JP2001074318A

JP2001074318A - 冷却装置の制御方法

Info

Publication number: JP2001074318A
Application number: JP24702199A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Ota; 正明太田; Akio Ohigata; 昭夫大日方; Fukuichi Mochizuki; 福一望月; Tsuyoshi Maruyama; 強志丸山
Original assignee: Orion Machinery Co Ltd
Current assignee: Orion Machinery Co Ltd
Priority date: 1999-09-01
Filing date: 1999-09-01
Publication date: 2001-03-23

Abstract

(57)【要約】【課題】省エネルギ性を飛躍的に高め、また、安定した
高度の冷却精度を維持する。【解決手段】冷凍サイクルＣを構成するコンプレッサ２
の回転周波数Ｘをインバータ３により一定の範囲Ｘｄ〜
Ｘｕで可変して被冷却物Ｗの温度Ｔｗを制御するととも
に、温度Ｔｗがインバータ３によっては制御できない温
度まで低下したなら、ホットガスバイパス回路４を開く
制御を行うに際し、ホットガスバイパス回路４を開いた
状態で温度Ｔｗが上昇したなら、当該ホットガスバイパ
ス回路４を開いた状態でコンプレッサ２の回転周波数Ｘ
を上昇させるとともに、当該回転周波数Ｘが予め設定し
た設定周波数Ｘｓに達したならホットガスバイパス回路
４を閉じ、かつコンプレッサ２の回転周波数Ｘを低下さ
せる制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ加工機等に
付設する冷却装置の制御に用いて好適な冷却装置の制御
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、レーザ加工機では、ワークの材
質，板厚，加工速度及び加工面粗度等によってレーザ側
の負荷が大きく変動する。したがって、レーザ加工機に
付設する冷却装置は、このような負荷変動に対して十分
に追従できる冷却性能が要求されるとともに、特に、加
工精度に大きく影響するミラー等の光学部品に対する熱
的安定性を確保し、加工品質の低下を回避する上から
も、温度変動の少ない高度の冷却精度が要求される。

【０００３】ところで、この種の冷却装置は、凝縮器に
対する冷却方式の違いから水冷式タイプと空冷式タイプ
が存在する。水冷式タイプは、凝縮器の熱交換特性の優
位性から熱交換器を小型化できる利点を有するが、冷却
水供給用クーリングタワーを必要とし、また、定期的な
メンテナンスが必要となることから、レーザ加工機に
は、専ら空冷式タイプが採用されている。一方、空冷式
タイプは、気温によって一日の間でも冷却特性が変化す
る。このため、通常は、センサにより冷媒回路の圧力を
検出し、凝縮器を冷却する送風機をオン−オフ制御した
り、インバータによる回転周波数制御を行い、凝縮圧力
を一定に保つことによって適正な冷凍能力を維持してい
る。

【０００４】他方、急激な負荷変動に対しては、コンプ
レッサの回転周波数をインバータにより可変制御するこ
とが有効である。従来、コンプレッサの回転周波数をイ
ンバータにより制御する場合、回転周波数に対して一定
の範囲（例えば、３０〜９０〔Ｈｚ〕）を設定し、設定
した範囲内で可変するとともに、冷却水の温度（水温）
がインバータによっては制御できない温度まで低下した
なら、ホットガスバイパス回路を開にする制御を行う。
これにより、冷凍能力をほとんど零にすることができ
る。

【０００５】また、ホットガスバイパス回路が開いてい
るときに、水温が上昇すれば、コンプレッサの回転周波
数を上昇させる制御を行う。コンプレッサの回転周波数
を上昇させれば、急速に冷却が進行するため、もし、回
転周波数の上昇中に、ホットガスバイパス回路を閉じれ
ば、大きな温度変動を生じて冷却精度が低下する。した
がって、コンプレッサの回転周波数の上昇中は、通常、
ホットガスバイパス回路は開いた状態を維持し、回転周
波数が設定した範囲の上限に達した段階でホットガスバ
イパス回路を閉じる制御を行っていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような冷
却装置における従来の制御方法は、次のような問題点が
あった。

【０００７】第一に、コンプレッサの回転周波数が上昇
している間も冷却能力を低下させるホットガスバイパス
回路を開く必要があるため、無用なエネルギー損失を生
じ、省エネルギ性に劣る。

【０００８】第二に、ホットガスバイパス回路を閉じる
際に、冷凍能力の急激な変動に基づく温度変動を生じる
虞れがあり、安定した高度の冷却精度を維持できない。

【０００９】本発明は、このような従来の技術に存在す
る課題を解決したものであり、特に、省エネルギ性を飛
躍的に高めるとともに、安定した高度の冷却精度を維持
できる冷却装置の制御方法の提供を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段及び実施の形態】本発明
は、冷凍サイクルＣを構成するコンプレッサ２の回転周
波数Ｘをインバータ３により一定の範囲Ｘｄ〜Ｘｕで可
変して被冷却物Ｗの温度Ｔｗを制御するとともに、温度
Ｔｗがインバータ３によっては制御できない温度まで低
下したなら、ホットガスバイパス回路４を開く制御を行
うに冷却装置１の制御方法において、ホットガスバイパ
ス回路４を開いた状態で温度Ｔｗが上昇したなら、当該
ホットガスバイパス回路４を開いた状態でコンプレッサ
２の回転周波数Ｘを上昇させるとともに、当該回転周波
数Ｘが予め設定した設定周波数Ｘｓに達したならホット
ガスバイパス回路４を閉じ、かつコンプレッサ２の回転
周波数Ｘを低下させる制御を行うようにしたことを特徴
とする。

【００１１】この場合、好適な実施の態様により、設定
周波数Ｘｓは、ホットガスバイパス回路４を開いたとき
に失う冷凍能力Ｑａ，Ｑｂ，Ｑｃを補う回転周波数以上
に設定する。また、ホットガスバイパス回路４を開く際
に、コンプレッサ２の運転を停止することができる。一
方、少なくとも被冷却物Ｗを冷却するための設定温度Ｔ
ｓａ，Ｔｓｂ，Ｔｓｃに対応してホットガスバイパス回
路４をバイパスする冷媒流量を可変することができる。
具体的には、ホットガスバイパス回路４に異なる冷媒流
量を設定した複数のキャピラリチューブ５ａ，５ｂ，５
ｃを並列接続し、設定温度Ｔｓａ，Ｔｓｂ，Ｔｓｃに対
応してキャピラリチューブ５ａ，５ｂ，５ｃを選択的に
使用してもよいし、ホットガスバイパス回路４に電動バ
ルブ６を接続し、設定温度Ｔｓａ，Ｔｓｂ，Ｔｓｃに対
応して電動バルブ６を制御してもよい。

【００１２】これにより、コンプレッサ２の回転周波数
Ｘが、ホットガスバイパス回路４を開いたときに失う冷
凍能力Ｑａ…を補う回転周波数に達した後、設定した範
囲Ｘｄ〜Ｘｕの上限Ｘｕに達する前に、ホットガスバイ
パス回路４を閉じる制御を行うため、無用なエネルギー
損失が回避されるとともに、ホットガスバイパス回路４
を閉じると同時にコンプレッサ２の回転周波数Ｘを低下
させる制御を行うため、ホットガスバイパス回路４を閉
じた際における冷凍能力Ｑａ…の急激な変動が抑制さ
れ、ホットガスバイパス回路４を閉じる際の温度変動が
回避される。

【００１３】

【実施例】次に、本発明に係る好適な実施例を挙げ、図
面に基づき詳細に説明する。

【００１４】まず、本実施例に係る制御方法を実施でき
る冷却装置１の構成について、図３を参照して説明す
る。

【００１５】冷却装置１は、冷凍ユニット１０，冷却水
供給部１１及び制御系１２を備える。冷凍ユニット１０
は、コンプレッサ２，凝縮器１３，電子膨張弁１４，熱
交換器１５及びアキュムレータ１６により冷媒が循環す
る冷凍サイクルＣを構成するとともに、電子膨張弁１４
の冷媒流出側とコンプレッサ２の冷媒吐出側は、ホット
ガスバイパス回路４により接続する。ホットガスバイパ
ス回路４は、異なる冷媒流量を設定した三つのキャピラ
リチューブ５ａ，５ｂ，５ｃを並列接続して構成する。
この場合、各キャピラリチューブ５ａ，５ｂ，５ｃには
それぞれ開閉バルブ１７ａ，１７ｂ，１７ｃを直列接続
し、開閉バルブ１７ａ，１７ｂ，１７ｃを開閉制御する
ことにより、各キャピラリチューブ５ａ，５ｂ，５ｃを
選択的に使用できるようにする。

【００１６】また、冷却水供給部１１は、熱交換室１８
を備え、この熱交換室１８の内部に熱交換器１５を配設
する。熱交換室１８の内部には冷却水（被冷却物）Ｗが
収容され、熱交換器１５により冷却された冷却水Ｗは、
不図示のレーザ加工機における各発熱部に供給される。

【００１７】さらに、制御系１２は、コンピュータ機能
を有する主コントローラ２１を備える。コンプレッサ２
には当該コンプレッサ２の回転周波数Ｘを制御するイン
バータ３を接続し、このインバータ３は主コントローラ
２１に接続する。一方、凝縮器１３には当該凝縮器１３
を空冷する送風機２２を付設するとともに、送風機２２
はインバータ２３に接続し、このインバータ２３はコン
トローラ２４に接続する。これにより、コントローラ２
４は、圧力センサ２５から検出される凝縮器１３の吐出
側における冷媒圧力が高くなれば、送風機２２の回転周
波数を上昇させ、冷媒圧力が低くなれば、送風機２２の
回転周波数を低下させるインバータ制御を行う。また、
電子膨張弁１４は主コントローラ２１に接続する。これ
により、主コントローラ２１は、熱交換器１５の流出側
における冷媒温度が高くなれば、電子膨張弁１４を開く
方向に制御し、冷媒温度が低くなれば、電子膨張弁１４
を閉じる方向に制御する。

【００１８】一方、２６は気温（室内温度）Ｔｒを検出
する温度センサ、２７は冷却水Ｗの温度（水温）Ｔｗを
検出する温度センサであり、それぞれ主コントローラ２
１に接続する。なお、２８，２９は冷媒圧力を検出する
圧力センサ、３０，３１は冷媒温度を検出する温度セン
サであり、いずれも異常検出用である。また、矢印Ｈｏ
は冷媒の循環方向，Ｈｗは冷却水の流通方向をそれぞれ
示す。

【００１９】次に、本実施例に係る制御方法を含む冷却
装置１の動作について、図１〜図３を参照して説明す
る。

【００２０】最初に、本実施例の制御方法に係わる必要
な条件設定について説明する。図２は、コンプレッサ２
の回転周波数Ｘ〔Ｈｚ〕に対する冷凍能力Ｑ〔Ｋｃａｌ
／ｈ〕の関係を示したものであり、特性Ａは水温Ｔｗが
高い場合（設定温度Ｔｓａ：３０〔℃〕）、特性Ｂは水
温Ｔｗが中程度の場合（設定温度Ｔｓｂ：１０
〔℃〕）、特性Ｃは水温Ｔｗが低い場合（設定温度Ｔｓ
ｃ：５〔℃〕）をそれぞれ示す。この特性Ａ，Ｂ，Ｃは
気温Ｔｒを考慮して実験的に求めることができる。そし
て、設定温度Ｔｓａの場合にはキャピラリチューブ５ａ
を、設定温度Ｔｓｂの場合にはキャピラリチューブ５ｂ
を、設定温度Ｔｓｃの場合にはキャピラリチューブ５ｃ
をそれぞれ選択できるように設定する。

【００２１】また、インバータ制御されるコンプレッサ
２における回転周波数Ｘの範囲は、Ｘｄ（３０〔Ｈ
ｚ〕）〜Ｘｕ（９０〔Ｈｚ〕）に設定するとともに、ホ
ットガスバイパス回路４を開いたときに失う冷凍能力を
補う回転周波数を考慮して設定周波数Ｘｓを設定する。
即ち、特性Ａにおいて、ホットガスバイパス回路４を開
いたときに失う冷凍能力はＱａであるため、設定周波数
Ｘｓはこの冷凍能力Ｑａに対応するＡｄ点における回転
周波数（６０〔Ｈｚ〕）を設定する。

【００２２】次に、冷却装置１の具体的な制御方法につ
いて説明する。今、設定温度Ｔｓａを設定した特性Ａに
基づいて、Ａａ点付近で比較的安定に温度制御が行われ
ているものとする。この状態から負荷が低下、即ち、水
温Ｔｗが低下すれば、主コントローラ２１はコンプレッ
サ２の回転周波数Ｘを低下させる制御を行う。そして、
当該回転周波数ＸがＸｄ（３０〔Ｈｚ〕）に達すれば、
このときの冷凍能力はＱａとなる（Ａｂ点）。この際、
回転周波数ＸがＸｄまで低下したにも拘わらず、さら
に、負荷が低下した場合、コンプレッサ２の回転周波数
Ｘによっては制御できなくなり、主コントローラ２１は
ホットガスバイパス回路４を開く制御を行う。具体的に
は主コントローラ２１から開閉バルブ１７ａに開閉制御
信号を付与し、開閉バルブ１７ａのみを開く制御を行
う。これにより、冷媒はキャピラリチューブ５ａを通っ
てバイパスし、冷凍能力Ｑはほとんど零になる（Ａｃ
点）。したがって、このような特性が得られるように、
キャピラリチューブ５ａによるバイパス時の冷媒流量が
設定されている。なお、必要により、ホットガスバイパ
ス回路４を開くと同時にコンプレッサ２の運転を停止さ
せてもよい。

【００２３】他方、この状態、即ち、ホットガスバイパ
ス回路４を開いた状態で負荷（水温Ｔｗ）が上昇した場
合を想定する。この場合、冷却装置１は、図１に示すフ
ローチャートに従って動作する。まず、図１中、ステッ
プＳ１はホットガスバイパス回路４が開いた制御状態
（低負荷制御モード）を示している。この状態で水温Ｔ
ｗが上昇すれば、主コントローラ２１はインバータ３を
制御し、コンプレッサ２の回転周波数Ｘを上昇させる制
御を行う（ステップＳ２，Ｓ３）。

【００２４】そして、コンプレッサ２の回転周波数Ｘ
が、ホットガスバイパス回路４を開いたときに失う冷凍
能力Ｑａを補う回転周波数、即ち、設定周波数Ｘｓに達
すれば、この時点（Ａｄ点）で、ホットガスバイパス回
路４を閉じるとともに、同時にコンプレッサ２の回転周
波数Ｘを低下させる制御を行う（ステップＳ４，Ｓ
５）。この際、冷凍能力ＱはＡｄ点から特性ラインＬｏ
を経てＡｂ点に移行することになるため、冷凍能力Ｑの
急激な変動は抑制され、この結果、温度変動も生じな
い。実施例は回転周波数Ｘを制御範囲の下限となるＸｄ
まで低下させる場合を示したが、制御状態等に応じてＸ
ｄに至る途中で止めてもよい。

【００２５】なお、図２中、特性ラインＬｐは回転周波
数Ｘを低下させることなしに、ホットガスバイパス回路
４を閉じた場合を示し、また、特性ラインＬｑ，Ｌｒは
従来の方法、即ち、ホットガスバイパス回路４を開いた
状態に維持し、コンプレッサ２の回転周波数Ｘが上限の
Ｘｕに達した段階でホットガスバイパス回路４を閉じる
場合を示す。いずれも冷凍能力Ｑの急激な変動が発生し
て温度変動が大きくなってしまうとともに、特に、従来
の方法ではホットガスバイパス回路４を開いた状態を維
持することから相当なエネルギ損失を伴う。一方、回転
周波数Ｘを低下させる制御を行った後は、通常の温度制
御を実行する（ステップＳ６）。

【００２６】他方、設定温度Ｔｓｂ，Ｔｓｃに基づく特
性Ｂ，Ｃの場合も、基本的には上述した特性Ａの場合と
同じである。設定温度Ｔｓｂの場合はキャピラリチュー
ブ５ｂが選択され、設定温度Ｔｓｃの場合はキャピラリ
チューブ５ｃが選択される。なお、特性Ｂ，Ｃに基づい
て制御されるにも拘わらず、キャピラリチューブ５ａを
使用した場合は、図２に示すように、いずれも冷凍能力
Ｑａを失うことになり、ホットガスバイパス回路４を開
く際は、特性Ｂ，ＣにおけるＢｃ点，Ｃｃ点にそれぞれ
移行する。しかし、異なる冷媒流量を設定したキャピラ
リチューブ５ｂ，５ｃを選択すれば、特性Ｂ，Ｃであっ
ても冷凍能力がほとんど零になるＡｃ点付近で制御する
ことができるとともに、設定周波数Ｘｓも特性Ａの場合
と同じ（６０〔Ｈｚ〕）に設定でき、この設定周波数Ｘ
ｓによって、ホットガスバイパス回路４を開いたときに
失う冷凍能力Ｑｂ，Ｑｃがそれぞれ補われる（Ｂｄ点，
Ｃｄ点）。したがって、このような特性が得られるよう
に、キャピラリチューブ５ｂ，５ｃによるバイパス時の
冷媒流量が設定されている。このように、ホットガスバ
イパス回路４をバイパスする冷媒流量を可変するように
構成すれば、より省エネルギ性を高めることができる。

【００２７】よって、本実施例に係る冷却装置１の制御
方法によれば、コンプレッサ２の回転周波数Ｘが、ホッ
トガスバイパス回路４を開いたときに失う冷凍能力Ｑａ
…を補う設定周波数Ｘｓに達したときに、ホットガスバ
イパス回路４を閉じる制御を行うため、無用なエネルギ
ー損失を回避でき、省エネルギ性が飛躍的に高められ
る。また、ホットガスバイパス回路４を閉じると同時に
コンプレッサ２の回転周波数Ｘを低下させる制御を行う
ため、ホットガスバイパス回路４を閉じた際における冷
凍能力Ｑａ…の急激な変動が抑制され、もって、ホット
ガスバイパス回路４を閉じる際の温度変動が回避される
ことにより、安定した高度の冷却精度が維持される。

【００２８】次に、本発明の変更実施例について、図４
を参照して説明する。図４は、ホットガスバイパス回路
４に電動バルブ６を接続し、設定温度Ｔｓａ，Ｔｓｂ，
Ｔｓｃに対応して電動バルブ６を制御するようにしたも
のであり、主コントローラ２１はパルスコンバータ３５
を介して電動バルブ６に接続する。これにより、主コン
トローラ２１は制御信号をパルスコンバータ３５に付与
することにより電動バルブ６を制御し、設定温度Ｔｓａ
の場合は、前記キャピラリチューブ５ａに相当するバイ
パス時の冷媒流量を得るとともに、設定温度Ｔｓｂの場
合は、前記キャピラリチューブ５ｂに相当するバイパス
時の冷媒流量を得、さらに、設定温度Ｔｓｃの場合は、
前記キャピラリチューブ５ｃに相当するバイパス時の冷
媒流量を得る。即ち、変更実施例はホットガスバイパス
回路４の変更例であり、基本的な制御方法は、図１〜図
３に示した実施例と同じである。その他、図４におい
て、図３と同一部分には同一符号を付し、その構成を明
確にするとともに、その詳細な説明は省略する。

【００２９】以上、実施例について詳細に説明したが、
本発明はこのような実施例に限定されるものではなく、
細部の構成，手法，数値等において、本発明の要旨を逸
脱しない範囲で任意に変更，追加，削除することができ
る。例えば、実施例は、設定周波数Ｘｓをホットガスバ
イパス回路４を開いたときに失う冷凍能力を補う回転周
波数に設定したが、当該回転周波数以上、実施例を参照
すれば、６０〜９０〔Ｈｚ〕の間で設定できる。しか
し、省エネルギ性の観点からは６０Ｈｚ付近に設定する
ことが最も望ましい。また、ホットガスバイパス回路４
をバイパスする冷媒流量を可変する場合を示したが、必
ずしも可変することを要しない。したがって、図３に示
す実施例ではキャピラリチューブは一つでもよい。この
場合、例えば、図２に示す特性Ｂ，Ｃにキャピラリチュ
ーブ５ａを用いたとすれば、キャピラリチューブ５ｂ，
５ｃを用いた場合に比べ、ホットガスバイパス回路４を
開いたときに失う冷凍能力Ｑｂ，Ｑｃを補う回転周波数
は高くなる。

【００３０】

【発明の効果】このように、本発明に係る冷却装置の制
御方法は、ホットガスバイパス回路を開いた状態で温度
が上昇したなら、当該ホットガスバイパス回路を開いた
状態でコンプレッサの回転周波数を上昇させるととも
に、当該回転周波数が予め設定した設定周波数に達した
ならホットガスバイパス回路を閉じ、かつコンプレッサ
の回転周波数を低下させる制御を行うようにしたため、
次のような顕著な効果を奏する。

【００３１】コンプレッサの回転周波数が、ホット
ガスバイパス回路を開いたときに失う冷凍能力を補う回
転周波数に達した後、設定した範囲の上限に達する前
に、ホットガスバイパス回路を閉じる制御を行うため、
無用なエネルギー損失を回避でき、省エネルギ性を飛躍
的に高めることができる。

【００３２】ホットガスバイパス回路を閉じると同
時にコンプレッサの回転周波数を低下させる制御を行う
ため、ホットガスバイパス回路を閉じた際における冷凍
能力の急激な変動が抑制され、もって、ホットガスバイ
パス回路を閉じる際の温度変動の回避により、安定した
高度の冷却精度を維持できる。

【００３３】好適な実施の形態により、少なくとも
被冷却物を冷却するための設定温度に対応して、ホット
ガスバイパス回路をバイパスする冷媒流量を可変するよ
うにすれば、より省エネルギ性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な実施例に係る制御方法を実施す
る処理手順を示すフローチャート、

【図２】同制御方法を説明するためのコンプレッサの回
転周波数に対する冷凍能力の関係を示す特性図、

【図３】同制御方法を実施できる冷却装置のブロック系
統図、

【図４】本発明の変更実施例に係る冷却装置のブロック
系統図、

【符号の説明】

１冷却装置２コンプレッサ３インバータ４ホットガスバイパス回路Ｃ冷凍サイクルＷ被冷却物（冷却水）Ｘｓ設定周波数

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者望月福一長野県須坂市大字幸高246番地オリオン機械株式会社内 (72)発明者丸山強志長野県須坂市大字幸高246番地オリオン機械株式会社内Ｆターム(参考） 3L060 AA03 CC05 DD02 EE02 EE09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】冷凍サイクルを構成するコンプレッサの
回転周波数をインバータにより一定の範囲で可変して被
冷却物の温度を制御するとともに、前記温度が前記イン
バータによっては制御できない温度まで低下したなら、
ホットガスバイパス回路を開く制御を行う冷却装置の制
御方法において、前記ホットガスバイパス回路を開いた
状態で前記温度が上昇したなら、当該ホットガスバイパ
ス回路を開いた状態で前記コンプレッサの回転周波数を
上昇させるとともに、当該回転周波数が予め設定した設
定周波数に達したなら前記ホットガスバイパス回路を閉
じ、かつ前記コンプレッサの回転周波数を低下させる制
御を行うことを特徴とする冷却装置の制御方法。
【請求項２】前記設定周波数は、前記ホットガスバイ
パス回路を開いたときに失う冷凍能力を補う回転周波数
以上に設定することを特徴とする請求項１記載の冷却装
置の制御方法。
【請求項３】前記ホットガスバイパス回路を開く際
に、コンプレッサの運転を停止することを特徴とする請
求項１記載の冷却装置の制御方法。
【請求項４】少なくとも被冷却物を冷却するための設
定温度に対応して、前記ホットガスバイパス回路をバイ
パスする冷媒流量を可変することを特徴とする請求項１
記載の冷却装置の制御方法。
【請求項５】前記ホットガスバイパス回路に異なる冷
媒流量を設定した複数のキャピラリチューブを並列接続
し、前記設定温度に対応して前記キャピラリチューブを
選択的に使用することを特徴とする請求項４記載の冷却
装置の制御方法。
【請求項６】前記ホットガスバイパス回路に電動バル
ブを接続し、前記設定温度に対応して前記電動バルブを
制御することを特徴とする請求項４記載の冷却装置の制
御方法。