JP6022979B2 - ターボ冷凍機の圧縮機用電動機 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ冷凍機における圧縮機用電動機に係り、特にターボ冷凍機においてターボ圧縮機を駆動する電動機に冷凍サイクルから冷媒の一部を導いて電動機を冷却する方式の圧縮機用電動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。

図１は、従来のターボ冷凍機の一例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、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。

図１に示すターボ冷凍機においては、ターボ圧縮機１は多段ターボ圧縮機から構成されており、電動機１１によって駆動されるようになっている。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（この例では一段目と二段目の間の部分）に導入されるようになっている。

ターボ圧縮機の電動機の多くは、分割型のケーシングに密閉状態で収容されている半密閉型の電動機である。図１に示す電動機１１も半密閉型の電動機が例示されている。図１に示すように、電動機１１の回転軸１２は軸受によって回転支持され、回転軸１２の軸端には増速機１４が設けられており、圧縮機の羽根車１５を支持する羽根車軸１６を増速回転させて、圧縮機の所定の圧力ヘッドおよび風量を確保している。

図１に示すように、凝縮器２とエコノマイザ４とを接続する冷媒配管５から分岐して、冷媒を凝縮器側から電動機１１に導く冷媒供給配管５ＢＰが設置されている。冷媒供給配管５ＢＰは電動機１１のモータケーシング１７に接続されており、凝縮器２で凝縮した冷媒が電動機１１のケーシング１７内に導入されるようになっている。すなわち、電動機発熱の冷却には、冷凍サイクルの液冷媒を電動機１１のモータケーシング１７内のステータ，回転軸，コイル等に噴霧して液冷媒の蒸発潜熱を利用している。

一方、増速機１４を収容するギアケーシング１８の下部には油溜め１９が設けられており、ポンプＰによって油溜め１９から軸受や増速機１４に冷媒と相溶性の有る油を給油することにより、軸受や増速機１４の潤滑や冷却を行っている。油溜め１９のあるギアケーシング１８とモータケーシング１７とは、回転軸１２が貫通する貫通孔で連通しているため、油が冷媒系統に漏洩し、油溜め１９の油面が低下して給油機能が損なわれる、あるいは冷媒が油系統に漏洩して油の温度が低下し所定の油粘度が確保できない、冷凍能力に寄与しない冷媒ガスが冷凍サイクルの高圧部から低圧部にバイパスすることで冷凍機の効率低下を引き起こすという問題がある。そのため、油溜め１９を有したギアケーシング１８とモータケーシング１７の連通孔には、内面に歯型加工をしたラビリンスシールＬＳを設け、軸シール機能を確保している。また、回転軸１２の他端側にも同様のラビリンスシールＬＳが設けられている。

図２（ａ）は、図１に示す電動機１１のモータケーシング１７およびギアケーシング１８を回転軸１２が貫通する部分に設けられたラビリンスシールＬＳを示す要部拡大断面図である。図２（ａ）に示すように、電動機の回転軸１２は、モータケーシング１７の端部に設けられたラビリンスシール部材２０を貫通しており、ラビリンスシール部材２０の内周面にラビリンスシールＬＳが設けられている。

ラビリンスシール部材２０は、略円筒状の本体部２１と本体部２１から外周側に延びるフランジ部２２とから構成されている。略円筒状の本体部２１は、内周面に１群の歯列からなるラビリンスシールＬＳを有している。フランジ部２２は、外周部に複数のボルト孔２２ｈを有し、ボルトによってモータケーシング１７に固定されるようになっている。略円筒状の本体部２１の内端側の内径Ｄ１は、ラビリンスシールＬＳの内径ｄより大きくなっており、本体部２１の内周面と回転軸１２の外周面との間には環状空間Ｓが形成されている。

特開２０００−２９１５８７号公報

図２（ａ）に示すような構造のラビリンスシール部材２０にあっては、ラビリンスシールＬＳはガスのシールを目的としており、液のシール機能は皆無である。そのため、図２（ｂ）に示すように、冷媒ガスは高圧側から環状空間Ｓを介して低圧側のラビリンスシールＬＳに向かって流れ、ラビリンスシールＬＳ内に流入するが、ラビリンスシールＬＳ内に流入した冷媒ガスの流れに乗って液冷媒がラビリンスシールＬＳを通過してしまうという問題がある。
冷媒の油系統への漏洩と油の冷媒系統への漏洩は、共に装置の運転継続に対するリスクが高まるが、特に油の冷媒系統への漏洩は、油溜め１９（図１参照）の油面の低下を引き起こし、給油機能が損なわれ、軸受焼損等による装置の破損に繋がる重大なリスクがある。

上記理由よりモータケーシング１７（図１参照）は油溜め１９のあるギアケーシング１８より高い圧力を維持し、油の冷媒系統への漏洩を最小限に抑える必要がある。
とは言っても、電動機内の液冷媒がラビリンスシールＬＳを通過し、油溜め１９のあるギアケーシング１８内に多量に漏洩することは、上述したように油粘度の低下や、冷凍機の効率低下を引き起こすため、液冷媒がなるべくラビリンスシールＬＳの歯列付近に滞留しない構造を取る必要がある。

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、ターボ圧縮機を駆動する電動機の回転軸の軸シールを行うラビリンスシールの部分から油溜めのあるケーシングへの液冷媒の漏洩を低減することによって、油温の低下による油粘度の低下を防止し、かつ冷凍機の効率低下を防止することができるターボ冷凍機の圧縮機用電動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、本発明のターボ冷凍機の圧縮機用電動機は、冷水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、冷媒を羽根車によって圧縮するターボ圧縮機と、圧縮された冷媒ガスを冷却水で冷却して凝縮させる凝縮器とを備えたターボ冷凍機において前記ターボ圧縮機を駆動する電動機であって、前記電動機の回転軸の外周面と対向して軸シールを行うための歯列からなるラビリンスシールを有したラビリンスシール部材を設け、前記ラビリンスシール部材は、前記歯列からなるラビリンスシールより前記回転軸の軸方向の中央部寄りに、前記回転軸の中央部側に向かって末広がりになった略円錐台状の内周面を有する延長部を備え、前記ラビリンスシール部材は、前記歯列からなるラビリンスシールと前記延長部との間に、前記回転軸との間に環状空間を形成する円筒部を備え、該円筒部の垂直方向の底部に液冷媒を排出する排出口を形成し、前記回転軸は、前記排出口に対向した位置に円周溝を有することを特徴とする。

本発明のラビリンスシール部材は、内周面に１群の歯列からなるラビリンスシールを有することに加えて、回転軸の中央部側に向かって末広がりになった円錐台形状の内周面を有した延長部を備えている。そのため、冷媒ガスは高圧側から延長部の内部を介して低圧側のラビリンスシールに向かって流れ、ラビリンスシール内に流入するのに対し、液冷媒は、冷媒ガスよりも重いために、ガスの流れに乗って延長部の下部側に多くが流入するが、延長部は内周面が末広がりの円錐台形状になっていて延長部の内周面の下部は下方に傾斜した下り勾配になっているため、液冷媒は延長部の内周面の下り勾配に沿って延長部から流れ落ちる。したがって、冷媒ガスの流れに乗ってラビリンスシールを通過してしまう液冷媒の量を最小限に抑えることができる。

本発明によれば、ラビリンスシール部材の延長部より低圧側にある円筒部に液冷媒が流入しても、液冷媒は円筒部の底部にある排出口から排出される。したがって、冷媒ガスの流れに乗ってラビリンスシールを通過してしまう液冷媒の量を最小限に抑えることができる。

本発明によれば、回転軸を伝って低圧側に流れる液冷媒は、回転軸の円周溝内に流入すると、円周溝の処で流れが遮断され、回転する回転軸の遠心力によって液冷媒は飛ばされて排出孔から外部へ排出される。したがって、冷媒ガスの流れに乗ってラビリンスシールを通過してしまう液冷媒の量を更に低減することができる。

本発明の好ましい態様によれば、前記延長部における垂直方向の下部側の内周面は、下方に傾斜した下り勾配になっていることを特徴とする。

本発明のターボ冷凍機は、冷水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、冷媒を羽根車によって圧縮するターボ圧縮機と、圧縮された冷媒ガスを冷却水で冷却して凝縮させる凝縮器とを備えたターボ冷凍機において、前記ターボ圧縮機を駆動する電動機は、請求項１または２記載の圧縮機用電動機であることを特徴とする。
本発明によれば、ラビリンスシールの本来の機能であるガスのシールと、液冷媒の油系統への漏洩防止とを両立させることができ、冷凍機の安定した運転が可能となる。

本発明は、以下に列挙する効果を奏する。
（１）電動機の回転軸の軸シールを行うラビリンスシールの部分から液溜めのあるケーシングへの液冷媒の漏洩を低減することができる。したがって、油温の低下による油粘度の低下を防止することができるとともに冷凍機の効率低下を防止することができる。
（２）ラビリンスシールの本来の機能であるガスのシールと、液冷媒の油系統への漏洩防止とを両立させることができ、冷凍機の安定した運転が可能となる。

図１は、従来のターボ冷凍機の一例を示す模式図である。 図２（ａ），（ｂ）は、図１に示すターボ冷凍機における電動機のモータケーシングおよびギアケーシングを回転軸が貫通する部分に設けられたラビリンスシールを示す要部拡大図である。 図３（ａ），（ｂ）は、本発明のターボ冷凍機の圧縮機用電動機におけるラビリンスシール部材と回転軸の構成を示す模式的断面図である。 図４（ａ），（ｂ）は、本発明のターボ冷凍機の圧縮機用電動機におけるラビリンスシール部材と回転軸の他の構成を示す模式的断面図である。

以下、本発明に係るターボ冷凍機の圧縮機用電動機の実施形態を図３および図４を参照して説明する。
本発明に係るターボ冷凍機の圧縮機用電動機は、図１に示すターボ圧縮機１に設けられた電動機１１と基本的な構成は同一であり、ラビリンスシール部材２０および回転軸１２のみが異なっている。したがって、以下の説明おいては、本発明の電動機におけるラビリンスシール部材２０および回転軸１２の構成を説明する。

図３（ａ）は、本発明のターボ冷凍機の圧縮機用電動機におけるラビリンスシール部材２０と回転軸１２の構成を示す模式的断面図である。図３（ａ）に示すように、電動機の回転軸１２は、モータケーシング１７（図１参照）の端部に設けられたラビリンスシール部材２０を貫通しており、ラビリンスシール部材２０の内周面にラビリンスシールＬＳが設けられている。ラビリンスシールＬＳのシール機能を十分確保するために、ラビリンスシールＬＳと回転軸１２とのクリアランスは直径方向で０．１ｍｍ程度と非常に狭い構造となっている。ラビリンスシール部材２０は、略円筒状の本体部２１と本体部２１から外周側に延びるフランジ部２２とから構成されている。フランジ部２２は、外周部に複数のボルト孔２２ｈを有し、ボルトによってモータケーシング１７に固定されるようになっている。略円筒状の本体部２１の内端側の内径Ｄ１は、ラビリンスシールＬＳの内径ｄより大きくなっており、本体部２１の内周面と回転軸１２の外周面との間には環状空間Ｓが形成されている。

本発明のラビリンスシール部材２０における略円筒状の本体部２１は、図２に示すラビリンスシール部材２０における本体部２１より長尺になっており、環状空間Ｓを形成する内径Ｄ１の円筒部から更に回転軸１２の中央部側に向かって延びている。すなわち、本発明のラビリンスシール部材２０における略円筒状の本体部２１は、内周面に１群の歯列からなるラビリンスシールＬＳと環状空間Ｓを有することに加えて、環状空間Ｓを形成する内径Ｄ１の円筒部から更に回転軸１２の中央部側に向かって末広がりになった延長部２１ｅを有している。すなわち、延長部２１ｅは、回転軸２１の中央部側に向かって末広がりになった円錐台形状の内周面ＩＳを有しており、延長部２１ｅの基端は内径Ｄ１であり、延長部２１ｅの先端はＤ１より大きい内径Ｄ２である。そして、円錐台形状の内周面ＩＳの頂角（θ）は４５°〜６０°に設定されている。

図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すラビリンスシール部材２０の作用を示す模式的断面図である。図３（ｂ）において、回転軸１２の軸線１２ｘは水平方向に位置し、図３（ｂ）の紙面の上部が垂直方向の上方、下部が垂直方向の下方として説明する。図３（ｂ）に示すように、冷媒ガスは高圧側から延長部２１ｅの内部および環状空間Ｓを介して低圧側のラビリンスシールＬＳに向かって流れ、ラビリンスシールＬＳ内に流入する。一方、液冷媒は、冷媒ガスよりも重いために、ガスの流れに乗って延長部２１ｅの下部側に多くが流入する。しかしながら、延長部２１ｅは内周面ＩＳが末広がりの円錐台形状になっていて延長部２１ｅの内周面ＩＳの下部は下方に傾斜した下り勾配になっているため、液冷媒は延長部２１ｅの内周面ＩＳの下り勾配に沿って延長部２１ｅから流れ落ちる。したがって、冷媒ガスの流れに乗ってラビリンスシールＬＳを通過してしまう液冷媒の量を最小限に抑えることができる。

図４（ａ）は、本発明のターボ冷凍機の圧縮機用電動機におけるラビリンスシール部材２０と回転軸１２の他の構成を示す模式的断面図である。図４（ａ）において、回転軸１２の軸線１２ｘは水平方向に位置し、図４（ａ）の紙面の上部が垂直方向の上方、下部が垂直方向の下方として説明する。図４（ａ）に示すように、ラビリンスシール部材２０の本体部２１は、環状空間Ｓを形成する内径Ｄ１の円筒部の底部に液冷媒を排出するための排出孔２１ｈを有している。一方、回転軸１２には、排出孔２１ｈに対向する位置に円周溝１２ｇが形成されている。図４（ａ）に示すラビリンスシール部材２０および回転軸１２のその他の構成は、図３（ａ）に示すラビリンスシール部材２０および回転軸１２の構成と同様である。

図４（ｂ）は、図４（ａ）に示すラビリンスシール部材２０および回転軸１２の作用を示す模式的断面図である。図４（ｂ）に示すように、冷媒ガスは高圧側から延長部２１ｅの内部および環状空間Ｓを介して低圧側のラビリンスシールＬＳに向かって流れ、ラビリンスシールＬＳ内に流入する。一方、液冷媒は、冷媒ガスよりも重いために、ガスの流れに乗って延長部２１ｅの下部側に多くが流入する。しかしながら、延長部２１ｅは内周面ＩＳが末広がりの円錐台形状になっていて延長部２１ｅの内周面ＩＳの下部は下方に傾斜した下り勾配になっているため、液冷媒は延長部２１ｅの内周面ＩＳの下り勾配に沿って延長部２１ｅから流れ落ちる。したがって、冷媒ガスの流れに乗ってラビリンスシールＬＳを通過してしまう液冷媒の量を最小限に抑えることができる。

さらに、図４（ｂ）に示す実施形態においては、回転軸１２を伝って低圧側に流れる液冷媒は、回転軸１２の円周溝１２ｇ内に流入すると、円周溝１２ｇの処で流れが遮断され、回転する回転軸１２の遠心力によって液冷媒は飛ばされて排出孔２１ｈから外部へ排出される。したがって、本実施形態によれば、冷媒ガスの流れに乗ってラビリンスシールＬＳを通過してしまう液冷媒の量を更に低減することができる。

図３および図４においては、ギアケーシング１８側のラビリンスシールＬＳを例示したが、ギアケーシング１８と反対側にあって回転軸１２の軸端部にあるラビリンスシールＬＳ（図１参照）も同様の構成である。
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 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
５ＢＰ 冷媒供給配管
８ 冷媒配管
１１ 電動機
１２ 回転軸
１２ｇ 円周溝
１４ 増速機
１５ 羽根車
１６ 羽根車軸
１７ モータケーシング
１８ ギアケーシング
１９ 油溜め
２０ ラビリンスシール部材
２１ 本体部
２１ｅ 延長部
２１ｈ 排出孔
２２ フランジ部
２２ｈ ボルト孔
ＩＳ 内周面
ＬＳ ラビリンスシール
Ｓ 環状空間

Claims (3)

1. 冷水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、冷媒を羽根車によって圧縮するターボ圧縮機と、圧縮された冷媒ガスを冷却水で冷却して凝縮させる凝縮器とを備えたターボ冷凍機において前記ターボ圧縮機を駆動する電動機であって、
   前記電動機の回転軸の外周面と対向して軸シールを行うための歯列からなるラビリンスシールを有したラビリンスシール部材を設け、
   前記ラビリンスシール部材は、前記歯列からなるラビリンスシールより前記回転軸の軸方向の中央部寄りに、前記回転軸の中央部側に向かって末広がりになった略円錐台状の内周面を有する延長部を備え、
   前記ラビリンスシール部材は、前記歯列からなるラビリンスシールと前記延長部との間に、前記回転軸との間に環状空間を形成する円筒部を備え、該円筒部の垂直方向の底部に液冷媒を排出する排出口を形成し、
   前記回転軸は、前記排出口に対向した位置に円周溝を有することを特徴とするターボ冷凍機の圧縮機用電動機。
2. 前記延長部における垂直方向の下部側の内周面は、下方に傾斜した下り勾配になっていることを特徴とする請求項１記載のターボ冷凍機の圧縮機用電動機。
3. 冷水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、冷媒を羽根車によって圧縮するターボ圧縮機と、圧縮された冷媒ガスを冷却水で冷却して凝縮させる凝縮器とを備えたターボ冷凍機において、
   前記ターボ圧縮機を駆動する電動機は、請求項１または２記載の圧縮機用電動機であることを特徴とするターボ冷凍機。

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