JP2014085048A - ターボ冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸発器ＬＴＤを測定して測定値を利用して蒸発器への冷媒供給量を制御することにより蒸発器の伝熱性能を向上させることができるターボ冷凍機を提供する。
【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３と、冷媒を羽根車によって圧縮するターボ圧縮機１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２とを備えたターボ冷凍機において、蒸発器への冷媒配管に設置された少なくとも１つの制御弁６と、蒸発器３内の冷媒と熱交換する冷水の出口温度を測定する手段と、蒸発器３内の冷媒温度を測定する手段と、制御弁６を制御する制御装置１０とを備え、制御装置１０は、冷水出口温度と蒸発器冷媒温度の温度差として定義される蒸発器ＬＴＤを目標ＬＴＤに近づけるように、制御弁６によって蒸発器３に供給される冷媒流量を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボ冷凍機に係り、特にシェル内部に伝熱管群を配置し、伝熱管内に冷水を通水して、シェルに液冷媒を満たす満液式蒸発器を備えた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。
上記ターボ冷凍機は、シェルの内部に伝熱管群を配置し、伝熱管内に冷水を通水して、シェルに液冷媒を満たす満液式蒸発器を用いることが多い。

上述した満液式蒸発器では、伝熱の効率が冷凍機のＣＯＰ（成績係数）に影響を与える。伝熱管群が冷媒に浸漬する高さで沸騰伝熱特性が変化するので、従来は、蒸発器の冷媒液位を制御することによって蒸発器における伝熱の効率が下がらないようにしていた。
蒸発器の冷媒液位の制御に関しては、特許第３３６０３６２号公報（特許文献１）や特開昭６２−２００１５３号公報（特許文献２）において、冷凍機の負荷に応じて蒸発器の冷媒液位を変化させることが開示されている。
すなわち、特許文献１には、高負荷時に蒸発器の冷媒液位を高くし、低負荷時に蒸発器の冷媒液位を低くすることが記載されている。
これに対して、特許文献２には、高負荷時に蒸発器の冷媒液位を低くし、低負荷時に蒸発器の冷媒液位を高くすることが記載されている。

特許第３３６０３６２号公報 特開昭６２−２００１５３号公報

上述したように、特許文献１と特許文献２とでは、冷凍機の負荷に応じての冷媒液位の制御が正反対の関係になっている。
本発明者らは、ターボ冷凍機の負荷と蒸発器の冷媒液位との相関を調べるために実験を行ったところ、低負荷でも蒸発器の液面が低下すると、上部伝熱管が無効になってしまい、蒸発器の性能が低下するという実験結果が得られている。加えて、高圧部（凝縮器またはエコノマイザ）から低圧部（蒸発器）への冷媒戻りの駆動力は両者の圧力差となり、この駆動力で蒸発器の液面高さが影響を受けるため、負荷だけで蒸発器の冷媒液位は一義的に決めることはできなかった。また、蒸発器の構造や伝熱管の種類等により最適な冷媒液位が異なるため、蒸発器の冷媒液位制御では蒸発器の伝熱性能を維持することが難しいことも判明した。

そこで、本発明者らは、蒸発器の冷媒液位制御に代わる新たな制御指標を検討する過程で蒸発器ＬＴＤ（冷水出口温度と蒸発器冷媒温度の温度差）に着目し、本発明の創案に至ったものである。
すなわち、本発明は、蒸発器ＬＴＤを測定して測定値を利用して蒸発器への冷媒供給量を制御することにより蒸発器の伝熱性能を向上させ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、冷媒を羽根車によって圧縮するターボ圧縮機と、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を備えたターボ冷凍機において、蒸発器への冷媒配管に設置された少なくとも１つの制御弁と、蒸発器内の冷媒と熱交換する冷水の出口温度を測定する手段と、蒸発器内の冷媒温度を測定する手段と、前記制御弁を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、冷水出口温度と蒸発器冷媒温度の温度差として定義される蒸発器ＬＴＤを目標ＬＴＤに近づけるように、前記制御弁によって蒸発器に供給される冷媒流量を制御することを特徴とする。

本発明によれば、蒸発器内の冷媒と熱交換する冷水の出口温度を測定するとともに蒸発器内の冷媒温度を測定し、これら測定値から冷水出口温度と蒸発器冷媒温度の温度差として定義される蒸発器ＬＴＤを得る。そして、得られた蒸発器ＬＴＤを予め設定された目標ＬＴＤと比較し、得られた蒸発器ＬＴＤを目標ＬＴＤに近づけるように制御弁によって蒸発器に供給される冷媒流量を制御する。

本発明の好ましい態様は、前記ターボ圧縮機は多段ターボ圧縮機からなり、多段ターボ圧縮機の多段の圧縮段の中間部分に冷媒ガスを供給するエコノマイザ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は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。

本発明の好ましい態様は、前記目標ＬＴＤを冷凍負荷に応じて一義的に設定することを特徴とする。
本発明によれば、目標ＬＴＤと冷凍負荷との関係をあらかじめ求めておき、この関係をグラフやテーブルの形で制御装置に記憶させておくことにより、冷凍負荷に応じて目標ＬＴＤを一義的に設定することができる。

本発明の好ましい態様は、前記蒸発器冷媒温度を蒸発器内の圧力から求めることを特徴とする。
蒸発器の冷媒温度と蒸発器内の圧力とは、相関があるため、蒸発器内の圧力を測定することにより、蒸発器冷媒温度を求めることができる。
本発明の好ましい態様は、前記蒸発器ＬＴＤと前記目標ＬＴＤが略一致した場合は、前記制御弁の開動作を停止することを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記蒸発器の冷媒液位が上限値に達した場合は、前記制御弁を所定の開度まで閉じることを特徴とする。
本ＬＴＤ制御の特徴は、前記制御弁の開動作を基本としているが、冷媒供給量が過剰になったときに、蒸発器の冷媒液位が上限値に達してしまう場合がありうる。その場合には、１度、前記制御弁を所定の開度まで閉じることによって冷媒供給量を減少させることにより、再度、本ＬＴＤ制御を機能させる。最適な所定の開度は、実験によって求めることができる。例えば、所定の開度は、２０％開度である。

本発明によれば、エコノマイザ（又は凝縮器）から蒸発器への冷媒戻り配管中に設けた制御弁を制御することにより、蒸発器ＬＴＤを目標ＬＴＤに制御することが可能であり、蒸発器ＬＴＤを目標ＬＴＤに制御することで蒸発器の伝熱性能を向上することができる。したがって、冷凍機のＣＯＰを向上させることが可能になる。

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は、実験によって得た冷凍負荷率（％）と目標ＬＴＤ（℃）との関係を示す図である。 図３は、本発明に係るターボ冷凍機の他の実施形態を示す模式図である。

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一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、冷媒を圧縮する多段ターボ圧縮機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、多段ターボ圧縮機１は、二段ターボ圧縮機から構成されている。多段ターボ圧縮機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多段ターボ圧縮機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、多段ターボ圧縮機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からの熱量および圧縮機モータから供給される多段ターボ圧縮機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多段ターボ圧縮機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には、電動式の制御弁６が設けられており、エコノマイザ４から蒸発器３に戻される冷媒の流量が制御できるようになっている。なお、エコノマイザ４を設けないタイプのターボ冷凍機にあっては、電動式の制御弁６は凝縮器２と蒸発器３とを接続する冷媒配管に設けられ、凝縮器２から蒸発器３に戻される冷媒の流量が制御できるようになっている。

図１に示すように、蒸発器３には、冷水出口温度を測定する温度センサＴｂｏと蒸発器冷媒温度を測定する温度センサＴｅとが設置されている。すなわち、温度センサＴｂｏにより蒸発器３内の冷媒と熱交換する冷水の出口温度を測定し、温度センサＴｅにより蒸発器３内の冷媒温度を測定するようになっている。温度センサＴｂｏおよび温度センサＴｅは、それぞれ制御装置１０に接続されている。また、電動式の制御弁６は制御装置１０に接続されている。これにより、制御装置１０において、冷水出口温度と蒸発器冷媒温度の温度差、すなわち蒸発器ＬＴＤを演算することができる。なお、蒸発器３の上部には、冷媒液位が上限値に達した場合を検知するセンサ（図示せず）が設置されている。

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。
図２は、実験によって得た冷凍負荷率（％）と目標ＬＴＤ（℃）との関係を示す図である。
目標ＬＴＤとは、実機の蒸発器において理想的な伝熱が行われた時のＬＴＤ（＝冷水出口温度−蒸発器冷媒温度）を云う。各冷凍負荷に応じて目標ＬＴＤは変わっていく。通常は、冷凍負荷が小さくなっていくと目標ＬＴＤも小さくなっていく。理由は、通常１００％冷凍負荷で蒸発器の設計がなされている場合が多く、部分冷凍負荷になったときは、必要伝熱面積より広い伝熱面積を持ったことになり、蒸発器での伝熱効率が相対的に向上する。従って、部分冷凍負荷では、１００％冷凍負荷に比べ目標ＬＴＤは小さくなる。部分冷凍負荷が小さくなればなるほど、蒸発器での伝熱効率が向上していき、目標ＬＴＤは小さくなっていく。
図２に示すように、冷凍負荷率が２０％のときには、目標ＬＴＤは０．６℃であり、冷凍負荷率が１００％のときには、目標ＬＴＤは１．０℃である。図２に示す例においては、冷凍負荷率と目標ＬＴＤとは概略直線的な関係になっているが、機種によっては曲線的な関係の場合もある。

制御装置１０には、図２に示すような冷凍負荷率と目標ＬＴＤとの関係をあらかじめ記憶させておく。そして、ターボ冷凍機の稼働中に温度センサＴｂｏにより冷水出口温度を測定するとともに温度センサＴｅにより蒸発器冷媒温度を測定する。これら測定信号は制御装置１０に逐次送られ、制御装置１０において蒸発器ＬＴＤが演算される。制御装置１０は、このときの冷凍負荷率を把握するようになっている。制御装置１０では、こうして得られた蒸発器ＬＴＤを目標ＬＴＤ（そのときの冷凍負荷率から得られる）と比較し、得られた蒸発器ＬＴＤを目標ＬＴＤに近づけるために電動式の制御弁６の開度を制御し、エコノマイザ４から蒸発器３に戻される冷媒の流量を制御する。具体的には、得られた蒸発器ＬＴＤが目標ＬＴＤより大きければ、電動式の制御弁６の開度を大きくしてエコノマイザ４から蒸発器３に戻される冷媒の流量を増やし、得られた蒸発器ＬＴＤが目標ＬＴＤとほぼ同等であれば、電動式の制御弁６の開度を変えずエコノマイザ４から蒸発器３に戻される冷媒の流量を維持する。これにより、蒸発器の伝熱性能を最適化することができる。

図３は、本発明に係るターボ冷凍機の他の実施形態を示す模式図である。図３に示すように、本実施形態においては、蒸発器冷媒温度を測定する温度センサＴｅに代えて、蒸発器３内の圧力を測定する圧力センサＰｅを設置している。圧力センサＰｅは制御装置１０に接続されている。他の構成は、図１に示すターボ冷凍機と同様である。圧力センサＰｅにより蒸発器３内の圧力を測定し、測定信号を制御装置１０に逐次送り、制御装置１０において圧力値から蒸発器冷媒温度を換算するようにしている。制御装置１０では、こうして得られた蒸発器ＬＴＤを目標ＬＴＤ（そのときの冷凍負荷率から得られる）と比較し、得られた蒸発器ＬＴＤを目標ＬＴＤに近づけるために電動式の制御弁６の開度を制御し、エコノマイザ４から蒸発器３に戻される冷媒の流量を制御する。

図１乃至図３に示す実施形態においては、エコノマイザサイクルを用いたターボ冷凍機を説明したが、エコノマイザを設けないタイプのターボ冷凍機にあっては、電動式の制御弁６を凝縮器２と蒸発器３とを接続する冷媒配管に設け、電動式の制御弁６によって凝縮器２から蒸発器３に戻される冷媒の流量を制御することにより、蒸発器ＬＴＤを目標ＬＴＤに制御することができる。

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 多段ターボ圧縮機
２ 凝縮器
３ 蒸発器
４ エコノマイザ
５ 冷媒配管
６ 電動式の制御弁
１０ 制御装置
Ｐｅ 圧力センサ
Ｔｅ 温度センサ

Claims (6)

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、冷媒を羽根車によって圧縮するターボ圧縮機と、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を備えたターボ冷凍機において、
   蒸発器への冷媒配管に設置された少なくとも１つの制御弁と、
   蒸発器内の冷媒と熱交換する冷水の出口温度を測定する手段と、
   蒸発器内の冷媒温度を測定する手段と、
   前記制御弁を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、冷水出口温度と蒸発器冷媒温度の温度差として定義される蒸発器ＬＴＤを目標ＬＴＤに近づけるように、前記制御弁によって蒸発器に供給される冷媒流量を制御することを特徴とするターボ冷凍機。
2. 前記ターボ圧縮機は多段ターボ圧縮機からなり、多段ターボ圧縮機の多段の圧縮段の中間部分に冷媒ガスを供給するエコノマイザを備えたことを特徴とする請求項１に記載のターボ冷凍機。
3. 前記目標ＬＴＤを冷凍負荷に応じて一義的に設定することを特徴とする請求項１または２に記載のターボ冷凍機。
4. 前記蒸発器冷媒温度を蒸発器内の圧力から求めることを特徴とする請求項１または２に記載のターボ冷凍機。
5. 前記蒸発器ＬＴＤと前記目標ＬＴＤが略一致した場合は、前記制御弁の開動作を停止することを特徴とする請求項１または２に記載のターボ冷凍機。
6. 前記蒸発器の冷媒液位が上限値に達した場合は、前記制御弁を所定の開度まで閉じることを特徴とする請求項１または２に記載のターボ冷凍機。

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