JPH109695A - ターボ冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】冷却水温度が冷水温度よりわずかに高い温度条
件で、高効率で冷房運転をすることができるターボ冷凍
機を提供する。 【解決手段】圧縮機１，蒸発器３，凝縮器４，絞り機構
５およびこれらを結ぶ冷媒流路を備えたターボ冷凍機
で、冷却水温度が冷水温度よりわずかに高いときに回転
数を抑えて運転することができる極数変換形電動機２
と、凝縮器から蒸発器へ冷媒液を送る冷媒流路１８，１
９と開閉弁７を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ターボ冷凍機に係
り、通常運転時の冷媒循環路とは別に蒸発器と凝縮器を
結ぶ冷媒流路を持つターボ冷凍機に関する。

【０００２】

【従来の技術】まず、従来のターボ冷凍機を図４を用い
て説明する。

【０００３】図４に示すターボ冷凍機は、圧縮機１，圧
縮機１を駆動する駆動機２Ａ，凝縮器４，絞り機構５，
蒸発器３、およびこれらを結ぶ冷媒流路８，９，１０，
１１によって冷媒が循環する冷凍サイクルを形成してい
る。圧縮機１から吐出されたガス冷媒は冷媒配管９を経
て凝縮器４に入り、冷却水配管１４を流れる冷却水によ
り冷され凝縮液化し、冷媒配管１０，絞り機構５，冷媒
配管１１を経て蒸発器３に入り、冷水配管１２を流れる
冷水から熱を奪って蒸発気化し、冷媒配管８を経て再び
圧縮機１に吸入圧縮される。

【０００４】次に、フリークーリング機能を持つターボ
冷凍機について図５を用いて説明する。

【０００５】図５に示すターボ冷凍機は、従来のターボ
冷凍機に対し、蒸発器と凝縮器を冷媒ガス側で結ぶ冷媒
ガス配管１６，１７と、配管１６，１７の間に開閉弁６
を、更に凝縮器と蒸発器を冷媒液側で結ぶ冷媒液配管１
８，１９と、配管１８，１９の間に開閉弁７を備えてい
る。外気温が低く、必要とされる冷水温度が冷却水温度
より高い時、蒸発器３の器内圧力は凝縮器４の器内圧力
よりも高くなるため、圧縮機１を運転せず、開閉弁６，
７を開くことにより、蒸発器３内の冷媒ガスは温度の低
い凝縮器４へ冷媒配管１６，１７を経て凝縮器４へ流
れ、凝縮器４内の冷媒液は冷媒配管１８，１９を経て蒸
発器３へ流れ、圧縮機１を運転せずに冷凍サイクルを形
成することができる。

【０００６】このような、冷却水温度が冷水温度より低
い場合に圧縮機を運転せずに冷房する機能を、フリーク
ーリングと言い、省エネルギ効果を得ることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図４に示した従来のタ
ーボ冷凍機は、冷房負荷が小さい時でも圧縮機１は定常
運転するため、年間を通じて負荷の変動が大きい施設に
対しては、効率の悪い運転をする期間が長いという欠点
があった。そこで、図５に示したフリークーリング機能
を持つターボ冷凍機が開発されたが、年間冷房を必要と
し、なおかつ冷水温度が冷却水温度より高いという限ら
れた条件でのみ機能するため、冷却水温度が冷水温度よ
りわずかに高いような時には通常の運転を行わなければ
ならず、省エネルギ効果は得られない。

【０００８】本発明の目的は、冷却水温度が冷水温度よ
りもわずかに高い時期の効率を向上させ、年間を通じて
省電力を図ることができるターボ冷凍機を提供すること
にある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明のターボ冷凍機は、圧縮機，駆動源である電
動機，蒸発器，凝縮器，絞り機構、およびこれらを結ぶ
冷媒配管によって冷媒が循環する冷凍サイクルを持つ従
来のターボ冷凍機に対し、電動機に極数変換形の電動機
を用い、更に蒸発器と凝縮器を冷媒液側でつなぐ冷媒配
管と開閉弁を設けた。

【００１０】また、従来のターボ冷凍機に対し、電動機
に極数変換形の電動機を用い、蒸発器と凝縮器を冷媒液
側および冷媒ガス側でそれぞれつなぐ冷媒配管と開閉弁
を設けた。

【００１１】更には、従来のターボ冷凍機に対し、電動
機に極数変換形の電動機を用い、蒸発器と凝縮器を冷媒
液側および冷媒ガス側でそれぞれつなぐ冷媒配管と開閉
弁を設け、冷媒ガス側をつなぐ冷媒配管の開閉弁にチェ
ック弁を用いた。

【００１２】また、従来のターボ冷凍機に対し、電動機
に極数変換形の電動機を用い、更に蒸発器と凝縮器を冷
媒液側および冷媒ガス側でそれぞれつなぐ冷媒配管と開
閉弁を設け、電動機を冷却する液冷媒を、冷媒ポンプを
用いて電動機に供給する構成とした。

【００１３】極数変換形の電動機として、例えば２極４
極変換形の電動機を用いた場合、冷房負荷が少ない時期
で、定常運転時の電動機回転数が１００％である２極か
ら電動機回転数が５０％となる４極に切り換えて運転を
行うことで、電動機の効率を向上させた運転を行うこと
ができ、蒸発器と凝縮器を冷媒液側でつなぐ冷媒配管に
設けた開閉弁を開くことで、凝縮器から蒸発器へ充分な
量の液冷媒を供給することができる。

【００１４】第２の技術的手段による作用は、冷房負荷
が少ない時期で、更に冷水温度が冷却水温度より高い状
態で、蒸発器と凝縮器を冷媒液側および冷媒ガス側でそ
れぞれつなぐ冷媒配管に設けた開閉弁を両方共開くこと
により、圧縮機を停止させても内圧の高い蒸発器から内
圧の低い凝縮器へ冷媒ガスが流れ、凝縮器から蒸発器へ
冷媒液を供給し、冷凍サイクルを構成することができ
る。

【００１５】第３の技術的手段による作用は、蒸発器と
凝縮器を冷媒ガス側でつなぐ冷媒配管に設けた開閉弁
に、蒸発器から凝縮器の方向のみ冷媒ガスを流すチェッ
ク弁を用いることで、圧縮機の運転，停止に係らず蒸発
器内圧力が凝縮器内圧力より高い時のみ冷媒ガスを流す
ことができる。

【００１６】第４の技術的手段による作用は、電動機冷
却冷媒配管に冷媒ポンプを用いることで、冷却水温度が
低い時に凝縮器と蒸発器の差圧を利用した電動機冷媒冷
却方式が機能しなくなることを防ぐことができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図１，図
２，図３を用いて説明する。

【００１８】図１は本発明の第一の実施例のターボ冷凍
機の冷凍サイクル系統図である。図１で、１は例えば昇
圧用の羽根車（図示せず）を備えた圧縮機、２は圧縮機
１の駆動源である極数変換形電動機、３は蒸発器、４は
凝縮器、５は絞り機構、７は凝縮器４と蒸発器３を液側
でつなぐ冷媒液配管に設けられた開閉弁、８は蒸発器３
と圧縮機１をつなぐ冷媒ガス配管、９は圧縮機１と凝縮
器４をつなぐ冷媒ガス配管、１０，１１は凝縮器と蒸発
器をつなぐ冷媒液配管、１２は冷水入口配管、１３は冷
水出口配管、１４は冷却水入口配管、１５は冷却水出口
配管、１８，１９は凝縮器４と蒸発器３を冷媒液側でつ
なぐ冷媒液配管である。

【００１９】図１に示すターボ冷凍機の冷凍サイクル
は、図４に示した従来のターボ冷凍機の冷凍サイクルと
比べると、駆動機２Ａに対し、極数変換形電動機２を設
けてあり、凝縮器４と蒸発器３を冷媒液側でつなぐ冷媒
配管１８，１９と開閉弁７を設けてある以外は、従来の
ターボ冷凍機と同様の構成である。

【００２０】冷房負荷が充分に大きく、また冷却水温度
が冷水温度に比べて充分高いときには、図４に示した従
来のターボ冷凍機と同様の運転を行う。この時、極数変
換形の電動機２が、例えば２極４極変換形の電動機であ
る場合、回転数１００％である２極での運転を行う。ま
た、この時、開閉弁７は閉じている。

【００２１】冷房負荷が小さく、冷却水温度が冷水温度
に比べてわずかに高いときには、電動機２の極数を４極
に切り換え、回転数５０％での運転とし、また開閉弁７
を開いて液冷媒が凝縮器４から蒸発器３に充分に流れる
ようにする。こうして、必要な冷房能力を満足し、圧縮
機の回転数を低く抑えた省エネルギ運転をすることがで
きる。電動機動力は、数１，数２より得られる数３か
ら、回転数の３乗に比例するので、上記の例の場合、回
転数が半分になると電動機動力は１／８で済むことにな
り、大幅な電力節減になる。

【００２２】

【数１】 （蒸発風量）∝（圧縮機回転数） …（数１）

【００２３】

【数２】 （断熱ヘッド）∝（圧縮機回転数)² …（数２）

【００２４】

【数３】 （電動機動力）∝（蒸発風量）×（断熱ヘッド） ∝（圧縮機回転数)³ …（数３） また、極数変換形電動機２が２極４極変換形の電動機で
ある場合、電動機巻線は単一で済むので、従来のターボ
冷凍機に対して、極数変換形電動機への改造，冷媒液配
管の追加をするだけで済み、設備費は軽微である。

【００２５】図２は、本発明の第二および第三の実施例
のターボ冷凍機の冷凍サイクル系統図である。図２の実
施例が図１の実施例と相違する点は、蒸発器３と凝縮器
４を冷媒ガス側でつなぐ冷媒配管１６，１７と開閉弁６
を設けてある部分である。

【００２６】図２に示す第二の実施例では、冷房負荷が
充分に大きく、また冷却水温度が冷水温度に比べて充分
高いとき、および冷房負荷が小さく、冷水温度が冷却水
温度に比べてわずかに低いときには、第一の実施例と同
様の運転を行う。

【００２７】冷房負荷が小さく、冷水温度が冷却水温度
に比べて高いときは、凝縮器４の内圧は蒸発器３の内圧
より低くなるので、蒸発器３と凝縮器４を冷媒ガス側お
よび冷媒液側でそれぞれつなぐ冷媒配管に設けた開閉弁
６，７を両方共開くことにより、圧縮機を停止させても
蒸発器から凝縮器へ開閉弁６を経て冷媒ガスが差圧で流
れ、凝縮器から蒸発器へ開閉弁７を経て冷媒液が流れる
ので、圧縮機を止めた状態で冷凍サイクルを構成するこ
とができる。

【００２８】第三の実施例は、第二の実施例である図２
で、蒸発器３と凝縮器４を冷媒ガス側でつなぐ冷媒配管
に設けた開閉弁６に、蒸発器から凝縮器への方向にのみ
冷媒ガスを流すことができるチェック弁を用いた以外は
第二の実施例と同一の構成である。第三の実施例では、
圧縮機１の運転，停止の状態に係らず蒸発器３と凝縮器
４の差圧によって開閉弁６が機能するので、開閉弁６を
制御する必要がない。

【００２９】図３は本発明の第四の実施例に係るターボ
冷凍機の冷凍サイクル系統図である。図３の実施例が図
２の実施例と相違する点は、電動機２を冷却する冷媒液
配管２１に、冷媒ポンプ２０を備えている部分である。

【００３０】凝縮器４と蒸発器３の差圧によって電動機
２に冷媒液を送り、電動機２を冷却する方式を備えたタ
ーボ冷凍機で、冷却水温度が冷水温度よりわずかに高い
場合、および低い場合には、電動機を冷却する冷媒液が
充分に供給されず、電動機故障の原因となるので、冷媒
液配管２１に、冷媒ポンプ２０を設けることで電動機を
冷却する。

【００３１】本発明によれば、冷却水温度が冷水温度よ
りわずかに高い温度条件で、電動機回転数を抑えること
により定常運転時の１／８という大幅な省エネルギ効果
を得ることができる。特に、半導体産業等のクリーンル
ームや、大型電算機センター等の年間冷房を必要とする
施設では、空調設備に消費されるエネルギが大きいた
め、冬場の冷却水温度が低い時期には、本発明により大
きな省電力化を図ることができる。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、冷却水温度が冷水温度
よりわずかに高い温度条件で電動機回転数を抑えること
により、電動機動力、すなわち、消費電力を通常の運転
時の１／８，１２.５％ に抑え、大幅な省エネルギ効果
を得ることができ、年間を通じて高効率，省電力のター
ボ冷凍機を作ることが可能となる。また、従来のターボ
冷凍機に対しても比較的安価な改造によって本発明の効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例のターボ冷凍機の冷凍サ
イクル系統図。

【図２】本発明の第二、および第三の実施例のターボ冷
凍機の冷凍サイクル系統図。

【図３】本発明の第四の実施例のターボ冷凍機の冷凍サ
イクル系統図。

【図４】従来のターボ冷凍機の冷凍サイクル系統図。

【図５】従来のフリークーリング機能を持つターボ冷凍
機の冷凍サイクル系統図。

【符号の説明】

１…圧縮機、２…極数変換形の電動機、３…蒸発器、４
…凝縮器、５…絞り機構、７…冷媒液側配管開閉弁、８
〜１１…冷媒配管、１２…冷水入口配管、１３…冷水出
口配管、１４…冷却水入口配管、１５…冷却水出口配
管、１８，１９…冷媒配管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機，蒸発器，凝縮器，絞り機構、およ
   びこれらを結ぶ冷媒流路を備え、前記冷媒流路とは別に
   前記蒸発器と前記凝縮器を冷媒液側で結ぶ冷媒流路と、
   前記冷媒流路に開閉弁を備えたターボ冷凍機において、
   極数変換形の電動機を駆動源に持つことを特徴とするタ
   ーボ冷凍機。