JPH11193977A - 冷凍機の運転状態の検知方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水を冷却する冷凍機の、起動から定常運転状
態に至るまでの非定常運転期間での運転状態が「冷えに
くい」状態であることを早期検知する。 【解決手段】 非定常運転期間の所定時刻における冷凍
機の冷水出口での流体の出口温度Ｔw を計測し、当該所
定時刻までの経過時間ｔから基準時間Ｒ1 ，Ｒ2 を差し
引いた時間を、曲線Ｓを表す標準出口温度演算式に経過
時間として適用して、曲線Ａで表されるように変化する
第１基準出口温度Ｔwn及び曲線Ｂで表されるように変化
する第２基準出口温度Ｔwmの当該所定時刻における値を
演算し、実際の出口温度Ｔw と第１基準出口温度Ｔwn及
び第２基準出口温度Ｔwmとを比較して、冷凍機の運転状
態が「正常」か、「注意すべき状態」か、あるいは「異
常」かを検知する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体を冷却する冷
凍機の、起動から定常運転に至るまでの非定常運転期間
での運転状態の検知方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の検知方法としては、定常
運転に至る運転状態の変化の過程で変化に行き過ぎが生
じた場合に、いわゆる保護回路を作動させて冷凍機の運
転を一時停止させる手段として、運転状態の変化の行き
過ぎを検知する方法が知られている。例えば、水を冷や
す冷凍機において、運転状態が定常運転に至るまでの非
定常運転期間中、水の冷凍機出口における出口温度を測
定し、該出口温度が定常運転での目標出口温度を越える
と、保護回路を作動させて冷凍機を一時停止させるよう
な方法である（特開平９−４２８１０号公報参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、冷凍機では
熱交換のために冷媒が用いられており、これが漏れるこ
とがある。従来にあっては、冷媒の漏れは、冷凍機の性
能維持との関係で問題になっていたが、例えば冷凍機で
用いられるフロン系冷媒が、オゾン層破壊の原因の１つ
と考えられるようになり、冷凍機の性能維持とは別問題
として冷媒の漏れ防止の要請が生じてきた。また、冷媒
の大気中への漏れは、それがフロン系であると否とを問
わず環境に何らかの影響を及ぼすことが考えられるた
め、冷媒を用いる全ての冷凍機において必ずしも好まし
いことではない。

【０００４】近年、冷凍機の構造の改良により冷媒の漏
れ、つまり冷媒の損失の発生の防止が図られているが、
冷媒の損失が生じた場合は早期検知が望ましく、冷凍機
が定常運転期間に至る前の非定常運転期間での検知方法
の確立が望まれる。

【０００５】非定常運転期間における冷凍機の異常のう
ち、運転状態の変化の行き過ぎ、つまり「冷え過ぎ」
は、上述のように保護回路を作動させる目的で従来より
検知されていたが、必要な冷凍能力が得られない状態、
いわば「冷えにくい」状態については、性能維持が重視
されていた従来の状況下では検知する必要性に乏しく、
検知されていなかった。冷凍機及びその性能の維持管理
の一環として冷凍機に備えた各種センサの値の読み取り
は行われていたが、これは初期性能維持のための監視的
なものである。

【０００６】なお、定常運転状態における冷凍機の運転
状態の検知方法としては、起動時から運転を停止するま
で継続的に流体の出口温度等を計測し、これを基準の値
と比較して運転状態を検知するものがあるが、初期性能
の維持を確認することを目的としていることが多い。こ
のため、検知方法は、定常運転状態でのある瞬間をもっ
て検知する簡略したもので、負荷の変動に対応した能力
調整による出口温度などの計測値の変化までも考慮した
詳細な方法で運転状態を把握するには、長時間を要す
る。

【０００７】このような点に鑑み、本発明は、「冷えに
くい」状態を非定常運転期間中に早期に検知できる冷凍
機の運転状態の検知方法を提供することを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する発明
は、請求項１に記載の通り、流体を冷却する冷凍機の、
起動から定常運転状態に至るまでの非定常運転期間での
運転状態を検知する方法であって、該運転状態を、非定
常運転期間の所定時刻における冷凍機の流体出口での流
体の出口温度に基づいて検知するものにおいて、非定常
運転期間における出口温度の標準変化を表す標準出口温
度演算式を求め、非定常運転期間より短い所定の基準時
間を設定し、非定常運転期間の所定時刻に実際の出口温
度を測定し、起動から所定時刻までの経過時間から基準
時間を差し引いた時間を、標準出口温度演算式に経過時
間として適用して、運転状態を検知する際の判断基準に
用いる基準出口温度を演算し、実際の出口温度と基準出
口温度とを比較して、冷凍機の運転状態を検知するもの
である。

【０００９】これにより、冷凍機の運転状態について、
従来検知されていなかった「冷えにくい」状態を非定常
運転期間中に早期検知できる。例えば「冷えない」状態
は、出口温度が起動時出口温度から変化しないことで、
また「冷え過ぎ」は、従来の技術で説明したように出口
温度が目標出口温度を越えて変化したことで検知できる
が、「冷えにくい」状態を非定常運転期間中に検知しよ
うとするには、判断基準を起動からの経過時間に応じて
適切に変化させる必要があるため、「冷えない」状態や
「冷え過ぎ」を検知する場合に比べて判断基準の設定が
難しい。本発明では、判断基準つまり基準出口温度を、
標準出口温度演算式をそのまま用いて演算できるように
することで、該難点を解消した。

【００１０】また、上記課題を解決する別の発明は、請
求項２に記載の通り、請求項１に記載の標準出口温度演
算式として、起動時出口温度Ｔwoと、定常運転状態での
出口温度として設定される目標出口温度Ｔwsと、起動時
から所定時刻までの経過時間ｔとが定まると、所定時刻
における出口温度の標準値Ｔwaが次式で定まる。Ｔwa＝
Ｔwo＋（Ｔws−Ｔwo）×｛１− exp（−Ｃw ×ｔ）｝，
（但し、Ｃw は定数）。この式を用いれば、適切な基準
出口温度が容易に定まる。

【００１１】ところで、冷凍機の運転状態を出口温度だ
けで検知すれば、簡便に「冷えにくい」状態を検知でき
るが、「冷えにくい」状態は、冷媒の損失が発生した場
合の他、例えば冷凍能力不足つまり負荷が過大である場
合にも生ずる。

【００１２】そこで、上記課題を解決し、さらに冷媒の
損失が発生しているおそれのある場合だけをより高い精
度で検知する場合は、請求項３に記載の通り、請求項１
又は請求項２において、前記非定常運転期間における蒸
発器管内温度の標準変化を表す標準蒸発器管内温度演算
式を求め、非定常運転期間の前記所定時刻に実際の蒸発
器管内温度を測定し、前記経過時間から前記基準時間を
差し引いた時間を、標準蒸発器管内温度演算式に経過時
間として適用して、運転状態を検知する際の判断基準に
用いる基準蒸発器管内温度を演算し、実際の蒸発器管内
温度と基準蒸発器管内温度とを比較して、冷凍機の運転
状態を検知する。

【００１３】蒸発器管内温度は、ほぼ管内を流通する冷
媒の温度を表しており、実際の蒸発器管内温度と基準蒸
発器管内温度との関係を比較により確認することで、冷
媒の損失が発生しているおそれがある場合だけを検知す
る精度が向上する。

【００１４】また、上記課題を解決するさらに別の発明
は、請求項４に記載の通り、請求項３に記載の標準蒸発
器管内温度演算式として、起動時蒸発器管内温度Ｔeo
と、定常運転での蒸発器管内温度として設定される目標
蒸発器管内温度Ｔesと、起動時から所定時刻までの経過
時間ｔとが定まると、所定時刻における蒸発器管内温度
Ｔeaが次式で定まる。Ｔea＝Ｔeo＋（Ｔes−Ｔeo）×
｛１− exp（−Ｃe ×ｔ）｝，（但し、Ｃe は定数）。
この式を用いれば、適切な基準蒸発器管内温度が容易に
定まる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１を参照して、１は本発明の運
転状態の検知方法が適用されるターボ冷凍機（以下、単
に冷凍機と記す）であり、２は本発明の冷凍機の運転状
態の検知方法により運転状態を検知する冷凍機の運転状
態の検知装置である。冷凍機１は、冷凍機の配管１ａを
流れる冷媒を圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１で圧縮
された高温の冷媒を図示しない冷却水で熱を奪って凝縮
させる凝縮器１２と、凝縮された冷媒を断熱膨脹させる
膨脹弁１３と、膨脹した低温の冷媒と冷却対象の流体で
ある水との間で熱交換させて水を冷却する蒸発器１４と
を備えており、蒸発器１４から送り出された冷媒が圧縮
機１１に送られて循環する冷凍サイクルが形成されてい
る。なお、１５は油分離器であり、１６は受液器であ
る。このうち蒸発器１４の内部には、冷却対象の水を流
通させる配管１ｂが設置されており、配管１ｂの冷水出
口には冷水の出口温度Ｔo を計測する出口温度センサ１
７が設けられている。また蒸発器１４には、蒸発器１４
の内部の温度を計測するための蒸発器管内温度センサ１
８が設定されている。

【００１６】検知装置２は、概略的には、出口温度セン
サ１７及び蒸発器管内温度センサ１８からの温度信号を
収集して電算処理できるデジタルデータに変換するデー
タ収集ユニット２１と、該データ収集ユニット２１から
一定周期でデータを計測して運転状態を判断する判断ユ
ニット２２とから構成される。なお、データ収集ユニッ
ト２１は、冷凍機１の運転状態の認識に用いられる運転
状態信号をも電算処理できるデジタルデータに変換して
いる。運転状態信号は、例えば、冷却対象である水の流
量、冷凍機１に供給される電力量あるいは電流値を基に
生成される。

【００１７】判断ユニット２２は、データ収集ユニット
２１からデジタルデータを一定間隔で計測するデータ計
測部２３と、デジタル化された運転状態データに基づき
冷凍機が運転中か否かを判断する起動判断回路２４と、
起動判断回路２４における判断結果に基づき冷凍機１の
起動からの実際の経過時間ｔを計測するタイマ２５と、
デジタル化された温度データ、及び該温度データが計測
された時刻に対応する経過時間ｔに基づいて冷凍機１の
運転状態を判断するＣＰＵ２６と、判断結果の表示等を
行う手段であるＣＲＴ２７とを備える。なお、本実施形
態では、データ計測部２３は、出口温度データ及び蒸発
器管内温度データを１０分間隔で、また運転状態データ
を秒単位の間隔か、それ以下の時間間隔で計測してい
る。

【００１８】次に、判断ユニット２２における運転状態
の検知手順を説明する。ここでは、図２に示すように、
検知手順を温度計測処理（Ｓ１、以下「Ｓ」をステップ
と表現する場合がある）と、基準温度の演算処理（Ｓ
２）と、運転状態の判断処理（Ｓ３）に別けて説明す
る。

【００１９】温度計測処理（Ｓ１）では、図３に示すよ
うに、データ計測部２３により、データ収集ユニット２
１からまず運転状態データを計測し（Ｓ１１）、起動判
断回路２４で処理して冷凍機１が「運転中」か否か判断
する（Ｓ１２）。判断の結果「運転中」であり、かつ前
回の判断結果が「停止中」であれば（Ｓ１３）、タイマ
２５を起動して非定常運転期間の起動時からの経過時間
ｔの計測を開始する（Ｓ１４）。データ計測部２３は、
まずタイマ２５の起動時に、データ収集ユニット２１か
ら出口温度データ及び起動時蒸発器管内温度データを計
測し（Ｓ１５）、それぞれ起動時出口温度Ｔwo及び起動
時蒸発器管内温度Ｔeoに変換してＣＰＵ２６に出力する
（Ｓ１６）。その後は、起動時を起点として１０分間隔
で両温度データを計測する。従って、運転状態の判断ス
テップ（Ｓ１２，Ｓ１３）において、今回及び前回の判
断結果がいずれも「運転中」の場合、その時刻が１０分
間隔に対応していれば（Ｓ１７）、両温度データ計測し
（Ｓ１５）、当該時刻における実際の出口温度ＴW ，蒸
発器管内温度Ｔe としてＣＰＵ２６に出力する（Ｓ１
６）。他方、１０分間隔に対応していなければ（Ｓ１
７）、ルーチンの最初のステップに戻る。

【００２０】基準温度の演算処理（Ｓ２）では、図４に
示すように、ＣＰＵ２６はタイマ２５からその時刻に対
応する経過時間ｔを読み込み（Ｓ２１）、該経過時間ｔ
から予め設定された所定の基準時間を差し引いた差し引
き時間を演算し（Ｓ２２）、該差し引き時間を図４に示
す式（１）に経過時間として適用して、当該時刻におけ
る基準出口温度を演算する（Ｓ２３）。

【００２１】基準時間は、第１基準時間Ｒ1 と第２基準
時間Ｒ2 との２つが設定されており、ステップ２２で
は、第１基準時間Ｒ1 に基づき第１差し引き時間ｔ´1
が演算され、第２基準時間Ｒ2 に基づき第２差し引き時
間ｔ´2 が演算される。なお本実施形態では、第１基準
時間Ｒ1 を２０分、第２基準時間Ｒ2 を４０分に設定し
ている。

【００２２】式（１）は、正常に運転される冷凍機１
の、起動から定常運転状態に至る非定常運転期間におけ
る冷水の出口温度の変化を表しており、図５において曲
線Ｓで示される。従って、式（１）に実際の出口温度Ｔ
w を計測する所定時刻に対応する経過時間ｔを適用する
と、当該時刻における標準出口温度Ｔwaが演算される。
この式（１）を標準出口温度演算式と称する。なお、標
準出口温度演算式は、冷凍機が正常とみなせる時期、例
えば冷凍機１の工場製作後の性能試験時や、現場設置後
もしくは運用途中でのオーバーホール後の試運転調整時
に定数Ｃw を決定することにより求めることができる。

【００２３】例えば第１基準出口温度Ｔwnは、ステップ
２３において、式（１）に第１差し引き時間ｔ´1 を経
過時間として適用して演算する。第１差し引き時間ｔ´
1 は経過時間ｔから２０分差し引いた時間であるから、
第１基準出口温度Ｔwnは、その時刻の２０分前の時刻の
標準出口温度である。従って、第１基準出口温度Ｔwn
は、図５において曲線Ａで示されるように変化し、曲線
Ｓと曲線Ａの時間方向のずれ量として第１基準時間Ｒ1
が表される。同様に、第２基準出口温度Ｔwmは、その時
刻の４０分前の時刻の標準出口温度であり、図５におい
て曲線Ｂで示されるように変化する。そして第２基準時
間Ｒ2 が曲線Ｓと曲線Ｂの時間方向のずれ量として表さ
れる。なお、各基準出口温度Ｔwn，Ｔwmは、対応する差
し引き時間が正の値をとる場合にのみ演算するものであ
り、非定常運転期間での関係は「Ｔwn≦ＴWm」である。

【００２４】同時に、ステップ２３では、図４に示す式
（２）に第１差し引き時間ｔ´1 を経過時間として適用
して第１基準蒸発器管内温度Ｔenを演算し、第２差し引
き時間ｔ´2 を適用して第２基準蒸発器管内温度Ｔemを
演算する。なお、両蒸発器管内温度Ｔen，Ｔemの演算手
順は、上述した基準出口温度Ｔwn，Ｔwmと同様であり、
その説明を省略する。また、式（２）、つまり標準蒸発
器温度演算式も式（１）と同様に冷凍機１の性能試験時
や、試運転時に定数Ｃe を決定することで求めることが
できる。

【００２５】このように、本実施形態では、出口温度お
よび蒸発器管内温度のいずれについても、基準温度を演
算し、冷凍機１の運転状態を検知しているが、出口温度
のみに基づき運転状態を検知することも可能である。す
なわち、出口温度のみに基づき運転状態を検知すれば、
設定や処理が簡便であり、簡便に運転状態を検知できる
点で有利である。但し、「冷えにくい」状態は、冷媒の
損失が発生した場合だけでなく、例えば冷凍能力不足つ
まり負荷が過大である場合にも生ずるので、冷媒の損失
が発生しているおそれがある場合を高精度で検知したい
場合は、本実施形態のように蒸発器管内温度に基づく判
断を確認的に行った方が有利である。

【００２６】運転状態の判断処理（Ｓ３）では、図６に
示すように、演算した基準温度Ｔwn，Ｔwm，Ｔen，Ｔem
を判断基準に用いて、冷凍機１の運転状態を検知する。
本実施形態では、出口温度Ｔw に基づいて運転状態を検
知する場合に、第１基準出口温度Ｔwnを「正常」か「注
意すべき状態」かの判断基準とし、第２基準出口温度Ｔ
wmを「注意すべき状態」か「異常」かの判断基準とし
た。

【００２７】具体的には、実際の出口温度Ｔw が第１基
準出口温度Ｔwn以下の温度であれば（Ｓ３１）、「正
常」と判断する（Ｓ３２）。他方、第１基準出口温度Ｔ
wnより高温の場合は、第２基準出口温度Ｔwmと比較し
（Ｓ３３）、これ以下の温度であれば「注意すべき状
態」と判断する（Ｓ３４）。そして第２基準出口温度Ｔ
wmより高温であれば、「異常」と判断する（Ｓ３５）。
各判断結果は、ＣＲＴ２７に表示され（Ｓ３６，Ｓ３
７）、「正常」及び「注意すべき状態」と判断した場合
は、もとに戻って運転状態の検知を繰り返す。他方、
「異常」と判断した場合は、その後、異常発生信号を発
生する（Ｓ３８）。従って、異常発生信号に基づき自動
的に、また「異常」との表示に基づき管理者等により、
種々の対応を取ることができる。なお運転状態の検知
は、経過時間ｔが非定常運転期間の終了時間（本実施形
態では起動時刻から７０分後、図５参照）に達したとき
に終了する。

【００２８】また、ステップ３１からステップ３５の手
順については、図５に示すグラフをマップと見立てて説
明することも可能である。つまり、所定時刻における実
際の出口温度Ｔw を図５に示すグラフにプロットしたと
きに、その点が斜線で示す領域であれば「正常」と、網
かけで示す領域であれば「異常」と、その間の無地の領
域であれば「注意すべき状態」と判断される。例えば、
実際の出口温度Ｔw が図５の曲線Ｘで示すように変化し
たとすると、起動からの経過時間ｔが１０分及び２０分
のときは、「正常」と、３０分及び４０分のときは「注
意すべき状態」であると、５０分になると「異常」と判
断される。なお、本実施形態では、実際の出口温度Ｔw
が目標出口温度Ｔwsを下回ると，図示しない保護回路が
作動して、冷凍機を一時停止させており、これを「正
常」の範囲の低温側の判断基準として用いるが、該判断
基準として曲線Ｓを用いることも可能である。

【００２９】そして、本実施形態では、実際の蒸発器管
内温度Ｔe と、第１基準蒸発器管内温度Ｔen及び第２基
準蒸発器管内温度Ｔemとの関係を確認している。確認手
順は、出口温度に基づく判断手順と同様であり細かい説
明は省略するが、簡単に説明すると、「Ｔe ≦Ｔen」の
場合は「正常」と、「Ｔen≦Ｔe ≦Ｔem」の場合は、
「注意すべき状態」と、「Ｔem＜Ｔe 」の場合は「異
常」と判断している。そして、稀にしか生じないが、ス
テップ３５においては、実際の出口温度Ｔw に基づく判
断で「異常」と判断された場合でも、実際の蒸発器管内
温度Ｔe に基づく判断で「正常」と判断された場合は、
「正常」と判断することで、判断精度を向上させてい
る。

【００３０】なお、上記実施形態はターボ冷凍機に適用
した場合であるが、本発明は、ターボ冷凍器に限らず、
冷媒等の作動流体を使用する全ての冷凍機さらには熱交
換機に適用可能である。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、冷凍機の
運転状態が「冷えにくい」状態であることを非定常運転
期間中に早期に検知でき、冷凍機の故障を未然に防止し
て冷媒の損失が生ずることを防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の運転状態の検知方法が適用される冷
凍機及び検知装置を示す概略構成図

【図２】 運転状態の検知手順の概略を示すフローチャ
ート

【図３】 温度計測処理手順を示すフローチャート

【図４】 基準温度の演算処理手順を示すフローチャー
ト

【図５】 判断基準である基準出口温度の変化を示すグ
ラフ

【図６】 運転状態の判断処理手順を示すフローチャー
ト

【符号の説明】

２ 冷凍機の運転状態の検知装置 Ｔwa 所定時刻における標準出口温度 Ｔw 所定時刻における実際の出口温度 Ｔwn 所定時刻における第１基準出口温度 Ｔwm 所定時刻における第２基準出口温度 Ｔws 目標出口温度 ｔ 所定時刻に対応する起動時からの経過時間 Ｒ1 第１基準時間 Ｒ2 第２基準時間 ｔ´1 所定時刻における第１差し引き時間（差し引い
た時間） ｔ´2 所定時刻における第２差し引き時間（差し引い
た時間）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体を冷却する冷凍機の、起動から定常
   運転状態に至るまでの非定常運転期間での運転状態を検
   知する方法であって、該運転状態を、非定常運転期間の
   所定時刻における冷凍機の流体出口での流体の出口温度
   に基づいて検知するものにおいて、 非定常運転期間における出口温度の標準変化を表す標準
   出口温度演算式を求め、 非定常運転期間より短い所定の基準時間を設定し、 非定常運転期間の所定時刻に実際の出口温度を測定し、 起動から所定時刻までの経過時間から基準時間を差し引
   いた時間を、標準出口温度演算式に経過時間として適用
   して、運転状態を検知する際の判断基準に用いる基準出
   口温度を演算し、 実際の出口温度と基準出口温度とを比較して、冷凍機の
   運転状態を検知することを特徴とする冷凍機の運転状態
   の検知方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の標準出口温度演算式
   は、起動時出口温度Ｔwoと、定常運転状態での出口温度
   として設定される目標出口温度Ｔwsと、起動時から所定
   時刻までの経過時間ｔとが定まると、所定時刻における
   出口温度の標準値Ｔwaが次式で定まることを特徴とする
   冷凍機の運転状態の検知方法。 Ｔwa＝Ｔwo＋（Ｔws−Ｔwo）×｛１− exp（−Ｃw ×
   ｔ）｝ （但し、Ｃw は定数）
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２において、前記非
   定常運転期間における蒸発器管内温度の標準変化を表す
   標準蒸発器管内温度演算式を求め、 非定常運転期間の前記所定時刻に実際の蒸発器管内温度
   を測定し、 前記経過時間から前記基準時間を差し引いた時間を、標
   準蒸発器管内温度演算式に経過時間として適用して、運
   転状態を検知する際の判断基準に用いる基準蒸発器管内
   温度を演算し、 実際の蒸発器管内温度と基準蒸発器管内温度とを比較し
   て、冷凍機の運転状態を検知することを特徴とする冷凍
   機の運転状態の検知方法。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の標準蒸発器管内温度演
   算式は、起動時蒸発器管内温度Ｔeoと、定常運転での蒸
   発器管内温度として設定される目標蒸発器管内温度Ｔes
   と、起動時から所定時刻までの経過時間ｔとが定まる
   と、所定時刻における蒸発器管内温度Ｔeaが次式で定ま
   ることを特徴とする冷凍機の運転状態の検知方法。 Ｔea＝Ｔeo＋（Ｔes−Ｔeo）×｛１− exp（−Ｃe ×
   ｔ）｝ （但し、Ｃe は定数）