JP2014190627A - ターボ冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】油を多く含む冷媒を回収することができ、かつ油温度の低下やフォーミングを回避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、蒸発器３に設けられ、異なる高さに配置された油回収ポートＬ１〜Ｌ３と、油回収ポートＬ１〜Ｌ３のうちの１つを通じて、蒸発器３に滞留する油を含んだ冷媒を吸引してターボ圧縮機１の油タンク１６に戻すエジェクタ２０と、油回収ラインＰ１〜Ｐ３にそれぞれ設けられた開閉弁Ｖ１〜Ｖ３と、蒸発器３内の冷媒の液面高さを検出する液面センサ２３と、油回収ポートＬ１〜Ｌ３のうち、冷媒の液面の直下に位置する油回収ポートのみがエジェクタ２０に連通するように開閉弁Ｖ１〜Ｖ３を操作する制御部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、特に圧縮機の吐出ガスを駆動用ガスとしたエジェクタで蒸発器に滞留する油を含んだ冷媒を油タンクに回収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。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。

ターボ冷凍機は高速回転体である圧縮機を有しており、圧縮機には、回転体を支持する軸受と、回転体を増速して所定の回転数を得るための増速機が設けられている。軸受と増速機には、フロン系冷媒と相溶性の油を給油して潤滑と冷却機能を維持している。油を保持する油タンクは、冷媒系統への油の漏洩を防ぐためにターボ冷凍機の低圧部分に均圧管（油タンク均圧管）で均圧されている。

しかしながら、回転体の軸封部分や前述の均圧管（油タンク均圧管）を経由して一部の油が冷媒系統に漏洩することは完全には回避できない。冷媒系統への油の漏洩が継続すると、油タンクに保有する油が減少して軸受と増速機への給油が不可能となり、ターボ冷凍機の運転を継続することができなくなる。そのため、ターボ冷凍機においては、冷媒系統からの油回収機能が非常に重要な役割を果たす。

実開昭５５−２００４９号公報

蒸発器内では油は冷媒に溶け込んだ状態で滞留する。従来の油回収方法では、圧縮機の吐出ガスを駆動用ガスとしたエジェクタにより、油が最終的に滞留する蒸発器から油を含んだ冷媒を油タンクに回収する。蒸発器には、油回収ポートが設けられており、蒸発器内の冷媒および油は、油回収ポートを通じてエジェクタによって吸引され、ターボ冷凍機の油タンクに戻される。蒸発器内の冷媒液面は、冷凍負荷や冷却水温度条件などによって変動するので、油回収ポートは冷媒液が必ず存在する蒸発器の下面に設けられている。

しかしながら、蒸発器内の冷媒は、その液面から蒸発するため、冷媒液面に多くの油が存在する。このため、従来の油回収方法には次のような問題があった。
（１）冷媒の比率が高い二相液回収のため、充分な油の回収量が得られない。
（２）油タンクに低温（一般空調ではおよそ６℃程度）の冷媒液が混入することで油タンク内の油温度が低下し、回転体への給油に必要な油の粘度を確保できない。
（３）上記（２）と同様の理由により、油タンク内でフォーミング（泡立ち）が生じて給油のための油圧および油量を確保できない。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたもので、油の回収量を増やすことができ、かつ油温度の低下やフォーミングを回避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、前記蒸発器に設けられ、異なる高さに配置された複数の油回収ポートと、前記複数の油回収ポートのうちの１つを通じて、前記蒸発器に滞留する油を含んだ冷媒を吸引して前記ターボ圧縮機の油タンクに戻すエジェクタと、前記複数の油回収ポートと前記エジェクタとを接続する複数の油回収ラインと、前記複数の油回収ラインにそれぞれ設けられた複数の開閉弁と、前記蒸発器内の冷媒の液面高さを検出する液面センサと、前記複数の油回収ポートのうち、前記冷媒の液面の直下に位置する油回収ポートのみが前記エジェクタに連通するように前記複数の開閉弁を操作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、前記エジェクタは、前記ターボ圧縮機から吐出される冷媒ガスによって駆動されることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記蒸発器は、その内部に配置された伝熱管からなる伝熱部を備えており、前記複数の油回収ポートは、前記伝熱部の最上点よりもやや低い位置にある油回収ポートと、前記伝熱部の最下点よりもやや高い位置にある油回収ポートとを含むことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記蒸発器内の冷媒の液面高さが、前記複数の油回収ポートのうち最も低い位置にある油回収ポートよりも低下したときは、前記制御部は警報信号を発することを特徴とする。

本発明によれば、冷媒の液面の直下に位置する油回収ポートを通じて、より多くの油を含む冷媒を回収することができる。また、油に同伴される冷媒液の量を低減することができるので、油タンク内での油温度の低下および油の泡立ち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。 蒸発器に設けられた第１〜第３の油回収ポートおよびこれら油回収ポートに接続された第１〜第３の開閉弁を示す図である。 蒸発器内の液面高さと第１〜第３の開閉弁の開閉状態との関係を示すグラフである。

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。ギヤケーシング１５は油タンク均圧管１７によってターボ圧縮機１の低圧部分に均圧されている。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。

ターボ圧縮機１と凝縮器２を接続する冷媒配管５から分岐してエジェクタ２０まで延びる冷媒供給配管５ＢＰが設置されている。ターボ圧縮機１から凝縮器２に流れる気相の冷媒の一部は、この冷媒供給配管５ＢＰを通ってエジェクタ２０に導かれる。エジェクタ２０の吐出口は、冷媒戻り配管２１を介してターボ圧縮機１のギヤケーシング１５の上部に接続されている。

蒸発器３には、その内部に貯留されている冷媒の液面高さを検出する液面センサ２３が設けられている。この液面センサ２３は制御部１０に接続されており、液面センサ２３によって検出された冷媒の液面高さの測定値は制御部１０に送信されるようになっている。蒸発器３には、第１の油回収ポートＬ１、第２の油回収ポートＬ２、および第３の油回収ポートＬ３が設けられている。これら油回収ポートＬ１〜Ｌ３は、蒸発器３の異なる高さに配置されている。油回収ポートＬ１〜Ｌ３は蒸発器３の外面に取り付けられており、蒸発器３の内部に連通している。

油回収ポートＬ１〜Ｌ３は、複数の油回収ライン（油回収配管）Ｐ１〜Ｐ３を通じてエジェクタ２０に接続されている。これらの油回収ラインＰ１〜Ｐ３には、第１の開閉弁Ｖ１、第２の開閉弁Ｖ２、および第３の開閉弁Ｖ３がそれぞれ設けられている。第１〜第３の開閉弁Ｖ１〜Ｖ３は制御部１０に接続されており、第１〜第３の開閉弁Ｖ１〜Ｖ３の開閉動作は制御部１０によって制御されるようになっている。より具体的には、制御部１０は、第１〜第３の油回収ポートＬ１〜Ｌ３のうち、蒸発器３内の冷媒の液面の直下に位置する油回収ポートのみがエジェクタ２０に連通するように、第１〜第３の開閉弁Ｖ１〜Ｖ３を操作する。

エジェクタ２０は、冷媒供給配管５ＢＰを介して供給される気相の冷媒を駆動源として動作し、油回収ポートＬ１〜Ｌ３のうちの１つを通じて、蒸発器３に滞留する油を含んだ冷媒を吸引する。油を含んだ冷媒は、冷媒供給配管５ＢＰを通じて供給された冷媒とともに、ターボ圧縮機１のギヤケーシング１５および油タンク１６に戻される。

図２は、蒸発器３の断面図を示している。蒸発器３の内部には、冷水が流れる伝熱管からなる伝熱部２５が配置されている。液相の冷媒は、伝熱部２５を流れる冷水によって加熱され、気相の冷媒となる。図２に示すように、第１〜第３の油回収ポートＬ１〜Ｌ３は、異なる高さに配置されている。最も低い第１の油回収ポートＬ１は、伝熱部２５の最下点よりもやや高い位置にあり、最も高い第３の油回収ポートＬ３は、伝熱部２５の最上点よりもやや低い位置にある。第２の油回収ポートＬ２は第１の油回収ポートＬ１と第３の油回収ポートＬ３との間に位置している。本実施形態では、３つの油回収ポートＬ１〜Ｌ３が３つの異なる高さに配置されているが、本発明はこの例に限定されず、２つの油回収ポートを設けてもよく、または４つ以上の油回収ポートを設けてもよい。いずれも場合に、開閉弁は複数の油回収ポートに対応して設けられる。

本実施形態に使用される冷媒と油は相溶性であり、漏洩した油は冷媒に溶け込んだ状態で蒸発器３内に残留する。満液式蒸発器３では、油を含む冷媒液が冷水と熱交換することで蒸発するので、冷媒液面に近づくに従って、蒸発した冷媒ガスから分離した油の比率が高くなる。このため、冷媒の液面の変動に従って適正な高さの油回収ポートを選択することが油回収機能の向上に繋がる。また、余剰な冷媒液を同伴することも低減できるため、前述した油タンク１６内での油温度の低下やフォーミングを回避することが可能となる。

図３は第１〜第３の開閉弁Ｖ１〜Ｖ３の制御例を示す。冷凍負荷や冷却水温度条件によって、蒸発器３内の冷媒の液面は変動する。液面センサ２３により液面レベルを検出し、冷媒液面が第３の油回収ポートＬ３よりも高い場合は、第３の油回収ポートＬ３に接続された第３の開閉弁Ｖ３を開き、その他の開閉弁Ｖ１，Ｖ２を閉じる。液面が低下して第３の油回収ポートＬ３と第２の油回収ポートＬ２との間に位置する場合は、第２の油回収ポートＬ２に接続された第２の開閉弁Ｖ２を開き、第３の開閉弁Ｖ３を閉じる。このとき、第１の開閉弁Ｖ１は閉じたままである。さらに液面が低下して第２の油回収ポートＬ２と第１の油回収ポートＬ１との間に位置する場合は、第１の油回収ポートＬ１に接続された第１の開閉弁Ｖ１を開き、第２の開閉弁Ｖ２を閉じる。このとき、第３の開閉弁Ｖ３は閉じたままである。

このように、蒸発器３内の液面高さに基づいて開閉弁Ｖ１〜Ｖ３が制御され、液面直下にある油回収ポートから油を含む冷媒がエジェクタ２０によって吸引される。蒸発器３内の液面が上昇した場合は、同様にして、蒸発器３内の液面高さに基づいて開閉弁Ｖ１〜Ｖ３が制御され、液面直下にある油回収ポートのみがエジェクタ２０と連通する。

液面高さが、最も低い位置にある第１の油回収ポートＬ１を下回った場合は、制御部１０は液面低下の警報信号を出力してもよい。液面センサ２３は、連続的な電気的信号を出力するセンサでもよいし、またはフロート式のスイッチでもよい。前述の開閉弁Ｖ１〜Ｖ３の種類としては、電磁弁や電動弁などが挙げられる。本実施形態によれば、確実に冷媒液に浸っている油回収ポートを通じて安定した油回収機能を確保することでき、かつ、油タンク１６内の油温度低下やフォーミングを回避することも可能となる。

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 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
１７ 均圧管
２０ エジェクタ
２１ 冷媒戻り配管
２３ 液面センサ
２５ 伝熱部
Ｌ１〜Ｌ３ 油回収ポート
Ｐ１〜Ｐ３ 油回収ライン
Ｖ１〜Ｖ３ 開閉弁

Claims (4)

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、
   前記蒸発器に設けられ、異なる高さに配置された複数の油回収ポートと、
   前記複数の油回収ポートのうちの１つを通じて、前記蒸発器に滞留する油を含んだ冷媒を吸引して前記ターボ圧縮機の油タンクに戻すエジェクタと、
   前記複数の油回収ポートと前記エジェクタとを接続する複数の油回収ラインと、
   前記複数の油回収ラインにそれぞれ設けられた複数の開閉弁と、
   前記蒸発器内の冷媒の液面高さを検出する液面センサと、
   前記複数の油回収ポートのうち、前記冷媒の液面の直下に位置する油回収ポートのみが前記エジェクタに連通するように前記複数の開閉弁を操作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. 前記エジェクタは、前記ターボ圧縮機から吐出される冷媒ガスによって駆動されることを特徴とする請求項１に記載のターボ冷凍機。
3. 前記蒸発器は、その内部に配置された伝熱管からなる伝熱部を備えており、
   前記複数の油回収ポートは、前記伝熱部の最上点よりもやや低い位置にある油回収ポートと、前記伝熱部の最下点よりもやや高い位置にある油回収ポートとを含む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. 前記蒸発器内の冷媒の液面高さが、前記複数の油回収ポートのうち最も低い位置にある油回収ポートよりも低下したときは、前記制御部は警報信号を発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。

Images