JP4823264B2

JP4823264B2 - 冷却装置および冷却装置監視システム

Info

Publication number: JP4823264B2
Application number: JP2008093046A
Authority: JP
Inventors: 航祐田中; 史武畝崎; 嘉裕隅田; 拓也伊藤; 重徳川脇
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Building Techno Service Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Building Solutions Corp
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: JP2009243828A

Description

本発明は冷却装置および冷却装置監視システム、特に、所望の温度にまで冷却された冷水などの冷却液を供給する冷却装置および冷却装置監視システムに関するものである。

従来、冷水などの冷却液を供給する冷却装置には、所望の温度にまで冷却された冷水を得るためにチラーなどの冷却手段が設けられている。かかる冷却手段は、圧縮機、凝縮器、減圧手段、および蒸発器を備え、これらに冷媒を循環させる冷凍サイクルが形成されるものである。
蒸発器には低圧低温の冷媒液と、水を主成分とする被冷却流体と、が熱交換自在に流通するようになっている。すなわち、冷媒液は被冷却流体から温熱（蒸発熱）を受け取って蒸発し、一方、被冷却流体は、温熱を奪われることで冷却される。このため、この冷却によって被冷却流体の温度が凍結温度にまで下がると、蒸発器の流路内において被冷却流体が凍結して流れ難くなるという問題があった。さらに、かかる状態をそのまま放置すると、蒸発器の流路を構成する配管等が破裂するおそれがあった。

そこで、プレート式熱交換器の端板の表面温度を検出することのできる温度検出手段を設け、これによって検出された温度が基準温度以下になった場合に、冷凍サイクル装置を停止させ、凍結異常を発報する冷凍検知装置を備えた発明が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
また、水冷却器（蒸発器に同じ）から流出する冷媒ガスの圧力を圧力検出器によって検出し、水の流量を配管に設置した水量計によって検出し、冷媒ガスの圧力と水の流量とに基づいて圧縮機の容量を低下させて、水の凍結を防止するための制御装置を設えた発明が開示されている（例えば、特許文献２、非特許文献１および非特許文献２参照）。

特開２００５−３１５４９８号公報（第５−６頁、図１１）特許第４０３２１３０号公報（第４頁、図１）瀬下裕・藤井雅雄：「コンパクト熱交換器」、日刊工業新聞社、１９９２年福迫・高橋・沢岡：機論、Ｖｏｌ.５４、Ｎｏ.４９９、Ｂ１９８９年、Ｐ.６４１

しかしながら、特許文献１および非特許文献１に開示された発明では以下の問題があった。
（あ）水の流量に基づき、圧縮機の容量を制御する必要があるため、流量を測定するために流量計を設置する必要があり、凍結防止システム導入のためコストがかかる。
（い）また、流入する水の温度に関係なく、圧縮機の容量を制御している。このため、水が凍結しない水の流入温度であるにもかかわらず圧縮機の容量を低下させることがあり、冷凍装置の冷却能力を最大限に利用できないばかりか、圧縮機も運転容量が小さい範囲に制約されるため、圧縮効率が悪く効率の悪い運転を行っている。

（う）また、凍結防止手段の制御の判定基準は定常時の冷媒の状態に基づいて決定しているために、起動時などの初期冷却能力が小さいため、水が凍結しない条件であるにもかかわらず、圧縮機の容量を制限する制御となっている。したがって、起動時に冷凍装置の冷却能力を最大限に発揮できるまで時間を要し、プルダウン時間が増加する。

（え）また、凍結防止手段が、冷媒の物理量が予め設定された許容限界値を超えた場合に警報手段から異常信号を発報し異常停止をしても、特定の運転データの閾値にしか注目していない。そのため、被冷却流体を送出するポンプの経年的劣化による送出能力の低下や、蒸発器の詰まりや被冷却流体の不純物混入による熱交換性能の劣化の変化を捉えることができないため、凍結故障に至る前に機器の異常の可能性を検知することができない。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、以下のような冷却装置および冷却装置監視システムの提供を目的とする。
（イ）安価に被冷却流体の凍結を防止すると共に、省エネ性が高く、冷却装置の冷却能力を最大限に利用する運転を実現することができる。
（ロ）また、冷却装置の起動時等の冷却能力が必要とされる条件においても、凍結が発生しない範囲で、冷却能力を最大限に発揮でき、プルダウン時間を短縮することができる。
（ハ）さらに、被冷却流体を送出するポンプの経年的劣化による送出能力の低下や、蒸発器の詰まりや被冷却流体の不純物混入による熱交換性能の劣化の変化を捉え、凍結故障に至る前に機器の異常の可能性を運転状態から推定することで、信頼性が高く、メンテナンス性をよくすることができる。

本発明に係る冷却装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、該凝縮器に向けて空気を送出する送風手段と、該凝縮器によって凝縮された冷媒を減圧する絞り手段と、該絞り手段によって減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記圧縮機、前記凝縮器、前記絞り手段および前記蒸発器を経由して冷媒を前記圧縮機に戻す冷媒回路と、によって冷凍サイクルを形成する冷凍サイクル手段と、
前記蒸発器において前記冷媒と熱交換を行う被冷却流体を、前記蒸発器に送出する被冷却流体送出手段と、
前記蒸発器において冷媒の蒸発温度である低圧冷媒温度（Ｔｉｎ）を検出する低圧冷媒温度検出手段と、
前記蒸発器に流入する被冷却流体の温度である被冷却流体流入温度（θｉｎ）を検出する被冷却流体流入温度検出手段と、
前記蒸発器から流出する被冷却流体の温度である被冷却流体流出温度（θｏｕｔ）を検出する被冷却流体流出温度検出手段と、
前記低圧冷媒温度（Ｔｉｎ）と、前記被冷却流体流入温度（θｉｎ）と、前記被冷却流体流出温度（θｏｕｔ）とによって演算される凍結壁面温度（θｗｆ）と前記壁面温度（θｗ）とを比較し、前記壁面温度（θｗ）が前記凍結壁面温度（θｗｆ）に対して、所定の範囲（αθ）内に入った場合に凍結による流路の閉塞が発生していると判断する判定部と、
該判定部が凍結による流路の閉塞が発生していると判断した場合に、前記圧縮機の回転数の低減、前記送風手段による送風量の低下、前記絞り手段の開口面積の増加、または前記被冷却流体送出手段の被冷却流体の送出量の増加のうち少なくとも１つ以上を実行させて、前記被冷却流体の凍結を防止する凍結防止制御部と、
を備えたことを特徴とする。

この発明は、低圧冷媒温度と被冷却流体流入温度とによって変化する運転状態量に基づいて、蒸発器（水熱交換器に同じ）が凍結する条件に近い場合は、送風量、絞り手段の開口面積、または被冷却流体の送出量のうち少なくとも１つ以上を制御して、被冷却流体の凍結を回避することが可能になる。よって、冷却装置を高効率に運転するとともに、冷却能力を最大限に発揮することができる。

[実施の形態１：冷却装置]
図１〜図４は本発明の実施の形態１に係る冷却装置を説明する構成図であって、それぞれ、温度検出手段または圧力検出手段の設置形態が相違するものである。なお、以下の各図において同じ部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図１において、冷却装置１００は、圧縮機１で圧縮された高温高圧の冷媒（以下「高圧冷媒」と称す）は、凝縮器２に導かれて、送風機３から送られた流体（空気）と熱交換し、凝縮されるようになっている。凝縮器２において凝縮された冷媒液は、絞り手段４において断熱膨張して低温低圧の冷媒（以下「低圧冷媒」と称す）となり蒸発器５に導かれる。そして、低圧冷媒は、蒸発器５を流通する被冷却流体と熱交換して蒸発し、圧縮機１へ戻され、一連の冷凍サイクルを構成している。

（圧縮機）
圧縮機１は、運転容量を可変することが可能な圧縮機であり、インバータにより制御されるモータ（図示せず）によって駆動される容積式圧縮機である。なお、本発明は圧縮機１の台数を１台に限定するものではなく、２台以上の圧縮機が並列もしくは直列に接続されたものであってもよい。

（凝縮器）
凝縮器２は、伝熱管と多数のフィンとにより構成されたクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器である。

（送風機）
送風機３は、凝縮器２に供給する空気の流量を可変することが可能なファンであり、ＤＣファンモータなどのモータによって駆動される遠心ファンや多翼ファン等である。

（絞り手段）
絞り手段４は、冷媒回路内を流れる冷媒の流量の調節等が行うことが可能であり、ステッピングモータ（図示せず）により絞りの開度を調整することが可能な電子膨張弁または受圧部にダイアフラムを採用した機械式膨張弁またはキャピラリーチューブである。

（蒸発器）
蒸発器５は、間隔をおいて薄板を多数並べて、周縁部をシールし、各薄板間に形成された空間を交互に低圧冷媒の流路と水の流路としてなるプレート式熱交換器、もしくは二重になった管の内外で熱交換を行う二重管式熱交換器である。本実施形態において、蒸発器５は、１個のみであるが、これに限定されず、２個以上の蒸発器が並列もしくは直列に接続されたものであってもよい。

（被冷却流体）
被冷却流体は、例えば、凝固点を降下させる添加物を混ぜた水が用いられ、単なる水であってもよい。冷却装置に用いられる冷媒は例えば、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０４ＡなどのＨＦＣ冷媒、Ｒ２２、Ｒ１３４ａなどのＨＣＦＣ冷媒、もしくは炭化水素、ヘリウムのような自然冷媒などがある。

（配管系）
蒸発器５に、ポンプ６と配管とを介して被冷却流体が循環するようになっている。蒸発器５において冷媒液の蒸発により冷却された被冷却流体は、配管を介して例えば、冷蔵庫や室内機など（図示せず）の冷熱負荷へ導かれるようになっている。

（温度・圧力検出系）
図１において、冷却装置１００には、蒸発器５に流入する低圧冷媒液の温度を検出する低圧冷媒液温度検出手段１０と、蒸発器５に流入する被冷却流体の温度を検出する被冷却流体流入温度検出手段１１と、が設置されている。
図２において、冷却装置２００には、蒸発器５に流入する被冷却流体の温度を検出する被冷却流体流入温度検出手段１１と、絞り手段４出口から圧縮機１の吸入の流路のいずれかの位置（蒸発器５の前後に同じ）に、冷媒液の圧力を検出する低圧圧力検出手段１４が設置されている。すなわち、冷却装置１００の低圧冷媒液温度検出手段１０を撤去して、低圧圧力検出手段１４を設置したものである。
図３において、冷却装置３００は、冷却装置１００（図１参照）に、蒸発器５の被冷却流体流出部において被冷却流体の温度を検出する被冷却流体流出温度検出手段１３が付加されたものである。
図４において、冷却装置４００は、冷却装置１００（図１参照）に、蒸発器５の出口において冷媒液の温度を検出する蒸発器流出冷媒液温度検出手段１３が付加されたものである。

（制御系）
低圧冷媒液温度検出手段１０より検出された「低圧冷媒液の温度」および被冷却流体流入温度検出手段１１により検出された「被冷却流体の温度」は、それぞれ測定部２０へ入力されるようになっている。
測定部２０に入力された検出値は、演算部２１に入力される。そして、それぞれの検出値を演算し、演算結果が記憶部２２へ入力され記憶される。さらに、判定部２３では、被冷却流体の「凍結の有無」あるいは「凍結の可能性」を判定し、その判定結果が制御部２４へ入力されるようになっている。
さらに、制御部２４は、判定部２３の判定結果に基づいて被冷却流体の凍結を防止するため、圧縮機１と送風機３と絞り手段４とポンプ６とを制御する（これについては、別途詳細に説明する）。また、凍結に至る場合は、報知部２５によって警報を発報するように構成されている。

測定部２０、演算部２１、判定部２３、制御部２４などの処理はマイコンにより処理され、記憶部２２は半導体メモリなどによって構成されている。
なお、蒸発器５に流入する低圧冷媒液の温度は、図２に示すように、絞り手段４出口から圧縮機１の吸入の流路のいずれかの位置に設けられた、低圧圧力検出手段１４より冷媒液の蒸発温度を換算し、冷媒液の温度を推測してもよい。

（動作）
次に、冷却装置１００の動作について、図１を用いて説明する。
この冷媒液回路の状態で、圧縮機１、送風機３およびポンプ６を起動すると、冷媒液は、圧縮機１に吸入され、圧縮され高圧のガス冷媒液となる。その後、高圧のガス冷媒液は、凝縮器２に送られて、送風機３によって供給される空気と熱交換（冷熱を受け取るに同じ）を行って凝縮し高圧の液冷媒液となる。

そして、この高圧の液冷媒液は、絞り手段４によって減圧（断熱膨張に同じ）されて、低温低圧の気液二相冷媒液（以下「低圧冷媒液」と称している）となって蒸発器５に送られる。そして、低圧冷媒液は、蒸発器５においてポンプ６より供給される被冷却流体と熱交換（冷熱を放出に同じ）を行って蒸発し、低圧のガス冷媒液となる。
ここで、絞り手段４は、圧縮機１の吸入における過熱度が所定値になるように蒸発器５を流れる冷媒液の流量を制御しているため、蒸発器５の出口におけるガス冷媒液は、所定の過熱度を有する状態となり再び、圧縮機１に吸入される。
一方、蒸発器５で冷却された被冷却流体は、要求される冷熱負荷（図示しない）へ導かれ、蒸発器５内は冷熱負荷要求に応じ、かつ、被冷却流体が凍結しない条件に応じ、所定の流量の冷媒液が流れるように圧縮機１は、制御部２４によって運転容量が制御される。

（凍結現象：流入温度の影響）
図５〜図１０は本発明の実施の形態１に係る冷却装置における被冷却流体の挙動を説明する特性図である。
まず、図５を用いて、定常時の被冷却流体の凍結現象について説明する。図５は、横軸に被冷却流体流入温度θｉｎ［℃］、縦軸に蒸発器５の被冷却流体と冷媒液との伝熱面の壁面温度θｗ［℃］をとり、被冷却流体の流速Ｕｗ［ｍ／ｓ］毎に被冷却流体流入温度θｉｎ［℃］によって被冷却流体が凍結する壁面温度θｗ［℃］（以下、凍結壁面温度θｗｆ［℃］と称する）の関係をグラフ化したものである。

ここで、「凍結壁面温度θｗｆ」とは、被冷却流体が凍結する限界の壁面温度であり、被冷却流体流入温度θｉｎ、被冷却流体の流速Ｕｗおよび凝固点である凍結温度θｆ［℃］に応じて変化することが知られている。ここで、凍結壁面温度θｗｆと被冷却流体流入温度θｉｎ、被冷却流体の流速Ｕｗおよび凍結温度θｆの関係は、シミュレーションや実験等により求めることができる。

例えば、定常状態での円管内の被冷却流体が凍結する凍結壁面温度θｗｆは、実験式（非特許文献２参照）より、
θｗｆ＝θｆ−θｃ＊×（θｉｎ−θｆ）・・・・・式（１−１）
にて表すことができる。ここで、
θｗｆ：凍結壁面温度［℃］、
θｆ：非冷却流体凍結温度［℃］、
θｉｎ：被冷却流体流入温度［℃］、
θｃ＊：凍結冷却温度比＝０．１９２×Ｒｅｗ^0.35［無次元］、
Ｒｅｗ：被冷却流体レイノルズ数（＝Ｕｗ×ｄｈ／νｗ）［無次元］、
Ｕｗ：被冷却流体の流速［ｍ／ｓ］、
ｄｈ：水力相当直径［ｍ］、
νｗ：被冷却流体の動粘度［ｍ²／ｓ］、である。

式（１−１）において、θｆは非冷却流体の物性によって決まる値であり、θｃ*は流速Ｕｗ、水熱交換器の仕様によって決まるｄｈ、および被冷却流体流入温度θｉｎにて決まる動粘度νｗによって表現されるため、θｗｆは、被冷却流体流入温度θｉｎ、被冷却流体の流速Ｕｗおよび凝固点である凍結温度θｆ［℃］に応じて変化することがわかる。

図５より、被冷却流体の凍結は、被冷却流体流入温度θｉｎが低く、被冷却流体の流速Ｕｗが低いほど凍結しやすいことがわかる。また、凍結壁面温度曲線より壁面温度θｗの低い領域は被冷却流体が凍結し、蒸発器の流路が閉塞する閉塞領域であり、温度の高い領域は被冷却流体が凍結しない非閉塞領域である。

（凍結現象：冷却時間の影響）
次に図６を用いて、過渡時の被冷却流体の凍結現象について説明する。図６は、横軸に冷却時間ｔ［ｓｅｃ］、縦軸に壁面温度θｗをとり、被冷却流体流入温度θｉｎまたは被冷却流体の流速Ｕｗによって冷却開始から被冷却流体が凍結する凍結壁面温度θｗｆの関係をグラフ化したものである。

ここで、凍結壁面温度θｗｆは、冷却時間ｔ、被冷却流体流入温度θｉｎ、被冷却流体の流速Ｕｗ、および凝固点である凍結温度θｆに応じて変化することが知られている。ここで、凍結壁面温度θｗｆと冷却時間ｔ、被冷却流体流入温度θｉｎ、被冷却流体の流速Ｕｗおよび凝固点である凍結温度θｆとの関係は、シミュレーションや実験等により求めることができる。

例えば、過渡時の円管内の被冷却流体が凍結する凍結壁面温度θｗｆは、式（１-１）と同一の式で定義するとき、凍結冷却温度比θｃ*の実験式（非特許文献２参照）は、
θｃ＊＝（０．７４３×Ｆｏ^-1.0×Ｒｅｗ^0.14）^0.99・・・・・式（１−２）
にて表すことができる。ここで、
Ｆｏ：管内閉塞開始時刻のフーリエ数（＝ａｗ×ｔｃ／ｄｈ²）［無次元］、
ａｗ：被冷却流体の温度拡散率（＝λｗ／（Ｃｐｗ×ρｗ））［ｍ²／ｓ］
ｔｃ：冷却開始より閉塞開始までの時間［ｓｅｃ］、
λｗ：被冷却流体の熱伝導率［Ｗ／ｍＫ］、
Ｃｐｗ：被冷却流体の定圧比熱［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］、
ρｗ：被冷却流体の密度［ｋｇ／ｍ³］
Ｒｅｗ：被冷却流体レイノルズ数（＝Ｕｗ×ｄｈ／νｗ）［無次元］

式（１−２）において、λｗ、Ｃｐｗ、ρｗはいずれも被冷却流体流入温度θｉｎにて物性値から決まるため、θｗｆは、被冷却流体流入温度θｉｎ、被冷却流体の流速Ｕｗおよび凝固点である凍結温度θｆ［℃］に応じて変化することがわかる。

図６より、被冷却流体の凍結は、被冷却流体流入温度θｉｎが低く、被冷却流体の流速Ｕｗが低く、冷却時間ｔが長いほど凍結しやすいことがわかる。また、凍結壁面温度曲線より壁面温度θｗの低い領域は被冷却流体が凍結し、蒸発器の流路が閉塞する閉塞領域であり、温度の高い領域は被冷却流体が凍結しない非閉塞領域である。

（凍結現象：冷却時間の影響）
次に、図７を用いて、冷却時間の影響について説明する。図７は、図６と同様に横軸に冷却時間ｔ、縦軸に壁面温度θｗをとり、被冷却流体流入温度θｉｎおよび被冷却流体の流速Ｕｗを固定した場合の、冷却開始の過渡から定常に至るまでの被冷却流体が凍結する凍結壁面温度θｗｆの関係をグラフ化したものである。

図７における過渡時凍結壁面温度θｗｆｔ［℃］は、冷却時間ｔと、被冷却流体流入温度θｉｎと、被冷却流体の流速Ｕｗとより演算可能である。また、定常時凍結壁面温度θｗｆｓ［℃］は、被冷却流体流入温度θｉｎと、被冷却流体の流速Ｕｗとより算出可能である。
そのため、冷却装置１００の運転状態から時々刻々測定される低圧冷媒液温度検出手段１０によって検知される温度が、演算される凍結壁面温度θｗｆに対して、例えば、図７に示すように壁面温度θｗ［℃］が所定のマージンの値αθ［℃］の範囲内に入った場合は、圧縮機１の運転容量を低下させるか、絞り手段４の開口面積を大きくするように冷却装置の各種アクチュエータを制御すれば壁面温度θｗ［℃］が上昇し被冷却流体の凍結を確実に回避することが可能である。

被冷却流体の流速Ｕｗについては、流量計から直接測定してもよいが、冷却装置の最低周波数から求まる、冷却装置の運転使用上の被冷却流量の流速の下限値を設定し、固定値としてもよいし、冷凍サイクルおよび、被冷却流体の運転状態量から推測してもよい。

（流速Ｕｗの推測方法）
ここで、被冷却流体の流速Ｕｗの推測方法について図３、図４、図８および図９を用いて説明する。図３は、図１に示す冷却装置の蒸発器の被冷却流体流出部に被冷却流体流出温度検出手段１３を付加したものである。
冷却装置１００における、蒸発器５での熱収支は、熱交換器の関係式（非特許文献１参照）より、
εｗ＝１−ＥＸＰ（−ＮＴＵ）・・・・・式（１）
にて表すことができる。

図８は式（１）の関係式を図示した相関部である。
図９は本発明の実施の形態１に係る冷却装置における蒸発器入口から蒸発器出口での冷媒液と被冷却流体の温度変化を示す相関図である。
ここで、「εｗ」は被冷却流体の温度効率であり、被冷却流体流入温度θｉｎから被冷却流体流出温度θｏｕｔを減じて求めた値に対して、被冷却流体流入温度θｉｎから蒸発器冷媒液流入温度Ｔｉｎを減じて求められる値である。

式（１）の右辺の「ＮＴＵ」は「移動単位数」であり、ＮＴＵは、
ＮＴＵ＝（Ａ×Ｋ）／（Ｃｐ×Ｇｗ）・・・・・式（２）
にて表すことができる。ここで、
Ｋ：熱交換器の熱通過率［Ｊ／ｓ・ｍ²・Ｋ］、
Ａ：蒸発器の伝熱面積［ｍ²］、
Ｃｐ：冷媒液の定圧比熱［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］、
Ｇｗ：被冷却流体の質量流量［ｋｇ／ｓ］、である。

式（２）において、伝熱面積Ａは一定であり、熱通過率Ｋは、被冷却流体の質量流量Ｇｗつまり、流速Ｕｗが一定であれば、ほぼ一定値となり、被冷却流体の定圧比熱Ｃｐもほぼ一定値となるため、ＮＴＵは冷却装置の被冷却流体の質量流量Ｇｗが一定であれば一定値となる。

したがって、冷却装置３００（図３参照）において、被冷却流体流入温度検出手段１１にて検出される被冷却流体流入温度θｉｎと、被冷却流体流出温度検出手段１２にて検出される被冷却流体流出温度θｏｕｔと、低圧冷媒液温度検出手段１０にて検出される蒸発器冷媒液流入温度Ｔｉｎと、によって温度効率εｗを算出し、（１）式よりＮＴＵを演算することができる。

蒸発器５のＮＴＵと被冷却流体の流速Ｕｗの関係を予めシミュレーションまたは実験式にてデータベース化して記憶部２２に記憶しておけば、流量計を用いることなく、安価に冷却装置の運転状態から被冷却流体の流速Ｕｗを推測することができる。

また、被冷却流体流出温度θｏｕｔの検出方法はこれに限るものではなく、冷却装置４００（図４参照）のように、蒸発器出口に蒸発器流出冷媒液温度検出手段１３を設け、蒸発器流出冷媒液温度Ｔｏｕｔから被冷却流体流出温度θｏｕｔを推測してもよい。

これは、図９に示すように、蒸発器出口で一定の過熱度を確保して圧縮機１へ過熱ガスで冷媒液が流入するように、絞り手段４は、蒸発器流入冷媒液温度Ｔｉｎよりも蒸発器流出冷媒液温度Ｔｏｕｔの温度が高くなるように冷媒液の流量を制御している。
これにより、被冷却流体流出温度θｏｕｔと蒸発器流出冷媒液温度Ｔｏｕｔはほぼ等しく、蒸発器流出冷媒液温度Ｔｏｕｔから、被冷却流体流出温度θｏｕｔを推定することが可能となる。

また、この場合は、冷媒液と被冷却流体の流れが並行流であれば、蒸発器流出冷媒液温度Ｔｏｕｔと、被冷却流体流出温度θｏｕｔとの温度がほぼ等しくなるので、検知精度が向上することは言うまでも無い。

また、図８に示すように、ポンプ６の排水能力の低下もしくは蒸発器５の詰まりから発生する経年劣化的な要因から流速Ｕｗが低下する場合は、温度効率εｗが増加する。一方、蒸発器５で被冷却流体が凍結し流路が突発的に閉塞する場合、または被冷却流体の不純物混入による伝熱性能劣化時は、伝熱面積Ａもしくは熱通過率Ｋが減少するので温度効率εｗが低下する。

したがって、温度効率εｗの通常変動範囲条件を設定し、温度効率εｗの上限値εｗＬＦ、下限値εｗＬＡを異常判定閾値として設定しておけば、ポンプ６の性能低下、蒸発器５の詰まり、突発的な凍結による閉塞、もしくは被冷却流体の不純物混入やスケールの付着による伝熱性能劣化を推測することが可能となる。

（経時変化）
図１０は本発明の実施の形態１に係る冷却装置における温度効率の経時変化を示す相関図である。図１０は、横軸に運転時間［ｓｅｃ］、縦軸に温度効率εｗをとったグラフであり、経年劣化により異常度合いが増していく場合の温度効率εｗの時間経過による推移を表した図である。
図１０に示すように、温度効率εｗは、異常度合いの増加とともに正常範囲から逸脱するように変化する。したがって、温度効率εｗの変化傾向と異常判定閾値との関係から故障に至るまでの時間が推測可能であり、推測された故障時期の前に的確なメンテナンスを行うことにより冷却能力の低下、運転効率の低下、または蒸発器５の凍結による破裂を未然に防ぐことが可能となる。
例えば、初期設置時の正常時の温度効率εｗを記憶部２２に記憶しておき、正常状態に対して異常時の温度効率εｗの判定閾値の半分の値に到達するまでに１ヶ月かかったとすると、温度効率εｗが閾値に至り故障に陥るまでにあと１ヶ月かかるものと予想できる。

なお、ここでは、蒸発器５およびポンプ６等の性能劣化を、温度効率εｗの状態量により推測することを例に説明を行ったが、これに限るものではない。温度効率εｗの代わりにＮＴＵを使用してもよい。また、１つの状態量より多くの状態量を使用して異常度合いを推定するようにしてもよく、その方が、検知精度が向上する。

なお、冷却装置３００（図３参照）において、測定部２０、演算部２１、記憶部２２、判定部２３、制御部２４、報知部２５は、当然、これら全部あるいはこれらのうち一部が外部に設置されていても構わないし、これらのうち一部あるいは全部を具備していない構成であっても、何らかの代替手段、例えば、遠隔地点の遠隔監視室に設置され、通信手段によって接続されたコンピュータ等を有する場合など、があれば構わない。
このとき、遠隔監視室は冷却装置３００の複数の設備を監視するものであっても、個別の設備を監視するものであっても良い。あるいは戸建ての建築物の監視用コンピュータもしくは監視装置に接続されていても良い。

（動作）
図１１は、図１に示す冷却装置の凍結防止制御手順を示したフローチャートである。
図１１を用いて、本実施の形態１の特徴である、凍結防止制御の構成と動作について説明する。以下、各ステップを「Ｓ」と略記する。

（Ｓ１０）まず、冷却装置が運転されると、圧縮機が稼動されているかを判定する。
（Ｓ１１）圧縮機が稼動されている場合は、積算運転時間カウンタｔに計測間隔Δｔ毎にカウンタをインクリメントする。
（Ｓ１２）圧縮機が稼動されていない場合は、カウンタｔをリセットする。
（Ｓ１３）圧縮機が稼動している場合は、蒸発器５の壁面温度θｗ、被冷却流体流入温度θｉｎ、被冷却流体流出温度θｏｕｔを計測し、計測部２０に取り込む。ここで、壁面温度θｗは冷媒液の蒸発器５への流入温度を測定し、壁面温度にほぼ等しいとして仮定してもよい。

（Ｓ１４）次に、計測したθｗ、θｉｎ、θｏｕｔより、演算部２１にて、被冷却流体の温度効率εｗを演算する。
（Ｓ１５）その演算結果より、あらかじめ記憶しているデータベースを元に被冷却流体の流速Ｕｗを演算する。
（Ｓ１６）次に、被冷却流体の凝固点温度θｆ、θｉｎおよびＵｗより定常運転での蒸発器５の閉塞壁面温度θｗｆｓを算出し、θｆ、θｉｎ、Ｕｗ、およびｔより冷却開始時点での過渡運転時の蒸発器５の閉塞壁面温度θｗｆｔを算出する。
（Ｓ１７〜Ｓ１９）次に、θｗｆｓとθｗｆｔのいずれか低い温度を蒸発器５の凍結が発生する閉塞壁面温度θｗｆとする。

（Ｓ２０）次に、判定部２３にて、ポンプ６の送出流量つまり流速が適正であるかを判定するため、現在の温度効率εｗを低流速での温度効率判定閾値εｗＬＦと比較し、
（Ｓ２１）判定閾値を上回る場合は、低流速であると判定し、報知部２５にて発報を行う。

（Ｓ２２）次に、判定部２３にて、蒸発器５の熱交換器性能が適正であるかを判定するため、現在の温度効率εｗを熱交換器性能劣化時の温度効率判定閾値εｗＬＡと比較し、
（Ｓ２３）判定閾値を下回る場合は、熱交換器性能が低下していると判定し、報知部２５にて発報を行う。

（Ｓ２４）次に、壁面温度θｗを凍結壁面温度θｗｆと比較し、壁面温度θｗが凍結壁面温度θｗｆに対して、所定の温度αθ以上になっていれば凍結による流路の閉塞は発生しないと判断する。
（Ｓ２５）そうでない場合は、制御部２５を介して凍結を防止する制御を行う。

（Ｓ２６）次に、凍結を防止する制御が行われた場合は、その凍結回避の制御が行われた回数をカウンタ変数ｃｎｔにてカウントする。

（Ｓ２７）次に、判定部２３にて凍結回避の制御が行われた回数と凍結異常判定閾値ｃｎｔＮとを比較し、
（Ｓ２８）所定の回数以上、凍結回避制御が行われた場合は、凍結異常と判定し、報知部２５にて発報を行う。

（制御方法その１）
ここで、凍結を防止する制御方法について説明する。ステップＳ２５では、圧縮機１の現在の運転周波数Ｆに対して、ある一定の比率であるアンロード比率ｆｄだけ圧縮機１の運転周波数を低下させる制御を行っている。
このようにすることで、圧縮機１の吸入の低圧圧力が上昇し、蒸発器５へ流入する冷媒液の温度が上昇し冷却能力が低下する。その結果、被冷却流体の凍結を防止することができ、かつ、低い冷媒液の流入温度を維持できるため、冷却能力を最大限に利用できるので、効率の高い運転を実現することができる。

（制御方法その２）
また、凍結を防止する制御方法はこれに限るものではなく、凍結を防止する際に、凝縮器２の送風機３の送風量を低下させてもよい。送風量が低下すると、凝縮器２での熱交換量が低下し、冷媒液圧力の上昇とともに、圧縮機１の吐出冷媒液圧力が上昇する。圧縮機１の吐出冷媒液圧力が上昇すると、圧縮効率が低下し、冷媒液循環量が低下し、冷却能力が低下するので、被冷却流体の凍結を防止することができる。

（配管系のバリエーション）
図１２〜図１４は本発明の実施の形態１に係る冷却装置における配管系のバリエーションを示す構成図であって、それぞれ凝縮器２の熱交換量を低下させる手段を示している。
なお、冷却装置１００（図１参照）と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図１２において、冷却装置５００は冷却装置１００に、凝縮器２をバイパスする流路１４（流量調整弁７が設置されている）を設けたものである。したがって、凍結防止制御時には、流量調整弁７を開けるようにしても前記と同様の効果が得られる。

図１３において、冷却装置６００は冷却装置１００に、圧縮機１をバイパスする流路５２（流量調整弁７が設置されている）を設けたものである。したがって、凍結防止制御時には、流量調整弁７を開けるようにしても前記と同様の効果が得られる。

図１４において、冷却装置７００は冷却装置１００に、凝縮器２および絞り手段４の両方をバイパスする流路１５（流量調整弁７が設置されている）を設けたものである。したがって、凍結防止制御時には、流量調整弁７を開けるようにすれば、蒸発器５の入口に高温な冷媒液ガスが流入するので、蒸発器５の流入冷媒液温度が上昇し、確実に凍結を防止することができるという効果が得られる。

（制御方法その３）
また、凍結を防止する際に、絞り手段４の開口面積を段階的もしくは連続的に増加させてもよく、このようにすることで圧縮機１の吐出冷媒液圧力と吸入圧力の差が小さくなり、低圧が上昇するため、蒸発器５の流入冷媒液温度が上昇し、被冷却流体の凍結を防止することができる。

（制御方法その４）
また、凍結を防止する際に、ポンプ６による被冷却流体の送出量を段階的もしくは連続的に増加させてもよく、このようにすることで蒸発器５内の被冷却流体の流速が増加するため、凍結する閉塞壁面温度θｗｆが増加し、被冷却流体の凍結を防止することができる。

（制御方法その５）
ここで、凍結防止制御の実施有無にかかわる所定の温度αθの値については、一定の設定値である必要はなく、段階的にαθを設定し、それに応じて、制御手段の制御方法もしくは操作量を変更しても良いし、壁面温度θｗと凍結壁面温度θｗｆとの温度差に応じて、制御方法もしくは操作量を変更するようにしてもよい。

（制御方法その６）
さらに、壁面温度θｗが凍結壁面温度θｗｆに対して所定の設定値以下に低下したとき、制御部２４は、報知部２５により警報を出力する信号を出力して、圧縮機１を停止させる停止信号を出力してもよい。これにより、圧縮機１の容量を低下させる制御を行ったにもかかわらず被冷却流体が凍結するおそれが解消しない場合に、警報を発し圧縮機１を停止して安全を図ることができる。
この場合、制御部２４は、圧縮機１の停止信号を解除する手段を備えていることが好ましい。これにより、例えば、冷媒液回収運転を行うときに凍結防止制御が働かないようにすることができる。

（制御方法その７）
また、一度、凍結防止制御が働き、圧縮機が停止した場合は、蒸発器５が凍結しやすい状態となっていることが想定されるため、次回、圧縮機を起動する場合は、前回の起動周波数よりも低い周波数で運転すれば、より安全な運転ができる。

（制御方法その８）
また、図１０で述べたように過去の温度効率εｗを記憶部２２に記憶保持しておけば、温度効率εｗのトレンドから蒸発器５の熱交換器の詰まりや、被冷却流体の不純物混入によって起こる熱交換器の性能劣化時期やポンプ６の送出能力が低下し故障に至る時期を事前に予測することが可能となる。

（制御方法その９）
また、機種の個々のばらつきの影響を排除するために、初期設置時の温度効率εｗの測定結果に基づいて、予め記憶してある判定閾値εｗＬＦ、εｗＬＡに対して、補正を行うことで、高精度に機器の性能劣化を推定することが可能である。

（制御方法その１０）
また、蒸発器５およびポンプ６等の性能劣化の異常を判定する際に、本フローチャートでは判定閾値を超えた条件を１回でも満たした場合に、即異常と判定しているが、検出温度センサ等の誤差を考慮し、異常判定に猶予を設け、所定の時間内に判定条件に所定の回数に入った場合もしくは、凍結防止制御手段によって制御が行われた回数から異常と判定するようにしてもよい。
このようにすることで、一過性の状態変動を変別することができると同時に、徐々に悪化する異常に対しても迅速に対応することができる。更に、異常の兆候を判別することができ、予知精度の向上を図ることができる。

［実施の形態２］
図１５は本発明の実施の形態２に係る冷却装置監視システムを説明する構成図である。なお、実施の形態１と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図１５において、冷却装置監視システム１０００は冷却装置１００等（実施の形態１参照、以下「冷却装置８００」と称呼する）を遠隔にて行うシステムである。図中、８００は冷却装置８００は冷却装置８００の運転状態量を検出し、検出結果の演算、記憶およびデータを外部と送受信する装置などを内蔵した基板やマイコン、８０２は電話回線、ＬＡＮ回線、無線などの外部との通信を行う手段、８０３は冷却装置８００の遠隔監視および制御などの集中管理を行なう遠隔監視室、８０４は遠隔監視室８０３内に設置され冷却装置８００とのデータ送受信を行なうための表示および演算機能を有する遠隔環視手段であるコンピュータ、８０５は冷却装置８００に設けられた液晶ディスプレイなどの表示装置、８０６はタッチパネルもしくはボタンなどの入力装置、８０７は冷却装置８００の異常を報知する警報ランプなどの報知装置である。

遠隔監視室８０３は複数の冷却装置８００を監視するものであっても、個々を監視するものであっても良い。なお、図１５では、表示装置８０５、入力装置８０６、報知装置８０７は冷却装置８００内に内蔵されている場合について示したが、当然、これら全部あるいはこれらのうち一部が冷却装置８００の外部に設置されていても構わないし、これらのうち一部あるいは全部を具備していない構成であっても、何らかの代替手段、例えば遠隔地点に通信手段８０２で接続されたコンピュータが設置されている場合など、があれば構わない。

冷却装置監視システム１０００を構成をすることによって、冷却装置８００の凍結による異常の兆候を遠隔監視室８０３にて常時監視することができるため、信頼性の高い冷却装置または診断や監視の技術を得られる。

また、異常を検出した段階で、通信手段８０２を介して、８０１のマイコン経由で冷却装置８００に圧縮機１の運転容量を低下させる凍結回避運転指示を制御部２４に送信すれば、遠隔より凍結による機器の故障を回避できるとともに、ある程度の冷却能力を維持した運転が可能であるため、機器の凍結回避による異常停止に伴う冷却能力不足を最小限に抑える運転が実現できる。

本発明を利用すれば、被冷却流体を冷却する冷却装置において、被冷却流体の凍結を防止するとともに、冷却装置の冷凍能力を最大限に利用可能であり、凍結に起因する蒸発器の熱交性能劣化や、経年的なポンプの被冷却流体の送出能力低下を事前に検知し、確実に凍結による破壊を防止し機器の安全を図ることができる。

本発明の実施の形態１に係る冷却装置を説明する構成図。本発明の実施の形態１に係る冷却装置を説明する別の構成図。本発明の実施の形態１に係る冷却装置を説明する別の構成図。本発明の実施の形態１に係る冷却装置を説明する構成図。図１に示す冷却装置における被冷却流体の挙動を説明する特性図。図１に示す冷却装置における被冷却流体の挙動を説明する特性図。図１に示す冷却装置における被冷却流体の挙動を説明する特性図。図１に示す冷却装置における被冷却流体の挙動を説明する特性図。図１に示す冷却装置における被冷却流体の挙動を説明する特性図。図１に示す冷却装置における被冷却流体の挙動を説明する特性図。図１に示す冷却装置の凍結防止制御手順を示したフローチャート。本発明の実施の形態１に係る冷却装置を説明する別の構成図。本発明の実施の形態１に係る冷却装置を説明する別の構成図。本発明の実施の形態１に係る冷却装置を説明する別の構成図。本発明の実施の形態２に係る冷却装置監視システムを説明する構成図。

符号の説明

１：圧縮機、２：凝縮器、３：送風機、４：絞り手段、５：蒸発器、６：ポンプ、７：流量調整弁、１０：低圧冷媒液温度検出手段、１１：被冷却流体流入温度検出手段、１２：被冷却流体流出温度検出手段、１３：蒸発器流出冷媒液温度検出手段、１４：低圧圧力検出手段、２０：測定部、２１：演算部、２２：記憶部、２３：判定部、２４：制御部、２５：報知部、８０１：マイコン、８０２：電話回線またはＬＡＮ、８０３：遠隔監視室、８０４：コンピュータ、８０５：表示装置、８０６：入力装置、８０７：報知装置。

Claims

冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、該凝縮器に向けて空気を送出する送風手段と、該凝縮器によって凝縮された冷媒を減圧する絞り手段と、該絞り手段によって減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記圧縮機、前記凝縮器、前記絞り手段および前記蒸発器を経由して冷媒を前記圧縮機に戻す冷媒回路と、によって冷凍サイクルを形成する冷凍サイクル手段と、
前記蒸発器において前記冷媒と熱交換を行う被冷却流体を、前記蒸発器に送出する被冷却流体送出手段と、
前記蒸発器において冷媒の蒸発温度である低圧冷媒温度（Ｔｉｎ）を検出する低圧冷媒温度検出手段と、
前記蒸発器に流入する被冷却流体の温度である被冷却流体流入温度（θｉｎ）を検出する被冷却流体流入温度検出手段と、
前記蒸発器から流出する被冷却流体の温度である被冷却流体流出温度（θｏｕｔ）を検出する被冷却流体流出温度検出手段と、
前記低圧冷媒温度（Ｔｉｎ）と、前記被冷却流体流入温度（θｉｎ）と、前記被冷却流体流出温度（θｏｕｔ）とによって演算される凍結壁面温度（θｗｆ）と壁面温度（θｗ）とを比較し、前記壁面温度（θｗ）が前記凍結壁面温度（θｗｆ）に対して、所定の範囲（αθ）内に入った場合に凍結による流路の閉塞が発生していると判断する判定部と、
該判定部が凍結による流路の閉塞が発生していると判断した場合に、前記圧縮機の回転数の低減、前記送風手段による送風量の低下、前記絞り手段の開口面積の増加、または前記被冷却流体送出手段の被冷却流体の送出量の増加のうち少なくとも１つ以上を実行させて、前記被冷却流体の凍結を防止する凍結防止制御部と、
を備えたことを特徴とする冷却装置。
前記蒸発器における前記被冷却流体の冷却開始時からの経過時間である冷却運転時間を計測する冷却運転時間計測手段を備え、
前記判定部は、前記低圧冷媒温度と、前記被冷却流体流入温度と、前記被冷却流体流出温度と、前記冷却運転時間とによって演算される凍結壁面温度と前記壁面温度とを比較して凍結による流路の閉塞が発生していると判断することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
前記低圧冷媒温度が、前記被冷却流体の凝固点または融点よりも低い状態でありながら、前記判定が凍結しないと判定した場合は、
前記凍結防止制御部は、前記圧縮機の運転を継続させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷却装置。
前記凍結防止制御部は、前記圧縮機の回転数を連続的にまたは段階的に低下させる制御、前記流体送出手段の流体送出量を連続的にまたは段階的に低下する制御、前記絞り手段の開口面積を連続的にまたは段階的に増加させる制御、前記被冷却流体の流体送出量を連続的にまたは段階的に増加させる制御、の何れか少なくとも１つ以上の制御をすることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の冷却装置。
前記冷媒回路に、前記凝縮器をバイパスするバイパス冷媒回路、前記蒸発器をバイパスするバイパス冷媒回路、または前記凝縮器および絞り手段の両方をバイパスするバイパス冷媒回路、の何れかが設けられ、
前記凍結防止制御部は、前記判定部の判定結果に基づいて、前記バイパス冷媒回路を通過する冷媒量を連続的にまたは段階的に調整することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の冷却装置。
前記凍結防止制御部は、前記判定部の判定結果に基づいて、前記圧縮機の運転を停止させる運転停止指令を発することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の冷却装置。
前記凍結防止制御部は、前記運転停止指令を発した後に再起動する際、前記圧縮機の起動回転数を前記運転停止指令が発せられる前の起動回転数よりも低い回転数にすることを特徴とする請求項６に記載の冷却装置。
前記判定部は、前記被冷却流体流出温度（θｏｕｔ）を用いて温度効率（εｗ）を求め、
前記凍結防止制御部は、前記判定部が求めた温度効率（εｗ）に基づいて、前記被冷却流体流出手段による流体送出量を増加させることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の冷却装置。
前記被冷却流体流出温度検出手段に替えて、前記蒸発器から流出する冷媒の温度である蒸発器冷媒流出温度（Ｔｏｕｔ）を検出する蒸発器冷媒流出温度検出手段を備え、
前記判定部は、前記蒸発器冷媒流出温度（Ｔｏｕｔ）を用いて被冷却流体流出温度（θｏｕｔ）を推定し、かつ、前記推定された被冷却流体流出温度（θｏｕｔ）を用いて温度効率（εｗ）を求め、
前記凍結防止制御部は、前記判定部が求めた温度効率（εｗ）に基づいて、前記被冷却流体流出手段による流体送出量を増加させることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の冷却装置。
前記判定部の判定結果に基づいて、警報を報知する報知部を備えたことを特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載の冷却装置。
前記低圧冷媒温度と、前記被冷却流体流入温度と、前記被冷却流体流出温度と、によって変化する温度効率（εｗ）を記憶する記憶部と、
該記憶部に記憶されている過去の温度効率（εｗ）と現在の温度効率（εｗ）とを比較する比較手段と、
を備え、
該比較手段による温度効率（εｗ）のトレンドから、温度効率（εｗ）が所定の値に到達する時期を予測することを特徴とする請求項８または９記載の冷却装置。
前記記憶部は書き換え可能なメモリで構成され、内部に設置された基板内のメモリ、または圧縮機付属のメモリ、または外部に設置されて有線または無線によって接続自在な機器に搭載されたメモリ、の何れかであることを特徴とする請求項１１記載の冷却装置。
前記判定部は、所定の時間内に所定の回数以上、前記壁面温度（θｗ）が前記凍結壁面温度（θｗｆ）に対して所定の範囲（αθ）内に入った場合に、流路の閉塞が発生していると判断することを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の冷却装置。
前記判定部は、所定の時間内に所定の回数以上、前記温度効率（εｗ）の値が所定の範囲を外れた場合に、前記被冷却流体送出手段の故障または劣化によって前記被冷却流体が低流速の状態になったと判定することを特徴とする請求項８乃至１２の何れかに記載の冷却装置。
請求項１乃至１４の何れかに記載の冷却装置と、
該冷却装置から離れた地点に設けられた遠隔監視装置と、
を有し、
前記冷却装置が、前記運転状態量または前記判定結果の一方または両方を伝送する有線伝送手段もしくは無線伝送手段を備え、
前記遠隔監視装置が、前記伝送された前記運転状態量または前記判定結果の一方または両方を受信する有線受信手段もしくは無線受信手段を備え、たことを特徴とする冷却装置監視システム。
前記無線伝送手段が、現在の運転状態量に対して、正常運転時の運転状態量と前記運転経過時間とから、前記蒸発器の凍結や熱交換性能の劣化の情報と、前記被冷却流体流出手段の故障の発生、劣化の状況や故障を起こすと予測される時期の情報と、を前記遠隔監視装置に伝送し、
前記遠隔監視装置は、前記伝送された前記情報を表示することを特徴とする請求項１５に記載の冷却装置監視システム。
前記遠隔監視装置は、前記冷却装置の圧縮機または前記絞り手段への制御信号の一方または両方を伝送する有線手段もしくは無線伝送手段を備え、
前記冷却装置が、前記圧縮機または前記絞り手段への制御信号の一方または両方を受信する有線受信手段もしくは無線受信手段を備え、たことを特徴とする請求項１５または１６記載の冷却装置監視システム。
前記遠隔監視装置は、前記冷却装置の運転状態量に応じて、前記蒸発器の凍結を回避する前記冷却装置の圧縮機または前記絞り手段への制御量を決定し、制御信号を前記冷却装置に有線または無線にて伝送し、前記冷却装置の凍結を回避する制御を行うことを特徴とする請求項１７記載の冷却装置監視システム。