JP2011169532A - 冷凍機ユニットおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍機の運転台数の増減の際に冷水出口温度の変動を可及的に小さくできる冷凍機ユニットを提供する。
【解決手段】独立した冷媒系統を有するＡ号機冷凍機およびＢ号機冷凍機を備え、Ａ号機凝縮器８ａは、Ｂ号機凝縮器８ｂに対して、冷却水の流れ方向の上流側に配置され、Ａ号機蒸発器６ａは、Ｂ号機蒸発器６ｂに対して、冷水の流れ方向の下流側に配置され、冷水出口温度ＴＩが所望温度となるように制御され、Ｂ号機蒸発器６ｂの出口冷水温度である冷水中間温度ＴＭの設定値ＴＭｓｅｔが変更可能とされ、冷水中間設定温度ＴＭｓｅｔを冷水出口温度ＴＯに近づけて略同等とすることにより、Ａ号機圧縮機１ａを停止させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、独立した冷媒系統を有する冷凍機を組み合わせた冷凍機ユニットおよびその制御方法に関するものである。

従来より、独立した冷媒系統を有する２台の冷凍機を組み合わせた冷凍機ユニット（いわゆるパラレル型冷凍機）が知られている。両冷凍機は、凝縮器と熱交換する冷却水と、蒸発器と熱交換する冷水とを共用している。このような冷凍機ユニットは、冷凍負荷が所定値以上の場合には２台の冷凍機が同時に運転され、冷凍負荷が所定値未満の場合には１台の冷凍機のみが運転されるようになっている。
例えば、下記特許文献１に記載された冷凍機ユニットは、冷凍負荷が５０％以下に低下した場合には、一方の冷凍機の圧縮機を停止する制御が行われる。

特開平１０−１３２４００号公報（［０００７］，図１）

しかし、特許文献１に記載された２つの冷凍機は、負荷分担が同等とされているが、それぞれの冷凍機の状態に応じて負荷分担を適宜変更できることが好ましい。
また、冷凍負荷が５０％以下となり一方の冷凍機を停止させる場合、特許文献１の場合は一方の圧縮機を突然停止させて冷凍機ユニット全体の冷凍負荷を急激に変動させるので、両冷凍機で共用している冷水出口の温度変動が大きくなってしまう。

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、独立した冷媒系統を有する２台の冷凍機を組み合わせた冷凍機ユニットの各冷凍機の負荷割合を任意に変更可能とし、また、冷凍機の運転台数の増減の際に冷水出口温度の変動を可及的に小さくできる冷凍機ユニット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、本発明の冷凍機ユニットおよびその制御方法は以下の手段を採用する。
本発明の冷凍機ユニットは、第１冷媒によって動作する第１冷凍機と、第２冷媒によって動作する第２冷凍機と、前記第１冷凍機および前記第２冷凍機を制御する制御部とを備え、前記第１冷凍機は、前記第１冷媒を圧縮する第１圧縮機と、該第１圧縮機によって圧縮された前記第１冷媒を冷却水との熱交換によって凝縮させる第１凝縮器と、該第１凝縮器によって凝縮された前記第１冷媒を膨張させる第１膨張手段と、該第１膨張手段によって膨張された前記第１冷媒を冷水との熱交換によって蒸発させて該冷水を第１冷水出口温度まで冷却する第１蒸発器とを有し、前記第２冷凍機は、前記第２冷媒を圧縮する第２圧縮機と、該第２圧縮機によって圧縮された前記第２冷媒を前記冷却水との熱交換によって凝縮させる第２凝縮器と、該第２凝縮器によって凝縮された前記第２冷媒を膨張させる第２膨張手段と、該第２膨張手段によって膨張された前記第２冷媒を前記冷水との熱交換によって蒸発させて該冷水を第２冷水出口温度まで冷却する第２蒸発器とを有し、前記第１凝縮器は、前記第２凝縮器に対して、前記冷却水の流れ方向の上流側に配置され、前記第１蒸発器は、前記第２蒸発器に対して、前記冷水の流れ方向の下流側に配置され、前記制御部は、前記第１冷水出口温度が所望温度となるように前記第１冷凍機および前記第２冷凍機を制御する冷凍機ユニットにおいて、前記制御部によって、前記第２冷水出口温度の設定値が変更可能とされていることを特徴とする。

本発明の冷凍機ユニットは、第１冷媒によって動作する第１冷凍機と、第２冷媒によって動作する第２冷凍機とを備え、２系統の独立した冷凍サイクルを組み合わせることによって冷凍出力を得る構成となっている。そして、第１冷凍機の第１凝縮器を、第２冷凍機の第２凝縮器に対して、冷却水の流れ方向の上流側に配置し、共通の冷却水を用いることとし、かつ、第１冷凍機の第１蒸発器を、第２冷凍機の第２蒸発器に対して、冷水の流れ方向の下流側に配置して、共通の冷水を用いることとしている。これにより、冷水は、第２蒸発器によって第２冷水出口温度まで冷却され、さらに第１蒸発器によって第１冷水出口温度まで冷却される（すなわち、“第１冷水出口温度＜第２冷水出口温度”の関係となる）。制御部は、外部負荷から要求される所望の第１冷水出口温度が得られるように、第１冷凍機および第２冷凍機を制御する。
さらに、本発明では、制御部によって、第２冷水出口温度の設定値を変更可能としている。これにより、第１冷凍機と第２冷凍機の負荷分担を適宜変更することができる。例えば、負荷一定で第１冷水出口温度を固定値と仮定した場合、第２冷水出口温度の設定値を上げると、第１冷水出口温度と第２冷水出口温度との温度差が大きくなるので、第１冷凍機の負荷が増加し、相対的に第２冷凍機の負荷が減少する。これとは逆に、第２冷水出口温度の設定値を下げると、第１冷水出口温度と第２冷水出口温度との温度差が小さくなるので、第１冷凍機の負荷が減少し、相対的に第２冷凍機の負荷が増大する。

さらに、本発明の冷凍機ユニットでは、前記第１冷凍機および前記第２冷凍機の運転中に前記第１圧縮機を停止させる場合、前記制御部は、前記第２冷水出口温度の前記設定値を前記第１冷水出口温度に近づけて略同等とすることにより、前記第１圧縮機を停止させることを特徴とする。

第２冷水出口温度の設定値を第１冷水出口温度に近づけて略同等とすることにより、第１冷凍機の負荷を徐々に減少させて最終的にほぼゼロとした後に第１圧縮機を停止する。このように、冷凍機の負荷を徐々に減少させた後に停止させるので、冷凍機運転台数の減少に伴う第１冷水出口温度の変動を可及的に小さくするシームレス制御が可能となる。

さらに、本発明の冷凍機ユニットでは、前記第１冷凍機および前記第２冷凍機の運転中に前記第２圧縮機を停止させる場合、前記制御部は、前記第２冷水出口温度の前記設定値を前記第２蒸発器の冷水入口温度に近づけて略同等とすることにより、前記第２圧縮機を停止させることを特徴とする。

第２冷水出口温度の設定値を第２蒸発器の冷水入口温度に近づけて略同等とすることにより、第２冷凍機の負荷を徐々に減少させて最終的にほぼゼロとした後に第２圧縮機を停止する。このように、冷凍機の負荷を徐々に減少させた後に停止させるので、冷凍機運転台数の減少に伴う第１冷水出口温度の変動を可及的に小さくするシームレス制御が可能となる。
また、制御部は、前述の第１圧縮機を停止する停止パターンと、この第２圧縮機を停止するパターンの両方を有することにより、状況に応じて何れの圧縮機を停止するかを選択することができる。例えば、制御部が前回どちらの圧縮機が停止したかを記憶しておき、前回停止しなかった方の圧縮機を停止させる。或いは、各圧縮機の積算運転時間を得ておき、この積算運転時間が同等となるように停止する冷凍機を選択する。

さらに、本発明の冷凍機ユニットでは、前記制御部は、前記第１冷凍機および前記第２冷凍機の合計負荷率または前記第１圧縮機および前記第２圧縮機の合計駆動電力が冷却水温度毎に設けられた所定値を下回った場合に、前記第１圧縮機または前記第２圧縮機を停止させることを特徴とする。

第１冷凍機および第２冷凍機の合計負荷率や合計駆動電力が所定値を下回ると、一方の冷凍機のみで運転を継続して他方の冷凍機の圧縮機を停止する省エネ運転を行うことが可能となる。このような場合には、上述の停止パターンを用いて他方の圧縮機を停止させることとする。
なお、合計負荷率としては、冷水の温度差と冷水流量から得られる冷凍出力から得た負荷率（出力熱量）を用いる。合計駆動電力としては、第１圧縮機および第２圧縮機を駆動する電動機の合計駆動電力を用いる。なお、電動機の駆動電力としては、インバータ駆動の電動機の場合、インバータの指令電流値を代表信号として用いることができる。

さらに、本発明の冷凍機ユニットでは、前記制御部は、前記第１圧縮機を停止させた後に、前記第１膨張手段を全閉とする、又は、前記第２圧縮機を停止させた後に、前記第２膨張手段を全閉とすることを特徴とする。

圧縮機を停止させた後に、膨張手段を全閉とすることにより、凝縮器から蒸発器への冷媒流れを遮断する。これにより、停止中における冷媒の循環を抑制し、冷却水から冷水に流入する熱の流れを最小化することができる。

さらに、本発明の冷凍機ユニットでは、前記制御部は、前記第１圧縮機を停止させる際に、前記第１膨張手段をバイパスして前記第１凝縮器と前記第１蒸発器との間を流れる冷媒の流量を制御する第１ホットガスバイパス弁を前記第１凝縮器圧力と前記第１蒸発器圧力から算定される所望開度まで開とする、又は、前記第２圧縮機を停止させる際に、前記第２膨張手段をバイパスして前記第２凝縮器と前記第２蒸発器との間を流れる冷媒の流量を制御する第２ホットガスバイパス弁を前記第２凝縮器圧力と前記第２蒸発器圧力から算定される所望開度まで開とすることを特徴とする。

圧縮機を停止させる際に、ホットガスバイパス弁を所要開度以上に開とすることにより、冷媒を凝縮器から蒸発器へと膨張手段をバイパスして流し、冷凍出力をほぼゼロとする運転を行う。これにより、停止過程で冷凍出力を出さないこととし、冷凍機運転台数の減少に伴う第１冷水出口温度の変動をさらに小さくすることができる。

さらに、本発明の冷凍機ユニットでは、前記第１冷凍機の運転中でかつ前記第２圧縮機の停止中に、該第２冷凍機を起動させる場合、前記制御部は、前記第２冷水出口温度の前記設定値を、前記第１冷水出口温度と前記第２蒸発器の冷水入口温度との中間値に近づけて略同等とすることにより、前記第２冷凍機を起動させることを特徴とする。

第２冷水出口温度の設定値を、第１冷水出口温度と第２蒸発器の冷水入口温度との中間値に近づけて略同等とすることにより、第２冷凍機の負荷を徐々に増加させて所望の負荷となるように起動させる。このように、冷凍機の負荷を徐々に増加させて起動するので、冷凍機運転台数の増加に伴う第１冷水出口温度の変動を可及的に小さくするシームレス制御が可能となる。

さらに、本発明の冷凍機ユニットでは、前記第１圧縮機の停止中でかつ前記第２冷凍機の運転中に、該第１冷凍機を起動させる場合、前記制御部は、前記第２冷水出口温度の前記設定値を、前記第１冷水出口温度と前記第２蒸発器の冷水入口温度との中間値に近づけて略同等とすることにより、前記第１冷凍機を起動させることを特徴とする。

第２冷水出口温度の設定値を、第１冷水出口温度と第２蒸発器の冷水入口温度との中間値に近づけて略同等とすることにより、第１冷凍機の負荷を徐々に増加させて所望の負荷となるように起動させる。このように、冷凍機の負荷を徐々に増加させて起動するので、冷凍機運転台数の増加に伴う第１冷水出口温度の変動を可及的に小さくするシームレス制御が可能となる。

さらに、本発明の冷凍機ユニットでは、前記制御部は、運転中の前記第１冷凍機または運転中の前記第２冷凍機の負荷率、又は、運転中の前記第１圧縮機または前記第２圧縮機の駆動電力が冷却水温度毎に設けられた所定値を上回った場合に、停止中の前記第２冷凍機または停止中の前記第１冷凍機を起動させることを特徴とする。

運転中の一方の冷凍機の負荷率が所定値を上回ると、両方の冷凍機で運転する必要がある。このような場合には、上述の起動パターンを用いて停止中の他方の冷凍機を起動させることとする。
なお、負荷率としては、冷水の温度差と冷水流量から得られる冷凍出力から得た負荷率（出力熱量）を用いる。駆動電力としては、運転中の圧縮機を駆動する電動機の駆動電力を用いる。なお、電動機の駆動電力としては、インバータ駆動の電動機の場合、インバータの出力電流値を代表信号として用いることができ、出力電流値が例えば９８％を上回った場合に他方の圧縮機が起動される。

さらに、本発明の冷凍機ユニットでは、前記制御部は、前記第２冷凍機の起動時の初期において、前記第２膨張手段をバイパスして前記第２凝縮器と前記第２蒸発器との間を流れる冷媒の流量を制御する第２ホットガスバイパス弁を全開とする、又は、前記第１冷凍機の起動時の初期において、前記第１膨張手段をバイパスして前記第１凝縮器と前記第１蒸発器との間を流れる冷媒の流量を制御する第１ホットガスバイパス弁を全開とすることを特徴とする。

第１冷凍機の起動時の初期において、ホットガスバイパス弁を全開とすることにより、冷媒を凝縮器から蒸発器へと膨張手段をバイパスして流し、冷凍出力をほぼゼロとする運転を行う。これにより、起動時の初期に大きな冷凍出力を出さないこととし、冷凍機運転台数の増加に伴う第１冷水出口温度の変動をさらに小さくすることができる。

また、本発明の冷凍機ユニットの制御方法は、第１冷媒によって動作する第１冷凍機と、第２冷媒によって動作する第２冷凍機と、前記第１冷凍機および前記第２冷凍機を制御する制御部とを備え、前記第１冷凍機は、前記第１冷媒を圧縮する第１圧縮機と、該第１圧縮機によって圧縮された前記第１冷媒を冷却水との熱交換によって凝縮させる第１凝縮器と、該第１凝縮器によって凝縮された前記第１冷媒を膨張させる第１膨張手段と、該第１膨張手段によって膨張された前記第１冷媒を冷水との熱交換によって蒸発させて該冷水を第１冷水出口温度まで冷却する第１蒸発器とを有し、前記第２冷凍機は、前記第２冷媒を圧縮する第２圧縮機と、該第２圧縮機によって圧縮された前記第２冷媒を前記冷却水との熱交換によって凝縮させる第２凝縮器と、該第２凝縮器によって凝縮された前記第２冷媒を膨張させる第２膨張手段と、該第２膨張手段によって膨張された前記第２冷媒を前記冷水との熱交換によって蒸発させて該冷水を第２冷水出口温度まで冷却する第２蒸発器とを有し、前記第１凝縮器は、前記第２凝縮器に対して、前記冷却水の流れ方向の上流側に配置され、前記第１蒸発器は、前記第２蒸発器に対して、前記冷水の流れ方向の下流側に配置され、前記制御部は、前記第１冷水出口温度が所望温度となるように前記第１冷凍機および前記第２冷凍機を制御する冷凍機ユニットの制御方法において、前記制御部によって、前記第２冷水出口温度の設定値を変更することを特徴とする。

冷凍機ユニットは、第１冷媒によって動作する第１冷凍機と、第２冷媒によって動作する第２冷凍機とを備え、２系統の独立した冷凍サイクルを組み合わせることによって冷凍出力を得る構成となっている。そして、第１冷凍機の第１凝縮器を、第２冷凍機の第２凝縮器に対して、冷却水の流れ方向の上流側に配置し、共通の冷却水を用いることとし、かつ、第１冷凍機の第１蒸発器を、第２冷凍機の第２蒸発器に対して、冷水の流れ方向の下流側に配置して、共通の冷水を用いることとしている。これにより、冷水は、第２蒸発器によって第２冷水出口温度まで冷却され、さらに第１蒸発器によって第１冷水出口温度まで冷却される（すなわち、“第１冷水出口温度＜第２冷水出口温度”の関係となる）。制御部は、外部負荷から要求される所望の第１冷水出口温度が得られるように、第１冷凍機および第２冷凍機を制御する。
さらに、本発明では、制御部によって、第２冷水出口温度の設定値を変更可能としている。これにより、第１冷凍機と第２冷凍機の負荷分担を適宜変更することができる。例えば、負荷一定で第１冷水出口温度を固定値と仮定した場合、第２冷水出口温度の設定値を上げると、第１冷水出口温度と第２冷水出口温度との温度差が大きくなるので、第１冷凍機の負荷が増加し、相対的に第２冷凍機の負荷が減少する。これとは逆に、第２冷水出口温度の設定値を下げると、第１冷水出口温度と第２冷水出口温度との温度差が小さくなるので、第１冷凍機の負荷が減少し、相対的に第２冷凍機の負荷が増大する。

本発明によれば、各冷凍機の負荷分担を任意に変更できるとともに、冷凍機の運転台数の増減の際に冷水出口温度の変動を可及的に小さくすることができる。

本発明の冷凍機ユニットの概略構成を示した図である。 図１の制御部の構成を示したブロック図である。 減台運転の動作を示したグラフである。 増台運転の動作を示したグラフである。 減台運転の動作を示したフローチャートである。 減台運転の動作を示したフローチャートである。 増台運転の動作を示したフローチャートである。

以下に、本発明に係る冷凍機ユニットおよびその制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、独立した冷媒系統を有する２台の冷凍機を組み合わせた冷凍機ユニットが示されている。それぞれの冷凍機は、Ａ号機インバータターボ冷凍機（第１冷凍機，以下「Ａ号機」という。）およびＢ号機インバータターボ冷凍機（第２冷凍機，以下「Ｂ号機」という。）とされ、それぞれ同等の容量とされている。
同図に示されているように、Ａ号機蒸発器６ａ及びＢ号機蒸発器６ｂは同一の冷水系統７ａ，７ｂを共用するとともに、Ａ号機凝縮器８ａ及びＢ号機凝縮器８ｂは同一の冷却水系統９ａ，９ｂを共用するようになっている。Ａ号機蒸発器６ａは、Ｂ号機蒸発器６ｂに対して、冷水の流れ方向の下流側に配置されている。Ａ号機凝縮器８ａは、Ｂ号機凝縮器８ｂに対して、冷却水の流れ方向の上流側に配置されている。

インバータターボ冷凍機とされたＡ号機は、２段圧縮２段膨張サブクールサイクルを実現する構成となっている。このＡ号機は、冷媒を圧縮するＡ号機圧縮機１ａと、Ａ号機ターボ圧縮機１ａによって圧縮された高温高圧のガス冷媒を凝縮するＡ号機凝縮器８ａと、Ａ号機凝縮器８ａにて凝縮された液冷媒に対して過冷却を与えるＡ号機サブクーラ１０ａと、Ａ号機サブクーラ１０ａからの液冷媒を膨張させるＡ号機高圧膨張弁（第１膨張手段）１２ａと、Ａ号機高圧膨張弁１２ａに接続されるとともにＡ号機圧縮機１ａの中間段およびＡ号機低圧膨張弁（第１膨張手段）１３ａに接続されるＡ号機中間冷却器１１ａと、Ａ号機低圧膨張弁１３ａによって膨張させられた液冷媒を蒸発させるＡ号機蒸発器６ａとを備えている。

Ａ号機圧縮機１ａは、遠心式の２段圧縮機であり、Ａ号機インバータ４ａによって回転数制御されたＡ号機電動機２ａによって駆動されている。Ａ号機インバータ４ａにはＡ号機電源５ａが接続されている。Ａ号機インバータ４ａは、制御部２０によってその出力が制御されている。Ａ号機圧縮機１ａの冷媒吸入口には、吸入冷媒流量を制御するＡ号機圧縮機入口ベーン３ａが設けられており、Ａ号機の容量制御が可能となっている。Ａ号機圧縮機入口ベーン３ａの開度ＰＲＶａは、制御部２０へと送信される。

Ａ号機凝縮器８ａには、凝縮器圧力Ｐｃａを計測するためのＡ号機凝縮器圧力センサ１６ａが設けられている。センサ１６ａの出力は、制御部２０に送信される。
Ａ号機サブクーラ１０ａは、Ａ号機凝縮器８ａの冷媒流れ下流側に、凝縮された冷媒に対して過冷却を与えるように設けられている。
Ａ号機凝縮器８ａに供給される冷却水流量、Ａ号機凝縮器８ａの冷却水入口温度およびＡ号機凝縮器８ａの冷却水出口温度は図示しないセンサにより計測されるようになっている。冷却水は、図示しない冷却塔において外部へと排熱された後に、再びＡ号機凝縮器８ａ及びＡ号機サブクーラ１０ａへと導かれるようになっている。

Ａ号機蒸発器６ａには、蒸発器圧力Ｐｅａを計測するためのＡ号機蒸発器圧力センサ１５ａが設けられている。冷水は、Ａ号機蒸発器６ａにおいて吸熱されることによって、冷水中間温度（第２冷水出口温度）ＴＭから冷水出口温度（第１冷水出口温度）ＴＯまで冷却される。冷水出口温度ＴＯの定格温度としては、例えば７℃とされる。冷水出口温度ＴＯは冷水出口温度センサ１８により、冷水中間温度ＴＭは冷水中間温度センサ２１により計測される。冷水中間温度ＴＭは、Ａ号機蒸発器６ａの冷水入口温度とされるとともに、Ｂ号機蒸発器６ｂの冷水出口温度とされる。
冷水流量ｑｃは、Ｂ号機蒸発器６ｂの冷水入口側に設けられた冷水流量センサ１９によって計測される。また、Ｂ号機蒸発器６ｂの冷水入口側には、冷水入口温度ＴＩを計測する冷水入口温度センサ１７が設けられている。
上述したセンサ１７，１８，１９，２１の出力値は、制御部２０へと送信される。

Ａ号機凝縮器８ａの気相部とＡ号機蒸発器６ａの気相部との間には、ホットガスバイパス管内を流れる冷媒の流量を制御するためのＡ号機ホットガスバイパス弁１４ａが設けられている。Ａ号機ホットガスバイパス弁１４ａによってホットガスバイパス流量を調整することにより、Ａ号機の冷凍出力が調整される。

Ｂ号機は、Ａ号機と同様の構成を有しており、対応する機器には同一の数字に“ｂ”の添え字を加えて示してある。
なお、エコノマイザサイクルを実現する構成として自己膨張型の中間冷却器１１ａ，１１ｂを有する構成として説明したが、中間冷却器に代えて間接熱交換器を用いた構成としても良い。

図２には、制御部２０のブロック図が示されている。
制御部２０には、内部設定値として、圧縮機１ａ，１ｂの羽根車の外径Ｄ、電動機２ａ，２ｂと羽根車との間に設けられた増速機のギア比、電源周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）、冷媒物性値（エンタルピー・比重・飽和温度・飽和圧力等）や、冷水の比重・比熱といったデータが格納されている。

制御部２０には、冷水入口温度ＴＩ、冷水出口温度ＴＯおよび冷水流量ｑｃが入力されるようになっており、これらから各冷凍機Ａ，Ｂの冷凍能力Ｑを演算する。具体的には、下式（１）のように、冷水の出入口温度差（ＴＯ−Ｔ１）に冷水流量ｑｃ及び冷水比熱Ｃｗを乗じて、冷凍能力Ｑが得られる。
Ｑ＝（ＴＯ−Ｔ１）×ｑｃ×Ｃｗ ・・・（１）
この冷凍能力Ｑと、それぞれの圧縮機１ａ，１ｂの出入口における冷媒ガスのエンタルピー差Δｈとに基づいて、次式（２）により、冷媒流量Ｇ（重量流量）が得られる。
Ｇ＝ｋ×Ｑ／Δｈ ・・・（２）
ここで、ｋは定数である。
そして、冷媒流量Ｇを体積流量に変換した冷媒流量Ｑｖと、羽根車の外径Ｄと、蒸発器６ａ，６ｂの圧力Ｐｅａ，Ｐｅｂから算出される飽和温度Ｔｅａ，Ｔｅｂにおける音速ａとに基づいて、次式（３）により、流量変数θが得られる。この流量変数は、圧縮機１ａ，１ｂの吸込風量に基づく無次元数である。
θ＝Ｑｖ／（ａ×Ｄ^２） ・・・（３）

圧力変数Ωは、圧縮機１ａ，１ｂのヘッドに基づく無次元数であり、凝縮器圧力Ｐｃａ，Ｐｃｂ、蒸発器圧力Ｐｅａ，Ｐｅｂ及び蒸発器圧力Ｐｅａ，Ｐｅｂから算出される飽和温度Ｔｅａ，Ｔｅｂから得られる冷媒ガスのエンタルピー差Δｈと、蒸発器８ａ，８ｂの圧力Ｐｅａ，Ｐｅｂから算出される飽和温度Ｔｅａ，Ｔｅｂにおける冷媒ガスの音速ａとから、次式（４）により得られる。
Ω＝Δｈ／ａ^２ ・・・（４）

以上の流量変数θ及び圧力変数Ωと、入口ベーン開度ＰＲＶａ，ＰＲＶｂを用いて、圧縮機空力特性マップから圧縮機１ａ，１ｂの現在の運転状態が推定される。圧縮機空力特性マップは、予め圧縮機１ａ，１ｂの運転試験を綿密に行い、圧力変数Ωに対する流量変数θのマップ上に、圧縮機１ａ，１ｂが旋回失速を起こす旋回失速線Ｌが示されたものである。この空力特性マップ４２の旋回失速線Ｌにより、旋回失速やサージングを起こさない安定領域と、旋回失速やサージングを起こす不安定領域とが運転状態判断部にて判断される。運転状態判断部では、それぞれの圧縮機１ａ，１ｂの回転数、ホットガスバイパス弁１４ａ，１４ｂの開度等が演算され、指示される。そして、各圧縮機１ａ，１ｂの起動ないし停止の指示を行う。

制御部２０には、冷水中間温度ＴＭが入力されるようになっている。制御部２０は、冷水中間設定温度ＴＭｓｅｔの設定値の変更が可能とされた冷水中間設定温度指示部を備えている。この冷水中間設定温度指示部によって冷水中間温度ＴＭが任意に変更できるようになっている。
冷水中間設定温度指示部は、圧縮機運転履歴と冷凍能力Ｑに基づいて圧縮機運転台数の増減を判断する圧縮機運転台数判断部の指示に基づいて変更されるようになっている。圧縮機運転履歴としては、前回停止した冷凍機がＡ号機またはＢ号機のどちらかが記憶されている。あるいは、Ａ号機およびＢ号機の運転積算時間を記憶しておいても良い。

次に、図３を用いて、Ａ号機およびＢ号機が起動されている２台運転からいずれかの冷凍機の圧縮機１ａ，１ｂが停止される減台運転について説明する。
図３（ａ）は、時間に対する冷凍機ユニット全体の負荷率の変化が示されている。
図３（ｂ）はＡ号機を停止する場合、図３（ｃ）はＢ号機を停止する場合が示されている。
［Ａ号機停止（図３（ｂ））］
先ず、Ａ号機を停止する場合について説明する。図３（ｂ）に示されているように、外部負荷の要求出力が下がり冷水入口温度ＴＩが低下してくると、図３（ａ）に示されているように負荷率も減少してくる。なお、負荷率が低下しても、冷水出口温度ＴＯは設定温度ＴＯｓｅｔ（例えば７℃）を維持する。冷水中間設定温度ＴＭｓｅｔは、冷水入口温度ＴＩと冷水出口設定温度ＴＯｓｅｔに基づいて、最適負荷配分（例えば中間値）となるように設定される。
冷凍機ユニット全体の負荷率が、設定された負荷率（例えば５０％）を下回ると、運転台数減の制御が開始され、冷水中間設定温度ＴＭｓｅｔを冷水出口設定温度ＴＯｓｅｔへと徐々に近づくように遷移させ、同値となるまで近づけていく。そして、冷水中間温度ＴＭが冷水出口設定温度ＴＯｓｅｔとほぼ同等（例えば±０．２℃）となり、かつ冷水出口温度ＴＯが冷水出口設定温度ＴＯｓｅｔとほぼ同等（例えば±０．２℃）となった条件を満たした場合に、Ａ号機の負荷が殆どなくなるのでＡ号機圧縮機１ａが停止される。

［Ｂ号機停止（図３（ｃ））］
Ｂ号機を停止する場合について説明する。図３（ｃ）に示されているように、外部負荷の要求出力が下がり冷水入口温度ＴＩが低下してくると、図３（ａ）に示されているように負荷率も減少してくる。なお、負荷率が低下しても、冷水出口温度ＴＯは設定温度ＴＯｓｅｔ（例えば７℃）を維持する。冷水中間設定温度ＴＭｓｅｔは、冷水入口温度ＴＩと冷水出口設定温度ＴＯｓｅｔに基づいて、最適負荷配分（例えば中間値）となるように設定される。
冷凍機ユニット全体の負荷率が、設定された負荷率（例えば５０％）を下回ると、運転台数減の制御が開始され、冷水中間設定温度ＴＭｓｅｔを冷水入口温度ＴＩへと徐々に近づくように遷移させ、同値となるまで近づけていく。そして、冷水中間温度ＴＭが冷水入口温度ＴＩとほぼ同等（例えば±０．２℃）となり、かつ冷水出口温度ＴＯが冷水出口設定温度ＴＯｓｅｔとほぼ同等（例えば±０．２℃）となった条件を満たした場合に、Ｂ号機の負荷が殆どなくなるのでＢ号機圧縮機１ｂが停止される。
なお、Ａ号機およびＢ号機を停止する場合に、上述のように冷凍機ユニット全体の負荷率を用いる代わりに、両圧縮機１ａ，１ｂのインバータ４ａ，４ｂの合計電流値を用いても良い。

また、圧縮機１ａ，１ｂを停止させた後に、停止させた方の高圧膨張弁１２ａ，１２ｂ及び低圧膨張弁１３ａ，１３ｂを全閉とすることが好ましい。これにより、凝縮器８ａ，８ｂから蒸発器６ａ，６ｂへの冷媒流れを遮断することができ、停止中における冷媒の循環を抑制し、冷水から冷却水への熱損失を最小化することができる。
また、圧縮機１ａ，１ｂを停止させる過程で、ホットガスバイパス弁１４ａ，１４ｂを全開としてもよい。これにより、冷凍出力をほぼゼロとする運転を行うことで、停止過程で冷凍出力を出さないこととし、冷凍機運転台数の減少に伴う冷水出口温度ＴＩの変動をさらに小さくすることができる。

次に、図４を用いて、Ａ号機またはＢ号機が起動されている１台運転から、停止中の冷凍機の圧縮機１ａ，１ｂを起動する増台運転について説明する。
図４（ａ）は、時間に対する両圧縮機１ａ，１ｂのインバータ４ａ，４ｂの合計電流値の変化が示されている。
図４（ｂ）はＡ号機を起動する場合、図４（ｃ）はＢ号機を起動する場合が示されている。
［Ａ号機起動（図４（ｂ））］
先ず、Ａ号機を起動する場合について説明する。図４（ｂ）に示されているように、外部負荷の要求出力が上がり冷水入口温度ＴＩが上昇してくると、図４（ａ）に示されているように合計電流値も増大してくる。なお、合計電流値が増大しても、冷水出口温度ＴＯは設定温度ＴＯｓｅｔ（例えば７℃）を維持する。冷水中間設定温度ＴＭｓｅｔは、冷水出口設定温度ＴＯｓｅｔと同等とされている。
合計電流値が、設定された値（定格電流１００％）を上回ると、運転台数増の制御が開始され、冷水中間設定温度ＴＭｓｅｔを冷水入口温度ＴＩと冷水出口設定温度ＴＯｓｅｔとの間の最適負荷配分となる設定値（例えば中間値）へと徐々に近づくように遷移させ、同値となるまで近づけていく。このようにして、Ａ号機の負荷を徐々に増大させてＡ号機圧縮機１ａを起動する。

［Ｂ号機起動（図４（ｃ））］
Ｂ号機を起動する場合について説明する。図４（ｃ）に示されているように、外部負荷の要求出力が上がり冷水入口温度ＴＩが上昇してくると、図４（ａ）に示されているように合計電流値も増大してくる。なお、合計電流値が増大しても、冷水出口温度ＴＯは設定温度ＴＯｓｅｔ（例えば７℃）を維持する。冷水中間設定温度ＴＭｓｅｔは、冷水入口温度ＴＩと同等とされている。
合計電流値が、設定された値（定格電流１００％）を上回ると、運転台数増の制御が開始され、冷水中間設定温度ＴＭｓｅｔを冷水入口温度ＴＩと冷水出口設定温度ＴＯｓｅｔとの間の最適負荷配分となる設定値（例えば平均値）へと徐々に近づくように遷移させ、同値となるまで近づけていく。このようにして、Ｂ号機の負荷を徐々に増大させてＡ号機圧縮機１ａを起動する。
なお、Ａ号機またはＢ号機を起動する場合に、上述のようにインバータ４ａ，４ｂの合計電流値を用いる代わりに、冷凍機ユニット全体の負荷率を用いても良い。
また、起動過程の初期において、ホットガスバイパス弁１４ａ，１４ｂを全開としてもよい。これにより、起動時の初期に大きな冷凍出力を出さないこととし、冷凍機運転台数の増加に伴う冷水出口温度ＴＩの変動をさらに小さくすることができる。

次に、図５〜図７に示したフローチャートを用いて、冷凍機ユニットの制御方法について説明する。
［２台運転から１台運転への減台制御］
図５に示されているように、両冷凍機が運転されている場合（ステップＳ１）、制御部２０はステップＳ２にて冷水入口温度ＴＩ等の入力値を得て、高低圧のヘッド差（ステップＳ３）、冷凍能力Ｑ（ステップＳ４）を演算する。
そして、ステップＳ５にて、ステップＳ３にて得たヘッド差Ｈにおける設定負荷率（図３参照，例えば５０％）以下かを判断する。設定負荷率以下の場合には、ステップＳ６（図６参照）へと進み、前回圧縮機を停止して再起動した後に経過した時間が設定値以上かを判断する。ステップＳ６にて設定値以上の時間が経過している場合には、ステップＳ７へと進み、冷水中間設定温度ＴＭｓｅｔを冷水入口温度ＴＩに遷移させるか（図３（ｃ）参照）、冷水中間設定温度ＴＭｓｅｔを冷水出口温度ＴＯに遷移させる（図３（ｂ）参照）。いずれの温度に遷移させるかは、前回停止していない圧縮機の方を停止するように選択するとよい。
次に、ステップＳ８にて、ステップＳ７にて設定した冷水中間設定温度ＴＭｓｅｔとなるように、冷凍機ごとに圧縮機周波数、ホットガスバイパス弁１４ａ，１４ｂの開度を演算し、指示する。
ステップＳ９にて、冷水中間設定温度ＴＭｓｅｔが冷水入口温度ＴＩ±設定温度の範囲内か、或いは、冷水中間設定温度ＴＭｓｅｔを冷水出口温度ＴＯかを判断し、ＹｅｓであればステップＳ１０に進む。ステップＳ１０では、冷水中間温度ＴＭが冷水中間設定温度ＴＭｓｅｔ±設定温度の範囲内かを判断し、ＹｅｓであればステップＳ１１へと進む。ステップＳ１１では、冷水出口温度ＴＯが冷水出口設定温度ＴＯｓｅｔ±設定温度の範囲内かを判断し、ＹｅｓであればステップＳ１２へと進む。ステップＳ１２では、ステップＳ５と同様に、ステップＳ３にて得たヘッド差Ｈにおける設定負荷率以下かを判断し、ＹｅｓであればステップＳ１３へと進む。ステップＳ１３では、ステップＳ７で決定した方の圧縮機を停止するシーケンスを行う。
上述のステップＳ９，Ｓ１０，Ｓ１１のいずれかでＮｏとなった場合には、再びステップＳ８へと戻り、同様の制御が行われる。
ステップＳ６またはステップＳ１２でＮｏとなった場合には、ステップＳ１４へと進み、最適負荷配分となる冷水中間設定温度ＴＭｓｅｔへと遷移させ、ステップＳ１５にて冷凍機ごとに圧縮機周波数、ホットガスバイパス弁１４ａ，１４ｂの開度を演算・指示し、ステップＳ１へと戻る。

［１台運転から２台運転への増台制御］
図７に示されているように、Ａ号機またはＢ号機のいずれか一方が運転されている場合（ステップＳ２０）、制御部２０はステップＳ２１にて冷水入口温度ＴＩ等の入力値を得て、高低圧のヘッド差（ステップＳ２２）、冷凍能力Ｑ（ステップＳ２３）を演算する。
そして、ステップＳ２４にて、ステップＳ２２にて得たヘッド差Ｈにおける設定合計電流値（図４参照，例えば５０％）以上かを判断する。Ｎｏの場合には、ステップＳ２０へ戻り、１台運転を継続する。Ｙｅｓの場合には、ステップＳ２５へと進み、停止している方の圧縮機を起動するシーケンスを開始する。そして、ステップＳ２６で、最適負荷配分となる冷水中間設定温度ＴＭｓｅｔを遷移させる（図４参照）。そして、ステップＳ２７にて冷凍機ごとに圧縮機周波数、ホットガスバイパス弁１４ａ，１４ｂの開度を演算・指示し、２台運転を行うステップＳ１（図５参照）へと移行する。

以上の通り、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
冷水中間出口温度ＴＭの設定値である冷水中間設定温度ＴＭｓｅｔを変更可能としたので、Ａ号機とＢ号機の負荷分担を適宜変更することができる。例えば、負荷一定で冷水出口温度ＴＯを一定とした通常運転の場合、冷水中間設定温度ＴＭｓｅｔを上げると、冷水出口温度ＴＯと冷水中間温度ＴＭとの温度差が大きくなるので、Ａ号機の負荷が増加し、相対的にＢ号機の負荷が減少する。これとは逆に、冷水中間設定温度ＴＭｓｅｔを下げると、冷水出口温度ＴＯと冷水中間温度ＴＭとの温度差が小さくなるので、Ａ号機の負荷が減少し、相対的にＢ号機の負荷が増大する。

冷水中間設定温度ＴＭｓｅｔを冷水出口温度ＴＯに近づけて略同等とすることにより、Ａ号機の負荷を徐々に減少させて最終的にほぼゼロとした後にＡ号機圧縮機１ａを停止することとした。このように、冷凍機の負荷を徐々に減少させた後に停止させるので、冷凍機運転台数の減少に伴う冷水出口温度ＴＯの変動を可及的に小さくするシームレス制御が可能となる。

冷水中間設定温度ＴＭｓｅｔを冷水入口温度ＴＩに近づけて略同等とすることにより、Ｂ号機の負荷を徐々に減少させて最終的にほぼゼロとした後にＢ号機圧縮機１ｂを停止することとした。このように、冷凍機の負荷を徐々に減少させた後に停止させるので、冷凍機運転台数の減少に伴う冷水出口温度ＴＯの変動を可及的に小さくするシームレス制御が可能となる。

Ａ号機圧縮機１ａを停止する停止パターンと、Ｂ号機圧縮機１ｂを停止するパターンの両方を有することにより、状況に応じて何れの圧縮機を停止するかを選択することができる。例えば、制御部が各冷凍機の積算運転時間を得ておき、この積算運転時間が同等となるように停止する冷凍機を選択する。制御部２０の圧縮機運転履歴（図２参照）にて前回どちらの圧縮機が停止したかを記憶しておき、前回停止しなかった方の圧縮機を停止させる制御を行う。或いは、各冷凍機の積算運転時間を得ておき、この積算運転時間が同等となるように停止する冷凍機を選択する。

冷水中間設定温度ＴＭｓｅｔを、冷水出口温度ＴＯと冷水入口温度ＴＩとの中間値に近づけて略同等とすることにより、Ａ号機の負荷を徐々に増加させて所望の負荷となるように起動させる。このように、冷凍機の負荷を徐々に増加させて起動するので、冷凍機運転台数の増加に伴う冷水出口温度ＴＯの変動を可及的に小さくするシームレス制御が可能となる。

冷水中間設定温度ＴＭｓｅｔを、冷水出口温度ＴＯと冷水入口温度ＴＩとの中間値に近づけて略同等とすることにより、Ｂ号機の負荷を徐々に増加させて所望の負荷となるように起動させる。このように、冷凍機の負荷を徐々に増加させて起動するので、冷凍機運転台数の増加に伴う冷水出口温度ＴＯの変動を可及的に小さくするシームレス制御が可能となる。

１ａ，１ｂ 圧縮機
６ａ，６ｂ 蒸発器
８ａ，８ｂ 凝縮器
１２ａ，１２ｂ 高圧膨張弁（膨張手段）
１３ａ，１３ｂ 低圧膨張弁（膨張手段）
１４ａ，１４ｂ ホットガスバイパス弁
２０ 制御部
ＴＭ 冷水中間温度（第２冷水出口温度）
ＴＯ 冷水出口温度（第１冷水出口温度）

Claims (11)

1. 第１冷媒によって動作する第１冷凍機と、
   第２冷媒によって動作する第２冷凍機と、
   前記第１冷凍機および前記第２冷凍機を制御する制御部と、を備え、
   前記第１冷凍機は、前記第１冷媒を圧縮する第１圧縮機と、該第１圧縮機によって圧縮された前記第１冷媒を冷却水との熱交換によって凝縮させる第１凝縮器と、該第１凝縮器によって凝縮された前記第１冷媒を膨張させる第１膨張手段と、該第１膨張手段によって膨張された前記第１冷媒を冷水との熱交換によって蒸発させて該冷水を第１冷水出口温度まで冷却する第１蒸発器と、を有し、
   前記第２冷凍機は、前記第２冷媒を圧縮する第２圧縮機と、該第２圧縮機によって圧縮された前記第２冷媒を前記冷却水との熱交換によって凝縮させる第２凝縮器と、該第２凝縮器によって凝縮された前記第２冷媒を膨張させる第２膨張手段と、該第２膨張手段によって膨張された前記第２冷媒を前記冷水との熱交換によって蒸発させて該冷水を第２冷水出口温度まで冷却する第２蒸発器と、を有し、
   前記第１凝縮器は、前記第２凝縮器に対して、前記冷却水の流れ方向の上流側に配置され、
   前記第１蒸発器は、前記第２蒸発器に対して、前記冷水の流れ方向の下流側に配置され、
   前記制御部は、前記第１冷水出口温度が所望温度となるように前記第１冷凍機および前記第２冷凍機を制御する冷凍機ユニットにおいて、
   前記制御部によって、前記第２冷水出口温度の設定値が変更可能とされていることを特徴とする冷凍機ユニット。
2. 前記第１冷凍機および前記第２冷凍機の運転中に前記第１圧縮機を停止させる場合、
   前記制御部は、前記第２冷水出口温度の前記設定値を前記第１冷水出口温度に近づけて略同等とすることにより、前記第１圧縮機を停止させることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機ユニット。
3. 前記第１冷凍機および前記第２冷凍機の運転中に前記第２圧縮機を停止させる場合、
   前記制御部は、前記第２冷水出口温度の前記設定値を前記第２蒸発器の冷水入口温度に近づけて略同等とすることにより、前記第２圧縮機を停止させることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍機ユニット。
4. 前記制御部は、前記第１冷凍機および前記第２冷凍機の合計負荷率または前記第１圧縮機および前記第２圧縮機の合計駆動電力が冷却水温度毎に設けられた所定値を下回った場合に、前記第１圧縮機または前記第２圧縮機を停止させることを特徴とする請求項２又は３に記載の冷凍機ユニット。
5. 前記制御部は、
   前記第１圧縮機を停止させた後に、前記第１膨張手段を全閉とする、
   又は、
   前記第２圧縮機を停止させた後に、前記第２膨張手段を全閉とする、
   ことを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の冷凍機ユニット。
6. 前記制御部は、
   前記第１圧縮機を停止させる際に、前記第１膨張手段をバイパスして前記第１凝縮器と前記第１蒸発器との間を流れる冷媒の流量を制御する第１ホットガスバイパス弁を前記第１凝縮器圧力と前記第１蒸発器圧力から算定される所望開度まで開とする、
   又は、
   前記第２圧縮機を停止させる際に、前記第２膨張手段をバイパスして前記第２凝縮器と前記第２蒸発器との間を流れる冷媒の流量を制御する第２ホットガスバイパス弁を前記第２凝縮器圧力と前記第２蒸発器圧力から算定される所望開度まで開とする、
   ことを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載の冷凍機ユニット。
7. 前記第１冷凍機の運転中でかつ前記第２圧縮機の停止中に、該第２冷凍機を起動させる場合、
   前記制御部は、前記第２冷水出口温度の前記設定値を、前記第１冷水出口温度と前記第２蒸発器の冷水入口温度との中間値に近づけて略同等とすることにより、前記第２冷凍機を起動させ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冷凍機ユニット。
8. 前記第１圧縮機の停止中でかつ前記第２冷凍機の運転中に、該第１冷凍機を起動させる場合、
   前記制御部は、前記第２冷水出口温度の前記設定値を、前記第１冷水出口温度と前記第２蒸発器の冷水入口温度との中間値に近づけて略同等とすることにより、前記第１冷凍機を起動させることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の冷凍機ユニット。
9. 前記制御部は、運転中の前記第１冷凍機または運転中の前記第２冷凍機の負荷率、又は、運転中の前記第１圧縮機または前記第２圧縮機の駆動電力が冷却水温度毎に設けられた所定値を上回った場合に、停止中の前記第２冷凍機または停止中の前記第１冷凍機を起動させることを特徴とする請求項７又は８に記載の冷凍機ユニット。
10. 前記制御部は、
    前記第２冷凍機の起動時の初期において、前記第２膨張手段をバイパスして前記第２凝縮器と前記第２蒸発器との間を流れる冷媒の流量を制御する第２ホットガスバイパス弁を全開とする、
    又は、
    前記第１冷凍機の起動時の初期において、前記第１膨張手段をバイパスして前記第１凝縮器と前記第１蒸発器との間を流れる冷媒の流量を制御する第１ホットガスバイパス弁を全開とする、
    ことを特徴とする請求項７から９のいずれかに記載の冷凍機ユニット。
11. 第１冷媒によって動作する第１冷凍機と、
    第２冷媒によって動作する第２冷凍機と、
    前記第１冷凍機および前記第２冷凍機を制御する制御部と、を備え、
    前記第１冷凍機は、前記第１冷媒を圧縮する第１圧縮機と、該第１圧縮機によって圧縮された前記第１冷媒を冷却水との熱交換によって凝縮させる第１凝縮器と、該第１凝縮器によって凝縮された前記第１冷媒を膨張させる第１膨張手段と、該第１膨張手段によって膨張された前記第１冷媒を冷水との熱交換によって蒸発させて該冷水を第１冷水出口温度まで冷却する第１蒸発器と、を有し、
    前記第２冷凍機は、前記第２冷媒を圧縮する第２圧縮機と、該第２圧縮機によって圧縮された前記第２冷媒を前記冷却水との熱交換によって凝縮させる第２凝縮器と、該第２凝縮器によって凝縮された前記第２冷媒を膨張させる第２膨張手段と、該第２膨張手段によって膨張された前記第２冷媒を前記冷水との熱交換によって蒸発させて該冷水を第２冷水出口温度まで冷却する第２蒸発器と、を有し、
    前記第１凝縮器は、前記第２凝縮器に対して、前記冷却水の流れ方向の上流側に配置され、
    前記第１蒸発器は、前記第２蒸発器に対して、前記冷水の流れ方向の下流側に配置され、
    前記制御部は、前記第１冷水出口温度が所望温度となるように前記第１冷凍機および前記第２冷凍機を制御する冷凍機ユニットの制御方法において、
    前記制御部によって、前記第２冷水出口温度の設定値を変更することを特徴とする冷凍機ユニットの制御方法。

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