(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機で駆動されるターボ圧縮機を備えたターボ冷凍機のサージング検出装置であって、
前記電動機の運転電流の変化率を検出する電流変化率検出手段と、
前記電流変化率検出手段で検出した電流変化率が規定された範囲外となって前記運転電流が急変したことが、規定以上の頻度となる場合にサージングが発生したと判断してサージングを検出するサージング検出手段とを設けたことを特徴とするターボ冷凍機のサージング検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載のターボ冷凍機のサージング検出装置において、
前記電流変化率には前記電動機の運転電流検出信号を微分器で微分した値を用いることを特徴とするターボ冷凍機のサージング検出装置。
【請求項３】
請求項１に記載のターボ冷凍機のサージング検出装置において、
前記電流変化率検出手段は、規定時間おきに計測した前記電動機の運転電流の電流値比若しくは差により電流変化率を検出することを特徴とするターボ冷凍機のサージング検出装置。
【請求項４】
請求項１に記載のターボ冷凍機のサージング検出装置において、
前記電流変化率検出手段は、前記電動機の運転電流の上昇若しくは下降の開始時点と、上昇若しくは下降の終了時点の電流値との比若しくは差により電流変化率を検出することを特徴とするターボ冷凍機のサージング検出装置。
【請求項５】
電動機で駆動されるターボ圧縮機を備えたターボ冷凍機のサージング検出方法であって、
前記電動機の運転電流の変化率を検出し、前記電流変化率が規定された範囲外となって前記運転電流が急変したことが、規定以上の頻度となる場合にサージングが発生したと判断してサージングを検出することを特徴とするターボ冷凍機のサージング検出方法。
【請求項６】
請求項５に記載のターボ冷凍機のサージング検出方法において、
前記電流変化率には前記電動機の運転電流検出信号を微分器で微分した値を用いることを特徴とするターボ冷凍機のサージング検出方法。
【請求項７】
請求項５に記載のターボ冷凍機のサージング検出方法において、
前記電流変化率は、規定時間おきに計測した前記電動機の運転電流の電流値比若しくは差により検出することを特徴とするターボ冷凍機のサージング検出方法。
【請求項８】
請求項５に記載のターボ冷凍機のサージング検出方法において、
前記電流変化率は、前記電動機の運転電流の上昇若しくは下降の開始時点と、上昇若しくは下降の終了時点の電流値との比若しくは差により検出することを特徴とするターボ冷凍機のサージング検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ冷凍機のサージング検出装置、及びサージング検出方法に関し、特に可変速駆動のターボ圧縮機を備えたターボ冷凍機に好適なサージング検出装置、及びサージング検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ターボ冷凍機は、遠心力により冷媒ガスを圧縮するその原理上、不凝縮性ガスの浸入や冷却水温度の異常上昇、極端な低負荷運転などの要因による高ヘッド・低風量運転などの場合に、サージングを発生することがある。また、可変速駆動のターボ圧縮機を備えた冷凍機の場合、回転速度制御の不具合等による回転速度低下などの場合、サージングを発生することがある。サージング現象が発生すると、多大な騒音、過大なスラスト荷重等による軸受の寿命低下や損傷、冷水温度の急激な乱高下等、さまざまな不具合を生じる。そのため、サージングが発生した場合には速やかにこれを検出し、警報の発報や装置の停止、回転速度の修正等、必要な保護処置を講じることが不可欠である。
【０００３】
従来のターボ冷凍機では、ターボ圧縮機を駆動する電動機の電流値の変化よりサージングを検出する方法がある。即ち、ターボ冷凍機がサージングを発生した場合、ターボ圧縮機のトルクが周期的に変化するため、該ターボ圧縮機を駆動する電動機の電流値が周期的に変化することが知られている。このため、あらかじめ電動機の運転電流の変動許容範囲を定めておき、この範囲を超えて運転電流が規定回数以上変動した場合、警報を発するという方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平８−１６５６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、近年一般化した可変速のターボ圧縮機を備えたターボ冷凍機では、ターボ圧縮機の運転速度が変化することにより平常の運転中でも運転電流が大きく変化するため、運転電流の電流許容範囲を定めることが難しい。そのため、新たな的確にサージングを検出できるサージング検出手段が必要となった。
【０００６】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、可変速ターボ冷凍機のターボ圧縮機を駆動する電動機の運転電流を監視してサージングを的確に検出できるターボ冷凍機のサージング検出装置、及びサージング検出方法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】
【０００７】
上記の課題を解決するために本発明は、電動機で駆動されるターボ圧縮機を備えたターボ冷凍機のサージング検出装置であって、電動機の運転電流の変化率を検出する電流変化率検出手段と、電流変化率検出手段で検出した電流変化率が規定された範囲外となって前記運転電流が急変したことが、規定以上の頻度となる場合にサージングが発生したと判断してサージングを検出するサージング検出手段とを設けたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、上記ターボ冷凍機のサージング検出装置において、電流変化率には電動機の運転電流検出信号を微分器で微分した値を用いることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、上記ターボ冷凍機のサージング検出装置において、電流変化率検出手段は、規定時間おきに計測した電動機の運転電流の電流値比若しくは差により電流変化率を検出することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、上記ターボ冷凍機のサージング検出装置において、電流変化率検出手段は、電動機の運転電流の上昇若しくは下降の開始時点と、上昇若しくは下降の終了時点の電流値との比若しくは差により電流変化率を検出することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、上記ターボ圧縮機を備えたターボ冷凍機のサージング検出方法であって、電動機の運転電流の変化率を検出し、前記電流変化率が規定された範囲外となって前記運転電流が急変したことが、規定以上の頻度となる場合にサージングが発生したと判断してサージングを検出することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、上記ターボ冷凍機のサージング検出方法において、電流変化率には電動機の運転電流検出信号を微分器で微分した値を用いることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、上記ターボ冷凍機のサージング検出方法において、電流変化率は、規定時間おきに計測した電動機の運転電流の電流値比若しくは差により検出することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、上記ターボ冷凍機のサージング検出方法において、電流変化率は、電動機の運転電流の上昇若しくは下降の開始時点と、上昇若しくは下降の終了時点の電流値との比若しくは差により検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、ターボ圧縮機を駆動する電動機の運転電流の電流変化率からサージングを検出するので、可変速のターボ冷凍機のサージングを的確に検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は本発明に係るサージング検出装置、及びサージング検出方法を適用するターボ冷凍機の概略構成例を示す図である。
【図２】図２は本発明に係るターボ冷凍機のサージング検出装置の構成例を示すブロック図である。
【図３】図３は本発明に係るターボ冷凍機のサージング検出方法を説明するための図である。
【図４】図４は本発明に係るターボ冷凍機のサージング検出方法を説明するためのサージング発生中の電動機の電流値、電流変化率を示す図である。
【図５】図５はターボ冷凍機のサージング発生中の電動機の電流変動を示す図である。
【図６】図６はターボ冷凍機のサージング以外の電流変動（負荷変動等）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。本発明に係るサージング検出装置は、ターボ圧縮機を駆動する電動機の運転電流を監視し、該運転電流の急変（急低下と急上昇）を検出することにより、サージングを検出する。ここで、急変の検出は、規定時間ごとに計測した運転電流の変化率が、予め定められた変化率の範囲外となる場合に急変と判断するのが良い。また、サージング検出装置は、この急変が規定時間内に何回発生したかを計数し、これが予め定められた回数を超過した場合にサージングが発生したと判断する。
【００２２】
なお、変化率が規定範囲外となることは、変化率の絶対値が規定値以上となることにより判断することが実務上は好ましい。以下、変化率が規定範囲外となることと、変化率の絶対値が規定値を超えることとは同義として扱う。ターボ冷凍機にサージングが発生し、それをサージング検出装置が検出した場合、サージング検出装置はまず警報を発するのが良い。それにあわせて、ターボ冷凍機（ターボ圧縮機を駆動する電動機）を停止させてもよい。ターボ圧縮機が可変速機である場合には、回転速度を増大させることでサージングを解消することとしても良い。
【００２３】
以下、具体的にサージング検出方法を説明する。
〔第１のサージング検出方法〕
第１のサージング検出方法では、サージング検出装置は装置に設けられた微分器（微分回路）によりターボ圧縮機を駆動する電動機の運転電流を微分し、電流の変化率を監視する。サージング検出装置内の急変検出器は、微分された電流値が規定範囲を外れた場合、これを電流の「急変」とし、規定時間のパルス信号を発生する。このパルス信号はターボ圧縮機の特性にも拠るが、通常は数十秒から数分である。
【００２４】
ターボ圧縮機を駆動する電動機の運転電流の急変が、運転開始や温度変化等による一過性のものである場合、パルスは連続して発生しないために、規定時間経過後、パルス信号は消滅する。しかし、サージングが発生した場合には電流の急変が周期的に発生するため、パルス信号は連続して発生して消滅しない。
【００２５】
ここで、サージング検出装置は、パルスが規定時間以上連続した場合に、これをサージングと検出する。これにより、規定時間内に一定以上頻度での電流急変が発生したことを検出し、これを以ってサージングが発生したと判断することができる。
【００２６】
〔第２のサージング検出方法〕
第２のサージング検出方法では、サージング検出装置は検出開始後、第１の規定時間（検出期間）の間、第２の規定時間（検定時間）ごとに、ターボ圧縮機を駆動する電動機の電流値を調べ、その変化率を計算する。この変化率が規定範囲外となった場合、この検定時間内の検定結果を真とし、範囲内である場合は偽とする。この検定を検出期間の間連続して繰り返し、検定結果が真となった回数を計数する。この計数結果が規定回数を上回った場合、サージング検出装置はこれを以ってサージングが発生したと判断することができる。検出結果がサージングなしの場合は、サージング検出装置の計数器をリセットし、再度検出を開始する。
【００２７】
この第２のサージング検出方法では、検定時間ごとの検定が、上記第１のサージング検出方法における微分器（微分回路）の役割を果たしていることになる。
【００２８】
〔第３のサージング検出方法〕
第３のサージング検出方法では、サージング検出装置は検出開始後、第１の規定時間（検出期間）の間、第２の規定時間（検定時間）の間に、ターボ圧縮機を駆動する電動機の電流値の最小値と最大値とを観測する。ここで、電流の最大値と最小値との比を取り、これを電流の変化率とする。それ以降の検出方法は、第２のサージング検出方法と同様である。
【００２９】
〔第４のサージング検出方法〕
第４のサージング検出方法では、サージング検出装置は常時ターボ圧縮機を駆動する電動機の電流値を監視し、電流が増加もしくは減少を始めた場合、その時点の電流値を記録すると共に、電流の増加若しくは減少が終了した時点の電流値を記録し、その比を求めてこれを電流変化率とする。このとき、電流変化率は電流の変動量を、変動に要した時間で徐することによっても良い。ここで、電流の増加若しくは減少が継続していても、予め定められた「最大検定時間」（１〜１０秒程度が良い）を経過した場合はそこで一旦電流の変化が終了したものとし、この時点の電流値を用いて電流変化率を算出すると共に、これを次の変化の開始値とする。それ以降の検出方法は、上記第２のサージング検出方法と同様である。
【００３０】
以下、本発明に係るターボ冷凍機のサージング検出装置の具体的な例を述べる。図１は本発明に係るサージング検出装置を適用するターボ冷凍機の概略構成の一例を示す図である。図示するように、ターボ冷凍機１０は、蒸発・凝縮器１１と、ターボ圧縮機１２を備えている。１４はターボ圧縮機１２を駆動するための主電動機であり、該主電動機１４の回転軸は増速機１５を介して羽根車１６に接続されている。主電動機１４を起動することにより、主電動機１４の回転軸の回転力は増速機１５を介して羽根車１６に伝達され、ターボ圧縮機１２の羽根車１６は回転し、ターボ冷凍機１０は運転状態となる。
【００３１】
蒸発・凝縮器１１の蒸発部で該蒸発部に流入する冷水から熱を奪って蒸発した冷媒蒸気は、ターボ圧縮機１２に流入し、圧縮され、蒸発・凝縮器１１の凝縮部に流入する。そして凝縮部に流入する冷却水により冷却され、凝縮され冷媒液となり、該冷媒液が蒸発部に流入し、冷凍サイクルが行われる。また、電源１８から主電動機１４に供給される電流値Ｉは電流検出器２０で検出され、該電流値Ｉは後述するサージング検出装置の微分回路に入力されるようになっている。
【００３２】
図２は上記第１のサージング検出方法を実施するサージング検出装置の構成を示すブロック図である。図示するように、サージング検出装置３０は微分回路３１、比較回路３３、オフディレー回路３４、オンディレー回路３６、及び自己保持回路３７を備え、これらを直列に接続して構成されている。なお、自己保持回路３７は必要に応じて備えるものである。電流検出器２０（図１参照）で検出される電源１８から主電動機１４に供給される電流値Ｉは微分回路３１に供給される。上記回路は電子回路及びシーケンス回路により構成してもよく、電子計算機により仮想的に設けてもよい。特に、いわゆるプログラマブルコントローラ内に論理回路として定義することが実務上は好ましい。
【００３３】
上記構成のサージング検出装置３０において、ターボ冷凍機１０にサージングが発生した場合は、次のように動作する。まず、微分回路３１は電流検出器２０で検出された電流値Ｉ信号を微分し、変化率の信号（微分出力）を出力する。電流値Ｉは増減するために信号は正負の信号となるが、ここでは微分した信号の絶対値を出力させ、電流値Ｉの増加と減少をどちらも正の信号として出力させている。
【００３４】
図３（ａ）はサージングを発生しているターボ冷凍機１０の主電動機１４の実際の電流値Ｉの信号Ａとそれを微分した変化率の信号（微分出力）Ｂの例を示す図である。サージングを発生しているターボ冷凍機１０の主電動機１４の電流値Ｉを微分した信号Ｂは比較回路３３に入力される。比較回路３３は信号Ｂが検出レベルＬ（規定値）を上回った場合に、真の論理信号を出力する。これにより、図３（ｂ）に示すようなパルス信号状の「比較出力Ｃ」が出力される。この比較出力Ｃをオフディレー回路３４に入力すると、該オフディレー回路３４の保持時間だけパルス信号の幅が広がり、電流信号の変動が一定以上の頻度で発生すると、信号は図示するように連続してディレー出力Ｄとなる。
【００３５】
ここで、このディレー出力Ｄをオンディレー回路３６に入力すると、規定時間以上これが連続した場合（即ち、規定以上の電流値Ｉの急変が規定頻度以上発生した場合）に、出力が真となり、サージングを検出する検知出力Ｅがオンディレー回路３６から出力される。自己保持回路３７を備えている場合、該検知出力Ｅが自己保持回路３７に出力され、該自己保持回路３７で検知出力Ｅが自己保持される。
【００３６】
図４は、上記第２のサージング検出方法によるサージング検出の例を説明する図である。本例では、サージ検出装置は設定された「検出期間」（１〜１０分程度が良い）の間、設定された「検定時間」（０．１〜１０秒程度が良い）毎に、主電動機１４の電流値Ｉを測定する。そして測定された電流値と、記録されているその前回に測定された電流値との比を計算する。ここで、変化率は２者の小さいほうで大きいほうを割ることとするのがよく、この場合、変化率は全て正の値として検出できる。この比が規定値（１．０２〜１．２程度が良い）を超えた場合、サージ検出装置は検出期間の間、その回数を積算する。
【００３７】
検出期間中に検出回数が規定回数（１〜１０回程度が良い）を超えた場合、サージング検出装置はサージングが発生したものと判断する。検出期間中に規定回数を越えなかった場合、積算された回数をリセットし、再度検出を開始する。図４の例では、検出レベルを１．０６倍とし、検出期間を１８０秒、検定時間を１秒、規定回数を２回とした。図４の最初の検定期間では、積算回数が２回で、規定回数が２回で、規定回数を超えていないために、サージング不検出とし、次の検出期間では、積算回数が３回となるのでサージング検出と判断する。なお、これらの回数や時間の設定は、各々のターボ圧縮機の特性により最適に設定する。
【００３８】
なお、第３のサージング検出方法による場合、上記第２のサージング検出方法においては検出時間毎に計測された電流値の比を計算することに代えて、別に定められた検定期間（１〜１０秒程度が良い）内に計測された主電動機１４の電流値の最大値と最小値との比を、変化率とする。それ以外は同じ手順による。
【００３９】
図５及び図６は、第４のサージング検出方法によるサージング検出装置の例を説明する図であり、図５はサージング発生中の主電動機１４の電流値Ｉの変動を、図６はサージング以外（負荷変動等）の主電動機１４の電流値Ｉの変動を示す。図５では、サージング検出装置は電流値の上昇が始まった時点と終了した時点、若しくは電流値の下降が始まった時点と終了した時点との電流の変化を記録し、その比を取ることで電流変動比とする。若しくは、変動した変動量を変動に要して時間で除し、これを電流変動比とする。それ以外の手順は図３若しくは図２により説明した方法と同じ方法による。
【００４０】
ここで、検定時間を規定する場合について図６を用いて補足する。検定時間を規定する場合、電流値の上昇（若しくは下降）を検出した時点から、規定の検定時間（１〜１０秒程度）経過した場合、ここで一旦上昇（若しくは下降）が終了したものとし、変化率を計算する。そして、この時点を改めて上昇（若しくは下降）の開始点として、再度検出を開始する。このようにすると、図６に示すような緩やかで幅の大きな電流値変動を、サージング等と誤検出することが無くなる。
【００４１】
なお、サージングを検出した場合には、次のように対応するのが良い。
警報を発報し、ターボ冷凍機の点検を促す。
絞り弁等を開ける。
ターボ冷凍機を停止できない事情がある場合、いわゆるホットガスバイパス弁等を開き、ターボ圧縮機の風量を増やす。
ターボ圧縮機が可変速機であれば、回転速度を増速する。
冷凍機を停止する。
【００４２】
ターボ冷凍機のサージング検出装置、及びサージング検出方法を上記のようにすることにより、特に可変速ターボ圧縮機のように定常の運転中にターボ圧縮機を駆動する主電動機の電流が大きく変動するターボ冷凍機であっても、的確にサージングを検出して、適切に対応することが可能となる。
【００４３】
以上、本発明の実施形態例を説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお、直接明細書及び図面に記載がない何れの形状や構造であっても、本願発明の作用効果を奏する以上、本願発明の技術範囲である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、ターボ圧縮機を駆動する電動機の運転電流の電流変化率からサージングを検出するので、可変速のターボ冷凍機のサージングを的確に検出できるターボ冷凍機のサージング検出装置、及びサージング検出方法として利用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１０  ターボ冷凍機
１１  蒸発・凝縮器
１２  ターボ圧縮機
１４  主電動機
１６  羽根車
１８  電源
２０  電流検出器
３０  サージング検出装置
３１  微分回路
３３  比較回路
３４  オフディレー回路
３６  オンディレー回路
３７  自己保持回路
【図１】
0005543175.tif 000002
【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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