JP2021032472A - ターボ冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】低い冷凍負荷で運転しているときでも、冷媒液を凝縮器から圧縮機の電動機に導いて該電動機を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、冷媒液を蒸発させて冷媒蒸気を生成する蒸発器２と、冷媒蒸気を圧縮する圧縮機１と、圧縮された冷媒蒸気を凝縮させて冷媒液を生成する凝縮器３と、凝縮器３から蒸発器２まで延びる冷媒配管４Ｃと、冷媒配管４Ｃから分岐する分岐配管３０と、分岐配管３０に接続された冷媒ポンプ３５を備え、分岐配管３０は、冷媒配管４Ｃから下方に延びて冷媒ポンプ３５に接続される第１区間３０Ａと、冷媒ポンプ３５から圧縮機１の電動機１３まで延びる第２区間３０Ｂを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、遠心式圧縮機を備えたターボ冷凍機に関し、特に遠心式圧縮機の電動機を冷媒液で冷却する構造を持つターボ冷凍機に関するものである。

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として構成される。ターボ冷凍機は、一般に、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、前記蒸発器で生成された冷媒蒸気を圧縮する遠心式圧縮機と、前記圧縮された冷媒蒸気を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。

ターボ冷凍機で冷却された被冷却流体は、種々の用途に使用される。例えば、プラントやデータセンターで使用される冷水は、その一例である。これらの施設で使用される冷水の温度は、高精度に一定に保つことが必要とされる。このため、冷凍負荷が小さい場合でも、ターボ冷凍機の運転を停止させず、低負荷（例えば定格能力の２０％以下）でターボ冷凍機の運転が継続される。例えば、冷媒蒸気（ホットガスともいう）を凝縮器から蒸発器にバイパスラインを通じて送ることで、圧縮機への冷媒蒸気の流量を確保し、安定した低負荷運転を実現している。

特開２０１１−２１８６号公報

通常、圧縮機の電動機を冷却するために、凝縮器内の冷媒液を電動機に導いて、冷媒液により電動機のステータコイルなどを冷却することが行われている。しかしながら、上述したような低負荷運転時では、凝縮器内の冷媒液の量が低下するため、電動機に導かれる冷媒液の流量が低下する。結果として、電動機の冷却が十分に行われず、電動機が過熱するおそれがある。

そこで、本発明は、低い冷凍負荷で運転しているときでも、冷媒液を凝縮器から圧縮機の電動機に導いて該電動機を冷却することができるターボ冷凍機を提供する。

一態様では、冷媒液を蒸発させて冷媒蒸気を生成する蒸発器と、前記冷媒蒸気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮された冷媒蒸気を凝縮させて前記冷媒液を生成する凝縮器と、前記凝縮器から前記蒸発器まで延びる冷媒配管と、前記冷媒配管から分岐する分岐配管と、前記分岐配管に接続された冷媒ポンプを備え、前記分岐配管は、前記冷媒配管から下方に延びて前記冷媒ポンプに接続される第１区間と、前記冷媒ポンプから前記圧縮機の電動機まで延びる第２区間を有する、ターボ冷凍機が提供される。
分岐配管の第１区間は、冷媒配管から下方に延びているので、冷媒配管を流れる冷媒液の一部は、その重力により分岐配管に優先的に流入する。したがって、冷凍負荷が低く、凝縮器内に存在する冷凍液の量が少ない場合であっても、十分な量の冷媒液が分岐配管を通って圧縮機の電動機に送られ、電動機を冷却することができる。

一態様では、前記冷媒ポンプは、前記冷媒配管よりも低い位置にある。
このような配置により、分岐配管に流入した冷媒液は、その重力によって確実に冷媒ポンプまで到達することができる。

一態様では、前記冷媒配管は、前記凝縮器から鉛直方向かつ下方に延びる鉛直区間を有し、前記分岐配管の第１区間は、前記鉛直区間の下端に接続されている。
凝縮器から流れ出た冷媒液の一部は、冷媒配管の鉛直区間を通過した後、その流れ方向を変えずに分岐配管の第１区間に流入する。鉛直区間に接続された分岐配管の第１区間は、冷媒液を確実に冷媒ポンプに導くことができる。

一態様では、前記ターボ冷凍機は、前記凝縮器と前記蒸発器との間に配置されたエコノマイザをさらに備え、前記冷媒配管は、前記凝縮器から前記エコノマイザまで延びる上流側配管と、前記エコノマイザから前記蒸発器まで延びる下流側配管を含み、前記分岐配管は前記上流側配管から分岐している。

一態様では、前記ターボ冷凍機は、前記分岐配管の第１区間に接続された冷媒タンクをさらに備えており、前記冷媒タンクは前記冷媒配管と前記冷媒ポンプとの間に位置している。
分岐配管に流入した冷媒液は、一旦冷媒タンクに溜められ、その後冷媒ポンプに送られる。冷媒タンクは、圧縮機の電動機を冷却するために十分な量の冷媒液を確保でき、電動機の過熱防止を確実とすることができる。

一態様では、前記ターボ冷凍機は、前記分岐配管に流入する冷媒液の流量の低下を検出する流量低下検出器と、前記分岐配管に設けられ、前記冷媒ポンプの吐出し側に位置する流量制御弁と、前記流量低下検出器から発せられた信号に基づいて、前記流量制御弁の開度を低下させる弁制御部をさらに備えている。
弁制御部によって流量制御弁の開度が低下されると、冷媒タンクから圧縮機の電動機に送られる冷媒液の流量が低下し、冷媒タンク内の冷媒液の量が増加する。結果として、冷媒ポンプの吸込側で冷媒液が不足しているときに起こりやすいキャビテーションを防止することができる。分岐配管に流入する冷媒液の流量が低下しているときは、冷凍負荷も低下しているので、流量制御弁の開度を低下させても、圧縮機の電動機が過熱するおそれはない。

一態様では、前記ターボ冷凍機は、前記分岐配管に流入する冷媒液の流量の低下を検出する流量低下検出器と、前記流量低下検出器から発せられた信号に基づいて、前記冷媒ポンプの運転を停止させる運転制御部をさらに備えている。
冷媒ポンプは、分岐配管に流入する冷媒液の流量が低下したときに停止されるので、冷媒ポンプの吸込側で冷媒液が不足しているときに起こりやすいキャビテーションを防止することができる。さらに、冷媒ポンプの動力を削減することができる。分岐配管に流入する冷媒液の流量が低下しているときは、冷凍負荷も低下しているので、冷媒ポンプの運転を停止しても、圧縮機の電動機が過熱するおそれはない。

一態様では、前記ターボ冷凍機は、前記分岐配管に流入する冷媒液の流量の低下を検出する流量低下検出器と、前記冷媒配管に設けられた流量制御弁と、前記流量低下検出器から発せられた信号に基づいて、前記流量制御弁の開度を低下させる弁制御部をさらに備えている。
弁制御部によって流量制御弁の開度が低下されると、冷媒配管を通って蒸発器に流れる冷媒液の流量が減ると同時に、冷媒配管から分岐配管に流入する冷媒液の流量が増加する。結果として、冷媒ポンプの吸込側で冷媒液が不足しているときに起こりやすいキャビテーションを防止することができる。

一態様では、冷媒液を蒸発させて冷媒蒸気を生成する蒸発器と、前記冷媒蒸気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮された冷媒蒸気を凝縮させて前記冷媒液を生成する凝縮器と、前記凝縮器から前記蒸発器まで延びる冷媒配管と、前記冷媒配管から分岐する分岐配管と、前記圧縮機の電動機から前記蒸発器に延びる冷媒戻り配管を備え、前記分岐配管は、前記冷媒配管から下方に延びる第１区間と、前記第１区間から前記電動機まで延びる第２区間を有する、ターボ冷凍機が提供される。
分岐配管の第１区間は、冷媒配管から下方に延びているので、冷媒配管を流れる冷媒液の一部は、その重力により分岐配管に優先的に流入する。したがって、冷凍負荷が低く、凝縮器内に存在する冷凍液の量が少ない場合であっても、十分な量の冷媒液が分岐配管を通って圧縮機の電動機に送られ、電動機を冷却することができる。
また、本発明では、電動機と蒸発器は冷媒戻り配管によって連通しているので、電動機の内部は低圧となっている。よって、電動機と凝縮器との間には差圧が存在する。この差圧によって、冷媒液を凝縮器から電動機まで分岐配管を通って送ることができる。冷媒液を電動機に送るための冷媒ポンプは不要である。

一態様では、前記ターボ冷凍機は、前記冷媒配管は、前記凝縮器から鉛直方向かつ下方に延びる鉛直区間を有し、前記分岐配管の第１区間は、前記鉛直区間の下端に接続されている。
一態様では、前記ターボ冷凍機は、前記凝縮器と前記蒸発器との間に配置されたエコノマイザをさらに備え、前記冷媒配管は、前記凝縮器から前記エコノマイザまで延びる上流側配管と、前記エコノマイザから前記蒸発器まで延びる下流側配管を含み、前記分岐配管は前記上流側配管から分岐している。

本発明によれば、冷凍負荷が低く、凝縮器内に存在する冷凍液の量が少ない場合であっても、十分な量の冷媒液が分岐配管を通って圧縮機の電動機に送られ、電動機を冷却することができる。

ターボ冷凍機の一実施形態を示す模式図である。 図１に示す分岐配管および冷媒ポンプを示す拡大図である。 分岐配管の他の実施形態を示す拡大図である。 分岐配管のさらに他の実施形態を示す拡大図である。 分岐配管のさらに他の実施形態を示す拡大図である。 ターボ冷凍機の他の実施形態を示す拡大図である。 ターボ冷凍機のさらに他の実施形態を示す拡大図である。 ターボ冷凍機のさらに他の実施形態を示す拡大図である。 ターボ冷凍機のさらに他の実施形態を示す拡大図である。 ターボ冷凍機のさらに他の実施形態を示す拡大図である。 ターボ冷凍機のさらに他の実施形態を示す拡大図である。 ターボ冷凍機のさらに他の実施形態を示す拡大図である。 ターボ冷凍機のさらに他の実施形態を示す拡大図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、ターボ冷凍機の一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、冷媒液を蒸発させて冷媒蒸気を生成する蒸発器２と、冷媒蒸気を圧縮する圧縮機１と、圧縮された冷媒蒸気を凝縮させて冷媒液を生成する凝縮器３を備えている。圧縮機１の吸込口は、冷媒配管４Ａによって蒸発器２に連結されている。圧縮機１の吐出し口は、冷媒配管４Ｂによって凝縮器３に連結されている。凝縮器３から蒸発器２に延びる冷媒配管４Ｃには膨張弁２１が取り付けられている。膨張弁２１は、その開度が調整可能に構成されたアクチュエータ駆動型流量制御弁であり、例えば開度可変な電動弁から構成されている。

本実施形態では、圧縮機１は、単段遠心式圧縮機から構成されている。より具体的には、圧縮機１は、単段の羽根車１１と、羽根車１１を回転させる電動機１３を備えている。圧縮機１の吸込口には、冷媒蒸気の羽根車１１への吸込流量を調整するガイドベーン１６が配置されている。ガイドベーン１６は羽根車１１の吸込側に位置している。ガイドベーン１６は放射状に配置されており、各ガイドベーン１６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、ガイドベーン１６の開度が変更される。蒸発器２から送られた冷媒蒸気は、ガイドベーン１６を通過し、その後、回転する羽根車１１によって昇圧される。昇圧された冷媒蒸気は、冷媒配管４Ｂを通って凝縮器３に送られる。

蒸発器２は、被冷却流体（例えば冷水）から熱を奪って冷媒液が蒸発して冷凍効果を発揮する。圧縮機１は、蒸発器２で生成された冷媒蒸気を圧縮し、凝縮器３は、圧縮された冷媒蒸気を冷却流体（例えば冷却水）で冷却して凝縮させることで、冷媒液を生成する。冷媒液は、膨張弁２１を通過することによって減圧される。減圧された冷媒液は、蒸発器２に送られる。このように、ターボ冷凍機は、冷媒を封入したクローズドシステムとして構成される。

ターボ冷凍機は、蒸発器２に流入する被冷却流体の入口温度を測定する入口温度測定器としての温度センサＳ１と、蒸発器２から流出する被冷却流体の出口温度を測定する出口温度測定器としての温度センサＳ２と、蒸発器２を流れる被冷却流体の流量を測定する流量計１９と、ターボ冷凍機の冷凍負荷を算出する冷凍負荷算出器２０をさらに備えている。

冷凍負荷算出器２０は、温度センサＳ１，Ｓ２によって測定された被冷却流体の入口温度Ｔ１および被冷却流体の出口温度Ｔ２の差ΔＴと、流量計１９によって測定された被冷却流体の流量とからターボ冷凍機の冷凍負荷を計算する。より具体的には、冷凍負荷算出器２０は、温度差ΔＴと被冷却流体の流量との積から現在の冷凍負荷を求めることができる。あるいは、冷凍負荷算出器２０は、単に入口温度Ｔ１からターボ冷凍機の現在の冷凍負荷を算出してもよい。

ターボ冷凍機は、冷媒配管４Ｃから分岐する分岐配管３０と、分岐配管３０に接続された冷媒ポンプ３５をさらに備えている。分岐配管３０は、冷媒配管４Ｃから下方に延びて冷媒ポンプ３５に接続される第１区間３０Ａと、冷媒ポンプ３５から圧縮機１の電動機１３まで延びる第２区間３０Ｂを有する。第１区間３０Ａの一端は、冷媒配管４Ｃに接続されており、第１区間３０Ａの他端は冷媒ポンプ３５の吸込み口に接続されている。第２区間３０Ｂの一端は冷媒ポンプ３５の吐出し口に接続され、第２区間３０Ｂの他端は、圧縮機１の電動機１３内に配置された冷媒ノズル１８に接続されている。冷媒ノズル１８は、電動機１３のモータステータなどの構成要素を向いて配置されている。

冷媒ポンプ３５は、冷媒配管４Ｃの下方に位置している。冷媒配管４Ｃを流れる冷媒液の大部分は蒸発器２に流れるが、冷媒配管４Ｃを流れる冷媒液の一部は分岐配管３０に流入し、冷媒ポンプ３５によって冷媒ノズル１８に送られる。冷媒液は、冷媒ノズル１８から電動機１３の内部に噴霧され、電動機１３の内部を冷却することができる。電動機１３の内部は、冷媒液戻り管３８によって凝縮器３の内部に連通している。より具体的には、冷媒液戻り管３８の一端は、電動機１３の底部に接続され、冷媒液戻り管３８の他端は、凝縮器３の上部に接続されている。冷媒ノズル１８から噴霧された冷媒液は、電動機１３内で集められ、冷媒液戻り管３８を通って凝縮器３に戻される。

図２は、図１に示す分岐配管３０および冷媒ポンプ３５を示す拡大図である。冷媒配管４Ｃは、凝縮器３から下方に延びる鉛直区間４Ｃ−１と、鉛直区間４Ｃ−１から蒸発器２まで延びる横引き区間４Ｃ−２を有している。分岐配管３０は、冷媒配管４Ｃの鉛直区間４Ｃ−１の下端に接続されている。本実施形態では、図２に示すように、冷媒配管４Ｃの鉛直区間４Ｃ−１および分岐配管３０の第１区間３０Ａは、鉛直方向に延びている。すなわち、分岐配管３０の第１区間３０Ａは、冷媒配管４Ｃの鉛直区間４Ｃ−１と一直線上に並んでいる。

上記配管構成によれば、凝縮器３から流出した冷媒液は、冷媒配管４Ｃの鉛直区間４Ｃ−１を下方に流れ、冷媒液の一部はその流れ方向を変えることなく分岐配管３０に流入する。冷媒液は、第１区間３０Ａを流れて冷媒ポンプ３５に流入し、冷媒ポンプ３５によって加圧される。加圧された冷媒液は、分岐配管３０の第２区間３０Ｂを通って冷媒ノズル１８に移送され、冷媒ノズル１８から電動機１３の内部に噴霧される。

分岐配管３０の第１区間３０Ａは、冷媒配管４Ｃから下方に延びているので、冷媒配管４Ｃを流れる冷媒液の一部は、その重力により分岐配管３０に優先的に流入する。したがって、冷凍負荷が低く、凝縮器３内に存在する冷凍液の量が少ない場合であっても、十分な量の冷媒液が分岐配管３０を通って圧縮機１の電動機１３に送られ、電動機１３を冷却することができる。冷媒液は、冷媒ポンプ３５に確実に導かれるので、冷媒ポンプ３５でのキャビテーションを防止することができる。また、冷媒ポンプ３５は、冷媒配管４Ｃよりも低い位置にあるので、分岐配管３０に流入した冷媒液は、その重力によって確実に冷媒ポンプ３５まで到達することができる。

さらに、本実施形態によれば、凝縮器３から流れ出た冷媒液の一部は、冷媒配管４Ｃの鉛直区間４Ｃ−１を通過した後、その流れ方向を変えずに分岐配管３０の第１区間３０Ａに流入する。鉛直区間４Ｃ−１に接続された分岐配管３０の第１区間３０Ａは、冷媒液を確実に冷媒ポンプ３５に導くことができる。

本実施形態では、冷媒配管４Ｃの鉛直区間４Ｃ−１および分岐配管３０の第１区間３０Ａは、鉛直方向に延びているが、一実施形態では、図３に示すように、分岐配管３０の第１区間３０Ａは、冷媒配管４Ｃの鉛直区間４Ｃ−１の下端から、斜め下方に延びてもよい。この場合でも、冷媒配管４Ｃを流れる冷媒液の一部は、その重力により分岐配管３０に優先的に流入する。さらに、図４に示すように、分岐配管３０の第１区間３０Ａは、冷媒配管４Ｃの横引き区間４Ｃ−２に接続されてもよい。図４に示す実施形態では、分岐配管３０の第１区間３０Ａは、冷媒配管４Ｃの横引き区間４Ｃ−２から下方かつ鉛直方向に延びている。図５に示すように、分岐配管３０の第１区間３０Ａは、冷媒配管４Ｃの横引き区間４Ｃ−２から下方かつ斜めに延びてもよい。この場合、第１区間３０Ａの延びる方向は、横引き区間４Ｃ−２を流れる冷媒液の流れ方向に対する第１区間３０Ａの角度が鋭角となる方向であることが好ましい。

図６は、ターボ冷凍機の他の実施形態を示す拡大図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図１および図２に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。図６に示すように、ターボ冷凍機は、分岐配管３０の第１区間３０Ａに接続された冷媒タンク４０をさらに備えている。冷媒タンク４０は冷媒配管４Ｃと冷媒ポンプ３５との間に位置している。より具体的には、冷媒タンク４０は、冷媒配管４Ｃの下方であって、かつ冷媒ポンプ３５の上方に位置している。

分岐配管３０の第１区間３０Ａに流入した冷媒液は、一旦冷媒タンク４０に溜められ、その後冷媒ポンプ３５に送られる。冷媒タンク４０は、圧縮機１の電動機１３を冷却するために十分な量の冷媒液を確保でき、電動機１３の過熱防止を確実とすることができる。

ターボ冷凍機は、分岐配管３０に流入する冷媒液の流量の低下を検出する流量低下検出器４５と、冷媒ポンプ３５の吐出し側に位置する流量制御弁４８と、流量制御弁４８の開度を制御する弁制御部５１をさらに備えている。流量制御弁４８は、その開度が調整可能に構成されたアクチュエータ駆動型流量制御弁であり、例えば開度可変な電動弁から構成されている。流量制御弁４８は、分岐配管３０の第２区間３０Ｂに取り付けられている。弁制御部５１は、流量低下検出器４５から発せられた信号に基づいて、流量制御弁４８の開度を低下させるように構成されている。弁制御部５１は、プログラムが格納された記憶装置、および該プログラムに含まれる命令に従って演算を実行する処理装置（例えばＣＰＵ）を備えた少なくとも１台のコンピュータから構成されている。

流量低下検出器４５は、冷媒タンク４０に取り付けられており、冷媒タンク４０内に溜められている冷媒液の液面レベルを検出するように構成されている。このような流量低下検出器４５として、液面センサ、フロートスイッチなどの液面検出器を使用することができる。分岐配管３０に流入する冷媒液の流量が低下すると、冷媒タンク４０内の液面レベルが低下する。したがって、流量低下検出器４５は、冷媒タンク４０内の液面レベルから、分岐配管３０に流入する冷媒液の流量の低下を検出することができる。流量低下検出器４５は、弁制御部５１に電気的に接続されており、流量低下検出器４５から発せられた信号は、弁制御部５１に送信されるようになっている。

弁制御部５１は、流量低下検出器４５から発せられた信号に基づいて、流量制御弁４８の開度を低下させる。より具体的には、弁制御部５１は、その内部にしきい値を記憶しており、流量低下検出器４５から発せられた信号に示される液面レベルがしきい値よりも下がると、弁制御部５１は、流量制御弁４８の開度を低下させる。流量低下検出器４５がフロートスイッチである場合は、流量低下検出器４５は液面レベルの低下、すなわち流量低下を示す信号を出力する。弁制御部４１は、流量低下検出器４５から発せられた信号を受け取ると、流量制御弁４８の開度を低下させる。

流量制御弁４８の開度が低下されると、冷媒タンク４０から圧縮機１の電動機１３に送られる冷媒液の流量が低下し、冷媒タンク４０内の冷媒液の量が増加する。結果として、冷媒ポンプ３５の吸込側で冷媒液が不足しているときに起こりやすいキャビテーションを防止することができる。分岐配管３０に流入する冷媒液の流量が低下しているときは、冷凍負荷も低下しているので、流量制御弁４８の開度を低下させても、圧縮機１の電動機１３が過熱するおそれはない。

一実施形態では、図７に示すように、流量低下検出器４５は、冷媒ポンプ３５に流れるモータ電流を測定するモータ電流測定器から構成されてもよい。分岐配管３０に流入する冷媒液の流量が低下すると、冷媒ポンプ３５に吸い込まれる冷媒液の流量が低下し、キャビテーション傾向になる。結果として、冷媒ポンプ３５の負荷が低下して、冷媒ポンプ３５に供給されるモータ電流が低下したり、不安定になったりする。したがって、モータ電流測定器から構成された流量低下検出器４５は、モータ電流から、分岐配管３０に流入する冷媒液の流量の低下を検出することができる。

弁制御部５１は、流量低下検出器４５から発せられた信号に基づいて、流量制御弁４８の開度を低下させる。より具体的には、弁制御部５１は、その内部にしきい値を記憶しており、流量低下検出器４５から発せられた信号に示されるモータ電流がしきい値よりも下がるか、または所定時間内のモータ電流の最大値と最小値との差がしきい値よりも大きいと、弁制御部５１は、流量制御弁４８の開度を低下させる。流量制御弁４８の開度が低下されると、冷媒タンク４０から圧縮機１の電動機１３に送られる冷媒液の流量が低下し、冷媒タンク４０内の冷媒液の量が増加する。結果として、冷媒ポンプ３５の吸込側で冷媒液が不足しているときに起こりやすいキャビテーションを防止することができる。

一実施形態では、図８に示すように、流量低下検出器４５は、圧縮機１の電動機１３の温度を測定するモータ温度測定器から構成されてもよい。ターボ冷凍機が低負荷で運転されているとき、圧縮機１の電動機１３に掛かる負荷が低下する。結果として、電動機１３の温度が低下する。また、ターボ冷凍機が低負荷で運転されているときは、凝縮器３に溜められる冷媒液の量が低下し、分岐配管３０に流入する冷媒液の流量も低下する。つまり、電動機１３の温度と、分岐配管３０に流入する冷媒液の流量との間には相関関係がある。したがって、モータ温度測定器から構成された流量低下検出器４５は、電動機１３の温度から、分岐配管３０に流入する冷媒液の流量の低下を検出することができる。

弁制御部５１は、流量低下検出器４５から発せられた信号に基づいて、流量制御弁４８の開度を低下させる。より具体的には、弁制御部５１は、その内部にしきい値を記憶しており、流量低下検出器４５から発せられた信号に示される電動機１３の温度がしきい値よりも下がると、弁制御部５１は、流量制御弁４８の開度を低下させる。流量制御弁４８の開度が低下されると、冷媒タンク４０から圧縮機１の電動機１３に送られる冷媒液の流量が低下し、冷媒タンク４０内の冷媒液の量が増加する。結果として、冷媒ポンプ３５の吸込側で冷媒液が不足しているときに起こりやすいキャビテーションを防止することができる。

一実施形態では、図９に示すように、流量低下検出器４５は、圧縮機１の電動機１３に流れるモータ電流を測定するモータ電流測定器から構成されてもよい。ターボ冷凍機が低負荷で運転されているとき、圧縮機１の電動機１３に掛かる負荷が低下する。結果として、電動機１３に供給されるモータ電流が低下する。また、ターボ冷凍機が低負荷で運転されているときは、凝縮器３に溜められる冷媒液の量が低下し、分岐配管３０に流入する冷媒液の流量も低下する。つまり、電動機１３に供給されるモータ電流と、分岐配管３０に流入する冷媒液の流量との間には相関関係がある。したがって、モータ電流測定器から構成された流量低下検出器４５は、電動機１３に流れるモータ電流から、分岐配管３０に流入する冷媒液の流量の低下を検出することができる。

弁制御部５１は、流量低下検出器４５から発せられた信号に基づいて、流量制御弁４８の開度を低下させる。より具体的には、弁制御部５１は、その内部にしきい値を記憶しており、流量低下検出器４５から発せられた信号に示されるモータ電流がしきい値よりも下がると、弁制御部５１は、流量制御弁４８の開度を低下させる。流量制御弁４８の開度が低下されると、冷媒タンク４０から圧縮機１の電動機１３に送られる冷媒液の流量が低下し、冷媒タンク４０内の冷媒液の量が増加する。結果として、冷媒ポンプ３５の吸込側で冷媒液が不足しているときに起こりやすいキャビテーションを防止することができる。

図１０は、ターボ冷凍機のさらに他の実施形態を示す拡大図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図６に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。ターボ冷凍機は、冷媒配管４Ｃに設けられた流量制御弁５２を備えている。この流量制御弁５２は、分岐配管３０の第１区間３０Ａと冷媒配管４Ｃとの接続点ＣＰよりも下流側に位置している。すなわち、流量制御弁５２は、冷媒配管４Ｃの横引き区間４Ｃ−２に取り付けられている。流量制御弁５２は、その開度が調整可能に構成されたアクチュエータ駆動型流量制御弁であり、例えば開度可変な電動弁から構成されている。流量制御弁５２は弁制御部５１に電気的に接続されており、流量制御弁５２の開度は弁制御部５１によって制御される。

弁制御部５１は、流量低下検出器４５から発せられた信号に基づいて、流量制御弁５２の開度を低下させる。流量制御弁５２の開度が低下されると、冷媒配管４Ｃを通って蒸発器２に流れる冷媒液の流量が減ると同時に、冷媒配管４Ｃから分岐配管３０に流入する冷媒液の流量が増加する。結果として、冷媒ポンプ３５の吸込側で冷媒液が不足しているときに起こりやすいキャビテーションを防止することができる。一実施形態では、膨張弁２１を流量制御弁５２として機能させ、流量制御弁５２を省略してもよい。

図７に示す実施形態における流量低下検出器４５としてのモータ電流測定器、図８に示す実施形態における流量低下検出器４５としてのモータ温度測定器、および図９に示す実施形態における流量低下検出器４５としてのモータ電流測定器は、図１０に示す実施形態に適用することができる。

図１１は、ターボ冷凍機のさらに他の実施形態を示す拡大図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図６に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。ターボ冷凍機は、流量低下検出器４５から発せられた信号を受けたときに冷媒ポンプ３５の運転を停止させる運転制御部５５を備えている。上述した弁制御部５１および流量制御弁４８，５２は設けられていない。運転制御部５５は、プログラムが格納された記憶装置、および該プログラムに含まれる命令に従って演算を実行する処理装置（例えばＣＰＵ）を備えた少なくとも１台のコンピュータから構成されている。

運転制御部５５は、流量低下検出器４５から発せられた信号に基づいて、冷媒ポンプ３５の運転を停止させる。より具体的には、運転制御部５５は、その内部にしきい値を記憶しており、流量低下検出器４５から発せられた信号に示される液面レベルがしきい値よりも下がると、運転制御部５５は、冷媒ポンプ３５の運転を停止させる。冷媒ポンプ３５の運転が停止されると、冷媒タンク４０から圧縮機１の電動機１３への冷媒液の供給が停止され、冷媒タンク４０内の冷媒液の量が増加する。結果として、冷媒ポンプ３５の吸込側で冷媒液が不足しているときに起こりやすいキャビテーションを防止することができる。分岐配管３０に流入する冷媒液の流量が低下しているときは、冷凍負荷も低下しているので、冷媒ポンプ３５の運転を停止させても、圧縮機１の電動機１３が過熱するおそれはない。

図７に示す実施形態における流量低下検出器４５としてのモータ電流測定器、図８に示す実施形態における流量低下検出器４５としてのモータ温度測定器、および図９に示す実施形態における流量低下検出器４５としてのモータ電流測定器は、図１１に示す実施形態に適用することができる。

図１２は、ターボ冷凍機のさらに他の実施形態を示す拡大図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図１および図２に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態では、電動機１３の内部は、冷媒液戻り管３８によって蒸発器２の内部に連通している。より具体的には、冷媒液戻り管３８の一端は、電動機１３の底部に接続され、冷媒液戻り管３８の他端は、蒸発器２の側部または底部に接続されている。冷媒ノズル１８から噴霧された冷媒液は、電動機１３内で集められ、冷媒液戻り管３８を通って蒸発器２に戻される。

蒸発器２は、圧縮機１の吸込み口に接続されているので、蒸発器２の内部は凝縮器３の内部に比べて低圧である。蒸発器２は、冷媒液戻り管３８によって電動機１３に接続されているので、電動機１３の内部も同様に低圧となっている。したがって、分岐配管３０に流入した冷媒液は、凝縮器３と蒸発器２との差圧（すなわち凝縮器３と電動機１３との差圧）によって電動機１３に移送される。本実施形態では、冷媒ポンプ３５は不要である。図６に示す冷媒タンク４０は、本実施形態に適用することができる。

図１３は、ターボ冷凍機のさらに他の実施形態を示す拡大図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図１および図２に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。ターボ冷凍機は、凝縮器３と蒸発器２との間に配置されたエコノマイザ６０を備えている。冷媒配管４Ｃは、凝縮器３からエコノマイザ６０まで延びる上流側配管４Ｃａと、エコノマイザ６０から蒸発器２まで延びる下流側配管４Ｃｂを有している。

エコノマイザ６０は、冷媒配管４Ｅによって圧縮機１に連結されている。エコノマイザ６０は、凝縮器３と蒸発器２との間に配置された中間冷却器である。凝縮器３からエコノマイザ６０に延びる上流側配管４Ｃａには膨張弁２１が取り付けられ、エコノマイザ６０から蒸発器２に延びる下流側配管４Ｃｂには膨張弁２２が取り付けられている。膨張弁２１，２２は、その開度が調整可能に構成されたアクチュエータ駆動型流量制御弁であり、例えば開度可変な電動弁から構成されている。

本実施形態では、圧縮機１は、多段遠心式圧縮機１から構成されている。より具体的には、圧縮機１は二段遠心式圧縮機からなり、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とを備えている。ガイドベーン１６は一段目羽根車１１の吸込側に位置している。蒸発器２から送られた冷媒蒸気は、ガイドベーン１６を通過し、その後、回転する羽根車１１，１２によって順次昇圧される。昇圧された冷媒蒸気は、冷媒配管４Ｂを通って凝縮器３に送られる。

蒸発器２は、被冷却流体（例えば冷水）から熱を奪って冷媒液が蒸発して冷凍効果を発揮する。圧縮機１は、蒸発器２で生成された冷媒蒸気を圧縮し、凝縮器３は、圧縮された冷媒蒸気を冷却流体（例えば冷却水）で冷却して凝縮させることで、冷媒液を生成する。冷媒液は、膨張弁２１を通過することによって減圧される。減圧された冷媒液中に存在する冷媒蒸気はエコノマイザ６０によって分離され、圧縮機１の一段目羽根車１１と二段目羽根車１２との間に設けた中間吸込口１７に送られる。エコノマイザ６０を通過した冷媒液は、膨張弁２２を通過することによって減圧され、さらに蒸発器２に送られる。

分岐配管３０は上流側配管４Ｃａに接続され、上流側配管４Ｃａから分岐している。冷媒配管４Ｃの上流側配管４Ｃａを流れる冷媒液の大部分はエコノマイザ６０に流れるが、上流側配管４Ｃａを流れる冷媒液の一部は分岐配管３０に流入し、冷媒ポンプ３５によって冷媒ノズル１８に送られる。冷媒液は、冷媒ノズル１８から電動機１３の内部に噴霧され、電動機１３の内部を冷却することができる。電動機１３の内部は、冷媒液戻り管３８によって凝縮器３の内部に連通している。冷媒ノズル１８から噴霧された冷媒液は、電動機１３内で集められ、冷媒液戻り管３８を通って凝縮器３に戻される。

上述した複数の実施形態は、適宜組み合わせることができる。例えば、図３乃至図５に示す実施形態は、図６乃至図１３に示す実施形態に適用可能である。さらに、図６乃至図１２に示す実施形態は、図１３に示す実施形態にも適用可能である。例えば、図６に示す冷媒タンク４０、流量制御弁４８、弁制御部５１、図７に示す実施形態における流量低下検出器４５としてのモータ電流測定器、図８に示す実施形態における流量低下検出器４５としてのモータ温度測定器、図９に示す実施形態における流量低下検出器４５としてのモータ電流測定器、図１０に示す流量制御弁５２、図１１に示す運転制御部５５、図１２に示す冷媒液戻り管３８などは、適宜、図１３に示す実施形態に適用することができる。

さらに、ターボ冷凍機の冷凍負荷を算出する冷凍負荷算出器２０は、分岐配管３０に流入する冷媒液の流量の低下を検出する流量低下検出器として使用することも可能である。冷凍負荷算出器２０は、温度センサＳ１，Ｓ２によって測定された被冷却流体の入口温度Ｔ１および被冷却流体の出口温度Ｔ２の差ΔＴと、流量計１９によって測定された被冷却流体の流量とからターボ冷凍機の冷凍負荷を計算する。より具体的には、冷凍負荷算出器２０は、温度差ΔＴと被冷却流体の流量との積から現在の冷凍負荷を求めることができる。あるいは、冷凍負荷算出器２０は、単に入口温度Ｔ１からターボ冷凍機の現在の冷凍負荷を算出してもよい。

ターボ冷凍機が低負荷で運転されているときは、凝縮器３に溜められる冷媒液の量が低下し、分岐配管３０に流入する冷媒液の流量も低下する。したがって、冷凍負荷算出器２０は、ターボ冷凍機の冷凍負荷を算出し、算出された冷凍負荷から、分岐配管３０に流入する冷媒液の流量の低下を検出することができる。

一実施形態では、弁制御部５１（図６参照）または運転制御部５５（図１１参照）は、流量低下検出器としての冷凍負荷算出器２０から発せられた信号に基づいて、流量制御弁４８（図６参照）または流量制御弁５２（図１０参照）の開度を低下させるか、または冷媒ポンプ３５の運転を停止させる。例えば、冷凍負荷算出器２０から発せられた信号に示される冷凍負荷がしきい値よりも下がると、弁制御部５１は、流量制御弁４８（図６参照）または流量制御弁５２（図１０参照）の開度を低下させる。他の例では、流量低下検出器としての冷凍負荷算出器２０から発せられた信号に示される冷凍負荷がしきい値よりも下がると、運転制御部５５は、冷媒ポンプ３５の運転を停止させる。結果として、冷媒タンク４０内の冷媒液の量が増加し、冷媒ポンプ３５の吸込側で冷媒液が不足しているときに起こりやすいキャビテーションを防止することができる。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１ 圧縮機
２ 蒸発器
３ 凝縮器
４Ａ 冷媒配管
４Ｂ 冷媒配管
４Ｃａ 上流側配管
４Ｃｂ 下流側配管
４Ｃ 冷媒配管
４Ｃ−１ 鉛直区間
４Ｃ−２ 横引き区間
４Ｅ 冷媒配管
１１，１２ 羽根車
１３ 電動機
１６ ガイドベーン
１７ 中間吸込口
１８ 冷媒ノズル
１９ 流量計
２０ 冷凍負荷算出器
２１ 膨張弁
２２ 膨張弁
３０ 分岐配管
３０Ａ 第１区間
３０Ｂ 第２区間
３５ 冷媒ポンプ
３８ 冷媒液戻り管
４５ 流量低下検出器
４８ 流量制御弁
５１ 弁制御部
５２ 流量制御弁
５５ 運転制御部
６０ エコノマイザ
Ｓ１ 温度センサ
Ｓ２ 温度センサ

Claims (11)

1. 冷媒液を蒸発させて冷媒蒸気を生成する蒸発器と、
   前記冷媒蒸気を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮された冷媒蒸気を凝縮させて前記冷媒液を生成する凝縮器と、
   前記凝縮器から前記蒸発器まで延びる冷媒配管と、
   前記冷媒配管から分岐する分岐配管と、
   前記分岐配管に接続された冷媒ポンプを備え、
   前記分岐配管は、前記冷媒配管から下方に延びて前記冷媒ポンプに接続される第１区間と、前記冷媒ポンプから前記圧縮機の電動機まで延びる第２区間を有する、ターボ冷凍機。
2. 前記冷媒ポンプは、前記冷媒配管よりも低い位置にある、請求項１に記載のターボ冷凍機。
3. 前記冷媒配管は、前記凝縮器から鉛直方向かつ下方に延びる鉛直区間を有し、
   前記分岐配管の第１区間は、前記鉛直区間の下端に接続されている、請求項１または２に記載のターボ冷凍機。
4. 前記ターボ冷凍機は、前記凝縮器と前記蒸発器との間に配置されたエコノマイザをさらに備え、
   前記冷媒配管は、前記凝縮器から前記エコノマイザまで延びる上流側配管と、前記エコノマイザから前記蒸発器まで延びる下流側配管を含み、前記分岐配管は前記上流側配管から分岐している、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. 前記分岐配管の第１区間に接続された冷媒タンクをさらに備えており、前記冷媒タンクは前記冷媒配管と前記冷媒ポンプとの間に位置している、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. 前記分岐配管に流入する冷媒液の流量の低下を検出する流量低下検出器と、
   前記分岐配管に設けられ、前記冷媒ポンプの吐出し側に位置する流量制御弁と、
   前記流量低下検出器から発せられた信号に基づいて、前記流量制御弁の開度を低下させる弁制御部をさらに備えている、請求項５に記載のターボ冷凍機。
7. 前記分岐配管に流入する冷媒液の流量の低下を検出する流量低下検出器と、
   前記流量低下検出器から発せられた信号に基づいて、前記冷媒ポンプの運転を停止させる運転制御部をさらに備えている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のターボ冷凍機。
8. 前記分岐配管に流入する冷媒液の流量の低下を検出する流量低下検出器と、
   前記冷媒配管に設けられた流量制御弁と、
   前記流量低下検出器から発せられた信号に基づいて、前記流量制御弁の開度を低下させる弁制御部をさらに備えている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のターボ冷凍機。
9. 冷媒液を蒸発させて冷媒蒸気を生成する蒸発器と、
   前記冷媒蒸気を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮された冷媒蒸気を凝縮させて前記冷媒液を生成する凝縮器と、
   前記凝縮器から前記蒸発器まで延びる冷媒配管と、
   前記冷媒配管から分岐する分岐配管と、
   前記圧縮機の電動機から前記蒸発器に延びる冷媒戻り配管を備え、
   前記分岐配管は、前記冷媒配管から下方に延びる第１区間と、前記第１区間から前記電動機まで延びる第２区間を有する、ターボ冷凍機。
10. 前記冷媒配管は、前記凝縮器から鉛直方向かつ下方に延びる鉛直区間を有し、
    前記分岐配管の第１区間は、前記鉛直区間の下端に接続されている、請求項９に記載のターボ冷凍機。
11. 前記ターボ冷凍機は、前記凝縮器と前記蒸発器との間に配置されたエコノマイザをさらに備え、
    前記冷媒配管は、前記凝縮器から前記エコノマイザまで延びる上流側配管と、前記エコノマイザから前記蒸発器まで延びる下流側配管を含み、前記分岐配管は前記上流側配管から分岐している、請求項９または１０に記載のターボ冷凍機。

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