JP3702246B2 - ターボ圧縮機および冷凍装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【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)

1. 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。
2. 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。
3. 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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