JP2017040396A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二酸化炭素冷媒を使用して冷却するための冷却装置であって、冷却効率を大幅に向上させることのできる冷却装置を提供する。【解決手段】二酸化炭素冷媒を圧縮する圧縮機５と、冷媒を冷却するガスクーラー６と、冷媒を絞り膨張させる膨張弁７と、冷媒と冷却対象との熱交換を行う熱交換器８と、これらを環状に接続し冷媒を循環させる循環路３と、圧縮機入力側の冷媒温度、圧力を検出する第１温度検出器および第１圧力検出器と、冷媒の高圧側圧力を検出する第２圧力検出器と、ガスクーラー出力側の冷媒温度を検出する第２温度検出器と、ガスクーラー出力側冷媒温度が目標温度となるように制御する冷媒温度制御部と、第１温度検出器・第１圧力検出器の検出値および冷媒の目標温度に応じて、冷却効率が最大となる高圧側圧力：最適圧力を求め、高圧側圧力が最適圧力となるように制御する冷却効率制御部と、冷却対象の温度を制御する温度制御部とを有する。【選択図】図１

Description

この発明は、工作機械等の産業機械などの冷却対象を二酸化炭素冷媒を使用して冷却し目標温度に維持制御するための冷却装置に関し、さらに詳しくは、二酸化炭素冷媒を使用していながら冷却効率を大幅に向上させることのできる冷却装置に関する。

工作機械や半導体製造装置をはじめとする産業機械は、製品の高精度化や高生産性を目的として高度に精密な温度管理が必要となってきている。このためには水、油、空気などの熱媒体に対して高精度の温度制御を行う冷却装置が必要である。また、このような冷却装置には、温度制御の高精度化だけでなく、地球環境保護の観点から高いエネルギー効率（低エネルギー消費）も求められている。高効率の温度制御を実現するものとしては、冷凍サイクル（ヒートポンプ）を利用した冷却装置がある。

冷凍サイクルを利用した冷却装置には、従来からフロン、代替フロンなどのフロン類の冷媒が用いられてきた。しかし、これらフロン類の冷媒はオゾン層の破壊防止や、地球温暖化の防止という観点から、使用の制限が検討されつつある。地球環境への影響がより少ない冷媒として、二酸化炭素が検討され一部の冷凍サイクルでは既に使用されている。

また、二酸化炭素は無毒で不燃性であり、冷媒として使用した場合の安全性の観点からも優れている。その一方で、二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクルは、冷媒の動作圧力が高く、産業機械向けの冷却装置の運転条件や設置環境を考慮すると、フロン類を冷媒とする冷凍サイクルとの比較において冷却効率（ＣＯＰ：成績係数とも言われる）が低下する傾向にある。すなわち、冷却能力との比率において消費電力が増加する傾向にある。

二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクルとしては、下記の特許文献１のようなものが公知である。特許文献１には、二酸化炭素等の超臨界流体を冷媒として用いた冷却サイクルにおいて、気液分離器を設けて冷却性能を向上させるようにした冷却サイクルが記載されている。

特開平１１−６３６９４号公報

前述のように、オゾン層の破壊防止や地球温暖化の防止というような地球環境への配慮からは、二酸化炭素のような地球環境への影響が少ない冷媒が好ましい。また、二酸化炭素は安全性の観点でも優れている。一方、冷却効率の点では、二酸化炭素冷媒はフロン類の冷媒に比べて不利な状況であった。二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクルにおいて、冷却効率をさらに向上させることができれば、理想的な冷凍サイクルを実現することができる。

また、産業機械の温度管理の用途では、一般の空調機などと比べて熱負荷とその変動が大きく、さらに、設定温度に対し±０．１℃以内の高い温度精度が求められる。このような温度精度を実現するには、冷却能力を最小値（０）から最大値までを高精度に連続的に変更制御できる冷却装置が必要である。しかし、二酸化炭素を冷媒とする冷却装置で冷却能力をそのように連続的に変更制御できる冷却装置は実現されていない。

そこで、本発明は、産業機械などの冷却対象を二酸化炭素冷媒を使用して冷却し目標温度に維持制御するための冷却装置であって、冷却効率を大幅に向上させることのできる冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の冷却装置は、二酸化炭素からなる冷媒を圧縮するための圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を冷却用流体によって冷却するためのガスクーラーと、前記ガスクーラーから出力された冷媒を絞り膨張させるための膨張弁と、前記膨張弁を通過して温度が低下した冷媒と冷却対象との熱交換を行い、熱交換後の冷媒を前記圧縮機に戻すように配置された熱交換器と、前記圧縮機、前記ガスクーラー、前記膨張弁および前記熱交換器を環状に接続し、冷媒を循環させる循環路と、前記圧縮機の入力側の冷媒の温度を検出する第１温度検出器と、前記圧縮機の入力側の冷媒の圧力を検出する第１圧力検出器と、前記圧縮機から出力された冷媒の圧力である高圧側圧力を検出する第２圧力検出器と、前記ガスクーラーから出力された冷媒の温度を検出する第２温度検出器と、前記ガスクーラーから出力された冷媒の温度が所定の目標温度となるように冷却用流体の流量を制御する冷媒温度制御部と、前記第１温度検出器の検出値、前記第１圧力検出器の検出値および冷媒の前記目標温度に応じて、冷却効率が最大となるような冷媒の高圧側圧力を最適圧力として求め、前記第２圧力検出器の検出値が当該最適圧力となるように前記膨張弁の開度を制御する冷却効率制御部と、前記冷却対象の温度が目標値となるように、前記圧縮機の回転速度を制御する温度制御部とを有するものである。

また、上記の冷却装置において、前記冷却効率制御部は、前記第１温度検出器の検出値、前記第１圧力検出器の検出値、冷媒の前記目標温度および冷媒の物性値に基づいて、冷媒の高圧側圧力として任意の値を仮定した場合の冷却効率を求め、当該冷却効率が最大となるような冷媒の高圧側圧力である最適圧力を探索して求めるものであることが好ましい。

また、上記の冷却装置において、前記圧縮機から出力された冷媒の温度を検出する第３温度検出器を有し、前記冷却効率制御部は、冷媒の高圧側圧力が前記冷却効率制御部で求めた最適圧力となるように制御した場合の実際の冷却効率を、前記第３温度検出器の検出値と前記第２圧力検出器の検出値と冷媒の物性値に基づいて求めるものであることが好ましい。

また、上記の冷却装置において、前記圧縮機から出力された冷媒の一部を前記ガスクーラーおよび前記膨張弁をバイパスして前記圧縮機の入力側に戻すバイパス路と、前記バイパス路を通る冷媒の流量を変更制御するための流量制御弁とを有し、前記温度制御部は、前記圧縮機の回転速度を制御するとともに、前記バイパス路を通る冷媒の流量を制御するものであることが好ましい。

また、上記の冷却装置において、前記バイパス路は、前記圧縮機の出力側の循環路と前記熱交換器の入力側の循環路とを接続するものであることが好ましい。

本発明は、以上のように構成されているので、以下のような効果を奏する。

本発明の冷却装置により、二酸化炭素冷媒を使用していながら、冷却効率を従来よりも大幅に向上させることができる。これによって、地球環境への影響が少なく、冷却効率の点でも優れた理想的な冷却装置の実現が可能となる。

第３温度検出器を有するものでは、より正確な冷却効率ＣＰを求めることができ、その正確な冷却効率を表示することができる。

バイパス路と流量制御弁を有するものでは、二酸化炭素冷媒を使用する冷却装置であって、冷却能力を０Ｗから最大値まで高精度に連続的に変更制御できる冷却装置が実現できる。

本発明の冷却装置１の構成を示す図である。 冷却装置１の冷凍サイクルを示すｐ−ｈ線図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の冷却装置１の全体構成を示す図である。冷却装置１は、熱媒体流通路２を流通する水、油、空気などの熱媒体の温度を所定の目標値に冷却制御するための装置である。冷却対象である熱媒体はポンプ２２により加圧されて、熱媒体流通路２内を流通させられている。冷却対象の熱媒体は、例えば、工作機械の機体等を一定の温度に維持するための冷却液であったり、半導体製造装置の環境温度を一定に維持するための空気であってもよい。

冷却対象の熱媒体は、熱交換器８により冷却されて所定の目標温度となるように制御される。熱媒体の温度は熱媒体温度検出器２１１，２１２によって検出される。熱媒体温度検出器２１１はポンプ２２入り口側の熱媒体の温度を検出し、熱媒体温度検出器２１２は熱交換器８から流出した熱媒体の温度を検出するように配置されている。なお、熱媒体温度検出器２１１，２１２以外にも工作機械や半導体製造装置の機体の温度を検出する温度検出器や、装置が置かれている空間の室温を検出する温度検出器を設けるようにしてもよい。また、熱媒体温度検出器は必ず２つ必要なわけでもなく１つだけでもよい。

この冷却装置１は、二酸化炭素を冷媒として使用するものである。冷媒は、圧縮機５、ガスクーラー６、膨張弁７、熱交換器８を環状に接続する循環路３中を循環する。冷媒は、まず圧縮機５によって圧縮されて高温高圧となり、ガスクーラー６に送られる。ガスクーラー６は高温高圧の冷媒ガスを冷却用流体と熱交換することによって冷却する。ガスクーラー６の冷却能力は冷却用流体の流量を調整することによって増減できるため、出口側の冷媒の温度が所定の目標温度となるように制御を行っている。なお、冷却用流体は水のような液体でも、空気のような気体でも良い。

冷媒は、次に膨張弁７に送られ、膨張弁７を通る際に絞り膨張されて低温低圧の気液混合状態となる。この低温低圧の気液混合状態の冷媒が熱交換器８に流入して、熱交換器８内の熱媒体と熱交換され、熱媒体を冷却する。熱交換器８から流出した冷媒は循環路３を一巡して圧縮機５の入口側に戻る。冷媒は、以上のように循環路３を循環する。

圧縮機５は、インバータ駆動を行う駆動部５１によって駆動されている。駆動部５１は、駆動周波数を変更することにより圧縮機５の回転速度を変更することができ、それによって冷却装置１の冷却能力を変更制御している。圧縮機５の駆動周波数は温度制御部１３によって制御されている。温度制御部１３の詳細な制御内容は後述する。

さらに、冷媒が循環するこの循環路３には、圧縮されて温度上昇した冷媒の一部を冷却せずに熱交換器８に流入させるバイパス路４が付加されている。バイパス路４には流量制御弁９が設けられている。バイパス路４は、冷却装置１の冷却能力の最小値を０Ｗ（冷却量が０Ｗ）とし、冷却能力を最小値から最大値まで連続的に変更調整するために設けられている。

冷却量が比較的大きな領域では、前述のように、冷却能力をインバータ駆動による圧縮機５の回転速度によって変更している。しかし、圧縮機５の特性による制約などから、圧縮機５が安定して圧縮動作を行うためには、下限回転速度以上の回転速度が必要である。したがって、圧縮機５の回転速度だけによる冷却能力の変更制御では、圧縮機５の下限回転速度に対応する冷却能力が冷却下限値となってしまい、その冷却下限値より小さい冷却能力には調整することができない。

そこで、圧縮機５の回転速度の最小値として下限回転速度以上の所定速度（最小回転速度）を設定しておき、圧縮機５の回転速度がその最小回転速度に達し、冷却能力をなおそれ以下に調整する場合には、圧縮機５の回転速度は最小回転速度に固定して、バイパス路４上の流量制御弁９の開度を０以上に調整し、循環路３の低温の冷媒にバイパス路４からの高温の冷媒を混合して熱交換器８に流入させる。

これにより冷却能力を冷却下限値よりも小さく設定することができ、流量制御弁９の開度を適宜調整することにより冷却量を０Ｗとすることもできる。すなわち、バイパス路４の流量制御弁９の開度を調整することにより、冷却能力を０Ｗから冷却下限値まで連続的に変更できる。なお、ここではバイパス路４の出口側を熱交換器８の入口側に接続しているが、バイパス路４の出口側を熱交換器８の出口側に接続しても良い。

循環路３における圧縮機５の入口側（入力側）には、冷媒の温度を検出するための第１温度検出器３１１と、冷媒の圧力を検出するための第１圧力検出器３２１が配置されている。なお、第１圧力検出器３２１は冷凍サイクルにおける冷媒の低圧側圧力を検出するものである。

循環路３におけるガスクーラー６の出口側（出力側）には、冷媒の温度を検出するための第２温度検出器３１２と、冷媒の圧力を検出するための第２圧力検出器３２２が配置されている。この第２圧力検出器３２２は冷凍サイクルにおける冷媒の高圧側圧力を検出するものである。さらに、循環路３における圧縮機５の出口側（出力側）には、冷媒の温度を検出するための第３温度検出器３１３が配置されている。

これらの第１温度検出器３１１、第２温度検出器３１２、第３温度検出器３１３、第１圧力検出器３２１、第２圧力検出器３２２の検出値は制御部１０に送られて、後述するそれぞれの制御を行うために使用される。なお、各検出器と制御部１０とを接続する信号ケーブル、および各制御機器と制御部１０とを接続する信号ケーブルは、図の簡単化のために図示を省略している。

制御部１０には、制御内容の異なる３種類の制御部が含まれている。冷媒温度制御部１１は、ガスクーラー６から出力された冷媒の温度が所定の目標温度となるように制御を行うものである。一般的には、この位置での冷媒の温度は低い方が冷却能力が大きくなるが、使用可能な冷却用流体の温度や最大流量の制限があり、設定可能な冷媒の温度には下限値が存在する。実際には、設置環境において実現可能な目標温度を設定して、冷媒の温度がその目標温度となるように冷却用流体の流量を制御する。

具体的には、冷媒温度制御部１１は、第２温度検出器３１２によって検出される冷媒温度が所定の目標温度となるように、流量制御弁６１の開度を変更制御することによって冷却用流体の流量を制御する。

なお、冷却用流体が液体の場合は、図示のように流量制御弁６１の開度を制御することによって冷却用流体の流量を制御することが実用的である。冷却用流体が空気のような気体の場合は、流量制御弁によって冷却用流体の流量を制御するようにしても良いが、送風ファンの回転速度等によって冷却用流体の流量を制御することもできる。

冷却効率制御部１２は、第１温度検出器３１１の検出値、第１圧力検出器３２１の検出値およびガスクーラー６出力側での冷媒の目標温度に応じて、冷却効率が最大となるような制御を行う。すなわち、冷却効率が最大となるような冷媒の高圧側圧力を最適圧力として求め、第２圧力検出器３２２の検出値がその最適圧力となるように膨張弁７の開度を制御する。なお、冷却効率制御部１２の制御内容のさらに詳細な説明は後述する。

温度制御部１３は、前述のように、熱媒体（冷却対象）の温度が目標値となるように、圧縮機５の回転速度を制御する。圧縮機５はインバータ駆動を行う駆動部５１によって駆動されている。温度制御部１３は、駆動部５１の駆動周波数を変更することにより圧縮機５の回転速度を変更することができ、それによって冷却装置１の冷却能力を変更制御している。温度制御部１３は、熱媒体温度検出器２１１，２１２の検出値が所定の目標温度となるように、圧縮機５の回転速度を変更制御する。

なお、圧縮機５の回転速度には、前述のように最小回転速度が設定されている。圧縮機５の回転速度がその最小回転速度に達し、冷却能力をなおそれ以下に調整する場合には、圧縮機５の回転速度は最小回転速度に固定して、バイパス路４の流量制御弁９の開度を０以上に調整し、循環路３の低温の冷媒にバイパス路４からの高温の冷媒を混合して熱交換器８に流入させる。これにより、冷却能力をさらに低下させる。

冷却装置１の冷却量をｑ［Ｗ］として、圧縮機５の回転速度が最小回転速度であり、流量制御弁９の開度が０（全閉）である場合の冷却量（冷却下限値）をＱ_Lとする。温度制御部１３は、ｑ＜Ｑ_Lとなる領域では、圧縮機５の回転速度を最小回転速度に固定し、バイパス路４の流量制御弁９の開度を０以上に調整して、熱媒体の温度を目標温度に制御する。また、Ｑ_L≦ｑとなる領域では、流量制御弁９の開度は０に固定し、圧縮機５の回転速度を最小回転速度以上で変更制御して、熱媒体の温度を目標温度に制御する。

温度制御部１３が、圧縮機５の回転速度とバイパス路４の流量制御弁９の開度とを以上のように制御することによって、冷却装置１の冷却量ｑを０Ｗから最大値まで連続的に変更調整することができる。

図２は、本発明の冷却装置１の冷凍サイクルを示すｐ−ｈ線図である。ここで、ｐ−ｈ線図とはモリエル線図とも呼ばれ、冷媒の物理的特性を分かりやすく表示したり求めたりするための図表である。図２の縦軸は冷媒の圧力を対数目盛で表示している。横軸は冷媒の比エンタルピーを表している。ここで、比エンタルピーとは、冷媒の単位質量あたりのエンタルピーである。ここで、冷媒は二酸化炭素であり、ｐ−ｈ線図も二酸化炭素の物理的特性を示すものとなっている。

記号Ｄで表されている点は、圧縮機５の入力側の冷媒の状態を示すものである。冷媒の圧力および温度からｐ−ｈ線図上の位置が求められる。図２には３０℃等温線が点線の曲線で表示されている。図２では省略されているが、ｐ−ｈ線図には多数の異なる温度の等温線が表示されている。また、ｐ−ｈ線図上には任意の温度の等温線を表示することができる。

つまり、冷媒の圧力検出値を示す水平線と、冷媒の温度検出値に対応する温度の等温線との交点が、その冷媒の状態を示すｐ−ｈ線図上の点となる。すなわち、冷媒の圧力検出値および温度検出値から、ｐ−ｈ線図上でその冷媒の状態を示すＤ点が求められ、さらに、そのＤ点の位置から冷媒が有する比エンタルピーが即座に求められる。また、Ｄ点における冷媒の単位質量のエントロピーも求めることができる。

記号Ａで表されている点は、圧縮機５の出力側の冷媒の状態を示すものである。圧縮機５における冷媒の圧縮はほぼ断熱圧縮であるとして、冷媒のエントロピーは変化しないものとする。ｐ−ｈ線図には、等温線以外にも等エントロピー線、等比体積線等が多数表示されている。Ａ点の位置を求めるには、Ｄ点を通る等エントロピー線を求めればよい。すなわち、Ｄ点を通り他の等エントロピー線と平行な曲線を描けばその曲線がＤ点を通る等エントロピー線となる。

冷凍サイクルの高圧側圧力を記号Ｐ_Hで表すこととし、高圧側圧力Ｐ_Hを圧力Ｐに設定する場合は、圧力Ｐに対応する水平線とＤ点を通る等エントロピー線との交点がＡ点となる。Ａ点の位置での冷媒の比エンタルピーも即座に求められる。

記号Ｂで表されている点は、ガスクーラー６の出力側の冷媒の状態を示すものである。ガスクーラー６の出力側の圧力は入力側と同じであるから、Ｂ点はＡ点を通る水平線上にある。ここでガスクーラー６出力側の冷媒の温度は目標温度３０℃に制御されているものとする。このときＢ点は、Ａ点を通る水平線と３０℃等温線との交点として求めることができる。そしてＢ点の位置での冷媒の比エンタルピーも即座に求められる。

記号Ｃで表されている点は、膨張弁７の出力側の冷媒の状態を示すものである。膨張弁７では冷媒からのエネルギーの出入りはないため、Ｃ点とＢ点の冷媒の比エンタルピーは等しい。また、Ｃ点の圧力はＤ点の圧力と等しい。したがって、Ｃ点はＢ点と通る鉛直線とＤ点を通る水平線との交点となる。

Ａ，Ｂ，Ｄ点における冷媒の比エンタルピーをそれぞれＨ_A，Ｈ_B，Ｈ_Dとする。ここで、単位時間あたり質量ｍの冷媒が循環路３を循環するものとすると、熱交換器８で熱媒体を冷却する単位時間あたりの熱量すなわち冷却量Ｑは次式で表される。なお、Ｃ点の冷媒の比エンタルピーはＨ_Bに等しい。

Ｑ＝ｍ（Ｈ_D−Ｈ_B）
また、この質量ｍの冷媒に対して、圧縮機５から与えられる単位時間あたりのエネルギーＷは次式で表される。このＷは圧縮機５の単位時間あたりの消費エネルギー（消費電力）でもある。

Ｗ＝ｍ（Ｈ_A−Ｈ_D）
そして、冷却効率をＣＰで表すと、冷却効率ＣＰは次式で求められる。

ＣＰ＝Ｑ／Ｗ＝（Ｈ_D−Ｈ_B）／（Ｈ_A−Ｈ_D） … 式１
以上をまとめると、Ｄ点における冷媒の温度と圧力から、Ｄ点の比エンタルピーを求めることができ、その結果と高圧側圧力の設定値とからＡ点の比エンタルピーを求めることができる。それらの結果とガスクーラー６出力側の冷媒の目標温度からＢ点の比エンタルピーを求めることができる。それらの比エンタルピーから冷却効率ＣＰを求めることができる。

すなわち、ｐ−ｈ線図で代表されるような冷媒（二酸化炭素）の物性値のデータがあれば、Ｄ点における冷媒の温度と圧力、高圧側圧力の設定値、およびガスクーラー６出力側の冷媒の目標温度から冷却効率ＣＰを求めることができる。具体的には、冷却効率制御部１２を構成するコンピュータにｐ−ｈ線図を表現できるような物性値のデータや数式を保存しておき、それらを利用して上述の手順と同様の手順により冷却効率ＣＰを求めることができる。

Ｄ点における冷媒の温度と圧力は実際の測定値を使用し、ガスクーラー６出力側（Ｂ点）の冷媒の目標温度は定数（例えば、３０℃）であるとしたときに、高圧側圧力の設定値を変数として種々の値に変化させて、冷却効率ＣＰが最大値となるようにすることができる。

図２において、高圧側圧力の設定値を圧力Ｐとした場合の点Ａ，Ｂ，Ｃの位置を求める手順を説明した。ここで、高圧側圧力の設定値を圧力Ｐ´（ただし、Ｐ´＞Ｐ）とした場合は、点Ａ，Ｂ，Ｃがそれぞれ点Ａ´，Ｂ´，Ｃ´に移動する。そして、点Ａ´，Ｂ´，Ｃ´に対応する比エンタルピーＨ_A´，Ｈ_B´，Ｈ_D´を求めることができる。この場合も前述の式１において、Ｈ_A，Ｈ_B，Ｈ_Dの値としてＨ_A´，Ｈ_B´，Ｈ_D´を代入すれば冷却効率ＣＰを求めることができる。

このように、高圧側圧力Ｐ_Hの設定値を変数として種々の値に変化させて冷却効率ＣＰの値を求め、冷却効率ＣＰが最大値となるような高圧側圧力Ｐ_Hの値を探索して求めることができる。ここで、冷却効率ＣＰが最大値となるような高圧側圧力Ｐ_Hの値を最適圧力Ｐ_maxとする。

図１における冷却効率制御部１２は、Ｄ点における冷媒の温度と圧力には実際の測定値を代入し、Ｂ点の冷媒の温度は定数を代入し、変数としての高圧側圧力Ｐ_Hの値を種々の値に変化させて、冷却効率ＣＰが最大値となるような高圧側圧力Ｐ_Hの値を探索する。例えば、探索範囲の下限値から上限値まで、Ｐ_Hの値を微少量ずつ順次増加させて冷却効率ＣＰを求めていき、その中から冷却効率ＣＰが最大となるＰ_Hの値を最適圧力Ｐ_maxとすればよい。

また、冷却効率が探索範囲において単一の極大値を持つことが保証されている場合は、公知の黄金分割探索のアルゴリズムが使用でき、効率的に最適圧力Ｐ_maxを求めることができる。なお、このように最適圧力Ｐ_maxをその都度リアルタイムで求めることもできるが、予めＤ点における冷媒の温度と圧力、Ｂ点の冷媒の温度に対して、それらの値に対応する最適圧力Ｐ_maxを求めておき、それを数表（数値テーブル）として記憶しておいても良い。

例えば、Ｂ点の冷媒温度は定数として、適切な数値間隔のＤ点の冷媒温度の数列とＤ点の冷媒圧力の数列に対して、それらの値に対応する最適圧力Ｐ_maxを求めて、それを数値テーブルとして保存しておく。冷却効率制御部１２はその数値テーブルと、Ｄ点における実際の測定値から、公知の補間処理によって実際の測定値に対応する最適圧力Ｐ_maxを求めることができる。

冷却効率制御部１２は、以上のようにして最適圧力Ｐ_maxを求めると、第２圧力検出器３２２の検出値がその最適圧力Ｐ_maxとなるように膨張弁７の開度を変更制御する。すなわち、圧力検出値が最適圧力Ｐ_maxよりも大きければ膨張弁７の開度を増加させてＢ点の圧力を低下させるようにし、圧力検出値が最適圧力Ｐ_maxよりも小さければ膨張弁７の開度を減少させてＢ点の圧力を上昇させるようにフィードバック制御を行う。

なお、膨張弁７の開度を変更すると、Ｂ点の冷媒圧力が変化するだけでなく、冷却装置１の冷却能力も変化する。この冷却能力の変化は温度制御部１３による熱媒体の温度制御にも影響を与えてしまう。そこで、冷却効率制御部１２によるフィードバック制御の制御ゲインを温度制御部１３によるフィードバック制御の制御ゲインよりも適宜量だけ小さくしておく。これにより、温度制御部１３による熱媒体の温度制御の応答速度の方が速くなり制御結果も優先されることになる。具体的には、熱媒体の温度制御が安定した後に、これに比べてゆっくりと冷却効率の制御が安定することになる。

このように、冷却効率制御部１２がＤ点における冷媒の温度と圧力、Ｂ点の冷媒の目標温度に応じて、高圧側圧力Ｐ_Hの最適値である最適圧力Ｐ_maxを求めて、高圧側圧力Ｐ_Hがその最適圧力Ｐ_maxとなるように制御を行うため、Ｄ点における冷媒の温度と圧力がどのような状態であっても、冷却効率ＣＰをその状態における最大値に持って行くことができる。このため、制御条件や制御状態が変化しても冷却効率ＣＰを常に最大にすることができ、従来の冷却装置よりも冷却効率を大幅に向上させることができる。

また、冷却効率制御部１２は現在の冷却効率を表示部（図示せず）に表示する。現在の条件における最大化された冷却効率は既に求められているので、その冷却効率を表示することができる。しかし、この最大値としての冷却効率は実際の冷却効率としては誤差を含む可能性がある。図２において、Ａ点を求める際にＤ点を通る等エントロピー線を利用している。ところが実際の圧縮機５による圧縮過程では等エントロピー線からのずれを生じてしまう。そのずれが冷却効率の誤差となって現れてしまう。

そこで、本発明ではＡ点（圧縮機５出力側）における冷媒の温度を検出する第３温度検出器３１３を配置する。その第３温度検出器３１３によって検出された冷媒の実際の温度と、第２圧力検出器３２２によって検出された冷媒の実際の圧力から、Ａ点での冷媒の実際の比エンタルピーＨ_Aを求めることができる。これは前述のようにｐ−ｈ線図のような物性値を利用して求めることができる。

冷却効率ＣＰを計算するための前述の式１において、比エンタルピーＨ_Aとして上記の実際の比エンタルピーを代入することによってより正確な冷却効率ＣＰを求めることができる。そして、その正確な冷却効率ＣＰを表示部に表示することができる。

以上のような本発明の冷却装置１により、二酸化炭素冷媒を使用していながら、冷却効率を従来よりも大幅に向上させることができる。また、二酸化炭素冷媒を使用する冷却装置であって、冷却能力を０Ｗから最大値まで高精度に連続的に変更制御できる冷却装置が実現できる。これによって、地球環境への影響が少なく、冷却効率の点でも優れた理想的な冷却装置の実現が可能となる。

本発明によれば、二酸化炭素冷媒を使用する冷却装置の冷却効率を従来よりも大幅に向上させ、地球環境への影響が少なく、冷却効率の点でも優れた理想的な冷却装置の実現が可能となる。

１ 冷却装置
２ 熱媒体流通路
３ 循環路
４ バイパス路
５ 圧縮機
６ ガスクーラー
７ 膨張弁
８ 熱交換器
９ 流量制御弁
１０ 制御部
１１ 冷媒温度制御部
１２ 冷却効率制御部
１３ 温度制御部
２２ ポンプ
３０ 目標温度
５１ 駆動部
６１ 流量制御弁
２１１，２１２ 熱媒体温度検出器
３１１ 第１温度検出器
３１２ 第２温度検出器
３１３ 第３温度検出器
３２１ 第１圧力検出器
３２２ 第２圧力検出器

Claims (5)

1. 二酸化炭素からなる冷媒を圧縮するための圧縮機（５）と、
   前記圧縮機（５）で圧縮された冷媒を冷却用流体によって冷却するためのガスクーラー（６）と、
   前記ガスクーラー（６）から出力された冷媒を絞り膨張させるための膨張弁（７）と、
   前記膨張弁（７）を通過して温度が低下した冷媒と冷却対象との熱交換を行い、熱交換後の冷媒を前記圧縮機（５）に戻すように配置された熱交換器（８）と、
   前記圧縮機（５）、前記ガスクーラー（６）、前記膨張弁（７）および前記熱交換器（８）を環状に接続し、冷媒を循環させる循環路（３）と、
   前記圧縮機（５）の入力側の冷媒の温度を検出する第１温度検出器（３１１）と、
   前記圧縮機（５）の入力側の冷媒の圧力を検出する第１圧力検出器（３２１）と、
   前記圧縮機（５）から出力された冷媒の圧力である高圧側圧力を検出する第２圧力検出器（３２２）と、
   前記ガスクーラー（６）から出力された冷媒の温度を検出する第２温度検出器（３１２）と、
   前記ガスクーラー（６）から出力された冷媒の温度が所定の目標温度となるように冷却用流体の流量を制御する冷媒温度制御部（１１）と、
   前記第１温度検出器（３１１）の検出値、前記第１圧力検出器（３２１）の検出値および冷媒の前記目標温度に応じて、冷却効率が最大となるような冷媒の高圧側圧力を最適圧力として求め、前記第２圧力検出器（３２２）の検出値が当該最適圧力となるように前記膨張弁（７）の開度を制御する冷却効率制御部（１２）と、
   前記冷却対象の温度が目標値となるように、前記圧縮機（５）の回転速度を制御する温度制御部（１３）とを有する冷却装置。
2. 請求項１に記載した冷却装置であって、
   前記冷却効率制御部（１２）は、前記第１温度検出器（３１１）の検出値、前記第１圧力検出器（３２１）の検出値、冷媒の前記目標温度および冷媒の物性値に基づいて、冷媒の高圧側圧力として任意の値を仮定した場合の冷却効率を求め、当該冷却効率が最大となるような冷媒の高圧側圧力である最適圧力を探索して求めるものである冷却装置。
3. 請求項２に記載した冷却装置であって、
   前記圧縮機（５）から出力された冷媒の温度を検出する第３温度検出器（３１３）を有し、
   前記冷却効率制御部（１２）は、冷媒の高圧側圧力が前記冷却効率制御部（１２）で求めた最適圧力となるように制御した場合の実際の冷却効率を、前記第３温度検出器（３１３）の検出値と前記第２圧力検出器（３２２）の検出値と冷媒の物性値に基づいて求めるものである冷却装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載した冷却装置であって、
   前記圧縮機（５）から出力された冷媒の一部を前記ガスクーラー（６）および前記膨張弁（７）をバイパスして前記圧縮機（５）の入力側に戻すバイパス路（４）と、
   前記バイパス路（４）を通る冷媒の流量を変更制御するための流量制御弁（９）とを有し、
   前記温度制御部（１０）は、前記圧縮機（５）の回転速度を制御するとともに、前記バイパス路（４）を通る冷媒の流量を制御するものである冷却装置。
5. 請求項４に記載した冷却装置であって、
   前記バイパス路（４）は、前記圧縮機（５）の出力側の循環路と前記熱交換器（８）の入力側の循環路とを接続するものである冷却装置。

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