JP2021156220A - ターボ圧縮機およびこれを備えたターボ冷凍機 - Google Patents
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Abstract
Description
また、駆動基板を送風機によって冷却することが考えられる。しかし、送風機のメンテナンス等が必要となるという問題がある。
また、十分な放熱面積を確保して自然対流によって駆動基板を冷却することが考えられる。しかし、構造が大型化してしまうという問題がある。
特に、磁気軸受駆動基板がケーシングの外部に取り付けられていても、ケーシングは電動モータほど冷却されないので、磁気軸受駆動基板が結露することを抑制することができる。
なお、ケーシングが過剰に冷却されないように、ケーシングを冷却する冷媒としてガス冷媒を用い、多くの冷却量を必要とする電動モータには液冷媒を供給するようにしても良い。
図1には、ターボ冷凍機1の概略構成が示されている。
ターボ冷凍機1は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機3と、ターボ圧縮機3によって圧縮された高温高圧のガス冷媒を凝縮する凝縮器5と、凝縮器5からの液冷媒を膨張させる膨張弁7と、膨張弁7によって膨張させられた液冷媒を蒸発させる蒸発器9とを備えている。
電動モータ10の羽根車13a,13b側には、磁気軸受30の第1ラジアル磁気軸受コイル30aが設けられ、電動モータ10の羽根車13a,13bとは反対側には、磁気軸受30の第2ラジアル磁気軸受コイル30bが設けられている。第1ラジアル磁気軸受コイル30a及び第2ラジアル磁気軸受コイル30bによって、回転シャフト24のラジアル方向が支持されている。
第2ラジアル磁気軸受コイル30bには、第2ラジアル磁気軸受コイル30bの温度を計測する第2コイル温度センサTc2が設けられている。第2コイル温度センサTc2の出力は、制御部へと送られる。
第2ラジアル磁気軸受コイル30bの電動モータ10側には、回転シャフト24と第2ラジアル磁気軸受コイル30bとの間の間隔(ギャップ)を計測する第2ギャップセンサG2が設けられている。第2ギャップセンサG2の出力は、制御部へと送られる。
スラスト磁気軸受コイル30cには、スラスト磁気軸受コイル30cの温度を計測する第3コイル温度センサTc3が設けられている。第3コイル温度センサTc3の出力は、制御部へと送られる。
ケーシング12には、ケーシング12の温度を計測するケーシング温度センサTcs1が取り付けられている。ケーシング温度センサTcs1の出力は、制御部へと送られる。
冷却用冷媒供給配管14には、ケーシング12内へ供給される冷媒温度を計測する冷却用冷媒入口温度センサTinが設けられている。冷却用冷媒入口温度センサTinの出力は、制御部へと送られる。
冷却用冷媒戻り配管18には、ケーシング12外へ排出される冷媒温度を計測する冷却用冷媒出口温度センサToutが設けられている。冷却用冷媒出口温度センサToutの出力は、制御部へと送られる。
なお、他の制御部を構成する電子機器やこれを備えた基板についても、磁気軸受駆動基板35に加えて、平面部12aに対して固定しても良い。
次に、上記構成のターボ冷凍機1の動作について説明する。
ターボ圧縮機3は、蒸発器9からのガス冷媒を吸い込み、羽根車13a,13bにて圧縮を行う。圧縮されたガス冷媒は、凝縮器5へと送られ、冷却伝熱管26によって凝縮熱が除去されることによって凝縮する。凝縮後の液冷媒は、膨張弁7へと流れる。
膨張弁7へと流れた液冷媒は、膨張弁7にて膨張した後、蒸発器9へと送られる。蒸発器9にて、液冷媒は、冷水伝熱管28内を流れる冷水から蒸発潜熱を奪うことによって蒸発気化する。このように冷却された冷水は、図示しない外部負荷へと送られる。蒸発器9にて気化したガス冷媒は、再びターボ圧縮機3へと送られる。
冷却用冷媒供給配管14からケーシング12内に導かれた冷媒による冷却は、以下のように行われる。
冷却用冷媒供給配管14を介して、高圧の液冷媒がケーシング12内へと送られる。この際に、冷却用冷媒調整弁16によってケーシング12へと送られる液冷媒の流量が制御されるとともに、液冷媒の膨張が行われる。ケーシング12内へと流れ込んだ液冷媒は、ケーシング12内で蒸発することによって電動モータ10の熱を奪い、電動モータ10の冷却を行う。これと同時にケーシング12も冷媒によって冷却されるので、ケーシング12の平面部12aに取り付けられた磁気軸受駆動基板35も冷却される。
電動モータ10の冷却を終えたガス冷媒は、冷却用冷媒戻り配管18を介して、低圧とされている蒸発器9へと返送される。
冷却用冷媒調整弁16の制御は、制御部によって以下のように行われる。
冷却用冷媒調整弁16は、磁気軸受駆動基板35に結露が生じないように調整される。具体的には、ケーシング温度センサTcs1によって得られるケーシング温度がケーシング温度設定値を下回らないように、冷却用冷媒調整弁16の開度を制御部によってPID制御を行う。ケーシング温度設定値は、基板周囲温度センサTb1によって得られる基板周囲温度に基づいて決定される。すなわち、基板周囲温度のケーシング12周りの温度及び湿度から露点を演算し、この露点に基づいて決定される。ただし、ケーシング12の周囲環境が予め予測できる場合は、基板周囲温度に対してケーシング温度設定値を一義的に定めておいても良い。例えば、ケーシング温度設定値を基板周囲温度に所定温度(例えば3℃)加えた温度としても良い。
また、各制御が競合する場合は、モータ温度センサTm1及びコイル温度センサTc1,Tc2,Tc3に基づく制御は、保護制御として、ケーシング温度設定値に対して行う制御よりも優先して行う。
ターボ圧縮機3の羽根車13a,13bを駆動する電動モータ10は、ケーシング12内に導かれる冷媒によって冷却される。これに伴い、電動モータ10を収容するケーシング12も冷媒によって冷却される。このケーシング12の外部に、磁気軸受30を駆動する磁気軸受駆動基板35を取り付けることとした。これにより、発熱量が電動モータ10ほど大きくない磁気軸受駆動基板35であっても適切に冷却することができる。また、ケーシング12をヒートシンクとして用いることとしたので、磁気軸受駆動基板を35冷却するための特別な冷却装置を設ける必要がないので、簡便な構造でかつ安価に構成することができる。
特に、磁気軸受駆動基板35がケーシング12の外部に取り付けられていても、ケーシング12は電動モータ10ほど冷却されないので、磁気軸受駆動基板35が結露することを抑制することができる。
<変形例1>
図5に示すように、凝縮器5の気相部とケーシング12とを接続する冷却用ガス冷媒供給配管37と、ケーシング12と蒸発器9の気相部とを接続する冷却用ガス冷媒戻り配管39とを設ける。そして、冷却用ガス冷媒供給配管37に、冷却用ガス冷媒調整弁38を設ける。冷却用ガス冷媒調整弁38は、制御部によって駆動される。
一方、冷却用冷媒供給配管14からケーシング12内に導かれた液冷媒は、磁気軸受駆動基板35側へは流さずに、主として電動モータ10や磁気軸受30のコイル30a,30b,30cを冷却するように流される。
図6に示すように、図1に示した構成に代えて、中間冷却器40を有する二段膨張の冷媒回路としても良い。中間冷却器40と凝縮器5との間には第1膨張弁7aが設けられ、中間冷却器40と蒸発器9との間には第2膨張弁7bが設けられている。中間冷却器40と2段目の羽根車13bの吸入側とを接続する中間圧ガス冷媒配管42が設けられている。本変形例では、冷却用冷媒供給配管14aは、中間冷却器40から液冷媒をケーシング12へ導くようになっている。
図7に示すように、図6に示した構成に加えて、冷却用ガス冷媒を供給する図5のように、冷却用ガス冷媒供給配管37を設けても良い。本変形例では、ガス冷媒は、中間冷却器40からケーシング12内に供給するようになっている。
3 ターボ圧縮機
5 凝縮器
7 膨張弁
9 蒸発器
10 電動モータ
12 ケーシング
12a 平面部
12b ブロック体
13a,13b 羽根車
14,14a 冷却用冷媒供給配管(冷却用冷媒供給部)
16 冷却用冷媒調整弁
18 冷却用冷媒戻り配管
20 ロータ
22 ステータ
24 回転シャフト(軸部)
24a 円板
26 冷却伝熱管
28 冷水伝熱管
30 磁気軸受
30a 第1ラジアル磁気軸受コイル
30b 第2ラジアル磁気軸受コイル
30c スラスト磁気軸受コイル
32a 第1補助ベアリング
32b 第2補助ベアリング
35 磁気軸受駆動基板
37 冷却用ガス冷媒供給配管
38 冷却用ガス冷媒調整弁
39 冷却用ガス冷媒戻り配管
40 中間冷却器
42 中間圧ガス冷媒配管
G1 第1ギャップセンサ
G2 第2ギャップセンサ
Tb1 基板周囲温度センサ
Tc1 第1コイル温度センサ(磁気軸受コイル温度センサ)
Tc2 第2コイル温度センサ(磁気軸受コイル温度センサ)
Tc3 第3コイル温度センサ(磁気軸受コイル温度センサ)
Tcs1 ケーシング温度センサ
Tin 冷却用冷媒入口温度センサ
Tm1 モータ温度センサ(電動モータコイル温度センサ)
Tout 冷却用冷媒出口温度センサ
Claims (6)
- 冷媒を圧縮する羽根車と、
前記羽根車を回転させる軸部と、
前記軸部を回転駆動する電動モータと、
前記電動モータを収容するケーシングと、
前記ケーシング内に冷却用の冷媒を導く冷却用冷媒供給部と、
前記軸部のラジアル方向及び/又はスラスト方向を支持する磁気軸受と、
前記磁気軸受を駆動する電子部品を有する磁気軸受駆動基板と、
を備え、
前記磁気軸受駆動基板は、前記ケーシングの外部に取り付けられているターボ圧縮機。 - 前記磁気軸受駆動基板の発熱量は、前記電動モータの発熱量の10分の1以下とされている請求項1に記載のターボ圧縮機。
- 前記冷却用冷媒供給部からガス冷媒が供給される請求項1又は2に記載のターボ圧縮機。
- 前記冷却用冷媒供給部へ供給する冷媒流量を調整する冷却用冷媒調整弁と、
前記ケーシングの温度を計測するケーシング温度センサと、
前記ケーシング温度センサの出力に基づいて前記冷却用冷媒調整弁を制御する制御部と、
を備えている請求項1から3のいずれかに記載のターボ圧縮機。 - 前記電動モータのコイルの温度を計測する電動モータコイル温度センサと、
前記磁気軸受のコイルの温度を計測する磁気軸受コイル温度センサと、
を備え、
前記制御部は、前記電動モータコイル温度センサ及び前記磁気軸受コイル温度センサの出力に基づいて、前記冷却用冷媒調整弁を制御する請求項4に記載のターボ圧縮機。 - 請求項1から5のいずれかに記載のターボ圧縮機と、
前記ターボ圧縮機から吐出された冷媒を凝縮させる凝縮器と、
前記凝縮器から導かれた液冷媒を膨張させる膨張弁と、
前記膨張弁から導かれた冷媒を蒸発させる蒸発器と、
を備えているターボ冷凍機。
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2020
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WO2024029097A1 (ja) * | 2022-08-05 | 2024-02-08 | 三菱重工サーマルシステムズ株式会社 | ターボ圧縮機、及びこれを備えているターボ冷凍機 |
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