冷媒用遠心式コンプレッサの特長とアプリケーションについて

技術概要 冷媒用遠心式コンプレッサ 序論 遠心式コンプレッサ(ラジアルターボコンプレッサとも呼ばれます)は、暖房または冷房の用途 に適しているのか？ここでは、遠心式コンプレッサの特長やアプリケーション事例をもとに有 用性を説明します。 1. 冷媒回路による冷暖房 気候変動と闘いながら、持続可能で安全かつ競争力のあるエネルギーの生成と使用を達成するというマクロトレンドは、 次のような冷暖房アプリケーションの多くのミクロトレンドを推進しています。 ・化石燃料ベースの暖房設備をヒートポンプに交換する ・建物の熱管理の焦点は、暖房から冷房/気候制御に移っています。これには通常、冷媒回路が必要です。 ・冷媒回路に基づく既存のヒートポンプおよび冷却アプリケーションの場合、例えば地熱源と低温床暖房を使用してより 低い温度上昇に向かう傾向があります。 ・ハイブリッド/電気自動車は抵抗器による加熱をヒートポンプに置き換えて、加熱と冷却を組み合わせます。 ・将来的には冷凍サイクルによる冷却飛行機、エアタクシー、無人航空機、ヘリコプターなどのより多くの/すべての電気 航空機。 ・宇宙船、衛星、無人航空機、ドローンなどの限られたスペースでの電子機器の冷却。 ・地球温暖化係数(GWP)冷媒の低下とオゾン層破壊係数(ODP)冷媒の禁止の傾向 要約すると冷暖房の未来は、電気コンプレッサによって駆動される冷媒回路に基づいています。 このような冷媒回路を図1に示します。 加熱および冷却用の現在の冷媒回路のほとんどは、スクロールコンプレッサなどの置換コンプレッサを利用しています。 コンプレッサの選択は冷媒の選択自体に依存しますが、温度レベル、火力、必要な成績係数(COP)、サイズと重量の制限、 寿命、メンテナンス、振動と騒音の制限、製造量、コストなどの操作要件にも依存します。これら要件の多くに対して、 ラジアルターボコンプレッサとも呼ばれる遠心式コンプレッサには利点があります。 図1 加熱および冷却用の冷媒回路は、 新のスクロールまたは他の置換コンプレッサまたは遠心式によって駆動されます1。

冷媒の選択は、冷媒回路設計における重要な決定事項です。 遠心式コンプレッサで圧縮できるさまざまな冷媒の概要を以 下に示します。 ① 標準冷媒： ・R134a ・R470 ・R410 ② 低GWP（Global Warming Potential）冷媒、例： ハイドロフルオロオレフィン(HFO)： ・1-クロロ-3,3,3-トリフルオロプロペン（R1233zd） ・2,3,3,3-テトラフルオロプロペン（R1234yf） ・1,3,3,3-テトラフルオロプロペン（R1234ze） ③ 炭化水素自然冷媒 ・ブタン(R600) ・イソブタン(R600a) ・イソペンタン(R601a) ・プロパン(R290) ④ その他の自然冷媒： ・二酸化炭素（R744） ・超低温/極低温用途向けのアルゴン(R740)またはその他の希ガス ・空気(R729) ・窒素(R728) ・蒸気(R718) ・アンモニア(R717) ただし、遠心式コンプレッサはいずれの場面でも理想的なソリューションではないことに注意してください。本書アプリ ケーションが遠心式コンプレッサ技術から利益を得ることができるかどうかを判断するためのガイドラインです。 2．アプリケーション事例 2-1 ロケット科学 Celeroton社は、ヒートポンプシステムに基づく衛星熱制御用のターボコンプレッサのブレッドボードモデルを開発す るためにESA(欧州宇宙機関)の資金提供を受けています。(詳細についてはこちらをご覧ください。) 宇宙船の熱制御に は、その優れた熱的挙動とその結果として配管および熱交換器の小型化が可能なため、アンモニアが 適な冷媒です。 以下に示す技術的洞察によると、アンモニアの高い絶対圧およびその他のガスパラメータは、遠心式コンプレッサの設 計に大きな課題をもたらします。この非常に難しい冷媒の選択にもかかわらず、遠心式コンプレッサは次の理由で選択 されています。 ・微小振動の放出が少ない。これは、振動に敏感な伝送装置のためは、将来の衛星にとって重要です。地球上のアプリ ケーションでは、低振動放射の利点は通常、低ノイズです。 ・小型軽量－衛星の打ち上げコストの削減に直接変換されます ・摩耗がなく、寿命が長く、メンテナンスが不要－宇宙用途には必須 ・オイルフリー ・高効率 2-2 遠心式コンプレッサのソリューション 宇宙船の熱管理に加えて以下の要件が存在する場合、遠心式コンプレッサが違いを生むことができる低温リフトヒートポン プのようなより現実的なアプリケーションとなります。： ・低温リフトの加熱と冷却 ・オイルフリー運転 ・低メンテナンス性 ・低ノイズ ・限られたスペース要件 ・高効率 ・速度制御による電力調整 2

低温リフト加熱および冷却用のイソブタンコンプレッサーの例を図2に示します。 図2 実現された低温リフトヒートポンプコンプレッサの写真(左)と、9℃のインレット温度と1.24barのインレ ット圧力でのイソブタンのコンプレッサマップ(右) 3．冷媒回路用遠心式コンプレッサ 3-1 遠心式コンプレッサと変位コンプレッサ レシプロコンプレッサとは対照的に、遠心式コンプレッサは動的な原理によってガスを圧縮します。 機械的(シャフト)動力は、インペラのブレードによって流体に伝達されます。流れが減速すると、圧力が大幅に上昇しま す。(詳細についてはこちらをご覧ください。)このコンプレッサタイプは、ローターという1つの可動部品のみを必要とし ます。ローターは、非接触空気軸受で動作し、高速電気モータで直接駆動できます。これにより、冷媒を圧縮するための レシプロコンプレッサと比較して、いくつかの利点が得られます。 ・冷媒自体を潤滑剤として利用する空気軸受によるオイルフリー運転。冷媒の発泡を防ぐために、冷媒サイクルではオイ ルフリー運転が推奨されます。 ・回転(または移動)シール不要 ・高速のためコンパクトで軽量 ・低ノイズ ・高効率(低温リフト) ただし、レシプロコンプレッサなどの他のコンプレッサタイプと比較して、遠心式コンプレッサには次のような欠点もあ ります。 ・動的動作原理により、動作範囲(キーワード：サージライン/チョークライン)が制限され、凝縮(TC)過蒸発(TE)温度図の 動作範囲が制限されます。 ・定常連続流は、コンプレッサステージごとの圧力上昇(即ち温度上昇)を制限します。高温リフト(圧力比が高くなる)の 場合、多段コンプレッサが必要です ・上記の利点として述べた小型化は、高い電力密度と困難な熱およびコンプレッサー冷却設計をもたらします ・小型化により、製造公差がさらに厳しくなります さまざまなコンプレッサー技術の比較はここから入手できます。 3-2 遠心式コンプレッサが 適な加熱または冷却アプリケーションとは？ 冷媒の選択は、遠心式コンプレッサの適用性に大きく影響します。空気軸受遠心式コンプレッサは、ブタンやR1233zdなど の絶対圧力が低い冷媒で 適に動作します。 空気軸受ターボコンプレッサは、二酸化炭素やアンモニアなどの高圧冷媒では性能が低くなりますが、上記のアプリケー ション例で、このような冷媒の場合、振動の低放出、オイルフリー、信頼性などの要件がある場合は、遠心式コンプレッ サが正しい選択になる可能性があります。 したがって、上記の質問に対する答えは、冷媒だけでなく、冷媒回路のすべての技術要件、さらにビジネスケースによっ てもによって定義されます。次のようなレシプロコンプレッサで技術的要件を満たすことができない場合は、明らかに遠 心式コンプレッサが好ましい選択です。 3

・オイルフリー運転 ・ハイレベルな小型化、軽量化 ・低騒音/低微小振動放出 ・低温リフトでの高効率 ・大量の流量要件（例：高火力、低温リフトの加熱と冷却、特定の冷媒、または蒸気/空気サイクルなど） ただし、遠心式コンプレッサが既存のスクロールまたは他のレシプロコンプレッサの直接の代替品である場合、通常は正 しい選択ではありません。 その理由は、遠心式空気軸受コンプレッサは高い製造精度を必要とするハイテクソリューショ ンであるため、既存のスクロール/レシプロコンプレッサが要件を満たしている場合、価格で競争することはできません。 3-3 冷媒用遠心式コンプレッサ設計への洞察 冷媒回路用の遠心式空気軸受コンプレッサは通常、特定の技術要件に合わせてカスタム設計されています。Celeroton社は そのようなカスタマイズされたデザインを提供し、 適なソリューションで顧客のニーズをカバーするすべての機能とノ ウハウを備えています。(カスタム開発の詳細についてはこちらをご覧ください。) 冷媒用の遠心式コンプレッサの設計には多くの技術的課題があり、多様で学際的なノウハウが必要です。 ・コンプレッサの実現の可能性と性能だけでなく、熱交換器、配管と膨張弁のサイズ、既存のコンポーネントの性能と可 用性を含む冷媒のトレードオフ。 ・圧縮機の効率と、設計の初期段階でのさまざまな動作点に対する結果として生じる加熱または冷却のCOP(Coefficient Of Performance)計算。 ・高火力および/または高温リフトアプリケーションをカバーするために、並列または直列(ステージスタッキング)の複数 のコンプレッサステージを備えたコンプレッサの概念。多段コンプレッサシステムのコンプレッサマップ。多段コンプレ ッサシステムの制御戦略。 ・コンプレッサ冷却の熱管理システムへの統合(吸引ガス冷却、液体（冷媒）冷却、水冷、強制空冷)。 必要な冷媒回路固有のノウハウは、遠心式コンプレッサ設計の標準性能可視化であるコンプレッサマップを、冷媒回路の 標準性能可視化であるTC-TE図の動作エンベロープに変換することです。 ・コンプレッサマップは通常、固定コンプレッサインレット条件(入口温度と圧力)例えば固定蒸発温度に対して定義され ます。圧力比と質量/体積流量範囲は、これらのインレット条件での温度上昇と熱出力範囲を定義します。 ・一方、冷媒回路を計画している顧客は、さまざまな蒸発温度での性能限界を知る必要があります。 ・異なるコンプレッサインレット、つまりの蒸発温度は、コンプレッサマップ内で異なる圧力比と質量流量制限をもたら し、TC-TE図に変換する必要があります。 図3は、Celeroton社が提供できる2つの異なる図とその間の変換を示しています。 図3 さまざまな速度線の質量流量に対する圧力比を示したコンプレッサマ ップ(左)と凝縮温度と蒸発温度を示したTC-TE図(右) 4

4.冷媒回路のお問合せ Celeroton社は、遠心式コンプレッサの設計に関するノウハウと、冷媒ベースのヒートポンプおよび冷却アプリケーシ ョンにおけるニーズを組み合わせて以下の提案ができる理想的なパートナーです。 ・加熱または冷却アプリケーションでの遠心式コンプレッサの実現可能性を確認 ・冷媒回路用のカスタム固有の遠心式コンプレッサを開発 ・Celeroton社での冷媒中の遠心式コンプレッサのテストこちらもご覧ください。 ・アプリケーションでテストするための遠心式コンプレッサのプロトタイプを提供 ・一連の生産の計画：製造の設計から、Celeroton社による生産または大量生産のライセンスモデルまで 冷凍サイクルコンプレッサーに対する様々なご要求をお待ちしております！ 国内総代理店 日本シュネーベルガー株式会社 〒105-0001 東京都港区虎ノ門3-20-5 クレイン虎ノ門ビル7階 TEL: 03-6435-7474 FAX: 03-6435-7475 Mail: Sales-Japan@schneeberger.com URL: https://www.schneeberger.com/ja/