JP6105972B2 - ターボ冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ冷凍機に係り、特にターボ圧縮機を駆動する電動機に冷凍サイクルから冷媒の一部を導いて電動機を冷却する方式の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。

ターボ冷凍機に用いられているターボ圧縮機は、電動機が圧縮機とともに分割型のケーシングに密閉状態で収容されている半密閉型圧縮機を採用する場合が多い。この半密閉型圧縮機においては、電動機の損失により生じた発熱を、冷凍サイクル中の凝縮冷媒（液冷媒）を電動機内部に導入して冷媒の蒸発潜熱を利用して冷却する場合が多い。

エコノマイザを備えて多段圧縮エコノマイザサイクルを採用しているターボ冷凍機の場合、凝縮器から電動機に凝縮冷媒（冷媒液）を供給すると、凝縮冷媒は電動機発熱分を冷却した後に、冷媒液と冷媒ガスの二相流となって蒸発器に戻ることになる。この場合、冷媒液は電動機の冷却には寄与せず、冷却には余剰とされる冷媒液であり、この冷媒液がエコノマイザを通過することなく蒸発器に戻されるため、エコノマイザ効果を発揮することができずに冷凍効果が低減してしまう。

図４は、過剰に電動機に供給された冷媒液が蒸発器に戻った場合のエコノマイザ効果低減分を示すモリエル線図である。図４に示すように、過剰に電動機に供給された液冷媒が蒸発器に戻った場合には、エコノマイザによる冷凍効果は、図４の斜線部分で示す分だけ失われることになり、冷凍能力が低下してしまう。

特開昭５７−９５１５２号公報

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、ターボ圧縮機を駆動する電動機の冷却用冷媒としてエコノマイザから冷媒を電動機に供給することにより、エコノマイザ効果の低減を抑制もしくはゼロにすることが可能となり、冷凍機の効率改善を図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。

上述の目的を達成するため、本発明のターボ冷凍機は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と、冷媒を多段の羽根車によって圧縮する多段ターボ圧縮機と、前記多段ターボ圧縮機を駆動する電動機と、圧縮された冷媒ガスを冷却流体で冷却して凝縮させる凝縮器と、凝縮した冷媒液の一部を蒸発させて蒸発した冷媒ガスを前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分に供給する中間冷却器であるエコノマイザとを備えたターボ冷凍機において、エコノマイザから前記電動機に冷媒を供給する第１の冷媒供給配管と、前記第１の冷媒供給配管に接続された第１の制御弁と、凝縮器から前記電動機に冷媒を供給する第２の冷媒供給配管と、前記第２の冷媒供給配管に接続された第２の制御弁と、前記エコノマイザと前記蒸発器との差圧に基づいて、前記第１の制御弁と第２の制御弁とを制御することにより、前記エコノマイザから前記電動機への冷媒供給と前記凝縮器から前記電動機への冷媒供給との切替えを行う制御装置とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、エコノマイザで分離された冷媒ガスが多段ターボ圧縮機の多段の圧縮段の中間部分に導入されるエコノマイザサイクルを構築できるため、エコノマイザ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て高効率化を図ることができる。そして、エコノマイザと蒸発器の差圧が大きい場合には、中間圧力であるエコノマイザから電動機の冷却用の冷媒を供給することにより、エコノマイザ効果の低減をゼロにすることが可能となり、冷凍機の性能低下や効率低下を防ぐことができる。
本発明によれば、エコノマイザと蒸発器の差圧が小さい場合には、凝縮器から電動機の冷却用の冷媒を供給することができる。

本発明の好ましい態様によれば、前記エコノマイザの圧力を測定する圧力センサと前記蒸発器の圧力を測定する圧力センサとを備え、前記制御装置は、前記二つの圧力センサの測定信号から前記エコノマイザと前記蒸発器との差圧を求めることを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記エコノマイザと前記蒸発器の差圧が所定値以上の場合、前記エコノマイザから前記電動機に冷媒を供給することを特徴とする。
本発明によれば、エコノマイザと蒸発器の差圧が所定値以上であるときは、その差圧で電動機を冷却するための冷却冷媒の輸送を行う。所定値は、配管圧力損失から算出される値である。すなわち、所定値はエコノマイザから蒸発器までの配管圧力損失分を考慮した値であって、この配管圧力損失分にマージンの圧力分、例えば、冷媒Ｒ１３４ａの場合、２０ｋＰａ〜３０ｋＰａを加えた値である。

本発明の好ましい態様によれば、前記エコノマイザと前記蒸発器の差圧が所定値未満の場合、前記凝縮器から前記電動機に冷媒を供給することを特徴とする。
本発明によれば、エコノマイザと蒸発器の差圧が所定値未満である場合には、凝縮器と蒸発器の差圧を用いて電動機を冷却するための冷却冷媒の輸送を行う。

本発明の好ましい態様によれば、前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分における羽根車の吸込風量を制御するベーンを設けたことを特徴とする。
本発明によれば、ベーンにより多段圧縮段の中間部分における羽根車の吸込風量を絞ることができるため、低ヘッド時のエコノマイザ圧力の極端な低下を防ぐことができる。そのため、エコノマイザ圧力と蒸発圧力との間に充分な圧力差を確保することが可能となり、エコノマイザから電動機への安定した冷却冷媒の供給が可能になる。

本発明によれば、ターボ圧縮機を駆動する電動機の冷却用冷媒としてエコノマイザから冷媒を電動機に供給することにより、エコノマイザ効果の低減を抑制もしくはゼロにすることが可能となり、冷凍機の効率改善を図ることができる。

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２は、冷却水温度が低い低ヘッド時にエコノマイザ圧力と蒸発圧力の圧力差が小さい場合のモリエル線図である。 図３は、冷却水温度が低い低ヘッド時に吸込ベーンを用いて二段目羽根車の吸込風量を絞り込むことにより、エコノマイザ圧力と蒸発圧力の圧力差を大きくした場合のモリエル線図である。 図４は、過剰に電動機に供給された冷媒液が蒸発器に戻った場合のエコノマイザ効果低減分を示すモリエル線図である。

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３を参照して説明する。図１乃至図３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、電動機１１によって駆動されるようになっている。ターボ圧縮機１は、電動機１１が圧縮機とともに分割型のケーシングに密閉状態で収容されている半密閉型ターボ圧縮機である。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（この例では一段目と二段目の間の部分）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からの熱量および電動機１１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。

図１に示すように、エコノマイザ４と蒸発器３とを接続する冷媒配管５から分岐して、冷媒をエコノマイザ４から電動機１１に導く冷媒供給配管５ＢＰ１が設置されている。冷媒供給配管５ＢＰ１は電動機１１のケーシング１１ｃに接続されており、冷媒が電動機１１のケーシング１１ｃ内に導入されるようになっている。そして、エコノマイザ４と電動機１１とを接続する冷媒供給配管５ＢＰ１には、電動式の制御弁１２が設けられており、制御弁１２の開度を制御することによりエコノマイザ４から電動機１１に供給される冷媒の流量が制御できるようになっている。制御弁１２は制御装置１０に接続されている。

電動機１１へ冷却冷媒を供給する駆動力は、エコノマイザ４と蒸発器３の圧力差である。冷却水温度が低い低ヘッド時には、エコノマイザ４と蒸発器３の圧力差が小さくなる。
図２は、冷却水温度が低い低ヘッド時の場合のモリエル線図である。図２に示すように、エコノマイザ圧力と蒸発圧力の圧力差が小さいと、冷却冷媒を供給する駆動力が低下して、電動機１１への冷却冷媒の供給が困難となり、エコノマイザ４から冷却冷媒を供給することができなくなる。

そこで、本発明では、図１に示すように、二段目圧縮機における二段目羽根車の吸込風量を制御する吸込ベーンＳＶを設けている。吸込ベーンＳＶは放射状に配置されており、各吸込ベーンＳＶが自身の軸心を中心として互いに同期して所定の角度だけ回転することにより、吸込ベーンＳＶの開度が変更される。このように、吸込ベーンＳＶの開度を変更することにより、二段目圧縮機における二段目羽根車の吸込風量を制御することができ、低ヘッド時に二段目羽根車の吸込風量を絞ることにより低ヘッド時のエコノマイザ圧力の極端な低下を防ぐことができる。そのため、エコノマイザ圧力と蒸発圧力との間に充分な圧力差を確保することが可能となり、エコノマイザ４から電動機１１への安定した冷却冷媒の供給が可能になる。

図３は、冷却水温度が低い低ヘッド時に吸込ベーンＳＶを用いて二段目羽根車の吸込風量を絞り込むことにより、エコノマイザ圧力と蒸発圧力の圧力差を大きくした場合のモリエル線図である。図３に示すように、エコノマイザ圧力と蒸発圧力の圧力差を大きくすることにより、エコノマイザ４から電動機１１への安定した冷却冷媒の供給が可能になる。

図１に示すように、凝縮器２とエコノマイザ４とを接続する冷媒配管５から分岐して、冷媒を凝縮器２から電動機１１に導く冷媒供給配管５ＢＰ２が設置されている。冷媒供給配管５ＢＰ２は冷媒供給配管５ＢＰ１に接続されている。冷媒供給配管５ＢＰ２には、電動式の制御弁１３が設けられており、制御弁１３の開度を制御することにより凝縮器２から電動機１１に供給される冷媒の流量が制御できるようになっている。制御弁１３は制御装置１０に接続されている。図１に示すように、電動機１１への冷却冷媒は、エコノマイザ４と凝縮器２の両方から取り出せるように、冷媒供給配管５ＢＰ１，５ＢＰ２と電動式の制御弁１２，１３とを設けている。

図１に示すように、蒸発器３およびエコノマイザ４には、それぞれ圧力センサＰｅ，Ｐｅｃｏが設置されている。すなわち、圧力センサＰｅにより蒸発器３内の圧力を測定し、圧力センサＰｅｃｏによりエコノマイザ４の圧力を測定するようになっている。圧力センサＰｅおよび圧力センサＰｅｃｏは、それぞれ制御装置１０に接続されている。これにより、制御装置１０において、エコノマイザ４の圧力と蒸発器３の圧力の比較を常時行うことができるようになっている。

次に、図１に示すように構成されたターボ冷凍機の作用を説明する。
ターボ冷凍機の稼働中に圧力センサＰｅにより蒸発器３の圧力を測定するとともに圧力センサＰｅｃｏによりエコノマイザ４の圧力を測定する。これら測定信号は制御装置１０に逐次送られる。制御装置１０は、エコノマイザ４の圧力（Ｐｅｃｏ）と蒸発器３の圧力（Ｐｅ）とを比較して以下の制御を行う。
１）Ｐｅｃｏ≧Ｐｅ＋αとなる場合には、制御弁１２を開き、制御弁１３を閉じることにより、冷却冷媒をエコノマイザ４から電動機１１に供給する。
２）Ｐｅｃｏ＜Ｐｅ＋αとなる場合には、制御弁１２を閉じ、制御弁１３を開くことにより、冷却冷媒を凝縮器２から電動機１１に供給する。
１）および２）において、α（所定値）は、配管圧力損失から算出される値にマージンの圧力分を加えた値である。

本発明においては、エコノマイザ４と蒸発器３の差圧が所定値以上であるときは、その差圧で電動機１１を冷却するための冷却冷媒の輸送を行う。本発明によれば、エコノマイザ４と蒸発器３の差圧を用いて電動機１１を冷却するための冷却冷媒の輸送を行うため、冷却冷媒を輸送するための駆動力（ドライビングフォース）を小さくすることができる。したがって、電動機１１を冷却する冷媒の冷媒量が過剰になることを防止できる。エコノマイザ４と蒸発器３の差圧を確保するために、ターボ冷凍機１の二段目羽根車の吸込風量を制御するベーンＳＶを設けている。
エコノマイザ４と蒸発器３の差圧が所定値未満である場合には、凝縮器２と蒸発器３の差圧を用いて電動機１１を冷却するための冷却冷媒の輸送を行う。

図１に示す実施形態においては、蒸発器３およびエコノマイザ４に、それぞれ圧力センサＰｅ，Ｐｅｃｏを設置したが、圧力センサに代えて、蒸発器３およびエコノマイザ４に、それぞれ温度センサを設置してもよい。すなわち、エコノマイザ温度と蒸発温度とを測定し、エコノマイザ温度からエコノマイザ４の圧力を推算し、蒸発温度から蒸発器３の圧力を推算すれば、上記１）および２）と同様の制御を行うことができる。

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
５ＢＰ１，５ＢＰ２ 冷媒供給配管
６ 電動式の制御弁
８ 流路
１０ 制御装置
１１ 電動機
１１ｃ ケーシング
１２，１３ 制御弁
Ｐｅ，Ｐｅｃｏ 圧力センサ

Claims (5)

1. 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と、冷媒を多段の羽根車によって圧縮する多段ターボ圧縮機と、前記多段ターボ圧縮機を駆動する電動機と、圧縮された冷媒ガスを冷却流体で冷却して凝縮させる凝縮器と、凝縮した冷媒液の一部を蒸発させて蒸発した冷媒ガスを前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分に供給する中間冷却器であるエコノマイザとを備えたターボ冷凍機において、
   エコノマイザから前記電動機に冷媒を供給する第１の冷媒供給配管と、
   前記第１の冷媒供給配管に接続された第１の制御弁と、
   凝縮器から前記電動機に冷媒を供給する第２の冷媒供給配管と、
   前記第２の冷媒供給配管に接続された第２の制御弁と、
   前記エコノマイザと前記蒸発器との差圧に基づいて、前記第１の制御弁と第２の制御弁とを制御することにより、前記エコノマイザから前記電動機への冷媒供給と前記凝縮器から前記電動機への冷媒供給との切替えを行う制御装置とを備えたことを特徴とするターボ冷凍機。
2. 前記エコノマイザの圧力を測定する圧力センサと前記蒸発器の圧力を測定する圧力センサとを備え、前記制御装置は、前記二つの圧力センサの測定信号から前記エコノマイザと前記蒸発器との差圧を求めることを特徴とする請求項１に記載のターボ冷凍機。
3. 前記エコノマイザと前記蒸発器の差圧が所定値以上の場合、前記エコノマイザから前記電動機に冷媒を供給することを特徴とする請求項１に記載のターボ冷凍機。
4. 前記エコノマイザと前記蒸発器の差圧が所定値未満の場合、前記凝縮器から前記電動機に冷媒を供給することを特徴とする請求項１に記載のターボ冷凍機。
5. 前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分における羽根車の吸込風量を制御するベーンを設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のターボ冷凍機。

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