JP2014190614A - ターボ冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍機の効率低下を防止しつつ、圧縮機に使用される軸受および増速機を十分に冷却することができるターボ冷凍機を提供する。
【解決手段】ターボ冷凍機は、凝縮器２によって凝縮された冷媒の一部を蒸発器３に導く冷却冷媒ライン１９と、冷却冷媒ライン１９を通る冷媒とターボ圧縮機１内で使用される油との間で熱交換を行うオイルクーラー２０と、オイルクーラー２０に流入する冷媒の流量を調整する流量調整弁２４と、オイルクーラー２０を出た冷媒の温度を測定する冷媒温度測定器２６と、冷媒温度測定器２６によって測定された冷媒の温度と冷媒の飽和温度との差分に基づいて流量調整弁２４の開度を制御する制御部１０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボ冷凍機に係り、特に圧縮機に使用される油を冷媒の一部により冷却する構成を有し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。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。

このようなターボ冷凍機の冷凍サイクル中には高圧部と低圧部が存在する。蒸発器における冷凍効果に寄与しない冷媒が高圧部から低圧部にバイパスすると、バイパスガスの圧縮動力分だけ余剰な動力（電力）を消費するため、冷凍機の効率低下につながる。したがって、冷凍機の効率を高めるためには、バイパスガスをできるだけ少なくすることが必要とされる。

圧縮機は、高速回転体を支持する軸受や、高速回転体にトルクを伝える増速機を内蔵している。軸受および増速機での発熱は機械損失に相当するため、これら軸受および増速機を潤滑し、かつ軸受および増速機を冷却するために、圧縮機への潤滑油の供給が必須となる。昇温した潤滑油を冷却する手段としては、冷凍サイクル中の冷媒が利用される。つまり、熱交換器（オイルクーラー）を介在して、昇温した潤滑油を液冷媒で冷却した後、冷媒を蒸発器に戻すことが通常である。

オイルクーラーに供給される冷媒量が過剰な場合、冷凍サイクル中で高圧部から低圧部にバイパスする冷媒が増加し、余剰な動力を消費するため、冷凍機の効率低下に繋がる。また、オイルクーラー内では潤滑油と冷媒液との熱交換となるため、冷媒の蒸発潜熱が有効活用できなくなり、潤滑油の冷却効率が低下する場合もある。一方、オイルクーラーに供給される冷媒量が不足している場合は、同様に潤滑油の冷却効率が低下し、軸受や増速機の異常温度上昇を引き起こす場合がある。故に、冷凍機の効率改善と潤滑油の冷却効率の両面からオイルクーラーへ供給する冷媒液量を適正化する必要がある。

特開平０６−３４７１０５号 特開平０９−２３６３３８号

従来のターボ冷凍機では、軸受と増速機を冷却するためのオイルクーラーの冷却源として、凝縮器の冷媒液が利用されている。つまり、凝縮器と蒸発器の圧力差を駆動源として冷却冷媒がオイルクーラーに供給される。オイルクーラーに供給される冷却冷媒の流量制御機構としては、固定オリフィスまたは機械式膨張弁が一般に採用されている（特許文献１，２参照）。

固定オリフィスを用いた流量制御機構では、駆動源となる圧力差が小さい低冷却水温度でも充分な冷媒供給量を確保するために、口径の大きいオリフィスが採用される場合が多い。機械式膨張弁を用いた流量制御機構では、圧縮機に設けられた感温筒によって機械式膨張弁を作動させる。

しかしながら、いずれの場合も、冷却冷媒量を積極的に制御していないために、軸受と増速機の発熱を除去するために必要な最適冷媒量を供給することができなかった。そのため、オイルクーラーを介して、蒸発器にバイパスする冷媒ガス量が過多となり、冷凍機の効率低下の一因ともなっていた。

本発明では、上記問題点を解決するためになされたもので、冷凍機の効率低下を防止しつつ、圧縮機に使用される軸受および増速機を十分に冷却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。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、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、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、前記凝縮器によって凝縮された冷媒の一部を前記蒸発器に導く冷却冷媒ラインと、前記冷却冷媒ラインを通る冷媒と前記ターボ圧縮機内で使用される油との間で熱交換を行うオイルクーラーと、前記オイルクーラーに流入する前記冷媒の流量を調整する流量調整弁と、前記オイルクーラーを出た前記冷媒の温度を測定する冷媒温度測定器と、前記冷媒温度測定器によって測定された前記冷媒の温度と前記冷媒の飽和温度との差分に基づいて前記流量調整弁の開度を制御する制御部とを備えたことを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記制御部は、前記差分が所定の範囲内に収まるように前記流量調整弁の開度を制御することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記所定の範囲の下限値は、０よりも大きいことを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記蒸発器内の圧力を測定する圧力測定器をさらに備え、前記制御部は、前記圧力の測定値から前記冷媒の飽和温度を決定することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記オイルクーラーの冷媒出口の近傍に配置され、前記冷却冷媒ライン内の圧力を測定する圧力測定器をさらに備え、前記制御部は、前記圧力の測定値から前記飽和温度を決定することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記蒸発器内の液相状態の冷媒の温度を測定する液相温度測定器をさらに備え、前記制御部は、前記液相温度測定器によって測定された前記液相状態の冷媒の温度を前記飽和温度として使用して前記差分を算出することを特徴とする。

本発明によれば、冷媒温度測定器によって測定された冷媒の温度と冷媒の飽和温度との差分、すなわち過熱度に基づいて流量調整弁の開度が積極的に制御される。したがって、オイルクーラーに供給される冷媒の流量を過熱度に基づいて最適化することができ、結果として、軸受および増速機を十分に冷却しつつ、冷凍機の効率低下を防止することができる。

本発明に係るターボ冷凍機の実施形態を示す模式図である。 モリエル線図である。 冷媒供給量と必要伝熱面積との関係を示すグラフである。 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。 本発明に係るターボ冷凍機のさらに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５を参照して説明する。図１乃至図５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、多段ターボ圧縮機は二段ターボ圧縮機からなり、一段目羽根車１１と、二段目羽根車１２と、これらの羽根車１１，１２を回転させる圧縮機モータ１３とから構成されている。一段目羽根車１１の吸込側には、冷媒ガスの羽根車１１，１２への吸込流量を調整するサクションベーン１４が設けられている。ターボ圧縮機１は軸受や増速機を収容するギヤケーシング１５を備えており、ギヤケーシング１５の下部には軸受と増速機に給油するための油タンク１６が設けられている。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（この例では一段目羽根車１１と二段目羽根車１２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からの熱量およびモータ１３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。

凝縮器２とエコノマイザ４とを接続する冷媒配管５には、冷却冷媒ライン（冷却冷媒配管）１９が接続されている。この冷却冷媒ライン１９は、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、蒸発器３まで延びている。凝縮器２によって凝縮された液相の冷媒の一部は、冷却冷媒ライン１９を通って蒸発器３に導かれる。

冷却冷媒ライン１９にはオイルクーラー２０が設けられており、冷却冷媒ライン１９はオイルクーラー２０内を通って延びている。ターボ圧縮機１の油タンク１６内にはオイル循環ポンプ２２が設置されている。このオイル循環ポンプ２２には、オイル循環ライン（オイル循環配管）２３が接続されている。オイル循環ライン２３は、オイルクーラー２０内を通って延び、ギヤケーシング１５の上部に接続されている。したがって、油タンク１６内の加熱された潤滑油は、オイル循環ポンプ２２によってオイル循環ライン２３に送られ、オイルクーラー２０内を流れ、そしてギヤケーシング１５内に戻される。

オイルクーラー２０内では、冷却冷媒ライン１９を流れる冷媒と、オイル循環ライン２３を流れる潤滑油との間で熱交換が行われる。潤滑油の熱は冷媒に伝達され、これにより冷媒が加熱されるとともに、潤滑油が冷却される。冷却された潤滑油は、オイル循環ライン２３を通ってギヤケーシング１５内の軸受および増速機に供給され、これら軸受および増速機を潤滑し、冷却する。このように、潤滑油は、油タンク１６、オイルクーラー２０、ギヤケーシング１５をこの順に循環する。

オイルクーラー２０の出口での冷媒温度が飽和温度である場合、オイルクーラー２０の出口での冷媒は湿り蒸気、つまり気液二相流である可能性がある。例えば、図２のモリエル線図に示す領域Ｓ１内の点Ｐ１では、冷媒は飽和温度であり、気液二相の状態にある。この点Ｐ１では、過剰な冷媒がオイルクーラー２０に供給されており、冷媒の蒸発潜熱を有効活用することができずに、前述の通り、冷凍機の効率低下を引き起こす。

また、オイルクーラー２０への冷媒の供給流量が不足して、オイルクーラー２０の出口での過熱度（冷媒の蒸気温度と飽和温度との差分）が極度に大きい場合は、オイルクーラー２０内で潤滑油と冷媒の顕熱交換の割合が高くなる。例えば、図２のモリエル線図に示す領域Ｓ２内の点Ｐ２では、冷媒は飽和温度よりも高い温度にあり、気相の状態にある。この状態では、冷媒と潤滑油の伝熱係数が低下して、潤滑油の温度上昇を招くおそれがある。伝熱係数が低下したときでもオイルクーラー２０での交換熱量を確保するためには、大きな伝熱面積が必要となり、オイルクーラー２０の大型化、コストアップの原因ともなる。したがって、オイルクーラー２０の出口での冷媒の過熱度が適正値になるように、オイルクーラー２０への冷媒供給流量を制御する必要がある。

そこで、本実施形態では、オイルクーラー２０に供給される冷媒の流量を調整するための流量調整弁２４が冷却冷媒ライン１９に設けられている。この流量調整弁２４は制御部１０に接続されており、制御部１０によって流量調整弁２４の開度（すなわち、冷媒の流量）が制御される。オイルクーラー２０の下流側には、オイルクーラー２０内を流れた冷媒の温度を測定する温度センサ（冷媒温度測定器）２６が設けられている。温度センサ２６は、オイルクーラー２０と蒸発器３との間に位置しており、冷却冷媒ライン１９を流れる冷媒の温度を測定するようになっている。温度センサ２６は制御部１０に接続されており、冷媒の温度の測定値は制御部１０に送信されるようになっている。

流量調整弁２４はオイルクーラー２０の一次側に配置され、温度センサ２６はオイルクーラー２０の二次側に配置されている。凝縮器２によって凝縮された冷媒の一部は、冷却冷媒ライン１９に流れ、流量調整弁２４およびオイルクーラー２０をこの順に通過して蒸発器３に移送される。蒸発器３には、蒸発器３の内部の圧力を測定する圧力センサ（圧力測定器）２７が設けられている。圧力センサ２７は制御部１０に接続されており、圧力センサ２７によって取得された蒸発器３内の圧力の測定値は制御部１０に送信されるようになっている。制御部１０は、圧力と飽和温度との関係を表す関係式またはテーブルを記憶しており、圧力センサ２７によって取得された圧力の測定値から冷媒の現在の飽和温度を決定する。制御部１０は、温度センサ２６によって測定された冷媒の温度と冷媒の飽和温度との差分、すなわち過熱度を算出し、過熱度が所定の範囲内に収まるように流量調整弁２４の開度を制御する。

図３に示すように、過熱度が低くなると、熱交換効率が向上する傾向にあるためにオイルクーラー２０での必要伝熱面積を小さくすることができるが、その一方で上述したように冷凍機の効率が低下する。これに対して、過熱度が高くなると、冷凍機の効率が上がるが、その一方でオイルクーラー２０での必要伝熱面積を大きくしなければならない。

そこで、冷凍機の効率低下を防止しつつ、オイルクーラー２０の大型化を回避するために、本実施形態では、過熱度の適正値は３℃から５℃までの範囲に設定されている。この過熱度の設定温度範囲は、図２に示す領域Ｓ２内にあるが、領域Ｓ１と領域Ｓ２との境界点に近い温度範囲である。熱交換効率の観点からの理想的な過熱度は、領域Ｓ１と領域Ｓ２との境界点である。しかしながら、この境界点での過熱度は０℃であり、領域Ｓ１での過熱度と同じであるため、制御部１０での過熱度の設定値を０℃とすると、気液二相状態の冷媒と潤滑油との間で熱交換が行われる可能性がある。そこで、本実施形態では、過熱度の範囲は、０℃よりもやや高い３℃〜５℃に設定されている。この３℃〜５℃の温度範囲は実験により決定されたものである。

制御部１０は、温度センサ２６によって測定された冷媒の温度と冷媒の飽和温度との差分である過熱度を算出し、この過熱度が３℃から５℃までの範囲内に収まるように、流量調整弁２４の開度を制御する。このように過熱度に基づいて流量調整弁２４を制御することにより、適正な流量の冷媒がオイルクーラー２０に供給される。その結果、冷凍機の効率低下を防止しつつ、潤滑油の冷却効率を上げることができる。使用される流量調整弁２４の種類としては、電動弁、ステッピングモータを用いた電子式膨張弁などが挙げられる。

図４は、本発明の他の実施形態に係るターボ冷凍機を示す模式図である。この実施形態と先に述べた実施形態との違いは、圧力センサ２７をオイルクーラー２０の冷媒出口の近傍に設けた点である。圧力センサ２７は、冷却冷媒ライン１９に設けられており、オイルクーラー２０の冷媒出口近傍での冷却冷媒ライン１９内の圧力を測定する。制御部１０はこの圧力の測定値から冷媒の飽和温度を決定する。この実施形態によれば、オイルクーラー２０から圧力センサ２７までの冷却冷媒ライン１９内での圧力損失はほとんどないので、制御部１０はより正確な飽和温度を決定することができる。さらに、図４に示すように、温度センサ２６と圧力センサ２７を互いに近接して配置することが好ましい。

図５は、本発明のさらに他の実施形態に係るターボ冷凍機を示す模式図である。この実施形態と先に述べた実施形態との違いは、圧力センサ２７に代えて、蒸発器３内の液相の冷媒の温度を測定する温度センサ（液相温度測定器）３０を設けた点である。すなわち、この実施形態では、温度センサ３０によって測定された蒸発器３内の液相冷媒の温度が、冷媒の飽和温度に決定される。したがって、制御部１０は、温度センサ３０によって測定された液相状態の冷媒の温度を飽和温度として使用して過熱度を算出し、この過熱度が上述した温度範囲（３℃〜５℃）内に収まるように流量調整弁２４の開度を制御する。

上述したいずれの実施形態においても、オイルクーラー２０に供給される冷媒の流量は、オイルクーラー２０を出た冷媒の過熱度に基づいて制御される。したがって、ターボ圧縮機１に使用される軸受および増速機を潤滑油によって十分に冷却しつつ、冷凍機の効率低下を防止することができる。

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 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
８ 流路
１０ 制御部
１１ 一段目羽根車
１２ 二段目羽根車
１３ 圧縮機モータ
１４ サクションベーン
１５ ギヤケーシング
１６ 油タンク
１９ 冷却冷媒ライン
２０ オイルクーラー
２２ オイル循環ポンプ
２３ オイル循環ライン
２４ 流量調整弁
２６ 温度センサ（冷媒温度測定器）
２７ 圧力センサ（圧力測定器）
３０ 温度センサ（液相温度測定器）

Claims (6)

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、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、
   前記凝縮器によって凝縮された冷媒の一部を前記蒸発器に導く冷却冷媒ラインと、
   前記冷却冷媒ラインを通る冷媒と前記ターボ圧縮機内で使用される油との間で熱交換を行うオイルクーラーと、
   前記オイルクーラーに流入する前記冷媒の流量を調整する流量調整弁と、
   前記オイルクーラーを出た前記冷媒の温度を測定する冷媒温度測定器と、
   前記冷媒温度測定器によって測定された前記冷媒の温度と前記冷媒の飽和温度との差分に基づいて前記流量調整弁の開度を制御する制御部とを備えたことを特徴とするターボ冷凍機。
2. 前記制御部は、前記差分が所定の範囲内に収まるように前記流量調整弁の開度を制御することを特徴とする請求項１に記載のターボ冷凍機。
3. 前記所定の範囲の下限値は、０よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載のターボ冷凍機。
4. 前記蒸発器内の圧力を測定する圧力測定器をさらに備え、
   前記制御部は、前記圧力の測定値から前記冷媒の飽和温度を決定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のターボ冷凍機。
5. 前記オイルクーラーの冷媒出口の近傍に配置され、前記冷却冷媒ライン内の圧力を測定する圧力測定器をさらに備え、
   前記制御部は、前記圧力の測定値から前記飽和温度を決定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のターボ冷凍機。
6. 前記蒸発器内の液相状態の冷媒の温度を測定する液相温度測定器をさらに備え、
   前記制御部は、前記液相温度測定器によって測定された前記液相状態の冷媒の温度を前記飽和温度として使用して前記差分を算出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のターボ冷凍機。

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