JP2015170021A - 流量制御装置及び流量制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コストダウンが図れ、迅速な流量制御が可能な流量制御装置を提供する。【解決手段】並列接続された複数の分岐管路12a、12b、12cを有する循環管路10の共通管路11におけるポンプ20による流体圧力を検出する圧力検出器70と、制御弁開度制御部42a、42b、42cによる複数の分岐管路の流量制御弁41a、41b、41cの開度の総和に基づいて循環管路10の必要流量を推定する必要流量推定部80と、圧力検出器70での流体圧力及び必要流量推定部80での必要流量に基づいてポンプ20のインバータ30を制御する吐出圧制御部90と、を備え、吐出圧制御部90は、予め取得された循環管路10における総流量と吐出圧との関係を示す特性曲線に基づいて、必要流量推定部80で推定された必要流量に対応する吐出圧を算出し、算出した吐出圧と圧力検出器70での流体圧力とが一致するようにインバータ30を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、循環流路における流量制御装置及び流量制御方法に関するものである。

循環流路を備える流体の循環システムとして、例えば冷水又は温水の熱媒体をポンプにより送水し、熱交換器にて熱媒体により周囲空気を冷却又は加温する空調システムがある。このような空調システムとして、ポンプから送水する熱媒体の吐出圧を可変とするものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示の空調システムでは、必要な流量を適切に送水するようにポンプによる熱媒体の吐出圧を制御するので、エネルギー消費を最適化でき、省エネルギー化が図れる利点がある。

ここで、熱交換器にて交換される温度は、熱媒体の流量と一定の関係がある。また、ポンプによる熱媒体の吐出圧は、管路の総流量−吐出圧特性曲線、並びに熱交換器に流れる熱媒体の流量の総和、と一定の関係がある。このことから、ポンプの吐出圧を可変とする空調システムでは、熱媒体の総流量を測定し、その測定値が適切な値となるようにポンプによる吐出圧を制御することで、熱交換器にて交換する温度を制御している。

しかし、熱媒体の流量を計測する機器は、非常に高価である。そのため、空調システムに組み込むと、システム全体の大幅なコストアップを招くことになる。

一方、給水システムにおけるポンプの制御方式として、例えば特許文献２及び特許文献３に開示されたものが知られている。この制御方式は、流量を計測する機器を使用することなく、水の流量を一定にするようポンプの回転速度を制御するものである。そのため、かかる制御方法では、配管の末端における圧力を計測し、計測した圧力に対応する流量を管路の総流量−吐出圧特性曲線から算出して、その算出した流量に基づいてポンプの回転速度を制御している。この制御方式によると、配管の圧力を容易に計測できるとともに、圧力を計測する機器も安価に入手できる利点がある。

しかし、計測した圧力から管路の総流量−吐出圧特性曲線を用いて算出される流量は、管路抵抗のバラツキや制御弁の開度誤差等により、所望の流量に制御できない場合が多い。そのため、実際には、フィードバック制御が必要となることから、所望の流量に遷移させるのに時間がかかることになる。したがって、かかるポンプの制御方式を循環流路の送水システムに適用すると、例えば空調システムの場合には、熱媒体が所望の流量になるのに時間がかかって、温度制御の応答性が低下することになる。

特開昭６０−２２６６５０号公報 特公平５−９６３９号公報 特公平４−３９６８９号公報

本発明は、上述した観点に鑑みてなされたもので、コストダウンが図れ、迅速な流量制御が可能な流量制御装置及び流量制御方法を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成する本発明は、並列に接続された複数の分岐管路を有する循環管路と、複数の前記分岐管路にそれぞれ接続された流量制御弁と、複数の前記流量制御弁の開度を制御する制御弁開度制御部と、前記循環管路の共通管路に接続された流体循環用のポンプと、該ポンプの駆動を制御するインバータとを備える流体循環システムの流量制御装置であって、
前記共通管路における前記ポンプによる流体圧力を検出する圧力検出器と、
前記制御弁開度制御部による複数の前記流量制御弁の開度の総和に基づいて前記循環管路における必要流量を推定する必要流量推定部と、
前記圧力検出器で検出された前記流体圧力及び前記必要流量推定部で推定された前記必要流量に基づいて前記インバータを制御する吐出圧制御部と、を備え、
前記吐出圧制御部は、予め取得された前記循環管路における総流量と前記吐出圧との関係を示す特性曲線に基づいて、前記必要流量推定部で推定された前記必要流量に対応する前記吐出圧を算出し、該算出した前記吐出圧と前記圧力検出器で検出される前記流体圧力とが一致するように前記インバータを制御する、ものである。

前記必要流量推定部は、予め取得された複数の前記流量制御弁の開度の総和と前記共通管路における流量との関係を示す特性曲線に基づいて前記必要流量を推定するとよい。

前記流体循環システムは、熱媒体を循環させる空調システムであり、
複数の前記流量制御弁は、複数の前記分岐管路にそれぞれ接続された熱交換器に設けられたものであり、
複数の前記熱交換器にそれぞれ対応する温度センサと、をさらに備え、
前記制御弁開度制御部は、複数の前記温度センサの出力に基づいて対応する前記流量制御弁の開度を制御し、
前記必要流量推定部は、前記制御弁開度制御部による複数の前記流量制御弁の開度の総和に基づいて前記必要流量を推定する、とよい。

前記制御弁開度制御部は、複数の前記熱交換器に対応して設けられていてもよい。

さらに、上記目的を達成する本発明は、並列に接続された複数の分岐管路を有する循環管路と、複数の前記分岐管路にそれぞれ接続された流量制御弁と、複数の前記流量制御弁の開度を制御する制御弁開度制御部と、前記循環管路の共通管路に接続された流体循環用のポンプと、該ポンプの駆動を制御するインバータとを備える流体循環システムの流量制御方法であって、
前記共通管路における前記ポンプによる流体圧力を圧力検出器により検出する圧力検出ステップと、
前記制御弁開度制御部による複数の前記流量制御弁の開度の総和に基づいて必要流量推定部により前記循環管路における必要流量を推定する必要流量推定ステップと、
前記圧力検出ステップで検出された前記流体圧力及び前記必要流量推定ステップで推定された前記必要流量に基づいて前記インバータを制御する制御ステップと、を含み、
前記制御ステップは、予め取得された前記循環管路における総流量と前記吐出圧との関係を示す特性曲線に基づいて、前記必要流量推定ステップで推定された前記必要流量に対応する前記吐出圧を算出し、該算出した前記吐出圧と前記圧力検出ステップで検出される前記流体圧力とが一致するように前記インバータを制御する、ものである。

本発明によれば、コストダウンが図れ、迅速な流量制御が可能な流量制御装置及び流量制御方法を提供することができる。

第１実施の形態に係る流量制御装置の要部の構成を示すブロック図である。 熱媒体の総流量と吐出圧との関係を示す特性曲線を示す図である。 第２実施の形態に係る流量制御装置の要部の構成を示すブロック図である。 第３実施の形態を説明する制御弁の開度と流量との関係を示す特性曲線を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。

（第１実施の形態）
図１は、第１実施の形態に係る流量制御装置の要部の構成を示すブロック図である。図１に示す流量制御装置は、空調システムにおける熱媒体の流量を制御するものである。空調システムは、熱媒体の循環管路１０と、循環管路１０内に熱媒体を循環させるポンプ２０と、ポンプ２０の駆動を制御するインバータ３０と、複数個（図１では３個）の熱交換器４０ａ、４０ｂ、４０ｃと、熱交換器４０ａ、４０ｂ、４０ｃに対応する温度センサ５０ａ、５０ｂ、５０ｃと、を備える。

循環管路１０は、共通管路１１と、共通管路１１に並列に接続された複数（図１では３個）の分岐管路１２ａ、１２ｂ、１２ｃとを有する。ポンプ２０は、共通管路１１に接続されて、循環管路１０に流体を循環させる。熱交換器４０ａは分岐管路１２ａに、熱交換器４０ｂは分岐管路１２ｂに、熱交換器４０ｃは分岐管路１２ｃにそれぞれ接続されている。

熱交換器４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、対応する分岐管路１２ａ、１２ｂ、１２ｃにそれぞれ接続された流量制御弁４１ａ、４１ｂ、４１ｃと、制御弁開度制御部４２ａ、４２ｂ、４２ｃとを有している。温度センサ５０ａ、５０ｂ、５０ｃは、対応する熱交換器４０ａ、４０ｂ、４０ｃによる空調温度を検出するもので、その検出出力は対応する制御弁開度制御部４２ａ、４２ｂ、４２ｃに入力される。制御弁開度制御部４２ａ、４２ｂ、４２ｃは、入力される温度センサ５０ａ、５０ｂ、５０ｃの検出出力に基づいて対応する熱交換器４０ａ、４０ｂ、４０ｃの流量制御弁４１ａ、４１ｂ、４１ｃの開度を、それぞれの空調温度が所望の設定温度となるように制御する。

本実施の形態に係る流量制御装置は、圧力検出器７０と、必要流量推定部８０と、吐出圧制御部９０とを備える。圧力検出器７０は、ポンプ２０から熱交換器４０ａ、４０ｂ、４０ｃへの熱媒体の送り側の共通管路１１に設けられて、ポンプ２０により循環される熱媒体の圧力（流体圧力）を検出する。圧力検出器７０で検出される流体圧力は、吐出圧制御部９０に入力される。

必要流量推定部８０は、熱交換器４０ａ、４０ｂ、４０ｃのそれぞれの制御弁開度制御部４２ａ、４２ｂ、４２ｃからの流量制御弁４１ａ、４１ｂ、４１ｃの開度情報を入力して、開度の総和に基づいて共通管路１１における熱媒体の必要流量を推定する。ここで、熱媒体の必要流量は、熱交換器４０ａ、４０ｂ、４０ｃにおいてそれぞれ変換する空調温度、つまり対応する流量制御弁４１ａ、４１ｂ、４１ｃの開度と一定の関係がある。そこで、本実施の形態においては、必要流量推定部８０において、流量制御弁４１ａ、４１ｂ、４１ｃの開度の総和、空調温度の設定温度等を用いて必要流量を演算する。必要流量推定部８０で演算された必要流量は、吐出圧制御部９０に入力される。

吐出圧制御部９０は、予め取得された循環管路１０における熱媒体の総流量とポンプ２０の吐出圧との関係を示す特性曲線を内蔵メモリに格納する。図２は、特性曲線の一例を示すもので、縦軸はポンプ２０の揚程を示し、横軸は循環管路１０の流量を示す。また、曲線Ｎ_０はポンプ２０の回転数がＮ_０のときの流量−揚程曲線を示し、曲線Ｎ_１はポンプ２０の回転数がＮ_１（Ｎ_１＜Ｎ_０）のときの流量−揚程曲線を示し、曲線Ｎはポンプ２０の回転数がＮ（Ｎ＜Ｎ_１）のときの流量−揚程曲線を示している。

吐出圧制御部９０は、格納されている特性曲線に基づいて、必要流量推定部８０から得られた必要流量に対応する吐出圧を算出し、その算出した吐出圧と圧力検出器７０から得られる流体圧力とが一致するようにインバータ３０を制御してポンプ２０の回転数（回転速度）を制御する。

このように、本実施の形態によれば、循環管路１０における熱媒体の総流量及びポンプ２０の吐出圧を予め測定して両者の関係を示す特性曲線を取得し、その取得した特性曲線を吐出圧制御部９０に格納する。そして、実際の制御においては、循環管路１０に流量計を接続することなく、圧力検出器７０により熱媒体の流体圧力を検出し、その検出される流体圧力が、特性曲線から算出される必要流量に対応する吐出圧となるように、ポンプ２０の回転数を制御する。したがって、空調システムのコストダウンを図ることができる。また、循環管路１０の必要流量は、必要流量推定部８０において、流量制御弁４１ａ、４１ｂ、４１ｃの開度の総和に基づいて演算されるので、迅速な流量制御が可能となる。

（第２実施の形態）
図３は、第２実施の形態に係る流量制御装置の要部の構成を示すブロック図である。本実施の形態は、図１に示した構成において、熱交換器４０ａ、４０ｂ、４０ｃの制御弁開度制御部４２ａ、４２ｂ、４２ｃを１つの制御弁開度制御部４２により構成したものである。制御弁開度制御部４２は、温度センサ５０ａ、５０ｂ、５０ｃの検出出力に基づいて熱交換器４０ａ、４０ｂ、４０ｃの流量制御弁４１ａ、４１ｂ、４１ｃの開度を制御するとともに、流量制御弁４１ａ、４１ｂ、４１ｃの開度情報を必要流量推定部８０に供給する。その他の構成は、第１実施の形態と同様であるので、同一機能を成す構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略する。

本実施の形態によると、第１実施の形態と同様の効果が得られるほか、１つの制御弁開度制御部４２で複数の流量制御弁４１ａ、４１ｂ、４１ｃの開度を制御するので、構成をより簡略化でき、更なるコストダウンが図れる利点がある。

（第３実施の形態）
図４は、第３実施の形態を説明する制御弁の開度と流量との関係を示す特性曲線を示す図である。第１実施の形態及び第２実施の形態においては、必要流量推定部８０において、流量制御弁４１ａ、４１ｂ、４１ｃの開度の総和、空調温度の設定温度等を用いて必要流量を演算により推定した。本実施の形態では、必要流量推定部８０において、予め取得された流量制御弁４１ａ、４１ｂ、４１ｃの開度の総和と循環管路１０における流量との関係を示す特性曲線に基づいて必要流量を推定する。

つまり、本実施の形態においては、流量制御弁４１ａ、４１ｂ、４１ｃの開度の総和及び循環管路１０における流量を予め測定して図４に示す特性曲線を取得し、その特性曲線を必要流量推定部８０の内蔵メモリに格納する。そして、実際の制御においては、循環管路１０に流量計を接続することなく、その特性曲線に基づいて流量制御弁４１ａ、４１ｂ、４１ｃの開度の総和に対応する必要流量を推定する。

このように、本実施の形態によれば、必要流量推定部８０において、予め実測して得た流量制御弁４１ａ、４１ｂ、４１ｃの開度の総和と循環管路１０における流量との関係を示す特性曲線を用いて必要流量を推定する。したがって、上記の実施の形態の効果に加え、管路抵抗のバラツキや制御弁の開度誤差等があっても、それらに影響されることなく、より迅速な流量制御が可能となり、空調温度をより迅速に設定温度に収束させることができる。

本発明は、空調システムの流量制御等の循環流路における流量制御に幅広く利用可能である。

１０ 循環管路
１１ 共通管路
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ 分岐管路
２０ ポンプ
３０ インバータ
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ 熱交換器
４１ａ、４１ｂ、４１ｃ 流量制御弁
４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ 制御弁開度制御部
５０ａ、５０ｂ、５０ｃ 温度センサ
７０ 圧力検出器
８０ 必要流量推定部
９０ 吐出圧制御部

Claims (5)

1. 並列に接続された複数の分岐管路を有する循環管路と、複数の前記分岐管路にそれぞれ接続された流量制御弁と、複数の前記流量制御弁の開度を制御する制御弁開度制御部と、前記循環管路の共通管路に接続された流体循環用のポンプと、該ポンプの駆動を制御するインバータとを備える流体循環システムの流量制御装置であって、
   前記共通管路における前記ポンプによる流体圧力を検出する圧力検出器と、
   前記制御弁開度制御部による複数の前記流量制御弁の開度の総和に基づいて前記循環管路における必要流量を推定する必要流量推定部と、
   前記圧力検出器で検出された前記流体圧力及び前記必要流量推定部で推定された前記必要流量に基づいて前記インバータを制御する吐出圧制御部と、を備え、
   前記吐出圧制御部は、予め取得された前記循環管路における総流量と前記吐出圧との関係を示す特性曲線に基づいて、前記必要流量推定部で推定された前記必要流量に対応する前記吐出圧を算出し、該算出した前記吐出圧と前記圧力検出器で検出される前記流体圧力とが一致するように前記インバータを制御する、
   流量制御装置。
2. 前記必要流量推定部は、予め取得された複数の前記流量制御弁の開度の総和と前記共通管路における流量との関係を示す特性曲線に基づいて前記必要流量を推定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の流量制御装置。
3. 前記流体循環システムは、熱媒体を循環させる空調システムであり、
   複数の前記流量制御弁は、複数の前記分岐管路にそれぞれ接続された熱交換器に設けられたものであり、
   複数の前記熱交換器にそれぞれ対応する温度センサと、をさらに備え、
   前記制御弁開度制御部は、複数の前記温度センサの出力に基づいて対応する前記流量制御弁の開度を制御し、
   前記必要流量推定部は、前記制御弁開度制御部による複数の前記流量制御弁の開度の総和に基づいて前記必要流量を推定する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の流量制御装置。
4. 前記制御弁開度制御部は、複数の前記熱交換器に対応して設けられている、
   ことを特徴とする請求項３に記載の流量制御装置。
5. 並列に接続された複数の分岐管路を有する循環管路と、複数の前記分岐管路にそれぞれ接続された流量制御弁と、複数の前記流量制御弁の開度を制御する制御弁開度制御部と、前記循環管路の共通管路に接続された流体循環用のポンプと、該ポンプの駆動を制御するインバータとを備える流体循環システムの流量制御方法であって、
   前記共通管路における前記ポンプによる流体圧力を圧力検出器により検出する圧力検出ステップと、
   前記制御弁開度制御部による複数の前記流量制御弁の開度の総和に基づいて必要流量推定部により前記循環管路における必要流量を推定する必要流量推定ステップと、
   前記圧力検出ステップで検出された前記流体圧力及び前記必要流量推定ステップで推定された前記必要流量に基づいて前記インバータを制御する制御ステップと、を含み、
   前記制御ステップは、予め取得された前記循環管路における総流量と前記吐出圧との関係を示す特性曲線に基づいて、前記必要流量推定ステップで推定された前記必要流量に対応する前記吐出圧を算出し、該算出した前記吐出圧と前記圧力検出ステップで検出される前記流体圧力とが一致するように前記インバータを制御する、
   流量制御方法。

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