JP2013190151A - ターボ冷凍機及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍機の運転開始時にエコノマイザから多段圧縮機の中間段への冷媒液滴の吸込の発生を防止することができるターボ冷凍機及びその制御方法を提供する。
【解決手段】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５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ＴＣ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４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多段ターボ圧縮機ＴＣ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６とを備えたターボ冷凍機において、エコノマイザ６と多段ターボ圧縮機ＴＣの多段圧縮段の中間部分とを連通する流路１１に設けられ、流路１１を開閉する制御弁７とを備え、制御装置２０は、冷凍機の運転開始時には制御弁７を閉じておき、運転開始後に凝縮器４と蒸発器５の圧力差が所定圧力以上になったときに制御弁７を開く制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、エコノマイザを備えたターボ冷凍機に係り、特に多段圧縮エコノマイザサイクルを用いたターボ冷凍機及びその制御方法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（例えば、特許文献１）。

特開２００９−２３６４３０号公報

上述したエコノマイザを備えたターボ冷凍機においては、エコノマイザで液冷媒と冷媒ガスとを分離し、分離した冷媒ガスを多段圧縮機の中間段（多段の羽根車の中間部分）に導入することにより冷凍サイクル全体としての冷凍効果を増加させている。エコノマイザを備えたターボ冷凍機を運転する場合、定格運転付近では凝縮器と蒸発器との間の圧力差が充分にあるため、冷媒は凝縮器からエコノマイザを経由して蒸発器に戻り、エコノマイザ内に液冷媒が滞留することはなく、エコノマイザの気液分離機能が有効に働く。

しかしながら、冷凍機の運転開始時には、凝縮器と蒸発器との間の圧力差が生じないため、蒸発器への冷媒の戻りが悪くなり、エコノマイザ内に液冷媒が滞留することになる。
近年、冷凍機を小型化して設置スペースを小さくしたいという要請がますます高まり、エコノマイザについても可能な限り小型化を図るという傾向にある。そのため、冷凍機の運転開始時に、エコノマイザ内に滞留した液冷媒によってデミスタの機能が損なわれる場合もあり、エコノマイザの気液分離機能を充分に発揮できず、冷媒液滴が多段ターボ圧縮機の中間段（多段の羽根車の中間部分）に吸い込まれてしまう。すなわち、エコノマイザから多段ターボ圧縮機の中間段への冷媒液滴のキャリーオーバが起こるため、冷媒液滴が高速回転している羽根車に当たることになる。起動停止の頻度が高くなり、このような事態が長期間継続すると羽根車が侵食され、圧縮機の性能が低下してしまい、また圧縮機の安定した運転が不可能となるという問題がある。

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、冷凍機の運転開始時にエコノマイザから多段圧縮機の中間段への冷媒液滴の吸込の発生を防止することができるターボ冷凍機及びその制御方法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の第１の態様は、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、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、前記エコノマイザと前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分とを連通する流路に設けられ、前記流路を開閉する制御弁と、前記凝縮器と前記蒸発器の圧力差を計測する差圧計測手段と、前記差圧計測手段で得た圧力差に基づいて前記制御弁の開閉制御を行う制御装置とを備え、前記制御装置は、冷凍機の運転開始時には前記制御弁を閉じておき、運転開始後に前記凝縮器と前記蒸発器の圧力差が所定圧力以上になったときに前記制御弁を開く制御を行うことを特徴とする。

本発明によれば、冷凍機の運転開始時には、エコノマイザと多段ターボ圧縮機とを接続する流路に設置された制御弁を閉じることにより、冷媒液滴が多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分に吸い込まれる（キャリーオーバされる）ことがないように制御している。そして、運転開始後に凝縮器と蒸発器の圧力差が所定圧力以上になったときに制御弁を開く制御を行う。これは、冷凍機の運転開始後には、凝縮器と蒸発器の圧力差が増加してくるため、液冷媒がエコノマイザ内に滞留することなく蒸発器に戻り、エコノマイザから多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分への冷媒液滴のキャリーオーバを防止することができるからである。
ここで、凝縮器と蒸発器の圧力差（ΔＰ）が所定圧力以上とは、例えば、冷媒としてＲ１３４ａを用いた場合には、凝縮器と蒸発器の圧力差（ΔＰ）が０．２ＭＰａ以上である。前記所定圧力は、冷媒の種類によって異なるが、定常運転状態（例えば、蒸発温度６℃，凝縮温度３８℃）における冷媒物性から定まる凝縮圧力と蒸発圧力との差を基準として、運転開始時であることを考慮して、蒸発温度および凝縮温度の温度差（例えば、１３℃）に対応して冷媒物性から定まる凝縮圧力と蒸発圧力との差を求めることにより決定した値である。

本発明の好ましい態様によれば、前記差圧計測手段は、前記凝縮器に設けた圧力計と前記蒸発器に設けた圧力計からなることを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記制御装置は、冷凍機の運転開始後に前記凝縮器と前記蒸発器の圧力差が所定圧力以上にならない場合であっても、運転開始から所定時間経過後に前記制御弁を開く制御を行うことを特徴とする。
通常、ターボ冷凍機の運転開始後、短時間（１〜数分間）で凝縮器と蒸発器の圧力差（ΔＰ）は所定圧力（例えば、０．２ＭＰａ）以上になる。しかしながら、冷却水の温度が低すぎる場合などの例外的な条件下では、圧力差（ΔＰ）が所定圧力に達しない場合がある。この場合、制御弁を開いてエコノマイザサイクルを使用しても、冷凍負荷つまり冷媒循環量自体が少ないため、エコノマイザから多段ターボ圧縮機に冷媒液滴がキャリーオーバされる可能性はきわめて低い。そこで、本発明においては、冷凍機の運転開始から所定時間経過（例えば、３０分経過）した場合には、制御弁を開き、エコノマイザサイクルの使用を開始する。

本発明の好ましい態様によれば、前記エコノマイザの液位を計測する液位計測手段を備え、前記制御装置は、冷凍機の運転開始時には前記制御弁を閉じておき、運転開始から所定時間経過後に前記エコノマイザの液位が所定高さ以下である場合に前記制御弁を開く制御を行うことを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記エコノマイザから前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分に供給される冷媒の温度を計測する温度計測手段を備え、前記制御装置は、冷凍機の運転中に前記制御弁を開いておき、運転中に前記温度計測手段で得た計測値が変動を繰り返すハンチングが起きたときに前記制御弁を閉じる制御を行うことを特徴とする。

本発明のターボ冷凍機の第２の態様は、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、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、前記エコノマイザと前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分とを連通する流路に設けられ、前記流路を開閉する制御弁と、前記エコノマイザの液位を計測する液位計測手段と、前記液位計測手段で得た液位に基づいて前記制御弁の開閉制御を行う制御装置とを備え、前記制御装置は、冷凍機の運転開始時には前記制御弁を閉じておき、運転開始から所定時間経過後に前記エコノマイザの液位が所定高さ以下である場合に前記制御弁を開く制御を行うことを特徴とする。

エコノマイザは、液冷媒を貯留する容器状の貯留部の上部にデミスタを配置して構成されており、デミスタにより冷媒に含まれる液滴が分離され、液滴は容器状の貯留部に回収されるようになっている。しかしながら、冷凍機の運転開始時には、エコノマイザに液冷媒が滞留するため、液冷媒の液位がデミスタの下端または下端近傍まで到達し、デミスタの気液分離機能が損なわれる場合がある。エコノマイザの液面レベルは冷凍機の運転開始から所定時間後、例えば１〜２分後に定常のレベルに達するため、液面レベルは運転開始から所定時間後、例えば１〜２分後に計測を開始する。エコノマイザの液面レベルからデミスタの下端までの距離が所定距離（例えば、１００ｍｍ）以上あれば、冷媒液滴のキャリーオーバはないため、制御弁を開き、エコノマイザサイクルの使用を開始する。
ここで、エコノマイザの液位が所定高さとは、エコノマイザの液面レベルからデミスタの下端までの距離が充分にあって（例えば、１００ｍｍ以上）、エコノマイザから多段ターボ圧縮機への冷媒液滴のキャリーオーバが起こらない液面高さを云う。前記エコノマイザの液面レベルからデミスタの下端までの距離（例えば、１００ｍｍ）は、実験的に求めた数値である。

本発明の好ましい態様によれば、前記液位計測手段は、液面計からなることを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記制御装置は、冷凍機の運転開始から所定時間経過後に前記エコノマイザの液位が前記所定高さを越えている場合であっても、前記凝縮器と前記蒸発器の圧力差が所定圧力以上であれば前記制御弁を開く制御を行うことを特徴とする。
本発明によれば、冷凍機の運転開始から所定時間経過後にエコノマイザの液位が所定高さを越えている場合であっても、凝縮器と蒸発器の圧力差（ΔＰ）が所定圧力以上であれば、冷媒液滴が多段ターボ圧縮機にキャリーオーバされる恐れがないので、制御弁を開き、エコノマイザサイクルの使用を開始する。前記所定圧力は、例えば、冷媒としてＲ１３４ａを用いた場合には、０．２ＭＰａである。

本発明のターボ冷凍機の第３の態様は、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、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、前記エコノマイザと前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分とを連通する流路に設けられ、前記流路を開閉する制御弁と、前記エコノマイザから前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分に供給される冷媒の温度を計測する温度計測手段と、前記温度計測手段で得た計測値に基づいて前記制御弁の開閉制御を行う制御装置を備え、前記制御装置は、冷凍機の運転中に前記制御弁を開いておき、運転中に前記温度計測手段で得た計測値が変動を繰り返すハンチングが起きたときに前記制御弁を閉じる制御を行うことを特徴とする。

本発明によれば、冷媒液滴のキャリーオーバが生じて多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分に冷媒液滴が吸い込まれると、冷媒液滴が温度計測手段に当たることになる。すると、冷媒液滴は温度計測手段の表面で直ちに蒸発するため、検知温度が低下する。冷媒液滴は温度計測手段に繰り返し当たるため、温度計測値は変動を繰り返す、いわゆるハンチングを起こす。そこで、本発明においては、温度計測手段の計測値にハンチングが起きたときに、制御弁を閉じる。

本発明の好ましい態様によれば、前記温度計測手段は、前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分に設置された温度センサからなることを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記制御装置は、前記制御弁を閉じた後に、前記凝縮器と前記蒸発器の圧力差又は前記エコノマイザの液位が所定条件を満たしたときに前記制御弁を開く制御を行うことを特徴とする。
本発明によれば、制御弁を閉じた後に、凝縮器と蒸発器の圧力差又はエコノマイザの液位が所定条件を満たしたときには、冷媒液滴のキャリーオーバの恐れがなくなるので、制御弁を開き、エコノマイザサイクルの使用を開始する。
ここで、凝縮器と前記蒸発器の圧力差又は前記エコノマイザの液位が所定条件を満たしたときとは、制御弁を閉じたときに、凝縮器と蒸発器の圧力差（ΔＰ１）を測定するとともにエコノマイザの液位（Ｈ１）を測定し、その後、凝縮器と蒸発器の圧力差（ΔＰ２）が制御弁を閉じたときの圧力差（ΔＰ１）より所定圧力（例えば、０．０５ＭＰａ）以上高くなっている場合又はエコノマイザの液位（Ｈ２）が制御弁を閉じたときのエコノマイザの液位（Ｈ１）より所定高さ（例えば、２０ｍｍ）以上低くなっている場合である。前記所定圧力（例えば、０．０５ＭＰａ）および前記所定高さ（例えば、２０ｍｍ）は実験的に求めた数値である。

本発明のターボ冷凍機の制御方法の第１の態様は、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、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、前記エコノマイザと前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分とを連通する流路に設けられ前記流路を開閉する制御弁とを備えたターボ冷凍機の制御方法であって、冷凍機の運転開始時には前記制御弁を閉じておき、運転開始後に前記凝縮器と前記蒸発器の圧力差が所定圧力以上になったときに前記制御弁を開くことを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記凝縮器と前記蒸発器の圧力差は、前記凝縮器に設けた圧力計と前記蒸発器に設けた圧力計により計測することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、冷凍機の運転開始後に前記凝縮器と前記蒸発器の圧力差が所定圧力以上にならない場合であっても、運転開始から所定時間経過後に前記制御弁を開くことを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、冷凍機の運転開始時には前記制御弁を閉じておき、運転開始から所定時間経過後に前記エコノマイザの液位が所定高さ以下である場合に前記制御弁を開くことを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、冷凍機の運転中に前記制御弁を開いておき、運転中に前記エコノマイザから前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分に供給される冷媒の温度計測値が変動を繰り返すハンチングが起きたときに前記制御弁を閉じることを特徴とする。

本発明のターボ冷凍機の制御方法の第２の態様は、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、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、前記エコノマイザと前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分とを連通する流路に設けられ前記流路を開閉する制御弁とを備えたターボ冷凍機の制御方法であって、冷凍機の運転開始時には前記制御弁を閉じておき、運転開始から所定時間経過後に前記エコノマイザの液位が所定高さ以下である場合に前記制御弁を開くことを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記エコノマイザの液位は、液面計により計測することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、冷凍機の運転開始から所定時間経過後に前記エコノマイザの液位が前記所定高さを越えている場合であっても、前記凝縮器と前記蒸発器の圧力差が所定圧力以上であれば前記制御弁を開くことを特徴とする。

本発明のターボ冷凍機の制御方法の第３の態様は、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、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、前記エコノマイザと前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分とを連通する流路に設けられ前記流路を開閉する制御弁とを備えたターボ冷凍機の制御方法であって、冷凍機の運転中に前記制御弁を開いておき、運転中に前記エコノマイザから前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分に供給される冷媒の温度計測値が変動を繰り返すハンチングが起きたときに前記制御弁を閉じることを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記エコノマイザから前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分に供給される冷媒の温度は、前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分に設置された温度センサにより計測することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記制御弁を閉じた後に、前記凝縮器と前記蒸発器の圧力差又は前記エコノマイザの液位が所定条件を満たしたときに前記制御弁を開くことを特徴とする。

本発明は、以下に列挙する効果を奏する。
（１）冷凍機の運転開始時にエコノマイザから多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分に冷媒液滴がキャリーオーバされることがなく、冷媒液滴に起因する羽根車の侵食を回避することができる。したがって、長期間に亘って安定性があり且つ信頼性の高い冷凍機の運転を実現できる。
（２）冷凍機の運転中にエコノマイザから多段ターボ圧縮機への冷媒液滴のキャリーオーバが発生した場合に、エコノマイザと圧縮機との間の制御弁を閉止することにより、冷媒液滴のキャリーオーバを速やかに止めることができる。

図１は、本発明に係るターボ冷凍機の一実施形態を示す模式図である。 図２（ａ），（ｂ），（ｃ）は、ターボ冷凍機の運転開始時および運転中に本発明の制御方法に基づいて制御装置により実施される制御手順を示すフローチャートである。

以下、本発明に係るターボ冷凍機及びその制御方法の実施形態を図１および図２を参照して説明する。図１および図２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一実施形態を示す模式図である。図１に示す実施形態においては、二段圧縮単段エコノマイザサイクルを用いたターボ冷凍機について説明する。図１に示すように、ターボ冷凍機は、冷媒を圧縮する多段ターボ圧縮機ＴＣ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４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５と、凝縮器４と蒸発器５との間に配置される中間冷却器であるエコノマイザ６と、エコノマイザ６の前後に設置され凝縮冷媒を減圧して膨張させる膨張機構８，８とを備え、これら各機器を冷媒が循環する冷媒配管９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、多段ターボ圧縮機ＴＣは、二段ターボ圧縮機からなり、一段目圧縮機１と、二段目圧縮機２と、これらの圧縮機１，２を駆動する圧縮機モータ３とから構成されている。一段目圧縮機１の吐出側と二段目圧縮機２の吸込側とは、流路１０によって接続されている。多段ターボ圧縮機ＴＣにおいては、蒸発器５から一段目圧縮機１に導入された冷媒ガスは一段目圧縮機１により一段目の圧縮が行われ、次に流路１０によって二段目圧縮機２に導入された冷媒ガスは二段目圧縮機２により二段目の圧縮が行われ、その後、凝縮器４に送られる。

また、エコノマイザ６と前記流路１０とは流路１１によって接続されており、エコノマイザ６で分離された冷媒ガスは多段ターボ圧縮機ＴＣ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。エコノマイザ６と多段ターボ圧縮機ＴＣとを接続する流路１１には、電動式の制御弁７が設けられており、エコノマイザ６から多段ターボ圧縮機ＴＣの圧縮段への冷媒ガスの供給および供給停止が制御でき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、多段ターボ圧縮機ＴＣと凝縮器４と蒸発器５とエコノマイザ６とを冷媒が循環し、蒸発器５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５からの熱量および圧縮機モータ３から供給される多段ターボ圧縮機ＴＣの仕事に相当する熱量が凝縮器４に供給される冷却水に放出される。一方、エコノマイザ６にて分離された冷媒ガスは多段ターボ圧縮機ＴＣの多段圧縮段の中間部分に導入され、一段目圧縮機１からの冷媒ガスと合流して二段目圧縮機２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６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６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。

上述したように、エコノマイザ６を備えたターボ冷凍機は高効率の冷凍サイクルを構築できるものではあるが、冷凍機の運転開始時には、凝縮器４と蒸発器５との間の圧力差が生じないため、蒸発器５への冷媒の戻りが悪くなってエコノマイザ６内に液冷媒が滞留する。そのため、エコノマイザ６内に滞留した液冷媒によってデミスタの機能が損なわれる場合があり、エコノマイザ６の気液分離機能を充分に発揮できず、冷媒液滴が多段ターボ圧縮機ＴＣの多段圧縮段の中間部分に吸い込まれてしまうという問題がある。

そのため、本発明においては、冷凍機の運転開始時には、エコノマイザ６と多段ターボ圧縮機ＴＣとを接続する流路１１に設置された制御弁７を閉じることにより、冷媒液滴が多段ターボ圧縮機ＴＣの多段圧縮段の中間部分に吸い込まれる（キャリーオーバされる）ことがないように制御している。

次に、制御弁７の開閉を制御するための構成について説明する。
図１に示すように、凝縮器４および蒸発器５には、それぞれ圧力センサＰ１，圧力センサＰ２が設置されている。多段ターボ圧縮機ＴＣの二段目圧縮機２の入口部には、二段目圧縮機の入口冷媒温度を計測する温度センサＴ１が設置されている。エコノマイザ６には、液面計ＬＶが設置されている。圧力センサＰ１，圧力センサＰ２，温度センサＴ１および液面計ＬＶは、それぞれ制御装置２０に接続されている。また、制御弁７は制御装置２０に接続されている。

上述の構成により、圧力センサＰ１からの圧力信号Ｓ１、圧力センサＰ２からの圧力信号Ｓ２および液面計ＬＶからの液面レベル信号Ｓ３は、それぞれ制御装置２０に入力され、圧力信号Ｓ１，Ｓ２から凝縮器４と蒸発器５との間の圧力差（ΔＰ）が検知され、液面レベル信号Ｓ３からエコノマイザ６内の液冷媒の液面レベル（Ｌ_Ｈ）が検知される。また、温度センサＴ１からの温度信号Ｓ４は制御装置２０に入力され、二段目圧縮機２の入口部冷媒温度が検知される。

本発明においては、冷凍機の運転開始時には、エコノマイザ６と多段ターボ圧縮機ＴＣとを接続する流路１１に設置された制御弁７を閉じることにより、冷媒液滴が多段ターボ圧縮機ＴＣの多段圧縮段の中間部分に吸い込まれる（キャリーオーバされる）ことがないように制御しているが、運転開始後に冷媒液滴が多段ターボ圧縮機ＴＣ側にキャリーオーバしない条件が整ったときに制御弁７を開き、エコノマイザサイクルを生かすように制御している。

次に、冷凍機の運転開始後に、制御弁７を開いてエコノマイザサイクルを使用するための条件について説明する。この条件は、実験によって求めたものである。
１）凝縮器４と蒸発器５の圧力差が所定圧力以上になった場合に制御弁７を開く。
標準的な運転状態（定常運転状態）を仮定して、冷媒としてＲ１３４ａを用いた場合、蒸発器における蒸発温度を６℃、凝縮器における凝縮温度を３８℃とすると、冷媒物性から蒸発圧力は０．３６２ＭＰａ、凝縮圧力は０．９６３ＭＰａである。したがって、標準的な運転状態（定常運転状態）における凝縮器と蒸発器の圧力差（ΔＰ）≒０．６ＭＰａである。

これに対して、運転開始時であることを考慮して、蒸発温度と凝縮温度の温度差を１３℃とみると、蒸発器における蒸発温度を７℃、凝縮器における凝縮温度を２０℃とすると、冷媒物性から蒸発圧力は０．３７５ＭＰａ、凝縮圧力は０．５７２ＭＰａである。したがって、冷凍機の運転開始時における凝縮器と蒸発器の圧力差（ΔＰ）≒０．２ＭＰａを導き出すことができる。すなわち、凝縮器と蒸発器の圧力差（ΔＰ）が０．２ＭＰａ以上であれば、液冷媒はエコノマイザ内に滞留することなく蒸発器に戻ると考えられる。

そこで、本発明者らは、図１に示すように構成されたターボ冷凍機を用いて凝縮器と蒸発器の圧力差（ΔＰ）を確認しながら起動・停止実験を繰り返し行ったものである。この時、多段ターボ圧縮機ＴＣの二段目圧縮機２に設置された温度センサＴ１により圧縮機の入口冷媒温度を計測するとともにエコノマイザ６と多段ターボ圧縮機ＴＣとを接続する流路１１に設けた覗き窓から冷媒液滴のキャリーオーバの有無を観測した。この場合、冷媒液滴のキャリーオーバが生じて二段目圧縮機２に冷媒液滴が吸い込まれると、冷媒液滴が二段目圧縮機２の入口部に設置された温度センサＴ１に当たることになる。すると、冷媒液滴は温度センサＴ１の表面で直ちに蒸発するため、検知温度が低下する。冷媒液滴は温度センサＴ１に繰り返し当たるため、温度計測値は変動を繰り返す、いわゆるハンチングを起こす。このハンチングは、所定温度以上（例えば、±０．５℃以上）の温度変化を短時間（例えば、５分）で繰り返すことである。すなわち、温度センサＴ１の計測値から、冷媒液滴のキャリーオーバを検知することができる。

このように、温度センサＴ１による圧縮機の入口冷媒温度の計測と覗き窓からの冷媒液滴のキャリーオーバの有無の観測とを行うことにより、凝縮器４と蒸発器５の圧力差（ΔＰ）が０．２ＭＰａ以上であれば、冷媒液滴のキャリーオーバがないことを確認した。すなわち、冷媒がＲ１３４ａの場合には、冷凍機の運転開始後に凝縮器４と蒸発器５の圧力差（ΔＰ）が０．２ＭＰａ以上になったときに、制御弁７を開く制御を行うことにより、エコノマイザ６から多段ターボ圧縮機ＴＣの多段圧縮段の中間部分への冷媒液滴のキャリーオーバを防止することができる。

２）エコノマイザ６の液位が所定高さ以下である場合に制御弁７を開く。
エコノマイザ６は、液冷媒を貯留する容器状の貯留部の上部にデミスタ１２（図１参照）を配置して構成されており、デミスタにより冷媒に含まれる液滴が分離され、液滴は容器状の貯留部に回収されるようになっている。
しかしながら、冷凍機の運転開始時には、エコノマイザ６に液冷媒が滞留するため、液冷媒の液位がデミスタの下端または下端近傍まで到達し、デミスタの気液分離機能が損なわれる場合がある。

そこで、本発明者らは、図１に示すように構成されたターボ冷凍機を用いてエコノマイザ６の液面レベルを液面計ＬＶにより計測しながら起動・停止実験を繰り返し行ったものである。この時、多段ターボ圧縮機ＴＣの二段目圧縮機２に設置された温度センサＴ１により圧縮機の入口冷媒温度を計測するとともにエコノマイザ６と多段ターボ圧縮機ＴＣとを接続する流路１１に設けた覗き窓から冷媒液滴のキャリーオーバの有無を観測した。エコノマイザ６の液面レベルは冷凍機の運転開始から所定時間後、例えば１〜２分後に定常のレベルに達する。そのため、液面レベルは運転開始後１〜２分後に計測を開始する。

このように、温度センサＴ１による圧縮機の入口冷媒温度の計測と覗き窓からの冷媒液滴のキャリーオーバの有無の観測とを行うことにより、エコノマイザ６の液面レベルからデミスタの下端までの距離が１００ｍｍ以上あれば、冷媒液滴のキャリーオーバはないことを確認した。すなわち、エコノマイザ６の液面レベルからデミスタの下端までの距離が１００ｍｍであるときのエコノマイザ６の液位を上限液位と定義すれば、エコノマイザ６の液位が上限液位以下であれば、制御弁７を開く制御を行うことにより、エコノマイザ６から多段ターボ圧縮機ＴＣの多段圧縮段の中間部分への冷媒液滴のキャリーオーバを防止することができる。

３）冷凍機の運転開始後に制御弁７を開いて二段圧縮単段エコノマイザサイクルを用いた定常運転中に温度センサＴ１の計測値がハンチングを起こした場合に、制御弁７を閉じる。
冷凍機の運転開始後に１）または２）の条件が整い、制御弁７を開いてエコノマイザサイクルを生かして定常運転を行っている時においても、デミスタの不具合等によりエコノマイザ６における気液分離機能が充分に発揮できず、冷媒液滴が多段ターボ圧縮機ＴＣの中間段にキャリーオーバされる場合がある。その場合には、二段目圧縮機２の入口部に設置された温度センサＴ１の計測値がハンチングを起こすので、速やかに制御弁７を閉じる。

図２（ａ），（ｂ），（ｃ）は、ターボ冷凍機の運転開始時および運転中に上記１）〜３）の制御方法に基づいて制御装置２０により実施される制御手順を示すフローチャートである。
図２（ａ）は、上記１）の制御方法を用いたターボ冷凍機の運転開始時の制御手順を示すフローチャートである。図２（ａ）に示すように、ターボ冷凍機の運転を開始し、その後、凝縮器４と蒸発器５の圧力差（ΔＰ）が所定圧力以上になったか否かを判断する。圧力差（ΔＰ）が所定圧力以上である場合には、制御弁７を開き、エコノマイザサイクルの使用を開始する。この場合、所定圧力とは、冷媒の種類によって異なるが、Ｒ１３４ａの場合には０．２ＭＰａである。圧力差（ΔＰ）が所定圧力未満である場合には、運転開始から所定時間経過したか否かを判断する。運転開始から所定時間経過した場合には、制御弁７を開き、エコノマイザサイクルの使用を開始する。ここで、所定時間とは、例えば、３０分であり、実験によって求めた時間である。運転開始から所定時間経過していない場合には、圧力差（ΔＰ）の判断ステップに戻る。

通常、ターボ冷凍機の運転開始後、短時間（１〜数分間）で圧力差（ΔＰ）は所定圧力（０．２ＭＰａ）以上になる。しかしながら、冷却水の温度が低すぎる場合などの例外的な条件下では、圧力差（ΔＰ）が所定圧力に達しない場合がある。この場合、冷凍負荷つまり冷媒循環量自体が少ないため、制御弁７を開いてエコノマイザサイクルを使用しても、エコノマイザ６から多段ターボ圧縮機ＴＣに冷媒液滴がキャリーオーバされる可能性はきわめて低い。そこで、冷凍機の運転開始から所定時間経過（例えば、３０分経過）した場合には、制御弁７を開き、エコノマイザサイクルの使用を開始する。

図２（ｂ）は、上記２）の制御方法を用いたターボ冷凍機の運転開始時の制御手順を示すフローチャートである。図２（ｂ）に示すように、ターボ冷凍機の運転を開始して所定時間経過したら、エコノマイザ６の液位が前記上限液位以下であるか否かを判断する。エコノマイザ６の液位が上限液位以下である場合には、制御弁７を開き、エコノマイザサイクルの使用を開始する。エコノマイザ６の液位が上限液位を越えている場合には、凝縮器４と蒸発器５の圧力差（ΔＰ）が所定圧力以上になったか否かを判断する。圧力差（ΔＰ）が所定圧力以上である場合には、制御弁７を開き、エコノマイザサイクルの使用を開始する。この場合、所定圧力とは、冷媒の種類によって異なるが、Ｒ１３４ａの場合には０．２ＭＰａである。これは、エコノマイザ６の液位が高い場合でも凝縮器４と蒸発器５との圧力差が充分にあれば、冷媒液滴が多段ターボ圧縮機ＴＣにキャリーオーバされる恐れがないからである。これに対して、圧力差（ΔＰ）が所定圧力未満である場合には、エコノマイザ６の液位判断のステップに戻る。

図２（ｃ）は、上記３）の制御方法を用いたターボ冷凍機の運転中の制御手順を示すフローチャートである。冷凍機の運転開始後に図２（ａ）または図２（ｂ）に示す条件が整い、制御弁７を開いてエコノマイザサイクルを生かして定常運転を行っている時においても、デミスタの不具合等によりエコノマイザ６における気液分離機能が充分に発揮できず、冷媒液滴が多段ターボ圧縮機ＴＣの中間段にキャリーオーバされる場合がある。そこで、図２（ｃ）に示すように、ターボ冷凍機の運転中、多段ターボ圧縮機ＴＣの入口部に設置された温度センサＴ１の計測値がハンチングを起こしたか否かを判定し、ハンチングを起こした場合には制御弁７を閉じ、冷媒液滴のキャリーオーバを速やかに止める。そして、制御弁７を閉じたときに、凝縮器４と蒸発器５の圧力差（ΔＰ１）を測定するとともにエコノマイザ６の液位（Ｈ１）を測定する。その後、凝縮器４と蒸発器５の圧力差（ΔＰ２）が制御弁７を閉じたときの圧力差（ΔＰ１）より所定圧力（例えば、０．０５ＭＰａ）以上高くなっているか否か又はエコノマイザ６の液位（Ｈ２）が制御弁７を閉じたときのエコノマイザ６の液位（Ｈ１）より所定高さ（例えば、２０ｍｍ）以上低くなっているか否かを判定する。すなわち、次式の判定を行う。
ΔＰ２≧ΔＰ１＋０．０５ＭＰａ ・・・・・（１）
Ｈ２≦Ｈ１−２０ｍｍ ・・・・・（２）
（１）式または（２）式を満たした場合には、エコノマイザ６から多段ターボ圧縮機ＴＣへの冷媒液滴のキャリーオーバの恐れがなくなったため、制御弁７を開く。（１）式および（２）式のいずれも満たさない場合には、制御弁を閉止し続ける。

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 一段目圧縮機
２ 二段目圧縮機
３ 圧縮機モータ
４ 凝縮器
５ 蒸発器
６ エコノマイザ
７ 制御弁
８ 膨張機構
１０，１１ 流路
２０ 制御装置
ＬＶ 液面計
Ｐ１，Ｐ２ 圧力センサ
Ｔ１ 温度センサ
ＴＣ 多段ターボ圧縮機

Claims (22)

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、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、
   前記エコノマイザと前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分とを連通する流路に設けられ、前記流路を開閉する制御弁と、
   前記凝縮器と前記蒸発器の圧力差を計測する差圧計測手段と、
   前記差圧計測手段で得た圧力差に基づいて前記制御弁の開閉制御を行う制御装置とを備え、
   前記制御装置は、冷凍機の運転開始時には前記制御弁を閉じておき、運転開始後に前記凝縮器と前記蒸発器の圧力差が所定圧力以上になったときに前記制御弁を開く制御を行うことを特徴とするターボ冷凍機。
2. 前記差圧計測手段は、前記凝縮器に設けた圧力計と前記蒸発器に設けた圧力計からなることを特徴とする請求項１記載のターボ冷凍機。
3. 前記制御装置は、冷凍機の運転開始後に前記凝縮器と前記蒸発器の圧力差が所定圧力以上にならない場合であっても、運転開始から所定時間経過後に前記制御弁を開く制御を行うことを特徴とする請求項１記載のターボ冷凍機。
4. 前記エコノマイザの液位を計測する液位計測手段を備え、
   前記制御装置は、冷凍機の運転開始時には前記制御弁を閉じておき、運転開始から所定時間経過後に前記エコノマイザの液位が所定高さ以下である場合に前記制御弁を開く制御を行うことを特徴とする請求項１記載のターボ冷凍機。
5. 前記エコノマイザから前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分に供給される冷媒の温度を計測する温度計測手段を備え、
   前記制御装置は、冷凍機の運転中に前記制御弁を開いておき、運転中に前記温度計測手段で得た計測値が変動を繰り返すハンチングが起きたときに前記制御弁を閉じる制御を行うことを特徴とする請求項１記載のターボ冷凍機。
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、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、
   前記エコノマイザと前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分とを連通する流路に設けられ、前記流路を開閉する制御弁と、
   前記エコノマイザの液位を計測する液位計測手段と、
   前記液位計測手段で得た液位に基づいて前記制御弁の開閉制御を行う制御装置とを備え、
   前記制御装置は、冷凍機の運転開始時には前記制御弁を閉じておき、運転開始から所定時間経過後に前記エコノマイザの液位が所定高さ以下である場合に前記制御弁を開く制御を行うことを特徴とするターボ冷凍機。
7. 前記液位計測手段は、液面計からなることを特徴とする請求項６記載のターボ冷凍機。
8. 前記制御装置は、冷凍機の運転開始から所定時間経過後に前記エコノマイザの液位が前記所定高さを越えている場合であっても、前記凝縮器と前記蒸発器の圧力差が所定圧力以上であれば前記制御弁を開く制御を行うことを特徴とする請求項６記載のターボ冷凍機。
9. 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、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、
   前記エコノマイザと前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分とを連通する流路に設けられ、前記流路を開閉する制御弁と、
   前記エコノマイザから前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分に供給される冷媒の温度を計測する温度計測手段と、
   前記温度計測手段で得た計測値に基づいて前記制御弁の開閉制御を行う制御装置を備え、
   前記制御装置は、冷凍機の運転中に前記制御弁を開いておき、運転中に前記温度計測手段で得た計測値が変動を繰り返すハンチングが起きたときに前記制御弁を閉じる制御を行うことを特徴とするターボ冷凍機。
10. 前記温度計測手段は、前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分に設置された温度センサからなることを特徴とする請求項９記載のターボ冷凍機。
11. 前記制御装置は、前記制御弁を閉じた後に、前記凝縮器と前記蒸発器の圧力差又は前記エコノマイザの液位が所定条件を満たしたときに前記制御弁を開く制御を行うことを特徴とする請求項９記載のターボ冷凍機。
12. 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、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、前記エコノマイザと前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分とを連通する流路に設けられ前記流路を開閉する制御弁とを備えたターボ冷凍機の制御方法であって、
    冷凍機の運転開始時には前記制御弁を閉じておき、運転開始後に前記凝縮器と前記蒸発器の圧力差が所定圧力以上になったときに前記制御弁を開くことを特徴とするターボ冷凍機の制御方法。
13. 前記凝縮器と前記蒸発器の圧力差は、前記凝縮器に設けた圧力計と前記蒸発器に設けた圧力計により計測することを特徴とする請求項１２記載のターボ冷凍機の制御方法。
14. 冷凍機の運転開始後に前記凝縮器と前記蒸発器の圧力差が所定圧力以上にならない場合であっても、運転開始から所定時間経過後に前記制御弁を開くことを特徴とする請求項１２記載のターボ冷凍機の制御方法。
15. 冷凍機の運転開始時には前記制御弁を閉じておき、運転開始から所定時間経過後に前記エコノマイザの液位が所定高さ以下である場合に前記制御弁を開くことを特徴とする請求項１２記載のターボ冷凍機の制御方法。
16. 冷凍機の運転中に前記制御弁を開いておき、運転中に前記エコノマイザから前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分に供給される冷媒の温度計測値が変動を繰り返すハンチングが起きたときに前記制御弁を閉じることを特徴とする請求項１２記載のターボ冷凍機の制御方法。
17. 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、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、前記エコノマイザと前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分とを連通する流路に設けられ前記流路を開閉する制御弁とを備えたターボ冷凍機の制御方法であって、
    冷凍機の運転開始時には前記制御弁を閉じておき、運転開始から所定時間経過後に前記エコノマイザの液位が所定高さ以下である場合に前記制御弁を開くことを特徴とするターボ冷凍機の制御方法。
18. 前記エコノマイザの液位は、液面計により計測することを特徴とする請求項１７記載のターボ冷凍機の制御方法。
19. 冷凍機の運転開始から所定時間経過後に前記エコノマイザの液位が前記所定高さを越えている場合であっても、前記凝縮器と前記蒸発器の圧力差が所定圧力以上であれば前記制御弁を開くことを特徴とする請求項１７記載のターボ冷凍機の制御方法。
20. 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、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、前記エコノマイザと前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分とを連通する流路に設けられ前記流路を開閉する制御弁とを備えたターボ冷凍機の制御方法であって、
    冷凍機の運転中に前記制御弁を開いておき、運転中に前記エコノマイザから前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分に供給される冷媒の温度計測値が変動を繰り返すハンチングが起きたときに前記制御弁を閉じることを特徴とするターボ冷凍機の制御方法。
21. 前記エコノマイザから前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分に供給される冷媒の温度は、前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分に設置された温度センサにより計測することを特徴とする請求項２０記載のターボ冷凍機の制御方法。
22. 前記制御弁を閉じた後に、前記凝縮器と前記蒸発器の圧力差又は前記エコノマイザの液位が所定条件を満たしたときに前記制御弁を開くことを特徴とする請求項２０記載のターボ冷凍機の制御方法。

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