特許 7374691 冷却装置及び冷却装置の制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-10-27

(45)【発行日】2023-11-07

(54)【発明の名称】冷却装置及び冷却装置の制御方法

(51)【国際特許分類】

   F25B 1/00 20060101AFI20231030BHJP

   F24F 11/46 20180101ALI20231030BHJP

   F24F 11/84 20180101ALI20231030BHJP

【ＦＩ】

F25B1/00 304S

F25B1/00 304L

F25B1/00 361A

F25B1/00 371C

F25B1/00 101H

F24F11/46

F24F11/84

【請求項の数】 16

(21)【出願番号】P 2019180172

(22)【出願日】2019-09-30

(65)【公開番号】P2021055932

(43)【公開日】2021-04-08

【審査請求日】2022-08-12

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 発行者名： 日本機械学会・空気調和・衛生工学会・日本冷凍空調学会 刊行物名： 第５３回 空気調和・冷凍連合講演会 講演論文集 発行年月日： ２０１９年４月１６日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 発行者名： 公益社団法人 空気調和・衛生工学会 刊行物名： 令和元年度空気調和・衛生工学会大会（ＤＶＤ） 発行年月日： 令和１年９月４日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001834

【氏名又は名称】三機工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100072718

【弁理士】

【氏名又は名称】古谷 史旺

(74)【代理人】

【識別番号】100097319

【弁理士】

【氏名又は名称】狩野 彰

(74)【代理人】

【識別番号】100151002

【弁理士】

【氏名又は名称】大橋 剛之

(74)【代理人】

【識別番号】100201673

【弁理士】

【氏名又は名称】河田 良夫

(72)【発明者】

【氏名】永田 淳一郎

【審査官】五十嵐 公輔

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１９４２４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－３１１０４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２２９８３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０２１６９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０３８３２９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２５Ｂ １／００

Ｆ２４Ｆ １１／３６

Ｆ２４Ｆ １１／４６

Ｆ２４Ｆ １１／８４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧縮器、凝縮器、膨張弁、蒸発器及び圧力調整弁を配管を用いて順次接続した循環路を有する冷凍サイクルを構成し、前記蒸発器における冷却媒体との間の熱交換により冷却された空気を対象空間へと送風機で送り出す冷却装置において、
前記圧縮器に吸い込まれる前記冷却媒体の圧力値に基づいた前記圧縮器の出力割合値を比例帯にとって求め、求めた前記圧縮器の出力割合値を比例項にして前記圧縮器の出力割合値をＰＩＤ制御する第１の制御手段と、
前記蒸発器の入口側における前記冷却媒体の温度と前記蒸発器の出口側における前記冷却媒体の温度により求まる過熱度に基づいた前記膨張弁の開度値を比例帯にとって求め、求めた前記膨張弁の開度値を比例項にして前記膨張弁の開度値をＰＩＤ制御する第２の制御手段と、
前記送風機により搬送される空気の蒸発器の出口側における送風温度値に基づいた前記圧力調整弁の開度値を比例帯にとって求め、求めた前記圧力調整弁の開度値を比例項にして前記圧力調整弁の開度値をＰＩＤ制御する第３の制御手段と、
送風機により搬送される空気の蒸発器入口空気温度と蒸発器出口空気温度と蒸発器出口空気設定温度それぞれの出力値を出力できる空気温度出力手段と、
第１時刻における前記空気温度出力手段からの出力値に基づき演算した前記蒸発器による冷却負荷に対して、前記第１時刻から一定時間経過した第２時刻における前記蒸発器による冷却負荷が増加しているか否かを判定する判定部と、
前記判定部により前記蒸発器による冷却負荷が増加していると判定された場合に、第２時刻の蒸発器による冷却負荷の第１時刻における蒸発器による冷却負荷に対する倍数に基づいて、前記圧縮器の出力割合値、前記膨張弁の開度値及び前記圧力調整弁の開度値をフィードフォワードにて各々補正し、補正した制御値を各々用いて、前記圧縮器、前記膨張弁及び前記圧力調整弁を制御し、再度、出力割合値や各々の開度値出力をＰＩＤ制御に戻す補正制御を行う補正制御手段と、
を有することを特徴とする冷却装置。

【請求項2】

請求項１に記載の冷却装置において、
前記判定部は、前記蒸発器の上流側における前記空気の温度変化と、前記蒸発器の下流側における前記空気の温度変化とを乗算することで第１の判定値を求め、求めた第１の判定値が正の値となる場合に、前記蒸発器による冷却負荷が増加していると判定することを特徴とする冷却装置。

【請求項3】

請求項２に記載の冷却装置において、
前記判定部は、前記蒸発器の上流側における前記空気の温度変化と、前記対象空間に送り出される空気の温度と設定温度とを乗算することで第２の判定値を求め、求めた第２の判定値が正の値となる場合に、前記蒸発器による冷却負荷が増加していると判定することを特徴とする冷却装置。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の冷却装置において、
前記圧縮器の出力割合値、前記膨張弁の開度値及び前記圧力調整弁の開度値は、偏差の比例成分、偏差の積分成分及び偏差の微分成分の各成分に成分毎の係数を各々乗算し、成分毎の係数を乗算した各成分の値を積算することで求められることを特徴とする冷却装置。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の冷却装置において、
前記冷凍サイクルは、前記循環路の他に、前記圧縮器と前記凝縮器との間の配管から分岐し、前記凝縮器と前記圧縮器との間の配管に合流されるバイパス路を有し、
前記バイパス路に配置されたバイパス弁と、
前記圧縮器に吸い込まれる前記冷却媒体の圧力値に基づいた前記バイパス弁の開度値を比例帯にとって求め、求めたバイパス弁の開度値を比例項にして前記バイパス弁の開度値をＰＩＤ制御する第４の制御手段と、
を有し、
前記補正制御手段は、前記判定部により前記蒸発器による冷却負荷が増加していると判定された場合に、前記第２時刻の蒸発器による冷却負荷の第１時刻における蒸発器による冷却負荷に対する倍数に基づいて、前記バイパス弁の開度値をフィードフォワードにて補正し、補正した開度値を各々用いて、前記バイパス弁を制御し、再度、開度値出力をＰＩＤ制御に戻す補正制御することを特徴とする冷却装置。

【請求項6】

請求項５に記載の冷却装置において、
前記バイパス弁の開度値は、偏差の比例成分、偏差の積分成分及び偏差の微分成分の各成分に成分毎の係数を各々乗算し、成分毎の係数を乗算した各成分の値を積算することで求められることを特徴とする冷却装置。

【請求項7】

請求項５又は請求項６に記載の冷却装置において、
前記第１の制御手段において前記圧縮器に吸い込まれる前記冷却媒体の圧力値に基づいた前記圧縮器の出力割合値の比例帯と、前記第４の制御手段において前記圧縮器に吸い込まれる前記冷却媒体の圧力値に基づいた前記バイパス弁の開度値の比例帯とは、制御特性の傾きが逆で、前記圧縮器に吸い込まれる前記冷却媒体の圧力値において重ならないことを特徴とする冷却装置。

【請求項8】

請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の冷却装置において、
補正した前記制御値は、前記第１時刻における前記蒸発器を通過する空気の風量及び空気の温度の乗算値に対する、前記第２時刻における前記蒸発器を通過する空気の風量及び空気の温度の乗算値の比率を用いて算出されることを特徴とする冷却装置。

【請求項9】

圧縮器、凝縮器、膨張弁、蒸発器及び圧力調整弁を配管を用いて順次接続した循環路を有する冷凍サイクルを構成し、前記蒸発器における冷却媒体との間の熱交換により冷却された空気を対象空間へと送り出す冷却装置の制御方法において、
前記圧縮器に吸い込まれる前記冷却媒体の圧力値に基づいた前記圧縮器の出力割合値を比例帯にとって求め、求めた前記圧縮器の出力割合値を比例項にして前記圧縮器の出力割合値をＰＩＤ制御する第１の制御工程と、
前記蒸発器の入口側における前記冷却媒体の温度と前記蒸発器の出口側における前記冷却媒体の温度により求まる過熱度に基づいた前記膨張弁の開度値を比例帯にとって求め、求めた前記膨張弁の開度値を比例項にして前記膨張弁の開度値をＰＩＤ制御する第２の制御工程と、
送風機により搬送される空気の蒸発器の出口側における送風温度値に基づいた前記圧力調整弁の開度値を比例帯にとって求め、求めた前記圧力調整弁の開度値を比例項にして前記圧力調整弁の開度値をＰＩＤ制御する第３の制御工程と、
前記送風機により搬送される空気の蒸発器入口空気温度と蒸発器出口空気温度と蒸発器出口空気設定温度それぞれの出力値を出力できる空気温度出力工程と、
第１時刻における前記空気温度出力工程の出力値に基づき演算した前記蒸発器による冷却負荷に対して、前記第１時刻から一定時間経過した第２時刻における前記蒸発器による冷却負荷が増加しているか否かを判定する判定工程と、
前記判定工程により前記蒸発器による冷却負荷が増加していると判定された場合に、第２時刻の蒸発器による冷却負荷の第１時刻における蒸発器による冷却負荷に対する倍数に基づいて、前記圧縮器の出力割合値、前記膨張弁の開度値及び前記圧力調整弁の開度値をフィードフォワードにて各々補正し、補正した制御値を各々用いて、前記圧縮器、前記膨張弁及び前記圧力調整弁を制御し、再度出力割合値や各々の開度値出力をＰＩＤ制御に戻す補正制御を行う補正制御工程と、
を有することを特徴とする冷却装置の制御方法。

【請求項10】

請求項９に記載の冷却装置の制御方法において、
前記判定工程は、前記蒸発器の上流側における前記空気の温度変化と、前記蒸発器の下流側における前記空気の温度変化とを乗算することで第１の判定値を求め、求めた第１の判定値が正の値となる場合に、前記蒸発器による冷却負荷が増加していると判定することを特徴とする冷却装置の制御方法。

【請求項11】

請求項１０に記載の冷却装置の制御方法において、
前記判定工程は、前記蒸発器の上流側における前記空気の温度変化と、前記対象空間に送り出される空気の温度と設定温度とを乗算することで第２の判定値を求め、求めた第２の判定値が正の値となる場合に、前記蒸発器による冷却負荷が増加していると判定することを特徴とする冷却装置の制御方法。

【請求項12】

請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載の冷却装置の制御方法において、
前記圧縮器の出力割合値、前記膨張弁の開度値及び前記圧力調整弁の開度値は、偏差の比例成分、偏差の積分成分及び偏差の微分成分の各成分に成分毎の係数を各々乗算し、成分毎の係数を乗算した各成分の値を積算することで求められることを特徴とする冷却装置の制御方法。

【請求項13】

請求項９から請求項１２のいずれか１項に記載の冷却装置の制御方法において、
前記冷凍サイクルは、前記循環路の他に、前記圧縮器と前記凝縮器との間の配管から分岐し、前記凝縮器と前記圧縮器との間の配管に合流されるバイパス路と、前記バイパス路に配置されたバイパス弁とを有して構成され、
前記圧縮器に吸い込まれる前記冷却媒体の圧力値に基づいた前記バイパス弁の開度値を比例帯にとって求め、求めたバイパス弁の開度値を比例項にして前記バイパス弁の開度値をＰＩＤ制御する第４の制御工程をさらに有し、
前記判定工程により前記蒸発器による冷却負荷が増加していると判定された場合に、前記第２時刻の蒸発器による冷却負荷の第１時刻における蒸発器による冷却負荷に対する倍数に基づいて、前記バイパス弁の開度値をフィードフォワードにて補正し、補正した開度値を各々用いて、前記バイパス弁を制御し、再度、開度値出力をＰＩＤ制御に戻す補正制御することを特徴とする冷却装置の制御方法。

【請求項14】

請求項１３に記載の冷却装置の制御方法において、
前記バイパス弁の開度値は、偏差の比例成分、偏差の積分成分及び偏差の微分成分の各成分に成分毎の係数を各々乗算し、成分毎の係数を乗算した各成分の値を積算することで求められることを特徴とする冷却装置の制御方法。

【請求項15】

請求項１３又は請求項１４に記載の冷却装置の制御方法において、
前記第１の制御工程において前記圧縮器に吸い込まれる前記冷却媒体の圧力値に基づいた前記圧縮器の出力割合値の比例帯と、前記第４の制御工程において前記圧縮器に吸い込まれる前記冷却媒体の圧力値に基づいた前記バイパス弁の開度値の比例帯とは、制御特性の傾きが逆で、前記圧縮器に吸い込まれる前記冷却媒体の圧力値において重ならないことを特徴とする冷却装置の制御方法。

【請求項16】

請求項９から請求項１５のいずれか１項に記載の冷却装置の制御方法において、
補正した前記制御値は、前記第１時刻における前記蒸発器を通過する空気の風量及び空気の温度の乗算値に対する、前記第２時刻における前記蒸発器を通過する空気の風量及び
空気の温度の乗算値の比率を用いて算出されることを特徴とする冷却装置の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、負荷変動が大きい環境試験室や部品試験室等の試験設備に設置され、冷媒を循環させながら対象空間内の空気と相変化冷媒との熱交換を行う直接膨張冷却方式の冷凍サイクルを行う冷却装置及びその制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

冷却装置における冷却方式として、圧縮器、凝縮器、膨張弁及び蒸発器等を配管で接続した冷凍サイクル内で循環される一次冷却媒体と、該冷凍サイクルとは異なる循環路で循環される二次冷却媒体との間の熱交換を蒸発器にて行い、蒸発器における熱交換により冷却される二次冷却媒体を用いて、二次冷却媒体と空気の熱交換器を内蔵する冷却装置が設置される対象空間内部である設備内の空気を冷却する間接膨張冷却方式（以下、間膨式と称する）が挙げられる（例えば特許文献１参照）。また、この他に、圧縮器、凝縮器、膨張装置、蒸発器及び圧力調整弁等を配管で接続した冷凍サイクル内で循環される冷却媒体（以下、冷媒と称する場合もある）と、冷却装置が設置される対象空間内部である設備内の空気との間の熱交換を蒸発器により行い、該設備内の空気を冷却する直接膨張冷却方式（以下、直膨式と称する）も挙げられる（例えば、特許文献２参照）。直膨式の冷却装置における冷凍サイクルでは、循環される冷却媒体に対して圧縮行程、凝縮（放熱）行程、膨張行程及び蒸発（吸熱）行程というサイクルを行うもので、冷媒は、これら行程によるサイクルによって、気体及び液体の間の相変化を繰り返す。なお、直膨式の冷却装置では、凝縮器における冷媒の凝縮時に発生する熱を対象空間外部の空気に排熱（放熱）する一方で、蒸発器における冷媒の吸熱により設備内の空気を冷却する。したがって、直膨式の冷却装置は、一次冷媒との間で熱交換を行った二次冷媒を用いて空気を冷却する間膨式の冷却装置に比べて、構成が簡易で且つエネルギー効率が高いとされている。また、二次冷却冷媒として氷点下での低温度の場で循環する場合はブラインにするが、適当な温度で腐食性のないブラインの選定に苦労することがあるところ、直膨式の場合は冷媒が固相にならないのでこの心配がない。

【0003】

ところで、冷却装置を制御する方法としては、例えば特許文献２に開示されているように、蒸発器と圧縮器との間の流路に電子膨張弁を設け、蒸発器に入力される冷媒の温度及び蒸発器から送り出される冷媒の温度から算出される過熱度が目標値になるように電子膨張弁の開度をフィードバック（Ｆｅｅｄ Ｂａｃｋ）制御（以下、ＦＢ制御と称する）することが一般である。また、この他に、冷媒の蒸発温度と蒸発器出口の冷媒温度との温度差を第１の温度差として求めた後、該第１の温度差と凝縮温度との差を第２の温度差として求め、求めた第２の温度差に対応した電気信号に第１の比例定数の乗算した第１の電気信号、該電気信号を時間について積分した値に第２の比例定数を乗算した第２の電気信号、及び該電気信号を時間について微分した値に第３の比例定数を乗算した第３の電気信号を求め、これらの和に応じて膨張弁をＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御するフィードバック制御も考案されている（例えば特許文献３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開平１－１７９８６６号公報

【文献】特開２０１４－１１９１３８号公報

【文献】特公平６－６３６６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

例えば電子膨張弁の制御をＦＢ制御にて実行する場合、負荷の変動が小さい場合はよいが負荷の変動が大きい場合には、電子膨張弁の開度に伴う過熱度は目標値に対してハンチングし、時間経過とともに目標値に収束していく。したがって、電子膨張弁の開度をＦＢ制御する場合に負荷入力が大きく変動すると、過熱度が安定するまでに時間が掛かり、恒温室など、温度精度を要求する設備には適していない。また、電子膨張弁のフィードバック制御をＰＩＤ制御にて実行する場合、積分時間を短く設定する、又は微分時間を長く設定してしまうと負荷変動に対して敏感でオフセット補正などを過剰に制御してしまうため、負荷変動が小さくても上記ＦＢ制御と同様にハンチングが生じるため、過熱度が安定しなくなる。また、特許文献３においては、冷媒の蒸発温度と凝縮温度との温度差によって第１から第３の比例定数の各々を変更するようにしているが、冷却装置の負荷が急変するような場合には蒸発温度と凝縮温度との温度差は当然大きく変動し、大きなオーバーシュートやオフセットが生じることになる。したがって、この比例項（Ｐ）や積分項（Ｉ）や微分項（Ｄ）を各々工夫したＰＩＤ制御のＦＢ制御であっても、過熱度が安定するまでに時間が掛かることから、恒温室など、温度精度を要求する設備には適していない。

【0006】

本発明は、冷却負荷が急変するような場合であっても、温度精度を要求する設備において安定して冷却することができる技術を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上述した課題を解決するために、本発明の冷却装置は、圧縮器、凝縮器、膨張弁、蒸発器及び圧力調整弁を配管を用いて順次接続した循環路を有する冷凍サイクルを構成し、前記蒸発器における冷却媒体との間の熱交換により冷却された空気を対象空間へと送風機で送り出す冷却装置において、前記圧縮器に吸い込まれる前記冷却媒体の圧力値に基づいた前記圧縮器の出力割合値を比例帯にとって求め、求めた前記圧縮器の出力割合値を比例項にして前記圧縮器の出力割合値をＰＩＤ制御する第１の制御手段と、前記蒸発器の入口側における前記冷却媒体の温度と前記蒸発器の出口側における前記冷却媒体の温度により求まる過熱度に基づいた前記膨張弁の開度値を比例帯にとって求め、求めた前記膨張弁の開度値を比例項にして前記膨張弁の開度値をＰＩＤ制御する第２の制御手段と、前記送風機により搬送される空気の蒸発器の出口側における送風温度値に基づいた前記圧力調整弁の開度値を比例帯にとって求め、求めた前記圧力調整弁の開度値を比例項にして前記圧力調整弁の開度値をＰＩＤ制御する第３の制御手段と、送風機により搬送される空気の蒸発器入口空気温度と蒸発器出口空気温度と蒸発器出口空気設定温度それぞれの出力値を出力できる空気温度出力手段と、第１時刻における前記空気温度出力手段からの出力値に基づき演算した前記蒸発器による冷却負荷に対して、前記第１時刻から一定時間経過した第２時刻における前記蒸発器による冷却負荷が増加しているか否かを判定する判定部と、前記判定部により前記蒸発器による冷却負荷が増加していると判定された場合に、第２時刻の蒸発器による冷却負荷の第１時刻における蒸発器による冷却負荷に対する倍数に基づいて、前記圧縮器の出力割合値、前記膨張弁の開度値及び前記圧力調整弁の開度値をフィードフォワードにて各々補正し、補正した制御値を各々用いて、前記圧縮器、前記膨張弁及び前記圧力調整弁を制御し、再度、出力割合値や各々の開度値出力をＰＩＤ制御に戻す補正制御を行う補正制御手段と、を有することを特徴とする。

【0008】

また、前記判定部は、前記蒸発器の上流側における前記空気の温度変化と、前記蒸発器の下流側における前記空気の温度変化とを乗算することで第１の判定値を求め、求めた第１の判定値が正の値となる場合に、前記蒸発器による冷却負荷が増加していると判定し、前記補正制御手段は、前記判定部により前記蒸発器による冷却負荷が増加していると判定することを特徴とする。

【0009】

また、前記判定部は、前記蒸発器の上流側における前記空気の温度変化と、前記対象空間に送り出される空気の温度と設定温度とを乗算することで第２の判定値を求め、求めた第２の判定値が正の値となる場合に、前記蒸発器による冷却負荷が増加していると判定することを特徴とする。

【0010】

また、前記圧縮器の出力割合値、前記膨張弁の開度値及び前記圧力調整弁の開度値は、偏差の比例成分、偏差の積分成分及び偏差の微分成分の各成分に成分毎の係数を各々乗算し、成分毎の係数を乗算した各成分の値を積算することで求められることを特徴とする。

【0011】

また、前記冷凍サイクルは、前記循環路の他に、前記圧縮器と前記凝縮器との間の配管から分岐し、前記凝縮器と前記圧縮器との間の配管に合流されるバイパス路を有し、前記バイパス路に配置されたバイパス弁と、前記圧縮器に吸い込まれる前記冷却媒体の圧力値に基づいた前記バイパス弁の開度値を比例帯にとって求め、求めたバイパス弁の開度値を比例項にして前記バイパス弁の開度値をＰＩＤ制御する第４の制御手段と、を有し、前記補正制御手段は、前記判定部により前記蒸発器による冷却負荷が増加していると判定された場合に、前記第２時刻の蒸発器による冷却負荷の第１時刻における蒸発器による冷却負荷に対する倍数に基づいて、前記バイパス弁の開度値をフィードフォワードにて補正し、補正した開度値を各々用いて、前記バイパス弁を制御し、再度、開度値出力をＰＩＤ制御に戻す補正制御することを特徴とする。

【0012】

また、前記バイパス弁の開度値は、偏差の比例成分、偏差の積分成分及び偏差の微分成分の各成分に成分毎の係数を各々乗算し、成分毎の係数を乗算した各成分の値を積算することで求められることが好ましい。

【0013】

また、前記第１の制御工程において前記圧縮器に吸い込まれる前記冷却媒体の圧力値に基づいた前記圧縮器の出力割合値の比例帯と、前記第４の制御工程において前記圧縮機に吸い込まれる前記冷却媒体の圧力値に基づいた前記バイパス弁の開度値の比例帯とは、制御特性の傾きが逆で、前記圧縮器に吸い込まれる前記冷却媒体の圧力値において重ならないことが好ましい。

【0014】

また、補正した前記制御値は、前記第１時刻における前記蒸発器を通過する空気の風量及び空気の温度の乗算値に対する、前記第２時刻における前記蒸発器を通過する空気の風量及び空気の温度の乗算値の比率を用いて算出されることを特徴とする。

【0015】

また、本発明の冷却装置の制御方法は、圧縮器、凝縮器、膨張弁、蒸発器及び圧力調整弁を配管を用いて順次接続した循環路を有する冷凍サイクルを構成し、前記蒸発器における冷却媒体との間の熱交換により冷却された空気を対象空間へと送り出す冷却装置の制御方法において、前記圧縮器に吸い込まれる前記冷却媒体の圧力値に基づいた前記圧縮器の出力割合値を比例帯にとって求め、求めた前記圧縮器の出力割合値を比例項にして前記圧縮器の出力割合値をＰＩＤ制御する第１の制御工程と、前記蒸発器の入口側における前記冷却媒体の温度と前記蒸発器の出口側における前記冷却媒体の温度により求まる過熱度に基づいた前記膨張弁の開度値を比例帯にとって求め、求めた前記膨張弁の開度値を比例項にして前記膨張弁の開度値をＰＩＤ制御する第２の制御工程と、送風機により搬送される空気の蒸発器の出口側における送風温度値に基づいた前記圧力調整弁の開度値を比例帯にとって求め、求めた前記圧力調整弁の開度値を比例項にして前記圧力調整弁の開度値をＰＩＤ制御する第３の制御工程と、前記送風機により搬送される空気の蒸発器入口空気温度と蒸発器出口空気温度と蒸発器出口空気設定温度それぞれの出力値を出力できる空気温度出力工程と、第１時刻における前記空気温度出力工程の出力値に基づき演算した前記蒸発器による冷却負荷に対して、前記第１時刻から一定時間経過した第２時刻における前記蒸発器による冷却負荷が増加しているか否かを判定する判定工程と、前記判定工程により前記蒸発器による冷却負荷が増加していると判定された場合に、第２時刻の蒸発器による冷却負荷の第１時刻における蒸発器による冷却負荷に対する倍数に基づいて、前記圧縮器の出力割合値、前記膨張弁の開度値及び前記圧力調整弁の開度値をフィードフォワードにて各々補正し、補正した制御値を各々用いて、前記圧縮器、前記膨張弁及び前記圧力調整弁を制御し、再度出力割合値や各々の開度値出力をＰＩＤ制御に戻す補正制御を行う補正制御工程と、を有することを特徴とする。

【0016】

また、前記判定工程は、前記蒸発器の上流側における前記空気の温度変化と、前記蒸発器の下流側における前記空気の温度変化とを乗算することで第１の判定値を求め、求めた第１の判定値が正の値となる場合に、前記蒸発器による冷却負荷が増加していると判定することを特徴とする。

【0017】

また、前記判定工程は、前記蒸発器の上流側における前記空気の温度変化と、前記対象空間に送り出される空気の温度と設定温度とを乗算することで第２の判定値を求め、求めた第２の判定値が正の値となる場合に、前記蒸発器による冷却負荷が増加していると判定することを特徴とする。

【0018】

また、前記圧縮器の出力割合値、前記膨張弁の開度値及び前記圧力調整弁の開度値は、偏差の比例成分、偏差の積分成分及び偏差の微分成分の各成分に成分毎の係数を各々乗算し、成分毎の係数を乗算した各成分の値を積算することで求められることを特徴とする。

【0019】

また、前記冷凍サイクルは、前記循環路の他に、前記圧縮器と前記凝縮器との間の配管から分岐し、前記凝縮器と前記圧縮器との間の配管に合流されるバイパス路と、前記バイパス路に配置されたバイパス弁とを有して構成され、前記圧縮器に吸い込まれる前記冷却媒体の圧力値に基づいた前記バイパス弁の開度値を比例帯にとって求め、求めたバイパス弁の開度値を比例項にして前記バイパス弁の開度値をＰＩＤ制御する第４の制御工程をさらに有し、前記判定工程により前記蒸発器による冷却負荷が増加していると判定された場合に、前記第２時刻の蒸発器による冷却負荷の第１時刻における蒸発器による冷却負荷に対する倍数に基づいて、前記バイパス弁の開度値をフィードフォワードにて補正し、補正した開度値を各々用いて、前記バイパス弁を制御し、再度、開度値出力をＰＩＤ制御に戻す補正制御することを特徴とする。

【0020】

また、前記バイパス弁の開度値は、偏差の比例成分、偏差の積分成分及び偏差の微分成分の各成分に成分毎の係数を各々乗算し、成分毎の係数を乗算した各成分の値を積算することで求められることを特徴とする。

【0021】

また、前記第１の制御工程において前記圧縮器に吸い込まれる前記冷却媒体の圧力値に基づいた前記圧縮器の出力割合値の比例帯と、前記第４の制御工程において前記圧縮器に吸い込まれる前記冷却媒体の圧力値に基づいた前記バイパス弁の開度値の比例帯とは、制御特性の傾きが逆で、前記圧縮器に吸い込まれる前記冷却媒体の圧力値において重ならないことが好ましい。

【0022】

また、補正した前記制御値は、前記第１時刻における前記蒸発器を通過する空気の風量及び空気の温度の乗算値に対する、前記第２時刻における前記蒸発器を通過する空気の風量及び空気の温度の乗算値の比率を用いて算出されることを特徴とする。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、冷却負荷が急変するような場合であっても、温度精度を要求する設備において安定して冷却することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】冷却装置の構成の一例を示す図である。

【図2】（ａ）バイパス弁が閉じているときの冷凍サイクルを示すＰ－Ｈ線図、（ｂ）バイパス弁が開いているときの冷凍サイクルを示すＰ－Ｈ線図である。

【図3】制御装置の構成の一例を示す機能ブロック図である。

【図4】（ａ）バイパス弁の開度及び圧縮器の回転数と、吸込圧力との関係を示すグラフ、（ｂ）過熱度と膨張弁の開度との関係を示すグラフ、（ｃ）送風温度と、圧力調整弁の開度との関係を示すグラフである。

【図5】補正値を求める際の関数ｆ（ｋ）をまとめた図である。

【図6】冷却装置を用いた冷却時の制御手順を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、本実施形態について、図面を用いて説明する。

【0026】

図１に示すように、本実施形態の冷却装置１０は、圧縮器１５、凝縮器１６、膨張弁１７、蒸発器１８、送風機１９、圧力調整弁２０及びバイパス弁２１を含む。冷却装置１０は、冷却媒体（冷媒）を循環させる循環路と、該循環路から分岐され、必要に応じて冷媒をバイパスさせるバイパス路とを有する。循環路は、圧縮器１５、凝縮器１６、膨張弁１７、蒸発器１８、送風機１９及び圧力調整弁２０と、これらの機器のうち、隣り合う機器を接続する冷媒配管２５，２６，２７，２８，２９，３０，３１とを含む。また、バイパス路は、圧縮器１５及び凝縮器１６を接続する冷媒配管２５から分岐され、バイパス弁２１の入力側に接続される冷媒配管３２と、バイパス弁２１の出力側に接続され、圧力調整弁２０及び圧縮器１５を接続する冷媒配管３１に合流される冷媒配管３３とを含む。つまり、本実施形態の冷却装置１０においては、圧縮器１５が有する駆動モータ（図示省略）の回転数が下限値以上に設定される場合には、上述した循環路にて冷媒が循環される。一方、圧縮器１５の回転数が下限値に設定される場合には、上述したバイパス弁２１が圧縮器１５の吸込圧力に基づいて開き、バイパス路に流れる。以下、圧縮器１５の回転数を、圧縮器１５の回転数と称する。

【0027】

したがって、本実施形態の冷却装置１０は、圧縮器１５、凝縮器１６、膨張弁１７、蒸発器１８、送風機１９、圧力調整弁２０を含む循環路内、又はバイパス路内に冷媒を循環させることで、冷却装置１０が設置される設備内の空気を冷却する冷凍サイクルを形成する。なお、符号３４は、蒸発器１８に送り込まれる空気の送込ダクト、符号３５は、蒸発器１８を通過した空気を設備内に送り出す送出ダクトである。

【0028】

本実施形態では、送風機１９を蒸発器１８の下流側に設置した場合を例に取り上げるが、送風機１９を蒸発器１８の上流側に設置することも可能である。

【0029】

圧縮器１５は、蒸発器１８からの冷媒を吸い込み、吸い込んだ冷媒を圧縮（断熱圧縮）する（圧縮行程）。

【0030】

凝縮器１６は、圧縮器１５からの冷媒が送り込まれる。凝縮器１６に送り込まれた冷媒は、外気との間の熱交換により放熱して、冷媒を凝縮（放熱）させる（凝縮行程）。

【0031】

膨張弁１７は、凝縮器１６から送り出された冷媒を絞り膨張させる。絞り膨張により、膨張弁１７に送り込まれた冷媒は減圧される（膨張行程）。

【0032】

蒸発器１８は、膨張弁１７からの冷媒が送り込まれる。蒸発器１８に送り込まれた冷媒は、送込ダクトを流れる空気との熱交換により、該空気の熱を吸熱して蒸発する（蒸発行程）。

【0033】

圧力調整弁２０は、蒸発器１８からの冷媒が送り込まれる。蒸発器１８からの冷媒は、圧力調整弁２０により減圧される（減圧行程）。

【0034】

バイパス弁２１は、圧縮器１５の駆動時において、圧縮器１５の回転数が下限値となる場合に開き、冷媒配管２５を流れる冷媒の一部を冷媒配管３１に流入させる。

【0035】

上述した冷媒配管のうち、冷媒配管２８は、温度センサ４１を有する。温度センサ４１は、蒸発器１８に送り込まれる直前の冷媒の温度を検出する。

【0036】

冷媒配管２９は、温度センサ４２、圧力センサ４３を有する。温度センサ４２は、蒸発器１８から送り出された直後の冷媒の温度を検出する。圧力センサ４３は、蒸発器１８から送り出された直後の冷媒の圧力を検出する。

【0037】

冷媒配管３０は、温度センサ４４を有する。温度センサ４４は、圧力調整弁２０から送り出された後の冷媒の温度を検出する。

【0038】

冷媒配管３１は、温度センサ４５、圧力センサ４６を有する。温度センサ４５は、圧縮器１５に吸い込まれる直前の冷媒の温度を検出する。圧力センサ４６は、圧縮器１５に吸い込まれる直前の冷媒の圧力を検出する。

【0039】

冷媒配管３３は、温度センサ４７を有する。温度センサ４７は、バイパス弁２０から送り出された後の冷媒の温度を検出する。

【0040】

また、送込ダクト３４は、温度センサ４８を有する。温度センサ４８は、蒸発器１８に送り込まれる前の空気の温度を検出する。また、送出ダクト３５は、温度センサ４９を有する。温度センサ４９は、送風機１９に送り出される空気の温度を検出する。なお、符号５０は、蒸発器１６から送り出された直後の空気の温度を検出する温度センサである。

【0041】

上述した温度センサ及び圧力センサからの検出信号は、制御装置５１に出力される。

【0042】

制御装置５１は、冷却装置１０の駆動時に、上述した圧縮器１５の駆動制御、膨張弁１７、圧力調整弁２０及びバイパス弁２１の各制御弁の駆動制御の他、送風機１９の駆動制御を行う。なお、制御装置５１における圧縮器１５及び各制御弁の駆動制御については後述する。

【0043】

上述したように、本実施形態の冷却装置１０において、例えばバイパス弁２１が閉じている場合、冷媒は循環路内を循環する冷凍サイクルとなる。図２（ａ）は、バイパス弁２１が閉じている場合の（圧力Ｐ－比エンタルピーｈの）Ｐ－Ｈ線図である。なお、Ｐ－Ｈ線図における各符号は、図１に示す冷媒配管を示す。図２（ａ）に示すように、圧縮器１５による圧縮行程（図２（ａ）中記号Ａ）において、冷媒は加圧されて過熱蒸気となる。次に、凝縮器１６による凝縮行程（図２（ａ）中記号Ｂ）において、冷媒は放熱されて過冷却液となる。そして、膨張弁１７による膨張行程（図２（ａ）中記号Ｃ）において、冷媒は減圧されて湿り飽和蒸気（液体と気体が混合した状態）となる。そして、蒸発器１８による蒸発行程（図２（ａ）中記号Ｄ）により、冷却媒体は吸熱し過熱蒸気となる。最後に、圧力膨張弁１７による減圧行程（図２（ａ）中記号Ｅ）において冷媒は減圧される。

【0044】

一方、バイパス弁２１が開いている場合、圧縮器１５から送り出された冷媒は、凝縮器１６に向けて流れる冷媒の一部が、バイパス路に送り込まれる。したがって、冷媒は循環路だけでなく、バイパス路を循環する冷凍サイクルとなる。図２（ｂ）は、バイパス弁２１が開いている場合のＰ－Ｈ線図である。この冷凍サイクルでは、凝縮行程、膨張行程、蒸発行程及び減圧行程は、バイパス弁２１が開いている場合と同一である。バイパス弁２１が開いている場合、圧力調整弁２０から送り出された冷媒は、バイパス弁２１から送り出された冷媒（バイパス路を介して流れる冷媒）と合流する点でバイパス弁２１が閉じている場合と相違する。例えば、圧縮器１５の回転数が下限値で固定されている場合、バイパス弁２１から送り出された冷媒は、高温・低圧の過熱蒸気である（図２（ｂ）中符号３３）。一方、圧力膨張弁１７により減圧された冷媒は、低温・低圧の過熱蒸気である（図２（ｂ）中符号３０）。このとき、バイパス弁２１から送り出された冷媒の圧力と、圧力調整弁２０により減圧された冷媒の圧力は同一値である。したがって、圧力調整弁２０により減圧された冷媒にバイパス弁２１から送り出された冷媒が合流されることで、合流後の冷媒の温度は低下する（図２（ｂ）中符号３１）。なお、冷媒の温度は、例えばバイパス弁２１から送り出された冷媒の質量流量と、圧力調整弁２０により減圧された冷媒の質量流量とに基づいて求められる。

【0045】

上述した冷却装置１０における、蒸発器の空気側熱負荷が急変する、つまり負荷変動の大きな場合のフィードフォワード制御の基本原理について説明する。

【0046】

冷凍サイクルは、過熱度又は圧縮器１５における吸込圧力を一定となるように制御することが一般的である。冷却装置１０を駆動したときの冷却負荷は、冷媒の質量流量に比例する。例えば冷却負荷をＷ（ｋＷ）、循環路における冷媒の質量流量をＱ_ｍ（ｋｇ／ｓｅｃ）とした場合、（１）式で表される。

【0047】

Ｗ ∝ Ｑ_ｍ ・・・（１）

【0048】

したがって、一定時間Δｔ（ｓｅｃ）経過した時間ｔ（ｓｅｃ）における冷却負荷Ｗが一定時間Δｔ経過する前の冷却負荷のα倍となるとき、過熱度や圧縮器１５における吸込圧力を変動させていなければ、蒸発器１８における冷媒の質量流量は、以下の式（２）に示すように、α倍となる。

【0049】

Ｑ_ｍ（ｔ）＝α・Ｑ_{ｍ（ｔ－Δｔ）} ・・・（２）

【0050】

ここで、αは以下の式（３）にて求めることができる。なお、式（３）における記号Ｖは蒸発器１８を通過する風量（単位：ｍ^３／ｓｅｃ）、記号Ｔは温度（単位：℃）である。また、記号ΔＴは、蒸発器１８の前後の空気の温度差（単位：℃）である。

【0051】

【数1】

【0052】

なお、蒸発器１８を通過する風量が一定であれば、上記式（３）における風量Ｖは、考慮する必要はない。

【0053】

例えばバイパス弁２１が閉じ、圧縮器１５の回転数を制御している場合を考慮する。この場合、圧縮器１５、膨張弁１７、圧力調整弁２０を通過する冷媒の質量流量は、蒸発器１８を通過する冷媒の質量流量と同一である。したがって、圧縮器１５、膨張弁１７、圧力調整弁２０における冷媒の質量流量は以下の式（４－１）、式（４－２）及び式（４－３）となる。以下、圧縮器１５、膨張弁１７、圧力調整弁２０に対する記号をｃｏ、ｅｘ、ｅｐとする。

【0054】

Ｑ_{ｃｏ（ｔ）}＝α・Ｑ_{ｃｏ（ｔ－Δｔ）} ・・・（４－１）
Ｑ_{ｅｘ（ｔ）}＝α・Ｑ_{ｅｘ（ｔ－Δｔ）} ・・・（４－２）
Ｑ_{ｅｐ（ｔ）}＝α・Ｑ_{ｅｐ（ｔ－Δｔ）} ・・・（４－３）

【0055】

一方、バイパス弁２１の開度制御と、圧縮器１５の回転数とを制御している場合を考慮する。この場合、膨張弁１７、圧力調整弁２０を通過する冷媒の質量流量は、蒸発器１８を流れる冷媒の質量流量と同一である。また、バイパス弁２１を通過する冷媒の質量流量は、圧縮器１５を流れる冷媒の質量流量と、蒸発器１８を流れる冷媒の質量流量との差となる。したがって、膨張弁１７、圧力調整弁２０及びバイパス弁２１における冷媒の質量流量Ｑ_{ｅｘ（ｔ）}、Ｑ_{ｅｐ（ｔ）}、Ｑ_ｂ（ｔ）は以下の式（５－１）、式（５－２）及び式（５－３）となる。ここで、バイパス弁２１における冷媒の質量流量は、バイパス路における冷媒の質量流量と同一である。したがって、バイパス弁２１における冷媒の質量流量をＱ_ｂ（ｔ）としている。

【0056】

Ｑ_{ｅｘ（ｔ）}＝α・Ｑ_{ｅｘ（ｔ－Δｔ）} ・・・（５－１）
Ｑ_{ｅｐ（ｔ）}＝α・Ｑ_{ｅｐ（ｔ－Δｔ）} ・・・（５－２）
Ｑ_ｂ（ｔ）＝｛γ・（１－α）＋１｝・Ｑ_{ｂ（ｔ－Δｔ）} ・・・（５－３）

【0057】

ここで、記号γは、蒸発器１８を流れる冷媒の質量流量と、バイパス弁２１を流れる冷媒の質量流量との比率である。

【0058】

例えば比率γは、以下に求められる。

【0059】

例えば圧縮器１５の回転数が下限値で駆動している場合を考慮する。このとき、圧縮器１５における冷媒の質量流量が一定であると仮定すると、以下の式（６）、式（７）で表される。なお、冷媒の質量流量Ｑ_ｂは、バイパス路を流れる冷媒の質量流量である。

【0060】

Ｑ_ｃｏ＝Ｑ_{ｍ（ｔ―Δｔ）}＋Ｑ_{ｂ（ｔ－Δｔ）} ・・・（６）
Ｑ_ｃｏ＝Ｑ_ｍ（ｔ）＋Ｑ_ｂ（ｔ） ・・・（７）

【0061】

したがって、式（６）及び式（７）から以下の式（８）が得られる。

【0062】

Ｑ_ｂ（ｔ）＝Ｑ_{ｍ（ｔ―Δｔ）}－Ｑ_ｍ（ｔ）＋Ｑ_{ｂ（ｔ－Δｔ）} ・・・（８）
式（８）において、バイパス弁２１を流れる冷媒の質量流量の比率を求める式に変換することで、以下の式（９）が得られる。

【0063】

【数2】

【0064】

ここで、式（９）における係数α及び係数γは、以下の式（１０）で表される。

【0065】

【数3】

【0066】

したがって、バイパス弁２１における冷媒の質量流量Ｑ_ｂ（ｔ）は、式（９）を用いることで、上述した式（５－３）として求められる。

【0067】

ところで、上述した係数γは、蒸発器１８における冷媒の質量流量と、バイパス弁２１における冷媒の質量流量との比率である。比率γは比エンタルピーｈ（Ｊ／ｋｇ）の比率でも表すことができる。さらに、過熱度の変化が大きくない場合、比エンタルピーｈと温度Ｔとは比例関係にある。したがって、係数γは、以下の式（１１）に示すように、近似的に温度の比率でも表すことができる。ここで、エンタルピーｈ_３０，ｈ_３１，ｈ_３３は、冷媒配管３０，３１，３３の内部におけるエンタルピーである。また、温度Ｔ_３０，Ｔ_３１，Ｔ_３３は、冷媒配管３０，３１，３３の内部における温度を示す。

【0068】

【数4】

【0069】

ここで、圧縮器１５において、吸込圧力が一定であるとき、式（１２）に示すように、駆動モータの回転数Ｒ（ｒｐｍ）と冷媒の質量流量は比例する。

【0070】

Ｒ ∝ Ｑ_ｃｏ ・・・（１２）

【0071】

また、各制御弁において、前後の圧力が同一であれば、制御弁のＣｖ値は、以下の式（１３－１）、式（１３－２）及び式（１３－３）に示すように、質量流量と比例する。

【0072】

Ｃｖ_ｅｘ ∝ Ｑ_ｅｘ ・・・（１３－１）
Ｃｖ_ｅｐ ∝ Ｑ_ｅｐ ・・・（１３－２）
Ｃｖ_ｂｖ ∝ Ｑ_ｂｖ ・・・（１３－３）

【0073】

したがって、蒸発器１８における冷媒の質量流量がα倍となる場合、以下の式（１４－１）、式（１４－２）及び式（１４－３）が成立する。なお、以下の式において、圧縮器１５の回転数（詳細には、圧縮器が有する駆動モータの回転数）を記号Ｒとしている。

【0074】

Ｒ_（ｔ）＝α・Ｒ_{（ｔ－Δｔ）} ・・・（１４－１）
Ｃｖ_{ｅｘ（ｔ）}＝α・Ｃｖ_{ｅｘ（ｔ－Δｔ）} ・・・（１４－２）
Ｃｖ_{ｅｐ（ｔ）}＝α・Ｃｖ_{ｅｐ（ｔ－Δｔ）} ・・・（１４－３）
Ｃｖ_{ｂｖ（ｔ）}＝｛γ・（１－α）＋１｝・Ｃｖ_{ｂｖ（ｔ－Δｔ）}・・・（１４－４）

【0075】

なお、式（１４－１）は、バイパス弁２１が閉じている場合に成立する。また、式（１４－４）は、圧縮器１５の回転数が下限値である場合に成立する。

【0076】

ここで、冷却装置１０に用いられる膨張弁１７、圧力調整弁２０及びバイパス弁２１等の制御弁について考慮する。制御弁としては、リニア特性の制御弁の他、イコールパーセント特性の制御弁が挙げられる。

【0077】

例えば、制御弁がリニア特性の制御弁の場合、制御弁の開度とＣｖ値との関係は、以下の式（１５）で表される。

【0078】

【数5】

【0079】

上述した式（１５）における記号Ｃｖ_Ｈは、制御弁の定格値に対するＣＶの値を示す。また、記号φ_Ｈは、制御弁の定格値に対する制御弁の開度、記号φ_Ｌは、制御弁の締切値に対する制御弁の開度である。

【0080】

また、制御弁がイコールパーセント特性の制御弁の場合、制御弁の開度とＣｖ値との関係は、以下の式（１６）で表される。

【0081】

【数6】

【0082】

上述した式（１６）における記号Ｒａは、制御弁のレンジアビリティである。

【0083】

膨張弁１７、圧力調整弁２０及びバイパス弁２１がリニア特性の制御弁となる場合、各制御弁の開度は、以下の式（１７－１）、式（１７－２）及び式（１７－３）で表される。

【0084】

【数7】

【0085】

一方、膨張弁１７、圧力調整弁２０及びバイパス弁２１がイコールパーセント特性の制御弁となる場合、各制御弁の開度は、以下の式（１８－１）、式（１８－２）及び式（１８－３）で表される。

【0086】

【数8】

【0087】

したがって、各制御弁の開度は、制御弁が有する特性に基づいて、上述した式（１７）又は式（１８）のいずれか一方により求めることが可能となる。

【0088】

このように、蒸発器１８における冷却負荷Ｗについて、一定時間Δｔ（ｓｅｃ）経過した時間ｔ（ｓｅｃ）における冷却負荷Ｗが一定時間Δｔ経過する前の冷却負荷のα倍となるとき、短時間で変化すると上記の各仮定が生きてきて、膨張弁１７や圧力調整弁２０やバイパス弁２１という制御弁のＣｖ値の関係式で、もっと進めると制御弁の特性から導ける膨張弁１７や圧力調整弁２０やバイパス弁２１の開度を冷却負荷のα倍の倍数から導けるので、その開度をフィードフォワード制御に利用すると、ＦＢ制御より早く近い制御点へ持っていけることがわかる。

【0089】

そして、膨張弁１７や圧力調整弁２０やバイパス弁２１の開度を冷却負荷のα倍の倍数から導くだけでなく、圧縮機１５も、蒸発器１８における冷却負荷Ｗについて一定時間Δｔ（ｓｅｃ）経過した時間ｔ（ｓｅｃ）における冷却負荷Ｗが一定時間Δｔ経過する前の冷却負荷のα倍となるときに、質量流量を式（４－１）の関係から導き、その流量をフィードフォワード制御することが好ましい。

【0090】

図３に示すように、制御装置５１は、ＣＰＵ５５、ＲＯＭ５６及びＲＡＭ５７を含む。ＣＰＵ５５は、ＲＯＭ５６に記憶された制御プログラム５８を実行することで、第１制御部６１、第２制御部６２、第３制御部６３、第４制御部６４、第５制御部６５及び判定部６６の機能を有する。

【0091】

第１制御部６１は、圧縮器１５の回転数をＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御により駆動制御する。なお、ＰＩＤ制御については後述する。第１制御部６１は、圧力センサ４６の出力信号から得られる圧力値（吸込圧力）Ｐ_ｃｏと目標圧力値Ｐ_０との偏差を用いた演算を行い、得られる圧力値としての入力値を回転数としての入力値に変換する。つまり、圧縮器１５に吸い込まれる冷却媒体の圧力値Ｐ_ｃｏに基づいた圧縮器１５の出力割合値（％）を比例帯にとって求め、求めた圧縮器の出力割合値（％）を比例項にして圧縮器の出力割合値（％）をＰＩＤ制御するのである。図４（ａ）に示すように、例えば、第１制御部６１は、圧力センサ４６の出力信号から得られる圧力値Ｐ_ｃｏが所定の圧力値Ｐ１未満であれば、回転数は下限値Ｒ_Ｌが入力値となる。また、圧縮器１５への吸込圧力値が所定の圧力値Ｐ１以上であれば、圧力値Ｐ_ｃｏと圧縮器１５の回転数とは一次関数で表すことができ、圧縮器１５への吸込圧力値が大きくなると、圧縮器１５の回転数は高くなる。

【0092】

第２制御部６２は、膨張弁１７の開度をＰＩＤ制御により駆動制御する。第２制御部６２は、温度センサ４１の出力信号から得られる温度Ｔ_ｉｎ及び温度センサ４２の出力信号から得られる温度Ｔ_ｅｖ、との差分から過熱度ＳＨ_ｅｘを求める。そして、求めた過熱度ＳＨ_ｅｘと目標となる過熱度ＳＨ_０との偏差を用いた演算を行って、膨張弁１７の開度を求める。つまり、蒸発器１８の入口側における冷却媒体の温度センサ４１の温度値Ｔ_ｉｎと蒸発器１８の出口側における冷却媒体の温度センサ４２の温度値Ｔ_ｅｖとにより求まる過熱度ＳＨ_ｅｘに基づいた膨張弁１７の開度値を比例帯にとって求め、求めた膨張弁１７の開度値を比例項にして膨張弁１７の開度値をＰＩＤ制御するのである。なお、図４（ｂ）に示すように、膨張弁１７の開度と過熱度ＳＨ_ｅｘは比例帯にとれる一次関数で表すことができ、膨張弁１７の開度が大きくなると、過熱度ＳＨ_ｅｘも大きくなる。なお、図４（ｂ）に示すように、膨張弁１７の開度と過熱度ＳＨ_ｅｘは一次関数で表すことができ、膨張弁の開度が大きくなると、過熱度ＳＨ_ｅｘも大きくなる。

【0093】

第３制御部６３は、圧力調整弁２０の開度をＰＩＤ制御により駆動制御する。第３制御部６３は、温度センサ４９の出力信号から得られる温度Ｔ_ｓａと設定温度Ｔ_０との偏差を用いた演算を行い、得られた入力値（温度）を圧力値に変換する。そして、第３制御部６３は、変換により得られた圧力値と、圧力センサ４３の出力信号から得られる圧力Ｐ_ｅｐとの偏差を用いた演算を行って、圧力調整弁２０の開度を求める。つまり、送風機１９により搬送される空気の蒸発器１８の出口側における送風温度センサ４９の送風温度Ｔ_ｓａに基づいた圧力調整弁２０の開度値を比例帯にとって求め、求めた圧力調整弁２０の開度値を比例項にして圧力調整弁２０の開度値をＰＩＤ制御するのである。なお、図４（ｃ）に示すように、圧力調整弁２０の開度と送風温度Ｔ_ｓａは比例帯にとれる比例関係にあり、圧力調整弁２０の開度が大きくなると、送風温度Ｔ_ｓａも高くなる。

【0094】

第４制御部６４は、バイパス弁２１の開度をＰＩＤ制御により駆動制御する。第４制御部６４は、圧力センサ４６の出力信号から得られる圧力値（吸込圧力）Ｐ_ｃｏと目標圧力値Ｐ_０との偏差を用いた演算を行い、得られる圧力値としての入力値をバイパス弁２１の開度値としての入力値に変換し求める。そして、第４制御部６４は、算出した差分と、目標となる差分との偏差を用いた演算を行って、バイパス弁２１の開度を求める。つまり、圧力センサ４６の出力信号から得られる圧縮機１５に吸い込まれる冷却媒体の圧力値Ｐ_ｃｏに基づいたバイパス弁２１の開度値を比例帯にとって求め、求めたバイパス弁２１の開度値を比例項にしてバイパス弁２１の開度値をＰＩＤ制御するのである。バイパス弁２１は、圧縮器１５における吸込圧力が所定の圧力値Ｐ１以下となる場合に開く。なお、吸込圧力Ｐ_ｃｏとバイパス弁の開度とは一次関数で表すことができ、吸込圧力Ｐ_ｃｏが大きくなるにしたがい、バイパス弁２１の開度が小さくなる。

【0095】

上述したように、第１制御部６１、第２制御部６２、第３制御部６３及び第４制御部６４は、圧縮器１５、膨張弁１７、圧力調整弁２０及びバイパス弁２１をＰＩＤ制御する。ＰＩＤ制御は、制御対象となる装置の出力値（検出値）と目標出力値との偏差の比例成分、該偏差の積分成分及び該偏差の微分成分に、各成分に対応付けられた係数を各々乗算した後、乗算した値を積算した値を入力値として対象となる装置を制御するものである。具体的には、ＰＩＤ制御では、以下の式（１９）が用いられる。なお、式（１９）におけるｅ（ｔ）は、制御対象となる装置の出力値（検出値）と目標出力値との偏差である。

【0096】

【数9】

【0097】

ここで、係数Ｋ_ｐ、係数Ｋ_ｉ及び係数Ｋ_ｄであり、これら係数は、冷却装置１０における冷却負荷が安定している条件下で制御が安定するように決定される。詳細には、これら係数は、冷却装置１０を実際に駆動させたときの制御結果から求められる。

【0098】

第５制御部６５は、後述する判定部６６の判定結果に基づいて機能する。第５制御部６５は、例えば、後述する判定部６６において、冷却負荷が大きいと判定された場合に、つまり、蒸発器１８における冷却負荷Ｗについて、一定時間Δｔ（ｓｅｃ）経過した時間ｔ（ｓｅｃ）における冷却負荷Ｗが一定時間Δｔ経過する前の冷却負荷のα倍となるときαの値が大きく、短時間で変化すると膨張弁１７や圧力調整弁２０やバイパス弁２１という制御弁のＣｖ値の関係式で、もっと進めると制御弁の特性から導ける膨張弁１７や圧力調整弁２０やバイパス弁２１の開度を冷却負荷のα倍の倍数から導けるので、その開度をフィードフォワード制御として補正入力値として直接操作器である圧縮器１５の回転数、膨張弁１７、圧力調整弁２０及びバイパス弁２１の各制御弁の開度の補正値を装置毎に入力する。

【0099】

ここで、補正制御が機能したときの補正入力値ｕ_{ＡＬＬ（ｔ）}は、ＰＩＤ制御で求められる入力値をｕ_{ＰＩＤ（ｔ）}、補正値をｕ_{ＦＦ（ｔ）}とした場合、以下の式（２０）にて求められる。

【0100】

【数10】

【0101】

また、補正値ｕ_{ＦＦ（ｔ）}を求める式は、以下の式（２１）である。

【0102】

【数11】

【0103】

図５に示すように、式（２１）におけるｆ（ｋ）は、補正値を求める制御弁の種類や、使用する制御弁の特性に合わせて選択される。

【0104】

判定部６６は、冷却装置１０における冷却負荷が大きいか否かの判定を行う。この判定は、一定時間（Δｔ）経過するたびに実行される。なお、Δｔは、例えば１～１０（ｓｅｃ）に設定される。

【0105】

判定部６６は、蒸発器１８の上流側の温度（温度センサ４８の検出信号から得られる温度）Ｔ_ｅｉの時間変化、蒸発器１８の下流側の温度（温度センサ５０の検出信号から得られる温度）Ｔ_ｅｏの時間変化から判定値Ｄ_{１（ｋΔｔ）}を求める。また、判定部６６は、蒸発器１８の上流側の温度（温度センサ４８の検出信号から得られる温度）Ｔ_ｅｉの時間変化と、送出ダクト３５の内部の温度（温度センサ４９の検出信号から得られる温度）Ｔ_ｓａと設定温度Ｔ_ｓａｓｐとの差から判定値Ｄ_{２（ｋΔｔ）}を求める。なお、判定値Ｄ_{１（ｋΔｔ）}、Ｄ_{２（ｋΔｔ）}を求める式は、以下の式（２２）及び式（２３）となる。

【0106】

【数12】

【0107】

なお、本実施形態では、送風機１９が蒸発器１８の下流側にあるため、温度センサ５０にて温度Ｔ_ｅｏを、温度センサ４９にて温度Ｔ_ｓａを検出しているが、送風機１９が蒸発器１８の上流側に配置される場合には、温度Ｔ_ｅｏ及び温度Ｔ_ｓａは同値となる。したがって、送風機１９が蒸発器１８の上流側に配置される場合には、１つの温度センサを配置することが可能である。

【0108】

判定部６６は、算出した判定値Ｄ_{１（ｋΔｔ）}、Ｄ_{２（ｋΔｔ）}に基づいて、冷却装置１０における冷却負荷が大きいか否かの判定を行う。なお、判定部６６は、判定値Ｄ_{１（ｋΔｔ）}を用いた判定を行って、必要に応じて、判定値Ｄ_{２（ｋΔｔ）}を用いた判定を行う。

【0109】

例えば判定値Ｄ_{１（ｋΔｔ）}が０以上となる場合、所定時間Δｔ経過したときの蒸発器１８の上流側の温度Ｔ_ｅｉの時間変化、及び蒸発器１８の下流側の温度Ｔ_ｅｏの時間変化の両方が、正又は負であることを示している。言い換えれば、所定時間Δｔ経過したときの蒸発器１８の上流側の温度Ｔ_ｅｉの時間変化、及び蒸発器１８の下流側の温度Ｔ_ｅｏの時間変化において、これら温度が上昇、又は下降していることを示している。つまり、例えば冷却負荷が増加した場合には、蒸発器１８の上流側の温度Ｔ_ｅｉが上昇する。また、蒸発器１８を通過することにより空気が冷却されるが、蒸発器１８の下流側の温度Ｔ_ｅｏも上昇する。したがって、この場合には、判定部６６は、上述した補正制御を行う必要があると判断する。

【0110】

一方、判定値Ｄ_{１（ｋΔｔ）}が０未満となる場合、所定時間Δｔ経過したときの蒸発器１８の下流側の温度Ｔ_ｅｏの時間変化が負であることを示している。言い換えれば、冷却装置１０における冷却負荷が減少し、蒸発器１８の下流側の温度Ｔ_ｅｏが下降していることを示している。つまり、冷却負荷が減少している場合には、判定部６６は、上述した補正制御を行う必要がないと判断する。なお、この場合には、ＰＩＤ制御のみが実行される。

【0111】

また、判定値Ｄ_{２（ｋΔｔ）}が０以上となる場合、所定時間Δｔ経過したときの蒸発器１８の上流側の温度Ｔ_ｅｉの時間変化、及び送出ダクト３５の内部の温度Ｔ_ｓａと設定温度Ｔ_ｓａｓｐとの差の両方が正、又は負であることを示している。言い換えれば、所定時間Δｔ経過したときの蒸発器１８の上流側の温度Ｔ_ｅｉの時間変化、及び送風ダクト３５の内部の温度Ｔ_ｓａと設定温度Ｔ_ｓａｓｐとの差において、温度が上昇、又は下降していることを示している。例えば冷却負荷が増加した場合、蒸発器１８の上流側の温度Ｔ_ｅｉは上昇する。また、送風ダクト３５の内部の温度は設定温度Ｔ_ｓａｓｐよりも高い。したがって、この場合には、判定部６６は、上述した補正制御を行う必要があると判断する。

【0112】

一方、蒸発器１８の上流側の温度Ｔ_ｅｉは上昇するが、送風ダクト３５の内部の温度Ｔ_ｓａが設定温度Ｔ_ｓａｓｐよりも低い場合もある。この場合には、判定値Ｄ_{２（ｋΔｔ）}は０未満となる。したがって、判定部６６は、上述した補正制御を行う必要がないと判断する。なお、この場合には、フィードフォワード制御は実行されずＰＩＤ制御のみが実行される。

【0113】

次に、本実施形態の冷却装置１０の制御方法について、図６のフローチャートに基づいて説明する。なお、図６に示すフローチャートは、既に冷却装置１０における冷却条件が設定されていることを前提としている。なお、冷却条件は、図示を省略した操作パネルにて実行され、操作パネルによる操作に基づいて、圧縮器１５、各制御弁の駆動条件が設定される。

【0114】

ステップＳ１０１は、圧縮器１５及び各制御弁をＰＩＤ制御にて駆動制御する処理である。制御装置５１は、圧縮器１５、膨張弁１７、圧力調整弁２０及びバイパス弁２１をＰＩＤ制御にて駆動制御する。

【0115】

ステップＳ１０２は、所定時間（Δｔ）経過したか否かを判定する処理である。制御装置５１は、図示を省略したタイマ機能を有しており、時間Δｔ経過したか否かを判定する。例えば、時間Δｔ経過している場合には、制御装置５１は、ステップＳ１０２の判定処理の結果をＹｅｓとする。この場合、ステップＳ１０３に進む。一方、時間Δｔ経過していない場合には、制御装置５１は、ステップＳ１０２の判定処理の結果をＮｏとする。この場合、ステップＳ１０９に進む。

【0116】

ステップＳ１０３は、判定値Ｄ_{１（ｋΔｔ）}、Ｄ_{２（ｋΔｔ）}を求める処理である。制御装置５１は、上述した式（２２）及び式（２３）を用いて、判定値Ｄ_{１（ｋΔｔ）}及び判定値Ｄ_{２（ｋΔｔ）}を求める。

【0117】

ステップＳ１０４は、判定値Ｄ_{１（ｋΔｔ）}≧０であるか否かを判定する処理である。ステップＳ１０３にて求めた判定値Ｄ_{１（ｋΔｔ）}が、Ｄ_{１（ｋΔｔ）}≧０となる場合には、ステップＳ１０４の判定処理の結果はＹｅｓとなる。この場合、ステップＳ１０５に進む。

【0118】

一方、ステップＳ１０３にて求めた判定値Ｄ_{１（ｋΔｔ）}が、Ｄ_{１（ｋΔｔ）}＜０となる場合には、ステップＳ１０４の判定処理の結果はＮｏとなる。この場合、ステップＳ１０１に戻る。したがって、Ｄ_{１（ｋΔｔ）}＜０となる場合には、圧縮器１５及び各制御弁が引き続きＰＩＤ制御により駆動制御される。

【0119】

ステップＳ１０５は、判定値Ｄ_２（ｔ）≧０であるか否かを判定する処理である。ステップＳ１０３にて求めた判定値Ｄ_{２（ｋΔｔ）}が、Ｄ_{２（ｋΔｔ）}≧０となる場合には、ステップＳ１０５の判定処理の結果はＹｅｓとなる。この場合、ステップＳ１０６に進む。

【0120】

一方、ステップＳ１０３にて求めた判定値Ｄ_{２（ｋΔｔ）}が、Ｄ_{２（ｋΔｔ）}＜０となる場合には、ステップＳ１０５の判定処理の結果はＮｏとなる。この場合、ステップＳ１０１に戻る。したがって、Ｄ_{２（ｋΔｔ）}＜０となる場合にも、圧縮器１５及び各制御弁が引き続きＰＩＤ制御により駆動制御される。

【0121】

ステップＳ１０６は、補正入力値を算出する処理である。まず、制御装置５１は、係数α及び係数γを求める。係数α及び係数γを求めた後、制御装置５１は、上述した式（２０）を用いて、補正入力値を求める。なお、補正入力値は、圧縮器１５の回転数及び各制御弁の開度に対して算出される。

【0122】

ステップＳ１０７は、補正入力値を用いた圧縮器１５及び各制御弁の駆動制御を行う処理である。制御装置５１は、ステップＳ１０６により算出した補正入力値を用いて、圧縮器１５、膨張弁１７、圧力調整弁２０及びバイパス弁２１を駆動制御する。

【0123】

ステップＳ１０８は、所定時間（Δｔ）経過したか否かを判定する処理である。制御装置５１は、図示を省略したタイマ機能を有しており、時間Δｔ経過したか否かを判定する。例えば、時間Δｔ経過している場合には、制御装置５１は、ステップＳ１０８の判定処理の結果をＹｅｓとする。この場合、ステップＳ１０３に戻る。一方、時間Δｔ経過していない場合には、制御装置５１は、ステップＳ１０８の判定処理の結果をＮｏとする。この場合、ステップＳ１１０に進む。

【0124】

上述したステップＳ１０２の判定処理の結果がＮｏとなる場合、ステップＳ１０９に進む。

【0125】

ステップＳ１０９は、冷却装置１０の運転を停止するか否かを判定する処理である。制御装置５１が冷却装置１０の運転を停止する信号を受けたときには、制御装置５１は、ステップＳ１０９の判定結果をＹｅｓとする。この場合、図に示すフローチャートの処理が終了する。つまり、冷却装置１０の駆動が停止する。一方、制御装置５１が冷却装置１０の運転を停止する信号を受けていないときには、制御装置５１は、ステップＳ１０９の判定結果をＮｏとする。この場合、ステップＳ１０１に戻る。つまり、この場合には、冷却装置１０は、引き続きＰＩＤ制御により駆動制御される。

【0126】

上述したステップＳ１０８の判定処理の結果がＮｏとなる場合、ステップＳ１１０に進む。

【0127】

ステップＳ１１０は、冷却装置１０の運転を停止するか否かを判定する処理である。制御装置５１が冷却装置１０の運転を停止する信号を受けたときには、制御装置５１は、ステップＳ１１０の判定結果をＹｅｓとする。この場合、図に示すフローチャートの処理が終了する。つまり、冷却装置１０の駆動が停止する。一方、制御装置５１が冷却装置１０の運転を停止する信号を受けていないときには、制御装置５１は、ステップＳ１１０の判定結果をＮｏとする。この場合、ステップＳ１０７に戻る。つまり、この場合には、冷却装置１０は、引き続き入力補正値を用いて圧縮器１５及び各制御弁の駆動制御が実行される。

【0128】

このように、冷却装置は、冷却負荷の変動が小さい（係数α≒１）ときには、圧縮器及び各制御弁はＰＩＤ制御により制御される。一方、冷却負荷の変動が大きくなると、冷却装置は、補正制御を実行する。なお、補正制御は、ＰＩＤ制御により得られる入力値に補正値を加算した補正入力値を用いて実行される。この補正制御は、冷却負荷の変動を抑制するように働くので、恒温室などの温度精度が要求される設備において安定した冷却による安定した温度管理を行うことが可能となる。

【0129】

また、補正制御の際に求める補正値は、ＰＩＤ制御において使用するパラメータを用いているので、新たなパラメータを用いることはなく、また、新たなパラメータに伴う設定項目の追加もない。

【0130】

本実施形態では、圧縮器の回転数、各制御弁の開度は、制御装置におけるＰＩＤ制御により制御されているが、これらの制御は、ＰＩＤ制御に限定される必要はなく、ＰＤ制御にて行うことも可能である。

【0131】

本実施形態では、圧縮器、凝縮器、膨張弁、蒸発器及び圧力膨張弁を配管で接続した循環路の他に、バイパス路を設けた冷凍サイクルを構成した冷却装置を例に取り上げているが、バイパス路の構成を省略した冷凍サイクルであっても、本発明を実施することも可能である。

【符号の説明】

【0132】

１０…冷却装置、１５…圧縮器、１６…凝縮器、１７…膨張弁、１８…蒸発器、１９…送風機、２０…圧力膨張弁、２１…バイパス弁、４１，４２，４４，４５，４７，４８，４９，５０…温度センサ、４３，４６…圧力センサ、５１…制御装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】