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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024110824
(43)【公開日】2024-08-16
(54)【発明の名称】冷却装置
(51)【国際特許分類】
F25B 1/00 20060101AFI20240808BHJP
【ＦＩ】
F25B1/00 304H
F25B1/00 371F
F25B1/00 361A
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023015656
(22)【出願日】2023-02-03
(71)【出願人】
【識別番号】000175272
【氏名又は名称】三浦工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001139
【氏名又は名称】ＳＫ弁理士法人
(74)【代理人】
【識別番号】100130328
【弁理士】
【氏名又は名称】奥野 彰彦
(74)【代理人】
【識別番号】100130672
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 寛之
(72)【発明者】
【氏名】木寺 宏彰
(72)【発明者】
【氏名】林 遼太郎
(72)【発明者】
【氏名】堀川 伸二
(72)【発明者】
【氏名】石原 憲
(57)【要約】 （修正有）
【課題】蒸発温度一定制御を行いつつ、液戻りや冷凍機の過負荷運転を防止することの可能な冷却装置を提供する。
【解決手段】圧縮機２０と凝縮器２１と膨張弁４０と、蒸発器３とを備え、蒸発器３における冷媒と被冷却物との熱交換により被冷却物を冷却する冷却装置１であって、冷媒圧力検知手段７と、冷媒温度検知手段８と、制御手段１０を備え、冷媒圧力検知手段７は、蒸発器３を通過した後の冷媒の圧力を検知し、冷媒温度検知手段８は、蒸発器３を通過した後の冷媒の温度を検知し、制御手段１０は、冷媒圧力検知手段７が検知した冷媒の圧力が目標圧力となるか、又は当該冷媒の圧力から算出される冷媒の蒸発温度が目標蒸発温度となるよう膨張弁４０をフィードバック制御し、制御手段１０はさらに、冷媒温度検知手段８が検知した冷媒の温度と蒸発温度の差である過熱度を算出し、当該過熱度が許容範囲から乖離した場合に、目標蒸発温度を変更する。
【選択図】図１
【解決手段】圧縮機２０と凝縮器２１と膨張弁４０と、蒸発器３とを備え、蒸発器３における冷媒と被冷却物との熱交換により被冷却物を冷却する冷却装置１であって、冷媒圧力検知手段７と、冷媒温度検知手段８と、制御手段１０を備え、冷媒圧力検知手段７は、蒸発器３を通過した後の冷媒の圧力を検知し、冷媒温度検知手段８は、蒸発器３を通過した後の冷媒の温度を検知し、制御手段１０は、冷媒圧力検知手段７が検知した冷媒の圧力が目標圧力となるか、又は当該冷媒の圧力から算出される冷媒の蒸発温度が目標蒸発温度となるよう膨張弁４０をフィードバック制御し、制御手段１０はさらに、冷媒温度検知手段８が検知した冷媒の温度と蒸発温度の差である過熱度を算出し、当該過熱度が許容範囲から乖離した場合に、目標蒸発温度を変更する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
冷媒を吸引して圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機により吐出された冷媒を凝縮液化する凝縮器と、
前記凝縮器により凝縮液化された冷媒を減圧する開度調整可能な膨張弁と、
前記膨張弁によって減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、を備え、前記蒸発器における冷媒と被冷却物との熱交換により前記被冷却物を冷却する冷却装置であって、
冷媒圧力検知手段と、冷媒温度検知手段と、制御手段をさらに備え、
前記冷媒圧力検知手段は、前記蒸発器を通過した後の冷媒の圧力を検知するよう構成され、
前記冷媒温度検知手段は、前記蒸発器を通過した後の冷媒の温度を検知するよう構成され、
前記制御手段は、前記冷媒圧力検知手段が検知した冷媒の圧力が目標圧力となるか、又は当該冷媒の圧力から算出される冷媒の蒸発温度が目標蒸発温度となるよう前記膨張弁をフィードバック制御し、
前記制御手段はさらに、前記冷媒温度検知手段が検知した冷媒の温度と前記蒸発温度の差である過熱度を算出し、当該過熱度が許容範囲から乖離した場合に、前記目標蒸発温度を変更する、冷却装置。
前記圧縮機により吐出された冷媒を凝縮液化する凝縮器と、
前記凝縮器により凝縮液化された冷媒を減圧する開度調整可能な膨張弁と、
前記膨張弁によって減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、を備え、前記蒸発器における冷媒と被冷却物との熱交換により前記被冷却物を冷却する冷却装置であって、
冷媒圧力検知手段と、冷媒温度検知手段と、制御手段をさらに備え、
前記冷媒圧力検知手段は、前記蒸発器を通過した後の冷媒の圧力を検知するよう構成され、
前記冷媒温度検知手段は、前記蒸発器を通過した後の冷媒の温度を検知するよう構成され、
前記制御手段は、前記冷媒圧力検知手段が検知した冷媒の圧力が目標圧力となるか、又は当該冷媒の圧力から算出される冷媒の蒸発温度が目標蒸発温度となるよう前記膨張弁をフィードバック制御し、
前記制御手段はさらに、前記冷媒温度検知手段が検知した冷媒の温度と前記蒸発温度の差である過熱度を算出し、当該過熱度が許容範囲から乖離した場合に、前記目標蒸発温度を変更する、冷却装置。
【請求項2】
請求項１に記載の冷却装置であって、
前記制御手段は、前記過熱度が前記許容範囲以下となった場合に前記目標蒸発温度を減算し、前記過熱度が前記許容範囲以上となった場合に前記目標蒸発温度を加算する、冷却装置。
前記制御手段は、前記過熱度が前記許容範囲以下となった場合に前記目標蒸発温度を減算し、前記過熱度が前記許容範囲以上となった場合に前記目標蒸発温度を加算する、冷却装置。
【請求項3】
請求項２に記載の冷却装置であって、
前記制御手段は、前記過熱度の前記許容範囲からの乖離度合いに応じて前記目標蒸発温度の加算又は減算温度を変更する、冷却装置。
前記制御手段は、前記過熱度の前記許容範囲からの乖離度合いに応じて前記目標蒸発温度の加算又は減算温度を変更する、冷却装置。
【請求項4】
請求項２又は請求項３に記載の冷却装置であって、
前記制御手段は、算出した現在の過熱度と第１所定時間前の過熱度とから算出される過熱度勾配から、第２所定時間後の予測過熱度を算出し、当該予測過熱度が前記許容範囲以下となった場合に前記目標蒸発温度を減算する、冷却装置。
前記制御手段は、算出した現在の過熱度と第１所定時間前の過熱度とから算出される過熱度勾配から、第２所定時間後の予測過熱度を算出し、当該予測過熱度が前記許容範囲以下となった場合に前記目標蒸発温度を減算する、冷却装置。
【請求項5】
請求項２又は請求項３に記載の冷却装置であって、
前記蒸発器における熱交換後の前記被冷却物の温度である被冷却物出口温度を検知する被冷却物温度検知手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記被冷却物出口温度に応じて、前記圧縮機の周波数制御を行う、冷却装置。
前記蒸発器における熱交換後の前記被冷却物の温度である被冷却物出口温度を検知する被冷却物温度検知手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記被冷却物出口温度に応じて、前記圧縮機の周波数制御を行う、冷却装置。
【請求項6】
請求項２又は請求項３に記載の冷却装置であって、
前記蒸発器における熱交換後の前記被冷却物の温度である被冷却物出口温度を検知する被冷却物温度検知手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記過熱度が前記許容範囲以上であっても、前記被冷却物出口温度と前記蒸発温度の温度差が第１所定冷却温度差以下である場合には、前記目標蒸発温度の加算を行わない、冷却装置。
前記蒸発器における熱交換後の前記被冷却物の温度である被冷却物出口温度を検知する被冷却物温度検知手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記過熱度が前記許容範囲以上であっても、前記被冷却物出口温度と前記蒸発温度の温度差が第１所定冷却温度差以下である場合には、前記目標蒸発温度の加算を行わない、冷却装置。
【請求項7】
請求項６に記載の冷却装置であって、
前記制御手段は、前記温度差が前記第１所定冷却温度差以下である場合に、前記目標蒸発温度を減算する、冷却装置。
前記制御手段は、前記温度差が前記第１所定冷却温度差以下である場合に、前記目標蒸発温度を減算する、冷却装置。
【請求項8】
請求項７に記載の冷却装置であって、
前記制御手段は、前記温度差が前記第１所定冷却温度差以下である場合に、当該温度差が前記第１所定冷却温度差より大きい第２所定冷却温度差となるよう前記目標蒸発温度を減算する、冷却装置。
前記制御手段は、前記温度差が前記第１所定冷却温度差以下である場合に、当該温度差が前記第１所定冷却温度差より大きい第２所定冷却温度差となるよう前記目標蒸発温度を減算する、冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、被冷却物を冷却する冷却装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とを備え、冷凍サイクルを利用して水等の被冷却物を冷却する冷却装置がある。例えば、特許文献１には、冷媒温度（圧縮機に吸入される冷媒の温度）から蒸発温度（圧縮機に吸入される冷媒の圧力における飽和温度）を減じた過熱度が予め設定された所定の目標過熱度になるよう膨張弁の開度を制御する装置が開示されている。
【0003】
また、特許文献２には、上記のような過熱度一定制御に代えて、蒸発温度が一定となるよう膨張弁の開度を制御する低温冷水装置（冷却装置）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２００１－２４８９１９号公報
【特許文献2】特許第６９５８０１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献２に示すような蒸発温度一定制御を行う場合、過熱度が低下して液戻りが生じるおそれや、過熱度が上昇して冷凍機（圧縮機）が過負荷運転となるおそれがあった。
【0006】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、蒸発温度一定制御を行いつつ、液戻りや冷凍機の過負荷運転を防止することの可能な冷却装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明によれば、以下の発明が提供される。
［１］冷媒を吸引して圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により吐出された冷媒を凝縮液化する凝縮器と、前記凝縮器により凝縮液化された冷媒を減圧する開度調整可能な膨張弁と、前記膨張弁によって減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、を備え、前記蒸発器における冷媒と被冷却物との熱交換により前記被冷却物を冷却する冷却装置であって、冷媒圧力検知手段と、冷媒温度検知手段と、制御手段をさらに備え、前記冷媒圧力検知手段は、前記蒸発器を通過した後の冷媒の圧力を検知するよう構成され、前記冷媒温度検知手段は、前記蒸発器を通過した後の冷媒の温度を検知するよう構成され、前記制御手段は、前記冷媒圧力検知手段が検知した冷媒の圧力が目標圧力となるか、又は当該冷媒の圧力から算出される冷媒の蒸発温度が目標蒸発温度となるよう前記膨張弁をフィードバック制御し、前記制御手段はさらに、前記冷媒温度検知手段が検知した冷媒の温度と前記蒸発温度の差である過熱度を算出し、当該過熱度が許容範囲から乖離した場合に、前記目標蒸発温度を変更する、冷却装置。
［２］［１］に記載の冷却装置であって、前記制御手段は、前記過熱度が前記許容範囲以下となった場合に前記目標蒸発温度を減算し、前記過熱度が前記許容範囲以上となった場合に前記目標蒸発温度を加算する、冷却装置。
［３］［２］に記載の冷却装置であって、前記制御手段は、前記過熱度の前記許容範囲からの乖離度合いに応じて前記目標蒸発温度の加算又は減算温度を変更する、冷却装置。
［４］［２］又は［３］に記載の冷却装置であって、前記制御手段は、算出した現在の過熱度と第１所定時間前の過熱度とから算出される過熱度勾配から、第２所定時間後の予測過熱度を算出し、当該予測過熱度が前記許容範囲以下となった場合に前記目標蒸発温度を減算する、冷却装置。
［５］［２］～［４］のいずれかに記載の冷却装置であって、前記蒸発器における熱交換後の前記被冷却物の温度である被冷却物出口温度を検知する被冷却物温度検知手段をさらに備え、前記制御手段は、前記被冷却物出口温度に応じて、前記圧縮機の周波数制御を行う、冷却装置。
［６］［２］～［５］のいずれかに記載の冷却装置であって、前記蒸発器における熱交換後の前記被冷却物の温度である被冷却物出口温度を検知する被冷却物温度検知手段をさらに備え、前記制御手段は、前記過熱度が前記許容範囲以上であっても、前記被冷却物出口温度と前記蒸発温度の温度差が第１所定冷却温度差以下である場合には、前記目標蒸発温度の加算を行わない、冷却装置。
［７］［６］に記載の冷却装置であって、前記制御手段は、前記温度差が前記第１所定冷却温度差以下である場合に、前記目標蒸発温度を減算する、冷却装置。
［８］［７］に記載の冷却装置であって、前記制御手段は、前記温度差が前記第１所定冷却温度差以下である場合に、当該温度差が前記第１所定冷却温度差より大きい第２所定冷却温度差となるよう前記目標蒸発温度を減算する、冷却装置。
［１］冷媒を吸引して圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により吐出された冷媒を凝縮液化する凝縮器と、前記凝縮器により凝縮液化された冷媒を減圧する開度調整可能な膨張弁と、前記膨張弁によって減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、を備え、前記蒸発器における冷媒と被冷却物との熱交換により前記被冷却物を冷却する冷却装置であって、冷媒圧力検知手段と、冷媒温度検知手段と、制御手段をさらに備え、前記冷媒圧力検知手段は、前記蒸発器を通過した後の冷媒の圧力を検知するよう構成され、前記冷媒温度検知手段は、前記蒸発器を通過した後の冷媒の温度を検知するよう構成され、前記制御手段は、前記冷媒圧力検知手段が検知した冷媒の圧力が目標圧力となるか、又は当該冷媒の圧力から算出される冷媒の蒸発温度が目標蒸発温度となるよう前記膨張弁をフィードバック制御し、前記制御手段はさらに、前記冷媒温度検知手段が検知した冷媒の温度と前記蒸発温度の差である過熱度を算出し、当該過熱度が許容範囲から乖離した場合に、前記目標蒸発温度を変更する、冷却装置。
［２］［１］に記載の冷却装置であって、前記制御手段は、前記過熱度が前記許容範囲以下となった場合に前記目標蒸発温度を減算し、前記過熱度が前記許容範囲以上となった場合に前記目標蒸発温度を加算する、冷却装置。
［３］［２］に記載の冷却装置であって、前記制御手段は、前記過熱度の前記許容範囲からの乖離度合いに応じて前記目標蒸発温度の加算又は減算温度を変更する、冷却装置。
［４］［２］又は［３］に記載の冷却装置であって、前記制御手段は、算出した現在の過熱度と第１所定時間前の過熱度とから算出される過熱度勾配から、第２所定時間後の予測過熱度を算出し、当該予測過熱度が前記許容範囲以下となった場合に前記目標蒸発温度を減算する、冷却装置。
［５］［２］～［４］のいずれかに記載の冷却装置であって、前記蒸発器における熱交換後の前記被冷却物の温度である被冷却物出口温度を検知する被冷却物温度検知手段をさらに備え、前記制御手段は、前記被冷却物出口温度に応じて、前記圧縮機の周波数制御を行う、冷却装置。
［６］［２］～［５］のいずれかに記載の冷却装置であって、前記蒸発器における熱交換後の前記被冷却物の温度である被冷却物出口温度を検知する被冷却物温度検知手段をさらに備え、前記制御手段は、前記過熱度が前記許容範囲以上であっても、前記被冷却物出口温度と前記蒸発温度の温度差が第１所定冷却温度差以下である場合には、前記目標蒸発温度の加算を行わない、冷却装置。
［７］［６］に記載の冷却装置であって、前記制御手段は、前記温度差が前記第１所定冷却温度差以下である場合に、前記目標蒸発温度を減算する、冷却装置。
［８］［７］に記載の冷却装置であって、前記制御手段は、前記温度差が前記第１所定冷却温度差以下である場合に、当該温度差が前記第１所定冷却温度差より大きい第２所定冷却温度差となるよう前記目標蒸発温度を減算する、冷却装置。
【0008】
本発明によれば、蒸発温度一定制御を行いつつ、液戻りや冷凍機の過負荷運転を防止することが可能となっている。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明の一実施形態に係る冷却装置１を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。また、各特徴について独立して発明が成立する。
【0011】
１．冷却装置１の構成
まず、本発明の一実施形態に係る冷却装置１の構成について説明する。本実施形態の冷却装置１は、被冷却物としての水を冷却し、冷水を製造するために用いられる。製造された冷水は、例えば、食品等の被処理物を冷却するために用いられる。
まず、本発明の一実施形態に係る冷却装置１の構成について説明する。本実施形態の冷却装置１は、被冷却物としての水を冷却し、冷水を製造するために用いられる。製造された冷水は、例えば、食品等の被処理物を冷却するために用いられる。
【0012】
本実施形態の冷却装置１は、図１に示すように、冷凍機２と、蒸発器としての熱交換器３とを備える。また、冷却装置１は、冷凍機２と熱交換器３とを接続して冷媒を流通させるラインとして、冷媒循環ライン４を備える。冷媒循環ライン４には、冷凍機２の下流側の位置に、膨張弁４０が設置される。加えて、冷却装置１は、各要素の動作を制御する制御手段１０を備える。本実施形態の冷却装置１は、熱交換器３に接続された冷水ライン１００を流通する水が冷媒と熱交換することにより、冷水が製造される。なお、本実施形態の冷却装置１は、冷水ライン１００の熱交換器３よりも下流側、つまり出口側の位置に、被冷却物温度検知手段としての冷水温度センサ６も備えている。以下、各構成を具体的に説明する。
【0013】
冷凍機２は、圧縮機２０と、凝縮器２１とを備え、冷媒を冷却するものである。冷凍機２は、冷媒循環ライン４によって熱交換器３と接続されている。
【0014】
圧縮機２０は、低温低圧の冷媒ガスを断熱圧縮して高温高圧のガスにする。圧縮機２０において高温高圧のガス状態となった冷媒は、好ましくは油分離器（図示せず）を介して凝縮器２１へ送られる。圧縮機２０には、例えばスクロール圧縮機が用いられる。なお、本実施形態の圧縮機２０は、多段階に運転周波数を変動させて圧縮力を調整する周波数制御を行うことができるものである。
【0015】
凝縮器２１は、圧縮機２０からの高温高圧のガスを凝縮液化して、低温高圧の冷媒液の状態にする。本実施形態の凝縮器２１は、ファン２１ａを備える空冷式の熱交換器である。ただし、水冷式の凝縮器２１を用いることも可能である。凝縮器２１で低温高圧の冷媒液の状態となった冷媒は、冷媒循環ライン４を通って膨張弁４０へ送られる。
【0016】
膨張弁４０は、凝縮器２１で低温高圧の冷媒液の状態となった冷媒を減圧して、低温低圧の冷媒液の状態にする。膨張弁４０は、その開度を制御可能な弁であり、開度は制御手段１０によって制御される。制御手段１０によって膨張弁４０の開度を調整することにより、減圧の度合いを調整することができる。膨張弁４０で低温低圧の冷媒液の状態となった冷媒は、熱交換器３へ送られる。なお、膨張弁４０は、電子膨張弁であっても機械式膨張弁であっても良い。
【0017】
冷媒循環ライン４は、冷媒を圧縮機２０、凝縮器２１、膨張弁４０及び熱交換器３（蒸発器）の順に循環させるよう接続されており、冷媒が冷媒循環ライン４を循環することで、冷媒の圧縮、凝縮、膨張及び蒸発の冷凍サイクルが実行されるようになっている。なお、本実施形態において、凝縮器２１の下流側（出口側）であって膨張弁４０の上流側の位置には、循環弁４１も設けられている。循環弁４１には、電磁弁を用いることが好ましい。
【0018】
加えて、本実施形態の冷媒循環ライン４には、熱交換器３の下流側（出口側）であって圧縮機２０の上流側（入口側）の位置に、冷媒圧力検知手段としての冷媒圧力センサ７と、冷媒温度検知手段としての冷媒温度センサ８とが設置されている。冷媒圧力センサ７は、熱交換器３における冷媒の圧力を検知するよう構成される。冷媒温度センサ８は、熱交換器３により蒸発した、圧縮機２０に吸入される冷媒の温度を検知するよう構成される。なお、冷媒圧力センサ７及び冷媒温度センサ８は、熱交換器３の出口から圧縮機２０の入口に至る冷媒循環ライン４の配管上であれば、任意の箇所に設置することができる。
【0019】
熱交換器３は、冷凍サイクルにおける蒸発器として機能する。熱交換器３は、冷媒循環ライン４と接続される冷媒流路と冷水ライン１００と接続される水流路とを備え、冷媒と水とを混合することなく、これらの間で間接的に熱交換させるものである。熱交換器３は、膨張弁４０を通過して低温低圧となった冷媒循環ライン４の冷媒液が圧力一定のまま冷水ライン１００の水から吸熱して蒸発することにより、水から熱を奪って水を冷却する。熱交換器３には、例えば、二重管熱交換器が用いられる。なお、膨張弁４０の開度調整により、冷媒は熱交換器３において完全に蒸発し、蒸発した冷媒は、冷媒循環ライン４を通って低温低圧のガスの状態で圧縮機２０へ送られるようになっている。
【0020】
なお、冷水ライン１００には、熱交換器３の上流側（入口側）の位置に冷水ポンプ１０１が配置され、熱交換器３の下流側（出口側）の位置に冷水温度センサ６が設けられている。冷水ポンプ１０１の作動により、冷水ライン１００を水が流通する。冷水ライン１００は、例えば、冷水タンク（図示せず）に接続され、熱交換器３と冷水タンクとで水を循環させることで、冷水タンク内の水を冷却することが可能である。ただし、製造された冷水を熱負荷との熱交換（例えば食材の冷却）に使用し、使い捨てる（流水仕様）ようにしてもよい。
【0021】
また、冷水温度センサ６は、熱交換器３における熱交換後の水の温度（被冷却物出口温度としての冷水出口温度）を検知するよう構成される。
【0022】
制御手段１０は、各種センサの検出信号や経過時間などに基づき、上記各構成を制御する。制御手段１０は、具体的には、冷凍機２（圧縮機２０及び凝縮器２１）と、膨張弁４０と、循環弁４１とを制御する。また、制御手段１０には、冷水温度センサ６、冷媒圧力センサ７及び冷媒温度センサ８などが接続されている。制御手段１０は、後述するように、所定の手順（プログラム）に従い、冷媒を循環させて水を冷却する冷却動作のための制御を行う。
【0023】
なお、上記構成の制御手段１０は、具体的には例えば、ＣＰＵ、メモリ（例えばフラッシュメモリ）、入力部及び出力部を備えた情報処理装置により構成することができる。そして、情報処理装置により構成された制御手段１０の上記各構成要素による処理は、メモリに記憶されたプログラムをＣＰＵが読み出して実行することで行われる。情報処理装置としては、例えば、パーソナルコンピュータ、ＰＬＣ（プログラマラブルロジックコントローラ）あるいはマイコンが用いられる。ただし、制御手段１０の一部の機能を、任意の通信手段により接続されたクラウド上で実行されるよう構成しても良い。
【0024】
２．冷却装置１の冷却動作
次に、本実施形態の冷却装置１の冷却動作について説明する。冷却装置１は、制御手段１０による冷凍機２及び膨張弁４０等の制御により冷媒循環ライン４に冷媒を循環させ、冷媒の圧縮、凝縮、膨張及び蒸発の冷凍サイクルを実行し、熱交換器３において冷媒と冷水ライン１００の水との熱交換を行うことで、水を冷却する。具体的には、本実施形態の冷却装置１は、冷凍サイクルの実行の際、制御手段１０の制御により、蒸発温度一定制御と、冷凍機周波数制御と、目標蒸発温度加減算制御と、冷却温度差維持制御とを実行する。以下、各制御についてより具体的に説明する。なお、これらの制御は、それぞれ冷却装置１の冷却運転中に亘って並列的に実行される。
次に、本実施形態の冷却装置１の冷却動作について説明する。冷却装置１は、制御手段１０による冷凍機２及び膨張弁４０等の制御により冷媒循環ライン４に冷媒を循環させ、冷媒の圧縮、凝縮、膨張及び蒸発の冷凍サイクルを実行し、熱交換器３において冷媒と冷水ライン１００の水との熱交換を行うことで、水を冷却する。具体的には、本実施形態の冷却装置１は、冷凍サイクルの実行の際、制御手段１０の制御により、蒸発温度一定制御と、冷凍機周波数制御と、目標蒸発温度加減算制御と、冷却温度差維持制御とを実行する。以下、各制御についてより具体的に説明する。なお、これらの制御は、それぞれ冷却装置１の冷却運転中に亘って並列的に実行される。
【0025】
＜蒸発温度一定制御＞
蒸発温度一定制御は、熱交換後の冷媒の圧力から算出される冷媒の蒸発温度が目標蒸発温度となるよう膨張弁４０をフィードバック制御（ＰＩＤ制御）するものである。具体的には、制御手段１０は、まず、冷媒圧力センサ７が検知した熱交換器３を通過した後の（圧縮機２０に吸入される）冷媒の圧力値に基づいて、当該冷媒の圧力値における飽和温度、つまり蒸発温度を算出（換算）する。冷媒の圧力値における飽和温度の算出は、例えば、冷媒圧力値と当該圧力値における飽和温度との対照テーブルを予め設定し、対照テーブルに基づいて行うことができる。また、入力される冷媒圧力値に対し飽和温度を出力する関数を予め設定し、検知された冷媒の圧力値を当該関数に入力して飽和温度を算出するようにしてもよい。
蒸発温度一定制御は、熱交換後の冷媒の圧力から算出される冷媒の蒸発温度が目標蒸発温度となるよう膨張弁４０をフィードバック制御（ＰＩＤ制御）するものである。具体的には、制御手段１０は、まず、冷媒圧力センサ７が検知した熱交換器３を通過した後の（圧縮機２０に吸入される）冷媒の圧力値に基づいて、当該冷媒の圧力値における飽和温度、つまり蒸発温度を算出（換算）する。冷媒の圧力値における飽和温度の算出は、例えば、冷媒圧力値と当該圧力値における飽和温度との対照テーブルを予め設定し、対照テーブルに基づいて行うことができる。また、入力される冷媒圧力値に対し飽和温度を出力する関数を予め設定し、検知された冷媒の圧力値を当該関数に入力して飽和温度を算出するようにしてもよい。
【0026】
そして、制御手段１０は、上記算出された冷媒の蒸発温度が目標蒸発温度に一致するよう、膨張弁４０の開度を制御する。なお、目標蒸発温度は、冷凍機２の冷却能力が実質的に最大になるように設定することが好ましい。
【0027】
＜目標蒸発温度加減算制御＞
目標蒸発温度加減算制御は、冷媒の過熱度が許容範囲から乖離した場合に、上述した蒸発温度一定制御の目標蒸発温度を変更する制御である。ここで、冷媒の過熱度は、熱交換器３において蒸発した冷媒の温度と冷媒の蒸発温度の差である。過熱度は、熱交換器３において、気液混合状態の冷媒が水との熱交換により蒸発し、完全に気化した後、さらに熱を受け取ることで上昇する。
目標蒸発温度加減算制御は、冷媒の過熱度が許容範囲から乖離した場合に、上述した蒸発温度一定制御の目標蒸発温度を変更する制御である。ここで、冷媒の過熱度は、熱交換器３において蒸発した冷媒の温度と冷媒の蒸発温度の差である。過熱度は、熱交換器３において、気液混合状態の冷媒が水との熱交換により蒸発し、完全に気化した後、さらに熱を受け取ることで上昇する。
【0028】
具体的には、制御手段１０は、まず、冷媒温度センサ８が検知した熱交換器３において蒸発した冷媒の温度から冷媒圧力センサ７が検知した同冷媒の圧力から算出される蒸発温度を減算することで、冷媒の過熱度を算出する。
【0029】
次に、制御手段１０は、算出した冷媒の過熱度が許容範囲内であるか、許容範囲から乖離したかを判定する。過熱度が許容範囲内であれば（許容下限値と許容上限値の間にあれば）、制御手段１０は、目標蒸発温度の変更を行わない。
【0030】
一方、制御手段１０は、過熱度が許容範囲から乖離し、許容下限値以下となった場合、目標蒸発温度を減算する。また、制御手段１０は、過熱度が許容範囲から乖離し、許容上限値以上となった場合、目標蒸発温度を加算する。
【0031】
なお、過熱度が許容範囲から乖離した場合の目標蒸発温度の加減算は、所定の遅延時間（例えば、３０秒）の間連続で乖離していたときに実施することが好ましい。また、遅延時間は、目標蒸発温度を減算する場合と加算する場合とで異ならせても良い。例えば、過熱度が許容下限値以下となった場合のほうが緊急度が高いため、過熱度が許容上限値以上となった場合よりも遅延時間を短く設定することが好ましい。
【0032】
また、本実施形態の制御手段１０は、過熱度の許容範囲からの乖離度合いに応じて目標蒸発温度の加算温度又は減算温度を変更する。例えば、制御手段１０は、過熱度が許容下限値から第１乖離度以上乖離している場合、目標蒸発温度を第１温度減算し、過熱度が許容下限値から第１乖離度とこれより小さい第２乖離度の間乖離している場合、目標蒸発温度を第１温度よりも小さい第２温度減算する。また、制御手段１０は、過熱度が許容上限値から第３乖離度以上乖離している場合、目標蒸発温度を第３温度加算し、過熱度が許容上限値から第３乖離度とこれより小さい第４乖離度の間乖離している場合、目標蒸発温度を第３温度よりも小さい第４温度加算する。なお、第１温度と第３温度、第２温度と第４温度は同じであっても異なっていても良い。
【0033】
より具体的な例としては、制御手段１０は、過熱度が許容下限値より４℃以上低い場合、目標蒸発温度を２℃減算し、２～４℃低い場合、目標蒸発温度を１℃減算し、０～２℃低い場合、目標蒸発温度を０．５℃減算する。また、制御手段１０は、過熱度が許容上限値より４℃以上高い場合、目標蒸発温度を１℃加算し、０～４℃高い場合、蒸発温度を０．５℃加算する。
【0034】
さらに、本実施形態の制御手段１０は、過熱度の履歴から予測過熱度を算出し、予測過熱度が許容下限値以下となった場合に目標蒸発温度を減算するようになっている。具体的には、制御手段１０は、まず、現在の過熱度と第１所定時間前（過熱度勾配確認時間前）の過熱度とから算出される過熱度勾配から、第２所定時間後（過熱度予測時間後）の予測過熱度を継続的に算出する。そして、制御手段１０は、当該予測過熱度が許容下限値以下となった場合に、目標蒸発温度を第５温度減算するようになっている。なお、第５温度は、上述した第１温度～第４温度のいずれかと同じであっても、いずれとも異なっていても良い。
【0035】
より具体的な例としては、制御手段１０は、現在の過熱度と６秒前の過熱度の差を６秒で除算することで過熱度勾配を算出し、当該過熱度勾配に３０秒を乗算したものに現在の過熱度を加えることで、３０秒後の予測過熱度を算出する。そして、予測過熱度が許容下限値以下である状態が第３所定時間継続した場合、目標蒸発温度を２℃減算する。なお、本例の場合、予測過熱度が許容上限値以上であっても、目標蒸発温度の加算は行わない。減算のみ行うのは、過熱度の低下の方が、緊急性が高いからである。すなわち、急激に圧力上昇が生じて過熱度が急低下してしまうと、その時点での過熱度のみに基づく通常の減算では制御が間に合わず、冷媒が液体のまま圧縮機２０に戻る液バック運転となって、圧縮機２０が故障するおそれがあるためである。
【0036】
＜冷却温度差維持制御＞
冷却温度差維持制御は、冷水出口温度と蒸発温度の温度差（以下、冷却温度差と呼ぶ）が所定の温度差以下である場合に、目標蒸発温度を減算することで冷却温度差を所定の温度差以上に維持する制御である。
冷却温度差維持制御は、冷水出口温度と蒸発温度の温度差（以下、冷却温度差と呼ぶ）が所定の温度差以下である場合に、目標蒸発温度を減算することで冷却温度差を所定の温度差以上に維持する制御である。
【0037】
具体的には、制御手段１０は、まず、冷水温度センサ６の検知する冷水出口温度と冷媒圧力センサ７が検知した冷媒の圧力値から得られる蒸発温度から冷却温度差を算出する。次に、制御手段１０は、冷却温度差が第１所定冷却温度差以下である場合に、冷却温度差が第１所定冷却温度差より大きい第２所定冷却温度差となるよう目標蒸発温度を減算する。ここで、第１所定冷却温度差は、例えば３℃であり、第２所定冷却温度差は、例えば５℃である。
【0038】
なお、冷却温度差維持制御は、目標蒸発温度加減算制御における目標蒸発温度の加算よりも優先して実行される。すなわち、制御手段１０は、過熱度が許容範囲以上（許容上限値以上）であっても、冷却温度差が第１所定冷却温度差以下である場合には、目標蒸発温度の加算を行わないようになっている。
【0039】
＜冷凍機周波数制御＞
冷凍機周波数制御は、冷水温度センサ６が検知する熱交換後の水の温度（以下、冷水出口温度と呼ぶ）に応じて冷凍機２（圧縮機２０）の周波数を変動させる制御である。具体的には、冷凍機周波数制御において、制御手段１０は、冷水出口温度が第１閾値以上である場合、圧縮機２０の周波数を１段階増加させる。また、制御手段１０は、冷水出口温度が第２閾値以下である場合、圧縮機２０の周波数を１段階減少させる。ここで、第１閾値は冷水の目標温度より高い温度とし、第２閾値は冷水の目標温度より低い温度とすることが好ましい。
冷凍機周波数制御は、冷水温度センサ６が検知する熱交換後の水の温度（以下、冷水出口温度と呼ぶ）に応じて冷凍機２（圧縮機２０）の周波数を変動させる制御である。具体的には、冷凍機周波数制御において、制御手段１０は、冷水出口温度が第１閾値以上である場合、圧縮機２０の周波数を１段階増加させる。また、制御手段１０は、冷水出口温度が第２閾値以下である場合、圧縮機２０の周波数を１段階減少させる。ここで、第１閾値は冷水の目標温度より高い温度とし、第２閾値は冷水の目標温度より低い温度とすることが好ましい。
【0040】
なお、周波数を増加させると、蒸発温度（蒸発圧力）が下がるため、上述した過熱度は上昇し、周波数を減少させると、蒸発温度（蒸発圧力）が上がるため、過熱度は低下することになる。本実施形態において、過熱度が所定温度以下である場合は、冷凍機周波数制御は行わないようになっている。これにより、冷媒が液体のまま圧縮機２０に戻る液バック運転を防止することが可能となる。
【0041】
４．作用効果
（１）本実施形態に係る冷却装置１によれば、蒸発温度一定制御として、冷媒圧力センサ７の検知した冷媒圧力に基づいて算出される蒸発温度が目標蒸発温度となるよう、制御手段１０が膨張弁４０の開度をフィードバック制御するようになっている。このような蒸発温度一定制御により、特に、外気温度や冷凍機２（圧縮機２０）の運転状況、熱交換器３における熱負荷の変動等の外的要因によって蒸発温度が変動しない安定した運転が可能となっている。また、効率のよい安定した冷却能力を得るとともに、例えば熱交換器３内で冷媒と熱交換する水が凍結を起こさないようにすることが可能となっている。
（１）本実施形態に係る冷却装置１によれば、蒸発温度一定制御として、冷媒圧力センサ７の検知した冷媒圧力に基づいて算出される蒸発温度が目標蒸発温度となるよう、制御手段１０が膨張弁４０の開度をフィードバック制御するようになっている。このような蒸発温度一定制御により、特に、外気温度や冷凍機２（圧縮機２０）の運転状況、熱交換器３における熱負荷の変動等の外的要因によって蒸発温度が変動しない安定した運転が可能となっている。また、効率のよい安定した冷却能力を得るとともに、例えば熱交換器３内で冷媒と熱交換する水が凍結を起こさないようにすることが可能となっている。
【0042】
（２）過熱度が一定となるよう膨張弁４０を制御する一般的な過熱度一定制御の場合、過熱度の算出に用いられる「熱交換器３において蒸発した冷媒温度（冷媒温度センサ８が検知）」と「冷媒の蒸発温度（冷媒圧力センサ７が検知）」とでは、冷媒温度の応答性及び変化速度が遅いため、十分な時間をかけて膨張弁４０の操作をしないとハンチングが生じるおそれがある。また、過熱度を一定とするために膨張弁４０を制御することで、蒸発温度の変化幅が大きくなることがあり、冷却能力（冷水出口温度）や冷凍機２の運転状態が安定しない場合がある。さらに、冷凍機周波数制御により圧縮機２０の周波数を変化させる場合や冷凍機２の運転状態が変わることによる外乱等により、過熱度は影響を受けやすいという問題もある。この点、本実施形態に係る冷却装置１によれば、蒸発温度一定制御により膨張弁４０のフィードバック制御の対象を蒸発温度のみとすることで、外乱の影響を受けることなく膨張弁４０の操作を早くすることができる。これにより、応答性及び変化速度を改善することができ、ハンチングを抑制することも可能となっている。
【0043】
（３）上記過熱度一定制御に代えて蒸発温度一定制御のみを実行した場合、過熱度の上昇又は低下により冷凍機２の運転状態が不安定となり、蒸発温度を一定に保つことが困難となるおそれがある。しかしながら、本実施形態に係る冷却装置１によれば、目標蒸発温度加減算制御として、制御手段１０は、過熱度が許容下限値以下となった場合に目標蒸発温度を減算し、過熱度が許容上限値以上となった場合に目標蒸発温度を加算するようになっている。これにより、冷凍機２の運転状態・蒸発温度が安定し、効率が高いまま運転を維持することが可能となっている。
【0044】
（４）また、本実施形態における目標蒸発温度加減算制御では、制御手段１０は、過熱度の許容範囲からの乖離度合いに応じて目標蒸発温度の加算温度又は減算温度を変更する。これにより、過熱度が許容範囲から大きく乖離している場合でも、早期に過熱度を許容範囲内に戻すことが可能となっている。
【0045】
（５）加えて、本実施形態における目標蒸発温度加減算制御では、制御手段１０は、現在の過熱度と第１所定時間前の過熱度とから算出される過熱度勾配から、第２所定時間後の予測過熱度を継続的に算出し、当該予測過熱度が許容下限値以下となった場合に目標蒸発温度を減算する。これにより、将来的に過熱度が許容下限値以下になることを予測し、前もって目標蒸発温度を減算することで、過熱度が許容下限値以下になることを抑制することが可能となっている。
【0046】
（６）本実施形態に係る冷却装置１によれば、制御手段１０は、冷凍機周波数制御として、冷水出口温度が第１閾値以上である場合に圧縮機２０の周波数を１段階増加させ、冷水出口温度が第２閾値以下である場合に圧縮機２０の周波数を１段階減少させる制御を行っている。これにより、冷水出口温度に応じて冷凍機２（圧縮機２０）を効率的に運転し、消費電力を低減することが可能となっている。
【0047】
（７）本実施形態に係る冷却装置１によれば、制御手段１０は、冷却温度差維持制御として、冷却温度差が第１所定冷却温度差以下である場合に冷却温度差が第１所定冷却温度差より大きい第２所定冷却温度差となるよう目標蒸発温度を減算する制御を行っている。これにより、冷却温度差を所定の温度差以上に維持することができ、水の冷却不足を防止することが可能となっている。なお、冷却温度差維持制御は、目標蒸発温度加減算制御における目標蒸発温度の加算よりも優先して実行される。すなわち、制御手段１０は、過熱度が許容範囲以上（許容上限値以上）であっても、冷却温度差が第１所定冷却温度差以下である場合には、目標蒸発温度の加算を行わない。これにより、確実に冷却温度差を維持し、水の冷却不足を防止するとともに、冷媒が液体のまま圧縮機２０に戻る液バック運転を防止することが可能となっている。
【0048】
５．変形例
なお、本発明は、以下の態様でも実施可能である。
なお、本発明は、以下の態様でも実施可能である。
【0049】
上記実施形態では、制御手段１０は、冷凍機２（圧縮機２０）の運転周波数を変動させる冷凍機周波数制御を行っていたが、冷凍機周波数制御は必須ではない。本発明は、周波数制御を行わない（周波数制御ができない）冷凍機でも実施することが可能である。また、冷却温度差を所定の温度差以上に維持する冷却温度差維持制御も必須ではなく、蒸発温度一定制御と目標蒸発温度加減算制御のみを行うようにしても良い。
【0050】
上記実施形態では、制御手段１０は、蒸発温度一定制御において、冷媒圧力センサ７が検知した冷媒の圧力から算出される冷媒の蒸発温度が目標蒸発温度となるよう膨張弁４０をフィードバック制御していた。しかしながら、制御手段１０は、冷媒圧力センサ７が検知した冷媒の圧力を温度換算せず、検知した冷媒の圧力そのものが目標圧力となるよう膨張弁４０をフィードバック制御するようにしても良い。
【0051】
また、上記実施形態の冷却装置１において、凝縮器２１において液化された高圧低温の冷媒と熱交換器３で気化された冷媒との間で熱交換をする液ガス熱交換器（図示せず）を設けることも好ましい。液ガス熱交換器により、膨張弁４０へ送られる冷媒を冷却するとともに、熱交換器３を出て冷凍機２（圧縮機２０）に戻る冷媒を完全にガス化することができる。なお、液ガス熱交換器を設ける場合、冷媒圧力センサ７及び冷媒温度センサ８は液ガス熱交換器の冷凍機２側の出口から圧縮機２０の入口に至るまでの冷媒循環ライン４の配管上に設けることが好適である。
【0052】
上記実施形態において、冷却装置１は水を冷却する冷水装置（ウォーターチラー）として用いられていたが、水以外の被冷却物、例えば、二次冷媒であるブラインを冷却する装置とすることも可能である。
【符号の説明】
【0053】
１ ：冷却装置
２ ：冷凍機
３ ：熱交換器（蒸発器）
４ ：冷媒循環ライン
６ ：冷水温度センサ（被冷却物温度検知手段）
７ ：冷媒圧力センサ（冷媒圧力検知手段）
８ ：冷媒温度センサ（冷媒温度検知手段）
１０ ：制御手段
２０ ：圧縮機
２１ ：凝縮器
２１ａ ：ファン
４０ ：膨張弁
４１ ：循環弁
１００ ：冷水ライン
１０１ ：冷水ポンプ
２ ：冷凍機
３ ：熱交換器（蒸発器）
４ ：冷媒循環ライン
６ ：冷水温度センサ（被冷却物温度検知手段）
７ ：冷媒圧力センサ（冷媒圧力検知手段）
８ ：冷媒温度センサ（冷媒温度検知手段）
１０ ：制御手段
２０ ：圧縮機
２１ ：凝縮器
２１ａ ：ファン
４０ ：膨張弁
４１ ：循環弁
１００ ：冷水ライン
１０１ ：冷水ポンプ
【図1】
