JPH01137160A - ターボ冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明はターボ冷凍機に関するものである。

（従来の技術） ターボ冷凍機の従来例としては、例えば実開昭５２−５
９９４５号公報記載の装置を挙げることができる。

その装置においては、ターボ圧縮機に接続された蒸発器
内を流通する冷水の温度を検出し、この検出温度から設
定温度を引いた差（以下、偏差量と言う）に応じて、上
記ターボ圧縮機のベーンの開度を調節するようになされ
ている。つまり冷水の温度変動に追従させて上記圧縮機
の能力制御を行うことにより、冷水の温度変動幅を小さ
くし、また設定温度に維持する際のエネルギ消費を低減
する構成となされているのである。

（発明が解決しようとする問題点） ところで上記の偏差量からベーン開度の増減量、すなわ
ち操作量を算出する算出式として、上記偏差量に比例す
る比例項に、偏差量の時間積分項を加えた式を用いるこ
とによって、比例項のみで得られる操作量では例えば＋
側の偏差状態が継続するような場合に、その時間経過と
共に上記時間積分項による値が大きくなってくるために
、この時間積分項での算出値を加えた操作量がより大き
な値として得られ、このため上記＋側から一例、すなわ
ち偏差零状態方向への変化が迅速に生ずることとなる。

この結果、例えば設定温度到達後のハンチング状態の速
やかな減衰が可能となり、目標値への到達性や安定性を
向上させることが可能となる。

しかしながら、例えば設定温度５°Ｃの状態から７°Ｃ
へとステップ的に設定温度の変更がなされるスケジュー
ル制御等において、上記のような算出式で操作量を決定
して行く場合には、上記時間積分項の効果が過大となり
過ぎて、到達性や安定性が逆に損なわれてしまうという
問題がある。つまり設定温度の近傍、すなわち偏差量が
小さい状態に対しては、上記のように変動を抑える効果
が時間積分項によって得られるものの、設定温度の変更
時等においては、変更後の設定温度に冷水温度が達する
までに大きな偏差状態が継続するため、上記時間積分項
が時間経過と共に極めて大きくなり、この結果、例えば
変更後の設定温度に達した後のオーバシュート量が大き
なものとなってしまい、その後に続くハンチング状態に
おける変動幅が大きく、またその継続時間も長くなって
安定性や到達性が低下してしまうのである。

この発明は上記に溢みなされたものであって、その目的
は、例えば上記のような設定温度の変更時等における到
達性や安定性を向上し得るターボ冷凍機を提供すること
にある。

（問題点を解決するための手段） そこでこの発明のターボ冷凍機は、第１図に示すように
、ターボ圧縮機１に凝縮器２と蒸発器３とを接続すると
共に、上記蒸発器３で冷却される水の温度等の状態量を
検出する検出手段５と、上記圧縮機１のベーン６の開度
を制御する制御手段１０とを設け、この制御手段１０に
よって、検出状態量と目標基準量との差で与えられる偏
差量と、この偏差量の時間積分項を有する算出式に基づ
く操作量とをそれぞれ演算すると共に、上記ベーン６の
開度を上記操作量に従って増減して、検出状態量を上記
目標基準量に近づけるべく上記圧縮機１の能力制御を行
うターボ冷凍機であって、さらに上記制御手段１０に、
目標基準量を挟んで制御ゲイン変更幅を設定する変更幅
設定手段１１と、検出状態量が上記制御ゲイン変更幅よ
りも逸脱したときに、上記時間積分項を低減する制御ゲ
イン変更手段１２とを設けている。

（作用） 上記のターボ冷凍機においては、例えば目標基（＄量変
更時等で大きな偏差状態が生じた場合には、検出状態量
が制御ゲイン変更幅を逸脱することとなるため、制御ゲ
イン変更手段１２によって時間積分項の低減された算出
式に基づく操作量が演算され、ベーン６の開度の増減が
行われる。したがって大きな偏差状態の継続期間におい
ても上記時間積分項による操作量は従来よりも小さく抑
えられるので、従来大きなオーバシュートを生ずること
となっていたベーン６の急速な開度変化が抑制される。

そして上記の制御が継続されることによって検出状態量
が制御ゲイン変更幅内に達した以後には、この制御ゲイ
ン変更幅内での小さな偏差量に対して変動を抑制する効
果を有する時間積分項に戻されて、制御が継続される。

このように、上記の装置では偏差量が大きいときには時
間積分項が低減されるので、例えば目標基準量の変更時
等において、例えば変更後の目標基準量を超えるオーバ
シュート量を従来よりも小さくすること等が可能となり
、この結果、その後に続くハンチング状態における変動
幅を小さく、またその継続時間を短くすることができる
ので、安定性や到達性の向上を図ることが可能となる。

（実施例） 次にこの発明のターボ冷凍機の具体的な実施例について
、図面を参照しつつ詳細に説明する。

第２図には、この発明の一実施例におけるターボ冷凍機
の概略構成図を示しており、同図において１はターボ圧
縮機であって、この圧縮機１は、凝縮器２と蒸発器３と
を一つの缶胴中に収めたユニシェル上に設置されている
。そして上記圧縮機１と凝縮器２及び蒸発器３との間に
は、図中実線矢印で示すように冷媒が循環する冷媒循環
径路が構成されている。一方、上記凝縮器２内を冷却水
が、また上記蒸発器３内を冷水がそれぞれ循環するよう
になされており、上記圧縮機１から凝縮器２に流入する
ガス冷媒は、この凝縮器３内部を循環する冷却水に放熱
する熱交換によって液冷媒となり、この液冷媒は、図中
、最下部位置に示しているオリフィス４を通過後、蒸発
器３に流入する。

そしてこの蒸発器３内部を循環する冷水から吸熱してガ
ス冷媒となった後、上記圧縮機１に返流される冷媒循環
サイクルが形成されるのである。この冷媒循環サイクル
において上記蒸発器３で冷媒に吸熱された冷水を、例え
ば空調のために外部に供する構成となされている。さら
に上記装置には、上記冷水の出口配管に例えばサーミス
タから構成される冷水温度検出器５が状態量の検出手段
として取着されると共に、上記圧縮機１の吸込口にサク
ションベーン６が設けられ、制御手段、すなわち開度制
御装置１０によって、上記冷水温度検出器５での検出温
度に応じて上記ベーン６を駆動するベーンモータ７へ開
度制御信号が出力され、これによってベーン６の開度を
自動的に調節して上記圧縮機１の負荷に応じた能力制御
が行われるようになされている。

上記開度制御装置１０内には、さらに変更幅設定部（変
更幅設定手段）１１、制御ゲイン変更部（制御ゲイン変
更手段）１２、起動時制御部１３がそれぞれ設けられて
おり、以下、これらの機能を、上記ベーン６の具体的な
開度制御法と共に説明する。

上記開度制？ｆｆｌ装置１０においては、温度設定器（
図示せず）に設定される目標基準量、すなわち冷水の設
定温度Ｔｓと、前記冷水温度検出器５で検出される検出
状態量、すなわち冷水温度Ｔとからベーン６の操作量、
すなわちベーン開度増加量Δ■を求めるために、まず偏
差量Ｘの算出式％式％ が、また上記ＸからΔ■を算出するために、次の二式が
それぞれ記憶されている。

Δ　Ｖ＝Ｋｐ　　・　　［ｘ＋（１／Ｘｉ）　　　・　
Ｓ　ｘｄｔコ　　　〜（１）Δ　Ｖ　−Ｋｐ　　・　　
［ｘ　　＋　Ｓ　（ｘ／Ｋｉ　　（ｔ）　　）ｄｔコ　
〜（２）Ｋｉ　（ｔ）　＝ＫｊＸｔ＋１ ここでＫｐ、　Ｋｉ、　Ｋｊはそれぞれ定数、ｔは経過
時間である。つまり上記（１）式においては、偏差量χ
に比例する比例項と時間積分項との和で上記ベーン開度
増加量ΔＶを算出し、そして（２）式においては、上記
の時間積分項の積分関数をさらに経過時間もの関数で割
った式ｘ／　（ＫｊＸ　ｔ　＋　１　）に変形している
。この結果上記（２）式における時間積分項の積分値は
（１）式における時間積分項の積分値よりも時間経過と
共により小さく抑えられることとなる。

一方、前記変更幅設定部１１は、設定温度Ｔｓに対して
、このＴｓを中心とする所定の温度幅で制御ゲイン変更
幅を設定する。第３図には、設定温度を経過時間の途中
でステップ状に変更するスケジュール制御での設定温度
Ｔｓを実線で示しているが、これらのＴｓを挟んで所定
の温度幅で高温側に高温側変更温度Ｔｓ−Ｈ１低温側に
低温側変更温度Ｔｓ　−Ｌをそれぞれ設定するのである
。そして検出温度が上記制御ゲイン変更幅内にある場合
には、前記（１）式が、また検出温度が制御ゲイン変更
幅よりも逸脱している場合には、（２）式が前記制御ゲ
イン変更部１２により選択され、選択された算出式に基
づいてΔ■の演算がなされ、その結果に従うへ一ン６の
開度の増減が行われる。

第４図には、上記の制御によって、例えば設定温度が５
°Ｃから７　’Ｃに変更された際の冷水の温度変化を実
線（Ａ）で、また上記のような算出式（１）、（２）の
変更を行わず、（１）式のみで制御した場合（以下、従
来制御の場合と言う）の冷水の温度変化を破線（Ｂ）で
それぞれ示している。初めに従来制御の場合について説
明すると、設定温度変更前の設定温度５°Ｃに冷水温度
が維持されていた状態では偏差量Ｘは零であり、この偏
差量Ｘが設定温度変更時にはｘ＝５°Ｃ−７°Ｃの演算
がなされて、Ｘ−−２°Ｃの大きな偏差状態に急、変す
る。この偏差量Ｘに対して前記（１）式に基づく演算が
なされて操作量が決定され、ベーン６に上記操作量に基
づく開度の減少が行われる。以後、所定のサンプリング
間隔毎に偏差量Ｘ、操作量Δ■の演算がなされて、逐次
、ベーン６開度の減少がなされていくのである。この結
果、圧縮機１での圧縮能力の低下、すなわち冷却能力の
減少を生じて、蒸発器３を流通する冷水温度は幾分かの
時間遅れを生じながら上昇していくこととなる。そして
このような冷水温度の上昇、すなわち設定温度７°Ｃに
近づ（変化を生じることによって、偏差量χの絶対値も
小さくなっていき、このため前記（１１式における比例
項は小さくなってい（ものの、時間積分項、すなわち設
定温度変更時点からの偏差量Ｘの累積絶対量が時間経過
と共に急激に増加していくために、この時間積分項の寄
与率が大となって、さらにベーン６には減少側に大きな
開度変化が継続され、冷水温度も急激な上昇変化を呈す
ることとなる。この結果、図中（ａ）点で示すように設
定温度７°Ｃを超える大きなオーバシュートを生じ、以
降、設定温度７°Ｃを挟んで変動するハンチング現象時
における変動幅が大きく、減衰時間が長くなって安定性
、到達性が充分には得られないという結果となっている
。上記においては、（１）式の時間積分項に乗じている
係数１／Ｋｉは、設定温度に冷水温度が略維持された状
態での負荷変動等による冷水温度変化への追従性を考慮
して設定されており、このように偏差量Ｘの変化幅が小
さな変動に対して有効に作用するようになされている。

このため上記設定温度変更時のように偏差量Ｘが大きな
値で継続する場合には、時間積分項が非常に大きな値と
して算出されてくるために、上記のようにオーバシュー
ト量が大となり、安定性、到達性が逆に損なわれてしま
う結果となっているのである。なお、第４図には上記係
数１／Ｋｉを小さくして比例項によって主に制御した場
合の冷水温度変化曲線（Ｃ）を示しているが、この場合
には時間経過の初期にも開度変化量が小さく抑えられて
しまうために、設定温度へ達するまでに長時間を必要と
し、上記よりもさらに到達性の低下を生ずることとなっ
ている。

次に前記（１）式と（２）式とを切換えて用いる制御に
ついて説明する。この場合、変更後の設定温度７°Ｃを
挟んで、例えば０．５°Ｃの幅で制御ゲイン変更幅が設
定される。設定温度変更時の冷水温度５°Ｃは上記制御
ゲイン変更幅を低温側に逸脱しており、この結果、前記
制御ゲイン変更部１２によって前記（２）式が選択され
、この式に基づく制御が開始される。なお上記実施例に
おいては、（２）式に基づく制御を行う際には、検出温
度の逸脱側の変更温度を到達目標基準温度とする偏差量
Ｘを算出し、この偏差量に対する操作量を演算するよう
になされている。例えば上記設定温度変更時点における
偏差量Ｘは、ｘ＝５°Ｃ−６，７５°Ｃ（低温側変更温
度Ｔｓ−Ｌ）で与えられる。上記（２）式に基づく制御
状態においては、時間経過初期の段階では時間積分項の
寄与率は前記従来制御の場合と大差なく、したがって図
のように前記と諮問等の冷水温度変化でスタートされる
が、（２）式における時間積分項における積分関数は偏
差量Ｘを経過時間（ｔ＋ｉ＞で除した式となされている
ために、（１）式における時間積分項のようには時間経
過と共に急激に増大していく算出値とはならず、このた
めベーン６の開度減少変化速度はより小さく抑えられた
ものとなる。この結果、図に示すように、冷水の温度上
昇変化速度も抑制され、この上昇変化速度に応する設定
温度７°Ｃを越えるオーバシｓ　−トＭもより小さなも
のとなるのである。また上記実施例においては、上記（
２）式に基づく制御は下側変更温度６．７５°Ｃを目標
到達基準温度となされているために、これによっても変
化速度が小さく抑えられ、オーバシュート量をより小さ
なものとすることが可能となっている。上記の制御で冷
水温度が下側変更温度に達すると、設定温度７°Ｃに対
する（１）式に基づく制御に切換えられる。そしてこの
切換時点から（１）式の時間積分項の積分演算が開始さ
れ、上記（２）式で算出時の累積積分値はクリアされる
ので、（１）式における時間積分項は小さな偏差量の変
化に対する積分効果を与える項として作用する。なお図
のように、冷水温度が設定温度７°Ｃを越え、さらに高
温側変更温度７．２５°Ｃを越える場合には、再び（２
）式による制御に切換えられた制御が行われる。

これにより、上記と同様に、時間積分項の効果が過大と
なることが抑えられ、次に生ずるアンダシュート量が抑
えられる。

上記のように操作量の算出式を切換えて制御することに
よって、偏差量が、設定温度を挟む制御ゲイン変更幅内
での小さな量である場合には、この偏差状態を早期に解
消し得る時間積分項の作用が維持されると共に、例えば
設定温度変更時等のように大きな偏差状態が生ずるとき
には時間積分項の作用が過大になることが抑えられ、こ
の結果、例えばオーバシュートｉｔを小さくすることが
可能となり、その後に続くハンチング状態での変動幅を
小さくすること、またハンチングの継続時間を短縮する
こと等が可能となるので、安定性、到達性の向上を図る
ことができる。

なお第５図には、装置起動時に行われる前記起動時制御
部１３による制御のフローチャートを、また第６図には
、この制御によって得られる冷水温度変化を示している
。第６図に示すように、起動時に蒸発器３を流通する水
（水温Ｔｏ″Ｃ）の冷却を開始して、設定温度Ｔｓ″Ｃ
の冷水状態とするまでの降温速度ｍが略一定となるよう
に、圧縮機１の能力制御を行うのである。第５図のフロ
ーチャートに基づいて説明すると、装置起動後、まずベ
ーン６の初期開度が予め設定された値ＶＯで設定され（
ステップＳ１）、このｖＯに応じた開度状態にベーン６
が操作される（ステップＳ２）。この開度状態での運転
を所定のサンプリング時間間隔Δもの間継続しくステッ
プＳ３）、ステップＳ４において、上記起動時における
水温Ｔｏと１回目のサンプリング時間における検出水温
Ｔｉ（１回目においては１−１）との差を経過時間ｉ・
Δｔ　（ｉ＝１）で除した値ｍ、すなわち降温速度を算
出する。そしてこのｍを、予め記憶されている適正な降
温速度ｍｏと比較しくステップＳ５）　、ｍがｍｏ以上
の場合には、過大な降温速度状態であったとして１、ス
テップＳ６においてベーン開度の増分量Δ■に−ｖｏ　
（ｖｏは予め設定しているΔＬに応じた標準増分量）を
設定し、一方、ｍがｒｒｌＯに達してない場合には、ス
テップＳ７において上記ｖｏにｍｏ／ｍを乗じた値をΔ
■に設定する。このｍｏ／ｍを乗じることにより、標準
増分量、すなわち予め設定している標準状態での圧縮能
力変化と冷凍能力変化との相関量を基とした増分量に対
して、さらに実際の運転状態に応じた修正が加えられる
こととなる。こうしてΔ■の設定後、ステップＳ８にお
いて冷水温度Ｔｉが前記高温側変更温度Ｔｓ−Ｈと比較
され、このＴｓ−Ｈに達するまでは、ステップＳ８から
ステップＳ２に戻って上記ΔＶに応じたベーン６開度の
増減がなされると共に、ステップ３３〜Ｓ８の処理が繰
返され、サンプリング時間間隔Δを毎にベーン開度の変
更がなされて、第６図に示すように略一定となされた降
温速度を与えなからベーンが徐々に開かれていく。そし
て冷水温度Ｔｉが高温側変更温度Ｔｓ−Ｈに達すると、
ステップＳ８から定常時制御、すなわち前記偏差量Ｘに
応じ（１）式及び（２）式を用いてベーン開度の増減量
を決定する開度制御に移行する。このように、予め設定
されている標準状態に基づくと共に、これに実際の運転
を行って得られる上記標準状態との差による修正を加え
ながら、すなわち起動待毎に異なる負荷を予測しながら
制御を行っていくことにより、例えば軽負荷時の過大な
圧縮能力での運転等がなく、負荷に対応した制御が可能
となる。また設定温度を超える過冷却も抑えられる結果
、設定温度への安定性、到達性も向上する。

以上の説明のように上記実施例においては、例えば設定
温度変更時等のように大きな偏差状態が継続する場合に
、時間積分項が小さく抑えられた操作量の算出がなされ
るので、例えばオーバシュート量が小さくなり、この結
果、その後に続くハンチング状態の速やかな減衰が得ら
れるので設定温度への安定性、到達性等の向上した制御
が可能となる。またベーンの開度変化速度が抑えられる
結果、圧縮機１に対する負荷変動も小さくなり、このた
め振動や騒音も低減されたものとなる。さらに上記実施
例においては、従来用ｔ）られていた（１）式における
時間積分項の関数を、偏差量が太きなときには経過時間
で割るという簡単な変更で構成することができ、全く独
立した算出式を設ける必要がないので、安価な費用で構
成することができ、製作費の低減を図ることも可能であ
る。

なお上記実施例はこの発明を限定するものではなく、こ
の発明の範囲内で種々の変更が可能であり、例えば上記
実施例では検出状態量を冷水の水温として構成した例に
ついて示したが、例えば蒸発器における冷媒の蒸発温度
や蒸発圧力等として構成することも可能である。また上
記においては、時間積分項の積分関数を経過時間で除す
ることによりこの時間積分項の算出結果を減少させる構
成としたが、例えば時間積分項に乗する係数を、制御ゲ
イン変更幅内で用いる算出式における係数よりも小さな
値に変更すると共に比例項の係数を変更幅外では大きく
して構成すること等も可能である。

（発明の効果） 上記のようにこの発明のターボ冷凍機においては、制御
ゲイン変更幅を検出状態量が逸脱するような大きな偏差
状態のときには、偏差量から操作量を算出する算出式に
おける時間積分項が小さくなるようになされているので
、例えば目標基準量変更時等の大きな偏差状態が継続す
る場合に、圧縮機のベーンに急激な開度変化の生ずるこ
とが抑えられ、この結果、例えば目標基準量を超えるオ
ーバシュート量が小さく抑えられ、またその後のハンチ
ング状態の減衰が速やかに得られるようにすることがで
きるので、制御の安定性や到達性の向上を図ることが可
能である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第６図はこの発明の一実施例におけるターボ冷
凍機の説明図であって、第１図は制御機能ブロック図、
第２図はターボ冷凍機の概略構成模式図、第３図は制御
ゲイン変更幅の説明図、第４図は設定温度変更時の冷水
温度変化を示すグラフ、第５図は装置起動時の制御フロ
ーチャート、第６図は起動時の冷水温度変化を示すグラ
フである。 １・・・ターボ圧縮機、２・・・凝縮器、３・・・蒸発
器、５・・・冷水温度検出器（検出手段）、６・・・ベ
ーン、１０・・・開度制御装置（制御手段）、１１・・
・変更幅設定部（変更幅設定手段）、１２・・・制御ゲ
イン変更部（制御ゲイン変更手段）。 特許出願人　　　　　　　ダイキン工業株式会社−一１
′ 第２図 第３図 第４図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、ターボ圧縮機（１）に凝縮器（２）と蒸発器（３）
   とを接続すると共に、上記蒸発器（３）で冷却される水
   の温度等の状態量を検出する検出手段（５）と、上記圧
   縮機（１）のベーン（６）の開度を制御する制御手段（
   １０）とを設け、この制御手段（１０）によって、検出
   状態量と目標基準量との差で与えられる偏差量と、この
   偏差量の時間積分項を有する算出式に基づく操作量とを
   それぞれ演算すると共に、上記ベーン（６）の開度を上
   記操作量に従って増減して、検出状態量を上記目標基準
   量に近づけるべく上記圧縮機（１）の能力制御を行うタ
   ーボ冷凍機であって、さらに上記制御手段（１０）に、
   目標基準量を挟んで制御ゲイン変更幅を設定する変更幅
   設定手段（１１）と、検出状態量が上記制御ゲイン変更
   幅よりも逸脱したときに、上記時間積分項を低減する制
   御ゲイン変更手段（１２）とを設けていることを特徴と
   するターボ冷凍機。