热源机、热源系统以及热源机的控制方法

具体实施方式

以下参照附图说明本发明的实施例。

图1表示本发明蜗轮冷冻机(热源机)1的概略结构。

如图1所示，蜗轮冷冻机1包括：压缩制冷剂的蜗轮式压缩机3、使被压缩机3压缩的制冷剂凝结的凝结器5、使被凝结器5凝结的液体制冷剂膨胀的膨胀阀7、使被膨胀阀7膨胀的制冷剂蒸发的蒸发器9。

压缩机3是具备离心叶轮10的蜗轮式离心压缩机，由电动机驱动旋转。

在压缩机3的制冷剂吸入口设置调整吸入的制冷剂吸入量的入口叶片12。该入口叶片12的开度由蜗轮冷冻机1的控制部50来控制。

凝结器5是管壳式的热交换器。冷却水回流管5a和冷却水流出管5b与凝结器5连接。从冷却水回流管5a向凝结器5内流入的冷却水在通过导热管14内并在头部15折返后，通过导热管14向冷却水流出管5b流出。这样，冷却水与壳体内的制冷剂进行热交换，从制冷剂把凝结热除去。导热管14在图1中为了容易理解而画成简单的两根配管，而实际上是设置在整个壳体内的多根细管(作为参考可参照表示蒸发器9的图2)。冷却水配管5a、5b与设置在外部的冷却塔6连接。

膨胀阀7被设置在凝结器5与蒸发器9之间，通过把凝结器5供给的液体制冷剂进行压榨等而使进行热函膨胀。

膨胀阀7的开度由蜗轮冷冻机1的控制部50控制。

蒸发器9是管壳式热交换器。冷水回流管34和冷水流出管35与蒸发器9水平连接。从冷水回流管34向蒸发器9内流入的冷水在通过导热管37内并在头部39折返后，通过导热管37向冷水流出管35流出。导热管37在图1中为了容易理解而画成简单的两根配管，而实际上如图2所示那样是设置在壳体内的多根细管。这样，冷水与壳体内的制冷剂进行热交换，制冷剂通过从冷水夺取蒸发热而把冷水冷却。被冷却的冷水经由冷水流出管35被向外部负载100送出，对外部负载100供给冷热。

在冷水回流管34的下游侧设置测量将要流入蒸发器9前的冷水入口温度TE0的多个冷水入口温度传感器40，在冷水流出管35的上游侧设置测量刚从蒸发器9流出的冷水出口温度TE′的多个冷水出口温度传感器42。作为温度传感器优选使用JIS A级的测温电阻元件。一般地把冷水入口温度TE0设定为7℃，把冷水出口温度TE′设定为12℃。

图3表示冷水流出管35的横断面。如该图所示，在冷水流出管35的同一横断面上设置有四个温度传感器42a、42b、42c、42d。各温度传感器42前端的测温部被配置在同一半径位置处，以90°间隔分别被设置在周向的不同位置。即，第一温度传感器42a被设置在最下端的6点的位置、第二温度传感器42b被设置在高度方向中间位置的9点的位置、第三温度传感器42c被设置在最上端的12点的位置、第四温度传感器42d被设置在高度方向中间位置的3点的位置。使用这四个温度传感器42来计算冷水出口温度TE′。具体说就是使用四个温度输出的算术平均。即如图4所示那样，当把第一温度传感器42a的温度输出设定为TE1′、把第二温度传感器42b的温度输出设定为TE2′、把第三温度传感器42c的温度输出设定为TE3′、把第四温度传感器42d的温度输出设定为TE4′时，则冷水出口温度TE′如下表示。

TE′＝(TE1′+TE2′+TE3′+TE4′)/4

这样，通过使用多个温度传感器42的算术平均而能够提高冷水出口温度TE′的精度。其原因在于，如上所述在蒸发器9内设置有多根导热管37(参照图2)，如图1所示那样液体制冷剂的液位L不充满蒸发器9内的全部，且制冷剂的液位L上下变动，所以在各个导热管37内流动后的冷水温度随导热管37的位置不同而不同。冷水在汇合后向冷水流出管35流动，所以成为在没充分混合的状态下向冷水流出管35流入。因此，刚向冷水流出管35流入后的冷水在同一横断面上具有温度分布(参照图4)。因此，如本实施例这样使用多个温度传感器而使用算术平均值是有效的。

且为了提高冷水出口温度TE′的精度而进行以下的校正。

如图5所示，如蜗轮冷冻机1停止时那样地在不进行蒸发器9的热交换的冷水出口温度是常规状态时，取得各温度传感器42的指示值。分别计算出各温度传感器的指示值与平均值TE的差。例如对于第一温度传感器计算出ΔTE1＝TE1-TE的差分。由于若是常规状态则在同一横断面的配管内的冷水温度不产生分布的平均值与各温度传感器的指示值应该一致，所以该差分ΔTE1可以说是对于平均值TE的误差。因此，把该差分在蜗轮冷冻机1的控制部50中进行校正。例如由于在控制部50的微型计算机板上能够设定校正温度传感器安装状态偏差的偏置值，所以把该偏置值根据上述的差分进行改变。这样，通过使用正常状态温度传感器的指示值来校正各温度传感器的偏置值就能够提高冷水出口温度的精度。

这种各温度传感器偏置值的校正定期实施，且利用频度进行加权。例如在过去10次的测量中仅最近一次有特异的温度输出，则不是原封不动地仅采用该一次的温度，而是把过去10次的温度也考虑进去。例如采用过去10次的平均值那样的进行由频度的加权。且为了没有异常的偏置值(校正值)而预先规定偏置值的最大值(例如1℃)，对于超过该最大值的偏置值则不被执行。由此，能够抑制温度传感器输出的大幅度变动而提高测量精度。优选在大幅度超过规定偏置值最大值的情况下把温度传感器的异常从以后的传感检测对象中除去。

为了补偿温度传感器的过渡性响应滞后，也可以预先掌握一次滞后的定时常数，考虑该定时常数地来补偿响应滞后所引起的误差。如本实施例这样使用测温电阻元件的情况下，在过渡性响应时由于不能忽略传感器部的热容量，所以是有效的。具体就是按每个温度传感器把室温的温度传感器浸渍在冷水或热水中来测量由于阶跃响应而产生的温度履历，通过实验来掌握定时常数。

本实施例为了提高冷水入口温度TE0的精度，冷水回流管34也设置有四个温度传感器40(参照图1)。这对于从外部负载100返回的冷水在同一横断面内也有可能出现温度分布的情况是有效的。温度传感器40的设置位置与图3相同，优选在同一横断面内的周向上各错开90°角度设置。

图6表示图1所示蜗轮冷冻机1的制冷剂回路结构。

该图表示了图1图示省略的热气体旁路管45。热气体旁路管45被设置在压缩机3的排出侧与压缩机3的吸入侧之间。热气体旁路管45设置有用于调整制冷剂流量的热气体旁路阀45a。被该热气体旁路阀45a调整了流量的高温高压排出制冷剂被旁路而流向压缩机3的吸入侧。热气体旁路阀45a的开度由蜗轮冷冻机1的控制部50来调整。

下面说明上述结构蜗轮冷冻机1的动作。

压缩机3被电动机驱动而以规定的频率旋转。入口叶片12由控制部50来调整其开度以达到设定温度(例如冷水出口温度7℃)。

从压缩机3排出的高温高压气体制冷剂，其一部分通过热气体旁路管45并被热气体旁路阀45a调整了制冷剂流量后向压缩机3引导。

从蒸发器9吸入的低压气体制冷剂被压缩机3压缩而成为高压气体制冷剂。从压缩机3排出的高压气体制冷剂被向凝结器5引导。

在凝结器5中，通过从冷却塔6(参照图1)经由冷却水配管5a、5b引导的冷却水把高压气体制冷剂冷却到大致等压而成为高压液体制冷剂。高压液体制冷剂被向膨胀阀7引导，利用该膨胀阀7等而进行热函膨胀。这样膨胀了的制冷剂在蒸发器9中蒸发，从在导热管37内流动的冷水夺取热。由此，从冷水回流管34以12℃流入的冷水被冷却到7℃，并经由冷水流出管35向外部负载侧送返。这时，冷水出口温度和冷水入口温度分别被温度传感器40、42所测量，控制部50根据该测量值来控制入口叶片12、膨胀阀7、热气体旁路阀45a等的开度。温度传感器40、42的测量值如上所述被算术平均，控制部50使用该平均值。

在蒸发器9中蒸发的低压气体制冷剂被向压缩机3引导并再次被压缩。

下面使用图7说明在冬季负载小时的蜗轮冷冻机1的运转方法。

蜗轮冷冻机1的控制部50设置有把后述低负载模式和停止限制模式进行切换的物理开关。该开关由操作者来切换。通过该开关的设定，即使在低负载时也不需要停止的情况下则选择停止限制模式，在低负载时而想停止的情况下则选择低负载模式。代替物理开关也可以接收来自综合控制包含蜗轮冷冻机1的系统的中央控制室的信号而通过远距离操作来进行切换。

首先说明低负载模式。

当蜗轮冷冻机1的负载变小(步骤S0)且控制部50选择低负载模式时(步骤S1中的“NO”)，则向步骤S10前进。步骤S12判断是否经过了规定时间。由此来防止刚向低负载模式转移后蜗轮冷冻机1就停止。例如从冬季向夏季转移时，有从停止限制模式向低负载模式切换的情况、有操作者看机器侧设置的参照用温度计而判断冷水入口温度足够高并切换控制部50的开关的情况。这时，机器侧的温度计即使超过第一温度(参照后述的步骤S14)，也假定具有控制部50掌握的温度传感器40的温度比第一温度低的情况。其原因由充分考虑认为：本实施例如图1所示那样是使用多个温度传感器来以高精度测定冷水入口温度，所以与机器侧精度比较低的温度计有大的偏差的缘故。在这种情况下，刚切换控制部50的开关，蜗轮冷冻机1就停止。为了回避该情况而通过步骤S12进行规定时间待机。

由步骤S12经过规定时间后向步骤S14前进，判断温度传感器40测量的冷水入口温度是否低于第一温度。第一温度是比与外部负载要求的冷水温度对应的设定冷水出口温度Toutset高的温度，且在超过温度传感器误差的范围进行设定。例如设定冷水出口温度Toutset是7℃时，温度传感器的误差是0.4℃时，则把第一温度设定为7.5℃。该第一温度也可以能够任意改变。

在冷水入口温度低于第一温度的情况下则向步骤S16前进，停止蜗轮冷冻机1。由于冷水入口温度低于第一温度的情况是强制进行温度传感器误差范围内的控制，所以进行把蜗轮冷冻机1暂时停止的控制。在冷水入口温度超过第一温度以上设定的规定值的情况下(步骤S18)则向步骤S20前进，再次起动蜗轮冷冻机1。且继续再次运转到冷水入口温度低于第一温度(步骤S14)。低负载模式通过这样地反复停止、起动而以低负载进行运转。

下面说明停止限制模式。

当蜗轮冷冻机1的负载变小(步骤S0)且控制部50选择停止限制模式时(步骤S1)，控制部50判断设置在冷却水回流管5a的温度传感器(未图示)所得到的冷却水温度是否低于15℃。在冷却水温度是15℃以上时则不向下面的步骤S5前进。这是由于认为冷却水温度是15℃以上时，一定以上的负载是蜗轮冷冻机1所要求的，所以这种情况下不进行停止限制模式。由此，尽管不是低负载也回避了蜗轮冷冻机1停止的情况。冷却水温度的界限值15℃也可以使用其他温度，能够任意改变。

步骤S3当判断冷却水温度低于15℃，则向步骤S5前进，判断冷水出口温度传感器42得到的冷水出口温度或冷水入口温度传感器40得到的冷水入口温度是否低于第二温度。该第二温度被设定成比第一温度低的温度。由此，即使在低负载模式中，当冷水入口温度低于第一温度而停止的情况下，在停止限制模式中也不停止，实现运转继续的控制。作为在停止限制模式中当冷水出口温度低于第二温度时也停止的控制，这是由于认为：当进入到相对设定冷水出口温度Toutset比考虑到温度传感器误差的第一温度低的第二温度的范围时，成为是在温度传感器误差范围内的测量值，所以不仅是冷水入口温度，而且冷水出口温度也有可能低于第二温度的缘故。

第二温度被设定为比设定冷水出口温度Toutset低的温度。由此，能够实质上回避蜗轮冷冻机1在低负载时停止的情况。其原因在于冷水出口温度被控制部50所控制以使成为设定冷水出口温度Toutset，所以现实中冷水出口温度和冷水入口温度不会比设定冷水出口温度Toutset低的缘故。但由于温度传感器的测量误差，有时使这些测量值低于设定冷水出口温度Toutset，所以优选考虑该测定误差来决定第二温度。例如在温度传感器的误差是0.2℃的情况下，由于认为考虑冷水入口和冷水出口这两者而最大有0.4℃的误差，所以若设定冷水出口温度Toutset是7℃时则优选第二温度是6.5℃以下。

第二温度被设定为外部负载容许的最低温度以上。一般来说外部负载要求设定冷水出口温度Toutset，但被设计成容许到比该设定冷水出口温度Toutset低的最低温度。只要把在该最低温度以上且尽量接近最低温度的温度设定成第二温度，就进而可实现不停止蜗轮冷冻机1而能够继续运转的控制。例如最低温度是5℃的情况下，第二温度也设定成是5℃。

在步骤S5判断冷水出口温度或冷水入口温度低于第二温度时，则停止蜗轮冷冻机1。由于冷水出口温度或冷水入口温度低于第二温度时就意味着负载无限地接近0％，所以把蜗轮冷冻机1停止。

根据上述的蜗轮冷冻机，有以下的作用效果。

由于设置了仅在冷水出口温度或冷水入口温度成为在比第一温度低的第二温度以下时才停止蜗轮冷冻机1的停止限制模式，所以即使冷水入口温度低于第一温度，蜗轮冷冻机1也不停止，在冷水入口温度或冷水出口温度成为第二温度以下时才开始实现停止蜗轮冷冻机1的控制。也就是说，即使为低负载也达到难于停止蜗轮冷冻机1的模式。由此，即使在冬季蜗轮冷冻机1导入时的调整运转中，也不需要另外设置用于给予比由蜗轮冷冻机1低负载模式而停止的负载还大的负载的锅炉等。因此，即使在冬季也能够以低负载继续运转，能够进行不花费成本的调整运转。

即使在负载小的运转初期，也能够回避由低负载模式而引起的使蜗轮冷冻机1反复起动、停止的运转。

在具备多个本实施例蜗轮冷冻机1的热源系统的情况下，按照外部负载的要求进行增减蜗轮冷冻机1台数的台数控制运转。具体说就是在负载小的情况下则起动第一台蜗轮冷冻机1，随着负载的增大而第二台、第三台地起动下去，进行多台同时运转。在负载变小时则根据负载停止蜗轮冷冻机1，把起动台数一台一台地减少下去。在这种热源系统的情况下，由于能够利用蜗轮冷冻机1控制部50的开关来切换停止限制模式和低负载模式，所以对于低负载时最初启动而最后停止的第一台蜗轮冷冻机1选择停止限制模式，而对于第二台以后启动并比第一台先停止的蜗轮冷冻机1选择低负载模式。由此，在减台运转时，第二台以后的蜗轮冷冻机1由低负载模式而迅速被停止，最后停止的第一台蜗轮冷冻机1由于是停止限制模式，所以即使是低负载也能够不停止地继续运转。由此，能够顺利地进行减台运转，能够实现即使低负载也不停止的热源系统。

本实施例说明了专门进行冷冻运转的蜗轮冷冻机1，但具备热泵运转的热泵式蜗轮冷冻机也能够适用本发明。

作为热源机以蜗轮冷冻机为例进行了说明，但也可以是其他形式的热源机，例如也可以是螺旋制冷机。