JP4658866B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクルに備える凝縮器に、冷却水を循環させて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た冷却装置に関する。

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を、特開２００４−９７２１５号公報により提案した。

この冷却装置は、冷凍サイクルに備える凝縮器に、冷却水を循環させることにより凝縮器を熱交換により冷却する水冷式冷却部を付設するとともに、この水冷式冷却部に、冷凍サイクルにおける高圧領域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（制水弁）と、冷媒圧力を緩衝して制水弁に伝達する圧力緩衝手段を設けたものである。また、寒冷時であって、冷凍サイクルの運転が停止中又は冷却負荷が少ないときには、制水弁が全閉状態になり、制水弁よりも下流側の配管及び凝縮器内に停滞する水が凍結することにより配管及び凝縮器の破裂（故障）を生じる虞れがあるため、制水弁に対して凍結防止バルブを並列に接続し、寒冷時には、凍結防止バルブを開くことにより冷却水を配管及び凝縮器に流していた。
特開２００４−９７２１５号

しかし、上述し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。このため、冷媒圧力を緩衝して制水弁に伝達するキャピラリチューブ（圧力緩衝手段）を設けていたが、反面、冷媒圧力が制水弁に伝達される際の応答性の低下を招くとともに、制御性（制水性）の不安定化を招いてしまう。

第二に、冷媒温度により制御されるタイプの制水弁（温度式制水弁）を用いた場合、温度検知の反応が遅いため、応答遅れが発生し、制水弁が開閉を繰り返すハンチング現象、更には冷媒圧力の異常な上昇を招きやすい。

第三に、寒冷時には、制水弁に接続した凍結防止バルブを開き、制水弁よりも下流側の配管及び凝縮器内に冷却水を流すことにより凍結防止を図っていたが、凍結防止バルブは、作業者の操作に頼るため、凍結防止バルブの開き忘れや閉め忘れが発生し、確実な凍結防止を図れないとともに、運転時に無用な冷却水が流れることにより正常な冷却動作が確保されない虞れがある。

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、冷凍サイクルＣに備える凝縮器２に、冷却水Ｗｓを循環させて凝縮器２を熱交換により冷却する水冷式冷却部３を付設するとともに、この水冷式冷却部３に、冷凍サイクルＣにおける高圧領域の冷媒状態に基づいて冷却水Ｗｓの流量を制御する制水弁４を接続した冷却装置１を構成するに際して、冷媒圧力Ｐｒ又は冷媒温度Ｔｒを用いて制水弁４を制御するとともに、制水弁４に、弁出入口圧力差Ｐｓ〔ＭＰａ〕が変動しても流量Ｑ〔％〕が一定に維持される特性を有する定流量弁５を並列に接続し、少なくとも運転時又は／及び外気温が設定温度以下のときには定流量弁５に冷凍サイクルＣの運転時に必要な冷却水Ｗｓの最大流量Ｑｍａｘに対して３〜２０〔％〕に設定した設定流量Ｑｓだけ常時冷却水Ｗｓを流すバイパス通水手段６を設けたことを特徴とする。

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） 制水弁４に並列に接続した定流量弁５により、所定の設定流量Ｑｓだけ常時冷却水Ｗｓが流れるため、冷媒圧力Ｐｒを緩衝して制水弁４に伝達する従来のようなキャピラリチューブ（圧力緩衝手段）を用いなくても、冷媒圧力Ｐｒが急峻に変動した際に発生するウォータハンマ現象（衝撃や振動）を有効に防止できるとともに、冷媒圧力Ｐｒが制水弁４に伝達される際の応答性の低下を回避し、制御性（制水性）の安定化を実現することができる。

（２） 制水弁４として冷媒温度Ｔｒにより制御されるタイプの温度式制水弁を用いた場合であっても、所定の設定流量Ｑｓだけ常時冷却水Ｗｓが流れるため、温度式制水弁における応答遅れが発生しても、制水弁４のハンチング現象、更には冷媒圧力Ｐｒの異常な上昇を防止することができる。

（３） 寒冷時であっても、所定の設定流量Ｑｓだけ常時冷却水Ｗｓが流れるため、従来における凍結防止バルブのように開き忘れや閉め忘れは発生しない。したがって、確実な凍結防止を図れるとともに、運転時に無用な冷却水が流れ、正常な冷却動作が行われない不具合を回避できる。

（４） 設定流量Ｑｓは、冷凍サイクルＣの運転時に必要な冷却水Ｗｓの最大流量Ｑｍａｘに対して３〜２０〔％〕に設定するため、安定性が高く、各種問題の発生を抑制できる最良の結果を得ることができる。

（５） 冷媒圧力Ｐｒ又は冷媒温度Ｔｒを用いて制水弁４を制御するため、冷媒圧力Ｐｒ又は冷媒温度Ｔｒの双方に対して安定性の高い動作を実現でき、用途や性能等を考慮した最適な冷媒状態（冷媒圧力Ｐｒ又は冷媒温度Ｔｒ）を選択できる。

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３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に接続する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Ｌｗ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Ｌｗを貯留する冷却液タンク５１と、この冷却液タンク５１に貯留する冷却液Ｌｗを被冷却物Ｍに供給する送液ポンプ５２と、この送液ポンプ５２から被冷却物Ｍに送られる冷却液Ｌｗを冷却するプレート形熱交換器等の冷却器１１と、この冷却器１１に接続し、この冷却器１１を流通する冷却液Ｌｗを熱交換により冷却する冷凍サイクルＣを備える。

この場合、冷却液タンク５１は、冷却水等の冷却液Ｌｗ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５１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５３、液温センサ５４、バイパス用バルブ５５等を備えている。

一方、冷凍サイクルＣは、図２に示すように、主要機能部として、凝縮器２，冷媒ドライヤ１２，電子膨張弁１３，アキュムレータ１４及び冷媒圧縮機１５を備えており、冷却器１１の冷媒流入側に電子膨張弁１３の冷媒流出側を接続し、冷却器１１の冷媒流出側にアキュムレータ１４の冷媒流入側を接続する。これにより、矢印Ｆｋ方向に冷媒が循環する冷媒回路が構成される。なお、図１中、Ｃｍは、凝縮器２以外の冷凍サイクルを示している。例示する冷凍サイクルＣ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２には水冷式冷却部３を付設する。水冷式冷却部３は、図１及び図２に示すように、凝縮器２との熱交換を行う並列接続した二つの熱交換部３１ａ，３１ｂを備えるとともに、各熱交換部３１ａ，３１ｂの給水口３１ａｉ，３１ｂｉに対して冷却水Ｗｓを供給し、かつ各熱交換部３１ａ，３１ｂの排水口３１ａｏ，３１ｂｏから排出される冷却水Ｗｓを受け取る給水部３２を備える。これにより、凝縮器２に対して冷却水Ｗｓを循環させ、当該凝縮器２を熱交換により冷却することができる。なお、３３ｉは給水部３２から各給水口３１ａｉ，３１ｂｉに冷却水Ｗｓを供給する供給配管、３３ｏは各排水口３１ａｏ，３１ｂｏから給水部３２に冷却水Ｗｓを戻す戻し配管をそれぞれ示す。

さらに、供給配管３３ｉの中途にはバルブ回路３４を接続する。バルブ回路３４は、図１に示すように、供給配管３３ｉに対して直列に接続した制水弁４を備えるとともに、この制水弁４に対して並列に接続した定流量弁５を備える。制水弁４は、冷凍サイクルＣにおける高圧領域（冷媒圧縮機１５の吐出口から膨張弁１３までの間）の冷媒状態、具体的には、冷媒圧力Ｐｒに基づいて供給配管３３ｉを流れる冷却水Ｗｓの流量を可変する機能を有し、冷媒圧力Ｐｒは、制水弁４の制御ポート４ｃに制御圧力として付与される。

定流量弁５は、図３に示すように、弁出入口圧力差Ｐｓ〔ＭＰａ〕が変動しても流量Ｑ〔％〕が一定に維持される特性を有する。これにより、定流量弁５に所定の設定流量Ｑｓだけ常時冷却水Ｗｓを流すことができるバイパス通水手段６が構成される。

また、図２に示す冷凍サイクルＣにおいて、１６は吸入圧力センサ、１７は吐出圧力センサ、１８は吸入温度センサ、１９は吐出温度センサ、２０は圧縮機用インバータ、２１は高圧圧力スイッチをそれぞれ示す。この高圧圧力スイッチ２１は主に保護スイッチとして機能する。なお、冷媒圧縮機１５の冷媒流出側と冷却器１１の冷媒流入側の間には、電磁バルブ２２を用いたバイパス回路２３を接続する。

さらに、冷却装置１には、全体の制御を司る不図示の制御系を備えており、前述した液温センサ５４，吸入圧力センサ１６，吐出圧力センサ１７，吸入温度センサ１８，吐出温度センサ１９等のセンサ類から得る検出結果に基づいて、冷媒圧縮機１５（圧縮機用インバータ２０），電磁バルブ２２，バイパス用バルブ５５，給水部３２及び電磁膨張弁１３等の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とともに、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４を参照して説明する。

冷却装置１の全体の動作は次のようになる。まず、冷却装置１には、図２に示すように、被冷却物Ｍを接続するとともに、冷却液タンク５１には、冷却液（冷却水等）Ｌｗを収容する。これにより、送液ポンプ５２を作動させれば、冷却液タンク５１内の冷却液Ｌｗは、供給口５１ｓから送液ポンプ５２により冷却器１１に供給される。冷却器１１では、供給された冷却液Ｌｗと冷凍サイクルＣにおける冷却された冷媒間で熱交換が行われ、冷却された冷却液Ｌｗは、被冷却物Ｍに供給されることにより、被冷却物Ｍに対する冷却が行われる。そして、被冷却物Ｍの冷却（熱交換）により暖められた冷却液Ｌｗは、冷却液タンク５１の戻り口５１ｒに戻され、冷却液タンク５１に貯留される。

一方、被冷却物Ｍに供給される冷却液Ｌｗの温度（液温Ｔｗ）は、液温センサ５４により検出され、不図示の制御系により、検出した液温Ｔｗが予め設定した目標温度になるように、冷媒圧縮機１５（圧縮機用インバータ２０）が制御され、液温Ｔｗに対するフィードバック制御が行われる。

また、冷却装置１に備える本実施形態の要部となる定流量弁５の機能は次のようになる。図４は定流量弁５の機能（動作）を説明するためのフローチャートである。

最初に、定流量弁５に対して設定流量Ｑｓの設定を行う（ステップＳ１）。設定流量Ｑｓは、冷凍サイクルＣの運転時に必要となる冷却水Ｗｓの最大流量Ｑｍａｘに対して、３〜２０〔％〕に設定することが望ましい。一例としては、例えば、定流量弁５に流れる最大流量Ｑｍａｘが１８〔リットル／ｍｉｎ〕の場合、設定流量Ｑｓを２〔リットル／ｍｉｎ〕程度に設定できる。このように、設定流量Ｑｓを最大流量Ｑｍａｘに対して、３〜２０〔％〕に設定すれば、安定性が高く、各種問題の発生を抑制できる最良の結果を得ることができる。

次いで、給水部３２から水冷式冷却部３に冷却水Ｗｓを供給する（ステップＳ２）。これにより、給水部３２からの冷却水Ｗｓは、供給配管３３ｉを介してバルブ回路３４に供給され、制水弁４及び定流量弁５の流入側に付与される。定流量弁５は、この定流量弁５の弁出入口圧力差Ｐｓが変動しても、冷却水Ｗｓを常に設定流量Ｑｓをだけ継続して流す機能を有するため、給水部３２から冷却水Ｗｓが供給される限り、冷凍サイクルＣの運転又は運転停止に拘わらず、設定流量Ｑｓの冷却水Ｗｓが凝縮器２の熱交換部３１ａ，３１ｂに流れ続ける。

換言すれば、給水部３２から冷却水Ｗｓが供給される限り、常に設定流量Ｑｓの冷却水Ｗｓが凝縮器２の熱交換部３１ａ，３１ｂに流れ続けるため、この状態において、冷却装置１（冷凍サイクルＣ）の運転（使用）又は運転停止（使用停止）が行われる（ステップＳ３）。したがって、メンテナンス等による給水停止のための条件が発生しない限り、常に設定流量Ｑｓの冷却水Ｗｓが最低限流れ続けることになる（ステップＳ４，Ｓ５）。なお、定流量弁５から流出した冷却水Ｗｓは、熱交換部３１ａ，３１ｂの給水口３１ａｉ，３１ｂｉに供給され、熱交換部３１ａ，３１ｂの内部を通って排水口３１ａｏ，３１ｂｏに至るとともに、排水口３１ａｏ，３１ｂｏから給水部３２に戻される。

一方、制水弁４は、図１に示すように、制御ポート４ｃに凝縮器２から吐出する冷媒の圧力（冷媒圧力Ｐｒ）が付与される。この際、冷媒圧力Ｐｒが高くなれば、制水弁４の開度が大きくなり、制水弁４を通過する流量（給水量）が多くなるとともに、冷媒圧力Ｐｒが低くなれば、制水弁４の開度が小さくなり、制水弁４を通過する流量（給水量）が少なくなる。そして、制水弁４から流出した冷却水Ｗｓは、熱交換部３１ａ，３１ｂの給水口３１ａｉ，３１ｂｉに供給され、熱交換部３１ａ，３１ｂの内部を通って排水口３１ａｏ，３１ｂｏに至るとともに、排水口３１ａｏ，３１ｂｏから給水部３２に戻される。熱交換部３１ａ，３１ｂにおいては、凝縮器２を通過する高温高圧の冷媒と冷却水Ｗｓ間の熱交換が行われる。図中、矢印Ｆｗは冷却水Ｗｓの循環方向を示している。これにより、凝縮器２の内部圧力が安定化（一定化）される。

このような本実施形態に係る冷却装置１によれば、制水弁４に並列に接続した定流量弁５により、所定の設定流量Ｑｓだけ常時冷却水Ｗｓが流れるため、冷媒圧力Ｐｒを緩衝して制水弁４に伝達する従来のようなキャピラリチューブ（圧力緩衝手段）を用いなくても、冷媒圧力Ｐｒが急峻に変動した際に発生するウォータハンマ現象（衝撃や振動）を有効に防止できるとともに、冷媒圧力Ｐｒが制水弁４に伝達される際の応答性の低下を回避し、制御性（制水性）の安定化を実現できる。また、寒冷時であっても、所定の設定流量Ｑｓだけ常時冷却水Ｗｓが流れるため、従来における凍結防止バルブのように開き忘れや閉め忘れは発生しない。したがって、確実な凍結防止を図れるとともに、運転時に無用な冷却水が流れ、正常な冷却動作が行われない不具合を回避できる。

ところで、図１〜図４に示した実施形態では、メンテナンス等による給水停止のための条件が発生しない限り、常に定流量弁５に冷却水Ｗｓを流し続ける場合を示したが、図５に示すように、定流量弁５（及び制水弁４）に対して電磁バルブ４１を直列に接続し、所定の条件に対応して定流量弁５（及び制水弁４）に対する冷却水Ｗｓの供給を停止させることができる。例えば、夏季では、凍結防止の目的は不要になるため、運転しないときは、定流量弁５（及び制水弁４）に対する冷却水Ｗｓの供給を停止し、節水を図ることができる。

具体的には、図６に示すフローチャートのように、例えば、外気温を検出し、設定温度（凍結防止温度）以下のときは電磁バルブ４１を開側に固定するとともに（ステップＳ２１，Ｓ２２，Ｓ２３）、設定温度を越えているときは、冷却装置１の運転に連動させて電磁バルブ４１を開閉制御することができる（Ｓ２２，Ｓ２４）。この場合、冷却装置１の運転を開始する際には、タイムラグを設定し、電磁バルブ４１を開側に切換えた後、若干の時間をおいて運転を開始することが望ましい。また、図５中、４２は電磁バルブ４１を開閉制御する制御系４２を示している。

このように構成した場合、定流量弁５に所定の設定流量Ｑｓだけ常時冷却水Ｗｓを流す期間が、少なくとも運転時又は／及び外気温が設定温度以下の期間となる。この場合も、メンテナンス等による給水停止のための条件が発生しない限り、常に設定流量Ｑｓの冷却水Ｗｓが最低限流れ続けることになる（ステップＳ２５，Ｓ２６）。

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、細部の回路構成，数量，数値，手法等において、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、本実施形態において、制水弁４及び定流量弁５は、熱交換部３１ａ，３１ｂの給水口３１ａｉ，３１ｂｉ側に接続した場合を例示したが、熱交換部３１ａ，３１ｂの排水口３１ａｏ，３１ｂｏ側に接続してもよい。なお、冷媒圧力Ｐｒは電気的手段或いは機械的手段により制水弁４側に伝達してもよい。また、冷凍サイクルＣにおける高圧領域の冷媒状態として、冷媒圧力Ｐｒを利用する場合を例示したが、冷媒温度Ｔｒを利用してもよい。本実施形態では、冷凍サイクルＣにおける高圧領域の冷媒状態として、冷媒圧力Ｐｒ又は冷媒温度Ｔｒの双方に対して安定性の高い動作を実現できるため、用途や性能等を考慮した最適な冷媒状態（冷媒圧力Ｐｒ又は冷媒温度Ｔｒ）を選択できる。したがって、制水弁４として冷媒温度Ｔｒにより制御されるタイプの温度式制水弁を用いた場合であっても、所定の設定流量Ｑｓだけ常時冷却水Ｗｓが流れるため、温度式制水弁における応答遅れが発生しても、制水弁４のハンチング現象、更には冷媒圧力Ｐｒの異常な上昇が防止される。

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凝縮器を抽出して示す回路構成図、 同冷却装置の全体を示す回路構成図、 同冷却装置の定流量弁の弁出入口圧力差対流量特性図、 同冷却装置の定流量弁の機能（動作）を説明するフローチャート、 同冷却装置の変更例に係るバルブ回路を抽出して示す回路構成図、 同冷却装置の変更例に係るバルブ回路の機能（動作）を説明するフローチャート、

１：冷却装置，Ｃ：冷凍サイクル，２：凝縮器，Ｗｓ：冷却水，３：水冷式冷却部，４：制水弁，５：定流量弁，６：バイパス通水手段，Ｐｒ：冷媒圧力

Claims (1)

1. 冷凍サイクルに備える凝縮器に、冷却水を循環させて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するとともに、この水冷式冷却部に、前記冷凍サイクルにおける高圧領域の冷媒状態に基づいて前記冷却水の流量を制御する制水弁を接続してなる冷却装置において、冷媒圧力又は冷媒温度を用いて前記制水弁を制御するとともに、前記制水弁に、弁出入口圧力差が変動しても流量が一定に維持される特性を有する定流量弁を並列に接続し、少なくとも運転時又は／及び外気温が設定温度以下のときには前記定流量弁に前記冷凍サイクルの運転時に必要な冷却水の最大流量に対して３〜２０〔％〕に設定した設定流量だけ常時冷却水を流すバイパス通水手段を設けたことを特徴とする冷却装置。

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