JP6690036B1 - 冷却装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却装置を制御する方法において、冷却装置の冷却効率を従来よりも高めることができる制御方法を提供する。【解決手段】一次冷媒を加圧するコンプレッサ３と、コンプレッサ３により加圧された一次冷媒を冷却する凝縮器４と、凝縮器４により冷却された一次冷媒を膨張させる膨張器５と、膨張器５により膨張された一次冷媒によって、冷却対象装置３０を冷却するための二次冷媒を冷却する蒸発器６とを備えた冷却装置２の動作を制御する方法である。この制御方法では、コンプレッサ３が断続的に動作するように制御される。【選択図】図４

Description

本発明は、冷却対象装置を冷却するための二次冷媒を一次冷媒によって冷却するように構成された冷却装置の制御方法に関する。

例えば、工作機械の分野では、主軸が回転することにより、当該主軸を支持するベアリング等が発熱し、この発熱によって主軸やこれを保持する主軸台が熱変位し、このような熱変位により主軸と刃物台との間の相対的な位置関係が変動することによって、加工精度が悪化することが知られている。そこで、従来、主軸や主軸台が熱変位するのを防止するために、適宜冷却システムによって当該主軸や主軸台を冷却するようにしている（下記特許文献１参照）。

このような冷却システムの一般的な構成を図４に示す。同図４に示すように、この冷却システム１は、一次冷媒を冷却し、冷却した一次冷媒との熱交換によって二次冷媒を冷却する冷却装置２と、この冷却装置２によって冷却された二次冷媒を冷却対象装置３０に供給して当該冷却対象装置３０を冷却する対象冷却部１０と、冷却装置２及び対象冷却部１０を制御する制御装置２０とから構成される。尚、一般的に、一次冷媒としては、代替フロンなどの気体が用いられ、二次冷媒としては、グリコール水溶液や鉱物油などの液体が用いられる。また、以下では、一例として、工作機械を冷却対象装置３０として説明する。

前記冷却装置２は、一次冷媒を加圧するコンプレッサ３と、コンプレッサ３により加圧された一次冷媒を冷却する凝縮器４と、凝縮器４により冷却された一次冷媒を膨張させる膨張器５と、膨張器５により膨張された一次冷媒によって二次冷媒を冷却する蒸発器６とを備えている。また、凝縮器４は空冷式の熱交換器４ａ、この熱交換器４ａに送気するファン４ｂ、及びこのファン４ｂを駆動するモータ４ｃからなり、前記熱交換器４ａによって一次冷媒を冷却する。

前記コンプレッサ３と凝縮器４の熱交換器４ａとは管路７ａによって接続され、熱交換器４ａと膨張器５とは管路７ｂによって接続されている。また、膨張器５と蒸発器６とは管路７ｃによって接続され、蒸発器６とコンプレッサ３とは管路７ｄによって接続されている。斯くして、これら管路７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄによって循環路が形成される。

この冷却装置２によれば、コンプレッサ３によって一次冷媒を加圧することにより、その際の断熱圧縮作用により一次冷媒が昇温され、昇温された一次冷媒は管路７ａを通じて熱交換器４ａに流入する。そして、一次冷媒は熱交換器４ａにおける外気との間の熱交換によって冷却された後、管路７ｂを通じて膨張器５に流入する。ついで、一次冷媒は、この膨張器５を通過することにより膨張され、その際の断熱膨張作用によって更に温度が低下した状態となる。この後、一次冷媒は管路７ｃを通して蒸発器６に流入し、この蒸発器６において二次冷媒との熱交換により当該二次冷媒を冷却した後、管路７ｂを通じてコンプレッサ３に還流される。

尚、この冷却装置２において、前記管路７ｃと管路７ｄとはバルブ８が介装された管路９によって連通されており、バルブ８が開いているとき、蒸発器６における熱交換作用により昇温した一次冷媒の一部が前記管路９を通して管路７ｃに流入して、膨張器５から当該管路７ｃに流入した一次冷媒を加温するようになっている。この管路９はバイパス経路を形成する。

一方、前記対象冷却部１０は、二次冷媒が貯留されるタンク１１と、このタンク１１内の二次冷媒を管路１３ａを通じて汲み上げ、汲み上げた二次冷媒を管路１３ｂを通して前記冷却対象装置３０に供給するポンプ１２とを備えており、供給される二次冷媒によって冷却対象装置３０が所定の温度に冷却される。尚、冷却対象装置３０に供給され、当該冷却対象装置３０との熱交換によって昇温した二次冷媒は管路１３ｃを経て蒸発器６に流入し、この蒸発器６における一次冷媒との熱交換により冷却された後、管路１３ｄを通してタンク１１に還流される。斯くして、管路１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは、タンク１１と冷却対象装置３０との間で二次冷媒を循環させる循環路を形成する。

前記制御装置２０は、前記コンプレッサ３、凝縮器４のモータ４ｃ、膨張器５、バルブ８及びポンプ１２の作動をそれぞれ制御する。特に、制御装置２０は、冷却対象装置３０の稼働状態に応じて変動する二次冷媒の温度に応じて、前記コンプレッサ３の加圧力を調整して、冷却装置２の冷却出力（言い換えれば、吸熱量）を調整する。

即ち、制御装置２０は、少なくとも、蒸発器６に流入する前の二次冷媒の温度（即ち、一次冷媒との熱交換前の二次冷媒の温度）、蒸発器６から流出した後の二次冷媒の温度（即ち、一次冷媒との熱交換後の二次冷媒の温度）、及び室温に基づいて、所謂、フィードバック制御により、例えば、蒸発器６に流入する前の二次冷媒の温度が室温とほぼ同じ温度になるように、コンプレッサ３の圧力を調整して、冷却装置２の冷却出力を調整する。

より具体的には、例えば、冷却対象装置３０が加工を行っている場合には、その際の発熱量が冷却装置２の設定出力より高い場合には、蒸発器６に流入する前の二次冷媒の温度は徐々に上昇することになるが、この場合、前記制御装置２０は、コンプレッサ３の圧力をより高圧にして、冷却装置２の冷却出力をより高出力にすることによって、二次冷媒から一次冷媒に吸収される熱量を増加させる。

一方、冷却対象装置３０における発熱量が冷却装置２の設定出力より低い場合には、蒸発器６に流入する前の二次冷媒の温度は徐々に下がることになるが、この場合、前記制御装置２０は、コンプレッサ３の圧力をより低圧にして、冷却装置２の冷却出力をより低出力にすることによって、二次冷媒から一次冷媒に吸収される熱量を減少させる。

また、冷却装置２に対して設定されるべき冷却出力が、コンプレッサ３によって実現可能な最低圧力よりも低圧に相当するような低出力の場合には、コンプレッサ３の圧力を最低圧力に設定すると共に、適宜開度となるように前記バルブ８を開いて、蒸発器６における二次冷媒との熱交換によって昇温した一次冷媒の一部を、管路７ｄから管路７ｃに還流させて、蒸発器６に流入する一次冷媒の温度を昇温させ、これにより、一次冷媒による二次冷媒の冷却をごく緩やかなものとする。このような制御を行うことにより、コンプレッサ３の圧力に依存することなく、冷却装置２の冷却出力を低下させることができ、冷却対象装置３０が加工を行っていないアイドリング状態にある場合や、加工負荷が軽負荷である場合など、冷却対象装置３０における発熱量が低い場合でも、当該発熱量に応じた適正な温度制御を行うことができる。

以上のような制御を行うことにより、対象冷却部１０における二次冷媒の温度を、冷却対象装置３０で発生する熱量を除去可能な適正な温度に調整することができ、このようにすることで、当該冷却対象装置３０の温度を一定した温度に維持することができる。

尚、蒸発器６に流入する前の二次冷媒の温度、蒸発器６から流出した後の二次冷媒の温度はそれぞれ管路１３ｃ、１３ｄに設けられた温度センサによって測定され、測定された温度データが前記制御装置に入力される。また、室温は、大気中に配設された温度センサによって測定され、測定された温度データが前記制御装置に入力される。

特開２００７−２５３２５５号公報

ところが、本発明者等が鋭意研究を行ったところによると、上述した従来の冷却システム１には、以下に説明するような問題があった。

図５は、図４に示した冷却装置２における一次冷媒の圧力と比エンタルピーとの関係を示したグラフである。図５において、Ｐ_１はコンプレッサ３に流入する前（図４におけるＲ_１の位置）の一次冷媒（以下、「一次冷媒Ｒ_１」という。）の圧力、Ｐ_２はコンプレッサ３から流出後（図４におけるＲ_２の位置）の一次冷媒（以下、「一次冷媒Ｒ_２」という。）の圧力、Ｐ_３は蒸発器６に流入する前（図４におけるＲ_３の位置）の一次冷媒（以下、「一次冷媒Ｒ_３」という。）の圧力、Ｐ_４は蒸発器６から流出後（図４におけるＲ_４の位置）の一次冷媒（以下、「一次冷媒Ｒ_４」という。）の圧力である。また、ｈ_１は一次冷媒Ｒ_１の比エンタルピー、ｈ_２は一次冷媒Ｒ_２の比エンタルピー、ｈ_３は一次冷媒Ｒ_３の比エンタルピー、ｈ_４は一次冷媒Ｒ_４の比エンタルピーである。

上述したように、一次冷媒Ｒ_１がコンプレッサ３によって加圧されて一次冷媒Ｒ_２になると、その際の断熱圧縮作用によって、圧力がＰ_１からＰ_２に昇圧されると共に、その比エンタルピーがｈ_１からにｈ_２上昇する。また、一次冷媒Ｒ_２が凝縮器４の熱交換器４ａを通過して一次冷媒Ｒ_３になると、その過程で冷却されて、その比エンタルピーがｈ_２からにｈ_３に降下する。尚、理論的には、圧力Ｐ_２と圧力Ｐ_３との間には圧力勾配が生じないので、両者は同じ圧力になる。

次に、一次冷媒Ｒ_３が膨張器５を通過して一次冷媒Ｒ_４になると、その際の断熱膨張作用によって、圧力がＰ_３からＰ_４に降下する。一方、比エンタルピーは理論的には変化がなく、ｈ_３＝ｈ_４となる。そして、一次冷媒Ｒ_４が蒸発器６を通過して一次冷媒Ｒ_１になると、その際の二次冷媒との熱交換作用によって、比エンタルピーはｈ_４からにｈ_１に上昇する。尚、圧力Ｐ_４と圧力Ｐ_１との間には圧力勾配が生じないので、両者は同じ圧力になる。

そして、本発明者等が得た知見によれば、この冷却装置２では、これを稼働すると、凝縮器４の熱交換器４ａの温度が徐々に上昇するという特性を有している。したがって、熱交換器４ａを通過した後の一次冷媒も、その温度が徐々に上昇することになる。これは、熱交換器４ａを介して、外気と一次冷媒Ｒ_２との間で熱交換を行う際に、一次冷媒Ｒ_２の有する熱量が熱交換器４ａに徐々に蓄熱されていくことに原因があると考えられる。

因みに、冷却出力を最高出力の５０％である１．４［ｋＷ］に設定して冷却装置２を運転すると、その始動時の熱交換器４ａの温度は約２５℃であったが、始動後約５分経過した時の温度は約４０℃となり、約１５℃上昇した。

斯くして、凝縮器４の熱交換器４ａの温度が上昇すると、図５において、破線で示すように、一次冷媒Ｒ_２の圧力がＰ_２からＰ_２’に上昇すると共に、その比エンタルピーがｈ_２からｈ_２’に増加する。また、一次冷媒Ｒ_３の圧力もＰ_３からＰ_３’に上昇する。そして、このようにして、熱交換器４ａの温度が上昇すると冷却装置２の冷却効率が低下するという問題を生じるのである。

即ち、熱交換器４ａが低温であるときには、冷却装置２の冷却効率ＣＯＰ_Ｌは、次の数式によって表され、
ＣＯＰ_Ｌ＝（ｈ_１−ｈ_３）／（ｈ_２−ｈ_１）
熱交換器４ａが高温であるときには、冷却装置２の冷却効率ＣＯＰ_Ｈは、次の数式によって表される。
ＣＯＰ_Ｈ＝（ｈ_１−ｈ_３）／（ｈ_２’−ｈ_１）
そして、ｈ_２’＞ｈ_２であるから、ＣＯＰ_Ｌ＞ＣＯＰ_Ｈとなる。

このように、冷却装置２を始動後、継続して運転すると、熱交換器４ａの温度が上昇するとともに、熱交換器４ａを通過した後の一次冷媒Ｒ_２の温度が上昇し、これに伴って、コンプレッサ３を通過した一次冷媒Ｒ_２の比エンタルピーが増加するため、冷却装置２の冷却効率ＣＯＰが悪化するのである。

本発明は以上の実情に鑑みなされたものであって、冷却装置を制御する方法において、冷却装置の冷却効率を従来よりも高めることができる制御方法の提供を、その目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、一次冷媒を加圧するコンプレッサと、該コンプレッサにより加圧された一次冷媒を冷却する凝縮器と、該凝縮器により冷却された一次冷媒を膨張させる膨張器と、該膨張器により膨張された一次冷媒によって、冷却対象装置を冷却するための二次冷媒を冷却する蒸発器とを備えた冷却装置の動作を制御する方法であって、前記コンプレッサを断続的に動作させるようにしたことを特徴とする冷却装置の制御方法に係る。

上述したように、冷却装置のコンプレッサを連続運転すると、凝縮器の温度が徐々に上昇するとともに、凝縮器による冷却後の一次冷媒の温度も徐々に上昇し、これらの温度上昇によって、コンプレッサによる加圧後の一次冷媒の比エンタルピーが増加する。そして、このような作用によって、冷却装置の冷却効率が低下することになる。

本発明に係る制御方法によれば、冷却装置のコンプレッサが断続的に動作、即ち、運転と停止とが交互に繰り返して実行されるので、凝縮器への一次冷媒の供給も断続的に行われることになる。そして、凝縮器への一次冷媒の供給を断続的にすると、一次冷媒からの凝縮器への伝熱量が低下する一方、逆に凝縮器における放熱が進み、この結果、当該凝縮器における蓄熱が緩和されて、その温度上昇が抑制される。斯くして、この制御方法によれば、凝縮器の温度の上昇を抑えることができるので、コンプレッサによる加圧後の一次冷媒の比エンタルピーが増加するのを押さえることができ、この結果、冷却装置の冷却効率が低下するのを抑制することができる。

尚、コンプレッサを断続運転することにより、冷却装置の冷却出力は低下するが、他方では、コンプレッサにおける消費電力を低下させることができるので、冷却出力の低下と消費電力の低下とが相俟って相殺的な役割を果たし、冷却出力と消費電力との比によって、別の側面から評価される冷却効率の低下を防ぐことができる。

本発明に係る制御方法において、前記コンプレッサの断続運転は、冷却装置の運転開始時から実行することができ、或いは、冷却装置の運転を開始して所定時間が経過した後に、実行するようにしても良い。

更には、前記凝縮器によって冷却された後の一次冷媒又は前記凝縮器の温度を監視し、前記凝縮器による冷却後の一次冷媒又は凝縮器の温度が予め定めた第１の基準温度以下であるときには、前記コンプレッサを連続的に動作させ、前記凝縮器による冷却後の一次冷媒又は凝縮器の温度が前記第１の基準温度を超えたとき、該凝縮器による冷却後の一次冷媒又は凝縮器の温度が前記第１の基準温度よりも低い第２の基準温度以下になるまで前記コンプレッサを断続的に動作させるようにしても良い。

このようにすれば、凝縮器の温度を目標とする範囲内の温度、即ち、上限の温度を前記第１の基準温度とし、下限の温度を前記第２の基準温度とした範囲内の温度に抑えることができ、この結果、冷却装置の冷却効率を目標とする効率にすることができる。

或いは、本発明に係る制御方法では、前記凝縮器によって冷却された後の一次冷媒又は前記凝縮器の温度を監視し、前記凝縮器による冷却後の一次冷媒又は凝縮器の温度が予め定めた第１の基準温度以下であるときには、前記コンプレッサを連続的に動作させ、前記凝縮器による冷却後の一次冷媒又は凝縮器の温度が前記第１の基準温度を超えたとき、その後予め定められた時間、前記コンプレッサを断続的に動作させるようにしても良い。

このようにしても、凝縮器の温度を目標とする第１の基準温度以下に抑えることができるので、冷却装置の冷却効率を目標とする効率にすることができる。

また、本発明に係る制御方法では、前記コンプレッサを予め定められた一定の時間間隔で断続的に動作させるのが好ましい。このようにすることで、冷却装置に安定した冷却出力を発現させることができる。

また、本発明に係る制御方法では、前記コンプレッサの断続動作において、前記コンプレッサを動作させる時間ｔ_ｏｎと、停止させる時間ｔ_ｏｆｆとを、下式により算出される時間に設定するのが好ましい。
ｔ_ｏｎ＝α・Ｔ_ｄｉｆｆ／（Ｑ_ｏｎ−Ｑ_{ｃｙｃｌｅ}）
ｔ_ｏｆｆ＝α・Ｔ_ｄｉｆｆ／（Ｑ_{ｃｙｃｌｅ}）
但し、αは前記冷却対象装置の熱容量、Ｔ_ｄｉｆｆは前記コンプレッサが稼働している時の前記二次冷媒の温度とコンプレッサが停止している時の前記二次冷媒の温度との温度差、Ｑ_ｏｎは前記冷却出力、Ｑ_{ｃｙｃｌｅ}は、前記冷却対象装置の稼働中に発生する熱量から自然放熱分を除いた熱量の時間当たりの平均値である。

コンプレッサの動作時間ｔ_ｏｎと停止時間ｔ_ｏｆｆとを、上記計算式によって算出された時間に設定することにより、コンプレッサを断続運転させることにより、冷却装置の冷却効率が低下するのを防止するようにしても、冷却装置は、冷却対象装置において発生する熱量分を適正に吸収することができ、この結果、当該冷却対象装置の温度を所望の温度に制御し、維持することができる。

尚、二次冷媒の温度は適宜測温センサなどを用いて測定することができ、Ｑ_ｏｎは冷却装置の出力であるから、適宜任意に設定することができる。また、冷却対象装置の熱容量αはＪＩＳＢ６１９０−３：２０１４（若しくはＩＳＯ２３０−３：２００７）に準拠した実験により、例えば、冷却液の温度をステップ状に変化させて、冷却液の各温度における冷却対象装置の温度を測定し、得られた各温度データを伝熱方程式に当てはめて、パラメータフィッティング処理を施すことによって得ることができる。或いは、熱容量αは、実験ではなく、適宜モデルを用いたコンピュータによる数値解析によって推定することもできる。また、Ｑ_{ｃｙｃｌｅ}は、冷却対象装置を設定された条件で運転するとともに、冷却装置を通常の状態で運転して、その際に得られる冷却装置の出力履歴を時間平均することによって得ることができる。或いは、このＱ_{ｃｙｃｌｅ}についても、実験ではなく、適宜発熱モデルを用いたコンピュータによる数値解析によって推定することもできる。

また、上式においてα・Ｔ_ｄｉｆｆはコンプレッサが動作している間に、冷却装置が二次冷媒から吸収すべき、言い換えれば、二次冷媒を冷却すべき熱量であり、逆の意味では、コンプレッサが停止している間に冷却対象装置に蓄熱された熱量でもある。
また、上式を変形すると、
ｔ_ｏｎ・Ｑ_ｏｎ−ｔ_ｏｎ・Ｑ_{ｃｙｃｌｅ}＝α・Ｔ_ｄｉｆｆ
ｔ_ｏｆｆ・Ｑ_{ｃｙｃｌｅ}＝α・Ｔ_ｄｉｆｆ
となるが、この式の、ｔ_ｏｎ・Ｑ_ｏｎはコンプレッサが動作している間に冷却装置が二次冷媒から吸収する熱量を意味し、ｔ_ｏｎ・Ｑ_{ｃｙｃｌｅ}はコンプレッサが動作している間の冷却対象装置における発熱量を意味する。また、ｔ_ｏｆｆ・Ｑ_{ｃｙｃｌｅ}はコンプレッサが停止している間の冷却対象装置における発熱量を意味する。

本発明に係る制御方法によれば、冷却装置のコンプレッサが断続的に動作、即ち、運転と停止とが交互に繰り返して実行されるので、凝縮器への一次冷媒の供給も断続的に行われる。そして、凝縮器への一次冷媒の供給を断続的にすることで、一次冷媒からの凝縮器への伝熱量が低下する一方、逆に凝縮器における放熱が進み、この結果、当該凝縮器における蓄熱が緩和されて、その温度上昇が抑制される。斯くして、凝縮器の温度の上昇を抑えることができるので、コンプレッサによる加圧後の一次冷媒の比エンタルピーが増加するのを押さえることができ、この結果、冷却装置の冷却効率が低下するのを抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る制御方法における効果を説明するための説明図である。 本発明のより効果的な制御方法を説明するための説明図である。 本発明のより効果的な制御方法を説明するための説明図である。 従来の冷却装置の構成を示した説明図である。 冷却装置の従来の制御方法における問題点を説明するための説明図である。

以下、本発明の一実施の形態に係る冷却装置の制御方法について説明する。尚、当該制御方法は、上述の図４に示した冷却システム１を構成する冷却装置２に対する制御に適用され、具体的には制御装置２０によって実行されるものとする。また、冷却システム１の構成は上述した通りであるので、その詳しい説明は省略する。また、本例では、冷却対象装置３０は一般的な構成を備えたＮＣ旋盤とする。

上述したように、前記制御装置２０は、前記コンプレッサ３、凝縮器４のモータ４ｃ、膨張器５、バルブ８及びポンプ１２の作動をそれぞれ制御する。そして、制御装置２０は、冷却対象装置３０の稼働状態に応じて変動する二次冷媒の温度に応じて、前記コンプレッサ３の圧力を調整して、冷却装置２の冷却出力を調整する。

即ち、制御装置２０は、蒸発器６に流入する前の二次冷媒の温度、蒸発器６から流出した後の二次冷媒の温度、及び室温に係る温度データを、上述した各温度センサから受信し、受信した温度データに基づいて、所謂、フィードバック制御により、蒸発器６に流入する前の二次冷媒の温度が室温とほぼ同じ温度になるように、コンプレッサ３の圧力を調整して、冷却装置２の冷却出力を調整する。

より具体的には、冷却対象装置３０が加工を行っている場合には、その際の発熱量が冷却装置２の設定出力より高い場合には、蒸発器６に流入する前の二次冷媒の温度は徐々に上昇することになるが、この場合、前記制御装置２０は、コンプレッサ３の圧力をより高圧にして、冷却装置２の冷却出力をより高出力にすることによって、二次冷媒から一次冷媒に吸収される熱量を増加させる。

一方、冷却対象装置３０における発熱量が冷却装置２の設定出力より低い場合には、蒸発器６に流入する前の二次冷媒の温度は徐々に下がることになるが、この場合、前記制御装置２０は、コンプレッサ３の圧力をより低圧にして、冷却装置２の冷却出力をより低出力にすることによって、二次冷媒から一次冷媒に吸収される熱量を減少させる。

また、制御装置２０は、凝縮器４を構成する熱交換器４ａの温度を監視し、この熱交換器４ａの温度が予め定めた第１の基準温度以下であるときには、前記コンプレッサ３を連続的に動作させ、熱交換器４ａの温度が前記第１の基準温度を超えたとき、当該熱交換器４ａの温度が前記第１の基準温度よりも低い第２の基準温度以下になるまで前記コンプレッサ３を断続的に動作させる。

上述したように、冷却装置２のコンプレッサ３を連続運転すると、凝縮器４を構成する熱交換器４ａの温度が徐々に上昇するとともに、熱交換器４ａによる冷却後の一次冷媒の温度も徐々に上昇し、これらの温度上昇によって、コンプレッサ３による加圧後の一次冷媒の比エンタルピーが増加する。そして、このような作用によって、冷却装置２の冷却効率が低下することになる。

そこで、冷却装置２のコンプレッサ３を断続的に動作、即ち、運転と停止とが交互に繰り返して実行されるようにすれば、熱交換器４ａへの一次冷媒の供給も断続的に行われ、このように、熱交換器４ａへの一次冷媒の供給を断続的にすると、一次冷媒からの熱交換器４ａへの伝熱量が低下する一方、逆に熱交換器４ａにおける放熱が進み、この結果、当該熱交換器４ａにおける蓄熱が緩和されて、その温度上昇が抑制される。斯くして、コンプレッサ３を断続的に運転すれば、熱交換器４ａの温度の上昇を抑えることができるので、当該コンプレッサ３による加圧後の一次冷媒の比エンタルピーが増加するのを押さえることができ、この結果、冷却装置２の冷却効率が低下するのを抑制することができる。

尚、コンプレッサ３を断続運転することにより、冷却装置２の冷却出力は低下するが、他方では、コンプレッサ３における消費電力を低下させることができるので、冷却出力の低下と消費電力の低下とが相俟って相殺的な役割を果たし、冷却出力と消費電力との比によって、別の側面から評価される冷却効率の低下を防ぐことができる。

また、前記第１の基準温度及び第２の基準温度は、冷却装置２の冷却効率が所望の効率なるように、経験的に設定される。

因みに、一般的な構造を有するＮＣ旋盤を用いて軽切削加工を行い、当該加工時に、冷却装置２の冷却出力を最高出力の５０％である１．４［ｋＷ］に設定して、コンプレッサ３を連続して約１５分連続運転すると、熱交換器４ａの温度は、約２５℃から約４１．５℃に１６．５℃上昇し、この後、コンプレッサ３を、図３に示すように、約２．６分運転、約１．８分停止の断続運転に切り換えると、熱交換器４ａの温度は、約４１．５℃から約３６．５℃に約５℃だけ降下した。したがって、コンプレッサ３を断続運転することにより、冷却装置２の冷却効率が低下するのを抑制することができる。

また、参考のために、同様の加工において、従来の方法に属するコンプレッサ３を連続運転させた場合（以下、「従来方法」という。）と、本発明の手法に属するコンプレッサ３を断続運転させた場合（以下、「発明方法」という。）のそれぞれについて、冷却装置２で消費された消費電力を図１（ａ）に示し、図１（ｂ）及び（ｃ）には、それぞれにおける主軸の温度を太い実線で示し、蒸発器６における入口側の二次冷媒の温度を破線で示し、蒸発器６における出口側の二次冷媒の温度を一点鎖線で示し、ベッドの温度を点線で示し、周囲温度を細い実線で示している。

従来方法では、冷却装置２の冷却出力は、最高出力の１８−３０［％］に制御され、図１（ａ）に示すように、ほぼ一定の電力が消費された。一方、発明方法では、冷却装置２の冷却出力は、その最高出力の３０［％］に設定され、動作時にこの出力が得られるように、コンプレッサ３が断続運転された。その結果、図１（ａ）に示すように、発明方法では、断続運転に応じてその消費電力が変動した。この結果、従来方法での消費電力は０．２５［ｋＷ］であったが、発明方法における消費電力は０．１９ｋＷとなり、消費電力は２４［％］軽減された。

また、発明方法において、コンプレッサ３の動作時間は全体時間の６０［％］程度である。したがって、冷却装置２における冷却出力の実効値は設定値の６０［％］、即ち、最高出力の１８［％］であると推定される。斯くして、この発明方法によれば、冷却装置２の最高出力の３０［％］という比較的高い出力に相当する電力を用いてコンプレッサ３を動作させても、当該コンプレッサ３を断続運転させることにより、冷却装置２における冷却出力の実効値を、その最高出力の１８［％］という比較的低い出力とすることができる。

尚、コンプレッサ３を断続運転させることにより、冷却装置２における冷却出力の実効値は低下するが、その際の消費電力も低下させることができるので、冷却出力と消費電力との関係から見た冷却装置２における冷却効率の低下は防止される。

そして、図１に示した例では、図１（ｂ）及び（ｃ）に示すように、従来方法と発明方法とを比較した場合に、室温よりも若干高めではあるが、主軸の温度はほぼ同等に冷却され、所定温度（２８℃付近）に維持されている。

ところで、本発明者等が得た知見によると、コンプレッサ３を予め定めた一定の時間間隔で断続運転させるのが好ましい。このようにすることで、冷却装置２に安定した冷却出力を発現させることができる。

また、断続運転のサイクルの周期は短い方が好ましい。このようにすることで、冷却対象装置３０の熱変位の経時的な変動をより小さくすることができる。図２に比較的長周期でコンプレッサ３を断続運転した例を示し、図３に比較的短周期でコンプレッサ３を断続運転した例を示している。具体的には、図２（ａ）に示すように、図２の例では、運転時間を約１０．８［ｍｉｎ］、停止時間を約７．６［ｍｉｎ］としたサイクルでコンプレッサ３を断続運転した。また、図３（ａ）に示すように、図３の例では、運転時間及び停止時間をそれぞれ約２．２［ｍｉｎ］としたサイクルでコンプレッサ３を断続運転した。尚、いずれの場合も、主軸の回転数を１０００ｒｐｍとして冷却対象装置３０を一定運転し、冷却装置２は、その冷却出力を最高出力の５０［％］に設定して、これを断続運転した。

図２（ｂ）及び図３（ｂ）に、前記冷却対象装置３０の主軸と刃物台との間の相対的な位置変位（以下、「熱変位」という。）であって、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向における経時的な熱変位を示している。これらの図から、短いサイクルでコンプレッサ３を断続運転した方が、各熱変位の経時的な変動が小さく、より熱変位を制御し易い状態にあることが分かる。

尚、参考までに、図２（ｃ）及び図３（ｃ）に、主軸の温度を太い実線で示し、ベッドの温度を点線で示し、周囲温度を細い実線で示し、蒸発器６における入口側の二次冷媒の温度を破線で示し、蒸発器６における出口側の二次冷媒の温度を一点鎖線で示している。

また、コンプレッサ３を動作させる時間ｔ_ｏｎと、停止させる時間ｔ_ｏｆｆとは、理論的には、下式により算出するのが好ましい。
ｔ_ｏｎ＝α・Ｔ_ｄｉｆｆ／（Ｑ_ｏｎ−Ｑ_{ｃｙｃｌｅ}）
ｔ_ｏｆｆ＝α・Ｔ_ｄｉｆｆ／（Ｑ_{ｃｙｃｌｅ}）
但し、αは前記冷却対象装置３の熱容量であり、ＪＩＳＢ６１９０−３：２０１４（若しくはＩＳＯ２３０−３：２００７）に準拠した実験により、例えば、冷却液の温度をステップ状に変化させて、冷却液の各温度における冷却対象装置の温度を測定し、得られた各温度データを伝熱方程式に当てはめて、パラメータフィッティング処理を施すことによって得ることができる。或いは、熱容量αは、実験ではなく、適宜モデルを用いたコンピュータによる数値解析によって推定することもできる。
また、Ｔ_ｄｉｆｆはコンプレッサ３が稼働している時の二次冷媒の温度とコンプレッサ３が停止している時の二次冷媒の温度との温度差であり、各温度はそれぞれ管路１３ｃ，１３ｄに設けられた温度センサによって測定することができる。
また、Ｑ_ｏｎは上記のようにして設定した冷却出力である。
また、Ｑ_{ｃｙｃｌｅ}は、冷却対象装置３０の稼働中に発生する熱量から自然放熱分を除いた熱量の時間当たりの平均値であり、例えば、冷却対象装置３０を設定された条件で運転するとともに、冷却装置２を通常の状態で運転して、その際に得られる冷却装置２の出力履歴を時間平均することによって得ることができる。或いは、このＱ_{ｃｙｃｌｅ}は、実験ではなく、適宜発熱モデルを用いたコンピュータによる数値解析によって推定することもできる。

コンプレッサ３の動作時間ｔ_ｏｎと停止時間ｔ_ｏｆｆとを、上記計算式によって算出された時間に設定することにより、コンプレッサ３を断続運転させても、冷却装置２は、冷却対象装置３０において発生する熱量分を適正に吸収することができ、この結果、当該冷却対象装置３０の温度を所望の温度に制御し、維持することができる。

尚、上式においてα・Ｔ_ｄｉｆｆはコンプレッサ３が動作している間に、冷却装置２が二次冷媒から吸収すべき、言い換えれば、二次冷媒を冷却すべき熱量であり、逆の意味では、コンプレッサ３が停止している間に冷却対象装置３０に蓄熱された熱量でもある。
そして、上式を変形すると、
ｔ_ｏｎ・Ｑ_ｏｎ−ｔ_ｏｎ・Ｑ_{ｃｙｃｌｅ}＝α・Ｔ_ｄｉｆｆ
ｔ_ｏｆｆ・Ｑ_{ｃｙｃｌｅ}＝α・Ｔ_ｄｉｆｆ
となるが、この式の、ｔ_ｏｎ・Ｑ_ｏｎはコンプレッサ３が動作している間に冷却装置２が二次冷媒から吸収する熱量を意味し、ｔ_ｏｎ・Ｑ_{ｃｙｃｌｅ}はコンプレッサ３が動作している間の冷却対象装置３０における発熱量を意味する。また、ｔ_ｏｆｆ・Ｑ_{ｃｙｃｌｅ}はコンプレッサ３が停止している間の冷却対象装置３０における発熱量を意味する。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明が採り得る態様は、何ら上例のものに限定されるものではない。例えば、上例では、凝縮器４を構成する熱交換器４ａの温度を監視し、この熱交換器４ａの温度が予め定めた第１の基準温度以下であるときには、前記コンプレッサ３を連続的に動作させ、熱交換器４ａの温度が前記第１の基準温度を超えたとき、当該熱交換器４ａの温度が前記第１の基準温度よりも低い第２の基準温度以下になるまで前記コンプレッサ３を断続的に動作させるようにしたが、これに限られるものではない。

他の例としては、凝縮器４を構成する熱交換器４ａの温度を監視し、熱交換器４ａの温度が予め定めた第１の基準温度以下であるときには、前記コンプレッサ３を連続的に動作させ、熱交換器４ａの温度が前記第１の基準温度を超えたとき、その後予め定められた時間、前記コンプレッサ３を断続的に動作させるようにすることができる。

このようにしても、熱交換器４ａの温度を目標とする第１の基準温度以下に抑えることができるので、冷却装置２の冷却効率を目標とする効率にすることができる。

また、上記２例では、熱交換器４ａの温度を監視して、この熱交換器４ａの温度に基づいて、コンプレッサ３の連続運転と断続運転とを切り換えるようにしたが、これに限られるものではなく、熱交換器４ａによって冷却される一次冷媒の温度を監視し、この一次冷媒の温度に基づいて、コンプレッサ３の連続運転と断続運転とを切り換えるようにしても良い。

また、本発明に係る制御方法では、熱交換器４ａの温度を監視することなく、前記冷却装置２の運転開始時から継続してコンプレッサ３を断続運転させるようにしても良く、或いは、冷却装置２の運転を開始して所定時間が経過までは、コンプレッサ３を連続運転させ、その後、コンプレッサ３を断続運転させるようにしても良い。

繰り返しになるが、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。

１ 冷却システム
２ 冷却装置
３ コンプレッサ
４ 凝縮器
４ａ 熱交換器
４ｂ ファン
４ｃ モータ
５ 膨張器
６ 蒸発器
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，９ 管路
８ バルブ
１０ 対象冷却部
１１ タンク
１２ ポンプ
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ 管路
２０ 制御装置
３０ 冷却対象装置

Claims (4)

1. 一次冷媒を加圧するコンプレッサと、該コンプレッサにより加圧された一次冷媒を冷却する凝縮器と、該凝縮器により冷却された一次冷媒を膨張させる膨張器と、該膨張器により膨張された冷媒によって、冷却対象装置を冷却するための二次冷媒を冷却する蒸発器とを備えた冷却装置の動作を制御する方法であって、
   前記凝縮器によって冷却された後の一次冷媒又は前記凝縮器の温度を監視し、前記凝縮器による冷却後の一次冷媒又は凝縮器の温度が予め定めた第１の基準温度以下であるときには、前記コンプレッサを連続的に動作させ、前記凝縮器による冷却後の一次冷媒又は凝縮器の温度が前記第１の基準温度を超えたとき、該凝縮器による冷却後の一次冷媒又は凝縮器の温度が前記第１の基準温度よりも低い第２の基準温度以下になるまで前記コンプレッサを断続的に動作させるようにしたことを特徴とする冷却装置の制御方法。
2. 一次冷媒を加圧するコンプレッサと、該コンプレッサにより加圧された一次冷媒を冷却する凝縮器と、該凝縮器により冷却された一次冷媒を膨張させる膨張器と、該膨張器により膨張された冷媒によって、冷却対象装置を冷却するための二次冷媒を冷却する蒸発器とを備えた冷却装置の動作を制御する方法であって、
   前記凝縮器によって冷却された後の一次冷媒又は前記凝縮器の温度を監視し、前記凝縮器による冷却後の一次冷媒又は凝縮器の温度が予め定めた第１の基準温度以下であるときには、前記コンプレッサを連続的に動作させ、前記凝縮器による冷却後の一次冷媒又は凝縮器の温度が前記第１の基準温度を超えたとき、その後予め定められた時間、前記コンプレッサを断続的に動作させるようにしたことを特徴とする冷却装置の制御方法。
3. 前記コンプレッサの断続動作を、予め定められた一定の時間間隔で行うようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の冷却装置の制御方法。
4. 前記コンプレッサの断続動作において、前記コンプレッサを動作させる時間ｔ_ｏｎと、停止させる時間ｔ_ｏｆｆとを、下式により算出される時間としたことを請求項１又は２記載の冷却装置の制御方法。
   ｔ_ｏｎ＝α・Ｔ_ｄｉｆｆ／（Ｑ_ｏｎ−Ｑ_{ｃｙｃｌｅ}）
   ｔ_ｏｆｆ＝α・Ｔ_ｄｉｆｆ／（Ｑ_{ｃｙｃｌｅ}）
   但し、αは前記冷却対象装置の熱容量、Ｔ_ｄｉｆｆは前記コンプレッサが稼働している時の前記二次冷媒の温度とコンプレッサが停止している時の前記二次冷媒の温度との温度差、Ｑ_ｏｎは前記冷却出力、Ｑ_{ｃｙｃｌｅ}は、前記冷却対象装置の稼働中に発生する熱量から自然放熱分を除いた熱量の時間当たりの平均値である。
   

Images