(57)【要約】【課題】  インバータ駆動回路を備えた冷凍機において、無駄のない効率的な運転が可能となり、また高精度の運転制御が可能となる冷凍機の制御システムを提供する。【解決手段】  冷媒を圧縮する圧縮機１１と、圧縮された冷媒を凝縮して液化する凝縮器１２と、絞り機構１３と、液化した冷媒を蒸発により気化させ、熱交換により冷水を生成する蒸発器１４とにより冷凍サイクルを構成した冷凍機１０において、圧縮機１１を駆動するモータ１５に商用電源から可変周波数交流電力を供給するインバータ駆動回路３１と、前記インバータ駆動回路を迂回して商用電源から直接前記モータに電力を供給するバイパス回路３２と、前記インバータ駆動回路とバイパス回路とを切換える切換装置３３とを備え、前記圧縮機を運転したまま前記インバータ駆動回路とバイパス回路の切換を行う。  【選択図】図１
2005226980.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮して液化する凝縮器と、絞り機構と、液化した冷媒を蒸発により気化させ、熱交換により冷水を生成する蒸発器とにより冷凍サイクルを構成した冷凍機において、
前記圧縮機を駆動するモータに商用電源から可変周波数交流電力を供給するインバータ駆動回路と、前記インバータ駆動回路を迂回して商用電源から直接前記モータに電力を供給するバイパス回路と、前記インバータ駆動回路とバイパス回路とを切換える切換装置とを備え、前記圧縮機を運転したまま前記インバータ駆動回路とバイパス回路の切換を行うことを特徴とする冷凍機の制御システム。
【請求項２】
前記インバータ駆動回路とバイパス回路の切換は、前記冷凍機の負荷率に基づいて行うことを特徴とする請求項１記載の冷凍機の制御システム。
【請求項３】
前記冷凍機の負荷率は、前記冷凍機で生成する冷水の入口温度と出口温度の温度差に基づいて算定することを特徴とする請求項１記載の冷凍機の制御システム。
【請求項４】
前記冷凍機の最大負荷領域では前記バイパス回路から商用電源を直接前記モータに接続し、前記冷凍機の部分負荷領域では、前記インバータ駆動回路を介して可変周波数の交流電力を前記モータに供給するようにしたことを特徴とする請求項１記載の冷凍機の制御システム。
【請求項５】
前記インバータ駆動回路を介して商用電源から可変周波数交流電力を供給する際に、前記冷水の出口温度が一定となるように、前記モータの運転速度を制御するようにしたことを特徴とする請求項１記載の冷凍機の制御システム。
【請求項６】
冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮して液化する凝縮器と、絞り機構と、液化した冷媒を蒸発により気化させ、熱交換により冷水を生成する蒸発器と絞り機構とにより冷凍サイクルを構成した冷凍機において、前記冷凍機の最大負荷領域ではバイパス回路から商用電源を直接前記圧縮機を駆動するモータに接続し、前記冷凍機の部分負荷領域では、前記インバータ駆動回路を介して可変周波数の交流電力を前記モータに供給し、前記圧縮機を運転したまま前記インバータ駆動回路とバイパス回路の切換を行うことを特徴とする冷凍機の運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機と、凝縮器と、蒸発器とにより冷凍サイクルを構成した冷凍機に係り、特に圧縮機を駆動するモータに可変周波数交流電力を供給するインバータ駆動回路を備えた冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、空調設備等に冷水又は温水を供給する冷凍機においては、冷媒を圧縮する冷凍機と、圧縮した冷媒を凝縮して液化する凝縮器と、絞り機構と、液化した冷媒を気化させて熱交換により冷熱を生成する蒸発器等により冷凍サイクルが構成されている。そして、凝縮器においては、熱交換により温水等を生成することも行われている。したがって、冷凍機においては、例えば空調設備等から加温された冷水が戻り、冷凍機の蒸発器において熱交換され低温の冷水が生成され、冷水出口より空調設備等に送出される。また、冷凍機の凝縮器においても、空調設備から戻った温水を熱交換により加温して高温の温水として、温水出口から送出される。
【０００３】
ところで、圧縮機を駆動するモータとして一般に誘導電動機等が用いられている。しかしながら、負荷側の空調設備においては、時々刻々負荷状況が変動し、負荷状況に対応した熱量の冷水等を冷凍機から供給する必要がある。このため、圧縮機を駆動するモータに可変周波数交流電力を供給するインバータ駆動回路を設け、このインバータ駆動回路から、可変周波数の交流電力を上記モータに電力供給することが行われている。この場合、負荷率が低い場合、すなわち冷熱の供給量が低い場合にはモータの運転速度を低減し、所要の負荷に対応した冷熱を供給することができるとともに、モータの運転速度の低減により省エネルギー運転を行うことができる。
【０００４】
しかしながら、インバータ駆動回路を介して可変周波数交流電力をモータに供給する場合、インバータ駆動回路における損失分が原理的に存在し、その分だけ効率が低下した状態で運転していることになる。特に、全負荷運転時においては、インバータ駆動回路を介して、定格電圧・定格周波数の電力を供給するため、商用電源にて直接電力を供給する場合と比較して、インバータ駆動回路の損失分だけ効率が低下した状態で運転させねばならないという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、インバータ駆動回路を備えた冷凍機において、無駄のない効率的な運転が可能となり、また高精度の運転制御が可能となる冷凍機の制御システム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】
【０００６】
本発明の冷凍機の制御システムは、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮して液化する凝縮器と、絞り機構と、液化した冷媒を蒸発により気化させ、熱交換により冷水を生成する蒸発器とにより冷凍サイクルを構成した冷凍機において、前記圧縮機を駆動するモータに商用電源から可変周波数交流電力を供給するインバータ駆動回路と、前記インバータ駆動回路を迂回して商用電源から直接前記モータに電力を供給するバイパス回路と、前記インバータ駆動回路とバイパス回路とを切換える切換装置とを備え、前記圧縮機を運転したまま前記インバータ駆動回路とバイパス回路の切換を行うことを特徴とする。
【０００７】
ここで、前記インバータ駆動回路とバイパス回路の切換は、前記冷凍機の負荷率に基づいて行うことが好ましい。また、前記冷凍機の負荷率は、前記冷凍機で生成する冷水の入口温度と出口温度の温度差に基づいて算定することが好ましい。また、前記冷凍機の最大負荷領域では前記バイパス回路から商用電源を直接前記モータに接続し、前記冷凍機の部分負荷領域では、前記インバータ駆動回路を介して可変周波数の交流電力を前記モータに供給することが好ましい。また、前記インバータ駆動回路を介して商用電源から可変周波数交流電力を供給する際に、前記冷水の出口温度が一定となるように、前記モータの運転速度を制御することが好ましい。
【０００８】
また、本発明の冷凍機の運転制御方法は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮して液化する凝縮器と、絞り機構と、液化した冷媒を蒸発により気化させ、熱交換により冷水を生成する蒸発器とにより冷凍サイクルを構成した冷凍機において、前記冷凍機の最大負荷領域では前記バイパス回路から商用電源を直接前記圧縮機を駆動するモータに接続し、前記冷凍機の部分負荷領域では、前記インバータ駆動回路を介して可変周波数の交流電力を前記モータに供給し、前記圧縮機を運転したまま前記インバータ駆動回路とバイパス回路の切換を行うことを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、冷凍機の部分負荷効率を向上させるためにインバータによる圧縮機の回転数制御を行うが、最大負荷領域運転時には商用電源での運転に比べインバータ効率分だけ効率が低下する。これを回避するために、部分負荷運転時にはインバータ駆動回路を経由し、最大負荷運転時では商用電源から直接接続する切換えを圧縮機を止めずに行なうことで、インバータ駆動型の冷凍機の高効率化と高精度制御を実現することができる。
【００１０】
ここで、冷凍機の操作盤にて冷温水入口温度と出口温度を検知し、その温度差と仕様流量から負荷率を演算し、９５％以上を５分以上継続した場合にインバータ一次側と、二次側の電磁接触器を切断し、インバータ回路を遮断する。この後、数ミリ秒のデッドタイムを設け、商用電源側の電磁接触器を投入し、圧縮機の運転を継続する。
【００１１】
そして、最大負荷領域（８８％〜１００％）では当該圧縮機に設けた容量制御弁により冷温水出口温度を制御する。負荷減少時には同様の負荷検知により８８％以下を５分以上継続した場合に、インバータ駆動回路への切換えを実施する。
【発明の効果】
【００１２】
インバータ駆動の冷凍機の最大負荷領域から部分負荷領域の全域において、高効率運転と高精度な温度制御を、特別な検知システムを追加することなく実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。なお、各図中、同一の作用または機能を有する部材又は要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００１４】
図１は、本発明の実施形態の冷凍機を示す。この冷凍機１０においては、圧縮機１１、凝縮器１２、絞り機構１３、蒸発器１４等を備え、これらにより冷凍サイクルが構成されている。ここで、圧縮機１１は、ターボ型コンプレッサ又はスクリュー型コンプレッサが用いられ、誘導機等のモータ１５により回転駆動される。圧縮機１１で圧縮された冷媒は、凝縮器１２に導入され、ここで冷却されて液化する。そして、凝縮器１２では温水入口２１の戻り温水と熱交換し、温水を加温して温水出口２２より加温した温水を外部の空調装置等に供給する。そして、凝縮器出口２に絞り機構１３が設けられ、蒸発器１４に導入された液化した冷媒はここで蒸発熱を吸収して気化する。蒸発器１４では、冷水入口２３からの戻り冷水を冷却して、低温の冷水として冷水出口２４より外部の空調装置等に供給する。なお、冷水入口２３および冷水出口２４の近傍の冷水配管には温度センサ２５，２６が設けられ、戻り冷水及び供給冷水のそれぞれの温度が計測される。
【００１５】
圧縮機１１を駆動するモータ１５には、商用電源から交流電力が供給される。そして、本発明の冷凍機においては、商用電源からモータ１５に可変周波数の交流電力を供給するインバータ駆動回路３１と、商用電源から直接モータ１５に商用電源電圧を供給するバイパス回路３２と、インバータ駆動回路３１とバイパス回路３２との切換装置３３とを備えている。ここで、切換装置３３は、インバータ駆動回路３１とバイパス回路３２とを択一的に選択して切換える。したがって、インバータ駆動回路３１が選択された場合にはインバータ駆動回路３１よりモータ１５に駆動電力が供給され、バイパス回路３２が選択された場合には商用電源電力がモータ１５に直接供給される。
【００１６】
また、この冷凍機１０においては制御盤３５を備えている。制御盤３５にはマイクロコンピュータ等を含む制御回路が配置され、この冷凍機１０の各種の運転制御を行うようになっている。上述した冷水出口及び入口に設けられた温度センサ２５，２６からは冷水温度が制御盤３５に伝達される。そして、図示しない冷水流量のデータとともに冷凍機の負荷状態を計測することが可能となっている。
【００１７】
そして、部分負荷運転時にはインバータ駆動回路３１より可変周波数交流電力がモータ１５に供給され、モータ１５の運転速度が制御される。このモータ１５の運転速度の制御にあたっては、冷水出口に設けられた温度センサ２６により、検出された冷水温度が一定となるようにインバータ駆動回路３１に速度指令値が制御盤３５より伝達される。これにより、時々刻々負荷状況が変化しても、モータの運転速度制御により常に一定の冷水温度の冷水が冷水出口２４より負荷側の空調装置等に供給される。
【００１８】
なお、全負荷運転時には、バイパス回路より直接商用電源電力がモータ１５に供給される。このときの冷水出口の温度制御は、容量弁の制御によって行うことが望ましい。
【００１９】
図２は、インバータ駆動回路３１とバイパス回路３２とを切換える切換装置３３の具体例を示す。ここで、切換装置３３は、商用電源側の電磁接触器３３ａと、モータ側の電磁接触器３３ｂ，３３ｃとから構成されている。（ａ）はバイパス回路３２側の電磁接触器３３ｃが閉じて、インバータ駆動回路３１側の電磁接触器３３ａと３３ｂとが開かれている。これにより、商用電源の電力がモータ１５に直接供給され、モータ１５は商用電源により直接回転駆動される。（ｂ）はインバータ駆動回路接続時を示し、インバータ駆動回路３１側の電磁接触器３３ａ，３３ｂが閉じて、バイパス回路３２側の電磁接触器３３ｃが開かれている。これにより、商用電源から供給される電力はインバータ駆動回路３１により所定の周波数・電圧の交流電力に変換され、モータ１５に供給される。ここで、電磁接触器３３ａと電磁接触器３３ｂとは連動しており、また電磁接触器３３ｂと電磁接触器３３ｃとも連動している。
【００２０】
したがって、この切換装置３３によれば、モータ１５は商用電源にバイパス回路３２を介して直接接続されるか、インバータ駆動回路３１を介して接続されるかのいずれかが選択される。このため、この切換装置３３によれば、圧縮機１１を運転したまま、商用電源接続とインバータ回路接続とが切換えられる。なお、切換えにあたっては、例えばインバータ駆動回路３１側の電磁接触器３３ａ，３３ｂを開いてから、数ミリ秒のデッドタイムを設け、バイパス回路３２側の電磁接触器３３ｃが閉じられる。逆の場合にも、同様に数ミリ秒のデッドタイムが設けられる。
【００２１】
図３は、本発明の冷凍機の運転制御例を示すフロー図である。上述したように、全負荷運転時には商用電源の周波数・電圧がモータ１５に直接供給されることが好ましい。これにより、全負荷運転時におけるインバータ駆動回路を介在させることに伴う損失を無くすことができる。これに対して、部分負荷運転時には、インバータ駆動回路を介して可変周波数の交流電力をモータ１５に供給することが好ましい。これにより、圧縮機１１の運転速度を低下させ、かつ十分な量の冷水を負荷側に供給することができるとともに圧縮機１１およびモータ１５の省エネルギー運転を行うことができる。そして、上述したように冷水出口の温度を一定に保つようにインバータ駆動回路３１により圧縮機１１の回転速度を制御することで、冷水出口の温度を一定に保ちつつ、必要にして十分な動力の省エネルギー運転を行うことができる。
【００２２】
図３に示すように、圧縮機起動時は、インバータ駆動回路３１のソフトスタート機能によって、徐々に加速を行うことが好ましい。これにより圧縮機の滑らかな起動が行える。そして、上述した冷水出口の温度センサ２６によって検出された水温が一定となるように、インバータ駆動回路への速度指令が調整され、これによりモータ１５の回転速度が制御される。一方、制御盤３５では、温度センサ２５，２６により冷水入口温度及び冷水出口温度が検出され、図示しない冷水の流量データに基づいて負荷率が算定される。なお、流量一定の場合には、冷水出入口温度のみから負荷率を算定できる。
【００２３】
負荷率が９５％以上が５分間継続することを条件として、切換装置３３により、電源経路をインバータ駆動回路接続から商用電源接続に切換える。切換に関してはインバータ駆動回路の周波数を１００％に上昇させ、商用電源と同じ周波数に合わせて、切換え時の位相のずれによる突入電流の発生を防止する。商用電源接続時には冷水出口の温度一定制御は容量弁の制御によって行うことが好ましい。そして、負荷率が低下し、８８％以下が５分間継続すると、制御盤３５の指令により、切換装置３３により商用電源接続からインバータ駆動回路接続に切換えられる。そして、再び、冷水出口温度を一定とするようにインバータ駆動回路３１による圧縮機の回転速度制御が行われる。
【００２４】
上記実施形態においては、負荷率９５％でインバータ駆動回路接続から商用電源接続に切換え、負荷率８８％で商用電源接続からインバータ駆動回路接続へ切換えているが、この切換えの負荷率は、冷凍機の容量、設置現場の状況等において、適宜調整されるべきものである。なお、インバータ駆動回路接続から商用電源接続への切換え時の負荷率と商用電源接続からインバータ駆動回路接続への切換え時の負荷率を異なる値とするのは、このようにヒステリシスを持たせ、頻繁な切換え動作の発生を防止するためである。
【００２５】
図４は、上記本発明の冷凍機の運転制御方法による効率の変化を示す。この図で横軸は負荷率（％）であり、縦軸は冷凍機運転効率の指標であるＣＯＰの比率を示す。なお、容量弁制御で１００％のときをＣＯＰ１としている。そして、図示するように最大負荷領域においては冷水出口温度を容量弁制御により一定に保ち、部分負荷領域においてはインバータの周波数・電圧制御により冷水出口温度を一定に保つように運転している。これによりＣＯＰの比率は、最大負荷領域においても部分負荷領域においても常に高い値に保たれていることがわかる。
【００２６】
したがって、本発明のインバータ駆動の冷凍機においては、最大負荷領域から部分負荷領域の全域において高効率運転と高精度な出口冷水温度の制御を行うことができる。また、冷水出入口の温度の測定データ等に基づいて、特別な検知システムを追加することなく、最大負荷領域及び部分負荷領域に適した電源接続系統を選択することが可能となる。したがって、ほとんど製造コストを追加することなく、上記最大負荷領域から部分負荷領域までの全域において高効率運転が実現可能となる。
【００２７】
負荷率演算方法は、目標冷温水出口温度と実際の冷温水出口温度の差と時間から運転負荷を検知するものや、予め設定された冷温水入口温度と実際の冷温水入口温度により運転負荷検知する場合もある。また、部分負荷をインバータにより温度制御して決まる回転数にて運転負荷を検知する場合もある。
【００２８】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態の冷凍機の概要を示す図である。
【図２】切換装置の具体的構成例を示す図であり、（ａ）は商用電源接続時の電磁接触器の開閉状態を示し、（ｂ）はインバータ駆動回路接続時の電磁接触器の開閉状態を示す。
【図３】本発明の冷凍機の運転制御例を示すフロー図である。
【図４】本発明の冷凍機の運転状態における負荷率とＣＯＰの比率の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３０】
１０    冷凍機
１１    圧縮機
１２    凝縮器
１３    絞り機構
１４    蒸発器
１５    モータ
２１    温水入口
２２    温水出口
２３    冷水入口
２４    冷水出口
２５，２６    温度センサ
３１    インバータ駆動回路
３２    バイパス回路
３３    切換装置
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ    電磁接触器
３５    制御盤
【図１】
2005226980.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2005226980.tif 000006