(57)【要約】【課題】ターボ圧縮機の逆転を防止又は抑制でき、且つ冷媒の流動に伴う圧力損失を低減できるターボ冷凍機を提供する。【解決手段】本発明に係るターボ冷凍機１は、圧縮された冷媒を冷却液化させる凝縮器４と、液化した冷媒を蒸発させ冷却対象物から気化熱を奪うことによって冷却対象物を冷却する蒸発器５と、該蒸発器５で蒸発した冷媒を電動機２２が回転駆動させるインペラ２１の回転によって圧縮して凝縮器４に供給するターボ圧縮機２とを備えるターボ冷凍機であって、蒸発した冷媒に付勢されてインペラ２１が回転するときに電動機２２を発電機として作動させてインペラ２１の回転を制動する制動装置３を備える、という構成を採用する。【選択図】図１
2011220640.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮された冷媒を冷却液化させる凝縮器と、液化した前記冷媒を蒸発させ冷却対象物から気化熱を奪うことによって前記冷却対象物を冷却する蒸発器と、該蒸発器で蒸発した前記冷媒を電動機が回転駆動させるインペラの回転によって圧縮して前記凝縮器に供給するターボ圧縮機とを備えるターボ冷凍機であって、
蒸発した前記冷媒に付勢されて前記インペラが回転するときに前記電動機を発電機として作動させて前記インペラの回転を制動する制動装置を備えることを特徴とするターボ冷凍機。
【請求項２】
請求項１に記載のターボ冷凍機において、
前記制動装置は、前記電動機で生じる電気エネルギーを回収する回生回路を有することを特徴とするターボ冷凍機。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のターボ冷凍機において、
前記制動装置は、前記電動機で生じる電気エネルギーを熱エネルギーに変換する抵抗回路を有することを特徴とするターボ冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ冷凍機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水等の冷却対象物を冷却あるいは冷凍する冷凍機として、気体の状態にある冷媒を圧縮して排出するターボ圧縮機を備えるターボ冷凍機が知られている（例えば特許文献１参照）。ターボ圧縮機は、電動機が回転駆動させるインペラの回転によって冷媒を圧縮する。ターボ圧縮機で圧縮された冷媒は、凝縮器に供給されて冷却液化される。液化した冷媒は蒸発器に供給され、蒸発器において蒸発する。冷媒の蒸発時に冷却対象物から気化熱を奪うことによって、冷却対象物を冷却することができる。蒸発した冷媒は再びターボ圧縮機に供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１７７６９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ターボ冷凍機の停止時（例えば緊急停止時）には、凝縮器内に貯留されている液化した冷媒が蒸発し、ターボ圧縮機に向かって逆流する。そのため、ターボ圧縮機のインペラは蒸発した冷媒に付勢されて逆転する虞がある。インペラが逆転すると、逆転に伴う振動等によりターボ圧縮機を破損する可能性がある。このようなインペラの逆転を防止するために、凝縮器とターボ圧縮機との間の流路に逆止弁を設置し、凝縮器からターボ圧縮機に向かう冷媒の流れを防止することが一般的に行われている。
【０００５】
しかしながら、流路に逆止弁を設置することで冷媒における流動抵抗が上昇し、冷媒の流動に伴う圧力損失が増大するという課題があった。圧力損失が増大することで、通常運転時におけるターボ冷凍機の冷凍能力が低下してしまうという課題があった。
【０００６】
本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、ターボ圧縮機の逆転を防止又は抑制でき、且つ冷媒の流動に伴う圧力損失を低減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、本発明は以下の手段を採用する。
本発明に係るターボ冷凍機は、圧縮された冷媒を冷却液化させる凝縮器と、液化した冷媒を蒸発させ冷却対象物から気化熱を奪うことによって冷却対象物を冷却する蒸発器と、該蒸発器で蒸発した冷媒を電動機が回転駆動させるインペラの回転によって圧縮して凝縮器に供給するターボ圧縮機とを備えるターボ冷凍機であって、蒸発した冷媒に付勢されてインペラが回転するときに電動機を発電機として作動させてインペラの回転を制動する制動装置を備える、という構成を採用する。
上述したように、ターボ冷凍機の停止時には、凝縮器内に貯留されている液化した冷媒が蒸発しターボ圧縮機に向かって逆流することから、ターボ圧縮機のインペラが蒸発した冷媒に付勢されて逆転する虞がある。本発明によれば、冷媒に付勢されてインペラが逆転するときに、制動装置が電動機を発電機として作動させる。電動機を発電機として作動させると、インペラの回転に対する回転抵抗が生じる。この回転抵抗によって、インペラの逆転が制動される。
【０００８】
また、本発明に係るターボ冷凍機は、制動装置が、電動機で生じる電気エネルギーを回収する回生回路を有する、という構成を採用する。
【０００９】
また、本発明に係るターボ冷凍機は、制動装置が、電動機で生じる電気エネルギーを熱エネルギーに変換する抵抗回路を有する、という構成を採用する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
本発明によれば、制動装置が電動機を発電機として作動させることで、インペラの逆転が制動される。そのため、ターボ圧縮機の逆転を防止又は抑制できる。制動装置を設けることでターボ圧縮機の逆転が防止又は抑制されることから、逆止弁をターボ冷凍機から除外することができる。よって、冷媒の流動に伴う圧力損失を低く抑えることができ、ターボ冷凍機の冷凍能力を向上できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態におけるターボ冷凍機の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態におけるターボ冷凍機の停止時の動作を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を、図１及び図２を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００１３】
図１は、本実施形態におけるターボ冷凍機１の概略構成を示すブロック図である。
本実施形態におけるターボ冷凍機１は、例えば空調用の冷却水を生成するためにビルや工場等に設置されるものであって、ターボ圧縮機２と、インバータ３（制動装置）と、凝縮器４と、蒸発器５とを備えている。
【００１４】
ターボ圧縮機２は、気体状態の冷媒である冷媒ガスＸ１を圧縮して圧縮冷媒ガスＸ２とするものである。ターボ圧縮機２には、冷媒ガスＸ１が流動する第１流路Ｒ１と、圧縮冷媒ガスＸ２が流動する第２流路Ｒ２とがそれぞれ接続されている。ターボ圧縮機２は、インペラ２１と、モータ２２（電動機）とを備えている。
【００１５】
インペラ２１は、冷媒ガスＸ１を圧縮するために用いられる翼車である。冷媒ガスＸ１は、インペラ２１の回転軸線方向（スラスト方向）に形成される不図示の吸入口を介してインペラ２１に導入される。導入された冷媒ガスＸ１は、回転するインペラ２１により径方向外側（ラジアル方向）に向かって送り出される。インペラ２１の径方向外側には不図示のディフューザ及びスクロール室が形成されており、冷媒ガスＸ１はこれらのディフューザ及びスクロール室の内部を流動するにつれて圧縮され、圧縮冷媒ガスＸ２となる。上述した吸入口には第１流路Ｒ１が接続され、スクロール室には第２流路Ｒ２が接続されている。
【００１６】
モータ２２は、インペラ２１を回転させるための駆動装置である。モータ２２は、交流電力の供給によって駆動する交流電動機（三相型）であって、供給される交流電力の周波数を調整することでその回転速度が変更可能となっている。モータ２２は、回転軸２３を介してインペラ２１と一体的に連結されている。回転軸２３は不図示の転がり軸受（玉軸受やころ軸受等）を介して回転自在に支持されている。なお、上記転がり軸受は、正転・逆転のいずれの回転方向に対しても、回転軸２３の円滑な回転を確保できるものである。
【００１７】
インバータ３は、ターボ圧縮機２のモータ２２に対する駆動と、インペラ２１の逆転（通常の冷却時における回転と逆方向での回転）の制動とに用いられる電子機器である。インバータ３は、ターボ冷凍機１の動作用電力を供給する主電源系統Ｐと、モータ２２とのそれぞれに電力供給線を介して接続されている。インバータ３は、駆動回路３１と、回生回路３２とを有している。これらの駆動回路３１と回生回路３２とは同時に動作せず、インバータ３に入力される信号（例えばターボ冷凍機１の停止（緊急停止等）を示す信号）に基づいて動作が切り替えられる構成となっている。
【００１８】
駆動回路３１は、交流電力を主電源系統Ｐからモータ２２に供給して、モータ２２を駆動するための回路である。また、駆動回路３１は、モータ２２に供給する交流電力の周波数を調整することが可能となっている。駆動回路３１が交流電力の周波数を調整することで、モータ２２の回転速度が変更され、ターボ圧縮機２の圧縮能力及びターボ冷凍機１の冷却能力が調整される。なお、駆動回路３１は、交流電力の周波数とともに電圧を調整する回路であってもよい。
【００１９】
回生回路３２は、インペラ２１の逆転を制動し、ターボ圧縮機２の逆転を防止又は抑制するための回路であって、駆動回路３１と並列して設けられている。回生回路３２は、インペラ２１の逆転によりモータ２２が逆転するときに、モータ２２を発電機として作動させるための回路である。また、回生回路３２は、発電機として作動するモータ２２で生じた電気エネルギーを回収し、主電源系統Ｐに供給することが可能となっている（回生作用）。なお、回生回路３２が回収した電気エネルギーを、蓄電池等に蓄える構成であってもよい。また、回生回路３２をインバータ３から独立させて制動装置として構成し、インバータ３と並列に設置してもよい。
【００２０】
凝縮器４は、圧縮冷媒ガスＸ２を冷却液化して冷媒液Ｘ３とする熱交換器である。凝縮器４には、圧縮冷媒ガスＸ２が流動する第２流路Ｒ２と、冷媒液Ｘ３が流動する第３流路Ｒ３とがそれぞれ接続されている。なお、第３流路Ｒ３には、冷媒液Ｘ３を減圧するための膨張弁６が設置されている。
【００２１】
蒸発器５は、冷媒液Ｘ３を蒸発させて水等の冷却対象物から気化熱を奪うことによって該冷却対象物を冷却するための熱交換器である。なお、蒸発器５で蒸発する冷媒液Ｘ３は、冷媒ガスＸ１となる。蒸発器５には、冷媒液Ｘ３が流動する第３流路Ｒ３と、冷媒ガスＸ１が流動する第１流路Ｒ１とがそれぞれ接続されている。
ターボ冷凍機１においては、第１流路Ｒ１、第２流路Ｒ２及び第３流路Ｒ３によって、冷媒（冷媒ガスＸ１、圧縮冷媒ガスＸ２及び冷媒液Ｘ３）の循環流路が形成されている。
【００２２】
次に、ターボ冷凍機１の冷凍動作を、図１を参照して説明する。
インバータ３の駆動回路３１が、主電源系統Ｐからターボ圧縮機２のモータ２２に対して交流電力を供給する。交流電力の供給によりモータ２２は駆動し、回転軸２３を介して連結されるインペラ２１が回転する。インペラ２１が回転することで、第１流路Ｒ１内の冷媒ガスＸ１が吸引されてインペラ２１に導入される。導入された冷媒ガスＸ１はインペラ２１の径方向外側に送り出され、不図示のディフューザやスクロール室の内部を流動することで圧縮され、圧縮冷媒ガスＸ２となる。圧縮冷媒ガスＸ２は、上記スクロール室に接続される第２流路Ｒ２に送り出される。
【００２３】
圧縮冷媒ガスＸ２は第２流路Ｒ２を介して凝縮器４に導入される。圧縮冷媒ガスＸ２は凝縮器４において冷却液化されて冷媒液Ｘ３となる。冷媒液Ｘ３は第３流路Ｒ３に送り出されて、膨張弁６によって減圧される。
【００２４】
膨張弁６によって減圧された冷媒液Ｘ３は、蒸発器５に導入される。冷媒液Ｘ３は蒸発器５において蒸発し、水等の冷却対象物から気化熱を奪うことによって冷却対象物を冷却する。冷媒液Ｘ３が蒸発すると冷媒ガスＸ１となり、この冷媒ガスＸ１は第１流路Ｒ１に送り出される。冷媒ガスＸ１は第１流路Ｒ１を介してターボ圧縮機２に再び導入される。
以上で、ターボ冷凍機１の冷凍動作が完了する。
【００２５】
続いて、ターボ冷凍機１の停止時の動作を、図２を参照して説明する。図２は、本実施形態におけるターボ冷凍機１の停止時の動作を示すブロック図である。
例えばターボ冷凍機１を構成する機器に不具合が生じ、ターボ冷凍機１を緊急に停止する状況について説明する。ターボ冷凍機１を緊急停止させると、インバータ３には緊急停止を伝える信号が入力され、インバータ３の駆動回路３１は交流電力の供給を停止し、モータ２２の駆動が停止される。モータ２２が停止することでインペラ２１の回転が止まり、第２流路Ｒ２への圧縮冷媒ガスＸ２の吐出が停止する。そのため、凝縮器４への圧縮冷媒ガスＸ２の導入が停止する。
【００２６】
圧縮冷媒ガスＸ２の凝縮器４への導入が停止することで、凝縮器４内に貯留されている冷媒液Ｘ３が蒸発し、第２流路Ｒ２へ逆流する。なお、冷媒液Ｘ３が蒸発してなる冷媒ガスは第３流路Ｒ３へも流入しようとするが、第３流路Ｒ３に設置される膨張弁６の流動抵抗が大きいことから、冷媒液Ｘ３が蒸発してなる冷媒ガスは主に第２流路Ｒ２へ流入して逆流冷媒ガスＸ４となる。
【００２７】
逆流冷媒ガスＸ４は、第２流路Ｒ２をターボ圧縮機２に向かって流動し、ターボ圧縮機２に導入される。逆流冷媒ガスＸ４は、ターボ圧縮機２の図示しないスクロール室やディフューザを介してインペラ２１に径方向外側から導入される。インペラ２１に導入された逆流冷媒ガスＸ４は、インペラ２１を付勢して逆転させる。ここで、回転軸２３は不図示の転がり軸受を介して支持されており、上記転がり軸受は、正転・逆転のいずれの回転方向に対しても回転軸２３を円滑に回転させることから、インペラ２１に連結される回転軸２３は円滑に逆転する。そのため、インペラ２１と回転軸２３を介して連結されるモータ２２も逆転する。
【００２８】
一方、インバータ３に緊急停止を伝える信号が入力されることで、駆動回路３１の代わりに回生回路３２が作動する。回生回路３２は、モータ２２を発電機として作動させる。すなわち、インペラ２１が逆流冷媒ガスＸ４により付勢されて逆転するときに、回生回路３２がモータ２２を発電機として作動させる。モータ２２を発電機として作動させると、インペラ２１の逆転に対する回転抵抗が生じる。このような回転抵抗が生じることで、インペラ２１の逆転が制動される。逆流冷媒ガスＸ４の流動による付勢力が、モータ２２で生じるインペラ２１に対する回転抵抗よりも小さければ、インペラ２１の逆転は停止する。また、逆流冷媒ガスＸ４の流動による付勢力が上記回転抵抗よりも大きければ、インペラ２１の逆転は抑制される。結果として、ターボ圧縮機２の逆転が防止又は抑制され、逆転に伴って生じる振動等を防止でき、ターボ圧縮機２の破損や騒音等の不具合を防止できる。
【００２９】
逆流冷媒ガスＸ４により付勢されてインペラ２１が逆転すると、発電機として作動するモータ２２では電気エネルギーが生じる。回生回路３２は、モータ２２で生じる電気エネルギーを回収して、主電源系統Ｐに供給できる。すなわち、逆流冷媒ガスＸ４の流動のエネルギーを再利用することができる。
【００３０】
なお、本実施形態におけるインバータ３は回生回路３２を有しているが、回生回路３２の代わりに、抵抗回路を有する構成であってもよい。抵抗回路は、インペラ２１が逆転するときにモータ２２を発電機として作動させるとともに、モータ２２で生じる電気エネルギーを熱エネルギーに変換する回路である。回生回路３２はモータ２２で生じる電気エネルギーを主電源系統Ｐに供給するが、モータ２２で生じる電圧が主電源系統Ｐにおける電圧よりも低い場合には、モータ２２で生じる電気エネルギーを主電源系統Ｐに供給することができない（回生失効）。回生失効が生じるとインペラ２１に対する十分な回転抵抗を生じることができないことから、抵抗回路を用いることで安定した制動作用を得ることができる。なお、抵抗回路を用いる場合には、電気エネルギーは熱エネルギーに変換され放熱される。また、インバータ３が回生回路３２と抵抗回路とをいずれも有し、モータ２２で生じる電圧に応じて回生回路３２と抵抗回路とのうち作動する回路を選択する構成であってもよい。
以上で、ターボ冷凍機１の停止時の動作が完了する。
【００３１】
上述したように、本実施形態のインバータ３は回生回路３２を有しているために、インペラ２１の逆転が制動され、ターボ圧縮機２の逆転を防止又は抑制できる。よって、第２流路Ｒ２に設置され、逆流冷媒ガスＸ４の流動を防止するための逆止弁を、ターボ冷凍機１から除外することができる。逆止弁が第２流路Ｒ２から除外されることで、第２流路Ｒ２自体の流動抵抗が減少し、圧縮冷媒ガスＸ２が第２流路Ｒ２を流動するときの圧力損失を低く抑えることができる。圧縮冷媒ガスＸ２の流動に伴う圧力損失が低く抑えられることで、ターボ冷凍機１の冷凍能力を向上させることができる。
【００３２】
したがって、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、インバータ３がモータ２２を発電機として作動させることで、インペラ２１の回転が制動される。そのため、ターボ圧縮機２の逆転を防止又は抑制できる。インバータ３を設けることでターボ圧縮機２の逆転が防止又は抑制されることから、逆止弁をターボ冷凍機１から除外することができる。よって、圧縮冷媒ガスＸ２の流動に伴う圧力損失を低く抑えることができ、ターボ冷凍機１の冷凍能力を向上できるという効果がある。
【００３３】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００３４】
例えば、上記実施形態では、ターボ圧縮機２はインペラ２１のみを備える一段型の圧縮機であるが、これに限定されるものではなく、複数のインペラを備える多段型の圧縮機であってもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１…ターボ冷凍機、２…ターボ圧縮機、２１…インペラ、２２…モータ（電動機）、３…インバータ（制動装置）、３２…回生回路、４…凝縮器、５…蒸発器、
【図１】
2011220640.tif 000003
【図２】
2011220640.tif 000004