JP6533366B2 - 冷凍装置および冷凍機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍装置および冷凍機の制御装置に関する。

特許文献１（ＵＳ６０３６４３２Ｂ２）は、遠心式圧縮機を旋回失速から保護するための方法及び装置に関する。特許文献２（ＵＳ５８９４７３６Ｂ２）は、遠心圧縮機でサージを検出する方法および装置に関する。特許文献３（ＵＳ２０１１／００９３１３３）は、チラー制御のための３Ｄサージマップをコンピュータ上で生成および使用する、制御装置および方法に関する。特許文献４（ＵＳ５３５５６９１Ｂ２）は、速度可変インペラモータ駆動を用いる遠心式チラーの制御方法および制御装置に関する。

負荷の大きさやホットガスバイパスの有無に関わらず、通常時の効率的な運転と、非常時の高精度なサージ検出機能とを両立する冷凍装置および冷凍機の制御装置を提供する。

吸入温度の影響、チラーの設置場所の影響、および、センシング場所と実際の圧縮機の吐出、吸入位置との違い、を考慮して運転ヘッドを算出し、圧縮機マップと比較検証する。これにより、現在運転ヘッドおよびサージ点をより高精度に把握することができ、高精度な回転数（回転速度）制御とサージ検出とが可能である。

第１実施形態に係る遠心二段式チラーを示した図である。 第２実施形態に係る遠心二段式チラーを示した図である。 第３実施形態に係る遠心単段式チラーを示した図である。 図１Ａの遠心二段式チラーにおける、第１（高段）膨張弁および第２（低段）膨張弁の連動制御について説明するための図である。 ＰＥ＿ＤＴ（擬似蒸発器水温差、擬似冷水出入口温度差)の算出処理のフローチャートである。 本実施形態に係るチラーヘッドの取得処理のフローチャートである。 標高と大気圧の関係を示した図である。 大気圧がヘッド計算に与える影響を示した図である。 管圧力損失を考慮した場合および管圧力損失を考慮しない場合のヘッドを示した図である。 単段式の圧縮機のヘッドを示した図である。 二段式の圧縮機のヘッドを示した図である。 サージ検出方法について説明するための図である。 圧縮機緊急停止制御のフローチャートである。

図面を参照して、選択された実施形態が説明される。本開示から、下記の実施形態に関する記載は説明のために用いられるものに過ぎず、添付の特許請求の範囲によって定義される発明又はその均等物を制限するものではないことは、当業者にとって明白である。

なお、本実施形態では、下記の語は以下の意味で用いられる。

ＩＧＶは、吸入ガイドベーン（Inlet Guide Vane)の略称である。ＩＧＶは、遠心式（またはターボ）圧縮機の能力調整用として一般的に用いられる機構である。圧縮機のガス吸入口に取り付けられる。

ＤＤＣは、吐出ディフューザ幅制御機構（Discharge Diffuser Control)の略称である。ＤＤＣは、遠心式（またはターボ）圧縮機の能力調整および運転範囲拡大（サージ回避）を目的としたものである。なお、ディフューザとは、圧縮機内部のインペラ（羽根車）により加速された冷媒ガスを、動圧（速度）を静圧（いわゆる圧力）に転換するための通路を指す。

ＩＰＬＶは、Integrated Part Load Value）の略である。ＩＰＬＶは、米国冷凍空調工業会（ＡＨＲＩ）が規定する、チラーの部分負荷運転等、通年運転を想定した性能指標である。

ＴＲは、ＴｏｎｓＲの略で、米国冷凍トンを意味する。ＴＲは、大容量サイズのチラーで、チラーの能力を示すために用いられる。

ヘッドは、圧縮機の昇圧特性を表す指標である。本実施形態では、エネルギー［ｋＪ/ｋｇ］の単位をもち、特にガスを断熱（等エントロピ）状態で圧縮した場合の理論昇圧特性として使用される。

サージとは、遠心式圧縮機の昇圧特性が冷凍機熱交換器の必要運転差圧（＝凝縮圧−蒸発圧）を一時的に下回ることにより、圧縮機、その接続配管、および熱交換器を流れるガス全体が流れの方向に激しく振動する現象を示す。本振動は圧縮機内部部品の破損、信頼性低下を招くおそれがあるため、現象確認後速やかに、回避制御の作動、あるいは、機械の停止が要求される。

図１Ａは、遠心二段式のチラー１０を示す。図１Ｂは、遠心二段式のチラー１１０を示す。図１Ｃは、遠心単段式のチラー２１０を示す。チラー１０，１１０，２１０は、好ましくは、従来の方式で、冷却水や冷水を用いる水チラーである。

チラー１０は、基本的に、チラーコントローラ２０、遠心式圧縮機２２、凝縮器２４、第１（高段）膨張弁２６、および蒸発器２８を含み、これらは、配管により、従来の方式で互いに接続されている。エコノマイザ３０は、従来の方式で、凝縮器２４と蒸発器２８との間に配管により接続されている。第１膨張弁２６は、凝縮器２４とエコノマイザ３０との間の配管に接続される。一方、第２（低段）膨張弁３２は、エコノマイザ３０と蒸発器２８との間の配管に接続される。エコノマイザ３０は、エコノマイザ３０から遠心式圧縮機２２に冷媒ガスを供給するため、更に遠心式圧縮機２２に接続されている。

遠心式圧縮機２２は、第１（低段）圧縮機構４２ａと、第２（高段）圧縮機構４２ｂとを含む。第１圧縮機構４２ａから吐出された冷媒は、第２圧縮機構４２ｂの吸入口に供給される。エコノマイザ３０からの冷媒ガスも、第２圧縮機構４２ｂの吸入口に供給される。可変周波数駆動（ＶＦＤ）起動盤（インバータ制御用起動盤）５２は、遠心式圧縮機２２を駆動する駆動モータ６２を制御する。吸入ガイドベーン４３は、第１圧縮機構４２ａの吸入側に配置される。吐出ディフューザ幅制御機構４４は、遠心式圧縮機２２の第２圧縮機構側ディフューザに配置される。

チラーコントローラ２０は、情報伝達可能に（例えば、電気的に）、第１および第２膨張弁２６，３２、吸入ガイドベーン４３およびＶＦＤ起動盤５２と接続されている。チラーコントローラ２０は、これらの要素と情報の授受を行うことが可能である。さらに、様々な圧力センサおよび温度センサが、チラー１０内に配置され、チラーコントローラ２０と通信する。第１および第２膨張弁２６，３２は、個別に、または、組み合わされて、この開示における膨張機構とみなされる。遠心式のチラー１０において、第１膨張弁２６は、遠心式のチラー１１０，２１０における第１膨張弁２６と同様に制御可能である。これに代えて、第１および第２膨張弁２６，３２は、ここに開示される結果を達成するように、チラーコントローラ２０により連動して制御されてもよい。第１および第２膨張弁２６，３２の制御／運転が連動する制御について説明する。

第１および第２膨張弁２６，３２の連動は、エコノマイザ３０において、質量バランスおよび熱バランスの収支が釣り合うように、高段側と低段側の冷媒の流量比を制御することで実行される。エコノマイザ３０において、質量バランスおよび熱バランスの収支が釣り合う場合、高段側および低段側の流量比が計算できる。この計算に使われる値は、エコノマイザ３０に設けられた圧力センサと、凝縮器２４の出口の液冷媒温度センサと、を用いて算出される。

図２を用いて、さらに詳しく説明する。冷凍サイクルにおいて、低段側の冷媒流量Ｍ（図２（ａ）参照）は、遠心式圧縮機２２の特性から算出される。図２（ａ）中のＨｅｌおよびＨｅｇは飽和エンタルピで、図２（ａ）のＰｅｃｏｎ（エコノマイザ３０における圧力）から算出できる。図２（ａ）中のＨｃｌは過冷却液エンタルピで、凝縮器２４の出口温度に基づいて算出できる。そして、後述する数式１に基づいてＭ＋ｍ（第２圧縮機構４２ｂから吐出される冷媒の流量）が算出される。図２（ａ）中のＰｃｏｎｄ（凝縮器２４における圧力）、Ｐｅｃｏｎ、およびＰｅｖａｐ（蒸発器２８における圧力）は、圧力センサの計測結果から知ることができる。つまり、高段側の第１膨張弁２６前後の圧力差と、低段側の第２膨張弁３２前後の圧力差とは、既知である。高段側および低段側の第１および第２膨張弁２６，３２の圧力差−流量特性は、ソフトウェア内で維持される。高段側の第１膨張弁２６の開度は、高段側の圧力差をモニタしながら、流量Ｍ＋ｍが得られるように制御される（図２（ｂ）参照）。低段側の第２膨張弁３２の開度は、低段側の圧力差をモニタしながら、流量Ｍが得られるように制御される（図２（ｃ）参照）。

下記の数式１は、エコノマイザ３０における質量バランスと熱バランスとに基づいて理論的に得られる。
《数１》（Ｍ＋ｍ）／Ｍ＝１＋（Ｈｃｌ−Ｈｅｌ）／（Ｈｅｇ−Ｈｃｌ）

数式１により、高段側および低段側の第１および第２膨張弁２６，３２の流量比が与えられ、第１および第２膨張弁２６，３２の開度の連動の基礎となる。

図１Ｂの遠心式のチラー１１０は、第２膨張弁３２が除外されていることを除き、図１Ａのチラー１０と同様である。この場合、機械式フロート弁３３が電気制御によらず第２膨張弁３２の代用となる。そのため、遠心式のチラー１１０のチラーコントローラ２０は、膨張機構の制御として、第１膨張弁２６の動きだけを制御する。第１膨張弁２６が、本開示における膨張機構と見なされる。

図１Ｃの遠心式のチラー２１０は、エコノマイザ３０が除外され、第２圧縮機構４２ｂが除外された遠心式圧縮機２２２が使用される点を除き図１Ｂに係るチラー１１０と同様である（図１Ａのチラー１０から見ると、さらに第２膨張弁３２が除外されている）。そのため、遠心式のチラー２１０のチラーコントローラ２０は、膨張機構の制御として、第１膨張弁２６の動きだけを制御する。第１膨張弁２６が、本開示における膨張機構と見なされる。エコノマイザ３０および第２圧縮機構４２ｂが除外されているので、配管も変更されている。配管は凝縮器２４を蒸発器２８に接続し、第１膨張弁２６は凝縮器２４と蒸発器２８との間の配管に接続される。また、エコノマイザ３０および第２圧縮機構４２ｂが除外されているので、第１圧縮機構４２ａから吐出される冷媒は、（エコノマイザからの冷媒と混合されることなく、または、第２圧縮機構を通過することなく）凝縮器２４に供給される。

遠心式のチラー１０，１１０，２１０の部品は、慣用的な構成要素であり、当該技術分野ではよく知られているものである。これらの構成要素は当該技術分野においてよく知られているので、ここでは、その構造の詳細について説明または図示しない。むしろ、この開示から、本発明を実行するために、構成要素として、いかなる構造および／またはプログラムが使用されてもよいことは当業者にとって明らかである。

チラーコントローラ２０は、冷凍装置の制御部の一例である。また、チラーコントローラ２０は、冷凍機の制御装置の一例である。チラーコントローラ２０は、好ましくは、遠心式のチラー１０，１１０，２１０の要素をここで開示するように制御する、処理部としてのマイクロコンピュータを含む。チラーコントローラ２０は、好ましくは、実施可能な制御プログラムが記憶された、コンピュータが読み出し可能な媒体（例えば、メモリやハードディスク等）を含む。あるいは、チラーコントローラ２０は、好ましくは、制御プログラムを実行するために、上記のようなコンピュータが読み出し可能な媒体と通信可能である。また、チラーコントローラ２０は、好ましくは、入力インターフェース回路や、出力インターフェース回路や、プログラム、計算方法および／又は結果などを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶機器等の一般的な構成要素を含む。上記のコンピュータが読み出し可能な媒体（例えば、メモリやハードディスク等）およびＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶機器は、記憶部の一例である。チラーコントローラ２０のマイクロコンピュータは、上述した遠心式のチラー１０，１１０，２１０の要素を制御し、および／または、上述した遠心式のチラー１０，１１０，２１０の要素から情報を受け取るようプログラムされている。この開示から、チラーコントローラ２０の詳細な構造やアルゴリズムは、本発明に係る機能を実行する、どのようなハードウェアとソフトウェアとの組み合わせであってもよいことは、当業者にとって明らかである。

膨張機構（第１および／または第２膨張弁２６，３２）の開度は、負荷変動の１つの指標である圧縮機能力を用いて、チラーコントローラ２０により計算される。圧縮機能力は、圧縮機（チラー１０，１１０では遠心式圧縮機２２、チラー２１０では遠心式圧縮機２２２）の現在回転数と、容量制御機構（吸入ガイドベーン４３）の開度と、現在運転ヘッドのサージ域からの乖離率をファクターとして求められる。乖離率は、好ましくは、現時点での、駆動ヘッドと圧縮機のサージヘッドとの比である。好ましくは、少なくとも高段側の膨張機構が、膨張機構の開度計算の対象となる。言い換えれば、遠心式のチラー１０，１１０，２１０では、第１膨張機構（第１膨張弁２６）の開度が算出される。しかしながら、チラー１０においては、図２を用いて説明したように、第１膨張機構（第１膨張弁２６）の開度は、第２膨張機構（第２膨張弁３２）の開度と連動させられてもよい。

好ましくは、高段側の膨張機構（第１膨張弁２６）の実際制御開度は、凝縮器２４の出口の液体のエンタルピと、エコノマイザ３０における液およびガスの飽和エンタルピとから求められる、エコノマイザ３０内の液ガス重量比率の分だけ補正されてもよい。

好ましくは、低段側の膨張機構（第２膨張弁３２）は電動制御され、低段側の膨張機構（第２膨張弁３２）の開度は、図２を用いて説明したように、計算された高段側の膨張機構（第１膨張弁２６）の開度と連動させられる。

これに代えて、図１Ｂに示したように、エコノマイザ３０内の機械式フロート弁３３が低段側の膨張機構として用いられてもよい。このような場合には、機械式フロート弁３３は自動的に開閉し、エコノマイザ３０内の液位が所定のレベルに維持され、高段側の膨張機構（第１膨張弁２６）と連動して運転／制御される。

擬似冷水出入口温度差は、膨張機構の開度を計算するために用いられる。擬似冷水出入口温度差は、上記のように計算された圧縮機能力と、蒸発器２８およびエコノマイザ３０のエンタルピ情報から得られる蒸発器能力と、機器の冷水の標準設計流量（蒸発器２８に供給される冷水の標準設計冷水流量）と、から求められる。擬似冷水出入口温度差は、設計標準冷水流量の冷水がチラーの凝縮器を流れた場合の、設計温度差である。

現在の実際冷水流量は、擬似冷水出入口温度差と、実際の運転において計測される冷水出入口温度差とを比較することで、チラーコントローラ２０により推定される。擬似冷水出入口温度差は、圧縮機（チラー１０，１１０では遠心式圧縮機２２、チラー２１０では遠心式圧縮機２２２）の現在回転数と容量制御機構（吸入ガイドベーン４３）の開度とから求められる圧縮機能力、蒸発器２８の出入口での冷媒回路エンタルピ差から得られる蒸発器能力、および機器の冷水の標準設計流量（蒸発器２８に供給される冷水の標準設計冷水流量）から求められる。

好ましくは、推定された実際冷水流量が、冷水の設計許容流量範囲を逸脱した際に、チラーコントローラ２０により、機器（チラー１０，１１０，２１０）が停止され、警告が発報され、または、水量（蒸発器２８に供給される冷水の水量）の増加／減少が要求されることが望ましい。

本開示の特徴について、以下に説明する。

膨張弁の開度計算に用いられる容量ソースファクターとして、凝縮器の水温差、蒸発器の水温差、もしくは内部で計算される擬似蒸発器水温差（擬似冷水出入口温度差）の３つが選択できる（表１参照）。

膨張弁が容量モードで制御される場合、膨張弁の目標開度は、以下の数式２を用いて算出される
《数２》ＥＸＶ＿ＰＯＳ
＝[（５５３×ＥＸＶ＿Ｃａｐ−４８×リフト温度）／１００＋Ｏｆｆｓｅｔ]×Ｇａｉｎ／１００＋ＥＸＶ＿Ｏｓ

ここで、各符号は、以下を意味する。ＥＸＶ＿ＰＯＳは、膨張弁の目標開度［％］を１０倍したものである。ＥＸＶ＿Ｃａｐは、膨張弁の開度計算のための容量ソースファクターである。ＥＸＶ＿Ｃａｐとして、表１の、Ｃ＿ＤＴ（凝縮器水温差(出口−入口)ΔＴ（凝縮器における実際の冷却水出入口温度差）の華氏表示）を１０倍した値、Ｅ＿ＤＴ（蒸発器水温差(入口−出口)ΔＴ（蒸発器における実際の冷水出入口温度差）の華氏表示）を１０倍した値を用いることができる。容量ソースファクターが“内部”に設定された場合、計算された擬似蒸発器水温差(ＰＥ＿ＤＴ、擬似冷水出入口温度差)が、実際の水温差（Ｃ＿ＤＴ，Ｅ＿ＤＴ）に代えて用いられる。リフト温度は、凝縮器の冷媒相当飽和温度と、蒸発器の冷媒相当飽和温度と、の温度差（華氏）である。膨張弁は、同一開度であっても差圧が大きくなると冷媒の流量が増える。リフト温度を差圧に代わる状態変数と見立てることで、その大きさに応じてチラー負荷（ＥＸＶ＿Ｃａｐ）から得られる膨張弁開度を補正することができる。Ｏｆｆｓｅｔは、予め定められた変数である。Ｇａｉｎは、定格運転条件下で用いられる所定の定数を、圧縮機能力に応じて補正して得られる値である。ＥＸＶ＿Ｏｓは、運転条件（凝縮器の出口冷媒の過冷却状態、圧縮機の過熱状態）に応じて決定される変数である。

擬似蒸発器水温差(ＰＥ＿ＤＴ、擬似冷水出入口温度差)は優れた概念であり、実際の水温情報を用いることなく、既存の（実際水温差を負荷と見た）電動膨張弁の開度算出方法を用いることができる。そのため、ユーザが可変水量制御を利用する場合に利点がある。

ＰＥ＿ＤＴを膨張弁の開度計算に用いる場合には、膨張弁制御の設定の際に、“容量制御ソース”として“内部”が選択される。

ＰＥ＿ＤＴを得るための計算には、体積流量計算や、圧縮機のヘッドの計算や、詳細なガス／液体の特性計算（密度、エンタルピ）等の詳細な圧縮機の性能特性の計算が含まれるため、詳細な圧縮機のマッピング情報（サージヘッドと体積流量の関係）が既知の場合に効果的である。

ＰＥ＿ＤＴを得るための計算について、図３のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ３０１では、擬似蒸発器水量［ｍ³／ｈ］が算出される。擬似蒸発器水量は、下記の数式３により算出される。
《数３》擬似蒸発器水量［ｍ³／ｈ］
＝定格圧縮機能力［ＴＲ］×３０２４［ｋｃａｌ／ｈ／ＴＲ］／擬似定格水温差［℃］／Ｃｐｗ［ｋｃａｌ／ｋｇ／℃］／Ｄｗ［ｋｇ／ｍ³］

数式３中のＣｐｗおよびＤｗは、流体の特性値である。Ｃｐｗは流体の定圧比熱であり、Ｄｗは流体の密度である。数式３中の定格圧縮機能力、擬似定格水温差、ＣｐｗおよびＤｗは、いずれも設定値である。定格圧縮機能力の単位はＴＲ（アメリカ冷凍トン）である。定格圧縮機能力は、例えば２００〜２０００［ＴＲ］の範囲の設定値で、初期値は８００［ＴＲ］である。擬似定格水温差は、例えば３．０〜１５．０［℃］の範囲の設定値で、初期値は５．０［℃］である。Ｃｐｗは、例えば０．５０〜１．５０［ｋｃａｌ／ｋｇ／℃］の範囲の設定値で、初期値は１．００［ｋｃａｌ／ｋｇ／℃］である。Ｄｗは、例えば５００〜１５００［ｋｇ／ｍ³］の範囲の設定値で、初期値は１０００［ｋｇ／ｍ³］である。擬似蒸発器水量算出後、ステップＳ３０２およびステップＳ３０４に進む。

ステップＳ３０２では、圧縮機体積流量［ｍ³／ｍｉｎ］が算出される。圧縮機体積流量は、下記の数式４により算出される。
《数４》圧縮機体積流量［ｍ³／ｍｉｎ］
＝定格体積流量×係数Ｆｃ×係数Ｆｄ×補正係数Ｆ_DDC×シュラウドカットモデル補正係数

なお、シュラウドとは、圧縮機内部のインペラの羽根外側形状のことを指し、シュラウドカットモデルとは、インペラ羽根の高さを低くし、ガスが通過する部分の断面積を小さくすることで能力調整したものを指す。

数式４中の係数Ｆｃは、圧縮機の回転速度率［％ＲＰＭ］と、チラーヘッド／定格サージヘッドと、を変数とする関数である（Ｆｃ＝ｆ１（％ＲＰＭ，チラーヘッド／定格サージヘッド））。％ＲＰＭは、圧縮機の現在回転数を、圧縮機の定格回転数で除したものである。係数Ｆｃは、現在の％ＲＰＭで、吸入ガイドベーン４３の開度を１００％とした場合の圧縮機体積流量を、定格体積流量で除した値になる。数式４中の係数Ｆｄは、吸入ガイドベーン４３（ＩＧＶ）の開度［％］と、チラーヘッド／現在のサージヘッドと、を変数とする関数である（Ｆｄ＝ｆ２（％ＩＧＶ，チラーヘッド／現在のサージヘッド））。係数Ｆｄは、現在の％ＲＰＭ、かつ、現在の吸入ガイドベーン４３（ＩＧＶ）の開度［％］での圧縮機体積流量を、現在の％ＲＰＭで、吸入ガイドベーン４３の開度が１００％とした場合の圧縮機体積流量で除した値になる。数式４中の補正係数Ｆ_DDCは、吐出ディフューザ幅制御機構４４（ＤＤＣ）の開度が１００％より小さい場合に用いられる、体積流量の補正係数である。圧縮機体積流量の算出後、ステップＳ３０３に進む。

ステップＳ３０３では、吸入質量流量［ｋｇ／ｈ］が計算される。吸入質量流量は、下記の数式５により算出される。なお、数式５中の吸入ガス密度は、吸入圧力と吸入温度から求められる。ここでは、吸入圧力として、実測蒸発器圧力から、現在の圧縮機体積流量に見合う計算吸入系統圧力ロスを差し引いた圧力が用いられる。
《数５》吸入質量流量［ｋｇ／ｈ］
＝圧縮機体積流量［ｍ³／ｍｉｎ］×６０［ｍｉｎ／ｈ］×吸入ガス密度［ｋｇ／ｍ³］

ステップＳ３０４では、冷凍能力［ｋＪ／ｋｇ］が算出される。冷凍能力は、下記の数式６により算出される。
《数６》冷凍能力［ｋＪ／ｋｇ］
＝吸入ガスエンタルピ（Ｈｓｇ）［ｋＪ／ｋｇ］−エコノマイザにおける飽和液のエンタルピ（Ｈｅｌ）［ｋＪ／ｋｇ］

ステップＳ３０５では、ステップＳ３０３およびステップＳ３０４の算出結果を用いて、現在の圧縮機能力［ＴＲ］が算出される。現在の圧縮機能力は、下記の数式７により算出される。
《数７》圧縮機能力［ＴＲ］＝
吸入質量流量［ｋｇ／ｈ］×冷凍能力［ｋＪ／ｋｇ］／４．１８６８［ｋＪ／ｋｃａｌ］／３０２４［ｋｃａｌ／ｈ／ＴＲ］

ステップＳ３０６では、ステップＳ３０５の算出結果を用いて、擬似蒸発器水温差(ＰＥ＿ＤＴ、擬似冷水出入口温度差)が算出される。擬似蒸発器水温差(ＰＥ＿ＤＴ、擬似冷水出入口温度差)は、下記の数式８により算出される。数式８中のＣｐｗおよびＤｗは、数式３におけるＣｐｗおよびＤｗと同一である。数式８中の擬似蒸発器水量は、設計水量であり、設定値である。
《数８》擬似蒸発器水温差(ＰＥ＿ＤＴ)
＝現在の圧縮機能力［ＴＲ］×３０２４［ｋｃａｌ／ｈ／ＴＲ］／擬似蒸発器水量［ｍ³／ｈ］／Ｃｐｗ［ｋｃａｌ／ｋｇ／℃］／Ｄｗ［ｋｇ／ｍ³］

ステップＳ３０６でのＰＥ＿ＤＴ算出後、図３のように、ステップＳ３０２およびステップＳ３０４に戻り、繰り返しＰＥ＿ＤＴが算出される。

一般的には、冷凍サイクルが単段でも二段でも、数式５を用いて、蒸発器冷媒循環量を計算できる。しかし、特に、冷凍サイクルがエコノマイザを有する二段であって（図２（ａ）参照）、高段側の膨張弁の開度を計算する場合には、数式１を変形して求められる数式９により得られる（Ｍ＋ｍ）が蒸発器冷媒循環量として用いられることが望ましい。このように、エコノマイザ３０から遠心式圧縮機２２の高段圧縮機構（第２圧縮機構４２ｂ）に吸入されるガス冷媒量を補正した蒸発器冷媒循環量を用いることで、精度の高い制御が実現できる。
《数９》（Ｍ＋ｍ）＝｛１＋（Ｈｃｌ−Ｈｅｌ）／（Ｈｅｇ−Ｈｃｌ）｝×Ｍ

また、数式１の｛１＋（Ｈｃｌ−Ｈｅｌ）／（Ｈｅｇ−Ｈｃｌ）｝が高段側と低段側の冷媒循環量比なので、低段側にも電動の第２膨張弁３２が用いられる場合（図１Ａの場合）には、これを考慮して高段側との連動を取ることが望ましい。

表２に、数式２を用いた膨張弁の目標開度の算出に、Ｃ＿ＤＴまたはＥ＿ＤＴが用いられる場合と、ＰＥ＿ＤＴが用いられる場合との違いについて示した。

Ｃ＿ＤＴまたはＥ＿ＤＴが用いられる場合、ユーザによって要求水温差が異なると、同一のチラーが使用される場合であっても、膨張弁の開度を算出するためのＧａｉｎ／Ｏｆｆｓｅｔとして異なるパラメータが必要となる。ＰＥ＿ＤＴを導入することで、実際の水量および水温差に影響を受けないので、膨張弁開度およびパラメータの標準化が可能である。そのため、圧縮機に合わせて性能の最適化が容易である。また、水温検知ステップが存在しないので、従来に比べ制御応答性が改善される。負荷変動時や過渡時における、圧縮機および膨張弁の連係が改善されることで、水温制御性が改善される。

ところで、擬似蒸発器水温差(ＰＥ＿ＤＴ)は、数式８のように、現在の圧縮機能力×３０２４／擬似蒸発器水量／Ｃｐｗ／Ｄｗにより算出される。

圧縮機能力は、チラー能力とよく対応しており、実際の蒸発器水温差(Ｅ＿ＤＴ)は、現在の圧縮機能力×３０２４／現在の実際の蒸発器水量／Ｃｐｗ／Ｄｗにより算出される。

そのため、Ｅ＿ＤＴとＰＥ＿ＤＴとを比較することで、現在の実際の蒸発器水量を推定することができる。

遠心式冷凍システム（装置、すなわちここに開示される遠心式チラー１０，１１０，２１０等）では、チラーコントローラ２０の処理部により、圧縮機固有のサージ曲線が、圧縮機の回転数制御、サージ回避のための圧縮機の回転数制御、および、サージ検出に基づく圧縮機の緊急停止制御を行うために、断熱ヘッドと比較される。サージ曲線は、チラーコントローラ２０の記憶部に予め記憶される。サージ曲線は、圧縮機（チラー１０，１１０では遠心式圧縮機２２、チラー２１０では遠心式圧縮機２２２）の現在回転数、吸入容量制御機構（吸入ガイドベーン４３）の開度、および吐出容量制御機構（吐出ディフューザ幅制御機構４４）の開度により規定される。断熱ヘッドは、運転中の、吸入圧力、吐出圧力を用いて計算される。吸入温度も、断熱ヘッドの計算において考慮される。

例えば、図４に、一の実施形態に係る、吸入温度と、設置場所の高度と、吐出圧力損失（吐出圧力ロス）および吸入圧力損失（吸入圧力ロス）と、が計算において考慮されたチラーヘッドの算出の制御フローチャートが示される。

図４のフローチャートについて説明する。

まず、ステップＳ４０１では、蒸発器圧力および凝縮器圧力の計測値（ゲージ圧）が、蒸発器２８および凝縮器２４に設けられた圧力センサから取得される。

ステップＳ４０２では、蒸発器圧力および凝縮器圧力（ゲージ圧）が、蒸発器圧力および凝縮器圧力の計測値（ゲージ圧）を基に、以下の数式１０により補正される。なお、数式１０中のスロープ補正係数は、チラーコントローラ２０から設定される値であり、例えば、０．９９００〜１．０１００の範囲の値（初期値１．００００）である。Ｏｆｆｓｅｔは、チラーコントローラ２０から設定される値であり、例えば、−５０．０〜＋５０．０ｋＰａの範囲の値（初期値０．０ｋＰａ）である。
《数１０》圧力［ｋＰａＧ，ゲージ圧基準］
＝スロープ補正係数×ゲージ圧［ｋＰａＧ］＋Ｏｆｆｓｅｔ

ステップＳ４０３Ａでは、チラー（チラー１０，１１０，２１０）の設置場所の高度（標高）がチラーコントローラ２０に設定される。

ステップＳ４０３Ｂでは、大気圧が算出される。図５Ａは、標高と大気圧との関係を示した図である。算出された大気圧は、後述するステップＳ４０５において、圧力（ゲージ圧）を絶対圧力に変換するために用いられる。

なお、後述するステップＳ４０５において、計測されたゲージ圧が絶対圧力に変換される理由は以下のとおりである。

チラー内部（冷媒系統）は、冷媒回路から冷媒が漏れないように外部と遮断されているので、絶対圧力系である。絶対圧力とは、ゲージ圧とその場所での大気圧とを加算したものである。ゲージ圧は、その場所の大気圧に対する相対圧力を示すものであり、チラーの設置場所が異なれば、ゲージ圧の値も異なる。

例えば、図５Ｂのように、吐出圧が９５０ｋＰａＡ（絶対圧力）で、標準大気圧（標高０ｍ）かつ吸入温度５℃の場合の吸入圧力別のヘッド（図５ＢのＲ１の列参照）と、同吐出圧で、大気圧が８１．３ｋＰａ（標高２０００ｍ）かつ吸入温度５℃の場合の吸入圧力別のヘッドと、では、図５ＢのＲ２の列に示した値［ｋＪ／ｋｇ］だけ差が生じる。そこで、標高の高い場所（例えば、松本市（日本）：標高６００ｍ、デンバー（米国）：標高１６００ｍ、メキシコシティ（メキシコ）：標高２２００ｍ）においても、ヘッドを精度良く計算し、工場出荷時と同一の性能を満足させるために、大気圧補正された圧力が用いられる。

なお、チラー内の各部の圧力を絶対圧力で把握するためには、絶対圧力計測用センサを用いるという対応が考えられる。しかし、絶対圧力計測用センサは特殊なセンサであり、価格が高い。そのため、圧力センサにはゲージ圧センサを用いることが一般的である。そこで、ステップＳ４０５では、計測により得られるゲージ圧を、計算により絶対圧に変換している。

具体的には、ステップＳ４０３Ｂでは、以下のような数式１１により大気圧が算出される。なお、数式１１中の１０１．３２５ｋＰａは、海抜０ｍ、１５℃における標準ゲージ圧力である。数式１１中の標高は、ステップＳ４０３Ａにおける設定値であり、チラーの設置された場所に応じて、計算で最も良い結果が得られるように設定される。標高は、例えば、０〜３５００ｍの範囲の値であり、初期値は０ｍである。
《数１１》大気圧［ｋＰａ］
＝１０１．３２５×｛１−（０．００６５×標高［ｍ］／（０．００６５×標高［ｍ］＋１５＋２７３．１５）｝^5.257

ステップＳ４０４Ａでは、定格体積流量、定格吸入圧力損失、および定格吐出圧力損失が、設定値としてチラーコントローラ２０に設定される。

ステップＳ４０４Ｂでは、前述の数式４を用いて、現在の圧縮機体積流量［ｍ³／ｍｉｎ］が算出される。

ステップＳ４０４Ｃでは、現在圧縮機体積流量における吸入圧力損失および吐出圧力損失が以下の数式１２，１３により算出される。吸入圧力損失および吐出圧力損失は、吸入配管および吐出配管における圧力損失である。なお、数式１２中の定格吸入圧力損失は、ステップＳ４０４Ａでチラーコントローラ２０から設定される値であり、例えば、０．０〜５０．０ｋＰａの範囲の値（初期値５．０ｋＰａ）である。また、数式１２中の吸入圧力損失Ｏｆｆｓｅｔは、チラーコントローラ２０から設定される値であり、例えば、０．０〜５０．０ｋＰａの範囲の値（初期値０．０ｋＰａ）である。また、数式１２中の現在の体積流量はステップＳ４０４Ｂで得られた値であり、定格体積流量はステップＳ４０４Ａで設定された値である。数式１３中の定格吐出圧力損失は、ステップＳ４０４Ａでチラーコントローラ２０から設定される値であり、例えば、０．０〜５０．０ｋＰａの範囲の値（初期値３．０ｋＰａ）である。また、数式１３中の吐出圧力損失Ｏｆｆｓｅｔは、チラーコントローラ２０から設定される値であり、例えば、０．０〜５０．０ｋＰａの範囲の値（初期値４．０ｋＰａ）である。また、数式１３中の現在の体積流量はステップＳ４０４Ｂで得られた値であり、定格体積流量はステップＳ４０４Ａで設定された値である。
《数１２》計算吸入圧力損失［ｋＰａ］
＝定格吸入圧力損失×［％体積流量］²＋吸入圧力損失Ｏｆｆｓｅｔ
＝定格吸入圧力損失×［現在の体積流量／定格体積流量］²＋吸入圧力損失Ｏｆｆｓｅｔ
《数１３》計算吐出圧力損失［ｋＰａ］
＝定格吐出圧力損失×［％体積流量］²＋吐出圧力損失Ｏｆｆｓｅｔ
＝定格吐出圧力損失×［現在の体積流量／定格体積流量］²＋吐出圧力損失Ｏｆｆｓｅｔ

圧縮機の設計風量における吐出圧力損失（圧力ロス）および吸入圧力損失（圧力ロス）が、定格吐出圧力損失（設定値）および定格吸入圧力損失（設定値）としてそれぞれ入力される。設計風量以外における吐出圧力損失（圧力ロス）および吸入圧力損失（圧力ロス）は、上記の数式１２，１３のように、（その時点での風量の設計風量に対する比率）の二乗値を乗ずることで算出される。

ステップＳ４０５では、ステップＳ４０２で補正された蒸発器圧力および凝縮器圧力（ゲージ圧）、ステップＳ４０３Ｂで算出された大気圧、およびステップＳ４０４Ｃで算出された吸入圧力損失および吐出圧力損失を用いて、絶対圧力基準で、吸入圧力および吐出圧力が算出される。

ステップＳ４０５では、ステップＳ４０３Ｂで算出された大気圧を用いて、以下の数式１４により、ゲージ圧が絶対圧力に換算される。
《数１４》圧力［ｋＰａＡ，絶対圧力基準］
＝圧力［ｋＰａＧ，ゲージ圧基準］＋大気圧

なお、絶対圧力基準の圧力を用いるのは、冷媒特性計算及び圧縮機特性計算（体積流量、ヘッド等）においてのみである。その他の場合（ＨＭＩ表示、履歴／トレンド、設定、およびアラーム検知等）は、ゲージ圧換算が用いられる。

また、Ｓ４０５では、ステップＳ４０２で得られた蒸発器圧力および凝縮器圧力（ゲージ圧）と、ステップＳ４０４Ｃで算出された吸入圧力損失および吐出圧力損失と、を用いて、吸入圧力と吐出圧力が算出される。なお、蒸発器圧力および凝縮器圧力（ゲージ圧）が先に絶対圧力換算される場合には、以下の数式１５，１６により吸入圧力および吐出圧力（絶対圧力基準）が得られる。
《数１５》吸入圧力（ｋＰａＡ）＝蒸発器圧力（ｋＰａＡ）−吸入圧力損失（ｋＰａ）
《数１６》吐出圧力（ｋＰａＡ）＝凝縮器圧力（ｋＰａＡ）＋吐出圧力損失（ｋＰａ）

一方、蒸発器圧力および凝縮器圧力（ゲージ圧）が絶対圧力換算されていない場合には、以下の数式１７，１８により吸入圧力および吐出圧力（ゲージ圧）が算出された後、上記の数式１４を用いて絶対圧力基準の吸入圧力および吐出圧力が得られる。
《数１７》吸入圧力（ｋＰａＧ）＝蒸発器圧力（ｋＰａＧ）−吸入圧力損失（ｋＰａ）
《数１８》吐出圧力（ｋＰａＧ）＝凝縮器圧力（ｋＰａＧ）＋吐出圧力損失（ｋＰａ）

なお、吸入圧力および吐出圧力が上記の数式を用いて算出される理由を、図６を用いて説明する。

通常、圧力センサは、図１Ａ〜図１Ｃのように、蒸発器および凝縮器内部の伝熱管凍結防止等保護または高低圧圧力保護も兼ねて、凝縮器２４と蒸発器２８に取り付けられることが多い。この圧力センサの読み値を基にヘッドを計算すると、吐出／吸入の配管ロスが含まれないため、計算ヘッドが実際の圧縮機ヘッドとが異なってくる（図６参照）。そのため、圧縮機性能を正しくモニタできない。

仮に圧力センサの位置を、凝縮器２４から圧縮機の吐出管へ、蒸発器２８から圧縮機の吸入管へ移動した場合、ヘッドは正しく計算できる。しかし、凝縮器２４および蒸発器２８の圧力が直接計測される訳ではないので、凝縮器２４および蒸発器２８の保護が正しくなされないおそれがある。

凝縮器２４、圧縮機の吐出管、蒸発器２８、および圧縮機の吸入管全てに圧力センサを設けることもできるが、センサ点数の増大によりセンサや、チラーコントローラ２０のコストアップを招く。またチラーコントローラ２０のアナログ入力点数増大によりチラーコントローラ２０の処理能力アップが必要となるおそれがある。

このような欠点を補うため、本実施形態では、ステップＳ４０４Ｃにおいて吐出圧力損失（圧力ロス）および吸入圧力損失（圧力ロス）をチラーコントローラ２０の内部で計算し、ステップＳ４０５で圧縮機の吐出圧力および吸入圧力を算出する。この算出結果を基にヘッドが計算されるので、ヘッド計算値を本来値に近似させることが可能になる。

ステップＳ４０６では、圧縮機の吸入管の温度センサにより吸入温度の計測値が得られる。

ステップＳ４０７では、ステップＳ４０５で得られた吸入圧力（絶対圧力基準）と、ステップＳ４０６で得られた吸入温度とを用いて、吸入過熱度が算出される。

吸入過熱度は、数式１９により算出され、数式１９中の飽和吸入温度は、数式２０により算出される。なお、数式２０中のＰｓは、ステップＳ４０５で得られた吸入圧力（絶対圧力基準）である。数式２０中のａ１〜ａ４は冷媒物性により予め決定された係数である。
《数１９》吸入過熱度［℃］＝吸入温度［℃］−飽和吸入温度［℃］
《数２０》飽和吸入温度［℃］
＝ａ１×（ｌｎ（Ｐｓ））³＋ａ２×（ｌｎ（Ｐｓ））²＋ａ３×ｌｎ（Ｐｓ）＋ａ４

ステップＳ４０８では、吸入ガスエンタルピが算出される。吸入ガスエンタルピは、数式２１により計算される。なお、数式２１中の飽和状態におけるガスエンタルピは数式２２により算出される。数式２１中の一般過熱状態におけるガスエンタルピ乗数は、数式２３により算出される。数式２２中のａ１６〜ａ２１、および数式２３中のａ２２〜ａ３３は冷媒物性により予め決定された係数である。数式２２，２３中のＰｓは、ステップＳ４０５で得られた吸入圧力（絶対圧力基準）であり、数式２３中のＳＳＨは、Ｓ４０７で得られた吸入過熱度である。
《数２１》吸入ガスエンタルピ［ｋＪ／ｋｇ］
＝飽和状態におけるガスエンタルピ×一般過熱状態におけるガスエンタルピ乗数
《数２２》飽和状態におけるガスエンタルピ
＝ａ１６×（√（Ｐｓ））⁵＋ａ１７×（√（Ｐｓ））⁴＋ａ１８×（√（Ｐｓ））³＋ａ１９×（√（Ｐｓ））²＋ａ２０×√（Ｐｓ）＋ａ２１
《数２３》一般過熱状態におけるガスエンタルピ乗数
＝１＋Ａ１×（√（Ｐｓ））²＋Ｂ１×√（Ｐｓ）＋Ｃ１
＝１＋（ａ２２×ＳＳＨ⁴＋ａ２３×ＳＳＨ³＋ａ２４×ＳＳＨ²＋ａ２５×ＳＳＨ）×（√（Ｐｓ））²＋（ａ２６×ＳＳＨ⁴＋ａ２７×ＳＳＨ³＋ａ２８×ＳＳＨ²＋ａ２９×ＳＳＨ）×√（Ｐｓ）＋（ａ３０×ＳＳＨ⁴＋ａ３１×ＳＳＨ³＋ａ３２×ＳＳＨ²＋ａ３３×ＳＳＨ）

ステップＳ４０９では、断熱吐出ガスエンタルピが算出される。断熱吐出ガスエンタルピは、数式２４により計算される。なお、数式２４中の吸入加熱度が０の場合の吐出断熱ヘッドは、数式２５により計算される。数式２４中の吐出断熱エンタルピ乗数１は数式２６により計算され、数式２４中の吐出断熱エンタルピ乗数２は数式２７により計算される。数式２５中のａ５５〜ａ７４、数式２６中のａ７５〜ａ８６、および数式２７中のａ８７〜ａ８９は、冷媒物性により予め決定された係数である。数式２５，２６中のＰｄはステップＳ４０５で得られた吐出圧力（絶対圧力基準）であり、数式２５，２７中のＰｓはステップＳ４０５で得られた吸入圧力（絶対圧力基準）であり、数式２６中のＳＳＨは、Ｓ４０７で得られた吸入過熱度である。
《数２４》断熱吐出ガスエンタルピ［ｋＪ／ｋｇ］
＝吸入過熱度が０の場合の吐出断熱ヘッド×吐出断熱エンタルピ乗数１×吐出断熱エンタルピ乗数２
《数２５》吸入過熱度が０の場合の吐出断熱ヘッド［ｋＪ／ｋｇ］
＝｛ａ５５×（√（Ｐｄ））⁴＋ａ５６×（√（Ｐｄ））³＋ａ５７×（√（Ｐｄ））²＋ａ５８×√（Ｐｄ）＋ａ５９｝×（√（Ｐｓ））³＋｛ａ６０×（√（Ｐｄ））⁴＋ａ６１×（√（Ｐｄ））³＋ａ６２×（√（Ｐｄ））²＋ａ６３×√（Ｐｄ）＋ａ６４｝×（√（Ｐｓ））²＋｛ａ６５×（√（Ｐｄ））⁴＋ａ６６×（√（Ｐｄ））³＋ａ６７×（√（Ｐｄ））²＋ａ６８×√（Ｐｄ）＋ａ６９｝×√（Ｐｓ）＋ａ７０×（√（Ｐｄ））⁴＋ａ７１×（√（Ｐｄ））³＋ａ７２×（√（Ｐｄ））²＋ａ７３×√（Ｐｄ）＋ａ７４＋４００
《数２６》吐出断熱エンタルピ乗数１
＝（ａ７５×ＳＳＨ²＋ａ７６×ＳＳＨ＋ａ７７）×Ｐｄ³＋（ａ７８×ＳＳＨ²＋ａ７９×ＳＳＨ＋ａ８０）×Ｐｄ²＋（ａ８１×ＳＳＨ²＋ａ８２×ＳＳＨ＋ａ８３）×Ｐｄ＋ａ８４×ＳＳＨ²＋ａ８５×ＳＳＨ＋ａ８６
《数２７》吐出断熱エンタルピ乗数２
＝ａ８７×Ｐｓ²＋ａ８８×Ｐｓ＋ａ８９

ステップＳ４１０は、チラーヘッド（断熱ヘッド）が取得される。チラーヘッドは、ステップＳ４０８およびステップＳ４０９で得られた吸入ガスエンタルピおよび断熱吐出ガスエンタルピを用いて、数式２８により算出される。
《数２８》チラーヘッド（ｋＪ／ｋｇ）
＝断熱吐出ガスエンタルピ−吸入ガスエンタルピ

なお、ここでは、上記のように、断熱ヘッド（チラーヘッド）の算出で吸入温度が考慮されているが、これを考慮した場合と、考慮しなかった場合との比較結果の例を表３〜５に示した。特に、ホットガス併用運転時等、吸入温度が比較的高い条件での運転では、吸入温度がヘッド計算に与える影響は大きくなる。吸入温度をヘッド計算に含めることで、ヘッド計算の精度を高めることが可能である。

チラー１０およびチラー１１０の遠心式圧縮機２２は２段式であるが、断熱ヘッドは、擬似単段エンタルピ基準であらわされる。図７および図８に、圧縮機が単段の場合（チラー２１０の遠心式圧縮機２２２を用いる場合）のＰｈ線図と、圧縮機が二段の場合（チラー１０およびチラー１１０の遠心式圧縮機２２を用いる場合）のＰｈ線図と、を示す。

単段式の圧縮機（遠心式圧縮機２２２）の場合、断熱ヘッド（ｋＪ／ｋｇ）は、Ｈｄ２からＨｓ１を減じることで算出される（図７参照）。

２段式の圧縮機（遠心式圧縮機２２）の場合、１段側の吸入（第１（低段）圧縮機構４２ａの吸入）と、２段側の吸入（第２（高段）圧縮機構４２ｂの吸入）と、の２つの吸入があり、また圧縮部分（圧縮機構）が２段階に分かれているため、本来１段側と２段側に分けてヘッド計算を実施する必要がある。しかし、この場合には、計算が煩雑になる。また、２段側のみに吸入されるエコノマイザ３０のガスは、チラーの目的である冷水製造（蒸発器２８で熱交換）には直接寄与していないため（蒸発器２８をバイパスするため）、２段側圧縮の計算をリアルタイムな負荷と関連付けにくい。

そこで、２段圧縮ではあるが、１段側の吸入（第１（低段）圧縮機構４２ａの吸入）と最終段の吐出（第２（高段）圧縮機構４２ｂの吐出）のみに着目し、擬似的に"単段圧縮機"として断熱ヘッドを計算する。つまり、断熱ヘッド（ｋＪ／ｋｇ）は、Ｈｄ２からＨｓ１を減じることで算出される（図８参照）。

ヘッド特性および圧縮機能力特性についても、擬似単段としてまとめる（あえてエコノマイザ３０のガスを計算に含めない）と、遠心式圧縮機２２の吸入ガスは全て蒸発器２８を通ることになり、圧縮機負荷（風量特性）と蒸発器負荷（冷水負荷）のバランス計算が容易になる。

吸入圧力および吐出圧力は、図４のフローチャートのように、チラーコントローラ２０に設定されたチラーの設置場所の高度（標高）を用いて、絶対圧力に換算されたものである。

吸入圧力および吐出圧力は、図４のフローチャートのように、各々、蒸発器圧力センサおよび凝縮器圧力センサの計測値に対し、随時計算される圧縮機風量を基にした圧縮機の吸入管および吐出管での圧力ロス分が補正されたものである。

チラーコントローラ２０は、実際の運転ヘッド（断熱ヘッド）がプリセットされたサージ曲線を超えた時間の直近一定時間内における積算が、予め設定された時間を上回った場合にサージ異常と判断し、前記圧縮機を停止させる機能を有する。

図９には、チラーコントローラ２０によるサージの検出方法が図示されている。ここでは、直近の６０秒間の、チラーヘッド＞サージヘッドとなる時間の合計（図９中のＡ〜Ｄの時間の合計）が、しきい値（例えば１０秒）を超過する場合に、サージが検知され、圧縮機が急停止される。

圧縮機の緊急停止の制御処理のフローの一例を図１０に示す。

ステップＳ５０１では、圧縮機が起動してから３０秒が経過したか否かが判定される。ステップＳ５０１は、圧縮機が起動してから３０秒が経過したと判定されるまで繰り返される。

ステップＳ５０２では、直近６０秒以前のサージ時間を削除する。

ステップＳ５０３では、圧縮機運転中に、チラーヘッドが、サージヘッド以上か否かが判定される。ステップＳ５０３でチラーヘッドがサージヘッド以上ではない（チラーヘッドがサージヘッドより小さい）と判定された場合には、ステップＳ５０４に進む。ステップＳ５０３でチラーヘッドがサージヘッド以上であると判定された場合には、ステップＳ５０５に進む。

ステップＳ５０４では、サージ時間のカウントが停止される。その後、ステップＳ５０１に戻る。

ステップＳ５０５では、サージ中に、サージ時間と記録時間がカウントされる。その後、ステップＳ５０６に進む。

ステップＳ５０６では、有効（直近６０秒の間で発生した）サージ時間が積算される。その後ステップＳ５０７に進む。

ステップＳ５０７では、有効サージ時間の和が、サージ時間のしきい値（例えば１０秒）以上であるか否かが判定される。有効サージ時間の和が、サージ時間のしきい値以上でない（有効サージ時間の和が、サージ時間のしきい値より短い）と判定されると、ステップＳ５０１に戻る。一方、ステップＳ５０７で、有効サージ時間の和が、サージ時間のしきい値以上であると判定されれば、ステップＳ５０８で、圧縮機が緊急停止され、「圧縮機サージ」の警報が発報される。

＜追加説明および効果＞
本開示は、ターボチラーにおける高効率運転を実現するための運転状態（ヘッド）検出方法、サージ回避制御およびサージ検出制御に関する。

ターボチラーにおいては、圧縮機が固有に持つサージ特性を考慮しながら、その時々の運転状況に合わせ出来る限り小さな回転数で運転することが効率向上のキーとなる。

また、コントローラが現在の運転状況をできるだけ精度良く実態に即した形で把握できれば、現在の運転ヘッドと圧縮機サージ点までの計算マージンが確度の高いものとなり、より効率の良い運転が達成できる。

現在の運転状況の把握方法として、例えば特許文献４（ＵＳ５３５５６９１Ｂ２）に示されるように、無次元化された能力係数および圧力係数で表される圧縮機特性マップを使用する方法が示されている。本方法は、エアロパーツが比例設計された圧縮機においては、一般式として、有効な精度で運転状況の把握を可能とする。ただし、部分負荷領域を含めた広範囲での最適効率を目指すことが求められる今日にあっては、たとえエアロパーツが基本的には比例設計された場合であっても、その運転条件（能力、ヘッド等）に応じて、細かな改良が圧縮機毎に適宜加えられることがある。その場合、一般式としての無次元化式を用いた圧縮機特性マップは必ずしも個別圧縮機における真の圧縮機特性を示すものでなくなるため、これを用いた効率最適化制御にも自ずと限界が生じる。

特許文献３（ＵＳ２０１１/００９３１３３）においても、圧縮機特性マップを使用した容量制御方法が紹介されている。この方法によると、運転状態の検知に、回転数および容量制御機構の開度に加え、凝縮器および蒸発器（あるいは高圧と低圧の差圧）を使うことになっている。しかしながら、サージ特性は、圧力状態だけでなく吸入の温度状態によっても左右される。そのため、吸入温度が通常運転時と比べて大きく上昇するホットガスバイパス併用運転時には、計算結果から求められるヘッドとサージヘッドの間の計算マージンは、ホットガスバイパスを使用しない場合の計算マージンに比べ精度が落ちてしまい、これがチラーの効率や運転可能領域へ少なからず悪影響を与えてしまう。

また、ターボチラーではコントローラの持つ入出力点数の制約やコスト削減の観点から高圧側および低圧側に複数の圧力センサを取り付けることは稀であり、圧力センサは、熱交換器の伝熱管凍結防止の保護も兼ね、凝縮器および蒸発器にそれぞれ取り付けることが多い。この場合、圧縮機の吸入および吐出位置と各圧力センサ取り付け位置との間に、吐出配管、吸入配管が存在することになる。吐出配管、吸入配管では圧縮機の処理風量に相当する圧力損失が常に発生する一方、圧縮機のサージヘッドは圧縮機の吸込口、吐出口の圧力に依存する。そのため、各配管で発生する圧力損失を適切に処理しないと、運転中の圧縮機のサージマージンを確度良く認識できない。

さらに、運転状況の把握用としてコントローラと共に使用される圧力センサは、コスト、入手性を考慮して一般的にはゲージ圧センサが用いられる。ゲージ圧センサの読み値が大気圧の影響を受ける一方で、チラー冷媒系統は外部と完全に遮断された密閉系統である。そのため、同一のチラーであったとしても、チラーの設置場所によって（特にチラーが高地に設置された場合に）、大気圧が圧力センサに与える影響が異なる。その結果、工場で試験確認された圧縮機最適運転のための設定値が、納入先に設置後の運転においては必ずしも最適とならない事象が想定される。

サージ状態の検出については、例えば、特許文献１（ＵＳ６０３６４３２Ｂ２）に示されるような吐出側ディフューザの圧力脈動を検知する方法や、特許文献２（ＵＳ５８９４７３６Ｂ２）に示されるような圧縮機の吐出−吸入差圧とモータ電流の変化とを検知する方法等がある。しかしながら、圧縮機の回転数が十分小さな低ヘッドで運転される場合、圧力変化や電流変化も小さくなる。そのため、正常状態と区別して正しくサージ検知をすることが困難となる。

特許文献２（ＵＳ２０１１/００９３１３３）に示されるように、実際のサージ検出をもって、既存のサージ面を見直すことを特徴とするものもある。なお、サージ面とは、圧縮機がサージを起こす点（サージヘッド）を、圧縮機の回転数、ＩＧＶ開度をパラメータとして、３次元座標上にプロットした時の曲面である。しかしながら、そもそもの前提として、圧力または電流等のセンシングによる部分負荷時のサージ検出の精度が、上述の理由で低下するならば、本方法によるサージ面の見直しは、かえって圧縮機の運転可能範囲をいたずらに縮める可能性がある。

また、上述した従来の方法では吸入温度がサージ検出において用いられていない。しかしながら、ホットガスバイパスを併用した場合には、吸入ガス温度が通常時に比べ高くなり、これは少なからず運転ヘッドに影響するので、吸入温度をヘッド計算に含めない方法によると、ホットガスバイパス併用時のサージ検出の精度が悪くなる可能性がある。

本開示の課題は、負荷の大きさやホットガスバイパスの有無に関わらず、通常時の効率的な運転と、非常時の高精度なサージ検出機能を両立するチラーを提供することにある。

上述の課題を解決するため、本開示の遠心式冷凍装置にあっては、圧縮機毎に固有のサージ特性が個別に与えられることを前提とし、サージ曲線は有次元の単位で与えられる。また、吸入圧力および吐出圧力に加えて吸入ガス温度もモニタされるので、ホットガスバイパス併用時等、吸入ガス温度が通常温度をはるかに超える状況でも、精度よくヘッド計算が実行される。

また、サージ特性は単なる圧力差や圧縮比ではなく、断熱エンタルピとして扱われることを特徴とする。特に２段遠心式圧縮機の場合、現在回転数、吸入容量制御機構の開度、吐出容量制御機構の開度あるいは凝縮器出口液の過冷却状態によってエコノマイザからのガス吸い込み量が異なる。そのため、理論的には１段側、２段側各々での圧縮状態評価が必要となる。しかし、本開示は、簡便のため、１段側の吸入圧力と、１段側の吸入温度と、２段側吐出圧力と、から算出される“擬似単段”基準の断熱エンタルピとして表現することを特徴とする。

またここでは、具体的にはチラー設置場所の高度を変数として大気圧補正が行われる。ゲージ圧基準の圧力センサでの読み値に、チラー設置場所の高度を変数として算出される大気圧を加えることで、計算ヘッドが絶対圧力基準として扱われる。

これによって、チラーの設置場所によらず、設計的に元来意図された運転状態を再現することを可能としている。

またここでは、具体的には定格圧縮機風量で運転した際の設計吐出配管圧損および吸入配管圧損が設定値として与えられ、それに対し、現在圧縮機風量の比（配管内流速比）の２乗を用いて、現在運転状態での吐出および吸入配管圧損が計算され、これが断熱ヘッド計算に用いられる。その結果、圧縮機吸入口および吐出口基準で、圧縮機自身のヘッド評価の基準となる断熱ヘッドの計算が可能となる。

またここでは、部分負荷時に精度よくサージ検出することを可能とするために、コントローラでモニタ、計算される運転ヘッドは、コントローラにプリセットされた圧縮機サージ曲線と、常時、その大小が比較検証される。一般的にはサージ状態が発生しても、常に運転ヘッドがサージ曲線を上回ることは少なく、通常はサージ曲線を境に運転ヘッドが高頻度に繰り返し上下することが多い。よって、本開示では運転ヘッドの振れがサージ現象に通じるものか、一過性の状態によるものなのかを判断しサージ現象を確実に捉えるため、運転ヘッドがサージ曲線を上回った時間の積算値が判断基準として用いられる。積算値は過去１分間の値に自動更新されることとなっており、本値が予め設定された、しきい値を上回ると、サージ状態が確定され、圧縮機が速やかに自動停止される。

本質的に、サージ特性は圧縮機毎に、回転数または吸入および吐出容量制御機構の開度をパラメータとして固有の曲線をもっている。そのため、サージ特性と運転ヘッドの双方が実際に合わせて高精度に表現できるのであれば、サージ状態の判断は他のセンシングによる方法にくらべ信頼性の高いものとなる。重要なのは、サージ特性を個別の圧縮機別に細かく規定すること、および、運転ヘッドの計算精度を上げることであり、本開示に係る内容の一部または全部を適用することにより、上記のようなサージ検出が可能である。また、ここでは、運転ヘッド計算に吸入ガス温度も含めているので、本方法によるサージ判定は、ホットガスバイパス併用時にも適用可能で、精度のよいサージ検出が可能である。

＜用語の一般解釈＞
本発明の範囲を理解するうえで、“を備える”という語およびこの派生語は、ここでは、オープンエンドな語を意図しており、記載された特徴、要素、構成、群、整数、及び／又はステップの存在を明示するものであるが、記載されていない特徴、要素、構成、群、整数、及び／又はステップの存在を除外するものではない。上述の内容は、“含む”、“有する”という語およびこの派生語のような、同様な意味を持つ語にも当てはまる。また、“部分”“要素”というような語が単数形で記載された場合、単一の部分という意味と、複数の部分という意味の両方の意味をもちうる。

“検出する”という語は、ここでは、部品、部分、装置等により実行される運転または機能を示すが、部品、部分、装置等は、物理的な意味で検出するのではなく、“決定する”、“計測する”、“モデル化する”、“予測する”、“計算する”等の運転または機能を含んでもよい。

“構成される”の語は、ここでは、部品、部分、装置の部分がハードウェアおよび／又はソフトウェアを含み、所望の機能を実行するように構成および／又はプログラムされている場合を含む。

“実質的に”、“約”、“おおよそ”等の程度を表す語は、最終結果が大幅に変わらない、逸脱の合理的な範囲を意味する修飾語である。

ここでは、選択された実施形態だけが本発明を説明するために選択されたが、この開示から、明細書に付された特許請求の範囲で定義される発明の範囲から逸脱しない範囲で、様々な変更や修正を行うことが可能であることは、当業者にとって明白である。例えば、様々な構成のサイズ、形状、位置、方向は、必要に応じて、および／又は、要求に応じて変更可能である。互いに直接接続された、あるいは、直接接触した構成は、それらの構成の間に、仲介するための構造が配されても良い。１つの構成により実行される機能は２つの構成により実行されてもよく、その逆であってもよい。１つの実施形態の中で記載された構成及び機能は、他の実施形態において用いられてもよい。１の特定の実施形態の中で、全ての効果が同時に存在する必要は無い。従来技術から見て独自の全ての特徴は、単独で、又は、他の特徴と組み合わせて、そのような特徴により具体化された、構造的なおよび／又は機能的な概念を含む、出願人による更なる発明の個別の記載と考えられてもよい。そのため、上述の本発明に関する実施形態の記載は、説明のためだけのものであり、明細書に付された特許請求の範囲等により規定される発明を限定する目的は無い。

１０，１１０，２１０ チラー（冷凍装置）
２０ チラーコントローラ（制御部、制御装置）
２２ 単段式の遠心式圧縮機（圧縮機）
２２２ 二段式の遠心式圧縮機（圧縮機）
２４ 凝縮器
２８ 蒸発器
４３ 吸入ガイドベーン（吸入容量制御機構）
４４ 吐出ディフューザ幅制御機構（吐出容量制御機構）

ＵＳ６０３６４３２Ｂ２ ＵＳ５８９４７３６Ｂ２ ＵＳ２０１１／００９３１３３ ＵＳ５３５５６９１Ｂ２

Claims (12)

1. 遠心式の圧縮機と、
   開度を変更することで前記圧縮機の容量制御を行う、吸入容量制御機構および吐出容量制御機構と、
   圧縮機個別のサージ曲線と断熱ヘッドとを比較した結果に基づき、サージ回避のための前記圧縮機の回転数制御、および、サージ検出に基づく前記圧縮機の緊急停止制御を行う 制御部と、
   を備え、
   前記サージ曲線は、前記制御部に予め記憶されるものであって、前記圧縮機の現在回転数、前記吸入容量制御機構の開度、および前記吐出容量制御機構の開度により規定され、
   前記断熱ヘッドは、運転中の、吸入圧力、吐出圧力、および吸入温度を用いて計算される、冷凍装置であって、
   前記吸入圧力および前記吐出圧力は、前記制御部に設定された当該冷凍装置の設置場所の高度を用いて、絶対圧力に換算されたものであり、
   冷凍装置。
2. 遠心式の圧縮機と、
   開度を変更することで前記圧縮機の容量制御を行う、吸入容量制御機構および吐出容量制御機構と、
   圧縮機個別のサージ曲線と断熱ヘッドとを比較した結果に基づき、サージ回避のための前記圧縮機の回転数制御、および、サージ検出に基づく前記圧縮機の緊急停止制御を行う 制御部と、
   を備え、
   前記サージ曲線は、前記制御部に予め記憶されるものであって、前記圧縮機の現在回転数、前記吸入容量制御機構の開度、および前記吐出容量制御機構の開度により規定され、
   前記断熱ヘッドは、運転中の、吸入圧力、吐出圧力、および吸入温度を用いて計算される、冷凍装置であって、
   当該冷凍装置の凝縮器に設けられた凝縮器圧力センサと、
   当該冷凍装置の蒸発器に設けられた蒸発器圧力センサと、
   を更に備え、
   前記吸入圧力および前記吐出圧力は、各々、前記蒸発器圧力センサおよび前記凝縮器圧力センサの計測値に対し、随時計算される圧縮機風量を基にした前記圧縮機の吸入管および吐出管での圧力ロス分が補正されたものである、
   冷凍装置。
3. 前記制御部は、前記断熱ヘッドが前記サージ曲線を超えた時間の直近一定時間内における積算が、予め設定された時間を上回った場合にサージ異常と判断し、前記圧縮機を停止させる、
   請求項１又は２に記載の冷凍装置。
4. 前記圧縮機は２段式であり、
   前記断熱ヘッドは、擬似単段エンタルピ基準で表される、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の冷凍装置。
5. 遠心式の圧縮機と、開度を変更することで前記圧縮機の容量制御を行う、吸入容量制御機構および吐出容量制御機構とを有する冷凍機の、制御装置であって、
   圧縮機個別のサージ曲線を記憶する記憶部と、
   処理部と、
   を備え、
   前記処理部は、前記記憶部に記憶された前記サージ曲線と断熱ヘッドとを比較した結果 に基づき、サージ回避のための前記圧縮機の回転数制御、および、サージ検出に基づく前記圧縮機の緊急停止制御を行い、
   前記サージ曲線は、前記圧縮機の現在回転数、前記吸入容量制御機構の開度、および前記吐出容量制御機構の開度により規定され、
   前記断熱ヘッドは、運転中の前記圧縮機の、吸入圧力、吐出圧力、および吸入温度を用いて計算され、
   前記吸入圧力および前記吐出圧力は、前記記憶部に記憶された前記冷凍機の設置場所の高度を用いて、絶対圧力に換算されたものである、
   制御装置。
6. 遠心式の圧縮機と、開度を変更することで前記圧縮機の容量制御を行う、吸入容量制御機構および吐出容量制御機構とを有する冷凍機の、制御装置であって、
   圧縮機個別のサージ曲線を記憶する記憶部と、
   処理部と、
   を備え、
   前記処理部は、前記記憶部に記憶された前記サージ曲線と断熱ヘッドとを比較した結果 に基づき、サージ回避のための前記圧縮機の回転数制御、および、サージ検出に基づく前記圧縮機の緊急停止制御を行い、
   前記サージ曲線は、前記圧縮機の現在回転数、前記吸入容量制御機構の開度、および前記吐出容量制御機構の開度により規定され、
   前記断熱ヘッドは、運転中の前記圧縮機の、吸入圧力、吐出圧力、および吸入温度を用いて計算され、
   前記冷凍機は、凝縮器に設けられた凝縮器圧力センサと、蒸発器に設けられた蒸発器圧力センサと、を更に有し、
   前記吸入圧力および前記吐出圧力は、各々、前記蒸発器圧力センサおよび前記凝縮器圧力センサの計測値に対し、圧縮機風量を基に随時計算される前記圧縮機の吸入管および吐出管での圧力ロス分が補正されたものである、
   制御装置。
7. 前記処理部は、前記断熱ヘッドが前記サージ曲線を超えた時間の直近一定時間内における積算が、予め設定された時間を上回った場合にサージ異常と判断し、前記圧縮機を停止させる、
   請求項５又は６に記載の制御装置。
8. 前記圧縮機は２段式であり、
   前記断熱ヘッドは、擬似単段エンタルピ基準で表される、
   請求項５から７のいずれか１項に記載の制御装置。
9. 遠心式の圧縮機と、
   開度を変更することで前記圧縮機の容量制御を行う、吸入容量制御機構および吐出容量 制御機構と、
   前記圧縮機の回転数制御、サージ回避のための前記圧縮機の回転数制御、および、サー ジ検出に基づく前記圧縮機の緊急停止制御を行うために、圧縮機個別のサージ曲線と断熱 ヘッドとを比較する制御部と、
   を備え、
   前記サージ曲線は、前記制御部に予め記憶されるものであって、前記圧縮機の現在回転 数、前記吸入容量制御機構の開度、および前記吐出容量制御機構の開度により規定され、
   前記断熱ヘッドは、運転中の、吸入圧力、吐出圧力、および吸入温度を用いて計算され る、冷凍装置であって、
   前記吸入圧力および前記吐出圧力は、前記制御部に設定された当該冷凍装置の設置場所 の高度を用いて、絶対圧力に換算されたものであり、
   前記制御部は、前記断熱ヘッドが前記サージ曲線を超えた時間の直近一定時間内におけ る積算が、予め設定された時間を上回った場合にサージ異常と判断し、前記圧縮機を停止 させる、
   冷凍装置。
10. 遠心式の圧縮機と、
    開度を変更することで前記圧縮機の容量制御を行う、吸入容量制御機構および吐出容量 制御機構と、
    前記圧縮機の回転数制御、サージ回避のための前記圧縮機の回転数制御、および、サー ジ検出に基づく前記圧縮機の緊急停止制御を行うために、圧縮機個別のサージ曲線と断熱 ヘッドとを比較する制御部と、
    を備え、
    前記サージ曲線は、前記制御部に予め記憶されるものであって、前記圧縮機の現在回転 数、前記吸入容量制御機構の開度、および前記吐出容量制御機構の開度により規定され、
    前記断熱ヘッドは、運転中の、吸入圧力、吐出圧力、および吸入温度を用いて計算され る、冷凍装置であって、
    当該冷凍装置の凝縮器に設けられた凝縮器圧力センサと、
    当該冷凍装置の蒸発器に設けられた蒸発器圧力センサと、
    を更に備え、
    前記吸入圧力および前記吐出圧力は、各々、前記蒸発器圧力センサおよび前記凝縮器圧 力センサの計測値に対し、随時計算される圧縮機風量を基にした前記圧縮機の吸入管およ び吐出管での圧力ロス分が補正されたものであり、
    前記制御部は、前記断熱ヘッドが前記サージ曲線を超えた時間の直近一定時間内におけ る積算が、予め設定された時間を上回った場合にサージ異常と判断し、前記圧縮機を停止 させる、
    冷凍装置。
11. 遠心式の圧縮機と、開度を変更することで前記圧縮機の容量制御を行う、吸入容量制御 機構および吐出容量制御機構とを有する冷凍機の、制御装置であって、
    圧縮機個別のサージ曲線を記憶する記憶部と、
    処理部と、
    を備え、
    前記処理部は、前記圧縮機の回転数制御、サージ回避のための前記圧縮機の回転数制御 、および、サージ検出に基づく前記圧縮機の緊急停止制御を行うために、前記記憶部に記 憶された前記サージ曲線と断熱ヘッドとを比較するものであって、
    前記サージ曲線は、前記圧縮機の現在回転数、前記吸入容量制御機構の開度、および前 記吐出容量制御機構の開度により規定され、
    前記断熱ヘッドは、運転中の前記圧縮機の、吸入圧力、吐出圧力、および吸入温度を用 いて計算され、
    前記吸入圧力および前記吐出圧力は、前記記憶部に記憶された前記冷凍機の設置場所の 高度を用いて、絶対圧力に換算されたものであり、
    前記処理部は、前記断熱ヘッドが前記サージ曲線を超えた時間の直近一定時間内におけ る積算が、予め設定された時間を上回った場合にサージ異常と判断し、前記圧縮機を停止 させる、
    制御装置。
12. 遠心式の圧縮機と、開度を変更することで前記圧縮機の容量制御を行う、吸入容量制御 機構および吐出容量制御機構とを有する冷凍機の、制御装置であって、
    圧縮機個別のサージ曲線を記憶する記憶部と、
    処理部と、
    を備え、
    前記処理部は、前記圧縮機の回転数制御、サージ回避のための前記圧縮機の回転数制御 、および、サージ検出に基づく前記圧縮機の緊急停止制御を行うために、前記記憶部に記 憶された前記サージ曲線と断熱ヘッドとを比較するものであって、
    前記サージ曲線は、前記圧縮機の現在回転数、前記吸入容量制御機構の開度、および前 記吐出容量制御機構の開度により規定され、
    前記断熱ヘッドは、運転中の前記圧縮機の、吸入圧力、吐出圧力、および吸入温度を用 いて計算され、
    前記冷凍機は、凝縮器に設けられた凝縮器圧力センサと、蒸発器に設けられた蒸発器圧 力センサと、を更に有し、
    前記吸入圧力および前記吐出圧力は、各々、前記蒸発器圧力センサおよび前記凝縮器圧 力センサの計測値に対し、圧縮機風量を基に随時計算される前記圧縮機の吸入管および吐 出管での圧力ロス分が補正されたものであり、
    前記処理部は、前記断熱ヘッドが前記サージ曲線を超えた時間の直近一定時間内におけ る積算が、予め設定された時間を上回った場合にサージ異常と判断し、前記圧縮機を停止 させる、
    制御装置。

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