JP4336603B2 - Cooling device operation control method - Google Patents
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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。 The present invention relates to an operation control method for a cooling device that cools an object to be cooled by circulating a coolant cooled by a cooler connected to a refrigeration cycle to the object to be cooled.
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。 In general, in a laser processing machine, it is necessary to ensure thermal stability for optical components such as mirrors, which greatly affect the processing accuracy, and to avoid deterioration in processing quality. High cooling accuracy and cooling performance that can sufficiently follow relatively large load fluctuations due to workpiece material, plate thickness, machining speed, and machined surface roughness, etc. are required. Japanese Patent Laid-Open No. 9-134220 proposed a cooling device (temperature control method for a cooling device) that meets such requirements. In this cooling device, a liquid feed pump is connected to a supply port of a coolant tank that stores a coolant, and a coolant inlet of an object to be cooled such as a laser processing machine is connected to a discharge port of the liquid feed pump. A cooler is connected to the return port of the coolant tank, and the coolant outlet of the object to be cooled is connected to the inlet of the cooler.
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。 However, since this cooling device stores the cooled cooling liquid in the cooling liquid tank, there is an advantage that a cooling liquid with a stable temperature can always be supplied to the object to be cooled. Are limited, there is a problem to be solved such as a reduction in COP (coefficient of performance = cooling capacity / input power) of the refrigerant circuit, a relatively large pressure resistance required on the object to be cooled, The present applicant has already proposed a cooling device that has solved this problem in Japanese Patent Laid-Open No. 2003-329355.
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。
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。 However, the conventional operation control method for inverter-controlling the rotation frequency of the compressor in the refrigeration cycle of such a cooling device has the following problems to be solved.
第一に、冷凍サイクルに備える凝縮器を冷却する場合、凝縮器から吐出する冷媒の温度(凝縮冷媒温度)を監視し、設定値よりも高いときは凝縮器を空冷する冷却ファンの回転周波数を高くし、かつ低いときは回転周波数を低くする制御を行うため、コンプレッサの回転周波数をインバータ制御する際には問題を生じないものの、冷媒圧力の変動が急峻で大きい動作特性を有するコンプレッサを用いた場合には、冷媒温度の変動も急峻で大きくなるため、冷却液に対する温度制御が不安定となり、精度の高い安定した冷却温度が得られない。 First, when cooling the condenser provided for the refrigeration cycle, the temperature of the refrigerant discharged from the condenser (condensed refrigerant temperature) is monitored, and if it is higher than the set value, the rotation frequency of the cooling fan that air-cools the condenser is set. Since the control is performed to increase the rotation frequency and decrease the rotation frequency when it is low, there is no problem when controlling the rotation frequency of the compressor by an inverter. In this case, since the refrigerant temperature fluctuates rapidly and becomes large, the temperature control for the coolant becomes unstable, and a highly accurate and stable cooling temperature cannot be obtained.
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。 Second, the inverter control of the compressor varies the rotation frequency of the compressor by a control signal given to the inverter circuit from the control unit, so there is a limit to the range of the rotation frequency that can be controlled, and usually 30 [ %] In the low load region below, inverter control becomes difficult. For this reason, in the low load region, the actual situation is that the hot gas bypass circuit is controlled by opening and closing, which causes a decrease in the overall operation efficiency, and there are difficulties in energy saving and controllability.
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。 An object of the present invention is to provide an operation control method for a cooling device that solves the problems existing in the background art.
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、圧縮機モータ6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6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7を設けたデジタル制御冷媒圧縮機8を有する冷凍サイクル2を備えるとともに、予め、冷凍サイクル2における凝縮器4周辺の外気温度である周囲温度Trに対する一又は二以上の温度領域Za,Zb…を設定し、かつ各温度領域Za,Zb…毎に、凝縮器4から吐出する冷媒Kの温度である凝縮冷媒温度Tcと周囲温度Trの偏差Ecに対する基準範囲Txa,Txb…を設定するとともに、運転時に、周囲温度Trと凝縮冷媒温度Tcを検出し、検出した凝縮冷媒温度Tcと周囲温度Trの偏差Ecが、対応する温度領域Za,Zb…における基準範囲Txa,Txb…よりも高いときは凝縮器4の冷却度合を高くし、かつ低いときは冷却度合を低くする制御を行うことを特徴とする。
In order to solve the above-described problem, the operation control method of the
この場合、発明の好適な態様により、凝縮器4の冷却度合は、当該凝縮器4を空冷する凝縮器ファン5の回転周波数fを適用できる。
In this case, according to a preferred aspect of the invention, the cooling frequency of the
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。
According to the operation control method of the
(1) 冷媒圧力の変動が急峻で大きい動作特性を有する冷媒圧縮機を用いた場合であっても、常に、凝縮冷媒温度Tcを基準範囲Txa,Txb…に安定化させることができるため、冷却液Wに対して安定した温度制御を行うことができ、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。 (1) Even when a refrigerant compressor having a steep fluctuation in refrigerant pressure and a large operating characteristic is used, the condensed refrigerant temperature Tc can always be stabilized within the reference ranges Txa, Txb, etc. Stable temperature control can be performed on the liquid W, and a highly accurate and stable cooling temperature can be obtained.
(2) 圧縮機モータ6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6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7を設けたデジタル制御冷媒圧縮機8を有する冷凍サイクル2を用いたため、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) It has a digitally controlled
(3) 冷凍サイクル2に、圧縮機モータ6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6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7を有するデジタル制御冷媒圧縮機8を用いた場合、特に、ロード状態とアンロード状態の繰り返しによる冷媒圧力の急峻な変動が発生してしまうが、本発明に係る動作制御方法は、このようなデジタル制御冷媒圧縮機8を用いた際の有効な対策となる。
(3) Digitally controlled refrigerant compression having a
(4) 好適な態様により、凝縮器4の冷却度合に、当該凝縮器4を空冷する凝縮器ファン5の回転周波数fを適用すれば、既存の構成をそのまま利用し、制御方法を変更すれば足りるなど、実施の容易性及び低コスト性に貢献できる。
(4) If the rotation frequency f of the
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。 Next, the best embodiment according to the present invention will be given and described in detail with reference to the drawings.
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。
First, the configuration of the
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。
In FIG. 2, 1 indicates a cooling device, and M indicates an object to be cooled such as a laser processing machine connected to the
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。
In this case, the cooling
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4,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8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。
On the other hand, as shown in FIG. 2, the
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、5は凝縮器4を空冷する凝縮器ファン、40はこの凝縮器ファン5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。
In addition, in the
他方、デジタル制御冷媒圧縮機8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7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8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。
On the other hand, as shown in FIGS. 3 to 5, the digitally controlled
次に、このようなデジタル切換機構部7を備えるデジタル制御冷媒圧縮機8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6sを上方に突出させた圧縮機モータ6を内蔵する。また、圧縮機モータ6の上方には、冷媒圧縮部16とデジタル切換機構部7を配設する。この場合、圧縮機モータ6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。
Next, the structure of the digital
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6s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6s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。
Further, a
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8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4の冷媒流入側に接続する。
On the other hand, the cylinder chamber 57r and the
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6,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。
In addition, the
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。
Next, the operation | movement (usage method) of the
最初に、冷却装置1に使用するデジタル制御冷媒圧縮機8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8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6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6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7を備えている。
First, the operation (principle) of the digitally controlled
このデジタル制御冷媒圧縮機8は、圧縮機モータ6を作動させることにより回転軸6sが回転し、この回転軸6sの上端偏心位置に有する係合部53は、回転軸6s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。
In the digitally controlled
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。
On the other hand, the refrigerant K is supplied from the
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8により冷媒圧縮を行うロード状態となり、100〔%〕出力となる。
Therefore, if the relative position of the spiral wing 12f of the orbiting
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8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。
On the other hand, it is assumed that the
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8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8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。
FIG. 6 shows a valve control signal Sp applied to the
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。
Next, the overall operation (usage method) of the
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8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。
On the other hand, the temperature (liquid temperature Tw) of the coolant W supplied to the object to be cooled M is detected by the
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8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。
Therefore, according to such a
ところで、冷却装置1では、デジタル制御冷媒圧縮機8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8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。
By the way, in the
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7を有するデジタル制御冷媒圧縮機8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。
In addition, the
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。
The above description is the basic operation of the
まず、デジタル制御冷媒圧縮機8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8は、デジタル切換機構部7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8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。
First, rapid fluctuations in the refrigerant pressure are reduced by the
一方、本実施形態に係る動作制御方法により、凝縮器4を空冷する凝縮器ファン4をインバータ制御することにより、凝縮器4から吐出する冷媒Kの温度(凝縮冷媒温度Tc)を安定に保ち、被冷却物Mの冷却温度に対する制御精度を確保できるようにした。即ち、デジタル制御冷媒圧縮機8を用いた場合、冷媒Kは流れたり停止したりするため、図7に示す温度変化特性Qsのように、冷媒Kの圧力変動(温度変動)も急峻で大きくなるが、凝縮器出口温度センサ37から検出される凝縮冷媒温度Tcが安定に保たれるように制御することにより、被冷却物Mの冷却温度を安定化させることができる。
On the other hand, by the inverter control of the
ところで、通常、凝縮器4に対する冷却は、周囲温度Trに対応した凝縮器ファンの基本回転周波数を3段階程度に設定し、凝縮冷媒温度Tcが設定値以上になったら1段階上の基本回転周波数に切換える制御を行っている。しかし、このような制御は、ロード率Rrの変化によりロード時の凝縮冷媒温度Tc(過冷却度)の変動により蒸発冷媒温度も変動するため、被冷却物Mの冷却温度に対する制御が不安定になりやすい。
Normally, the
そこで、予め、冷凍サイクル2における凝縮器4周辺の外気温度(周囲温度Tr)に対する一又は二以上の温度領域Za,Zb…を設定し、かつ各温度領域Za,Zb…毎に、凝縮器4から吐出する冷媒Kの温度である凝縮冷媒温度Tcと周囲温度Trの偏差Ecに対する基準範囲Txa,Txb…を設定するとともに、運転時に、周囲温度Trと凝縮冷媒温度Tcを検出し、検出した凝縮冷媒温度Tcと周囲温度Trの偏差Ecが、対応する温度領域Za,Zb…における基準範囲Txa,Txb…よりも高いときは、凝縮器4を空冷する凝縮器ファン5の回転周波数fを高くして凝縮器4の冷却度合を高めるとともに、低いときは、凝縮器ファン5の回転周波数fを低くして凝縮器4の冷却度合を低くする制御を行うようにした。
Therefore, one or more temperature regions Za, Zb... For the outside air temperature (ambient temperature Tr) around the
以下、本実施形態に係る動作制御方法により凝縮器ファン5を制御する方法について、図1に示すフロートャート及び図8に示す制御特性図を参照して説明する。
Hereinafter, a method for controlling the
まず、図8に示すように、周囲温度Trに対する温度領域を、例えば、20〔℃〕以下の第一温度領域Za,20〔℃〕を越えた30〔℃〕未満の第二温度領域Zb,30〔℃〕以上の第三温度領域Zcように設定するとともに、各温度領域Za,Zb…毎に、凝縮冷媒温度Tc又はこの凝縮冷媒温度Tcと周囲温度Trの偏差Ecに対する基準範囲Txa,Txb…を設定する。図1は、Txaを、凝縮冷媒温度Tcに対する基準範囲として25〔℃〕以上35〔℃〕未満に設定するとともに、Txbを、凝縮冷媒温度Tcと周囲温度Trの偏差Ecに対する基準範囲として、2〔℃〕以上7〔℃〕未満に設定した場合を例示する。 First, as shown in FIG. 8, the temperature range with respect to the ambient temperature Tr is, for example, a first temperature range Za of 20 [° C.] or less, a second temperature range Zb of less than 30 [° C.] exceeding 20 [° C.], The third temperature region Zc is set to 30 [° C.] or more, and for each temperature region Za, Zb..., A reference range Txa, Txb with respect to the condensed refrigerant temperature Tc or a deviation Ec between the condensed refrigerant temperature Tc and the ambient temperature Tr. Set…. In FIG. 1, Txa is set to 25 [° C.] or more and less than 35 [° C.] as a reference range for the condensed refrigerant temperature Tc, and Txb is set to 2 as a reference range for the deviation Ec between the condensed refrigerant temperature Tc and the ambient temperature Tr. A case where the temperature is set to [° C.] or more and less than 7 [° C.] is exemplified.
今、冷却装置1が運転されているものとする。運転中は、周囲温度Trと凝縮冷媒温度Tcを検出する。この際、周囲温度Trが30〔℃〕以上の第三温度領域Zcにあれば、制御部65は、凝縮器ファン5の回転周波数fが最大となるように制御する(ステップS1,S2)。なお、最大の回転周波数fは、60〔Hz〕である。
It is assumed that the
一方、周囲温度Trが20〔℃〕を越えた30〔℃〕未満の第二温度領域Zbにあれば、凝縮冷媒温度Tcと周囲温度Trの偏差Ecを求め、この偏差Ecと基準範囲Txb(2〔℃〕以上7〔℃〕未満)の関係を判断する。そして、偏差Ecが基準範囲Txbとして設定された2〔℃〕以上7〔℃〕未満の範囲にあれば、回転周波数fに対する変更は行わない(ステップS3,S4,S5)。また、偏差Ecが基準範囲Txb未満、即ち、2〔℃〕未満の場合には、凝縮器ファン5の回転周波数fをダウンさせる制御を行う(ステップS3,S4,S6)。さらに、偏差Ecが基準範囲Txb以上、即ち、7〔℃〕以上の場合には、凝縮器ファン5の回転周波数fをアップさせる制御を行う(ステップS3,S4,S5,S7)。 On the other hand, if the ambient temperature Tr is in the second temperature region Zb exceeding 20 ° C. and less than 30 ° C., a deviation Ec between the condensed refrigerant temperature Tc and the ambient temperature Tr is obtained, and the deviation Ec and the reference range Txb ( 2 [° C.] or higher and lower than 7 [° C.]). If the deviation Ec is in the range of 2 [° C.] or higher and less than 7 [° C.] set as the reference range Txb, the rotational frequency f is not changed (steps S3, S4, S5). When the deviation Ec is less than the reference range Txb, that is, less than 2 [° C.], control is performed to reduce the rotational frequency f of the condenser fan 5 (steps S3, S4, S6). Further, when the deviation Ec is not less than the reference range Txb, that is, not less than 7 [° C.], control is performed to increase the rotational frequency f of the condenser fan 5 (steps S3, S4, S5, S7).
他方、周囲温度Trが20〔℃〕以下の第一温度領域Zaにあれば、凝縮冷媒温度Tcと基準範囲Txa(25〔℃〕以上35〔℃〕未満)の関係を判断する。この際、凝縮冷媒温度Tcが25〔℃〕以上35〔℃〕未満の範囲にあれば、回転周波数fに対する変更は行わない(ステップS8,S9,S10)。そして、凝縮冷媒温度Tcが基準範囲Txaとして設定された25〔℃〕未満の場合には、凝縮器ファン5の回転周波数fをダウンさせる制御を行う(ステップS8,S9)。さらに、凝縮冷媒温度Tcが基準範囲Txaとして設定された35〔℃〕以上の場合には、凝縮器ファン5の回転周波数fをアップさせる制御を行う(ステップS8,S9,S10,S7)。この場合、凝縮器ファン4における回転周波数fのアップダウンは、1〜60〔Hz〕を複数のステップ(n段階)に分け、段階的となるように制御する。なお、回転周波数fのアップダウンは、凝縮冷媒温度Tcの基準範囲を中心にして連続的(無段階)に行ってもよい。また、凝縮冷媒温度Tcの基準範囲を冷媒凝縮圧力(又は吐出圧力)に置換しても同様の制御を行うことができるとともに、同様の効果を得ることができる。なお、吐出圧力を監視する方法も可能ではあるが、圧力変動が大きくなるため、制御が不安定になりやすい。
On the other hand, if the ambient temperature Tr is in the first temperature range Za of 20 [° C.] or lower, the relationship between the condensed refrigerant temperature Tc and the reference range Txa (25 [° C.] or higher and lower than 35 [° C.]) is determined. At this time, if the condensed refrigerant temperature Tc is in the range of 25 [° C.] or higher and lower than 35 [° C.], the rotation frequency f is not changed (steps S8, S9, S10). When the condensing refrigerant temperature Tc is less than 25 [° C.] set as the reference range Txa, control is performed to reduce the rotational frequency f of the condenser fan 5 (steps S8 and S9). Further, when the condensed refrigerant temperature Tc is equal to or higher than 35 [° C.] set as the reference range Txa, control is performed to increase the rotational frequency f of the condenser fan 5 (steps S8, S9, S10, S7). In this case, the increase / decrease of the rotation frequency f in the
このような動作制御方法によれば、冷媒圧力の変動が急峻で大きい動作特性を有する冷媒圧縮機を用いる場合であっても、常に、凝縮冷媒温度Tcを基準範囲Txa,Txb…に安定化させることができる。したがって、冷却液Wに対する安定した温度制御を行うことにより、精度の高い安定した冷却温度を得ることができる。また、凝縮器4の冷却度合として、凝縮器ファン5の回転周波数fを適用すれば、既存の構成をそのまま利用し、制御方法の変更で足りるなど、実施の容易性及び低コスト性に貢献できる。さらに、冷凍サイクル2に、圧縮機モータ12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12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7を設けたデジタル制御冷媒圧縮機8を用いた場合、特に、ロード状態とアンロード状態の繰り返しによる冷媒圧力の急峻な変動が発生してしまうが、このデジタル制御冷媒圧縮機8を用いた際における有効な対策となる。
According to such an operation control method, the condensed refrigerant temperature Tc is always stabilized within the reference ranges Txa, Txb,..., Even when a refrigerant compressor having steep fluctuations in refrigerant pressure and a large operating characteristic is used. be able to. Therefore, a stable cooling temperature with high accuracy can be obtained by performing stable temperature control on the coolant W. Moreover, if the rotational frequency f of the
他方、凝縮器4の放熱効率が低下した場合、即ち、周囲温度Tr(凝縮器4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8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4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8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4の放熱量を減少させる。これにより、凝縮器4の圧力とデジタル制御冷媒圧縮機8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。
On the other hand, even when the heat dissipation efficiency of the
図9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9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9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9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9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4の放熱量を減少させることができるため、凝縮器4とデジタル制御冷媒圧縮機8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。
FIG. 9 shows an example of control characteristics in this case. In the figure, Tr indicates the ambient temperature, TA indicates the protective device operating temperature, and Ts indicates the threshold value. In addition, an ambient temperature of 40 [° C.] and a discharge refrigerant temperature of 120 [° C.] are set as judgment values, and if either temperature reaches the judgment value, control is performed to reduce the load rate Rr. In FIG. 9, if the ambient temperature Tr is 32 [° C.] lower than the determination value, the operation is continued at the load rate Rr of 100% unless the discharge refrigerant temperature To reaches the determination value. However, when the discharge refrigerant temperature To reaches the judgment value (120 [° C.]), the discharge refrigerant temperature To is lowered by performing control to gradually reduce the load rate Rr. On the other hand, if the ambient temperature Tr gradually rises and the control characteristic line in FIG. 9 rises to a temperature that intersects the threshold value Ts, control is performed to decrease the load rate Rr so that the intersecting load rate Rr is obtained. . For example, in FIG. 9, when the ambient temperature Tr reaches 45 [° C.], control is performed to reduce the load rate Rr so that the load rate Rr becomes 70 [%]. Further, when the ambient temperature Tr suddenly rises for some reason and reaches 50 [° C.], the load rate Rr cannot keep up, that is, in FIG. 9, the ambient temperature Tr is 50 [° C.]. In some cases, the load rate Rr must be 50%, but if it exceeds 60%, the control characteristic line will exceed the protection device operating temperature TA. Controls such as stopping operation by operating. Therefore, even when the ambient temperature Tr becomes high, the amount of heat released from the
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8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6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6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。
Further, the
なお、図10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10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10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。
In addition, in FIG. 10, the
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8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7を備えたデジタル制御冷媒圧縮機であってもよい。また、温度領域Za,Zb…は設定数及び範囲は、任意に選定することができる。さらに、凝縮器4の冷却度合は、凝縮器ファン5の回転周波数fを適用したが、水冷式冷却部を用いた場合には、水温の変更を適用してもよい。なお、本発明における圧縮機モータ6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。
Although the best embodiment has been described in detail above, the present invention is not limited to such an embodiment, and departs from the gist of the present invention in the detailed configuration, shape, material, quantity, numerical value, and the like. It can be changed, added, or deleted as long as it is not. For example, the digitally-controlled
1 冷却装置
2 冷凍サイクル
3 冷却器
4 凝縮器
5 凝縮器ファン
6 圧縮機モータ
7 デジタル切換機構部
8 デジタル制御冷媒圧縮機
W 冷却液
M 被冷却物
Tr 周囲温度
Tc 凝縮冷媒温度
K 冷媒
Ec 凝縮冷媒温度と周囲温度の偏差
Za… 温度領域
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