特許 5981180 ターボ冷凍機及びその制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5981180

(24)【登録日】2016年8月5日

(45)【発行日】2016年8月31日

(54)【発明の名称】ターボ冷凍機及びその制御方法

(51)【国際特許分類】

   F25B 1/10 20060101AFI20160818BHJP

   F25B 1/053 20060101ALI20160818BHJP

【ＦＩ】

   F25B1/10 Q

   F25B1/053 B

   F25B1/053 M

【請求項の数】10

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2012-63316(P2012-63316)

(22)【出願日】2012年3月21日

(65)【公開番号】特開2013-194999(P2013-194999A)

(43)【公開日】2013年9月30日

【審査請求日】2014年10月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】503164502

【氏名又は名称】荏原冷熱システム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091498

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邉 勇

(74)【代理人】

【識別番号】100093942

【弁理士】

【氏名又は名称】小杉 良二

(74)【代理人】

【識別番号】100118500

【弁理士】

【氏名又は名称】廣澤 哲也

(72)【発明者】

【氏名】遠藤 哲也

(72)【発明者】

【氏名】入江 毅一

【審査官】 庭月野 恭

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−０３２１２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２３６４３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５３−０６４８５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−００２６３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０２−００４１６６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／０２４７０７１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｂ １／１０

Ｆ２５Ｂ １／０５３

Ｆ２５Ｂ １／００

(57)【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、
前記エコノマイザと前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分とを連通する流路に設けられ、前記流路を開閉する制御弁と、
前記圧縮された冷媒ガスを、前記エコノマイザを通過させずに前記凝縮器から前記蒸発器に戻すホットガスバイパス流路と、
前記ホットガスバイパス流路に設けられたホットガスバイパス弁と、
前記蒸発器を流れる冷水の少なくとも温度に基づいて前記ターボ冷凍機の冷凍容量を算出する制御装置とを備え、
前記多段ターボ圧縮機は、前記多段羽根車を回転させる圧縮機モータと、該圧縮機モータを駆動するインバータと、前記多段羽根車への冷媒ガスの吸込流量を調整する開度可変なベーンとを備えており、
前記制御装置は、前記冷凍容量の低下に従って、
前記インバータを介して前記多段ターボ圧縮機の回転速度を低下させる第１の制御ステップと、
前記ベーンの開度を小さくする第２の制御ステップと、
前記制御弁を閉じる第３の制御ステップと、
前記ホットガスバイパス弁を開く第４の制御ステップをこの順に実行し、
前記制御装置は、前記第３の制御ステップにおいて、前記制御弁を閉じると同時またはその直後に、前記ベーンの開度を大きくすることを特徴とするターボ冷凍機。

【請求項2】

前記制御弁は、その開度が可変に構成されており、
前記制御装置は、前記第３の制御ステップにおいて、前記制御弁の開度を前記冷凍容量の低下に従って減少させ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】

前記ホットガスバイパス弁は、その開度が可変に構成されており、
前記制御装置は、前記第４の制御ステップにおいて、前記ホットガスバイパス弁の開度を前記冷凍容量の低下に従って増加させ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4】

前記制御装置は、前記第４の制御ステップにおいて、前記ホットガスバイパス弁を開くと同時またはその直後に、前記ベーンの開度を大きくす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5】

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、
前記エコノマイザと前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分とを連通する流路に設けられ、前記流路を開閉する制御弁と、
前記圧縮された冷媒ガスを、前記エコノマイザを通過させずに前記凝縮器から前記蒸発器に戻すホットガスバイパス流路と、
前記ホットガスバイパス流路に設けられたホットガスバイパス弁と、
前記蒸発器を流れる冷水の少なくとも温度に基づいて前記ターボ冷凍機の冷凍容量を算出する制御装置とを備え、
前記多段ターボ圧縮機は、前記多段羽根車を回転させる圧縮機モータと、前記多段羽根車への冷媒ガスの吸込流量を調整する開度可変なベーンとを備えており、
前記制御装置は、前記冷凍容量の低下に従って、
前記ベーンの開度を小さくする第１の制御ステップと、
前記制御弁を閉じる第２の制御ステップと、
前記ホットガスバイパス弁を開く第３の制御ステップをこの順に実行し、
前記制御装置は、前記第２の制御ステップにおいて、前記制御弁を閉じると同時またはその直後に、前記ベーンの開度を大きくすることを特徴とするターボ冷凍機。

【請求項6】

前記制御弁は、その開度が可変に構成されており、
前記制御装置は、前記第２の制御ステップにおいて、前記制御弁の開度を前記冷凍容量の低下に従って減少させることを特徴とする請求項５に記載のターボ冷凍機。

【請求項7】

前記ホットガスバイパス弁は、その開度が可変に構成されており、
前記制御装置は、前記第３の制御ステップにおいて、前記ホットガスバイパス弁の開度を前記冷凍容量の低下に従って増加させることを特徴とする請求項５に記載のターボ冷凍機。

【請求項8】

前記制御装置は、前記第３の制御ステップにおいて、前記ホットガスバイパス弁を開くと同時またはその直後に、前記ベーンの開度を大きくすることを特徴とする請求項５に記載のターボ冷凍機。

【請求項9】

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、前記エコノマイザと前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分とを連通する流路に設けられ、前記流路を開閉する制御弁と、前記圧縮された冷媒ガスを、前記エコノマイザを通過させずに前記凝縮器から前記蒸発器に戻すホットガスバイパス流路と、前記ホットガスバイパス流路に設けられたホットガスバイパス弁と、前記蒸発器を流れる冷水の少なくとも温度に基づいてターボ冷凍機の冷凍容量を算出する制御装置とを備えたターボ冷凍機の制御方法であって、
前記冷凍容量の低下に従って、
前記多段羽根車に連結された圧縮機モータを駆動するためのインバータを介して前記多段ターボ圧縮機の回転速度を低下させる第１の制御ステップと、
前記多段羽根車への冷媒ガスの吸込流量を調整するベーンの開度を小さくする第２の制御ステップと、
前記制御弁を閉じる第３の制御ステップと、
前記ホットガスバイパス弁を開く第４の制御ステップをこの順に実行し、
前記第３の制御ステップにおいて、前記制御弁を閉じると同時またはその直後に、前記ベーンの開度を大きくすることを特徴とするターボ冷凍機の制御方法。

【請求項10】

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、前記エコノマイザと前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分とを連通する流路に設けられ、前記流路を開閉する制御弁と、前記圧縮された冷媒ガスを、前記エコノマイザを通過させずに前記凝縮器から前記蒸発器に戻すホットガスバイパス流路と、前記ホットガスバイパス流路に設けられたホットガスバイパス弁と、前記蒸発器を流れる冷水の少なくとも温度に基づいてターボ冷凍機の冷凍容量を算出する制御装置とを備えたターボ冷凍機の制御方法であって、
前記冷凍容量の低下に従って、
前記多段羽根車への冷媒ガスの吸込流量を調整するベーンの開度を小さくする第１の制御ステップと、
前記制御弁を閉じる第２の制御ステップと、
前記ホットガスバイパス弁を開く第３の制御ステップをこの順に実行し、
前記第２の制御ステップにおいて、前記制御弁を閉じると同時またはその直後に、前記ベーンの開度を大きくすることを特徴とするターボ冷凍機の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エコノマイザを備えたターボ冷凍機に係り、特に多段圧縮エコノマイザサイクルを用いたターボ冷凍機及びその制御方法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（例えば、特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９−２３６４３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ターボ冷凍機には、運転環境によってはその冷凍容量（冷凍能力）をゼロ近くまで低下させることを要求される場合がある。しかしながら、従来のターボ冷凍機では冷凍容量をゼロ近くまで低下させることができず、そのような要求に応えることができなかった。
本発明は、上述した従来の問題点を解決するためになされたものであり、冷凍容量を限りなくゼロ近くまで下げることができるターボ冷凍機およびその制御方法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】

【0005】

上述した目的を達成するために、本発明の第１の態様は、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、前記エコノマイザと前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分とを連通する流路に設けられ、前記流路を開閉する制御弁と、前記圧縮された冷媒ガスを、前記エコノマイザを通過させずに前記凝縮器から前記蒸発器に戻すホットガスバイパス流路と、前記ホットガスバイパス流路に設けられたホットガスバイパス弁と、前記蒸発器を流れる冷水の少なくとも温度に基づいて前記ターボ冷凍機の冷凍容量を算出する制御装置とを備え、前記多段ターボ圧縮機は、前記多段羽根車を回転させる圧縮機モータと、該圧縮機モータを駆動するインバータと、前記多段羽根車への冷媒ガスの吸込流量を調整する開度可変なベーンとを備えており、前記制御装置は、前記冷凍容量の低下に従って、前記インバータを介して前記多段ターボ圧縮機の回転速度を低下させる第１の制御ステップと、前記ベーンの開度を小さくする第２の制御ステップと、前記制御弁を閉じる第３の制御ステップと、前記ホットガスバイパス弁を開く第４の制御ステップをこの順に実行し、前記制御装置は、前記第３の制御ステップにおいて、前記制御弁を閉じると同時またはその直後に、前記ベーンの開度を大きくすることを特徴とする。

【0006】

本発明の第２の態様は、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、前記エコノマイザと前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分とを連通する流路に設けられ、前記流路を開閉する制御弁と、前記圧縮された冷媒ガスを、前記エコノマイザを通過させずに前記凝縮器から前記蒸発器に戻すホットガスバイパス流路と、前記ホットガスバイパス流路に設けられたホットガスバイパス弁と、前記蒸発器を流れる冷水の少なくとも温度に基づいて前記ターボ冷凍機の冷凍容量を算出する制御装置とを備え、前記多段ターボ圧縮機は、前記多段羽根車を回転させる圧縮機モータと、前記多段羽根車への冷媒ガスの吸込流量を調整する開度可変なベーンとを備えており、前記制御装置は、前記冷凍容量の低下に従って、前記ベーンの開度を小さくする第１の制御ステップと、前記制御弁を閉じる第２の制御ステップと、前記ホットガスバイパス弁を開く第３の制御ステップをこの順に実行し、前記制御装置は、前記第２の制御ステップにおいて、前記制御弁を閉じると同時またはその直後に、前記ベーンの開度を大きくすることを特徴とする。

【0007】

本発明の他の態様は、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、前記エコノマイザと前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分とを連通する流路に設けられ、前記流路を開閉する制御弁と、前記圧縮された冷媒ガスを、前記エコノマイザを通過させずに前記凝縮器から前記蒸発器に戻すホットガスバイパス流路と、前記ホットガスバイパス流路に設けられたホットガスバイパス弁と、前記蒸発器を流れる冷水の少なくとも温度に基づいてターボ冷凍機の冷凍容量を算出する制御装置とを備えたターボ冷凍機の制御方法であって、前記冷凍容量の低下に従って、前記多段羽根車に連結された圧縮機モータを駆動するためのインバータを介して前記多段ターボ圧縮機の回転速度を低下させる第１の制御ステップと、前記多段羽根車への冷媒ガスの吸込流量を調整するベーンの開度を小さくする第２の制御ステップと、前記制御弁を閉じる第３の制御ステップと、前記ホットガスバイパス弁を開く第４の制御ステップをこの順に実行し、前記第３の制御ステップにおいて、前記制御弁を閉じると同時またはその直後に、前記ベーンの開度を大きくすることを特徴とする。

【0008】

本発明のさらに他の態様は、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、前記エコノマイザと前記多段ターボ圧縮機の多段圧縮段の中間部分とを連通する流路に設けられ、前記流路を開閉する制御弁と、前記圧縮された冷媒ガスを、前記エコノマイザを通過させずに前記凝縮器から前記蒸発器に戻すホットガスバイパス流路と、前記ホットガスバイパス流路に設けられたホットガスバイパス弁と、前記蒸発器を流れる冷水の少なくとも温度に基づいてターボ冷凍機の冷凍容量を算出する制御装置とを備えたターボ冷凍機の制御方法であって、前記冷凍容量の低下に従って、前記多段羽根車への冷媒ガスの吸込流量を調整するベーンの開度を小さくする第１の制御ステップと、前記制御弁を閉じる第２の制御ステップと、前記ホットガスバイパス弁を開く第３の制御ステップをこの順に実行し、前記第２の制御ステップにおいて、前記制御弁を閉じると同時またはその直後に、前記ベーンの開度を大きくすることを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明の第１の態様によれば、（１）インバータによる多段ターボ圧縮機の回転速度制御、（２）ベーン開度の制御、（３）エコノマイザサイクルの停止、および（４）ホットガスバイパス、の４段階の制御により、冷凍容量をゼロ近くまで下げることができる。したがって、ターボ冷凍機の低負荷運転が可能となる。

【0010】

本発明の第２の態様によれば、インバータを備えないターボ冷凍機においても、冷凍容量をゼロ近くまで下げることができる。すなわち、（１）ベーン開度の制御、（２）エコノマイザサイクルの停止、および（３）ホットガスバイパス、の３段階の制御により、冷凍容量をゼロ近くまで下げることができる。したがって、ターボ冷凍機の低負荷運転が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明に係るターボ冷凍機の一実施形態を示す模式図である。

【図2】４段階の制御に従ってターボ冷凍機の運転領域が４つに分けられることを示すグラフである。

【図3】第３の制御ステップにおいて制御弁を閉じることにより冷凍容量が低下する様子を説明するためのモリエル線図である。

【図4】本発明に係るターボ冷凍機の他の実施形態を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明に係るターボ冷凍機及びその制御方法の実施形態を図面を参照して説明する。図１乃至４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。

【0013】

図１は、本発明に係るターボ冷凍機の一実施形態を示す模式図である。図１に示す実施形態においては、二段圧縮単段エコノマイザサイクルを用いたターボ冷凍機について説明する。図１に示すように、ターボ冷凍機は、冷媒を圧縮する多段ターボ圧縮機ＴＣ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４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５と、凝縮器４と蒸発器５との間に配置される中間冷却器であるエコノマイザ６と、エコノマイザ６の前後に設置され凝縮冷媒を減圧して膨張させる膨張機構８，８とを備え、これら各機器を冷媒が循環する冷媒配管９によって連結して構成されている。

【0014】

図１に示す実施形態においては、多段ターボ圧縮機ＴＣは、二段ターボ圧縮機からなり、一段目羽根車１と、二段目羽根車２と、これらの羽根車１，２を回転させる圧縮機モータ３と、圧縮機モータ３を駆動するインバータ１４とから構成されている。圧縮機モータ３およびこれに連結された羽根車１，２の回転速度は、インバータ１４によって変速可能となっている。さらに、インバータ１４は制御装置２０に接続されており、圧縮機モータ３および羽根車１，２の回転速度は、インバータ１４を介して制御装置２０によって制御される。

【0015】

一段目羽根車１の吸込側には、冷媒ガスの羽根車１，２への吸込流量を調整するベーン１５が設けられている。このベーン１５は放射状に配置されており、各ベーン１５が自身の軸心を中心として互いに同期して所定の角度だけ回転することにより、ベーン１５の開度が変更される。多段ターボ圧縮機ＴＣのサージング防止のためにベーン１５の最小開度は０°ではなく、ベーン１５が完全に閉じないようになっている。例えば、ベーン１５の最小開度は１０°である。ベーン１５の開度は、制御装置２０によって制御される。

【0016】

一段目羽根車１の吐出側と二段目羽根車２の吸込側とは、流路１０によって接続されている。多段ターボ圧縮機ＴＣにおいては、蒸発器５から一段目羽根車１に導入された冷媒ガスは一段目羽根車１により一段目の圧縮が行われ、次に流路１０によって二段目羽根車２に導入された冷媒ガスは二段目羽根車２により二段目の圧縮が行われ、その後、凝縮器４に送られる。

【0017】

エコノマイザ６と前記流路１０とは流路１１によって接続されており、エコノマイザ６で分離された冷媒ガスは多段ターボ圧縮機ＴＣの多段の圧縮段（この例では２段）の中間部分（この例では一段目と二段目の間の部分）に導入されるようになっている。エコノマイザ６内の液面は、液面計ＬＶによって測定され、その測定値は制御装置２０に送られるようになっている。エコノマイザ６と多段ターボ圧縮機ＴＣとを接続する流路１１には、電動式の制御弁７が設けられており、エコノマイザ６から多段ターボ圧縮機ＴＣの圧縮段への冷媒ガスの供給および供給停止が制御できるようになっている。制御弁７は、その開度が調整できるように構成されており、例えば開度可変な電動弁が制御弁７として使用される。制御弁７の開度は制御装置２０により制御される。

【0018】

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、多段ターボ圧縮機ＴＣと凝縮器４と蒸発器５とエコノマイザ６とを冷媒が循環し、蒸発器５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５からの熱量および圧縮機モータ３から供給される多段ターボ圧縮機ＴＣの仕事に相当する熱量が凝縮器４に供給される冷却水に放出される。一方、エコノマイザ６にて分離された冷媒ガスは多段ターボ圧縮機ＴＣの多段圧縮段の中間部分に導入され、一段目羽根車１からの冷媒ガスと合流して二段目羽根車２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６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６を設置しない場合に比べて冷凍効果を増加させることができる。

【0019】

図１に示すように、ターボ冷凍機は、冷媒ガスを凝縮器４から蒸発器５に導くホットガスバイパス流路２５と、このホットガスバイパス流路２５を開閉するためのホットガスバイパス弁２６とを備えている。ホットガスバイパス弁２６は、その開度が調整可能に構成されており、例えば開度可変な電動弁から構成されている。通常の冷凍運転では、ホットガスバイパス弁２６は閉じられている。ホットガスバイパス弁２６を開くと、多段ターボ圧縮機ＴＣによって圧縮された冷媒ガスは、エコノマイザ６を通らずに凝縮器４から蒸発器５に送られる。

【0020】

ターボ冷凍機は、蒸発器５に流入する冷水の温度を測定する第１の温度測定器としての温度センサＳ１と、蒸発器５から流出する冷水の温度を測定する第２の温度測定器としての温度センサＳ２と、蒸発器５を流れる冷水の流量計ＦＭとをさらに備えている。温度センサＳ１，Ｓ２および流量計ＦＭは制御装置２０に接続されており、温度センサＳ１，Ｓ２および流量計ＦＭの出力値は制御装置２０に送られるようになっている。

【0021】

制御装置２０は、温度センサＳ１，Ｓ２によって取得された冷水入口温度Ｔ１および冷水出口温度Ｔ２の差ΔＴと、流量計ＦＭによって取得された冷水の流量とに基づいて、冷凍機の現在の冷凍容量を算出する。より具体的には、温度差ΔＴと冷水の流量との積から現在の冷凍負荷を求めることができる。あるいは、制御装置２０は、単に冷水入口温度Ｔ１から冷凍機の現在の冷凍容量を算出してもよい。この場合、流量計ＦＭは省略してもよい。

【0022】

制御装置２０は、冷水出口温度Ｔ２が所定の目標温度に維持されるように、インバータ１４、ベーン１５、制御弁７、およびホットガスバイパス弁２６を制御する。蒸発器５を流れる冷水の流量が一定の条件下では、ターボ冷凍機の冷凍容量（冷凍負荷）は、冷水入口温度Ｔ１に依存する。すなわち、冷水入口温度Ｔ１が低くなると、ターボ冷凍機の冷凍容量を下げる必要がある。近年では、ターボ冷凍機の冷凍容量を２０％未満にまで下げることが要求されることがある。本発明の冷凍機は、以下に説明する４段階制御によりその冷凍容量をゼロ近くまで連続的に（すなわち滑らかに）低下させることができる。
すなわち、制御装置２０は、
（１）インバータ１４による多段ターボ圧縮機ＴＣの回転速度制御、
（２）ベーン１５の開度制御、
（３）制御弁７を閉じることによるエコノマイザサイクルの停止、
（４）ホットガスバイパス、
の４段階で冷凍容量を低下させる。

【0023】

第１の制御ステップでは、算出された冷凍容量が低下するにしたがって、制御装置２０はインバータ１４の出力周波数を制御して羽根車１，２の回転速度を低下させる。冷凍容量がさらに低下して所定の値に達すると、制御装置２０は、第２の制御ステップとして、ベーン１５の開度を小さくする。ベーン１５の開度は、冷凍容量の低下に従って減少される。

【0024】

さらに冷凍容量が低下してベーン１５がその最小開度まで閉じると、制御装置２０は、第３の制御ステップとして、制御弁７の開度を小さくする。制御弁７の開度は、冷凍容量の低下に従って減少される。さらに冷凍容量が低下して制御弁７が完全に閉じると、制御装置２０は、第４の制御ステップとして、ホットガスバイパス弁２６を開く。具体的には、制御弁７が完全に閉じた後、ホットガスバイパス弁２６の開度を冷凍容量の低下に従って増加させる。

【0025】

このように、演算により求められた冷凍容量に従って、インバータ制御（第１の制御ステップ）、ベーン制御（第２の制御ステップ）、制御弁７によるエコノマイザサイクルの制御（第３の制御ステップ）、およびホットガスバイパス弁制御（第４の制御ステップ）をこの順に実行することにより、ターボ冷凍機の冷凍容量（冷凍負荷）を１００％から０％近くまで低下させることができる。

【0026】

図２は、上記４段階の制御に従ってターボ冷凍機の運転領域が４つに分けられることを示すグラフである。図２に示すサージングラインは、多段ターボ圧縮機ＴＣの吸込流量に対して運転ヘッドが高すぎると、サージングが起こるラインである。したがって、ターボ冷凍機は、このサージングラインよりも低い運転可能上限ライン以下の領域内で運転される。図２に示すように、ターボ冷凍機の運転領域は、インバータ制御領域、ベーン制御領域、エコノマイザサイクル制御領域、およびホットガスバイパス弁制御領域の４つの領域に分割される。このように４つの制御ステップに従ってターボ冷凍機が運転されるので、ターボ冷凍機の冷凍容量（冷凍能力）を滑らかに低下させることができる。特に、本発明によれば、冷凍容量を１００％から０％近くまで滑らかに（連続的に）低下させることができる。

【0027】

図３は、第３の制御ステップにおいて制御弁７を閉じることにより冷凍容量が低下する様子を説明するためのモリエル線図である。制御弁７が開かれたときのエコノマイザ６による冷凍効果は、図３に示す斜線部で示されている。制御弁７を閉じると、エコノマイザ６による冷凍効果が失われるので、冷媒の多段ターボ圧縮機ＴＣへの吸込流量を減ずることなく、冷凍容量を低下させることが可能となり、低負荷運転時での著しい効率低下を防ぐことができる。例えば、冷水入口温度Ｔ１が３２℃、冷水出口温度Ｔ２が７℃の温度条件下では、制御弁７を閉じることで冷凍容量を約１５％減ずることが可能である。この制御弁７の開度は、０〜１００％の範囲で調整可能であるので、第３の制御ステップでは冷凍容量を滑らかに低下させることができる。

【0028】

他の実施形態として、制御弁７として、開閉動作のみの弁（すなわち、開度調整ができない弁）を使用してもよい。この場合、第３の制御ステップでは、制御弁７が閉じられた結果、冷凍容量が急激に低下することとなる。このような急激な冷凍容量の低下を避けるために、第３の制御ステップで制御弁７を閉じると同時に、ベーン１５の開度を大きくすることが好ましい。このときのべーンの開度は、冷水出口温度Ｔ２が目標温度に維持されるために必要な開度であり、その時の運転状態に依存して変わりうる。ベーン１５を開くタイミングは、制御弁７が閉じるのと同時でなくてもよく、制御弁７が閉じた直後であってもよい。

【0029】

ベーン１５を開いた後のベーン１５の開度は、演算により求められた現在の冷凍容量に従って制御される。その後、冷凍容量がさらに低下してベーン１５が最低開度まで閉じたときは、次に上述の第４の制御ステップが実行される。すなわち、上述したように、現在の冷凍容量に従ってホットガスバイパス弁２６を開く。

【0030】

本実施形態によれば、制御弁７が閉じると同時または直後にベーン１５の開度を大きくすることにより、冷凍容量の急激な低下が回避され、冷凍容量を滑らかに下げることができる。また、制御弁７として、単に流路１１を開閉するだけの簡単な構造の弁を使用することができる。したがって、そのような構造の弁が使用されている既存のターボ冷凍機にも本実施形態を適用することができる。

【0031】

さらに他の実施形態として、ホットガスバイパス弁２６として、開閉動作のみの弁（すなわち、開度調整ができない弁）を使用してもよい。この場合、第４の制御ステップでは、ホットガスバイパス弁２６が開かれた結果、冷凍容量が急激に低下することとなる。このような急激な冷凍容量の低下を避けるために、上述の実施形態と同様に、第４の制御ステップでホットガスバイパス弁２６を開くと同時またはその直後に、ベーン１５の開度を大きくすることが好ましい。このときのべーンの開度は、冷水出口温度Ｔ２が目標温度に維持されるために必要な開度であり、その時の運転状態に依存して変わりうる。その後、ベーン１５の開度は、演算により求められた現在の冷凍容量に従って制御される。

【0032】

本実施形態をより詳細に説明する。第４の制御ステップでホットガスバイパス弁２６を開く場合には、ホットガスバイパス弁２６を開くと同時またはその直後にベーン１５の開度を大きくする。このときのべーンの開度は、冷水出口温度Ｔ２が目標温度に維持されるために必要な開度である。その後、冷凍容量が低下するに従って、ベーン１５の開度を減少させる。

【0033】

このように、ホットガスバイパス弁２６を開くと同時またはその直後にベーン１５の開度を大きくすることにより、冷凍容量の急激な低下が回避され、冷凍容量を滑らかに下げることができる。また、ホットガスバイパス弁２６として、単にホットガスバイパス流路２５を開閉するだけの簡単な構造の弁を使用することができる。したがって、そのような構造の弁が使用されている既存のターボ冷凍機にも本実施形態を適用することができる。

【0034】

上述したターボ冷凍機はインバータを備えたタイプであるが、図４に示すように、インバータを備えないタイプのターボ冷凍機も存在する。このタイプのターボ冷凍機では、以下の３段階制御により、その冷凍容量をゼロ近くまで連続的に（すなわち滑らかに）低下させることができる。
（１）ベーンの開度制御（第１の制御ステップ）
（２）制御弁７を閉じることによるエコノマイザサイクルの停止（第２の制御ステップ）
（３）ホットガスバイパス（第３の制御ステップ）
これら第１〜第３の制御ステップは、上述した第２〜第４の制御ステップと同じに実行される。したがって、このタイプのターボ冷凍機においても、その冷凍容量をゼロ近くまで連続的に低下させることが可能である。

【0035】

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】

【0036】

１ 一段目羽根車
２ 二段目羽根車
３ 圧縮機モータ
４ 凝縮器
５ 蒸発器
６ エコノマイザ
７ 制御弁
８ 膨張機構
９，１０，１１ 流路
１４ インバータ
１５ ベーン
２０ 制御装置
２５ ホットガスバイパス流路
２６ ホットガスバイパス弁
ＬＶ 液面計
Ｓ１，Ｓ２ 温度センサ
ＦＭ 流量計
ＴＣ 多段ターボ圧縮機

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】