(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口ベーンを備えた冷媒圧縮用のターボ圧縮機と、冷却水を冷却源として冷媒を凝縮する凝縮器と、冷媒を減圧する絞り機構と、冷媒を蒸発させて冷水を冷却する蒸発器とを順次冷媒流路により接続して冷凍サイクルを構成するとともに、前記冷水温度よりも前記冷却水温度が低い条件下、前記ターボ圧縮機を停止状態とし、前記凝縮器での冷媒凝縮圧を作動圧力として前記蒸発器側の冷媒を蒸発させ、冷水を取り出すフリークーリング機能を備えているターボ冷凍機において、
冷凍機用コントローラに、前記冷水温度よりも前記冷却水温度が低い条件下で前記ターボ圧縮機を停止状態にして前記冷水温度を設定温度に制御する圧縮機停止制御モード部を設け、
前記圧縮機停止制御モード部は、圧縮機停止制御モード時、前記入口ベーンおよび前記凝縮器と前記蒸発器とのガス側を接続するホットガスバイパス回路のホットガスバイパス弁を制御して冷却能力を制御する温調制御部を備え、
前記温調制御部は、圧縮機停止制御モード時、前記冷水温度に応じて前記入口ベーンの開度および前記ホットガスバイパス弁の開度を制御することにより冷却能力を制御する構成とされていることを特徴とするターボ冷凍機。
【請求項２】
前記温調制御部は、圧縮機停止制御モード時、前記冷水温度に応じて前記入口ベーンを全閉または全開とするとともに、前記ホットガスバイパス弁の開度を制御することにより冷却能力を制御することを特徴とする請求項１に記載のターボ冷凍機。
【請求項３】
前記凝縮器と前記蒸発器との間に、前記凝縮器で凝縮した冷媒液を前記蒸発器に流す第１制御弁を備えた第１液側回路を設けた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。
【請求項４】
前記第１制御弁は、圧縮機停止制御モード時、前記凝縮器および前記蒸発器内の液冷媒の液位に応じて開度制御されることを特徴とする請求項３に記載のターボ冷凍機。
【請求項５】
前記凝縮器と前記蒸発器との間に、前記凝縮器で凝縮した冷媒液を前記蒸発器に搬送する第２制御弁および冷媒ポンプを備えた第２液側回路が設けられてい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。
【請求項６】
前記蒸発器は、前記凝縮器から前記第２制御弁を介して前記冷媒ポンプに吸入された冷媒液および／または前記蒸発器から該蒸発器と前記冷媒ポンプの吸込み側とを接続する冷媒液回路に設けられた第３制御弁を介して前記冷媒ポンプに吸入された冷媒液を前記蒸発器の伝熱管上に散布する散布装置を備えていることを特徴とする請求項５に記載のターボ冷凍機。
【請求項７】
前記凝縮器および前記蒸発器に液冷媒の液位を検知するレベルセンサを設け、圧縮機停止制御モード時、前記第２制御弁および前記第３制御弁を介して前記凝縮器および前記蒸発器内の液冷媒の液位を制御することを特徴とする請求項６に記載のターボ冷凍機。
【請求項８】
前記圧縮機停止制御モード時、前記蒸発器内の液冷媒の液位は、一定量の前記伝熱管群が冷媒ガス中に露出され、残りの前記伝熱管群が冷媒液中に没するレベルに制御されることを特徴とする請求項７に記載のターボ冷凍機。
【請求項９】
前記ターボ圧縮機には、圧縮機停止制御モード時に作動され、前記蒸発器から前記凝縮器への冷媒ガス流による前記ターボ圧縮機の回転を阻止するストッパ機構が設けられていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のターボ冷凍機。
【請求項１０】
前記温調制御部には、前記冷却水により冷却される凝縮器内冷媒温度を基準とする冷水温度設定の下限値が設けられ、圧縮機停止制御モード時、前記冷水温度が前記冷水温度設定の下限値以上に設定された場合、前記温調制御部は前記冷水温度に基づいて前記入口ベーンおよび前記ホットガスバイパス弁を制御することを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のターボ冷凍機。
【請求項１１】
前記冷凍機用コントローラは、圧縮機停止制御モード時、前記冷水温度の設定値が前記冷水温度設定の下限値以下の場合、前記ターボ圧縮機を起動し、ターボ冷凍機を通常運転モードで運転することを特徴とする請求項１０に記載のターボ冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷水温度よりも冷却水温度が低い条件下で圧縮機を運転することなく、凝縮器での冷媒凝縮圧を作動圧力として蒸発器側の冷媒を蒸発させ冷水を製造する、いわゆるフリークーリング（ｆｒｅｅ  ｃｏｏｌｉｎｇ）機能を備えたターボ冷凍機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ターボ冷凍機は、入口ベーンを備えた冷媒圧縮用のターボ圧縮機と、冷却水を冷却源として冷媒を凝縮する凝縮器と、冷媒を減圧する絞り機構と、冷媒を蒸発させて冷水を冷却する蒸発器とを順次冷媒流路により接続して構成した冷凍サイクルを備えている。このようなターボ冷凍機を用いた工場等の熱源システムでは、冬期や中間期等の低外気温時でも冷熱負荷があり、冷凍機が運転されることがある。一方、低外気温時、蒸発器出口の冷水温度よりも凝縮器に供給される冷却水温度が低くなる場合がある。この場合、ターボ冷凍機では、凝縮器内圧力＜蒸発器内圧力となるため、ターボ圧縮機を停止状態とし、凝縮器での冷媒凝縮圧を作動圧力として蒸発器側の冷媒を蒸発させることにより、冷媒ガスを内圧の高い蒸発器から内圧の低い凝縮器へと流し、冷凍サイクルを形成して冷水を製造することが可能となる。
【０００３】
このように、冷水温度よりも冷却水温度が低くなる条件下でターボ圧縮機を停止し、この状態で冷凍サイクルを形成して冷水を製造する、いわゆるフリークーリング機能を備えたターボ冷凍機の一例が特許文献１に示されている。このターボ冷凍機は、蒸発器と凝縮器とのガス側同士を、開閉弁を備えたガス配管で接続するとともに、蒸発器と凝縮器との液側同士を、開閉弁を備えた液配管で接続した構成とされている。そして、冷水温度よりも冷却水温度が低い場合、圧縮機を停止し、ガス配管および液配管中の開閉弁を共に開とすることにより、蒸発器側で蒸発した冷媒ガスを差圧によりガス配管を介して凝縮器側に流すとともに、凝縮器で凝縮した液冷媒を液配管により蒸発器に流して冷凍サイクルを形成し、蒸発器から冷水を取り出すようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−９６９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１には、冷水温度よりも冷却水温度が低い条件下において、圧縮機を停止するとともに、ガス配管および液配管中の開閉弁を開とし、ターボ冷凍機をフリークーリング運転する技術が記述されている。しかしながら、フリークーリング運転時の温調制御に関する具体的記述は認められない。一般に、フリークーリング運転時の温調制御は、ターボ冷凍機（ターボ圧縮機）を停止した状態で、冷却水ポンプや冷水ポンプ等補機側の流量制御やオン／オフ制御により行っているのが実情であり、温調制御帯域が狭く、しかも温度振れ幅が大きく制御性が悪いという問題を有していた。このため、限られた範囲での利用に止まっている。
【０００６】
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、フリークーリング（ｆｒｅｅ  ｃｏｏｌｉｎｇ）機能を備えたターボ冷凍機において、フリークーリング運転時における温調制御帯域を広くすることができるとともに、温調制御性を向上させ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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のターボ冷凍機は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるターボ冷凍機は、入口ベーンを備えた冷媒圧縮用のターボ圧縮機と、冷却水を冷却源として冷媒を凝縮する凝縮器と、冷媒を減圧する絞り機構と、冷媒を蒸発させて冷水を冷却する蒸発器とを順次冷媒流路により接続して冷凍サイクルを構成するとともに、前記冷水温度よりも前記冷却水温度が低い条件下、前記ターボ圧縮機を停止状態とし、前記凝縮器での冷媒凝縮圧を作動圧力として前記蒸発器側の冷媒を蒸発させ、冷水を取り出すフリークーリング機能を備えているターボ冷凍機において、冷凍機用コントローラに、前記冷水温度よりも前記冷却水温度が低い条件下で前記ターボ圧縮機を停止状態にして前記冷水温度を設定温度に制御する圧縮機停止制御モード部を設け、前記圧縮機停止制御モード部は、圧縮機停止制御モード時、前記入口ベーンおよび前記凝縮器と前記蒸発器とのガス側を接続するホットガスバイパス回路のホットガスバイパス弁を制御して冷却能力を制御する温調制御部を備え、前記温調制御部は、圧縮機停止制御モード時、前記冷水温度に応じて前記入口ベーンの開度および前記ホットガスバイパス弁の開度を制御することにより冷却能力を制御する構成とされていることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、冷水温度よりも冷却水温度が低い条件下、凝縮器内圧力＜蒸発器内圧力となるため、ターボ圧縮機を停止状態とし、凝縮器での冷媒凝縮圧を作動圧力として蒸発器側の冷媒を蒸発させることにより冷水を製造する。この際、圧縮機停止制御モード部によりターボ冷凍機を制御し、その緻密な温調機能を活かして冷水温度を設定温度に制御することができる。これにより、ターボ圧縮機を停止状態として行う所謂フリークーリング（ｆｒｅｅ  ｃｏｏｌｉｎｇ）運転時における温調制御帯域を広くすることができるとともに、温調制御性を向上させることができる。特に、圧縮機停止制御モード部は、入口ベーンおよび凝縮器と蒸発器とのガス側を接続するホットガスバイパス回路のホットガスバイパス弁を制御して冷却能力を制御する温調制御部を備え、その温調制御部により冷水温度に応じてターボ圧縮機の入口ベーンの開度およびホットガスバイパス回路のホットガスバイパス弁の開度を制御し、蒸発器側から凝縮器側に流れる冷媒ガスの流量を調整して冷却能力を広い範囲でかつ細かく制御できるため、冷却水ポンプや冷水ポンプの流量制御あるいはオンオフ制御により冷水温度を制御する場合に比べ、温調制御性を大幅に向上させることができる。
【０００９】
さらに、本発明のターボ冷凍機は、上記のターボ冷凍機において、前記温調制御部は、圧縮機停止制御モード時、前記冷水温度に応じて前記入口ベーンを全閉または全開とするとともに、前記ホットガスバイパス弁の開度を制御することにより冷却能力を制御することを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、温調制御部により冷水温度に応じてターボ圧縮機の入口ベーンを任意の閾値で全閉または全開とするとともに、ホットガスバイパス弁の開度を制御し、蒸発器側から凝縮器側に流れる冷媒ガスの流量を調整することにより、冷却能力を細かく制御することができる。これによって、温調制御性を大幅に向上させることができる。
【００１１】
さらに、本発明のターボ冷凍機は、上述のいずれかのターボ冷凍機において、前記凝縮器と前記蒸発器との間に、前記凝縮器で凝縮した冷媒液を前記蒸発器に流す第１制御弁を備えた第１液側回路を設けたことを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、圧縮機停止制御モード時、第１制御弁を開閉制御し、第１液側回路を介して凝縮器側で凝縮した液冷媒を蒸発器側に流すことにより、ターボ圧縮機を停止した状態で冷凍サイクルを形成することができる。これによって、ターボ圧縮機用に動力を消費することなく、ターボ圧縮機を停止したフリークーリング運転により冷水を製造し、省エネルギー化を図ることができる。
【００１３】
さらに、本発明のターボ冷凍機は、上記のターボ冷凍機において、前記第１制御弁は、圧縮機停止制御モード時、前記凝縮器および前記蒸発器内の液冷媒の液位に応じて開度制御されることを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、圧縮機停止制御モード時、第１制御弁の開度制御によって、凝縮器および蒸発器内にそれぞれ適正な液位の液冷媒を保持することができる。これにより、凝縮器および蒸発器内での冷媒の凝縮量と蒸発量とを略等しくし、安定したフリークーリング運転を行うことができる。
【００１５】
さらに、本発明のターボ冷凍機は、上述のいずれかのターボ冷凍機において、前記凝縮器と前記蒸発器との間に、前記凝縮器で凝縮した冷媒液を前記蒸発器に搬送する第２制御弁および冷媒ポンプを備えた第２液側回路が設けられていることを特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、圧縮機停止制御モード時、第２制御弁を開とするとともに、冷媒ポンプを運転することにより、第２液側回路を介して凝縮器側で凝縮した液冷媒を蒸発器側に搬送することができる。このため、凝縮器と蒸発器の位置に関係なく、ターボ圧縮機を停止した状態で冷凍サイクルを形成することができる。従って、ターボ圧縮機を停止したフリークーリング運転により冷水を製造し、省エネルギー化を図ることができる。また、冷媒の循環量を増やしフリークーリング運転時の最大能力を向上させることができるとともに、凝縮器および蒸発器の設置位置について制約を受けず、設計の自由度を高めることができる。なお、冷媒ポンプは、冷媒循環量を調整できるようにインバータ駆動の可変容量型が望ましい。
【００１７】
さらに、本発明のターボ冷凍機は、上記のターボ冷凍機において、前記蒸発器は、前記凝縮器から前記第２制御弁を介して前記冷媒ポンプに吸入された冷媒液および／または前記蒸発器から該蒸発器と前記冷媒ポンプの吸込み側とを接続する冷媒液回路に設けられた第３制御弁を介して前記冷媒ポンプに吸入された冷媒液を前記蒸発器の伝熱管上に散布する散布装置を備えていることを特徴とする。
【００１８】
本発明によれば、蒸発器が冷媒液を伝熱管上に散布する散布装置を備えた構成とされているため、凝縮器側で凝縮された液冷媒および／または蒸発器内に溜まった液冷媒を冷媒ポンプにより循環し、伝熱管上に散布することができる。これにより、ガス領域に露出している伝熱管に液冷媒を散布し、伝熱面として有効に機能させることが可能となる。従って、圧縮機停止制御モードによるフリークーリング運転時の最大能力をアップすることができるとともに、蒸発器の保有冷媒量を削減することができる。
【００１９】
さらに、本発明のターボ冷凍機は、上記のターボ冷凍機において、前記凝縮器および前記蒸発器に液冷媒の液位を検知するレベルセンサを設け、圧縮機停止制御モード時、前記第２制御弁および前記第３制御弁を介して前記凝縮器および前記蒸発器内の液冷媒の液位を制御することを特徴とする。
【００２０】
本発明によれば、圧縮機停止制御モード時、凝縮器および蒸発器内の液冷媒の液位をレベルセンサにより検知し、その液位を第２制御弁および第３制御弁を介して制御することにより、凝縮器および蒸発器内に適正な液位の液冷媒を保持することができる。これによって、凝縮器および蒸発器内での冷媒の凝縮量と蒸発量とを略等しくし、安定したフリークーリング運転を行うことができる。
【００２１】
さらに、本発明のターボ冷凍機は、上記のターボ冷凍機において、前記圧縮機停止制御モード時、前記蒸発器内の液冷媒の液位は、一定量の前記伝熱管群が冷媒ガス領域に露出され、残りの前記伝熱管群が冷媒液中に没するレベルに制御されることを特徴とする。
【００２２】
本発明によれば、圧縮機停止制御モード時、蒸発器内の液冷媒の液位が、一定量の伝熱管群が冷媒ガス領域に露出され、残りの伝熱管群が冷媒液中に没するレベルに制御されるため、第３制御弁を介して冷媒ポンプに流入される液冷媒の押し込み圧を維持し、冷媒液の冷媒ポンプからの吐出量（散布量）を安定させることができるとともに、蒸発器での伝熱性能を安定させることができる。従って、フリークーリング運転時の能力を向上することができる。
【００２３】
さらに、本発明のターボ冷凍機は、上述のいずれかのターボ冷凍機において、前記ターボ圧縮機には、圧縮機停止制御モード時に作動され、前記蒸発器から前記凝縮器への冷媒ガス流による前記ターボ圧縮機の回転を阻止するストッパ機構が設けられていることを特徴とする。
【００２４】
本発明によれば、圧縮機停止制御モード時、ストッパ機構を作動することにより、蒸発器から凝縮器への冷媒ガス流れによってターボ圧縮機が回転されるのを阻止することができる。これにより、圧縮機停止制御モード時に、潤滑系統が停止されている中でターボ圧縮機が回転することに伴って発生する不測の事態を回避することができる。
【００２５】
さらに、本発明のターボ冷凍機は、上述のいずれかのターボ冷凍機において、前記温調制御部には、前記冷却水により冷却される凝縮器内冷媒温度を基準とする冷水温度設定の下限値が設けられ、圧縮機停止制御モード時、前記冷水温度が前記冷水温度設定の下限値以上に設定された場合、前記温調制御部は前記冷水温度に基づいて前記入口ベーンおよび前記ホットガスバイパス弁を制御することを特徴とする。
【００２６】
本発明によれば、温調制御部に冷却水により冷却される凝縮器内冷媒温度を基準とする冷水温度設定の下限値を設け、冷水温度がその下限値以上に設定された場合、温調制御部により入口ベーンおよびホットガスバイパス弁を制御し、フリークーリング運転を行うようにしている。つまり、圧縮機停止制御モードによるフリークーリング運転は、冷却水温度の高低によって運転可能範囲が決まるため、予め冷却水により冷却される凝縮器内冷媒温度を基準とする冷水温度設定の下限値を予め設定しておくことにより、無益なフリークーリング運転を回避することができる。
【００２７】
さらに、本発明のターボ冷凍機は、上記のターボ冷凍機において、前記冷凍機用コントローラは、圧縮機停止制御モード時、前記冷水温度の設定値が前記冷水温度設定の下限値以下の場合、前記ターボ圧縮機を起動し、ターボ冷凍機を通常運転モードで運転することを特徴とする。
【００２８】
本発明によれば、圧縮機停止制御モード時、冷水温度の設定値が冷水温度設定の下限値の場合、冷凍機用コントローラは、ターボ圧縮機を起動し、ターボ冷凍機を通常運転モードに切り替える。これにより、冷水温度設定値に応じて運転モードを自動切り替えし、ターボ冷凍機を自動運転することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によると、冷水温度よりも冷却水温度が低い条件下、ターボ圧縮機を停止状態として冷水を製造するフリークーリング運転時、圧縮機停止制御モード部によりターボ冷凍機の緻密な温調機能を活かして冷水温度を設定温度に制御することができるため、フリークーリング運転による温調制御帯域を広げることができるとともに、温調制御性を向上させることができ、その実用範囲を拡大することができる。特に、圧縮機停止制御モード部は、入口ベーンおよび凝縮器と蒸発器とのガス側を接続するホットガスバイパス回路のホットガスバイパス弁を制御して冷却能力を制御する温調制御部を備え、その温調制御部により冷水温度に応じてターボ圧縮機の入口ベーンの開度およびホットガスバイパス回路のホットガスバイパス弁の開度を制御し、蒸発器側から凝縮器側に流れる冷媒ガスの流量を調整して冷却能力を広い範囲でかつ細かく制御できるため、冷却水ポンプや冷水ポンプの流量制御あるいはオンオフ制御により冷水温度を制御する場合に比べ、温調制御性を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるターボ冷凍機の冷凍サイクル図である。
【図２】本発明の第２実施形態にかかるターボ冷凍機の冷凍サイクル図である。
【図３】図２に示すターボ冷凍機の蒸発器の拡大縦断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態にかかるターボ冷凍機の圧縮機停止制御モード時における温調制御態様説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１を用いて説明する。
図１には、本発明の第１実施形態にかかるターボ冷凍機１の冷凍サイクル図が示されている。ターボ冷凍機１は、入口ベーン３を備えた冷媒圧縮用の多段ターボ圧縮機２と、冷却水を冷却源として冷媒を凝縮する凝縮器４と、冷媒を減圧する第１絞り機構５および第２絞り機構６と、第１絞り機構５と第２絞り機構６との間に設けられ、分離された気相冷媒を多段ターボ圧縮機２の中間段に注入するガス回路８を備えた気液分離器方式のエコノマイザ７と、冷媒を蒸発させて冷水を冷却する蒸発器９とを順次冷媒流路１０により接続して構成した冷凍サイクル１１を備えている。
【００３２】
多段ターボ圧縮機２は、図示省略のインバータ駆動の電動モータにより回転駆動される２つの羽根車を有する多段ターボ圧縮機であり、第１羽根車と第２羽根車との間にエコノマイザ７からのガス回路８が接続される中間吸込み口２Ａが設けられている。この多段ターボ圧縮機２には、後述する圧縮機停止制御モードによるフリークーリング（ｆｒｅｅ  ｃｏｏｌｉｎｇ）運転時に、図示省略の回転軸に設けられている溝等に係止され、停止状態の多段ターボ圧縮機２が冷媒ガス流により回転するのを阻止するためのストッパ機構１２が設けられている。
【００３３】
凝縮器４は、シェルアンドチューブ型熱交換器により構成され、シェル内部に設けられている多数の伝熱管１３に冷却水ポンプ１４および冷却水回路１５を介して冷却塔１６で冷却された冷却水が循環可能とされている。冷却水回路１５には、凝縮器４に供給される冷却水の温度を検知する温度センサ１７が設けられている。また、凝縮器４には、その底部に液溜め１８が形成されており、この液溜め１８を含んで凝縮器４内部に保持されている液冷媒の液位を検知するレベルセンサ１９が設けられている。
【００３４】
第１絞り機構５と第２絞り機構６は、それぞれ膨張弁により構成されており、第１絞り機構５は、凝縮器４で凝縮液化された高圧液冷媒を中間圧まで減圧し、気液分離器方式のエコノマイザ７に導くものである。第１絞り機構５により中間圧に減圧された冷媒は、エコノマイザ７で気液二相に分離され、気相冷媒はガス回路８を経て多段ターボ圧縮機２の中間吸込み口２Ａに導かれるようになっている。第２絞り機構６は、エコノマイザ７で分離された液相冷媒を低圧に減圧し、蒸発器９に導くものである。
【００３５】
蒸発器９は、シェルアンドチューブ型熱交換器により構成され、シェル内部に設けられている多数の伝熱管２０に冷水ポンプ２１および冷水回路２２を介して空調負荷側に設けられている熱交換器との間で冷水が循環可能とされている。冷水回路２２には、蒸発器９により冷却された冷水の温度を検知する温度センサ２３が設けられている。また、蒸発器９には、蒸発器９内部に保持される液冷媒の液位を検知するレベルセンサ２４が設けられている。
【００３６】
また、凝縮器４と蒸発器９との間には、各々のシェル内部のガス領域同士を接続するホットガスバイパス弁２６を備えたホットガスバイパス回路２５と、シェル内部の液領域同士を接続する第１制御弁２８を備えた第１液側回路２７とが設けられ、第１絞り機構５と第２絞り機構６を閉じることにより、多段ターボ圧縮機２を停止状態としてフリークーリング（ｆｒｅｅ  ｃｏｏｌｉｎｇ）運転を行う際の冷媒循環路を形成している。なお、上記ホットガスバイパス回路２５は、通常運転モード時に凝縮器４から蒸発器９にホットガス冷媒をバイパスして冷凍能力を制御する能力制御用回路を兼用するものである。
【００３７】
さらに、ターボ冷凍機１を制御する冷凍機用コントローラ２９には、多段ターボ圧縮機２の回転数、入口ベーン３の開度、ホットガスバイパス弁２６の開度、第２絞り機構（膨張弁）６の開度等を制御して蒸発器９から空調負荷側に供給される冷水温度が温度設定器３０により設定された温度となるように制御する通常運転モード制御部３１と、冷水温度よりも冷却水温度が低い条件下において、多段ターボ圧縮機２を停止状態にして冷水温度が設定温度となるように制御する圧縮機停止制御モード部３２とが設けられている。
【００３８】
圧縮機停止制御モード部３２は、圧縮機停止制御モード時、すなわち多段ターボ圧縮機２を停止状態としたフリークーリング運転時に、入口ベーン３の開度およびホットガスバイパス弁２６の開度を制御することにより冷却能力を制御し、冷水温度が設定温度となるように制御する温調制御部３３を備えている。また、圧縮機停止制御モード部３２は、レベルセンサ１９，２４により検知される凝縮器４および蒸発器９内の液冷媒の液位に応じて第１液側回路２７中の第１制御弁２８の開度を制御し、圧縮機停止制御モード時、凝縮器４および蒸発器９内にそれぞれ適正な液位の液冷媒を保持するように構成されている。
【００３９】
また、上記温調制御部３３には、冷却水により冷却される凝縮器内冷媒温度を基準とする冷水温度設定の下限値が予め設定されている。温調制御部３３は、圧縮機停止制御モード時、冷水温度が冷水温度設定の下限値以上に設定された場合、温度センサ２３により検知される冷水温度に基づいて入口ベーン３およびホットガスバイパス弁２６の開度を制御し、フリークーリング運転を行うようになっている。また、温度設定器３０による冷水温度設定値が冷凍機用コントローラ２９に入力され、冷水温度設定値が上記冷水温度設定の下限値以下の場合、冷凍機用コントローラ２９は、多段ターボ圧縮機２を起動し、ターボ冷凍機１を通常運転モードに自動切り替えするようになっている。
【００４０】
以上の構成により、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
多段ターボ圧縮機２の運転により圧縮された高圧冷媒ガスは、多段ターボ圧縮機２から凝縮器４に送られ、冷却水回路１５を介して伝熱管１３に循環される冷却水と熱交換することにより凝縮液化される。この冷媒は、第１絞り機構５により中間圧に減圧されて気液分離器方式のエコノマイザ７に送られ、ここで気液二相に分離される。気相冷媒はガス回路８を介して多段ターボ圧縮機２の中間吸込み口２Ａより多段ターボ圧縮機２内の圧縮冷媒ガス中に注入される。エコノマイザ７で気相冷媒が蒸発分離されることにより過冷却された液相冷媒は第２絞り機構６に送られ、低圧に減圧された後、蒸発器９に送られる。蒸発器９に送られた冷媒は、冷水回路２２を介して伝熱管２０に循環される冷水と熱交換することにより蒸発ガス化され、冷水を冷却する。蒸発器９でガス化された冷媒は、多段ターボ圧縮機２に吸い込まれて再び圧縮され、上記のサイクルを繰り返す。
【００４１】
この間、ターボ冷凍機１は、冷凍機用コントローラ２９を介して蒸発器９の出口における温度センサ２３により検知される冷水温度が温度設定器３０により設定された冷水温度となるように運転制御される。つまり、ターボ冷凍機１は、温度センサ２３によって検知される冷水温度が温度設定器３０により設定された温度となるように、多段ターボ圧縮機２の回転数、入口ベーン３の開度、ホットガスバイパス弁２６の開度、および第２絞り機構（膨張弁）６の開度等が適宜制御され、温調負荷に見合った能力を発揮するように運転制御される。
【００４２】
一方、工場等の熱源システムでは、冬期等の低外気温時でも冷熱負荷があり、ターボ冷凍機１が運転されることがある。かかる低外気温時に、蒸発器９の出口における冷水温度よりも凝縮器４に供給される冷却水温度が低くなる場合がある。こうした条件下、凝縮器４および蒸発器９の内部圧力は、凝縮器内圧力＜蒸発器内圧力となる。この場合、ターボ冷凍機１では、多段ターボ圧縮機２を停止状態とし、凝縮器４での冷媒凝縮圧を作動圧力として蒸発器９側の冷媒を蒸発させることにより、冷媒ガスを内圧の高い蒸発器９から内圧の低い凝縮器４に流し、冷凍サイクルを形成して冷水を製造することが可能となる。
【００４３】
本実施形態においては、多段ターボ圧縮機２を停止した状態で冷水を製造する上記のフリークーリング運転時、ターボ冷凍機１は、圧縮機停止制御モード部３２により、多段ターボ圧縮機２の入口ベーン３およびホットガスバイパス回路２５のホットガスバイパス弁２６を制御し、冷水温度が設定温度となるように制御される。具体的には、温度センサ２３により検知された冷水温度が設定温度となるように、温調制御部３３が入口ベーン３の開度およびホットガスバイパス弁２６の開度を制御し、蒸発器９側から凝縮器４側に流れる冷媒ガスの流量を調整することにより、冷却能力を温調負荷に応じて制御する。
【００４４】
上記のように、圧縮機停止制御モード時、ターボ冷凍機１が持っている緻密な温調機能を活かして冷水温度を設定温度に制御することができるため、多段ターボ圧縮機２を停止状態としたフリークーリング運転時における温調制御帯域を広くすることができるとともに、温調制御性を向上させることができる。特に、入口ベーン３の開度およびホットガスバイパス弁２６の開度を制御して冷媒ガスの流量を調整し、冷却能力をきめ細かく制御できるため、冷却水ポンプ１４や冷水ポンプ２１の流量制御あるいはオンオフ制御により冷水温度を制御する場合に比べ、温度振れ幅を縮小し温調制御性を大幅に向上させることができる。
【００４５】
また、凝縮器４と蒸発器９との間に、凝縮器４で凝縮した冷媒液を蒸発器９に流す第１制御弁２８を備えた第１液側回路２７を設け、この第１液側回路２７を介してヘッド差により凝縮器４側で凝縮した液冷媒を蒸発器９側に流すことにより、多段ターボ圧縮機２を停止した状態で冷凍サイクルを形成できる。このため、多段ターボ圧縮機２を停止した圧縮機停止制御モードによるフリークーリング運転により冷水を製造することができ、多段ターボ圧縮機２の駆動動力を必要とせず、省エネルギー化を図ることができる。また、フリークーリング運転の際、レベルセンサ１９，２４により検知される凝縮器４および蒸発器９内の液冷媒の液位に応じて第１制御弁２８の開度を制御し、凝縮器４および蒸発器９内にそれぞれ適正な液位の液冷媒を保持することができるため、凝縮器４および蒸発器９内での冷媒の凝縮量と蒸発量とを略等しくし、安定したフリークーリング運転を行うことができる。
【００４６】
さらに、温調制御部３３には、冷却水により冷却される凝縮器内冷媒温度を基準とする冷水温度設定の下限値が設けられている。上記のフリークーリング運転は、冷却水温度の高低によって運転可能範囲が決まるため、予め冷却水により冷却される凝縮器内冷媒温度を基準とする冷水温度設定の下限値を予め設定しておくことにより、無益なフリークーリング運転を回避することができる。同時に、温度設定器３０からの冷水温度設定値が冷凍機用コントローラ２９に入力され、それが冷水温度設定の下限値以下の場合、多段ターボ圧縮機２が起動され、ターボ冷凍機１が通常運転モードに切り替えられるようになっているため、冷水温度設定値に応じて運転モードを自動的に切り替え、ターボ冷凍機１を自動運転することができる。
【００４７】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図２および図３を用いて説明する。
本実施形態は、上記した第１実施形態に対して、蒸発器９に液冷媒を散布する散布装置４０を設けるとともに、凝縮器４と蒸発器９の散布装置４０との間を第２制御弁４２および冷媒ポンプ４３を備えた第２液側回路４１により接続している点が異なる。その他の点については、第１実施形態と同様であるので説明は省略する。
図２には、本実施形態にかかるターボ冷凍機１の冷凍サイクル図が示されている。本実施形態において、蒸発器９には、伝熱管２０上に液冷媒を散布する散布装置４０が設けられ、この散布装置４０と凝縮器４の液溜め１８が、圧縮機停止制御モード時に開、通常運転モード時に閉とされる第２制御弁４２と、液冷媒を搬送するインバータ駆動の可変容量型冷媒ポンプ４３とを備えた第２液側回路４１を介して接続されている。
【００４８】
また、蒸発器９の底部と冷媒ポンプ４３の吸い込み側とは、圧縮機停止制御モード時に蒸発器９内の液冷媒を冷媒ポンプ４３の吸い込み側に循環する第３制御弁４５を備えた冷媒液回路４４を介して接続されている。
上記構成を有する本実施形態によると、多段ターボ圧縮機２が停止状態とされた圧縮機停止制御モード時、第１絞り機構５および第２絞り機構６を閉とし、第２制御弁４２を開き、冷媒ポンプ４３を駆動することにより、第２液側回路４１を介して凝縮器４で凝縮された冷媒を蒸発器９の散布装置４０に搬送することができる。
【００４９】
この際、冷媒ポンプ４３により冷媒を搬送するため、凝縮器４と蒸発器９の位置に関係なく、凝縮器４側で凝縮した液冷媒を蒸発器９側に搬送し、ターボ圧縮機を停止した状態で冷凍サイクルを形成することができる。従って、上記第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、冷媒ポンプ４３により冷媒を強制搬送できるため、冷媒の循環量を増やしフリークーリング運転時の最大能力を高めることができるとともに、凝縮器４および蒸発器９の設置位置について制約を受けることがなく、設計の自由度を高めることができる。
【００５０】
また、通常運転モード時、蒸発器９にはその底部に冷媒が供給され、蒸発器９は満液状態で使用される。この場合、図３に示されるように、全ての伝熱管２０が冷媒液面Ｅ１下となる量の液冷媒を蒸発器９内に保持する必要がある。一方、圧縮機停止制御モード時には、凝縮器４で凝縮された液冷媒を、第２制御弁４２を開とし、冷媒ポンプ４３を運転して散布装置４０から伝熱管２０上に散布するとともに、蒸発器９の下部に溜まった液冷媒を冷媒液回路４４、第３制御弁４５を介して冷媒ポンプ４３の吸い込み側に循環させ、散布装置４０から散布することになる。この場合、伝熱管２０の管群の約４０％を冷媒ガス領域に露出させ、残りの約６０％を冷媒液面Ｅ２下とするため、冷媒液面をＥ２に制御する必要がある。
【００５１】
上記の冷媒液面Ｅ１，Ｅ２および凝縮器４内の冷媒液面をレベルセンサ１９，２４により監視し、第２制御弁４２、第３制御弁４５および／または冷媒ポンプ４３等を制御することによって、凝縮器４および蒸発器９内にそれぞれ上記の如く適正な冷媒液面を確保することができる。これによって、圧縮機停止制御モード時、冷媒の凝縮器４および蒸発器９内での凝縮量と蒸発量とを略等しくし、安定したフリークーリング運転を行うことができる。また、フリークーリング運転時、凝縮器４側で凝縮された冷媒および／または蒸発器９の下部に溜まった液冷媒を冷媒ポンプ４３によって循環させ、伝熱管２０上に散布するようにしているため、ガス領域に露出している伝熱管２０に液冷媒を散布し、伝熱面として有効に機能させることができる。従って、フリークーリング運転時の最大能力をアップすることができるとともに、蒸発器９の保有冷媒量を削減することができる。
【００５２】
さらに、圧縮機停止制御モード時、蒸発器９内の液冷媒の液位が、伝熱管２０の管群の約４０％が冷媒ガス領域に露出され、残りの約６０％が冷媒液面Ｅ２下となるように制御されるため、第３制御弁４５を介して冷媒ポンプ４３に流入される液冷媒の押し込み圧を維持し、冷媒液の冷媒ポンプ４３からの吐出量、すなわち冷媒散布量を安定させることができるとともに、蒸発器９での伝熱性能を安定させることができる。従って、フリークーリング運転時の最大能力を向上することができる。
【００５３】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について、図４を用いて説明する。
本実施形態は、上記した第１実施形態に対して、温調制御部３３による入口ベーン３とホットガスバイパス弁２６の制御態様が異なっている。その他の点については、第１実施形態と同様であるので説明は省略する。
上記した第１実施形態では、圧縮機停止制御モード時、入口ベーン３の開度およびホットガスバイパス弁（ＨＧＢＰ弁）２６の開度を同時に制御しているが、本実施形態においては、図４に示されるように、蒸発器９側から凝縮器４側に流れる冷媒ガスの流量が少なく、能力が小さい領域については、入口ベーン３を全閉とし、ホットガスバイパス弁２６の開度制御により微妙な能力制御を行い、冷媒ガスの流量が多く、能力が大きい領域については、入口ベーン３の開度制御により能力制御を行うようにしている。
【００５４】
上記のように、冷媒ガスの流量が少ない領域について、ホットガスバイパス弁２６を用いて能力制御することにより、微妙な能力制御ができる。また、冷媒ガスの流量が多い領域について、少しの開度変化により流量が大きく変化する入口ベーン３を用いて能力制御することによって、迅速な能力制御ができる。従って、本実施形態によると、温調制御帯域を広げることができるとともに、その全範囲に亘り冷却能力を細かく制御し温調制御性を高めることができる。
【００５５】
なお、本発明は、上記実施形態にかかる発明に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。例えば、上記実施形態では、エコノマイザ７に関し、気液分離器方式を用いた例について説明したが、中間冷却器方式としてもよいことはもちろんである。また、ターボ冷凍機１について、多段ターボ圧縮機２を用いた例について説明したが、単段ターボ圧縮機を用いたものであってもよく、この場合、エコノマイザ７は設けられない。
【符号の説明】
【００５６】
１  ターボ冷凍機
２  多段ターボ圧縮機
３  入口ベーン
４  凝縮器
６  第２絞り機構
９  蒸発器
１０  冷媒流路
１１  冷凍サイクル
１２  ストッパ機構
１７，２３  温度センサ
１９，２４  レベルセンサ
２５  ホットガスバイパス回路
２６  ホットガスバイパス弁
２７  第１液側回路
２８  第１制御弁
２９  冷凍機用コントローラ
３０  温度設定器
３１  通常運転モード制御部
３２  圧縮機停止制御モード部
３３  温調制御部
４０  散布装置
４１  第２液側回路
４２  第２制御弁
４３  冷媒ポンプ
４４  冷媒液回路
４５  第３制御弁
【図１】
0005412193.tif 000002
【図２】
0005412193.tif 000003
【図３】
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【図４】
0005412193.tif 000005