JP6884507B2 - ターボ圧縮機、これを備えたターボ冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、低圧冷媒を圧縮するターボ圧縮機、これを備えたターボ冷凍装置に関するものである。

例えば地域冷暖房の熱源用として使用されているターボ冷凍装置は、周知のように、電動機で駆動される遠心タービン型のターボ圧縮機を備えている。従来からターボ冷凍装置に使用されているＨＦＣ（Hydro-Fluoro-Carbon）冷媒は、ＧＷＰ（地球温暖化係数）が数百〜数千であり、ＧＷＰが１桁レベルのＨＦＯ（Hydro-Fluoro-Olefin）冷媒への転換が急務となっている。

例えば、ＨＦＯ−１２３３ｚｄ（Ｅ）等の、最高圧力０．２ＭＰａＧ未満で使用される低圧冷媒は、従来のＨＦＣ−１３４ａ等の高圧冷媒に比べてガス比体積が大きい特性を持つため、チラー用冷媒とした場合に、ターボ圧縮機の吸込部における冷媒ガス密度が約１／５程度に小さくなる。このため、高圧冷媒と同等の冷凍能力を発揮させるためには、ターボ圧縮機のインペラ径を大きくする必要がある。

また、同形状の冷凍装置で広い冷凍能力範囲を運転可能とするためにもインペラ径を大きく設計することが望ましい。インペラ径が大きくなることで、必要とされるインペラ周速度を満足する軸回転数が低くなる。このため、特許文献１に開示されているターボ圧縮機のように、増速ギアを用いずに電動機とインペラを同軸駆動とすることができ、その結果として増速ギアの潤滑が不要となり、ターボ圧縮機の構造を簡素化することができる。

特許第３７１６０６１号公報

しかしながら、インペラ径の増大により、回転軸のインペラ装着側端部のオーバーハング重量が大きくなり、回転軸の固有振動数が低下（Ｑ値が増大）するため、必要な回転数範囲における共振回避が困難になる。このため、回転振動が発生する虞があり、これが機械損失となってターボ冷凍装置の効率を低下させたり、回転軸を破損させたりする懸念がある。

また、ガス密度の低い低圧冷媒を圧縮するためには電動機の回転数を大幅に増大させなければならず（例：６０Ｈｚから２００Ｈｚ）、このような電動機の高速回転化と、冷媒ガス密度の低下による電動機冷却性の低下とにより、電動機から回転軸への入熱量が多くなる。このため、回転軸の熱伸び量が多くなり、上述の機械損失や回転振動を助長させる虞がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、最高圧力０．２ＭＰａＧ未満で使用される低圧冷媒を圧縮するターボ圧縮機において、回転軸の熱伸びや回転振動に起因する機械損失を抑制し、ターボ冷凍装置の効率を高めることができるターボ圧縮機、これを備えたターボ冷凍装置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、本発明は、以下の手段を採用する。
本発明の第１態様に係るターボ圧縮機は、最高圧力０．２ＭＰａＧ未満で使用される低圧冷媒を圧縮するものであって、回転軸と、前記回転軸の中間部に同軸的に設けられて前記回転軸を回転駆動する電動機と、前記回転軸の一端に固定されて圧縮部を構成するインペラと、前記電動機と前記インペラとの間で前記回転軸を軸支する第１の軸受と、前記回転軸の他端を軸支する第２の軸受と、を備え、前記第１の軸受が転がり軸受であり、前記第２の軸受が滑り軸受であり、前記転がり軸受は前記回転軸の軸方向の移動を許容しないことを特徴とする。

上記構成のターボ圧縮機によれば、回転軸を支持する２つの軸受のうちの１方が滑り軸受であり、滑り軸受は回転軸の軸方向への動きを許容するため、電動機からの入熱によって回転軸が軸方向に熱伸びした場合に、滑り軸受において回転軸が軸方向に移動することによって熱伸びが吸収される。

また、滑り軸受は、回転軸のジャーナル部と軸受メタルとの間に介在する潤滑油の油膜が緩衝体となって回転軸の振れを減衰させる作用がある。このため、回転軸の固有振動数を高める（Ｑ値を低減させる）ことができ、これにより回転軸に回転振動が発生することを抑制できる。

上記のように、回転軸の熱伸びを吸収するとともに、回転振動を抑制することができるため、機械損失を低減させてターボ冷凍装置の効率を高めることができる。

圧縮部を構成するインペラの側に配置される第１の軸受を転がり軸受とすることにより、回転軸が熱伸びした際に、この熱伸びはインペラから離れた第２の軸受において吸収され、インペラに近い第１の軸受においては回転軸が軸方向に移動しない。

このため、ケーシングとの間の隙間精度が厳しいインペラが軸方向に移動してケーシングに接触する懸念がなく、インペラとケーシングとの間の隙間を精度良く狭い状態に維持し、ターボ圧縮機の効率低下を抑制することができる。

上記構成のターボ圧縮機において、前記滑り軸受に軸支される前記回転軸のジャーナル部の外径を、前記回転軸の基本外径よりも太くした構成としてもよい。

このように、滑り軸受に軸支される回転軸のジャーナル部の外径を太くすることにより、軸受メタルの内周面とジャーナル部の外周面とが広い面積で対面するため、その間に介在する潤滑油の油膜による緩衝作用を高めることができる。このため、回転軸の回転振動をより効果的に抑制することができる。

上記構成のターボ圧縮機において前記第２の軸受を潤滑する潤滑油の粘度範囲を、ＶＧグレード１００〜２２０の範囲に設定してもよい。

このように潤滑油の粘度範囲を設定することにより、滑り軸受における潤滑油膜による緩衝作用を高め、回転軸の回転振動をさらに効果的に抑制することができる。

本発明の第２態様に係るターボ冷凍装置は、最高圧力０．２ＭＰａＧ未満で使用される低圧冷媒を圧縮する上記のいずれかに記載のターボ圧縮機と、前記ターボ圧縮機によって圧縮された前記低圧冷媒を凝縮させる凝縮器と、膨張した前記低圧冷媒を蒸発させる蒸発器と、を具備してなることを特徴とする。

上記構成のターボ冷凍装置によれば、ターボ圧縮機における回転軸の熱伸びや回転振動に起因する機械損失が抑制されるため、効率を高めることができる。

以上のように、本発明に係るターボ圧縮機、これを備えたターボ冷凍装置によれば、最高圧力０．２ＭＰａＧ未満で使用される低圧冷媒を圧縮するターボ圧縮機において、回転軸の熱伸びや回転振動に起因する機械損失を抑制し、ターボ冷凍装置の効率を高めることができる。

本発明の実施形態に係るターボ冷凍装置の全体図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿うターボ圧縮機の縦断面図である。

以下に、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は、本発明の実施形態に係るターボ冷凍装置の全体図である。このターボ冷凍装置１は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機２と、凝縮器３と、高圧膨張弁４と、中間冷却器５と、低圧膨張弁６と、蒸発器７と、潤滑油タンク８と、回路箱９と、インバータユニット１０と、操作盤１１等を備えてユニット状に構成されている。潤滑油タンク８は、ターボ圧縮機２の軸受や増速器等に供給する潤滑油を貯留するタンクである。

凝縮器３と蒸発器７は耐圧性の高い円胴シェル形状に形成され、その軸線を略水平方向に延在させた状態で互いに隣り合うように平行に配置されている。凝縮器３は蒸発器７よりも相対的に高い位置に配置され、その下方に回路箱９が設置されている。中間冷却器５と潤滑油タンク８は、凝縮器３と蒸発器７との間に挟まれて設置されている。インバータユニット１０は凝縮器３の上部に設置され、操作盤１１は蒸発器７の上方に配置されている。潤滑油タンク８と回路箱９とインバータユニット１０と操作盤１１は、それぞれ平面視でターボ冷凍装置１の全体輪郭から大きくはみ出さないように配置されている。

ターボ圧縮機２は、電動機１３によって回転駆動される遠心タービン型のものであり、その軸線を略水平方向に延在させた姿勢で蒸発器７の上方に配置されている。電動機１３はインバータユニット１０によって駆動される。ターボ圧縮機２は後述するように蒸発器７から吸入管１４を経て供給される気相状の冷媒を圧縮する。冷媒としては、最高圧力０．２ＭＰａＧ未満で使用され、ＧＷＰが極めて低いＲ１２３３ｚｄ（Ｅ），Ｒ１２３３ｚｄ（Ｚ），Ｒ１２３４ｚｅ（Ｚ）等の低圧冷媒が用いられる。

ターボ圧縮機２の吐出口と凝縮器３の上部との間が吐出管１５により接続され、凝縮器３の底部と中間冷却器５の底部との間が冷媒管１６により接続されている。また、中間冷却器５の底部と蒸発器７との間が冷媒管１７により接続され、中間冷却器５の上部とターボ圧縮機２の中段との間が冷媒管１８により接続されている。冷媒管１６には高圧膨張弁４が設けられ、冷媒管１７には低圧膨張弁６が設けられている。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿うターボ圧縮機の縦断面図である。
ターボ圧縮機２は、その外殻を形成する段付き円筒状のケーシング２１と、電動機１３と、圧縮部２３と、回転軸２５と、転がり軸受２７（第１の軸受）と、滑り軸受２８（第２の軸受）と、冷媒供給部３０とを具備して構成されている。ケーシング２１の内部は隔壁２１ａによって電動機室２１Ａと圧縮室２１Ｂとに区画されており、電動機室２１Ａに電動機１３が収容され、圧縮室２１Ｂに圧縮部２３が収容されている。

回転軸２５は、ケーシング２１の内部にて中心軸線に沿うように延在し、ケーシング２１の隔壁２１ａに設けられた転がり軸受２７と、隔壁２１ａに対向する電動機室２１Ａ奥の端部壁面２１ｂに設けられた滑り軸受２８とに軸支されている。回転軸２５の一端は電動機室２１Ａから隔壁２１ａを貫通して圧縮室２１Ｂ内に延びている。

転がり軸受２７は、例えば２つのアンギュラ玉軸受２７ａ，２７ｂが背面合わせにされて隔壁２１ａに形成された軸受ボス２１ｃに圧入されたものである。この転がり軸受２７は、回転軸２５を回転自在に支承しているが、回転軸２５の軸方向への移動は許容しない。転がり軸受２７の形式は、回転軸２５の軸方向への移動を防止できるものであれば、アンギュラ玉軸受２７ａ，２７ｂ以外のものであってもよい。転がり軸受２７の圧縮室２１Ｂ側にはオイルシール３０が設けられている。

一方、滑り軸受２８は、端部壁面２１ｂに形成された軸受ボス２１ｄに軸受メタル２８ａが圧入されたものである。この滑り軸受２８によって軸支される回転軸２５のジャーナル部２５ａは、その外径ｄ２が回転軸２５の基本外径ｄ１よりも太くされている。

回転軸２５の中間部に同軸的に設けられて回転軸２５を回転駆動する電動機１３は、電動機室２１Ａ内の周壁面に固定されたステータ１３Ａと、回転軸２５に固定されてステータ１３Ａの内周側で回転するロータ１３Ｂとを備えて構成されている。ステータ１３Ａの長手軸方向両端部にはコイルエンド１３ａ，１３ｂが突出している。

回転軸２５の一端に固定された例えば２段のインペラ２３ａ，２３ｂが、圧縮室２１Ｂに形成された図示しない圧縮通路構造と共に圧縮部２３を構成している。この圧縮部２３の構造および作用は公知のものであるため、詳細な図示および説明は省略する。転がり軸受２７は、電動機１３とインペラ２３ａ，２３ｂとの間で回転軸２５を軸支し、回転軸２５の他端が滑り軸受２８によって軸支されている。

転がり軸受２７と滑り軸受２８は、図１に示す潤滑油タンク８に貯留された潤滑油によって潤滑される。この潤滑油の粘度範囲は、ＶＧグレード１００〜２２０の範囲に設定される。

冷媒供給部３０は、凝縮された液状冷媒の一部、もしくは気液二相状冷媒の一部を抽出し、この抽出冷媒を、ケーシング２１の外周面に設けられた１つ以上の冷媒ノズル３２からケーシング２１の内部に噴射して電動機１３を冷却するものである。各冷媒ノズル３２は電動機１３のステータ１３Ａに隣接する位置に配置されている。ステータ１３Ａとケーシング２１の内周面との間には隙間３３が形成されており、この隙間３３の圧縮部２３側の端部が閉塞リング３３ａによって閉塞、もしくは開口面積を小さくされている。

冷媒ノズル３２から噴射された冷媒は、その大半が隙間３３を通って滑り軸受２８側に流れ、ステータ１３Ａの外周側とコイルエンド１３ｂとを冷却した後、ステータ１３Ａとロータ１３Ｂとの間の隙間を通って転がり軸受２７側に流れ、ステータ１３Ａの内周側とロータ１３Ｂとを冷却する。これにより電動機１３が万遍なく冷却される。冷却に使用された冷媒は、図示しない排出口から冷媒系統に戻される。

以上のように構成されたターボ圧縮機２を備えたターボ冷凍装置１において、ターボ圧縮機２の電動機１３によって圧縮部２３が駆動されると、吸入管１４から気化冷媒が圧縮部２３に吸入されて圧縮され、この圧縮冷媒が吐出管１５から凝縮器３に送給される。

凝縮器３の内部では、ターボ圧縮機２で圧縮された高温の低圧冷媒が冷却水と熱交換されることにより凝縮熱を冷却されて凝縮液化される。凝縮器３で液相状になった低圧冷媒は、冷媒管１６に設けられた高圧膨張弁４を通過することにより膨張し、気液混合状態となって中間冷却器５に給送され、ここに一旦貯留される。

中間冷却器５の内部では、高圧膨張弁４にて膨張した気液混合状態の低圧冷媒が気相分と液相分とに気液分離される。ここで分離された低圧冷媒の液相分は、冷媒管１７に設けられた低圧膨張弁６によりさらに膨張して気液二相流となって蒸発器７に給送される。また、中間冷却器５で分離された低圧冷媒の気相分は、冷媒管１８を経てターボ圧縮機２の中段部に給送され、再び圧縮される。

蒸発器７の内部では、低圧膨張弁６において断熱膨張した後の低温の液冷媒が水と熱交換され、ここで冷却された冷水は空調用の冷熱媒や工業用冷却水等として利用される。水との熱交換により気化した冷媒は、吸入管１４を経て再びターボ圧縮機２に吸入されて圧縮され、以下、このサイクルが繰り返される。

本実施形態におけるターボ圧縮機２は、回転軸２５を軸支する２つの軸受のうちの一方が転がり軸受２７とされ、他方が滑り軸受２８とされている。滑り軸受２８は回転軸２５の軸方向への動きを許容するため、電動機１３からの入熱によって回転軸２５が軸方向に熱伸びした場合に、滑り軸受２８において回転軸２５が軸方向に移動することによって熱伸びが吸収される。

また、滑り軸受２８においては、回転軸２５のジャーナル部２５ａと軸受メタル２８ａとの間に介在する潤滑油の油膜が緩衝体となって回転軸２５の振れが減衰される。このため、回転軸２５の固有振動数を高める（Ｑ値を低減させる）ことができ、これにより回転軸２５に回転振動が発生することを抑制できる。

このように、回転軸２５の熱伸びを吸収するとともに、回転振動を抑制することができるため、ＨＦＯ−１２３３ｚｄ（Ｅ）等の低圧冷媒に対応するべく圧縮部２３のインペラ２３ａ，２３ｂの径を大きくしても、機械損失が大きくなってターボ冷凍装置１の効率が低下することがない。

本実施形態では、電動機と、圧縮部２３を構成するインペラ２３ａ，２３ｂとの間で回転軸２５を軸支する軸受２７を転がり軸受とし、インペラ２３ａ，２３ｂから離れて回転軸２５の他端を軸支する軸受２８を滑り軸受とした。このように、インペラ２３ａ，２３ｂの側に配置される軸受２７を転がり軸受とすることで、機械損失の増加が抑制されるとともに、回転軸２５が熱伸びした際に、この熱伸びがインペラ２３ａ，２３ｂから離れた滑り軸受２８において吸収され、転がり軸受２７においては回転軸２５が軸方向に移動しない。

このため、ケーシング２１（圧縮室２１Ｂ）との間の隙間精度が厳しいインペラ２３ａ，２３ｂが軸方向に移動してケーシング２１に接触する懸念がなく、インペラ２３ａ，２３ｂとケーシング２１との間の隙間を精度良く狭い状態に維持し、ターボ圧縮機２の効率低下を抑制することができる。

また、滑り軸受２８に軸支される回転軸２５のジャーナル部２５ａの外径ｄ２を、回転軸２５の基本外径ｄ１よりも太くしたため、軸受メタル２８ａの内周面とジャーナル部２５ａの外周面とが広い面積で対面する。このため、軸受メタル２８ａとジャーナル部２５ａの間に介在する潤滑油の油膜による緩衝作用を高めることができ、回転軸２５の回転振動をより効果的に抑制することができる。

さらに、転がり軸受２７および滑り軸受２８を潤滑する潤滑油の粘度範囲を、ＶＧグレード１００〜２２０の範囲に設定したため、特に滑り軸受２８において潤滑油膜による緩衝作用を高め、回転軸２５の回転振動をさらに効果的に抑制することができる。発明者らの検証実験では、ＨＦＯ−１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒とＶＧ１００の鉱物油との組み合わせにおける相溶粘度は、従来のＶＧグレード６８のＰＯＥ油と比較して９０％程度向上することができた。

以上に説明したように、本実施形態に係るターボ圧縮機２は、回転軸２５の熱伸びの影響を受けず、しかも回転軸２５の回転振動を抑制して機械損失を抑えた構造となっている。このため、最高圧力０．２ＭＰａＧ未満で使用される低圧冷媒を圧縮する場合において、回転軸２５の熱伸びや回転振動に起因する機械損失を抑制し、ターボ冷凍装置１の効率を高めることができる。

なお、本発明は上記実施形態の構成のみに限定されるものではなく、適宜変更や改良を加えることができ、このように変更や改良を加えた実施形態も本発明の権利範囲に含まれるものとする。

１ ターボ冷凍装置
２ ターボ圧縮機
３ 凝縮器
７ 蒸発器
１３ 電動機
１３Ａ ステータ
１３Ｂ ロータ
１３ａ，１３ｂ コイルエンド
２１ ケーシング
２３ 圧縮部
２３ａ，２３ｂ インペラ
２５ 回転軸
２５ａ ジャーナル部
２７ 転がり軸受（第１の軸受）
２７ａ，２７ｂ アンギュラ玉軸受
２８ 滑り軸受（第２の軸受）
２８ａ 軸受メタル
３０ 冷媒供給部
３２ 冷媒ノズル
ｄ１ 回転軸の基本外径
ｄ２ ジャーナル部の外径

Claims (4)

1. 最高圧力０．２ＭＰａＧ未満で使用される低圧冷媒を圧縮するターボ圧縮機であって、
   回転軸と、
   前記回転軸の中間部に同軸的に設けられて前記回転軸を回転駆動する電動機と、
   前記回転軸の一端に固定されて圧縮部を構成するインペラと、
   前記電動機と前記インペラとの間で前記回転軸を軸支する第１の軸受と、
   前記回転軸の他端を軸支する第２の軸受と、を備え、
   前記第１の軸受が転がり軸受であり、前記第２の軸受が滑り軸受であり、
   前記転がり軸受は前記回転軸の軸方向の移動を許容しないことを特徴とするターボ圧縮機。
2. 前記滑り軸受に軸支される前記回転軸のジャーナル部の外径を、前記回転軸の基本外径よりも太くした請求項１に記載のターボ圧縮機。
3. 前記第２の軸受を潤滑する潤滑油の粘度範囲を、ＶＧグレード１００〜２２０の範囲に設定した請求項１または２に記載のターボ圧縮機。
4. 最高圧力０．２ＭＰａＧ未満で使用される低圧冷媒を圧縮する請求項１から３のいずれかに記載のターボ圧縮機と、
   前記ターボ圧縮機によって圧縮された前記低圧冷媒を凝縮させる凝縮器と、
   膨張した前記低圧冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   を具備してなることを特徴とするターボ冷凍装置。

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