JP2009058199A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液温が大きく低下する場合でも速やかに対応可能にし、安全性及び信頼性の向上を図るとともに、容易に後付け可能にする。
【解決手段】インバータ制御される圧縮機２，凝縮器３，膨張弁４及び熱交換器５を接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルＣｃと、熱交換器５に接続することにより冷媒との熱交換により冷却液タンク６から供給される冷却液Ｗを冷却し、この冷却液Ｗを被冷却物Ｈに循環させた後、冷却液タンク６に戻す冷却液回路Ｃｍを具備するとともに、冷却液タンク６内に配設することにより当該冷却液タンク６に収容した冷却液Ｗを加熱可能なヒータ８と、少なくとも、液温Ｔｗが予め設定した過小負荷温度以下になったならヒータ８をＯＮにし、かつ液温Ｔｗが予め設定した非過小負荷温度以上になったならヒータ８をＯＦＦにする制御機能を有する制御部７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒を循環させる冷凍サイクルを利用して冷却液タンクから供給される冷却液を冷却する冷却装置に関する。

一般に、レーザ加工機では、ワークの材質，板厚，加工速度及び加工面粗度等によってレーザ側の負荷が大きく変動する。したがって、レーザ加工機に冷却液を供給（循環）する冷却装置では、このような負荷変動に対しても十分に追従できる冷却性能が要求されるとともに、特に、加工精度に大きく影響するミラー等の光学部品に対する熱的安定性を確保し、加工品質の低下を回避する上からも、温度変動の少ない高度で精密な冷却精度が要求される。

従来、このような用途に使用される冷却装置としては、特許文献１に開示される冷却装置が知られている。この冷却装置は、レーザ加工機等の被冷却物から戻された冷却液を貯留する冷却液タンクと、この冷却液タンクの供給口から流出する冷却液を送出する送液ポンプと、この送液ポンプから吐出する冷却液を熱交換により冷却して被冷却物に供給する冷却器（熱交換器）を備えるとともに、冷却器から流出した冷却液の温度を温度センサにより検出し、検出した温度に基づいて冷却器の冷却温度を制御する制御系、より具体的には、温度センサにより検出した温度に基づいて、冷却器に冷媒を循環させる冷凍サイクルにおける圧縮機の回転周波数（回転数）をインバータ制御する制御機能を有する制御系を備えている。

ところで、圧縮機のインバータ制御は、制御部からインバータ回路に付与される制御信号により圧縮機の回転数を可変制御するため、制御できる回転数の範囲に限界があり、通常、最大冷却能力の数十パーセント以下の過小負荷領域では、インバータ制御が困難となる。このため、過小負荷領域に対応させた冷却装置も特許文献２で知られている。この冷却装置は、冷凍サイクルを構成する圧縮機の回転数をインバータにより一定の範囲で可変して被冷却物の温度（水温）を制御するとともに、水温がインバータによっては制御できない温度まで低下したなら、ホットガスバイパス回路を開く制御を行い、特に、ホットガスバイパス回路を開いた状態で水温が上昇したなら、当該ホットガスバイパス回路を開いた状態で圧縮機の回転数を上昇させるとともに、当該回転数が予め設定した回転数に達したならホットガスバイパス回路を閉じ、かつ圧縮機の回転数を低下させる制御を行う制御機能を備えたものである。
特開２００３−３２９３５５号 特開２００１−７４３１８号

しかし、上述した過小負荷領域に対応させた従来の冷却装置は、次のような解決すべき課題が存在した。

第一に、ホットガスバイパス回路は、過小負荷領域に対する冷却装置の冷却能力を低下させる対策のため、いわば冷却能力をゼロ未満にすることはできない。したがって、圧縮機の運転上の制約や冷却装置以外で発生する外乱等により液温（水温）が大きく低下するような場合には対応できない虞れがあり、安全性及び信頼性において必ずしも十分であるとは言い難い。

第二に、過小負荷対策は、絶対的に必要なものではなく、過小負荷が生じる環境において必要になる。したがって、小型の冷却装置のように、コスト上の観点からオプションとして用意する場合には、ホットガスバイパス回路を取付ける際して、冷凍サイクルを構成する回路の接続変更を伴い、取付作業が大変になるとともに、予め配設スペース（デッドスペース）を確保しておく必要もある。

本発明は、このような背景技術に存在する課題を解決した冷却装置の提供を目的とするものである。

本発明は、上述した課題を解決するため、少なくとも、インバータ制御される圧縮機２，凝縮器３，膨張弁４及び熱交換器５を接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルＣｃと、熱交換器５に接続することにより冷媒との熱交換により冷却液タンク６から供給される冷却液Ｗを冷却し、この冷却液Ｗを被冷却物Ｈに循環させた後、冷却液タンク６に戻す冷却液回路Ｃｍと、冷却液Ｗの液温Ｔｗを検出し、検出した液温Ｔｗが予め設定した設定液温Ｔｗｃとなるように圧縮機２の回転数Ｒを制御する制御部７とを備える冷却装置１を構成するに際して、冷却液タンク６内に配設することにより当該冷却液タンク６に収容した冷却液Ｗを加熱可能なヒータ８と、少なくとも、液温Ｔｗが予め設定した過小負荷温度Ｔｗｄｓ以下になったならヒータ８をＯＮにし、かつ液温Ｔｗが予め設定した非過小負荷温度Ｔｗｕｓ以上になったならヒータ８をＯＦＦにする制御機能を有する制御部７とを具備してなることを特徴とする。

この場合、発明の好適な態様により、ヒータ８をＯＦＦにする制御は、液温Ｔｗが非過小負荷温度Ｔｗｕｓ以上になったこと、及び圧縮機２の回転数Ｒが予め設定した監視回転数Ｒｃｓ以上であること、の双方を満たすことを条件に行うことができる。また、監視回転数Ｒｃｓは、圧縮機２の運転可能最高回転数Ｒｍａｘに対して所定の回転数分Ｒｏｓだけ小さい回転数に設定できる。さらに、過小負荷温度Ｔｗｄｓは、設定液温Ｔｗｃに対して所定の温度分Ｔｏｄｓだけ低い温度に設定できるとともに、非過小負荷温度Ｔｗｕｓは、設定液温Ｔｗｃに対して所定の温度分Ｔｏｕｓだけ高い温度に設定できる。

このような構成を有する本発明に係る冷却装置１によれば、次のような顕著な効果を奏する。

（１） 冷却液タンク６に収容した冷却液Ｗをヒータ８により強制的に加熱、即ち、強制的に負荷を高くできるため、圧縮機２の運転上の制約や冷却装置１以外で発生する外乱等により液温Ｔｗが大きく低下するような場合であっても、速やかに対応することが可能となり、安全性及び信頼性の向上に寄与できる。また、ヒータ８のＯＮ／ＯＦＦと圧縮機２のインバータ制御を組合わせた液温制御を行うため、ヒータ８を常時ＯＮにする必要がなく、省エネルギ性にも寄与できる。

（２） 冷却液タンク６内に配設することにより当該冷却液タンク６に収容した冷却液Ｗを加熱可能なヒータ８を用いるため、コスト上の観点からオプションとして用意する場合であっても、容易に後付けできるとともに、冷凍サイクルＣｃの回路内に予め用意する配設スペース（デッドスペース）も不要となる。

（３） 好適な態様により、ヒータ８をＯＦＦにする制御を、液温Ｔｗが非過小負荷温度Ｔｗｕｓ以上になったこと、及び圧縮機２の回転数Ｒが予め設定した監視回転数Ｒｃｓ以上であること、の双方を満たすことを条件に行えば、ヒータ８をＯＦＦするに際し、非過小負荷温度Ｔｗｕｓと圧縮機２の監視回転数Ｒｃｓを組合わせた、より緻密で的確な制御を行うことができる。

（４） 好適な態様により、過小負荷温度Ｔｗｄｓを、設定液温Ｔｗｃに対して所定の温度分Ｔｏｄｓだけ低い温度に設定すれば、過小負荷温度Ｔｗｄｓを設定するに際し、設定液温Ｔｗｃ、特に、設定液温Ｔｗの制御上におけるディファレンシャル下限温度を考慮した的確な過小負荷温度Ｔｗｄｓを容易に設定することができる。

（５） 好適な態様により、非過小負荷温度Ｔｗｕｓを、設定液温Ｔｗｃに対して所定の温度分Ｔｏｕｓだけ高い温度に設定すれば、非過小負荷温度Ｔｗｕｓを設定するに際し、設定液温Ｔｗｃ、特に、設定液温Ｔｗの制御上におけるディファレンシャル上限温度を考慮した的確な非過小負荷温度Ｔｗｕｓを容易に設定することができる。

次に、本発明に係る最良の実施形態を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。

まず、本実施形態に係る冷却装置１の構成について、図１及び図２を参照して具体的に説明する。

図１は、冷却装置１の全体構成を示す。冷却装置１は、熱交換器（冷却器）５を備え、この熱交換器５の一次側５ｆに冷凍サイクルＣｃを接続するとともに、熱交換器５の二次側５ｓに冷却液回路Ｃｍを接続する。

図２に冷却液回路Ｃｍの具体例を示す。冷却液回路Ｃｍは、冷却液（冷却水，冷却溶液等）Ｗを貯留する冷却液タンク６を備える。例示の冷却液タンク６は、容積が１５〔リットル〕であり、冷却液供給ライン１２ｓ及び冷却液戻りライン１２ｒを介してレーザ加工機等の被冷却物Ｈ（図１）に接続する。そして、冷却液供給ライン１２ｓの中途には、冷却液タンク６に貯留する冷却液Ｗを被冷却物Ｈに供給するための送液ポンプ１３を接続するとともに、この送液ポンプ１３に対して熱交換器５の二次側５ｓを直列に接続する。また、冷却液タンク６は、上端開口を覆うタンクカバー６ｃを備え、このタンクカバー６ｃには、過小負荷時に用いるヒータ８を取付ける。このヒータ８はタンクカバー６ｃの内面から下方に突出し、冷却液タンク６に収容される冷却液Ｗの中に浸漬する。なお、例示のヒータ８は、電熱線を防水性のハウジングで覆った１．５〔ｋｗ〕の電熱ヒータである。さらに、冷却液供給ライン１２ｓには、冷却液Ｗの圧力を検出する液圧計１５及び冷却液Ｗの温度（液温）Ｔｗを検出する液温センサ１６を付設するとともに、冷却液タンク６には、給液口１７，ドレンライン１８，フロートスイッチ１９，液面計２０，ストレーナ２１等をそれぞれ付設する。

一方、冷凍サイクルＣｃは、主要機能部として、圧縮機２，凝縮器３，膨張弁（電子膨張弁）４を備えており、この電子膨張弁４の冷媒流出側を熱交換器５の一次側５ｆの一端口（冷媒流入口）に接続するとともに、熱交換器５の一次側５ｆの他端口（冷媒流出口）は冷媒ストレーナ３１を介して圧縮機２の冷媒流入側に接続する。これにより、矢印Ｆｃ方向に冷媒が循環する冷凍サイクルＣｃ（冷媒回路）が構成される。このような冷凍サイクルＣｃの基本的な機能は公知の冷凍サイクルと同じである。また、冷凍サイクルＣｃには、圧縮機２から吐出する冷媒の温度、即ち、吐出冷媒温度Ｔｏを検出する吐出冷媒温度センサ３３，凝縮器３から吐出する冷媒の温度、即ち、凝縮冷媒温度Ｔｃを検出する凝縮冷媒温度センサ３４，冷却器５の入口側の冷媒温度を検出する冷却器入口温度センサ３５等の各種センサ類を付設するとともに、凝縮器３には、この凝縮器３を空冷する凝縮器ファン３６を付設する。矢印Ｆｆが凝縮器ファン３６による送風方向を示している。さらに、圧縮機２の駆動には電動モータ４１を使用し、この電動モータ４１はインバータユニット４２に接続する。例示の電動モータ４１は、１２０°通電方式により作動するセンサレスブラシレスＤＣモータであり、スター結線された三つの巻線（界磁コイル）を備えている。インバータユニット４２は、インバータ回路４２ｉ及び直流電源回路４２ｓを備え、インバータ回路４２ｉの出力部を電動モータ４１に接続するとともに、直流電源回路４２ｓの交流入力部は三相交流電源に接続する。

そして、各センサ３３，３４，３５，凝縮器ファン３６，インバータ回路４２ｉ、さらに、電子膨張弁４，液温センサ１６及びヒータ８は、それぞれ制御部（コントローラ）７に接続する。制御部７は、制御系の主要部を構成し、冷凍サイクルＣｃを含む冷却装置１の全体の制御を司る機能を有する。また、インバータ回路４２ｉと直流電源回路４２ｓ間には、直流電源回路４２ｓからインバータ回路４２ｉに流入するインバータ入力電流Ｉｉの大きさを検出する電流検出器４３を付設し、この電流検出器４３は制御部７に接続する。制御部７は、操作パネル等を用いた操作部及び液晶表示パネル等を用いた表示部が付属するとともに、ＣＰＵ及びメモリ等を内蔵したコンピュータ機能を備え、予め格納した制御プログラムにより各種処理及び制御（シーケンス制御）を実行する。

次に、本実施形態に係る冷却装置１の動作について、図１〜図３を参照しつつ図４に示すフローチャートに従って説明する。

まず、制御部７では、予め、過小負荷状態であることを判定する冷却液Ｗの液温Ｔｗに対する過小負荷温度Ｔｗｄｓ，過小負荷状態を脱したことを判定する液温Ｔｗに対する非過小負荷温度Ｔｗｕｓ及び圧縮機２の回転数Ｒに対する監視回転数Ｒｃｓをそれぞれ設定する。

例示の場合、過小負荷温度Ｔｗｄｓは、設定液温Ｔｗｃに対して所定の温度分Ｔｏｄｓ（例えば、１．０〔℃〕）だけ低い温度に設定する。即ち、Ｔｗｄｓ＝Ｔｗｃ−Ｔｏｄｓ〔℃〕に設定する。なお、液温Ｔｗに対する設定液温Ｔｗｃはユーザサイドで設定される。したがって、設定液温Ｔｗｃが２０〔℃〕に設定され、Ｔｏｄｓが１．０〔℃〕であれば、過小負荷温度Ｔｗｄｓは１９〔℃〕となる。通常、液温Ｔｗに対する制御上のディファレンシャルは、設定液温Ｔｗｃに対して、Ｔｗｃ±０．５〔℃〕程度となるため、液温Ｔｗが、Ｔｗｄｓ（Ｔｗｃ−Ｔｏｄｓ〔℃〕）以下になれば、過小負荷状態であると判断できる。過小負荷温度Ｔｗｄｓをこのように設定することにより、設定液温Ｔｗの制御上におけるディファレンシャル下限温度を考慮した的確な過小負荷温度Ｔｗｄｓを容易に設定できる利点がある。

また、非過小負荷温度Ｔｗｕｓは、設定液温Ｔｗｃに対して所定の温度分Ｔｏｕｓ（例えば、１．０〔℃〕）だけ高い温度に設定する。即ち、Ｔｗｕｓ＝Ｔｗｃ＋Ｔｏｕｓ〔℃〕に設定する。したがって、設定液温Ｔｗｃが２０〔℃〕に設定され、かつＴｏｕｓが１．０〔℃〕であれば、非過小負荷温度Ｔｗｕｓは２１〔℃〕となる。上述したように、通常、液温Ｔｗに対する制御上のディファレンシャルは、設定液温Ｔｗｃに対して、Ｔｗｃ±０．５〔℃〕程度となるため、少なくとも液温Ｔｗが、Ｔｗｕｓ（Ｔｗｃ＋Ｔｏｕｓ〔℃〕）以上になれば、過小負荷状態を脱したと判断できる。非過小負荷温度Ｔｗｕｓをこのように設定することにより、設定液温Ｔｗの制御上におけるディファレンシャル上限温度を考慮した的確な非過小負荷温度Ｔｗｕｓを容易に設定できる利点がある。さらに、監視回転数Ｒｃｓは、圧縮機２の運転可能最高回転数Ｒｍａｘに対して所定の回転数分Ｒｏｓ（例えば、５０〔ｒｐｍ〕）だけ小さい回転数に設定する。即ち、Ｒｃｓ＝Ｒｍａｘ−Ｒｏｓ〔ｒｐｍ〕に設定する。

一方、制御部７は、動作時に次の制御を実行する。今、冷却装置１は、過小負荷状態ではない通常の負荷状態にあり、液温Ｔｗに対するフィードバック制御が正常に行われているものとする（ステップＳ１，Ｓ２）。この場合、ヒータ８はＯＦＦであり、ヒータ８に対する通電は行われない。また、冷却液回路Ｃｍでは、送液ポンプ１３の作動により、冷却液タンク６に貯留する冷却液Ｗが、冷却液供給ライン１２ｓを介して被冷却物Ｈに供給されるとともに、被冷却物Ｈを熱交換により冷却した冷却液Ｗは、冷却液戻りライン１２ｒを介して冷却液タンク６に戻される。この際、冷却液供給ライン１２ｓを流れる冷却液Ｗは、冷却器（熱交換器）５により冷却される。即ち、冷却器５に流入した冷却液Ｗは、冷凍サイクルＣｃにおける冷却された冷媒との熱交換により冷却される。冷凍サイクルＣｃでは、圧縮機２の運転により冷媒が矢印Ｆｃ方向に循環し、冷凍サイクルＣｃによる冷媒冷却が行われる。なお、図２中、矢印Ｆｗ…は冷却液Ｗが流れる方向を示す。

そして、被冷却物Ｈに供給される冷却液Ｗの液温Ｔｗは、液温センサ１６により検出され、制御部７に付与される。これにより、制御部７はインバータ回路４２ｉに制御指令を付与し、電動モータ４１の回転数Ｒを可変することにより、液温Ｔｗが予め設定した設定液温Ｔｗｃとなるようにフィートバック制御する。この際、インバータ回路４２ｉの入力部には、直流電源回路４２ｓから直流電圧が付与され、インバータ回路４２ｉは、内部のスイッチング素子により直流電圧をスイッチングする公知のインバータ制御を実行する。なお、通常の負荷状態の場合、液温Ｔｗに対する制御上のディファレンシャルは、設定液温Ｔｗｃに対して、Ｔｗｃ±０．５〔℃〕である。

他方、冷却装置１が過小負荷状態になった場合を想定する。即ち、冷却液Ｗの液温Ｔｗが低下し、設定した過小負荷温度Ｔｗｄｓ以下（Ｔｗ≦Ｔｗｃ−Ｔｏｄｓ〔℃〕）になったものとする（ステップＳ３，Ｓ４）。図４中、ｔｈ１が、過小負荷温度Ｔｗｄｓ以下になった時点を示す。これにより、ヒータ８がＯＮし、ヒータ８による冷却液Ｗの加熱が行われる（ステップＳ５）。ヒータ８のＯＮにより、冷却液Ｗの液温Ｔｗは次第に上昇するため、強制的に負荷が高められる。

一方、液温Ｔｗが上昇し、設定した非過小負荷温度Ｔｗｕｓ以上（Ｔｗ≧Ｔｗｃ＋Ｔｏｕｓ〔℃〕）になったものとする（ステップＳ６，Ｓ７）。図４中、ｔｈ２が、非過小負荷温度Ｔｗｕｓ以上になった時点を示す。この場合、制御部７は、圧縮機２の回転数Ｒを取込み、回転数Ｒが設定した監視回転数Ｒｃｓ以上（Ｒ≧Ｒｍａｘ−Ｒｏｓ〔ｒｐｍ〕）であるか否かを判定する。そして、監視回転数Ｒｃｓ以上の場合、即ち、液温Ｔｗが非過小負荷温度Ｔｗｕｓ以上になったこと、及び圧縮機２の回転数Ｒが予め設定した監視回転数Ｒｃｓ以上であること、の双方を満たすことを条件に、ヒータ８をＯＦＦにする制御を行う（ステップＳ８，Ｓ９）。このような制御を行うことにより、ヒータ８をＯＦＦするに際し、非過小負荷温度Ｔｗｕｓと圧縮機２の監視回転数Ｒｃｓを組合わせた、より緻密で的確な制御を行うことができる利点がある。

よって、このような本実施形態に係る冷却装置１によれば、冷却液タンク６に収容した冷却液Ｗをヒータ８により強制的に加熱、即ち、強制的に負荷を高くできるため、圧縮機２の運転上の制約や冷却装置１以外で発生する外乱等により液温Ｔｗが大きく低下するような場合であっても、速やかに対応することが可能となり、安全性及び信頼性の向上に寄与できる。また、ヒータ８のＯＮ／ＯＦＦと圧縮機２のインバータ制御を組合わせた液温制御を行うため、ヒータ８を常時ＯＮにする必要がなく、省エネルギ性にも寄与できる。さらに、冷却液タンク６内に配設することにより当該冷却液タンク６に収容した冷却液Ｗを加熱可能なヒータ８を用いるため、コスト上の観点からオプションとして用意する場合であっても、容易に後付けできるとともに、冷凍サイクルＣｃの回路内に予め用意する配設スペース（デッドスペース）も不要となる。

以上、最良の実施形態について詳細に説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されるものではなく、細部の構成，手法，数量，数値等において、本発明の要旨を逸脱しない範囲で任意に、変更，追加，削除することができる。例えば、ヒータ８は、タンクカバー６ｃに取付けた場合を示したが、冷却液タンク６に取付けてもよい。また、ヒータ８は、標準装備として予め組付けてもよいし、オプションとして後付けしてもよい。さらに、ヒータ８のタイプや形状は例示に限定されることなく、各種ヒータを利用することができる。その他、電動モータ４１は直流モータを例示したが交流モータであってもよく、その種類は問わないとともに、インバータ回路４２ｉ（インバータユニット４２）も同様の機能を有する各種タイプにより構成できる。なお、冷却装置１として図１（図２）に示すタイプを例示したが、本発明に係る冷却装置は、例示以外の各種タイプの冷却装置に対しても同様に適用することができる。

本発明の最良の実施形態に係る冷却装置の全体構成図、 同冷却装置における冷却液回路の構成図、 同冷却装置の動作時における処理手順を示すフローチャート、 同冷却装置の動作時における各部の状態を示すタイミングチャート、

符号の説明

１：冷却装置，２：圧縮機，３：凝縮器，４：膨張弁，５：熱交換器，６：冷却液タンク，７：制御部，８：ヒータ，Ｃｃ：冷凍サイクル，Ｃｍ：冷却液回路，Ｗ：冷却液，Ｈ：被冷却物，Ｔｗ：冷却液の液温，Ｔｗｃ：設定液温，Ｔｗｄｓ：過小負荷温度，Ｔｗｕｓ：非過小負荷温度，Ｔｏｄｓ：所定の温度分，Ｔｏｕｓ：所定の温度分，Ｒ：圧縮機の回転数，Ｒｃｓ：監視回転数，Ｒｍａｘ：運転可能最高回転数，Ｒｏｓ：所定の回転数分

Claims (5)

1. 少なくとも、インバータ制御される圧縮機，凝縮器，膨張弁及び熱交換器を接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルと、前記熱交換器に接続することにより前記冷媒との熱交換により冷却液タンクから供給される冷却液を冷却し、冷却した冷却液を被冷却物に循環させた後、前記冷却液タンクに戻す冷却液回路と、前記冷却液の液温を検出し、検出した液温が予め設定した設定液温となるように前記圧縮機の回転数を制御する制御部とを備える冷却装置において、前記冷却液タンク内に配設することにより当該冷却液タンクに収容した冷却液を加熱可能なヒータと、少なくとも、前記液温が予め設定した過小負荷温度以下になったなら前記ヒータをＯＮにし、かつ前記液温が予め設定した非過小負荷温度以上になったなら前記ヒータをＯＦＦにする制御機能を有する制御部とを具備してなることを特徴とする冷却装置。
2. 前記ヒータをＯＦＦにする制御は、前記液温が非過小負荷温度以上になったこと、及び前記圧縮機の回転数が予め設定した監視回転数以上であること、の双方を満たすことを条件に行うことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
3. 前記監視回転数は、前記圧縮機の運転可能最高回転数に対して所定の回転数分だけ小さい回転数に設定することを特徴とする請求項２記載の冷却装置。
4. 前記過小負荷温度は、前記設定液温に対して所定の温度分だけ低い温度に設定することを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
5. 前記非過小負荷温度は、前記設定液温に対して所定の温度分だけ高い温度に設定することを特徴とする請求項１記載の冷却装置。

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