JP4973976B2

JP4973976B2 - 密閉型ターボ圧縮冷凍機

Info

Publication number: JP4973976B2
Application number: JP2006035508A
Authority: JP
Inventors: 俊雄高橋; 伸定高原; 信義佐久間
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2006-02-13
Filing date: 2006-02-13
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2026-02-13
Also published as: JP2007212112A

Description

本発明は、冷凍機用のターボ圧縮機に係わり、さらに詳しくは、冷媒を密閉状態で循環させる密閉型ターボ圧縮冷凍機に関する。

冷凍機は、液化ガスを冷媒として作動し、仕事を費やして熱を低熱源より高熱源に運ぶいわゆるヒートポンプである。冷凍機は、通常、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を備え、冷媒ガスを圧縮機で圧縮して高温高圧の状態にし、この状態の冷媒ガスを凝縮器で放熱して液化し、この液を膨張弁で膨張させて低温低圧の気液混合状態とし、蒸発器で被冷却媒体より熱を奪って気化させ冷媒ガスとし、再び圧縮機に吸入させる。
上述した一連のサイクルを冷凍サイクルと呼び、蒸発器で低熱源より吸熱し、凝縮器で高熱源に放熱する。吸熱量をＱｅ、放熱量をＱｃ、圧縮機の仕事熱当量をＡＬとするとき、Ｑｅ／ＡＬを冷凍機の成績係数ＣＯＰ、Ｑｃ／ＡＬをヒートポンプの動作係数という。

圧縮比が大きくなると圧縮機の吐出温度が高くなり容積効率が低下する。特に蒸発温度が低くなると圧縮比が大きくなるので、圧縮操作を２段または３段以上に分けて圧縮する場合がある。このように圧縮操作を多段で行う冷凍サイクルを多段圧縮サイクルと呼ぶ。
多段圧縮サイクル用のターボ圧縮機として、特許文献１が既に開示されている。また、かかるターボ圧縮機用電動機の冷却方法として、特許文献２が開示されている。

特許文献１の装置は、１軸２段圧縮機において、圧縮羽根により生じるスラスト力を低減することを目的とし、図４に示すように、１段目の圧縮羽根５４で圧縮した冷媒５６の一部を１段目の圧縮羽根５４側の出口配管５７の途中から駆動モータの冷却用として用い駆動モータの冷却後に２段目の圧縮羽根５５側の入口配管へと戻すバイパス配管５８、５９を設けて、１段目側の出口配管と２段目側の入口配管との間に駆動モータ部分を冷媒が通過することにより生じる圧力損失に見合った分の抵抗５１を持たせたものである。

特許文献２の方法は、回転子のエンドリング部に羽根を設けることなく同等の冷却性能を得ることを目的とし、図５に示すように、電動機軸６４の回転子６２の取付位置の両側で、かつ固定子６１のコイルエンド端部より回転子６２側に円盤６３を設けたものである。

特開平５−２２３０９０号公報、「ターボ圧縮機」特開平６−１５９８２５号公報、「密閉型ターボ冷凍機用電動機の冷却方法」

特許文献１の装置において、駆動モータの冷却用には冷媒ガスが用いられる。そのため、液化した冷媒液と比較すると蒸発潜熱を利用できないため大量の冷媒ガスが必要であり、風損が大きい問題点がある。
また、１段目側の出口配管５８と２段目側の入口配管５９との間に駆動モータ部分を冷媒ガスが通過することにより生じる圧力損失に見合った分の抵抗５１を持たせるため、冷媒ガスの全量がこの抵抗分の圧力損失を生じ、冷凍機全体の効率が低下する。

一方、特許文献２の方法では、高圧の凝縮器から低圧の蒸発器までその圧力差により、液化した冷媒液を流し、その一部は電動機ケーシング６５と固定子６１の間から、また一部は電動機軸６４の内部を通り固定子６１と回転子６２の間に供給し、これを冷却し、蒸発器へ戻すようになっている。従って、冷媒液は液滴のまま固定子６１及び回転子６２を冷却するため、冷却効果は高いものの液滴を含む冷媒ガスの風損が大きく、冷凍機としての効率はさらに低下してしまう問題点がある。
また、冷媒液を供給する凝縮器内の圧力は、電動機内部の中間圧と比較し非常に高く、その差圧分の冷媒液及び冷媒ガスを冷却に用いるため、圧力が高い分、冷凍機全体の効率が低下する。

本発明は、かかる要望を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、大量の冷媒ガス又は液滴を含む冷媒ガスによる風損を低減し、冷凍機全体の効率を改善することができる密閉型ターボ圧縮冷凍機を提供することにある。

本発明によれば、冷媒ガスを圧縮して高温高圧の冷媒ガスにするターボ圧縮機と、
高温高圧の前記冷媒ガスを放熱して液化する凝縮器と、
前記冷媒ガスを液化した冷媒液を膨張させて低温低圧の気液混合ガスにする膨張弁と、
被冷却媒体を冷却して前記気液混合ガスを気化し冷媒ガスにする蒸発器とを備え、蒸発器で気化した前記冷媒ガスを再びターボ圧縮機で吸入する密閉型ターボ圧縮冷凍機であって、
前記ターボ圧縮機を密閉状態で駆動する密閉型電動機と、該密閉型電動機に冷媒液を供給する冷媒液供給管と、密閉型電動機内で冷媒液が蒸発した冷媒ガスを蒸発器に戻す冷媒ガス戻り管とを備え、
前記密閉型電動機は、電動機の固定子と回転子を内蔵する電動機ケーシングを有し、該電動機ケーシングは、前記冷媒液供給管と連通し固定子を冷媒液で間接冷却する中空ジャケットと、該中空ジャケット内でガス化した冷媒ガスをケーシング内の回転子の一端部に供給するガス供給口と、回転子の一端部から固定子と回転子の隙間を通過して回転子の他端に達した冷媒ガスを前記冷媒ガス戻り管に連通させるガス戻り口とを有し、
前記ターボ圧縮機は、第１段遠心圧縮機と第２段遠心圧縮機からなる２段ターボ圧縮機であり、
前記膨張弁は、高圧側膨張弁と低圧側膨張弁とからなり、
更に高圧側膨張弁と低圧側膨張弁の間に位置し、気液混合ガスから冷媒ガスを分離して２段ターボ圧縮機の中間段に導くエコノマイザを備え、
前記冷媒液供給管の一端はエコノマイザに連通しここから冷媒液を供給する、ことを特徴とする密閉型ターボ圧縮冷凍機が提供される。

前記冷媒ガス戻り管は、圧力差で流れる冷媒ガスの流量を調整するオリフィス又は弁を備える。

前記中空ジャケットは、固定子を囲む螺旋状又はそれに類する流路である、ことが好ましい。

また、前記中空ジャケットの流路は、入口から出口に向かって流路面積が漸増又はステップ状に増大する。

また、前記冷媒ガス戻り管内の冷媒ガスの温度、冷媒ガス戻り管自体の温度、又は前記電動機ケーシング内の温度を検知する温度検出器と、前記冷媒液供給管の流量を調節する流量調節弁と、該温度検出器の検出温度により流量調節弁を制御する温度制御器とを備える。

また、前記冷媒ガスをケーシング内の回転子の一端部に供給するガス供給口は、スラスト方向の力がかかる反対側である、ことが好ましい。

上記本発明の構成によれば、冷媒液供給管から密閉型電動機の中空ジャケット内に冷媒液を供給し、中空ジャケット内で冷媒液からガスへの蒸発潜熱を利用して固定子を間接冷却するので、小量の冷媒液で固定子を冷却することができる。
また、中空ジャケット内でガス化した冷媒ガスを固定子と回転子の隙間を通過させて回転子を冷却する。固定子は冷媒液により、十分に冷却されており、冷媒ガスは主に回転子を冷却するために働く。そのため、ガスのみで固定子、回転子を冷却する構造よりもガス量は少なくなり、風損を大幅に低減できる。また、回転子と接触する冷媒ガスは液滴をあまり多く含まない。そのため、冷媒液を回転子から直接噴射するよりも液滴を少なくすることとなり、同様に風損を低減することができる。
従って大量の冷媒ガス又は液滴を含む冷媒ガスによる風損を低減し、冷凍機全体の効率を改善することができる。

また、ターボ圧縮機が２段ターボ圧縮機であり、高圧側膨張弁と低圧側膨張弁の間にエコノマイザを備えたエコノマイザサイクルの場合に、エコノマイザから冷媒液供給管を介して密閉型電動機に冷媒液を供給することにより、エコノマイザ内の圧力は凝縮器内の圧力より低くかつ回転子部の圧力より高い中間圧であるため、冷媒液供給に伴う圧力損失が小さく、その分、冷凍機全体の効率低下を防止することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明の密閉型ターボ圧縮冷凍機の構成図であり、図２は、図１の密閉型ターボ圧縮冷凍機の概略図であり、図３は、図２の密閉型ターボ圧縮冷凍機における圧力−エンタルピ線図である。

これらの図において、本発明の密閉型ターボ圧縮冷凍機１０は、ターボ圧縮機１２、凝縮器１４、膨張弁１６、および蒸発器１８を備える。
ターボ圧縮機１２は、冷媒ガス１を圧縮して高温高圧の冷媒ガス５にする。凝縮器１４は、高温高圧の冷媒ガス５を放熱して冷媒ガスを液化して冷媒液６にする。膨張弁１６は、液化した冷媒液６を膨張させて低温低圧の気液混合ガス９にする。蒸発器１８は、被冷却媒体を冷却して気液混合ガス９を気化して冷媒ガス１にする。蒸発器１８を出た冷媒ガス１は再びターボ圧縮機１２に吸入されるようになっている。

図１、図２において、ターボ圧縮機１２は第１段遠心圧縮機１２ａと第２段遠心圧縮機１２ｂからなる２段ターボ圧縮機であり、第１段遠心圧縮機１２ａで圧縮した冷媒ガス２に膨張途中の気液混合ガス７から冷媒ガス３を混合して冷媒ガス４とし、これを第２段遠心圧縮機１２ｂで圧縮して高温高圧の冷媒ガス５にするようになっている。

膨張弁１６は、高圧側膨張弁１６ａと低圧側膨張弁１６ｂとからなる。また、本発明の密閉型ターボ圧縮冷凍機１０は、更にエコノマイザ１９を備える。
エコノマイザ１９は、高圧側膨張弁１６ａと低圧側膨張弁１６ｂの間に位置し、膨張途中の気液混合ガス７から冷媒ガス３を分離して２段ターボ圧縮機１２の中間段に導くようになっている。

本発明の密閉型ターボ圧縮冷凍機１０において、冷媒は、例えば、０．１ＭＰａにおいて５〜７℃前後において蒸発し、圧縮比２０前後において２ＭＰａ、１００〜１３０℃前後になるものを用いる。かかる冷媒として、例えばＲ−１１４を用いることができる。
この場合、図３の圧力−エンタルピ線図において、最大圧力Ｐ_Ｈは例えば２ＭＰａであり、最低圧力Ｐ_Ｌは例えば０．１ＭＰａである。また、エコノマイザ１９内の圧力Ｐ_ｍは、その中間圧である約０．４５ＭＰａ前後となる。
また、図２において、凝縮器１４での放熱温度は、例えば１００〜１３０℃であり、蒸発器１８における冷却温度は、例えば５〜７℃となる。また、２段ターボ圧縮機１２の中間段における温度は、約５０℃前後となる。
従って、この例では、被冷却媒体を５〜７℃の低温で冷却することができる。

図１において、本発明の密閉型ターボ圧縮冷凍機１０は、更に、密閉型電動機２０、冷媒液供給管３２、及び冷媒ガス戻り管３４を備える。
密閉型電動機２０は、電動機の固定子２１と回転子２２を内蔵する電動機ケーシング２３を有し、回転子２２の回転を増速歯車２４、２５を介して増速軸２６に伝達し、第１段遠心圧縮機１２ａと第２段遠心圧縮機１２ｂのインペラを密閉状態で回転駆動するようになっている。

電動機ケーシング２３は、中空ジャケット２３ａ、ガス供給口２３ｂ、及びガス戻り口２３ｃを有する。
中空ジャケット２３ａは、固定子２１を囲む螺旋状又はそれに類する流路であり、冷媒液供給管３２の一端（図で左端）と連通し、固定子２１を冷媒液で間接冷却する。なおこの螺旋流路は、この例のように固定子の片側から供給する構造でも、両端から供給する構造でもよい。

また、中空ジャケット２３ａの流路は、入口から出口に向かって流路面積が漸増又はステップ状に増大することが好ましい。この構成により、流路内で冷媒液がガス化して冷媒ガスになるにつれ、体積が膨張するが、流路面積の増大により、圧損の増大を防止することができる。

また、冷媒ガスをケーシング内の回転子の一端部に供給するガス供給口２３ｂは、スラスト方向の力がかかる反対側（この例では左側）であるのがよい。この構成により、増速歯車２４で発生するスラスト力を回転子２２の圧力差で発生するスラスト力で相殺してスラスト力を低減することができる。

ガス供給口２３ｂは、螺旋流路の末端（この図で左端部）とケーシング内を連通する孔であり、中空ジャケット２３ａ内でガス化した冷媒ガスをケーシング内の回転子２２の一端部（この図で左端部）に供給する。
ガス戻り口２３ｃは、ケーシング内部と外部を連通する孔であり、回転子２１の一端部（この図で左端部）から固定子２２と回転子２１の間（隙間）を通過して回転子２１の他端（この図で右端部）に達した冷媒ガスを冷媒ガス戻り管３４に連通させる。

冷媒液供給管３２は、その一端（図で右端）がエコノマイザ１９内の冷媒液８に連通し、ここから冷媒液８を密閉型電動機の中空ジャケット２３ａに供給する配管ラインである。なお、図中に破線の矢印で示すように、冷媒液供給管３２の一端を凝縮器１４に連通しここから冷媒液を供給してもよい。

冷媒液供給管３２の途中に、冷媒液の流量を調節する流量調節弁３２ａを備える。更に図１において、冷媒ガス戻り管３４内の冷媒ガスの温度又は冷媒ガス戻り管自体の温度を検知する第１温度検出器３３ａと、電動機ケーシング内の温度を検知する第２温度検出器３３ｂと、温度検出器３３ａ又は３３ｂの検出温度により流量調節弁を制御する温度制御器３３ｃとを備える。
この構成により、温度検出器３３ａ又は３３ｂの検出温度（すなわち出口温度）が規定より、低ければ冷えすぎのため、冷媒量を絞り、逆に高ければ冷えなさ過ぎのため、冷媒量を増やすことができる。

冷媒ガス戻り管３４は、密閉型電動機で冷媒液が蒸発した冷媒ガスをガス戻り口２３ｃから蒸発器１８に戻す配管ラインである。この冷媒ガス戻り管３４は、圧力差で流れる冷媒ガスの流量を調整するオリフィス３４ａ又は弁を備える。

更に図１において、中空ジャケット内でガス化した冷媒ガスが流入するケーシング内の回転子の一端部と、蒸発器とを連通し、ケーシング内から蒸発器へ冷媒液を戻す冷媒液戻り管３５を備える。

上述した本発明の構成によれば、冷媒液供給管３２から密閉型電動機２０の中空ジャケット内に冷媒液を供給し、中空ジャケット２３ａ内で冷媒液からガスへの蒸発潜熱を利用して固定子を間接冷却するので、冷媒液からガスへの蒸発潜熱を利用して小量の冷媒液で固定子を冷却することができる。
また、中空ジャケット内でガス化した冷媒ガスを固定子２１と回転子２２の隙間を通過させて固定子２１及び回転子２２を冷却する。固定子は冷媒液により、十分に冷却されており、冷媒ガスは主に回転子を冷却するために働く。そのため、ガスのみで固定子、回転子を冷却する構造よりもガス量は少なくなり、風損を大幅に低減できる。また、回転子と接触する冷媒ガスは液滴をあまり多く含まない。そのため、冷媒液を回転子から直接噴射するよりも液滴を少なくすることとなり、同様に風損を低減することができる。
従って大量の冷媒ガス又は液滴を含む冷媒ガスによる風損を低減し、冷凍機全体の効率を改善することができる。

また、ターボ圧縮機が２段ターボ圧縮機であり、高圧側膨張弁１６ａと低圧側膨張弁１６ｂの間にエコノマイザ１９を備えたエコノマイザサイクルの場合に、エコノマイザ１９から冷媒液供給管３２を介して密閉型電動機２０に冷媒液を供給することにより、エコノマイザ１９内の圧力は凝縮器１４内の圧力（例えば２ＭＰａ）より低くかつ回転子部（ケーシング内）の圧力より高い中間圧（例えば約０．４５ＭＰａ）であるため、冷媒液供給に伴う圧力損失が小さく、その分、冷凍機全体の効率低下を防止することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

本発明の密閉型ターボ圧縮冷凍機の構成図である。図１の密閉型ターボ圧縮冷凍機の概略図である。図２の密閉型ターボ圧縮冷凍機における圧力−エンタルピ線図である。特許文献１の装置の構成図である。特許文献２の装置の構成図である。

符号の説明

１，２，３，４，５冷媒ガス、６冷媒液、
７気液混合ガス、８冷媒液、９液混合ガス、
１０密閉型ターボ圧縮冷凍機、１２ターボ圧縮機、
１２ａ第１段遠心圧縮機、１２ｂ第２段遠心圧縮機、
１４凝縮器、１６膨張弁、
１６ａ高圧側膨張弁、１６ｂ低圧側膨張弁、
１８蒸発器、１９エコノマイザ、
２０密閉型電動機、２１固定子、２２回転子、
２３電動機ケーシング、２３ａ中空ジャケット、
２３ｂガス供給口、２３ｃガス戻り口、
２４，２５増速歯車、２６増速軸
３２冷媒液供給管、３２ａ流量調節弁、
３３ａ、３３ｂ温度検出器、３３ｃ温度制御器、
３４冷媒ガス戻り管、３４ａオリフィス
３５冷媒液戻り管

Claims

冷媒ガスを圧縮して高温高圧の冷媒ガスにするターボ圧縮機と、
高温高圧の前記冷媒ガスを放熱して液化する凝縮器と、
前記冷媒ガスを液化した冷媒液を膨張させて低温低圧の気液混合ガスにする膨張弁と、
被冷却媒体を冷却して前記気液混合ガスを気化し冷媒ガスにする蒸発器とを備え、蒸発器で気化した前記冷媒ガスを再びターボ圧縮機で吸入する密閉型ターボ圧縮冷凍機であって、
前記ターボ圧縮機を密閉状態で駆動する密閉型電動機と、該密閉型電動機に冷媒液を供給する冷媒液供給管と、密閉型電動機内で冷媒液が蒸発した冷媒ガスを蒸発器に戻す冷媒ガス戻り管とを備え、
前記密閉型電動機は、電動機の固定子と回転子を内蔵する電動機ケーシングを有し、該電動機ケーシングは、前記冷媒液供給管と連通し固定子を冷媒液で間接冷却する中空ジャケットと、該中空ジャケット内でガス化した冷媒ガスをケーシング内の回転子の一端部に供給するガス供給口と、回転子の一端部から固定子と回転子の隙間を通過して回転子の他端に達した冷媒ガスを前記冷媒ガス戻り管に連通させるガス戻り口とを有し、
前記ターボ圧縮機は、第１段遠心圧縮機と第２段遠心圧縮機からなる２段ターボ圧縮機であり、
前記膨張弁は、高圧側膨張弁と低圧側膨張弁とからなり、
更に高圧側膨張弁と低圧側膨張弁の間に位置し、気液混合ガスから冷媒ガスを分離して２段ターボ圧縮機の中間段に導くエコノマイザを備え、
前記冷媒液供給管の一端はエコノマイザに連通しここから冷媒液を供給する、ことを特徴とする密閉型ターボ圧縮冷凍機。
前記冷媒ガス戻り管は、圧力差で流れる冷媒ガスの流量を調整するオリフィス又は弁を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の密閉型ターボ圧縮冷凍機。
前記中空ジャケットは、固定子を囲む螺旋状又はそれに類する流路である、ことを特徴とする請求項１に記載の密閉型ターボ圧縮冷凍機。
前記中空ジャケットの流路は、入口から出口に向かって流路面積が漸増又はステップ状に増大する、ことを特徴とする請求項３に記載の密閉型ターボ圧縮冷凍機。
前記冷媒ガス戻り管内の冷媒ガスの温度、冷媒ガス戻り管自体の温度、又は前記電動機ケーシング内の温度を検知する温度検出器と、前記冷媒液供給管の流量を調節する流量調節弁と、該温度検出器の検出温度により流量調節弁を制御する温度制御器とを備える、ことを特徴とする請求項１に記載の密閉型ターボ圧縮冷凍機。
前記冷媒ガスをケーシング内の回転子の一端部に供給するガス供給口は、スラスト方向の力がかかる反対側である、ことを特徴とする請求項１に記載の密閉型ターボ圧縮冷凍機。