JPH086996B2 - 冷凍装置における冷却水制御方法及びその制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、圧縮式、吸収式および吸着式等の各種水冷
式冷凍機における凝縮器用の冷却水量を自動的に制御す
ることにより、省エネルギを達成しようとした冷凍装置
における冷却水制御方法及びその制御装置に係る。

［従来の技術］ 冷蔵庫ならびに冷凍ショーケース等に用いられる凝縮
器用の冷却水ポンプは、その冷凍方式が圧縮式、吸収式
および吸着式のいずれであるかを問わず、通年、一定出
力（一定流量）で運転する場合が多い。しかして当該冷
却水ポンプの定格動力は、冷凍機のそれに対し10〜15％
程度ではあるが、通常、冷凍機は負荷に応じ発停または
出力制御が行なわれて無駄な動力消費を少なくするよう
に構成されているのに対し、前記の冷却水ポンプは、常
に最大出力で運転するようになっているため、当該ポン
プの現実の年間電力使用量は、冷凍機のそれに対し、50
％を上迴ることも珍しくないのが実情である。

そこで最近においては、前記の電力使用量を節減する
ため、前記ポンプの流量を冷却水温度によって変えるべ
く、例えば冷却塔出口の冷却水の温度をサーモスタット
で検出するようになすと共に、冷却水ポンプとその駆動
モータを機械的な変速機で結合させ、冷却水温が設定値
より高いときは、ポンプ流量を100％で運転させ、一
方、前記水温が低いときにはその流量を70％にするとい
った方法で、前記の目的を達成させようとした例が知ら
れている。しかしこの方法は、前述のように変速機のモ
ード切替（２段切替）を行う方法であって、必ずしも冷
凍負荷に対応した制御とはいい難い上に、特殊仕様の回
転数可変装置（変速機）を必要とするので、設備費が余
分にかかるといった不具合があった。

また、冷却水ポンプの定格流量が過大である場合もし
ばしばあるが、かかる場合には、その流量を70％に下げ
ても、なおかつ過大流量になることがある。

上記以外に、冷却水の温度を測温抵抗体等により検出
し、その検出値を比例調節器を介してポンプ駆動用のイ
ンバータへ出力することによって前記水量を比例調節す
る方法も考えられる。すなわち、冷却水のループ配管に
おける通水抵抗は、水量のほぼ２乗に比例し、水量はポ
ンプの回転数に比例する。一方、ポンプ動力は通水抵抗
と水量の積に比例するので、結局ポンプ動力は水量の３
乗に比例することになるから、この考え方に基づいて、
前記の比例調節器とインバータとを介して冷却水用ポン
プの駆動モータの回転数を制御すれば、一応は前記の目
的を達することができるが、冷凍機の状態を反映できず
運転動力を最小とすることができない。

［発明が解決しようとする問題点］ 周知のように、冷凍機の効率は冷却水の温度が低いほ
ど高くなり、一方、その水量が多くなるに従い前記の冷
凍効率も高まる。したがって一般的には冷却水ポンプは
一定出力で運転するほうが冷凍機の効率を高める結果と
なるのであるが、前述のような観点からすれば、冷却水
ポンプの出力を冷却水の温度に応じて制御すれば、それ
だけ冷凍機と冷却水ポンプの合計動力については、これ
を低減させることができることになる。

しかしながら上記従来法は、既に述べたところからも
明らかなように、冷凍機動力すなわち冷凍効率に関係な
く、単に冷却水温度のみを指標として冷却水ポンプを制
御するだけに過ぎないから、冷凍機と冷却水ポンプの動
力の合計が、常に最小になるという保証がなく、最善の
解決手段とはいい得ないのである。特に冷却水の流量が
少なくなって、例えば設定値の50％となったときには、
前記従来法によれば、その場合のポンプ動力は定格値の
12.5％程度となる訳であるが、このときに、冷却水温が
さらに下ったとすると、流量を下げて得られるポンプ動
力減量よりも、水量低下による冷凍機動力増の方が優っ
てしまう可能性が高いから、結局、前記の合計動力は増
大してしまうという難点を払拭し切れない。本発明は、
従来法に免れない前記のような難点をすべて克服して極
めて効率の高い方法及びその制御装置によって冷凍装置
における搬送動力を大幅に削減しようとしたものであ
る。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、冷却水のポンプ動力と冷凍機動力の和であ
る冷凍系入力が最小、すなわち冷凍系の効率が各冷却水
温において最高になるように意図したもので、次のよう
な手段を採用したものである。

即ち、冷却塔と、該冷却塔にて冷却された冷却水を外
部に導く導出用配管と、この導出用配管に接続される冷
凍機と、この冷凍機にて熱交換された後の冷却水を前記
冷却塔に戻す導入用配管と、前記冷却水を前記導入用配
管及び導出用配管を介して前記冷却塔、冷凍機に循環さ
せる循環ポンプとを有し、予め設定された冷却水温度と
冷却水流量との関係を示す特性曲線に基づいて、冷却水
の供給量を決定し前記循環ポンプの動作を制御する冷凍
装置の冷却水制御装置において、前記導出用配管の経路
上に配置され、冷却塔出力水の温度を測定する第１の温
度検出手段と、前記導入用配管の経路上に配置され、冷
却塔入力水の温度を測定する第２の温度測定手段と、当
該冷凍機の消費電力を測定する電力測定手段と、前記第
１の温度検出手段による測定結果と第２の温度測定手段
による測定結果との減算により得られる温度差と、前記
循環ポンプの回転数から得られる冷却水流量と、前記電
力測定手段により測定された消費電力とから当該冷凍装
置の出力効率を求め、該出力効率が最高となるように前
記特性曲線を修正する演算手段と、を有することが特徴
である。

［実施例］ 以下、本発明の冷凍装置における冷却水制御方法及び
その制御装置について添付図面を参照して詳細に説明す
る。

第１図は本発明の冷凍装置における冷却水制御方法及
びその制御装置の一実施例を示すブロック図である。

先ず、このブロック図における主要構成について概説
する。この図において符号１は冷却塔、２は冷却水導入
用配管、３は冷却水導出用配管、４は温度検出子、５は
冷凍機、６は冷凍ショーケース、７は稼動電源部、８は
マイクロコンピュータ制御ユニット、９はインバータ回
路、12は冷却水供給ポンプ、13は分岐電源である。

次に各構成の詳細について説明する。

冷却塔１は冷却水を絶えず循環使用することが可能な
装置で、いわゆる蒸発冷却によって冷却が行なわれる。
この冷却塔１には、冷却水を導入する導入口1a、空気の
出入口である開口部1b、冷却水の導入口1aから導入した
冷却水を空冷するファン1c、このファン1cを運転するモ
ータ1d、モータの発停を調整するモータスイッチ1e、冷
却塔１内の冷却水を冷却水導出用配管３に導出する冷却
水導出口1f及び冷却水の温度を検出し、所定の冷却水設
定温度でファン1cの発停を指示するサーモスタット1gが
備えてある。

冷却塔１の冷却水導入口1aに取り付けられているの
は、冷却水を冷凍機５から冷却塔１へ供給する冷却水導
入用配管２で、また冷却水導出口1fに取り付けられてい
るのが、冷却水を冷却塔１から冷凍機に供給する冷却水
導出用配管３である。本実施例では、これら両配管２、
３の外表面に熱電対等から形成される温度検出子4a、4b
を各々の配管２、３に固定し、各配管２、３を導入又は
導出する冷却水の温度を検出する。この温度検出子4a、
4bは冷却水の温度により第１及び第２の電圧を発生し、
第１及び第２の電圧E1及びE2を温度検出子4a、4bと接続
してある信号ライン10、11を経てマイクロコンピュータ
制御ユニット（以下「MPU」と略称する。）８に印加す
る。

冷凍機５は肉、魚介類等を冷凍保存させる装置で、凝
縮器5aと圧縮器5bから構成されている。この冷凍機５の
凝縮器5aに冷却塔１から冷却水導出用配管３を経て冷却
水を供給する。本実施例の冷凍機５では、まず圧縮器5b
で圧縮されて例えば高温（60〜80℃）、高圧（18気圧）
になった冷媒ガスが凝縮器5aへ送られ、この凝縮器5a内
へ流入した冷媒ガスが冷却水の供給される管5eに当り冷
却されて液化する。その液化した冷媒は、凝縮器5a内に
一時貯留され、冷凍ショーケース６内のショーケース6a
に肉、魚介類を冷凍保存する場合には、この液化した冷
媒（以下「冷媒液」と省略する。）を必要に応じて凝縮
器5aから冷媒液導入管5cを介して冷凍ショーケース６内
へ供給する。冷凍ショーケース６内で冷媒液は、膨張弁
6bを通過して熱交換器6cにより加熱蒸発される。一方、
冷凍ショーケース６内を循環する空気は、ファン6dを経
て熱交換器6cに供給されると冷却されて、ショーケース
6a内の肉、魚介類を一定の冷却温度で冷凍保存する。上
記加熱蒸発によりガス化した冷媒液は、冷凍ショーケー
ス６から冷媒ガス導出管5dを介して圧縮器5bに導出され
て再び上記圧縮を行ない、冷媒ガスを凝縮器5aへ供給す
る。本実施例では、冷凍ショーケース６が複数個備えら
れているが、その機能は上記した機能と同様なので、上
記説明を参照し、ここでは説明を省略する。

次に、本実施例の主要な電源である稼動電源部７及び
分岐電源について説明する。

稼動電源部７では、冷却塔１、冷凍機５、冷却水ポン
プ12の各電源に電力検出器（または、電流検出器）7aが
取り付けられ、電力／電圧変換器（または、電流／電圧
変換器）7bで電力が電圧信号に変換される。また、かか
る電力／電圧変換器を用いずに電流検出器の検出出力を
直接測定する電流計によってもよい。

上記電力検出器7aには電源7c、7d、7eが接続されてい
て、電源7cは分岐電源13に接続されている。電源7dは冷
凍機５の電源、電源7eは冷凍ショーケース６のファン6d
等を駆動する電源である。分岐電源13のうち電源7cと接
続してあるのが共通電源13aで、分岐電源13は前記ファ
ンモータスイッチ1eと接続されているモータスイッチ用
電源13bとインバータ回路９と接続されているインバー
タ用電源13cから構成されている。前記稼動電源部７の
出力信号は信号ライン16を介して前記MPU8に接続されて
いる。冷凍機５、冷凍ショーケース６及びインバータ回
路９の電力は電力検出器7aで検出することができ、電力
／電圧変換器7bで電圧信号に変換した第３の電圧をMPU8
に印加する。

MPU8の一実施例を第２図に示す。このMPU8は、A/D変
換回路8a、CPU8b、記憶回路8c、演算回路8e及びD/A変換
回路8eから構成されている。A/D変換回路8aは前記稼動
電源部７の電力／電圧変換器7bで電圧（アナログ量）に
変換された前記第３の電圧及び前記第１及び第２の電圧
（アナログ量）をディジタル量に変換する。CPU8bは中
央処理装置で、MPU8内の各ジョブを指令する。記憶回路
8cは上記第１の冷却水温度、第２の冷却水温度及び冷凍
機系の合計電力を記憶する。演算回路8eは、稼動電源部
７及び温度検出子４から各信号ラインを介してMPU8に入
力される前記第１から第３の電圧と第３の電圧から時々
刻々と変化する各電力を積算する。また、前記CPU8bは
記憶回路8cに記憶した第１の冷却水温度、第２の冷却水
温度及び冷凍機系の合計電力を読み出す指令をする。し
かしてMPU8は、第３の電力、第１及び第２の冷却水温度
に応じた制御信号をインバータ回路９へ出力する。

インバータ回路９は信号に応じた周波数に変換する回
路で、通常時にはインバータ電源スイッチ9aを閉じ、イ
ンバータ9bを作動させる。このインバータ9bは、MPU8か
ら信号線18を介して供給される信号に応じた周波数によ
りインバータ出力端9cと連結しているポンプモータ17に
電力を供給する。このポンプモータ17の回転数は周波数
に比例して増減する。

尚、電源スイッチ9eは電源スイッチ9aと並列に接続し
てあるが、この電源スイッチ9eがバイパス用の電源スイ
ッチである。インバータ9bが故障している場合、などポ
ンプモータ17を運転したい場合等には電源スイッチ9aを
開き、この電源スイッチ9eを閉じて電流がバイパスする
ようになっている。

次に本実施例の冷凍装置における冷却水制御方法及び
その制御装置の作用について第３図のフローチャートを
参照して説明する。

本作用を説明する前に冷却塔放熱量、冷凍機系効率及
び冷却水量が次の関係式（１）〜（３）から成り立って
いるとする。

［冷却塔放熱量］＝［冷凍出力］＋［冷凍機動力］ ＋［冷却水ポンプ動力］ （１） ［冷却塔放熱量］＝［冷却水の冷却塔出入口温度差］ ×［冷却水流量］ （１）′ ［冷凍機系効率］＝［冷凍出力］／ （［冷却水ポンプ動力］＋［冷凍機動力］） （２） ［冷却水量］＝定格流量×ポンプ回転数／定格回転数 ≒定格流量×（インバータ出力周波数／電源周波数）
（３） （１）、（２）及び（３）式を前提として、以下フロ
ーチャートを説明する。先ず、本実施例の冷凍装置にお
ける冷却水制御をMPU8でスタートする（ステップ１）。
次に、冷却塔１から送出する冷却水の水量及び導出配管
３の冷却水の水温（Ｔ）の関係を一定条件下で記憶回路
8cに初期値として設定記憶する（ステップ２）。このと
き水温（Ｔ）と水量は、例えば第４図に示す関係とす
る。ここで一定条件とは、冷凍機５に必要な最低流量以
上であること、冷却水温度に対して指定流量の変動があ
まり大きくならないこと、及び冷却水温の上昇と共に流
量が冷却水ポンプ最大流量まで上昇する値であることで
ある。つまり、仮に冷凍機５における出力が一定であれ
ば、冷凍機５へ供給する水、即ち、冷却塔１から出力さ
れる水の水温が高い程流量は多く必要となる。従って、
図４に示すように、水温に対して水量は単調増加的に変
化し、また、水量がゼロとなったり、供給過多とならな
いように上限値と下限値とが設定されている。

そして、温度検出子4bにて測定される冷却塔１内の冷
却水温度値から図４を基に水量を求め、これに対応する
周波数でポンプ17を駆動させる（ステップ3,4）。ここ
で、配管の口径、ポンプ17のポンプ性能曲線がわかって
いれば、水量と周波数とを対応させることができる。

そして、ポンプ17を駆動し、実際の冷却水温度を２つ
の温度検出子4a,4bで検出する（ステップ５）。各温度
検出子4a,4bにて検出した第１の冷却水温度及び第２の
冷却水温度に対応する第１の電圧（電流）及び第２の電
圧（電流）は、MPU8のA/D変換器8aでアナログ量からデ
ィジタル量に変換してからCPU8bの指令のもとで記憶回
路8cに記憶する。また、第２図に示した演算回路8dで
は、前記式（１）′より冷却水の冷却塔出入口温度差
と、式（３）により求められる冷却水流量値とから冷却
塔放熱量を推定することができる。つまり、運転開始時
には温度検出子4bにて測定された温度に対応した流量を
供給できるようにインバータ９の出力周波数が決められ
るので、このインバータ周波数を前記した式（３）に代
入して、冷却水量を求めることができ、求められた水量
と冷却塔出入口の温度差とを式（１）′に代入すれば冷
却塔の放熱量を求めることができる。

そして、実際にこの放熱量を求める際には、計測する
諸数値（電力、水温）が極端に変動しないことを確認し
て、冷却塔出入口における冷却水温度（第１の温度、第
２の温度）の測定を複数回行い（図３ではＮ回）、これ
らのデータの積算値を求め（ステップ6,7）、温度差の
平均値に基づいて放熱量を求める。

その後、MPU8では求められた放熱量と電力検出器7aに
て測定された電力値から次の式（５）を用いて成績係数
COPを求める（ステップ８）。

なお、この（５）式は前記した（２）式と実質的に同
一であるが、式（２）が理論的な式であるのに対して、
式（５）は実際の測定時に用いる式である。

次に、前記インバータ出力周波数Ｈ＝Ｈ（Ｔ）を＋α
変動させる場合（２回目）と、インバータ出力周波数Ｈ
＝Ｈ（Ｔ）を−α変動させる場合（３回目）というよう
に冷却水流量を強制的に変えて、３つの場合の各成績係
数を求める。（ステップ９）。本実施例では３回だけイ
ンバータ出力を変動させたが、複数回でもよい。この試
行中に水温等の振れ幅が大きい場合には、ステップ３に
戻り再び測定をやり直す。また、振れ幅が小さく安定し
ている場合には、３組の（COPi、Hi）（ｉ＝１、２、
３）を採用する。この３組の値から周波数Ｈを成績係数
COPの関係式として、 COP＝aH2＋bH＋ｃ …（６） なる２次曲線を作ることができる（ステップ10）。この
２次曲線は、例えば図６に示す如くの曲線となる。

次に上記周波数の範囲内（Ｈ−α〜Ｈ＋α）でこの二
次曲線から最大のCOPを与える周波数Hmを求める（ステ
ップ11）。なお、この２次曲線が図６に示すような極大
値を取らない場合には、この範囲（Ｈ−α〜Ｈ＋α）の
中に最適値がないと判断することができるが、実際にこ
の範囲から逸脱した周波数を最適値とすることは危険を
伴うのでこの範囲内で最大のCOPを与える周波数Hmを最
適値としている。

そして、インバータ出力Ｈ＝Ｈ（Ｔ）をＨ（Ｔ）＝Hm
として、前回までの値を修正する（ステップ12）。そし
て、修正されたインバータ出力Ｈ（Ｔ）を前記初期値に
代わる基準値とし、再びステップ３に戻る。このように
して常に水温及び水量における最大のCOPが得られるよ
うに水温とインバータの関係を修正する。

つまり、図４に示した水温と水量との関係を示す特性
曲線は、概略的に決められたものであり、必ずしも成績
係数COPを最大とするとは限らない。そこで、本実施例
では上記した各ステップの処理を行うことにより、図４
に示した曲線を逐次修正し、第５図の実線に示すような
特性曲線を求めることにより、最適な効率でポンプを動
作させることができるようになる。

本実施例における冷凍装置における冷却水制御方式及
びその制御装置では、MPU8で冷凍ショーケース６、冷却
塔１及び冷却水ポンプ12の総合効率が最適になるように
冷却水量を自動的に制御することができるので、冷凍装
置における動力を大幅に削減することができる。

また本冷凍装置における冷却水制御方式及びその制御
装置では、冷凍機の高圧保護及び冬期において冷却塔が
凍結することを防ぐため冷却水の水量が極度に少なくな
らないように最低水量を維持できるような制御を行なう
こともできる。

尚、本実施例では冷却水ポンプが１台の場合について
説明したが、冷却水ポンプの台数は１台に限定されな
い。本実施例の構成の範囲を逸脱しない限り、冷却水ポ
ンプの台数が複数であっても構わないことは言うまでも
ない。

［発明の効果］ 本発明によれば、冷凍機と冷却水ポンプの総合効率が
最高になるように冷却水温度に応じて、冷却水量を自動
的に制御することができるので、冷凍装置における搬送
動力を大幅に削減することができる。また、本実施例で
は高価な流量測定器を使用しなくても、インバータの出
力から流量を推定することができるので、設備のコスト
ダウンを図ることができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の冷凍装置における冷却水制御方法及び
その制御装置の一実施例を示すブロック図、第２図はマ
イクロコンピュータ制御ユニットの一例を示すブロック
図、第３図は本実施例の作用を示すフローチャート、第
４図は初期設定をした場合の冷却水温（Ｔ）と流量との
関係を示す図、第５図は修正後の冷却水温（Ｔ）と流量
との関係を示す図、図６は成績係数を最大とする周波数
Hmを求める時に用いる２次曲線を示す説明図である。 １……冷却搭、２……冷却水導入用配管、３……冷却水
導出用配管、４（4a,4b）……温度検出子、５……冷凍
機、６……冷凍ショーケース、７……稼働電源部、８…
…マイクロコンピュータ制御ユニット、９……インバー
タ回路、12……冷却水循環ポンプ、13……電源。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】冷却塔と、該冷却塔にて冷却された冷却水
   を外部に導く導出用配管と、この導出用配管に接続され
   る冷凍機と、この冷凍機にて熱交換された後の冷却水を
   前記冷却塔に戻す導入用配管と、前記冷却水を前記導入
   用配管及び導出用配管を介して前記冷却塔、冷凍機に循
   環させる循環ポンプとを有し、予め設定された冷却水温
   度と冷却水流量との関係を示す特性曲線に基づいて、冷
   却水の供給量を決定し前記循環ポンプの動作を制御する
   冷凍装置の冷却水制御方法において、 前記導出用配管内を流れる第１の冷却水の温度と、前記
   導入用配管内を流れる第２の冷却水の温度を測定して前
   記冷却塔出入口の冷却水の温度差を求め、また、前記循
   環ポンプの回転数から冷却水の流量を求め、更に、当該
   冷凍装置の消費電力を測定し、前記温度差、流量、及び
   消費電力から、当該冷凍装置の出力効率を求め、該出力
   効率が最高となるように、前記特性曲線を修正すること
   を特徴とする冷凍装置における冷却水制御方法。
2. 【請求項２】冷却塔と、該冷却塔にて冷却された冷却水
   を外部に導く導出用配管と、この導出用配管に接続され
   る冷凍機と、この冷凍機にて熱交換された後の冷却水を
   前記冷却塔に戻す導入用配管と、前記冷却水を前記導入
   用配管及び導出用配管を介して前記冷却塔、冷凍機に循
   環させる循環ポンプとを有し、予め設定された冷却水温
   度と冷却水流量との関係を示す特性曲線に基づいて、冷
   却水の供給量を決定し前記循環ポンプの動作を制御する
   冷凍装置の冷却水制御装置において、 前記導出用配管の経路上に配置され、冷却塔出力水の温
   度を測定する第１の温度検出手段と、 前記導入用配管の経路上に配置され、冷却塔入力水の温
   度を測定する第２の温度測定手段と、 当該冷凍機の消費電力を測定する電力測定手段と、 前記第１の温度検出手段による測定結果と第２の温度測
   定手段による測定結果との減算により得られる温度差
   と、前記循環ポンプの回転数から得られる冷却水流量
   と、前記電力測定手段により測定された消費電力とから
   当該冷凍装置の出力効率を求め、該出力効率が最高とな
   るように前記特性曲線を修正する演算手段と、を有する
   ことを特徴とする冷凍装置の制御装置。