JP6396662B2 - 冷凍装置および冷凍機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍装置および冷凍機の制御装置に関する。

特許文献１（ＵＳ８１３２４２０Ｂ２）は、蒸発器出口水温の制御のための、可変蒸発器水量の補償に関する。特許文献２（ＵＳ６３１８１０１Ｂ１）は、冷却器ピンチおよび吐出過熱に基づく電動膨張弁の制御方法に関する。

近年、省エネの高まりに応え、チラー自身の運転効率のみならず水ポンプ等周辺機器も含めた総合的なシステム効率化が求められている。例えば実際の客先設備における負荷の減少に伴い、水ポンプのインバータ制御により負荷状況に合わせて水流量を減じると、チラーの運転条件によってはシステム全体での大きな動力削減が得られる。この際、冷水側、冷却水側を同時に変流量することで更なるシステム効率の向上が期待できる。

水流量を可変させてもチラーの運転効率、安定運転を保持するためには、水量可変時の過渡変化に追随できる圧縮機容量制御はもとより、それに即応できる冷媒流量制御、すなわち膨張機構制御が必要となる。また、水量可変制御の結果、水量が設計範囲を逸脱した場合、それを検知せしめる機能がチラーの機器保護として必要となる。

本発明の課題は、冷水および冷却水の流量が同時に変更された場合であっても安定した効率的な運転を実現し、かつ、冷水および冷却水の可変流量が異常レベルとなった場合にこれを検知する安価な定量検出手段を有する、冷凍装置および冷凍機の制御装置を提供することにある。

圧縮機の現在回転数、容量制御機構の開度および現在運転ヘッドのサージ域からの乖離率をファクターとして求められる圧縮機能力から導出される擬似冷水出入口温度差を用いて、膨張機構の開度が計算され、また冷水及び冷却水の現在の流速の推定が実現される。

第１実施形態に係る遠心二段式チラーを示した図である。 第２実施形態に係る遠心二段式チラーを示した図である。 第３実施形態に係る遠心単段式チラーを示した図である。 図１Ａの遠心二段式チラーにおける、第１（高段）膨張弁および第２（低段）膨張弁の連動制御について説明するための図である。 ＰＥ＿ＤＴ（擬似蒸発器水温差、擬似冷水出入口温度差)の算出処理のフローチャートである。 膨張弁の制御について説明する図である。

図面を参照して、選択された実施形態が説明される。本開示から、下記の実施形態に関する記載は説明のために用いられるものに過ぎず、添付の特許請求の範囲によって定義される発明又はその均等物を制限するものではないことは、当業者にとって明白である。

なお、本実施形態では、下記の語は以下の意味で用いられる。

ＩＧＶは、吸入ガイドベーン（Inlet Guide Vane)の略称である。ＩＧＶは、遠心式（またはターボ）圧縮機の能力調整用として一般的に用いられる機構である。圧縮機のガス吸入口に取り付けられる。

ＤＤＣは、吐出ディフューザ幅制御機構（Discharge Diffuser Control)の略称である。ＤＤＣは、遠心式（またはターボ）圧縮機の能力調整および運転範囲拡大（サージ回避）を目的としたものである。なお、ディフューザとは、圧縮機内部のインペラ（羽根車）により加速された冷媒ガスを、動圧（速度）を静圧（いわゆる圧力）に転換するための通路を指す。

ＩＰＬＶは、Integrated Part Load Valueの略である。ＩＰＬＶは、米国冷凍空調工業会（ＡＨＲＩ）が規定する、チラーの部分負荷運転等、通年運転を想定した性能指標である。

ＴＲは、ＴｏｎｓＲの略で、米国冷凍トンを意味する。ＴＲは、大容量サイズのチラーで、チラーの能力を示すために用いられる。

ヘッドは、圧縮機の昇圧特性を表す指標である。本実施形態では、エネルギー［ｋＪ/ｋｇ］の単位をもち、特にガスを断熱（等エントロピ）状態で圧縮した場合の理論昇圧特性として使用される。

サージとは、遠心式圧縮機の昇圧特性が冷凍機熱交換器の必要運転差圧（＝凝縮圧−蒸発圧）を一時的に下回ることにより、圧縮機、その接続配管、および熱交換器を流れるガス全体が流れの方向に激しく振動する現象を示す。本振動は圧縮機内部部品の破損、信頼性低下を招くおそれがあるため、現象確認後速やかに、回避制御の作動、あるいは、機械の停止が要求される。

図１Ａは、遠心二段式のチラー１０を示す。図１Ｂは、遠心二段式のチラー１１０を示す。図２は、遠心単段式のチラー２１０を示す。チラー１０，１１０，２１０は、好ましくは、従来の方式で、冷却水や冷水を用いる水チラーである。

チラー１０は、基本的に、チラーコントローラ２０、遠心式圧縮機２２、凝縮器２４、第１（高段）膨張弁２６、および蒸発器２８を含み、これらは、配管により、従来の方式で互いに接続されている。エコノマイザ３０は、従来の方式で、凝縮器２４と蒸発器２８との間に配管により接続されている。第１膨張弁２６は、凝縮器２４とエコノマイザ３０との間の配管に接続される。一方、第２（低段）膨張弁３２は、エコノマイザ３０と蒸発器２８との間の配管に接続される。エコノマイザ３０は、エコノマイザ３０から遠心式圧縮機２２に冷媒ガスを供給するため、更に遠心式圧縮機２２に接続されている。

遠心式圧縮機２２は、第１（低段）圧縮機構４２ａと、第２（高段）圧縮機構４２ｂとを含む。第１圧縮機構４２ａから吐出された冷媒は、第２圧縮機構４２ｂの吸入口に供給される。エコノマイザ３０からの冷媒ガスも、第２圧縮機構４２ｂの吸入口に供給される。可変周波数駆動（ＶＦＤ）起動盤（インバータ制御用起動盤）５２は、遠心式圧縮機２２を駆動する駆動モータ６２を制御する。吸入ガイドベーン４３は、第１圧縮機構４２ａの吸入側に配置される。吐出ディフューザ幅制御機構４４は、遠心式圧縮機２２の第２圧縮機構側ディフューザに配置される。

チラーコントローラ２０は、情報伝達可能に（例えば、電気的に）、第１および第２膨張弁２６，３２、吸入ガイドベーン４３およびＶＦＤ起動盤５２と接続されている。チラーコントローラ２０は、これらの要素と情報の授受を行うことが可能である。さらに、様々な圧力センサおよび温度センサが、チラー１０内に配置され、チラーコントローラ２０と通信する。第１および第２膨張弁２６，３２は、個別に、または、組み合わされて、この開示における膨張機構とみなされる。遠心式のチラー１０において、第１膨張弁２６は、遠心式のチラー１１０，２１０における第１膨張弁２６と同様に制御可能である。これに代えて、第１および第２膨張弁２６，３２は、ここに開示される結果を達成するように、チラーコントローラ２０により連動して制御されてもよい。第１および第２膨張弁２６，３２の制御／運転が連動する制御について説明する。

第１および第２膨張弁２６，３２の連動は、エコノマイザ３０において、質量バランスおよび熱バランスの収支が釣り合うように、高段側と低段側の冷媒の流量比を制御することで実行される。エコノマイザ３０において、質量バランスおよび熱バランスの収支が釣り合う場合、高段側および低段側の流量比が計算できる。この計算に使われる値は、エコノマイザ３０に設けられた圧力センサと、凝縮器２４の出口の液冷媒温度センサと、を用いて算出される。

図３を用いて、第１および第２膨張弁２６，３２の制御／運転が連動する制御についてさらに詳しく説明する。冷凍サイクルにおいて、低段側の冷媒流量Ｍ（図３（ａ）参照）は、遠心式圧縮機２２の特性から算出される。図３（ａ）中のＨｅｌおよびＨｅｇは飽和エンタルピで、図３（ａ）のＰｅｃｏｎ（エコノマイザ３０における圧力）から算出できる。図３（ａ）中のＨｃｌは過冷却液エンタルピで、凝縮器２４の出口温度に基づいて算出できる。そして、後述する数式１に基づいてＭ＋ｍ（第２圧縮機構４２ｂから吐出される冷媒の流量）が算出される。図３（ａ）中のＰｃｏｎｄ（凝縮器２４における圧力）、Ｐｅｃｏｎ、およびＰｅｖａｐ（蒸発器２８における圧力）は、圧力センサの計測結果から知ることができる。つまり、高段側の第１膨張弁２６前後の圧力差と、低段側の第２膨張弁３２前後の圧力差とは、既知である。高段側および低段側の第１および第２膨張弁２６，３２の圧力差−流量特性は、ソフトウェア内で維持される。高段側の第１膨張弁２６の開度は、高段側の圧力差をモニタしながら、流量Ｍ＋ｍが得られるように制御される（図３（ｂ）参照）。低段側の第２膨張弁３２の開度は、低段側の圧力差をモニタしながら、流量Ｍが得られるように制御される（図３（ｃ）参照）。

下記の数式１は、エコノマイザ３０における質量バランスと熱バランスとに基づいて理論的に得られる。
《数１》（Ｍ＋ｍ）／Ｍ＝１＋（Ｈｃｌ−Ｈｅｌ）／（Ｈｅｇ−Ｈｃｌ）

数式１により、高段側および低段側の第１および第２膨張弁２６，３２の流量比が与えられ、第１および第２膨張弁２６，３２の開度の連動の基礎となる。

図１Ｂの遠心式のチラー１１０は、第２膨張弁３２が除外されていることを除き、図１Ａのチラー１０と同様である。この場合、機械式フロート弁３３が電気制御によらず第２膨張弁３２の代用となる。そのため、遠心式のチラー１１０のチラーコントローラ２０は、膨張機構の制御として、第１膨張弁２６の動きだけを制御する。第１膨張弁２６が、本開示における膨張機構と見なされる。

図２の遠心式のチラー２１０は、エコノマイザ３０が除外され、第２圧縮機構４２ｂが除外された遠心式圧縮機２２２が使用される点を除き図１Ｂに係るチラー１１０と同様である（図１Ａのチラー１０から見ると、さらに第２膨張弁３２が除外されている）。そのため、遠心式のチラー２１０のチラーコントローラ２０は、膨張機構の制御として、第１膨張弁２６の動きだけを制御する。第１膨張弁２６が、本開示における膨張機構と見なされる。エコノマイザ３０および第２圧縮機構４２ｂが除外されているので、配管も変更されている。配管は凝縮器２４を蒸発器２８に接続し、第１膨張弁２６は凝縮器２４と蒸発器２８との間の配管に接続される。また、エコノマイザ３０および第２圧縮機構４２ｂが除外されているので、第１圧縮機構４２ａから吐出される冷媒は、（エコノマイザからの冷媒と混合されることなく、または、第２圧縮機構を通過することなく）凝縮器２４に供給される。

遠心式のチラー１０，１１０，２１０の部品は、慣用的な構成要素であり、当該技術分野ではよく知られているものである。これらの構成要素は当該技術分野においてよく知られているので、ここでは、その構造の詳細について説明または図示しない。むしろ、この開示から、本発明を実行するために、構成要素として、いかなる構造および／またはプログラムが使用されてもよいことは当業者にとって明らかである。

チラーコントローラ２０は、冷凍装置の制御部の一例である。また、チラーコントローラ２０は、冷凍機の制御装置の一例である。チラーコントローラ２０は、好ましくは、遠心式のチラー１０，１１０，２１０の要素をここで開示するように制御する、処理部としてのマイクロコンピュータを含む。チラーコントローラ２０は、好ましくは、実施可能な制御プログラムが記憶された、コンピュータが読み出し可能な媒体（例えば、メモリやハードディスク等）を含む。あるいは、チラーコントローラ２０は、好ましくは、制御プログラムを実行するために、上記のようなコンピュータが読み出し可能な媒体と通信可能である。また、チラーコントローラ２０は、好ましくは、入力インターフェース回路や、出力インターフェース回路や、プログラム、計算方法および／又は結果などを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶機器等の一般的な構成要素を含む。チラーコントローラ２０のマイクロコンピュータは、上述した遠心式のチラー１０，１１０，２１０の要素を制御し、および／または、上述した遠心式のチラー１０，１１０，２１０の要素から情報を受け取るようプログラムされている。この開示から、チラーコントローラ２０の詳細な構造やアルゴリズムは、本発明に係る機能を実行する、どのようなハードウェアとソフトウェアとの組み合わせであってもよいことは、当業者にとって明らかである。

膨張機構（第１および／または第２膨張弁２６，３２）の開度は、負荷変動の１つの指標である圧縮機能力を用いて、チラーコントローラ２０により計算される。圧縮機能力は、圧縮機（チラー１０，１１０では遠心式圧縮機２２、チラー２１０では遠心式圧縮機２２２）の現在回転数と、容量制御機構（吸入ガイドベーン４３）の開度と、現在運転ヘッドのサージ域からの乖離率をファクターとして求められる。乖離率は、好ましくは、現時点での、駆動ヘッドと圧縮機のサージヘッドとの比である。好ましくは、少なくとも高段側の膨張機構が、膨張機構の開度計算の対象となる。言い換えれば、遠心式のチラー１０，１１０，２１０では、第１膨張機構（第１膨張弁２６）の開度が算出される。しかしながら、チラー１０においては、図３を用いて説明したように、第１膨張機構（第１膨張弁２６）の開度は、第２膨張機構（第２膨張弁３２）の開度と連動させられてもよい。

好ましくは、高段側の膨張機構（第１膨張弁２６）の実際制御開度は、凝縮器２４の出口の液体のエンタルピと、エコノマイザ３０における液およびガスの飽和エンタルピとから求められる、エコノマイザ３０内の液ガス重量比率の分だけ補正されてもよい。

好ましくは、低段側の膨張機構（第２膨張弁３２）は電動制御され、低段側の膨張機構（第２膨張弁３２）の開度は、図３を用いて説明したように、計算された高段側の膨張機構（第１膨張弁２６）の開度と連動させられる。

これに代えて、図１Ｂに示したように、エコノマイザ３０内の機械式フロート弁３３が低段側の膨張機構として用いられてもよい。このような場合には、機械式フロート弁３３は自動的に開閉し、エコノマイザ３０内の液位が所定のレベルに維持され、高段側の膨張機構（第１膨張弁２６）と連動して運転／制御される。

擬似冷水出入口温度差は、膨張機構の開度を計算するために用いられる。擬似冷水出入口温度差は、上記のように計算された圧縮機能力と、蒸発器２８およびエコノマイザ３０のエンタルピ情報から得られる蒸発器能力と、機器の冷水の標準設計流量（蒸発器２８に供給される冷水の標準設計冷水流量）と、から求められる。擬似冷水出入口温度差は、設計標準冷水流量の冷水がチラーの凝縮器を流れた場合の、設計温度差である。

現在の実際冷水流量は、擬似冷水出入口温度差と、実際の運転において計測される冷水出入口温度差とを比較することで、チラーコントローラ２０により推定される。擬似冷水出入口温度差は、圧縮機（チラー１０，１１０では遠心式圧縮機２２、チラー２１０では遠心式圧縮機２２２）の現在回転数と容量制御機構（吸入ガイドベーン４３）の開度とから求められる圧縮機能力、蒸発器２８の出入口での冷媒回路エンタルピ差から得られる蒸発器能力、および機器の冷水の標準設計流量（蒸発器２８に供給される冷水の標準設計冷水流量）から求められる。

好ましくは、推定された実際冷水流量が、冷水の設計許容流量範囲を逸脱した際に、チラーコントローラ２０により、機器（チラー１０，１１０，２１０）が停止され、警告が発報され、または、水量（蒸発器２８に供給される冷水の水量）の増加／減少が要求されることが望ましい。

本開示の特徴について、以下に説明する。

膨張弁の開度計算に用いられる容量ソースファクターとして、凝縮器の水温差、蒸発器の水温差、もしくは内部で計算される擬似蒸発器水温差（擬似冷水出入口温度差）の３つが選択できる（表１参照）。

膨張弁が容量モードで制御される場合、膨張弁の目標開度は、以下の数式２を用いて算出される
《数２》ＥＸＶ＿ＰＯＳ
＝[（５５３×ＥＸＶ＿Ｃａｐ−４８×リフト温度）／１００＋Ｏｆｆｓｅｔ]×Ｇａｉｎ／１００＋ＥＸＶ＿Ｏｓ

ここで、各符号は、以下を意味する。ＥＸＶ＿ＰＯＳは、膨張弁の目標開度［％］を１０倍したものである。ＥＸＶ＿Ｃａｐは、膨張弁の開度計算のための容量ソースファクターである。ＥＸＶ＿Ｃａｐとして、表１の、Ｃ＿ＤＴ（凝縮器水温差(出口−入口)ΔＴ（凝縮器における実際の冷却水出入口温度差）の華氏表示）を１０倍した値、Ｅ＿ＤＴ（蒸発器水温差(入口−出口)ΔＴ（蒸発器における実際の冷水出入口温度差）の華氏表示）を１０倍した値を用いることができる。容量ソースファクターが“内部”に設定された場合、計算された擬似蒸発器水温差(ＰＥ＿ＤＴ、擬似冷水出入口温度差)が、実際の水温差（Ｃ＿ＤＴ，Ｅ＿ＤＴ）に代えて用いられる。リフト温度は、凝縮器の冷媒相当飽和温度と、蒸発器の冷媒相当飽和温度と、の温度差（華氏）である。膨張弁は、同一開度であっても差圧が大きくなると冷媒の流量が増える。リフト温度を差圧に代わる状態変数と見立てることで、その大きさに応じてチラー負荷（ＥＸＶ＿Ｃａｐ）から得られる膨張弁開度を補正することができる。Ｏｆｆｓｅｔは、予め定められた変数である。Ｇａｉｎは、定格運転条件下で用いられる所定の定数を、圧縮機能力に応じて補正して得られる値である。ＥＸＶ＿Ｏｓは、運転条件（凝縮器の出口冷媒の過冷却状態、圧縮機の過熱状態）に応じて決定される変数である。

擬似蒸発器水温差(ＰＥ＿ＤＴ、擬似冷水出入口温度差)は優れた概念であり、実際の水温情報を用いることなく、既存の（実際水温差を負荷とみた）電動膨張弁の開度算出方法を用いることができる。そのため、ユーザが可変水量制御を利用する場合に利点がある。

ＰＥ＿ＤＴを膨張弁の開度計算に用いる場合には、膨張弁制御の設定の際に、“容量制御ソース”として“内部”が選択される。

ＰＥ＿ＤＴを得るための計算には、体積流量計算や、圧縮機のヘッドの計算や、詳細なガス／液体の特性計算（密度、エンタルピ）等の詳細な圧縮機の性能特性の計算が含まれるため、詳細な圧縮機のマッピング情報（サージヘッドと体積流量の関係）が既知の場合に効果的である。

ＰＥ＿ＤＴを得るための計算について、図４のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ３０１では、擬似蒸発器水量［ｍ³／ｈ］が算出される。擬似蒸発器水量は、下記の数式３により算出される。
《数３》擬似蒸発器水量［ｍ³／ｈ］
＝定格圧縮機能力［ＴＲ］×３０２４［ｋｃａｌ／ｈ／ＴＲ］／擬似定格水温差［℃］／Ｃｐｗ［ｋｃａｌ／ｋｇ／℃］／Ｄｗ［ｋｇ／ｍ³］

数式３中のＣｐｗおよびＤｗは、流体の特性値である。Ｃｐｗは流体の定圧比熱であり、Ｄｗは流体の密度である。数式３中の定格圧縮機能力、擬似定格水温差、ＣｐｗおよびＤｗは、いずれも設定値である。定格圧縮機能力の単位はＴＲ（アメリカ冷凍トン）である。定格圧縮機能力は、例えば２００〜２０００［ＴＲ］の範囲の設定値で、初期値は８００［ＴＲ］である。擬似定格水温差は、例えば３．０〜１５．０［℃］の範囲の設定値で、初期値は５．０［℃］である。Ｃｐｗは、例えば０．５０〜１．５０［ｋｃａｌ／ｋｇ／℃］の範囲の設定値で、初期値は１．００［ｋｃａｌ／ｋｇ／℃］である。Ｄｗは、例えば５００〜１５００［ｋｇ／ｍ³］の範囲の設定値で、初期値は１０００［ｋｇ／ｍ³］である。擬似蒸発器水量算出後、ステップＳ３０２およびステップＳ３０４に進む。

ステップＳ３０２では、圧縮機体積流量［ｍ³／ｍｉｎ］が算出される。圧縮機体積流量は、下記の数式４により算出される。
《数４》圧縮機体積流量［ｍ³／ｍｉｎ］
＝定格体積流量×係数Ｆｃ×係数Ｆｄ×補正係数Ｆ_DDC×シュラウドカットモデル補正係数

なお、シュラウドとは、圧縮機内部のインペラの羽根外側形状のことを指し、シュラウドカットモデルとは、インペラ羽根の高さを低くし、ガスが通過する部分の断面積を小さくすることで能力調整したものを指す。

数式４中の係数Ｆｃは、圧縮機の回転速度率［％ＲＰＭ］と、チラーヘッド／定格サージヘッドと、を変数とする関数である（Ｆｃ＝ｆ１（％ＲＰＭ，チラーヘッド／定格サージヘッド））。％ＲＰＭは、圧縮機の現在回転数を、圧縮機の定格回転数で除したものである。係数Ｆｃは、現在の％ＲＰＭで、吸入ガイドベーン４３の開度を１００％とした場合の圧縮機体積流量を、定格体積流量で除した値になる。数式４中の係数Ｆｄは、吸入ガイドベーン４３（ＩＧＶ）の開度［％］と、チラーヘッド／現在のサージヘッドと、を変数とする関数である（Ｆｄ＝ｆ２（％ＩＧＶ，チラーヘッド／現在のサージヘッド））。係数Ｆｄは、現在の％ＲＰＭ、かつ、現在の吸入ガイドベーン４３（ＩＧＶ）の開度［％］での圧縮機体積流量を、現在の％ＲＰＭで、吸入ガイドベーン４３の開度が１００％とした場合の圧縮機体積流量で除した値になる。数式４中の補正係数Ｆ_DDCは、吐出ディフューザ幅制御機構４４（ＤＤＣ）の開度が１００％より小さい場合に用いられる、体積流量の補正係数である。圧縮機体積流量の算出後、ステップＳ３０３に進む。

ステップＳ３０３では、吸入質量流量［ｋｇ／ｈ］が計算される。吸入質量流量は、下記の数式５により算出される。なお、数式５中の吸入ガス密度は、吸入圧力と吸入温度から求められる。ここでは、吸入圧力として、実測蒸発器圧力から、現在の圧縮機体積風量に見合う計算吸入系統圧力ロスを差し引いた圧力が用いられる。
《数５》吸入質量流量［ｋｇ／ｈ］
＝圧縮機体積流量［ｍ³／ｍｉｎ］×６０［ｍｉｎ／ｈ］×吸入ガス密度［ｋｇ／ｍ³］

ステップＳ３０４では、冷凍能力［ｋＪ／ｋｇ］が算出される。冷凍能力は、下記の数式６により算出される。
《数６》冷凍能力［ｋＪ／ｋｇ］
＝吸入ガスエンタルピ（Ｈｓｇ）［ｋＪ／ｋｇ］−エコノマイザにおける飽和液のエンタルピ（Ｈｅｌ）［ｋＪ／ｋｇ］

ステップＳ３０５では、ステップＳ３０３およびステップＳ３０４の算出結果を用いて、現在の圧縮機能力［ＴＲ］が算出される。現在の圧縮機能力は、下記の数式７により算出される。
《数７》圧縮機能力［ＴＲ］＝
吸入質量流量［ｋｇ／ｈ］×冷凍能力［ｋＪ／ｋｇ］／４．１８６８［ｋＪ／ｋｃａｌ］／３０２４［ｋｃａｌ／ｈ／ＴＲ］

ステップＳ３０６では、ステップＳ３０５の算出結果を用いて、擬似蒸発器水温差(ＰＥ＿ＤＴ、擬似冷水出入口温度差)が算出される。擬似蒸発器水温差(ＰＥ＿ＤＴ、擬似冷水出入口温度差)は、下記の数式８により算出される。数式８中のＣｐｗおよびＤｗは、数式３におけるＣｐｗおよびＤｗと同一である。数式８中の擬似蒸発器水量は、設計水量であり、設定値である。
《数８》擬似蒸発器水温差(ＰＥ＿ＤＴ)
＝現在の圧縮機能力［ＴＲ］×３０２４［ｋｃａｌ／ｈ／ＴＲ］／擬似蒸発器水量［ｍ³／ｈ］／Ｃｐｗ［ｋｃａｌ／ｋｇ／℃］／Ｄｗ［ｋｇ／ｍ³］

ステップＳ３０６でのＰＥ＿ＤＴ算出後、図４のように、ステップＳ３０２およびステップＳ３０４に戻り、繰り返しＰＥ＿ＤＴが算出される。

一般的には、冷凍サイクルが単段でも二段でも、数式５を用いて、蒸発器冷媒循環量を計算できる。しかし、特に、冷凍サイクルがエコノマイザを有する二段であって（図３（ａ）参照）、高段側の膨張弁の開度を計算する場合には、数式１を変形して求められる数式９により得られる（Ｍ＋ｍ）が蒸発器冷媒循環量として用いられることが望ましい。このように、エコノマイザ３０から遠心式圧縮機２２の高段圧縮機構（第２圧縮機構４２ｂ）に吸入されるガス冷媒量を補正した蒸発器冷媒循環量を用いることで、精度の高い制御が実現できる。
《数９》（Ｍ＋ｍ）＝｛１＋（Ｈｃｌ−Ｈｅｌ）／（Ｈｅｇ−Ｈｃｌ）｝×Ｍ

また、数式１の｛１＋（Ｈｃｌ−Ｈｅｌ）／（Ｈｅｇ−Ｈｃｌ）｝が高段側と低段側の冷媒循環量比なので、低段側にも電動の第２膨張弁３２が用いられる場合（図１Ａの場合）には、これを考慮して高段側との連動を取ることが望ましい。

表２に、数式２を用いた膨張弁の目標開度の算出に、Ｃ＿ＤＴまたはＥ＿ＤＴが用いられる場合と、ＰＥ＿ＤＴが用いられる場合との違いについて示した。

Ｃ＿ＤＴまたはＥ＿ＤＴが用いられる場合、ユーザによって要求水温差が異なると、同一のチラーが使用される場合であっても、膨張弁の開度を算出するためのＧａｉｎ／Ｏｆｆｓｅｔとして異なるパラメータが必要となる。ＰＥ＿ＤＴを導入することで、実際の水量および水温差に影響を受けないので、膨張弁開度およびパラメータの標準化が可能である。そのため、圧縮機に合わせて性能の最適化が容易である。また、水温検知ステップが存在しないので、従来に比べ制御応答性が改善される。負荷変動時や過渡時における、圧縮機および膨張弁の連係が改善されることで、水温制御性が改善される。

ところで、擬似蒸発器水温差(ＰＥ＿ＤＴ)は、数式８のように、現在の圧縮機能力×３０２４／擬似蒸発器水量／Ｃｐｗ／Ｄｗにより算出される。

圧縮機能力は、チラー能力とよく対応しており、実際の蒸発器水温差(Ｅ＿ＤＴ)は、数式１０により算出される。
《数１０》実際の蒸発器水温差(Ｅ＿ＤＴ)
＝現在の圧縮機能力×３０２４／現在の実際の蒸発器水量／Ｃｐｗ／Ｄｗ

そのため、Ｅ＿ＤＴとＰＥ＿ＤＴとを比較することで、現在の実際の蒸発器水量を推定することができる。この結果、Ｅ＿ＤＴおよびＰＥ＿ＤＴをモニタすることで、蒸発器水量が機器の使用範囲を逸脱する可能性がある場合に、ユーザに警告することが可能である。

図５は、膨張弁の制御について説明する図である。

＜追加説明および効果＞
本開示は、例えばターボチラー等における冷媒制御方法、および、流体（水、ブライン等）の流量状態の検知手段に関する。

近年、省エネ要求を満足するため、冷凍機自身の運転効率のみならず、水ポンプ等の周辺機器も含めた総合的なシステムの効率化が求められている。

例えば、実際の客先設備における負荷の減少に伴い、水ポンプのインバータ制御により負荷状況に合わせて水流量を減じると、チラーの運転条件によっては、システム全体で大きな動力削減が得られる。

さらには、冷水（ブライン）側のみならず、冷却水側でも同時に変流量を行うことにより更なるシステム効率の向上が期待できる。このような場合、水流量を可変としても、チラーの運転効率を保持することが肝要である。チラーの負荷制御は、主には圧縮機の容量制御、特にターボ圧縮機の場合は、圧縮機の回転数と吸入または吐出側の容量制御機構により実現される。ここでは、圧縮機の運転負荷に見合った冷媒流量制御を行うことが、チラーの効率を保持する上で重要となる。

ターボチラーのような大容量のチラーでは、満液式またはFalling Film式の蒸発器が、一般的に使用される。このような場合、従来、蒸発器内の液面レベルを検知しながら膨張機構が調整され、流量制御が行われる。しかし、蒸発器の液面レベルは、必ずしも負荷レベルを反映するものではないため、特に低負荷時において、チラーの運転効率が低下するという問題がある。

また、吸入過熱度を見ながら膨張弁開度を調整する方法が以前から知られているが、満液式あるいはFalling Film式等の、伝熱管外側に冷媒を流す方式の蒸発器の場合、吸入過熱度は負荷の変動によらず極めてゼロに近い温度を取ることが多く、負荷レベルに合わせた冷媒制御は困難である。

これを解決する手段として、例えば特許文献１（ＵＳ６３１８１０１Ｂ２）には、冷水出口温度と吸入圧相当飽和温度の差をモニタする方法が提案されている。しかし、蒸発器では、経時的に、その伝熱管内側に不純物（スケール）が付着し性能が低下し、それに伴い吸入圧も低下する。つまり冷水出口温度と吸入圧相当飽和温度との差は経時的に広がるので、中長期的に本値を運転負荷の指標にするのは適切ではない。

チラーの負荷変動（特に水変流量時）をより精度良く検知する手段として、例えば、特許文献２（ＵＳ８１３２４２０Ｂ２）には、膨張弁の差圧−冷媒流量特性と、蒸発器でのエンタルピ差と、実際の冷水出入口温度差から運転負荷を計算する手法が示されている。しかしながら、膨張弁手前の冷媒状態は、運転条件によっては気液二層流となることがある。このような状況では、膨張弁手前での液ガス流量比が測定できないため、差圧から求められる膨張弁における冷媒流量に自ずと誤差が生じ、結果得られるチラーの運転負荷の精度に少なからず影響を与えてしまう。

一方、冷水および冷却水の変流量制御がなされる場合、チラーを保護し、伝熱管の長期信頼性を確保するため、規定の設計水量および流速の範囲内で使用されることが重要である。

従来から、高価な流量計の代替として、圧力スイッチないしはパドルスイッチ等を設けることで、水量が範囲外となった状態の検知が行われている。

ただし、いずれの場合にも、専用のデバイスの追加、チラーコントローラへの接点追加が必要であり、コントローラの必要接点数に限りがある場合、やりくりが困難なこととコスト増加につながることが課題である。

ここでは、冷水および冷却水を同時に変流量された場合でも、安定した効率の良い運転を実現するとともに、冷水または冷却水変流量レベルが異常状態となった場合にこれを検知する、安価な定量的検知手段を有するチラーを提供することを課題とする。

上述の課題を解決するため、本開示に係る冷凍装置にあっては、圧縮機の現在回転数、容量制御機構の開度、および現在運転ヘッドのサージ域からの乖離率をファクターとして求められる圧縮機能力を負荷変動指標の１つとして、膨張機構の開度計算がなされることを特徴とする。

ここでは、チラーの運転負荷（冷水出口温度）を見て制御される圧縮機の運転負荷を直接見ながら、膨張機構により冷媒流量が制御されることとなるので、圧縮機の運転負荷と膨脹機構の冷媒流量制御との不釣合いによる影響を排除し、チラーの効率を確保することが可能となる。

具体的な計算方法は、本開示に記載のとおりである。この方法によると、チラーの負荷計算に、直接、冷水または冷却水の測定出入口温度差を必要としないので、冷水および冷却水の片方が、または双方が同時に変流量された場合であっても、適切に圧縮機負荷と膨脹機構開度とを連動させ、チラー効率を確保することができる。

また、この方法ではユーザ個別の設計流量および出入口温度差によらず、標準設計冷凍能力と標準設計出入口温度差とを用いて膨脹機構の開度計算の標準化が可能である。そのため、客先の運転条件によらず、機器を常に設計の意図に合った運転状態にさせることが可能である。

さらに、本開示に係る膨脹機構の開度計算を基に、吸入過熱度、過冷却度による開度補正を適宜加えることにより、より好ましい運転条件が得られることが期待される。

この場合、運転条件によって発生する可能性のある、膨張機構手前での気液二層流状態を極力防止するように膨張機構を制御することが可能となり、チラーの部分負荷条件における効率向上が期待できる。

さらに、本開示に係る膨脹機構の開度計算を基に、凝縮器―蒸発器、あるいは、凝縮器―エコノマイザの差圧等の差圧情報と、現在運転負荷の定格負荷に対する比率と、を使って上記実施形態に係る数式２中のＧａｉｎの値を適宜補正することにより、より好ましい運転条件が得られることが期待される。

上記実施形態では、冷水冷却チラーの場合を例として示しているが、本開示に係る膨張機構の開度計算では、流体の量あるいは温度（差）は問わないことから、ブラインチラーや熱回収チラー等へも応用が可能である。

本方法によると、膨張機構の開度計算は、直接、熱交換器伝熱管の汚れ状態の影響を受けないため、中長期にわたって好ましいチラー運転状態を確保することができる。

本開示に係る冷凍装置および制御装置によると、圧縮機能力から導き出された擬似冷水出入口温度差（ＰＥ＿ＤＴ）と実際の計測冷水出入口温度差の比が、チラーの標準設計冷水流量と現在の実際推定冷水流量の比に相当するため、擬似冷水出入口温度差（ＰＥ＿ＤＴ）と実際の計測冷水出入口温度差の比をモニタすることにより実際冷水流量が設計冷水流量使用範囲内かどうか推定することが可能である。仮に推定流量が使用範囲を外れている場合は、チラーの停止、またはユーザへの注意喚起、さらにはチラーから水量増減の要求信号を送信する等の適切な処理を行うことにより、熱交換器伝熱管の信頼性を高めることが可能である。また、これらはコントローラの内部演算で行われるため、別途流量計測用のセンサ、スイッチ等の取り付けは不要である。その結果、それらデバイスまたはデバイスをつなぐコントローラの追加設置が不要となりコスト増加を抑制できる。

なお、上記方法による流量のモニタは、同様の考え方により冷却水側に適用することも可能である。

＜用語の一般解釈＞
本発明の範囲を理解するうえで、“を備える”という語およびこの派生語は、ここでは、オープンエンドな語を意図しており、記載された特徴、要素、構成、群、整数、及び／又はステップの存在を明示するものであるが、記載されていない特徴、要素、構成、群、整数、及び／又はステップの存在を除外するものではない。上述の内容は、“含む”、“有する”という語およびこの派生語のような、同様な意味を持つ語にも当てはまる。また、“部分”“要素”というような語が単数形で記載された場合、単一の部分という意味と、複数の部分という意味の両方の意味をもちうる。

“検出する”という語は、ここでは、部品、部分、装置等により実行される運転または機能を示すが、部品、部分、装置等は、物理的な意味で検出するのではなく、“決定する”、“計測する”、“モデル化する”、“予測する”、“計算する”等の運転または機能を含んでもよい。

“構成される”の語は、ここでは、部品、部分、装置の部分がハードウェアおよび／又はソフトウェアを含み、所望の機能を実行するように構成および／又はプログラムされている場合を含む。

“実質的に”、“約”、“おおよそ”等の程度を表す語は、最終結果が大幅に変わらない、逸脱の合理的な範囲を意味する修飾語である。

ここでは、選択された実施形態だけが本発明を説明するために選択されたが、この開示から、明細書に付された特許請求の範囲で定義される発明の範囲から逸脱しない範囲で、様々な変更や修正を行うことが可能であることは、当業者にとって明白である。例えば、様々な構成のサイズ、形状、位置、方向は、必要に応じて、および／又は、要求に応じて変更可能である。互いに直接接続された、あるいは、直接接触した構成は、それらの構成の間に、仲介するための構造が配されても良い。１つの構成により実行される機能は２つの構成により実行されてもよく、その逆であってもよい。１つの実施形態の中で記載された構成及び機能は、他の実施形態において用いられてもよい。１の特定の実施形態の中で、全ての効果が同時に存在する必要は無い。従来技術から見て独自の全ての特徴は、単独で、又は、他の特徴と組み合わせて、そのような特徴により具体化された、構造的なおよび／又は機能的な概念を含む、出願人による更なる発明の個別の記載と考えられてもよい。そのため、上述の本発明に関する実施形態の記載は、説明のためだけのものであり、明細書に付された特許請求の範囲等により規定される発明を限定する目的は無い。

１０，１１０，２１０ チラー（冷凍装置、冷凍機）
２０ チラーコントローラ（制御部、制御装置）
２２，２２２ 圧縮機
２４ 凝縮器
２６ 第１膨張弁（高段側膨張機構）
２８ 蒸発器
３０ エコノマイザ
３２ 第２膨張弁（低段側膨張機構）
４３ 吸入ガイドベーン（容量制御機構）

ＵＳ８１３２４２０Ｂ２ ＵＳ６３１８１０１Ｂ１

Claims (11)

1. 遠心式の圧縮機と、
   開度を変更することで前記圧縮機の容量制御を行う容量制御機構と、
   冷媒を減圧する膨張機構と、
   前記圧縮機の現在回転数、前記容量制御機構の開度、および現在運転ヘッドのサージ域からの乖離率、をファクターとして求められる圧縮機能力を負荷変動指標の１つとして、前記膨張機構の開度を計算する制御部と、
   を備える冷凍装置。
2. ２段冷凍サイクルを有するものであって、
   前記膨張機構は、高段側膨張機構を含み、
   前記制御部は、前記高段側膨張機構を前記膨張機構の開度計算の対象とする、
   請求項１に記載の冷凍装置。
3. エコノマイザが設けられ、２段冷凍サイクルを有するものであって、
   前記膨張機構は、高段側膨張機構を含み、
   前記制御部は、前記高段側膨張機構の実際制御開度を、当該冷凍装置の凝縮器の出口液のエンタルピおよび前記エコノマイザの液、ガス飽和エンタルピから求められる前記エコノマイザ内の液ガス重量比率の分だけ補正する、
   請求項１に記載の冷凍装置。
4. 前記膨張機構は、低段側膨張機構を更に含み、
   前記低段側膨張機構に機械式フロート弁が用いられる、
   請求項２に記載の冷凍装置。
5. 前記膨張機構は、低段側膨張機構を更に含み、
   前記低段側膨張機構は、電動制御され、
   前記制御部は、前記低段側膨張機構の開度を、前記高段側膨張機構の計算された開度と連動させる、
   請求項２に記載の冷凍装置。
6. エコノマイザが設けられ、２段冷凍サイクルを有するものであって、
   前記制御部は、前記圧縮機能力と、当該冷凍装置の蒸発器および前記エコノマイザのエンタルピ情報から得られる蒸発器能力と、前記蒸発器に供給される冷水の標準設計冷水流量と、から求められる擬似冷水出入口温度差を用いて、前記膨張機構の開度を計算する、
   請求項１に記載の冷凍装置。
7. 遠心式の圧縮機と、
   開度を変更することで前記圧縮機の容量制御を行う容量制御機構と、
   前記圧縮機から吐出された冷媒を減圧する膨張機構と、
   を有する冷凍機の、制御装置であって、
   処理部を備え、
   前記処理部は、前記圧縮機の現在回転数、前記容量制御機構の開度、および現在運転ヘッドのサージ域からの乖離率、をファクターとして求められる圧縮機能力を負荷変動指標の１つとして、前記膨張機構の開度を計算する、
   制御装置。
8. 前記冷凍機は、２段冷凍サイクルを有し、
   前記膨張機構は、高段側膨張機構を含むものであって、
   前記処理部は、前記高段側膨張機構を前記膨張機構の開度計算の対象とする、
   請求項７に記載の制御装置。
9. 前記冷凍機は、エコノマイザが設けられ、２段冷凍サイクルを有し、
   前記膨張機構は、高段側膨張機構を含むものであって、
   前記処理部は、前記高段側膨張機構の実際制御開度を、前記冷凍機の凝縮器の出口液のエンタルピおよび前記エコノマイザの液、ガス飽和エンタルピから求められる前記エコノマイザ内の液ガス重量比率の分だけ補正する、
   請求項７に記載の制御装置。
10. 前記膨張機構は、低段側膨張機構を更に含み、
    前記低段側膨張機構は、電動制御されるものであって、
    前記処理部は、前記低段側膨張機構の開度を、前記高段側膨張機構の計算された開度と連動させる、
    請求項８に記載の制御装置。
11. 前記冷凍機は、エコノマイザが設けられ、２段冷凍サイクルを有するものであって、
    前記処理部は、前記圧縮機能力と、前記冷凍機の蒸発器および前記エコノマイザのエンタルピ情報から得られる蒸発器能力と、前記蒸発器に供給される冷水の標準設計冷水流量と、から求められる擬似冷水出入口温度差を用いて、前記膨張機構の開度を計算する、
    請求項７に記載の制御装置。

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