JP2008121451A - ターボ冷凍機およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い効率を有する２段ターボ圧縮機を備えたターボ冷凍機を提供する。
【解決手段】 第１羽根車の第１入口ベーンおよび第２羽根車の第２入口ベーンの開度を制御する制御部を備えたターボ冷凍機において、制御部は、従属モード優先領域Ａにて第１入口ベーンに従属させて第２入口ベーンを動作させる従属モードと、独立モード優先領域Ｂにて第１入口ベーンとは独立に第２入口ベーンの開度を増大させる独立モードとを備えていることを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、冷媒を２段で圧縮するターボ圧縮機を備えたターボ冷凍機およびその制御方法に関するものである。

ターボ冷凍機の冷媒圧縮機に用いられるターボ圧縮機として、冷媒を２段で圧縮する２段ターボ圧縮機が多用されている。２段ターボ圧縮機は、第１羽根車と、この第１羽根車の下流に位置する第２羽根車とを備えている。このような、２段ターボ圧縮機には、各羽根車の冷媒吸込口にそれぞれ第１入口ベーンおよび第２入口ベーンを備えたものがある（特許文献１参照）。一般に、第２入口ベーンの開度は、第１入口ベーンの開度と同等またはそれ以上として、リンク機構等によって第１入口ベーンの開度に従属させている。

特開２００３−３０７１９７号公報（段落［００２５］及び図２）

近年の省エネルギー化の要請により、ターボ冷凍機のＣＯＰ（成績係数）向上のため、ターボ圧縮機の高効率化が要求されている。
そこで、本発明者等は、２段圧縮ターボ圧縮機を効率の観点から検討し、第２入口ベーンの開度を第１入口ベーンの開度に従属させた方が効率が良い場合と、第２入口ベーンの開度を第１入口ベーンとは独立に制御して第２入口ベーンの開度を開けた方が効率が良い場合が存在することを見出した。

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、高い効率を有する２段ターボ圧縮機を備えたターボ冷凍機およびその制御方法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、本発明のターボ冷凍機およびその制御方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるターボ冷凍機は、第１羽根車および該第１羽根車の下流に位置する第２羽根車を備えて冷媒を２段で圧縮するターボ圧縮機と、該ターボ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を備え、前記ターボ冷凍機の前記第１羽根車および前記第２羽根車の冷媒吸込口には、それぞれ、吸い込まれる冷媒ガスの羽根車への流入角度を変えることによりガス流量を調整する第１入口ベーンおよび第２入口ベーンが設けられ、これら第１入口ベーンおよび第２入口ベーンの開度を制御する制御部を備えたターボ冷凍機において、前記制御部は、前記第１入口ベーンに従属させて前記第２入口ベーンを動作させる従属モードと、前記第１入口ベーンとは独立に前記第２入口ベーンの開度を増大させる独立モードとを備えていることを特徴とする。

本発明者等は鋭意検討した結果、第１羽根車および第２羽根車を備えた２段圧縮のターボ圧縮機では、第１入口ベーンとは独立に第２入口ベーンの開度を増大させる独立モードよりも、第１入口ベーンに従属させて第２入口ベーンを動作させる従属モードの方が効率が良い運転範囲が存在し、一方、従属モードよりも独立モードの方が効率が良い運転範囲が存在することを見出した。そこで、制御部によって従属モードと独立モードとを使い分けることとし、幅広い運転範囲において効率が良い運転を選択できることとした。
なお、従属モードの場合、第２入口ベーンの開度は、第１入口ベーンの開度と同等またはそれ以上とするのが好ましい。
また、独立モードの場合、第２入口ベーンの開度は、従属モード時の第２ベーン入口開度よりも大きくなるように制御され、さらには、第１羽根車のみで冷媒吸込量を調整するように第２入口ベーンを無効化する程度に該第２入口ベーンの開度を大きく開けることが好ましい。

さらに、本発明のターボ冷凍機によれば、前記制御部は、運転時に、前記凝縮器における凝縮圧力および前記蒸発器における蒸発圧力に基づいて決定される第１変数を運転時第１変数として演算し、かつ、前記独立モードよりも前記従属モードの方が前記ターボ圧縮機の効率が良い従属モード優先領域と、前記従属モードよりも前記独立モードの方が前記ターボ圧縮機の効率が良い独立モード優先領域とが区別される第１変数を分岐第１変数として備え、前記運転時第１変数と前記分岐第１変数とを比較することにより、前記従属モードおよび前記独立モードを切り替えることを特徴とする。

本発明者等は、前記独立モードよりも前記従属モードの方が前記ターボ圧縮機の効率が良い従属モード優先領域と、前記従属モードよりも前記独立モードの方が前記ターボ圧縮機の効率が良い独立モード優先領域とは、凝縮圧力および蒸発圧力に基づいて決定される第１変数によって区別できることを見出した。そこで、制御部は、凝縮圧力および蒸発圧力に基づいて決定される第１変数を運転時に演算し、運転時第１変数として得ておき、この運転時第１変数と分岐第１変数とを比較することにより、各モードを切り替えることとした。第１変数は、圧力センサを用いて正確な測定が可能な凝縮圧力および蒸発圧力から得られる変数なので、精度良い制御が可能となる。特に、第１変数として圧力変数を用いれば、圧力変数は凝縮圧力、蒸発圧力および吸込冷媒の飽和ガス音速で決まるので、さらに精度良く求めることができる。
なお、中間冷却器を備えたターボ冷凍機の場合には、さらに中間冷却器の圧力である中間圧力を用いても良い。

さらに、本発明のターボ冷凍機によれば、前記制御部は、前記ターボ圧縮機の回転数毎に、前記第１入口ベーン及び前記第２入口ベーンの１００％開度においてサージが生じる圧力変数を１００％開度サージ圧力変数として備え、前記第１変数は、前記ターボ冷凍機の所定回転数における圧力変数を、該所定回転数に対応する前記１００％開度サージ圧力変数で除した値とされていることを特徴とする。

第１入口ベーンおよび第２入口ベーンが１００％開度のときのサージ圧力変数を用いることとしたので、サージ圧力変数が一意に決まり、各入口ベーンが他の開度のときのサージ圧力変数を用いる場合よりも基準が明確になる。また、所定回転数における圧力変数を、該所定回転数に対応する１００％開度圧力変数で除することにより規格化された第１変数を得ることとしたので、回転数に依存しない第１変数を使用することができる。したがって、この第１変数で制御することにより、ターボ圧縮機の回転数が異なっても、同一の基準の分岐第１変数で制御でき、簡便で高応答の制御が実現される。

また、本発明のターボ冷凍機の制御方法は、第１羽根車および該第１羽根車の下流に位置する第２羽根車を備えて冷媒を２段で圧縮するターボ圧縮機と、該ターボ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を備え、前記ターボ冷凍機の前記第１羽根車および前記第２羽根車の冷媒吸込口には、それぞれ、吸込冷媒流量を調整する第１入口ベーンおよび第２入口ベーンが設けられ、これら第１入口ベーンおよび第２入口ベーンの開度を制御するターボ冷凍機の制御方法において、前記第１入口ベーンに従属させて前記第２入口ベーンを動作させる従属モードと、前記第１入口ベーンとは独立に前記第２入口ベーンの開度を増大させる独立モードとが切替可能とされていることを特徴とする。

本発明者等は鋭意検討した結果、第１羽根車および第２羽根車を備えた２段圧縮のターボ圧縮機では、第１入口ベーンとは独立に第２入口ベーンの開度を増大させる独立モードよりも、第１入口ベーンに従属させて第２入口ベーンを動作させる従属モードの方が効率が良い運転範囲が存在し、一方、従属モードよりも独立モードの方が効率が良い運転範囲が存在することを見出した。そこで、制御部によって従属モードと独立モードとを使い分けることとし、幅広い運転範囲において効率が良い運転を選択できることとした。
また、独立モードの場合、第２入口ベーンの開度は、従属モード時の第２ベーン入口開度よりも大きくなるように制御され、さらには、第１羽根車のみで冷媒吸込量を調整するように第２入口ベーンを無効化する程度に該第２入口ベーンの開度を大きく開けることが好ましい。

従属モードと独立モードとを使い分けて第１入口ベーンおよび第２入口ベーンの開度を制御することにより、幅広い運転範囲において効率が良いターボ圧縮機の運転を選択できる。したがって、省エネルギーに適したCOPが高いターボ冷凍機およびその制御方法を提供することができる。

［第１実施形態］
以下に、本発明の第１実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、２段ターボ圧縮機を用いたターボ冷凍機の概略構成図が示されている。同図に示されたターボ冷凍機１は、２段圧縮２段膨張のサイクルを構成している。

ターボ冷凍機１は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機３と、圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器５と、冷媒を蒸発させる蒸発器６と、凝縮器５と蒸発器６との間に設けられた中間冷却器７とを備えている。また、中間冷却器７と凝縮器５との間の冷媒配管には第１膨張弁９が、中間冷却器７と蒸発器６との間の冷媒配管には第２膨張弁１０が、それぞれ設けられている。

ターボ圧縮機３は、高圧力比が得られる遠心圧縮機となっている。
ターボ圧縮機３は、電動モータ２７と、増速機２８と、この増速機２８の出力側に設けられた第１羽根車３０及び第２羽根車３２とを備えている。

電動モータ２７は、インバータ電源により駆動される場合と系統電力（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）により駆動される場合があり、インバータ電源により駆動される場合はターボ冷凍機１の制御部２０によって周波数制御されるようになっている。これにより、電動モータ２７のモータ軸が所望の回転数で駆動される。系統電力により駆動される場合は回転数は一定となる。
増速機２８は、電動モータ２７と羽根車３０，３２との間に設けられ、電動モータ２７のモータ軸の回転数を増速させる。

第１羽根車３０及び第２羽根車３２は、冷媒流路上に直列に接続されており、第１羽根車３０によって圧縮された後に第２羽根車３２によってさらに圧縮されるようになっている。中間冷却器７からのガス冷媒は、第１羽根車３０と第２羽根車３２との間（中間段）に導入される。
第１羽根車３０の冷媒吸込口には、吸込冷媒流量を調整する第１入口ベーン３０ａが設けられ、また、第２羽根車３２の冷媒吸込口には、吸込冷媒流量を調整する第２入口ベーン３２ａが設けられている。第１入口ベーン３０ａ及び第２入口ベーン３２ａは、それぞれ、モータ３０ｂ，３２ｂによって駆動されるようになっている。各モータ３０ｂ，３２ｂは、ターボ冷凍機１の制御部２０によって制御される。第１入口ベーン３０ａの開度は、蒸発器６によって冷却された後の冷水出口温度が所望温度となるように制御される。第２入口ベーン３２ａは、第１入口ベーン３０ａと同等またはそれ以上の開度で従属して制御される（従属モード）、または、第１入口ベーン３０ａの開度とは独立して、従属モード時の第２入口ベーン開度よりも大きい開度で制御される（独立モード）。

凝縮器５は、例えばフィン・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、冷却水配管１２が接続されており、この冷却水配管１２によって供給される冷却水により凝縮熱が除去される。凝縮器５には、凝縮圧力Ｐ_Ｃを計測するための凝縮圧力センサ５ｓが設けられている。凝縮圧力センサ５ｓの出力は、制御部２０へと送信される。

蒸発器６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６には、冷水配管１１が接続されており、この冷水配管１１内を流れる水とシェル内の冷媒とが熱交換を行う。冷水配管１１は、外部負荷（図示せず）と接続されている。一般に、冷房時の冷水入口温度は１２℃に、冷水出口温度は７℃に設定される。蒸発器６には、蒸発圧力Ｐ_Ｅを計測するための蒸発圧力センサ６ｓが設けられている。蒸発圧力センサ６ｓの出力は、制御部２０へと送信される。

中間冷却器７は、凝縮器５と蒸発器６との間に設けられ、第１膨張弁９で膨張した冷媒液がガスと液が気液分離するのに十分な内容積となっている。中間冷却器７には、中間圧力Ｐ_Ｍを計測するための中間圧力センサ７ｓが設けられている。中間圧力センサ７ｓの出力は、制御部２０へと送信される。
中間冷却器７には、第１羽根車３０と第２羽根車３２との間に接続される中間圧冷媒配管７ａが接続されている。中間圧冷媒配管７ａの下端（冷媒流れの上流端）は、中間冷却器７内の上方空間に位置しており、中間冷却器７内のガス冷媒を吸い込むようになっている。
中間冷却器７では、凝縮器５からの高圧液冷媒が蒸発するようになっており、この蒸発潜熱によって中間圧冷媒配管７ａを介して蒸発器６へと導かれる液冷媒が冷却される。そして、蒸発して飽和温度付近となったガス冷媒は、第１羽根車３０によって低圧から中間圧まで圧縮されたガス冷媒と混合され、第２羽根車３２によって中間圧から圧縮されるガス冷媒を冷却している。

第１膨張弁９は、凝縮器５と中間冷却器７との間に設けられており、液冷媒を絞ることによって等エンタルピ膨張させるものである。
第２膨張弁１０は、蒸発器６と中間冷却器７との間に設けられており、液冷媒を絞ることによって等エンタルピ膨張させるものである。
第１膨張弁９および第２膨張弁１０は、それぞれ、ターボ冷凍機１の制御部２０によってその開度が制御されるようになっている。

制御部２０は、ターボ冷凍機１の制御盤内の制御基板に設けられており、ＣＰＵおよびメモリを備えている。制御部２０は、外気温、冷媒圧力、冷温水出入口温度等に基づき制御周期ごとにデジタル演算により各制御量を算出するようになっている。
また、制御部２０は、各演算量に基づいて、冷水出口温度が設定温度となるようにターボ圧縮機３の第１入口ベーン３０ａの開度を制御する。また、制御部２０は、後述する従属モードおよび独立モードに応じて、第２入口ベーンの開度を制御する。

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。
ターボ圧縮機３は、電動機２７によって駆動され、制御部２０によるインバータ制御により所定周波数で回転させられる。第１入口ベーン３０ａは、制御部２０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ている。第２入口ベーン３２ａは、制御部２０によって、後に詳述する従属モードまたは独立モードが選択され、各モードに応じた開度に設定されている。

蒸発器６から吸い込まれた低圧のガス冷媒（図２の状態Ａ）は、ターボ圧縮機３によって圧縮され、中間圧まで圧縮される（図３の状態Ｂ）。中間圧まで圧縮されたガス冷媒は、中間圧冷媒配管７ａから流入する中間圧のガス冷媒によって冷却される（図３の状態Ｃ）。中間圧のガス冷媒によって冷却されたガス冷媒は、ターボ圧縮機３によって更に圧縮され高圧のガス冷媒となる（図３の状態Ｄ）。

ターボ圧縮機３から吐出された高圧のガス冷媒は、冷媒配管１９ａを通り、凝縮器５へと導かれる、
凝縮器５において、冷却水配管１２によって供給さ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（図３の状態Ｅ）。高圧の液冷媒は、冷媒配管１９ｂを通り第１膨張弁９へと導かれ、この第１膨張弁９によって等エンタルピ的に中間圧まで膨張させられる（図３の状態Ｆ）。中間圧まで膨張させられた冷媒は、冷媒配管１９ｃを介して中間冷却器７へと導かれる。中間冷却器７において、一部の冷媒は蒸発し（図３の状態Ｆから状態Ｃ）、中間圧冷媒配管７ａを介してターボ圧縮機３の中間段へと導かれる。中間冷却器７において蒸発せずに凝縮したままの液冷媒は、中間冷却器７内に貯留される。中間冷却器７内に貯留された中間圧の液冷媒は、冷媒配管１９ｄを介して第２膨張弁１０へと導かれる。中間圧の液冷媒は、第２膨張弁１０によって等エンタルピ的に低圧まで膨張させられる（図３の状態Ｇ）。
低圧まで膨張させられた冷媒は、蒸発器６において蒸発し（図３の状態Ｇから状態Ａ）、冷水配管１１内を流れる冷水から熱を奪う。これにより、１２℃で流入した冷水は７℃で外部負荷側に返送されることになる。
蒸発器６において蒸発した低圧のガス冷媒は、ターボ圧縮機３の低圧段へと導かれ、再び圧縮される。

次に、第１入口ベーン３０ａおよび第２入口ベーン３２ａを制御する方法について説明する。ターボ冷凍機１の制御部２０は、ターボ圧縮機３の運転状態に応じて従属モードまたは独立モードを選択し、各モードに応じた開度が各入口ベーン３０ａ，３２ａに与えられる。従属モードでは、第１入口ベーン３０ａの開度に従属して第２入口ベーン３２ａの開度が決定される。例えば、第１入口ベーン３０ａの開度と同等の開度となるように第２入口ベーン３２ａの開度が決定される。あるいは、第１入口ベーン３０ａの開度と比例関係をなすような開度となるように第２入口ベーン３２ａの開度が決定される。ただし、第２入口ベーン３２ａの開度が第１入口ベーン３０ａの開度よりも小さい場合には、ターボ冷凍機１の運転が不安定となるので、第２入口ベーン３２ａの開度は、第１入口ベーン３０ａの開度と同等またはそれ以上に設定される。

一般には、入口ベーンの開度が大きい領域（例えば７０％開度以上）では、従属モードの方が風量（ターボ圧縮機の能力に相当）に対する分解能が高いので、基本運転モードとしては従属モードが選択される。そして、従属モードよりも独立モードの方がターボ圧縮機３の効率が高い運転領域では、独立モードを選択し、第２入口ベーン３２ａの開度を、従属モード時の開度よりも大きくなるように制御する。

図３には、従属モードと独立モードとを切り替える考え方が示されている。
同図において、横軸は流量変数θ（無次元数）、縦軸は圧力変数Ω（無次元数）を示す。
流量変数θは、
θ＝Ｑ／（ａ×Ｄ^２） ・・・（１）
として表される。ここで、Ｑは風量（ｍ^３／ｓ）、ａは吸込冷媒の飽和ガス音速（ｍ／ｓ）、Ｄは羽根車３０，３２の外径（ｍ）である。
また、圧力変数（第１変数）Ωは、
Ω＝（ｈ１＋ｈ２）×ｇ／（ａ^２） ・・・（２）
として表される。ここで、ｈ１は第１羽根車３０におけるエンタルピ落差（図２参照）、ｈ２は第２羽根車３２におけるエンタルピ落差（図２参照）、ｇは重力加速度である。なお、エンタルピ落差ｈ１，ｈ２は、図２から理解されるように、蒸発圧力Ｐ_Ｅ、中間圧力Ｐ_Ｍ及び凝縮圧力Ｐ_Ｃからそれぞれ等エントロピー圧縮に従い得ることができる。

図３に示した破線は、サージが発生するサージ限界線Ｓである。また、Ｌ１は、第１入口ベーン３０ａ及び第２入口ベーン３２ａの開度がともに１００％のときの運転曲線である。図３に示すように、ある回転数の下で、従属モードのターボ圧縮機の効率と独立モードの効率とを計測し、いずれのモードの方が効率が良いかについて検討すると、分岐線Ｌ２よりも下の領域すなわち分岐線Ｌ２よりも圧力変数が低く、流量変数が高い領域では、従属モードの効率が独立モードの効率よりも高く、分岐線Ｌ２よりも上の領域すなわち分岐線Ｌ２よりも圧力変数が高く、流量変数が低い領域では、独立モードの効率が従属モードの効率よりも高くなることを見出した。そこで、分岐線Ｌ２よりも下の領域を従属モード優先領域Ａとし、分岐線Ｌ２よりも上の領域を独立モード優先領域Ｂとして、入口ベーン３０ａ，３２ａの開度を制御することとする。

次に、具体的な入口ベーン３０ａ，３２ａの開度の決定の仕方について説明する。
図４に示すように、ターボ圧縮機３の特性として、吸込冷媒のマッハ数Ｍ１，Ｍ２・・・ごとに、運転曲線が異なる。なお、図４は、両入口ベーン３０ａ，３２ａの開度が１００％のときのものである。そして、図５に示すように、あるマッハ数（図５ではマッハ数Ｍ２）に着目して、流量変数θ−圧力変数Ω線図を作成する。次に、図６に示すように、あるマッハ数（図６ではマッハ数Ｍ２）におけるΩ−θ線図を作成する。このΩ−θ線図には、従属モード時の第１入口ベーン３０ａの開度ごとに運転曲線が書き込まれ、さらに、図３を用いて説明した分岐線Ｌ２が書き込まれる。そして、第１入口ベーン３０ａの開度IGV1毎に、分岐線Ｌ２との交点から、分岐圧力変数Ωthを得る。この分岐圧力変数Ωthは、各マッハ数（ターボ圧縮機３の回転数）Ｍに対して、第１入口ベーン３０ａの開度ごとに整理され、マッハ数Ｍおよび第１入口ベーン開度IGV1に応じた変数となる。この分岐圧力変数Ωth（M,IGV1）は、予め実験等により得ておき、ターボ冷凍機１の制御部２０のメモリに格納される。

図７に示すように、制御部２０は、ターボ冷凍機１の運転時には、ターボ圧縮機３の回転数から得られるマッハ数Ｍ、凝縮圧力Ｐ_Ｃ、中間圧力Ｐ_Ｍおよび蒸発圧力Ｐ_Ｅから式（２）に基づいて、現在の第１入口ベーン開度IGV1における運転時圧力変数Ωnow（M,IGV1）を演算する（ステップＳ１）。
そして、ステップＳ３に進み、この運転時圧力変数Ωnow（M,IGV1）が、同一のマッハ数Ｍおよび同一の第１入口ベーン開度IGV1における分岐圧力変数Ωth（M,IGV1）を超えた場合には（ステップＳ３におけるYES）、ステップＳ５へと進み、独立モードを選択して第２入口ベーン３２ａの開度を開けていく。これにより、図３に示した独立モード優先領域Ｂでの運転が実現される。第２ベーン３２ａの開度は、従属モード時の開度よりも大きくなるように制御され、例えば、全開となるように制御しても良い。
ステップＳ３にて、運転時圧力変数Ωnow（M，IGV1）が分岐圧力変数Ωthを下回る場合には（ステップＳ３におけるNO）、ステップＳ７へと進み、従属モードを選択し、例えば第２入口ベーン３２ａの開度を第１入口ベーン３０ａの開度と同等とする。これにより、図３に示した従属モード優先領域Ａでの運転が実現される。

このように、分岐圧力変数Ωth（M,IGV1）を閾値として、独立モードと従属モードとを切り替えることにより、常に効率の良い入口ベーン３０ａ，３２ａ開度の組合せとなる運転を選択することができる。
また、流量変数θを用いずに圧力変数Ωによって制御することができるので、精度良くかつ簡便に制御を行うことができる。なぜなら、流量変数θは、式（１）に示したように風量Ｑを得る必要があり、風量を得るには蒸発器６によって冷却される冷水の出入口温度差だけでなく冷水の流量を計測する流量計が必要となる。一般に、冷水流量を計測する流量計はターボ冷凍機には設けられておらず、また流量計を設置したとしても流量計の精度はそれほど高くない。したがって、冷水流量の推定値を用いるか、精度が比較的低い流量計による冷水流量を用いる必要があるため、流量変数θによる制御は精度が低くなる。

以上の通り、本実施形態にかかるターボ冷凍機１によれば、以下の作用効果を奏する。
ターボ冷凍機１の制御部２０によって従属モードと独立モードとを使い分けることにより、幅広い運転範囲においてターボ圧縮機３効率が良い運転を選択できることとした。したがって、省エネルギーに適したCOPが高いターボ冷凍機１を提供することができる。
また、凝縮圧力および蒸発圧力に基づいて決定される圧力変数を運転時に演算し、運転時圧力変数Ωnowとして得ておき、この運転時圧力変数Ωnowと分岐圧力変数Ωthとを比較することにより、各モードを切り替えることとした。圧力変数は、圧力センサを用いて正確な測定が可能な凝縮圧力および蒸発圧力から得られる変数なので、精度良い制御が可能となる。特に、高い精度で演算することが困難な流量変数を用いずに制御することができるので、高精度の制御が可能となる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して、従属モードおよび独立モードの選択方法のみが異なる。したがって、他の構成等については第１実施形態と同様であるので、その説明は省略する。
本実施形態では、ターボ圧縮機３の回転数に依存せずに、簡便に両入口ベーン３０ａ，３２ａの開度を決定することができる。

図４を用いて説明したように、ターボ圧縮機３の特性として、吸込冷媒のマッハ数Ｍ１，Ｍ２・・・ごとに、運転曲線が異なる。したがって、マッハ数ごとにサージが発生する点（θ，Ω）が異なる。ひるがえって考えると、マッハ数（ターボ圧縮機３の回転数）が決まると、サージが発生する圧力変数Ωsurが一意に決まることになる。この両入口ベーンの１００％開度におけるサージが発生する圧力変数を１００％開度サージ圧力変数Ωsur(M)として、マッハ数Ｍごとに、予め実験等により得ておく。１００％開度サージ圧力変数Ωsur(M)は、ターボ冷凍機１の制御部２０のメモリに格納されている。

そして、１００％開度サージ圧力変数Ωsur(M)を用いて、以下の制御用圧力変数Ωｂを導入する。
Ωｂ＝Ω／Ωsur(M) ・・・（３）
このように、一意で決まる各マッハ数（回転数）における１００％開度サージ圧力変数Ωsur(M)で除することによって規格化することにより、制御用圧力変数Ωｂは、ターボ圧縮機３の回転数に依存しない変数となる。
そして、制御用圧力変数（第１変数）Ωｂを用いて、第２入口ベーン３２ａの開度IGV2の関数を作成する。
IGV２＝ｆ（Ωｂ） ・・・（４）
この関数は、ターボ冷凍機の負荷に応じて低下する凝縮圧力Pcに基づき算定されるΩから導出されるΩｂ、（例えばＪＩＳ規格で規定される冷却水温度から算定される）と最適なＩＧＶ２の関係をあらかじめ実験により得ておく。この場合、負荷の影響は排除される。例えば、第２入口ベーン３２ａの開度の関数は、制御用圧力変数Ωｂの３次式や２次式で表される。

このような制御用圧力変数Ωｂを導入すれば、図８に示すように、マッハ数すなわちターボ圧縮機３の回転数に依存せずに、従属モード時の第１入口ベーン開度IGV1ごとに分岐点となる分岐制御用圧力変数Ωｂ_th（IGV1）が一つに定まる。
ターボ冷凍機１の制御部２０のメモリには、図８に示したマップが格納されており、このマップを参照しながら両入口ベーン３０ａ，３２ａの開度の制御が行われる。

具体的には、図９に示すように、両入口ベーン３０ａ，３２ａの開度制御が行われる。
制御部２０は、運転時における運転時制御用圧力変数Ωｂ_now(IGV1)をリアルタイムで演算する（ステップＳ１０）。そして、この運転時制御用圧力変数Ωｂ_now(IGV1)に基づいて、式（４）から、第２入口ベーン３２ａの演算開度IGV2_calを演算する（ステップＳ１１）。このとき、制御部２０のメモリに格納されたマッハ数Ｍに応じた１００％開度サージ圧力変数Ωsur(M)が用いられる。

そして、ステップＳ１２へと進み、運転時制御用圧力変数Ωｂ_now(IGV1)と分岐制御用圧力変数Ωｂ_th(IGV1)とを比較し、運転時制御用圧力変数Ωｂ_now(IGV1)が、分岐制御用圧力変数Ωｂ_th(IGV1)を下回っている場合（ステップＳ１２にてNO）には、従属モードを選択する（ステップＳ１４）。そして、ステップＳ１１にて得られた第２入口ベーン３２ａの演算開度IGV2_calが第１入口ベーン開度IGV1よりも小さい場合または大きい場合（ステップＳ１６にてYES）は、第２入口ベーン開度IGV２が第１入口ベーン開度IGV1と同等となるように制御する（ステップＳ１８）。
ステップＳ１１において得られた第２入口ベーン３２ａの演算開度IGV2_calが第１入口ベーン開度IGV1と同等である場合（ステップＳ１６にてNO）は、演算開度IGV2_calをそのまま採用する（ステップＳ２０）。

ステップＳ１２にて、運転時制御用圧力変数Ωｂ_now(IGV1)が、分岐制御用圧力変数Ωｂ_th(IGV1)を上回っている場合（YES）には、独立モードを選択する（ステップＳ２２）。そして、ステップＳ２４へと進み、ステップＳ１１において得られた第２入口ベーン３２ａの演算開度IGV2_calが第１入口ベーン開度IGV1よりも小さい場合または同等の場合（ステップＳ２４にてYES）には、第２入口ベーン開度IGV２が現在の第２入口ベーン開度IGV２すなわち従属モードにおける第２入口ベーン開度を上回るように制御する（ステップＳ２６）。
ステップＳ２４にて、ステップＳ１１において得られた第２入口ベーン３２ａの演算開度IGV2_calが第１入口ベーン開度IGV1よりも大きい場合（ステップＳ２４にてNO）には、演算開度IGV2_calをそのまま採用する（ステップＳ２８）。

以上の通り、本実施形態にかかるターボ冷凍機１によれば、運転時の圧力変数Ωを、同一回転数に対応する１００％開度圧力変数Ωsurで除することにより規格化した制御用圧力変数Ωｂを得ることとしたので、回転数に依存しない変数を使用することができる。したがって、この制御用圧力変数Ωｂで制御することにより、ターボ圧縮機３の回転数が異なっても、同一の基準の分岐制御用圧力変数Ωｂ_thで制御でき、簡便で高応答の制御が実現される。

本発明の第１実施形態にかかるターボ冷凍機の全体構成を示した概略図である。 図１のターボ圧縮機の冷媒サイクルを示した圧力−エンタルピ線図である。 従属モードまたは独立モードでターボ圧縮機の効率が反転する分岐線が示された流量変数θ−圧力変数Ω線図である。 マッハ数ごとにターボ圧縮機の運転曲線を示した流量変数θ−圧力変数Ω線図である。 マッハ数Ｍ２におけるサージ圧力変数Ωsur(M2)を示した流量変数θ−圧力変数Ω線図である。 マッハ数Ｍ２において、第１入口ベーン開度ごとに分岐線Ｌ２との交点を示した流量変数θ−圧力変数Ω線図である。 圧力変数に基づいて第１入口ベーン開度および第２入口ベーン開度を制御する方法を示したフローチャートである。 本発明の第２実施形態について、制御用圧力変数Ωｂを用いて表現した流量変数θ−圧力変数Ω線図である。 制御用圧力変数Ωｂに基づいて第１入口ベーン開度および第２入口ベーン開度を制御する方法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
３ ターボ圧縮機
５ 凝縮器
６ 蒸発器
２０ 制御部
３０ 第１羽根車
３０ａ 第１入口ベーン
３２ 第２羽根車
３２ａ 第２入口ベーン
Ａ 従属モード優先領域
Ｂ 独立モード優先領域
Ω 圧力変数（第１変数）
Ωnow 運転時圧力変数（運転時第1変数）
Ωth 分岐圧力変数（分岐第1変数）
Ωsur １００％開度サージ圧力変数
Ωｂ 制御用圧力変数（第１変数）
Ωｂ_th 分岐制御用圧力変数（分岐第1変数）
Ωｂ_now 運転時制御用圧力変数（運転時第1変数）

Claims (4)

1. 第１羽根車および該第１羽根車の下流に位置する第２羽根車を備えて冷媒を２段で圧縮するターボ圧縮機と、
   該ターボ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を備え、
   前記ターボ冷凍機の前記第１羽根車および前記第２羽根車の冷媒吸込口には、それぞれ、吸込冷媒流量を調整する第１入口ベーンおよび第２入口ベーンが設けられ、
   これら第１入口ベーンおよび第２入口ベーンの開度を制御する制御部を備えたターボ冷凍機において、
   前記制御部は、前記第１入口ベーンに従属させて前記第２入口ベーンを動作させる従属モードと、前記第１入口ベーンとは独立に前記第２入口ベーンの開度を増大させる独立モードとを備えていることを特徴とするターボ冷凍機。
2. 前記制御部は、運転時に、前記凝縮器における凝縮圧力および前記蒸発器における蒸発圧力に基づいて決定される第１変数を運転時第１変数として演算し、かつ、
   前記独立モードよりも前記従属モードの方が前記ターボ圧縮機の効率が良い従属モード優先領域と、前記従属モードよりも前記独立モードの方が前記ターボ圧縮機の効率が良い独立モード優先領域とが区別される第１変数を分岐第１変数として備え、
   前記運転時第１変数と前記分岐第１変数とを比較することにより、前記従属モードおよび前記独立モードを切り替えることを特徴とする請求項１記載のターボ冷凍機。
3. 前記制御部は、前記ターボ圧縮機の回転数毎に、前記第１入口ベーン及び前記第２入口ベーンの１００％開度においてサージが生じる圧力変数を１００％開度サージ圧力変数として備え、
   前記第１変数は、前記ターボ冷凍機の所定回転数における圧力変数を、該所定回転数に対応する前記１００％開度サージ圧力変数で除した値とされていることを特徴とする請求項２記載のターボ冷凍機。
4. 第１羽根車および該第１羽根車の下流に位置する第２羽根車を備えて冷媒を２段で圧縮するターボ圧縮機と、
   該ターボ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を備え、
   前記ターボ冷凍機の前記第１羽根車および前記第２羽根車の冷媒吸込口には、それぞれ、吸込冷媒流量を調整する第１入口ベーンおよび第２入口ベーンが設けられ、
   これら第１入口ベーンおよび第２入口ベーンの開度を制御するターボ冷凍機の制御方法において、
   前記第１入口ベーンに従属させて前記第２入口ベーンを動作させる従属モードと、前記第１入口ベーンとは独立に前記第２入口ベーンの開度を増大させる独立モードとが切替可能とされていることを特徴とするターボ冷凍機の制御方法。

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