びターボ圧縮機６によれば、第一スクロール室２２ｃ、第二スクロール室２３ｃ、導入スクロール室２３ｄの下方側がオイルタンク１３の近傍に配されている。そのため、ターボ圧縮機６を起動する際に、ヒーター３０にてオイルタンク１３に貯留された潤滑油ＬＯを加熱することにより、第一スクロール室２２ｃ、第二スクロール室２３ｃ、導入スクロール室２３ｄ内に凝縮された冷媒を加熱して蒸発させて自動的に室内から排除することができる。

この際、第一スクロール室２２ｃ、第二スクロール室２３ｃ、導入スクロール室２３ｄの下方側が、オイルタンク１３内に貯留される潤滑油ＬＯの油面Ｌよりも下方に配されているので、加熱された潤滑油ＬＯの熱をより好適に伝えることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記第実施形態においては、２つの圧縮段（第一圧縮段２２及び第二圧縮段２３）を備える構成について説明したが、これに限定されるものではなく、３つ以上の圧縮段を備える構成を採用しても良い。

さらに、筐体１１としてモータハウジング１５と圧縮機ハウジング１６とギアハウジング１７とが各々区画形成されたターボ圧縮機について説明しているが、これに限定されるものではなく、例えば、モータが第一圧縮段と第二圧縮段の間に配置されるような構成のものでも良い。

１…ターボ冷凍機（冷凍機）
２…凝縮器
５…蒸発器
６…ターボ圧縮機
１０…摺動部位
１１…筐体
１２…圧縮段
１３…オイルタンク
２２ａ…第一インペラ（インペラ）
２２ｃ…第一スクロール室（スクロール室）
２３ａ…第二インペラ（インペラ）
２３ｃ…第二スクロール室（スクロール室）
２３ｄ…導入スクロール室（スクロール室）
２５…回転軸（軸部）
３０…ヒーター（加熱源）
ＬＯ…潤滑油
Ｌ…油面

Claims (3)

1. 摺動部位を有する筐体と、
   前記摺動部位に支持された軸部と接続されて軸線回りに回転されるインペラと、
   該インペラに流体を導入する、又は、前記インペラの回転によって圧縮された流体を外部に導出するスクロール室を有する複数の圧縮段と、
   加熱源が配されて前記摺動部位に供給する潤滑油が貯留されるオイルタンクと、
   を備え、
   該オイルタンクの近傍に、前記スクロール室の少なくとも一部が配されていることを特徴とするターボ圧縮機。
2. 前記スクロール室の少なくとも一部が、前記オイルタンク内に貯留される潤滑油の油面よりも下方に配されていることを特徴とする請求項１に記載のターボ圧縮機。
3. 圧縮された冷媒を冷却液化する凝縮器と、
   液化された前記冷媒を蒸発させて冷却対象物から気化熱を奪うことによって前記冷却対象物を冷却する蒸発器と、
   前記蒸発器にて蒸発された前記冷媒を圧縮して前記凝縮器に供給するターボ圧縮機と、
   を備える冷凍機において、
   前記ターボ圧縮機として、請求項１又は２に記載のターボ圧縮機を用いることを特徴とする冷凍機。

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