(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒液を蒸発させて冷媒ガスを発生し、蒸発潜熱で被冷却媒体を冷却する蒸発器と；
前記冷媒ガスを吸入して圧縮する羽根車と、前記羽根車の入り口に設けられ、開度が可変のガイドベーンを有するターボ圧縮機と；
前記ターボ圧縮機で圧縮した冷媒ガスから熱を奪い、前記冷媒ガスを凝縮する凝縮器と；
前記ターボ圧縮機を駆動する可変速駆動機と；
前記蒸発器により処理する冷凍負荷に応じて前記可変速駆動機の回転速度を調節して冷凍容量を制御する第一の制御部と；
前記ガイドベーンの開度を調節して前記可変速駆動機の回転速度を所定の設定回転速度に制御する第二の制御部と；
前記蒸発器の運転条件と前記凝縮器の運転条件とから理論回転速度を算出し、前記算出した理論回転速度に基づいて、前記設定回転速度を定める、設定回転速度演算器を備える；
ターボ冷凍機。
【請求項２】
前記設定回転速度演算器は、前記理論回転速度の算出の条件に、前記ガイドベーンの開度を加えた請求項１に記載のターボ冷凍機。
【請求項３】
前記ガイドベーンの開度を閉方向に作動させる速さを、開方向に作動させる速さよりも速くした、請求項１又は請求項２に記載のターボ冷凍機。
【請求項４】
前記第二の制御部は、ガイドベーンの開度を時間比例制御により制御する、請求項1乃至請求項３のいずれか１項に記載のターボ冷凍機。
【請求項５】
前記第二の制御部は、前記時間比例制御の比例定数を、前記ガイドベーンの開度により変化させる、請求項４に記載のターボ冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はターボ冷凍機に関する。特に、負荷に応じてターボ圧縮機を高効率運転状態に維持し省エネルギー化を図ることのできるターボ冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、冷水を製造する蒸発器、システム内に取り込んだ熱を冷却水に放熱する凝縮器、システムを構成するために必要な昇圧装置である圧縮機を基本構成要素とする蒸気圧縮式冷凍機がある。このような冷凍機では、ガイドベーンを全開とし、インバータによる回転速度制御により冷凍容量（冷凍出力）を制御するインバータ制御と、ガイドベーン開度の増減により冷凍容量を制御するガイドベーン制御とを併用していた。それは、一般にベーン開度を下げて冷凍容量（圧縮冷媒蒸気量）を抑制することに比べて、回転速度を下げて抑制したほうが、効率低下の度合いが小さいからである。すなわち、回転速度はできるだけ下げ、できるだけガイドベーンを開けた方が、効率の面では好ましい。そのため、サージングが回避できる範囲で可能な限り回転速度を下げることでベーン開度が大きくなるようにし、冷凍機の効率を向上させている。
【０００３】
そのような冷凍機では、インバータ制御と、ガイドベーン制御とを、状況により切り替えていた。具体的には、負荷の増減によりいわゆるモード切替を行ない、制御対象を切り替えていた（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２３４３２０号公報（段落００１４、００２４、図７等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の冷凍機のようにモード切り替えをする場合、切り替えをする際の遷移条件が不適切であると頻繁に２つのモードを行き来することになり、制御が不安定となる。また、切り替えられた瞬間に冷凍機の応答速度や各種定数が変化し、冷凍機の挙動が変化するため、やはり制御不安定の原因となりやすいという問題があった。
【０００６】
また、一般に回転速度制御は応答性がよく分解能も高い。一方、ガイドベーン制御は機械的な操作が必要であるために応答性が悪く分解能も低い。すなわち、モード切替により制御を行うと、同一の冷凍機でありながら、それぞれのモードでの挙動（応答性や追従性）が異なることになり、需要側での使い勝手が悪くなるという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、高効率と制御安定性を両立し、応答性がよく、使い勝手のよいターボ冷凍機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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係るターボ冷凍機は、例えば図１に示すように、冷媒液を蒸発させて冷媒ガスを発生し、蒸発潜熱で被冷却媒体を冷却する蒸発器１０と；前記冷媒ガスを吸入して圧縮する羽根車２３と、羽根車２３の入り口に設けられ、開度が可変のガイドベーン２５を有するターボ圧縮機２０と；ターボ圧縮機２０で圧縮した冷媒ガスから熱を奪い、前記冷媒ガスを凝縮する凝縮器３０と；ターボ圧縮機２０を駆動する可変速駆動機２１と；蒸発器１０により処理する冷凍負荷に応じて可変速駆動機２１の回転速度を調節して冷凍容量を制御する第一の制御部７１（例えば図２参照）と；ガイドベーン２５の開度を調節して可変速駆動機２１の回転速度を所定の設定回転速度ＳＥＴＳＰに制御する第二の制御部７２（例えば図２参照）とを備える。
【０００９】
本態様のように構成すると、冷凍負荷に応じて可変速駆動機の回転速度を調節して冷凍容量を制御する第一の制御部を備え、ガイドベーンの開度を調節して可変速駆動機の回転速度を所定の設定回転速度に制御する第二の制御部を備えるので、冷凍容量は回転速度により制御され、回転速度はガイドベーンの開閉により所定の回転速度に制御される。したがって、ガイドベーンの開度調節は、直接冷凍容量制御に関わることなく、回転速度の調節を介して冷凍容量制御に関与させることができる。このようにして、冷凍容量の制御を回転速度制御とガイドベーン制御とで切り替える切り替え機構なしで、すなわち両制御部を活かしたまま、実質的に冷凍容量の制御に関わる制御の移行を両制御間で滑らかに行うことができる。よって、高効率と制御安定性を両立し、応答性がよく、使い勝手のよいターボ冷凍機を提供することができる。
【００１０】
本発明の第２の態様に係るターボ冷凍機は、第１の態様に係るターボ冷凍機において、例えば、図２に示すように、蒸発器１０の運転条件ＰＬと凝縮器３０の運転条件ＰＨとから理論回転速度を算出し、前記算出した理論回転速度に基づいて、設定回転速度ＳＥＴＳＰを定める、設定回転速度演算器７３を備える。
【００１１】
本態様のように構成すると、蒸発器の運転条件と凝縮器の運転条件とから理論回転速度、例えばサージング限界の最低回転速度を算出し、算出した理論回転速度に基づいて、目標の回転速度である設定回転速度を定めることができる。ガイドベーンの開度調節により、回転速度をこのようにして定められた設定回転速度になるように制御できるので、負荷が低減した場合でも目標とする回転速度でターボ圧縮機を運転することができる。
【００１２】
本発明の第３の態様に係るターボ冷凍機は、例えば図２に示すように、第２の態様に係るターボ冷凍機において、設定回転速度演算器７３は、理論回転速度の算出の条件に、ガイドベーンの開度ＧＶを加えるのが好ましい。
【００１３】
本態様のように構成すると、理論回転速度の算出の条件に、ガイドベーンの開度を加えるので、ガイドベーン開度により変化し得る理論回転速度に、その変化を加味することができ、より実情に即した理論回転速度を得ることができる。したがって、設定回転速度に過剰な余裕をつけることを避けることができる。
【００１４】
本発明の第４の態様に係るターボ冷凍機は、例えば図８に示すように、第１の態様乃至第３の態様のいずれか１の態様において、ガイドベーン２５の開度ＧＶを閉方向に作動させる速さを、開方向に作動させる速さよりも速くするのが好ましい（図８の例では２倍）。
【００１５】
本態様のように構成すると、ガイドベーンの開度を閉方向に作動させる速さを、開方向に作動させる速さよりも速くするので、例えば冷凍負荷が急減して回転速度が急低下するようなとき、回転速度の低下を抑制することができる。
【００１６】
本発明の第５の態様に係るターボ冷凍機は、例えば図８〜図１０に示すように、第１の態様乃至第４の態様のいずれか１の態様において、第二の制御部７２は、ガイドベーン２５の開度ＧＶを時間比例制御により制御する。
【００１７】
本態様のように構成すると、第二の制御部７２は、ガイドベーンの開度ＧＶを時間比例制御により制御するので、例えば一定の速さで開閉するベーンモータなどを利用して、ガイドベーンの開閉の速さを時間により調節する単純な制御が可能となる（作動時間に比例した作動量となる）。
【００１８】
本発明の第６の態様に係るターボ冷凍機は、第５の態様において、第二の制御部７２は、前記時間比例制御の比例定数を、前記ガイドベーン２５の開度により変化させるようにしてもよい。
【００１９】
本態様のように構成すると、第二の制御部は、前記時間比例制御の比例定数を、前記ガイドベーンの開度により変化させるので、ガイドベーンの開度により応答感度が鈍い範囲があっても、応答感度を高く維持することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、高効率と制御安定性を両立し、応答性がよく、使い勝手のよいターボ冷凍機を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第一の実施の形態にかかるターボ冷凍機の構成を示す全体概略図である。
【図２】第一の制御部と第二の制御部を有する制御手段を示すブロック図である。
【図３】ガイドベーンのみによって容量制御を行った場合のターボ冷凍機の性能を示す図である。
【図４】ターボ圧縮機の回転速度を変えてターボ冷凍機の容量を制御した場合の特性（冷却水入口温度と冷凍容量比の関係）を示す図である。
【図５】冷却水入口温度とターボ圧縮機の回転速度（インバータ周波数）の関係及び冷却水入口温度とサージング限界の仕事の関係を示す図である。
【図６】第一の実施の形態の制御装置の実例を示す、制御ブロック図である。
【図７】第二の実施の形態の制御装置の実例を示す、制御ブロック図である。
【図８】ガイドベーン開閉演算器の内部フローの一例を示す図である。
【図９】図８のガイドベーン開閉演算器の内部フローの変形例を示す図である。
【図１０】時間比例制御による場合のガイドベーン開閉演算器の内部フローの一例を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態によるターボ冷凍機の負荷が急増した場合の挙動を時間軸で説明する線図である。
【図１２】本発明の実施の形態によるターボ冷凍機の負荷が急減した場合の挙動を時間軸で説明する線図である。
【図１３】本発明の実施の形態によるターボ冷凍機の負荷がさらに大きく急増した場合の挙動を時間軸で説明する線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する部分には同一又は類似の符号を付し，重複した説明は省略する。
【００２３】
図１の本発明の実施の形態であるターボ冷凍機１０１を示す全体概略構成図を参照して、本発明の第一の実施の形態を説明する。本図に示す冷凍機はターボ冷凍機、すなわちターボ圧縮機（遠心圧縮機）を使った蒸気圧縮式冷凍機である。ターボ冷凍機１０１は、冷媒液を蒸発させて冷媒ガスを発生し、その蒸発潜熱で被冷却媒体である冷水を冷却する蒸発器１０と、蒸発器１０で発生した冷媒ガスを吸入して圧縮し、蒸発器１０から凝縮器３０まで冷媒ガスを昇圧、圧縮するターボ圧縮機２０とを備える。凝縮器３０は、圧縮された冷媒ガスから熱を奪い、これを凝縮し、凝縮熱を冷却水に放出する。凝縮器３０と蒸発器１０間には、凝縮器３０から蒸発器１０の圧力まで冷媒液を減圧する絞り機構（減圧装置）４０を備える。
【００２４】
さらに、ターボ圧縮機２０を駆動する可変速駆動機としての電動機２１と、電動機２１の起動・停止に使用する電動機起動盤６０と、商用電源７５から供給される電源の周波数を自在に制御して電動機２１に供給するインバータ８０と、電動機２１に供給される電源の周波数を指示する速度指令信号Ｃ１をインバータ８０に対して出力してターボ冷凍機１０１の運転を制御する制御手段７０ａと、蒸発器１０の冷水出口温度ＴＬを検出する冷水温度検出器１３と、凝縮器３０の冷却水入口温度ＴＨを検出する冷却水温度検出器１４と、蒸発器１０内の冷媒の圧力（低圧側圧力）ＰＬを検出する低圧側圧力検出器Ｐ１と、凝縮器３０内の冷媒の圧力（高圧側圧力）ＰＨを検出する高圧側圧力検出器Ｐ２と、を備えて構成されている。冷水温度検出器１３は、蒸発器１０の冷水出口配管１１に設置される。
【００２５】
電動機２１は、周波数変換器（スイッチングインバーター、以下「インバータ」という）８０により周波数が変換される電源で駆動されることにより、可変速駆動機として作用する。ターボ圧縮機２０、増速機、電動機２１を含む回転体の回転速度を、主軸の危険回転速度等により定まる最高回転速度以下の速度で、任意に変更することができる。最高回転速度のリミットは、制御手段７０ａ内又はインバータ８０内でかけるとよい。
【００２６】
なおターボ圧縮機２０は、ケーシング内に遠心式の単段又は多段の羽根車２３を内蔵し（図示は単段）、その吸込み側にガイドベーン２５を設置し、また電動機２１と羽根車２３の間に歯車機構等からなる増速装置を設置して構成されている。遠心式の羽根車２３の吸い込み側は、軸方向に向いており、冷媒ガスを軸方向に吸い込む。
【００２７】
冷凍負荷が設計値であり、それに対応する冷凍容量が設計値のときは、冷媒ガスは軸方向に流入している。羽根車２３と冷媒ガスの流れの関係を表わす速度三角形（羽根車２３に対する相対速度を表わす）（不図示）で見ると、冷媒ガス流入方向と羽根車２３の入り口角度とは一致しており損失は最小限に抑えられる。ところが、冷凍負荷が低下し部分負荷になると、それに応じて制御される結果、冷凍容量が低下し、軸方向に流入している冷媒ガスの体積流量が減少する。結果として、流入方向と羽根車２３の入り口角度とに偏差が生じる。その結果、ターボ圧縮機の効率が低下し、ヘッド発生能力も低下する。ガイドベーン２５を備えるときは、これを開閉することにより冷媒ガスの流入方向を調整する。その結果、速度三角形上で冷媒ガスの羽根車２３への流入方向を、羽根車２３の入り口角度と一致させることができ、効率低下を抑制することができる。また発生するヘッドの低下もほとんど生じない。このようにして、ガイドベーン２５による制御では、少なくとも開度があまり小さくない範囲では、発生するヘッドの低下を生じさせることなく、吸い込む冷媒ガスの体積流量を調節することができる。したがって後述のサージング現象を抑えながら、冷凍容量を増減することができる。
【００２８】
但し、ガイドベーン開度が小さくなると、吸い込みガスを希薄化して、流入冷媒ガスの質量流量を調節するダンパ制御に近くなる。言い換えれば、ターボ圧縮機２０は吸込みガイドベーン２５が全開の状態で所定の吸込み能力及び仕事が得られるように設計するものであるから、吸込みガイドベーン２５によって吸込み能力が減少する方向に動作すれば当然ターボ圧縮機２０の効率は設計状態の運転に比較して低下し、この結果ターボ冷凍機１０１の省エネルギー運転の効果は低下する。
【００２９】
また、ガイドベーン２５の開度ＧＶが小さいときは、ダンパによる圧力損失分に相当するヘッドの低下を伴うので、サージング現象の抑制効果は低下する。この問題には、後述の設定回転速度の補正で対処することができる。
【００３０】
ターボ圧縮機２０の吐出管は凝縮器３０に接続され、ターボ圧縮機２０の吸込み管は蒸発器１０に接続されている。なお低圧側圧力検出器Ｐ１は蒸発器１０に設置する代りにターボ圧縮機２０の吸込み側（吸込み管）に設置してその吸込み圧力を検出するようにしても良い。また高圧側圧力検出器Ｐ２は凝縮器３０に設置する代わりにターボ圧縮機２０の吐出側（吐出管）に設置してその吐出圧力を検出するようにしてもよい。
【００３１】
次に、回転速度ＳＰによる冷凍容量制御について説明する。ターボ圧縮機２０の発生するヘッドＨと羽根車２３の吸込ガスの体積流量との関係を示す、性能曲線（ＨＶカーブ）（不図示）においては、ヘッドＨは羽根車２３の回転速度ＳＰの２乗に比例し、体積Ｖは回転速度ＳＰに比例する。一方ターボ冷凍機１０１では、蒸発器１０の蒸発温度（あるいは蒸発圧力）と凝縮器３０の凝縮温度（あるいは凝縮圧力）で決まる必要ヘッドがある。したがって、ターボ圧縮機２０が発生するヘッドＨが前記必要ヘッド以下になるとサージング現象が起きる。そのヘッドＨに対応する回転速度以下にターボ圧縮機２０の回転速度を下げることはできない。ここでは、この回転速度を「最低回転速度」と呼ぶことにする。
【００３２】
制御手段７０ａは、前記冷水温度検出器１３が検出した冷水出口温度ＴＬを表わす冷水出口温度信号Ｓ１と、低圧側圧力検出器Ｐ１が検出した低圧側圧力ＰＬを表わす低圧側圧力信号Ｓ７と、高圧側圧力検出器Ｐ２が検出した高圧側圧力ＰＨを表わす高圧側圧力信号Ｓ８と、ガイドベーン開度ＧＶを表わすガイドベーン開度信号Ｓ３を入力し、これらの検出信号に基づいてインバータ８０に速度指令信号（インバータ回転速度調節信号）Ｃ１を出力するとともに、ガイドベーン２５にその開閉用のガイドベーン開度調節信号Ｃ２を出力する。制御手段７０ａの詳細は後述する。
【００３３】
なお、後述の設定回転速度演算器では、蒸発器１０の運転条件としての低圧側圧力信号Ｓ７（ＰＬ）と凝縮器３０の運転条件としての高圧側圧力信号Ｓ８（ＰＨ）とに基づいて設定回転速度ＳＥＴＳＰを演算するが、その代わりにやはり蒸発器１０の運転条件としての冷水出口温度ＴＬを表わす冷水出口温度信号Ｓ１と冷却水温度検出器１４が検出した、凝縮器３０の運転条件としての冷却水入口温度ＴＨを表わす冷却水入口温度信号Ｓ２とに基づいてもよい。詳細は後述する。
【００３４】
以上のように構成されたターボ冷凍機１０１においては、蒸発器１０とターボ圧縮機２０と凝縮器３０と減圧装置４０で冷媒が蒸発、加圧圧縮、凝縮、及び減圧を繰り返して冷凍サイクルが構成される。本発明の実施の形態では、ターボ冷凍機１０１の制御手段７０ａは負荷を監視し、負荷の増減に合わせてターボ圧縮機の回転速度ＳＰを増減する。これをここでは「負荷制御」と呼ぶ。
【００３５】
本実施の形態のターボ冷凍機１０１において、制御手段７０ａは、冷水温度検出器１３から、冷水出口温度ＴＬを受信する。本実施の形態では、冷水温度検出器１３は冷水出口配管１１に設けられているので、Ｓ１は冷水出口温度ＴＬを示す信号である。一方、制御手段７０ａには、冷水出口設定温度ＳＥＴＴＬが設定されている。制御手段７０ａからは、ターボ圧縮機２０の回転速度ＳＰを調節する速度指令信号Ｃ１がインバータ８０に向けて出力される。冷水出口温度ＴＬには、冷凍負荷の増減が最も直接的に反映される。すなわちターボ冷凍機１０１が安定して運転されているとき、冷凍負荷が増えると冷水出口温度ＴＬは上昇する。負荷制御により、これが設定温度ＳＥＴＴＬになるように制御されるのである。
【００３６】
また制御手段７０ａは、前述のように、蒸発器１０に設置された圧力検出器Ｐ１から圧力信号Ｓ７（ＰＬ）と、凝縮器３０に設置された圧力検出器Ｐ２から圧力信号Ｓ８（ＰＨ）と、ガイドベーン２５に設置されたガイドベーン開度検出器１５からガイドベーン開度信号Ｓ３（ＧＶ）を受信する。そして、ガイドベーン２５の開度ＧＶを調節するガイドベーン開度調節信号Ｃ２を出力する。さらに制御手段７０ａは、回転速度信号Ｓ４（ＳＰ）を受信する。
【００３７】
図２のブロック図を参照して、制御手段７０ａの構成と作用を詳細に説明する。制御手段７０ａは、第一の制御部としてのインバータ制御装置７１を有する。インバータ制御装置７１には、冷水出口温度信号Ｓ１（ＴＬ）が入力される。また冷水出口温度設定値ＳＥＴＴＬが設定されている。冷水出口温度設定値ＳＥＴＴＬは、信号Ｓ６として与えてもよいし、設定ダイヤルやキーボード等から人為的に与えてもよい。インバータ制御装置７１からは、インバータ８０に向けて、速度指令信号Ｃ１が出力される。
【００３８】
インバータ制御装置７１は、比例制御装置（Ｐ）、比例積分制御装置（ＰＩ）、あるいは比例積分微分装置（ＰＩＤ）のいずれであってもよい。比例制御装置であるときは、簡易な制御装置となる。多少のオフセットは残るが、空調ではあまり問題とならない。典型的には、比例積分制御装置とする。このときは、オフセットが残らず、冷水出口温度ＴＬを冷水出口設定温度ＳＥＴＴＬに一致させる制御が可能となる。比例積分微分装置とするときは、冷凍負荷の変化が急なとき、変化を先取りして制御できるので早い応答が可能となる。
【００３９】
制御手段７０ａは、さらに第二の制御部としてのガイドベーン制御装置７２を有する。ガイドベーン制御装置７２には、電動機２１の回転速度ＳＰ（信号はＳ４）、ひいてはターボ圧縮機２０の回転速度が入力される。電動機２１の回転速度とターボ圧縮機２０の回転速度は、定数である増速機の増速比だけの差があるだけで、完全な対応関係にある。したがって、電動機２１の回転速度を調節すると言うときは、ターボ圧縮機２０の回転速度を調節すると同義である。さらには、インバータ８０の周波数を使ってもよい。実質的に電動機２１の回転速度に対応するからである。以下、単に「回転速度」というときは、ターボ圧縮機２０の回転速度（羽根車２３の回転速度）、電動機２１の回転速度、インバータの周波数を意味する。また回転速度の代わりに、適宜、速度比（回転速度／最低回転数）で説明する場合もある。
【００４０】
またガイドベーン制御装置７２には、設定回転速度演算器７３で演算された設定回転速度ＳＥＴＳＰを表わす設定回転速度信号Ｓ５が送られる。設定回転速度演算器７３には、低圧側圧力信号Ｓ７（ＰＬ）、高圧側圧力信号Ｓ８（ＰＨ）及びガイドベーン開度信号Ｓ３（ＧＶ）が入力する。設定回転速度演算器７３は、低圧側圧力信号Ｓ７、高圧側圧力信号Ｓ８を受信して、最低回転速度を求め設定回転速度ＳＥＴＳＰを演算する。また、ガイドベーン開度信号Ｓ３（ＧＶ）を使って、設定回転速度ＳＥＴＳＰを補正する。
【００４１】
図３は、回転速度制御はせずにガイドベーン２５のみによって冷凍容量を制御した場合のターボ冷凍機１０１の性能を示す図である。この性能カーブ自体は、従来技術と変わらない。本実施の形態を構成するターボ冷凍機１０１のガイドベーン２５の挙動をまず理解するために示すものである。本図は、パラメータを冷却水（入口）温度ＴＨとした、冷凍容量比／成績係数曲線である。横軸の冷凍容量比は、設計の冷凍容量を１．０として冷凍容量を比で示している。縦軸が成績係数（ＣＯＰ）、すなわち投入動力に対して得られる冷凍能力である。本図は、成績係数が冷却水温度ＴＨによってどのように変化するかを示すものである。
【００４２】
冷凍容量比が１．０のときに注目すると、冷却水温度が３２℃では成績係数は約６．１であり、このときガイドベーン２５は全開である。冷凍容量比が小さくなるとガイドベーン２５が閉の方向に作動する。作動点は図中左方向に移動する。図から分かるように、冷凍容量比が０．８５程度までは成績係数の低下はほとんど見られない。
【００４３】
冷却水温度が２０℃の場合、成績係数は約７．９を示している。中間期等の状態である。このときは、冷凍容量比が１．０でもガイドベーン２５はすでにある程度閉じている。冷凍容量比が小さくなるとガイドベーン２５がさらに閉の方向に作動する。図から分かるように、冷凍容量比が１．０から図中左方向に移動を始めると、直ちに成績係数の低下が始まる。
【００４４】
図４を参照して、ターボ圧縮機２０すなわち遠心式の圧縮機に特有のサージング現象を説明する。この性能カーブも、これ自体は従来技術と変わらない。やはり本実施の形態を構成するターボ冷凍機を回転数制御をする場合のサージング限界を理解するために示すものである。本図は、パラメータを回転速度比とし、ターボ圧縮機２０の回転速度ＳＰを変えてターボ冷凍機１０１の冷凍容量を制御した場合の特性（冷却水入口温度ＴＨと冷凍容量比の関係）を示す図である。ここで回転速度比は圧縮機の回転速度の定格回転速度に対する百分率（％）であり、冷却水温度が約３２℃、冷凍容量比が１．０のときにほぼ１００%となる。
【００４５】
本図から分かるように、冷却水の温度ＴＨが低下すればターボ圧縮機２０の回転速度を下げて冷凍容量制御運転が可能であるが限界値があることも示している。例えば、冷却水温度が３２℃の場合に注目すると、回転速度が約１００％で冷凍容量比は１．０となる。回転速度を９１．５％まで下げると、冷凍容量比は約０．７１となる。しかしながら、ここでサージング限界線に達する。即ち冷却水入口温度３２℃一定の条件下で負荷が減少すれば、冷凍容量比が約０．７１までは、ターボ圧縮機２０の回転速度ＳＰを下げることにより対応可能であるが、ここでサージング限界線に達してターボ圧縮機２０の安定運転が不可能な領域に入る。この限界回転速度が、冷却水温度が３２℃のときの最低回転速度である。従来技術では、この最低回転速度を目安にモードが切り替えられ、ガイドベーン制御がを開始していた。本実施の形態では、モード切り替えによる制御不安定を起こすことなくガイドベーン制御への移行が滑らかに行われる。
【００４６】
図５の線図を参照して、サージング限界線ひいてはある状態における「最低回転速度」を求める方法を説明する。本図は、ガイドベーン２５が全開の状態における、冷却水入口温度とターボ圧縮機２０の回転速度（インバータ周波数）％の関係、及び冷却水入口温度とサージング限界の仕事の関係を示す図である。
【００４７】
本発明の実施の形態では、第二の制御部としてのガイドベーン制御装置７２の設定回転速度信号ＳＥＴＳＰは、限界回転速度（最低回転速度）に基づいて設定回転速度演算器７３により演算され決められる。この境界である限界回転速度は、先ず第一に本実施の形態では蒸発器１０内の圧力（又はターボ圧縮機２０の吸込み圧力）（圧力信号はＳ７（ＰＬ））、及び凝縮器３０内の圧力（又はターボ圧縮機２０の吐出圧力）（圧力信号はＳ８（ＰＨ））の二点の情報だけで決定される。即ちターボ圧縮機２０の仕事を等温仕事で表示すれば低圧側、高圧側の圧力をそれぞれＰＬ、ＰＨとして仕事Ｗｃは、
Ｗｃ＝ＰＬ×Ｖ１×Ｌｏｇ（ＰＨ／ＰＬ） …式（１）
となる。ここでＶ１はターボ圧縮機吸込みの比容積であり、ＰＬ×Ｖ１の値はターボ冷凍機１０１の起動時を除き運転中にほとんど変化はない。即ちＰＬ×Ｖ１はターボ冷凍機１０１の仕様が決まれば常数として設定可能であり、ターボ圧縮機２０の限界仕事は低圧側と高圧側の二点の圧力ＰＬ、ＰＨを検出すれば算出可能である。
【００４８】
これによってターボ圧縮機１０１の推奨回転速度及びこれに対応するサージング限界線が冷却水の温度（この例では冷却水入口温度ＴＨ）によって単純に決定できることが分かる。図５で示す直線関係は、容量制御特性を示す図４中のサージング限界線上の回転速度ＳＰ及びこの位置でのターボ圧縮機２０の運転状態から容易に導けるもので、圧力ＰＬ、ＰＨの他に冷却水温度ＴＨを検知すればこれによってターボ冷凍機１０１の安定運転領域を決定できることを示している。
【００４９】
図２に戻って制御手段７０ａによる制御を説明する。以上のことからこのターボ冷凍機１０１において、冷凍負荷の増減を判断して冷凍容量制御を行う手法として、冷水温度検出器１３によって冷水出口温度ＴＬを検出しその冷水出口温度信号Ｓ１を制御手段７０ａのインバータ制御装置７１に送る。この温度ＴＬが目標値ＳＥＴＴＬになるように、回転速度ＳＰを調節する。
【００５０】
ここではインバータ制御装置７１が比例積分（ＰＩ）制御である場合で説明する。この場合、ＴＬとＳＥＴＴＬに偏差があると、その偏差がプラスのときは、冷凍容量（冷凍出力）が冷凍負荷に比べて不足していることを意味するので、回転速度ＳＰを上昇させる速度指令信号号Ｃ１をインバータ８０に送る。逆に偏差がマイナスのときは、冷凍容量が冷凍負荷に比べて過大であることを意味するので、回転速度ＳＰを降下させる速度指令信号Ｃ１をインバータ８０に送る。偏差がゼロになったところで安定する。このようにして、回転速度を調節してターボ圧縮機２０の吸込み能力を調節することにより、冷水出口温度ＴＬ、ひいては冷凍容量を制御する。特に本ターボ冷凍機が空調機用である場合、中間期等で冷却水の温度ＴＨが低下したときには、ターボ圧縮機２０の回転速度を下げることにより冷凍容量を制御する。なお、冷凍機では負荷の大小を冷水温度により判断することが多く、特に冷水出口温度によって判断する。
【００５１】
一方先に説明したように、ターボ圧縮機２０の回転速度を下げて冷凍容量を制御する運転では、サージングを避けるための最低回転数という限界値がある。
【００５２】
図２を参照して説明を続ける。ターボ圧縮機２０のサージングを避けるための制御手段として、本発明の実施の形態のターボ冷凍機１０１は、第二の制御部であるガイドベーン制御装置７２を備える。ガイドベーン制御装置７２は、電動機２１の、ひいてはターボ圧縮機２０の回転速度ＳＰを前記最低回転数よりも低下させないように、ガイドベーン２５の開度ＧＶを調節する。
【００５３】
ガイドベーン制御装置７２は、回転速度ＳＰ（回転速度信号Ｓ４）が設定回転速度演算器７３で演算された設定回転速度を示す設定回転速度信号Ｓ５（ＳＥＴＳＰ）になるように制御信号であるガイドベーン開度調節信号Ｃ２をガイドベーン２５（ガイドベーン駆動機）に送信する。すなわち制御信号Ｃ２は、ＳＰとＳＥＴＳＰとの偏差がプラスのときは、ガイドベーン２５を開く方向の制御信号であり、マイナスのときはガイドベーン２５を閉じる方向の信号となる。以上の通り、ガイドベーン制御装置７２は、直接冷凍容量を制御するものではない。しかしながら、ガイドベーンを開閉することで冷凍機の出力特性が変化するため、結果的にインバータ回転速度が増減する。
【００５４】
ここでガイドベーン制御装置７２は回転速度ＳＰが設定回転速度ＳＥＴＳＰになるように制御するというとき、設定回転速度ＳＥＴＳＰに一致するような制御の他、設定回転速度ＳＥＴＳＰを挟む所定の範囲に収まるような制御も含む。典型的には比例制御の場合である。あるいは後述の不感帯に収まるような制御である。
【００５５】
ガイドベーン制御装置７２とインバータ制御装置７１の関係をさらに説明する。ある回転速度ＳＰで冷凍容量（冷凍出力）と冷凍負荷とが一致しているが、その回転速度ＳＰが設定回転速度ＳＥＴＳＰを下回っているとすると、ガイドベーン制御装置７２が働いてベーン開度ＧＶを下げる。すると、同一の回転速度ではターボ冷凍機の冷凍容量が冷凍負荷よりも小さくなってしまうので、インバータ制御装置７１が回転速度ＳＰを上げる方向に「負荷制御」が働く。これにより回転速度ＳＰひいては速度比は上昇する。したがって、ベーン開度ＧＶを操作することで、結局速度比を制御できることとなる。この制御を「ベーン追従制御」と呼ぶことができる。
【００５６】
設定回転速度演算器７３は、先に図５を参照して説明したように、低圧側圧力信号Ｓ７（ＰＬ）、高圧側圧力信号Ｓ８（ＰＨ）を受信して、最低回転速度を求める。最低回転速度は、低圧側圧力ＰＬと高圧側圧力ＰＨでほぼ決めることができるが、先に説明したように、ガイドベーン２５が全開から閉方向に動くにつれて、わずかながら高くなる。そこで、ガイドベーン開度信号Ｓ３（ＧＶ）を受信して、最低回転速度を補正するとよい。
【００５７】
設定回転速度ＳＥＴＳＰは、求められた最低回転速度に余裕を持たせた値とする。余裕は、ターボ圧縮機やインバータ制御装置の特性によるが、典型的には０．０１％以上１０％以下、好ましくは０．１％以上２．０％以下、より好ましくは０．５％以上１．０％以下とするのがよい。余裕が小さ過ぎるとすぐに最低回転数に達してサージングを起こす恐れが高くなり、ガイドベーン２５を閉方向に作動させて回転速度を制御する範囲が狭くなる。余裕が大きすぎるとターボ圧縮機を高い効率で運転する範囲がそれだけ狭まってしまう。設定回転速度ＳＥＴＳＰは速度比で言えば、例えば１．０％の余裕を持たせたときは、前記最低回転速度の１．０１０倍の速度比となる。
【００５８】
なお、補正演算器７３−４（図６参照）を備えず、ガイドベーン開度信号Ｓ３（ＧＶ）で最低回転速度を補正しないときは、使用する可能性のある最小のガイドベーン開度のときの最低回転速度に１．０１０を乗じた値を設定回転速度の値とすればよい。ガイドベーン全開のときの余裕が多少大きすぎることとなるが、演算を簡略にできる。
【００５９】
このシステムにおいては、回転速度ＳＰが設定回転速度ＳＥＴＳＰよりも十分に高いときは、インバータ制御装置７１が冷凍容量制御をしている。ガイドベーン制御装置７２も稼働状態にあるが、回転速度ＳＰが設定回転速度ＳＥＴＳＰよりも十分に高いので、これは回転速度ＳＰと設定回転速度ＳＥＴＳＰとの偏差がプラスであり続けることを意味し、ガイドベーン２５を開く方向の制御信号Ｃ２が継続的に出力される。そのため、ガイドベーン２５は全開となり、事実上回転速度制御だけが働いていることと同じになり、回転速度制御部７１により冷凍容量が制御される状態が続く。図４を参照すると、例えば冷却水温度が２０℃で冷凍容量比が１．０〜約０．６の間の状態である。この間、回転速度は約８２％から約６８％の間にあることが分かる。回転速度ＳＰが約６８％まで低下したところでサージング限界線に達する。
【００６０】
本実施の形態では、設定回転速度ＳＥＴＳＰを、最低回転速度の１．０１０倍としているので、回転速度が６８×１．０１＝約６９％になったところで、ガイドベーン制御装置７２が働き始める。回転速度比が６９％よりも低下すると、回転速度ＳＰと設定回転速度ＳＥＴＳＰとの偏差がマイナスになるので、ガイドベーン制御装置７２からは回転速度ＳＰを上昇させる制御信号Ｃ２すなわちガイドベーン２５を閉方向に動かすガイドベーン開度調節信号Ｃ２が出力される。このようにして、ガイドベーン２５が僅かに閉となったところで、回転速度ＳＰは設定回転速度ＳＥＴＳＰに戻され安定する。このように制御されるので、回転速度ＳＰが最低回転速度に達することはなく、サージング現象を避けることができる。
【００６１】
本実施の形態では、ガイドベーン制御装置７２の応答速度は、インバータ制御装置７１の応答速度よりも遅く設定される。言い換えれば、ガイドベーン制御装置７２の時定数は、インバータ制御装置７１の時定数よりも長く設定される。したがって、前記回転速度比が６９％前後であるときも、冷凍負荷の変化あるいは冷却水温度の変化には、先ずインバータ制御装置７１が素早く応答して、回転速度ＳＰを調節することにより冷凍容量が制御される。
【００６２】
一般に冷凍負荷の変動、あるいは冷却水温度の変動は、ゆるやかに生じるので、ガイドベーン制御装置７２の応答速度があまり早くなくても、回転速度が最低回転速度に達してしまうことはない。しかしながら、冷凍負荷の変動が急激に生じたときには回転速度ＳＰが低下し過ぎて最低回転速度に達してしまうことも起こり得る。これを避け易くするために、ガイドベーン２５の開度を閉方向に作動させる速さを、開方向に作動させる速さよりも速くするのが好ましい。ガイドベーン２５の開度を開方向に作動させる場合は、多少遅れても制御上で問題となることはない。成績係数が低い状態の運転が多少長くなるだけである。またさらに、最低回転速度を超えて回転速度が低下するのを防止するため、下限にリミットをかけるのが好ましい。これについては後述する。
【００６３】
このようにすると、たとえば負荷が急増した場合、まずは回転速度ＳＰが上昇してターボ冷凍機１０１の出力が上がる。回転速度制御をベーン開度制御よりも応答速度を速くしておけば、回転速度制御により、急増した負荷にすぐに追いつく。すなわち、制御が安定する。一方、回転速度ＳＰが上昇したことにより、速度比が上昇する。これに応じて、ベーン開度ＧＶはゆっくりと上昇する。これにより、ターボ冷凍機１０１の出力が増加するので、回転速度ＳＰが徐々に低下する。これで速度比が下がり、やがて目標値（設定回転速度）で再び安定する。
【００６４】
ここで、前述したように、回転速度ＳＰはできるだけ小さく、ベーン開度ＧＶはできるだけ大きい方が、一般に効率はよい。すなわち、本実施の形態の制御によると最適な点に比べて、一時的には回転速度ＳＰが高く、ベーン開度ＧＶが小さくなるので、効率は低下する。しかし、実務的にはこの制御による一時的な効率の低下は、無視しうるほどに小さく、また、すぐに最適な状態に変化するので、省エネルギー性についてもほとんど低下は生じない。その一方で、負荷変動に対してはただちに回転速度ＳＰの操作により追従するので、負荷に対する追従性が大きく向上する。これにより、省エネルギー性と追従性とを両立することができる。
【００６５】
本実施の形態のターボ冷凍機１０１では、従来のターボ冷凍機と違って、回転速度ＳＰの調節により冷凍容量を制御する回転速度制御とガイドベーン２５の開度ＧＶを調節して回転速度ＳＰを制御するガイドベーン制御とは両方とも常に活きており、両制御の間で、モード切り替えをすることがない。したがって、モード切り替えに伴って起こりがちな、頻繁に２つのモードを行き来する現象を抑えることができ、安定した制御が可能となる。モードの切り替えがないので、切り替えられるとすればその瞬間に起こりがちなターボ冷凍機の応答速度や各種定数の変化も問題とならず、ターボ冷凍機の挙動の変化の心配もない。
【００６６】
以上の実施の形態では、設定回転速度演算器７３には、低圧側圧力信号Ｓ７（ＰＬ）と高圧側圧力信号Ｓ８（ＰＨ）とを入力する場合で説明したが、それぞれ蒸発器１０の蒸発温度信号と凝縮器３０の凝縮温度信号を入力してもよい。また冷水出口温度信号Ｓ１（ＴＬ）と冷却水入口温度信号Ｓ２（ＴＨ）をそれぞれ入力してもよい。厳密に言えば、冷水出口温度ＴＬと冷却水入口温度ＴＨでは、サージング限界が実際の限界から多少ずれるが、蒸発器１０と凝縮器３０の蒸発圧力・凝縮圧力、あるいは蒸発温度・凝縮温度の検出器を省略でき、装置が簡易になる。この場合、冷凍容量を検出するために用いる冷水出口温度検出器１３を設定回転速度演算に兼用することができる。
【００６７】
最低回転速度を、蒸発器１０の蒸発圧力と凝縮器３０との凝縮圧力により演算するのがよいとしたが、具体的には、あらかじめ冷媒の特性により、いくつかの圧力差に応じた最低回転速度を計算して制御手段７０ａの記憶部に記憶させておき、演算された圧力比における最低回転速度を記憶部から取り出して演算するとよい。なお、このときにベーン開度ＧＶによりこの最低回転速度に補正をかけることとしてもよい点は既に説明した通りである。すなわち、ベーン開度ＧＶが小さい場合にはサージングが発生しやすくなるので、ベーン開度ＧＶに応じて、あらかじめ最低回転速度を高くしてもよい。
【００６８】
ここで、ベーン追従制御は、あえて、ある程度動作が緩慢な制御方式を用いるのが良い。具体的には、積分定数を小さくしたり、制御周期を長く取ったり、意図的に遅いモーターでベーンを駆動したりする。なぜならば、従来の制御ではベーン開度ＧＶの制御は負荷追従が主たる目的であったので、動作を緩慢にし過ぎると冷水出口温度などが設定値から大きく逸脱して不都合であったが、本発明の実施の形態によれば、負荷追従は回転速度制御で俊敏に行なわれているため、追従が多少遅くても大きな問題が生じない。むしろ、負荷制御による制御結果（速度比）を、一定時間で平均化するなどして、あえて一次遅れにするなどしたほうが、制御が安定する。
【００６９】
ところで、ベーン追従制御には、いわゆるＰＩＤ制御などの高級な制御手法を使用してもよいが、操作量が値域の上限にかかることが常態化するため、積分項が不必要に大きな値となったりすることで予期せぬ動作を起こしやすい。むしろ、制御方法としては単純な、漸増減のみでもよいし、あるいは後述する時間比例制御を用いるのが特に良い。
【００７０】
漸増減による場合、ガイドベーン制御装置７２は一定時間おき（数秒から数分が良い）に速度比を確認し、速度比が目標範囲以上であればベーン開度ＧＶを増し、目標範囲以下であればベーン開度ＧＶを減じる。このとき、ベーン開度ＧＶの開方向の速さ（増加量）と閉方向の速さ（減少量）とは同一である必要は無く、前述のようにベーンの閉方向の速さを大きく、開方向の速さを小さく取ることが好ましい。
【００７１】
次に時間比例制御について説明する。時間比例制御では、一定時間おき（通常は数秒から数分で、装置の特性により最適値が異なる）に、目標値と現在値との差異を計算する。そして、差異に基づく方向に、差異に比例した時間だけ、ガイドベーン２５を動かす。具体的に言うと、目標値１．０１０に対して、実際の速度比が１．０１５であった場合、速度比の差０．００５に対し、ガイドベーン２５を操作するモーターを開方向に、たとえば５秒、駆動する。このとき、実際の速度比が１．０２０であった場合、速度比の差が０．０１０であるので、１０秒駆動する。これは、思想的には積分制御の一種であるが、本発明におけるターボ冷凍機のベーン追従制御とはよく調和する。
【００７２】
なお、時間比例制御における制御定数は通常は一定値であるが、ベーン開度ＧＶが高い場合と低い場合とで同じ開度変化に対する冷凍容量の変化（感度）が異なるので、開度ＧＶにより比例定数を変えると、追従性がさらに改善する。たとえば、ベーン開度が６０％以上では、速度比の差が０．００５に対して、駆動時間５秒であったものを、６０％未満では、１秒にする、などである。
【００７３】
以上の実施の形態では、ガイドベーン制御装置７２では設定回転速度ＳＥＴＳＰを最低回転速度の１．０１０倍として、これを設定値として回転速度ＳＰを調節するものとして説明した。通常はこれで差し支えないが、万一ガイドベーン制御装置７２の応答が追い付かずに、回転速度ＳＰが最低回転速度を下回るようなことがあるとターボ圧縮機がサージングを起こしてしまう。
【００７４】
そこで、第一の構成として、インバータ制御装置７１には、回転速度ＳＰについて最低回転速度より低下しないように回転速度ＳＰに制限をかけるのが好ましい。最低回転速度に達すると、あるいは達する直前の値（例えば最低回転速度の１．００１倍）に下限回転速度としてリミットを設ける。すなわち、冷凍容量が冷凍負荷より小さくても、それを越えて回転速度ＳＰが低下しないような速度指令信号Ｃ１とする。
【００７５】
さて、このように最低回転速度の１．００１倍にリミットをかけた実施の形態において、負荷が減少した場合について説明する。繰り返し述べているように、回転速度ＳＰはできるだけ低くしてベーン開度ＧＶを大きくした方が、効率がよくなる。速度比の目標値が、最低回転速度の１．０１０倍に設定されているとき、速度比がこの目標値で安定している場合に、負荷が急激に低下すると、回転速度ＳＰはすぐに最低回転速度の方向に落ち込む。その場合でも、速度比はリミット値の１．００１で下げ止まる。
【００７６】
冷凍負荷がどれだけ低下したとしても（本来は速度比を例えば０．９９０としたい状態（速度比の差を１．０１０−０．９９０＝０．０２０としたい状態）であっても）、速度比の差異が小さい（０．０１０の）状態が継続する。そのため、ガイドベーン制御装置７２から見ると、偏差が小さいので（閉にする方向の）ガイドベーン開度調節信号Ｃ２が大きくならず、開度ＧＶがなかなか低下しないこととなる。この場合、冷凍容量が過大な状態が継続し、冷水出口温度ＴＬが低下し過ぎて、逆に制御が不安定となることが懸念される。これを防ぐため、前述のように、ベーン開度ＧＶの減少量（減少速さ）を増加量（増加速さ）よりも大きくするのが好ましい。そのようにすれば、回転速度ＳＰが下げ止まりの状態でもベーン開度ＧＶが比較的早く減少し、この影響は小さく出来る。
【００７７】
第二の構成として、速度比が一定値以下となった場合、一定の速度でガイドベーン開度ＧＶを漸減することとしてもよい。具体的には、たとえば速度比が１．００１まで低下した場合、実際の差異によらず、時間比例制御に拘らず一定の速度で連続的にガイドベーン開度ＧＶを下げる。このようにすると、ガイドベーン開度ＧＶが低下することにより冷凍容量が速やかに低下し、負荷の低下に追従する。
【００７８】
以上、第一の構成、第二の構成のどちらによっても、ガイドベーン開度ＧＶを一時的には閉めすぎる傾向となる。しかしながら、本発明の実施の形態では、冷凍容量の低下により、負荷制御が再度働き、冷凍容量の低下を補うべく回転速度ＳＰが上昇する。こうすると、前述した「負荷が急増した場合」と同じ状態となり、同様の制御で最終的にターボ冷凍機１０１は再度安定する。
【００７９】
一般に、冷凍機では冷水温度が下がりすぎることが問題となる。すなわち、冷水出口温度の低下による不要な軽負荷停止や、冷水の凍結が懸念される。従来の制御では、負荷の急減時にモードの切り替えが間に合わなかったり、低負荷時はベーン制御になるので元々応答が遅かったりするため、応答に限界があり、負荷の急変により軽負荷停止してしまうことが多かった。本発明の実施の形態によれば、負荷の急減時には、（１）ベーン開度ＧＶを直ちに大きく下げて負荷の低下に即応し、（２）回転速度ＳＰの上昇によりそれを一時的に補い、（３）徐々にベーン開度ＧＶを増して効率を回復する、という動作になり、軽負荷停止に至る可能性が小さくなる。この動作ではガイドベーン開度ＧＶが一時的に閉めすぎとなるので、一時的に効率が低下するが、効率の低下はわずかであり、軽負荷停止による停止と再起動に要するエネルギーは大きく、むしろ回避能力を高めることは省エネルギーに寄与する。
【００８０】
図６の制御ブロックダイアグラムを参照して、第一の実施の形態のターボ冷凍機１０１の制御を説明する。制御手段７０ｂは、制御手段７０ａを具体的に展開した実例である。制御手段７０ｂ及びこれを構成する演算器類は、実務的にはプログラマブルコントローラー内に論理回路や記述言語などにより仮想的に設けるとよい。ここでは、制御手段７０ｂはＰＩＤ演算器により、冷水出口温度ＴＬを監視し、これを一定に保つようにターボ圧縮機１０１の回転速度ＳＰを調節する。
【００８１】
本実施の形態では、インバータ制御装置７１はＰＩＤ演算器７１−１を有して構成されている。具体的には、冷水出口温度ＴＬを目標温度ＳＥＴＴＬになるように、ここで連続的にＰＩＤ演算を行い、「指令回転速度」を決定する。これを速度指令信号Ｃ１としてインバータ８０に送る。ＰＩＤ演算器７１−１は、別途計算される最低回転速度以上で、冷水出口温度ＴＬが目標値ＳＥＴＴＬとなるように回転速度ＳＰを演算する。
【００８２】
なお、冷水出口温度ＴＬに代えて冷水入口温度、外部からの設備側の状態信号など、設備側の負荷の増減を代表する量であれば何により制御してもよい。ただし、冷水出口温度ＴＬとすれば設備側の負荷の増減を最も顕著に検出できる。また冷水出口配管１１に設置した温度検出器１３で容易に、かつ確実に検出することができ都合がよい。演算もＰＩＤ制御ではなく、ターボ冷凍機１０１の負荷制御に用いられる演算方式であれば、Ｐ制御（比例制御）、ＰＩ制御（比例積分制御）のどの方式でもよい。各制御方式の特徴、効果は既に説明した通りである。
【００８３】
ここで、最低回転速度は次のように演算する。まず、ターボ冷凍機１０１の蒸発器圧力ＰＬと凝縮器圧力ＰＨとを取り込み、その比（ＰＨ／ＰＬ）をＰＨ／ＰＬ演算器７３−１で計算する。最低回転速度演算器７３−２は、この比を元に、予め計算された演算テーブル７３−３を参照して、最低回転速度を仮計算する。これに、ガイドベーン開度ＧＶを基に、補正演算器７３−４で、ガイドベーン２５が低開度の場合に開度ＧＶに応じた係数を乗じて、最終的な最低回転速度を決定し、最低回転速度信号Ｓ５ａを目標速度演算器７２−３に送る。
【００８４】
最低回転速度信号Ｓ５ａは、ＰＩＤ演算器７１−１にも送られる。これは、速度指令信号C１に最低回転速度に対応するリミットをかけるためである。リミットをかけることにより、ターボ圧縮機２０がサージング状態に入ることを防止することができる。
【００８５】
なお、本発明の別の実施の形態では、この方式に限らず、冷却水入口温度ＴＨにより最低回転速度を決定する方法、ターボ圧縮機２０の出入口のエンタルピ差等により演算する方法、ターボ圧縮機２０のマップ演算により決定する方法などで計算してもよい。
【００８６】
なお、最低回転速度には前述のようにＰＨ／ＰＬから演算するサージング限界線（図５参照）の速度に所定の余裕を乗じて、実際にサージングする回転速度よりも高い値とする。例えば計算された値の１．００１倍とする。そのような余裕は、演算過程で乗じてもよいし、演算テーブル７３−３に余裕を見たデータを保存しておくことにより与えてもよい。
【００８７】
さて、上記のＰＩＤ演算は、前述した「負荷制御」に相当する。ここで演算される速度指令信号Ｃ１がインバータ８０に送信される。同時に、この速度指令信号Ｃ１を参照して、ベーン開閉演算器７２−１は、ガイドベーン２５の駆動を演算する。ここでは、指令回転速度を使っているが、実際は電動機２１の現実の回転速度ＳＰ（信号Ｓ４）を使うのがよい。しかしながら、インバータ８０は応答が速く指令回転速度がほとんど直ちに電動機２１の回転速度ＳＰに反映されるので、ベーン開閉演算器７２−１では速度指令信号Ｃ１を使っても差し支えがない。速度指令信号Ｃ１は、制御手段７０ｂ内に存在するので、電動機２１の現実の回転速度ＳＰをあらためて制御手段７０ｂに入力する必要がないので都合がよい。
【００８８】
本実施の形態では、以上のように、演算された最低回転速度と、実際の回転速度ＳＰ（負荷制御により増減されて決定される値）との差、もしくは比を計算する。なお、差をとることと比をとることとは、演算式と値が異なるだけで実質的な差はない。比をとる場合については、変形例として後述する。
【００８９】
ターボ冷凍機１０１は、回転速度ＳＰが目標値（ここでは、最低回転速度の１．０１０とする）になるように、吸い込みベーン開度ＧＶを制御する。実務的には、ターボ冷凍機１０１は回転速度ＳＰを監視し、回転速度が低下すればベーン開度ＧＶを減じ、回転速度ＳＰが上昇すればベーン開度ＧＶを増す。すなわち、ベーン開度ＧＶを増すと、同一の回転速度ではターボ冷凍機１０１の冷凍容量が大きくなるので、冷水出口温度ＴＬが低下し、回転速度ＳＰを下げる方向に「負荷制御」が働く。これにより回転速度ＳＰは低下する。
【００９０】
一方ベーン開閉演算器７２−１には、回転速度ＳＰの目標値である設定回転速度ＳＥＴＳＰを表わす信号Ｓ５が入力される。設定回転速度ＳＥＴＳＰは、補正演算器７３−４を介して演算された最低回転速度に基づいて、目標速度演算器７２−３で演算する。本実施の形態では、目標速度演算器７２−３は最低回転速度に所定の係数、例えば１．０１０を乗じて設定回転速度ＳＥＴＳＰとする。
【００９１】
また、ベーン開閉演算器７２−１には、比例速度演算器７２−４でベーン開度信号Ｓ３（ＧＶ）を受けて演算された比例速度（信号Ｓ３ａ）が入力される。ベーン開閉演算器７２−１は、受信した回転速度ＳＰが設定回転速度ＳＥＴＳＰになるようにガイドベーン開度調節信号Ｃ２をガイドベーンモータＭに送信する。ガイドベーン開度調節信号Ｃ２は比例速度信号Ｓ３ａに応じた時間だけ送信される。このようにして、制御部７２は、ガイドベーン２５の開度ＧＶを時間比例制御により制御する。
【００９２】
本実施の形態では、一定の速さで開閉するベーンモータを利用しているので、ガイドベーン２５の開閉の速さを時間により調節する単純な制御が可能となる。制御部７２は、時間比例制御の比例定数を、ガイドベーン２５の開度により変化させる。すなわち、ベーン開度幅に対して冷凍容量の変化の感度が鈍い、大きな開度の範囲では開閉の速さを相対的に速くする。
【００９３】
図７を参照して、本発明の第二の実施の形態にかかる制御装置を説明する。本実施の形態は、図６の実施の形態の変形例である。相違点は、本変形例では回転速度の代わりに回転速度比を用いている点である。同様な部分については適宜説明を省略する。
【００９４】
補正演算器７３−４から出力される補正された最低回転速度を表わす信号Ｓ５ａは速度比演算器７２−２に入力される。速度比演算器７２−２には、速度指令信号Ｃ１も入力される。速度比演算器７２−２は、「指令回転速度」と「最低回転速度」との比である「速度比」を演算する。そして、速度比信号Ｓ４−１をベーン開閉演算器７２−１に入力する。これを参照して、ベーン開閉演算器７２−１は、ガイドベーン２５の駆動を演算する。
【００９５】
この場合、目標値となる速度比ＳＥＴＳＰ’は、装置毎に設定される定数であり、理想的には１より大きい値で１に可能な限り近い値が望ましい。実際には、ターボ冷凍機の機種毎に応答速度が異なることから、適宜、実験等により最適な値を求めて制御手段７０ａの記憶部に記憶させておく。その信号Ｓ５ｂ’（ＳＥＴＳＰ’）はベーン開閉演算器７２−１に入力される。ベーン開閉演算器７２−１における演算は図６の場合と同様である。なお、最低回転速度と回転速度との比をとり、これが設定値となるようにベーンを制御することと、最低回転速度に定数を乗じて目標回転速度を設定し、回転速度がこれに一致するようにベーンを制御することとは、数学的に等価である。
【００９６】
本実施の形態では、以上のように、演算された最低回転速度と、実際の回転速度ＳＰ（負荷制御により増減されて決定される値）との比を計算する。なお前述の通り、差をとることと比をとることとは、演算式と値が異なるだけで実質的な差はない。したがって、これまでも随時速度比に言及してきたが、これ以降は回転速度ＳＰそのものよりも、主として回転速度の比により説明する。また、この比を「速度比」と呼ぶ。
【００９７】
図８のベーン開閉演算器７２−１（図７参照）内の単純化した内部フローチャートを参照して、ベーン開閉演算器７２−１の作用を説明する。ベーン開閉演算器７２−１は内部に第一の基準値Ｆ１と第二の基準値Ｆ２を持つ。第一の基準値Ｆ１と第二の基準値Ｆ２は、設定回転速度比（ＳＥＴＳＰの最低回転速度に対する比）を挟む値である。ベーン開閉演算器７２−１は一定時間おきに速度比Ｆを確認し、速度比Ｆが第一の基準値（たとえば１．０１５）より大であったら、別途演算される「比例時間」で規定される時間だけ、ガイドベーン２５に開信号を送る。（なおこのときガイドベーン開度ＧＶが既に１００％であれば、開信号を受けてもガイドベーン２５はそれ以上開かず、速度比Ｆが第一の基準値を超えたままインバータ制御装置７１で回転速度ＳＰの調節による負荷制御が継続される点は既に説明した通りである。）また、第二の基準値（たとえば１．００５）より小であったら、「比例時間」で規定される時間、ガイドベーン２５に閉信号を送る。このとき、開時間と閉時間とは同じとしても良いが、閉時間を「比例時間」の定数倍（たとえば２倍）などとして、閉動作を強めてもよい。本例では、２倍とした。
【００９８】
図８のフローチャートで、具体的に工程を追う。なお、図８〜図１０では、回転速度比（単に速度比ともいう）をＦ、回転速度比の基準値をＦと数字の組合せで表示する。図８において、まず制御を開始（スタート）すると一定時間が経過したかを判断する（ＳＴ１）。経過していなければ（Ｎｏ）一定時間が経過するのを待つ。経過していれば（Ｙｅｓ）、速度比Ｆが第一の基準値Ｆ１より大か否か判断する（ＳＴ２）。工程ＳＴ２で、より大と判断されたときは（Ｙｅｓ）、ガイドベーン２５に開信号を送り（ＳＴ３）、再び一定時間の経過を待つ。工程ＳＴ２で、以下と判断されたときは（Ｎｏ）、Ｆが第二の基準値Ｆ２より小か否かを判断する（ＳＴ４）。工程ＳＴ４で、より小と判断されたときは（Ｙｅｓ）、ベーンに比例時間×２の開信号を送り（ＳＴ５）、再び一定時間の経過を判断する。工程ＳＴ４で以上と判断されたときは（Ｎｏ）、そのまま再び一定時間の経過を待つ。
【００９９】
次に、図９を参照して、図８の方法に改善を加えた例を説明する。この方法では、ベーン開閉演算器７２−１は内部に第一の基準値Ｆ１、第二の基準値Ｆ２、第三の基準値Ｆ３を持つ。第三の基準値Ｆ３は、最低回転速度（最低回転速度比）よりもわずかに高い値、例えば設定回転速度（速度比）と最低回転速度（最低回転速度比）の差の５〜３５％（好ましくは１０〜３０％、さらに好ましくは１５〜２５％、典型的には２０％）だけ最低回転速度（最低回転速度比）よりも高い値とする。前記差の２０％だけ高い値とは、設定回転速度比が１．０１０のときは、１．００２となる。
【０１００】
ベーン開閉演算器７２−１は一定時間おきに速度比を確認し、速度比が第一の基準値Ｆ１（たとえば１．０１５）以上であったら、別途演算される「比例時間」で規定される時間だけ、ガイドベーン２５に開信号を送る。また、第二の基準値Ｆ２（たとえば１．００５）以下であったら、「比例時間」で規定される時間、ガイドベーン２５に閉信号を送る。さらに、第三の基準値（たとえば１．００２）以下であったら、「比例時間」の定数倍（たとえば５倍）の時間、ガイドベーン２５に閉信号を送る。このように１より大の定数倍とすることにより、ガイドベーン２５の閉じる速さを高め、回転速度ＳＰが最低回転速度、すなわちサージング限界速度になるのを抑制することができる。なお、第三の基準値は、１．０００以上で、出来るだけ小さい値が良い。ターボ圧縮機の効率の観点から、ガイドベーン２５はできるだけ開いている方が好ましいからである。
【０１０１】
次に、図９のフローチャートで、具体的に工程を追う。図８の場合と同じ工程は適宜、説明を省略する。一定時間が経過したかの判断工程（ＳＴ１）でＹｅｓのとき速度比Ｆが第三の基準値Ｆ３より小か否かを判断する（ＳＴ６）。工程ＳＴ６でより小（Ｙｅｓ）と判断したときは、ガイドベーン２５に比例時間×５の閉信号を送り（ＳＴ７）、再び一定時間の経過を待つ（ＳＴ１）。工程ＳＴ６で速度比Ｆが第三の基準値Ｆ３以上と判断されたとき（Ｎｏ）は、判断工程ＳＴ２に進む。工程ＳＴ２で速度比Ｆが第一の基準値Ｆ１よりも大と判断されたとき（Ｙｅｓ）は、工程ＳＴ３に進む。工程２で速度比Ｆが第一の基準値Ｆ１以下と判断されたとき（Ｎｏ）は、工程ＳＴ４に進む。工程４で速度比Ｆが第二の基準値Ｆ２より小と判断されたとき（Ｙｅｓ）は、ガイドベーン２５に比例時間閉の信号を送り（ＳＴ８）、再び一定時間の経過を待つ。工程ＳＴ４で速度比Ｆが第二の基準値Ｆ２以上と判断されたとき（Ｎｏ）は、そのまま再び一定時間の経過を待つ。
【０１０２】
図１０のベーン開度演算装置７２の内部演算フローチャートを参照して、この制御が、前述した時間比例制御による場合を説明する。この場合、ベーン開閉演算器７２−１は内部に設定回転速度比である目標値Ｆ０と閉基準値ＦＳとをもつ。ベーン開閉演算器７２−１は、やはり規定時間おきに速度比Ｆを確認する（ＳＴ１）。ベーン開閉演算器７２−１は速度比Ｆが閉基準値ＦＳより小か否かを判断し（ＳＴ９）、小である場合（Ｙｅｓ）、モーターの駆動方向を閉とし、駆動時間を、比例時間の定数倍とする（ＳＴ１０）（図１０のＳＴ１０では、比例時間×０．１としている。ＳＴ１１では、以下で説明するように、駆動時間Ｍ＝｜Ｆ−Ｆ０｜×比例時間としており、これは例えば｜Ｆ−Ｆ０｜＝｜１．０１５−１．０１０｜＝０．００５であるところから、ＳＴ１０の駆動時間ＭはＳＴ１１の駆動時間Ｍの０．１／０．００５＝２０倍である。ここで、ＦＳ＝０．００５程度のときは、この定数は０．０２〜０．１０程度が適切である）。ＳＴ９で、速度比Ｆが閉基準値ＦＳより小でない場合（Ｎｏ）、次式により駆動時間Ｍを決定する。
駆動時間Ｍ＝比例時間Ｓ×｜速度比Ｆ−目標値Ｆ０｜
そして、決定された駆動時間Ｍが所定の時間、例えば０．５秒より短い場合（Ｙｅｓ）、はガイドベーン２５の開閉は行わず、一定時間が経過したかを判断する工程（ＳＴ１）に戻る。決定された駆動時間Ｍが所定の時間、例えば０．５秒より短くない場合（Ｎｏ）、速度比Ｆが目標値Ｆ０より小か否かを判断する（ＳＴ１３）。小の場合（Ｙｅｓ）は、ガイドベーン２５に駆動時間Ｍだけ閉の信号を送り（ＳＴ１４）、一定時間の経過を判断する工程（ＳＴ１）に戻る。工程ＳＴ１３で速度比Ｆが目標値Ｆ０より小さくない場合（Ｎｏ）は、ガイドベーン２５に駆動時間Ｍだけ開の信号を送る（ＳＴ１６）。ガイドベーン２５の開閉を行うかの判断基準であるＭの所定の時間は０．５秒としたが、これに限らない。
【０１０３】
なお、駆動時間が短い（上の例では０．５秒以下程度）場合、あるいは差異が小さく動作時間が短いことが予想される場合、駆動しないこととしてもよいとしたが、これは一般に不感帯と呼ばれる。
【０１０４】
ここで、比例時間は、ベーン開度ＧＶにより演算する。一般に、ベーン開度ＧＶが大きいと、ベーン開度ＧＶの変化に対して実際の冷凍容量の変化は小さく、逆にベーン開度ＧＶが小さいと、冷凍容量の変化が大きくなる。したがって、ベーン開度ＧＶが大きい場合は比例時間を長く、ベーン開度ＧＶが小さい場合は比例時間を小さくするのが基本である。しかしながら、単純には、予め定められたベーン開度ＧＶよりも大きい場合と小さい場合とで、２つの比例時間を設定しておき、これを切り替えればよい。それ以外でも、多項式で演算する、テーブル演算を行なう、特性線図を記憶してそれに従うなど、様々な方法がある。このように構成すると、ガイドベーン２５の開度変化に対して冷凍容量変化の感度が低い部分では比例時間を長くするので、ガイドベーン２５の開度の大小にかかわらず、応答感度を平均化することができて都合がよい。特にガイドベーン２５が全開のときに冷凍負荷が急減し、回転速度が設定回転速度よりも低下したときの応答性を高く維持できる利点がある。ただし、常時一定の定数としても運転可能である。
【０１０５】
図１１以下を参照して、以上のような制御による場合、どのように要素が動くことになるのか、概略を説明する。ここで、説明を簡単にするため、本来は変動が予想される最低回転速度は一定で変わらないものとする。この場合、回転速度の上下は速度比の上下と考えてよい。なお、以下の図では負荷をＬＯＡＤ、冷水出口温度をＴＬ、回転速度をＳＰ、ガイドベーン開度をＧＶと表記する。いずれも、横軸は時間であり、目標値をＴａｒｇｅｔ、最小値をｍｉｎ最大値をＭＡＸと表記する。ここで冷水出口温度ＴＬの目標値はＳＥＴＴＬであり、回転速度ＳＰの目標値はＳＥＴＳＰであるが、図ではいずれもＴａｒｇｅｔと表示する。
【０１０６】
図１１を参照して、安定した運転状態で、負荷ＬＯＡＤが急増した場合（ＣＡＳＥ1）を説明する。この例では、中間期で回転速度ＳＰはＴａｒｇｅｔに安定しており、ガイドベーン２５はある程度閉の状態で運転されているとする。この場合、負荷ＬＯＡＤが急増すると、負荷ＬＯＡＤに対してターボ冷凍機１０１の出力が不足するので、冷水出口温度ＴＬが上昇を始める。これを負荷制御が検出して、回転速度ＳＰが上昇する。これにより、冷水出口温度ＴＬはある時点で上がり止まり、徐々に低下する。一方、回転速度ＳＰの上昇により速度比が上昇すると、これをＴａｒｇｅｔに戻すようにガイドベーン開度ＧＶが徐々に上昇する。この上昇の特性は、ベーン開閉演算器７２−１により異なるが、おおむね、単調に増加する。
【０１０７】
さて、冷水出口温度ＴＬは負荷制御により、ほぼ目標値Ｔａｒｇｅｔ近くで安定する。この状態では、回転速度ＳＰがまだ高く、速度比も目標（Ｔａｒｇｅｔ（ＳＥＴＳＰ））に比べて大きいので、ベーン開度ＧＶの上昇は継続する。このため、冷凍容量は徐々に増加する。ここで、冷凍容量の増加により、冷水出口温度ＴＬは目標温度Ｔａｒｇｅｔを下回るが、回転速度制御により回転速度ＳＰが下がり、温度を維持しようと働くので、冷水出口温度ＴＬはほぼ目標値か、わずかに下回った状態で推移する。この結果、徐々に回転速度が下がり、最終的には目標の速度比に落ち着き、この時点でベーン開度ＧＶの上昇も止まる。これにより、再び安定する。
【０１０８】
次に、図１２を参照して、安定した運転状態で、負荷ＬＯＡＤが急減した場合（ＣＡＳＥ２）を説明する。この例でも、中間期で回転速度ＳＰはＴａｒｇｅｔに安定しており、ガイドベーン２５はある程度閉の状態で運転されているとする。この場合、負荷ＬＯＡＤが急減すると、まず負荷ＬＯＡＤに対してターボ冷凍機出力が過大となるので、冷水出口温度ＴＬが低下を始める。ＣＡＳＥ１と同様に、これを負荷制御が検出して、回転速度ＳＰが低下するが、負荷ＬＯＡＤの変動が大きい場合、回転速度ＳＰが最低回転速度ｍｉｎに達して下げ止まる。
【０１０９】
ここで、回転速度ＳＰは下げ止まるが、ベーン開閉演算器７２−１は速度比が小さくなっているので、ガイドベーン開度ＧＶを下げるように働き、冷水出口温度ＴＬはある時点で下げ止まり、徐々に上昇する。このとき、前述したように、ベーン開閉演算器７２−１は、速度比に基づいて開度ＧＶを比較的早く下げるようにするとよい。
【０１１０】
さて、この制御により冷水出口温度ＴＬは上昇に転じ、目標温度Ｔａｒｇｅｔに達するが、回転速度ＳＰが下げ止まっている状態でベーン開度ＧＶを下げる影響で、多少なりオーバーシュート（行き過ぎ）が発生する。このとき、負荷制御の働きにより、回転速度ＳＰは上昇を始めるが、この後は負荷を急増した場合と同じ原理で回転速度ＳＰ及びベーン開度ＧＶが推移し、最終的には安定する。
【０１１１】
図１３を参照して、ＣＡＳＥ２の後、安定した運転状態で、負荷ＬＯＡＤがさらに大きく急増した場合（ＣＡＳＥ３）を説明する。この場合もＣＡＳＥ１と同じで、ベーン開度ＧＶは上昇するが、最終の局面で最大開度に達し、そこで上がり止まりとなる。この場合、回転速度ＳＰの低下も止まり、速度比は目標値に達しないが、ガイドベーン開度ＧＶが全開のまま、負荷制御によりターボ冷凍機は安定して運転される。速度比を目標値Ｔａｒｇｅｔに制御するのは、ガイドベーン開度ＧＶを制御するための便宜的な手段であり、目的ではないので、目標値に到達しないことには何ら問題はない。
【０１１２】
なお、本発明においては、ターボ冷凍機は、ターボヒートポンプすなわちターボ圧縮式ヒートポンプも含む概念である。ヒートポンプでは凝縮器で得られる温水が出力となる。また、被冷却媒体は熱源流体と読み替える。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
本発明のターボ冷凍機は、ターボ冷凍機の運転状態により制御方式を切り替えることなく、回転速度とガイドベーンの開度とを適切に制御し、安定性と追従性の高い、使い勝手の良いターボ冷凍機として利用される。
【符号の説明】
【０１１４】
１０   蒸発器
１１  冷水出口配管
１３  冷水温度検出器
１４  冷却水温度検出器
１５  ガイドベーン開度検出器
２０  ターボ圧縮機
２１  電動機
２３  羽根車
２５  ガイドベーン
３０  凝縮器
４０  絞り機構
６０  電動機起動盤
７０ａ  制御手段
７０ｂ  制御手段
７１  インバータ制御装置（第一の制御部）
７１−１  ＰＩＤ演算器
７２  ガイドベーン制御装置（第二の制御部）
７２−１  ベーン開閉演算器
７２−２  速度比演算器
７２−３  目標速度演算器
７２−４  比例速度演算器
７３  設定回転速度演算器
７３−１  ＰＨ／ＰＬ演算器
７３−２  最低回転速度演算器
７３−３  演算テーブル
７３−４  補正演算器
７５  商用電源
８０  インバータ
１０１  ターボ冷凍機
Ｃ１  速度指令信号（インバータ回転速度調節信号）
Ｃ２  ガイドベーン開度調節信号
Ｓ１  冷水出口温度信号
Ｓ２  冷却水入口温度信号
Ｓ３  ガイドベーン開度信号
Ｓ４  回転速度信号
Ｓ５  設定回転速度信号
Ｓ６  冷水出口温度設定値信号
Ｓ７  低圧側圧力信号（蒸発圧力信号）
Ｓ８  高圧側圧力信号（凝縮圧力信号）
ＴＬ  冷水出口温度
ＴＨ  冷却水入口温度
ＧＶ  ガイドベーン開度
ＳＰ  回転速度
ＳＥＴＳＰ  設定回転速度
ＳＥＴＴＬ  冷水出口設定温度
ＰＬ  低圧側圧力（蒸発圧力）
ＰＨ  高圧側圧力（凝縮圧力）
Ｐ１  低圧側圧力検出器（蒸発圧力検出器）
Ｐ２  高圧側圧力検出器（凝縮圧力検出器）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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