JP2018017498A - 低温ターボ冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑油を圧縮機の軸受等の摺動部に圧送するための油ポンプに必要なＮＰＳＨを確保することができ、摺動部への潤滑油の供給を安定して行うことができる低温ターボ冷凍機を提供する。
【解決手段】冷媒ガスを多段に圧縮する複数の圧縮機を備えた低温ターボ冷凍機において、第１の圧縮機１−１と、第１の圧縮機１−１に内蔵された第１の油タンク１１と、第１の油タンク１１の下方に配設された第２の油タンク１２と、第２の油タンク１２に配設された第１の油ポンプ３１と、第１の油タンク１１の油排出口１１ａと第２の油タンク１２の油流入口１２ａを接続する第１の油連絡配管２１とを設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒ガスを多段に圧縮する複数の圧縮機を備え、蒸発器において被冷却流体（ブライン）を低温に冷却することができる低温ターボ冷凍機に関するものである。

冷媒ガスを多段に圧縮する複数の圧縮機を備え、蒸発器において被冷却流体（ブライン）を低温に冷却する低温ターボ冷凍機が知られている。各圧縮機は、軸受やギヤ等の摺動部を潤滑油により潤滑することが必要である。そのため、各圧縮機は潤滑油を貯留する油タンクを内蔵し、この油タンクに配設された油ポンプにより油タンク内の潤滑油を軸受やギヤ等の摺動部に圧送するようにしている。

特開２０１０−１９５４１号公報

各圧縮機に内蔵されている油タンクは、系内で最も圧力が低い蒸発器と連絡配管で均圧している。被冷却流体としてブラインを使用した低温ターボ冷凍機においては、被冷却流体として水を使用した通常のターボ冷凍機に比べて、蒸発器内はより低圧になるため、油タンク内の圧力も低下してしまい、油ポンプに必要なＮＰＳＨ（Net Positive Suction Head：有効吸込ヘッド）を確保できなくなる。そのため、従来の低温ターボ冷凍機においては、圧縮機の軸受やギヤ等の摺動部に送る潤滑油の油量が減少し、度々保安装置が作動するトラブルを生じていた。ここでポンプに必要なＮＰＳＨとは、キャビテーションの発生等の性能低下を起こさせないための、ポンプの吸込口で必要な絶対圧力ヘッドである。

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、潤滑油を圧縮機の軸受等の摺動部に圧送するための油ポンプに必要なＮＰＳＨを確保することができ、摺動部への潤滑油の供給を安定して行うことができる低温ターボ冷凍機を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の低温ターボ冷凍機は、冷媒ガスを多段に圧縮する複数の圧縮機を備えた低温ターボ冷凍機において、第１の圧縮機と、前記第１の圧縮機に内蔵された第１の油タンクと、前記第１の油タンクの下方に配設された第２の油タンクと、前記第２の油タンクに配設された第１の油ポンプと、前記第１の油タンクの油排出口と前記第２の油タンクの油流入口を接続する第１の油連絡配管とを設けたことを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記第１の油タンクの油排出口より下方でかつ、前記第１の油ポンプに必要な吸い込み圧力以上を確保可能な位置に第２の油タンクの油流入口を設けたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記第１の油連絡配管は、油が途切れないで油の連続が確保可能な流路断面積以上であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記第２の油タンクのガス排出口と前記第１の油タンクのガス流入口を接続するガス連絡配管を設けたことを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記ガス連絡配管は、起動時に油に溶け込んだ冷媒ガスの排出が可能な流路断面積以上であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記ガス連絡配管は、前記第１の油タンクの最高液位より上方の位置に接続することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記第１の油連絡配管の所定の位置に前記ガス連絡配管に接続する分岐管を設けたことを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、第２の圧縮機と、前記第２の圧縮機に内蔵された第３の油タンクと、前記第１の油タンクと前記第３の油タンクの下方に配設された第２の油タンクと、前記第２の油タンクに配設された第２の油ポンプと、前記第３の油タンクの油排出口と前記第２の油タンクの油流入口を接続する第２の油連絡配管とを設けたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記第１の油タンクと前記第３の油タンクの運転時の油面高さが同一となるように前記第１の圧縮機と前記第２の圧縮機のそれぞれの高さ位置が設定されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記第１の油連絡配管と前記第２の油連絡配管を所定の位置で接続したことを特徴とする。

本発明によれば、潤滑油を圧縮機の軸受等の摺動部に圧送するための油ポンプに必要なＮＰＳＨを確保することができ、摺動部への潤滑油の供給を安定して行うことができる。

図１は、本発明に係る低温ターボ冷凍機の一実施形態を示す模式図である。 図２は、第１のターボ圧縮機への給油系統のみを拡大して示す模示図である。 図３は、本発明に係る低温ターボ冷凍機の他の実施形態を示す模式図である。

以下、本発明に係る低温ターボ冷凍機の実施形態を図１乃至図３を参照して説明する。図１乃至図３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、本発明に係る低温ターボ冷凍機の一実施形態を示す模式図である。図１に示すように、低温ターボ冷凍機は、冷媒ガスを多段に圧縮する第１のターボ圧縮機１−１，第２のターボ圧縮機１−２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、ブライン（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、これら各機器を冷媒が循環する冷媒配管５によって連結して構成されている。

冷媒ガスを多段に圧縮する第１のターボ圧縮機１−１，第２のターボ圧縮機１−２は、エコノマイザ４を介して直列に接続されている。すなわち、蒸発器３から排出された低温低圧の冷媒ガスを第１のターボ圧縮機１−１で圧縮し、第１のターボ圧縮機１−１から吐出された冷媒ガスをエコノマイザ４を経由させて第２のターボ圧縮機１−２に導き、第２のターボ圧縮機１−２で更に圧縮して高温高圧の冷媒ガスにしている。

図１に示すように構成された低温ターボ冷凍機の冷凍サイクルでは、第１のターボ圧縮機１−１，第２のターボ圧縮機１−２と凝縮器２と蒸発器３とエコノマイザ４とを冷媒が循環し、蒸発器３でブラインが低温（−５℃〜−２５℃）に冷却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からの熱量および圧縮機モータから供給されるターボ圧縮機１−１，１−２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にて分離されたガス冷媒は、第１のターボ圧縮機１−１からのガス冷媒と合流して第２のターボ圧縮機１−２により圧縮される。エコノマイザサイクルによれば、エコノマイザ４による冷凍効果部分が付加されるので、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。

図１に示すように、第１のターボ圧縮機１−１には、第１の油タンク１１が内蔵されている。第１の油タンク１１は連絡配管２６により蒸発器３と均圧している。第１の油タンク１１の下方には第２の油タンク１２が配設されている。第２の油タンク１２は、圧縮機に内蔵されたものではなく、圧縮機とは独立して設置されている。第１の油タンク１１の油排出口１１ａと第２の油タンク１２の油流入口１２ａとは、第１の油連絡配管２１により接続されている。したがって、第１の油タンク１１内の潤滑油は第１の油連絡配管２１を介して第２の油タンク１２に流入するようになっている。

第１の油タンク１１の油排出口１１ａより下方でかつ、第１の油ポンプ３１に必要な吸い込み圧力以上を確保可能な位置に第２の油タンク１２の油流入口１２ａを設けている。第１の油連絡配管２１は、油が途切れないで油の連続が確保可能な流路断面積以上に設定されている。したがって、潤滑油は第１の油タンク１１から第１の油連絡配管２１を介して途中で途切れることなく第２の油タンク１２にスムーズに供給される。第２の油タンク１２には、第１の油ポンプ３１が配設されている。第１の油ポンプ３１は、第１のターボ圧縮機１−１の軸受やギヤ等の摺動部に潤滑油を圧送する。第２の油タンク１２のガス排出口１２ｂと第１の油タンク１１のガス流入口１１ｂとは、ガス連絡配管２５により接続されている。ガス連絡配管２５は、第１の油タンク１１の最高液位より上方の位置に接続されている。したがって、潤滑油に溶け込んだ冷媒ガスは、ガス連絡配管２５を介して第１の油タンク１１の油貯留部の上方の空間に戻されるようになっており、第２の油タンク１２は常に潤滑油で満たされるように構成されている。ガス連絡配管２５は、冷凍機の起動時に油に溶け込んだ冷媒ガスの排出が可能な流路断面積以上に設定されている。

図１に示すように、第２のターボ圧縮機１−２には、第３の油タンク１３が内蔵されている。第３の油タンク１３は連絡配管２６により蒸発器３と均圧している。第３の油タンク１３の下方には前記第２の油タンク１２が配設されている。第３の油タンク１３の油排出口１３ａと第２の油タンク１２の油流入口１２ｃとは、第２の油連絡配管２２により接続されている。したがって、第３の油タンク１３内の潤滑油は第２の油連絡配管２２を介して第２の油タンク１２に流入するようになっている。

第３の油タンク１３の油排出口１３ａより下方でかつ、第２の油ポンプ３２に必要な吸い込み圧力以上を確保可能な位置に第２の油タンク１２の油流入口１２ｃを設けている。第２の油連絡配管２２は、油が途切れないで油の連続が確保可能な流路断面積以上に設定されている。したがって、潤滑油は第３の油タンク１３から第２の油連絡配管２２を介して途中で途切れることなく第２の油タンク１２にスムーズに供給される。第２の油タンク１２には、第２の油ポンプ３２が配設されている。第２の油ポンプ３２は、第２のターボ圧縮機１−２の軸受やギヤ等の摺動部に潤滑油を圧送する。

図２は、第１のターボ圧縮機１−１への給油系統のみを拡大して示す模示図である。図２に示すように、第１のターボ圧縮機１−１には、第１の油タンク１１が内蔵されている。第１の油タンク１１の下方には第２の油タンク１２が配設されている。第１の油タンク１１の油排出口１１ａと第２の油タンク１２の油流入口１２ａとは、第１の油連絡配管２１により接続されている。したがって、第１の油タンク１１内の潤滑油は第１の油連絡配管２１を介して第２の油タンク１２に流入するようになっている。第２の油タンク１２には、第１の油ポンプ３１が配設されている。第１の油ポンプ３１は、給油管３０を介して第１のターボ圧縮機１−１の軸受やギヤ等の摺動部に潤滑油を圧送する。第２の油タンク１２のガス排出口１２ｂと第１の油タンク１１のガス流入口１１ｂとは、ガス連絡配管２５により接続されている。ガス連絡配管２５は、第１の油タンク１１の最高液位より上方の位置に接続されている。なお、図２においては、図示を省略しているが、第２のターボ圧縮機１−２に内蔵された第３の油タンク１３が第２の油タンク１２に接続され、第２の油タンク１２に第２の油ポンプ３２が配設されていることは、図１に示したとおりである。

図１および図２に示す本発明の低温ターボ冷凍機によれば、第１のターボ圧縮機１−１に内蔵する第１の油タンク１１および第２のターボ圧縮機１−２に内蔵する第３の油タンク１３の下方の位置に、別置きの第２の油タンク１２を設置し、第１の油タンク１１と第２の油タンク１２とを第１の油連絡配管２１で接続し、第３の油タンク１３と第２の油タンク１２とを第２の油連絡配管２２で接続している。そして、第２の油タンク１２に第１の油ポンプ３１を配設し、第１の油ポンプ３１により第１のターボ圧縮機１−１に潤滑油を供給し、第２の油タンク１２に第２の油ポンプ３２を配設し、第２の油ポンプ３２により第２のターボ圧縮機１−２に潤滑油を供給する。このように、油タンク１２の設置位置を下方に下げた分、潤滑油の自重による液圧が油ポンプ３１，３２の吸込口にかかるため、油ポンプ３１，３２に必要なＮＰＳＨを確保することができる。したがって、ポンプにキャビテーションの発生等の性能低下がなく、圧縮機の軸受等の摺動部へ問題なく給油できるようになる。

低温ターボ冷凍機は、圧縮機が２台必要となるため、圧縮機の下方に設置する油タンクも２つ必要となり、これら２つの油タンクを連通管で連通させなければならない。しかしながら、図１に示すように、別置きの油タンクを１つにまとめて単一の第２の油タンク１２を設け、第２の油タンク１２に２つ分の容量を持たせることにより、連通管を省略することができる。

次に、油ポンプ押込み圧の具体的数値を用いて説明する。
油ポンプ押込み圧は、２１ｋＰａ以上必要であることが、試験で分かっている。
油ポンプ押込み圧＝油タンク内圧＋油の自重による液圧である。
空調用ターボ冷凍機の場合、油タンク内圧が約７０ｋＰａあり、特に対策なく油ポンプの安定運転が可能である。対策なしの場合、油の自重による液圧は、１．４ｋＰａである。
低温ターボ冷凍機の場合、油タンク内圧は約１４ｋＰａのため、何も対策しなければ、油ポンプを安定して運転できない。そのため、油ポンプの必要最低押込み圧(２１ｋＰａ)と、油タンク内圧の差分以上、油の自重による液圧が必要となる。
使用する油の密度は、０．９６１ｇ／ｃｍ^３であることから、高さ１ｃｍにつき０．９６１ｇ／ｃｍ^２の圧力が作用すると言える。これを単位変換すると、０．９６１×１０^−３×９８．０６６５＝０．０９４２ｋＰａとなる。
必要な油の自重による液圧は、２１−１４＝７ｋＰａであるから、この圧力をかけるために必要な油の液高さは、７÷０．０９４２＝７４．３ｃｍとなる。安全を考慮し、実機に適用する際は、求めた必要高さに３０ｃｍ以上プラスした高さを取ることが望ましい。
したがって、図２に示す必要な油の液高さＨ＝７４．３＋３０＝１０４．３ｃｍ以上である。

図３は、本発明に係る低温ターボ冷凍機の他の実施形態を示す模式図である。図３に示す実施形態においては、第１の油連絡配管２１の所定の位置にガス連絡配管２５に接続する分岐管２１ａを設けている。すなわち、第１の油連絡配管２１の所定位置から分岐管２１ａを分岐させ、分岐管２１ａの先端を、第２の油タンク１２のガス排出口１２ｂと第１の油タンク１１のガス流入口１１ｂとを接続するガス連絡配管２５に接続している。
第１の油連絡配管２１内の潤滑油からも溶け込んでいた冷媒ガスが起動時に油から分離し、第１の油連絡配管２１に冷媒ガス溜りができると、第１の油タンク１１から第２の油タンク１２まで油の連続を確保することが一時的に困難となる状況が生じることから、第１の油連絡配管２１内の冷媒ガス溜りを除去するため、第１の油連絡配管２１の所定の位置にガス連絡配管２５に接続する分岐管２１ａを設けることで第１の油連絡配管２１内に冷媒ガス溜りができる問題を解消することができる。分岐管２１ａの接続箇所としては、第１の油連絡配管２１においてガス溜りが生じやすいエルボー部（９０°折曲部）が最も好ましい。分岐管２１ａの一部（図示例では逆Ｕ字管状の分岐管２１ａの上部）は、第１の油タンク１１の最高液位ｈｍａｘより高い位置にあり、分岐管２１ａ内が油で充満してしまわないで分岐管２１ａから冷媒ガスが抜けやすいようになっている。

また、図３に示す実施形態においては、第１の油タンク１１と第３の油タンク１３の運転時の油面高さが同一となるように第１のターボ圧縮機１−１と第２のターボ圧縮機１−２のそれぞれの高さ位置が設定されている。
図３に示すように、第１の油タンク１１および第３の油タンク１３には、それぞれ油ヒータ２７が設けられている。第１のターボ圧縮機１−１と第２のターボ圧縮機１−２のそれぞれの運転時の油タンクの液面高さが異なっていると、液面高さが低くなってしまったほうの油タンク内に配設された油ヒータ２７が油中から露出し空焚きとなる場合がある。また、液面高さが高くなってしまったほうの油タンクでは、羽根車軸２８が油タンクを貫通している部分から、油が油タンク外へ溢れることがある。第１のターボ圧縮機１−１と第２のターボ圧縮機１−２の油タンク容量に応じて定まる運転時の油面高さを計算または実験等により適宜決定し、その決定した油面高さが同一となるよう圧縮機の高さ方向の取付位置をあらかじめ求め、圧縮機を設置することで、液面高さが異なることに起因して油ヒータ２７が油中から露出し、油ヒータ２７が空焚きとなる状況を未然に防止することができ、また羽根車軸２８が油タンクを貫通している部分から油タンク外へ油が溢れることを防止することができる。

さらに、図３に示す実施形態においては、第１の油連絡配管２１と第２の油連絡配管２２を所定の位置で接続している。このように、第１の油連絡配管２１と第２の油連絡配管２２を所定の位置で接続することで、配管数を削減することができ、コストを削減することができる。ここで、所定の位置とは、例えば、第２の油連絡配管２２を水平方向に延長し、この延長した部分が第１の油連絡配管２１の鉛直方向に延びる部分とぶつかる位置である。なお、所定の位置は、第２の油連絡配管２２が最短距離で第１の油連絡配管２１に接続できれば、どの位置であってもよい。
図３に示す低温ターボ冷凍機におけるその他の構成は、図１に示す低温ターボ冷凍機の構成と同様である。

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。

１−１ 第１のターボ圧縮機
１−２ 第２のターボ圧縮機
２ 凝縮器
３ 蒸発器
４ エコノマイザ
５ 冷媒配管
１１ 第１の油タンク
１１ａ 油排出口
１１ｂ ガス流入口
１２ 第２の油タンク
１２ａ 油流入口
１２ｂ ガス排出口
１３ 第３の油タンク
２１ 第１の油連絡配管
２１ａ 分岐管
２２ 第２の油連絡配管
２５ ガス連絡配管
２６ 連絡配管
２７ 油ヒータ
２８ 羽根車軸
３０ 給油管
３１ 第１の油ポンプ
３２ 第２の油ポンプ

Claims (10)

1. 冷媒ガスを多段に圧縮する複数の圧縮機を備えた低温ターボ冷凍機において、
   第１の圧縮機と、
   前記第１の圧縮機に内蔵された第１の油タンクと、
   前記第１の油タンクの下方に配設された第２の油タンクと、
   前記第２の油タンクに配設された第１の油ポンプと、
   前記第１の油タンクの油排出口と前記第２の油タンクの油流入口を接続する第１の油連絡配管とを設けたことを特徴とする低温ターボ冷凍機。
2. 前記第１の油タンクの油排出口より下方でかつ、前記第１の油ポンプに必要な吸い込み圧力以上を確保可能な位置に第２の油タンクの油流入口を設けたことを特徴とする請求項１記載の低温ターボ冷凍機。
3. 前記第１の油連絡配管は、油が途切れないで油の連続が確保可能な流路断面積以上であることを特徴とする請求項２記載の低温ターボ冷凍機。
4. 前記第２の油タンクのガス排出口と前記第１の油タンクのガス流入口を接続するガス連絡配管を設けたことを特徴とする請求項２または３記載の低温ターボ冷凍機。
5. 前記ガス連絡配管は、起動時に油に溶け込んだ冷媒ガスの排出が可能な流路断面積以上であることを特徴とする請求項４記載の低温ターボ冷凍機。
6. 前記ガス連絡配管は、前記第１の油タンクの最高液位より上方の位置に接続することを特徴とする請求項４または５記載の低温ターボ冷凍機。
7. 前記第１の油連絡配管の所定の位置に前記ガス連絡配管に接続する分岐管を設けたことを特徴とする請求項４または５記載の低温ターボ冷凍機。
8. 第２の圧縮機と、
   前記第２の圧縮機に内蔵された第３の油タンクと、
   前記第１の油タンクと前記第３の油タンクの下方に配設された第２の油タンクと、
   前記第２の油タンクに配設された第２の油ポンプと、
   前記第３の油タンクの油排出口と前記第２の油タンクの油流入口を接続する第２の油連絡配管とを設けたことを特徴とする請求項１記載の低温ターボ冷凍機。
9. 前記第１の油タンクと前記第３の油タンクの運転時の油面高さが同一となるように前記第１の圧縮機と前記第２の圧縮機のそれぞれの高さ位置が設定されていることを特徴とする請求項８記載の低温ターボ冷凍機。
10. 前記第１の油連絡配管と前記第２の油連絡配管を所定の位置で接続したことを特徴とする請求項８または９記載の低温ターボ冷凍機。

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