JP6542731B2 - 循環式冷却機 - Google Patents

Description

本発明は、液体を循環させながら冷却する循環式冷却機に係り、特に、外部からの液体の供給量を調整する供給バルブの制御に関する。

従来より、液体を循環させながら冷却する循環式冷却機が知られている。例えば、特許文献１には、外部の給水源から水槽内に水を供給すると共に、水槽内の水を循環ポンプで循環させながら冷却器（エバポレータ）にて冷却する氷蓄式冷水供給装置が開示されている。この冷水供給装置では、水槽内の水位に応じて、給水バルブ（供給バルブ）の開閉による給水が行われる。すなわち、水位が所定のレベルよりも低くなった場合、給水バルブを開いて給水を実行し、水位が所定レベル以上になった場合、給水バルブを閉じて給水を停止する。

特開平８−１２１９３１号公報

従来の循環式冷却機において、送出系より送出される冷却液体の温度は、冷媒の循環系に設けられた圧縮機を動作／停止させることによって、一定の温度範囲内に収まるように制御される。また、液体の供給系に設けられた供給バルブの開閉は、液体を貯留する液槽内の液位に応じて行われ、液体の供給時には、常に一定の供給量で液体の供給が行われる。ここで、外部から供給される常温の液体は冷却器にとっての熱負荷となるため、冷却器の冷却能力を超えた熱負荷が大量に加わると、冷却液体の急激な温度変化を招くことになる。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、外部から供給される液体の熱負荷に起因した冷却液体の温度変化を緩和することである。

かかる課題を解決すべく、本発明は、液槽と、冷却器と、供給系と、供給バルブと、送出系と、送出バルブと、循環系と、温度センサと、制御部とを有し、液体を循環させながら冷却する循環式冷却機を提供する。液槽には、液体が貯留される。冷却器は、冷媒との熱交換によって、液体を冷却する。供給系は、外部から液槽内に、冷却器にとっての熱負荷となる液体を供給する。供給バルブは、供給系に設けられている。送出系は、液槽内に貯留された液体を、液槽内に戻すことなく外部に送出する。送出バルブは、送出系に設けられている。循環系は、液槽より汲み出された液体を冷却器に供給し、冷却器によって冷却された液体を液槽に放出することによって、液体を循環させる。温度センサは、送出系より送出される液体の送出温度を検出する。制御部は、温度センサによって検出された送出温度が上昇した場合、冷却器にとっての熱負荷が減少するように供給バルブを制御し、かつ、温度センサによって検出された記送出温度が低下した場合、冷却器にとっての熱負荷が増大するように供給バルブを制御することによって、送出系より送出される液体の送出温度が一定の温度範囲内に収まるように制御する。

ここで、本発明において、上記制御部は、送出温度が第１の温度の場合、供給バルブの開度を第１の開度に設定し、送出温度が第１の温度よりも高い第２の温度の場合、供給バルブの開度を第１の開度よりも小さい第２の開度に設定することが好ましい。この場合、上記制御部は、送出温度が第１の温度から第２の温度に上昇するのに従って、供給バルブの開度を第１の開度から第２の開度に連続的に減少させてもよい。また、これに代えて、上記制御部は、送出温度が第１の温度に低下するまでの間、供給バルブを全閉状態に維持し、送出温度が第２の温度に上昇するまでの間、供給バルブを全開状態に維持してもよい。

また、本発明において、上記制御部は、上記供給バルブの開度の制御として、送出温度と設定温度との偏差に基づいたフィードバック制御を行ってもよい。このフィードバック制御は、送出体温度と設定温度との偏差に比例して供給バルブの開度を変化させる比例動作と、この偏差の積分値に基づいて供給バルブの開度を変化させる積分動作と、この偏差の微分値に基づいて供給バルブの開度を変化させる微分動作とを含むＰＩＤ制御であることが好ましい。

さらに、本発明において、上記制御部は、上記送出温度に加えて、冷媒を高圧液化する圧縮機の動作状態、供給系を流れる液体の温度、および、供給系を流れる液体の圧力の少なくとも一つに基づいて、供給バルブの開度を制御してもよい。

本発明によれば、液体を循環させながら冷却すると共に、液槽内に貯留された液体を液槽内に戻すことなく外部に送出する循環式冷却機において、冷却器にとっての熱負荷となる外部からの液体の供給量そのものを動的に調整して、冷却液体の送出温度が一定の温度範囲内に収まるようにすることで、熱負荷に起因した冷却液体の温度変化が緩和され、送出温度を精度よく制御できる。

循環式冷却機の全体構成図 制御系のブロック図 第１の実施形態に係る送出温度およびバルブ開度の特性を示す図 第２の実施形態に係る送出温度およびバルブ開度の特性を示す図 第３の実施形態に係る送出温度およびバルブ開度の特性を示す図 第４の実施形態に係るバルブ制御の説明図 ＰＩＤ制御における送出温度およびバルブ開度の経時変化を示す図 第５の実施形態に係る循環式冷却機の全体構成図 第５の実施形態に係るバルブ制御のブロック図

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る循環式冷却機の概略的な全体構成図である。この循環式冷却機１は、冷却対象となる液体を循環させながら冷却する。冷却対象となる液体として、食品、水産、理化学等の各種分野で使用される冷水、飲料水、塩水、飲料（ジュース、ビール等）、ブラインなどを含めて、流動性を有する様々な液体を任意に用いることができる。

循環式冷却機１は、液槽２と、冷却器３と、液体循環系４と、冷媒循環系５と、供給系６と、送出系７とを主体に構成されている。液槽２には、液体が貯留されており、その底面には、冷媒との熱交換によって液体を冷却するための冷却器３が設置されている。液体循環系４は、冷却器３における液体の出入口に接続されており、液槽２内に貯留された液体をポンプ４ａで汲み出して冷却器３に供給すると共に、冷却器３によって冷却された液体を液槽２内に放出する。供給系６は、液槽２内に外部から液体（通常は常温）を供給する。

温度センサ４ｂは、送出系４を介して外部に送出される冷却液体の温度、すなわち、循環式冷却機１によって冷却処理された液体の温度（以下、「送出温度Ｔ」という。）を検出する。図１の構成では、液体循環系４における液槽２の下流側かつポンプ４ａの上流側の流路が送出系７の一部として共用されているため、この部分に温度センサ４ｂが設けられている。温度センサ４ｂの設置位置については、送出系７より送出される冷却液体と実質的に同一温度とみなせる箇所、あるいは、冷却液体の温度を特定可能な箇所であれば、いずれに設置してもよい。図１の構成では、液槽２の内部、液体循環系４の一部（ポンプ４ａの下流側かつ冷却器３の上流側）、送出系７は、いずれも実質的に同一温度なので、いずれに温度センサ４ｂを設置してもよい。本明細書において、「送出温度」とは、送出系４より送出される冷却液体の温度と実質的に同一と見なせる温度、あるいは、冷却液体の温度と相関を有するが故に、冷却液体の温度を特定・推定可能な温度を広く含む概念として用いられる。

冷媒循環系５は、冷却器１における冷媒の出入口に接続されており、圧縮機および凝縮器よりなる冷凍機５ａと、膨張バルブ５ｂとを備えている。冷凍機５ａの運転中、冷媒は、冷凍サイクルを繰り返しながら冷媒循環系５を循環する。すなわち、冷凍機５ａに供給された冷媒は、圧縮機によって圧縮されて高温高圧ガスとなり、凝縮器によって凝縮（液化）された上で、高圧液となって冷凍機５ａより放出される。高圧液化された冷媒は、膨張バルブ５ｂによって減圧され、低圧液となって冷却器３に供給される。低圧液化された冷媒は、冷却器３における液体との熱交換によって蒸発（気化）し、低圧ガスとなって冷凍機５ａに戻される。このような冷媒の冷凍サイクルにおいて、冷却器３内を流れる液体は、低圧液化された冷媒が気体に相変化する際の気化熱によって冷却される。また、冷媒循環系５において、冷却器３と冷凍機５ａとの間には、冷媒の蒸発圧力（冷凍機５ａの入口におけるガス吸入圧力）を検知する蒸発圧力センサ５ｃが設けられている。

レベルセンサ８は、液槽２に貯留された液体の液位（液体表面の高さ）を検知する。このレベルセンサ８によって満液状態からの液位の減少が検知された場合、供給系６に設けられた電動式の供給バルブ６ａを介して、外部の供給源より液槽２内に液体が供給・補充される。また、送出系７は、液槽２内に貯留された液体を、冷却器３を介することなく、外部に直接送出する。本実施形態において、送出系７は、液体循環系４における冷却器３の直上流側、具体的には、ポンプ４ａの下流側かつ冷却器３の上流側に一端が取り付けられており、ポンプ４ａによって汲み出された液体が外部に送出される。また、送出系７には、送出バルブ７ａが設けられている。

図２は、循環式冷却機１における制御系のブロック図である。循環式冷却機１における全体的な動作制御は、制御部９によって行われる。この制御部９には、循環式冷却機１の状態を検出するセンサとして、温度センサ４ｂと、蒸発圧力センサ５ｃと、レベルセンサ８とが接続されている。制御部９は、これらのセンサ４ｂ，５ｃ，８からのセンサ信号に基づいて、ポンプ４ａと、冷凍機５ａと、供給バルブ６ａを制御する。

つぎに、循環式冷却機１の動作について説明する。循環式冷却機１の動作モードには、初期運転と、定常運転とが存在する。定常運転に先立つ初期運転では、送出バルブ７ａが全閉した状態で、電源の投入によって循環式冷却機１を始動させ、液槽２内にある程度冷却された液体が貯留される。具体的には、まず、液槽２内への液体の供給を速やかに行うために、供給バルブ６ａの開度θが強制的に全開（１００％）に設定され、供給系６の最大供給能力で液体の供給が行われる。つぎに、貯留槽２内の液位が所定値に到達したことがレベルセンサ８によって検知された時点で、ポンプ４ａの動作が開始し、これによって、液体循環系４を液体が流れ始める。これ以降、ポンプ４ａの動作は、定常運転時も含めて、冷却機５ａの動作状態（動作／停止）の如何を問わず継続される。

その後、ポンプ４ａの動作開始よりも若干遅延して、冷凍機５ａが動作し始める。これによって、冷却器３における冷媒との熱交換が生じ、液体循環系４を流れる液体の冷却が開始される。ここで、冷凍機５ａは、蒸発圧力センサ５ｃによって検知された冷媒の蒸発圧力に基づいて、蒸発圧力が一定になるように、自己が備える圧縮機の動作周波数が可変に制御される（例えば、８０〜３０Ｈｚ）。これにより、冷凍機５ａの停止時間を長く設定できると共に、冷凍機５ａの動作／停止の切替頻度（いわゆるハンチング）が抑制されるので、運転効率が向上する（低周波数時）。なお、冷凍機５ａは、常時、一定の周波数で動作させてもよい。

また、貯留槽２内の液位が所定値に到達したことがレベルセンサ８によって検知された時点で、供給バルブ６ａが全閉（０％）して、供給系６からの液体の供給が停止する。これにより、冷却器３によって液体が冷却され、冷却液体の温度が徐々に低下していく。

液体の冷却が進行して、温度センサ４ｂによって検出された送出温度Ｔが所定値に到達した場合、循環式冷却機１の動作モードが初期運転から定常運転に移行する。これにより、全閉状態にあった送出バルブ７ａが全開して、送出系７からの冷却液体の送出が開始される。定常運転時には、供給バルブ６ａの開度θをリアルタイムで調整することによって、冷却液体の温度が一定の温度範囲内に収めるように制御される。

図３は、第１の実施形態に係る送出温度Ｔおよびバルブ開度θの特性を示す図である。定常運転時において、送出温度Ｔは、Ａ（Ｔ１，θ１），Ｂ（Ｔ２，θ２）の２点間を推移するものとして、予め設定されている。ここで、Ｔ１は送出下限温度、Ｔ２は送出上限温度、θ１は最大供給開度、θ２は最小供給開度である。送出温度Ｔが送出下限温度Ｔ１の場合、供給バルブ６ａの開度θが最大供給開度θ１に設定される。また、送出温度Ｔが送出上限温度Ｔ２（＞Ｔ１）の場合、供給バルブ６ａの開度θが最小供給開度θ２（＜θ１）に設定される。２つの点Ａ，Ｂ間の中間値については、点Ａ，Ｂに基づく線形補間（比例制御）によって算出される。これにより、本実施形態では、送出温度Ｔおよびバルブ開度θの特性は、直線状かつ連続した特性となる。２つの点Ａ，Ｂは、外部から供給される液体の熱負荷と、冷却器３の冷却能力とがバランスするように、実験やシミュレーションを通じて適切に決定される。なお、２つの点Ａ，Ｂは、循環式冷却機１の現場環境、使用目的に応じて変化させてもよい。制御部９は、図示した特性に従って、送出温度Ｔ（入力）からバルブ開度θ（出力）を算出し、供給バルブ６ａの開度θを可変に制御する。

なお、送出温度Ｔ（入力）に基づくバルブ開度θ（出力）の特定手法としては、上述した２つの点Ａ，Ｂに基づく線形補間の他に、予め用意された一次関数に送出温度Ｔを代入してバルブ開度θを算出する演算手法や、送出温度Ｔとバルブ開度θとの関係が記述されたテーブルを参照するテーブル参照手法などを用いてもよい。

定常運転時において、供給系６からの常温液体の供給と、送出系７からの冷却液体の送出とが並行して行われる場合、常温液体は冷却器３にとっての熱負荷となるため、冷却器３の冷却能力を超えた熱負荷が加わると、冷却液体の上昇を招く。しかしながら、本実施形態では、温度センサ４ｂによって送出温度Ｔの上昇が検知されると、供給バルブ６ａの開度θが小さくなるように制御される。これにより、冷却器３の冷却能力に見合うように、液体供給による熱負荷が減少して、送出温度Ｔの上昇率が小さくなる。一方、温度センサ４ｂによって送出温度Ｔの低下が検知されると、供給バルブ６ａの開度θが大きくなるように制御される。これにより、冷却器３の冷却能力に見合うように、液体供給による熱負荷が増大して、送出温度Ｔの低下率が小さくなる。このようなプロセスを経ることで、冷却器３の冷却能力に見合った量に熱負荷が動的に調整され、送出温度Ｔが一定の温度範囲内に収まることになる。

このように、本実施形態によれば、供給系６に設けられた供給バルブ６ａの開度θを制御することによって、冷却器３にとっての熱負荷となる液体の供給量を動的に調整する。すなわち、送出温度ＴがＴ１からＴ２に上昇するのに従って、供給バルブ６ａの開度θはθ１からθ２に向かって連続的かつ線形的に減少していく。逆に、送出温度ＴがＴ２からＴ１に減少するのに従って、供給バルブ６ａの開度θはθ２からθ１に向かって連続的かつ線形的に増加していく。このように、外部より印加される熱負荷の量そのものを制御して、送出温度Ｔが一定の温度範囲内に収まるように制御することで、熱負荷に起因した冷却液体の温度変化を緩和でき、冷却液体の温度を精度よく制御できる。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る送出温度Ｔおよびバルブ開度θの特性を示す図である。第１の実施形態と同様に、定常運転時の送出温度Ｔは、Ａ（Ｔ１，θ１），Ｂ（Ｔ２，θ２）の２点間を推移するものとして、予め設定されている。２つの点Ａ，Ｂ間の特性としては、曲線状（例えば、二次曲線）に連続した特性となる。点Ａ，Ｂ間の中間値については、２点Ａ，Ｂを通る二次関数等に基づいて算出してもよいし、上述したテーブル参照方式などを用いてもよい。制御部９は、図示した特性に従って、送出温度Ｔ（入力）からバルブ開度θ（出力）を算出し、供給バルブ６ａの開度θを可変に制御する。それ以外の点は、第１の実施形態と同様なので、ここでの説明を省略する。

本実施形態によれば、第１の実施形態と同様、熱負荷に起因した冷却液体の温度変化を緩和でき、冷却液体の温度を精度よく制御できる。特に、本実施形態によれば、２つの点Ａ，Ｂ間の中間値を第１の実施形態よりも高い自由度で設定することができる。

（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態に係る送出温度Ｔおよびバルブ開度θの特性を示す図である。本実施形態では、バルブ開度θが全開（１００％）、全閉（０％）に切り替えられる。定常運転における温度範囲をＴ１〜Ｔ２とすると、送出温度Ｔが下限値Ｔ１に到達するまでの間（温度下降中）、供給バルブ６ａの開度θが０％に設定される。これにより、供給系６からの液体の供給が停止した状態で、送出温度Ｔが減少していく。一方、送出温度Ｔが上限値Ｔ２に到達するまでの間（温度上昇中）、供給バルブ６ａの開度θが１０００％に設定される。これにより、供給系６からの液体の供給が実行されている状態で、送出温度Ｔが上昇していく。

本実施形態によれば、上述した各実施形態と同様、熱負荷に起因した冷却液体の温度変化を緩和でき、冷却液体の温度を精度よく制御できる。特に、本実施形態によれば、上限値T２から下限値T１への温度下降中と、下限値T１から上限値T２への温度上昇中とで、供給バルブ６ａを異なる状態に維持することで、供給バルブ６ａの全開／全閉の切り替えが頻度に生じること（いわゆるハンチング）を抑制できる。

（第４の実施形態）
上述した各実施形態では、送出温度Ｔを入力としたバルブ開度θの設定手法について説明したが、本実施形態では、所定の設定温度（目標値）と送出温度Ｔ（実際値）との偏差に基づいたフィードバック制御にてバルブ開度θを設定する手法について説明する。このようなフィードバック制御の一例として、ＰＩＤ制御（Proportional-Integral-Differential Controller）を用いることができる。

図６は、本実施形態に係るバルブ制御の説明図である。あるタイミングｔ１におけるバルブ開度θは、比例動作Ｐと、積分動作Ｉと、微分動作Ｄとを加算合成した、以下の数式よって算出される。比例動作Ｐでは、設定温度（目標値）と送出温度Ｔ（実際値）との現在の偏差ｅに比例した修正量で、バルブ開度θを変化させる。積分動作Ｉでは、過去の偏差ｅの積分値に比例した修正量で、バルブ開度θを変化させる。微分動作Ｄでは、偏差ｅの微分値（温度勾配）に基づいて、バルブ開度θを変化させる。

図７は、ＰＩＤ制御における送出温度Ｔおよびバルブ開度θの経時的な変化を示す図である。送出温度Ｔが下降している場合には、これに追従して、バルブ開度θが大きくなるように制御される。これにより、冷却器３の冷却能力に見合うように、液体供給による熱負荷が増大して、送出温度Ｔの下降率が小さくなる。一方、送出温度Ｔが上昇している場合には、これに追従して、バルブ開度θが小さくなるように制御される。これにより、冷却器３の冷却能力に見合うように、液体供給による熱負荷が減少して、送出温度Ｔの上昇率が小さくなる。

本実施形態によれば、上述した実施形態と同様、熱負荷に起因した冷却液体の温度変化を緩和でき、冷却液体の温度を精度よく制御できる。特に、本実施形態によれば、フィードバック制御の一種であるＰＩＤ制御を行うことで、冷却液体の温度をより精度よく制御することが可能となる。

（第５の実施形態）
図８は、第５の実施形態に係る循環式冷却機１の全体構成図である。図１の構成との相違は、温度センサ６ｂおよび圧力センサ６ｃを供給系６に追加した点にあり、それ以外は図１の構成と同じである。温度センサ６ｂは、供給系６より供給される液体の供給温度を検出する。また、圧力センサ６ｃは、供給系６より供給される液体の供給圧力を検出する。

図９は、本実施形態に係るバルブ制御のブロック図である。本実施形態では、上述した温度センサ４ｂのセンサ値に加えて、温度センサ６ｂのセンサ値、圧力センサ６ｃのセンサ値、および、冷媒を高圧液化する圧縮機５ａの動作状態の少なくとも一つに基づいて、供給バルブ６ａの開度θが制御される。温度センサ６ｂによって検出された温度、すなわち、供給系６より供給される液体の温度が高くなるほど、冷却器３にとっての熱負荷が大きくなる。よって、この温度を考慮してバルブ開度θを制御すれば、冷却液体の温度をより精度よく制御できる。また、圧力センサ６ｃによって検出された温度、すなわち、供給系６より供給される液体の圧力が大きくなるほど、単位時間当たりの液体の供給量が増大するため、冷却器３にとっての熱負荷が大きくなる。よって、この圧力を考慮してバルブ開度θを制御すれば、冷却液体の温度をより精度よく制御できる。さらに、圧縮機５ａの動作状態として、例えば、圧縮機５ａが停止している場合や、低周波数で動作している場合、冷却器３の冷却能力が低下する。よって、この動作状態を考慮してバルブ開度θを制御すれば、冷却液体の温度をより精度よく制御できる。

１ 循環式冷却機
２ 液槽
３ 冷却器
４ 液体循環系
４ａ ポンプ
４ｂ 温度センサ
５ 冷媒循環系
５ａ 冷凍機
５ｂ 膨張バルブ
５ｃ 蒸発圧力センサ
６ 供給系
６ａ 供給バルブ
６ｂ 温度センサ
６ｃ 圧力センサ
７ 送出系
７ａ 送出バルブ
８ レベルセンサ
９ 制御部

Claims (7)

1. 液体を循環させながら冷却する循環式冷却機において、
   液体が貯留される液槽と、
   冷媒との熱交換によって、液体を冷却する冷却器と、
   外部から前記液槽内に、前記冷却器にとっての熱負荷となる液体を供給する供給系と、
   前記供給系に設けられた供給バルブと、
   前記液槽内に貯留された液体を、前記液槽内に戻すことなく外部に送出する送出系と、
   前記送出系に設けられた送出バルブと、
   前記液槽より汲み出された液体を前記冷却器に供給し、前記冷却器によって冷却された液体を前記液槽に放出することによって、液体を循環させる循環系と、
   前記送出系より送出される液体の送出温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサによって検出された前記送出温度が上昇した場合、前記冷却器にとっての熱負荷が減少するように前記供給バルブを制御し、かつ、前記温度センサによって検出された前記送出温度が低下した場合、前記冷却器にとっての熱負荷が増大するように前記供給バルブを制御することによって、前記送出系より送出される液体の送出温度が一定の温度範囲内に収まるように制御する制御部と
   を有することを特徴とする循環式冷却機。
2. 前記制御部は、前記冷媒を高圧液化する圧縮機の動作状態、前記供給系を流れる液体の温度、および、前記供給系を流れる液体の圧力の少なくとも一つに基づいて、前記供給バルブの開度を制御することを特徴とする請求項１に記載された循環式冷却機。
3. 前記制御部は、前記送出温度が第１の温度の場合、前記供給バルブの開度を第１の開度に設定し、前記送出温度が前記第１の温度よりも高い第２の温度の場合、前記供給バルブの開度を前記第１の開度よりも小さい第２の開度に設定することを特徴とする請求項１または２に記載された循環式冷却機。
4. 前記制御部は、前記送出温度が前記第１の温度から前記第２の温度に上昇するのに従って、前記供給バルブの開度を前記第１の開度から前記第２の開度に連続的に減少させることを特徴とする請求項３に記載された循環式冷却機。
5. 前記制御部は、前記送出温度が前記第１の温度に低下するまでの間、前記供給バルブを全閉状態に維持し、前記送出温度が前記第２の温度に上昇するまでの間、前記供給バルブを全開状態に維持することを特徴とする請求項３に記載された循環式冷却機。
6. 前記制御部は、前記供給バルブの開度の制御として、前記送出温度と設定温度との偏差に基づいたフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載された循環式冷却機。
7. 前記フィードバック制御は、前記偏差に比例して前記供給バルブの開度を変化させる比例制御と、前記偏差の積分値に基づいて前記供給バルブの開度を変化させる積分制御と、前記偏差の微分値に基づいて前記供給バルブの開度を変化させる微分制御とを含むＰＩＤ制御であることを特徴とする請求項６に記載された循環式冷却機。

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