JP4109997B2 - ターボ冷凍機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はターボ冷凍機に係り、特に、容量制御、低冷却水運転における安定した運転を実現する複数段ターボ冷凍機に関わる。
【０００２】
【従来の技術】
従来、多段圧縮ターボ冷凍機では、特開平１１−３４４２６５号公報の従来技術で述べられているように、凝縮器、中間冷却器の冷媒液面をフロートを使用して感知することにより、凝縮器や中間冷却器の冷媒液面が一定量以上になるとフロート弁が開、一定量未満になるとフロート弁が閉となることにより、凝縮器から中間冷却器、中間冷却器から蒸発器、圧縮機に到る循環冷媒量を制御してきた。
【０００３】
また同公報には、蒸発器、凝縮器、中間冷却器のそれぞれに圧力計を設け、各圧力計の検出値を用いて、凝縮器と中間冷却器を結ぶ配管、中間冷却器と圧縮器を結ぶ配管、中間冷却器と蒸発器を結ぶ配管のそれぞれに設けた電磁弁の開度を制御することで、運転モードが変化しても中間冷却器が最適な中間圧力を得ることが記載されている。
【０００４】
また、特開２０００−３１０４５２号公報には、蒸発器、凝縮器、ターボ圧縮機、このターボ圧縮機の入口に設けられたインレットガイドベーンにより容量制御を行うターボ冷凍機において、前記凝縮器の冷却水入口側に設けられた温度検出手段とこの温度検出手段の検出する冷却水の温度信号に応じて前記インレットガイドベーンの開度を制御する制御装置を備えたターボ冷凍が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−３４４２６５号公報
【特許文献２】
特開２０００−３１０４５２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に記載のものでは、フロート弁の浮力を機械的に変換して液面を感知するようにしたものであるため、弁開閉の制約により、初期取付位置と実機の変動液面のマッチングを調整する必要があるうえ、冷媒循環量が大きくなると変動液面が大きくなり振動による故障の可能性が高くなる。
【０００７】
また、この特許文献１記載の発明では、蒸発器、凝縮器、中間冷却器のそれぞれに圧力計を設け、各圧力計の検出値を用いて、各配管に設けた電磁弁の開度を制御して中間圧力を最適な圧力にすることは開示されているが、冷媒循環量の制御に関しては何ら開示がなく、最適な容量制御を行うことに関しては何ら考慮されていない。
【０００８】
特許文献２のものには、凝縮器への冷却水入口温度によりインレットガイドベーンの開度を制御するようにしたターボ冷凍機について開示されているものの冷媒循環量の制御に関しては十分に配慮されていない。
【０００９】
本発明の目的は、構成を簡略化すると共に、凝縮器の冷却水入口温度が低下した場合のような冷媒循環量変動に対しても安定した運転を行うことのできるターボ冷凍機を得ることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、蒸発器、凝縮器、ターボ圧縮機、このターボ圧縮機の入口に設けられ容量制御を行うインレットガイドベーンを備えるターボ冷凍機において、凝縮器と蒸発器の間に中間冷却器を有しており、前記凝縮器から一旦中間冷却器に冷媒を供給した後、前記中間冷却器より固定オリフィスを介して蒸発器に冷媒を供給する配管と、この配管をバイパスして設けられ、固定オリフィスとこれに直列に設けられた電動弁とを有し、前記凝縮器の冷媒液を前記蒸発器に導くようにしたバイパス配管と、前記凝縮器の冷却水入口側に設けた温度検出手段と、この温度検出手段の検出する冷却水入口の温度信号により、インレットガイドベーンの開度を制御し、前記冷却水入口温度が規定温度以下では当該規定温度におけるベーン開度に一定に固定すると共に、前記バイパス配管の電動弁を開くように制御する制御装置とを備えたことを特徴とする。
ここで、前記圧縮機は多段に構成されると共に、前記凝縮器の下流側に、凝縮器内の冷媒液を導き膨張オリフィスとそれと並列に設けられた電動弁とを有する冷媒配管を介して接続された前記中間冷却器と、この中間冷却器の冷媒ガスを前記圧縮機の２段目以降の羽根車に吸入させると共に電動弁を有する冷媒配管と、前記凝縮器に設けた圧力検出手段とを備え、前記制御装置は、前記圧力検出手段の検出した圧力信号に基づいて、凝縮器と中間冷却器を接続する冷媒配管に設けた前記電動弁と、中間冷却器と２段目以降の羽根車部とを接続する冷媒配管に設けた前記電動弁とを制御して、前記中間冷却器の圧力を蒸発圧力と凝縮圧力との中間圧力に制御するようにすると良い。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図に基づき説明する。
【００１２】
図１は本発明の一実施形態を示す複数段タ−ボ冷凍機の系統図である。図において、１は圧縮機、２は蒸発器、３は凝縮器、４は中間冷却器で、通常前記凝縮器３内には前記中間冷却器４が設置されている。ところで、本実施形態では前記圧縮機１は多段に構成されており、電動機により回転する２段以上の羽根車を備えている。負荷から戻った温度の高い冷水は蒸発器２で熱を奪われて冷却され、より温度の低い冷水になる。蒸発器２で冷水より奪った熱で発生する蒸発冷媒（冷媒ガス）は、圧縮機１に送られる。圧縮機１に送られた冷媒ガスは、圧縮されて高温高圧の冷媒ガスとなり凝縮器３に送られる。凝縮器３では、凝縮器３内を流れる冷却水によって高温高圧の冷媒ガスは熱を奪われて凝縮し冷媒液になる。凝縮器３内に溜まった冷媒液の一部は、膨張オリフィス１３とそれと並列に設けられた電動弁１０を有する冷媒配管を通って中間冷却器４に送られる。この時、冷媒液は、オリフィス１３または電動弁１０を通過する際に膨張、減圧されて蒸発し冷媒ガスとなり中間冷却器４に入る。この冷媒ガスは、電動弁９を有する冷媒配管を通って、圧縮機１の２段目以降の羽根車部(中間段の羽根車部)に吸入される。中間段に導入された冷媒ガスは、そこで圧縮機１の入口側から導入された蒸発冷媒(冷媒ガス)と合流する。中間冷却器４内に残った冷媒液は、固定オリフィス１２を有する冷媒流路（配管）を通って蒸発器２に導入されるが、固定オリフィス１２を通過する際に蒸発しやすい状態に膨張・減圧される。
【００１３】
また、凝縮器３内の中間冷却器４に送られなかった冷媒液は、電動弁１１とそれに直列に設けられた固定オリフィス１４を有するバイパス配管を通って蒸発器２に送られる。このように、本実施形態では、凝縮器３から蒸発器２への戻り配管（電動弁１１とそれに直列に設けられた固定オリフィス１４を有するバイパス配管）を設けることで、冷却水入口温度が２０〜１２℃と低温の場合でも循環冷媒量を確保することができる。即ち、冷却水入口温度が低温の場合、凝縮器３内で凝縮されて冷媒液となる量が増え凝縮器内の冷媒液面が高くなるが、本実施形態では、冷却水入口温度が低温の場合、前記電動弁１１を開くことで固定オリフィス１４を有するバイパス配管からも冷媒を蒸発器２に流すことができるから、冷却水入口温度が２０〜１２℃と低温の場合でも循環冷媒量を十分に確保することができる。
【００１４】
圧縮機１の入口側にはインレットガイドベーン５が設けられ、このインレットガイドベーン５の開度によって圧縮機１の入口から吸込まれる冷媒ガスの流量が制御される。このインレットガイドベーン５の開度は、コントロールモータ７を駆動することで調整される。このコントロールモータ７の駆動は、制御装置６が凝縮器３に流入する冷却水温度に応じて、開度信号を生成し、その信号により行われる。また、インレットガイドベーン５の開度はポテンショメータ７により検出され、検出された開度信号は制御装置６にフィードバックされる。
【００１５】
凝縮器３に導入される冷却水の入口側には、温度検出手段としての温度センサ１６が設けられ、この温度センサ１６で検出された検出値を冷却水温度信号として制御装置６に入力している。制御装置６では入力された温度センサ１６で検出された冷却水入口側温度により演算を行い、運転条件に応じた最適なインレットガイドベーン５の開度を求める。なお、冷凍機では冷却水入口温度と冷水出口温度により冷媒循環量が決定され、この決定された循環量を確保するために、圧縮機のインレットガイドベーンの開度を変化させることで冷凍性能が可変される。運転条件とはどの程度の冷凍性能を得るか決定するものである。運転中では、容量制御のため、インレットガイドベーンの開度をポテンショメータ８のフィードバック値によってコントロールモータ７を制御することで行う。蒸発器２と凝縮器３とを結ぶ冷媒液バイパス配管中には固定オリフィス１４と直列に電動弁１１が設けてある。
【００１６】
図２に冷却水入口温度毎の、冷凍容量と所要動力の関係を示す。なお本図では、冷水出口温度一定、冷水流量一定、冷却水流量一定としている。また、図においてベーン開度は左側から右に向かって開度が大きくなる。バイパス配管に設けられた電動弁１１は次のように動作される。即ち、電動弁１１は、凝縮器３の冷却水入口温度が例えば図２にΔＴ１で示す２４〜３２℃のとき（通常状態）では全閉に制御され、前記冷却水入口温度が予め決められた温度（規定温度、例えば図２に示す２４℃）よりも低くなったとき、例えば図２にΔＴ２で示す１２〜２４℃のときには、インレットガイドベーン５の開度を冷却水入口温度によらず前記規定（仕様）温度での開度に一定に固定し、電動弁１１は全開に制御される。
【００１７】
また、複数段ターボ冷凍機の運転範囲においては、蒸発器２の冷水出口温度と、凝縮器３の冷却水入口温度により冷凍容量を定めて、蒸発圧力を推定し、その推定した値と測定した凝縮圧力との比（圧力比）を求めることができ、中間冷却器４の圧力は蒸発圧力と凝縮圧力の中間圧力として推定できる。このように、凝縮器３に設けられた圧力検出手段としての圧力センサ１５により凝縮圧力を求めることで中間圧力が求められる。制御装置６は、中間冷却器４の圧力を、求められた中間圧力になるように、圧縮機１と中間冷却器４をつなぐ配管に設けた電動弁９と、凝縮器と中間冷却器間の膨張オリフィス１３のバイパス配管に設けた電動弁１０の開度を制御する。この時、蒸発器２の冷水出口温度は一定値に制御されるため、冷水の蒸発器２の冷水出口側に設けられた温度検出手段としての温度センサ１７で検出された検出値を温度信号として制御装置６に入力し、インレットガイドベーン開度を冷却水入口側温度のみの関数として計算できる（特許文献２参照）。運転条件におけるベーン開度を冷却水入口温度により求め、インレットガイドベーン５の開度をポテンショメータ７の値により制御し、運転条件によりインレットガイドベーン４の開度を可変させて調整する。
【００１８】
本実施例によれば、膨張機構として、冷却水入口温度が規定温度以上（図２にΔＴ１で示す２４〜３２℃）の時には固定オリフィス１２、１３を使用し、冷却水入口温度が仕様温度以下（図２にΔＴ２で示す１２〜２４℃）となった場合にはさらに固定オリフィス１４を電動弁１１を開くことで機能させることにより、冷却水入口温度が低下した場合のような冷媒循環量変動に対しても対応できる。また、中間冷却器４の中間圧力も、電動弁１０、９の開度制御とインレットガイドベーン５による容量制御によって関連性をもって制御することができる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、固定オリフィスとこれに直列に電動弁を備え且つ凝縮器と蒸発器を接続するバイパス配管を備えているので、冷却水入口温度が大きく低下して凝縮冷媒液量が増えたような場合でも、前記バイパス配管の電動弁を開くことにより、このバイパス配管も介して冷媒液を蒸発器側に流すことができるので、冷媒循環量を十分に確保でき、冷媒循環量変動に対して安定した運転が可能となる。この結果、フロート弁などによる凝縮器内の冷媒液面制御が不要となり、冷媒液面もより低く設定することが可能となるから、伝熱管管群下段を下げることで伝熱管本数を増加できる。また、フロート弁が不要となることから熱交換器も小型化でき、凝縮器に中間冷却器を内蔵させることも可能となり、機器全体の小型化を図れる。
【００２０】
さらに本発明によれば、冷却水入口温度が低い場合でも、凝縮器内の冷媒液を蒸発器側に十分に戻せるので、蒸発器に冷媒不足を生じて蒸発圧力が異常に低下するのも防止できるから、故障などの発生を回避して長寿命化も図れる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のターボ冷凍機の一実施形態を示す系統図である。
【図２】 冷却水入口温度に対する冷凍容量と所要動力の関係を示す線図である。
【符号の説明】
１…圧縮機、２…蒸発器、３…凝縮器、４…中間冷却器、５…インレットガイドベーン、６…制御装置、７…コントロ−ルモータ、８…ポテンショメータ、９…電動弁、１０…電動弁、１１…電動弁、１２…オリフィス、１３…オリフィス、１４…オリフィス、１５…圧力センサ、１６…温度センサ、１７…温度センサ。

Claims (2)

1. 蒸発器、凝縮器、ターボ圧縮機、このターボ圧縮機の入口に設けられ容量制御を行うインレットガイドベーンを備えるターボ冷凍機において、
   凝縮器と蒸発器の間に中間冷却器を有しており、前記凝縮器から一旦中間冷却器に冷媒を供給した後、前記中間冷却器より固定オリフィスを介して蒸発器に冷媒を供給する配管と、
   この配管をバイパスして設けられ、固定オリフィスとこれに直列に設けられた電動弁とを有し、前記凝縮器の冷媒液を前記蒸発器に導くようにしたバイパス配管と、
   前記凝縮器の冷却水入口側に設けた温度検出手段と、
   この温度検出手段の検出する冷却水入口の温度信号により、インレットガイドベーンの開度を制御し、前記冷却水入口温度が規定温度以下では当該規定温度におけるベーン開度に一定に固定すると共に、前記バイパス配管の電動弁を開くように制御する制御装置と
   を備えたことを特徴とするターボ冷凍機。
2. 請求項１において、
   前記圧縮機は多段に構成されると共に、
   前記凝縮器の下流側に、凝縮器内の冷媒液を導き膨張オリフィスとそれと並列に設けられた電動弁とを有する冷媒配管を介して接続された前記中間冷却器と、
   この中間冷却器の冷媒ガスを前記圧縮機の２段目以降の羽根車に吸入させると共に電動弁を有する冷媒配管と、
   前記凝縮器に設けた圧力検出手段とを備え、
   前記制御装置は、前記圧力検出手段の検出した圧力信号に基づいて、凝縮器と中間冷却器を接続する冷媒配管に設けた前記電動弁と、中間冷却器と２段目以降の羽根車部とを接続する冷媒配管に設けた前記電動弁とを制御して、前記中間冷却器の圧力を蒸発圧力と凝縮圧力との中間圧力に制御することを特徴とするターボ冷凍機。

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