CN103776187A - 涡轮制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种涡轮制冷机，将多个控制阀并联连接地设置在从冷凝器侧向蒸发器引导制冷剂的配管上，根据冷凝器与蒸发器的压差(或节能器与蒸发器的压差)而切换使用上述多个控制阀，由此能够精细地控制向蒸发器供给的制冷剂流量。该涡轮制冷机具有：使制冷剂从被冷却流体吸收热量而蒸发来发挥制冷效果的蒸发器；通过叶轮对制冷剂进行压缩的涡轮压缩机；和通过冷却流体冷却压缩的制冷剂气体而使其冷凝的冷凝器，还具有：Cv值不同的多个控制阀，其为设置在从冷凝器侧向蒸发器引导制冷剂的制冷剂配管上的并联连接的多个阀；和控制多个阀的控制装置，控制装置根据冷凝器侧与蒸发器的压差而进行Cv值不同的多个控制阀的切换控制。

Description

涡轮制冷机

技术领域

本发明涉及涡轮制冷机，尤其涉及在从冷凝器侧向蒸发器引导制冷剂的配管上设置有并联连接的多个控制阀的涡轮制冷机。

背景技术

以往，在制冷空调装置等中利用的涡轮制冷机由封入有制冷剂的封闭系统构成，并通过制冷剂配管将蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀机构连结起来而构成，其中，蒸发器使制冷剂从冷水(被冷却流体)吸收热量而蒸发来发挥制冷效果，压缩机对通过上述蒸发器而蒸发的制冷剂气体进行压缩而使其成为高压的制冷剂气体，冷凝器通过冷却水(冷却流体)对高压的制冷剂气体进行冷却而使其冷凝，膨胀机构对上述冷凝的制冷剂进行减压而使其膨胀。

以往，作为涡轮制冷机中的冷凝制冷剂的膨胀机构，利用固定开度的节流元件的情况较多，但是，当使用固定开度的节流元件时，在冷却水温度较低的中间期，冷凝器与蒸发器的压力差减小，制冷液难以从冷凝器返回到蒸发器。其结果为，制冷剂容易滞留在冷凝器中，从而存在蒸发器的制冷剂量不足而导致液面水平降低的情况。

因此，将电动阀单体、固定节流元件和电动阀、温度式膨胀阀和多个电磁阀等设置在从冷凝器侧向蒸发器引导制冷剂的制冷剂配管上。这些控制阀大多用于蒸发器的制冷剂液面控制。

但是，蒸发器的制冷剂液面控制会根据各个涡轮制冷机的蒸发器传热管种类和蒸发器形状等而受到影响，蒸发器的制冷剂液面控制未必与蒸发器的热交换效率的维持提高相关联。

对于作为控制阀来进行精细的制冷剂流量控制，电动阀单体、固定节流元件和电动阀、温度式膨胀阀和多个电磁阀等是不充分的，仍具有改善的余地。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3360362号公报

发明内容

本发明是鉴于上述情况而研发的，其目的在于提供一种涡轮制冷机，该涡轮制冷机将多个控制阀并联连接地设置在从冷凝器侧向蒸发器引导制冷剂的配管上，并根据冷凝器与蒸发器的压差(或节能器与蒸发器的压差)而切换使用上述多个控制阀，由此，能够精细地控制向蒸发器供给的制冷剂流量。

为了实现上述目的，本发明的涡轮制冷机具有：使制冷剂从被冷却流体吸收热量而蒸发来发挥制冷效果的蒸发器；通过叶轮对制冷剂进行压缩的涡轮压缩机；和通过冷却流体对压缩的制冷剂气体进行冷却而使其冷凝的冷凝器，该涡轮制冷机的特征在于，还具有：Cv值不同的多个控制阀，该多个控制阀为设置在从冷凝器侧向蒸发器引导制冷剂的制冷剂配管上的并联连接的多个阀；和控制上述多个控制阀的控制装置，上述控制装置根据冷凝器侧与蒸发器的压差而进行上述Cv值不同的多个控制阀的切换控制。

根据本发明，将多个控制阀并联连接地设置在从冷凝器侧向蒸发器引导制冷剂的配管上，并根据冷凝器与蒸发器的压差(或节能器与蒸发器的压差)而切换使用上述多个控制阀，由此，能够精细地控制向蒸发器供给的制冷剂流量。

本发明的优选方式的特征在于，上述涡轮压缩机由多级涡轮压缩机构成，涡轮制冷机具有向多级涡轮压缩机的多级压缩级的中间部分供给制冷剂气体的节能器，上述制冷剂配管为从节能器向蒸发器引导制冷剂的配管。

根据本发明，由于通过节能器而分离的制冷剂气体被导入到多级涡轮压缩机的多级压缩级的中间部分，所以增加了通过节能器而实现的制冷效果部分，因此，能够相应地增加制冷效果而实现高效化。

本发明的优选方式的特征在于，上述多个控制阀是阀的固有流量特性在从低开度到中开度的范围内呈等百分比的电动球阀或电动蝶阀。

为了进行自动控制，需要使本发明中的多个控制阀为电动阀，对于进行精细的制冷剂流量控制，阀的种类成为问题。闸门阀和球形阀的控制性较差，球阀和蝶阀的阀固有流量特性呈等百分比，因此，球阀和蝶阀最适于制冷剂流量控制。本发明通过以并联连接的方式使用Cv值不同的电动球阀和/或电动蝶阀，能够进行极其精细的制冷剂流量控制。

本发明的优选方式的特征在于，具有：测定与蒸发器内的制冷剂进行热交换的冷水的出口温度的机构；和测定蒸发器内的制冷剂温度的机构，上述控制装置通过上述多个控制阀来控制向蒸发器供给的制冷剂流量，以使被定义为冷水出口温度与蒸发器制冷剂温度的温度差的蒸发器LTD接近目标LTD。

根据本发明，测定与蒸发器内的制冷剂进行热交换的冷水的出口温度，并且测定蒸发器内的制冷剂温度，根据这些测定值得到被定义为冷水出口温度与蒸发器制冷剂温度的温度差的蒸发器LTD。然后，将所得到的蒸发器LTD与预先设定的目标LTD进行比较，为了使所得到的蒸发器LTD接近目标LTD，通过多个控制阀来控制向蒸发器供给的制冷剂流量。此时，根据冷凝器侧与蒸发器的压差而切换控制多个控制阀，由此，能够进行对蒸发器的精细的制冷剂流量控制，从而能够实现更高精度的LTD控制。

本发明的优选方式的特征在于，根据蒸发器内的压力求出上述蒸发器制冷剂温度。

蒸发器的制冷剂温度与蒸发器内的压力是相关联的，因此，通过测定蒸发器内的压力，能够求出蒸发器制冷剂温度。

本发明的优选方式的特征在于，在上述节能器上设有液面上限水平检测器，在节能器的制冷剂液面达到上限的情况下，向开启方向操作上述多个控制阀中的正在动作的控制阀的开度。

根据本发明，在节能器的液位达到上限的情况下，向开启方向操作上述并联连接的多个控制阀中的正在动作的控制阀的开度，由此，能够使节能器的液位下降。因此，能够将节能器的液位维持在上限液位以下，从而能够防止从节能器向多级涡轮压缩机的多级压缩级的中间部分携带制冷剂液滴。

本发明的优选方式的特征在于，在上述节能器上设有液面下限水平检测器，在节能器的制冷剂液面达到下限的情况下，向闭合方向操作上述多个控制阀中的正在动作的控制阀的开度。

根据本发明，在节能器的液位达到下限的情况下，向闭合方向控制上述并联连接的多个控制阀中的正在动作的控制阀的开度，由此，能够使节能器的液位上升。因此，能够将节能器的液位维持在所期望的液位。

发明效果

根据本发明，通过在从冷凝器侧向蒸发器引导制冷剂的配管上以并联连接的方式使用Cv值不同的多个控制阀，能够极其精细地控制向蒸发器供给的制冷剂流量。

另外，根据本发明，由于能够极其精细地控制向蒸发器供给的制冷剂流量，所以能够将蒸发器LTD高精度地向目标LTD控制，从而能够提高蒸发器的传热性能。

附图说明

图1是表示本发明的涡轮制冷机的一个实施方式的示意图。

图2是表示节能器(economizer)4与蒸发器3的压差(ΔP)、和根据压差(ΔP)而切换使用多个电动式控制阀的情况的图。

图3是表示通过实验而得到的制冷负荷率(％)与目标LTD(℃)的关系图。

附图标记说明

1  多级涡轮压缩机

2  冷凝器

3  蒸发器

4  节能器

5  制冷剂配管

6、6A、6B  电动式控制阀

10  控制装置

11  防雾装置

P1、P2  压力传感器

具体实施方式

以下，参照图1至图3说明本发明的涡轮制冷机的实施方式。在图1至图3中，对相同或相应的结构要素标注相同的附图标记并省略重复的说明。

图1是表示本发明的涡轮制冷机的一个实施方式的示意图。如图1所示，涡轮制冷机具有：对制冷剂进行压缩的多级涡轮压缩机1；通过冷却水(冷却流体)对压缩的制冷剂气体进行冷却而使其冷凝的冷凝器2；使制冷剂从冷水(被冷却流体)吸收热量而蒸发来发挥制冷效果的蒸发器3；和配置在冷凝器2与蒸发器3之间的作为中间冷却器的节能器4，该涡轮制冷机通过供制冷剂循环的制冷剂配管5将这些各设备连结起来而构成。

在图1所示的实施方式中，多级涡轮压缩机1由两级涡轮压缩机构成。多级涡轮压缩机1通过流路8而与节能器4连接，通过节能器4而分离的制冷剂气体被导入到多级涡轮压缩机1的多级压缩级(在本例中为两级)的中间部分(在本例中为第一级与第二级之间的部分)。

在如图1所示那样构成的涡轮制冷机的制冷循环中，制冷剂在多级涡轮压缩机1、冷凝器2、蒸发器3和节能器4内循环，通过在蒸发器3中得到的冷能源来制造冷水而应对负荷，并使引入到制冷循环内的来自蒸发器3的热量、以及从压缩机马达供给的与多级涡轮压缩机1的功率相当的热量，散放到向冷凝器2供给的冷却水中。另一方面，通过节能器4而分离的制冷剂气体被导入到多级涡轮压缩机1的多级压缩级的中间部分，与来自第一级压缩机的制冷剂气体合流并被第二级压缩机压缩。根据两级压缩单级节能器循环，增加了通过节能器4而实现的制冷效果部分，因此，制冷效果相应地增加，与没有设置节能器4的情况相比，能够实现制冷效果的高效化。

如图1所示，在将节能器4和蒸发器3连接起来的制冷剂配管5上，设有并联连接的多个电动式控制阀6A、6B、...，能够控制从节能器4返回到蒸发器3的制冷剂的流量。在图1中，示出设置有两个电动式控制阀6A、6B的例子。此外，在没有设置节能器4的类型的涡轮制冷机中，并联连接的多个电动式控制阀6A、6B设置在将冷凝器2和蒸发器3连接起来的制冷剂配管上，能够控制从冷凝器2返回到蒸发器3的制冷剂的流量。

图1所示的电动式控制阀6A、6B由使阀的固有流量特性在从低开度到中开度的范围内呈等百分比的电动球阀或电动蝶阀构成。而且，一方的控制阀6A为Cv值(流量系数)较小(较低)的球阀或蝶阀，另一方的控制阀6B为Cv值较大(较高)的球阀或蝶阀。在此，Cv值较小(较低)是指，Cv值处于5～100的范围，Cv值较大(较高)是指，Cv值处于100～1000的范围。另外，电动式控制阀只要为两个以上即可，阀的种类也可以是球阀和蝶阀的混合。

如图1所示，在节能器4上设置有测定节能器4内的压力的压力传感器P1，在蒸发器3上设置有测定蒸发器3内的压力的压力传感器P2。压力传感器P1及压力传感器P2分别与控制装置10连接。另外，电动式控制阀6A、6B与控制装置10连接。由此，能够在控制装置10中检测节能器4与蒸发器3的压差。另外，在节能器4上设置有检测制冷剂液面达到上限的情况的液面上限水平检测器LVH、和检测制冷剂液面达到下限的情况的液面下限水平检测器LVL。

如图1所示，在蒸发器3上设置有测定冷水出口温度的温度传感器Tbo、和测定蒸发器制冷剂温度的温度传感器Te。即，通过温度传感器Tbo测定与蒸发器3内的制冷剂进行热交换的冷水的出口温度，通过温度传感器Te测定蒸发器3内的制冷剂温度。温度传感器Tbo及温度传感器Te分别与控制装置10连接。由此，能够在控制装置10中运算冷水出口温度与蒸发器制冷剂温度的温度差即蒸发器LTD。

接下来，说明如图1所示那样构成的涡轮制冷机的作用。

在本发明中，在将节能器4和蒸发器3连接起来的制冷剂配管5上设置有并联连接的多个电动式控制阀6A、6B，根据节能器4与蒸发器3的压差而切换使用这些多个电动式控制阀6A、6B。

图2是表示节能器4与蒸发器3的压差(ΔP)、和根据压差(ΔP)而切换使用多个电动式控制阀的情况的图。即，通过压力传感器P1测定节能器4内的压力，并通过压力传感器P2测定蒸发器3内的压力。这些测定信号被依次发送到控制装置10，在控制装置10中检测节能器4与蒸发器3的压差(ΔP)。然后，由控制装置10根据节能器4与蒸发器3的压差(ΔP)来切换使用多个电动式控制阀6A、6B。即，如图2所示，在节能器4与蒸发器3的压差(ΔP)较小时，使用Cv值较高的阀，即，使用电动式控制阀6B，在节能器4与蒸发器3的压差(ΔP)较大时，使用Cv值较低的阀，即，使用电动式控制阀6A。此外，在节能器4与蒸发器3的压差(ΔP)为中间值的情况下，使用Cv值较高的阀和Cv值较低的阀双方。像这样，根据节能器4与蒸发器3的压差(ΔP)而切换使用Cv值不同的多个电动式控制阀6A、6B，由此，能够进行极其精细的制冷剂流量控制。

在本发明中，根据节能器4与蒸发器3的压差(ΔP)而进行多个电动式控制阀6A、6B的切换控制，与此同时测定蒸发器LTD(冷水出口温度与蒸发器制冷剂温度的温度差)，为了使蒸发器LTD接近目标LTD而控制电动式控制阀6A、6B的开度，从而控制从节能器4返回到蒸发器3的制冷剂的流量。

图3是表示通过实验而得到的制冷负荷率(％)与目标LTD(℃)的关系图。

目标LTD是指，在真实设备的蒸发器中进行理想传热时的LTD(＝冷水出口温度-蒸发器制冷剂温度)。目标LTD根据各制冷负荷而变化。通常，当制冷负荷减小时，目标LTD也减小。其原因在于，通常以100％制冷负荷进行蒸发器设计的情况较多，在成为部分制冷负荷时，与必要传热面积相比具有更大的传热面积，从而使基于蒸发器的传热效率相对提高。因此，在部分制冷负荷中，目标LTD与100％制冷负荷相比减小。部分制冷负荷越是减小，基于蒸发器的传热效率越是提高，目标LTD越是减小。

如图3所示，在制冷负荷率为20％时，目标LTD为0.6℃，在制冷负荷率为100％时，目标LTD为1.0℃。在图3所示的例子中，制冷负荷率与目标LTD呈大致直线关系，但根据机型的不同也存在呈曲线关系的情况。

在控制装置10中预先存储有图3所示那样的制冷负荷率与目标LTD的关系。而且，在涡轮制冷机的运行中，通过温度传感器Tbo测定冷水出口温度，并且通过温度传感器Te测定蒸发器制冷剂温度。这些测定信号被依次发送到控制装置10，并在控制装置10中运算蒸发器LTD。控制装置10掌握此时的制冷负荷率。在控制装置10中，将这样得到的蒸发器LTD与目标LTD(根据此时的制冷负荷率而得到的)进行比较，为了使所得到的蒸发器LTD接近目标LTD而控制电动式控制阀6A及/或6B的开度，从而控制从节能器4返回到蒸发器3的制冷剂的流量。具体而言，若所得到的蒸发器LTD大于目标LTD，则增大电动式控制阀6A及/或6B的开度，从而增加从节能器4返回到蒸发器3的制冷剂的流量，若所得到的蒸发器LTD与目标LTD大致相等，则不改变电动式控制阀6A及/或6B的开度，从而维持从节能器4返回到蒸发器3的制冷剂的流量。由此，能够使蒸发器的传热性能最优化。

上述节能器4以将防雾装置11配置在蓄留液体制冷剂的容器状的蓄留部的上部的方式构成，通过防雾装置11使包含在制冷剂中的液滴分离，并将液滴回收到容器状的蓄留部中。

但是，在制冷机开始运转时，由于液体制冷剂蓄留在节能器4中，所以存在制冷剂的液位到达防雾装置的下端或下端附近而损害防雾装置的气液分离功能的情况。

因此，本发明人使用如图1所示那样构成的涡轮制冷机，一边通过液位仪来计测节能器4的液面水平，一边反复进行启动、停止试验。此时，从设置在将节能器4和多级涡轮压缩机1连接起来的流路8上的观察窗来观测有无携带制冷剂液滴。

像这样，通过从观察窗对有无携带制冷剂液滴进行观测，确认了只要从节能器4的液面水平到防雾装置下端的距离为规定距离以上(例如，100mm以上)，就没有携带制冷剂液滴。即，若将从节能器4的液面水平到防雾装置11下端的距离为规定距离(例如，100mm)时的节能器4的液位定义为上限液位，则只要节能器4的液位为上限液位以下，就能够防止从节能器4向多级涡轮压缩机1的多级压缩级的中间部分携带制冷剂液滴。

因此，在本发明中，即使在根据节能器4与蒸发器3的压差而对并联连接的多个电动式控制阀6A、6B进行切换控制时、以及为了使蒸发器LTD接近目标LTD而进行电动式控制阀6A、6B的控制时，在节能器4的液位到达上限或下限的情况下，为了避免该液位，也暂时进行使电动式控制阀6A、6B的开度更加闭合或更加开启的动作。由此，能够将节能器4的液位控制在优选液位。即，在节能器4的液位达到上限的情况下，向闭合方向操作上述并联连接的多个控制阀6A、613中的正在动作的控制阀的开度。另外，在节能器4的液位达到下限的情况下，向开启方向操作上述并联连接的多个控制阀6A、6B中的正在动作的控制阀的开度。

在图1至图3所示的实施方式中，说明了使用节能器循环的涡轮制冷机，但在没有设置节能器的类型的涡轮制冷机中，也能够在将冷凝器2和蒸发器3连接起来的制冷剂配管上设置并联连接的多个电动式控制阀6A、6B，并在冷凝器2上设置压力传感器P1，由此，根据冷凝器2与蒸发器3的压差而进行多个电动式控制阀6A、6B的切换控制，从而能够精细地控制向蒸发器3供给的制冷剂流量。与此同时，为了使蒸发器LTD接近目标LTD，控制电动式控制阀6A及/或6B的开度，从而控制从冷凝器2向蒸发器3供给的制冷剂的流量。

至此，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限定于上述实施方式，在其技术思想的范围内当然也可以通过各种不同方式而实施。

Claims (7)

1.一种涡轮制冷机，具有：使制冷剂从被冷却流体吸收热量而蒸发来发挥制冷效果的蒸发器；通过叶轮对制冷剂进行压缩的涡轮压缩机；和通过冷却流体对压缩的制冷剂气体进行冷却而使其冷凝的冷凝器，所述涡轮制冷机的特征在于，还具有：

Cv值不同的多个控制阀，该多个控制阀为设置在从冷凝器侧向蒸发器引导制冷剂的制冷剂配管上的并联连接的多个阀；和

控制所述多个控制阀的控制装置，

所述控制装置根据冷凝器侧与蒸发器的压差而进行所述Cv值不同的多个控制阀的切换控制。

2.如权利要求1所述的涡轮制冷机，其特征在于，所述涡轮压缩机由多级涡轮压缩机构成，所述涡轮制冷机具有向多级涡轮压缩机的多级压缩级的中间部分供给制冷剂气体的节能器，

所述制冷剂配管为从节能器向蒸发器引导制冷剂的配管。

3.如权利要求1或2所述的涡轮制冷机，其特征在于，所述多个控制阀是阀的固有流量特性在从低开度到中开度的范围内呈等百分比的电动球阀或电动蝶阀。

4.如权利要求1所述的涡轮制冷机，其特征在于，具有：

测定与蒸发器内的制冷剂进行热交换的冷水的出口温度的机构；和

测定蒸发器内的制冷剂温度的机构，

所述控制装置通过所述多个控制阀来控制向蒸发器供给的制冷剂流量，以使被定义为冷水出口温度与蒸发器制冷剂温度的温度差的蒸发器LTD接近目标LTD。

5.如权利要求4所述的涡轮制冷机，其特征在于，根据蒸发器内的压力求出所述蒸发器制冷剂温度。

6.如权利要求2所述的涡轮制冷机，其特征在于，在所述节能器上设有液面上限水平检测器，在节能器的制冷剂液面达到上限的情况下，向开启方向操作所述多个控制阀中的正在动作的控制阀的开度。

7.如权利要求2所述的涡轮制冷机，其特征在于，在所述节能器上设有液面下限水平检测器，在节能器的制冷剂液面达到下限的情况下，向闭合方向操作所述多个控制阀中的正在动作的控制阀的开度。

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