(57)【要約】【課題】インバータの周波数出力を複数段に制御して圧縮機の容量を制御する冷凍装置において、制御分解能を向上させて微小な能力制御を可能とすることによって、高精度な温度制御を実現させる。【解決手段】冷凍装置（1）の圧縮機（32）の容量を制御する制御手段（50）は、インバータ（32b）の出力が１の周波数と次段の周波数とを繰り返して、圧縮機(32)を両周波数間の出力周波数に対応する容量に制御する周波数制御手段（51a）を有している。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータ（32b）の周波数出力を複数段に制御して圧縮機(32)の容量を制御する制御手段（50）を備えた冷凍装置（1）において、
上記制御手段（50）は、インバータ（32b）の出力が１の周波数と次段の周波数とを繰り返して、圧縮機(32)を両周波数間の出力周波数に対応する容量に制御する周波数制御手段（51a）を有していることを特徴とする冷凍装置（1）。
【請求項２】
請求項１に記載の冷凍装置（1）において、
上記周波数制御手段（51a）は、インバータ（32b）の出力が１の周波数である時間と、次段の周波数である時間とのデューティ比を可変としていることを特徴とする冷凍装置（1）。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の冷凍装置（1）において、
上記圧縮機(32)を備えた冷媒回路（30）の蒸発器（20）は、利用側へ供給される被処理空気を冷却することを特徴とする冷凍装置（1）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍装置に関するものであり、特に、インバータによって圧縮機の容量を制御可能な冷凍装置の技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、インバータを用いて圧縮機の容量を可変とした冷凍装置が知られている。例えば、特許文献１には、この種の冷凍装置により構成された空気調和装置が開示されている。
【０００３】
上記冷凍装置において、圧縮機の電動機に対しては、商用電源からの電力がインバータを介して供給される。インバータの出力周波数を変更すると、電動機の回転速度が変化して圧縮機の容量が変化する。そして、特許文献１の空気調和装置では、インバータの出力周波数を調節することによって、冷房負荷や暖房負荷に応じて圧縮機の容量を制御している。
【特許文献１】特開２００３−１０６６１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年、冷凍装置に対しては高い温度精度での温度制御が求められる場合がある。例えば、半導体製造装置の内部を空調するような場合には、製品の品質の向上を図るため、特に高い温度精度（例えば±０．０１℃の精度）での温度制御が要求される傾向にある。
【０００５】
ここで、圧縮機は多数の部品で構成されており、その共振点を予めシミュレーション等によって算出するのは困難である。そこで、冷凍装置の設計段階で行われる圧縮機の運転試験においてインバータの出力周波数を複数の値に設定し、この運転試験で設定した出力周波数において共振による異常振動が発生しないことを確認することが一般的である。そして、最終的な製品としての冷凍装置では、インバータの出力周波数を事前の運転試験で異常振動などが発生しないことを確認できた値だけに設定し、異常振動の発生を回避している。
【０００６】
このような事情から、冷凍装置では、インバータの出力周波数を段階的（例えば１Ｈｚごと）にしか設定することができない。このため、従来の冷凍装置では、圧縮機の容量を段階的にしか調整することができず、上述のような極めて高い温度精度の要求に応えることができないという問題があった。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、インバータの周波数出力を複数段に制御して圧縮機の容量を制御する冷凍装置において、制御分解能を向上させて微小な能力制御を可能とすることによって、高精度な温度制御を実現させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、インバータ（32b）の周波数出力を複数段に制御して圧縮機(32)の容量を制御する制御手段を備えた冷凍装置が対象である。
【０００９】
そして、上記制御手段は、インバータ（32b）の出力が１の周波数と次段の周波数とを繰り返して、圧縮機(32)を両周波数間の出力周波数に対応する容量に制御する周波数制御手段を有しているものとする。
【００１０】
上記の構成の場合、上記冷凍装置は、上記制御手段によって圧縮機(32)の容量を制御して、制御対象の温度調整を行う。詳しくは、上記制御手段は、上記インバータ（32b）の周波数出力を複数段に設定して出力させる。そして、この周波数出力が入力された圧縮機(32)は、設定された出力周波数に対応する容量で作動する。この圧縮機(32)の容量を制御することによって、上記冷凍装置の冷凍能力を制御して、制御対象を所望の温度に調整することができる。ここで、上記インバータ（32b）の周波数出力は複数段に段階的に制御されており、それに対応して制御対象の温度も段階的に調整することができる。さらに、上記周波数制御手段は、インバータ（32b）の出力が１の周波数と次段の周波数とを繰り返して、上記圧縮機(32)を両周波数間の出力周波数に対応する容量に制御している。こうすることによって、上記インバータ（32b）からの出力により駆動される圧縮機（32）の容量をインバータ（32b）の出力が１の周波数の場合と次段の周波数の場合との間の値に擬似的に設定することができる。こうして、制御対象の温度をさらに細かく調整することができる。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、上記周波数制御手段は、インバータ（32b）の出力が１の周波数である時間と、次段の周波数である時間とのデューティ比を可変としているものとする。
【００１２】
上記の構成の場合、上記冷凍装置は、上記デューティ比を可変とすることで、圧縮機(32)を１の周波数と次段の周波数との間の出力周波数に対応する容量に設定でき、さらに、その設定する容量は、該１の周波数に対応する圧縮機(32)の容量と、該次段の周波数に対応する圧縮機(32)の容量との間の任意の値に擬似的に設定することができる。例えば、上記インバータ（32b）の出力を、１の周波数に設定する状態と次段の周波数に設定する状態との繰り返しの１周期において、１の周波数に設定する時間を次段の周波数に設定する時間よりも長くすれば、圧縮機（32）の容量は、両周波数間の中間値よりも１の周波数寄りの出力周波数に対応する値となる一方、次段の周波数に設定する時間を１の周波数に設定する時間よりも長くすれば、圧縮機（32）の容量は、両周波数間の中間値よりも次段の周波数寄りの出力周波数に対応する値となる。
【００１３】
第３の発明は、第１又は２の発明において、上記圧縮機(32)を備えた冷媒回路（30）の蒸発器は、利用側へ供給される被処理空気を冷却するものとする。
【００１４】
上記の構成の場合、上記冷凍装置の制御対象は、被処理空気となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、上記周波数制御手段によりインバータ（32b）の出力が１の周波数と次段の周波数とを繰り返して圧縮機(32)の容量を両周波数間の出力周波数に対応する容量に制御することによって、複数段に制御されるインバータ（32b）の周波数出力の分解能よりも細かい分解能で、冷凍装置の冷凍能力を制御することができる。その結果、上記冷凍装置による高精度な温度制御が実現できる。
【００１６】
また、第２の発明によれば、インバータ（32b）の周波数出力は段階的に設定されるにもかかわらず、上記冷凍装置の冷凍能力は、段階的に設定できる周波数出力の分解能に対応する冷凍能力の分解能よりも、さらに細かい分解能で制御することができ、擬似的に任意の冷凍能力を発揮させることができる。その結果、上記冷凍装置によって高精度な温度制御を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
本発明の実施形態に係る空気調和装置は、温調された被処理空気を温度制御対象である半導体製造装置に供給して、この半導体製造装置の温度を一定に保持するためのものである。この空気調和装置は、本発明に係る冷凍装置によって構成されている。
【００１９】
図１に示すように、空気調和装置（1）は、横長のケーシング（10）内に被処理空気が流通する空気通路（11）を備えている。このケーシング（10）には、被処理空気が空気通路（11）に導入される流入口（12）と、空気通路（11）の被処理空気が温度制御対象に供給される流出口（13）とが形成されている。
【００２０】
空気通路（11）には、流入口（12）から流出口（13）へ向かって順に、冷却器（20）、ファン（21）、電気ヒータ（22）及びフィルタ（23）が配置されている。
【００２１】
また、空気調和装置は（1）は、上記冷却器（20）及び電気ヒータ（22）の出力をそれぞれ制御するコントローラ（50）を備えている。
【００２２】
上記冷却器（20）は、流入口（12）より導入された被処理空気を冷却するものである。被処理空気は、冷却器（20）によって、設定温度Ｔｓにできる限り近く、且つ設定温度Ｔｓ以下の温度に温調される。この冷却器（20）は、冷媒が循環して冷凍サイクルを行う冷媒回路（30）に接続されて蒸発器として機能する。この冷却器（20）は、例えばフィンコイル型熱交換器で構成されている。
【００２３】
上記冷媒回路（30）は、蒸発器である上記冷却器（20）、アキュムレータ（31）、圧縮機（32）、凝縮器（33）、膨張弁（34）が順に接続されて閉回路となっている。また、上記凝縮器（33）には、圧縮機（32）で圧縮されて高温高圧となった冷媒が流通する冷媒用通路（33a）と、冷却水が流通する冷却用通路（33b）とが形成されている。そして、凝縮器（33）は、冷媒と冷却水とを熱交換させることで、この冷媒を凝縮させる。
【００２４】
上記圧縮機（32）の電動機（32a）には、インバータ（32b）が接続されている。このインバータ（32b）は、コントローラ（50）からの信号に応じて所定の出力周波数の制御電力を電動機（32a）に供給する。電動機（32a）の回転速度は、供給された交流の周波数によって定まり、その結果、圧縮機（32）の運転容量が設定される。圧縮機（32）の容量を変更すると、それに応じて上記冷媒回路（30）における冷媒の循環量が変化し、それによって冷却器（20）の冷却能力が変化する。よって、インバータ（32b）からの周波数出力を制御することによって、冷却器（20）の能力を制御している。
【００２５】
上記ファン（21）は、流入口（12）より空気通路（11）に被処理空気を吸引して、この空気を流出口（13）より温度制御対象に供給するものである。
【００２６】
上記電気ヒータ（22）は、上記冷却器（20）で冷却された被処理空気を加温して温調するものであって、空気通路（11）の流通断面の全域に跨るように配置されている。電気ヒータ（22）には、安定化電源（22a）が接続されている。安定化電源（22a）は、その出力電圧は可変となっている。この安定化電源（22a）は、コントローラ（50）に接続されている。コントローラ（50）によって安定化電源（22a）の出力電圧が制御され、電気ヒータ（22）の能力が制御されている。
【００２７】
上記フィルタ（23）は、上記電気ヒータ（22）で温調された被処理空気中の塵埃等を捕集するものである。このフィルタ（23）は、例えばＵＬＰＡフィルタ（ultra low penetration airfilter）などで構成され、被処理空気中の微細な粉塵までも捕集可能となっている。
【００２８】
また、空気調和装置（1）には、被処理空気の温度を検出する第１温度センサ（41）及び第２温度センサ（42）が、それぞれ空気通路（11）内に配設されていて、被処理空気の温度をコントローラ（50）に入力している。
【００２９】
第１温度センサ（41）は、冷却器（20）と電気ヒータ（22）との間の位置に配置されている。この第１温度センサ（41）は、冷却器（20）によって温調された被処理空気の温度Ｔ１を検出する。なお、第１温度センサ（41）は、例えば白金測温抵抗体によって構成されている。
【００３０】
一方、第２温度センサ（42）は、電気ヒータ（22）の下流側であって、かつ空気通路（11）の下流端近傍に配置されている。この第２温度センサ（42）は、温度制御対象に供給される直前の被処理空気の温度Ｔ２を検出する。なお、第２温度センサ（42）は、第１温度センサ（41）と同様に、例えば白金測温抵抗体によって構成されている。
【００３１】
上記コントローラ（50）は、上記第１，第２温度センサ（41,42）と配線を介して接続されている。このコントローラ（50）は、温度制御対象に供給される被処理空気の設定温度Ｔｓが入力される設定入力部（53）と、冷却器（20）の能力の制御を行う冷却器制御部（51）と、電気ヒータ（22）の能力の制御を行う電気ヒータ制御部（52）とを備えている。さらに、冷却器制御部（51）は、周波数制御部（51a）を有している。
【００３２】
そして、冷却器制御部（51）は、第１温度センサ（41）の検出温度Ｔ１と上記設定温度Ｔｓとの温度差に基づき冷却器（20）の能力を調整し、電気ヒータ制御部（52）は、第２温度センサ（42）の検出温度Ｔ２と上記設定温度Ｔｓとの温度差に基づき電気ヒータ（22）の能力を調整するように構成されている。
【００３３】
−運転動作−
次に、本実施形態に係る空気調和装置（1）の運転動作について説明する。
【００３４】
空気調和装置（1）の運転時には、ファン（21）が起動し、被処理空気がケーシング（10）の流入口（12）より空気通路（11）へ吸引される。一方、冷媒回路（30）では、圧縮機（32）が起動し、冷媒が冷媒回路（30）内を循環し冷凍サイクルが行われる。そして、冷却器（20）が蒸発器として機能する。
【００３５】
空気通路（11）を流れる被処理空気は、上記冷却器（20）を流通する。この際、被処理空気は、冷却器（20）を通過する間に冷却される。冷却器（20）を通過した被処理空気は、電気ヒータ（22）を流通する。この電気ヒータ（22）は、冷却器（20）で冷却された被処理空気の温度を補正する。電気ヒータ（22）による温度補正により設定温度となった被処理空気は、フィルタ（23）を流通する。この被処理空気はフィルタ（23）によって塵埃等が捕集される。以上のように温調されるとともに塵埃等が除去された被処理空気は、流出口（13）より温度制御対象に供給される。
【００３６】
以上のように、上記空気調和装置（1）は、被処理空気を冷却器（20）と電気ヒータ（22）とで２段階に分けて温調している。詳しくは、空気調和装置（1）は、被処理空気を冷却器（20）で所定温度まで温調した後、電気ヒータ（22）で精密加熱することによって、温度を微調整して所望の設定温度Ｔｓで供給空気を温度制御対象に供給している。
【００３７】
上記冷却器（20）は、上述の通り、コントローラ（50）によって能力調整されている。この冷却器（20）の能力調整は、上記インバータ（32b）からの出力周波数を変えることによって行われている。
【００３８】
ここで、インバータ（32b）によって出力可能な出力周波数は、圧縮機(32)の共振を防止する等の観点から所定の分解能Δｆで複数段に設定された周波数に限られている。すなわち、この設定可能な出力周波数の中から運転負荷に対応した値を単に選択した場合、冷却器（20）で温調される被処理空気の温度は、所定の分解能Δｆに対応した分解能ΔＴで調整されることになる。このため、図２に示すように、インバータ（32b）の周波数出力を周波数ｆｎ１に設定すると温度Ｔｎ１となって、周波数ｆｎ２に設定すると温度Ｔｎ２になるような運転状態において、設定温度Ｔｓが温度Ｔｎ１と温度Ｔｎ２との間にあるときは、出力周波数を単に選択するだけでは被処理空気の温度をＴｓに調整できなくなる。
【００３９】
そこで、コントローラ（50）の周波数制御部（51a）は、図３に示すように、インバータ（32b）の周波数出力を第１周波数ｆｎ１と、その次段階の第２周波数ｆｎ２とに所定の時間間隔で交互に繰り返し設定することによって、上記分解能ΔＴよりも細かく、被処理空気を温調することができる。詳しくは、コントローラ（50）は、まず、設定温度Ｔｓに応じてインバータ（32b）の周波数出力として第１周波数ｆｎ１と、その次段階の第２周波数ｆｎ２を選択する。次に、出力周波数を第１周波数ｆｎ１に設定する時間間隔ｔｎ１及び第２周波数ｆｎ２に設定する時間間隔ｔｎ２を決定して、出力周波数を第１周波数ｆｎ１に設定している時間と第２周波数ｆｎ２に設定している時間とのデューティ比（ｔｎ１：ｔｎ２）を設定する。このデューティ比を変えることによって、被処理空気の温度を、第１周波数ｆｎ１に対応する被処理空気の温度Ｔｎ１と第２周波数ｆｎ２に対応する被処理空気の温度Ｔｎ２との間で、任意の値に調整することができる。例えば、上記デューティ比を１：１に設定すると、図３に示すように、被処理空気の温度を温度Ｔｎ１と温度Ｔｎ２とのちょうど中間値に調整することができる。また、例えば、第１周波数ｆｎ１に設定する時間ｔｎ１よりも第２周波数ｆｎ２に設定する時間ｔｎ２を長くすると、図４に示すように、被処理空気の温度を、温度Ｔｎ２寄りの温度に調整することができる。
【００４０】
尚、設定温度Ｔｓによっては、出力周波数を第１周波数ｆｎ１に設定している時間、又は第２周波数ｆｎ２に設定している時間を零にして、複数段に設定された出力周波数でインバータ（32b）を駆動することも可能である。
【００４１】
このように、上記空気調和装置（1）は、上記分解能Δｆよりも細かく、即ち略線形的に圧縮機（32）の容量を設定することが擬似的に可能となり、被処理空気の温調精度を向上させることができる。
【００４２】
そして、上記コントローラ（50）は、第１温度センサ（41）によって冷却器（20）通過後の被処理空気の温度Ｔ１を検出し、上記冷却器制御部（51）によって、設定入力部（53）に入力された設定温度Ｔｓと該検出温度Ｔ１との差に基づいて、第１周波数ｆｎ１、第２周波数ｆｎ２及びこれらのデューティ比を決定して、かかる設定で圧縮機(32)を駆動するようにインバータ（32b）に制御信号を入力する。さらに、フィードバック制御により第１温度センサ（41）で検出した被処理空気の温度Ｔ１に基づいて第１周波数ｆｎ１、第２周波数ｆｎ２及びこれらのデューティ比を調整して、被処理空気の温度Ｔ１を、設定温度Ｔｓにできる限り近く、且つ設定温度Ｔｓ以下の温度に調整する。ここで、被処理空気の温度をＴ１を上記の温度に調整することによって、下流側の電気ヒータ（22）で被処理空気の温度の微調整を容易に行うことができ、ひいては、空気調和装置（1）としての温調精度も向上する。また、電気ヒータ（22）での再加熱量が減少するため、電気ヒータ（22）の消費電力を削減できる。
【００４３】
−実施形態の効果−
上記実施形態では、以下の効果が発揮される。
【００４４】
上記周波数制御手段によりインバータ（32b）の出力が１の周波数と次段の周波数とを繰り返して圧縮機(32)を両周波数間の出力周波数に対応する容量に制御することによって、複数段に制御されるインバータ（32b）の周波数出力の分解能よりも、細かい分解能で、空気調和装置（1）の冷凍能力を制御することができる。その結果、上記空気調和装置（1）による高精度な温度制御が実現できる。
【００４５】
また、インバータ（32b）の周波数出力は段階的に設定されるにもかかわらず、上記空気調和装置（1）の冷凍能力は、段階的に設定できる出力周波数の分解能に対応する冷凍能力の分解能よりも、さらに細かい分解能で制御することができ、冷凍能力を略線形的に制御することが可能となる。その結果、上記空気調和装置（1）によって高精度な温度制御を行うことができる。
【００４６】
《その他の実施形態》
上記実施形態は、空気調和装置（1）についてのものであるが、本発明に係る冷凍装置の適用対象は空気調和装置（1）に限られない。例えば、水等の液体を冷却するチラーを本発明に係る冷凍装置によって構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本実施形態に係る空気調和装置の全体を示す概略構成図である。
【図２】空気調和装置の制御の内容を示すタイミングチャートである。
【図３】周波数制御部によってインバータを制御して、そのインバータ出力が１の周波数ｆｎ１である時間と次段の周波数ｆｎ２である時間とのデューティ比が１：１であるときの制御内容を示すタイミングチャートである。
【図４】周波数制御部によってインバータを制御して、そのインバータ出力が１の周波数ｆｎ１である時間を次段の周波数ｆｎ２である時間よりも長く設定したときの制御内容を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００４８】
1     空気調和装置（冷凍装置）
30    冷媒回路
32    圧縮機
32b   インバータ
50    コントローラ（制御手段）
51a   周波数制御部（周波数制御手段）
【図１】
2005345051.tif 000003
【図２】
2005345051.tif 000004
【図３】
2005345051.tif 000005
【図４】
2005345051.tif 000006