(57)【要約】【課題】電動式膨張弁の制御性の低下を回避することができ、また膨張弁を複数設置することによるコスト増加を回避したターボ冷凍機を提供する。【解決手段】被冷却流体から熱を奪って冷媒が蒸発し冷凍効果を発揮する蒸発器３と、冷媒を多段の羽根車１１によって圧縮する多段ターボ圧縮機１と、圧縮された冷媒ガスを冷却流体で冷却して凝縮させる凝縮器２と、凝縮した冷媒液の一部を蒸発させて蒸発した冷媒ガスを多段ターボ圧縮機１の多段圧縮段の中間部分に供給する中間冷却器であるエコノマイザ４とを備えたターボ冷凍機１において、凝縮器２からエコノマイザ４に冷媒を導く冷媒配管５にオリフィス６と膨張弁７とをオリフィス６、膨張弁７の順序で設置し、エコノマイザ４から蒸発器３に冷媒を導く冷媒配管５にオリフィス９と膨張弁１０とをオリフィス９、膨張弁１０の順序で設置した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被冷却流体から熱を奪って冷媒が蒸発し冷凍効果を発揮する蒸発器と、冷媒を多段の羽根車によって圧縮する多段ターボ圧縮機と、圧縮された冷媒ガスを冷却流体で冷却して凝縮させる凝縮器と、凝縮した冷媒液の一部を蒸発させて蒸発した冷媒ガスを前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分に供給する中間冷却器であるエコノマイザとを備えたターボ冷凍機において、
前記凝縮器から前記エコノマイザに冷媒を導く冷媒配管にオリフィスと膨張弁とをオリフィス、膨張弁の順序で設置し、
前記エコノマイザから前記蒸発器に冷媒を導く冷媒配管にオリフィスと膨張弁とをオリフィス、膨張弁の順序で設置したことを特徴とするターボ冷凍機。
【請求項２】
前記オリフィスは固定オリフィスからなり、前記膨張弁は開度可変の電動式の膨張弁からな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】
前記凝縮器および前記エコノマイザにそれぞれ設置され、冷媒液面高さを測定する液面センサと、
前記膨張弁の開度を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記凝縮器に設置された液面センサの測定値に基づいて前記凝縮器と前記エコノマイザの間の膨張弁の開度を制御し、前記エコノマイザに設置された液面センサの測定値に基づいて前記エコノマイザと前記蒸発器の間の膨張弁の開度を制御す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４】
前記凝縮器および前記蒸発器にそれぞれ設置され、凝縮器の圧力および蒸発器の圧力を測定する圧力センサと、
前記膨張弁の開度を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記圧力センサによって測定された凝縮器の圧力と蒸発器の圧力との圧力差に基づいて、前記凝縮器と前記エコノマイザの間の膨張弁の開度及び前記エコノマイザと前記蒸発器の間の膨張弁の開度を制御す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５】
凝縮器の圧力と蒸発器の圧力の圧力差と前記膨張弁の開度との関係を予め求め、この予め求めた関係を前記制御装置に記憶しておき、
前記制御装置は、前記圧力センサによって測定された凝縮器の圧力と蒸発器の圧力の圧力差から前記予め求めた関係に基づいて、前記凝縮器と前記エコノマイザの間の膨張弁の開度及び前記エコノマイザと前記蒸発器の間の膨張弁の開度を決定することを特徴とする請求項４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、ターボ冷凍機に係り、特にターボ冷凍機の膨張機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、冷凍空調装置などに利用されるターボ冷凍機は、冷媒を封入したクローズドシステムで構成され、冷水（被冷却流体）から熱を奪って冷媒が蒸発して冷凍効果を発揮する蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した冷媒ガスを圧縮して高圧の冷媒ガスにする圧縮機と、高圧の冷媒ガスを冷却水（冷却流体）で冷却して凝縮させる凝縮器と、前記凝縮した冷媒を減圧して膨張させる膨張弁（膨張機構）とを、冷媒配管によって連結して構成されている。そして、圧縮機として冷媒ガスを多段の羽根車によって多段に圧縮する多段圧縮機を用いた場合は、凝縮器と蒸発器の間の冷媒配管中に設置した中間冷却器であるエコノマイザで生じる冷媒ガスを圧縮機の中間段（多段の羽根車の中間部分）に導入することが行われている。
【０００３】
ターボ冷凍機において、凝縮器からエコノマイザおよびエコノマイザから蒸発器の膨張機構には、固定オリフィス、フロート弁、電動弁などが用いられている。
冷凍サイクルにおいて、冷凍能力に寄与しない冷媒ガスが圧縮機にて圧縮されると余剰な動力を消費されるため、冷凍機の効率低下に繋がる。
従来、電動弁を膨張機構として採用し、膨張弁の一次側の缶胴（凝縮器、エコノマイザ）の液面を確保して、膨張機構の一次側を液封することによりガスバイパスを回避している。
【０００４】
膨張弁には、電動弁を用いられる場合が多いが、弁体の種類により、流量Ｃｖ値（流量係数）と開度の制御特性が変わる。
ターボ冷凍機の膨張弁として、採用されるのは、ボール弁、バタフライ弁が多いが、
低バルブ開度域では、バルブの操作量に対してのＣｖ値（流量係数）の変化が小さくなる、いわゆる不感帯となり、前述のような精度を要求される液面制御には不適当である。
図６は、ボール弁やバタフライ弁のバルブ開度とＣｖ値（流量係数）との関係を示すグラフである。図６に示すように、低バルブ開度域では、バルブの操作量に対してのＣｖ値の変化が小さくなる、制御性不適合域である。そして、バルブ開度が比較的高い領域では、バルブ操作量に対してのＣｖ値の変化が大きくなる、制御性良好域である。
【０００５】
図６において、制御性良好域での使用を前提として、小口径の膨張弁を使用すると、冷水と冷却水の温度差が小さい低ヘッド条件において蒸発器への冷媒戻りが悪くなり、蒸発器の吸込み低圧が生じて、冷凍機の運転が継続できない場合がある。
そのため、大口径の膨張弁と小口径の膨張弁を並列に並べて冷凍負荷あるいは冷水・冷却水の温度条件により、膨張弁の切替制御などを行っていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４１０９９９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した従来の技術では、以下の課題が生じていた。
１）電動式膨張弁の制御性の不適合領域があり、精度の高い液面制御ができない。
２）制御性を確保するため、大口径の膨張弁と小口径の膨張弁を複数並列設置する場合にはコストが増加するという問題がある。
【０００８】
本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、電動式膨張弁の制御性の低下を回避することができ、また膨張弁を複数設置することによるコスト増加を回避した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】
【０００９】
上述の目的を達成するため、本発明のターボ冷凍機は、被冷却流体から熱を奪って冷媒が蒸発し冷凍効果を発揮する蒸発器と、冷媒を多段の羽根車によって圧縮する多段ターボ圧縮機と、圧縮された冷媒ガスを冷却流体で冷却して凝縮させる凝縮器と、凝縮した冷媒液の一部を蒸発させて蒸発した冷媒ガスを前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分に供給する中間冷却器であるエコノマイザとを備えたターボ冷凍機において、前記凝縮器から前記エコノマイザに冷媒を導く冷媒配管にオリフィスと膨張弁とをオリフィス、膨張弁の順序で設置し、前記エコノマイザから前記蒸発器に冷媒を導く冷媒配管にオリフィスと膨張弁とをオリフィス、膨張弁の順序で設置したことを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、凝縮器とエコノマイザ間の高段側においては、膨張弁の一次側に設けたオリフィスで、ベースとなる圧力損失を与えて冷媒循環量を制限し、下流にある膨張弁で凝縮器の液面制御を行う。このようにオリフィスを膨張弁の一次側に設けることで、膨張弁が開閉動作をする領域は、バルブ操作量に対してＣｖ値（流量係数）が敏感に変化する制御性良好域にシフトし、制御応答性の低下という課題を解決できる。オリフィスと膨張弁により凝縮器において精度の高い液面制御を行うことで、冷凍サイクルのガスバイパス量を低減でき、冷凍機の効率低下を回避できる。また、エコノマイザと蒸発器間の低段側においても、同様に、膨張弁の一次側に設けたオリフィスで、ベースとなる圧力損失を与えて冷媒循環量を制限し、下流にある膨張弁でエコノマイザの液面制御を行う。このようにオリフィスと膨張弁によりエコノマイザにおいて精度の高い液面制御を行うことで、冷凍サイクルのガスバイパス量を低減でき、冷凍機の効率低下を回避できる。
【００１１】
本発明の好ましい態様によれば、前記オリフィスは固定オリフィスからなり、前記膨張弁は開度可変の電動式の膨張弁からなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記凝縮器および前記エコノマイザにそれぞれ設置され、冷媒液面高さを測定する液面センサと、前記膨張弁の開度を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記凝縮器に設置された液面センサの測定値に基づいて前記凝縮器と前記エコノマイザの間の膨張弁の開度を制御し、前記エコノマイザに設置された液面センサの測定値に基づいて前記エコノマイザと前記蒸発器の間の膨張弁の開度を制御することを特徴とする。
【００１２】
本発明の好ましい態様によれば、前記凝縮器および前記蒸発器にそれぞれ設置され、凝縮器の圧力および蒸発器の圧力を測定する圧力センサと、前記膨張弁の開度を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記圧力センサによって測定された凝縮器の圧力と蒸発器の圧力との圧力差に基づいて、前記凝縮器と前記エコノマイザの間の膨張弁の開度及び前記エコノマイザと前記蒸発器の間の膨張弁の開度を制御することを特徴とする。
【００１３】
本発明の好ましい態様によれば、凝縮器の圧力と蒸発器の圧力の圧力差と前記膨張弁の開度との関係を予め求め、この予め求めた関係を前記制御装置に記憶しておき、前記制御装置は、前記圧力センサによって測定された凝縮器の圧力と蒸発器の圧力の圧力差から前記予め求めた関係に基づいて、前記凝縮器と前記エコノマイザの間の膨張弁の開度及び前記エコノマイザと前記蒸発器の間の膨張弁の開度を決定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、以下に列挙する効果を奏する。
（１）凝縮器とエコノマイザの液面制御を精度良く行うことで、冷凍サイクルのガスバイパス量を低減でき、冷凍機の効率低下を回避できる。
（２）電動式膨張弁の制御応答性が悪い運転領域があるのを回避して、制御性が良好な運転領域とすることができる。
（３）制御応答性を確保するために膨張弁を複数並列設置することでコストが増加することを回避して、それぞれ単一の膨張弁で凝縮器とエコノマイザの液面制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明に係るターボ冷凍機の第１の実施形態を示す模式図である。
【図２】図２は、オリフィスと膨張弁とを直列に接続した場合のモリエル線図である。
【図３】図３は、図１に示すターボ冷凍機に液面センサを設けた実施形態を示す模式図である。
【図４】図４は、図１に示すターボ冷凍機に圧力センサを設けた実施形態を示す模式図である。
【図５】図５は、凝縮器と蒸発器の圧力差と膨張弁の開度との関係を示すグラフである。
【図６】図６は、ボール弁やバタフライ弁のバルブ開度とＣｖ値（流量係数）との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係るターボ冷凍機の実施形態を図１乃至図５を参照して説明する。図１乃至図５において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００１７】
図１は、本発明に係るターボ冷凍機の第１の実施形態を示す模式図である。図１に示すように、ターボ冷凍機は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機１と、圧縮された冷媒ガスを冷却水（冷却流体）で冷却して凝縮させる凝縮器２と、冷水（被冷却流体）から熱を奪って冷媒が蒸発し冷凍効果を発揮する蒸発器３と、凝縮器２と蒸発器３との間に配置される中間冷却器であるエコノマイザ４とを備え、これら各機器を冷媒が循環する冷媒配管５によって連結して構成されている。
【００１８】
図１に示す実施形態においては、ターボ圧縮機１は多段ターボ圧縮機から構成されており、多段ターボ圧縮機は二段ターボ圧縮機からなり、一段目羽根車１１と、二段目羽根車１２と、これらの羽根車１１，１２を回転させる圧縮機モータ１３とから構成されている。一段目羽根車１１の吸込側には、冷媒ガスの羽根車１１，１２への吸込流量を調整するサクションベーン１４が設けられている。ターボ圧縮機１は、流路８によってエコノマイザ４と接続されており、エコノマイザ４で分離された冷媒ガスはターボ圧縮機１の多段の圧縮段（この例では２段）の中間部分（この例では一段目羽根車１１と二段目羽根車１２の間の部分）に導入されるようになっている。
【００１９】
図１に示すように構成されたターボ冷凍機の冷凍サイクルでは、ターボ圧縮機１と凝縮器２と蒸発器３とエコノマイザ４とを冷媒が循環し、蒸発器３で得られる冷熱源で冷水が製造されて負荷に対応し、冷凍サイクル内に取り込まれた蒸発器３からの熱量およびモータ１３から供給されるターボ圧縮機１の仕事に相当する熱量が凝縮器２に供給される冷却水に放出される。一方、エコノマイザ４にて分離された冷媒ガスはターボ圧縮機１の多段圧縮段の中間部分に導入され、一段目圧縮機からの冷媒ガスと合流して二段目圧縮機により圧縮される。２段圧縮単段エコノマイザサイクルによれば、エコノマイザ４による冷凍効果部分が付加されるので、その分だけ冷凍効果が増加し、エコノマイザ４を設置しない場合に比べて冷凍効果の高効率化を図ることができる。
【００２０】
図１に示すように、凝縮器２とエコノマイザ４とを接続する冷媒配管５には、高段オリフィス６と電動式の高段膨張弁７が設けられている。また、エコノマイザ４と蒸発器３とを接続する冷媒配管５には、低段オリフィス９と電動式の低段膨張弁１０が設けられている。オリフィス６，９は固定オリフィスからなり、膨張弁７，１０は弁開度が可変の電動弁からなる。オリフィス６，９および膨張弁７，１０について、「高段」と「低段」と称した理由は、凝縮器２とエコノマイザ４の間はエコノマイザ４と蒸発器３の間よりも圧力が高いので、圧力が高い側を「高段」、圧力が低い側を「低段」としたものである。
【００２１】
図１に示すように構成することにより、高段側においては、高段膨張弁７の一次側に設けた高段オリフィス６で、ベースとなる圧力損失を与えて冷媒循環量を制限し、下流にある高段膨張弁７で凝縮器２の液面制御を行う。このように高段オリフィス６を高段膨張弁７の一次側に設けることで、高段膨張弁７が開閉動作をする領域は、バルブ操作量に対してＣｖ値（流量係数）が敏感に変化する制御性良好域にシフトし、制御応答性の低下という課題を解決できる。高段オリフィス６と高段膨張弁７により凝縮器２において精度の高い液面制御を行うことで、冷凍サイクルのガスバイパス量を低減でき、冷凍機の効率低下を回避できる。
【００２２】
また、低段側においても、同様に、低段膨張弁１０の一次側に設けた低段オリフィス９で、ベースとなる圧力損失を与えて冷媒循環量を制限し、下流にある低段膨張弁１０でエコノマイザ４の液面制御を行う。このように低段オリフィス９を低段膨張弁１０の一次側に設けることで、低段膨張弁１０が開閉動作をする領域は、バルブ操作量に対してＣｖ値（流量係数）が敏感に変化する制御性良好域にシフトし、制御応答性の低下という課題を解決できる。低段オリフィス９と低段膨張弁１０によりエコノマイザ４において精度の高い液面制御を行うことで、冷凍サイクルのガスバイパス量を低減でき、冷凍機の効率低下を回避できる。
また、図１に示すように、凝縮器２とエコノマイザ４間およびエコノマイザ４と蒸発器３の間に、それぞれオリフィスと膨張弁とを直列に設置することにより口径の異なる膨張弁を並列設置することも回避でき、冷凍機のコスト増加という課題も解決できる。
【００２３】
図２は、オリフィスと膨張弁とを直列に接続した場合のモリエル線図である。図２に示すように、凝縮圧力からエコノマイザ圧力への膨張工程を高段オリフィス６および高段膨張弁７の２段階で行い、エコノマイザ圧力から蒸発圧力への膨張工程を低段オリフィス９および低段膨張弁１０の２段階で行う。
【００２４】
次に、上述のように構成されたターボ冷凍機の膨張機構の具体的な制御方法について説明する。
図３は、図１に示すターボ冷凍機に液面センサを設けた実施形態を示す模式図である。図３に示すように、本実施形態においては、凝縮器２とエコノマイザ４に、それぞれ液面センサ１７，１８を設けている。液面センサ１７，１８は、それぞれ制御装置２０に接続されている。また、高段膨張弁７および低段膨張弁１０も、それぞれ制御装置２０に接続されている。
【００２５】
図３に示すように構成されたターボ冷凍機において、液面センサ１７は凝縮器２の液面高さを測定し、測定値を制御装置２０に入力する。制御装置２０は、凝縮器２の液面が所定の高さになるように高段膨張弁７を開閉制御する。ここで所定の高さとは、凝縮器２においては、最下段の伝熱管が冷媒液に浸されない高さを指し、この液面高さになるように高段膨張弁７の開度の制御を行う。また、液面センサ１８はエコノマイザ４の液面高さを測定し、測定値を制御装置２０に入力する。制御装置２０は、エコノマイザ４の液面が所定の高さになるように低段膨張弁１０を開閉制御する。ここで所定の高さとは、エコノマイザ４においては、エコノマイザ４に設けた気液分離デミスタが冷媒液に浸されない高さを指し、この液面高さになるように低段膨張弁１０の開度の制御を行う。
【００２６】
このように、高段オリフィス６と高段膨張弁７により凝縮器２において精度の高い液面制御を行うことで、冷凍サイクルのガスバイパス量を低減でき、冷凍機の効率低下を回避できる。また、低段オリフィス９と低段膨張弁１０によりエコノマイザ４において精度の高い液面制御を行うことで、冷凍サイクルのガスバイパス量を低減でき、冷凍機の効率低下を回避できる。
【００２７】
液面高さを連続出力する液面センサは高価であるため、簡便的に、凝縮器と蒸発器の圧力差で、膨張弁の開度を制御する手法を用いても良い。
図４は、図１に示すターボ冷凍機に圧力センサを設けた実施形態を示す模式図である。図４に示すように、凝縮器２と蒸発器３の圧力をそれぞれ検出する圧力センサ２１，２２を設けている。圧力センサ２１，２２は、それぞれ制御装置２０に接続されている。また、高段膨張弁７および低段膨張弁１０も、それぞれ制御装置２０に接続されている。
【００２８】
図４に示すように構成されたターボ冷凍機において、圧力センサ２１は凝縮器２の圧力Ｐｃを測定し、測定値を制御装置２０に入力する。また、圧力センサ２２は蒸発器３の圧力Ｐｅを測定し、測定値を制御装置２０に入力する。制御装置２０は、凝縮器２と蒸発器３の圧力差（Ｐｃ−Ｐｅ）を演算し、予め与えたテーブルから外挿された膨張弁開度になるように制御を行う。
【００２９】
図５は、凝縮器２と蒸発器３の圧力差（Ｐｃ−Ｐｅ）と膨張弁の開度との関係を示すグラフである。図５に示す圧力差（Ｐｃ−Ｐｅ）と膨張弁の開度との関係は、高段膨張弁７および低段膨張弁１０のいずれにも当てはまる関係である。図５に示すような圧力差（Ｐｃ−Ｐｅ）と膨張弁開度との関係を予め求めておき、テーブル化して記憶しておく。ターボ冷凍機の運転中に、圧力センサ２１，２２は、それぞれ凝縮器２の圧力および蒸発器３の圧力を測定し、測定値を制御装置２０へ入力する。制御装置２０は、凝縮器２と蒸発器３の圧力差（Ｐｃ−Ｐｅ）を演算し、テーブル化して記憶された図５の関係に基づき、膨張弁（すなわち、高段膨張弁７および低段膨張弁１０）の開度を制御する。
なお、制御装置にテーブルを記憶することなく、圧力センサ２１の圧力Ｐｃと圧力センサ２２の圧力Ｐｅとの圧力差の電気信号に基づき、予め求めた圧力差と前記膨張弁の開度との関係をアナログ電子回路により構成し、膨張弁の開度を制御することもできる。
【００３０】
これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。
【符号の説明】
【００３１】
１  ターボ圧縮機
２  凝縮器
３  蒸発器
４  エコノマイザ
５  冷媒配管
６  高段オリフィス
７  高段膨張弁
８  流路
９  低段オリフィス
１０  低段膨張弁
１１  一段目羽根車
１２  二段目羽根車
１３  圧縮機モータ
１４  サクションベーン
１６  油タンク
１７  液面センサ
１８  液面センサ
２０  制御装置
２１  圧力センサ
２２  圧力センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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