(57)【要約】  チラーシステム（１０）において使用されるように適合されたターボエコノマイザ（２６）は、ノズル（６２）と、タービン（６４）と、エコノマイザインペラ（６６）と、を含む。ノズル（６２）は、冷媒をターボエコノマイザ（２６）に導く。タービン（６４）は、ノズル（６２）の下流に配置され、タービン（６４）は、回転軸周りで回転可能なシャフト（７０）に取り付けられている。ノズル（６２）を通して導かれる冷媒流は、タービン（６４）を駆動させて、シャフト（７０）を回転させる。エコノマイザインペラ（６６）は、シャフト（７０）の回転に従って回転されるようにシャフト（７０）に取り付けられている。ターボエコノマイザ（２６）において、ノズル（６２）は、冷媒の圧力を、ターボエコノマイザ（２６）に流入する冷媒が所定の圧力よりも低くなるように減圧し、ノズル（６２）を通る冷媒の少なくとも一部は、エコノマイザインペラ（６６）に導かれ、エコノマイザインペラ（６６）は、そこに導かれた冷媒を所定の圧力まで昇圧する。
2019518926.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍回路を形成するように接続された圧縮機、蒸発器、及び凝縮器を含むチラーシステムにおいて使用されるように適合されたターボエコノマイザであって、
前記ターボエコノマイザに冷媒を導くように構成及び配置されたノズルと、
前記ノズルの下流に配置されたタービンであって、回転軸周りで回転可能なシャフトに取り付けられ、前記ノズルを通して導かれる前記冷媒の流れによって駆動されて前記シャフトを回転させるタービンと、
前記シャフトの回転に従って回転されるように前記シャフトに取り付けられたエコノマイザインペラと、
を備え、
前記ノズルは、前記ターボエコノマイザに入る前記冷媒の圧力が所定の圧力よりも低くなるよう、前記冷媒を減圧するように更に構成及び配置されており、
前記ノズルを通過する前記冷媒の少なくとも一部は、前記エコノマイザインペラに導かれ、
前記エコノマイザインペラは、そこに導かれる前記冷媒を前記所定の圧力まで昇圧するように構成及び配置されている、
ターボエコノマイザ。
【請求項２】
前記ターボエコノマイザは、別個のモータを使用しない冷媒動力式であり、前記タービンは前記冷媒の流れによって駆動され、前記エコノマイザインペラは前記タービンからの原動力によって駆動される、
請求項１に記載のターボエコノマイザ。
【請求項３】
前記ノズルは、前記冷媒の流速を増加させるように更に構成及び配置されている、
請求項１又は２に記載のターボエコノマイザ。
【請求項４】
前記タービンは、前記冷媒の流速を低下させるように構成及び配置されている、
請求項１から３のいずれか１項に記載のターボエコノマイザ。
【請求項５】
前記タービンは、冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離するように更に構成及び配置されている、
請求項１から４のいずれか１項に記載のターボエコノマイザ。
【請求項６】
前記タービンにおいて分離された前記ガス冷媒は、前記エコノマイザインペラに導かれ、前記エコノマイザインペラは、前記ガス冷媒を昇圧させるように更に構成及び配置されている、
請求項５に記載のターボエコノマイザ。
【請求項７】
前記圧縮機は、少なくとも第１段及び第２段を含む多段遠心圧縮機である、
請求項１から６のいずれか１項に記載のターボエコノマイザ。
【請求項８】
前記ターボエコノマイザは、前記圧縮機の前記第１段と前記第２段との間に位置する前記圧縮機の中間段に接続され、
前記冷媒は、前記エコノマイザインペラから前記圧縮機の前記中間段に注入される、
請求項７に記載のターボエコノマイザ。
【請求項９】
前記タービンは、ペルトンホイールタービンである、
請求項１から８のいずれか１項に記載のターボエコノマイザ。
【請求項１０】
前記シャフトを回転可能に支持する軸受を更に備える、
請求項１から９のいずれか１項に記載のターボエコノマイザ。
【請求項１１】
前記タービンの下流に配置された膨張機を更に備え、
前記膨張機は、前記膨張機内に導かれた前記冷媒に対して膨張プロセスを行うように構成及び配置され、
前記膨張プロセスを経た前記冷媒は、前記チラーシステム内の前記蒸発器に導かれる、
請求項１から１０のいずれか１項に記載のターボエコノマイザ。
【請求項１２】
前記膨張機は、少なくとも１つの膨張機インペラを含む、
請求項１１に記載のターボエコノマイザ。
【請求項１３】
前記膨張機は、前記冷媒の前記膨張プロセスで得られたエネルギーによって駆動される発電機として使用される、
請求項１１又は１２に記載のターボエコノマイザ。
【請求項１４】
互いに接続される圧縮機、蒸発器、及び凝縮器を含む冷凍回路と、
ターボエコノマイザと、
を備えるチラーシステムであって、
前記ターボエコノマイザは、
前記ターボエコノマイザに冷媒を導くように構成及び配置されたノズルと、
前記ノズルの下流に配置されたタービンであって、回転軸周りで回転可能なシャフトに取り付けられ、前記ノズルを通して導かれる前記冷媒の流れによって駆動されて前記シャフトを回転させるタービンと、
前記シャフトの回転に従って回転されるように前記シャフトに取り付けられたエコノマイザインペラと、
を含み、
前記ノズルは、前記ターボエコノマイザに入る前記冷媒の圧力が所定の圧力よりも低くなるよう、前記冷媒を減圧するように更に構成及び配置されており、
前記ノズルを通過する前記冷媒の少なくとも一部は、前記エコノマイザインペラに導かれ、
前記エコノマイザインペラは、前記エコノマイザインペラ内に導かれる前記冷媒を前記所定の圧力まで昇圧するように構成及び配置されている、
チラーシステム。
【請求項１５】
前記圧縮機は、少なくとも第１段及び第２段を含む多段遠心圧縮機である、
請求項１４に記載のチラーシステム。
【請求項１６】
前記ターボエコノマイザは、前記圧縮機の前記第１段と前記第２段との間に位置する前記圧縮機の中間段に接続され、
前記冷媒は、前記エコノマイザインペラから前記圧縮機の前記中間段に注入される、
請求項１５に記載のチラーシステム。
【請求項１７】
前記ターボエコノマイザは、前記チラーシステム内で前記蒸発器と前記凝縮器との間に配置される、
請求項１４から１６のいずれか１項に記載のチラーシステム。
【請求項１８】
前記ターボエコノマイザは、前記タービンの下流に配置された膨張機を更に含み、
前記膨張機は、前記膨張機内に導かれる前記冷媒に対して膨張プロセスを行い、前記膨張プロセスを経た前記冷媒が前記チラーシステム内の前記蒸発器に導かれるように構成及び配置されている、
請求項１４から１７のいずれか１項に記載のチラーシステム。
【請求項１９】
前記膨張機は、前記冷媒の前記膨張プロセスにおいて得られたエネルギーによって駆動される発電機として使用される、
請求項１８に記載のチラーシステム。
【請求項２０】
前記蒸発器は、流下膜式蒸発器であり、
前記膨張機は、前記冷媒の前記膨張プロセスにおいて得られたエネルギーによって駆動されて前記流下膜式蒸発器を通して前記冷媒を循環させるポンプとして使用される、
請求項１８に記載のチラーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、チラーシステム用のターボエコノマイザに関する。
【背景技術】
【０００２】
チラーシステムは、媒体から熱を取り除く冷凍機械又は装置である。通常、水等の液体が媒体として使用され、チラーシステムは、蒸気圧縮冷凍サイクルにおいて動作する。そして、この液体は、熱交換器を循環することによって、空気又は機器を必要に応じて冷却することができる。必須の副生成物として冷媒による廃熱が生成されるため、これを周囲に排気するか、効率を高めるために回収して加熱に用いるかが必要となる。従来のチラーシステムは、多くの場合、ターボ圧縮機としばしば呼ばれる遠心圧縮機を利用する。従って、これらのチラーシステムをターボチラーと呼ぶことができる。或いは、例えばスクリュー圧縮機等のその他の種類の圧縮機を利用することもできる。
【０００３】
従来の（ターボ）チラーでは、冷媒が遠心圧縮機において圧縮され、熱交換器に送られると、熱交換器において冷媒と熱交換媒体（液体）との間で熱交換がおこる。この熱交換器において冷媒が凝縮するため、この熱交換器は凝縮器と呼ばれる。結果として、熱が媒体（液体）に移るため、媒体が加熱される。凝縮器を出た冷媒は、膨張弁によって膨張させられてから別の熱交換器に送られ、この冷媒と熱交換媒体（液体）との間で熱交換がおこる。この熱交換器において冷媒が加熱（蒸発）するため、この熱交換器は蒸発器と呼ばれる。結果として、熱が媒体（液体）から冷媒に伝達され、液体が冷却される。そして、蒸発器からの冷媒は遠心圧縮機に戻され、このサイクルが繰り返される。多くの場合、利用される液体は、水である。
【０００４】
従来の遠心圧縮機は基本的に、ケーシングと、インレットガイドベーンと、インペラと、ディフューザと、モータと、各種センサと、コントローラとを備える。冷媒は、インレットガイドベーン、インペラ、及びディフューザを順に流れる。従って、インレットガイドベーンは、遠心圧縮機のガス吸気ポートに連結され、ディフューザは、インペラのガス出口ポートに連結される。インレットガイドベーンは、インペラに入る冷媒ガスの流量を制御する。インペラは、冷媒ガスの速度を上げる。ディフューザは、インペラによって与えられる冷媒ガスの速度（動的な圧力）を（静的な）圧力に変換する働きをする。モータは、インペラを回転させる。コントローラは、モータ、インレットガイドベーン、及び膨張弁を制御する。従来の遠心圧縮機では、このようにして冷媒が圧縮される。
【０００５】
チラーシステムの効率を高めるため、エコノマイザが使用されている。例えば、米国特許出願公開第２００８／００９８７５４号を参照されたい。エコノマイザが二相（気液）冷媒から冷媒ガスを分離すると、その冷媒ガスは、圧縮機の中間圧部に導かれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のエコノマイザでは、エコノマイザから出る冷媒ガスの圧力が中間圧まで下げられ、その冷媒ガスが圧縮機の中間部に導かれる。圧縮機の中間圧を低下させると、チラーシステムの冷却能力を高めることができる。１つの従来技法によれば、圧縮機が異なるサイズの２つのインペラを備え、第１段のインペラを小さなサイズに第２段のインペラを大きなサイズにすることにより、圧縮機内の冷媒の低い中間圧を実現させることができる。この技法は比較的良好に機能するが、このシステムは、インペラにサイズ差を設けるために大型の圧縮機が必要であるため、コストが増大する。
【０００７】
従って、本発明の１つの目的は、圧縮機内で異なるサイズのインペラを用いることなくチラーシステムの冷却能力の改良を実現するターボエコノマイザを提供することである。
【０００８】
本発明の別の目的は、別個のモータを使用することのない、自己動力式のターボエコノマイザを提供することである。
【０００９】
本発明の更に別の目的は、膨張機を使用することによって冷却能力を更に改良するターボエコノマイザを提供することである。
【００１０】
本発明の更に別の目的は、本発明に係るターボエコノマイザを使用するチラーシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的の１つ又は複数は、基本的には、冷凍回路を形成するように接続された圧縮機、蒸発器、及び凝縮器を含むチラーシステムにおいて使用されるように適合されたターボエコノマイザであって、ターボエコノマイザに冷媒を導くように構成及び配置されたノズルと、ノズルの下流に配置されたタービンであって、回転軸周りで回転可能なシャフトに取り付けられ、ノズルを通して導かれる冷媒の流れによって駆動されてシャフトを回転させるタービンと、シャフトの回転に従って回転させられるようにシャフトに取り付けられたエコノマイザインペラと、を含むターボエコノマイザを提供することによって達成することができる。ターボエコノマイザにおいて、ノズルは、ターボエコノマイザに入る冷媒の圧力が所定の圧力よりも低くなるように冷媒を減圧するよう更に構成及び配置されており、ノズルを通過する冷媒の少なくとも一部は、エコノマイザインペラに導かれ、エコノマイザインペラは、そこに導かれる冷媒を所定の圧力まで昇圧するように構成及び配置されている。
【００１２】
本発明の上記及びその他の目的、特徴、態様、及び利点は、以下の詳細な記載から当業者に明らかとなろう。以下の記載では、添付の図面と合わせて好適な実施形態を開示する。
【００１３】
ここで、本出願の元の開示の一部を成す添付図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るターボエコノマイザを含むチラーシステムを示す図。
【００１５】
【図２】図１に示すチラーシステムの遠心圧縮機の斜視図であって、説明のために一部を破断して断面で示した図。
【００１６】
【図３Ａ】図１に示すチラーシステムにおけるターボエコノマイザの概略図。
【００１７】
【図３Ｂ】ターボエコノマイザ内の各点での冷媒の圧力を示すｐ−ｈ図。
【００１８】
【図４Ａ】典型的なサイクルのｐ−ｈ図。
【００１９】
【図４Ｂ】図３Ａに示すターボエコノマイザにおける改良されたサイクルのｐ−ｈ図。
【００２０】
【図５】冷媒の流れを示す、図３Ａに示すターボエコノマイザの斜視図。
【００２１】
【図６】図５に示すターボエコノマイザの分解斜視図。
【００２２】
【図７】図５及び図６に示すターボエコノマイザの軸受ハウジングの斜視図であって、説明のために一部を破断して断面で示す図。
【００２３】
【図８Ａ】チラーシステムにおける本発明の第２の実施形態に係る（膨張機を備える）ターボエコノマイザの概略図。
【００２４】
【図８Ｂ】本発明の第２の実施形態に係るターボエコノマイザにおける各点での冷媒の圧力を示すｐ−ｈ図。
【００２５】
【図９Ａ】典型的なサイクルのｐ−ｈ図。
【００２６】
【図９Ｂ】図８Ａに示される本発明の第２の実施形態に係るターボエコノマイザにおける改良されたサイクルのｐ−ｈ図。
【００２７】
【図１０Ａ】膨張機が発電機として使用される、本発明の第２の実施形態に係るターボエコノマイザの概略図。
【００２８】
【図１０Ｂ】膨張機がポンプとして使用される、本発明の第２の実施形態に係るターボエコノマイザの概略図。
【００２９】
【図１１】冷媒の流れを示す、本発明の第２の実施形態に係るターボエコノマイザ及び膨張機の斜視図。
【００３０】
【図１２Ａ】図１０Ａに示す発電機として使用される膨張機の分解斜視図。
【００３１】
【図１２Ｂ】図１０Ｂに示すポンプとして使用される膨張機の分解斜視図。
【００３２】
【図１３Ａ】図１０Ａに示す発電機として使用される膨張機の概略断面図。
【００３３】
【図１３Ｂ】図１０Ｂに示すポンプとして使用される膨張機の概略断面図。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
ここで、選択した実施形態を、図面を参照しながら説明する。以下の実施形態の説明は単なる例示であり、添付の請求項及びそれらの等価物で定義される本発明を限定するためのものではないことは、本開示から当業者に明らかであろう。
【００３５】
まず図１を参照すると、本発明の第１の実施形態に係るターボエコノマイザ２６を含むチラーシステム１０が示されている。チラーシステム１０は、好ましくは、従来の方式で冷却水及びチラー水を利用する水冷チラーである。本明細書に示すチラーシステム１０は、２段チラーシステムである。しかし、チラーシステム１０が、中間段を有していれば更に多くの段を含む多段チラーシステムでもよいことは、本開示から当業者には明らかであろう。
【００３６】
チラーシステム１０は、基本的には、圧縮機２２、凝縮器２４、膨張ノズル２５、ターボエコノマイザ２６、膨張弁２７、及び蒸発器２８を含み、それらは直列に接続されて、冷凍回路を形成している。更に、チラーシステム１０の回路全体にわたって様々なセンサ（図示せず）が配置されている。
【００３７】
図１及び図２を参照すると、圧縮機２２は、例示実施形態では２段遠心圧縮機である。より具体的には、本明細書に示す圧縮機２２は、２つのインペラを含む２段遠心圧縮機である。しかし、圧縮機２２は、より多くのインペラを含む多段遠心圧縮機でもよい。例示実施形態の２段遠心圧縮機２２は、第１段インペラ３４ａ及び第２段インペラ３４ｂを含む。遠心圧縮機２２は、第１段インレットガイドベーン３２ａ、第１のディフューザ／ボリュート３６ａ、第２段インレットガイドベーン３２ｂ、第２のディフューザ／ボリュート３６ｂ、圧縮機モータ３８、及び磁気軸受アセンブリ４０、並びに様々な従来のセンサ（図示せず）を更に含む。
【００３８】
冷媒は、第１段インレットガイドベーン３２ａ、第１段インペラ３４ａ、第２段インレットガイドベーン３２ｂ、及び第２段インペラ３４ｂを順に通って流れる。インレットガイドベーン３２ａ、３２ｂは、従来の方法でそれぞれインペラ３４ａ、３４ｂ内への冷媒ガスの流量を制御する。インペラ３４ａ、３４ｂは、ほぼ圧力を変えることなく、冷媒ガスの速度を増加させる。モータ速度は、冷媒ガスの速度の増加量を決定する。ディフューザ／ボリュート３６ａ、３６ｂは、冷媒圧力を上昇させる。ディフューザ／ボリュート３６ａ、３６ｂは、圧縮機ケーシング３０に対して移動不能に固定されている。圧縮機モータ３８は、シャフト４２を介してインペラ３４ａ、３４ｂを回転させる。磁気軸受アセンブリ４０は、シャフト４２を磁気的に支持する。磁気軸受アセンブリ４０は、好ましくは、第１のラジアル磁気軸受４４、第２のラジアル磁気軸受４６、及びアキシャル（スラスト）磁気軸受４８を含む。いずれの場合も、少なくとも１つのラジアル磁気軸受４４又は４６がシャフト４２を回転可能に支持する。スラスト磁気軸受４８は、回転軸に沿ってシャフト４２を支持する。或いは、軸受システムは、ローラ要素、流体軸受、静圧軸受、及び／又は磁気軸受、又はこれらの任意の組合せを含んでいてもよい。このようにして、冷媒は遠心圧縮機２２内で圧縮される。
【００３９】
チラーシステム１０の動作時、圧縮機２２の第１段インペラ３４ａ及び第２段インペラ３４ｂが回転させられ、チラーシステム１０内の低圧の冷媒が第１段インペラ３４ａに吸引される。冷媒の流量は、インレットガイドベーン３２ａによって調整される。第１段インペラ３４ａによって吸引された冷媒は圧縮されて中間圧にされ、第１のディフューザ／ボリュート３６ａによって冷媒圧力が上昇され、次いで冷媒は第２段インペラ３４ｂに導かれる。冷媒の流量は、インレットガイドベーン３２ｂによって調整される。第２段インペラ３４ｂが中間圧の冷媒を圧縮して高圧にすると、その冷媒圧力は第２のディフューザ／ボリュート３６ｂによって上昇させられる。次いで、高圧ガス冷媒はチラーシステム１０に放出される。
【００４０】
上述したように、チラーシステム１０は、本発明に係るターボエコノマイザ２６を有する。チラーシステム１０は、本発明に係るターボエコノマイザ２６を除き従来のものである。従って、チラーシステム１０は、ターボエコノマイザ２６に関連する場合を除き、本明細書で更に詳細には説明及び／又は図示しない。しかし、本発明の範囲を逸脱することなく、チラーシステム１０の従来の部品を様々な様式で構成することができることは、当業者には明らかであろう。
【００４１】
以下でより詳細に説明するように、ターボエコノマイザ２６は、圧縮機２２の中間段に接続されて、ガス冷媒を圧縮機２２の中間段に注入する。例示実施形態では、ターボエコノマイザ２６は、チラーシステム１０内で蒸発器２８と凝縮器２４との間に配置されている。
【００４２】
図３Ａ及び図６を参照すると、ターボエコノマイザ２６は、基本的には、ノズル６２、ペルトンホイールタービン６４、及びエコノマイザインペラ６６を含む。ペルトンホイールタービン６４は、タービンケーシング６５の内部に配置されている。エコノマイザインペラ６６は、インペラケーシング６７の内部に配置されている。ターボエコノマイザ２６は、タービンケーシング６５とインペラケーシング６７とを接続する管状ケーシング（図示せず）を更に含む。管状ケーシングの一端はタービンケーシング６５に取り付けられ、管状ケーシングの他端はインペラケーシング６７に取り付けられている。
【００４３】
図３Ａ、図５、図６、及び図７を参照すると、ターボエコノマイザ２６は、シャフト７０、軸受７２、及び軸受ハウジング７４を更に含む。シャフト７０は、シャフト７０の長手方向に沿って延びる回転軸周りで回転可能である。軸受７２は、軸受ハウジング７４の内部に配置されている。軸受７２は固定され、シャフト７０を回転可能に支持する。軸受７２は従来のものであり、従って、本発明に関連する場合を除き、本明細書で詳細には説明及び／又は図示しない。本発明から逸脱することなく、任意の適切な軸受を使用することができることが当業者には明らかであろう。軸受７２の例としては、例えば、ころ軸受、すべり軸受、及び／又は磁気軸受が挙げられる。図７に示す軸受７２は、すべり軸受である。
【００４４】
ノズル６２は、ターボエコノマイザ２６の入口に配置されて、凝縮器２４から出た冷媒をターボエコノマイザ２６に導く。ペルトンホイールタービン６４は、ノズル６２の下流に配置されている。ペルトンホイールタービン６４は、シャフト７０の一端に取り付けられている。エコノマイザインペラ６６は、シャフト７０の他端に取り付けられている。チラーシステム１０内の冷媒の流れは、ノズル６２からターボエコノマイザ２６に入り、ペルトンホイールタービン６４に進む。次いで、冷媒の流れが、ペルトンホイールタービン６４を駆動させ、ペルトンホイールタービン６４に取り付けられているシャフト７０を回転させる。次いで、シャフト７０の回転に応じてエコノマイザインペラ６６が回転される。すなわち、ターボエコノマイザ２６において、冷媒の流れを使用してペルトンホイールタービン６４が発生した原動力がシャフト７０を介して伝達され、伝達された原動力が、エコノマイザインペラ６６を駆動させる。これにより、ターボエコノマイザ２６は、別個のモータを使用しない冷媒動力式である。より具体的には、本発明に係るターボエコノマイザ２６は、ペルトンホイールタービン６４又はエコノマイザインペラ６６を駆動させるための電動機等のモータを必要としない。
【００４５】
冷媒が通過する間、ノズル６２は、冷媒の圧力を低下させ、冷媒の流速を増加させる。より具体的には、ノズル２６により、ターボエコノマイザ２６に流入する冷媒は、圧縮機２２の中間段の冷媒の中間圧を下回るように減圧される。圧縮機２２の中間段は、圧縮機２２の第１段と第２段との間に位置する。ノズル６２を通過する冷媒は、二相（気液）冷媒である。次いで、冷媒は、ペルトンホイールタービン６４に導かれる。ペルトンホイールタービン６４は、二相冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離する。ペルトンホイールタービン６４も、冷媒の流速を低下させる。
【００４６】
ペルトンホイールタービン６４において分離された液冷媒は、チラーシステム１０内の膨張弁２７に導かれる。他方、ペルトンホイールタービン６４において分離された、主としてガス冷媒および微量の液冷媒を含む冷媒は、ペルトンホイールタービン６４とエコノマイザインペラ６６とを接続するパイプ（図示せず）を通してエコノマイザインペラ６６に導かれる。エコノマイザインペラ６６は、そこに導かれた冷媒の圧力を上昇させて中間圧にする。上述したように、エコノマイザインペラ６６は、ペルトンホイールタービン６４からの原動力によって駆動される。
【００４７】
エコノマイザインペラ６６から出た冷媒は、圧縮機２２の中間段に注入される。次いで、圧縮機２２の中間段に注入されたガス冷媒は、圧縮機２２の第１段インペラ３４ａによって圧縮された中間圧の冷媒と混合される。混合された冷媒は、第２段インペラ３４ｂに流れて、更に圧縮される。
【００４８】
ここで、図３Ａ、図３Ｂ、及び図５を参照して、ターボエコノマイザ２６内での冷媒の流れ、及びターボエコノマイザ２６の各位置での冷媒の圧力について説明する。凝縮器２４から出た冷媒は、ノズル６２を通ってターボエコノマイザ２６に入る（位置Ａ）。冷媒は、ノズル６２によって中間圧よりも低くなるように減圧される。図３Ａ及び図３Ｂにおけるプロセス（１）を参照されたい。ノズル６２を通過した冷媒の流れは、ペルトンホイールタービン６４に導かれる（位置Ｂ）。冷媒は、ペルトンホイールタービン６４においてガス冷媒と液冷媒とに分離される。ペルトンホイールタービン６４において分離された液冷媒は、ペルトンホイールタービン６４から出て（位置Ｄ）、チラーシステム１０内の膨張弁２７に流れる。図３Ａ及び図３Ｂにおけるプロセス（２）を参照されたい。他方、ペルトンホイールタービン６４において分離されたガス冷媒は、ペルトンホイールタービン６４から出て（位置Ｃ）、エコノマイザインペラ６６に流れる（位置Ｃ’）。エコノマイザインペラ６６によって、ガス冷媒は中間圧まで昇圧される。中間圧のガス冷媒は、エコノマイザインペラ６６（位置Ｅ）から出て、圧縮機２２の中間段に注入される。図３Ａ及び図３Ｂにおけるプロセス（３）及び（４）を参照されたい。
【００４９】
このようにして、ターボエコノマイザ２６内の冷媒は、ノズル６２により圧縮機２２の中間圧よりもよりも低くなるように減圧される。また、冷媒を膨張させるプロセス（１）（位置Ａから位置Ｂまで）から仕事(work)が抽出され、抽出された仕事がエコノマイザインペラ６６に与えられる。本発明によれば、図３Ｂのｐ−ｈ図に示すように、Δｈが増加される。その結果、チラーシステム１０の冷却能力の改良を実現することができる。
【００５０】
図４Ａ及び図４Ｂを参照して、冷却能力改良の工学値の一例を説明する。図４Ａは、典型的なサイクルのｐ−ｈ図であり、図４Ｂは、本発明に係るターボエコノマイザ２６を使用した、改良されたサイクルのｐ−ｈ図である。ここで説明する工学値は、冷媒としてＲ１３４ａを使用する単なる例にすぎない。設計データ及び図は、冷媒の種類及び動作条件に応じて異なることが当業者には明らかであろう。これらの例では、図４Ａに示すように、典型的なサイクルに関する中間圧は６１２ｋＰａであり、図４Ｂに示すように、本発明に係る改良されたサイクルに関する中間圧は４９０ｋＰａである。従って、中間圧は１２２ｋＰａ低減される。典型的なサイクルに関する冷却能力（蒸発器でのエンタルピー差）は１７２ｋＪ／ｋｇであり、本発明に係る改良されたサイクルに関する冷却能力は１８２ｋＪ／ｋｇである。従って、冷却能力は１０ｋＪ／ｋｇ増加される。典型的なサイクルに関する理論ＣＯＰ（成績係数）は８．２１であり、本発明に係る改良されたサイクルに関する理論ＣＯＰは８．６９である。従って、理論ＣＯＰは約５％増加される。このようにして、本発明に係るターボエコノマイザ２６を使用することによって、ＣＯＰが改良される。
＜第２の実施形態＞
【００５１】
図８Ａを参照して、本発明の第２の実施形態に係るターボエコノマイザ２６’について説明する。この実施形態では、ターボエコノマイザ２６’は、膨張機６８を更に含む。第２の実施形態に係るターボエコノマイザ２６’の他の要素は、第１の実施形態に係るターボエコノマイザ２６の要素と実質的に同一である。従って、第２の実施形態を理解するために必要な場合を除き、それらの要素についてはここでは詳細には論じない。第１の実施形態の説明及び図示は、ここで説明及び／又は図示する点を除き第２の実施形態にも当てはまる。
【００５２】
上述したように、第２の実施形態に係るターボエコノマイザ２６’は、膨張機６８を含む。膨張機６８は、ペルトンホイールタービン６４の下流に配置されている。膨張機６８は、少なくとも１つの膨張機インペラを含む。膨張機６８は、ペルトンホイールタービン６４から膨張機６８に導かれた冷媒に対して膨張プロセスを行う。膨張機６８において膨張プロセスを経た冷媒は、チラーシステム１０内の蒸発器２８に導かれる。第２の実施形態に係るターボエコノマイザ２６’を使用するチラーシステム１０は、膨張弁２７を必要としない。
【００５３】
ここで、図８Ａ、図８Ｂ、及び図１１を参照して、ターボエコノマイザ２６’内の冷媒の流れ、及びターボエコノマイザ２６’の各位置での冷媒の圧力について説明する。凝縮器２４から出た冷媒は、ノズル６２を通ってターボエコノマイザ２６に入る（位置Ａ）。この冷媒は、ノズル６２によって中間圧よりも低くなるように減圧される。図８Ａ及び図８Ｂにおけるプロセス（１）を参照されたい。ノズル６２を通過した冷媒の流れは、ペルトンホイールタービン６４に導かれる（位置Ｂ）。冷媒は、ペルトンホイールタービン６４においてガス冷媒と液冷媒とに分離される。ペルトンホイールタービン６４において分離されたガス冷媒は、ペルトンホイールタービン６４から出て（位置Ｃ）、エコノマイザインペラ６６に流れる（位置Ｃ’）。エコノマイザインペラ６６によって、ガス冷媒の圧力は中間圧まで昇圧される。中間圧のガス冷媒は、エコノマイザインペラ６６（位置Ｅ）から出て、圧縮機２２の中間段に注入される。図８Ａ及び図８Ｂにおけるプロセス（３）及び（４）を参照されたい。他方、ペルトンホイールタービン６４において分離された液冷媒は、ペルトンホイールタービン６４から出て（位置Ｄ）、後述する膨張機６８Ａ及び膨張機６８Ｂを含む膨張機６８に流れる。冷媒は、膨張機６８において膨張プロセスを経る。膨張機６８から出た冷媒（位置Ｆ）は、チラーシステム１０内の蒸発器２８に導かれる。図８Ａ及び図８Ｂにおけるプロセス（２）を参照されたい。
【００５４】
このようにして、ターボエコノマイザ２６’内の冷媒は、圧縮機２２の中間圧よりも低くなるように減圧される。また、冷媒を膨張させるプロセス（１）（位置Ａから位置Ｂまで）から仕事が抽出され、抽出された仕事がエコノマイザインペラ６６に与えられる。第２の実施形態に係るターボエコノマイザ２６’では、膨張機６８における膨張プロセス（位置Ｄから位置Ｆまで）から追加の仕事が抽出される。その結果、図８Ｂに示すように、チラーシステム１０の冷却能力の更なる改良を実現することができる。
【００５５】
図９Ａ及び図９Ｂを参照して、冷却能力改良の工学値の一例を説明する。図９Ａは、典型的なサイクルのｐ−ｈ図であり、図９Ｂは、本発明の第２の実施形態に係るターボエコノマイザ２６’を使用した、改良されたサイクルのｐ−ｈ図である。ここで説明する工学値は、冷媒としてＲ１３４ａを使用する単なる例にすぎない。設計データ及び図は、冷媒の種類及び動作条件に応じて異なることが当業者には明らかであろう。これらの例では、図９Ａに示すように、典型的なサイクルに関する中間圧は６１２ｋＰａであり、図９Ｂに示すように、本発明の第２の実施形態に係る改良されたサイクルに関する中間圧は４９０ｋＰａである。従って、中間圧は１２２ｋＰａ低減される。典型的なサイクルに関する冷却能力（蒸発器でのエンタルピー差）は１７２ｋＪ／ｋｇであり、本発明の第２の実施形態に係る改良されたサイクルに関する冷却能力は２０１ｋＪ／ｋｇである。従って、冷却能力は２９ｋＪ／ｋｇ増加される。典型的なサイクルに関する理論ＣＯＰ（成績係数）は８．２１であり、本発明の第２の実施形態に係る改良されたサイクルに関する理論ＣＯＰは９．６０である。従って、理論ＣＯＰは約１７％増加される。このようにして、本発明の第２の実施形態に係るターボエコノマイザ２６’を使用することによって、ＣＯＰが更に改良される。
【００５６】
図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、本発明の第２の実施形態に係るターボエコノマイザ２６’の膨張機６８は、発電機又はポンプとして使用することができる。膨張機６８Ａを発電機（図１０Ａ）として使用する場合、膨張機６８Ａでの回転エネルギーが、発電機において電気エネルギーを得るために利用される。膨張機６８Ｂをポンプとして使用する場合（図１０Ｂ）、膨張機６８Ｂは、以下により詳細に説明するように、流下膜式蒸発器を通して冷媒を再循環させるためのポンプとして機能する。
【００５７】
図１２Ａは、図１０Ａに示す発電機として使用される膨張機６８Ａの分解斜視図である。図１２Ｂは、図１０Ｂに示すポンプとして使用される膨張機６８Ｂの分解斜視図である。また、図１３Ａは、膨張機６８Ａの概略断面図であり、図１３Ｂは、膨張機６８Ｂの概略断面図である。
【００５８】
図１２Ａ及び図１３Ａを参照すると、膨張機６８Ａは、基本的に膨張機タービン８０及び発電機８２を含む。膨張機タービン８０は、膨張機タービンケーシング８１の内部に配置されている。発電機８２は、発電機ケーシング（図示せず）の内部に配置されている。膨張機６８Ａは、膨張機タービンケーシング８１と発電機ケーシングとを接続するケーシング（図示せず）を更に含む。発電機８２は、シャフト９０、固定子９１、及び回転子９２を含む。シャフト９０は、シャフト９０の長手方向に沿って延びる回転軸周りで回転可能である。シャフト９０は、その一端が膨張機タービン８０に取り付けられている。固定子９１は、例えば発電機ケーシングに固定された不動部材である。回転子９２は、固定子９１の内部に配置され、シャフト９０に固定して連結されている。軸受９３及び軸受９４は、シャフト９０を回転可能に支持するように配置されている。軸受９３、９４は従来のものであり、従ってここでは詳細に説明及び／又は図示しない。本発明から逸脱することなく、任意の適切な軸受を使用することができることが当業者には明らかであろう。
【００５９】
動作時、膨張機タービン８０は、冷媒から与えられた仕事によって回転され、回転エネルギーが電気エネルギーに変換される。このようにして、膨張機６８Ａは、冷媒の膨張プロセスにおいて得られたエネルギーによって駆動される発電機として使用される。発生した電力は、チラーシステム１０内のインレットガイドベーン、磁気軸受、又は電子膨張メカニズムを駆動させるための動力源として使用することができる。また、発生した電力を貯蔵するために蓄電池を設けることもできる。
【００６０】
図１２Ｂ及び図１３Ｂを参照すると、膨張機６８Ｂは、基本的に膨張機タービン８０及びポンプ８４を含む。膨張機タービン８０は、膨張機タービンケーシング８１の内部に配置されている。ポンプ８４は、ポンプインペラ８６を含み、ポンプインペラ８６は、ポンプインペラケーシング８７の内部に配置されている。ポンプインペラケーシング８７は、入口８７ａ及び出口８７ｂを有する。膨張機６８Ｂは、膨張機タービンケーシング８１とポンプインペラケーシング８７とを接続するケーシング（図示せず）を更に含む。ポンプ８４は、シャフト９６を更に含む。シャフト９６は、シャフト９６の長手方向に沿って延びる回転軸周りで回転可能である。シャフト９６は、その一端で膨張機タービン８０に取り付けられ、その他端でポンプインペラ８６に取り付けられている。このようにして、膨張機タービン８０とポンプ８４とは、シャフト９６を介して互いに接続される。シャフト９６を回転可能に支持するために、軸受９７、９８が配置されている。軸受９７、９８は従来のものであり、従ってここでは詳細に説明及び／又は図示しない。本発明から逸脱することなく、任意の適切な軸受を使用することができることが当業者には明らかであろう。
【００６１】
動作時、膨張機タービン８０は、冷媒から与えられた仕事によって回転され、膨張機タービン８０の回転は、シャフト９６を介してポンプインペラ８６に伝達される。ポンプインペラ８６は、膨張機インペラケーシング８７の入口８７ａから膨張機インペラケーシング８７の出口８７ｂに向けて導かれる冷媒の流れを駆動する。出口８７ｂから出た冷媒は、蒸発器に導かれ、蒸発器を通して循環される。次いで、冷媒は再び入口８７ａに導かれ、再度循環される。このようにして、膨張機６８Ｂは、冷媒の膨張プロセスにおいて得られたエネルギーによって駆動されて冷媒を蒸発器に再循環させるポンプとして使用される。特に、膨張機６８Ｂは、好ましくは、膨張機が流下膜式蒸発器である場合に適用される。流下膜式蒸発器では、伝熱管の外面に液冷媒が上方から付着し、それにより、伝熱管の外面に沿って液冷媒の層又は薄膜が形成される。これには、冷媒の循環を必要とする。
【００６２】
チラーシステム１０は、チラーコントローラを含むことができる。このチラーコントローラは従来のものであり、従ってここでは詳細には説明及び／又は図示しない。チラーコントローラは、少なくとも１つのマイクロプロセッサ又はＣＰＵと、入力／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェースと、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）と、リード・オンリ・メモリ（ＲＯＭ）と、（一時又は永久）記憶装置とを備え、１つ以上の制御プログラムを実行することによってチラーシステム１０を制御するようにプログラミングされたコンピュータ可読媒体を形成することができる。チラーコントローラは、任意選択で、ユーザからの入力を受け取るためのキーパッド等の入力インターフェースと、ユーザに様々なパラメータを表示するために使用されるディスプレイデバイスとを含むことができる。
【００６３】
地球環境保護の観点から、チラーシステムに関して、Ｒ１２３３ｚｄ、Ｒ１２３４ｚｅ等の新たな低ＧＷＰ（地球温暖化係数）冷媒の使用が考えられている。低地球温暖化係数の冷媒の一例は、蒸発圧力が大気圧以下の低圧冷媒である。例えば、低圧冷媒Ｒ１２３３ｚｄは、不燃性、無毒性、低コストであり、現在主流の冷媒Ｒ１３４ａの代替物質であるＲ１２３４ｚｅ等の他の候補と比較して高いＣＯＰを有するので、遠心チラー用途の候補である。そのような低圧冷媒は、本発明に係るターボエコノマイザに使用することができる。ただし、本発明に係るターボエコノマイザには、多種の低圧冷媒を使用することができる上、低圧冷媒に限定されるものでもない。
＜用語の一般的解釈＞
【００６４】
本発明の範囲を理解するにあたって、ここで使用する用語「含む／備える(comprising)」及びその派生語は、上記で述べた特徴、要素、部品、群、数値、及び／又は工程の存在を明記するものであるが、述べていないその他の特徴、要素、部品、群、数値、及び／又は工程の存在を除外しない非限定的用語であることを意図している。また、上記は、用語「備える／含む／有する(including、having)」及びその派生語等の同様の意味を有する単語にも適用される。更に、用語「パーツ(part)」、「セクション(section)」、「部分(portion)」、「部材(member)」、「要素(element)」は、単数形で使用されていても、単数複数双方の意味を有し得る。
【００６５】
構成要素、セクション、デバイス等によって行われる動作又は機能を述べるために本明細書で使用する用語「検出する(detect)」は、物理的検出を必要とせず、動作又は機能を行うための決定、測定、モデリング、予測、又は演算等を含む構成要素、セクション、デバイス等を含む。
【００６６】
装置の部品、セクション、又はパーツの説明のためにここで使用する用語「構成」は、所望の機能を実行するために構築及び／又はプログラミングされたハードウェア及び／又はソフトウェアを含む。
【００６７】
ここで使用する「略（substantially）」、「約（about）」、「およそ（approximately）」等の度合いを示す用語は、最終結果が実質的に変わらないような被修飾語の妥当な偏移量を意味する。
【００６８】
本発明を説明するために特定の実施形態のみを選択してきたが、添付の請求項において定義される発明の範囲を逸脱することなく種々の変更及び修正がここにおいて可能であることは、本開示から当業者に明らかである。例えば、各種部品のサイズ、形状、場所、又は向きは、必要及び／又は所望に応じて変更可能である。互いに直接的に接続又は接触するように示されている部品は、それらの間に中間構造体を配してもよい。単一要素の機能を、２つの要素で実行可能であり、その逆も同様である。一実施形態の構造及び機能を、別の実施形態で用いてもよい。特定の実施形態に全ての利点が同時に含まれていなくてもよい。従来技術と比べて固有の特徴はすべて、単独としてもその他の特徴との組み合わせとしても、この／これらの特徴によって具体化される構造的及び／又は機能的概念を含む、本出願人による更なる発明の別個の記載として見なされるべきものである。従って、本発明に係る実施形態の上記説明は、単なる例示であり、添付の請求項及びそれらの等価物によって定義される本発明を限定するためのものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【国際調査報告】
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