CN104075473A - 涡轮制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明提供涡轮制冷机，能够防止制冷机的效率降低，并且能够充分地冷却压缩机中使用的轴承以及增速机。该涡轮制冷机具备：将被冷凝器（2）冷凝后的制冷剂的一部分向蒸发器（3）引导的冷却制冷剂线路（19）、在通过冷却制冷剂线路（19）的制冷剂与涡轮压缩机（1）内所使用的油之间进行热交换的油冷却器（20）、对流入油冷却器（20）的制冷剂的流量进行调整的流量调整阀（24）、测量从油冷却器（20）流出的制冷剂的温度的制冷剂温度测量器（26）、以及基于由制冷剂温度测量器（26）测量出的制冷剂的温度与制冷剂的饱和温度的差来控制流量调整阀（24）的开度的控制部（10）。

Description

涡轮制冷机

技术领域

本发明涉及涡轮制冷机，特别是涉及具有利用制冷剂的一部分来冷却压缩机中使用的油的结构的涡轮制冷机。

背景技术

以往，制冷空调装置等所利用的涡轮制冷机由封入有制冷剂的密闭系统构成，且构成为：将从冷水（被冷却流体）夺取热量以使制冷剂蒸发来发挥制冷效果的蒸发器、对由上述蒸发器蒸发的制冷剂气体进行压缩以使其成为高压制冷剂气体的压缩机、用冷却水（冷却流体）对高压制冷剂气体进行冷却以使其冷凝的冷凝器、以及对上述冷凝后的制冷剂进行减压以使其膨胀的膨胀阀（膨胀机构）通过制冷剂配管连结。而且，在作为压缩机而使用借助多级叶轮对制冷剂气体进行多级压缩的多级压缩机的情况下，进行将由设置在冷凝器与蒸发器之间的制冷剂配管中的中间冷却器亦即节能器产生的制冷剂气体导入到压缩机的中间级（多级叶轮的中间部分）的动作。

在这样的涡轮制冷机的制冷循环中存在高压部和低压部。如果对蒸发器的制冷效果没有贡献的制冷剂从高压部向低压部分流，则消耗相当于分流气体的压缩动力的量的多余的动力（电力），因而导致制冷机的效率降低。因此为了提高制冷机的效率，需要尽可能减少分流气体。

压缩机内置有支承高速旋转体的轴承、向高速旋转体传递扭矩的增速机。轴承以及增速机的发热相当于机械损失，因此为了润滑上述轴承以及增速机并且冷却轴承以及增速机，必须向压缩机供给润滑油。对升温后的润滑油进行冷却的方法是利用制冷循环中的制冷剂。即，通常夹装热交换器（油冷却器），在利用液相制冷剂对升温后的润滑油进行冷却之后，使制冷剂返回到蒸发器。

在向油冷却器供给的制冷剂量过量的情况下，在制冷循环中从高压部向低压部分流的制冷剂会增加而消耗多余的动カ，因此导致制冷机的效率降低。另外，在油冷却器内由于润滑油与制冷剂液进行热交换，因此无法有效利用制冷剂的蒸发潜热，存在润滑油的冷却效率降低的情况。另一方面，在向油冷却器供给的制冷剂量不足的情况下，同样存在润滑油的冷却效率降低而引起轴承、增速机的异常温度上升的情况。因此从制冷机的效率改善和润滑油的冷却效率这两方面出发，需要使向油冷却器供给的制冷剂液量合理化。

专利文献1：日本特开平06-347105号

专利文献2：日本特开平09-236338号

在现有的涡轮制冷机中，利用冷凝器的制冷剂液作为用于冷却轴承和增速机的油冷却器的冷却源。即，将冷凝器与蒸发器的压力差作为驱动源来向油冷却器供给冷却制冷剂。一般采用固定节流孔或机械式膨胀阀作为向油冷却器供给的冷却制冷剂的流量控制机构（参照专利文献1、2）。

在使用固定节流孔的流量控制机构中，即使在作为驱动源的压力差较小的低冷却水温度下为了确保充分的制冷剂供给量，大多情况是采用口径大的节流孔。在使用机械式膨胀阀的流量控制机构中，利用设置于压缩机的感温筒而使机械式膨胀阀动作。

然而，由于不是在任何情况下都能积极地控制冷却制冷剂量，因此无法供给用于去除轴承和增速机发出的热量所需的最佳制冷剂量。因此，经由油冷却器而向蒸发器分流的制冷剂气体量过多，这成为制冷机效率降低的一个因素。

发明内容

本发明是为了解决上述问题所做出的，目的在于提供一种能够防止制冷机的效率降低，并且能够对压缩机中使用的轴承以及增速机进行充分地冷却的涡轮制冷机。

为了实现上述目的，本发明的一个实施方式的涡轮制冷机，具备：从冷水夺取热量而使制冷剂蒸发来发挥制冷效果的蒸发器、利用叶轮来压缩制冷剂的涡轮压缩机、以及用冷却水对压缩后的制冷剂气体进行冷却并使其冷凝的冷凝器，所述涡轮制冷机的特征在于，具备：冷却制冷剂线路，其将被所述冷凝器冷凝后的制冷剂的一部分向所述蒸发器引导；油冷却器，其在通过所述冷却制冷剂线路的制冷剂与所述涡轮压缩机内所使用的油之间进行热交换；流量调整阀，其调整流入所述油冷却器的所述制冷剂的流量；制冷剂温度测量器，其测量从所述油冷却器流出的所述制冷剂的温度；以及控制部，其基于由所述制冷剂温度测量器测量出的所述制冷剂的温度与所述制冷剂的饱和温度的差来控制所述流量调整阀的开度。

本发明的优选实施方式的特征在于，所述控制部控制所述流量调整阀的开度，以使所述差处于规定的范围内。

本发明的优选实施方式的特征在于，所述规定的范围的下限值大于0。

本发明的优选实施方式的特征在于，还具备测量所述蒸发器内的压力的压力测量器，所述控制部根据所述压力的测量值来决定所述制冷剂的饱和温度。

本发明的优选实施方式的特征在于，还具备配置在所述油冷却器的制冷剂出口附近，用于测量所述冷却制冷剂线路内的压力的压力测量器，所述控制部根据所述压力的测量值来决定所述饱和温度。

本发明的优选实施方式的特征在于，还具备测量所述蒸发器内的液相状态的制冷剂的温度的液相温度测量器，所述控制部使用由所述液相温度测量器测量出的所述液相状态的制冷剂的温度作为所述饱和温度来计算所述差。

根据本发明，基于由制冷剂温度测量器测量出的制冷剂的温度与制冷剂的饱和温度的差，即过热度，而积极地控制流量调整阀的开度。因此能够基于过热度使向油冷却器供给的制冷剂的流量最佳化，结果能够充分地冷却轴承以及增速机，并且能够防止制冷机的效率降低。

附图说明

图1是表示本发明的涡轮制冷机的实施方式的示意图。

图2是莫里尔图。

图3是表示制冷剂供给量与所需导热面积的关系的曲线图。

图4是表示本发明的涡轮制冷机的其他实施方式的示意图。

图5是表示本发明的涡轮制冷机的又一其他实施方式的示意图。

附图标记说明：1…涡轮压缩机；2…冷凝器；3…蒸发器；4…节能器；5…制冷剂配管；8…流路；10…控制部；11…第一级叶轮；12…第二级叶轮；13…压缩机马达；14…吸入叶片；15…齿轮箱；16…油缸；19…冷却制冷剂线路；20…油冷却器；22…油循环泵；23…油循环线路；24…流量调整阀；26…温度传感器（制冷剂温度测量器）；27…压力传感器（压力测量器）；30…温度传感器（液相温度测量器）。

具体实施方式

以下，参照图1～图5对本发明的涡轮制冷机的实施方式进行说明。在图1～图3中，对相同或相当的构成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实施方式的示意图。如图1所示，涡轮制冷机构成为具备：压缩制冷剂的涡轮压缩机1、用冷却水（冷却流体）对压缩后的制冷剂气体进行冷却并使其冷凝的冷凝器2、从冷水（被冷却流体）夺取热量而使制冷剂蒸发来发挥制冷效果的蒸发器3、以及配置在冷凝器2与蒸发器3之间的中间冷却器亦即节能器4，涡轮制冷机通过供制冷剂循环的制冷剂配管5来连结上述各设备。

在图1所示的实施方式中，涡轮压缩机1由多级涡轮压缩机构成，多级涡轮压缩机由二级涡轮压缩机形成，构成为包括：第一级叶轮11；第二级叶轮12；以及使第一级叶轮11、第二级叶轮12旋转的压缩机马达13。在第一级叶轮11的吸入侧设置有调整制冷剂气体向第一级叶轮11的吸入流量的第一级吸入叶片14A。涡轮压缩机1具备收纳轴承、增速机的齿轮箱15，在齿轮箱15的下部设置有用于向轴承和增速机供油的油缸16。涡轮压缩机1通过制冷剂配管8而与节能器4连接，在节能器4中分离出的制冷剂气体被导入涡轮压缩机1的多级压缩级（在该例中为二级）的中间部分（在该例中为第一级叶轮11与第二级叶轮12之间的部分）。

在如图1所示构成的涡轮制冷机的制冷循环中，制冷剂在涡轮压缩机1、冷凝器2、蒸发器3、节能器4中循环，利用在蒸发器3得到的冷热源来制造冷水并与负荷对应，使在制冷循环内获取的来自蒸发器3的热量以及从马达13供给的相当于涡轮压缩机1的功的热量向被供给至冷凝器2的冷却水释放。另一方面，在节能器4分离出的制冷剂气体被导入涡轮压缩机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而被第二级压缩机压缩。根据二级压缩单级节能器循环，由于附加由节能器4产生的制冷效果部分，因此相应地增加该部分的制冷效果，从而与不设置节能器4的情况相比，能够实现制冷效果的高效率化。

在连接冷凝器2与节能器4的制冷剂配管5连接有冷却制冷剂线路（冷却制冷剂配管）19。该冷却制冷剂线路19从连接冷凝器2与节能器4的制冷剂配管5分支并延伸到蒸发器3。被冷凝器2冷凝后的液相的制冷剂的一部分通过冷却制冷剂线路19而被引导至蒸发器3。

在冷却制冷剂线路19上设置有油冷却器20，冷却制冷剂线路19在油冷却器20内通过并延伸。在涡轮压缩机1的油缸16内设置有油循环泵22。在该油循环泵22连接有油循环线路（油循环配管）23。油循环线路23在油冷却器20内通过并延伸，并与齿轮箱15的上部连接。因此油缸16内被加热的润滑油被油循环泵22输送至油循环线路23，并在油冷却器20内流动，然后返回到齿轮箱15内。

在油冷却器20内，在冷却制冷剂线路19流动的制冷剂与在油循环线路23流动的润滑油之间进行热交换。润滑油的热量向制冷剂传递，由此制冷剂被加热，并且润滑油被冷却。冷却后的润滑油通过油循环线路23而被供给至齿轮箱15内的轴承以及增速机，并对上述轴承以及增速机进行润滑、冷却。这样，润滑油按照油缸16、油冷却器20、齿轮箱15的顺序在它们之中进行循环。

在油冷却器20的出口的制冷剂温度是饱和温度的情况下，在油冷却器20的出口的制冷剂有可能是湿蒸汽，即气液二相流。例如，在图2的莫里尔图表示的区域S1内的点P1，制冷剂为饱和温度，处于气液二相的状态。在该点P1，过量的制冷剂被供给至油冷却器20，因此无法有效利用制冷剂的蒸发潜热，如上所述，引起制冷机的效率降低。

另外，在制冷剂向油冷却器20的供给流量不足而使油冷却器20的出口的过热度（制冷剂的蒸汽温度与饱和温度的差）极大的情况下，在油冷却器20内润滑油与制冷剂的显热交换的比例升高。例如，在图2的莫里尔图表示的区域S2内的点P2，制冷剂处于比饱和温度高的温度，处于气态的状态。在该状态下，制冷剂与润滑油的导热系数降低，有可能导致润滑油的温度上升。为了在导热系数降低时也能确保在油冷却器20的交换热量而需要较大的导热面积，从而成为油冷却器20大型化、成本提高的原因。因此需要控制制冷剂向油冷却器20的供给流量，以使油冷却器20的出口的制冷剂的过热度为合理值。

因此，在本实施方式中，将用于调整向油冷却器20供给的制冷剂的流量的流量调整阀24设置于冷却制冷剂线路19。该流量调整阀24与控制部10连接，由控制都10控制流量调整阀24的开度（即，制冷剂的流量）。在油冷却器20的下游侧设置有对在油冷却器20内流动的制冷剂的温度进行测量的温度传感器（制冷剂温度测量器）26。温度传感器26位于油冷却器20与蒸发器3之间，以便测量在冷却制冷剂线路19流动的制冷剂的温度。温度传感器26与控制部10连接，制冷剂的温度的测量值被发送至控制部10。

流量调整阀24配置在油冷却器20的一次侧，温度传感器26配置在油冷却器20的二次侧。被冷凝器2冷凝后的制冷剂的一部分流向冷却制冷剂线路19，并按照流量调整阀24以及油冷却器20的顺序从它们之中通过并被移送至蒸发器3。在蒸发器3设置有测量蒸发器3的内部压力的压力传感器（压力测量器）27。压力传感器27与控制部10连接，由压力传感器27取得的蒸发器3内的压力的测量值被发送至控制部10。控制部10存储表示压力与饱和温度的关系的关系式或表格，根据由压力传感器27取得的压力的测量值来决定制冷剂当前的饱和温度。控制部10计算由温度传感器26测量出的制冷剂的温度与制冷剂的饱和温度的差，即过热度，并控制流量调整阀24的开度，以使过热度处于规定的范围内。

如图3所示，如果过热度降低，则热交换效率有提高的趋势，因此能够减小在油冷却器20的所需导热面积，但另一方面，如上所述导致制冷机的效率降低。与此相对，如果过热度升高，则制冷机的效率提高，但另一方面，必须增大在油冷却器20的所需导热面积。

因此，为了防止制冷机的效率降低并且避免油冷却器20的大型化，在本实施方式中，过热度的合理值被设定在3℃～5℃的范围。该过热度的设定温度范围在图2表示的区域S2内，但处于接近区域S1与区域S2的边界点的温度范围。从热交换效率的观点考虑的理想的过热度是区域S1与区域S2的边界点。然而，在该边界点的过热度是0℃，如果为了与在区域S1的过热度相同而使在控制部10的过热度的设定值为0℃，则能够在气液二相状态的制冷剂与润滑油之间进行热交换。因此在本实施方式中，将过热度的范围设定为比0℃稍高的3℃～5℃。该3℃～5℃的温度范围是通过实验决定的。

控制部10计算出由温度传感器26测量出的制冷剂的温度与制冷剂的饱和温度的差亦即过热度，并控制流量调整阀24的开度以使该过热度处于3℃～5℃的范围内。这样通过基于过热度来控制流量调整阀24，由此将适当的流量的制冷剂供给至油冷却器20。其结果能够防止制冷机的效率降低，并且能够提高润滑油的冷却效率。所使用的流量调整阀24的种类可以列举出电动阀、采用了步进电机的电子式膨胀阀等。

图4是表示本发明的其他实施方式的涡轮制冷机的示意图。该实施方式与之前叙述的实施方式的不同点在于，将压力传感器27设置在油冷却器20的制冷剂出口附近。压力传感器27设置于冷却制冷剂线路19，对油冷却器20的制冷剂出口附近的冷却制冷剂线路19内的压力进行测量。控制部10根据该压力的测量值来决定制冷剂的饱和温度。根据该实施方式，由于从油冷却器20到压力传感器27的冷却制冷剂线路19内的压力几乎没有损失，因此控制部10能够决定更正确的饱和温度。此外，如图4所示，优选使温度传感器26与压力传感器27相互接近配置。

图5是表示本发明的又一其他实施方式的涡轮制冷机的示意图。该实施方式与之前叙述的实施方式的不同点在于，代替压力传感器27，而设置测量蒸发器3内的液相制冷剂的温度的温度传感器（液相温度测量器）30。即，在该实施方式中，将由温度传感器30测量出的蒸发器3内的液相制冷剂的温度定为制冷剂的饱和温度。因此控制部10使用由温度传感器30测量出的液相状态的制冷剂的温度作为饱和温度来计算过热度，并控制流量调整阀24的开度以使该过热度处于上述温度范围（3℃～5℃）内。

在上述任一实施方式中，基于从油冷却器20流出的制冷剂的过热度来控制向油冷却器20供给的制冷剂的流量。因此能够利用润滑油充分地冷却涡轮压缩机1中使用的轴承以及增速机，并且能够防止制冷机的效率降低。

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，当然也可以以各种不同的方式来实施。

Claims (6)

1.一种涡轮制冷机，具备：从冷水夺取热量而使制冷剂蒸发来发挥制冷效果的蒸发器、利用叶轮来压缩制冷剂的涡轮压缩机、以及用冷却水对压缩后的制冷剂气体进行冷却并使其冷凝的冷凝器，所述涡轮制冷机的特征在于，具备：

冷却制冷剂线路，其将被所述冷凝器冷凝后的制冷剂的一部分向所述蒸发器引导；

油冷却器，其在通过所述冷却制冷剂线路的制冷剂与所述涡轮压缩机内所使用的油之间进行热交换；

流量调整阀，其调整流入所述油冷却器的所述制冷剂的流量；

制冷剂温度测量器，其测量从所述油冷却器流出的所述制冷剂的温度；以及

控制部，其基于由所述制冷剂温度测量器测量出的所述制冷剂的温度与所述制冷剂的饱和温度的差来控制所述流量调整阀的开度。

2.根据权利要求1所述的涡轮制冷机，其特征在于，

所述控制部控制所述流量调整阀的开度，以使所述差处于规定的范围内。

3.根据权利要求2所述的涡轮制冷机，其特征在于，

所述规定的范围的下限值大于0。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的涡轮制冷机，其特征在于，

还具备测量所述蒸发器内的压力的压力测量器，

所述控制部根据所述压力的测量值来决定所述制冷剂的饱和温度。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的涡轮制冷机，其特征在于，

还具备配置在所述油冷却器的制冷剂出口附近，用于测量所述冷却制冷剂线路内的压力的压力测量器，

所述控制部根据所述压力的测量值来决定所述饱和温度。

6.根据权利要求1～3中任一项所述的涡轮制冷机，其特征在于，

还具备测量所述蒸发器内的液相状态的制冷剂的温度的液相温度测量器，

所述控制部使用由所述液相温度测量器测量出的所述液相状态的制冷剂的温度作为所述饱和温度来计算所述差。