JP2008089222A - ターボ冷凍機の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モータに対するターボ圧縮機の羽根車の追従性を向上させることによって、迅速な温度制御を行うことのできるターボ冷凍機の制御方法を提供する。
【解決手段】ターボ冷凍機１２は、ターボ圧縮機４０の羽根車４８とモータ５４とが直結されるとともに、ターボ圧縮機４０、凝縮器４２、蒸発器４４に冷媒を循環させることによって蒸発器４４で冷水を冷却し、その冷水をポンプ６０で空調機１４に循環させる。これにより、空調機１４の給気エアを冷却して被空調室１８に給気する。被空調室１８の温度が一定の精度範囲内にある場合は、ポンプ６０の回転数を可変し、被空調室１８の温度が一定の精度範囲外にある場合は、モータ５４の回転数を可変することによって、冷水の温度を制御し、被空調室１８の温度を一定の精度範囲内に制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明はターボ冷凍機の制御方法に係り、特にビルや工場等の空調システムで使用されるターボ冷凍機の制御方法に関する。

ビルや工場等の空調システムでは、冷凍能力の大きいターボ冷凍機が冷熱源として使用されている。ターボ冷凍機は、一体化された凝縮器、蒸発器及びターボ圧縮機を備え、このターボ圧縮機を駆動することによって、冷媒が凝縮器、蒸発器、ターボ圧縮機を循環するようになっている。冷媒は蒸発器において蒸発し、その際に周囲から蒸発潜熱を奪うことによって冷水が作られる。この冷水は、ターボ冷凍機の蒸発器と空調機の冷却器との間を冷水ポンプによって循環するようになっており、これによって空調機を通過する給気エアが冷却されて被空調室に給気される。

従来のターボ圧縮機は、回動自在に設けられた羽根車を有し、この羽根車の回動軸が増速装置を介してモータに接続されている。増速装置は、複数のギアを有し、モータの回転力を増速して羽根車に伝達するように構成される（たとえば特許文献１参照）。これにより、羽根車が高速で回転するので、冷媒ガスの圧縮効率を向上させることができる。

上記のターボ冷凍機を用いた空調システムでは通常、給気エアの温度を調節する際に、冷水ポンプの回転数を可変させている。すなわち、冷水ポンプの回転数を可変させることによって、冷水の循環量を増減させ、空調機から送気する給気エアの温度を調節している。

また、別の方法として、ターボ圧縮機のモータの回転数をインバータ制御する方法がある。この方法は、モータの回転数を可変することによって、冷媒の圧縮度及び循環量を増減させ、冷水の冷却温度を調節している。これにより、冷水を空調機に循環させた際に、空調機から送気する給気エアの温度を大きく増減させることができる。

ところで、上記の空調システムを半導体製造工場等に適用した場合、熱負荷や外気温度の急激な変動に応じて、±１／１０００℃の精度で細かな温度制御が要求されることがある。
特開２００３−１６６７７１号公報

しかしながら、従来の空調システムは、ターボ圧縮機のモータをインバータ制御した際に、増速装置の内部に設けられた重量ギアの組み合わせの持つ慣性が大きいため、モータを細かくインバータ制御しても、ターボ圧縮機の羽根車の回転がすぐに追従しないという問題があった。このため、従来は、給気エアの細かな温度制御ができないという不具合があった。

本発明はこのような事情に鑑みて成されたもので、モータに対するターボ圧縮機の羽根車の追従性を向上させることによって、迅速な温度制御を行うことのできるターボ冷凍機の制御方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は前記目的を達成するために、ターボ圧縮機の羽根車とモータとが直結されるとともに、前記ターボ圧縮機、凝縮器、蒸発器に冷媒を循環させることによって前記蒸発器で冷水を冷却し、該冷水をポンプで空調機に循環させることによって前記空調機の給気エアを冷却して被空調室に給気するターボ冷凍機の制御方法において、前記被空調室の温度が一定の精度範囲内にある場合は、前記ポンプの回転数を可変し、前記被空調室の温度が前記一定の精度範囲外にある場合は、前記モータの回転数を可変することによって、前記冷水の温度を制御して前記被空調室の温度を前記一定の精度範囲内に制御することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、ターボ圧縮機の羽根車をモータに直結した状態でポンプの回転数とモータの回転数とを上記の如く制御するので、増速装置を用いた場合に比べて増速装置のギアの慣性が無くなり、熱負荷や外気温度の変動に対する追従性を向上させることができる。

また、請求項１に記載の発明によれば、増速装置を不要な構成としたので、システムのシンプル化を図ることができるとともに、増速装置における回転エネルギーの損失、増速装置の設置スペース、施行費等を省くことができる。

本発明によれば、ターボ圧縮機の羽根車をモータに直結した状態でポンプの回転数とモータの回転数とを制御するので、熱負荷や外気温度の変動に対する追従性を向上させることができ、細かな温度制御を行うことができる。

以下添付図面に従って本発明に係るターボ冷凍機の制御方法の好ましい実施形態について説明する。

図１は、本発明が適用された空調システム１０の構成を示す模式図である。

同図に示すように、空調システム１０は主として、ターボ冷凍機１２、空調機１４、冷却塔１６によって構成される。

空調機１４は、外気を除塵及び温湿度調節して被空調室１８に給気する装置である。この空調機１４は、ケーシング２０の内部にガラリ２２、フィルタ２４、予熱器２６、冷却器２８、加湿器３０、ファン３２を備え、ファン３２を駆動することによって、外気がガラリ２２を介してケーシング２０の内部に吸引される。吸引されたエアは、フィルタ２４を通過することによって除塵された後、予熱器２６によって加温される。加温されたエアは、冷却器２８の内部を通過する冷水によって所定の温度に冷却される。そして、加湿器３０によって所望の湿度まで加湿される。このようにして除塵及び温湿度調節が行われたエアが、給気ダクト３４を介して被空調室１８に給気される。なお、給気ダクト３４、被空調室１８には温度センサＣ２、Ｃ４が設けられ、この温度センサＣ２、Ｃ４によって給気エアの温度Ｔ２、被空調室の温度Ｔ４が測定される。また、空調機１４の外部には、温度センサＣ３が設けられ、この温度センサＣ３によって外気の温度Ｔ３が測定される。

ターボ冷凍機１２は、冷水を作って空調機１４の冷却器２８に送る装置であり、一体的に形成されたターボ圧縮機４０、凝縮器４２、蒸発器４４を備える。

ターボ圧縮機４０は、ハウジング４６の内部に羽根車４８を備え、この羽根車４８の回転軸５０がカップリング５２を介してモータ５４に直結されている。モータ５４は、インバータ機能を有する高回転数モータであり、その回転数は制御装置５６によって制御される。このモータ５４を駆動することによって羽根車４８が回転され、さらに羽根車４８が回転することによって、蒸発器４４内の冷媒ガスがハウジング４６内に吸引され、この冷媒ガスが圧縮されて凝縮器４２に送られる。凝縮器４２には、後述の冷却塔１６から送液された冷却水が供給されており、凝縮器４２内の圧縮冷媒ガスはこの冷却水によって冷却されて液化される。

凝縮器４２は蒸発器４４に連通されており、凝縮器４２で液化された冷媒液は蒸発器４４に送液される。

蒸発器４４には、冷却水の循環ライン５８が接続されており、この循環ライン５８は前述した空調機１４の冷却器２８に接続されている。循環ライン５８にはポンプ６０が配設されており、このポンプ６０を駆動することによって冷水が蒸発器４４と冷却器２８との間で循環される。なお、冷水が蒸発器４４から冷却器２８へ流れる側の循環ライン５８には、温度センサＣ１が設けられ、冷水の温度Ｔ１が測定される。

蒸発器４４の内部は、ターボ圧縮機４０の羽根車４８を回転させることによって負圧になっており、蒸発器４４内の冷媒液が気化して冷媒ガスとなり、ターボ圧縮機４０のハウジング４６に吸引される。その際、蒸発器４４の内部では、冷媒の蒸発潜熱が冷水から奪われ、冷水が冷却される。したがって、冷水が空調機１４の冷却器２８に循環供給されることによって、空調機１４を通過するエアが冷却される。

冷却塔１６は、その側面と上面に開口を有するとともに、上部にファン６２を備える。このファン６２を駆動することによって側面の開口からエアが吸い込まれ、上面の開口から外部に吹き出される。これにより、冷却塔１６の内部に上昇気流が形成される。冷却塔１６には、冷却水の送液ライン６４と返送ライン６６とが接続されており、この送液ライン６４と返送ライン６６はターボ冷凍機１２の凝縮器４２に接続される。送液ライン６４は、冷却塔１６の下部（貯水部）に接続され、この送液ライン６４にポンプ６８が接続される。したがって、ポンプ６８を駆動することによって、冷却塔１６内の冷却水が凝縮器４２に送液される。返送ライン６６は、冷却塔１６内の上部に設けたノズル７０に接続されており、凝縮器４２から返送された冷却水がノズル７０から噴霧される。これにより、冷却水は、冷却塔１６内を上昇する気流によって冷却され、さらに冷却水の一部が蒸発して蒸発潜熱が奪われて冷却される。よって、冷却水は、冷却塔１６の内部によって冷却され、この冷却水が凝縮器４２に送液されて、凝縮器４２内の冷媒から熱を奪って冷媒を凝縮させることができる。

ところで、前述したターボ冷凍機１２のモータ５４と循環ライン５８のポンプ６０は制御装置５６によってその回転数が制御される。制御装置５６は、温度センサＣ１〜Ｃ４に接続されており、この温度センサＣ１〜Ｃ４の測定値Ｔ１〜Ｔ４に基づいてモータ５４及びポンプ６０を制御する。

具体的には、温度センサＣ４の測定値Ｔ４が一定の精度範囲内にあるか否か（すなわち、目標値に対して一定の誤差範囲内にあるか否か）を判別し、一定の精度範囲内にある場合には、ポンプ６０の回転数を可変する。これにより、空調機１４の冷却器２８に供給される冷水の循環量が増減され、給気エアの温度が調節される。

また、温度センサＣ４の測定値Ｔ４が一定の精度範囲外にある場合には、モータ５４の回転数を可変し、温度センサＣ１の測定値Ｔ１（すなわち冷水の温度）が一定の温度範囲内に収まるように制御する。これにより、空調機１４の冷却器２８に供給される冷水の温度が調節され、給気エアの温度が調節される。

これらの制御を行う際、温度センサＣ４の測定値Ｔ４に基づいて給気エアの温度を設定し、温度センサＣ２の測定値Ｔ２がその設定値になるようにポンプ６０やモータ５４の回転数を制御する。また、温度センサＣ３の測定値Ｔ３に基づいて必要な冷却量を予測し、ポンプ６０やモータ５４の回転数を制御する。

次に上記の如く構成された空調システム１０の作用について説明する。

半導体製造工場では、被空調室１８の内部を一定の温度範囲に制御することが必要であり、たとえば±１／１０００℃の精度が要求される場合もある。このため、通常運転時（すなわち温度センサＣ４の測定値Ｔ４が一定の精度範囲内にある場合）には、制御装置５６がポンプ６０の回転数を可変することによって、冷水の循環量を増減させる。これにより、空調機１４の冷却器２８で冷却される給気エアの温度Ｔ２が調節されるので、被空調室１８の温度Ｔ４を精度良く制御することができる。

しかしながら、外気温度Ｔ３や被空調室１８の熱負荷が大きく変動した場合には、ポンプ６０の回転数を可変するだけでは被空調室１８を精度良く制御できない場合がある。たとえば、冷水の循環量を制御する際には、冷水の温度に上下限があるが、外気温度Ｔ３や熱負荷の変動が大きくなると、冷水の温度が規定の範囲に入らない場合が生じ、被空調室１８の温度Ｔ４を精度良く制御できなくなる。

そこで、温度センサＣ４の測定値Ｔ４が一定の精度範囲外にある場合には、制御装置５６がモータ５４の回転数を可変させる。これにより、ターボ冷凍機１２内の冷媒の循環量が変化するので、蒸発器４４で熱交換する冷水の温度Ｔ１が変化する。したがって、空調機１４の冷却器２８における給気エアの温度変化が大きくなるので、外気温度Ｔ３や熱負荷の変動が大きい場合であっても、被空調室１８の温度Ｔ４を精度良く制御することができる。

このように本実施の形態の空調システム１０によれば、被空調室１８の温度が一定の精度範囲内にある場合はポンプ６０の回転数を可変し、被空調室１８の温度が一定の精度範囲外にある場合はモータ５４の回転数を可変するようにしたので、被空調室１８の温度を精度良く制御することができる。

また、本実施の形態によれば、ターボ冷凍機１２の羽根車４８をモータ５４に直結したので、外気温度Ｔ４や熱負荷の変動に対する追従性を向上させることができる。すなわち、羽根車４８とモータ５４との間に増速装置を設けた場合には、増速装置のギアの慣性によって追従性が低下するが、本実施の形態では増速装置を省いた構成なので、モータ５４の駆動に対する羽根車４８の回転の追従性が向上し、その結果、被空調室１８の冷却に対する時間遅れを大幅に減少させることができる。

さらに、本実施の形態によれば、増速装置を省いた構成にしたので、システムの簡易化、装置の小型化、コストの削減を図ることができ、且つ、増速装置における騒音の発生を無くすことができる。

本発明が適用された空調システムの構成を示す模式図

符号の説明

１０…空調システム、１２…ターボ冷凍機、１４…空調機、１６…冷却塔、１８…被空調室、２０…ケーシング、２２…ガラリ、２４…フィルタ、２６…予熱器、２８…冷却器、３０…加湿器、３２…ファン、３４…給気ダクト、４０…ターボ圧縮機、４２…凝縮器、４４…蒸発器、４６…ハウジング、４８…羽根車、５０…回転軸、５２…カップリング、５４…モータ、５６…制御装置、５８…循環ライン、６０…ポンプ、６２…ファン、６４…送液ライン、６６…返送ライン、６８…ポンプ、７０…ノズル、Ｃ１〜Ｃ４…温度センサ

Claims (1)

1. ターボ圧縮機の羽根車とモータとが直結されるとともに、前記ターボ圧縮機、凝縮器、蒸発器に冷媒を循環させることによって前記蒸発器で冷水を冷却し、該冷水をポンプで空調機に循環させることによって前記空調機の給気エアを冷却して被空調室に給気するターボ冷凍機の制御方法において、
   前記被空調室の温度が一定の精度範囲内にある場合は、前記ポンプの回転数を可変し、
   前記被空調室の温度が前記一定の精度範囲外にある場合は、前記モータの回転数を可変することによって、前記冷水の温度を制御して前記被空調室の温度を前記一定の精度範囲内に制御することを特徴とするターボ冷凍機の制御方法。

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