JP2008101884A - 熱源機および熱源システムならびに熱源機の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 例えば１０％負荷を下回る低負荷であっても継続して運転が可能なターボ冷凍機を提供する。
【解決手段】 冷水入口温度センサによって測定された冷水入口温度が設定冷水出口温度との間で所定温度差を形成する第１温度以下となった場合に、ターボ冷凍機の停止および起動を繰り返して制御する低負荷モードを有するターボ冷凍機において、冷水入口温度または冷水出口温度が第１温度よりも低い第２温度以下となった場合にターボ冷凍機を停止する停止制限モードを備えていることを特徴とする。
【選択図】 図７

Description

本発明は、例えばターボ冷凍機とされた熱源機および熱源システムならびに熱源機の制御方法に関するものである。

半導体製造工場の大規模クリーンルームにおける冷水供給等に用いられる冷凍機として、ターボ圧縮機により冷媒を圧縮するターボ冷凍機（熱源機）が多用されている。ターボ圧縮機の冷媒吸込口には、吸込冷媒量の調整を行う入口ベーン（容量制御用のプリローテーションベーン）が設けられている。ターボ冷凍機の制御部は、入口ベーンの角度を調整することにより、外部負荷に供給する冷水の出口温度を一定に維持する（特許文献１参照）。例えば、外部負荷が要求する冷水温度を７℃（設定冷水出口温度）とした場合、この７℃を保つように制御する。また、冷水出口温度と冷水入口温度との冷水温度差には所定仕様の設定値があるが、この冷水温度差が設定値のときにターボ冷凍機の負荷が１００％となるように設計されている。例えば、設定冷水出口温度を７℃とし、１００％負荷での冷水温度差を５℃とした場合、１００％負荷での冷水入口温度は１２℃となる。

実公平５−１０１８６号公報

冬季のように、外気温が低い場合、ターボ冷凍機に要求される負荷が小さくなり、１０％を下回ることがある。負荷が１０％の場合、冷水温度差は０．５℃（５℃×１０％＝０．５℃）となる。冷水温度差が０．５℃以下となると、冷水出口温度および冷水入口温度を測定する温度計の精度の限界により、正確な制御が困難となる。例えば、温度計に測温抵抗体（ＪＩＳ Ａ級）を用いた場合、測温抵抗体の精度が±０．１℃であり、変換器の誤差が±０．１℃である。したがって、一つの温度計には±０．２℃の誤差があり、冷水出口および冷水入口の温度差を計測するには２つの温度計の誤差が重畳されるので、最大で０．４℃の計測誤差が想定される。したがって、ターボ冷凍機の負荷が１０％を下回り、冷水温度差が０．５℃を下回る場合には温度計の誤差範囲内での制御となり連続運転による温度制御が困難となるので、ターボ冷凍機を一時的に停止し（低負荷停止）、冷水温度の再上昇を確認しながら起動停止を繰り返す低負荷モードでの運転が行われる。
このように、負荷が低くなった場合にターボ冷凍機の運転が断続的になり冷水温度が変動することを嫌い、低負荷であっても連続的に運転できるターボ冷凍機が要望されている。

また、ターボ冷凍機の負荷が低くなっても継続して運転できるように、高い精度で冷水出口温度および冷水入口温度の計測が可能な技術が求められている。

また、ターボ冷凍機を導入する場合、導入時に調整運転が行われる。一般に、冷房需要が見込まれる夏場に向けて導入が行われるので、ターボ冷凍機の導入時期は冬季となる。冬季は、外気温が低いため負荷が小さく、１０％負荷を大きく下回る。これでは、上述のように継続運転ができないので、調整運転ができない。そこで、実際には、調整運転のためにボイラ等を新たに一時的に導入して負荷を作り出していた。このときに導入されるボイラは調整運転のためだけに用いられるものなので、調整運転が終了した後には撤去される。これでは、ターボ冷凍機の導入コストが嵩んでしまう。したがって、低負荷でも継続して運転でき、別途ボイラを導入することなく調整運転ができるターボ冷凍機が望まれている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、例えば１０％負荷を下回る低負荷であっても継続して運転が可能な熱源機（ターボ冷凍機）を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の熱源機は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる熱源機は、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器によって凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器によって熱交換された冷水を外部負荷に対して供給する冷水往配管と、該冷水往配管を流れる冷水の冷水出口温度を測定する冷水出口温度測定手段と、前記外部負荷と熱交換を行い、前記蒸発器へと前記冷水を戻す冷水還配管と、該冷水還配管を流れる冷水の冷水入口温度を測定する冷水入口温度測定手段と、前記冷水出口温度が設定冷水出口温度となるように制御する制御部とを備え、該制御部は、前記冷水入口温度測定手段によって測定された冷水入口温度が前記設定冷水出口温度との間で所定温度差を形成する第１温度以下となった場合に、当該熱源機の停止および起動を繰り返して制御する低負荷モードを有する熱源機において、前記制御部は、前記冷水入口温度または前記冷水出口温度が前記第１温度よりも低い第２温度以下となった場合に当該熱源機を停止する停止制限モードを備えていることを特徴とする。

外部負荷が熱源機に対して要求する負荷が低下していくと、設定冷水出口温度と冷水入口温度との温度差が小さくなっていく。例えば、負荷１００％時に５℃の温度差（例えば設定冷水出口温度７℃に対して冷水入口温度１２℃）とされていた場合、負荷が低減して１０％となると、温度差が０．５℃となる。このように、負荷が低下して設定冷水出口温度と冷水入口温度との温度差が小さくなり、冷水入口温度が第１温度を下回ると、制御部は熱源機を一時的に停止し、また一時的に起動する運転を繰り返し、設定冷水出口温度を達成するように制御する。このように、低負荷となった場合に熱源機の停止起動を繰り返す低負荷モードを設け、低負荷に対応するようにする。
また、本発明では、冷水出口温度または冷水入口温度が第１温度よりも低い第２温度以下となった場合にのみ熱源機を停止する停止制限モードを設けている。この停止制限モードでは、冷水入口温度が第１温度を下回っても熱源機を停止させず、冷水入口温度または冷水出口温度が第２温度以下となった場合に初めて熱源機を停止させる。つまり、低負荷となっても熱源機が停止しにくく連続運転が可能なモードが達成される。これにより、冬季における熱源機導入時の調整運転であっても、低負荷モードによって停止してしまう負荷よりも大きな負荷を与えるためのボイラ等を別途設置する必要がなく、冬季における低負荷のままで調整運転が可能となる。

さらに、本発明の熱源機によれば、前記第２温度は、前記設定冷水出口温度よりも小さいことを特徴とする。

設定冷水出口温度よりも小さい第２温度を採用することにより、熱源機が低負荷時に停止することを実質的に回避できる。なぜなら、冷水出口温度は設定冷水出口温度となるように制御部によって制御されているので、現実には、冷水出口温度および冷水入口温度が設定冷水出口温度よりも小さくなることはないからである。ただし、冷水出口温度測定手段や冷水入口温度測定手段の計測誤差によって、これらの計測値が設定冷水出口温度を下回る場合があるので、この測定誤差を考慮して第２温度を決定することが好ましい。例えば、温度測定手段の誤差を０．２℃とした場合、冷水入口および冷水出口の両者を考慮すると最大で０．４℃の誤差が考えられるので、設定冷水出口温度が７℃であれば第２温度を６．５℃以下とするのが好ましい。

さらに、本発明の熱源機によれば、前記第２温度は、前記外部負荷が許容する最小温度以上とされていることを特徴とする。

一般に、外部負荷は設定冷水出口温度の冷水を要求するが、この設定冷水出口温度よりも低い温度（最小温度）まで許容する。したがって、第２温度は、この最小温度を考慮して決定される。これにより、低負荷であっても停止させられずに、可能な限り運転を継続することができる。

さらに、本発明の熱源機によれば、前記制御部は、前記低負荷モードと、前記停止制限モードとを択一的に切替可能とされていることを特徴とする。

低負荷モードと停止制限モードとを択一的に切替可能としているので、例えば、通常運転時には熱源機のオンオフ運転による低負荷運転が可能なように低負荷モードを設定し、熱源機導入時には調整運転が可能なように停止制限モードを設定することができる。
切替えは、熱源機の操作盤に物理的なスイッチを設け、このスイッチを作業者が操作することによって行うこととしても良い。また、中央制御室からの信号を受けて、遠隔操作によって切り替えることとしても良い。これらの場合、熱源機の制御盤に設けられたマイコンは、各モードの内部フラグを持ち替えるようにする。

さらに、本発明の熱源機によれば、前記制御部は、当該熱源機の運転中に、前記各モードを択一的に切替可能とされており、前記停止制限モードから前記低負荷モードへと切り替えた場合に、所定時間経過後に該低負荷モードを実行することを特徴とする。

冬場のように負荷が低い時期に、熱源機の停止を避けるために停止制限モードが選択されている場合、低負荷モードに切り替えると、冷水入口温度が第１温度を下回っているので、熱源機が突然停止するおそれがある。このような運転中における突然の停止を避けるために、停止制限モードから低負荷モードへと切り替えた場合であっても、所定時間経過後に低負荷モードを実行することとした。

さらに、本発明の熱源機によれば、前記凝縮器を流れる冷媒から凝縮熱を奪う冷却水を供給する冷却水供給手段を備え、前記制御部は、前記凝縮器に流れ込む前記冷却水の温度が所定値以下の場合に、前記停止制限モードが選択可能とすることを特徴とする。

凝縮器へ供給される冷却水の温度が高い場合は、凝縮器と蒸発器の差圧に相当する最小冷媒循環量以上が必要となり、冷媒循環量が少ない低負荷運転はそもそも成立しない。したがって、凝縮器に流れ込む冷却水の温度が所定値以下の場合に限り、停止制限モードが選択できることとした。

さらに、本発明の熱源機によれば、前記冷水出口温度測定手段および／または前記冷水入口温度測定手段は、前記冷水往配管および／または前記冷水還配管の同一横断面における同一半径位置に周方向に異なる位置に設けられた複数の温度センサを備え、前記制御部は、各前記温度センサの出力値の平均値を用いることを特徴とする。

冷水配管内を流れる冷水の温度は同一横断面でみると、周方向に温度分布を示す場合がある。これは、特に、冷水往配管が蒸発器に対して水平に接続されている場合、蒸発器内の冷媒液面が上下するため顕著である。本発明では、配管の同一横断面における同一半径位置に周方向に異なる位置に複数の温度センサを設け、これらの温度センサの出力値の平均値を用いることとしたので、現実に近い冷水温度を用いて評価することができる。

また、本発明の熱源システムは、上記のいずれかに記載された熱源機を複数備えていることを特徴とする。

熱源機を複数備えた熱源システムの場合には、外部負荷の要求に応じて、熱源機の台数を増減させる台数制御運転を行う。具体的には、負荷が小さい場合は１台目の熱源機を起動し、負荷の増大に応じて２台目、３台目といったように起動していき、複数台同時運転を行う。負荷が小さくなっていく場合は、負荷に応じて熱源機を停止させていき、起動台数を１台ずつ少なくしていく。このような熱源システムの場合、熱源機が停止制限モードと低負荷モードとを備えているので、低負荷時に最初に立ち上げられて最後に停止させられる１台目の熱源機に対しては停止制限モードを選択しておき、２台目以降に立ち上げられ１台目よりも先に停止させられる熱源機に対しては低負荷モードを選択しておく。これにより、減台運転のときには２台目以降の熱源機は低負荷モードによって速やかに停止させられ、最後に停止させられる１台目の熱源機は低負荷であっても停止制限モードによって停止しないように運転を継続することができる。これにより、円滑に減台運転が行われ、かつ、低負荷であっても停止しない熱源システムを実現することができる。

また、本発明の熱源機の制御方法は、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器によって凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器によって熱交換された冷水を外部負荷に対して供給する冷水往配管と、該冷水往配管を流れる冷水の冷水出口温度を測定する冷水出口温度測定手段と、前記外部負荷と熱交換を行い、前記蒸発器へと前記冷水を戻す冷水還配管と、該冷水還配管を流れる冷水の冷水入口温度を測定する冷水入口温度測定手段とを備え、前記冷水出口温度が設定冷水出口温度となるように制御し、前記冷水入口温度測定手段によって測定された冷水入口温度が前記設定冷水出口温度との間で所定温度差を形成する第１温度以下となった場合に、当該熱源機の停止および起動を繰り返して制御する低負荷モードを行う熱源機の制御方法において、前記冷水入口温度または前記冷水出口温度が前記第１温度よりも低い第２温度以下となった場合に当該熱源機を停止する停止制限モードを行うことを特徴とする。

外部負荷が熱源機に対して要求する負荷が低下していくと、設定冷水出口温度と冷水入口温度との温度差が小さくなっていく。例えば、負荷１００％時に５℃の温度差（例えば設定冷水出口温度７℃に対して冷水入口温度１２℃）とされていた場合、負荷が低減して１０％となると、温度差が０．５℃となる。このように、負荷が低下して設定冷水出口温度と冷水入口温度との温度差が小さくなり、冷水入口温度が第１温度を下回ると、熱源機を一時的に停止し、また一時的に起動する運転を繰り返し、設定冷水出口温度を達成するように制御する。このように、低負荷となった場合に熱源機の停止起動を繰り返す低負荷モードを設け、低負荷に対応するようにする。
また、本発明では、冷水出口温度または冷水入口温度が第１温度よりも低い第２温度以下となった場合にのみ熱源機を停止する停止制限モードを設けている。この停止制限モードでは、冷水入口温度が第１温度を下回っても熱源機を停止させず、冷水入口温度または冷水出口温度が第２温度以下となった場合に初めて熱源機を停止させる。つまり、低負荷となっても熱源機が停止しにくく連続運転が可能なモードが達成される。これにより、冬季における熱源機導入時の調整運転であっても、低負荷モードによって停止してしまう負荷よりも大きな負荷を与えるためのボイラ等を別途設置する必要がなく、冬季における低負荷のままで調整運転が可能となる。

冷水出口温度または冷水入口温度が第１温度よりも低い第２温度以下となった場合にのみ熱源機を停止する停止制限モードを設けたので、冷水入口温度が第１温度を下回っても熱源機を停止させず、冷水入口温度または冷水出口温度が第２温度以下となった場合に初めて熱源機を停止させ、低負荷となっても熱源機をなるべく停止させずに連続運転させることができる。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、本発明のターボ冷凍機（熱源機）１の概略構成が示されている。
図１に示されているように、ターボ冷凍機１は、冷媒を圧縮するターボ式の圧縮機３と、圧縮機３により圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器５と、凝縮器５によって凝縮された液冷媒を膨張させる膨張弁７と、膨張弁７によって膨張させられた冷媒を蒸発させる蒸発器９とを備えている。

圧縮機３は、遠心羽根車１０を備えたターボ式の遠心圧縮機とされ、電動モータによって回転駆動される。
圧縮機３の冷媒吸込口には、吸込冷媒の吸込量を調整する入口ベーン１２が設けられている。この入口ベーン１２の開度は、ターボ冷凍機１の制御部５０によって制御される。

凝縮器５は、シェル・アンド・チューブ式の熱交換器とされている。凝縮器５には、冷却水還配管５ａおよび冷却水往配管５ｂが接続されている。冷却水還配管５ａから凝縮器５内に流れ込んだ冷却水は、伝熱管１４内を通過してヘッダ１５で折り返した後、伝熱管１４を通過して冷却水往配管５ｂへと流出する。このように、冷却水とシェル内の冷媒とが熱交換を行い、冷媒から凝縮熱を除去する。なお、伝熱管１４は、図１では理解の容易のために単純な２本の配管としているが、実際にはシェル内全体に多数設けられた細管とされている（参考として、蒸発器９について示した図２参照）。冷却水配管５ａ，５ｂは、外部に設置された冷却塔６に接続されている。

膨張弁７は、凝縮器５と蒸発器９との間に設けられており、凝縮器５から供給される液冷媒を絞ることによって等エンタルピー膨張させるものである。
膨張弁７の開度は、ターボ冷凍機１の制御部５０によって制御されるようになっている。

蒸発器９は、シェル・アンド・チューブ式の熱交換器とされている。蒸発器９には、冷水還配管３４および冷水往配管３５が水平に接続されている。冷却水還配管３４から蒸発器９内に流れ込んだ冷水は、伝熱管３７内を通過してヘッダ３９で折り返した後、伝熱管３７を通過して冷水往配管３５へと流出する。なお、伝熱管３７は、図１では理解の容易のために単純な２本の配管としているが、実際には、図２に示したように、シェル内に多数設けられた細管とされている。このように、冷水とシェル内の冷媒とが熱交換を行い、冷媒が冷水から蒸発熱を奪うことによって冷水を冷却する。冷却された冷水は、冷水往配管３５を介して外部負荷１００へと送られ、外部負荷１００に対して冷熱を供給する。

冷水還配管３４の下流側には蒸発器９流入直前の冷水入口温度ＴＥ０を計測する複数の冷水入口温度センサ４０が、冷水往配管３５の上流側には蒸発器９流出直後の冷水出口温度ＴＥ’を計測する複数の冷水出口温度センサ４２が、それぞれ設けられている。温度センサとしては、ＪＩＳ Ａ級の測温抵抗体を用いることが好ましい。一般に、冷水入口温度ＴＥ０は１２℃に、冷水出口温度ＴＥ’は７℃に設定される。

図３には、冷水往配管３５の横断面が示されている。同図に示すように、冷水往配管３５の同一横断面には、４つの温度センサ４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄが設けられている。各温度センサ４２の先端の測温部は、同一半径位置に配置されており、それぞれが周方向に異なる位置に９０°間隔で設けられている。即ち、第１温度センサ４２ａが最下端の６時の位置に、第２温度センサ４２ｂが高さ方向における中間位置である９時の位置に、第３温度センサ４２ｃが最上端の１２時の位置に、第４温度センサ４２ｄが高さ方向における中間位置である３時の位置に設けられている。これら４つの温度センサ４２を用いて、冷水出口温度ＴＥ’を算出する。具体的には、４つの温度出力の算術平均を用いる。つまり、図４に示すように、第１温度センサ４２ａの温度出力をＴＥ１’、第２温度センサ４２ｂの温度出力をＴＥ２’
第３温度センサ４２ｃの温度出力をＴＥ３’ 第４温度センサ４２ｄの温度出力をＴＥ４’とすると、冷水出口温度ＴＥ’は、以下のように表される。
ＴＥ’＝（ＴＥ１’＋ＴＥ２’＋ＴＥ３’＋ＴＥ４’）／４
このように、複数の温度センサ４２の算術平均を用いることにより、冷水出口温度ＴＥ’の精度を上げることができる。なぜなら、上述のように、蒸発器９内には多数の伝熱管３７が設けられており（図２参照）、図１に示すように液冷媒の液位Ｌが蒸発器９内の全部を満たしておらず、また冷媒の液位Ｌが上下動することから、それぞれの伝熱管３７内を流れた後の冷水の温度は伝熱管３７の位置によって異なる。冷水は、合流した後に冷水往配管３５へと流されることになるので、十分に混ざっていない状態で冷水往配管３５に流れ込むことになる。したがって、冷水往配管３５に流れ込んだ直後の冷水は、同一横断面において温度分布を有することになる（図４参照）。したがって、本実施形態のように複数の温度センサを用いて算術平均値を用いることが有効となる。

さらに、冷水出口温度ＴＥ’の精度を上げるために、以下の補正を行っている。
図５に示すように、ターボ冷凍機１が停止している場合のように蒸発器９による熱交換が行われず冷水出口温度が定常状態になったときに、各温度センサ４２の指示値を取得する。そして、各温度センサの指示値と平均値ＴＥとの差をそれぞれ算出する。例えば、第１温度センサについては、△ＴＥ１＝ＴＥ１−ＴＥといった差分を算出する。定常状態であれば同一横断面における配管内の冷水温度に分布は生じず平均値と各温度センサの指示値とは一致するはずなので、この差分△ＴＥ１が平均値ＴＥに対する誤差といえる。したがって、この差分をターボ冷凍機１の制御部５０において補正する。例えば、制御部５０のマイコン盤には、温度センサの取付け状態によるドリフトを補正するオフセット値が設定可能となっているので、このオフセット値を上記差分に基づいて変更するようにする。このように、定常状態における温度センサの指示値を用いて各温度センサのオフセット値を補正することにより、冷水出口温度の精度を向上させることができる。

また、このような各温度センサのオフセット値の補正は、定期的に実施し、頻度による重み付けをする。例えば、過去１０回の計測のうち、直近の１回のみ特異な温度を出力したとしても、この１回のみの温度をそのまま採用するのではなく、過去１０回の温度をも考慮に入れる。例えば、過去１０回の平均値を採用するといったように頻度による重み付けを行う。さらに、異常なオフセット値（補正幅）とならないように、オフセット値の最大値（例えば１℃）を定めておき、この最大値を超えたオフセットは行わないようにする。これにより、温度センサ出力の大幅な変動を抑え計測精度を高めることができる。なお、このように定めたオフセット値の最大値を大幅に超える場合には、温度センサの異常として、爾後のセンシング対象から外すことが好ましい。

また、温度センサの過渡的な応答遅れを補償するために、一次遅れの時定数を予め把握しておき、この時定数を考慮して応答遅れによる誤差を補正しても良い。本実施形態のように、測温抵抗体を用いる場合には、過渡的な応答の際にはセンサ部の熱容量が無視できないので有効である。具体的には、温度センサ毎に、室温の温度センサを冷水または温水に浸漬させてステップ応答による温度履歴を計測し、実験により時定数を把握する。

また、本実施形態では、冷水入口温度ＴＥ０の精度を上げるために、冷水還配管３４にも４本の温度センサ４０を設けている（図１参照）。これは、外部負荷１００から戻される冷水にも同一横断面内で温度分布が生じるおそれがある場合に有効である。温度センサ４０の設置位置は、図３と同様に、同一横断面内で周方向に９０°ずつ角度をずらして設置することが好ましい。

図６には、図１に示したターボ冷凍機１の冷媒回路構成が示されている。
同図には、図１にて図示を省略したホットガスバイパス管４５が示されている。ホットガスバイパス管４５は、圧縮機３の吐出側と圧縮機３の吸込側との間に設けられている。ホットガスバイパス管４５には、冷媒流量を調整するためのホットガスバイパス弁４５ａが設けられている。このホットガスバイパス弁４５ａによって流量が調整された高温高圧の吐出冷媒が、圧縮機３の吸込側へとバイパスされるようになっている。ホットガスバイパス弁４５ａの開度は、ターボ冷凍機１の制御部５０によって調整される。

次に、上記構成のターボ冷凍機１の動作について説明する。
圧縮機３は、電動モータによって駆動され、所定周波数で回転させられる。入口ベーン１２は、制御部５０によって、設定温度（例えば、冷水出口温度７℃）を達成するようにその開度が調整される。
また、圧縮機３から吐出された高温高圧のガス冷媒は、その一部がホットガスバイパス管４５を通りホットガスバイパス弁４５ａで冷媒流量が調整された後、圧縮機３へと導かれるようになっている。

蒸発器９から吸い込まれた低圧ガス冷媒は、圧縮機３によって圧縮され、高圧ガス冷媒となる。圧縮機３から吐出された高圧ガス冷媒は、凝縮器５へと導かれる、
凝縮器５において、冷却塔６（図１参照）から冷却水配管５ａ，５ｂを介して導かれる冷却水によって高圧のガス冷媒は略等圧に冷却され、高圧の液冷媒となる。高圧の液冷媒は、膨張弁７へと導かれ、この膨張弁７によって等エンタルピー膨張させられる。このように膨張させられた冷媒は、蒸発器９において蒸発し、伝熱管３７内を流れる冷水から熱を奪う。これにより、冷水還配管３４から１２℃で流入した冷水は、７℃まで冷却され、冷水往配管３５を介して外部負荷側に返送される。このとき、冷水出口温度および冷水入口温度は、それぞれ温度センサ４０，４２によって計測され、この計測値に基づいて制御部５０は、入口ベーン１２、膨張弁７、ホットガスバイパス弁４５ａ等の開度を制御する。温度センサ４０，４２の計測値は、上述のように、算術平均され、この平均値が制御部５０にて用いられる。
蒸発器９において蒸発した低圧ガス冷媒は、圧縮機３へと導かれ、再び圧縮される。

次に、図７を用いて、冬季のように負荷が小さいときのターボ冷凍機１の運転方法について説明する。
ターボ冷凍機１の制御部５０には、後述する低負荷モードと停止制限モードとを切り替える物理的なスイッチが設けられている。このスイッチは、作業者によって切り替えられる。このスイッチの設定により、低負荷時であっても停止させたくない場合は停止制限モードを選択し、低負荷時に停止させたい場合は低負荷モードを選択する。なお、物理的なスイッチに代えて、ターボ冷凍機１を含むシステムを統合制御する中央制御室からの信号を受けて、遠隔操作によって切り替えることとしても良い。

先ず、低負荷モードを説明する。
ターボ冷凍機１の負荷が小さくなっていき（ステップＳ０）、制御部５０にて低負荷モードが選択されている場合には（ステップＳ１における「NO」）、ステップＳ１０へと進む。そして、ステップＳ１２では、所定時間が経過したか否かを判定する。これにより、低負荷モードに移行した直後にターボ冷凍機１が停止してしまうことを防止する。例えば、冬季から夏季に移行する際に、停止制限モードから低負荷モードに切り替える場合、作業者は機側に設けられた参照用の温度計をみて冷水入口温度が十分に高くなったと判断して制御部５０のスイッチを切り替える場合がある。このとき、機側の温度計は第１温度（後述するステップＳ１４参照）を上回っていても、制御部５０で把握している温度センサ４０による温度は第１温度よりも低い場合が想定される。なぜなら、本実施形態では図１に示したように複数の温度センサを用いて高い精度で冷水入口温度を測定しているので、機側の比較的精度の低い温度計と偏差が大きくなっていることが十分に考えられるからである。このような場合には、制御部５０のスイッチを切り替えた直後にターボ冷凍機１が停止してしまう。この事態を回避するために、ステップＳ１２にて所定時間待機するようにしている。

ステップＳ１２にて所定時間経過した後、ステップＳ１４へと進み、温度センサ４０によって計測される冷水入口温度が第１温度を下回っているか否かを判定する。第１温度は、外部負荷が要求する冷水温度に対応する設定冷水出口温度Ｔoutsetよりも高い温度で、かつ、温度センサの誤差を超えた範囲で設定する。例えば、設定冷水出口温度Ｔoutsetが７℃の場合、温度センサの誤差が０．４℃とすると、第１温度は７．５℃に設定される。なお、この第１温度は、任意に変更できるようにしても良い。

冷水入口温度が第１温度を下回っている場合には、ステップＳ１６へと進み、ターボ冷凍機１を停止する。冷水入口温度が第１温度を下回っているということは、温度センサの誤差の範囲内での制御を強いられることになるので、ターボ冷凍機１を一時停止する制御を行う。そして、冷水入口温度が第１温度以上に設定された所定値を上回った場合に（ステップＳ１８）、ステップＳ２０へと進み、再びターボ冷凍機１を起動する。そして、冷水入口温度が第１温度を下回るまで（ステップＳ１４）、再び運転を継続する。低負荷モードでは、このように停止起動を繰り返すことにより、低負荷での運転を行う。

次に、停止制限モードを説明する。
ターボ冷凍機１の負荷が小さくなっていき（ステップＳ０）、制御部５０にて停止制限モードが選択されている場合には（ステップＳ１）、制御部５０は、冷却水還配管５ａに設けた温度センサ（図示せず）によって得られる冷却水温度が１５℃を下回っているか否かを判定する。冷却水温度１５℃以上の場合には、次のステップＳ５には進まない。これは、冷却水温度が１５℃以上の場合には、一定以上の負荷がターボ冷凍機１に要求されていると考えられるので、このような場合には停止制限モードを行わないようにする。これにより、低負荷でないにもかかわらずターボ冷凍機１が停止してしまう事態を回避する。なお、冷却水温度の閾値である１５℃は、他の温度を用いてもよく、任意に変更できるものである。

ステップＳ３にて、冷却水温度が１５℃を下回っていると判断すると、ステップＳ５に進み、冷水出口温度センサ４２によって得られた冷水出口温度または冷水入口温度センサ４０によって得られた冷水入口温度が第２温度を下回っているか否かを判定する。この第２温度は、第１温度よりも小さい温度が設定される。これにより、低負荷モードでは冷水入口温度が第１温度を下回ると停止してしまう場合であっても、停止制限モードでは停止せず、運転が継続される制御が実現される。また、停止制限モードでは、冷水出口温度が第２温度を下回った場合にも停止する制御としているが、これは、設定冷水出口温度Ｔoutsetに対して温度センサの誤差を考慮した第１温度よりも低い第２温度の範囲に入ってくると、温度センサの誤差範囲内での計測値となるため、冷水入口温度だけでなく冷水出口温度も第２温度を下回る可能性が考えられるからである。

また、第２温度は、設定冷水出口温度Ｔoutsetよりも小さい温度とされている。これにより、ターボ冷凍機１が低負荷時に停止することを実質的に回避できる。なぜなら、冷水出口温度は設定冷水出口温度Ｔoutsetとなるように制御部５０によって制御されているので、現実には、冷水出口温度および冷水入口温度が設定冷水出口温度Ｔoutsetよりも小さくなることはないからである。ただし、温度センサの計測誤差によって、これらの計測値が設定冷水出口温度Ｔoutsetを下回る場合があるので、この測定誤差を考慮して第２温度を決定することが好ましい。例えば、温度センサの誤差を０．２℃とした場合、冷水入口および冷水出口の両者を考慮すると最大で０．４℃の誤差が考えられるので、設定冷水出口温度Ｔoutsetが７℃であれば第２温度を６．５℃以下とするのが好ましい。

また、第２温度は、外部負荷が許容する最小温度以上とされている。一般に、外部負荷は、設定冷水出口温度Ｔoutsetを要求するが、この設定冷水出口温度Ｔoutsetよりも低い最小温度まで許容する設計となっている。この最小温度以上で、なるべく最小温度に近い温度を第２温度とすれば、さらにターボ冷凍機１が停止せずに継続運転できる制御が実現される。例えば、最小温度が５℃の場合には、第２温度も５℃とする。

ステップＳ５にて、冷水出口温度または冷水入口温度が第２温度を下回っていると判断した場合には、ターボ冷凍機１は停止される。冷水出口温度または冷水入口温度が第２温度を下回っている場合には、負荷が限りなく０％に近いことを意味するので、ターボ冷凍機１を停止することとする。

上述のターボ冷凍機によれば、以下の作用効果を奏する。
冷水出口温度または冷水入口温度が第１温度よりも低い第２温度以下となった場合にのみターボ冷凍機１を停止する停止制限モードを設けたので、冷水入口温度が第１温度を下回ってもターボ冷凍機１を停止させず、冷水入口温度または冷水出口温度が第２温度以下となった場合に初めてターボ冷凍機１を停止させる制御が実現される。つまり、低負荷となってもターボ冷凍機１が停止しにくいモードが達成される。これにより、冬季におけるターボ冷凍機１の導入時の調整運転であっても、ターボ冷凍機１が低負荷モードによって停止してしまう負荷よりも大きな負荷を与えるためのボイラ等を別途設置する必要がない。したがって、冬季であっても低負荷での継続運転が可能となり、コストのかからない調整運転が可能となる。
また、負荷が小さい運転初期であっても、低負荷モードによってターボ冷凍機１の起動停止を繰り返す運転を回避することができる。

また、本実施形態のターボ冷凍機１を複数備えた熱源システムの場合には、外部負荷の要求に応じて、ターボ冷凍機１の台数を増減させる台数制御運転を行う。具体的には、負荷が小さい場合は１台目のターボ冷凍機１を起動し、負荷の増大に応じて２台目、３台目といったように起動していき、複数台同時運転を行う。負荷が小さくなっていく場合は、負荷に応じてターボ冷凍機１を停止させていき、起動台数を１台ずつ少なくしていく。このような熱源システムの場合、ターボ冷凍機１の制御部５０のスイッチによって、停止制限モードと低負荷モードとを切り替えることができるので、低負荷時に最初に立ち上げられて最後に停止させられる１台目のターボ冷凍機１に対しては停止制限モードを選択しておき、２台目以降に立ち上げられ１台目よりも先に停止させられるターボ冷凍機１に対しては低負荷モードを選択しておく。これにより、減台運転のときには２台目以降のターボ冷凍機１は低負荷モードによって速やかに停止させられ、最後に停止させられる１台目のターボ冷凍機１は低負荷であっても停止制限モードによって停止しないように運転を継続することができる。これにより、円滑に減台運転が行われ、かつ、低負荷であっても停止しない熱源システムを実現することができる。

なお、本実施形態では、冷凍運転を専ら行うターボ冷凍機１について説明したが、ヒートポンプ運転を備えたヒートポンプ式ターボ冷凍機であっても本発明を適用することができる。
また、熱源機としては、ターボ冷凍機を例として説明したが、他の形式の熱源機でも良く、例えばスクリューチラーであっても良い。

本発明の一実施形態にかかるターボ冷凍機を示した概略図である。 図１の蒸発器の横断面を示した断面図である。 図１の冷水往配管の横断面を示した断面図である。 図１の各冷水出口温度センサの指示値を時間に対して示したグラフである。 図１の各冷水出口温度センサの定常状態における指示値を時間に対して示したグラフである。 図１のターボ冷凍機の冷媒回路構成を示した概略図である。 低負荷モードおよび停止制限モードを示したフローチャートである。

符号の説明

１ ターボ冷凍機（熱源機）
３ 圧縮機
５ 凝縮器
７ 膨張弁
９ 蒸発器
３４ 冷水還配管
３５ 冷水往配管
４０ 冷水入口温度センサ
４２ 冷水出口温度センサ
５０ 制御部

Claims (9)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   該圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、
   該凝縮器によって凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、
   該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   該蒸発器によって熱交換された冷水を外部負荷に対して供給する冷水往配管と、
   該冷水往配管を流れる冷水の冷水出口温度を測定する冷水出口温度測定手段と、
   前記外部負荷と熱交換を行い、前記蒸発器へと前記冷水を戻す冷水還配管と、
   該冷水還配管を流れる冷水の冷水入口温度を測定する冷水入口温度測定手段と、
   前記冷水出口温度が設定冷水出口温度となるように制御する制御部とを備え、
   該制御部は、前記冷水入口温度測定手段によって測定された冷水入口温度が前記設定冷水出口温度との間で所定温度差を形成する第１温度以下となった場合に、当該熱源機の停止および起動を繰り返して制御する低負荷モードを有する熱源機において、
   前記制御部は、前記冷水入口温度または前記冷水出口温度が前記第１温度よりも低い第２温度以下となった場合に当該熱源機を停止する停止制限モードを備えていることを特徴とする熱源機。
2. 前記第２温度は、前記設定冷水出口温度よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の熱源機。
3. 前記第２温度は、前記外部負荷が許容する最小温度以上とされていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱源機。
4. 前記制御部は、前記低負荷モードと、前記停止制限モードとを択一的に切替可能とされていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の熱源機。
5. 前記制御部は、当該熱源機の運転中に、前記各モードを択一的に切替可能とされており、前記停止制限モードから前記低負荷モードへと切り替えた場合に、所定時間経過後に該低負荷モードを実行することを特徴とする請求項４記載の熱源機。
6. 前記凝縮器を流れる冷媒から凝縮熱を奪う冷却水を供給する冷却水供給手段を備え、
   前記制御部は、前記凝縮器に流れ込む前記冷却水の温度が所定値以下の場合に、前記停止制限モードが選択可能とすることを特徴とする請求項４又５に記載の熱源機。
7. 前記冷水出口温度測定手段および／または前記冷水入口温度測定手段は、前記冷水往配管および／または前記冷水還配管の同一横断面における同一半径位置に周方向に異なる位置に設けられた複数の温度センサを備え、
   前記制御部は、各前記温度センサの出力値の平均値を用いることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の熱源機。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載された熱源機を複数備えていることを特徴とする熱源システム。
9. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   該圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、
   該凝縮器によって凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、
   該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   該蒸発器によって熱交換された冷水を外部負荷に対して供給する冷水往配管と、
   該冷水往配管を流れる冷水の冷水出口温度を測定する冷水出口温度測定手段と、
   前記外部負荷と熱交換を行い、前記蒸発器へと前記冷水を戻す冷水還配管と、
   該冷水還配管を流れる冷水の冷水入口温度を測定する冷水入口温度測定手段とを備え、
   前記冷水出口温度が設定冷水出口温度となるように制御し、
   前記冷水入口温度測定手段によって測定された冷水入口温度が前記設定冷水出口温度との間で所定温度差を形成する第１温度以下となった場合に、当該熱源機の停止および起動を繰り返して制御する低負荷モードを行う熱源機の制御方法において、
   前記冷水入口温度または前記冷水出口温度が前記第１温度よりも低い第２温度以下となった場合に当該熱源機を停止する停止制限モードを行うことを特徴とする熱源機の制御方法。

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