JP2011026960A - ターボ圧縮機及び冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成によって均圧管を通じてオイルタンク側に冷媒が逆流するのを好適に抑え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、筐体１０と、摺動部位１１を介して筐体１０に対して回転可能に複数配された圧縮段１２と、摺動部位１１に供給される潤滑油が貯留されるオイルタンク１３と、オイルタンク１３と圧縮段１２の入口近傍とを連通させる均圧管１５と、均圧管１５においてオイルタンク１３側から圧縮段１２側への流体の移動のみを許容する逆止弁１６と、を備えている。
【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。

このようなターボ圧縮機においては、オイルタンクから、軸受等の摺動部位に潤滑油が供給されている。また、圧縮機の始動時にオイルタンク内で発生する冷媒ガスを圧縮機入口側に逃がすために、これらの間を連通させる均圧管が配されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許第３４８９６３１号公報

ターボ圧縮機は、本来、一定回転数で長時間に亘って運転し続けるものであるが、省エネ対策等のため、運転ＯＮ／ＯＦＦが頻繁に行われる場合がある。この際、均圧管のみの場合、圧縮機の停止時には、凝縮器から圧縮機入口へ冷媒が逆流して圧縮機入口の圧力が高まることで、均圧管からオイルタンク側へ冷媒の逆流が発生してしまう。そして、オイルタンクへ逆流した冷媒は、ラビリンスシールから圧縮機流路やモータ内部に漏れ出し、このときにラビリンス近傍の軸受に給油されている潤滑油も同伴されて持ち出され、油漏れを生じてオイルタンクの油量が減少していくという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、簡易な構成によって均圧管を通じてオイルタンク側に冷媒が逆流するのを好適に抑え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、筐体と、摺動部位を介して前記筐体に対して回転可能に複数配された圧縮段と、前記摺動部位に供給される潤滑油が貯留されるオイルタンクと、該オイルタンクと前記圧縮段の入口近傍とを連通させる均圧管と、該均圧管において前記オイルタンク側から前記圧縮段側への流体の移動のみを許容する逆止弁と、を備えていることを特徴とする。

この発明は、上記逆止弁を備えているので、運転停止時に圧縮機入口側の圧力がオイルタンク側よりも高くなったときには、逆止弁が閉じて均圧管を遮断することができる。

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、前記圧縮段の入口に配された吸入容量調節部を備え、前記均圧管の一端が、前記吸入容量調節部の背面に連通するよう前記筐体に設けられた中継空間に開口して配されていることを特徴とする。

この発明は、運転中、最も低圧となる吸入容量調節部の背面に連通された中継空間も低圧となるので、均圧管を通してオイルタンク内も低圧にすることができ、潤滑油をオイルタンクに好適に回収することができる。

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、前記逆止弁が前記筐体に内蔵されていることを特徴とする。
この発明は、逆止弁が筐体外部に突出されないので、筐体全体の気密性を確保するとともに圧縮機全体の省スペース化を図ることができる。

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、簡易な構成によって均圧管を通じてオイルタンク側に冷媒が逆流するのを好適に抑えることができる。

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。 本発明の他の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。

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及び図２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、気体状態で圧縮された冷媒（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２６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２５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。

このターボ圧縮機６は、図２に示すように、筐体１０と、摺動部位１１を介して筐体１０に対して回転可能に複数配された圧縮段１２と、摺動部位１１に供給される潤滑油が貯留されるオイルタンク１３と、オイルタンク１３と圧縮段１２の入口近傍とを連通させる均圧管１５と、均圧管１５においてオイルタンク１３側から圧縮段１２側への流体の移動のみを許容する逆止弁１６と、を備えている。

筐体１０は、モータハウジング１７と、圧縮機ハウジング１８と、ギアハウジング２０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１７には、軸線Ｏ回りに回転する出力軸２１と、出力軸２１が接続されて圧縮段１２を駆動させるモータ２２と、が配されている。出力軸２１は、モータハウジング１７に固定された第一軸受２３によって回転可能に支持されている。ここで、摺動部位１１は、第一軸受２３だけでなく、後述する第二軸受２８、第三軸受３０、ギアユニット３１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２５と、第一圧縮段２５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２６とを備えている。第一圧縮段２５は、圧縮機ハウジング１８に配され、第二圧縮段２６は、ギアハウジング２０に配されている。

第一圧縮段２５は、回転軸２７に固定され、モータ２２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２５ａと、第一インペラ２５ａ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２５ｂと、第一ディフューザ２５ｂによって圧縮された冷媒ガスＸ４を第一圧縮段２５の外部に導出する第一スクロール室２５ｃと、冷媒ガスＸ４を吸入して第一インペラ２５ａに供給する吸入口２５ｄを備えている。ここで、第一ディフューザ２５ｂ、第一スクロール室２５ｃ及び吸入口２５ｄの一部は、第一インペラ２５ａを囲う第一ハウジング２５ｅによって形成されている。

第一圧縮段２５の吸入口２５ｄには、第一圧縮段２５の吸入容量を調節するためのインレットガイドベーン（吸入容量調節部）２５ｇが複数設置されている。各インレットガイドベーン２５ｇは、駆動機構２５ｉ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２５における第一インペラ２５ａ及びこれの上流側にあたる吸入口２５ｄの外周部の第一ハウジング２５ｅには、軸線Ｏを中心とした円環状をなす中継空間２５ｈが区画形成されている。該中継空間２５ｈには、均圧管１５の一端１５ａが接続されるとともに、上記のインレットガイドベーン２５ｇを駆動する駆動機構２５ｉが内部に収納されている。

この中継空間２５ｈは、吸入口２５ｄにおけるインレットガイドベーン２５ｇの背面側と僅かな間隙２５ｊを介して連通状態とされており、これにより中継空間２５ｈと吸入口２５ｄの圧力が常に等しくなるように構成されている。中継空間２５ｈは均圧管１５によって後述する収容空間Ｓ１と接続されている。

第二圧縮段２６は、第一圧縮段２５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２６ａと、第二インペラ２６ａ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２６ｂと、第二ディフューザ２６ｂから排出された圧縮冷媒ガスＸ１を第二圧縮段２６の外部に導出する第二スクロール室２６ｃと、第一圧縮段２５にて圧縮された冷媒ガスＸ４を第二インペラ２６ａに導く導入スクロール室２６ｄと、を備えている。ここで、第二ディフューザ２６ｂ、第二スクロール室２６ｃ及び導入スクロール室２６ｄの一部は、第二インペラ２６ａを囲う第二ハウジング２６ｅによって形成されている。

第二インペラ２６ａは、上記回転軸２７に第一インペラ２５ａと背面合わせとなるように固定され、回転軸２７がモータ２２の出力軸２１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２６ｂは、第二インペラ２６ａの周囲に環状に配置されている。

第二スクロール室２６ｃ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２６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２５の第一スクロール室２５ｃと、第二圧縮段２６の導入スクロール室２６ｄとは、第一圧縮段２５及び第二圧縮段２６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２５にて圧縮された冷媒ガスＸ４が第二圧縮段２６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２６に供給される構成となっている。

回転軸２７は、ギアハウジング２０に固定された第二軸受２８と、圧縮機ハウジング１８に固定された第三軸受３０と、によって、回転可能に支持されている。

ギアハウジング２０には、出力軸２１の駆動力を回転軸２７に伝達するためのギアユニット３１と、油ミストの混入を防止するデミスタ３２と、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の下方に配されている。このオイルタンク１３は、圧縮機ハウジング１８内に形成された空間Ｓ２とも連通されている。逆止弁１６はデミスタ３２に配され、均圧管１５の他端１５ｂと接続されている。なお、逆止弁１６は、必ずしもデミスタ３２に配される必要はなく、均圧管１５と接続されていればよい。

ギアユニット３１は、モータ２２の出力軸２１に固定される大径歯車３３と、回転軸２７に固定されると共に大径歯車３３と噛み合う小径歯車３５とを備えている。そして、出力軸２１の回転数に対して回転軸２７の回転数が増加するようにモータ２２の出力軸２１の回転動力を回転軸２７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、潤滑油がオイルタンク１３から摺動部位１１に供給される。その後、モータ２２が駆動され、モータ２２の出力軸２１の回転動力がギアユニット３１を介して回転軸２７に伝達され、これによって第一圧縮段２５及び第二圧縮段２６が回転駆動される。

第一圧縮段２５が回転駆動されると、第一圧縮段２５の吸入口２５ｄが負圧状態となり、流路Ｒ５からの冷媒ガスＸ４が吸入口２５ｄを介して第一圧縮段２５に流入する。この際、インレットガイドベーン２５ｇによって吸入容量が適宜調節される。
第一圧縮段２５の内部に流入した冷媒ガスＸ４は、第一インペラ２５ａにスラスト方向から流入し、第一インペラ２５ａ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２５ａが回転駆動され吸入口２５ｄが負圧状態になったときには、間隙２５ｊと連通された中継空間２５ｈ内も負圧状態となる。このため、収容空間Ｓ１側が中継空間２５ｈ側よりも高圧となるため、逆止弁１６が開状態となって、第一インペラ２５ａの上流側に位置する吸入口２５ｄが、間隙２５ｊ、中継空間２５ｈ、均圧管１５、逆止弁１６、収容空間Ｓ１を介してオイルタンク１３と連通状態となる。そして、吸入口２５ｄとオイルタンク１３の内部との圧力が略等しくなり、オイルタンク１３の内部も同様に負圧状態となる。このため潤滑油が供給される第一軸受２３、第二軸受２８、第三軸受３０、ギアユニット３１等の摺動部位１１から流れ落ちた潤滑油は負圧状態とされたオイルタンク１３に向かって移動して回収される。

第一インペラ２５ａから排出された冷媒ガスＸ４は、第一ディフューザ２５ｂ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２５ｂから排出された冷媒ガスＸ４は、第一スクロール室２５ｃを介して第一圧縮段２５の外部に導出される。
そして、第一圧縮段２５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２６に供給される。

第二圧縮段２６に供給された冷媒ガスＸ４は、導入スクロール室２６ｄを介してスラスト方向から第二インペラ２６ａに流入し、第二インペラ２６ａ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２６ａから排出された冷媒ガスＸ４は、第二ディフューザ２６ｂ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２６ｂから排出された圧縮冷媒ガスＸ１は、第二スクロール室２６ｃを介して第二圧縮段２６の外部に導出される。
そして、第二圧縮段２６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。

一方、省エネ対策等によりターボ冷凍機１を停止させた際には、凝縮器２からターボ圧縮機６の入口へ冷媒が逆流して吸入口２５ｄの圧力が高まる。このとき、中継空間２５ｈ内の圧力が、収容空間Ｓ１内の圧力よりも高まるため、均圧管１５側へ冷媒の逆流が発生するものの、逆止弁１６が閉となる。こうして、中継空間２５ｈ側の圧力が高くなっても、オイルタンク１３（収容空間Ｓ１）内の圧力は維持され、オイルタンク１３側への冷媒の逆流が阻止される。

このターボ冷凍機１及びターボ圧縮機６によれば、逆止弁１６が配されているので、運転停止時にターボ圧縮機６の入口側の圧力がオイルタンク１３（収容空間Ｓ１）側よりも高くなったときには、逆止弁１６が閉じて均圧管１５を遮断することができる。したがって、簡易な構成でも均圧管１５を通じてオイルタンク１３（収容空間Ｓ１）側に冷媒が逆流するのを好適に抑えることができ、冷媒がオイルタンク１３（収容空間Ｓ１）からモータ２２等に漏れ出すのにともなう潤滑油の漏れを好適に抑えることができる。

特に、均圧管１５の一端１５ａが、インレットガイドベーン２５ｇの背面に連通するよう設けられた中継空間２５ｈに開口して配されているので、運転時には、オイルタンク１３（収容空間Ｓ１）内の圧力を最も低圧の中継空間２５ｈと同圧にすることができ、潤滑油を好適に回収することができる。

また、逆止弁１６が筐体１０に内蔵されているので、逆止弁１６が筐体１０の外部に突出することなく、気密性を確保しつつ、ターボ圧縮機６全体の省スペース化を図ることができる。

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、逆止弁１６が筐体１０に内蔵されているとしているが、これに限定されるものではなく、図３に示すように、均圧管４０が、筐体４１の外部に配されてオイルタンク１３（収容空間Ｓ１）と中継空間２５ｈとを連通し、逆止弁１６が均圧管１５の途中に配されたターボ圧縮機４２及びこれを備えるターボ冷凍機４３でも構わない。

また、上記第実施形態においては２つの圧縮段（第一圧縮段２５及び第二圧縮段２６）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、１つ又は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１０としてモータハウジング１７と圧縮機ハウジング１８とギアハウジング２０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。

１，４３…ターボ冷凍機（冷凍機）
２…凝縮器
５…蒸発器
６，４２…ターボ圧縮機
１０，４１…筐体
１２…圧縮段
１３…オイルタンク
１５，４０…均圧管
１６…逆止弁
２５ｇ…インレットガイドベーン（吸入容量調節部）
２５ｈ…中継空間
Ｓ１…収容空間

Claims (4)

1. 筐体と、
   摺動部位を介して前記筐体に対して回転可能に複数配された圧縮段と、
   前記摺動部位に供給される潤滑油が貯留されるオイルタンクと、
   前記オイルタンクと前記圧縮段の入口近傍とを連通させる均圧管と、
   前記均圧管において前記オイルタンク側から前記圧縮段側への流体の移動のみを許容する逆止弁と、
   を備えていることを特徴とするターボ圧縮機。
2. 前記圧縮段の入口に配された吸入容量調節部を備え、
   前記均圧管の一端が前記吸入容量調節部の背面に連通するよう前記筐体に設けられた中継空間に開口して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. 前記逆止弁が前記筐体に内蔵されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のターボ圧縮機。
4. 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から３のうちいずれか一項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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