JP2014190614A - ターボ冷凍機 - Google Patents
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Abstract
【課題】冷凍機の効率低下を防止しつつ、圧縮機に使用される軸受および増速機を十分に冷却することができるターボ冷凍機を提供する。
【解決手段】ターボ冷凍機は、凝縮器2によって凝縮された冷媒の一部を蒸発器3に導く冷却冷媒ライン19と、冷却冷媒ライン19を通る冷媒とターボ圧縮機1内で使用される油との間で熱交換を行うオイルクーラー20と、オイルクーラー20に流入する冷媒の流量を調整する流量調整弁24と、オイルクーラー20を出た冷媒の温度を測定する冷媒温度測定器26と、冷媒温度測定器26によって測定された冷媒の温度と冷媒の飽和温度との差分に基づいて流量調整弁24の開度を制御する制御部10とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】ターボ冷凍機は、凝縮器2によって凝縮された冷媒の一部を蒸発器3に導く冷却冷媒ライン19と、冷却冷媒ライン19を通る冷媒とターボ圧縮機1内で使用される油との間で熱交換を行うオイルクーラー20と、オイルクーラー20に流入する冷媒の流量を調整する流量調整弁24と、オイルクーラー20を出た冷媒の温度を測定する冷媒温度測定器26と、冷媒温度測定器26によって測定された冷媒の温度と冷媒の飽和温度との差分に基づいて流量調整弁24の開度を制御する制御部10とを備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、ターボ冷凍機に係り、特に圧縮機に使用される油を冷媒の一部により冷却する構成を有したターボ冷凍機に関するものである。
従来、冷凍空調装置などに利用されるターボ冷凍機は、冷媒を封入したクローズドシステムで構成され、冷水(被冷却流体)から熱を奪って冷媒が蒸発して冷凍効果を発揮する蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した冷媒ガスを圧縮して高圧の冷媒ガスにする圧縮機と、高圧の冷媒ガスを冷却水(冷却流体)で冷却して凝縮させる凝縮器と、前記凝縮した冷媒を減圧して膨張させる膨張弁(膨張機構)とを、冷媒配管によって連結して構成されている。そして、圧縮機として冷媒ガスを多段の羽根車によって多段に圧縮する多段圧縮機を用いた場合は、凝縮器と蒸発器の間の冷媒配管中に設置した中間冷却器であるエコノマイザで生じる冷媒ガスを圧縮機の中間段(多段の羽根車の中間部分)に導入することが行われている。
このようなターボ冷凍機の冷凍サイクル中には高圧部と低圧部が存在する。蒸発器における冷凍効果に寄与しない冷媒が高圧部から低圧部にバイパスすると、バイパスガスの圧縮動力分だけ余剰な動力(電力)を消費するため、冷凍機の効率低下につながる。したがって、冷凍機の効率を高めるためには、バイパスガスをできるだけ少なくすることが必要とされる。
圧縮機は、高速回転体を支持する軸受や、高速回転体にトルクを伝える増速機を内蔵している。軸受および増速機での発熱は機械損失に相当するため、これら軸受および増速機を潤滑し、かつ軸受および増速機を冷却するために、圧縮機への潤滑油の供給が必須となる。昇温した潤滑油を冷却する手段としては、冷凍サイクル中の冷媒が利用される。つまり、熱交換器(オイルクーラー)を介在して、昇温した潤滑油を液冷媒で冷却した後、冷媒を蒸発器に戻すことが通常である。
オイルクーラーに供給される冷媒量が過剰な場合、冷凍サイクル中で高圧部から低圧部にバイパスする冷媒が増加し、余剰な動力を消費するため、冷凍機の効率低下に繋がる。また、オイルクーラー内では潤滑油と冷媒液との熱交換となるため、冷媒の蒸発潜熱が有効活用できなくなり、潤滑油の冷却効率が低下する場合もある。一方、オイルクーラーに供給される冷媒量が不足している場合は、同様に潤滑油の冷却効率が低下し、軸受や増速機の異常温度上昇を引き起こす場合がある。故に、冷凍機の効率改善と潤滑油の冷却効率の両面からオイルクーラーへ供給する冷媒液量を適正化する必要がある。
従来のターボ冷凍機では、軸受と増速機を冷却するためのオイルクーラーの冷却源として、凝縮器の冷媒液が利用されている。つまり、凝縮器と蒸発器の圧力差を駆動源として冷却冷媒がオイルクーラーに供給される。オイルクーラーに供給される冷却冷媒の流量制御機構としては、固定オリフィスまたは機械式膨張弁が一般に採用されている(特許文献1,2参照)。
固定オリフィスを用いた流量制御機構では、駆動源となる圧力差が小さい低冷却水温度でも充分な冷媒供給量を確保するために、口径の大きいオリフィスが採用される場合が多い。機械式膨張弁を用いた流量制御機構では、圧縮機に設けられた感温筒によって機械式膨張弁を作動させる。
しかしながら、いずれの場合も、冷却冷媒量を積極的に制御していないために、軸受と増速機の発熱を除去するために必要な最適冷媒量を供給することができなかった。そのため、オイルクーラーを介して、蒸発器にバイパスする冷媒ガス量が過多となり、冷凍機の効率低下の一因ともなっていた。
本発明では、上記問題点を解決するためになされたもので、冷凍機の効率低下を防止しつつ、圧縮機に使用される軸受および増速機を十分に冷却す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。
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、冷水から熱を奪って冷媒が蒸発し冷凍効果を発揮する蒸発器と、冷媒を羽根車によって圧縮するターボ圧縮機と、圧縮された冷媒ガスを冷却水で冷却して凝縮させる凝縮器とを備えたターボ冷凍機において、前記凝縮器によって凝縮された冷媒の一部を前記蒸発器に導く冷却冷媒ラインと、前記冷却冷媒ラインを通る冷媒と前記ターボ圧縮機内で使用される油との間で熱交換を行うオイルクーラーと、前記オイルクーラーに流入する前記冷媒の流量を調整する流量調整弁と、前記オイルクーラーを出た前記冷媒の温度を測定する冷媒温度測定器と、前記冷媒温度測定器によって測定された前記冷媒の温度と前記冷媒の飽和温度との差分に基づいて前記流量調整弁の開度を制御する制御部とを備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記制御部は、前記差分が所定の範囲内に収まるように前記流量調整弁の開度を制御することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記所定の範囲の下限値は、0よりも大きいことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記所定の範囲の下限値は、0よりも大きいことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記蒸発器内の圧力を測定する圧力測定器をさらに備え、前記制御部は、前記圧力の測定値から前記冷媒の飽和温度を決定することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記オイルクーラーの冷媒出口の近傍に配置され、前記冷却冷媒ライン内の圧力を測定する圧力測定器をさらに備え、前記制御部は、前記圧力の測定値から前記飽和温度を決定することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記蒸発器内の液相状態の冷媒の温度を測定する液相温度測定器をさらに備え、前記制御部は、前記液相温度測定器によって測定された前記液相状態の冷媒の温度を前記飽和温度として使用して前記差分を算出することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記オイルクーラーの冷媒出口の近傍に配置され、前記冷却冷媒ライン内の圧力を測定する圧力測定器をさらに備え、前記制御部は、前記圧力の測定値から前記飽和温度を決定することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記蒸発器内の液相状態の冷媒の温度を測定する液相温度測定器をさらに備え、前記制御部は、前記液相温度測定器によって測定された前記液相状態の冷媒の温度を前記飽和温度として使用して前記差分を算出することを特徴とする。
本発明によれば、冷媒温度測定器によって測定された冷媒の温度と冷媒の飽和温度との差分、すなわち過熱度に基づいて流量調整弁の開度が積極的に制御される。したがって、オイルクーラーに供給される冷媒の流量を過熱度に基づいて最適化することができ、結果として、軸受および増速機を十分に冷却しつつ、冷凍機の効率低下を防止することができる。
以下、本発明に係るターボ冷凍機の実施形態を図1乃至図5を参照して説明する。図1乃至図5において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図1は、本発明に係るターボ冷凍機の実施形態を示す模式図である。図1に示すように、ターボ冷凍機は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機1と、圧縮された冷媒ガスを冷却水(冷却流体)で冷却して凝縮させる凝縮器2と、冷水(被冷却流体)から熱を奪って冷媒が蒸発し冷凍効果を発揮する蒸発器3と、凝縮器2と蒸発器3との間に配置される中間冷却器であるエコノマイザ4とを備え、これら各機器を冷媒が循環する冷媒配管5によって連結して構成されている。
図1に示す実施形態においては、ターボ圧縮機1は多段ターボ圧縮機から構成されており、多段ターボ圧縮機は二段ターボ圧縮機からなり、一段目羽根車11と、二段目羽根車12と、これらの羽根車11,12を回転させる圧縮機モータ13とから構成されている。一段目羽根車11の吸込側には、冷媒ガスの羽根車11,12への吸込流量を調整するサクションベーン14が設けられている。ターボ圧縮機1は軸受や増速機を収容するギヤケーシング15を備えており、ギヤケーシング15の下部には軸受と増速機に給油するための油タンク16が設けられている。ターボ圧縮機1は、流路8によってエコノマイザ4と接続されており、エコノマイザ4で分離された冷媒ガスはターボ圧縮機1の多段の圧縮段(この例では2段)の中間部分(この例では一段目羽根車11と二段目羽根車12の間の部分)に導入されるようになっている。
図1に示すように構成されたターボ冷凍機の冷凍サイクルでは、ターボ圧縮機1と凝縮器2と蒸発器3とエコノマイザ4とを冷媒が循環し、蒸発器3で得られる冷熱源で冷水が製造されて負荷に対応し、冷凍サイクル内に取り込まれた蒸発器3からの熱量およびモータ13から供給されるターボ圧縮機1の仕事に相当する熱量が凝縮器2に供給される冷却水に放出される。一方、エコノマイザ4にて分離された冷媒ガスはターボ圧縮機1の多段圧縮段の中間部分に導入され、一段目圧縮機からの冷媒ガスと合流して二段目圧縮機により圧縮される。2段圧縮単段エコノマイザサイクルによれば、エコノマイザ4による冷凍効果部分が付加されるので、その分だけ冷凍効果が増加し、エコノマイザ4を設置しない場合に比べて冷凍効果の高効率化を図ることができる。
凝縮器2とエコノマイザ4とを接続する冷媒配管5には、冷却冷媒ライン(冷却冷媒配管)19が接続されている。この冷却冷媒ライン19は、凝縮器2とエコノマイザ4とを接続する冷媒配管5から分岐し、蒸発器3まで延びている。凝縮器2によって凝縮された液相の冷媒の一部は、冷却冷媒ライン19を通って蒸発器3に導かれる。
冷却冷媒ライン19にはオイルクーラー20が設けられており、冷却冷媒ライン19はオイルクーラー20内を通って延びている。ターボ圧縮機1の油タンク16内にはオイル循環ポンプ22が設置されている。このオイル循環ポンプ22には、オイル循環ライン(オイル循環配管)23が接続されている。オイル循環ライン23は、オイルクーラー20内を通って延び、ギヤケーシング15の上部に接続されている。したがって、油タンク16内の加熱された潤滑油は、オイル循環ポンプ22によってオイル循環ライン23に送られ、オイルクーラー20内を流れ、そしてギヤケーシング15内に戻される。
オイルクーラー20内では、冷却冷媒ライン19を流れる冷媒と、オイル循環ライン23を流れる潤滑油との間で熱交換が行われる。潤滑油の熱は冷媒に伝達され、これにより冷媒が加熱されるとともに、潤滑油が冷却される。冷却された潤滑油は、オイル循環ライン23を通ってギヤケーシング15内の軸受および増速機に供給され、これら軸受および増速機を潤滑し、冷却する。このように、潤滑油は、油タンク16、オイルクーラー20、ギヤケーシング15をこの順に循環する。
オイルクーラー20の出口での冷媒温度が飽和温度である場合、オイルクーラー20の出口での冷媒は湿り蒸気、つまり気液二相流である可能性がある。例えば、図2のモリエル線図に示す領域S1内の点P1では、冷媒は飽和温度であり、気液二相の状態にある。この点P1では、過剰な冷媒がオイルクーラー20に供給されており、冷媒の蒸発潜熱を有効活用することができずに、前述の通り、冷凍機の効率低下を引き起こす。
また、オイルクーラー20への冷媒の供給流量が不足して、オイルクーラー20の出口での過熱度(冷媒の蒸気温度と飽和温度との差分)が極度に大きい場合は、オイルクーラー20内で潤滑油と冷媒の顕熱交換の割合が高くなる。例えば、図2のモリエル線図に示す領域S2内の点P2では、冷媒は飽和温度よりも高い温度にあり、気相の状態にある。この状態では、冷媒と潤滑油の伝熱係数が低下して、潤滑油の温度上昇を招くおそれがある。伝熱係数が低下したときでもオイルクーラー20での交換熱量を確保するためには、大きな伝熱面積が必要となり、オイルクーラー20の大型化、コストアップの原因ともなる。したがって、オイルクーラー20の出口での冷媒の過熱度が適正値になるように、オイルクーラー20への冷媒供給流量を制御する必要がある。
そこで、本実施形態では、オイルクーラー20に供給される冷媒の流量を調整するための流量調整弁24が冷却冷媒ライン19に設けられている。この流量調整弁24は制御部10に接続されており、制御部10によって流量調整弁24の開度(すなわち、冷媒の流量)が制御される。オイルクーラー20の下流側には、オイルクーラー20内を流れた冷媒の温度を測定する温度センサ(冷媒温度測定器)26が設けられている。温度センサ26は、オイルクーラー20と蒸発器3との間に位置しており、冷却冷媒ライン19を流れる冷媒の温度を測定するようになっている。温度センサ26は制御部10に接続されており、冷媒の温度の測定値は制御部10に送信されるようになっている。
流量調整弁24はオイルクーラー20の一次側に配置され、温度センサ26はオイルクーラー20の二次側に配置されている。凝縮器2によって凝縮された冷媒の一部は、冷却冷媒ライン19に流れ、流量調整弁24およびオイルクーラー20をこの順に通過して蒸発器3に移送される。蒸発器3には、蒸発器3の内部の圧力を測定する圧力センサ(圧力測定器)27が設けられている。圧力センサ27は制御部10に接続されており、圧力センサ27によって取得された蒸発器3内の圧力の測定値は制御部10に送信されるようになっている。制御部10は、圧力と飽和温度との関係を表す関係式またはテーブルを記憶しており、圧力センサ27によって取得された圧力の測定値から冷媒の現在の飽和温度を決定する。制御部10は、温度センサ26によって測定された冷媒の温度と冷媒の飽和温度との差分、すなわち過熱度を算出し、過熱度が所定の範囲内に収まるように流量調整弁24の開度を制御する。
図3に示すように、過熱度が低くなると、熱交換効率が向上する傾向にあるためにオイルクーラー20での必要伝熱面積を小さくすることができるが、その一方で上述したように冷凍機の効率が低下する。これに対して、過熱度が高くなると、冷凍機の効率が上がるが、その一方でオイルクーラー20での必要伝熱面積を大きくしなければならない。
そこで、冷凍機の効率低下を防止しつつ、オイルクーラー20の大型化を回避するために、本実施形態では、過熱度の適正値は3℃から5℃までの範囲に設定されている。この過熱度の設定温度範囲は、図2に示す領域S2内にあるが、領域S1と領域S2との境界点に近い温度範囲である。熱交換効率の観点からの理想的な過熱度は、領域S1と領域S2との境界点である。しかしながら、この境界点での過熱度は0℃であり、領域S1での過熱度と同じであるため、制御部10での過熱度の設定値を0℃とすると、気液二相状態の冷媒と潤滑油との間で熱交換が行われる可能性がある。そこで、本実施形態では、過熱度の範囲は、0℃よりもやや高い3℃〜5℃に設定されている。この3℃〜5℃の温度範囲は実験により決定されたものである。
制御部10は、温度センサ26によって測定された冷媒の温度と冷媒の飽和温度との差分である過熱度を算出し、この過熱度が3℃から5℃までの範囲内に収まるように、流量調整弁24の開度を制御する。このように過熱度に基づいて流量調整弁24を制御することにより、適正な流量の冷媒がオイルクーラー20に供給される。その結果、冷凍機の効率低下を防止しつつ、潤滑油の冷却効率を上げることができる。使用される流量調整弁24の種類としては、電動弁、ステッピングモータを用いた電子式膨張弁などが挙げられる。
図4は、本発明の他の実施形態に係るターボ冷凍機を示す模式図である。この実施形態と先に述べた実施形態との違いは、圧力センサ27をオイルクーラー20の冷媒出口の近傍に設けた点である。圧力センサ27は、冷却冷媒ライン19に設けられており、オイルクーラー20の冷媒出口近傍での冷却冷媒ライン19内の圧力を測定する。制御部10はこの圧力の測定値から冷媒の飽和温度を決定する。この実施形態によれば、オイルクーラー20から圧力センサ27までの冷却冷媒ライン19内での圧力損失はほとんどないので、制御部10はより正確な飽和温度を決定することができる。さらに、図4に示すように、温度センサ26と圧力センサ27を互いに近接して配置することが好ましい。
図5は、本発明のさらに他の実施形態に係るターボ冷凍機を示す模式図である。この実施形態と先に述べた実施形態との違いは、圧力センサ27に代えて、蒸発器3内の液相の冷媒の温度を測定する温度センサ(液相温度測定器)30を設けた点である。すなわち、この実施形態では、温度センサ30によって測定された蒸発器3内の液相冷媒の温度が、冷媒の飽和温度に決定される。したがって、制御部10は、温度センサ30によって測定された液相状態の冷媒の温度を飽和温度として使用して過熱度を算出し、この過熱度が上述した温度範囲(3℃〜5℃)内に収まるように流量調整弁24の開度を制御する。
上述したいずれの実施形態においても、オイルクーラー20に供給される冷媒の流量は、オイルクーラー20を出た冷媒の過熱度に基づいて制御される。したがって、ターボ圧縮機1に使用される軸受および増速機を潤滑油によって十分に冷却しつつ、冷凍機の効率低下を防止することができる。
これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。
1 ターボ圧縮機
2 凝縮器
3 蒸発器
4 エコノマイザ
5 冷媒配管
8 流路
10 制御部
11 一段目羽根車
12 二段目羽根車
13 圧縮機モータ
14 サクションベーン
15 ギヤケーシング
16 油タンク
19 冷却冷媒ライン
20 オイルクーラー
22 オイル循環ポンプ
23 オイル循環ライン
24 流量調整弁
26 温度センサ(冷媒温度測定器)
27 圧力センサ(圧力測定器)
30 温度センサ(液相温度測定器)
2 凝縮器
3 蒸発器
4 エコノマイザ
5 冷媒配管
8 流路
10 制御部
11 一段目羽根車
12 二段目羽根車
13 圧縮機モータ
14 サクションベーン
15 ギヤケーシング
16 油タンク
19 冷却冷媒ライン
20 オイルクーラー
22 オイル循環ポンプ
23 オイル循環ライン
24 流量調整弁
26 温度センサ(冷媒温度測定器)
27 圧力センサ(圧力測定器)
30 温度センサ(液相温度測定器)
Claims (6)
- 冷水から熱を奪って冷媒が蒸発し冷凍効果を発揮する蒸発器と、冷媒を羽根車によって圧縮するターボ圧縮機と、圧縮された冷媒ガスを冷却水で冷却して凝縮させる凝縮器とを備えたターボ冷凍機において、
前記凝縮器によって凝縮された冷媒の一部を前記蒸発器に導く冷却冷媒ラインと、
前記冷却冷媒ラインを通る冷媒と前記ターボ圧縮機内で使用される油との間で熱交換を行うオイルクーラーと、
前記オイルクーラーに流入する前記冷媒の流量を調整する流量調整弁と、
前記オイルクーラーを出た前記冷媒の温度を測定する冷媒温度測定器と、
前記冷媒温度測定器によって測定された前記冷媒の温度と前記冷媒の飽和温度との差分に基づいて前記流量調整弁の開度を制御する制御部とを備えたことを特徴とするターボ冷凍機。 - 前記制御部は、前記差分が所定の範囲内に収まるように前記流量調整弁の開度を制御することを特徴とする請求項1に記載のターボ冷凍機。
- 前記所定の範囲の下限値は、0よりも大きいことを特徴とする請求項2に記載のターボ冷凍機。
- 前記蒸発器内の圧力を測定する圧力測定器をさらに備え、
前記制御部は、前記圧力の測定値から前記冷媒の飽和温度を決定することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のターボ冷凍機。 - 前記オイルクーラーの冷媒出口の近傍に配置され、前記冷却冷媒ライン内の圧力を測定する圧力測定器をさらに備え、
前記制御部は、前記圧力の測定値から前記飽和温度を決定することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のターボ冷凍機。 - 前記蒸発器内の液相状態の冷媒の温度を測定する液相温度測定器をさらに備え、
前記制御部は、前記液相温度測定器によって測定された前記液相状態の冷媒の温度を前記飽和温度として使用して前記差分を算出することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のターボ冷凍機。
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