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技術論

中規模空調の大幅な省エネを可能とするマイクロターボシリーズ

文"Micro Turbo Series" Vastly Saves Energy toMidle Sized Central Air-Conditioning
関亘＊1

上 田 憲 治＊2

Wataru Seki

Kenji Ueda

市 岡 丈 彦＊3
Takehiko Ichioka

セントラル空調用熱源機として大型機で実績のあるターボ冷凍機の最新高性能技術を適用し，小型高性能ターボ冷凍機マイクロターボシリーズを開発した．水冷冷房専用シリーズと空冷ヒートポンプシリーズをラインアップし，スクリューチラー及び吸収冷凍機では達成できなかった高性能特性により，大幅な省エネルギー，CO2 排出量削減を可能とした．

1．はじめ

しかし大型ターボ冷凍機との性能格差は著しいものがにあり満足のいく性能を提供できていない状況であった

大規模セントラル空調の熱源機であるターボ冷凍機（図１）．中小規模のセントラル空調の中でも，ユーザは，製品ニーズに２つの傾向がある．大型化と高性能により求められているものは２分される．事業主と管化である．半導体や液晶，CCD といった特定産業の理するユーザが同一である病院，工場，商業施設，自設備投資に牽引される形で工場用途の大型容量機の需社ビルは大規模セントラル空調と同様，ランニングコ要が大きく伸び，平成 12 年以降に平均容量は 500 Rtスト低減と CO2 削減が可能な高性能化が重要である．

を超えるレベルに達した．さらに環境面で数値化し削

一方事務所ビルや学校などは，パッケージエアコンや減が必要となった CO2 排出量やランニングコストの低ガスヒートポンプなどの個別分散方式の空調と同様に減が両輪となり高性能化のニーズが顕著になった．そ利便性に重きがおかれている．そこで当社が得意とす

こで 1999 年より大型ターボ冷凍機は高性能化に全力るターボ冷凍機の高性能化技術を導入し，画期的な超で取り組み，AART シリーズや NART-Ｉ シリーズな小型高効率ターボ圧縮機を開発し，高性能小型熱源機

どを商品化，世界最高レベルの性能を達成した．一方，マイクロターボ

中小規模セントラル空調の熱源機の主流は，スクリュケージエアコンなどの経験をいかし，操作のしやすさーチラーと吸収式冷温水器である．これまで事務所ビなどを制御面に反映し利便性も追求した．

として商品化した．また当社パッルや病院，学校を中心にヒートポンプが，工場，商業

さらにマイクロターボは冷媒にオゾン層破壊係数施設などを中心に冷房専用チラーが導入されてきた．

（ODP）がゼロの HFC134a を使用しており，地球環

8COP（−）

76

NARTシリーズ

COP 算出条件
冷水出口７℃
外気温度 35℃

AARTシリーズ

水冷ターボ冷凍機

543

著しい性能格差

ターボ冷凍機（空冷換算）
空冷スクリュ−冷凍機

21

HCFC 冷媒・CFC 冷媒

01985 1987

HFC 冷媒1989

1991

1993 1995

1997 1999

2001

2003

2005

図１ ターボ冷凍機とスクリューチラーの COP の変遷

大型ター
ボ冷凍機と，スクリューチラーの COP の変遷を示した．機器が異なるため，ターボ冷凍機をスクリューと同等の条件（冷却塔や冷却水ポンプなどの補機動力を含めた）に換算し比較している．

冷熱事業本部大型冷凍機部設計課長
冷熱事業本部大型冷凍機部設計課＊3
技術本部高砂研究所流体研究室＊1＊2

図２ 小型高効率ターボ圧縮機の外観

すべてのマイクロターボシリーズに適用するターボ圧縮機のユニット外観．

91

境の保護にも配慮している．

2．マイクロターボの特徴

比の固定された容積式圧縮機であるスクリュー式やレシプロ式にない特徴であり，外気温度追従型高性能機となる特性である．

マイクロターボシリーズは，水冷冷房専用機Ｗシリ

空気熱交換器を備える空冷冷房専用機 A シリーズ

ーズ，空冷冷房専用機 A シリーズ，ヒートポンプ S シや，ヒートポンプ S シリーズなどでは，冷却塔を介リーズなどのラインアップとし，いずれも小型高効率さず直接外気と熱交換するため，外気温度の変動にターボ圧縮機を採用している（図２）．

伴う圧縮比の変動が大きい．従来機種であるスクリ

2．1

小型高効率ターボ圧縮機（1）高性能羽根車

ューチラーが外気温度に十分追従できないのに比べ，可変速制御によるターボ圧縮機のランニングコ

ターボ圧縮機の適用できる範囲は従来 100 Rt 以

スト低減効果は大きい．可変速制御技術は NART-上とされていた．小容量化に際してはターボ圧縮機Ｉシリーズで実績のあるものを転用し，マイクロタの主要部品の小型化が必須となる．例えば羽根車，ーボシリーズに標準装備した．

軸受や入口ベーンなどで，とくに羽根車や羽根車と（4）静音設計組み合わされる静止側部品の形状は空力性能，漏れ水冷冷房専用機 W シリーズでは，機側で会話が損失に大きく影響し，形状精度確保が必要不可欠で可能なレベルである 72dB 以下（175 kW 機）を圧縮ある．そこで NC ５軸加工機による全面削り出し加機の防音なしで達成した．

工を採用し各部の形状や寸法精度を確保した．機械

これは従来のスクリューチラーでは達成しえない

加工は精密鋳造と比較し高コストとなるが，素材にレベルであり，高価な機械室の騒音対策コストの低加工性のよい高強度アルミ合金を採用し，加工プロ減に有効である．

グラムを最適化することで切削時間短縮とコスト低2．2減を図った（図３）．

大型ターボ冷凍機と同様に冷却水を使用した冷房専（2）低損失・長寿命軸受用機の小容量機種として W シリーズをラインアップ

従来の大型ターボ圧縮機のオーバホールインター

水冷冷房専用機 W シリーズ

した．

バルは 50 000 時間又は７年のいずれか短い間隔で推冷凍能力は単機で 175 k W ，250 k W ，350 k W ，奨しており，これは消耗部品である転がり軸受の寿500 kW の４機種を準備し順次発売する．それぞれは命から決定されていた．本圧縮機では，軸受荷重や４台まで台数制御が可能である．350 kW 機の外観を軸受作動環境に配慮した長寿命設計，検証要素試験示す（図４）．

を実施することにより軸受寿命はユニット機器寿命

性能は定格条件（注１）にて COP 5.7（175kW 機）を達を超えオーバホール不要とした．毎年の油とフィル成し当社従来スクリューチラーに対し 41 ％性能向上

タの交換点検は必要となるが，高価なオーバホールしている．

が不要となることにより LCC（ライフサイクルコスト）の低減が可能となった．
さらに大型ターボ圧縮機の潤滑設計を適用し，損失の低減を図った．

さらに NART-Ｉ シリーズで実績のあるインバータによる可変速制御を標準装備し，部分負荷領域では最高 COP 14.1 を達成している（図５）．インバータは機器付属盤となっており省設置スペース設計とした．

（3）可変速制御
ターボ冷凍機の大きな特徴として，羽根車の回転数制御による圧縮比の可変制御がある．これは圧縮

図３ 小型高効率羽根車

小型高性能ターボ圧縮機の主要部品である，１段羽根車（左）及び２段羽根車（右）の外観．

図４ 水冷冷房専用機 W シリーズ
冷凍（MTWC350）の外観
能力 350 kW が出力可能な型．
三菱重工技報 Vol.41 No.2（2004-3）

92COP（−）

141210861612108644220204060

80 1000冷凍能力（％）
水冷冷房専用機Wシリーズの部分負荷性能：20℃：25℃：29℃：30℃：32℃

14COP（−）：13℃：15℃
：20℃
：25℃
：29℃
：30℃
：32℃

1620406080 100

冷凍能力（％）

図６ ヒートポンプ S シリーズの外観

ヒートポンプ S シリーズの MTSH175 の単機外観．

従来水冷スクリューチラーの部分負荷性能

図５ 水冷冷房専用機 W シリーズの性能曲線

水冷冷房専用機 W シ
リーズの性能曲線（左）を従来水冷スクリューチラーの性能曲線（右）と比較．

開発した成果を適用したヒートポンプである（図６）．
（1）高性能ユニット

冷房 COP

S シーリズは冷房運転時に使用する空気熱交換器に東京電力（株），中部電力（株），関西電力（株）と共同

7.0：Sシリーズ：従来機チラー（60 Hz） 8.0：従来機チラー
（50 Hz） 7.0

6.0

6.0

5.0

5.0

8.0

ヒートポンプ S シリーズ

冷房 COP

2．3

4.0
3.0

4.0
3.0

2.0

2.0

冷房時，空気熱交換器の空気と接するフィン表面

1.01.0に冷却水を散布することにより熱交換器性能を飛躍0.015的に向上させている．小型圧縮機の高性能化とあいまって，冷房 COP 5.0（注２）を達成した．これは 2003
年の業界トップランナをさらに 47 ％上回る性能である．

20253035400.015

外気温度（℃）

2040
負6080 100

荷（％）

図７ ヒートポンプ S シリーズの性能曲線

ヒートポンプ S シリーズの冷房性能曲線を従来空冷スクリューチ
ラーの冷房性能曲線との比較．

空冷ユニット高性能化では，補機消費電力低減も重要である．そこで S シリーズに代表される空冷マ空調負荷について，経済性の比較を実施した．

イクロターボシリーズでは，ファンの翼設計の最適

COP 5.7（注 1）の本機と同容量の従来スクリューチ化と，ファン駆動用モータの DC ブラシレス化を行

ラー COP 4.1（注 1）の比較である．外気温度は東京地

い，消費電力の低減を可能とした．部分負荷性能線区の気象データを採用した．

を当社従来ヒートポンプと比較したものを示す

評価の結果，年間 37 ％ の電気料金の低減が可能（図７）．となる（図８）．CO 2 排出量に直結するエネルギー（2）耐久性能

消費量は，夏期約 30 ％，中間期から冬期にかけて耐久性能は，主に圧縮機のオーバホール，ファン駆動モータなどの補機交換，ユニットの発錆を指し約 50 ％を上回る大幅な低減効果が得られる．
（2）ヒートポンプ S シリーズの評価

ていう．圧縮機のオーバホールは前述した．ファン

ヒートポンプは従来のスクリューチラーの代替需駆動用モータの耐久性能は冷却水散布とすることに要だけでなく，吸収式冷温水器との代替が期待されより必要空気風量を 60 ％程度に減少させ，所要回るため，3 者の比較とした．

転数を抑制することによりモータ寿命を実質２倍以上とした．

ヒートポンプでは冷暖房が必要とされる事務所ビルを主とする負荷パターンについて経済性評価を実ユニットの発錆では空気熱交換器に散布する冷却施した．電気料金（基本料金と従量料金）と水道料水管理に注意を払い，カルシウム成分やシリカ成分金（上水・下水）と消費する薬品料金を対象に比較しの析出物の防止や，防錆を図った．

た．外気温度は東京地区の気象データを使用した．

3．経 済 性 の 評 価（1）水冷冷房専用機 W シリーズの評価
冷房専用機の主な用途である年間冷房運転の工場

試算結果では，S シリーズは従来スクリューチラ
ーに比べランニングコストで約 30 ％低減が可能となった．吸収冷温水器と比較しても約 22 ％の低減が可能となった（図９）
．

93

8 000

7 110

6 000

2 697

電気料金
37％低減

4 000
2 000
0

3 713

7 624
4 540
マイクロターボ

ランニングコスト（万円）

10 000

1 000
900
800
700
600
500
400
300
200
1000

各月従量料金比較（175 kW×４台）：マイクロターボ W シリーズ
：従来水冷スクリューチラー

従量料金（千円／月）

年間電気料金（千円）

年間電気料金比較（175 kW×４台）
：基本料金
：従量料金
12 00011 337

従来水冷
スクリュー：冷房（電気＋ガス）料金：暖房（電気＋ガス）料金
：水道料金
：薬液料金
800600約 30 ％低減

約 22 ％低減

4002000マイクロターボ 従来チラー 吸収式冷温水器
Sシリーズ
175 kW×４台の経済効果

1

234

5

6 7月

89 10 11 12

図９ ヒートポンプ S シリーズのラン
４〜 10 月までをニングコスト

図８ 水冷冷房専用機 W シリーズのランニングコスト

700 kW ピークの工場熱源を想定した冷房負荷に対して，東京地区外気温度にてランニングコストを評価．

5．まと冷房，11 〜３月までを暖房とした
一般空調を想定した冷暖負荷に対して，東京地区外気温度にてランニングコストを評価．算定対象は電気料金，上下水道料金，薬液料金．

め（1）HFC134a を採用した高性能小型ターボ圧縮機を開発した．
図 10 専用リモコンの外観標準装備されるリモコンの外観．

（2）水冷冷房専用機 W シリーズ，空冷冷房専用機 Aシリーズ，空冷ヒートポンプ S シリーズを開発した．
（3）水冷冷房専用機 W シリーズは定格 COP 5.7 （注 1），を達成し，年間冷房工場負荷で従来機比約 37 ％の4．高機能制御と利便性の確保ランニングコストの低減が可能となった．

個別分散型空調が伸びた理由に高機能制御と利便性（4） 空 冷 ヒ ー ト ポ ン プ S シ リ ー ズ で は 定 格 冷 房が挙げられる．そこでマイクロターボでも，熱源機操COP 5.0（注 2）を達成し，年間冷暖房空調負荷で従来機作の利便性を追求した．

比約30 ％のランニングコストの低減が可能となった．
（5）マイクロターボ専用マイコン制御盤を開発し，大（1）マイコン制御盤の採用
マイクロターボシリーズでは，専用の制御基板に，回転数制御などのターボ圧縮機特有の高度な数値演型ターボ冷凍機の高機能制御の実現と，リモコンの標準装備による利便性の向上を図った．

算制御を実装し，運転ボタンだけで省エネルギー運（注１）JIS 条件 冷水条件７℃/12 ℃ 冷却水条件 30 ℃/35 ℃（注２）JIS 条件 冷水条件７℃/12 ℃ 外気乾球温度 35 ℃転を可能とした．
（2）リモコンの採用
屋外や機械室に配置されるユニットを屋内から操作・監視ができるように専用リモコンを開発した．
リモコンでは起動停止，スケジュール運転設定，冷温水温度設定が可能であり平易な運転が可能である．また圧力・温度などの各種状態量監視，積算記録，故障履歴などを液晶表示させ日々の運転管理や利便性を改善した（図 10）．
（3）台数制御
空冷ユニットは単体機器を追加設置する

モジュ

参 考 文 献（1）関亘ほか，世界最高効率インバータターボ冷凍機（NART-I シリーズ），三菱重工技報 Vol.41
No.1（2004）p.44（2）上田憲治，超省エネ インバータ駆動ターボ冷凍機，クリーンテクノロジー，日本工業出版(株) Vol.14 No.2（2004）p.79（3）関亘ほか，超省エネ・高効率インバータターボ
冷凍機 Vol.42 No.2（2004）p.50（4）川上孝 エネルギーフォーラム，(株)エネルギーフォーラム No.8（2003）p.106

ール設計 としている．ユニットは複数台となるが，リモコンから見た操作性は１台ユニットとして運転制御され，ユニットごとに冷温水の弁やポンプなどをユニット機器側から制御することを可能としている．

関亘

上田憲治

市岡丈彦

三菱重工技報 Vol.41 No.2（2004-3）