JPH06281274A - タ−ボ冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】潤滑油系統に水分除去装置もしくは塩素除去装
置を設け、圧縮機の羽根車の外周に静止翼を配置し、羽
根車の吐出流体の運動エネルギーを静止翼により圧力エ
ネルギーに変換するディフューザを備え、前記ディフュ
ーザの静止翼の前縁を側板側から心板側にかけて下流方
向に傾斜させ、前記静止翼よりも弦長が短かく、前縁が
側板側から心板側にかけて下流方向に傾斜している補助
翼を、翼面の一方が前記静止翼に対向するように前記静
止翼の内周側に配置。 【効果】潤滑油中へ混入する水分もしくは塩素を除去し
て代替冷媒の使用を可能にし、又低流量域までサージ現
象及び旋回失速を発生させることなく運転できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷媒にＣｌを含まない
冷媒を用する圧縮式冷凍機で高効率を幅広い運転領域が
求められるタ−ボ冷凍機に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＦＣ１１，ＣＦＣ１２，ＨＣＦＣ１２
３，ＨＣＦＣ２２等のＣｌ基を含む冷媒を使用するタ−
ボ冷凍機では、圧縮機の潤滑油として用いる鉱油（ター
ビン油など）は大気中に解放しても水分の吸湿量が少な
いために、特に油中の水分を除去する手段は不要であっ
た。しかし上記冷媒に代わるＣｌを基を含まない、いわ
ゆる代替冷媒、例えばＨＦＣ１４３ａ（１,１,１,２テ
トラフルオロエタン）では鉱油との相溶性がなく、２相
分離するためにタ−ボ冷凍機には鉱油は使用できない。
したがって、相溶性を持たせるために新たに分子設計を
した合成油（例えばエステル油）の使用が不可欠とな
る。

【０００３】ターボ冷凍機用遠心圧縮機の信頼性向上、
低コスト化に関しては、駆動モータの小形化や、増速ギ
ヤ用軸の軸受間距離の確保が図られてきたが、さらに低
コスト化を図るためにはユニット化、製作工程の短縮が
可能な構造とすることが必要である。遠心圧縮機は、例
えば「冷凍機械工学ハンドブック」（朝倉書店、１９６
５年）Ｐ３０５や特公昭５２−４２９２１号公報に示さ
れているように、駆動モータと軸方向に分割され、モー
タ回転子を直結した軸の軸受は、圧縮機側ケーシングに
一部又はすべて配置された構造となっている。

【０００４】遠心圧縮機では羽根車外周部のディフュー
ザの全周にわたって等間隔に静止翼（複数個）を配置す
る構造のものがあり、静止翼の翼間とディフューザの側
壁とでディフューザ流路が形成されている。高速回転で
低流量域では静止翼の負圧面に剥離領域が発生し、充分
な圧力上昇が得られなくなる。この結果、初めに剥離領
域が周方向に旋回するいわゆる旋回失速が発生する。更
に流量を減少させるとサージ減少が発生する。サージ現
象を低流量側に移動させる技術としてディフューザに等
間隔に配置した静止翼の各静止翼間の内周側に補助翼を
配置し、静止翼もしくは補助翼の前縁側を側板側から心
板側にかけて下流方向に傾斜させた遠心圧縮機が提案さ
れている（特開平１−２４７７９８号）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記合成油は
水分は吸湿しやすい性質を持っており、水分が多量に混
入すると合成油は加水分解し、潤滑油の機能が損なわれ
る欠点があった。又塩素物に対して不安定であり、塩素
分が多量に混入すると合成油は加水分解し、潤滑油の機
能が損なわれる欠点があった。又、一般に潤滑油中に水
分が混入するのは、圧縮式冷凍機の稼動前に行う水を用
いた機密試験時の水が完全に除去されずに機内に残存す
るが、合成前では特にこの残存した水が合成油中に混じ
り込み易い。

【０００６】又圧縮式冷凍機が組立て時に塩素系洗浄剤
を使用して洗浄され、洗浄後に洗剤が完全に除去されな
い場合に、合成油は塩素物に対して不安定であり、塩素
と混合すると合成油は加水分解し、水分と同様に劣化が
加速されて潤滑油はその機能が損なわれる。

【０００７】本発明は、合成油中へ混入した水分もしく
は塩素を除去して代替冷媒の使用を可能にするタ−ボ冷
凍機を提供することを目的とする。

【０００８】又本発明の目的は、低流量域までサージ現
象及び旋回失速を発生させることなく運転できるタ−ボ
冷凍機を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的は、蒸発器、凝
縮器、蒸発器からの冷媒ガスを圧縮する圧縮機、この圧
縮機を駆動する駆動機及び潤滑油が循環する油系統を備
えるタ−ボ冷凍機において、油系統に水分除去装置を設
けることによって、達成される。

【００１０】又上記目的を達成するために、圧縮機のデ
ィフューザに静止翼を配置し、羽根車からの吐出流体の
運動エネルギーを静止翼により圧力エネルギーに変換す
るディフューザを備えた遠心圧縮機において、前記静止
翼の前縁を側板側から心板側にかけて下流方向に傾斜さ
せ、前記静止翼よりも弦長が短く、前縁が側板側から心
板側にかけて下流方向に傾斜している補助翼を、補助翼
の翼面の一方が前記静止翼に対向するように前記静止翼
の内周側に配置したものである。

【００１１】更に上記目的を達成するために、本発明は
圧縮機のディフューザに静止翼を配置し、羽根車の吐出
流体の運動エネルギーを静止翼により圧力エネルギーに
変換するディフューザを備えた遠心圧縮機において、前
記ディフューザに偏在して配置した静止翼の前縁を側板
側から心板側にかけて下流方向に傾斜させ、前記静止翼
よりも弦長が短かく、前縁が側板側から心板側にかけて
下流方向に傾斜している補助翼を、補助翼の翼面の一方
が前記静止翼に対向するように前記静止翼の内周側に配
置した羽根車の外周に静止翼を配置したものである。

【００１２】

【作用】水分を除去するために使用する水分除去装置が
水分のみを吸着する材質のものから構成されており、こ
の水分除去装置を潤滑油が通過すると潤滑油中の水分の
みが捕集されるので、潤滑油中の水分が除去される。

【００１３】静止翼及び補助翼のいずれも側板側の前縁
を従来のものより羽根車に近い位置に配置することがで
きるために接続方向に近い流れを静止翼の方向に強力に
導くことができ、このため逆流が発生しにくくなるので
低流量域までサージ現象が発生しない。また、補助翼を
静止翼とともに翼間隔を粗の部分と密の部分とに配置
し、補助翼とともに静止翼を偏在させたので、初めに翼
間隔の粗の通路に密の通路より速く失速が起こり、失速
している翼間通路の通過流量が失速していない翼間通路
の通過流量より減少し、この減少分だけ失速していない
翼間通路の通過流量を増加させて旋回失速が発生しにく
くなる。

【００１４】

【実施例】本発明の実施例を図１から図８を用いて説明
する。

【００１５】図１において、ターボ冷凍機は凝縮器１、
蒸発器２、圧縮機（ターボ圧縮機）３及びこの圧縮機３
を駆動する駆動源５から構成される。凝縮器１は高温高
圧の冷媒ガスを冷却するため外部から冷却水を導入する
伝熱管１Ａを内臓し、又蒸発器２は外部へ冷水を取り出
すための伝熱管２Ａを内臓している。凝縮器１、蒸発器
２及び圧縮機３は冷媒系統１４で接続され、凝縮器１及
び蒸発器２の間には膨張弁１４Ａが介在している。圧縮
機３の下部には潤滑油を貯える油タンク４があり、この
油タンク４内には潤滑油を潤滑させる油ポンプ６が設け
られている。潤滑油系統７は前記油ポンプ６と圧縮機３
及び駆動源５の間に形成されて潤滑油をそれぞれの軸受
部５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃに循環させる構造になってい
る。この潤滑油系統７には水分除去装置８、ほかに水分
検知器９、オイルクーラ１０、オイルストレーナ（濾過
器）１１、仕切りバルブ１２、１３などが設けられてい
る。

【００１６】図２は前記水分除去装置８の詳細図で、容
器２０内には乾燥剤２１が充填されている。乾燥剤２１
には冷媒の分子径より小さい孔を有し、水分を吸着する
機能のある例えばモレキュラーシーブ（分子篩）を用い
る。ばね２２は乾燥剤２１を容器２０内に固定するため
のものである。

【００１７】なお、冷媒としてはＣｌを含まないいわゆ
る代替冷媒を用いるが、本実施例ではＨＦＣ１３４ａを
使用している（以下の他の実施例でも同じ）。又潤滑油
としては合成油を用いるが、本実施例ではエステル油を
使用している（以下の他の実施例でも同じ）。

【００１８】次に上記構成のターボ冷凍機の作用につい
て説明する。

【００１９】圧縮機３で圧縮された高温高圧の冷媒ガス
は凝縮器１へ導入され、ここで伝熱管１Ａを流れる冷却
水で冷却され液化して液冷媒となる。凝縮器１を出た低
温高圧の液冷媒は膨張弁１４を通過する際に更に温度を
下げて低温低圧の液冷媒となって蒸発器２に溜る。ここ
で、たとえば外部空調負荷で空気と熱交換して温度上昇
して戻ってきた冷水が伝熱管２Ａが液冷媒と熱交換する
ことによって液冷媒は蒸発し冷媒ガスとなる。この冷媒
ガスは圧縮機３で圧縮されて再び高温高圧の冷媒ガスと
なり、凝縮器１へ導入され、ここで伝熱管１Ａを流れる
冷却水で冷却され液化して液冷媒となるサイクルを繰り
返す。油ポンプ６を運転すると、潤滑油は水分除去装置
８、水分検知器９、オイルクーラ１０、オイルストレー
ナ１１を通過し、潤滑油中の水分が水分除去装置８を通
過する際に吸着され、潤滑油中から水分が除去される。
なお、冷凍機を運転せずに油ポンプ６のみを単独で運転
し、潤滑油を潤滑させることによっても水分を除去でき
る。水分検知器９には、例えば水分含有量によって色合
いが変わるインジケータを使用すれば水分除去装置８の
交換時期を知ることができる（そのほかアラームで交換
時期を知らせる水分検知手段を用いてもよい）。オイル
クーラ１０は潤滑油を冷却して油温の上昇を防止する。
又、オイルストレーナ１１によってオイルに混入する粒
状物が除去される。水分除去装置８の交換は仕切りバル
ブ１２、１３を閉めた状態で行うので、交換のために機
内の冷媒を回収する必要はない。

【００２０】図３は容器２０内に水分除去粒状物除去と
の機能を兼備んさせるために、乾燥剤を固形にした水分
除去兼ストレーナ２３を充填したものである。

【００２１】図４は本発明の他の実施例で、自動油回収
機能を備えたタ−ボ冷凍機であり、上述実施例と異なる
部分についてのみ説明する。

【００２２】潤滑油系統７を分岐した潤滑油の分岐系３
０を形成して油タンク４に戻している。この分岐系３０
にはエゼクタ３１を設けている。蒸発器２の冷媒液面以
下であって冷媒液面近くに冷媒系統３２を設けて油回収
器３３に接続する。ヒータ３４は前記油回収器３３内の
冷媒液を加熱するためのものである。回収油系統３５は
前記油回収器３３の底部に設けられて前記エゼクタ３１
に接続されている。更に前記油回収器３３の上部には冷
媒を回収するための冷媒系統３６が設けられ前記蒸発器
２と圧縮器３との間の冷媒系統１４に接続されている。

【００２３】上記構成のターボ冷凍機の機能は次の通り
である。

【００２４】蒸発器２の冷媒液面付近では、圧縮機３か
ら洩れ込む潤滑油分が冷媒中に溶け込み、冷媒中の潤滑
油の含有量が蒸発器２の底部に比較して多い状態にあ
る。この部分より冷媒液を油回収器３３に冷媒系統３２
を経由して取り込む。油回収器３では、凝縮器１からの
冷媒ガスを配管３４に通し、この熱で油回収器３３内の
冷媒液を加熱し潤滑油分の濃度を高める。一方、潤滑油
に混入している水分は、油回収器３３内で潤滑油ととも
にエゼクタ３１で発生する負圧で油回収器３３から吸い
上げられ、潤滑油といっしょに水分除去装置８、水分検
知器１１を経由して油タンク４に戻る過程で、水分除去
装置８によって水分の除去が行われる。なお、水分除去
装置８はオイルストレーナ１１とエゼクタ３１との間以
外に、油ポンプ６とエゼクタ３１との間、もしくはエゼ
クタ３１と油回収器３３との間等に配置することもでき
る。

【００２５】本実施例によれば、潤滑油系統７のみなら
ず冷媒系統３２中の水分も除去することができる。

【００２６】次に圧縮機３の構成について図５により説
明する。図は圧縮機３の駆動部の縦断面図であり、駆動
部は駆動モータ６２、回転子６２ａ、固定子６２ｂから
なっている。６３は前記回転子６２ａに直結された第１
の軸であり、この第１の軸６３は回転子６２ａの軸部の
反モータ側軸端に歯車６３ａを嵌着するようになってい
る。この第１の軸は６３は軸受６５−１、６５−２に支
持され、これら軸受６５−１、６５−２はモータケーシ
ング６０と一体に形成された軸受支持フレーム６０ａに
装着されている。６４は前記増速用歯車６３ａに噛合う
ピニオン６４ａを有し、羽根車６４ｂを取り付ける第２
の軸である。この第２の軸６４は軸受６６−１、６６−
２に支持され、これら軸受６６−１、６６−２は歯車ケ
ーシング６１の軸受支持フレーム６８に装着されてい
る。歯車ケーシング６１には、モータケーシング６０を
取り付けるフランジ部６１ａ及び、モータケーシング６
０を取り付ける際に増速用歯車６３ａを歯車ケーシング
６１内に挿入する開口部６１ｂを設けている。６７は軸
受６５−１、６５−２、軸受６６−１、６６−２へ潤滑
油を供給するための給油孔である。

【００２７】次にこの駆動部の組立作業について説明す
る。

【００２８】まず、モータユニット部の組立はモータケ
ーシング６０に固定子６２ｂ、軸受６５−１、６５−２
を装着する。次に、回転子６２ａを嵌着した第１の軸６
３を、軸受６５−２の取付側から軸受６５−１の方向へ
組込み、更に増速用歯車６３ａを嵌着する。この状態で
モータユニット部が完成する。なお、モータの単体試験
では、増速用歯車６３ａの代りに試験用カラーを装着し
てもよい。

【００２９】モータユニット部の状態で給油孔６７を通
じて各軸受に給油しモータの回転試験を行なう。試験完
了後の回転体の分解作業は不用である。

【００３０】次に、第２の軸６４及び軸受６６−１、６
６−２が組込まれた歯車ケーシング６１に、前記モータ
ユニット部を組込む。この場合、歯車ケーシング６１に
設けられた開口部６１ｂを通して増速用ギヤ６３ａが相
手ピニオン６４ａに噛合うように取り付ける。第１の軸
６３と第２の軸６４の相対位置精度は、モータケーシン
グ６０のフランジ部６１ａに設けられたインローにより
決める。

【００３１】以上の組立作業により組立は完了する。

【００３２】次に遠心圧縮機のディフューザに関し、図
６から図８によって説明する。

【００３３】図６は遠心圧縮機を羽根車の回転軸方向か
ら見た断面図、図７はディフューザ部分の断面図、図８
は静止翼及び補助翼の配置図である。図において羽根車
１とケーシング５との間はいわゆるディフューザになっ
ており、羽根車７１から流出した流れの運動エネルギー
を圧力に変換する。静止翼７２の前縁には高さが静止翼
７２と同等もしくは静止翼７２以下で前縁が側板７７側
から心板７８側にかけて下流側に傾斜した付属静止翼７
３が一体に形成されている。また複数化の静止翼７２と
静止翼７２との翼間には静止翼７２より弦長および高さ
が小さい補助翼７４がその一方の翼面のみが静止翼７２
に対向するように配置され、いわゆる羽根付ディフュー
ザを構成している。補助翼７４の前縁は側板７７側から
心板７８側にかけて下流側に傾斜させてある。複数の静
止翼７２及び補助翼７４はスクロール状を形成する流路
（渦巻流路が徐々に狭くなるスクロールもしくは渦巻流
路が一様なコレクタを含む）において、ケーシング７５
の舌部７６の近傍（全周の約２分の１以内）には粗に配
置され、舌部７６の近傍以外には密に配置される。また
静止翼７２には舌部７６の近傍（全周の約２分の１以
内）以外の部分においてのみ補助翼７４を配置した場
合、旋回失速を防止する結果は更に向上する。

【００３４】圧縮機の運転流量が大なる状態では羽根車
７１から流出した流れは静止翼７２、付属静止翼７３、
補助翼７４の入口角度に近い角度で流れるので静止翼７
２の間の通路では流れの運動エネルギーが効率良く圧力
に変換される。この際、補助翼７４の一方の翼面のみが
静止翼７２に対向するように配置されているので静止翼
７２の間の通路が補助翼７４によって狭められることが
無く、このため流れの運動エネルギーが圧力に変換され
る効率が高い。圧縮機の運転流量が減少すると羽根車１
から流出した流れは静止翼７２、付属静止翼７３、補助
翼７４の入口角度よりも羽根車１の半径方向から遠ざか
る方向の角度で流れる。このため流れの運動エネルギー
の圧力への変換作用が強い静止翼２に流れが沿わない傾
向が強くなる。またこの傾向は側板７７側で著しい。流
れが静止翼７２に沿わなくなると、流れの一部は逆流し
失速が発生、運動エネルギーの圧力への変換が行なわれ
にくくなるとともに、旋回失速、サージングといった非
定常現象が発生し圧縮機の運転が困難になる。付属静止
翼７３は静止翼７２前縁の側板７７側の流れを静止翼７
２の方向に導き、補助翼７４は静止翼７２の中間の流れ
を静止翼７２の方向に導く。このように付属止静翼７
３、補助翼７４の両者の作用によって静止翼７２の前縁
近くの流れは強く静止翼７２の方向に導かれるので、失
速の発生が抑制される。従って旋回失速、サージングと
いった非定常現象が発生しにくくなり低流量域の圧縮機
の運転範囲を拡大できる。さらに低流量域の圧縮機の運
転範囲を拡大するためには旋回失速の防止が必要とな
る。旋回失速はサージングより大流量時に発生する現象
で、一部の静止翼７２が失速し、かつ失速が周方向に移
動していく現象であるが著しい騒音、振動の発生を伴う
ため圧縮機の運転が困難になる。スクロール状流路を備
えた遠心圧縮機では低流量時のディフューザ出口の圧力
を周方向に一様で無い。舌部７６の近傍では圧力が高
く、反対側では低い。従って舌部６の近傍の静止翼２は
反対側の静止翼２より失速しやすい。舌部７６の近傍の
静止翼７２の付属静止翼７３を除くと舌部７６の近傍の
静止翼７２が反対側の静止翼７２より失速しやすい傾向
はさらに強くなる。従って舌部７６の近傍の静止翼７２
は失速しても反対側の静止翼７２は失速しないため失速
の周方向移動が起こりにくくなり旋回失速が抑制され
る。一部の静止翼７２が失速しても失速の周方向移動が
起こらない場合は騒音、振動の水準は殆ど上昇しないの
で圧縮機の一層の低流量運転が可能となる。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、潤滑油中へ混入する水
分もしくは塩素を除去していわゆる代替冷媒の使用を可
能にする圧縮式冷凍機が得られる。

【００３６】本発明によれば、遠心圧縮機を低流量域ま
でサージ現象及び旋回失速を発生させることなく運転で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のタ−ボ冷凍機の実施例の系統図。

【図２】図１の実施例の冷凍機に用いる水分除去装置の
詳細図。

【図３】水分除去装置の他の実施例の詳細図。

【図４】本発明のタ−ボ冷凍機の他の実施例の系統図。

【図５】図１のタ−ボ冷凍機の遠心圧縮機の駆動部の縦
断面図。

【図６】図１のタ−ボ冷凍機の遠心圧縮機の羽根車の水
平断面図。

【図７】図６の羽根車のデイフユ−ザ部分の縦断面図。

【図８】図６の羽根車の静止翼及び補助翼の配置図。

【符号の説明】

１…凝縮器、２…蒸発器、３…圧縮機、４…油タンク、
５…駆動源 ６…油ポンプ、７…潤滑油系統、８…水分除去装置（塩
素除去装置） ９…オイルクーラ、１０…オイルストレーナ、１１…水
分検知器 １４、３２、３６…冷媒系統、３１…エゼクタ、３５…
回収油系統 ６０…モータケーシング、６０ａ，６８…軸受支持フレ
ーム ６１…歯車ケーシング、６２…駆動モータ、６２ａ…回
転子、６２ｂ…固定子 ６３…第１の軸、６３ａ…増速用ギヤ、６４…第２の
軸、６４ａ…ピニオン ６４ｂ…羽根車、６５−１、６５−２、６６−１、６６
−２…軸受 ６７…給油孔、７１…羽根車、７２…静止翼、７３…付
属静止翼、７４…補助翼 ７５…ケーシング、７６…舌部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】蒸発器、凝縮器、及び蒸発器からの冷媒ガ
   スを圧縮する遠心圧縮機、この圧縮機を駆動する駆動
   機、潤滑油が循環する潤滑油系統及び冷媒が循環する冷
   媒系統を備えるタ−ボ冷凍機において駆動モータの回転
   子に直結され増速用歯車を有する第１の軸と、前記増速
   用歯車に噛合うピニオンを有し羽根車を取り付ける第２
   の軸と、これらの第１の軸および第２の軸を支持する各
   軸受とをケーシング内に収納してなる遠心圧縮機におい
   て、前記駆動モータの回転子に直結された第１の軸を増
   速用歯車と分離可能に嵌着するとともに、第１の軸の軸
   受支持フレームと増速用歯車に噛合うピニオンを有する
   第２の軸の軸受支持フレームとを各々別のフレームで形
   成することを特徴とする遠心圧縮機より構成され、この
   遠心圧縮機にはディフューザに静止翼を配置し、羽根圧
   からの吐出流体の運動エネルギーを静止翼により圧力エ
   ネルギーに変換するディフューザを備え、前記静止翼の
   前縁を側板側から心板側にかけて下流方向に傾斜させ、
   前記静止翼よりも弦長が短かく、前縁が側板側から心板
   側にかけて下流方向に傾斜している補助翼を、補助翼の
   翼面の一方が前記静止翼に対向するように前記静止翼の
   内周側に配置したことを特徴とし、一方、潤滑油系統に
   水用除去装置及び水分検知手段を設けることを特徴と
   し、冷媒に混入した潤滑油を油タンクに回収する油回収
   器を冷媒系統に設け、潤滑油系統に配置したエゼクタに
   前記油回収器で回収した回収油系統を接続し、油タンク
   に回収油を戻すとともに、前記エゼクタを配置した潤滑
   油系統に水分除去装置を設けたことを特徴とするタ−ボ
   冷凍機。
2. 【請求項２】請求項１に記載のものにおいて、第１の軸
   の軸受が増速用歯車と駆動モータ回転子の間に配置さ
   れ、増速用歯車およびモータの回転子がオーバーハング
   構造であることを特徴とする遠心圧縮機より構成され、
   冷媒にＣｌ基を含まない冷媒を用い、潤滑油に合成油を
   用いて潤滑油系統に水分除去装置を設けることを特徴さ
   するタ−ボ冷凍機。
3. 【請求項３】請求項２に記載のものにおいて、冷媒にＨ
   ＦＣ１４３ａを用い、合成油にエステル油を用いること
   を特徴とするタ−ボ冷凍機。