JP3702246B2 - ターボ圧縮機および冷凍装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転する羽根車によって流体を圧縮するターボ圧縮機およびそれを用いた冷凍装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
ターボ圧縮機は、従来より各種プラントに広く用いられているが、冷凍装置においても、冷媒を圧縮するための圧縮機として用いられている。この種のターボ圧縮機は、羽根車(インペラ)が設けられた主軸を電動モータで回転させることにより、冷媒を圧縮させるようになっている。
【0003】
また、近年のターボ形圧縮機においては、冷凍装置の冷凍能力を可変とするために、その吸込口に可変インレットベーンを設けて流量制御を行うことがなされている。
以下、この可変インレットガイドベーンを、図10及び図11に基づいて説明する。なお、図10は、可変インレットガイドベーンの半開状態を示し、図11は、可変インレットガイドベーンの全閉状態を示している。
【0004】
図10において、符号の1はケーシング、2は主軸、3は第1の羽根車、4はディフューザ、5はリターンベンド、6は流路仕切板、7はガイドベーン、8は吸込口、9はシール部材、10は可変インレットガイドベーンを示している。
なお、同図のターボ形圧縮機は、多段式の遠心圧縮機の一部を示しており、圧縮される流体が、図中に白抜矢印で示すように、吸込口8から吸引された後、ケーシング1に軸支されて図示省略の駆動機構により主軸2とともに回転する羽根車3、流体の速度を減少させて運動エネルギを内部エネルギに変換するディフューザ4、リターンベンド5及びガイドベーン7の順に通過して昇圧され、次段の入口へと導かれるようになっている。
【0005】
そして、このターボ形圧縮機の吸込口8に、例えば翼形断面を有する可変インレットガイドベーン10が、主軸2の外周とケーシング1との間に複数枚、設置されている。この可変インレットガイドベーン10は、昇圧する流体の流れ方向(白抜矢印)に対して、それぞれの設置角度を変えることができるように回動可能に支持されている。
【0006】
すなわち、流れ方向とほぼ平行になる全開位置と吸込口8を完全に閉じる全閉位置との間で適宜開度を調整することにより、弁開度を変化させて昇圧する流体の流入角を調整し、冷凍能力をコントロールし得るようになっている。また、第1の羽根車3に吸い込まれる流体は、可変インレットベーン10により、第1の羽根車3の回転方向に沿った旋回流れを形成可能としている。
このような旋回流れは、特に、流量を絞った運転条件で重要であり、十分な旋回流れが確保できないと、第1の羽根車3の出口で流れの剥離(いわゆる旋回失速)が発生する恐れがある。このような旋回失速は、ターボ圧縮機の運転可能範囲を狭めてしまうため、可変インレットベーン10の役割は、重要なものとなっている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のターボ圧縮機は、その可変インレットベーン10が、複数枚の回転羽根や、これら回転羽根を同期させながら動かす羽根駆動機構などの複雑で多くの部品で構成されているため、コスト高になるという問題を有しており、これに代わる手段が切望されていた。
【0008】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、羽根車への旋回流供給が可能であるとともに、低コスト化が可能なターボ圧縮機と、このターボ圧縮機を備えた冷凍装置の提供を目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
【0010】
請求項1に記載のターボ圧縮機は、吸込口および吐出口を有するケーシングと、該ケーシング内に回転可能に軸支される主軸と、該主軸に設けられた羽根車と、前記主軸の駆動機構とを有し、前記吸込口から吸い込んだ流体を昇圧して前記吐出口から流出させるターボ圧縮機において、前記吸込口には、昇圧前の前記流体を取り込むものであって前記流体に前記羽根車の回転方向に沿ったわずかな旋回流を付与する主流路と、該主流路から分岐するとともに、前記吸込口に向かう前記流体の少なくとも一部に前記羽根車の回転方向に沿った旋回流を付与する副流路とが接続され、前記主流路と前記副流路との分岐部には、該分岐部に回動可能に軸支され、その回動によってこれら主流路及び副流路間の流量比を調整する流量比調整機構が備えられているとともに、前記主流路と前記副流路間の接続口の下流側部分には、前記流体の漏れを抑える突部が設けられていることを特徴とする。
上記請求項1に記載のターボ圧縮機によれば、流量比調整機構を操作して、吸込口に流れ込む全流量のうち、副流路側を流れる流量割合を増減させることにより、羽根車に流れ込む流れの旋回強度を増減させることができるようになる。
【0011】
請求項2に記載のターボ圧縮機は、請求項1に記載のターボ圧縮機において、前記流量比調整機構がボール弁であることを特徴とする。
【0012】
請求項3に記載の冷凍装置は、吸込口から吸い込んだ流体を昇圧して吐出口から流出させるターボ圧縮機と、該ターボ圧縮機からの前記流体を凝縮、液化させる凝縮器と、該凝縮器で凝縮・液化された前記流体を減圧する絞り機構と、該絞り機構で減圧された前記流体と被冷却物との間で熱交換を行わせて該被冷却物を冷却するとともに、前記流体を蒸発・気化させる蒸発器とを備えた冷凍装置において、前記ターボ圧縮機として、請求項1または請求項2に記載のターボ圧縮機が備えられていることを特徴とする。
上記請求項3に記載の冷凍装置によれば、そのターボ圧縮機が、羽根車への旋回流れの形成と低コスト化とを同時に達成することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のターボ圧縮機およびそれを用いた冷凍装置の各実施例についての説明を、図面を参照しながら以下に説明するが、本発明がこれらのみに限定解釈されるものでないことは勿論である。
まず、各実施例共通の構成について説明し、その後、各実施例の特徴点を説明する。
【0014】
図1は、本実施形態の冷凍装置を示す斜視図であり、また、図2は、その系統図を示している。
これら図1及び図2に示すように、本実施形態の冷凍装置は、吸入口から吸い込んだガス冷媒を昇圧(圧縮)して吐出口から流出させるターボ圧縮機20と、ターボ圧縮機20において圧縮された冷媒を凝縮、液化する凝縮器30と、凝縮器30において液化された冷媒を減圧する絞り機構40と、冷媒と冷水(被冷却物)との間で熱交換を行わせて冷水を冷却するとともに冷媒を蒸発、気化する蒸発器50とを備えて構成されている。
【0015】
また、この冷凍装置においては、上述した凝縮器30において液化された冷媒を一時的に溜め置いて冷却する中間冷却器60と、凝縮器30において液化された冷媒の一部を利用してターボ圧縮機20の潤滑油を冷却する油冷却器70を備えている。なお、ターボ圧縮機20には、駆動源となる電動機21及び動力伝達機構22よりなる駆動機構23が連結されている。
【0016】
ターボ圧縮機20、凝縮器30、絞り機構40、蒸発器50および中間冷却器60は、冷媒を循環させる閉じた系を構成すべく、主配管81によって接続されている。
【0017】
凝縮器30は、主凝縮器30aとサブクーラと呼ばれる熱交換器30bとからなり、主凝縮器30a、サブクーラ30bの順に冷媒が導入されるが、主凝縮器30aにおいて冷却された冷媒の一部が、サブクーラ30bを経ずに油冷却器70に導入されて潤滑油を冷却する。また、それとは別に主凝縮器30aにおいて冷却された冷媒の一部が、サブクーラ30bを経ずに電動機21のケーシング内に導入され、図示省略するロータ、ステータやコイルを冷却する。
【0018】
絞り機構40は、凝縮器30と中間冷却器60との間、中間冷却器60と蒸発器50との間にそれぞれ配設されており、凝縮器30において液化された冷媒を段階的に減圧する。中間冷却器60の構造は、中空容器に等しく、主凝縮器30a、サブクーラ30bにおいて冷却され、絞り機構40において減圧自己膨張した冷媒を一時的に溜め置いて気液分離する。なお、中間冷却器60内の気相成分は、蒸発器50を経ずにバイパス配管82を通じてターボ圧縮機20の第2段羽根車3bに導入される。
【0019】
図3は、同冷凍装置に備えられているターボ圧縮機20の概略構成を示す断面図である。
同図に示すターボ圧縮機20において、符号1はケーシング、符号2は主軸、符号3は羽根車(インペラ)、符号4はディフューザ、符号5はリターンベンド、符号6は流路仕切部、符号7はガイドベーン、符号8は吸込口、符号21は電動モータ、符号22は動力伝達機構、23は駆動機構、符号24は吐出口を示している。
【0020】
このターボ圧縮機20は、第1段羽根車3a及び第2段羽根車3bよりなる例えば2段圧縮の羽根車3が主軸2に設けられ、この羽根車3を駆動機構23によって回転させ、吸込口8から吸い込んだガス冷媒などの流体(気体)を昇圧して吐出口24から流出させるように構成されている。このようにして圧縮された後の冷媒は、凝縮器30へと送出される。なお、ターボ圧縮機20としては、上記2段式に限らず、単段式のものを採用しても良い。
【0021】
以上説明が本発明の各実施例の共通内容であり、以下、各実施例の特徴点について説明する。なお、各実施例は、従来の可動インレットベーンを装備する代わりとして、吸込口8に、羽根車3の第1段羽根車3aに流れ込む冷媒を旋回流とする旋回流れ形成機構を接続した点が、特に特徴的となっている。
【0022】
まず、図4から図6参照して、同ターボ圧縮機20旋回流れ形成機構(旋回流れ形成流路)の第1実施例を説明する。なお、図4は、吸込口8を、その軸線(すなわち、羽根車3の回転軸線CL)を通る視線より対向視した部分断面図である。また、図5は、同旋回流形成流路を側方より見た場合の説明図である。また、図6は、同旋回流形成流路の要部を示す図であって、図4のA部拡大図である。
【0023】
本実施例は、前記旋回流れ形成機構として、吸込口8に、昇圧前の冷媒(流体)を取り込む主流配管100(主流路)と、該主流配管100から分岐するとともに、吸込口8に向かう冷媒の少なくとも一部を、前記羽根車3の回転方向に沿った旋回流としてから流す副流配管101(副流路、第1の旋回流れ形成流路)とを接続し、主流配管100と副流配管101との分岐部に、これら主流配管100及び副流配管101間の流量比を調整するバタフライ弁103(流量比調整機構。図5では図示略。)を備えている。
【0024】
主流配管100は、前記蒸発器50の冷媒吐出口50aと、吸込口8との間を接続する配管であり、羽根車3に対して、その軸線CL方向に沿ったストレートな主流mを供給することができるようになっている。副流配管101は、主流配管100の根元部分(前記冷媒吐出口50a近傍部分)と、吸込口8との間を接続する配管であり、羽根車3の回転方向(図4の視線で反時計回り)と同一回転方向の副流sを吸込口8に供給できるよう、緩やかに曲がる円弧を描いた曲線流路を備えている。
【0025】
そして、図6に示すように、主流配管100及び副流配管101間の接続口の下流側部分には、蒸発器50からの冷媒流れの全てを、主流配管100から副流配管101に切り替えた際に、主流配管100側に流れが漏れるのを最小限とするために、突部100aがその内壁面に突設されている。同様の目的により、冷媒吐出口50a側にも、突部100bが内壁面に突設されている。
【0026】
バタフライ弁103は、主流配管100内に、弁軸103aによって回動可能に軸支された弁体103bを有しており、その回動によって、主流mと副流sとの流量比を調整できるようになっている。もちろん、主流mの流量を100%とするとともに副流sの流量を0%にしたり、または、副流sの流量を100%とするとともに主流mの流量を0%にすることも可能である。
したがって、このバタフライ弁103を操作して、吸込口8に流れ込む全流量のうち、副流配管101側を流れる流量成分を増減させることにより、羽根車3に流れ込む流れの旋回強度を増減させることができるようになる。
【0027】
以上説明の本実施例のターボ圧縮機20によれば、吸込口8への流れを主流配管100と副流配管101とに分岐し、これらの流量比をバタフライ弁103で調整するだけという、従来の可変インレットベーンに比較して極めて単純な構成で旋回流を形成することができるようになる。したがって、羽根車3への旋回流れの形成と低コスト化とが同時に可能になる。
【0028】
なお、図7に示すように、主流配管100及び副流配管101間の接続口の上流側部分に、冷媒流れの全てを副流配管101から主流配管100に切り替えた際に、副流配管101側に流れが漏れるのを最小限とするために、突部100cをその内壁面に突設する構成も採用可能である。
この場合、突部100cによって剥離流れを形成することができ、主流配管100から副流配管101側に分岐する流れを抑えることが可能となる。
【0029】
続いて、図8を参照して、同ターボ圧縮機20の旋回流れ形成機構(旋回流れ形成流路)の第1実施例を説明する。なお、同図は、図6に相当する部分の拡大図である。
本実施例では、上記第1実施例のバタフライ弁103の代わりに、ボール弁105を前記流量比調整機構として採用した点が特徴的となっている。その他構成については、上記第1実施例と同様である。このボール弁105は、内部に切替流路105bが形成されており、その軸線105a回りに回転することにより、冷媒吐出口50aと主流配管100または副流配管101のいずれか一方もしくは両方とを連通させることができるようになっている。
【0030】
以上説明の本実施例のターボ圧縮機20によれば、吸込口8への流れを主流配管100と副流101とに分岐し、これらの流量比をボール弁105で調整するだけという、従来の可変インレットベーンに比較して極めて単純な構成で旋回流を形成することができるようになる。したがって、羽根車3への旋回流れの形成と低コスト化とが同時に可能になる。
【0031】
続いて、図9を参照して、同ターボ圧縮機20の旋回流れ形成機構(旋回流れ形成流路)の第3実施例を説明する。なお、同図は、吸込口をその軸線より対向視した説明図である。
本実施例では、上記第1実施例で説明した前記主流配管100の代わりに、内部を流れる冷媒を、羽根車3の回転方向に沿った旋回流としてから流す主流配管200(第2の旋回流れ形成流路)を装備した点が特徴的となっている。なお、その他構成は、上記第1実施例と同様である。
【0032】
本実施例のターボ圧縮機によれば、主流配管200を採用することで、副流配管101を全閉した状態でも、わずかな旋回強度を流れに付与することが可能となる。
【0033】
【発明の効果】
本発明のターボ圧縮機によれば、吸込口への流れを主流路と副流路に分岐し、これらの流量比を調整するだけという、従来の可変インレットベーンに比較して単純な構成で旋回流を形成することができるようになる。したがって、羽根車への旋回流れの形成と低コスト化とが同時に可能になる。
【0036】
本発明の冷凍装置によれば、そのターボ圧縮機が、羽根車への旋回流供給と低コスト化とを同時に可能とするものであるため、安価で幅広い運転範囲を備えた冷凍装置とすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る冷凍装置の一実施形態を示す斜視図である。
【図2】 同冷凍装置の構成例を示す系統図である。
【図3】 同冷凍装置に備えられているターボ圧縮機の概略構成を示す断面図である。
【図4】 同ターボ圧縮機の旋回流形成流路の第1実施例を示す図であって、吸込口をその軸線より対向視した部分断面図である。
【図5】 同ターボ圧縮機の同旋回流形成流路を示す図であって、側方より見た場合の説明図である。
【図6】 同ターボ圧縮機の同旋回流形成流路の要部を示す図であって、図4のA部拡大図である。
【図7】 同ターボ圧縮機の同旋回流形成流路の変形例を示す図であって、図6のB部に相当する部分の拡大図である。
【図8】 同ターボ圧縮機の旋回流形成流路の第2実施例を示す図であって、図6に相当する部分の拡大図である。
【図9】 同ターボ圧縮機の旋回流形成流路の第3実施例を示す図であって、吸込口をその軸線より対向視した説明図である。
【図10】 従来のターボ圧縮機に備えられている可変インレットガイドベーンを説明する図であって、半開状態を示している。
【図11】 同可変インレットベーンを示す図であって、全閉状態を示している。
【符号の説明】
1・・・ケーシング
2・・・主軸
3,3a・・・羽根車,第1段羽根車
8・・・吸込口
20・・・ターボ圧縮機
23・・・駆動機構
24・・・吐出口
30・・・凝縮器
40・・・絞り機構
50・・・蒸発器
101・・・副流配管(第1の旋回流れ形成流路,副流路)
103・・・バタフライ弁(流量調整機構)
105・・・ボール弁(流量比調整機構)
200・・・主流配管(第2の旋回流れ形成流路)
Claims (3)
- 吸込口および吐出口を有するケーシングと、該ケーシング内に回転可能に軸支される主軸と、該主軸に設けられた羽根車と、前記主軸の駆動機構とを有し、前記吸込口から吸い込んだ流体を昇圧して前記吐出口から流出させるターボ圧縮機において、
前記吸込口には、昇圧前の前記流体を取り込むものであって前記流体に前記羽根車の回転方向に沿ったわずかな旋回流を付与する主流路と、該主流路から分岐するとともに、前記吸込口に向かう前記流体の少なくとも一部に前記羽根車の回転方向に沿った旋回流を付与する副流路とが接続され、
前記主流路と前記副流路との分岐部には、該分岐部に回動可能に軸支され、その回動によってこれら主流路及び副流路間の流量比を調整する流量比調整機構が備えられているとともに、
前記主流路と前記副流路間の接続口の下流側部分には、前記流体の漏れを抑える突部が設けられていることを特徴とするターボ圧縮機。 - 前記流量比調整機構は、ボール弁であることを特徴とする請求項1に記載のターボ圧縮機。
- 吸込口から吸い込んだ流体を昇圧して吐出口から流出させるターボ圧縮機と、該ターボ圧縮機からの前記流体を凝縮、液化させる凝縮器と、該凝縮器で凝縮・液化された前記流体を減圧する絞り機構と、該絞り機構で減圧された前記流体と被冷却物との間で熱交換を行わせて該被冷却物を冷却するとともに、前記流体を蒸発・気化させる蒸発器とを備えた冷凍装置において、
前記ターボ圧縮機として、請求項1または請求項2に記載のターボ圧縮機が備えられていることを特徴とする冷凍装置。
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