JP4297272B2 - 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、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。

第二に、冷却対象となる被冷却物の種類は様々であり、低負荷領域における要求も被冷却物の種類によって異なるものとなるが、各種被冷却物に適した低負荷領域の動作モードを選択（設定）できない。

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、少なくとも被冷却物Ｍに供給する冷却液Ｗの温度に基づきデジタル切換機構部５を切換制御して冷却液Ｗの温度を可変制御するとともに、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）｝を監視し、ロード率Ｒｒが低負荷領域に設定した所定の設定率Ｘｃ以下まで低下したなら、デジタル切換機構部５の切換制御に代えて圧縮機モータ４のオン／オフ切換による制御を行うようにしたことを特徴とする。

この場合、発明の好適な態様により、設定率Ｘｃ以下まで低下した際における圧縮機モータ４のオン／オフ切換による制御は、選択により行うことができる。また、冷却液Ｗを貯留する冷却液タンク７を設け、この冷却液タンク７に貯留する冷却液Ｗの量を所定量以上に設定することができる。なお、デジタル制御冷媒圧縮機６は、軌道スクロール１２と固定スクロール１３を用いた冷媒圧縮部１１を有するとともに、固定スクロール１３又は軌道スクロール１２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を有している。

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） 冷却液Ｗに対する温度制御は、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により切換え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、全体の動作効率が向上し、省エネルギ性及び制御性を高めることができる。

（２） 好適な態様により、設定率Ｘｃ以下まで低下した際における圧縮機モータ４のオン／オフ切換による制御を、選択により行うようにすれば、省エネルギ性には劣るものの冷却液Ｗの温度に対する制御精度及び制御性の高いデジタル切換機構部５によりロード状態／アンロード状態に切換える第一の制御モードと冷却液Ｗの温度に対する制御精度及び制御性は低くなるものの省エネルギ性を重視した圧縮機モータ４のオン／オフ切換による第二の制御モードを選択することができ、各種被冷却物Ｍ…に適した低負荷領域の動作モードを選択（設定）することができる。

（３） 好適な態様により、冷却液Ｗを貯留する冷却液タンク７を設け、この冷却液タンク７に貯留する冷却液Ｗの量を所定量以上に設定すれば、低負荷領域において圧縮機モータ４のオン／オフ切換による制御モードを選択した場合であっても、冷却液Ｗの温度に対する制御精度をより高めることができる。

（４） 好適な態様により、軌道スクロール１２と固定スクロール１３を用いた冷媒圧縮部１１を備えるとともに、固定スクロール１３又は軌道スクロール１２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を設けたデジタル制御冷媒圧縮機６を用いれば、比較的簡易な構成（原理）により、目的の冷却装置１を容易かつ低コストに実現できる。

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７と、この冷却液タンク７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１５と、被冷却物Ｍから冷却液タンク７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１６とを備えている。

この場合、冷却液タンク７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７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２７，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２７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１２と固定スクロール１３を有する冷媒圧縮部１１を備えるとともに、固定スクロール１３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１１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１２を載置するとともに、この軌道スクロール１２の上に固定スクロール１３を被せて冷媒圧縮部１１を構成する。この場合、軌道スクロール１２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１２は、軌道上を旋回する。他方、固定スクロール１３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１３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１３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１７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１８を介して凝縮器２５の冷媒流入側に接続する。

また、制御系１６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２７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１２と固定スクロール１３を有する冷媒圧縮部１１を備えるとともに、固定スクロール１３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１２も、軌道上を旋回運動する。他方、固定スクロール１３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１２の螺旋翼１２ｆと固定スクロール１３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１３の螺旋翼１３ｆは、軌道スクロール１２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１３の螺旋翼１３ｆに対する軌道スクロール１２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１２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１２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１３の螺旋翼１３ｆは、図４に示すように、軌道スクロール１２から離間し、軌道スクロール１２と固定スクロール１３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７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１５を作動させれば、冷却液タンク７内の冷却液Ｗは、供給口１６ｓから送液ポンプ１５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７の戻り口１６ｒに戻され、冷却液タンク７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７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１２と固定スクロール１３を用いた冷媒圧縮部１１を有するとともに、固定スクロール１３又は軌道スクロール１２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１７，１８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１７，１８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。

一方、ロード率Ｒｒを監視し、図８に示すように、ロード率Ｒｒが所定の設定率Ｘｃ（例示は２８〔％〕）以下まで低下した際には、二つの制御モード、即ち、圧縮機モータ４のオン／オフ切換による制御モード（モータ制御モード）とデジタル切換機構部５によりロード状態／アンロード状態に切換える制御モード（デジタル制御モード）の一方を選択できるようにした。したがって、デジタル制御モードを使用するかモータ制御モードを使用するかは、用途等に応じてユーザサイドにおいて予め操作パネルにより選択（設定）することができる。

デジタル制御冷媒圧縮機６を備える冷却装置１を用いた場合、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り、±０．５〔℃〕の精度で液温Ｔｗを維持することができる。この場合、低負荷領域では、温度制御に対する高い制御性及び制御精度が得られる反面、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制御性及び制御精度を重視する場合は、第一の制御モードとなるアンロード状態とロード状態を切換える制御を継続するデジタル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制御性及び制御精度よりも省エネルギ性を重視する場合は、第二の制御モードとなる圧縮機モータ４をＯＮ／ＯＦＦ制御するモータ制御モードを選択できるようにした。

次に、このような低負荷領域における動作制御方法について、図１に示すフローチャート及び図８に示すロード率対負荷特性図を参照して説明する。

まず、低負荷領域以外の負荷領域において、通常の動作制御、即ち、デジタル制御モードにより運転が行われている場合を想定する（ステップＳ１）。運転中は、制御部６５により、ロード率Ｒｒの監視を行う（ステップＳ２）。この際、ロード率Ｒｒが予め設定した低負荷領域における所定の設定率Ｘｃを越えている場合には、デジタル制御モードによる運転が継続する（ステップＳ３）。一方、被冷却物Ｍの冷却状態により、冷却装置１が無負荷或いは無負荷に近い状態になった場合を想定する。この場合、図８に示すように、負荷〔％〕の低下により、対応するロード率Ｒｒも低下する。なお、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。そして、ロード率Ｒｒが設定率Ｘｃ以下まで低下したなら選択した制御モードにより動作制御が行われる。今、デジタル制御モードが選択されている場合には、ロード率Ｒｒが設定率Ｘｃ以下の低負荷領域に入っても、そのままデジタル制御モードによる制御（動作）が行われる（ステップＳ３，Ｓ４）。

これに対して、モータ制御モードが選択されている場合には、ロード率Ｒｒが設定率Ｘｃ以下まで低下することにより、モータ制御モードに切り換えられる（ステップＳ４，Ｓ５）。そして、ロード率Ｒｒが設定率Ｘｃ以下の状態が継続する限り、モータ制御モードによる制御（動作）が行われる（ステップＳ６，Ｓ７，Ｓ８）。しかし、この後、ロード率Ｒｒが設定率Ｘｃを越えた場合には、再度、デジタル制御モードに切換わるとともに、以下、同様の動作が繰り返される（ステップＳ８，Ｓ９，Ｓ１…）。

よって、このような動作制御方法によれば、低負荷領域の動作モード、即ち、省エネルギ性には劣るものの液温Ｔｗに対する制御精度及び制御性の高いデジタル切換機構部５によりロード状態／アンロード状態に切換えるデジタル制御モードと液温Ｔｗに対する制御精度及び制御性は低くなるものの省エネルギ性を重視した圧縮機モータ４のオン／オフ切換によるモータ制御モードを選択することができ、各種被冷却物Ｍ…に適した低負荷領域の動作モードを選択（設定）することができる。なお、冷却液タンク７に貯留する冷却液Ｗの量を所定量以上に設定すれば、低負荷領域において圧縮機モータ４のオン／オフ切換による制御モードを選択した場合であっても、液温Ｔｗに対する制御精度をより高めることができる。

他方、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、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９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７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９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９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。また、設定率Ｘｃ以下まで低下した際における圧縮機モータ４のオン／オフ切換による制御は、選択により切換えるようにしたが、選択することなく、標準動作として自動で切換わるようにしてもよい。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、 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 冷却液タンク
１１ 冷媒圧縮部
１２ 軌道スクロール
１３ 固定スクロール
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
Ｘｃ 設定率
Ｆｃ 軸方向

Claims (4)

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、少なくとも前記被冷却物に供給する冷却液の温度に基づき前記デジタル切換機構部を切換制御して冷却液の温度を可変制御するとともに、前記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）｝を監視し、前記ロード率が低負荷領域に設定した所定の設定率以下まで低下したなら、前記デジタル切換機構部の切換制御に代えて前記圧縮機モータのオン／オフ切換による制御を行うことを特徴とする冷却装置の動作制御方法。
2. 前記設定率以下まで低下した際における前記圧縮機モータのオン／オフ切換による制御は、選択により行う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。
3. 前記冷却液を貯留する冷却液タンクを設け、この冷却液タンクに貯留する冷却液の量を所定量以上に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。
4. 前記デジタル制御冷媒圧縮機は、軌道スクロールと固定スクロールを用いた冷媒圧縮部を有するとともに、前記固定スクロール又は前記軌道スクロールを軸方向に変位させて前記ロード状態又は前記アンロード状態に切換えるデジタル切換機構部を有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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