JP6474108B2 - チラーの制御方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器の負荷状態に応じて通常制御モード又は低負荷制御モードに切換える際に用いて好適なチラーの制御方法及び装置に関する。

一般に、電子機器や精密機械等における高温発熱部に対して、冷却水を供給することにより冷却を行うチラーは知られている。この種のチラーは、通常、冷却水タンクに貯留した冷却水を高温発熱部に循環させる冷却水回路及びこの冷却水回路に接続した冷却ユニットを備えるとともに、所定の制御方法によりチラーの制御を行うことにより冷却水の温度を設定した目標温度に維持している。

従来、このようなチラーを制御する制御方法としては、既に、本出願人が提案した特許文献１における冷却装置の制御方法が知られている。この制御方法は、省エネルギ性を高めるとともに、安定した冷却精度を維持することを目的としたものであり、具体的には、冷凍サイクルを構成するコンプレッサの回転周波数をインバータにより一定の範囲で可変して被冷却物の温度を制御するとともに、温度がインバータによっては制御できない温度まで低下したなら、ホットガスバイパス回路を開く制御を行うものであり、特に、ホットガスバイパス回路を開いた状態で温度が上昇したなら、当該ホットガスバイパス回路を開いた状態でコンプレッサの回転周波数を上昇させるとともに、当該回転周波数が予め設定した設定周波数に達したならホットガスバイパス回路を閉じ、かつコンプレッサの回転周波数を低下させる制御を行うものである。

特開２００１−７４３１８号公報

しかし、上述した特許文献１における冷却装置（チラー）の制御方法は、次のような解決すべき課題が存在した。

即ち、コンプレッサの回転周波数（回転数）を可変して被冷却物の温度を制御する通常制御モードと、冷凍サイクルに接続したホットガスバイパス回路における制御弁の開度を可変して被冷却物の温度を制御する低負荷制御モードとを設け、通常の負荷状態では通常制御モードを使用するとともに、負荷が小さくなった低負荷状態では低負荷制御モードを使用するものであり、特に、低負荷制御モードから通常制御モードに切換える際は、負荷が予め設定した大きさになったこと、具体的には、低負荷制御モード時における被冷却物の温度を監視し、この温度が予め設定した切換判定温度を上回り、かつ上回る時間が設定時間継続することを切換条件として通常制御モードへの切換えを行っていた。

したがって、この場合、低負荷制御モードでは、ホットガスバイパス回路における制御弁の開度を可変して被冷却物の温度を制御する一方、圧縮機の回転数に対する制御は停止、即ち、回転数はいわばオープンループ制御により最低回転数に固定していた。しかし、通常制御モードでは、前記圧縮機の回転数に対してＰＩＤ制御によるインバータにより可変制御するため、低負荷制御モードから通常制御モードへの切換時は、オープンループ制御状態からクローズドループ制御状態に切換わることになる。この結果、応答遅れ等の制御上の相違による切換直後のオーバーシュートが大きくなる可能性を有していた。

結局、この制御方法では、モード切換時における不安定性が無視できないとともに、温度制御の高精度化を継続的に実現する観点からは不十分となり、特に、低負荷制御モードから通常制御モードへ切換える際の制御をより最適化する観点からは更なる改善の余地があった。

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チラーの制御方法及び装置の提供を目的とするものである。

本発明に係るチラーＣの制御方法は、上述した課題を解決するため、冷凍サイクル２の一部を構成する熱交換器３により被冷却媒体Ｌを冷却し、熱交換器３の負荷状態に応じて通常制御モードＭｓ又は低負荷制御モードＭｄへの切換制御を行うとともに、通常制御モードＭｓでは、冷凍サイクル２の一部を構成する圧縮機４の回転数Ｒｓを可変して被冷却媒体Ｌの温度Ｔｗを制御し、かつ低負荷制御モードＭｄでは、冷凍サイクル２に接続したホットガスバイパス回路５における制御弁６の開度Ｑｓを可変して温度Ｔｗを制御するに際し、通常制御モードＭｓ時に、回転数ＲｓをＰＩＤ制御によるインバータ４ｉにより可変して被冷却媒体Ｌの温度Ｔｗを、予め設定した目標温度Ｔｓに制御し、予め設定した低負荷モード切換条件を満たしたなら、少なくとも、回転数Ｒｓに対するＰＩＤ制御を維持しつつ当該ＰＩＤ制御による目標温度を正規の目標温度Ｔｓよりも高いシフト温度Ｔｃに変更して低負荷制御モードＭｄに切換えるとともに、低負荷制御モードＭｄ時に、温度Ｔｗが予め設定した切換判定温度Ｔｕを越えたなら予め設定した継続時間Ｚｃの経過後に、通常制御モードＭｓに切換えるようにしたことを特徴とする。

一方、本発明に係るチラーＣの制御装置１は、上述した課題を解決するため、冷凍サイクル２の一部を構成することにより被冷却媒体Ｌを冷却する熱交換器３の負荷状態に応じて通常制御モードＭｓ又は低負荷制御モードＭｄへ切換制御するモード切換制御機能と、冷凍サイクル２の一部を構成する圧縮機４の回転数Ｒｓを可変して被冷却媒体Ｌの温度Ｔｗを制御する通常制御モードＭｓを実行する通常制御機能と、冷凍サイクル２に接続したホットガスバイパス回路５における制御弁６の開度Ｑｓを可変して温度Ｔｗを制御する低負荷制御モードＭｄを実行する低負荷制御機能とを備えてなる制御装置を構成するに際して、通常制御モードＭｓ時に回転数ＲｓをＰＩＤ制御によるインバータ４ｉにより可変して被冷却媒体Ｌの温度Ｔｗを、予め設定した目標温度Ｔｓに制御する通常制御機能と、低負荷モード切換条件を満たしたなら、少なくとも、回転数Ｒｓに対するＰＩＤ制御を維持しつつ当該ＰＩＤ制御による目標温度を正規の目標温度Ｔｓよりも高いシフト温度Ｔｃに変更して低負荷制御モードＭｄに切換える低負荷モード切換制御機能と、低負荷制御モードＭｄ時に温度Ｔｗが予め設定した切換判定温度Ｔｕを越えたなら、予め設定した継続時間Ｚｃの経過後に通常制御モードＭｓに切換える通常モード切換制御機能とを備えてなることを特徴とする。

また、本発明は、好適な態様により、低負荷モード切換条件は、回転数Ｒｓが最低回転数Ｒｄになり、かつ温度Ｔｗが予め設定した切換判定温度Ｔｄを下回ること、を条件とすることができる。さらに、通常制御モードＭｓ時に、低負荷モード切換条件を満たしたなら、回転数Ｒｓを最低回転数Ｒｄよりも大きいシフト回転数Ｒｕに変更して低負荷制御モードＭｄに切換えるとともに、この後、温度Ｔｗが予め設定した判定温度範囲Ｄｓにある第一条件，この第一条件が予め設定した監視時間Ｚｓ継続する第二条件及び制御弁６が予め設定した判定開度Ｑｐ以上にある第三条件を満たしたなら、シフト回転数Ｒｕから予め設定した単位回転数Ｒｏを減算する中間処理Ｍｍを行うことができる。他方、被冷却媒体Ｌには、少なくとも冷却液Ｌｗを含ませることができる。なお、冷却液Ｌｗには、冷却水をはじめ、不凍液や各種溶剤等が含まれる。このため、熱交換器３は、一次側３ｆを冷凍サイクル２に接続し、かつ二次側３ｓを冷却液Ｌｗが流通する冷却液回路１１に接続することができる。さらに、制御弁６には、ホットガスバイパス回路５に直列接続した電子膨張弁６ｅを用いることができる。

このような本発明に係るチラーＣの制御方法及び装置１によれば、次のような顕著な効果を奏する。

（１） 通常制御モードＭｓ時に、回転数ＲｓをＰＩＤ制御によるインバータ４ｉにより可変して被冷却媒体Ｌの温度Ｔｗを、予め設定した目標温度Ｔｓに制御し、予め設定した低負荷モード切換条件を満たしたなら、少なくとも、回転数Ｒｓに対するＰＩＤ制御を維持しつつ当該ＰＩＤ制御による目標温度を正規の目標温度Ｔｓよりも高いシフト温度Ｔｃに変更して低負荷制御モードＭｄに切換えるとともに、低負荷制御モードＭｄ時に、温度Ｔｗが予め設定した切換判定温度Ｔｕを越えたなら予め設定した継続時間Ｚｃの経過後に、通常制御モードＭｓに切換えるようにしたため、低負荷制御モードＭｄから通常制御モードＭｓへの切換時にはＰＩＤ制御の中断を招くことなく制御の連続性を確保できる。この結果、モード切換時における温度Ｔｗの無用な変動（オーバーシュート）を抑制し、安定性をより高めることができるとともに、温度制御の継続的な高精度化を実現できるなど、低負荷制御モードから通常制御モードへ切換える制御をより最適化できる。

（２） 好適な態様により、通常制御モードＭｓ時に、低負荷モード切換条件を満たしたなら、回転数Ｒｓを最低回転数Ｒｄよりも大きいシフト回転数Ｒｕに変更して低負荷制御モードＭｄに切換えるとともに、この後、温度Ｔｗが予め設定した判定温度範囲Ｄｓにある第一条件，この第一条件が予め設定した監視時間Ｚｓ継続する第二条件及び制御弁６が予め設定した判定開度Ｑｐ以上にある第三条件を満たしたなら、シフト回転数Ｒｕから予め設定した単位回転数Ｒｏを減算する中間処理Ｍｍを行うようにすれば、通常制御モードＭｓから低負荷制御モードＭｄへの切換時においても、切換時の安定性を向上させ、温度制御の継続的な高精度化を実現できるとともに、消費電力が大きくなる不具合を回避できるなど、通常制御モードＭｓから低負荷制御モードＭｄへ切換える制御もより最適化できる。

（３） 好適な態様により、被冷却媒体Ｌに少なくとも冷却液Ｌｗを含ませれば、安定性に優れ、高精度の温度制御を実現できる最も一般的な水冷方式による冷却システムを容易に構築することができる。

（４） 好適な態様により、熱交換器３の一次側３ｆを冷凍サイクル２に接続し、かつ二次側３ｓを冷却液Ｌｗが流通する冷却液回路１１に接続すれば、電子機器や精密機械等における高温発熱部に対して高精度に温度制御された冷却液Ｌｗを継続的に供給できるため、この種の用途に最適なチラーＣとして提供できる。

（５） 好適な態様により、制御弁６に、ホットガスバイパス回路５に直列接続した電子膨張弁６ｅを用いれば、各種チラーに備えるホットガスバイパス回路及び電子膨張弁をそのまま利用可能になるため、冷凍サイクル２に対するハードウェア上の追加要素を不要にできる。したがって、ソフトウェア変更等により容易に実現できるとともに、低コストに実施できる。

本発明の好適実施形態に係る制御方法に基づく処理手順を説明するためのフローチャート、 同制御方法に通常制御モードから低負荷制御モードへの切換時の具体的な処理手順を加えたフローチャート、 同制御方法を利用できるチラーを含む冷却システムの全体構成図、 本発明の好適実施形態に係るチラーのブロック系統図、 同制御方法を実施した際の通常制御モードから低負荷制御モードに切換える際における各部の状態を示すタイムチャート、 同制御方法を実施した際の低負荷制御モードから通常制御モードに切換える際における各部の状態を示すタイムチャート、

次に、本発明に係る好適実施形態を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。

まず、本実施形態に係る制御方法の理解を容易にするため、同制御方法を実施できるチラーＣの構成について、図３及び図４を参照して説明する。

図３は、チラーＣの全体構成を示す。チラーＣは、基本的な構成として、冷凍サイクル２により構成する冷却ユニット２０と冷却液タンク５１を有する冷却液回路１１を備える。この場合、冷却ユニット２０は、図３に示すように、冷凍サイクル２を構成する四要素となる、圧縮機４，凝縮器２１，電子膨張弁２２及び熱交換器（冷却器）３を備えており、熱交換器３における一次側３ｆの一端口（冷媒流入口）には、電子膨張弁２２の冷媒流出側を接続するとともに、熱交換器３における一次側３ｆの他端口（冷媒流出口）には、圧縮機４の冷媒流入側を接続する。なお、図３中、２１ｆは凝縮器２１を空冷する凝縮器ファン、２３は凝縮器２１と電子膨張弁２２間に接続したストレーナをそれぞれ示す。これにより、矢印Ｆｃ方向に冷媒が循環する基本的な冷凍サイクル本体が構成される。

また、圧縮機４の下流側（凝縮器２１の上流側）と、電子膨張弁２２の下流側（熱交換器３の一次側３ｆの上流側）は、ホットガスバイパス回路５を介して接続するとともに、このホットガスバイパス回路５の中途には電子膨張弁６ｅを直列接続する。この電子膨張弁６ｅは加熱側の制御弁６として機能する。このように、制御弁６として電子膨張弁６ｅを用いれば、各種チラーに備えるホットガスバイパス回路及び電子膨張弁をそのまま利用可能になるため、冷凍サイクル２に対するハードウェア上の追加要素を不要にできる。したがって、ソフトウェア変更等により容易に実現できるとともに、低コストに実施できる利点がある。なお、電子膨張弁２２は冷却側の制御弁として機能する。

さらに、圧縮機４の駆動には電動モータを使用し、この電動モータはインバータ４ｉに接続する。これにより、インバータ４ｉに対して回転数制御信号Ｓｒ（図４）を付与すれば、電動モータに基づく圧縮機４の回転数を当該回転数制御信号Ｓｒに対応した回転数Ｒｓに可変制御することができる。また、このインバータ４ｉは、回転数Ｒｓに対してＰＩＤ制御を行うことができる。したがって、インバータ４ｉには、最適化されたＰＩＤ定数が予め設定されている。なお、４ｍは、インバータ４ｉを除く圧縮機本体を示す。

このように、圧縮機４の回転数Ｒｓを、ＰＩＤ制御を行うインバータ４ｉにより可変制御するようにすれば、各種チラーに内蔵するインバータ圧縮機をそのまま利用可能になるため、冷凍サイクル２に対するハードウェア上の追加要素を不要にできる。したがって、上述した電子膨張弁６ｅを利用することと併せ、ソフトウェア変更等により容易に実現できるとともに、低コストに実施できる利点がある。

一方、冷却液回路１１は、被冷却媒体Ｌとなる冷却液Ｌｗを貯留する冷却液タンク５１を備える。例示の冷却液タンク５１は、上面部を開放したタンク本体部５１ｍと、このタンク本体部５１ｍの上面部を覆うタンク蓋部５１ｃにより構成する。なお、冷却液タンク５１は、要部のみを示し、付属要素であるドレンライン，フロートスイッチ，液面計，ストレーナ等は省略してある。このように、被冷却媒体Ｌとして冷却液Ｌｗを適用すれば、安定性に優れ、高精度の温度制御を実現できる最も一般的な水冷方式による冷却システムを容易に構築できる利点がある。この場合、冷却液Ｌｗには、冷却水をはじめ、不凍液や溶剤等、各種の冷却液が含まれる。

また、タンク蓋部５１ｃには、タンク本体部５１ｍにおける液面側の冷却液Ｌｗを吸上げる圧送ポンプ５２を取付け、この圧送ポンプ５２の吐出側を、配水管を介して熱交換器３における二次側３ｓの一端口（流入口）に接続するとともに、熱交換器３における二次側３ｓの他端口（流出口）は、中途位置に開閉バルブ５３を接続した配水管５４を介して、電子機器や精密機械等における高温発熱部となる被冷却部７１の供給口に接続する。そして、この配水管５４の中途には液温センサ５５を付設する。この液温センサ５５は冷却液Ｌｗの温度（液温）Ｔｗを計測する機能を備える。さらに、タンク本体部５１ｍの底部側は、中途位置に開閉バルブ５６を接続した配水管を介して、被冷却部７１の戻し口に接続する。

これにより、冷却液タンク５１に貯留された冷却液Ｌｗは、圧送ポンプ５２により吸い上げられるとともに、吸い上げられた冷却液Ｌｗは、熱交換器３の二次側３ｓに供給される。そして、熱交換器３の二次側３ｓを流通する際に、一次側３ｆの冷却された冷媒との熱交換が行われることにより冷却され、この冷却された冷却液Ｌｗが配水管５４を介して被冷却部７１の供給口に供給される。そして、被冷却部７１に供給された冷却液Ｌｗにより被冷却部７１が冷却される。また、被冷却部７１を冷却した冷却液Ｌｗは、被冷却部７１における戻り口を介して冷却液タンク５１に戻される。以上により、冷却液Ｌｗが循環する冷却液回路１１が構成される。

このように、熱交換器３の一次側３ｆを冷凍サイクル２に接続し、かつ二次側３ｓを冷却液Ｌｗが流通する冷却液回路１１に接続すれば、電子機器や精密機械等における高温発熱部（被冷却部７１）に対して高精度に温度制御された冷却液Ｌｗを継続的に供給できるため、この種の用途に最適なチラーＣとして提供できる利点がある。

他方、チラーＣは、本実施形態に係る制御方法を実行できる図４に示す制御装置１を内蔵する。この制御装置１は、主要部となるチラーコントローラ３０を備え、このチラーコントローラ３０には、ＣＰＵ，内部メモリ３１ｍ等のハードウェアを含むコントローラ本体３１を内蔵する。

そして、このコントローラ本体３１には、前述した冷却液回路１１に設けた液温センサ５５を接続する。これにより、液温センサ５５により計測される液温Ｔｗに係わる計測データがコントローラ本体３１に付与される。また、コントローラ本体３１には、冷却ユニット２０に備えるホットガスバイパス回路５の電子膨張弁６ｅを接続するとともに、冷凍サイクル本体に備える電子膨張弁２２を接続する。これにより、本実施形態に係る制御方法の実行時には、コントローラ本体３１から開度制御信号Ｓｐが加熱側となる電子膨張弁６ｅに付与されることにより、電子膨張弁６ｅの開度Ｑｓが可変制御される。さらに、コントローラ本体３１には、圧縮機４に備えるインバータ４ｉを接続する。これにより、本実施形態に係る制御方法の実行時には、コントローラ本体３１から回転数制御信号Ｓｒがインバータ４ｉに付与されることにより、圧縮機４の回転数Ｒｓが可変制御される。

一方、コントローラ本体３１には、入力部（操作部）３２及び出力部（表示部）３３をそれぞれ接続する。この入力部３２により、本実施形態に係る制御方法を実行する際における各種制御条件の設定を行うことができるとともに、出力部３３により、設定した各種制御条件に係わる数値データや各種計測データを表示することができる。３４は、コントローラ本体３１に内蔵する計時用のタイマ機能を示す。

また、内部メモリ３１ｍは、各種データを書き込み可能なデータエリア３１ｍｄを有するとともに、各種プログラムを格納可能なプログラムエリア３１ｍｐを有する。したがって、データエリア３１ｍｄには、本実施形態に係る制御方法の実施に関連して、少なくとも、設定した各種制御条件に係わる数値データや各種計測データを書き込むことができる。この場合、具体的なデータとしては、圧縮機４の最低回転数Ｒｄに係わるデータ，低負荷制御モードＭｄへの切換判定時に使用する切換判定温度Ｔｄに係わるデータ，低負荷制御モードＭｄへの切換判定時に使用するシフト回転数Ｒｕに係わるデータ，シフト回転数Ｒｕに対して設定する単位回転数Ｒｏに係わるデータ，第一条件を満たすか否かを判定する液温Ｔｗに対する判定温度範囲Ｄｓに係わるデータ，第二条件を満たすか否かを判定する継続時間条件に対する監視時間Ｚｓに係わるデータ，第三条件を満たすか否かを判定する電子膨張弁６ｅの判定開度Ｑｐに係わるデータ等が含まれる。

他方、プログラムエリア３１ｍｐには、ＰＬＣプログラム及びＨＭＩプログラムを格納するとともに、各種演算処理（算出処理）及び各種制御処理（シーケンス制御）を実行するための各種処理プログラムを格納する。したがって、チラーコントローラ３０は、基本的に、コンピュータシステムとして構成し、チラーＣ全体の制御を司る機能を備える。なお、ＰＬＣプログラムは、チラーＣにおける各種シーケンス動作やチラーＣの監視等を実現するためのソフトウェアであり、ＨＭＩプログラムは、制御装置１に係わるデータの設定及び表示等を実現するためのソフトウェアである。

さらに、プログラムエリア３１ｍｐには、本実施形態に係る制御方法を実行するための制御プログラムを格納する。この制御プログラムにより、圧縮機４の回転数Ｒｓを可変して液温Ｔｗを制御する通常制御モードＭｓを実現する通常制御機能，ホットガスバイパス回路５における電子膨張弁６ｅの開度Ｑｓを可変して液温Ｔｗを制御する低負荷制御モードＭｄを実現する低負荷制御機能，冷却液Ｌｗを冷却する熱交換器３の負荷状態に応じて通常制御モードＭｓ又は低負荷制御モードＭｄに切換制御するモード切換制御機能であって、特に、低負荷モード切換条件である、通常制御モードＭｓ時における圧縮機４の回転数Ｒｓが最低回転数Ｒｄになり、かつ液温Ｔｗが予め設定した切換判定温度Ｔｄを下回る条件を満たしたなら、回転数Ｒｓに対するＰＩＤ制御を維持しつつ当該ＰＩＤ制御による目標温度を正規の目標温度Ｔｓよりも高いシフト温度Ｔｃに変更し、さらに、回転数Ｒｓを予め設定したシフト回転数Ｒｕに変更して低負荷制御モードＭｄに切換える低負荷モード切換制御機能，低負荷モード切換制御機能による切換後に、液温Ｔｗが予め設定した判定温度範囲Ｄｓにある第一条件とこの第一条件が予め設定した監視時間Ｚｓ継続する第二条件と制御弁６が予め設定した判定開度Ｑｐ以上にある第三条件とを満たしたなら、シフト回転数Ｒｕから予め設定した単位回転数Ｒｏを減算する中間処理Ｍｍを行う中間処理機能，低負荷制御モードＭｄ時に温度Ｔｗが予め設定した切換判定温度Ｔｕを越えたなら、予め設定した継続時間Ｚｃの経過後に通常制御モードＭｓに切換える通常モード切換制御機能，等を実行することができる。

次に、このような構成を備える制御装置１を用いた本実施形態に係る制御方法について、図３〜図６を参照しつつ図１及び図２に示すフローチャートに従って説明する。

なお、図１に示すフローチャートは、低負荷制御モードＭｄから通常制御モードＭｓに切換える際の処理手順をより具体化し、図２に示すフローチャートは、通常制御モードＭｓから低負荷制御モードＭｄに切換える際の処理手順をより具体化したものである。

今、チラーＣは、通常の負荷状態にあり、制御装置１により通常制御モードＭｓによる制御が行われているものとする（ステップＳ１）。したがって、この場合、冷却ユニット２０では、圧縮機４の回転により冷凍サイクル２内を冷媒が循環し、熱交換器３の一次側３ｆが冷却状態となる。なお、ホットガスバイパス回路５の電子膨張弁６ｅは閉ポジション（開度Ｑｓは０）に制御されている。これにより、熱交換器３では、冷凍サイクル２の冷媒と冷却液回路１１の冷却液Ｌｗ間で熱交換が行われ、冷却液Ｌｗが冷却されるとともに、冷却された冷却液Ｌｗは被冷却部７１に供給される。この際、冷却液Ｌｗの液温Ｔｗは、液温センサ５５により計測され、コントローラ本体３１に付与される。そして、液温Ｔｗが目標温度Ｔｓとなるようにフィードバック制御される。また、必要に応じて電子制御弁２２の開度が制御される。

即ち、通常制御モードＭｓでは、基本的に圧縮機４の回転数Ｒｓがインバータ４ｉにより可変制御されるとともに、インバータ４ｉはＰＩＤ制御方式により制御される。したがって、熱交換器３の負荷状態が大きくなり、液温Ｔｗが目標温度Ｔｓよりも高まる傾向のときは、圧縮機４の回転数Ｒｓが大きくなり、冷却能力が高められるとともに、熱交換器３の負荷状態が小さくなり、液温Ｔｗが目標温度Ｔｓよりも低くなる傾向のときは、圧縮機４の回転数Ｒｓが小さくなり、冷却能力が抑制される。なお、目標温度Ｔｓに対しては許容範囲としてのディファレンシャルが設定されている。

また、通常制御モードＭｓの運転中は、コントローラ本体３１により、液温Ｔｗと圧縮機４の回転数Ｒｓの監視が行われる。即ち、圧縮機４の回転数Ｒｓが最低回転数Ｒｄになったか否かを監視するとともに、液温Ｔｗが切換判定温度Ｔｄを下回ったか否かを監視する（ステップＳ２，Ｓ３）。インバータ４ｉにより制御される圧縮機４の場合、回転数Ｒｓに対する可変可能な制御領域が存在し、最低回転数Ｒｄを下回る領域では実質的な回転数制御ができない。さらに、この状態において、液温Ｔｗが、目標温度Ｔｓに対して設定されるディファレンシャルの下限温度を下回る状態、即ち、この状態を検出する切換判定温度Ｔｄになった状態は、制御限界にあるため、圧縮機４の回転数Ｒｓが最低回転数Ｒｄになり、かつ液温Ｔｗが設定液温Ｔｄを下回ることを、低負荷制御モードＭｄに切換える切換条件に設定している。

ところで、通常制御モードＭｓと低負荷制御モードＭｄを切換えて運転を行うこの種の制御装置１は、通常制御モードＭｓから低負荷制御モードＭｄに切換えた場合、モード切換時の挙動が不安定になりやすい傾向がある。即ち、通常制御モードＭｓから低負荷制御モードＭｄに切換える際には、通常制御モードＭｓ時における圧縮機４の回転数Ｒｓと液温Ｔｗを監視し、この回転数Ｒｓが最低回転数Ｒｄになり、かつ液温Ｔｗが予め設定した切換判定温度Ｔｄを下回ることを切換条件として低負荷制御モードＭｄへの切換えを行うため、負荷変動などの負荷の状態により、通常制御モードＭｓと低負荷制御モードＭｄ間のモード切換が頻繁に行われてしまうとともに、圧縮機４の制御限界となる最低回転数Ｒｄにおいて電子膨張弁６ｅ（制御弁６）による制御に切換わるため、モード切換時の挙動が不安定になりやすい。結局、モード切換時における安定性を向上させ、温度制御の高精度化を継続的に実現する観点からは必ずしも十分であるとはいえず、通常制御モードＭｓから低負荷制御モードＭｄへ切換える際の制御を最適化する観点からは更なる改善の余地があった。

このため、本実施形態に係る制御装置１では、通常制御モードＭｓから低負荷制御モードＭｄに切換える際に、通常制御モードＭｓと実質的な低負荷制御モードＭｄの間において中間処理Ｍｍを行うとともに、低負荷制御モードＭｄから通常制御モードＭｓに切換える際には本実施形態に係る制御方法を適用し、各モード切換時における制御の最適化を実現した。

今、負荷状態が大きく低下した低負荷状態になり、当該切換条件を満たした場合を想定する。この場合、圧縮機４の回転数Ｒｓは最低回転数Ｒｄに達し、かつ液温Ｔｗは設定液温Ｔｄを下回る状態となるため、本実施形態に係る制御方法に従って、低負荷モード切換処理が行われる（ステップＳＡ）。この場合、従来では、圧縮機４の回転数Ｒｓに対する制御がいわばオープンループ制御に切換えられ、回転数Ｒｓが最低回転数Ｒｄに固定される。これに対して、本実施形態に係る制御方法では、いわばクローズドループ制御が維持、即ち、回転数ＲｓがＰＩＤ制御によるインバータ４ｉにより可変される制御が維持される（ステップＳ４）。

しかし、そのまま維持した場合には、圧縮機４の回転数Ｒｓに対する制御と電子膨張弁６ｅの開度Ｑｓに対する制御が干渉するため、ＰＩＤ制御による目標温度を正規の目標温度Ｔｓよりも高いシフト温度Ｔｃに変更するようにした（ステップＳ５）。なお、電子膨張弁６ｅの開度Ｑｓによる制御ループにおける目標温度は変更しないため、正規の目標温度Ｔｓが維持される。図６（ｂ）中、Ｔｃがシフト温度のレベルラインを示す。これにより、圧縮機４の回転数Ｒｓによる制御の目標温度は、正規の目標温度Ｔｓよりも高いシフト温度Ｔｃに設定されるため、低負荷制御モードＭｄの実行中における圧縮機４の回転数Ｒｓは、最低回転数Ｒｄに維持される（図６（ｄ）参照）。したがって、低負荷制御モードＭｄにおける電力消費が最少限に抑制されるなど、本来の低負荷制御モードＭｄの利点は確保される。

また、以下に述べる中間処理Ｍｍが行われる（ステップＳ６）。この中間処理Ｍｍの具体的な処理手順を図２に示す。上述した切換条件を満たすことにより、圧縮機４の回転数Ｒｓは予め設定したシフト回転数Ｒｕに変更される（ステップＳ６−１）。このシフト回転数Ｒｕは、最低回転数Ｒｄよりも大きい値に設定される。例えば、一例として、最低回転数Ｒｄが１０００〔ｒｐｍ〕に設定されている場合、シフト回転数Ｒｕは、１２００〔ｒｐｍ〕に設定することができる。変更する目安は、特定の条件に拘束されるものではないが、最低回転数Ｒｄ及び回転数Ｒｓの可変制御範囲を考慮することにより、最低回転数Ｒｄに対して、１〜３割程度大きくすることができる。最低回転数Ｒｄに代えて設定されるシフト回転数Ｒｕは固定値として設定される。

そして、低負荷制御モードＭｄへの切換が行われる（ステップＳ６−２）。具体的には、電子膨張弁６ｅに対する閉ポジションの制御を解除し、ホットガスバイパス回路５の機能を有効にする。これにより、電子膨張弁６ｅは液温Ｔｗに対応して可変制御される。なお、低負荷制御モードＭｄへの切換は、上述した各処理、即ち、低負荷モード切換処理及びシフト回転数Ｒｕへの変更処理（ステップＳＡ，Ｓ６−１）と同時に行われる。

図５（ｄ）は、圧縮機４の回転数Ｒｓが低下し、ｔｓ時点で最低回転数Ｒｄになった状態を示すとともに、図５（ｂ）は、液温Ｔｗが低下し、ｔｓ時点から経過したｔ１時点で切換判定温度Ｔｄを下回った状態を示している。例示の場合、ｔｓ時点からｔ１時点までの経過時間は概ね数〔分〕程度である。したがって、例示の場合、ｔ１時点で切換条件を満たすため、このタイミングにより回転数Ｒｓがシフト回転数Ｒｕに変更されるとともに、低負荷制御モードＭｄへの切換が行われる。なお、電子膨張弁６ｅの開度Ｑｓは、図５（ｃ）に示すように、ｔ１時点から液温Ｔｗに対応した制御が行われている状態を示している。

この後、コントローラ本体３１は、液温Ｔｗに対する第一条件，継続時間条件に対する第二条件及び開度Ｑｓに対する第三条件を満たすか否かを監視する。

即ち、最初に、液温Ｔｗが判定温度範囲Ｄｓにあるか否かを監視する（ステップＳ６−３）。判定温度範囲Ｄｓは、例えば、設定液温Ｔｓに対して±０．０５〔℃〕等のように設定できる。したがって、判定温度範囲Ｄｓは、通常制御モードＭｓにおける設定した目標温度Ｔｓに対するディファレンシャルと同じに設定してもよいし、異ならせることにより、より厳しい（或いはより緩い）条件に設定してもよい。これにより、液温Ｔｗが判定温度範囲Ｄｓにあれば、第一条件を満たすことになる（ステップＳ６−４）。図５（ｂ）の場合、ｔ２時点で第一条件を満たした状態を示している。

また、この第一条件が、予め設定した監視時間Ｚｓを継続したか否かを監視するため、第一条件を満たした時点からタイマ機能３４により計時を行う（ステップＳ６−５）。この計時（監視）は、液温Ｔｗの大きさが安定したか否かを判定するものであり、経験等により任意の時間を設定可能である。これにより、例示の場合、図５（ｂ）及び（ｄ）に示すように、ｔ２時点から監視時間Ｚｓが経過しても第一条件を満たした状態にあれば、第二条件を満たすことになる（ステップＳ６−６）。

さらに、この状態において、電子膨張弁６ｅが予め設定した判定開度Ｑｐ以上になっているか否かを確認する（ステップＳ６−７）。判定開度Ｑｐとしては、例えば、全開（１００〔％〕）に対して１０〜４５〔％〕の開度を選定することができる。そして、この際、判定開度Ｑｐ以上であれば、第三条件を満たすことになる（ステップＳ６−８）。例示する図５（ｃ）は、ｔ２時点及びｔ３時点のいずれにおいても第三条件を満たした状態を示している。

この場合、第一条件から第三条件のいずれか一つでも満たさないときは、現状を維持する制御を継続する。これに対して、第一条件から第三条件の全てを満たしたなら、シフト回転数Ｒｕから予め設定した単位回転数Ｒｏを減算する処理を行う（ステップＳ６−９）。単位回転数Ｒｏの大きさの目安は、特定の条件に拘束されるものではないが、シフト回転数Ｒｕに対して、例えば、４〜８回程度の減算処理を行うことにより最低回転数Ｒｄになる大きさを設定できる。したがって、例示の場合には、単位回転数Ｒｏを５０〔ｒｐｍ〕程度に設定可能である。

図５に示す場合、ｔ３時点で第一条件から第三条件の全ての条件を満たすため、ｔ３時点でシフト回転数Ｒｕから単位回転数Ｒｏを減算する処理が行われる。例示の場合、１２００〔ｒｐｍ〕から５０〔ｒｐｍ〕を減算する処理を行う。これにより、シフト回転数Ｒｕは、１１５０〔ｒｐｍ〕に変更される。以降も同様の処理を繰り返して行う（ステップＳ６−１０，Ｓ６−３…）。図５は、ｔ３時点からｔ５時点まで計三回の減算処理が行われた状態を示している。

また、減算処理を行った際に、シフト回転数Ｒｕが最低回転数Ｒｄ又はこの近辺で安定したか否かを判定する（ステップＳ６−１０）。例示の場合、ｔ５時点では減算処理が行われている途上にあり、安定したとはいえないため、同様の監視を継続する。これに対して、図５（ｃ）に示すように、ｔ６時点では、電子膨張弁６ｅが判定開度Ｑｐ以上となる第三条件を満たさないため、シフト回転数Ｒｕから単位回転数Ｒｏを減じる減算処理を行なわずに現状態を維持する。この場合、シフト回転数Ｒｕは、最低回転数Ｒｄ又はこの近辺で安定したものと判断できるため、ｔ５時点からは、実質的に、安定した低負荷制御モードＭｓに移行したものと見做すことができる。即ち、ｔ１時点からｔ５時点までの期間は、本実施形態に係る制御方法による中間処理Ｍｍが行われたことになり、ｔ５時点以降から本来の低負荷制御モードＭｄによる制御が行われている（ステップＳ６−１０，Ｓ７）。以上の切換及び処理に係わるイメージを図５（ａ）に示す。

一方、低負荷制御モードＭｄの実行中は、通常制御モードＭｓに切換えるための切換条件が発生したか否かを監視する（ステップＳＢ）。具体的には、液温Ｔｗが予め設定した切換判定温度Ｔｕを越えたか否かを監視する（ステップＳ８）。なお、例示は、切換判定温度Ｔｕとシフト温度Ｔｃを同一に設定した場合を示すが、異ならせてもよい。この監視時における各部の状態を図６に示す。そして、液温Ｔｗが切換判定温度Ｔｕを越えたなら、予め設定した継続時間Ｚｃが経過するか否かを監視する。この場合、液温Ｔｗが切換判定温度Ｔｕを越えた時点からタイマ機能３４により計時を行う（ステップＳ９，Ｓ１０）。この切換判定温度Ｔｕは、目標温度Ｔｓに対して設定されるディファレンシャルの上限温度をやや上回る温度を設定できるとともに、継続時間Ｚｃは、経験等により任意の時間を設定可能である。

図６（ｂ）におけるｔｃ時点は、液温Ｔｗが切換判定温度Ｔｕを越えた時点を示している。また、図６の場合、ｔ７時点が継続時間Ｚｃが経過した時点を示すとともに、このｔ７時点まで液温Ｔｗが切換判定温度Ｔｕを越えていることを示している。

したがって、図６の場合、ｔ７時点で切換条件を満たすため、通常制御モードＭｓへの切換を行う（ステップＳ１１，Ｓ１２）。これにより、通常制御モードＭｓによる制御が行われる（ステップＳ１…）。この場合、図６（ａ）に示すように、ｔ７時点から通常制御モードＭｓが実行される。この結果、図６（ｃ）に示すように、ｔ７時点で電子膨張弁６ｅは閉ポジション（開度Ｑｓは０）に制御されるとともに、シフト温度Ｔｃの設定が解除され、圧縮機４の回転数Ｒｓによる制御ループにおける目標温度が正規の目標温度Ｔｓが変更される。なお、ｔｃ時点では液温Ｔｗが切換判定温度Ｔｕを越えると同時に、シフト温度Ｔｃを越えるため、図６（ｄ）に示すように、圧縮機４の回転数Ｒｓは最低回転数Ｒｄから上昇を開始する。

よって、このような本実施形態に係るチラーＣの制御方法によれば、通常制御モードＭｓ時に、回転数ＲｓをＰＩＤ制御によるインバータ４ｉにより可変して冷却液Ｌｗの液温Ｔｗを、予め設定した目標温度Ｔｓに制御し、低負荷モード切換条件を満たしたなら、少なくとも、回転数Ｒｓに対するＰＩＤ制御を維持しつつ当該ＰＩＤ制御による目標温度を正規の目標温度Ｔｓよりも高いシフト温度Ｔｃに変更して低負荷制御モードＭｄに切換えるとともに、低負荷制御モードＭｄ時に、液温Ｔｗが予め設定した切換判定温度Ｔｕを越えたなら予め設定した継続時間Ｚｃの経過後に、通常制御モードＭｓに切換えるようにしたため、低負荷制御モードＭｄから通常制御モードＭｓへの切換時にはＰＩＤ制御の中断を招くことなく制御の連続性を確保できる。この結果、モード切換時における温度Ｔｗの無用な変動（オーバーシュート）を抑制し、安定性をより高めることができるとともに、温度制御の継続的な高精度化を実現できるなど、低負荷制御モードから通常制御モードへ切換える制御をより最適化できる。

しかも、通常制御モードＭｓ時に、低負荷モード切換条件を満たしたなら、回転数Ｒｓを最低回転数Ｒｄよりも大きいシフト回転数Ｒｕに変更して低負荷制御モードＭｄに切換えるとともに、この後、液温Ｔｗが予め設定した判定温度範囲Ｄｓにある第一条件，この第一条件が予め設定した監視時間Ｚｓ継続する第二条件及び電子膨張弁６ｅが予め設定した判定開度Ｑｐ以上にある第三条件を満たしたなら、シフト回転数Ｒｕから予め設定した単位回転数Ｒｏを減算する中間処理Ｍｍを行うようにしたため、通常制御モードＭｓから低負荷制御モードＭｄへの切換時においても、切換時の安定性を向上させ、温度制御の継続的な高精度化を実現できるとともに、消費電力が大きくなる不具合を回避できるなど、通常制御モードＭｓから低負荷制御モードＭｄへ切換える制御もより最適化できる。

以上、好適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，手法，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、被冷却媒体Ｌとして、冷却液Ｌｗを例示したが、その他、空気やガス等の気体であってもよいし、固体の被冷却媒体Ｌを排除するものではない。したがって、熱交換器３の形態やこの熱交換器３の二次側３ｓに接続される冷却液回路１１や被冷却部７１は、他の各種構造体により置換できる。また、圧縮機４の駆動手段としてインバータ４ｉにより制御される電動モータを例示したが、駆動手段としては、オイルモータ，エアモータ，エンジン等の他の駆動手段であっても同様に適用できる。さらに、制御弁６（２２）として電子膨張弁６ｅを用いた場合を示したが、同様の機能を発揮できる他の制御弁の使用を排除するものではない。

本発明に係るチラーの制御方法及び装置は、熱交換器の負荷状態に応じて通常制御モード又は低負荷制御モードへのモード切換制御機能を備える各種形態のチラー（冷却装置）に利用できる。

１：制御装置，２：冷凍サイクル，３：熱交換器，３ｆ：熱交換器の一次側，３ｓ：熱交換器の二次側，４：圧縮機，４ｉ：インバータ，５：ホットガスバイパス回路，６：制御弁，６ｅ：電子膨張弁，１１：冷却液回路，Ｃ：チラー，Ｌ：被冷却媒体，Ｌｗ：冷却液，Ｍｓ：通常制御モード，Ｍｄ：低負荷制御モード，Ｍｍ：中間処理，Ｒｓ：回転数，Ｒｄ：最低回転数，Ｒｕ：シフト回転数，Ｒｏ：単位回転数，Ｔｗ：被冷却媒体の温度（液温），Ｔｓ：目標温度（正規の目標温度），Ｔｃ：シフト温度，Ｔｕ：切換判定温度，Ｔｄ：切換判定温度，Ｑｓ：開度，Ｑｐ：判定開度，Ｚｃ：継続時間，Ｚｓ：監視時間，Ｄｓ：判定温度範囲

Claims (8)

1. 冷凍サイクルの一部を構成する熱交換器により被冷却媒体を冷却し、前記熱交換器の負荷状態に応じて通常制御モード又は低負荷制御モードに切換えるとともに、前記通常制御モードでは、前記冷凍サイクルの一部を構成する圧縮機の回転数を可変して前記被冷却媒体の温度を制御し、かつ前記低負荷制御モードでは、前記冷凍サイクルに接続したホットガスバイパス回路における制御弁の開度を可変して前記温度を制御するチラーの制御方法であって、前記通常制御モード時に、前記回転数をＰＩＤ制御によるインバータにより可変して前記被冷却媒体の温度を、予め設定した目標温度に制御し、予め設定した低負荷モード切換条件を満たしたなら、少なくとも、前記回転数に対するＰＩＤ制御を維持しつつ当該ＰＩＤ制御による目標温度を正規の前記目標温度よりも高いシフト温度に変更して前記低負荷制御モードに切換えるとともに、前記低負荷制御モード時に、前記温度が予め設定した切換判定温度を越えたなら、予め設定した継続時間の経過後に、前記通常制御モードに切換えることを特徴とするチラーの制御方法。
2. 前記低負荷モード切換条件は、前記回転数が最低回転数になり、かつ前記温度が予め設定した切換判定温度を下回ること、を条件とすることを特徴とする請求項１記載のチラーの制御方法。
3. 前記通常制御モード時に、前記低負荷モード切換条件を満たしたなら、前記回転数を最低回転数よりも大きい予め設定したシフト回転数に変更して前記低負荷制御モードに切換えるとともに、この後、前記温度が予め設定した判定温度範囲にある第一条件，この第一条件が予め設定した監視時間継続する第二条件及び前記制御弁が予め設定した判定開度以上にある第三条件を満たしたなら、前記シフト回転数から予め設定した単位回転数を減算する中間処理を行うことを特徴とする請求項１記載のチラーの制御方法。
4. 冷凍サイクルの一部を構成することにより被冷却媒体を冷却する熱交換器の負荷状態に応じて通常制御モード又は低負荷制御モードへ切換制御するモード切換制御機能と、前記冷凍サイクルの一部を構成する圧縮機の回転数を可変して前記被冷却媒体の温度を制御する前記通常制御モードを実行する通常制御機能と、前記冷凍サイクルに接続したホットガスバイパス回路における制御弁の開度を可変して前記温度を制御する前記低負荷制御モードを実行する低負荷制御機能とを備えてなるチラーの制御装置であって、前記通常制御モード時に前記回転数をＰＩＤ制御によるインバータにより可変して前記被冷却媒体の温度を予め設定した目標温度に制御する通常制御機能と、低負荷モード切換条件を満たしたなら、少なくとも、前記回転数に対するＰＩＤ制御を維持しつつ当該ＰＩＤ制御による目標温度を正規の前記目標温度よりも高いシフト温度に変更して前記低負荷制御モードに切換える低負荷モード切換制御機能と、前記低負荷制御モード時に前記温度が予め設定した切換判定温度を越えたなら予め設定した継続時間の経過後に前記通常制御モードに切換える通常モード切換制御機能とを備えてなることを特徴とするチラーの制御装置。
5. 前記被冷却媒体には、少なくとも冷却液を含むことを特徴とする請求項４記載のチラーの制御装置。
6. 前記通常制御モード時に、前記低負荷モード切換条件を満たしたなら、前記回転数を最低回転数よりも大きい予め設定したシフト回転数に変更して前記低負荷制御モードに切換える低負荷モード切換制御機能と、前記低負荷制御モードへの切換後に、前記温度が予め設定した判定温度範囲にある第一条件，この第一条件が予め設定した監視時間継続する第二条件及び前記制御弁が予め設定した判定開度以上にある第三条件を満たしたなら、前記シフト回転数から予め設定した単位回転数を減算する処理を行う中間処理機能とを備えることを特徴とする請求項４記載のチラーの制御装置。
7. 前記熱交換器は、一次側を前記冷凍サイクルに接続し、かつ二次側を前記冷却液が流通する冷却液回路に接続してなることを特徴とする請求項４記載のチラーの制御装置。
8. 前記制御弁は、前記ホットガスバイパス回路に直列接続した電子膨張弁であることを特徴とする請求項４記載のチラーの制御装置。

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