JP5554054B2 - ターボ冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、気相の冷媒をターボ圧縮機により圧縮したのちに凝縮器で凝縮し、得られた液相の冷媒を蒸発器で蒸発させることにより、その気化熱で冷却対象物を冷却するターボ冷凍機に関するものである。

近年、この種のターボ冷凍機として、環境対策のために、フロンなどの温室効果ガスに代えて、水を冷媒として用いるものが提案されている。このようなターボ冷凍機では、フロンに比べて沸点の高い水を低圧下で蒸発させるために、冷媒の密度が下がり、体積流量が増加するので、圧縮機が大型化する。一方、水はフロンと比較すると熱伝導性が良いため、凝縮器、蒸発器などの熱交換器は、圧縮機ほどは大型化しない。そのため、装置が大型化するとはいえ、圧縮機、凝縮器および蒸発器が同じ比率で大型化するのではなく、圧縮機のみが、他の構成要素に比較して大きくなる。一般的な、フロンのターボ冷凍機の構造である圧縮機、熱交換器を別々の要素とし、その間を配管で接続する構造を水冷媒に適用した場合、圧縮機のみが大型化し、遠心式羽根車の周囲に大きなデッドスペースが発生する。また、装置の大型化を極力抑制する目的で配管類を可能な限り小さくするため、冷媒の流速が増加し、圧力損失が発生し、冷凍機の性能が低下する。

この対策として、２段の遠心式圧縮機の羽根車を背面合わせに配置し、放射状に流出する冷媒をスクロールで集めて，蒸発器、凝縮器と配管で接続するのではなく、羽根車に続くデフューザダクトを複数本ずつ設けるとともに、第１段デフューザダクトおよび第２段デフューザダクトを周方向に交互に配置したものが提案されている（特許文献１参照）。

特許第４１９１４７７号公報

しかしながら、特許文献１の圧縮機は、構成が極めて複雑になり、製造コストが高くつく。また、やはり遠心式羽根車の周囲に大きなデッドスペースが残る。

本発明は、蒸気冷媒の接続配管を少なくして構造を簡略化するととともに、接続配管による圧力損失を小さくして効率の低下を抑制し、かつ省スペース化を図って小形化できるターボ冷凍機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るターボ冷凍機は、蒸発器からの気相の冷媒を遠心式のターボ圧縮機により圧縮し、凝縮器により凝縮し、得られた液相の冷媒を前記蒸発器で蒸発させることにより、その気化熱で冷却対象物を冷却するターボ冷凍機であって、前記蒸発器と凝縮器の少なくとも一方は、冷媒配管を形成する複数の直線状のチューブを有する直管形であり、かつ、少なくとも一部分が前記圧縮機に隣接し、かつ軸方向から見て重合する位置に配置されている。ここで、「圧縮機に隣接」とは、軸方向および径方向において近接している状態をいい、好ましくは径方向から見て一部または全部が圧縮機と重合している状態である。

このターボ冷凍機によれば、蒸発器と凝縮器の少なくとも一方が、圧縮機に隣接し、かつ圧縮機の軸方向から見て重合する位置に配置されているから、つまり圧縮機の周囲の近傍位置に配置されているから、蒸発器から圧縮機の羽根車への蒸気冷媒の供給、または圧縮機から凝縮器への蒸気冷媒の供給を、長い接続配管を介することなく、直接的に、かつ円滑に行えるので、接続配管を省略できる。これにより、構造が簡略化されるとともに、接続配管で生じていた圧力損失がなくなるので、冷凍機の効率低下を抑制できる。また、従来において大きなデッドスペースとなっていた、圧縮機の周囲のスペースを利用して蒸発器または／および凝縮器を設けているので、省スペース化によって冷凍機全体の小形化を図ることができる。しかも、蒸発器または／および凝縮器は、直管形であるので、圧縮機の外形に対応した円形状のチューブを用いる場合に比べて、製作が容易であり、保守に際してチューブの交換・洗浄を容易に行える利点がある。

本発明において、前記圧縮機の出口は軸方向から見て四角形であり、前記直管形の凝縮器が、前記圧縮機と軸方向および径方向から見て重合していることが好ましい。この構成によれば、圧縮機の四角形の出口の辺に平行な凝縮器を配置することにより、圧縮機の出口から流出した蒸気冷媒が凝縮器に全体にわたって均等に流入するので、凝縮器の効率が向上する。また、凝縮器が圧縮機と軸方向および径方向の両方から見て重合する位置に配置されているから、圧縮機の周囲のスペースを有効利用して凝縮器を配置できる。さらに、圧縮機の羽根車から流出する蒸気冷媒を、スクロールおよび長い接続配管を介することなく、直接的に凝縮器に供給できるので、既存のターボ冷凍機に設けられているスクロールおよび接続配管が共に不要となる結果、構造が簡略化されるとともに、スクロールおよび接続配管による圧力損失がなくなる。

本発明において、前記圧縮機は背面合せの２段遠心式であり、前記圧縮機前段から前記圧縮機後段に冷媒を導く中間通路と前記圧縮機後段との間に直管形の前記凝縮器が配置されていることが好ましい。この構成によれば、圧縮機後段から放射状に流出する蒸気冷媒を、中間通路を横切ることなく凝縮器に供給することができる。

背中合せの２段遠心式の圧縮機を用いる構成において、前記直管形の蒸発器の少なくとも一部が前記圧縮機と軸方向および径方向から見て重合していることが好ましい。この構成によれば、圧縮機の周囲のスペースを有効利用して蒸発器を配置できる。また、蒸発器から流出する蒸気冷媒を、接続配管を介することなく、直接的に円滑に圧縮機に供給できるので、接続配管が不要となる結果、構造が簡略化されるとともに、接続配管による圧力損失がなくなる。

背中合せの２段遠心式の圧縮機を用いる構成において、前記蒸発器と凝縮器が前記圧縮機の両段のデフューザを挟んで軸方向に対向していることが好ましい。この構成によれば、圧縮機の軸方向両側に蒸発器と凝縮器とをスペース的にバランスよく配置できるので、ターボ冷凍機がコンパクトな構成となる。

背中合せの２段遠心式の圧縮機を用いる構成において、前記圧縮機前段から前記圧縮機後段へ導かれる冷媒を冷却する中間冷却器が前記凝縮器の後方に配置されていることが好ましい。この構成によれば、圧縮機前段で圧縮されて温度が上昇した蒸気冷媒を、中間冷却器で冷却したのちに圧縮機後段に供給することで、圧縮機の圧縮効率が向上する。また、好ましくは、中間冷却器を圧縮機と同心状の形状にすることもでき、そうすれば、コンパクトに配置できる。

本発明において、前記蒸発器が前記圧縮機の軸方向の一方に配置され、前記圧縮機を駆動する駆動機が他方に配置されていることが好ましい。この構成によれば、駆動機の発生熱によって蒸発器が熱せられる悪影響を防止することができる。

本発明において、少なくとも前記蒸発器、圧縮機および凝縮器がハウジング内に収納されていることが好ましい。前述のとおり、本発明では、接続配管を省略できるから、蒸発器、圧縮機および凝縮器をハウジング内に収納することが可能となり、コンパクトな構造となる。

本発明のターボ冷凍機によれば、蒸発器と凝縮器の少なくとも一方が、圧縮機に隣接し、かつ圧縮機の軸方向から見て重合する近傍位置に配置されているから、蒸発器から圧縮機への蒸気冷媒の供給または圧縮機から凝縮器への蒸気冷媒の供給を、長い接続配管を介することなく、直接的に、かつ円滑に行えるので、蒸発器から蒸気冷媒を圧縮機に導く接続配管と、蒸気冷媒を集めるためのスクロールおよび集めた蒸気冷媒を凝縮器へ導く接続配管との少なくとも一方が不要となって冷凍機の効率低下を抑制できる。また、圧縮機の周囲のスペースを有効利用して蒸発器または／および凝縮器を設けているので、省スペース化によって冷凍機全体の小形化を図ることができる。しかも、蒸発器または／および凝縮器は、直管形であるので、製作が容易であり、保守に際してチューブの交換・洗浄を容易に行うことができる。

本発明の第１実施形態に係るターボ冷凍機の作動原理を示す概略構成図である。 同上のターボ冷凍機の縦断面図である。 図２のIII-III 線に沿った断面図である。 図３のターボ冷凍機の凝縮器を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態に係るターボ冷凍機を示す縦断面図である。 本発明の第３実施形態に係るターボ冷凍機を示す縦断面図である。 本発明の第４実施形態に係るターボ冷凍機の凝縮器を示す斜視図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施形態に係るターボ冷凍機の概略構成図であり、この実施形態では、液状の冷媒として水を用いている。このターボ冷凍機は、蒸発器１内の底部に溜まった液状の冷媒（水）Ｒ３を、ポンプ３９の駆動により汲み上げ管４１を介して噴霧管４２に導き、噴霧管４２から伝熱管５上に散布しながら蒸発させて、その気化熱で、伝熱管５内を流れる冷却対象物（以下、冷水という）Ｗ１から熱を奪う。低圧となった蒸気冷媒Ｒ１は、電動モータのような駆動機３により回転駆動されるターボ圧縮機２に吸入されて圧縮されることにより、高圧の蒸気冷媒Ｒ２となって凝縮器４に送り込まれる。この蒸気冷媒Ｒ２は、凝縮器４内で冷却管６内を流れる廃熱対象物（以下、冷却水という）Ｗ２に対し熱放散を行って液状冷媒Ｒ３となったのち、戻り管４３を通って蒸発器１の底部に供給される。

このターボ冷凍機では、従来の一般的な冷媒であるフロンなどに比べて沸点の高い水を冷媒として用いているので、圧縮機２は、例えば、流入側を１／１００気圧で、流出側を１／１０気圧に設定して負圧作動される。したがって、冷媒の密度が下がり体積流量が増加するため、フロンなどを冷媒とする冷凍機に比べて大形化する。伝熱管５内の冷水Ｗ１は、例えば、蒸発器１で１２℃から７℃に冷却されて送出され、ビルディングなどの室内冷房などに用いられる。冷却管６内の冷却水Ｗ２は、例えば、凝縮器４で蒸気冷媒Ｒ２から熱を奪って３２℃から３７℃の温度となって冷却塔に送られる。

前記ターボ冷凍機の縦断面図を示す図２において、外装体となるハウジング８は、直方体状のハウジング本体９が基台１０上に載置されて固定された構造になっている。このハウジング８内に、前記蒸発器１、圧縮機２および凝縮器４を含む主要な構成要素が収納されており、圧縮機２の水平な軸方向Ｓの両側に蒸発器１および凝縮器４がそれぞれ配置されている。以下、図２の左側を前側、右側を後側と呼ぶ。

圧縮機２は、前側の圧縮機前段２Ｆと後側の圧縮機後段２Ｒとが背面合わせに配置された２段遠心式であって、圧縮機前段２Ｆは、前段羽根車（インペラ）２０と、その径方向Ｒの外方の前段デフューザ２１とにより構成され、圧縮機後段２Ｒも、後段羽根車（インペラ）２２と、その径方向Ｒの外方に同心状に配置された後段デフューザ２３とにより構成されている。圧縮機前段２Ｆの前段ケーシング１４Ｆと圧縮機後段２Ｒの後段ケーシング１４Ｒとは、基台１０の上面の中央部に固定された支持台１８上に支持されている。圧縮機２は、回転軸１１の後端部（図の右端部）に直結された電動モータからなる駆動機３により駆動される。

蒸発器１と凝縮器４は、圧縮機２に隣接して配置されており、圧縮機２の前段２Ｆおよび後段２Ｒの両デフューザ２１，２３を挟んで軸方向Ｓに相対向している。蒸発器１および凝縮器４として、共に直管形のものが用いられており、この直管形の構成の詳細については後述する。蒸発器１は下部蒸発ユニット１Ｌと上部蒸発ユニット１Ｕとを有し、これら下部蒸発ユニット１Ｌと上部蒸発ユニット１Ｕが、圧縮機前段２Ｆにおける小径となった吸入側の径方向外側近傍の上下位置にそれぞれ配置されて、圧縮機前段２Ｆの前段ケーシング１４Ｆに支持されている。

前記凝縮器４は、第１の凝縮ユニットである上部凝縮ユニット４Ｕと第２の凝縮ユニットである下部凝縮ユニット４Ｌとを有し、これら上部凝縮ユニット４Ｕと下部凝縮ユニット４Ｌが、圧縮機後段２Ｒにおける小径となった吸入側の径方向外側近傍で径方向に相対向する上下位置に配置されて、圧縮機後段２Ｒの後段ケーシング１４Ｒに支持されている。凝縮器４内で液化した液状冷媒Ｒ３が戻り管３１を介して蒸発器１の下部蒸発ユニット１Ｌに供給される。この下部蒸発ユニット１Ｌ内の液状冷媒Ｒ３は、ポンプ３９の駆動により、汲み上げ管４１を介して両凝縮ユニット１Ａ，１Ｂ内の噴霧管４２に供給される。

回転軸１１の前端部は、複数本の前側ステー１３Ｆを介して前段ケーシング１４Ｆに保持された軸受１２に回転自在に支持されている。回転軸１１の後端部に直結された前記電動モータ３は、鉛直に延びる後方端壁１７を貫通し、かつ複数本の後段ステー１３Ｒを介して後段ケーシング１４Ｒに支持されている。

蒸発器１からの蒸気冷媒Ｒ１は、圧縮機２により発生する吸引力を受けて、圧縮機前段２Ｆに吸入される。前段羽根車２０は、蒸発器１からの蒸気冷媒Ｒ１を入口２０ｉから回転軸１１の軸方向Ｓに沿って図２の右方に向け吸い込み、径方向Ｒの外側に向けて流動させ、外周の出口２０ｅから径方向外方に流出させる。この前段羽根車２０から流出した蒸気冷媒Ｒ２１は、前段デフューザ２１を通って、出口２１ｅから中間通路２４に流出し、中間通路２４から圧縮機後段２Ｒに流入する。

図２のIII-III 線に沿った断面図である図３に示すように、前段デフューザ２１の出口２１ｅは軸方向Ｒから見て四角形（この例では正方形）を形成しており、この出口２１ｅと同一寸法の四角形に形成された通路内壁１６とハウジング本体９の底板９ａおよび３方の周壁９ｂとの間に、四角形の中間通路２４の前半部が形成されている。通路内壁１６の後端部と後段ケーシング１４Ｒの入口端部との間に中間壁２７が取り付けられており、この中間壁２７と前記後方端壁１７とにより、中間通路２４の後半部が形成されている。中間壁２７と後方端壁１７との間に中間冷却器２８が配置されている。蒸気冷媒Ｒ２１は、中間通路２４を通るときに中間冷却器２８によって冷却される。

中間冷却器２８から流出した蒸気冷媒Ｒ２２は、後段羽根車２２の入口２２ｉから回転軸１１の軸方向Ｓに沿って図の左方に向け吸い込まれ、後段羽根車２２の外周の出口２２ｅから径方向Ｒの外方に向けて流出する。この後段羽根車２２から流出した蒸気冷媒Ｒ２は、後段デフューザ２３を通って、通路内壁１６の内側に設けられた出口２３ｅから流出する。この出口２３ｅも、図３に示すように、軸方向Ｓから見て四角形である。後段ケーシング１４Ｒと通路内壁１６と中間壁２７との間に設けられた空間３０に凝縮器４が配置されており、出口２３ｅを出た蒸気冷媒Ｒ２が凝縮器４に流入するように、通路内壁１６と凝縮ユニット４Ｌ，４Ｕとの間に蒸気冷媒Ｒ２の出口通路２９が形成されている。凝縮器４の下部凝縮ユニット４Ｌおよび上部凝縮ユニット４Ｕはそれぞれ出口２３ｅの水平な上下辺に沿って平行に延びるように水平に配置されている。

このように、凝縮器４を空間３０内に配置したことで、凝縮器４の全体が圧縮機２に対し軸方向Ｓおよび径方向Ｒから見て重合する位置となる。図３に示すように、この凝縮器４で蒸気冷媒Ｒ２が液化され、液状となった冷媒Ｒ３は、前述のとおり、図２の戻り管３１を通って蒸発器１に戻る。戻り管３１はハウジング８内に配置され、ハウジング本体９の底板９ａおよび基台１０の上面を形成する台板１０ａを貫通して、凝縮器４と蒸発器１とを連通している。なお、戻り管３１はハウジング８の外側を通るように配置してもよい。

図３に示すように、凝縮器４を構成する下部凝縮ユニット４Ｌおよび上部凝縮ユニット４Ｕはそれぞれ、直管形であって、下部凝縮ユニット４Ｌは、同一水平面上に所定間隔で配置された一対の下部冷却水ヘッダ４Ｌ１，４Ｌ２を有し、その間が水平方向に延びる多数の直線状チューブ４０により接続されている。上部凝縮ユニット４Ｕも同様に、一対の上部冷却水ヘッダ４Ｕ１，４Ｕ２が水平方向に延びる多数のチューブ４０により接続されている。さらに、図３の左側の下部冷却水ヘッダ４Ｌ１と上部冷却水ヘッダ４Ｕ１間は、２本の連結チューブ３２、３３で連結されている。

図４に示すように、前記凝縮器４を構成する下部凝縮ユニット４Ｌおよび上部凝縮ユニット４Ｕのそれぞれは４つに区分されている。すなわち、４つのヘッダ４Ｌ１，４Ｌ２、４Ｕ１，４Ｕ２の内部がそれぞれ四つの空間Ｓ１〜Ｓ４に仕切られており、これに応じて、チューブ４０も、各空間Ｓ１〜Ｓ４に接続される四つのチューブ群Ｃ１〜Ｃ４に区分されている。図４の左側の上下の冷却水ヘッダ４Ｌ１，４Ｕ１における相対向する２つの空間Ｓ２，Ｓ１が前記連結チューブ３２により連通されており、他の２つの空間Ｓ３，Ｓ４が連結チューブ３３により連通されている。。さらに、図４の左側の下部冷却水ヘッダ４Ｌ１の下部の二つの空間Ｓ１，Ｓ４には冷却水流入管３４および冷却水流出管３８が接続されている。

前記凝縮器４において、冷却水流入管３４から凝縮器４の下部凝縮ユニット４Ｌの左側の下部冷却水ヘッダ４Ｌ１の第１空間Ｓ１に流入した冷却水Ｗ２が、第１チューブ群Ｃ１を通って右側の下部冷却水ヘッダ４Ｌ２の第１空間Ｓ１に流れ、この第１空間Ｓ１から第２空間Ｓ２に入ったのちに、第２チューブ群Ｃ２を通って下部冷却水ヘッダ４Ｌ１の第２空間Ｓ２に流入する。この第２空間Ｓ２の冷却水Ｗ２は、連結管３２を通って上部凝縮ユニット４Ｕの左側の上部冷却水ヘッダ４Ｕ１の第１空間Ｓ１内に流入したのち、第１チューブ群Ｃ１を通って右側の上部冷却水ヘッダ４Ｕ２の第１空間Ｓ１に流入する。

上部冷却水ヘッダ４Ｕ２の第１空間Ｓ１に流入した冷却水Ｗ２は、第２空間Ｓ２から第２チューブ群Ｃ２を通って上部凝冷却水ヘッダ４Ｕ１へ戻り、上部冷却水ヘッダ４Ｕ１の第２空間Ｓ２から第３空間Ｓ３に入り、第３チューブ群Ｃ３を通って上部冷却水ヘッダ４Ｕ２の第３空間Ｓ４に流入し、第４空間Ｓ４から第４チューブ群Ｃ４を通って上部冷却水ヘッダ４Ｕ１の第４空間Ｓ４に戻る。冷却水Ｗ２はさらに、連結チューブ３３を通って下部凝縮ユニット４Ｌの下部冷却水ヘッダ４Ｌ１の第３空間Ｓ４に入り、第３チューブ群Ｃ３を通って下部冷却水ヘッダ４Ｌ２の第３空間Ｓ４に流入し、さらに第４空間Ｓ４および第４チューブ群Ｃ４を通って下部冷却水ヘッダ４Ｌ１の第４空間Ｓ４に戻ったのち、冷却水流出管３８から流出する。このように、冷却水Ｗ２がチューブ群Ｃ１〜Ｃ４を順次流れる際に、図２の圧縮機２から供給される蒸気冷媒Ｒ２から熱を奪って、蒸気冷媒Ｒ２を液状冷媒Ｒ３とする。

また、蒸発器１も、凝縮器４と同様な直管形の構造であり、各蒸発ユニット１Ｌ，１Ｕは両端のヘッダ間が水平に延びる多数のチューブ５０によって接続され、一端の上下ヘッダ間が連結管３５，３６で接続されている。また、蒸発器１の前部を除いた一部も、前段羽根車２０と前段デフューザ２１とからなる圧縮機前段２Ｆと軸方向Ｓおよび径方向Ｒから見て重合する箇所に存在する空間３０Ａに配置されている。

この実施形態では蒸発器１および凝縮器４を２分割としたが、それぞれ４分割して、四角形の上下辺に加えて、左右辺に平行に配置してもよい。

上記構成において、図２に示す凝縮器４が、圧縮機後段２Ｒの外側で、圧縮機後段２Ｒと軸方向Ｓおよび径方向Ｒから見て重合する位置、つまり圧縮機後段２Ｒの後段羽根車２２の径方向外側の近傍位置に配置されているので、圧縮機２の後段羽根車２２から流出する蒸気冷媒Ｒ２を、後段デフューザ２３から直接的に、凝縮器４に導くことができる。これにより、従来の２段遠心式の圧縮機の圧縮機後段から流出する冷媒Ｒ２を集めるためのスクロールおよび集めた蒸気冷媒を凝縮器へ導く長い接続配管が共に不要となる。その結果、構造が簡略化されるとともに、スクロールおよび接続配管で生じていた圧力損失がなくなるので、冷凍機の効率低下を抑制できる。

また、圧縮機後段２Ｒの後段羽根車２２の径方向外側の近傍位置は、従来のターボ冷凍機において大きなデッドスペースとなっていたので、この場所を凝縮器４の設置箇所に活用することで、省スペース化により、冷凍機全体の小形化を図ることができる。特に、このターボ冷凍機は、冷媒として沸点の高い水を用いているので、負圧条件下で低圧作動となり密度が小さくなるため、比較的直径の大きな羽根車２０，２２を持つ圧縮機２を用いる必要があるから、後段羽根車２２と後段デフューザ２３とからなる圧縮機後段２Ｒに対し、その軸方向Ｓおよび径方向Ｒから見て重合する外側に大きなスペースが存在するので、この大きなスペースとなる空間３０を有効利用して凝縮器４を容易に設置することができる。

なお、この実施形態では、後段羽根車２と後段デフューザ２３からなる圧縮機後段２Ｒに対し凝縮器４の全体が軸方向Ｓおよび径方向Ｒに重合する配置となっているが、径方向Ｒの重合については、圧縮機後段２Ｒに対し凝縮器４の一部、例えば凝縮器４の軸方向後部（図２の右方）を除いた他の部分のみが重合する配置としてもよい。

また、このターボ冷凍機では、蒸発器１の前部を除いた一部も、圧縮機前段２Ｆと軸方向Ｓおよび径方向Ｒから見て重合する箇所に存在する大きな空間３０Ａに設けられているから、この空間３０Ａを有効利用して蒸発器１を容易に設置することができる。勿論、蒸発器１の全体を圧縮機前段２Ｆと軸方向Ｓおよび径方向Ｒから見て重合するように配置してもよい。

さらに、圧縮機前段２Ｆの出口２１ｅに連なる中間通路２４と圧縮機後段２Ｒの後段ケーシング１４Ｒとで囲まれた空間３０に凝縮器４が配置されているので、圧縮機後段２Ｒから軸方向後方に流出する蒸気冷媒Ｒ２を、中間通路２４を横切ることなく凝縮器４に供給することができる。したがって、圧縮機後段２Ｒと凝縮器４とを接続する出口通路２９が短く、かつ簡単な形状となる。

また、圧縮機前段２Ｆで圧縮されて温度が上昇した蒸気冷媒Ｒ２１を、中間冷却器２８で冷却したのちに圧縮機後段２Ｒに供給しているので、圧縮機２の圧縮効率が向上する。さらに、前述のとおり、スクロールや接続配管が不要となるので、蒸発器１、圧縮機２および凝縮器４を含む主要な構成要素をハウジング８内に収納することが可能となり、コンパクトな構造となる。しかも、直線状のチューブ４０，５０を有する直管形の凝縮器４および蒸発器１は、配管を圧縮機の外形に対応した複数の円形状のチューブで構成する場合に比べて、製作が容易であり、安価になるとともに、保守に際してチューブ４０，５０の交換が容易に行える利点がある。

また、このターボ冷凍機は、図２に明示するように、凝縮器４を直管形としたのに伴って圧縮機後段２Ｒの出口２３ｅを軸方向Ｓから見て四角形にして、その２辺に平行に下部凝縮ユニット４Ｌおよび上部凝縮ユニット４Ｕを配置したので、圧縮機後段２Ｒの出口を円形とした場合と異なり、この四角形の出口２３ｅから流出した蒸気冷媒Ｒ２は、凝縮器４内の全体にわたり均等に流入するので、チューブ４０内を流れる冷却水Ｗ２に対する蒸気冷媒Ｒ２の熱放散が効率的に行われる。

図５は本発明の第２実施形態に係るターボ冷凍機を示し、同図において、第１実施形態と同一または相当するものに同一の符号を付して、重複する説明を省略する。このターボ冷凍機は、ハウジング８Ａを形成する直方体形状のハウジング本体９Ａの開口部が蓋体４５で密閉された構成になっており、圧縮機前段２Ｆおよび圧縮後段２Ｒの各羽根車２０，２２が同じ向きとなる直列配置で設けられた２段遠心式の圧縮機４９を備えている。蒸発器１は圧縮機４９の前側（図５の右側）に配置され、直管形の下部蒸発ユニット１Ｌと上部蒸発ユニット１Ｕからなる。下部蒸発ユニット１Ｌと上部蒸発ユニット１Ｕの間に電動モータ３が配置されている。

前段羽根車２０から前段デフューザ２１を通った冷媒蒸気Ｒ２１は、１８０°の角度で折り返すクロスオーバー形状の中間通路５１を通って後段羽根車２２の入口に導かれる。凝縮器４は、圧縮機後段２Ｒの後段羽根車２２の径方向外側の近傍位置で、圧縮機後段２Ｒに対し軸方向Ｓおよび径方向Ｒから見て共に重合する位置に配置されている。後段デフューザ２３の出口２３ｅ、つまり圧縮機２の出口はやはり、軸方向Ｓから見て正方形となっており、その上下辺に平行に直管形の下部凝縮ユニット４Ｌおよび上部凝縮ユニット４Ｕが配置されている。

この構成によっても、後段羽根車２２から流出する蒸気冷媒Ｒ２を、スクロールおよび長い接続配管を介することなく直接的に、凝縮器４に供給できるので、スクロールおよび接続配管で生じていた圧力損失がなくなり、冷凍機の効率低下を抑制できる。また、後段羽根車２２の周囲のスペースを有効利用して凝縮器４を設けることで、デッドスペースを無くして省スペース化を図ることができ、冷凍機全体の小形化を達成できる。

なお、この直列配置の圧縮機５０では、圧縮機前段２Ｆと圧縮機後段２Ｒが共に前方を向いているから、圧縮機前段２Ｆと圧縮機後段２Ｒとを接続する中間通路５１と、圧縮機後段２Ｒを凝縮器４に接続する通路とが交差するという、背面合わせの２段遠心圧縮機に存在する課題は、元来存在しない。

図６は、本発明の第３実施形態に係るターボ冷凍機を示す。このターボ冷凍機は、単一の羽根車５３とデフューザ５７とを有するのみの単段遠心式の圧縮機５２を備えたものである。直管形の凝縮器４は、圧縮機５２の羽根車５３の径方向外側で、圧縮機５２対し軸方向Ｓおよび径方向Ｒから見て共に重合する位置に配置されている。直管形の蒸発器１は圧縮機５２の前側に配置されている。したがって、このターボ冷凍機においても、蒸気冷媒Ｒ２を、従来のスクロールおよび接続配管を介することなく直接的に凝縮器４に供給できるので、スクロールおよび接続配管で生じていた圧力損失がなくなり、冷凍機の効率低下を抑制できる。また、羽根車５３の周囲のスペースを利用して凝縮器４を設けることで、デッドスペースを無くして省スペース化を図ることができ、冷凍機全体の小形化を達成できる。

図７は本発明の第４実施形態のターボ冷凍機に用いる円筒状の凝縮器５８を示す。この凝縮器５８は、円筒状の一対の冷却水ヘッダ５８Ａ，５８Ｂを複数の直線状のチューブ５９で連通した直管形である。この凝縮器５８は、内部に圧縮機後段を収容する配置で設けることにより、第１ないし第３実施形態で説明としたと同様の効果を得ることができる。蒸発器もこれと同様な円筒状とすることができる。このような円筒状とすることにより、ハウジングを、圧縮機の外形に対応する円形の形状とすることができる。

なお、前述の各実施形態では、圧縮機２，４９，５２の回転軸１１が水平方向の向きとなる横置きタイプを例示して説明したが、本発明は、圧縮機２，５０，５２の回転軸１１が鉛直方向の向きとなる縦置きタイプにも適用することができる。また、圧縮機２，５０，５２を駆動する駆動機３は、ハウジング８の外部に設けるようにしてもよい。駆動機３と圧縮機２，５０，５２との間に増速機（ギヤ）を介設することもできる。

本発明は、以上の実施形態で示した内容に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能であり、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１ 蒸発器
２，４９，５２ ターボ圧縮機
２Ｆ 圧縮機前段
２Ｒ 圧縮機後段
３ 電動モータ（駆動機）
４，５８ 凝縮器
８ ハウジング
２４，５１ 中間通路
２８ 中間冷却器
２９ 出口
４０，５０，５９ チューブ
Ｒ１，Ｒ２ 蒸気冷媒（気相の冷媒）
Ｒ３ 液状冷媒（液相の冷媒）
Ｗ１ 冷水（冷却対象物）
Ｓ 軸方向
Ｒ 径方向

Claims (8)

1. 蒸発器からの気相の冷媒を遠心式のターボ圧縮機により圧縮し、凝縮器により凝縮し、得られた液相の冷媒を前記蒸発器で蒸発させることにより、その気化熱で冷却対象物を冷却するターボ冷凍機であって、
   前記蒸発器と前記凝縮器のうち少なくとも前記凝縮器は、冷媒配管を形成する複数の直線状のチューブを有する直管形であり、かつ、少なくとも一部分が前記圧縮機に隣接し、かつ圧縮機の軸方向および径方向から見て重合する位置に配置されており、
   前記圧縮機の出口は軸方向から見て四角形であり、
   前記凝縮器は、第１の凝縮ユニットと第２の凝縮ユニットとを有し、
   前記両凝縮ユニットが、前記圧縮機における小径となった吸入側の径方向外側近傍で、径方向に相対向し、かつ前記出口の辺に沿って平行に延びるように水平に配置され、前記圧縮機のケーシングに支持されているターボ冷凍機。
2. 請求項１において、前記圧縮機は水平な軸方向を持ち、
   前記圧縮機は背面合せの２段遠心式であり、前記第１および第２の凝縮ユニットが、それぞれ圧縮機後段における小径となった吸入側の径方向外側近傍の上下位置で、前記出口の水平な上下辺に沿って平行に延びるように水平に配置されているターボ冷凍機。
3. 請求項１または２において、前記圧縮機は背面合せの２段遠心式であり、圧縮機前段から圧縮機後段に冷媒を導く中間通路と前記圧縮機後段との間に直管形の前記凝縮器が配置されているターボ冷凍機。
4. 請求項１から３のいずれか一項において、前記直管形の蒸発器の少なくとも一部が前記圧縮機と軸方向および径方向から見て重合しているターボ冷凍機。
5. 請求項１から４のいずれか一項において、前記圧縮機は背面合せの２段遠心式であり、前記蒸発器と凝縮器が前記圧縮機の両段のデフューザを挟んで軸方向に対向しているターボ冷凍機。
6. 請求項１から５のいずれか一項において、前記圧縮機は背面合せの２段遠心式であり、前記圧縮機前段から前記圧縮機後段へ導かれる冷媒を冷却する中間冷却器が前記凝縮器の後方に配置されているターボ冷凍機。
7. 請求項１から６のいずれか一項において、前記蒸発器が前記圧縮機の軸方向の一方に配置され、前記圧縮機を駆動する駆動機が他方に配置されているターボ冷凍機。
8. 請求項１から６のいずれか一項において、少なくとも前記蒸発器、圧縮機および凝縮器がハウジング内に収納されているターボ冷凍機。

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