Smart control of cryogenic refrigerators using machine learning

• Project/Area Number: 22KF0297
• Project/Area Number (Other): 22F21742 (2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2022)
• Section: 外国
• Review Section: Basic Section 19020:Thermal engineering-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 宮崎 隆彦 九州大学, 総合理工学研究院, 教授 (70420289)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): CHAGNON-LESSARD NOEMIE 九州大学, 総合理工学研究院, 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2023: ¥400,000 (Direct Cost: ¥400,000); Fiscal Year 2022: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
• Keywords: ヒートポンプ / 多段圧縮サイクル / シミュレーション / プレート式熱交換器 / 最適制御

Outline of Research at the Start

冷凍空調分野が消費する電力に起因する二酸化炭素排出に加えて，現在使用されている冷媒の多くが強力な温室効果ガスであることから，省エネルギー性と環境性に優れた冷凍空調機器の開発は極めて重要な課題である。特に，超低温フリーザーや高温ヒートポンプなど，圧力比が大きくなるサイクルでは多段階の圧縮過程によって必要な圧力差が確保されており，サイクルが複雑になると同時に制御パラメータが多くなる．本研究では，そのような多数の制御パラメータを有するヒートポンプサイクルについて，リアルタイムの運転情報に基づく最適化によってシステムのエネルギー消費を最小化するための手法の確立を目指している。

Outline of Annual Research Achievements

冷凍空調分野が消費する電力に起因する二酸化炭素排出に加えて，現在使用されている冷媒の多くが強力な温室効果ガスであることから，省エネルギー性と環境性に優れた冷凍空調機器の開発は極めて重要な課題である。特に，超低温フリーザーや高温ヒートポンプなど，圧力比が大きくなるサイクルでは多段階の圧縮過程によって必要な圧力差が確保されており，サイクルが複雑になると同時に制御パラメータが多くなる．本研究では，そのような多数の制御パラメータを有するヒートポンプサイクルについて，リアルタイムの運転情報に基づく最適化によってシステムのエネルギー消費を最小化するための手法を確立することを目指している。本目的達成のために，本申請研究の期間は，二段圧縮ヒートポンプサイクルのシステムシミュレーションを構築し，各種制御機構のモデル化を行う．そして，環境変化に対応して最適な制御を行うアルゴリズムを明らかにするとともに，実機を模擬したヒートポンプサイクルシミュレーションによってその効果を検証する．これまでの研究によって，二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプの実験を行い，試験データが収集された。また，商用のフリーザーを用いて庫内温度変化などのデータを取得している。これらのヒートポンプシステムについて，MATLAB/Simulink及びSimscapeを利用したモデル化を実施した。ヒートポンプの構成要素である圧縮機や熱交換器のモデルについて，より正確な物理モデルによる表現に更新している。さらに，蒸発器として使用しているプレート式熱交換器について，プレートの形状に応じて熱伝達率を適切に表す相関式がないため，数値流体力学（CFD）による手法を利用して熱伝達率や圧力損失の予測を実施中である。今後，混相流や乱流熱伝達を適切に表現するモデルについて検討を行い，ヒートポンプシステムシミュレーションに反映させる予定である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

二段圧縮ヒートポンプサイクルについて，MATLAB/Simulinkを利用したシミュレーションモデルの作成は順調に進んでいる。しかし，蒸発器に関しては熱伝達率をより詳細に調査する必要があることがわかり，CFDを利用した解析を実施した。実験装置による計測も概ね予定通りに実施できている。

Strategy for Future Research Activity

蒸発器の熱伝達率に関してCFDを利用した解析を進め，ヒートポンプサイクルの各コンポーネントのモデルについて再現精度を向上させる。博士課程学生が実験データ取得を担当し，実験とシミュレーションを同時並行で実施することで，研究の進展を加速させる予定である。