KR20130063533A - 열매체 유량 추정 장치, 열원기 및 열매체 유량 추정 방법 - Google Patents

열매체 유량 추정 장치, 열원기 및 열매체 유량 추정 방법 Download PDF

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KR20130063533A
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heat medium
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미노루 마츠오
겐지 우에다
도시히코 니이노미
히토이 오노
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

유량계를 사용하지 않고, 열매체의 유량을 산출하는 것을 목적으로 한다. 제어 장치(30)는, 압축기(12)의 흡입 풍량을 반영한 유량 변수(θ)와, 압축기(12)의 헤드를 반영한 압력 변수(Ω)로 표시된 맵 상에 선회 실속으로 되는 선회 실속선, 및 압축기(12)가 흡입하는 냉매의 음속을 나타내는 복수의 기계 마하수선이 나타난 공력 특성 맵을 기억한 기억부(36)를 구비하고, 냉수 유량 추산부(30b)에 의해, 압력 변수(Ω)를 산출하고, 공력 특성 맵으로부터 압력 변수(Ω)에 따른 유량 변수(θ)를 산출하고, 산출한 유량 변수(θ)에 따른 압축기(12)의 흡입 풍량에 기초하여, 증발기(24)에 있어서 냉매와 냉수 사이에서 교환되는 열량을 산출하고, 상기 열량에 기초하여 냉수의 유량을 산출한다.

Description

열매체 유량 추정 장치, 열원기 및 열매체 유량 추정 방법{HOT MEDIUM FLOW RATE ESTIMATOR, HEAT SOURCE, AND HOT MEDIUM FLOW RATE ESTIMATION METHOD}
본 발명은, 열매체 유량 추정 장치, 열원기 및 열매체 유량 추정 방법에 관한 것이다.
열원기, 예를 들어 냉동기를 설계값으로 운전시키기 위해서는, 증발기로 유입하는 열매체(냉수)의 유량의 관리가 필요하지만, 유량을 계측하는 유량계는 고가인, 부품 개수를 적게 하는 등의 이유에 의해, 열매체의 유량을 계측하기 위한 유량계가 냉동기에 설치되지 않는 경우가 있다.
따라서, 유량을 계측하는 기술로서, 특허 문헌 1에는, 냉수 출구 온도, 냉수 입구 온도 및 냉수 유량의 계측값에 기초하여 냉동 부하를 산출하고, 냉각수 입구 온도 및 냉동 부하에 기초하여 열교환 계수를 산출하고, 센서 군으로부터 보내져 오는 계측값과 열교환 계수로부터 냉각수 유량을 산출하여, 출력하는 냉각수 유량 추정 방식이 기재되어 있다.
특허 문헌 2에는, 복수의 공기 조화기에 대하여, 개개의 공기 조화기의 냉온수 입구 출구 간의 차압을 계측하는 복수의 차압 센서와 전체의 냉온수 유량을 계측하는 유량 센서를 구비하고, 냉방 운전 전에 밸브 전환 등에 의해 하나의 차압 센서만 동작하는 유로를 만들어서 유량과 차압의 관계를 구해 두고, 냉방 운전 시에는 상기 차압 센서에 의해 냉온수의 유량을 구하는 기술이 기재되어 있다.
일본 특허 출원 공개 평7-91764호 공보 일본 특허 출원 공개 제2005-155973호 공보
그러나, 특허 문헌 1에 기재된 기술에서는, 냉각수 유량을 산출하기 위해서, 냉수 유량을 계측하는 유량계를 사용하고 있다. 특허 문헌 2에 기재된 기술에서는, 개개의 공기 조화기의 냉온수의 유량을 계측하기 위해서, 전체의 냉온수의 유량을 계측하는 유량 센서 및 복수의 차압 센서를 사용하고 있다.
상기와 같이, 특허 문헌 1, 2에 기재된 기술에서는, 소정의 유체의 유량을 산출하기 위해서, 다른 유체의 유량을 계측하는 유량계를 사용하거나, 다른 유체의 차압을 계측하는 차압계를 사용하거나 하고 있기 때문에, 저비용으로 유체의 유량을 파악할 수 없다.
본 발명은, 이러한 사정에 감안해서 이루어진 것이며, 유량계를 사용하지 않고, 열매체의 유량을 산출할 수 있는 열매체 유량 추정 장치, 열원기, 및 열매체 유량 추정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 열매체 유량 추정 장치, 열원기 및 열매체 유량 추정 방법은 이하의 수단을 채용한다.
즉, 본 발명의 일 형태에 관한 열매체 유량 추정 장치는, 냉매를 압축하는 압축기와, 압축된 냉매를 열원 매체에 의해 응축시키는 응축기와, 응축된 냉매를 증발시키는 동시에 상기 냉매와 열매체를 열교환하는 증발기를 구비한 열원기의 열매체의 유량을 추정하는 열매체 유량 추정 장치이며, 상기 압축기의 흡입 풍량을 반영한 제1 파라미터와, 상기 압축기의 헤드를 반영한 제2 파라미터로 표시된 맵 상에 선회 실속으로 되는 선회 실속선 및 상기 압축기가 흡입하는 냉매의 음속을 나타내는 복수의 기계 마하수선이 나타난 공력 특성 맵을 기억한 기억 수단과, 상기 제2 파라미터를 산출하고, 상기 공력 특성 맵으로부터 상기 제2 파라미터에 따른 상기 제1 파라미터를 산출하는 제1 파라미터 산출 수단과, 상기 제1 파라미터 산출 수단에 의해 산출된 상기 제1 파라미터에 따른 상기 압축기의 흡입 풍량에 기초하여, 상기 증발기에 있어서 냉매와 열매체 사이에서 교환되는 열량을 산출하고, 상기 열량에 기초하여 열매체의 유량을 산출하는 열매체 유량 산출 수단을 구비한다.
상기 형태에 따르면, 열매체 유량 추정 장치는, 냉매를 압축하는 압축기와, 압축된 냉매를 열원 매체에 의해 응축시키는 응축기를 구비한 열원기의 열매체의 유량을 추정하는 장치이다.
열매체 유량 추정 장치가 구비하는 기억 수단에는, 압축기의 흡입 풍량을 반영한 제1 파라미터와, 압축기의 헤드를 반영한 제2 파라미터로 표시된 맵 상에 선회 실속으로 되는 선회 실속선 및 상기 압축기가 흡입하는 냉매의 음속을 나타내는 복수의 기계 마하수선이 나타난 공력 특성 맵이 기억되어 있다. 공력 특성 맵은, 미리 압축기의 운전시험을 면밀하게 행함으로써 작성되는 것이다.
제2 파라미터 및 기계 마하수는, 압축기의 운전 상태에 대응한 값이며, 제1 파라미터는, 제2 파라미터 및 기계 마하수로 특정할 수 있기 때문에, 제2 파라미터 및 기계 마하수(압축기가 흡입하는 냉매의 음속)를 산출함으로써, 제1 파라미터, 즉 압축기의 흡입 풍량의 산출이 가능하다. 제2 파라미터 및 냉매의 음속은, 증발기내의 압력이나 응축기 내의 압력으로부터 산출할 수 있다.
제1 파라미터 산출 수단에 의해, 우선 제2 파라미터가 산출되고, 공력 특성 맵으로부터 상기 제2 파라미터에 따른 제1 파라미터가 산출된다.
열매체 유량 산출 수단에 의해, 제1 파라미터 산출 수단으로 산출된 제1 파라미터에 따른 압축기의 흡입 풍량에 기초하여, 증발기에 있어서 냉매와 열매체 사이에서 교환되는 열량이 산출되고, 상기 열량에 기초하여 열매체의 유량이 산출된다. 즉, 열매체 유량 산출 수단에 의해, 증발기에 있어서의 냉매와 열매체의 열 밸런스에 의해 열매체의 유량이 산출된다.
이와 같이, 공력 특성 맵에 기초하여 산출한 압축기의 흡입 풍량을 사용하여, 증발기에서 교환되는 열량을 산출하고, 상기 열량으로부터 열매체의 유량을 산출하므로, 유량계를 사용하지 않고, 열매체의 유량을 산출할 수 있다.
상기 열매체 유량 추정 장치에 있어서는, 열매체 유량 산출 수단이, 상기 제1 파라미터 산출 수단에 의해 산출된 상기 제1 파라미터에 기초한 상기 압축기의 흡입 풍량 및 상기 압축기에 흡입되는 냉매의 밀도로부터, 상기 증발기를 흐르는 냉매의 유량을 산출하고, 상기 산출한 냉매의 유량 및 상기 증발기의 입구측의 엔탈피와 출구측의 엔탈피의 차로부터, 상기 증발기에 있어서 냉매와 열매체 사이에서 교환되는 열량을 산출하고, 상기 산출한 열량 및 열매체가 상기 증발기로 유입출하는 온도의 차에 기초하여, 열매체의 유량을 산출해도 된다.
이렇게 함으로써, 냉매나 열매체의 압력이나 온도를 계측하는 계측기에 의한 계측 결과 등을 사용하여, 용이하게 열매체의 유량을 산출할 수 있다.
상기 열매체 유량 추정 장치에 있어서는, 상기 압축기에는, 회전수의 제어가 가능하게 되어 있고, 상기 기억 수단이, 상기 압축기의 회전수에 따라서 다른 복수의 상기 공력 특성 맵을 기억하고, 제1 파라미터 산출 수단이, 상기 압축기의 회전수에 대응한 상기 공력 특성 맵으로부터 상기 제2 파라미터에 따른 상기 제1 파라미터를 산출해도 된다.
이렇게 함으로써, 압축기의 회전수에 대응한 공력 특성 맵으로부터 제2 파라미터에 따른 제1 파라미터를 산출하므로, 열매체의 유량을 보다 정밀도 높게 산출할 수 있다.
상기 열매체 유량 추정 장치에 있어서는, 상기 압축기에는, 냉매 입구에 냉매 유량을 조절하는 베인이 구비되어 있고, 상기 기억 수단이, 상기 베인의 개방도에 따라서 다른 복수의 상기 공력 특성 맵을 기억하고, 제1 파라미터 산출 수단이, 상기 베인의 개방도에 대응한 상기 공력 특성 맵으로부터 상기 제2 파라미터에 따른 상기 제1 파라미터를 산출해도 된다.
이렇게 함으로써, 압축기의 냉매 입구에 설치된 베인의 개방도에 대응한 공력 특성 맵으로부터 제2 파라미터에 따른 제1 파라미터를 산출하므로, 열매체의 유량을 보다 정밀도 높게 산출할 수 있다.
상기 열매체 유량 추정 장치에 있어서는, 상기 응축기와 상기 증발기의 사이에는, 상기 응축기 내에 있는 냉매를 상기 증발기로 흐르게 하기 위한 바이패스 배관이 설치되는 동시에, 상기 바이패스 배관을 흐르는 냉매의 유량을 조정하기 위한 밸브가 설치되고, 상기 기억 수단이, 상기 밸브의 개방도에 따라서 다른 복수의 상기 공력 특성 맵을 기억하고, 제1 파라미터 산출 수단이, 상기 밸브의 개방도에 대응한 상기 공력 특성 맵으로부터 상기 제2 파라미터에 따른 상기 제1 파라미터를 산출해도 된다.
이렇게 함으로써, 응축기와 증발기를 바이패스하는 바이패스 배관에 설치된 밸브의 개방도에 대응한 공력 특성 맵으로부터 제2 파라미터에 따른 제1 파라미터를 산출하므로, 열매체의 유량을 보다 정밀도 높게 산출할 수 있다.
본 발명의 일 형태에 관한 열원기는, 냉매를 압축하는 압축기와, 압축된 냉매를 열원 매체에 의해 응축시키는 응축기와, 응축된 냉매를 증발시키는 동시에 상기 냉매와 열매체를 열교환하는 증발기와, 상기 어느 하나의 열매체 유량 추정 장치를 구비한다.
본 발명의 일 형태에 관한 열매체 유량 추정 방법은, 냉매를 압축하는 압축기와, 압축된 냉매를 열원 매체에 의해 응축시키는 응축기와, 응축된 냉매를 증발시키는 동시에 상기 냉매와 열매체를 열교환하는 증발기를 구비한 열원기의 열매체의 유량을 추정하는 열매체 유량 추정 방법이며, 상기 압축기의 흡입 풍량을 반영한 제1 파라미터와, 상기 압축기의 헤드를 반영한 제2 파라미터로 표시된 맵 상에, 선회 실속으로 되는 선회 실속선, 및 상기 압축기가 흡입하는 냉매의 음속을 나타내는 복수의 기계 마하수선이 나타난 공력 특성 맵이 기억 수단에 미리 기억되어 있고, 상기 제2 파라미터를 산출함으로써, 상기 공력 특성 맵으로부터 상기 제2 파라미터에 따른 상기 제1 파라미터를 산출하는 제1 공정과, 상기 제1 공정에 의해 산출된 상기 제1 파라미터에 따른 상기 압축기의 흡입 풍량에 기초하여, 상기 증발기에 있어서 냉매와 열매체 사이에서 교환되는 열량을 산출하고, 상기 열량에 기초하여 열매체의 유량을 산출하는 제2 공정을 포함한다.
본 발명에 따르면, 유량계를 사용하지 않고, 열매체의 유량을 산출할 수 있다고 하는 우수한 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태인 압축기를 구비한 터보 냉동기를 도시한 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 공력 특성 맵을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 냉수 유량 추산 프로그램 처리의 흐름을 나타내는 흐름도이다.
이하에, 본 발명에 관한 열매체 유량 추정 장치, 열원기 및 열매체 유량 추정 방법의 일 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하여 설명한다.
〔제1 실시 형태〕
이하, 본 발명의 제1 실시 형태에 대해서 설명한다.
도 1에, 본 제1 실시 형태에 관한 열원기의 일례인 터보 냉동기(10)의 구성을 나타낸다.
터보 냉동기(10)는, 냉매를 압축하는 압축기(12)와, 압축기(12)에 의해 압축된 고온 고압의 가스 냉매를 열원 매체(냉각수)에 의해 응축하는 응축기(14)와, 응축기(14)에서 응축된 액상의 냉매(액 냉매)에 대하여 과냉각을 부여하는 서브 쿨러(16)와, 서브 쿨러(16)로부터의 액 냉매를 팽창시키는 고압 팽창 밸브(18)와, 고압 팽창 밸브(18)에 접속되는 동시에 압축기(12)의 중간단 및 저압 팽창 밸브(20)에 접속되는 중간 냉각기(22)와, 저압 팽창 밸브(20)에 의해 팽창시켜진 액 냉매를 증발시키는 동시에 상기 냉매와 열매체(냉수)를 열교환하는 증발기(24)를 구비하고 있다.
압축기(12)는, 원심식의 2단 압축기이며, 전원(11)으로부터의 입력 주파수를 변경하는 인버터(13)에 의해 회전수 제어된 전동 모터(28)에 의해 구동되어 있다. 압축기(12)의 냉매 흡입구에는, 흡입 냉매 유량을 제어하는 입구 베인(IGV)(32)이 설치되어 있어, 압축기(12)의 용량 제어가 가능하게 되어 있다. 또한, 압축기(12)는, 흡입하는 냉매의 온도(이하, 「압축기 흡입 온도 Ts」라고 함)를 측량하기 위한 흡입 온도 센서(17), 흡입하는 냉매의 압력(이하, 「압축기 흡입 압력 Ps」라고 함)을 측량하기 위한 흡입 압력 센서(19)가 설치되어 있다. 흡입 온도 센서(17) 및 흡입 압력 센서(19)의 출력은, 제어 장치(30)로 입력된다.
서브 쿨러(16)는, 응축기(14)의 냉매 흐름 하류측에, 응축된 냉매에 대하여 과냉각을 부여하도록 설치되어 있다.
응축기(14) 및 서브 쿨러(16)에는, 이들을 냉각하기 위한 냉각 전열관(34)이 삽입 관통되어 있다. 냉각 전열관(34)의 냉각수의 출구(온수 출구)에는, 온수 출구 온도 센서(54)가 설치되어 있다. 온수 출구 온도 센서(54)의 출력은, 제어 장치(30)에 입력된다.
열교환기인 증발기(24)에는, 증발기(24) 내의 압력인 증발기 압력 Pe를 계측하는 압력 센서(60)가 설치되어 있다. 이 압력 센서(60)의 출력은, 제어 장치(30)에 입력된다. 증발기(24)에 있어서 흡열됨으로써 정격 온도 (예를 들어 7℃)의 냉매가 얻어진다. 증발기(24)에는, 외부 부하에 공급되는 냉수를 냉각하기 위한 냉수 전열관(36)이 삽입 관통되어 있다. 증발기(24)보다도 상류측의 냉수 전열관(36)에는, 증발기(24) 내에 유입하는 냉수의 입구 온도 To를 계측하는 냉수 입구 온도 센서(64)가 설치되어 있다. 증발기(24)보다도 하류측의 냉수 출구 노즐에는, 증발기(24)로부터 유출한 냉수의 출구 온도 Ti를 계측하는 냉수 출구 온도 센서(62)가 설치되어 있다. 냉수 입구 온도 센서(64) 및 냉수 출구 온도 센서(62)의 출력은, 제어 장치(30)에 입력된다.
응축기(14)의 기상부와 증발기(24)의 기상부 사이에는, 핫 가스 바이패스(이하, 「HGBP]라고 함) 배관(38)이 설치되어 있다. HGBP 배관(38)에는, HGBP 배관(38) 내를 흐르는 냉매의 유량을 제어하기 위한 HGBP 밸브(40)가 설치되어 있다. HGBP 밸브(40)에 의해 HGBP 유량을 조정함으로써, 입구 베인(32)에서는 제어가 충분하지 않은 매우 작은 영역의 용량 제어가 가능하게 되어 있다.
제어 장치(30)는, 터보 냉동기(10) 전체의 제어를 담당하고, 회전수 제어부(30a), 냉수 유량 추산부(30b), 및 팽창 밸브 개방도 제어부(30c)를 구비한다.
회전수 제어부(30a)는, 터보 냉동기(10) 각 부에 있어서의 상태량(압력, 온도 등)에 기초하여, 전동 모터(28)의 지시 회전수에 따른 지시 주파수를 인버터(13)로 출력한다.
냉수 유량 추산부(30b)는, 냉수 유량을 산출하고, 상기 산출 결과를 팽창 밸브 개방도 제어부(30c)로 출력한다.
팽창 밸브 개방도 제어부(30c)는, 터보 냉동기(10) 각 부의 상태량(압력, 온도 등) 및 냉수 유량 추산부(30b)로부터 입력된 냉수 유량에 기초하여, 팽창 밸브 개방도 지령값을 생성하고, 상기 팽창 밸브 개방도 지령값을 고압 팽창 밸브(18) 및 저압 팽창 밸브(20)로 송신함으로써, 고압 팽창 밸브(18) 및 저압 팽창 밸브(20)의 개방도를 제어한다.
제어 장치(30)는, 입구 베인(32)의 개방도, HGBP 밸브(40)의 개방도 등, 터보 냉동기(10)의 제어에 필요한 각종 기기도 제어한다.
터보 냉동기(10)의 냉동 능력 Q는, 증발기(24)를 흐르는 냉수의 입구 온도 To 및 출구 온도 Ti 및 냉수 유량 Gw에 기초해서 얻어진다. 구체적으로는, 하기 수학식 1과 같이, 냉수의 출입구 온도 차(Ti-To)에 냉수 유량 Gw[kg/s] 및 냉수 비열 cp[kJ/(kg·℃)]을 곱하여, 냉동 능력 Q가 얻어진다.
Figure pct00001
이 냉동 능력 Q와, 압축기(12)의 출입구에 있어서의 냉매 가스의 엔탈피 차Δh에 기초하여, 하기 수학식 2에 의해, 증발기(24)를 흐르는 냉매의 유량인 증발기 냉매 유량 Ge가 얻어진다.
Figure pct00002
k는 상수이다.
증발기 냉매 유량 Ge와, 포화 가스의 비체적 V(Te)[㎥/kg]와, 압축기(12)의 임펠러의 외경 D[m]와, 증발기 압력 Pe로부터 산출되는 포화 온도 Te에 있어서의 흡입 냉매 음속 a(Te)[m/s]에 기초하여, 하기 수학식 3에 의해, 유량 변수 θ가 얻어진다. 이 유량 변수는, 압축기(12)의 흡입 풍량을 반영한 무차원 수이다.
Figure pct00003
이와 같이, 유량 변수 θ는, 냉동 능력 Q 및 증발기 압력 Pe로부터 얻어지는 것이다.
압력 변수 Ω는, 압축기(12)의 헤드를 반영한 무차원수이며, 응축기 압력 Pc, 증발기 압력 Pe 및 증발기 압력 Pe로부터 산출되는 포화 온도 Te로부터 얻어지는 냉매 가스의 엔탈피 차 Δh(Te)와, 증발기(24)의 증발기 압력 Pe로부터 산출되는 포화 온도 Te에 있어서의 흡입 냉매 음속 a(Te)로부터, 하기 수학식 4에 의해 얻어진다.
Figure pct00004
이와 같이, 압력 변수 Ω는, 응축기 압력 Pc, 증발기 압력 Pe로부터 얻어지는 것이며, 임펠러의 주속과 관계없이 얻어진다.
이상의 유량 변수 θ 및 압력 변수 Ω에 의해, 압축기(12)의 현재의 운전 상태가 추정된다.
제어 장치(30)가 갖는 기억부(36)는, 압축기(12)의 공력 특성 맵(42)을 구비하고 있다. 이 공력 특성 맵(42)은, 미리 압축기(12)의 운전 시험을 면밀히 행함으로써 작성되는 것이며, 압력 변수 Ω에 대한 유량 변수 θ의 맵 상에 압축기(12)가 선회 실속을 일으키는 선회 실속선 L이 도시된 것이다. 예를 들어, 도 2에 나타낸 공력 특성 맵(42)이 얻어진다. 이 공력 특성 맵(42)에 있어서, 선회 실속선 L보다도 하측의 영역은, 선회 실속이나 서징을 일으키지 않는 안정 영역 S로 되고, 선회 실속선 L보다도 상측의 영역은, 선회 실속이나 서징을 일으키는 불안정 영역 NS로 된다. 본 실시 형태에 있어서, 이 공력 특성 맵(42)은, 입구 베인(32)의 개방도가 최대 개방도인 100％의 것(최대 개방도일 때의 맵)이다.
공력 특성 맵(42)에는, 기계 마하수[압축기(12)가 흡입하는 냉매의 음속인 흡입 냉매 음속]를 나타내는 복수의 기계 마하수선 M이 나타나 있다. 각 기계 마하수선은 동일한 값의 기계 마하수를 나타내고, 상방으로 감에 따라 기계 마하수는 커진다.
유량 변수 θ는, 압력 변수 Ω 및 기계 마하수로 특정되기 때문에, 압력 변수 Ω 및 기계 마하수를 산출함으로써, 유량 변수 θ, 즉 수학식 3을 변형함으로써 압축기(12)의 흡입 풍량의 산출이 가능하다.
본 제1 실시 형태에 관한 터보 냉동기(10)는, 유량을 계측하는 유량 센서는 고가이다, 부품 개수를 적게 하는 등의 이유에 의해, 냉수나 냉각수의 유량을 계측하는 유량 센서를 구비하고 있지 않다. 그러나, 냉동기를 설계값으로 운전시키기 위해서는, 냉수의 유량의 관리가 필요하다.
본 제1 실시 형태에 관한 터보 냉동기(10)는, 압력 변수 Ω를 산출하고, 공력 특성 맵으로부터 압력 변수 Ω에 따른 유량 변수 θ를 산출하고, 산출한 유량 변수 θ에 따른 압축기(12)의 흡입 풍량에 기초하여, 증발기(24)에 있어서 냉매와 냉수 사이에서 교환되는 열량을 산출하고, 상기 열량에 기초하여 냉수의 유량을 산출하는 냉수 유량 추산 처리를 행한다.
즉, 냉수 유량 추산 처리는, 압축기(12)의 운전 상태에 대응한 유량 변수 θ를 산출하고, 유량 변수 θ로부터 산출되는 압축기(12)의 흡입 풍량에 기초한 열량을 사용하여, 증발기(24)에 있어서의 냉매와 냉수의 열 밸런스에 의해 냉수의 유량을 산출한다.
도 3은, 냉수 유량 추산 처리를 행하는 경우에, 제어 장치(30)가 구비하는 냉수 유량 추산부(30b)에 의해 실행되는 냉수 유량 추산 프로그램 처리의 흐름을 도시하는 흐름도이며, 냉수 유량 추산 프로그램은 냉수 유량 추산부(30b)가 구비하는 기억부의 소정 영역에 미리 기억되어 있다. 본 프로그램은, 예를 들어, 소정 시간 간격마다 실행된다.
스텝(100)에서는, 흡입 냉매 음속 a(Te), 압력 변수 Ω 및 흡입 냉매 밀도 ρ를 산출한다.
흡입 냉매 음속 a(Te)는, 상술한 바와 같이 증발기 압력 Pe로부터 산출되는 포화 온도 Te에 기초하여 산출되고, 압력 변수 Ω는, 수학식 4에 기초하여 산출된다. 흡입 냉매 밀도 ρ은, 압축기(12)에 설치된 흡입 온도 센서(17)에서 계측된 압축기 흡입 온도 Ts와 흡입 압력 센서(19)에서 계측된 압축기 흡입 압력 Ps로부터 산출된다.
다음의 스텝(102)에서는, 산출한 압력 변수 Ω 및 흡입 냉매 음속 a(Te)에 대응한 유량 변수 θ를 공력 특성 맵(42)으로부터 산출한다. 즉, 스텝(100), 스텝(102)에 의해, 압축기(12)의 운전 상태에 대응한 유량 변수 θ가 산출된다.
다음의 스텝(104)에서는, 증발기 냉매 유량 Ge를 하기 수학식 5에 의해 산출한다.
Figure pct00005
Qs는, 압축기(12)의 흡입 풍량 [㎥/s]이다.
흡입 풍량 Qs는, 스텝 102에서 산출한 유량 변수 θ를 사용하여 하기 수학식 6으로부터 산출된다. 하기 수학식 6은, 흡입 풍량 Qs를 산출하기 위해서 수학식 3을 변형한 식이며, 흡입 냉매 음속 a(Te)는 스텝 100으로부터 산출되고, 압축기(12)의 임펠러의 외경 D는 압축기(12)의 설계값으로부터 구해진다.
Figure pct00006
다음의 스텝 106에서는, 증발기(24)의 입구측의 엔탈피 hei 및 증발기(24)의 출구측의 엔탈피 heo를 산출한다.
다음의 스텝 108에서는, 증발기(24)에 있어서 냉수와 냉매 사이에서 교환되는 열량인 증발기 교환 열량 Qe[kW(=kJ/sec)]를 하기 수학식 7로부터 산출한다.
Figure pct00007
다음의 스텝 110에서는, 냉수 유량 Gw를 산출하고, 본 프로그램을 종료한다.
Figure pct00008
이와 같이, 스텝 104로부터 스텝 110에 의해, 증발기(24)에 있어서의 냉매와 냉수의 열 밸런스에 의해 냉수 유량이 산출된다.
냉수 유량 추산부(30b)는, 산출한 냉수 유량 Gw를 팽창 밸브 개방도 제어부(30c)로 출력하고, 팽창 밸브 개방도 제어부(30c)는, 터보 냉동기(10) 각 부의 상태량(압력, 온도 등) 및 냉수 유량 추산부(30b)로부터 입력된 냉수 유량에 기초하여, 팽창 밸브 개방도 지령값을 생성한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 제1 실시 형태에 관한 제어 장치(30)는, 압축기(12)의 흡입 풍량을 반영한 유량 변수 θ와, 압축기(12)의 헤드를 반영한 압력 변수 Ω로 표시된 맵 상에, 선회 실속으로 되는 선회 실속선, 및 압축기(12)가 흡입하는 냉매의 음속을 나타내는 복수의 기계 마하수선이 나타난 공력 특성 맵(42)을 기억한 기억부(36)를 구비하고, 냉수 유량 추산부(30b)에 의해, 압력 변수 Ω를 산출하고, 공력 특성 맵(42)으로부터 압력 변수 Ω에 따른 유량 변수 θ를 산출하고, 산출한 유량 변수 θ에 따른 압축기(12)의 흡입 풍량에 기초하여, 증발기(24)에 있어서 냉매와 냉수 사이에서 교환되는 열량을 산출하고, 상기 열량에 기초하여 냉수의 유량을 산출한다.
따라서, 본 제1 실시 형태에 관한 제어 장치(30)는, 유량계를 사용하지 않고, 냉수의 유량을 산출할 수 있다.
냉수 유량 추산부(30b)는, 산출한 유량 변수 θ에 기초한 압축기(12)의 흡입 풍량 및 압축기(12)에 흡입되는 냉매의 밀도로부터, 증발기(24)를 흐르는 냉매의 유량을 산출하고, 산출한 냉매의 유량, 및 증발기(24)의 입구측의 엔탈피와 출구측의 엔탈피의 차로부터, 증발기(24)에 있어서 냉매와 냉수 사이에서 교환되는 열량을 산출하고, 산출한 열량, 및 냉수가 증발기(24)에 유입출하는 온도의 차에 기초하여, 냉수의 유량을 산출한다.
따라서, 본 제1 실시 형태에 관한 제어 장치(30)는, 냉매나 냉수의 압력이나 온도를 계측하는 계측기에 의한 계측 결과 등을 사용하여, 용이하게 냉수의 유량을 산출할 수 있다.
〔제2 실시 형태〕
이하, 본 발명의 제2 실시 형태에 대해서 설명한다.
본 제2 실시 형태에 관한 터보 냉동기(10)의 구성은, 도 1에 나타내는 제1 실시 형태에 관한 터보 냉동기(10)의 구성과 동일하므로 설명을 생략한다.
단, 본 제2 실시 형태에 관한 기억부(36)는, 인버터(13)로부터 전동 모터(28)에 보내지는 지시 주파수를 제어함으로써, 압축기(12)의 회전수가 제어 가능하게 되어 있기 때문에, 압축기(12)의 회전수에 따라서 다른 복수의 공력 특성 맵(42)을 기억하고 있다.
본 제2 실시 형태에 관한 공력 특성 맵(42)은, 압축기(12)의 회전수가 높을수록, 같은 압력 변수에 대한 유량 변수가 커지도록 나타내어지고 있다.
본 제2 실시 형태에서는, 냉수 유량 추산 프로그램의 스텝(102)에 있어서, 압축기(12)의 회전수(지시 주파수)에 대응한 공력 특성 맵(42)을 기억부(36)로부터 선택하고, 선택한 공력 특성 맵(42)으로부터 압력 변수 Ω에 따른 유량 변수 θ를 산출한다.
이상과 같이, 본 제2 실시 형태에 관한 제어 장치(30)는, 압축기(12)의 회전수에 대응한 공력 특성 맵(42)으로부터 압력 변수 Ω에 따른 유량 변수 θ를 산출하므로, 냉수의 유량을 보다 정밀도 높게 산출할 수 있다.
〔제3 실시 형태〕
이하, 본 발명의 제3 실시 형태에 대해서 설명한다.
본 제3 실시 형태에 관한 터보 냉동기(10)의 구성은, 도 1에 나타내는 제1 실시 형태에 관한 터보 냉동기(10)의 구성과 동일하므로 설명을 생략한다.
단, 본 제3 실시 형태에 관한 기억부(36)는, 터보 냉동기(10)가 입구 베인(32)을 구비하고 있기 때문에, 입구 베인(32)의 개방도에 따라서 다른 복수의 공력 특성 맵(42)을 기억하고 있다.
본 제3 실시 형태에 관한 공력 특성 맵(42)은, 입구 베인(32)의 개방도가 클수록, 같은 압력 변수에 대한 유량 변수가 커지도록 나타내어지고 있다.
본 제3 실시 형태에서는, 냉수 유량 추산 프로그램의 스텝 102에 있어서, 입구 베인(32)의 개방도에 대응한 공력 특성 맵(42)을 기억부(36)로부터 선택하고, 선택한 공력 특성 맵(42)으로부터 압력 변수 Ω에 따른 유량 변수 θ를 산출한다.
이상과 같이, 본 제3 실시 형태에 관한 제어 장치(30)는, 입구 베인(32)의 개방도에 대응한 공력 특성 맵(42)으로부터 압력 변수 Ω에 따른 유량 변수 θ를 산출하므로, 냉수의 유량을 보다 정밀도 높게 산출할 수 있다.
〔제4 실시 형태〕
이하, 본 발명의 제4 실시 형태에 대해서 설명한다.
본 제4 실시 형태에 관한 터보 냉동기(10)의 구성은, 도 1에 나타내는 제1 실시 형태에 관한 터보 냉동기(10)의 구성과 동일하므로 설명을 생략한다.
단, 본 제4 실시 형태에 관한 기억부(36)는, 터보 냉동기(10)가 HGBP 배관(38)과 함께 HGBP 밸브(40)를 구비하고 있기 때문에, HGBP 밸브(40)의 개방도에 따라서 다른 복수의 공력 특성 맵(42)을 기억하고 있다.
본 제4 실시 형태에 관한 공력 특성 맵(42)은, HGBP 밸브(40)의 개방도가 클수록, 같은 압력 변수에 대한 유량 변수가 커지도록 나타내어지고 있다.
본 제4 실시 형태에서는, 냉수 유량 추산 프로그램의 스텝 102에 있어서, HGBP 밸브(40)의 개방도에 대응한 공력 특성 맵(42)을 기억부(36)로부터 선택하고, 선택한 공력 특성 맵(42)으로부터 압력 변수 Ω에 따른 유량 변수 θ를 산출한다.
이상과 같이, 본 제4 실시 형태에 관한 제어 장치(30)는, HGBP 밸브(40)의 개방도에 대응한 공력 특성 맵(42)으로부터 압력 변수 Ω에 따른 유량 변수 θ를 산출하므로, 냉수의 유량을 보다 정밀도 높게 산출할 수 있다.
이상, 본 발명을, 상기 각 실시 형태를 사용해서 설명했지만, 본 발명의 기술적 범위는 상기 실시 형태에 기재된 범위에는 한정되지 않는다. 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 상기 각 실시 형태에 다양한 변경 또는 개량을 가할 수 있고, 상기 변경 또는 개량을 가한 형태도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
상기 각 실시 형태에서는, 응축기(14)에 삽입 관통되는 냉각 전열관(34) 내를 흐르는 열원 매체를 냉각수로 하는 형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은, 이에 한정되는 것이 아니라, 열원 매체를 기체(외기)로 하여, 응축기를 공기 열교환기로 하는 형태로 해도 된다.
상기 각 실시 형태에서는, 냉동 운전을 행하는 터보 냉동기(10)에 본 발명을 적용했을 경우에 대해서 설명했지만, 이에 한하지 않고, 본 발명을 히트 펌프 운전도 가능한 히트 펌프식 터보 냉동기에 적용해도 된다.
상기 각 실시 형태에서는, 터보 냉동기(10)를, 원심 압축기를 사용하는 형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 압축 형식이더라도 적용할 수 있고, 예를 들어 스크류 압축기를 사용한 스크류 히트 펌프이어도 된다.
상기 각 실시 형태로 설명한 냉수 유량 추산 프로그램 처리의 흐름도 일례이며, 본 발명의 주지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 불필요한 스텝을 삭제하거나, 새로운 스텝을 추가하거나, 처리 순서를 교체하거나 해도 된다.
10 : 터보 냉동기
12 : 압축기
14 : 응축기
24 : 증발기
32 : 입구 베인
30 : 제어 장치
30b : 냉수 유량 추산부
36 : 기억부
38 : HGBP 배관
40 : HGBP 밸브

Claims (7)

  1. 냉매를 압축하는 압축기와, 압축된 냉매를 열원 매체에 의해 응축시키는 응축기와, 응축된 냉매를 증발시키는 동시에 상기 냉매와 열매체를 열교환하는 증발기를 구비한 열원기의 열매체의 유량을 추정하는 열매체 유량 추정 장치이며,
    상기 압축기의 흡입 풍량을 반영한 제1 파라미터와, 상기 압축기의 헤드를 반영한 제2 파라미터로 표시된 맵 상에, 선회 실속으로 되는 선회 실속선, 및 상기 압축기가 흡입하는 냉매의 음속을 나타내는 복수의 기계 마하수선이 나타낸 공력 특성 맵을 기억한 기억 수단과,
    상기 제2 파라미터를 산출하고, 상기 공력 특성 맵으로부터 상기 제2 파라미터에 따른 상기 제1 파라미터를 산출하는 제1 파라미터 산출 수단과,
    상기 제1 파라미터 산출 수단에 의해 산출된 상기 제1 파라미터에 따른 상기 압축기의 흡입 풍량에 기초하여, 상기 증발기에 있어서 냉매와 열매체 사이에서 교환되는 열량을 산출하고, 상기 열량에 기초하여 열매체의 유량을 산출하는 열매체 유량 산출 수단을 구비한, 열매체 유량 추정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 열매체 유량 산출 수단은,
    상기 제1 파라미터 산출 수단에 의해 산출된 상기 제1 파라미터에 기초한 상기 압축기의 흡입 풍량 및 상기 압축기에 흡입되는 냉매의 밀도로부터, 상기 증발기를 흐르는 냉매의 유량을 산출하고,
    상기 산출한 냉매의 유량, 및 상기 증발기의 입구측의 엔탈피와 출구측의 엔탈피의 차로부터, 상기 증발기에 있어서 냉매와 열매체 사이에서 교환되는 열량을 산출하고,
    상기 산출한 열량 및 열매체가 상기 증발기에 유입출하는 온도의 차에 기초하여, 열매체의 유량을 산출하는, 열매체 유량 추정 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 압축기는, 회전수의 제어가 가능하게 되어 있고,
    상기 기억 수단은, 상기 압축기의 회전수에 따라서 다른 복수의 상기 공력 특성 맵을 기억하고,
    제1 파라미터 산출 수단은, 상기 압축기의 회전수에 대응한 상기 공력 특성 맵으로부터 상기 제2 파라미터에 따른 상기 제1 파라미터를 산출하는, 열매체 유량 추정 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 압축기는, 냉매 입구에 냉매 유량을 조절하는 베인이 구비되어 있고,
    상기 기억 수단은, 상기 베인의 개방도에 따라서 다른 복수의 상기 공력 특성 맵을 기억하고,
    제1 파라미터 산출 수단은, 상기 베인의 개방도에 대응한 상기 공력 특성 맵으로부터 상기 제2 파라미터에 따른 상기 제1 파라미터를 산출하는, 열매체 유량 추정 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 응축기와 상기 증발기 사이에는, 상기 응축기내에 있는 냉매를 상기 증발기로 흐르게 하기 위한 바이패스 배관이 설치되는 동시에, 상기 바이패스 배관을 흐르는 냉매의 유량을 조정하기 위한 밸브가 설치되고,
    상기 기억 수단은, 상기 밸브의 개방도에 따라서 다른 복수의 상기 공력 특성 맵을 기억하고,
    제1 파라미터 산출 수단은, 상기 밸브의 개방도에 대응한 상기 공력 특성 맵으로부터 상기 제2 파라미터에 따른 상기 제1 파라미터를 산출하는, 열매체 유량 추정 장치.
  6. 냉매를 압축하는 압축기와,
    압축된 냉매를 열원 매체에 의해 응축시키는 응축기와,
    응축된 냉매를 증발시키는 동시에 상기 냉매와 열매체를 열교환하는 증발기와
    제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 열매체 유량 추정 장치를 구비한, 열원기.
  7. 냉매를 압축하는 압축기와, 압축된 냉매를 열원 매체에 의해 응축시키는 응축기와, 응축된 냉매를 증발시키는 동시에 상기 냉매와 열매체를 열교환하는 증발기를 구비한 열원기의 열매체의 유량을 추정하는 열매체 유량 추정 방법이며,
    상기 압축기의 흡입 풍량을 반영한 제1 파라미터와, 상기 압축기의 헤드를 반영한 제2 파라미터로 표시된 맵 상에, 선회 실속으로 되는 선회 실속선, 및 상기 압축기가 흡입하는 냉매의 음속을 나타내는 복수의 기계 마하수선이 표시된 공력 특성 맵이 기억 수단에 미리 기억되어 있고, 상기 제2 파라미터를 산출함으로써, 상기 공력 특성 맵으로부터 상기 제2 파라미터에 따른 상기 제1 파라미터를 산출하는 제1 공정과,
    상기 제1 공정에 의해 산출된 상기 제1 파라미터에 따른 상기 압축기의 흡입 풍량에 기초하여, 상기 증발기에 있어서 냉매와 열매체 사이에서 교환되는 열량을 산출하고, 상기 열량에 기초하여 열매체의 유량을 산출하는 제2 공정을 포함하는, 열매체 유량 추정 방법.
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