知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022121918
(43)【公開日】2022-08-22
(54)【発明の名称】冷凍機及びその制御方法
(51)【国際特許分類】
F25B 1/00 20060101AFI20220815BHJP
F25B 1/10 20060101ALI20220815BHJP
F25B 1/053 20060101ALI20220815BHJP
【ＦＩ】
F25B1/00 304Z
F25B1/00 331E
F25B1/00 321A
F25B1/10 S
F25B1/053 A
F25B1/053 B
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021018907
(22)【出願日】2021-02-09
(71)【出願人】
【識別番号】516299338
【氏名又は名称】三菱重工サーマルシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100112737
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 考晴
(74)【代理人】
【識別番号】100140914
【弁理士】
【氏名又は名称】三苫 貴織
(74)【代理人】
【識別番号】100136168
【弁理士】
【氏名又は名称】川上 美紀
(74)【代理人】
【識別番号】100172524
【弁理士】
【氏名又は名称】長田 大輔
(72)【発明者】
【氏名】橋口 太成
(72)【発明者】
【氏名】松倉 紀行
(72)【発明者】
【氏名】宮本 潤
(72)【発明者】
【氏名】谷村 裕太
(57)【要約】
【課題】副膨張弁の開度を適正に制御することができる冷凍機を提供する。
【解決手段】冷媒を圧縮するターボ圧縮機２と、凝縮器３と、凝縮器３から導かれた一部の液冷媒を膨張させる副膨張弁６と、副膨張弁６で膨張させた冷媒と凝縮器３から導かれた液冷媒とを熱交換させるエコノマイザ４と、エコノマイザ４にて蒸発したガス冷媒をターボ圧縮機２の中間段へ導く吸込み配管（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ）と、エコノマイザ４から導かれた液冷媒を膨張させる主膨張弁５と、主膨張弁５から導かれた冷媒を蒸発させる蒸発器７と、副膨張弁６の開度を制御する制御部３０と、を備え、制御部３０は、エコノマイザ４に導かれる液冷媒の乾き度に基づいて、副膨張弁６の開度を制御する。
【選択図】図１
【解決手段】冷媒を圧縮するターボ圧縮機２と、凝縮器３と、凝縮器３から導かれた一部の液冷媒を膨張させる副膨張弁６と、副膨張弁６で膨張させた冷媒と凝縮器３から導かれた液冷媒とを熱交換させるエコノマイザ４と、エコノマイザ４にて蒸発したガス冷媒をターボ圧縮機２の中間段へ導く吸込み配管（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ）と、エコノマイザ４から導かれた液冷媒を膨張させる主膨張弁５と、主膨張弁５から導かれた冷媒を蒸発させる蒸発器７と、副膨張弁６の開度を制御する制御部３０と、を備え、制御部３０は、エコノマイザ４に導かれる液冷媒の乾き度に基づいて、副膨張弁６の開度を制御する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、
前記凝縮器から導かれた一部の液冷媒を膨張させる副膨張弁と、
前記副膨張弁で膨張させた冷媒と前記凝縮器から導かれた液冷媒とを熱交換させる中間冷却器と、
前記中間冷却器にて蒸発したガス冷媒を前記圧縮機の中間段へ導く中間吸込み配管と、
前記中間冷却器から導かれた液冷媒を膨張させる主膨張弁と、
前記主膨張弁から導かれた冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記副膨張弁の開度を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記中間冷却器に導かれる液冷媒の乾き度に基づいて、前記副膨張弁の開度を制御する冷凍機。
前記圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、
前記凝縮器から導かれた一部の液冷媒を膨張させる副膨張弁と、
前記副膨張弁で膨張させた冷媒と前記凝縮器から導かれた液冷媒とを熱交換させる中間冷却器と、
前記中間冷却器にて蒸発したガス冷媒を前記圧縮機の中間段へ導く中間吸込み配管と、
前記中間冷却器から導かれた液冷媒を膨張させる主膨張弁と、
前記主膨張弁から導かれた冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記副膨張弁の開度を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記中間冷却器に導かれる液冷媒の乾き度に基づいて、前記副膨張弁の開度を制御する冷凍機。
【請求項2】
前記制御部は、前記中間冷却器の液冷媒出口温度が所定の目標温度となるように前記副膨張弁の開度を制御し、
前記目標温度は、前記乾き度を用いて算出される請求項１に記載の冷凍機。
前記目標温度は、前記乾き度を用いて算出される請求項１に記載の冷凍機。
【請求項3】
前記制御部は、前記中間吸込み配管から前記圧縮機へ導かれるガス冷媒の最大流量を超えないように、前記目標温度を補正する請求項２に記載の冷凍機。
【請求項4】
前記圧縮機は、圧縮される冷媒の流れに対して直列に接続された２以上の圧縮部を有し、
前記中間吸込み配管は、各前記圧縮部の間にそれぞれ設けられ、
前記中間冷却器は、各前記中間吸込み配管に対応してそれぞれ設けられている請求項１から３のいずれかに記載の冷凍機。
前記中間吸込み配管は、各前記圧縮部の間にそれぞれ設けられ、
前記中間冷却器は、各前記中間吸込み配管に対応してそれぞれ設けられている請求項１から３のいずれかに記載の冷凍機。
【請求項5】
冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、
前記凝縮器から導かれた一部の液冷媒を膨張させる副膨張弁と、
前記副膨張弁で膨張させた冷媒と前記凝縮器から導かれた液冷媒とを熱交換させる中間冷却器と、
前記中間冷却器にて蒸発したガス冷媒を前記圧縮機の中間段へ導く中間吸込み配管と、
前記中間冷却器から導かれた液冷媒を膨張させる主膨張弁と、
前記主膨張弁から導かれた冷媒を蒸発させる蒸発器と、
を備えた冷凍機の制御方法であって、
前記中間冷却器に導かれる液冷媒の乾き度に基づいて、前記副膨張弁の開度を制御する冷凍機の制御方法。
前記圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、
前記凝縮器から導かれた一部の液冷媒を膨張させる副膨張弁と、
前記副膨張弁で膨張させた冷媒と前記凝縮器から導かれた液冷媒とを熱交換させる中間冷却器と、
前記中間冷却器にて蒸発したガス冷媒を前記圧縮機の中間段へ導く中間吸込み配管と、
前記中間冷却器から導かれた液冷媒を膨張させる主膨張弁と、
前記主膨張弁から導かれた冷媒を蒸発させる蒸発器と、
を備えた冷凍機の制御方法であって、
前記中間冷却器に導かれる液冷媒の乾き度に基づいて、前記副膨張弁の開度を制御する冷凍機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、例えばターボ冷凍機とされた冷凍機及びその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
中間冷却器としてエコノマイザを備えたターボ冷凍機が知られている（特許文献１）。このターボ冷凍機には、エコノマイザに導かれる前の液冷媒の一部を膨張させる副膨張弁が設けられている。副膨張弁の開度は、エコノマイザによって過冷却された液冷媒の温度が所定の目標値となるように制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１６－３１２１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、エコノマイザに導かれる液冷媒に適切な過冷却が与えられていない場合、液冷媒がガスを伴うキャリーアンダーが生じるおそれがある。キャリーアンダーが生じると、エコノマイザの出口液冷媒の目標温度に到達するように副膨張弁の開度が制御されて過大開度となるおそれがある。この結果として、エコノマイザの性能未達や、副膨張弁で膨張不足となり圧縮機の中間段へ接続された中間吸込み配管から液冷媒が導かれてキャリーオーバーが発生するおそれがある。
【0005】
さらに、圧縮機を３段以上とし、エコノマイザを２段以上とした場合には、各エコノマイザへの流量分配（各副膨張弁の開度制御）が複雑となり、より制御が困難となる。
【0006】
本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、副膨張弁の開度を適正に制御することができる冷凍機及びその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示の一態様に係る冷凍機は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器から導かれた一部の液冷媒を膨張させる副膨張弁と、前記副膨張弁で膨張させた冷媒と前記凝縮器から導かれた液冷媒とを熱交換させる中間冷却器と、前記中間冷却器にて蒸発したガス冷媒を前記圧縮機の中間段へ導く中間吸込み配管と、前記中間冷却器から導かれた液冷媒を膨張させる主膨張弁と、前記主膨張弁から導かれた冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記副膨張弁の開度を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記中間冷却器に導かれる液冷媒の乾き度に基づいて、前記副膨張弁の開度を制御する。
【0008】
本開示の一態様に係る冷凍機の制御方法は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器から導かれた一部の液冷媒を膨張させる副膨張弁と、前記副膨張弁で膨張させた冷媒と前記凝縮器から導かれた液冷媒とを熱交換させる中間冷却器と、中間冷却器にて蒸発したガス冷媒を前記圧縮機の中間段へ導く中間吸込み配管と、前記中間冷却器から導かれた液冷媒を膨張させる主膨張弁と、前記主膨張弁から導かれた冷媒を蒸発させる蒸発器と、を備えた冷凍機の制御方法であって、前記中間冷却器に導かれる液冷媒の乾き度に基づいて、前記副膨張弁の開度を制御する。
【発明の効果】
【0009】
中間冷却器に導かれる液冷媒の乾き度を考慮することとしたので、副膨張弁の開度を適正に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本開示の一実施形態に係るターボ冷凍機を示しが概略構成図である。
【図3】副膨張弁の制御を示したフローチャートである。
【図4】副膨張弁の制御を示したフローチャートである。
【図6】高圧エコノマイザにおける温度分布を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下に、本開示に係る一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示すように、ターボ冷凍機（冷凍機）１は、ターボ圧縮機（圧縮機）２と、凝縮器３と、エコノマイザ（中間冷却器）４と、主膨張弁５と、副膨張弁６と、蒸発器７と、制御部３０とを備えている。
図１に示すように、ターボ冷凍機（冷凍機）１は、ターボ圧縮機（圧縮機）２と、凝縮器３と、エコノマイザ（中間冷却器）４と、主膨張弁５と、副膨張弁６と、蒸発器７と、制御部３０とを備えている。
【0012】
ターボ圧縮機２は、遠心圧縮機とされ、低圧側となる低段側圧縮機２Ａと高圧側となる高段側圧縮機２Ｂとを備えている。
【0013】
低段側圧縮機２Ａは、蒸発器７から導かれたガス冷媒を圧縮する第１羽根車（圧縮部）８ａと、第１羽根車８ａで圧縮されたガス冷媒を圧縮する第２羽根車（圧縮部）８ｂとを備えている。第１羽根車８ａと第２羽根車８ｂとは、共通の回転軸（図示せず）を用いて接続されており、共通の低段側インバータモータ９Ａにより駆動される。周波数可変とされた低段側インバータモータ９Ａと第２羽根車８ｂとの間には低段側増速歯車１０Ａが配置されている。
第１羽根車８ａのガス冷媒流れ上流側には、ガス冷媒の流量調整を行う第１ＩＧＶ（インレットガイドベーン）１２ａが設けられている。第２羽根車８ｂのガス冷媒流れ上流側には、ガス冷媒の流量調整を行う第２ＩＧＶ（インレットガイドベーン）１２ｂが設けられている。
低段側インバータモータ９Ａの周波数と、第１ＩＧＶ１２ａ及び第２ＩＧＶ１２ｂの開度は、制御部３０によって行われる。
第１羽根車８ａのガス冷媒流れ上流側には、ガス冷媒の流量調整を行う第１ＩＧＶ（インレットガイドベーン）１２ａが設けられている。第２羽根車８ｂのガス冷媒流れ上流側には、ガス冷媒の流量調整を行う第２ＩＧＶ（インレットガイドベーン）１２ｂが設けられている。
低段側インバータモータ９Ａの周波数と、第１ＩＧＶ１２ａ及び第２ＩＧＶ１２ｂの開度は、制御部３０によって行われる。
【0014】
高段側圧縮機２Ｂは、低段側圧縮機２Ａの第２羽根車８ｂによって圧縮されたガス冷媒を圧縮する第３羽根車（圧縮部）８ｃと、第３羽根車８ｃで圧縮されたガス冷媒を圧縮する第４羽根車（圧縮部）８ｄとを備えている。第３羽根車８ｃと第４羽根車８ｄとは、共通の回転軸（図示せず）を用いて接続されており、共通の高段側インバータモータ９Ｂにより駆動される。周波数可変とされた高段側インバータモータ９Ｂと第４羽根車８ｄとの間には高段側増速歯車１０Ｂが配置されている。
第３羽根車８ｃのガス冷媒流れ上流側には、ガス冷媒の流量調整を行う第３ＩＧＶ（インレットガイドベーン）１２ｃが設けられている。第４羽根車８ｄのガス冷媒流れ上流側には、ガス冷媒の流量調整を行う第４ＩＧＶ（インレットガイドベーン）１２ｄが設けられている。
第４羽根車８ｄによって圧縮されたガス冷媒は、凝縮器３へ導かれる。
高段側インバータモータ９Ｂの周波数と、第３ＩＧＶ１２ｃ及び第４ＩＧＶ１２ｄの開度は、制御部３０によって行われる。
第３羽根車８ｃのガス冷媒流れ上流側には、ガス冷媒の流量調整を行う第３ＩＧＶ（インレットガイドベーン）１２ｃが設けられている。第４羽根車８ｄのガス冷媒流れ上流側には、ガス冷媒の流量調整を行う第４ＩＧＶ（インレットガイドベーン）１２ｄが設けられている。
第４羽根車８ｄによって圧縮されたガス冷媒は、凝縮器３へ導かれる。
高段側インバータモータ９Ｂの周波数と、第３ＩＧＶ１２ｃ及び第４ＩＧＶ１２ｄの開度は、制御部３０によって行われる。
【0015】
このように、ターボ圧縮機２は、蒸発器７から導かれた低圧ガス冷媒を第１羽根車８ａ、第２羽根車８ｂ、第３羽根車８ｃおよび第４羽根車８ｄによって４段圧縮するように構成されている。
ターボ圧縮機２の吐出側（具体的には第４羽根車８ｄの吐出側）には、高圧ガス冷媒の温度を計測する温度センサＴ１と、高圧ガス冷媒の圧力を計測する圧力センサＰ１とが設けられている。温度センサＴ１及び圧力センサＰ１の計測値は、制御部３０へ送信される。
冷媒としては、例えばR134a,，R1234ze(E),，R1234yfなどが用いられる。
ターボ圧縮機２の吐出側（具体的には第４羽根車８ｄの吐出側）には、高圧ガス冷媒の温度を計測する温度センサＴ１と、高圧ガス冷媒の圧力を計測する圧力センサＰ１とが設けられている。温度センサＴ１及び圧力センサＰ１の計測値は、制御部３０へ送信される。
冷媒としては、例えばR134a,，R1234ze(E),，R1234yfなどが用いられる。
【0016】
凝縮器３は、例えばシェルアンドチューブ式熱交換器とされ、ターボ圧縮機２から供給される高圧ガス冷媒と冷却水伝熱管１１内を流通する冷却水とを熱交換させることにより、高圧冷却ガスを凝縮液化するものである。冷却水伝熱管１１は、冷却水を供給する冷却水入口配管１１ａと、冷却水を排出する冷却水出口配管１１ｂとに接続されている。冷却水入口配管１１ａには冷却水温度を計測する温度センサＴ２が設けられ、冷却水出口配管１１ｂには冷却水温度を計測する温度センサＴ３が設けられている。各温度センサＴ２，Ｔ３の計測値は、制御部３０へ送信される。冷却水入口配管１１ａ及び冷却水出口配管１１ｂには、図示しない冷却塔が接続されており、この冷却塔にて冷却水が所定温度まで冷却される。
【0017】
凝縮器３には、凝縮器３内の冷媒の温度を計測する温度センサＴ４と、冷媒の圧力を計測する圧力センサＰ４とが設けられている。温度センサＴ４及び圧力センサＰ４の計測値は、制御部３０へ送信される。
【0018】
エコノマイザ４は、高圧側エコノマイザ４ｃと、中圧側エコノマイザ４ｂと、低圧側エコノマイザ４ａとを備えている。各エコノマイザ４ｃ，４ｂ，４ａは、例えばプレート式熱交換器とされている。
【0019】
高圧側エコノマイザ４ｃは、高圧側主冷媒伝熱管１３ａと高圧側副冷媒伝熱管１３ｂとを備えている。高圧側副冷媒伝熱管１３ｂで高圧側主冷媒伝熱管１３ａを冷却することによって、高圧側主冷媒伝熱管１３ａを流れる液冷媒に対して過冷却が与えられる。
高圧側主冷媒伝熱管１３ａの上流側には、凝縮器３にて凝縮した液冷媒を導く第１主冷媒配管１５ａが接続されている。高圧側主冷媒伝熱管１３ａの下流側には、第２主冷媒配管１５ｂが接続されている。第２主冷媒配管１５ｂには、配管中の液冷媒の温度を計測する温度センサＴ５が設けられている。温度センサＴ５の計測値は、制御部３０へ送信される。
第１主冷媒配管１５ａの途中位置から、第１副冷媒配管１６ａが分岐している。第１副冷媒配管１６ａの下流側は、高圧側副冷媒伝熱管１３ｂに接続されている。第１副冷媒配管１６ａには、制御部３０によって開度が制御される高圧側副膨張弁６ｃが設けられている。
高圧側副冷媒伝熱管１３ｂの下流側には、高圧側吸込み配管（中間吸込み配管）１７ｃが接続されている。高圧側吸込み配管１７ｃの下流側は、第３羽根車８ｃと第４ＩＧＶ１２ｄとの間に接続されている。高圧側吸込み配管１７ｃには、配管中のガス冷媒の温度を計測する温度センサＴ６と、冷媒の圧力を計測する圧力センサＰ６とが設けられている。温度センサＴ６及び圧力センサＰ６の計測値は、制御部３０へ送信される。
高圧側主冷媒伝熱管１３ａの上流側には、凝縮器３にて凝縮した液冷媒を導く第１主冷媒配管１５ａが接続されている。高圧側主冷媒伝熱管１３ａの下流側には、第２主冷媒配管１５ｂが接続されている。第２主冷媒配管１５ｂには、配管中の液冷媒の温度を計測する温度センサＴ５が設けられている。温度センサＴ５の計測値は、制御部３０へ送信される。
第１主冷媒配管１５ａの途中位置から、第１副冷媒配管１６ａが分岐している。第１副冷媒配管１６ａの下流側は、高圧側副冷媒伝熱管１３ｂに接続されている。第１副冷媒配管１６ａには、制御部３０によって開度が制御される高圧側副膨張弁６ｃが設けられている。
高圧側副冷媒伝熱管１３ｂの下流側には、高圧側吸込み配管（中間吸込み配管）１７ｃが接続されている。高圧側吸込み配管１７ｃの下流側は、第３羽根車８ｃと第４ＩＧＶ１２ｄとの間に接続されている。高圧側吸込み配管１７ｃには、配管中のガス冷媒の温度を計測する温度センサＴ６と、冷媒の圧力を計測する圧力センサＰ６とが設けられている。温度センサＴ６及び圧力センサＰ６の計測値は、制御部３０へ送信される。
【0020】
中圧側エコノマイザ４ｂは、中圧側主冷媒伝熱管１９ａと中圧側副冷媒伝熱管１９ｂとを備えている。中圧側副冷媒伝熱管１９ｂで中圧側主冷媒伝熱管１９ａを冷却することによって、中圧側主冷媒伝熱管１９ａを流れる液冷媒に対して過冷却が与えられる。
中圧側主冷媒伝熱管１９ａの上流側には、高圧側エコノマイザ４ｃ側に接続された第２主冷媒配管１５ｂが接続されている。中圧側主冷媒伝熱管１９ａの下流側には、第３主冷媒配管１５ｃが接続されている。第３主冷媒配管１５ｃには、配管中の液冷媒の温度を計測する温度センサＴ７が設けられている。温度センサＴ７の計測値は、制御部３０へ送信される。
第２主冷媒配管１５ｂの途中位置から、第２副冷媒配管１６ｂが分岐している。第２副冷媒配管１６ｂの下流側は、中圧側副冷媒伝熱管１９ｂに接続されている。第２副冷媒配管１６ｂには、制御部３０によって開度が制御される中圧側副膨張弁６ｂが設けられている。
中圧側副冷媒伝熱管１９ｂの下流側には、中圧側吸込み配管（中間吸込み配管）１７ｂが接続されている。中圧側吸込み配管１７ｂの下流側は、第２羽根車８ｂと第３ＩＧＶ１２ｃとの間に接続されている。中圧側吸込み配管１７ｂには、配管中のガス冷媒の温度を計測する温度センサＴ８と、冷媒の圧力を計測する圧力センサＰ８とが設けられている。温度センサＴ８及び圧力センサＰ８の計測値は、制御部３０へ送信される。
中圧側主冷媒伝熱管１９ａの上流側には、高圧側エコノマイザ４ｃ側に接続された第２主冷媒配管１５ｂが接続されている。中圧側主冷媒伝熱管１９ａの下流側には、第３主冷媒配管１５ｃが接続されている。第３主冷媒配管１５ｃには、配管中の液冷媒の温度を計測する温度センサＴ７が設けられている。温度センサＴ７の計測値は、制御部３０へ送信される。
第２主冷媒配管１５ｂの途中位置から、第２副冷媒配管１６ｂが分岐している。第２副冷媒配管１６ｂの下流側は、中圧側副冷媒伝熱管１９ｂに接続されている。第２副冷媒配管１６ｂには、制御部３０によって開度が制御される中圧側副膨張弁６ｂが設けられている。
中圧側副冷媒伝熱管１９ｂの下流側には、中圧側吸込み配管（中間吸込み配管）１７ｂが接続されている。中圧側吸込み配管１７ｂの下流側は、第２羽根車８ｂと第３ＩＧＶ１２ｃとの間に接続されている。中圧側吸込み配管１７ｂには、配管中のガス冷媒の温度を計測する温度センサＴ８と、冷媒の圧力を計測する圧力センサＰ８とが設けられている。温度センサＴ８及び圧力センサＰ８の計測値は、制御部３０へ送信される。
【0021】
低圧側エコノマイザ４ａは、低圧側主冷媒伝熱管２１ａと低圧側副冷媒伝熱管２１ｂとを備えている。低圧側副冷媒伝熱管２１ｂで低圧側主冷媒伝熱管２１ａを冷却することによって、低圧側主冷媒伝熱管２１ａを流れる液冷媒に対して過冷却が与えられる。
低圧側主冷媒伝熱管２１ａの上流側には、中圧側エコノマイザ４ｂ側に接続された第３主冷媒配管１５ｃが接続されている。低圧側主冷媒伝熱管２１ａの下流側には、第４主冷媒配管１５ｄが接続されている。第４主冷媒配管１５ｄには、配管中の液冷媒の温度を計測する温度センサＴ９が設けられている。温度センサＴ９の計測値は、制御部３０へ送信される。温度センサＴ９の下流側には、主膨張弁５が設けられている。
第３主冷媒配管１５ｃの途中位置から、第３副冷媒配管１６ｃが分岐している。第３副冷媒配管１６ｃの下流側は、低圧側副冷媒伝熱管２１ｂに接続されている。第３副冷媒配管１６ｃには、制御部３０によって開度が制御される低圧側副膨張弁６ａが設けられている。
低圧側副冷媒伝熱管２１ｂの下流側には、低圧側吸込み配管（中間吸込み配管）１７ａが接続されている。低圧側吸込み配管１７ａの下流側は、第１羽根車８ａと第２ＩＧＶ１２ｂとの間に接続されている。低圧側吸込み配管１７ａには、配管中のガス冷媒の温度を計測する温度センサＴ１０と、冷媒の圧力を計測する圧力センサＰ１０とが設けられている。温度センサＴ１０及び圧力センサＰ１０の計測値は、制御部３０へ送信される。
低圧側エコノマイザ４ａを経て過冷却された冷媒は、第４主冷媒配管１５ｄを通り主膨張弁５によって膨張させられた後に、蒸発器７に供給される。
低圧側主冷媒伝熱管２１ａの上流側には、中圧側エコノマイザ４ｂ側に接続された第３主冷媒配管１５ｃが接続されている。低圧側主冷媒伝熱管２１ａの下流側には、第４主冷媒配管１５ｄが接続されている。第４主冷媒配管１５ｄには、配管中の液冷媒の温度を計測する温度センサＴ９が設けられている。温度センサＴ９の計測値は、制御部３０へ送信される。温度センサＴ９の下流側には、主膨張弁５が設けられている。
第３主冷媒配管１５ｃの途中位置から、第３副冷媒配管１６ｃが分岐している。第３副冷媒配管１６ｃの下流側は、低圧側副冷媒伝熱管２１ｂに接続されている。第３副冷媒配管１６ｃには、制御部３０によって開度が制御される低圧側副膨張弁６ａが設けられている。
低圧側副冷媒伝熱管２１ｂの下流側には、低圧側吸込み配管（中間吸込み配管）１７ａが接続されている。低圧側吸込み配管１７ａの下流側は、第１羽根車８ａと第２ＩＧＶ１２ｂとの間に接続されている。低圧側吸込み配管１７ａには、配管中のガス冷媒の温度を計測する温度センサＴ１０と、冷媒の圧力を計測する圧力センサＰ１０とが設けられている。温度センサＴ１０及び圧力センサＰ１０の計測値は、制御部３０へ送信される。
低圧側エコノマイザ４ａを経て過冷却された冷媒は、第４主冷媒配管１５ｄを通り主膨張弁５によって膨張させられた後に、蒸発器７に供給される。
【0022】
蒸発器７は、例えばシェルアンドチューブ式熱交換器とされ、主膨張弁５から導かれた冷媒とブライン伝熱管２３を流れるブラインとを熱交換させることにより、冷媒を蒸発させ、その蒸発潜熱によりブラインを冷却するものである。冷却後のブラインの温度は例えば－１５℃以下とされる。
ブライン伝熱管２３は、ブラインを供給するブライン入口配管２３ａと、ブラインを排出するブライン出口配管２３ｂとに接続されている。ブライン入口配管２３ａにはブライン温度を計測する温度センサＴ１１が設けられ、ブライン出口配管２３ｂにはブライン温度を計測する温度センサＴ１２が設けられている。各温度センサＴ１１，Ｔ１２の計測値は、制御部３０へ送信される。ブライン入口配管２３ａ及びブライン出口配管２３ｂには、図示しない負荷装置が接続されており、この負荷装置にてブラインの冷熱が用いられる。
ブライン伝熱管２３は、ブラインを供給するブライン入口配管２３ａと、ブラインを排出するブライン出口配管２３ｂとに接続されている。ブライン入口配管２３ａにはブライン温度を計測する温度センサＴ１１が設けられ、ブライン出口配管２３ｂにはブライン温度を計測する温度センサＴ１２が設けられている。各温度センサＴ１１，Ｔ１２の計測値は、制御部３０へ送信される。ブライン入口配管２３ａ及びブライン出口配管２３ｂには、図示しない負荷装置が接続されており、この負荷装置にてブラインの冷熱が用いられる。
【0023】
蒸発器７には、蒸発器７内の冷媒の温度を計測する温度センサＴ１３と、冷媒の圧力を計測する圧力センサＰ１３とが設けられている。温度センサＴ１３及び圧力センサＰ１３の計測値は、制御部３０へ送信される。
【0024】
凝縮器３と蒸発器７との間にはホットガスバイパス配管２５が設けられている。ホットガスバイパス配管２５には、ホットガスバイパス配管２５からターボ圧縮機２へと導かれる高圧ガス冷媒の流量を調整するホットガスバイパス弁２６が設けられている。ホットガスバイパス弁２６の開度は、制御部３０によって制御される。
【0025】
ターボ冷凍機１の制御は、制御部３０によって行われる。
制御部は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等である。
制御部は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等である。
【0026】
＜ターボ冷凍機１の動作＞
次に、図２を用いて上述したターボ冷凍機１の動作について説明する。同図において横軸は比エンタルピ［ｋＪ／ｋｇ］、縦軸は圧力［ＭＰａ（ａｂｓ）］である。
ターボ圧縮機２によって、蒸発器７から吸い込まれた低圧ガス冷媒は、第１羽根車８ａ、第２羽根車８ｂ、第３羽根車８ｃ及び第４羽根車８ｄの順に圧縮される。すなわち、図２において、Ａ点、Ｂ点、Ｃ点、Ｄ点、Ｅ点の順に４段階で圧縮される。第４羽根車８ｄでＥ点まで圧縮された高圧ガス冷媒は、凝縮器３の冷却水伝熱管１１によって冷却されて凝縮し、Ｆ点に至る。Ｆ点における液冷媒のエンタルピはεｌｅｃｏ＿ｈである。また、凝縮器３を流通する冷媒の重量流量はＧＨｃｏｎである。
次に、図２を用いて上述したターボ冷凍機１の動作について説明する。同図において横軸は比エンタルピ［ｋＪ／ｋｇ］、縦軸は圧力［ＭＰａ（ａｂｓ）］である。
ターボ圧縮機２によって、蒸発器７から吸い込まれた低圧ガス冷媒は、第１羽根車８ａ、第２羽根車８ｂ、第３羽根車８ｃ及び第４羽根車８ｄの順に圧縮される。すなわち、図２において、Ａ点、Ｂ点、Ｃ点、Ｄ点、Ｅ点の順に４段階で圧縮される。第４羽根車８ｄでＥ点まで圧縮された高圧ガス冷媒は、凝縮器３の冷却水伝熱管１１によって冷却されて凝縮し、Ｆ点に至る。Ｆ点における液冷媒のエンタルピはεｌｅｃｏ＿ｈである。また、凝縮器３を流通する冷媒の重量流量はＧＨｃｏｎである。
【0027】
Ｆ点にて、液冷媒は第１主冷媒配管１５ａから第１副冷媒配管１６ａに分岐され、高圧側副膨張弁６ｃによって膨張させられてＧ点に至る。そして、高圧側エコノマイザ４ｃにてＧ点からＤ点側に至る過程で、高圧側副冷媒伝熱管１３ｂを流れるガス冷媒によって高圧側主冷媒伝熱管１３ａが冷却される。これにより、高圧側主冷媒伝熱管１３ａを流れる液冷媒に対して過冷却が与えられる。すなわち、高圧側主冷媒伝熱管１３ａを流れる液冷媒は、過冷却されることによってＦ点からＨ点に至る。高圧側副冷媒伝熱管１３ｂを流れるガス冷媒の重量流量はＧＨｅｃｏである。Ｈ点における液冷媒のエンタルピはεｌｅｃｏ＿ｍｉである。
【0028】
Ｈ点にて、液冷媒は第２主冷媒配管１５ｂから第２副冷媒配管１６ｂに分岐され、中圧側副膨張弁６ｂによって膨張させられてＩ点に至る。そして、中圧側エコノマイザ４ｂにてＩ点からＣ点側に至る過程で、中圧側副冷媒伝熱管１９ｂを流れるガス冷媒によって中圧側主冷媒伝熱管１９ａが冷却される。これにより、中圧側主冷媒伝熱管１９ａを流れる液冷媒に対して更に過冷却が与えられる。すなわち、中圧側主冷媒伝熱管１９ａを流れる液冷媒は、過冷却されることによってＨ点からＪ点に至る。中圧側副冷媒伝熱管１９ｂを流れるガス冷媒の重量流量はＧＭｅｃｏである。Ｊ点における液冷媒のエンタルピはεｌｅｃｏ＿ｌである。
【0029】
Ｊ点にて、液冷媒は第３主冷媒配管１５ｃから第３副冷媒配管１６ｃに分岐され、低圧側副膨張弁６ａによって膨張させられてＫ点に至る。そして、低圧側エコノマイザ４ａにてＫ点からＢ点側に至る過程で、低圧側副冷媒伝熱管２１ｂを流れるガス冷媒によって低圧側主冷媒伝熱管２１ａが冷却される。これにより、低圧側主冷媒伝熱管２１ａを流れる液冷媒に対して更に過冷却が与えられる。すなわち、低圧側主冷媒伝熱管２１ａを流れる液冷媒は、過冷却されることによってＪ点からＬ点に至る。低圧側副冷媒伝熱管２１ｂを流れるガス冷媒の重量流量はＧＬｅｃｏである。Ｌ点における液冷媒のエンタルピはεｌｅｃｏ＿ｍａである。
【0030】
Ｌ点にて、液冷媒は主膨張弁５によって膨張させられてＭ点に至る。Ｍ点からＡ点側に至る過程で、蒸発器７によって冷媒が蒸発させられる。蒸発器７を通過する冷媒の重量流量は、ＧＬｅｖａである。
【0031】
凝縮器３を流れる冷媒は、４つの羽根車８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄに分配される。したがって、冷媒の重量流量は下式が成立する。
ＧＨｃｏｎ＝ＧＨｅｃｏ＋ＧＭｅｃｏ＋ＧＬｅｃｏ＋ＧＬｅｖａ
ＧＨｃｏｎ＝ＧＨｅｃｏ＋ＧＭｅｃｏ＋ＧＬｅｃｏ＋ＧＬｅｖａ
【0032】
＜副膨張弁６の制御＞
次に、図３及び図４を用いて副膨張弁６について説明する。
先ず、ステップＳ１にて、高圧側エコノマイザ４ｃの対数平均温度差ＬＭＴＤ＿ｈ［℃］を下式によって算出する。
ＬＭＴＤ＿ｈ＝ｆ（Ｔｃｗｏ－Ｔｗｏ) ・・・（１）
ここで、Ｔｃｗｏは冷却水出口温度［℃］であり、温度センサＴ３によって計測される。Ｔｗｏは冷水（ブライン）出口温度［℃］であり、温度センサＴ１２によって計測される。
すなわち、高圧側エコノマイザ４ｃの対数平均温度差ＬＭＴＤ＿ｈは、（Ｔｃｗｏ－Ｔｗｏ）を変数とした特性式として与えられる。この特性式は、使用される熱交換器（例えばプレート式熱交換器）の仕様に応じて予め決定される。
次に、図３及び図４を用いて副膨張弁６について説明する。
先ず、ステップＳ１にて、高圧側エコノマイザ４ｃの対数平均温度差ＬＭＴＤ＿ｈ［℃］を下式によって算出する。
ＬＭＴＤ＿ｈ＝ｆ（Ｔｃｗｏ－Ｔｗｏ) ・・・（１）
ここで、Ｔｃｗｏは冷却水出口温度［℃］であり、温度センサＴ３によって計測される。Ｔｗｏは冷水（ブライン）出口温度［℃］であり、温度センサＴ１２によって計測される。
すなわち、高圧側エコノマイザ４ｃの対数平均温度差ＬＭＴＤ＿ｈは、（Ｔｃｗｏ－Ｔｗｏ）を変数とした特性式として与えられる。この特性式は、使用される熱交換器（例えばプレート式熱交換器）の仕様に応じて予め決定される。
【0033】
次に、ステップＳ２にて、高圧側エコノマイザ４ｃの冷媒液入口温度差ΔＴ１＿ｈ［℃］を下式によって算出する。冷媒液入口温度差ΔＴ１＿ｈは、図５に示すように、高圧側エコノマイザ４ｃの高圧側主冷媒伝熱管１３ａの入口と高圧側副冷媒伝熱管１３ｂの入口との温度差を意味する。なお、図５は、図１の高圧側エコノマイザ４ｃの周りを示したものである。
ΔＴ１＿ｈ＝Ｔｃ－Ｔｍ＿ｈ ・・・（２）
ここで、Ｔｃは凝縮器３の飽和液温度［℃］であり、温度センサＴ４によって計測される。Ｔｍ＿ｈは高圧側エコノマイザ４ｃの飽和ガス温度［℃］であり、温度センサＴ６によって計測される。
ΔＴ１＿ｈ＝Ｔｃ－Ｔｍ＿ｈ ・・・（２）
ここで、Ｔｃは凝縮器３の飽和液温度［℃］であり、温度センサＴ４によって計測される。Ｔｍ＿ｈは高圧側エコノマイザ４ｃの飽和ガス温度［℃］であり、温度センサＴ６によって計測される。
【0034】
次に、ステップＳ３にて、高圧側エコノマイザ４ｃの冷媒液出口温度差ΔＴ２＿ｈ［℃］を下式によって算出する。冷媒液出口温度差ΔＴ２＿ｈは、図５に示すように、高圧側エコノマイザ４ｃの高圧側主冷媒伝熱管１３ａの出口と高圧側副冷媒伝熱管１３ｂの出口との温度差を意味する。
ΔＴ２＿ｈ＝ｆ（ΔＴ１＿ｈ／ＬＭＴＤ＿ｈ）×ｆ（ＬＭＴＤ＿ｈ） ・・・（３）
上式は、対数平均温度差ＬＭＴＤの定義式である下式から導かれる。
ＬＭＴＤ＝（ΔＴ１－ΔＴ２）／｛（ｌｎ（ΔＴ１）－ｌｎ（ΔＴ２））｝
したがって、冷媒液出口温度差ΔＴ２＿ｈは、式（１）で得られたＬＭＴＤ＿ｈと式（２）で得られたΔＴ１＿ｈの関数として得ることができる。
ΔＴ２＿ｈ＝ｆ（ΔＴ１＿ｈ／ＬＭＴＤ＿ｈ）×ｆ（ＬＭＴＤ＿ｈ） ・・・（３）
上式は、対数平均温度差ＬＭＴＤの定義式である下式から導かれる。
ＬＭＴＤ＝（ΔＴ１－ΔＴ２）／｛（ｌｎ（ΔＴ１）－ｌｎ（ΔＴ２））｝
したがって、冷媒液出口温度差ΔＴ２＿ｈは、式（１）で得られたＬＭＴＤ＿ｈと式（２）で得られたΔＴ１＿ｈの関数として得ることができる。
【0035】
次に、ステップＳ４にて、高圧側エコノマイザ４ｃの冷媒液出入口温度差ΔＴ３＿ｈ［℃］を下式によって算出する。冷媒液出入口温度差ΔＴ３＿ｈは、図５に示すように、高圧側エコノマイザ４ｃの高圧側主冷媒伝熱管１３ａの出入口の温度差を意味する。なお、ΔＴ１＿ｈとΔＴ２＿ｈとΔＴ３＿ｈとの関係は、図６に示されている。
ΔＴ１＿ｈ≧ΔＴ２＿ｈの場合 → ΔＴ３＿ｈ＝ΔＴ１＿ｈ－ΔＴ２＿ｈ
・・・（４Ａ）
ΔＴ１＿ｈ＜ΔＴ２＿ｈの場合 → ΔＴ３＿ｈ＝０ ・・・（４Ｂ）
すなわち、図６のように高圧側主冷媒伝熱管１３ａを流れる液冷媒に対して過冷却が与えられる場合には、冷媒液入口温度差ΔＴ１＿ｈと冷媒液出口温度差ΔＴ２＿ｈの差が冷媒液出入口温度差ΔＴ３＿ｈとなる。図６の状態とは異なり過冷却が与えられない計算結果となる場合には、冷媒液出入口温度差ΔＴ３＿ｈに０を与える。
ΔＴ１＿ｈ≧ΔＴ２＿ｈの場合 → ΔＴ３＿ｈ＝ΔＴ１＿ｈ－ΔＴ２＿ｈ
・・・（４Ａ）
ΔＴ１＿ｈ＜ΔＴ２＿ｈの場合 → ΔＴ３＿ｈ＝０ ・・・（４Ｂ）
すなわち、図６のように高圧側主冷媒伝熱管１３ａを流れる液冷媒に対して過冷却が与えられる場合には、冷媒液入口温度差ΔＴ１＿ｈと冷媒液出口温度差ΔＴ２＿ｈの差が冷媒液出入口温度差ΔＴ３＿ｈとなる。図６の状態とは異なり過冷却が与えられない計算結果となる場合には、冷媒液出入口温度差ΔＴ３＿ｈに０を与える。
【0036】
次に、ステップＳ５にて、高圧側エコノマイザ４ｃの冷媒出入口エンタルピ差Δεｌｅｃｏ＿ｈ［ｋＪ／ｋｇ］を下式によって算出する。
Δεｌｅｃｏ＿ｈ＝εｌｃｏｎ＿ｓａｔ－εｌｅｃｏ＿ｏｕｔ＿ｈ ・・・（５）
ここで、εｌｃｏｎ＿ｓａｔは、凝縮器３の飽和液温度Ｔｃから得られる飽和液のエンタルピであり、温度センサＴ４の計測値から算出される。図２では、Ｆ点のεｌｅｃｏ＿ｈに対応する。εｌｅｃｏ＿ｏｕｔ＿ｈは、高圧側主冷媒伝熱管１３ａの出口における液冷媒のエンタルピであり、凝縮器３の飽和液温度Ｔｃと式（４Ａ）又は式（４Ｂ）から得られた冷媒液出入口温度差ΔＴ３＿ｈとの差から得られた液温度のエンタルピとして算出される。図２では、Ｈ点のεｌｅｃｏ＿ｍｉに対応する。
Δεｌｅｃｏ＿ｈ＝εｌｃｏｎ＿ｓａｔ－εｌｅｃｏ＿ｏｕｔ＿ｈ ・・・（５）
ここで、εｌｃｏｎ＿ｓａｔは、凝縮器３の飽和液温度Ｔｃから得られる飽和液のエンタルピであり、温度センサＴ４の計測値から算出される。図２では、Ｆ点のεｌｅｃｏ＿ｈに対応する。εｌｅｃｏ＿ｏｕｔ＿ｈは、高圧側主冷媒伝熱管１３ａの出口における液冷媒のエンタルピであり、凝縮器３の飽和液温度Ｔｃと式（４Ａ）又は式（４Ｂ）から得られた冷媒液出入口温度差ΔＴ３＿ｈとの差から得られた液温度のエンタルピとして算出される。図２では、Ｈ点のεｌｅｃｏ＿ｍｉに対応する。
【0037】
上述したステップＳ１～Ｓ５の工程と並行して、図４に示したステップＳ１１～Ｓ１４が行われる。
【0038】
Ｓ１１にて、高圧側エコノマイザ４ｃに流入する液冷媒の乾き度Ｘを下式によって算出する。
Ｘ＝（ｂ－ｃ）／（ａ－ｃ） ・・・（６）
上式における、ａ，ｂ，ｃは、図２におけるａ，ｂ，ｃに対応する。
ここで、ａは凝縮器３の圧力における飽和ガスのエンタルピεｇｃｏｎ＿ｓａｔである。
ｂは乾き度を考慮した高圧側主冷媒伝熱管１３ａの入口における冷媒液のエンタルピである。ｃは凝縮器３の圧力（圧力センサＰ４）から得られる飽和液のエンタルピである。
上述のｂ点におけるエンタルピＹは下式によって得られる。
Ｙ＝ｄ－（ｅ／ｆ） ・・・（６Ａ）
ここで、ｄはターボ圧縮機２の吐出ガスのエンタルピであり、温度センサＴ１及び圧力センサＰ１の計測値から得られる。ｅはターボ冷凍機１の排熱量であり、冷却水の出入口温度差すなわち冷却水伝熱管１１の出入口温度差と冷却水流量から算出することができる。冷却水伝熱管１１の出入口温度差は、温度センサＴ２，Ｔ３から得ることができる。冷却水流量は、冷却水入口配管１１ａ又は冷却水出口配管１１ｂに設けた流量計（図示せず）から得ることができる。ｆはターボ冷凍機１の冷媒循環量であり、主膨張弁５及び副膨張弁６ａ，６ｂ，６ｃの開度から得られる冷媒流量から算出することができる。
Ｘ＝（ｂ－ｃ）／（ａ－ｃ） ・・・（６）
上式における、ａ，ｂ，ｃは、図２におけるａ，ｂ，ｃに対応する。
ここで、ａは凝縮器３の圧力における飽和ガスのエンタルピεｇｃｏｎ＿ｓａｔである。
ｂは乾き度を考慮した高圧側主冷媒伝熱管１３ａの入口における冷媒液のエンタルピである。ｃは凝縮器３の圧力（圧力センサＰ４）から得られる飽和液のエンタルピである。
上述のｂ点におけるエンタルピＹは下式によって得られる。
Ｙ＝ｄ－（ｅ／ｆ） ・・・（６Ａ）
ここで、ｄはターボ圧縮機２の吐出ガスのエンタルピであり、温度センサＴ１及び圧力センサＰ１の計測値から得られる。ｅはターボ冷凍機１の排熱量であり、冷却水の出入口温度差すなわち冷却水伝熱管１１の出入口温度差と冷却水流量から算出することができる。冷却水伝熱管１１の出入口温度差は、温度センサＴ２，Ｔ３から得ることができる。冷却水流量は、冷却水入口配管１１ａ又は冷却水出口配管１１ｂに設けた流量計（図示せず）から得ることができる。ｆはターボ冷凍機１の冷媒循環量であり、主膨張弁５及び副膨張弁６ａ，６ｂ，６ｃの開度から得られる冷媒流量から算出することができる。
【0039】
次に、ステップＳ１２にて、式（６）にて得られた乾き度Ｘが所定の範囲内（０≦Ｘ≦Ｆ）であるか否かを判断する。ここで、Ｆは設定値であり、０よりも大きく１以下である。初期値としては例えば０．１が与えられる。ただし、設定値Ｆの値は、任意であり、ターボ冷凍機１の仕様に応じて決定される。
【0040】
ステップＳ１２にて乾き度Ｘが所定の範囲ではなく０未満の場合は、乾き度Ｘを０に設定する。乾き度Ｘが設定値Ｆを超えた場合は、設定値Ｆ（例えば０．１）とする。
【0041】
そして、ステップＳ１４にて、ステップＳ１２又はステップＳ１３で得られた乾き度Ｘを考慮した高圧側エコノマイザ４ｃに流入する液冷媒の入口エンタルピεｌｅｃｏ＿ｈを下式によって得る。
εｌｅｃｏ＿ｈ＝Ｘ×（ａ－ｃ）＋ｃ ・・・（７）
εｌｅｃｏ＿ｈ＝Ｘ×（ａ－ｃ）＋ｃ ・・・（７）
【0042】
式（７）によって、乾き度Ｘが考慮された高圧側エコノマイザ４ｃに流入する液冷媒の入口エンタルピεｌｅｃｏ＿ｈが得られる。すなわち、高圧側エコノマイザ４ｃに流入する液冷媒に過冷却が与えられている場合には入口エンタルピεｌｅｃｏ＿ｈは図２のｃのエンタルピとなり、高圧側エコノマイザ４ｃに流入する液冷媒に過冷却が与えられずガス冷媒が含まれている場合には入口エンタルピεｌｅｃｏ＿ｈは図２のｃよりも右側のｂのエンタルピとなる。
【0043】
次に、図３のステップＳ６に進み、高圧側エコノマイザ４ｃの冷媒液出口エンタルピの目標値εｌｅｃｏ＿ｍｉ＿ｓｅｔ［ｋＪ／ｋｇ］を下式によって与える。この目標値εｌｅｃｏ＿ｍｉ＿ｓｅｔは、図２のＨ点に与える目標値に対応する。
εｌｅｃｏ＿ｍｉ＿ｓｅｔ＝εｌｅｃｏ＿ｈ－Δεｌｅｃｏ＿ｈ ・・・（８）
上式では、式（７）によって得られた乾き度が考慮された冷媒液入口エンタルピεｌｅｃｏ＿ｈと、式（５）によって得られた冷媒出入口エンタルピ差Δεｌｅｃｏ＿ｈとが用いられている。
εｌｅｃｏ＿ｍｉ＿ｓｅｔ＝εｌｅｃｏ＿ｈ－Δεｌｅｃｏ＿ｈ ・・・（８）
上式では、式（７）によって得られた乾き度が考慮された冷媒液入口エンタルピεｌｅｃｏ＿ｈと、式（５）によって得られた冷媒出入口エンタルピ差Δεｌｅｃｏ＿ｈとが用いられている。
【0044】
次に、ステップＳ７にて、ステップＳ６で得られた目標値εｌｅｃｏ＿ｍｉ＿ｓｅｔを用いて高圧側エコノマイザ４ｃの目標出口温度Ｔｌｏｕｔ＿ｈ［℃］を得る。
Ｔｌｏｕｔ＿ｈ＝ｆ（εｌｅｃｏ＿ｍｉ＿ｓｅｔ） ・・・（９）
制御部３０は、温度センサＴ５で計測された冷媒液出口温度Ｔｌｉｎ＿ｍｉが目標出口温度Ｔｌｏｕｔ＿ｈに近づくように副膨張弁６ｃの開度を制御する。すなわち、制御部３０は、乾き度Ｘに基づいて得られた目標出口温度Ｔｌｏｕｔ＿ｈを用いて副膨張弁６ｃを制御する。
Ｔｌｏｕｔ＿ｈ＝ｆ（εｌｅｃｏ＿ｍｉ＿ｓｅｔ） ・・・（９）
制御部３０は、温度センサＴ５で計測された冷媒液出口温度Ｔｌｉｎ＿ｍｉが目標出口温度Ｔｌｏｕｔ＿ｈに近づくように副膨張弁６ｃの開度を制御する。すなわち、制御部３０は、乾き度Ｘに基づいて得られた目標出口温度Ｔｌｏｕｔ＿ｈを用いて副膨張弁６ｃを制御する。
【0045】
次に、ステップＳ８にて、中圧側エコノマイザ４ｂの冷媒入口温度差ΔＴ１＿ｍｉ［℃］を下式によって算出する。
ΔＴ１＿ｍｉ＝Ｔｌｉｎ＿ｍｉ－Ｔｍ＿ｍｉ ・・・（１０）
ここで、Ｔｌｉｎ＿ｍｉは、中圧側主冷媒伝熱管１９ａの冷媒液入口温度であり、式（９）で得られた目標出口温度Ｔｌｏｕｔ＿ｈが与えられる。Ｔｍ＿ｍｉは中圧側エコノマイザ４ｂの飽和ガス温度［℃］であり、温度センサＴ８によって計測される。
ΔＴ１＿ｍｉ＝Ｔｌｉｎ＿ｍｉ－Ｔｍ＿ｍｉ ・・・（１０）
ここで、Ｔｌｉｎ＿ｍｉは、中圧側主冷媒伝熱管１９ａの冷媒液入口温度であり、式（９）で得られた目標出口温度Ｔｌｏｕｔ＿ｈが与えられる。Ｔｍ＿ｍｉは中圧側エコノマイザ４ｂの飽和ガス温度［℃］であり、温度センサＴ８によって計測される。
【0046】
それ以降の工程は、上述したステップＳ３～Ｓ７及びステップＳ１１～Ｓ１４と同様である。この様にして、中圧側エコノマイザ４ｂ及び低圧側エコノマイザ４ａの冷媒液目標出口温度がそれぞれ決定され、これら目標値を用いて副膨張弁６ｂ，６ｃがそれぞれ制御部３０によって制御される。
【0047】
制御部３０は、各吸込み配管１７ａ，１７ｂ，１７ｃから各羽根車８ｂ，８ｃ，８ｄへ導かれるガス冷媒の最大流量を超えないように、式（９）で得られた目標出口温度Ｔｌｏｕｔ＿ｈ温度を補正する。エコノマイザ４ｃ，４ｂ，４ａの出口液冷媒の温度（エンタルピー）を小さくすると、副膨張弁６ｃ，６ｂ，６ａの開度が増大する方向に制御され、吸込み配管１７ａ，１７ｂ，１７ｃから各羽根車８ｂ，８ｃ，８ｄへ導かれるガス冷媒の流量が大きくなり、チョーク流れが生じるおそれがあるからである。具体的な制御としては間吸込み配管１７ａ，１７ｂ，１７ｃから各羽根車８ｂ，８ｃ，８ｄへ導かれるガス冷媒の最大流量を予め定めておき、この最大流量を超えないように、エコノマイザ４ｃ，４ｂ，４ａの出口液冷媒の目標温度を補正する。
【0048】
以上説明した本実施形態の作用効果は以下の通りである。
各エコノマイザ４ｃ，４ｂ，４ａに導かれる液冷媒の乾き度Ｘに基づいて副膨張弁６ｃ，６ｂ，６ａの開度を設定することとしたので、エコノマイザ４ｃ，４ｂ，４ａに導かれる液冷媒に適切な過冷却が与えられず所定の乾き度を有する場合であっても副膨張弁６ｃ，６ｂ，６ａの開度を適正に設定することができる。例えば、エコノマイザ４ｃ，４ｂ，４ａに導かれる液冷媒にガスが含まれているキャリーアンダーの場合に、副膨張弁６ｃ，６ｂ，６ａの開度が過剰に大きくなることを抑制できる。
各エコノマイザ４ｃ，４ｂ，４ａに導かれる液冷媒の乾き度Ｘに基づいて副膨張弁６ｃ，６ｂ，６ａの開度を設定することとしたので、エコノマイザ４ｃ，４ｂ，４ａに導かれる液冷媒に適切な過冷却が与えられず所定の乾き度を有する場合であっても副膨張弁６ｃ，６ｂ，６ａの開度を適正に設定することができる。例えば、エコノマイザ４ｃ，４ｂ，４ａに導かれる液冷媒にガスが含まれているキャリーアンダーの場合に、副膨張弁６ｃ，６ｂ，６ａの開度が過剰に大きくなることを抑制できる。
【0049】
副膨張弁６ｃ，６ｂ，６ａは、エコノマイザ４ｃ，４ｂ，４ａの液冷媒出口温度が目標温度Ｔｌｏｕｔ＿ｈとなるように制御される。この目標温度は、エコノマイザ４ｃ，４ｂ，４ａに導かれる液冷媒の乾き度Ｘを用いて算出される。これにより、適正な目標温度を設定することができる。
【0050】
４つの羽根車８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄを用いた４段圧縮に対して３つのエコノマイザ４ｃ，４ｂ，４ａが設けられたターボ冷凍機１とした。エコノマイザ４ｃ，４ｂ，４ａが複数設けられると、各エコノマイザ４ｃ，４ｂ，４ａに対応して設けられた副膨張弁６ｃ，６ｂ，６ａの制御が複雑になり、エコノマイザ４ｃ，４ｂ，４ａに対してキャリーアンダーが発生するおそれがある。本実施形態では、各エコノマイザ４ｃ，４ｂ，４ａに導かれる液冷媒の乾き度Ｘに基づいて制御することとしたので、適正に副膨張弁６ｃ，６ｂ，６ａの開度を制御することができる。
【0051】
以上説明した各実施形態に記載の冷凍機及びその制御方法は、例えば以下のように把握される。
【0052】
冷凍機（１）は、冷媒を圧縮する圧縮機（２）と、前記圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器（３）と、前記凝縮器から導かれた一部の液冷媒を膨張させる副膨張弁（６）と、前記副膨張弁で膨張させた冷媒と前記凝縮器から導かれた液冷媒とを熱交換させる中間冷却器（４）と、前記中間冷却器にて蒸発したガス冷媒を前記圧縮機の中間段へ導く中間吸込み配管（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ）と、前記中間冷却器から導かれた液冷媒を膨張させる主膨張弁（５）と、前記主膨張弁から導かれた冷媒を蒸発させる蒸発器（７）と、前記副膨張弁の開度を制御する制御部（３０）と、を備え、前記制御部は、前記中間冷却器に導かれる液冷媒の乾き度（Ｘ）に基づいて、前記副膨張弁の開度を制御する。
【0053】
中間冷却器に導かれる液冷媒の乾き度に基づいて副膨張弁の開度を制御することとしたので、中間冷却器に導かれる液冷媒に適切な過冷却が与えられず所定の乾き度を有する場合であっても副膨張弁の開度を適正に設定することができる。例えば、中間冷却器に導かれる液冷媒にガスが含まれているキャリーアンダーの場合に、副膨張弁の開度が過剰に大きくなることを抑制できる。
冷凍機としては、例えばターボ冷凍機が挙げられる。
冷凍機としては、例えばターボ冷凍機が挙げられる。
【0054】
さらに、本開示の一態様に係る冷凍機では、前記制御部は、前記中間冷却器の液冷媒出口温度が所定の目標温度となるように前記副膨張弁の開度を制御し、前記目標温度は、前記乾き度を用いて算出される。
【0055】
副膨張弁は、中間冷却器の液冷媒出口温度が目標温度となるように制御される。この目標温度は、中間冷却器に導かれる液冷媒の乾き度を用いて算出される。これにより、適正な目標温度を設定することができる。
【0056】
さらに、本開示の一態様に係る冷凍機では、前記制御部は、前記中間吸込み配管から前記圧縮機へ導かれるガス冷媒の最大流量を超えないように、前記目標温度を補正する。
【0057】
中間冷却器の出口液冷媒の温度（エンタルピー）を小さくすると、副膨張弁の開度が増大する方向に制御される。そうすると、中間吸込み配管から圧縮機の中間段へ導かれるガス冷媒の流量が大きくなり、圧縮機でチョーク流れが生じるおそれがある。そこで、中間吸込み配管から圧縮機へ導かれるガス冷媒の最大流量を超えないように、中間冷却器の出口液冷媒の目標温度を補正することとした。これにより、圧縮機でのチョーク流れの発生を抑制することができる。
【0058】
さらに、本開示の一態様に係る冷凍機では、前記圧縮機は、圧縮される冷媒の流れに対して直列に接続された２以上の圧縮部（８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ）を有し、前記中間吸込み配管は、各前記圧縮部の間にそれぞれ設けられ、前記中間冷却器は、各前記中間吸込み配管に対応してそれぞれ設けられている。
【0059】
複数の圧縮部を有する圧縮機に対して適用することができる。例えば、４段圧縮（４つの圧縮部）に対して３つの中間冷却器が設けられた構成とすることができる。中間冷却器が複数設けられると、各中間冷却器に対応して設けられた副膨張弁の制御が複雑になり、中間冷却器に対してキャリーアンダーが発生するおそれがある。本開示では、各中間冷却器に導かれる液冷媒の乾き度に基づいて制御することとしたので、適正に副膨張弁の開度を制御することができる。
【0060】
冷凍機の制御方法は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器から導かれた一部の液冷媒を膨張させる副膨張弁と、前記副膨張弁で膨張させた冷媒と前記凝縮器から導かれた液冷媒とを熱交換させる中間冷却器と、前記中間冷却器にて蒸発したガス冷媒を前記圧縮機の中間段へ導く中間吸込み配管と、前記中間冷却器から導かれた液冷媒を膨張させる主膨張弁と、前記主膨張弁から導かれた冷媒を蒸発させる蒸発器と、を備えた冷凍機の制御方法であって、前記中間冷却器に導かれる液冷媒の乾き度に基づいて、前記副膨張弁の開度を制御する。
【符号の説明】
【0061】
１ ターボ冷凍機（冷凍機）
２ ターボ圧縮機（圧縮機）
２Ａ 低段側圧縮機
２Ｂ 高段側圧縮機
３ 凝縮器
４ エコノマイザ（中間冷却器）
４ａ 低圧側エコノマイザ
４ｂ 中圧側エコノマイザ
４ｃ 高圧側エコノマイザ
５ 主膨張弁
６ 副膨張弁
６ａ 低圧側副膨張弁
６ｂ 中圧側副膨張弁
６ｃ 高圧側副膨張弁
７ 蒸発器
８ａ 第１羽根車（圧縮部）
８ｂ 第２羽根車（圧縮部）
８ｃ 第３羽根車（圧縮部）
８ｄ 第４羽根車（圧縮部）
９Ａ 低段側インバータモータ
９Ｂ 高段側インバータモータ
１０Ａ 低段側増速歯車
１０Ｂ 高段側増速歯車
１１ 冷却水伝熱管
１１ａ 冷却水入口配管
１１ｂ 冷却水出口配管
１２ａ 第１ＩＧＶ
１２ｂ 第２ＩＧＶ
１２ｃ 第３ＩＧＶ
１２ｄ 第４ＩＧＶ
１３ａ 高圧側主冷媒伝熱管
１３ｂ 高圧側副冷媒伝熱管
１５ａ 第１主冷媒配管
１５ｂ 第２主冷媒配管
１５ｃ 第３主冷媒配管
１５ｄ 第４主冷媒配管
１６ａ 第１副冷媒配管
１６ｂ 第２副冷媒配管
１６ｃ 第３副冷媒配管
１７ａ 低圧側吸込み配管（中間吸込み配管）
１７ｂ 中圧側吸込み配管（中間吸込み配管）
１７ｃ 高圧側吸込み配管（中間吸込み配管）
１９ａ 中圧側主冷媒伝熱管
１９ｂ 中圧側副冷媒伝熱管
２１ａ 低圧側主冷媒伝熱管
２１ｂ 低圧側副冷媒伝熱管
２３ ブライン伝熱管
２３ａ ブライン入口配管
２３ｂ ブライン出口配管
２５ ホットガスバイパス配管
２６ ホットガスバイパス弁
３０ 制御部
２ ターボ圧縮機（圧縮機）
２Ａ 低段側圧縮機
２Ｂ 高段側圧縮機
３ 凝縮器
４ エコノマイザ（中間冷却器）
４ａ 低圧側エコノマイザ
４ｂ 中圧側エコノマイザ
４ｃ 高圧側エコノマイザ
５ 主膨張弁
６ 副膨張弁
６ａ 低圧側副膨張弁
６ｂ 中圧側副膨張弁
６ｃ 高圧側副膨張弁
７ 蒸発器
８ａ 第１羽根車（圧縮部）
８ｂ 第２羽根車（圧縮部）
８ｃ 第３羽根車（圧縮部）
８ｄ 第４羽根車（圧縮部）
９Ａ 低段側インバータモータ
９Ｂ 高段側インバータモータ
１０Ａ 低段側増速歯車
１０Ｂ 高段側増速歯車
１１ 冷却水伝熱管
１１ａ 冷却水入口配管
１１ｂ 冷却水出口配管
１２ａ 第１ＩＧＶ
１２ｂ 第２ＩＧＶ
１２ｃ 第３ＩＧＶ
１２ｄ 第４ＩＧＶ
１３ａ 高圧側主冷媒伝熱管
１３ｂ 高圧側副冷媒伝熱管
１５ａ 第１主冷媒配管
１５ｂ 第２主冷媒配管
１５ｃ 第３主冷媒配管
１５ｄ 第４主冷媒配管
１６ａ 第１副冷媒配管
１６ｂ 第２副冷媒配管
１６ｃ 第３副冷媒配管
１７ａ 低圧側吸込み配管（中間吸込み配管）
１７ｂ 中圧側吸込み配管（中間吸込み配管）
１７ｃ 高圧側吸込み配管（中間吸込み配管）
１９ａ 中圧側主冷媒伝熱管
１９ｂ 中圧側副冷媒伝熱管
２１ａ 低圧側主冷媒伝熱管
２１ｂ 低圧側副冷媒伝熱管
２３ ブライン伝熱管
２３ａ ブライン入口配管
２３ｂ ブライン出口配管
２５ ホットガスバイパス配管
２６ ホットガスバイパス弁
３０ 制御部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
