(57)【要約】【課題】ガス軸受に供給される潤滑剤を格別な生成設備を必要とせず低コストでかつ少ない設置スペースで以って供給でき、ターボ冷凍機の圧縮機の全回転域において十分な軸受機能を発揮して軸受の焼き付き等の不具合の発生が回避され耐久性、信頼性が向上せしめられたガス軸受付き圧縮機を備えたターボ冷凍機及びその運転方法及びその装置を提供する。【解決手段】冷媒ガスを圧縮するインペラーがモータ等の駆動源により駆動される圧縮機軸に直結され該圧縮機軸をガス軸受にて支持するように構成された圧縮機と、該圧縮機にて加圧されたガス冷媒を冷却して凝縮せしめる凝縮器とを備えたターボ冷凍機において、前記圧縮機と凝縮器とを接続するガス冷媒通路と前記圧縮機のガス軸受とを接続し該凝縮器内を含むガス冷媒通路内のガス冷媒を該ガス軸受に導く軸受ガス供給通路を備えてなることを特徴とする。【選択図】　図１
2004044954.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータ等の駆動源により駆動され冷媒ガスを圧縮するインペラーが取付けられた圧縮機軸をガス軸受にて支持するように構成された圧縮機と、該圧縮機にて加圧されたガス冷媒を冷却して凝縮せしめる凝縮器とを備えたターボ冷凍機において、前記圧縮機と凝縮器とを接続するガス冷媒通路と前記圧縮機のガス軸受とを接続し該凝縮器内を含むガス冷媒通路内のガス冷媒を該ガス軸受に導く軸受ガス供給通路を備えてなることを特徴とするガス軸受付き圧縮機を備えたターボ冷凍機。
【請求項２】
前記凝縮器内から開閉弁を備えたガス冷媒管を介して供給されるガス冷媒を蓄圧するアキュムレータと、該アキュムレータ内のガス冷媒を加熱するヒータと、前記アキュムレータと前記ガス軸受とを接続し該アキュムレータ内の加熱ガス冷媒を該ガス軸受に導く軸受ガス供給通路とを備えてなることを特徴とする請求項１記載のガス軸受付き圧縮機を備えたターボ冷凍機。
【請求項３】
前記ガス冷媒通路からの第１の軸受ガス供給通路とアキュムレータからの第２の軸受ガス供給通路との合流部に、該第１の軸受ガス供給通路と前記ガス軸受との接続あるいは前記第２の軸受ガス供給通路と前記ガス軸受との接続を切り換える切換弁を設けるとともに、該切換弁を切り換え操作する切換弁操作装置を備えてなることを特徴とする請求項２記載のガス軸受付き圧縮機を備えたターボ冷凍機。
【請求項４】
前記アキュムレータ内のガス冷媒を過熱するヒータの作動、遮断を操作するヒータ操作装置を備えるとともに、ターボ冷凍機の運転状態によって前記切換弁操作装置及びヒータ操作装置の作動を制御するコントローラを備えてなることを特徴とする請求項３記載のガス軸受付き圧縮機を備えたターボ冷凍機。
【請求項５】
モータ等の駆動源により駆動され冷媒ガスを圧縮するインペラーが取付けられた圧縮機軸をガス軸受にて支持するように構成された圧縮機と、該圧縮機にて加圧されたガス冷媒を冷却して凝縮せしめる凝縮器とを備えてなるターボ冷凍機の運転方法において、ターボ冷凍機の起動時を含む一定回転数以下の低回転運転時には前記凝縮器内からガス冷媒をアキュムレータに導入して該アキュムレータ内にてヒータにより加熱し、該アキュムレータ内の加熱ガス冷媒を前記ガス軸受に供給し、前記一定回転数を超える高回転運転時には前記圧縮機と凝縮器とを接続するガス通路のガスを直接に前記ガス軸受に供給することを特徴とするガス軸受付き圧縮機を備えたターボ冷凍機の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動源により駆動され冷媒ガス圧縮用のインペラーが取付けられた圧縮機軸をガス軸受にて支持するように構成された圧縮機と、該圧縮機にて加圧されたガス冷媒を凝縮せしめる凝縮器とを備えたターボ冷凍機及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボ冷凍機における圧縮機の軸受は、潤滑油による潤滑方式が高速回転では軸受の動力損失が大きいことから、加圧ガスを軸受に導きガス膜にて回転軸（圧縮機軸）を支持するガス軸受が用いられるようになってきた。
該ガス軸受としては、圧縮機ケース内における軸受周囲のガスを用いる動圧型ガス軸受、及びターボ冷凍機の外部に設けられた高圧源からの高圧ガスを用いる静圧型ガス軸受が採用されている。
【０００３】
また、特開２０００−４５９９１号には、前記ターボ冷凍機における圧縮機の軸受として、冷凍サイクルの液冷媒を用いる技術が提供されている。かかる技術においては、蒸発器の液溜めからポンプにより圧縮機に設けられた冷媒ヘッダーに液冷媒を送り、該冷媒ヘッダーから圧縮機の軸受に液冷媒を供給して該軸受の潤滑を行っている。
そして、前記軸受部においてガス化した冷媒は、冷却器によって冷却して液化し、前記蒸発器の液溜めに戻している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記ターボ冷凍機における圧縮機の軸受として、動圧型ガス軸受を用いる方式では軸受の負荷能力を圧縮機軸の回転数に依存するため、圧縮機の低回転運転域では十分な軸受機能を果たし得ず、軸受の焼き付き等を誘発し易い。
また、静圧型ガス軸受を用いる方式では圧縮機軸の全回転運転域において十分な軸受機能を発揮できるが、ターボ冷凍機の外部に高圧ガスを生成する高圧源を設置することを要するため、かかる格別な設備の設置により、装置コストが高くなるとともにターボ冷凍機システムの設置スペースも増大する。
【０００５】
一方、特開２０００−４５９９１号にて提供されている手段にあっては、ターボ冷凍機における冷凍サイクルの液冷媒の一部を軸受潤滑剤として用いるため、格別な潤滑剤生成設備は必要としないが、軸受部にてガス化した冷媒を冷却して液化せしめるための格別な装置を必要とし、装置が複雑であり装置コストも高くなる。
また、ターボ冷凍機用圧縮機の低回転運転域では液冷媒の流量が少ないため、殊に低回転高負荷運転時には潤滑不足により軸受の焼き付きを誘発するおそれがある、
等の問題点を有している。
【０００６】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、ガス軸受に供給される潤滑剤を格別な生成設備を必要とせず低コストでかつ少ない設置スペースで以って供給でき、ターボ冷凍機の圧縮機の全回転域において十分な軸受機能を発揮して軸受の焼き付き等の不具合の発生が回避され、耐久性、信頼性が向上せしめられたガス軸受付き圧縮機を備えたターボ冷凍機及びその運転方法及びその装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するため、請求項１記載の発明として、モータ等の駆動源により駆動され冷媒ガスを圧縮するインペラーが取付けられた圧縮機軸をガス軸受にて支持するように構成された圧縮機と、該圧縮機にて加圧されたガス冷媒を冷却して凝縮せしめる凝縮器とを備えたターボ冷凍機において、前記圧縮機と凝縮器とを接続するガス冷媒通路と前記圧縮機のガス軸受とを接続し該凝縮器内を含むガス冷媒通路内のガス冷媒を該ガス軸受に導く軸受ガス供給通路を備えてなることを特徴とするガス軸受付き圧縮機を備えたターボ冷凍機を提案する。
【０００８】
請求項２記載の発明は請求項１に加えて、前記凝縮器内から開閉弁を備えたガス冷媒管を介して供給されるガス冷媒を蓄圧するアキュムレータと、該アキュムレータ内のガス冷媒を加熱するヒータと、前記アキュムレータと前記ガス軸受とを接続し該アキュムレータ内の加熱ガス冷媒を該ガス軸受に導く軸受ガス供給通路とを備えてなることを特徴とする。
【０００９】
さらに請求項３記載の発明は請求項２に加えて、前記凝縮器へのガス冷媒通路からの第１の軸受ガス供給通路と前記アキュムレータからの第２の軸受ガス供給通路との合流部に、該第１の軸受ガス供給通路と前記ガス軸受との接続あるいは前記第２の軸受ガス供給通路と前記ガス軸受との接続を切り換える切換弁を設けるとともに、該切換弁を切り換え操作する切換弁操作装置とを備えてなる。
【００１０】
そして好ましくは請求項３に加えて請求項４のように、前記アキュムレータ内のガス冷媒を過熱するヒータの作動、遮断を操作するヒータ操作装置を備えるとともに、ターボ冷凍機の運転状態によって前記切換弁操作装置及びヒータ操作装置の作動を制御するコントローラを備えてなるのがよい。
【００１１】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４の装置による運転方法の装置の発明に係り、モータ等の駆動源により駆動され冷媒ガスを圧縮するインペラーが取付けられた圧縮機軸をガス軸受にて支持するように構成された圧縮機と、該圧縮機にて加圧されたガス冷媒を冷却して凝縮せしめる凝縮器とを備えてなるターボ冷凍機の運転方法において、ターボ冷凍機の起動時を含む一定回転数以下の低回転運転時には前記凝縮器内からガス冷媒をアキュムレータに導入して該アキュムレータ内にてヒータにより加熱し、該アキュムレータ内の加熱ガス冷媒を前記ガス軸受に供給し、前記一定回転数を超える高回転運転時には前記圧縮機と凝縮器とを接続するガス通路のガスを直接に前記ガス軸受に供給することを特徴とする。
【００１２】
かかる発明によれば、圧縮機と凝縮器とを接続するガス冷媒通路から、該圧縮機にて加圧されたガス冷媒の一部を圧縮機のガス軸受に導き、かかる高圧のガス冷媒のガス膜にて圧縮機軸を支持する。
これにより、ターボ冷凍機の冷凍サイクルにおける高圧ガス冷媒の一部をガス軸受に利用することによって、静圧型ガス軸受と同様な軸受機能を発揮せしめることが可能となる。従って、前記静圧型ガス軸受のようにターボ冷凍機の外部に高圧ガス生成用の格別な高圧源を設置することなく、ターボ冷凍機システムの装置コストを低くかつ設置スペースを増大することなく、該静圧型ガス軸受と同様な軸受機能を発揮せしめることができる。
【００１３】
また、かかる発明によれば、請求項２ないし５のように、凝縮器内のガス冷媒をアキュムレータに導き該アキュムレータ内においてヒータによりガス冷媒を加熱することにより昇圧せしめ、この加熱昇圧ガス冷媒をガス軸受に導入可能に構成し、前記ガス冷媒通路からガス軸受に接続される第１の軸受ガス供給通路と前記アキュムレータからガス軸受に接続される第２の軸受ガス供給通路とを切換弁により切り換え可能に構成したので、前記切換弁の切り換えによって、圧縮機の低回転運転域では前記アキュムレータにおいて加熱昇圧せしめられたガス冷媒をガス軸受に導入することができ、圧縮機の低回転運転域においても所要のガス圧力が保持できて十分な軸受機能を発揮することができる。
【００１４】
そして、圧縮機の回転数が増大して一定回転数を超える高回転運転になり圧縮機出口のガス圧力が前記所要のガス圧力に達すると、コントローラより前記切換弁を操作して、前記アキュムレータからの加熱昇圧ガス冷媒のガス軸受への供給を遮断し、前記圧縮機と凝縮器とを接続するガス通路のガスを前記ガス軸受に直接供給する。
【００１５】
従って、かかる発明によれば、圧縮機出口のガス圧力がガス軸受の機能を発揮し得る圧力に達しない低回転運転域では、前記アキュムレータにおいて加熱昇圧せしめられたガス冷媒をガス軸受に供給することにより圧縮機の低回転運転域においても所要のガス圧力が保持し、圧縮機出口のガス圧力が前記所要のガス圧力に達すると前記アキュムレータからの加熱昇圧ガス冷媒の供給を遮断して圧縮機出口のガス冷媒を供給してガス軸受のガス圧力を所要のガス圧力に安定して保持できる。
これにより、圧縮機の全回転運転域において十分な軸受機能を発揮せしめることができ、軸受の焼き付き等の不具合の発生が回避され、圧縮機の耐久性、信頼性を向上することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００１７】
図１は本発明の実施例に係るターボ冷凍機における圧縮機軸受ガス供給システムの全体構成図、図２は前記実施例における圧縮機軸受近傍の断面図である。
【００１８】
全体構成を示す図１において、１は冷媒を凝縮圧力まで加圧する圧縮機で、該圧縮機１の詳細構造は後述する。２は凝縮器、３は膨張弁、４は蒸発器、３２は前記圧縮機１の冷媒出口と凝縮器２とを接続する冷媒管、３３は凝縮器２の凝縮液溜め２ａから膨張弁３を経て蒸発器４の蒸発液溜め４ａに接続される冷媒管である。
かかる構成からなる冷凍サイクルにおいて、前記圧縮機１のインペラー１７で凝縮圧力まで加圧されたガス冷媒は冷媒管３２を通って凝縮器２に入り、該凝縮器２において冷却配管２ｂからの冷却水に放熱することによって液化され、凝縮液溜め２ａに溜まる。
該凝縮液溜め２ａ内の高圧の液冷媒は冷媒管３３を通って膨張弁３に達し、該膨張弁３の絞り作用によって蒸発可能な圧力まで減圧し、冷媒管３３を通って蒸発器４の蒸発液溜め４ａに送られる。該蒸発液溜め４ａ内の低温、低圧の液冷媒は冷水配管４ｂの水と熱交換しその蒸発潜熱で水を冷却することにより蒸発しガス化して冷媒管３１を通って前記圧縮機１に送られる。
【００１９】
６はアキュムレータで、前記凝縮器２のガス層部からガス冷媒管３６を通してガス冷媒が導入される。４１は該ガス冷媒管３６の管路を開閉する開閉弁である。１０はコントローラ、４０は該コントローラ１０からの制御信号により該開閉弁４１を開閉操作する開閉弁操作装置である。
７は前記アキュムレータ６内に設置されて該アキュムレータ６内に導入されたガス冷媒を加熱するヒータである。８は前記コントローラ１０からの制御信号により該ヒータ７の作動、遮断を操作するヒータ操作装置である。
【００２０】
５は三方電磁弁にて構成された切換弁である（三方電磁弁に限らず３方向に開閉機能を有する電磁弁であればよい）。該切換弁５の２つの入口ポートには前記アキュムレータ６からの冷媒管３５及び前記圧縮機１出口の冷媒管３２から分岐された冷媒管３４が接続され、１つの出口ポートには後述する圧縮機１の２つのガス入口２０、２１への軸受ガス供給管３７、３８が接続されている。
【００２１】
前記圧縮機１の詳細を示す図２において、１１はモータケース、１８は該モータケース１１に固着された圧縮機ケース、１４は前記モータケース１１の内部に固定支持されたモータステ―タである。１２は圧縮機軸で両端部にモータロータ１３及びインペラー１７が固着されている。２６は該圧縮機ケース１８に設けられた冷媒出口で前記凝縮器２への冷媒管３２に接続されている。２５は該圧縮機ケース１８に設けられた冷媒入口で前記蒸発器４からの冷媒管３１に接続されている。
以上に示す圧縮機１の構造は従来のものと同様である。
【００２２】
１５及び１６は前記モータケース１１に固定されて前記圧縮機軸１２の両端部を軸支するジャーナル、スラスト軸受及びジャーナル軸受である。１９は前記圧縮機軸１２に固定されて前記ジャーナル、スラスト軸受１５の側面１５ｃに摺接するスラストカラーである。
２２は前記モータケース１１内の一方側に形成された環状溝で、内周側が前記ジャーナル、スラスト軸受１５内に形成されたジャーナル用ガス孔１５ａ及びスラストカラー側の側面１５ｃに開口するスラスト用ガス孔１５ｂに連通されている。
２４は前記モータケース１１内の他方側に形成された環状溝で、内周側が前記ジャーナル軸受１６内に形成されたジャーナル用ガス孔１６ａに連通されている。
【００２３】
２０は前記一方側の環状溝２２に連通されるガス入口で、前記切換弁５からの軸受ガス供給管３７に接続されている。２１は前記他方側の環状溝２４に連通されるガス入口で、前記切換弁５からの軸受ガス供給管３８に接続されている。２３は前記一方側の環状溝２２の両側をシールするＯリング、２７は前記他方側の環状溝２４の両側をシールするＯリングである。
【００２４】
かかる構成からなるターボ冷凍機における圧縮機軸受ガス供給システムにおいて、圧縮機１出口のガス圧力がガス軸受（ジャーナル、スラスト軸受１５及びジャーナル軸受１６）の機能を発揮し得る圧力に達しない低回転運転域では、圧縮機１の起動時を含む低回転運転域では、前記コントローラ１０からの制御信号により開閉弁操作装置４０が開閉弁４１を開き、ヒータ操作装置８がヒータ７を作動させ、さらに切換弁操作装置９が切換弁５をアキュムレータ６からの冷媒管３５とジャーナル、スラスト軸受１５への軸受ガス供給管３７及びジャーナル軸受１６への軸受ガス供給管３８とを接続せしめる。
【００２５】
これにより、凝縮器２内のガス冷媒はガス冷媒管３６及び開閉弁４１を通ってアキュムレータ６導かれ、該アキュムレータ６内においてヒータ７により加熱されて圧力が上昇する。そして、この加熱昇圧ガス冷媒は前記切換弁５を通り、軸受ガス供給管３７を介してジャーナル、スラスト軸受１５のガス入口２０に導かれるとともに、軸受ガス供給管３８を介してジャーナル軸受１６のガス入口２１に導かれる。
【００２６】
そして、図２に示されるように、前記ガス入口２０に導かれた加熱昇圧ガス冷媒は環状溝２２に入って全周に分布してからジャーナル用ガス孔１５ａを通ってラジアル軸受面に供給されてラジアルガス膜を形成するとともに、スラスト用ガス孔１５ｂを通ってスラストカラー側の側面１５ｃに供給されてスラストガス膜を形成してラジアル荷重及びスラスト荷重を支持する。
また、前記ガス入口２１に導かれた加熱昇圧ガス冷媒は環状溝２４に入って全周に分布してからジャーナル用ガス孔１６ａを通ってラジアル軸受面に供給されてラジアルガス膜を形成しラジアル荷重を支持する。
【００２７】
ここで、前記コントローラ１０には、圧縮機１出口のガス圧力がガス軸受（ジャーナル、スラスト軸受１５及びジャーナル軸受１６）の機能を発揮し得る圧力になる圧縮機１の一定回転数あるいはターボ冷凍機の起動後の経過時間（つまりタイマー機能）が予め設定されている。
そして、前記コントローラ１０は、前記圧縮機１の回転数が予め設定された一定回転数を超えるか、あるいはターボ冷凍機の起動後予め設定された一定時間を経過して、該圧縮機１が高回転運転になり、圧縮機１出口のガス圧力がガス軸受（ジャーナル、スラスト軸受１５及びジャーナル軸受１６）の機能を発揮し得る圧力に達すると、前記切換弁操作装置９に制御信号を送り切換弁５を圧縮機１出口側の冷媒管３４と前記ジャーナル、スラスト軸受１５への軸受ガス供給管３７及びジャーナル軸受１６への軸受ガス供給管３８とを接続せしめるように切り換える。
【００２８】
さらに前記コントローラ１０は、前記ヒータ操作装置８を介してヒータ７を遮断する。また必要に応じて、前記開閉弁操作装置４０を介して開閉弁４１を閉じ前記アキュムレータ６内へのガス冷媒の供給を遮断する。
これにより、高圧になった前記圧縮機１出口のガス冷媒は、冷媒管３４及び切換弁５を通り、軸受ガス供給管３７を介してジャーナル、スラスト軸受１５のガス入口２０に導かれるとともに、軸受ガス供給管３８を介してジャーナル軸受１６のガス入口２１に導かれて、前記と同様な軸受作用をなす。
【００２９】
かかる実施例によれば、凝縮器２内のガス冷媒をアキュムレータ６に導き該アキュムレータ６内においてヒータ７によりガス冷媒を加熱することにより昇圧せしめ、この加熱昇圧ガス冷媒をガス軸受（ジャーナル、スラスト軸受１５及びジャーナル軸受１６）に導入可能に構成したので、前記切換弁５の切り換えによって、圧縮機の低回転運転域では前記アキュムレータ６において加熱昇圧せしめられたガス冷媒を前記ガス軸受に導入することができ、圧縮機１の低回転運転域においても所要のガス圧力が保持できて十分な軸受機能を発揮することが可能となる。
【００３０】
そして、圧縮機１の回転数が増大して前記一定回転数を超える高回転運転になり圧縮機１出口のガス圧力が所要のガス圧力に達すると、コントローラ１０により前記切換弁５を操作することにより、前記アキュムレータ６からの加熱昇圧ガス冷媒のガス軸受への供給を遮断し、前記圧縮機１出口側のガスを前記ガス軸受に直接供給することが可能となる。
【００３１】
【発明の効果】
以上記載の如く本発明によれば、ターボ冷凍機の冷凍サイクルにおける高圧ガス冷媒の一部をガス軸受に利用することによって、静圧型ガス軸受と同様な軸受機能を発揮せしめることが可能となる。従って、前記静圧型ガス軸受のようにターボ冷凍機の外部に高圧ガス生成用の格別な高圧源を設置することなく、ターボ冷凍機システムの装置コストを低くかつ設置スペースを増大することなく、該静圧型ガス軸受と同様な軸受機能を発揮せしめることができる。
【００３２】
また本発明によれば、圧縮機出口のガス圧力がガス軸受の機能を発揮し得る圧力に達しない低回転運転域では、前記アキュムレータにおいて加熱昇圧せしめられたガス冷媒をガス軸受に供給することにより圧縮機の低回転運転域においても所要のガス圧力が保持し、圧縮機出口のガス圧力が前記所要のガス圧力に達すると前記アキュムレータからの加熱昇圧ガス冷媒の供給を遮断して圧縮機出口のガス冷媒を供給してガス軸受のガス圧力を所要のガス圧力に安定して保持できる。これにより、圧縮機の全回転運転域において十分な軸受機能を発揮せしめることができ、軸受の焼き付き等の不具合の発生が回避され、圧縮機の耐久性、信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係るターボ冷凍機における圧縮機軸受ガス供給システムの全体構成図である。
【図２】前記実施例における圧縮機軸受近傍の断面図である。
【符号の説明】
１　圧縮機
２　凝縮器
３　膨張弁
４　蒸発器
５　切換弁
６　アキュムレータ
７　ヒータ
８　ヒータ操作装置
９　切換弁操作装置
１０　コントローラ
１５　ジャーナル、スラスト軸受
１６　ジャーナル軸受
１７　インペラー
１９　スラストカラー
２０、２１　ガス入口
２２、２４　環状溝
３６　ガス冷媒管
３７、３８　軸受ガス供給管
４０　開閉弁操作装置
４１　開閉弁
【図１】
2004044954.tif 000003
【図２】
2004044954.tif 000004