JP2006234320A - 冷凍機及びその容量制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷に対応して圧縮機を高効率運転状態に維持できて冷凍機の省エネルギー運転が図れる冷凍機及びその容量制御方法を提供すること。
【解決手段】冷水を製造する蒸発器１０と、冷却水に放熱する凝縮器３０と、凝縮器３０と蒸発器１０間に設ける絞り機構４０と、圧縮機２０と、圧縮機２０を駆動する電動機５０とを具備する。圧縮機２０を吸込みガイドベーン２５を備えた遠心式圧縮機で構成すると共に、電動機５０を駆動制御するインバータ８０を設置し、さらにガイドベーン２５の開閉とインバータ８０による圧縮機２０の回転数制御により圧縮機２０の容量制御を行う制御手段７０を設置する。蒸発器１０の冷水出口温度を検出する冷水温度検出器９０を設置すると共に、制御手段７０は冷水温度検出器９０で検出した冷水出口温度が予め定めた目標値になるように圧縮機２０の回転数及び吸込みガイドベーン２５の開閉を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は冷凍機及びその容量制御方法に関するものである。

従来、冷水を製造する蒸発器、システム内に取り込んだ熱を冷却水に放熱する凝縮器、システムを構成するために必要な昇圧装置である圧縮機、凝縮器から減圧して低温を発生する絞り機構（減圧装置）を基本構成要素とする蒸気圧縮式冷凍機がある。図１はこの種の従来の蒸気圧縮式冷凍機５００の一例を示す全体概略構成図である。同図に示すように蒸気圧縮式冷凍機５００は、蒸発器５１０、圧縮機５２０、凝縮器５３０、及び減圧装置５４０を具備し、これら各機器内で冷媒が蒸発、加圧圧縮、凝縮、及び減圧を繰り返して冷凍サイクルを構成している。即ちこの冷凍サイクルは、蒸発器５１０で得られる冷熱源で冷水を製造して負荷に対応し、一方冷凍システム内に取り込まれた蒸発器５１０からの熱量及び圧縮機５２０を駆動する電動機５２１から供給される圧縮機５２０の仕事量を凝縮器５３０に供給される冷却水に放出する。一方前記電動機５２１には電動機起動手段５６０を介して直接商用電源５７０が接続され、一般的には起動時の減電流装置として図示しないコンドルファやリアクトル装置を介して起動するが、電動機５２１の回転数はほぼ商用電源５７０の周波数に一致して回転しており、回転数を可変にする手段は設けられていなかった。また負荷の変動を検知する手段として蒸発器５１０の冷水出口５１１に冷水温度検出器５１３を設置してこの測定信号を冷凍機操作手段５８０に取り込み、冷水出口温度が常時目標値になるように圧縮機５２０の容量を制御している。その制御方法は、前記冷水出口温度が目標値よりも上昇すれば圧縮機５２０に設置した吸込みガイドベーン５２５を開いて圧縮機５２０の吸込み能力を増大してこの蒸気圧縮式冷凍機５００の容量を上昇して冷水出口温度を目標値に近づけ、一方冷水出口温度が目標値よりも下降すれば逆の動作によって冷水出口温度を目標値に近づける単純な制御方法である。

圧縮機５２０の吸込み能力を制御する別の方法として、蒸発器５１０と圧縮機５２０を連結する連絡管５９０に減圧装置を設けて圧力損失を加減する方法もあるが、最も効率の良い圧縮機５２０の吸込み性能の制御手段として前記吸込みガイドベーン５２５に優るものは無い。

しかしながら圧縮機５２０は吸込みガイドベーン５２５が全開の状態で所定の吸込み能力及び仕事が得られるように設計するものであるから、吸込みガイドベーン５２５によって吸込み能力が減少する方向に動作すれば当然圧縮機５２０の効率は設計状態の運転に比較して低下し、この結果冷凍機５００の省エネルギー運転ができない。

本発明は上述の点に鑑みてなされたものでありその目的は、負荷に対応して圧縮機を高効率運転状態に維持できて冷凍機の省エネルギー運転が図れる冷凍機及びその容量制御方法を提供することにある。

蒸発器、遠心式の圧縮機、凝縮器及び減圧装置を基本構成要素とする冷凍機での容量制御は、冷水出口温度を目標値になるように圧縮機の吸込み能力を変化させて冷凍機の容量を変えることである。そこで本発明では、従来のように吸込みガイドベーンを制御するだけでなく、電動機をインバータで駆動して回転数可変にし、圧縮機を高効率運転域に維持することによって冷凍機の省エネルギー運転を可能にできるようにした。この場合、遠心式の圧縮機特有のサージングを避ける手段を講じることが好ましい。即ち負荷の変動や冷却水温度の変動に対して常時圧縮機を高効率運転に維持するために、本発明においては従来の吸込みガイドベーン制御に回転数制御を加えてこれらを併用する制御を行うが、遠心式の圧縮機には特有のサージング現象があるため冷却水温度に無関係に回転数制御を継続することはできず、設計回転数以下で運転中に冷却水温度が上昇し、圧縮機に要求される仕事が増加すればやがてサージング領域に達して圧縮機の安定運転が不可能になる。そしてこのサージングを避けるためには、回転数を上昇させて圧縮機のサージングに達する限界仕事を増加させることになるが、一方増加した回転数を維持すれば冷却水の温度が低下した場合に圧縮機の高効率運転域から外れることになり、冷凍機として省エネルギー運転にはならなくなってしまう。そこで本発明では圧縮機の回転数制御とガイドベーン制御を併用して冷凍機の省エネルギー運転を維持すると共に、さらに遠心式の圧縮機特有のサージングを避けて圧縮機の安定運転を可能にするようにした。

即ち本願請求項１に記載の発明は、冷水を製造する蒸発器と、冷却水に放熱する凝縮器と、凝縮器と蒸発器間に設ける減圧装置と、圧縮機と、圧縮機を駆動する電動機とを具備して構成される蒸気圧縮式冷凍機において、前記圧縮機を吸込みガイドベーンを備えた遠心式圧縮機で構成すると共に、前記電動機を駆動制御するインバータを設置し、さらに前記ガイドベーンの開閉とインバータによる圧縮機の回転数制御により前記圧縮機の容量制御を行う制御手段を設置したことを特徴とする冷凍機にある。

本願請求項２に記載の発明は、前記蒸発器の冷水出口温度を検出する冷水温度検出器を設置すると共に、前記制御手段は、前記冷水温度検出器で検出した冷水出口温度が予め定めた目標値になるように圧縮機の回転数及び吸込みガイドベーンの開閉を制御することを特徴とする請求項１に記載の冷凍機にある。

本願請求項３に記載の発明は、前記冷却水の入口又は出口温度を検出する冷却水温度検出器と、蒸発器圧力又は圧縮機吸込み圧力を検出する低圧側圧力検出器と、凝縮器圧力又は圧縮機吐出圧力を検出する高圧側圧力検出器とを設置し、前記制御手段は、前記冷却水の入口又は出口温度検出値と、低圧側圧力検出値と、高圧側圧力検出値から算出される圧縮機の運転状態が、常に予め定められた運転可能範囲内に入るように、圧縮機の回転数と圧縮機の吸込みガイドベーンを制御することを特徴とする請求項２に記載の冷凍機にある。

本願請求項４に記載の発明は、前記電動機を商用電源から前記インバータを介して駆動する場合と、商用電源から直接電動機を駆動する場合とを切り替える切替え装置を設けたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍機にある。

本願請求項５に記載の発明は、冷水を製造する蒸発器と、冷却水に放熱する凝縮器と、凝縮器と蒸発器間に設ける減圧装置と、遠心式の圧縮機と、圧縮機を駆動する電動機とを具備して構成される蒸気圧縮式冷凍機の制御方法において、前記圧縮機に備えた吸込みガイドベーン制御と、前記電動機を駆動制御するインバータによる圧縮機回転数のインバータ制御とを組み合わせることにより、前記圧縮機の容量制御を行うことを特徴とする冷凍機の制御方法にある。

本願請求項６に記載の発明は、前記冷水出口の温度を検出し、この冷水出口温度が予め定めた目標値になるように圧縮機の回転数及び吸込みガイドベーンの開閉を制御することを特徴とする請求項５に記載の冷凍機の制御方法にある。

本願請求項７に記載の発明は、前記冷却水の凝縮器への入口又は出口温度と、前記蒸発器圧力又は圧縮機吸込み圧力である低圧側圧力と、前記凝縮器圧力又は圧縮機吐出圧力である高圧側圧力とを検出し、これら検出値から算出される圧縮機の運転状態が常に予め定められた運転可能範囲内に入るように、圧縮機の回転数と圧縮機の吸込みガイドベーンを制御することを特徴とする請求項６に記載の冷凍機の制御方法にある。

本願請求項８に記載の発明は、前記インバータ制御を行っている際に、前記冷却水の入口又は出口温度の検出値から、現状の回転数での圧縮機のサージングを避ける限界仕事を決定し、前記低圧側圧力の検出値と、前記高圧側圧力の検出値から、圧縮機の理論仕事を算出し、前記理論仕事と限界仕事を比較して理論仕事が限界仕事以下ならばインバータ制御を続行し、理論仕事が限界仕事に達すれば現状の回転数を固定あるいは限界回転数を上昇させてガイドベーン制御に移行することを特徴とする請求項７に記載の冷凍機の制御方法にある。

本願請求項９に記載の発明は、冷却水の入口又は出口温度が設計温度以上に高い場合に、インバータを介さず、商用電源から直接電動機を駆動することを特徴とする請求項５に記載の冷凍機の制御方法にある。

本発明によれば、ガイドベーンで圧縮機の吸込み能力を制御する方法に加えて、電動機を周波数可変のインバータ駆動として圧縮機の回転数を制御可能にすることにより、従来に比較して格段に省エネルギーで容量制御運転を可能にできる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
図２は本発明の第一実施形態にかかる冷凍機（蒸気圧縮式冷凍機）１−１を示す全体概略構成図である。同図に示すように冷凍機１−１は、冷水を製造する蒸発器１０と、蒸発器１０から凝縮器３０まで冷媒を昇温・昇圧する圧縮機（遠心式圧縮機）２０と、この冷凍機１−１内に取り込んだ熱を冷却水に放出する凝縮器３０と、凝縮器３０と蒸発器１０間に設けられ凝縮器３０から蒸発器１０の圧力まで減圧する絞り機構（減圧装置）４０と、圧縮機２０を駆動する電動機５０と、電動機５０の起動・停止に使用する電動機起動盤６０と、商用電源７５から供給される電源の周波数を自在に制御して電動機５０に供給するインバータ８０と、電動機５０に供給される電源の周波数を指示するインバータ制御信号をインバータ８０に対して出力して冷凍機１−１の運転を制御する制御手段７０と、蒸発器１０の冷水出口温度を検出する冷水温度検出器９０と、凝縮器３０の冷却水入口温度を検出する冷却水温度検出器１００と、蒸発器１０内の冷媒の圧力（低圧側圧力）を検出する低圧側圧力検出器１１０と、凝縮器３０内の冷媒の圧力（高圧側圧力）を検出する高圧側圧力検出器１２０と、を具備して構成されている。なお圧縮機２０は、ケーシング２１内に遠心式の単段又は多段の羽根車２３を内蔵し、その吸込み側にガイドベーン２５を設置し、また電動機５０と羽根車２３間に歯車機構等からなる増速装置２６を設置して構成されている。圧縮機２０の吐出管２７は凝縮器３０に接続され、圧縮機２０の吸込み管２９は蒸発器１０に接続されている。なお低圧側圧力検出器１１０は蒸発器１０に設置する代りに圧縮機２０の吸込み側（吸込み管２９）に設置してその吸込み圧力を検出するようにしても良いし、高圧側圧力検出器１２０は凝縮器３０に設置する代わりに圧縮機２０の吐出側（吐出管２７）に設置してその吐出圧力を検出するようにしてもよい。制御手段７０は、前記冷水温度検出器９０が検出した冷水出口温度と、冷却水温度検出器１００が検出した冷却水入口温度と、低圧側圧力検出器１１０が検出した低圧側圧力と、高圧側圧力検出器１２０が検出した高圧側圧力とを入力し、これらの検出信号に基づいてインバータ８０にインバータ制御信号を出力するとともに、ガイドベーン２５にその開閉用のガイドベーン制御信号を出力する。

以上のように構成された冷凍機１−１においては、蒸発器１０と圧縮機２０と凝縮器３０と減圧装置４０内で冷媒が蒸発、加圧圧縮、凝縮、及び減圧を繰り返して冷凍サイクルが構成される。即ちこの冷凍サイクルも前記図１に示す従来例と同様に、蒸発器１０で得られる冷熱源で冷水を製造して負荷に対応し、一方冷凍機１−１内に取り込まれた蒸発器１０からの熱量及び電動機５０から供給される圧縮機２０の仕事量を凝縮器３０に供給される冷却水に放出する。

そしてこの冷凍機１−１において前記制御手段７０は、前記ガイドベーン２５の開閉と、インバータ８０による電動機５０の回転数制御を行い、これによって前記圧縮機２０の容量制御を行うこととした。これによって前記図１に示す吸込みガイドベーン５２５のみによる容量制御に比べて、冷凍機１−１の性能を大幅に向上することができた。即ち前述のように圧縮機２０は吸込みガイドベーン２５が全開の状態で所定の吸込み能力及び仕事が得られるように設計するものであるから、吸込みガイドベーン２５によって吸込み能力が減少する方向に動作すれば当然圧縮機２０の効率は設計状態の運転に比較して低下し、この結果冷凍機１−１の省エネルギー運転はできない。図３は前記図１に示すガイドベーン５２５のみによって容量制御を行った場合の冷凍機５００の性能を示す図であり、投入動力に対して得られる冷凍能力（成績係数、即ちＣＯＰ）が冷却水温度によってどのように変化するかを示すものである。一方図４は冷凍機１−１を用いて電動機５０の回転数制御と、ガイドベーン２５の開閉制御を併用した場合の性能を示したものである。両図からわかるように図４に示す冷凍機１−１の制御方法の方が、図３に示す従来の冷凍機５００の制御方法に比較して格段に性能が良く、省エネルギーになっていることがわかる。

しかしながら、遠心式の圧縮機２０には特有のサージング現象があるため回転数制御には限界がある。図５は圧縮機２０の回転数を変えて冷凍機１−１の容量を制御した場合の特性（冷却水入口温度と冷凍容量比の関係）を示す図であり、冷却水の温度が低下すれば圧縮機２０の回転数を下げて容量制御運転が可能であるが限界値があることも示している。即ち冷却水入口温度一定の条件下で負荷が減少すれば、圧縮機２０の回転数減少で対応可能であるが、いずれ図中に示すサージング限界線に達して圧縮機２０の安定運転が不可能な領域に入る。安定運転のためにはサージング限界線を堺にガイドベーン制御に移行すれば良いことになるが、この境界を決定する手段として本実施形態では蒸発器１０内の圧力（又は圧縮機２０の吸込み圧力）、及び凝縮器３０内の圧力（又は圧縮機２０の吐出圧力）の二点の情報だけで決定するものである。即ち圧縮機２０の仕事を等温仕事で表示すれば低圧側、高圧側の圧力をそれぞれＰ１，Ｐ２として仕事Ｗｃは、
Ｗｃ＝Ｐ１×Ｖ１×Ｌｏｇ（Ｐ２／Ｐ１） …式（１）
となる。ここでＶ１は圧縮機吸込みの比容積であり、Ｐ１×Ｖ１の値は冷凍機１−１の起動時を除き運転中にほとんど変化はない。即ちＰ１×Ｖ１は冷凍機１−１の仕様が決まれば常数として設定可能であり、圧縮機１−１の限界仕事は低圧側と高圧側の二点の圧力Ｐ１，Ｐ２を検出すれば算出可能である。

これによって圧縮機１−１の推奨回転数及びこれに対応するサージング限界線が冷却水の温度（この例では入口温度）によって単純に決定できることを、図６（冷却水入口温度−圧縮機２０の回転数の関係及び冷却水入口温度−サージング限界の仕事の関係を示す図）に示している。図中に示す直線関係は、容量制御特性を示す図５中のサージング限界線上の回転数及びこの位置での圧縮機の運転状態から容易に導けるもので、圧力Ｐ１，Ｐ２の他に冷却水温度を検知すればこれによって冷凍機１−１の安定運転領域を決定できることを示している。

以上のことからこの冷凍機１−１において、制御手段７０は、負荷の増減を判断して容量制御を行う手法として冷水温度検出器９０によって冷水出口温度を検出し、この温度が目標値に近づくようにガイドベーン２５を制御して圧縮機２０の吸込み能力を制御する。そして圧縮機２０の吸込み能力を制御する手段としてガイドベーン制御に加えて圧縮機２０の回転数可変による制御を加える。さらに遠心式の圧縮機２０特有のサージングを避ける方法として、以下の方法を用いる。即ち前述のようにサージングが発生するのは負荷の減少に対して回転数を落して対応した場合であるから、各回転数に対して予めサージング近傍の限界仕事を決定しておき、現在の運転状態がこの限界仕事に対してどの程度余裕があるかを随時調べることによりサージングを容易に避けるようにする。即ち限界仕事に達した時点で回転数を固定し、以後の負荷の減少に対してはガイドベーン制御で対応すれば、安定した運転が可能となる。限界仕事を決定する手段としては、前記式（１）で算出すれば良い。

一方圧縮機２０の限界仕事は回転数によって異なり、冷凍機１−１のシステム（冷却水入口温度又は出口温度でもよい）から決まる限界仕事に一致した状態が圧縮機２０の限界回転数になる。即ち冷却水の温度を検知すれば圧縮機２０の限界回転数（圧縮機２０の最低回転数）が決まりこれを堺に負荷が減少すればガイドベーン制御に移行することになる。本実施形態ではこの制御を可能にすべく従来からの冷水出口温度（冷水温度検出器９０による）の検出に加えて、冷却水入口温度（冷却水温度検出器１００による）、蒸発器圧力及び凝縮器圧力（低圧側圧力検出器１１０及び高圧側圧力検出器１２０による）を検知するシステムで構築したものである。また冷却水入口温度の代りに冷却水出口温度を、蒸発器圧力の代りに圧縮機吸込み圧力を、凝縮器圧力の代りに圧縮機吐出圧力を検知するシステムでも同様に安定した容量制御が可能である。

図７は制御手段７０による冷凍機１−１の制御方法を示す概略制御説明図である。同図においてまず冷凍機１−１を起動した時点（ステップ１Ａ）で、冷却水温度検出器１００によって冷却水入口温度を検出し（ステップ２Ａ）、インバータ制御信号によってインバータ８０を制御して前述した圧縮機２０の回転数を限界回転数に設定する（ステップ３Ａ）。そしてガイドベーン制御信号によって徐々にガイドベーン（ＧＶ）２５を開き（ステップ４Ａ）、冷水出口温度が所定の温度になるまでガイドベーン２５を制御する（ステップ５Ａ）。即ちその際冷水出口温度が低いとガイドベーン２５を閉じる方向に制御し（ステップ６Ａ）、また冷水出口温度が高いとガイドベーン２５を全開として回転数を上昇するように制御する（ステップ７Ａ）。そしてステップ６Ａ側でガイドベーン２５の開度が１００％以下で安定すれば負荷が小さいと判断して回転数を固定してガイドベーン２５を制御するルーチン（ステップ８Ａ）に入る。そしてこの場合、冷却水温度検出器１００から冷却水入口温度を随時検出し（ステップ９Ａ）、冷却水が高くなっていれば冷却水温度に対応する圧縮機２０の限界回転数までインバータ８０の周波数を上昇させ、負荷に見合うまでガイドベーン２５を閉じて（ステップ１０Ａ）ガイドベーン制御を継続する（ステップ８Ａ）。一方ステップ９Ａにおいて冷却水入口温度が低下しておれば限界回転数まで周波数を下降させ、ガイドベーン２５を開いて負荷に対応するが（ステップ１１Ａ，１２Ａ）、ガイドベーン２５の開度が１００％に達すればガイドベーン２５を１００％に固定してインバータ（ＩＮＶ）制御に移行する（ステップ１３Ａ）。また冷凍機１−１の起動後設定した限界回転数では冷水出口温度が所定の温度に達せず、ガイドベーン２５の開度が１００％になれば要求負荷が大きいと判断してガイドベーン２５を１００％に固定してインバータ８０制御のルーチンに入る（ステップ７Ａ，１３Ａ）。このルーチンでは蒸発器１０と凝縮器３０の圧力をそれぞれ前記低圧側圧力検出器１１０と高圧側圧力検出器１２０によって検出して（ステップ１４Ａ）圧縮機２０の運転状態を示す理論仕事を算出し（ステップ１５Ａ）、この算出値と冷却水入口温度（ステップ１６Ａ）から与えられる現状の回転数での限界仕事を比較して安定運転領域にあるか否かを判断する（ステップ１７Ａ）。そして理論仕事が限界仕事以下ならばインバータ制御を続行するが（ステップ１３Ａ）、理論仕事が限界仕事に達すれば現状の回転数を固定あるいは限界回転数を上昇させてガイドベーン制御に移行する（ステップ１０Ａ）。

図８は本発明の第二実施形態にかかる冷凍機（蒸気圧縮式冷凍機）１−２を示す全体概略構成図である。前記第一実施形態のようにインバータ８０で周波数を可変にし、冷凍機１−１の負荷変動に対して従来のガイドベーン２５の制御と圧縮機２０の回転数制御とを併用すれば省エネルギー容量制御システムを構築できることは明白であるが、インバータ８０を介して電動機５０を駆動すれば当然インバータ８０の電気損失がシステムに加わることになる。システムとしてはインバータ８０の損失を補っても余りある省エネルギー効果が得られるものであるが、冷却水の温度が設計条件に近くまた冷凍機１−１の負荷が大きく圧縮機２０の回転数が１００％に近い運転を継続する場合にはインバータ８０を介するメリットは得られない。つまりそのような場合はインバータ８０を介さずに電動機５０を電動機起動盤６０から直接駆動するシステムに切り替えればより省エネルギーが図れる。

そこでこの冷凍機１−２は、電動機５０の駆動をインバータ８０を介する場合と直接電動機起動盤６０から駆動する場合を任意に切り替えることができるように構成している。同図において前記冷凍機１−１と同一部分には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。この実施形態において第一実施形態と相違する点は、電動機起動盤６０と電動機５０の間に、インバータ８０とインバータ８０をバイパスする回路を切替える切替え装置８５を設置し、この切り替え装置８５を駆動する切替え信号を制御手段７０から送信するように構成した点である。

そして電動機５０の駆動方法の切替えは、冷却水入口温度（又は冷却水出口温度）によって行なっている。即ち冷却水入口温度が設計条件に近い場合にはガイドベーン制御に移行する限界回転数が高いため回転数制御による容量制御範囲が狭く、また省エネルギー性の観点からもこの範囲ではガイドベーン制御と比較して回転数制御の優位性は認められなくなる。逆にこのような場合は電動機起動盤６０から直接電動機５０を駆動する方がインバータ８０の損失を削減できることにより、より省エネルギー運転が可能となる。

図９は制御手段７０による冷凍機１−２の制御方法を示す概略制御説明図である。この制御方法は、前述のように電動機５０の駆動方法の切替えを判断する基準として、冷却水入口温度が設計温度に対して低いか高いかによって決定するものである。即ちこの制御方法は、冷凍機１−２を起動した時点（ステップ１Ｂ）で冷却水入口温度を検知し（ステップ２Ｂ）、検知した冷却水温度が設計温度よりも高い場合は以後従来のガイドベーン２５のみの単純なモードで運転制御を行い、一方冷却水温度が設計温度よりも低い場合は以後第一実施形態と同じ制御方法、即ちガイドベーン２５の制御とインバータ８０による回転数制御を併用した運転制御を行い、冷凍機１−２の停止までいずれか一方のモードのみで運転を継続する制御方法である。具体的に、冷却水入口温度が設計温度よりも高い場合は、まず制御手段７０が回転数を１００％に設定して（ステップ３Ｂ）、切替え装置８５によって電動機５０を電動機起動盤６０によって直接駆動するようにし（ステップ４Ｂ）、冷水温度検出器９０によって検出した冷水出口温度に応じてガイドベーン２５の開度を制御する（ステップ５Ｂ，６Ｂ）。従って起動直後に冷却水入口温度が設計温度以上の場合は電動機１−２が停止するまで電動機５０を直接駆動し、設計温度以下の場合は冷凍機１−２が停止するまで電動機５０をインバータを介して運転する。この実施形態の場合、冷凍機１−２の起動（ステップ１Ｂ）はインバータ８０を介して行っているが、電動機起動盤６０から直接電動機５０を起動することも可能である。しかし直接起動の場合は起動電流が大きくなるため大きな電源設備を備える必要があり、直接駆動のメリットはない。一般的に冷却水温度は外気湿球温度によって決まるため、気象条件の変動が小さければこの制御システムで十分省エネルギー運転が可能である。

冷凍機１−２の起動・停止の頻度が低く、連続運転が多い場合には冷凍機１−２の運転中にインバータ駆動と起動盤直接駆動とを切替える場合も想定され、この場合の制御方法を第三実施形態として図１０にその概略制御説明図を示す。なおこの実施形態に用いる冷凍機の構成は、前記第二実施形態の冷凍機１−２と同一の構成でよい。即ちこの実施形態の場合、冷却水入口温度が設計温度以上の場合には回転数を１００％に設定して（ステップ３Ｃ）、切替え装置８５によって電動機５０を電動機起動盤６０で直接駆動するようにする（ステップ４Ｃ）。この点までは第二実施形態と同様であるが、その後第一実施形態で説明したのと同様のガイドベーン制御と回転数制御を併用した運転制御に入り（ステップ５Ｃ）、冷水出口温度を所定の値に近づける制御動作を行う。なおステップ２Ｃにおいて設計温度以上の場合はステップ５Ｃでは電動機５０は電動機起動盤６０で直接駆動されており、ステップ２Ｃにおいて設計温度以下の場合はステップ５Ｃでは電動機５０はインバータを介して駆動されている。ステップ５Ｃ以下の制御方法において、この実施形態の場合、冷却水入口温度が高くて直接駆動のガイドベーン制御ルーチンで運転していたシステムが、冷却水入口温度の低下を検知した場合回転数を下げる動作に入ることとなるが（ステップ６Ｃ，７Ｃ）、この段階で回転数をチェックし、１００％であることを確認すれば問題なくインバータ駆動に切り替えてインバータ制御に移行することができる（ステップ８Ｃ）。一方インバータ制御ルーチンで運転しており、理論仕事が限界仕事以上になることを判断した場合には（ステップ９Ｃ）、図７のステップ１７Ａと同様に、ガイドベーン制御に移行すべく回転数を上昇させる動作を行うが（ステップ１０Ｃ）、ここで回転数が１００％に達していることを確認すれば（ステップ１１Ｃ）、直接駆動に切り替える（ステップ１２Ｃ）ルーチンを構成している。

従来の蒸気圧縮式冷凍機５００の一例を示す全体概略構成図である。 本発明の第一実施形態にかかる冷凍機（蒸気圧縮式冷凍機）１−１を示す全体概略構成図である。 図１に示すガイドベーン５２５のみによって容量制御を行った場合の冷凍機５００の性能を示す図である。 冷凍機１−１を用いて電動機５０の回転数制御とガイドベーン２５の開閉制御を併用した場合の性能を示す図である。 圧縮機２０の回転数を変えて冷凍機１−１の容量を制御した場合の特性（冷却水入口温度と冷凍容量比の関係）を示す図である。 冷却水入口温度−圧縮機２０の回転数の関係及び冷却水入口温度−サージング限界の仕事の関係を示す図である。 制御手段７０による冷凍機１−１の制御方法を示す概略制御説明図である。 本発明の第二，第三実施形態にかかる冷凍機（蒸気圧縮式冷凍機）１−２を示す全体概略構成図である。 第二実施形態による冷凍機１−２の制御方法を示す概略制御説明図である。 第三実施形態による冷凍機１−２の制御方法を示す概略制御説明図である。

符号の説明

１−１ 冷凍機（蒸気圧縮式冷凍機）
１０ 蒸発器
２０ 圧縮機（遠心式圧縮機）
２１ ケーシング
２３ 羽根車
２５ ガイドベーン
２６ 増速装置
２７ 吐出管
２９ 吸込み管
３０ 凝縮器
４０ 絞り機構（減圧装置）
５０ 電動機
６０ 電動機起動盤
７０ 制御手段
７５ 商用電源
８０ インバータ
８５ 切替え装置
９０ 冷水温度検出器
１００ 冷却水温度検出器
１１０ 低圧側圧力検出器
１２０ 高圧側圧力検出器
１−２ 冷凍機（蒸気圧縮式冷凍機）

Claims (9)

1. 冷水を製造する蒸発器と、冷却水に放熱する凝縮器と、凝縮器と蒸発器間に設ける減圧装置と、圧縮機と、圧縮機を駆動する電動機とを具備して構成される蒸気圧縮式冷凍機において、
   前記圧縮機を吸込みガイドベーンを備えた遠心式圧縮機で構成すると共に、前記電動機を駆動制御するインバータを設置し、
   さらに前記ガイドベーンの開閉とインバータによる圧縮機の回転数制御により前記圧縮機の容量制御を行う制御手段を設置したことを特徴とする冷凍機。
2. 前記蒸発器の冷水出口温度を検出する冷水温度検出器を設置すると共に、
   前記制御手段は、前記冷水温度検出器で検出した冷水出口温度が予め定めた目標値になるように圧縮機の回転数及び吸込みガイドベーンの開閉を制御することを特徴とする請求項１に記載の冷凍機。
3. 前記冷却水の入口又は出口温度を検出する冷却水温度検出器と、蒸発器圧力又は圧縮機吸込み圧力を検出する低圧側圧力検出器と、凝縮器圧力又は圧縮機吐出圧力を検出する高圧側圧力検出器とを設置し、
   前記制御手段は、前記冷却水の入口又は出口温度検出値と、低圧側圧力検出値と、高圧側圧力検出値から算出される圧縮機の運転状態が、常に予め定められた運転可能範囲内に入るように、圧縮機の回転数と圧縮機の吸込みガイドベーンを制御することを特徴とする請求項２に記載の冷凍機。
4. 前記電動機を商用電源から前記インバータを介して駆動する場合と、商用電源から直接電動機を駆動する場合とを切り替える切替え装置を設けたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍機。
5. 冷水を製造する蒸発器と、冷却水に放熱する凝縮器と、凝縮器と蒸発器間に設ける減圧装置と、遠心式の圧縮機と、圧縮機を駆動する電動機とを具備して構成される蒸気圧縮式冷凍機の制御方法において、
   前記圧縮機に備えた吸込みガイドベーン制御と、前記電動機を駆動制御するインバータによる圧縮機回転数のインバータ制御とを組み合わせることにより、前記圧縮機の容量制御を行うことを特徴とする冷凍機の制御方法。
6. 前記冷水出口の温度を検出し、この冷水出口温度が予め定めた目標値になるように圧縮機の回転数及び吸込みガイドベーンの開閉を制御することを特徴とする請求項５に記載の冷凍機の制御方法。
7. 前記冷却水の凝縮器への入口又は出口温度と、前記蒸発器圧力又は圧縮機吸込み圧力である低圧側圧力と、前記凝縮器圧力又は圧縮機吐出圧力である高圧側圧力とを検出し、これら検出値から算出される圧縮機の運転状態が常に予め定められた運転可能範囲内に入るように、圧縮機の回転数と圧縮機の吸込みガイドベーンを制御することを特徴とする請求項６に記載の冷凍機の制御方法。
8. 前記インバータ制御を行っている際に、
   前記冷却水の入口又は出口温度の検出値から、現状の回転数での圧縮機のサージングを避ける限界仕事を決定し、
   前記低圧側圧力の検出値と、前記高圧側圧力の検出値から、圧縮機の理論仕事を算出し、
   前記理論仕事と限界仕事を比較して理論仕事が限界仕事以下ならばインバータ制御を続行し、理論仕事が限界仕事に達すれば現状の回転数を固定あるいは限界回転数を上昇させてガイドベーン制御に移行することを特徴とする請求項７に記載の冷凍機の制御方法。
9. 冷却水の入口又は出口温度が設計温度以上に高い場合に、インバータを介さず、商用電源から直接電動機を駆動することを特徴とする請求項５に記載の冷凍機の制御方法。
   

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