JP2007085615A - 熱源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸入圧力の急激な低下を伴うこと無く、熱源装置の起動時から安定運転に短時間で到達できる、電子膨張弁の開度制御が可能な熱源装置を実現する。
【解決手段】チラーユニットの起動後は電子膨張弁に１０パルスの開指令を出力し、一定時間の経過後（始動アンロード時）、１００〜１５０パルスの開指令を出力し一定の開度まで開く。その後、吐出側冷媒過熱度ＴｄＳＨを監視し、例えば、ＴｄＳＨが２０ｄｅｇ℃まで、１パルス／秒の閉指令を電子膨張弁３に出力し短時間で閉方向に駆動する。ＴｄＳＨが２０ｄｅｇ℃に達した後はＴｄＳＨが２５ｄｅｇ℃となるまで１パルス／３秒の閉指令を電子膨張弁３に出力し、ＴｄＳＨが２０℃となるまでの閉方向速度より小の閉方向速度で電子膨張弁３を駆動する。ＴｄＳＨが２５ｄｅｇ℃に達した後は安定運転に移行したと判断し吸入側冷媒過熱度ＴｓＳＨを監視して電子膨張弁の開度を制御する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、水冷または空冷式の熱源装置であって、運転状態により蒸発器へ流入する冷媒量を電子式膨張弁で自動調整する冷凍サイクルを有する熱源装置に関する。

熱源装置である冷凍装置においては、圧縮機、凝縮器、電子膨張弁、蒸発器が設けられている。

そして、圧縮機に吸入される冷媒の過熱度を温度検知器により検知し、検知した過熱度が一定範囲内となるように、電子膨張弁の開度が制御される。

ここで、圧縮機に吸入される冷媒の過熱度は、３〜５ｄｅｇ℃程度の比較的に小さい値である。このため、温度検知器の検知誤差を考慮すると、この温度検知器の検知温度による電子膨張弁の開度制御に大きな誤差が含まれ、液バックによる圧縮機の損傷を招く場合もあり得る。

そこで、特許文献１には、冷媒の圧縮機からの吐出過熱度が２５ｄｅｇ℃程度の比較的大きな値となることに着目し、吸入過熱度のみならず、吐出過熱度をも考慮して電子膨張弁の開度制御を行う技術が記載されている。

つまり、検出した吸入過熱度が、実際の過熱度より大か小かを、吐出過熱度により判断し、吸入過熱度の制御目標値を変更して制御する技術が開示されている。

特開２００３−１０６６１号公報

ところで、従来の電子膨張弁採用のスクリューチラーユニットにおいては、起動時に、ある一定の開度で電子膨張弁を開いた後、圧縮機の吸入側冷媒過熱度により電子膨張弁開度を閉じていく制御を採用している。

この場合、電子膨張弁の開度を小とする速度は、冷媒の圧力・温度が急降下して蒸発器内の水やブラインが凍結してしまうことを回避する必要があるため、その制御が困難である。

その結果としてユニットが安定運転するまで電子膨張弁を閉じるのに時間を要していた。

したがって、スクリュー圧縮機への液バックぎみでの運転が長くなり、スクリュー圧縮機のロータ部の油膜切れを引き起こすことも考えられ、スクリューロータに損傷を与える可能性もあると考えられる。

そこで、上記特許文献１に記載された技術を用いて、電子膨張弁の開度制御を行うことも考えられるが、吸入側過熱度検知誤差補正は図れるものの、起動時から安定運転までの運転時間の短縮については実現することが困難である。

また、冷媒として、Ｒ４１０Ａ、Ｒ１３４ａ、Ｒ４０４ａ、Ｒ３２やＲ２２など擬似共沸冷媒または単一冷媒使用時、気液飽和域内における温度勾配がない。このため、ある圧力における温度は一定であることから、圧縮機吸入側冷媒過熱度がマイナス（圧縮機吸入ガス温度＜圧縮機吸入圧力における飽和温度）すなわち液バックの状態においては、どの程度の冷媒乾き度で冷媒が圧縮機に吸入されているかわからず、逆に膨張弁開度を急に絞りすぎてしまうなど制御困難となる恐れがあった。

本発明の目的は、吸入圧力の急激な低下を伴うこと無く、熱源装置の起動時から安定運転に短時間で到達できる、電子膨張弁の開度制御が可能な熱源装置を実現することである。

本発明の熱源装置は、冷媒の圧縮機と、凝縮器と、電子膨張弁と、蒸発器と、上記圧縮機の冷媒吸入側温度検知器と、上記圧縮器の吸入圧力検知器と、上記圧縮機の冷媒吐出側温度検知器と、上記圧縮器の吐出圧力検知器と、電子膨張弁の開度を、上記温度検知器及び圧力検知器の出力値に基づいて制御する開度制御部を有する。

上記開度制御部は、熱源装置の起動時に、電子膨張弁を所定の開度まで開き、吐出側冷媒過熱度が所定の吐出側過熱度となるまで電子膨張弁を閉方向に駆動し、吐出側冷媒過熱度が上記所定吐出側過熱度に到達すると、圧縮機の吸入側冷媒過熱度が所定の吸入側冷媒温度になるように、電子膨張弁の開度を制御する。

電子膨張弁の駆動速度は、上記所定吐出側過熱度に近づくにつれて遅くし、起動から安定運転に至るまでに必要な時間を、急激な圧力低下を回避しつつ短縮する。

本発明により、吸入圧力の急激な低下を伴うこと無く、熱源装置の起動時から安定運転に短時間で到達できる、電子膨張弁の開度制御が可能な熱源装置及び熱源装置の起動方法を実現することができる。

また、冷媒としてＲ４１０Ａ、Ｒ１３４ａ、Ｒ４０４ａ、Ｒ３２やＲ２２など擬似共沸冷媒または単一冷媒を使用する場合、湿り圧縮となると吸入側冷媒過熱度が一定となってしまい、吸入するポイントが分からず膨張弁制御に支障を来たしていたが、吐出ガス冷媒過熱度を見ることで吸入ポイントを推定できることから液圧縮しない方向に電子膨張弁を適正に制御することができる。

図１は、本発明が適用される熱源装置である空冷式スクリューチラーユニットの概略構成図であり、主に、配管系統図及び電子膨張弁制御に関わる構成部品を示す図である。

図１において、スクリュー圧縮機１と、空気側熱交換器（凝縮器）２と、電子膨張弁３と、水側熱交換器（蒸発器）４とにより冷媒系統が形成される。また、圧縮機吸入ガス（Ｔｓ）温度検知器５と、圧縮機吸入圧力（Ｐｓ）検知器６と、圧縮機吐出ガス温度（Ｔｄ）検知器７と、圧縮機吐出圧力（Ｐｄ）検知器８と、これら検知器５〜８からの情報を処理し電子膨張弁３に開度指令を出す演算処理部（開度制御部）９とにより制御系統が形成される。

演算処理部９は、圧縮機吸入ガス温度検知器５の検知温度と、圧縮機吸入圧力検知器６の検知ガス圧力値とから後述する吸入側冷媒過熱度を演算する。
また、演算処理部９は、圧縮機吐出ガス温度検知器７の検知温度と、圧縮機吐出圧力検知器８の検知ガス圧力値とから、後述する吐出側冷媒過熱度を演算する。

図２は、冷媒の圧力−エンタルピ線図の一例を示す図である。
図１、図２を参照して、基本的冷凍サイクルの運転状態を以下に説明する。

圧縮機１で圧縮された高温・高圧のガス冷媒は、空気側熱交換器２で高圧の液冷媒に凝縮され、電子膨張弁３で低圧の液リッチ気液混合冷媒に変化する。

そして、水側熱交換器４で蒸発し、低圧のガス冷媒となり、再び圧縮機１に流入する。

ここで、（圧縮機１の吸入ガス温度−圧縮機１の吸入圧力に対する飽和温度）を圧縮機１の吸入側冷媒過熱度１０とし、（圧縮機吐出ガス温度−圧縮機吐出圧力に対する飽和温度）を圧縮機の吐出側冷媒過熱度１１とする。

起動時においては、冷凍サイクルの急激な圧力・温度変化が生じるため、電子膨張弁３の追従性を考慮し、一旦、電子膨張弁３の開度をある程度大の方向に開き、若干湿り圧縮の運転から徐々に膨張弁３を絞る制御を行っている。

本来、電子膨張弁３の制御としては、圧縮機１の吸入側冷媒過熱度１０が３〜５ｄｅｇ℃となる冷媒ガスを圧縮機１が吸入するような開度に制御することがユニットの安定運転のために求められる。

図３は、本発明と比較するための、起動時における一般的な電子膨張弁の開度制御説明図である。図３の（Ａ）は、吐出側ガス温度Ｔｄ、吐出側冷媒過熱度ＴｄＳＨを縦軸に示し、時間を横軸に示している。また、図３の（Ｂ）は、電子膨張弁の開度を縦軸に示し、時間を横軸に示している。さらに、図３の（Ｃ）は、吸入側冷媒過熱度ＴｓＳＨと吸入圧力Ｐｓを縦軸に示し、時間を横軸に示している。

一般的な電子膨張弁３の開度制御においては、図３の（Ｃ）に示すように、起動直後から圧縮機１の吸入側冷媒過熱度１０を監視し、膨張弁３の開度を徐々に絞り、ユニットの安定運転まで到達させる制御としている。

つまり、図３の（B）に示すように、電子膨張弁３に１０パルスの開指令を出力し、一定時間の経過後（始動アンロード時）、１００〜１５０パルスの開指令を出力し、一定の開度まで開いた後に、吸入側冷媒過熱度を監視して、電子膨張弁３の閉方向に駆動するように制御している。

この場合、上述したように、開度を急に小とすると、吸入圧力が急激に低下するため、電子膨張弁３の開度を閉とする方向への速度は、緩やかのものとならざるを得ず、安定運転状態となるまでに長時間が必要であり、種々の問題点があった。

ここで、温度検知誤差を考慮して、図３の（A）に示すように、吐出側冷媒過熱度を監視しながら、吸入側検知温度を補正することも可能である。しかし、吸入側検知温度の検知精度は向上するものの、電子膨張弁３の開度を閉とする方向への速度は、依然として緩やかのものとならざるを得ず、安定運転状態となるまでに長時間が必要となる。

図３に示した一般的な電子膨張弁の開度制御に対して、本発明の一実施形態による電子膨張弁の開度制御（演算処理部９による制御）は、図４に示すように行なわれる。図４の（Ａ）は、吐出側ガス温度Ｔｄ、吐出側冷媒過熱度ＴｄＳＨを縦軸に示し、時間を横軸に示している。

また、図４の（Ｂ）は、電子膨張弁の開度を縦軸に示し、時間を横軸に示している。さらに、図４の（Ｃ）は、吸入側冷媒過熱度ＴｓＳＨと吸入圧力Ｐｓを縦軸に示し、時間を横軸に示している。

図１、図４に示すように、圧縮機吐出ガス温度（Ｔｄ）検知器７、圧縮機吐出圧力（Ｐｄ）検知器８で検知した値より演算した圧縮機吐出側冷媒過熱度１１を利用し、起動時に吐出側冷媒過熱度１１が例えば２５ｄｅｇ℃を超えるまでは、吐出側冷媒過熱度１１で電子膨張弁制御による開度調整を行い、２５ｄｅｇ℃を超えたところでユニットの安定運転に移行したと判断し、その後、吸入側冷媒過熱度１０制御に移行させるようにした。

つまり、図４の（B）に示すように、空冷式スクリューチラーユニットの起動後は、電子膨張弁３に１０パルスの開指令を出力し、一定時間の経過後（始動アンロード時）、１００〜１５０パルスの開指令を出力する。そして、一定の開度まで開く。

その後、吐出側冷媒過熱度ＴｄＳＨを監視して、例えば、ＴｄＳＨが２０ｄｅｇ℃（第１の過熱度）となるまでは、１パルス／秒（第１の周期）の閉指令を電子膨張弁３に出力し、電子膨張弁３を短時間で閉方向に駆動する。

吐出側冷媒過熱度ＴｄＳＨが２０ｄｅｇ℃に達した後は、吐出側冷媒過熱度ＴｄＳＨが２５ｄｅｇ℃（所定の吐出側過熱度）となるまで、１パルス／３秒（第２の周期）の閉指令を電子膨張弁３に出力し、ＴｄＳＨが２０℃となるまでの閉方向速度より小の閉方向速度で電子膨張弁３を駆動する。

そして、ＴｄＳＨが２５ｄｅｇ℃に達した後は、安定運転に移行したと判断し、吸入側冷媒過熱度ＴｓＳＨを監視して電子膨張弁３の開度を制御する。

本発明の一実施形態により、ユニットの起動時における電子膨張弁３の開度制御において、吐出側冷媒過熱度１１がある一定のレベルを確保できるまで、低圧圧力を急激に低下させることなく、且つ比較的ラフに速い速度で電子膨張弁３を絞り、チラーユニットの運転状態をより早く冷凍サイクルの安定運転ポイントに到達させることが可能となる。

通常の熱源機運転時、吸入側冷媒過熱度１０が３〜５ｄｅｇ℃であるのに対し、吐出側冷媒過熱度１１で３０〜４０ｄｅｇ℃程度となることより、温度サーミスタ５、７、制御基板９の温度誤差が仮に±１℃と考えると制御目標値に対する誤差の割合は吐出側冷媒過熱度１１のほうが小さい。

このため、起動時には吐出側冷媒過熱度１１で電子膨張弁３の開度を調整し、安定運転条件に近づいた後に吸入側冷媒過熱度１０で制御させることが、ユニットとして起動から安定運転までの時間短縮にも効果的であり、尚且つスクリュー圧縮機１の信頼性確保にも効果がある。

なお、本願発明者の検討結果によると、図３に示した一般的な起動時電子膨張弁制御による起動から安定状態までに必要な時間が３０分以上必要であったものが、図４に示した本発明の起動時電子膨張弁制御による起動から安定状態までに必要な時間は、約１５分程度に短縮される。

また、冷媒にＲ４１０Ａ、Ｒ１３４ａ、Ｒ４０４ａ、Ｒ３２やＲ２２など擬似共沸または単一冷媒を使用する場合、湿り圧縮となると吸入側冷媒過熱度１０が一定となってしまい、吸入するポイントが分からず膨張弁制御に支障を来たしていたが、吐出ガス冷媒過熱度１１を見ることで吐出ポイントが明確になり、吸入ポイントの目安もつくことから液圧縮しない方向に電子膨張弁３を適正に制御できる効果がある。

次に、図４に示した電子膨張弁の起動時開度制御において、吐出側冷媒過熱度による電子膨張弁３の開度制御中に、吸入圧力検知器６により検知された吸入圧力Ｐｓを演算処理部９が監視し、目標圧力値Ｐｓより低下した場合の制御動作について説明する。

図５は、上述した吐出側冷媒過熱度による膨張弁開度の制御中に吸入圧力が低下した場合の制御動作の一例を示す図である。

例えば、起動時から、１パルス／秒の指令から吐出側冷媒過熱度が２０ｄｅｇ℃に達し、１パルス／３秒の指令に移行した後に、吸入圧力ＰｓがPｓ保護制御作動値未満となった場合には、電子膨張弁３の開度を一定値だけ開き、吸入圧力の低下を防止して、目標値に向けて上昇させる。

そして、吸入側冷媒過熱度の監視により、電子膨張弁３の開度を調整する制御に移行する。

このように、吸入側圧力Ｐｓを監視して、起動時にPｓ保護制御作動値未満となった場合には、強制的に電子膨張弁３を一定値だけ開き、再び閉方向へと制御すれば、より安全に熱源装置の起動制御を行うことができる。

また、安定運転状態となった後も、吐出側冷媒過熱度を監視し、この吐出側冷媒過熱度が、例えば、２０ｄｅｇ℃未満となった場合、または、吸入側冷媒過熱度が３ｄｅｇ℃未満となった場合は、吐出側冷媒加熱度の監視による電子膨張弁３の開度制御を行い、例えば、吐出側冷媒過熱度が２５ｄｅｇ℃に達したら、吸入側冷媒過熱度の監視による電子膨張弁３の開度制御に移行するように構成することもできる。

また、安定運転状態となった後、通常運転で、吐出側冷媒過熱度が２０ｄｅｇ℃未満となることは、吸入側冷媒過熱度検知器５に検知誤差が発生している可能性が大きい。

そこで、この自動温度補正機能として、吸入側冷媒過熱度の設定値を自動的に大きく設定し直す（例えば、制御目標過熱度の設定値を３ｄｅｇ℃から５ｄｅｇ℃に変更）。そして、設定変更された吸入側冷媒過熱度で電子膨張弁３の開度を制御させることも可能である。

また、図４に示した例においては、吐出側冷媒過熱度が２０ｄｅｇ℃となった後、２５ｄｅｇ℃となるまで、１パルス／３秒で閉指令を電子膨張弁３に供給しているが、その他の制御を用いることもできる。

例えば、２０ｄｅｇ℃から２３ｄｅｇ℃までは、１パルス／２秒で閉指令を供給し、２３ｄｅｇ℃から２５ｄｅｇ℃まで、１パルス／３秒で閉指令を供給することも可能である。

また、上述した例では、吐出側冷媒過熱度が２０ｄｅｇ℃となるまで、１パルス／秒で閉指令を供給し、２５ｄｅｇ℃となるまで、１パルス／３秒で閉指令を電子膨張弁３に供給しているが、２０ｄｅｇ℃となるまで、従来技術より速い第１の速度で電子膨張弁３が閉となるように駆動し、２０ｄｅｇ℃から２５ｄｅｇ℃となるまで、第１の速度より遅いが従来技術より速い第２の速度で電子膨張弁３が閉となるように駆動することができれば、他の駆動方法も採用することが可能である。

本発明が適用される熱源装置である空冷式スクリューチラーユニットの概略構成図である。 冷媒の圧力−エンタルピ線図の一例を示す図である。 本発明と比較するための、起動時における一般的な電子膨張弁の開度制御説明図である。 本発明の一実施形態による電子膨張弁開度制御を説明するグラフである。 本発明の一実施形態において、起動制御時、吸入圧力が急に低下した場合での、電子膨張弁開度制御を説明するグラフである。

符号の説明

１ スリュー圧縮機
２ 空気側熱交換器（凝縮器）
３ 電子膨張弁
４ 水側熱交換器（蒸発器）
５ 吸入ガス温度検知器
６ 吸入圧力検知器
７ 吐出ガス温度検知器
８ 吐出圧力検知器
９ 演算処理部

Claims (10)

1. 冷媒の圧縮機と、凝縮器と、電子膨張弁と、蒸発器と、上記圧縮機の冷媒吸入側温度検知器と、上記圧縮器の吸入圧力検知器と、上記圧縮機の冷媒吐出側温度検知器と、上記圧縮器の吐出圧力検知器とを有する熱源装置において、
   熱源装置の起動時に、上記電子膨張弁を所定の開度まで開き、上記圧縮機の吐出側冷媒過熱度が所定の吐出側過熱度となるまで上記電子膨張弁が閉となる方向に駆動し、上記吐出側冷媒過熱度が上記所定の吐出側過熱度に到達した後は、上記圧縮機の吸入側冷媒過熱度が所定の吸入側冷媒温度になるように、上記電子膨張弁の開度を制御する開度制御部を備えることを特徴とする熱源装置。
2. 請求項１記載の熱源装置において、上記圧縮機の吐出側冷媒過熱度が所定の吐出側過熱度となるまで上記電子膨張弁が閉となる方向に駆動する期間に、上記開度制御部は、起動時から上記吐出側冷媒過熱度が所定の吐出側過熱度となるに従って、上記電子膨張弁を閉とする速度を遅くすることを特徴とする熱源装置。
3. 請求項２記載の熱源装置において、上記開度制御部は、上記圧縮機の吐出側冷媒過熱度が、上記所定の吐出側過熱度より小さな値の第１の過熱度になるまでは、閉方向への駆動信号を第１の周期で上記電子膨張弁に出力し、上記圧縮機の吐出側冷媒過熱度が上記第１の過熱度に到達した後は、上記所定の吐出側過熱度となるまで、上記第１の周期より長い第２の周期で、閉方向への駆動信号を上記電子膨張弁に出力することを特徴とする熱源装置。
4. 請求項２記載の熱源装置において、上記開度制御部は、上記圧縮機の吐出側冷媒過熱度が、上記所定の吐出側過熱度より小さな値の第１の過熱度になるまでは、上記電子膨張弁の開度を第１の速度で閉方向に駆動し、上記圧縮機の吐出側冷媒過熱度が上記第１の過熱度に到達した後は、上記所定の吐出側過熱度となるまで、上記第１の速度より遅い第２の速度で、上記電子膨張弁が閉となる方向に駆動することを特徴とする熱源装置。
5. 請求項１、２、３、４のうちのいずれか一項記載の熱源装置において、上記開度制御部は、上記吐出側冷媒過熱度が上記所定の吐出側過熱度に到達し、上記圧縮機の吸入側冷媒過熱度が所定の吸入側冷媒温度になるように、上記電子膨張弁の開度を制御し、上記吐出側過熱度又は上記吸入側過熱度が、所定の吐出側過熱度範囲又は吸入側過熱度範囲を超えた場合、吐出側冷媒過熱度が、上記所定の吐出側過熱度範囲内となるように電子膨張弁の開度を制御し、吐出側冷媒過熱度が、上記所定の吐出側過熱度範囲内となった後は、上記圧縮機の吸入側冷媒過熱度が所定の吸入側冷媒温度になるように、上記電子膨張弁の開度を制御することを特徴とする熱源装置。
6. 請求項１、２、３、４のうちのいずれか一項記載の熱源装置において、上記開度制御部は、上記吐出側冷媒過熱度が上記所定の吐出側過熱度に到達し、上記圧縮機の吸入側冷媒過熱度が所定の吸入側冷媒温度になるように、上記電子膨張弁の開度を制御し、上記吐出側過熱度又は上記吸入側過熱度が、所定の吐出側過熱度範囲又は吸入側過熱度範囲を超えた場合、上記所定の吸入側冷媒温度を変更し、上記圧縮機の吸入側冷媒過熱度が、上記変更した吸入側冷媒温度になるように、上記電子膨張弁の開度を制御することを特徴とする熱源装置。
7. 請求項１、２、３、４のうちのいずれか一項記載の熱源装置において、上記開度制御部は、上記圧縮機の吐出側冷媒過熱度が所定の吐出側過熱度となるまで上記電子膨張弁を閉となる方向に駆動する期間に、上記圧縮機の吸入圧力が、所定圧力値未満となった場合には、上記電子膨張弁を開となる方向に駆動して所定の開度とした後、上記圧縮機の吸入側冷媒過熱度が所定の吸入側過熱度となるまで上記電子膨張弁の開度を制御することを特徴とする熱源装置。
8. 請求項１〜７のうちのいずれか一項記載の熱源装置において、上記圧縮機は、スクリュー圧縮機であることを特徴とする熱源装置。
9. 請求項１〜７のうちのいずれか一項記載の熱源装置において、上記冷媒は、擬似共沸冷媒又は単一冷媒であることを特徴とする熱源装置。
10. 冷媒の圧縮機と、凝縮器と、電子膨張弁と、蒸発器と、上記圧縮機の冷媒吸入側温度検知器と、上記圧縮器の吸入圧力検知器と、上記圧縮機の冷媒吐出側温度検知器と、上記圧縮器の吐出圧力検知器とを有する熱源装置の起動方法において、
    熱源装置の起動時に、上記電子膨張弁を所定の開度まで開き、
    上記圧縮機の吐出側冷媒過熱度が所定の吐出側過熱度となるまで上記電子膨張弁が閉となる方向に駆動し、
    上記吐出側冷媒過熱度が上記所定の吐出側過熱度に到達した後は、上記圧縮機の吸入側冷媒過熱度が所定の吸入側冷媒温度になるように、上記電子膨張弁の開度を制御することを特徴とする熱源装置の起動方法。

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