JP2014163624A - ターボ冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】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ターボ冷凍機を提供する。
【解決手段】凝縮器２側から分岐した配管であって、凝縮器２側から電動機１１に冷媒を供給する冷媒供給配管５ＢＰと、冷媒供給配管５ＢＰに設置され、冷媒供給配管５ＢＰを流れる冷媒流量を制御する制御弁１２と、電動機の内部温度を測定する温度センサＴと、制御弁１２の開度を制御する制御装置１０とを備え、制御装置１０は、温度センサＴにより測定された電動機１１の内部温度に基づいて制御弁１２の開度を制御することにより電動機１１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、特にターボ圧縮機を駆動する電動機に冷凍サイクルから冷媒の一部を導いて電動機を冷却する方式の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。

ターボ冷凍機に用いられているターボ圧縮機は、電動機が圧縮機とともに分割型のケーシングに密閉状態で収容されている半密閉型圧縮機を採用する場合が多い。この半密閉型圧縮機においては、電動機の損失により生じた発熱を、冷凍サイクル中の凝縮冷媒（液冷媒）を電動機内部に導入して冷媒の蒸発潜熱を利用して冷却する場合が多い。この場合、凝縮器から電動機に冷媒を送る駆動源は、凝縮器と電動機（蒸発器）の圧力差となる。すなわち、電動機に送られる冷媒量は冷凍機の運転状態、すなわち凝縮器と蒸発器の圧力差（冷却水と冷水の温度差とも表現できる）に依存する。したがって、電動機に供給される冷媒量は「出たなり」となっている。必要以上に冷却冷媒を電動機に供給すると、凝縮器からの液冷媒の多くが蒸発器にバイパスされることになり、圧縮機吸込風量に余裕が無い場合は冷凍能力が低下してしまう。また、圧縮機吸込風量に余裕がある場合でも、余剰な圧縮動力を消費することになり、結局、冷凍機の効率低下の原因となりうる。

エコノマイザサイクルを採用している場合、バイパスさせる液冷媒はエコノマイザ効果分だけ、冷凍効果が低下することになる。
図３は、過剰に電動機に供給された液冷媒が蒸発器に戻った場合のエコノマイザ効果低減分を示すモリエル線図である。図４に示すように、過剰に電動機に供給された液冷媒が蒸発器に戻った場合には、エコノマイザによる冷凍効果は、図４の斜線部分で示す分だけ失われることになり、冷凍能力が低下してしまう。

特開昭５７−９５１５２号公報

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、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、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、凝縮器側から分岐した配管であって、凝縮器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、蒸発器内の冷媒と熱交換する冷水の入口温度を測定する手段と、蒸発器内の冷媒と熱交換した後の冷水の出口温度を測定する手段と、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、前記蒸発器の冷水入口温度と冷水出口温度の温度差と前記蒸発器を流れる冷水の流量とから冷凍能力を算出し、算出した冷凍能力に基づいて前記制御弁の開度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ことを特徴とする。

本発明によれば、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、凝縮器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。

本発明の好ましい態様によれば、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。

本発明の好ましい態様によれば、前記温度測定手段は、前記電動機のステータコア又はステータコア近傍の温度を測定することを特徴とする。
ステータコアやステータコイルエンドは、電動機内部で最も高温になる部分であり、したがって、温度測定手段はステータコアやステータコイルエンドの温度を測定することが好ましい。そして、温度測定手段は、測定温度と電動機の定格電流比との相関が高い箇所に設置することが好ましい。本発明者らの実験によれば、ステータコア温度と定格電流比とは高い相関を示すことが確認されており、温度測定手段は、ステータコア又はステータコア近傍の温度を測定可能な位置に設置する。

本発明の好ましい態様によれば、前記制御弁は前記電動機に近接した位置に設置されていることを特徴とする。
本発明によれば、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によれば、前記温度測定手段は熱電対であることを特徴とする。

本発明は、以下に列挙する効果を奏する。
（１）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。
（２）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２は、電動機の定格電流比（％）と電動機内部の温度との関係を示すグラフである。 図３は、過剰に電動機に供給された液冷媒が蒸発器に戻った場合のエコノマイザ効果低減分を示すモリエル線図である。

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。

図１に示す実施形態においては、ターボ圧縮機１は、多段ターボ圧縮機から構成されており、電動機１１によって駆動されるようになっている。ターボ圧縮機１は、電動機１１が圧縮機とともに分割型のケーシングに密閉状態で収容されている半密閉型ターボ圧縮機である。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、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からの熱量および電動機１１から供給されるターボ圧縮機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、凝縮器２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、冷媒を凝縮器側から電動機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。

図１に示すように、電動機１１には、電動機内部の温度を測定する温度センサＴが設置されている。温度センサＴは、例えば、熱電対を用い、温度センサの検出端は電動機内部で最も高温になる部分の温度が測定できるようになっている。温度センサＴは、制御装置１０に接続されている。

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。
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。

温度センサＴは、電動機内部で最も高温になる部分の温度を測定することが必要であり、また測定温度と電動機の定格電流比との相関が高い箇所に設置することが好ましい。そこで、本発明者らは、複数の熱電対をステータコアやステータコイルエンドの位置に設置し、測定温度と電動機の定格電流比との相関を調べたものである。

図２は、電動機の定格電流比（％）と電動機内部の温度との関係を示すグラフである。図２においてモータ温度は、凝縮器側から冷媒を供給して冷却したときの温度である。図２において、白抜きの四角は熱電対によって測定したステータコイルエンド温度と定格電流比との関係を示し、黒塗りの四角は熱電対によって測定したステータコア温度と定格電流比との関係を示す。
図２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。

本発明においては、温度センサＴにより測定されるステータコア温度またはステータコア近傍の温度と電動式の制御弁１２の開度との関係を予め求めておき、テーブル化しておくことにより、温度センサＴによる測定温度から直ちに電動式の制御弁１２の開度を決定することができる。

本発明によれば、温度センサＴによりステータコア温度またはステータコア近傍温度を測定し、測定温度に基づいて電動式の制御弁１２の開度を制御することにより、電動機１１に供給される凝縮冷媒の冷媒量を電動機１１の発熱量に見合うように最適化することができ、電動機１１の冷却を過不足なく適正に行うことができる。電動機１１の冷却を終えたガス冷媒は、返送配管（図示せず）を介して蒸発器３に返送される。

図１および図２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、凝縮器２と蒸発器３とを接続する冷媒配管から分岐して、冷媒を凝縮器側から電動機１１に導く冷媒供給配管５ＢＰを設け、冷媒供給管５ＢＰに電動式の制御弁１２を設ければよい。これにより、電動式の制御弁１２の開度を制御することによって凝縮器側から電動機１１に供給される冷媒の流量を最適化することにより、電動機１１の冷却を過不足なく適正に行うことができる。

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 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
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
Ｔ 温度センサ

Claims (5)

1. 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、
   凝縮器側から分岐した配管であって、凝縮器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、
   前記電動機の内部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、前記温度測定手段により測定された前記電動機の内部温度に基づいて前記制御弁の開度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. 前記温度測定手段は、前記電動機のステータコア又はステータコア近傍の温度を測定することを特徴とする請求項１に記載のターボ冷凍機。
4. 前記制御弁は前記電動機に近接した位置に設置されていることを特徴とする請求項１に記載のターボ冷凍機。
5. 前記温度測定手段は熱電対であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のターボ冷凍機。

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