(57)【要約】【課題】中間期や冬期などの冷却負荷減少時に、定格負荷と同じ低い冷水温度が不要な場合に、運転効率が高いターボ冷凍機を提供する。【解決手段】本発明のターボ冷凍機は、圧縮機と、圧縮機から吐出された冷媒を凝縮させる凝縮器と、減圧装置と、冷媒を蒸発させる蒸発器とを順次接続して構成される冷凍サイクルと、蒸発器に冷水を流入させて冷媒と熱交換させた後に流出させる冷水系統とを備え、目標冷水出口温度に基づいて冷凍サイクルを制御する冷水出口温度制御モードと、目標冷水入口温度に基づいて冷凍サイクルを制御する冷水入口温度制御モードとを備える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を凝縮させる凝縮器と、減圧装置と、冷媒を蒸発させる蒸発器とを含んで構成される冷凍サイクルと、蒸発器に冷水を流入させて冷媒と熱交換させた後に流出させる冷水系統とを備え、
目標冷水出口温度に基づいて冷凍サイクルを制御する冷水出口温度制御モードと、目標冷水入口温度に基づいて冷凍サイクルを制御する冷水入口温度制御モードと、を備えた冷凍機。
【請求項２】
前記目標冷水入口温度を定格冷水出口温度以上の任意の値で設定可能とする請求項１に記載の冷凍機。
【請求項３】
冷水入口温度が所定の設定値より高い時は、前記冷水出口温度制御モードで運転し、前記所定の設定値以下の時は、前記冷水入口温度制御モードで運転する請求項１に記載の冷凍機。
【請求項４】
冷水出口温度が前記目標冷水出口温度より低下した時に、冷水入口温度制御モードから冷水出口温度制御モードへ切り替える請求項１に記載の冷凍機。
【請求項５】
前記冷凍サイクルは、圧縮機と前記圧縮機から吐出された冷媒を凝縮させる前記凝縮器と、減圧装置と、理恵倍を蒸発させる蒸発器とを順次接続して構成された圧縮式冷凍サイクルであり、
前記圧縮機より上流側に配置される容量制御弁を備え、
前記冷水入口温度制御モードでは、冷水入口温度が一定となるように前記容量制御弁を制御する請求項１に記載の冷凍機。
【請求項６】
前記冷凍サイクルは、圧縮機と前記圧縮機から吐出された冷媒を凝縮させる前記凝縮器と、減圧装置と、理恵倍を蒸発させる蒸発器とを順次接続して構成された圧縮式冷凍サイクルであり、
前記圧縮機は、インバータ駆動されるインバータ圧縮機であり、
冷水入口温度が一定となるように、圧縮機の回転数を冷水出口温度の上昇に応じて低下させる請求項１に記載の冷凍機。
【請求項７】
前記冷凍サイクルは、高温再生器と低温再生器と吸収器と前記凝縮器と前記減圧装置と前記蒸発器を接続して構成される吸収冷凍サイクルであり、
前記高温再生器には加熱源を備え、前記入口温度制御モードでは冷水温度が一定になるように前記加熱源の入熱量を制御する請求項１に記載の冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷水を発生する冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷水を発生する冷凍機は、冷却負荷に対して一定の冷水温度を供給するように、冷水出口温度制御が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２０４２６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
中間期や冬期などの冷却負荷減少時は、設置状況などにより、必ずしも定格負荷時と同じ低い冷水温度が必要ではない場合がある。このような条件でも冷水温度は定格負荷時と同じ低い冷水温度を目標として制御されるため、効率が低い運転となるという問題があった。
【０００５】
このような問題に対する対応として、冷水出口温度の設定値を可変できる機能をもった冷凍機も存在するが、冷却負荷によって再設定が必要なため、安定した運転が行えないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の冷凍機は、凝縮器と蒸発器とを含む冷凍サイクルと、蒸発器に冷水を流入させて冷媒と熱交換させた後に流出させる冷水系統とを備え、目標冷水出口温度に基づいて冷凍サイクルを制御する冷水出口温度制御モードと、目標冷水入口温度に基づいて冷凍サイクルを制御する冷水入口温度制御モードとを備える。
【０００７】
また、蒸発器２、凝縮器３を含む冷凍サイクルを備え、冷水出口温度制御から冷水入口温度制御への切替手段を有する。
【０００８】
冷水入口温度制御は、冷水入口温度設定値を定格冷水出口温度以上の任意の値で設定可能とする。
【０００９】
冷水入口温度制御は、冷水入口温度が設定値より高い時は、冷水出口温度一定制御を行い、設定値以下の時に冷水入口温度制御に切替る。
【００１０】
冷水入口温度制御に切替えた場合、冷却負荷減少時に、冷水出口温度が上昇することで、冷凍機の運転効率が高くなる。
【００１１】
冷水入口温度制御に切替えた場合、冷水入口温度が一定となるように、容量制御弁を制御することで、冷水出口温度が上昇し、運転効率が高くなる。
【００１２】
冷水出口温度が上昇した時に、インバータ駆動ターボ冷凍機の場合、冷水入口温度が一定となるように、圧縮機回転数を冷水出口温度の上昇に応じて低下させることで、消費電力が減少し、運転効率が高くなる。
【００１３】
冷水出口温度が上昇した時に、吸収冷凍機の場合、冷水入口温度が一定になるように、再生器の熱入力を低下させることで、入力エネルギーが減少し、運転効率が高くなる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の冷凍機によれば、冷水出口温度制御から冷水入口温度制御に切替えることで、冷却負荷減少時に冷水出口温度が上昇し、運転効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ターボ冷凍機のサイクルを示す系統図。
【図２】冷水入口温度制御実施時の冷水温度特性図１。
【図３】冷水出口温度制御実施時の冷水温度特性図２。
【図４】冷水出口温度制御実施時の冷水温度特性図。
【図５】インバータターボ冷凍機で実施した時の冷却水温度別に冷凍能力に対して、シミュレーションしたＣＯＰ特性を示した図。
【図６】吸収冷凍機のサイクルを示す系統図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明に係るターボ冷凍機の実施形態について図１を用いて説明する。
【００１７】
本発明に係るターボ冷凍機は、圧縮機１、蒸発器２、凝縮器３、減圧装置９を順次接続して構成される冷凍サイクルを備え、圧縮機１で遠心羽根車により冷媒ガスは圧縮されて高温、高圧の冷媒ガスとなって凝縮器３に送られる。高温、高圧の冷媒ガスは、凝縮器３内を流れる冷却水によって凝縮液化し、冷媒液となって減圧装置９を通過して減圧され、蒸発器２に送られる。蒸発器２に送られた冷媒液は蒸発器２内を流れる冷水に加熱されて蒸発器し、冷媒蒸気となって圧縮機１に送られる。冷水系統には、冷水出口温度センサー４、冷水入口温度センサー５を備え、所定の冷水温度となるように、容量制御弁７を制御部８により制御している。
【００１８】
また、インバータ駆動ターボ冷凍機の場合は、冷水出口温度センサー４、冷水入口温度センサー５の他に、冷却水入口温度センサー７を備えており、これらの条件からインバータからの周波数指令により、圧縮機１の回転数を制御することでも冷水温度を制御することができる。
【００１９】
以下に実施例１を図２を用いて説明する。
【００２０】
図２は、本発明における冷水入口温度制御実施時の冷却負荷量に対する冷水入口温度と冷水出口温度を示したものである。定格冷水入口温度は１２℃、定格冷水出口温度は７℃、最大冷水温度差は５℃、最小冷水温度は１℃、冷水出口温度制御設定値は７℃、冷水入口温度制御設定値は１２℃の場合である。冷水入口温度が冷水入口温度制御設定値である１２℃以上となる冷却負荷状態時は、冷水出口温度７℃を目標として最大冷水温度差５℃となるようにターボ冷凍機は冷水出口温度制御を行っている。
【００２１】
冷却負荷が減少し、冷水入口温度が１２℃になった時は、最大冷水温度差５℃の冷却能力により冷水出口温度は７℃となり、定格運転状態となる。さらに、冷却負荷が減少すると、冷水入口温度が１２℃より低下するので、この場合には冷水入口温度が１２℃一定となるように冷水入口温度制御を実施し、冷水出口温度は上昇する。冷却負荷が最小となるのは、最小冷水温度差１℃となった時で、その時の冷水出口温度は１１℃まで上昇する。
【００２２】
逆に、冷水入口温度制御を行っているこの状態において、冷却負荷が増加していくと、冷水出口温度は低下してやがて７℃に達する。さらに冷水負荷が増加すると、冷水出口温度は７℃まで低下しなくなり冷水入口温度も１２℃以上となる。この場合には、冷水出口温度７℃を目標として、最大能力で運転が行われる。
【００２３】
以下に実施例２を図３を用いて説明する。
【００２４】
図３は、上記の実施例１に対して、冷水入口温度制御設定値は１２℃から１０℃に変更した場合である。冷水入口温度が定格冷水入口温度である１２℃以上の時は、最大冷水温度差５℃となるようにターボ冷凍機は制御を実施している。
【００２５】
そこから冷却負荷が減少すると、ターボ冷凍機は冷水出口温度制御を実施し、冷水出口温度が７℃一定となるように容量制御を実施する。さらに冷却負荷が減少し、冷水入口温度が冷水入口温度制御設定値１０℃より低下した時、冷水出口温度制御から冷水入口温度制御に切替り、冷水入口温度制御設定値１０℃一定となるように容量制御を実施する。冷却負荷が最小となるのは、最小冷水温度差１℃となった時で、その時の冷水出口温度は９℃まで上昇する。逆に、冷水入口温度制御を行っているこの状態において、冷却負荷が増加していくと、冷水出口温度は低下してやがて７℃に達する。さらに冷水負荷が増加すると、冷水出口温７℃以下になる。この場合には、冷水出口温度７℃を目標とする冷水出口温度制御が行われる。
【００２６】
冷水入口温度制御を実施しない、冷水出口温度制御時（図４）について説明する。ターボ冷凍機の条件は、上記実施例１に対して、冷水入口温度制御を実施しない以外は全て同じ場合である。冷水入口温度が定格冷水入口温度である１２℃以上の時は、最大冷水温度差５℃となるようにターボ冷凍機は制御を実施している。さらに冷却負荷が減少すると、冷水出口温度が７℃一定となるように容量制御を実施し、最小冷水温度差１℃となった時、冷水入口温度は８℃、冷水出口温度は７℃となる。
【００２７】
実施例１と冷水出口温度制御時との違いは、冷水入口温度が１２℃以下となる冷却負荷となった時、実施例１では冷水入口温度が１２℃一定となるよう容量制御を実施するのに対して、冷水出口温度制御時は冷水出口温度が７℃一定になるよう容量制御を実施する違いがある。この結果、実施例１では、冷水入口温度が１２℃以下の冷却負荷時は、冷却負荷が減少するほど、冷水出口温度が７℃より上昇する。この結果、最小冷水温度差１℃となった時、冷水出口温度制御時は冷水出口温度が７℃となるのに対して、実施例１では、冷水出口温度は４℃高い１１℃となるという違いがある。
【００２８】
実施例１と冷水出口温度制御時の運転効率の違いについて説明する。ターボ冷凍機の消費電力の大部分は、圧縮機１の必要動力分加えられる。圧縮機必要動力は、圧縮機１にかかる圧力比と冷媒循環量に影響され、圧力比が高いほど、また冷媒循環量多いほど必要動力は増加する。また、運転効率は、単位冷媒循環量あたりの消費電力で決まるため、圧力比が低いほど必要動力が低下し、運転効率は向上する。
【００２９】
圧縮機１にかかる圧力比は、蒸発器２内の蒸発圧力と凝縮器３内の凝縮圧力によって決まる値である。この蒸発圧力と凝縮圧力は、冷水出口温度と冷却水出口温度の影響を大きく受ける。よって、冷水出口温度が高いほど、蒸発圧力が上昇する。その結果、圧力比が低下することで、運転効率は向上する。この結果、同じ冷水温度差、つまり同じ冷却負荷量において、冷水出口温度が高いほど運転効率が向上することになる。
【００３０】
圧縮機回転数が一定のターボ冷凍機の場合、制御上は容量制御弁が同じ開度の場合、冷水出口温度が高いほど冷却能力が増大するので、同じ冷却負荷では、冷水出口温度が高いほど、容量制御弁７の開度は小さくなり、消費電力は低下する。
【００３１】
一方、インバータ駆動ターボ冷凍機の場合、冷水出口温度が上昇し、その結果圧力が低下した時に、インバータにより圧縮機１の回転数を低下させることが可能となる。圧縮機の回転数低下による消費電力の減少は、容量制御弁７の開度を小さくする場合と比較し大きく、本発明の効果は大きくなる。
【００３２】
インバータ駆動ターボ冷凍機において、冷水入口温度制御時（実施例１）と冷水出口温度制御時の、冷却水温度別に冷凍能力に対してシミュレーションした運転効率（ＣＯＰ）を図５に示す。図５の横軸は冷凍能力（％）、縦軸がＣＯＰであり、冷水入口制御（太い線）と冷水出口温度制御（細い線）時それぞれのＣＯＰを示している。冷水入口温度制御を実施することで、冷凍能力が低くなるに従い、冷水出口温度制御時よりＣＯＰが向上することが分かる。
【００３３】
本発明に係る吸収冷凍機の実施形態について図６を用いて説明する。
【００３４】
本発明に係る吸収冷凍機は、高温再生器１０、低温再生器４０、吸収器５０、蒸発器２、凝縮器３を接続して構成される吸収冷凍サイクルを備え、高温再生器１０で加熱源１１により溶液が加熱されて沸騰し、発生した冷媒蒸気が低温再生器４０に送られる。低温再生器４０に送られた冷媒蒸気は伝熱管４１を通過するうちに管外を流下する溶液を加熱し、冷媒蒸気自身は冷却されて凝縮し、絞り４２を通過して凝縮器に送られる。低温再生器４０の伝熱管４１の管外には溶液散布装置４３からの溶液が流下しており、伝熱管４１内を流れる冷媒蒸気に加熱されて沸騰蒸発し、冷媒蒸気を発生する。発生した冷媒蒸気は凝縮器３に送られ、伝熱管３１内を流れる冷却水に冷却されて凝縮液化して冷媒液となり、低温再生器４０の伝熱管４１から絞り４２を通過して送られてきた冷媒液とともに、Ｕシール配管２９を通過して減圧し、蒸発器２に送られる。蒸発器２に送られた冷媒液は、一旦蒸発器２の下部に貯められて、冷媒散布ポンプ７１により、フロート弁２６を通過して冷媒散布装置２５に送られる。冷媒散布装置２５から散布された冷媒液は伝熱管２１の管外を流下する時に管内を流れる冷水を冷却し、冷媒液自身は加熱されて蒸発し、冷媒蒸気となって吸収器５０に送られる。吸収器５０内には高温再生器１０および低温再生器４０で加熱されて冷媒蒸気を発生し濃縮された溶液が送られてきており、溶液散布装置５５から散布されている。溶液散布装置５５から散布された濃溶液は、伝熱管５１の管外を流下する間に蒸発器２からの冷媒蒸気を吸収し、吸収熱を伝熱管５１内を流れる冷却水に放熱する。冷媒蒸気を吸収して濃度が薄くなった希溶液は、吸収器５０の下部に一旦溜められた後溶液循環ポンプ７２で低温溶液熱交換器６１に送られ、高温再生器１０および低温再生器４０から送られてきた高温、高濃度の溶液と熱交換し、温度上昇したあと２つに分岐して、一方は低温再生器４０の溶液散布装置４３に送られて低温再生器４０内の伝熱管４１の管外に散布される。他方は高温溶液熱交換器６２に送られて、高温再生器１０から送られてきた高温、高濃度の溶液と熱交換し、温度上昇したあと高温再生器１０に流入し、加熱源１１に加熱されて沸騰する。加熱源１１に加熱されて冷媒蒸気を発生して高温高濃度となった濃溶液は、高温用液熱交換器に送られて吸収器５０からの希溶液と熱交換し、温度を低下させる。一方、低温再生器４０の溶液散布装置４３に送られた希溶液は、低温再生器４０内の伝熱管４１の管外で高温再生器１０からの冷媒蒸気に加熱されて冷媒蒸気を発生して濃溶液となった後、低温再生器４０から流出して高温溶液熱交換器からの濃溶液と合流し、溶液散布ポンプ７３に送られる。溶液散布ポンプ７３から吐出された濃溶液は、低温溶液熱交換器６１に送られて吸収器５０からの希溶液と熱交換し、温度を低下させたあと吸収器５０の溶液散布装置５５に送られて、伝熱管５１の管外に散布される。
【００３５】
冷水系統には、冷水出口温度センサー４、冷水入口温度センサー５を備え、所定の冷水温度となるように、制御部８により加熱源１１の熱入力を制御している。
【００３６】
図６の吸収冷凍機を用いて冷水入口温度制御を実施したときの冷水入口温度と冷水出口温度の関係は、実施例１の図２および実施例２の図３と同様になる。すなわち、定格入口冷水温度１２℃、定格冷水出口温度７℃、冷水温度制御設定値５℃、最小冷水温度差１℃、冷水出口温度制御設定値７℃、冷水入口温度制御設定値１２℃の場合の実施例３では、冷水入口温度と冷水出口温度の関係は図２のようになる。その時の制御の動きは実施例１の場合と同様である。
【００３７】
また、上記の実施例３に対して、冷水入口温度制御設定値を１２℃から１０℃に変更した場合の実施例４では、冷水入口温度と冷水出口温度の関係は図３のようになる。その時の制御の動きは実施例２の場合と同様である。
【００３８】
図６の吸収冷凍機において、冷水入口温度制御を実施せず冷水出口温度制御を行う場合についても、ターボ冷凍機の場合と同様に冷水入口温度と冷水出口温度の関係は図４のようになり、制御の動きも同様である。
【００３９】
実施例３および実施例４において、冷水入口温度が所定の値以下となった場合には、冷水出口温度は７℃より高くなり、蒸発圧力および温度が高くなるのでサイクル全体の濃度が低下し、再生器の温度、圧力が低下するので熱損失を低減することができるとともに、溶液循環量も減少するので高温再生器での加熱量を低減することができ、吸収冷凍サイクルの運転効率を向上できるという効果がある。
【００４０】
以上の実施例において、冷水入口温度制御は、冷水入口温度制御設定値を与えて冷水入口温度がその設定値と一致するように制御するものであるが、冷水入口温度制御設定値と冷水入口温度の偏差、すなわち（冷水入口温度設定値−冷水入口温度）を制御サイクル毎に冷水出口温度制御設定値に加算して新たな冷水出口温度制御設定値とし、この値を目標値として冷水出口温度制御を実施することにより同様の効果を得ることができる。
【００４１】
以上の実施例においては、冷水入口温度あるいは冷水出口温度がそれぞれ冷水入口温度の設定値あるいは冷水出口温度の設定値より低下したり、上昇したりした場合に、出口温度制御モードと入口温度制御モードを切り替えるようにしているが、これらの設定値にヒステリシスを設けて、冷水入口温度設定値Ｔｓｉ−Δｔより冷水入口温度が低下した時に冷水出口温度制御モードから冷水入口温度制御モードへ切替え、冷水出口温度設定値Ｔｓｏ−Δｔより冷水出口温度が低下した時に冷水入口温度制御から冷水出口温度制御に切替えるようにすることにより、安定した制御および制御モードの切換えを行うことができる。
【００４２】
以上の実施例においては、冷水入口温度を基準に冷水入口温度制御から冷水出口温度制御への切替を実施し、冷水出口温度を基準に冷水入口温度制御から冷水出口温度制御への切り替えを実施しているが、冷凍サイクルおよび冷凍機の他の状態量を入力として運転負荷の状態を推定し、この推定値を基に制御の切替を行うことも可能である。
【００４３】
すなわち、冷水入口温度と冷水出口温度の差から冷水負荷を推定し、負荷量が所定の値より低くなったときに冷水入口温度制御を行い、負荷量が所定の値より高くなったときに冷水出口温度制御を行うと良い。この場合には、冷水入口温度と冷水出口温度の両方を用いて冷水負荷を推定しているので、冷水入口温度のみを用いた制御に比べて冷水負荷量の推定がより性格になるという利点がある。
【００４４】
あるいは、冷凍機を空調用に用いる場合には、冷却水温度が低い時には空調負荷が小さく除湿負荷も小さくなると推定されるので、冷却水温度があらかじめ設定した温度以下の場合に冷水入口温度制御を実施するようにしても良い。この場合には、空調の快適性を損なうことなく、効率の良い冷凍機の運転を行うことができ、省エネルギーを図ることができるという効果もある。
【００４５】
また、冷凍機の各部の温度、圧力やターボ冷凍機では圧縮機の回転数、吸収冷凍機では加熱源の加熱量の情報から冷凍機の負荷を推定することも可能である。この推定値を用いて切替制御を行っても良い。
【００４６】
さらに、冷水入口温度制御と冷水出口温度制御の切替スイッチを設けて、冷凍機の運転者が制御方式を切り換えることができるようにしても良い。この場合には、制御回路および制御ロジックが簡素化できるというメリットがある。
【００４７】
以上、本発明の冷凍機は、冷媒を凝縮させる凝縮器と、減圧装置と、冷媒を蒸発させる蒸発器とを含んで構成される冷凍サイクルと、蒸発器に冷水を流入させて冷媒と熱交換させた後に流出させる冷水系統とを備え、目標冷水出口温度に基づいて冷凍サイクルを制御する冷水出口温度制御モードと、目標冷水入口温度に基づいて冷凍サイクルを制御する冷水入口温度制御モードと、を備える。また、目標冷水入口温度を定格冷水出口温度以上の任意の値で設定可能とする。また、冷水入口温度が所定の設定値より高い時は、冷水出口温度制御モードで運転し、所定の設定値以下の時は、冷水入口温度制御モードで運転する。また、冷水出口温度が目標冷水出口温度より低下した時に、冷水入口温度制御モードから冷水出口温度制御モードへ切り替える。また、冷凍サイクルは、圧縮機と圧縮機から吐出された冷媒を凝縮させる凝縮器と、減圧装置と、理恵倍を蒸発させる蒸発器とを順次接続して構成された圧縮式冷凍サイクルであり、圧縮機より上流側に配置される容量制御弁を備え、冷水入口温度制御モードでは、冷水入口温度が一定となるように容量制御弁を制御する。また、冷凍サイクルは、圧縮機と圧縮機から吐出された冷媒を凝縮させる凝縮器と、減圧装置と、理恵倍を蒸発させる蒸発器とを順次接続して構成された圧縮式冷凍サイクルであり、圧縮機は、インバータ駆動されるインバータ圧縮機であり、冷水入口温度が一定となるように、圧縮機の回転数を冷水出口温度の上昇に応じて低下させる。また、冷凍サイクルは、高温再生器と低温再生器と吸収器と凝縮器と減圧装置と蒸発器を接続して構成される吸収冷凍サイクルであり、高温再生器には加熱源を備え、入口温度制御モードでは冷水温度が一定になるように加熱源の入熱量を制御する。
【符号の説明】
【００４８】
１  圧縮機
２  蒸発器
３  凝縮器
４  冷水出口温度センサー
５  冷水入口温度センサー
６  冷却水入口温度センサー
７  容量制御弁
８  制御部
９  減圧装置
１０  高温再生器
１１  加熱源
２１、３１、４１、５１  伝熱管
２５  冷媒散布装置
２６  フロート弁
２９  Ｕシール配管
４０  低温再生器
４２  絞り
４３、５５  溶液散布装置
５０  吸収器
６１  低温溶液熱交換器
６２  高温用液熱交換器
７１  冷媒散布ポンプ
７２  溶液循環ポンプ
７３  溶液散布ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2013160441.tif 000005
【図４】
2013160441.tif 000006
【図５】
2013160441.tif 000007
【図６】
2013160441.tif 000008