JP6096551B2 - ターボ冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ冷凍機に係り、特に圧縮機の吐出ガスを駆動用ガスとしたエジェクタで蒸発器に滞留する油を含んだ冷媒を油タンクに回収する方式のターボ冷凍機に関するものである。

従来、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で構成され、冷水（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、前記蒸発器で蒸発した冷媒ガスを圧縮して高圧の冷媒ガスにする圧縮機と、高圧の冷媒ガスを冷却水（冷却流体）で冷却して凝縮させる凝縮器と、前記凝縮した冷媒を減圧して膨張させる膨張弁（膨張機構）とを、冷媒配管によって連結して構成されている。そして、圧縮機として冷媒ガスを多段の羽根車によって多段に圧縮する多段圧縮機を用いた場合は、凝縮器と蒸発器の間の冷媒配管中に設置した中間冷却器であるエコノマイザで生じる冷媒ガスを圧縮機の中間段（多段の羽根車の中間部分）に導入することが行われている。

ターボ冷凍機は高速回転体である圧縮機を有しており、圧縮機には、回転体を支持する軸受と、回転体を増速して所定の回転数を得るための増速機が設けられている。軸受と増速機には、フロン系冷媒と相溶性の油を給油して潤滑と冷却機能を維持している。油を保持する油タンク部は、冷媒系統への油の漏洩を防ぐためにターボ冷凍機の低圧部分に均圧管（油タンク均圧管）で均圧されている。
しかしながら、回転体の軸封部分や前述の均圧管（油タンク均圧管）を経由して一部の油が冷媒系統に漏洩することは完全には回避できない。冷媒系統への油の漏洩が継続すると、油タンクに保有する油が減少して軸受と増速機への給油が不可能となり、ターボ冷凍機の運転を継続することができなくなる。そのため、ターボ冷凍機においては、冷媒系統からの油回収機能が非常に重要な役割を果たす。
従来の油回収方法は、圧縮機の吐出ガスを駆動用ガスとしたエジェクタで油が最終的に滞留する蒸発器或いは圧縮機サクションベーン二次側から油を含んだ冷媒を油タンクに回収する。

実開昭５５−２００４９号公報

前述した従来の油回収方法では、冷凍機のヘッド条件、すなわち、冷却水温度条件によってエジェクタの駆動圧力が決まるため、エジェクタの性能ピーク点での運転ができない場合があり、エジェクタの油回収機能を有効に活用できない。そのため、油タンクに油を充分に回収することができなくなり、油タンクに保有する油が減少して軸受と増速機への給油が不可能となり、ターボ冷凍機の運転を継続することができなくなるという問題がある。
本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、エジェクタの駆動用ガスの圧力制御を行うことにより、エジェクタの充分な油回収機能を確保して、冷凍機の安定した運転を継続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、本発明の一態様は、冷水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と、冷媒を羽根車によって圧縮するターボ圧縮機と、圧縮された冷媒ガスを冷却水で冷却して凝縮させる凝縮器とを備えたターボ冷凍機において、ターボ圧縮機から吐出される冷媒ガスを駆動用ガスとして蒸発器に滞留する油を含んだ冷媒を吸引してターボ圧縮機の油タンクに回収するエジェクタと、ターボ圧縮機からエジェクタに冷媒ガスを供給する冷媒供給配管に設置され、該冷媒供給配管を流れる冷媒ガスの圧力を制御する制御弁と、前記制御弁の開度を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記ターボ圧縮機から前記エジェクタに供給される冷媒ガスの圧力（Ｐｄ）と前記蒸発器から前記エジェクタに吸引される冷媒の圧力（Ｐｅ）との圧力比（Ｐｄ／Ｐｅ）が所定値になるように前記制御弁の開度を制御することを特徴とする。

本発明によれば、ターボ圧縮機と凝縮器を接続する冷媒配管から分岐して冷媒をターボ圧縮機からエジェクタに導く冷媒供給配管が設置され、冷媒供給配管にはエジェクタの上流側に制御弁が設けられている。制御装置は、制御弁の開度を制御することによりエジェクタに供給される冷媒の圧力を制御する。これにより、エジェクタ吸引部における吸引圧力を制御することができる。したがって、エジェクタの性能ピーク点での運転が可能となるため、エジェクタの油回収機能を充分確保でき、冷凍機の安定した運転が可能となる。
本発明によれば、制御装置は、エジェクタの一般的な特性から性能ピーク点となる最適な、エジェクタ駆動圧力比Ｐｄ／Ｐｅとなるように制御弁の開度を制御する。

本発明の好ましい態様は、エジェクタを複数個設け、エジェクタと前記ターボ圧縮機のサクションベーン二次側を配管で接続したことを特徴とする。
本発明によれば、ターボ冷凍器のサクションベーン二次側に滞留する油を含んだ冷媒を油タンクに回収できる。

本発明の好ましい態様は、前記圧力比（Ｐｄ／Ｐｅ）の所定値は、冷媒の種類により変わることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、冷媒がＲ１３４ａである場合、前記圧力比（Ｐｄ／Ｐｅ）の所定値は約１．７であることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記ターボ圧縮機から前記エジェクタに供給される冷媒ガスの圧力は、前記冷媒供給配管において前記制御弁の下流側に設置された圧力センサにより測定することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記蒸発器から前記エジェクタに吸引される冷媒の圧力（Ｐｅ）は、前記蒸発器に設置された圧力センサにより測定することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記蒸発器から前記エジェクタに吸引される冷媒の圧力（Ｐｅ）は、前記蒸発器と前記エジェクタとを接続する配管に設置された圧力センサにより測定することを特徴とする。

本発明によれば、エジェクタの性能ピーク点となるエジェクタ圧力比で運転することで充分な油回収機能を確保して、油タンクに必要かつ充分な量の油を保有することが可能となり、冷凍機の安定した運転を継続することが可能となる。

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、エジェクタの詳細構造を示す模式的断面図である。 図３は、エジェクタ駆動圧力比Ｐｄ／Ｐｅとエジェクタ吸引部の吸引圧力とで表されるエジェクタ性能を示すグラフである。

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、凝縮器２と蒸発器３との間に配置される中間冷却器であるエコノマイザ４とを備え、これら各機器を冷媒が循環する冷媒配管５によって連結して構成されている。

図１に示す実施形態においては、ターボ圧縮機１は多段ターボ圧縮機から構成されており、多段ターボ圧縮機は二段ターボ圧縮機からなり、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を回転させる圧縮機モータ１３とから構成されている。一段目羽根車１１の吸込側には、冷媒ガスの羽根車１１，１２への吸込流量を調整するサクションベーン１４が設けられている。ターボ圧縮機１は軸受や増速機を収容するギアケーシング１５を備えており、ギアケーシング１５の下部には軸受と増速機に給油するための油タンク１６が設けられている。ギアケーシング１５は油タンク均圧管１７によってターボ圧縮機１の低圧部分に均圧されている。ターボ圧縮機１は、流路８によってエコノマイザ４と接続されており、エコノマイザ４で分離された冷媒ガスはターボ圧縮機１の多段の圧縮段（この例では２段）の中間部分（この例では一段目羽根車１１と二段目羽根車１２の間の部分）に導入されるようになっている。

図１に示すように構成されたターボ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とエコノマイザ４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からの熱量およびモータ１３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。一方、エコノマイザ４にて分離された冷媒ガスはターボ圧縮機１の多段圧縮段の中間部分に導入され、一段目圧縮機からの冷媒ガスと合流して二段目圧縮機により圧縮される。２段圧縮単段エコノマイザサイクルによれば、エコノマイザ４による冷凍効果部分が付加されるので、その分だけ冷凍効果が増加し、エコノマイザ４を設置しない場合に比べて冷凍効果の高効率化を図ることができる。

図１に示すように、ターボ圧縮機１と凝縮器２を接続する冷媒配管５から分岐して冷媒をターボ圧縮機１からエジェクタ２０に導く冷媒供給配管５ＢＰが設置されている。冷媒供給配管５ＢＰには、エジェクタ２０の上流側に電動式の制御弁２１が設けられており、制御弁２１の開度を制御することにより、エジェクタ２０に供給される冷媒の圧力を制御できるようになっている。エジェクタ２０の吐出側はギアケーシング１５に接続されている。一方、蒸発器３およびターボ圧縮機１のサクションベーン二次側は、配管６を介してエジェクタ２０に接続されている。冷媒供給配管５ＢＰには、電動式の制御弁２１の二次側において冷媒の圧力（エジェクタ駆動圧）を測定する圧力センサＳ１が設置されている。また、蒸発器３には蒸発器３内の圧力を測定する圧力センサＳ２が設置されている。電動式の制御弁２１、圧力センサＳ１および圧力センサＳ２は、それぞれ制御装置１０に接続されている。

制御装置１０には、圧力センサＳ１から冷媒の圧力（エジェクタ駆動圧）Ｐｄが入力されて、圧力センサＳ２から蒸発器３の圧力Ｐｅが入力される。制御装置１０は、ターボ圧縮機１からエジェクタ２０に供給される冷媒ガスの圧力（Ｐｄ）と蒸発器３からエジェクタ２０に吸引される冷媒の圧力（Ｐｅ）との圧力比であるエジェクタ駆動圧力比Ｐｄ／Ｐｅを演算し、演算値に基づいて電動式の制御弁２１の開度を制御し、エジェクタ駆動圧力比Ｐｄ／Ｐｅが所定値になるように、エジェクタ２０に供給される冷媒の圧力を制御するように構成されている。なお、蒸発器３からエジェクタ２０に吸引される冷媒の圧力（Ｐｅ）は、蒸発器３とエジェクタ２０とを接続する配管６に設置した圧力センサにより測定してもよい。

図２は、エジェクタ２０の詳細構造を示す模式的断面図である。図２に示すように、エジェクタ２０は概略Ｔ字状の形状を有し、エジェクタ２０にはターボ圧縮機１から延びる配管と油タンクに延びる配管とが一直線上に位置するように接続され、これら２つの配管に対して略垂直に蒸発器３およびターボ圧縮機１のサクションベーン二次側から延びる配管が接続されている。エジェクタ２０内には、ノズル２０ｎとディフューザ２０ｄとの間にエジェクタ吸引部２０ｓが形成されている。

制御装置１０は、電動式の制御弁２１の開度を制御することにより、図２に示すように構成されたエジェクタ２０へ供給される冷媒ガスの圧力を制御するようになっている。すなわち、制御装置１０は、エジェクタの一般的な特性から性能ピーク点となる最適な、エジェクタ駆動圧力比Ｐｄ／Ｐｅとなるように電動式の制御弁２１を開閉制御する。

図３は、エジェクタ駆動圧力比Ｐｄ／Ｐｅとエジェクタ吸引部の吸引圧力とで表されるエジェクタ性能を示すグラフである。図３に示すエジェクタ吸引部の吸引圧力の極小点がエジェクタの性能ピーク点であり、この性能ピーク点は、実験的にエジェクタ駆動圧力比Ｐｄ／Ｐｅ＝１．７程度である。具体例を言うと、冷媒をＲ１３４ａとした場合、冷水出口温度７℃、冷却水出口温度３７℃の一般的な空調温度条件では、蒸発圧力が３６０ｋＰａ・Ａ、凝縮圧力すなわち吐出圧力が９６０ｋＰａ・Ａ程度となり、エジェクタ駆動圧力比は、おおよそ２．７と過剰となる。この場合、エジェクタの性能ピーク点から実際の運転点がずれてしまうため、前述のような油回収機能不全の課題が表出する。

本発明においては、前述の電動式の制御弁２１を閉動作させて、電動式の制御弁２１の二次側の圧力、すなわちエジェクタ２０のエジェクタ駆動圧Ｐｄを低下させて、エジェクタ駆動圧力比Ｐｄ／Ｐｅを１．７程度とさせる。冷水出口温度７℃固定で冬期，中間期などの低冷却水温度条件の場合は、エジェクタ駆動圧力比Ｐｄ／Ｐｅが１．７を下回る場合がある。この場合、電動式の制御弁２１を全開としてエジェクタ駆動圧力比の過剰な低下を回避する制御も設ける。

本発明によれば、ターボ圧縮機１からエジェクタ２０に供給される冷媒ガスの圧力（Ｐｄ）と蒸発器３からエジェクタ２０に吸引される冷媒の圧力（Ｐｅ）との圧力比であるエジェクタ駆動圧力比Ｐｄ／Ｐｅを演算し、演算値に基づいて電動式の制御弁２１の開度を制御し、エジェクタ駆動圧力比Ｐｄ／Ｐｅが所定値になるように、エジェクタ２０に供給される冷媒の圧力（Ｐｄ）を制御する。これにより、エジェクタ２０の性能ピーク点での運転が可能となるため、エジェクタ２０の油回収機能を充分確保でき、冷凍機の安定した運転が可能となる。

図１においては、エジェクタ２０を１個設ける例を示したが、エジェクタ２０を複数個設け、一つのエジェクタ２０を配管で蒸発器３に接続し、他の一つのエジェクタ２０を配管でターボ圧縮機のサクションベーン二次側に接続してもよい。すなわち、各エジェクタ２０は、蒸発器３とターボ圧縮機のサクションベーン二次側の各箇所から個別に油回収を行うようになっている。この場合、各エジェクタ２０に供給される駆動用ガスとしての冷媒ガスの圧力を制御弁で制御する構成は、上述したとおりである。

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 冷媒配管
５ＢＰ 冷媒供給配管
６ 配管
８ 流路
１０ 制御装置
１１ 一段目羽根車
１２ 二段目羽根車
１３ 圧縮機モータ
１４ サクションベーン
１５ ギアケーシング
１６ 油タンク
１７ 均圧管
２０ エジェクタ
２０ｄ ディフューザ
２０ｎ ノズル
２０ｓ エジェクタ吸引部
２１ 電動式の制御弁
Ｓ１ 圧力センサ
Ｓ２ 圧力センサ

Claims (7)

1. 冷水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と、冷媒を羽根車によって圧縮するターボ圧縮機と、圧縮された冷媒ガスを冷却水で冷却して凝縮させる凝縮器とを備えたターボ冷凍機において、
   ターボ圧縮機から吐出される冷媒ガスを駆動用ガスとして蒸発器に滞留する油を含んだ冷媒を吸引してターボ圧縮機の油タンクに回収するエジェクタと、
   ターボ圧縮機からエジェクタに冷媒ガスを供給する冷媒供給配管に設置され、該冷媒供給配管を流れる冷媒ガスの圧力を制御する制御弁と、
   前記制御弁の開度を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記ターボ圧縮機から前記エジェクタに供給される冷媒ガスの圧力（Ｐｄ）と前記蒸発器から前記エジェクタに吸引される冷媒の圧力（Ｐｅ）との圧力比（Ｐｄ／Ｐｅ）が所定値になるように前記制御弁の開度を制御することを特徴とするターボ冷凍機。
2. エジェクタを複数個設け、エジェクタと前記ターボ圧縮機のサクションベーン二次側を配管で接続したことを特徴とする請求項１に記載のターボ冷凍機。
3. 前記圧力比（Ｐｄ／Ｐｅ）の所定値は、冷媒の種類により変わることを特徴とする請求項１に記載のターボ冷凍機。
4. 冷媒がＲ１３４ａである場合、前記圧力比（Ｐｄ／Ｐｅ）の所定値は約１．７であることを特徴とする請求項３に記載のターボ冷凍機。
5. 前記ターボ圧縮機から前記エジェクタに供給される冷媒ガスの圧力は、前記冷媒供給配管において前記制御弁の下流側に設置された圧力センサにより測定す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. 前記蒸発器から前記エジェクタに吸引される冷媒の圧力（Ｐｅ）は、前記蒸発器に設置された圧力センサにより測定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. 前記蒸発器から前記エジェクタに吸引される冷媒の圧力（Ｐｅ）は、前記蒸発器と前記エジェクタとを接続する配管に設置された圧力センサにより測定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。

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