JP5334801B2

JP5334801B2 - ２段スクリュ圧縮機および冷凍装置

Info

Publication number: JP5334801B2
Application number: JP2009253184A
Authority: JP
Inventors: 昇壷井
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2009-11-04
Filing date: 2009-11-04
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2029-11-04
Also published as: JP2011099345A

Description

本発明は、２段スクリュ圧縮機および冷凍装置に関する。

特許文献１には、１段目の圧縮機の吐出と２段目の圧縮機の吸込とを接続する流路を形成する箱体を有し、箱体の中に、１段目および２段目の圧縮機のロータ軸を駆動する歯車を収容した２段スクリュ圧縮機が記載されている。このスクリュ圧縮機では、１段目および２段目の圧縮機のロータ軸を駆動する歯車を駆動する駆動軸が箱体を貫通しており、この駆動軸の貫通部にメカニカルシールを配設することで、圧縮流体を封止している。

しかしながら、回転軸の完全な軸封は容易ではなく、例えば、アンモニアなどの毒性のある冷媒を圧縮する場合、上記メカニカルシールだけでは、冷媒を完全に封止することができず、冷媒の漏れが発生するという問題があった。

また、特許文献２には、１段目および２段目の圧縮機のスクリュロータとモータの回転子とを直列に接続した２段圧縮機が記載されている。この圧縮機では、回転軸がケーシングの外に突出しないので、ケーシングを完全な密閉構造にすることができる。しかしながら、２つのスクリュ圧縮機とモータとを直列に配置するため、全長が非常に大きくなり、冷凍機ユニット等のパッケージにまとめることが難しい。

特開２００７−４０２９４号公報特開平８−１０９８８７号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、圧縮する流体の漏出を完全に防止できるコンパクトな２段スクリュ圧縮機および冷凍装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による２段スクリュ圧縮機は、水平な軸周りに回転するスクリュロータによって流体を圧縮する第１段圧縮機と、前記第１段圧縮機の下方に配置され、前記第１段圧縮機で圧縮された流体を水平な軸周りに回転するスクリュロータによってさらに圧縮する第２段圧縮機と、前記第１段圧縮機および前記第２段圧縮機を駆動するモータとを有し、前記第１段圧縮機の吐出口と前記第２段圧縮機の吸込口とを結ぶ流路となり、且つ、前記モータから前記第１段圧縮機および前記第２段圧縮機に回転力を伝達する伝動機構を収容する接続空間が、前記モータのケーシングで封止され、前記第２段圧縮機の前記吸込口が、前記第２段圧縮機の前記スクリュロータの下端に接続され、前記モータの回転子の下端が、前記第２段圧縮機のスクリュロータの下端よりも高い位置とされ、前記接続空間と前記モータの内部空間とを前記モータの回転子の下端よりも低い位置で連通させたものとする。

この構成によれば、第１段圧縮機のロータ軸、第２段圧縮機のロータ軸、および、モータの軸を、第１段圧縮機のケーシング、第２段圧縮機のケーシング、および、モータのケーシングの内部に密閉することができ、外部に対して回転軸を軸封する必要がないので、圧縮する流体が外部に漏出しない。また、モータの回転子の下端よりも低い位置で接続空間と内部空間を連通させているので、モータの内部空間に溜まった冷却油は接続空間に流出でき、接続空間内に滞留する冷却油は、その液面が第２段圧縮機のスクリュロータの下端より高くなると第２段圧縮機に吸い込まれる。これにより、モータの内部空間に回転子が浸かるまで冷却油が溜まることがないので、モータの回転子が冷却油を撹拌してエネルギー損失を発生させることがない。さらに、本発明の２段スクリュ圧縮機は、第１段圧縮機と第２段圧縮機とが上下に配置されているので、その全長が過度に長くならず、全体をコンパクトに構成できる。

また、本発明の２段スクリュ圧縮機において、前記伝動機構は、歯車機構からなり、前記歯車機構の下端が、前記第２段圧縮機の前記スクリュロータの下端よりも高くてもよい。

この構成によれば、伝動機構を収容する接続空間の下方に溜まる冷却油を、歯車機構からなる伝動機構が撹拌することがなく、冷却油の撹拌抵抗による動力損失がない。

また、本発明の２段スクリュ圧縮機において、前記モータの出力軸は、回転子の両側において、前記モータのケーシングに設けた軸受によってそれぞれ支持されていてもよい。

この構成によれば、伝動機構の圧縮機側にモータの軸用の軸受を配置する必要がないので、第１段圧縮機のロータ軸および第２段圧縮機のロータ軸の軸受と、モータの出力軸の軸受とが干渉しない。

また、本発明の２段スクリュ圧縮機に、前記接続空間と反対側の前記軸受に冷却油を供給する給油流路を設けてもよい。

この構成によれば、モータの出力軸の軸受および回転子の軸受を効率よく冷却できる。

また、本発明による冷凍装置は、前記２段スクリュ圧縮機のいずれか、凝縮器、膨張弁および蒸発器を介設した冷媒の循環流路を有するものとする。

この構成によれば、冷媒を外部に漏出させず、小型化も容易である。

また、本発明の冷凍装置は、前記凝縮器と前記膨張弁との間に、前記冷媒の一部を蒸発させて、冷媒を冷却するエコノマイザをさらに有し、前記エコノマイザで蒸発した前記冷媒を、前記モータのケーシングに供給する環流流路が設けられていてもよい。

この構成によれば、冷凍能力が高く、２段スクリュ圧縮機のモータを効率よく冷却することもできる。

本発明によれば、２段スクリュ圧縮機において、第１段圧縮機の吐出口と第２段圧縮機の吸込口とを結ぶ流路と、第１段圧縮機および第２段圧縮機の軸とモータの軸とを接続する伝動機構を収容する空間とを兼ねる接続空間を、モータケーシングで封止したことで、第１段圧縮機、第２段圧縮機およびモータのすべての軸が外部に露出しない密閉構造とすることができた。また、モータの内部空間と接続空間とを低い位置で連通させ、モータの回転子の下端が、第２段圧縮機のスクリュロータの下端よりも高いので、モータの内部空間に回転子が浸かるまで冷却用油が溜まらず、冷却用油の撹拌ロスがない。

本発明の第１実施形態の２段スクリュ圧縮機の断面図である。図１の２段スクリュ圧縮機を有する冷凍装置の概略図である。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明の第１実施形態の２段スクリュ圧縮機１の断面を示す。２段スクリュ圧縮機１は、対象流体を圧縮する第１段圧縮機２と、第１段圧縮機２の下方に、吸込吐出方向が反対向きになるように配置され、第１段圧縮機２が圧縮した対象流体をさらに圧縮する第２段圧縮機３と、第１段圧縮機２および第２段圧縮機３を駆動するモータ４とを有する。

第１段圧縮機２および第２段圧縮機３は、共有する共通ケーシング５に形成されたロータ室６，７に、スクリュロータ８，９を回転可能に収容している。スクリュロータ８，９は、ロータ軸１０，１１を有し、ロータ軸１０，１１は、ロータ室６の吸込側および吐出側において、共通ケーシング５に設けた軸受１２，１３、１４，１５によってそれぞれ支持されている。さらに、ロータ軸１０，１１は、モータ４の出力軸１６の先端に設けた駆動歯車１７にそれぞれ咬合する従動歯車１８，１９を有する。

共通ケーシング５には、管路とフランジ接続可能であり、第１段圧縮機２のロータ室６に対象流体を吸い込むための吸込流路２０および第２段圧縮機３のロータ室７から対象流体を吐出するための吐出流路２１が形成されている。第１段圧縮機２が吐出した対象流体は、共通ケーシング５とモータ４のモータケーシング２２とによって画定された接続空間２３を介して、第２段圧縮機３に吸い込まれるようになっている。接続空間２３は、第１段圧縮機２吐出口と第２段圧縮機３の吸込口とを接続する流体の流路となるだけでなく、駆動歯車１７および従動歯車１８，１９（伝動機構）を収容する空間でもある。

モータ４は、モータケーシング２２の内部空間２４に、出力軸１６に設けられた回転子２５と、回転子２５を取り囲むように、モータケーシング２２の内側に固定した固定子２６とを収容している。出力軸１６は、回転子２５の両側において、モータケーシング２２に設けた軸受２７，２８によって支持されている。２段スクリュ圧縮機１では、回転子２５の下端が、第２段圧縮機３のスクリュロータ９の下端よりも高い位置になるように設計されている。

モータケーシング２２には、モータケーシング２２が封止する接続空間２３とモータケーシング２２の内部空間２４とを連通させる連通路２９，３０が形成されている。つまり、接続空間２３と、モータケーシング２２の内部空間とは完全に分け隔てられているものではなく、両者は、連通路２９，３０によって連通している。従って、共通ケーシング５とモータケーシング２２とは、接続空間２３と内部空間２４とを一体として密閉、つまり、外部から隔離している。

また、モータケーシング２２には、外部からモータケーシング２２の内部空間２４に冷却のために対象流体を導入するための冷却流路３１が形成されている。上側の連通路２９は、モータ４の出力軸１６よりも高い位置に形成され、下側の連通路３０は、モータ４の回転子２５の下端よりも低い位置に形成されている。

さらに、モータ４は、接続空間２３と反対側の軸受２７に冷却油を供給するための給油流路３２を有し、さらに、固定子２６の巻線を電源に接続するための端子箱３３を有している。

２段スクリュ圧縮機１では、回転する軸が一切外部に露出しない。このため、圧縮する流体を内部に封止するために、動的なシールが必要なく、パッキンやガスケットのような静的なシールのみによって流体の漏出を確実に防止できる。

このように密閉された２段スクリュ圧縮機１では、吸込流路２０から冷却および潤滑のために対象気体とともに導入される冷却油が、接続空間２３およびモータ４の内部空間２４の底に溜まる。接続空間２３に溜まった冷却油は、その液面が第２段圧縮機３のスクリュロータ９の下端以上になると第２段圧縮機３に吸い込まれるので、液面が第２段圧縮機３のスクリュロータ９の下端より高くならない。

また、内部空間２４に冷却油がある程度溜まると、連通路３０から接続空間２３に溢れ出る。連通路３０がスクリュロータ９の下端よりよりも低い位置で、接続空間２３とモータ４の内部空間２４とを連通させているので、内部空間２４の冷却油の液面も、第２段圧縮機３のスクリュロータ９の下端より高くならず、回転子２５が部分的に冷却油に浸かることはない。これにより、モータ４は、内部空間２４の冷却油を撹拌することがなく、冷却油の撹拌抵抗による動力損失がない。

モータ４の冷却油の撹拌ロスをなくすには、連通路３０が、少なくとも回転子２５の下端より低い位置において、接続空間２３に内部空間２４を連通させればよい。

上側の連通路２９は、下側の連通路３０が冷却油の液面下に沈んでも、冷却流路３１から内部空間２４に導入された対象流体が、接続空間２３を介して第２段圧縮機３にスムーズに吸い込まれ得るように、流路を提供する。

また、この２段スクリュ圧縮機１においては、駆動歯車および従動歯車１８，１９（伝動機構）の下端が、より具体的には従動歯車１９の下端が、第２段圧縮機３のスクリュロータ９の下端よりも高い位置になるように設計されている。

この構成によれば、従動歯車１９が接続空間２３の下方に溜まる冷却油を撹拌することがなく、ここでも冷却油の撹拌抵抗による動力損失がない。

２段スクリュ圧縮機１は、第１段圧縮機２と第２段圧縮機３とが上下に並べられているので、軸方向に長くならず、冷凍装置等のパッケージが容易である。そこで、図２に、２段スクリュ圧縮機１を用いた冷凍装置３４の構成を示す。

冷凍装置３４は、対象流体として冷媒を圧縮する２段スクリュ圧縮機１と、２段スクリュ圧縮機１の吐出した冷媒から冷却油を分離するオイルセパレータ３５と、２段スクリュ圧縮機１の吐出した冷媒を冷却して凝縮させる凝縮器３６と、凝縮器３６で凝縮した冷媒の一部を減圧気化させて、その気化熱によって、冷媒を冷却するエコノマイザ３７と、エコノマイザ３７で過冷却された冷媒を減圧する膨張弁３８と、冷媒の蒸発熱によって空気やブラインなどの冷却対象を冷却する蒸発器３９とが介設され、冷媒を封入した循環流路を構成してなる。

冷凍装置３４において、オイルセパレータ３５で冷媒から分離された冷却油は、第１段圧縮機２および第２段圧縮機３の軸受１２，１５等の潤滑を要する部分に供給されるが、その一部が給油流路３２から、軸受２７の潤滑のためにモータ４に供給される。

冷凍装置３４では、エコノマイザ３７で気化した冷媒は、２段スクリュ圧縮機１のモータ４に、冷却流路３１から導入される。これにより、エコノマイザ３７で蒸発した冷媒に残る冷熱を、モータ４の回転子２５および固定子２６の冷却に再利用することができる。

１…２段スクリュ圧縮機
２…第１段圧縮機
３…第２段圧縮機
４…モータ
５…共通ケーシング
８，９…スクリュロータ
１６…出力軸
１７…駆動歯車（伝動機構）
１８，１９…従動歯車（伝動機構）
２２…モータケーシング
２３…接続空間
２４…内部空間
２５…回転子
２７，２８…軸受
２９，３０…連通路
３１…冷却流路
３２…給油流路
３４…冷凍装置
３５…オイルセパレータ
３６…凝縮器
３７…エコノマイザ
３８…膨張弁
３９…蒸発器

Claims

水平な軸周りに回転するスクリュロータによって流体を圧縮する第１段圧縮機と、
前記第１段圧縮機の下方に配置され、前記第１段圧縮機で圧縮された流体を水平な軸周りに回転するスクリュロータによってさらに圧縮する第２段圧縮機と、
前記第１段圧縮機および前記第２段圧縮機を駆動するモータとを有し、
前記第１段圧縮機の吐出口と前記第２段圧縮機の吸込口とを結ぶ流路となり、且つ、前記モータから前記第１段圧縮機および前記第２段圧縮機に回転力を伝達する伝動機構を収容する接続空間が、前記モータのケーシングで封止され、
前記第２段圧縮機の前記吸込口が、前記第２段圧縮機の前記スクリュロータの下端に接続され、
前記モータの回転子の下端が、前記第２段圧縮機の前記スクリュロータの下端よりも高い位置とされ、
前記接続空間と前記モータの内部空間とを前記モータの回転子の下端よりも低い位置で連通させたことを特徴とする２段スクリュ圧縮機。
前記伝動機構は、歯車機構からなり、前記歯車機構の下端が、前記第２段圧縮機の前記スクリュロータの下端よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の２段スクリュ圧縮機。
前記モータの出力軸は、回転子の両側において、前記モータのケーシングに設けた軸受によってそれぞれ支持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２段スクリュ圧縮機。
前記接続空間と反対側の前記軸受に冷却油を供給する給油流路を設けたことを特徴とする請求項３に記載の２段スクリュ圧縮機。
請求項１から４のいずれかに記載の２段スクリュ圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器を介設した冷媒の循環流路を有することを特徴とする冷凍装置。
前記凝縮器と前記膨張弁との間に、前記冷媒の一部を蒸発させて、冷媒を冷却するエコノマイザをさらに有し、
前記エコノマイザで蒸発した前記冷媒を、前記モータのケーシングに供給する環流流路を設けたことを特徴とする請求項５に記載の冷凍装置。