以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態の態様について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態による冷凍機システム1の構成を示す概略図である。図1では、熱媒体の流れの方向を実線の矢印で示し、熱媒体と熱交換される空気の流れの方向を二点鎖線の矢印で示し、制御信号の流れの方向を破線の矢印で示している。
冷凍機システム1は、冷凍機10a、10b、冷水負荷設備12、膨張タンク14、配管16a、16b、16c、16d、16e、16f、16g、16h、冷水1次ポンプ18a、18b、冷水2次ポンプ20、制御弁22、圧力計24、冷凍機入口温度センサ26、冷凍機出口温度センサ28、負荷入口温度センサ30、負荷出口温度センサ32および制御部34を含む。
冷凍機システム1では、2台の冷凍機10a、10bが並列に設けられている。以後、冷凍機10a、10bを総称して冷凍機10と呼ぶ場合がある。なお、冷凍機10の台数は、2台に限らず、1台であってもよいし、3台以上であってもよい。
冷凍機10は、例えば、ターボ冷凍機などである。冷凍機10は、冷水負荷設備12から膨張タンク14を介して送られた熱媒体を冷却し、冷却後の熱媒体を、膨張タンク14を介して冷水負荷設備12に供給する。熱媒体は、例えば、水である。
冷水負荷設備12は、例えば、エアハンドリングユニット(AHU)などの空調機である。なお、冷水負荷設備12は、空調機に限らず、例えば、熱交換器などであってもよい。冷水負荷設備12では、冷凍機10から供給される熱媒体を用いて熱交換が行われる。熱交換後の熱媒体は、冷凍機10に戻される。
膨張タンク14は、中空の容器である。膨張タンク14内には、熱媒体が収容される。なお、図1では、膨張タンク14内の熱媒体をハッチングで示している。
膨張タンク14の内部には、底面から鉛直に起立する仕切り板40が設けられている。仕切り板40の上端42は、膨張タンク14の天井44から離隔している。仕切り板40は、膨張タンク14内を第1エリアA1および第2エリアA2に仕切る。第1エリアA1および第2エリアA2は、仕切り板40の上端42と天井44との間を通じて連通している。
なお、冷凍機システム1では、膨張タンク14内を仕切り板40で仕切ることで第1エリアA1および第2エリアA2が形成されている。しかし、第1エリアA1と第2エリアとが別個の容器によって形成されてもよい。また、第1エリアA1を形成する容器と第2エリアA2を形成する容器とを連通させてもよい。
配管16aは、冷凍機10aにおける熱媒体の出口50と膨張タンク14の第1エリアA1とを連通するとともに、冷凍機10bにおける熱媒体の出口50と膨張タンク14の第1エリアA1とを連通する。具体的には、配管16aは、冷凍機10aおよび冷凍機10bのそれぞれから延び、1の配管16aに集合されて第1エリアA1に至る。配管16aは、冷凍機10で冷却された熱媒体を膨張タンク14の第1エリアA1に導く。膨張タンク14の第1エリアA1には、冷凍機10で冷却された熱媒体が貯留される。
配管16bは、膨張タンク14の第1エリアA1と冷水2次ポンプ20とを連通する。配管16cは、冷水2次ポンプ20と制御弁22とを連通する。配管16dは、制御弁22と冷水負荷設備12における熱媒体の入口52とを連通する。配管16b、16c、16dは、第1エリアA1に貯留された熱媒体を冷水負荷設備12に導く。
冷水2次ポンプ20は、第1エリアA1内の熱媒体を冷水負荷設備12に送る。つまり、冷水2次ポンプ20は、第1エリアA1を通じて熱媒体を冷凍機10から冷水負荷設備12に送る。
制御弁22は、配管16b、16c、16dにおける流路の開度を変更可能である。圧力計24は、制御弁22よりも熱媒体の流れの上流側に位置する配管16cに設けられる。制御弁22は、後述の空気温度センサ72の温度に従って開度が変更される。
配管16eは、冷水負荷設備12における熱媒体の出口54と膨張タンク14の第2エリアA2とを連通する。配管16eは、冷水負荷設備12から送出された熱媒体を膨張タンク14の第2エリアA2に導く。膨張タンク14の第2エリアA2には、冷水負荷設備12で使用された後の熱媒体が貯留される。
配管16fは、膨張タンク14の第2エリアA2と冷水1次ポンプ18aとを連通するとともに、膨張タンク14の第2エリアA2と冷水1次ポンプ18bとを連通する。具体的には、配管16fは、膨張タンク14の第2エリアA2から延びて2本に分岐され、分岐された一方が冷水1次ポンプ18aに至り、分岐された他方が冷水1次ポンプ18bに至る。配管16gは、冷水1次ポンプ18aと冷凍機10aにおける熱媒体の入口56とを連通する。配管16hは、冷水1次ポンプ18bと冷凍機10bにおける熱媒体の入口56とを連通する。配管16f、16g、16hは、膨張タンク14の第2エリアA2に貯留された熱媒体を冷凍機10に導く。
以後、冷水1次ポンプ18a、18bを総称して冷水1次ポンプ18と呼ぶ場合がある。冷水1次ポンプ18は、第2エリアA2内の熱媒体を冷凍機10に送る。つまり、冷水1次ポンプ18は、第2エリアA2を通じて熱媒体を冷水負荷設備12から冷凍機10に送る。
このように、冷凍機システム1では、冷凍機10と冷水負荷設備12との間で熱媒体が循環する。配管16a、16b、16c、16d、16e、16f、16g、16hは、熱媒体が流通する循環流路として機能する。また、膨張タンク14は、冷凍機10と冷水負荷設備12との間の熱媒体の循環流路に設けられ、冷凍機10から冷水負荷設備12に供給される熱媒体を貯留する第1エリアA1と、冷水負荷設備12から冷凍機10に送られる熱媒体を貯留する第2エリアA2とを有するバッファ部として機能する。
冷水1次ポンプ18aには、1次モータ60aが接続される。1次モータ60aには、1次インバータ62aが接続される。1次インバータ62aは、電源に接続され、制御部34から指示された周波数指令値に従った周波数で1次モータ60aを駆動する。1次モータ60aは、1次インバータ62aの周波数に従った回転数で冷水1次ポンプ18aを駆動する。
冷水1次ポンプ18bには、1次モータ60bが接続される。1次モータ60bには、1次インバータ62bが接続される。1次インバータ62bは、電源に接続され、制御部34から指示された周波数指令値に従った周波数で1次モータ60bを駆動する。1次モータ60bは、1次インバータ62bの周波数に従った回転数で冷水1次ポンプ18bを駆動する。
以後、1次インバータ62a、62bを総称して、1次インバータ62と呼ぶ場合がある。また、1次モータ60a、60bを総称して、1次モータ60と呼ぶ場合がある。また、冷凍機10を通る熱媒体の流量を1次流量と呼ぶ場合がある。1次流量は、冷水1次ポンプ18の回転数、すなわち、1次インバータ62に指示する周波数指令値(以下、単に、1次インバータ62の周波数指令値と呼ぶ場合がある)に従う。
冷水2次ポンプ20には、2次モータ64が接続される。2次モータ64には、2次インバータ66が接続される。2次インバータ66は、電源に接続され、制御部34から指示された周波数指令値に従った周波数で2次モータ64を駆動する。2次モータ64は、2次インバータ66の周波数に従った回転数で冷水2次ポンプ20を駆動する。
以後、冷水負荷設備12を通る熱媒体の流量を2次流量と呼ぶ場合がある。2次流量は、冷水2次ポンプ20の回転数、すなわち、2次インバータ66に指示する周波数指令値に従う。
冷水負荷設備12には、例えば、空気(外気)が導入される。冷水負荷設備12では、冷凍機10から供給された熱媒体と、導入された空気との間で熱交換が行われる。これにより、冷水負荷設備12の出口54における(熱交換後の)熱媒体の温度は、冷水負荷設備12の入口52における(熱交換前の)熱媒体の温度よりも高くなる。
冷水負荷設備12で熱交換された空気は、例えば、室内70に送られる。また、冷水負荷設備12と室内70との間の空気の流路には、空気温度センサ72が設けられる。空気温度センサ72は、冷水負荷設備12で熱交換後の空気の温度を検出する。
配管16gにおける冷凍機10aの入口56付近、および、配管16hにおける冷凍機10bの入口56付近には、冷凍機入口温度センサ26が各々設けられる。冷凍機入口温度センサ26は、冷凍機10に送入される熱媒体の温度である冷凍機入口温度を検出する。
配管16aにおける冷凍機10の出口50付近には、冷凍機出口温度センサ28が各々設けられる。冷凍機出口温度センサ28は、冷凍機10から送出される熱媒体の温度である冷凍機出口温度を検出する。
配管16dにおける冷水負荷設備12の入口52付近には、負荷入口温度センサ30が設けられる。負荷入口温度センサ30は、冷水負荷設備12に送入される熱媒体の温度である負荷入口温度を検出する。
配管16eにおける冷水負荷設備12の出口54付近には、負荷出口温度センサ32が設けられる。負荷出口温度センサ32は、冷水負荷設備12から送出される熱媒体の温度である負荷出口温度を検出する。
以後、冷凍機入口温度と冷凍機出口温度との差分の絶対値を、第1温度差と呼び、負荷入口温度と負荷出口温度との差分の絶対値を、第2温度差と呼ぶ場合がある。
制御部34は、中央処理プログラム等が格納されたROM、ワークエリアとしてのRAM等を含む半導体集積回路から構成される。
ここで、冷水負荷設備12に導入される空気は、季節や日時などによって温度が異なる。つまり、冷水負荷設備12における熱負荷が季節や日時などによって変動する。制御部34は、空気温度センサ72による温度(冷水負荷設備12で熱交換後の空気の温度)が予め設定された温度で一定となるように、制御弁22の開度を制御する。
制御弁22の開度が変化すると、冷水負荷設備12に送入される熱媒体の圧力が変化する。制御部34は、圧力計24の圧力が一定となるように2次インバータ66に指示する周波数指令値を制御することで、冷水2次ポンプ20を通る熱媒体の流量(2次流量)を制御する。このように、冷凍機システム1では、冷水負荷設備12に導入される空気の温度によって、2次流量が変動する。
また、制御部34は、通常、第1温度差が所定の定格温度差で一定となるように、1次インバータ62の周波数指令値を制御する。ここでの定格温度差は、例えば、冷凍機10を定格で動作させたときの冷凍能力から決まる定格の温度差であり、制御部34に記憶される。例えば、冷凍機入口温度が12℃であると想定し、冷凍機出口温度(目標温度)を7℃としたい場合、定格温度差は、5℃に決まる。なお、これは一例であり、定格温度差は、冷凍機の種類や運転状態により個別に変わる。
上述のように、冷水負荷設備12における熱負荷が変動するため、使用済の熱媒体が戻される冷凍機10の入口56の熱媒体の温度である冷凍機入口温度は、その熱負荷によって変動する。例えば、夏季のように熱負荷が高い場合、冷凍機入口温度は、想定された12℃より高くなり、冬季のように熱負荷が低い場合、冷凍機入口温度は、想定された12℃より低くなる。これに対し、冷凍機出口温度は、上述の7℃に維持したい。つまり、夏季のように熱負荷が高ければ、第1温度差が定格温度差よりも大きくなり、冬季のように熱負荷が低ければ、第1温度差が定格温度差よりも小さくなる。
第1温度差が定格温度差よりも大きくなった場合、制御部34は、1次インバータ62の周波数指令値を上昇させる。これにより、冷水1次ポンプ18の回転数が上昇し、冷凍機10に入る1次流量が増加する。つまり、冷凍機10で冷却される熱媒体の量が増加する。そうすると、冷水負荷設備12に供給される冷却後の熱媒体の量が増加するため、冷水負荷設備12から冷凍機10に戻る熱媒体の温度が、想定された12℃に向かって下がる。その結果、第1温度差を定格温度差に近づけることができる。このようにすることで、熱負荷が高くなっても、冷水負荷設備12で必要な冷熱が不足することを防止できる。
第1温度差が定格温度差よりも小さくなった場合、制御部34は、1次インバータ62の周波数指令値を下降させる。これにより、冷水1次ポンプ18の回転数が下降し、冷凍機10に入る1次流量が減少する。つまり、冷凍機10で冷却される熱媒体の量が減少する。そうすると、冷水負荷設備12に供給される冷却後の熱媒体の量が減少するため、冷水負荷設備12から冷凍機10に戻る熱媒体の温度が、想定された12℃に向かって上がる。その結果、第1温度差を定格温度差に近づけることができる。このようにすることで、熱負荷が小さい場合において、熱媒体が無駄に冷却されることを抑制することができ、かつ、冷水1次ポンプ18の回転数下降により省エネルギー化が可能である。
また、制御部34は、第1温度差が定格温度差で一定となるように1次インバータ62の周波数指令値を制御しつつ、冷凍機入口温度、冷凍機出口温度、負荷入口温度および負荷出口温度に基づいて、1次インバータ62の周波数指令値を補正する。つまり、制御部34は、冷凍機入口温度、冷凍機出口温度、負荷入口温度および負荷出口温度に基づいて、冷水1次ポンプ18を通る熱媒体の流量を制御する。1次インバータ62の周波数指令値の補正については、後に詳述する。
図2は、1次流量と2次流量との関係を説明する説明図である。図2(a)は、1次流量と2次流量とが等しい(1次流量=2次流量)場合を示しており、図2(b)は、1次流量が2次流量より少ない(1次流量<2次流量)場合を示しており、図2(c)は、1次流量が2次流量より多い(1次流量>2次流量)場合を示している。また、図2(a)〜図2(c)では、膨張タンク14内の熱媒体をハッチングで示している。なお、図2(a)〜図2(c)では、説明に関係する構成のみを記載しており、その他の構成を省略している。
図2(a)に示すように、1次流量と2次流量とが等しい場合、第2エリアA2から冷凍機10を通じて第1エリアA1に移動する熱媒体の量と、第1エリアA1から冷水負荷設備12を通じて第2エリアA2に移動する熱媒体の量とが等しくなる。その結果、この場合、第1エリアA1内の熱媒体の貯留量および第2エリアA2内の熱媒体の貯留量は、それぞれ維持される。例えば、第1エリアA1内の熱媒体の貯留量と第2エリアA2内の熱媒体の貯留量とが大凡等しい状態で維持される。その結果、冷水負荷設備12の入口52に送られる熱媒体の温度は、目標温度(例えば、7℃)に維持される。
図2(b)に示すように、1次流量が2次流量より少なくなると(2次流量が1次流量より多くなると)、第2エリアA2から冷凍機10を通じて第1エリアA1に移動する熱媒体の量より、第1エリアA1から冷水負荷設備12を通じて第2エリアA2に移動する熱媒体の量が多くなる。これにより、第2エリアA2における熱媒体の貯留量が増加していく。
第2エリアA2内の熱媒体が増加し続けると、第2エリアA2内の熱媒体は、仕切り板40の上端42を超えて(仕切り板40をオーバーフローして)、第1エリアA1に溢れ出る。そうすると、冷水負荷設備12で使用済の熱媒体の一部が、冷凍機10を通らずに(冷凍機10で冷却されずに)、冷水負荷設備12に供給される熱媒体に混入してしまう。その結果、冷水負荷設備12の入口52に送られる熱媒体の温度が目標温度よりも上昇してしまう。
図2(c)に示すように、1次流量が2次流量より多くなると、第2エリアA2から冷凍機10を通じて第1エリアA1に移動する熱媒体の量が、第1エリアA1から冷水負荷設備12を通じて第2エリアA2に移動する熱媒体の量より多くなる。これにより、第1エリアA1における熱媒体の貯留量が増加していく。
第1エリアA1内の熱媒体が増加し続けると、第1エリアA1内の熱媒体は、仕切り板40の上端42を超えて(仕切り板40をオーバーフローして)、第2エリアA2に溢れ出る。そうすると、冷凍機10で冷却された熱媒体の一部が、冷水負荷設備12を経由せずに、冷水負荷設備12で使用済の熱媒体に混入する。
しかし、この場合、第1エリアA1内の熱媒体は、すべて冷凍機10で冷却されたものである。このため、冷水負荷設備12の入口52に送られる熱媒体の温度は、目標温度に維持される。
したがって、冷凍機システム1では、1次流量が2次流量以上(1次流量≧2次流量)となるようにする必要がある。
従来の冷凍機システムでは、1次流量を2次流量以上に制御するために、2次流量を検出する流量計が設けられていた。そして、従来の冷凍機システムでは、その流量計の検出結果に基づいて、冷水1次ポンプ18を通る熱媒体の流量を制御することで、1次流量を2次流量以上にしていた。しかし、流量計は、設置するための工事が大変であり、コストも高い。
そこで、第1実施形態の冷凍機システム1では、流量計を用いずに、1次流量を2次流量以上に制御する。
図3は、制御部34の動作の概要を説明する説明図である。図3(a)は、1次流量と2次流量とが等しい(1次流量=2次流量)場合を示しており、図3(b)は、1次流量が2次流量より少ない(1次流量<2次流量)場合を示しており、図3(c)は、1次流量が2次流量より多い(1次流量>2次流量)場合を示している。また、図3(a)〜図3(c)では、膨張タンク14内の熱媒体をハッチングで示している。なお、図3(a)〜図3(c)では、説明に関係する構成のみを示しており、その他の構成を省略している。
図3(a)〜図3(c)において、第1温度差は、冷凍機入口温度センサ26による温度(冷凍機入口温度T1A)と冷凍機出口温度センサ28による温度(冷凍機出口温度T1B)との差分の絶対値である。第2温度差は、負荷入口温度センサ30による温度(負荷入口温度T2A)と負荷出口温度センサ32による温度(負荷出口温度T2B)との差分の絶対値である。
図3(a)に示すように、1次流量と2次流量とが等しい場合、膨張タンク14内で熱媒体のオーバーフローが起こらないため、負荷出口温度T2Bと冷凍機入口温度T1Aとが大凡等しく、冷凍機出口温度T1Bと負荷入口温度T2Aとが大凡等しくなる。その結果、この場合、第1温度差と第2温度差とが大凡等しくなる(第1温度差=第2温度差)。
図3(b)に示すように、1次流量が2次流量より少ない場合、冷水負荷設備12で使用済の熱媒体が第2エリアA2から第1エリアA1にオーバーフローするため、負荷入口温度T2Aは、冷凍機出口温度T1Bより高くなる。また、第2エリアA2内は冷水負荷設備12で使用済の熱媒体のみであるため、冷凍機入口温度T1Aは、負荷出口温度T2Bと大凡等しくなる。したがって、第1温度差は、第2温度差よりも大きくなる(第1温度差>第2温度差)。
図3(c)に示すように、1次流量が2次流量より多い場合、冷凍機10で冷却された熱媒体が第1エリアA1から第2エリアA2にオーバーフローするため、冷凍機入口温度T1Aは、負荷出口温度T2Bより低くなる。また、第1エリアA1内は冷凍機10で冷却された熱媒体のみであるため、負荷入口温度T2Aは、冷凍機出口温度T1Bと大凡等しくなる。したがって、第1温度差は、第2温度差よりも小さくなる(第1温度差<第2温度差)。
これらを踏まえ、冷凍機システム1の制御部34は、第1温度差が第2温度差以下(第1温度差≦第2温度差)となるように、すなわち、図3(a)の状態を維持するか、それを維持できなくとも図3(c)の状態を維持できるように、冷水1次ポンプ18を通る熱媒体の流量(1次流量)を制御する。冷凍機システム1の制御部34は、第1温度差が第2温度差以下となるように制御することで、結果として、図2を用いて説明したように、第1流量が第2流量以上(1次流量≧2次流量)となるように制御することができる。
これを実現するために、制御部34は、第1温度差が定格温度差で一定となるように1次インバータ62の周波数指令値を導出し、第1温度差が第2温度差より大きい(第1温度差>第2温度差)ようであれば、導出された1次インバータ62の周波数指令値を補正する。
上述のように、冷水負荷設備12における熱負荷が低ければ、制御部34は、1次インバータ62の周波数指令値を下降させる。そうすると、1次流量は、減少して2次流量より少なくなる場合がある。つまり、熱負荷が低くて1次側で省エネルギー化し過ぎると、冷水負荷設備12の入口52に送られる熱媒体の温度を目標温度に維持できない場合がある。
このことから、制御部34は、第1温度差が第2温度差より大きいようであれば(1次流量が2次流量より少ないようであれば)、1次インバータ62の周波数指令値が小さくなり過ぎないように、1次インバータ62の周波数指令値を上昇させる補正を行う。
具体的には、第1温度差が第2温度差より大きい場合(第1温度差が第2温度差以下ではない場合)、制御部34は、第1温度差と第2温度差との差分の絶対値である補正対象温度差を導出する。制御部34は、補正対象温度差と1次インバータ62の周波数指令値の上昇量(補正量)とが関連付けられたテーブルや関係式を用いて、1次インバータ62の周波数指令値の上昇量を導出する。制御部34は、第1温度差が定格温度差で一定となるように導出された1次インバータ62の周波数指令値に、導出された1次インバータ62の周波数指令値の上昇量を加算し、1次インバータ62の補正後の周波数指令値を導出する。そして、制御部34は、補正後の周波数指令値を1次インバータ62に送信する。
補正後の周波数指令値を受信した1次インバータ62は、補正後の周波数の電力を1次モータ60に供給する。1次モータ60は、1次インバータ62の補正後の周波数に従った回転数で冷水1次ポンプ18を駆動させる。
これにより、冷凍機システム1では、1次流量が増加し、第1温度差が第2温度差以下(1次流量が2次流量以上)の状態に復帰させることができる。その結果、冷凍機システム1では、冷水負荷設備12における熱負荷が低くても、冷水負荷設備12の入口52に送られる熱媒体の温度を目標温度に維持できる。
また、制御部34は、1次インバータ62の周波数指令値の上昇量を、補正対象温度差に基づいて導出している。このため、冷凍機システム1では、第1温度差が第2温度差以下の状態に、より確実に復帰させることができる。
なお、制御部34は、1次インバータ62の周波数指令値を、予め設定された所定上昇量だけ上昇させてもよい。この場合、上昇量の導出を行わない分、処理負荷を軽減することができる。
図4は、制御部34の動作の流れを説明するフローチャートである。制御部34は、冷凍機システム1の電源が投入されて運転がオンされると、図4の一連の処理を開始する。なお、冷凍機10aを通る1次流量の制御と、冷凍機10bを通る1次流量の制御とが同様の内容であるため、以下では、冷凍機10を通る1次流量の制御としてまとめて説明する。
まず、制御部34は、冷凍機入口温度センサ26から冷凍機入口温度T1Aを取得し、冷凍機出口温度センサ28から冷凍機出口温度T1Bを取得し、負荷入口温度センサ30から負荷入口温度T2Aを取得し、負荷出口温度センサ32から負荷出口温度T2Bを取得する(S100)。
次に、制御部34は、冷凍機入口温度T1Aと冷凍機出口温度T1Bとから第1温度差を導出する(S110)。次に、制御部34は、負荷入口温度T2Aと負荷出口温度T2Bとから第2温度差を導出する(S120)。
次に、制御部34は、第1温度差が定格温度差で一定となるように、1次インバータ62の周波数指令値を導出する(S130)。例えば、制御部34は、定格温度差に対する第1温度差の差分である制御温度差を導出する。制御部34は、制御温度差と1次インバータ62の周波数指令値の変動量(上昇量または下降量)とが関連付けられたテーブルや関係式を用いて、導出された制御温度差に基づいて、1次インバータ62の周波数指令値の変動量を導出する。制御部34は、導出された1次インバータ62の周波数指令値の変動量と、1次インバータ62の現在の周波数指令値とから、1次インバータ62の新たな周波数指令値を導出する。
次に、制御部34は、第1温度差が第2温度差以下(第1温度差≦第2温度差)であるか否かを判断する(S140)。第1温度差が第2温度差以下である場合(S140におけるYES)、制御部34は、ステップS130で導出された周波数指令値を1次インバータ62に送信する(S160)。この場合、1次流量が2次流量以上であるとみなし、1次インバータ62の周波数指令値の補正は行われない。
第1温度差が第2温度差以下ではない場合(S140におけるNO)、制御部34は、ステップS130で導出された周波数指令値を補正する(S150)。この場合、制御部34は、第1温度差および第2温度差に基づいて補正対象温度差を導出し、補正対象温度差に基づいて周波数指令値の上昇量を導出する。制御部34は、導出された周波数指令値の上昇量を、ステップS130で導出された周波数指令値に加算して、1次インバータ62の補正後の周波数指令値を導出する。
補正後、制御部34は、補正後の周波数指令値を1次インバータ62に送信する(S160)。この場合、1次インバータ62が補正後の周波数指令値に従って動作するため、第1温度差が第2温度差以下の状態に復帰する。
周波数指令値または補正後の周波数指令値の送信(S160)後、制御部34は、冷凍機システム1の運転をオフする指令を受信したか否かを判断する(S170)。運転をオフする指令を受信した場合(S170におけるYES)、制御部34は、一連の処理を終了する。一方、運転をオフする指令を受信していない場合(S170におけるNO)、制御部34は、ステップS100に戻り、運転をオフする指令を受信するまで、ステップS100以降の処理を繰り返す。
以上のように、第1実施形態の冷凍機システム1では、第1温度差が第2温度差以下となるように、冷水1次ポンプ18を通る熱媒体の流量(1次インバータ62の周波数指令値)が制御される。これにより、第1実施形態の冷凍機システム1では、流量計を用いずに1次流量を制御することができる。また、冷凍機入口温度センサ26、冷凍機出口温度センサ28、負荷入口温度センサ30および負荷出口温度センサ32は、流量計に比べ、設置が容易であり、コストも低い。
したがって、第1実施形態の冷凍機システム1によれば、コストを抑えつつ冷水負荷設備12に供給される熱媒体の温度を制御することが可能となる。
なお、第1実施形態の冷凍機システム1において、制御部34は、第1温度差と第2温度差とが等しく(第1温度差=第2温度差)なるように、冷水1次ポンプ18を通る熱媒体の流量(1次インバータ62の周波数指令値)を制御してもよい。この場合、制御部34は、第1温度差が第2温度差より大きく(第1温度差>第2温度差)なるようであれば、1次インバータ62の周波数指令値を上昇させる補正をし、第1温度差が第2温度差より小さく(第1温度差<第2温度差)なるようであれば、1次インバータ62の周波数指令値を下降させる補正をしてもよい。この態様においても、コストを抑えつつ冷水負荷設備12に供給される熱媒体の温度を制御することが可能となる。また、この態様では、冷却後の熱媒体を、より効率的に冷水負荷設備12に供給することができる。
また、第1実施形態の冷凍機システム1において、膨張タンク14の第1エリアA1および第2エリアA2の一方または双方に水位計を設けてもよい。そして、制御部34は、水位計による水位が一定となるように、冷水1次ポンプ18を通る熱媒体の流量(1次インバータ62の周波数指令値)を制御してもよい。この態様においても、コストを抑えつつ冷水負荷設備12に供給される熱媒体の温度を制御することが可能となる。
(第2実施形態)
図5は、第2実施形態による冷凍機システム100の構成を示す概略図である。第2実施形態の冷凍機システム100は、膨張タンク14に代えて第1配管ヘッダ140、第2配管ヘッダ142、連通管144および差圧計146を有する点において第1実施形態の冷凍機システム1と異なる。また、冷凍機システム100では、負荷入口温度センサ30および負荷出口温度センサ32が省略されている。ここでは、第1実施形態と同様の構成については説明を省略し、異なる構成について詳述する。
第1配管ヘッダ140および第2配管ヘッダ142は、中空で密閉された筒状の容器である。第1配管ヘッダ140内および第2配管ヘッダ142内には、熱媒体が収容される。図5では、第1配管ヘッダ140内および第2配管ヘッダ142内の熱媒体をハッチングで示している。
冷凍機システム100において、配管16aは、冷凍機10aの出口50と第1配管ヘッダ140とを連通するとともに、冷凍機10bの出口50と第1配管ヘッダ140とを連通する。つまり、配管16aは、冷凍機10で冷却された熱媒体を第1配管ヘッダ140に導く。第1配管ヘッダ140には、冷凍機10で冷却された熱媒体が貯留される。
また、配管16bは、第1配管ヘッダ140と冷水2次ポンプ20とを連通する。つまり、配管16b、16c、16dは、第1配管ヘッダ140に貯留された熱媒体を冷水負荷設備12に導く。また、冷水2次ポンプ20は、第1配管ヘッダ140内の熱媒体を冷水負荷設備12に送る。つまり、冷水2次ポンプ20は、第1配管ヘッダ140を通じて熱媒体を冷凍機10から冷水負荷設備12に送る。
また、配管16eは、冷水負荷設備12の出口54と第2配管ヘッダ142とを連通する。つまり、配管16eは、冷水負荷設備12から送出された熱媒体を第2配管ヘッダ142に導く。第2配管ヘッダ142には、冷水負荷設備12で使用された後の熱媒体が貯留される。
また、配管16fは、第2配管ヘッダ142と冷水1次ポンプ18aとを連通するとともに、第2配管ヘッダ142と冷水1次ポンプ18bとを連通する。つまり、配管16f、16g、16hは、第2配管ヘッダ142に貯留された熱媒体を各冷凍機10に導く。また、冷水1次ポンプ18は、第2配管ヘッダ142内の熱媒体を冷凍機10に送る。つまり、冷水1次ポンプ18は、第2配管ヘッダ142を通じて熱媒体を冷水負荷設備12から冷凍機10に送る。
連通管144は、第1配管ヘッダ140と第2配管ヘッダ142とを連通する。連通管144は、第1配管ヘッダ140と第2配管ヘッダ142との間で熱媒体を移動可能にさせる。連通管144は、第1配管ヘッダ140および第2配管ヘッダ142のうち圧力が相対的に高い方から圧力が相対的に低い方に熱媒体をオーバーフローさせる。
なお、連通管144は、第1配管ヘッダ140および第2配管ヘッダ142よりも内径(換言すると、断面積)が小さくてもよい。連通管144は、第1配管ヘッダ140と第2配管ヘッダ142との間で熱媒体をオーバーフローさせることができればよいからである。
このように、冷凍機システム100では、冷凍機10と冷水負荷設備12との間で熱媒体が循環する。配管16a、16b、16c、16d、16e、16f、16g、16hは、熱媒体が流通する循環流路として機能する。また、第1配管ヘッダ140、第2配管ヘッダ142および連通管144は、冷凍機10と冷水負荷設備12との間の熱媒体の循環流路に設けられ、熱媒体を貯留するバッファ部として機能する。
差圧計146は、例えば、第2配管ヘッダ142内の圧力に対する第1配管ヘッダ140内の圧力の差圧を検出する。換言すると、差圧計146は、第2配管ヘッダ142内の圧力を基準とした、第1配管ヘッダ140内の圧力と第2配管ヘッダ142内の圧力との差圧を検出する。以後、第2配管ヘッダ142内の圧力に対する第1配管ヘッダ140内の圧力の差圧を、単に差圧と呼ぶ場合がある。
図6は、第2実施形態の制御部34の動作の概要を説明する説明図である。図6(a)は、1次流量と2次流量とが等しい(第1流量=第2流量)場合を示しており、図6(b)は、1次流量が2次流量より少ない(第1流量<第2流量)場合を示しており、図6(c)は、1次流量が2次流量より多い(第1流量>第2流量)場合を示している。なお、図6(a)〜図6(c)では、説明に関係する構成のみを示しており、その他の構成を省略している。
図6(a)に示すように、1次流量と2次流量とが等しい場合、第1配管ヘッダ140から第2配管ヘッダ142に移動する熱媒体の量と、第2配管ヘッダ142から第1配管ヘッダ140に移動する熱媒体の量とが等しくなる。そうすると、第1配管ヘッダ140内の圧力と第2配管ヘッダ142内の圧力とが大凡等しくなる。つまり、第2配管ヘッダ142内の圧力に対する第1配管ヘッダ140内の圧力の差圧は、ゼロとなる(差圧=0)。
このように差圧がゼロである場合、連通管144を通じた熱媒体の移動は、ほとんど起こらない。この場合、冷凍機10で冷却された熱媒体のほとんどすべてが冷水負荷設備12に送られるため、冷水負荷設備12の入口52に送られる熱媒体の温度は、目標温度(例えば、7℃)に維持される。
図6(b)に示すように、1次流量が2次流量より少なくなると、第1配管ヘッダ140から送出される熱媒体の量は、第1配管ヘッダ140に送入される熱媒体の量より多くなる。そうすると、図6(a)の場合に比べ、第1配管ヘッダ140内の圧力が低くなる。また、この場合、第2配管ヘッダ142から送出される熱媒体の量は、第2配管ヘッダ142に送入される熱媒体の量より少なくなる。そうすると、図6(a)の場合に比べ、第2配管ヘッダ142内の圧力が高くなる。その結果、第2配管ヘッダ142内の圧力に対する第1配管ヘッダ140内の圧力の差圧は、ゼロより小さくなる(差圧<0)。
このように差圧がゼロより小さい場合、矢印148bで示すように、第2配管ヘッダ142内の使用済の熱媒体の一部が、冷凍機10を経由することなく、連通管144を通じて第1配管ヘッダ140内に移動する。この場合、使用済の熱媒体が第1配管ヘッダ140内に混入するため、冷水負荷設備12の入口52に送られる熱媒体の温度は、目標温度よりも上昇してしまう。
図6(c)に示すように、1次流量が2次流量より多くなると、第1配管ヘッダ140から送出される熱媒体の量は、第1配管ヘッダ140に送入される熱媒体の量より少なくなる。そうすると、図6(a)の場合に比べ、第1配管ヘッダ140内の圧力が高くなる。また、この場合、第2配管ヘッダ142から送出される熱媒体の量は、第2配管ヘッダ142に送入される熱媒体の量より多くなる。そうすると、図6(a)の場合に比べ、第2配管ヘッダ142内の圧力が低くなる。その結果、第2配管ヘッダ142内の圧力に対する第1配管ヘッダ140内の圧力の差圧は、ゼロより大きくなる(差圧>0)。
このように差圧がゼロより大きい場合、矢印148cで示すように、第1配管ヘッダ140内の冷却された熱媒体の一部が、冷水負荷設備12を経由することなく、連通管144を通じて第2配管ヘッダ142内に移動する。しかし、冷水負荷設備12には、冷却後の熱媒体のみが供給される。したがって、この場合、冷水負荷設備12の入口52に送られる熱媒体の温度は、目標温度に維持される。
これらを踏まえ、冷凍機システム100の制御部34は、第2配管ヘッダ142内の圧力に対する第1配管ヘッダ140内の差圧がゼロ以上(差圧≧0)となるように、すなわち、図6(a)の状態を維持するか、それを維持できなくとも図6(c)の状態を維持できるように、冷水1次ポンプ18を通る熱媒体の流量(第1流量)を制御する。冷凍機システム100の制御部34は、差圧がゼロ以上となるように制御することで、第1流量が第2流量以上(1次流量≧2次流量)となるように制御することができる。
これを実現するために、制御部34は、第1温度差が定格温度差で一定となるように1次インバータ62の周波数指令値を導出し、差圧がゼロより小さい(差圧<0)ようであれば、導出された1次インバータ62の周波数指令値を補正する。
第1実施形態と同様に、冷水負荷設備12における熱負荷が低い場合、1次側で省エネルギー化し過ぎて、冷水負荷設備12の入口52に送られる熱媒体の温度を目標温度に維持できないことがある。このことから、制御部34は、差圧がゼロより小さい(差圧<0)ようであれば、1次インバータ62の周波数指令値が小さくなり過ぎないように、1次インバータ62の周波数指令値を上昇させる補正を行う。
具体的には、差圧がゼロより小さい場合(差圧がゼロ以上ではない場合)、制御部34は、1次インバータ62の周波数指令値の上昇量(補正量)を導出する。周波数指令値の上昇量は、例えば、差圧と1次インバータ62の周波数指令値の上昇量(補正量)とが関連付けられたテーブルや関係式を用いて導出される。制御部34は、第1温度差が定格温度差で一定となるように導出された1次インバータ62の周波数指令値に、導出された1次インバータ62の周波数指令値の上昇量を加算し、1次インバータ62の補正後の周波数指令値を導出する。そして、制御部34は、補正後の周波数指令値を1次インバータ62に送信する。
補正後の周波数指令値を受信した1次インバータ62は、補正後の周波数の電力を1次モータ60に供給する。1次モータ60は、1次インバータ62の補正後の周波数に従った回転数で冷水1次ポンプ18を駆動させる。
これにより、冷凍機システム100では、1次流量が増加し、差圧がゼロ以上(1次流量が2次流量以上)の状態に復帰させることができる。その結果、冷凍機システム100では、冷水負荷設備12における熱負荷が低くても、冷水負荷設備12の入口52に送られる熱媒体の温度を目標温度に維持できる。
また、制御部34は、1次インバータ62の周波数指令値の上昇量を、差圧に基づいて導出している。このため、冷凍機システム1では、差圧がゼロ以上の状態に、より確実に復帰させることができる。
なお、制御部34は、1次インバータ62の周波数指令値を、予め設定された所定上昇量だけ上昇させてもよい。この場合、上昇量の導出を行わない分、処理負荷を軽減することができる。
図7は、第2実施形態の制御部34の動作の流れを説明するフローチャートである。制御部34は、冷凍機システム100の電源が投入されて運転がオンされると、図7の一連の処理を開始する。なお、冷凍機10aを通る1次流量の制御と、冷凍機10bを通る1次流量の制御とが同様の内容であるため、以下では、冷凍機10を通る1次流量の制御としてまとめて説明する。
まず、制御部34は、差圧計146から差圧を取得する(S200)。次に、制御部34は、冷凍機入口温度センサ26から冷凍機入口温度T1Aを取得し、冷凍機出口温度センサ28から冷凍機出口温度T1Bを取得する(S210)。次に、制御部34は、冷凍機入口温度T1Aと冷凍機出口温度T1Bとから第1温度差を導出する(S220)。
次に、制御部34は、第1温度差が定格温度差で一定となるように、1次インバータ62の周波数指令値を導出する(S230)。第1実施形態と同様に、制御部34は、定格温度差と第1温度差とから制御温度差を導出し、導出された制御温度差に基づいて、1次インバータ62の周波数指令値の変動量を導出する。制御部34は、導出された1次インバータ62の周波数指令値の変動量と、1次インバータ62の現在の周波数指令値とから、1次インバータ62の新たな周波数指令値を導出する。
次に、制御部34は、差圧がゼロ以上(差圧≧0)であるか否かを判断する(S240)。差圧がゼロ以上である場合(S240におけるYES)、制御部34は、ステップS230で導出された周波数指令値を1次インバータ62に送信する(S260)。この場合、1次流量が2次流量以上であるとみなし、1次インバータ62の周波数指令値の補正は行われない。
差圧がゼロ以上ではない場合(S240におけるNO)、制御部34は、ステップS230で導出された周波数指令値を補正する(S250)。この場合、制御部34は、差圧に基づいて周波数指令値の上昇量を導出する。制御部34は、導出された周波数指令値の上昇量を、ステップS230で導出された周波数指令値に加算して、1次インバータ62の補正後の周波数指令値を導出する。
補正後、制御部34は、補正後の周波数指令値を1次インバータ62に送信する(S260)。この場合、1次インバータ62が補正後の周波数指令値に従って動作するため、差圧がゼロ以上の状態に復帰する。
周波数指令値または補正後の周波数指令値の送信(S260)後、制御部34は、冷凍機システム100の運転をオフする指令を受信したか否かを判断する(S270)。運転をオフする指令を受信した場合(S270におけるYES)、制御部34は、一連の処理を終了する。一方、運転をオフする指令を受信していない場合(S270におけるNO)、制御部34は、ステップS200に戻り、運転をオフする指令を受信するまで、ステップS200以降の処理を繰り返す。
以上のように、第2実施形態の冷凍機システム100では、第2配管ヘッダ142内の圧力に対する第1配管ヘッダ140内の圧力の差圧がゼロ以上となるように、冷水1次ポンプ18を通る熱媒体の流量(1次インバータ62の周波数指令値)が制御される。これにより、第2実施形態の冷凍機システム100では、流量計を用いずに1次流量を制御することができる。また、差圧計146は、流量計に比べ、設置が容易であり、コストも低い。
したがって、第2実施形態の冷凍機システム100によれば、コストを抑えつつ冷水負荷設備12に供給される熱媒体の温度を制御することが可能となる。
また、第2実施形態の冷凍機システム100は、差圧計146および2個の温度計(冷凍機入口温度センサ26および冷凍機出口温度センサ28)が正常に機能していればよく、4個の温度計(冷凍機入口温度センサ26、冷凍機出口温度センサ28、負荷入口温度センサ30および負荷出口温度センサ32)のすべてが正常に機能する必要がある第1実施形態の冷凍機システム1に比べ、信頼性が高い。
なお、第2実施形態の冷凍機システム100において、制御部34は、差圧がゼロ(差圧=0)となるように、冷水1次ポンプ18を通る熱媒体の流量(1次インバータ62の周波数指令値)を制御してもよい。この場合、制御部34は、差圧がゼロより小さく(差圧<0)なるようであれば、1次インバータ62の周波数指令値を上昇させる補正をし、差圧がゼロより大きく(差圧>0)なるようであれば、1次インバータ62の周波数指令値を下降させる補正をしてもよい。この態様においても、コストを抑えつつ冷水負荷設備12に供給される熱媒体の温度を制御することが可能となる。また、この態様では、冷却後の熱媒体を、より効率的に冷水負荷設備12に供給することができる。
また、第2実施形態において、差圧計146は、第2配管ヘッダ142内の圧力に対する第1配管ヘッダ140内の圧力の差圧を検出していた。しかし、差圧計146は、第1配管ヘッダ140内の圧力に対する第2配管ヘッダ142内の圧力の差圧を検出してもよい。この態様では、制御部34は、差圧計146から取得された差圧がゼロ以下(差圧≦0)の場合、1次インバータ62の周波数指令値の補正を行わず、差圧計146から取得した差圧がゼロより大きい(差圧>0)の場合、1次インバータ62の周波数指令値を上昇させる補正を行ってもよい。つまり、この態様は、第2実施形態と実質的に同一の構成であり、第2実施形態と同様の効果が得られる。
また、第2実施形態に第1実施形態の特徴を組み合わせてもよい。例えば、冷凍機システム100に、負荷入口温度センサ30および負荷出口温度センサ32を設けてもよい。この構成において、制御部34は、第1温度差が第2温度差以下となり、かつ、差圧がゼロ以上となるように、冷水1次ポンプ18を通る熱媒体の流量(1次インバータ62の周波数指令値)を制御してもよい。また、この構成において、第1温度差が第2温度差以下となるように冷水1次ポンプ18を通る熱媒体の流量を制御する態様と、差圧がゼロ以上となるように冷水1次ポンプ18を通る熱媒体の流量を制御する態様とを切り替え可能としてもよい。
以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。