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技術論

文

世界最高効率インバータターボ冷凍機
NART-I シリーズ
Highest-Efficiency in the World, Variable
Speed Drive Turbo Chiller NART-I Series
関Wataru Seki亘＊1

白 方 芳 典＊2
Yoshinori Shirakata

上 田 憲 治＊2
Kenji Ueda

古賀Jun Koga

田 井 東 一 馬＊2
Kazuma Taito

淳＊3

オゾン層に影響のない冷媒 HFC134a を使用する高効率ターボ冷凍機をベースに，駆動源にインバータを導入し，空力性能の改良及び新設計の可変速対応の最適制御を組み込むことによって更に大幅な省エネルギー化を達成した NART-I シリーズを開発，発売した．高性能空力特性，低機械損失，高効率熱交換器によって COP 6.1 を達成した高効率ターボ冷凍機 NART シリーズに，インバータによる可変速制御を適用し，圧縮機の空力特性に沿った最適な増減速及び負荷制御を，高度の演算制御を組み込むことで実現した．この結果，NART シリーズに対して，部分負荷時及び冷却水温度低下時において大幅な性能向上が得られ，最高COP 17.8（冷水出口温度７℃）の世界最高レベルの効率を達成した．本機の年間の省エネルギー効果を一般工場負荷パターンで試算すると，固定速機対比 45 ％もの大幅な消費電力低減を図ることができた．

1．はじめに

2．高効率化技術の内容

ターボ冷凍機はビル空調，蓄熱用途，熱供給事業と一般的に冷凍機は外気温度低→冷却水温度低下→凝しての地域冷暖房，工場空調，化学プラント等のプロ

縮温度・圧力低下→圧縮機の圧縮比減少→動力低減とセス冷却など，広範にわたる用途に適用されている冷なる関係から冷却水温度が低いほど消費動力が小さく熱源機である．近年，オゾン層破壊問題により冷媒となる．ターボ冷凍機は遠心式圧縮機を適用しているた

して使用されてきた CFC の全廃，HCFC の将来全め，容積式圧縮機（レシプロ式・スクリュー式など）廃の動きに合わせて HFC134a を用いたターボ冷凍機とは異なり，圧縮機の回転数により圧縮比及び動力がの高効率化は必須となった．この動きに合わせて当社決まる．よって負荷変動に合わせた最適な回転数制御

ターボ冷凍機は 1998 年よりオゾン層破壊係数（ODP）により通年での大幅な省エネルギーが可能となる．

がゼロの HFC134a 冷媒に特化し，地球環境の保護にNART-Ⅰシリーズでは高速演算を可能とした高機能注力するとともに社会的ニーズである省エネルギーのマイコン盤を新設計し，電動機電源にインバータを採ために，機器性能の向上を目指してきた．

用，回転数制御を実装することでその課題の解決を

HFC134a ターボ冷凍機は図１に示すように 1994図った．以下にその要素別の内容を示す．

年に発売開始以降，1998 年 ARS シリーズ，2000 年

2．1 空力性能の向上には COP 6.1（冷水出口温度７℃時）と世界最高レNART シリーズでは三次元 CFD の援用及び空力検ベルの効率である NART シリーズと開発を重ね，当証試験結果のデータベースを基に，動翼となるインペ社従来機対比 20 ％以上の効率向上を達成した．2003

ラの翼形状設計，静止流路側形状の最適化を図った．

年には COP6.4 の AART シリーズを開発・製品化

そこには最先端の５軸 NC 加工機によるインペラの三し，世界最高効率のターボ冷凍機シリーズを完成させ次元高精度削り出し加工が可能になったことも貢献した．今回報告の NART-Ⅰシリーズは，年間を通してている．固定速圧縮機の場合，回転数はデザイン点のの高効率運転及び電力消費量の低減，すなわち通年で115 〜 85 ％が適用範囲であるが可変速圧縮機の場合の空調コストの削減というお客様のニーズにこたえるの回転数は 115 〜 50 ％と大幅にオフデザイン領域がため，運転効率向上を目指して 2002 年に開発し，広がる．NART シリーズでは開発段階において CFD2003 年１月市場投入した．の援用によりデザイン点での高効率化を図るととも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ターボ機械研究推進室
＊1
＊2

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成績係数（COP）

76技術基礎の確立

5インデューサありインペラ

オゾン層破壊問題 地球温暖化問題
オイルショック

インデューサなしインペラ

Y4COP 算出条件（JIS）
冷水出口７℃
冷却水出口 37℃

32

高性能機 COP の推移

CFC11101960

1965

1970

1975

1980

図１ ターボ冷凍性能の変遷

HFC 化

HCFC123

CFC12HFC134a
1985

1990

1995

2000

2005

Y
X

X

シュラウド近傍マッハ数
分布，速度ベクトル
インデューサありインペラ0.5

インデューサなしインペラ
0.5

0.00.02010

冷媒の変遷とターボ冷凍機の性能向上を

Y

Y

X

X

示す．

ZZ
（前縁部分の拡大図）に，固定速圧縮機の領域よりも広い回転数範囲でも性能が良いインペラを開発した．よって NART-Ⅰシリー

0.5

0.5

0.00.0ズでは広い回転数範囲において高性能を実現した．図る案内羽根の有無による性能検討を実施した結果である．インデューサ付きインペラでは可変速に適用した
場合，流量低，回転数低の運転条件において，前縁からガス流れが剥離し，逆流域ができてしまう．対してインデューサなしでは前縁より下流側でわずかに逆流

XY
逆流域: インデューサなしインペラ: インデューサ付きインペラZ

Mo=0.45
Mo=1.13
Mo=0.7している程度である．このため，小流量側での効率は

流

図２下部に示すようにインデューサなしが良い結果と逆流域

X

Z
効率／設計点効率

Y

２は CFD を用いて図中に示すインデューサと呼ばれ量

図２ 流動解析（CFD）による羽根車流れの検インデューサの影響について検討討例なったことからインヂューサなしを採用した．また，した例である．図の速度ベクトル分布は効率特性図の低流量 Mo（機械マッハ数）＝0.45 の状態を示す．

デザインポイントから低速度域となるほど，サージ限界が低風量側に拡大することが知られているが，本適用では 50 〜 70 ％において最小風量領域まで安定領域が拡大し高効率運転領域の大幅な拡大が可能となっ

2．3た．以上の検討により，低マッハ数領域でも 80 ％以最適制御を実現するための特性式は非常に複雑で検上の圧縮機効率を安定して維持することができた．一

知点数も多くなり，冷凍機の温調制御に遅れることな方，可変速運転においては回転数範囲が増えるため軸く演算を行うには高速演算能力が必要となる．そこで共振設計，翼共振設計ともに十分配慮する必要がある

次世代制御盤の心臓部に高性能 CPU を採用した．さが，解析と固有振動数の実測により，広範囲の回転数らに視認性・操作性を向上させるため７ inch TFT 液域において十分共振回避されていることを確認した．

晶表示装置を標準装備とした．また，最適運転管理と2．2可変速対応の最適制御

遠心式圧縮機で採用されている負荷制御は入口ベーマイコン制御盤と高機能通信技術サービス対応のスピードアップを目的に 24 時間監視機能が装備できるようになっており，ン制御及びホットガスバイパス弁制御があるが，入口¡日常の運転データ監視

ベーン制御は開度の小さな領域で圧縮機入口での抵抗¡異常時のデータ保管とサービスマンへの自動通報損失が増加するため，高開度での運転がロス低減につ¡リアルタイムデータの採取ながる．また低負荷域で使用するホットガスバイパスが追設可能となっている．さらに標準的な通信機能を弁制御は開方向でサイクル上のロスを生じるため，で生かし，お客様の熱源機管理を容易にするため，各機きるだけ最小開度となるような制御が必要となる．そ器ごとに表１に示すデータを出力可能である．この機

こで工場検証試験で得られた運転データをベースに図

能は冷凍機最大６台を RS485 のケーブルでつなぎ，３に示す制御 MAP とし，さらに圧縮機の小風量側で当社のスマートコミュニケーションツール SCT（追発生するサージング限界条件を演算し最適回転数での設）に接続することにより実現可能である．

運転制御を行うことで，全運転領域にわたりホットガ

2．4

スバイパスと入口ベーン制御による性能低下を最小限

ターボ冷凍機用モータの入力電圧は 800USRt クラとし，広負荷範囲で高効率の運転を可能とした．

高圧インバータ盤

スを超える大容量機では高圧３ kV 級，６ kV 級とな
三菱重工技報 Vol.41 No.2（2004-3）

96

ることからこのクラスでのインバータ化が課題であっ図６の性能は表２の仕様の NART-40 Ｉを用いて計測たが，NART-Ⅰシリーズにおいて業界として初めてされた性能実測値であり，性能計測時の制御は前節で３ kV 級，６ kV 級の高圧インバータ（図４）採用に示した自動制御によるものである．

よる全容量インバータ駆動を実現した．

図６に示すように，従来固定速標準機による入口ベーン制御では十分に制御できなかった 20 ℃以下の3．性 能 検 証 結 果

冷却水温度領域において飛躍的に性能向上を実現し，インバータ機の冷却水温度追従制御と部分負荷追従安定した制御が可能となり，冷却水入口温度は 13 ℃制御を検証するために当社工場試験設備に改良を加程度まで下げることが可能となった．国内の一般的え，夏期であっても 11 ℃の冷却水を製造可能な検証な冷凍機の運転条件である冷水出口温度７℃仕様で設備を準備し，検証試験を実施した．設備ループの系

最高 COP は 17.8 に達し，さらに冷水９℃仕様では統図を図５に示す．

COP20 を上回る結果を得た．

NART の標準機と，インバータ機（NART-Ⅰシリーズ）の部分負荷性能を冷却水温度別に図６上部に示す．

4．通年運転での省エネルギー効果
通年でのインバータ駆動による可変速運転時の省エ

冷却水入口温度（℃）

35

ネルギー効果を算定した結果を図６下部に示す．算定

入口ベーン＋ホットガスバイパス＋回転数制御

条件としては図中に示す一般空調負荷パターンと東京

30
入口ベーン制御＋回転数制御

25地区の外気温度条件を使用した．通年の消費電力及びCO2 排出量換算では高効率標準機（固定速）対比

回転数制御

2040 ％の低減となり，これは電気料金に換算すると1522 ％の低減に相当する．工場負荷パターンにおいては消費電力及び CO2 排出量換算で 45 ％の低減，電力

10020406080100120

料金換算で 35 ％の低減になる．インバータ追加によ冷凍能力（％）

るイニシャルコストのアップ分は工場プロセス用など

図３ 制御領域マップ

冷凍能力と冷却水入口温度の各領域における最適制御方法を示す．

表１の年間運転機で約１年，夏期のみの一般空調用でも約３年以内で投資回収可能でメンテナンスの点ではオーバホール間隔が５万時間以上に延びており，さらに回冷凍機からの通信データ

データ種

転制御により運転時の回転系への負荷を低減させるこ

点数，項目などとが可能となった．さらに新型マイコン制御盤の通信

32 点
アナログデータ機能を駆使した運転管理により，より長いオーバホー

温度，圧力など
128 点
デジタルデータ
状態表示，故障表示など

検証機

48 点

凝縮器
Pc

積算データ
運転時間，起動回数など

T4

T3

ホットガス
バイパス弁

モニターPC
操作盤
電源
400V
50Hz

N

デジタル
デジタル
パワーメータパワーメータ（インバータ入力） （モータ入力）

膨張弁
（高段）

高圧インバータ盤外観
外形寸法は 2.4 mL × 2.6 mW ×2.7 mH である．

図５ 工場検証設備系統図M2Pm
中間冷却器

油ポンプ
Po To

膨張弁（低段）
M3
Pe蒸発器

図４T5

V1 M1

M
V2

冷却水ポンプ

Fs

サブクーラ

M4
圧縮機

INV

Fc

T2T1Fe
冷水ポンプ

別の熱源機と接続することにより夏期においても冷却水入口温度のきめ細かいコントロールを可能とした．

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インバータ機の性能
20201818COP（−）

141210861412仕様値
NART-401

冷86

媒

HFC 134a

冷凍能力

1 407kW

冷水温度

7℃out/14℃in

冷却水温度32℃in/37℃out

422040
負一般空調

6080

100

020荷（％）

400 USRt×３台の例

4060

負荷（％）

800

14.0：従量料金

13.04：基本料金

12.0

10.16
10.0

5.96

3.55

8.0

80 100一般空調月別冷熱負荷パターン
年間ピーク

900
負 荷（USRt）

0

年間料金（百万円／年）

大幅な性能改善

104
2目

冷凍機型式

項
冷却水
入口温度：20℃
：22℃
：25℃
：29℃
：32℃

16COP（−）

冷却水
入口温度：13℃
：15℃
：20℃
：22℃
：25℃
：29℃
：32℃

16

表２ 検証機仕様

標準機の性能

８月
９月
７月
６月
10月
５月
４月

700
600
500
400
300

：11月
：12月
：１月
：２月
：３月

200
100

6.0

0

4.0

6.61

137.08579

11 13 15 17 19
時 間（h）

21 23

22 ％ダウン！

電力料金

2.0
消費電力 ＆ CO2 排出量0.0

図６インバータ機

40 ％ダウン！

標準機

可変速と固定速との性能比較及び一般空調負荷での年間省エネルギー効果

可変速機は部分負荷において大幅な性能改善を達成し，年間運転でその効果が絶大である．

表３ NRAT-Ⅰシリーズ標準ラインナップ

年で従来標準機対比 45 ％の消費電力低減（工場負荷40I
50I
70I
100I
145I
200I
NART(冷凍能力) （400 RT）（570 RT）（800 RT）（1130 RT）（1610 RT）
（2000 RT）

条件による）を達成した．また，制御盤の改良による大幅な機能拡充を図ったことにより良好な操作性と通400 V

信機能を持っている．動力源としては冷凍機として業3 kV級

界初，高圧インバータ盤による全ラインナップインバ6 kV級ータ駆動を実現した．本シリーズ機は平成 15 年度第14 回省エネ大賞経済産業大臣賞を受賞し，その高い技術力と高性能に対しご好評をいただいている．

ル間隔の提供が可能となった．
NART-Ⅰシリーズの電圧別のラインナップを表３に示す．NART-Ⅰシリーズは 2003 年１月の発売以降，電力会社，工場熱源ユーザを中心にご好評を頂いており，国内ではすでに十数台が稼働，さらに海外顧客向けにも出荷し始めた．

5．まとめ

関亘

上田憲治

白方芳典

古賀淳

田井東一馬

冷媒 HFC134a を使用した世界最高レベルの性能である部分負荷時 COP 17.8（冷水温度 12 ℃／７℃ベース）のターボ冷凍機の商品化を実現した．本シリーズ
機は最適な回転数制御，負荷追従性能，冷却水追従性能により大幅な年間での高効率運転が可能であり，通三菱重工技報 Vol.41 No.2（2004-3）