JP5155953B2

JP5155953B2 - ターボ冷凍機

Info

Publication number: JP5155953B2
Application number: JP2009146564A
Authority: JP
Inventors: 健石山; 裕一佐藤; 晃好鈴木; 徹也長岡; 英明 ▲柳▼下; 卓寛仙田
Original assignee: 荏原冷熱システム株式会社
Priority date: 2009-06-19
Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2029-06-19
Also published as: JP2011002186A

Description

本発明は、ターボ圧縮機を用いたターボ冷凍機に関し、特に広範囲な運転条件で安定した運転を簡素な構成で安価に実現できるターボ冷凍機に関するものである。

図９は従来のターボ冷凍機の代表例として二段圧縮単段エコノマイザサイクルを採用したターボ冷凍機３００を示す構成図である。以下従来の技術を本図を用いて説明する。このターボ冷凍機３００は、冷水を製造する蒸発器２と、原動機で駆動される二段ターボ圧縮機１と、圧縮ガスを液化させて冷却水に放熱する凝縮器３と、高圧の凝縮液を凝縮器３と蒸発器２の中間圧力付近である二段ターボ圧縮機１の一段目圧縮機構出口圧力まで減圧膨張させる第一の膨張機構（第一固定オリフィス）６と、第一固定オリフィス６で減圧膨張することで冷媒ガスを発生し二相流となった冷媒を気液分離するエコノマイザ（中間冷却器）５と、分離された液冷媒を低温低圧の状態にある蒸発器２内圧力まで減圧膨張させる第二の膨張機構（第二固定オリフィス）７とを具備し、これら機器を冷媒配管で連結して構成されている。なおここで「固定オリフィス」とは、開口部の寸法や形状が変化しない、即ち固定のオリフィスという意味であって、代表的には平板に円孔を形成した態様のオリフィスである（下記する本発明の実施形態においても同様）。

エコノマイザ５にて分離された冷媒ガスは、二段ターボ圧縮機１の一段目圧縮機構と二段目圧縮機構の中間に設けられた開口部に導かれ、一段目圧縮機構からの吐出冷媒ガスと合流して二段目圧縮機構に吸い込まれる。ここで圧縮機構は羽根車とディフューザとを備えて構成されるのが一般的である。

このターボ冷凍機３００は、蒸発器２で冷水を製造して負荷に対応し、ターボ冷凍機３００内に取り込まれた蒸発器２からの熱量および原動機から供給される二段ターボ圧縮機１の仕事に相当する熱量を凝縮器３に供給される冷却水に放出する。

第一固定オリフィス６と第二固定オリフィス７の開口面積、即ち円形オリフィスにおいては、オリフィス径を決定する際、ターボ冷凍機３００の定格運転条件において必要な液冷媒のみが供給できる径を計算する。しかし、冷凍容量が定格運転条件と同じにもかかわらず、凝縮器３内圧力と蒸発器２内圧力の差が小さくなると、第一固定オリフィス６と第二固定オリフィス７を通過できる液冷媒量が減少するため、凝縮器３から蒸発器２に冷媒が戻りにくくなり、蒸発器２内の冷媒量が不足し、安定した運転が継続できなくなる。冷凍容量が定格運転条件より小さくなったとしても、凝縮器３内圧力と蒸発器２内圧力の差が冷凍容量に見合った冷媒循環量を蒸発器２に供給するのに必要な圧力差未満になれば、やはり蒸発器２内の冷媒量が不足し、蒸発器２内圧力の過剰な低下を引き起こすため、安定した運転が継続できなくなる。

そのため、実際には第一固定オリフィス６と第二固定オリフィス７は前記計算結果より大きいオリフィス径に設定してきた。オリフィス径を大きくすることは、安定して運転できる範囲を広げることができる一方、凝縮器３側から蒸発器２側に冷媒ガスをバイパスさせてしまう。このバイパスした冷媒ガスは冷凍効果を伴うことなく二段ターボ圧縮機１での圧縮冷媒ガス量を増加させ、二段ターボ圧縮機１での仕事量を増加させるため、ターボ冷凍機３００の成績係数は低下してしまう。

固定オリフィスを用いつつ、前記成績係数の低下を招くことなく安定した運転を実現するためには、第一固定オリフィス６と第二固定オリフィス７のオリフィス径を前記計算結果に合わせたオリフィス径の寸法とし、その上で運転条件によっては必要に応じて蒸発器２に戻る冷媒液量を増加させることができる必要がある。

この解決策としてこのターボ冷凍機３００においては、凝縮器３と蒸発器２とを直接連通させるオリフィスバイパス配管９を設け、凝縮器３側から蒸発器２側に冷媒液を供給している（例えば特許文献１参照）。そしてオリフィスバイパス配管９には電動弁（オリフィスバイパス電動弁）８を設置している。これによって冷凍容量が定格運転条件と同じで凝縮器３内圧力と蒸発器２内圧力の差が小さくなるときでも、オリフィスバイパス電動弁８を開くことで、オリフィスバイパス配管９を通して蒸発器２に戻る冷媒液量を増加させることができる。そのため第一固定オリフィス６と第二固定オリフィス７は前記計算結果どおりのオリフィス径にすることができる。以上により定格運転条件において凝縮器３から蒸発器２への冷媒ガスのバイパスを防げ、二段ターボ圧縮機１の仕事を最小限にできるため、ターボ冷凍機３００の成績係数の低下を抑止することが可能となる。この際、オリフィスバイパス電動弁８の開度は冷却水入口温度の低下に連動して増加させる。

一方、二段ターボ圧縮機１には、サージング現象という固有の現象があり、二段ターボ圧縮機１の吸込ガス量が二段ターボ圧縮機１のヘッドによって決まる流量以下にまで少なくなると、二段ターボ圧縮機１で流体の逆流現象を惹き起こし、運転継続に支障を来たす。

この解決策としてこのターボ冷凍機３００においては、ホットガスバイパス配管１１を設けている（例えば特許文献２参照）。即ちサージング現象を回避しつつ低負荷運転を継続するために、凝縮器３のガス部分と蒸発器２を連絡するホットガスバイパス配管１１を設け、さらにホットガスバイパス配管１１には電動弁（ホットガスバイパス電動弁）１０を設置している。これによって二段ターボ圧縮機１の負荷を制御するインレットガイドベーン１２があらかじめ設定した所定開度以下になるとホットガスバイパス電動弁１０を開き始め、ホットガスバイパス配管１１を通して凝縮器３内の冷媒ガスを蒸発器２に直接戻すことで二段ターボ圧縮機１の吸込ガス量を確保でき、二段ターボ圧縮機１のサージング運転を回避でき運転を継続することができる。この際、ホットガスバイパス電動弁１０の開度の制御は、インレットガイドベーン１２の開度減少に連動して一定の相関関係でホットガスバイパス電動弁１０の開度を増加させる。更に、凝縮器３内圧力と蒸発器２内圧力の比に連動させてインレットガイドベーン１２の開度とホットガスバイパス電動弁１０の開度の相関関係を変化させた上で、ホットガスバイパス電動弁１０の開度をインレットガイドベーン１２の開度に連動させて制御し、ホットガスバイパス量を最小限に抑える制御も考えられている。

特開２００４−２１８８９３号公報特開平８−２８９７５号公報

上述のとおり、従来のターボ冷凍機は、凝縮器内圧力と蒸発器内圧力との差圧の変動や冷凍負荷変動に対して広範囲な運転条件で成績係数の低下を抑制しつつ安定した運転を行うため、複雑な配管構成となっており、さらに高価な電動弁を有する複数のバイパス配管が必要であり、経済的ではなかった。

本発明は上述の点に鑑みてなされたものでありその目的は、電動弁を有するバイパス配管１本の簡素な構成で、広範囲な運転条件でも冷凍機の成績係数の低下を抑制しつつ安定した運転を行うことができるターボ冷凍機を提供することにある。

前記課題を解決する本願請求項１に記載の発明は、蒸発器と、ターボ圧縮機と、凝縮器と、前記各機器を相互に接続し冷媒を循環させる冷媒通路と、前記ターボ圧縮機の冷媒ガス吸込部に設置され冷凍容量を制御するインレットガイドベーンとを少なくとも備えたターボ冷凍機において、前記凝縮器から蒸発器に至る前記冷媒通路を、固定オリフィスを有する通路と開度が可変の電動弁を有するバイパス通路とを並列に接続した通路とし、前記ターボ圧縮機が低ヘッドで高負荷の運転をする場合には、前記固定オリフィスを有する通路に加え、前記電動弁の開度を制御することにより前記バイパス通路を通して前記凝縮器から蒸発器へ冷媒液供給を行い、前記ターボ冷凍機の運転継続に必要な冷媒循環流量を確保し、前記ターボ圧縮機が高ヘッドで低負荷の運転をする場合には、前記固定オリフィスを有する通路に加え、前記電動弁の開度を制御することにより前記バイパス通路を通して前記凝縮器から蒸発器へ冷媒ガス供給を行い、前記ターボ圧縮機のサージング運転を回避することを特徴とするターボ冷凍機である。

凝縮器から蒸発器に至る冷媒通路を上述のように構成すれば、ターボ冷凍機の冷凍負荷が大きくなり所要の冷媒循環量が増加する場合、または凝縮器内圧力と蒸発器内圧力との差圧が仕様値よりも低下した場合であっても、固定オリフィスを有する通路に加え、バイパス通路を電動弁の開度を制御しつつ開路することにより、凝縮器から蒸発器に冷媒液を通過させることができるから、たとえば蒸発器において冷媒量が不足し蒸発圧力の過度な低下を招来し、安定運転の継続ができないなどの不具合を招くことがない。

またターボ冷凍機の冷凍負荷が小さく且つ凝縮器内圧力と蒸発器内圧力の差圧が大きい、いわゆる高ヘッドでの運転状態になった場合でも、前記オリフィスを有する通路に加え、前記バイパス通路を前記電動弁の開度を制御しつつ開路することにより、凝縮器から蒸発器に冷媒ガスを通過させることができるから、ターボ圧縮機のサージング運転が回避される。

このようにして上記いずれの場合でも安定した運転が継続できる。
なおいうまでもなく、冷凍負荷が定格の値にまで増大しても凝縮器内圧力と蒸発器内圧力の差圧が相当な値以上に大きい場合は、前記固定オリフィスを有する通路だけを用いても、冷媒循環量に相当する冷媒液の凝縮器から蒸発器への冷媒液の供給に関して不具合はない。また冷凍負荷が小さくなっても凝縮器と蒸発器との圧力差が小さければ、前記固定オリフィスを有する通路を使用するだけでもサージング運転という不具合は事実上生じにくい。

また上記バイパス通路の凝縮器側冷媒入口開口端部は凝縮器の内部に開口する態様でも良いし、凝縮器からたとえば配管により蒸発器側に向かう冷媒流路の前記固定オリフィスの一次側に開口する態様であっても良い。上記バイパス通路の蒸発器側冷媒出口開口端部の取り付け位置に関しても同等の態様が可能である。即ち前記出口開口端部を蒸発器の内部に開口する態様でも良いし、蒸発器に接続された凝縮器側からの冷媒流路配管の前記固定オリフィスの二次側に開口する態様であっても良い。

本願請求項２に記載の発明は、前記バイパス通路の凝縮器側の冷媒入口開口端部は、液相の冷媒が流れる凝縮器内の流路又は凝縮器から固定オリフィスに至るまでの流路に設けられ、前記冷媒入口開口端部が設けられた場所においてこの流路の最下部より高い位置に前記冷媒入口開口端部が開口していることを特徴とする請求項１に記載のターボ冷凍機である。

このようにターボ冷凍機を構成すれば、当該ターボ冷凍機の凝縮器から固定オリフィスに至るまでの間の流路においては、冷凍負荷が大きく冷媒循環量が多い場合には冷媒液流量が多くなるので、当該流路での冷媒液面は高い位置まで上昇する。従って、上記バイパス通路の凝縮器側冷媒入口開口端部が、その開口端部が設置された場所において流路の最下部である底面よりも一定値以上高い位置に開口していても、冷媒液は当該冷媒入口開口端部から上記バイパス通路に流入し電動弁を経由して蒸発器に向けて供給されるから冷媒液循環が好適に実現される。

一方、ターボ圧縮機がサージング運転に突入する危険性は一般に低負荷運転の場合である。このような運転状態においては前記凝縮器から固定オリフィスに至るまでの間の流路において、冷媒液流量が少なくなるので、当該流路での冷媒液面は低い位置に留まる。一方上記のとおり、バイパス通路の冷媒入口開口端部は流路の最下部である底面よりも一定値以上高い位置に開口しているから、冷媒液面は冷媒入口開口端部よりも低くなり、当該冷媒入口開口端部からは事実上冷媒ガスだけが蒸発器に向かって流入する。換言すれば上記バイパス通路によりいわゆるホットガスバイパスを行った運転が実現され、ターボ圧縮機がサージング運転に突入する危険性を回避することができる。

本願請求項３に記載の発明は、前記インレットガイドベーンに対して予め所定の開度を設定開度として設定し、このインレットガイドベーンの開度が前記設定開度以上の場合には、前記バイパス通路を通して前記凝縮器側から前記蒸発器側へ冷媒液供給を行い、前記ターボ冷凍機の運転継続に必要な冷媒循環流量を確保するように前記電動弁の開度制御を行い、前記インレットガイドベーンの開度が前記設定開度未満の場合には、前記バイパス通路を通して前記凝縮器側から蒸発器側へ冷媒ガス供給を行い、前記ターボ圧縮機のサージング運転を回避することを特徴とする請求項１または２に記載のターボ冷凍機である。

ターボ冷凍機の容量制御は一般にインレットガイドベーンの開度の制御によって行われている。そこで、例えばターボ圧縮機のサージング運転の可能性が予測される低負荷に相当するある特定のインレットガイドベーンのベーン開度を設定開度として予め定めておき、インレットガイドベーンの開度がその設定開度未満では例えばインレットガイドベーンの開度に対して連動すべき前記電動弁開度の関係を設定し、前記電動弁開度になるように前記電動弁を制御しておけば、特段の配慮を必要とすることなくサージング運転の危険性が回避できる。一方インレットガイドベーンの開度が前記設定開度以上では、例えば凝縮器内圧力と蒸発器内圧力の差圧を検出し、その差圧に対して連動すべき電動弁開度の関係を設定し、その電動弁開度になるように前記電動弁を制御しておけば、凝縮器内圧力と蒸発器内圧力の差圧が固定オリフィスを通して冷凍容量に見合った冷媒循環流量を蒸発器に供給するのに必要な圧力差未満になっても、必要な冷媒液通過面積を確保できるから冷媒液循環を好適に行うことができる。

更に、例えばインレットガイドベーンの開度が前記設定開度未満では、検出した凝縮器内圧力と蒸発器内圧力の差圧が一定値以上になったときだけ前記電動弁を開閉でき、一方インレットガイドベーンの開度が前記設定開度以上では、冷凍容量を推定できる値、例えば冷水入口温度と冷水出口温度の温度を検出し、その温度差が一定値以上になった場合だけ前記電動弁を開閉できるように制約を設ければ、冷媒のバイパスを必要としない運転条件で前記電動弁を開けることを抑止できるから、更に冷凍機の成績係数の低下を防止する運転ができる。

また、冷凍容量に見合った冷媒循環量が蒸発器に供給されているか否かは蒸発器内の冷媒液面の高さで確認することができることから、例えばインレットガイドベーンの開度が前記設定開度以上では、蒸発器内の液面を検知して、その液面が一定の高さ未満なら前記電動弁を開け、その液面が一定の高さ以上なら前記電動弁を閉めることで、その液面を一定値付近に制御することで冷媒液循環を好適に行うことができる。

本発明によれば、電動弁を有するバイパス通路は、低ヘッド・高負荷時にも安定して冷媒液を凝縮器から蒸発器に供給し蒸発器内圧力の過剰な低下を回避できる機能を有するだけでなく、高ヘッド・低負荷時に冷媒ガスを凝縮器から蒸発器に供給し圧縮機のサージング運転を回避させる機能も有する。つまり電動弁を有するバイパス通路１つという簡素な構成で広範囲な運転条件下で安定した運転を行うことが可能な安価なターボ冷凍機を提供することができる。

本発明の一実施形態にかかる二段圧縮単段エコノマイザサイクルを用いたターボ冷凍機１００を示す構成図である。兼用バイパス配管１６と配管１３の第一接続例の高負荷時の状態を示す管内断面図である。兼用バイパス配管１６と配管１３の第一接続例の低負荷時の状態を示す管内断面図である。兼用バイパス配管１６と配管１３の第二接続例の高負荷時の状態を示す管内断面図である。兼用バイパス配管１６と配管１３の第二接続例の低負荷時の状態を示す管内断面図である。兼用バイパス電動弁１５の制御ブロック図である。差圧ΔＰと兼用バイパス電動弁１５の開度との関係の一例を示す図である。インレットガイドベーン１２の開度と兼用バイパス電動弁１５の開度との関係の一例を示す図である。従来の二段圧縮単段エコノマイザサイクルを用いたターボ冷凍機３００を示す構成図である。

以下、本発明の実施形態を二段圧縮単段エコノマイザサイクルで運転されるターボ冷凍機の例に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態にかかる二段圧縮単段エコノマイザサイクルを採用したターボ冷凍機１００を示す構成図である。このターボ冷凍機１００の冷凍システムは、冷水を製造する蒸発器２と、原動機で駆動される二段ターボ圧縮機１と、圧縮ガスを液化させて冷却水に放熱する凝縮器３と、高圧の凝縮液を凝縮器３と蒸発器２の中間圧力付近である二段ターボ圧縮機１の一段目圧縮機構出口圧力まで減圧膨張させる第一の膨張機構（第一固定オリフィス）６と、第一固定オリフィス６で減圧膨張することで冷媒ガスを発生し二相流となった冷媒を気液分離するエコノマイザ（中間冷却器）５と、分離された液冷媒を低温低圧の状態にある蒸発器２内圧力まで減圧膨張させる第二の膨張機構（第二固定オリフィス）７とを具備し、これら各機器を冷媒液を循環する冷媒配管で連結して構成されている。尚、本図には図示されていないが、凝縮器３と第一固定オリフィス６の間に、凝縮液を例えば冷却水で過冷却するサブクーラを設置してもよい。

前記二段ターボ圧縮機１の冷媒ガス吸込部には冷凍容量を制御するインレットガイドベーン１２が設置されている。またエコノマイザ５には、このエコノマイザ５にて分離した冷媒ガスを二段ターボ圧縮機１の一段目圧縮機構と二段目圧縮機構の中間に設けた開口部に導く配管１８が接続されている。

そしてこのターボ冷凍機１００においては、凝縮器３から蒸発器２に至る冷媒通路が、前記固定オリフィス６，７を有する通路（冷媒供給配管。以下「配管」という）１３，１４の他に、開度が可変の電動弁（以下「兼用バイパス電動弁」という）１５を有するバイパス通路（以下「兼用バイパス配管」という）１６を並列に接続して構成されている。兼用バイパス配管１６の一端は配管１３の途中（凝縮器３から第一固定オリフィス６に至るまでの間）に接続され、他端は蒸発器２（その冷媒供給口）に接続されている。

図２，図３は兼用バイパス配管１６と配管１３の接続部分の一例（第一接続例）を示す管内断面図であり、それぞれ（ａ）は横断面、（ｂ）は縦断面を示している。また図２は高負荷時、図３は低負荷時の管内の状態を示している。この第一接続例の場合、兼用バイパス配管１６の冷媒入口開口端部は、凝縮器３と第１固定オリフィス６間を連絡する配管１３の中にその下部から差し込まれ、且つ配管１３内に所定寸法上方に向かって突出している。従って冷媒入口開口端部はその差し込み位置において、配管１３の最下部即ち底部（内底面）よりも高い位置に開口している。

図４，図５は兼用バイパス配管１６と配管１３の接続部分の他の例（第二接続例）を示す管内断面図であり、それぞれ（ａ）は横断面、（ｂ）は縦断面を示している。また図４は高負荷時、図５は低負荷時の管内の状態を示している。この第二接続例の場合、兼用バイパス配管１６の冷媒入口開口端部は、凝縮器３と第１固定オリフィス６間を連絡する配管１３の外周面の上下方向の中間部分に接続され、開口している。言い換えれば、兼用バイパス配管１６の冷媒入口開口端部は、配管１３に水平方向に且つ配管１３の最下部即ち底部（内底面）よりも高い位置に開口するように接続されている。

このように第一，第二接続例の何れにおいても、兼用バイパス配管１６の冷媒入口開口端部は、凝縮器３と第１固定オリフィス６間を連絡する冷媒流路即ち配管１３への差し込み部または取付部において、配管１３の底部より高い位置に位置している。

以上のように構成されているターボ冷凍機１００が運転されると、蒸発器２と二段ターボ圧縮機１と凝縮器３とエコノマイザ（中間冷却器）５とを冷媒が循環し、これによって蒸発器２で得られる冷熱源で冷水が製造されて負荷に対応し、冷凍システム内に取り込まれた蒸発器２からの熱量および原動機から供給される二段ターボ圧縮機１の仕事に相当する熱量が凝縮器３に供給される冷却水に放出される。サブクーラが入る場合は、凝縮器３とサブクーラに供給される冷却水に放出される。

一方エコノマイザ５にて分離された冷媒ガスは二段ターボ圧縮機１の一段目圧縮機構と二段目圧縮機構の中間に設けられた開口部に導かれ、一段目圧縮機構からの吐出冷媒ガスと合流して二段目圧縮機構に吸い込まれる。

そして広範囲な運転条件で安定した運転を継続するためには、二段ターボ圧縮機１が低ヘッド・高容量で運転されるときの蒸発器２への冷媒供給不足回避と、二段ターボ圧縮機１が高ヘッド・低容量で運転されるときのサージング回避とが必要になる。

ここでまず二段ターボ圧縮機１が低ヘッド・高負荷で運転されるときの凝縮器３から蒸発器２への冷媒供給不足回避方法について説明する。第一固定オリフィス６，第二固定オリフィス７のオリフィス穴径は其々、定格運転条件において、必要な液冷媒のみが供給できる径にする。定格運転時には、必要な液冷媒のみを蒸発器２に供給することができるため、蒸発器２への冷媒ガスの供給は無いから二段ターボ圧縮機１が余分な仕事をせず、ターボ冷凍機１００の成績係数を低下させることなく運転することができる。

しかし、冷凍容量に見合った冷媒量を第一固定オリフィス６，第二固定オリフィス７を有する通路を通して蒸発器２に供給するのに必要な圧力差よりも凝縮器３内圧力と蒸発器２内圧力の差圧が小さくなれば、第一固定オリフィス６，第二固定オリフィス７を通過できる液冷媒量が減少するため、蒸発器２内の液冷媒量が不足し、蒸発器２内圧力の過剰な低下を引き起こすため、安定した運転ができなくなる恐れがある。

このためこのターボ冷媒機１００においては、前述のように兼用バイパス配管１６を設置し、兼用バイパス配管１６の冷媒入口開口端部を凝縮器３と第一固定オリフィス６間を連絡する冷媒流路である配管１３の底部よりも高い位置に形成しているが、二段ターボ圧縮機１が高負荷運転時は配管１３内の冷媒液面は、図２，図４に示すように、兼用バイパス配管１６の冷媒入口開口端部より高いため、兼用バイパス配管１６の兼用バイパス電動弁１５を開けると、両図に矢印で示すように、凝縮器３にて凝縮した液冷媒が兼用バイパス配管１６の入口部に優先的に流入し、蒸発器２に供給される。以上のように、兼用バイパス電動弁１５の開閉により、第一固定オリフィス６，第二固定オリフィス７を有する通路に加えて負荷に見合った必要な液冷媒量を蒸発器２に供給できるため、安定した運転が可能となる。つまり兼用バイパス配管１６，兼用バイパス電動弁１５は図９のオリフィスバイパス配管９、オリフィスバイパス電動弁８としての役割を果たすことができる。

尚、低ヘッドの場合は、エコノマイザ５によるターボ冷凍機１００の成績係数向上効果が低いため、兼用バイパス配管１６に冷媒液を通すことによるエコノマイザ５のバイパスがターボ冷凍機１００の成績係数に与える影響は小さく抑えることができる。

次に、二段ターボ圧縮機１が高ヘッド・低負荷時のサージング回避方法について説明する。二段ターボ圧縮機１には、サージング現象という固有の現象があり、吸込冷媒ガス量が二段ターボ圧縮機１のヘッドによって決まる流量以下にまで少なくなると、二段ターボ圧縮機１で流体の逆流現象（サージング現象）を惹き起こし、運転継続に支障をきたす。二段ターボ圧縮機１のサージング運転を招かないための必要吸込冷媒量は二段ターボ圧縮機１のヘッドが高いほど多くなる。そのため、二段ターボ圧縮機１が高ヘッド・低負荷時にはサージングが起こりやすい。このサージング現象を回避しつつ低負荷運転を継続するためには、二段ターボ圧縮機１の吸込ガス量を多くすることが必要である。

図３，図５に示すように、低負荷時は凝縮器３と第一固定オリフィス６の間の配管１３を通る液冷媒循環量は少ない。またオリフィスの一次側で且つ配管内を流れる冷媒のガス流速が大きくなると、冷媒の流動様式は液面のなだらかな層状流、または気液界面に波状を呈する波状流になる。図３，図５のように、兼用バイパス配管１６の冷媒入口開口端部は配管１３への取付場所において、その底面より高い位置に形成されているため、兼用バイパス配管１６の冷媒入口開口端部の位置が冷媒液面より高い位置になるようにすれば、兼用バイパス電動弁１５を開くと、凝縮器３において凝縮しなかった冷媒ガスが兼用バイパス配管１６の冷媒入口開口端部に優先的に流入し、蒸発器２に供給される。蒸発器２で冷水負荷に応じて蒸発した冷媒ガス量に、兼用バイパス配管１６を通して凝縮器３からバイパスされた冷媒ガスが加えられることから、兼用バイパス電動弁１５の開閉により必要吸込ガス冷媒量を確保でき、二段ターボ圧縮機１のサージング運転を回避でき、安定した運転が可能となる。つまり兼用バイパス配管１６、兼用バイパス電動弁１５は図９のホットガスバイパス配管１１、ホットガスバイパス電動弁１０としての役割も果たすことができる。

前記図３，図５に示すごとく、兼用バイパス配管１６の冷媒入口開口端部を凝縮器３と第一固定オリフィス６間を連絡する配管１３の底部より高い位置に形成しなくても、二段ターボ圧縮機１が低負荷で液冷媒循環量が少ない状態では、兼用バイパス配管１６の冷媒入口開口端部で液冷媒による渦が発生し、冷媒ガスを多く巻き込むため、図９のホットガスバイパス配管１１としての役割を果たすことはできる。しかし、図３，図５に示すごとく兼用バイパス配管１６の冷媒入口開口端部を凝縮器３と第一固定オリフィス６間を連絡する配管１３の底部より高い位置に形成した方が、より液冷媒比率が少なく冷媒ガスをより多く供給できることから、兼用バイパス配管１６の口径をより小さくすることができる。

更に、兼用バイパス配管１６を通った冷媒ガスは蒸発器２の冷媒供給口に供給されるため、蒸発器２内に供給されている液冷媒の中を通ることで冷却される。そのため二段ターボ圧縮機１に凝縮器３内飽和温度よりも高温である二段ターボ圧縮機１の吐出ガスが高温のまま二段ターボ圧縮機１に吸入されることがないから、二段ターボ圧縮機１に過熱などの不具合を生じさせる、又は安定した運転を阻害する心配がない。

兼用バイパス配管１６が図９のオリフィスバイパス配管９としての機能を果たすためには、凝縮器３、エコノマイザ５、蒸発器２とつながる配管１３，１４で供給しきれない液冷媒のみを供給できればよいため、兼用バイパス配管１６の口径は配管１３，１４の口径よりも小さくすることができる。一方、兼用バイパス配管１６が図９のホットガスバイパス配管１１としての機能を果たすためには、兼用バイパス配管１６の口径が大きすぎると凝縮器３から冷媒ガスが多量に流れ込みやすく、凝縮器３内飽和温度に近い冷媒ガスが二段ターボ圧縮機１に吸い込まれ、二段ターボ圧縮機１の不具合を生じさせる又は安定した運転を阻害する可能性がある。つまり本発明の兼用バイパス配管１６は図９のオリフィスバイパス配管９としてもホットガスバイパス配管１１としても最適な口径の配管になりえるため、電動弁を有するバイパス配管１つで広範囲で安定した運転を実現させることができる。

続いて兼用バイパス電動弁１５の制御方法に関して説明する。兼用バイパス配管１６を図９のオリフィスバイパス配管９として使用する必要のある運転条件は比較的高負荷な運転条件である。それに対し、兼用バイパス配管１６を図９のホットガスバイパス配管１１として使用する必要のある運転条件は比較的低負荷な運転条件である。そのため、兼用バイパス電動弁１５の図９のオリフィスバイパス電動弁８としての制御とホットガスバイパス電動弁１０としての制御が重複することは事実上無いと考えてよい。

図６は兼用バイパス電動弁１５の制御ブロック図である。兼用バイパス電動弁１５を制御するには、まず予めインレットガイドベーン１２の所定の開度αを設定開度として設定しておく。そしてインレットガイドベーン１２が前記設定開度α以上のときには、兼用バイパス電動弁１５をオリフィスバイパス電動弁として制御し（ステップ１，２）、一方インレットガイドベーン１２が前記設定開度α未満のときには、兼用バイパス電動弁１５をホットガスバイパス電動弁として制御する。尚、前記設定開度αは例えば高ヘッド時にサージング運転を回避できる最小のインレットガイドベーン開度に設定するのが好ましい。

このように兼用バイパス電動弁１５の制御方法をインレットガイドベーン１２の開度で区分することで、以下に説明するオリフィスバイパス電動弁としての制御方法とホットガスバイパス電動弁としての制御方法の両者を前記設定開度αの前後で切り替えて使用することができる。

次に、兼用バイパス電動弁１５をオリフィスバイパス電動弁として制御する制御例（即ちステップ２の制御内容）を説明する。即ちインレットガイドベーン１２の開度が前記設定開度α以上の場合は、凝縮器３内圧力と蒸発器２内圧力の差圧を検出し、その差圧に対して連動すべき兼用バイパス電動弁１５の開度の関係を設定し、その兼用バイパス電動弁開度になるように兼用バイパス電動弁１５の開度を制御する。図７は前記差圧ΔＰと兼用バイパス電動弁１５の開度との関係の一例を示す図である。同図に示す例では、差圧ΔＰが小さい場合は兼用バイパス電動弁１５の開度を大きくし、差圧ΔＰが大きくなるに従って兼用バイパス電動弁１５の開度を徐々に小さくしている。これによって凝縮器３内圧力と蒸発器２内圧力の差圧が第一固定オリフィス６、第二固定オリフィス７を有する通路を通して冷凍容量に見合った冷媒循環量を蒸発器２に供給するのに必要な圧力差未満になっても、必要な冷媒液通過面積を確保できるから冷媒液循環を好適に行うことができる。

更に、冷凍容量を推定できる値、例えば冷水入口温度と冷水出口温度の温度差を検出し、その値が一定値以上になった場合だけ兼用バイパス電動弁１５を開閉できるように制約を設ければ、冷媒液のバイパスを必要としない運転条件のときに兼用バイパス電動弁１５を開けることを抑止できるから、更にターボ圧縮機１の成績係数の低下を防止する運転ができる。

また、冷凍容量に見合った冷媒循環量が蒸発器２に供給されているか否かは蒸発器２内の冷媒液面の高さで確認できることから、例えばインレットガイドベーン１２の開度が前記設定開度α以上では、蒸発器２内の液面を検知して、その液面が一定の高さ未満なら兼用バイパス電動弁１５を開け、その液面が一定の高さ以上なら兼用バイパス電動弁１５を閉めることでも、その液面を一定値付近に制御することで冷媒液循環を好適に行うことができる。

次に、兼用バイパス電動弁１５をホットガスバイパス電動弁として制御する制御例（即ちステップ３の制御内容）を説明する。即ちインレットガイドベーン１２の開度が前記設定開度α未満では、インレットガイドベーン１２の開度に対して連動すべき兼用バイパス電動弁１５の開度の関係を設定し、その兼用バイパス電動弁開度になるように兼用バイパス電動弁１５の開度を制御する。図８は前記インレットガイドベーン１２の開度と兼用バイパス電動弁１５の開度との関係の一例を示す図である。同図に示す例では、インレットガイドベーン１２の開度がαより小さくなればなるほど兼用バイパス電動弁１５の開度を開くようにしている。これによって特段の配慮を必要とすることなくサージング運転の危険性が回避できる。更に、インレットガイドベーン１２の開度が前記特定の設定開度α未満では、検出した凝縮器３内圧力と蒸発器２内圧力の差圧が一定値以上になったときだけ兼用バイパス電動弁１５を開閉できるように制約を設ければ、冷媒ガスのバイパスを必要としない運転条件のときに兼用バイパス電動弁１５を開けることを抑止できるから、更にターボ冷凍機１００の成績係数の低下を防止する運転ができる。

なお上記兼用バイパス電動弁１５の制御は、例えばマイクロコンピュータやその他の電気的制御回路からなる制御手段を用いて行う。この制御手段は、インレットガイドベーン１２の開度や兼用バイパス電動弁１５の開度や蒸発器２，凝縮器３の内圧値などを各種センサによって検出し、演算し、前記兼用バイパス電動弁１５が上述した所望の開度となるように制御する。

ところで上記実施形態では、兼用バイパス配管１６の入口（冷媒入口開口端部）を、凝縮器３の缶胴に接続した冷媒取出し用の配管１３の途中に接続し、一旦冷媒を配管１３に導いた後にその配管１３から兼用バイパス配管１６に分岐するように構成しているが、その代わりに、兼用バイパス配管１６の入口（冷媒入口開口端部）を、凝縮器３の缶胴（その液溜部）に直接接続し、凝縮器３の缶胴から直接冷媒を兼用バイパス配管１６に分岐するように構成しても良い。即ち凝縮器３の缶胴自体も兼用バイパス配管１６を接続する対象となりうる。その場合も、兼用バイパス配管１６の冷媒入口開口端部を、この冷媒入口開口端部が設けられた場所において缶胴内の液相の冷媒が流れる流路の最下部よりも高い位置に開口させ、これによって気相と液相とを分離できるようにする。なお兼用バイパス配管１６の冷媒入口開口端部の凝縮器３の缶胴への接続位置は、前述のように缶胴内の液相の冷媒が流れる流路の部分であり、主として冷媒ガスが流れる凝縮器の管束部分や冷媒ガス分布通路部分ではない。以上のことから、兼用バイパス配管１６の冷媒入口開口端部は、液相の冷媒が流れる凝縮器３内の流路又は凝縮器３から第１固定オリフィス６に至るまでの流路に設けられ、且つ前記冷媒入口開口端部が設けられた場所においてこの流路の最下部より高い位置に開口していればよい。

また上記実施形態では、兼用バイパス配管１６の出口を蒸発器２に直接接続しているが、その代わりに、兼用バイパス配管１６の出口を第二固定オリフィス７と蒸発器２の間の通路１４途中に接続しても良い。

以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお直接明細書及び図面に記載がない何れの形状や構造であっても、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技術的思想の範囲内である。例えば上記実施形態の説明では、二段圧縮単段エコノマイザサイクル冷凍機を例にとり説明したが、本発明はエコノマイザ無しの単段圧縮式ターボ冷凍機にも、二段以上の多段圧縮多段エコノマイザターボ冷凍機にも適用できる。

１００ターボ冷凍機
１二段ターボ圧縮機（ターボ圧縮機）
２蒸発器
３凝縮器
５エコノマイザ（中間冷却器）
６第一固定オリフィス（第一の膨張機構）
７第二固定オリフィス（第二の膨張機構）
８オリフィスバイパス電動弁
９オリフィスバイパス配管
１０ホットガスバイパス電動弁
１１ホットガスバイパス配管
１２インレットガイドベーン
１３配管（冷媒供給配管、通路）
１４配管（冷媒供給配管、通路）
１５兼用バイパス電動弁（電動弁）
１６兼用バイパス配管（バイパス通路）
１８配管

Claims

蒸発器と、ターボ圧縮機と、凝縮器と、前記各機器を相互に接続し冷媒を循環させる冷媒通路と、前記ターボ圧縮機の冷媒ガス吸込部に設置され冷凍容量を制御するインレットガイドベーンとを少なくとも備えたターボ冷凍機において、
前記凝縮器から蒸発器に至る前記冷媒通路を、固定オリフィスを有する通路と開度が可変の電動弁を有するバイパス通路とを並列に接続した通路とし、
前記ターボ圧縮機が低ヘッドで高負荷の運転をする場合には、前記固定オリフィスを有する通路に加え、前記電動弁の開度を制御することにより前記バイパス通路を通して前記凝縮器から蒸発器へ冷媒液供給を行い、前記ターボ冷凍機の運転継続に必要な冷媒循環流量を確保し、
前記ターボ圧縮機が高ヘッドで低負荷の運転をする場合には、前記固定オリフィスを有する通路に加え、前記電動弁の開度を制御することにより前記バイパス通路を通して前記凝縮器から蒸発器へ冷媒ガス供給を行い、前記ターボ圧縮機のサージング運転を回避することを特徴とするターボ冷凍機。
前記バイパス通路の凝縮器側の冷媒入口開口端部は、液相の冷媒が流れる凝縮器内の流路又は凝縮器から固定オリフィスに至るまでの流路に設けられ、前記冷媒入口開口端部が設けられた場所においてこの流路の最下部より高い位置に前記冷媒入口開口端部が開口していることを特徴とする請求項１に記載のターボ冷凍機。
前記インレットガイドベーンに対して予め所定の開度を設定開度として設定し、
このインレットガイドベーンの開度が前記設定開度以上の場合には、前記バイパス通路を通して前記凝縮器側から前記蒸発器側へ冷媒液供給を行い、前記ターボ冷凍機の運転継続に必要な冷媒循環流量を確保するように前記電動弁の開度制御を行い、
前記インレットガイドベーンの開度が前記設定開度未満の場合には、前記バイパス通路を通して前記凝縮器側から蒸発器側へ冷媒ガス供給を行い、前記ターボ圧縮機のサージング運転を回避することを特徴とする請求項１または２に記載のターボ冷凍機。