JP6987598B2 - 冷凍サイクルの制御装置、熱源装置、及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍サイクルの制御装置、熱源装置、及びその制御方法に関するものである。

例えば、ターボ冷凍機や空気調和機等の冷凍サイクルを有する熱源装置では、ホットガスバイパス管を用いて圧縮機吐出部または凝縮器から圧縮機吸込部または蒸発器へ冷媒ガスをバイパスさせ、圧縮機に必要な最小風量を確保しながら低負荷における安定した運転を実現する方法が提案されている（例えば、特許文献１等）。

特開２０１０−２３６８３３号公報

しかしながら、ホットガスバイパス管やバルブを設ける必要があるため、装置の大型化やコストの増大を招く。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ホットガスバイパス管を用いることなく、安定した低負荷運転を実現することのできる冷凍サイクルの制御装置、熱源装置、及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明の第一態様は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器から導かれた液冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器とを備えた冷凍サイクルの制御装置であって、現在の実冷凍能力を用いて現在の風量を演算する風量演算手段と、前記圧縮機の運転状態に関するパラメータを用いて前記圧縮機の必要最小風量を演算する最小風量演算手段と、前記現在の風量が前記圧縮機の必要最小風量未満である場合に、前記膨張弁の開度を増加させる方向に制御する冷凍サイクルの制御装置である。

上記構成によれば、現在の風量が必要最小風量未満である場合には、膨張弁の開度が増加する方向に制御される。これにより、冷凍能力を満足する冷媒よりも多めのガス冷媒を蒸発器に導くことが可能となる。この結果、要求冷凍能力を満足することができるとともに、低負荷における圧縮機の安定運転を実現することが可能となる。

上記冷凍サイクルの制御装置は、要求冷凍能力に応じた基準開度指令値を演算する基準指令演算手段と、前記現在の風量と前記圧縮機の必要最小風量との差分に応じた補正開度指令値を演算する補正指令演算手段と、前記基準開度指令値と前記補正開度指令値とを加算し、前記膨張弁の開度指令値を演算する開度指令値演算手段とを更に備えていてもよい。

上記構成によれば、現在の風量と必要最小風量との差分に応じた補正開度指令値が補正指令演算手段によって演算され、開度指令値演算手段によって、基準開度指令値と補正開度指令値とが加算された開度指令値が演算される。そして、この開度指令値に基づいて膨張弁の開度が制御される。これにより、現在の風量が必要最小風量未満である場合には、必要最小風量を確保するために必要となるガス冷媒が液冷媒とともに膨張弁から蒸発器に導かれることとなる。この結果、要求冷凍能力を満足することができるとともに、低負荷における圧縮機の安定運転を実現させることが可能となる。

上記冷凍サイクルの制御装置は、要求冷凍能力に応じた基準開度指令値に前記圧縮機の必要最小風量に対する補正開度指令値が加算された開度指令値と、前記要求冷凍能力とが対応付けられた開度指令情報を有し、前記開度指令情報から現在の要求冷凍能力に対応する開度指令値を決定することとしてもよい。

上記構成によれば、開度指令情報を用いることにより、要求冷凍能力及び必要最小風量の両方を満足する開度指令値を容易に取得することが可能となる。

上記冷凍サイクルは、前記凝縮器と前記蒸発器との間に設けられた中間冷却器を備え、前記膨張弁は、前記凝縮器と中間冷却器との間に設けられた第１膨張弁と、前記中間冷却器と前記蒸発器との間に設けられた第２膨張弁とを備えていてもよい。更に、このような構成において、上記冷凍サイクルの制御装置は、前記現在の風量が前記圧縮機の必要最小風量未満である場合に、前記第１膨張弁の開度及び前記第２膨張弁の開度を増加させる方向にそれぞれ制御することとしてもよい。

このような構成によれば、２段圧縮型の圧縮機に対しても要求冷凍能力及び必要最小風量の両方を満足する開度指令値によって第１膨張弁及び第２膨張弁を制御することが可能となる。これにより、低負荷における圧縮機の安定運転を実現させることが可能となる。

本発明の第二態様は、上記の前記冷凍サイクルの制御装置を備える熱源装置である。

本発明の第三態様は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器から導かれた液冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器とを備えた冷凍サイクルの制御方法であって、現在の実冷凍能力を用いて現在の風量を演算し、前記圧縮機の運転状態に関するパラメータを用いて前記圧縮機の必要最小風量を演算し、前記現在の風量が前記圧縮機の必要最小風量未満である場合に、前記膨張弁の開度を増加させる方向に制御する冷凍サイクルの制御方法である。

本発明によれば、ホットガスバイパス管を用いることなく、安定した低負荷運転を実現することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るターボ冷凍機を示した概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る制御装置の機能ブロック図を示した図である。 本発明の一実施形態に係る風量（∝冷凍能力）と開度指令値（ＣＶ値）との関係を示した図である。 本発明の一実施形態に係る膨張弁の開度制御について、冷媒のモリエル線図を用いて説明した図である。 本発明の他の実施形態に係るターボ冷凍機を示した概略構成図である。 本発明の他の実施形態に係る膨張弁の開度制御について、冷媒のモリエル線図を用いて説明した図である。

以下、本発明の一実施形態に係る冷凍サイクルの制御装置、熱源装置、及びその制御方法について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、冷凍サイクルを備える熱源装置としてターボ冷凍機を例示して説明するが、本発明はこの一例に限定されるものではなく、熱源装置は、空気調和機、給湯器等であってもよい。なお、冷凍サイクルに適用される冷媒は特に限定されることなく、目的等に応じて適宜選択すればよい。

図１は、本発明の一実施形態に係るターボ冷凍機１を示した概略構成図である。
図１に示されるように、ターボ冷凍機１は、冷媒を圧縮する圧縮機３と、圧縮機３によって圧縮された高温高圧の冷媒を凝縮する凝縮器５と、凝縮器５から導かれた冷媒を膨張させる膨張弁７と、膨張弁７によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器９と、ターボ冷凍機１を制御する制御装置１０とを備えている。

圧縮機３は、例えば、ターボ圧縮機であり、一例として遠心式圧縮機が用いられる。圧縮機３は、インバータ１１によって回転数制御された電動機１２によって駆動される。インバータ１１は、制御装置１０によってその出力が制御される。なお、本実施形態では可変速の圧縮機を例示しているが、固定速の圧縮機を用いてもよい。
圧縮機３の冷媒吸入口には、吸入冷媒流量を制御するインレットガイドベーン（以下「ＩＧＶ」という。）１３が設けられており、ターボ冷凍機１の容量制御が可能とされている。ＩＧＶ１３の開度制御は、制御装置１０によって行われる。

圧縮機３は、回転軸周りに回転する羽根車を備えている。回転軸には、増速歯車を介して電動機１２から回転動力が伝達される。回転軸は、軸受によって支持されている。

凝縮器５は、シェルアンドチューブ型やプレート型等の熱交換器である。凝縮器５には、冷媒を冷却するための冷却水が供給される。凝縮器５に導かれる冷却水は、図示しない冷却塔や空気熱交換器において外部へと排熱された後に、再び凝縮器５へと導かれる。

膨張弁７は、電動式とされている。凝縮器５から導かれた低温高圧の冷媒は、膨張弁７によって等エンタルピ的に膨張させられる。膨張弁７の開度は、所望のヘッド差（冷凍サイクルにおける冷媒の高低圧差）が得られるように制御装置１０によって制御される。

蒸発器９は、シェルアンドチューブ型やプレート型等の熱交換器である。蒸発器９には、図示しない外部負荷へ供給される冷水が導かれる。冷水は、蒸発器９にて冷媒と熱交換することによって、定格温度（例えば７℃）まで冷却され、外部負荷（図示略）へと送られる。

制御装置１０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等を備えて構成されている。制御装置１０が各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラム（例えば、制御プログラム）の形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。

図２は、制御装置１０の機能ブロック図を示した図である。図２に示すように、制御装置１０は、膨張弁７を制御する膨張弁制御部２０として、基準指令演算部２１と、風量演算部２２と、最小風量演算部２３と、補正指令演算部２４と、開度指令演算部２５とを主に備えている。

基準指令演算部２１は、要求冷凍能力に応じた基準開度指令値を演算する。基準指令演算部２１は、例えば、要求冷凍能力から算出される目標冷媒循環量と、膨張弁７の前後差圧とから膨張弁７の基準開度指令値（基準ＣＶ値）を演算する。例えば、蒸発器９から外部負荷へと供給される冷水の温度測定値を設定温度（例えば、７℃）に一致させるために必要とされる蒸発器９における必要熱交換量に基づいて、目標冷媒循環量を算出する。そして、目標冷媒循環量が得られるように、膨張弁７の前後差圧から膨張弁７の基準開度指令値を演算する。

風量演算部２２は、現在の実冷凍能力を用いて現在の風量を演算する。
最小風量演算部２３は、圧縮機３の運転状態に関するパラメータを用いて圧縮機３の必要最小風量を演算する。より具体的には、最小風量演算部２３は、圧縮機３の運転状態を表す流量変数（冷凍能力）と、圧力変数（揚程）とを用いて算出される。
なお、現在の風力演算、最小風量演算に関しては公知の技術を採用すればよい。

補正指令演算部２４は、風量演算部２２によって演算した現在の風量と、最小風量演算部２３によって演算された必要最小風量とに基づいて補正開度指令値（補正ＣＶ値）を演算する。具体的には、補正指令演算部２４は、現在の風量が必要最小風量以上である場合には、補正開度指令値をゼロに設定し、現在の風量が必要最小風量未満の場合には、現在の風量と必要最低風量との差分に応じた補正開度指令値を演算する。補正指令演算部２４は、例えば、現在の風量と必要最低風量との差分を補正開度指令値として算出する。

開度指令演算部２５は、基準指令演算部２１によって算出された基準開度指令値（基準ＣＶ値）と補正指令演算部２４によって算出された補正開度指令値（補正ＣＶ値）とを加算した値を開度指令値（ＣＶ値）として算出する。これにより、膨張弁７の開度が開度指令値に基づいて制御される。

図３は、風量（∝冷凍能力）と開度指令値（ＣＶ値）との関係を示した図である。図３に示すように、風量が必要最小風量以上の領域では、風量に応じた開度指令値が設定される。すなわち、風量が大きいほど、開度指令値も大きな値に設定される。これに対し、風量が必要最小風量未満の領域では、風量が小さくなるほど、開度指令値は大きな値に設定される。これは、この領域では、風量が小さくなるほど必要最小風量との差分が大きくなり、補正開度指令値が大きな値をとるためである。

このような膨張弁７の制御が行われることにより、現在の風量が必要最小風量未満の領域では、図４に示すように、気液二相の領域において膨張弁７による冷媒の減圧が行われる。具体的には、図４に示した冷媒のモリエル線図において、圧縮機３の出口圧力の等圧線と飽和液線との交点に対応する比エンタルピーの点Ａよりも高い比エンタルピーを持つ冷媒の状態で冷媒が減圧させられる。

これにより、現在の風量が必要最小風量未満の領域では、必要最小風量を確保するために必要となるガス冷媒が液冷媒とともに膨張弁７から蒸発器９に導かれることとなる。この結果、要求冷凍能力を満足することができるとともに、必要最小風量以上を確保することができ、低負荷における圧縮機の安定運転を実現させることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態に係る冷凍サイクルの制御装置、熱源装置、及びその制御方法によれば、現在の風量が必要最小風量以上である場合には、補正開度指令値はゼロに設定されるため、膨張弁７の開度は、基準開度指令値（＝開度指令値）に基づいて制御される。一方、現在の風量が必要最小風量未満である場合には、基準開度指令値に対して現在の風量と必要最小風量との差分に応じた補正開度指令値が加算された開度指令値によって膨張弁７の開度が制御される。すなわち、現在の風量が必要最小風量未満である場合には、膨張弁７の開度が増加する方向に制御される（図３参照）。これにより、必要最小風量を確保するために必要となるガス冷媒が液冷媒とともに膨張弁７から蒸発器９に導かれることとなる。この結果、要求冷凍能力を満足することができるとともに、低負荷における圧縮機の安定運転を実現させることができる。

なお、本実施形態においては、基準指令演算部２１及び補正指令演算部２４がその時々の要求冷凍負荷や圧縮機の運転状態等に応じて開度指令値を演算する場合を例示して説明したが、この例に限られず、例えば、図３に示したような風量（∝冷凍能力）と開度指令値（ＣＶ値）とが関連付けられた開度指令情報を予め用意しておき、この開度指令情報から現在の要求冷凍能力（風量）に対応する開度指令値を決定することとしてもよい。図３において、開度指令値は、要求冷凍能力に応じた基準開度指令値に圧縮機３の必要最小風量に対する補正開度指令値が加算された開度指令値とされている。

〔他の実施形態〕
また、本実施形態においては、１段圧縮の圧縮機３を用いる場合を例示して説明したが、例えば、図５に示すように、ターボ冷凍機１’は、２段圧縮型の圧縮機３’を採用し、更に、凝縮器５と蒸発器９との間に設けられた中間冷却器１５を備えていてもよい。なお、他の構成については、図１に示したターボ冷凍機１と同様であるので、共通の符号を付し説明を省略する。
他の実施形態に係るターボ冷凍機１’では、凝縮器５と中間冷却器１５との間に第１膨張弁７ａが設けられ、中間冷却器１５と蒸発器９との間に第２膨張弁７ｂが設けられる。中間冷却器１５におけるガス冷媒は、２段目の圧縮機の入口側に供給される構成とされている。第１膨張弁７ａ及び第２膨張弁７ｂの弁開度は制御装置１０’によって制御される。なお、第１膨張弁７ａ及び第２膨張弁７ｂの具体的な制御方法については、上述の実施形態と同様であるので、説明を省略する。このように、本発明における膨張弁の制御は、２段圧縮型の圧縮機３’を用いる熱源装置に対しても適用可能であり、その時の冷媒のモリエル線図における冷媒状態は図６に示すような軌跡となる。図６は、２段圧縮型の圧縮機３’を採用する場合の冷媒のモリエル線図において、現在の風量が必要最低風量未満の場合における冷媒特性を示している。図６に示すように、第１膨張弁７ａも第２膨張弁７ｂも気液二相の領域、すなわち、圧縮機３’の１段目の出口圧力の等圧線と飽和液線との交点に対応する比エンタルピーの点Ｂ、圧縮機３’の２段目の出口圧力の等圧線と飽和液線との交点に対応する比エンタルピーの点Ｃよりもそれぞれ高い比エンタルピーを持つ冷媒の状態で冷媒の減圧を行うように、制御装置１０’によって弁開度が制御される。
これにより、必要最小風量を確保するために必要となるガス冷媒が蒸発器９に導かれることとなり、要求冷凍能力を満足することができるとともに、低負荷における圧縮機の安定運転を実現させることができる。

１、１’ ターボ冷凍機
３、３’ 圧縮機
５ 凝縮器
７ 膨張弁
７ａ 第１膨張弁
７ｂ 第２膨張弁
９ 蒸発器
１０、１０’ 制御装置
１５ 中間冷却器

Claims (6)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、
   前記凝縮器から導かれた液冷媒を膨張させる膨張弁と、
   前記膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   を備えた冷凍サイクルの制御装置であって、
   現在の実冷凍能力を用いて前記圧縮機の現在の吸い込み風量を演算する風量演算手段と、
   前記圧縮機の運転状態に関するパラメータを用いて前記圧縮機の必要最小の吸い込み風量を演算する最小風量演算手段と、
   前記圧縮機の現在の吸い込み風量が前記圧縮機の前記必要最小の吸い込み風量未満である場合に、前記膨張弁の開度を増加させる方向に制御する冷凍サイクルの制御装置。
2. 要求冷凍能力に応じた基準開度指令値を演算する基準指令演算手段と、
   前記圧縮機の現在の吸い込み風量と前記圧縮機の必要最小の吸い込み風量との差分に応じた補正開度指令値を演算する補正指令演算手段と、
   前記基準開度指令値と前記補正開度指令値とを加算し、前記膨張弁の開度指令値を演算する開度指令値演算手段と、
   を備える請求項１に記載の冷凍サイクルの制御装置。
3. 要求冷凍能力に応じた基準開度指令値に前記圧縮機の必要最小の吸い込み風量に対する補正開度指令値が加算された開度指令値と、前記要求冷凍能力とが対応付けられた開度指令情報を有し、
   前記開度指令情報から現在の要求冷凍能力に対応する開度指令値を決定する請求項１に記載の冷凍サイクルの制御装置。
4. 前記冷凍サイクルは、前記凝縮器と前記蒸発器との間に設けられた中間冷却器を備え、前記膨張弁は、前記凝縮器と中間冷却器との間に設けられた第１膨張弁と、前記中間冷却器と前記蒸発器との間に設けられた第２膨張弁とを備え、
   前記圧縮機の現在の吸い込み風量が前記圧縮機の必要最小の吸い込み風量未満である場合に、前記第１膨張弁の開度及び前記第２膨張弁の開度を増加させる方向にそれぞれ制御する請求項１に記載の冷凍サイクルの制御装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の冷凍サイクルの制御装置を備える熱源装置。
6. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、
   前記凝縮器から導かれた液冷媒を膨張させる膨張弁と、
   前記膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   を備えた冷凍サイクルの制御方法であって、
   現在の実冷凍能力を用いて前記圧縮機の現在の吸い込み風量を演算し、
   前記圧縮機の運転状態に関するパラメータを用いて前記圧縮機の必要最小の吸い込み風量を演算し、
   前記圧縮機の現在の吸い込み風量が前記圧縮機の前記必要最小の吸い込み風量未満である場合に、前記膨張弁の開度を増加させる方向に制御する冷凍サイクルの制御方法。

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