JP2022087598A - 冷凍機及び冷凍機の予冷時の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】起動時から予冷運転時の初期運転期間において、モータの過大負荷やサージングの発生を抑止することを可能にするとともに、運転効率の向上を可能にする冷凍機及び冷凍機の予冷時の運転方法を提供する。【解決手段】低段圧縮機Ｃ１及び高段圧縮機Ｃ３の少なくとも２つの圧縮機と、膨張機Ｔと、膨張機Ｔで膨張させた冷媒Ｒ１によって冷却対象Ｒ２を冷却するための冷却部２と、冷媒を循環させるための冷媒循環ライン８と、冷媒循環ライン８の高圧ラインと低圧ラインに接続したバイパスライン３１と、バイパスバルブ３２と、膨張機Ｔの入口側の冷媒Ｒ１の温度を検出する第１温度センサ３３又は膨張機Ｔの出口側の冷媒Ｒ１の温度を検出する第２温度センサ３４と、第１温度センサ３３又は第２温度センサ３４の検出結果に基づいて、バイパスバルブ３２の開度、及び冷凍機１の回転数を制御するためのコントローラ４０と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、冷凍機及び冷凍機の予冷時の運転方法に関する。

ブレイトンサイクルを冷凍サイクルに用いることによって極低温を実現でき、例えば、超電導機器の冷却、各種ガスの液化、液体窒素の代替などとして利用可能な冷凍機が医療や食品などの各種技術分野で実用化され、大きな注目を集めている。

この種の冷凍機の一例としては、冷却対象を冷媒との熱交換によって冷却する冷却部と、冷媒を圧縮するための低段圧縮機と、冷媒を圧縮するための中段圧縮機及び冷媒を膨張させるための膨張機を一体化した膨張機一体型圧縮機と、冷媒をさらに圧縮するための高段圧縮機と、上記複数の圧縮機、膨張機、冷却部等に冷媒を給送して循環させる冷媒循環ラインと、を備えて構成したものがある（例えば、特許文献１参照）。なお、膨張機一体型圧縮機は、中段圧縮機と膨張機ではなく、高段圧縮機と膨張機を一体化して構成されている場合もある。

上記のように構成した冷凍機では、例えば、モータによって回転駆動する低段圧縮機で一段圧縮した冷媒が熱交換器で冷却された後、中段圧縮機に送られ、モータによって回転駆動する中段圧縮機でさらに圧縮される。中段圧縮機で二段圧縮した冷媒は、熱交換器で冷却された後、モータによって回転駆動する高段圧縮機でさらに圧縮される。高段圧縮機で三段圧縮した冷媒は、熱交換器で冷却された後、冷熱回収熱交換器でさらに冷却されて膨張機に送られ、膨張機によって冷媒自体が断熱膨張して低圧低温となる。

低圧低温となった冷媒は冷却部（熱交換器）に送られて冷却対象を冷却する。その後、冷媒は冷熱回収熱交換器に送られ、そこで膨張機に送られる冷媒を冷却した後、低段圧縮機に戻される。

また、この種の冷凍機には、冷媒循環ラインの高段圧縮機と膨張機までの高圧ライン、膨張機から低段圧縮機までの低圧ラインに接続したバッファラインと、バッファラインに設けられたバッファタンクと、バッファタンクの高圧ライン側と低圧ライン側（入口側と出口側）にそれぞれ設けられたバルブ（開閉弁）と、からなるバッファライン部を備えて構成したものがある（例えば、特許文献１参照）。

これらの冷凍機では、熱負荷検出手段によって冷却対象の熱負荷の変動が検出された場合に、バッファタンクの前後のバルブを開度制御により冷媒ラインにおける冷媒流量を制御することで、冷凍能力を調整している。

再公表ＷＯ２０１６／１７８２７２号公報

ここで、上記従来の圧縮機一体型膨張機を備えた冷凍機においては、冷凍機の停止中、冷媒温度上昇によって冷媒循環ラインの系内で冷媒圧力が高くなり、この状態で、冷媒循環ラインの高段圧縮機と膨張機までの高圧ラインと、膨張機から低段圧縮機までの低圧ラインとの冷媒の圧力が均衡（高低圧が均圧）する。

このため、均圧状態で、低圧ライン側の圧力が通常運転時よりも高く、この冷媒圧力が高くなった状態で冷凍機を起動運転すると、高圧ライン側の圧力が過大に上昇しやすく、特にモータ駆動の圧縮機一体型膨張機を備えて構成されていることにより、モータ負荷が高くなって、モータ容量によっては運転回転数を制限する必要が生じるケースがあった。

また、冷媒圧力が高くなった状態で冷凍機を起動運転した際に、循環経路では、定格運転条件で最も密度が高くなる膨張機の入口付近の流路に最小断面が存在するため、予冷時には膨張機の吸入温度が高くなりやすい（冷媒密度が低くなりやすい）。すると、当該箇所における冷媒流量が少なくなる膨張機の入口でチョーク現象によって圧縮機のサージングが発生するおそれがあった。この起動運転時のサージングにおいても、モータ駆動の圧縮機一体型膨張機を備え、高圧ライン側の圧力が過大に上昇した場合に発生しやすくなる。

よって、上記従来の冷凍機においては、起動時から予冷運転時の初期運転期間に、高圧圧力が定常運転圧力よりも大きく上昇することを抑え、モータの過大負荷やサージングの発生を抑止して運転効率の良い予冷運転を可能にするという点で、改善の余地が残されていた。

本開示は、上記事情に鑑み、起動時から予冷運転時の初期運転期間において、高圧圧力が定常運転圧力から大きく上昇することを抑止でき、モータの過大負荷やサージングの発生を抑止することを可能にするとともに、運転効率（冷媒、冷却対象の冷却効率）の向上を可能にする冷凍機及び冷凍機の予冷時の運転方法を提供することを目的とする。

本開示の冷凍機の一態様は、冷媒を圧縮する圧縮機、及び、前記圧縮機とモータによって駆動可能な回転軸を介して連結され、前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を膨張させるための膨張機を含む膨張機一体型圧縮機と、前記膨張機で膨張された前記冷媒によって冷却対象を冷却するための冷却部と、前記膨張機から前記冷却部を介して前記低段圧縮機に至る低圧ライン、及び前記低段圧縮機から前記高段圧縮機に至る中圧ライン、前記高段圧縮機から前記膨張機に至る高圧ラインを備えて前記冷媒を循環させるための冷媒循環ラインと、一端を前記高圧ラインに設けられた第１接続部に接続し、他端を前記低圧ラインに設けられた第２接続部に接続されたバイパスラインと、前記バイパスラインに設けられ、開度を調整することにより前記バイパスラインを流れる前記冷媒の流量を調整可能なバイパスバルブと、を備えた。
さらに、高圧ラインの冷媒ガスを回収するバッファタンクも備えることが望ましい。

本開示の冷凍機（及びこの冷凍機の予冷時の運転方法）によれば、起動時から予冷運転時の初期運転期間において、高圧圧力が定常運転圧力から大きく上昇することをバッファタンクやバイパスラインを用いて効果的に抑止することができる。さらに、冷媒の流量検出に代わり温度検出に基づいてバイパスラインの開度及び回転数を制御することも可能になる。これにより、起動時から予冷運転時の初期運転期間に、モータの過大負荷やサージングの発生を抑止することが可能になり、安定した予冷運転を行い、運転効率（冷媒、冷却対象の冷却効率）の向上を図ることが可能になる。

本開示の一実施形態に係る冷凍機の一例を示す図である。 本開示の一実施形態に係る冷凍機の予冷時の運転方法において、起動時から予冷運転時（予冷運転完了まで）の初期運転期間における運転方法の一例を示すフロー図である。 本開示の一実施形態に係る冷凍機の予冷時の運転方法において、起動時から予冷運転時（予冷運転完了）までの初期運転期間におけるバッファライン部の制御動作の一例を示すフロー図である。 本開示の一実施形態に係る冷凍機及び冷凍機の予冷時の運転方法を用いた場合の運転時間と冷媒温度の関係、運転時間とバイパスバルブの開度の関係の一例を示す図である。 本開示の一実施形態に係る冷凍機の予冷時の運転方法において、起動時から予冷運転時の初期運転期間におけるバイパス制御運転を示す図であり、段階的（ステップ）制御を行う場合の制御フローの一例を示す図である。 本開示の一実施形態に係る冷凍機の予冷時の運転方法において、段階的（ステップ）制御によってバイパス制御運転を行った場合の冷媒温度とバイパスバルブの開度の関係の一例を示す図である。 本開示の一実施形態に係る冷凍機の予冷時の運転方法において、起動時から予冷運転時の初期運転期間におけるバイパス制御運転を示す図であり、連続的（比例）制御を行う場合の制御フローの一例を示す図である。 本開示の一実施形態に係る冷凍機の予冷時の運転方法において、連続的（比例）制御によってバイパス制御運転を行った場合の冷媒温度とバイパスバルブの開度の関係の一例を示す図である。 本開示の冷凍機の起動時から予冷運転時の初期運転期間における高圧ラインや低圧ライン、バッファタンクの圧力変動の状態の一例を示す図である。

以下、図１から図９を参照し、本開示の幾つかの実施形態に係る冷凍機及び冷凍機の予冷時の運転方法について説明する。
ただし、これらの実施形態に記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状及びその相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

なお、本開示は、ブレイトンサイクルを冷凍サイクルに用いることによって極低温を実現できる冷凍機及び冷凍機の予冷時の運転方法に関するものであり、特に、起動時から予冷運転時（予冷完了まで）の初期運転期間における好適な運連制御が可能な冷凍機及び冷凍機の予冷時の運転方法に関するものである。

（冷凍機）
具体的に、本実施形態の冷凍機１は、例えば、図１に示すように、冷却対象（本実施形態では冷却対象側の冷媒Ｒ２を冷媒Ｒ１との熱交換によって冷却するための冷却部（二次側負荷熱交換器）２と、冷媒Ｒ１を圧縮するための低段圧縮機Ｃ１と、さらに冷媒Ｒ１を圧縮するための中段圧縮機Ｃ２と、さらに冷媒Ｒ１を圧縮するための高段圧縮機Ｃ３及び冷媒Ｒ１を膨張させるための膨張機Ｔを一体化した膨張機一体型圧縮機７と、低段圧縮機Ｃ１、中段圧縮機Ｃ２、高段圧縮機Ｃ３、膨張機Ｔ、冷却部２等に冷媒Ｒ１を順次給送して循環させる冷媒循環ライン８と、を備えて構成されている。

膨張機一体型圧縮機７は、高段圧縮機Ｃ３と膨張機Ｔとに加え、高段圧縮機Ｃ３及び膨張機Ｔに出力軸の両端部をそれぞれ接続し、出力軸ひいては高段圧縮機Ｃ３と膨張機Ｔを軸線周りに回転駆動するための第１モータ９を備えている。

また、本実施形態の冷凍機１では、低段圧縮機Ｃ１と中段圧縮機Ｃ２も一体型で構成され、この一体型圧縮機１０は、低段圧縮機Ｃ１と中段圧縮機Ｃ２に出力軸の両端部をそれぞれ接続し、出力軸ひいては低段圧縮機Ｃ１と中段圧縮機Ｃ２を軸線周りに回転駆動するための第２モータ１１を備えている。

また、本実施形態の冷凍機１は、低段圧縮機Ｃ１、中段圧縮機Ｃ２、高段圧縮機Ｃ３、膨張機Ｔを冷媒循環ライン８で直列に接続して構成されている。

冷媒循環ライン８は、膨張機Ｔから低段圧縮機Ｃ１までの間が低圧ラインとされ、高段圧縮機Ｃ３から膨張機Ｔまでの間の高圧ラインとされている。低段圧縮機Ｃ１から高段圧縮機Ｃ３までの間が中圧ラインとされている。

第１中圧ラインには、低段圧縮機Ｃ１から吐出された冷媒を冷却するための第１熱交換器１２、中段圧縮機Ｃ２から吐出された冷媒Ｒ１を冷却するための第２熱交換器１３、高圧ラインには、高段圧縮機Ｃ３から吐出された冷媒を冷却するための第３熱交換器１４がそれぞれ配設されている。また、高圧ラインの第３熱交換器１４と膨張機Ｔの間には、冷熱回収熱交換器（再生熱交換器）１５が設けられている。

第１熱交換器１２、第２熱交換器１３、第３熱交換器１４は、例えば冷却水ｗなどによって冷媒Ｒ１を冷却する。冷熱回収熱交換器１５は、冷却部２で冷却対象Ｒ２の冷却に用いられた後の冷媒Ｒ１によって高圧ラインの冷媒Ｒ１を冷却する。

また、低圧ラインの膨張機Ｔから冷熱回収熱交換器１５の間に冷却部２が設けられている。なお、本実施形態において、冷却ラインは低圧ラインの一部とされている。

本実施形態では、冷却部２の熱交換器に送られた冷媒Ｒ１で冷却する冷却対象が冷却対象用冷媒（二次冷媒）Ｒ２であり、この冷却対象用冷媒Ｒ２は冷却対象側循環ライン１６を循環して順次冷却部２に送られて所定温度に冷却される。

上記構成からなる本実施形態の冷凍機１では、第２モータ１１によって回転駆動する低段圧縮機Ｃ１で一段圧縮した冷媒が第１熱交換器１２で冷却された後、中段圧縮機Ｃ２に送られ、第２モータ１１によって回転駆動する中段圧縮機Ｃ２でさらに圧縮される。中段圧縮機Ｃ２で二段圧縮した冷媒Ｒ１は、第２熱交換器１３で冷却された後、第１モータ９によって回転駆動する高段圧縮機Ｃ３でさらに圧縮される。高段圧縮機Ｃ３で三段圧縮した冷媒Ｒ１は、第３熱交換器１４で冷却された後、さらに冷熱回収熱交換器１５で冷却されて膨張機Ｔに送られ、膨張機Ｔによって断熱膨張し、冷熱を生成する。すなわち、冷媒自体が断熱膨張して低圧低温となる。高段圧縮機Ｃ３及び膨張機Ｔもまた、共通の動力源である第１モータ９の出力軸の両端にそれぞれ連結されることによって、膨張機Ｔで回収した動力が高段圧縮機Ｃ３の圧縮動力に寄与して効率化が図られる。

また、低圧低温となった冷媒Ｒ１は冷却部２の熱交換器に送られ、この冷媒で冷却対象側循環ライン１６を流れる冷却対象用冷媒Ｒ２を所定温度に冷却する。その後、冷媒Ｒ１は冷熱回収熱交換器１５に送られ、そこで膨張機Ｔに送られる冷媒Ｒ１を冷却した後、低段圧縮機Ｃ１に戻る。

ちなみに、この冷凍機１では、冷媒Ｒ１として、例えば、ヘリウム、ネオン、水素、窒素、空気、炭化水素等を挙げることができる。そして、冷媒Ｒ１の温度は、例えば、膨張機Ｔの入口側で約－１９０～－２００℃（８３．１５～７３．１５Ｋ）、出口側で約－２１０～－２２０℃（６３．１５～５３．１５Ｋ）の極低温にすることができる。

これにより、本実施形態の冷凍機１は、例えば、超電導機器の冷却、各種ガスの液化、液体窒素の代替などとして利用することができる。

具体的に、図１に示すように、冷却部２で冷媒Ｒ１と熱交換して冷却する冷却対象は、超電導ケーブルなどの超電導機器２０を冷却するための液体窒素（冷却対象用冷媒Ｒ２）を一例として挙げることができる。
この場合には、例えば、冷却部２、超電導機器２０及びリザーバタンク２１の間を循環する冷却対象側循環ライン（液体窒素循環ライン）１６を設け、さらに冷却対象側循環ライン１６に循環ポンプ２２を設け、冷却部２で極低温に冷却された液体窒素Ｒ２を超電導機器２０に循環するように構成される。

一方、冷凍機１においては、前述の通り、冷凍機停止中、冷媒温度上昇によって冷媒圧力が高くなり、この状態で高低圧が均圧する。このため、冷媒圧力が高くなった状態で冷凍機１を起動運転すると、低圧ラインの冷媒圧力が高いことから高圧ラインの冷媒圧力が上昇し、モータ（１１（９））の負荷が高くなってモータ容量によっては運転回転数を制限する必要が生じるケースがあった。
また、冷媒圧力が高くなった状態で冷凍機１を起動運転した際に、膨張機Ｔの入口でチョーク現象が生じ、圧縮機（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）にサージングが発生することも考えられる。

（予冷工程の制御フロー）
これに対し、本実施形態の冷凍機１の予冷運転工程（冷凍機の予冷時の運転方法）は、図１及び図２に示すように、冷凍機予冷運転制御、バイパス制御、バッファタンク冷媒回収制御で構成されている。

まず、冷凍機予冷運転制御は、冷凍機１の起動から予冷完了までの運転制御を行うもので、目標温度設定（Ｔ１、Ｔ２）と膨張機Ｔの入口または出口の計測温度（Ｔ）に基づいて冷却速度が一定に維持されるよう制御回転数制御を行う。

バイパス制御は、計測温度（Ｔ）に従ってバイパスライン３１の開閉バルブ３２の開度を制御するもので、段階（ステップ制御）と連続制御がある。目標設定温度（Ｔ１）まで冷媒Ｒ１が冷却されると開閉バルブ３２が閉となり、バイパスなし制御運転となる。

また、バッファタンク冷媒回収制御は、高圧ラインからバッファタンク２７に冷媒Ｒ１を回収して、冷凍機１の予冷運転の負荷を低減するもので、設定する圧力差以上になると開閉バルブ２８が開となり高圧ラインからバッファタンク２７に冷媒Ｒ１が流入する。

これらの制御は、冷凍機予冷運転制御に対して並列にバイパス制御、バッファタンク冷媒回収制御が行われ、常時モニタリングする組合せになっている。

以下、より詳細に制御内容について説明する。

（バッファライン部）
本実施形態の冷凍機１は、第一に、バッファライン部２５が具備されている。

バッファライン部２５は、高圧ラインの第３熱交換器１４と冷熱回収熱交換器１５の間の第３接続部Ｓ３に一端を接続し、低圧ラインの冷熱回収熱交換器１５と低段圧縮機Ｃ１の間の第４接続部Ｓ４に他端を接続したバッファライン２６と、このバッファライン２６に設けられて冷媒Ｒ１を一時的に貯留するためのバッファタンク２７と、バッファタンク２７の入口側（バッファタンク２７と第３接続部Ｓ３の間の高圧ライン側）に設けられた第１開閉弁（高圧側バッファバルブ）２８と、バッファタンク２７の出口側（バッファタンク２７と第４接続部Ｓ４の間の低圧ライン側）に設けられた第２開閉弁（低圧側バッファバルブ）２９と、を備えて構成されている。

そして、入口側の第１開閉弁２８を開くことにより、且つ、第１開閉弁２８の開度に応じ、高圧ラインから圧力差（差圧）を利用してバッファタンク２７に冷媒Ｒ１を一時的に送って貯留し、冷媒循環ライン８を流れる冷媒Ｒ１の量（流量）を調節することができる。また、第１開閉弁２８を閉じ、出口側の第２開閉弁２９を開くことにより、且つ第２開閉弁２９の開度に応じ、バッファタンク２７から圧力差を利用して冷媒Ｒ１を低圧ラインに戻し、冷媒循環ライン８を流れる冷媒Ｒ１の量を調節することができる。

（バイパスライン部）
さらに、本実施形態の冷凍機１においては、バイパスライン部３０を備えている。

バイパスライン部３０は、高圧ラインの第３熱交換器１４と第３接続部Ｓ３の間の第１接続部Ｓ１に一端を接続し、低圧ラインの第４接続部Ｓ４と低段圧縮機Ｃ１の間の第２接続部Ｓ２に他端を接続して設けられたバイパスライン３１と、このバイパスライン３１に設けられた第３開閉弁（バイパスバルブ）３２と、備えて構成されている。
なお、バッファライン部２５とバイパスライン部３０の高圧ライン及び低圧ラインの接続部は、位置が入れ替わっても何ら支障はない。

（冷媒状態／動力状態検出手段）
冷媒循環ライン８には、高圧ラインの冷熱回収熱交換器１５と膨張機Ｔの間に、ここを流通する冷媒Ｒ１の温度を検出するための第１温度センサ３３が具備されている。
冷却ラインの膨張機Ｔと冷却部２の間には、ここを流通する冷媒Ｒ１の温度を検出する第２温度センサ３４が設けられている。
冷却対象側循環ライン１６には、冷却部２によって冷却された冷却対象の液体窒素Ｒ２の温度を検出する第３温度センサ（二次冷媒温度センサ）３５が設けられている。

冷媒循環ライン８の高圧ラインのライン上、例えば第３接続部Ｓ３と第１接続部Ｓ１の間には高圧ラインの冷媒Ｒ１の圧力を検出するための第１圧力センサ３６が設けられている。
バッファタンク２７には、バッファタンク２７の内部の圧力を検出するための第２圧力センサ３７が設けられている。

膨張機一体型圧縮機７には、第１モータ９の駆動状態、ひいては回転軸、高段圧縮機Ｃ３及び膨張機Ｔの回転数を検出するための第１動力計３８が設けられている。
一体型圧縮機１０には、第２モータの駆動状態、ひいては回転軸、低段圧縮機Ｃ１及び中段圧縮機Ｃ２の回転数を検出するための第２動力計３９が設けられている。

さらに、本実施形態の冷凍機１は、第１温度センサ３３、第２温度センサ３４、第３温度センサ３５、第１圧力センサ３６、第２圧力センサ３７、第１動力計３８、第２動力計３９のそれぞれの検出結果を受けて、第１モータ９、第２モータ１１の駆動、第１開閉弁２８、第２開閉弁２９、第３開閉弁３２の開度（開閉駆動）を制御するコントローラ（制御装置）４０を備えている。

＜バッファタンク冷媒回収制御：バッファライン部を用いた初期運転期間の運転制御＞
まず、バッファタンクを用いて冷媒回収を行う予冷運転制御について説明する。
これにより、バッファライン部２５による冷媒循環ライン８に対する冷媒Ｒ１の流出入量は、コントローラ４０による第１開閉弁２８、第２開閉弁２９の開度調整によって制御することができる。なお、バイパスライン部３０の第３開閉弁３２を含み、第１開閉弁２８、第２開閉弁２９は電動弁であることが好ましい。

より具体的に、冷媒循環ライン８の系内の圧力が高い状態で、冷凍機１（モータ９、１１）を運転すると圧縮機でサージングが生じて回転数を高くすることが難しい。

これに対し、本実施形態の冷凍機１では、起動時の冷凍機１の回転数を高くするために低圧ラインと高圧ラインの間にバッファタンク２７を設け、冷凍機１の吐出圧力が一定圧力以上とならないように余分な冷媒Ｒ１を回収する。

これにより、第１圧力センサ３６、第２圧力センサ３７の検出結果に基づいて、コントローラ４０が第１開閉弁２８の開閉駆動制御、開度調整を行うことで、高圧ラインとバッファタンク２７の冷媒圧力差を利用し、冷媒Ｒ１を流入させることができ、冷凍機１の吐出圧力が一定圧力以上とならないように余分な冷媒Ｒ１をバッファタンク２７に回収することが可能になる。

（起動時／予冷運転開始時の制御）
そして、図１、図２及び図３に示すように、冷凍機１の停止後に、起動／予冷運転開始を行う際には（Ｓｔｅｐ１）、冷凍機１の停止に伴って高圧ラインと低圧ラインの冷媒圧力が高圧で均衡している場合、第１圧力センサ３６、第２圧力センサ３７の検出結果に基づいて（Ｓｔｅｐ３）、バッファライン部２５でバッファタンク２７への冷媒回収を実施する（Ｓｔｅｐ２）。

このとき、コントローラ４０が第１圧力センサ３６と第２圧力センサ３７の検出結果を受け、高圧ラインとバッファタンク２７の冷媒圧力の差圧を求め（Ｓｔｅｐ３）、高圧ラインとバッファタンク２７の冷媒圧力が高圧で均衡しているか否かを確認し、例えば、冷媒圧力の差圧が１０ｋＰａなどの設定値（閾値）以上である場合には（Ｓｔｅｐ４）、第１開閉弁２８を開制御し（Ｓｔｅｐ５）、バッファライン部２５による冷媒回収を実施する（Ｓｔｅｐ６）。

すなわち、バッファタンク２７の圧力と高圧ラインの冷媒圧力の差圧を求め、この差圧が予め設定した設定値（１０ｋＰａなど）を超える場合には、コントローラ４０が第２開閉弁２９を閉じた状態で第１開閉弁２８を開制御する（Ｓｔｅｐ５）。

第１開閉弁２８の開制御（Ｓｔｅｐ５）を行うとともに、バッファタンク２７と高圧ラインとの圧力差によってバッファタンク２７に冷媒Ｒ１が送られて一時的に貯留され（Ｓｔｅｐ６）、ブレイトンサイクルを流れる冷媒Ｒ１の流量（圧力）が減少する。
これにより、予冷初期における冷媒循環ライン８の圧力上昇による過負荷運転（第１モータ９、第２モータ１１の過大なモータ負荷）を防止できる。
なお、バッファタンク２７に冷媒Ｒ１が送られて一時的に貯留され、ブレイトンサイクルを流れる冷媒Ｒ１の流量（圧力）が減少し、冷媒圧力の差圧が設定値を下回ると（Ｓｔｅｐ７）、第１開閉弁２８が閉制御される（Ｓｔｅｐ８）。また、前記（Ｓｔｅｐ４）で冷媒圧力の差圧が設定値を下回る場合には、第１開閉弁２８の閉状態が維持される（Ｓｔｅｐ８）。

（予冷運転中の制御）
前述の通り、バッファタンク２７と高圧ラインの差圧が１０ｋＰａなどの設定値を超えると、高圧ラインから第１開閉弁を介してバッファタンクに冷媒が回収され、バッファタンクと高圧ラインの差圧が小さくなる（Ｓｔｅｐ６、Ｓｔｅｐ７）。

このため、冷凍機１の停止後の予冷運転開始時において、差圧が設置値を超え続けている場合には高圧の冷媒Ｒ１がバッファタンク２７に回収されていくが、冷凍機１の運転に伴い高圧ラインの冷媒Ｒ１の圧力（吐出圧力）に大幅な変動が生じなければ、バッファタンク２７と高圧ラインの差圧が小さくなって、その状態で維持される。すなわち、バッファタンク２７と高圧ラインの間での冷媒Ｒ１のやり取りがなくなり、冷媒循環ライン８の冷媒Ｒ１の増減が生じず、高圧ラインの圧力は維持される。

逆に、冷凍機１の停止後の予冷運転開始時において、冷凍機１の運転に伴い高圧ラインの冷媒Ｒ１の圧力（吐出圧力）に大幅な変動が生じた場合には、高圧ラインから能力調整用のバッファタンク２７に冷媒Ｒ１が回収され続ける。

このように、本実施形態の冷凍機１は冷媒循環ライン８（冷媒流路系）が密閉構造であることによって、常温で余分な冷媒Ｒ１をバッファタンク２７に貯めることができる。すなわち、予冷運転時には、上記のように、流量を計測することなく、第１圧力センサ３６と第２圧力センサ３７の検出結果に基づいて第１開閉弁２８の開閉駆動制御を行うだけで自動的に冷媒Ｒ１の回収量の調整を行うことができ、過大なモータ負荷が生じない好適な状態にしてこれを維持することが可能になる。

なお、前記（Ｓｔｅｐ３）から（Ｓｔｅｐ６）の圧力検出結果から冷媒圧力の差圧を求めて、コントローラ４０により差圧が設定値（閾値）以上である場合には第１開閉弁２８を開制御し、バッファライン部２５による冷媒回収を行う実施例を示している。
一方、別の実施例として、差圧に変え、高圧ラインの圧力が設定値（閾値）以上である場合に、第１開閉弁２８を開制御して、バッファライン部２５によって冷媒回収を行うことができるようにしてもよい。

（通常（定常）運転への移行制御）
そして、冷凍機１の起動後、高圧ライン側の冷媒Ｒ１が一時的に昇圧してバッファタンク２７に余分な冷媒を貯めるが、冷却が進むにつれて低圧ラインと高圧ライン、ひいては冷凍機１の装置／システム全体の冷媒Ｒ１の圧力が降下して通常運転時の圧力状態に近づいていく。言い換えれば、低圧ラインと高圧ラインのそれぞれの圧力が通常運転時の圧力となって運転が進み、過大なモータ負荷が生じない状態となる。バッファ機構圧力設定値を下回る状態になった段階で第１開閉弁２８を閉じられる（Ｓｔｅｐ８）。

一方、冷媒Ｒ１には、例えば、常温から１００Ｋ以下まで冷却すると密度が大きくなって、容量が減じるものがある。具体的には、冷熱回収熱交換器１５から膨張機Ｔ、膨張機Ｔから冷却部２、冷却部２から冷熱回収熱交換器１５までの機器や配管で冷媒Ｒ１の温度が１００Ｋ以下となり、冷媒Ｒ１の密度が増加して容量不足となる。逆に、運転中も低圧ラインの冷熱回収熱交換器１５の出口から圧縮機を経て高圧ラインの冷熱回収熱交換器１５の入口までは冷媒温度が常温付近のため冷媒Ｒ１の冷媒容量が変わらない。
このため、低温側である高圧ライン側、冷却ライン側の冷媒容量の減少に応じた分を系内で保持しておく必要がある。

したがって、本実施形態の冷凍機１及び冷凍機１の運転方法では、優先的にバッファタンク２７への冷媒Ｒ１の貯留を行うようにする。例えば、起動直後など、起動時から予冷運転時（予冷完了まで）の初期運転期間に余分の冷媒Ｒ１がバッファタンク２７に回収されるように、第１圧力センサ３６と第２圧力センサ３７で検出される圧力差が１０ｋＰａなどの予め設定した設定値以上の条件で冷媒回収用の第１開閉弁２８が開くようにする。

また、本実施形態の冷凍機１及び冷凍機１の運転方法では、第１圧力センサ３６と第２圧力センサ３７で検出される圧力差（差圧）に変え、高圧ラインの圧力が設定値（閾値）以上である場合に、第１開閉弁２８を開制御し、バッファライン部２５により冷媒回収を行うこともできる（図９（バイパス制御運転の段階的制御時の高圧ライン、低圧ライン、バッファタンク２７の圧力変動の状態の一例を示す図）参照）。

＜冷凍機予冷運転制御／バイパス制御：バイパスライン部を用いた初期運転期間の運転制御＞
次に、冷凍機１は、例えば、常温から１００Ｋ以下までの大温度差で冷媒Ｒ１を冷却していく必要があるため、冷媒循環ライン８には、従来、最も密度が高くなる膨張機Ｔの入口付近に最小断面の絞り部を設けるようにしている。

ここで、予冷運転時には、吸入温度が高くなりやすく、言い換えれば、冷媒密度が低くなりやすく、膨張機Ｔの入口付近の最小断面の絞り部における冷媒流量が小さくなり、これに起因して圧縮機Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３にサージングが発生するおそれがある。このため、予冷運転時には、このサージングを抑止できるように十分な冷媒流量を確保することが必要になる。

これに対し、本実施形態の冷凍機１においては、高圧ラインから低圧ラインに冷媒Ｒ１を返送可能なバイパスライン３１及びバイパスバルブの第３開閉弁３２からなるバイパスライン部３０を備えている。

これにより、コントローラ４０によって第３開閉弁３２を開制御することにより、高段圧縮機Ｃ３で圧縮された冷媒Ｒ１の一部を膨張機Ｔに供給することなく、再び低段圧縮機Ｃ１ひいては高段圧縮機Ｃ３に戻すことができる。また、コントローラ４０によって第３開閉弁３２の開度を調整することにより、圧縮機Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３に戻される冷媒流量を調整できる。

よって、本実施形態の冷凍機１においては、予冷時に、第３開閉弁３２の開度を運転状態に応じて適宜変更することでサージングを起こさず、且つ冷却に使用されない冷媒Ｒ１を減らすことができ、動力が無駄とならない効率的（高ＣＯＰ：Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）な運転が可能になる。

次に、本実施形態の冷凍機１、及び冷凍機１の予冷時の運転方法では、図２（図５、図７、図１）に示すように、第３開閉弁３２の開度を冷媒Ｒ１の温度条件によって制御し（Ｓｔｅｐ９）、バイパスライン部３０を用いた冷凍機予冷運転制御とパイパス制御からなる予冷時運転制御を行う。また、冷凍機予冷運転制御とバイパス制御は前述のバイパス制御と並列で行われる。

（冷凍機予冷運転制御）
まず、冷凍機予冷運転制御（Ｓｔｅｐ９）では、例えば、回転数６０％で１０分間運転を行う（Ｓｔｅｐ１０）。

また、高圧ラインに設けられた第１温度センサ３３、又は冷却ラインに設けられた第２温度センサ３４で検出した冷媒温度に基づいて、第３開閉弁３２の開度を調整、制御する。

このとき、予冷時の冷却速度（冷媒の温度の減少速度）を６０Ｋ／ｈなど、予め設定した一定の冷却速度に保ちながら第３開閉弁３２の開度をパイバス制御によって段階的あるいは連続的に小さくしてゆき、冷媒Ｒ１が第１目標温度（本実施形態では１００Ｋ）に達した段階で第３開閉弁３２の開度が０％となるようにする（Ｓｔｅｐ１１）。

そして、膨張機出口温度が第１目標温度（１００Ｋ）に達した段階で（Ｓｔｅｐ１２）バイパスライン部３０の使用（バイパス制御）が停止され、冷媒全量を膨張機Ｔに供給するように制御（バイパス無し制御）を行う（Ｓｔｅｐ１３）。

また、バイパスライン部３０の使用を停止した後、冷媒温度が第２目標温度以下（本実施形態では６７Ｋ以下）で維持されるように、第２温度センサ３４によって検出した膨張機Ｔの出口側の冷媒温度に基づいて冷凍機回転数の制御を行う（Ｓｔｅｐ１４）。

すなわち、本実施形態において、冷却対象側循環ライン１６である液体窒素循環ラインで冷却対象用冷媒Ｒ２である液体窒素の循環を開始するまでは、第２温度センサ３４によって膨張機Ｔの出口側の冷媒温度を検出し、膨張機Ｔの出口側の冷媒温度を温度制御点として第２目標温度を６７Ｋ以上に設定しておく。これにより、冷却部２で液体窒素が凍結することを回避する。

液体窒素循環ラインで液体窒素の循環を開始した後、温度制御点を超電導ケーブル等に近い第３温度センサ３５に切り替え、この第３温度センサ３５で検出した液体窒素の出口側の冷媒温度に基づいて、冷凍機１の運転制御を行う。これにより、冷凍機１の予冷運転が完了し（Ｓｔｅｐ１５）、容易で精度よく冷却対象の液体窒素を冷却することができる。

なお、第１温度センサ３３、第２温度センサ３４のどちらの検出結果を用いて第３開閉弁３２の開度制御を行っても、特に熱負荷変動がなければ、同様の作用効果が得られることが確認されている。このため、本実施形態の冷凍機１では、第１温度センサ３３、第２温度センサ３４を備えているが、場合によってはどちらか一方の温度センサのみで構成して、温度の監視点、温度センサの数を減らすことも可能である。

（バイパス制御）
一方、本実施形態の冷凍機１及び冷凍機１の予冷時の運転方法では、図２、図５、図７（図１）に示すように、上記の冷凍機予冷運転制御と並列に、第３開閉弁３２の開度を段階的あるいは連続的に制御（ステップ制御あるいは比例制御）してバイパス制御（Ｓｔｅｐ１６）を行うことによって、膨張機Ｔへ流れる流量変化を小さくする。すなわち、開度変動時の冷却能力の変動を抑え、冷却速度制御を行いやすくする。

具体的に、バイパスライン部３０を用いた予冷運転制御時に、冷却速度を一定に制御する第一の理由は、熱交換器が急激に冷却されると、熱変形によって破損が生じるおそれがあるためである。
第二の理由は、冷却温度の変化が大きいと、第３開閉弁３２の開度の調整幅や冷凍機回転数の変動が大きくなり、安定した運転が難しくなるためである。すなわち、バイパスライン３１を流れる冷媒流量は運転効率にも影響するため、効率的な運転を行うために冷却速度を一定にする。

そして、これに基づき、本実施形態の冷凍機１の予冷時の運転方法では、前述の通り、予冷時において、バイパスライン部３０のバイパスバルブの第３開閉弁３２の開度制御と冷凍機１の回転数制御の２つの制御を組み合わせ、冷却速度を一定にする温度制御を行うこととした。

また、本実施形態の冷凍機１の予冷時の運転方法では、冷媒Ｒ１の一部を膨張機Ｔに供給することなく、バイパスライン部３０の第３開閉弁３２の開度を調整することで、流量計を用いることなく、バイパスライン３１を通じて高圧ラインから低圧ラインに流量を調整しながら冷媒Ｒ１を戻し、サージングの発生を抑止している。

この一方で、第３開閉弁３２を開けすぎると、必要以上の流量が圧縮機に供給され、無駄な動力を消費することになって、結果、効率的な運転ができなくなる。
このため、本実施形態の冷凍機１の予冷時の運転方法では、サージングが生じない流量を保持するように、第３開閉弁３２の開度を段階的又は連続的に調整制御（ステップ制御又は比例制御）し、膨張機Ｔの設計流量に近づいた段階で第３開閉弁３２が閉（開度０％）となるようにしている。

また、バイパスライン部３０の第３開閉弁３２の開度制御では、膨張機Ｔとバイパスライン３１の２つのルートに流れる冷媒流量を調整し、効率的な運転ができるように条件を設定することになる。このため、バイパスライン部３０による冷媒流量の調整制御だけでは、冷媒Ｒ１の温度制御という観点からは必ずしも高精度で制御が行えないことも考えられる。

これに基づき、本実施形態の冷凍機１の予冷時の予冷時運転方法では、前述の通り、バイパスライン部３０の第３開閉弁３２の開度制御に加え、冷凍機１の回転数制御を行うことで冷却速度を調整／修正し、冷却速度が一定となるようにした。
すなわち、本実施形態の冷凍機１の予冷時の運転方法では、冷媒Ｒ１の設定目標温度と実測温度の乖離の大きさに応じ、冷却速度が一定となるように冷凍機１の回転数を制御して、冷媒温度を精度よく制御できるようにした。

このように、本実施形態の冷凍機１の予冷時の運転方法では、バイパスライン部３０の第３開閉弁３２の開度調整制御と冷凍機１の回転数制御を併用することで、起動時から予冷完了までの初期運転期間において、サージングの発生を好適に抑制でき、且つ冷却速度を一定にして精度よく冷媒Ｒ１を冷却でき、効率的な運転制御を行うことが可能になる。

ここで、本実施形態の冷凍機１の予冷時の運転方法では、上記作用効果を好適に奏功するために、バイパス制御（Ｓｔｅｐ１６）でバイパスライン部３０の第３開閉弁３２の開度調整を段階的あるいは連続的に行う。
これらバイパスライン部３０の第３開閉弁３２の段階的な開度制御（ステップ制御）と連続的な開度制御（比例制御）を用いたそれぞれの一例を挙げ、本実施形態の冷凍機１の運転方法について詳細に説明する。

＜バイパスライン部を用いた段階的運転制御（ステップ運転制御）＞
まず、バイパスライン部３０のバイパスバルブの第３開閉弁３２の開度を段階的に制御する方法について説明する。

このバイパスライン部３０の第３開閉弁３２の段階的な開度調整制御では、図５、図６（図１、図２、図４参照）に示すように、例えば、冷凍機予冷運転制御（Ｓｔｅｐ９）によって最大値の６０％の回転数とするとともに（Ｓｔｅｐ１０）、第３開閉弁３２の開度４０％とする（Ｓｔｅｐ１７）。また、第１温度センサ３３又は第２温度センサ３４に起動時の冷媒Ｒ１の温度を計測する（Ｓｔｅｐ１８）。そして、冷凍機１を起動し、予冷運転を開始した段階から、第３開閉弁３２の開度を第１温度センサ３３又は第２温度センサ３４による冷媒の検出温度に応じて段階的に変更してゆく（Ｓｔｅｐ１９）。

このバイパスライン部３０を用いた段階的運転制御では、各ステップの温度の始点と終点が第３開閉弁３２の開度ステップ（本実施形態では、ステップ１～６：図６）を決定する。例えば、あるステップ温度幅をＴ０１からＴ０２として、第３開閉弁３２の開度をＶ０１％とすると、第１温度センサ３３又は第２温度センサ３４の計測温度ＴａがＴ０２＜Ｔａ≦Ｔ０１の状態で第３開閉弁３２の開度Ｖ０１％を維持し続ける。

そして、冷媒温度が徐々に下がってゆき、計測温度ＴａがＴ０２となった段階で次のステップ温度幅のＴ０２からＴ０３（Ｔ０３＜Ｔａ≦Ｔ０２）に対応する第３開閉弁３２の開度Ｖ０２％（Ｖ０２＜Ｖ０１）を維持し続ける。

このように、冷却温度の降下に従いステップ（ステップ１～６）を順次変え、次段のステップへ変更毎に第３開閉弁３２の開度を一段下の開度に切り替えてゆく。

順次ステップを変更して第３開閉弁３２の開度を段階的に小さくすると、バイパスライン３１を流通して高圧ラインから低圧ラインに流れる冷媒Ｒ１の流量が、段階的に減少する。この冷媒Ｒ１の流量の段階的な減少に応じ、低段圧縮機Ｃ１側から膨張機Ｔ側に流れる冷媒量が段階的に増えるため、本実施形態の冷凍機１では、冷却速度を一定に維持するように回転数制御（冷凍機予冷運転制御）を併用する。

例えば、図５、図６では、起動時（回転開始時）の冷凍機回転数を６０％、第３開閉弁３２の開度を４０％とし、それ以降の第１温度センサ３３又は第２温度センサ３４による冷媒Ｒ１の計測温度が第１目標温度の１００Ｋに達するまで５ステップとし、２２５Ｋ、１９０Ｋ、１５５Ｋ、１２０Ｋ、１００Ｋ、での温度範囲と第３開閉弁３２の開度を設定している。

このように、バイパスライン部３０の第３開閉弁３２の段階的な開度制御と、冷凍機１の回転数制御とを併用することによって、本実施形態の冷凍機１の予冷時運転方法では、各ステップの温度区間ごとに第３開閉弁３２の開度を設定でき、それぞれの区分けした温度区間において冷却速度が予め設定した一定の設定値（６０Ｋ／ｈなど）となるようにＰＩＤ制御などを用いて回転数制御（例えば、回転数Ｎ＝６０～７５％）を行うことができる。
これにより、本実施形態の冷凍機１の予冷時運転方法によれば、冷凍機１の回転数や圧力の変動が少ない安定した予冷運転が可能になる。

また、第１目標温度の１００Ｋに達した段階で、第３開閉弁３２の開度が０％となり、バイパスライン部３０を用いた運転制御は終了し、バイパス無し制御運転に移行する（Ｓｔｅｐ２０）。このバイパス無し制御運転に移行することで、圧縮機から膨張機Ｔに冷媒循環量の全てが流れる。

そして、バイパス無し制御運転の予冷運転では、次の目標温度である第２目標温度の６７Ｋに向けて回転数制御を行う。このとき、第２目標温度の６７Ｋまで、冷却速度が予め設定した一定の設定値（６０Ｋ／ｈなど）となるようにＰＩＤ制御などを用いて回転数制御（例えば、回転数Ｎ＝７５～９５％）を行う（Ｓｔｅｐ１３）。また、第２目標温度の６７Ｋに達するとともに、負荷のかかる窒素循環運転まで第２目標温度を維持するように制御を行う（Ｓｔｅｐ１３、１４、１５）。
なお、回転数制御は、ＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－Ｉｎｔｅｇｒａｌ－Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御を用いることに限定する必要はない。例えば、Ｐ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ）制御、ＰＩ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－Ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御などを用いても勿論構わない。

したがって、本実施形態の冷凍機１及び冷凍機１の予冷時運転方法によれば、バイパスライン部３０の第３開閉弁３２の段階的な開度調整制御と冷凍機１の回転数制御を併用することで、起動時から予冷完了までの初期運転期間において、サージングの発生を好適に抑制でき、且つ冷却速度を一定にして精度よく冷媒Ｒ１を冷却でき、効率的な運転制御を行うことが可能になる。

＜バイパスライン部を用いた連続的運転制御（比例運転制御）＞
次に、バイパスライン部３０のバイパスバルブの第３開閉弁３２の開度を連続的に制御する方法について説明する。

このバイパスライン部３０の第３開閉弁３２の連続的な開度調整制御では、図７、図８（図１、図２、図４参照）に示すように、段階的な開度調整制御と同様、例えば、冷凍機予冷運転制御（Ｓｔｅｐ９）によって最大値の６０％の回転数とするとともに（Ｓｔｅｐ１０）、第３開閉弁３２の開度４０％とする（Ｓｔｅｐ１７）。また、第１温度センサ３３、又は第２温度センサ３４に起動時の冷媒Ｒ１の温度を計測する（Ｓｔｅｐ１８）。そして、冷凍機１を起動し、予冷運転を開始した段階から、第３開閉弁３２の開度を第１温度センサ３３又は第２温度センサ３４による冷媒の検出温度に応じて連続的に変更してゆく（Ｓｔｅｐ２０）。

このバイパスライン部３０を用いた連続的運転制御では、各ステップの温度の始点と終点が第３開閉弁３２の開度ステップ（本実施形態ではステップ１～６：図８）を決定する。

ただし、運転初期の状態は、回転数６０％運転（Ｓｔｅｐ１０）や第３開閉弁バルブ開度４０％（Ｓｔｅｐ１７）の運転制御が優先し、さらに（Ｓｔｅｐ１８）で冷媒Ｒ１の温度が２２５Ｋに冷却されるまでバルブ開度４０％を維持されるので、連続的運転制御は実質的には（ステップ２）から開始される。

例えば、あるステップ温度幅をＴ０１からＴ０２とした場合、ステップ温度幅Ｔ０１からＴ０２となるまでの間で、第３開閉弁３２の開度をＶ０１％からＶ０２％まで漸次小さくしてゆく。
すなわち、第１温度センサ３３又は第２温度センサ３４による冷媒Ｒ１の計測温度をＴａとした場合に、第３開閉弁３２の開度Ｖ％は、次の式（１）によって求める。

［数１］
Ｖ％＝Ｖ０１－（（Ｖ０１－Ｖ０２）／（Ｔ０１－Ｔ０２））×（Ｔ０１－Ｔａ）・・・・（１）
ここで、Ｔ０２＜Ｔａ＜Ｔ０１

このように求めた開度に従って第３開閉弁３２を連続的に制御し、この連続的制御に伴う冷却温度の降下に従いステップ（ステップ１～６：図８）を順次変えてゆく。

順次ステップが変わって第３開閉弁３２の開度を連続的に小さくすると、第３開閉弁３２の開度を連続的に小さくすると、バイパスライン３１を流通して高圧ラインから低圧ラインに流れる冷媒Ｒ１の流量が連続的に減少する。バイパスラインを流通して高圧ラインから低圧ラインに流れる冷媒の流量が連続的に減少する。この冷媒の流量の連続的な減少に応じ、低段圧縮機Ｃ１側から膨張機Ｔ側に流れる冷媒量が連続的に増えるため、本実施形態の冷凍機１では、冷却速度を一定に維持するように回転数制御（冷凍機予冷運転制御）を併用する。

例えば、図７、図８では、起動時（回転開始時）の冷凍機回転数を６０％、第３開閉弁３２の開度を４０％とし、それ以降の第１温度センサ３３又は第２温度センサ３４による冷媒Ｒ１の計測温度が第１目標温度の１００Ｋに達するまでのステップ２からステップ５までの４ステップとし、２２５Ｋ、１９０Ｋ、１５５Ｋ、１２０Ｋ、１００Ｋで温度範囲を、各温度範囲ごとに式（１）に従って第３開閉弁３２の開度を連続的に設定している。

このように、式（１）に従ったバイパスライン部３０の第３開閉弁３２の連続的な開度制御と、冷凍機１の回転数制御とを併用することによって、本実施形態の冷凍機１の予冷時運転方法では、各ステップの温度区間ごとに第３開閉弁３２の開度を設定でき、それぞれの区分けした温度区間において冷却速度が予め設定した一定の設定値（６０Ｋ／ｈなど）となるようにＰＩＤ制御などを用いて回転数制御（例えば、回転数Ｎ＝６０～７５％）を行うことができる。
これにより、本実施形態の冷凍機１の予冷時運転方法によれば、冷凍機１の回転数や圧力の変動が少ない安定した予冷運転が可能になる。

また、段階的開度制御と同様、第１目標温度の１００Ｋに達した段階で、第３開閉弁３２の開度が０％となり、バイパスライン部３０を用いた運転制御は終了し、バイパス無し制御運転に移行する（Ｓｔｅｐ１３）。このバイパス無し制御運転に移行することで、圧縮機Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３から膨張機Ｔに冷媒循環量の全てが流れる。

そして、バイパス無し制御運転の予冷運転では、次の目標温度である第２目標温度の６７Ｋに向けて回転数制御を行う。このとき、第２目標温度の６７Ｋまで、冷却速度が予め設定した一定の設定値（６０Ｋ／ｈなど）となるようにＰＩＤ制御などを用いて回転数制御（例えば、回転数Ｎ＝７５～９５％）を行う（Ｓｔｅｐ１３）。また、第２目標温度の６７Ｋに達するとともに、負荷のかかる窒素循環運転まで第２目標温度を維持するように制御を行う（Ｓｔｅｐ１３、１４、１５）。
なお、連続的開度制御を用いた場合においても、回転数制御は、ＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－Ｉｎｔｅｇｒａｌ－Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御を用いることに限定する必要はない。例えば、Ｐ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ）制御、ＰＩ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－Ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御などを用いても勿論構わない。

したがって、本実施形態の冷凍機１及び冷凍機１の予冷時運転方法によれば、バイパスライン部３０の第３開閉弁３２の連続的な開度調整制御と冷凍機１の回転数制御を併用することで、起動時から予冷完了までの初期運転期間において、サージングの発生を好適に抑制でき、且つ冷却速度を一定にして精度よく冷媒Ｒ１を冷却でき、効率的な運転制御を行うことが可能になる。

＜予冷時の温度冷却制御＞
バイパスライン部３０、バッファライン部２５を備えた本実施形態の冷凍機１による予定時の温度冷却制御（予定時の運転方法）の要点をまとめると、以下のようになる。

１）起動時に、冷凍機の所定回転数をＲＰＭ（１）とし（圧縮機Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３と膨張機Ｔのうち少なくとも膨張機Ｔの回転数を所定の回転数ＲＰＭ（１）とし）、バイパスライン部３０のバイパスバルブである第３開閉弁３２の開度を所定の開度Ｖ％（２）として運転を開始する（起動運転工程）。

２）また、膨張機Ｔの入口側の冷媒温度又は膨張機Ｔの出口側の冷媒温度を第１温度センサ３３又は第２温度センサ３４で検出する。そして、膨張機Ｔの入口側の冷媒温度又は膨張機Ｔの出口側の冷媒温度が、例えば、１９０Ｋ（２２５Ｋ）から第１目標温度の１００Ｋとなるまで、第３開閉弁３２の開度Ｖ％を段階的又は連続的に小さくしつつ、高圧ラインの冷媒Ｒ１を低圧ラインにバイパスライン３１を通じて流通させる。また、第３開閉弁３２の開度Ｖ％の段階的又は連続的制御を行いつつ、冷媒Ｒ１を起動時の温度から第１目標温度となるまで冷却する（バイパス制御運転工程）。

３）次に、第３開閉弁３２の開度が０％（閉）となって冷媒温度が第１目標温度になった段階で、第２温度センサ３４で検出される膨張機Ｔの出口側の冷媒温度（又は第１温度センサ３３で検出される冷媒温度）に基づき、冷媒温度が第１目標温度から第２目標温度となるまで冷却する（バイパス無し制御運転工程）。

４）また、バイパス制御運転工程とバイパス無し制御運転工程を行う際にはそれぞれ、少なくとも冷却目標温度（第１目標温度、第２目標温度）になるまで冷却速度を一定に保持するように、第２温度センサ３４による冷媒温度に基づいて冷凍機１の回転数を連続的に調整制御する（冷却速度制御工程）。

５）また、上記の１）から４）の起動から予冷運転を行っている間で、第１圧力センサ３６と第２圧力センサ３７によって高圧ラインの冷媒圧力がバッファタンク２７の圧力よりも予め設定した設定値（１０ｋＰａ）以上大きくなる状態が検出された場合には、第１開閉弁２８を開き、圧力差を利用してバッファタンク２７に冷媒Ｒ１を回収する（冷媒回収工程）。

６）そして、上記の１）から５）の起動から予冷運転の制御によって、第２目標温度まで冷却到達して冷媒温度が一定になった段階で予冷運転が完了し、この予冷運転完了後に、液体窒素の循環開始とともに、第１温度センサ３３又は第２温度センサ３４による冷媒温度検出点を、冷却対象用冷媒Ｒ２の温度を検出する第３温度センサ３５での冷却対象側循環ライン１６の冷媒温度検出点に切り替え、本冷却運転に移行する（本冷却運転切替工程）。

このように冷凍機１の起動から本冷却運に移行するまでの予定運転を制御することにより、例えば、図４に示すように、予冷中、一定の温度勾配で冷媒Ｒ１を冷却することが可能になる。

さらに、第３開閉弁３２の開度調整ひいてはバイパスする冷媒流量の調整制御を、膨張機Ｔの入口付近や出口付近に設けた第１温度センサ３３又は第２温度センサ３４の検出値に基づいて段階的又は連続的に制御することで、冷媒Ｒ１の流量を検出する場合と比較して、装置構成の複雑化を招くことなく精度よく制御を行うことが可能になる。

したがって、本実施形態の冷凍機１及び冷凍機１の予冷時の運転方法によれば、冷媒Ｒ１の流量を検出することなく冷媒Ｒ１の流量制御によってサージング回避を達成できるので、装置構成の簡略化を図りつつ、安全性を向上することができる。また、圧縮機Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３や膨張機Ｔを高回転で運転した予冷が可能になり、スムーズな予冷運転が実現できる。

ちなみに、例えば、サージングの回避を回転数制御のみによって行おうとすると、回転数の無段階制御を行うことになるが、この回転数の無段階制御を実施するためには冷媒流量を計測する流量計を用いることになる。これにより、装置構成が複雑になってしまう。また、第３開閉弁３２の開度を一定とする方法も考えられるが、この場合には、冷却が進むにつれて不要にバイパスされる冷媒Ｒ１が増加してしまう。

そして、本実施形態の冷凍機１では、適宜タイミングで第３開閉弁３２の開度を大きくすれば、バッファタンク２７に冷媒Ｒ１を回収することなく、高圧ラインから低圧ラインに冷媒Ｒ１を逃がし、冷媒Ｒ１の流量を確保することができる。これにより、必ずしもバッファライン部２５を備えなくても、予冷時における圧縮機Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３のサージングを抑止することが可能である。

ここで、図９は、バイパス制御運転（段階的制御時）の高圧ライン、低圧ライン、バッファタンク２７の圧力変動の状態の一例を示す図である。
また、例えば、図９及び図４において、（ａ）は冷凍機運転開始時、（ｂ）は初期運転制御のステップ１の終点（冷媒温度：２２５Ｋ時）、（ｃ）は段階的あるいは連続的な運転制御のステップ２の終点（冷媒温度：１９０Ｋ時）、（ｄ）は段階的あるいは連続的な運転制御のステップ５の終点（冷媒温度：１００Ｋ時）をそれぞれ示している。

そして、図９（及び図４）に示すように、冷凍機運転開始の（ａ）からステップ１の終点の（ｂ）までの間（ステップ１に相当）は、高圧ラインの冷媒圧力が高くなるため、この（ａ）から（ｂ）までの間で第１開閉弁２８を開制御し、バッファライン部２５によって冷媒回収を行う。すなわち、本実施形態の冷凍機１及び冷凍機１の運転方法では、（ａ）から（ｂ）までの間において高圧ラインの圧力が設定値（閾値）以上となり、このときに、第１開閉弁２８を開制御し、バッファライン部２５によって冷媒回収を行う。
なお、この（ａ）から（ｂ）までの間におけるバッファタンク２７の内部圧力の変動はほぼ高圧ラインの冷媒圧力の変動と同様となる（同様の挙動／傾向を示す）。

次に、ステップ１の終点の（ｂ）からステップ２の終点の（ｃ）までの間（ステップ２に相当）は、バイパスライン部３０の第３開閉弁（バイパスバルブ）３２の開度が減少（例えば４０％から３５％に減少）し、冷媒のバイパス量が減少する。これにより、（ｂ）から（ｃ）までの間では、圧縮機Ｃ３から膨張機Ｔに向かう冷媒量が増加し、一時的に高圧ラインの圧力が高くなる。

このため、本実施形態の冷凍機１及び冷凍機１の運転方法では、（ｂ）から（ｃ）までの間（ステップ２に相当）において、高圧ラインの圧力が設定値（閾値）以上、言い換えればバッファタンク２７の内部圧力以上となり、この（ｂ）から（ｃ）までの間で、第１開閉弁２８を開制御し、バッファライン部２５によって冷媒回収を行う。すなわち、高圧ラインの冷媒圧力がバッファタンク２７の内部圧力よりも高い領域で冷媒の回収を行う。

さらに、（ａ）から（ｂ）、（ｂ）から（ｃ）までの間では、冷却速度を一定に維持するように回転数を増加する制御を行うことにより（例えば、第３開閉弁３２の開度を一定（４０％）、回転数を６０％で（１０分間）運転後に６０～７５％の回転数制御を行うことにより）、冷媒の冷却速度を一定に保ち、この冷媒の温度降下に伴って高圧ラインの冷媒圧力が低下していく。

また、本実施形態の冷凍機１及び冷凍機１の運転方法では（ａ）から（ｂ）までの間、すなわち、冷媒温度が概ね２２５Ｋになるまでは、第３開閉弁３２の開度を一定にして冷却運転を継続する。

具体的に、（ａ）から（ｂ）までの間で、第３開閉弁３２のバルブ制御を行うと、（ｂ）から（ｃ）の間で見られるような外乱が生じ、高圧ラインの冷媒圧力の変動、さらに回転数の変化が生じて、冷媒の冷却速度を一定に維持する際の運転効率の低下を招くおそれがある。
このため、本実施形態の冷凍機１及び冷凍機１の運転方法では、段階的あるいは連続的な運転制御を行う場合にも、（ａ）から（ｂ）までの間のステップ１では第３開閉弁３２の開度を変更せず、一定開度で維持するようにしている。

そして、本実施形態の冷凍機１及び冷凍機１の運転方法において、バッファタンク２７での冷媒回収は、第一に、（ａ）から（ｂ）までの間の初期運転時（冷媒温度２２５Ｋまで）で行って余分な冷媒を回収し、第二に、それ以降、第３開閉弁３２の開度の変更時に一時的に冷媒の圧力上昇分だけ回収できるように行われる。

（通常運転中の冷凍機能力の調整制御）
なお、本実施形態において、通常（定常）運転への移行制御を行った後の通常運転中は熱負荷の状況に応じて冷凍機能力の調整を行う。
冷凍機１の能力を上げる際には、第２開閉弁２９を開制御して低圧ライン８ａにバッファタンク２７内に貯留した冷媒Ｒ１を戻す。
冷凍機１の能力を下げる際には、第１開閉弁２８を開制御してバッファタンク２７に冷媒Ｒ１を回収する。

このとき、本実施形態の冷凍機１では、冷凍機能力の調整を行う判断条件、すなわち、第１開閉弁２８と第２開閉弁２９の開閉駆動制御の判断条件として、冷媒Ｒ１の設定温度と冷凍機１の回転数（第１モータ９と第２モータ１１、ひいては各圧縮機Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の回転数）を用いる。また、低圧ラインには第３圧力センサ４１を設ける。

例えば、第２開閉弁２９は、第１温度センサ３３（又は第２温度センサ３４）で検出される冷媒温度が予め設定した設定温度以上（圧力不足）で、且つ冷凍機回転数１００％（モータ負荷が好適）の場合に開とし、バッファタンク２７の圧力が一定圧力分減少、又は冷媒温度が設定温度以下（冷媒量が過大）で、且つ冷凍機回転数が１００％を下回った（モータ負荷が上昇）場合に閉とする。高圧ライン、バッファタンク２７、低圧ラインは各圧力センサで圧力を計測し、設定差圧以上の条件で冷媒Ｒ１の放出や回収を行う。

第１開閉弁２８は、第１温度センサ３３（又は第２温度センサ３４）で検出される冷媒温度が予め設定した設定温度以下（冷媒量が過大）で、冷凍機回転数が９８％など、予め設定した閾値を下回った（モータ負荷が過大）場合に開（冷媒循環ラインの冷媒量低減）とし、バッファタンク２７の圧力が一定圧力分増加、又は冷媒温度が設定温度以上（冷媒量が減少）で、且つ冷凍機回転数が増加（モータ負荷が低減）して９８％などの閾値以上になった場合に閉（冷媒回収停止）とする。

これにより、バッファタンク２７の容量は限られ、冷媒回収量や回収時間を調整することが必要になるが、上記のように第１開閉弁２８と第２開閉弁２９の開閉駆動制御を行うことによって、冷媒回収量や回収時間の調整を行うことができ、通常運転中、冷凍機能力を好適な状態に調整して維持することが可能になる。

以上、本開示の冷凍機及び冷凍機の予冷時の運転方法の実施形態について説明したが、本開示に係る冷凍機及び冷凍機の予冷時の運転方法は、上記の実施形態に限定されるものではなく、変更例等を含め、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本実施形態では、低段圧縮機、中段圧縮機、高段圧縮機の３つの圧縮機を備えて冷凍機が構成されているものとしたが、少なくとも低段圧縮機、高段圧縮機を備えていれば、特に圧縮機の数を限定する必要はない。

また、本実施形態では、一つのコントローラ４０が、第１温度センサ３３、第２温度センサ３４、第３温度センサ３５、第１圧力センサ３６、第２圧力センサ３７、第１動力計３８、第２動力計３９のそれぞれの検出結果を受けて、第１モータ９、第２モータ１１の駆動、第１開閉弁２８、第２開閉弁２９、第３開閉弁３２の開度（開閉駆動）を制御するものとしたが、コントローラは必ずしも一つである必要はない。すなわち、各センサなどの検出結果を分担して受け、各モータや弁などを分担して駆動制御する複数のコントローラを備えて構成してもよい。

なお、本開示の冷凍機及び冷凍機の予冷時の運転方法の実施形態については、冷凍機が常温で均圧している状態からの起動だけでなく、冷凍機の停止直後の再起動においても有効に機能する。その場合は、冷凍機の冷媒温度や低温機器の温度が昇温していない条件でも、各種センサの計測値をもとにコントローラで冷凍機予冷運転制御、バイパス制御、バッファタンク冷媒回収制御が行われるので、支障なく予冷運転が開始、継続できる。

最後に、実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

（１）本開示の一態様に係る冷凍機（冷凍機１）は、冷媒（冷媒Ｒ１）を圧縮する圧縮機（高段圧縮機Ｃ３）、及び、圧縮機とモータ（第１モータ９）によって駆動可能な回転軸を介して連結され、圧縮機で圧縮された冷媒を膨張させるための膨張機（膨張機Ｔ）を含む膨張機一体型圧縮機（膨張機一体型圧縮機７）と、膨張機で膨張された冷媒によって冷却対象（冷却対象、液体窒素、二次冷媒Ｒ２）を冷却するための冷却部（冷却部２）と、膨張機から冷却部を介して低段圧縮機（低段圧縮機Ｃ１）に至る低圧ライン、及び低段圧縮機から高段圧縮機に至る中圧ライン、高段圧縮機から膨張機に至る高圧ラインを備えて冷媒を循環させるための冷媒循環ライン（冷媒循環ライン８）と、一端を高圧ラインに設けられた第１接続部（第１接続部Ｓ１）に接続し、他端を低圧ラインに設けられた第２接続部（第２接続部Ｓ２）に接続されたバイパスライン（バイパスライン３１）と、バイパスラインに設けられ、開度を調整することによりバイパスラインを流れる冷媒の流量を調整可能なバイパスバルブ（第３開閉弁３２）と、を備えた。

上記（１）の冷凍機においては、バイパスバルブを開制御することにより、高段圧縮機で圧縮された冷媒の一部を膨張機に供給することなく、再び低段圧縮機ひいては高段圧縮機に戻すことができる。また、バイパスバルブの開度を調整することにより、圧縮機に戻される冷媒流量、ひいては膨張機に流れる冷媒流量を変化させることができる。

これにより、起動時から予冷完了までの初期運転期間において、バイパスバルブの開度を運転状態に応じて適宜変更することでサージングを起こさず、且つ、冷却に使用されない冷媒を減らすことができ、動力が無駄とならない効率的（高ＣＯＰ）な運転が可能になる。

（２）本開示の別の態様に係る冷凍機は、上記（１）の冷凍機であって、高圧ラインのうち第１接続部と膨張機との間を流れる冷媒の温度を検出するための温度センサ（第１温度センサ３３）と、温度センサの検出結果に基づいて、バイパスバルブの開度、及び回転軸の回転数を制御するためのコントローラ（コントローラ４０、制御装置）と、を備えた。

上記（２）の冷凍機においては、バイパスバルブの開度調整ひいてはバイパスする冷媒流量の調整制御を、膨張機の入口付近など、第１接続部と膨張機との間を流れる冷媒の温度を検出する温度センサの検出値に基づいて制御することで、冷媒の流量を検出する場合と比較し、装置構成の複雑化を招くことなく精度よく制御を行うことが可能になる。

よって、冷媒の流量を検出することなく冷媒の流量制御によってサージング回避を達成できるので、装置構成の簡略化を図りつつ、安全性を向上することができる。また、圧縮機や膨張機を高回転で運転した予冷が可能になり、スムーズな予冷運転が実現できる。

すなわち、初期運転期間において、従来よりも、サージングの発生を好適に抑制でき、且つ冷却速度を一定にして精度よく冷媒を冷却でき、効率的な運転制御を行うことが可能になる。

（３）本開示の別の態様に係る冷凍機は、上記（１）の冷凍機であって、低圧ラインのうち冷却部と膨張機との間の冷媒の温度を検出するための温度センサ（第２温度センサ３４）と、温度センサの検出結果に基づいて、バイパスバルブの開度、及び回転軸の回転数を制御するためのコントローラと、を備えた。

上記（３）の冷凍機においては、バイパスバルブの開度調整ひいてはバイパスする冷媒流量の調整制御を、膨張機の出口付近など、冷却部と膨張機との間を流れる冷媒の温度を検出する温度センサの検出値に基づいて制御することで、冷媒の流量を検出する場合と比較し、装置構成の複雑化を招くことなく精度よく制御を行うことが可能になる。

よって、冷媒の流量を検出することなく冷媒の流量制御によってサージング回避を達成できるので、装置構成の簡略化を図りつつ、安全性を向上することができる。また、圧縮機や膨張機を高回転で運転した予冷が可能になり、スムーズな予冷運転が実現できる。

すなわち、初期運転期間において、従来よりも、サージングの発生を好適に抑制でき、且つ冷却速度を一定にして精度よく冷媒を冷却でき、効率的な運転制御を行うことが可能になる。

（４）本開示の別の態様に係る冷凍機は、上記（２）又は（３）の冷凍機であって、コントローラは、冷凍機の起動開始時から予冷運転完了時までの初期運転期間において、温度センサによって検出される冷媒の温度が予め設定した第１目標温度に達するまで段階的に開度が小さくなるようにバイパスバルブを制御するとともに、温度センサによって検出される冷媒の温度の減少速度が一定に維持されるように回転数を制御する。

上記（４）の冷凍機においては、起動時から予冷完了までの初期運転期間において、バイパスバルブの開度制御に加え、冷凍機（圧縮機、膨張機）の回転数制御を行うことで冷却速度を調整／修正し、冷却速度を一定に維持することによって、冷媒温度を精度よく制御することが可能になる。

また、バイパスバルブの段階的な開度制御と、冷凍機の回転数制御とを併用することによって、各ステップの温度区間ごとにバイパスバルブの開度を設定でき、それぞれの区分けした温度区間において冷却速度が予め設定した一定の設定値になるように回転数制御を行うことができる。
これにより、冷凍機の回転数や圧力の変動が少ない安定した予冷運転が可能になる。

（５）本開示の別の態様に係る冷凍機は、上記（２）又は（３）の冷凍機であって、コントローラは、冷凍機の起動開始時から予冷運転完了時までの初期運転期間において、温度センサによって検出される冷媒の温度が予め設定した第１目標温度に達するまで連続的に開度が小さくなるようにバイパスバルブを制御するとともに、温度センサによって検出される冷媒の温度の減少速度が一定に維持されるように回転数を制御する。

上記（５）の冷凍機においては、起動時から予冷完了までの初期運転期間において、バイパスバルブの開度制御に加え、冷凍機（圧縮機、膨張機）の回転数制御を行うことで冷却速度を調整／修正し、冷却速度を一定に維持することによって、冷媒温度を精度よく制御することが可能になる。

また、バイパスバルブの連続的な開度制御と、冷凍機の回転数制御とを併用することによって、各ステップの温度区間ごとにバイパスバルブの開度を設定でき、それぞれの区分けした温度区間において冷却速度が予め設定した一定の設定値になるように回転数制御を行うことができる。
これにより、冷凍機の回転数や圧力の変動が少ない安定した予冷運転が可能になる。

（６）本開示の別の態様に係る冷凍機は、上記（４）又は（５）の冷凍機であって、コントローラは、温度センサによって検出される冷媒の温度が第１目標温度に達した段階で開度が０％となるようにバイパスバルブを制御し、温度センサによって検出される冷媒の温度が第１目標温度よりも低温で第１目標温度より低く設定された第２目標温度に達するまで開度を０％に維持しながら、温度センサによって検出される冷媒の温度の減少速度が一定に維持されるように回転数を制御する。

上記（６）の冷凍機においては、第１目標温度に達した段階で、バイパスバルブの開度が０％となり、バイパスラインを用いた運転制御が終了し、圧縮機から膨張機に冷媒循環量の全てが流れるバイパス無し制御運転に移行する。そして、バイパス無し制御運転の予冷運転で、次の目標温度である第２目標温度に向けて冷却速度が一定に維持されるように回転数制御を行う。
これにより、バイパスバルブの段階的又は連続的な開度調整制御と冷凍機の回転数制御を併用し、起動時から予冷完了までの初期運転期間において、一層効果的に、サージングの発生を抑制でき、且つ冷却速度を一定にして精度よく冷媒を冷却でき、効率的な運転制御を行うことが可能になる。

（７）本開示の別の態様に係る冷凍機は、上記（６）の冷凍機であって、冷却対象を冷却する二次冷媒（冷却対象用冷媒Ｒ２）と冷媒とを熱交換するための熱交換器（冷却部、二次側負荷熱交換器２）と、二次冷媒の温度を検出するための二次冷媒温度センサ（第３温度センサ３５）と、を備え、コントローラは、温度センサによって検出される冷媒の温度が第２目標温度より低くなった場合、二次冷媒温度センサの検出結果に基づいて回転数を制御する。

上記（７）の冷凍機においては、第２目標温度に達した段階で温度センサから二次冷媒温度センサに温度検出点を切り替え、二次冷媒温度センサの検出結果に基づいて回転数を制御することで、初期運転期間の予冷運転から円滑に通常（定常）運転に移行することが可能になる。

（８）本開示の別の態様に係る冷凍機は、上記（１）乃至（７）の何れかの冷凍機であって、冷却部で冷却対象の冷却に用いられた後の冷媒によって高圧ラインの冷媒を冷却する冷熱回収熱交換器（冷熱回収熱交換器１５）と、一端を高圧ラインの冷熱回収熱交換器と膨張機との間に設けられた第３接続部（第３接続部Ｓ３）に接続し、他端を低圧ラインの膨張機と冷却部との間に設けられた第４接続部（第４接続部Ｓ４）に接続したバッファライン（バッファライン２６）と、バッファラインに設けられ、高圧ラインから送られた冷媒を貯留可能なバッファタンク（バッファタンク２７）と、バッファラインのうちバッファタンクと第３接続部との間に設けられた高圧側バッファバルブ（第１開閉弁２８）と、バッファラインのうちバッファタンクと第４接続部との間に設けられた低圧側バッファバルブ（第２開閉弁２９）と、高圧ラインのうち第１接続部と第３接続部との間における冷媒の圧力を検出するための第１圧力センサ（第１圧力センサ３６）と、バッファタンクの内部圧力を検出するための第２圧力センサ（第２圧力センサ３７）と、第１圧力センサ及び第２圧力センサの検出結果に応じて高圧側バッファバルブ及び低圧側バッファバルブの開度を制御するためのコントローラと、を備えた。

上記（８）の冷凍機においては、起動から予冷運転を行っている間で、第１圧力センサと第２圧力センサによって高圧ラインの冷媒圧力がバッファタンクの圧力よりも予め設定した設定値以上大きくなる状態が検出された場合に、高圧側バッファバルブを開き、圧力差を利用してバッファタンクに冷媒を回収することができる。
これにより、過大なモータ負荷の発生、サージングの発生をより効果的に抑止することが可能になる。

（９）本開示の一態様に係る冷凍機の予冷時の運転方法は、冷媒を圧縮する圧縮機及び、圧縮機とモータによって駆動可能な回転軸を介して連結され、圧縮機で圧縮された冷媒を膨張させるための膨張機を含む膨張機一体型圧縮機と、膨張機で膨張された冷媒によって冷却対象を冷却するための冷却部と、膨張機から冷却部を介して低段圧縮機に至る低圧ライン、及び低段圧縮機から高段圧縮機に至る中圧ライン、高段圧縮機から膨張機に至る高圧ラインを備えて冷媒を循環させるための冷媒循環ラインと、一端を高圧ラインに設けられた第１接続部に接続し、他端を低圧ラインに設けられた第２接続部に接続されたバイパスラインと、バイパスラインに設けられ、開度を調整することによりバイパスラインを流れる冷媒の流量を調整可能なバイパスバルブと、高圧ラインのうち第１接続部と膨張機との間を流れる冷媒の温度、又は低圧ラインのうち冷却部と膨張機との間の冷媒の温度を検出するための温度センサと、温度センサの検出結果に基づいて、バイパスバルブの開度、及び回転軸の回転数を制御するためのコントローラと、を備えた冷凍機の起動時から予冷完了までの初期運転期間の運転方法であって、回転軸の回転数を初期運転期間の後の定常運転時よりも低い予め設定した回転数にするとともにバイパスバルブの開度を予め設定した開度にして運転を開始する起動運転工程と、コントローラによって、温度センサで検出される冷媒の温度が予め設定した第１目標温度に達するまで段階的にバイパスバルブの開度が小さくなるように制御するバイパス制御運転工程と、冷媒の温度が第１目標温度になった段階で、バイパスバルブの開度を０％として、第１目標温度から予め設定した第２目標温度になるまで冷媒を冷却するバイパス無し制御運転工程と、コントローラによって、バイパス制御運転工程とバイパス無し制御運転工程とのうち、少なくともバイパス制御運転工程で、冷媒の温度の減少速度が一定に維持されるように回転数を制御する冷却速度制御工程と、を備えた。

上記（９）の冷凍機の予冷時の運転方法においては、バイパスバルブを開制御することにより、高段圧縮機で圧縮された冷媒の一部を膨張機に供給することなく、再び低段圧縮機ひいては高段圧縮機に戻すことができる。また、バイパスバルブの開度を調整することにより、圧縮機に戻される冷媒流量、ひいては膨張機に流れる冷媒流量を変化させることができる。

これにより、起動時から予冷完了までの初期運転期間において、バイパスバルブの開度を運転状態に応じて適宜変更することでサージングを起こさず、且つ冷却に使用されない冷媒を減らすことができ、動力が無駄とならない効率的（高ＣＯＰ）な運転が可能になる。

また、起動時から予冷完了までの初期運転期間において、バイパスバルブの開度制御に加え、冷凍機（圧縮機、膨張機）の回転数制御を行うことで冷却速度を調整／修正し、冷却速度を一定に維持することによって、冷媒温度を精度よく制御することが可能になる。

そして、バイパスバルブの開度調整ひいてはバイパスする冷媒流量の調整制御を、膨張機の入口付近や出口付近に設けた第１温度センサ又は第２温度センサの検出値に基づいて制御することで、冷媒の流量を検出する場合と比較し、装置構成の複雑化を招くことなく精度よく制御を行うことが可能になる。

よって、冷媒の流量を検出することなく冷媒の流量制御によってサージング回避を達成できるので、装置構成の簡略化を図りつつ、安全性を向上することができる。また、圧縮機や膨張機を高回転で運転した予冷が可能になり、スムーズな予冷運転が実現できる。

すなわち、初期運転期間において、従来よりも、サージングの発生を好適に抑制でき、且つ冷却速度を一定にして精度よく冷媒を冷却でき、効率的な運転制御を行うことが可能になる。

（１０）本開示の別の態様に係る冷凍機の予冷時の運転方法は、上記（９）の冷凍機の運転方法であって、バイパス制御運転工程では、コントローラによって、温度センサで検出される冷媒の温度が予め設定した第１目標温度に達するまで段階的にバイパスバルブの開度が小さくなるように制御する。

上記（１０）の冷凍機の予冷時の運転方法においては、起動時から予冷完了までの初期運転期間において、バイパスバルブの開度制御に加え、冷凍機（圧縮機、膨張機）の回転数制御を行うことで冷却速度を調整／修正し、冷却速度を一定に維持することによって、冷媒温度を精度よく制御することが可能になる。

また、バイパスバルブの段階的な開度制御と、冷凍機の回転数制御とを併用することによって、各ステップの温度区間ごとにバイパスバルブの開度を設定でき、それぞれの区分けした温度区間において冷却速度が予め設定した一定の設定値になるように回転数制御を行うことができる。
これにより、冷凍機の回転数や圧力の変動が少ない安定した予冷運転が可能になる。

（１１）本開示の別の態様に係る冷凍機の予冷時の運転方法は、上記（９）の冷凍機の運転方法であって、バイパス制御運転工程では、コントローラによって、温度センサで検出される冷媒の温度が予め設定した第１目標温度に達するまで連続的にバイパスバルブの開度が小さくなるように制御する。

上記（１１）の冷凍機の予冷時の運転方法においては、起動時から予冷完了までの初期運転期間において、バイパスバルブの開度制御に加え、冷凍機（圧縮機、膨張機）の回転数制御を行うことで冷却速度を調整／修正し、冷却速度を一定に維持することによって、冷媒温度を精度よく制御することが可能になる。

また、バイパスバルブの連続的な開度制御と、冷凍機の回転数制御とを併用することによって、各ステップの温度区間ごとにバイパスバルブの開度を設定でき、それぞれの区分けした温度区間において冷却速度が予め設定した一定の設定値になるように回転数制御を行うことができる。
これにより、冷凍機の回転数や圧力の変動が少ない安定した予冷運転が可能になる。

（１２）本開示の別の態様に係る冷凍機の予冷時の運転方法は、上記（９）乃至（１１）の何れかの冷凍機の運転方法であって、冷凍機は冷却対象を冷却する二次冷媒と冷媒とを熱交換するための熱交換器と、二次冷媒の温度を検出するための二次冷媒温度センサと、を備え、コントローラは温度センサによって検出される冷媒の温度が第２目標温度より低くなった場合に、二次冷媒温度センサの検出結果に基づいて回転数を制御する本冷却運転切替工程を備えた。

上記（１２）の冷凍機の予冷時の運転方法においては、第２目標温度に達した段階で温度センサから二次冷媒温度センサでの温度検出点を切り替え、二次冷媒温度センサの検出結果に基づいて回転数を制御することで、初期運転期間の予冷運転から円滑に通常（定常）運転に移行することが可能になる。

１ 冷凍機
２ 冷却部（二次側負荷熱交換器）
７ 膨張機一体型圧縮機
８ 冷媒循環ライン
９ 第１モータ
１０ 一体型圧縮機
１１ 第２モータ
１２ 第１熱交換器
１３ 第２熱交換器
１４ 第３熱交換器
１５ 冷熱回収熱交換器（再生熱交換器）
１６ 冷却対象側循環ライン
２０ 超電導機器（冷却対象）
２５ バッファライン部
２６ バッファライン
２７ バッファタンク
２８ 第１開閉弁（高圧側バッファバルブ）
２９ 第２開閉弁（低圧側バッファバルブ）
３０ バイパスライン部
３１ バイパスライン
３２ 第３開閉弁（バイパスバルブ）
３３ 第１温度センサ（温度センサ）
３４ 第２温度センサ（温度センサ）
３５ 第３温度センサ（二次冷媒温度センサ）
３６ 第１圧力センサ
３７ 第２圧力センサ
４１ 第３圧力センサ
３８ 第１動力計
３９ 第２動力計
４０ コントローラ（制御装置）
Ｃ１ 低段圧縮機
Ｃ２ 中段圧縮機
Ｃ３ 高段圧縮機
Ｔ 膨張機
Ｒ１ 冷媒
Ｒ２ 冷却対象用冷媒（液体窒素、二次冷媒、冷却対象）
Ｓ１ 第１接続部
Ｓ２ 第２接続部
Ｓ３ 第３接続部
Ｓ４ 第４接続部
ｗ 冷却水

Claims (12)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機、及び、前記圧縮機とモータによって駆動可能な回転軸を介して連結され、前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を膨張させるための膨張機を含む膨張機一体型圧縮機と、
   前記膨張機で膨張された前記冷媒によって冷却対象を冷却するための冷却部と、
   前記膨張機から前記冷却部を介して前記低段圧縮機に至る低圧ライン、及び前記低段圧縮機から前記高段圧縮機に至る中圧ライン、前記高段圧縮機から前記膨張機に至る高圧ラインを備えて前記冷媒を循環させるための冷媒循環ラインと、
   一端を前記高圧ラインに設けられた第１接続部に接続し、他端を前記低圧ラインに設けられた第２接続部に接続されたバイパスラインと、
   前記バイパスラインに設けられ、開度を調整することにより前記バイパスラインを流れる前記冷媒の流量を調整可能なバイパスバルブと、を備えた、
   冷凍機。
2. 前記高圧ラインのうち前記第１接続部と前記膨張機との間を流れる前記冷媒の温度を検出するための温度センサと、
   前記温度センサの検出結果に基づいて、前記バイパスバルブの開度、及び前記回転軸の回転数を制御するためのコントローラと、を備えた、
   請求項１に記載の冷凍機。
3. 前記低圧ラインのうち前記冷却部と前記膨張機との間の冷媒の温度を検出するための温度センサと、
   前記温度センサの検出結果に基づいて、前記バイパスバルブの開度、及び前記回転軸の回転数を制御するためのコントローラと、を備えた、
   請求項１に記載の冷凍機。
4. 前記コントローラは、
   前記冷凍機の起動開始時から予冷運転完了時までの初期運転期間において、前記温度センサによって検出される前記冷媒の温度が予め設定した第１目標温度に達するまで段階的に開度が小さくなるように前記バイパスバルブを制御するとともに、前記温度センサによって検出される前記冷媒の温度の減少速度が一定に維持されるように前記回転数を制御する、
   請求項２又は３に記載の冷凍機。
5. 前記コントローラは、
   前記冷凍機の起動開始時から予冷運転完了時までの初期運転期間において、前記温度センサによって検出される前記冷媒の温度が予め設定した第１目標温度に達するまで連続的に開度が小さくなるように前記バイパスバルブを制御するとともに、前記温度センサによって検出される前記冷媒の温度の減少速度が一定に維持されるように前記回転数を制御する、
   請求項２又は３に記載の冷凍機。
6. 前記コントローラは、
   前記温度センサによって検出される前記冷媒の温度が前記第１目標温度に達した段階で前記開度が０％となるように前記バイパスバルブを制御し、前記温度センサによって検出される前記冷媒の温度が前記第１目標温度よりも低温で前記第１目標温度より低く設定された第２目標温度に達するまで前記開度を０％に維持しながら、前記温度センサによって検出される前記冷媒の温度の減少速度が一定に維持されるように前記回転数を制御する、
   請求項４又は５に記載の冷凍機。
7. 前記冷却対象を冷却する二次冷媒と前記冷媒とを熱交換するための熱交換器と、
   前記二次冷媒の温度を検出するための二次冷媒温度センサと
   を備え、
   前記コントローラは、
   前記温度センサによって検出される前記冷媒の温度が前記第２目標温度より低くなった場合、前記二次冷媒温度センサの検出結果に基づいて前記回転数を制御する、
   請求項６に記載の冷凍機。
8. 前記冷却部で前記冷却対象の冷却に用いられた後の冷媒によって前記高圧ラインの冷媒を冷却する冷熱回収熱交換器と、
   一端を前記高圧ラインの前記冷熱回収熱交換器と前記膨張機との間に設けられた第３接続部に接続し、他端を前記低圧ラインの前記膨張機と前記冷却部との間に設けられた第４接続部に接続したバッファラインと、
   前記バッファラインに設けられ、前記高圧ラインから送られた前記冷媒を貯留可能なバッファタンクと、
   前記バッファラインのうち前記バッファタンクと前記第３接続部との間に設けられた高圧側バッファバルブと、
   前記バッファラインのうち前記バッファタンクと前記第４接続部との間に設けられた低圧側バッファバルブと、
   前記高圧ラインのうち前記第１接続部と前記第３接続部との間における前記冷媒の圧力を検出するための第１圧力センサと、
   前記バッファタンクの内部圧力を検出するための第２圧力センサと、
   前記第１圧力センサ及び前記第２圧力センサの検出結果に応じて前記高圧側バッファバルブ及び前記低圧側バッファバルブの開度を制御するためのコントローラと、を備えた、
   請求項１乃至７の何れか１項に記載の冷凍機。
9. 冷媒を圧縮する圧縮機、及び、前記圧縮機とモータによって駆動可能な回転軸を介して連結され、前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を膨張させるための膨張機を含む膨張機一体型圧縮機と、
   前記膨張機で膨張された前記冷媒によって冷却対象を冷却するための冷却部と、
   前記膨張機から前記冷却部を介して前記低段圧縮機に至る低圧ライン、及び前記低段圧縮機から前記高段圧縮機に至る中圧ライン、前記高段圧縮機から前記膨張機に至る高圧ラインを備えて前記冷媒を循環させるための冷媒循環ラインと、
   一端を前記高圧ラインに設けられた第１接続部に接続し、他端を前記低圧ラインに設けられた第２接続部に接続されたバイパスラインと、
   前記バイパスラインに設けられ、開度を調整することにより前記バイパスラインを流れる前記冷媒の流量を調整可能なバイパスバルブと、
   前記高圧ラインのうち前記第１接続部と前記膨張機との間を流れる前記冷媒の温度、又は前記低圧ラインのうち前記冷却部と前記膨張機との間の冷媒の温度を検出するための温度センサと、
   前記温度センサの検出結果に基づいて、前記バイパスバルブの開度、及び前記回転軸の回転数を制御するためのコントローラと、を備えた冷凍機の起動時から予冷完了までの初期運転期間の運転方法であって、
   前記回転軸の回転数を前記初期運転期間の後の定常運転時よりも低い予め設定した回転数にするとともに前記バイパスバルブの開度を予め設定した開度にして運転を開始する起動運転工程と、
   前記コントローラによって、前記温度センサで検出される冷媒の温度が予め設定した第１目標温度に達するまで前記バイパスバルブの開度が小さくなるように制御するバイパス制御運転工程と、
   冷媒の温度が前記第１目標温度になった段階で、前記バイパスバルブの開度を０％として、前記第１目標温度から予め設定した第２目標温度になるまで冷媒を冷却するバイパス無し制御運転工程と、
   前記コントローラによって、バイパス制御運転工程とバイパス無し制御運転工程とのうち、少なくともバイパス制御運転工程で、前記冷媒の温度の減少速度が一定に維持されるように前記回転数を制御する冷却速度制御工程と、を備えた、
   冷凍機の予冷時の運転方法。
10. 前記バイパス制御運転工程では、前記コントローラによって、前記温度センサで検出される冷媒の温度が予め設定した第１目標温度に達するまで段階的に前記バイパスバルブの開度が小さくなるように制御する、
    請求項９に記載の冷凍機の予冷時の運転方法。
11. 前記バイパス制御運転工程では、前記コントローラによって、前記温度センサで検出される冷媒の温度が予め設定した第１目標温度に達するまで連続的に前記バイパスバルブの開度が小さくなるように制御する、
    請求項９に記載の冷凍機の予冷時の運転方法。
12. 前記冷凍機は、
    前記冷却対象を冷却する二次冷媒と前記冷媒とを熱交換するための熱交換器と、
    前記二次冷媒の温度を検出するための二次冷媒温度センサと、を備え、
    前記コントローラは、
    前記温度センサによって検出される前記冷媒の温度が前記第２目標温度より低くなった場合、前記二次冷媒温度センサの検出結果に基づいて前記回転数を制御する本冷却運転切替工程を備えた、
    請求項９乃至１１の何れか１項に記載の冷凍機の予冷時の運転方法。

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