KR101818872B1 - 팽창기 일체형 압축기, 냉동기 및 냉동기의 운전 방법 - Google Patents

팽창기 일체형 압축기, 냉동기 및 냉동기의 운전 방법 Download PDF

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Abstract

팽창기 일체형 압축기의 케이싱 내부에서 압축기측으로부터 누출된 유체로부터 팽창기로 이동하는 열을 저감하고, 냉동기의 성적 계수(COP)를 향상시킬 수 있는 것을 목적으로 하고, 팽창기 일체형 압축기는, 모터와, 모터의 출력축에 접속되는 압축기와, 모터의 출력축에 접속되는 팽창기와, 압축기와 팽창기 사이에 배치되는 비접촉형 베어링과, 케이싱과, 케이싱의 내부 공간 중 상기 압축기와 상기 팽창기 사이의 영역에 연통하도록 설치되고, 케이싱 내부에 있어서 압축기측으로부터 팽창기측을 향하는 누출 유체를 영역으로부터 케이싱의 외부의 압축기의 흡입측 또는 토출측에 접속되는 유체 라인에 추기하기 위한 추기 라인을 구비한다. 케이싱은, 상기 영역과 케이싱의 외부 사이의 유체의 흐름이 추기 라인을 통한 누출 유체의 적어도 일부의 흐름만이 되도록, 영역을 케이싱의 외부로부터 밀폐하도록 구성된다.

Description

팽창기 일체형 압축기, 냉동기 및 냉동기의 운전 방법{EXPANDER-INTEGRATED COMPRESSOR, FREEZER, AND FREEZER OPERATION METHOD}
본 개시는, 팽창기 일체형 압축기, 냉동기 및 냉동기의 운전 방법에 관한 것이다.
냉동기에 있어서 냉동 사이클의 압축 행정을 행하기 위한 압축기로서, 압축기를 구동하는 모터의 출력축의 베어링에 자기 베어링 등의 비접촉형의 베어링을 이용한 것이 있다. 비접촉형의 베어링은, 모터의 출력축 등의 회전축을 비접촉으로 지지한다. 이 때문에, 회전축과 접촉한 상태로 회전축을 지지하는 구름 베어링에 비해, 비접촉형의 베어링은 회전축과의 사이에서의 기계적인 마찰 손실이 없고, 또, 마모가 없기 때문에 내구성이 뛰어나다. 이 때문에, 모터의 회전수가 커지는 경우 등에, 모터 출력축의 베어링에 자기 베어링 등의 비접촉형의 베어링을 이용한 압축기가 이용된다.
이와 같은 비접촉형의 베어링을 이용한 팽창기 일체형 압축기로서, 특허 문헌 1에는, 샤프트의 일단에 터빈 날개차, 타단에 컴프레서 날개차를 부착해, 샤프트를 자기 베어링으로 받친 자기 베어링식 터빈 컴프레서가 개시되어 있다.
일본국 특허 공개 평 7-91760
특허 문헌 1에 기재되는 팽창기 일체형 압축기를 냉동기에 이용하면, 팽창기에서 유체가 팽창할 때에 발생하는 팽창 에너지의 일부가 회수되고, 회수된 팽창 에너지는, 압축기를 구동하기 위한 모터 회전축의 회전 에너지로서 이용된다. 이 때문에, 모터의 동력이 저감되게 되어, 냉동기의 성적 계수(COP)가 향상된다.
그러나, 향후 보다 한층의 에너지 효율화를 위해서, COP의 한층의 개선이 요망된다.
본 발명의 적어도 일 실시형태의 목적은, 냉동기의 성적 계수를 향상시킬 수 있는 팽창기 일체형 압축기, 냉동기 및 냉동기의 운전 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 적어도 일 실시형태에 따른 팽창기 일체형 압축기는,
모터와,
상기 모터의 출력축에 접속되고, 상기 모터에 의해서 구동되어 유체를 압축하도록 구성된 압축기와,
상기 모터의 상기 출력축에 접속되고, 상기 유체를 팽창시켜 상기 유체로부터 상기 출력축의 동력을 회수하도록 구성된 팽창기와,
상기 압축기와 상기 팽창기 사이에 배치되고, 상기 출력축을 비접촉으로 지지하기 위한 적어도 하나의 비접촉형 베어링과,
상기 모터, 상기 압축기, 상기 팽창기 및 상기 적어도 하나의 비접촉형 베어링을 수용하는 케이싱과,
상기 케이싱의 내부 공간 중 상기 압축기와 상기 팽창기 사이의 영역에 연통하도록 설치되고, 상기 케이싱 내부에 있어서 상기 압축기측으로부터 상기 팽창기측을 향하는 누출 유체의 적어도 일부를 상기 영역으로부터 상기 케이싱의 외부의 상기 압축기의 흡입측 또는 토출측에 접속되는 유체 라인에 추기(抽氣)하기 위한 추기 라인을 구비하고,
상기 케이싱은, 상기 영역과 상기 케이싱의 외부 사이의 유체의 흐름이 상기 추기 라인을 통한 상기 누출 유체의 적어도 일부의 흐름만이 되도록, 상기 영역을 상기 케이싱의 외부로부터 밀폐하도록 구성된다.
팽창기 일체형 압축기에 있어서, 케이싱의 내부 공간 중, 팽창기와 압축기 사이의 영역은, 작동 유체의 본래적인 유로는 아니다. 이 때문에, 압축기와 상기 영역 사이, 및 팽창기와 상기 영역 사이는, 통상, 압축기나 팽창기로부터 상기 영역으로 작동 유체가 누출되지 않도록 시일이 설치된다. 그러나, 이와 같은 시일이 설치되어 있어도, 작동 유체를 완전하게 밀봉하여 압축기측으로부터 누출시키지 않게 하는 것은 곤란하다.
본 발명자들의 예의 검토의 결과, 압축기로 압축된 작동 유체의 일부가 시일의 미소한 간극을 지나 압축기측으로부터 상기 영역을 통해 팽창기측으로 누출되어, 팽창기측으로 유입된 고온의 누출 유체가 팽창기의 단열 효율의 저하 요인이 되는 것이 밝혀졌다.
상기 실시형태에 따른 팽창기 일체형 압축기는, 본 발명자들의 상기 지견에 의거해 생각해 낸 것이며, 케이싱의 내부 공간 중 압축기와 팽창기 사이의 영역에 연통하도록 추기 라인을 설치하고, 케이싱 내부에 있어서 압축기측으로부터 팽창기측을 향하는 누출 유체의 적어도 일부를 상기 영역으로부터 케이싱의 외부의 상기 압축기의 흡입측 또는 토출측에 접속되는 유체 라인에 추기하도록 했다. 이 때문에, 팽창기측에 유입되는 고온의 누출 유체가 저감되어, 고온의 누출 유체로부터 팽창기로의 열의 이동이 저감되므로, 압축기측으로부터의 누출 유체에 기인한 팽창기의 단열 효율 저하를 개선할 수 있다. 따라서 이 팽창기 일체형 압축기를 이용한 냉동기의 COP를 개선할 수 있다.
또, 가령, 케이싱이 외부로부터 밀폐되지 않고, 상기 영역으로부터 유체 라인을 향하는 누출 유체 이외의 가스의 케이싱 외부로부터 상기 영역 내로의 유입이 허용되는 구성에서는, 케이싱 외부로부터 상기 영역 내에 유입되는 가스로부터 저온의 팽창기측으로 열이 이동할 수 있다. 그 때문에, 팽창기측으로의 의도하지 않은 입열 요인으로서, 누출 유체뿐만 아니라, 케이싱 외부로부터 상기 영역 내에 유입된 가스도 생각할 수 있어, 추기 라인을 설치해도, 팽창기측으로의 의도하지 않은 입열 요인을 효과적으로 막는 것은 어렵다. 이에 대해, 상기 실시형태에 따른 팽창기 일체형 압축기에서는, 케이싱은 상기 영역과 케이싱의 외부 사이의 유체의 흐름이 상기 추기 라인을 통한 상기 누출 유체의 적어도 일부의 흐름만이 되도록, 상기 영역이 상기 케이싱의 외부로부터 밀폐된다. 그 때문에, 팽창기측으로의 의도하지 않은 입열 요인은 기본적으로는 누출 유체뿐이다. 따라서, 상기 영역 내에 있어서 압축기측으로부터 팽창기측을 향하는 누출 유체의 적어도 일부를 유체 라인으로 이끄는 작동 유체의 흐름을 추기 라인에 의해서 형성함으로써, 팽창기측으로의 의도하지 않은 입열을 효과적으로 막아, COP를 극적으로 개선할 수 있다.
몇 가지 실시형태에서는, 팽창기 일체형 압축기는 상기 압축기와는 상이한 적어도 1개의 제2 압축기를 더 구비하고, 상기 제2 압축기는 상기 모터의 상기 출력축에 접속된다.
몇 가지 실시형태에서는, 팽창기 일체형 압축기는 상기 압축기와는 상이한 적어도 1개의 제2 압축기를 더 구비하고, 상기 제2 압축기는 상기 모터와는 다른 제2 출력축에 접속된다.
본 발명의 적어도 일 실시형태에 따른 냉동기는,
냉각 대상물을 냉매와의 열교환에 의해 냉각하기 위한 냉각부와,
상기 냉매를 압축하기 위한 압축기, 및, 상기 냉매를 팽창시키기 위한 팽창기가 일체화된 팽창기 일체형 압축기와,
상기 압축기, 상기 팽창기 및 상기 냉각부를 통해 상기 냉매를 순환시키도록 구성된 냉매 순환 라인을 구비하고,
상기 팽창기 일체형 압축기는,
모터와,
상기 모터의 출력축에 접속되고, 상기 모터에 의해서 구동되어 상기 냉매를 압축하도록 구성된 상기 압축기와,
상기 모터의 상기 출력축에 접속되고, 상기 냉매를 팽창시켜 상기 냉매로부터 상기 출력축의 동력을 회수하도록 구성된 상기 팽창기와,
상기 압축기와 상기 팽창기 사이에 배치되고, 상기 출력축을 비접촉으로 지지하기 위한 적어도 1개의 비접촉형 베어링과,
상기 모터, 상기 압축기, 상기 팽창기 및 상기 적어도 1개의 비접촉형 베어링을 수용하는 케이싱과,
상기 케이싱의 내부 공간 중 상기 압축기와 상기 팽창기 사이의 영역에 연통하도록 설치되고, 상기 케이싱 내부에 있어서 상기 압축기측으로부터 상기 팽창기측을 향하는 누출 냉매의 적어도 일부를 상기 영역으로부터 상기 케이싱의 외부의 상기 압축기의 흡입측 또는 토출측에 접속되는 냉매 순환 라인에 추기하기 위한 추기 라인을 구비하고,
상기 케이싱은, 상기 영역과 상기 케이싱의 외부 사이의 유체의 흐름이 상기 추기 라인을 통한 상기 누출 유체의 적어도 일부의 흐름만이 되도록, 상기 영역을 상기 케이싱의 외부로부터 밀폐하도록 구성된다.
상기 실시형태에 따른 냉동기에서는, 팽창기 일체형 압축기의 케이싱의 내부 공간 중 압축기와 팽창기 사이의 영역에 연통하도록 추기 라인을 설치하고, 케이싱 내부에 있어서 압축기측으로부터 팽창기측을 향하는 누출 냉매의 적어도 일부를 상기 영역으로부터 케이싱의 외부의 상기 압축기의 흡입측 또는 토출측에 접속되는 냉매 순환 라인에 추기하도록 했다. 이 때문에, 팽창기측에 유입되는 고온의 누출 냉매가 저감되어, 고온의 누출 냉매로부터 팽창기로의 열의 이동이 저감되므로, 압축기측으로부터의 누출 냉매에 기인한 팽창기의 단열 효율 저하를 개선할 수 있다. 따라서, 이 팽창기 일체형 압축기를 이용한 냉동기의 COP를 개선할 수 있다.
또, 가령, 케이싱이 외부로부터 밀폐되지 않고, 상기 영역으로부터 냉매 순환 라인을 향하는 누출 냉매 이외의 가스의 케이싱 외부로부터 상기 영역 내로의 유입이 허용되는 구성에서는, 케이싱 외부로부터 상기 영역 내에 유입되는 가스로부터 저온의 팽창기측으로 열이 이동할 수 있다. 그 때문에, 팽창기측으로의 의도하지 않은 입열 요인으로서 누출 냉매뿐만 아니라, 케이싱 외부로부터 상기 영역 내에 유입된 가스도 생각할 수 있어, 추기 라인을 설치해도, 팽창기측으로의 의도하지 않은 입열 요인을 효과적으로 막는 것은 어렵다. 이에 대해, 상기 실시형태에 따른 냉동기에서는, 팽창기 일체형 압축기의 케이싱은 상기 영역과 케이싱의 외부 사이의 유체의 흐름이 상기 추기 라인을 통한 상기 누출 냉매의 적어도 일부의 흐름만이 되도록, 상기 영역이 상기 케이싱의 외부로부터 밀폐된다. 그 때문에, 팽창기측으로의 의도하지 않은 입열 요인은 기본적으로는 누출 냉매뿐이다. 따라서, 상기 영역 내에 있어서 압축기측으로부터 팽창기측을 향하는 누출 냉매의 적어도 일부를 냉매 순환 라인으로 이끄는 작동 유체의 흐름을 추기 라인에 의해서 형성함으로써, 팽창기측으로의 의도하지 않은 입열을 효과적으로 막아, COP를 극적으로 개선할 수 있다.
몇 가지 실시형태에서는, 상기 팽창기 일체형 압축기는, 상기 추기 라인에 설치되고, 상기 누출 냉매의 추기량을 조절하기 위한 추기 밸브와, 상기 추기 밸브를 제어하기 위한 컨트롤러를 더 구비하고, 상기 컨트롤러는, 냉동기 COP, 및, 상기 팽창기의 흡입측과 토출측의 냉매 온도차 중 적어도 어느 하나에 의거해, 상기 추기 밸브의 개도를 제어하도록 구성된다.
또한, 냉동기 COP는, 예를 들면 식(1) 소비 전력 기준 COP(COPb) 및 식(2) 압축 동력 기준 COP(COPc) 등으로부터 구할 수 있다.
Figure 112016049162362-pct00001
Figure 112016049162362-pct00002
(단, 상기 식(1) 및 식(2)에 있어서, G는 냉매 순환 라인을 순환하는 냉매의 질량 유량[kg/s]이며, P는 모터의 동력(소비 전력)[W]이며, h1은 압축기 입구 엔탈피[J/kg]이며, h2는 압축기 출구 엔탈피[J/kg]이며, h5는 냉각부용 열교환기 입구 엔탈피[J/kg]이며, h6은 냉각부용 열교환기 출구 엔탈피[J/kg]이다.)
누출 냉매에 의해 팽창기측에 유입되는 열은, 누출 냉매를 냉매 순환 라인에 추기하는 추기량이 많을수록 감소한다. 한편, 추기량을 너무 많이 하면, 압축기로 압축된 후, 냉매 순환 라인을 순환하지 않고, 냉각 대상물의 냉각에 기여하지 않는 누출 냉매가 증가하게 되어, 압축에 이용되는 모터 동력의 증가 및 압축기 효율의 저하를 초래하게 된다. 따라서, 팽창기 일체형 압축기를 이용한 냉동기의 COP가 최대가 되는 추기량(COP 최대 추기량)이 존재한다.
상기 실시형태에 따른 냉동기에서는, 이와 같은 사정을 감안하여, 상기 냉동기 COP 또는, 팽창기의 흡입측과 토출측의 냉매 온도차 중 적어도 한쪽에 의거해, 추기 밸브의 개도를 제어하도록 구성된 컨트롤러를 설치했다. 이 때문에, 상기 냉동기 COP 또는, 팽창기의 흡입측과 토출측의 냉매 온도차 중 적어도 한쪽에 의거해, 운전 조건에 따라 추기량을 COP 최대 추기량 근방의 값이 되도록 제어하면 냉동기의 COP를 향상시킬 수 있다.
또, 조건 변화가 적은 운전에서는, 수동 밸브에 의해 개도 조정을 행하고, 일정 개도여도 된다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 냉동기의 운전 방법은,
모터와, 상기 모터의 출력축에 접속되는 압축기와, 상기 모터의 상기 출력축에 접속되는 팽창기와, 상기 압축기와 상기 팽창기 사이에 배치되고, 상기 출력축을 비접촉으로 지지하기 위한 적어도 1개의 비접촉형 베어링과, 상기 모터, 상기 압축기, 상기 팽창기 및 상기 적어도 1개의 비접촉형 베어링을 수용하는 케이싱을 포함하고,
상기 케이싱은, 상기 영역과 상기 케이싱의 외부 사이의 유체의 흐름이 상기 추기 라인을 통한 상기 누출 유체의 적어도 일부의 흐름만이 되도록, 상기 영역을 상기 케이싱의 외부로부터 밀폐하도록 구성된 팽창기 일체형 압축기를 구비하는 냉동기의 운전 방법으로서,
상기 압축기에 의해 냉매를 압축하는 압축 단계와,
상기 압축 단계에 있어서 압축된 상기 냉매를 상기 팽창기에 의해 팽창시키는 팽창 단계와,
상기 팽창 단계에 있어서 팽창된 상기 냉매와의 열교환에 의해 냉각 대상물을 냉각하는 냉각 단계와,
상기 케이싱의 내부 공간 중 상기 압축기와 상기 팽창기 사이의 영역에 연통하도록 설치된 추기 라인을 통해서, 상기 케이싱 내부에 있어서 상기 압축기측으로부터 상기 팽창기측을 향하는 누출 냉매의 적어도 일부를 상기 케이싱 내부의 상기 영역으로부터 상기 케이싱의 외부의 상기 압축기의 흡입측 또는 토출측에 접속되는 냉매 순환 라인에 추기하는 추기 단계를 구비한다.
상기 실시형태에 따른 운전 방법에 의하면, 추기 단계에 있어서, 팽창기 일체형 압축기의 케이싱의 내부 공간 중 압축기와 팽창기 사이의 영역에 연통하도록 설치된 추기 라인을 통해서, 케이싱 내부에 있어서 압축기측으로부터 팽창기측을 향하는 누출 냉매의 적어도 일부를 상기 영역으로부터 케이싱의 외부의 상기 압축기의 흡입측 또는 토출측에 접속되는 냉매 순환 라인에 추기하도록 했다. 이 때문에, 팽창기측에 유입되는 고온의 누출 냉매가 저감되어, 고온의 누출 냉매로부터 팽창기로의 열의 이동이 저감되므로, 압축기측으로부터의 누출 냉매에 기인한 팽창기의 단열 효율 저하를 개선할 수 있다. 따라서, 팽창기 일체형 압축기를 이용한 냉동기의 COP를 개선할 수 있다.
또, 가령, 케이싱이 외부로부터 밀폐되지 않고, 상기 영역으로부터 냉매 순환 라인을 향하는 누출 냉매 이외의 가스의 케이싱 외부로부터 상기 영역 내로의 유입이 허용되는 구성에서는, 케이싱 외부로부터 상기 영역 내에 유입되는 가스로부터 저온의 팽창기측으로 열이 이동할 수 있다. 그 때문에, 팽창기측으로의 의도하지 않은 입열 요인에는, 누출 냉매뿐만 아니라, 케이싱 외부로부터 상기 영역 내에 유입된 가스도 생각할 수 있어, 추기 라인을 설치해도, 팽창기측으로의 의도하지 않은 입열 요인을 효과적으로 막는 것은 어렵다. 이에 대해, 상기 실시형태에 따른 냉동기의 운전 방법에서는, 팽창기 일체형 압축기의 케이싱은 상기 영역과 케이싱의 외부 사이의 유체의 흐름이 상기 추기 라인을 통한 상기 누출 냉매의 적어도 일부의 흐름만이 되도록, 상기 영역이 상기 케이싱의 외부로부터 밀폐된다. 그 때문에, 팽창기측으로의 의도하지 않은 입열 요인은 기본적으로는 누출 냉매뿐이다. 따라서, 상기 영역 내에 있어서 압축기측으로부터 팽창기측을 향하는 누출 냉매의 적어도 일부를 냉매 순환 라인으로 이끄는 작동 유체의 흐름을 추기 라인에 의해서 형성함으로써, 팽창기측으로의 의도하지 않은 입열을 효과적으로 막아, COP를 극적으로 개선할 수 있다.
몇 가지 실시형태에서는, 상기 냉동기 COP 또는, 상기 팽창기의 흡입측과 토출측의 냉매 온도차 중 적어도 한쪽에 의거해, 상기 케이싱 내부의 상기 영역으로부터 상기 압축기의 흡입측으로의 추기량을 조절하는 추기량 조절 단계를 더 구비한다.
이 경우, 상기 냉동기 COP 또는, 팽창기의 흡입측과 토출측의 냉매 온도차 중 적어도 한쪽에 의거해 추기량을 조절하므로, 냉동기의 COP를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 적어도 일 실시형태에 의하면, 팽창기 일체형 압축기의 케이싱 내부에서 압축기측으로부터 누출된 유체로부터 팽창기로 이동하는 열을 저감해, 냉동기의 성적 계수(COP)를 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시형태에 따른 팽창기 일체형 압축기의 구성의 개략을 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시형태에 따른 냉동기의 구성의 개략을 나타내는 모식도이다.
도 3은 일 실시형태에 따른 냉동기의 구성의 개략을 나타내는 모식도이다.
도 4는 일 실시형태에 따른 냉동기의 구성의 개략을 나타내는 모식도이다.
도 5는 일 실시형태에 따른 냉동기와 비교예의 냉동기의 팽창기 단열 효율비의 비교를 나타내는 그래프이다.
도 6은 일 실시형태에 따른 냉동기와 비교예의 냉동기의 냉동 능력비의 비교를 나타내는 그래프이다.
도 7은 일 실시형태에 따른 냉동기와 비교예의 냉동기의 COP비의 비교를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부 도면에 따라서 본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다. 단, 이 실시형태에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은, 본 발명의 범위를 이것으로 한정하는 취지가 아니라, 단순한 설명예에 지나지 않는다.
도 1은, 일 실시형태에 따른 팽창기 일체형 압축기의 구성의 개략을 나타내는 도면이다. 동 도면에 나타내는 바와 같이, 팽창기 일체형 압축기(1)는, 모터(2)와, 압축기(4)와, 팽창기(6)와, 비접촉형 베어링(32, 34, 36)과, 케이싱(9)과, 추기 라인(24)을 구비한다.
압축기(4)는, 모터(2)의 출력축(3)에 접속되고, 모터(2)에 의해서 구동되어 유체를 압축하도록 구성된다. 한편, 팽창기(6)는, 모터(2)의 출력축(3)에 접속되고, 유체를 팽창시켜 유체로부터 출력축(3)의 동력을 회수하도록 구성된다. 모터(2)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 압축기(4)와 팽창기(6) 사이에 배치되어 있어도 된다. 또, 다른 실시형태에서는, 모터(2)는, 압축기(4)와 팽창기의 외측에 배치되어 있어도 된다(즉, 예를 들면, 출력축(3)의 축방향에 있어서, 모터(2), 압축기(4), 팽창기(6)의 순으로 배치되어 있어도 된다).
모터(2)의 출력축(3)은, 압축기(4)와 팽창기(6) 사이에 배치된 래디얼 자기 베어링(32, 34) 및 스러스트 자기 베어링(36)(본 명세서에 있어서 합쳐서 비접촉형 베어링(32, 34, 36) 또는 자기 베어링(32, 34, 36)이라고 칭하는 일이 있다.)에 의해서 비접촉으로 지지된다. 래디얼 자기 베어링(32, 34)은, 출력축(3)의 축방향에 있어서 모터(2)의 양측에 설치되고, 자력에 의해서 출력축(3)을 부상시켜 출력축(3)의 래디얼 하중을 부담한다. 한편, 스러스트 자기 베어링(36)은, 출력축(3)의 축방향에 있어서 모터(2)의 일방측(도 1에 나타내는 실시형태에서는 모터(2)와 팽창기(6) 사이)에 설치되고, 출력축(3)에 설치된 액시얼 로터 디스크(37)와의 사이에 갭이 형성되도록 자력에 의해서 출력축(3)의 스러스트 하중을 부담한다.
케이싱(9)은, 모터(2)와, 압축기(4)와, 팽창기(6)와, 래디얼 자기 베어링(32, 34) 및 스러스트 자기 베어링(36)을 수용한다.
또한, 스러스트 자기 베어링(36) 및 출력축(3)에 설치된 액시얼 로터 디스크(37)는, 압축기(4)와 모터(2) 사이에 설치되어도 된다.
몇 가지 실시형태에서는, 팽창기 일체형 압축기(1)의 케이싱(9) 내부에는, 압축기(4)로부터의 작동 유체의 케이싱(9) 내부로의 누설을 억제하기 위한 시일부(44)가 설치된다. 또, 팽창기(6)로부터의 작동 유체의 케이싱(9) 내부로의 누설을 억제하기 위한 시일부(64)가 설치되어도 된다. 시일부(44, 64)는, 예를 들면, 래비린스 시일이어도 된다. 이 경우, 래비린스 시일(44, 64)은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 압축기(4)의 임펠러(42) 또는 팽창기(6)의 터빈 로터(62)의 배면측이고 임펠러(42) 또는 터빈 로터(62)와 케이싱(9) 사이, 및 출력축(3)의 주위이고 출력축(3)과 케이싱(9) 사이에, 각각 설치되어 있어도 된다.
그런데, 압축기(4)로부터의 작동 유체의 케이싱(9) 내부로의 누설을 억제하는 시일부(44)를 설치해도, 압축기(4)로부터의 작동 유체의 케이싱(9) 내부로의 누설을 완전하게 저지하는 것은 어렵다. 즉, 팽창기 일체형 압축기(1)의 케이싱(9) 내부에 있어서, 압축기(4)로 압축되어 고온이 된 작동 유체의 일부는, 압축기 임펠러(42)의 배면과 영역(5) 사이를 밀봉하기 위한 시일부(44)의 미소한 간극을 지나 압축기(4)측으로부터 상기 영역(5)에 침입한다. 영역(5)에 침입한 압축기(4)측으로부터의 누출 유체는, 출력축(3)과 자기 베어링(32, 34, 36) 사이에는 갭을 통과해, 작동 온도가 압축기(4)보다도 낮은 팽창기(6)측으로 누출된다.
이 때문에, 압축기(4)측으로부터의 고온의 누출 유체에 기인하여 의도하지 않은 팽창기(6)로의 입열이 일어나, 팽창기(6)의 단열 효율이 저하되어버릴 우려가 있다.
그래서, 몇 가지 실시형태에서는, 이와 같이 케이싱(9) 내부에 있어서 압축기(4)측으로부터 팽창기(6)측을 향하는 누출 유체의 적어도 일부를, 영역(5)으로부터 케이싱(9)의 외부의 압축기(4)의 흡입측 또는 토출측에 접속되는 유체 라인에 추기하기 위해서 추기 라인(24)을 설치한다.
추기 라인(24)은, 케이싱(9)의 내부 공간 중, 압축기(4)와 팽창기(6) 사이의 영역(5)에 연통하도록 설치된다. 일 실시형태에서는, 추기 라인(24)은, 케이싱(9)을 관통하도록 경방향으로 연장되어 있다. 또한, 추기 라인(24)이 설치되는 축방향 위치는 특별히 한정되지 않고, 도 1에 나타내는 바와 같이 출력축(3)에 설치된 액시얼 로터 디스크(37)와 동일한 축방향 위치에 추기 라인(24)을 형성해도 된다.
추기 라인(24)을 설치함으로써, 팽창기(6)측에 유입되는 고온의 누출 유체가 저감되어, 고온의 누출 유체로부터 팽창기(6)로의 열의 이동이 저감된다. 이에 의해, 압축기(4)측으로부터의 누출 유체에 기인한 팽창기(6)의 단열 효율 저하를 개선할 수 있어, 따라서 팽창기 일체형 압축기(1)를 이용한 냉동기의 COP를 개선할 수 있다.
몇 가지 실시형태에서는, 케이싱(9)은, 상기 영역(5)과 케이싱(9)의 외부 사이의 유체의 흐름이 추기 라인(24)을 통한 상기 누출 유체의 적어도 일부의 흐름만이 되도록, 상기 영역(5)을 케이싱(9)의 외부로부터 밀폐하도록 구성된다.
가령, 케이싱(9)이 외부로부터 밀폐되어 있지 않고, 상기 영역(5)으로부터 유체 라인을 향하는 누출 유체 이외의 가스의 케이싱(9) 외부로부터 상기 영역(5) 내로의 유입이 허용되는 구성에서는, 케이싱(9) 외부로부터 상기 영역 내에 유입되는 가스로부터 저온의 팽창기(6)측으로 열이 이동할 수 있다. 그 때문에, 팽창기(6)측으로의 의도하지 않은 입열 요인에는, 누출 유체뿐만 아니라, 케이싱(9) 외부로부터 상기 영역(5) 내에 유입된 가스도 생각할 수 있어, 추기 라인(24)을 설치해도, 팽창기(6)측으로의 의도하지 않은 입열 요인을 효과적으로 막는 것은 어렵다. 이에 대해, 본 실시형태에 따른 팽창기 일체형 압축기(1)에서는, 케이싱(9)은 상기 영역과 케이싱(9)의 외부 사이의 유체의 흐름이 상기 추기 라인(24)을 통한 상기 누출 유체의 적어도 일부의 흐름만이 되도록, 상기 영역(5)이 상기 케이싱(9)의 외부로부터 밀폐된다. 그 때문에, 팽창기(6)측으로의 의도하지 않은 입열 요인은 기본적으로는 누출 유체뿐이다. 따라서, 상기 영역(5) 내에 있어서 압축기(4)측으로부터 팽창기(6)측을 향하는 누출 유체의 적어도 일부를 유체 라인으로 이끄는 작동 유체의 흐름을 추기 라인(24)에 의해서 형성함으로써, 팽창기(6)측으로의 의도하지 않은 입열을 효과적으로 막아, COP를 극적으로 개선할 수 있다.
몇 가지 실시형태에서는, 팽창기 일체형 압축기는 상기 압축기와는 상이한 적어도 1개의 제2 압축기를 더 구비하고, 상기 제2 압축기는, 상기 모터의 상기 출력축에 접속된다.
예를 들면, 제2 압축기, 압축기(4), 모터(2) 및 팽창기(6)가 이 순으로 배치되도록, 제2 압축기, 압축기(4) 및 팽창기(6)가 모터(2)의 출력축(3)에 접속되어도 된다.
또, 몇 가지 실시형태에서는, 팽창기 일체형 압축기(1)는, 압축기(4)와는 상이한 제2 압축기를 2 이상 구비하고 있어도 된다.
1 이상의 제2 압축기는, 모터(2)와는 다른 모터의 출력축에 접속되고, 상기 모터에 의해서 구동되어도 된다. 예를 들면, 모터(2)와는 다른 모터의 출력축의 양단에 1대씩의 제2 압축기를 설치하고, 팽창기 일체형 압축기 전체적으로 팽창기 1대에 대해 압축기를 3대 구비하는 구성으로 해도 된다.
다음에, 도 2~도 4를 이용하여, 실시형태에 따른 냉동기에 대해서 설명한다.
도 2~도 4는, 각각, 일 실시형태에 따른 냉동기의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 2~도 4에 나타내는 바와 같이, 냉동기(100)는, 냉각 대상물을 냉각하기 위한 냉각부(16)와, 압축기(4) 및 팽창기(6)가 일체화된 팽창기 일체형 압축기(1)와, 냉매 순환 라인(22)을 구비한다. 도 2~도 4에 나타내는 냉동기(100)에서는, 팽창기 일체형 압축기(1)로서, 도 1에 나타낸, 추기 라인(24)을 구비하는 팽창기 일체형 압축기(1)가 이용된다.
몇 가지 실시형태에서는, 도 2~도 4에 나타내는 바와 같이, 냉매 순환 라인(22) 상에는, 압축기(4)와, 열교환기(12)와, 냉열 회수 열교환기(14)와, 팽창기(6)와, 냉각부(16)가 이 순으로 설치되고, 냉매 순환 라인(22)은 이들 기기를 통해 냉매를 순환시키도록 구성된다.
압축기(4)는, 모터(2)의 출력축(3)에 접속되고, 모터(2)에 의해서 구동되어 유체가 압축되도록 구성된다. 또, 팽창기(6)는, 모터(2)의 출력축(3)에 접속되고, 유체를 팽창시켜 유체로부터 출력축(3)의 동력을 회수하도록 구성된다.
열교환기(12)는, 냉매를 냉각수와 열교환함으로써 냉각하기 위해서 설치되고, 냉열 회수 열교환기(14)는, 냉매의 냉열을 회수하기 위해서 설치된다.
냉각부(16)는, 냉각 대상물을 냉매와의 열교환에 의해 냉각하기 위해서 설치된다.
냉매 순환 라인(22)을 순환하는 냉매는, 압축기(4)에 의해 압축되어 온도 및 압력이 상승한 후, 하류측에 설치된 열교환기(12)에 있어서 냉각수와 열교환함으로써 냉각된다. 그 후, 냉매는 냉열 회수 열교환기(14)에 의해서 더 냉각된 후, 팽창기(6)에 의해서 팽창되어 온도 및 압력이 저하됨으로써 냉열을 생성한다.
팽창기(6)로부터 토출된 냉매는, 냉각부(16)에 있어서 냉각 대상물과 열교환함으로써 냉각 대상물을 냉각함과 더불어, 열부하에 의해서 온도가 상승한다.
냉각부(16)에 있어서 승온된 냉매는, 냉열 회수 열교환기(14)에 도입되고, 상술한 열교환기(12)를 통과한 고온의 압축 냉매와 열교환함으로써, 남은 냉열을 압축 냉매에 회수시킨다. 이 후, 냉매는 압축기(4)로 되돌아와, 다시 상술한 바와 같이 압축기(4)에 의해 압축된다.
냉동기(100)에 있어서는, 이와 같은 냉동 사이클이 구성된다.
몇 가지 실시예에서는, 냉각부(16)에 있어서 냉매와의 열교환에 의해 냉각되는 냉각 대상물은, 초전도 케이블 등의 초전도 기기를 냉각하기 위한 액체 질소이다. 이 경우, 초전도 기기가 초전도 상태가 되기 위해서 극저온에서의 냉각이 필요해진다. 이 때, 냉동기(100)의 팽창기(6)의 토출측에서는 냉매가 극저온이기 때문에, 냉매 순환 라인(22) 내에서는, 압축기(4)측의 온도와 팽창기(6)측의 온도의 차가 크다. 예를 들면, 일 실시예에 있어서, 냉매 순환 라인(22)의 온도는, 압축기(4)의 흡입측에서는 약 30~40℃, 토출측에서는 약 90~100℃인데 대해, 팽창기(6)의 흡입측에서는 약 -190~-200℃, 토출측에서는 약 -210~-220℃이다.
이와 같이 압축기(4)측과 팽창기(6)측에서는 온도차가 크기 때문에, 케이싱(9) 내부에 있어서도 압축기(4)측과 팽창기(6)측에서는 큰 온도차가 있다. 이 때문에, 압축기(4)측으로부터 팽창기(6)측을 향하는 누출 냉매가 소량이라고 해도, 팽창기의 단열 효율을 저하시키는 요인이 된다. 따라서, 추기 라인을 설치하여 고온의 누출 냉매를 케이싱(9)의 외부에 추기함으로써, 압축기(4)측으로부터 팽창기(6)측으로 유입되는 열을 저감할 수 있는 것은, 특히 이와 같은 극저온을 취급하는 영역에 있어서 의의가 크다.
또한, 냉매 순환 라인을 흐르는 냉매로는, 냉각 대상물의 냉각 목표 온도 등에 따라 적절하게 선택할 수 있고, 예를 들면 헬륨, 네온, 수소, 질소, 공기, 탄화수소 등을 이용할 수 있다.
몇 가지 실시형태에서는, 도 2 및 도 4에 나타내는 바와 같이, 팽창기 일체형 압축기(1)의 케이싱(9) 내부 공간 중 압축기(4)와 팽창기(6) 사이의 영역(5)에 연통하는 추기 라인(24)은, 케이싱(9) 외부의 압축기(4)의 흡입측에 접속되는 냉매 순환 라인(22a)에 접속된다. 또, 추기 라인(24) 상에는, 추기량을 조정하기 위한 추기 밸브(26)가 설치된다.
추기 라인(24)을 설치함으로써, 팽창기(6)측에 유입되는 고온의 누출 유체가 저감되어, 고온의 누출 유체로부터 팽창기(6)로의 열의 이동이 저감됨으로써, 압축기(4)측으로부터의 누출 유체에 기인한 팽창기(6)의 단열 효율 저하를 개선할 수 있다. 또, 팽창기(6)측에 유입되는 고온의 누출 유체를, 추기 라인(24)을 경유하여 냉매 순환 라인(22)으로 되돌리므로, 누출 유체를 냉각 대상물의 냉각에 기여시킬 수 있다. 따라서 냉동기(100)의 COP를 개선할 수 있다.
또, 추기 라인(24) 상에 추기 밸브(26)가 설치되어 있기 때문에, 추기 라인(24)에 있어서 추기 밸브(26) 전후에서 차압이 발생한다. 즉, 추기 라인(24) 중 추기 밸브(26)의 상류측(상기 영역(5)측)에서는, 압축기(4)로 압축되어 고압이 된 냉매가 누출 냉매로서 존재하고 있고 비교적 고압이다. 이에 대해, 추기 라인(24) 중 추기 밸브(26)의 하류측(냉매 순환 라인(22a)측)에서는, 냉매는 압축기(4)로 압축되기 전의 저압 상태이다. 따라서, 추기 라인(24)에 있어서 추기 밸브(26) 전후에서 차압이 발생하기 때문에, 비교적 고압측의 상기 영역(5)측에 존재하는 누출 냉매는, 상기 차압에 의거해 비교적 저압측의 냉매 순환 라인(22a)측에 자동적으로 흐르게 된다. 따라서, 동력을 가하지 않고도 상기 영역(5)에 존재하는 누출 냉매를 용이하게 냉매 순환 라인(22)으로 되돌릴 수 있으므로, 에너지 효율에 있어서 뛰어나, COP가 향상된다.
또, 압축기(4)의 흡입측에 접속되는 냉매 순환 라인(22a)은, 냉매 순환 라인(22)에 있어서 저온이 된 냉매가 냉열을 다 사용하고 난 후에 되돌아오는 개소이며, 냉매 순환 라인(22) 전체 중에서는 비교적 고온의 부분이다. 따라서, 케이싱(9) 내부의 상기 영역(5)에 존재하는 고온의 누출 냉매를, 압축기(4)의 흡입측에 접속되는 냉매 순환 라인(22a)에 유입시켜도, 냉동기(100)의 성능을 저하시키는 요인은 되기 어렵다.
도 3에 나타내는 냉동기(100)에서는, 팽창기 일체형 압축기(1)의 케이싱(9) 내부 공간 중 압축기(4)와 팽창기(6) 사이의 영역(5)에 연통하는 추기 라인(24)은, 케이싱(9) 외부의 압축기(4)의 토출측에 접속되는 냉매 순환 라인(22b)에 접속된다. 또, 추기 라인(24) 상에는, 케이싱(9) 내부에 있어서 압축기(4)측으로부터 팽창기(6)측을 향하는 누출 냉매를 상기 영역(5)으로부터 냉매 순환 라인(22b)으로 압송하기 위한 추기 압축기(18)가 설치된다.
추기 라인(24)을 설치함으로써, 팽창기(6)측에 유입되는 고온의 누출 유체가 저감되어, 고온의 누출 유체로부터 팽창기(6)로의 열의 이동이 저감됨으로써, 압축기(4)측으로부터의 누출 유체에 기인한 팽창기(6)의 단열 효율 저하를 개선할 수 있다. 또, 팽창기(6)측에 유입되는 고온의 누출 유체를, 추기 라인(24)을 경유하여 냉매 순환 라인(22b)으로 되돌리므로, 추기 라인(24)이 냉매 순환 라인(22a)에 접속되어 있는 경우에 비해, 모터(2)의 동력을 저감할 수 있다.
또, 추기 라인(24) 상에, 누출 냉매를 상기 영역(5)으로부터 냉매 순환 라인(22b)으로 압송하기 위한 추기 압축기(18)가 설치된다. 이에 의해 누출 냉매를 압축하여 냉매 순환 라인(22b)으로 압송하고, 압축기(4)로 압축되어 고압이 된 냉매와 합류시켜, 냉각 대상물을 냉각하기 위한 냉매로서 이용할 수 있다.
이 때, 팽창기 일체형 압축기(1)의 모터(2)를 작동시키기 위한 동력과는 별도로, 추기 압축기(18)를 작동시키기 위한 동력이 필요해지는데, 그 만큼, 냉매 순환 라인(22b)을 흐르는 냉매보다도 다소 높은 압력의 냉매가 추기 압축기(18)로부터 냉매 순환 라인(22b)에 합류하게 되어, 냉동기(100) 전체적으로는 추기 압축기(18)의 토출 유량이 더해지는 만큼, 냉동 능력이 높아진다. 이 때문에, COP를 향상시킬 수 있다.
또, 압축기(4)의 토출측에 접속되는 냉매 순환 라인(22b)은, 냉매 순환 라인(22)에 있어서 압축기(4)에 의해 압축되어 압력 및 온도가 상승한 냉매가 유입되는 개소이며, 냉매 순환 라인(22) 전체 중에서는 고온의 부분이다. 따라서, 케이싱(9) 내부의 상기 영역(5)에 존재하는 고온의 누출 냉매를, 압축기(4)의 토출측에 접속되는 냉매 순환 라인(22b)에 유입시켜도, 냉동기(100)의 성능을 저하시키는 요인은 되기 어렵다.
도 4에 나타내는 예시적인 실시형태에서는, 팽창기 일체형 압축기(1)가, 도 2에 나타내는 냉동기와 동일한 구성에 추가해, 추기 밸브(26)를 제어하기 위한 컨트롤러(70)를 더 구비한다.
컨트롤러(70)는, 냉동기 COP, 또는, 팽창기(6)의 흡입측과 토출측의 냉매 온도차 중 적어도 한쪽에 의거해, 추기 밸브(26)의 개도를 제어하도록 구성된다.
냉동기 COP는, 예를 들면, 모터(2)의 동력(소비 전력)을 계측하여 산출할 수 있다. 이 경우, 동력 계측을 동력 센서(71)로 행하고, 계측 결과는 컨트롤러(70)에 송신된다.
팽창기(6)의 흡입측 및 토출측의 온도의 계측은, 각각, 냉매 순환 라인(22)의 팽창기(6)의 흡입측에 설치된 온도 센서(72) 및 팽창기(6)의 토출측에 설치된 온도 센서(73)로 행하고, 계측 결과는 컨트롤러(70)에 송신된다. 컨트롤러(70)는, 온도 센서(72) 및 온도 센서(73)로 계측된 온도로부터 팽창기(6)의 흡입측과 토출측의 냉매 온도차를 계산한다.
또, 추기 라인(24)에 설치된 유량 센서(74)에 의해, 상기 영역(5)으로부터 케이싱(9) 외부의 압축기(4)의 흡입측에 접속되는 냉매 순환 라인(22a)에 추기되는 누출 냉매의 추기량이 계측되고, 계측 결과가 컨트롤러(70)에 송신된다.
몇 가지 실시형태에서는, 컨트롤러(70)는, 추기 라인(24)에 있어서의 누출 냉매의 유량, 모터(2)의 동력, 냉동기(100)의 COP 또는 팽창기(6)의 흡입측과 토출측의 냉매 온도차 등의 계측에 의거해, 케이싱(9) 내부의 영역(5)으로부터 압축기(4)의 흡입측으로의 추기량을 조절하도록 구성된다. 또한, 냉동기 COP는, 예를 들면 식(1) 소비 전력 기준 COP(COPb) 및 식(2) 압축 동력 기준 COP(COPc) 등으로 구할 수 있다. 이 때, 식(1) 및 식(2)에 있어서, G는 냉매 순환 라인(22)을 순환하는 냉매의 질량 유량[kg/s]이며, P는 모터(2)의 동력(소비 전력)[W]이며, h1은 압축기(4) 입구 엔탈피[J/kg]이며, h2는 압축기(4) 출구 엔탈피[J/kg]이며, h5는 냉각부(16)용 열교환기 입구 엔탈피[J/kg]이며, h6은 냉각부(16)용 열교환기 출구 엔탈피[J/kg]이다.
일 실시형태에서는, 컨트롤러(70)는, 목표로 하는 냉동기 COP(이하에 있어서 「목표 냉동기 COP」라고도 한다.) 또는 팽창기(6)의 흡입측과 토출측의 온도차 중 적어도 한쪽을 포함하는 냉동기(100)의 운전 조건을 나타내는 정보가 기억된 메모리를 구비하고, 동력 센서(71) 등으로부터 산출된 냉동기 COP(이하에 있어서 「측정 냉동기 COP」라고도 한다.) 또는 온도 센서(72, 73) 중 적어도 한쪽의 검출 결과에 의거해 상기 운전 조건이 실현되도록 추기 밸브(26)의 개도를 제어하여 추기량을 조절한다. 또한, 컨트롤러(70)는, 메모리에 기억된 냉동기(100)의 운전 조건을 나타내는 정보와, 측정 냉동기 COP 또는 온도 센서(72, 73) 중 적어도 한쪽의 검출 결과의 편차에 의거해 추기 밸브(26)의 개도 지령치를 결정해도 된다. 이 경우, 컨트롤러(70)는, 추기 밸브(26)의 개도 지령치를 결정하기 위한 제어기로서, 예를 들면 P 제어기, PI 제어기, PID 제어기 등을 포함하고 있어도 된다. 또, COP가 최대가 되는 냉동기(100)의 운전 조건은, 냉각부(16)에 있어서의 냉각 부하에 따라서 변화해도 된다. 이 경우, 컨트롤러(70)는, 냉각부(16)에 있어서의 냉각 부하에 따른 운전 조건이 실현되도록, 측정 냉동기 COP 또는 온도 센서(72, 73) 중 적어도 한쪽의 검출 결과에 의거해 추기량을 조절해도 된다.
또한, 엔탈피 h1, h2, h5 및 h6은, 각각, 각 포인트로의 압력 P1, P2, P5 및 P6, 온도 T1, T2, T5 및 T6의 계측치로부터 구할 수 있다. 그래서, 몇 가지 실시형태에 따른 냉동기(100)에는, 냉매 순환 라인(22)을 순환하는 냉매의 질량 유량을 측정하기 위한 유량계(도시하지 않음)나, 압축기(4)의 입구 및 출구와 냉각부(16)의 입구 및 출구의 온도 및 압력을 각각 측정하기 위한 온도 센서(도시하지 않음) 및 압력 센서(도시하지 않음)를 설치해도 된다.
다른 실시형태에서는, 컨트롤러(70)는, 목표 냉동기 COP 또는 팽창기(6)의 흡입측과 토출측의 온도차의 최대치 중 적어도 한쪽을 나타내는 정보가 기억된 메모리를 구비하고, 측정 냉동기 COP 또는 온도 센서(72, 73) 중 적어도 한쪽의 검출 결과가 목표 냉동기 COP 또는 팽창기(6)의 흡입측과 토출측의 온도차의 최대치에 가까워지도록, 추기 밸브(26)의 개도를 제어하여 추기량을 조절한다. 또한, 컨트롤러(70)는, 메모리에 기억된 목표 냉동기 COP 또는 팽창기(6)의 흡입측과 토출측의 온도차의 최대치를 나타내는 정보와, 측정 냉동기 COP 또는 온도 센서(72, 73) 중 적어도 한쪽의 검출 결과의 편차에 의거해 추기 밸브(26)의 개도 지령치를 결정해도 된다. 이 경우, 컨트롤러(70)는, 추기 밸브(26)의 개도 지령치를 결정하기 위한 제어기로서, 예를 들면 P 제어기, PI 제어기, PID 제어기 등을 포함하고 있어도 된다.
몇 가지 실시형태에서는, 컨트롤러(70)는, 스러스트 자기 베어링(36)의 부하(스러스트 하중)의 허용치를 넘지 않도록 결정된 추기량의 상한치를 넘지 않도록, 케이싱(9) 내부의 영역(5)으로부터 압축기(4)의 흡입측으로의 추기량을 조절하도록 구성된다.
스러스트 자기 베어링(36)의 자력은, 출력축(3)에 가해지는 스러스트 하중에 저항하여 출력축(3)의 부상 위치를 유지하도록 전류 제어함으로써 제어된다. 또, 스러스트 자기 베어링(36)에는 부하의 허용치(최대치)가 존재한다.
출력축(3)에 가해지는 스러스트 하중은, 압축기(4)측에 있어서의 압축 행정 구간(임펠러(42) 외주부)의 압력에 기인하는 힘과 팽창기(6)측에 있어서의 팽창 행정 구간(터빈 로터(62) 외주부)의 압력에 기인하는 힘의 차에 의해서 정해진다. 따라서, 추기 밸브(26)를 닫은 상태에서의 냉동기 운전시는, 출력축(3)에 가해지는 스러스트 하중에 따른 부하가 스러스트 자기 베어링(36)에 가해져, 이 부하에 저항하여 출력축(3)의 부상 위치를 유지하도록 전류 제어가 된다.
여기서, 추기 밸브(26)를 열면, 누출 냉매가 추기 라인(24)을 통해서 외부로 추기됨으로써, 케이싱(9)의 내부의 압력이 감소한다. 이 때, 도 2에 나타내는 바와 같이 압축기(4)의 임펠러(42)의 직경이 팽창기(6)의 터빈 로터(62)의 직경보다도 크면, 임펠러(42) 및 터빈 로터(62)의 표면과 이면 사이에 발생하는 힘의 차는 임펠러(42)쪽이 커진다. 이 때문에, 추기 밸브(26)의 개도를 크게 하면, 그에 따라 압축기(4)측으로부터 팽창기(6)측을 향하는 스러스트 하중이 증가한다. 따라서, 스러스트 자기 베어링(36)으로 부담할 수 있는 스러스트 하중의 최대치에 대응한 추기량이 존재한다.
따라서, 상기 실시형태와 같이, 스러스트 자기 베어링(36)의 부하가 허용치를 넘지 않도록 결정된 상한치를 추기량이 넘지 않도록 추기 밸브(26)의 개도 제어를 행함으로써, 냉동기의 운전에 지장이 없는 적절한 범위 내에서 추기량의 제어를 할 수 있다.
다른 실시형태에서는, 컨트롤러(70)는, 스러스트 자기 베어링(36)이 부담하는 스러스트 하중이 스러스트 자기 베어링(36)의 내하중을 넘지 않도록, 케이싱(9) 내부의 영역(5)으로부터 압축기(4)의 흡입측으로의 추기량을 조절하도록 구성된다.
일 실시형태에서는, 컨트롤러(70)는, 스러스트 자기 베어링(36)의 내하중에 안전률을 곱한 허용 스러스트 하중에 스러스트 자기 베어링(36)에서 부담하는 스러스트 하중이 일치하는 추기량이 실현되도록 추기 밸브(26)의 개도 제어를 행한다.
이 경우, 팽창기 일체형 압축기(1)에 스러스트 자기 베어링(36)의 하중을 계측하기 위한 하중 센서를 설치해, 하중 센서로의 계측 결과가 컨트롤러(70)에 송신되도록 해도 된다.
다음에, 도 1 및 도 2를 이용하여 실시형태에 따른 냉동기의 운전 방법을 설명한다.
일 실시형태에 따른 냉동기의 운전 방법은, 도 1에 나타내는 팽창기 일체형 압축기(1)를 구비하는 냉동기의 운전 방법이며, 압축 단계와, 팽창 단계와, 냉각 단계와, 추기 단계를 구비한다.
압축 단계에서 압축기(4)에 의해 냉매를 압축한 후, 팽창 단계에서는, 압축 단계에 있어서 압축된 냉매를 팽창기(6)에 의해 팽창시킨다. 그 후, 냉각 단계에서는, 팽창 단계에 있어서 팽창된 냉매와의 열교환에 의해 냉각 대상물을 냉각한다. 몇 가지 실시형태에서는, 압축 단계 후, 팽창 단계 전에, 압축 단계에서 압축된 냉매를 냉각하는 단계를 설치해도 된다.
추기 단계에서는, 케이싱(9)의 내부 공간 중 압축기(4)와 팽창기(6) 사이의 영역(5)에 연통하도록 설치된 추기 라인(24)을 통해서, 케이싱(9) 내부에 있어서 압축기(4)측으로부터 팽창기(6)측을 향하는 누출 냉매의 적어도 일부를 케이싱(9) 내부의 영역(5)으로부터 케이싱(9)의 외부의 압축기(4)의 흡입측에 접속되는 냉매 순환 라인에(22a)에 추기한다.
추기 단계에 있어서, 누출 냉매의 적어도 일부를 케이싱(9) 내부의 상기 영역(5)으로부터 케이싱(9)의 외부의 압축기(4)의 흡입측에 접속되는 냉매 순환 라인에(22a)에 추기한다. 이에 의해, 팽창기(6)측에 유입되는 고온의 누출 유체가 저감되어, 고온의 누출 유체로부터 팽창기(6)로의 열의 이동이 저감됨으로써, 압축기(4)측으로부터의 누출 유체에 기인한 팽창기(6)의 단열 효율 저하를 개선할 수 있다. 또, 팽창기(6)측에 유입되는 고온의 누출 유체를, 추기 라인(24)을 경유하여 냉매 순환 라인(22)으로 되돌리므로, 누출 유체를 냉각 능력에 영향을 미치지 않고 적절히 처리를 할 수 있다. 따라서, 냉동기(100)의 COP를 개선할 수 있다.
다음에, 도 1 및 도 4를 이용하여 다른 실시형태에 따른 냉동기의 운전 방법을 설명한다.
실시형태에 따른 냉동기의 운전 방법은, 도 1에 나타내는 팽창기 일체형 압축기(1)를 구비하는 냉동기의 운전 방법이며, 압축 단계와, 팽창 단계와, 냉각 단계와, 추기 단계와, 추기량 조절 단계를 구비한다.
압축 단계, 팽창 단계, 냉각 단계 및 추기 단계에 대해서는, 상술한 실시형태에 따른 냉동기의 운전 방법과 동일하므로, 설명을 생략한다.
추기량 조절 단계에서는, 냉동기 COP, 또는, 팽창기(6)의 흡입측과 토출측의 냉매 온도차 중 적어도 한쪽에 의거해, 케이싱(9) 내부의 영역(5)으로부터 압축기(4)의 흡입측으로의 추기량을 조절한다.
몇 가지 실시형태에서는, 냉동기 COP를 산출하기 위한 모터(2)의 동력의 계측은, 모터(2)의 동력(소비 전력)을 계측하기 위한 동력 센서(71)로 행하고, 계측 결과는 컨트롤러(70)에 송신된다.
팽창기(6)의 흡입측 및 토출측의 온도의 계측은, 각각, 냉매 순환 라인(22)의 팽창기(6)의 흡입측에 설치된 온도 센서(72) 및 팽창기(6)의 토출측에 설치된 온도 센서(73)로 행하고, 계측 결과는 컨트롤러(70)에 송신된다. 컨트롤러(70)는, 온도 센서(72) 및 온도 센서(73)로 계측된 온도로부터 팽창기(6)의 흡입측과 토출측의 냉매 온도차를 계산한다.
또, 추기 라인(24)에 설치된 유량 센서(74)에 의해, 상기 영역(5)으로부터 케이싱(9) 외부의 압축기(4)의 흡입측에 접속되는 냉매 순환 라인(22a)에 추기되는 누출 냉매의 추기량이 계측되어, 계측 결과가 컨트롤러(70)에 송신된다.
몇 가지 실시형태에서는, 컨트롤러(70)는, 추기 라인(24)에 있어서의 누출 냉매의 유량, 모터(2)의 동력, 상기 냉동기(100)의 COP 또는 팽창기(6)의 흡입측과 토출측의 냉매 온도차 등의 계측에 의거해, 케이싱(9) 내부의 영역(5)으로부터 압축기(4)의 흡입측으로의 추기량을 조절하도록 구성된다.
일 실시형태에서는, 컨트롤러(70)는, 목표 냉동기 COP 또는 팽창기(6)의 흡입측과 토출측의 온도차 중 적어도 한쪽을 포함하는 냉동기(100)의 운전 조건을 나타내는 정보가 기억된 메모리를 구비하고, 동력 센서(71) 또는 온도 센서(72, 73) 중 적어도 한쪽의 검출 결과에 의거해 상기 운전 조건이 실현되도록 추기 밸브(26)의 개도를 제어하여 추기량을 조절한다. 또한, 컨트롤러(70)는, 메모리에 기억된 냉동기(100)의 운전 조건을 나타내는 정보와, 동력 센서(71) 또는 온도 센서(72, 73) 중 적어도 한쪽의 검출 결과의 편차에 의거해 추기 밸브(26)의 개도 지령치를 결정해도 된다. 이 경우, 컨트롤러(70)는, 추기 밸브(26)의 개도 지령치를 결정하기 위한 제어기로서, 예를 들면 P 제어기, PI 제어기, PID 제어기 등을 포함하고 있어도 된다. 또, COP가 최대가 되는 냉동기(100)의 운전 조건은, 냉각부(16)에 있어서의 냉각 부하에 따라서 변화해도 된다. 이 경우, 컨트롤러(70)는, 냉각부(16)에 있어서의 냉각 부하에 따른 운전 조건이 실현되도록, 동력 센서(71) 또는 온도 센서(72, 73) 중 적어도 한쪽의 검출 결과에 의거해 추기량을 조절해도 된다.
다른 실시형태에서는, 컨트롤러(70)는, 목표 냉동기 COP 또는 팽창기(6)의 흡입측과 토출측의 온도차의 최대치 중 적어도 한쪽을 나타내는 정보가 기억된 메모리를 구비하고, 측정 냉동기 COP 또는 온도 센서(72, 73) 중 적어도 한쪽의 검출 결과가 목표 냉동기 COP 또는 팽창기(6)의 흡입측과 토출측의 온도차의 최대치에 가까워지도록, 추기 밸브(26)의 개도를 제어하여 추기량을 조절한다. 또한, 컨트롤러(70)는, 메모리에 기억된 목표 냉동기 COP 또는 팽창기(6)의 흡입측과 토출측의 온도차의 최대치를 나타내는 정보와, 동력 센서(71) 또는 온도 센서(72, 73) 중 적어도 한쪽의 검출 결과의 편차에 의거해 추기 밸브(26)의 개도 지령치를 결정해도 된다. 이 경우, 컨트롤러(70)는, 추기 밸브(26)의 개도 지령치를 결정하기 위한 제어기로서, 예를 들면 P 제어기, PI 제어기, PID 제어기 등을 포함하고 있어도 된다.
다른 실시형태에서는, 컨트롤러(70)는, 스러스트 자기 베어링(36)이 부담하는 스러스트 하중이 스러스트 자기 베어링(36)의 내하중을 넘지 않도록, 케이싱(9) 내부의 영역(5)으로부터 압축기(4)의 흡입측으로의 추기량을 조절하도록 구성된다.
일 실시형태에서는, 컨트롤러(70)는, 스러스트 자기 베어링(36)의 내하중에 안전률을 곱한 허용 스러스트 하중에 스러스트 자기 베어링(36)에서 부담하는 스러스트 하중이 일치하는 추기량이 실현되도록 추기 밸브(26)의 개도 제어를 행한다.
이 경우, 팽창기 일체형 압축기(1)에 스러스트 자기 베어링(36)의 하중을 계측하기 위한 하중 센서를 설치하고, 하중 센서에서의 계측 결과가 컨트롤러(70)에 송신되도록 해도 된다.
또, 추기량 조절 단계에서의 추기량의 조절은, 컨트롤러를 통하지 않고, 수동으로 행해도 된다.
몇 가지 실시형태에서는, 추기 라인(24)에 있어서의 누출 냉매의 유량, 모터(2)의 동력, 상기 냉동기(100)의 COP 또는 팽창기(6)의 흡입측과 토출측의 냉매 온도차 등의 계측에 의거해, 케이싱(9) 내부의 영역(5)으로부터 압축기(4)의 흡입측으로의 추기량을 조절한다.
일 실시형태에서는, COP가 최대가 되는 목표 냉동기 COP 또는 팽창기(6)의 흡입측과 토출측의 온도차 중 적어도 한쪽을 포함하는 냉동기(100)의 운전 조건을 나타내는 정보의 기록을 준비해두고, 이 기록 및 측정 냉동기 COP 또는 온도 센서(72, 73) 중 적어도 한쪽의 검출 결과에 의거해 상기 운전 조건이 실현되도록 추기 밸브(26)의 개도를 제어하여 추기량을 조절한다.
또, COP가 최대가 되는 냉동기(100)의 운전 조건은, 냉각부(16)에 있어서의 냉각 부하에 따라서 변화해도 된다. 이 경우, 냉각부(16)에 있어서의 냉각 부하에 따른 운전 조건이 실현되도록, 측정 냉동기 COP 또는 온도 센서(72, 73) 중 적어도 한쪽의 검출 결과에 의거해 추기량을 조절해도 된다.
다른 실시형태에서는, 목표 냉동기 COP 또는 팽창기(6)의 흡입측과 토출측의 온도차의 최대치 중 적어도 한쪽을 나타내는 정보의 기록을 준비해두고, 측정 냉동기 COP 또는 온도 센서(72, 73) 중 적어도 한쪽의 검출 결과가 목표 냉동기 COP 또는 팽창기(6)의 흡입측과 토출측의 온도차의 최대치에 가까워지도록, 추기 밸브(26)의 개도를 제어하여 추기량을 조절한다. 또한, 기록되어 있는 목표 냉동기 COP 또는 팽창기(6)의 흡입측과 토출측의 온도차의 최대치를 나타내는 정보와, 측정 냉동기 COP 또는 온도 센서(72, 73) 중 적어도 한쪽의 검출 결과의 편차에 의거해 추기 밸브(26)의 개도 지령치를 결정해도 된다.
다른 실시형태에서는, 스러스트 자기 베어링(36)이 부담하는 스러스트 하중이 스러스트 자기 베어링(36)의 내하중을 넘지 않도록, 케이싱(9) 내부의 영역(5)으로부터 압축기(4)의 흡입측으로의 추기량을 조절한다.
일 실시형태에서는, 스러스트 자기 베어링(36)의 내하중에 안전율을 곱한 허용 스러스트 하중에 스러스트 자기 베어링(36)에서 부담하는 스러스트 하중이 일치하는 추기량이 실현되도록 추기 밸브(26)의 개도 제어를 행한다.
다음에, 일 실시형태에 따른 냉동기에 의한 COP 개선 효과에 대해서, 도 5~도 7을 이용하여 설명한다.
도 5는 일 실시형태에 따른 냉동기와 비교예의 냉동기의 팽창기 단열 효율비의 비교를 나타내는 그래프이며, 도 6은 일 실시형태에 따른 냉동기와 비교예의 냉동기의 냉동 능력비의 비교를 나타내는 그래프이며, 도 7은 일 실시형태에 따른 냉동기와 비교예의 냉동기의 COP비의 비교를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 실시형태인 냉동기(100)에 의한 COP의 개선 효과를 확인하기 위해서, 추기 라인(24) 및 추기 밸브(26)를 설치한 도 2에 나타내는 냉동기(100)를 이용하여, 각종 측정을 행했다. 또한, 냉매로는 네온을 이용했다.
비교예의 냉동기로는, 추기 라인(24) 및 추기 밸브(26)를 설치하지 않는 이외에는 도 2에 나타내는 냉동기(100)와 동일한 구성의 냉동기를 이용했다.
도 2에 나타내는 냉동기(100) 및 상기 비교예의 냉동기를 구축하고, 압축기(4)의 흡입측 압력을 변화시켜, 모터(2)의 동력, 팽창기(6)의 흡입측 및 토출측온도 등의 측정을 행하고, 팽창기 단열 효율, 냉동 능력, COP를 취득했다. 각각 결과를 도 5~도 7에 나타냈다. 또한, 도 5~도 7의 팽창기 단열 효율비, 냉동 능력비, COP비는, 각각, "추기 없음"으로 측정한 결과를 1로 했을 때의 비를 나타낸다. 또, 도 5~도 7의 "압축기 입구 압력(비율 표시)"의 기준 압력(압축기 입구 압력=1)은, 120kPa이다.
도 5에 나타나 있는 바와 같이, 냉동기(100)("추기 있음")에서는, 측정한 압축기(4)의 흡입측 압력 범위에서 팽창기 단열 효율이 개선되고, 비교예의 냉동기("추기 없음")의 팽창기 단열 효율을 기준으로 하여, 냉동기(100)에서는, 약 18% 개선되었다. 또, 도 6에 나타나 있는 바와 같이, 냉동 능력에 대해서는 비교예를 기준으로 하여 냉동기(100)에서는 약 28% 개선되었다. 또, 도 7에 나타나 있는 바와 같이, COP(압축 동력 기준)에 대해서도 비교예를 기준으로 하여 냉동기(100)에서는 약 37% 개선되는 것을 알았다.
이 결과로부터, 추기 라인(24) 및 추기 밸브(26)를 설치하지 않은 비교예의 냉동기에 비해, 추기 라인(24) 및 추기 밸브(26)를 설치한 냉동기(100)에서는, COP가 큰 폭으로 개선되는 것이 나타났다.
1: 팽창기 일체형 압축기 2: 모터
3: 출력축 4: 압축기
5: 영역 6: 팽창기
9: 케이싱 12: 열교환기
14: 냉열 회수 열교환기 16: 냉각부
18: 추기 압축기 22: 냉매 순환 라인
24: 추기 라인 26: 추기 밸브
32: 래디얼 자기 베어링 34: 래디얼 자기 베어링
36: 스러스트 자기 베어링 37: 액시얼 로터 디스크
70: 컨트롤러 71: 동력계
72: 온도계 73: 온도계
74: 유량계 100: 냉동기

Claims (6)

  1. 모터와,
    상기 모터의 출력축에 접속되고, 상기 모터에 의해서 구동되어 유체를 압축하도록 구성된 압축기와,
    상기 모터의 상기 출력축에 접속되고, 상기 유체를 팽창시켜 상기 유체로부터 상기 출력축의 동력을 회수하도록 구성된 팽창기와,
    상기 압축기와 상기 팽창기 사이에 배치되고, 상기 출력축을 비접촉으로 지지하기 위한 적어도 1개의 비접촉형 베어링과,
    상기 모터, 상기 압축기, 상기 팽창기 및 상기 적어도 1개의 비접촉형 베어링을 수용하는 케이싱과,
    상기 케이싱의 내부 공간 중 상기 압축기와 상기 팽창기 사이의 영역에 연통하도록 설치되고, 상기 케이싱 내부에 있어서 상기 압축기측으로부터 상기 팽창기측을 향하는 누출 유체의 적어도 일부를 상기 영역으로부터 상기 케이싱의 외부의 상기 압축기의 흡입측 또는 토출측에 접속되는 유체 라인에 추기(抽氣)하기 위한 추기 라인과,
    상기 추기 라인에 설치되고, 상기 누출 유체의 추기량을 조절하기 위한 추기 밸브와,
    상기 추기 밸브를 제어하기 위한 컨트롤러를 구비한 팽창기 일체형 압축기로서,
    상기 케이싱은, 상기 영역과 상기 케이싱의 외부 사이의 유체의 흐름이 상기 추기 라인을 통한 상기 누출 유체의 적어도 일부의 흐름만이 되도록, 상기 영역을 상기 케이싱의 외부로부터 밀폐하도록 구성되고,
    상기 컨트롤러는, 상기 팽창기 일체형 압축기를 포함한 냉동기의 COP, 또는, 상기 팽창기의 흡입측과 토출측의 상기 유체의 온도차 중 적어도 한쪽에 의거해, 상기 추기 밸브의 개도를 제어하도록 구성된 팽창기 일체형 압축기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 압축기와는 상이한 적어도 1개의 제2 압축기를 더 구비하고,
    상기 제2 압축기는 상기 모터의 상기 출력축에 접속되는, 팽창기 일체형 압축기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 압축기와는 상이한 적어도 1개의 제2 압축기를 더 구비하고,
    상기 제2 압축기는 상기 모터와는 다른 제2 출력축에 접속되는, 팽창기 일체형 압축기.
  4. 냉각 대상물을 냉매와의 열교환에 의해 냉각하기 위한 냉각부와,
    상기 냉매를 압축하기 위한 압축기, 및, 상기 냉매를 팽창시키기 위한 팽창기가 일체화된 팽창기 일체형 압축기와,
    상기 압축기, 상기 팽창기 및 상기 냉각부를 통해 상기 냉매를 순환시키도록 구성된 냉매 순환 라인을 구비하는 냉동기로서,
    상기 팽창기 일체형 압축기는,
    모터와,
    상기 모터의 출력축에 접속되고, 상기 모터에 의해서 구동되어 상기 냉매를 압축하도록 구성된 상기 압축기와,
    상기 모터의 상기 출력축에 접속되고, 상기 냉매를 팽창시켜 상기 냉매로부터 상기 출력축의 동력을 회수하도록 구성된 상기 팽창기와,
    상기 압축기와 상기 팽창기 사이에 배치되고, 상기 출력축을 비접촉으로 지지하기 위한 적어도 하나의 비접촉형 베어링과,
    상기 모터, 상기 압축기, 상기 팽창기 및 상기 적어도 1개의 비접촉형 베어링을 수용하는 케이싱과,
    상기 케이싱의 내부 공간 중 상기 압축기와 상기 팽창기 사이의 영역에 연통하도록 설치되고, 상기 케이싱 내부에 있어서 상기 압축기측으로부터 상기 팽창기측을 향하는 누출 냉매의 적어도 일부를 상기 영역으로부터 상기 케이싱의 외부의 상기 압축기의 흡입측 또는 토출측에 접속되는 냉매 순환 라인에 추기하기 위한 추기 라인과,
    상기 추기 라인에 설치되고, 상기 누출 냉매의 추기량을 조절하기 위한 추기 밸브와,
    상기 추기 밸브를 제어하기 위한 컨트롤러를 구비하고,
    상기 케이싱은, 상기 영역과 상기 케이싱의 외부 사이의 유체의 흐름이 상기 추기 라인을 통한 상기 누출 냉매의 적어도 일부의 흐름만이 되도록, 상기 영역을 상기 케이싱의 외부로부터 밀폐하도록 구성되고,
    상기 컨트롤러는, 상기 냉동기의 COP, 또는, 상기 팽창기의 흡입측과 토출측의 냉매 온도차 중 적어도 한쪽에 의거해, 상기 추기 밸브의 개도를 제어하도록 구성된 냉동기.
  5. 모터와, 상기 모터의 출력축에 접속되는 압축기와, 상기 모터의 상기 출력축에 접속되는 팽창기와, 상기 압축기와 상기 팽창기 사이에 배치되고, 상기 출력축을 비접촉으로 지지하기 위한 적어도 1개의 비접촉형 베어링과, 상기 모터, 상기 압축기, 상기 팽창기 및 상기 적어도 1개의 비접촉형 베어링을 수용하는 케이싱과, 상기 케이싱의 내부 공간 중 상기 압축기와 상기 팽창기 사이의 영역에 연통하도록 설치된 추기 라인을 포함하는 팽창기 일체형 압축기를 구비하는 냉동기의 운전 방법으로서,
    상기 압축기에 의해 냉매를 압축하는 압축 단계와,
    상기 압축 단계에 있어서 압축된 상기 냉매를 상기 팽창기에 의해 팽창시키는 팽창 단계와,
    상기 팽창 단계에 있어서 팽창된 상기 냉매와의 열교환에 의해 냉각 대상물을 냉각하는 냉각 단계와,
    상기 케이싱의 외부로부터 상기 영역으로의 유체의 유입이 없도록, 상기 영역이 상기 케이싱의 외부로부터 밀폐된 상태로, 상기 추기 라인을 통해서, 상기 케이싱 내부에 있어서 상기 압축기측으로부터 상기 팽창기측을 향하는 누출 냉매의 적어도 일부를, 상기 영역과 상기 케이싱의 외부 사이의 유체의 흐름이, 상기 추기 라인을 통해 상기 케이싱의 외부를 향하는 상기 누출 냉매의 적어도 일부의 흐름만이 되도록, 상기 케이싱 내부의 상기 영역으로부터 상기 케이싱의 외부의 상기 압축기의 흡입측 또는 토출측에 접속되는 냉매 순환 라인에 추기하는 추기 단계와,
    상기 냉동기의 COP, 또는, 상기 팽창기의 흡입측과 토출측의 냉매 온도차 중 적어도 한쪽에 의거해, 상기 케이싱 내부의 상기 영역으로부터 상기 압축기의 흡입측으로의 추기량을 조절하는 추기량 조절 단계를 구비하는, 냉동기의 운전 방법.
  6. 삭제
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