JP2015169352A - ターボ冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸発器でフラッシュして冷媒効果に寄与しない冷媒ガス量を低減することができ、電動機の冷却冷媒配管でのフラッシュ回避による安定した電動機の冷却機能を確保できるターボ冷凍機を提供する。【解決手段】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３と、冷媒を羽根車によって圧縮するターボ圧縮機１と、ターボ圧縮機１を駆動する電動機１１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２とを備えたターボ冷凍機１において、凝縮器２で凝縮した冷媒を過冷却するサブクーラーＳＣと、サブクーラーＳＣ側から分岐した配管であって、サブクーラーＳＣ側から電動機１１に冷媒を供給する冷媒供給配管５ＢＰとを備え、サブクーラーＳＣによって過冷却された冷媒により電動機１１を冷却するようにした。【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、通常、凝縮器から電動機に冷媒を送るようにしており、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。

特開昭５７−９５１５２号公報

電動機を冷却した凝縮冷媒は、膨張過程の中で、そのクオリティ（乾き度）に応じた分の冷媒ガスがフラッシュして蒸発器に戻る。ターボ冷凍機の効率向上には、電動機への冷却冷媒量を削減することも有効であるが、電動機の発熱に応じた冷却冷媒量が必要であるため、冷却冷媒量を過剰に削減すると、電動機の冷却機能が不良となり、電動機の温度が上昇して冷凍機の正常運転を継続することが困難となる。

電動機損失の発熱分を冷却するための冷媒量は熱量計算から算出されるものの実際の冷凍機の運転に際しては、計算値に対して数倍の冷却冷媒量を電動機に供給しなければ電動機の冷却冷媒を過剰に削減することにより、電動機の冷却機能が損なわれるリスクを持っている。電動機を冷却した凝縮冷媒は、膨張過程の中で、その乾き度（クオリティ）に応じた分の冷媒ガスがフラッシュして蒸発器に戻る。フラッシュした冷媒ガスは、冷凍効果に寄与することなく圧縮機に吸込まれ、余剰な圧縮動力を消費する原因となり、冷凍機の効率低下を招く。

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サブクーラーの過冷却冷媒液を利用することにより、蒸発器でフラッシュして冷凍効果に寄与しない冷媒ガス量を低減することができ、また電動機の冷却冷媒配管でのフラッシュ回避による安定した電動機の冷却機能を確保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、本発明の第一の態様のターボ冷凍機は、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、前記凝縮器で凝縮した冷媒を過冷却するサブクーラーと、前記サブクーラー側から分岐した配管であって、サブクーラー側から前記電動機に冷媒を供給する冷媒供給配管とを備え、前記サブクーラーによって過冷却された冷媒により前記電動機を冷却するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、サブクーラーで過冷却された冷媒液を電動機の冷却に利用することにより、過冷却冷媒液時のフラッシュガス量が減少し、冷凍効果に寄与しない冷媒ガスを低減できるため、圧縮機の余剰動力を削減し、冷凍機の効率低下を回避できる。
また、本発明によれば、サブクーラーの出口の過冷却冷媒液を電動機の冷却材として使用しているため、サブクーラーからの冷媒液は既に飽和温度以下に過冷却されているので、配管の圧力損失によるフラッシュのリスクが低くなり、安定した電動機の冷却機能を確保することが可能となる。

本発明の好ましい態様は、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蒸発器の冷水入口温度を測定するとともに蒸発器の冷水出口温度を測定する。これら測定信号は制御装置に逐次送られ、制御装置において冷水出入口の温度差が演算される。制御装置では、こうして得られた温度差と蒸発器を流れる冷水流量とを乗算することにより冷凍能力を算出する。このとき、冷水流量が定格流量（固定流量）の場合には、計測する必要はないが、冷水流量が変流量の場合には、流量計測手段で計測して冷水流量を得る。このようにして算出した冷凍能力から電動機を冷却するために必要な凝縮冷媒（液冷媒）の冷媒量が決まるので、制御弁の開度を制御し、サブクーラー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は、前記蒸発器を流れる冷水の流量を計測する手段を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、蒸発器を流れる冷水流量が変流量の場合には、流量計測手段で計測して冷水流量を得る。

本発明の好ましい態様は、前記蒸発器の冷水入口圧力と冷水出口圧力の圧力差を測定する手段を備え、前記制御装置は前記圧力差から前記蒸発器を流れる冷水の流量を演算することを特徴とする。
本発明によれば、蒸発器の冷水入口配管と冷水出口配管との間に差圧計を設けて蒸発器で生ずる冷水圧力損失を計測し、蒸発器の冷水圧力損失から蒸発器を流れる冷水流量を演算する。

本発明の好ましい態様は、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、凝縮器内の冷媒と熱交換する冷却水の入口温度を測定する手段と、凝縮器内の冷媒と熱交換した後の冷却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、前記凝縮器の冷却水入口温度と冷却水出口温度の温度差と前記凝縮器を流れる冷却水の流量とから冷却水冷却能力を算出し、算出した冷却水冷却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凝縮器の冷却水入口温度を測定するとともに凝縮器の冷却水出口温度を測定する。これら測定信号は制御装置に逐次送られ、制御装置において冷却水出入口の温度差が演算される。制御装置では、こうして得られた温度差と凝縮器を流れる冷却水流量とを乗算することにより冷却水冷却能力を算出する。このとき、冷却水流量が定格流量（固定流量）の場合には、計測する必要はないが、冷却水流量が変流量の場合には、流量計測手段で計測して冷却水流量を得る。このようにして算出した冷却水冷却能力から電動機を冷却するために必要な凝縮冷媒（液冷媒）の冷媒量が決まるので、制御弁の開度を制御し、サブクーラー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は、前記凝縮器を流れる冷却水の流量を計測する手段を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、凝縮器を流れる冷却水流量が変流量の場合には、流量計測手段で計測して冷却水流量を得る。

本発明の好ましい態様は、前記凝縮器の冷却水入口圧力と冷却水出口圧力の圧力差を測定する手段を備え、前記制御装置は前記圧力差から前記凝縮器を流れる冷却水の流量を演算することを特徴とする。
本発明によれば、凝縮器の冷却水入口配管と冷却水出口配管との間に差圧計を設けて凝縮器で生ずる冷却水圧力損失を計測し、凝縮器の冷却水圧力損失から凝縮器を流れる冷却水流量を演算する。

本発明の好ましい態様は、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。

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、サブクーラー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は、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は、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は、前記温度測定手段は熱電対であることを特徴とする。

本発明の第二の態様のターボ冷凍機は、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、冷媒を多段の羽根車によって圧縮する多段ターボ圧縮機と、前記多段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、前記凝縮器で凝縮した冷媒を過冷却するサブクーラーと、エコノマイザから前記電動機に冷媒を供給する冷媒供給配管と、前記サブクーラー側から前記電動機に冷媒を供給する冷媒供給配管と、前記エコノマイザから前記電動機への冷媒供給と前記サブクーラー側から前記電動機への冷媒供給との切替えを行う制御装置と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、エコノマイザと蒸発器の差圧が大きい場合には、中間圧力であるエコノマイザから電動機の冷却用の冷媒を供給することにより、エコノマイザ効果の低減をゼロにすることが可能となり、冷凍機の性能低下や効率低下を防ぐことができる。
本発明によれば、エコノマイザと蒸発器の差圧が小さい場合には、サブクーラー側から電動機の冷却用の冷媒を供給することができる。

本発明の好ましい態様は、前記制御装置は、前記エコノマイザと前記蒸発器との差圧に基づいて前記切替えを行うことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記エコノマイザの圧力を測定する圧力センサと前記蒸発器の圧力を測定する圧力センサとを備え、前記制御装置は、前記二つの圧力センサの測定信号から前記エコノマイザと前記蒸発器との差圧を求めることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記エコノマイザと前記蒸発器の差圧が所定値以上の場合、前記エコノマイザから前記電動機に冷媒を供給することを特徴とする。
本発明によれば、エコノマイザと蒸発器の差圧が所定値以上であるときは、その差圧で電動機を冷却するための冷却冷媒の輸送を行う。所定値は、配管圧力損失から算出される値である。すなわち、所定値はエコノマイザから蒸発器までの配管圧力損失分を考慮した値であって、この配管圧力損失分にマージンの圧力分、例えば、冷媒Ｒ１３４ａの場合、２０ｋＰａ〜３０ｋＰａを加えた値である。

本発明の好ましい態様は、前記エコノマイザと前記蒸発器の差圧が所定値未満の場合、前記サブクーラー側から前記電動機に冷媒を供給することを特徴とする。
本発明によれば、エコノマイザと蒸発器の差圧が所定値未満である場合には、サブクーラーと蒸発器の差圧を用いて電動機を冷却するための冷却冷媒の輸送を行う。

本発明の好ましい態様は、前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分における羽根車の吸込風量を制御するベーンを設けたことを特徴とする。
本発明によれば、ベーンにより多段圧縮段の中間部分における羽根車の吸込風量を絞ることができるため、低ヘッド時のエコノマイザ圧力の極端な低下を防ぐことができる。そのため、エコノマイザ圧力と蒸発圧力との間に充分な圧力差を確保することが可能となり、エコノマイザから電動機への安定した冷却冷媒の供給が可能になる。

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サブクーラーの過冷却冷媒液を利用することにより、蒸発器でフラッシュして冷凍効果に寄与しない冷媒ガス量を低減することができるため、圧縮機の余剰動力を削減し、冷凍機の効率低下を回避できる。また、サブクーラーからの冷媒液は既に飽和温度以下に過冷却されているので、配管の圧力損失によるフラッシュのリスクが低くなり、電動機の冷却冷媒配管でのフラッシュ回避による安定した電動機の冷却機能を確保できる。
（２）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。
（３）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、本発明に係るターボ冷凍機の第２の実施形態を示す模式図である。 図３は、蒸発器でフラッシュして発生するガス量を比較するためのモリエル線図である。 図４は、本発明に係るターボ冷凍機の第３の実施形態を示す模式図である。 図５は、冷凍能力と電動式の制御弁の開度との関係を示すグラフである。 図６は、本発明に係るターボ冷凍機の第４の実施形態を示す模式図である。 図７は、本発明に係るターボ冷凍機の第５の実施形態を示す模式図である。 図８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９は、本発明に係るターボ冷凍機の第６の実施形態を示す模式図である。 図１０は、冷却水温度が低い低ヘッド時の場合のモリエル線図である。 図１１は、冷却水温度が低い低ヘッド時に吸込ベーンを用いて二段目羽根車の吸込風量を絞り込むことにより、エコノマイザ圧力と蒸発圧力の圧力差を大きくした場合の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乃至図１１を参照して説明する。図１乃至図１１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。凝縮器２は、底部にサブクーラーＳＣを内蔵したシェルアンドチューブ式の凝縮器である。

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の底部にあるサブクーラーＳＣ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、冷媒をサブクーラーＳＣ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、サブクーラーＳＣから過冷却冷媒液が電動機１１のケーシング１１ｃ内に導入されるようになっている。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。

図２は、本発明に係るターボ冷凍機の第２の実施形態を示す模式図である。図２に示すように、本実施形態においては、サブクーラーは、内蔵型ではなく外置サブクーラーＳＣで構成されている。外置サブクーラーＳＣはプレート熱交換器などからなる。その他の構成は、図１に示すターボ冷凍機と同様である。
また、以下に示す第３の実施形態から第６の実施形態に係るターボ冷凍機においても内蔵型のサブクーラーと外置サブクーラーの両方のタイプのサブクーラーを使用することができるが、内蔵型のサブクーラーを使用した場合のみを図示する。

図１および図２に示すように構成されたターボ冷凍機においては、サブクーラーＳＣの出口の過冷却冷媒液を電動機１１の冷却材として使用している。サブクーラー出口の過冷却冷媒液を電動機の冷却材として使用するメリットは、以下の通りである。
すなわち、サブクーラーＳＣで過冷却された冷媒液を電動機１１の冷却に利用した後、蒸発器３に戻った冷媒液はフラッシュして湿り蒸気となるが、凝縮器→電動機→蒸発器の冷却経路と比較して、乾き度（クオリティ）が低いため、蒸発器３でフラッシュして発生するガス量が減る。

図３は、蒸発器でフラッシュして発生するガス量を比較するためのモリエル線図である。図３に示すモリエル線図から、サブクーラー出口の過冷却冷媒液を電動機の冷却材として使用した場合と、凝縮器出口の飽和冷媒液を電動機の冷却材として使用した場合のフラッシュガス量は以下のように表される。
過冷却冷媒液時のフラッシュガス量＝（Δｈ１／Δｈ）×Ｇ
飽和冷媒液時のフラッシュガス量＝（Δｈ２／Δｈ）×Ｇ
Ｇ：電動機への冷却冷媒供給量〔ｋｇ／ｓ〕
このようにサブクーラーＳＣで過冷却された冷媒液を電動機１１の冷却に利用する場合には、過冷却冷媒液時のフラッシュガス量が減少し、冷凍効果に寄与しない冷媒ガスを低減できるため、圧縮機の余剰動力を削減し、冷凍機の効率低下を回避できる。

また、凝縮器２からの飽和凝縮液を冷媒として、凝縮器２と蒸発器３の圧力差を駆動源として電動機１１に供給する場合、供給配管の圧力損失が大きい（例えば、フィルタ、サイトグラス等の絞り機構を設けている）と、冷媒液がフラッシュして冷却冷媒配管内が二相流となる。二相流になると、冷却冷媒の供給が阻害され、電動機１１の冷却機能が損なわれる可能性がある。
しかし、本発明によれば、サブクーラーＳＣの出口の過冷却冷媒液を電動機１１の冷却材として使用しているため、サブクーラーＳＣからの冷媒液は既に飽和温度以下に過冷却されているので、配管の圧力損失によるフラッシュのリスクが低くなり、安定した電動機の冷却機能を確保することが可能となる。

図４は、本発明に係るターボ冷凍機の第３の実施形態を示す模式図である。図４に示すように、凝縮器２の底部にあるサブクーラーＳＣ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、冷媒をサブクーラーＳＣ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、サブクーラーＳＣから過冷却冷媒液が電動機１１のケーシング１１ｃ内に導入されるようになっている。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。

図４に示すように、蒸発器３には、冷水入口温度を測定する温度センサＴ１と、冷水出口温度を測定する温度センサＴ２とが設置されている。すなわち、温度センサＴ１により蒸発器３内の冷媒と熱交換する冷水の入口温度を測定し、温度センサＴ２により蒸発器３内の冷媒と熱交換した後の冷水の出口温度を測定するようになっている。温度センサＴ１および温度センサＴ２は、それぞれ制御装置１０に接続されている。これにより、制御装置１０において、冷水入口温度と冷水出口温度との温度差と、定格（固定）の冷水流量とから冷凍能力Ｑｅを算出することができるようになっている。蒸発器３を流れる冷水流量が変流量である場合には、図４に示すように、冷水出口配管に冷水流量を計測する流量センサＦＥを設けることにより、冷水入口温度と冷水出口温度との温度差と、流量センサＦＥで計測した冷水流量とを乗算することにより冷凍能力Ｑｅを算出することができる。
なお、図４に示すように、冷水入口配管と冷水出口配管との間に差圧計ΔＰｅを設けて蒸発器３で生ずる冷水圧力損失を計測し、蒸発器３の冷水圧力損失から蒸発器３を流れる冷水流量を推算し、推算した冷水流量に、冷水入口温度と冷水出口温度との温度差を乗算することにより冷凍能力Ｑｅを算出してもよい。

次に、図４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Ｔ１により冷水入口温度を測定するとともに温度センサＴ２により冷水出口温度を測定する。これら測定信号は制御装置１０に逐次送られ、制御装置１０において冷水出入口の温度差が演算される。制御装置１０では、こうして得られた温度差と蒸発器３を流れる冷水流量とを乗算することにより冷凍能力Ｑｅを算出する。このとき、冷水流量が定格流量（固定流量）の場合には、計測する必要はないが、冷水流量が変流量の場合には、流量センサＦＥで計測して冷水流量を得る。このようにして算出した冷凍能力Ｑｅから電動機１１を冷却するために必要な凝縮冷媒（液冷媒）の冷媒量が決まるので、電動式の制御弁１２の開度を制御し、サブクーラーＳＣから冷媒供給配管５ＢＰを介して電動機１１に供給される凝縮冷媒の流量を制御する。

図５は、冷凍能力Ｑｅと電動式の制御弁１２の開度との関係を示すグラフである。図５に示すような冷凍能力Ｑｅ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、冷凍能力Ｑｅを算出すれば、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。

このようにして、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。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６は、本発明に係るターボ冷凍機の第４の実施形態を示す模式図である。図６に示すように、本実施形態においては、各種センサ類は凝縮器２に設置されている。その他の構成は図４に示すターボ冷凍機と同様である。すなわち、凝縮器２に、冷却水入口温度を測定する温度センサＴ１と、冷却水出口温度を測定する温度センサＴ２とが設置されている。温度センサＴ１およびＴ２は、それぞれ制御装置１０に接続されている。これにより、制御装置１０において、冷却水入口温度と冷却水出口温度との温度差と、定格（固定）の冷却水流量とから冷却水冷却能力Ｑｃを算出することができるようになっている。凝縮器２を流れる冷却水流量が変流量である場合には、図６に示すように、冷却水出口配管に冷却水流量を計測する流量センサＦＣを設けることにより、冷却水入口温度と冷却水出口温度との温度差と、流量センサＦＣで計測した冷却水流量とを乗算することにより冷却水冷却能力Ｑｃを算出することができる。
なお、図６に示すように、冷却水入口配管と冷却水出口配管との間に差圧計ΔＰｃを設けて凝縮器２で生ずる冷却水圧力損失を計測し、凝縮器２の冷却水圧力損失から凝縮器２を流れる冷却水流量を推算し、推算した冷却水流量に、冷却水入口温度と冷却水出口温度との温度差を乗算することにより冷却水冷却能力Ｑｃを算出してもよい。

このようにして算出した冷却水冷却能力Ｑｃから電動機１１を冷却するために必要な凝縮冷媒（液冷媒）の冷媒量が決まるので、電動式の制御弁１２の開度を制御し、サブクーラーＳＣから冷媒供給配管５ＢＰを介して電動機１１に供給される凝縮冷媒の流量を制御する。なお、冷却水冷却能力Ｑｃと電動式の制御弁１２の開度との関係は、図５と同様に予め求めておき、テーブル化しておく。

図７は、本発明に係るターボ冷凍機の第５の実施形態を示す模式図である。
図７に示すように、凝縮器２の底部にあるサブクーラーＳＣ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、冷媒をサブクーラーＳＣ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７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７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８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８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８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８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９は、本発明に係るターボ冷凍機の第６の実施形態を示す模式図である。
図９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から分岐して、冷媒をエコノマイザ４から電動機１１に導く冷媒供給配管５ＢＰ１が設置されている。冷媒供給配管５ＢＰ１は電動機１１のケーシング１１ｃに接続されており、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、エコノマイザ４と電動機１１とを接続する冷媒供給配管５ＢＰ１には、電動式の制御弁１３が設けられており、制御弁１３の開度を制御することによりエコノマイザ４から電動機１１に供給される冷媒の流量が制御できるようになっている。制御弁１３は制御装置１０に接続されている。

電動機１１へ冷却冷媒を供給する駆動力は、エコノマイザ４と蒸発器３の圧力差である。冷却水温度が低い低ヘッド時には、エコノマイザ４と蒸発器３の圧力差が小さくなる。
図１０は、冷却水温度が低い低ヘッド時の場合のモリエル線図である。図１０に示すように、エコノマイザ圧力と蒸発圧力の圧力差が小さいと、冷却冷媒を供給する駆動力が低下して、電動機１１への冷却冷媒の供給が困難となり、エコノマイザ４から冷却冷媒を供給することができなくなる。

そこで、本発明では、図９に示すように、二段目圧縮機における二段目羽根車の吸込風量を制御する吸込ベーンＳＶを設けている。吸込ベーンＳＶは放射状に配置されており、各吸込ベーンＳＶが自身の軸心を中心として互いに同期して所定の角度だけ回転することにより、吸込ベーンＳＶの開度が変更される。このように、吸込ベーンＳＶの開度を変更することにより、二段目圧縮機における二段目羽根車の吸込風量を制御することができ、低ヘッド時に二段目羽根車の吸込風量を絞ることにより低ヘッド時のエコノマイザ圧力の極端な低下を防ぐことができる。そのため、エコノマイザ圧力と蒸発圧力との間に充分な圧力差を確保することが可能となり、エコノマイザ４から電動機１１への安定した冷却冷媒の供給が可能になる。

図１１は、冷却水温度が低い低ヘッド時に吸込ベーンＳＶを用いて二段目羽根車の吸込風量を絞り込むことにより、エコノマイザ圧力と蒸発圧力の圧力差を大きくした場合のモリエル線図である。図１１に示すように、エコノマイザ圧力と蒸発圧力の圧力差を大きくすることにより、エコノマイザ４から電動機１１への安定した冷却冷媒の供給が可能になる。

図９に示すように、凝縮器２の底部にあるサブクーラーＳＣ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、冷媒をサブクーラーＳＣから電動機１１に導く冷媒供給配管５ＢＰ２が設置されている。冷媒供給配管５ＢＰ２は冷媒供給配管５ＢＰ１に接続されている。冷媒供給配管５ＢＰ２には、電動式の制御弁１４が設けられており、制御弁１４の開度を制御することによりサブクーラーＳＣから電動機１１に供給される冷媒の流量が制御できるようになっている。制御弁１４は制御装置１０に接続されている。図９に示すように、電動機１１への冷却冷媒は、エコノマイザ４とサブクーラーＳＣの両方から取り出せるように、冷媒供給配管５ＢＰ１，５ＢＰ２と電動式の制御弁１３，１４とを設けている。

図９に示すように、蒸発器３およびエコノマイザ４には、それぞれ圧力センサＰｅ，Ｐｅｃｏが設置されている。すなわち、圧力センサＰｅにより蒸発器３内の圧力を測定し、圧力センサＰｅｃｏによりエコノマイザ４の圧力を測定するようになっている。圧力センサＰｅおよび圧力センサＰｅｃｏは、それぞれ制御装置１０に接続されている。これにより、制御装置１０において、エコノマイザ４の圧力と蒸発器３の圧力の比較を常時行うことができるようになっている。

次に、図９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圧力センサＰｅにより蒸発器３の圧力を測定するとともに圧力センサＰｅｃｏによりエコノマイザ４の圧力を測定する。これら測定信号は制御装置１０に逐次送られる。制御装置１０は、エコノマイザ４の圧力（Ｐｅｃｏ）と蒸発器３の圧力（Ｐｅ）とを比較して以下の制御を行う。
１）Ｐｅｃｏ≧Ｐｅ＋αとなる場合には、制御弁１３を開き、制御弁１４を閉じることにより、冷却冷媒をエコノマイザ４から電動機１１に供給する。
２）Ｐｅｃｏ＜Ｐｅ＋αとなる場合には、制御弁１３を閉じ、制御弁１４を開くことにより、冷却冷媒をサブクーラーＳＣから電動機１１に供給する。
１）および２）において、α（所定値）は、配管圧力損失から算出される値にマージンの圧力分を加えた値である。

本発明においては、エコノマイザ４と蒸発器３の差圧が所定値以上であるときは、その差圧で電動機１１を冷却するための冷却冷媒の輸送を行う。本発明によれば、エコノマイザ４と蒸発器３の差圧を用いて電動機１１を冷却するための冷却冷媒の輸送を行うため、冷却冷媒を輸送するための駆動力（ドライビングフォース）を小さくすることができる。したがって、電動機１１を冷却する冷媒の冷媒量が過剰になることを防止できる。エコノマイザ４と蒸発器３の差圧を確保するために、ターボ冷凍機１の二段目羽根車の吸込風量を制御するベーンＳＶを設けている。
エコノマイザ４と蒸発器３の差圧が所定値未満である場合には、サブクーラーＳＣと蒸発器３の差圧を用いて電動機１１を冷却するための冷却冷媒の輸送を行う。

図９に示す実施形態においては、蒸発器３およびエコノマイザ４に、それぞれ圧力センサＰｅ，Ｐｅｃｏを設置したが、圧力センサに代えて、蒸発器３およびエコノマイザ４に、それぞれ温度センサを設置してもよい。すなわち、エコノマイザ温度と蒸発温度とを測定し、エコノマイザ温度からエコノマイザ４の圧力を推算し、蒸発温度から蒸発器３の圧力を推算すれば、上記１）および２）と同様の制御を行うことができる。

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
１３ 制御弁
１４ 制御弁
ＦＣ，ＦＥ 流量センサ
ΔＰｃ，ΔＰｅ 差圧計
Ｔ１，Ｔ２ 温度センサ
ＳＣ サブクーラー

Claims (17)

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、
   前記凝縮器で凝縮した冷媒を過冷却するサブクーラーと、
   前記サブクーラー側から分岐した配管であって、サブクーラー側から前記電動機に冷媒を供給する冷媒供給配管とを備え、
   前記サブクーラーによって過冷却された冷媒により前記電動機を冷却するようにしたことを特徴とするターボ冷凍機。
2. 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請求項１に記載のターボ冷凍機。
3. 前記蒸発器を流れる冷水の流量を計測する手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載のターボ冷凍機。
4. 前記蒸発器の冷水入口圧力と冷水出口圧力の圧力差を測定する手段を備え、
   前記制御装置は前記圧力差から前記蒸発器を流れる冷水の流量を演算することを特徴とする請求項２に記載のターボ冷凍機。
5. 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、
   凝縮器内の冷媒と熱交換する冷却水の入口温度を測定する手段と、
   凝縮器内の冷媒と熱交換した後の冷却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、前記凝縮器の冷却水入口温度と冷却水出口温度の温度差と前記凝縮器を流れる冷却水の流量とから冷却水冷却能力を算出し、算出した冷却水冷却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請求項１に記載のターボ冷凍機。
6. 前記凝縮器を流れる冷却水の流量を計測する手段を備えたことを特徴とする請求項５に記載のターボ冷凍機。
7. 前記凝縮器の冷却水入口圧力と冷却水出口圧力の圧力差を測定する手段を備え、
   前記制御装置は前記圧力差から前記凝縮器を流れる冷却水の流量を演算することを特徴とする請求項５に記載のターボ冷凍機。
8. 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請求項１に記載のターボ冷凍機。
9. 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８に記載のターボ冷凍機。
10. 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８に記載のターボ冷凍機。
11. 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８乃至１０のいずれか一項に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、前記多段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、
    前記凝縮器で凝縮した冷媒を過冷却するサブクーラーと、
    エコノマイザから前記電動機に冷媒を供給する冷媒供給配管と、
    前記サブクーラー側から前記電動機に冷媒を供給する冷媒供給配管と、
    前記エコノマイザから前記電動機への冷媒供給と前記サブクーラー側から前記電動機への冷媒供給との切替えを行う制御装置とを備えたことを特徴とするターボ冷凍機。
13. 前記制御装置は、前記エコノマイザと前記蒸発器との差圧に基づいて前記切替えを行うことを特徴とする請求項１２に記載のターボ冷凍機。
14. 前記エコノマイザの圧力を測定する圧力センサと前記蒸発器の圧力を測定する圧力センサとを備え、前記制御装置は、前記二つの圧力センサの測定信号から前記エコノマイザと前記蒸発器との差圧を求めることを特徴とする請求項１３に記載のターボ冷凍機。
15. 前記エコノマイザと前記蒸発器の差圧が所定値以上の場合、前記エコノマイザから前記電動機に冷媒を供給することを特徴とする請求項１３に記載のターボ冷凍機。
16. 前記エコノマイザと前記蒸発器の差圧が所定値未満の場合、前記サブクーラー側から前記電動機に冷媒を供給することを特徴とする請求項１３に記載のターボ冷凍機。
17. 前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分における羽根車の吸込風量を制御するベーンを設けたことを特徴とする請求項１２乃至１６のいずれか一項に記載のターボ冷凍機。

Images