JP2015094259A - 膨張機一体型圧縮機及び冷凍機並びに冷凍機の運転方法 - Google Patents
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Abstract
Description
しかしながら、今後より一層のエネルギー効率化のため、COPのさらなる改善が望まれる。
モータと、
前記モータの出力軸に接続され、前記モータによって駆動されて流体を圧縮するように構成された圧縮機と、
前記モータの前記出力軸に接続され、前記流体を膨張させて前記流体から前記出力軸の動力を回収するように構成された膨張機と、
前記圧縮機と前記膨張機の間に配置され、前記出力軸を非接触で支持するための少なくとも一つの非接触型軸受と、
前記モータ、前記圧縮機、前記膨張機及び前記少なくとも一つの非接触型軸受を収容するケーシングと、
前記ケーシングの内部空間のうち前記圧縮機と前記膨張機との間の領域に連通するように設けられ、前記ケーシング内部において前記圧縮機側から前記膨張機側に向かう漏出流体の少なくとも一部を前記領域から前記ケーシングの外部の前記圧縮機の吸入側又は吐出側に接続される流体ラインに抽気するための抽気ラインと、を備え、
前記ケーシングは、前記領域と前記ケーシングの外部との間の流体の流れが前記抽気ラインを介した前記漏出流体の少なくとも一部の流れのみとなるように、前記領域を前記ケーシングの外部から密閉するように構成される。
本発明者らの鋭意検討の結果、圧縮機で圧縮された作動流体の一部がシールのわずかな間隙を通って圧縮機側から前記領域を介して膨張機側に漏出し、膨張機側に流入した高温の漏出流体が膨張機の断熱効率の低下要因になることが明らかになった。
上記実施形態に係る膨張機一体型圧縮機は、本発明者らの上記知見に基づき工夫を凝らしたものであり、ケーシングの内部空間のうち圧縮機と膨張機との間の領域に連通するように抽気ラインを設け、ケーシング内部において圧縮機側から膨張機側に向かう漏出流体の少なくとも一部を前記領域からケーシングの外部の前記圧縮機の吸入側又は吐出側に接続される流体ラインに抽気するようにした。このため、膨張機側に流入する高温の漏出流体が低減され、高温の漏出流体から膨張機への熱の移動が低減されるので、圧縮機側からの漏出流体に起因した膨張機の断熱効率低下を改善できる。したがってこの膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍機のCOPを改善できる。
また、仮に、ケーシングが外部から密閉されておらず、前記領域から流体ラインに向かう漏出流体以外のガスのケーシング外部から前記領域内への流入が許容される構成では、ケーシング外部から前記領域内に流入するガスから低温の膨張機側に熱が移動し得る。そのため、膨張機側への意図せぬ入熱要因として、漏出流体だけでなく、ケーシング外部から前記領域内に流入したガスも考えられ、抽気ラインを設けても、膨張機側への意図せぬ入熱要因を効果的に防ぐことは難しい。これに対し、上記実施形態に係る膨張機一体型圧縮機では、ケーシングは前記領域とケーシングの外部との間の流体の流れが前記抽気ラインを介した前記漏出流体の少なくとも一部の流れのみとなるように、前記領域が前記ケーシングの外部から密閉される。そのため、膨張機側への意図せぬ入熱要因は基本的には漏出流体だけである。したがって、前記領域内において圧縮機側から膨張機側に向かう漏出流体の少なくとも一部を流体ラインに導く作動流体の流れを抽気ラインによって形成することで、膨張機側への意図せぬ入熱を効果的に防ぎ、COPを劇的に改善することができる。
冷却対象物を冷媒との熱交換により冷却するための冷却部と、
前記冷媒を圧縮するための圧縮機、及び、前記冷媒を膨張させるための膨張機が一体化された膨張機一体型圧縮機と、
前記圧縮機、前記膨張機及び前記冷却部を通して前記冷媒を循環させるように構成された冷媒循環ラインと、を備え、
前記膨張機一体型圧縮機は、
モータと、
前記モータの出力軸に接続され、前記モータによって駆動されて前記冷媒を圧縮するように構成された前記圧縮機と、
前記モータの前記出力軸に接続され、前記冷媒を膨張させて前記冷媒から前記出力軸の動力を回収するように構成された前記膨張機と、
前記圧縮機と前記膨張機の間に配置され、前記出力軸を非接触で支持するための少なくとも一つの非接触型軸受と、
前記モータ、前記圧縮機、前記膨張機及び前記少なくとも一つの非接触型軸受を収容するケーシングと、
前記ケーシングの内部空間のうち前記圧縮機と前記膨張機との間の領域に連通するように設けられ、前記ケーシング内部において前記圧縮機側から前記膨張機側に向かう漏出冷媒の少なくとも一部を前記領域から前記ケーシングの外部の前記圧縮機の吸入側又は吐出側に接続される冷媒循環ラインに抽気するための抽気ラインと、を備え、
前記ケーシングは、前記領域と前記ケーシングの外部との間の流体の流れが前記抽気ラインを介した前記漏出流体の少なくとも一部の流れのみとなるように、前記領域を前記ケーシングの外部から密閉するように構成される。
また、仮に、ケーシングが外部から密閉されておらず、前記領域から冷媒循環ラインに向かう漏出冷媒以外のガスのケーシング外部から前記領域内への流入が許容される構成では、ケーシング外部から前記領域内に流入するガスから低温の膨張機側に熱が移動し得る。そのため、膨張機側への意図せぬ入熱要因として、漏出冷媒だけでなく、ケーシング外部から前記領域内に流入したガスも考えられ、抽気ラインを設けても、膨張機側への意図せぬ入熱要因を効果的に防ぐことは難しい。これに対し、上記実施形態に係る冷凍機では、膨張機一体型圧縮機のケーシングは前記領域とケーシングの外部との間の流体の流れが前記抽気ラインを介した前記漏出冷媒の少なくとも一部の流れのみとなるように、前記領域が前記ケーシングの外部から密閉される。そのため、膨張機側への意図せぬ入熱要因は基本的には漏出冷媒だけである。したがって、前記領域内において圧縮機側から膨張機側に向かう漏出冷媒の少なくとも一部を冷媒循環ラインに導く作動流体の流れを抽気ラインによって形成することで、膨張機側への意図せぬ入熱を効果的に防ぎ、COPを劇的に改善することができる。
なお、冷凍機COPは、例えば式(1)消費電力基準COP(COPb)及び式(2)圧縮動力基準COP(COPc)などから求められる。
漏出冷媒により膨張機側に流入する熱は、漏出冷媒を冷媒循環ラインに抽気する抽気量が多いほど減少する。一方、抽気量を多くしすぎると、圧縮機で圧縮された後、冷媒循環ラインを循環せず、冷却対象物の冷却に寄与しない漏出冷媒が増加することとなり、圧縮に用いられるモータ動力の増加及び圧縮機効率の低下を招くこととなる。したがって、膨張機一体型圧縮機を用いた冷凍機のCOPが最大になる抽気量(COP最大抽気量)が存在する。
上記実施形態に係る冷凍機では、このような事情を鑑み、前記冷凍機COP又は、膨張機の吸入側と吐出側との冷媒温度差の少なくとも一方に基づいて、抽気バルブの開度を制御するように構成されたコントローラを設けた。このため、前記冷凍機COP又は、膨張機の吸入側と吐出側との冷媒温度差の少なくとも一方に基づいて、運転条件に応じて抽気量をCOP最大抽気量近傍の値となるように制御すれば冷凍機のCOPを向上させることができる。
また、条件変化が少ない運転では、手動バルブにより開度調整を行い、一定開度でもよい。
モータと、前記モータの出力軸に接続される圧縮機と、前記モータの前記出力軸に接続される膨張機と、前記圧縮機と前記膨張機の間に配置され、前記出力軸を非接触で支持するための少なくとも一つの非接触型軸受と、前記モータ、前記圧縮機、前記膨張機及び前記少なくとも一つの非接触型軸受を収容するケーシングと、を含み、
前記ケーシングは、前記領域と前記ケーシングの外部との間の流体の流れが前記抽気ラインを介した前記漏出流体の少なくとも一部の流れのみとなるように、前記領域を前記ケーシングの外部から密閉するように構成された膨張機一体型圧縮機を備える冷凍機の運転方法であって、
前記圧縮機により冷媒を圧縮する圧縮ステップと、
前記圧縮ステップにおいて圧縮された前記冷媒を前記膨張機により膨張させる膨張ステップと、
前記膨張ステップにおいて膨張された前記冷媒との熱交換により冷却対象物を冷却する冷却ステップと、
前記ケーシングの内部空間のうち前記圧縮機と前記膨張機との間の領域に連通するように設けられた抽気ラインを通じて、前記ケーシング内部において前記圧縮機側から前記膨張機側に向かう漏出冷媒の少なくとも一部を前記ケーシング内部の前記領域から前記ケーシングの外部の前記圧縮機の吸入側又は吐出側に接続される冷媒循環ラインに抽気する抽気ステップと、を備える。
また、仮に、ケーシングが外部から密閉されておらず、前記領域から冷媒循環ラインに向かう漏出冷媒以外のガスのケーシング外部から前記領域内への流入が許容される構成では、ケーシング外部から前記領域内に流入するガスから低温の膨張機側に熱が移動し得る。そのため、膨張機側への意図せぬ入熱要因には、漏出冷媒だけでなく、ケーシング外部から前記領域内に流入したガスも考えられ、抽気ラインを設けても、膨張機側への意図せぬ入熱要因を効果的に防ぐことは難しい。これに対し、上記実施形態に係る冷凍機の運転方法では、膨張機一体型圧縮機のケーシングは前記領域とケーシングの外部との間の流体の流れが前記抽気ラインを介した前記漏出冷媒の少なくとも一部の流れのみとなるように、前記領域が前記ケーシングの外部から密閉される。そのため、膨張機側への意図せぬ入熱要因は基本的には漏出冷媒だけである。したがって、前記領域内において圧縮機側から膨張機側に向かう漏出冷媒の少なくとも一部を冷媒循環ラインに導く作動流体の流れを抽気ラインによって形成することで、膨張機側への意図せぬ入熱を効果的に防ぎ、COPを劇的に改善することができる。
この場合、前記冷凍機COP又は、膨張機の吸入側と吐出側との冷媒温度差の少なくとも一方に基づいて抽気量を調節するので、冷凍機のCOPを向上させることができる。
圧縮機4は、モータ2の出力軸3に接続され、モータ2によって駆動されて流体を圧縮するように構成される。一方、膨張機6は、モータ2の出力軸3に接続され、流体を膨張させて流体から出力軸3の動力を回収するように構成される。モータ2は、図1に示すように、圧縮機4と膨張機6の間に配置されていてもよい。また、他の実施形態では、モータ2は、圧縮機4と膨張機の外側に配置されていてもよい(すなわち、例えば、出力軸3の軸方向において、モータ2、圧縮機4、膨張機6の順に配置されていてもよい)。
モータ2の出力軸3は、圧縮機4と膨張機6との間に配置されたラジアル磁気軸受32,34及びスラスト磁気軸受36(本明細書においてまとめて非接触型軸受32,34,36又は磁気軸受32,34,36と称することがある。)によって非接触で支持される。ラジアル磁気軸受32,34は、出力軸3の軸方向においてモータ2の両側に設けられ、磁力によって出力軸3を浮上させて出力軸3のラジアル荷重を負担する。一方、スラスト磁気軸受36は、出力軸3の軸方向においてモータ2の一方の側(図1に示す実施形態ではモータ2と膨張機6との間)に設けられ、出力軸3に設けられたアキシャルロータディスク37との間にギャップが形成されるように磁力によって出力軸3のスラスト荷重を負担する。
ケーシング9は、モータ2と、圧縮機4と、膨張機6と、ラジアル磁気軸受32,34及びスラスト磁気軸受36を収容する。
なお、スラスト磁気軸受36及び出力軸3に設けられたアキシャルロータディスク37とは、圧縮機4とモータ2の間に設けられてもよい。
ところが、圧縮機4からの作動流体のケーシング9内部への漏えいを抑制するシール部44を設けても、圧縮機4からの作動流体のケーシング9内部への漏えいを完全に阻止することは難しい。すなわち、膨張機一体型圧縮機1のケーシング9内部において、圧縮機4で圧縮され高温となった作動流体の一部は、圧縮機インペラ42の背面と領域5の間を密封するためのシール部44のわずかな間隙を通って圧縮機4側から前記領域5に侵入する。領域5に侵入した圧縮機4側からの漏出流体は、出力軸3と磁気軸受32,34,36との間にはギャップを通過し、作動温度が圧縮機4よりも低い膨張機6側に漏出する。
このため、圧縮機4側からの高温の漏出流体に起因して意図せぬ膨張機6への入熱が起こり、膨張機6の断熱効率が低下してしまうおそれがある。
抽気ライン24は、ケーシング9の内部空間のうち、圧縮機4と膨張機6との間の領域5に連通するように設けられる。一実施形態では、抽気ライン24は、ケーシング9を貫通するように径方向に延在している。なお、抽気ライン24が設けられる軸方向位置は特に限定されず、図1に示すように出力軸3に設けられたアキシャルロータディスク37と同一の軸方向位置に抽気ライン24を形成してもよい。
抽気ライン24を設けることで、膨張機6側に流入する高温の漏出流体が低減され、高温の漏出流体から膨張機6への熱の移動が低減される。これにより、圧縮機4側からの漏出流体に起因した膨張機6の断熱効率低下を改善でき、したがって膨張機一体型圧縮機1を用いた冷凍機のCOPを改善できる。
仮に、ケーシング9が外部から密閉されておらず、前記領域5から流体ラインに向かう漏出流体以外のガスのケーシング9外部から前記領域5内への流入が許容される構成では、ケーシング9外部から前記領域内に流入するガスから低温の膨張機6側に熱が移動し得る。そのため、膨張機6側への意図せぬ入熱要因には、漏出流体だけでなく、ケーシング9外部から前記領域5内に流入したガスも考えられ、抽気ライン24を設けても、膨張機6側への意図せぬ入熱要因を効果的に防ぐことは難しい。これに対し、本実施形態に係る膨張機一体型圧縮機1では、ケーシング24は前記領域とケーシング9の外部との間の流体の流れが前記抽気ライン24を介した前記漏出流体の少なくとも一部の流れのみとなるように、前記領域5が前記ケーシング9の外部から密閉される。そのため、膨張機6側への意図せぬ入熱要因は基本的には漏出流体だけである。したがって、前記領域5内において圧縮機4側から膨張機6側に向かう漏出流体の少なくとも一部を流体ラインに導く作動流体の流れを抽気ライン24によって形成することで、膨張機6側への意図せぬ入熱を効果的に防ぎ、COPを劇的に改善することができる。
例えば、第2圧縮機、圧縮機4、モータ2及び膨張機6がこの順に配置されるように、第2圧縮機、圧縮機4及び膨張機6がモータ2の出力軸3に接続されてもよい。
また、幾つかの実施形態では、膨張機一体型圧縮機1は、圧縮機4とは異なる第2圧縮機を2以上備えていてもよい。
1以上の第2圧縮機は、モータ2とは別のモータの出力軸に接続され、該モータによって駆動されてもよい。例えば、モータ2とは別のモータの出力軸の両端に1台ずつの第2圧縮機を設け、膨張機一体型圧縮機全体として膨張機1台に対して圧縮機を3台備える構成としてもよい。
図2〜図4は、それぞれ、一実施形態に係る冷凍機の構成を示す模式図である。
圧縮機4は、モータ2の出力軸3に接続され、モータ2によって駆動されて流体を圧縮されるように構成される。また、膨張機6は、モータ2の出力軸3に接続され、流体を膨張させて流体から出力軸3の動力を回収するように構成される。
熱交換器12は、冷媒を冷却水と熱交換することにより冷却するために設けられ、冷熱回収熱交換器14は、冷媒の冷熱を回収するために設けられる。
冷却部16は、冷却対象物を冷媒との熱交換により冷却するために設けられる。
膨張機6から吐出された冷媒は、冷却部16において冷却対象物と熱交換することにより冷却対象物を冷却するとともに、熱負荷によって温度が上昇する。
冷却部16において昇温された冷媒は、冷熱回収熱交換器14に導入され、上述の熱交換器12を通った高温の圧縮冷媒と熱交換することにより、残った冷熱を圧縮冷媒に回収させる。この後冷媒は圧縮機4に戻り、再度上述したように圧縮機4により圧縮される。
冷凍機100においては、このような冷凍サイクルが構成される。
このように圧縮機4側と膨張機6側では温度差が大きいため、ケーシング9内部においても圧縮機4側と膨張機6側では大きな温度差がある。このため、圧縮機4側から膨張機6側に向かう漏出冷媒が少量だとしても、膨張機の断熱効率を低下させる要因となる。したがって、抽気ラインを設けて高温の漏出冷媒をケーシング9の外部に抽気することにより、膨張機4側から圧縮機6側へ流入する熱を低減することができるということは、特にこのような極低温を扱う領域において意義が大きい。
この際、膨張機一体型圧縮機1のモータ2を作動させるための動力とは別に、抽気圧縮機18を作動させるための動力が必要となるが、その分、冷媒循環ライン22bを流れる冷媒よりも多少高い圧力の冷媒が抽気圧縮機18から冷媒循環ライン22bに合流することになり、冷凍機100全体としては抽気圧縮機18の吐出流量が加えられる分、冷凍能力が高くなる。このため、COPを向上させることができる。
コントローラ70は、冷凍機COP、又は、膨張機6の吸入側と吐出側との冷媒温度差の少なくとも一方に基づいて、抽気バルブ26の開度を制御するように構成される。
膨張機6の吸入側及び吐出側の温度の計測は、それぞれ、冷媒循環ライン22の膨張機6の吸入側に設置された温度センサ72及び膨張機6の吐出側に設置された温度センサ73で行い、計測結果はコントローラ70に送信される。コントローラ70は、温度センサ72及び温度センサ73で計測された温度から膨張機6の吸入側と吐出側との冷媒温度差を計算する。
また、抽気ライン24に設置された流量センサ74により、前記領域5からケーシング9外部の圧縮機4の吸入側に接続される冷媒循環ライン22aに抽気される漏出冷媒の抽気量が計測され、計測結果がコントローラ70に送信される。
一実施形態では、コントローラ70は、目標とする冷凍機COP(以下において「目標冷凍機COP」ともいう。)又は膨張機6の吸入側と吐出側の温度差の少なくとも一方を含む冷凍機100の運転条件を示す情報が記憶されたメモリを備え、動力センサ71などから算出された冷凍機COP(以下において「測定冷凍機COP」ともいう。)又は温度センサ72,73の少なくとも一方の検出結果に基づいて前記運転条件が実現されるように抽気バルブ26の開度を制御して抽気量を調節する。なお、コントローラ70は、メモリに記憶された冷凍機100の運転条件を示す情報と、測定冷凍機COP又は温度センサ72,73の少なくとも一方の検出結果との偏差に基づいて抽気バルブ26の開度指令値を決定してもよい。この場合、コントローラ70は、抽気バルブ26の開度指令値を決定するための制御器として、例えばP制御器、PI制御器、PID制御器等を含んでいてもよい。また、COPが最大となる冷凍機100の運転条件は、冷却部16における冷却負荷に応じて変化してもよい。この場合、コントローラ70は、冷却部16における冷却負荷に応じた運転条件が実現されるように、測定冷凍機COP又は温度センサ72,73の少なくとも一方の検出結果に基づいて抽気量を調節してもよい。
なお、エンタルピh1、h2、h5及びh6は、それぞれ、各ポイントでの圧力P1、P2、P5及びP6、温度T1、T2、T5及びT6の計測値から求められる。そこで、幾つかの実施形態に係る冷凍機100には、冷媒循環ライン22を循環する冷媒の質量流量を測定するための流量計(図示しない)や、圧縮機4の入口及び出口と冷却部16の入口及び出口の温度及び圧力をそれぞれ測定するための温度センサ(図示しない)及び圧力センサ(図示しない)を設けてもよい。
他の実施形態では、コントローラ70は、目標冷凍機COP又は膨張機6の吸入側と吐出側の温度差の最大値の少なくとも一方を示す情報が記憶されたメモリを備え、測定冷凍機COP又は温度センサ72,73の少なくとも一方の検出結果が目標冷凍機COP又は膨張機6の吸入側と吐出側の温度差の最大値に近づくように、抽気バルブ26の開度を制御して抽気量を調節する。なお、コントローラ70は、メモリに記憶された目標冷凍機COP又は膨張機6の吸入側と吐出側の温度差の最大値を示す情報と、測定冷凍機COP又は温度センサ72,73の少なくとも一方の検出結果との偏差に基づいて抽気バルブ26の開度指令値を決定してもよい。この場合、コントローラ70は、抽気バルブ26の開度指令値を決定するための制御器として、例えばP制御器、PI制御器、PID制御器等を含んでいてもよい。
スラスト磁気軸受36の磁力は、出力軸3に加わるスラスト荷重に抗して出力軸3の浮上位置を維持するように電流制御することによって制御される。また、スラスト磁気軸受36には負荷の許容値(最大値)が存在する。
出力軸3に加わるスラスト荷重は、圧縮機4側における圧縮行程区間(インペラ42外周部)の圧力に起因する力と膨張機6側における膨張行程区間(タービンロータ62外周部)の圧力に起因する力との差によって決まる。したがって、抽気バルブ26を閉じた状態での冷凍機運転時は、出力軸3に加わるスラスト荷重に応じた負荷がスラスト磁気軸受36に加わり、この負荷に抗して出力軸3の浮上位置を維持するように電流制御がされる。
ここで、抽気バルブ26を開けると、漏出冷媒が抽気ライン24を通じて外部に抽気されることにより、ケーシング9の内部の圧力が減少する。この際、図2に示すように圧縮機4のインペラ42の径が膨張機6のタービンロータ62の径よりも大きいと、インペラ42及びタービンロータ62の表面と裏面との間に生じる力の差はインペラ42のほうが大きくなる。このため、抽気バルブ26の開度を大きくすると、それに伴って圧縮機4側から膨張機6側に向かうスラスト荷重が増加する。よって、スラスト磁気軸受36で負担できるスラスト荷重の最大値に対応した抽気量が存在する。
したがって、上記実施形態のように、スラスト磁気軸受36の負荷が許容値を超えないように決定された上限値を抽気量が超えないように抽気バルブ26の開度制御を行うことで、冷凍機の運転に支障のない適切な範囲内で抽気量の制御をすることができる。
一実施形態では、コントローラ70は、スラスト磁気軸受36の耐荷重に安全率を乗じた許容スラスト荷重にスラスト磁気軸受36で負担するスラスト荷重が一致するような抽気量が実現されるように抽気バルブ26の開度制御を行う。
この場合、膨張機一体型圧縮機1にスラスト磁気軸受36の荷重を計測するための荷重センサを設置し、荷重センサでの計測結果がコントローラ70に送信されるようにしてもよい。
抽気ステップでは、ケーシング9の内部空間のうち圧縮機4と膨張機6との間の領域5に連通するように設けられた抽気ライン24を通じて、ケーシング9内部において圧縮機4側から膨張機6側に向かう漏出冷媒の少なくとも一部をケーシング9内部の領域5からケーシング9の外部の圧縮機4の吸入側に接続される冷媒循環ラインに22aに抽気する。
実施形態に係る冷凍機の運転方法は、図1に示す膨張機一体型圧縮機1を備える冷凍機の運転方法であり、圧縮ステップと、膨張ステップと、冷却ステップと、抽気ステップと、抽気量調節ステップとを備える。
膨張機6の吸入側及び吐出側の温度の計測は、それぞれ、冷媒循環ライン22の膨張機6の吸入側に設置された温度センサ72及び膨張機6の吐出側に設置された温度センサ73で行い、計測結果はコントローラ70に送信される。コントローラ70は、温度センサ72及び温度センサ73で計測された温度から膨張機6の吸入側と吐出側との冷媒温度差を計算する。
また、抽気ライン24に設置された流量センサ74により、前記領域5からケーシング9外部の圧縮機4の吸入側に接続される冷媒循環ライン22aに抽気される漏出冷媒の抽気量が計測され、計測結果がコントローラ70に送信される。
一実施形態では、コントローラ70は、目標冷凍機COP又は膨張機6の吸入側と吐出側の温度差の少なくとも一方を含む冷凍機100の運転条件を示す情報が記憶されたメモリを備え、動力センサ71又は温度センサ72,73の少なくとも一方の検出結果に基づいて前記運転条件が実現されるように抽気バルブ26の開度を制御して抽気量を調節する。なお、コントローラ70は、メモリに記憶された冷凍機100の運転条件を示す情報と、動力センサ71又は温度センサ72,73の少なくとも一方の検出結果との偏差に基づいて抽気バルブ26の開度指令値を決定してもよい。この場合、コントローラ70は、抽気バルブ26の開度指令値を決定するための制御器として、例えばP制御器、PI制御器、PID制御器等を含んでいてもよい。また、COPが最大となる冷凍機100の運転条件は、冷却部16における冷却負荷に応じて変化してもよい。この場合、コントローラ70は、冷却部16における冷却負荷に応じた運転条件が実現されるように、動力センサ71又は温度センサ72,73の少なくとも一方の検出結果に基づいて抽気量を調節してもよい。
一実施形態では、コントローラ70は、スラスト磁気軸受36の耐荷重に安全率を乗じた許容スラスト荷重にスラスト磁気軸受36で負担するスラスト荷重が一致するような抽気量が実現されるように抽気バルブ26の開度制御を行う。
この場合、膨張機一体型圧縮機1にスラスト磁気軸受36の荷重を計測するための荷重センサを設置し、荷重センサでの計測結果がコントローラ70に送信されるようにしてもよい。
一実施形態では、COPが最大となる目標冷凍機COP又は膨張機6の吸入側と吐出側の温度差の少なくとも一方を含む冷凍機100の運転条件を示す情報の記録を用意しておき、この記録及び測定冷凍機COP又は温度センサ72,73の少なくとも一方の検出結果に基づいて前記運転条件が実現されるように抽気バルブ26の開度を制御して抽気量を調節する。
また、COPが最大となる冷凍機100の運転条件は、冷却部16における冷却負荷に応じて変化してもよい。この場合、冷却部16における冷却負荷に応じた運転条件が実現されるように、測定冷凍機COP又は温度センサ72,73の少なくとも一方の検出結果に基づいて抽気量を調節してもよい。
一実施形態では、スラスト磁気軸受36の耐荷重に安全率を乗じた許容スラスト荷重にスラスト磁気軸受36で負担するスラスト荷重が一致するような抽気量が実現されるように抽気バルブ26の開度制御を行う。
図5は一実施形態に係る冷凍機と比較例の冷凍機の膨張機断熱効率比の比較を示すグラフであり、図6は一実施形態に係る冷凍機と比較例の冷凍機の冷凍能力比の比較を示すグラフであり、図7は一実施形態に係る冷凍機と比較例の冷凍機のCOP比の比較を示すグラフのである。
比較例の冷凍機としては、抽気ライン24及び抽気バルブ26を設けない以外は図2に示す冷凍機100と同様の構成の冷凍機を用いた。
この結果より、抽気ライン24及び抽気バルブ26を設けない比較例の冷凍機に比較して、抽気ライン24及び抽気バルブ26を設けた冷凍機100では、COPが大幅に改善することが示された。
2 モータ
3 出力軸
4 圧縮機
5 領域
6 膨張機
9 ケーシング
12 熱交換器
14 冷熱回収熱交換器
16 冷却部
18 抽気圧縮機
22 冷媒循環ライン
24 抽気ライン
26 抽気バルブ
32 ラジアル磁気軸受
34 ラジアル磁気軸受
36 スラスト磁気軸受
37 アキシャルロータディスク
70 コントローラ
71 動力計
72 温度計
73 温度計
74 流量計
100 冷凍機
Claims (7)
- モータと、
前記モータの出力軸に接続され、前記モータによって駆動されて流体を圧縮するように構成された圧縮機と、
前記モータの前記出力軸に接続され、前記流体を膨張させて前記流体から前記出力軸の動力を回収するように構成された膨張機と、
前記圧縮機と前記膨張機の間に配置され、前記出力軸を非接触で支持するための少なくとも一つの非接触型軸受と、
前記モータ、前記圧縮機、前記膨張機及び前記少なくとも一つの非接触型軸受を収容するケーシングと、
前記ケーシングの内部空間のうち前記圧縮機と前記膨張機との間の領域に連通するように設けられ、前記ケーシング内部において前記圧縮機側から前記膨張機側に向かう漏出流体の少なくとも一部を前記領域から前記ケーシングの外部の前記圧縮機の吸入側又は吐出側に接続される流体ラインに抽気するための抽気ラインと、を備え、
前記ケーシングは、前記領域と前記ケーシングの外部との間の流体の流れが前記抽気ラインを介した前記漏出流体の少なくとも一部の流れのみとなるように、前記領域を前記ケーシングの外部から密閉するように構成された膨張機一体型圧縮機。 - 前記圧縮機とは異なる少なくとも一つの第2圧縮機をさらに備え、
前記第2圧縮機は前記モータの前記出力軸に接続される請求項1に記載の膨張機一体型圧縮機。 - 前記圧縮機とは異なる少なくとも一つの第2圧縮機をさらに備え、
前記第2圧縮機は前記モータとは別の第2出力軸に接続される請求項1に記載の膨張機一体型圧縮機。 - 冷却対象物を冷媒との熱交換により冷却するための冷却部と、
前記冷媒を圧縮するための圧縮機、及び、前記冷媒を膨張させるための膨張機が一体化された膨張機一体型圧縮機と、
前記圧縮機、前記膨張機及び前記冷却部を通して前記冷媒を循環させるように構成された冷媒循環ラインと、を備える冷凍機であって、
前記膨張機一体型圧縮機は、
モータと、
前記モータの出力軸に接続され、前記モータによって駆動されて前記冷媒を圧縮するように構成された前記圧縮機と、
前記モータの前記出力軸に接続され、前記冷媒を膨張させて前記冷媒から前記出力軸の動力を回収するように構成された前記膨張機と、
前記圧縮機と前記膨張機の間に配置され、前記出力軸を非接触で支持するための少なくとも一つの非接触型軸受と、
前記モータ、前記圧縮機、前記膨張機及び前記少なくとも一つの非接触型軸受を収容するケーシングと、
前記ケーシングの内部空間のうち前記圧縮機と前記膨張機との間の領域に連通するように設けられ、前記ケーシング内部において前記圧縮機側から前記膨張機側に向かう漏出冷媒の少なくとも一部を前記領域から前記ケーシングの外部の前記圧縮機の吸入側又は吐出側に接続される冷媒循環ラインに抽気するための抽気ラインと、を備え、
前記ケーシングは、前記領域と前記ケーシングの外部との間の流体の流れが前記抽気ラインを介した前記漏出流体の少なくとも一部の流れのみとなるように、前記領域を前記ケーシングの外部から密閉するように構成された冷凍機。 - 前記膨張機一体型圧縮機は、前記抽気ラインに設けられ、前記漏出冷媒の抽気量を調節するための抽気バルブと、前記抽気バルブを制御するためのコントローラと、をさらに備え、
前記コントローラは、前記冷凍機のCOP、又は、前記膨張機の吸入側と吐出側との冷媒温度差の少なくとも一方に基づいて、前記抽気バルブの開度を制御するように構成された請求項4に記載の冷凍機。 - モータと、前記モータの出力軸に接続される圧縮機と、前記モータの前記出力軸に接続される膨張機と、前記圧縮機と前記膨張機の間に配置され、前記出力軸を非接触で支持するための少なくとも一つの非接触型軸受と、前記モータ、前記圧縮機、前記膨張機及び前記少なくとも一つの非接触型軸受を収容するケーシングと、を含み、
前記ケーシングは、前記領域と前記ケーシングの外部との間の流体の流れが前記抽気ラインを介した前記漏出流体の少なくとも一部の流れのみとなるように、前記領域を前記ケーシングの外部から密閉するように構成された膨張機一体型圧縮機を備える冷凍機の運転方法であって、
前記圧縮機により冷媒を圧縮する圧縮ステップと、
前記圧縮ステップにおいて圧縮された前記冷媒を前記膨張機により膨張させる膨張ステップと、
前記膨張ステップにおいて膨張された前記冷媒との熱交換により冷却対象物を冷却する冷却ステップと、
前記ケーシングの内部空間のうち前記圧縮機と前記膨張機との間の領域に連通するように設けられた抽気ラインを通じて、前記ケーシング内部において前記圧縮機側から前記膨張機側に向かう漏出冷媒の少なくとも一部を前記ケーシング内部の前記領域から前記ケーシングの外部の前記圧縮機の吸入側又は吐出側に接続される冷媒循環ラインに抽気する抽気ステップと、を備える冷凍機の運転方法。 - 前記冷凍機のCOP、又は、前記膨張機の吸入側と吐出側との冷媒温度差の少なくとも一方に基づいて、前記ケーシング内部の前記領域から前記圧縮機の吸入側への抽気量を調節する抽気量調節ステップをさらに備える請求項6に記載の冷凍機の運転方法。
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