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JP7617885B2 - Refrigeration machine, control device, control method, and program - Google Patents
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JP7617885B2 - Refrigeration machine, control device, control method, and program - Google Patents

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JP7617885B2 JP2022187709A JP2022187709A JP7617885B2 JP 7617885 B2 JP7617885 B2 JP 7617885B2 JP 2022187709 A JP2022187709 A JP 2022187709A JP 2022187709 A JP2022187709 A JP 2022187709A JP 7617885 B2 JP7617885 B2 JP 7617885B2
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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。 This disclosure relates to a refrigerator, a control device, a control method, and a program.

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。 Patent Document 1 discloses a method of changing the nozzle flow area by mechanically operating nozzle vanes at the inlet of the impeller of the expansion turbine with an external actuator. Patent Document 2 discloses a method of changing the operating temperature of the expansion turbine by opening and closing a bypass valve. Patent Document 3 discloses a refrigerator used to cool superconducting power equipment.

特開平6-137101号公報Japanese Patent Application Publication No. 6-137101 特開2018-066511号公報JP 2018-066511 A 特開2022-109068号公報JP 2022-109068 A

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。 Generally, the refrigeration capacity of a refrigerator is adjusted by changing the compressor speed or the pressure within the system. The expansion turbine is always operated at the rated speed. However, the expansion turbine is designed so that the adiabatic efficiency is maximized at the flow rate and pressure at the rated operating point, and the adiabatic efficiency decreases under flow rate and pressure conditions that deviate from the design point. The adiabatic efficiency affects the amount of refrigeration generated by the expansion turbine. Therefore, if the adiabatic efficiency deteriorates, the refrigeration capacity decreases and the COP also decreases, causing the efficiency of the entire refrigerator to deteriorate. "COP" is an abbreviation for coefficient of performance.

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。 When the compressor speed changes due to fluctuations in heat load, it is possible to operate the chiller efficiently without reducing the adiabatic efficiency of the expansion turbine by changing the volumetric flow rate of the expansion turbine.

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。 As a method for changing the volumetric flow rate of the expansion turbine, it is possible to change the flow passage area of the nozzle, as disclosed in Patent Document 1. However, with this method, the internal structure becomes complex due to the inclusion of components with moving parts, which may lead to an increased risk of failure and maintenance frequency. For this reason, it is not suitable for cooling superconducting power equipment used as part of infrastructure functions, for example.

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。 As a method for changing the volumetric flow rate of the expansion turbine, it is possible to change the operating temperature of the expansion turbine, as disclosed in Patent Document 2. However, this method requires multiple low-temperature automatic valves to switch the flow paths, which may lead to a risk of failure and increased costs. Therefore, a simpler configuration is desired.

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。 The purpose of this disclosure is to make it easier to avoid a decrease in the adiabatic efficiency of the expansion turbine with a simple equipment configuration.

本開示の幾つかの態様を以下に示す。 Some aspects of this disclosure are described below.

[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。
[1]
A turbo compressor that compresses a refrigerant;
an expansion turbine for expanding the refrigerant;
a first refrigerant line connecting an outlet of the compressor and an inlet of the expansion turbine;
a second refrigerant line connecting an outlet of the expansion turbine and an inlet of the compressor;
a main heat exchanger that exchanges heat of the refrigerant between the first refrigerant line and the second refrigerant line;
a secondary heat exchanger that performs heat exchange between the refrigerant and an external fluid, the secondary heat exchanger being located downstream of the main heat exchanger in the first refrigerant line or upstream of the main heat exchanger in the second refrigerant line;
A group of sensors attached to at least the first refrigerant line and the second refrigerant line;
a control device that adjusts a rotation speed of the compressor in accordance with a target capacity for cooling the fluid, and adjusts a rotation speed of the expansion turbine in accordance with the rotation speed of the compressor and sensor values obtained from the group of sensors.

[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。
[2]
The control device acquires at least measured values of pressure and temperature at the inlet of the expansion turbine and measured values of pressure and temperature at the outlet of the expansion turbine as the sensor values, and adjusts the rotation speed of the expansion turbine by calculating a set value of the rotation speed of the expansion turbine with reference to the acquired measured values and characteristic data that defines a volumetric flow rate when the pressure and temperature of the refrigerant are at a reference pressure and a reference temperature, respectively, for each combination of the rotation speed of the compressor and a pressure ratio at the inlet and outlet of the compressor.

[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)/(H0.75)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。
[3]
The refrigeration machine according to [2], wherein the control device calculates a volumetric flow rate Q at the outlet of the expansion turbine by referring to the characteristic data and measured values of the pressure and temperature at the outlet of the expansion turbine, calculates a theoretical adiabatic head H of the expansion turbine by referring to the measured values of the pressure and temperature at the inlet of the expansion turbine and a measured value of the pressure or temperature at the outlet of the expansion turbine, and calculates r at which a specific speed N expressed by an equation N = (2πr√Q)/( H0.75 ) falls within a reference range as a setting value for a rotation speed of the expansion turbine.

[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、前記基準圧力をP、前記基準温度をT、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及びTとしたとき、Q=(Q)/(T)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。
[4]
The control device further acquires a measured pressure value at the inlet of the compressor and a measured pressure value at the outlet of the compressor as the sensor values, and calculates a volumetric flow rate Q at the outlet of the expansion turbine in accordance with an equation Q = (Q1P1T2)/(T1P2), where Q1 is a volumetric flow rate defined in the characteristic data corresponding to a combination of a ratio of the measured pressure value at the inlet of the compressor to the measured pressure value at the outlet of the compressor and a rotation speed of the compressor , P1 is the reference pressure , T1 is the reference temperature, and P2 and T2 are the measured pressure and temperature values at the outlet of the expansion turbine, respectively.

[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hin_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hout_iを算出し、H=hin_r-hout_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。
[5]
The refrigeration machine according to [3] or [4], wherein the control device estimates enthalpy h in_r and entropy at the inlet of the expansion turbine from measured values of pressure and temperature at the inlet of the expansion turbine, calculates theoretical enthalpy h out_i at the outlet of the expansion turbine from the estimated entropy and the measured value of pressure or temperature at the outlet of the expansion turbine, and calculates a theoretical adiabatic head H of the expansion turbine in accordance with an equation H = h in_r - h out_i.

[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。
[6]
The refrigerator according to any one of [3] to [5], wherein the reference range is 0.6 or more and 0.7 or less.

[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。
[7]
The refrigeration machine according to any one of [2] to [6], wherein the control device calculates a set value of a rotation speed of the expansion turbine when the control device detects a fluctuation in a rotation speed of the compressor or when a certain time has elapsed since the fluctuation in the rotation speed of the compressor.

[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。
[8]
A control device for controlling a refrigerant cycle including a turbo compressor that compresses a refrigerant, an expansion turbine that expands the refrigerant, a first refrigerant line that connects an outlet of the compressor and an inlet of the expansion turbine, a second refrigerant line that connects an outlet of the expansion turbine and an inlet of the compressor, a main heat exchanger that performs heat exchange of the refrigerant between the first refrigerant line and the second refrigerant line, and a secondary heat exchanger that performs heat exchange between the refrigerant and an external fluid downstream of the main heat exchanger of the first refrigerant line or upstream of the main heat exchanger of the second refrigerant line,
A communication unit that communicates with at least a group of sensors attached to the first refrigerant line and the second refrigerant line;
a control unit that adjusts the rotation speed of the compressor in accordance with a target capacity for cooling the fluid, and adjusts the rotation speed of the expansion turbine in accordance with the rotation speed of the compressor and sensor values obtained from the group of sensors via the communication unit.

[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。
[9]
A control method for controlling a refrigerant cycle including a turbo compressor that compresses a refrigerant, an expansion turbine that expands the refrigerant, a first refrigerant line that connects an outlet of the compressor and an inlet of the expansion turbine, a second refrigerant line that connects an outlet of the expansion turbine and an inlet of the compressor, a main heat exchanger that performs heat exchange of the refrigerant between the first refrigerant line and the second refrigerant line, and a secondary heat exchanger that is located downstream of the main heat exchanger of the first refrigerant line or upstream of the main heat exchanger of the second refrigerant line and performs heat exchange between the refrigerant and an external fluid,
Adjusting the rotation speed of the compressor according to a target capacity for cooling the fluid;
acquiring sensor values from a group of sensors attached to at least the first refrigerant line and the second refrigerant line;
A control method for adjusting the rotation speed of the expansion turbine in accordance with the rotation speed of the compressor and the sensor values obtained from the group of sensors.

[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。
[10]
A program for controlling a refrigerant cycle including a turbo compressor that compresses a refrigerant, an expansion turbine that expands the refrigerant, a first refrigerant line that connects an outlet of the compressor and an inlet of the expansion turbine, a second refrigerant line that connects an outlet of the expansion turbine and an inlet of the compressor, a main heat exchanger that performs heat exchange of the refrigerant between the first refrigerant line and the second refrigerant line, and a secondary heat exchanger that performs heat exchange between the refrigerant and an external fluid downstream of the main heat exchanger of the first refrigerant line or upstream of the main heat exchanger of the second refrigerant line,
a computer that communicates with a group of sensors attached to at least the first refrigerant line and the second refrigerant line;
A program that executes a process of adjusting the rotation speed of the compressor in accordance with a target capacity for cooling the fluid, and a process of adjusting the rotation speed of the expansion turbine in accordance with the rotation speed of the compressor and sensor values obtained from the group of sensors.

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。 According to the present disclosure, it becomes easier to avoid a decrease in the adiabatic efficiency of the expansion turbine with a simple equipment configuration.

本開示の実施形態に係る冷凍機の構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a refrigerator according to an embodiment of the present disclosure. 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。4 is a graph showing an example of characteristic data related to a compressor according to an embodiment of the present disclosure. 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。FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a control device according to an embodiment of the present disclosure. 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。5 is a flowchart illustrating an operation of a control device according to an embodiment of the present disclosure. 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。FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration of a refrigerator according to a modified example of the embodiment of the present disclosure.

以下、本開示の実施形態について、図を参照して説明する。 Embodiments of the present disclosure are described below with reference to the figures.

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。 In each figure, the same or corresponding parts are given the same reference numerals. In the description of this embodiment, the description of the same or corresponding parts will be omitted or simplified as appropriate.

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。 The configuration of the refrigerator 10 according to this embodiment will be described with reference to FIG.

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。 The refrigerator 10 includes a first refrigerant line 11 and a second refrigerant line 12, as well as a turbo compressor 20, an expansion turbine 30, a main heat exchanger 40, a secondary heat exchanger 50, a sensor group 60, a control device 70, and an adjustment mechanism 80.

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。 The first refrigerant line 11 and the second refrigerant line 12 circulate the refrigerant 13. The first refrigerant line 11 connects the outlet 22 of the compressor 20 and the inlet 31 of the expansion turbine 30. The second refrigerant line 12 connects the outlet 32 of the expansion turbine 30 and the inlet 21 of the compressor 20. The compressor 20 compresses the refrigerant 13. The expansion turbine 30 expands the refrigerant 13 to generate cold. The main heat exchanger 40 recovers cold by exchanging heat of the refrigerant 13 between the first refrigerant line 11 and the second refrigerant line 12. The auxiliary heat exchanger 50 exchanges heat between the refrigerant 13 upstream of the main heat exchanger 40 of the second refrigerant line 12 and an external fluid 14. In this embodiment, the fluid 14 circulates in the fluid line 15.

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。 The sensor group 60 is attached to at least the first refrigerant line 11 and the second refrigerant line 12. In this embodiment, the sensor group 60 includes a first pressure gauge 61, a second pressure gauge 62, a third pressure gauge 63, a fourth pressure gauge 64, a first thermometer 65, a second thermometer 66, and a third thermometer 67.

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。 The second pressure gauge 62, the third pressure gauge 63, and the first thermometer 65 are attached to the first refrigerant line 11. Specifically, the second pressure gauge 62 is provided between the outlet 22 of the compressor 20 and the main heat exchanger 40, and measures the pressure at the outlet 22 of the compressor 20. The third pressure gauge 63 is provided between the main heat exchanger 40 and the inlet 31 of the expansion turbine 30, and measures the pressure at the inlet 31 of the expansion turbine 30. The first thermometer 65 is also provided between the main heat exchanger 40 and the inlet 31 of the expansion turbine 30, and measures the temperature at the inlet 31 of the expansion turbine 30.

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。 The first pressure gauge 61, the fourth pressure gauge 64, and the second thermometer 66 are attached to the second refrigerant line 12. Specifically, the first pressure gauge 61 is provided between the main heat exchanger 40 and the inlet 21 of the compressor 20, and measures the pressure at the inlet 21 of the compressor 20. The fourth pressure gauge 64 is provided between the outlet 32 of the expansion turbine 30 and the auxiliary heat exchanger 50, and measures the pressure at the outlet 32 of the expansion turbine 30. The second thermometer 66 is also provided between the outlet 32 of the expansion turbine 30 and the auxiliary heat exchanger 50, and measures the temperature at the outlet 32 of the expansion turbine 30.

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。 The third thermometer 67 is attached to the fluid line 15. The third thermometer 67 measures the temperature of the fluid 14 downstream of the secondary heat exchanger 50 in the fluid line 15.

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。 The control device 70 controls a refrigerant cycle including the first refrigerant line 11, the second refrigerant line 12, the compressor 20, the expansion turbine 30, the main heat exchanger 40, and the auxiliary heat exchanger 50. Specifically, the control device 70 adjusts the rotation speed of the compressor 20 according to a target capacity for cooling the fluid 14, and adjusts the rotation speed of the expansion turbine 30 according to the rotation speed of the compressor 20 and the sensor values obtained from the sensor group 60. Thus, according to this embodiment, it is easy to avoid a decrease in the adiabatic efficiency of the expansion turbine 30 with a simple equipment configuration.

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。 The adjustment mechanism 80 includes a first inverter 81 and a second inverter 82. The compressor 20 and the expansion turbine 30 can adjust their operation and rotation speed by commands from the first inverter 81 and the second inverter 82, respectively. In this embodiment, the control device 70 supplies power to the first inverter 81 and performs control input/output. That is, the control device 70 adjusts the rotation speed of the compressor 20 via the first inverter 81. The control device 70 supplies power to the second inverter 82 and performs control input/output via the first inverter 81. That is, the control device 70 adjusts the rotation speed of the expansion turbine 30 via the first inverter 81 and the second inverter 82. The power supply and control input/output to the second inverter 82 may be performed directly from the control device 70 without going through the first inverter 81. Alternatively, the power supply and control input/output to the second inverter 82 may be performed from another independent control device.

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。 The first inverter 81 and the second inverter 82 may be built into the control device 70. That is, the adjustment mechanism 80 may be integrated into the control device 70.

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。 In this embodiment, the refrigerator 10 is used to cool superconducting power equipment such as a power transmission cable, a current limiter, or a transformer. The refrigerator 10 cools the superconducting power equipment by using a cryogenic refrigeration cycle that repeats adiabatic compression, isobaric cooling, adiabatic expansion, and isobaric heating. In cooling the superconducting power equipment, a fluid 14 is circulated through the superconducting power equipment. The fluid 14 is, for example, liquid nitrogen, liquid hydrogen, or liquid helium. The fluid 14 rises in temperature due to heat generation in the superconducting power equipment or heat entering the system, but is cooled to a desired temperature by the refrigerator 10. The refrigerator 10 is suitable for cases where a large capacity of refrigeration capacity is required. For example, neon gas or helium gas is used as the refrigerant 13 of the refrigerator 10.

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。 The refrigeration capacity of the refrigerator 10 is adjusted by changing the rotation speed of the compressor 20. When the rotation speed of the compressor 20 changes, if the rotation speed of the expansion turbine 30 remains constant, the adiabatic efficiency of the expansion turbine 30 decreases. The adiabatic efficiency affects the amount of cold generated by the expansion turbine 30. Therefore, if the adiabatic efficiency deteriorates, the refrigeration capacity decreases and the COP also decreases, resulting in a deterioration in the efficiency of the entire refrigerator 10.

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)/(H0.75)・・・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/s]、Hは理論断熱ヘッド[J/kg]である。
The specific speed N is one of the indexes that indicate the adiabatic efficiency of the expansion turbine 30. The specific speed N is expressed by the following formula 1.
N=(2πr√Q)/(H 0.75 )...Formula 1
In Equation 1, r is the rotation speed [rps] of the expansion turbine 30, Q is the volumetric flow rate [m 3 /s] at the outlet 32 of the expansion turbine 30, and H is the theoretical adiabatic head [J/kg].

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)/(T)=(101.35Q)/(273.15P)・・・式2
式2中、Qは標準状態での体積流量[m/s(normal)]、Pは標準状態での圧力[kPa]、Tは標準状態での温度[K]、Pは膨張タービン30の出口32の圧力[kPa]、T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。
The volumetric flow rate Q at the outlet 32 of the expansion turbine 30 is expressed by the following equation 2 according to the ideal gas state equation.
Q=(Q 1 P 1 T 2 )/(T 1 P 2 )=(101.35Q 1 T 2 )/(273.15P 2 )...Formula 2
In formula 2, Q1 is the volume flow rate in the standard state [ m3 /s (normal)], P1 is the pressure in the standard state [kPa], T1 is the temperature in the standard state [K], P2 is the pressure at the outlet 32 of the expansion turbine 30 [kPa], and T2 is the temperature at the outlet 32 of the expansion turbine 30 [K]. The standard state refers to a state of 101.35 kPa and 273.15 K. The volume flow rate Q1 in the standard state can be obtained in advance as characteristic data as shown in Fig. 2 from the relationship between the rotation speed and pressure ratio of the turbo compressor 20. Here, calculation is performed for an ideal gas, but since there is only a few percent error from calculation for an actual gas, there is no practical problem.

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=hin_r-hout_i・・・式3
式3中、hin_rは膨張タービン30の入口31のエンタルピー[kJ/kg]、hout_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hin_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hout_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。
The theoretical adiabatic head H is expressed by the following equation 3 using state quantities of the inlet 31 of the expansion turbine 30 and the state quantities of the outlet 32 of the expansion turbine 30.
H=h in_r - h out_i ...Formula 3
In Equation 3, h in_r is the enthalpy [kJ/kg] at the inlet 31 of the expansion turbine 30, and h out_i is the theoretical enthalpy [kJ/kg] at the outlet 32 of the expansion turbine 30. The enthalpy h in_r at the inlet 31 of the expansion turbine 30 is estimated from the pressure and temperature at the inlet 31 of the expansion turbine 30. The theoretical enthalpy h out_i at the outlet 32 of the expansion turbine 30 is estimated from the inlet entropy previously estimated from the pressure and temperature at the inlet 31 of the expansion turbine 30, and the pressure or temperature at the outlet 32 of the expansion turbine 30.

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。 The adiabatic efficiency is highest when the specific speed N is in the range of 0.6 to 0.7. When the adiabatic efficiency is high, the amount of cold generated by the expansion turbine 30 increases, improving the refrigeration capacity and COP.

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/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。 For example, at the rated operating point, if the rotation speed r of the expansion turbine 30 is 1000 rps, the volumetric flow rate Q at the outlet 32 of the expansion turbine 30 is 0.0197 m 3 /s, and the theoretical adiabatic head H is 15.0 kJ/kg, then from equation 1 the specific speed N is 0.65.

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/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。 If it is desired to increase the refrigeration capacity from this state, the rotation speed of the compressor 20 is increased. As a result, the theoretical adiabatic head H increases due to an increase in the flow rate and the pressure ratio. If the volumetric flow rate Q at the outlet 32 of the expansion turbine 30 is increased to 0.021 m 3 /s and the theoretical adiabatic head H is increased to 19.0 kJ/kg, the specific speed N becomes 0.56, which is outside the ideal range and reduces the adiabatic efficiency. However, by increasing the rotation speed r of the expansion turbine 30 to 1150 rps, the specific speed N can be improved to 0.65.

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/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。 Conversely, when it is desired to reduce the refrigeration capacity from the steady state, the rotation speed of the compressor 20 is slowed down. As a result, the theoretical adiabatic head H is reduced due to a decrease in the flow rate and the pressure ratio. If the volumetric flow rate Q at the outlet 32 of the expansion turbine 30 is reduced to 0.018 m 3 /s and the theoretical adiabatic head H is reduced to 12.0 kJ/kg, the specific speed N becomes 0.74, which falls outside the ideal range and reduces the adiabatic efficiency. However, by slowing down the rotation speed r of the expansion turbine 30 to 900 rps, the specific speed N can be improved to 0.66.

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。 As described above, the specific speed N of the expansion turbine 30 changes depending on the operating state of the compressor 20, so if the rotation speed r of the expansion turbine 30 is constant, this leads to a decrease in adiabatic efficiency. In this embodiment, the rotation speed r of the expansion turbine 30 is varied according to the operating state of the compressor 20, so that the specific speed N can be kept within an ideal range.

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。 The internal components of the expansion turbine 30, such as the nozzle and diffuser, are designed to provide a rated flow rate at the design temperature. A characteristic of the expansion turbine 30 is that when the refrigerant temperature is higher than the design temperature, the volumetric flow rate decreases and the specific speed N also decreases.

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。 According to this embodiment, when the rotation speed of the turbo compressor 20 changes due to a change in the thermal load during steady-state operation of the refrigerator 10, the rotation speed r of the expansion turbine 30 is changed, making it possible to operate the refrigerator 10 efficiently without reducing the adiabatic efficiency of the expansion turbine 30. In other words, while adopting a simple equipment configuration that does not include a variable nozzle or a low-temperature automatic valve, it is possible to set the adiabatic efficiency of the expansion turbine 30 to optimal conditions simply by changing the rotation speed r of the expansion turbine 30.

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。 The configuration of the control device 70 according to this embodiment will be described with reference to FIG. 3.

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。 The control device 70 includes a control unit 71, a memory unit 72, and a communication unit 73.

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。 The control unit 71 includes at least one processor, at least one programmable circuit, at least one dedicated circuit, or any combination of these. The processor is a general-purpose processor such as a CPU or GPU, or a dedicated processor specialized for a specific process. "CPU" is an abbreviation for central processing unit. "GPU" is an abbreviation for graphics processing unit. The programmable circuit is, for example, an FPGA. "FPGA" is an abbreviation for field-programmable gate array. The dedicated circuit is, for example, an ASIC. "ASIC" is an abbreviation for application specific integrated circuit. The control unit 71 executes processes related to the operation of the control unit 70 while controlling each part of the control unit 70.

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。 The memory unit 72 includes at least one semiconductor memory, at least one magnetic memory, at least one optical memory, or any combination thereof. The semiconductor memory is, for example, a RAM, a ROM, or a flash memory. "RAM" is an abbreviation for random access memory. "ROM" is an abbreviation for read only memory. The RAM is, for example, an SRAM or a DRAM. "SRAM" is an abbreviation for static random access memory. "DRAM" is an abbreviation for dynamic random access memory. The ROM is, for example, an EEPROM. "EEPROM" is an abbreviation for electrically erasable programmable read only memory. The flash memory is, for example, an SSD. "SSD" is an abbreviation for solid-state drive. The magnetic memory is, for example, an HDD. "HDD" is an abbreviation for hard disk drive. The memory unit 72 functions, for example, as a main memory device, an auxiliary memory device, or a cache memory. The memory unit 72 stores data used in the operation of the control device 70 and data obtained by the operation of the control device 70.

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。 The communication unit 73 includes at least one communication interface. The communication interface is, for example, an interface corresponding to a wired LAN communication standard such as Ethernet (registered trademark), a wireless LAN communication standard such as IEEE 802.11, an interface corresponding to a mobile communication standard such as LTE, 4G standard, or 5G standard, or an interface corresponding to short-range wireless communication such as Bluetooth (registered trademark). "LAN" is an abbreviation for local area network. "IEEE" is an abbreviation for Institute of Electrical and Electronics Engineers. "LTE" is an abbreviation for Long Term Evolution. "4G" is an abbreviation for 4th generation. "5G" is an abbreviation for 5th generation. The communication unit 73 communicates with the sensor group 60 and the adjustment mechanism 80. The communication unit 73 receives data used in the operation of the control device 70 and transmits data obtained by the operation of the control device 70.

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。 At least some of the functions of the control device 70 are realized by executing a program according to this embodiment in a processor serving as the control unit 71. That is, at least some of the functions of the control device 70 are realized by software. The program causes a computer to execute the operations of the control device 70, thereby causing the computer to function as the control device 70. That is, the computer functions as the control device 70 by executing the operations of the control device 70 in accordance with the program.

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。 The program may be stored in a non-transitory computer-readable medium. Examples of the non-transitory computer-readable medium include flash memory, a magnetic recording device, an optical disk, a magneto-optical recording medium, or a ROM. The program may be distributed, for example, by selling, transferring, or lending portable media such as SD cards, DVDs, or CD-ROMs on which the program is stored. "SD" is an abbreviation for Secure Digital. "DVD" is an abbreviation for digital versatile disc. "CD-ROM" is an abbreviation for compact disc read only memory. The program may be distributed by storing the program in the storage of a server and transferring the program from the server to another computer. The program may be provided as a program product.

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。 For example, a computer temporarily stores a program stored in a portable medium or a program transferred from a server in a main storage device. The computer then reads the program stored in the main storage device with a processor and executes processing according to the read program with the processor. The computer may read the program directly from the portable medium and execute processing according to the program. The computer may execute processing according to the received program each time a program is transferred from the server to the computer. Processing may be executed by a so-called ASP-type service that does not transfer a program from the server to the computer and achieves functions only by issuing execution instructions and obtaining results. "ASP" is an abbreviation for application service provider. Programs include information used for processing by a computer and equivalent to a program. For example, data that is not a direct command to a computer but has properties that define computer processing falls under " equivalent to a program".

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。 Some or all of the functions of the control device 70 may be realized by a programmable circuit or a dedicated circuit as the control unit 71. In other words, some or all of the functions of the control device 70 may be realized by hardware.

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。 The operation of the control device 70 according to this embodiment will be described with reference to FIG. 4. This operation corresponds to the control method according to this embodiment.

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。 The control unit 71 of the control device 70 adjusts the rotation speed of the compressor 20 according to the target capacity for cooling the fluid 14, and adjusts the rotation speed of the expansion turbine 30 according to the rotation speed of the compressor 20 and the sensor value obtained from the sensor group 60 via the communication unit 73.

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。 The procedure for adjusting the rotation speed of the compressor 20 may be the same as that of the conventional method. For example, the control unit 71 of the control device 70 compares the measured temperature value input from the third thermometer 67 via the communication unit 73 with the set temperature value pre-stored in the memory unit 72 or input via the communication unit 73 to determine whether the target for the ability to cool the fluid 14 has been achieved. The control unit 71 increases or decreases the rotation speed of the compressor 20 via the first inverter 81 according to the obtained determination result, that is, so that the difference between the measured temperature value and the set temperature value is eliminated. For example, when the measured temperature value is higher than the set temperature value, the control unit 71 increases the refrigeration capacity by increasing the rotation speed of the compressor 20 via the first inverter 81, since it is necessary to promote cooling.

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。 The following describes the process for adjusting the rotation speed of the expansion turbine 30.

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。 In steps S1 to S5, the control unit 71 of the control device 70 acquires at least the measured values of the pressure and temperature at the inlet 31 of the expansion turbine 30 and the measured values of the pressure and temperature at the outlet 32 of the expansion turbine 30 as sensor values. The control unit 71 adjusts the rotation speed of the expansion turbine 30 by calculating the set value of the rotation speed of the expansion turbine 30 with reference to the acquired measured values and the characteristic data. The characteristic data is data that defines the volumetric flow rate in the standard state for each combination of the rotation speed of the compressor 20 and the pressure ratio of the inlet 21 and the outlet 22 of the compressor 20. The volumetric flow rate in the standard state refers to the volumetric flow rate when the pressure and temperature of the refrigerant 13 are at the reference pressure and the reference temperature, respectively. In general, for turbo compressors, the relationship between the rotation speed, pressure ratio, and volumetric flow rate is specified in an evaluation test or simulation before being installed in a refrigerator, and is recorded as characteristic data. This characteristic data is also necessary to avoid troubles such as surges at start-up. FIG. 2 is a graph that shows the relationship between the volumetric flow rate in the standard state of the compressor 20 and the pressure ratio and the rotation speed. In this embodiment, data defining the relationship represented by this graph is pre-stored as characteristic data in the memory unit 72 of the control device 70.

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。 The processes of steps S1 to S5 are executed when the rotation speed of the compressor 20 fluctuates. That is, when the control unit 71 of the control device 70 detects a fluctuation in the rotation speed of the compressor 20, it calculates the set value of the rotation speed of the expansion turbine 30. Alternatively, the processes of steps S1 to S5 may be executed when a certain time has elapsed since the fluctuation in the rotation speed of the compressor 20. That is, the control unit 71 of the control device 70 may calculate the set value of the rotation speed of the expansion turbine 30 when a certain time has elapsed since the fluctuation in the rotation speed of the compressor 20.

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。 The following describes the details of steps S1 to S5.

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。 In step S1, the control unit 71 of the control device 70 acquires the measured pressure value at the inlet 21 of the compressor 20 and the measured pressure value at the outlet 22 of the compressor 20 as sensor values. The control unit 71 identifies the volumetric flow rate under standard conditions defined in the characteristic data in correspondence with the combination of the ratio of the measured pressure value at the inlet 21 of the compressor 20 to the measured pressure value at the outlet 22 of the compressor 20 and the rotation speed of the compressor 20.

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。 Specifically, the control unit 71 of the control device 70 acquires the measured value of the pressure at the inlet 21 of the compressor 20 from the first pressure gauge 61 via the communication unit 73. The control unit 71 acquires the measured value of the pressure at the outlet 22 of the compressor 20 from the second pressure gauge 62 via the communication unit 73. For the rotation speed of the compressor 20, the control unit 71 acquires the set value calculated when adjusting the rotation speed of the compressor 20. Alternatively, the control unit 71 may acquire the measured value via the communication unit 73 from a sensor additionally provided to measure the rotation speed of the compressor 20. The control unit 71 calculates the ratio of the measured value of the pressure at the inlet 21 of the compressor 20 to the measured value of the pressure at the outlet 22 of the compressor 20 as the pressure ratio of the compressor 20. The control unit 71 refers to the characteristic data previously stored in the memory unit 72 and calculates the volumetric flow rate in the standard state corresponding to the combination of the calculated value of the pressure ratio of the compressor 20 and the set value or measured value of the rotation speed of the compressor 20. That is, the control unit 71 estimates the volumetric flow rate under standard conditions from the relationship between the pressure ratio and rotation speed of the compressor 20.

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、基準圧力をP、基準温度をT、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及びTとしたとき、Q=(Q)/(T)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。 In step S2, the control unit 71 of the control device 70 acquires, as sensor values, the measured values of the pressure and temperature at the outlet 32 of the expansion turbine 30. The control unit 71 calculates the volumetric flow rate Q at the outlet 32 of the expansion turbine 30 in accordance with the formula Q=( Q1P1T2) / ( T1P2 ) , where Q1 is the volumetric flow rate in the standard state identified in step S1 , P1 is the reference pressure, T1 is the reference temperature, and P2 and T2 are the measured values of the pressure and temperature at the outlet 32 of the expansion turbine 30, respectively.

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。 Specifically, the control unit 71 of the control device 70 acquires the measured values of the pressure and temperature at the outlet 32 of the expansion turbine 30 from the fourth pressure gauge 64 and the second thermometer 66 via the communication unit 73. The control unit 71 calculates the volumetric flow rate Q at the outlet 32 of the expansion turbine 30 using Equation 2 from the estimated value of the volumetric flow rate under standard conditions obtained in step S1 and the measured values of the pressure and temperature at the outlet 32 of the expansion turbine 30.

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hin_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hout_iを算出する。制御部71は、H=hin_r-hout_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。 In step S3, the control unit 71 of the control device 70 acquires, as sensor values, the measured values of the pressure and temperature at the inlet 31 of the expansion turbine 30. The control unit 71 estimates the enthalpy h in_r and entropy at the inlet 31 of the expansion turbine 30 from the measured values of the pressure and temperature at the inlet 31 of the expansion turbine 30. The control unit 71 calculates the theoretical enthalpy h out_i at the outlet 32 of the expansion turbine 30 from the estimated entropy and the measured values of the pressure or temperature at the outlet 32 of the expansion turbine 30 acquired in step S2. The control unit 71 calculates the theoretical adiabatic head H of the expansion turbine 30 according to the formula H=h in_r -h out_i .

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。 Specifically, the control unit 71 of the control device 70 acquires the measured values of pressure and temperature at the inlet 31 of the expansion turbine 30 from the third pressure gauge 63 and the first thermometer 65 via the communication unit 73. The control unit 71 estimates the inlet enthalpy and inlet entropy from the measured values of pressure and temperature at the inlet 31 of the expansion turbine 30. The control unit 71 estimates the ideal outlet enthalpy from the estimated value of the inlet entropy and the measured value of the pressure or temperature at the outlet 32 of the expansion turbine 30 acquired in step S2. The control unit 71 calculates the theoretical adiabatic head H of the expansion turbine 30 from the estimated value of the ideal outlet enthalpy and the estimated value of the inlet enthalpy using Equation 3. That is, the control unit 71 estimates the theoretical adiabatic head H by calculating the difference between the estimated value of the ideal outlet enthalpy and the estimated value of the inlet enthalpy.

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)/(H0.75)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。 In step S4, the control unit 71 of the control device 70 calculates, as a set value of the rotation speed of the expansion turbine 30, r at which the specific speed N expressed by the formula N=(2πr√Q)/(H 0.75 ) falls within a reference range, from the volumetric flow rate Q of the outlet 32 of the expansion turbine 30 calculated in steps S1 and S2 with reference to the measured values of the pressure and temperature of the outlet 32 of the expansion turbine 30 and the characteristic data, and the theoretical adiabatic head H of the expansion turbine 30 calculated in step S3 with reference to the measured values of the pressure and temperature of the inlet 31 of the expansion turbine 30 and the measured value of the pressure or temperature of the outlet 32 of the expansion turbine 30. That is, the control unit 71 calculates, by back-calculation using formula 1, the optimal rotation speed of the expansion turbine 30 from the calculated value of the volumetric flow rate Q of the outlet 32 of the expansion turbine 30 obtained in step S2, the calculated value of the theoretical adiabatic head H of the expansion turbine 30 obtained in step S3, and the reference range of the specific speed N. In this embodiment, the reference range is set in advance to 0.6 to 0.7, but may be changed as appropriate. The reference range may be set as a single reference value.

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。 In step S5, the control unit 71 of the control device 70 adjusts the rotation speed of the expansion turbine 30 via the first inverter 81 and the second inverter 82 by outputting the set value of the rotation speed of the expansion turbine 30 calculated in step S4 to the first inverter 81 via the communication unit 73. Alternatively, the control unit 71 may adjust the rotation speed of the expansion turbine 30 via the second inverter 82 by directly outputting the set value of the rotation speed of the expansion turbine 30 calculated in step S4 to the second inverter 82 via the communication unit 73.

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。 In this embodiment, the control device 70 executes the processes from step S1 to step S4 to calculate the ideal rotation speed of the expansion turbine 30 for the reference specific speed in a certain operating state. For example, if the reference value of the specific speed N is 0.65, the control device 70 can calculate the rotation speed at which the specific speed N becomes 0.65 by back-calculating using Equation 1. In step S5, the control device 70 outputs a rotation speed command to the second inverter 82, thereby automatically adjusting the rotation speed of the expansion turbine 30 to a rotation speed at which high efficiency can be obtained in accordance with the operating state of the compressor 20.

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。 The configuration of a refrigerator 10a according to a modified example of this embodiment will be described with reference to FIG. 5.

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。 The configuration of the refrigerator 10a is similar to that of the refrigerator 10 shown in FIG. 1, except that the expansion turbine 30 is disposed between the outlet of the auxiliary heat exchanger 50 and the inlet of the main heat exchanger 40. In this modification, the auxiliary heat exchanger 50 exchanges heat between the refrigerant 13 downstream of the main heat exchanger 40 in the first refrigerant line 11 and the external fluid 14.

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。 In the refrigerator 10 shown in FIG. 1, a third pressure gauge 63 and a first thermometer 65 are provided between the main heat exchanger 40 and the expansion turbine 30, whereas in the refrigerator 10a shown in FIG. 5, a third pressure gauge 63 and a first thermometer 65 are provided between the auxiliary heat exchanger 50 and the expansion turbine 30. In the refrigerator 10 shown in FIG. 1, a fourth pressure gauge 64 and a second thermometer 66 are provided between the expansion turbine 30 and the auxiliary heat exchanger 50, whereas in the refrigerator 10a shown in FIG. 5, a fourth pressure gauge 64 and a second thermometer 66 are provided between the expansion turbine 30 and the main heat exchanger 40.

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。 The functions and operations of the turbo compressor 20, expansion turbine 30, main heat exchanger 40, secondary heat exchanger 50, sensor group 60, control device 70, and adjustment mechanism 80 are the same as those of the refrigerator 10 shown in FIG. 1, so a description thereof will be omitted.

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。 The present disclosure is not limited to the above-described embodiments. For example, multiple blocks shown in the block diagram may be integrated, or one block may be divided. Instead of executing multiple steps shown in the flowchart in chronological order as described, each step may be executed in parallel or in a different order depending on the processing capacity of the device executing each step, or as needed. Other modifications are possible without departing from the spirit of the present disclosure.

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
REFRIGERATION SYSTEM AND METHOD FOR CARRYING OUT THE DISCLOSURE 10, 10a Refrigerating machine 11 First refrigerant line 12 Second refrigerant line 13 Refrigerant 14 Fluid 15 Fluid line 20 Compressor 21 Inlet 22 Outlet 30 Expansion turbine 31 Inlet 32 Outlet 40 Main heat exchanger 50 Auxiliary heat exchanger 60 Sensor 61 First pressure gauge 62 Second pressure gauge 63 Third pressure gauge 64 Fourth pressure gauge 65 First thermometer 66 Second thermometer 67 Third thermometer 70 Control device 71 Control unit 72 Memory unit 73 Communication unit 80 Adjustment mechanism 81 First inverter 82 Second inverter

Claims (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、
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。
A turbo compressor that compresses a refrigerant;
an expansion turbine for expanding the refrigerant;
a first refrigerant line connecting an outlet of the compressor and an inlet of the expansion turbine;
a second refrigerant line connecting an outlet of the expansion turbine and an inlet of the compressor;
a main heat exchanger that exchanges heat of the refrigerant between the first refrigerant line and the second refrigerant line;
a secondary heat exchanger that performs heat exchange between the refrigerant and an external fluid, the secondary heat exchanger being located downstream of the main heat exchanger in the first refrigerant line or upstream of the main heat exchanger in the second refrigerant line;
A group of sensors attached to at least the first refrigerant line and the second refrigerant line;
a control device that adjusts a rotation speed of the compressor in accordance with a target capacity for cooling the fluid, and adjusts a rotation speed of the expansion turbine in accordance with the rotation speed of the compressor and sensor values obtained from the group of sensors.
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。 The refrigeration machine according to claim 1, wherein the control device acquires at least the measured values of the pressure and temperature at the inlet of the expansion turbine and the measured values of the pressure and temperature at the outlet of the expansion turbine as the sensor values, and calculates a set value of the rotation speed of the expansion turbine by referring to the acquired measured values and characteristic data that defines the volumetric flow rate when the pressure and temperature of the refrigerant are at a reference pressure and reference temperature, respectively, for each combination of the rotation speed of the compressor and the pressure ratio at the inlet and outlet of the compressor, thereby adjusting the rotation speed of the expansion turbine. 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)/(H0.75)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。 3. The refrigeration machine according to claim 2, wherein the control device calculates a volumetric flow rate Q at the outlet of the expansion turbine by referring to the characteristic data and measured values of the pressure and temperature at the outlet of the expansion turbine, calculates a theoretical adiabatic head H of the expansion turbine by referring to the measured values of the pressure and temperature at the inlet of the expansion turbine and the measured value of the pressure or temperature at the outlet of the expansion turbine, and calculates r at which a specific speed N expressed by an equation N = (2πr√Q)/( H0.75 ) falls within a reference range as a setting value for the rotation speed of the expansion turbine. 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、前記基準圧力をP、前記基準温度をT、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及びTとしたとき、Q=(Q)/(T)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。 4. The refrigeration machine according to claim 3, wherein the control device further acquires a measured pressure value at the inlet of the compressor and a measured pressure value at the outlet of the compressor as the sensor values, and calculates a volumetric flow rate Q at the outlet of the expansion turbine in accordance with an equation Q = (Q1P1T2)/( T1P2 ), where Q1 is a volumetric flow rate defined in the characteristic data corresponding to a combination of a ratio of the measured pressure value at the inlet of the compressor to the measured pressure value at the outlet of the compressor and a rotation speed of the compressor , P1 is the reference pressure , T1 is the reference temperature , and P2 and T2 are the measured pressure and temperature values at the outlet of the expansion turbine, respectively. 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hin_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hout_iを算出し、H=hin_r-hout_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。 The refrigeration machine according to claim 3, wherein the control device estimates enthalpy h in_r and entropy at the inlet of the expansion turbine from measured values of pressure and temperature at the inlet of the expansion turbine, calculates theoretical enthalpy h out_i at the outlet of the expansion turbine from the estimated entropy and the measured value of pressure or temperature at the outlet of the expansion turbine, and calculates theoretical adiabatic head H of the expansion turbine in accordance with an equation H = h in_r - h out_i . 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。 The refrigerator according to claim 3, wherein the reference range is 0.6 or more and 0.7 or less. 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。 The refrigerator according to any one of claims 2 to 6, wherein the control device detects a change in the rotation speed of the compressor or calculates a set value for the rotation speed of the expansion turbine when a certain time has elapsed since the change in the rotation speed of the compressor. 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。
A control device for controlling a refrigerant cycle including a turbo compressor that compresses a refrigerant, an expansion turbine that expands the refrigerant, a first refrigerant line that connects an outlet of the compressor and an inlet of the expansion turbine, a second refrigerant line that connects an outlet of the expansion turbine and an inlet of the compressor, a main heat exchanger that performs heat exchange of the refrigerant between the first refrigerant line and the second refrigerant line, and a secondary heat exchanger that performs heat exchange between the refrigerant and an external fluid downstream of the main heat exchanger of the first refrigerant line or upstream of the main heat exchanger of the second refrigerant line,
A communication unit that communicates with at least a group of sensors attached to the first refrigerant line and the second refrigerant line;
a control unit that adjusts the rotation speed of the compressor in accordance with a target capacity for cooling the fluid, and adjusts the rotation speed of the expansion turbine in accordance with the rotation speed of the compressor and sensor values obtained from the group of sensors via the communication unit.
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。
A control method for controlling a refrigerant cycle including a turbo compressor that compresses a refrigerant, an expansion turbine that expands the refrigerant, a first refrigerant line that connects an outlet of the compressor and an inlet of the expansion turbine, a second refrigerant line that connects an outlet of the expansion turbine and an inlet of the compressor, a main heat exchanger that performs heat exchange of the refrigerant between the first refrigerant line and the second refrigerant line, and a secondary heat exchanger that is located downstream of the main heat exchanger of the first refrigerant line or upstream of the main heat exchanger of the second refrigerant line and performs heat exchange between the refrigerant and an external fluid,
Adjusting the rotation speed of the compressor according to a target capacity for cooling the fluid;
acquiring sensor values from a group of sensors attached to at least the first refrigerant line and the second refrigerant line;
A control method for adjusting the rotation speed of the expansion turbine in accordance with the rotation speed of the compressor and the sensor values obtained from the group of sensors.
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。
A program for controlling a refrigerant cycle including a turbo compressor that compresses a refrigerant, an expansion turbine that expands the refrigerant, a first refrigerant line that connects an outlet of the compressor and an inlet of the expansion turbine, a second refrigerant line that connects an outlet of the expansion turbine and an inlet of the compressor, a main heat exchanger that performs heat exchange of the refrigerant between the first refrigerant line and the second refrigerant line, and a secondary heat exchanger that performs heat exchange between the refrigerant and an external fluid downstream of the main heat exchanger of the first refrigerant line or upstream of the main heat exchanger of the second refrigerant line,
a computer that communicates with a group of sensors attached to at least the first refrigerant line and the second refrigerant line;
A program that executes a process of adjusting the rotation speed of the compressor in accordance with a target capacity for cooling the fluid, and a process of adjusting the rotation speed of the expansion turbine in accordance with the rotation speed of the compressor and sensor values obtained from the group of sensors.
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