涡轮制冷机的制作方法

本申请是申请号为201380076771.2、申请日为2013年6月24日、发明名称为涡轮制冷机的专利申请的分案申请。

本发明涉及使用了离心压缩机的涡轮制冷机。

背景技术：

对于制冷机，公知使用了离心压缩机的涡轮制冷机。该涡轮制冷机广泛使用于大厦的大型空调、化学设备组中的冷却设备等。

并且，近年来，随着对环境问题的意识增高，对该涡轮制冷机也要求基于制冷能力的提高所带来的高性能化。

另外，一方面要求高性能化，另一方面从降低成本的观点出发，需要减少压缩机的级数。因此，即便为了降低成本而减少了压缩机级数，也必须维持制冷能力，即，制冷能力的进一步提高的必要性增加。

这里，在专利文献1所公开的co2制冷循环装置中，在串联连接的两个减压装置(膨胀阀与毛细管)之间配置气液分离器，在从通过了第一个减压装置的制冷剂分离出气相与液相之后，仅将液相向第二个减压装置导入而进行减压。

通过这样做，实现蒸发器前后的制冷剂的焓差即制冷能力r的提高。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2006-292229号公报

发明概要

发明要解决的课题

然而，专利文献1所公开的构造限定于涡旋式压缩机，并没有示出应用于具备叶轮的离心压缩机的例子。

这里，此前，在将具有多个叶轮的多级离心压缩机应用于压缩机的涡轮制冷机中，向配置在压缩机的级间即叶轮彼此间的流路吹入通过气液分离器分离出的制冷剂的气相，从而利用气液分离器实现制冷能力的提高。因此，气液分离器的设置数量比压缩机的级数少一个，无法进一步期待使用了气液分离器的制冷能力的提高。

此外，如上所述，由于将来自气液分离器的制冷剂的气相向叶轮彼此间的流路吹入，因此，在采用例如通过一个叶轮进行压缩的单级离心压缩机作为压缩机的情况下，无法吹入通过气液分离器分离出的制冷剂的气相。因此，难以向单级离心压缩机应用气液分离器。因此，在使用了单级离心压缩机的制冷机中，难以使用气液分离器来实现制冷能力的提高。

这样，在使用气液分离器时，其设置数量受到压缩机的级数限制，难以在减少压缩机的级数的同时提高制冷能力。

技术实现要素：

本发明是考虑到此类情况而完成的，提供能抑制成本并提高制冷能力从而实现性能提高的涡轮制冷机。

用于解决课题的手段

(1)根据本发明的第一方式，涡轮制冷机具备离心压缩机、冷凝器、多个减压器、蒸发器、气液分离器以及流入路。离心压缩机通过具有多个叶片的叶轮的旋转来压缩制冷剂。冷凝器对压缩后的所述制冷剂进行冷却。减压器将来自所述冷凝器的所述制冷剂减压而形成气液二相，并且以比所述离心压缩机的级数多的数量串联连接。蒸发器使通过所述多个减压器之后的所述制冷剂蒸发。气液分离器在所述减压器彼此之间各配置有一个，将所述制冷剂分离成气液二相。流入路使在所述气液分离器中的至少一个之中从所述制冷剂分离出的气相向相邻的所述叶片间的前缘与后缘之间流入。

根据上述结构，在至少一个气液分离器中从制冷剂分离出的气相从流入路向叶片的前缘与后缘之间吹入。因此，不必一定向离心压缩机的级间即叶轮彼此间吹入利用气液分离器从制冷剂分离出的气相。此外，即便离心压缩机的级数是单级或者多级，都能够不受离心压缩机的级数限制地可靠地设置气液分离器。

并且，由于能够通过气液分离器将制冷剂形成为仅是液相的状态，因此能够再次利用减压器进行减压。即，能够将例如制冷循环是单级压缩单级膨胀循环的制冷循环形成为单级压缩二级膨胀循环。因此，与不利用气液分离器从制冷剂分离气相的情况比较，能够扩大通过蒸发器前后的制冷剂的焓差，能够提高制冷能力。此外，通过将利用气液分离器从制冷剂分离出的气相向离心压缩机内吹入，能够减少压缩机内的制冷剂的温度，还能够实现压缩效率的提高。

(2)在所述(1)的涡轮制冷机的基础上，也可以是，所述流入路使所述气相向比所述叶片的前缘与后缘的中间部靠前缘侧的位置流入。

根据上述结构，由于流入路以此方式使气相流入，因此尤其能够使在叶轮的叶片周围的前缘侧产生的失速区域增速，通过提高喘振的抑制效果而实现离心压缩机的动作范围的扩大。因此，能够进一步实现性能提高。

(3)在所述(1)或(2)的涡轮制冷机的基础上，也可以是，所述流入路使所述气相沿所述叶轮的子午面中的所述制冷剂的流通方向流入。

根据上述结构，由于流入路以此方式使气相流入，因此，不会在气相向在叶轮内流通的制冷剂的主流混合时妨碍主流的流动的顺畅性。由此，能够减少混合损失，能够进一步实现叶轮的性能提高。

(4)在所述(1)至(3)中任一项所述的涡轮制冷机的基础上，也可以是，所述流入路在该流入路的内周面上具有与所述叶片平行地设置的导流叶。

根据上述结构，利用这样的导流叶，来自气液分离器的气相通过流入路吹入，在所述气相向叶轮内的制冷剂的主流混合时，所述气相沿着主流的流动的方向在周向上沿相同方向流入。因此，不会妨碍主流的流动的顺畅性，能够减少混合损失，提高叶轮的性能。

(5)在所述(1)至(4)中任一项所述的涡轮制冷机的基础上，也可以是，所述流入路的所述叶片侧的端部随着朝向下游侧而扩径。

根据上述结构，由于流入路在叶片侧扩径，因此能够在减小了气相的流速的状态下将气相向叶轮内吹入。因此，在气相向叶轮内的主流混合时，不会妨碍主流的流动的顺畅性，能够减少混合损失，防止叶轮的性能降低。

发明效果

根据所述的涡轮制冷机，通过在相邻的叶片间的前缘与后缘之间设置流入路，能够在设置数量不受离心压缩机的级数限制的情况下进行气液分离器的设置。因此，减少了离心压缩机的级数，能够抑制成本并提高制冷能力，实现性能提高。

附图说明

图1是示出本发明的第一实施方式的涡轮制冷机的整体系统图。

图2涉及本发明的第一实施方式的涡轮制冷机中的离心压缩机，是示出叶轮周边的剖视图。

图3涉及本发明的第一实施方式的涡轮制冷机中的离心压缩机，是叶轮的整体立体图。

图4涉及本发明的第一实施方式的涡轮制冷机，是简化示出制冷循环的图。

图5涉及本发明的第一实施方式的涡轮制冷机中的离心压缩机，是示出叶轮周边的剖视图，且示出叶轮为封闭型的情况。

图6是示出本发明的第一实施方式的涡轮制冷机的第一变形例的整体系统图。

图7是示出本发明的第一实施方式的涡轮制冷机的第二变形例的整体系统图。

图8是示出本发明的第一实施方式的涡轮制冷机的第三变形例的整体系统图。

图9涉及本发明的第一实施方式的涡轮制冷机的第三变形例的离心压缩机，是示出叶轮周边的剖视图。

图10涉及本发明的第二实施方式的涡轮制冷机中的离心压缩机，是示出叶轮周边的剖视图。

图11涉及本发明的第二实施方式的涡轮制冷机中的离心压缩机，是从径向外侧观察流入路时的图，示出图10的a-a剖面。

图12涉及本发明的第三实施方式的涡轮制冷机中的离心压缩机，是示出叶轮周边的剖视图。

图13涉及本发明的第三实施方式的涡轮制冷机的第一变形例的涡轮制冷机中的离心压缩机，是示出叶轮周边的剖视图。

图14涉及本发明的第三实施方式的涡轮制冷机的第二变形例的涡轮制冷机中的离心压缩机，是示出叶轮周边的剖视图。

具体实施方式

以下，对本发明的第一实施方式的涡轮制冷机1a进行说明。

涡轮制冷机1a是使用了离心压缩机等涡轮式的压缩机的冷却装置，使用于办公大厦等大规模设备中的空调装置。

并且，如图1所示，该涡轮制冷机1a具备压缩制冷剂w的离心压缩机10、对压缩后的制冷剂w进行冷却的冷凝器11、对来自冷凝器11的制冷剂w进行减压的第一膨胀阀(减压器)12、以及将来自第一膨胀阀12的制冷剂w分离成气液二相的节能器(气液分离器)14。

此外，涡轮制冷机1a具备能够使来自节能器14的气相w1向离心压缩机10内流入的流入路16、将来自节能器14的液相再次减压的第二膨胀阀(减压器)13、以及使来自第二膨胀阀13的制冷剂w蒸发的蒸发器15。

这里，所述制冷剂w例如使用代替氟利昂的r134a(氢氟烃)等。

如图2所示，离心压缩机10安装于能够绕轴线p旋转的旋转轴5。离心压缩机10具备能够与旋转轴5一起绕轴线p旋转的叶轮18、以及从轴线p的径向外侧覆盖叶轮18的外壳17。

旋转轴5与未图示的电动机等轴结合，能够绕轴线p旋转。

如图3所示，叶轮18具有：盘20，该盘20的成为轴线p方向的一侧(图3中的上侧)的供制冷剂w流入的上游侧的面是随着从上游侧朝向下游侧而从轴线p的径向内侧向外侧逐渐扩径的曲面；以及多个(在本实施方式中是17个)形成为叶片状的叶片21，其设置为从该曲面立起。

另外，在本实施方式中，叶轮18形成为无护圈的开放型。

并且，相邻的叶片21彼此间形成为制冷剂w能够从上游侧朝向下游侧流通的主流路fc。

外壳17是以与叶轮18之间空开间隙的状态从径向外侧覆盖叶轮18的部件。

这里，在本实施方式中，离心压缩机10是通过一个叶轮18进行制冷剂w的隔热压缩的单级压缩机。

冷凝器11通过冷却水等使利用离心压缩机10压缩后的制冷剂w进行热交换而进行冷却，使制冷剂w形成液体的状态。

第一膨胀阀12使来自冷凝器11的液体的制冷剂w隔热膨胀而减压，使液体的一部分蒸发，从而将制冷剂w形成为气液二相的状态。

节能器14将在第一膨胀阀12中形成为气液二相的状态的制冷剂w分离为气相w1与液相。

流入路16能够使通过节能器14从气液二相的制冷剂w分离出的气相w1向离心压缩机10的叶轮18中的主流路fc流入。具体而言，流入路16在叶片21的上游侧的端部即前缘21a与下游侧的端部即后缘21b之间，设置于离心压缩机10的外壳17上。流入路16具有在朝向叶轮18侧的面开口的流入口22、以及连接流入口22与节能器14的流入管23。

流入口22形成为贯通外壳17的内外。更优选该流入口22的开口位置形成于比叶片21的前缘21a与后缘21b的中间部靠前缘21a侧的位置。

第二膨胀阀13与第一膨胀阀12相同地，通过节能器14分离出气相w1，使仅成为液相的制冷剂w隔热膨胀而减压。

蒸发器15使来自第二膨胀阀13的制冷剂w与水等进行热交换而蒸发，形成饱和蒸气的状态。

在这样的涡轮制冷机1a中，根据图4所示的p-h线图，如实线所示，首先，从点a开始通过离心压缩机10将气体的制冷剂w隔热压缩，以等熵的状态到达点b。之后，通过冷凝器11将气体的制冷剂w冷却，使之形成饱和液体的状态，到达饱和曲线上的点c，进而，通过第一膨胀阀12将液体的制冷剂w隔热膨胀，成为气液二相的状态而到达点d。

这里，通过第一膨胀阀12后的制冷剂w利用节能器14分离出气相w1，该气相w1从流入路16的流入口22向离心压缩机10中的叶轮18的主流路fc吹入。因此，由于仅剩下制冷剂w的液相，因此制冷剂w以成为饱和液体状态的状态向第二膨胀阀13导入。即，从图4的点d到达饱和曲线上的点e。

从点e开始通过第二膨胀阀13使成为仅液相的制冷剂w、即液体的制冷剂w再度隔热膨胀，到达点f。然后，从点f开始通过蒸发器15使液体的制冷剂w蒸发而形成饱和蒸气的状态，到达饱和曲线上的点a。

这样，由于能够通过流入路16中的流入管23，从形成于离心压缩机10的外壳17的流入口22向叶轮18的主流路fc导入制冷剂w的气相w1，因此即使在使用单级离心压缩机的情况下，也能够设置节能器14。即，能够向制冷循环追加从图4的点d到点e的等压变化量。

这里，如图4的虚线所示，在假设不设置节能器14的情况下，不存在图4中的从点d到点e的线段。即，点f变为位于点f1的位置。因此，能够确认出点f1位于比点f靠高焓侧的位置，与点a和点f1的距离r1相比，点a和点f的距离r更大。

该情况在图4中示出为，虚线所示的制冷循环是单级压缩单级膨胀循环，另一方面，实线所示的制冷循环是单级压缩二级膨胀循环。

这样，通过设置节能器14，能够将不从制冷剂w分离气相w1的单级压缩单级膨胀循环形成为单级压缩二级膨胀循环。其结果是，能够扩大通过蒸发器15前后的制冷剂w的焓差。即，r＞r1，能够实现制冷能力的提高。

此外，通过利用节能器14将从制冷剂w分离出的气相w1向离心压缩机10内吹入，能够减少离心压缩机10内的制冷剂w的温度，故而能够提高压缩效率。

另外，流入口22的开口位置形成在叶片21的前缘21a与后缘21b之间，优选形成在比叶片21的前缘21a与后缘21b的中间部靠前缘21a侧的位置。由此，能够使在叶片21周围的前缘21a侧产生的失速区域增速。因此，提高了喘振的抑制效果，实现离心压缩机10的动作范围的扩大。

根据本实施方式的涡轮制冷机1a，通过在叶片21的前缘21a与后缘21b之间，优选在前缘21a侧设置流入路16的流入口22，能够使来自节能器14的制冷剂w的气相w1向主流路fc流入，由此在单级离心压缩机中也能够设置节能器14。因此，通过将离心压缩机10设为单级，即减少级数，能够抑制成本并提高制冷能力，此外，还能够实现压缩效率的提高，故而能够实现性能提高。

需要说明的是，第一膨胀阀12、第二膨胀阀13也可以是例如由金属制的毛细形管构成的毛细管等。

另外，在本实施方式中，说明了叶轮18为开放型的情况，但也可以是例如具有护圈29的封闭型的叶轮18a。在这种情况下，始于节能器14的流入路16的流入口22如图5所示那样形成于护圈29的外侧的隔板28。

并且，在这种情况下，气相w1向护圈29与隔板28的间隙吹入，通过密封件24从上游侧向叶轮18a的主流路fc吸入。

这里，例如如图6所示，在离心压缩机10中应用了二级离心压缩机的情况下，也能够设置通过本实施方式说明的节能器14，将来自节能器14的制冷剂w的气相w1朝向叶轮18的主流路fc导入至离心压缩机10的外壳17。

具体而言，将三个膨胀阀25、26、27串联连接，在各膨胀阀之间设置两个节能器14。并且，始于一方的节能器14的流入管23与一方的叶轮18的流入口22连接，始于另一方的节能器14的流入管23与另一方的叶轮18的流入口22连接。

这样，不必一定在叶轮18彼此间即级间连接始于节能器14的流入管23，因此即使在离心压缩机10是二级离心压缩机的情况下，也能够设置两个节能器14。即，能够不受级数限制地进行节能器14的设置，能够抑制成本并提高制冷能力，能够实现性能提高。

此外，如图7所示，在将离心压缩机10形成为二级离心压缩机的情况下，也可以是，始于一方的节能器14的流入管23与一方的叶轮18的流入口22连接，始于另一方的节能器14的流入管23与叶轮18彼此间的级间连接。

并且，如图8所示，在将离心压缩机10形成为单级离心压缩机的情况下，不限定于通过本实施方式说明过的一个节能器14以及两个膨胀阀。例如，也可以设置两个节能器14以及三个膨胀阀25、26、27，将始于两个节能器14的流入管23与一个叶轮18的流入口22连接，向主流路fc导入来自节能器14的制冷剂w的气相w1。

此外，在设置有两个节能器14的情况下，如图9所示，相对于一个叶轮18，在叶片21的前缘21a与后缘21b之间分离地形成两个以上流入口22。并且，可以将一方的流入口22与一方的节能器14连接，将另一方的流入口22与另一方的节能器14连接。

另外，也可以相对于一个叶轮18设置三个以上节能器14以及四个以上膨胀阀。即，只要将膨胀阀的数量设定为比节能器14的数量多一个，则节能器14的设置数量不受离心压缩机10的级数限制。因此，能够不受离心压缩机10的级数限制地选择节能器14的设置数量，能够实现基于节能器14的制冷能力的进一步提高，能够进一步提高性能。并且，也能够将这样的结构应用于二级离心压缩机、多级离心压缩机。

接下来，对本发明的第二实施方式的涡轮制冷机1b进行说明。

需要说明的是，对与第一实施方式相同的结构要素标注相同的附图标记并省略详细说明。

在本实施方式中，在离心压缩机30中，从节能器14朝向叶轮18的流入路36与第一实施方式的流入路16不同。

如图10所示，流入路36包括形成于离心压缩机30的外壳17上的流入口42、以及连接流入口42与节能器14的流入管43。流入口42的形成位置与第一实施方式相同地设在叶片21的前缘21a与后缘21b之间，优选设在比叶片21的前缘21a与后缘21b的中间部靠前缘21a侧。

此外，如图11所示，各流入路36在流入口42的开口的跟前处，在内周面42a上具有在流入口42的高度整体上延伸的导流叶44。该导流叶44与叶片21的延伸方向平行地设置。

另外，流入口42在主流路fc中朝向叶轮18的子午面中的制冷剂w的流通方向开口。具体而言，如图10所示，为了使气相w1沿着制冷剂w的流通方向流入，流入口42的开口部形成为沿着制冷剂w的流通方向。在这种情况下，既可以使流入口42在开口部的跟前平滑地转向(参照图10)，也可以在流入管43的中途转向。

在这样的涡轮制冷机1b中，来自节能器14的制冷剂w的气相w1通过流入路36向叶轮18内的主流路fc吹入。于是，向在主流路fc中流通的制冷剂w中混合来自节能器14的制冷剂w的气相w1。此时，来自节能器14的制冷剂w的气相w1沿着叶轮18的子午面中的主流路fc内的制冷剂w的流通方向流入。此外，通过导流叶44，所述气相w1在周向上也沿着主流路fc内的制冷剂w的流通方向流入。因此，不会阻碍主流路fc内的制冷剂w的流动的顺畅性，能够减少向主流路fc内的制冷剂w的混合损失。

根据本实施方式的涡轮制冷机1b，与第一实施方式相同，通过减少离心压缩机30的级数，能够抑制成本并且实现性能提高。

在此基础上，由于能够利用流入路36的流入口42的形成方向与导流叶44减少来自节能器14的制冷剂w的气相w1朝向主流路fc内流入时的混合损失，因此能够进一步实现叶轮18的性能提高。

需要说明的是，若流入口42的形成方向朝向制冷剂w的流通方向，则也可以不设置导流叶44。另外，若设置导流叶44，则流入口42的形成方向也可以不朝向制冷剂w的流通方向。

接下来，对本发明的第三实施方式的涡轮制冷机1c进行说明。

需要说明的是，对与第一实施方式以及第二实施方式相同的结构要素标注相同的附图标记并省略详细说明。

在本实施方式中，在离心压缩机50中，从节能器14朝向叶轮18的流入路56与第一实施方式的流入路16以及第二实施方式的流入路36不同。

如图12所示，流入路56包括形成于离心压缩机50的外壳17上的流入口62、以及连接流入口62与节能器14的流入管63。流入口62的形成位置与第一实施方式以及第二实施方式相同地设在叶片21的前缘21a与后缘21b之间，优选设在比叶片21的前缘21a与后缘21b的中间部靠前缘21a侧的位置。

此外，流入路56的、成为流入口62的叶片21侧的端部的开口侧扩径。即，流入路56具有在从开口朝向外壳17的内部至流入口的中途位置在周向观察下以比流入口62大的尺寸凹陷成凹状的扩径部64。

在这样的涡轮制冷机1c中，来自节能器14的制冷剂w的气相w1通过流入路56向叶轮18内的主流路fc吹入，向在主流路fc中流通的制冷剂w混合来自节能器14的制冷剂w的气相w1。此时，由于流入路56具有扩径部64，从而流入口62的剖面积在开口侧增大，来自节能器14的制冷剂w的气相w1以减小了流速的状态流入。因此，不会阻碍主流路fc内的制冷剂w的流动的顺畅性，能够减少向主流路fc内的制冷剂w的混合损失。

根据本实施方式的涡轮制冷机1c，与第一实施方式以及第二实施方式相同，通过减少离心压缩机50的级数，能够抑制成本并且实现性能提高。

在此基础上，由于能够通过流入路56的扩径部64减少来自节能器14的制冷剂w的气相w1朝向主流路fc内流入时的混合损失，故而能够进一步实现叶轮18的性能提高。

(第三实施方式的第一变形例)

这里，作为所述的第三实施方式的第一变形例，如图13所示，扩径部64也可以不是凹状，而由流入口62的内周面62a随着朝向开口而逐渐扩径的曲面形成。在这种情况下，流入口62的剖面积不会急剧增大，内周面62a平滑地扩径。由此，能够抑制从流入口62吹出的制冷剂w的气相w1剥离等情况，并且能够以减小了流速的状态使气相w1更顺畅地向主流路fc流入。

(第三实施方式的第二变形例)

另外，作为所述的第三实施方式的第二变形例，如图14所示，扩径部64也可以不是凹状，而由内周面62a仅在叶轮18的后缘侧随着朝向流入口22而逐渐扩径的曲面形成。在这种情况下，能够以顺畅地减小了流速的状态使从流入口62吹出的制冷剂w的气相w1向主流路fc流入。另外，能够沿着在主流路fc中流通的制冷剂w的流通方向从流入口62吹出气相w1。

以上，详细说明了本发明的实施方式，但在不脱离本发明的技术构思的范围内，也能够进行一些设计变更。

例如，也可以将第二实施方式的导流叶44应用于第一实施方式以及第三实施方式的流入路16、56。

工业上的可利用性

根据所述的涡轮制冷机，通过在相邻的叶片间的前缘与后缘之间设置流入路，能够在设置数量不受离心压缩机的级数限制的情况下进行气液分离器的设置。因此，减少了离心压缩机的级数，能够抑制成本并且提高制冷能力，能够实现性能提高。

附图标记说明

1a…涡轮制冷机

5…旋转轴

10…离心压缩机

11…冷凝器

12…第一膨胀阀(减压器)

13…第二膨胀阀(减压器)

14…节能器(气液分离器)

15…蒸发器

16…流入路

17…外壳

18…叶轮

18a…叶轮

20…盘

21…叶片

21a…前缘

21b…后缘

22…流入口

23…流入管

24…密封件

25、26、27…膨胀阀

28…隔板

29…护圈

w…制冷剂

w1…气相

p…轴线

fc…主流路

1b…涡轮制冷机

30…离心压缩机

36…流入路

42…流入口

42a…内周面

43…流入管

44…导流叶

1c…涡轮制冷机

50…离心压缩机

56…流入路

62…流入口

62a…内周面

63…流入管

64…扩径部