JP6340213B2 - ターボ冷凍機 - Google Patents
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Description
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、サブクーラー側から電動機の冷却用の冷媒を供給することができる。
本発明の実施形態によれば、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、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、前記凝縮器で凝縮した冷媒を過冷却するサブクーラーと、前記サブクーラー側から分岐した配管であって、サブクーラー側から前記電動機に冷媒を供給する冷媒供給配管とを備え、前記サブクーラーによって過冷却された冷媒により前記電動機を冷却するようにし、前記ターボ冷凍機は、さらに、前記冷媒供給配管に設置され、該冷媒供給配管を流れる冷媒流量を制御する制御弁と、前記電動機の定格電流比と線形関係にあって高い相関のあるステータコア温度を測定する温度測定手段と、前記制御弁の開度を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、予め求めておいたステータコア温度と制御弁の開度との関係に基づいて前記温度測定手段により測定された前記電動機のステータコア温度から前記制御弁の開度を決定し、この決定された開度に制御弁を制御することにより前記電動機に供給される冷媒流量を制御する。
また、上記実施形態によれば、サブクーラーの出口の過冷却冷媒液を電動機の冷却材として使用しているため、サブクーラーからの冷媒液は既に飽和温度以下に過冷却されているので、配管の圧力損失によるフラッシュのリスクが低くなり、安定した電動機の冷却機能を確保することが可能となる。
上記実施形態によれば、ターボ冷凍機の稼働中に、ターボ圧縮機を駆動する電動機の内部温度を測定し、測定信号は制御装置に逐次送られる。制御装置では、測定した電動機の内部温度に基づいて制御弁の開度を制御し、サブクーラー側から冷媒供給配管を介して電動機に供給される凝縮冷媒の流量を制御する。このようにして、電動機に供給される凝縮冷媒の冷媒量を電動機の発熱量に見合うように最適化することにより、電動機の冷却を過不足なく適正に行うことができる。電動機の冷却を終えたガス冷媒は、返送配管を介して蒸発器に返送される。
上記実施形態によれば、蒸発器を流れる冷水流量が変流量の場合には、流量計測手段で計測して冷水流量を得る。
上記実施形態によれば、蒸発器の冷水入口配管と冷水出口配管との間に差圧計を設けて蒸発器で生ずる冷水圧力損失を計測し、蒸発器の冷水圧力損失から蒸発器を流れる冷水流量を演算する。
上記実施形態によれば、凝縮器を流れる冷却水流量が変流量の場合には、流量計測手段で計測して冷却水流量を得る。
上記実施形態によれば、凝縮器の冷却水入口配管と冷却水出口配管との間に差圧計を設けて凝縮器で生ずる冷却水圧力損失を計測し、凝縮器の冷却水圧力損失から凝縮器を流れる冷却水流量を演算する。
上記実施形態によれば、電動式の制御弁の取付位置は、冷媒供給配管において電動機側に可能な限り近い方がよい。これは、制御弁が絞り機構となるので、その二次側で液冷媒がフラッシュして冷媒の二相流となり、冷媒の流れが阻害される恐れがあるためである。
本発明の好ましい態様は、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、サブクーラー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。
(1)ターボ圧縮機を駆動する電動機の冷却用冷媒としてサブクーラーの過冷却冷媒液を利用することにより、蒸発器でフラッシュして冷凍効果に寄与しない冷媒ガス量を低減することができるため、圧縮機の余剰動力を削減し、冷凍機の効率低下を回避できる。また、サブクーラーからの冷媒液は既に飽和温度以下に過冷却されているので、配管の圧力損失によるフラッシュのリスクが低くなり、電動機の冷却冷媒配管でのフラッシュ回避による安定した電動機の冷却機能を確保できる。
(2)ターボ圧縮機を駆動する電動機の冷却用冷媒として冷凍サイクルから電動機に供給される冷媒の冷媒量を最適化することにより、電動機の冷却を過不足なく適正に行うことができ、冷凍機の効率低下を防止することができる。
(3)エコノマイザを備えたエコノマイザサイクルにおいて、電動機の冷却のために供給される液冷媒が過剰になることはなく、したがって液冷媒が蒸発器に戻ってしまうような事態は生じない。よって、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第1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。
また、以下に示す第3の実施形態から第6の実施形態に係るターボ冷凍機においても内蔵型のサブクーラーと外置サブクーラーの両方のタイプのサブクーラーを使用することができるが、内蔵型のサブクーラーを使用した場合のみを図示する。
すなわち、サブクーラーSCで過冷却された冷媒液を電動機11の冷却に利用した後、蒸発器3に戻った冷媒液はフラッシュして湿り蒸気となるが、凝縮器→電動機→蒸発器の冷却経路と比較して、乾き度(クオリティ)が低いため、蒸発器3でフラッシュして発生するガス量が減る。
過冷却冷媒液時のフラッシュガス量=(Δh1/Δh)×G
飽和冷媒液時のフラッシュガス量=(Δh2/Δh)×G
G:電動機への冷却冷媒供給量〔kg/s〕
このようにサブクーラーSCで過冷却された冷媒液を電動機11の冷却に利用する場合には、過冷却冷媒液時のフラッシュガス量が減少し、冷凍効果に寄与しない冷媒ガスを低減できるため、圧縮機の余剰動力を削減し、冷凍機の効率低下を回避できる。
しかし、本発明によれば、サブクーラーSCの出口の過冷却冷媒液を電動機11の冷却材として使用しているため、サブクーラーSCからの冷媒液は既に飽和温度以下に過冷却されているので、配管の圧力損失によるフラッシュのリスクが低くなり、安定した電動機の冷却機能を確保することが可能となる。
なお、図4に示すように、冷水入口配管と冷水出口配管との間に差圧計ΔPeを設けて蒸発器3で生ずる冷水圧力損失を計測し、蒸発器3の冷水圧力損失から蒸発器3を流れる冷水流量を推算し、推算した冷水流量に、冷水入口温度と冷水出口温度との温度差を乗算することにより冷凍能力Qeを算出してもよい。
ターボ冷凍機の稼働中に温度センサT1により冷水入口温度を測定するとともに温度センサT2により冷水出口温度を測定する。これら測定信号は制御装置10に逐次送られ、制御装置10において冷水出入口の温度差が演算される。制御装置10では、こうして得られた温度差と蒸発器3を流れる冷水流量とを乗算することにより冷凍能力Qeを算出する。このとき、冷水流量が定格流量(固定流量)の場合には、計測する必要はないが、冷水流量が変流量の場合には、流量センサFEで計測して冷水流量を得る。このようにして算出した冷凍能力Qeから電動機11を冷却するために必要な凝縮冷媒(液冷媒)の冷媒量が決まるので、電動式の制御弁12の開度を制御し、サブクーラーSCから冷媒供給配管5BPを介して電動機11に供給される凝縮冷媒の流量を制御する。
なお、図6に示すように、冷却水入口配管と冷却水出口配管との間に差圧計ΔPcを設けて凝縮器2で生ずる冷却水圧力損失を計測し、凝縮器2の冷却水圧力損失から凝縮器2を流れる冷却水流量を推算し、推算した冷却水流量に、冷却水入口温度と冷却水出口温度との温度差を乗算することにより冷却水冷却能力Qcを算出してもよい。
図7に示すように、凝縮器2の底部にあるサブクーラーSC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、冷媒をサブクーラーSCから電動機11に導く冷媒供給配管5BPが設置されている。冷媒供給配管5BPは電動機11のケーシング11cに接続されており、凝縮器2で凝縮した冷媒が電動機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、冷媒供給配管5BP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のケーシング11c内に導入された冷媒は、ケーシング11c内を流れる間に蒸発し、このときの蒸発潜熱を利用して電動機11の熱を奪い電動機11を冷却するようになっている。電動機11を冷却した後の冷媒ガスは、蒸発器3に戻るようになっている。電動式の制御弁12の取付位置は、冷媒供給配管5BPにおいて電動機側に可能な限り近い方がよい。これは、制御弁12が絞り機構となるので、その二次側で液冷媒がフラッシュして冷媒の二相流となり、冷媒の流れが阻害される恐れがあるためである。
ターボ冷凍機の稼働中に温度センサTにより電動機11の内部の温度を測定する。温度センサTの測定信号は制御装置10に逐次送られる。制御装置10は、温度センサTの測定信号に基づいて電動機内部が所定温度になるように電動式の制御弁12の開度を比例制御する。ここで、所定温度とは、電動機の仕様(絶縁等級にマージンを設けた温度)から決定される温度である。このように電動式の制御弁12の開度を比例制御することにより、冷凍機の運転条件(負荷)により決まる電動機発熱分を効率よく冷却するために必要な最小限の凝縮冷媒(液冷媒)の冷媒量を電動機11に供給することができる。したがって、電動機11の冷却を過不足なく適正に行うことができ、冷凍機の効率低下を防止することができる。
図8に示すように、ステータコア温度と定格電流比とは線形関係にあって高い相関を示すが、ステータコイルエンド温度と定格電流比とは相関が悪く、ばらつきがある。したがって、温度センサTをステータコア温度を測定できる位置に設置し、電動機の代表温度はステータコア温度またはステータコア近傍の温度とすることが好ましい。
図9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13は制御装置10に接続されている。
図10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10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。
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13を開き、制御弁14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13を閉じ、制御弁14を開くことにより、冷却冷媒をサブクーラーSC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。
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、サブクーラーSC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。
2 凝縮器
3 蒸発器
4 エコノマイザ
5 冷媒配管
5BP 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 制御弁
13 制御弁
14 制御弁
FC,FE 流量センサ
ΔPc,ΔPe 差圧計
T1,T2 温度センサ
SC サブクーラー
Claims (6)
- 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、
前記凝縮器で凝縮した冷媒を過冷却するサブクーラーと、
エコノマイザから前記電動機に冷媒を供給する冷媒供給配管と、
前記サブクーラー側から前記電動機に冷媒を供給する冷媒供給配管と、
前記エコノマイザから前記電動機への冷媒供給と前記サブクーラー側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。 - 前記制御装置は、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切替えを行うことを特徴とする請求項1に記載のターボ冷凍機。
- 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2に記載のターボ冷凍機。
- 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2に記載のターボ冷凍機。
- 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、前記サブクーラー側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2に記載のターボ冷凍機。
- 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5のいずれか一項に記載のターボ冷凍機。
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