JP2017201215A - ターボ冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍機の停止中に圧縮機を潤滑するための潤滑油の温度を低下させることにより油ヒータの消費電力を低減することができるとともに、冷凍機の起動時に潤滑油のフォーミングを抑制することができるターボ冷凍機を提供する。【解決手段】冷媒を圧縮するターボ圧縮機１と、潤滑油を貯留する油タンク５と、油タンク５内の潤滑油をターボ圧縮機１の摺動部に給油する油ポンプ６とを備えたターボ冷凍機において、冷媒の露点と潤滑油の温度と冷媒の潤滑油への溶解度との関係に基づいて油タンク５内の潤滑油の温度を制御し、ターボ冷凍機の停止時と起動時とで、溶解度の目標値を変更する制御装置２０を備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、ターボ冷凍機に係り、特に圧縮機を潤滑する潤滑油を加熱するヒータの消費電力を削減することができるターボ冷凍機に関するものである。

ターボ冷凍機は圧縮機を備えるが、圧縮機の軸受等の摺動部は潤滑油による潤滑が必要である。この場合の潤滑油は、一般に冷媒と相溶性のあるものが選定される。このようにすると、潤滑油が冷媒に溶解することで、冷媒系統に漏洩した潤滑油は冷媒とともに機内を循環するので、回収が容易となるからである。相溶性のない潤滑油を用いると、機内の意図しないところに潤滑油が滞留しやすく、回収が難しくなる。
ターボ冷凍機は潤滑油を貯留する油タンクと、油タンク内の潤滑油を圧縮機に給油する油ポンプとを備えており、油タンク内の潤滑油は油ポンプにより圧縮機に圧送されて軸受等の摺動部を潤滑する。潤滑油は油タンク内の油ヒータにより加熱されている。

特開２００９−１８６０３０号公報

一般に、ターボ冷凍機の油タンク内の潤滑油は常時一定の温度に保持されている。これは、潤滑油が冷媒と相溶性があるがゆえに、温度が低下すると冷媒が潤滑油に溶け込み、ターボ冷凍機の起動時に溶存する冷媒が気化することでフォーミング（泡立ち）を起こすからである。一方で、潤滑油温度が上昇しすぎると、やはり粘度の低下や軸受の過熱を招いたりする。そのため、潤滑油には適温があり、これは一般に６０℃程度とされていた。したがって、従来、油タンク内の潤滑油の温度は、常時６０℃程度に制御されていた。

上述したように、油タンク内の潤滑油の温度は、常時６０℃程度に制御されていた。潤滑油の油温設定が高いほど、油ヒータの消費電力は増加するが、ターボ冷凍機の停止中および運転中に拘わらず、また外気温に拘わらず、潤滑油の温度は６０℃程度に制御されていた。ターボ冷凍機の停止中などには、潤滑油の温度を下げられる可能性があるにも拘わらず、潤滑油を一定温度（約６０℃）に制御していたため、潤滑油を加熱するための油ヒータの消費電力を低減することができないという問題点があった。

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、冷凍機の停止中に圧縮機を潤滑するための潤滑油の温度を低下させることにより油ヒータの消費電力を低減することができるとともに、冷凍機の起動時に潤滑油のフォーミングを抑制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、冷媒を圧縮するターボ圧縮機と、潤滑油を貯留する油タンクと、油タンク内の潤滑油をターボ圧縮機の摺動部に給油する油ポンプとを備えたターボ冷凍機において、前記冷媒の露点と前記潤滑油の温度と冷媒の潤滑油への溶解度との関係に基づいて前記油タンク内の潤滑油の温度を制御し、ターボ冷凍機の停止時と起動時とで、前記溶解度の目標値を変更する制御装置を備えたことを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記制御装置は、ターボ冷凍機の起動時に、前記溶解度の目標値を停止時の目標値より下げ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、前記油タンク内に設置された油ヒータを用いて前記潤滑油の温度を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、前記潤滑油の温度は、前記油タンクに設けた温度センサにより計測することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記冷媒の露点は、前記油タンクに設けた圧力センサにより計測した圧力から求めることを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記ターボ冷凍機の起動時に、前記ターボ圧縮機の電動機の回転速度をインバータにより徐々に増速することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記油ポンプの起動時に、前記油ポンプを駆動する電動機の回転速度をインバータにより徐々に増速す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）ターボ冷凍機の停止中に圧縮機を潤滑するための潤滑油の温度を低下させることにより、油ヒータの消費電力を低減することができる。
２）ターボ冷凍機の起動時に潤滑油のフォーミングを抑制することができる。
３）油ポンプの起動時にポンプのキャビテーションを抑制することができる。

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２は、図１に示すターボ冷凍機のターボ圧縮機に潤滑油を給油する構成およびターボ冷凍機を制御する構成を示す模式図である。 図３は、種々の冷媒濃度における液温と冷媒露点との関係を示す線図である。

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。ターボ圧縮機１は、羽根車を備えた圧縮部１１と、羽根車を回転させる電動機１２とから構成されている。

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１２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。

図２は、図１に示すターボ冷凍機のターボ圧縮機１に潤滑油を給油する構成およびターボ冷凍機を制御する構成を示す模式図である。図２に示すように、ターボ冷凍機は、潤滑油を貯留する油タンク５と、油タンク５内の潤滑油をターボ圧縮機１における羽根車を備えた圧縮部１１および電動機１２に給油する油ポンプ６とを備えている。油タンク５内の潤滑油は、油ポンプ６により油供給配管７を介して圧縮部１１および電動機１２の軸受等の摺動部に給油されるようになっている。油タンク５内には油ヒータ８が設置されており、油ヒータ８によって油タンク５内の潤滑油が加熱されるようになっている。油タンク５は戻り油の流れが滞らないよう、系内で最も圧力が低い蒸発器３と均圧されているため、油タンク５内で油から分離された冷媒蒸気はターボ圧縮機１に吸込まれて再度循環する。油タンク５内の圧力は圧力センサ２１によって計測され、油タンク５内の潤滑油の温度は温度センサ２２によって計測される。

ターボ圧縮機１の電動機１２の回転速度は、交流電源１３に接続されたインバータ１４により制御されるように構成されている。インバータ１４は制御装置２０に接続されており、インバータ１４は制御装置２０により制御される。また、ターボ冷凍機の各機器も制御装置２０に接続されており（図示せず）、制御装置２０によってターボ冷凍機の運転が制御されるように構成されている。さらに、油ポンプ６の回転速度も油ポンプ用のインバータ１６により制御されるように構成されている。インバータ１６は制御装置２０に接続されている。なお、インバータ１６も交流電源１３に接続されている（図示せず）。

次に、図２に示す構成を備えたターボ冷凍機において油タンク５内の潤滑油の温度を制御する方法およびターボ冷凍機を制御する方法について説明する。
図３は、種々の冷媒濃度における液温と冷媒露点との関係を示す線図である。すなわち、図３は冷媒濃度をパラメータとした溶液温度と冷媒露点との関係を示し、横軸は溶液（潤滑油に冷媒が溶け込んでいる液体）の温度（℃）を表し、縦軸は冷媒露点（℃）を表す。冷媒濃度は冷媒の潤滑油への溶解度を表わしている。図３に示す横軸の溶液温度（℃）は、図２に示す油タンク５内の潤滑油（冷媒が溶け込んでいる）の温度に相当し、図３に示す縦軸の冷媒露点（℃）は、図２に示す油タンク５内の圧力から換算した冷媒露点に相当する。ターボ冷凍機の停止時においては、蒸発器内の冷媒ガス温度は外気温と同一であり、したがって、ターボ冷凍機の停止時には縦軸は外気温と考えてもよい。

図３において、まず潤滑油温度を６０℃程度に制御していた従来例の場合を説明する。夏季の場合、外気温３０℃を想定すると、３０℃（細線で示す）と溶液温度（潤滑油温度）６０℃とは、冷媒の潤滑油への溶解度を表わす冷媒濃度１５％の直線と交わる。すなわち、潤滑油の中に冷媒が１５％程度溶けた状態で平衡することが分かる。冬季の場合、外気温５℃を想定すると、５℃（細線で示す）と溶液温度（潤滑油温度）６０℃とは、冷媒の潤滑油への溶解度を表わす冷媒濃度５％程度（実際には５％よりやや少ない）の直線と交わる。すなわち、潤滑油の中に冷媒が５％程度溶けた状態で平衡することが分かる。
以上より、外気温が低い状態（例えば、外気温が５℃の状態）で潤滑油の温度を６０℃程度の高い温度に保っていると、潤滑油中の冷媒は５％以下になって溶け込みが極めて少ない状態になることが分かる。

本発明者らは、図３に示す関係より、外気温が低いときには、潤滑油温度を低下させることにより、潤滑油中に溶け込む冷媒濃度を上げることができることを見出し、ターボ冷凍機の停止中には外気温に基づいて潤滑油温度を制御することを着想したものである。冷媒濃度が１５％以下であれば、フォーミングが起こり難いことが経験的に分かっているので、一例として、冷媒濃度１５％の直線に沿って潤滑油温度を制御する。

すなわち、ターボ冷凍機の停止中、外気温が３０℃のときには、３０℃（細線で示す）と冷媒濃度１５％の直線とが交わる約６０℃の潤滑油温度に制御する。外気温が２０℃のときには、２０℃（細線で示す）と冷媒濃度１５％の直線とが交わる約４５℃の潤滑油温度に制御する。外気温が５℃のときには、５℃（細線で示す）と冷媒濃度１５％の直線とが交わる約２５℃の潤滑油温度に制御する。この温度制御は、潤滑油温度を温度センサ２２により計測しつつ、油ヒータ８を制御することにより行う。
このように、ターボ冷凍機の停止時に、外気温によって潤滑油温度を所定の冷媒濃度の直線（例えば、１５％の冷媒濃度の直線）に沿って制御することにより、従来に比べて潤滑油の制御温度を飛躍的に低下させることができるため、油ヒータ８の消費電力を低減することができる。

ターボ冷凍機の停止中には、上述したように、潤滑油の温度を低下させる制御を行うことにより油ヒータ８の消費電力を低減する。しかしながら、ターボ冷凍機を起動すると、冷媒露点（℃）が急激に低下（例えば５℃まで低下）するため、油に溶けていた冷媒が少しずつ蒸発して平衡しようとする。この蒸発が激しくなるとフォーミングとなる。
本発明においては、ターボ冷凍機の起動時に、冷媒の潤滑油への溶解度の目標値をターボ冷凍機の停止時の目標値より下げる。すなわち、冷媒の潤滑油への溶解度を表わす冷媒濃度１５％の直線から、例えば、冷媒濃度５％の直線へ変更して潤滑油温度を制御する。図示例では、５℃（細線で示す）と冷媒濃度５％の直線とが交わる５５℃程度に潤滑油温度を制御する。油タンク５内の潤滑油がフォーミングする条件（温度、圧力、風量、回転速度など）は予め求めておき、上記潤滑油温度の制御を行うとともに、後述するターボ圧縮機１の回転速度等の制御を行う。

ターボ冷凍機の起動時には、上記溶解度の目標値の変更とともに、ターボ圧縮機１の電動機１２の回転速度をインバータ１４により徐々に増速する。このように、ターボ冷凍機の起動時にターボ圧縮機１を時間をかけてゆっくり増速することにより、潤滑油のフォーミング（泡立ち）を抑制することができる。

電動機１２の回転速度をインバータ１４により徐々に増速する方法には、以下のような方法がある。
１）タイマを利用する方法
ｉ）電動機１２が運転を開始すると、ターボ圧縮機１が仕事をして蒸発器３の圧力が低下する。電動機１２の起動後に電動機１２の回転速度はタイマで段階的に増加させる。例えば、１０秒ごとに目標回転速度の５％ずつ増速する。この場合、２００秒で目標回転速度に到達する。
ii）油タンク５は蒸発器３と均圧管で連通しているので、蒸発器３の圧力の低下に伴って油タンク５の圧力は徐々に低下する。もし油タンク５の圧力が急激に低下すると、潤滑油に溶けている冷媒が一斉に蒸発してフォーミングを起こす。この場合、圧力の降下速度(時間あたりの圧力低下量)が「ある値」より速い場合にフォーミングが発生する。逆に言うと、圧力の降下速度が「ある値」よりゆっくりであればフォーミングは起きない。
iii）そこで、油タンク５の圧力を検出して、圧力の降下速度を監視する。圧力の降下速度が「ある値」以下になるよう、電動機１２の回転速度を制御する。この場合、圧力の降下速度がある値を超えそうなときは、電動機１２の回転速度を上げる動作を停止する。それでもなお圧力の降下速度がある値を超えそうなときは、電動機１２の回転速度を段階的に下げる。そして、圧力の降下速度がある値より十分遅くなったら、電動機１２の回転速度を上げる動作を再開する。
「ある値」は固定値で、実験的に求めればよく、例えば「１０秒あたり５ｋＰａ」という値である。
２）溶解度曲線を利用する方法
ｉ）油タンク５の圧力と温度を検出して、潤滑油に溶けている冷媒の割合(溶解度)を算出する。すなわち、制御装置２０に溶解度線図を記憶させておき、溶解度を常時算出して監視する。溶解度の変化割合(時間あたりの溶解度低下量)が「ある値」より速い場合にフォーミングが発生する。逆に言うと、溶解度の変化割合が「ある値」よりゆっくりであればフォーミングは起きない。
「ある値」を目標値として設定すると、潤滑油の温度と溶解度線図から目標とする圧力を算出できる。
ii）電動機１２の回転速度は、圧力がこの目標値になるよう制御する。電動機１２の回転速度を上げると蒸発器の圧力が低下し、回転速度を下げると圧力が上昇する。
「ある値」は固定値で、実験的に求めればよく、例えば「３０秒あたり１％」という値である。

ターボ圧縮機１の起動時の電動機１２の増速は上述したとおりであるが、ターボ圧縮機１の起動に先立ち、油ポンプ６を起動しターボ圧縮機１に潤滑油を供給する。この油ポンプ６の起動時に油ポンプ６の回転速度をインバータ１６により徐々に増速する。このように油ポンプ６の起動時に油ポンプ６を時間をかけてゆっくり増速することにより、ポンプのキャビテーションを抑制することができる。

油ポンプ６の回転速度をインバータ１６により徐々に増速する方法には、以下のような方法がある。
１）タイマを利用する方法
ｉ）油ポンプ６は回転速度が高いほど吸込み圧力が低下し、キャビテーションを起こしやすい。起動時は潤滑油に冷媒が多く溶解している(約１５％)ため、キャビテーションを起こしやすい。ターボ圧縮機１の運転に伴って油タンク５の圧力が連続的に低下し、溶解度は徐々に低下する。すなわち、起動時間が経過するにつれて徐々にキャビテーションを起こしにくくなる。
ii）そこで、油ポンプ６をインバータ１６で駆動し、油ポンプ６の回転速度をタイマで段階的に増加させる。例えば、１０秒ごとに目標回転速度の５％ずつ増速する。この場合、２００秒で目標回転速度に到達する。
油ポンプ６の回転速度の増加割合は実験的に求めると良い。
２）溶解度曲線を利用する方法
ｉ）潤滑油に冷媒が多く溶解しているほどキャビテーションを起こしやすい。そこで、油ポンプ６がキャビテーションを起こさないような、溶解度とポンプ回転速度との相関テーブルを事前に作成しておく。
ii）油ポンプ６の起動時に油タンク５の温度と圧力を検出して溶解度を算出し、上述のテーブルをもとに油ポンプ６の回転速度を決定する。
３）圧力を利用する方法
ｉ）油ポンプ６の起動時、油タンク５の圧力と溶解度は相関がある状態で推移する。油タンク５の圧力が低下するにしたがって、溶解度も低下する。すなわち、キャビテーションを起こしにくくなる。
ii）油ポンプ６がキャビテーションを起こさないような、油タンク５の圧力と油ポンプ６の回転速度との相関テーブルを事前に作成しておく。油ポンプ６の起動時に油タンク５の圧力を検出し、上述のテーブルをもとに油ポンプ６の回転速度を決定する。
４）ポンプ吐出圧を利用する方法
ｉ）油ポンプ６がキャビテーションを起こすと油ポンプ６の吐出圧が低下する。この吐出圧の低下を検知したときにポンプの回転速度を下げる制御をおこなう。
ii）上記１）〜３）の方法と併用する。

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 油タンク
６ 油ポンプ
７ 油供給配管
８ 油ヒータ
１１ 圧縮部
１２ 電動機
１３ 交流電源
１４ インバータ
１６ インバータ
２０ 制御装置
２１ 圧力センサ
２２ 温度センサ

Claims (7)

1. 冷媒を圧縮するターボ圧縮機と、潤滑油を貯留する油タンクと、油タンク内の潤滑油をターボ圧縮機の摺動部に給油する油ポンプとを備えたターボ冷凍機において、
   前記冷媒の露点と前記潤滑油の温度と冷媒の潤滑油への溶解度との関係に基づいて前記油タンク内の潤滑油の温度を制御し、ターボ冷凍機の停止時と起動時とで、前記溶解度の目標値を変更する制御装置を備えたことを特徴とするターボ冷凍機。
2. 前記制御装置は、ターボ冷凍機の起動時に、前記溶解度の目標値を停止時の目標値より下げることを特徴とする請求項１記載のターボ冷凍機。
3. 前記制御装置は、前記油タンク内に設置された油ヒータを用いて前記潤滑油の温度を制御することを特徴とする請求項１または２記載のターボ冷凍機。
4. 前記潤滑油の温度は、前記油タンクに設けた温度センサにより計測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. 前記冷媒の露点は、前記油タンクに設けた圧力センサにより計測した圧力から求め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。
6. 前記ターボ冷凍機の起動時に、前記ターボ圧縮機の電動機の回転速度をインバータにより徐々に増速することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のターボ冷凍機。
7. 前記油ポンプの起動時に、前記油ポンプを駆動する電動機の回転速度をインバータにより徐々に増速することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のターボ冷凍機。

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