JP6140065B2 - ターボ冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ冷凍機に係り、特にターボ圧縮機から吐出された冷媒をサブクール状態に冷却するサブクール冷凍サイクルを採用した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。

ターボ冷凍機は、冷媒をサブクール状態に過冷却することにより、冷凍機の効率を向上させるようにしたサブクール冷凍サイクルを採用する場合がある。すなわち、凝縮器で飽和凝縮液化された冷媒をサブクーラーで冷却水により過冷却することで、蒸発器の冷凍効果の増加を図り、また多段圧縮エコノマイザサイクルでは、二段目以降の羽根車の圧縮動力低減ができ、ターボ冷凍機の効率向上が可能となる。
一方、サブクーラーは、シェルアンドチューブ式の凝縮器に内蔵するものと、凝縮器とは別体の外置のもの（プレート熱交換器など）に分類される。冷却水の水質により、性能の経年劣化は回避できないが、前者の内蔵型はチューブ清掃を行うことで性能の回復が期待できる。

特開２０１１−００２１８６号公報

上述した内蔵型サブクーラーは、冷凍機運転中にチューブが冷媒液に完全に浸されないと性能を発揮できないという問題がある。また、サブクーラーチューブを冷媒液に浸すために、シェル内に過剰に冷媒液を保有する運転条件では、凝縮器チューブが冷媒に液没することにより凝縮器有効伝熱面積が減少し、凝縮器の伝熱性能が低下し、ひいては冷凍機の効率低下の原因となりうる。

したがって、サブクーラーを内蔵するシェルアンドチューブ方式の凝縮器の液面を適正位置に制御することが重要である。そのため、従来、サブクーラーからエコノマイザ（二段圧縮の場合）または蒸発器（単段圧縮の場合）への冷媒配管中に制御弁を設け、また、サブクーラーを内蔵する凝縮器の液面を検出する液面センサを備え、冷媒液面が適正位置となるように当該制御弁の開閉制御を行っていた。外置サブクーラーの場合も同様に凝縮器の冷媒液面が適正位置になるように制御弁の開閉制御を行うことにより、サブクーラーの伝熱面を冷媒液に浸し、かつ凝縮器チューブの液没を防止していた。
しかしながら、凝縮器の液面を検出する液面センサは、連続比例出力型を用いる必要があるため、非常に高価で冷凍機コストアップの要因になっていた。

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、凝縮器の冷媒液面を検出する液面センサを設置することなく、凝縮器の冷媒液面レベルを適正位置に制御することにより、サブクーラーの伝熱性能を向上させることができ、冷凍機の効率向上を図ることができるターボ冷凍機を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、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流体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、前記凝縮器で凝縮した冷媒を過冷却するサブクーラーと、前記サブクーラー側から前記蒸発器側に向けて冷媒を導く冷媒配管に設置された制御弁と、前記凝縮器で凝縮する冷媒の凝縮温度を測定する手段と、前記サブクーラー出口の冷媒温度を測定する手段と、前記制御弁を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記凝縮温度と前記サブクーラー出口の冷媒温度の温度差に基づいて前記制御弁の開度を制御することにより、前記サブクーラー側から前記蒸発器側に供給される冷媒流量を制御し、前記制御装置は、前記凝縮温度と前記サブクーラー出口の冷媒温度の温度差が所定温度になるように前記制御弁の開度を制御し、前記凝縮器内の冷媒と熱交換した後の冷却水の出口温度を測定する手段を備え、前記制御装置は、前記凝縮温度と前記冷却水の出口温度の温度差が所定温度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、凝縮器で凝縮する冷媒の凝縮温度を測定するとともに、サブクーラー出口の冷媒温度を測定し、凝縮温度とサブクーラー出口温度との温度差が所定の温度になるように、制御弁の開度を制御する。すなわち、温度差が所定温度未満の場合には、制御弁を閉動作させ、サブクーラー側から蒸発器側に流れる冷媒流量を減少させ、凝縮器の冷媒液面を上昇させる。温度差が所定温度以上の場合には、制御弁を開動作させ、サブクーラー側から蒸発器側に流れる冷媒流量を増加させ、凝縮器の冷媒液面を低下させる。こうして、凝縮器の冷媒液面レベルを適正位置に制御できる。

本発明によれば、凝縮器で凝縮する冷媒の凝縮温度を測定するとともに、サブクーラー出口の冷媒温度を測定し、凝縮温度とサブクーラー出口温度との温度差から冷媒の過冷却度を演算する。そして、この過冷却度が所定の温度になるように、制御弁の開度を制御する。すなわち、過冷却度が所定温度未満の場合には、制御弁を閉動作させ、サブクーラー側から蒸発器側に流れる冷媒流量を減少させ、凝縮器の冷媒液面を上昇させる。過冷却度が所定温度以上の場合には、制御弁を開動作させ、サブクーラー側から蒸発器側に流れる冷媒流量を増加させ、凝縮器の冷媒液面を低下させる。こうして、凝縮器の冷媒液面レベルを適正位置に制御できる。

本発明によれば、凝縮器の冷却水出口温度を測定し、冷却水出口温度と凝縮温度の温度差、すなわち凝縮器ＬＴＤを監視して、当該ＬＴＤが設計値＋１℃を越えた場合、凝縮器の液面が凝縮器チューブ群を液没させるほど上昇したと判断して、過冷却度による制御に優先して、当該制御弁を開動作させる制御を行う。これにより、サブクーラー側から蒸発器側に流れる冷媒流量が増加するため、凝縮器の冷媒液面が低下し、凝縮器チューブ群の液没を回避できる。

本発明の好ましい態様によれば、前記サブクーラーは、前記凝縮器に内蔵された内蔵型サブクーラーまたは前記凝縮器とは別体の外置サブクーラーであることを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記凝縮温度を前記凝縮器内の圧力から求めることを特徴とする。
本発明によれば、凝縮器内の圧力を測定し、冷媒飽和蒸気圧曲線データから凝縮温度を算出することができる。

本発明の好ましい態様によれば、前記ターボ圧縮機は多段ターボ圧縮機からなり、多段ターボ圧縮機の多段の圧縮段の中間部分に冷媒ガスを供給するエコノマイザを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、エコノマイザで分離された冷媒ガスは多段ターボ圧縮機の多段の圧縮段の中間部分に導入されるため、エコノマイザ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て高効率化を図ることができる。

本発明は、以下に列挙する効果を奏する。
（１）凝縮器の冷媒液面レベルを適正位置に制御することによりサブクーラーの伝熱性能の効率を向上させることで、冷凍機の効率改善が可能となる。
（２）凝縮器の冷媒液面を検出するための連続比例出力型の液面センサを設置する必要がないため、冷凍機コストを低減できる。

図１は、本発明に係るターボ冷凍機の第１の実施形態を示す模式図である。 図２は、図１に示すサブクーラー内蔵型凝縮器の模式的断面図である。 図３は、本発明に係るターボ冷凍機の第２の実施形態を示す模式図である。 図４は、本発明に係るターボ冷凍機の第３の実施形態を示す模式図である。 図５は、本発明に係るターボ冷凍機の第４の実施形態を示す模式図である。

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、電動機１１によって駆動されるようになっている。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（この例では一段目と二段目の間の部分）に導入されるようになっている。凝縮器２は、底部にサブクーラーＳＣを内蔵した凝縮器である。

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からの熱量および電動機１１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、凝縮器２とエコノマイザ４とを接続する冷媒配管５には電動式の制御弁６が設けられており、制御弁６の開度を制御することにより、凝縮器２に内蔵されたサブクーラーＳＣからエコノマイザ４に流れる冷媒の流量が制御できるようになっている。制御弁６は制御装置１０に接続されている。

図２は、図１に示すサブクーラー内蔵型凝縮器２の模式的断面図である。図２に示すように、凝縮器２は、底部にサブクーラーＳＣを内蔵している。凝縮器２は、円筒形の缶胴２１内に凝縮器チューブ群２２とサブクーラーチューブ群２３とが配置されて構成されている。サブクーラーチューブ群２３は缶胴２１の底部に配置されている。冷媒適正液面は、サブクーラーチューブ群２３が冷媒液に浸されて、凝縮器チューブ群２２が冷媒に液没していない点線で示す位置である。

図１に示すように、凝縮器２には、冷媒の凝縮温度を測定する温度センサＴ１が設置され、サブクーラーＳＣの出口には、サブクーラー出口の冷媒温度を測定する温度センサＴ２が設置されている。温度センサＴ１により凝縮器２で凝縮する冷媒の凝縮温度を測定し、温度センサＴ２によりサブクーラーＳＣで過冷却された冷媒の温度を測定するようになっている。温度センサＴ１および温度センサＴ２は、それぞれ制御装置１０に接続されている。これにより、制御装置１０において、凝縮温度とサブクーラー出口温度との温度差から過冷却度を演算することができるようになっている。そして、制御装置１０は、演算した過冷却度が所定の温度になるように前記制御弁６を開閉制御する。このように、凝縮器２の冷媒液面を制御する制御弁６を開閉制御することにより、凝縮器２の冷媒液面レベルを適正位置に制御することができる。ここでいう所定の温度とは、一般空調定格条件冷却水入口温度が３２℃である場合、設計過冷却度が大よそ３℃である。具体的な数値を上げると、凝縮温度３８℃に対して過冷却度を３℃で設計するとサブクーラー出口温度は３８−３＝３５℃となる。冷却水入口温度と凝縮温度の温度差（アプローチ温度）が小さいので過冷却度は３℃が適当である。

具体的な制御を説明すると、凝縮温度とサブクーラー出口温度との温度差から演算した過冷却度が３℃になるように制御弁６を開閉制御させる。すなわち、３℃を目標値として、３℃未満では、制御弁６を閉動作させ、３℃以上では、制御弁６を開動作させる。制御弁６が閉動作すると、サブクーラー側から蒸発器側に流れる冷媒流量が減少するため凝縮器２の冷媒液面が上昇し、サブクーラーチューブ群２３（図２参照）が冷媒液に浸されて、サブクーラーＳＣの伝熱性能が発揮される。逆に、制御弁６が開動作すると、サブクーラー側から蒸発器側に流れる冷媒流量が増加するため凝縮器２の冷媒液面が低下する。制御弁６の開閉制御により、凝縮器２の冷媒液面レベルを適正位置に制御できる。冷却水入口温度は環境により一義的に決まるため、過冷却度を過剰に大きくすることはできない。例えば、冷却水入口温度が３２℃であれば、サブクーラー出口温度は、３３℃程度が限界である。すなわち、過冷却度５℃が限界である。
ただし、過剰に制御弁６を閉じると、冷媒循環不良となり、クーラー低圧（圧縮機の吸込み低圧）を引き起こし、冷凍機の運転を継続できなくなる。よって、制御弁６には最低開度を設定しておき、冷媒循環不良を回避できるようにする。ここで最低開度とは、冷凍機で保証する低冷却水温度条件（おおよそ１５℃程度）で必要冷媒循環量を確保するＣｖ値となる弁開度である。

また、図１に示すように、凝縮器２には、冷却水出口温度を測定する温度センサＴ３が設置されている。温度センサＴ３は制御装置１０に接続されている。温度センサＴ３により冷却水出口温度を測定し、制御装置１０において、保護動作として、冷却水出口温度と凝縮温度の温度差、すなわち凝縮器ＬＴＤを監視して、当該ＬＴＤが設計値＋１℃を越えた場合、凝縮器２の液面が凝縮器チューブ群２２（図２参照）を液没させるほど上昇したと判断して、過冷却度による制御に優先して、当該制御弁６を開動作させる制御を行う。これにより、サブクーラー側から蒸発器側に流れる冷媒流量が増加するため、凝縮器２の冷媒液面が低下し、凝縮器チューブ群２２の液没を回避できる。

図３は、本発明に係るターボ冷凍機の第２の実施形態を示す模式図である。図３に示すように、本実施形態においては、凝縮温度を測定する温度センサＴ１に代えて、凝縮器２内の圧力、すなわち凝縮圧力を測定する圧力センサＰ１を設置している。圧力センサＰ１は制御装置１０に接続されている。その他の構成は、図１に示すターボ冷凍機と同様である。
本実施形態によれば、圧力センサＰ１により凝縮器２内の圧力を測定し、測定信号を制御装置１０に逐次送り、制御装置１０において冷媒飽和蒸気圧曲線データから凝縮温度を算出する。凝縮温度を算出した以降においては、制御装置１０は、第１の実施形態のターボ冷凍機と同様の制御を行う。すなわち、制御装置１０は、算出した凝縮温度とサブクーラー出口温度との温度差から過冷却度を演算し、演算した過冷却度が所定の温度になるように前記制御弁６を開閉制御する。

図４は、本発明に係るターボ冷凍機の第３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、サブクーラーは、内蔵型ではなく外置サブクーラーＳＣで構成されている。外置サブクーラーＳＣはプレート熱交換器などからなる。外置サブクーラーＳＣの出口には、サブクーラー出口の冷媒温度を測定する温度センサＴ２が設置されている。その他の構成は、図１に示すターボ冷凍機と同様である。
本実施形態によれば、温度センサＴ１により凝縮器２で凝縮する冷媒の凝縮温度を測定し、温度センサＴ２によりサブクーラーＳＣで過冷却された冷媒の温度を測定する。そして、制御装置１０において、凝縮温度とサブクーラー出口温度との温度差から過冷却度を演算し、演算した過冷却度が所定の温度になるように前記制御弁６を開閉制御する。

図５は、本発明に係るターボ冷凍機の第４の実施形態を示す模式図である。図５に示すように、本実施形態においても、サブクーラーは外置サブクーラーＳＣで構成されている。外置サブクーラーＳＣの出口には、サブクーラー出口の冷媒温度を測定する温度センサＴ２が設置されている。また、凝縮器２内の圧力、すなわち凝縮圧力を測定する圧力センサＰ１が設置されている。制御装置１０は、圧力センサＰ１で測定した凝縮圧力に基づいて冷媒飽和蒸気圧曲線データから凝縮温度を算出し、算出した凝縮温度とサブクーラー出口温度との温度差から過冷却度を演算し、演算した過冷却度が所定の温度になるように前記制御弁６を開閉制御する。

図１乃至図５に示す実施形態においては、エコノマイザサイクルを用いたターボ冷凍機を説明したが、エコノマイザを設けないタイプのターボ冷凍機にあっては、凝縮器２と蒸発器３とを接続する冷媒配管に、電動式の制御弁６を設ければよい。制御弁６の上流側に配置されるサブクーラーＳＣは、内蔵型サブクーラーであっても外置サブクーラーであってもよい。
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
６ 制御弁
８ 流路
１０ 制御装置
１１ 電動機
２１ 缶胴
２２ 凝縮器チューブ群
２３ サブクーラーチューブ群
ＬＴＤ 凝縮器
Ｐ１ 圧力センサ
ＳＣ サブクーラー
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３ 温度センサ

Claims (4)

1. 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流体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、
   前記凝縮器で凝縮した冷媒を過冷却するサブクーラーと、
   前記サブクーラー側から前記蒸発器側に向けて冷媒を導く冷媒配管に設置された制御弁と、
   前記凝縮器で凝縮する冷媒の凝縮温度を測定する手段と、
   前記サブクーラー出口の冷媒温度を測定する手段と、
   前記制御弁を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記凝縮温度と前記サブクーラー出口の冷媒温度の温度差に基づいて前記制御弁の開度を制御することにより、前記サブクーラー側から前記蒸発器側に供給される冷媒流量を制御し、
   前記制御装置は、前記凝縮温度と前記サブクーラー出口の冷媒温度の温度差が所定温度になるように前記制御弁の開度を制御し、
   前記凝縮器内の冷媒と熱交換した後の冷却水の出口温度を測定する手段を備え、前記制御装置は、前記凝縮温度と前記冷却水の出口温度の温度差が所定温度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. 前記サブクーラーは、前記凝縮器に内蔵された内蔵型サブクーラーまたは前記凝縮器とは別体の外置サブクーラーであることを特徴とする請求項１に記載のターボ冷凍機。
3. 前記凝縮温度を前記凝縮器内の圧力から求め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。
4. 前記ターボ圧縮機は多段ターボ圧縮機からなり、多段ターボ圧縮機の多段の圧縮段の中間部分に冷媒ガスを供給するエコノマイザを備えたことを特徴とする請求項１に記載のターボ冷凍機。

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