WO2023149147A1 - 冷凍機の制御方法、冷凍機の制御プログラム及び冷凍機 - Google Patents

Abstract

ターボ式の圧縮機のクールダウンにおけるサージングを防止しつつ、クールダウン速度を向上させることが可能である、冷凍機の制御方法、冷凍機の制御プログラム及び冷凍機を提供することを目的とし、本発明はバイパス弁（１２）を開とする工程１と、膨張タービン（１５）を起動する工程２と、ターボ式の圧縮機（１１）を無負荷運転が可能な回転数で起動する工程と、圧縮機流量と圧力比との関係が運転可能領域の範囲内における低流量高圧力比側を推移するように、ターボ式の圧縮機（１１）の回転数を増速する工程と、バイパス弁（１２）を閉とする工程と、温度計（１６）の測定値が所定の値になるまでクールダウンする工程とを含む冷凍機（１０１）の制御方法を提供する。

Description

冷凍機の制御方法、冷凍機の制御プログラム及び冷凍機

　本発明は、冷凍機の制御方法、冷凍機の制御プログラム及び冷凍機に関する。

　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する冷凍機は、送電ケーブル、限流器又は変圧器等の超電導電力機器の冷却に用いられる。超電導電力機器の冷却では、液体窒素、液体水素、液体へリウム等（以下、被冷却流体）を超電導電力機器に循環させ、超電導電力機器での発熱や系内の侵入熱により熱負荷を受けて昇温した被冷却流体が冷凍機によって所定の温度まで冷却される。冷凍機は大容量の冷凍能力が必要となる場合に適している。冷凍機の冷媒としてはネオンガス、ヘリウムガス等が用いられている。

　ターボ式の圧縮機は流量と圧力比との関係から、一定流量以下になるとサージングが発生する。回転数によりサージングが発生する流量は異なり、各回転数のサージング開始流量を結んだ曲線をサージラインと呼ぶ。ターボ式の圧縮機は膨張タービンが十分に冷えている状態（冷凍機の定常状態）において規定の流量となるようインペラやディフューザなどの内部構成部品が設計されている。また、膨張タービンは常温では流量が小さくなり、低温になると流量が増加する特性がある。したがって常温からの冷凍機起動時は、膨張タービンが常温のため、圧縮機流量は設計よりも小さくなりサージングが発生するおそれがある。そのため一般的に、常温時の膨張タービン流量の低下分を補うために、圧縮機出入口を接続するバイパスラインおよびバイパス弁が設けられ、バイパス弁の開閉で圧縮機流量を調整し、サージングを回避する。圧縮機流量及び圧力比は、タービン温度、圧縮機回転数及びバイパス弁開度により決定される。タービン温度及び圧縮機回転数が一定のとき、バイパス弁の開度を大きくすると、圧縮機流量は増加し圧力比は減少する。タービン温度及びバイパス弁開度が一定のとき、圧縮機回転数を大きくすると、圧縮機流量及び圧力比は増加する。圧縮機回転数及びバイパス弁開度が一定のとき、タービン温度が低下すると、圧縮機流量は増加し、圧力比は減少する。

　一方で、圧縮機流量が大きくなると、ある流量においてチョークが発生し運転が不可能となる。サージラインと同様に、各回転数におけるチョーク流量を結んだ曲線をチョークラインと呼ぶ。また、流量が大きくなると圧縮機の動力も大きくなり、チョークに達する前にモータが過負荷となり運転ができなくなる可能性もある。したがって、ある回転数における最大流量はチョーク又は過負荷により決定される。ただし、本明細書においては、便宜上、チョークラインを最大流量とする。したがって、圧縮機の運転可能領域はサージラインとチョークラインの中間領域となる。

　以上より、常温から所定の冷却温度まで冷却（クールダウン）する際に、圧縮機の圧力比および流量を運転可能領域内に保つ必要がある。さらに、クールダウン時間を極力短くすることで、被冷却流体の冷却が早期に可能となる。そのためには、クールダウン中の圧力比を極力高くすることが有効である。

　特許文献１が示すように、冷凍機の常温起動時にはバイパス弁を開状態とし、流量を確保することでサージングを防止し、十分に冷却が進んだ後バイパス弁を閉状態とする運転方法は一般的に知られている。

　特許文献２が示すように、インレットガイドベーン（圧縮機入口流量調節弁）およびバイパス弁を利用することで複数段の圧縮機についてもサージングを回避した運転が示されている。

特開２０１８－０６６５１１ 特開２０２０－０７９６８８

　特許文献１では、バイパス弁の開度を起動時に開状態、起動後に閉状態とすることで、圧縮機のサージングを防止しているが、クールダウン速度を早める方法については言及されていない。
　特許文献２の方法では構成機器が多くなり、装置の故障リスク及びコストが高まるため、より簡便な装置が望ましい。また本用途においては、系内の圧力損失増加による冷凍能力の低下を防止するため、空調設備用冷凍機などに採用されるインレットガイドベーンは設けない。
　超電導電力機器向けの冷凍機は、クールダウンが完了し膨張タービンが冷却されれば、ターボ式の圧縮機の設計流量が確保でき、サージングの可能性は少ない。そのため、非定常であるクールダウン時においてサージングを防止する制御を加えれば運転上差し支えない。

　本発明は、ターボ式の圧縮機のクールダウンにおけるサージングを防止しつつ、クールダウン速度を向上させることが可能である、冷凍機の制御方法、冷凍機の制御プログラム及び冷凍機を提供することを課題とする。

［１］　第１の冷媒が循環する第１の循環経路と、第２の冷媒が循環する第２の循環経路と、前記第１の循環経路に配置され、前記第１の冷媒を断熱圧縮するターボ式の圧縮機と、前記第１の循環経路に配置され、前記ターボ式の圧縮機により断熱圧縮される前の前記第１の冷媒と前記ターボ式の圧縮機により断熱圧縮された後の前記第１の冷媒との熱交換を行う主熱交換器と、前記第１の循環経路に配置され、前記第１の冷媒を断熱膨張する膨張タービンと、前記第１の循環経路及び前記第２の循環経路に配置され、前記第１の冷媒と前記第２の冷媒との熱交換を行う副熱交換器と、前記第１の循環経路に配置された測定手段と、前記ターボ式の圧縮機を制御する第１のインバータと、前記膨張タービンを制御する第２のインバータと、前記第１のインバータ及び前記第２のインバータの一方又は両方を制御する制御装置と、前記ターボ式の圧縮機の下流側で、かつ前記主熱交換器の上流側に前記ターボ式の圧縮機で断熱圧縮された前記第１の冷媒を前記ターボ式の圧縮機に戻すバイパスラインと、前記バイパスライン上に前記バイパスラインを開閉するバイパス弁と、を備える冷凍機の制御方法であって、
　前記バイパス弁を開とする工程１と、
　前記膨張タービンを起動する工程２と、
　前記ターボ式の圧縮機を無負荷運転が可能な回転数で起動する工程３と、
　前記ターボ式の圧縮機の回転数を圧縮機流量と圧力比の関係が運転可能領域の範囲内における低流量高圧力比側を推移するように増速する工程４と、
　前記バイパス弁を閉とする工程５と、
　前記測定手段の測定値が所定の値になるまでクールダウンする工程６と、
を含む冷凍機の制御方法。
［２］　前記測定手段が、前記膨張タービンの入口側若しくは出口側又は前記副熱交換器の出口側の前記第１の冷媒の温度を測定する温度計、前記ターボ式の圧縮機の出口側の前記第１の冷媒の流量を測定する流量計、及び前記ターボ式の圧縮機の入口側と出口側の前記第１の冷媒の圧力差を測定する差圧計からなる群から選択される少なくとも１種である、［１］に記載の冷凍機の制御方法。
［３］　前記工程３の直後に前記バイパス弁の開度を中間開度に変更する、［１］又は［２］に記載の冷凍機の制御方法。
［４］　前記工程４において、圧縮機流量と圧力比の関係が運転可能領域の範囲内における低流量高圧力比側末端を推移するように前記ターボ式の圧縮機の回転数を増速した後、予め定めた一定の回転数で保持した後、前記バイパス弁を閉とする、［１］～［３］のいずれかに記載の冷凍機の制御方法。
［５］　前記工程４、前記工程５及び前記工程６を同時に実行する、［１］～［３］のいずれかに記載の冷凍機の制御方法。
［６］　［１］～［５］のいずれかに記載の冷凍機の制御方法をコンピュータに実行させる、冷凍機の制御プログラム。
［７］　［６］に記載の冷凍機の制御プログラムを搭載した制御装置を備える、冷凍機。

　本発明によれば、ターボ式の圧縮機のクールダウンにおけるサージングを防止しつつ、クールダウン速度を向上させることが可能である、冷凍機の制御方法、冷凍機の制御プログラム及び冷凍機を提供することができる。

図１は、第１の実施形態に係る冷凍機の概略構成図である。 図２は、第２の実施形態に係る冷凍機の概略構成図である。 図３は、第３の実施形態に係る冷凍機の概略構成図である。 図４は、本発明の冷凍機の制御方法を実行した場合の、ターボ式の圧縮機の出口側の第１の冷媒の流量（圧縮機流量、横軸）と、ターボ式の圧縮機の出口側の第１の冷媒の圧力と入口側の第１の冷媒の圧力との比（出口側圧力／入り口側圧力）の値（圧力比、縦軸）との関係を示すグラフである。 図５は、本発明の冷凍機の制御方法を実行した場合の、ターボ式の圧縮機の出口側の第１の冷媒の流量（圧縮機流量、横軸）と、ターボ式の圧縮機の出口側の第１の冷媒の圧力と入口側の第１の冷媒の圧力との比（出口側圧力／入り口側圧力）の値（圧力比、縦軸）との関係を示すグラフである。 図６は、本発明の冷凍機の制御方法を実行した場合の、ターボ式の圧縮機の出口側の第１の冷媒の流量（圧縮機流量、横軸）と、ターボ式の圧縮機の出口側の第１の冷媒の圧力と入口側の第１の冷媒の圧力との比（出口側圧力／入り口側圧力）の値（圧力比、縦軸）との関係を示すグラフである。 図７は、本発明の冷凍機の制御方法を実行した場合の、ターボ式の圧縮機の出口側の第１の冷媒の流量（圧縮機流量、横軸）と、ターボ式の圧縮機の出口側の第１の冷媒の圧力と入口側の第１の冷媒の圧力との比（出口側圧力／入り口側圧力）の値（圧力比、縦軸）との関係を示すグラフである。 図８は、従来の冷凍機の制御方法を実行した場合の、ターボ式の圧縮機の出口側の第１の冷媒の流量（圧縮機流量、横軸）と、ターボ式の圧縮機の出口側の第１の冷媒の圧力と入口側の第１の冷媒の圧力との比（出口側圧力／入り口側圧力）の値（圧力比、縦軸）との関係を示すグラフである。

　本発明において「～」を用いて表される数値範囲は「～」の両側の数値をその数値範囲に含む。
　「サージング」とは、圧縮機吐出流体の逆流・脈動により激しい音響と大きな振動を伴い、圧縮機自体又はその配管を損傷させてしまう現象をいう。
　「チョーク」とは、圧縮機内部又は出口の流速が音速に達し運転ができない流量をいう。

　以下では本発明の実施形態について詳細に説明するが、本発明は後述する実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。

［冷凍機］
（第１の実施形態）
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る冷凍機１０１の概略構成図である。
　冷凍機１０１は、第１の冷媒Ｍ１が循環する第１の循環経路Ｌ１と、第２の冷媒Ｍ２が循環する第２の循環経路Ｌ２とを備えている。

　第１の循環経路Ｌ１には、第１の冷媒Ｍ１を断熱圧縮するターボ式の圧縮機１１と、ターボ式の圧縮機１１により断熱圧縮される前の第１の冷媒Ｍ１とターボ式の圧縮機１１により断熱圧縮された後の第１の冷媒Ｍ１との熱交換を行い、冷熱を回収する主熱交換器１３と、第１の冷媒Ｍ１を断熱膨張して寒冷を発生させる膨張タービン１５とが配置されている。

　第１の循環経路Ｌ１及び第２の循環経路Ｌ２には、第１の冷媒Ｍ１と第２の冷媒Ｍ２との熱交換を行う副熱交換器１４が配置されている。

　第１の循環経路Ｌ１上の膨張タービン１５の入口側には、第１の冷媒Ｍ１の温度を測定する温度計１６が配置されている。図１では、温度計１６を膨張タービン１５の入口側に配置しているが、膨張タービン１５の出口側又は副熱交換器１４の出口側に配置してもよい。

　冷凍機１０１は、ターボ式の圧縮機１１を制御する第１のインバータ２２と、膨張タービン１５を制御する第２のインバータ２３と、第１のインバータ２２及び第２のインバータ２３を制御する制御装置２１とを備えている。
　バイパス弁１２の開閉は制御装置２１によって制御される。
　制御装置２１とバイパス弁１２とは通信ラインＣ１で接続されている。
　制御装置２１と第１のインバータ２２は通信ラインＣ２で接続され、第１のインバータ２２と第２のインバータ２３とは通信ラインＣ３で接続されている。
　第１のインバータ２２とターボ式の圧縮機１１とは通信ラインＣ４で接続されている。
　第２のインバータ２３と膨張タービン１５とは通信ラインＣ５で接続されている。
　制御装置２１と温度計１６とは通信ラインＣ６で接続され、温度計１６の測定値は制御装置２１に入力される。
　ターボ式の圧縮機１１は第１のインバータ２２からの指令により、膨張タービン１５は第２のインバータ２３からの指令により、それぞれ、運転及び回転数の調整が可能である。
　第１のインバータ２２は、制御装置２１により電力供給及び制御入出力がなされる。第２のインバータ２３は、第１のインバータ２２を介して制御装置２１により電力供給及び制御入出力がなされる。第２のインバータ２３への電力供給及び制御入出力は、第１のインバータ２２を介さず、制御装置２１から直接なされてもよいし、制御装置２１とは独立した制御装置からなされてもよい。

　冷凍機１０１は、ターボ式の圧縮機１１の下流側で、かつ主熱交換器１３の上流側に、ターボ式の圧縮機１１で断熱圧縮された第１の冷媒Ｍ１を、ターボ式の圧縮機１１に戻すバイパスラインＬ３を備えている。

　バイパスラインＬ３上には、バイパスラインＬ３を開閉するバイパス弁１２が配置されている。
　バイパス弁１２は、制御装置２１からの指令により駆動する自動弁であり、全開／全閉のみ切替え可能な電磁弁又は開度調節可能な調節弁である。

　図１に示す冷凍機１０１では、バイパスラインは、ターボ式の圧縮機１１の出口側と入口側とを接続する経路としている。しかしながら、主熱交換器１３と膨張タービン１５の入口側との間と、膨張タービン１５の出口側と主熱交換器１３との間を接続する経路としてもよい。ただし、この場合、当該バイパスライン上に設置するバイパス弁を低温仕様にする必要があり、コスト増の要因となるため、ターボ式の圧縮機１１の入口側と出口側とを接続する経路とすることが好ましい。
　バイパス弁１２は、冷凍機常温起動時に開度全開において極力サージライン近辺の流量となるようなサイズを選定することが好ましい。バイパス弁本体及び周辺配管のコストが高くなるという欠点はあるが、裕度を持たせてサイズの大きいバイパス弁を用いてもよい。

（第２の実施形態）
　図２は、本発明の第２の実施形態に係る冷凍機１０２の概略構成図である。
　以下では本発明の第２の実施形態に係る冷凍機１０２と本発明の第１の実施形態に係る冷凍機１０１との相違点を中心に説明する。

　冷凍機１０２は、第１の循環経路Ｌ１上のターボ式の圧縮機１１の出口側に、第１の冷媒Ｍ１の流量を測定する流量計１７が配置されている。流量計１７はターボ式の圧縮機１１の入口側に配置されていてもよい。
　制御装置２１と流量計１７とは通信ラインＣ７で接続され、流量計１７の測定値は制御装置２１に入力される。

　図２には温度計１６を図示していないが、第１の冷媒Ｍ１の温度を測定する温度計１６が、膨張タービン１５の入口側若しくは出口側又は副熱交換器１４の出口側に配置されていてもよい。この場合、制御装置２１と温度計１６とは通信ラインで接続され、温度計１６の測定値は制御装置２１に入力される。

（第３の実施形態）
　図３は、本発明の第３の実施形態に係る冷凍機１０３の概略構成図である。
　以下では本発明の第３の実施形態に係る冷凍機１０３と本発明の第２の実施形態に係る冷凍機１０２及び本発明の第１の実施形態に係る冷凍機１０１との相違点を中心に説明する。

　冷凍機１０３は、第１の循環経路Ｌ１上のターボ式の圧縮機１１の入口側と出口側の第１の冷媒Ｍ１の圧力差を測定する差圧計１８を有する。
　制御装置２１と差圧計１８とは通信ラインＣ８で接続され、差圧計１８の測定値は制御装置２１に入力される。

　図３には温度計１６及び流量計１７を図示していないが、第１の冷媒Ｍ１の温度を測定する温度計１６が、膨張タービン１５の入口側若しくは出口側又は副熱交換器１４の出口側に配置されていてもよい。この場合、制御装置２１と温度計１６とは通信ラインで接続され、温度計１６の測定値は制御装置２１に入力される。
　また、第１の冷媒Ｍ１の流量を測定する流量計１７がターボ式の圧縮機１１の出口側又は入口側に配置されていてもよい。この場合、制御装置２１と流量計１７とは通信ラインで接続され、流量計１７の測定値は制御装置２１に入力される。

［冷凍機の制御方法］
（第１の実施形態）
　本発明の第１の実施形態に係る冷凍機１０１の制御方法は、以下の工程１から工程６までを含む（図４参照）。
（１）バイパス弁１２を開とする工程１
（２）膨張タービン１５を起動する工程２
（３）ターボ式の圧縮機１１を無負荷運転が可能な回転数で起動する工程３
（４）圧縮機流量と圧力比との関係が運転可能領域の範囲内における低流量高圧力比側を推移するようにターボ式の圧縮機１１の回転数を増速する工程４
（５）バイパス弁１２を閉とする工程５
（６）温度計１６の測定値が所定の値になるまでクールダウンする工程６
　工程１から工程６までは、この順に実行することが好ましい。
　なお、本願明細書において、「低流量高圧力比側」とは、圧縮機流量と圧力比との関係を示すグラフ（例えば、図４～８を参照）において、低流量高圧比の範囲を意味する。圧縮機流量と圧力比との関係を示すグラフにおいて、低流量高圧比の範囲とは、サージラインと、チョークラインと、圧縮機の工程４の直前の回転数を示すラインと、圧縮機の工程6の直後の回転数を示すラインとによって囲まれた運転可能な範囲において、それぞれのラインを１：１に分割する４点が作る４つの範囲の中の高圧力比かつ低流量側の範囲を意味する。
　言い換えれば、「低流量高圧力比側」とは、運転可能な、圧縮機流量と圧力比との関係を示すグラフにおいて、流量全体に対して半分以下（５０％以下）の流量の範囲である。

　図４は、本発明の第１の実施形態に係る冷凍機１０１の制御方法を実行した場合の、ターボ式の圧縮機１１の出口側の第１の冷媒Ｍ１の流量（圧縮機流量、横軸）と、ターボ式の圧縮機１１の出口側の第１の冷媒Ｍ１の圧力と入口側の第１の冷媒Ｍ１の圧力との比（出口側圧力／入り口側圧力）の値（圧力比、縦軸）との関係を示すグラフである。
　（１）バイパス弁１２を「開」とし、（２）膨張タービン１５を起動する。次いで、（３）ターボ式の圧縮機１１を無負荷運転が可能な回転数で起動する。第１の冷媒Ｍ１の流量（圧縮機流量）及び圧力比が増加する。（４）圧縮機流量と圧力比との関係が運転可能領域の範囲内における低流量高圧力比側を推移するようにターボ式の圧縮機１１の回転数を増加させる。（５）バイパス弁１２を「閉」として、バイパスラインＬ３を通過する冷媒Ｍ１の流量をゼロ又は微小とする。（６）温度計１６の測定値が所定の値になるまでクールダウンする。その後は、ターボ式の圧縮機１１をＰＩＤ制御などの制御モードに切り替えて、温度計１６の測定値が一定の値になるように回転数を制御して、圧縮機のサージングを防止するとともに、高い圧力比を得て、クールダウン速度を向上させる。

　図５は、本発明の第１の実施形態に係る冷凍機１０１の制御方法の別の態様を実行した場合の、ターボ式の圧縮機１１の出口側の第１の冷媒Ｍ１の流量（圧縮機流量、横軸）とターボ式の圧縮機１１の出口側の第１の冷媒Ｍ１の圧力と入口側の第１の冷媒Ｍ１の圧力の比の値（圧力比、縦軸）との関係を示すグラフである。
　（１）バイパス弁１２を「開」とし、（２）膨張タービン１５を起動する。次いで、（３）ターボ式の圧縮機１１を無負荷運転が可能な回転数で起動する。第１の冷媒Ｍ１の流量（圧縮機流量）及び圧力比が増加する。（３）－１：その直後にバイパス弁１２の開度を調整開とし、バイパスラインＬ３の流量を下げる操作を実行する。（４）ターボ式の圧縮機１１の回転数を圧縮機流量と圧力比の関係が運転可能領域の範囲内における低流量高圧力比側を推移するように増加させる。（５）バイパス弁１２を「閉」として、バイパスラインＬ３を通過する冷媒Ｍ１の流量をゼロ又は微小とする。（６）温度計１６の測定値が所定の値になるまでクールダウンする。その後は、ターボ式の圧縮機１１をＰＩＤ制御などの制御モードに切り替えて、温度計１６の測定値が一定の値になるように回転数を制御して、圧縮機のサージングを防止するとともに、高い圧力比を得て、クールダウン速度を向上させる。

　図６は、本発明の第１の実施形態に係る冷凍機１０１の制御方法のまた別の態様を実行した場合の、ターボ式の圧縮機１１の出口側の第１の冷媒Ｍ１の流量（圧縮機流量、横軸）とターボ式の圧縮機１１の出口側の第１の冷媒Ｍ１の圧力と入口側の第１の冷媒Ｍ１の圧力の比の値（圧力比、縦軸）との関係を示すグラフである。
　（１）バイパス弁１２を「開」とし、（２）膨張タービン１５を起動する。次いで、（３）ターボ式の圧縮機１１を無負荷運転が可能な回転数で起動する。第１の冷媒Ｍ１の流量（圧縮機流量）及び圧力比が増加する。（４）ターボ式の圧縮機１１の回転数を圧縮機流量と圧力比の関係が運転可能領域の範囲内における低流量高圧力比側を推移するように増加させる。（４）－１：圧縮機流量と圧力比の関係が運転可能領域の範囲内における低流量高圧力比側末端を推移するように回転数を増速した後、一定の圧縮機回転数を保持してクールダウンを実行し、最後に（５）バイパス弁１２を「閉」として、バイパスラインＬ３を通過する冷媒Ｍ１の流量をゼロ又は微小とする。その後は、ターボ式の圧縮機１１をＰＩＤ制御などの制御モードに切り替えて、温度計１６の測定値が一定の値になるように回転数を制御して、圧縮機のサージングを防止するとともに、高い圧力比を得て、クールダウン速度を向上させる。

　図７は、本発明の第１の実施形態に係る冷凍機１０１の制御方法のさらに別の態様を実行した場合の、ターボ式の圧縮機１１の出口側の第１の冷媒Ｍ１の流量（圧縮機流量、横軸）とターボ式の圧縮機１１の出口側の第１の冷媒Ｍ１の圧力と入口側の第１の冷媒Ｍ１の圧力の比の値（圧力比、縦軸）との関係を示すグラフである。
　（１）バイパス弁１２を「開」とし、（２）膨張タービン１５を起動する。次いで、（３）ターボ式の圧縮機１１を無負荷運転が可能な回転数で起動する。第１の冷媒Ｍ１の流量（圧縮機流量）及び圧力比が増加する。その後、以下の（４）、（５）、（６）を同時に実行する。
　（４）ターボ式の圧縮機１１の回転数を圧縮機流量と圧力比の関係が運転可能領域の範囲内における低流量高圧力比側を推移するように増加させる。
　（５）バイパス弁１２を「閉」として、バイパスラインＬ３を通過する冷媒Ｍ１の流量をゼロ又は微小とする。
　（６）温度計１６の測定値が所定の値になるまでクールダウンする。
　温度計１６の測定値が所定の値になるまでクールダウンしたら、ターボ式の圧縮機１１をＰＩＤ制御などの制御モードに切り替えて、温度計１６の測定値が一定の値になるように回転数を制御して、圧縮機のサージングを防止するとともに、高い圧力比を得て、クールダウン速度を向上させる。

（第２の実施形態）
　第１の実施形態では、温度計１６の測定値が所定の値になるまでクールダウンし、その後は温度計１６の測定値が一定の値になるように回転数を制御したが、第２の実施形態では、流量計１７の測定値が所定の値になるまでクールダウンし、その後は流量計１７の測定値が一定の値になるように回転数を制御する。このとき事前にサージライン及びチョークラインが確認された状態であり、圧縮機流量と回転数の関係から圧力比を推定する。第１の実施形態と同様に、圧縮機のサージングを防止するとともに、高い圧力比を得て、クールダウン速度を向上させることができる。

（第３の実施形態）
　第１の実施形態では、温度計１６の測定値が所定の値になるまでクールダウンし、その後は温度計１６の測定値が一定の値になるように回転数を制御したが、第３の実施形態では、差圧計１８の測定値が所定の値になるまでクールダウンし、その後は差圧計１８の測定値が一定の値になるように回転数を制御する。このとき事前にサージライン及びチョークラインが確認された状態であり、圧力比と回転数の関係から圧縮機流量を推定する。第１の実施形態と同様に、圧縮機のサージングを防止するとともに、高い圧力比を得て、クールダウン速度を向上させることができる。

（従来の制御方法）
　図８は、冷凍機１０１で従来の冷凍機の制御方法を実行した場合の、ターボ式の圧縮機１１の出口側の第１の冷媒Ｍ１の流速（流速、横軸）とターボ式の圧縮機１１の出口側の第１の冷媒Ｍ１の圧力と入口側の第１の冷媒Ｍ１の圧力の比の値（圧力比、縦軸）との関係を示すグラフである。
　以下の工程１’から工程６’までを実行する。
　工程１’：バイパス弁１２を開
　工程２’：膨張タービン１５を起動
　工程３’：ターボ式の圧縮機１１を低回転数で起動
　工程３’－１：バイパス弁１２の開度調整
　工程４’：ターボ式の圧縮機１１の回転数を中回転数まで徐々に増加
　工程５’：温度計１６の測定値が所定値になるまでクールダウン
　工程６’：バイパス弁１２を閉
　本発明の冷凍機の制御方法と比べると、サージラインとチョークラインの中央付近で動作を進めているため、各回転数で圧力比のピークから外れていて、クールダウン速度が遅くなる。また、工程５と工程６が逆になっていることで、クールダウン中に流量が増加方向になるため圧力比が下がり、クールダウン速度の向上ができず、クールダウンに時間がかかる。

［冷凍機の制御プログラム］
　本発明の冷凍機の制御プログラムは、上述した冷凍機の制御方法をコンピュータに実行させる冷凍機の制御プログラムである。
　本発明の冷凍機の制御プログラムは、例えば、制御装置２１に搭載されており、制御装置２１に内蔵されたプロセッサによって実行される。

［作用効果］
　本発明の冷凍機の制御方法は、クールダウン中に第１の冷媒の流量が増加方向にならずターボ式の圧縮機の出口側と入口側の冷媒の圧力比が下がらないため、クールダウン速度を向上できる。

　１１　ターボ式の圧縮機
　１２　バイパス弁
　１３　主熱交換器
　１４　副熱交換器
　１５　膨張タービン
　１６　温度計
　１７　流量計
　１８　差圧計
　２１　制御装置
　２２　第１のインバータ
　２３　第２のインバータ
　１０１，１０２，１０３　冷凍機
　Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８　通信ライン
　Ｌ１　第１の循環経路
　Ｌ２　第２の循環経路
　Ｌ３　バイパスライン
　Ｍ１　第１の冷媒
　Ｍ２　第２の冷媒

Claims (7)

1. 　第１の冷媒が循環する第１の循環経路と、第２の冷媒が循環する第２の循環経路と、前記第１の循環経路に配置され、前記第１の冷媒を断熱圧縮するターボ式の圧縮機と、前記第１の循環経路に配置され、前記ターボ式の圧縮機により断熱圧縮される前の前記第１の冷媒と前記ターボ式の圧縮機により断熱圧縮された後の前記第１の冷媒との熱交換を行う主熱交換器と、前記第１の循環経路に配置され、前記第１の冷媒を断熱膨張する膨張タービンと、前記第１の循環経路及び前記第２の循環経路に配置され、前記第１の冷媒と前記第２の冷媒との熱交換を行う副熱交換器と、前記第１の循環経路に配置された測定手段と、前記ターボ式の圧縮機を制御する第１のインバータと、前記膨張タービンを制御する第２のインバータと、前記第１のインバータ及び前記第２のインバータの一方又は両方を制御する制御装置と、前記ターボ式の圧縮機の下流側で、かつ前記主熱交換器の上流側に前記ターボ式の圧縮機で断熱圧縮された前記第１の冷媒を前記ターボ式の圧縮機に戻すバイパスラインと、前記バイパスライン上に前記バイパスラインを開閉するバイパス弁とを備える冷凍機の制御方法であって、
   　前記バイパス弁を開とする工程１と、
   　前記膨張タービンを起動する工程２と、
   　前記ターボ式の圧縮機を無負荷運転が可能な回転数で起動する工程３と、
   　前記ターボ式の圧縮機の回転数を圧縮機流量と圧力比の関係が運転可能領域の範囲内における低流量高圧力比側を推移するように増速する工程４と、
   　前記バイパス弁を閉とする工程５と、
   　前記測定手段の測定値が所定の値になるまでクールダウンする工程６と、
   を含む冷凍機の制御方法。
2. 　前記測定手段が、前記膨張タービンの入口側若しくは出口側又は前記副熱交換器の出口側の前記第１の冷媒の温度を測定する温度計、前記ターボ式の圧縮機の出口側の前記第１の冷媒の流量を測定する流量計、及び前記ターボ式の圧縮機の入口側と出口側の前記第１の冷媒の圧力差を測定する差圧計からなる群から選択される少なくとも１種である、請求項１に記載の冷凍機の制御方法。
3. 　前記工程３の直後に前記バイパス弁の開度を中間開度に変更する、請求項１又は２に記載の冷凍機の制御方法。
4. 　前記工程４において、圧縮機流量と圧力比の関係が運転可能領域の範囲内における低流量高圧力比側末端を推移するように前記ターボ式の圧縮機の回転数を増速した後、予め定めた一定の回転数で保持した後、前記バイパス弁を閉とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の冷凍機の制御方法。
5. 　前記工程４、前記工程５及び前記工程６を同時に実行する、請求項１～３のいずれか１項に記載の冷凍機の制御方法。
6. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の冷凍機の制御方法をコンピュータに実行させる、冷凍機の制御プログラム。
7. 　請求項６に記載の冷凍機の制御プログラムを搭載した制御装置を備える、冷凍機。

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