(57)【特許請求の範囲】
【請求項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した後の前記第１の冷媒を等圧冷却する冷却器と、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の冷媒と前記冷却器により等圧冷却された後の前記第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の循環経路の前記膨張タービンの入口側に配置された第１の温度調節器と、前記第２の循環経路の前記副熱交換器の出口側に配置された第２の温度調節器と、前記ターボ式の圧縮機、前記第１の温度調節器及び前記第２の温度調節器を制御する制御装置とを備え、前記第１の温度調節器の操作量（ＭＶ１）又は前記第２の温度調節器の操作量（ＭＶ２）に依存して前記制御装置が前記ターボ式の圧縮機の回転数を制御する冷凍機の制御方法であって、
極低温で用いられる前記冷凍機は、前記第１の温度調節器を使用して前記ターボ式の圧縮機の回転数を調節することにより前記第１の冷媒の温度を目標温度で制御する第１の制御モード及び前記第２の温度調節器を使用して前記ターボ式の圧縮機の回転数を調節することにより前記第２の冷媒の温度を目標温度で制御する第２の制御モードを有し、
第１の制御モードから第２の制御モードへの移行を指示する、第２の制御モードへの移行指令工程と、
第２の温度調節器の設定値（ＳＶ２）のＳＶ２１を、第２の温度調節器の現在値（ＰＶ２）のＰＶ２１に書き替える、第２の温度調節器の設定値書替工程と、
第２の温度調節器の操作量（ＭＶ２）を、第１の温度調節器の操作量（ＭＶ１）のＭＶ１１に書き替える、第２の温度調節器の操作量書替工程と、
ターボ式の圧縮機の回転数の制御を第１の温度調節器の操作量（ＭＶ１）依存から第２の温度調節器の操作量（ＭＶ２）依存に切り替える、第二制御ポイント切替工程と、
第２の温度調節器の設定値（ＳＶ２）をＰＶ２１からＳＶ２１まで経時的に変化させる、第２の温度調節器の設定値経時変化工程と
を備える、冷凍機の制御方法。
【請求項２】
さらに、
前記第２の制御モードへの移行指令工程の後、前記第２の温度調節器の設定値書替工程の前に、又は前記第２の温度調節器の設定値書替工程の後、前記第２の温度調節器の操作量書替工程の前の前に、第１の温度調節器の操作量（ＭＶ１）をＭＶ１１に固定する、第１の温度調節器の操作量固定工程を備え、
前記第二制御ポイント切替工程の後に、第１の温度調節器の操作量（ＭＶ１）の固定を解除する、第１の温度調節器の操作量固定解除工程を備える、
請求項１に記載の冷凍機の制御方法。
【請求項３】
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した後の前記第１の冷媒を等圧冷却する冷却器と、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の冷媒と前記冷却器により等圧冷却された後の前記第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の循環経路の前記膨張タービンの入口側に配置された第１の温度調節器と、前記第２の循環経路の前記副熱交換器の出口側に配置された第２の温度調節器と、前記ターボ式の圧縮機、前記第１の温度調節器及び前記第２の温度調節器を制御する制御装置とを備え、前記第１の温度調節器の操作量（ＭＶ１）又は前記第２の温度調節器の操作量（ＭＶ２）に依存して前記制御装置が前記ターボ式の圧縮機の回転数を制御する冷凍機の制御方法であって、
前記冷凍機は、前記第１の温度調節器を使用して前記ターボ式の圧縮機の回転数を調節することにより前記第１の冷媒の温度を目標温度で制御する第１の制御モード及び前記第２の温度調節器を使用して前記ターボ式の圧縮機の回転数を調節することにより前記第２の冷媒の温度を目標温度で制御する第２の制御モードを有し、
第２の制御モードから第１の制御モードへの移行を指示する、第１の制御モードへの移行指令工程と、
第１の温度調節器の設定値（ＳＶ１）のＳＶ１１を、第１の温度調節器の現在値（ＰＶ１）のＰＶ１１に書き替える、第１の温度調節器の設定値書替工程と、
第１の温度調節器の操作量（ＭＶ１）を、第２の温度調節器の操作量（ＭＶ２）のＭＶ２１に書き替える、第１の温度調節器の操作量書替工程と、
ターボ式の圧縮機の回転数の制御を第２の温度調節器の操作量（ＭＶ２）依存から第１の温度調節器の操作量（ＭＶ１）依存に切り替える、第一制御ポイント切替工程と、
第１の温度調節器の設定値（ＳＶ１）をＰＶ１１からＳＶ１１まで経時的に変化させる、第１の温度調節器の設定値経時変化工程と
を備える、冷凍機の制御方法。
【請求項４】
さらに、
前記第１の温度調節器の設定値書替工程Ｓ２２の後、前記第１の温度調節器の操作量書替工程Ｓ２４の前に、又は前記第１の制御モードへの移行指令工程Ｓ２１の後、前記第１の温度調節器の設定値書替工程Ｓ２２の前に、第２の温度調節器の操作量（ＭＶ２）をＭＶ２１に固定する、第２の温度調節器の操作量固定工程を備え、
前記第一制御ポイント切替工程の後に、第２の温度調節器の操作量（ＭＶ２）の固定を解除する、第２の温度調節器の操作量固定解除工程を備える、
請求項３に記載の冷凍機の制御方法。
【請求項５】
請求項１〜４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ことを特徴とする、冷凍機の制御プログラム。
【請求項６】
請求項５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ことを特徴とする、冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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（冷却対象）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、液体水素又は液体ヘリウム等の循環冷媒（第２の冷媒）を超電導電力機器に循環させ、超電導電力機器での発熱及び系内の侵入熱により昇温した循環冷媒（第２の冷媒）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。冷凍機の冷媒ガスとしては、ネオン又はヘリウム等の冷凍機冷媒（第１の冷媒）が用いられる。
【０００３】
冷凍機の一例の概略構成を図１に示す。冷凍機１においては、第１の冷媒（冷凍機冷媒）Ｍ１が循環する第１の循環経路（冷凍機冷媒循環ライン）１１１上に、主熱交換器１０１、副熱交換器１０２、ターボ式の圧縮機１０３、冷却器１１０、膨張タービン１０４及び第１の温度調節器１０５が配置され、第２の冷媒（循環冷媒）Ｍ２が循環する第２の循環経路（循環冷媒循環ライン）１１２上に、副熱交換器１０２、第２の温度調節器１０６、冷媒循環ポンプ１０８、冷却対象１０９が配置される。副熱交換器１０２において、第１の冷媒Ｍ１と第２の冷媒Ｍ２との間で熱交換が行われ、第２の冷媒Ｍ２が冷却される。ターボ式の圧縮機１０３、第１の温度調節器１０５及び第２の温度調節器１０６は、それぞれ、ターボ式の圧縮機制御ライン１０３ａ、第１の温度調節器制御ライン１０５ａ及び第２の温度調節器制御ライン１０６ａを介して、制御装置１０７によって制御される。制御装置１０７は、インバータ１０７ａと制御盤１０７ｂとから構成される。
【０００４】
図１に示す冷凍機で超電導機器を冷却する場合の制御モードは、大きくは、以下の第１の制御モード（以下「制御モード１」ともいう。）及び第２の制御モード（以下「制御モード２」ともいう。）の２つである。
制御モード１は、第１の温度調節器１０５を使用して冷凍機冷媒Ｍ１の温度を目標温度で制御するモードである。制御モード２は第２の温度調節器１０６を使用して循環冷媒Ｍ２の温度を目標温度で制御するモードである。冷凍機１において、第２の冷媒Ｍ２が第２の循環経路１１２を流れているときは、循環冷媒Ｍ２の温度を安定させることが必要であり、制御モード１で循環冷媒Ｍ２の温度を制御しようとすると、循環冷媒Ｍ２の温度変動に対して応答性が悪くなる。そのため、循環冷媒Ｍ２側の熱負荷に対して冷凍機１の制御が追従できず、超電導電力機器（冷却対象１０９）の冷却に必要な温度を保持できない可能性がある。したがって、冷凍機１の制御は、循環冷媒Ｍ２の状況に応じて制御モード１又は制御モード２を選択する必要がある。このとき、制御モード１から制御モード２への移行、又は制御モード２から制御モード１への移行を、スムーズに行うことが、冷凍機１の運用において重要である。
各制御モードにおける冷凍能力の制御方法としては、冷媒（冷凍機冷媒Ｍ１、循環冷媒Ｍ２）の温度を温度調節器（第１の温度調節器１０５、第２の温度調節器１０６）により監視し、その温度が設定値（以下「ＳＶ」ともいう。）を保つようにターボ式の圧縮機１０３の回転数を演算し、操作量（以下「ＭＶ」ともいう。）を出力する方法が用いられる。例えば、ＳＶに対して現在値（以下「ＰＶ」ともいう。）が高い場合は、冷却を促進する必要があるため、ターボ式の圧縮機１０３の回転数を上げ、冷凍能力を増加させる。このように、ターボ式の圧縮機１０３の回転数を増減させることで、ＳＶとＰＶとを一致させるように制御を行う。
制御モード１から制御モード２へ移行する時は、制御の重複を回避するため、温度調節器を冷凍機冷媒Ｍ１側の第１の温度調節器１０５から、循環冷媒Ｍ２側の第２の温度調節器１０６に切り替える必要がある。しかし、第１の温度調節器１０５におけるＰＶ及びＳＶと第２の温度調節器１０６におけるＰＶ及びＳＶとは、運転状況により異なるため、第１の温度調節器１０５及び第２の温度調節器１０６におけるＭＶにも差異が生じる。第１の温度調節器１０５及び第２の温度調節器１０６におけるＭＶの乖離が大きいまま制御モードを移行すると、ターボ式の圧縮機１０３の回転数の急激な変化により、ターボ式の圧縮機へ負荷がかかる。
ターボ式の圧縮機１０３は、冷凍機１における重要機器の一つであり、ターボ式の圧縮機１０３が故障すると、冷凍機冷媒Ｍ１系統の開放及びターボ式の圧縮機１０３の分解修理等が必要となり、復旧には多大な時間及び費用が必要となる。したがって、冷凍機１の長期運転を実現するためには、ターボ式の圧縮機１０３の安定運転が重要となる。
また、ターボ式の圧縮機１０３の回転数に急激な変化が起こると、ＳＶからのアンダーシュート及びオーバーシュートが発生する可能性がある。その場合、ＳＶとＰＶとが一致するまで時間を要してしまう。さらに、循環冷媒Ｍ２の負荷変動が大きい場合、ハンチングを起こし制御ができなくなる可能性もある。また、アンダーシュートにより循環冷媒Ｍ２が低温になりすぎ、凝固してしまうおそれがある。冷凍機冷媒Ｍ１と循環冷媒Ｍ２とを熱交換させる副熱交換器１０２内において、循環冷媒Ｍ２の凝固により閉塞が発生すると、伝熱面積の減少に伴う交換熱量の低下により、循環冷媒Ｍ２の冷却が困難になる可能性がある。循環冷媒Ｍ２の冷却ができなければ、バックアップ設備への切り替えが必要となる。バックアップが追いつかない場合、超電導電力機器（冷却対象１０９）の停止による電力供給の停止につながる。
【０００５】
特許文献１では、多段式圧縮機を用いた極低温の冷凍サイクルを利用した冷凍機では、冷却対象の熱負荷が変動した場合、圧縮機や膨張機の回転数を制御することによって、冷凍能力を熱負荷に応じて調整することが行われているが、冷凍能力を回転数制御によって制御した場合、回転数の変化に伴って、冷媒の流量、圧力比及び温度等の他の制御パラメータにも変動をきたしてしまうため、冷凍能力を熱負荷に対応した所定の目標値に収束させるまでに時間を要してしまう場合があり、良好な応答性を得ることが難しいという問題点が指摘されている。
このような問題点に対して、特許文献１は、多段式圧縮機を用いた極低温の冷凍サイクルを利用した冷凍機において、冷却対象において熱負荷の変動が検出された場合に、極低温の冷凍サイクルを流れる冷媒流量を変化させることを特徴とする、冷却対象の熱負荷変動に対して効率の低下を伴うことなく、良好な応答性を有する極低温の冷凍サイクル冷凍機を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１４／１９２３８２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１が示すように、制御モード１と制御モード２を使い分けることは一般的に知られている。しかし、モード移行についての制御方法は示されていない。
また、特許文献１では、ＭＶの出力により冷凍機冷媒循環経路とバッファタンクを接続するバルブを開閉し、冷凍機冷媒の圧力を変化させて冷凍能力を調整する方法が用いられている。この方法では、圧縮機の回転数が一定のため、圧縮機の効率が高い領域で常に運転でき、冷凍機としても高効率に運転できるというメリットがある。しかし、回転数による冷凍能力の調整と比較し、系内圧力の調整では冷凍能力の応答性が悪く、循環冷媒の負荷変動が大きい場合に追従できない可能性がある。さらに、圧力を調整するためのバッファタンクおよびバルブ等が必要となり、装置が大型化する懸念がある。
また、レシプロ式の圧縮機を用いた冷凍機においては、回転数制御の変わりに稼動するピストンの筒数を増減させることで冷凍能力の調整を行う。しかし、レシプロ式の圧縮機を用いた冷凍機は１台当たりの冷凍能力が小さいため、大容量の冷凍には複数台を並べる必要がある。さらに台数が増えるとメンテナンス頻度の増加も懸念される。そのため、超電導電力機器等の大容量な冷凍能力が必要となる場合は、設置面積やコスト、メンテナンス性の観点からターボ式の圧縮機を用いた冷凍機が適している。
【０００８】
本発明は、ターボ式の圧縮機の回転数の急激な変化を抑制でき、安定的な運転が可能とな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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
［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した後の前記第１の冷媒を等圧冷却する冷却器と、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の冷媒と前記冷却器により等圧冷却された後の前記第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の循環経路の前記膨張タービンの入口側に配置された第１の温度調節器と、前記第２の循環経路の前記副熱交換器の出口側に配置された第２の温度調節器と、前記ターボ式の圧縮機、前記第１の温度調節器及び前記第２の温度調節器を制御する制御装置とを備え、前記第１の温度調節器の操作量（ＭＶ１）又は前記第２の温度調節器の操作量（ＭＶ２）に依存して前記制御装置が前記ターボ式の圧縮機の回転数を制御する冷凍機の制御方法であって、
極低温で用いられる前記冷凍機は、前記第１の温度調節器を使用して前記ターボ式の圧縮機の回転数を調節することにより前記第１の冷媒の温度を目標温度で制御する第１の制御モード及び前記第２の温度調節器を使用して前記ターボ式の圧縮機の回転数を調節することにより前記第２の冷媒の温度を目標温度で制御する第２の制御モードを有し、
第１の制御モードから第２の制御モードへの移行を指示する、第２の制御モードへの移行指令工程と、
第２の温度調節器の設定値（ＳＶ２）のＳＶ２１を、第２の温度調節器の現在値（ＰＶ２）のＰＶ２１に書き替える、第２の温度調節器の設定値書替工程と、
第２の温度調節器の操作量（ＭＶ２）を、第１の温度調節器の操作量（ＭＶ１）のＭＶ１１に書き替える、第２の温度調節器の操作量書替工程と、
ターボ式の圧縮機の回転数の制御を第１の温度調節器の操作量（ＭＶ１）依存から第２の温度調節器の操作量（ＭＶ２）依存に切り替える、第二制御ポイント切替工程と、
第２の温度調節器の設定値（ＳＶ２）をＰＶ２１からＳＶ２１まで経時的に変化させる、第２の温度調節器の設定値経時変化工程と
を備える、冷凍機の制御方法。
［２］  さらに、
前記第２の制御モードへの移行指令工程の後、前記第２の温度調節器の設定値書替工程の前に、又は前記第２の温度調節器の設定値書替工程の後、前記第２の温度調節器の操作量書替工程の前の前に、第１の温度調節器の操作量（ＭＶ１）をＭＶ１１に固定する、第１の温度調節器の操作量固定工程を備え、
前記第二制御ポイント切替工程の後に、第１の温度調節器の操作量（ＭＶ１）の固定を解除する、第１の温度調節器の操作量固定解除工程を備える、
［１］に記載の冷凍機の制御方法。
［３］  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した後の前記第１の冷媒を等圧冷却する冷却器と、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の冷媒と前記冷却器により等圧冷却された後の前記第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の循環経路の前記膨張タービンの入口側に配置された第１の温度調節器と、前記第２の循環経路の前記副熱交換器の出口側に配置された第２の温度調節器と、前記ターボ式の圧縮機、前記第１の温度調節器及び前記第２の温度調節器を制御する制御装置とを備え、前記第１の温度調節器の操作量（ＭＶ１）又は前記第２の温度調節器の操作量（ＭＶ２）に依存して前記制御装置が前記ターボ式の圧縮機の回転数を制御する冷凍機の制御方法であって、
極低温で用いられる前記冷凍機は、前記第１の温度調節器を使用して前記ターボ式の圧縮機の回転数を調節することにより前記第１の冷媒の温度を目標温度で制御する第１の制御モード及び前記第２の温度調節器を使用して前記ターボ式の圧縮機の回転数を調節することにより前記第２の冷媒の温度を目標温度で制御する第２の制御モードを有し、
第２の制御モードから第１の制御モードへの移行を指示する、第１の制御モードへの移行指令工程と、
第１の温度調節器の設定値（ＳＶ１）のＳＶ１１を、第１の温度調節器の現在値（ＰＶ１）のＰＶ１１に書き替える、第１の温度調節器の設定値書替工程と、
第１の温度調節器の操作量（ＭＶ１）を、第２の温度調節器の操作量（ＭＶ２）のＭＶ２１に書き替える、第１の温度調節器の操作量書替工程と、
ターボ式の圧縮機の回転数の制御を第２の温度調節器の操作量（ＭＶ２）依存から第１の温度調節器の操作量（ＭＶ１）依存に切り替える、第一制御ポイント切替工程と、
第１の温度調節器の設定値（ＳＶ１）をＰＶ１１からＳＶ１１まで経時的に変化させる、第１の温度調節器の設定値経時変化工程と
を備える、冷凍機の制御方法。
［４］  さらに、
前記第１の温度調節器の設定値書替工程Ｓ２２の後、前記第１の温度調節器の操作量書替工程Ｓ２４の前に、又は前記第１の制御モードへの移行指令工程Ｓ２１の後、前記第１の温度調節器の設定値書替工程Ｓ２２の前に、第２の温度調節器の操作量（ＭＶ２）をＭＶ２１に固定する、第２の温度調節器の操作量固定工程を備え、
前記第一制御ポイント切替工程の後に、第２の温度調節器の操作量（ＭＶ２）の固定を解除する、第２の温度調節器の操作量固定解除工程を備える、
［３］に記載の冷凍機の制御方法。
［５］  ［１］〜［４］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ことを特徴とする、冷凍機の制御プログラム。
［６］  ［５］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ことを特徴とする、冷凍機。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ターボ式の圧縮機の回転数の急激な変化を抑制でき、安定的な運転が可能とな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できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、冷凍機の一例の概略構成図である。
【図２】図２は、制御モード１から制御モード２への移行シーケンスを示すフロー図である。
【図３】図３は、制御モード２から制御モード１への移行シーケンスを示すフロー図である。
【図４】図４は、制御モード１から制御モード２への移行におけるＰＶ及びＭＶのトレンドグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［冷凍機の制御方法］
本発明の冷凍機の制御方法の実施形態を、適宜、図面を参照しながら、説明する。
【００１３】
＜冷凍機の構成＞
図１に構成概要を示す極低温で用いられる冷凍機１は、第１の冷媒Ｍ１が循環する第１の循環経路１１１と、第１の循環経路１１１に配置された、主熱交換器１０１、副熱交換器１０２、ターボ式の圧縮機１０３、膨張タービン１０４、第１の温度調節器１０５及び冷却器１１０と、第２の冷媒Ｍ２が循環する第２の循環経路１１２と、第２の循環経路１１２に配置された、副熱交換器１０２、第２の温度調節器１０６、冷媒循環ポンプ１０８及び冷却対象１０９と、ターボ式の圧縮機１０３、第１の温度調節器１０５及び第２の温度調節器１０６を制御する制御装置１０７を備える。
【００１４】
ターボ式の圧縮機１０３は、第１の冷媒Ｍ１を断熱圧縮する。ターボ式の圧縮機１０３は、インバータ１０７ａからの指令により、設計回転数の範囲内で運転することが可能である。
冷却器１１０は、ターボ式の圧縮機１０３により断熱圧縮した後の第１の冷媒Ｍ１を等圧冷却する。
主熱交換器１０１は、ターボ式の圧縮機１０３により断熱圧縮される前の第１の冷媒Ｍ１と冷却器１１０により等圧冷却された後の第１の冷媒Ｍ１との熱交換を行う。
膨張タービン１０４は、第１の冷媒Ｍ１を断熱膨張する。
副熱交換器１０２は、第１の冷媒Ｍ１と第２の冷媒Ｍ２との熱交換を行う。
【００１５】
第１の温度調節器１０５は、図１では、第１の循環経路１１１の膨張タービン１０４の入口側、すなわち主熱交換器１０１と膨張タービン１０４との間に配置しているが、第１の温度調節器１０５は、膨張タービン１０４と副熱交換器１０２との間又は副熱交換器１０２と主熱交換器１０１との間に設置してもよい。
第２の温度調節器１０６は、図１では、第２の循環経路１１２の副熱交換器１０２の出口側に配置しているが、副熱交換器１０２の入口側に配置してもよい。冷却対象（超電導機器）１０９に導入される第２の冷媒Ｍ２の温度を制御しやすいことから、第２の温度調節器１０６は、副熱交換器１０２の出口側に配置することが好ましい。
【００１６】
制御装置１０７は、インバータ１０７ａと、インバータ１０７ａを制御するための制御盤１０７ｂとを含む。インバータ１０７ａと、ターボ式の圧縮機１０３、第１の温度調節器１０５及び第２の温度調節器１０６とは、それぞれ、ターボ式の圧縮機制御ライン１０３ａ、第１の温度調節器制御ライン１０５ａ及び第２の温度調節器制御ライン１０６ａとを介して接続されている。
【００１７】
冷凍機１は、第１の温度調節器１０５を使用してターボ式の圧縮機１０３の回転数を調節することにより第１の冷媒Ｍ１の温度を目標温度で制御する第１の制御モード及び第２の温度調節器１０６を使用してターボ式の圧縮機１０３の回転数を調節することにより第２の冷媒Ｍ２の温度を目標温度で制御する第２の制御モードを有する。
制御モード１では、第１の温度調節器１０５が第１の冷媒Ｍ１の温度を監視し、ターボ式の圧縮機１０３の回転数を制御する。第１の循環経路１１１の冷媒配管には、第１の冷媒Ｍ１の温度を計測する温度センサ（図示省略）が設けられており、第１の冷媒Ｍ１の温度の現在値ＰＶ１が電気信号により第１の温度調節器１０５に現在値ＰＶ１１として入力される。第１の冷媒Ｍ１の温度の設定値ＳＶ１は、第１の温度調節器１０５本体の操作により、任意の値ＳＶ１１に設定する。ＰＶ１１とＳＶ１１との偏差を基に、第１の温度調節器１０５からインバータ１０７ａへ操作量ＭＶ１が出力され、ターボ式の圧縮機１０３の回転数を設定する。
制御モード２では、第２の温度調節器１０６が第２の冷媒Ｍ２の温度を監視し、ターボ式の圧縮機１０３の回転数を制御する。第２の循環経路１１２の冷媒配管には、第２の冷媒Ｍ２の温度を計測する温度センサ（図示省略）が設けられており、第２の冷媒Ｍ２の温度の現在値ＰＶ２が電気信号により第２の温度調節器１０６に現在値ＰＶ２１として入力される。第２の冷媒Ｍ２の温度の設定値ＳＶ２は、第２の温度調節器１０６本体の操作により、任意の値ＳＶ２１に設定する。ＰＶ２１とＳＶ２１との偏差を基に、第２の温度調節器１０６からインバータ１０７ａへ操作量ＭＶ２が出力され、ターボ式の圧縮機１０３の回転数を設定する。
【００１８】
第１の冷媒Ｍ１は、例えば、ネオン、水素又はヘリウムである。第１の冷媒Ｍ１としては、凝固点が低く、ターボ式の圧縮機の設計圧力比を低回転数で実現できることから、ネオンが好ましい。
第２の冷媒Ｍ２は、例えば、液体窒素、液体水素又は液体ヘリウムである。第２の冷媒Ｍ２としては、通常、必要充分な冷却性能を発揮でき、安価であることから、液体窒素が好ましい。
【００１９】
以下では、本発明の冷凍機の制御方法における、制御モード１から制御モード２への移行シーケンスと、制御モード２から制御モード１への移行シーケンスと、について詳細に説明する。
【００２０】
＜制御モード１から制御モード２への移行シーケンス＞
制御モード１から制御モード２への移行シーケンスは、図２に示すように、第２の制御モードへの移行指令工程Ｓ１１と、第２の温度調節器の設定値書替工程Ｓ１２と、第１の温度調節器の操作量固定工程Ｓ１３と、第２の温度調節器の操作量書替工程Ｓ１４と、第二制御ポイント切替工程Ｓ１５と、第１の温度調節器の操作量固定解除工程Ｓ１６と、第２の温度調節器の設定値経時変化工程Ｓ１７と、を含む。通常、制御モード１から制御モード２への移行シーケンスは電気信号による操作であるため、１秒未満で実行可能である。制御モード１から制御モード２への移行シーケンスにおける操作量ＭＶ１の変化は極めて小さいため、操作量の固定及び固定の解除を省略することが可能であり、第１の温度調節器の操作量固定工程Ｓ１３及び第１の温度調節器の操作量固定解除工程Ｓ１６は、省略可能である。
【００２１】
（Ｓ１１：第２の制御モードへの移行指令工程）
第２の制御モードへの移行指令工程Ｓ１１は、第１の制御モードから第２の制御モードへの移行を指示する工程である。
冷凍機１は制御モード１の状態である。制御モード１から制御モード２へのモード移行のシーケンスを起動する。
【００２２】
（Ｓ１２：第２の温度調節器の設定値書替工程）
第２の温度調節器の設定値書替工程Ｓ１２は、第２の温度調節器１０６の設定値（ＳＶ２）のＳＶ２１を、第２の温度調節器１０６の現在値（ＰＶ２）のＰＶ２１に書き替える工程である。
ＳＶ２１をＰＶ２１に書き替えた後は、常に第２の温度調節器１０６の現在値（ＰＶ２）と第２の温度調節器１０６の設定値（ＳＶ２）とが同一となるように連動させる。これにより第２の温度調節器１０６の操作量（ＭＶ２）を一定に保つことが可能である。
【００２３】
（Ｓ１３：第１の温度調節器の操作量固定工程）
第１の温度調節器の操作量固定工程Ｓ１３は、第１の温度調節器１０５の操作量（ＭＶ１）をＭＶ１１に固定する工程である。
第１の温度調節器１０５の操作量（ＭＶ１）を固定する方法としては、例えば、第１の温度調節器１０５を手動モードに切り替える方法がある。また、第１の温度調節器１０５の操作量（ＭＶ１）の算出にＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ−Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御を用いている場合、ＰＩＤパラメータを一時的に変更して第１の温度調節器１０５の操作量（ＭＶ１）の変化速度を極端に遅くしてもよい。
また、同時に、第２の温度調節器１０６の操作量（ＭＶ２）を固定してもよい。
第１の温度調節器の操作量固定工程Ｓ１３は、第２の温度調節器の設定値書替工程Ｓ１２の後、第２の温度調節器の操作量書替工程Ｓ１４の前に行ってもよいし、第２の温度調節器の設定値書替工程Ｓ１２の前、第２の制御モードへの移行指令工程Ｓ１１の後に行ってもよい。
【００２４】
（Ｓ１４：第２の温度調節器の操作量書替工程）
第２の温度調節器の操作量書替工程Ｓ１４は、第２の温度調節器１０６の操作量（ＭＶ２）を、第１の温度調節器１０５の操作量（ＭＶ１）のＭＶ１１に書き替える工程である。
本工程においては、第２の温度調節器１０６の現在値（ＰＶ２）と第２の温度調節器１０６の設定値（ＳＶ２）とは同一のため、第２の温度調節器１０６の操作量（ＭＶ２）は変化しない。
【００２５】
（Ｓ１５：第二制御ポイント切替工程）
第二制御ポイント切替工程Ｓ１５は、ターボ式の圧縮機１０３の回転数の制御を第１の温度調節器１０５の操作量（ＭＶ１）依存から第２の温度調節器１０６の操作量（ＭＶ２）依存に切り替える工程である。
【００２６】
（Ｓ１６：第１の温度調節器の操作量固定解除工程）
第１の温度調節器の操作量固定解除工程Ｓ１６は、第１の温度調節器１０５の操作量（ＭＶ１）の固定を解除する工程である。
第２の温度調節器１０６の操作量（ＭＶ２）を固定していた場合は、第２の温度調節器１０６の操作量（ＭＶ２）の固定も同時に解除する。温度調節器を手動モードにしていた場合は自動モードに戻す。また、ＰＩＤ制御のパラメータを変更してＭＶの変化を遅くしていた場合はパラメータを元に戻す。
【００２７】
（Ｓ１７：第２の温度調節器の設定値経時変化工程）
第２の温度調節器の設定値経時変化工程Ｓ１７は、第２の温度調節器１０６の設定値（ＳＶ２）をＰＶ２１からＳＶ２１まで経時的に変化させる工程である。
第２の温度調節器１０６の設定値（ＳＶ２）は、本来設定している値（第２の制御モードへの移行指令工程でのＳＶ２）と異なるため、元に戻す。ただし、急激に本来設定している値へ戻すと、差異が大きい場合は第２の温度調節器１０６の操作量（ＭＶ２）の急激な変化が発生する。そこで小刻みに第２の温度調節器１０６の設定値（ＳＶ２）を変更し、徐々に本来設定した値へと近づけることが好ましい。具体的には、例えば、０．１Ｋ／ｓの変化速度にて第２の温度調節器１０６の設定値（ＳＶ２）を増加又は減少させる方法挙げられる。また、インバータ１０７ａの出力制御により、ターボ式の圧縮機１０３の回転数に上限下限を段階的に設け、複数回に分けターボ式の圧縮機１０３の回転数を変化させてもよい。
【００２８】
上記Ｓ１１〜Ｓ１７を実行することで、ターボ式の圧縮機１０３回転数の急激な変化を抑制し、制御モード１から制御モード２への安定的なモード移行が実行可能となる。
【００２９】
＜制御モード２から制御モード１への移行シーケンス＞
制御モード２から制御モード１への移行シーケンスは、図３に示すように、第１の制御モードへの移行指令工程Ｓ２１と、第１の温度調節器の設定値書替工程Ｓ２２と、第２の温度調節器の操作量固定工程Ｓ２３と、第１の温度調節器の操作量書替工程Ｓ２４と、第一制御ポイント切替工程Ｓ２５と、第２の温度調節器の操作量固定解除工程Ｓ２６と、第１の温度調節器の設定値経時変化工程Ｓ２７と、を含む。通常、制御モード２から制御モード１への移行シーケンスは電気信号による操作であるため、１秒未満で実行可能である。制御モード２から制御モード１への移行シーケンスにおける操作量ＭＶ２の変化は極めて小さいため、操作量の固定及び固定の解除を省略することが可能であり、第２の温度調節器の操作量固定工程Ｓ２３及び第２の温度調節器の操作量固定解除工程Ｓ２６は、省略可能である。
【００３０】
（Ｓ２１：第１の制御モードへの移行指令工程）
第１の制御モードへの移行指令工程Ｓ２１は、第２の制御モードから第１の制御モードへの移行を指示する工程である。
冷凍機１は制御モード２の状態である。制御モード２から制御モード１へのモード移行のシーケンスを起動する。
【００３１】
（Ｓ２２：第１の温度調節器の設定値書替工程）
第１の温度調節器の設定値書替工程Ｓ２２は、第１の温度調節器１０５の設定値（ＳＶ１）のＳＶ１１を、第１の温度調節器１０５の現在値（ＰＶ１）のＰＶ１１に書き替える工程である。
ＳＶ１１をＰＶ１１に書き替えた後は、常に第１の温度調節器１０５の現在値（ＰＶ１）と第１の温度調節器１０５の設定値（ＳＶ１）とが同一となるように連動させる。これにより第１の温度調節器１０５の操作量（ＭＶ１）を一定に保つことが可能である。
【００３２】
（Ｓ２３：第２の温度調節器の操作量固定工程）
第２の温度調節器の操作量固定工程Ｓ２３は、第２の温度調節器１０６の操作量（ＭＶ２）をＭＶ２１に固定する工程である。
第２の温度調節器１０６の操作量（ＭＶ２）を固定する方法としては、例えば、第２の温度調節器１０６を手動モードに切り替える方法がある。また、第２の温度調節器１０６の操作量（ＭＶ２）の算出にＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ−Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御を用いている場合、ＰＩＤパラメータを一時的に変更して第２の温度調節器１０６の操作量（ＭＶ２）の変化速度を極端に遅くしてもよい。
また、同時に、第１の温度調節器１０５の操作量（ＭＶ１）を固定してもよい。
第２の温度調節器の操作量固定工程Ｓ２３は、第１の温度調節器の設定値書替工程Ｓ２２の後、第１の温度調節器の操作量書替工程Ｓ２４の前に行ってもよいし、第１の温度調節器の設定値書替工程Ｓ２２の前、第１の制御モードへの移行指令工程Ｓ２１の後に行ってもよい。
【００３３】
（Ｓ２４：第１の温度調節器の操作量書替工程）
第１の温度調節器の操作量書替工程Ｓ２４は、第１の温度調節器１０５の操作量（ＭＶ１）を、第２の温度調節器１０６の操作量（ＭＶ２）のＭＶ２１に書き替える工程である。
本工程においては、第１の温度調節器１０５の現在値（ＰＶ１）と第１の温度調節器１０５の設定値（ＳＶ１）とは同一のため、第１の温度調節器１０５の操作量（ＭＶ１）は変化しない。
【００３４】
（Ｓ２５：第一制御ポイント切替工程）
第一制御ポイント切替工程Ｓ２５は、ターボ式の圧縮機１０３の回転数の制御を第２の温度調節器１０６の操作量（ＭＶ２）依存から第１の温度調節器１０５の操作量（ＭＶ１）依存に切り替える工程である。
【００３５】
（Ｓ２６：第２の温度調節器の操作量固定解除工程）
第２の温度調節器の操作量固定解除工程Ｓ２６は、第２の温度調節器１０６の操作量（ＭＶ２）の固定を解除する工程である。
第１の温度調節器１０５の操作量（ＭＶ１）を固定していた場合は、第１の温度調節器１０５の操作量（ＭＶ１）の固定も同時に解除する。温度調節器を手動モードにしていた場合は自動モードに戻す。また、ＰＩＤ制御のパラメータを変更してＭＶの変化を遅くしていた場合はパラメータを元に戻す。
【００３６】
（Ｓ２７：第１の温度調節器の設定値経時変化工程）
第１の温度調節器の設定値経時変化工程Ｓ２７は、第１の温度調節器１０５の設定値（ＳＶ１）をＰＶ１１からＳＶ１１まで経時的に変化させる工程である。
第１の温度調節器１０５の設定値（ＳＶ１）は、本来設定している値（第１の制御モードへの移行指令工程でのＳＶ１）と異なるため、元に戻す。ただし、急激に本来設定している値へ戻すと、差異が大きい場合は第１の温度調節器１０５の操作量（ＭＶ１）の急激な変化が発生する。そこで小刻みに第１の温度調節器１０５の設定値（ＳＶ１）を変更し、徐々に本来設定した値へと近づけることが好ましい。具体的には、例えば、０．１Ｋ／ｓの変化速度にて第１の温度調節器１０５の設定値（ＳＶ１）を増加又は減少させる方法挙げられる。また、インバータ１０７ａの出力制御により、ターボ式の圧縮機１０３の回転数に上限下限を段階的に設け、複数回に分けターボ式の圧縮機１０３の回転数を変化させてもよい。
【００３７】
上記Ｓ２１〜Ｓ２７を実行することで、ターボ式の圧縮機１０３回転数の急激な変化を抑制し、制御モード２から制御モード１への安定的なモード移行が実行可能となる。
【００３８】
［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ことを特徴とする。
【００３９】
［冷凍機］
本発明の冷凍機は、上述した冷凍機の制御プログラムを搭載した制御装置を備えることを特徴とする。
本発明の冷凍機の一例の概略構成は、図１に示すとおりである。
【００４０】
［作用効果］
従来の冷凍機の制御方法では、制御モード１から制御モード２への移行の際には、第１の冷媒Ｍ１側の温度を制御する第１の温度調節器１０５から、第２の冷媒Ｍ２の温度を制御する第２の温度調節器１０６へ、温度調節器を単純に移行する方法でモード移行が行われていた。この方法では、各温度調節器の制御パラメータを変更しないので、各温度調節器のＭＶが異なり、第１の温度調節器１０５から第２の温度調節器１０６に制御が切り替った時に、ターボ式の圧縮機１０３の回転数が急激に変化する。ターボ式の圧縮機１０３の回転数が一時的に大きく変動することで、第２の冷媒Ｍ２の温度も変動を引き起こし、再び安定状態となるまでに時間を要する。さらに、ターボ式の圧縮機１０３に負荷がかかるだけでなく、回転数の変動に伴う第１の冷媒Ｍ１の圧力変動等により、冷凍機１がインターロック停止する可能性がある。
これに対して、本発明の冷凍機の制御方法では、制御モード１から制御モード２への移行時に、第１の温度調節器１０５及び第２の温度調節器１０６のそれぞれに制御シーケンスを付加することで、ターボ式の圧縮機１０３の回転数の急激な変化を抑制し、安定的な運転が可能となる。
【実施例】
【００４１】
以下では実施例によって本発明をより具体的に説明する。しかし、本発明は後述する実施例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。
【００４２】
［実施例１］
制御モード１から制御モード２への移行を、Ｓ１１：第２の制御モードへの移行指令工程、Ｓ１２：第２の温度調節器の設定値書替工程、Ｓ１３：第１の温度調節器の操作量固定工程、Ｓ１４：第２の温度調節器の操作量書替工程、Ｓ１５：第二制御ポイント切替工程、Ｓ１６：第１の温度調節器の操作量固定解除工程、Ｓ１７：第２の温度調節器の設定値経時変化工程、の順に行い、モード移行を完了した。
本実施例における制御モード１から制御モード２へのモード移行時の温度調節器の設定値（ＳＶ）、現在値（ＰＶ）及び操作量（ＭＶ）を表１に示す。
【００４３】
【表１】
0006861922.tif 000002
【００４４】
温度調節器の現在値（ＰＶ）は常に変動している。
ＳＶ列及びＭＶ列の斜体字は強制的に変更した値である。
ＭＶ列の○が付いているＭＶは出力に使用している値である。
【００４５】
図４に、制御モード１から制御モード２への移行における、本実施例のＰＶ及びＭＶのトレンドグラフを示す（実線）。
【００４６】
［実施例２］
制御モード１から制御モード２への移行を、Ｓ１１：第２の制御モードへの移行指令工程、Ｓ１２：第２の温度調節器の設定値書替工程、Ｓ１４：第２の温度調節器の操作量書替工程、Ｓ１５：第二制御ポイント切替工程、Ｓ１７：第２の温度調節器の設定値経時変化工程、の順に行い、モード移行を完了した。
本実施例における制御モード１から制御モード２へのモード移行時の温度調節器の設定値（ＳＶ）、現在値（ＰＶ）及び操作量（ＭＶ）を表２に示す。
【００４７】
【表２】
0006861922.tif 000003
【００４８】
温度調節器の現在値（ＰＶ）は常に変動している。
ＳＶ列及びＭＶ列の斜体字は強制的に変更した値である。
ＭＶ列の○が付いているＭＶは出力に使用している値である。
【００４９】
［実施例３］
制御モード２から制御モード１への移行を、Ｓ２１：第１の制御モードへの移行指令工程、Ｓ２２：第１の温度調節器の設定値書替工程、Ｓ２３：第２の温度調節器の操作量固定工程と、Ｓ２４：第１の温度調節器の操作量書替工程と、Ｓ２５：第一制御ポイント切替工程、Ｓ２６：第２の温度調節器の操作量固定解除工程、Ｓ２７：第１の温度調節器の設定値経時変化工程、の順に行い、モード移行を完了した。
本実施例における制御モード２から制御モード１へのモード移行時の温度調節器の設定値（ＳＶ）、現在値（ＰＶ）及び操作量（ＭＶ）を表３に示す。
【００５０】
【表３】
0006861922.tif 000004
【００５１】
温度調節器の現在値（ＰＶ）は常に変動している。
ＳＶ列及びＭＶ列の斜体字は強制的に変更した値である。
ＭＶ列の○が付いているＭＶは出力に使用している値である。
【００５２】
［比較例１］
制御モード１から制御モード２への移行を、Ｓ１１：第２の制御モードへの移行指令工程、Ｓ１５：第二制御ポイント切替工程、の順に行い、モード移行を完了した。
本比較例における制御モード１から制御モード２へのモード移行時の温度調節器の設定値（ＳＶ）、現在値（ＰＶ）及び操作量（ＭＶ）を表４に示す。
【００５３】
【表４】
0006861922.tif 000005
【００５４】
温度調節器の現在値（ＰＶ）は常に変動している。
ＭＶ列の○が付いているＭＶは出力に使用している値である。
【００５５】
図４に、制御モード１から制御モード２への移行における、本比較例のＰＶ及びＭＶのトレンドグラフを示す（破線）。
【００５６】
［結果の説明］
実施例１〜３では、ターボ式の圧縮機の回転数の急激な変化を抑制し、安定的な運転ができる。これに対して、比較例１では、ターボ式の圧縮機の回転数の急激な変化が起こり、安定的な運転ができない。
また、図４に示すとおり、実施例１では、ＰＶ２が循環冷媒凝固点に到達しないのに対し、比較例１では、アンダーシュートが大きいためＰＶ２が循環冷媒凝固点に達してしまう可能性がある。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の冷凍機の制御方法は、制御モード１から制御モード２への移行、制御モード２から制御モード１への移行に際して、ターボ式の圧縮機の回転数の急激な変化がないので、冷凍機の安定的な運転が可能である。
本発明の冷凍機の制御方法は、超電導機器の冷却用の冷凍機の運転に適している。
【符号の説明】
【００５８】
１  冷凍機
１０１  主熱交換器
１０２  副熱交換器
１０３  ターボ式の圧縮機
１０３ａ  ターボ式の圧縮機制御ライン
１０４  膨張タービン
１０５  第１の温度調節器
１０５ａ  第１の温度調節器制御ライン
１０６  第２の温度調節器
１０６ａ  第２の温度調節器制御ライン
１０７  制御装置
１０７ａ  インバータ
１０７ｂ  制御盤
１０８  冷媒循環ポンプ
１０９  冷却対象
１１０  冷却器
１１１  第１の循環経路（冷凍機冷媒循環ライン）
１１２  第２の循環経路（循環冷媒循環ライン）
Ｍ１  第１の冷媒（冷凍機冷媒）
Ｍ２  第２の冷媒（循環冷媒）
【要約】
【課題】ターボ式の圧縮機の回転数の急激な変化を抑制でき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。
【解決手段】第１の制御モードから第２の制御モードへの移行を指示する、第２の制御モードへの移行指令工程と、第２の温度調節器の設定値（ＳＶ２）のＳＶ２１を、第２の温度調節器の現在値（ＰＶ２）のＰＶ２１に書き替える、第２の温度調節器の設定値書替工程と、第２の温度調節器の操作量（ＭＶ２）を、第１の温度調節器の操作量（ＭＶ１）のＭＶ１１に書き替える、第２の温度調節器の操作量書替工程と、ターボ式の圧縮機の回転数の制御を第１の温度調節器の操作量（ＭＶ１）依存から第２の温度調節器の操作量（ＭＶ２）依存に切り替える、第二制御ポイント切替工程と、第２の温度調節器の設定値（ＳＶ２）をＰＶ２１からＳＶ２１まで経時的に変化させる、第２の温度調節器の設定値経時変化工程とを備える、冷凍機の制御方法。
【選択図】なし【図１】
0006861922.tif 000006
【図２】
0006861922.tif 000007
【図３】
0006861922.tif 000008
【図４】
0006861922.tif 000009