(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-04-28
(45)【発行日】2023-05-11
(54)【発明の名称】ターボ冷凍機
(51)【国際特許分類】
F04D 29/58 20060101AFI20230501BHJP
F04D 29/058 20060101ALI20230501BHJP
F25B 1/053 20060101ALI20230501BHJP
【ＦＩ】
F04D29/58 Q
F04D29/058
F25B1/053
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2019058633
(22)【出願日】2019-03-26
(65)【公開番号】P2020159263
(43)【公開日】2020-10-01
【審査請求日】2021-12-24
(73)【特許権者】
【識別番号】516299338
【氏名又は名称】三菱重工サーマルシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100112737
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 考晴
(74)【代理人】
【識別番号】100140914
【弁理士】
【氏名又は名称】三苫 貴織
(74)【代理人】
【識別番号】100136168
【弁理士】
【氏名又は名称】川上 美紀
(74)【代理人】
【識別番号】100172524
【弁理士】
【氏名又は名称】長田 大輔
(72)【発明者】
【氏名】長谷川 泰士
(72)【発明者】
【氏名】八幡 直樹
(72)【発明者】
【氏名】金子 毅
【審査官】松浦 久夫
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１０－５０６０８７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－００２４６９（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開平０３－０１９４９８（ＪＰ，Ｕ）
【文献】国際公開第２０１８／０２２３４３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１９／１８８６１６（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０４Ｄ ２９／５８
Ｆ０４Ｄ ２９／０５８
Ｆ２５Ｂ １／０５３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
冷媒を圧縮するターボ圧縮機と、前記ターボ圧縮機から吐出された冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器から導かれた液冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁から導かれた冷媒を蒸発させる蒸発器と、を有する冷凍サイクルを備え、前記ターボ圧縮機は、
羽根車と、
該羽根車を回転させる回転軸と、
該回転軸を支持する磁気軸受と、
前記膨張弁よりも前記冷凍サイクルの上流側の高圧部からガス冷媒を冷却媒体として前記磁気軸受に供給するガス冷媒供給経路と、
前記磁気軸受を通過した後のガス冷媒を前記膨張弁よりも前記冷凍サイクルの下流側の低圧部に導くガス冷媒返送経路と、
を備え、
前記磁気軸受を保持する保持部と、
前記保持部に固定されるとともに、前記磁気軸受の側方に設けられた補助軸受と、
前記保持部、前記磁気軸受及び前記補助軸受に囲まれた空間に、前記ガス冷媒供給経路からガス冷媒が供給されるターボ冷凍機。
【請求項2】
前記ガス冷媒供給経路から供給されたガス冷媒は、前記磁気軸受と前記回転軸との間を通過する請求項１に記載のターボ冷凍機。
【請求項3】
前記ガス冷媒供給経路は、前記回転軸の軸線方向に形成された軸線方向ガス冷媒供給穴と、該軸線方向ガス冷媒供給穴に接続されるとともに前記磁気軸受側に向かって半径方向外側に形成された半径方向ガス冷媒供給穴と、を備えている請求項１又は２に記載のターボ冷凍機。
【請求項4】
前記ターボ圧縮機を収容するケーシングに対して冷却媒体が供給されるケーシング冷却部を備えている請求項１から３のいずれかに記載のターボ冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、磁気軸受によって支持される回転軸を有するターボ圧縮機を備えたターボ冷凍機に関するものである。
【背景技術】
【0002】
遠心圧縮機の機械損失低減や潤滑油系統を無くすために、磁気軸受が適用される。ターボ冷凍機においても、上述のメリットに加え、定期メンテナンス項目の削減によるライフサイクルコスト低減のために適用されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１６－３３３４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
磁気軸受は電流を流すコイル部を備え、電流が流れることによってコイル部が発熱する。また、磁気軸受は、高速回転する回転軸を微小隙間で支持するため、この微小隙間部で攪拌損失として風損が発生する。コイル部の過熱防止のために冷却することが望まれる。冷却のために熱容量の大きい液冷媒を用いる方が冷却効率は高い。しかし、微小隙間に密度が大きい液体が供給されると、風損が増大して結果的にターボ冷凍機の効率低下を招いたり、磁気軸受の安定支持を妨げるといった問題がある。
【0005】
なお、特許文献１では、セラミック材製軸受に液冷媒を供給して冷却を行っているが、磁気軸受はセラミック材製軸受のように摺動摩擦による発熱がないため、磁気軸受の冷却については開示されていない。また、ガス冷媒をセラミック材製軸受に供給することが開示されているが、蒸発器で蒸発した低圧ガス冷媒を用いることとしているので、冷却のために必要な量のガス冷媒を供給することができないおそれがある。
【0006】
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、ターボ圧縮機の回転軸に発生する風損を抑制するとともに、回転軸を支持する磁気軸受を冷却するために必要な冷却量を得ることができるターボ冷凍機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一態様に係るターボ冷凍機は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機と、前記ターボ圧縮機から吐出された冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器から導かれた液冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁から導かれた冷媒を蒸発させる蒸発器と、を有する冷凍サイクルを備え、前記ターボ圧縮機は、羽根車と、該羽根車を回転させる回転軸と、該回転軸を支持する磁気軸受と、前記膨張弁よりも前記冷凍サイクルの上流側の高圧部からガス冷媒を冷却媒体として前記磁気軸受に供給するガス冷媒供給経路と、前記磁気軸受を通過した後のガス冷媒を前記膨張弁よりも前記冷凍サイクルの下流側の低圧部に導くガス冷媒返送経路と、を備えている。
【0008】
ガス冷媒供給経路から冷却媒体として電動機等の他の発熱体部で加熱されない状態でガス冷媒を磁気軸受に供給するので、磁気軸受を効果的に冷却することができる。また、冷却媒体として液冷媒ではなくガス冷媒を用いるので、回転軸で生じる風損を抑制することができる。
ガス冷媒返送経路によって、冷却媒体としてのガス冷媒を、膨張弁よりも上流側の高圧部から磁気軸受に導き、膨張弁よりも下流側の低圧部に返送することとした。これにより、冷凍サイクルの高低圧差を有効に利用して冷却冷媒ガスを供給することができるので、ガス冷媒を容易に冷却媒体として用いることができる。
ガス冷媒返送経路によって、冷却媒体としてのガス冷媒を、膨張弁よりも上流側の高圧部から磁気軸受に導き、膨張弁よりも下流側の低圧部に返送することとした。これにより、冷凍サイクルの高低圧差を有効に利用して冷却冷媒ガスを供給することができるので、ガス冷媒を容易に冷却媒体として用いることができる。
【0009】
さらに、本発明の一態様に係るターボ冷凍機では、前記ガス冷媒供給経路から供給されたガス冷媒は、前記磁気軸受と前記回転軸との間を通過する。
【0010】
ガス冷媒供給経路から供給されたガス冷媒が磁気軸受と回転軸との間を通過するので、磁気軸受と回転軸との間の風損を抑制することができる。
【0011】
さらに、本発明の一態様に係るターボ冷凍機では、前記ガス冷媒供給経路は、前記回転軸の軸線方向に形成された軸線方向ガス冷媒供給穴と、該軸線方向ガス冷媒供給穴に接続されるとともに前記磁気軸受側に向かって半径方向外側に形成された半径方向ガス冷媒供給穴と、を備えている。
【0012】
軸線方向ガス冷媒供給穴によって回転軸の軸線方向にガス冷媒を流すとともに、半径方向ガス冷媒供給穴によって磁気軸受側に向かって半径方向外側にガス冷媒を流すこととした。このように、回転軸側からガス冷媒を供給することで、構成を簡素化することができる。また、半径方向ガス冷媒供給穴からは、回転軸の遠心力を利用してガス冷媒を供給することができる。これにより、ターボ冷凍機の高低差圧が低い運転条件であったとしても、確実にガス冷媒を供給することが出来る。
【0013】
さらに、本発明の一態様に係るターボ冷凍機では、前記磁気軸受を保持する保持部と、前記保持部に固定されるとともに、前記磁気軸受の側方に設けられた補助軸受と、前記保持部、前記磁気軸受及び前記補助軸受に囲まれた空間に、前記ガス冷媒供給経路からガス冷媒が供給される。
【0014】
磁気軸受を保持する保持部、磁気軸受及び補助軸受に囲まれた空間に、ガス冷媒供給経路からガス冷媒を供給することとした。このように囲まれた空間にガス冷媒を供給することで、磁気軸受の側方に先ずガス冷媒を供給し、その後にガス冷媒を磁気軸受と回転軸との間に流すことができる。これにより、磁気軸受の周囲にガス冷媒を確実に供給することができ、冷却効率を向上させることができる。
なお、補助軸受は、トラブル等によって磁気軸受が駆動しなくなった場合に回転軸に接触して回転軸を回転自在に支持するものである。補助軸受としては、例えば玉軸受を用いることができる。
なお、補助軸受は、トラブル等によって磁気軸受が駆動しなくなった場合に回転軸に接触して回転軸を回転自在に支持するものである。補助軸受としては、例えば玉軸受を用いることができる。
【0015】
さらに、本発明の一態様に係るターボ冷凍機では、前記ターボ圧縮機を収容するケーシングに対して冷却媒体が供給されるケーシング冷却部を備えている。
【0016】
ターボ圧縮機のケーシングは、冷却媒体が供給されるケーシング冷却部によって冷却される。磁気軸受の発熱は、ケーシングに熱伝導し、ケーシング冷却部によって冷却される。このようにケーシングをヒートシンクとして使用することで、磁気軸受の冷却能力を増大させることができる。
ケーシング冷却部に供給される冷却媒体としては、例えば、冷媒サイクルから導かれる液冷媒や、外部から供給される冷却水を用いることができる。
ケーシング冷却部に供給される冷却媒体としては、例えば、冷媒サイクルから導かれる液冷媒や、外部から供給される冷却水を用いることができる。
【発明の効果】
【0017】
ガス冷媒で磁気軸受を冷却することとしたので、ターボ圧縮機の回転軸に発生する風損を抑制するとともに、回転軸を支持する磁気軸受を冷却するために必要な冷却量を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下に、本発明に係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］
［第１実施形態］
【0020】
以下に、本発明に係る一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、ターボ冷凍機１の概略構成が示されている。
ターボ冷凍機１は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機３と、ターボ圧縮機３によって圧縮された高温高圧のガス冷媒を凝縮する凝縮器５と、凝縮器５からの液冷媒を膨張させる膨張弁７と、膨張弁７によっ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。
図１には、ターボ冷凍機１の概略構成が示されている。
ターボ冷凍機１は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機３と、ターボ圧縮機３によって圧縮された高温高圧のガス冷媒を凝縮する凝縮器５と、凝縮器５からの液冷媒を膨張させる膨張弁７と、膨張弁７によっ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。
【0021】
ターボ圧縮機３は、２つの羽根車１３ａ，１３ｂを備えた遠心式の２段圧縮機であり、図示しないインバータ装置によって回転数制御された電動モータ１０によって駆動される。インバータ装置は、図示しない制御部によってその出力が制御されている。なお、羽根車の数は限定されるものではなく、羽根車を１つとして１段圧縮機としても良い。
【0022】
ターボ圧縮機３の羽根車１３ａ，１３ｂの冷媒吸入口には、吸入冷媒流量を制御するインレットガイドベーン（図示せず）が設けられており、ターボ冷凍機１の容量制御が可能となっている。
【0023】
ターボ圧縮機３及び電動モータ１０は、密閉状態とされたケーシング１２内に収容されている。ケーシング１２は、熱伝導率の高い金属製、例えばアルミ系合金等の金属製とされている。
【0024】
電動モータ１０は、中心軸周りに回転するロータ２０と、このロータ２０の周囲に所定のギャップを有して設けられた概略円筒形状のステータ２２とを備えている。ロータ２０の回転出力は、回転シャフト（回転軸）２４を介して羽根車１３ａ，１３ｂへと伝達される。
【0025】
凝縮器５では、ターボ圧縮機３から導かれた高温高圧の冷媒が凝縮する。凝縮器５には、冷媒を冷却するための冷却水が流れる冷却伝熱管２６が挿通されている。冷却水は、図示しない冷却塔において外部へと排熱された後に、再び凝縮器５へと導かれるようになっている。
【0026】
蒸発器９には、膨張弁７で絞られた冷媒が導かれ、内部で蒸発する。蒸発器９において吸熱されることによって定格温度（例えば７℃）の冷水が得られる。蒸発器９には、外部負荷へ供給される冷水を冷却するための冷水伝熱管２８が挿通されている。
【0027】
凝縮器５の下部（例えば底部）とケーシング１２との間には、液冷媒供給配管１４が設けられている。液冷媒供給配管１４を介して、凝縮器５内の下部に貯留された液冷媒がケーシング１２側に導かれる。なお、図示していないが、液冷媒の流量を調整する流量調整弁を液冷媒供給配管１４に設けても良い。
【0028】
図１に示すように、凝縮器５の上部とケーシング１２との間には、ガス冷媒供給配管（ガス冷媒供給経路）１６が設けられている。ガス冷媒供給配管１６を介して、凝縮器５内の上部に存在するガス冷媒がケーシング１２側に導かれる。なお、なお、図示していないが、ガス冷媒の流量を調整する流量調整弁をガス冷媒供給配管１６に設けても良い。ガス冷媒供給配管１６の下流端は、羽根車１３ａ，１３ｂとは反対側のケーシング１２の端部（図１において右端部）に接続されている。
【0029】
蒸発器９の上部とケーシング１２との間には、冷媒返送配管（ガス冷媒返送経路）１８が設けられている。冷媒返送配管１８を介して、ケーシング１２内の冷媒が蒸発器９の上部へと導かれる。
【0030】
図２には、ターボ圧縮機３の具体的構成が示されている。ターボ圧縮機３の回転シャフト２４は、磁気軸受３０によって回転自在に支持されている。
【0031】
電動モータ１０の羽根車１３ａ，１３ｂ側には、磁気軸受３０の第１ラジアル磁気軸受コイル３０ａが設けられ、電動モータ１０の羽根車１３ａ，１３ｂとは反対側には、磁気軸受３０の第２ラジアル磁気軸受コイル３０ｂが設けられている。第１ラジアル磁気軸受コイル３０ａ及び第２ラジアル磁気軸受コイル３０ｂによって、回転シャフト２４のラジアル方向が支持されている。
【0032】
第１ラジアル磁気軸受コイル３０ａは、ケーシング１２に固定された第１保持部４４ａの内周側に固定されて保持されている。第１保持部４４ａは、熱伝導率の良い金属製、例えばアルミ系合金等の金属製とされている。
第２ラジアル磁気軸受コイル３０ｂは、ケーシング１２に固定された第２保持部４４ｂの内周側に固定されて保持されている。第２保持部４４ｂは、熱伝導率の良い金属製、例えばアルミ系合金等の金属製とされている。
第２ラジアル磁気軸受コイル３０ｂは、ケーシング１２に固定された第２保持部４４ｂの内周側に固定されて保持されている。第２保持部４４ｂは、熱伝導率の良い金属製、例えばアルミ系合金等の金属製とされている。
【0033】
第１ラジアル磁気軸受コイル３０ａの電動モータ１０側には、回転シャフト２４と第１ラジアル磁気軸受コイル３０ａとの間の間隔（ギャップ）を計測する第１ギャップセンサＧ１が設けられている。第１ギャップセンサＧ１の出力は、制御部へと送られる。
第２ラジアル磁気軸受コイル３０ｂの電動モータ１０側には、回転シャフト２４と第２ラジアル磁気軸受コイル３０ｂとの間の間隔（ギャップ）を計測する第２ギャップセンサＧ２が設けられている。第２ギャップセンサＧ２の出力は、制御部へと送られる。
第２ラジアル磁気軸受コイル３０ｂの電動モータ１０側には、回転シャフト２４と第２ラジアル磁気軸受コイル３０ｂとの間の間隔（ギャップ）を計測する第２ギャップセンサＧ２が設けられている。第２ギャップセンサＧ２の出力は、制御部へと送られる。
【0034】
第１ラジアル磁気軸受コイル３０ａと羽根車１３ａ，１３ｂとの間には、第１補助ベアリング（補助軸受）３２ａが設けられている。第２ラジアル磁気軸受コイル３０ｂの羽根車１３ａ，１３ｂとは反対側には、第２補助ベアリング３２ｂ（補助軸受）が設けられている。第１補助ベアリング３２ａ及び第２補助ベアリング３２ｂは、例えば玉軸受とされており、磁気軸受３０が正常に駆動されている場合には回転シャフト２４に対して所定のクリアランスが設けられている。これら補助ベアリング３２ａ，３２ｂは、トラブル等によって磁気軸受３０が駆動しなくなった場合に回転シャフト２４に接触して回転自在に支持するものである。
【0035】
第１補助ベアリング３２ａは、第１保持部４４ａの内周側に固定されて保持されている。第１補助ベアリング３２ａと第１ラジアル磁気軸受コイル３０ａとの間は離間しており、第１保持部４４ａの内周側には第１空間Ｓ１が形成されている。
第２補助ベアリング３２ｂは、第２保持部４４ｂに固定されて保持されている。第２補助ベアリング３２ｂと第２ラジアル磁気軸受コイル３０ｂとの間は離間しており、第２保持部４４ｂの内周側には第２空間Ｓ２が形成されている。
第２補助ベアリング３２ｂは、第２保持部４４ｂに固定されて保持されている。第２補助ベアリング３２ｂと第２ラジアル磁気軸受コイル３０ｂとの間は離間しており、第２保持部４４ｂの内周側には第２空間Ｓ２が形成されている。
【0036】
回転シャフト２４の羽根車１３ａ，１３ｂとは反対側の端部（図２において左端）には、円板２４ａが固定されている。円板２４ａの両側には、複数対のスラスト磁気軸受コイル３０ｃが設けられている。複数対のスラスト磁気軸受コイル３０ｃによって円板２４ａが浮上した状態でスラスト方向の位置決めがなされる。これにより、回転シャフト２４及び羽根車１３ａ，１３ｂのスラスト方向の位置が正確に決められるようになっている。
【0037】
図２に示すように、ガス冷媒供給配管１６から供給されたガス冷媒は、回転シャフト２４の中心軸線方向に形成された軸線方向ガス冷媒供給穴１７ａに導かれる。軸線方向ガス冷媒供給穴１７ａは、回転シャフト２４の後端（図２において右端）から羽根車１３ａ，１３ｂの手前（より具体的には第１ラジアル磁気軸受コイル３０ａと第１補助ベアリング３２ａとの間に対応する位置）にかけて形成されている。
【0038】
軸線方向ガス冷媒供給穴１７ａには、回転シャフト２４の半径方向外側に向けて形成された半径方向ガス冷媒供給穴１７ｂ１，１７ｂ２が接続されている。
【0039】
電動モータ１０よりも羽根車１３ａ，１３ｂ側に形成された第１半径方向ガス冷媒供給穴１７ｂ１は、第１ラジアル磁気軸受コイル３０ａに対応する位置に設けられている。具体的には、第１半径方向ガス冷媒供給穴１７ｂ１の出口は、第１ラジアル磁気軸受コイル３０ａ、第１保持部４４ａ及び第１補助ベアリング保持部４５ａによって囲まれた第１空間Ｓ１内に開口している。これにより、第１半径方向ガス冷媒供給穴１７ｂ１からガス冷媒が第１空間Ｓ１内に供給され、第１ラジアル磁気軸受コイル３０ａの側面を冷却するとともに、第１ラジアル磁気軸受コイル３０ａと回転シャフト２４との間をガス冷媒が通過しながら第１ラジアル磁気軸受コイル３０ａを冷却するようになっている。冷却後のガス冷媒は、冷媒返送配管（ガス冷媒返送経路）１８ａからケーシング１２の外部へと排出される。
【0040】
電動モータ１０よりも羽根車１３ａ，１３ｂとは反対側に形成された第２半径方向ガス冷媒供給穴１７ｂ２は、第２ラジアル磁気軸受コイル３０ｂに対応する位置に設けられている。具体的には、第２半径方向ガス冷媒供給穴１７ｂ２の出口は、第２ラジアル磁気軸受コイル３０ｂ、第２保持部４４ｂ及び第２補助ベアリング３２ｂによって囲まれた第２空間Ｓ２内に開口している。これにより、第２半径方向ガス冷媒供給穴１７ｂ２からガス冷媒が第２空間Ｓ２内に供給され、第２ラジアル磁気軸受コイル３０ｂの側面を冷却するとともに、第２ラジアル磁気軸受コイル３０ｂと回転シャフト２４との間をガス冷媒が通過しながら第２ラジアル磁気軸受コイル３０ｂを冷却するようになっている。冷却後のガス冷媒は、冷媒返送配管１８ａからケーシング１２の外部へと排出される。
【0041】
液冷媒供給配管１４の下流端は、ケーシング１２に設けられた冷却ジャケット（ケーシング冷却部）１５に接続されている。冷却ジャケット１５は、ステータ２２の周囲に設けられ、液冷媒が流通する空間を有している。冷却ジャケット１５は、ステータ２２の軸線方向にわたって設けられている。冷却ジャケット１５によって、ステータ２２だけでなく、冷却ジャケット１５近傍のケーシング１２も熱伝導によって冷却される。
冷却ジャケット１５内を流れてステータ２２を冷却した後の冷媒は、第２冷媒返送配管１８ｂからケーシング１２の外部へ排出される。
冷却ジャケット１５内を流れてステータ２２を冷却した後の冷媒は、第２冷媒返送配管１８ｂからケーシング１２の外部へ排出される。
【0042】
制御部は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等である。
【0043】
＜ターボ冷凍機１の動作＞
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。
ターボ圧縮機３は、蒸発器９からのガス冷媒を吸い込み、羽根車１３ａ，１３ｂにて圧縮を行う。圧縮されたガス冷媒は、凝縮器５へと送られ、冷却伝熱管２６によって凝縮熱が除去されることによって凝縮する。凝縮後の液冷媒は、膨張弁７へと流れる。
膨張弁７へと流れた液冷媒は、膨張弁７にて膨張した後、蒸発器９へと送られる。蒸発器９にて、液冷媒は、冷水伝熱管２８内を流れる冷水から蒸発潜熱を奪うことによって蒸発気化する。このように冷却された冷水は、図示しない外部負荷へと送られる。蒸発器９にて気化したガス冷媒は、再びターボ圧縮機３へと送られる。
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。
ターボ圧縮機３は、蒸発器９からのガス冷媒を吸い込み、羽根車１３ａ，１３ｂにて圧縮を行う。圧縮されたガス冷媒は、凝縮器５へと送られ、冷却伝熱管２６によって凝縮熱が除去されることによって凝縮する。凝縮後の液冷媒は、膨張弁７へと流れる。
膨張弁７へと流れた液冷媒は、膨張弁７にて膨張した後、蒸発器９へと送られる。蒸発器９にて、液冷媒は、冷水伝熱管２８内を流れる冷水から蒸発潜熱を奪うことによって蒸発気化する。このように冷却された冷水は、図示しない外部負荷へと送られる。蒸発器９にて気化したガス冷媒は、再びターボ圧縮機３へと送られる。
【0044】
＜ガス冷媒冷却＞
ガス冷媒供給配管１６からターボ圧縮機３に導かれたガス冷媒による冷却は、以下のように行われる。
ガス冷媒供給配管１６を介して、凝縮器５から高圧のガス冷媒が回転シャフト２４に形成した軸線方向ガス冷媒供給穴１７ａへと送られる。軸線方向ガス冷媒供給穴１７ａを流れたガス冷媒は、第１半径方向ガス冷媒供給穴１７ｂ１を介して第１空間Ｓ１へと導かれ、また、第２半径方向ガス冷媒供給穴１７ｂ２を介して第２空間Ｓ２へと導かれる。ガス冷媒は、第１空間Ｓ１を通り第１ラジアル磁気軸受コイル３０ａと回転シャフト２４との間を通過することによって、第１ラジアル磁気軸受コイル３０ａを冷却する。また、ガス冷媒は、第２空間Ｓ２を通り第２ラジアル磁気軸受コイル３０ｂと回転シャフト２４との間を通過することによって、第２ラジアル磁気軸受コイル３０ｂを冷却する。
磁気軸受コイル３０ａ，３０ｂの冷却を終えたガス冷媒は、第１冷媒返送配管１８ａを介して、低圧とされている蒸発器９へと返送される。
ガス冷媒供給配管１６からターボ圧縮機３に導かれたガス冷媒による冷却は、以下のように行われる。
ガス冷媒供給配管１６を介して、凝縮器５から高圧のガス冷媒が回転シャフト２４に形成した軸線方向ガス冷媒供給穴１７ａへと送られる。軸線方向ガス冷媒供給穴１７ａを流れたガス冷媒は、第１半径方向ガス冷媒供給穴１７ｂ１を介して第１空間Ｓ１へと導かれ、また、第２半径方向ガス冷媒供給穴１７ｂ２を介して第２空間Ｓ２へと導かれる。ガス冷媒は、第１空間Ｓ１を通り第１ラジアル磁気軸受コイル３０ａと回転シャフト２４との間を通過することによって、第１ラジアル磁気軸受コイル３０ａを冷却する。また、ガス冷媒は、第２空間Ｓ２を通り第２ラジアル磁気軸受コイル３０ｂと回転シャフト２４との間を通過することによって、第２ラジアル磁気軸受コイル３０ｂを冷却する。
磁気軸受コイル３０ａ，３０ｂの冷却を終えたガス冷媒は、第１冷媒返送配管１８ａを介して、低圧とされている蒸発器９へと返送される。
【0045】
＜液冷媒冷却＞
液冷媒供給配管１４からターボ圧縮機３に導かれた液冷媒による冷却は、以下のように行われる。
液冷媒供給配管１４を介して、凝縮器５から高圧の液冷媒がケーシング１２に設けた冷却ジャケット１５へと送られる。冷却ジャケット１５内へと流れ込んだ液冷媒は、ステータ２２の熱を奪い、電動モータ１０の冷却を行う。これと同時にケーシング１２も冷媒によって冷却されるので、第１保持部４４ａに保持された第１ラジアル磁気軸受コイル３０ａ及び第２保持部４４ｂに保持された第２ラジアル磁気軸受コイル３０ｂも冷却される。
冷却ジャケット１５にて冷却を終えた冷媒は、第２冷媒返送配管１８ｂを介して、低圧とされている蒸発器９へと返送される。
液冷媒供給配管１４からターボ圧縮機３に導かれた液冷媒による冷却は、以下のように行われる。
液冷媒供給配管１４を介して、凝縮器５から高圧の液冷媒がケーシング１２に設けた冷却ジャケット１５へと送られる。冷却ジャケット１５内へと流れ込んだ液冷媒は、ステータ２２の熱を奪い、電動モータ１０の冷却を行う。これと同時にケーシング１２も冷媒によって冷却されるので、第１保持部４４ａに保持された第１ラジアル磁気軸受コイル３０ａ及び第２保持部４４ｂに保持された第２ラジアル磁気軸受コイル３０ｂも冷却される。
冷却ジャケット１５にて冷却を終えた冷媒は、第２冷媒返送配管１８ｂを介して、低圧とされている蒸発器９へと返送される。
【0046】
本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
ガス冷媒供給配管１６から冷却媒体としてガス冷媒を磁気軸受コイル３０ａ，３０ｂに供給するので、磁気軸受コイル３０ａ，３０ｂを効果的に冷却することができる。また、冷却媒体として液冷媒ではなくガス冷媒を用いるので、回転シャフト２４で生じる風損を抑制することができる。
第１冷媒返送配管１８ａによって、冷却媒体としてのガス冷媒を、膨張弁７よりも上流側の高圧部である凝縮器５から磁気軸受コイル３０ａ，３０ｂに導き、膨張弁７よりも下流側の低圧部である蒸発器９に返送することとした。これにより、冷凍サイクルの高低圧差を有効に利用することができるので、ガス冷媒を容易に冷却媒体として用いることができる。
ガス冷媒供給配管１６から冷却媒体としてガス冷媒を磁気軸受コイル３０ａ，３０ｂに供給するので、磁気軸受コイル３０ａ，３０ｂを効果的に冷却することができる。また、冷却媒体として液冷媒ではなくガス冷媒を用いるので、回転シャフト２４で生じる風損を抑制することができる。
第１冷媒返送配管１８ａによって、冷却媒体としてのガス冷媒を、膨張弁７よりも上流側の高圧部である凝縮器５から磁気軸受コイル３０ａ，３０ｂに導き、膨張弁７よりも下流側の低圧部である蒸発器９に返送することとした。これにより、冷凍サイクルの高低圧差を有効に利用することができるので、ガス冷媒を容易に冷却媒体として用いることができる。
【0047】
ガス冷媒供給配管１６から供給されたガス冷媒が磁気軸受コイル３０ａ，３０ｂと回転シャフト２４との間を通過するので、磁気軸受コイル３０ａ，３０ｂと回転シャフト２４との間の風損を抑制することができる。
【0048】
軸線方向ガス冷媒供給穴１７ａによって回転シャフト２４の軸線方向にガス冷媒を流すとともに、半径方向ガス冷媒供給穴１７ｂ１，１７ｂ２によって磁気軸受コイル３０ａ，３０ｂ側に向かって半径方向外側にガス冷媒を流すこととした。このように、回転シャフト２４側からガス冷媒を供給することで、構成を簡素化することができる。また、半径方向ガス冷媒供給穴１７ｂ１，１７ｂ２からは、回転シャフト２４の遠心力を利用してガス冷媒を供給することができる。これにより、ターボ冷凍機の高低差圧が低い運転条件であったとしても、確実にガス冷媒を供給することが出来る。
【0049】
磁気軸受コイル３０ａ，３０ｂを保持する保持部４４ａ，４４ｂ、磁気軸受コイル３０ａ，３０ｂ及び補助ベアリング３２ａ，３２ｂに囲まれた空間Ｓ１，Ｓ２に、冷却用のガス冷媒を供給することとした。このように囲まれた空間Ｓ１，Ｓ２にガス冷媒を供給することで、磁気軸受コイル３０ａ，３０ｂの側方に先ずガス冷媒を供給し、その後にガス冷媒を磁気軸受コイル３０ａ，３０ｂと回転シャフト２４との間に流すことができる。これにより、磁気軸受コイル３０ａ，３０ｂの周囲にガス冷媒を確実に供給することができ、冷却効率を向上させることができる。
【0050】
ターボ圧縮機３のケーシング１２は、冷却媒体が供給される冷却ジャケット１５によって冷却される。磁気軸受コイル３０ａ，３０ｂの発熱は、ケーシング１２に熱伝導し、冷却ジャケット１５によって冷却される。このようにケーシング１２をヒートシンクとして使用することで、磁気軸受コイル３０ａ，３０ｂの冷却能力を増大させることができる。
【0051】
＜変形例＞
なお、本実施形態は、以下のように変形することができる。
図３に示すように、図１に示した構成に代えて、中間冷却器４０を有する二段膨張の冷媒回路としても良い。中間冷却器４０と凝縮器５との間には第１膨張弁７ａが設けられ、中間冷却器４０と蒸発器９との間には第２膨張弁７ｂが設けられている。中間冷却器４０と２段目の羽根車１３ｂの吸入側とを接続する中間圧ガス冷媒配管４２が設けられている。本変形例では、液冷媒供給配管１４’及びガス冷媒供給配管１６’は、中間冷却器４０からケーシング１２へ導くようになっている。
なお、本実施形態は、以下のように変形することができる。
図３に示すように、図１に示した構成に代えて、中間冷却器４０を有する二段膨張の冷媒回路としても良い。中間冷却器４０と凝縮器５との間には第１膨張弁７ａが設けられ、中間冷却器４０と蒸発器９との間には第２膨張弁７ｂが設けられている。中間冷却器４０と２段目の羽根車１３ｂの吸入側とを接続する中間圧ガス冷媒配管４２が設けられている。本変形例では、液冷媒供給配管１４’及びガス冷媒供給配管１６’は、中間冷却器４０からケーシング１２へ導くようになっている。
【0052】
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態で説明した磁気軸受コイル３０ａ，３０ｂを冷却するガス冷媒の経路が異なる。したがって、以下の説明では、第１実施形態に対して異なる部分を主として説明し、その他については第１実施形態と同様である。
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態で説明した磁気軸受コイル３０ａ，３０ｂを冷却するガス冷媒の経路が異なる。したがって、以下の説明では、第１実施形態に対して異なる部分を主として説明し、その他については第１実施形態と同様である。
【0053】
図４に示されているように、ガス冷媒供給配管１６（図１参照）は、第１ガス冷媒供給配管１６ａと第２ガス冷媒供給配管１６ｂに分岐する。第１ガス冷媒供給配管１６ａは、第１保持部４４ａに形成された第１ガス冷媒供給穴４６ａに接続されている。第１ガス冷媒供給穴４６ａの出口は、第１空間Ｓ１に開口している。第２ガス冷媒供給配管１６ｂは、第２保持部４４ｂに形成された第２ガス冷媒供給穴４６ｂに接続されている。第２ガス冷媒供給穴４６ｂの出口は、第２空間Ｓ２に開口している。
【0054】
本実施形態によれば、第１実施形態のように回転シャフト２４に対して穴を形成せずに、保持部４４ａ，４４ｂにガス冷媒供給穴４６ａ，４６ｂを形成するだけで良いので加工が容易である。
【0055】
なお、上述した各実施形態では、冷却ジャケット１５に供給される冷却媒体として液冷媒を用いることしたが、本発明はこれに限定されず、例えば、ターボ圧縮機３の外部から供給される冷却水を用いても良い。
【符号の説明】
【0056】
１ ターボ冷凍機
３ ターボ圧縮機
５ 凝縮器
７ 膨張弁
７ａ 第１膨張弁
７ｂ 第２膨張弁
９ 蒸発器
１０ 電動モータ
１２ ケーシング
１３ａ，１３ｂ 羽根車
１４，１４’ 液冷媒供給配管
１５ 冷却ジャケット（ケーシング冷却部）
１６，１６’ ガス冷媒供給配管（ガス冷媒供給経路）
１６ａ 第１ガス冷媒供給配管
１６ｂ 第２ガス冷媒供給配管
１７ａ 軸線方向ガス冷媒供給穴
１７ｂ１ 第１半径方向ガス冷媒供給穴
１７ｂ２ 第１半径方向ガス冷媒供給穴
１８ａ 第１冷媒返送配管（ガス冷媒返送経路）
１８ｂ 第２冷媒返送配管
２０ ロータ
２２ ステータ
２４ 回転シャフト（回転軸）
２４ａ 円板
２６ 冷却伝熱管
２８ 冷水伝熱管
３０ 磁気軸受
３０ａ 第１ラジアル磁気軸受コイル
３０ｂ 第２ラジアル磁気軸受コイル
３０ｃ スラスト磁気軸受コイル
３２ａ 第１補助ベアリング（補助軸受）
３２ｂ 第２補助ベアリング（補助軸受）
４０ 中間冷却器
４２ 中間圧ガス冷媒配管
４４ａ 第１保持部
４４ｂ 第２保持部
Ｇ１ 第１ギャップセンサ
Ｇ２ 第２ギャップセンサ
Ｓ１ 第１空間
Ｓ２ 第２空間
３ ターボ圧縮機
５ 凝縮器
７ 膨張弁
７ａ 第１膨張弁
７ｂ 第２膨張弁
９ 蒸発器
１０ 電動モータ
１２ ケーシング
１３ａ，１３ｂ 羽根車
１４，１４’ 液冷媒供給配管
１５ 冷却ジャケット（ケーシング冷却部）
１６，１６’ ガス冷媒供給配管（ガス冷媒供給経路）
１６ａ 第１ガス冷媒供給配管
１６ｂ 第２ガス冷媒供給配管
１７ａ 軸線方向ガス冷媒供給穴
１７ｂ１ 第１半径方向ガス冷媒供給穴
１７ｂ２ 第１半径方向ガス冷媒供給穴
１８ａ 第１冷媒返送配管（ガス冷媒返送経路）
１８ｂ 第２冷媒返送配管
２０ ロータ
２２ ステータ
２４ 回転シャフト（回転軸）
２４ａ 円板
２６ 冷却伝熱管
２８ 冷水伝熱管
３０ 磁気軸受
３０ａ 第１ラジアル磁気軸受コイル
３０ｂ 第２ラジアル磁気軸受コイル
３０ｃ スラスト磁気軸受コイル
３２ａ 第１補助ベアリング（補助軸受）
３２ｂ 第２補助ベアリング（補助軸受）
４０ 中間冷却器
４２ 中間圧ガス冷媒配管
４４ａ 第１保持部
４４ｂ 第２保持部
Ｇ１ 第１ギャップセンサ
Ｇ２ 第２ギャップセンサ
Ｓ１ 第１空間
Ｓ２ 第２空間
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】