(57)【要約】【課題】ターボ冷凍機に用いるインバータ容量を削減して、全体としてコスト削減を図る。【解決手段】ターボ冷凍機１０のモータ１５には、開閉器１０２の切替により、インバータ１０１または系統母線２３から電力が供給される。インバータ１０１の容量は５０％容量になっている。負荷が５０％以下であると、コントローラ１０３の制御により、開閉器１０２がインバータ１０１の出力電力を選択して、モータ１５に供給する。負荷が５０％を越えると、コントローラ１０３の制御により、開閉器１０２が系統母線２３の電力を選択して、モータ１５に供給する。これにより、５０％容量のインバータ１０１を用いることができると共に、負荷に応じてモータ１５に最適な電力供給ができる。【選択図】図１
2010196966.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、前記ターボ圧縮機を回転駆動する交流型のモータを有するターボ冷凍機を備えた冷熱源設備であって、
前記凝縮器に流通する冷却水の温度が夏期用の予め決めた設定温度で、前記蒸発器から負荷に供給する冷水の流量が予め決めた定格流量で、且つこの冷水の温度を予め決めた定格温度にするために、前記モータにより前記ターボ圧縮機を回転駆動させている状況において前記モータに供給すべき電力容量に対して、電力容量が１／Ｎ（但しＮは１を越える値）となっているインバータと、
切替動作をすることにより、前記インバータからの出力電力と、系統母線の電力とのいずれか一方を選択し、選択した電力を前記モータに供給する切替手段と、
前記蒸発器に流入する前記冷水の温度と、前記蒸発器から流出する前記冷水の温度と、前記冷水の流量と、前記凝縮器に流入する冷却水の温度を基に、前記ターボ冷凍機の実負荷を検出すると共に、実負荷が定格負荷の１／Ｎ以下である場合には、前記切替手段を制御して前記インバータの出力電力を前記モータに供給させ、実負荷が定格負荷の１／Ｎを越える場合には、前記切替手段を制御して前記系統母線の電力を前記モータに供給させる制御手段と、
を備えたことを特徴とする冷熱源設備。
【請求項２】
ターボ圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、前記ターボ圧縮機を回転駆動する交流型のモータを有する複数のターボ冷凍機を備えた冷熱源設備であって、
前記凝縮器に流通する冷却水の温度が夏期用の予め決めた設定温度で、前記蒸発器から負荷に供給する冷水の流量が予め決めた定格流量で、且つこの冷水の温度を予め決めた定格温度にするために、前記モータにより前記ターボ圧縮機を回転駆動させている状況において各ターボ冷凍機の各モータに供給すべき電力容量に対して、電力容量が小さくなっている１台のインバータと、
切替動作をすることにより、前記インバータからの出力電力と、系統母線の電力とのいずれか一方を選択し、選択した電力を各ターボ冷凍機の各モータにそれぞれ供給する複数の切替手段と、
前記蒸発器に流入する前記冷水の温度と、前記蒸発器から流出する前記冷水の温度と、前記冷水の流量と、前記凝縮器に流入する冷却水の温度を基に、各ターボ冷凍機の実負荷を検出して各実負荷を合計した総実負荷を求めると共に、前記インバータが最大能力により電力を出力して各ターボ冷凍機の各モータに電力を供給したときに各ターボ冷凍機が負担することができる負荷の合計を総閾値負荷として記憶しており、総実負荷が総閾値負荷以下である場合には、前記切替手段を制御して前記インバータの出力電力を前記モータに供給させ、総実負荷が総閾値負荷を越える場合には、前記切替手段を制御して前記系統母線の電力を前記モータに供給させる制御手段と、
を備えたことを特徴とする冷熱源設備。
【請求項３】
ターボ圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、前記ターボ圧縮機を回転駆動する交流型のモータを有する複数のターボ冷凍機を備えた冷熱源設備であって、
前記凝縮器に流通する冷却水の温度が夏期用の予め決めた設定温度で、前記蒸発器から負荷に供給する冷水の流量が予め決めた定格流量で、且つこの冷水の温度を予め決めた定格温度にするために、前記モータにより前記ターボ圧縮機を回転駆動させている状況において各ターボ冷凍機の各モータに供給すべき電力容量に対して、電力容量が小さくなっている１台のインバータと、
切替動作をすることにより、前記インバータからの出力電力と、系統母線の電力とのいずれか一方を選択し、選択した電力を各ターボ冷凍機の各モータにそれぞれ供給する１つの切替手段と、
前記蒸発器に流入する前記冷水の温度と、前記蒸発器から流出する前記冷水の温度と、前記冷水の流量と、前記凝縮器に流入する冷却水の温度を基に、各ターボ冷凍機の実負荷を検出して各実負荷を合計した総実負荷を求めると共に、前記インバータが最大能力により電力を出力して各ターボ冷凍機の各モータに電力を供給したときに各ターボ冷凍機が負担することができる負荷の合計を総閾値負荷として記憶しており、総実負荷が総閾値負荷以下である場合には、前記切替手段を制御して前記インバータの出力電力を前記モータに供給させ、総実負荷が総閾値負荷を越える場合には、前記切替手段を制御して前記系統母線の電力を前記モータに供給させる制御手段と、
を備えたことを特徴とする冷熱源設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷熱源設備に関し、ターボ冷凍機を備えた冷熱源設備に用いるインバータの容量を削減して、負荷容量に応じて最適な運転ができると共に、低コスト化を実現するように工夫したものである。
【背景技術】
【０００２】
最近の冷凍空調用の冷熱源設備の主流は、効率のよいターボ冷凍機になってきている。ターボ冷凍機は、電子電気関連工場のようなクリーンルームを有する大型の工場空調等に使用される大容量の冷熱源設備である。
【０００３】
近年、地球温暖化防止とＣＯ2排出量削減などの環境問題を受け、省エネルギー化への関心が高まっている。このため、性能の高いターボ冷凍機が要望されている。
【０００４】
ターボ冷凍機の性能の評価は、従来では、定格仕様点における効率の評価が主であった。
しかし、実際のターボ冷凍機の運用においては、ターボ冷凍機を定格点（全出力）で運転する割合は少なく、年間の運転時間の９割以上は部分負荷や冷却水温度の低い状況での運転である。
このため、冷熱源設備の年間消費電力を節約して、年間を通じて実際に運用される広い運転領域における効率（期間効率）が注目され始めている。
このような期間効率を向上するためには、ターボ冷凍機の部分負荷性能を向上させることが重要である。
【０００５】
ターボ冷凍機の主要構成機器は、低圧ガス冷媒を圧縮するターボ圧縮機と、このターボ圧縮機によって圧縮された高圧ガス冷媒を凝縮する凝縮器と、この凝縮器により凝縮された高圧液冷媒を膨張する膨張弁と、この膨張弁により膨張された低圧液冷媒を蒸発させ蒸発させた低圧ガス冷媒をターボ圧縮機に送る蒸発器と、ターボ圧縮機を駆動するモータ（交流モータ）である。
【０００６】
ターボ冷凍機を、回転駆動の観点から分類すると、商用電力をモータに直接供給してターボ圧縮機を固定速で駆動する固定速機型と、インバータからモータに周波数可変の電流を供給してターボ圧縮機を可変速駆動する可変速機型に分類される。
【０００７】
固定速機型のターボ冷凍機においては、ターボ圧縮機を固定速で運転し、ターボ圧縮機の入口案内翼のみで負荷調整を行っていた。
【０００８】
可変速機型のターボ冷凍機では、インバータを採用しており、負荷に応じてターボ圧縮機を可変速運転しているため、部分負荷特性の改善に有効である。
即ち、インバータを採用した可変速機型のターボ冷凍機では、入口案内翼に加えてターボ圧縮機の回転数をも負荷調整の手段に使うことができるので、運転の自由度が増し、効率の良い運転が可能となる。この効果は、特に、冷却水温度が低い冬季の運転時に顕著になる。
【０００９】
ここで図８を参照して、可変速機型のターボ冷凍機を備えた従来の冷熱源設備を説明する。
ターボ冷凍機１０は、ターボ圧縮機１１と、凝縮器１２と、膨張弁１３と、蒸発器１４と、ターボ圧縮機１１を回転駆動するモータ（交流モータ）１５と、冷媒流通路１６を有している。
【００１０】
ターボ圧縮機１１には冷媒流量を調整するための入口案内翼１１ａが備えられている。
凝縮器１２には冷却水配管１２ａが配置されており、冷却塔２１により冷却された冷却水Ｗ１が冷却水配管１２ａを通して送給される。
蒸発器１４には冷水配管１４ａが配置されており、冷水配管１４ａを通して、外部負荷から冷水Ｗ２が送給され、蒸発器１４にて冷却した冷水Ｗ２が外部負荷に供給される。
インバータ２２は、系統母線（商用電源母線）２３から電力を受け、周波数制御した電流をモータ１５に供給してモータ１５を駆動し、これによりターボ圧縮機１１を回転駆動する。
【００１１】
ターボ冷凍機１０では、蒸発器１４において冷媒液を蒸発させ冷媒ガスに変えることにより冷水Ｗ２から熱を奪い、凝縮器１２において冷媒ガスを冷媒液に凝縮させることにより冷却水Ｗ１に熱を捨てることにより冷熱を実現している。
そのためには、蒸発器１４の飽和温度は冷水Ｗ２の温度よりも低いことが必要であり、凝縮器１２の飽和温度は冷却水Ｗ１の温度よりも高いことが必要である。
飽和温度は圧力で決まるので、蒸発器１４と凝縮器１２の間にターボ圧縮機１１を設けて、蒸発器１４からは冷媒ガスを吸引して蒸発器１４内の圧力を減圧し、その冷媒ガスを凝縮器１２に吐出して凝縮器１２内の圧力を加圧するようにしたものがターボ冷凍機１０である。
【００１２】
蒸発器１４から外部負荷に供給する冷水Ｗ２の温度は年間を通じて一定（例えば７°Ｃ）であるのに対し、冷却水Ｗ１の温度は外気温に依存する。
このため、外気温が高く冷却水Ｗ１の温度が高い夏期にはターボ圧縮機１１の回転数を上げて吐出圧力（ヘッド）を高くし、その一方で、外気温が低く冷却水Ｗ１の温度が低い冬季にはターボ圧縮機１１の回転数を下げて吐出圧力（ヘッド）を低くするのが理想的な運転方法である。
可変速機型のターボ冷凍機１０は、このような運転を実現することにより高効率を達成している。
【００１３】
これに対し、固定速機型のターボ冷凍機では、圧縮機の回転数は、冷却水Ｗ１の温度が高い夏期の吐出圧力に合わせて設定されているので、そのままでは冬季には吐出圧力が過大になる。そこで実際には冬季においては、入口案内翼を絞り込んで吐出圧力を適正化しているが、入口案内翼を絞り込むことにより損失が発生し高い効率が得られない。
【００１４】
このように、年間消費電力の節約（期間効率の向上）のためには、ターボ圧縮機を可変速運転することが有効であるので、ターボ冷凍機としては可変速機型のターボ冷凍機が普及しつつある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００５−１１４２９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
図８に示すような、従来の可変速機型のターボ冷凍機１０では、インバータ２２を常時使用すること、即ち全負荷であっても部分負荷であっても、また、冷却水温度が高くても低くてもインバータ２２を使用することが前提となっている。
このため、ターボ冷凍機一台について、１００％容量のインバータ２２を１台備えていた。
【００１７】
ここで「１００％容量」のインバータとは、夏期の日中にターボ冷凍機１０を定格点（全負荷）で運転している状況のときに、モータ１５に必要な電力を供給することができるインバータの容量（電力容量）のことを意味する。
【００１８】
この「１００％容量」のインバータの意味をより詳しく説明すると、ターボ冷凍機１０を夏期の日中等において定格点（全負荷）で運転しているとき、即ち、
（１）凝縮器１２に送っている冷却水Ｗ１の温度が、予め決めた設定温度、例えば夏期用の設定温度である３２°Ｃになっており、
（２）しかも、負荷に供給する冷水Ｗ２の供給量が、予め決めた定格量になっているときに、
（３）蒸発器１４から負荷に供給する冷水Ｗ２の温度を、予め決めた定格温度（例えば７°Ｃ）にすることができるように、
モータ１５によりターボ圧縮機１１を回転駆動させている状況のときに、このモータ１５に必要な電力を供給することができるインバータの容量（電力容量）のことを意味する。
【００１９】
このように従来のターボ冷凍機では、１００％容量のインバータ２２を備えているため、容量が大きく従って高価なインバータを採用せざるを得なかった。したがって、コスト的に不利であった。
また、現状の可変速機型のターボ冷凍機は夏期の日中においても全負荷運転をまかなうことができるように、１００％容量のインバータを備えているが、それは設備利用率の観点から見ると利用率を悪化させる一因となるものであった。
【００２０】
本発明は、上記従来技術に鑑み、１００％容量よりも小さい容量のインバータを採用することにより、コスト低減を図ると共に、全負荷においても部分負荷においても最適な運転ができる、冷熱源設備を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記課題を解決する本発明の構成は、
ターボ圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、前記ターボ圧縮機を回転駆動する交流型のモータを有するターボ冷凍機を備えた冷熱源設備であって、
前記凝縮器に流通する冷却水の温度が夏期用の予め決めた設定温度で、前記蒸発器から負荷に供給する冷水の流量が予め決めた定格流量で、且つこの冷水の温度を予め決めた定格温度にするために、前記モータにより前記ターボ圧縮機を回転駆動させている状況において前記モータに供給すべき電力容量に対して、電力容量が１／Ｎ（但しＮは１を越える値）となっているインバータと、
切替動作をすることにより、前記インバータからの出力電力と、系統母線の電力とのいずれか一方を選択し、選択した電力を前記モータに供給する切替手段と、
前記蒸発器に流入する前記冷水の温度と、前記蒸発器から流出する前記冷水の温度と、前記冷水の流量と、前記凝縮器に流入する冷却水の温度を基に、前記ターボ冷凍機の実負荷を検出すると共に、実負荷が定格負荷の１／Ｎ以下である場合には、前記切替手段を制御して前記インバータの出力電力を前記モータに供給させ、実負荷が定格負荷の１／Ｎを越える場合には、前記切替手段を制御して前記系統母線の電力を前記モータに供給させる制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００２２】
また本発明の構成は、
ターボ圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、前記ターボ圧縮機を回転駆動する交流型のモータを有する複数のターボ冷凍機を備えた冷熱源設備であって、
前記凝縮器に流通する冷却水の温度が夏期用の予め決めた設定温度で、前記蒸発器から負荷に供給する冷水の流量が予め決めた定格流量で、且つこの冷水の温度を予め決めた定格温度にするために、前記モータにより前記ターボ圧縮機を回転駆動させている状況において各ターボ冷凍機の各モータに供給すべき電力容量に対して、電力容量が小さくなっている１台のインバータと、
切替動作をすることにより、前記インバータからの出力電力と、系統母線の電力とのいずれか一方を選択し、選択した電力を各ターボ冷凍機の各モータにそれぞれ供給する複数の切替手段と、
前記蒸発器に流入する前記冷水の温度と、前記蒸発器から流出する前記冷水の温度と、前記冷水の流量と、前記凝縮器に流入する冷却水の温度を基に、各ターボ冷凍機の実負荷を検出して各実負荷を合計した総実負荷を求めると共に、前記インバータが最大能力により電力を出力して各ターボ冷凍機の各モータに電力を供給したときに各ターボ冷凍機が負担することができる負荷の合計を総閾値負荷として記憶しており、総実負荷が総閾値負荷以下である場合には、前記切替手段を制御して前記インバータの出力電力を前記モータに供給させ、総実負荷が総閾値負荷を越える場合には、前記切替手段を制御して前記系統母線の電力を前記モータに供給させる制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００２３】
また本発明の構成は、
ターボ圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、前記ターボ圧縮機を回転駆動する交流型のモータを有する複数のターボ冷凍機を備えた冷熱源設備であって、
前記凝縮器に流通する冷却水の温度が夏期用の予め決めた設定温度で、前記蒸発器から負荷に供給する冷水の流量が予め決めた定格流量で、且つこの冷水の温度を予め決めた定格温度にするために、前記モータにより前記ターボ圧縮機を回転駆動させている状況において各ターボ冷凍機の各モータに供給すべき電力容量に対して、電力容量が小さくなっている１台のインバータと、
切替動作をすることにより、前記インバータからの出力電力と、系統母線の電力とのいずれか一方を選択し、選択した電力を各ターボ冷凍機の各モータにそれぞれ供給する１つの切替手段と、
前記蒸発器に流入する前記冷水の温度と、前記蒸発器から流出する前記冷水の温度と、前記冷水の流量と、前記凝縮器に流入する冷却水の温度を基に、各ターボ冷凍機の実負荷を検出して各実負荷を合計した総実負荷を求めると共に、前記インバータが最大能力により電力を出力して各ターボ冷凍機の各モータに電力を供給したときに各ターボ冷凍機が負担することができる負荷の合計を総閾値負荷として記憶しており、総実負荷が総閾値負荷以下である場合には、前記切替手段を制御して前記インバータの出力電力を前記モータに供給させ、総実負荷が総閾値負荷を越える場合には、前記切替手段を制御して前記系統母線の電力を前記モータに供給させる制御手段とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、インバータの容量を削減することができるので、その分だけコストの低減を図ることができ、最終的に冷熱源設備の製造に要するコストを削減することができる。
また、インバータ容量を削減しても、負荷容量に応じて最適な運転切替制御をするため、負荷容量に応じて適切な運転ができ、期間効率の向上にも寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施例１に係る冷熱源設備を示す構成図。
【図２】実施例１において可変速運転したときの成績係数特性を示す特性図。
【図３】実施例２において可変速運転したときの成績係数特性を示す特性図。
【図４】本発明の実施例２に係る冷熱源設備を示す構成図。
【図５】本発明の実施例３に係る冷熱源設備を示す構成図。
【図６】本発明の実施例４に係る冷熱源設備を示す構成図。
【図７】本発明の実施例５に係る冷熱源設備を示す構成図。
【図８】従来の冷熱源設備を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき詳細に説明する。
【実施例１】
【００２７】
図１は本発明の実施例１に係る冷熱源設備を示す構成図である。
この冷熱源設備では、可変速機型のターボ冷凍機１０を備えている。このターボ冷凍機１０は、従来技術のものと同様な構成であり、ターボ圧縮機１１と、凝縮器１２と、膨張弁１３と、蒸発器１４と、ターボ圧縮機１１を回転駆動するモータ（交流モータ）１５と、冷媒流通路１６を有している。
【００２８】
ターボ圧縮機１１には冷媒流量を調整するための入口案内翼１１ａが備えられている。
凝縮器１２には冷却水配管１２ａが配置されており、冷却塔２１により冷却された冷却水Ｗ１が冷却水配管１２ａを通して送給される。
蒸発器１４には冷水配管１４ａが配置されており、冷水配管１４ａを通して、外部負荷から冷水Ｗ２が送給され、蒸発器１４にて冷却した冷水Ｗ２が外部負荷に供給される。冷水Ｗ２は、冷水ポンプ２４により圧送されて循環流通している。
【００２９】
インバータ１０１は、系統母線（商用電源母線）２３から電力を受け、周波数制御した電流をモータ１５に供給するものであるが、その容量は、１００％容量よりも小さい容量、例えば本例では５０％容量になっている。
【００３０】
切替手段である開閉器１０２は、開閉動作をすることにより、モータ１５と系統母線２３とを接続したり、モータ１５とインバータ１０１の出力部とを接続したりする。
つまり、開閉器１０２が開閉動作（切替動作）することにより、系統母線２３の電力と、インバータ１０１の出力電力のいずれか一方が選択され、選択された電力がモータ１５に供給されるようになっている。
【００３１】
コントローラ１０３は、開閉器１０２の開閉動作（切替動作）を制御するものである。
このコントローラ１０３は、稼働時におけるターボ冷凍機１０の実負荷（定格値で正規化した冷凍負荷）を検出し、この実負荷が夏期定格負荷（夏期の日中における全負荷：冷却水Ｗ１の温度が夏期用の設定温度である３２°Ｃになっているときの全負荷）の５０％以下である場合には、開閉器１０２を開閉動作してモータ１５とインバータ１０１の出力部とを接続させ、また、実負荷（定格値で正規化した冷凍負荷）が定格負荷（夏期の日中における全負荷）の５０％を越える場合には、開閉器１０２を開閉動作してモータ１５と系統母線２３とを接続させるように、開閉器１０２の開閉動作（切替動作）の制御をする。
【００３２】
ここで、コントローラ１０３による、実負荷の検出手法を説明する。
冷水通路１４ａには、蒸発器１４に流入する冷水Ｗ２の温度を計測して計測温度Ｔ１を出力する温度計１１１と、蒸発器１４から流出する冷水Ｗ２の温度を計測して計測温度Ｔ２を出力する温度計１１２と、冷水Ｗ２の流量を計測して計測流量Ｆを出力する流量計１１３が備えられている。
また冷却水通路１２ａには、凝縮器１２に流入する冷却水Ｗ１の温度を計測して計測温度Ｔ３を出力する温度計１１４が備えられている。
【００３３】
コントローラ１０３は、計測温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３と計測流量Ｆを基に、実負荷（定格値で正規化した冷凍負荷）を演算して求めている。
【００３４】
具体的には、計測温度Ｔ１と計測温度Ｔ２との温度差に、計測流量Ｆを乗算した値を基に、負荷（定格値で正規化する前の負荷）が求められ、更に、冷却水Ｗ１の夏期設定温度（例えば３２°Ｃ）と計測温度Ｔ３との温度差に応じて、負荷（定格値で正規化する前の負荷）の値を調整することにより、正規化前の負荷から定格値で正規化した実負荷を求めている。
即ち、数式を用いて説明すると、次のようになる。
実負荷［ｋＷ］
＝（冷水入口温度Ｔ１°Ｃ−冷水出口温度Ｔ２°Ｃ）×流量Ｆｍ3／ｈ×４．２÷３．６
定格値で正規化した冷凍負荷（％）＝実負荷［ｋＷ］／定格能力［ｋＷ］×１００
なお定格能力は、その冷凍機固有の値とする。
【００３５】
かかる構成となっている実施例１の冷熱源設備では、実負荷（定格値で正規化した冷凍負荷）が定格負荷（夏期の日中における全負荷、つまり夏期定格負荷）の５０％以下である場合には、コントローラ１０３の制御により、開閉器１０２が開閉動作してモータ１５とインバータ１０１の出力部とが接続され、インバータ１０１の出力電流がモータ１５に供給されてモータ１５が回転してターボ圧縮機１１が回転駆動する。
なおインバータ１０１の出力電流周波数は、従来技術と同様に、図示しないインバータ用制御手段により負荷に応じて制御され、出力電流周波数に応じてモータ１５の回転速度ひいてはターボ圧縮機１１の回転速度が設定される。つまり、モータ１５は負荷に応じて可変速運転される。
【００３６】
一方、実負荷（定格値で正規化した冷凍負荷）が定格負荷（夏期の日中における全負荷、つまり夏期定格負荷）の５０％を越える場合には、コントローラ１０３の制御により、開閉器１０２が開閉動作してモータ１５と系統母線２３とが接続され、系統母線２３の電力がモータ１５に供給されて、モータ１５が回転駆動してターボ圧縮機１１が回転駆動する。
このときモータ１５の回転速度ひいてはターボ圧縮機１１の回転速度は、商用電源周波数に応じた固定速度となる。したがって負荷変動に応じて、従来と同様に、図示しない入口案内翼用制御手段により入口案内翼１１ａの開度調整がされる。
このような運転は、例えば、夏期の日中の高負荷運転時において行われる。
【００３７】
このように、インバータ１０１を、５０％容量のものにまで小型化しても、運転が可能であり、しかも効率的な運転ができる理由を以下に説明する。
【００３８】
図２は、モータ１５（ターボ圧縮機１１）を可変速運転したときのターボ冷凍機１０の効率特性を示すものである。
図２の横軸は、ターボ冷凍機１０の冷凍負荷（実負荷）Ｐout［ＫＷ］を示している。この冷凍負荷Ｐout［ＫＷ］は、定格値で正規化して示しているため、図２では横軸を％で表している。
図２の左側の縦軸は、ターボ冷凍機１０の成績係数（ＣＯＰ：Coefficient of Performance）を示している。
成績係数（ＣＯＰ）とは、冷凍負荷Ｐout［ＫＷ］を、ターボ冷凍機の消費動力Ｐin［ＫＷ］で除した値である。すなわち、ＣＯＰ＝Ｐout／Ｐinである。
【００３９】
ターボ冷凍機１０のＣＯＰが高ければ、同じ冷凍負荷であっても消費動力Ｐinは少なくて済む。ターボ冷凍機１０のＣＯＰは冷却水温度が下がるほど大きい。すなわち、冷却水温度が高い夏はＣＯＰが低く、冷却水温度が低い冬はＣＯＰが高い。
例えば、冷却水入口温度が定格の３２°Ｃで全負荷運転をすると、ＣＯＰは約６である。これに対し、冷却水入口温度が１５°Ｃで全負荷運転するとＣＯＰは約１２である。したがって、冷却水温度が１５°Ｃのときには、定格の１／２の動力で全負荷運転が可能である。
【００４０】
図２の右側の縦線に付したＰ点は、冷却水入口温度が３２°Ｃで全負荷運転（負荷１００％運転）したとき、即ち夏期の日中において全負荷運転したときのＣＯＰ値となる点である。Ｑは、Ｐ点のＣＯＰ値を２倍したＣＯＰ値となる点である。
図２において、破線で示す直線は、定格値で正規化した冷凍負荷が０％でＣＯＰが０の点と、Ｑ点とを結んだものであり、定格の１／２の動力で全負荷運転が可能な範囲を示している。したがって破線で示す直線よりも上側の領域では定格の１／２以下の動力で全負荷運転が可能な領域となる。
【００４１】
図２から分かるように、冷却水入口温度が１５°Ｃ以下であれば定格の１／２の動力でターボ冷凍機１０を全負荷運転することが可能である。冷却水入口温度が１５°Ｃを越えると、１／２の動力で運転可能な負荷の上限は徐々に制限されていくものの、冷却水入口温度が２９°Ｃであったとしても約５０％負荷運転が可能である。
このように、定格の１／２の動力があれば、夏期の動力も日中の高負荷運転を除いて、年間の殆どをカバー可能である。
【００４２】
逆に言えば、現状の可変ターボ冷凍機は夏期の全負荷運転をまかなうように、１００％容量のインバータを備えているが、それは設備利用率の観点からは無駄であったと言える。
【００４３】
したがって、図１に示すように、ターボ圧縮機１１の動力源となるモータ１５の電力を系統母線２３からとるか、それともインバータ１０１からとるかを切り替える開閉器１０２を備え、負荷の大きさに応じて開閉器１０２の切替制御をすることにより、インバータ１０１の小容量化が可能となるのである。即ち、夏期の日中の高負荷においては系統母線２３から電力（動力）を取り、それ以外では小容量のインバータ１０１を利用する運転が可能となる。
【００４４】
電力（動力）を系統母線２３から取ったときには、ターボ冷凍機１０は固定速運転となる。図３は固定速運転のときのＣＯＰを示している。
図２に示す可変速運転時と比較すると、固定速運転時のＣＯＰは夏期の運転では大差がない。したがって、ターボ冷凍機１０を備えた冷熱源設備を図１のように構成し、インバータ１０１を小型化したとしても、効率の劣化はわずかであるといえる。
したがって、ターボ冷凍機１０を備えた冷熱源設備を図１のように構成し、インバータ１０１を小型化すれば、事実上は損失劣化なしにインバータ容量を小型化し、最終的に可変速インバータ冷凍機を用いた冷熱源設備の低コスト化が実現できるのである。
【実施例２】
【００４５】
本発明の実施例２に係る冷熱源設備を、図４を参照して説明する。
本実施例では、複数のターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍが備えられている。これら複数のターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍは、全てが新規に設置したものであってもよく、また、一部が既設のものであり残りのものが増設したものであってもよい。
これら複数のターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍは、それぞれ、図１に示すターボ冷凍機１０と同様な構成となっている。
【００４６】
この冷熱源設備では、１台のインバータ２０１のみが備えられており、このインバータ２０１により、各ターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍのモータに動力（周波数可変の電流）を供給する構成にしている。
【００４７】
ここで、インバータ２０１の容量（電力容量）について説明する。
各ターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍが全て、夏期定格点（冷却水入口温度が夏期用設定温度（３２°Ｃ）、負荷に供給する冷水温度が定格温度（７°Ｃ）、負荷に供給する冷水の供給量が定格量）で運転されているときに、各ターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍの各モータに供給しなければならない容量（電力容量）を１００％容量としたときに、インバータ２０１の容量（電力容量）は、１００％容量よりも小さい容量となっている。
【００４８】
切替手段である開閉器２０２−１は、開閉動作をすることにより、ターボ冷凍機１０−１のモータと系統母線２３とを接続したり、このモータとインバータ２０１の出力部とを接続したりする。
つまり、開閉器２０２−１が開閉動作（切替動作）することにより、系統母線２３の電力と、インバータ２０１の出力電力のいずれか一方が選択され、選択された電力がターボ冷凍機１０−１のモータに供給されるようになっている。
【００４９】
同様に、開閉器２０２−２〜２０２−Ｍが開閉動作（切替動作）することにより、系統母線２３の電力と、インバータ２０１の出力電力のいずれか一方が選択され、選択された電力がターボ冷凍機１０−２〜１０−Ｍの各モータに供給されるようになっている。
【００５０】
コントローラ２０３は、開閉器２０２−１〜２０２−Ｍの開閉動作（切替動作）を制御するものである。
このコントローラ２０３は、実施例１と同様にして、稼働時における各ターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍの実負荷（定格値で正規化した冷凍負荷）を検出し、各実負荷を合算した総実負荷を求める。
また、コントローラ２０３には、夏期定格点において、インバータ２０１が最大能力により電力を出力して各ターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍの各モータに電力を供給したときに、各ターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍが負担することができる負荷（定格値で正規化した冷凍負荷）の合計が、総閾値負荷として記憶されている。
【００５１】
かかる構成となっている実施例２の冷熱源設備では、総実負荷（定格値で正規化した冷凍負荷）が総閾値負荷以下である場合には、コントローラ２０３の制御により、各開閉器２０２−１〜２０２−Ｍが開閉動作して各ターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍのモータとインバータ２０１の出力部とが接続され、インバータ２０１の出力電流が各モータに供給されて各ターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍが運転される。
なおインバータ２０１の出力電流周波数は、従来技術と同様に、図示しないインバータ用制御手段により負荷に応じて制御され、出力電流周波数に応じてモータの回転速度ひいてはターボ圧縮機の回転速度が設定される。つまり、モータは負荷に応じて可変速運転される。
【００５２】
一方、総実負荷（定格値で正規化した冷凍負荷）が総閾値負荷を越える場合には、コントローラ２０３の制御により、開閉器２０２−１〜２０２−Ｍが開閉動作して各ターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍのモータと系統母線２３とが接続され、系統母線２３の電力が各モータに供給されて各ターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍが運転される。
このときモータの回転速度ひいてはターボ圧縮機の回転速度は、商用電源周波数に応じた固定速度となる。したがって負荷変動に応じて、従来と同様に、図示しない入口案内翼用制御手段により入口案内翼の開度調整がされる。
このような運転は、例えば、夏期の日中の高負荷運転時において行われる。
【００５３】
次に、１台のインバータ２０１による周波数可変の電流を、各ターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍの各モータに供給することより、各ターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍを運転することができることを説明する。つまり、各ターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍの各ターボ圧縮機のヘッドの観点から見て、問題がないことを説明する。
【００５４】
ターボ圧縮機のヘッドＨ［ｍ］は次式のように、圧縮機回転数の二乗に比例する原則がある。ここに、Ｈn［ｍ］は定格点のターボ圧縮機のヘッドであり、冷凍機によらず（機種が違ったとしても）値は一定である。
Ｈ＝Ｈn×（ｆ／ｆn）2
【００５５】
季節によって冷却水の入口温度が変わると、従来技術で説明したとおり、凝縮器の圧力が変わるので、それに応じて圧縮機毎に圧縮機のヘッド［ｍ］を変えなければならない。
【００５６】
ここで、上式において、Ｈnとｆnはターボ冷凍機によらず値が同じだから、所要のヘッドＨ［ｍ］を得るための駆動周波数ｆ［Ｈｚ］の値もまた、冷凍機によらず一様になり、図２に示すように、同一のインバータ２０１による運転が可能となるのである。
【００５７】
係る本実施例２では、既存の冷熱源設備を後日の改造工事で増強（ターボ冷凍機を増設）するときに、既存のインバータをそのまま使用することができ、新規に大容量のインバータを購入することが不要になり、設備増強の費用を抑えることができるという利点がある。
【実施例３】
【００５８】
本発明の実施例３に係る冷熱源設備を、図５を参照して説明する。実施例３の冷熱源設備は、図４に示す実施例２の冷熱源設備の構成を一部変更したものである。
【００５９】
実施例３では、１台の共通の開閉器３０２を備えている。この開閉器３０２は、共通母線３０４を介して、各ターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍの各モータに接続されている。
【００６０】
切替手段である１つの開閉器３０２は、開閉動作をすることにより、共通母線３０４と系統母線２３とを接続したり、共通母線３０４とインバータ２０１の出力部とを接続したりする。
つまり、開閉器３０２が開閉動作（切替動作）することにより、系統母線２３の電力と、インバータ２０１の出力電力のいずれか一方が選択され、選択された電力が共通母線３０４を介して各ターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍの各モータに供給されるようになっている。
【００６１】
インバータ２０１及びコントローラ２０３は、実施例２と同様な構成となっている。
【００６２】
かかる構成となっている実施例３の冷熱源設備では、総実負荷（定格値で正規化した冷凍負荷）が総閾値負荷以下である場合には、コントローラ２０３の制御により、開閉器３０２が開閉動作して各ターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍのモータとインバータ２０１の出力部とが共通母線３０４を介して接続され、インバータ２０１の出力電流が各モータに供給されて各ターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍが運転される。
なおインバータ２０１の出力電流周波数は、従来技術と同様に、図示しないインバータ用制御手段により負荷に応じて制御され、出力電流周波数に応じてモータの回転速度ひいてはターボ圧縮機の回転速度が設定される。つまり、モータは負荷に応じて可変速運転される。
【００６３】
一方、総実負荷（定格値で正規化した冷凍負荷）が総閾値負荷を越える場合には、コントローラ２０３の制御により、開閉器３０２が開閉動作して各ターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍのモータと系統母線２３とが共通母線３０４を介して接続され、系統母線２３の電力が各モータに供給されて各ターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍが運転される。
このときモータの回転速度ひいてはターボ圧縮機の回転速度は、商用電源周波数に応じた固定速度となる。したがって負荷変動に応じて、従来と同様に、図示しない入口案内翼用制御手段により入口案内翼の開度調整がされる。
【００６４】
実施例３では、開閉器３０２が１台で済むので、低コスト化が可能である。
【実施例４】
【００６５】
本発明の実施例４に係る冷熱源設備を、図６を参照して説明する。実施例４の冷熱源設備は、図５に示す実施例３の冷熱源設備を改良したものである。このため、図５に示す実施例３と同一部分には同一符号を付し、重複する部分の説明は省略し、実施例４に特徴的な部分のみを説明する。
【００６６】
図６に示すように、各ターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍには、冷水ポンプ２４−１〜２４−Ｍにより、冷水Ｗ２が供給されている。
【００６７】
実施例４では、冷水ポンプ制御部４００が備えられている。この冷水ポンプ制御部４００は、各冷水ポンプ２４−１，２４−２・・・２４−Ｍに対して、冷水ポンプ速度指令ｖ１，ｖ２・・・ｖＭを出力するものである。各冷水ポンプ２４−１，２４−２・・・２４−Ｍは、冷水ポンプ速度指令ｖ１，ｖ２・・・ｖＭの指令値に応じてポンプ回転数（冷水Ｗ１の吐出量）が調整される。
【００６８】
冷水ポンプ制御部４００では、各ターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍのそれぞれの個別の負荷率と、ターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍの各負荷率を平均した平均負荷率を求めている。
そして、ターボ冷凍機１０−１の負荷率と平均負荷率との偏差を偏差演算器４０１−１により求め、この偏差をＰＩ演算器４０２−１によりＰＩ（比例・積分）演算して冷水ポンプ速度指令ｖ１を求めている。
同様に、ターボ冷凍機１０−２〜１０−Ｍの負荷率と平均負荷率との偏差を偏差演算器４０１−２〜４０１−Ｍにより求め、この偏差をＰＩ演算器４０２−２〜４０２−ＭによりＰＩ（比例・積分）演算して冷水ポンプ速度指令ｖ２〜ｖＭを求めている。
【００６９】
このようにして冷水ポンプ速度指令ｖ１〜ｖＭを制御しているため、各ターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍの負荷率が均一になるように、冷水ポンプ２４−１〜２４−Ｍの回転速度が制御される。
【００７０】
冷却水Ｗ１の入口温度が同じであっても、ターボ冷凍機の負荷率が高いほど、わずかではあるが、そのターボ冷凍機の圧縮機には、他のターボ冷凍機の圧縮機よりも大きなヘッドが必要となる。
そこで、冷凍機の負荷率を均一にすることにより、各ターボ冷凍機の圧縮機ヘッドを均一化して、運転のロバスト性を高めることができる。
【００７１】
なお本実施例は、図４に示す第２の実施例に係る冷熱源設備にも適用することができる。
【実施例５】
【００７２】
本発明の実施例５に係る冷熱源設備を、図７を参照して説明する。実施例５の冷熱源設備は、図５に示す実施例３の冷熱源設備を改良したものである。このため、図５に示す実施例３と同一部分には同一符号を付し、重複する部分の説明は省略し、実施例５に特徴的な部分のみを説明する。
【００７３】
図７に示すように、各ターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍには、冷水ポンプ２４−１〜２４−Ｍにより、冷水Ｗ２が供給されている。
【００７４】
実施例５では、冷水ポンプ制御部５００が備えられている。この冷水ポンプ制御部５００は、各冷水ポンプ２４−１，２４−２・・・２４−Ｍに対して、冷水ポンプ速度指令ｖ１，ｖ２・・・ｖＭを出力するものである。各冷水ポンプ２４−１，２４−２・・・２４−Ｍは、冷水ポンプ速度指令ｖ１，ｖ２・・・ｖＭの指令値に応じてポンプ回転数（冷水Ｗ１の吐出量）が調整される。
【００７５】
冷水ポンプ制御部５００では、各ターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍのそれぞれの個別のヘッドと、ターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍの各ヘッドを平均した平均ヘッドを求めている。
【００７６】
ヘッドについて説明すると、蒸発器の圧力を圧力計で測定すると共に、凝縮器の圧力を圧力計で測定し、その測定した圧力の差圧がヘッドとなる。
例えば、１段圧縮機ならば、蒸発器の圧力と凝縮器の圧力の差がヘッドとなり、２段圧縮機ならば、蒸発器と中間冷却器の差圧が低段のヘッドであり、中間冷却器と凝縮器の差圧が高段のヘッドとなる。
なお、圧力を圧力計で計測する代わりに、温度計で温度を測定し、測定温度をフレオンの飽和蒸気表を用いて圧力に変換して、圧力の測定をすることもできる。
です。
【００７７】
そして、ターボ冷凍機１０−１のヘッドと平均ヘッドとの偏差を偏差演算器５０１−１により求め、この偏差をＰＩ演算器５０２−１によりＰＩ（比例・積分）演算して冷水ポンプ速度指令ｖ１を求めている。
同様に、ターボ冷凍機１０−２〜１０−Ｍのヘッドと平均ヘッドとの偏差を偏差演算器５０１−２〜５０１−Ｍにより求め、この偏差をＰＩ演算器５０２−２〜５０２−ＭによりＰＩ（比例・積分）演算して冷水ポンプ速度指令ｖ２〜ｖＭを求めている。
【００７８】
このようにして冷水ポンプ速度指令ｖ１〜ｖＭを制御しているため、各ターボ冷凍機１０−１〜１０−Ｍのヘッドが均一になるように、冷水ポンプ２４−１〜２４−Ｍの回転速度が制御される。
【００７９】
冷却水Ｗ１の入口温度が同じであっても、ターボ冷凍機のヘッドが高いほど、わずかではあるが、そのターボ冷凍機の圧縮機には、他のターボ冷凍機の圧縮機よりも大きなヘッドが必要となる。
そこで、冷凍機のヘッドを均一にすることにより、各ターボ冷凍機の圧縮機ヘッドを均一化して、運転のロバスト性を高めることができる。
【００８０】
なお本実施例は、図４に示す第２の実施例に係る冷熱源設備にも適用することができる。
【符号の説明】
【００８１】
１０，１０−１〜１０−Ｍ  ターボ冷凍機
１１  ターボ圧縮機
１２  凝縮器
１３  膨張弁
１４  蒸発器
１５  モータ
１６  冷媒通路
２１  冷却塔
２２  インバータ
２３  系統母線
２４，２４−１〜２４−Ｍ  冷水ポンプ
１０１，２０１  インバータ
１０２，２０２−１〜２０２−Ｍ，３０２  開閉器
１０３，２０３  コントローラ
１１１，１１２，１１４  温度計
１１３  流量計
４００，５００  冷水ポンプ制御部
【図１】
2010196966.tif 000003
【図２】
2010196966.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2010196966.tif 000008
【図７】
2010196966.tif 000009
【図８】
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