JP2017125647A - 圧縮式冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】フリークーリング運転時に圧縮機の羽根車の回転を制御することにより、圧縮機の羽根車の連れ回りを防止して冷凍機の安定した運転が可能となり、バイパス配管やストッパ機構等の高価な設備を設ける必要がない圧縮式冷凍機を提供する。【解決手段】圧縮式冷凍機は、冷水温度よりも冷却水温度が低い条件下で蒸発器３で冷媒と冷水との熱交換を行うフリークーリング運転を行う制御装置２０と、羽根車１１，１２の回転速度を制御するインバータ１５とを備え、制御装置２０は、フリークーリング運転時に、インバータ１５を制御して羽根車１１，１２の回転速度をゼロ速度以上極低速度以下に制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮式冷凍機に係り、特に冷水温度よりも冷却水温度が低い条件下で圧縮機による冷媒ガスの圧縮運転をすることなく、蒸発器において冷媒を介して熱交換を行い冷水を製造するフリークーリング機能を備えた圧縮式冷凍機に関するものである。

フリークーリングは、冷却水と冷水を冷却水−冷水熱交換器で直接熱交換する方法が一般的であるが、圧縮式冷凍機において圧縮機を運転することなく、蒸発器において冷媒を介して熱交換を行う方式も知られている。この方式は、冷却水−冷水熱交換器が不要で、水配管の切替が不要という利点がある。

圧縮式冷凍機において圧縮機を運転しない状態で冷媒を介してフリークーリング運転を行う場合、蒸発器で冷水から熱を奪って蒸発した冷媒ガスは、凝縮器に移動して凝縮器で冷却水に熱を与えて凝縮する。これに伴って蒸発器から凝縮器に向かって冷媒ガスの流れが生じる。冷媒ガスは圧縮機を通過する際に流体力によって羽根車を回転させる。

特許第４０６１４６３号公報 特許第５４１２１９３号公報

圧縮式冷凍機においてフリークーリング運転を行っている際に、冷媒ガスが圧縮機を通過することにより羽根車が連れ回りしているとき、その回転速度は成り行きであり制御不能で不安定な状態である。圧縮機の回転速度が増加して設計回転速度を超えた場合、回転体にかかる遠心応力が過大となったり、軸受の潤滑不良や発熱、振動振幅の増大による接触などで圧縮機が損傷する恐れがある。

フリークーリング運転時に圧縮機の羽根車の回転速度がどこまで上がるか分からないため、軸受には安全を見て多めに給油する必要がある。このため油ポンプの動力が過剰に必要であることと、軸受部から油が冷媒側に流出してしまうという問題がある。
圧縮機の連れ回りを防ぐには、圧縮機の冷媒配管に遮断弁を設けるとともに、圧縮機をバイパスして蒸発器から凝縮器へ冷媒ガスを流すバイパス配管やバイパス弁を設ける必要がある。あるいは、圧縮機が回転しないようにブレーキやクラッチ機構等のストッパ機構を設ける必要がある。これらの機構はいずれも大掛かりでコスト高である。

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、フリークーリング運転時に圧縮機の羽根車の回転を制御することにより、圧縮機の羽根車の連れ回りを防止して冷凍機の安定した運転が可能となり、バイパス配管やストッパ機構等の高価な設備を設ける必要がない圧縮式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、本発明の圧縮式冷凍機の第１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、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、圧縮式冷凍機を制御する制御装置を備えた圧縮式冷凍機において、前記圧縮式冷凍機は、冷水温度よりも冷却水温度が低い条件下で前記蒸発器で冷媒と冷水との熱交換を行うフリークーリング運転を行う前記制御装置と、前記羽根車の回転速度を制御するインバータとを備え、前記制御装置は、前記フリークーリング運転時に、前記インバータを制御して前記羽根車の回転速度をゼロ速度以上極低速度以下に制御することを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記インバータは、前記羽根車のゼロ速度運転、極低速度運転のいずれかの運転を行うことを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記インバータは、前記電動機に正回転の出力および逆回転の出力を与える機能を有することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記制御装置は、前記フリークーリング運転時に、ターボ圧縮機の軸受に給油する油ポンプの間欠運転を行うか、または回転速度を低下させた運転を行うことを特徴とする。

本発明の圧縮式冷凍機の第２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、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、圧縮式冷凍機を制御する制御装置を備えた圧縮式冷凍機において、前記圧縮式冷凍機は、冷水温度よりも冷却水温度が低い条件下で前記蒸発器で冷媒と冷水との熱交換を行うフリークーリング運転を行う前記制御装置と、前記羽根車の回転速度を制御するインバータとを備え、前記制御装置は、前記フリークーリング運転時に、前記インバータを制御して前記電動機に直流電流を供給し、前記羽根車の回転速度を制限するようにしたことを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記インバータは、前記羽根車の回転速度を極低速度以下に制御することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記制御装置は、前記フリークーリング運転時に、ターボ圧縮機の軸受に給油する油ポンプの間欠運転を行うか、または回転速度を低下させた運転を行うことを特徴とする。

本発明の圧縮式冷凍機の第３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、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、圧縮式冷凍機を制御する制御装置を備えた圧縮式冷凍機において、前記圧縮式冷凍機は、冷水温度よりも冷却水温度が低い条件下で前記蒸発器で冷媒と冷水との熱交換を行うフリークーリング運転を行う前記制御装置と、前記電動機に直流電流を供給する直流電源とを備え、前記制御装置は、前記フリークーリング運転時に、前記電動機を商用交流電源から切り離して前記直流電源に接続し、前記羽根車の回転速度を制限するようにしたことを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記羽根車の回転速度を極低速度以下に制御することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記制御装置は、前記フリークーリング運転時に、ターボ圧縮機の軸受に給油する油ポンプの間欠運転を行うか、または回転速度を低下させた運転を行うことを特徴とする。

本発明は、以下に列挙する効果を奏する。
（１）フリークーリング運転時に圧縮機の羽根車の回転を制御することにより、蒸発器から凝縮器に向かう冷媒ガスの流れが圧縮機を通過することに起因する圧縮機の羽根車の連れ回りを防止することができる。
（２）フリークーリング運転時に、軸受部への給油量を圧縮機の羽根車の回転数に応じた適正量とすることができ、給油量を過剰にする必要がなく、無駄な動力の消費や軸受部から油が冷媒側に流出する量を減らすことができる。
（３）フリークーリング運転時に圧縮機の羽根車の連れ回りを防ぐためのバイパス弁やストッパ機構等の高価な設備を設ける必要がない。
（４）冷媒ガス流による羽根車の連れ回りを防止するためにゼロ速度制御または直流印加によって電動機に制動トルクを発生させることにより電動機が発熱するが、冷媒ガス流に熱排出することにより、フリークーリング運転時の電動機冷却のための冷媒ポンプ運転は、間欠運転または回転速度を低下させた運転で足りる。
（５）冷凍機の基本的な構成を変更せず、簡易な電気的手段を講じることにより、フリークーリング運転時に羽根車の意図しない回転を阻止することができる。

図１は、本発明に係る圧縮式冷凍機の第１の実施形態を示す模式図である。 図２は、本発明に係る圧縮式冷凍機の第２の実施形態を示す模式図である。

以下、本発明に係る圧縮式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、本発明に係る圧縮式冷凍機の第１の実施形態を示す模式図である。図１に示すように、圧縮式冷凍機は、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で冷却して凝縮させる凝縮器２と、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とを備え、これら各機器を冷媒が循環する冷媒配管４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を回転させる電動機１３とから構成されている。ターボ圧縮機１の電動機１３は誘導電動機からなり、電動機１３の回転速度は、交流電源１４に接続されたインバータ１５により制御されるように構成されている。インバータ１５は制御装置２０に接続されている。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１６が設けられている。

ターボ圧縮機１は軸受ＢやギアＧを収容するギヤケーシング１７を備えており、ギヤケーシング１７の下部には油タンク１８が設けられている。なお、電動機１３はインバータ駆動であるため、ギアＧは省略してもよい。油タンク１８内には油ポンプ１９が設置されており、油ポンプ１９によって潤滑油がギヤケーシング１７内の軸受ＢとギアＧおよび電動機１３の軸受Ｂに給油されるようになっている。油ポンプ１９の電動機は、油ポンプインバータ２５により回転速度が制御されるようになっている。凝縮器２の液冷媒は冷媒ポンプ２６によって電動機１３に供給され、電動機１３を冷却するようになっている。冷媒ポンプ２６の電動機は、冷媒ポンプインバータ２７により回転速度が制御されるようになっている。

図１に示すように構成された圧縮式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。

圧縮式冷凍機の運転中に、冷水温度よりも冷却水温度が低くなったときに、制御装置２０は、蒸発器３で冷媒と冷水との熱交換を行うフリークーリング運転に移行するように冷凍機を制御する。制御装置２０は、フリークーリング運転時に、インバータ１５を制御して羽根車の回転速度をゼロ速度（０ｒｐｍ）以上極低速度（定格回転速度の５％）以下に制御する。具体的には、制御装置２０は、インバータ１５に羽根車のゼロ速度運転又は極低速度運転の指令を送る。インバータ１５は、フリークーリング運転により連れ回りする羽根車の回転速度を検出手段（図示せず）により検出するか又は推定手段（図示せず）により推定する。インバータ１５は、検出された又は推定された羽根車の回転速度に見合った周波数と電圧値を持った交流を発生して電動機１３に供給する。これにより、電動機１３の回転速度、すなわち羽根車の回転速度は、ゼロ速度（０ｒｐｍ）以上極低速度（定格回転速度の５％）以下に制御される。インバータ１５は電動機１３に正回転の出力のみならず逆回転の出力も与える機能を有しており、ターボ圧縮機１の羽根車の回転方向は、正回転であってもよいし、逆回転であってもよい。

インバータ出力の回転方向とターボ圧縮機1の羽根車の回転方向が反対の場合は逆相制動となり、制動に用いられたエネルギーは主に電動機１３内で熱として消費される。インバータ出力の回転方向とターボ圧縮機1の羽根車の回転方向が同一の場合には、インバータ出力周波数をターボ圧縮機1の羽根車の電気的回転速度未満に制御することにより回生制動となり、制動によって回生されたエネルギーはインバータ１５内に戻される。この回生エネルギーをインバータ１５から油ポンプインバータ２５や冷媒ポンプインバータ２７に供給するように構成してもよい。

また、フリークーリング運転時に、油ポンプ１９は羽根車の回転速度、軸受け温度、または冷凍負荷などと連動して制御され、給油量を絞るように構成されている。すなわち、フリークーリング運転時に、油ポンプ１９を間欠運転することにより給油量を絞るように構成してもよいし、油ポンプ１９の回転速度を低下させるようにインバータ制御することにより給油量を絞るように構成してもよい。また、給油量が不足した場合の保護として軸受け温度が高温になったら給油量を増加させてもよい。

次に、図１に示すように構成された圧縮式冷凍機において、フリークーリング運転時にインバータ１５から電動機１３に直流を供給して羽根車の回転を制御する制御方法を説明する。
圧縮式冷凍機の運転中に、冷水温度よりも冷却水温度が低くなったときに、制御装置２０は、蒸発器３で冷媒と冷水との熱交換を行うフリークーリング運転に移行するように冷凍機を制御する。制御装置２０は、フリークーリング運転時に、インバータ１５を制御して羽根車の回転速度を極低速度（定格回転速度の５％）以下に制御する。具体的には、制御装置２０は、インバータ１５に直流保持の指令を送る。インバータ１５は、予め設定した値の電圧または電流を電動機１３に供給する。これにより、電動機１３の固定子を直流励磁し、回転子を停止させる方向の制動トルクを発生させ、電動機１３の回転速度、すなわち羽根車の回転速度を極低速度（定格回転速度の５％）以下に制御する。

図２は、本発明に係る圧縮式冷凍機の第２の実施形態を示す模式図である。第２の実施形態においては、電動機１３は切替スイッチ２１を介して交流電源１４および直流電源２２に接続されている。電動機１３は固定速の誘導電動機からなっている。切替スイッチ２１は制御装置２０に接続されている。その他の構成は、図１に示す圧縮式冷凍機と同様である。

図２に示すように構成された圧縮式冷凍機において、通常の冷凍運転時には、交流電源１４から交流を電動機１３に供給してターボ圧縮機１により冷媒ガスの圧縮運転を行う。これにより、ターボ圧縮機１と凝縮器２と蒸発器３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。

圧縮式冷凍機の運転中に、冷水温度よりも冷却水温度が低くなったときに、制御装置２０は、蒸発器３で冷媒と冷水との熱交換を行うフリークーリング運転に移行するように冷凍機を制御する。すなわち、制御装置２０は切替スイッチ２１を作動させ、電動機１３を交流電源１４から切り離して直流電源２２に接続する。直流電源２２は、予め設定した値の電圧または電流を電動機１３に供給する。これにより、電動機１３の固定子を直流励磁し、回転子を停止させる方向の制動トルクを発生させ、電動機１３の回転速度、すなわち羽根車の回転速度を極低速度（定格回転速度の５％）以下に制御する。

また、フリークーリング運転時に、油ポンプ１９は羽根車の回転速度、軸受け温度、または冷凍負荷などと連動して制御され、給油量を絞るように構成されている。すなわち、フリークーリング運転時に、油ポンプ１９を間欠運転することにより給油量を絞るように構成してもよいし、油ポンプ１９の回転速度を低下させるようにインバータ制御することにより給油量を絞るように構成してもよい。また、給油量が不足した場合の保護として軸受け温度が高温になったら給油量を増加させてもよい。

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 冷媒配管
１１，１２ 羽根車
１３ 電動機
１４ 交流電源
１５ インバータ
１６ サクションベーン
１７ ギヤケーシング
１８ 油タンク
１９ 油ポンプ
２０ 制御装置
２１ 切替スイッチ
２２ 直流電源
２５ 油ポンプインバータ
２６ 冷媒ポンプ
２７ 冷媒ポンプインバータ

Claims (10)

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、圧縮式冷凍機を制御する制御装置を備えた圧縮式冷凍機において、
   前記圧縮式冷凍機は、冷水温度よりも冷却水温度が低い条件下で前記蒸発器で冷媒と冷水との熱交換を行うフリークーリング運転を行う前記制御装置と、
   前記羽根車の回転速度を制御するインバータとを備え、
   前記制御装置は、前記フリークーリング運転時に、前記インバータを制御して前記羽根車の回転速度をゼロ速度以上極低速度以下に制御することを特徴とする圧縮式冷凍機。
2. 前記インバータは、前記羽根車のゼロ速度運転、極低速度運転のいずれかの運転を行うことを特徴とする請求項１に記載の圧縮式冷凍機。
3. 前記インバータは、前記電動機に正回転の出力および逆回転の出力を与える機能を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮式冷凍機。
4. 前記制御装置は、前記フリークーリング運転時に、ターボ圧縮機の軸受に給油する油ポンプの間欠運転を行うか、または回転速度を低下させた運転を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧縮式冷凍機。
5. 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、圧縮式冷凍機を制御する制御装置を備えた圧縮式冷凍機において、
   前記圧縮式冷凍機は、冷水温度よりも冷却水温度が低い条件下で前記蒸発器で冷媒と冷水との熱交換を行うフリークーリング運転を行う前記制御装置と、
   前記羽根車の回転速度を制御するインバータとを備え、
   前記制御装置は、前記フリークーリング運転時に、前記インバータを制御して前記電動機に直流電流を供給し、前記羽根車の回転速度を制限するようにしたことを特徴とする圧縮式冷凍機。
6. 前記インバータは、前記羽根車の回転速度を極低速度以下に制御することを特徴とする請求項５に記載の圧縮式冷凍機。
7. 前記制御装置は、前記フリークーリング運転時に、ターボ圧縮機の軸受に給油する油ポンプの間欠運転を行うか、または回転速度を低下させた運転を行うことを特徴とする請求項５又は６に記載の圧縮式冷凍機。
8. 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、圧縮式冷凍機を制御する制御装置を備えた圧縮式冷凍機において、
   前記圧縮式冷凍機は、冷水温度よりも冷却水温度が低い条件下で前記蒸発器で冷媒と冷水との熱交換を行うフリークーリング運転を行う前記制御装置と、
   前記電動機に直流電流を供給する直流電源とを備え、
   前記制御装置は、前記フリークーリング運転時に、前記電動機を商用交流電源から切り離して前記直流電源に接続し、前記羽根車の回転速度を制限するようにしたことを特徴とする圧縮式冷凍機。
9. 前記羽根車の回転速度を極低速度以下に制御することを特徴とする請求項８に記載の圧縮式冷凍機。
10. 前記制御装置は、前記フリークーリング運転時に、ターボ圧縮機の軸受に給油する油ポンプの間欠運転を行うか、または回転速度を低下させた運転を行うことを特徴とする請求項８又は９に記載の圧縮式冷凍機。

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