JP4313083B2

JP4313083B2 - スクリュ冷凍装置

Info

Publication number: JP4313083B2
Application number: JP2003134626A
Authority: JP
Inventors: 奈津夫神崎; 祐二坪田; 邦彦須藤; 雅彦熊谷; 一郎櫻場; 達雄三摩; 和善佐野
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Tokyo Electric Power Co Inc; Chubu Electric Power Co Inc; Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Chubu Electric Power Co Inc; Kobe Steel Ltd; Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2003-05-13
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2023-05-13
Also published as: JP2004340410A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エコノマイザを用いたスクリュ冷凍装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、エコノマイザを用いたスクリュ冷凍装置は公知である（例えば、特許文献１及び２参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−８３５２５号公報（図１）
【特許文献２】
特開２００３−２１０８９号公報（図１）
【０００４】
特許文献１には、油冷式スクリュ圧縮機を用いたスクリュ冷凍装置であって、エコノマイザで蒸発した冷媒ガスをロータ室内に導くとともに、油冷却のための冷熱源として用いられて、蒸発した冷媒ガスを上記冷媒ガスに比して、より吐出口に近いロータ室内に導くようにしたスクリュ冷凍装置が開示されている。
【０００５】
特許文献２には、２段スクリュ圧縮機が用いられたスクリュ冷凍装置であって、エコノマイザが設けられるとともに、第１段目圧縮機と第２段目圧縮機とを同回転数で回転させる駆動モータの回転数を制御することにより、２段スクリュ圧縮機の容量を変更し得るように形成されたスクリュ冷凍装置が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
スクリュ圧縮機を用いたスクリュ冷凍装置の場合、スクリュ圧縮機の圧縮空間部、即ち中間圧力部にエコノマイザ流路からの冷媒を流入させることにより、容易にエコノマイザシステムをスクリュ冷凍装置に組込むことが可能であること、さらにスクリュ圧縮機の駆動部であるモータの回転数が一定であっても、冷凍能力とＣＯＰ（成績係数（＝冷凍能力／消費動力））の改善が可能となることから、エコノマイザを組込んだ冷凍装置が従来より広く採用されている。
【０００７】
特許文献１に開示のスクリュ冷凍装置では、エコノマイザが用いられ、さらに特許文献２に開示のスクリュ冷凍装置では、エコノマイザとインバータを介して回転数制御されるモータとが用いられており、それぞれにおいて性能向上を期待できる点もある。しかしながら、これらの冷凍装置は、以下のような問題を有することが判明した。
【０００８】
まず第１の問題は、モータの回転数が低い領域での性能が低下する点である。即ち、スクリュ圧縮機は、周知のように、雌雄一対のスクリュロータが噛合い、回転してガス圧縮する構造を有するもので、図５に例示するように、スクリュロータの回転数が低下するとその断熱効率（断熱圧縮の際の圧縮効率）は低下する。なお、図５において、横軸はスクリュロータの定格回転数を基準として表した回転数比、縦軸は定格回転数における断熱効率を基準として表した断熱効率比を示している。図示するように、回転数比が２５％程度になると、断熱効率は約２０％低下する。冷却熱負荷が低減するにつれて、スクリュロータの回転数が低下しても、蒸発器での熱交換能力に余力が出てくるため、スクリュ圧縮機の圧縮効率が一定であれば、スクリュ冷凍装置の冷凍能力の向上が期待される。しかしながら、図６に示すように、ＣＯＰ比については、回転数が定格回転数の５０％前後で最大になり、冷却熱負荷が低下するにつれて、即ち、スクリュロータの回転数が低下するにつれて、スクリュ圧縮機の性能低下、即ち断熱効率の低下が進み、ＣＯＰ比も低下してゆくという問題がある。なお、図６において、横軸は上記同様に表した回転数比、縦軸は定格回転数におけるＣＯＰを基準として表したＣＯＰ比を示している。
【０００９】
第２の問題は、凝縮器、或いは蒸発器における問題である。即ち、スクリュ冷凍装置内で循環する冷媒の状態は、スクリュ圧縮機から凝縮器までは高圧のガス、凝縮器内では高圧の液・ガス混合状態、凝縮器からエコノマイザを経て主膨張弁までは高圧の液体、主膨張弁から蒸発器出口までは低圧の液・ガス混合状態、蒸発器からスクリュ圧縮機までは低圧のガス、エコノマイザ用の補助膨張弁からエコノマイザ出口までは中間圧の液・ガス混合状態、エコノマイザからスクリュ圧縮機までは中間圧のガスとなっている。通常、蒸発器内以外でのガスと液体のバランスは略一定であるが、スクリュ圧縮機のスクリュロータがある回転数以下になると、蒸発器においてガスと液体とが分離し易くなるため、蒸発器内に滞留する液体が増大する。従って、安定的かつ高性能な運転を継続するためには、液量変動を吸収する受液器を設けるか、定格条件における性能を犠牲にして冷媒の充填量を増大させる必要がある。
【００１０】
図７は、横軸に上記同様に表した回転数比、縦軸に定格回転数における必要冷媒量を基準として表した必要冷媒量をとって、回転数を変化させた場合における必要冷媒量の変化について得られた測定結果の一例を表したものである。図示するように、回転数比２５％では、定格条件で必要な冷媒量の１１０％の量の冷媒が必要となる。従って、この冷媒量の変化を吸収する受液器を設けるか、１０％過充填された状態で定格運転をすることが必要となる。この１０％過充填する後者の場合であって、凝縮器がプレート式か管内凝縮タイプのものである場合、過充填分の冷媒が凝縮器内にて液体状態で滞留するため、その分凝縮器における熱交換を行う部分の面積、体積が減少して凝縮器の性能低下をもたらすという問題がある。
本発明は、斯かる従来の問題をなくすことを課題としてなされたもので、熱負荷の変化に拘わらず、常時、良好な性能及びＣＯＰを維持し得るスクリュ冷凍装置を提供しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１発明は、スクリュ圧縮機から、少なくとも凝縮器、エコノマイザ、主膨張弁及び蒸発器を経て上記スクリュ圧縮機に戻る冷媒循環流路と、上記凝縮器と上記主膨張弁との間の冷媒の一部を上記エコノマイザの補助膨張弁を経た後、上記スクリュ圧縮機のロータ室内の中間圧力部に導くエコノマイザ流路とを備えたスクリュ冷凍装置において、上記スクリュ圧縮機の駆動部として設けられた回転数可変のモータと、熱負荷を検出する熱負荷検出手段と、この熱負荷検出手段からの熱負荷信号に基づき、圧縮機能力が過大であると判断される場合には上記モータの回転数を下げ、上記圧縮機能力が不足していると判断される場合には、上記回転数を上げ、他の場合には上記回転数を維持させる回転数制御部と、上記回転数が、上記補助膨張弁を常時閉とした場合と該補助膨張弁を常時開とした場合とのＣＯＰ比が両者略同等となる所定の回転数以下になった場合には、上記補助膨張弁を閉状態にし、その他の場合には、上記補助膨張弁を開状態に保つ弁開閉制御部とを設けた構成とした。
【００１２】
第２発明は、第１の構成に加えて、上記熱負荷検出手段が、上記蒸発器を出た被冷却液の温度を検出する温度検出器である構成とした。
【００１３】
第３発明は、第１の構成に加えて、上記熱負荷検出手段が、上記凝縮器を出た温水の温度を検出する温度検出器である構成とした。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。
図１は本発明に係るスクリュ冷凍装置１を示し、このスクリュ冷凍装置１には、スクリュ圧縮機１１から凝縮器１２、受液器１３、エコノマイザ１４、主膨張弁１５及び蒸発器１６を経てスクリュ圧縮機１１に戻る冷媒循環流路Ｌ１と、エコノマイザ１４からスクリュ圧縮機１１のロータ室内の中間圧力部に通じるエコノマイザ流路Ｌ２とが設けられている。
【００１５】
スクリュ圧縮機１１は、互いに噛合う雌雄一対の回転可能に収容されたスクリュロータを有し、その駆動は回転数可変のモータ２１によりなされる。また、モータ２１と電源２２との間には、演算部２３とインバータ２４とを含む回転数制御部２５が介設されている。
凝縮器１２は、縦型１パス対向流タイプでプレート式の周知のもので、ここを冷却水流路２６が通り抜けている。図示するように、スクリュ圧縮機１１から吐出された冷媒は凝縮器１２の上部から流入し、下部から流出するのに対して、冷却水流路２６の冷却水は凝縮器１２の下部から流入し、上部から流出するようになっており、凝縮器１２内にて冷媒と冷却水との間で熱交換が行われる。そして、この熱交換により冷媒は熱を奪われて凝縮し、凝縮器１２から流出していき、冷却水は熱を吸収して温水として凝縮器１２から流出してゆく。
【００１６】
受液器１３は、凝縮器１２の下方に配設されており、凝縮器１２内で凝縮した冷媒液は、ここで滞留することなく、直ちに受液器１３内に流下する。このように、受液器１３を凝縮器１２の下方に配設してあるので、凝縮した冷媒液は直ちに凝縮器１２外に流出する故、凝縮器１２内で良好な熱交換が維持される。
【００１７】
エコノマイザ１４は、凝縮器１２と主膨張弁１５との間における冷媒循環流路Ｌ１の部分から分岐し、補助膨張弁２７が介設されたエコノマイザ流路Ｌ２の部分と補助膨張弁２７の二次側にて冷媒循環流路Ｌ１内の冷媒とエコノマイザ流路Ｌ２内の冷媒との間で熱交換を行わせる熱交換部２８とにより構成されている。なお、一般には、この熱交換部２８のみをエコノマイザと呼称する場合もあるが、本発明の実施形態では、エコノマイザを上述のように定義する。熱交換部２８内では、冷媒循環流路Ｌ１とエコノマイザ流路Ｌ２とは互いに対向流をなすようにそれぞれ配置されており、この両者間で効率よく熱交換が行われるようになっている。そして、冷媒循環流路Ｌ１から分流してきた高圧冷媒は補助膨張弁２７にて減圧され、気化させられたうえ熱交換部２８に流入し、冷媒循環流路Ｌ１内の冷媒を過冷却した後、エコノマイザ流路Ｌ２によりスクリュ圧縮機１１内の中間圧力部に供給される。なお、補助膨張弁２７は弁開閉制御部２９により開閉されるように形成されている。
【００１８】
一方、主膨張弁１５には、エコノマイザ１４にて過冷却された冷媒液が導かれ、ここで、冷媒液は減圧され、気化させられた後、蒸発器１６に向かう。
蒸発器１６には、下から上に向けて流動する冷媒に対して、対向流をなすようにここを貫く被冷却液流路３１が設けられており、冷媒循環流路Ｌ１内の冷媒と被冷却液流路３１内の被冷却液との間で効率よく熱交換が行われるようになっている。そして、この熱交換の結果、被冷却液流路３１内の被冷却液は冷却された蒸発器１６から流出してゆき、冷媒は蒸発し、ガス状態になってスクリュ圧縮機１１に戻り、上記同様の状態変化を繰返しながら、循環する。
【００１９】
蒸発器１６から出た被冷却液流路３１の出側部分には、熱負荷を検出する手段として、ここでの被冷却液温度を検出する温度検出器３２が設けられており、ここから検出温度を示す温度信号が演算部２３に送られる。演算部２３では、入力された温度信号に基づき、被冷却液流路３１の出側部分における被冷却液の温度が予め設定された温度となるように、ＰＩＤ演算にて、モータ２１の回転数を算出し、その回転数にするための制御信号をインバータ２４に出力し、このインバータ２４を介してモータ２１の回転数制御が行われる。即ち、冷却熱負荷に対応するようにモータ２１の回転数制御が行われる。
【００２０】
さらに、演算部２３からは、モータ２１の回転数に応じて補助膨張弁２７を開閉するための制御信号が弁開閉制御部２９に出力され、この弁開閉制御部２９を介して補助膨張弁２７が開閉されるようになっている。具体的には、モータ２１の回転数が定格回転数の５０％の近傍の所定の回転数以下になったときには、補助膨張弁２７を閉状態とし、その他のときには、補助膨張弁２７を開状態にするようになっている。なお、ここでいう所定の回転数については、図２及び３に基づいて後述する。
【００２１】
図２及び３は、本発明に係るスクリュ冷凍装置１における回転数比に対するＣＯＰ比、必要冷媒量比の変化を説明するためのものである。破線で示された曲線Ｘがスクリュ冷凍装置１で、仮に補助膨張弁２７を常時閉とした場合、実線で示された曲線Ｙが、仮に補助膨張弁２７を常時開とした場合を示している。
この図２から分かるように、回転数比５０％の近傍の所定の回転数（図中、一点鎖線で示す。）でＣＯＰ比が両者略同等となり、それ以下ではエコノマイザ１４の機能を停止した場合を示す曲線Ｘの方がＣＯＰ比はより改善され、回転数比が小さくなるにつれて、さらにそれが顕著になっている。なお、図２における曲線Ｙは図６における曲線と同じである。
【００２２】
また、図３からも分かるように、曲線Ｘの方が曲線Ｙより必要冷媒量はより少なく、回転数比が５０％近傍の所定の回転数以下で、回転数比が小さくなるにつれて、さらにそれが顕著になっている。なお、図３における曲線Ｙは図７における曲線と同じである。
斯かるＣＯＰ比、必要冷媒量比の特性は、回転数の低くなった場合に、エコノマイザ１４の機能を停止することにより、主膨張弁１５の１次側における冷媒の過冷却量の減少により、蒸発器１６の入口でのフラッシュガス量が増大し、この結果、蒸発器１６内で滞留する冷媒液量が減少し、冷凍サイクルの繰返しに必要な冷媒量の変化の幅が小さくなることに起因していると推定される。
【００２３】
本発明に係るスクリュ冷凍装置１は、このようなＣＯＰ比、必要冷媒量比のモータの回転数に対する特性を利用している。即ち、本発明に係るスクリュ冷凍装置１においては、前述のとおり、モータ２１の回転数が定格回転数の５０％近傍の所定回転数以下になったときには、補助膨張弁２７を閉状態として、その他のときには、補助膨張弁２７を開状態にするようになっているが、そうすることによって、スクリュ冷凍装置１のＣＯＰ比は上記の所定回転数より大では、図２における曲線Ｙに従って、上記の所定回転数以下では、図２における曲線Ｘに従って、変化してゆくこととなる。また、スクリュ冷凍装置１の必要冷媒量比は上記の所定回転数より大では、図３における曲線Ｙに従って、上記の所定回転数以下では、図３における曲線Ｘに従って変化してゆくこととなる。
【００２４】
図４は、本発明に係る他のスクリュ冷凍装置２を示し、上述したスクリュ冷凍装置１とは、エコノマイザ１４の構成が異なる点を除き、他は実質的に同一であり、互いに共通する部分については、同一番号を付して説明を省略する。
このスクリュ冷凍装置２では、冷媒循環流路Ｌ１からのエコノマイザ流路Ｌ２の分岐点が受液器１３と熱交換部２８との間になっている。
そして、上記同様に温度検出器３２からの温度信号に基づき回転数制御部２５によりモータ２１の回転数が制御され、弁開閉制御部２９により補助膨張弁２７が開閉されるようになっている。
【００２５】
なお、本発明のスクリュ冷凍装置を、凝縮器から出る温水を利用するシステムとして、つまり、いわゆるヒートポンプとして利用したものに適用してもよい。その場合のスクリュ冷凍装置には、図１、４の各図に点線と二点鎖線で示したように、熱負荷を検出する手段として、温度検出器３２に代え、凝縮器１２から出た冷却水流路２６の出側部分に温度検出器３３が設けられ、ここから検出温度を示す温度信号が演算部２３に送られるように構成される。
また、スクリュ冷凍装置１及び２において、受液器１３は、冷凍サイクルの繰返しに必要な冷媒量の変化を吸収するクッションタンクとしての役割を担っているが、受液器１３は必ずしも必要でなく、省いてもよい。
さらに、図１及び４では、受液器１３を凝縮器１２とエコノマイザ１４との間に設けた例を示したが、本発明はこれに限定するものでなく、受液器１３をエコノマイザ１４と蒸発器１６との間、或いは蒸発器１６とスクリュ圧縮機１１との間に設けてもよい。
ところで、好ましくは、冷媒として非共沸混合冷媒を用いるのがよい。この非共沸混合冷媒を用いた場合、エコノマイザ１４にて冷媒が過冷却されることにより、蒸発器１６における冷媒の蒸発開始温度が低下する故、蒸発器１６における熱交換効率が向上する。
【００２６】
また、本発明のスクリュ冷凍装置を構成するスクリュ圧縮機には、油冷式スクリュ圧縮機を用いてもよい。その場合には、スクリュ圧縮機１１と凝縮器１２との間に油分離回収器が介設され、その油分離回収器の下部の油溜まり部から油冷却器を経て、スクリュ圧縮機のロータ室、軸封部、軸受等に油を供給する油供給流路などが設けられることが望ましい。
さらに、スクリュ圧縮機１１は、一段の圧縮機本体だけを備えたものに限定するものでなく、直列配置された複数段の圧縮機本体を備えたものも含み、この場合における中間圧力部とは、一段目の圧縮機本体の吸込圧力と最終段の圧縮機本体の吐出圧力との間の圧力部を意味する。即ち、この複数段の圧縮機本体については、エコノマイザ流路Ｌ２がスクリュ圧縮機１１内での冷媒流動空間部に合流する位置は、一段目の圧縮機本体の吸込口と最終段の圧縮機本体の吐出口との間であればよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、第１発明によれば、スクリュ圧縮機を用いるとともに、エコノマイザを備えたスクリュ冷凍装置において、スクリュ圧縮機の駆動部として設けられた回転数可変のモータと、熱負荷を検出する熱負荷検出手段と、この熱負荷検出手段からの熱負荷信号に基づき、圧縮機能力が過大であると判断される場合には上記モータの回転数を下げ、上記圧縮機能力が不足していると判断される場合には、上記回転数を上げ、他の場合には上記回転数を維持させる回転数制御部と、上記回転数が、上記補助膨張弁を常時閉とした場合と該補助膨張弁を常時開とした場合とのＣＯＰ比が両者略同等となる所定の回転数以下になった場合には、上記補助膨張弁を閉状態にし、その他の場合には、上記補助膨張弁を開状態に保つ弁開閉制御部とを設けた構成としてある。
また、第２発明によれば、第１発明の構成に加えて、上記熱負荷検出手段が、上記蒸発器を出た被冷却液の温度を検出する温度検出器である構成としてある。
さらに、第３発明によれば、第１発明の構成に加えて、上記熱負荷検出手段が、上記凝縮器を出た温水の温度を検出する温度検出器である構成としてある。
【００２８】
このため、スクリュ圧縮機駆動用のモータの回転数が低下した場合、エコノマイザの機能が停止させられ、蒸発器内での冷媒液の滞留量が減少し、冷凍サイクルに必要な冷媒量の変化の幅が縮小する結果、冷却熱負荷の変化に拘わらず、常時、良好な性能及びＣＯＰを維持することが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスクリュ冷凍装置の全体構成を示す図である。
【図２】本発明に係るスクリュ冷凍装置におけるモータ（スクリュロータ）の回転数比とＣＯＰ比との関係を説明する図である。
【図３】本発明に係るスクリュ冷凍装置におけるモータ（スクリュロータ）の回転数比と必要冷媒量比との関係を説明する図である。
【図４】本発明に係る他のスクリュ冷凍装置の全体構成を示す図である。
【図５】一般的なスクリュ圧縮機におけるモータ（スクリュロータ）の回転数比と断熱効率との関係を示す図である。
【図６】従来のスクリュ冷凍装置におけるモータ（スクリュロータ）の回転数比とＣＯＰ比との関係を示す図である。
【図７】従来のスクリュ冷凍装置におけるモータ（スクリュロータ）の回転数比と必要冷媒量比との関係を示す図である。
【符号の説明】
１、２スクリュ冷凍装置１１スクリュ圧縮機
１２凝縮器１３受液器
１４エコノマイザ１５主膨張弁
１６蒸発器２１モータ
２２電源２３演算部
２４インバータ２５回転数制御部
２６冷却水流路２７補助膨張弁
２８熱交換部２９弁開閉制御部
３１被冷却液流路３２、３３温度検出器
Ｌ１冷媒循環流路Ｌ２エコノマイザ流路

Claims

スクリュ圧縮機から、少なくとも凝縮器、エコノマイザ、主膨張弁及び蒸発器を経て上記スクリュ圧縮機に戻る冷媒循環流路と、上記凝縮器と上記主膨張弁との間の冷媒の一部を上記エコノマイザの補助膨張弁を経た後、上記スクリュ圧縮機のロータ室内の中間圧力部に導くエコノマイザ流路とを備えたスクリュ冷凍装置において、
上記スクリュ圧縮機の駆動部として設けられた回転数可変のモータと、
熱負荷を検出する熱負荷検出手段と、
この熱負荷検出手段からの熱負荷信号に基づき、圧縮機能力が過大であると判断される場合には上記モータの回転数を下げ、上記圧縮機能力が不足していると判断される場合には、上記回転数を上げ、他の場合には上記回転数を維持させる回転数制御部と、
上記回転数が、上記補助膨張弁を常時閉とした場合と該補助膨張弁を常時開とした場合とのＣＯＰ比が両者略同等となる所定の回転数以下になった場合には、上記補助膨張弁を閉状態にし、その他の場合には、上記補助膨張弁を開状態に保つ弁開閉制御部と
を設けたことを特徴とするスクリュ冷凍装置。
上記熱負荷検出手段が、上記蒸発器を出た被冷却液の温度を検出する温度検出器であることを特徴とする請求項１に記載のスクリュ冷凍装置。
上記熱負荷検出手段が、上記凝縮器を出た温水の温度を検出する温度検出器であることを特徴とする請求項１に記載のスクリュ冷凍装置。