JP2023003938A - 冷凍機、および、冷凍機の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】起動運転の時間を短縮した冷凍機、および、冷凍機の運転方法を提供する。【解決手段】冷凍機１の循環ライン２０には、圧縮機３、膨張機５、および熱交換器１０が配置される。熱交換器１０は、圧縮機３で圧縮された高温の冷媒Ｒ１が流れる第１内部流路１１と、膨張機５で膨張した低温の冷媒Ｒ１が流れる第２内部流路１２とを含む。さらに、循環ライン２０は、熱交換器１０の第１内部流路１１の出口１１Ｂと膨張機５の入口５Ａとに接続される第１ライン２１と、膨張機５の出口５Ｂと、熱交換器１０の第２内部流路１２の入口１２Ａとに接続される第２ライン２２と、膨張機５をバイパスするように第１ライン２１と第２ライン２２とに接続され、起動運転時に開いて熱交換器１０を流れる冷媒Ｒ１を増やすように構成されたバイパスバルブ２６が配置されたバイパスライン２５とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、冷凍機、および、冷凍機の運転方法に関する。

従来、圧縮機のサージングを抑制して稼働する冷凍機が知れられている。例えば、特許文献１に開示される冷凍機は、主熱交換器、膨張タービン、およびターボ圧縮機を備える。主熱交換器では、膨張タービンで膨張した低温の冷媒と、ターボ圧縮機で圧縮された高温の冷媒との間で熱交換がなされる。

上記冷凍機は、膨張機出口から主熱交換器を介してターボ圧縮機入口まで冷媒を案内する低圧ラインと、ターボ圧縮機出口から主熱交換器を介して膨張機入口まで冷媒を案内する高圧ラインと、主熱交換器及びターボ圧縮機入口の間における低圧ラインとターボ圧縮機出口及び主熱交換器の間における高圧ラインに接続されるバイパスラインとを備える。冷凍機の起動運転時に膨張タービンが吸入する冷媒の流量が少なくても、バイパスラインが設けられているためターボ圧縮機に流入する冷媒の流量が増大し、サージングは抑制される。

特開２０１８－６６５１１号公報

冷凍機の起動運転時、膨張タービンでの冷媒の流量は少ない。このため、主熱交換器での冷媒の流量が少なく、主熱交換器における冷媒の出入口温度差が大きくなるので、主熱交換器で生じる熱応力が問題となる。この熱応力が設計基準を超えないようにするには、循環する冷媒の冷却速度に制限を設定し、膨張タービンの冷却能力が徐々に大きくなるようにする必要があり、結果として冷凍機の起動運転の時間が長くなるおそれがある。

本開示の目的は、起動運転の時間を短縮した冷凍機、および、冷凍機の運転方法を提供することを目的とする。

本開示の少なくとも一実施形態に係る冷凍機は、
冷媒が循環するための循環ラインと、
前記循環ラインに配置され、前記冷媒を圧縮するための圧縮機と、
前記循環ラインに配置され、前記冷媒を膨張させるための膨張機と、
前記循環ラインに配置され、前記圧縮機で圧縮された高温の前記冷媒が流れる第１内部流路と、前記膨張機で膨張した低温の前記冷媒が流れる第２内部流路とを含む熱交換器と、
を備え、
前記循環ラインは、
前記熱交換器の前記第１内部流路の出口と前記膨張機の入口とに接続される第１ラインと、
前記膨張機の出口と、前記熱交換器の前記第２内部流路の入口とに接続される第２ラインと、
前記膨張機をバイパスするように前記第１ラインと前記第２ラインとに接続され、開いた時に前記熱交換器を流れる前記冷媒が増えるバイパスバルブが配置されたバイパスラインと、
を備える。

本開示の少なくとも一実施形態に係る冷凍機の運転方法は、
冷媒が循環するための循環ラインと、
前記循環ラインに配置され、前記冷媒を圧縮するための圧縮機と、
前記循環ラインに配置され、前記冷媒を膨張させるための膨張機と、
前記循環ラインに配置され、前記圧縮機で圧縮された高温の前記冷媒が流れる第１内部流路と、前記膨張機で膨張した低温の前記冷媒が流れる第２内部流路とを含む熱交換器と、
前記循環ラインに追加供給するための前記冷媒を貯留するタンクと、
前記タンクと前記圧縮機の入口とに接続され、前記循環ラインへの追加供給量を調整するための供給バルブが設けられた供給ラインと、
前記膨張機の駆動力を回収し、前記圧縮機の駆動力に加えるための駆動力追加機構と、
を備えた冷凍機の運転方法であって、
起動運転時に前記圧縮機の駆動力に相関する特性値に応じて前記供給バルブの開度を調整する供給バルブ開放ステップを備える。

本開示の少なくとも一実施形態に係る冷凍機の運転方法は、
冷媒が循環するための循環ラインと、
前記循環ラインに配置され、前記冷媒を圧縮するための圧縮機と、
前記循環ラインに配置され、前記冷媒を膨張させるための膨張機と、
前記循環ラインに配置され、前記圧縮機で圧縮された高温の前記冷媒が流れる第１内部流路と、前記膨張機で膨張した低温の前記冷媒が流れる第２内部流路とを含む熱交換器と、
前記循環ラインに追加供給するための前記冷媒を貯留するタンクと、
前記タンクと前記圧縮機の入口とに接続され、前記循環ラインへの追加供給量を調整するための供給バルブが設けられた供給ラインと、
前記膨張機の駆動力を回収し、前記圧縮機の駆動力に加えるための駆動力追加機構と、
を備えた冷凍機の運転方法であって、
起動運転時に前記圧縮機の駆動力に相関する特性値に応じて前記圧縮機の回転数を増加させる圧縮機回転数増加ステップを備える。

本開示の少なくとも一実施形態に係る冷凍機の運転方法は、
冷媒が循環するための循環ラインと、
前記循環ラインに配置され、前記冷媒を圧縮するための第１圧縮機および第２圧縮機と、
前記循環ラインに配置され、前記冷媒を膨張させるための膨張機と、
前記循環ラインに配置され、前記第１圧縮機で圧縮された高温の前記冷媒が流れる第１内部流路と、前記膨張機で膨張した低温の前記冷媒が流れる第２内部流路とを含む熱交換器と、
前記循環ラインに追加供給するための前記冷媒を貯留するタンクと、
前記タンクと前記第１圧縮機の入口とに接続され、前記循環ラインへの追加供給量を調整するための供給バルブが設けられた供給ラインと、
前記膨張機の駆動力を回収し、前記第１圧縮機の駆動力に加える駆動力追加機構と、
を備えた冷凍機の運転方法であって、
起動運転時に前記第１圧縮機の駆動力に相関する特性値に応じて前記第２圧縮機の回転数を増加させる圧縮機回転数増加ステップを備える。

本開示によれば、起動運転の時間を短縮した冷凍機、および、冷凍機の運転方法を提供できる。

本開示の一実施形態に係る冷凍機を概念的に示す構成図である。 本開示の一実施形態に係るバイパスバルブの開度の経時的変化を概念的に示すグラフである。 本開示の一実施形態に係る冷凍機の起動運転の方法を示すフローチャートである。 本開示の一実施形態に係る冷凍機の構成の詳細を例示的に示す概念図である。

以下、添付図面を参照して本開示の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として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、その相対的配置等は、本開示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、一の構成要素を「備える」、「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、同様の構成については同じ符号を付し説明を省略することがある。

＜本開示に係る冷凍機１の構成の概要＞
図１を参照し、冷凍機１の構成の概要を説明する。図１は、本開示の一実施形態に係る冷凍機１を概念的に示す構成図である。本例の冷凍機１には、逆ブレイトンサイクルが採用される。即ち、冷凍機１の冷凍サイクルには、断熱圧縮、放熱、断熱膨張、および冷却（採熱）の４つの工程が含まれる。ただし、冷凍機１を循環する冷媒Ｒ１の一部は、例えばバイパスされた流路を流れることなどにより、これら４つの工程のいずれかを経ずに循環してもよい。
また、本例の冷媒Ｒ１は、ヘリウム、ネオン、水素、窒素、空気、または炭化水素などの純物質であってもよいし、複数の純物質が規定の比率で混合された混合冷媒であってもよい。

冷凍機１は、冷媒Ｒ１が循環するための循環ライン２０を備える。循環ライン２０には、冷媒Ｒ１を圧縮（断熱圧縮）するための圧縮機３と、圧縮された冷媒Ｒ１が冷却水などの熱媒体Ｗと熱交換して放熱するように構成された第１熱交換器４１と、冷媒Ｒ１を膨張（断熱膨張）させるための膨張機５と、膨張した冷媒Ｒ１によって冷却対象Ｒ２を冷却するための冷却部４と、熱交換器１０とが配置される。

熱交換器１０は、第１内部流路１１と第２内部流路１２を含む。第１内部流路１１は圧縮機３で圧縮された高温の冷媒Ｒ１が流れるように構成される。第２内部流路１２は膨張機５で膨張した低温の冷媒Ｒ１（より詳細には冷却部４で採熱された低温の冷媒Ｒ１）が流れるように構成される。本例の熱交換器１０は、これら高温の冷媒Ｒ１と低温の冷媒Ｒ１とが熱交換するように構成された冷熱回収熱交換器である。なお、上記の「高温」は、熱交換器１０に流入する膨張した冷媒Ｒ１の温度よりも高い温度を示し、上記の「低温」は、熱交換器１０に流入する圧縮された冷媒Ｒ１の温度よりも低い温度を示す。従って、高温の冷媒Ｒ１または低温の冷媒Ｒ１のいずれかが常温に近い温度となってもよい。

循環ライン２０は、第１内部流路１１の出口１１Ｂおよび膨張機５の入口５Ａに接続された第１ライン２１と、膨張機５の出口５Ｂおよび第２内部流路１２の入口１２Ａに接続された第２ライン２２とを含む。第２ライン２２の経路途中には、上述した冷却部４が配置される。循環ライン２０はさらに、膨張機５をバイパスするように第１ライン２１と第２ライン２２とに接続されたバイパスライン２５を含む。そして、バイパスライン２５にはバイパスバルブ２６が配置される。バイパスバルブ２６が開くことによって、熱交換器１０を流れる冷媒Ｒ１は増える。

冷凍機１の起動運転（予冷運転）開始のように膨張機５の出口温度が高い時には膨張機５の冷却能力が大きい。膨張機５により熱交換器１０内を急激に冷却すると熱交換器１０内に大きな温度差が生じて熱応力で破損する。そこで、一般的には熱交換器１０内に大きな温度差が生じないように膨張機５の回転数を低くする。しかしながら同じ冷却量であっても熱交換器１０を通過する冷媒Ｒ１の質量流量がバイパスバルブ２６の開放により多くなれば、第２内部流路１２の入口１２Ａにおける冷媒Ｒ１の温度を高くすることができる。熱交換器１０内の温度差は膨張機５で冷却された冷媒Ｒ１の温度により生じるため、冷媒Ｒ１の温度を同じにして熱交換器１０を流れる冷媒Ｒ１の質量流量を増やすと、熱交換器１０内に生じる熱応力を小さくしながら熱交換器１０の冷却を速めることができる。
なお、冷凍機１の起動運転（予冷運転）開始時、冷却部４は一例として稼働をしていない。

図示される実施形態では、冷凍機１の運転制御を司るように構成されたコントローラ７が設けられる。冷凍機１の起動運転（予冷運転）を開始する時にバイパスバルブ２６が開くことで、熱交換器１０の冷媒流量を増大させる。これは、バイパスライン２５が設けられず、その代わりに別のバイパスラインＪが配置された場合には発揮されえない利点である（図１では、バイパスラインＪを仮想的に図示している）。なぜなら、バイパスラインＪを流れる冷媒Ｒ１は、熱交換器１０を経由することなく圧縮機３に向かうからである。

図２は、本開示の一実施形態に係るバイパスバルブの開度の経時的変化を概念的に示すグラフである。図２で例示的に示されるように、コントローラ７はバイパスバルブ２６を所定の開度に開いてから冷凍機１の起動運転を開始する。熱交換器１０が冷却されて膨張機５の出口温度が下がると膨張機５の冷却能力が小さくなる。そこで、規定時間の経過後（ｔ＝ｔａ）、コントローラ７はバイパスバルブ２６の開度を小さくする。これにより膨張機５を流れる冷媒Ｒ１の質量流量が増加し膨張機５の冷却能力を増加させることができて膨張機５の出口温度が下がることによる膨張機５の冷却能力の減少を抑制することができる。このようにコントローラ７は、膨張機５の出口温度に応じたバイパスバルブ２６の開度を特定する。本例では、時間の経過とともにバイパスバルブ２６の開度は徐々に小さくなる。結果、バイパスライン２５での冷媒流量は漸減する一方、膨張機５での冷媒流量は漸増し、熱交換器１０の冷却速度を所定にすることができる。
バイパスバルブ２６の開度の特定は膨張機５の出口温度に代えて膨張機５の入口温度や熱交換器１０の出口１１Ｂや入口１２Ａでの冷媒Ｒ１の温度によって行うこともできる。

なお、図２で概念的に示されるバイパスバルブ２６の開度の経時的変化はあくまで例示である。他の実施形態では、バイパスバルブ２６の開度は、段階的に変化する代わりに、連続的に変化してもよい。

上記構成によれば、冷凍機１の起動運転時にバイパスバルブ２６が開き、冷媒Ｒ１がバイパスライン２５を流れる。これにより、熱交換器１０における冷媒Ｒ１の質量流量が増大し、熱交換器１０における冷媒Ｒ１の出入口温度差（詳細には、第１ライン２１と第２ライン２２の各々における冷媒Ｒ１の出入口温度差）が低減する。熱交換器１０で生じる熱応力は、冷媒Ｒ１の出入口温度差と相関し、出入口温度差の低減に伴って抑制される。従って、起動運転時における冷媒Ｒ１の冷却速度の制限が緩和され、起動運転開始後の膨張機５の回転数を従来よりも高くすることが可能となり、循環ライン２０を流れる冷媒Ｒ１が目標温度まで下がる所要時間を短くできる。よって、起動運転の時間を短くした冷凍機１が実現する。

図１で例示される実施形態では、バイパスライン２５は、第１ライン２１に設けられた分岐部２１Ｂと、第２ライン２２に設けられた合流部２２Ｍとに接続される。そして、合流部２２Ｍは冷却部４の上流側に配置される。上記構成によれば、冷凍機１の起動運転時において冷却部４を流れる冷媒Ｒ１の流量が増え、冷媒Ｒ１が循環することに伴って冷却部４を構成する部材は冷え易い。従って、冷却対象Ｒ２が流れる回路が定常運転可能になるまでの所要時間を短くできるなどの利点が得られる。よって、冷凍機１の定常運転を早めることができる。

なお、他の実施形態では、バイパスライン２５の一端は、冷却部４よりも下流側において第２ライン２２に設けられた合流部２２Ｎに接続されてもよい。このときのバイパスライン２５とバイパスバルブ２６はいずれも、図１において二点鎖線によって仮想的に図示される（合流部２２Ｎも仮想的に図示される）。二点鎖線のように配置されるバイパスライン２５は、膨張機５に加えて冷却部４をバイパスするように、第１ライン２１と第２ライン２２とに接続される。この場合、バイパスライン２５を流れる冷媒Ｒ１は、冷却部４における圧力損失を受けることなく熱交換器１０に流入できる。

図１で例示される実施形態では、循環ライン２０は、熱交換器１０の第２内部流路１２の出口１２Ｂと、第１内部流路１１の入口１１Ａとに接続される圧縮機側ライン２７をさらに含む。第２内部流路１２の出口１２Ｂから排出された冷媒Ｒ１は、圧縮機側ライン２７を流れる過程で圧縮機３と第１熱交換器４１を順に経由し、第１内部流路１１の入口１１Ａまで戻る。さらに冷凍機１は、循環ライン２０に追加供給するための冷媒Ｒ１を貯留するタンク８と、タンク８および圧縮機側ライン２７とに接続された供給ライン１９と、供給ライン１９とは別の場所でタンク８および圧縮機側ライン２７に接続された回収ライン１６とを備える。供給ライン１９と圧縮機側ライン２７との接続部は圧縮機３よりも上流側に位置する。供給ライン１９は圧縮機側ライン２７を介して圧縮機３の入口に接続する。回収ライン１６と圧縮機側ライン２７との接続部は圧縮機３よりも下流側（より詳細には第１熱交換器４１よりも下流側）に位置する。

供給ライン１９には、起動運転時に開くように構成された供給バルブ１８が設けられ、回収ライン１６には、規定のタイミングで開くように構成された回収バルブ１７が設けられる。本例では、供給バルブ１８と回収バルブ１７はいずれもコントローラ７によって開放制御（開閉制御）される。

上記構成によれば、起動運転に伴い供給バルブ１８が開くと、タンク８に貯留されていた冷媒Ｒ１は、供給ライン１９を介して圧縮機側ライン２７に追加的に供給される。これにより、循環ライン２０で流れる冷媒Ｒ１の流量が増大する。冷凍機１内を循環する冷媒Ｒ１の循環流量が増大し、膨張機５における冷媒Ｒ１の質量流量が増大する。従って、膨張機５の冷却能力が上昇する。

図１で例示される実施形態では、膨張機５と圧縮機３は膨張機一体型圧縮機６を構成する。膨張機一体型圧縮機６は、膨張機５および圧縮機３と、圧縮機３に駆動力を付与するモータ９が同一の回転軸１３に設けられている。一例として、膨張機５を構成する羽根車が膨張する冷媒Ｒ１から反力を受け、膨張機５に駆動力が発生する。膨張機５に発生した駆動力は回転軸１３を通じて圧縮機３に伝わる。膨張機５に発生した駆動力の分だけ、モータ９に求められる圧縮機３を駆動するための動力を減らすことができる。すなわち、膨張機５と圧縮機３とモータ９とを同一の回転軸１３に設ける構造が膨張機５の駆動力を回収し、圧縮機３の駆動力に加える駆動力追加機構１５として機能する。駆動力追加機構１５を実現するためには、膨張機５と圧縮機３が一体になることは必須ではない。別の例としては、膨張機５に設けられた発電機の電力を圧縮機３のモータの駆動電力に加える構造でも駆動力追加機構１５を実現することができる。なお、本例の膨張機５と圧縮機３はいずれもターボ型である。

膨張機一体型圧縮機６では膨張機５で発生する駆動力の分だけモータ９の容量を小さくできる。冷凍機１の起動運転開始時には膨張機５に流れる冷媒Ｒ１の密度が小さいため、冷媒Ｒ１の質量流量が小さく膨張機５に発生する駆動力が小さい。このため、圧縮機３に流れる冷媒Ｒ１の質量流量が大きいと圧縮機３に必要な駆動力が不足し膨張機５および圧縮機３を所定の回転数に制御することができない。そこで、圧縮機３に流れる冷媒Ｒ１の質量流量を減らした状態で冷凍機１の起動運転を開始するため、起動運転開始時には循環ライン２０の冷媒Ｒ１の一部をタンク８に回収し、循環ライン２０内の冷媒Ｒ１の量を減らしておく。熱交換器１０の冷却が進むにつれて上記で説明したように膨張機５を流れる冷媒Ｒ１の質量流量が増加するため膨張機５に発生する駆動力が増加し、その分だけ圧縮機３に必要な駆動力が減少しモータ９の消費電力が減少する。

本例の冷凍機１では、供給バルブ１８はコントローラ７によって制御される。具体的には、コントローラ７が、電力計７３の検出結果に基づきモータ９の消費電力を取得するように構成される。そして、取得された消費電力が閾値未満である場合に、コントローラ７は、供給バルブ１８を開けるための制御信号を供給バルブ１８に送るように構成される。

循環ライン２０内の冷媒Ｒ１の量が多いと熱交換器１０に流れる冷媒Ｒ１の質量流量も膨張機５に流れる冷媒Ｒ１の質量流量も増加するので、熱交換器１０の冷却を速めるためには好ましい。そこで、モータ９の消費電力が制限内に収まる条件のもと、循環ライン２０内の冷媒Ｒ１をできるだけ多くすることで熱交換器１０の冷却を速くすることができる。
そこで、消費電力が閾値未満となった場合、コントローラ７から送られる制御信号によって供給バルブ１８は一時的に開く。これにより、循環ライン２０に冷媒Ｒ１が追加供給され、膨張機５の冷媒Ｒ１の質量流量が増大する。この時、モータ９の消費電力も増加するので冷媒Ｒ１が追加供給はモータ９の消費電力の上限を超えないように制御する。

このように、コントローラ７はモータ９の消費電力を監視しながら、供給バルブ１８を複数回に亘り断続的に開き、循環ライン２０を流れる冷媒Ｒ１は段階的に増加する。なお、冷媒Ｒ１の循環流量を減らす場合には、供給バルブ１８が閉められた状態で、回収バルブ１７が開けば、冷媒Ｒ１の一部が回収ライン１６を介してタンク８に回収される。
上述したモータ９の消費電力は、圧縮機３の駆動力と相関する特性値の一例である。他の実施形態では、圧縮機３の駆動力と相関する特性値として、モータ９に通電される電流値、または、モータ９に電力供給するインバータの出力電圧値などが採用されてもよい。
例えば、これらの類いの特性値が閾値未満になり、且つ、供給バルブ１８に対する前回の開閉制御が終了してから規定時間が経過している場合に、供給バルブ１８は開いてもよい。あるいは、特性値が閾値以上から閾値未満に切り替わったことを条件に、供給バルブ１８は開いてもよい。また、膨張機５と圧縮機３が別々となる構成が採用される場合には、圧縮機３のモータの消費電力、電流値、または入力電圧値が、上記特性値として採用されてもよい。

上記構成によれば、圧縮機３が所定の回転数より低くなることを避けつつ、タンク８から冷媒Ｒ１を追加供給できる。よって、圧縮機３の回転数が低くなることによる膨張機５の冷却能力が小さくなることがないので、膨張機５の冷却能力が大きくなる。

熱交換器１０に流れる冷媒Ｒ１の質量流量の増加と膨張機５に流れる冷媒Ｒ１の質量流量の増加は圧縮機３の回転数を高くすることでも実現できる。圧縮機３の回転数を高くするとモータ９の消費電力も大きくなるので、モータ９の消費電力を監視しながら、モータ９の消費電力が上限を超えないように圧縮機３の回転数を段階的にあるいは連続的に高くしていくことで、熱交換器１０の冷却を速めることができる。

＜冷凍機１の起動運転方法＞
図３は、本開示の一実施形態に係る冷凍機の起動運転の方法を示すフローチャートである。以下では、起動運転の方法がコントローラ７によって実行される場合を説明する。なお、図３のフローチャートでは、冷却対象Ｒ２が流れる循環路の起動運転のステップを省略している。これ以降の説明では、ステップを「Ｓ」と略記する場合がある。

はじめに、モータ９の駆動開始により圧縮機３と膨張機５は回転し、循環ライン２０において冷媒Ｒ１の循環が開始される（Ｓ１０）。
その後、一例として起動開始時から開いた状態にあるバイパスバルブ２６の開度制御が実行される（Ｓ１１）。コントローラ７は熱交換器１０における冷媒Ｒ１の質量流量の増大を目的に、既述の通りバイパスバルブ２６の開度を制御する。

続いて、モータ９の消費電力が閾値未満であるか否かが判定される（Ｓ１３）。コントローラ７は、電力計７３の検知結果である消費電力が閾値未満であるか否かを判定する。消費電力が閾値以上である場合（Ｓ１３：ＮＯ）、後述のＳ１６が実行される。消費電力が閾値未満である場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、供給バルブ１８の開放制御（開閉制御）が実行される（Ｓ１７）。コントローラ７は、既述の通り、供給バルブ１８が一時的に開くよう、供給バルブ１８に対して制御信号を送る。

続いて、圧縮機３の回転数を増加させる処理が実行される（Ｓ１６）。コントローラ７は、モータ９の消費電力が上限閾値に対して規定比率以下であれば、消費電力が上限閾値を超えない範囲でモータ９の回転数を増加させる。結果、圧縮機３の回転数は増加する。

その後、起動運転が終了か否かが判定される（Ｓ１７）。一例として、コントローラ７は、循環ライン２０を流れる冷媒Ｒ１が目標温度まで下がったか否かを判定する。より具体的にはコントローラ７は、熱交換器１０の第２ライン２２の出口温度が目標温度まで下がったか否かを、温度計７４（図１参照）に基づき判定する。上記出口温度が目標温度まで下がっていれば、起動運転は終了と判定され（Ｓ１７：ＹＥＳ）、起動運転は終了する。一方、出口温度が目標温度まで下がっていなければ（Ｓ１７：ＮＯ）、ステップはＳ１１に戻り、Ｓ１１～Ｓ１７が繰り返される。継続的なＳ１６の実行に伴って、圧縮機３の回転数は段階的に増大する。

なお、他の実施形態では、Ｓ１７において、膨張機５の入口温度または出口温度に基づき起動運転が終了か否かを判定してもよい。膨張機５の出口温度が目標温度まで下がっていれば（Ｓ１７：ＹＥＳ）、起動運転は終了と判定される。また、図３で示されるステップの少なくとも一部は、コントローラ７の代わりに人によって実行されてもよい。

＜冷凍機１の詳細な構成の例示＞
図４は、本開示の一実施形態に係る冷凍機の構成の詳細を例示的に示す構成図である。図４で例示される実施形態では、冷凍機１は、１次冷媒としての冷媒Ｒ１が循環するための循環ライン２０に加えて、２次冷媒としての冷却対象Ｒ２が循環するための循環ライン６０をさらに備える。循環ライン６０を流れる冷却対象Ｒ２は、極低温を有する液化冷媒であり、一例として液体窒素である。

循環ライン６０には、既述の熱交換器１０に加えて、超電導機器６４、リザーバタンク６５、およびポンプ６８が配置される。循環ライン６０を循環する冷却対象Ｒ２は、冷却部４で冷媒Ｒ１によって冷却された後、例えば超電導ケーブルであってもよい超電導機器６４に流入する。これにより、超電導機器６４は、超電導臨界温度以下の極低温にまで冷却される。超電導機器６４から排出される冷却対象Ｒ２は、リザーバタンク６５で貯留される。貯留される冷却対象Ｒ２は、ポンプ６８の駆動によって循環ライン６０を循環する。図３を用いて上述した冷凍機１の起動運転では、ポンプ６８は駆動しておらず、冷却対象Ｒ２は循環しない。循環ライン６０の起動運転は、図３のＳ１７で循環ライン２０の起動運転が終了したと判定され後に実行される。そして、循環ライン６０の起動運転終了後、冷凍機１は定常運転を開始する。

図４で例示される実施形態では、圧縮機側ライン２７に、低段圧縮機３１と高段圧縮機３２が追加的に配置される。低段圧縮機３１は圧縮機３よりも上流側に位置し、高段圧縮機３２は圧縮機３よりも下流側に位置する。低段圧縮機３１と高段圧縮機３２はいずれも、冷媒Ｒ１を圧縮するように構成される。図示される実施形態では、低段圧縮機３１と高段圧縮機３２は、圧縮機モータ３５によって一体的に駆動するターボ圧縮機である。

さらに、圧縮機側ライン２７には、低段圧縮機３１と圧縮機３との間に第２熱交換器４２が配置され、高段圧縮機３２の下流側に第３熱交換器４３が配置される。第２熱交換器４２と第３熱交換器４３は、高段圧縮機３２と圧縮機３との間に位置する既述の第１熱交換器４１と同様の構成を有する（説明の重複を避けるため、詳説を省略する）。また、既述の供給ライン１９は、低段圧縮機３１よりも上流側で圧縮機側ライン２７に接続され、既述の回収ライン１６は、高段圧縮機３２よりも下流側で圧縮機側ライン２７に接続される。圧縮機側ライン２７を流れる冷媒Ｒ１は、低段圧縮機３１、圧縮機３、および高段圧縮機３２を順に経由する過程で圧縮される。また、冷媒Ｒ１は、圧縮されるたびに、第２熱交換器４２、第１熱交換器４１、または第３熱交換器４３を経由して放熱する。その後、冷媒Ｒ１は、熱交換器１０を構成する第１内部流路１１の入口１１Ａに流入する。入口１１Ａに流入後の冷媒Ｒ１の挙動は上述した通りなので詳説を省略する。

他の実施形態では低段圧縮機３１および高段圧縮機３２の回転数を高くすることで圧縮機３、熱交換器１０、膨張機５それぞれを流れる冷媒Ｒ１の質量流量を増加することができる。したがって、上記で説明した供給バルブ１８の制御や圧縮機３の回転数の制御と同様にモータ９の消費電力に応じて低段圧縮機３１および高段圧縮機３２の回転数を調整することで熱交換器１０の冷却を速めることができる。つまり、図３で示したフローチャートは、図４で例示される実施形態にも適用可能である。例えばＳ１０では、モータ９と共に圧縮機モータ３５が駆動すればよい。Ｓ１７では、モータ９の消費電力に応じて、モータ９の回転数と共に圧縮機モータ３５の回転数を増加させてもよい。説明の重複を避けるために詳説はしない。
なお、供給バルブ１８の制御と、圧縮機３の回転数の制御と、低段圧縮機３１および高段圧縮機３２の回転数の制御とは、組み合わせて制御することが可能である。さらに、モータ９の消費電力に加えて膨張機５の出口温度、膨張機５のチョーク流量、圧縮機３の流量などの情報を制御に用いることもできる。

なお、他の実施形態においても、膨張機５と圧縮機３は一体型でなくてもよい。例えば、膨張機５と圧縮機３は各々、別個の発電機と駆動モータによって駆動してもよい。
同様に、低段圧縮機３１と高段圧縮機３２は、別個の駆動モータによって駆動してもよい。この場合、モータ９の消費電力に応じて、低段圧縮機３１または高段圧縮機３２の双方の回転数が調整されてもよい。また、低段圧縮機３１または高段圧縮機３２の少なくとも一方は設けられなくてもよい。
また、第１熱交換器４１、第２熱交換器４２、または第３熱交換器４３の少なくとも１つは設けられなくてもよい。

＜まとめ＞
上述した幾つかの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ものである。

１）本開示の少なくとも一実施形態に係る冷凍機（１）は、
冷媒（Ｒ１）が循環するための循環ライン（２０）と、
前記循環ライン（２０）に配置され、前記冷媒（Ｒ１）を圧縮するための圧縮機（３）と、
前記循環ライン（２０）に配置され、前記冷媒（Ｒ１）を膨張させるための膨張機（５）と、
前記循環ライン（２０）に配置され、前記圧縮機（３）で圧縮された高温の前記冷媒（Ｒ１）が流れる第１内部流路（１１）と、前記膨張機（５）で膨張した低温の前記冷媒（Ｒ１）が流れる第２内部流路（１２）とを含む熱交換器（１０）と、
を備え、
前記循環ライン（２０）は、
前記熱交換器（１０）の前記第１内部流路（１１）の出口（１１Ｂ）と前記膨張機（５）の入口（５Ａ）とに接続される第１ライン（２１）と、
前記膨張機（５）の出口（５Ｂ）と、前記熱交換器（１０）の前記第２内部流路（１２）の入口（１２Ａ）とに接続される第２ライン（２２）と、
前記膨張機（５）をバイパスするように前記第１ライン（２１）と前記第２ライン（２２）とに接続され、開いた時に前記熱交換器（１０）を流れる前記冷媒（Ｒ１）が増えるバイパスバルブ（２６）が配置されたバイパスライン（２５）と、
を備える。

上記１）の構成によれば、冷凍機（１）の起動運転時にバイパスバルブ（２６）が開き、冷媒（Ｒ１）がバイパスライン（２５）を流れる。これにより、熱交換器（１０）における冷媒（Ｒ１）の質量流量が増大し、熱交換器（１０）における冷媒（Ｒ１）の出入口温度差は低減する。熱交換器（１０）で生じる熱応力が抑制されるので、起動運転時における冷媒（Ｒ１）の冷却速度の制限が緩和される。従って、起動運転の開始後、循環ライン（２０）を流れる冷媒（Ｒ１）が目標温度まで下がる所要時間を短くできる。よって、起動運転の時間を短くした冷凍機（１）が実現する。

２）幾つかの実施形態では、上記１）に記載の冷凍機（１）であって、
前記循環ライン（２０）に追加供給するための前記冷媒（Ｒ１）を貯留するタンク（８）と、
前記タンク（８）と前記圧縮機（３）の入口とに接続され、前記循環ライン（２０）への前記冷媒（Ｒ１）の追加供給量を調整するための供給バルブ（１８）が設けられた供給ライン（１９）と、
をさらに備える。

上記２）の構成によれば、起動運転時における冷媒（Ｒ１）の循環流量が増大し、膨張機（５）における冷媒（Ｒ１）の質量流量が増大する。これにより、冷凍機（１）の起動運転の時間をさらに短くできる。

３）幾つかの実施形態では、上記２）に記載の冷凍機（１）であって、
前記膨張機（５）の駆動力を回収し、前記圧縮機（３）の駆動力に加える駆動力追加機構（１５）と、
起動運転時に前記圧縮機（３）の駆動力と相関する特性値に応じて前記供給バルブ（１８）の開度を調整するためのコントローラ（７）と、
をさらに備える。

上記３）の構成によれば、圧縮機（３）の駆動力が不足することを避けつつ、タンク（８）から冷媒（Ｒ１）を追加供給できる。よって圧縮機（３）の駆動力が不足に起因する故障の抑制と、起動運転時における冷媒（Ｒ１）の循環流量の増大とを両立させることができる。

４）本開示の少なくとも一実施形態に係る冷凍機（１）の運転方法は、
冷媒（Ｒ１）が循環するための循環ライン（２０）と、
前記循環ライン（２０）に配置され、前記冷媒（Ｒ１）を圧縮するための圧縮機（３）と、
前記循環ライン（２０）に配置され、前記冷媒（Ｒ１）を膨張させるための膨張機（５）と、
前記循環ライン（２０）に配置され、前記圧縮機（３）で圧縮された高温の前記冷媒（Ｒ１）が流れる第１内部流路（１１）と、前記膨張機（５）で膨張した低温の前記冷媒（Ｒ１）が流れる第２内部流路（１２）とを含む熱交換器（１０）と、
前記循環ライン（２０）に追加供給するための前記冷媒（Ｒ１）を貯留するタンク（８）と、
前記タンク（８）と前記圧縮機（３）の入口とに接続され、前記循環ライン（２０）への追加供給量を調整するための供給バルブ（１８）が設けられた供給ライン（１９）と、
前記膨張機（５）の駆動力を回収し、前記圧縮機（３）の駆動力に加えるための駆動力追加機構（１５）と、
を備えた冷凍機（１）の運転方法であって、
起動運転時に前記圧縮機（３）の駆動力に相関する特性値に応じて前記供給バルブ（１８）の開度を調整する供給バルブ開放ステップ（Ｓ１５）を備える冷凍機（１）の運転方法。

上記４）の構成によれば、上記１）と同様の理由によって、起動運転の時間を短縮した冷凍機（１）の運転方法が実現する。

５）本開示の少なくとも一実施形態に係る冷凍機（１）の運転方法は、
冷媒（Ｒ１）が循環するための循環ライン（２０）と、
前記循環ライン（２０）に配置され、前記冷媒（Ｒ１）を圧縮するための圧縮機（３）と、
前記循環ライン（２０）に配置され、前記冷媒（Ｒ１）を膨張させるための膨張機（５）と、
前記循環ライン（２０）に配置され、前記圧縮機（３）で圧縮された高温の前記冷媒（Ｒ１）が流れる第１内部流路（１１）と、前記膨張機（５）で膨張した低温の前記冷媒（Ｒ１）が流れる第２内部流路（１２）とを含む熱交換器（１０）と、
前記循環ライン（２０）に追加供給するための前記冷媒（Ｒ１）を貯留するタンク（８）と、
前記タンク（８）と前記圧縮機（３）の入口とに接続され、前記循環ライン（２０）への追加供給量を調整するための供給バルブが設けられた供給ライン（１９）と、
前記膨張機（５）の駆動力を回収し、前記圧縮機（３）の駆動力に加えるための駆動力追加機構（１５）と、
を備えた冷凍機（１）の運転方法であって、
起動運転時に前記圧縮機（３）の駆動力に相関する特性値に応じて前記圧縮機（３）の回転数を増加させる圧縮機回転数増加ステップ（１６）を備える。

上記５）の構成によれば、圧縮機（３）の駆動力に相関する特性値（電力値）に応じて圧縮機（３）の回転数を増加させることができるので、起動運転の時間を短縮した冷凍機（１）の運転方法が実現する。

６）本開示の少なくとも一実施形態に係る冷凍機（１）の運転方法は、
冷媒（Ｒ１）が循環するための循環ライン（２０）と、
前記循環ライン（２０）に配置され、前記冷媒（Ｒ１）を圧縮するための第１圧縮機（圧縮機３）および第２圧縮機（低段圧縮機３１、高段圧縮機３２）と、
前記循環ライン（２０）に配置され、前記冷媒（Ｒ１）を膨張させるための膨張機（５）と、
前記循環ライン（２０）に配置され、前記第１圧縮機（圧縮機３）で圧縮された高温の前記冷媒（Ｒ１）が流れる第１内部流路（１１）と、前記膨張機（５）で膨張した低温の前記冷媒（Ｒ１）が流れる第２内部流路（１２）とを含む熱交換器（１０）と、
前記循環ライン（２０）に追加供給するための前記冷媒（Ｒ１）を貯留するタンク（８）と、
前記タンク（８）と前記第１圧縮機（圧縮機３）の入口とに接続され、前記循環ライン（２０）への追加供給量を調整するための供給バルブが設けられた供給ライン（１９）と、
前記膨張機（５）の駆動力を回収し、前記第１圧縮機（圧縮機３）の駆動力に加える駆動力追加機構（１５）と、
を備えた冷凍機（１）の運転方法であって、
起動運転時に前記第１圧縮機（圧縮機３）の駆動力に相関する特性値に応じて前記第２圧縮機（低段圧縮機３１、高段圧縮機３２）の回転数を増加させる圧縮機回転数増加ステップ（１６）を備える。

上記６）の構成によれば、上記５）と同様の理由によって、起動運転の時間を短縮した冷凍機（１）の運転方法が実現する。

１ ：冷凍機
３ ：圧縮機
４ ：冷却部
５ ：膨張機
５Ａ ：入口
５Ｂ ：出口
６ ：膨張機一体型圧縮機
７ ：コントローラ
８ ：タンク
９ ：モータ
１０ ：熱交換器
１１ ：第１内部流路
１１Ａ ：入口
１１Ｂ ：出口
１２ ：第２内部流路
１２Ａ ：入口
１２Ｂ ：出口
１８ ：供給バルブ
１９ ：供給ライン
２０ ：循環ライン
２１ ：第１ライン
２２ ：第２ライン
２５ ：バイパスライン
２６ ：バイパスバルブ
２７ ：圧縮機側ライン
３１ ：低段圧縮機
３２ ：高段圧縮機
６０ ：循環ライン
Ｒ１ ：冷媒
Ｒ２ ：冷却対象

Claims (6)

1. 冷媒が循環するための循環ラインと、
   前記循環ラインに配置され、前記冷媒を圧縮するための圧縮機と、
   前記循環ラインに配置され、前記冷媒を膨張させるための膨張機と、
   前記循環ラインに配置され、前記圧縮機で圧縮された高温の前記冷媒が流れる第１内部流路と、前記膨張機で膨張した低温の前記冷媒が流れる第２内部流路とを含む熱交換器と、
   を備え、
   前記循環ラインは、
   前記熱交換器の前記第１内部流路の出口と前記膨張機の入口とに接続される第１ラインと、
   前記膨張機の出口と、前記熱交換器の前記第２内部流路の入口とに接続される第２ラインと、
   前記膨張機をバイパスするように前記第１ラインと前記第２ラインとに接続され、開いた時に前記熱交換器を流れる前記冷媒が増えるバイパスバルブが配置されたバイパスラインと、
   を備える冷凍機。
2. 前記循環ラインに追加供給するための前記冷媒を貯留するタンクと、
   前記タンクと前記圧縮機の入口とに接続され、前記循環ラインへの前記冷媒の追加供給量を調整するための供給バルブが設けられた供給ラインと、
   をさらに備える請求項１に記載の冷凍機。
3. 前記膨張機の駆動力を回収し、前記圧縮機の駆動力に加える駆動力追加機構と、
   起動運転時に前記圧縮機の駆動力と相関する特性値に応じて前記供給バルブの開度を調整するためのコントローラと、
   をさらに備える請求項２に記載の冷凍機。
4. 冷媒が循環するための循環ラインと、
   前記循環ラインに配置され、前記冷媒を圧縮するための圧縮機と、
   前記循環ラインに配置され、前記冷媒を膨張させるための膨張機と、
   前記循環ラインに配置され、前記圧縮機で圧縮された高温の前記冷媒が流れる第１内部流路と、前記膨張機で膨張した低温の前記冷媒が流れる第２内部流路とを含む熱交換器と、
   前記循環ラインに追加供給するための前記冷媒を貯留するタンクと、
   前記タンクと前記圧縮機の入口とに接続され、前記循環ラインへの追加供給量を調整するための供給バルブが設けられた供給ラインと、
   前記膨張機の駆動力を回収し、前記圧縮機の駆動力に加えるための駆動力追加機構と、
   を備えた冷凍機の運転方法であって、
   起動運転時に前記圧縮機の駆動力に相関する特性値に応じて前記供給バルブの開度を調整する供給バルブ開放ステップを備える冷凍機の運転方法。
5. 冷媒が循環するための循環ラインと、
   前記循環ラインに配置され、前記冷媒を圧縮するための圧縮機と、
   前記循環ラインに配置され、前記冷媒を膨張させるための膨張機と、
   前記循環ラインに配置され、前記圧縮機で圧縮された高温の前記冷媒が流れる第１内部流路と、前記膨張機で膨張した低温の前記冷媒が流れる第２内部流路とを含む熱交換器と、
   前記循環ラインに追加供給するための前記冷媒を貯留するタンクと、
   前記タンクと前記圧縮機の入口とに接続され、前記循環ラインへの追加供給量を調整するための供給バルブが設けられた供給ラインと、
   前記膨張機の駆動力を回収し、前記圧縮機の駆動力に加えるための駆動力追加機構と、
   を備えた冷凍機の運転方法であって、
   起動運転時に前記圧縮機の駆動力に相関する特性値に応じて前記圧縮機の回転数を増加させる圧縮機回転数増加ステップを備える冷凍機の運転方法。
6. 冷媒が循環するための循環ラインと、
   前記循環ラインに配置され、前記冷媒を圧縮するための第１圧縮機および第２圧縮機と、
   前記循環ラインに配置され、前記冷媒を膨張させるための膨張機と、
   前記循環ラインに配置され、前記第１圧縮機で圧縮された高温の前記冷媒が流れる第１内部流路と、前記膨張機で膨張した低温の前記冷媒が流れる第２内部流路とを含む熱交換器と、
   前記循環ラインに追加供給するための前記冷媒を貯留するタンクと、
   前記タンクと前記第１圧縮機の入口とに接続され、前記循環ラインへの追加供給量を調整するための供給バルブが設けられた供給ラインと、
   前記膨張機の駆動力を回収し、前記第１圧縮機の駆動力に加える駆動力追加機構と、
   を備えた冷凍機の運転方法であって、
   起動運転時に前記第１圧縮機の駆動力に相関する特性値に応じて前記第２圧縮機の回転数を増加させる圧縮機回転数増加ステップを備える冷凍機の運転方法。

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