JP2024076234A - 冷凍機、制御装置、制御方法、及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な機器構成で膨張タービンの断熱効率の低下を回避しやすくする。【解決手段】冷凍機１０は、ターボ式の圧縮機２０と、膨張タービン３０と、圧縮機２０の出口２２と膨張タービン３０の入口３１とを接続する第１冷媒ライン１１と、膨張タービン３０の出口３２と圧縮機２０の入口２１とを接続する第２冷媒ライン１２と、第１冷媒ライン１１と第２冷媒ライン１２との間で冷媒１３の熱交換を行う主熱交換器４０と、第１冷媒ライン１１の主熱交換器４０の下流における冷媒１３と外部の流体１４との間の熱交換を行う副熱交換器５０と、少なくとも第１冷媒ライン１１及び第２冷媒ライン１２に取り付けられたセンサ群６０と、流体１４を冷却する能力の目標に応じて圧縮機２０の回転数を調整するとともに、圧縮機２０の回転数とセンサ群６０から得られたセンサ値とに応じて膨張タービン３０の回転数を調整する制御装置７０とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、冷凍機、制御装置、制御方法、及びプログラムに関する。

特許文献１には、膨張タービンのインペラ入口に設けたノズル翼を外部のアクチュエータにより機械的に稼働させることでノズルの流路面積を変える方法が開示されている。特許文献２には、バイパス弁の開閉により膨張タービンの運転温度を変える方法が開示されている。特許文献３には、超電導電力機器の冷却に使用される冷凍機が開示されている。

特開平６－１３７１０１号公報 特開２０１８－０６６５１１号公報 特開２０２２－１０９０６８号公報

一般的に、冷凍機の冷凍能力は、圧縮機の回転数又は系内の圧力を変更することで調整される。膨張タービンの回転数は、常時定格回転数で運転される。しかしながら、膨張タービンは、運転定格点の流量及び圧力において断熱効率が最大となるよう設計されており、設計点を外れた流量及び圧力条件下では断熱効率が低下する。断熱効率は、膨張タービンでの発生寒冷量に影響する。そのため、断熱効率が悪化すると冷凍能力が低下するとともに、ＣＯＰも低下し、冷凍機全体の効率が悪化する原因となる。「ＣＯＰ」は、coefficient of performance（成績係数）の略語である。

熱負荷の変動により圧縮機の回転数が変わったとき、膨張タービンの体積流量を変化させることにより、膨張タービンの断熱効率を低下させず、冷凍機を効率よく運転することが考えられる。

膨張タービンの体積流量を変化させる方法としては、特許文献１に開示されているように、ノズルの流路面積を変えることが考えられる。しかしながら、この方法では、可動部を設けた部品を搭載することにより内部構造が複雑となり、故障リスク及びメンテナンス頻度の上昇を招くおそれがある。そのため、例えば、インフラ機能の一部として使用される超電導電力機器の冷却用途には適さない。

膨張タービンの体積流量を変化させる方法としては、特許文献２に開示されているように、膨張タービンの運転温度を変えることも考えられる。しかしながら、この方法では、流路を切り替えるための低温自動弁が複数必要となり、故障リスク及びコスト上昇を招くおそれがある。そのため、より簡便な構成が望まれる。

本開示の目的は、簡便な機器構成で膨張タービンの断熱効率の低下を回避しやすくすることである。

本開示の幾つかの態様を以下に示す。

［１］
冷媒を圧縮するターボ式の圧縮機と、
前記冷媒を膨張させる膨張タービンと、
前記圧縮機の出口と前記膨張タービンの入口とを接続する第１冷媒ラインと、
前記膨張タービンの出口と前記圧縮機の入口とを接続する第２冷媒ラインと、
前記第１冷媒ラインと前記第２冷媒ラインとの間で前記冷媒の熱交換を行う主熱交換器と、
前記第１冷媒ラインの前記主熱交換器の下流又は前記第２冷媒ラインの前記主熱交換器の上流における前記冷媒と外部の流体との間の熱交換を行う副熱交換器と、
少なくとも前記第１冷媒ライン及び前記第２冷媒ラインに取り付けられたセンサ群と、
前記流体を冷却する能力の目標に応じて前記圧縮機の回転数を調整するとともに、前記圧縮機の回転数と前記センサ群から得られたセンサ値とに応じて前記膨張タービンの回転数を調整する制御装置と
を備える冷凍機。

［２］
前記制御装置は、前記センサ値として、前記膨張タービンの入口の圧力及び温度の測定値と、前記膨張タービンの出口の圧力及び温度の測定値とを少なくとも取得し、取得した測定値と、前記圧縮機の回転数と前記圧縮機の入口及び出口の圧力比との組合せごとに、前記冷媒の圧力及び温度がそれぞれ基準圧力及び基準温度であるときの体積流量を定義する特性データとを参照して、前記膨張タービンの回転数の設定値を算出することで、前記膨張タービンの回転数を調整する［１］に記載の冷凍機。

［３］
前記制御装置は、前記膨張タービンの出口の圧力及び温度の測定値と、前記特性データとを参照して、前記膨張タービンの出口の体積流量Ｑを算出するとともに、前記膨張タービンの入口の圧力及び温度の測定値と、前記膨張タービンの出口の圧力又は温度の測定値とを参照して、前記膨張タービンの理論断熱ヘッドＨを算出し、Ｎ＝（２πｒ√Ｑ）／（Ｈ^０．７５）なる式で表される比速度Ｎが基準範囲内になるｒを前記膨張タービンの回転数の設定値として算出する［２］に記載の冷凍機。

［４］
前記制御装置は、前記センサ値として、前記圧縮機の入口の圧力の測定値と、前記圧縮機の出口の圧力の測定値とを更に取得し、前記圧縮機の入口の圧力の測定値及び前記圧縮機の出口の圧力の測定値の比と前記圧縮機の回転数との組合せに対応付けて前記特性データで定義されている体積流量をＱ_１、前記基準圧力をＰ_１、前記基準温度をＴ_１、前記膨張タービンの出口の圧力及び温度の測定値をそれぞれＰ_２及びＴ_２としたとき、Ｑ＝（Ｑ_１Ｐ_１Ｔ_２）／（Ｔ_１Ｐ_２）なる式に則って前記膨張タービンの出口の体積流量Ｑを算出する［３］に記載の冷凍機。

［５］
前記制御装置は、前記膨張タービンの入口の圧力及び温度の測定値から前記膨張タービンの入口のエンタルピーｈ_ｉｎ＿ｒ及びエントロピーを推定し、推定したエントロピーと、前記膨張タービンの出口の圧力又は温度の測定値とから前記膨張タービンの出口の理論エンタルピーｈ_{ｏｕｔ＿ｉ}を算出し、Ｈ＝ｈ_ｉｎ＿ｒ－ｈ_{ｏｕｔ＿ｉ}なる式に則って前記膨張タービンの理論断熱ヘッドＨを算出する［３］又は［４］に記載の冷凍機。

［６］
前記基準範囲は、０．６以上０．７以下である［３］から［５］のいずれか１つに記載の冷凍機。

［７］
前記制御装置は、前記圧縮機の回転数の変動を検知するか、又は前記圧縮機の回転数の変動から一定時間が経過すると、前記膨張タービンの回転数の設定値を算出する［２］から［６］のいずれか１つに記載の冷凍機。

［８］
冷媒を圧縮するターボ式の圧縮機と、前記冷媒を膨張させる膨張タービンと、前記圧縮機の出口と前記膨張タービンの入口とを接続する第１冷媒ラインと、前記膨張タービンの出口と前記圧縮機の入口とを接続する第２冷媒ラインと、前記第１冷媒ラインと前記第２冷媒ラインとの間で前記冷媒の熱交換を行う主熱交換器と、前記第１冷媒ラインの前記主熱交換器の下流又は前記第２冷媒ラインの前記主熱交換器の上流における前記冷媒と外部の流体との間の熱交換を行う副熱交換器とを含む冷媒サイクルを制御する制御装置であって、
少なくとも前記第１冷媒ライン及び前記第２冷媒ラインに取り付けられたセンサ群と通信を行う通信部と、
前記流体を冷却する能力の目標に応じて前記圧縮機の回転数を調整するとともに、前記圧縮機の回転数と前記センサ群から前記通信部を介して得られたセンサ値とに応じて前記膨張タービンの回転数を調整する制御部と
を備える制御装置。

［９］
冷媒を圧縮するターボ式の圧縮機と、前記冷媒を膨張させる膨張タービンと、前記圧縮機の出口と前記膨張タービンの入口とを接続する第１冷媒ラインと、前記膨張タービンの出口と前記圧縮機の入口とを接続する第２冷媒ラインと、前記第１冷媒ラインと前記第２冷媒ラインとの間で前記冷媒の熱交換を行う主熱交換器と、前記第１冷媒ラインの前記主熱交換器の下流又は前記第２冷媒ラインの前記主熱交換器の上流における前記冷媒と外部の流体との間の熱交換を行う副熱交換器とを含む冷媒サイクルを制御する制御方法であって、
前記流体を冷却する能力の目標に応じて前記圧縮機の回転数を調整し、
少なくとも前記第１冷媒ライン及び前記第２冷媒ラインに取り付けられたセンサ群からセンサ値を取得し、
前記圧縮機の回転数と前記センサ群から得られたセンサ値とに応じて前記膨張タービンの回転数を調整する制御方法。

［１０］
冷媒を圧縮するターボ式の圧縮機と、前記冷媒を膨張させる膨張タービンと、前記圧縮機の出口と前記膨張タービンの入口とを接続する第１冷媒ラインと、前記膨張タービンの出口と前記圧縮機の入口とを接続する第２冷媒ラインと、前記第１冷媒ラインと前記第２冷媒ラインとの間で前記冷媒の熱交換を行う主熱交換器と、前記第１冷媒ラインの前記主熱交換器の下流又は前記第２冷媒ラインの前記主熱交換器の上流における前記冷媒と外部の流体との間の熱交換を行う副熱交換器とを含む冷媒サイクルを制御するプログラムであって、
少なくとも前記第１冷媒ライン及び前記第２冷媒ラインに取り付けられたセンサ群と通信を行うコンピュータに、
前記流体を冷却する能力の目標に応じて前記圧縮機の回転数を調整する処理とともに、前記圧縮機の回転数と前記センサ群から得られたセンサ値とに応じて前記膨張タービンの回転数を調整する処理を実行させるプログラム。

本開示によれば、簡便な機器構成で膨張タービンの断熱効率の低下を回避しやすくなる。

本開示の実施形態に係る冷凍機の構成を示す図である。 本開示の実施形態に係る圧縮機に関する特性データの例を示すグラフである。 本開示の実施形態に係る制御装置の構成を示すブロック図である。 本開示の実施形態に係る制御装置の動作を示すフローチャートである。 本開示の実施形態の変形例に係る冷凍機の構成を示す図である。

以下、本開示の実施形態について、図を参照して説明する。

各図中、同一又は相当する部分には、同一符号を付している。本実施形態の説明において、同一又は相当する部分については、説明を適宜省略又は簡略化する。

図１を参照して、本実施形態に係る冷凍機１０の構成を説明する。

冷凍機１０は、第１冷媒ライン１１及び第２冷媒ライン１２とともに、ターボ式の圧縮機２０と、膨張タービン３０と、主熱交換器４０と、副熱交換器５０と、センサ群６０と、制御装置７０と、調整機構８０とを備える。

第１冷媒ライン１１及び第２冷媒ライン１２は、冷媒１３を循環させる。第１冷媒ライン１１は、圧縮機２０の出口２２と膨張タービン３０の入口３１とを接続する。第２冷媒ライン１２は、膨張タービン３０の出口３２と圧縮機２０の入口２１とを接続する。圧縮機２０は、冷媒１３を圧縮する。膨張タービン３０は、冷媒１３を膨張させて寒冷を発生させる。主熱交換器４０は、第１冷媒ライン１１と第２冷媒ライン１２との間で冷媒１３の熱交換を行うことで冷熱を回収する。副熱交換器５０は、第２冷媒ライン１２の主熱交換器４０の上流における冷媒１３と外部の流体１４との間の熱交換を行う。本実施形態では、流体１４は、流体ライン１５内を循環する。

センサ群６０は、少なくとも第１冷媒ライン１１及び第２冷媒ライン１２に取り付けられている。本実施形態では、センサ群６０は、第１圧力計６１と、第２圧力計６２と、第３圧力計６３と、第４圧力計６４と、第１温度計６５と、第２温度計６６と、第３温度計６７とを含む。

第２圧力計６２、第３圧力計６３、及び第１温度計６５は、第１冷媒ライン１１に取り付けられている。具体的には、第２圧力計６２は、圧縮機２０の出口２２と主熱交換器４０との間に設けられており、圧縮機２０の出口２２の圧力を測定する。第３圧力計６３は、主熱交換器４０と膨張タービン３０の入口３１との間に設けられており、膨張タービン３０の入口３１の圧力を測定する。第１温度計６５も、主熱交換器４０と膨張タービン３０の入口３１との間に設けられており、膨張タービン３０の入口３１の温度を測定する。

第１圧力計６１、第４圧力計６４、及び第２温度計６６は、第２冷媒ライン１２に取り付けられている。具体的には、第１圧力計６１は、主熱交換器４０と圧縮機２０の入口２１との間に設けられており、圧縮機２０の入口２１の圧力を測定する。第４圧力計６４は、膨張タービン３０の出口３２と副熱交換器５０との間に設けられており、膨張タービン３０の出口３２の圧力を測定する。第２温度計６６も、膨張タービン３０の出口３２と副熱交換器５０との間に設けられており、膨張タービン３０の出口３２の温度を測定する。

第３温度計６７は、流体ライン１５に取り付けられている。第３温度計６７は、流体ライン１５の副熱交換器５０の下流における流体１４の温度を測定する。

制御装置７０は、第１冷媒ライン１１と、第２冷媒ライン１２と、圧縮機２０と、膨張タービン３０と、主熱交換器４０と、副熱交換器５０とを含む冷媒サイクルを制御する。具体的には、制御装置７０は、流体１４を冷却する能力の目標に応じて圧縮機２０の回転数を調整するとともに、圧縮機２０の回転数とセンサ群６０から得られたセンサ値とに応じて膨張タービン３０の回転数を調整する。よって、本実施形態によれば、簡便な機器構成で膨張タービン３０の断熱効率の低下を回避しやすくなる。

調整機構８０は、第１インバータ８１と、第２インバータ８２とを含む。圧縮機２０及び膨張タービン３０は、それぞれ第１インバータ８１及び第２インバータ８２からの指令により運転及び回転数の調整が可能である。本実施形態では、第１インバータ８１に対して、制御装置７０により電力供給及び制御入出力がなされる。すなわち、制御装置７０は、第１インバータ８１を介して圧縮機２０の回転数を調整する。第２インバータ８２に対しては、第１インバータ８１を介して電力供給及び制御入出力がなされる。すなわち、制御装置７０は、第１インバータ８１及び第２インバータ８２を介して膨張タービン３０の回転数を調整する。第２インバータ８２への電力供給及び制御入出力は、第１インバータ８１を介さず制御装置７０から直接なされてもよい。あるいは、第２インバータ８２への電力供給及び制御入出力は、もう１台の独立した制御装置からなされてもよい。

第１インバータ８１及び第２インバータ８２は、制御装置７０に内蔵されてもよい。すなわち、調整機構８０は、制御装置７０に統合されてもよい。

本実施形態において、冷凍機１０は、送電ケーブル、限流器、又は変圧器などの超電導電力機器の冷却に用いられる。冷凍機１０は、断熱圧縮、等圧冷却、断熱膨張、及び等圧加熱を繰り返す極低温の冷凍サイクルを利用して超電導電力機器を冷却する。超電導電力機器の冷却では、流体１４を超電導電力機器に循環させる。流体１４は、例えば、液体窒素、液体水素、又は液体へリウムである。流体１４は、超電導電力機器での発熱又は系内の侵入熱により昇温するが、冷凍機１０によって所望の温度まで冷却される。冷凍機１０は、大容量の冷凍能力が必要となる場合に適している。冷凍機１０の冷媒１３としては、例えば、ネオンガス又はヘリウムガスが用いられる。

冷凍機１０の冷凍能力は、圧縮機２０の回転数を変更することで調整される。圧縮機２０の回転数が変わったとき、膨張タービン３０の回転数が一定であると、膨張タービン３０の断熱効率が低下する。断熱効率は、膨張タービン３０での発生寒冷量に影響する。そのため、断熱効率が悪化すると、冷凍能力が低下するとともに、ＣＯＰも低下し、冷凍機１０全体の効率が悪化する。

膨張タービン３０の断熱効率を示す指標の１つに比速度Ｎがある。比速度Ｎは、以下の式１で表される。
Ｎ＝（２πｒ√Ｑ）／（Ｈ^０．７５）・・・式１
式１中、ｒは膨張タービン３０の回転数［ｒｐｓ］、Ｑは膨張タービン３０の出口３２の体積流量［ｍ^３／ｓ］、Ｈは理論断熱ヘッド［Ｊ／ｋｇ］である。

膨張タービン３０の出口３２の体積流量Ｑは、理想気体の状態方程式より以下の式２で表される。
Ｑ＝（Ｑ_１Ｐ_１Ｔ_２）／（Ｔ_１Ｐ_２）＝（１０１．３５Ｑ_１Ｔ_２）／（２７３．１５Ｐ_２）・・・式２
式２中、Ｑ_１は標準状態での体積流量［ｍ^３／ｓ（ｎｏｒｍａｌ）］、Ｐ_１は標準状態での圧力［ｋＰａ］、Ｔ_１は標準状態での温度［Ｋ］、Ｐ_２は膨張タービン３０の出口３２の圧力［ｋＰａ］、Ｔ_２は膨張タービン３０の出口３２の温度［Ｋ］である。標準状態とは、１０１．３５ｋＰａかつ２７３．１５Ｋの状態のことをいう。標準状態での体積流量Ｑ_１は、ターボ式の圧縮機２０の回転数及び圧力比の関係から、図２に示すような特性データとして事前に取得することが可能である。ここでは理想気体での計算を行っているが、実在気体での計算と数％の誤差しかないため、実用上問題はない。

理論断熱ヘッドＨは、膨張タービン３０の入口３１の状態量、及び膨張タービン３０の出口３２の状態量より以下の式３で表される。
Ｈ＝ｈ_ｉｎ＿ｒ－ｈ_{ｏｕｔ＿ｉ}・・・式３
式３中、ｈ_ｉｎ＿ｒは膨張タービン３０の入口３１のエンタルピー［ｋＪ／ｋｇ］、ｈ_{ｏｕｔ＿ｉ}は膨張タービン３０の出口３２の理論エンタルピー［ｋＪ／ｋｇ］である。膨張タービン３０の入口３１のエンタルピーｈ_ｉｎ＿ｒは、膨張タービン３０の入口３１の圧力及び温度から推算される。膨張タービン３０の出口３２の理論エンタルピーｈ_{ｏｕｔ＿ｉ}は、膨張タービン３０の入口３１の圧力及び温度から予め推算された入口エントロピーと、膨張タービン３０の出口３２の圧力又は温度とから推算される。

比速度Ｎは、０．６以上０．７以下の範囲において最も断熱効率が高くなる。断熱効率が高くなると、膨張タービン３０の発生寒冷量が増加し、冷凍能力及びＣＯＰが向上する。

例えば、運転定格点において、膨張タービン３０の回転数ｒが１０００ｒｐｓ、膨張タービン３０の出口３２の体積流量Ｑが０．０１９７ｍ^３／ｓ、理論断熱ヘッドＨが１５．０ｋＪ／ｋｇであるとすると、式１より比速度Ｎは０．６５となる。

この状態から冷凍能力を増加させたい場合、圧縮機２０の回転数を増速させる。これに伴い、流量増加及び圧力比増加による理論断熱ヘッドＨの増加が発生する。膨張タービン３０の出口３２の体積流量Ｑが０．０２１ｍ^３／ｓ、理論断熱ヘッドＨが１９．０ｋＪ／ｋｇに増加するとすれば、比速度Ｎは０．５６となり、理想的な範囲から外れてしまうことで断熱効率が低下する。しかしながら、膨張タービン３０の回転数ｒを１１５０ｒｐｓに増速させることで、比速度Ｎを０．６５まで改善させることができる。

逆に、定常状態から冷凍能力を低下させたい場合、圧縮機２０の回転数を減速させる。これに伴い、流量減少及び圧力比減少による理論断熱ヘッドＨの減少が発生する。膨張タービン３０の出口３２の体積流量Ｑが０．０１８ｍ^３／ｓ、理論断熱ヘッドＨが１２．０ｋＪ／ｋｇに減少するとすれば、比速度Ｎは０．７４となり、理想的な範囲から外れてしまうことで断熱効率が低下する。しかしながら、膨張タービン３０の回転数ｒを９００ｒｐｓに減速させることで、比速度Ｎを０．６６まで改善させることができる。

上述のように、圧縮機２０の運転状態によって膨張タービン３０の比速度Ｎが変化するため、膨張タービン３０の回転数ｒが一定であると断熱効率の低下につながる。本実施形態では、圧縮機２０の運転状態に合わせて膨張タービン３０の回転数ｒを変動させることで、比速度Ｎを理想的な範囲に保つことができる。

膨張タービン３０は、設計温度において定格流量が流れるようノズル及びディフューザなどの内部部品が設計されている。膨張タービン３０の特性として、設計温度よりも冷媒温度が高いと体積流量が低下し、比速度Ｎも低下する。

本実施形態によれば、冷凍機１０の定常運転時において、熱負荷の変動によりターボ式の圧縮機２０の回転数が変わったとき、膨張タービン３０の回転数ｒを変更することにより、膨張タービン３０の断熱効率を低下させず、冷凍機１０を効率よく運転することが可能となる。すなわち、可変ノズルも低温自動弁も設けない簡便な機器構成を採用しながら、膨張タービン３０の回転数ｒを変更するだけで膨張タービン３０の断熱効率を最適な条件に設定可能となる。

図３を参照して、本実施形態に係る制御装置７０の構成を説明する。

制御装置７０は、制御部７１と、記憶部７２と、通信部７３とを備える。

制御部７１は、少なくとも１つのプロセッサ、少なくとも１つのプログラマブル回路、少なくとも１つの専用回路、又はこれらの任意の組合せを含む。プロセッサは、ＣＰＵ若しくはＧＰＵなどの汎用プロセッサ、又は特定の処理に特化した専用プロセッサである。「ＣＰＵ」は、central processing unitの略語である。「ＧＰＵ」は、graphics processing unitの略語である。プログラマブル回路は、例えば、ＦＰＧＡである。「ＦＰＧＡ」は、field-programmable gate arrayの略語である。専用回路は、例えば、ＡＳＩＣである。「ＡＳＩＣ」は、application specific integrated circuitの略語である。制御部７１は、制御装置７０の各部を制御しながら、制御装置７０の動作に関わる処理を実行する。

記憶部７２は、少なくとも１つの半導体メモリ、少なくとも１つの磁気メモリ、少なくとも１つの光メモリ、又はこれらの任意の組合せを含む。半導体メモリは、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、又はフラッシュメモリである。「ＲＡＭ」は、random access memoryの略語である。「ＲＯＭ」は、read only memoryの略語である。ＲＡＭは、例えば、ＳＲＡＭ又はＤＲＡＭである。「ＳＲＡＭ」は、static random access memoryの略語である。「ＤＲＡＭ」は、dynamic random access memoryの略語である。ＲＯＭは、例えば、ＥＥＰＲＯＭである。「ＥＥＰＲＯＭ」は、electrically erasable programmable read only memoryの略語である。フラッシュメモリは、例えば、ＳＳＤである。「ＳＳＤ」は、solid-state driveの略語である。磁気メモリは、例えば、ＨＤＤである。「ＨＤＤ」は、hard disk driveの略語である。記憶部７２は、例えば、主記憶装置、補助記憶装置、又はキャッシュメモリとして機能する。記憶部７２には、制御装置７０の動作に用いられるデータと、制御装置７０の動作によって得られたデータとが記憶される。

通信部７３は、少なくとも１つの通信用インタフェースを含む。通信用インタフェースは、例えば、Ethernet（登録商標）などの有線ＬＡＮ通信規格、ＩＥＥＥ８０２．１１などの無線ＬＡＮ通信規格に対応したインタフェース、ＬＴＥ、４Ｇ規格、若しくは５Ｇ規格などの移動通信規格に対応したインタフェース、又はBluetooth（登録商標）などの近距離無線通信に対応したインタフェースである。「ＬＡＮ」は、local area networkの略語である。「ＩＥＥＥ」は、Institute of Electrical and Electronics Engineersの略称である。「ＬＴＥ」は、Long Term Evolutionの略語である。「４Ｇ」は、4th generationの略語である。「５Ｇ」は、5th generationの略語である。通信部７３は、センサ群６０及び調整機構８０と通信を行う。通信部７３は、制御装置７０の動作に用いられるデータを受信し、また制御装置７０の動作によって得られるデータを送信する。

制御装置７０の少なくとも一部の機能は、本実施形態に係るプログラムを、制御部７１としてのプロセッサで実行することにより実現される。すなわち、制御装置７０の少なくとも一部の機能は、ソフトウェアにより実現される。プログラムは、制御装置７０の動作をコンピュータに実行させることで、コンピュータを制御装置７０として機能させる。すなわち、コンピュータは、プログラムに従って制御装置７０の動作を実行することにより制御装置７０として機能する。

プログラムは、非一時的なコンピュータ読取り可能な媒体に記憶しておくことができる。非一時的なコンピュータ読取り可能な媒体は、例えば、フラッシュメモリ、磁気記録装置、光ディスク、光磁気記録媒体、又はＲＯＭである。プログラムの流通は、例えば、プログラムを記憶したＳＤカード、ＤＶＤ、又はＣＤ－ＲＯＭなどの可搬型媒体を販売、譲渡、又は貸与することによって行う。「ＳＤ」は、Secure Digitalの略語である。「ＤＶＤ」は、digital versatile discの略語である。「ＣＤ－ＲＯＭ」は、compact disc read only memoryの略語である。プログラムをサーバのストレージに格納しておき、サーバから他のコンピュータにプログラムを転送することにより、プログラムを流通させてもよい。プログラムをプログラムプロダクトとして提供してもよい。

コンピュータは、例えば、可搬型媒体に記憶されたプログラム又はサーバから転送されたプログラムを、一旦、主記憶装置に格納する。そして、コンピュータは、主記憶装置に格納されたプログラムをプロセッサで読み取り、読み取ったプログラムに従った処理をプロセッサで実行する。コンピュータは、可搬型媒体から直接プログラムを読み取り、プログラムに従った処理を実行してもよい。コンピュータは、コンピュータにサーバからプログラムが転送される度に、逐次、受け取ったプログラムに従った処理を実行してもよい。サーバからコンピュータへのプログラムの転送は行わず、実行指示及び結果取得のみによって機能を実現する、いわゆるＡＳＰ型のサービスによって処理を実行してもよい。「ＡＳＰ」は、application service providerの略語である。プログラムには、電子計算機による処理の用に供する情報であってプログラムに準ずるものが含まれる。例えば、コンピュータに対する直接の指令ではないがコンピュータの処理を規定する性質を有するデータは、「プログラムに準ずるもの」に該当する。

制御装置７０の一部又は全ての機能が、制御部７１としてのプログラマブル回路又は専用回路により実現されてもよい。すなわち、制御装置７０の一部又は全ての機能が、ハードウェアにより実現されてもよい。

図４を参照して、本実施形態に係る制御装置７０の動作を説明する。この動作は、本実施形態に係る制御方法に相当する。

制御装置７０の制御部７１は、流体１４を冷却する能力の目標に応じて圧縮機２０の回転数を調整するとともに、圧縮機２０の回転数とセンサ群６０から通信部７３を介して得られたセンサ値とに応じて膨張タービン３０の回転数を調整する。

圧縮機２０の回転数を調整する処理の手順としては、従来と同様の手順を用いてよい。例えば、制御装置７０の制御部７１は、第３温度計６７から通信部７３を介して入力された温度の測定値を、記憶部７２に予め記憶されているか、又は通信部７３を介して入力された温度の設定値と比較することで、流体１４を冷却する能力の目標が達成されているかどうかを判定する。制御部７１は、得られた判定結果に応じて、すなわち、温度の測定値と温度の設定値との差が解消されるように、第１インバータ８１を介して圧縮機２０の回転数を増減させる。例えば、制御部７１は、温度の測定値が温度の設定値よりも高い場合は、冷却を促進する必要があるため、第１インバータ８１を介して圧縮機２０の回転数を増加させることで冷凍能力を増大させる。

以下では、膨張タービン３０の回転数を調整する処理の手順について説明する。

ステップＳ１からステップＳ５において、制御装置７０の制御部７１は、センサ値として、膨張タービン３０の入口３１の圧力及び温度の測定値と、膨張タービン３０の出口３２の圧力及び温度の測定値とを少なくとも取得する。制御部７１は、取得した測定値と、特性データとを参照して、膨張タービン３０の回転数の設定値を算出することで、膨張タービン３０の回転数を調整する。特性データは、圧縮機２０の回転数と圧縮機２０の入口２１及び出口２２の圧力比との組合せごとに、標準状態の体積流量を定義するデータである。標準状態の体積流量とは、冷媒１３の圧力及び温度がそれぞれ基準圧力及び基準温度であるときの体積流量のことをいう。一般的に、ターボ式の圧縮機については、冷凍機に搭載する前に評価試験又はシミュレーションにおいて回転数、圧力比、及び体積流量の関係が特定され、特性データとして記録される。この特性データは、起動時のサージなどのトラブルを回避するためにも必要となる。図２は、圧縮機２０の標準状態の体積流量と圧力比及び回転数との関係を模式化したグラフである。本実施形態では、このグラフで表されるような関係を定義したデータが特性データとして制御装置７０の記憶部７２に予め記憶されているものとする。

ステップＳ１からステップＳ５の処理は、圧縮機２０の回転数が変動したときに実行される。すなわち、制御装置７０の制御部７１は、圧縮機２０の回転数の変動を検知すると、膨張タービン３０の回転数の設定値を算出する。あるいは、ステップＳ１からステップＳ５の処理は、圧縮機２０の回転数の変動から一定時間が経過したときに実行されてもよい。すなわち、制御装置７０の制御部７１は、圧縮機２０の回転数の変動から一定時間が経過すると、膨張タービン３０の回転数の設定値を算出してもよい。

以下では、ステップＳ１からステップＳ５の処理の詳細について説明する。

ステップＳ１において、制御装置７０の制御部７１は、センサ値として、圧縮機２０の入口２１の圧力の測定値と、圧縮機２０の出口２２の圧力の測定値とを取得する。制御部７１は、圧縮機２０の入口２１の圧力の測定値及び圧縮機２０の出口２２の圧力の測定値の比と圧縮機２０の回転数との組合せに対応付けて特性データで定義されている標準状態の体積流量を特定する。

具体的には、制御装置７０の制御部７１は、第１圧力計６１から通信部７３を介して圧縮機２０の入口２１の圧力の測定値を取得する。制御部７１は、第２圧力計６２から通信部７３を介して圧縮機２０の出口２２の圧力の測定値を取得する。圧縮機２０の回転数については、制御部７１は、圧縮機２０の回転数を調整する際に算出した設定値を取得する。あるいは、制御部７１は、圧縮機２０の回転数を測定するために追加的に設けられたセンサから通信部７３を介して測定値を取得してもよい。制御部７１は、圧縮機２０の入口２１の圧力の測定値及び圧縮機２０の出口２２の圧力の測定値の比を圧縮機２０の圧力比として算出する。制御部７１は、記憶部７２に予め記憶されている特性データを参照して、圧縮機２０の圧力比の算出値と圧縮機２０の回転数の設定値又は測定値との組合せに対応する標準状態の体積流量を算出する。すなわち、制御部７１は、圧縮機２０の圧力比と回転数との関係から標準状態の体積流量を推算する。

ステップＳ２において、制御装置７０の制御部７１は、センサ値として、膨張タービン３０の出口３２の圧力及び温度の測定値を取得する。制御部７１は、ステップＳ１で特定した標準状態の体積流量をＱ_１、基準圧力をＰ_１、基準温度をＴ_１、膨張タービン３０の出口３２の圧力及び温度の測定値をそれぞれＰ_２及びＴ_２としたとき、Ｑ＝（Ｑ_１Ｐ_１Ｔ_２）／（Ｔ_１Ｐ_２）なる式に則って膨張タービン３０の出口３２の体積流量Ｑを算出する。

具体的には、制御装置７０の制御部７１は、第４圧力計６４及び第２温度計６６から通信部７３を介して膨張タービン３０の出口３２の圧力及び温度の測定値を取得する。制御部７１は、ステップＳ１で得られた標準状態の体積流量の推算値と、膨張タービン３０の出口３２の圧力及び温度の測定値とから、式２により膨張タービン３０の出口３２の体積流量Ｑを算出する。

ステップＳ３において、制御装置７０の制御部７１は、センサ値として、膨張タービン３０の入口３１の圧力及び温度の測定値を取得する。制御部７１は、膨張タービン３０の入口３１の圧力及び温度の測定値から膨張タービン３０の入口３１のエンタルピーｈ_ｉｎ＿ｒ及びエントロピーを推定する。制御部７１は、推定したエントロピーと、ステップＳ２で取得した膨張タービン３０の出口３２の圧力又は温度の測定値とから膨張タービン３０の出口３２の理論エンタルピーｈ_{ｏｕｔ＿ｉ}を算出する。制御部７１は、Ｈ＝ｈ_ｉｎ＿ｒ－ｈ_{ｏｕｔ＿ｉ}なる式に則って膨張タービン３０の理論断熱ヘッドＨを算出する。

具体的には、制御装置７０の制御部７１は、第３圧力計６３及び第１温度計６５から通信部７３を介して膨張タービン３０の入口３１の圧力及び温度の測定値を取得する。制御部７１は、膨張タービン３０の入口３１の圧力及び温度の測定値から入口エンタルピー及び入口エントロピーを推算する。制御部７１は、入口エントロピーの推算値と、ステップＳ２で取得した膨張タービン３０の出口３２の圧力又は温度の測定値とから理想的な出口エンタルピーを推算する。制御部７１は、理想的な出口エンタルピーの推算値と、入口エンタルピーの推算値とから、式３により膨張タービン３０の理論断熱ヘッドＨを算出する。すなわち、制御部７１は、理想的な出口エンタルピーの推算値と、入口エンタルピーの推算値との差を算出することで理論断熱ヘッドＨを推算する。

ステップＳ４において、制御装置７０の制御部７１は、ステップＳ１及びステップＳ２で膨張タービン３０の出口３２の圧力及び温度の測定値と、特性データとを参照して算出した膨張タービン３０の出口３２の体積流量Ｑと、ステップＳ３で膨張タービン３０の入口３１の圧力及び温度の測定値と、膨張タービン３０の出口３２の圧力又は温度の測定値とを参照して算出した膨張タービン３０の理論断熱ヘッドＨとから、Ｎ＝（２πｒ√Ｑ）／（Ｈ^０．７５）なる式で表される比速度Ｎが基準範囲内になるｒを膨張タービン３０の回転数の設定値として算出する。すなわち、制御部７１は、ステップＳ２で得られた膨張タービン３０の出口３２の体積流量Ｑの算出値と、ステップＳ３で得られた膨張タービン３０の理論断熱ヘッドＨの算出値と、比速度Ｎの基準範囲とから、式１により逆算的に膨張タービン３０の最適回転数を算出する。基準範囲は、本実施形態では、予め０．６以上０．７以下に設定されているものとするが、適宜変更してもよい。基準範囲は、１つの基準値として設定されてもよい。

ステップＳ５において、制御装置７０の制御部７１は、ステップＳ４で算出した膨張タービン３０の回転数の設定値を、通信部７３を介して第１インバータ８１に出力することで、第１インバータ８１及び第２インバータ８２を介して膨張タービン３０の回転数を調整する。あるいは、制御部７１は、ステップＳ４で算出した膨張タービン３０の回転数の設定値を、通信部７３を介して第２インバータ８２に直接出力することで、第２インバータ８２を介して膨張タービン３０の回転数を調整してもよい。

本実施形態では、ステップＳ１からステップＳ４の処理を制御装置７０にて実行することで、ある運転状態での基準比速度に対する膨張タービン３０の理想的な回転数が算出できる。例えば、比速度Ｎの基準値を０．６５とした場合、制御装置７０は、式１により逆算的に比速度Ｎが０．６５となる回転数を算出できる。ステップＳ５において、制御装置７０は、第２インバータ８２へ回転数指令を出力することにより、圧縮機２０の運転状態に合わせて膨張タービン３０の回転数を高効率が得られる回転数に自動調整することができる。

図５を参照して、本実施形態の変形例に係る冷凍機１０ａの構成を説明する。

冷凍機１０ａの構成は、膨張タービン３０が副熱交換器５０の出口と主熱交換器４０の入口との間に配置される点を除いて、図１に示した冷凍機１０の構成と同様である。この変形例では、副熱交換器５０は、第１冷媒ライン１１の主熱交換器４０の下流における冷媒１３と外部の流体１４との間の熱交換を行う。

図１に示した冷凍機１０では、主熱交換器４０と膨張タービン３０との間に第３圧力計６３及び第１温度計６５が設けられるのに対し、図５に示した冷凍機１０ａでは、副熱交換器５０と膨張タービン３０との間に第３圧力計６３及び第１温度計６５が設けられる。図１に示した冷凍機１０では、膨張タービン３０と副熱交換器５０との間に第４圧力計６４及び第２温度計６６が設けられるのに対し、図５に示した冷凍機１０ａでは、膨張タービン３０と主熱交換器４０との間に第４圧力計６４及び第２温度計６６が設けられる。

ターボ式の圧縮機２０と、膨張タービン３０と、主熱交換器４０と、副熱交換器５０と、センサ群６０と、制御装置７０と、調整機構８０との機能及び動作については、図１に示した冷凍機１０と同様であるため、説明を省略する。

本開示は上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、ブロック図に記載の複数のブロックを統合してもよいし、又は１つのブロックを分割してもよい。フローチャートに記載の複数のステップを記述に従って時系列に実行する代わりに、各ステップを実行する装置の処理能力に応じて、又は必要に応じて、並列的に又は異なる順序で実行してもよい。その他、本開示の趣旨を逸脱しない範囲での変更が可能である。

１０，１０ａ 冷凍機
１１ 第１冷媒ライン
１２ 第２冷媒ライン
１３ 冷媒
１４ 流体
１５ 流体ライン
２０ 圧縮機
２１ 入口
２２ 出口
３０ 膨張タービン
３１ 入口
３２ 出口
４０ 主熱交換器
５０ 副熱交換器
６０ センサ
６１ 第１圧力計
６２ 第２圧力計
６３ 第３圧力計
６４ 第４圧力計
６５ 第１温度計
６６ 第２温度計
６７ 第３温度計
７０ 制御装置
７１ 制御部
７２ 記憶部
７３ 通信部
８０ 調整機構
８１ 第１インバータ
８２ 第２インバータ

Claims (10)

1. 冷媒を圧縮するターボ式の圧縮機と、
   前記冷媒を膨張させる膨張タービンと、
   前記圧縮機の出口と前記膨張タービンの入口とを接続する第１冷媒ラインと、
   前記膨張タービンの出口と前記圧縮機の入口とを接続する第２冷媒ラインと、
   前記第１冷媒ラインと前記第２冷媒ラインとの間で前記冷媒の熱交換を行う主熱交換器と、
   前記第１冷媒ラインの前記主熱交換器の下流又は前記第２冷媒ラインの前記主熱交換器の上流における前記冷媒と外部の流体との間の熱交換を行う副熱交換器と、
   少なくとも前記第１冷媒ライン及び前記第２冷媒ラインに取り付けられたセンサ群と、
   前記流体を冷却する能力の目標に応じて前記圧縮機の回転数を調整するとともに、前記圧縮機の回転数と前記センサ群から得られたセンサ値とに応じて前記膨張タービンの回転数を調整する制御装置と
   を備える冷凍機。
2. 前記制御装置は、前記センサ値として、前記膨張タービンの入口の圧力及び温度の測定値と、前記膨張タービンの出口の圧力及び温度の測定値とを少なくとも取得し、取得した測定値と、前記圧縮機の回転数と前記圧縮機の入口及び出口の圧力比との組合せごとに、前記冷媒の圧力及び温度がそれぞれ基準圧力及び基準温度であるときの体積流量を定義する特性データとを参照して、前記膨張タービンの回転数の設定値を算出することで、前記膨張タービンの回転数を調整する請求項１に記載の冷凍機。
3. 前記制御装置は、前記膨張タービンの出口の圧力及び温度の測定値と、前記特性データとを参照して、前記膨張タービンの出口の体積流量Ｑを算出するとともに、前記膨張タービンの入口の圧力及び温度の測定値と、前記膨張タービンの出口の圧力又は温度の測定値とを参照して、前記膨張タービンの理論断熱ヘッドＨを算出し、Ｎ＝（２πｒ√Ｑ）／（Ｈ^０．７５）なる式で表される比速度Ｎが基準範囲内になるｒを前記膨張タービンの回転数の設定値として算出する請求項２に記載の冷凍機。
4. 前記制御装置は、前記センサ値として、前記圧縮機の入口の圧力の測定値と、前記圧縮機の出口の圧力の測定値とを更に取得し、前記圧縮機の入口の圧力の測定値及び前記圧縮機の出口の圧力の測定値の比と前記圧縮機の回転数との組合せに対応付けて前記特性データで定義されている体積流量をＱ_１、前記基準圧力をＰ_１、前記基準温度をＴ_１、前記膨張タービンの出口の圧力及び温度の測定値をそれぞれＰ_２及びＴ_２としたとき、Ｑ＝（Ｑ_１Ｐ_１Ｔ_２）／（Ｔ_１Ｐ_２）なる式に則って前記膨張タービンの出口の体積流量Ｑを算出する請求項３に記載の冷凍機。
5. 前記制御装置は、前記膨張タービンの入口の圧力及び温度の測定値から前記膨張タービンの入口のエンタルピーｈ_ｉｎ＿ｒ及びエントロピーを推定し、推定したエントロピーと、前記膨張タービンの出口の圧力又は温度の測定値とから前記膨張タービンの出口の理論エンタルピーｈ_{ｏｕｔ＿ｉ}を算出し、Ｈ＝ｈ_ｉｎ＿ｒ－ｈ_{ｏｕｔ＿ｉ}なる式に則って前記膨張タービンの理論断熱ヘッドＨを算出する請求項３に記載の冷凍機。
6. 前記基準範囲は、０．６以上０．７以下である請求項３に記載の冷凍機。
7. 前記制御装置は、前記圧縮機の回転数の変動を検知するか、又は前記圧縮機の回転数の変動から一定時間が経過すると、前記膨張タービンの回転数の設定値を算出する請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の冷凍機。
8. 冷媒を圧縮するターボ式の圧縮機と、前記冷媒を膨張させる膨張タービンと、前記圧縮機の出口と前記膨張タービンの入口とを接続する第１冷媒ラインと、前記膨張タービンの出口と前記圧縮機の入口とを接続する第２冷媒ラインと、前記第１冷媒ラインと前記第２冷媒ラインとの間で前記冷媒の熱交換を行う主熱交換器と、前記第１冷媒ラインの前記主熱交換器の下流又は前記第２冷媒ラインの前記主熱交換器の上流における前記冷媒と外部の流体との間の熱交換を行う副熱交換器とを含む冷媒サイクルを制御する制御装置であって、
   少なくとも前記第１冷媒ライン及び前記第２冷媒ラインに取り付けられたセンサ群と通信を行う通信部と、
   前記流体を冷却する能力の目標に応じて前記圧縮機の回転数を調整するとともに、前記圧縮機の回転数と前記センサ群から前記通信部を介して得られたセンサ値とに応じて前記膨張タービンの回転数を調整する制御部と
   を備える制御装置。
9. 冷媒を圧縮するターボ式の圧縮機と、前記冷媒を膨張させる膨張タービンと、前記圧縮機の出口と前記膨張タービンの入口とを接続する第１冷媒ラインと、前記膨張タービンの出口と前記圧縮機の入口とを接続する第２冷媒ラインと、前記第１冷媒ラインと前記第２冷媒ラインとの間で前記冷媒の熱交換を行う主熱交換器と、前記第１冷媒ラインの前記主熱交換器の下流又は前記第２冷媒ラインの前記主熱交換器の上流における前記冷媒と外部の流体との間の熱交換を行う副熱交換器とを含む冷媒サイクルを制御する制御方法であって、
   前記流体を冷却する能力の目標に応じて前記圧縮機の回転数を調整し、
   少なくとも前記第１冷媒ライン及び前記第２冷媒ラインに取り付けられたセンサ群からセンサ値を取得し、
   前記圧縮機の回転数と前記センサ群から得られたセンサ値とに応じて前記膨張タービンの回転数を調整する制御方法。
10. 冷媒を圧縮するターボ式の圧縮機と、前記冷媒を膨張させる膨張タービンと、前記圧縮機の出口と前記膨張タービンの入口とを接続する第１冷媒ラインと、前記膨張タービンの出口と前記圧縮機の入口とを接続する第２冷媒ラインと、前記第１冷媒ラインと前記第２冷媒ラインとの間で前記冷媒の熱交換を行う主熱交換器と、前記第１冷媒ラインの前記主熱交換器の下流又は前記第２冷媒ラインの前記主熱交換器の上流における前記冷媒と外部の流体との間の熱交換を行う副熱交換器とを含む冷媒サイクルを制御するプログラムであって、
    少なくとも前記第１冷媒ライン及び前記第２冷媒ラインに取り付けられたセンサ群と通信を行うコンピュータに、
    前記流体を冷却する能力の目標に応じて前記圧縮機の回転数を調整する処理とともに、前記圧縮機の回転数と前記センサ群から得られたセンサ値とに応じて前記膨張タービンの回転数を調整する処理を実行させるプログラム。

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