JP6097109B2 - ターボ冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ冷凍機に係り、特に冷媒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、油回収用エジェクタの駆動用ガスとして圧縮機の吐出ガスを一部分岐して使用している。しかし、圧力差の大きい冷媒、例えばＲ１３４ａにおいては、その圧力差から過剰な冷媒ガスが冷凍サイクルの低圧側にバイパスすることで圧縮動力が過剰に消費されるため、冷凍機の効率低下を招いているという問題がある。
また、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としてエジェクタに供給された後に冷凍サイクルの低圧側にバイパスする冷媒ガスのガス量を低減することで圧縮動力が過剰に消費されることを防止するとともに、冷却水温度条件等の環境条件によらず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、冷媒を多段の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、凝縮した冷媒液の一部を蒸発させて蒸発した冷媒ガスを前記ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分に供給する中間冷却器であるエコノマイザとを備えたターボ冷凍機において、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、前記エコノマイザから前記エジェクタに冷媒ガスを供給する冷媒供給配管とを備え、前記エジェクタの駆動用ガスとして、前記エコノマイザから前記ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分に供給する冷媒ガスを用いるようにし、前記ターボ圧縮機から前記エジェクタに冷媒ガスを供給する冷媒供給配管を設け、前記エジェクタの駆動用ガスとして、前記ターボ圧縮機から吐出される冷媒ガスを用いることを可能とし、前記エコノマイザから前記エジェクタへの冷媒ガスの供給と前記ターボ圧縮機から前記エジェクタへの冷媒ガスの供給との切替えを行う制御装置を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、エコノマイザとターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分とを接続するエコノマイザ中間吸込管から分岐して冷媒ガスをエコノマイザからエジェクタに導く冷媒供給配管が設置されており、エコノマイザ中間吸込管の冷媒ガスの一部をエジェクタの駆動用ガスとして流用するため、圧縮機の二段目羽根車の動力を低減でき、冷凍機の効率向上が可能となる。
本発明によれば、エジェクタの駆動圧力源を高圧部（圧縮機吐出圧）と中間圧力（エコノマイザ圧）とに切り替える制御を実施することができるため、環境条件（冷却水温度条件）に寄らず充分な油回収機能を確保することが可能となり、冷凍機の安定運転が可能になる。

本発明の好ましい態様は、前記蒸発器と前記エジェクタとを接続する配管に、前記ターボ圧縮機のサクションベーン二次側を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、前記切替えは、前記二つの冷媒供給配管の各々に設けられた電磁弁を開閉することにより行うことを特徴とする。
本発明によれば、エコノマイザからエジェクタへの冷媒ガスの供給とターボ圧縮機からエジェクタへの冷媒ガスの供給との切替えを二つの電磁弁の開閉で行うことができるため、安価である電磁弁を利用することで低コストで冷凍機の安定運転と効率向上が見込める利点がある。

本発明の好ましい態様は、前記制御装置は、前記凝縮器の圧力と前記蒸発器の圧力に基づいて前記切替えを行うことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記制御装置は、前記凝縮器の圧力（Ｐｃ）と前記蒸発器の圧力（Ｐｅ）とから算出した値に基づいて前記切替えを行うことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記凝縮器の圧力（Ｐｃ）と前記蒸発器の圧力（Ｐｅ）とから算出した値は、圧力比（Ｐｃ／Ｐｅ）であり、該圧力比が所定値以上の場合に前記エコノマイザから前記エジェクタへの冷媒ガスの供給を行い、所定値未満の場合に前記ターボ圧縮機から前記エジェクタへの冷媒ガスの供給を行うことを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記圧力比（Ｐｃ／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（Ｐｃ／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、前記ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分における羽根車の吸込風量を制御するベーンを設けたことを特徴とする。

本発明によれば、環境条件（冷却水温度条件）に寄らず充分な油回収機能を確保することが可能となり冷凍機の安定運転が可能になるとともに、エジェクタの駆動用ガスとしてエジェクタに供給された後に冷凍サイクルの低圧側にバイパスして冷凍能力に寄与しない冷媒ガスのガス量を低減することで圧縮動力の低減も可能となり、冷凍機の効率向上に寄与できる。

図１は、本発明に係るターボ冷凍機の第１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、エジェクタに供給される駆動用ガスとしての冷媒ガスの圧力（Ｐｄ）とエジェクタ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４は、本発明に係るターボ圧縮機の第２の実施形態を示す模式図である。 図５は、２つの電磁弁の切替制御の方法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５を参照して説明する。図１乃至図５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第１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への吸込流量を調整する一段目サクションベーン１４Ａが設けられ、二段目羽根車１２の吸込側には、冷媒ガスの羽根車１２への吸込風量を調整する二段目サクションベーン１４Ｂ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、冷媒配管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、エコノマイザ４とターボ圧縮機１の多段圧縮段の中間部分とを接続する冷媒配管８から分岐して冷媒をエコノマイザ４からエジェクタ２０に導く冷媒供給配管８ＢＰが設置されている。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。

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にはエコノマイザ４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。

図３は、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（Ｐｄ）とエジェクタ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Ｐｄ／Ｐｅ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、エジェクタ２０の駆動用ガスとして、エコノマイザ４の中間吸込管である冷媒配管８から冷媒ガスを取り出して利用する。この際、エコノマイザ圧力は、前記圧力の中間圧力、すなわち３６０ｋＰａ・Ａと９６０ｋＰａ・Ａの中間圧力で凡そ６００ｋＰａ・Ａとなるので、エジェクタ２０のエジェクタ駆動圧Ｐｄを低下させることができ、エジェクタ駆動圧力比Ｐｄ／Ｐｅは１．７程度となり、充分な油回収機能を確保できる。
本発明においては、エコノマイザ中間吸込管の冷媒ガスの一部をエジェクタ２０の駆動用ガスとして流用するため、圧縮機の二段目羽根車の動力を低減でき、冷凍機の効率向上も可能となる。なお、本発明の冷凍機は、エコノマイザ圧力が凝縮圧力と蒸発圧力のほぼ中間の圧力になるために、二段圧縮機の二段目羽根車の風量制御機構としての二段目サクションベーン１４Ｂがあることも特徴である。

図４は、本発明に係るターボ圧縮機の第２の実施形態を示す模式図である。図４に示すように、本実施形態においては、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の上流側に電磁弁ＳＶ１が設けられている。また、エコノマイザ４とターボ圧縮機１の多段圧縮段の中間部分とを接続する冷媒配管８から分岐して冷媒をエコノマイザ４からエジェクタ２０に導く冷媒供給配管８ＢＰが設置されている。冷媒供給配管８ＢＰには、エジェクタ２０の上流側に電磁弁ＳＶ２が設けられている。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。電磁弁ＳＶ１，ＳＶ２は、それぞれ制御装置１０に接続されている。

図４に示すように、凝縮器２および蒸発器３には、それぞれ圧力センサＳ１，Ｓ２が設置されている。すなわち、圧力センサＳ１により凝縮器２内の圧力Ｐｃを測定し、圧力センサＳ２により蒸発器３の圧力Ｐｅを測定するようになっている。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は、測定された凝縮器２の圧力Ｐｃと蒸発器３の圧力Ｐｅとから圧力比Ｐｃ／Ｐｅを演算し、圧力比Ｐｃ／Ｐｅに基づいて電磁弁ＳＶ１，ＳＶ２の開閉制御を行うことができるようになっている。図４に示すターボ圧縮機のその他の構成は、図１に示すターボ圧縮機と同様である。

実際のターボ冷凍機の運転条件は、環境条件（冷却水温度）で決まる。本発明は、どのような環境条件においても充分な油回収機能を確保するために、エジェクタ２０の駆動圧力源を高圧部（圧縮機吐出圧）と中間圧力（エコノマイザ圧）とに切り替える制御を実施するように構成されている。実際のエジェクタ駆動ガスの切替制御を以下に説明する。
図５は、２つの電磁弁ＳＶ１，ＳＶ２の切替制御の方法を示すグラフである。図５において、横軸は凝縮器２の圧力Ｐｃと蒸発器３の圧力Ｐｅの圧力比Ｐｃ／Ｐｅを示し、縦軸は２つの電磁弁ＳＶ１，ＳＶ２の開閉状態を示す。
冷凍機は冷水、冷却水温度条件によって、圧縮機吐出圧＝凝縮圧力Ｐｃと蒸発圧力Ｐｅが決まる。圧力比Ｐｃ／Ｐｅが所定の設定値以上の場合、エコノマイザ圧力でも充分な駆動圧として油回収用エジェクタ２０を機能させることが可能となる。
１）圧力比Ｐｃ／Ｐｅが所定の設定値以上、すなわち１．７以上の場合には、電磁弁ＳＶ１を閉じ、電磁弁ＳＶ２を開くことにより、エジェクタ駆動圧にエコノマイザ圧を利用する。
２）圧力比Ｐｃ／Ｐｅが設定値未満、すなわち１．７未満の場合（低冷却水温度等の冬期，中間期）には、電磁弁ＳＶ１を開き、電磁弁ＳＶ２を閉じることにより、エジェクタ駆動圧に圧縮機吐出圧を利用する。

本発明によれば、環境条件（冷却水温度条件）に寄らず充分な油回収機能を確保することが可能となり冷凍機の安定運転が可能になるとともに、エジェクタの駆動用ガスとしてエジェクタに供給された後に冷凍サイクルの低圧側にバイパスして冷凍能力に寄与しない冷媒ガスのガス量を低減することで圧縮動力の低減も可能となり、冷凍機の効率向上に寄与できる。また、安価である電磁弁を利用することで低コストで冷凍機の安定運転と効率向上が見込める利点もある。

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 冷媒配管
８ＢＰ 冷媒供給配管
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
１４Ａ 一段目サクションベーン
１４Ｂ 二段目サクションベーン
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
Ｓ１ 圧力センサ
Ｓ２ 圧力センサ
ＳＶ１ 電磁弁
ＳＶ２ 電磁弁

Claims (9)

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、冷媒を多段の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、凝縮した冷媒液の一部を蒸発させて蒸発した冷媒ガスを前記ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分に供給する中間冷却器であるエコノマイザとを備えたターボ冷凍機において、
   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、
   前記エコノマイザから前記エジェクタに冷媒ガスを供給する冷媒供給配管とを備え、
   前記エジェクタの駆動用ガスとして、前記エコノマイザから前記ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分に供給する冷媒ガスを用いるようにし、
   前記ターボ圧縮機から前記エジェクタに冷媒ガスを供給する冷媒供給配管を設け、
   前記エジェクタの駆動用ガスとして、前記ターボ圧縮機から吐出される冷媒ガスを用いることを可能とし、
   前記エコノマイザから前記エジェクタへの冷媒ガスの供給と前記ターボ圧縮機から前記エジェクタへの冷媒ガスの供給との切替えを行う制御装置を設けたことを特徴とするターボ冷凍機。
2. 前記蒸発器と前記エジェクタとを接続する配管に、前記ターボ圧縮機のサクションベーン二次側を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. 前記切替えは、前記二つの冷媒供給配管の各々に設けられた電磁弁を開閉することにより行うことを特徴とする請求項１に記載のターボ冷凍機。
4. 前記制御装置は、前記凝縮器の圧力と前記蒸発器の圧力に基づいて前記切替えを行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のターボ冷凍機。
5. 前記制御装置は、前記凝縮器の圧力（Ｐｃ）と前記蒸発器の圧力（Ｐｅ）とから算出した値に基づいて前記切替えを行う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. 前記凝縮器の圧力（Ｐｃ）と前記蒸発器の圧力（Ｐｅ）とから算出した値は、圧力比（Ｐｃ／Ｐｅ）であり、該圧力比が所定値以上の場合に前記エコノマイザから前記エジェクタへの冷媒ガスの供給を行い、所定値未満の場合に前記ターボ圧縮機から前記エジェクタへの冷媒ガスの供給を行うことを特徴とする請求項５に記載のターボ冷凍機。
7. 前記圧力比（Ｐｃ／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６に記載のターボ冷凍機。
8. 冷媒がＲ１３４ａである場合、前記圧力比（Ｐｃ／Ｐｅ）の所定値は約１．７であることを特徴とする請求項７に記載のターボ冷凍機。
9. 前記ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分における羽根車の吸込風量を制御するベーンを設けたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のターボ冷凍機。

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