JP2010145035A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却水を供給する機器側に大きな負荷変動があったとしても精度の良い冷却水を安定して供給することのできる冷却装置を提供する。
【解決手段】インバータ制御可能な圧縮機２と、凝縮器３と、膨張弁４と、蒸発器５とからなり、蒸発器５で冷媒と被冷却水との熱交換を行って被冷却水を供給する冷却装置１である。蒸発器５における被冷却水の入口側に温度検出器５２を設け、温度検出器５２で検出される被冷却水の温度Ｔｃと要求された設定温度Ｔ_０の偏差ΔＴｔに基づいて、圧縮機２をインバータ制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却すべき機器から戻る被冷却水を冷却した後、前記機器に被冷却水を再び送り出す冷却装置に関し、特に送り出す被冷却水の温度制御精度を改良した冷却装置に関するものである。

従来、被冷却水を中低温に最小限のエネルギで冷却する冷却装置として特許文献１に開示されたものがある。このものは、伝熱パイプに被冷却流体を通し、ファンによって前記伝熱パイプを冷却する冷却塔において、前記被冷却流体が通過する伝熱パイプにフィンを設けたラジエータを前記冷却塔の外側部に設け、圧縮機、コンデンサ、膨張弁、蒸発器とからなり冷媒を圧縮、膨張を繰り返し運転するチラーを設け、前記コンデンサは伝熱パイプにフィンを設けたフィン付きコンデンサに設けて前記ラジエータの内側に配置し、前記冷却塔のファンによってラジエータとコンデンサに送風し、冷却すべき機器から戻る被冷却流体を前記ラジエータから前記チラーの蒸発器を通して冷却し、冷却すべき機器に送り出す冷却装置である。そして、この冷却装置は、出口管路に取り付けた温度計の温度が設定温度より高くなったときは、まずファンの送風量を増し、なおも温度計の温度が設定温度範囲よりも高くなったときにはチラーの圧縮機の運転台数制御を行う。また温度計の温度が設定温度範囲より低くなったときは、上記とは逆にまず圧縮機の運転台数が順次停止され、なおも温度計の温度が設定温度範囲よりも低くなったときはファンの送風量を減少する制御が行われる（段落番号００１５参照）。

特許文献２には、フアンと散水装置とを有す冷却塔内に伝熱パイプを配置し、該伝熱パイプは内部に不凍液を設けて被冷却流体との間で熱交換する熱交換器とポンプを介して循環させ、冷媒を圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器の順に循環するチラーを設け、被冷却流体は前記熱交換器、前記蒸発器の順にポンプを介して循環させて冷却するようにした冷却装置が開示されている。このものも被冷却流体の出口に設けた温度検出器の温度と設定温度とを比較して水温が一定になるように制御している（段落番号０００８参照）。

特許文献３には、冷凍機などの熱交換器において、熱交換器内の被冷却媒体流路における中間温度地点に温度検出点を設けるとともに該温度検出点の温度とその設定温度との偏差に基づいて冷却熱量を調整する温度調節装置が記載され、冷却能力の変化に拘わらず出口温度を一定に保つことができ、かつ安定化と調節精度の向上が達成されるとされている。

特開２０００−２６６４４７号公報 特開平５−１５７４６７号公報 特開昭５８−６８１２２号公報

ところで冷却水を必要とする機器にはレーザ加工機のように、加工精度に影響する熱的安定性を確保し、加工品質の低下を回避するため、温度変動の少ない高度の冷却水精度と、ワークの材質，板厚，加工速度及び加工面粗度等による比較的大きな負荷変動に対しても十分に追従可能な冷却性能が要求されている。

しかしながら、特許文献１および２記載の冷却装置においては、被冷却水の出口に設けた温度検出器の温度と設定温度とを比較して温度制御を行っているために、圧縮機やファンをＰＩＤ制御で可変に制御したとしても、ハンチング現象を起こしてしまい、冷却水を必要とする機器へ供給される冷却水の温度精度が十分に安定化しないという問題点があった。

一方、特許文献３に記載のものでは、比較的温度制度が安定化するものの、大きな負荷変動があった場合には、近年要求される冷却水精度（例えば±１℃以下）を満足させるには十分でなかった。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、冷却水を供給する機器側に大きな負荷変動があったとしても精度の良い冷却水を安定して供給することのできる冷却装置を提供することを目的としている。

本発明は、インバータ制御可能な圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とからなり、前記蒸発器で冷媒と被冷却水との熱交換を行って被冷却水を供給する冷却装置において、前記蒸発器における被冷却水の入口側に温度検出器を設け、前記温度検出器で検出される蒸発器入口温度と要求された設定温度の偏差に基づいて、前記圧縮機をインバータ制御することを特徴とする冷却装置である。

上記の構成によれば、入口温度と設定温度との偏差に基づいて圧縮機の冷却能力を可変に制御するので、冷却水を供給する機器側に大きな負荷変動があったとしても精度の良い冷却水を安定して供給することができる。

本発明において、前記膨張弁は開度調整可能な電子膨張弁であり、前記蒸発器における被冷却水の出口側に出口温度検出器を設け、前記出口温度検出器で検出される出口温度と要求された設定温度の偏差に基づいて、前記電子膨張弁の開度を調整制御することができる。
上記構成によれば、出口温度と要求された設定温度の偏差に基づいて、電子膨張弁の開度を調整制御するので、冷却水の温度精度を更に向上させることができる。

また本発明において、前記圧縮機の入口と出口とを連通するバイパス回路と、該バイパス回路に設けた開閉弁とを備え、前記圧縮機がインバータ制御可能な周波数領域では、前記入口温度検出器で検出される入口温度と要求された設定温度の偏差に基づいて、前記圧縮機をインバータ制御するとともに、前記圧縮機がインバータ制御不可能な低周波数領域では、前記開閉弁を開となし、前記出口温度検出器で検出される出口温度と要求された設定温度の偏差に基づいて、前記電子膨張弁の開度を調整制御することが好ましい。
上記構成によれば、インバータ制御が不可能な周波数領域であっても、精度の良い冷却水を安定して供給することができる。

前記凝縮器は、外気が通過可能な凝縮器であって、外気を通過させるための凝縮器ファンを有し、前記圧縮機の出口側には冷媒の圧力を検出する出口圧力検出器を備え、前記凝縮器ファンはインバータ制御可能なモータに接続されており、前記凝縮気ファンの回転数を前記出口圧力検出器で検出される出口冷媒圧力に基づいて制御することが好ましい。

また本発明において、前記蒸発器の前記被冷却水の入口上流側に熱交換器を設け、前記熱交換器と、外気が通過可能なラジエータと、循環ポンプとの密閉回路を構成し、前記ラジエータに外気を導入するためのラジエータファンを有し、前記熱交換器における被冷却水の入口側に設けた入口温度検出器で検出される熱交換器入口温度と要求された設定温度の偏差に基づいて、前記循環ポンプの吐出流量を可変に制御することができる。

さらに本発明において、前記ラジエータファンの回転数は、前記熱交換器における被冷却水の入口側に設けた前記入口温度検出器で検出される熱交換器入口温度と要求された設定温度の偏差に基づいて、インバータ制御することができる。
或いはまた本発明は、インバータ制御可能な圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とからなり、前記蒸発器で冷媒と被冷却水との熱交換を行って被冷却水を供給する冷却装置において、前記蒸発器の前記被冷却水の入口上流側に被冷却水が流動するラジエータを設け、前記ラジエータには外気を導入するためのラジエータファンを有し、前記蒸発器における被冷却水の入口側に温度検出器を設け、前記温度検出器で検出される蒸発器入口温度と要求された設定温度の偏差に基づいて、前記圧縮機をインバータ制御することを特徴とする冷却装置である。

本発明に係る冷却装置によれば、蒸発器の入口温度と被冷却水の設定温度との偏差に基づいて圧縮機の冷却能力を可変に制御するので、冷却水を供給する機器側に大きな負荷変動があったとしても精度の良い被冷却水を安定して供給することができる。

＜第一の実施の形態＞
本発明の第一の実施の形態を図１から図７を用いて説明する。図１は本発明の冷却装置の第一実施例の概念模式図を、図２は本発明の冷却装置の第一実施例の主制御フローチャートを、図３は本発明の一部を構成するラジエータ回路の冷却制御のフローチャートを、図４はラジエータ回路における低温度差制御を説明する概念図を、図５は本発明の一部を構成する冷凍回路の冷却制御のフローチャートを、図６は本発明の一部を構成する圧縮機の冷却制御を説明する概念図を、図７は冷凍回路を構成する開閉弁の制御のフローチャートを示している。

図１に示すように冷却装置１は、圧縮機２と凝縮器３と電子膨張弁４と蒸発器５とでなり内部に冷媒が循環する冷凍回路１０と、これらを制御するための図示しない制御装置を有する。圧縮機２は動作周波数をインバータ制御可能なもので、制御装置からの指示信号によって周波数を可変にすることができる。凝縮器３は冷媒の流れる銅管等を曲げ加工し、冷却フィンを取り付けたもので、外気を通過させることが可能なように凝縮器ファン３１を有する。電子膨張弁４は、制御装置から発せられるパルス信号によって弁の開度を調整できるものである。蒸発器５は、例えばステンレス鋼製で、冷却すべき（図示しない）機器から主ポンプ９０を介して循環する循環回路９１に流れる被冷却水と熱交換する。

圧縮機２の出口と蒸発器５の入口を接続するバイパス回路２１が設けられており、その途中に開閉弁２３を備え、圧縮機２から排出された高圧冷媒の一部を蒸発器５の入口側へ導入できるようになっている。

また蒸発器５と主ポンプ９０との間にはステンレス製の熱交換器６が設けられ、ラジエータ６１と循環ポンプ６３とで冷媒水回路６５が形成され、内部には冷媒として不凍液が循環している。ラジエータ６１には、外気を通過させることが可能なようにラジエータファン６７が設けられている。

そして循環回路９１の熱交換器６における被冷却水の入口側には入口温度検出器５１が、熱交換器６における被冷却水の出口側と、蒸発器５における被冷却水の入口側との間にはには中間温度検出器５２が、蒸発器５における被冷却水の出口側には出口温度検出器５３が設けられている。また冷媒回路１０の圧縮機２の出口側には冷媒の圧力を検出する出口圧力検出器１１が設けられている。さらに図示しない外気乾球温度検出器が冷却装置１には備えている。

なお循環回路９１には、貯水タンク９３と純水器９５を設け、被冷却水の導電率を所定の値以下に維持するようにすることもできる。特に被冷却水の導電率が問題になる場合には、上述のように蒸発器５および熱交換器６をステンレス製にしておくことが好ましい。

続いて図２を用いて冷却装置１の主動作を詳細に説明する。
図示するように、まず主ポンプ９０を起動させる（Ｓ１：ステップ１）。そして循環回路９１内の被冷却水を所定の時間（例えば３０秒）循環させて（Ｓ２：ステップ２）、被冷却水の温度の測定を開始する。出口温度検出器５３で検出された出口温度Ｔ_ＯＵＴが設定温度Ｔ_０よりも低い場合には、被冷却水を冷却する必要がないので、その状態を維持し、出口温度Ｔ_ＯＵＴが設定温度Ｔ_０以上になったら次の工程に進む（Ｓ３：ステップ３）。

続いて、冷媒水回路６５と冷媒回路１０の冷却制御の起動条件を同時にチェックする。このようにステップ３までで冷媒水回路６５と冷媒回路１０を起動できる準備を行っておき、それぞれの起動条件を同時にチェックすると、被冷却水を最適な冷却条件で、かつ最短時間で冷却を開始することができる。

便宜上、冷媒水回路６５の制御を先ず説明する。
まず外気乾球温度検出器で検出した外気乾球温度ＤＢと入口温度検出器５１で検出した入口温度（熱交換器入口温度）Ｔ_ＩＮとを比較して、入口温度Ｔ_ＩＮから外気乾球温度ＤＢを引いた値が、所定の冷媒水起動温度Ｔ_ｆｏｎよりも小さい場合合には、この状態を維持し、大きい場合には次の工程に進む（Ｓ４：ステップ４）。そして、ラジエータファン６７を起動させてラジエータファン６７のインバータ制御を開始する（Ｓ５：ステップ５）。このとき同時に循環ポンプ６３も起動させる。循環ポンプ６３の回転数を規定するインバータからは定格の６０Ｈｚが出力されている。

具体的には、図３に示すように、熱交換器６における被冷却水の出口側温度（中間温度検出器５２で検出される中間温度）Ｔｃと被冷却水に要求される設定温度Ｔ_０との偏差に基づいて、ＰＩＤ指令値を発生させる（Ｓ５１）。つまり中間温度Ｔｃと設定温度Ｔ_０との偏差が大きければラジエータファン６７の回転数を増すためのＰＩＤ指令値が発生し、逆に偏差が小さければ回転数を減少させるためのＰＩＤ指令値が発生する。

次に設定温度Ｔ_０と外気乾球温度ＤＢとの差が所定値Ｔ_２以上であるかを判断する（Ｓ５２）。この所定値Ｔ_２は、ラジエータ６１による冷却が過剰になり過ぎないかを判断する値で、例えば１５℃である。すなわち設定温度Ｔ_０と外気乾球温度ＤＢとの差が所定値Ｔ_２より大であると冷媒水が冷えすぎ、熱交換器６で熱交換された被冷却水の温度が必要以上に低下するためである。そして、設定温度Ｔ_０と外気乾球温度ＤＢとの差が所定値Ｔ_２よ以下である場合には、冷媒水の冷えすぎがないと判断して、そのままＰＩＤ指令値の周波数でラジエータファン６７の運転を継続しステップ６に進む（Ｓ５３）。

逆に設定温度Ｔ_０と外気乾球温度ＤＢとの差が所定値Ｔ_２より大である場合には、熱交換器６における被冷却水の入口温度（熱交換器入口温度）Ｔ_ＩＮと設定温度Ｔ_０の偏差が所定値Ｔ_１以上であるか否かを判断する（Ｓ５４）。この所定値Ｔ_１も、ラジエータ６１による冷却が過剰になり過ぎないかを判断する値で、例えば３℃である。そして、入口温度Ｔ_ＩＮと設定温度Ｔ_０の偏差が所定値Ｔ_１より大である場合には、冷媒水の冷えすぎがないと判断して、そのままＰＩＤ指令値の周波数でラジエータファン６７の運転を継続しステップ６に進む（Ｓ５３）。

逆に入口温度Ｔ_ＩＮと設定温度Ｔ_０の偏差が所定値Ｔ_１以下である場合には、図４に示す低温度差制御に進む（Ｓ５５）。図４は低温度差の場合の制御状態を示す一例で、図４（ａ）は循環ポンプ６３のポンプ回転数制御、図４（ｂ）はラジエータファン６７のファン回転数制御を示し、横軸ΔＴｆは被冷却水の入口温度Ｔ_ＩＮと設定温度Ｔ_０の偏差を示している。

図４（ａ）に示すように、所定値Ｔ_１（上述の例で３℃）を複数（この例では１℃毎）に区分し、ポンプ回転最低周波数（６Ｈｚ）と、区分毎のポンプ回転最大周波数（ここでは、１２．７Ｈｚ、２８．６Ｈｚ、５０Ｈｚ）を設定する。そして、ポンプ回転最低周波数と、区分毎のポンプ回転最大周波数との勾配（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）を求める。これらポンプ回転最低周波数、ポンプ回転最大周波数、勾配（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）は予め設定して冷却装置１の制御装置に記憶されている。区分内では、ΔＴｆとこの勾配（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）からポンプ回転周波数を求め、このポンプ回転周波数で循環ポンプ６３を運転する。

また図４（ｂ）に示すように、所定値Ｔ_１（上述の例で３℃）を複数（この例では１℃毎）に区分し、ファン回転最低周波数（１５Ｈｚ）と、区分毎のファン回転最大周波数（ここでは、１５Ｈｚ、２５Ｈｚ、４０Ｈｚ）を設定する。そして、ファン回転最低周波数と、区分毎のファン回転最大周波数との勾配（Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６）を求める。これらファン回転最低周波数、ファン回転最大周波数、勾配（Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６）は予め設定して冷却装置１の制御装置に記憶されている。区分内では、ΔＴｆとこの勾配（Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６）からファン回転周波数を求め、このファン回転周波数でラジエータファン６７を運転する。
なお、勾配Ｄ１〜Ｄ３、勾配Ｄ４〜Ｄ６の関係は、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３、Ｄ４＜Ｄ５＜Ｄ６とすることが好ましい。

このように冷却装置１には、ラジエータ６１と循環ポンプ６３とで冷媒水回路６５（所謂フリークーリング回路）を有し熱交換器６で被冷却水を冷却することができるので、省エネルギで所望の被冷却水を得ることができる。特に、外気乾球温度ＤＢが比較的低い秋から春にかけての期間や夜間などは有効に作用する。一般的にフリークーリングは外気温度に冷却能力が左右されるので、被冷却水の温度制御は困難である。しかしながら、図３、図４に示すように、過冷却になるか否かの制御ステップをふみ、過冷却になるおそれのある場合には、循環ポンプ６３、ラジエータファン６７の回転周波数に最大値を設けインバータ制御するので、非冷却水は精度の良い温度状態（例えば±１℃）で供給することができる。

図２に戻って、外気乾球温度検出器で検出した外気乾球温度ＤＢと入口温度検出器５１で検出した入口温度Ｔ_ＩＮとを比較して、入口温度Ｔ_ＩＮから外気乾球温度ＤＢを差し引いた値が所定の冷媒水停止温度Ｔ_ｆｏｆｆよりも大きい場合には、ステップ５に戻ってラジエータファン６７と循環ポンプ６３の制御を継続し、小さい場合には次の工程に進む（Ｓ６：ステップ６）。そして、ラジエータファン６７を停止させ、ＰＩＤ制御をＯＦＦにする（Ｓ７：ステップ７）。

なお、冷媒水起動温度Ｔ_ｆｏｎと冷媒水停止温度Ｔ_ｆｏｆｆは予め設定して制御装置内に記憶させておく。概ね、冷媒水起動温度Ｔ_ｆｏｎは２℃、冷媒水停止温度Ｔ_ｆｏｆｆは１．５℃に設定する。

続いて、冷媒回路１０の冷却制御について説明する。
図２に示すように、設定温度Ｔ_０と外気乾球温度ＤＢとを比較して、その差が所定のチラー起動温度Ｔ_ＣＯＮ以上である場合には、その状態を維持し、チラー起動温度Ｔ_ＣＯＮ以下である場合には、圧縮機２、電子膨張弁４及び開閉弁２３の制御運転を開始する（Ｓ８：ステップ８からＳ９：ステップ９）。運転開始時には、圧縮機２の回転数を制御するインバータは所定の周波数（例えば２５Ｈｚ）にセットして運転を行う。

圧縮機２、電子膨張弁４の制御及び開閉弁２３の制御は並列して同時進行するが、まず圧縮機２の制御について詳細に説明する。
図５（ａ）に示すように、中間温度Ｔｃと要求された設定温度Ｔ_０の偏差ΔＴｔを求める（Ｓ９１）。具体的には図６（ａ）に示すように、中間温度Ｔｃ（又は冷媒水回路６５が動作している場合には入口温度Ｔ_ＩＮ）は冷却すべき機器（例えばレーザ加工機）の負荷状態によって大きく変動する。そこで、冷媒回路１０の蒸発器５における入口温度である中間温度Ｔｃと要求された設定温度Ｔ_０の偏差ΔＴｔを求める。図６（ｂ）に示すように、偏差ΔＴｔ（℃）と圧縮機２の回転周波数Ｈ_１（Ｈｚ）には、Ｈ_１＝Ｋ_１・ΔＴｔ（Ｋ_１は係数）の関係にある。この式に基づいて回転周波数Ｈ_１を求める（図５（ａ）、Ｓ９２）。即ち、偏差ΔＴｔが小さい場合には小さな周波数で、偏差ΔＴｔが大きい場合には、大きな周波数が求まることとなる。

ただし、圧縮機２には、図６（ｂ）に示すように、インバータ制御ができない低周波数領域（例えば、２５Ｈｚ以下）が存在する。この低周波数領域は偏差ΔＴｔ＝Ｈ_１／Ｋ_１にて求められる。そこで、求めたＨ１がインバータ制御下限以上にあるか否かを判断し（図５（ａ）、Ｓ９３）、Ｈ１がインバータ制御下限以上であれば、そのままＨ１の周波数で圧縮機２を制御する（Ｓ９４）。Ｈ１がインバータ制御下限を下回っていれば、圧縮機２は最低周波数（２５Ｈｚ）での一定運転を行う（Ｓ９５）。

次に電子膨張弁４は、図５（ｂ）に示すように、出口温度検出器５３で検出される出口温度Ｔ_ＯＵＴと要求された設定温度Ｔ_０を比較して、電子膨張弁４の開度を調整制御を行う。具体的には、出口温度Ｔ_ＯＵＴが設定温度Ｔ_０より高い場合には、電子膨張弁４を開弁する信号を送り、逆に出口温度Ｔ_ＯＵＴが設定温度Ｔ_０より低い場合には、より電子膨張弁４を閉弁する信号を送る（Ｓ９６、Ｓ９７、Ｓ９８）。

電子膨張弁４は例えば開度１００％で４８０パルスとされるような比例制御弁である。そしてステップ９７、及びステップ９８で電子膨張弁４に出力する開弁又は閉弁の信号は、開度５％の相当する２４パルスを出力する。制御温度の精度を更に上げるには、細かなパルス数で出力することが好ましいことは言うまでもない。パルス数の刻みの程度は、要求される制御温度精度と、制御の追従速度で定めればよい。さらに、設定温度Ｔ_０と出口温度Ｔ_ｏｕｔの偏差の大小で電子膨張弁４に出力する開弁又は閉弁の信号を調整することもできる。開弁又は閉弁の信号が出力されると図２のステップ１０へ進む。

このように、冷却装置１は、中間温度Ｔｃと設定温度Ｔ_０との偏差ΔＴｔに基づいて圧縮機２の冷却能力を可変に制御するので、被冷却水を供給する機器側に大きな負荷変動があったとしても応答性よく温度制御が追従する。さらに出口温度Ｔ_ＯＵＴと設定温度Ｔ_０の偏差に基づいて、電子膨張弁４の開度を調整制御するので、微小な温度制御精度が向上して、冷却水を供給する機器側に大きな負荷変動があったとしても温度精度の良い被冷却水を安定して供給することができる。

一方、開閉弁２３の制御は、図７に示すように、予め設定しておいた所定の温度と各条件とを比較して、開閉制御を行う。
出口温度検出器５３で検出される出口温度Ｔ_ＯＵＴと要求された設定温度Ｔ_０を比較して、所定温度Ｔ_３より大きな温度差の場合には、この状態を維持し、所定温度Ｔ_３以下の場合には次のステップに進む（Ｓ１０１）。蒸発器５の入口側で検出される中間温度Ｔcと要求された設定温度Ｔ_０を比較して、所定温度Ｔ_４より大きな温度差の場合には、この状態を維持し、所定温度Ｔ_４以下の場合には、開閉弁２３を開弁する（Ｓ１０２、Ｓ１０３）。ここでは、圧縮機２の運転が可能な高負荷状態にあるのか、圧縮機２の運転が不可能な低負荷状態にあるのかを判断し、圧縮機２の運転が不可能な場合に開閉弁２３を開弁させる動作を行っている。所定温度Ｔ_３、所定温度Ｔ_４は圧縮機２の能力や被冷却流体に求められる温度精度で定めればよく、例えば能力や被冷却流体に求められる温度精度が±１℃の場合には、所定温度Ｔ_３＝０．２℃、所定温度Ｔ_４＝１．２℃である。

そして、蒸発器５の入口側で検出される中間温度Ｔcと要求された設定温度Ｔ_０を比較して、所定温度Ｔ_５より小さな温度差の場合には、この状態を維持し、所定温度Ｔ_５以上の場合には、次のステップに進む（Ｓ１０４）。中間温度Ｔcと出口温度Ｔ_ＯＵＴとの差が所定温度Ｔ_６よりも小さいときには、この状態を維持し、所定温度Ｔ_６以上の場合には、開閉弁２３を閉弁する（Ｓ１０５、Ｓ１０６）。ここでは、再び圧縮機２が低負荷状態から脱し、インバータ制御運転が可能になったのか否かを判断している。所定温度Ｔ_５、所定温度Ｔ_６は圧縮機２の能力や被冷却流体に求められる温度精度で定めればよく、例えば能力や被冷却流体に求められる温度精度が±１℃の場合には、所定温度Ｔ_５＝０．８℃、所定温度Ｔ_６＝０．２℃である。そして、ステップ１０に進む。

一方、被冷却水に予想外の温度変化があった場合に備えて、開閉弁２３を強制的に開閉するステップを有する。即ち、設定温度Ｔ_０から所定温度Ｔ_７を差し引いた値が出口温度Ｔ_ＯＵＴよりも大きい場合には、開閉弁２３を開弁し、一方、設定温度Ｔ_０に所定温度Ｔ_８を加えた値が出口温度Ｔ_ＯＵＴよりも小さい場合には、開閉弁２３を閉弁する（Ｓ１０７、Ｓ１０８）。例えば、所定温度Ｔ_７＝０．６℃、所定温度Ｔ_８＝０．７℃である。

図２に戻って、外気乾球温度ＤＢが低下したとき、設定温度Ｔ_０と外気乾球温度ＤＢとを比較して、その差が所定のチラー停止温度Ｔ_Ｃｏｆｆ以下である場合には、その状態を維持し、チラー停止温度Ｔ_Ｃｏｆｆ以上である場合には、所定時間（例えば２分）運転したかを確認後に、圧縮機２を停止させる（Ｓ１０：ステップ１０からＳ１２：ステップ１２）。すなわち、圧縮機２を運転しなくとも、ラジエータ６１によるフリークーリングのみで被冷却水を供給できるためである。
ただし、圧縮機２は停止後、すぐに再起動させることが好ましくないために、一旦停止した後には所定の時間（例えば３分間）のインターバル時間をおく（Ｓ１３：ステップ１３）。

ここで、チラー起動温度Ｔ_ＣＯＮ（例えば１４℃）と、チラー停止温度Ｔ_Ｃｏｆｆ（例えば１５℃）はラジエータ６１の冷却能力によって予め求め、制御装置に記憶させておく値である。ラジエータ６１の冷却能力は、ラジエータに流動する冷媒水の管径、フィンの形態、表面積、ラジエータを通過する風速などで決定される。

以上説明したように、冷却装置１は、蒸発器５の入口側で検出される中間温度Ｔｃと設定温度Ｔ_０との偏差に基づいて圧縮機２の冷却能力を可変に制御するので、冷却水を供給する機器側に大きな負荷変動があったとしても応答性よく温度制御が追従し、温度精度の良い被冷却水を安定して供給することができる。

＜第２の実施の形態＞
図８に本発明の冷却装置の第二実施例の主制御フローチャートを示す。
上記した第１の実施の形態においては、ラジエータ６１を有する冷媒水回路６５の制御と、圧縮機２を有する冷凍回路１０の制御とを平行させて運転した。被冷却水を時間送れなく温度制御するためには有効な形態である。一方、省エネルギの観点からは、ラジエータ６１を有する冷媒水回路６５の運転時間を長くさせるほうが有効である。

第２の実施の形態において、冷却装置の構成は、図１に示した冷却装置１と同一であるので、その詳細な説明は省略し、図８に示す制御フローを有する。即ち、まず主ポンプ９０を起動させる（Ｓ１Ａ）。そして循環回路９１内の被冷却水を所定の時間（例えば３０秒）循環させて（Ｓ２Ａ）、被冷却水の温度の測定を開始する。出口温度検出器５３で検出された出口温度Ｔ_ＯＵＴが設定温度Ｔ_０よりも低い場合には、被冷却水を冷却する必要がないので、その状態を維持し、出口温度Ｔ_ＯＵＴが設定温度Ｔ_０以上になったら次の工程に進む（Ｓ３Ａ）。

まず外気乾球温度検出器で検出した外気乾球温度ＤＢと入口温度検出器５１で検出した入口温度（熱交換器入口温度）Ｔ_ＩＮとを比較して、入口温度Ｔ_ＩＮから外気乾球温度ＤＢを引いた値が、所定の冷媒水起動温度Ｔ_ｆｏｎよりも小さい場合には、この状態を維持し、大きい場合には次の工程に進む（Ｓ４Ａ）。そして、ラジエータファン６７を起動させてラジエータファン６７のインバータ制御を開始する（Ｓ５Ａ）。このときの制御の詳細は図３に示した制御フローと同一なので、詳細な説明を省略する。

蒸発器５の入口側で検出される中間温度Ｔcと入口温度検出器５１で検出した入口温度Ｔ_ＩＮとを比較して、入口温度Ｔ_ＩＮから中間温度Ｔｃを差し引いた値が所定の冷媒水停止温度Ｔ_ｆｏｆｆよりも高い場合には、ステップ５Ａに戻ってラジエータファン６７と循環ポンプ６３の制御を継続し、低い場合には次の工程に進む（Ｓ６Ａ）。そして、ラジエータファン６７を停止させ、インバータ制御をＯＦＦにする（Ｓ７Ａ）。

ステップ３Ａと同時に、ラジエータファン６７がＰＩＤ制御稼動中であるか（即ち、ステップ５Ａ実装中であるか）を判断する（Ｓ８１Ａ）。ラジエータファン６７が稼動していない場合には、出口温度Ｔ_ｏｕｔと設定温度Ｔ_０とを比較して（Ｓ８２Ａ）、出口温度Ｔ_ｏｕｔが設定温度Ｔ_０以上であれば、ステップ９Ａに進む。

一方、ラジエータファン６７が稼動中である場合には、ラジエータファン６７の回転数が最大値になっているかを判断する（Ｓ８３Ａ）。すなわち、冷媒水回路６５による冷却能力が最大値になり、冷凍回路１０での補完を必要としているか否かを判断する。そして、ラジエータファン６７の回転数が最大値になっていれば、出口温度Ｔ_ｏｕｔが設定温度Ｔ_０に所定温度Ｔ_２０を加えた値以上になっているかを判断する（Ｓ８４Ａ）。この所定温度Ｔ_２０は、要求される温度精度許容幅（例えば±１℃）よりも小さい値で、例えば０．６℃である。

ステップ８４Ａ又はステップ８２Ａの条件を満たせば、圧縮機２、電子膨張弁４、及び開閉弁２３の制御運転を開始する（Ｓ９Ａ）。Ｓ９Ａにおける制御フローは、図５及び図７に示した制御フローと同一なので、詳細な説明を省略する。

外気乾球温度ＤＢが低下してくると再び冷媒水回路６５による冷却が可能となってくる。そこで、設定温度Ｔ_０と外気乾球温度ＤＢとを比較して、その差が所定のチラー停止温度Ｔ_Ｃｏｆｆ以上である場合（Ｓ１０Ａ）、且つ中間温度Ｔｃが設定温度Ｔ０に所定温度Ｔ２１を加えた値よりも小さい場合（Ｓ１０Ｂ）には、所定時間（例えば２分）運転したかを確認後に、圧縮機２を停止させる（Ｓ１１ＡからＳ１２Ａ）。すなわち、圧縮機２を運転しなくとも、ラジエータ６１によるフリークーリングのみで被冷却水を供給できるためである。
ただし、圧縮機２は停止後、すぐに再起動させることが好ましくないために、一旦停止した後には所定の時間（例えば３分間）のインターバル時間をおく（Ｓ１３Ａ）。

したがって、冷媒水回路６５の冷却能力最大までは冷凍回路１０は運転させる必要がないので省エネルギで温度制御された被冷却水を供給することができる。

＜第３の実施の形態＞
図９に本発明の冷却装置の第三実施例の概念模式図を、図１０に本発明の冷却装置の第三実施例の主制御フローチャートを示す。
図１に示した冷却装置１は熱交換器６を有するので、この熱交換器６の熱交換の損失分だけ冷媒水回路６５の能力を引き出せていない。そこで更に省エネルギとなる冷却装置１Ｂは、図９に示すように、熱交換器６及び循環ポンプ６３を排除して、被冷却水を直接ラジエータ６１に流動させるように構成したものである。冷却装置１と同一の構成は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

そして、ラジエータ６１への被冷却水の流動を必要に応じて遮断可能な遮断弁７３と、ラジエータ６１の被冷却水の流入側と流出側とを導通するが通常は遮断させているバイパス弁７１とを有する。

図１０に示すように、まず主ポンプ９０を起動させる。このときバイパス弁７１は閉、遮断弁７３は開である。（Ｓ１Ｂ）。そして循環回路９１内の被冷却水を所定の時間（例えば３０秒）循環させて（Ｓ２Ｂ）、被冷却水の温度の測定を開始する。出口温度検出器５３で検出された出口温度Ｔ_ＯＵＴが設定温度Ｔ_０よりも低い場合には、被冷却水を冷却する必要がないので、その状態を維持し、出口温度Ｔ_ＯＵＴが設定温度Ｔ_０以上になったら次の工程に進む（Ｓ３Ｂ）。

冷凍回路１０は、そのまま圧縮機２と開閉弁２３の制御を開始する（Ｓ９Ｂ）。Ｓ９Ｂにおける制御フローは、図５及び図７に示した制御フローと同一なので、詳細な説明を省略する。

一方、冷媒水回路６５では、外気乾球温度検出器で検出した外気乾球温度ＤＢと入口温度検出器５１で検出した入口温度Ｔ_INとを比較する。（Ｓ４Ｂ）。入口温度Ｔ_INから外気乾球温度ＤＢを引いた値が、所定の冷媒水起動温度Ｔ_ｆｏｎよりも高い場合には、バイパス弁７１を閉、遮断弁７３を開として、ラジエータに被冷却水を導入して次工程に進む（Ｓ２１Ｂ）。

逆に入口温度Ｔ_INから外気乾球温度ＤＢを引いた値が、所定の冷媒水起動温度Ｔ_ｆｏｎよりも低い場合には、バイパス弁７１を開弁し、遮断弁７３を閉弁する（Ｓ２３Ｂ）。例えば夏季のように外気温度が非常に高い場合にはラジエータに被冷却水を導入すると、かえって過熱させてしまう場合がある。したがってバイパス弁７１を開弁し、遮断弁７３を閉弁し、被冷却水をラジエータに導入せず、直接蒸発器５に導入して冷凍回路１０のみで被冷却水の冷却を行う。

ラジエータファン６７は、中間温度Ｔｃと被冷却水の設定温度Ｔ_０に基づいてＰＩＤ指令値を発生させ、この値によって回転数がインバータ制御される（Ｓ５Ｂ）。そして、入口温度検出器５１で検出した入口温度Ｔ_INと中間温度検出器５２で検出した中間温度Ｔcとを比較して、入口温度Ｔ_INから中間温度Ｔcを差し引いた値が所定温度Ｔ_１０よりも高い場合には、Ｓ５Ｂの制御を継続し、低い場合には次の工程に進む（Ｓ６Ｂ）。そして、ラジエータファン６７を停止させ、インバータ制御をＯＦＦにする（Ｓ７Ｂ）。

したがって、冷却装置１Ｂは被冷却水を一旦ラジエータ６１に導入して、設定温度Ｔ０よりも若干高い値で蒸発器５に供給され、冷凍回路１０の制御によって、一定の温度に制御されて外部機器へと被冷却水が提供されることとなる。フリークーリングを最大限に利用し、省エネルギで、かつ被冷却水の温度精度の安定した供給が可能となる。

本発明の冷却装置の第一実施例の概念模式図である。 本発明の冷却装置の第一実施例の主制御フローチャートである。 本発明の一部を構成するラジエータ回路の冷却制御のフローチャートである。 ラジエータ回路における低温度差制御を説明する概念図である。 本発明の一部を構成する冷凍回路の冷却制御のフローチャートである。 本発明の一部を構成する圧縮機の冷却制御を説明する概念図である。 冷凍回路を構成する開閉弁の制御のフローチャートである。 本発明の冷却装置の第二実施例の主制御フローチャートである。 本発明の冷却装置の第三実施例の概念模式図である。 本発明の冷却装置の第三実施例の主制御フローチャートである。

符号の説明

１：冷却装置、
２：圧縮機、２１：バイパス回路、２３：開閉弁、
３：凝縮器、３１：凝縮器ファン、
４：電子膨張弁、
５：蒸発器、５１：入口温度検出器、５３：出口温度検出器、
６：熱交換器、６１：ラジエータ、６３：循環ポンプ、６５：冷媒水回路、６７：ラジエータファン、
１０：冷凍回路、１１：出口圧力検出器、
９０：主ポンプ、９１：循環回路、９３：貯水タンク、９５：純水器、

Claims (6)

1. インバータ制御可能な圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とからなり、前記蒸発器で冷媒と被冷却水との熱交換を行って被冷却水を供給する冷却装置において、
   前記蒸発器における被冷却水の入口側に温度検出器を設け、前記温度検出器で検出される蒸発器入口温度と要求された設定温度の偏差に基づいて、前記圧縮機をインバータ制御することを特徴とする冷却装置。
2. 前記膨張弁は開度調整可能な電子膨張弁であり、前記蒸発器における被冷却水の出口側に出口温度検出器を設け、前記出口温度検出器で検出される出口温度と要求された設定温度の偏差に基づいて、前記電子膨張弁の開度を調整制御することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記圧縮機の入口と出口とを連通するバイパス回路と、該バイパス回路に設けた開閉弁とを備え、
   前記圧縮機がインバータ制御可能な負荷領域では、前記蒸発器入口温度と要求された設定温度の偏差に基づいて、前記圧縮機をインバータ制御するとともに、
   前記圧縮機がインバータ制御不可能な低負荷領域では、前記開閉弁を開となし、前記出口温度検出器で検出される出口温度と要求された設定温度の偏差に基づいて、前記電子膨張弁の開度を調整制御することを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記蒸発器の前記被冷却水の入口上流側に熱交換器を設け、前記熱交換器と、外気が通過可能なラジエータと、循環ポンプとの密閉回路を構成し、前記ラジエータに外気を導入するためのラジエータファンを有し、
   前記熱交換器における被冷却水の入口側に設けた入口温度検出器で検出される熱交換器入口温度と要求された設定温度の偏差に基づいて、前記循環ポンプの吐出流量を可変に制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の冷却装置。
5. 前記ラジエータファンの回転数は、前記熱交換器における被冷却水の入口側に設けた前記入口温度検出器で検出される熱交換器入口温度と要求された設定温度の偏差に基づいて、インバータ制御することを特徴とする請求項４に記載の冷却装置。
6. インバータ制御可能な圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とからなり、前記蒸発器で冷媒と被冷却水との熱交換を行って被冷却水を供給する冷却装置において、
   前記蒸発器の前記被冷却水の入口上流側に被冷却水が流動するラジエータを設け、前記ラジエータには外気を導入するためのラジエータファンを有し、
   前記蒸発器における被冷却水の入口側に温度検出器を設け、前記温度検出器で検出される蒸発器入口温度と要求された設定温度の偏差に基づいて、前記圧縮機をインバータ制御することを特徴とする冷却装置。

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