JP4364035B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、被冷却物に対して冷却液を循環させることにより当該被冷却物を冷却する冷却装置に関する。

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、このようなコンプレッサの回転周波数をインバータ制御する冷凍サイクルを用いた従来の冷却装置は、次のような解決すべき課題が存在した。

第一に、冷凍サイクルに備える凝縮器に水冷式冷却部を付設する場合、通常、冷却水の流量を制御する制水弁を接続するとともに、凝縮器の吐出側の冷媒圧力を制水弁の制御ポートに付与して制水弁の開度を可変、即ち、冷媒圧力が高くなったときは制水弁の開度を大きくし、かつ冷媒圧力が低くなったときは制水弁の開度を小さくしているが、冷媒圧力が急峻に変動する場合、制水弁において冷却水による無視できない大きなウォータハンマ現象（衝撃や振動）が発生する。

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提供を目的とするものである。

本発明は、上述した課題を解決するため、冷却液Ｗを貯留する冷却液タンク１５と、この冷却液タンク１５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１６と、被冷却物Ｍから冷却液タンク１５に戻される冷却液Ｗ又は冷却液タンク１５から被冷却物Ｍに供給する冷却液Ｗを冷却する冷凍サイクル２を接続した冷却器３とを備え、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被冷却物Ｍの冷却を行う冷却装置１を構成するに際して、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１３を設けたデジタル制御冷媒圧縮機１１を有する冷凍サイクル２とを備えるとともに、当該冷凍サイクル２に有する凝縮器４に、冷却水Ｗｓを循環させることにより凝縮器４を熱交換により冷却する水冷式冷却部５を付設し、かつこの水冷式冷却部５に、冷凍サイクル２における凝縮器４の冷媒流出側から膨張弁２７までの間の冷媒圧力Ｐｄに基づいて冷却水Ｗｓの流量を制御する制水手段６と、冷媒圧力Ｐｄを緩衝して制水手段６に伝達する圧力緩衝手段７を設けたことを特徴とする。

この場合、発明の好適な態様により、制水手段６には、制御ポート６ｖｃに付与される制御圧力Ｐｘの大きさにより冷却水Ｗｓの流量を制御する制水弁６ｖを用いるとともに、圧力緩衝手段７には、冷媒圧力Ｐｄを制御ポート６ｖｃに付与するキャピラリチューブ７ｃを用いることができる。

このような構成を有する本発明に係る冷却装置１によれば、次のような顕著な効果を奏する。

（１） 冷凍サイクル２に備える凝縮器４を水冷式冷却部５により冷却する場合であっても、圧力緩衝手段７により冷媒圧力Ｐｄを緩衝して制水手段６に伝達するため、冷媒圧力Ｐｄが急峻に変動しても、制水手段６における冷却水Ｗｓによるウォータハンマ現象（衝撃や振動）の発生を防止できる。

（２） 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１３を設けたデジタル制御冷媒圧縮機１１を有する冷凍サイクル２を備えるため、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。

（３） 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１３を設けたデジタル制御冷媒圧縮機１１を用いた冷凍サイクル２の場合、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Ｐｄの急峻な変動によって大きなウォータハンマ現象が発生しやすいが、このウォータハンマ現象を確実かつ有効に回避することができる。

（４） 好適な態様により、制水手段６に、制御ポート６ｖｃに付与される制御圧力Ｐｘの大きさにより冷却水Ｗｓの流量を制御する制水弁６ｖを用いるとともに、圧力緩衝手段７に、冷媒圧力Ｐｄを制御ポート６ｖｃに付与するキャピラリチューブ７ｃを用いれば、簡易な構成で足り、実施の容易性及び低コスト性に貢献できる。

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、本実施形態に係る冷却装置１の構成について、図１〜図５を参照して具体的に説明する。

図２中、１は本実施形態に係る冷却装置の全体構成を示し、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１５と、この冷却液タンク１５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１６と、被冷却物Ｍから冷却液タンク１５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２０とを備えている。

この場合、冷却液タンク１５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。さらに、冷却液タンク１５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１１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。

また、凝縮器４には水冷式冷却部５を付設する。水冷式冷却部５は、図１及び図２に示すように、凝縮器４との熱交換を行う熱交換部７１と、この熱交換部７１の給水口７１ｉに冷却水Ｗｓを供給し、かつ熱交換部７１の排水口７１ｏから排出される冷却水Ｗｓを受け取る冷却水供給部７２を備え、冷却水Ｗｓを凝縮器４に対して循環させることにより当該凝縮器４を熱交換により冷却する機能を有する。さらに、水冷式冷却部５には、冷凍サイクル２における高圧領域（冷媒圧縮機１１の吐出口から膨張弁２７までの間）の冷媒圧力Ｐｄに基づいて冷却水Ｗｓの流量を制御する制水手段６と、冷媒圧力Ｐｄを緩衝して制水手段６に伝達する圧力緩衝手段７を備える。この場合、制水手段６には、冷却水供給部７２と給水口７１ｉに接続した送水管７３ｉの中途に接続し、かつ制御ポート６ｖｃに付与される制御圧力Ｐｘの大きさにより、送水管７３ｉを流れる冷却水Ｗｓの流量を制御する制水弁６ｖを用いるとともに、圧力緩衝手段７には、冷媒圧力Ｐｄを制御ポート６ｖｃに付与するキャピラリチューブ７ｃを用いる。なお、７４は制水弁６ｖに並列接続した手動により操作する凍結防止弁、７５は周囲温度Ｔｒを検出する周囲温度センサをそれぞれ示す。

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。

他方、デジタル制御冷媒圧縮機１１は、図３〜図５に示すように、軌道スクロール１８と固定スクロール１９を有する冷媒圧縮部１４を備えるとともに、固定スクロール１９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１３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１１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１３を備えるデジタル制御冷媒圧縮機１１の構成について、図２〜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１２ｓを上方に突出させた圧縮機モータ１２を内蔵する。また、圧縮機モータ１２の上方には、冷媒圧縮部１４とデジタル切換機構部１３を配設する。この場合、圧縮機モータ１２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１８を載置するとともに、この軌道スクロール１８の上に固定スクロール１９を被せて冷媒圧縮部１４を構成する。この場合、軌道スクロール１８は、上面に螺旋翼１８ｆ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１２ｓ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１２ｓが回転すれば、軌道スクロール１８は、軌道上を旋回する。他方、固定スクロール１９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１９は、下面に螺旋翼１９ｆ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１９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。この場合、電磁バルブ５９はデジタル切換機構部１３の一部を構成する。なお、６１はデジタル制御冷媒圧縮機１１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４０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４１を介して凝縮器４の冷媒流入側に接続する。

また、制御系２０は、制御部６５を備える。この制御部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７５，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１２，電磁バルブ５９，予備バルブ６０，冷却水供給部７２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、本実施形態に係る冷却装置１の動作（使用方法）について、図１〜図９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１１の動作（原理）について、図３〜図７を参照して説明する。このデジタル制御冷媒圧縮機１１は、上述したように、軌道スクロール１８と固定スクロール１９を有する冷媒圧縮部１４を備えるとともに、固定スクロール１９を軸方向Ｆｃに変位させることにより、圧縮機モータ１２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１２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１３を備えている。

このデジタル制御冷媒圧縮機１１は、圧縮機モータ１２を作動させることにより回転軸１２ｓが回転し、この回転軸１２ｓの上端偏心位置に有する係合部５３は、回転軸１２ｓ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１８も、軌道上を旋回運動する。他方、固定スクロール１９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１８の螺旋翼１８ｆと固定スクロール１９の螺旋翼１９ｆ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１９の螺旋翼１９ｆは、軌道スクロール１８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１９の螺旋翼１９ｆに対する軌道スクロール１８の螺旋翼１８ｆ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１８ｆと１９ｆ間に進入する。軌道スクロール１８が軌道上を旋回運動し、螺旋翼１９ｆに対する螺旋翼１８ｆの相対位置が、図５（ｂ）に示す状態になれば、螺旋翼１８ｆと１９ｆ間に進入した冷媒Ｋは、螺旋翼１８ｆと１９ｆ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１８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１１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１９の螺旋翼１９ｆは、図４に示すように、軌道スクロール１８から離間し、軌道スクロール１８と固定スクロール１９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１１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）の制御区間を示し、本実施形態に係る冷却装置１に用いるデジタル制御冷媒圧縮機１１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、本実施形態に係る冷却装置１に用いるデジタル制御冷媒圧縮機１１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１５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１６を作動させれば、冷却液タンク１５内の冷却液Ｗは、供給口１５ｓから送液ポンプ１６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１５の戻り口１５ｒに戻され、冷却液タンク１５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１１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１１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、本実施形態に係る冷却装置１では、デジタル制御冷媒圧縮機１１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、応答性ゆえ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、本実施形態に係る冷却装置１では、デジタル制御冷媒圧縮機１１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１５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１８と固定スクロール１９を用いた冷媒圧縮部１４を有するとともに、固定スクロール１９又は軌道スクロール１８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１３を有するデジタル制御冷媒圧縮機１１を用いたため、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可能となる。

以上の説明は、本実施形態に係る冷却装置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１１の上流側及び下流側に直列接続した逆止弁４０，４１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１１は、デジタル切換機構部１３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１１の上流側及び下流側にそれぞれ逆止弁４０，４１を直列接続し、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１１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１２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１２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、本実施形態の要部となる凝縮器４の動作は次のようになる。まず、凝縮器４は、デジタル制御冷媒圧縮機１１の後段に接続され、デジタル制御冷媒圧縮機１１により圧縮された高温高圧の冷媒Ｋを冷却し、凝縮液化させるための熱交換器として機能し、付設した水冷式冷却部５により冷却される。この場合、冷却水供給部７２から吐出した冷却水Ｗｓは、制水弁６ｖを介して熱交換部７１の給水口７１ｉに供給され、熱交換部７１の内部を通って排水口７１ｏに至るとともに、排水口７１ｏから冷却水供給部７２に戻される。そして、戻された冷却水Ｗｓは、冷却水供給部７２により再度冷却されて給水口７１ｉに供給されるという冷却水Ｗｓの循環が行われるとともに、熱交換部７１において凝縮器４を通過する高温高圧の冷媒Ｋと冷却水Ｗｓ間の熱交換が行われる。なお、凍結防止弁７４は閉じた状態にある。また、図１中、矢印Ｆｘは冷却水Ｗｓの循環方向を示している。

さらに、凝縮器４から吐出する冷媒Ｋの圧力（冷媒圧力Ｐｄ）は、細管により形成されるキャピラリチューブ７ｃを通して制水弁６ｖの制御ポート６ｖｃに付与される。この際、冷媒圧力Ｐｄは、キャピラリチューブ７ｃにより緩衝され、緩衝された大きさの制御圧力Ｐｘが制御ポート６ｖｃに付与される。これにより、冷媒圧力Ｐｄが高くなったときは、制水弁６ｖの開度を大きくして流量（給水量）を多くするとともに、冷媒圧力Ｐｄが低くなったときは、制水弁６ｖの開度を小さくして流量（給水量）を少なくし、凝縮器４の内部圧力を安定化（一定化）させている。

ところで、本実施形態に係る冷却装置１では、デジタル制御冷媒圧縮機１１を用いている。このデジタル制御冷媒圧縮機１１は、前述したように、デジタル切換機構部１３により、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動作が繰り返されるため、デジタル制御冷媒圧縮機１１から吐出する冷媒Ｋの圧力（吐出冷媒圧力）は、大きく急峻な変動が繰り返される。したがって、冷媒圧力Ｐｄを圧力緩衝手段７（キャピラリチューブ７ｃ）により緩衝させることなく制水弁６ｖの制御ポート６ｖｃに直接付与した場合には、制水弁６ｖにおいて冷却水Ｗｓによる無視できない大きなウォータハンマ現象（衝撃や振動）が発生する。

しかし、本実施形態に係る冷却装置１では、キャピラリチューブ７ｃにより、冷媒圧力Ｐｄを緩衝、即ち、なだらかに変化する制御圧力Ｐｘに変換し、この制御圧力Ｐｘを制水弁６ｖの制御ポート６ｖｃに付与するため、冷却水Ｗｓによるウォータハンマ現象（衝撃や振動）は確実かつ有効に回避される。また、基本的には、キャピラリチューブ７ｃの追加（交換）による簡易な構成で足り、実施の容易性及び低コスト性に貢献できる。なお、制御部６５は、冷却水供給部７２における冷却水Ｗｓに対する冷却温度を制御することができるとともに、この際、周囲温度センサ７５により検出される周囲温度Ｔｒ（凝縮器４周辺の外気温度）に基づいて冷却水Ｗｓに対する冷却温度を制御することができる。

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８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１５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。したがって、変更実施形態に係る冷却装置１では、図２に示す冷却装置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８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８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１１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１３を設けた冷媒圧縮機であってもよい。また、制水弁６ｖ（及び凍結防止弁７４）は、熱交換部７１の給水口７１ｉ側に接続した場合を例示したが、熱交換部７１の排水口７１ｏ側に接続してもよい。さらに、制水手段６に制水弁６ｖを使用するとともに、圧力緩衝手段７にキャピラリチューブ７ｃを使用した場合を例示したが、制水弁６ｖ及びキャピラリチューブ７ｃは、それぞれ同一の機能を有する他の部品により置換することができるとともに、他方、冷媒圧力Ｐｄを電気的手段或いは機械的手段により伝達する場合には、電気的信号の大きさ或いは機械的変位量に対して必要な緩衝処理を行うこともできる。なお、本発明における圧縮機モータ１２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冷却装置における冷凍サイクルのデジタル制御冷媒圧縮機及び凝縮器を抽出して示す回路構成図、 同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の断面構成図、 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の断面構成図、 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、 本発明の変更実施形態に係る冷却装置の一部を省略した回路構成図、

符号の説明

１ 冷却装置
２ 冷凍サイクル
３ 冷却器
４ 凝縮器
５ 水冷式冷却部
６ 制水手段
６ｖ 制水弁
６ｖｃ 制御ポート
７ 圧力緩衝手段
７ｃ キャピラリチューブ
１１ デジタル制御冷媒圧縮機
１２ 圧縮機モータ
１３ デジタル切換機構部
１５ 冷却液タンク
１６ 送液ポンプ
２７ 膨張弁
Ｗ 冷却液
Ｍ 被冷却物
Ｐｄ 冷媒圧力
Ｗｓ 冷却水
Ｐｘ 制御圧力

Claims (2)

1. 冷却液を貯留する冷却液タンクと、この冷却液タンクに貯留する冷却液を被冷却物に供給する送液ポンプと、前記被冷却物から前記冷却液タンクに戻される冷却液又は前記冷却液タンクから前記被冷却物に供給する冷却液を冷却する冷凍サイクルを接続した冷却器とを備え、冷却した冷却液を前記被冷却物に循環させることにより前記被冷却物の冷却を行う冷却装置において、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有する前記冷凍サイクルを備えるとともに、当該冷凍サイクルに有する凝縮器に、冷却水を循環させることにより前記凝縮器を熱交換により冷却する水冷式冷却部を付設し、かつこの水冷式冷却部に、前記冷凍サイクルにおける凝縮器の冷媒流出側から膨張弁までの間の冷媒圧力に基づいて冷却水の流量を制御する制水手段と、前記冷媒圧力を緩衝して前記制水手段に伝達する圧力緩衝手段を設けたことを特徴とする冷却装置。
2. 前記制水手段に、制御ポートに付与される制御圧力の大きさにより冷却水の流量を制御する制水弁を用いるとともに、前記圧力緩衝手段に、前記冷媒圧力を前記制御ポートに付与するキャピラリチューブを用いることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。

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