JP5227919B2 - ターボ冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は冷凍機に係り、特に多段圧縮ターボ冷凍機に関する。

従来、凝縮器で凝縮した冷媒液を中間冷却器に送る配管に高圧側電動弁を設け、中間冷却器において減圧沸騰した冷媒蒸気をターボ圧縮機の中間圧部に導く配管を設け、減圧沸騰により冷却された冷媒液を中間冷却器から蒸発器に送るターボ冷凍機が提案されている（例えば、特許文献１等）。

特開平１１−３４４２６５号公報

このようなターボ冷凍機では、圧縮機の出口側と入口側の圧力差の大きさによって、凝縮器から中間冷却器を通って蒸発器へ至る冷媒の流れやすさが変化する。従って、冷媒の流れやすさの観点からは、高圧側電動弁及び低圧側電動弁の開度を圧力差に基づいて調整すればよいと考えられる。

ところで、近年、いわゆる定格条件における運転効率や安定性だけでなく、中間期など、部分負荷条件や冷却水温度が低下した場合における運転効率や安定性に対する要求が高まっている。この場合には、定格条件にはない現象が発生することがある。

このため、圧力差に基づく調整のみでは、高圧側電動弁及び低圧側電動弁の開度を適切に制御することができず、ターボ冷凍機の良好な運転状態を維持することができないという問題のあることが発見された。

例えば、中間期など、部分負荷条件や冷却水温度が低下した場合に、高圧側電動弁及び低圧側電動弁の開度を大きくすると、中間冷却器から蒸発器へ向かって冷媒液だけでなく冷媒蒸気が送られてしまう現象（いわゆる冷媒蒸気の吹き抜け）が発生し得る。これでは、この分の冷媒が仕事をせず、無駄な冷媒を圧縮するため、運転効率が低くなってしまう。

しかしながら、従来、このような観点から高圧側電動弁及び低圧側電動弁の開度を制御することに関して考慮されたターボ冷凍機は何ら存在しない。

そこで、本発明の目的は、中間期など、部分負荷条件や冷却水温度が低下した場合にも、凝縮器から中間冷却器、あるいは中間冷却器から蒸発器への冷媒蒸気の吹き抜けを好適に防止しつつ、必要充分な液冷媒を循環させて、安定した効率の高い運転を行うことができるターボ冷凍機を提供することである。

上記の目的を達成するために本発明においては、圧縮機，蒸発器，凝縮器，中間冷却器を順次接続して構成される冷凍サイクルを備え、凝縮器で凝縮した冷媒液を中間冷却器に送る配管に設けられる高圧側電動弁と、中間冷却器において冷媒が減圧沸騰することにより冷却された冷媒液を蒸発器に送る配管に設けられる低圧側電動弁と、前記高圧側電動弁及び低圧側電動弁の開度を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記冷凍サイクルの高圧側及び低圧側の圧力差に相当する物理量及び冷凍サイクルの冷媒循環量に相当する物理量に基づいて、前記高圧側電動弁及び低圧側電動弁の開度を制御することを特徴とする。

本発明のターボ冷凍機によれば、中間期など、部分負荷条件や冷却水温度が低下した場合にも、凝縮器から中間冷却器、あるいは中間冷却器から蒸発器への冷媒蒸気の吹き抜けを好適に防止しつつ、必要充分な液冷媒を循環させて、安定した効率の高い運転を行うことができる。

本発明のターボ冷凍機の一実施例を示す系統図。 本発明のターボ冷凍機の他の実施例を示す系統図。

以下、本発明に係るターボ冷凍機の実施形態について説明する。

本実施形態に係るターボ冷凍機は、圧縮機１，蒸発器２，凝縮器３，中間冷却器４を順次接続して構成される冷凍サイクルを備え、凝縮器３で凝縮した冷媒液を中間冷却器４に送る配管に設けられる高圧側電動弁１１と、中間冷却器４において冷媒が減圧沸騰することにより冷却された冷媒液を蒸発器２に送る配管に設けられる低圧側電動弁１２と、前記高圧側電動弁１１及び低圧側電動弁１２の開度を制御する制御部２０とを備え、前記制御部２０は、前記冷凍サイクルの高圧側及び低圧側の圧力差に相当する物理量及び冷凍サイクルの冷媒循環量に相当する物理量に基づいて、前記高圧側電動弁１１及び低圧側電動弁１２の開度を制御する。

上記構成によれば、圧力差に相当する物理量及び冷媒循環量に相当する物理量の双方に基づいて前記高圧側電動弁１１及び低圧側電動弁１２の開度を制御することで、中間期など、部分負荷条件や冷却水温度が低下した場合にも、凝縮器３から中間冷却器４、あるいは中間冷却器４から蒸発器２への冷媒蒸気の吹き抜けがなく、必要充分な液冷媒を循環させて、安定した効率の高い運転を行うことができる。

また、前記制御部２０は、前記高圧側電動弁１１及び低圧側電動弁１２の開度を同期させて制御する。このように、高圧側電動弁１１及び低圧側電動弁１２の開度を同期させて制御することにより、高圧側及び低圧側の圧力バランスが不安定になることがなく、安定した効率の高い運転を行うことができる。

また、前記冷凍サイクルの高圧側及び低圧側の圧力差に相当する物理量は、蒸発器２を流通する冷水の出口温度と凝縮器３を流通する冷却水の入口温度との温度差に基づいて決定される。

また、前記冷凍サイクルの冷媒循環量に相当する物理量は、蒸発器２を流通する冷水の入口温度と出口温度との温度差に基づいて決定される。ここで、冷水の出口温度としては、温度センサー等によって検出された冷水出口温度を用いるものであってもよく、冷水出口温度の目標温度を用いるものであってもよい。

前記制御部２０は、前記冷凍サイクルの高圧側及び低圧側の圧力差に相当する物理量及び冷凍サイクルの冷媒循環量に相当する物理量に対応させて予め決定された開度に基づいて、前記高圧側電動弁１１及び低圧側電動弁１２を制御する。

そして、このターボ冷凍機は、前記凝縮器３から中間冷却器４に冷媒液を送る配管には前記高圧側電動弁１１と並列に固定絞り流路を設け、前記中間冷却器４から蒸発器２に冷媒液を送る配管には前記低圧側電動弁１２と並列に固定絞り流路を設けている。

以下に、実施例１を図１を用いて説明する。

図１は、本発明におけるターボ冷凍機の構成を示したものである。ターボ冷凍機は、圧縮機１，蒸発器２，凝縮器３，中間冷却器４を配管で接続して冷凍サイクルを構成している。圧縮機１は多段に構成されており複数段の羽根車を備えている。また、圧縮機１は、インバータにより回転数制御される圧縮機である。

圧縮機１で圧縮された冷媒蒸気は凝縮器３に送られて、凝縮器３内を流れる冷却水に冷却されて凝縮液化する。液化した冷媒液は凝縮器３と中間冷却器４を結ぶ配管の途中に設けられた高圧側電動弁１１を通って減圧し、中間冷却器４に送られる。中間冷却器４に送られて冷媒液は減圧により一部が自己蒸発して残りの冷媒液の温度が低下する。温度が低下した冷媒液は中間冷却器４と蒸発器２を結ぶ配管の途中に設けられた低圧側電動弁１２を通って減圧し、蒸発器２に送られる。蒸発器２に送られた冷媒液は蒸発器２内を流れる冷水に加熱されて蒸発し、冷媒蒸気となって圧縮機１に送られる。冷媒液を加熱した冷水は温度が低下した冷水となって外部に供給される。圧縮機１に送られた冷媒蒸気は多段の羽根車により圧縮されて、高温高圧の冷媒蒸気となる。

また、中間冷却器４で自己蒸発した冷媒蒸気は、中間冷却器４と圧縮機１を結ぶ配管の途中に設けられた電動弁１３を通って圧縮機１の２段目以降の羽根車の入口に送られ、１段目の羽根車で圧縮された蒸発器２からの冷媒蒸気と合流して２段目以降の羽根車に圧縮されて高温高圧の冷媒蒸気となり、凝縮器３に送られる。以上のようにして、冷凍サイクルが完結する。

蒸発器２の冷水配管には冷水出口温度を計測する温度センサー２１および冷水入口温度を計測する温度センサー２２が設けられており、凝縮器３の冷却水配管には冷却水入口温度を計測する温度センサー２３が設けられている。前記温度センサー２１，２２，２３の信号を入力して、これらの信号を基に、前記高圧側電動弁１１および前記低圧側電動弁１２の開度をそれぞれ制御する制御部２０が設けられている。制御部２０はまた、前記温度センサー２１，２２，２３の信号を基に、中間冷却器４と圧縮機１を結ぶ配管の途中に設けた電動弁１３の開閉および圧縮機１の回転数制御を行う。

制御部２０は、冷水出口温度の目標値を外部から入力されて保持しており、冷水入口温度を計測する温度センサー２２の信号から求めた冷水入口温度と前記冷水出口温度の目標値との差からターボ冷凍機の必要冷凍容量を演算し、冷却水入口温度を計測する温度センサー２３および冷水出口温度を計測する温度センサー２１の信号から求めた冷却水入口温度と冷水出口温度の差からターボ冷凍機の汲み上げ温度差を演算する。

また制御部２０は、前記必要冷凍容量および前記汲み上げ温度差の値に応じて、前記凝縮器３と前記中間冷却器４を結ぶ配管に設けた前記高圧側電動弁１１と前記中間冷却器４と前記蒸発器２を結ぶ配管に設けた前記低圧側電動弁１２のそれぞれの開度を段階的に変化させるデータマップ（表１参照）を保持しており、このデータマップに従って前記高圧側電動弁１１および前記低圧側電動弁１２の開度を制御する。表１の流量が冷凍容量に対応し、圧力差が汲み上げ温度差に対応する。

なお、表１はデータマップを模式的に示したものであり、各領域を区切る圧力差の値および流量の値は一定値に固定されているものではなく、それぞれ隣り合う領域毎に異なっていたり、圧力差や流量の関数になっていたりする場合もある。

表１に示すデータマップは、圧縮機１がインバータ制御される領域のうち、必要冷凍容量が大きく、汲み上げ温度差が小さい領域では大きい開度、必要冷凍容量が小さく、汲み上げ温度差が大きい領域では小さい開度となるように設定されている。

このデータマップに従って、インバータ制御される領域のうち必要冷凍容量が大きい、すなわち冷媒循環量が多く、汲み上げ温度差が小さい、すなわち凝縮器３と中間冷却器４の間の圧力差および中間冷却器４と蒸発器２の間の圧力差が小さい領域（具体的には、流量４且つ圧力差小の領域）では、高圧側電動弁１１および低圧側電動弁１２の開度が大きく制御され、必要な冷媒循環量を確保するとともに、冷媒蒸気の吹き抜けをなくして性能の低下を防止することができる。

一方、必要冷凍容量が小さい、すなわち冷媒循環量が小さく、汲み上げ温度差が大きい、すなわち凝縮器３と中間冷却器４の間の圧力差および中間冷却器４と蒸発器２の間の圧力差が大きい領域（具体的には、流量３且つ圧力差大の領域）では、高圧側電動弁１１および低圧側電動弁１２の開度が小さく制御され、冷媒蒸気の吹き抜けをなくして性能の低下を防止するとともに必要な冷媒循環量を確保してサイクルを成立させることができる。

そして、中間期など、部分負荷条件や冷却水温度が低下した場合のように、冷媒循環量が小さく且つ圧力差が小さい領域（具体的には、流量３且つ圧力差小の領域）では、高圧側電動弁１１および低圧側電動弁１２の開度は、冷媒循環量が小さく且つ圧力差が大きい領域（具体的には、流量３且つ圧力差大の領域）における開度よりは大きく、一方、冷媒循環量が大きく且つ圧力差が小さい領域（具体的には、流量４且つ圧力差小の領域）における開度よりは小さく制御される。

また、制御部２０は冷水出口温度の目標値と冷水入口温度を測定するための温度センサー２２の信号から求めた冷水入口温度との差を基に、圧縮機１の回転数を制御して圧縮冷媒量を調整する。さらに制御部２０は、必要冷凍能力が極端に小さい場合には中間冷却器４と圧縮機１を結ぶ配管の途中に設けた電動弁１３を閉とするように制御する。

また、表１に示すように、冷凍能力（冷媒流量）が小さい領域では、インバータ制御に加えて圧縮機入口のインレットガイドベーンを絞る制御が行われる。この場合には、中間冷却器４からのミストアップを防止するために低圧側電動弁１２の開度を大きく制御し、高圧側電動弁１１の開度も大きくする。

また、高圧側電動弁１１及び低圧側電動弁１２の開度は、同期させて制御される。なお、高圧側電動弁１１及び低圧側電動弁１２の開度を同期させて制御する場合には、高圧側電動弁１１及び低圧側電動弁１２の開度を同時に変更する場合の他、所定の時間間隔を置いて高圧側電動弁１１及び低圧側電動弁１２を制御するものであってもよい。即ち、高圧側電動弁１１及び低圧側電動弁１２のうち何れか一方の開度が変更された場合に、それに連動して他方の開度が変更されるものであればよい。

上記のように構成した本実施例においては、部分負荷条件や冷却水温度が低下した場合にも、凝縮器３から中間冷却器４、あるいは中間冷却器４から蒸発器２への冷媒蒸気の吹き抜けがなく、中間冷却器４から圧縮機１へのミストアップも発生せず、必要充分な液冷媒を循環させて、安定した効率の高い運転を行うことができる。

また本実施例においては、冷水出口温度の目標値と冷水出口温度を計測する温度センサー２１の信号から求めた冷水出口温度との差に応じて、圧縮機１の回転数を制御するようにしているが、圧縮機１の各段羽根車の入口部にインレットガイドベーンを設けてこのインレットガイドベーンの角度を変化させることにより、冷媒蒸気の流れを調整して圧縮機１の冷媒流量および圧縮比を制御するようにしても良い。このように構成した場合には、圧縮機１を駆動するモーターの回転数を制御するインバータ制御装置が不要となり、コスト削減できるというメリットがある。

次に、実施例２を図２を用いて説明する。

図２は、本発明におけるターボ冷凍機の構成を示したものである。図１の実施例と異なる点は、凝縮器３と中間冷却器４を結ぶ配管に設けた高圧側電動弁１１と並列に固定絞り１４を有する配管を儲け、中間冷却器４と蒸発器２を結ぶ配管に設けた低圧側電動弁１２と並列に固定絞り１５を有する配管を設けた点である。その他の構成は図１の実施例と同様である。

上記のように構成した本実施例においては、高圧側電動弁１１及び低圧側電動弁１２と並列に固定絞り１４，１５を設けているので、高圧側電動弁１１及び低圧側電動弁１２のサイズを小さくして、コストダウンを測ることができる。また、固定絞り１４，１５は、常時冷媒が循環可能であるため、高圧側電動弁１１及び低圧側電動弁１２の故障時であっても、小さな冷凍能力ではあるが、ターボ冷凍機を運転させることができる。

なお、本発明に係るターボ冷凍機は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

例えば、冷水出口温度として、温度センサーによって検出された冷水出口温度を用いるものであってもよく、冷水出口温度の目標温度を用いるものであってもよい。また、冷却水をクーリングタワーを用いて冷却する場合には、冷却水入口温度の代わりに、外気温度を用いるものであってもよい。

また、高圧側及び低圧側の圧力差に相当する物理量は、温度センサーを用いて圧力差を間接的に検知するものに限定されず、圧力センサーを用いて直接的に検知するものであってもよい。

また、本発明は、高圧側電動弁１１及び低圧側電動弁１２の開度を同期させて制御するという観点からは、「圧力差に相当する物理量及び冷媒循環量に相当する物理量に基づいて高圧側電動弁１１及び低圧側電動弁１２の開度を制御すること」は必須の要件ではない。例えば、中間冷却器４に液面センサーを設けて、液面センサーによって中間冷却器４の液面高さを検知し、中間冷却器４の液面高さに応じて高圧側電動弁１１及び低圧側電動弁１２の開度を同期させて制御することにより、冷媒蒸気の吹き抜けを防止するものであってもよい。

本実施形態に係るターボ冷凍機によれば、中間期など、部分負荷条件や冷却水温度が低下した場合にも、凝縮器から中間冷却器、あるいは中間冷却器から蒸発器への冷媒蒸気の吹き抜けを好適に防止しつつ、必要充分な液冷媒を循環させて、安定した効率の高い運転を行うことができる。

また、蒸発器に流通する冷水の入口温度および出口温度を計測する温度センサーと、凝縮器に流通する冷却水の入口温度を計測する温度センサーを設け、これらの温度を基に凝縮器から中間冷却器に冷媒液を送る配管に設けた高圧側電動弁の開度と中間冷却器から蒸発器に冷媒液を送る配管に設けた低圧側電動弁の開度を制御する制御装置を備えた構成としているので、部分負荷条件や冷却水温度が低下した場合にも、凝縮器から中間冷却器、あるいは中間冷却器から蒸発器への冷媒蒸気の吹き抜けがなく、中間冷却器から圧縮機へのミストアップも発生せず、必要充分な液冷媒を循環させて、安定した効率の高い運転を行うことができる。

また、本実施形態に係るターボ冷凍機によれば、冷水出口温度の目標値および冷水入口温度，冷水出口温度，冷却水入口温度の測定値から、必要冷凍容量と汲み上げ温度差を演算し、これらの演算結果を基に、凝縮器から中間冷却器に冷媒液を送る配管に設けた高圧側電動弁の開度と、中間冷却器から蒸発器へ冷媒液を送る配管に設けた低圧側電動弁の開度を、段階的に変化させるデータマップに従って制御するので、部分負荷条件や冷却水温度が低下した場合にも、凝縮器から中間冷却器、あるいは中間冷却器から蒸発器への冷媒蒸気の吹き抜けがなく、中間冷却器から圧縮機へのミストアップも発生せず、必要充分な液冷媒を循環させて、安定した効率の高い運転を行うことができる。

また、本実施形態に係るターボ冷凍機によれば、凝縮器から中間冷却器に冷媒液を送る配管に設けた高圧側電動弁と並列に固定絞り流路を設け、中間冷却器から蒸発器に冷媒液を送る配管に設けた低圧側電動弁と並列に固定絞り流路を設けているので、各電動弁のサイズを小さくすることができ、コストダウンを図ることができる。

１ 圧縮機
２ 蒸発器
３ 凝縮器
４ 中間冷却器
１１ 高圧側電動弁
１２ 低圧側電動弁
１３ 電動弁
１４，１５ 固定絞り
２０ 制御部
２１，２２，２３ 温度センサー

Claims (5)

1. 圧縮機，蒸発器，凝縮器，中間冷却器を順次接続して構成される冷凍サイクルを備え、
   凝縮器で凝縮した冷媒液を中間冷却器に送る配管に設けられる高圧側電動弁と、
   中間冷却器において冷媒が減圧沸騰することにより冷却された冷媒液を蒸発器に送る配管に設けられる低圧側電動弁と、
   前記高圧側電動弁及び低圧側電動弁の開度を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記冷凍サイクルの高圧側及び低圧側の圧力差に相当する物理量及び冷凍サイクルの冷媒循環量に相当する物理量に基づいて、前記高圧側電動弁及び低圧側電動弁の開度を制御することを特徴とするターボ冷凍機。
2. 前記制御部は、前記高圧側電動弁及び低圧側電動弁の開度を同期させて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。
3. 前記冷凍サイクルの高圧側及び低圧側の圧力差に相当する物理量は、蒸発器を流通する冷水の出口温度と凝縮器を流通する冷却水の入口温度との温度差に基づいて決定されることを特徴とする請求項１に記載のターボ冷凍機。
4. 前記冷凍サイクルの冷媒循環量に相当する物理量は、蒸発器を流通する冷水の入口温度と出口温度との温度差に基づいて決定されることを特徴とする請求項１に記載のターボ冷凍機。
5. 前記制御部は、前記冷凍サイクルの高圧側及び低圧側の圧力差に相当する物理量及び冷凍サイクルの冷媒循環量に相当する物理量に対応させて予め決定された開度に基づいて、前記高圧側電動弁及び低圧側電動弁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。

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