JP6607558B2 - 冷凍機およびその制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、冷凍機およびその制御方法に関するものである。
従来、冷凍機やヒートポンプに使用されているＨＦＣ冷媒は、地球温暖化係数（ＧＷＰ；Global Warming Potential）が数百〜数千であり、GWPが１０未満のＨＦＯ冷媒（例えば、HFO-1233zdやHFO-1234ze）への転換が必要である。燃焼性がないHFO-1233zd(E)は沸点が約１８℃程度で、冷凍機用冷媒とした場合、蒸発器内圧力は負圧になるため、冷凍機内への空気の侵入が懸念される。空気が浸入すると凝縮圧力上昇による冷凍機性能低下と異常上昇による故障停止、また冷凍機内の水分と侵入した空気内の酸素が結合すると、錆が発生して、冷凍機（特に圧縮機）が劣化する恐れがある。
冷凍機内に侵入した空気等の不凝縮ガスを抽気する技術としては、下記特許文献が知られている。
冷凍機内に侵入した空気等の不凝縮ガスを抽気する技術としては、下記特許文献が知られている。
しかし、ある程度の空気等の不凝縮ガスが冷凍機内にたまり、明らかに冷凍機性能が低下した場合に抽気を行うといった公知技術は存在するが、適切なタイミングで定期的に抽気して冷凍機の実力性能を維持する技術は依然として確立したとはいえない。
特に、シェルアンドチューブ式凝縮器の場合、複数の伝熱管によって形成された管群内部に空気が溜まり、また、凝縮器の長手方向に自在に空気が移動するため、空気溜まりの位置が特定できず、抽気を確実に行うことができない。
特に、シェルアンドチューブ式凝縮器の場合、複数の伝熱管によって形成された管群内部に空気が溜まり、また、凝縮器の長手方向に自在に空気が移動するため、空気溜まりの位置が特定できず、抽気を確実に行うことができない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、空気等の不凝縮ガスが冷凍機内で蓄積されたことを精度良く検出することができる冷凍機およびその制御方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、冷凍機内に蓄積された不凝縮ガスを効率良く抽気できる冷凍機およびその制御方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、冷凍機内に蓄積された不凝縮ガスを効率良く抽気できる冷凍機およびその制御方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の冷凍機およびその制御方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる冷凍機は、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷却媒体が流れる複数の伝熱管から構成される管群を１つ以上備え、前記圧縮機にて圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器にて凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁にて膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記管群を構成する少なくとも１つの前記伝熱管から流出する前記冷却媒体の温度である冷却媒体出口温度を検出する温度センサと、前記温度センサの検出温度が前記伝熱管の外部に不凝縮ガスが存在しない通常時よりも高くなることに基づいて、不凝縮ガスを外部へと抽気する抽気動作を開始する抽気開始状態を判断する制御部とを備えていることを特徴とする。
すなわち、本発明にかかる冷凍機は、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷却媒体が流れる複数の伝熱管から構成される管群を１つ以上備え、前記圧縮機にて圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器にて凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁にて膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記管群を構成する少なくとも１つの前記伝熱管から流出する前記冷却媒体の温度である冷却媒体出口温度を検出する温度センサと、前記温度センサの検出温度が前記伝熱管の外部に不凝縮ガスが存在しない通常時よりも高くなることに基づいて、不凝縮ガスを外部へと抽気する抽気動作を開始する抽気開始状態を判断する制御部とを備えていることを特徴とする。
凝縮器の管群の内部でかつ各伝熱管の外部に不凝縮ガスが滞留すると、管外熱伝達率が低下して、伝熱管内を流れる冷却媒体（例えば冷却水）と伝熱管外の冷媒との熱伝達が低下し、冷却媒体出口温度が不凝縮ガスが存在しない通常時よりも高くなる。この現象を利用して、管群の少なくとも１つの伝熱管から流出する冷却媒体の出口温度を検出する温度センサを設け、この温度センサの検出温度に基づいて、冷凍機内に蓄積された不凝縮ガスを冷凍機の外部へと抽気する抽気動作を開始する抽気開始状態を判断することとした。これにより、不凝縮ガスが冷凍機内に蓄積されたことを精度良く検出することができ、適正なタイミングで抽気動作を開始することができる。
さらに、本発明の冷凍機では、前記制御部は、前記凝縮器内の圧力によって決まる飽和温度と前記冷却媒体出口温度との差である凝縮器終端温度差を、前記管群内で所望の熱伝達が行われる場合の基準凝縮器終端温度差として、運転可能な範囲の冷凍能力に応じて記憶部に格納しており、現在の前記凝縮器内の圧力によって決まる飽和温度と前記温度センサで検出した現在の前記冷却媒体出口温度との差である現在凝縮器終端温度差が、前記基準凝縮器終端温度差よりも大きい場合に、前記抽気開始状態と判断することを特徴とする。
凝縮器内の圧力によって決まる飽和温度と冷却媒体出口温度との差である凝縮器終端温度差について、基準値よりも現在値が大きいと、管群における熱伝達が良好に行われていないこと、即ち熱伝達が阻害する程度に不凝縮ガスが存在することを意味する。そこで、現在凝縮器終端温度差が基準凝縮器終端温度差よりも大きい場合には、抽気動作開始状態と判断することとした。
また、基準凝縮器終端温度差を運転可能な範囲の冷凍能力に応じて定めているので、冷凍機の運転状態に応じて適正に抽気動作開始状態を判断することができる。
また、基準凝縮器終端温度差を運転可能な範囲の冷凍能力に応じて定めているので、冷凍機の運転状態に応じて適正に抽気動作開始状態を判断することができる。
また、本発明の冷凍機では、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機にて圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器にて凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁にて膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記凝縮器に接続され不凝縮ガスを外部へと抽気する抽気装置と、前記抽気装置を動作させる前に、前記膨張弁の開度を増大させる制御部とを備えていることを特徴とする。
膨張弁の開度を増大させることによって、蒸発器の循環風量を大きくして蒸発器内に滞留した不凝縮ガスを圧縮機の吸込側に流して凝縮器へと導くことができる。これにより、蒸発器内に蓄積された不凝縮ガスを効率良く抽気できる。
なお、凝縮器と蒸発器との間に中間冷却器を備えている場合には、中間冷却器と蒸発器との間に設けた低段膨張弁の開度を増大させる。
なお、凝縮器と蒸発器との間に中間冷却器を備えている場合には、中間冷却器と蒸発器との間に設けた低段膨張弁の開度を増大させる。
さらに、本発明の冷凍機では、前記凝縮器と前記蒸発器とに接続されたホットガスバイパス管と、前記ホットガスバイパス管に設けられたホットガスバイパス弁とを備え、前記制御部は、前記抽気装置を動作させる前に、前記ホットガスバイパス弁の開度を増大させることを特徴とする。
ホットガスバイパス弁の開度を増大させることによって、蒸発器内にホットガスが流れ込む。このホットガスとともに、ホットガスバイパス管が接続された蒸発器内に滞留する不凝縮ガスを圧縮機の吸込側に流して凝縮器へと導くことができる。
さらに、本発明の冷凍機では、前記制御部は、前記ホットガスバイパス弁の開度を増大させた後に該ホットガスバイパス弁を増大させる前の開度に戻し、所定期間経過後、該ホットガスバイパス弁の開度を所定値以下の範囲で漸次増大させることを特徴とする。
ホットガスバイパス弁の開度を増大させた後にホットガスバイパス弁を増大させる前の開度に戻し、所定期間が経過すると、蒸発器内から追い出した不凝縮ガスが圧縮機を経て凝縮器内に集まってくる。その上で、ホットガスバイパス弁の開度を所定値以下の範囲で漸次増大させることにより、凝縮器内に滞留した不凝縮ガスをホットガスバイパス管の接続部の方へと移動させ、不凝縮ガスを所望の位置に移動させることができる。たとえば、抽気装置との接続部が、凝縮器の中央位置に対してホットガスバイパス管側に位置していれば、ホットガスバイパス管から見て凝縮器の中央位置よりも遠方側に滞留した不凝縮ガスを抽気装置が接続された位置に導くことができ、抽気が容易となる。
ホットガスバイパス弁の開度は所定値以下の範囲とされる。この所定位置以下の開度は、ホットガスバイパス管から不凝縮ガスを吸い込んでしまうことを回避する程度の開度とされる。また、ホットガスバイパス管から不凝縮ガスを吸い込むことを回避するために、ホットガスバイパス弁の開度はゆっくりと増大されることが好ましく、例えば、１％／ｓｅｃの速度で増大させる。
ホットガスバイパス弁の開度は所定値以下の範囲とされる。この所定位置以下の開度は、ホットガスバイパス管から不凝縮ガスを吸い込んでしまうことを回避する程度の開度とされる。また、ホットガスバイパス管から不凝縮ガスを吸い込むことを回避するために、ホットガスバイパス弁の開度はゆっくりと増大されることが好ましく、例えば、１％／ｓｅｃの速度で増大させる。
さらに、本発明の冷凍機では、前記凝縮器と前記蒸発器との間に設けられた中間冷却器と、前記中間冷却器と前記圧縮機の中間吸込口とを接続する中間吸込管と、前記圧縮機の中間吸込流量を制御する中間吸込流量制御手段とを備え、前記制御部は、前記抽気装置を動作させる前に、前記中間吸込流量制御手段の流量を増大させることを特徴とする。
中間吸込流量を増大させることによって、中間冷却器内の流量が増大し、中間冷却器内に滞留する不凝縮ガスを圧縮機の中間吸込口に流して凝縮器へと導くことができる。
中間吸込流量制御手段としては、例えば、圧縮機が２段ターボ圧縮機とされている場合には２段ベーンが挙げられる。
中間吸込流量制御手段としては、例えば、圧縮機が２段ターボ圧縮機とされている場合には２段ベーンが挙げられる。
さらに、本発明の冷凍機では、前記制御部は、前記抽気装置を動作させる前に、前記圧縮機の吐出流量を減少させることを特徴とする。
凝縮器は、液化した冷媒が下方に滞留するので、圧縮機からの吐出冷媒は凝縮器の上方から下方へと流れる。したがって、凝縮器内の不凝縮ガスは、吐出冷媒によって下方へ押し込められて下方位置（例えば管群内部）に滞留することがある。そこで、圧縮機の吐出流量を減少させることにより、凝縮器内の冷媒循環風量を少なくして、凝縮器の下方位置（例えば管群内部）に滞留している不凝縮ガスを上方へ移動させて凝縮器の上方に集めることができる。
圧縮機の吐出流量を減少させる手段としては、例えば、ターボ圧縮機の場合には、吸込流量を調整する吸込ベーンが挙げられる。
圧縮機の吐出流量を減少させる手段としては、例えば、ターボ圧縮機の場合には、吸込流量を調整する吸込ベーンが挙げられる。
また、本発明の冷凍機の制御方法は、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷却媒体が流れる複数の伝熱管から構成される管群を１つ以上備え、前記圧縮機にて圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器にて凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁にて膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記管群を構成する少なくとも１つの前記伝熱管から流出する前記冷却媒体の温度である冷却媒体出口温度を検出する温度センサとを備えた冷凍機の制御方法であって、前記温度センサの検出温度が前記伝熱管の外部に不凝縮ガスが存在しない通常時よりも高くなることに基づいて、不凝縮ガスを外部へと抽気する抽気動作を開始する抽気開始状態を判断することを特徴とする。
凝縮器の管群の内部でかつ各伝熱管の外部に不凝縮ガスが滞留すると、管外熱伝達率が低下して、伝熱管内を流れる冷却媒体（例えば冷却水）と伝熱管外の冷媒との熱伝達が低下し、冷却媒体出口温度が不凝縮ガスが存在しない通常時よりも高くなる。この現象を利用して、管群の少なくとも１つの伝熱管から流出する冷却媒体の出口温度を検出する温度センサを設け、この温度センサの検出温度に基づいて、冷凍機内に蓄積された不凝縮ガスを冷凍機の外部へと抽気する抽気動作を開始する抽気開始状態を判断することとした。これにより、不凝縮ガスが冷凍機内に蓄積されたことを精度良く検出することができ、適正なタイミングで抽気動作を開始することができる。
また、本発明の冷凍機の制御方法は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機にて圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器にて凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁にて膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記凝縮器に接続され不凝縮ガスを外部へと抽気する抽気装置とを備えた冷凍機の制御方法であって、前記抽気装置を動作させる前に、前記膨張弁の開度を増大させることを特徴とする。
膨張弁の開度を増大させることによって、蒸発器の循環風量を大きくして蒸発器内に滞留した不凝縮ガスを圧縮機の吸込側に流して凝縮器へと導くことができる。これにより、蒸発器内に蓄積された不凝縮ガスを効率良く抽気できる。
なお、凝縮器と蒸発器との間に中間冷却器を備えている場合には、中間冷却器と蒸発器との間に設けた低段膨張弁の開度を増大させる。
なお、凝縮器と蒸発器との間に中間冷却器を備えている場合には、中間冷却器と蒸発器との間に設けた低段膨張弁の開度を増大させる。
冷却媒体出口温度を計測する温度センサによって、空気等の不凝縮ガスが冷凍機内で蓄積されたことを精度良く検出することができる。
抽気装置を起動する前に冷凍機内の各所に滞留した不凝縮ガスを凝縮器に移動することとしたので、冷凍機内に蓄積された不凝縮ガスを効率良く抽気できる。
抽気装置を起動する前に冷凍機内の各所に滞留した不凝縮ガスを凝縮器に移動することとしたので、冷凍機内に蓄積された不凝縮ガスを効率良く抽気できる。
以下に、本発明にかかる一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示されているように、ターボ冷凍機１は、ターボ圧縮機２、ターボ圧縮機２を駆動する電動モータ３、凝縮器４、高段側膨張弁５、中間冷却器６、低段側膨張弁７、蒸発器８等を備え、これらの機器間を冷媒配管により接続し、閉サイクルの冷凍サイクルを構成している。
ターボ冷凍機１に用いる冷媒としては、例えばHFO-1233zd(E)等のように蒸発器内圧力が負圧となる冷媒が用いられる。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。
図１に示されているように、ターボ冷凍機１は、ターボ圧縮機２、ターボ圧縮機２を駆動する電動モータ３、凝縮器４、高段側膨張弁５、中間冷却器６、低段側膨張弁７、蒸発器８等を備え、これらの機器間を冷媒配管により接続し、閉サイクルの冷凍サイクルを構成している。
ターボ冷凍機１に用いる冷媒としては、例えばHFO-1233zd(E)等のように蒸発器内圧力が負圧となる冷媒が用いられる。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。
ターボ圧縮機２および電動モータ３は、ハウジング同士が一体に結合された密閉構造の電動圧縮機とされており、本実施形態では、ターボ圧縮機２が２段圧縮機、モータ３がインバータ駆動の電動モータとされ、電動モータ３のシャフトの回転により、ターボ圧縮機２が駆動可能とされている。
２段ターボ圧縮機２を構成する１段羽根車及び２段羽根車のそれぞれの入口側には、図示しないが、流入冷媒流量を調整する１段ベーン及び２段ベーンが設けられている。これらベーンの開度は、図示しない制御部によって制御される。
２段ターボ圧縮機２を構成する１段羽根車及び２段羽根車のそれぞれの入口側には、図示しないが、流入冷媒流量を調整する１段ベーン及び２段ベーンが設けられている。これらベーンの開度は、図示しない制御部によって制御される。
凝縮器４は、シェルアンドチューブ式の熱交換器とされており、冷却塔９で冷却された冷却水（冷却媒体）が多数の伝熱管内を流通することによりターボ圧縮機２の吐出口２ｂから導かれた高圧冷媒ガスを冷却して凝縮液化し、サブクール液を生成するものである。
中間冷却器６は、高段側膨張弁５で中間圧に減圧された冷媒を気液分離し、そのガス冷媒を、中間吸込管１１を介して２段ターボ圧縮機２の１段目と２段目間の中間吸込口２ｃに導入する構成となっている。
蒸発器８は、シェルアンドチューブ式の熱交換器とされており、負荷１３側から帰還する冷水と低段側膨張弁７で減圧された低圧冷媒とを熱交換させ、冷水を所定温度に冷却して負荷１３側に送出するものである。ターボ圧縮機２は、この蒸発器８で蒸発した低圧冷媒ガスを吸込口２ａから吸込み、再び高圧の冷媒ガスに２段圧縮して凝縮器４に吐出するものであり、ターボ冷凍機１は、このサイクルを繰り返すことによって、蒸発器８で冷水を冷却するように構成されている。
凝縮器４と蒸発器８との間には、抽気装置１５が設けられている。抽気装置１５は、ターボ冷凍機１内に蓄積された空気（不凝縮ガス）を抽気してターボ冷凍機１の外部へと排出するものである。抽気装置１５は、図２に示されているように、凝縮器４から抽気した空気及び随伴する冷媒を吸引し、気液分離容器１８内にて冷却コイル１９によって冷却して気液分離するようになっている。冷却コイル１９は、凝縮器４から液冷媒を導き冷却コイル用膨張弁２０によって液冷媒を膨張させて冷熱を得る方式とされている。冷却コイル１９を通過した冷媒は蒸発器８へと導かれるようになっている。なお、冷却コイル１９としては、気液分離容器１８内に導かれたガスを冷却できる方式であれば他の方式でもよく、例えば冷却水や冷水を用いる方式であってもよい。
気液分離容器１８にて分離された液冷媒は、下方から取り出されて蒸発器８へと導かれる。気液分離容器１８にて分離された空気は、上方から排気ポンプ１７を介して大気へと放出される。
気液分離容器１８にて分離された液冷媒は、下方から取り出されて蒸発器８へと導かれる。気液分離容器１８にて分離された空気は、上方から排気ポンプ１７を介して大気へと放出される。
図１に示されているように、凝縮器４と蒸発器８との間には、ホットガスバイパス弁２３が設けられたホットガスバイパス管２２が接続されている。
ターボ冷凍機１の制御は、図示しない制御部によって行われる。本実施形態における抽気動作を開始する判断や、抽気動作のシーケンスは制御部によって行われる。
制御部は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。
制御部は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。
次に、図３〜図５を用いて、凝縮器４の具体的な構成について説明する。
図３及び図４に示されているように、凝縮器４の容器は、横断面が略円形とされた水平方向軸線を有する円筒形状とされている。図４に示されているように、凝縮器４の両側部には冷却水が導かれる水室が設けられており、各水室２５，２６の間に挟まれた空間が、ターボ圧縮機２から導かれた冷媒が凝縮される凝縮室２７となっている。各水室２５，２６と凝縮室２７との間は、管板２８にて仕切られている。
図３及び図４に示されているように、凝縮器４の容器は、横断面が略円形とされた水平方向軸線を有する円筒形状とされている。図４に示されているように、凝縮器４の両側部には冷却水が導かれる水室が設けられており、各水室２５，２６の間に挟まれた空間が、ターボ圧縮機２から導かれた冷媒が凝縮される凝縮室２７となっている。各水室２５，２６と凝縮室２７との間は、管板２８にて仕切られている。
各水室２５，２６間には多数の伝熱管３０が接続されている。したがって、各伝熱管３０内には冷却水が流れ、各伝熱管３０の外側には冷媒が存在するようになっている。なお、図４では、多数の伝熱管３０が存在する領域がハッチングによって示されている。図３に示すように、各伝熱管３０は、複数の管群３１を形成している。図３では、４つの管群３１が設けられている。各管群３１内には、複数の伝熱管３０が所定間隔を有して束になって配置されている。管群３１間には所定の隙間が設けられており、冷媒が流通できるようになっている。
図３及び図４に示すように、凝縮器４の上部には、抽気装置１５に接続された抽気管３３及びホットガスバイパス管２２が設けられている。図４に示すように、抽気管３３は、凝縮器４の軸方向における中央位置よりもホットガスバイパス管２２側に設けられている。
凝縮器４には、内圧を計測する圧力センサ３５が設けられている。圧力センサ３５の出力は、制御部に送られ、飽和温度Ｔｃ，ｓａｔが得られるようになっている。
図４に示すように、伝熱管３０の流出側には、冷却水の出口温度を計測する温度センサ３７が設けられている。この温度センサ３７は、図５に示すように、伝熱管３０内に差し込まれて配置されている。また、温度センサ３７の先端側は、伝熱管３０の内周に接触するようにコイル状に形成されており、先端の計測点３７ａは伝熱管３０の壁部から離間した状態で、理想的には伝熱管３０の中心軸線上に配置されている。これにより、伝熱管３０内を流れる冷却水温度を正確に測ることができる。
温度センサ３７は、全ての伝熱管３０にそれぞれ設けても良いが、代表する複数の伝熱管３０に設けることが好ましい。代表する伝熱管３０としては、空気溜まりＡ１が生じる可能性が高い伝熱管とされ、例えば各管群３１の内部に位置する伝熱管３０が選定される。
温度センサ３７は、全ての伝熱管３０にそれぞれ設けても良いが、代表する複数の伝熱管３０に設けることが好ましい。代表する伝熱管３０としては、空気溜まりＡ１が生じる可能性が高い伝熱管とされ、例えば各管群３１の内部に位置する伝熱管３０が選定される。
図３及び図４には、空気溜まりＡ１が示されている。これら空気溜まりＡ１は、管群３１の内部に形成され、伝熱管３０の熱伝達を阻害する要因となっている。空気溜まりＡ１は、ターボ圧縮機２から供給される冷媒の流れによって管群３１内に強制的に導かれ、また管群３１内で冷媒が液化され不凝縮の空気がその場に取り残されて滞留することにより、管群３１内に形成されると考えられる。
図３には、凝縮器４の上部に滞留した空気溜まりＡ２が示されている。この空気溜まりＡ２は、ターボ圧縮機２からの冷媒風量が小さくなり、管群３１内に位置した空気溜まりＡ１が上昇した状態を示している。
図３には、凝縮器４の上部に滞留した空気溜まりＡ２が示されている。この空気溜まりＡ２は、ターボ圧縮機２からの冷媒風量が小さくなり、管群３１内に位置した空気溜まりＡ１が上昇した状態を示している。
図６には、中間冷却器６の概略構成が示されている。中間冷却器６には、凝縮器４から冷媒が上流室３９に導かれる。上流室３９は、下流室４２に対して、複数の仕切板４０によって形成された蛇行する流路によって接続されている。下流室４２には、デミスタ４４が設置されており、下流室４２にて気液分離された冷媒ガスからミストを除去するようになっている。デミスタ４４を通過した冷媒ガスは、上部に接続された中間吸込管１１を通り、ターボ圧縮機２の中間吸込口２ｃへと導かれる。下流室４２にて気液分離された液冷媒は、下方から取り出されて蒸発器８へと導かれる。
図６に示されているように、中間冷却器６内には、下流室４２の上方に空気溜まりＡ３が形成される。
図６に示されているように、中間冷却器６内には、下流室４２の上方に空気溜まりＡ３が形成される。
図７には、蒸発器８の概略構成が示されている。蒸発器８は、凝縮器４と同様にシェルアンドチューブ式とされており、横断面が略円形とされた水平方向軸線を有する円筒形状の容器とされている。蒸発器８の両側部には冷水が導かれる水室が設けられており、各水室４５，４６の間に挟まれた空間が中間冷却器６から導かれた冷媒が存在する蒸発室４７となっている。各水室４５，４６と蒸発室４７との間は、管板４８にて仕切られている。
各水室４５，４６間には多数の伝熱管５０が接続されている。これら伝熱管５０は、複数の管群を構成している。
蒸発器８の下方には、中間冷却器６から導かれた冷媒を導入する冷媒配管５２が接続されている。蒸発器８の上部には、蒸発器８内で蒸発した冷媒ガスをターボ圧縮機２の吸込口２ａへと導く吸込配管５４が接続されている。また、蒸発器８の上方の端部には、ホットガスバイパス管２２が接続されている。ホットガスバイパス管２２の接続部は、仕切板５６によって他の領域から仕切られている。この仕切板５６によって、ホットガスバイパス管２２から導かれたホットガスは、下方に位置する伝熱管５０へと導かれる。
蒸発器８内には、蒸発器８の上方に空気溜まりＡ４が形成され、さらに、仕切板５６によって仕切られたホットガスバイパス管２２の接続部の辺りに空気溜まりＡ５が形成される。
蒸発器８の下方には、中間冷却器６から導かれた冷媒を導入する冷媒配管５２が接続されている。蒸発器８の上部には、蒸発器８内で蒸発した冷媒ガスをターボ圧縮機２の吸込口２ａへと導く吸込配管５４が接続されている。また、蒸発器８の上方の端部には、ホットガスバイパス管２２が接続されている。ホットガスバイパス管２２の接続部は、仕切板５６によって他の領域から仕切られている。この仕切板５６によって、ホットガスバイパス管２２から導かれたホットガスは、下方に位置する伝熱管５０へと導かれる。
蒸発器８内には、蒸発器８の上方に空気溜まりＡ４が形成され、さらに、仕切板５６によって仕切られたホットガスバイパス管２２の接続部の辺りに空気溜まりＡ５が形成される。
上記構成のターボ冷凍機１は、以下のように動作する。
吸込口２ａからターボ圧縮機２に吸い込まれた冷媒は、２段圧縮されて凝縮器４へと導かれる。
凝縮器４では、冷却塔９から導かれた冷却水によって冷媒が冷却されて凝縮液化してサブクール液を生成する。凝縮器４にて生成されたサブクール液は、高段側膨張弁５にて絞られた後に中間冷却器６へと導かれる。
中間冷却器６では、冷媒が気液分離され、液冷媒は低段側膨張弁７へと導かれて絞られた後に、蒸発器８へと導かれる。中間冷却器６で気液分離されたガス冷媒は、中間吸込管１１を通り、ターボ圧縮機２の中間吸込口２ｃへと導かれる。
蒸発器８では、負荷１３から導かれた冷水を冷却することによって冷媒が蒸発される。蒸発したガス冷媒は、ターボ圧縮機２の吸込口２ａへと導かれ、上述した工程を繰り返す。
吸込口２ａからターボ圧縮機２に吸い込まれた冷媒は、２段圧縮されて凝縮器４へと導かれる。
凝縮器４では、冷却塔９から導かれた冷却水によって冷媒が冷却されて凝縮液化してサブクール液を生成する。凝縮器４にて生成されたサブクール液は、高段側膨張弁５にて絞られた後に中間冷却器６へと導かれる。
中間冷却器６では、冷媒が気液分離され、液冷媒は低段側膨張弁７へと導かれて絞られた後に、蒸発器８へと導かれる。中間冷却器６で気液分離されたガス冷媒は、中間吸込管１１を通り、ターボ圧縮機２の中間吸込口２ｃへと導かれる。
蒸発器８では、負荷１３から導かれた冷水を冷却することによって冷媒が蒸発される。蒸発したガス冷媒は、ターボ圧縮機２の吸込口２ａへと導かれ、上述した工程を繰り返す。
以上の冷凍サイクルを行っている間に、大気から空気がターボ冷凍機１内に侵入する。
例えばHFO-1233zd (E)等のように蒸発器８内圧力が負圧となる冷媒が用いられる場合には、蒸発器８から空気が侵入することが考えられる。空気がターボ冷凍機１内に侵入して蓄積されると、冷凍機性能が低下する等の不具合が生じるので、抽気装置１５を起動してターボ冷凍機１内の空気を外部へと排出する。
例えばHFO-1233zd (E)等のように蒸発器８内圧力が負圧となる冷媒が用いられる場合には、蒸発器８から空気が侵入することが考えられる。空気がターボ冷凍機１内に侵入して蓄積されると、冷凍機性能が低下する等の不具合が生じるので、抽気装置１５を起動してターボ冷凍機１内の空気を外部へと排出する。
＜抽気開始状態の判断＞
制御部により、抽気動作を開始するタイミングを次のように判断する。
図４及び図５に示したように、凝縮器４の伝熱管３０の出口に設けた温度センサ３７によって、抽気を開始するタイミングを決定する。これは、凝縮器４の管群３１の内部に空気が滞留すると、管外熱伝達率が低下して、伝熱管３０内を流れる冷却水と伝熱管３０外の冷媒との熱伝達が低下し、空気溜まりＡ１が存在しない通常時よりも冷却水出口温度が高くなる現象を利用するものである。
制御部により、抽気動作を開始するタイミングを次のように判断する。
図４及び図５に示したように、凝縮器４の伝熱管３０の出口に設けた温度センサ３７によって、抽気を開始するタイミングを決定する。これは、凝縮器４の管群３１の内部に空気が滞留すると、管外熱伝達率が低下して、伝熱管３０内を流れる冷却水と伝熱管３０外の冷媒との熱伝達が低下し、空気溜まりＡ１が存在しない通常時よりも冷却水出口温度が高くなる現象を利用するものである。
具体的には、制御部は、図８に示すようなグラフを反映させたマップ又は関係式を備えている。同図における横軸は、冷凍能力を定格冷凍能力で除した値を示し、ターボ冷凍機１の冷凍能力を定格冷凍能力で規格化した値を示す。縦軸は、凝縮器終端温度差であり、圧力センサ３５にて計測した圧力から得られた飽和温度（凝縮温度）から温度センサ３７で計測した冷却水出口温度を引いた値を示す。
曲線Ｌは、基準凝縮器終端温度差を示し、予め試験やシミュレーションを行うことによって定められている。基準凝縮器終端温度差は、これよりも温度が高くなると冷却水と冷媒との熱伝達が十分に行われず、管群３１内に無視できない程度の空気溜まりＡ１が存在すると判定される値である。
そして、制御部では、圧力センサ３５によって決まる現在の飽和温度と温度センサ３７で検出した現在の冷却水出口温度との差である現在凝縮器終端温度差が、基準凝縮器終端温度差よりも大きい場合に、抽気動作開始状態と判断し、抽気装置１５の起動のタイミングを決定する。
曲線Ｌは、基準凝縮器終端温度差を示し、予め試験やシミュレーションを行うことによって定められている。基準凝縮器終端温度差は、これよりも温度が高くなると冷却水と冷媒との熱伝達が十分に行われず、管群３１内に無視できない程度の空気溜まりＡ１が存在すると判定される値である。
そして、制御部では、圧力センサ３５によって決まる現在の飽和温度と温度センサ３７で検出した現在の冷却水出口温度との差である現在凝縮器終端温度差が、基準凝縮器終端温度差よりも大きい場合に、抽気動作開始状態と判断し、抽気装置１５の起動のタイミングを決定する。
＜抽気開始前動作＞
上記のように抽気運転の開始が決定されると、その前に、以下の抽気開始前動作が行われる。すなわち、凝縮器４だけでなく、蒸発器８や中間冷却器６内にも滞留している空気を凝縮器４に移動させ、さらに凝縮器４の上方に空気を移動させる準備動作を行う。
上記のように抽気運転の開始が決定されると、その前に、以下の抽気開始前動作が行われる。すなわち、凝縮器４だけでなく、蒸発器８や中間冷却器６内にも滞留している空気を凝縮器４に移動させ、さらに凝縮器４の上方に空気を移動させる準備動作を行う。
図７に示したように、蒸発器８の上部に位置する空気溜まりＡ４をターボ圧縮機２側に排出するために、制御部の指令により低段側膨張弁７の開度を増大させる。このように低段側膨張弁７の開度を増大させることによって、蒸発器８の循環風量を大きくして蒸発器８内に滞留した空気溜まりＡ４をターボ圧縮機２の吸込側に流して凝縮器４へと導く。
図７に示したように、蒸発器８の上部で仕切板５６によって仕切られたホットガスバイパス管２２の接続部が設けられた領域に、空気溜まりＡ５が存在する。この空気溜まりＡ４をターボ圧縮機２側に排出するために、制御部の指令によってホットガスバイパス弁２３の開度を増大させる。これにより、蒸発器８内にホットガスが流れ込み、このホットガスとともに、空気溜まりＡ５をターボ圧縮機２の吸込側に流して凝縮器４へと導く。
次に、上述した低段側膨張弁７及びホットガスバイパス弁２３の開度を、抽気開始前動作を行う前の開度に戻す。そして、制御部の指令により、ターボ圧縮機２の２段目羽根車の上流側に設けられた２段ベーン（図示せず）の開度を増大させる。これにより、中間吸込口２ｃにおける冷媒流量が増大することになり、結果として中間吸込管１１に接続された中間冷却器６内の流量が増大する。そうすると、図６に示したように、中間冷却器６の上方に滞留する空気溜まりＡ３をターボ圧縮機２の中間吸込口２ｃに流して凝縮器４へと導くことができる。そして、所定期間経過後、２段ベーンの開度を、抽気開始前動作を行う前の開度に戻す。
以上の動作により、蒸発器８及び中間冷却器６内に滞留する空気溜まりが凝縮器４へと導かれる。次に、凝縮器４内で、空気溜まりを抽気管３３が位置する上方に移動させる動作を行う。
ターボ圧縮機２の吐出流量を減少させるために、制御部の指令により、１段ベーン及び２段ベーンの開度を減少させる。これにより、凝縮器４内の冷媒循環風量を少なくして、凝縮器４の管群３１内部に滞留している空気溜まりＡ１を浮力により上方へ移動させて凝縮器４の上方に集めることができる。
そして、制御部の指令により、ホットガスバイパス弁２３の開度を所定値以下の範囲で漸次増大させることにより、凝縮器４内に滞留した空気溜まりをホットガスバイパス管２２の接続部の方へと移動させる。本実施形態では、図４に示すように、抽気管３３の接続部が、凝縮器４の軸方向中央位置に対してホットガスバイパス管２２側に位置しているので、ホットガスバイパス管２２から見て凝縮器４の軸方向中央位置よりも遠方側に滞留した空気溜まりを抽気管３３の接続位置に導くことができる。ここで、ホットガスバイパス弁２３の開度は所定値以下の範囲とされる。この所定位置以下の開度は、ホットガスバイパス管２２から空気を吸い込んでしまうことを回避する程度の開度とされる。また、ホットガスバイパス管２２から空気を吸い込むことを回避するために、ホットガスバイパス弁２３の開度はゆっくりと増大されることが好ましく、例えば、１％／ｓｅｃの速度で増大させる。
ターボ圧縮機２の吐出流量を減少させるために、制御部の指令により、１段ベーン及び２段ベーンの開度を減少させる。これにより、凝縮器４内の冷媒循環風量を少なくして、凝縮器４の管群３１内部に滞留している空気溜まりＡ１を浮力により上方へ移動させて凝縮器４の上方に集めることができる。
そして、制御部の指令により、ホットガスバイパス弁２３の開度を所定値以下の範囲で漸次増大させることにより、凝縮器４内に滞留した空気溜まりをホットガスバイパス管２２の接続部の方へと移動させる。本実施形態では、図４に示すように、抽気管３３の接続部が、凝縮器４の軸方向中央位置に対してホットガスバイパス管２２側に位置しているので、ホットガスバイパス管２２から見て凝縮器４の軸方向中央位置よりも遠方側に滞留した空気溜まりを抽気管３３の接続位置に導くことができる。ここで、ホットガスバイパス弁２３の開度は所定値以下の範囲とされる。この所定位置以下の開度は、ホットガスバイパス管２２から空気を吸い込んでしまうことを回避する程度の開度とされる。また、ホットガスバイパス管２２から空気を吸い込むことを回避するために、ホットガスバイパス弁２３の開度はゆっくりと増大されることが好ましく、例えば、１％／ｓｅｃの速度で増大させる。
以上の抽気開始前動作が完了した後に、制御部の指令により抽気装置１５を起動し、凝縮器４の上方に集めた空気をターボ冷凍機１の外部へと排出する。
本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
凝縮器４の伝熱管３０の冷却水出口温度を計測し、この温度変化に基づいて抽気動作開始状態を決定することとしたので、空気溜まりＡ１が管群３１内に蓄積されたことを精度良く検出することができ、適正なタイミングで抽気動作を開始することができる。
また、抽気開始前動作を行うことにより、蒸発器８及び中間冷却器６から空気を凝縮器４へと移動させ、また凝縮器４内の空気を抽気管３３が位置する上方に移動させることとしたので、ターボ冷凍機１内に滞留する空気を効率良く抽気することができる。
以上の通り、ターボ冷凍機１内から空気を抽気することで、冷凍機内の部品の腐食の進行を回避することができ、また冷凍機の性能の低下を防止することができる。また、凝縮器４内の圧力の異常上昇を回避することができ、健全な運転を継続することができる。
凝縮器４の伝熱管３０の冷却水出口温度を計測し、この温度変化に基づいて抽気動作開始状態を決定することとしたので、空気溜まりＡ１が管群３１内に蓄積されたことを精度良く検出することができ、適正なタイミングで抽気動作を開始することができる。
また、抽気開始前動作を行うことにより、蒸発器８及び中間冷却器６から空気を凝縮器４へと移動させ、また凝縮器４内の空気を抽気管３３が位置する上方に移動させることとしたので、ターボ冷凍機１内に滞留する空気を効率良く抽気することができる。
以上の通り、ターボ冷凍機１内から空気を抽気することで、冷凍機内の部品の腐食の進行を回避することができ、また冷凍機の性能の低下を防止することができる。また、凝縮器４内の圧力の異常上昇を回避することができ、健全な運転を継続することができる。
１ ターボ冷凍機
２ ターボ圧縮機
３ 電動モータ
４ 凝縮器
５ 高段側膨張弁
６ 中間冷却器
７ 低段側膨張弁
８ 蒸発器
９ 冷却塔
１１ 中間吸込管
１３ 負荷
１５ 抽気装置
１７ 排気ポンプ
１８ 気液分離容器
１９ 冷却コイル
２０ 冷却コイル用膨張弁
２２ ホットガスバイパス管
２３ ホットガスバイパス弁
２５ 水室
２６ 水室
２７ 凝縮室
３０ 伝熱管
３１ 管群
３３ 抽気管
３５ 圧力センサ
３７ 温度センサ
３９ 上流室
４０ 仕切板
４２ 下流室
４４ デミスタ
４５ 水室
４６ 水室
４７ 蒸発室
４８ 管板
５０ 伝熱管
５２ 冷媒配管
５４ 吸込配管
５６ 仕切板
２ ターボ圧縮機
３ 電動モータ
４ 凝縮器
５ 高段側膨張弁
６ 中間冷却器
７ 低段側膨張弁
８ 蒸発器
９ 冷却塔
１１ 中間吸込管
１３ 負荷
１５ 抽気装置
１７ 排気ポンプ
１８ 気液分離容器
１９ 冷却コイル
２０ 冷却コイル用膨張弁
２２ ホットガスバイパス管
２３ ホットガスバイパス弁
２５ 水室
２６ 水室
２７ 凝縮室
３０ 伝熱管
３１ 管群
３３ 抽気管
３５ 圧力センサ
３７ 温度センサ
３９ 上流室
４０ 仕切板
４２ 下流室
４４ デミスタ
４５ 水室
４６ 水室
４７ 蒸発室
４８ 管板
５０ 伝熱管
５２ 冷媒配管
５４ 吸込配管
５６ 仕切板
Claims (9)
- 冷媒を圧縮する圧縮機と、
冷却媒体が流れる複数の伝熱管から構成される管群を１つ以上備え、前記圧縮機にて圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、
前記凝縮器にて凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、
前記膨張弁にて膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記管群を構成する少なくとも１つの前記伝熱管から流出する前記冷却媒体の温度である冷却媒体出口温度を検出する温度センサと、
前記温度センサの検出温度が前記伝熱管の外部に不凝縮ガスが存在しない通常時よりも高くなることに基づいて、不凝縮ガスを外部へと抽気する抽気動作を開始する抽気開始状態を判断する制御部と、
を備えていることを特徴とする冷凍機。 - 前記制御部は、前記凝縮器内の圧力によって決まる飽和温度と前記冷却媒体出口温度との差である凝縮器終端温度差を、前記管群内で所望の熱伝達が行われる場合の基準凝縮器終端温度差として、運転可能な範囲の冷凍能力に応じて記憶部に格納しており、
現在の前記凝縮器内の圧力によって決まる飽和温度と前記温度センサで検出した現在の前記冷却媒体出口温度との差である現在凝縮器終端温度差が、前記基準凝縮器終端温度差よりも大きい場合に、前記抽気開始状態と判断することを特徴とする請求項１に記載の冷凍機。 - 冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機にて圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、
前記凝縮器にて凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、
前記膨張弁にて膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記凝縮器に接続され不凝縮ガスを外部へと抽気する抽気装置と、
前記抽気装置を動作させる前に、前記膨張弁の開度を増大させる制御部と、
を備えていることを特徴とする冷凍機。 - 前記凝縮器と前記蒸発器とに接続されたホットガスバイパス管と、
前記ホットガスバイパス管に設けられたホットガスバイパス弁と、
を備え、
前記制御部は、前記抽気装置を動作させる前に、前記ホットガスバイパス弁の開度を増大させることを特徴とする請求項３に記載の冷凍機。 - 前記制御部は、前記ホットガスバイパス弁の開度を増大させた後に該ホットガスバイパス弁を増大させる前の開度に戻し、所定期間経過後、該ホットガスバイパス弁の開度を所定値以下の範囲で漸次増大させることを特徴とする請求項４に記載の冷凍機。
- 前記凝縮器と前記蒸発器との間に設けられた中間冷却器と、
前記中間冷却器と前記圧縮機の中間吸込口とを接続する中間吸込管と、
前記圧縮機の中間吸込流量を制御する中間吸込流量制御手段と、
を備え、
前記制御部は、前記抽気装置を動作させる前に、前記中間吸込流量制御手段の流量を増大させることを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の冷凍機。 - 前記制御部は、前記抽気装置を動作させる前に、前記圧縮機の吐出流量を減少させることを特徴とする請求項３から６のいずれかに記載の冷凍機。
- 冷媒を圧縮する圧縮機と、
冷却媒体が流れる複数の伝熱管から構成される管群を１つ以上備え、前記圧縮機にて圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、
前記凝縮器にて凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、
前記膨張弁にて膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記管群を構成する少なくとも１つの前記伝熱管から流出する前記冷却媒体の温度である冷却媒体出口温度を検出する温度センサと、
を備えた冷凍機の制御方法であって、
前記温度センサの検出温度が前記伝熱管の外部に不凝縮ガスが存在しない通常時よりも高くなることに基づいて、不凝縮ガスを外部へと抽気する抽気動作を開始する抽気開始状態を判断することを特徴とする冷凍機の制御方法。 - 冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機にて圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、
前記凝縮器にて凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、
前記膨張弁にて膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記凝縮器に接続され不凝縮ガスを外部へと抽気する抽気装置と、
を備えた冷凍機の制御方法であって、
前記抽気装置を動作させる前に、前記膨張弁の開度を増大させることを特徴とする冷凍機の制御方法。
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- 2015-08-31 JP JP2015170703A patent/JP6607558B2/ja active Active
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