JP6759388B2 - ターボ冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、地球温暖化係数（ＧＷＰ）およびオゾン破壊係数（ＯＤＰ）が共に低いＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒を用いて環境負荷を軽減したターボ冷凍機に関するものである。

ターボ冷凍機では、現在、Ｒ１３４ａ等のＨＦＣ冷媒が使用されている。このＨＦＣ冷媒は、オゾン破壊係数（ＯＤＰ）が０であるものの、地球温暖化係数（ＧＷＰ）が高いことが知られている。また、ターボ冷凍機では、軸受交換、潤滑油交換、油フィルタ交換等のための定期的なメンテナンスが必須であり、その際、冷凍サイクル内の冷媒を回収してメンテナンスを行うようにしているものの、冷凍機内から回収が不可能な冷媒や、潤滑油に溶け込んでいる冷媒があり、一部の冷媒が大気に放出される場合がある。これは、法規上特に問題はないものの、地球温暖化の観点から好ましいことではない。

一方、一部ターボ冷凍機において、オイルレス化によって潤滑油系統を省略化するとともに、圧縮機の高回転化による高圧縮比化や吸込風量の増加、モータの高回転化によるモータ小型化や軸受損失の低減、構成要素の簡易化による信頼性の向上やコスト低減等のため、インペラー（羽根車）の回転軸をモータに直結した圧縮機のモータ直結構造化を採用するとともに、その回転軸を磁気軸受で支持するようにしたものが提供されている（例えば、特許文献１，２参照）。しかし、多くのターボ冷凍機では、未だモータ軸により増速歯車を介してインペラー回転軸を駆動する構成としたものが多い。この場合、増速歯車を冷却・潤滑するための潤滑油系統が必須となり、潤滑油の交換や油フィルタの交換等のメンテナンスは避けられない。

こうした中、最近、ＧＷＰが５以下、ＯＤＰが０．０００３１で共に低く、飽和温度が１８℃以下で負圧となる特性を有するＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒が注目されている。このＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒は、低圧冷媒で密度が低く、従来、主にウレタン発泡剤して使用されていたものであるが、環境負荷を軽減できることから、ＨＣＦＯ（ヒドロクロロフルオロオレフィン）冷媒の１つとして、冷凍機への適用が検討されている。

特許第２８０９３４６号公報 特開２０１３−１２２３３１号公報

特に、低ＧＷＰ冷媒として注目を浴びているＨＣＦＯ冷媒の１つであるＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒は、ＧＷＰ、ＯＤＰがともに低く、環境負荷低減にとって好ましいものである一方、低圧冷媒であり、しかも密度が低い（Ｒ１３４ａ冷媒に対して５分の１程度）ことから、スクロール式やロータリ式等の容積型圧縮機を採用している冷凍機や空調機あるいはヒートポンプでは、能力の確保が困難であり、採用が難しいと考えられていた。

しかるに、遠心式の圧縮機であるターボ圧縮機は、大流量の冷媒圧縮に適しているとの特長を有する。発明者らは、かかる点に着目し、ターボ圧縮機を搭載した冷凍機に適用することにより、低圧冷媒であって密度が低く、飽和温度が１８℃以下で負圧となる等のＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒の特性を活かせるのではないかと考え、検討を重ねた結果、特定の構造を有するターボ圧縮機を備えたターボ冷凍機に適用することにより、Ｒ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒の特性を活かして環境負荷を軽減し得るターボ冷凍機を提供できる可能性を見出した。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、オイルレス化によりメンテナンスの頻度やメンテナンスによる冷媒放出の機会を低減し、低圧冷媒で飽和温度が１８℃以下で負圧となるＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒の特性を活かして環境負荷を軽減し得るターボ冷凍機を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明のターボ冷凍機は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるターボ冷凍機は、ターボ圧縮機、凝縮器、減圧装置および蒸発器が順次配管を介して接続されることにより閉サイクルの冷凍サイクルが構成され、そのサイクル内に冷媒が充填されているターボ冷凍機において、前記冷媒が、地球温暖化係数およびオゾン破壊係数が共に低い低圧冷媒であるＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒とされ、前記ターボ圧縮機が、インペラーの回転軸をモータに直結した直結構造のターボ圧縮機とされるとともに、前記モータは、ロータおよびステータを備え、モータハウジング内の中央部位に収容設置され、前記モータハウジングは、その内部空間を前記回転軸と交差する方向に拡張する拡張部を有し、前記拡張部は、前記回転軸と直交する方向から見て前記ロータと重ならない位置にのみ設けられており、前記拡張部は液体を貯留可能に構成され、前記回転軸を支持する軸受が、磁気軸受とされていることを特徴とする。

本発明によれば、冷媒を地球温暖化係数およびオゾン破壊係数が共に低い低圧冷媒であるＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒となし、ターボ圧縮機をインペラーの回転軸をモータに直結した直結構造のターボ圧縮機とするとともに、その回転軸を支持する軸受を磁気軸受としているため、増速歯車での動力損失や転がり軸受等での軸受損失を低減して、大流量の冷媒の圧縮に適しているターボ圧縮機の一層の高回転化を可能とすることによって、低圧冷媒であって密度が低く、また従来のＨＦＣ冷媒と比較すると音速が高いため、能力の確保が難しいとされていたＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒の弱点をカバーすることができるとともに、油による潤滑を必要とする増速歯車や転がり軸受等を省いてオイルレス化することにより、潤滑油や油フィルタの交換等の潤滑油系統のメンテナンスを省略化することができる。従って、低圧冷媒であって密度が低いＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒を適用しても所要の能力を確保することができる。また、メンテナンスの頻度やメンテナンスによる冷媒放出の機会を低減して飽和温度が１８℃以下で負圧となる冷媒の特性を活かし、冷媒の大気への放出を防止することによって環境負荷を軽減することができるとともに、潤滑油系統を省略化して構成をシンプル化し、低コストで信頼性の高いターボ冷凍機を提供することができる。

また、本発明にかかるターボ冷凍機は、ターボ圧縮機、凝縮器、減圧装置および蒸発器が順次配管を介して接続されることにより閉サイクルの冷凍サイクルが構成され、そのサイクル内に冷媒が充填されているターボ冷凍機において、前記冷媒が、地球温暖化係数およびオゾン破壊係数が共に低い低圧冷媒であるＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒とされ、前記ターボ圧縮機が、インペラーの回転軸をモータに直結した直結構造のターボ圧縮機とされるとともに、前記モータは、ロータおよびステータを備え、モータハウジング内の中央部位に収容設置され、前記モータハウジングは、その内部空間を前記回転軸と交差する方向に拡張する拡張部を有するとともに、該モータハウジングにおける該拡張部と他の部分との間に段差面が形成され、前記段差面は、前記回転軸と直交する方向から見て前記ロータを避けた位置にのみ設けられており、前記拡張部は液体を貯留可能に構成され、前記回転軸を支持する軸受が、磁気軸受とされていることを特徴とする。

本発明によれば、冷媒を地球温暖化係数およびオゾン破壊係数が共に低い低圧冷媒であるＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒となし、ターボ圧縮機をインペラーの回転軸をモータに直結した直結構造のターボ圧縮機とするとともに、その回転軸を支持する軸受をオイルレスのセラミック材製軸受としているため、増速歯車での動力損失や転がり軸受等での軸受損失を低減して、大流量の冷媒の圧縮に適しているターボ圧縮機の一層の高回転化を可能とすることによって、低圧冷媒であって密度が低く、また従来のＨＦＣ冷媒と比較すると音速が高いため、能力の確保が難しいとされていたＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒の弱点をカバーすることができるとともに、セラミック材製軸受を用い、油による潤滑を必要とする増速歯車を省いてオイルレス化することにより、潤滑油の交換や油フィルタの交換等のメンテナンスを省略化することができる。従って、低圧冷媒で密度が低いＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒を適用しても所要の能力を確保することができる。また、メンテナンスの頻度やメンテナンスによる冷媒放出の機会を大幅に低減して飽和温度が１８℃以下で負圧となる冷媒の特性を活かし、冷媒の大気への放出を防止することによって環境負荷を軽減することができるとともに、潤滑油系統を省略化して構成をシンプル化し、低コストで信頼性の高いターボ冷凍機を提供することができる。

さらに、本発明のターボ冷凍機は、上記のターボ冷凍機において、前記軸受の軸受箱および前記モータのエアギャップ部に対して、前記冷凍サイクル側から液冷媒が冷却・潤滑媒体として循環可能に構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、軸受の軸受箱およびモータのエアギャップ部に対して、冷凍サイクル側から液冷媒が冷却・潤滑媒体として循環可能に構成されているため、セラミック材製とされた軸受を液冷媒で冷却・潤滑することにより、その耐久性を向上することができるとともに、高回転化されるモータを液冷媒で冷却することにより冷却性能を確保し、その熱ロスやモータの温度過上昇による保護停止を抑止することができる。従って、オイルレス化しても軸受やモータを十分冷却・潤滑することができ、その耐久性や性能を向上した高性能で信頼性の高い、しかも環境負荷の小さいターボ冷凍機を提供することができる。

さらに、本発明のターボ冷凍機は、上記のターボ冷凍機において、前記モータのエアギャップ部に対して、前記液冷媒に替えて低圧ガス冷媒が供給可能とされていることを特徴とする。

本発明によれば、モータのエアギャップ部に対し、液冷媒に替えて低圧ガス冷媒が供給可能とされているため、冷却媒体として低圧ガス冷媒を供給することにより、液冷媒を供給した場合に比べ、モータによる撹拌損失を低減することができる。従って、モータを十分冷却して熱ロス等を低減することができるとともに、撹拌損失を更に低減してモータ効率を高め、より高回転化することができる。

さらに、本発明のターボ冷凍機は、上述のいずれかのターボ冷凍機において、前記モータのステータ内周面、ロータ外周面またはロータ端面に設けられているバランスリングの外周面の少なくともいずれか１箇所以上に、前記モータのエアギャップ部に供給された前記液冷媒または低圧ガス冷媒をその軸方向外側に流通する螺旋溝が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、モータのステータ内周面、ロータ外周面あるいはロータ端面に設けられているバランスリングの外周面の少なくともいずれか１箇所以上に、モータのエアギャップ部に供給された液冷媒または低圧ガス冷媒をその軸方向外側に流通する螺旋溝が設けられているため、エアギャップ部に供給された冷媒を螺旋溝によりその軸方向外側に流通させ、速やかに排出することができる。従って、冷媒によるモータの冷却効果をより向上することができるとともに、冷媒を撹拌することによるモータの風損を低減し、モータの効率を一層高めることができる。

本発明によると、増速歯車での動力損失や転がり軸受等での軸受損失を低減して、大流量の冷媒の圧縮に適しているターボ圧縮機の一層の高回転化を可能とすることにより、低圧冷媒であって密度が低く、また従来のＨＦＣ冷媒と比較すると音速が高いため、能力の確保が難しいとされていたＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒の弱点をカバーすることができるとともに、油による潤滑を必要とする増速歯車や転がり軸受をなくし、あるいはセラミック材製軸受を用いてオイルレス化することによって、潤滑油や油フィルタの交換等のメンテナンスを省略化することができる。また、メンテナンスの頻度やメンテナンスによる冷媒放出の機会を大幅に低減して飽和温度が１８℃以下で負圧となる冷媒の特性を活かし、冷媒の大気への放出を防止することによって環境負荷を軽減することができるとともに、潤滑油系統を省略化して構成をシンプル化し、低コストで信頼性の高いターボ冷凍機を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るターボ冷凍機の構成図である。 上記ターボ冷凍機に適用するターボ圧縮機の概略構成図である。 本発明の第２実施形態に係るターボ圧縮機の概略構成図である。 図３に示すターボ圧縮機の駆動モータの部分拡大図である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１および図２を用いて説明する。
図１には、その第１実施形態に係るターボ冷凍機の構成図が示され、図２には、それに適用されるターボ圧縮機の概略構成図が示されている。
ターボ冷凍機１は、図１に示されるように、ターボ圧縮機２と、凝縮器３と、第１減圧装置４と、エコノマイザとして機能する気液分離器５と、第２減圧装置６と、蒸発器７とが順次冷媒配管（配管）８を介して接続されることにより構成される閉サイクルの冷凍サイクル９を備えている。

本実施形態の冷凍サイクル９は、気液分離器５で分離されたガス冷媒をターボ圧縮機２の低段側圧縮部１４で圧縮された中間圧の冷媒中に、中間ポートを介してインジェクションする公知のエコノマイザ回路１０を備えたものとされている。このエコノマイザ回路１０は、気液分離器５を用いた気液分離方式のエコノマイザ回路１０とされているが、凝縮器３で凝縮液化された冷媒の一部を分流し、その冷媒を減圧して液冷媒と熱交換させる中間冷却器を設けた中間冷却器方式のエコノマイザ回路としてもよい。なお、エコノマイザ回路１０は、本発明において必須のものではない。

上記した冷凍サイクル９中には、地球温暖化係数（ＧＷＰ）が５以下、オゾン破壊係数（ＯＤＰ）が０．０００３１であって共に低く、飽和温度が１８℃以下で負圧となる特性を有するＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒が所要量充填されている。このＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒は、低ＧＷＰ冷媒であるＨＣＦＯ（ヒドロクロロフルオロオレフィン）冷媒の１つであり、低圧冷媒であって密度が低く、現行ターボ冷凍機に用いられているＨＦＣ冷媒の１つであるＲ１３４ａ冷媒に対して密度が５分の１程度であることが知られている。

本実施形態では、このＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒を充填したターボ冷凍機１に組み込まれるターボ圧縮機２を、以下の構成を有するターボ圧縮機２としている。
図２に、そのターボ圧縮機２の概略構成図が示されている。
ターボ圧縮機２は、公知の如く、回転するインペラー（羽根車）により低圧の冷媒ガスを高圧の冷媒ガスに遠心圧縮して冷凍サイクル９内を循環させるものである。

ここでのターボ圧縮機２は、モータ１９により駆動され、２段の低段側および高段側インペラー（羽根車）１５，１７を回転する回転軸１８が、モータ１９のロータ１９Ａに直結された直結構造とされるとともに、その回転軸１８がハウジング１１に対して、前後一対のラジアル磁気軸受２０，２１と、互いに対向配置されている一対のスラスト磁気軸受２３，２４とを介して回転自在に支持された構成のターボ圧縮機２とされている。

つまり、このターボ圧縮機２は、圧縮機ハウジング１１Ａと、モータハウジング１１Ｂとを一体化したハウジング１１を備え、蒸発器７で蒸発された低圧のガス冷媒を冷媒吸込み口１２から入口ベーン１３を介して吸込み、低段側インペラー１５を有する低段側圧縮部１４および高段側インペラー１７を有する高段側圧縮部１６により２段圧縮し、高温高圧のガス冷媒としてスクロールケーシングの吐出口から外部の凝縮器３へと吐出するものであり、低段側圧縮部１４と高段側圧縮部１６間において、エコノマイザ回路１０からの中間圧の冷媒ガスが中間ポートを介してインジェクションされる構成とされている。

２段の低段側インペラー１５および高段側インペラー１７は、回転軸１８の一端側に所定の間隔をおいてそれぞれ一体に結合され、更に、その回転軸１８がモータ１９のロータ１９Ａに結合されることによって、インペラー１５，１７の回転軸１８がモータ１９に直結された構造とされている。また、モータ１９は、ロータ１９Ａおよびステータ１９Ｂを備え、モータハウジング１１Ｂ内の略中央部位に収容設置され、図示省略のインバータを介して回転数が可変制御されるように構成されている。

更に、上記回転軸１８は、モータ１９の前後に設けられている一対のラジアル磁気軸受２０，２１によって回転自在に支持されるとともに、その後端部にスラストディスク２２が固定設置され、該スラストディスク２２を挟んで一対のスラスト磁気軸受２３，２４が対向配置されることによって支持される構成とされている。なお、一対のスラスト磁気軸受２３，２４は、コイルに供給される電流により磁気吸引力を発生し、その中央部位にスラストディスク２２を位置させることにより、回転軸１８にかかるスラスト荷重を支持するものである。

以上に説明の構成により、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
上記ターボ冷凍機１において、ターボ圧縮機２が駆動されることにより、蒸発器７で蒸発された低圧のガス冷媒が吸込み口１２から入口ベーン１３を介して吸込まれる。この低圧冷媒は、低段側圧縮部１４および高段側圧縮部１６において、それぞれ高回転する低段側インペラー１５および高段側インペラー１７によって低圧から中間圧、中間圧から高圧に２段階で遠心圧縮され、スクロールケーシングに吐出された後、そこから外部の凝縮器３へと圧送される。

凝縮器３で冷却媒体と熱交換して凝縮液化された冷媒は、第１減圧装置４、エコノマイザとして機能する気液分離器５、第２減圧装置６を経て過冷却されるとともに、低圧に減圧されて蒸発器７に導かれる。蒸発器７に導かれた低圧液冷媒は、被冷却媒体と熱交換されることにより、被冷却媒体から吸熱してその被冷却媒体を冷却するとともに、自身は蒸発ガス化され、再びターボ圧縮機２に吸込まれて圧縮される動作を繰り返す。

また、気液分離器５で分離、蒸発され、液冷媒を過冷却した冷媒は、エコノマイザ回路１０を介してターボ圧縮機２の中間ポートから低段側圧縮部１４で圧縮された中間圧の冷媒ガス中にインジェクションされることにより、冷凍能力を向上させるエコノマイザとしての作用を果たす。

このターボ冷凍機１の冷凍サイクル９内には、地球温暖化係数（ＧＷＰ）およびオゾン破壊係数（ＯＤＰ）が共に低く、低圧冷媒であって密度が低いＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒が充填されている。かかる冷媒は、冷凍能力の確保が難しいとされているが、本実施形態では、大流量の冷媒圧縮に好適とされるターボ圧縮機２を、更にインペラー１５，１７の回転軸１８をモータ１９に直結した構造のターボ圧縮機２とするとともに、その回転軸１８をラジアル磁気軸受２０，２１およびスラスト磁気軸受２３，２４で支持した構成のターボ圧縮機２として組み込んでいる。

このため、増速歯車での動力損失や転がり軸受等での軸受損失を低減して、大流量の冷媒の圧縮に適しているターボ圧縮機２の一層の高回転化を図ることにより、低圧冷媒であって密度が低く、またＨＦＣ冷媒と比較すると音速が高いため、能力の確保が難しいとされていたＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒を用いたことによる弱点をカバーすることができるとともに、油による潤滑を必要とする増速歯車や転がり軸受等を省いてオイルレス化することにより、潤滑油や油フィルタの交換等の潤滑油系統のメンテナンスを省略化することができる。

これによって、低圧冷媒であって密度が低いＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒を適用しても所要の能力を確保することができるとともに、メンテナンスの頻度やメンテナンスによる冷媒放出の機会を低減して飽和温度が１８℃以下で負圧となる冷媒の特性を活かし、冷媒の大気への放出を防止することにより環境負荷を軽減したターボ冷凍機１を提供することができる。また、潤滑油系統を省略化して構成をシンプル化し、低コストで信頼性の高いターボ冷凍機１を提供することができる。

なお、上記実施形態では、２段圧縮するターボ圧縮機２の例について説明したが、本発明において、ターボ圧縮機２は、２段圧縮するものに限らず、単段圧縮や、３段以上に多段圧縮するタイプのターボ圧縮機としてもよく、要はターボ圧縮機２が、インペラー（羽根車）の回転軸１８をモータ１９に直結した直結構造のターボ圧縮機２であって、その回転軸１８が磁気軸受によって支持されているものであればよい。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図３および図４を用いて説明する。
本実施形態は、上記した第１実施形態に対して、回転軸１８を回転自在に支持する軸受がオイルレスのセラミック材製軸受２５，２６とされている点が異なる。その他の点については、第１実施形態と同様であるので説明は省略する。
本実施形態では、回転軸１８を回転自在に支持する軸受をラジアル磁気軸受２０，２１およびスラスト磁気軸受２３，２４に替えて、図３に示されるように、オイルレスのセラミック材製すべり軸受あるいは転がり軸受２５，２６（以下、本発明ではセラミック材製軸受という。）とした構成としている。

ここでのセラミック材製軸受２５，２６は、窒化珪素を材料としたものであり、高い耐久性を確保し、オイルレスでも長寿命化できるようにしたものである。本実施形態においては、このセラミック材製軸受２５，２６を冷凍サイクル９側から抽出した液冷媒を介して冷却・潤滑可能な構成としている。つまり、冷凍サイクル９側から凝縮器３で凝縮液化された高圧液冷媒の一部あるいは凝縮器３から蒸発器７に至る配管または機器から低圧液冷媒の一部を冷媒抽出管２７により抽出し、その液冷媒を流量制御弁２８で流量を調整してセラミック材製軸受２５，２６の軸受箱２５Ａ，２６Ａに供給することにより、セラミック材製軸受２５，２６を液冷媒で冷却・潤滑できるようにしている。

また、本実施形態では、セラミック材製軸受２５，２６だけでなく、上記液冷媒によってモータ１９をも冷却できるように、冷媒抽出管２７、流量制御弁２８を経て導入される液冷媒の一部を、モータ１９のステータ１９Ｂに設けられている冷媒注入穴１９Ｃを介してモータ１９のエアギャップ部１９Ｄに導入し、ロータ１９Ａおよびステータ１９Ｂの双方を冷却可能な構成としている。このセラミック材製軸受２５，２６およびモータ１９を冷却した冷媒は、モータハウジング１１Ｂの冷媒溜まり２９に集められ、冷媒排出管３０を介して冷凍サイクル９側の蒸発器７等の低圧領域に戻されるようになっている。

さらに、上記エアギャップ部１９Ｄに導入された液冷媒を速やかに排出してモータ１９での風損を低減するため、図４に示されるように、モータ１９におけるロータ１９Ａの外周面、ステータ１９Ｂの内周面あるいはロータ１９Ａの端面に設けられているバランスリング３１の外周面の少なくともいずれか１箇所以上に、エアギャップ部１９Ｄに供給された液冷媒をその軸方向外側に向って流通させる螺旋溝３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃを設けた構成としている。なお、この螺旋溝３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃは、螺旋溝３２Ｃをバランスリング３１の外周面に設けるのが加工上から見て最も好ましいと思われる。

以上のように、回転軸１８を支持する軸受をオイルレスのセラミック材製軸受２５，２６とすることによっても、第１実施形態と同様、増速歯車での動力損失や転がり軸受等での軸受損失を低減して、大流量の冷媒圧縮に適しているターボ圧縮機２の一層の高回転化を図ることにより、低圧冷媒であって密度が低く、またＨＦＣ冷媒と比較すると音速が高いため、能力の確保が難しいとされていたＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒を用いたことによる弱点をカバーすることができるとともに、油による潤滑を必要とする増速歯車や転がり軸受等を省いてオイルレス化することにより、潤滑油や油フィルタの交換等の潤滑油系統のメンテナンスを省略化することができる。

このため、低圧冷媒であって密度が低いＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒を適用しても所要の能力を確保することができるとともに、メンテナンスの頻度やメンテナンスによる冷媒放出の機会を低減して飽和温度が１８℃以下で負圧となる冷媒の特性を活かし、冷媒の大気への放出を防止することによって環境負荷を軽減したターボ冷凍機１を提供することができる。また、潤滑油系統を省略化して構成をシンプル化し、低コストで信頼性の高いターボ冷凍機１を提供することができる。

また、セラミック材製軸受２５，２６の軸受箱２５Ａ，２６Ａおよびモータ１９のエアギャップ部１９Ｄに対し、冷凍サイクル９側から冷媒抽出管２７、流量制御弁２８および冷媒排出管３０を介して液冷媒が冷却・潤滑媒体として循環可能とされているため、セラミック材製軸受２５，２６を液冷媒で冷却・潤滑することにより、その耐久性を向上することができるとともに、高回転化されるモータ１９を液冷媒で冷却することにより冷却性能を確保し、その熱ロスや保護停止を抑止することができる。従って、オイルレス化してもセラミック材製軸受２５，２６やモータ１９を十分冷却・潤滑することができ、その耐久性や性能を向上した高性能で信頼性の高い、しかも環境負荷の小さいターボ冷凍機１を提供することができる。

さらに、上記実施形態では、モータ１９におけるステータ１９Ｂの内周面、ロータ１９Ａの外周面あるいはロータ端面に設けられているバランスリング３１の外周面の少なくともいずれか１箇所以上に、モータ１９のエアギャップ部１９Ｄに供給された液冷媒をその軸方向外側に流通させる螺旋溝３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃを設けている。このため、エアギャップ部１９Ｄに供給された液冷媒を、その螺旋溝３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃによって軸方向外側に流通させ、速やかに排出することができる。従って、液冷媒によるモータ１９の冷却効果をより向上することができるとともに、液冷媒を撹拌することによるモータ１９の風損を低減し、モータ効率を一層高めることができる。

また、上記実施形態においては、モータ１９を冷媒注入穴１９Ｃから高圧液冷媒または低圧液冷媒を導入して冷却するようにしているが、これら液冷媒に替えて蒸発器７で蒸発して低圧ガス冷媒を導入してモータ１９を冷却する構成としてもよい。このように、モータ１９の冷却媒体として低圧ガス冷媒を導入する構成とすることによって、液冷媒を導入した場合に比べ、モータ１９による撹拌損失を低減することができるため、モータ１９を十分冷却して熱ロス等を低減することができるとともに、撹拌損失を更に低減してモータ１９の効率を高め、より高回転化することができる。

なお、本発明は、上記実施形態にかかる発明に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。例えば、上記実施形態では、エコノマイザ回路１０を備えた冷凍サイクル９に適用した例について説明したが、ターボヒートポンプのヒートポンプサイクルにも同様に適用できることはもちろんである。また、上記第１実施形態において、磁気軸受２０，２１，２３，２４およびモータ１９を第２実施形態の如く、冷媒を用いて冷却可能な構成としてもよい。

１ ターボ冷凍機
２ ターボ圧縮機
３ 凝縮器
４ 第１減圧装置
５ 気液分離器
６ 第２減圧装置
７ 蒸発器
８ 冷媒配管（配管）
９ 冷凍サイクル
１４ 低段側圧縮部
１５ 低段側インペラー（羽根車）
１６ 高段側圧縮部
１７ 高段側インペラー（羽根車）
１８ 回転軸
１９ モータ
１９Ａ ロータ
１９Ｂ ステータ
１９Ｃ 冷媒注入穴
１９Ｄ エアギャップ部
２０，２１ ラジアル磁気軸受
２３，２４ スラスト磁気軸受
２５，２６ セラミック材製軸受
２５Ａ，２６Ａ 軸受箱
２７ 冷媒抽出管
２８ 流量制御弁
２９ 冷媒溜まり
３０ 冷媒排出管
３１ バランスリング
３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ 螺旋溝

Claims (7)

1. ターボ圧縮機、凝縮器、減圧装置および蒸発器が順次配管を介して接続されることにより閉サイクルの冷凍サイクルが構成され、そのサイクル内に冷媒が充填されているターボ冷凍機において、
   前記冷媒が、地球温暖化係数およびオゾン破壊係数が共に低い低圧冷媒であるＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒とされ、
   前記ターボ圧縮機が、インペラーの回転軸をモータに直結した直結構造のターボ圧縮機とされるとともに、
   前記モータは、ロータおよびステータを備え、モータハウジング内の中央部位に収容設置され、
   前記モータハウジングは、その内部空間を前記回転軸と交差する方向に拡張する拡張部を有し、
   前記拡張部は、前記回転軸と直交する方向から見て前記ロータと重ならない位置にのみ設けられており、
   前記拡張部は液体を貯留可能に構成され、
   前記回転軸を支持する軸受が、磁気軸受とされていることを特徴とするターボ冷凍機。
2. ターボ圧縮機、凝縮器、減圧装置および蒸発器が順次配管を介して接続されることにより閉サイクルの冷凍サイクルが構成され、そのサイクル内に冷媒が充填されているターボ冷凍機において、
   前記冷媒が、地球温暖化係数およびオゾン破壊係数が共に低い低圧冷媒であるＲ１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒とされ、
   前記ターボ圧縮機が、インペラーの回転軸をモータに直結した直結構造のターボ圧縮機とされるとともに、
   前記モータは、ロータおよびステータを備え、モータハウジング内の中央部位に収容設置され、
   前記モータハウジングは、その内部空間を前記回転軸と交差する方向に拡張する拡張部を有するとともに、該モータハウジングにおける該拡張部と他の部分との間に段差面が形成され、
   前記段差面は、前記回転軸と直交する方向から見て前記ロータを避けた位置にのみ設けられており、
   前記拡張部は液体を貯留可能に構成され、
   前記回転軸を支持する軸受が、磁気軸受とされていることを特徴とするターボ冷凍機。
3. 前記拡張部は、前記冷媒が集められる冷媒溜まりである請求項１または請求項２に記載のターボ冷凍機。
4. 前記拡張部は、前記モータハウジングの内部空間を重力方向に拡張する請求項１または請求項２に記載のターボ冷凍機。
5. 前記拡張部は、前記回転軸と直交する方向から見て前記モータと前記インペラーとの間に配置されている請求項１に記載のターボ冷凍機。
6. 前記段差面は、前記回転軸と直交する方向から見て前記モータと前記インペラーとの間に配置されている請求項２に記載のターボ冷凍機。
7. 前記拡張部に冷媒排出管が接続されている請求項１または請求項２に記載のターボ冷凍機。

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