JP2015190662A - ターボ冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】回収した潤滑油を圧縮機の油タンクに戻したときに、油タンク内に貯留されている潤滑油の温度低下を防止することができるターボ冷凍機を提供する。【解決手段】ターボ冷凍機は、被冷却流体から熱を奪って冷媒が蒸発し冷凍効果を発揮する蒸発器３と、冷媒を多段の羽根車によって圧縮する多段ターボ圧縮機１と、圧縮された冷媒ガスを冷却流体で冷却して凝縮させる凝縮器２と、凝縮した冷媒液の一部を蒸発させて生成した冷媒ガスを多段ターボ圧縮機１の多段圧縮段の中間部分に供給する中間冷却器であるエコノマイザ４と、冷媒ガスを駆動ガスとして蒸発器３に滞留する油を含んだ冷媒を吸引して多段ターボ圧縮機１の油タンク１６に戻すエジェクタ２５と、油を含んだ冷媒を加熱するヒーター３５を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ターボ冷凍機に係り、特に冷媒ガスを駆動ガスとしたエジェクタで蒸発器に滞留する油を含んだ冷媒を油タンクに回収する方式のターボ冷凍機に関するものである。

従来、冷凍空調装置などに利用されるターボ冷凍機は、冷媒を封入したクローズドシステムで構成され、冷水（被冷却流体）から熱を奪って冷媒が蒸発して冷凍効果を発揮する蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した冷媒ガスを圧縮して高圧の冷媒ガスにする圧縮機と、高圧の冷媒ガスを冷却水（冷却流体）で冷却して凝縮させる凝縮器と、前記凝縮した冷媒を減圧して膨張させる膨張弁（膨張機構）とを、冷媒配管によって連結して構成されている。

圧縮機は、高速回転体を支持する軸受や、高速回転体にトルクを伝える増速機を内蔵している。軸受および増速機での発熱は機械損失に相当するため、これら軸受および増速機を潤滑し、かつ軸受および増速機を冷却するために、圧縮機への潤滑油の供給が必須となる。そこで、圧縮機には油タンクが設けられ、油タンク内の潤滑油がオイルポンプによって軸受および増速機に供給されるようになっている。

潤滑油の特性上、潤滑油の温度が低いと冷媒が潤滑油に溶解し易くなり、オイルポンプが適切な油圧を確保できなくなる可能性がある。このため、オイルヒーターを用いて潤滑油の温度がある一定の温度に維持されるよう制御したり、圧力を下げると気化する冷媒の性質を利用して、油タンク内の圧力が圧縮機の吸込口の圧力に等しくなるように油タンク内部と圧縮機の吸込口とを均圧管で接続することが行われている。

特開２００８−１４５３３号公報

ターボ冷凍機を運転しているとき、高速回転体の軸シール機構や均圧管を経由して一部の潤滑油が冷媒系統に漏洩する。潤滑油が漏洩し続けると、油タンク内の潤滑油が枯渇し、ターボ冷凍機を運転することが不可能となってしまう。そこで、ターボ冷凍機の中で最も圧力の低い蒸発器の冷媒に溶解している潤滑油が冷媒とともに回収され、油タンク内に戻される。

しかしながら、蒸発器から回収される潤滑油を含んだ冷媒の温度は低いため、回収した潤滑油を油タンク内に戻したときに、油タンク内の潤滑油の温度が急激に低下し、潤滑油の泡立ち（フォーミングとも呼ばれる）を引き起こしてしまう。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、回収した潤滑油を圧縮機の油タンクに戻したときに、油タンク内に貯留されている潤滑油の温度低下を防止することができるターボ冷凍機を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、被冷却流体から熱を奪って冷媒が蒸発し冷凍効果を発揮する蒸発器と、冷媒を多段の羽根車によって圧縮する多段ターボ圧縮機と、圧縮された冷媒ガスを冷却流体で冷却して凝縮させる凝縮器と、凝縮した冷媒液の一部を蒸発させて生成した冷媒ガスを前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分に供給する中間冷却器であるエコノマイザとを備えたターボ冷凍機において、冷媒ガスを駆動ガスとして前記蒸発器に滞留する油を含んだ冷媒を吸引して前記多段ターボ圧縮機の油タンクに戻すエジェクタと、前記油を含んだ冷媒を加熱するヒーターとを備えたことを特徴とする。

好ましい態様は、前記油を含んだ冷媒を前記蒸発器から前記エジェクタに移送する油回収配管が設けられており、前記ヒーターは前記油回収配管を通る前記油を含んだ冷媒を加熱することを特徴とする。
好ましい態様は、前記エジェクタは、前記多段ターボ圧縮機によって圧縮された冷媒ガスを前記駆動ガスとして前記エジェクタに導くための駆動ガス供給配管に接続されていることを特徴とする。
好ましい態様は、前記ヒーターは、前記油を含んだ冷媒と、前記駆動ガス供給配管を通る前記冷媒ガスとの間で熱交換を行う熱交換器であることを特徴とする。
好ましい態様は、前記ヒーターは、電気ヒーターであることを特徴とする。

好ましい態様は、前記ヒーターは、前記凝縮器と前記エコノマイザとを接続する冷媒配管に設けられており、前記ヒーターは、前記油を含んだ冷媒と、前記冷媒配管を通る冷媒液との間で熱交換を行う熱交換器であることを特徴とする。
好ましい態様は、前記ヒーターは、前記エコノマイザと前記蒸発器とを接続する冷媒配管に設けられており、前記ヒーターは、前記油を含んだ冷媒と、前記冷媒配管を通る冷媒との間で熱交換を行う熱交換器であることを特徴とする。

好ましい態様は、前記エジェクタは、前記エコノマイザによって生成された冷媒ガスを前記駆動ガスとして前記エジェクタに導くための駆動ガス供給配管に接続されていることを特徴とする。
好ましい態様は、前記ヒーターは、前記油を含んだ冷媒と、前記駆動ガス供給配管を通る前記冷媒ガスとの間で熱交換を行う熱交換器であることを特徴とする。

本発明によれば、次に列挙する効果を得ることができる。
（１）蒸発器から取り出した油を含んだ冷媒液はヒーターにより加熱されるので、油タンクに溜まっている油の温度低下を防止することができる。
（２）回収した冷媒を加熱して気化させることにより、油を濃縮して油タンクに戻すことができる。
（３）油タンクに溜まっている油に冷媒が溶解しないため、フォーミングの発生や油圧の低下を防止することができる。

図１は、本発明に係るターボ冷凍機の第１実施形態を示す模式図である。 図２は、本発明に係るターボ冷凍機の第２実施形態を示す模式図である。 図３は、本発明に係るターボ冷凍機の第３実施形態を示す模式図である。 図４は、本発明に係るターボ冷凍機の第４実施形態を示す模式図である。 図５は、本発明に係るターボ冷凍機の第５実施形態を示す模式図である。

以下、本発明に係るターボ冷凍機の実施形態を図１乃至図５を参照して説明する。図１乃至図５において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本発明に係るターボ冷凍機の第１実施形態を示す模式図である。図１に示すように、ターボ冷凍機は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機１と、圧縮された冷媒ガスを冷却水（冷却流体）で冷却して凝縮させる凝縮器２と、冷水（被冷却流体）から熱を奪って冷媒が蒸発し冷凍効果を発揮する蒸発器３と、凝縮器２と蒸発器３との間に配置される中間冷却器であるエコノマイザ４とを備えている。

ターボ圧縮機１、凝縮器２、エコノマイザ４、および蒸発器３は、冷媒が循環する冷媒配管５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄによって連結されている。より具体的には、ターボ圧縮機１と凝縮器２とは冷媒配管５Ａによって連結され、凝縮器２とエコノマイザ４とは冷媒配管５Ｂによって連結され、エコノマイザ４と蒸発器３とは冷媒配管５Ｃによって連結され、蒸発器３とターボ圧縮機１とは冷媒配管５Ｄによって連結されている。冷媒配管５Ｂおよび冷媒配管５Ｃには、それぞれ膨張弁２０，２１が設けられている。

図１に示す実施形態においては、ターボ圧縮機１は多段ターボ圧縮機から構成されている。つまり、多段ターボ圧縮機は二段ターボ圧縮機からなり、一段目羽根車１１と、二段目羽根車１２と、これらの羽根車１１，１２を回転させる圧縮機モータ１３とから構成されている。一段目羽根車１１の吸込側には、冷媒ガスの羽根車１１，１２への吸込流量を調整するサクションベーン１４が設けられている。

ターボ圧縮機１は軸受や増速機を収容するギヤケーシング１５を備えており、ギヤケーシング１５の下部には軸受と増速機に給油するための油タンク１６が設けられている。ギヤケーシング１５は均圧管１７によってターボ圧縮機１の吸込部に連通されている。ターボ圧縮機１は、冷媒配管８によってエコノマイザ４と接続されており、エコノマイザ４で分離された冷媒ガスはターボ圧縮機１の多段の圧縮段（この例では２段）の中間部分（この例では一段目羽根車１１と二段目羽根車１２の間の部分）に導入されるようになっている。

図１に示すように構成されたターボ冷凍機の冷凍サイクルでは、ターボ圧縮機１と凝縮器２とエコノマイザ４と蒸発器３とを冷媒が循環し、蒸発器３で得られる冷熱源で冷水が製造されて負荷に対応し、冷凍サイクル内に取り込まれた蒸発器３からの熱量およびモータ１３から供給されるターボ圧縮機１の仕事に相当する熱量が凝縮器２に供給される冷却水に放出される。一方、エコノマイザ４にて分離された冷媒ガスはターボ圧縮機１の多段圧縮段の中間部分に導入され、一段目羽根車１１からの冷媒ガスと合流して二段目羽根車１２により圧縮される。２段圧縮単段エコノマイザサイクルによれば、エコノマイザ４による冷凍効果が付加されるので、その分だけ冷凍効果が増加し、エコノマイザ４を設置しない場合に比べて冷凍効果の高効率化を図ることができる。

ターボ圧縮機１で使用される潤滑油は、軸シール機構（図示せず）および均圧管１７を通じて僅かに冷媒系統に漏洩し、冷媒に溶解する。漏洩した潤滑油は、最も圧力の低い蒸発器３内の液相の冷媒中に溜まる。そこで、冷媒に含まれる潤滑油を蒸発器３から回収するために、エジェクタ２５が設けられている。このエジェクタ２５は、冷媒ガスを駆動ガスとして動作し、蒸発器３に滞留する潤滑油を含んだ冷媒を吸引して油タンク１６に戻す冷媒ポンプである。蒸発器３は、油回収配管２７を通じてエジェクタ２５に接続されている。エジェクタ２５が動作すると、潤滑油を含んだ冷媒は油回収配管２７を通じてエジェクタ２５に移送される。

エジェクタ２５は、冷媒ガスを駆動ガスとして用いて動作する。第１の実施形態では、ターボ圧縮機１によって圧縮された冷媒ガスがエジェクタ２５の駆動ガスとして使用される。図１に示すように、ターボ圧縮機１と凝縮器２とを接続する冷媒配管５Ａから、駆動ガス供給配管２８が分岐している。この駆動ガス供給配管２８は、エジェクタ２５に接続されている。より具体的には、駆動ガス供給配管２８の一端は冷媒配管５Ａに接続され、駆動ガス供給配管２８の他端はエジェクタ２５の駆動ガス入口に接続されている。ターボ圧縮機１によって圧縮された冷媒ガスは、駆動ガス供給配管２８を通ってエジェクタ２５に導入される。エジェクタ２５の吐出口は、混合流体回収配管３１を通じてターボ圧縮機１の油タンク１６に接続されている。

油回収配管２７には、潤滑油を含んだ冷媒液を加熱するヒーター３５が設けられている。駆動ガス供給配管２８はヒーター３５を通って延びている。このヒーター３５は、油回収配管２７を通る潤滑油を含んだ冷媒と、駆動ガス供給配管２８を通る冷媒ガスとの間で熱交換を行う熱交換器である。この実施形態では、ヒーター３５を熱交換器と呼ぶ。ターボ圧縮機１によって圧縮された高圧の冷媒ガスは、熱交換器３５を通過し、その後駆動ガスとしてエジェクタ２５に導入される。高圧の冷媒ガスがエジェクタ２５を通過することによってエジェクタ２５内に負圧が形成され、蒸発器３内の潤滑油を含んだ冷媒液はエジェクタ２５に吸引される。潤滑油を含んだ冷媒液は油回収配管２７を通ってまず熱交換器３５に導入され、駆動ガス供給配管２８を通る冷媒ガス（駆動ガス）により加熱される。その結果、冷媒液が気化し、その一方で潤滑油は液相のままである。加熱された潤滑油および気化した冷媒（すなわち冷媒ガス）は、油回収配管２７を通ってエジェクタ２５に導入される。

加熱された潤滑油および冷媒ガスは、エジェクタ２５内で冷媒ガス（駆動ガス）と混合され、混合流体回収配管３１を通じてターボ圧縮機１の油タンク１６に移送される。このように、蒸発器３から回収された潤滑油および冷媒は、熱交換器（ヒーター）３５によって加熱されるので、油タンク１６に貯留されている潤滑油の温度を低下させることがない。しかも、回収した冷媒を加熱して気化させることにより、潤滑油を濃縮して油タンク１６に戻すことが可能となる。さらに、油タンク１６に溜まっている潤滑油の温度が高温に維持されるので、冷媒が潤滑油に溶解しない。したがって、潤滑油の泡立ち（フォーミング）の発生や油圧の低下を防止することができる。

図２は、本発明に係るターボ冷凍機の第２実施形態を示す模式図である。特に説明しない第２実施形態の構成および動作は、上述した第１実施形態と同様であるので、その重複する説明を省略する。第２実施形態では、駆動ガス供給配管２８は、エコノマイザ４とターボ圧縮機１とを接続する冷媒配管８から分岐している。エコノマイザ４は、凝縮器２から送られる冷媒液の一部を蒸発させて冷媒ガスを生成し、この冷媒ガスを冷媒配管８を通じてターボ圧縮機１の一段目羽根車１１と二段目羽根車１２の間の部分に導入する。

本実施形態では、冷媒配管８を通る冷媒ガスが、エジェクタ２５の駆動ガスとして使用される。駆動ガス供給配管２８は、冷媒配管８から熱交換器３５を通ってエジェクタ２５まで延びている。エコノマイザ４で気化された冷媒ガスは、蒸発器３内の潤滑油および冷媒液よりも高温である。したがって、熱交換器３５では、油回収配管２７を通る潤滑油および冷媒液は、駆動ガス供給配管２８を通る冷媒ガス（駆動ガス）によって加熱され、冷媒液が気化される。加熱された潤滑油および気化した冷媒（すなわち冷媒ガス）は、油回収配管２７を通ってエジェクタ２５に導入される。加熱された潤滑油および冷媒ガスは、エジェクタ２５内で冷媒ガス（駆動ガス）と混合され、混合流体回収配管３１を通じてターボ圧縮機１の油タンク１６に移送される。

図３は、本発明に係るターボ冷凍機の第３実施形態を示す模式図である。特に説明しない第３実施形態の構成および動作は、上述した第１実施形態と同様であるので、その重複する説明を省略する。第３実施形態では、ヒーター３５は、電熱線３５ａを備えた電気ヒーターから構成されている。このヒーター３５は油回収配管２７に設けられており、油回収配管２７を通過する潤滑油を含む冷媒を冷却する。この第３実施形態では、駆動ガス供給配管２８は、ヒーター３５を通らずに冷媒配管５Ａからエジェクタ２５まで延びている。

油回収配管２７を通る潤滑油および冷媒液は、ヒーター３５によって加熱され、冷媒液が気化される。加熱された潤滑油および気化した冷媒（すなわち冷媒ガス）は、油回収配管２７を通ってエジェクタ２５に導入される。加熱された潤滑油および冷媒ガスは、エジェクタ２５内で冷媒ガス（駆動ガス）と混合され、混合流体回収配管３１を通じてターボ圧縮機１の油タンク１６に移送される。

図４は、本発明に係るターボ冷凍機の第４実施形態を示す模式図である。特に説明しない第４実施形態の構成および動作は、上述した第１実施形態と同様であるので、その重複する説明を省略する。第４実施形態では、ヒーターとしての熱交換器３５は、凝縮器２とエコノマイザ４とを接続する冷媒配管５Ｂに設けられている。熱交換器３５は、油回収配管２７を通過する潤滑油を含んだ冷媒液と、冷媒配管５Ｂを通る冷媒液との間で熱交換を行う。

熱交換器３５では、油回収配管２７を通る潤滑油および冷媒液は、凝縮器２で液化された冷媒液によって加熱され、油回収配管２７内の冷媒液が気化される。加熱された潤滑油および気化した冷媒（すなわち冷媒ガス）は、油回収配管２７を通ってエジェクタ２５に導入される。加熱された潤滑油および冷媒ガスは、エジェクタ２５内で冷媒ガス（駆動ガス）と混合され、混合流体回収配管３１を通じてターボ圧縮機１の油タンク１６に移送される。

図５は、本発明に係るターボ冷凍機の第５実施形態を示す模式図である。特に説明しない第５実施形態の構成および動作は、上述した第１実施形態と同様であるので、その重複する説明を省略する。第５実施形態では、ヒーターとしての熱交換器３５は、エコノマイザ４と蒸発器３とを接続する冷媒配管５Ｃに設けられている。熱交換器３５は、油回収配管２７を通過する潤滑油を含んだ冷媒液と、冷媒配管５Ｃを通る冷媒との間で熱交換を行う。

熱交換器３５では、油回収配管２７を通る潤滑油および冷媒液は、エコノマイザ４を通過した冷媒によって加熱され、油回収配管２７内の冷媒液が気化される。加熱された潤滑油および気化した冷媒（すなわち冷媒ガス）は、油回収配管２７を通ってエジェクタ２５に導入される。加熱された潤滑油および冷媒ガスは、エジェクタ２５内で冷媒ガス（駆動ガス）と混合され、混合流体回収配管３１を通じてターボ圧縮機１の油タンク１６に移送される。本実施形態では、エコノマイザ４を通過した冷媒を過冷却することで、膨張弁２１で減圧した際の冷媒の乾き度が低下でき、蒸発器３の熱交換器３５としての性能が向上する。

上述した本発明の実施形態によれば、次に列挙する効果を得ることができる。
（１）蒸発器から取り出した油を含んだ冷媒液はヒーターにより加熱されるので、油タンクに溜まっている油の温度低下を防止することができる。
（２）回収した冷媒を加熱して気化させることにより、油を濃縮して油タンクに戻すことができる。
（３）油タンクに溜まっている油に冷媒が溶解しないため、フォーミングの発生や油圧の低下を防止することができる。

これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。

１ ターボ圧縮機
２ 凝縮器
３ 蒸発器
４ エコノマイザ
５ 冷媒配管
１１ 一段目羽根車
１２ 二段目羽根車
１３ 圧縮機モータ
１４ 一段目サクションベーン
１５ ギヤケーシング
１６ 油タンク
１７ 均圧管
２０，２１ 膨張弁
２５ エジェクタ
２７ 油回収配管
２８ 駆動ガス供給配管
３１ 混合流体回収配管
３５ ヒーター（熱交換器）

Claims (9)

1. 被冷却流体から熱を奪って冷媒が蒸発し冷凍効果を発揮する蒸発器と、冷媒を多段の羽根車によって圧縮する多段ターボ圧縮機と、圧縮された冷媒ガスを冷却流体で冷却して凝縮させる凝縮器と、凝縮した冷媒液の一部を蒸発させて生成した冷媒ガスを前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分に供給する中間冷却器であるエコノマイザとを備えたターボ冷凍機において、
   冷媒ガスを駆動ガスとして前記蒸発器に滞留する油を含んだ冷媒を吸引して前記多段ターボ圧縮機の油タンクに戻すエジェクタと、
   前記油を含んだ冷媒を加熱するヒーターとを備えたことを特徴とするターボ冷凍機。
2. 前記油を含んだ冷媒を前記蒸発器から前記エジェクタに移送する油回収配管が設けられており、前記ヒーターは前記油回収配管を通る前記油を含んだ冷媒を加熱することを特徴とする請求項１に記載のターボ冷凍機。
3. 前記エジェクタは、前記多段ターボ圧縮機によって圧縮された冷媒ガスを前記駆動ガスとして前記エジェクタに導くための駆動ガス供給配管に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のターボ冷凍機。
4. 前記ヒーターは、前記油を含んだ冷媒と、前記駆動ガス供給配管を通る前記冷媒ガスとの間で熱交換を行う熱交換器であることを特徴とする請求項３に記載のターボ冷凍機。
5. 前記ヒーターは、電気ヒーターであることを特徴とする請求項１または２に記載のターボ冷凍機。
6. 前記ヒーターは、前記凝縮器と前記エコノマイザとを接続する冷媒配管に設けられており、前記ヒーターは、前記油を含んだ冷媒と、前記冷媒配管を通る冷媒液との間で熱交換を行う熱交換器であることを特徴とする請求項１または２に記載のターボ冷凍機。
7. 前記ヒーターは、前記エコノマイザと前記蒸発器とを接続する冷媒配管に設けられており、前記ヒーターは、前記油を含んだ冷媒と、前記冷媒配管を通る冷媒との間で熱交換を行う熱交換器であることを特徴とする請求項１または２に記載のターボ冷凍機。
8. 前記エジェクタは、前記エコノマイザによって生成された冷媒ガスを前記駆動ガスとして前記エジェクタに導くための駆動ガス供給配管に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のターボ冷凍機。
9. 前記ヒーターは、前記油を含んだ冷媒と、前記駆動ガス供給配管を通る前記冷媒ガスとの間で熱交換を行う熱交換器であることを特徴とする請求項８に記載のターボ冷凍機。

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