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公開番号2024029861
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-03-07
出願番号2022132290
出願日2022-08-23
発明の名称冷凍システム
出願人株式会社前川製作所,国立大学法人広島大学
代理人IBC一番町弁理士法人
主分類F25B 1/00 20060101AFI20240229BHJP(冷凍または冷却;加熱と冷凍との組み合わせシステム;ヒートポンプシステム;氷の製造または貯蔵;気体の液化または固体化)
要約【課題】冷凍装置の健全性を確保しつつ、安定した連続運転を実現できる冷凍システムを提供する。
【解決手段】冷凍システムFSは、冷凍装置1、および制御装置2を有する。冷凍装置1は、冷媒が配管を通じて一巡するように順に連結された蒸発器40、圧縮機10、凝縮器20、および膨張弁30を有する。制御装置2は、膨張弁30の開度を操作量とし、圧縮機10が吸入する冷媒の過熱度または蒸発器出口冷媒の過熱度を制御量として、過熱度が一定となるようにI-PD制御またはI-P制御する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
冷媒が配管を通じて一巡するように順に連結された蒸発器、圧縮機、凝縮器、および膨張弁を有する冷凍装置と、
前記膨張弁の開度を操作量とし、前記圧縮機が吸入する冷媒の過熱度または蒸発器出口冷媒の過熱度を制御量として、前記過熱度が一定となるようにＩ－ＰＤ制御またはＩ－Ｐ制御する制御装置と、を有する、冷凍システム。
続きを表示（約 290 文字）【請求項２】
前記冷凍装置の冷凍サイクルは、ＣＯ
２
直膨サイクルであり、
前記膨張弁は、
冷凍機側に設けられる第１膨張弁と
負荷側に設けられる第２膨張弁と、を有し、
前記制御装置は、前記第２膨張弁の開度を操作量とする、請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項３】
前記制御装置は、
ストラクチャード・テキストによって記述されたＩ－ＰＤ制御則またはＩ－Ｐ制御則を記憶する記憶部と、
前記Ｉ－ＰＤ制御則またはＩ－Ｐ制御則を実行する演算部と、を有する、請求項１または２に記載の冷凍システム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
冷凍システムに関する。
続きを表示（約 2,400 文字）【背景技術】
【０００２】
日本政府による２０５０年のカーボンニュートラルに向けた取り組みの発表を受けて、産業界においては、フロン排出抑制が喫緊の課題となっている。今後、冷凍システムにおいては、自然冷媒や、低ＧＷＰ（Ｇｌｏｂａｌ－ＷａｒｍｉｎｇＰｏｔｅｎｔｉａｌ）冷媒への転換を進め、これらの冷媒に対応し、かつ性能の良い冷凍システムの開発が求められる。
【０００３】
従来、冷凍装置、冷熱利用装置等における温度制御や各種調整弁の開度制御には、一般的な制御手法であるＰＩＤ制御（フィードバック制御）が使用される。冷凍装置は、冷媒が配管を通じて一巡するように順に連結された蒸発器、圧縮機、凝縮器、および膨張弁を有する冷媒循環システムであり、冷媒が状態（液体、気体）を変化させながら配管を通じて循環システムを循環する冷凍サイクルが形成される。例えば、このような冷凍装置において、膨張弁の開度等を操作量とし、過熱度を制御量としてＰＩＤ制御が行われる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
冷凍サイクルは、１つの操作量の変化により冷媒循環システム系内の複数の状態量が変化する強い干渉系を有する。このため、操作量が急激に変化すると、複数の制御量が相互に干渉し、冷媒循環システム系内が不安定になり、制御量（または状態量）のオーバーシュートが発生する可能性がある。例えば、冷媒循環システム系内が不安定になり、過熱度が目標値以下にオーバーシュートした場合、冷媒が液もしくは液滴の状態で圧縮機へ流入する液バックや、液圧縮等が生じるおそれがある。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、冷凍装置の健全性を確保しつつ、安定した連続運転を実現できる冷凍システム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】
【０００６】
本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。
【０００７】
冷凍システムは、冷凍装置、および制御装置を有する。冷凍装置は、冷媒が配管を通じて一巡するように順に連結された蒸発器、圧縮機、凝縮器(超臨界領域ではガスクーラとして作動する)、および膨張弁を有する。制御装置は、前記膨張弁の開度を操作量とし、前記圧縮機が吸入する冷媒の過熱度または蒸発器出口冷媒の過熱度を制御量として、前記過熱度が一定となるようにＩ－ＰＤ制御またはＩ－Ｐ制御する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、膨張弁の開度を操作量とし、圧縮機が吸入する冷媒の過熱度または蒸発器出口冷媒の過熱度を制御量として、過熱度が一定となるようにＩ－ＰＤ制御するので、冷凍装置の健全性を確保しつつ、安定した連続運転を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
第１の実施形態に係る冷凍システムの構成を例示するブロック図である。
図１の冷凍装置を示す系統図である。
図１の制御装置の概略構成を例示するブロック図である。
Ｉ－ＰＤ制御則を使用した場合の測定例を示すグラフである。
ＰＩＤ制御則を使用した場合の測定例（比較例）を示すグラフである。
第２の実施形態に係る冷凍システムモデルを表示するシミュレーターの画面を例示する模式図である。
図６に示す冷凍装置モデルの冷凍サイクル（ホットガスバイパスサイクル）を例示する図である。
ＣＯ
２
直膨サイクルにおける高段圧縮機の要素モデルを例示する模式図である。
圧縮機における流量特性（質量流量と差圧との関係）を例示するグラフである。
ＣＯ
２
直膨サイクルにおける膨張弁の要素モデルを例示する模式図である。
膨張弁、高段膨張弁、およびガスインジェクション弁のＣｖ値を例示する図である。
デスーパーヒーターについて、要素モデルの計算値と試験装置による実験値との比較結果を例示するグラフである。
凝縮器について、要素モデルの計算値と試験装置による実験値との比較結果を例示するグラフである。
制御装置モデルの設定項目インタフェースを例示する模式図である。
ＣＯ
２
直膨サイクルの制御装置（実機のＰＬＣ）と制御装置モデルとについて、実験データの入力に対する操作量の出力結果の比較を例示する概念図である。
制御装置および制御装置モデルに入力する実験データを例示するグラフである。
ブラインヒーターの操作量（実験値および計算値）の比較を例示するグラフである。
三方弁の操作量（実験値および計算値）の比較を例示するグラフである。
図７に示す冷凍サイクル（ホットガスバイパスサイクル）をＩ－ＰＤ制御則を使用して制御した場合のシミュレーション結果の例を示すグラフである。
図７に示す冷凍サイクル（ホットガスバイパスサイクル）にＰＩＤ制御則を使用して制御した場合のシミュレーション結果の例（比較例）を示すグラフである。
第３の実施形態における冷凍システムの構成を例示するブロック図である。
スマートＭＢＤによる冷凍システムの開発を例示する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
（【００１１】以降は省略されています）

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