JP2018169059A - 冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成でターボ圧縮機の軸受等に供給される潤滑油を冷却することが可能な冷凍機を提供することを目的とする。【解決手段】冷凍機１は、モータによって駆動する圧縮機構を有するターボ圧縮機２と、凝縮器３と、蒸発器８を備え、冷媒が循環する冷凍サイクルと、潤滑油が貯留された油タンク２３と、油タンク２３からモータを収容するモータハウジング３１内部へ潤滑油を供給する潤滑油供給ライン２２と、凝縮器３からモータハウジング３１内部へ冷媒を供給する液冷媒供給ライン２４とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍機に関するものである。

ターボ冷凍機に設置されるターボ圧縮機は、圧縮機構、増速機構などから構成される。ターボ圧縮機が安定して運転するためには、圧縮機機構の羽根車を支持する軸受や、増速機構の歯車などに対して潤滑油が適切に供給され続ける必要がある。潤滑油供給系統は、油タンク、油ポンプを備え、油タンクに貯蔵された潤滑油が、油ポンプによってターボ圧縮機の軸受や歯車などへ供給される。軸受や歯車へ供給された潤滑油は、油タンクへ戻され、潤滑油供給系統を繰り返し循環する。

軸受や歯車へ供給された潤滑油は、機械損失に基づく発熱によって温度上昇するため、潤滑油供給系統には、オイルクーラが設置されることが一般的である。オイルクーラによって、潤滑油が冷却され、温度低下した潤滑油が、軸受や歯車へ供給される。

実公昭６０−２５３５号公報 特開２０１４−１９０６１６号公報 特開２０１５−１９４３００号公報

上述した潤滑油供給系統に設置されるオイルクーラは、例えばプレート式熱交換器であり、オイルクーラにおいて、潤滑油と、ターボ冷凍機の冷凍サイクルを流れる冷媒とが熱交換して、潤滑油が冷却される。オイルクーラに供給される冷媒は、冷凍サイクルに設けられた凝縮器又はサブクーラから抽出された液冷媒であり、液冷媒は、膨張弁を通過して低温化されてからオイルクーラへ供給される。オイルクーラで潤滑油と熱交換した冷媒は、気液二相状態となり、冷凍サイクルの蒸発器へ供給される。

このような潤滑油供給系統では、潤滑油を冷却するため、オイルクーラの設置や、凝縮器又はサブクーラとオイルクーラとの間の膨張弁の設置が必要であり、ターボ冷凍機の構成が複雑になり、機器類の設置による高コスト化が生じる。

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、簡素な構成でターボ圧縮機の軸受等に供給される潤滑油を冷却することが可能な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、本発明の冷凍機は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る冷凍機は、モータによって駆動する圧縮機構を有する電動圧縮機と、凝縮器と、蒸発器を備え、冷媒が循環する冷凍サイクルと、潤滑油が貯留された油タンクと、前記油タンクから前記モータを収容する第１ハウジング内部へ前記潤滑油を供給する油供給管と、前記凝縮器から前記第１ハウジング内部へ前記冷媒を供給する冷媒供給管とを備える。

この構成によれば、圧縮機構を駆動するモータが第１ハウジングに収容されており、潤滑油が、油タンクから第１ハウジングへ供給されることによって、潤滑油は、モータを支持する軸受等を潤滑させることができる。また、第１ハウジング内部には、凝縮器から冷媒が供給されることから、軸受等を潤滑させて昇温した潤滑油を冷却できる。

上記発明において、前記電動圧縮機は、前記モータと前記圧縮機構に結合された増速機構を更に有し、前記冷媒及び前記潤滑油が、前記第１ハウジングから、前記油タンクから前記増速機構を収容する第２ハウジング内部へ流通してもよい。

この構成によれば、モータと圧縮機構に結合された増速機構が第２ハウジングに収容されており、潤滑油が、第１ハウジングから第２ハウジングへ流通することによって、潤滑油は、増速機構を構成する歯車等を潤滑させることができる。また、冷媒によって、軸受や歯車等を潤滑させて昇温した潤滑油を冷却できる。

上記発明において、前記電動圧縮機は、前記モータと前記圧縮機構に結合された増速機構を更に有し、前記油供給管は、前記油タンクから前記増速機構を収容する第２ハウジング内部へ前記潤滑油を供給してもよい。

この構成によれば、モータと圧縮機構に結合された増速機構が第２ハウジングに収容されており、潤滑油が、油タンクから第２ハウジングへ供給されることによって、潤滑油は、増速機構を構成する歯車等を潤滑させることができる。

上記発明において、前記冷凍サイクルは、サブクーラを更に備え、前記冷媒供給管は、前記サブクーラから前記第１ハウジング内部へ前記冷媒を供給してもよい。

この構成によれば、第１ハウジング内部には、サブクーラから冷媒が供給されることから、軸受等を潤滑させて昇温した潤滑油を冷却できる。

上記発明において、前記第１ハウジングから前記油タンクへ前記潤滑油及び前記冷媒を排出する排出管と、前記油タンク内部に配置された前記排出管の内部に設けられたヒータとを備えてもよい。

この構成によれば、排出管を介して、第１ハウジングから油タンクへ潤滑油及び冷媒が排出され、油タンク内部にも排出管が配置されており、油タンク内部に配置された排出管には、ヒータが設置される。ヒータが昇温することによって、潤滑油及び冷媒が加熱され、冷媒が蒸発する。その結果、冷媒によって希釈されていた潤滑油の動粘度が回復される。

上記発明において、前記第２ハウジングから前記油タンクへ前記潤滑油及び前記冷媒を排出する排出管と、前記油タンク内部に配置された前記排出管の内部に設けられたヒータとを備えてもよい。

この構成によれば、排出管を介して、第２ハウジングから油タンクへ潤滑油及び冷媒が排出され、油タンク内部にも排出管が配置されており、油タンク内部に配置された排出管には、ヒータが設置される。ヒータが昇温することによって、潤滑油及び冷媒が加熱され、冷媒が蒸発する。その結果、冷媒によって希釈されていた潤滑油の動粘度が回復される。

本発明によれば、簡素な構成でターボ圧縮機の部品類に供給される潤滑油を冷却することができる。

本発明の一実施形態に係るターボ冷凍機を示す構成図である。 本発明の一実施形態に係るターボ冷凍機のターボ圧縮機を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に係るターボ冷凍機の油タンクを示す縦断面図である。

以下に、本発明の一実施形態に係るターボ冷凍機１について、図面を参照して説明する。
ターボ冷凍機１は、図１に示すように、冷媒を圧縮するターボ圧縮機２と、冷媒を冷却して凝縮させる凝縮器３と、凝縮器３において凝縮された液冷媒を更に冷却して過冷却を付与するサブクーラ４と、高圧冷媒を中間圧に減圧する第１減圧弁５と、冷媒に過冷却を与える中間冷却器６と、冷媒を低圧に減圧する第２減圧弁７と、低圧冷媒を蒸発させる蒸発器８などを備える。

ターボ圧縮機２、凝縮器３、サブクーラ４、第１減圧弁５、中間冷却器６、第２減圧弁７及び蒸発器８は、冷凍サイクルを構成し、冷媒が、ターボ圧縮機２、凝縮器３、サブクーラ４、第１減圧弁５、中間冷却器６、第２減圧弁７及び蒸発器８の順に循環する。また、冷媒は、中間冷却器６からターボ圧縮機２へ供給される。

ターボ圧縮機２は、図２に示すように、モータハウジング３１と、増速器ハウジング３２と、圧縮機ハウジング３３とを一体に結合して構成されるハウジング３０を備えている。
モータハウジング３１には、インバータ装置によって可変速駆動されるモータ９が組み込まれる。このモータ９のモータ軸１０の一端１０ａは、モータハウジング３１から増速器ハウジング３２に突出されている。モータ９は、ステータ２０と、ロータ２１などを備える。モータ軸１０には、ロータ２１が固定され、ロータ２１は、ステータ２０の内部で回転する。モータ軸１０は、増速器ハウジング３２側で、転がり軸受１４によって支持される。転がり軸受１４は、例えば複数のアンギュラ玉軸受からなる。転がり軸受１４は、軸受箱（図示せず。）を介してモータハウジング３１に設置される。

圧縮機ハウジング３３の内部には、第１段圧縮ステージと、第２段圧縮ステージを有する圧縮機構１５が収容される。外部から第１段圧縮ステージに吸い込まれて、第１段圧縮ステージによって圧縮された冷媒は、第２段圧縮ステージに送られる。そして、第２段圧縮ステージに吸い込まれて、第２段圧縮ステージによって圧縮された冷媒は、外部へ吐出される。

圧縮機ハウジング３３内には、回転軸１１が回転自在に設置され、この回転軸１１の一端１１ａ側には、第１段圧縮ステージ用の第１段羽根車１２と、第２段圧縮ステージ用の第２段羽根車１３とが設けられる。回転軸１１は、増速器ハウジング３２側で、転がり軸受１４によって支持される。転がり軸受１４は、例えば複数のアンギュラ玉軸受からなる。転がり軸受１４は、軸受箱（図示せず。）を介して圧縮機ハウジング３３に設置される。

転がり軸受１４によって支持される回転軸１１の他端１１ｂ側には、小径の歯車１７が設けられる。この歯車１７は、モータ軸１０の一端１０ａに設けられる大径の歯車１８と噛み合わされ、これらの歯車１７，１８によって、増速機構１９が構成される。増速機構１９は、増速器ハウジング３２に収容される。

転がり軸受１４や、歯車１７，１８には、それぞれの部品に対して潤滑油が供給される。

潤滑油供給ライン２２は、油タンク２３及びターボ圧縮機２を結ぶ配管である。潤滑油は、潤滑油供給ライン２２に設けられた油ポンプ３６によって、油タンク２３からターボ圧縮機２のモータハウジング３１や増速器ハウジング３２へ供給される。転がり軸受１４及び増速機構１９を通過した潤滑油は、潤滑油排出ライン２５を介して油タンク２３へ戻される。本実施形態に係る潤滑油供給ライン２２や潤滑油排出ライン２５には、従来と異なり、オイルクーラが設置されない。

モータハウジング３１や増速器ハウジング３２には、潤滑油供給ライン２２と接続される潤滑油入口が形成され、潤滑油供給ライン２２からターボ圧縮機２へ潤滑油が供給される。

ターボ圧縮機２には、冷凍サイクルを構成している凝縮器３又はサブクーラ４から抽出された液冷媒が供給される。モータハウジング３１には、液冷媒供給ライン２４と接続される液冷媒入口が形成され、液冷媒供給ライン２４から液冷媒が供給される。液冷媒供給ライン２４には、膨張弁３７が設けられ、膨張弁３７を通過する際、液冷媒は低温化される。

そして、凝縮器３又はサブクーラ４から抽出された液冷媒は、ターボ圧縮機２のモータハウジング３１内や増速器ハウジング３２内の潤滑油系統にバイパスし、熱交換する。これにより、ターボ圧縮機２のモータハウジング３１内や増速器ハウジング３２内では、ターボ圧縮機２のモータハウジング３１内や増速器ハウジング３２内の歯車１７，１８や転がり軸受１４を通過した潤滑油は、凝縮器３又はサブクーラ４から抽出された液冷媒によって冷却される。

凝縮器３又はサブクーラ４から供給された液冷媒は、モータハウジング３１内や増速器ハウジング３２内において、差圧によってモータ９側から転がり軸受１４側へと流れる。このとき、液冷媒が、ラビリンスシール１６を通過するように、ラビリンスシール１６とモータ軸１０との間が構成されている。これにより、潤滑油は、モータハウジング３１や増速器ハウジング３２において、液冷媒によって冷却される。

ターボ圧縮機２のモータハウジング３１内や増速器ハウジング３２内で潤滑油の冷却に用いられた冷媒と、冷却された潤滑油は、油タンク２３へ排出される。モータハウジング３１や増速器ハウジング３２には、潤滑油排出ライン２５と接続される潤滑油出口が形成され、潤滑油排出ライン２５を介してモータハウジング３１や増速器ハウジング３２から油タンク２３へ冷媒及び潤滑油が排出される。

油タンク２３へ排出される潤滑油は、液冷媒によって希釈されている。油タンク２３には、希釈された潤滑油の濃度を高めるため液冷媒を蒸発させる手段が設置されている。液冷媒が蒸発することによって、潤滑油は、動粘度が希釈前の状態に戻り、歯車１７，１８や転がり軸受１４を潤滑させる潤滑油として繰り返し用いることができる。

油タンク２３は、図３に示すように、潤滑油を収容可能な容器であり、油タンク２３の内部の下部に潤滑油が貯留される。油タンク２３には、潤滑油排出ライン２５と接続された潤滑油・冷媒入口が形成され、かつ、潤滑油排出ライン２５の配管２６は、油タンク２３の内部にも延長して設置される。油タンク２３の内部に設置された潤滑油排出ライン２５の配管２６は、例えば、潤滑油・冷媒入口が形成された油タンク２３の側壁２３ａから、その側壁２３ａに対向する側壁２３ｂに向けて配置される。

潤滑油・冷媒入口が形成された油タンク２３の側壁２３ａに対向する側壁２３ｂには、ヒータ挿入口が形成されている。油タンク２３の内部に設置された潤滑油排出ライン２５の配管２６には、ヒータ２７が設置される。ヒータ２７は、ヒータ挿入口を介して油タンク２３の外部から配管２６内部へ挿入されて配置されている。

ヒータ２７は、潤滑油排出ライン２５を流れる液冷媒及び潤滑油を加熱し、液冷媒を蒸発させる。これにより、蒸発して生成された冷媒ガスは油タンク２３の上方へ向かい、冷媒が蒸発した冷媒の含有量が低下した潤滑油は、配管２６の端部から油タンク２３の下方へ落下する。油タンク２３の内部に設置された潤滑油排出ライン２５の配管２６には、上面に複数の孔２８が形成されてもよい。これにより、蒸発した冷媒が孔２８を通過して油タンク２３の上方へ向かいやすくなり、配管２６内部で潤滑油や加熱されて蒸発した冷媒が滞留しにくくなる。

油タンク２３の下方には、潤滑油供給ライン２２と接続された潤滑油出口が形成され、潤滑油供給ライン２２を介して油タンク２３からターボ圧縮機２へ潤滑油が供給される。また、油タンク２３の上方には、冷媒ガス供給ライン２９と接続された冷媒ガス出口が形成され、冷媒ガス供給ライン２９を介して油タンク２３から蒸発器８へ冷媒ガスが供給される。これにより、凝縮器３やサブクーラ４からターボ圧縮機２へ供給された冷媒が冷凍サイクルへ戻される。

油タンク２３の内部に貯留されている潤滑油は、所定の温度範囲に維持されるように調節されることが好ましい。潤滑油の温度は、例えば、潤滑油によって潤滑されるターボ圧縮機２の歯車１７，１８や転がり軸受１４において、適切な潤滑が発揮される温度に基づいて決定される。

油タンク２３の内部に貯留されている潤滑油の温度は、例えば、ヒータ２７による加熱によって調節される。ヒータ２７による加熱は、油タンク２３の下部に設置された温度検出部３５で検出される温度に基づいて制御される。ヒータ２７は、検出された温度に基づいてＯＮ／ＯＦＦが制御されて、液冷媒や潤滑油に対する加熱を調整してもよいし、検出された温度に基づいてヒータ２７の設定温度が調整されてもよい。

次に、本実施形態に係るターボ冷凍機１における潤滑油の供給方法や冷却方法について説明する。

潤滑油は、油タンク２３に貯留されており、油ポンプ３６によって油タンク２３からターボ圧縮機２へ供給される。ターボ圧縮機２へ供給された潤滑油は、ターボ圧縮機２のモータハウジング３１内部や増速器ハウジング３２内部で歯車１７，１８や転がり軸受１４へ供給される。

歯車１７，１８や転がり軸受１４へ供給された潤滑油は、歯車１７，１８や転がり軸受１４を潤滑させつつ、摩擦損失によって温度上昇する。

ターボ冷凍機１には、潤滑油を冷却するため、冷凍サイクルを構成している凝縮器３又はサブクーラ４から抽出された液冷媒が供給される。そして、ターボ圧縮機２のモータハウジング３１内や増速器ハウジング３２内の潤滑油は、凝縮器３又はサブクーラ４から抽出された液冷媒と熱交換する。これにより、ターボ圧縮機２のモータハウジング３１内や増速器ハウジング３２内の歯車１７，１８や転がり軸受１４を通過した潤滑油は、凝縮器３又はサブクーラ４から抽出された液冷媒によって冷却される。

その後、ターボ圧縮機２のモータハウジング３１内や増速器ハウジング３２内で潤滑油の冷却に用いられた冷媒と、冷却された潤滑油は、油タンク２３へ排出される。

油タンク２３へ排出される潤滑油と液冷媒は、油タンク２３の内部における潤滑油排出ライン２５の配管２６に設置されたヒータ２７によって加熱され、液冷媒が蒸発する。その結果、液冷媒によって希釈されていた潤滑油の動粘度が回復する。

液冷媒が蒸発し液冷媒の含有量が低下した潤滑油は、油タンク２３の下部に貯留される。また、ヒータ２７によって蒸発された冷媒ガスは、油タンク２３の上方へ向かい、冷媒ガス供給ライン２９を介して油タンク２３から蒸発器８へ冷媒ガスが供給される。これにより、凝縮器３やサブクーラ４からターボ圧縮機２へ供給された冷媒が冷凍サイクルへ戻される。

以上、本実施形態によれば、冷凍サイクルから抽出された液冷媒がモータハウジング３１や増速器ハウジング３２に供給され、モータハウジング３１や増速器ハウジング３２において歯車１７，１８や転がり軸受１４の冷却に用いられた潤滑油が、液冷媒によって冷却される。したがって、従来用いられていたオイルクーラを用いることなく潤滑油を冷却することができ、オイルクーラの設置が不要になる。その結果、本実施形態によれば、機器類の設置によるコストを低減できる。また、モータハウジング３１や増速器ハウジング３２において液冷媒によって希釈された潤滑油は、油タンク２３に設けられたヒータ２７によって、液冷媒が蒸発されて動粘度が回復し、繰り返し潤滑油として使用可能となる。さらに、油タンク２３に貯蔵された潤滑油の温度に基づいて、ヒータ２７の温度制御が調整されて、油タンク２３に貯蔵された潤滑油は、歯車１７，１８や転がり軸受１４を適切に潤滑させる温度に調節される。

１ ：ターボ冷凍機
２ ：ターボ圧縮機
３ ：凝縮器
４ ：サブクーラ
５ ：第１減圧弁
６ ：中間冷却器
７ ：第２減圧弁
８ ：蒸発器
９ ：モータ
１０ ：モータ軸
１１ ：回転軸
１２ ：第１段羽根車
１３ ：第２段羽根車
１４ ：転がり軸受
１５ ：圧縮機構
１６ ：ラビリンスシール
１７ ：歯車
１８ ：歯車
１９ ：増速機構
２０ ：ステータ
２１ ：ロータ
２２ ：潤滑油供給ライン
２３ ：油タンク
２４ ：液冷媒供給ライン
２５ ：潤滑油排出ライン
２６ ：配管
２７ ：ヒータ
２８ ：孔
２９ ：冷媒ガス供給ライン
３０ ：ハウジング
３１ ：モータハウジング
３２ ：増速器ハウジング
３３ ：圧縮機ハウジング
３５ ：温度検出部
３６ ：油ポンプ
３７ ：膨張弁

Claims (6)

1. モータによって駆動する圧縮機構を有する電動圧縮機と、凝縮器と、蒸発器を備え、冷媒が循環する冷凍サイクルと、
   潤滑油が貯留された油タンクと、
   前記油タンクから前記モータを収容する第１ハウジング内部へ前記潤滑油を供給する油供給管と、
   前記凝縮器から前記第１ハウジング内部へ前記冷媒を供給する冷媒供給管と、
   を備える冷凍機。
2. 前記電動圧縮機は、前記モータと前記圧縮機構に結合された増速機構を更に有し、
   前記冷媒及び前記潤滑油が、前記第１ハウジングから、前記油タンクから前記増速機構を収容する第２ハウジング内部へ流通する請求項１に記載の冷凍機。
3. 前記電動圧縮機は、前記モータと前記圧縮機構に結合された増速機構を更に有し、
   前記油供給管は、前記油タンクから前記増速機構を収容する第２ハウジング内部へ前記潤滑油を供給する請求項１に記載の冷凍機。
4. 前記冷凍サイクルは、サブクーラを更に備え、
   前記冷媒供給管は、前記サブクーラから前記第１ハウジング内部へ前記冷媒を供給する請求項１から３のいずれか１項に記載の冷凍機。
5. 前記第１ハウジングから前記油タンクへ前記潤滑油及び前記冷媒を排出する排出管と、
   前記油タンク内部に配置された前記排出管の内部に設けられたヒータと、
   を備える請求項１から４のいずれか１項に記載の冷凍機。
6. 前記第２ハウジングから前記油タンクへ前記潤滑油及び前記冷媒を排出する排出管と、
   前記油タンク内部に配置された前記排出管の内部に設けられたヒータと、
   を備える請求項２又は３に記載の冷凍機。
   
   

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