JP5357433B2 - ターボ冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ冷凍機に関し、特にターボ圧縮機と凝縮器との間に設けられた吐出配管に関するものである。

半導体製造工場に用いられる冷却水の冷却用として、または地域冷暖房の熱源用としてターボ冷凍機が用いられている。このターボ冷凍機には、冷媒を圧縮するターボ圧縮機から凝縮器へと圧縮冷媒を導くための吐出配管が設けられている。この吐出配管は、圧力損失を極力低減するために、凝縮器の上部にターボ圧縮機を配置して、これらの間を上下方向に接続するように設けられていた（例えば特許文献１参照）。

特開２００６−２３４３２０号公報

しかし、凝縮器の上部にターボ圧縮機を配置する構成とすると、ターボ冷凍機の全高が高くなり、大型化してしまうという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ターボ冷凍機の全高を高くすることなく圧縮機と凝縮器とを吐出配管によって接続したターボ冷凍機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のターボ冷凍機は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるターボ冷凍機は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記ターボ圧縮機と前記凝縮器との間に接続されるとともに圧縮された冷媒を導く吐出配管と、凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器とを備え、これらターボ圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器を近傍に配置して一体としたターボ冷凍機において、前記吐出配管は、凝縮器側に接続された凝縮器側吐出配管を備え、前記凝縮器側吐出配管は、前記凝縮器の側部から側方に向かうように設けられ、前記ターボ圧縮機は、前記凝縮器側吐出配管が設けられた側の前記凝縮器の側方に配置されていることを特徴とする。

凝縮器側吐出配管を凝縮器の側部から側方に向かうように設け、ターボ圧縮機を、この凝縮器側吐出配管が設けられた側の凝縮器の側方に配置することとした。これにより、凝縮器の上方にターボ圧縮機を設けることなく配置することができ、ターボ冷凍機の全高を低くすることができる。

さらに、本発明のターボ冷凍機は、前記吐出配管に接続される前記ターボ圧縮機の吐出口が、該ターボ圧縮機の下部から下方に向かうように設けられ、該吐出口と前記凝縮器側吐出配管とは、略直角に曲がる屈曲配管を介して接続され、前記ターボ圧縮機へ駆動電力を供給するインバータユニットが、相対的に高い位置に配置された前記凝縮器の上方に配置され、前記ターボ圧縮機の上端と前記インバータユニットの上端は、当該ターボ冷凍機の形状を直方体形状に近づけるように、略同じ高さとされていることを特徴とする。

屈曲配管を設けることにより、側方に向かう凝縮器側吐出配管に対して下方に向かう吐出口を接続できるようにした。これにより、従来と同様に下方に向かう吐出口を採用することができる。
また、インバータユニットの上端と、ターボ圧縮機の上端とが略同じ高さとなっているので、ターボ冷凍機の形状を直方体形状に近づけることができる。

さらに、本発明のターボ冷凍機は、前記吐出口は、前記ターボ圧縮機の側部から側方に向かうように設けられていることを特徴とする。

吐出口を、ターボ圧縮機の側部から側方に向かうように設けることとしたので、凝縮器から側方に向かう凝縮器側吐出配管に対して短い距離で接続することができる。また、吐出口をターボ圧縮機の側部に設けることとしたので、吐出口をターボ圧縮機の下部に設ける場合に比べて、ターボ圧縮機を下方に配置することができ、ターボ冷凍機の全高を抑えることができる。

本発明のターボ冷凍機によれば、凝縮器側吐出配管を凝縮器の側部から側方に向かうように設け、ターボ圧縮機を、この凝縮器側吐出配管が設けられた側の凝縮器の側方に配置することとしたので、凝縮器の上方にターボ圧縮機を設けることなく配置することができ、ターボ冷凍機の全高を低くすることができる。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１乃至図３を用いて説明する。
図１乃至図３には、本実施形態にかかるターボ冷凍機１の概略構成図が示されている。図１は平面図、図２は正面図、図３は側面図となっている。
ターボ冷凍機１は、ガス冷媒を圧縮するターボ圧縮機３と、ターボ圧縮機３で圧縮されたガス冷媒を凝縮液化させる凝縮器５と、凝縮器５において凝縮された液冷媒に対して過冷却をつけるサブクーラ７と、サブクーラ７から導かれた液冷媒を膨張させる高圧膨張弁４ａと、高圧膨張弁から導かれる液冷媒を一時貯留して中間冷却を行う中間冷却器６と、中間冷却器６から導かれる液冷媒を膨張させる低圧膨張弁４ｂと、低圧膨張弁４ｂにおいて膨張させられた液冷媒を蒸発させる蒸発器９とを備えている。
さらに、ターボ冷凍機１は、ターボ圧縮機３に供給される潤滑油を貯留する潤滑油タンク８と、前記ターボ圧縮機３へ駆動電力を供給するインバータユニット１０と、制御部を備えた操作盤（制御盤）１２を備えている。
ターボ冷凍機１は、ターボ圧縮機３、凝縮器５、サブクーラ７、中間冷却器６、高圧膨張弁４ａ、低圧膨張弁４ｂ、蒸発器９、潤滑油タンク８、インバータユニット１０、操作盤１２といった機器が近傍に一体に配置され、ユニット化されている。

ターボ圧縮機３は、遠心羽根車を備えており、この遠心羽根車によってガス冷媒は圧縮される。ターボ圧縮機３は、インバータユニット１０によって駆動される電動機１１を備えており、遠心羽根車は電動機１１によって増速機（図示せず）を介して回転駆動される。電動機１１の回転数は、操作盤１２の指令によって決定される。この操作盤１２は、高圧膨張弁４ａおよび低圧膨張弁４ｂの開度、ターボ圧縮機３のガス冷媒吸込口に設けたインレットガイドベーン（図示せず）等を制御する。
ターボ圧縮機３は、その軸線を略水平方向に延在させた状態で蒸発器９の上方に配置されている（例えば図２及び図３参照）。また、図３から分かるように、ターボ圧縮機３は、ターボ冷凍機１の一側（図２では右側）に配置されている。
ターボ圧縮機３には、圧縮後の吐出冷媒を凝縮器５へと導くための吐出配管３０と、蒸発器からのガス冷媒を吸い込む吸込配管３２が接続されている。
吐出配管３０は、図３及び図３を概略的に示した図４に示されているように、ターボ圧縮機３の下部から下方を向く吐出口３４に接続され、略直角に屈曲する屈曲配管３６と、凝縮器側吐出配管３８とを備えている。凝縮器側吐出配管３８は、凝縮器５の側部に設けられ、略水平方向に側方を向くように取り付けられている。凝縮器側吐出配管３８と屈曲配管３６との間、及び、屈曲配管３６と吐出口３４との間は、フランジ継手４０ａ，４０ｂによって接続されている。

凝縮器５は、略円筒形状とされるとともに、軸線を略水平方向に延在させた状態で配置されている。凝縮器５は、軸線方向における両側に設けられた管板２５によって支持されるようになっている。管板２５は、支持脚２９（図３参照）によって下方から支持されている。
凝縮器５の一端（図１及び図２において左端）には、冷却水ノズル１５（図１及び図２参照）が設けられており、この冷却水ノズル１５から導かれる冷却水によって凝縮器５内の冷媒から凝縮熱が除去される。冷却水ノズル１５からさらに冷却水を分岐するように、サブクーラ用冷却水配管１７が設けられている。このサブクーラ用冷却水配管１７によって冷却水がサブクーラ７へも導かれるようになっている。

蒸発器９は、略円筒形状とされるとともに、軸線を略水平方向に延在させた状態で配置されている。蒸発器９は、軸線方向における両側に設けられた管板２６によって支持されるようになっている。
図１に示されているように、蒸発器９と凝縮器５は、互いに隣り合うように配置されている。また、図３に示されているように、蒸発器９は、凝縮器５に対して相対的に低い位置に配置されている。したがって、ターボ圧縮機３は、相対的に低い位置に配置された蒸発器９の上方に配置されていることになる。
蒸発器９の一端（図１及び図２において左端）には、冷水ノズル１３が設けられている。この冷水ノズル１３から導かれた冷水を蒸発器９内に挿入された伝熱管に流通させ、蒸発器９において得られる冷熱によって伝熱管内を流れる水が冷却されることにより、冷水が得られるようになっている。得られた冷水は、空調に用いられる場合には、建物内の各居室に設置された室内機へと送られ、当該居室内の室内空調に利用される。

サブクーラ７は、図２及び図３に示されているように、凝縮器５の下方に配置されている。また、サブクーラ７には、上述したサブクーラ用冷却水配管１７が接続されている。サブクーラ７には、凝縮器５から液冷媒を導く液冷媒配管１９と、高圧膨張弁４ａを介して中間冷却器６へと冷媒を導くサブクール液配管２０が接続されている。
図１から分かるように、サブクーラ７、サブクーラ用冷却水配管１７、液冷媒配管１９、サブクール液配管２０、高圧膨張弁４ａは、凝縮器５の下方に収容されており、凝縮器５の側部によって形成されるターボ冷凍機１の側部から外側にはみ出すことがないようになっている。

中間冷却器６は、図１乃至図３に示されているように、凝縮器５の下方に配置されている。中間冷却器６には、図１に示されているように、高圧膨張弁４ａによって膨張された後の冷媒を導くサブクール液配管２０と、低圧膨張弁４ｂを介して蒸発器９へと液冷媒を導く中間冷却器用液冷媒配管２２と、中間冷却器６の気相部からガス冷媒をターボ圧縮機３の中間段へと導く中間冷却器用ガス冷媒配管２４（図１参照）が接続されている。
図１から分かるように、中間冷却器６、低圧膨張弁４ｂ、中間冷却器用液冷媒配管２２は、凝縮器５の下方に収容されており、凝縮器５の側部によって形成されるターボ冷凍機１の側部から外側にはみ出すことがないようになっている。

インバータユニット１０は、図３に示されているように、凝縮器５の上方に配置されている。
インバータユニット１０は、内部にインバータ素子等のパワー素子を備えており、内部に設けられた冷却ファン（図示せず）によって強制対流冷却されるようになっている。したがって、インバータユニット１０の筐体の側面には吸気口２７（図３参照）が設けられ、さらに、筐体の上面には排気口２８（図１参照）が設けられている。
図２に示されているように、インバータユニット１０の筐体は、正面視した場合に縦寸法よりも横寸法が長い形状とされている。すなわち、インバータユニット１０は、従来のような縦配置と異なり、横配置とされている。
インバータユニット１０と、ターボ圧縮機３の接続端子台（動力配線接続部）４２との間には、電力を供給するための動力配線４４が設けられている。図１に示されているように、インバータユニット１０の動力配線接続部と、ターボ圧縮機３の接続端子台４２とが対向して近い位置に配置されているので、動力配線４４が短くて済み、取り回しが簡便なようになっている。
図３に示されているように、ターボ冷凍機１を側面視すると、インバータユニット１０の上端と、ターボ圧縮機３の上端とが略同じ高さとなっている。これにより、ターボ冷凍機１の形状を直方体形状に近づけることができる。

操作盤１２は、図１に示されているように、蒸発器９の上方に配置されている。また、操作盤１２は、インバータユニット１０から遠い位置になるように、蒸発器９の左端側でかつ外側方に位置されている。このように、操作盤１２をインバータユニット１０から遠ざけることにより、インバータユニット１０から発生するノイズが操作盤１２内に入り込まない配置とされている。したがって、インバータユニット１０についても、図１に示したように、凝縮器５の外側方に位置させることが好ましい。

潤滑油タンク８は、図２に示されているように、凝縮器５の下方に位置されており、ブラケット４８を介して凝縮器５に対して固定されている。
潤滑油タンク８には、ターボ圧縮機３の下部から潤滑油を排油する排油配管５０と、ターボ圧縮機３の軸受や増速機へと潤滑油を供給する給油配管５２（図１参照）が接続されている。排油配管５０は、図３に示されているように、凝縮器５と蒸発器９との間を通過するように設けられている。
図１及び図３から分かるように、潤滑油タンク８は凝縮器５の下方に収容されており、排油配管５０、給油配管５２は、凝縮器５及び蒸発器９の外形状を包囲する外形領域の内側に設けられており、ターボ冷凍機１の側部から外側にはみ出すことがないようになっている。

次に、上記構成のターボ冷凍機１の動作について説明する。
図１に示すように、冷媒は、ターボ圧縮機３によって圧縮され、凝縮器５に送られる。凝縮器５へと送られた冷媒は、冷却水ノズル１５から導入される冷却水によって冷却されて凝縮する。

凝縮器５において凝縮された液冷媒は、液冷媒配管１９を介してサブクーラ７へと送られ、サブクーラ用冷却水配管１７によって導かれた冷却水によって冷却されて過冷却が付けられる。サブクーラ７にて過冷却が付けられた液冷媒は、高圧膨張弁４ａによって絞られた後に、中間冷却器６へと送られる。絞られて蒸発したガス冷媒は、中間冷却器用ガス冷媒配管２４を介して中間冷却器６から圧縮機３の中間段へと送られる。一方、蒸発せずに中間冷却器６内に貯留された液冷媒は、低圧膨張弁４ｂによって膨張させられ、蒸発器９へと送られる。蒸発器９へと送られた冷媒は、蒸発器９において蒸発する。冷媒が蒸発する際に持ち去る熱量によって冷熱が得られる。この冷熱は、蒸発器９の伝熱管内を流れる冷水に与えられ、この冷水は冷却されることになる。冷水ノズル１３から得られる冷水は、７℃程度の温度である。この冷水は、例えば、各室内機へと供給され、室内空調に用いられる。
蒸発器９において蒸発した冷媒は、吸込配管３２を介してターボ圧縮機３へと戻り再び圧縮される。

本実施形態のターボ冷凍機１によれば、以下の効果を奏する。
凝縮器側吐出配管３８を凝縮器５の側部から側方に向かうように設け、ターボ圧縮機３を、この凝縮器側吐出配管３８が設けられた側の凝縮器５の側方に配置することとした。これにより、凝縮器５の上方にターボ圧縮機３を設けることなく配置することができ、ターボ冷凍機１の全高を低くすることができる。
また、屈曲配管３６を設けることにより、側方に向かう凝縮器側吐出配管３８に対して下方に向かう吐出口３４を接続できるようにした。これにより、従来と同様に下方に向かう吐出口３４を採用することができる。
また、凝縮器側吐出配管３８と屈曲配管３６とをフランジ継手４０ａにて接続することとしたので、側方への長さを屈曲配管３６に負担させることにすれば、凝縮器側吐出配管３８を短くすることができる。凝縮器側吐出配管３８を短く構成することにより、凝縮器５の製造が容易になる。すなわち、凝縮器５は大きな円筒形とされているので、軸線回りに回転させながら各種の製造工程を行う。このときに、外形状から突出する凝縮器側吐出配管３８の長さが短くされているので、凝縮器側吐出配管３８との干渉を考慮する必要がなくなり、凝縮器５を軸線回りに回転させる工程が容易となる。

なお、本実施形態では、蒸発器９の上方にターボ圧縮機３を配置し、凝縮器５の上方にインバータユニット１０を配置するとともに、凝縮器５の下方にサブクーラ７、中間冷却器６及び潤滑油タンク８を配置する構成としたが、凝縮器５と蒸発器９の位置を互いに入れ替えた構成としてもよい。

また、図５に示されているような吐出配管３０とすることもできる。
同図に示されているように、ターボ圧縮機３の側部から側方に向かうように吐出口３４を設ける。そして、側方に延在する凝縮器側吐出配管３８と接続する。このような構成とすれば、凝縮器５から側方に向かう凝縮器側吐出配管３８に対して短い距離で接続することができる。また、吐出口３４をターボ圧縮機３の側部に設けることとしたので、吐出口３４をターボ圧縮機３の下部に設けた場合（図４参照）に比べて、ターボ圧縮機３をさらに下方に配置することができ、ターボ冷凍機１の全高を抑えることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図６乃至図８を用いて説明する。図６は平面図、図７は正面図、図８は側面図となっている。
本実施形態は、第１実施形態に比べて、ターボ圧縮機３が２台とされたパラレル機である点で異なる。従って、共通する構成については同一符号を付し、その説明を省略する。

図４に示されているように、２台のターボ圧縮機３は、蒸発器９の上方に設けられている。一方のターボ圧縮機３は蒸発器９の一側（右側）に、他方のターボ圧縮機３は蒸発器の他側（左側）に配置されている。これらのターボ圧縮機３は、互いの吸込口３２が向き合うように配置されている。

各ターボ圧縮機３には、インバータユニット１０がそれぞれ設けられている。インバータユニット１０は、凝縮器５の上方でかつ外側に設けられている。インバータユニット１０とターボ圧縮機３は、第１実施形態と同様に、動力配線４４が短くなるように、互いの接続部を近くに対向させた状態で配置されている。
操作盤１２は、図４に示されているように、蒸発器９の上方でかつ外側に設けられている。さらに、操作盤１２は、インバータユニット１０に対して圧縮機３を挟んだ状態で配置されている。なお、操作盤１２の位置は、図４の符号１２Ｂで示したように、蒸発器９の長手方向における略中央に配置しても良い。

各ターボ圧縮機３には、それぞれ、吐出配管３０が設けられており、第１実施形態と同様に、屈曲配管３６を介して、吐出口３４と凝縮器側吐出配管３８とが接続されている。なお、各吐出配管３０について、図５で示したような構成としてもよい。

潤滑油タンク８は、各ターボ圧縮機３に共通して設け、１台とされている。したがって、潤滑油タンク８には、各ターボ圧縮機３から排油配管５０が接続されているとともに、各ターボ圧縮機３に対して給油配管５２が設けられている。
なお、凝縮器５の下方にサブクーラ７、中間冷却器６、潤滑油タンク８を配置する点は、第１実施形態と同様である。

このように、本実施形態によれば、ターボ圧縮機３およびインバータユニット１０をそれぞれ２台としたパラレル機であっても、凝縮器側吐出配管３８を凝縮器５の側部から側方に向かうように設け、ターボ圧縮機３を、この凝縮器側吐出配管３８が設けられた側の凝縮器５の側方に配置することにより、凝縮器５の上方にターボ圧縮機３を設けることなく配置することができ、ターボ冷凍機１の全高を低くすることができる。

本発明の第１実施形態にかかるターボ冷凍機を示した平面図である。 本発明の第１実施形態にかかるターボ冷凍機を示した正面図である。 本発明の第１実施形態にかかるターボ冷凍機を示した側面図である。 図３の吐出管まわりを簡略化して示した側面図である。 第１実施形態の変形例を示した側面図である。 本発明の第２実施形態にかかるターボ冷凍機を示した平面図である。 本発明の第２実施形態にかかるターボ冷凍機を示した正面図である。 本発明の第２実施形態にかかるターボ冷凍機を示した側面図である。

符号の説明

１ ターボ冷凍機
３ ターボ圧縮機
４ａ 高圧膨張弁
４ｂ 低圧膨張弁
５ 凝縮器
６ 中間冷却器
７ サブクーラ
８ 潤滑油タンク
９ 蒸発器
１０ インバータユニット
２９ 支持脚
３０ 吐出配管
３４ 吐出口
３６ 屈曲配管
３８ 凝縮器側吐出配管
４０ａ，４０ｂ フランジ継手

Claims (2)

1. 冷媒を圧縮するターボ圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記ターボ圧縮機と前記凝縮器との間に接続されるとともに圧縮された冷媒を導く吐出配管と、凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器とを備え、これらターボ圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器を近傍に配置して一体としたターボ冷凍機において、
   前記吐出配管は、凝縮器側に接続された凝縮器側吐出配管を備え、
   前記凝縮器側吐出配管は、前記凝縮器の側部から側方に向かうように設けられ、
   前記ターボ圧縮機は、前記凝縮器側吐出配管が設けられた側の前記凝縮器の側方に配置され、
   前記吐出配管に接続される前記ターボ圧縮機の吐出口が、該ターボ圧縮機の下部から下方に向かうように設けられ、
   該吐出口と前記凝縮器側吐出配管とは、略直角に曲がる屈曲配管を介して接続され、
   前記ターボ圧縮機は、相対的に低い位置に配置された前記蒸発器の上方に配置され、
   前記ターボ圧縮機へ駆動電力を供給するインバータユニットが、相対的に高い位置に配置された前記凝縮器の上方に配置され、
   前記ターボ圧縮機の上端と前記インバータユニットの上端は、当該ターボ冷凍機の形状を直方体形状に近づけるように、略同じ高さとされていることを特徴とするターボ冷凍機。
2. 前記吐出口は、前記ターボ圧縮機の側部から側方に向かうように設けられていることを特徴とする請求項１に記載のターボ冷凍機。

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