WO2019074108A1 - ターボ冷凍機及びその起動制御方法 - Google Patents

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oil
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良枝 栂野
上田　憲治
長谷川　泰士
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三菱重工サーマルシステムズ株式会社
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    • Y02B30/70—Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Definitions

  • the present invention relates to a turbo refrigerator provided with an oil tank for storing lubricating oil to be supplied to a turbo compressor, and a start control method thereof.
  • a turbo refrigerator generally includes an oil tank in which lubricating oil to be supplied to a turbo compressor is stored.
  • the oil tank is, for example, pressure-equalized with the low pressure side (evaporator side) of the turbo refrigerator, so the pressure in the oil tank changes depending on the operating condition of the refrigerator.
  • Low pressure refrigerants generally have a lower gas density than high pressure refrigerants. Therefore, in a refrigerator using a low-pressure refrigerant, when the refrigerant of the same mass dissolved in the lubricating oil in the oil tank is reduced in pressure and evaporated, compared to a refrigerant machine using a high-pressure refrigerant, The volume is increased, and it is easy to cause forming to cause foaming in the lubricating oil of the oil tank. In particular, at the time of start-up where the pressure decrease speed on the low pressure side is large, forming is likely to occur in the lubricating oil in the oil tank.
  • Patent Document 1 when the compressor is started, the opening degree of the suction capacity control unit is started with an opening smaller than the target opening, and then the target opening is quickly opened, so that the opening is less than the target opening. It is disclosed to suppress the occurrence of forming by suppressing the pressure drop on the downstream side of the suction capacity control unit by shortening a certain operation time as much as possible to reduce the passage resistance of the refrigerant.
  • the lubricating oil in the oil tank When forming occurs, the lubricating oil in the oil tank is pushed up, the lubricating oil may enter the evaporator through the pressure equalizing pipe, and the evaporator performance may be degraded.
  • the refrigerant gas bites into the oil pump, and a predetermined amount of oil can not be supplied to the compressor bearing, and the possibility of damage to the compressor increases.
  • the disclosure as one aspect of the present invention aims to provide a turbo refrigerator that can reduce the influence on a compressor due to the occurrence of forming in an oil tank and a start control method thereof.
  • a compressor for compressing a refrigerant, a condenser for condensing the refrigerant compressed by the compressor, an expansion valve for expanding a liquid refrigerant introduced from the condenser, and the expansion valve
  • An evaporator for evaporating the refrigerant expanded by the control unit an oil tank for storing lubricating oil supplied to the compressor, an oil pump for supplying lubricating oil for the oil tank to the compressor, and the oil pump
  • the control unit activates the oil pump before activating the compressor, and when the reference period has elapsed since the activation of the oil pump, the pressure on the inlet side of the compressor and the oil tank
  • the oil pressure differential which is a differential pressure with the pressure satisfies the compressor start condition, the compressor is started, and when the compressor start condition is not satisfied, the compressor is not started,
  • the oil pump Rolling a turbo refrigerator for a predetermined period extended.
  • the oil pump is started prior to the start of the compressor, and when the oil supply differential pressure satisfies the compressor start condition when the reference period has elapsed since the start of the oil pump, the compressor Start up
  • the oil supply differential pressure does not satisfy the compressor start condition
  • the oil pump is continuously operated without stopping the oil pump, so the oil of the oil tank can be continuously circulated to the compressor. The bubbles of the refrigerant gas appearing in the oil can be subsequently eliminated.
  • the oil pump can be stopped temporarily when the reference period has elapsed, and oil in the oil tank can be efficiently stirred compared with the case of retrying to restart again, and the compressor can be started earlier. Is possible. Furthermore, in the case of retrying, it is necessary to calculate an appropriate on / off interval of the oil pump according to the generation state of forming etc. However, according to the above turbo refrigerator, it is not necessary to calculate on / off intervals .
  • the compressor may be activated when the oil supply differential pressure satisfies the compressor start condition during an extension operation period in which the oil pump is operated for extension.
  • the compressor can be started at the time when the refueling differential pressure satisfies the compressor start condition, without waiting for the extension operation period to end during the extension operation period.
  • the control unit reports an abnormality without starting the compressor when the oil supply differential pressure does not satisfy the compressor start condition even after the extension operation period has elapsed. You may do it.
  • control unit may set or adjust the extended operation period based on at least one of a pressure in the turbo refrigerator and a housing temperature of a condenser.
  • the extended operation period is set or adjusted based on at least one of the pressure in the turbo refrigerator and the housing temperature of the condenser, so an appropriate extended operation period according to the occurrence of forming Can be used.
  • control unit may set or adjust the reference period based on at least one of a pressure in the turbo refrigerator and a housing temperature of the condenser.
  • the reference period is set or adjusted based on at least one of the pressure in the turbo refrigerator and the casing temperature of the condenser, and therefore, an appropriate reference period depending on the occurrence of forming is used. be able to.
  • a compressor for compressing a refrigerant, a condenser for condensing the refrigerant compressed by the compressor, an expansion valve for expanding a liquid refrigerant introduced from the condenser, and the expansion valve Start-up of a turbo refrigerator comprising: an evaporator for evaporating refrigerant expanded by the oil tank; an oil tank for storing lubricating oil supplied to the compressor; and an oil pump for supplying lubricating oil for the oil tank to the compressor
  • the oil pump is activated before activating the compressor, and a differential pressure between the pressure on the inlet side of the compressor and the pressure of the oil tank when a reference period has elapsed since the activation of the oil pump.
  • the oil supply differential pressure satisfies the compressor start condition, the compressor is started, and when the compressor start condition is not satisfied, the oil pump is operated without starting the compressor.
  • Predetermined period A startup control method of the turbo chiller to length.
  • FIG. 1 is a schematic configuration view showing a turbo refrigerator according to an embodiment of the present invention. It is a figure showing typically the composition of the oil tank concerning one embodiment of the present invention. It is a figure showing the flow chart of starting control of the turbo refrigerator concerning one embodiment of the present invention. It is a figure which illustrated the starting timing of the compressor to the behavior of oil supply differential pressure after starting of an oil pump.
  • FIG. 1 is a schematic configuration view showing a turbo refrigerator according to an embodiment of the present invention.
  • the turbo refrigerator 1 is led from a compressor 3 for compressing a refrigerant, a condenser 5 for condensing a high-temperature high-pressure gas refrigerant compressed by the compressor 3, and a condenser 5
  • the expansion valve 7 which expands liquid refrigerant, the evaporator 9 which evaporates the liquid refrigerant expanded by the expansion valve 7, and the control part 10 which controls the turbo refrigerator 1 are provided.
  • a low pressure refrigerant such as HFO-1233zd (E) is used as the refrigerant.
  • the compressor 3 is, for example, a turbo compressor, and a centrifugal compressor is used as an example.
  • the compressor 3 is driven by a motor 11 whose rotational speed is controlled by an inverter.
  • the control unit 10 controls the output of the inverter.
  • an inlet guide vane (hereinafter referred to as “IGV”) 13 for controlling the flow rate of the suctioned refrigerant is provided, and capacity control of the turbo refrigerator 1 is possible.
  • the control of the opening degree of the IGV 13 is performed by the control unit 10.
  • the compressor 3 includes an impeller 3a that rotates around a rotation axis 3b.
  • the rotational power is transmitted to the rotating shaft 3 b from the motor 11 via the speed increasing gear 15.
  • the rotating shaft 3b is supported by a bearing 3c.
  • the condenser 5 is a heat exchanger such as a shell and tube type or a plate type.
  • the condenser 5 is supplied with cooling water for cooling the refrigerant.
  • the cooling water led to the condenser 5 is led to the condenser 5 again after being exhausted to the outside in a cooling tower or an air heat exchanger (not shown).
  • the expansion valve 7 is electrically operated, and an opening degree is set by the control unit 10.
  • the evaporator 9 is a heat exchanger such as a shell and tube type or a plate type. Cold water supplied to an external load (not shown) is led to the evaporator 9. The cold water is cooled to a rated temperature (for example, 7 ° C.) by heat exchange with the refrigerant in the evaporator 9 and sent to an external load.
  • a rated temperature for example, 7 ° C.
  • the lubricating oil is supplied from the oil tank 17 to the bearing 3 c of the compressor 3 and the speed increasing gear 15.
  • As the lubricating oil for example, a mineral oil of viscosity grade 100 is used.
  • An oil pump 20 (see FIG. 2) is provided in the oil tank 17, whereby lubricating oil is supplied via an oil supply pipe 19 at a predetermined flow rate.
  • the lubricating oil that has been lubricated in the compressor 3 is returned to the oil tank 17 via the oil return pipe 21.
  • a pressure equalizing pipe 23 communicating therebetween is provided, and the pressure in the oil tank 17 and the pressure in the evaporator 9 are equalized. There is. By thus reducing the pressure in the oil tank 17, the amount of refrigerant dissolved in the lubricating oil is kept low.
  • the oil tank 17 is provided with a pressure sensor 25 and a temperature sensor 27.
  • the pressure in the oil tank 17 measured by the pressure sensor 25 and the temperature in the oil tank 17 (specifically, the lubricating oil temperature) measured by the temperature sensor 27 are transmitted to the control unit 10.
  • the control unit 10 is configured to include, for example, a central processing unit (CPU), a random access memory (RAM), a read only memory (ROM), a computer readable storage medium, and the like.
  • CPU central processing unit
  • RAM random access memory
  • ROM read only memory
  • a series of processes for the control unit 10 to realize various functions are, for example, stored in a storage medium or the like in the form of a program (for example, start control program), and the CPU reads this program into a RAM or the like.
  • Various functions are realized by executing information processing / calculation processing.
  • the program may be installed in advance in a ROM or other storage medium, may be provided as stored in a computer-readable storage medium, or may be distributed via a wired or wireless communication means. Etc. may be applied.
  • the computer readable storage medium is a magnetic disk, a magneto-optical disk, a CD-ROM, a DVD-ROM, a semiconductor memory or the like.
  • FIG. 2 is a view schematically showing the configuration of the oil tank 17.
  • an oil heater 31 for heating lubricating oil stored in the oil tank 17 is provided in the oil tank 17.
  • On / off of the oil heater 31 is controlled by the control unit 10 based on the temperature measured by the temperature sensor 27 so that the lubricating oil in the oil tank has a substantially constant temperature.
  • the condenser 5 is disposed on the upper surface of the oil tank 17, and the heat of the oil tank 17 is dissipated to the housing side of the condenser 5.
  • the oil heater 31 is provided, for example, at a position spaced apart from the bottom surface of the oil tank 17 by a predetermined distance. By providing the oil heater 31 at such a position, lubricating oil having a relatively low temperature stays in the area below the installation position of the oil heater 31, and the oil heater 31 is located above the installation position of the oil heater 31. A relatively high temperature lubricating oil will stay in the region. Such a temperature distribution of lubricating oil will appear each time the oil heater 31 starts and stops.
  • the start control of the turbo refrigerator 1 starts the oil pump 20 prior to the start of the compressor 3 and stirs the lubricating oil, thereby defoaming the bubbles of the refrigerant gas appearing in the lubricating oil.
  • An object of the present invention is to reduce the influence of forming on the compressor 3 after the start of the compressor.
  • FIG. 3 is a diagram showing a flowchart of start control of the turbo refrigerator according to the present embodiment.
  • the oil pump 20 is started alone before the start of the compressor 3 (step SA1), and in this state, a standby state is set until a preset reference period Tas elapses.
  • Step SA2 When the oil pump 20 is started, the lubricating oil in the oil tank 17 is sucked by the oil pump 20 and is supplied to the stopped compressor 3 via the oil supply pipe 19. Furthermore, the lubricating oil is returned from the compressor 3 in stoppage to the oil tank 17 through the oil return pipe 21 again.
  • the circulation of the lubricating oil makes it possible to extinguish the bubbles of the refrigerant gas appearing in the lubricating oil.
  • the reference period Tas is set to be longer than, for example, the time required for all the lubricating oil stored in the oil tank 17 to be sucked by the oil pump 20 and returned to the oil tank 17 again via the compressor 3 Is preferred.
  • the lubricating oil stored in the oil tank 17 can be agitated to make the temperature distribution uniform. As a result, it is possible to suppress the occurrence of forming after that.
  • the refueling differential pressure P is a differential pressure between the pressure on the inlet side of the compressor 3 and the pressure of the oil tank 17 (in other words, the evaporator pressure).
  • the pressure on the inlet side of the compressor 3 is measured by, for example, a pressure sensor (not shown) provided on the suction side of the compressor 3.
  • the pressure measured by the pressure sensor 25 is used as the pressure of the oil tank 17, for example.
  • the refueling differential pressure P is calculated using the value measured by the pressure sensor.
  • the oil pump 20 is in a gas entrapment state, and the refueling differential pressure P does not reach the specified pressure Po.
  • the refueling differential pressure P has reached the specified pressure Po, it can be determined whether or not the bubbles of the refrigerant gas appear in the lubricating oil.
  • a state in which the refueling differential pressure P is equal to or more than a specified pressure Po set in advance continues for a predetermined period To or more.
  • the predetermined period To is set to a period shorter than the reference period Tas.
  • step SA3 If the determination result in step SA3 is positive, the compressor 3 is started (step SA4). On the other hand, when the determination result in step SA3 is a negative determination, there is a possibility that forming is occurring in the lubricating oil, so the operation of the oil pump 20 is extended for a predetermined period. Subsequently, it is determined whether the extension operation period Tbs has elapsed (step SA5).
  • the extension operation period Tbs is set, for example, to a period in which there is no risk that the lubricating oil may intrude into the evaporator. If the oil pump 20 is operated alone for a long time, the lubricating oil may intrude into the evaporator 9.
  • the lubricating oil adheres to the heat transfer surface and the heat exchange performance is lowered. It is because.
  • the extended operation period Tbs is set to the same time as the reference period Tas, but can be set as appropriate within a range that does not affect other components by long-term single operation of the oil pump 20. .
  • step SA5 the process returns to step SA3, and it is determined again whether or not the refueling differential pressure P satisfies the compressor start condition. Then, if the refueling differential pressure P satisfies the compressor start condition before the extension operation period Tbs elapses, the process proceeds from step SA3 to step SA4, and the compressor 3 is started. That is, during the extended operation period Tbs, unlike the above-described reference period Tas, the compressor 3 is started when the oil pressure differential pressure P satisfies the compressor start condition without waiting for the extended operation period to end. The Rukoto. On the other hand, if the oil supply differential pressure P does not satisfy the compressor start condition before the extension operation period Tbs elapses, the oil pump 20 is stopped (step SA6), and the failure notification is performed without starting the compressor 3. Perform (step SA7).
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the start timing of the compressor 3 with respect to the behavior of the oil supply differential pressure P after the start of the oil pump 20.
  • the behavior A shown in FIG. 4 before the reference period Tas elapses from the start of the oil pump 20 (time T0), the state where the refueling differential pressure P is already equal to or higher than the specified pressure Po is maintained. Therefore, when the reference period Tas has elapsed (time T1), the compressor 3 is promptly activated.
  • the oil pump 20 is started prior to the start of the compressor 3, and the reference period Tas elapses from the start of the oil pump 20.
  • the compressor 3 is started.
  • the oil supply differential pressure P does not satisfy the compressor start condition
  • the operation of the oil pump 20 is extended without starting the compressor 3.
  • the compressor start condition is not satisfied when the reference period Tas elapses
  • the oil pump 20 is continuously operated without stopping the oil pump 20.
  • the lubricating oil of the oil tank 17 is continued to the compressor 3 It can be circulated, and the bubbles of the refrigerant gas appearing in the lubricating oil can be subsequently eliminated.
  • the lubricating oil in the oil tank 17 can be efficiently stirred as compared with the case of retrying in which the oil pump 20 is temporarily stopped and re-started again when the reference period Tas elapses. It is possible to start early. Furthermore, in the case of a retry, it is necessary to calculate an appropriate start / stop interval of the oil pump 20 according to the generation state of the forming etc. However, according to the turbo refrigerator and the starting method thereof according to the present embodiment, There is no need to calculate the start and stop intervals.
  • the compressor 3 since the compressor 3 is rapidly activated when the oil supply differential pressure P satisfies the compressor start condition, in the case where the start of the compressor 3 is waited until the extension operation period Tbs ends. As compared with the above, the compressor 3 can be started earlier.
  • the reference period Tas and the extended operation period Tbs are described as the preset fixed period, but at least one of the reference period Tas and the extended operation period Tbs is the housing temperature of the condenser 5 and The length may be adjusted based on at least one of the pressure in the refrigerator. In addition, it may be set each time based on at least one of the housing temperature of the condenser 5 and the pressure in the refrigerator.
  • the lower the casing temperature of the condenser 5 in other words, the lower the ambient temperature, the greater the heat radiation from the oil tank 17 to the condenser 5 and the lower the oil temperature at the bottom of the oil tank 17 and the appearance of refrigerant gas Mass increases. Therefore, the reference period Tas and the extension operation period Tbs may be extended as the casing temperature of the condenser 5 is lower. Also, the lower the pressure in the refrigerator, the larger the specific volume of the refrigerant gas. Therefore, the reference period Tas and the extension operation period Tbs may be extended as the pressure in the refrigerator is lower.
  • HFO-1233zd (E) is described as an example of the low pressure refrigerant, but the present invention can be applied to other low pressure refrigerants, and there is a risk of forming in the oil tank.
  • the present invention can also be applied to a high pressure refrigerant.

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Abstract

油タンク内のフォーミング発生による圧縮機への影響を低減させることを目的とする。油ポンプを制御する制御部は、圧縮機を起動させる前に油ポンプを起動させ（ＳＡ１）、油ポンプの起動から基準期間Ｔａｓ経過時において給油差圧Ｐが圧縮機起動条件を満たしている場合に（ＳＡ３において「ＹＥＳ」）、圧縮機を起動させ（ＳＡ４）、圧縮機起動条件を満たしていない場合に（ＳＡ３において「ＮＯ」）、圧縮機を起動させることなく、油ポンプの運転を所定期間延長させる（ステップＳＡ５）。

Description

ターボ冷凍機及びその起動制御方法
　本発明は、ターボ圧縮機に供給する潤滑油を貯留する油タンクを備えたターボ冷凍機及びその起動制御方法に関するものである。
　従来、ターボ冷凍機に使用しているＨＦＣ冷媒は、ＧＷＰ（Global　Warming　Potential：地球温暖化係数）が数百～数千であり、環境への配慮からＧＷＰが１桁のＨＦＯ冷媒への転換が必要である。これに対応するため、ＨＦＯ－１２３３ｚｄ（Ｅ）といった低圧冷媒をチラー用冷媒とすることがある。
　ターボ冷凍機は、一般に、ターボ圧縮機に供給する潤滑油が貯留された油タンクを備えている。油タンクは、例えば、ターボ冷凍機の低圧側（蒸発器側）と均圧しているため、冷凍機の運転状態により油タンク内の圧力が変化する。低圧冷媒は、一般的に高圧冷媒よりガス密度が小さい。そのため、低圧冷媒を用いた冷凍機では、油タンク内の潤滑油に溶け込んでいた同質量の冷媒が圧力低下して蒸発した場合、高圧冷媒を用いた冷媒機と比較して、蒸発する冷媒の体積が大きくなり、油タンクの潤滑油に泡立ちが生じるフォーミングが発生しやすくなる。特に、低圧側の圧力低下速度が大きい起動時は、油タンク内の潤滑油にフォーミングが発生しやすい。
　特許文献１には、圧縮機を起動させるときに、吸入容量制御部の開度を目標開度よりも小さな開度で起動した後、速やかに目標開度まで開けることで、目標開度未満である運転時間をできるだけ短くして冷媒の通過抵抗を小さくし、吸入容量制御部の下流側の圧力低下を抑制することによってフォーミングの発生を抑えることが開示されている。
特開２００９－１８６０３０号公報
　フォーミングが発生すると、油タンク内の潤滑油が押し上げられ、均圧管を通じて蒸発器に潤滑油が進入し、蒸発器性能が低下するおそれがある。また、フォーミングが発生すると、油ポンプに冷媒ガスが噛みこんでしまい、圧縮機軸受けに所定の給油量を供給することができず、圧縮機損傷の可能性が高まる。
　本発明の一態様としての開示は、油タンク内のフォーミング発生による圧縮機への影響を低減させることのできるターボ冷凍機及びその起動制御方法を提供することを目的とする。
　本発明の第一態様は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器から導かれた液冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記圧縮機に供給する潤滑油を貯留する油タンクと、前記油タンクの潤滑油を前記圧縮機に供給する油ポンプと、前記油ポンプを制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記圧縮機を起動させる前に前記油ポンプを起動させ、前記油ポンプの起動から基準期間経過時において、前記圧縮機の入口側圧力と前記油タンクの圧力との差圧である給油差圧が圧縮機起動条件を満たしている場合に、前記圧縮機を起動させ、前記圧縮機起動条件を満たしていない場合に、前記圧縮機を起動させることなく、前記油ポンプの運転を所定期間延長させるターボ冷凍機である。
　上記ターボ冷凍機によれば、圧縮機の起動に先駆けて油ポンプを起動させ、油ポンプの起動から基準期間経過時において、給油差圧が圧縮機起動条件を満たしている場合には、圧縮機を起動させる。一方、給油差圧が圧縮機起動条件を満たしていない場合には、圧縮機を起動させることなく、油ポンプの運転を更に継続して行わせる。このように、基準期間経過時において圧縮機起動条件を満たしていない場合には、油ポンプを止めることなく継続して運転させるので、油タンクの油を継続して圧縮機に循環させることができ、油に出現している冷媒ガスの泡を引き続き消滅させることができる。これにより、例えば、基準期間経過時に油ポンプを一旦停止させ、再度リスタートさせるリトライの場合に比べて、油タンク内の油を効率的に攪拌することができ、圧縮機を早期に起動させることが可能となる。更に、リトライの場合には、フォーミングの発生状態等に応じて、油ポンプの適切な発停間隔を演算する必要があるが、上記ターボ冷凍機によれば、発停間隔を演算する必要がない。
　上記ターボ冷凍機において、前記油ポンプの延長運転が行われている延長運転期間中において、前記給油差圧が前記圧縮機起動条件を満たした場合には、前記圧縮機を起動させることとしてもよい。
　上記ターボ冷凍機によれば、延長運転期間中においては、延長運転期間が終了することを待たずに、給油差圧が圧縮機起動条件を満たした時点で圧縮機を起動させることができる。
　上記ターボ冷凍機において、前記制御部は、前記延長運転期間を経過しても前記給油差圧が前記圧縮機起動条件を満たさなかった場合には、前記圧縮機を起動させることなく、異常を報知することとしてもよい。
　上記ターボ冷凍機において、前記制御部は、ターボ冷凍機内の圧力及び凝縮器の筐体温度の少なくとも一つに基づいて、前記延長運転期間を設定または調整することとしてもよい。
　上記ターボ冷凍機によれば、ターボ冷凍機内の圧力及び凝縮器の筐体温度の少なくとも一つに基づいて、延長運転期間を設定または調整するので、フォーミングの発生状況に応じた適切な延長運転期間を用いることができる。
　上記ターボ冷凍機において、前記制御部は、ターボ冷凍機内の圧力及び前記凝縮器の筐体温度の少なくとも一つに基づいて、前記基準期間を設定または調整することとしてもよい。
　上記ターボ冷凍機によれば、ターボ冷凍機内の圧力及び凝縮器の筐体温度の少なくとも一つに基づいて、基準期間を設定または調整するので、フォーミングの発生状況に応じた適切な基準期間を用いることができる。
　本発明の第二態様は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器から導かれた液冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記圧縮機に供給する潤滑油を貯留する油タンクと、前記油タンクの潤滑油を前記圧縮機に供給する油ポンプとを備えるターボ冷凍機の起動方法であって、前記圧縮機を起動させる前に前記油ポンプを起動させ、前記油ポンプの起動から基準期間経過時において、前記圧縮機の入口側圧力と前記油タンクの圧力との差圧である給油差圧が圧縮機起動条件を満たしている場合に、前記圧縮機を起動させ、前記圧縮機起動条件を満たしていない場合に、前記圧縮機を起動させることなく、前記油ポンプの運転を所定期間延長させるターボ冷凍機の起動制御方法である。
　本発明の上記態様によれば、油タンク内のフォーミング発生による圧縮機への影響を低減させることができる。
本発明の一実施形態に係るターボ冷凍機を示した概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る油タンクの構成を模式的に示した図である。 本発明の一実施形態に係るターボ冷凍機の起動制御のフローチャートを示した図である。 油ポンプの起動後における給油差圧の挙動に対する圧縮機の起動タイミングを例示した図である。
　以下に、本発明の一実施形態に係るターボ冷凍機及びその起動制御方法について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るターボ冷凍機を示した概略構成図である。
　図１に示されるように、ターボ冷凍機１は、冷媒を圧縮する圧縮機３と、圧縮機３によって圧縮された高温高圧のガス冷媒を凝縮する凝縮器５と、凝縮器５から導かれた液冷媒を膨張させる膨張弁７と、膨張弁７によって膨張された液冷媒を蒸発させる蒸発器９と、ターボ冷凍機１を制御する制御部１０とを備えている。
　冷媒として、ＨＦＯ－１２３３ｚｄ（Ｅ）といった低圧冷媒が用いられている。
　圧縮機３は、例えば、ターボ圧縮機であり、一例として遠心式圧縮機が用いられる。圧縮機３は、インバータによって回転数制御された電動機１１によって駆動される。インバータは、制御部１０によってその出力が制御される。圧縮機３の冷媒吸入口には、吸入冷媒流量を制御するインレットガイドベーン（以下「ＩＧＶ」という。）１３が設けられており、ターボ冷凍機１の容量制御が可能となっている。ＩＧＶ１３の開度制御は、制御部１０によって行われる。
　圧縮機３は、回転軸３ｂ周りに回転する羽根車３ａを備えている。回転軸３ｂには、増速歯車１５を介して電動機１１から回転動力が伝達される。回転軸３ｂは、軸受３ｃによって支持されている。
　凝縮器５は、シェルアンドチューブ型やプレート型等の熱交換器である。凝縮器５には、冷媒を冷却するための冷却水が供給されるようになっている。凝縮器５に導かれる冷却水は、図示しない冷却塔や空気熱交換器において外部へと排熱された後に、再び凝縮器５へと導かれるようになっている。
　膨張弁７は、電動式とされており、制御部１０によって開度が設定されるようになっている。
　蒸発器９は、シェルアンドチューブ型やプレート型等の熱交換器とされている。蒸発器９には、図示しない外部負荷へ供給される冷水が導かれるようになっている。冷水は、蒸発器９にて冷媒と熱交換することによって、定格温度（例えば７℃）まで冷却され、外部負荷へと送られる。
　圧縮機３の軸受３ｃや増速歯車１５には、油タンク１７から潤滑油が供給されるようになっている。潤滑油としては、例えば、粘度グレード１００とされた鉱物油が用いられる。
　油タンク１７内には、油ポンプ２０（図２参照）が設けられており、これにより、所定の流量にて油供給配管１９を介して潤滑油が供給される。圧縮機３内で潤滑を終えた潤滑油は、油返送配管２１を介して油タンク１７内へと戻される。
　油タンク１７と蒸発器９との間には、これらの間を連通する均圧管２３が設けられており、油タンク１７内の圧力と蒸発器９内の圧力が均圧されるようになっている。このように油タンク１７内を低圧にすることで、潤滑油に対する冷媒溶け込み量を低く保つようになっている。
　油タンク１７には、圧力センサ２５と温度センサ２７とが設けられている。圧力センサ２５によって計測された油タンク１７内の圧力及び温度センサ２７によって計測された油タンク１７内の温度（具体的には潤滑油温度）は、制御部１０へ送信される。
　制御部１０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を備えて構成されている。制御部１０が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（例えば、起動制御プログラム）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。
　図２は、油タンク１７の構成を模式的に示した図である。図２に示すように、油タンク１７内には、油タンク１７内に貯留されている潤滑油を加熱するためのオイルヒータ３１が設けられている。オイルヒータ３１は、温度センサ２７によって計測される温度に基づいて、油タンク内の潤滑油が略一定の温度になるように制御部１０によってオンオフが制御される。
　油タンク１７の上面には凝縮器５が配置されており、凝縮器５の筐体側に油タンク１７の熱が放熱される。
　オイルヒータ３１は、例えば、油タンク１７の底面から上方に所定距離離れた位置に設けられている。このような位置にオイルヒータ３１が設けられていることにより、オイルヒータ３１の設置位置よりも下方の領域には比較的温度の低い潤滑油が滞留し、オイルヒータ３１の設置位置よりも上方の領域には比較的温度の高い潤滑油が滞留することとなる。このような潤滑油の温度分布は、オイルヒータ３１の発停ごとに出現することとなる。
　油ポンプ２０の起動時には、低圧側の圧力低下速度や、上述した油タンク１７内における潤滑油の温度分布等の種々の要因により、フォーミングが発生しやすい。例えば、上述のように、潤滑油の温度分布が大きい場合には、油ポンプ２０の吸込口付近において、比較的温度の高い潤滑油と比較的温度の低い潤滑油とが接触することから、冷媒ガスが出現する。
　本実施形態に係るターボ冷凍機１の起動制御は、圧縮機３の起動に先駆けて油ポンプ２０を起動させ、潤滑油を攪拌させることで、潤滑油に出現した冷媒ガスの泡を消泡し、圧縮機起動後におけるフォーミングによる圧縮機３への影響を低減することを目的としている。
　以下、本実施形態に係るターボ冷凍機１の起動制御について図３を参照して説明する。図３は、本実施形態に係るターボ冷凍機の起動制御のフローチャートを示した図である。
　まず、ターボ冷凍機１の起動時には、圧縮機３の起動に先駆けて、油ポンプ２０を単体で起動させ（ステップＳＡ１）、この状態で予め設定されている基準期間Ｔａｓが経過するまで待機状態となる（ステップＳＡ２）。油ポンプ２０が起動することで、油タンク１７内の潤滑油は油ポンプ２０によって吸い込まれ、油供給配管１９を介して停止中の圧縮機３へ供給される。更に、潤滑油は停止中の圧縮機３から油返送配管２１を介して油タンク１７へ再び戻されることとなる。潤滑油が循環することにより、潤滑油に出現した冷媒ガスの泡を消すことができる。
　基準期間Ｔａｓは、例えば、油タンク１７に貯留された全ての潤滑油が油ポンプ２０によって吸い込まれ、圧縮機３を経由して油タンク１７に再び戻るまでに要する時間よりも長めに設定されていることが好ましい。これにより、油タンク１７内に貯留されている潤滑油を攪拌させ、温度分布を均一化することが可能となる。この結果、その後におけるフォーミングの発生を抑制することができる。
　次に、油ポンプ２０の起動から基準期間Ｔａｓが経過すると、給油差圧Ｐが予め設定されている圧縮機起動条件を満たしているか否かを判定する（ステップＳＡ３）。ここで、給油差圧Ｐは、圧縮機３の入口側圧力と油タンク１７の圧力（換言すると、蒸発器圧力）との差圧である。圧縮機３の入口側圧力は、例えば、圧縮機３の吸入側に設けられた圧力センサ（図示略）により測定される。また、油タンク１７の圧力は、例えば、圧力センサ２５によって測定される圧力が用いられる。給油差圧Ｐは、上記圧力センサによって測定された値を用いて算出される。
　例えば、潤滑油に冷媒ガスが出現している状態では、油ポンプ２０がガス噛み状態となってしまい、給油差圧Ｐが規定圧力Ｐｏに達しない。給油差圧Ｐが規定圧力Ｐｏに達しているか否かを判定することにより、潤滑油に冷媒ガスの泡が出現していないか否かを判定することができる。
　上記圧縮機起動条件の一例として、給油差圧Ｐが予め設定されている規定圧力Ｐｏ以上の状態が所定期間Ｔｏ以上継続しているかなどが挙げられる。なお、所定期間Ｔｏは、基準期間Ｔａｓよりも短い期間に設定されている。
　ステップＳＡ３における判定結果が肯定判定の場合には、圧縮機３を起動させる（ステップＳＡ４）。一方、ステップＳＡ３における判定結果が否定判定の場合には、潤滑油にフォーミングが発生している可能性があるため、油ポンプ２０の運転が所定期間延長される。続いて、延長運転期間Ｔｂｓが経過したか否かを判定する（ステップＳＡ５）。ここで、延長運転期間Ｔｂｓは、例えば、潤滑油が蒸発器に侵入するおそれがないような期間に設定されている。油ポンプ２０を単体で長く運転していると、蒸発器９に潤滑油が侵入してしまうおそれがあり、この場合には、伝熱面に潤滑油が付着して熱交換性能が低下してしまうからである。本実施形態において、延長運転期間Ｔｂｓは、基準期間Ｔａｓと同じ時間に設定されているが、油ポンプ２０の長期単体運転によって他の構成へ影響が及ばない範囲で適宜設定することが可能である。
　続いて、ステップＳＡ５の判定結果が否定判定の場合には、ステップＳＡ３に戻り、給油差圧Ｐが圧縮機起動条件を満たしているか否かを再び判定する。そして、延長運転期間Ｔｂｓが経過するまでに、給油差圧Ｐが圧縮機起動条件を満たした場合には、ステップＳＡ３からステップＳＡ４に移行し、圧縮機３を起動させる。すなわち、延長運転期間Ｔｂｓ中においては、上述の基準期間Ｔａｓと異なり、延長運転期間が終了することを待たずに、給油差圧Ｐが圧縮機起動条件を満たした時点で圧縮機３が起動されることとなる。
　一方、延長運転期間Ｔｂｓが経過するまでに給油差圧Ｐが圧縮機起動条件を満たさなかった場合には、油ポンプ２０を停止させ（ステップＳＡ６）、圧縮機３を起動せずに故障報知を行う（ステップＳＡ７）。
　図４は、油ポンプ２０の起動後における給油差圧Ｐの挙動に対する圧縮機３の起動タイミングを例示した図である。
　例えば、図４に示した挙動Ａの場合、油ポンプ２０の起動（時刻Ｔ０）から基準期間Ｔａｓが経過する前に、すでに給油差圧Ｐが規定圧力Ｐｏ以上である状態が維持されている。このため、基準期間Ｔａｓが経過したときに（時刻Ｔ１）、速やかに圧縮機３が起動される。
　図４の挙動Ｂについては、油ポンプ２０の起動から基準期間Ｔａｓが経過しても給油差圧Ｐは所定値に達していないため、油ポンプ２０の運転は継続される。そして、時刻Ｔ２において給油差圧Ｐが圧縮機起動条件を満たすと、その後速やかに圧縮機３が起動される。
　図４の挙動Ｃについては、延長運転期間Ｔｂｓが経過しても給油差圧Ｐは所定値に達しておらず、圧縮機起動条件を満たしていない。このため、延長運転期間Ｔｂｓ経過後において（時刻Ｔ３）、油ポンプ２０は速やかに停止され、圧縮機３は起動されることなく、故障報知がなされる。
　以上説明してきたように、本実施形態に係るターボ冷凍機１及びその起動制御方法によれば、圧縮機３の起動に先駆けて油ポンプ２０を起動させ、油ポンプ２０の起動から基準期間Ｔａｓ経過時において、給油差圧Ｐが圧縮機起動条件を満たしている場合には、圧縮機３を起動させる。一方、給油差圧Ｐが圧縮機起動条件を満たしていない場合には、圧縮機３を起動させることなく、油ポンプ２０の運転を延長する。このように、基準期間Ｔａｓ経過時において圧縮機起動条件を満たしていない場合には、油ポンプ２０を止めることなく継続して運転させるので、油タンク１７の潤滑油を継続して圧縮機３に循環させることができ、潤滑油に出現している冷媒ガスの泡を引き続き消滅させることができる。これにより、例えば、基準期間Ｔａｓ経過時に油ポンプ２０を一旦停止させ、再度リスタートさせるリトライの場合に比べて、油タンク１７内の潤滑油を効率的に攪拌することができ、圧縮機３を早期に起動させることが可能となる。更に、リトライの場合には、フォーミングの発生状態等に応じて、油ポンプ２０の適切な発停間隔を演算する必要があるが、本実施形態に係るターボ冷凍機及びその起動方法によれば、発停間隔を演算する必要がない。
　更に、延長運転期間Ｔｂｓにおいては、給油差圧Ｐが圧縮機起動条件を満たしたときに速やかに圧縮機３を起動させるので、延長運転期間Ｔｂｓが終了するまで圧縮機３の起動を待機する場合に比べて、圧縮機３を早期に起動させることが可能となる。
　なお、本実施形態では、基準期間Ｔａｓ及び延長運転期間Ｔｂｓを予め設定された固定期間として説明したが、基準期間Ｔａｓ及び延長運転期間Ｔｂｓの少なくともいずれか一方は、凝縮器５の筐体温度及び冷凍機内圧力の少なくともいずれか一方に基づいて、その長さが調整されてもよい。また、凝縮器５の筐体温度及び冷凍機内圧力の少なくともいずれか一方に基づいて都度設定してもよい。
　例えば、凝縮器５の筐体温度が低いほど、換言すると、周囲温度が低いほど、油タンク１７から凝縮器５への放熱が大きく油タンク１７の底面の油温度が低くなり、冷媒ガスの出現質量が大きくなる。このため、凝縮器５の筐体温度が低いほど、基準期間Ｔａｓや延長運転期間Ｔｂｓを長期化させるとよい。
　また、冷凍機内の圧力が低いほど、冷媒ガスの比体積が大きくなる。したがって、冷凍機内圧力が低いほど、基準期間Ｔａｓや延長運転期間Ｔｂｓを長期化させるとよい。
　本実施形態では、低圧冷媒の一例としてＨＦＯ－１２３３ｚｄ（Ｅ）を挙げて説明したが、他の低圧冷媒にも本発明を適用することができ、油タンク内のフォーミングのおそれがある場合には高圧冷媒に対しても本発明を適用することができる。
１　ターボ冷凍機
３　圧縮機
５　凝縮器
９　蒸発器
１０　制御部
１７　油タンク
１９　油供給配管
２０　油ポンプ
２１　油返送配管
３１　オイルヒータ

Claims (6)

  1. 　冷媒を圧縮する圧縮機と、
    　前記圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、
    　前記凝縮器から導かれた液冷媒を膨張させる膨張弁と、
    　前記膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
    　前記圧縮機に供給する潤滑油を貯留する油タンクと、
    　前記油タンクの潤滑油を前記圧縮機に供給する油ポンプと、
    　前記油ポンプを制御する制御部と、
    を備え、
    　前記制御部は、
    　前記圧縮機を起動させる前に前記油ポンプを起動させ、
    　前記油ポンプの起動から基準期間経過時において、前記圧縮機の入口側圧力と前記油タンクの圧力との差圧である給油差圧が圧縮機起動条件を満たしている場合に、前記圧縮機を起動させ、前記圧縮機起動条件を満たしていない場合に、前記圧縮機を起動させることなく、前記油ポンプの運転を所定期間延長させるターボ冷凍機。
  2. 　前記油ポンプの延長運転が行われている延長運転期間中において、前記給油差圧が前記圧縮機起動条件を満たした場合には、前記圧縮機を起動させる請求項１に記載のターボ冷凍機。
  3. 　前記制御部は、前記延長運転期間を経過しても前記給油差圧が前記圧縮機起動条件を満たさなかった場合には、前記圧縮機を起動させることなく、異常を報知する請求項２に記載のターボ冷凍機。
  4. 　前記制御部は、ターボ冷凍機内の圧力及び前記凝縮器の筐体温度の少なくとも一つに基づいて、前記延長運転期間を設定または調整する請求項２または３に記載のターボ冷凍機。
  5. 　前記制御部は、ターボ冷凍機内の圧力及び前記凝縮器の筐体温度の少なくとも一つに基づいて、前記基準期間を設定または調整する請求項１から４のいずれかに記載のターボ冷凍機。
  6. 　冷媒を圧縮する圧縮機と、
    　前記圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、
    　前記凝縮器から導かれた液冷媒を膨張させる膨張弁と、
    　前記膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
    　前記圧縮機に供給する潤滑油を貯留する油タンクと、
    　前記油タンクの潤滑油を前記圧縮機に供給する油ポンプと、
    を備えるターボ冷凍機の起動方法であって、
    　前記圧縮機を起動させる前に前記油ポンプを起動させ、
    　前記油ポンプの起動から基準期間経過時において、前記圧縮機の入口側圧力と前記油タンクの圧力との差圧である給油差圧が圧縮機起動条件を満たしている場合に、前記圧縮機を起動させ、前記圧縮機起動条件を満たしていない場合に、前記圧縮機を起動させることなく、前記油ポンプの運転を所定期間延長させるターボ冷凍機の起動制御方法。
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