JP4231444B2 - 冷却装置の動作制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクルに接続した冷却器により冷却した冷却液を被冷却物に循環させることにより当該被冷却物の冷却を行う冷却装置の動作制御方法に関する。

一般に、レーザ加工機では、加工精度に大きく影響するミラー等の光学部品に対する熱的安定性を確保し、加工品質の低下を回避する必要があるため、使用する冷却装置には、温度変動の少ない高度の冷却精度と、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、既に、本出願人も、このような要求に応える冷却装置（冷却装置の温度制御方法）を特開平９−１３４２２０号公報により提案した。この冷却装置は、冷却液を貯留する冷却液タンクの供給口に、送液ポンプを接続し、この送液ポンプの吐出口に、レーザ加工機等の被冷却物の冷却液入口を接続するとともに、冷却液タンクの戻口に、冷却器を接続し、この冷却器の流入口に、被冷却物の冷却液出口を接続したものである。

しかし、この冷却装置は、冷却液タンクに、冷却された冷却液を貯留するため、常に、安定した温度の冷却液を被冷却物に供給できる利点があるものの、反面、凍結温度付近の冷却能力が制限されること、冷媒回路のＣＯＰ（成績係数＝冷却能力／入力電力）の低下を招くこと、被冷却物側に比較的大きな耐圧が要求されることなどの解決すべき課題が存在し、既に、本出願人は、この課題を解決した冷却装置を、特開２００３−３２９３５５号公報により提案した。

この冷却装置は、被冷却物から戻された冷却液を貯留する冷却液タンクと、この冷却液タンクの供給口から流出する冷却液を送出する送液ポンプと、この送液ポンプから吐出する冷却液を熱交換により冷却して被冷却物に供給する冷却器を設けるとともに、冷却器から流出した冷却液の温度を温度センサにより検出し、検出した温度に基づいて冷却器の冷却温度を制御する制御系、より具体的には、温度センサにより検出した温度に基づいて、冷却器に冷媒を循環させる冷凍サイクルにおけるコンプレッサの回転周波数をインバータ制御する制御機能を備える制御系を設けたものである。
特開平９−１３４２２０号 特開２００３−３２９３５５号

しかし、このような冷却装置の冷凍サイクルにおけるコンプレッサの回転周波数をインバータ制御する従来の動作制御方法は、次のような解決すべき課題が存在した。

第一に、冷凍サイクルの運転時には、冷却器（蒸発器）において冷媒が最も効率よい状態で蒸発するように、電子膨張弁の開度を可変して蒸発器に流入する冷媒量を制御しているが、冷媒圧力の変動が大きくかつ短い周期で変動する動作特性のコンプレッサを用いる場合には、このような動作特性に対応した電子膨張弁の制御応答性や目標開度を設定するパラメータが十分に考慮されていないため、的確な制御応答性及び最適な目標開度を得ることができず、結局、精度の高い安定した冷却温度が得られない。

第二に、コンプレッサのインバータ制御は、制御部からインバータ回路に付与される制御信号によりコンプレッサの回転周波数を可変するため、制御できる回転周波数の範囲に限界があり、通常、最大冷却能力の３０〔％〕以下の低負荷領域では、インバータ制御が困難になる。このため、低負荷領域では、ホットガスバイパス回路の開閉制御により対応しているのが実情であり、全体の動作効率の低下を招くなど、省エネルギ性及び制御性に難がある。

本発明は、このような背景技術に存在する課題を解決した冷却装置の動作制御方法の提供を目的とするものである。

本発明に係る冷却装置１の動作制御方法は、上述した課題を解決するため、冷凍サイクル２に接続した冷却器３により冷却液Ｗを冷却するとともに、冷却した冷却液Ｗを被冷却物Ｍに循環させることにより当該被冷却物Ｍの冷却を行うに際し、冷凍サイクル２に、圧縮機モータ４の動作時に冷媒圧縮を行うロード状態又は圧縮機モータ４の動作時に冷媒圧縮を解除するアンロード状態に切換えるデジタル切換機構部５を設けたデジタル制御冷媒圧縮機６を使用し、予め、デジタル制御冷媒圧縮機６のロード率Ｒｒ｛＝ロード状態の時間ｔｒ／（ロード状態の時間ｔｒ＋アンロード状態の時間ｔｎ）｝と被冷却物Ｍに供給する冷却液Ｗの温度（液温Ｔｗ）に基づく目標過熱度を求め、この目標過熱度を得るための電子膨張弁７の基準開度Ｎを設定するとともに、運転時に、液温Ｔｗ及びロード率Ｒｒを検出し、この液温Ｔｗ及びロード率Ｒｒに対応する基準開度Ｎとなるように電子膨張弁７を制御するようにしたことを特徴とする。この場合、好適な発明の態様により、基準開度Ｎは、電子膨張弁７の開度に対応した制御パルス数により設定することができる。

このような手法を有する本発明に係る冷却装置１の動作制御方法によれば、次のような顕著な効果を奏する。

（１） 冷媒圧力の変動が大きくかつ短い周期で変動する動作特性のコンプレッサを用いた場合であっても、このような動作特性に対応した的確な制御応答性及び最適な目標開度を得ることができ、もって、精度の高い安定した冷却温度を得ることができる。

（２） 冷凍サイクル２に、圧縮機モータ４の動作時に冷媒圧縮を行うロード状態又は圧縮機モータ４の動作時に冷媒圧縮を解除するアンロード状態に切換えるデジタル切換機構部５を設けたデジタル制御冷媒圧縮機６を用いれば、制御範囲を飛躍的に拡大することができる。特に、従来のインバータ制御では限界であった最大冷却能力に対して３０〔％〕以下の低負荷領域であっても制御が可能となり、しかも、インバータ回路が不要になることから、全体の動作効率が向上し、省エネルギ性及び制御性を高めることができる。

（３） 好適な態様により、基準開度Ｎを、電子膨張弁７の開度に対応した制御パルス数により設定すれば、電子膨張弁７の開度を高い応答性により速やかに目的の開度に設定することができる。

次に、本発明に係る最良の実施形態を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。

まず、本実施形態に係る動作制御方法を実施できる冷却装置１の構成について、図２〜図５を参照して具体的に説明する。

図２中、１は冷却装置を示し、Ｍはこの冷却装置１に接続したレーザ加工機等の被冷却物を示す。冷却装置１は、被冷却物Ｍに接続し、この被冷却物Ｍに対して冷却液Ｗを循環させることにより当該被冷却物Ｍを冷却することができる。冷却装置１は、冷却液Ｗを貯留する冷却液タンク１１と、この冷却液タンク１１に貯留する冷却液Ｗを被冷却物Ｍに供給する送液ポンプ１２と、被冷却物Ｍから冷却液タンク１１に戻される冷却液Ｗを冷却するプレート形熱交換器等の冷却器３と、この冷却器３に接続し、この冷却器３を通る冷却液Ｗを熱交換により冷却する冷凍サイクル２と、冷却装置１の全体の制御を司る制御系１３とを備えている。

この場合、冷却液タンク１１は、冷却水等の冷却液Ｗを貯留するものであり、その他、図示を省略した給液口，ドレン口，液面計，ボールタップ等を備えている。また、冷却液タンク１１と被冷却物Ｍ間には、図２に示すように、送水路に接続した液圧計２１、液温センサ２２、バイパスバルブ２３、配管ジョイント２４ａ，２４ｂ等を備えている。

一方、冷凍サイクル２は、図２に示すように、主要機能部として、凝縮器２５，冷媒ドライヤ２６，電子膨張弁７，アキュムレータ２８及びデジタル制御冷媒圧縮機６を備えており、冷却器３の冷媒流入側に電子膨張弁７の冷媒流出側を接続し、冷却器３の冷媒流出側にアキュムレータ２８の冷媒流入側を接続する。これにより、矢印Ｆｋ方向に冷媒Ｋが循環する冷媒回路が構成される。なお、冷凍サイクル２の基本的な機能は公知の冷凍サイクルと同じである。

その他、図２に示す冷凍サイクル２において、３１は低圧圧力スイッチ、３２は低圧圧力ゲージ、３３は吸入温度センサ、３４は高圧圧力スイッチ、３５は目詰まり警報用圧力スイッチ、３６は高圧圧力ゲージ、３７は凝縮器出口温度センサ、３８はエバポレータ入口温度センサをそれぞれ示す。これらの各圧力スイッチ３１…は、主に保護スイッチとして機能する。また、３９は凝縮器２５を空冷する凝縮器ファン、４０はこの凝縮器ファン３９に接続したインバータ、４１は周囲温度センサをそれぞれ示す。

他方、デジタル制御冷媒圧縮機６は、図３〜図５に示すように、軌道スクロール１７と固定スクロール１８を有する冷媒圧縮部１６を備えるとともに、固定スクロール１８を軸方向Ｆｃに変位させることによりロード状態（図３参照）又はアンロード状態（図４参照）に切換えるデジタル切換機構部５を備えている。なお、このような機能を備えるデジタル制御冷媒圧縮機６としては、特開平８−３３４０９４号公報で開示される「容量調整機構を備えたスクロール式機械」を利用できる。

次に、このようなデジタル切換機構部５を備えるデジタル制御冷媒圧縮機６の構成について、図３〜図５を参照して説明する。４５は圧縮機本体を示す。この圧縮機本体４５は、密閉されたケーシング４６を備え、このケーシング４６の下部には、回転軸４ｓを上方に突出させた圧縮機モータ４を内蔵する。また、圧縮機モータ４の上方には、冷媒圧縮部１６とデジタル切換機構部５を配設する。この場合、圧縮機モータ４の上方空間は、隔壁４８により上下の空間に仕切り、隔壁４８の上側に吐出室Ｃｏを有するとともに、下側に吸入室Ｃｉを有する。そして、ケーシング４６の周面には、吐出室Ｃｏに臨む冷媒吐出口４９を有するとともに、吸入室Ｃｉに臨む冷媒吸入口５０を有する。

さらに、吸入室Ｃｉの内部には固定された支持盤５１を配し、この支持盤５１の上面に軌道スクロール１７を載置するとともに、この軌道スクロール１７の上に固定スクロール１８を被せて冷媒圧縮部１６を構成する。この場合、軌道スクロール１７は、上面に螺旋翼１２ｆを有し、かつ下面中央に被係合部５２を有する。この被係合部５２には、回転軸４ｓの上端偏心位置に有する係合部５３が係合する。これにより、回転軸４ｓが回転すれば、軌道スクロール１７は、軌道上を旋回する。他方、固定スクロール１８は、支持盤５１に起設した複数のガイドポスト５４…により軸方向Ｆｃへ変位自在に支持され、かつ軸方向Ｆｃに対する直角方向への位置は固定される。また、固定スクロール１８は、下面に螺旋翼１３ｆを有し、かつ上面中央に突設部５５を有する。この突設部５５は、隔壁４８の中心に有する挿通孔４８ｓを通して吐出室Ｃｏに至らせる。突設部５５の内部には、固定スクロール１８の下方に存在する中心空間Ｐｃと吐出室Ｃｏを連通させる通気路５５ｒを有するとともに、突設部５５の上端にはラム部５６を一体形成し、このラム部５６は、ケーシング４６の上面に取付けたシリンダ部５７に収容する。これにより、シリンダ部５７とラム部５６間には、シリンダ室５７ｒが設けられる。なお、ラム部５６には、シリンダ室５７ｒと吐出室Ｃｏを連通させるブリード孔５６ｓを有する。

一方、シリンダ室５７ｒと冷媒吸入口５０は、連通配管５８により接続し、連通配管５８の中途に、この連通配管５８を開閉する電磁バルブ５９を接続するとともに、この電磁バルブ５９とシリンダ室５７ｒ間の連通配管５８には、この連通配管５８を開閉する予備バルブ６０を接続する。この予備バルブ６０は、例示のような電磁バルブであってもよいし、手動バルブであってもよい。なお、６１はデジタル制御冷媒圧縮機６から吐出する冷媒Ｋの温度を検出する吐出温度センサである。そして、圧縮機本体４５における冷媒吸入口５０は、直列接続した逆止弁１４を介してアキュムレータ２８の冷媒流出側に接続するとともに、圧縮機本体４５における冷媒吐出口４９は、直列接続した逆止弁１５を介して凝縮器２５の冷媒流入側に接続する。

また、制御系１３は、制御部６５を備え、この制御部６５により本実施形態に係る動作制御方法を実施することができる。制御部６５は、主に、温度，圧力等のセンサ類から得る検出結果に基づいて、各部のアクチュエータ類をシーケンス制御する機能を有する。したがって、制御部６５の入力ポートには、前述した液温センサ２２，吸入温度センサ３３，吐出温度センサ６１，周囲温度センサ４１，凝縮器出口温度センサ３７及びエバポレータ入口温度センサ３８等をそれぞれ接続するとともに、制御部６５の出力ポートには、圧縮機本体４５の圧縮機モータ４，電磁バルブ５９，予備バルブ６０，インバータ４０及び電磁膨張弁７等をそれぞれ接続する。さらに、制御部６５は、各種処理及び制御を実行することができるコンピュータ機能及び通信機能等を備えている。

次に、本実施形態に係る動作制御方法を含む冷却装置１の動作（使用方法）について、図１〜図１０を参照して説明する。

最初に、冷却装置１に使用するデジタル制御冷媒圧縮機６の動作（原理）について、図２〜図７を参照して説明する。このデジタル制御冷媒圧縮機６は、上述したように、軌道スクロール１７と固定スクロール１８を有する冷媒圧縮部１６を備えるとともに、固定スクロール１８を軸方向Ｆｃに変位させることにより、圧縮機モータ４の動作時に冷媒圧縮を行うロード状態（図３）又は圧縮機モータ４の動作時に冷媒圧縮を解除するアンロード状態（図４）に切換えるデジタル切換機構部５を備えている。

このデジタル制御冷媒圧縮機６は、圧縮機モータ４を作動させることにより回転軸４ｓが回転し、この回転軸４ｓの上端偏心位置に有する係合部５３は、回転軸４ｓを中心にして旋回運動する。この結果、係合部５３に係合して追従する被係合部５２、更には軌道スクロール１７も、軌道上を旋回運動する。他方、固定スクロール１８は、軸方向Ｆｃに対して直角方向の位置が固定（規制）されているため、軌道スクロール１７の螺旋翼１２ｆと固定スクロール１８の螺旋翼１３ｆは、図５（ａ），（ｂ）に示すような相対運動を行う。

一方、冷媒Ｋは、冷媒吸入口５０から吸入室Ｃｉに供給される。今、図３に示すように、電磁バルブ５９のプランジャ５９ｐが突出した状態、即ち、連通配管５８が閉状態にある場合を想定する。なお、予備バルブ６０は開状態に設定されている。この状態では、シリンダ室５７ｒの内圧は、低圧側となる吸入室Ｃｉの内圧よりも高くなるため、ラム部５６を押し上げる不図示のスプリング等による付勢力に打ち勝ち、固定スクロール１８の螺旋翼１３ｆは、軌道スクロール１７に圧接する。図３はこの状態を示している。

したがって、固定スクロール１８の螺旋翼１３ｆに対する軌道スクロール１７の螺旋翼１２ｆの相対位置が、図５（ａ）に示す状態にあれば、吸入室Ｃｉに存在する冷媒Ｋは、点線矢印方向に沿って外側から螺旋翼１２ｆと１３ｆ間に進入する。軌道スクロール１７が軌道上を旋回運動し、螺旋翼１３ｆに対する螺旋翼１２ｆの相対位置が、図５（ｂ）に示す状態になれば、螺旋翼１２ｆと１３ｆ間に進入した冷媒Ｋは、螺旋翼１２ｆと１３ｆ間に形成される三日月形の密閉空間Ｐｍ…に封入される。そして、軌道スクロール１７が旋回運動するに従って、三日月形の密閉空間Ｐｍ…の容積は、次第に小さくなり、冷媒Ｋに対する圧縮が行われるとともに、冷媒Ｋが中心空間Ｐｃに達すれば、冷媒Ｋの圧力は最大になる。この後、中心空間Ｐｃにおける圧縮された冷媒Ｋは、通気路５５ｒを通って吐出室Ｃｏに至り、さらに、冷媒吐出口４９から吐出する。このときの冷媒Ｋの流通経路を、図３中に点線矢印で示す。よって、この状態がデジタル制御冷媒圧縮機６により冷媒圧縮を行うロード状態となり、１００〔％〕出力となる。

他方、電磁バルブ５９を制御し、図４に示すように、プランジャ５９ｐを引込めることにより連通配管５８を開状態に切換えた場合を想定する。この状態では、低圧側となる吸入室Ｃｉとシリンダ室５７ｒが連通配管５８により連通し、シリンダ室５７ｒの内圧と吸入室Ｃｉの内圧が同圧になるため、不図示のスプリング等により、ラム部５６は上昇変位する。この結果、固定スクロール１８の螺旋翼１３ｆは、図４に示すように、軌道スクロール１７から離間し、軌道スクロール１７と固定スクロール１８間に隙間Ｇ…が発生する。これにより、冷媒Ｋに対する圧縮は行われなくなる。このときの冷媒Ｋの流通経路を、図４中、点線矢印で示す。よって、この状態がデジタル制御冷媒圧縮機６による冷媒圧縮が解除されたアンロード状態となり、０〔％〕出力となる。

図６は、電磁バルブ５９に付与するバルブ制御信号Ｓｐを示している。なお、図６中、ｔｒはロード状態（１００〔％〕出力状態）の制御区間（時間）を示すとともに、ｔｎはアンロード状態（０〔％〕出力状態）の制御区間（時間）を示し、デジタル制御冷媒圧縮機６に対する制御は、ロード率Ｒｒ（＝Ｔｒ／（Ｔｒ＋Ｔｎ））を変化させることにより行われる。このように、デジタル制御冷媒圧縮機６に対する制御は、ロード状態「１」とアンロード状態「０」の時間軸を可変するデジタル制御となり、従来のインバータ制御、即ち、コンプレッサの回転周波数（大きさ）を可変するアナログ制御とは、制御形態が基本的に異なる。

次に、冷却装置１の全体動作（使用方法）について説明する。まず、冷却装置１は、図２に示すように、配管ジョイント２４ａ，２４ｂを介して被冷却物Ｍに接続し、また、冷却液タンク１１には、冷却液（冷却水等）Ｗを収容する。これにより、送液ポンプ１２を作動させれば、冷却液タンク１１内の冷却液Ｗは、供給口１１ｓから送液ポンプ１２により送出されるとともに、配管ジョイント２４ａを介して被冷却物Ｍに供給され、被冷却物Ｍに対する冷却が行われる。一方、被冷却物Ｍの冷却（熱交換）により暖められた冷却液Ｗは、配管ジョイント２４ｂを介して冷却器３に供給される。冷却器３では、供給された冷却液Ｗと冷凍サイクル２における冷却された冷媒Ｋ間で熱交換が行われ、冷却液Ｗは冷媒Ｋにより冷却される。そして、冷却器３により冷却された冷却液Ｗは、冷却液タンク１１の戻り口１１ｒに戻され、冷却液タンク１１に貯留される。なお、図２中、矢印Ｆｗは冷却液Ｗの流通方向を示す。

一方、被冷却物Ｍに供給される冷却液Ｗの温度（液温Ｔｗ）は、液温センサ２２により検出され、この検出信号は制御部６５に付与される。制御部６５では、検出信号に基づいてデジタル制御冷媒圧縮機６を制御、即ち、上述した電磁バルブ５９を開閉するデジタル制御を行い、液温Ｔｗが目標温度になるようにフィードバック制御する。

よって、このような冷却装置１によれば、冷却液Ｗに対する温度制御には、デジタル制御冷媒圧縮機６をロード状態又はアンロード状態となるように時間軸を制御するデジタル制御を用いるため、制御範囲を飛躍的に拡大することができる。特に、従来のインバータ制御では限界であった最大冷却能力に対して３０〔％〕以下の低負荷領域であっても制御が可能となり、しかも、インバータ回路が不要になることから、全体の動作効率が飛躍的に向上する。この結果、省エネルギ性及び制御性が高められ、従来のインバータ制御に対して、最大で略６５〔％〕の改善を図ることができた。

ところで、冷却装置１では、デジタル制御冷媒圧縮機６をロード状態（１００〔％〕出力状態）又はアンロード状態（０〔％〕出力状態）となるように時間軸上で選択的に切換えるデジタル制御を行うため、冷却器３から流出する冷却液Ｗの温度は、図７に仮想線で示す温度変化特性Ｑｓのように、大きな振幅となりかつ頻繁な周期（制御周波数）により変動してしまう。したがって、このような冷却装置１では、特開２００３−３２９３５５号公報のように、被冷却物Ｍの手前に冷却器３を接続する構成を採用した場合、冷却器３により冷却された冷却液Ｗがそのまま被冷却物Ｍに供給されることになり、冷却器３の冷却特性（挙動）が冷却液Ｗの温度に直接影響を及ぼす。特に、デジタル制御の周波数が高い（周期が短い）場合には、応答性故に液温も平均化されるが、省エネルギ性及び制御性等を考慮して周期が比較的長くなるように設定した場合には、冷却液Ｗに与える影響は大きくなる。しかし、冷却装置１では、デジタル制御冷媒圧縮機６を備える冷凍サイクル２を接続した冷却器３に対して、冷却液Ｗを一旦冷却液タンク１１に貯留する構成を組み合わせたため、冷却液Ｗの温度を確実に平均化できることになり、上述した効果、即ち、全体の動作効率が飛躍的に向上し、省エネルギ性及び制御性が高められるという基本的効果を確保しつつ、図７に実線で示す温度変化特性Ｐｓのように、冷却精度の高い、しかも液温Ｔｗの安定した冷却液Ｗを得ることができる。

加えて、軌道スクロール１７と固定スクロール１８を用いた冷媒圧縮部１６を有するとともに、固定スクロール１８又は軌道スクロール１７を軸方向Ｆｃに変位させてロード状態又はアンロード状態に切換えるデジタル切換機構部５を有するデジタル制御冷媒圧縮機６を用いたため、比較的簡易な構成（原理）により、本実施形態に係る動作制御方法を実施できる冷却装置１を容易かつ低コストに実現できる。

以上の説明は、冷却装置１の基本動作であるが、冷却装置１は、更に次のような独自の構成及び機能を備えるとともに、独自の制御が行われる。

まず、デジタル制御冷媒圧縮機６の上流側及び下流側に直列接続した逆止弁１４，１５により冷媒圧力の急激な変動を軽減させている。デジタル制御冷媒圧縮機６は、デジタル切換機構部５によりロード状態（１００〔％〕出力状態）又はアンロード状態（０〔％〕出力状態）に切換えられ、これにより、冷却液Ｗに対する温度制御が行われる。この場合、ロード状態からアンロード状態或いはアンロード状態からロード状態に切換えた際には、冷媒圧力が急激に変動するとともに、この変動は頻繁に発生するため、冷媒回路における圧力ゲージ３２，３６等の使用部品の寿命短縮を招いたり、温度センサ６１，３７等の検出精度の低下を招くなどの不具合を生じる。そこで、この不具合を解消するため、デジタル制御冷媒圧縮機６の上流側及び下流側に、それぞれ逆止弁１４，１５を直列に接続し、冷媒圧力の急激な変動を軽減している。これにより、冷媒圧力及び冷媒温度の安定化が図られ、冷媒回路における使用部品の長寿命化、更には検出精度の向上及び安定化を実現できる。

また、ロード率Ｒｒを監視し、図８に示すように、ロード率Ｒｒが設定値Ｘｃ（例示は２８〔％〕）よりも低下したときは、二つの制御モードを選択できるようにした。冷却装置１は、デジタル制御冷媒圧縮機６を使用しているため、従来のインバータ制御とは異なり、２８〔％〕以下の低負荷状態、更には無負荷状態であってもアンロード状態に切換えることにより温度制御が可能になる。この場合、低負荷領域であっても温度制御に対する高い精度及び制御性が得られる反面、圧縮機モータ４が作動状態となるため、電力消費が大きくなる。そこで、低負荷領域における省エネルギ性の確保よりも温度制御の精度及び制御性を重視する場合は、アンロード状態とロード状態の切換制御を継続して行う第一の制御モードを選択できるようにするとともに、低負荷領域における温度制御の精度及び制御性よりも省エネルギ性を重視する場合は、圧縮機モータ４をＯＮ／ＯＦＦ制御する第二の制御モードを選択できるようにした。なお、図８における負荷〔％〕は、冷却器３において熱交換される熱量に対する冷却装置１の最大冷却能力の割合である。

一方、本実施形態に係る動作制御方法により、予め、デジタル制御冷媒圧縮機６のロード率Ｒｒと液温Ｔｗに基づく目標過熱度を求め、この目標過熱度を得るための電子膨張弁７の基準開度Ｎを設定するとともに、運転時に、液温Ｔｗ及びロード率Ｒｒを検出し、この液温Ｔｗ及びロード率Ｒｒに対応する基準開度Ｎとなるように電子膨張弁７を制御するようにした。この場合、基準開度Ｎは、電子膨張弁７の開度に対応した制御パルス数により設定する。なお、過熱度は、冷却器（蒸発器）３に対する流入側冷媒温度と流出側冷媒温度の偏差である。

通常、冷凍サイクルの運転時には、冷却器３において冷媒が最も効率よい状態で蒸発するように、電子膨張弁７の開度を可変して冷却器３に流入する冷媒量を制御しているが、冷却装置１では、冷凍サイクル２にデジタル切換機構部５を設けたデジタル制御冷媒圧縮機６を用いるため、従来では問題にならない制御応答性や設定時のパラメータも無視できない重要な問題として浮上する。即ち、従来のように、冷凍サイクルに備えるコンプレッサの回転周波数をインバータ制御する場合には、電子膨張弁７の制御応答性や基準開度Ｎを設定するパラメータは特段考慮しなくても問題にならないが、冷媒圧力変動が大きくかつ短い周期で変動する動作特性を有するデジタル制御冷媒圧縮機６の場合、従来における制御応答性やパラメータのままでは的確な制御応答性及び最適な基準開度を得ることができず、結局、精度の高い安定した冷却温度を得ることができない問題を生じる。そこで、この問題に、本実施形態に係る動作制御方法により対処したものである。

以下、本実施形態に係る動作制御方法について、図１に示すフローチャート、更に図９及び図１０に示す特性図を参照して説明する。

まず、予めロード率Ｒｒと液温Ｔｗに基づく目標過熱度を求める（ステップＳ０１）。冷却装置１の場合、被冷却物Ｍの冷却温度は、広範囲となるため、単一のパラメータのみで目標過熱度を設定しても適正な冷凍サイクル２を維持できなくなる。そこで、図１０に示すように、液温Ｔｗとロード率Ｒｒを用いて目標過熱度を設定し、同じロード率Ｒｒであっても液温Ｔｗによって目標過熱度が変更されるようにした。これにより、いかなる被冷却物Ｍの冷却温度領域に対しても適正な冷凍サイクル２を確保することができる。そして、目標過熱度を求めたなら、この目標過熱度を得るための電子膨張弁７の基準開度Ｎを設定する（ステップＳ０２）。

他方、電子膨張弁７に対する実際の制御においては、的確な温度制御が行われるように、液温Ｔｗとロード率Ｒｒから、予め設定した基準開度Ｎが速やかに設定されるようにした。従来、電子膨張弁７の開度は、冷媒圧縮機を起動させた後、冷媒温度などを検出しながら基本開度から適正開度へ徐々に調整する方法を採用していた。しかし、この方法では、冷媒圧力変動が大きくかつ短い周期で変動する動作特性を有するデジタル制御冷媒圧縮機６の場合、電子膨張弁７の開度の追従が遅れ、結局、被冷却物Ｍの温度変化が大きくなってしまう。

そこで、本実施形態に係る動作制御方法により、速やかに設定されるようにした。即ち、冷却装置１における実際の運転時には、まず、ロード率Ｒｒを求めるとともに、液温センサ２２から液温Ｔｗを検出する（ステップＳ１１，Ｓ１２）。そして、得られたロード率Ｒｒと液温Ｔｗから電子膨張弁７の基準開度Ｎを予め設定したデータテーブル等から求めるとともに、この基準開度Ｎとなるように、制御部６５により電子膨張弁７を制御する（ステップＳ１３，Ｓ１４）。具体的には、図１１に示すように、例えば、ロード率Ｒｒが８０〔％〕、液温Ｔｗが２０〔℃〕、電子膨張弁７の開度Ｎが２００〔パルス〕で安定した運転中に、負荷が低下し、ロード率Ｒｒが１０〔％〕に急変した場合、電子膨張弁７の開度Ｎは、ロード率Ｒｒが１０〔％〕及び液温Ｔｗが２０〔℃〕に対応して予め設定した７０〔パルス〕の開度（適正開度）Ｎとなるように無条件に移行させるようにした。このような制御は、運転中において設定周期毎に継続的に行われる（ステップＳ１５）。なお、図１０及び図１１の特性データや目標過熱度を得るための電子膨張弁７の基準開度Ｎは、実験等に求めることができる。また、より精度を高めるために、凝縮冷媒温度Ｔｐや周囲温度Ｔｒ或いは水冷式の場合には、冷却水温度などをパラメータとして加えることにより、より効果的な制御を行うことができる。さらに、冷媒温度や冷媒圧力により開度を微調整するようにすれば、より適正な開度Ｎを設定できるとともに、大幅な負荷変動時であっても電子膨張弁７の開度Ｎを瞬時に適正開度に移行できる。

よって、このような動作制御方法によれば、冷媒圧力の変動が大きくかつ短い周期で変動する動作特性のデジタル制御冷媒圧縮機６を用いた場合であっても、このデジタル制御冷媒圧縮機６に対応した的確な制御応答性及び最適な目標開度を得ることができ、もって、精度の高い安定した冷却温度を得ることができる。特に、基準開度Ｎを、電子膨張弁７の開度に対応した制御パルス数により設定したため、電子膨張弁７の開度を高い応答性により速やかに目的の開度に設定することができる。

他方、凝縮器２５の放熱効率が低下した場合、即ち、周囲温度Ｔｒ（凝縮器２５周辺の外気温度）が高い場合であっても、デジタル制御冷媒圧縮機６のロード率Ｒｒを下げることにより、冷却装置１の動作を継続させることができるようにした。インバータ制御を用いた従来のコンプレッサでは、運転中（冷却動作中）に周囲温度Ｔｒが上昇すれば、凝縮器２５の放熱効率が低下し、凝縮圧力が高くなるとともに、コンプレッサの吐出冷媒温度Ｔｏが上昇する。この場合、従来のコンプレッサでは、オーバロードを防止するために、運転を停止させていたが、冷却装置１では、デジタル制御冷媒圧縮機６の使用により、無負荷状態であっても、アンロード状態に切換えることにより温度制御が可能になるため、周囲温度センサ４１から検出される周囲温度Ｔｒと吐出温度センサ６１から検出される吐出冷媒温度Ｔｏを監視し、周囲温度Ｔｒが高くなった場合には、ロード率Ｒｒを低下させて、凝縮器２５の放熱量を減少させる。これにより、凝縮器２５の圧力とデジタル制御冷媒圧縮機６の吐出冷媒温度Ｔｏの上昇を抑制でき、周囲温度Ｔｒが高い環境下であっても運転を継続することができる。

図１１に、この場合の制御特性の一例を示す。同図中、Ｔｒは周囲温度，ＴＡは保護装置作動温度，Ｔｓは閾値をそれぞれ示している。また、判断値として、周囲温度４０〔℃〕，吐出冷媒温度１２０〔℃〕を設定し、どちらかの温度が当該判断値に達したならロード率Ｒｒを低下させる制御を行う。今、図１１において、周囲温度Ｔｒが判断値よりも低い３２〔℃〕であれば、吐出冷媒温度Ｔｏが判断値に達しない限り、ロード率Ｒｒは１００〔％〕で運転が継続する。しかし、吐出冷媒温度Ｔｏが判断値（１２０〔℃〕）に達した場合は、ロード率Ｒｒを徐々に低下させる制御を行うことにより吐出冷媒温度Ｔｏを低下させる。一方、周囲温度Ｔｒが徐々に上昇し、図１１中、制御特性線が閾値Ｔｓに交差する温度まで上昇すれば、その交差するロード率Ｒｒになるように、ロード率Ｒｒを低下させる制御を行う。例えば、図１１において、周囲温度Ｔｒが４５〔℃〕に達した場合には、ロード率Ｒｒが７０〔％〕となるようにロード率Ｒｒを低下させる制御を行う。また、何らかの原因により周囲温度Ｔｒが急激に上昇し、５０〔℃〕に達したにも拘わらず、ロード率Ｒｒの低下が追いつかない場合、即ち、図１１において、周囲温度Ｔｒが５０〔℃〕ときは、本来、ロード率Ｒｒが５０〔％〕にならなければならないが、６０〔％〕を越えているような場合は、制御特性線が保護装置作動温度ＴＡを越えてしまうため、保護装置を作動させることにより運転を停止させるなどの制御を行う。よって、周囲温度Ｔｒが高くなった場合でも、ロード率Ｒｒを低下させることにより、凝縮器２５の放熱量を減少させることができるため、凝縮器２５とデジタル制御冷媒圧縮機６の吐出冷媒温度Ｔｏの上昇を抑え、高い周囲温度Ｔｒであっても運転を停止させることなく継続させることができる。

さらに、予備バルブ６０は、電磁バルブ５９の故障対策として接続したものである。電磁バルブ５９は、デジタル制御に用いるため、かなりの頻度でＯＮ／ＯＦＦ動作を繰り返すことになり、耐久性が問われる部品でもあるが、この電磁バルブ５９が故障した場合、デジタル制御冷媒圧縮機６は、実質的に動作不能になる。したがって、予備バルブ６０は、この対策として設けたものである。今、電磁バルブ５９が開状態で故障した場合、液温センサ２２により検出される液温Ｔｗは上昇し、上限値を越えてしまうため、異常として検出される。よって、制御部６５は、予備バルブ６０を閉側に制御し、圧縮機モータ４のＯＮ／ＯＦＦ制御に切換える。他方、電磁バルブ５９が閉状態で故障した場合、液温センサ２２により検出される液温Ｔｗは下降し、下限値を越えてしまうため、異常として検出される。よって、制御部６５は、圧縮機モータ４のＯＮ／ＯＦＦ制御に切換える。この場合、アラームランプを点灯させるなどにより故障を報知するが、いずれの場合も暫定的に運転を継続させることができる。

なお、図１２には、本発明の変更実施形態に係る冷却装置１を示す。この変更実施形態に係る冷却装置１は、図２に示す実施形態に係る冷却装置１に対して、冷却器３の接続部位を変更したものである。即ち、変更実施形態に係る冷却装置１では、冷却液タンク１１から被冷却物Ｍに供給する冷却液Ｗを冷却器３により冷却するようにした。変更実施形態に係る冷却装置１では、図２に示す実施形態に係る冷却装置１に対して、特に、デジタル制御の制御周波数を高くするなどの設定を行えば、冷却液Ｗを速やかに冷却したり或いは冷却液Ｗに対する冷却を速やかに停止させることができ、被冷却物Ｍに高度で複雑な冷却特性が要求される場合や何らかの原因により急峻な温度変動が発生した場合等には、的確な制御応答性を確保することができる。この結果、正確かつ柔軟性のある制御を行うことができ、被冷却物Ｍに対応した高度な冷却特性を容易に実現可能となる。なお、図１２において、符号２ｍは、図２に示す冷凍サイクル２から冷却器３を除いた冷凍サイクル本体を示している。その他、図１２において、図２と同一部分には同一符号を付して、その構成を明確にするとともに、その詳細な説明は省略する。

以上、最良の実施形態について詳細に説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されるものではなく、細部の構成，形状，素材，数量，数値等において、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更，追加，削除することができる。例えば、デジタル制御冷媒圧縮機６は、例示以外の他の形式の冷媒圧縮機にデジタル切換機構部５を備えたデジタル制御冷媒圧縮機であってもよい。なお、本発明における圧縮機モータ４とは、電動機のみならず内燃機関（エンジン）等の各種動力により回転する機器類を全て含む概念である。

本発明の最良の実施形態に係る動作制御方法の処理手順を示すフローチャート、 同動作制御方法を実施できる冷却装置の回路構成図、 同冷却装置の冷凍サイクルに備えるデジタル制御冷媒圧縮機の一部を示すロード状態における断面構成図、 同デジタル制御冷媒圧縮機の一部を示すアンロード状態における断面構成図、 同デジタル制御冷媒圧縮機における起動スクロールと固定スクロールの関係を示す作用説明図、 同デジタル制御冷媒圧縮機に付与するバルブ制御信号の信号波形図、 同冷却装置を用いた際の時間に対する液温の変化特性図、 同冷却装置を用いた際のロード率対負荷特性図、 同冷却装置における液温をパラメータとした際のロード率に対する目標過熱度の特性図、 同冷却装置における液温をパラメータとした際のロード率に対する電子膨張弁の開度の特性図、 同冷却装置を用いた際のロード率に対する吐出冷媒温度の関係を示す制御特性図、 本発明の変更実施形態に係る冷却装置の回路構成図、

符号の説明

１ 冷却装置
２ 冷凍サイクル
３ 冷却器
４ 圧縮機モータ
５ デジタル切換機構部
６ デジタル制御冷媒圧縮機
７ 電子膨張弁
Ｗ 冷却液
Ｍ 被冷却物
Ｒｒ ロード率
ｔｒ ロード状態の時間
ｔｎ アンロード状態の時間
Ｔｗ 液温
Ｎ 基準開度

Claims (2)

1. 冷凍サイクルに接続した冷却器により冷却液を冷却するとともに、冷却した冷却液を被冷却物に循環させることにより当該被冷却物の冷却を行う冷却装置の動作制御方法において、前記冷凍サイクルに、圧縮機モータの動作時に冷媒圧縮を行うロード状態又は圧縮機モータの動作時に冷媒圧縮を解除するアンロード状態に切換えるデジタル切換機構部を設けたデジタル制御冷媒圧縮機を使用し、予め、デジタル制御冷媒圧縮機のロード率｛＝ロード状態の時間／（ロード状態の時間＋アンロード状態の時間）｝と前記被冷却物に供給する冷却液の温度（液温）に基づく目標過熱度を求め、この目標過熱度を得るための電子膨張弁の基準開度を設定するとともに、運転時に、前記液温及び前記ロード率を検出し、この液温及びロード率に対応する前記基準開度となるように前記電子膨張弁を制御することを特徴とする冷却装置の動作制御方法。
2. 前記基準開度は、前記電子膨張弁の開度に対応した制御パルス数により設定することを特徴とする請求項１記載の冷却装置の動作制御方法。

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