(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体チラーであって、
前記チラーが動作中にあって冷媒ガスを液状に凝縮させるためのコンデンサと、
前記コンデンサから冷媒を受け入れ、その圧力を減少させるための計量装置と、
前記チラーが作動中に、前記計量装置から冷媒を受け入れ、液状冷媒を蒸発させるためのエバポレータと、
前記チラーが動作中に、前記エバポレータから冷媒を受け入れ、ガス状の冷媒を前記コンデンサへと供給するための、少なくとも一つの圧縮要素が取付けられ、少なくとも一つの軸受により回転可能に支持された軸を有するコンプレッサと、
前記エバポレータ及びコンデンサとは別個に設けられ、前記少なくとも一つの軸受に液状冷媒を供給するためのソース部分とを有し、
前記少なくとも一つの軸受が転動軸受からなり、前記軸受の転動要素が非金属材料からなり、前記少なくとも一つの軸受がオイルを用いることなく冷媒により潤滑され、
前記チラーが遠心チラーからなり、前記非金属軸受材料がセラミック材料からなり、前記圧縮要素がインペラからなり、前記少なくとも一つの軸受を潤滑するために用いられる冷媒が主に液状をなし、
前記ソース部分が貯槽からなり、前記貯槽が、前記チラーの作動中には常時液状冷媒が補給され、前記チラーがシャットダウンされた時には液状冷媒の補給が停止され、前記チラーがシャットダウンした時に、軸が停止状態に至るまで、前記少なくとも一つの軸受の潤滑のために十分な量の液状冷媒が前記貯槽に貯えられるようにしたことを特徴とする液体チラー。
【請求項２】
前記ソース部分が冷媒のための貯槽からなることを特徴とする請求項１に記載のチラー。
【請求項３】
前記貯槽が、前記チラーの作動中及び前記チラーのシャットダウンの後の所定時間の間液状冷媒を貯容し、前記チラーが作動中において及び前記チラーがシャットダウンされた後に前記少なくとも一つのインペラが取付けられた軸が惰性により回転して停止に至るまでの間潤滑のために十分な量の液状冷媒が前記少なくとも一つの軸受に供給されるのに十分な量の液状冷媒が前記貯槽に貯容されることを特徴とする請求項２に記載のチラー。
【請求項４】
前記チラーが作動中においては、前記コンデンサから得られる液状冷媒によって前記貯槽が補給されるようになっており、前記チラーがシャットダウンされた時に前記貯槽が前記コンデンサから分離され、その内部に発生する圧力降下に対して隔絶されることを特徴とする請求項３に記載のチラー。
【請求項５】
さらにポンプを有し、前記ポンプがそのポンプ過程において前記冷媒のかなりの部分がガスにフラッシングすることなく飽和液状冷媒を前記貯槽にポンプしうることを特徴とする請求項３に記載のチラー。
【請求項６】
前記チラーのシャットダウンに引き続きかつ次のスタートアップに先立って、前記チラーがシャットダウンされている間に前記貯槽に対して、前記エバポレータから液状冷媒が供給されるようにして、前記軸が次に回転を開始するときに、前記少なくとも一つの軸受の潤滑のために供給されるべき液状冷媒が前記貯槽に貯えられるようにしたことを特徴とする請求項３に記載のチラー。
【請求項７】
さらにモータを有し、前記モータのロータが前記コンプレッサの前記軸に取付けられ、前記コンプレッサが作動中において、前記コンデンサが、軸受の潤滑のために前記貯槽に液状冷媒を供給し、前記モータの冷却のために前記モータに液状冷媒を供給することを特徴とする請求項３に記載のチラー。
【請求項８】
前記モータのための可変速ドライバ装置をさらに有し、前記コンデンサが、前記コンプレッサの作動中において、前記可変速ドライバ装置を冷却するために同ドライバ装置に対して液状冷媒を供給することを特徴とする請求項７に記載のチラー。
【請求項９】
モータを冷却し、軸受を潤滑し、モータドライバ装置を冷却するために用いられた冷媒が前記コンデンサに戻されるようにしたことを特徴とする請求項８に記載のチラー。
【請求項１０】
前記貯槽及び前記エバポレータの両者に対して連通するサンプをさらに有し、前記サンプが、前記チラーがシャットダウンされた時に前記エバポレータから液状冷媒の供給を受け、前記チラーがスタートアップしたときに軸受を潤滑するために初期に液状冷媒の供給をもたらすべき位置をなすことを特徴とする請求項３に記載のチラー。
【請求項１１】
サンプをさらに有し、前記チラーがシャットダウンされている間に、液状冷媒が前記エバポレータから前記サンプに供給されることを特徴とする請求項１に記載のチラー。
【請求項１２】
前記ソース部分が冷媒の貯槽からなり、前記貯槽が、前記サンプと選択的に連通し、前記サンプが、前記チラーがスタートアップする際に軸受を潤滑するために前記貯槽に対して液状冷媒を供給するべき位置をなすことを特徴とする請求項１１に記載のチラー。
【請求項１３】
前記チラーがスタートアップする時、前記サンプが前記エバポレータから分離されていることを特徴とする請求項１２に記載のチラー。
【請求項１４】
前記チラーの作動中にあっては、軸受の潤滑のために用いうる液状冷媒を補給するために前記貯槽に対して液状冷媒を供給するための手段をさらに有することを特徴とする請求項１３に記載のチラー。
【請求項１５】
初期に液状冷媒を供給するための前記手段が、前記チラーのスタートアップ時においては液状冷媒を前記サンプから前記貯槽に供給し、その後、液状冷媒を前記コンデンサから前記貯槽に供給することを特徴とする請求項１４に記載のチラー。
【請求項１６】
液状冷媒を供給するための前記手段がポンプからなり、前記ポンプが、（ｉ）前記貯槽の上流側であって、（ｉｉ）前記コンデンサ及び前記サンプの下流側の位置に連通しかつ同部分に配置されていることを特徴とする請求項１５に記載のチラー。
【請求項１７】
前記チラーのシャットダウンに際して前記貯槽を隔絶し、チラーシャットダウン後所定時間に渡ってその内部に残留圧力を維持するための手段をさらに有し、前記残留圧力が、チラーシャットダウンに際して前記貯槽内の液状冷媒を前記少なくとも一つの軸受に供給し、前記軸が惰性により停止に至るまでの間所用の潤滑を提供するための駆動力をなすことを特徴とする請求項１２に記載のチラー。
【請求項１８】
前記チラーがさらにモータ及びポンプを有し、前記ポンプが、前記チラーのスタートアップ時には前記サンプから前記貯槽及び前記モータの両者に対して液状冷媒をポンプし、前記チラーが作動中においては、前記コンデンサから前記貯槽及び前記モータの両者に対して液状冷媒をポンプし、前記ポンプにより前記貯槽にポンプされた液状冷媒は、前記少なくとも一つの軸受を潤滑するために用いられ、前記ポンプにより前記モータにポンプされた液状冷媒が前記モータを冷却するために用いられることを特徴とする請求項１２に記載のチラー。
【請求項１９】
前記コンプレッサを駆動するためのモータと、前記チラーが作動中において、軸受の潤滑のために前記ソース部分に向けて、モータの冷却のために前記モータに向けてそれぞれ液状冷却を供給するための手段とをさらに有することを特徴とする請求項１に記載のチラー。
【請求項２０】
可変速ドライバ装置をさらに有し、前記モータがおおむね３６００ＲＰＭを越える可変速をもって駆動可能であって、前記チラーを最大容量にて運転しうるような誘導モータからなることを特徴とする請求項１９に記載のチラー。
【請求項２１】
前記チラーが作動中においては、前記液状冷媒が前記コンデンサから、軸受の潤滑のために前記ソース部分に、モータの冷却のために前記モータにそれぞれ供給され、前記チラーがスタートアップし、そのような目的のために液状冷媒が前記コンデンサから得られるようになるまで液状冷媒が前記コンデンサ以外の位置から供給されることを特徴とする請求項１９に記載のチラー。
【請求項２２】
軸受の潤滑及びモータの冷却のために用いられた冷媒が、利用後に前記コンデンサに戻されることを特徴とする請求項１９に記載のチラー。
【請求項２３】
ポンプをさらに有し、前記ポンプが、前記チラーのスタートアップ時及び通常動作時に渡って、前記ソース部分及び前記モータに対して液状冷媒をポンプすることを特徴とする請求項１９に記載のチラー。
【請求項２４】
貯槽と、ポンプと、サンプとをさらに有し、前記貯槽が軸受の潤滑のための液状冷媒のソース部分をなし、前記ポンプが、前記チラーの初期のスタートアップ時においては液状冷媒を前記サンプから前記貯槽及び前記モータの両者に対してポンプし、前記チラーのスタートアップ後、液状冷媒がこのような目的のために前記コンデンサで得られるようになった時には、液状冷媒を前記コンデンサから前記貯槽及び前記モータの両者に対してポンプすることを特徴とする請求項１９に記載のチラー。
【請求項２５】
エコノマイザをさらに有し、前記モータを冷却するための冷媒及び前記少なくとも一つの軸受を潤滑するための冷媒が、そのように利用された後に前記エコノマイザに供給されることを特徴とする請求項１９に記載のチラー。
【請求項２６】
前記モータのためのドライバ装置と、該ドライバ装置の発熱部品を冷却するために前記モータドライバ装置に対して液状冷媒を供給するための手段とをさらに有することを特徴とする請求項１９に記載のチラー。
【請求項２７】
軸受を潤滑するために用いられた冷媒、モータを冷却するために用いられた冷媒及びモータドライバ装置を冷却するために用いられた冷媒が前記コンデンサに戻されることを特徴とする請求項２６に記載のチラー。
【請求項２８】
エコノマイザと、前記モータを冷却するために用いられる冷媒と、前記エコノマイザに戻されるモータドライバ装置とをさらに有することを特徴とする請求項２６に記載のチラー。
【請求項２９】
前記貯槽が、チラーのスタートアップ時ごとに、前記エバポレータから液状冷媒の補給を受け、初期の液状冷媒の補給が前記エバポレータから得られ、前記チラーのシャットダウンの後には、液状冷媒が前記エバポレータ以外の位置に貯えられるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のチラー。
【請求項３０】
前記貯槽が、前記チラーがシャットダウンする時に前記コンデンサ内に発生する圧力降下に対して隔絶されており、それによって、前記チラーのシャットダウンに引き続き、前記軸が停止に至るまで惰性により回転される間、前記貯槽内の液状冷媒を前記少なくとも一つの軸受に供給するのに十分な圧力が前記貯槽内に於いて維持されるようにしたことを特徴とする請求項２９に記載のチラー。
【請求項３１】
前記チラーのシャットダウンの後に前記エバポレータから得られた冷媒を貯容するべき前記位置がサンプからなり、前記サンプが、前記チラーの次のスタートアップまで、前記エバポレータから隔絶されていることを特徴とする請求項３０に記載のチラー。
【請求項３２】
コンプレッサ駆動モータと、ハウジングと、管路とをさらに有し、前記モータが前記ハウジング内に配置され、前記管路が前記コンデンサから得られた液状冷媒を前記ハウジングの内部に対して連通させ、前記チラーの動作中にあっては、前記液状冷媒を前記モータに接触させて、前記モータを冷却するようにしたことを特徴とする請求項３１に記載のチラー。
【請求項３３】
前記モータを冷却するための冷媒及び前記少なくとも一つの軸受を潤滑するための冷媒がそれぞれ利用された後に前記コンデンサに戻されることを特徴とする請求項３２に記載のチラー。
【請求項３４】
前記チラーの動作中にあっては、前記エバポレータ及び前記コンデンサの一方から得られた液状冷媒を前記ソース部分に供給するための手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のチラー。
【請求項３５】
前記コンデンサ及びエバポレータの一方から冷媒を供給するための手段がポンプを含むことを特徴とする請求項３４に記載のチラー。
【請求項３６】
前記ソース部分が前記液状冷媒の貯槽からなり、前記貯槽内の液状冷媒が、前記少なくとも一つの軸受を潤滑するための冷媒からなることを特徴とする請求項３５に記載のチラー。
【請求項３７】
サンプを更に含み、前記サンプが、チラーがスタートアップの際に液状冷媒の補充をもたらすべき位置をなし、前記ポンプが、チラーがスタートアップする際には液状冷媒を前記サンプから前記貯槽にポンプし、前記チラーの動作中においては液状冷媒を前記コンデンサから前記貯槽にポンプすることを特徴とする請求項３６に記載のチラー。
【請求項３８】
軸受の潤滑のために用いられた冷媒が、利用後に前記コンデンサに戻されることを特徴とする請求項３６に記載のチラー。
【請求項３９】
軸受の潤滑のために前記少なくとも一つの軸受に供給された液状冷媒の少なくとも８０パーセントが、前記少なくとも一つの軸受を潤滑した後に液状にとどまるように、前記貯槽から前記少なくとも一つの軸受への液状冷媒の流量が定められていることを特徴とする請求項３６に記載のチラー。
【請求項４０】
前記ポンプが、インペラと、モータと、軸とを有し、前記ポンプ軸がポンプ軸受により回転可能に支持され、前記ポンプ軸受がセラミック材料からなる転動要素を有し、液状冷媒により前記ポンプモータが冷却され、前記ポンプ軸受が潤滑され、前記チラーがスタートアップする際に、前記ポンプインペラが液状冷媒を前記サンプから前記貯槽にポンプし、前記チラーの動作中においては、前記ポンプインペラが液状冷媒を前記コンデンサから前記貯槽にポンプすることを特徴とする請求項３６に記載のチラー。
【請求項４１】
前記チラーがシャットダウンした時に、前記コンデンサ内に発生する圧力降下に対して前記貯槽を隔絶し、前記少なくとも一つのインペラが取付けられた前記軸が停止状態に至るまで惰性により回転する間に液状冷媒を前記貯槽から前記少なくとも一つの軸受に供給するのに十分な圧力が前記貯槽内に維持されるようにしたことを特徴とする請求項３６に記載のチラー。
【請求項４２】
前記コンプレッサを駆動するためのモータと、前記モータのためのドライバ装置とをさらに有し、前記ポンプが、前記モータ及び前記ドライバ装置を冷却するために、液状冷媒を前記モータ及び前記ドライバ装置にポンプすることを特徴とする請求項３５に記載のチラー。
【請求項４３】
前記少なくとも一つの軸受を潤滑するために用いられた冷媒及び前記モータ及び前記ドライバ装置を冷却するために用いられた冷媒が前記コンデンサに戻されることを特徴とする請求項４２に記載のチラー。
【請求項４４】
液体チラーの動作方法であって、
前記液体チラーが、
前記チラーが動作中にあって冷媒ガスを液状に凝縮させるためのコンデンサと、
前記コンデンサから冷媒を受け入れ、その圧力を減少させるための計量装置と、
前記チラーが作動中に、前記計量装置から冷媒を受け入れ、液状冷媒を蒸発させるためのエバポレータと、
前記チラーが動作中に、前記エバポレータから冷媒を受け入れ、ガス状の冷媒を前記コンデンサへと供給するための、少なくとも一つの圧縮要素が取付けられ、少なくとも一つの軸受により回転可能に支持された軸を有するコンプレッサと、
前記エバポレータ及びコンデンサとは別個に設けられ、前記少なくとも一つの軸受に液状冷媒を供給するためのソース部分とを有し、
前記少なくとも一つの軸受が転動軸受からなり、前記軸受の転動要素が非金属材料からなり、前記少なくとも一つの軸受がオイルを用いることなく冷媒により潤滑され、
前記動作方法が、
軸にインペラを取付ける過程と、
セラミック材料からなる転動要素を用いた転動軸受により前記軸を回転可能に支持する過程と、
前記コンデンサ或いは前記エバポレータとは別体をなす液状冷媒のためのソース部分であって、前記チラーが作動中の場合及び前記チラーのシャットダウンに引き続いて、前記軸が、前記軸受に支持された状態で惰性により回転した後に停止するまでの間、前記軸受を潤滑するために液状冷媒を貯容するためのソース部分を提供する過程と、
前記チラーが作動中の場合及び前記チラーのシャットダウンに引き続いて、前記軸が、惰性により回転した後停止に至るまでの間、前記ソース部分から前記軸受に対して、オイルではなく、液状冷媒を供給するための過程とを有することを特徴とする方法。
【請求項４５】
前記チラー内に貯槽を画定する過程を更に有し、前記貯槽が液状冷媒のためのソース部分をなし、前記チラーの作動中にあっては前記コンデンサから得られる液状冷媒を前記貯槽に対して補給することを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記貯槽を、その上流に於ける圧力降下に対して隔絶することにより、このような圧力降下が発生した時に、前記貯槽内の液状冷媒を前記軸受に供給し得るような残留圧力を前記貯槽内に維持する過程を更に有することを特徴とする請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記チラーの作動中に於いて液状冷媒を前記コンデンサから前記貯槽にポンプする過程を更に有することを特徴とする請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記チラー内に液状冷媒のためのサンプを画定する過程と、
前記チラーがシャットダウンされた時に液状冷媒を前記エバポレータから前記サンプに供給する過程と、
前記チラーの次のスタートアップに先立って前記サンプを前記エバポレータから隔絶する過程と、
前記チラーが次にスタートアップする時に初期に液状冷媒を前記サンプから前記貯槽に供給する過程とを更に有することを特徴とする請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記チラーのスタートアップ時に、液状冷媒を前記サンプから前記貯槽にポンプする過程を更に有することを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
液状冷媒を前記貯槽にポンプする過程が、ポンプにより実行され、前記ポンプの軸受を、オイルを用いずに液状冷媒により潤滑する過程を更に有することを特徴とする請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記チラーがスタートアップした初期に於いて、前記軸が、軸受の潤滑のために前記軸受に対して液状冷媒を供給することなく前記軸受内にて回転させる過程を更に有することを特徴とする請求項４５に記載の方法。
【請求項５２】
前記供給過程に於いて前記ソース部分から前記軸受に対して供給された液状冷媒を前記軸受から前記コンデンサに戻す過程を更に有することを特徴とする請求項４５に記載の方法。
【請求項５３】
前記軸受に対して、その潤滑のために供給された液状冷媒の少なくとも８０％が、前記軸受を潤滑した後にあっても液状に保たれるように十分な流量を以て液状冷媒を前記貯槽から前記軸受に更に流す過程を前記供給過程が有することを特徴とする請求項４５に記載の方法。
【請求項５４】
前記軸に可変速モータのロータを取付ける過程を更に有することを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項５５】
前記チラーの作動中に於いて、前記モータに対して、その冷却のために液状冷媒を供給する過程を更に有することを特徴とする請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
前記チラー内に貯槽を画定する過程を更に有し、前記貯槽が前記軸受を潤滑するための液状冷媒のソースをなし、前記チラーの作動中にあっては液状冷媒を前記貯槽に対して補給することを特徴とする請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
該ドライバ装置の発熱部品を冷却するために前記モータの駆動源である前記ドライバ装置に対して液状冷媒を供給する過程を更に有することを特徴とする請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
前記モータ及び前記ドライバ装置を冷却するための冷媒を前記コンデンサへと戻す過程を更に有することを特徴とする請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記チラー内にサンプを画定する過程を更に有し、前記チラーがシャットダウンされた時に前記サンプに対して前記エバポレータから液状冷媒を供給し、前記チラーのスタートアップに先立って前記サンプを前記エバポレータに対して隔絶することを特徴とする請求項５６に記載の方法。
【請求項６０】
前記チラーのスタートアップ時には前記サンプから前記貯槽及び前記モータに対して液状冷媒をポンプし、前記チラーが動作中には前記コンデンサより前記貯槽及び前記チラーへ液状冷媒をポンプする過程を更に有することを特徴とする請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
前記チラーがシャットダウンする時に前記コンデンサ及び前記サンプに対して前記貯槽を隔絶させ、それにより前記コンデンサ内に残留圧力を閉じこめる方法を含み、前記残留圧力を利用して前記軸が惰性により停止に至る時に前記貯槽に含まれる液状冷媒を前記軸受に送り込む過程を更に有することを特徴とする請求項６０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本出願は、「モータの冷却及び潤滑が改善された液体チラー（Liquid Chiller With Enhanced Motor Cooling and Lubrication）」を名称とする同日に出願され、同一人に譲渡された米国特許出願、「遠心チラーのためのオイル及び冷媒ポンプ（Oil and Refrigerant Pump for Centrifugal Chiller）」を名称とする同一人に譲渡されかつ許可された米国特許０８／９６５，４９５並びにこれらから派生し得るあらゆる分割出願に関連するものである。
【０００２】
本発明は液体チラーに関する。本発明は特に、チラーの作動流体を含む冷媒により潤滑されるような、ハイブリッド軸受と呼ばれる軸受が用いられる比較的大型の遠心チラーに関する。本発明は特に、最適な部分負荷性能を達成可能であって、チラーのコンプレッサ駆動モータの冷却が向上されたオイルフリー直接駆動遠心ウォーターチラーに関する。
【０００３】
（背景技術）
冷凍チラーは、多くの場合、産業プロセスや建物における空気調和のための冷媒としての水その他の液体を温度調和するために冷媒を用いる装置である。冷媒にして数百あるいは数千トンもの大きな容量を有する冷凍チラーは、通常大型の遠心コンプレッサにより駆動される。容量の小さい場合には、ウォーターチラーにおいては、スクリュー、スクロールあるいは往復式のコンプレッサが最もしばしば用いられる。
【０００４】
遠心コンプレッサは、渦型ハウジング内において一つまたは複数のインペラを回転させることにより、チラーの冷凍回路で用いられる冷媒ガスを圧縮するようなコンプレッサからなる。遠心コンプレッサのインペラ、このようなインペラが取付けられた軸及び、さらには直接駆動式のコンプレッサにおいては、コンプレッサ駆動モータのロータなどは、数千ポンドと言わないまでも数百ポンドもの重量を有する。このような物理的に大型かつ大重量のチラー部品を数千ＲＰＭもの高回転速度で回転させることは、特別なしかも困難な軸受の循環の問題を引き起こし、これは特にこれらの部品が静止状態にあるようなスタートアップ時ばかりでなく、これらの部品が惰性により停止状態に至るまで回転する際にも大きな問題となる。
【０００５】
遠心コンプレッサは直接駆動式であったりギア駆動式であったりする。従って、このようなコンプレッサが用いられているチラーは通常直接駆動式あるいはギア駆動式チラーと呼ばれる。
【０００６】
直接駆動式チラーにおいては、コンプレッサ駆動モータのロータが、コンプレッサの一つまたは複数のインペラが取付けられたのと同じ軸に直接取付けられる。この軸は、さらにチラーの作動中において潤滑を必要とするような一つまたは複数の軸受により回転可能に支持される。
【０００７】
ギア駆動式遠心チラーにおいては、一つまたは複数のインペラが取付けられた軸は、インペラが取付けられた軸にコンプレッサ駆動モータのロータを直接取付ける代わりに、一連のギアを介して駆動される。ギア駆動式チラーのギアは、インペラの回転速度を、インペラを駆動するモータの回転速度よりもさらに高め、チラーの冷凍効果あるいは容量を高める働きを行う。ギア駆動式チラーの場合は、駆動ギア及びインペラ軸を回転自在に支持する軸受が、潤滑される必要があるが、従来はオイルにより行われていた。直接駆動式及びギア駆動式のチラーはいずれも３６００RPM以下の回転速度が得られるような誘導モータを用いるのが一般的であった。
【０００８】
一般に、直接駆動式のチラーは、ギア駆動式チラーに比較してより静粛であり、効率が高い。しかも、直接駆動式チラーは、現在のギア駆動式チラーよりも信頼性が高いと考えられている。なぜなら、ギア駆動式チラーは、直接駆動式チラーには用いられていない複数のギア、より多数の軸受及びその他の回転部品を用い、これらは損傷し摩耗する可能性があるからである。しかしながら、ギア駆動式チラーは、場合によっては、直接駆動式チラーよりも廉価であるなど用途によっては有利な場合がある。
【０００９】
直接駆動式及びギア駆動式を含む大型の遠心チラーにおいては、従来から回転部品の潤滑が困難かつ高価であって、もっぱらあるいは基本的には潤滑剤としてオイルを用いることにより行われてきた。このような潤滑システムの必要性が、直接駆動式およびギア駆動式遠心チラーの設計、製造、稼働、保守及び制御を大幅に複雑化してきており、しかも初期コスト及び維持コストを高騰させる原因となっていた。
【００１０】
大型遠心冷凍チラーシステムにおいて潤滑剤としてオイルを不要とし、この目的のためにチラーの作動流体を含む冷媒を用いることは、極めて大きな効果をもたらす可能性がある。これらの効果としては、オイルを用いたチラー循環システムに関連する様々なチラーの故障の対応の除去、このようなチラーシステムにおけるオイルと冷媒との混合に付随するいわゆるオイルマイグレーション問題の除去、システムの冷媒内にオイルがとりこまれチラーの熱交換機内に持ち込まれることに起因する熱交換面のオイルによる皮膜の発生の回避による全体的なシステム効率の向上、環境的に優しくないと考えられる材料すなわちオイルを除去すること並びにその取り扱い及び処理に関連する問題の除去並びにコストの軽減、チラー潤滑システムに関連する多数の高価かつ比較的複雑な部品の省略並びにこれらに関する制御および維持に関するコストの低減などがある。
【００１１】
さらに、遠心チラーシステムにおいて潤滑剤としてオイルを不要とすることは、直接駆動式チラーの利点を提供すると同時に、可変速動作により、ギア駆動チラーと同等またはそれよりも優れたチラーを提供する可能性を示唆する。従来、ギア駆動式装置においては、特に良好な部分負荷効率を、チラーのインペラを比較的高いあるいは最適の速度で駆動しうるような特別に構成されたギアのセットを用いることにより達成されてきた。しかしながら、前記したように、ギア駆動式装置は直接駆動式装置の多くの利点を備えておらず、いくつもの明瞭な欠点を有している。このような欠点の一つは、ギアトレインの十分な潤滑のためにオイルを用いた潤滑システムを必要とすることである。
【００１２】
従来から現在に至るまで、遠心チラーの分野において、オイルを用いた潤滑システムの必要を解消するための努力が傾けられてきた。しかしながら、このような努力は、軸受に支持された軸及びインペラが比較的小型かつ軽量であるような特別な小容量冷凍機械、あるいは軸受負荷が低いような用途における静圧軸受、動圧軸受あるいは磁気軸受の利用に向けられてきた。この点に関して、静圧軸受及び動圧軸受は、比較的低コスト、単純かつ技術的によく理解されたジャーナル式軸受であるが、潤滑剤の流れの一時的な枯渇や減少による影響を受けやすいという問題がある。このような軸受の、与えられる潤滑剤の喪失あるいは減少に対する不寛容な特性は冷凍環境においてはいっそう深刻な問題となる。しかも、このような軸受は、転動軸受における摩擦損失に比較して、このような軸受に見られる摩擦損失の結果、それらが用いられるコンプレッサの効率を低下させるという問題がある。
【００１３】
潤滑剤により潤滑された静圧軸受及び動圧軸受は、比較的物理的に小容量のコンプレッサにおいて少なくとも試みとして用いられたことがあるかもしれないが、このような軸受を大型の遠心チラーに用いることは、回転始動され支持されなければならないチラーのインペラ及び軸が大質量及び大重量であることが、それ以外の問題とともに、深刻な困難を引き起こす。このような部品が大型かつ大重量であることから、特にチラーのスタートアップ時及びシャットダウン時あるいは潤滑剤の流れの一時的な喪失に際して、困難な設計上の問題を提起し、これらは実用上依然として解決されていない。
【００１４】
さらに、このような設計上の困難が大型冷凍チラーの冷媒により潤滑された静圧軸受あるいは動圧軸受の利用に関連して克服されたとしても、固有の摩擦損失が大きいため、このような軸受は効率の低下が欠点となる。このような欠点は、地球温暖化のような、エネルギーを消費する機器をより効率的に稼働しなければならないという世界の問題とともによりいっそう深刻となってきている。
【００１５】
さらに、静圧軸受軸受は、オイルを用いずにこのような軸受に対して極めて高い圧力の液体冷媒を供給するためのポンプを必要とすることから、このようなポンプ自体の軸受をも作動中に潤滑する必要が生じるという追加の欠点を有している。このような高圧ポンプは、故障する可能性があり、静圧軸受軸受を用いようとした場合には、このことがチラーの信頼性についての問題となる。
【００１６】
さらにかつ一般的に、チラーシステムにおいてオイルを用いずにどのような形式であれ軸受を潤滑するために液体冷媒を用いることは、コンプレッサが作動している時は常に液状の冷媒を信頼性高く供給し、このような冷媒を軸受に送り込みうることを前提としている。しかしながら、考えられるあらゆるチラーの運転条件下において、軸受の潤滑に適するような状態で、このような軸受に供給しうるような液体冷媒を貯容する一つの位置がチラー内には存在しない。この点に関連して、チラーがシャットダウンされる時あるいは低い負荷条件の時、液状冷媒はエバポレータから最も確実に得られる傾向にある。チラーが負荷状態で稼働している時、液状冷媒はコンデンサから最も確実に得られる。従って、液状冷媒を用いるさらなる軸受の潤滑には、チラーがシャットダウンしたか、スタートアップしたか、きわめて低い負荷条件下であるか、負荷条件下での動作であるか、シャットダウン後惰性により停止に至るまで回転している状態であるかを問わず液状冷媒の供給を確保しなければならない。
【００１７】
ここに興味深い機械が存在する。これは、（１）直接駆動式遠心チラーの利点を全て実現し、（２）同時に部分負荷チラー効率を向上させ、（３）オイルを用いた潤滑システムの利用を廃止し、（４）チラーの効率を全体的に向上させることで、これらはジャーナル式の軸受に変えて、冷凍チラーにおいて転動要素を用い、チラーの作動流体を含む冷媒のみによってこのような転動軸受を潤滑することにより達成されうる。遠心チラーシステムにおける潤滑剤としてのオイルの使用の廃止は、ハイブリッド転動軸受と呼ばれる軸受が最近開発されたことにより現実的となった。ハイブリッド転動軸受においては、少なくとも軸受レースよりもかなり低コストである転動要素をセラミック材料より構成している。このような軸受は、ここ数年に渡って市販されてきたが、また比較的小型の冷凍チラーにおいてこれらの軸受を用いる可能性について検討されたこともあるが、実際の用途は、概ね工作機械の用途に限られ、このような用途においては軸受の潤滑が、軸受製造者により、グリースあるいは好ましくはオイルによりなされるべきであると現在に至るまで推奨されている。
【００１８】
しかしながら、このような軸受の特性のあるものは、軸受の潤滑に関し、潤滑剤としてのオイルの利用を廃止し、それにかえてチラーの作動流体を用いるような大型の遠心冷凍チラーの可能性を示唆するものである。さらに、このような軸受は、セラミックの転動要素がスチールの転動要素に比較して質量が小さいことから、高速及び可変速運転に特に適しており、またこのように低減された質量は高速回転するハイブリッド軸受内における遠心力を低減させ、高速運転時に軸受レースが耐えなければならない力を低減させることができる。このような軸受のために潤滑剤としてチラーの作動流体を用い、チラーのあらゆる運転条件下において、このような液体を常時供給可能とし、そのような目的のためにある地点から他の地点へ確実に移送させる必要があることは、克服されるべき多くの新規かつ特殊な問題を提起する。
【００１９】
（発明の開示）
本発明の主な目的は遠心冷凍チラーにおいて潤滑剤としてのオイルの必要を解消することにある。
【００２０】
本発明の別の目的は、チラーシステムの作動流体を含む冷媒により、軸受の部分から十分に熱を除去しうるようにして軸受が潤滑されるような遠心冷凍チラーを提供することにある。
【００２１】
本発明のさらに別の目的は、チラーシステムの作動流体を含む液状冷媒により軸受が潤滑され、チラーのスタートアップ時、チラーがきわめて低速で稼働される場合、チラーが負荷状態で稼働される場合、チラーがシャットダウンされ、チラーのコンプレッサが停止に至るまで惰性で回転するような状態においても、液状冷媒のチラー内で一つの地点から他の地点への供給が確実に行われるような遠心チラーを提供することにある。
【００２２】
本発明のさらに別の目的は、オイルマイグレーション問題を解決し、チラーの作動時に熱交換機にむけてオイルがマイグレートすることによりチラーの熱交換機からチラーのコンプレッサへとオイルを戻す必要を解消することにある。
【００２３】
本発明のさらに別の目的は、オイルマイグレーションを解消することにより、チラーシステムの熱交換機の熱交換面に対してオイルの皮膜が形成されないようにし、オイルの皮膜による熱交換効率の低下を解消することによりチラーシステムの効率を向上させることにある。
【００２４】
本発明の更に別の目的は、オイル以外の冷媒により潤滑された転動軸受を用いることにより、転動軸受以外の形式の軸受が用いられたシステムに比較して効率が改善された遠心チラーを提供することになる。
【００２５】
本発明の更に別の目的は、冷凍チラーから、オイルのような環境に優しくない材料を不要とし、このような材料の取り扱い及び処理の必要を解消することになる。
【００２６】
本発明の更に別の目的は、遠心チラーの部品のオイルによる潤滑に関連する多くの効果且つ複雑な部品を不要とし、そのような部品に関連する故障の可能性や製造コストを解消し、オイルを用いたチラー潤滑システムを制御する上でのコストを解消することにある。
【００２７】
本発明の更に別の目的は、比較的従来形式であって安価な誘導モータ技術を用いることにより、システムの部分負荷効率を向上させるように高速及び可変速運転が可能となった遠心チラーを提供することにある。
【００２８】
本発明の更に別の目的は、オイルに基づく潤滑システムが不要とされた、ギア駆動式のチラーに比肩する部分負荷性能を発揮し得るようなコスト的に有利な多段式直接駆動式遠心チラーを提供することにある。
【００２９】
本発明の更に別の目的は、チラーの軸受が十分に潤滑されるように、常時且つ適切な状態を以て十分な量のシステム冷媒がチラーの軸受に提供されるようなオイルを用いない遠心チラーを提供することにある。
【００３０】
本発明の更に別の目的は、高速回転の際に、チラーの軸受に加えられる遠心力を、従来形式のスチールの転動軸受に用いられる転動要素よりも質量の小さいセラミック製転動要素を用いられることにより低減されるようなオイルを用いない遠心チラーを提供することにある。
【００３１】
本発明の更に別の目的は、遠心冷凍チラーのコンプレッサ駆動モータの冷却特性を向上させることにある。
【００３２】
本発明のこれら及び他の目的は、以下の好適実施例の説明及び添付の図面から理解されるように、チラーのインペラ及び駆動モータのロータが取付けられた軸自体が、所謂ハイブリッド転動軸受により回転自在に支持され、このような軸受が、オイルを用いずに、チラーの作動流体を含む冷媒により潤滑及び冷却されるような冷凍チラーにより達成される。適切な状態及び量のシステム冷媒を十分な量を以て、チラーの動作中、チラーのシャットダウンに引き続き、チラーのインペラ及び駆動モータロータが取付けられた軸が、停止状態に至るまで惰性により回転される間に、潤滑及び熱の除去のために軸受に供給され、モータの冷却のためにコンプレッサ駆動モータに供給されるのを確実に行うための装置が提供される。更に、誘導モータ及び可変速ドライバ装置を用いることにより、良好な部分負荷効率が達成され、直接駆動式チラーにより提供される高信頼性に関連する利点に加えて、ギア駆動チラーに関連する効率及び信頼性に関連する不利を解消し、ギアセットに関連するオイルに基づく循環システムの必要性をなくすような冷凍チラーが提供される。
【００３３】
（発明を実施するための最良の形態）
図１Ａ及び図１Ｂは、好適実施例として遠心チラーからなるチラー１０及びその主要部品が示されている。この点に関連して、チラー１０はコンプレッサ部１２と、コンデンサ１４と、エバポレータ１６とからなる。冷媒ガスはコンデンサ部１２内にて圧縮される。この冷媒ガスは、排出渦形室１８から、コンプレッサからコンデンサ１４に至るパイプ２０に送り出される。
【００３４】
コンデンサ１４は通常、入口２２からコンデンサに導入され、出口２４から排出される液体により冷却される。通常水道水或いはクーリングタワーに送り込まれ且つ戻される水からなる液体は、ガス状をなしてコンプレッサからコンデンサに送り込まれる高温の圧縮されたシステム冷媒と熱交換することにより加熱される。
【００３５】
コンデンサ１４内で引き起こされる熱交換プロセスにより、コンデンサ１４内に送り込まれた比較的高温の圧縮冷媒ガスは凝縮し、コンデンサの底部に於いて比較的低温の液状をなして貯留する。凝縮した冷媒は、コンデンサ１４から排出パイプ２６を介して排出され、好適な実施例に於いては固定オリフィスからなる計量装置２８に送られる。冷媒は、計量装置２８を通過する際に減圧され、膨張過程により更に冷却された後、主に液状をなしてパイプ３０を経てエバポレータ１６に供給される。
【００３６】
エバポレータ１６内に送り込まれ、その内部を流れる冷媒は、入口３２からエバポレータ内に導入され、出口３４から排出される水等の媒体と熱交換を行う。エバポレータ内を流れ、それによって加熱された冷媒を冷却する過程に於いて、システム冷媒は蒸発し、比較的低圧ではあるが比較的温暖なガスとして、パイプ３６を経てコンプレッサに戻される。冷媒ガスが、継続及び反復する過程に於いて再び圧縮及び加熱されることになる。
【００３７】
図２及び２Ａにも示されるように、チラー１０のコンプレッサ部１２は、チラー駆動モータ４０が配置されたハウジング３９を有する。インペラ４２、４４は、渦型ハウジング４５内に配置され、駆動モータ４０のロータ４６と共に、軸４８に一体回転するように取付けられている。軸４８は、第１の軸受パッケージ５０及び第２の軸受パッケージ５２により回転し得るように支持されている。本実施例においては、本発明が遠心チラーをなすように記載されているが、遠心コンプレッサ以外によって駆動されるチラーも本発明の技術分野に含まれる。そのような場合、軸４８に取付けられた圧縮要素は、回転スクリューコンプレッサのロータからなる場合がある。その場合、チラー１０はスクリューチラーとなる。
【００３８】
容易に理解できるように、本実施例の遠心チラーは、所謂直接駆動チラーをなし、その駆動モータ４０のロータ４６が、コンプレッサのインペラが取付けられた軸４８に直接取付けられている。コンプレッサ１２の駆動モータ４０は、好適実施例においては、後記するようにやや構造的に補強されており、可変速ドライバ装置５４により駆動される概ね従来形式の誘導モータからなるが、他の形式の可変速モータも本発明の概念に含まれる。
【００３９】
ドライバ装置５４を用いることにより、チラーシステムの負荷が、コンプレッサの最大容量に於ける運転を必要としない程度である場合には、チラー１０及びそのコンプレッサを低速で運転することができ、チラーの容量に対する要求が高まった場合には、より高い速度でチラー及びそのコンプレッサを運転することができる。
【００４０】
チラーの負荷が高くない場合、或いはその最大値でない場合、コンプレッサ１２及びそのインペラを低速で回転させることにより、低減された熱負荷をエネルギーを節約して冷却するために十分に高い冷凍効率を達成でき、それによってこのような負荷の適合性に欠けたチラーに比較して、チラーのランニングコストを低減し、チラーの運転を極めて効率的に行うことが可能となる。更に、コンプレッサ１２は、チラーの出力がシステムの負荷に密接に且つ応答性良く適合するように、チラーの容量を極めて正確に制御し得るようにするために、モータ４０の速度を制御することに加えて、入口ガイドベーン５５を用いることができ、それにより、エネルギーの消費を極力低減し、特定のチラーの用途について最適化された特殊設定の駆動ギアを不要とし、比較的特殊且つ高価な可変速ドライバ装置或いはモータを不要とし、軸受或いはギアトレインの潤滑のためのオイルシステムの必要性をなくすことができる。
【００４１】
好適実施例においては、コンプレッサ１２は二段コンプレッサからなる。二段なる用語は、チラーのコンプレッサ部内に２つの別個のガス圧縮段が存在することを示している。このような二段圧縮は、最初に、システム冷媒の圧力を、第１段インペラ４２を通過させることにより増大させ、このように一旦圧縮されたガスを第２段インペラ４４を通過させることにより冷媒の圧力を二度に渡って増大させることにより達成される。好適実施例に於いては、コンプレッサ１２が二段コンプレッサからなるものであったが、本発明は二段コンプレッサ式チラーばかりでなく、一段式コンプレッサ或いは多段コンプレッサを用いたチラーにも等しく適用可能である。
【００４２】
特に図２及び２Ａを参照して、軸４８に関連する軸受の構成について詳しく説明する。上記したように、軸４８は、好適実施例においては、第１或いは第２の転動軸受５０ａ、５０ｂからなる軸受パッケージ５０により回転自在に支持されており、この軸受パッケージは、コンプレッサ１２の作動に伴い軸４８に加えられるスラスト負荷及びラジアル負荷の大部分を支持する。軸方向に浮動する軸受５２は、転動要素５３を備えた単列アンギュラー軸受からなり、ラジアル負荷への比較的僅かな部分及びスラスト負荷の一部を支持する。一方、軸受５２は、主なスラスト負荷の方向に対して逆方向に要負荷が加えられており、スラスト負荷の大部分を支持する軸受５０ｂに対する正味のスラスト負荷を極小化するようにしている。
【００４３】
軸受パッケージ５０は、軸４８の長さの概ね中間部に配置されており、軸受５０ａ、５０ｂは、背中合わせに設けられ、予負荷が加えられたアンギュラーコンタクト転動軸受からなる。軸受５０ａ、５０ｂの転動要素５１ａ及び５１ｂ、軸受５２の転動要素は、軸受のコストを低減するためにローラではなくボールからなるのが好ましい。或いは、軸受５０ａ、５０ｂを互いに対向するように設けることもできる。何れにせよ、軸受５０ａ、５０ｂのレースが、図２Ａに最もよく示されているように互いに逆向きとなっており、スラスト負荷の方向に関わらず軸４８を介して加えられるスラスト負荷を支持し得るようになっている。これらの軸受は、また軸４８により加わるラジアル負荷の大部分を支持する。
【００４４】
インペラ４２、４４は、軸受パッケージ５０の片側に於いて軸４８に取付けられ、駆動モータロータ４６はその他方の側に取付けられている。軸受パッケージ５０は、軸受パッケージの一方の側の軸及びインペラの重量と、軸受パッケージの他方の側に設けられた軸及びモータロータの重量とが釣り合うように軸４８に沿って配置されている。インペラ及び、これらのインペラが取付けられた軸４８の部分は、好適実施例においては片持ち支持されており、従って駆動軸の遊端５８側は支持されていない。駆動軸の他の部分及びその遊端６０は、前記したようにある程度軸受５２により半径方向に支持されている。軸受の設計によっては、軸４８を単一の軸受或いは軸受パッケージにより支持することも可能であるばかりでなく、様々な軸受の構成及び配置も本発明の概念に含まれるものであることを了解されたい。
【００４５】
好適実施例のチラーにおいては、軸受パッケージ５０を構成する軸受は、比較的大径の軸受からなる。これらの駆動モータロータ４６とインペラ４２、４４との間に配置されていることにより、軸４８の径囲を比較的大きくすることを可能とし、それにより軸受の半径方向の剛性を高め得ることと相まって、コンプレッサの臨界速度を高めることができ、臨界速度を動作中の軸の回転速度よりも高く設定することが可能となる。そのため、臨界速度を回避することができる。
【００４６】
従来に於いては、チラーの製造業者は、遠心コンプレッサのインペラ軸を回転可能に支持するために転動軸受を用いないようにしており、特にチラーのインペラが取付けられた軸の部分が支持軸受から片持ち状態をなすような場合には特に転動軸受を用いないようにしてきた。むしろ、チラーの製造業者は、ジャーナル軸受を用いるようにしていたが、これらは比較的廉価であるものの、冷凍環境に於いては一層深刻な問題となるような潤滑不十分な状態に対して非寛容であって、コンプレッサ及びチラーの効率に対して有害な摩擦損失を増大させるという問題があった。本発明の譲受人は、転動軸受により支持されたインペラ軸を有するコンプレッサを用いた遠心チラーを長年に渡って問題なく製造してきたが、これらの転動軸受はオイルによる潤滑を必要としていた。
【００４７】
最近になって始めて市販され出した所謂ハイブリッド軸受と呼ばれる転動軸受の出現により、チラーのロータ及びインペラが取付けられた軸を直接駆動式装置に於いて取付ける為のこのような軸受を用いることにより、遠心チラーに於ける潤滑剤としてのオイルを不要とするという知見に至った。このようなハイブリッド軸受は、その製造者に拠れば、オイルが好ましい潤滑剤であり、その次の選択肢としてはグリースにより潤滑されるべきとしているが、発明者の発見した所に拠れば、ハイブリッド軸受は、オイルを用いずに冷媒により潤滑し得る転動軸受である。
【００４８】
本発明の好適実施例においては、ハイブリッド軸受は、セラミック材料からなる非金属転動要素を用いている。窒化シリコン等のセラミック材料を用いることにより、転動要素は、スチールの転動要素に比較して６０％密度が低く、５０％以上高い弾性係数を有し、僅か３０％の熱膨張率を有し、スチールからなる転動要素に比較して摩擦係数が２０％程度であるような転動要素が実現される。
【００４９】
セラミック転動要素の密度が低いことから、これらが用いられた軸受はかなり僅かな遠心力を発生するのみである。弾性常数が高いことにより、このような軸受に於ける摩擦を低減し、それだけ軸受の合成が高まることにより、歪み及び摩擦を減少させることができる。また、軸受に於ける歪みを減少させることにより、それらが用いられた装置の臨界速度を高めることができる。熱膨張率が小さいことは、軸受に対する予負荷のばらつきを減少させ、同じく摩擦を低減し、軸受の寿命を延長することができる。これは、軸受が様々に変化する温度にさらされるような冷凍チラーの用途に於いては重要な点である。好適実施例においてはこのようなセラミック転動要素が転動するべきレースはスチールからなり、文字通りハイブリッド軸受であるが、レースについてもセラミック材料から製造することも可能である。
【００５０】
発明者の発見した所に拠れば、このようなセラミック転動要素をスチールレース内で転動させることにより、セラミックの転動要素が固くしかも平滑であることにより、レースの表面を鏡面仕上げにしてしまう。発明者はまた、このような軸受の特性から、このような軸受のための十分な潤滑を提供するためには、比較的極めて薄い弾性−流体力学的フィルムが必要とされるのみであることを見出した。
【００５１】
この点に関して、発明者は、主にまた好ましくは液状をなす、遠心チラーの作動流体を含む冷媒を適切なタイミングを以て且つ適切な量を以てハイブリッド軸受に供給することにより、このような軸受が、潤滑剤としてオイルを用いずとも、十分に潤滑され、十分に冷却され、チラーの作動エンベロープの全体に渡って作動し得ることが見出された。転動要素及びそれらが転動するべきレースの両者はスチールからなるような従来の軸受の技術に拠れば、冷媒の特性により、潤滑のために従来形式の転動要素とレースとの間に十分に厚いフィルムを形成できないために、従来の軸受の技術はそのまま適用することができない。
【００５２】
本発明においては、ハイブリッド軸受及びそれを潤滑するために液体液状冷媒を用いることにより、セラミック転動要素と、それらが転動するべきレースとの間に薄いが十分に厚い弾性−流体力学的フィルムが形成され、これが軸受を十分潤滑し得ることが見出された。本発明に於いて用いられたハイブリッド軸受に拠れば、システム冷媒により形成されるフィルムが十分な潤滑能力を有するばかりでなく、セラミック転動要素が、それが転動するスチールのレースに対して、冷媒のフィルムを破って一時的に接触した場合でも、従来形式のスチールの軸受とは異なり、転動要素とレースとが極めて異なる材料により製造されていることから互いに働き続け、また互いに溶着することがない。
【００５３】
発明者は更に、本発明の遠心チラーを開発する過程に於いて、潤滑のためにこのようなハイブリッド軸受に供給される冷媒は、好ましくは全て或いは概ね液状をなすべきであると言うことを見出した。このような軸受に供給される液状冷媒は２つの目的を果たす。第１の目的は、セラミックの転動要素とスチールのレースとの間に軸受を潤滑するために必要な薄い弾性−流体力学的フィルムを形成することであり、第２の目的は摩擦熱を軸受部分から取り除くことにある。従って、潤滑のために軸受に供給された液状冷媒は、その過大な部分が作動中に比較的高温となる軸受と接触することによりガスにフラッシングするような状態にあってはならない。
【００５４】
そこで、発明者は、発明の対象となるチラーシステムに関して、軸受部分から排出される液状冷媒が、軸受を潤滑した後であっても、同部分に供給された液状冷媒の８０％に等しい量が液状であるように軸受位置に向けて十分な流量を以て液状冷媒を供給するような設計指針を確立した。限界的なチラーの作動条件下に於いて、軸受の位置に於いて約２０％までの割合で冷媒がフラッシングするようにすることにより、考え得るあらゆるチラーの運転条件下に於いて、十分な量の液状冷媒が、軸受の潤滑及び熱の除去のために利用可能となることが見出された。必ずしも上限ではないが、フラッシングの割合は、開発のこの段階に於いて発明者にとって満足できるものである。
【００５５】
遠心チラーシステムに於けるオイルの必要性を解消することに関連する多くの利点にも関わらず、このようなシステムに於いてハイブリッド軸受を潤滑するために冷媒を用いることに関連する不都合として、オイルを用いた潤滑システムに於いては存在しない問題を発生し得ることが見出された。この点に関して、チラーシステムに於いてオイルが潤滑剤として用いられた場合、オイルの一部はフィルムとして軸受面に付着し、チラー及びその積極的なオイル供給システムがシャットダウンされた後であっても、かなり長時間に渡ってフィルムとして軸受面に留まる。従って、オイルを軸受潤滑剤として用いた場合には、少なくともその一部が軸受面に残留し、チラーが次にスタートアップする際に初期に於いても軸受を潤滑することができる。このような残留オイルは、少なくとも或る程度は、チラーのオイル供給システムが軸受位置に向けて活発にオイルを供給し始めるまで、軸受を潤滑するために或る程度利用することができる。
【００５６】
冷媒を軸受の潤滑剤として用いた場合には、チラーシステムがシャットダウンされた後、残留冷媒が軸受面上に殆ど残らないことが見出された。寧ろ、シャットダウン時に軸受位置にある冷媒は、軸受面からドレインされ或いは蒸発し、軸受は概ねドライな状態となる。従って、専ら冷媒により潤滑されるハイブリッド軸受を用いる遠心チラーの軸受位置の潤滑のためには、チラーのスタートアップ時及びチラーのシャットダウンに引き続く状態に於いて独特な問題及び困難を引き起こす。このような問題は図３に模式的に示されたチラー潤滑システムによりうまく解決することができる。図３に示されたシステムは、コンプレッサのスタートアップ時、チラーの通常の運転時、及びチラーがシャットダウンした後、軸４８が停止状態に至るまで比較的長時間に渡って惰性により回転する際に於いても軸受パッケージ５０及び軸受５２に対して確実に液状冷媒を供給する。
【００５７】
更に、図３に示されるように、チラーのスタートアップ時に於いて、軸受パッケージ５０及び軸受５２の潤滑は、チラーがシャットダウンされている間に液状冷媒が存在するチラー内位置から液状冷媒を供給することにより達成される。この点に関連して、チラースタートアップ信号が入力されると、液状冷媒ポンプ６２が液状冷媒を冷媒サンプ６４からポンプする。ポンプ６２は、飽和液状冷媒を、その大きな部分をポンプ過程の結果としてガスにフラッシングすることなくポンプすることができる。以下に説明するように、サンプ６４は、システムエバポレータ１６に対してライン６６を介して選択的に連通する。ライン６６内には、チラーのシャットダウンに対して開かれるフィルバルブ６８及びエバポレータからサンプ内に侵入し得る不純物或いは異物を除去するためのスクリーン７０が設けられている。
【００５８】
チラーのシャットダウンに際して、チラー内の内部温度及び圧力条件により、チラーシステム内の温度及び圧力が均等化するに伴いその内部の冷媒がエバポレータに移動しうる。更に、チラーのシャットダウンに際してエバポレータがチラー内の最も低温の部分であることから、冷媒がこの位置に移動するばかりでなく、液状をなして凝縮することとなる。従って、チラーが次にスタートアップする際に、チラーシステムにおける冷媒の少なくとも大部分が、エバポレータ内に液状で存在すると考えられる。
【００５９】
冷媒ポンプ６４は、フィルバルブ６８が開かれ、エバポレータ１６内に滞留する液状冷媒がドレインし、冷媒サンプ６４を満たすように、チラー１０内に配置されている。チラーがスタートアップされる時、フィルバルブ６８は閉じられ、それによって冷媒サンプ６４をエバポレータから隔絶する。この時バルブ６８が閉じられないと、チラーのスタートアップシーケンスの開始に伴い作動を開始するポンプ６２は、チラーのスタートアップに際してエバポレータ内で急激に発生する圧力降下のためにエバポレータ内の液状冷媒がガスに沸騰することからキャビテーションを引き起こす。サンプ６４は、別個の容積を画定するものであるが、別個の構造をなすことは必ずしも必要ではなく、チラー１０を構成する様々なハウジング或いはシェル（コンデンサ１４及びエバポレータ１６を含む）内に組み込まれたものであって良い。
【００６０】
冷媒サンプ６４内に設けられたモータ６３を備えた冷媒ポンプ６２は、液状冷媒をサンプ６４から、冷媒ライン７２を介して液状冷媒貯槽７４にポンプする。この貯槽７４は、その内部の液状冷媒を、重力を利用して、軸受位置に好適に供給し得るようにチラーのコンプレッサ部の上方に設けられていると良い。サンプ６４は、チラーのスタートアップ時に十分な量の液状冷媒が軸受潤滑のために利用し得るように十分な大きさを有する。後記するように、貯槽７４は、潤滑のために軸受パッケージ５０及び軸受５２に対して冷媒を供給するソース位置をなすもので、サンプ６４と同様にコンデンサ１４及びエバポレータ１６とは別個の容積を画定する。
【００６１】
ポンプ６２は、それがポンプする液状冷媒の圧力を数ＰＳＩ高め、そのポンプ作用に抗するヘッド及び、ライン７２にフィルタ７８が設けられていれば、その抵抗を克服し、あらゆるチラーの運転条件及び状況下に於いて軸受の潤滑のために液状冷媒が利用可能とし得るものであればよい。それに対して、静水圧式軸受が用いられている場合には、コンプレッサの始動時など特定の条件下に於いて、極めて高圧の潤滑剤を軸受表面に対して提供し得るものでなければならない。
【００６２】
飽和液状冷媒をポンプする際の１つの問題は、冷媒をポンプ内に於いて液状に維持することである。ポンプ内の液状冷媒に圧力降下が引き起こされると、液状冷媒をポンプすることが困難或いは不可能となるような或る程度のフラッシングが引き起こされる。ポンプを最適に設計した場合でも、これによって、ポンプの入口に対して或る程度の正の吸入ヘッドが必要となる。従って、ポンプインペラー６９が配置されたハウジング６７の入口６５は、液体ソースの液面の下側になければならない。図３の実施例に於いては、インペラハウジング６７の入口が、コンデンサ１４の底部の物理的に下側にあり、しかも、チラーがスタートアップする際にサンプ６４内に存在する液状冷媒の液面よりも下側に位置する。
【００６３】
ライン７２には、貯槽７４からライン７２への逆流を阻止するための逆止弁８０が設けられている。後記するように、ポンプ６２は、チラーの作動中に於いては液状冷媒を、ライン７２を介してコンプレッサ駆動モータハウジング３９にポンプする。この冷媒はモータ４０を冷却するために、該モータと熱交換可能に接触する。
【００６４】
貯槽７４にポンプされた液状冷媒は、貯槽７４の外でそれぞれ計量装置８２，８４を介して軸受パッケージ５０及び軸受５２にそれぞれ計量される。ポンプ６２の起動の直後、コンプレッサモータ４０が始動され、軸４８が回転開始するが、その軸受は始動時にサンプ６４から得られた潤滑剤としての液状冷媒の供給を受ける。
【００６５】
チラー１０が一旦作動を開始すると、コンデンサ１４は、軸受潤滑のため液状冷媒のソースとなる。この点に関して、コンプレッサ１２が一旦圧縮冷媒ガスをコンデンサ１４に供給すると、コンデンサ内に於いて、冷媒ガスを活発に液体に凝縮させる作用が開始する。凝縮された液状冷媒はコンデンサの底部に滞留し、パイプ２６を介して計量装置２８に送られる。
【００６６】
冷媒を７２に向けてポンプする冷媒ポンプ６２のインペラハウジング６５は、ライン５６を介して冷媒サンプ６４に連通すると共に、ライン８８を介してコンデンサ１４の下側部分と連通している。従って、一旦チラー１０がスタートアップし、液状冷媒が十分な量をもってコンデンサ１４内に生成されるようになると、冷媒ポンプ６２は、液状冷媒をコンデンサ１４からライン８８を介してポンプすることを開始する。このようにして、チラーの作動時の間に液状冷媒の一定の流れを、軸受の潤滑のために貯槽７４に、モータの冷却のためにコンプレッサ駆動モータ４０にそれぞれ供給し、コンデンサ１４が液状冷媒のソースとなる。サンプ６４と同様に、貯槽７４は、チラー１０を有するハウジング或いはシェルのいずれかの内部に構造的に組み込まれたものであって良く、スタンドアローン構造である必要は必ずしもない。しかしながら、貯槽７４は、特定の運転条件下に於いては、流れ或いは圧力の点に関してコンデンサ１４或いはエバポレータ１６から隔絶し得る点で、コンデンサ１４或いはエパポレータ１６とは別個の容積を画定する。
【００６７】
コンプレッサ駆動モータへの冷却に関連して、好適実施例のチラーに於いては、コンプレッサ駆動モータ４０は、液状冷媒をモータ４０と直接的或いは間接的に接触させることにより冷却される。容易に理解されるように、モータ冷却過程のための液状冷媒のソースは、軸受潤滑のための液状冷媒のソースと同一である。
【００６８】
この点に関して、バルプ９２が配置された液状冷媒ライン９０は、図３の実施例に於いてはライン７２から分岐し、それを介して液状冷媒が駆動モータハウジング３９の内部に供給され、そこで駆動モータ４０を冷却する。ライン９４によりバルブ９２バイパスされる。この実施例に於いては、第１の流れ計量装置９６がバイパスライン９４がライン９０に合流する地点の上流側のライン９０の部分に配置され、第２の計量装置９７がバイパスライン９４に配置されている。装置９７を通過できる液体の量は計量装置９６を通過できる液体の量よりもかなり小さい。
【００６９】
チラーの作動中バルブ９２は、開かれ、コンプレッサ駆動モータを冷却するのに十分な量をもって液状冷媒を両計量装置９６，９７を介してコンプレッサ１２に供給する。しかしながら、チラーのスタートアップシーケンスの間チラーの惰性による減速の間及びチラーのシャットダウンの間、バルブ９２は閉じられる。その結果モータの冷却のためにライン７２から分岐ライン９０を経て流れ出す液状冷媒は、チラーのスタートアップ時及び惰性減速の間にあっては、流れが計量装置９７のみを通過することから、かなり減少する。これは、このような時にあっては、コンプレッサ駆動モータを冷却することの必要性が減少することで、十分な量の液状冷媒が軸受潤滑のために提供されるのを助ける働きを発揮する。
【００７０】
また、チラーが１５％以下の能力で運転される場合がある。このような場合には、軸受に対する十分な液状冷媒の流れ及びモータの冷却のための駆動モータへの阻害されない流れの両者を提供するために十分な量の液状冷媒が形成されない。しかしながら、このような場合には、モータを冷却する必要が小さく、バルブ９２が閉じられ、このような軽負荷条件下に於いて十分な量の液状冷媒が軸受の潤滑のために提供されるようにする。
【００７１】
コンプレッサの軸受に供給された液状冷媒は、好適実施例の場合、軸受の潤滑のために利用された後に、軸受からモータハウジング３９の内部に向けてドレインされ、更にモータを冷却するために利用された冷媒と共に、ライン９８を介してコンデンサ１４にドレインされる。このようしてコンデンサに戻された冷媒は、チラーの動作中に於いて、コンデンサ圧力の変動に関わらず、コンデンサ圧力よりも高い圧力に軸受の潤滑及びモータの冷却に利用される冷媒の圧力を作動中に於いて増大させるようなポンプ６２を利用することにより可能となる。このようにモータの冷却のため及び軸受位置に於ける熱を除去するために加熱された利用済みの冷媒をコンデンサに戻すことにより、モータ及び軸受の熱がコンデンサを流れる冷却媒体に熱伝達を行うことによりコンデンサ及びチラーから排出される。その結果、このような熱がチラーの全体的な効率に及ぼす寄生的な影響を除去する。典型的な冷凍システムに於いては、コンプレッサ駆動モータを冷却するために用いられた冷媒が、コンデンサよりもかなり低い圧力下にあるエバポレータに対する圧力差を利用することにより戻される。このようなシステムに於いては、このような追加の熱のエバポレータへの供給が、チラーの効率の低下を引き起こし、チラーシステムに対する負荷の冷却及びかなりの熱源となるコンプレッサ駆動モータの冷却の両者のために十分な熱伝達面をエパポレータ内に提供する必要性を引き起こす。
【００７２】
チラーがシャットダウンされようとするとき、コンプレッサ４０への電力の供給が断たれる。これは、軸４８によりコンプレッサ１２を回転させようとする駆動力を失わせる。しかしながら、軸４８及びそれに取付けられた部品の質量が大きく、ハイブリッド軸受の摩擦が小さく、作動中に於いてはこれらの部品が全て高速で回転することから、コンプレッサ駆動モータへの電力の供給が断たれた後も、軸４８は、数分或いはそれ以上にも亘る長時間に亘って回転し続ける。このような惰性回転の間、軸４８が完全に停止するまでの間、液状冷媒を軸受パッケージ５０及び軸受５２に対して、その循環のために供給しなければならない。
【００７３】
上記したようにコンプレッサ１２が作動し続ける間、軸受の潤滑のための液状冷媒のソースはチラーコンデンサである。しかしながらチラーのシャットダウンに際して、コンデンサに対する冷媒の供給が停止し、コンデンサ内の圧力が急激に降下し、コンデンサ内の液状冷媒が沸騰し始める。そのため、チラー１０がシャットダウンした直後、軸受の潤滑のための液状冷媒のソースに於いては、液状冷媒がガスにフラッシュすることから軸受の潤滑のための液状冷媒を提供することができなくなり、軸４８が完全に停止するまで惰性により回転しつづける間、軸受の潤滑のために別の液状冷媒のソースを求めなければならない。
【００７４】
また、別の問題として、冷媒サンプ６４がライン１０４を介してコンデンサ１４にベントされていることから、コンプレッサがシャットダウンすると、コンデンサ１４内の冷媒がガス状に沸騰し始めるばかりでなく、サンプ６４内の液状冷媒も同様に沸騰する。コンプレッサ駆動モータ４０への電力供給が断たれた後も、ポンプ６２が２０秒程度の短時間に亘って液状冷媒をポンプし続けることができるのに十分な量の液状冷媒がコンデンサ１４及びサンプ６４に残留することから、その程度の時間に亘って、冷媒ポンプ６２は、運転し続けることができる。この時間の後、液状冷媒がガス状にフラッシングすることから、ポンプ６２は、キャビテーションを開始する。しかしながら、やはり、軸受の潤滑のための液状冷媒の必要性は、数十秒ではなく、軸４８が停止するまで惰性で回転する数分間に亘って継続する。
【００７５】
前記したように、逆止弁８０は、ライン７２に設けられ、貯槽７４からの流れがライン７２に逆流するのを阻止する。チラーのシャットダウンに引き続き冷媒ポンプ６２の駆動が停止すると、逆止弁８０の上流側のライン７２における圧力が降下し、貯槽７４の圧力は逆止弁８０を閉じる。このようにして、逆止弁８０と計量装置８２、８４との間の貯槽７４内に十分な量の加圧された液状冷媒がトラップされ、コンプレッサが惰性により回転して停止に至るまでの間に、重力による供給作用及び残留圧力により、軸受パッケージ５０及び軸受５２に対して十分な量の液状冷媒が供給されるようにされる。貯槽７４は、このような目的に適した寸法を備えている。チラーへの電力が中断した場合でも、（通常のシャットダウンシーケンスにおいては、チラーのシャットダウンに引き続く短い時間の間ポンプ６２は動作を継続するものではない場合であっても）、貯槽７４は、十分な時間に亘ってコンプレッサの軸受に対して利用可能な液状冷媒からなる潤滑剤の供給を確保する。
【００７６】
チラーのシャットダウンの後、それが通常のシャットダウンであるか、電力の中断などのような異常な場合であろうが、チラー内の圧力が均等化したとき、フィルバルブ６８が再び開かれ、冷媒サンプ６４に、エバポレータ１６からの液状冷媒が満たされる。このようにして、システムは、軸受の潤滑に関しては、再び再起動する態勢にある。
【００７７】
チラーがシャットダウンする度に、冷媒サンプ６４が再び液状冷媒により満たされる間の１０分程度の比較的短い時間チラーはシャットダウンした状態に止まる必要があることに留意されたい。しかしながら、多くの場合、一端チラー１０がシャットダウンすると、貯槽６４を再び満たす必要に拘らず、少なくともその程度の時間の間再びスタートアップされることがないのが一般的である。従って、実用上においては、チラーの作動に対して、貯槽６４を再び満たすのに必要な強制的なシャットダウン時間を殆ど考慮する必要がない。
【００７８】
冷媒ポンプ６２が冷媒サンプ６４内に配置され、その内部の液状冷媒中に浸されていることに留意されたい。このような配置のため、ポンプ６２は、同様に液状冷媒により潤滑されたハイブリッド軸受を利用することができ、他の冷凍チラーに見られるようなオイルを用いた潤滑システムの必要を更に不要とすることができる。しかも、ポンプ６２が冷媒サンプ６４内に配置されていることから、ポンプ６２及びそのモータは、それを浸す液状冷媒よって効果的に冷却される。
【００７９】
冷媒貯槽７４に関連して、本出願と同一人に譲り渡された米国特許出願０８／９２４，２２８号に記載された新規な装置１００が、貯槽７４内に液体が存在することを証明するために用いられていることに留意されたい。この装置は、コンプレッサが、流れる流体内に液体或いはガス状の泡が存在するのを区別する能力により、コンプレッサが故障するのを防止する。
【００８０】
上記したように、軸受パッケージ５０及び軸受５２の潤滑は、十分な量をもって液状冷媒をこれらに対して継続的に供給することに依存しているチラー１０をシャットダウンさせる。流れ検出装置１００を用いることにより、貯槽７４を流れる流体の流れの中に十分な液体の成分を検出した場合には、適切な潤滑が行われないことによる故障或いは損傷に対してチラーを保護する。本発明に基づく潤滑方式は、何らかの理由により、貯槽７４に貯容された冷媒が、過度に、液体以外の成分を含むようになった場合に、チラー及びコンプレッサを重大な損傷に対して保護するような安全策が施されている。容易に理解できるように、チラー１０の商業的な実施例の観点から重要ではあるが、装置１００及びチラー１０は本発明の冷媒を用いた潤滑システムに関しては副次的な特徴である。
【００８１】
図４を参照して、本発明の別の実施例を説明する。この実施例における様々な特徴は、図３或いは本明細書に記載された本発明の様々な実施例において個々に適用可能である。図４に示された実施例においては、コンデンサ１４における凝縮過程が、チラーが定常的な通常の運転の間に軸受を潤滑するために必要となる様な質或いは量をもって液状冷媒を供給できないような、チラーのスタートアップに引き続くある時間に亘ってコンプレッサ１２の軸受パッケージ５０及び軸受５２が、ドライな状態となることを許容し得るような場合において、好適実施例の冷媒サンプ６４が省略されている。図４に示された実施例は、好適実施例に比較して廉価であり、しかもより単純であるが、ハイブリッド軸受が、チラーのスタートアップ時の比較的短いが許容できる時間に亘ってハイブリッド軸受がドライ若しくは概ねドライな状態で回転し得る能力に依存する点で、ややリスクを伴う設計であると言える。
【００８２】
図４に示された実施例においては、冷媒ポンプ２００が、コンデンサ１４の液体堰２０２にごく隣接して配置され、従って液状冷媒が利用可能になれば直ちにコンプレッサの軸受の位置に対して液状冷媒を送りこむことができる。本実施例においては、コンデンサ１４において得られた液状冷媒は、堰２０２からポンプハウジング２０４にドレインされる。ポンプハウジング２０４は、そのモータ２０６が液状冷媒に浸されるように構成されているため、液状冷媒はモータを冷却ししかもポンプ２００自体に用いられているハイブリッド軸受の潤滑剤のソースを提供する。
【００８３】
チラーのスタートアップの後、液状冷媒がコンデンサ１４内に発生するようになるまでの間ポンプ２００の始動を遅延することは、チラーのスタートアップと同時にポンプを始動した場合に発生し得るポンプ２００のキャビテーションを防止することができる。ポンプ２００が非作動状態に維持される間、軸受５０、５２は、ドライな状態で運転されることになる。しかしながら堰２０２において液状冷媒が利用可能になると、ポンプ２００が起動され、これらの軸受に対して潤滑のために液状冷媒が供給されるようになる。
【００８４】
本明細書に示された他の実施例に対しても適用可能であるような図４のシステムにおけるもう１つの機械的な変更としては、モータの冷却のための冷媒を、逆止弁８０の上流側のライン７２から分流する代わりに、貯槽７４から得ることができる。この点に関して、モータ冷却用の冷媒は、貯槽７４からライン２０８を介してモータハウジング３９に供給される。この実施例における貯槽７４のサイズは適切に定められる。ライン２０８が、軸受潤滑剤を得るべきレベルよりも高いレベルにおいて貯槽７４から冷媒の供給を受けることから、モータの冷却が中断された後も軸受の潤滑が継続する。このような場合において、モータは別の手段により保護される。
【００８５】
他の実施例に対しても適用可能であるような図４のシステムにおける更にもう１つの機械的変更としては、エコノマイザ１０６を用い、冷凍チラーに関連してよく知られているように、エコノマイザにより、システム内に存在する中程度の圧力の冷媒ガスを利用して、全体的なシステムの効率を向上させるものがある。この点に関して、凝縮した液状冷媒がコンデンサ１４から第１の計量装置１０８を介してエコノマイザ１０６に送られるようにエコノマイザ１０６がチラーシステム内に配置されている。好適実施例においては、エコノマイザ１０６は２つの別個の容積１１０、１１２を画定する。計量装置１０８を通過する冷媒は、エコノマイザ１０６の容積１１０に流れこみ、その一部が第１の圧力においてガスにフラッシングする。このガスは、ライン１１４を介して第２段インペラ４４を収容する渦型ハウジング４５（図２参照）の一部にライン１１４を介して送りこまれ、インペラにより、駆動される圧縮過程を経ることなく、第２段インペラに供給されるガスの圧力を上昇させる。
【００８６】
容積１１０から容積１１２への冷媒の流れを計量する第２の計量装置１１６が両容積１１０、１１２間に配置されている。この過程は、冷媒圧力を降下させ、冷媒の更に一部を、容積１１０において発生するフラッシュガスよりもやや低い圧力をもってガスにフラッシングする。
【００８７】
容積１１２からのガスは、ライン１１８を介して第１段インペラ４２を収容する渦型ハウジング４５（図２参照）の一部に流れ込み、第１段インペラの作用を受けることなく、この位置における冷媒ガスの圧力を上昇させる作用を行う。エコノマイザを用いることにより、チラー１０において行われる圧縮過程の効率を更に向上させ、チラー１０の全体的な効率を高めることができる。
【００８８】
液状冷媒は、エコノマイザ１０６の容積１１２から流出し、第３の計量装置１２０を通過し、エバポレータ１６に至る。図４に示された実施例においては、図３の実施例と同様に、計量装置１０８、１１６、１２０は固定オリフィスからなる。図４の実施例においてライン９８がエコノマイザに向けられていることにより示されるように、本発明は、モータの冷却或いは軸受の潤滑のために用いられた冷媒を、コンデンサではなく、エコノマイザを用いた場合には当該エコノマイザに戻すことも包含するものである。しかしながら、コンデンサは、戻し位置として有用であることに違いはない。それ以外の全ての点について、図４の実施例におけるコンプレッサ１２のハイブリッド軸受の潤滑は、軸４８が停止状態に至るまで惰性で回転する間に軸受を潤滑することを含めて、図３に示された実施例と同様に行われる。
【００８９】
図５を参照して、本発明の更に別の実施例を説明する。図５の実施例においては、図３の実施例の冷媒ポンプ６２が省略され、コンデンサ１４の堰３００からコンプレッサ１２の軸受５０、５２への制御された液状冷媒の供給のためにコンデンサの圧力が利用されている。図５の実施例においては、図４の実施例と同様に、チラーのスタートアップ後、十分な量の液状冷媒がコンデンサ１４内に発生し、十分な圧力はコンデンサ１４内に発生し、軸受の潤滑及びモータの冷却のために、コンデンサからコンプレッサに液状冷媒を供給し得るようになるまで、コンプレッサ１２のハイブリッド軸受がドライな状態で運転されるようなシステムとなっている。
【００９０】
コンプレッサ軸受に対して液状冷媒をポンプするために用いられるポンプを省略し、ポンプに要するコストを削減し、それに関連する故障の可能性を排除することは明瞭な利点を提供する。しかしながら、図５の実施例においては、チラーのあらゆる運転条件下において、十分な量の液状冷媒が貯槽７４に供給されるように、チラーの運転中常時コンデンサの圧力を維持しなければならず、また圧力がコンプレッサの惰性運転の間に、コンプレッサ軸受に対して液状冷媒を貯槽７４から供給し得るように貯槽７４内に十分高い圧力下の液状冷媒を十分な量確保し得る程度に十分高くなければならない。コンデンサ内にこのような圧力が存在することは、あるチラーの運転条件やあるチラーの用途においてはまれな場合があり、図５の潤滑システムは、図４の実施例よりも更にリスクの高い設計をなすものと考えることができる。図５の実施例においてはポンプ６２が省略されていることから、モータを冷却するために用いられた冷媒は、ライン９８を介して、コンデンサ１４ではなくエバポレータ１６に戻されることに留意されたい。
【００９１】
図６を参照して、本発明に基づく図３の好適実施例の更に別の変形実施例を説明する。図６の実施例においては、エバポレータ１６からのライン６６に設けられたバルブ６８が省略され、サンプ６４に替えてポンプ４００が設けられている。ポンプ装置４００は、従ってコンデンサ１４及びエバポレータ１６の両者に対して連通している。
【００９２】
ポンプ４００は、ステータ４０６及びロータ４０８からなるモータ４０４を収容するハウジング４０２を含む。ステータ４０６はハウジング４０２に固着され、ロータ４０８は回転し得るように駆動軸４１０に取付けられている。駆動軸４１０は更に、セラミック軸受４１２、４１４により回転可能に支持されている。
【００９３】
第１のインペラ４１６は、駆動軸４１０の一端に取付けられ、第２のインペラ４１８が駆動軸の他端に同様に取付けられている。インペラ４１６、４１８は、それぞれインペラハウジング４２０、４２２内に配置され、インペラ４１６及びハウジング４２０は第１のポンプ機構４２１を構成し、インペラ４１８及びハウジング４２２は第２のポンプ機構４２３を構成する。容易に理解できるように、インペラ４１６、４１８は、モータ４０４により駆動される駆動軸４１０により共通に駆動される。
【００９４】
インペラハウジング４２２は、コンデンサ１４からパイプ８８を経てポンプ機構４２１により液状冷媒を引き込むべき入口４２５を有する。インペラハウジング４２２は、パイプ６６を介してポンプ機構４２３により引き込まれる液体冷媒のための入口４２７を備えている。本実施例において、パイプ６６はエバポレータ１６と連通している。
【００９５】
作動に於いて、インペラ４１６は、コンデンサ１４から、可能な場合には液状冷媒を引き出し、インペラ４１０は、エバポレータ１６から、液状冷媒が同部分から利用可能である場合には、引き入れる。コンデンサ１４からインペラ４１６によりポンプされた液状冷媒は、インペラハウジング４２０からパイプ４２４に送り込まれシステムエバポレータ１６からインペラ４１８によりポンプされた液状冷媒はインペラハウジング４２２からパイプ４２６に送り込まれる。
【００９６】
図６に示された実施例に於いては、パイプ４２４及びパイプ４２６は、図３の好適実施例や他の実施例に於いてパイプ７２に接続されるバルブ４２８の位置にて互いに合流する。バルブ４２８は、制御或いはセンサを必要とすることなく、パイプ４２４及びパイプ４２６からバルブに流れ込む流れの効果及び圧力によって自動的に変位するフラッパ要素４３０を備えている。従って、液状冷媒が一方のソース位置にて第１圧力下にあり、他方のソース位置にて第二の圧力下にある場合には、バルブ２８の状態が、このような圧力の影響により自動的に定まり、ポンプ装置の出力は、より高い圧力下にある両ソース位置のいずれか一方から得られることになる。
【００９７】
上記したように、また本発明の全ての実施例に適用されたように、液状冷媒は、冷凍或いは冷却作用以外の目的のためにチラーに於いて利用され、あらゆるチラーの作動条件及び状況下に於いてこのような別の目的に液状冷媒を信頼性高く供給し得る必要がある。前記したように、チラー内に於いては、あらゆる条件及び状況下に於いてポンプし得るような液状冷媒を信頼性高く貯容する特定の位置は存在しない。一般に、チラーがシャットダウンされたとき或いは極めて低い負荷条件下で運転されている場合、液状冷媒は、信頼性高くシステムエバポレータから排出されることが見い出される。チラーが負荷条件下に於いて運転されている場合、最も信頼できる液状冷媒のソースはシステムコンデンサである。この場合エバポレータ内の液状冷媒は沸騰しており、従って直ちにポンプし得るような状態にない。
【００９８】
やはり、前記したように、現在に至る液状冷媒ポンプの発展は、飽和液状冷媒をうまくポンプし得るようにするために必要となるヘッドの大きさは飽和温度が減少するに従って増大することを示している。
【００９９】
従って、コンデンサよりも比較的低温なエバポレータから液状冷媒をポンプすることがより困難である。本明細書に記載された他の実施例と同様に、図６の変形実施例は、大部分のチラーの運転条件下に於いては軸受の潤滑及びコンプレッサの駆動モータの冷却のために液状冷媒をコンデンサから得るようにし、チラーのスタートアップ時のようにシステムコンデンサから液状冷媒を信頼性高く得ることができなかったり、或いはコンデンサ内の状態が液状冷媒を容易にポンプし得るようでない場合に於いては、このような目的で液状冷媒をエバポレータから得るようにしている。しかしながら、あらゆるチラーの運転条件或いは条件下に於いて、いずれか一方或いは場合によっては両者から液状冷媒をポンプし得ることが期待される。
【０１００】
図６の実施例については、ポンプ装置４００が作動しているとき、両インペラ４１６、４１８が回転し、利用可能であれば、それぞれのソース位置から液状冷媒を引き込もうとする。それぞれのソース位置に於ける冷媒の圧力、量及び状態のため、冷媒が、得られたとすれば、ポンプ機構４２１によりパイプ４２４に突出され、ポンプ機構４２３によりパイプ４２６に突出された冷媒は、各時点に於いてこれらのソース位置に存在する条件に応じて異なる圧力下にあることが多い。
【０１０１】
バルブ４２８は、単純な逆止弁からなり、ポンプ装置４００を構成する二つのポンプ機構のうちの、出力が高い方から液状冷媒をパイプ７２に送り込む。このポンプ機構は、そのとき液状冷媒が存在しかつより高い圧力にあるソース位置から冷媒を引き込むものからなる。チラーの内部条件が変化し、他方のソース位置がより高い液状冷媒を許容するようになったとき、フラッパー要素４３０の位置が変化し、このような変化に応じて液状冷媒のソースが変更される。図６の実施例に於いて、パイプ７２に液状冷媒を確実に供給することが、物理学の法則に基づき、適切なソース位置を選択するために何らセンサー或いは積極的な制御機構を必要とすることなく達成される。
【０１０２】
フラッパー式逆止弁４２８を用いる代わりに、図６に想像線により示されるように第１の逆止弁４４０をライン４２４に配置し、同じく図６に於いて想像線により示されるように同様な第２の逆止弁４４２をパイプ４２６に設けることができる。フラッパーバルブ４２８が用いられた前記した構成と同様に、個々の逆止弁４４０、４４２の目的は、両パイプ４２４、４２６のうちより高い圧力下にある方から液状冷媒を流し、両パイプ４２４、４２６の他方さらにはそれに接続されたインペラに向けてこのように高い圧力の液状冷媒が流れ込むのを阻止することにある。
【０１０３】
図６の実施例に於いては二つのインペラが用いられたが、第２のインペラを用いることに付随するコストは極めてわずかであることを了解されたい。セラミック軸受４１２、４１４の潤滑及びポンプモータ４０４の冷却に関連して、通常より高い圧力下にあるコンデンサ１４から液状冷媒を引き込むポンプ機構４２１に隣接する軸受４１２は、インペラハウジング４２０から、同軸受を介してモータハウジング４０２の内部４３２に向け液状冷媒が計量された割合で漏洩するようなシールド軸受からなるのが好ましい。ポンプ機構４２３に隣接する軸受４１４はシールドされたものであってもシールドされていないものであってもよい。
【０１０４】
通常のチラーの運転中に於いて、比較的高圧のコンデンサ位置からシールド軸受４１２を通過する液状冷媒の計量された流れは、モータハウジングの内部４３２に導入される。この際に、軸受４１２、４１４を潤滑するとともに、モータ４０４を冷却する。エバポレータ１６が液状冷媒のより高い圧力ソースをなすような比較的まれな状況下に於いては、軸受４１４を通過する冷媒の流れはモータハウジングの内部４３２に導入され、ポンプ軸受を潤滑し、モータを冷却する。図６の実施例に於けるハウジング４０２の内部は、ライン４３４を介してエバポレータ１６にベントされるが、本出願の時点に於いて、最適なベント位置は特定されていない。軸受４１２はシールドされていなければならず、それを通過する冷媒の流れは計量されなければならない。さもないと、この位置はチラー内の高圧から低圧への漏洩を構成し、チラーの運転及び効率に対して悪影響を及ぼす。エバポレータがより高い圧力の液状冷媒のソースとなるような非典型的システム条件下に於いてはこのような心配は生じない。
【０１０５】
他方のインペラのポンプ作用に抗してライン７２に向けて液状冷媒をポンプするようにポンプインペラが作動していない場合には、そのソース位置からガス及び液状冷媒の混合物をポンプしようとして冷媒を撹拌する場合があることに留意されたい。このような撹拌は、それにより発生する熱が、冷媒の撹拌された液体の部分がガスにフラッシュし、それによって同インペラの位置を冷却することにより問題とならない。
【０１０６】
本発明はさらに、適当にパイプにより結合された２つの別個のモータ／ポンプ構造からなるようなポンプ装置の利用も包含するものである。言うまでもなく、二つのポンプ機構を駆動するために二つのモータを用いることは、二つのポンプ機構を駆動するために一つのモータを用いることに比較して、様々な理由により、魅力に乏しい。
【０１０７】
最後に、容易に理解できるように、図６のポンプ構造は、液状冷媒により潤滑されるようなセラミック軸受を用いたチラーシステムを考慮して特別に設計されたものであるが、コンプレッサの軸受の潤滑のためにオイルが用いられるような従来形式のチラーに於いてモータを冷却する目的にも適用可能である。
【０１０８】
再び図２に関連して、前記したように、駆動モータ４０は、公的実施例に於いては可変速ドライバ装置により駆動される誘導モータからなる。従来、典型的な誘導モータは、低コスト及び高信頼性という利点をもたらすもので、３６００ＲＰＭを越えるような回転速度でチラーを可変速駆動するためには一般的に利用されていない。
【０１０９】
ギア駆動式のチラーに於いては、ギアトレインを駆動する誘導モータが３６００ＲＰＭのオーダーの最大回転速度で駆動されるのに対し、装置のインペラ及びインペラが取付けられた軸は、ギアトレインの高速化作用によりより高い回転速度で駆動される。多くの場合一段装置からなるこのような装置は、設計容量範囲の中でチラーの容量を変化させるために所定の範囲の回転速度で運転される。このようなチラーに於いて、最大容量を発揮するために、１５０００ＲＰＭのオーダーの比較的高速回転がこのような一段装置に於いては必要とされる場合が多く、やはりこのような装置に於いては、オイルを用いた潤滑システムが必要となる欠点がある。
【０１１０】
発明者は、実績があって廉価な誘導モータを構造的に強化し、現在の直接駆動或いはギア駆動チラーに於いて一般的に用いられる３６００ＲＰＭよりも高い回転速度で駆動可能であるが、それでも同一の最大容量を発揮するように高速ギア駆動装置で必要とされるような速度よりもかなり低いことを見いだした。この点に関して、発明者は、コンプレッサの駆動モータが構造的に強化された誘導モータからなり、そのサイズが縮小されているが、３６００ＲＰＭを越える速度で駆動されしかもチラーが多段式直接駆動チラーである場合には、特定の容量を達成するために一段式のギア駆動チラーに必要とされる速度の半分のオーダーのスピードによってインペラが駆動されるような状況下に於いて、ギア駆動式チラーと同等の容量を発揮し得るような容量可変式チラーを提供し得ることを見出した。このような直接駆動式チラーは、従来形式の可変速度ドライバ装置技術により、特殊或いは高価な最新式のモータ或いはモータ駆動技術を必要とすることなく、従来技術に基づく可変速度ドライバ装置により駆動される誘導モータを使用することによりそのような容量を発揮することができ、ハイブリッド軸受を用いることにより、オイルを用いた潤滑システムを全く不要とするようなチラーの別の利点を提供し得ることを見いだした。
【０１１１】
本明細書に開示されたオイルを用いない液体チラーに関連して可変速コンプレッサ駆動モータを用いることに関連する本発明のさらに別の側面は、より一般的である空気を利用した冷却ではなく、液体冷媒を用いて可変速ドライバ装置５４を冷却する機械を提供することである。図６に示されるように、想像線で示されたライン５００は、液状冷媒がチラー駆動モータ４０と熱交換するために液状冷媒を供給するためのライン９０から分岐している。ドライバ装置５４に流れこむ液状冷媒はその熱発生部品を冷却し、好ましくはライン５０２を介してコンデンサ１４に戻される。ドライバ装置５４を冷却するために液状冷媒の供給源とされるライン５００は、或いはライン７２から直接分岐し、或いは貯槽７４から供給されるようにすることもできる。さらに、液状冷媒は、コンプレッサ駆動モータ及びコントローラ５４に対して並列ではなく直列に流れるようにすることもできる。この概念は、図６の実施例に限られるものではなく、本明細書に記載された他の実施例に対しても適用可能であることを了解されたい。
【０１１２】
本発明の好ましい実施例及び別の実施例、変更等について説明してきたが、本発明は先に示した実施例に限定されるものではなく、本発明の思想から逸脱することなしに、当業者は請求の範囲内において付加及び変更が可能であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】  図１Ａは本発明に基づく遠心冷凍チラーの端面図である。
【図１Ｂ】  図１Ｂは本発明に基づく遠心冷凍チラーの上面図である。
【図２】  図２はコンプレッサの主要な部品を示す図１の遠心チラーのコンプレッサ部の断面図である。
【図２Ａ】  図２Ａは図２の軸受パッケージ５０の背中合わせの軸受構成を示す拡大図である。
【図３】  本発明に基づくチラー潤滑システムの模式図である。
【図４】  本発明に基づくチラー潤滑システムの別の実施例を示す模式図である。
【図５】  本発明の更に別の実施例を示す模式図である。
【図６】  本発明の更に別の実施例を示す模式図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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