JP2001082817A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、被冷却装置における熱負荷変動に直
ちに応答して冷凍サイクル制御をなし、高精度の制御を
可能として信頼性の向上を図った冷却装置を提供する。 【解決手段】冷凍サイクル回路８Ａ，８Ｂと、この冷凍
サイクル回路の熱交換器６と外部機器１との間に冷却水
を循環させて冷却する循環回路１０とを備え、熱交換器
の冷却水出口側温度Ｔ_１を検知する第１の温度センサ１
２と、熱交換器の入り口側冷却水温度Ｔ_２を検知する第
２の温度センサ１３と、流量Ｓに換算するために水圧を
検知する水圧センサ１６から検知信号を受け、（１）式
から熱負荷Ｑを求めて冷凍サイクル回路を制御する制御
装置１５とを具備した。 Ｑ＝（Ｔ_２−Ｔ_１）Ｓ・ｄ・ｇ…（１） ただし、ｄ：比熱（水：ほぼ１）、ｇ：比重量（水：ほ
ぼ１）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷凍サイクル回路
の熱交換器で低温化される冷却流体を被冷却機器である
外部機器に導いて冷却する冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】外部機器として、たとえば、レーザ加工
機、スポット溶接機、超音波洗浄装置もしくは射出成形
機においては、全て冷却すべき部位を備えている。すな
わち、レーザ加工機ではレーザ発振器、スポット溶接機
では電極、超音波洗浄装置では冷却槽、射出成形機では
金型を、それぞれ冷却する必要がある。

【０００３】これら外部機器に冷却水を供給するための
冷却装置は、たとえば図５に示すように構成される。Ａ
は冷凍機の冷凍サイクル回路であり、圧縮機ａと、凝縮
器ｂと、膨張弁ｃと、熱交換器（蒸発器）ｄとが順次、
冷媒管ｅを介してループ状に連通される。Ｂは循環回路
であり、循環ポンプｆを介して被冷却機器である外部機
器Ｃと上記熱交換器ｄをループ状に連通し被冷却流体と
して水を循環する。

【０００４】冷却水は熱交換器ｄで冷媒の蒸発潜熱を吸
収して低温化し、外部機器Ｃを冷却する。循環回路Ｂに
おける熱交換器ｄの出口側温度を温度センサｇで検知
し、図示しない制御装置へ検知信号を送って冷凍サイク
ル回路Ａの制御をなす。

【０００５】図６は、制御状態を具体的に示していて、
冷却水の設定値（水温）を制御装置に記憶させ、かつこ
の設定値から所定の上下温度幅からなる上限値（Ｌｕ）
と下限値（Ｌｄ）を設定しておく。

【０００６】外部機器Ｃの熱負荷がたとえば３０％のと
きに圧縮機ａの運転を停止すると、循環している冷却水
の温度が下限値から徐々に上昇し、熱負荷が１００％に
増したところで冷却水温度が設定値を越え、さらに急上
昇する。上限値に到達したときに圧縮機ａを駆動して冷
凍サイクル運転を開始する。運転の開始直後は冷却水温
度の上昇が継続し、所定時間経過後に温度が下降する、
いわゆるオーバーシュートの状態がある。

【０００７】冷凍サイクル運転を継続しているので、１
００％熱負荷であっても冷却水温度は徐々に低下し、た
とえば熱負荷が３０％に低下すると設定値を越えて急低
下する。下限値を検知したとき冷凍サイクル運転を停止
するが、冷却水温度が再び上昇に転ずるまでに時間差が
あり、いわゆるアンダーシュートの状態となる。

【０００８】このようにして、温度センサｇが熱交換器
ｃの出口側の冷却水温度を検知し、冷凍サイクル回路Ａ
の圧縮機ａをオンーオフ制御するため、時間遅れがあっ
て応答性が悪く、オーバーシュートとアンダーシュート
の面積が大になって制御精度の悪化が生じている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】そこで、図４に示すよ
うに、複数台（ここでは２台）の冷凍機１，２を備え、
設定値に対し２段階の上限値（Ｌｕ１，Ｌｕ２）および
２段階の下限値（Ｌｄ１，Ｌｄ２）を設定する。なお、
圧縮機に対するインバータ制御が可能であるならば、１
台の冷凍機であってもよい。

【００１０】冷却水温度が設定値を越えて急上昇し、第
１の上限値に到達したところで冷凍機１の運転を開始し
５０％容量運転をなす。冷却水の温度上昇勾配が下がる
が、ついには第２の上限値に到達するので冷凍機１の運
転を継続したまま冷凍機２の運転を開始し１００％容量
運転をなす。

【００１１】冷却水温度が上限値をある程度越えたとこ
ろで急降下し、設定値を越えて第１の下限値に到達した
とき冷凍機１を停止する。冷却水の温度低下勾配が緩く
なり、第２の下限値に到達したとき冷凍機２を停止す
る。結局、先に説明した制御よりも小さなオーバーシュ
ート面積とアンダーシュート面積となる。

【００１２】しかしながら、この制御によっても熱交換
器ｃの出口側で冷却水温度を検知して冷凍サイクル制御
をなすことは変わりがないので応答性が悪い。また、多
段階にデファレンシャルが形成されるので、冷凍機の運
転―停止の繰り返し頻度が大となり寿命低下を招くの
で、狭いディファレンシャルが設定できず精度低下を招
いてしまう。

【００１３】本発明は上記事情に着目してなされたもの
であり、その目的とするところは、被冷却装置における
熱負荷を常時、詳細に検知し、熱負荷変動に直ちに応答
して冷凍サイクル制御をなし、高精度の制御を可能とし
て信頼性の向上を図った冷却装置を提供しようとするも
のである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を満足するた
め、本発明の冷却装置は、請求項１として、冷凍サイク
ル回路と、この冷凍サイクル回路の熱交換器と被冷却機
器との間に冷却流体を循環させて被冷却機器を冷却する
循環回路とを備え、循環回路における熱交換器の出口側
温度Ｔ_１を検知する第１の温度検知手段と、循環回路に
おける熱交換器の入り口側温度Ｔ_２を検知する第２の温
度検知手段と、循環回路の被冷却流体流量Ｓを検知する
流量検知手段と、これら第１の温度検知手段と第２の温
度検知手段および流量検知手段の検知信号を受け（１）
式から熱負荷Ｑを求めて冷凍サイクル回路を制御する制
御手段とを具備したことを特徴とする。 Ｑ＝（Ｔ_２−Ｔ_１）Ｓ・ｄ・ｇ …（１） ただし、ｄ：比熱（水：ほぼ１）、ｇ：比重量（水：ほ
ぼ１）。

【００１５】請求項２として、請求項１記載の冷却装置
において上記循環回路の冷却流体として冷却水を循環
し、上記流量検知手段は冷却水の水圧Ｐを検知する水圧
センサであり、上記制御手段は次式から水量Ｓを演算す
ることを特徴とする。 Ｓ＝α（定数）＊Ｐ 以上の課題を解決する手段を採用することにより、被冷
却装置の熱負荷変動に直ちに応答して冷凍サイクル制御
をなし、高精度の制御を行って信頼性の向上を得られ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図１は、本発明の冷却装置
に好適な実施の形態を示し、詳しくは回路説明図であ
る。冷却装置は、配管を介して外部に設置される被冷却
装置である外部機器１に接続される。上記外部機器１と
して、たとえばレーザ加工機、スポット溶接機、超音波
洗浄装置、もしくは射出成形機ほか種々の装置が考えら
れ、それぞれが複数台のユニットとして構成され、かつ
ランダムに運転する。

【００１７】冷却装置には２台の冷凍機が備えられる。
第１の冷凍機２Ａは、圧縮機３と、凝縮器４と、膨張弁
５と、熱交換器（蒸発器）６が順次冷媒管７を介して冷
凍サイクル回路８Ａを構成するよう接続される。第２の
冷凍機２Ｂも全く同様に、圧縮機３と、凝縮器４と、膨
張弁５と、熱交換器（蒸発器）６が順次冷媒管７を介し
て冷凍サイクル回路８Ｂを構成するよう接続される。い
ずれも、矢印方向に冷媒を循環して冷凍サイクル作用を
なす。

【００１８】上記外部機器１と上記熱交換器６とは配管
を介してループ状の循環回路１０を構成するよう接続さ
れる。この循環回路１０には循環ポンプ１１が設けられ
ていて、被冷却流体である冷却水を図中矢印方向に循環
させる。

【００１９】上記循環回路１０において、外部機器１の
入り口側である熱交換器６の出口側に第１の温度検知手
段をなす第１の温度センサ１２が、かつ外部機器１の出
口側である熱交換器６の入り口側に第２の温度検知手段
をなす第２の温度センサ１３が、それぞれ設けられてい
て、冷却水の温度（Ｔ_１，Ｔ_２）を検知して検知信号を
制御手段である制御装置１５へ送るようになっている。

【００２０】循環回路１０における循環ポンプ１１と熱
交換器６との間には、後述する流量検知手段１６が設け
られていて、循環回路１０を流通する冷却水の流量Ｓを
検知して制御装置１５へ検知信号を送るようになってい
る。

【００２１】すなわち、上記流量検知手段１６として、
通常用いられる流量センサは極めて高価であるので、図
３に示すポンプの流量特性から、流量センサの代替えと
して廉価な水圧センサを用いる。

【００２２】図３に示すように、ポンプの流量特性とし
て揚程（圧力）と流量の関係が、互いにほぼ反比例する
ことが知られている。そこで、この特性から圧力を検知
すれば単品での流量がほぼ決まるので、ポンプに合せた
定数を任意に設定できるソフト（次式）を用いて演算す
ることにより、流量Ｓの検知が可能である。

【００２３】Ｓ（流量）＝α（定数）＊Ｐ（水圧） 再び図１に示すように、上記制御装置１５には、第１，
第２の冷凍機２Ａ，２Ｂにおける圧縮機３および膨張弁
５が接続される一方、循環回路１０の循環ポンプ１１
と、上記外部機器１をバイパスする回路に設けられるバ
イパス弁１７が接続されており、これらに制御信号を送
るようになっている。

【００２４】制御装置１５は、第１の温度センサ１２か
ら熱交換器６出口側冷却水温度Ｔ_１の検知信号と、第２
の温度センサ１３からの熱交換器６入り口側冷却水温度
Ｔ_２の検知信号を受け、水圧センサ１６の信号を受けて
流量Ｓに演算し、下記（１）式から熱負荷Ｑを求めて第
１，第２の冷凍機２Ａ，２Ｂの運転制御をなすように設
定されている。

【００２５】 Ｑ＝（Ｔ_２−Ｔ_１）Ｓ・ｄ・ｇ …（１） ただし、ｄ：比熱（水：ほぼ１）、ｇ：比重量（水：ほ
ぼ１）。

【００２６】このようにして構成される冷却装置であっ
て、循環ポンプ１１が駆動され循環回路１０を循環する
冷却水は熱交換器６において冷媒の蒸発潜熱を吸収して
低温化し、外部機器１に導かれて冷却をなす。ここで温
度上昇した冷却水は再び熱交換器６に導かれて低温化
し、先に説明したように循環回路１０を循環する。

【００２７】図２に示すように、制御装置１５は第１、
第２の冷凍機２Ａ，２Ｂに対する制御をなす。すなわ
ち、外部機器１である熱負荷が５０％以下のときは第
１，第２の冷凍機２Ａ，２Ｂの運転は停止しており、冷
却水の温度が徐々に上昇し設定値を越えて上限値に到達
する。

【００２８】また、制御装置１５は第１，２の温度セン
サ１２，１３から循環回路１０における熱交換器６の出
口側と入り口側の冷却水温度（Ｔ_１，Ｔ_２）の検知信号
を受けるとともに、水圧センサ１６からは水圧検知信号
を受けて流量Ｓに変換する演算をなす。そして、先に示
した（１）式から熱負荷Ｑを演算して、予め記憶した基
準プログラムに沿った制御信号を出す。

【００２９】演算した熱負荷Ｑが５０％以下であると、
制御装置１５は各冷凍機２Ａ，２Ｂを停止状態とするの
で、冷却水温度は下限値から上昇して設定値を越える。
５０％の熱負荷状態がたとえば基準時間などの所定条件
を越えたら、第１の冷凍機２Ａのみの５０％容量運転を
なすよう制御する。

【００３０】冷却水温度が上限値Ｌｕに上昇する手前で
冷凍機２Ａの運転が行われるので、冷却水温度の上昇勾
配が緩くなる。上限値Ｌｕをわずかに越えたところで冷
却水温度が急降下し、再び上限値から降下する。そのた
め、ごく小さなオーバーシュート面積ですむ。

【００３１】熱負荷Ｑが５０％以下から５０％まで増大
してゆくと、冷却水温度が設定値を越えてさらに上昇す
る。この状態がたとえば基準時間などの所定条件を越え
たら、第１，第２の冷凍機２Ａ，２Ｂの同時運転である
１００％容量運転をなすよう制御する。

【００３２】冷却水温度が上限値Ｌｕに上昇する手前で
各冷凍機２Ａ，２の運転が行われるので、冷却水温度の
上昇勾配が緩くなる。そして、上限値Ｌｕをわずかに越
えたところで冷却水温度が急降下し、再び上限値から降
下する。そのため、ごく小さなオーバーシュート面積で
すむ。

【００３３】ある程度の時間差をおいて熱負荷Ｑが急に
低下する。制御装置１５は熱負荷Ｑが５０％まで低下し
たことを判断したら、たとえば第１の冷凍機２Ａのみ運
転を停止し、第２の冷凍機２Ｂの運転は継続させる。し
たがって、冷却水の温度は徐々に低下し、時間の経過に
ともなって設定値を越え、ついには下限値Ｌｄに到達し
たところで第２の冷凍機２Ｂの運転を停止する。

【００３４】冷却水温度は再び上昇して、下限値Ｌｄを
越えて設定値に向かうわけだが、このときのアンダーシ
ュート面積も小さくてすむ。そして、先に説明したよう
に熱負荷Ｑが５０％以下を所定の条件内で継続している
か、あるいは５０％を越えているかなど冷却水温度が設
定値を越えると、同様の制御をなす。

【００３５】いずれにしても、制御装置１５は、熱交換
器６の入り口側と出口側との冷却水の温度差（Ｔ_２−Ｔ
_１）と、水圧の検知から流量Ｓに換算して、熱負荷Ｑを
常時、詳細に検知して第１，第２の冷凍機２Ａ，２Ｂに
対する制御を迅速になす。したがって、外部機器１にお
ける熱負荷Ｑの変動を常に把握して、時間遅れのない、
応答性に優れた高精度の制御を行える。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、被
冷却装置における熱負荷を常時、詳細に検知し、熱負荷
変動に直ちに応答して冷凍サイクル制御をなし、高精度
の制御を可能として信頼性の向上を図れるという効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係わる、冷却装置の回
路構成図。

【図２】同実施の形態に係わる、冷却水の温度変化と熱
負荷変動に対する冷凍機の制御図。

【図３】同実施の形態に係わる、ポンプ流量特性図。

【図４】従来の、冷却水の温度変化と熱負荷変動に対す
る冷凍機の制御図。

【図５】従来の、冷却装置の回路構成図。

【図６】従来の、冷却水の温度変化と熱負荷変動に対す
る冷凍機の制御図。

【符号の説明】

８Ａ，８Ｂ…冷凍サイクル回路、 ６…熱交換器、 １…外部機器（被冷却機器）、 １０…循環回路、 １２…第１の温度センサ（第１の温度検知手段）、 １３…第２の温度センサ（第２の温度検知手段）、 １６…水圧センサ（流量検知手段）、 １５…制御装置（制御手段）。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷凍サイクル回路と、この冷凍サイクル
   回路の熱交換器と被冷却機器との間に冷却流体を循環さ
   せて被冷却機器を冷却する循環回路を備えた冷却装置に
   おいて、上記循環回路における熱交換器の出口側温度Ｔ
   _１を検知する第１の温度検知手段と、上記循環回路にお
   ける上記熱交換器の入り口側温度Ｔ_２を検知する第２の
   温度検知手段と、上記循環回路の被冷却流体流量Ｓを検
   知する流量検知手段と、これら第１の温度検知手段と第
   ２の温度検知手段および流量検知手段の検知信号を受
   け、下記（１）式から熱負荷Ｑを求めて上記冷凍サイク
   ル回路を制御する制御手段とを具備したことを特徴とす
   る冷却装置。 Ｑ＝（Ｔ_２−Ｔ_１）Ｓ・ｄ・ｇ …（１） ただし、ｄ：比熱（水：ほぼ１）、ｇ：比重量（水：ほ
   ぼ１）。
2. 【請求項２】 上記循環回路の冷却流体として冷却水を
   循環し、上記流量検知手段は冷却水の水圧Ｐを検知する
   水圧センサであり、上記制御手段は次式から水量Ｓを演
   算することを特徴とする請求項１記載の冷却装置。 Ｓ＝α（定数）＊Ｐ