JP2006200465A

JP2006200465A - 冷凍装置

Info

Publication number: JP2006200465A
Application number: JP2005014158A
Authority: JP
Inventors: Noboru Tsuboi; 昇壷井
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2005-01-21
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2025-01-21
Also published as: JP4559241B2; KR20060085162A; CN1807889A; CN100445561C; KR100724654B1

Abstract

【課題】特に冷却熱負荷比率が小さい場合に駆動部であるモータの無駄な電力消費を最小限度に止め、冷却効率の改善を可能とした冷凍装置用スクリュ圧縮機を提供する。
【解決手段】コントローラ２３からの制御信号を受けるインバータ２２を介して回転数制御されるモータ２１を駆動部とし、凝縮器１１、膨張弁１２及び蒸発器１３とともに冷媒の循環流路Ｉに組み込まれた冷凍装置用スクリュ圧縮機１において、冷却熱負荷に対応してモータ２１の回転数の維持、増減させるとともに、上記回転数とともにモータ２１の消費電力が低下しなくなる上記回転数の下限値として定められた最低回転数よりも上記回転数が小さくなる場合にはモータ２１を停止させる構成としてある。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ制御されるモータにより駆動される冷凍装置用スクリュ圧縮機に関するものである。

従来、インバータを用いて駆動部であるモータの回転数を制御するようにした冷凍装置用スクリュ圧縮機は公知である（例えば、特許文献１参照。）
特開２００２−８１３９１号公報

特許文献１には、冷却熱負荷と一対一の関係にある吸込圧力の増減に応じて、かつ駆動部であるモータの過負荷を回避するようにしつつ、その回転数を増減させるようにした冷凍装置用スクリュ圧縮機が開示されている。この冷凍装置用スクリュ圧縮機は、冷却熱負荷が消費電力に対して比例関係にある領域においては、モータの耐久性の向上、消費電力の節減を可能にする効果を奏するものである。

特許文献１に記載の冷凍装置用スクリュ圧縮機の場合、冷却熱負荷の最大値に対する比率である冷却熱負荷比率とモータの消費電力の最大値に対する比率である消費電力比率との関係は図６（横軸：冷却熱負荷比率（％）、縦軸：消費電力比率（％））に示すようになる。即ち、冷却熱負荷比率が最大値から小さくなるに従って、モータの回転数が下げられ、冷却熱負荷比率に比例して消費電力比率も低下してゆく。しかしながら、冷却熱負荷比率が下がり過ぎ、約２０％程度にまでなり、上記モータにより駆動されるスクリュ圧縮機内のスクリュロータの回転数が低下してゆくと、スクリュロータの歯溝間での漏洩ガス量の増大による冷媒ガスの圧縮効率の低下のために、消費電力比率は冷却熱負荷比率に比例して低下せず、高くなる。即ち、冷却熱負荷比率が低くなり、図６中、Ｐ点で示すように例えば２０％程度にまでなると、破線で示すように、消費電力比率の低下の鈍化は顕著になってゆき、冷却熱負荷比率がさらに低くなっても、消費電力比率は余り低下しなくなるという問題がある。

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、特に冷却熱負荷比率が小さい場合に駆動部であるモータの無駄な電力消費を最小限度に止め、冷却効率の改善を可能とした冷凍装置用スクリュ圧縮機を提供しようとするものである。

上記課題を解決するために、第１発明は、コントローラからの制御信号を受けるインバータを介して回転数制御されるモータを駆動部とし、凝縮器、膨張弁及び蒸発器とともに冷媒の循環流路に組み込まれた冷凍装置用スクリュ圧縮機において、上記コントローラが、上記圧縮機の吸込圧力を検出する圧力センサからの検出圧力を示す圧力信号と、上記蒸発器あるいはその近傍に設けられた温度センサに接続された温度調節計からの上記温度センサの検出温度と予め幅を持たせて設定された目標温度との温度差を示す偏差信号とを受け、これらに基づき上記制御信号を出力し、上記制御信号に基づき、上記モータが、上記吸込圧力に対応して予め設定された上記モータの最高回転数及び最低回転数の間において、上記温度差をなくすように回転数を維持、増減され、上記回転数が上記最低回転数よりも小さくなる場合には停止させられ、上記最低回転数が、冷却熱負荷の小さい領域において、上記モータの消費電力の低下の鈍化が著しくなる上記回転数の下限として定められる構成とした。

また、第２発明は、コントローラからの制御信号を受けるインバータを介して回転数制御されるモータを駆動部とし、凝縮器、膨張弁及び蒸発器とともに冷媒の循環流路に組み込まれた冷凍装置用スクリュ圧縮機において、上記コントローラが、上記圧縮機の吸込圧力を検出する圧力センサからの検出圧力を示す圧力信号と、上記蒸発器あるいはその近傍に設けられた温度センサに接続された温度調節計からの上記温度センサの検出温度と予め設定された目標温度との温度差を示す偏差信号とを受け、これらに基づき上記制御信号を予め設定された時間内に連続することを回避して出力し、上記制御信号に基づき、上記モータが、上記吸込圧力に対応して予め設定された上記モータの最高回転数及び最低回転数の間において、上記温度差をなくすように回転数を維持、増減され、上記最低回転数よりも小さくなる場合には停止させられ、上記最低回転数が、冷却熱負荷の小さい領域において、上記モータの消費電力の低下の鈍化が著しくなる上記回転数の下限として定められる構成とした。

上記構成からなる本発明に係る冷凍装置用スクリュ圧縮機によれば、特に冷却熱負荷が小さい場合に駆動部であるモータの無駄な電力消費を最小限度に止め、冷却効率の改善が可能になるという効果を奏する。

次に、本発明の一実施形態を図面にしたがって説明する。
図１は、本発明に係る冷凍装置用スクリュ圧縮機１を適用した冷凍装置Ａを示し、冷凍装置Ａは、スクリュ圧縮機１に続いて、凝縮器１１、膨張弁１２及び蒸発器１３が介設された冷媒循環流路Iを備えている。

スクリュ圧縮機１は、この内部の互いに噛み合う雌雄一対のスクリュロータを回転させるモータ２１を有し、このモータ２１はインバータ２２を介して供給される電力により作動する。また、インバータ２２はコントローラ２３に接続され、コントローラ２３からの制御信号に基づき、モータ２１の回転数制御を行う。

また、スクリュ圧縮機１は、蒸発器１３からの冷媒ガスを吸込み、圧縮し、凝縮器１１に送り出す。この冷媒ガスは、凝縮器１１で熱を奪われて凝縮し、冷媒液となって膨張弁１２に至り、ここを通過する過程で、絞り膨張作用により圧力と温度を下げ、気液混合状態となる。さらに、この冷媒は蒸発器１３に向かい、ここで、周囲から熱を奪うことにより蒸発し、圧縮機１１に戻り、上記同様、循環を繰返す。

ところで、蒸発器１３には、その内部の温度を検出する温度センサ２４が設けられ、これによる検出温度ｔ（℃）を示す温度信号が温度調節計２５に入力されている。この温度調節計２５では、蒸発器１３の内部にて保持されるべき温度として予め設定された目標温度Ｔ（℃）と検出温度ｔ（℃）との比較がなされ、後述するように、この比較結果に基づく偏差信号がコントローラ２３に対して出力されている。また、蒸発器１３と冷凍装置用スクリュ圧縮機１との間における冷媒循環流路Ｉには、冷媒圧力、即ちスクリュ圧縮機１の吸込圧力を検出する圧力センサ２６が設けられ、これにより検出された吸込圧力Ｐｓ（ata）を示す圧力信号がコントローラ２３に対して出力されている。そして、温度調節計２５からの偏差信号及び圧力センサ２６からの圧力信号に基づき、後述するように、コントローラ２３からインバータ２２に対して制御信号が出力され、モータ２１の回転数制御が行われる。なお、コントローラ２３には、吸込圧力Ｐｓに対応したモータ２１の最高回転数及び最低回転数を示すデータが予め設定されている。この最高回転数を吸込圧力Ｐｓの関数ｆ（Ｐｓ）、最低回転数を吸込圧力Ｐｓの関数ｇ（Ｐｓ）とし、これらと吸込圧力Ｐｓとの関係の一例を表すと、図２（横軸：吸込圧力、縦軸：モータ回転数）に示すようになり、ハッチング部がインバータ２２によるモータ２１の回転数制御範囲となる。図２において、縦軸の（２）の値は上述した図６におけるＰ点に対応して（１）の値の２０％となるようにしてあり、このＰ点が各吸込圧力Ｐｓにおける最低回転数ｇ（Ｐｓ）を示す線上の点に対応する。従って、図２では最高回転数ｆ（Ｐｓ）に対して最低回転数ｇ（Ｐｓ）は２０％の値となっているが、本願発明は必ずしもこれに限定されるものでなく、例えば最低回転数ｇ（Ｐｓ）を一定の値としてもよい。また、モータ２１の回転数をＲとし、回転数Ｒを下げる場合の下げ幅Δｒについても、予めコントローラ２３に設定されている。

次に、図３を参照しつつ上記構成からなる冷凍装置Ａにおけるスクリュ圧縮機１に適用される制御方法について説明する。
スクリュ圧縮機１が起動され、図３に示すコントローラ２３での制御フローがスタートすると、まずステップ１（Ｓ１）で、検出温度ｔに関し、温度調節計２５からの偏差信号がＴｈ≧ｔ≧Ｔｌであることを示しているか否かが判断され、ＹＥＳの場合にはこのステップ１の判断を繰り返し、ＮＯの場合にはステップ２（Ｓ２）に進む。ここで、Ｔｈ及びＴｌは、検出温度ｔが目標温度Ｔの近傍の値である時に、温度調節計２５からコントローラ２３にモータ２１の回転状態を異ならせる偏差信号を短時間で頻繁に出力するのはモータ２１の焼損防止の観点から避けるべきであることから、目標温度Ｔの近くで温度幅を持たせるために設定された上、下限目標温度で、この両者及び目標温度ＴはＴｈ＞Ｔ＞Ｔｌなる関係にある。

ステップ２で、温度調節計２５からの偏差信号がＴｈ＜ｔであることを示しているか否かが判断され、ＹＥＳの場合にはステップ３（Ｓ３）に進み、ＮＯの場合にはステップ４（Ｓ４）に進む。
ステップ３で、蒸発器１３の能力、即ち冷凍装置Ａの冷却能力が不足しており、これを増大させる必要があるということで、モータ２１の回転数Ｒを最高回転数ｆ（Ｐｓ）にするための制御信号をインバータ２２に対して出力した後、ステップ１に戻る。

ステップ４で、蒸発器１３の能力を低下させる必要があるということで、モータ２１の回転数Ｒを下げ幅Δｒだけ減少させるための制御信号をインバータ２２に対して出力した後、ステップ５（Ｓ５）に進む。
ステップ５で、モータ２１の回転数Ｒに関し、Ｒ≦ｇ（Ｐｓ）であるか否かが判断され、ＹＥＳの場合はステップ６（Ｓ６）に進み、ＮＯの場合はステップ１に戻る。

ステップ６で、回転数Ｒをさらに低下させても、消費電力は余り低下せず、効率が悪いため、モータ２１を停止させる信号をインバータ２２に出力し、ステップ７（Ｓ７）に進む。
ステップ７で、ステップ２と同様にＴｈ＜ｔであるか否かを判断し、ＹＥＳの場合はステップ８（Ｓ８）に進み、ＮＯの場合はステップ６に戻り、モータ２１の停止状態を維持する。
ステップ８で、蒸発器１３の能力が不足しており、これを増大させる必要があるということで、モータ２１を再起動してステップ１に戻る。

以後、この制御フローが繰り返されて冷凍装置Ａが運転される。そして、上述した図６に対応する図４（横軸：冷却熱負荷比率（％）、縦軸：消費電力比率（％））に示すように、蒸発器１３での冷却熱負荷比率の低下に対するモータ２１の消費電力比率の低下の鈍化が著しくなり始めるＰ点よりもモータ２１の回転数を下げなければならない場合には、モータ２１を停止させるようにして、無駄な電力消費を最小限度に止め、冷却効率を改善し、かつモータ２１の回転数が短時間で頻繁に変化させられることがなく、その焼損が回避されるようになっている。

続いて、図５を参照しつつスクリュ圧縮機１に適用される別の制御方法について説明する。
スクリュ圧縮機１が起動され、図５に示すコントロー２３での制御フローがスタートすると、まずステップ１（Ｓ１）で、検出温度ｔに関し、温度調節計２５からの偏差信号が目標温度Ｔ＝ｔであることを示しているか否かが判断され、ＹＥＳの場合にはこのステップ１の判断を繰り返し、ＮＯの場合にはステップ２（Ｓ２）に進む。

ステップ２で、温度調節計２５からの偏差信号がＴ＜ｔであることを示しているか否かが判断され、ＹＥＳの場合にはステップ３（Ｓ３）に進み、ＮＯの場合にはステップ５（Ｓ５）に進む。
ステップ３で、蒸発器１３の能力、即ち冷凍装置Ａの冷却能力が不足しており、これを増大させる必要があるということで、モータ２１の回転数Ｒを最高回転数ｆ（Ｐｓ）にするための制御信号をインバータ２２に対して出力した後、ステップ４（Ｓ４）に進む。

ステップ４で、モータ２１の回転数の変化を頻繁に繰り返すことによるモータ２１の焼損を回避するために予め設定された待機時間がタイマーで経過するのを待って、ステップ１に戻る。
ステップ５で、蒸発器１３の能力を低下させる必要があるということで、モータ２１の回転数Ｒを下げ幅Δｒだけ減少させるための制御信号をインバータ２２に対して出力した後、ステップ６（Ｓ６）に進む。

ステップ６で、上記待機時間がタイマーで経過するのを待って、ステップ７（Ｓ７）に進む。
ステップ７で、モータ２１の回転数Ｒに関し、Ｒ≦ｇ（Ｐｓ）であるか否かが判断され、ＹＥＳの場合はステップ８（Ｓ８）に進み、ＮＯの場合はステップ１に戻る。

ステップ８で、回転数Ｒをさらに低下させても、消費電力は余り低下せず、効率が悪いため、モータ２１を停止させる信号をインバータ２２に出力し、ステップ９（Ｓ９）に進む。
ステップ９で、上記待機時間がタイマーで経過するのを待って、ステップ１０（Ｓ１０）に進む。

ステップ１０で、ステップ２と同様にＴ＜ｔであるか否かを判断し、ＹＥＳの場合はステップ１１（Ｓ１１）に進み、ＮＯの場合はステップ８に戻り、モータ２１の停止状態を維持する。
ステップ１１で、蒸発器１３の能力が不足しており、これを増大させる必要があるということで、モータ２１を再起動してステップ１２（Ｓ１２）に進む。
ステップ１２で、上記待機時間がタイマーで経過するのを待って、ステップ１に戻る。

以後、この制御フローが繰り返されて冷凍装置Ａが運転される。そして、上述した制御フローによる場合と同様に、蒸発器１３での冷却熱負荷比率の低下に対するモータ２１の消費電力比率の低下の鈍化が著しくなり始めるＰ点よりもモータ２１の回転数を下げなければならない場合には、モータ２１を停止させるようにして、無駄な電力消費を最小限度に止め、冷却効率を改善し、かつモータ２１の頻繁な駆動停止の繰り返しを回避するようになっている。

なお、図５に示す制御フローでは、ステップ１２からステップ１に戻るようになっているが、図５において破線で示すように、ステップ１２からステップ２に戻るようにしてもよい。この場合、モータ２１の回転数はステップ１を経た場合における現状維持に代えて、絶えず変化させられつつ適正値に維持されることになる。

また、タイマーにより待機させるステップ４，６，９及び１２に代えて同様なステップを図５において二点鎖線で示すようにステップ１の前に設け、ステップ１，３，７及び１２からの戻りのステップとしてもよい。この場合、短時間の内に続いて上記回転数を変化させる必要性は限られるため、現実には問題は生じないと考えられる。
さらに、この図５のステップ１における判断をＴｈ≧ｔ≧Ｔｌであるか否かという判断とし、且つ、ステップ２とステップ１０における判断をＴｈ＜ｔであるか否かという判断としてもよい。

なお、これまで、蒸発器１３に、その内部の温度を検出する温度センサ２４を設けたものを示した。蒸発器１３が被冷却物を収容して冷却・冷凍する形式のものである場合にこのような態様のものが好適である。ただし、温度センサ２４は、蒸発器１３の内部に設けられたものに限らない。

例えば、図６は本発明に係る冷凍装置用スクリュ圧縮機１を適用した冷凍装置Ｂを示すものである。冷凍装置Ｂは上述の冷凍装置Ａと多くの構成を共通にする。ただし、冷凍装置Ｂには、蒸発器１３の内部を通過する冷媒と被冷却物である流体（水など）が熱交換できるように、被冷却物を流すための被冷却流路２７が設けられている。そして、温度センサ２４は、被冷却流路２７の蒸発器１３からの出口の近傍に設けられている、すなわち、温度センサ２４は、蒸発器１３の内部ではなく、その近傍に設けられている。また、温度センサ２４の検出温度ｔ（℃）は、蒸発器１３の内部の雰囲気の温度ではなく、ほぼ被冷却物の温度そのものである。このような態様のものは、冷媒と被冷却物との間の熱交換の妨げになる余分な構成品を蒸発器１３の内部に介在させることがないので、熱交換の効率の面で有利である。更には温度センサ２４のメンテナンスの容易さの面でも有利である。従って、特に、被冷却物が液体である場合には、このような態様のものが好適である。無論、冷媒と被冷却物との間の熱交換が十分に果たせるのであれば、温度センサ２４を蒸発器１３の内部に設けても構わない。

本発明に係るスクリュ圧縮機を適用した冷凍装置の全体構成を示す図である。図１に示す冷凍装置におけるスクリュ圧縮機の吸込圧力とそのモータの回転数の制御範囲との関係を示す図である。図１に示す冷凍装置におけるスクリュ圧縮機に対する制御内容を示すフローチャートである。図１に示す冷凍装置における冷却熱負荷比率と消費電力との関係を示す図である。図１に示す冷凍装置におけるスクリュ圧縮機に対する別の制御内容を示すフローチャートである。本発明に係るスクリュ圧縮機を適用した別の冷凍装置の全体構成を示す図である。従来の冷凍装置における冷却熱負荷比率と諸費電力との関係を示す図である。

符号の説明

１冷凍装置用スクリュ圧縮機
１１凝縮器
１２膨張弁
１３蒸発器
２１モータ
２２インバータ
２３コントローラ
２４温度センサ
２５温度調節計
２６圧力センサ
２７被冷却流路
Ａ，Ｂ冷凍装置
I 冷媒循環流路
ｆ（Ｐｓ）（モータの）最高回転数
ｇ（Ｐｓ）（モータの）最低回転数
Ｒ（モータの）回転数
Δｒ（回転数の）下げ幅
Ｐｓ（検出された）吸込圧力
ｔ検出温度
Ｔ目標温度

Claims

コントローラからの制御信号を受けるインバータを介して回転数制御されるモータを駆動部とし、凝縮器、膨張弁及び蒸発器とともに冷媒の循環流路に組み込まれた冷凍装置用スクリュ圧縮機において、
上記コントローラが、上記圧縮機の吸込圧力を検出する圧力センサからの検出圧力を示す圧力信号と、上記蒸発器あるいはその近傍に設けられた温度センサに接続された温度調節計からの上記温度センサの検出温度と予め幅を持たせて設定された目標温度との温度差を示す偏差信号とを受け、これらに基づき上記制御信号を出力し、
上記制御信号に基づき、上記モータが、上記吸込圧力に対応して予め設定された上記モータの最高回転数及び最低回転数の間において、上記温度差をなくすように回転数を維持、増減され、上記回転数が上記最低回転数よりも小さくなる場合には停止させられ、
上記最低回転数が、冷却熱負荷の小さい領域において、上記モータの消費電力の低下の鈍化が著しくなる上記回転数の下限として定められることを特徴とする冷凍装置用スクリュ圧縮機。
コントローラからの制御信号を受けるインバータを介して回転数制御されるモータを駆動部とし、凝縮器、膨張弁及び蒸発器とともに冷媒の循環流路に組み込まれた冷凍装置用スクリュ圧縮機において、
上記コントローラが、上記圧縮機の吸込圧力を検出する圧力センサからの検出圧力を示す圧力信号と、上記蒸発器あるいはその近傍に設けられた温度センサに接続された温度調節計からの上記温度センサの検出温度と予め設定された目標温度との温度差を示す偏差信号とを受け、これらに基づき上記制御信号を予め設定された時間内に連続することを回避して出力し、
上記制御信号に基づき、上記モータが、上記吸込圧力に対応して予め設定された上記モータの最高回転数及び最低回転数の間において、上記温度差をなくすように回転数を維持、増減され、上記最低回転数よりも小さくなる場合には停止させられ、
上記最低回転数が、冷却熱負荷の小さい領域において、上記モータの消費電力の低下の鈍化が著しくなる上記回転数の下限として定められることを特徴とする冷凍装置用スクリュ圧縮機。