JP5782065B2 - 冷凍システム - Google Patents
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Description
前記コンプレッサ及び前記膨張タービンのうち少なくともコンプレッサは、前記循環経路に対して並列に複数設けられているとともに、前記並列に接続された夫々のコンプレッサにより圧縮された冷媒を冷却する熱交換器が共有されて設けられていることを特徴とする。
又本発明は、冷媒が流れる循環経路上に、冷媒を圧縮するコンプレッサと、前記圧縮された冷媒を冷却する熱交換器と、前記冷却された冷媒を膨張させて冷熱を発生させる膨張タービンと、前記冷熱により冷却対象を冷却する冷却部とが順に設けられた冷凍サイクルを有する冷凍システムであって、
前記コンプレッサ及び前記膨張タービンからなる回転機ユニットを、前記循環経路に対して並列に複数設け、
前記並列に複数配置された回転機ユニットの内少なくとも1の回転機が異常の場合に一の回転機ユニットから他の回転ユニットに運転を運転切り換え部を具えるとともに、前記並列に配置された回転機ユニットの夫々のコンプレッサで圧縮された冷媒を冷却する熱交換器を、前記ユニット間で共有して使用されるように設けたことを特徴とする。
この態様によれば、コンプレッサ又は前記膨張タービンのような回転機に異常が発生した場合には、切換弁を開閉することによって、バックアップ用の回転機に切り換え、運転を継続することができる。
この態様によれば、冷熱を発生させる膨張タービンを冷却部と共に、外部から断熱されたコールドボックス内に配置することで、熱損失を抑制し、冷却効率を向上できる。一方、コンプレッサでは冷媒が比較的高温になるため、コールドボックスとは別の圧縮機ユニットに収納される。特に、圧縮機ユニットをコールドボックスに比べて冷却対象から離れた位置に配置することによって、冷凍能力を確保しながら、冷却対象周辺の少ない敷設スペースにも設置可能な冷凍システムを実現できる。
この態様によれば、複数の圧縮機ユニットを切換バルブで選択可能に構成することにより、正常動作時に使用している圧縮機ユニットに異常が発生した場合であっても、他の圧縮機ユニットに切り換えることによって、運転を継続し、安定的な運用が可能となる。
この態様によれば、コールドボックスと圧縮機ユニットを共に、冷却対象に対してそれぞれ複数設けられることで、より信頼性の高いシステムを構築することができる。
この態様によれば、コンプレッサを循環経路上に直列に複数設けることによって多段圧縮が可能に構成されている。特に第1のコンプレッサは第2のコンプレッサと共に第1の電動機の出力軸上に連結されることにより、コンプレッサ毎に動力源を設ける場合に比べて構成をシンプル化できる。第3のコンプレッサもまた、膨張タービンと共に第2の電動機の出力軸上に連結されることにより構成をシンプル化できることに加えて、膨張タービンで発生した動力が第3のコンプレッサの圧縮動力に寄与することによって、効率化を図ることができる。
又本発明は、前記熱交換器は第1のユニットとバックアップ用ユニットとの間で共有されている。これは、熱交換器はコンプレッサのような回転機でないため異常発生リスクが低く、ユニット間で共有することによって省スペースを図ることが出来る。
まず、本発明に係る実施例を説明する前に、本発明に至る背景となった関連技術について、図6及び図7を参照して説明する。図6は、関連技術に係る冷凍システム100´の全体構成を示す模式図である。図7は冷凍システム100´が採用するブレイトンサイクルのT−S線図であり、縦軸が温度T[K]を示し、横軸がエントロピーS[KJ/kgK]を示している。尚、図7(b)は、図7(a)の破線で囲んだ領域を拡大して示したものである。
尚、冷凍システム100´の循環経路101には冷媒としてネオンなどを用いているが、これに限られるものではなく、冷却温度などに応じて適宜、ガスの種類を変更することができるのは言うまでもない。
尚、図6の例では、単一の膨張タービン104を有する冷凍システム100´を示しているが、コンプレッサ102と同様に、循環経路101に対して直列に複数の膨張タービンが設けられていてもよい。
上流側の2つのコンプレッサ102a及び102bは、共通の動力源である電動機107aの出力軸108aの両端にそれぞれ連結されることによって第1のユニット109aを構成することによって、部品填数を削減し、少ない設置スペースに敷設可能に構成されている。下流側のコンプレッサ102c及び膨張タービン104もまた、共通の動力源である電動機107bの出力軸108bの両端にそれぞれ連結されることによって第2のユニット109bを構成することによって、部品填数を削減し、少ない設置スペースに敷設可能に構成されているが、これに加えて、膨張タービン104で発生した動力がコンプレッサ102cの圧縮動力に寄与することによって、効率化が図られている。
このような問題は、以下に説明する冷凍システムによって解決することができる。
図1は本実施例に係る冷凍システム100の全体構成を示す模式図である。尚、図1では上述の関連技術と共通する箇所には同じ符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略するものとする。
尚、図1では超電導機器が冷却対象160として示されており、該冷却対象160を冷却するための循環経路150上には液体窒素を循環させるためのポンプ170が示されている。
熱交換器103aは、その下流側に第1のユニット109aとバックアップ用ユニット119aとの間にそれぞれ切換弁V3、V4が設けられており、使用されるユニットに応じて切り換えられるようになっている。
熱交換器103c、冷熱回収熱交換器106は、その下流側に第2のユニット109bとバックアップ用ユニット119bとの間にそれぞれ切換弁V7、弁8が設けられており、使用されるユニットに応じて切り換えられるようになっている。
まず図2の上段は、冷凍システム100が正常に動作している場合(通常運転時)における切換弁V1〜V8の状態を示している。このとき、第1のユニット109a側では、切換弁V1を開くことによって第1のユニット109a側に冷媒を導くと共に、V2を閉じることによってバックアップ用ユニット119a側への冷媒が遮断される。このとき、切換弁V3を開くと共に切換弁V4を閉じることによって、コンプレッサ102aで圧縮された冷媒が熱交換器103aを介して、下流側にあるコンプレッサ102bに導かれる。
尚、このような切換弁V1〜V8の切換操作は、オペレータが異常を発見した場合に手動によって行われてもよいし、マイクロプロセッサ等から構成されるコントローラに制御プログラムを組み込むことにより、異常を検出したときに自動的に切換制御されてもよい。
一方、コンプレッサ102a、102b、102c、熱交換器103a、103b、103cは比較的高温な冷媒が流れるため、上述のコールドボックス130の外部において、圧縮機ユニット140として一体的にまとめられている。
逆に言えば、圧縮機ユニット140はコールドボックス130と別体として構成されているため、コールドボックス130から離れた位置に分散して配置することができる。その結果、冷却対象の周辺に敷設スペースが少ない場合であっても、コールドボックス130のみを冷却対象の近傍に配置すると共に、圧縮機ユニット140を離れたスペースに分散配置することで、狭い敷設スペースにも冷凍装置100を導入することができる。
続いて、図3を参照して、第1変形例に係る冷凍システム200の構成について説明する。図3は、第1変形例に係る冷凍システム200の全体構成を示す模式図である。
尚、図3では上述の実施例と共通する箇所には同じ符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略するものとする。
ここで図4(本発明の参考例)は図3において破線で囲んだ領域の詳細を示す図である。図4では、図3に示す3つの圧縮機ユニットに対応して設けられる3系統のうち1つを代表的に示しており、他の2つの系統も同様の構成を有している。
続いて、図5を参照して、第2変形例に係る冷凍システム300の構成について説明する。図5は、第2変形例に係る冷凍システム300の全体構成を示す模式図である。
尚、図5では上述の実施例と共通する箇所には同じ符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略するものとする。
101 循環経路
102 コンプレッサ
103 熱交換器
104 膨張タービン
105 冷却部
106 冷熱回収熱交換器
107 電動機
108 出力軸
109a 第1のユニット
109b 第2のユニット
Claims (7)
- 冷媒が流れる循環経路上に、冷媒を圧縮するコンプレッサと、前記圧縮された冷媒を冷却する熱交換器と、前記冷却された冷媒を膨張させて冷熱を発生させる膨張タービンと、前記冷熱により冷却対象を冷却する冷却部とが順に設けられた冷凍サイクルを有する冷凍システムであって、
前記コンプレッサ及び前記膨張タービンのうち少なくともコンプレッサは、前記循環経路に対して並列に複数設けられているとともに、前記並列に接続された夫々のコンプレッサにより圧縮された冷媒を冷却する熱交換器が共有されて設けられていることを特徴とする冷凍システム。 - 前記循環経路に対して並列に複数設けられた前記コンプレッサ及び前記膨張タービンは、それぞれ切換弁を介して前記循環経路に対して接断可能に構成されていることを特徴とする請求項1に記載の冷凍システム。
- 前記膨張タービンは前記冷却部と共に外部から断熱されたコールドボックス内に収納されており、
前記コンプレッサは、前記コールドボックスとは別の圧縮機ユニットに収納されており、
前記圧縮機ユニットは、前記コールドボックスに比べて前記冷却対象から離れた位置に配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の冷凍システム。 - 前記圧縮機ユニットは、切換弁を介して前記コールドボックスに対して並列に複数設けられていることを特徴とする請求項3に記載の冷凍システム。
- 冷却対象側に配置され、比較的低温な冷熱が流れる膨張タービン、冷却部、冷熱回収熱交換器を含み、外部と断熱可能なコールドボックスと、コンプレッサ、熱交換器を含み比較的高温な冷媒が流れる圧縮機ユニットとは、コールドボックスと別体として構成され、前記コールドボックス及び前記圧縮機ユニットは、前記冷却対象に対して並列にそれぞれ複数設けられていることを特徴とする請求項3に記載の冷凍システム。
- 前記コンプレッサは、前記循環経路上に直列に設けられた第1のコンプレッサ、第2のコンプレッサ、及び、第3のコンプレッサを含んでおり、
前記第1のコンプレッサは前記第2のコンプレッサと共に第1の電動機の出力軸上に連結されており、
前記第3のコンプレッサは前記膨張タービンと共に第2の電動機の出力軸上に連結されていることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の冷凍システム。 - 冷媒が流れる循環経路上に、冷媒を圧縮するコンプレッサと、前記圧縮された冷媒を冷却する熱交換器と、前記冷却された冷媒を膨張させて冷熱を発生させる膨張タービンと、前記冷熱により冷却対象を冷却する冷却部とが順に設けられた冷凍サイクルを有する冷凍システムであって、
前記コンプレッサ及び前記膨張タービンからなる回転機ユニットを、前記循環経路に対して並列に複数設け、
前記並列に複数配置された回転機ユニットのうち少なくとも1の回転機が異常の場合に一の回転機ユニットから他の回転ユニットに運転を運転切り換え部を具えるとともに、前記並列に配置された回転機ユニットの夫々のコンプレッサで圧縮された冷媒を冷却する熱交換器を、前記ユニット間で共有して使用されるように設けたことを特徴とする冷凍システム。
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