(57)【要約】      （修正有）【課題】冷水（被冷却流体）の温度変化に速やかに応じて制御出力を変化させることで、温度制御の精度を向上させることができる冷凍機を提供する。【解決手段】冷凍機は、被冷却流体から熱を奪って冷媒が蒸発し、冷媒ガスを発生させる蒸発器３と、冷凍機の出力を、被冷却流体の温度と目標温度との差を時間軸に沿って積分した値に比例した値を少なくとも用いて補正する温度制御部１４とを備える。温度制御部１４は、蒸発器３内の冷媒の圧力と基準圧力との差に比例した値、および／または蒸発器３内の冷媒の圧力の変化率に比例した値をさらに使用して冷凍機の出力を補正する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被冷却流体または被加熱流体の温度を目標の温度に維持するように動作する冷凍機であって、
被冷却流体から熱を奪って冷媒が蒸発し、冷媒ガスを発生させる蒸発器と、
前記冷媒ガスを被加熱流体で冷却して凝縮させる凝縮器と、
冷凍機の出力を、前記被冷却流体の温度と目標温度との差を時間軸に沿って積分した値に比例した値を少なくとも用いて補正する温度制御部とを備え、
前記温度制御部は、前記蒸発器内の冷媒の圧力と基準圧力との差に比例した値、および／または前記蒸発器内の冷媒の圧力の変化率に比例した値をさらに使用して前記冷凍機の出力を補正することを特徴とする冷凍機。
【請求項２】
請求項１に記載の冷凍機であって、前記温度制御部は、前記蒸発器内の圧力の変化率を時間軸に沿って積分した値に比例した値をさらに使用して前記冷凍機の出力を補正することを特徴とする冷凍機。
【請求項３】
請求項１または２に記載の冷凍機であって、
前記蒸発器にて発生した前記冷媒ガスを圧縮して前記凝縮器に送る圧縮機をさらに備え、
前記冷凍機の出力の補正は、前記圧縮機の回転速度の補正であることを特徴とする冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は,被冷却流体または被加熱流体の温度を目標の温度とするように出力を調整する冷凍機（ヒートポンプ）に関するもので、特に温度の安定性に優れた冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷水等を冷却する冷凍機、あるいは温水等を加熱する冷凍機（ヒートポンプ）は、冷水あるいは温水の温度制御機能を有しているのが一般的である。温度制御は、サーモスタット等により冷凍機をオンオフ制御する単純なものから、測温抵抗体等により正確な温度を検出し、制御工学理論に基づいてインバータを用いて無段階制御で省エネルギー化を図るものまで多種多様である。大型の冷凍機ではＰＩ制御と呼ばれる制御方法が一般的である。
【０００３】
ＰＩ制御とは、目標温度と現在の温度との差に比例する比例項（Ｐ項）と、温度差を時間で積分する積分項（Ｉ項）との和により、制御出力を決定するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２３４３２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＰＩ制御は安定性にすぐれ、広く使われているが、目標温度と現在の温度の差に比例して出力を決定するため、原理的に温度偏差が生じやすい。すなわち、温度差が生じて初めて出力の増減が行われるので、ある程度の温度差が生じなければ制御出力が変化しない。温度差に対する制御出力の比例定数を大きくすると、温度偏差は小さくなるが制御が不安定となり、いわゆるハンチングと呼ばれる温度変動が発生することが知られている。
【０００６】
このような偏差を小さくする方法としては、ＰＩＤ制御と呼ばれる方法が知られている。これは前述のＰＩ制御に、温度の変化率に比例する微分項（Ｄ項）を加えたものである。一般に、ＰＩＤ制御は次の式に従って制御出力を決定する。
制御出力（操作量）＝比例項（Ｐ項）＋積分項（Ｉ項）＋微分項（Ｄ項）
＝ＫＰ×差＋ＫＩ×差の積分値＋ＫＤ×変化率      ・・・（１）
ここで、ＫＰ、ＫＩ、ＫＤは予め定められた定数（または係数）である。
【０００７】
ＰＩＤ制御によれば、冷水等の温度が変化するとその変化率に応じて制御出力が増減し、温度変化を抑制する。この場合、現在の温度と目標温度との温度差が小さくても、温度変化が急激であれば速やかに冷凍機の出力（冷却能力）が増減するので、温度差を小さく抑えることが可能である。
【０００８】
しかしながら、実際にはＰＩＤ制御は冷凍機の温度制御としてはあまり使用されていない。
第一の理由は、冷凍機の温度検出精度に限界があることである。すなわち、冷水等の温度変化の範囲は目標温度に対して±０．２℃程度（より厳格には±０．１程度）に抑えることが求められるが、このような温度制御を行うためには０．０１℃程度の精度で温度を検出する必要がある。しかしながら、冷凍機に一般的に使用されている測温抵抗体やサーミスタといった温度検出器の精度は０．１℃程度であり、検出温度が実質的に段階的に変化するため、温度の変化率を正しく取得できない。このため、ＰＩＤ制御を冷凍機で使用すると、かえって温度制御を不安定化させることになる。また、検出精度の高い温度センサを冷凍機に装備することは、大きなコスト負担となるので現実的ではない。
【０００９】
第二の理由は、温度の変化とその検出には若干の時間遅れが生じることである。すなわち、前述したような温度検出器は保護管と呼ばれる短管に入れて冷水等の配管に挿入される。配管内には冷水等が流速１ｍ〜５ｍ程度で流れているため、保護管は水流に耐えうる強度が求められる。その結果、保護管の伝熱は必ずしも良くない。このため、冷水等の温度変化と検出された温度の変化には時間の遅れ（いわゆる一次遅れ）が生じる。一次遅れが生じると、ＰＩＤ制御は不安定となる。このため、一般に冷凍機の温度制御としては、ＰＩ制御か、Ｄ項をごく小さくしたＰＩＤ制御とすることが多い。
【００１０】
本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、冷水（被冷却流体）の温度変化に速やかに応じて制御出力を変化させることで、温度制御の精度を向上させることができる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】
【００１１】
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、被冷却流体または被加熱流体の温度を目標の温度に維持するように動作する冷凍機であって、被冷却流体から熱を奪って冷媒が蒸発し、冷媒ガスを発生させる蒸発器と、前記冷媒ガスを被加熱流体で冷却して凝縮させる凝縮器と、冷凍機の出力を、前記被冷却流体の温度と目標温度との差を時間軸に沿って積分した値に比例した値を少なくとも用いて補正する温度制御部とを備え、前記温度制御部は、前記蒸発器内の冷媒の圧力と基準圧力との差に比例した値、および／または前記蒸発器内の冷媒の圧力の変化率に比例した値をさらに使用して前記冷凍機の出力を補正することを特徴とする。
【００１２】
本発明の好ましい態様は、前記温度制御部は、前記蒸発器内の圧力の変化率を時間軸に沿って積分した値に比例した値をさらに使用して前記冷凍機の出力を補正することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記蒸発器にて発生した前記冷媒ガスを圧縮して前記凝縮器に送る圧縮機をさらに備え、前記冷凍機の出力の補正は、前記圧縮機の回転速度の補正であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
第一の方法として、圧力の変動率に比例した値である圧力微分項を制御出力に加える。このようにすると、圧力の変化率がＰＩＤ制御のＤ項の働きをなし、冷水等の温度を安定させることができる。
【００１４】
第二の方法として、設定された基準圧力と現在の圧力との差に比例した値である圧力変動補正値を制御出力に加える。このようにすると、冷水の温度変化による圧力変化に応じた出力、すなわち温度の変動に略比例した値を制御出力に加えることになる。この圧力変動補正値は、ＰＩ制御またはＰＩＤ制御のＰ項に相当し、これを代替、あるいは補助することになる。基準圧力は演算上必要なだけであり、その値自身には大きな意味はなく、運転中の蒸発器の定格圧力等を設定しておけばよく、あるいは圧力自身を圧力差として取り扱っても実質的な不都合はない。原理的にはこの補正を行う場合、冷水温度に基づく制御はＰ項をなくしたＩ制御のみでも良い。
【００１５】
第三の方法として、圧力の変動率に比例した値を時間で積分（積算）した圧力変動補正値を制御出力に加える。このようにすると、変動率を積分した値は、すなわち変化量であるので、第二の方法と同様の効果を得ることができる。
【００１６】
本発明では、制御出力は基本的には従来どおり冷水温度に基づくＰＩ制御によるが、制御出力を熱交換器内の圧力、および圧力変化で補正することとした。冷凍機の熱交換器内の圧力は、冷水温度の変化に対して非常に早く追従する。例えば、冷水温度が低下すると、伝熱管を介して接している冷媒の蒸発圧力はただちに低下する。また、圧力センサは一般にダイアフラムのたわみなど機械的な原理に基づくため、微小な圧力変動も鋭敏に検出できる。したがって、圧力の変化を温度の変化を代替するものとし、圧力の変化に応じて制御出力を補正することで、温度制御の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る冷凍機を示す模式図である。
【図２】温度制御部の模式図（ブロックダイヤグラム）である。
【図３】従来のＰＩ制御による温度制御を説明するグラフである。
【図４】ＰＩ演算値と圧力微分値との和を制御出力値として用いた温度制御を説明するグラフである。
【図５】本発明の別の実施例に係る温度制御部を示すブロックダイヤグラムである。
【図６】本発明のさらに別の実施例に係る温度制御部を示すブロックダイヤグラムである。
【図７】本発明のさらに別の実施例における温度変動を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明を、冷凍機の冷水温度制御を例に詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る冷凍機を示す模式図である。図１に示すように、冷凍機は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機１と、圧縮された冷媒ガスを温水（被加熱流体）で冷却して凝縮させる凝縮器２と、凝縮された冷媒を減圧させる膨張弁４と、冷水（被冷却流体）から熱を奪って冷媒が蒸発し冷凍効果を発揮する蒸発器３とを備えている。膨張弁４は、凝縮器２と蒸発器３との間に配置される。図１に示す冷凍機は、圧縮機１を備えた圧縮式冷凍機である。圧縮機１としては、多段羽根車を有したターボ圧縮機を使用することができる。
【００１９】
圧縮機１、凝縮器２、膨張弁４、および蒸発器３は、冷媒が循環する冷媒配管５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄによって連結されている。より具体的には、圧縮機１と凝縮器２とは冷媒配管５Ａによって連結され、凝縮器２と膨張弁４とは冷媒配管５Ｂによって連結され、膨張弁４と蒸発器３とは冷媒配管５Ｃによって連結され、蒸発器３と圧縮機１とは冷媒配管５Ｄによって連結されている。
【００２０】
図１に示すように構成された圧縮式冷凍機の冷凍サイクルでは、圧縮機１と凝縮器２と膨張弁４と蒸発器３とを冷媒が循環し、蒸発器３で得られる冷熱源で冷水が製造されて負荷に対応し、冷凍サイクル内に取り込まれた蒸発器３からの熱量および圧縮機１の仕事に相当する熱量が凝縮器２に供給される温水に放出される。
【００２１】
蒸発器３には、その内部の冷媒ガスの圧力を測定する圧力センサ１０が設けられている。また、蒸発器３から出た冷水の温度（出口温度）を測定する温度センサ１１が冷水配管（被冷却流体配管）に取り付けられている。温度センサ１１は、保護管に収容された状態で、冷水配管内に配置されている。冷凍機は、その出力を制御する温度制御部１４をさらに備えている。温度制御部１４は、冷水（被冷却流体）の温度と目標温度との差を時間軸に沿って積分した値に比例した値を少なくとも用いて冷凍機の出力を補正するように構成されている。圧力センサ１０および温度センサ１１は、温度制御部１４に接続されており、これら圧力センサ１０および温度センサ１１によって測定された蒸発器３内の蒸気圧力および冷水の出口温度は温度制御部１４に送られるようになっている。
【００２２】
図２は、温度制御部１４の模式図（ブロックダイヤグラム）であり、前述の第一の方法を用いたものである。本発明では、従来の方法と同様に冷水温度を検出し、ＰＩ演算を行って冷水温度によるＰＩ値（冷水ＰＩ演算値）を求める。一般に、市販のマイクロコントローラにはＰＩＤ演算器が内蔵されているため、ＰＩ演算値を得ることは容易である。その一方で、蒸発器３内の圧力を圧力センサ１０で検出し、温度制御部１４はこの圧力の変化率を演算して圧力微分値を取得する。変化率の演算は、電気的な微分回路により変化率を演算してもよいし、予め設定された時間ごとに蒸発器３内の圧力の変化量を計算し、これを変化率としてもよい。温度制御部１４は、冷水ＰＩ演算値と圧力微分値との和を制御出力値として用いて、冷凍機の出力を調整する。
【００２３】
冷凍機の出力は、冷凍機の冷却能力であり、熱量として表される。冷凍機の冷凍能力は、（冷水入口温度−冷水出口温度）×冷水質量流量×比熱で、求められる。圧縮機１の回転速度を変化させることで、冷凍機の出力が変化する。
【００２４】
従来のＰＩ制御による温度制御を説明するグラフを図３に示す。このＰＩ制御では、冷水の目標温度と現在の温度との差に比例したＰ値と、これを積分したＩ値との和が、制御出力である。図３では、実線は冷水温度の実際の温度を表し、点線は温度センサ１１が示す温度を表している。前述のとおり、温度センサ１１は丈夫な保護管に収められているため、検出される冷水温度（点線）の変動は、実際の温度（実線）の変動に比べて若干の遅れが生じる。
【００２５】
ＰＩ制御では、負荷が上昇しても制御出力はその時点では変化しない。負荷が増えたことにより冷水温度が徐々に上昇すると、冷水温度と目標温度との差に応じてＰ値が徐々に増える。ただし、Ｐ値は、温度センサ１１の温度検出動作の遅延に起因して、実際の冷水温度の上昇よりはやや遅れて上昇を始める。制御出力はＰ項とＩ項の和であるので、制御出力も徐々に上昇する。制御出力が十分に上昇すると冷水温度は上昇から下降へと転じ、Ｐ値も徐々に低下するとともにＩ項の上昇も緩やかとなり、やがて制御出力も徐々に下がり始める。冷水温度が目標温度まで戻ると、Ｐ値も元に戻り、Ｉ値も増加しなくなり、負荷と制御出力がつりあい冷水温度は安定する。
【００２６】
しかし、冷水温度変化の検出が実際の温度変化から遅れることと、冷水温度が目標温度から一旦逸脱してからこれを徐々に補正するというＰＩ制御の基本動作のため、冷水温度の最大の逸脱量はどうしても大きくなる。
【００２７】
次に、ＰＩ演算値と圧力微分値との和を制御出力値として用いた本発明の場合の温度制御を図４に示す。本発明の場合、負荷が上昇して冷水温度が上昇しはじめると、それに連れて蒸発器３内の圧力が、温度変化に比べると直ちに上昇し、圧力微分値もやはり直ちに上昇する。本実施例では、冷水ＰＩ値にこの圧力微分値を加えているため、制御出力が速やかに上昇し、冷水温度の上昇は従来方式に比べて緩やかとなる。やがて、冷水温度の上昇によりＩ値が上昇して制御出力も上昇し、冷水温度は上昇から下降へと転じ、冷水温度は目標温度に戻る。
【００２８】
温度制御部１４は、このようにして得られた制御出力（すなわち、圧縮機１の操作量）に従って圧縮機１の回転速度を変化させることで、冷凍機の出力、すなわち冷凍機の冷却能力を変化させる。圧縮機１の回転速度を変化させることに代えて、冷媒ガスの流量を調整する流量調整機構を操作することで、冷凍機の冷凍能力を変化させてもよい。例えば、ターボ圧縮機１の場合は、羽根車の吸込側に配置されたサクションベーンを操作してもよいし、ターボ圧縮機１に代えてスクリュー圧縮機が使用される場合は、冷媒ガスの圧縮容量を調整するスライド弁を操作してもよい。
【００２９】
図３に示す従来の方法と図４に示す本発明による方法とを比較すると、従来の方法では冷水温度が目標温度から乖離して差分が大きくなるまであまり制御出力が上昇しないのに対し、本発明では冷水温度が上昇を始めた時点で制御出力が速やかに上昇する。そのため、冷水温度の上昇は従来方式に比べて緩やかとなり、温度偏差も抑えることができる。これにより冷水温度の変動を抑えて冷水温度を安定させることができる。
【００３０】
図５は、本発明の別の実施例である。本実施例では、先の実施例のＰＩ演算に代えて、温度をもとにＩ値のみを演算し、先の実施例と同じく圧力微分値を演算するとともに、蒸発器３内の圧力と基準圧力との差を求め、これを圧力変動補正値とした上で、これらの和を制御出力としている。
【００３１】
Ｉ値の演算は、前述のようにＰＩＤ演算器を用いても良いが、予め設定された時間ごとに目標温度と現在の冷水温度との差を積算するなど、比較的容易な方法で得ることもできる。また、圧力微分値と圧力変動補正値の和は、蒸発器３内の圧力に対する、基準圧力を目標温度とするＰＤ演算により求めることもできる。この場合、このＰＤ演算値にＩ値を加えたものを制御出力とする。実務的には、このやり方のほうが演算として容易である。この場合のブロックダイアグラムを図６に示す。
【００３２】
なお、基準圧力は、圧力変動補正値を求めるために便宜的に設けた圧力であり、実際の運転中の圧力に近ければよい。なぜなら、圧力変動補正値の大小はＩ値によって補償されるからである。
【００３３】
圧力変動補正値は、基準圧力と現在の圧力の差を用いるほか、前述の第三の方法に示したように圧力微分値（圧力の変化率）を時間で積分して補正値としてもよい。図７は、この実施例の温度変動を示すグラフである。第一の実施例と同じく、本実施例でも冷水温度の変化が速やかに制御出力に反映され、冷水温度を安定化することができる。
【００３４】
なお、特に実施例は示さないが、温度のＰ値、Ｉ値、圧力のＰ値、Ｄ値の定数（上記式（１）参照）、あるいはそれぞれの値を使う、使わないなどのバリエーションは多数ある。本発明は、冷凍機の温度制御に、少なくとも制御の目的となる温度のＩ値を用い、さらに圧力のＰ値もしくはＤ値のうち少なくとも一方を用いることが本質である。このようにすることで、本発明は上記のように、冷凍機の出力を精密かつ安定的に制御できる。
【００３５】
上述した実施例では、本発明を圧縮式冷凍機に適用した例を説明しているが、本発明は吸収式冷凍機にも適用することができる。
【００３６】
これまで本発明の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、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。
【符号の説明】
【００３７】
１    圧縮機
２    凝縮器
３    蒸発器
４    膨張弁
５    冷媒配管
１０    圧力センサ
１１    温度センサ
１４    温度制御部
【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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