JP7080789B2 - 多段圧縮タービン式冷却システム及び多段圧縮タービン式冷却方法 - Google Patents
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Description
[1] 冷媒ガスを圧縮及び循環させる第一のターボ圧縮機、第二のターボ圧縮機、及び第三のターボ圧縮機と、
圧縮した冷媒ガスを戻りの冷媒ガスとの熱交換により冷却する主熱交換器と、を備え、
前記第一のターボ圧縮機、前記第二のターボ圧縮機、及び前記第三のターボ圧縮機から選択される少なくとも1つの同軸上に、前記冷媒ガスを膨張させる膨張タービンが設けられ、
前記第一のターボ圧縮機、前記第二のターボ圧縮機、及び前記第三のターボ圧縮機が、上流側から順に直列に配置され、
前記主熱交換器から導出される冷媒ガスを前記第二のターボ圧縮機に直接供給可能な循環経路、及び前記第一のターボ圧縮機から導出される冷媒ガスを前記第三のターボ圧縮機に直接供給可能な循環経路の少なくともいずれかを有する、多段圧縮タービン式冷却システム。
[2] 前記各ターボ圧縮機が、それぞれ個別の駆動モータにより駆動される、[1]に記載の多段圧縮タービン式冷却システム。
[3] 前記駆動モータが、いずれも同一の仕様である、[2]に記載の多段圧縮タービン式冷却システム。
[4] 少なくとも前記主熱交換器から導出される冷媒ガスを前記第二のターボ圧縮機に直接供給可能な循環経路に設けられたバルブをさらに備える、[1]乃至[3]のいずれか一項に記載の多段圧縮タービン式冷却システム。
[5] 冷媒ガスを圧縮及び循環させる第一のターボ圧縮機、第二のターボ圧縮機、及び第三のターボ圧縮機と、
圧縮した冷媒ガスを戻りの冷媒ガスとの熱交換により冷却する主熱交換器と、を備え、
前記第一のターボ圧縮機、前記第二のターボ圧縮機、及び前記第三のターボ圧縮機から選択される少なくとも1つの同軸上に、前記冷媒ガスを膨張させる膨張タービンが設けられ、
前記第一のターボ圧縮機、前記第二のターボ圧縮機、及び前記第三のターボ圧縮機が、上流側から順に直列に配置され、
前記主熱交換器から導出される冷媒ガスを前記第二のターボ圧縮機に直接供給可能な循環経路、及び前記第一のターボ圧縮機から導出される冷媒ガスを前記第三のターボ圧縮機に直接供給可能な循環経路の少なくともいずれかを有し、
必要な冷凍能力に応じて、前記冷媒ガスが供給されるターボ圧縮機の数を増減し、冷凍能力を調整する、多段圧縮タービン式冷却方法。
[6] 前記各ターボ圧縮機が、それぞれ個別の駆動モータにより駆動される、[5]に記載の多段圧縮タービン式冷却方法。
[7] 前記駆動モータが、いずれも同一の仕様である、[6]に記載の多段圧縮タービン式冷却方法。
[8] 少なくとも前記主熱交換器から導出される冷媒ガスを前記第二のターボ圧縮機に直接供給可能な循環経路に設けられたバルブの開閉により、前記冷媒ガスが供給されるターボ圧縮機の数を増減し、冷凍能力を調整する、[5]乃至[7]のいずれか一項に記載の多段圧縮タービン式冷却方法。
また、各ターボ圧縮機にそれぞれ個別に設けられた各駆動モータが、同一の仕様であれば、上記効果に加えて、コストや簡易構成の点で利便性を向上させることができる。
<第1実施形態>
図1は、本発明の多段圧縮タービン式冷却システム及びその冷却方法における第1実施形態の構成を示す系統図である。
図1に示すように、第1実施形態に係る多段圧縮タービン式冷却システム1Aは、最大3段の圧縮が可能な例であり、主熱交換器2と、副熱交換器3と、最大3段を構成する3基の1段側ターボ圧縮機(第一のターボ圧縮機)4a、2段側ターボ圧縮機(第二のターボ圧縮機)4b、及び3段側ターボ圧縮機(第三のターボ圧縮機)4cと、その3段に対応した3基の1段側駆動モータ(駆動モータ)5a、2段側駆動モータ(駆動モータ)5b、及び3段側駆動モータ(駆動モータ)5cと、膨張タービン6と、1段側水冷クーラー7a、2段側水冷クーラー7b、及び3段側水冷クーラー7cと、主熱交換器/1段側圧縮機間弁8a、1段側/2段側圧縮機間弁8b、及び1段側圧縮機バイパス弁(バルブ)8cと、第1の循環経路L1と、第2の循環経路L2とを備えて、概略構成されている。
なお、3段側駆動モータ5cが、3段側ターボ圧縮機4c及び膨張タービン6と同軸で設けられるとは、3段側駆動モータ5cが軸を駆動すれば、3段側ターボ圧縮機4c及び膨張タービン6の軸の駆動が可能であることをいう。したがって、3段側駆動モータ5c、3段側ターボ圧縮機4c及び膨張タービン6は、必ずしも同一の軸に設けられている場合に限定されるものではなく、3段側駆動モータ5c、3段側ターボ圧縮機4c及び膨張タービン6が設けられている軸が何らかの仕組みによって接続されており、連動して駆動可能な場合も含まれる。以下、本明細書では、このような関係を、同軸上に設けられている、という。
また、説明の便宜上、3段側ターボ圧縮機4c、3段側駆動モータ5c、及び膨張タービン6を総称してタービンアシストモータ駆動ターボ圧縮機MTCとする。
なお、第2の循環経路L2には、図示しないバッファータンクが接続されている。
本実施形態では、図1に示すように、1段側ターボ圧縮機4a及び2段側ターボ圧縮機4bを、それぞれ個別の1段側駆動モータ5a及び2段側駆動モータ5bで駆動しているので、1段側駆動モータ5a及び2段側駆動モータ5bの容量は、ほぼ等しくなる(例えば実測値として、それぞれ79kW及び78kW)うえに、3段側駆動モータ5cの容量(例えば実測値として、56kW)に近づく。これにより、冷凍能力を減少させたい場合など、必要な冷凍能力に応じて、いずれかのターボ圧縮機を分断し、冷凍能力を減少させることにより、冷凍効率を落とさずに、安定して運転することができる。また、分断したターボ圧縮機を稼動、又は新たにターボ圧縮機を増設することにより、必要な冷凍能力に応じて、簡便に冷凍能力を増加させることができる。
上述のように、主熱交換器/1段側圧縮機間弁8a、1段側/2段側圧縮機間弁8b、及び1段側圧縮機バイパス弁8cを採用することより、容易に、3段圧縮から2段圧縮の冷却システムに、また、2段圧縮から3段圧縮の冷却システムに変更することができる。
図2は、多段圧縮タービン式冷却システム及びその冷却方法における第2実施形態の構成を示す系統図である。ここで、第1実施形態と同一の構成については、同符号を付し、以下、重複した説明を省略する。なお、図2においては、図1と比較して、副熱交換器3及び第2の循環経路L2を省略しているが、図1と同様にあるものとする(以下の各実施形態に係る図3~図5についても同様である)。
図3は、多段圧縮タービン式冷却システム及びその冷却方法における第3実施形態の構成を示す系統図である。ここで、第1及び第2実施形態と同一の構成については、同符号を付し、以下、重複した説明を省略する。
上述した第1~第3実施形態においては、膨張タービン6を、最下流の3段側ターボ圧縮機4cと対にして構成したが、1段側ターボ圧縮機4aと、あるいは2段側ターボ圧縮機4bと対とすることもできる。
1段側を分断、または経由させるための構成及び動作は、第1実施形態及び第3実施形態と同様である。
本実施形態の効果については、第3実施形態と同様である。
膨張タービン6を、1段側ターボ圧縮機4aと対とした場合を、第5実施形態として、図5に示す。図5に示すように、第5実施形態に係る多段圧縮タービン式冷却システム1Eにおいては、1段側駆動モータ5aは、1段側ターボ圧縮機4a及び膨張タービン6と同軸で設けられ、それらを駆動している。なお、説明の便宜上、1段側ターボ圧縮機4a、1段側駆動モータ5a、及び膨張タービン6を総称してタービンアシストモータ駆動ターボ圧縮機MTCaとする。モータ駆動ターボ圧縮機MC3については、第4実施形態と同一である。
本実施形態の効果については、第3実施形態及び第4実施形態と同様である。
以上の各実施形態においては、圧縮機の段数を、3段から2段へ減少させたり、2段から3段に増加させたりしたが、4段から3段に減少させたり、3段から4段に増加させたりすることも可能である。そのときの膨張タービンの段数はいずれも1段である。しかしながら、圧縮機の段数を2段から4段に増やす場合には、1段の膨張タービンでは圧力比が過大となり、膨張タービンの断熱効率が大きく低下してしまう。従って、いわゆる2段圧縮から4段圧縮に増加させる場合には、MTCを2台使用し、2段膨張として構成すればよい。
図6に示す多段圧縮タービン式冷凍機を用いて、定格運転を行い、消費電力、冷凍効率(COP)、及び冷凍能力を評価した。
プロセスの最高圧力: 1.0MPaA、
2段側ターボ圧縮機4b及び4cの圧力比: 1.46、
入口温度: 300K、
各圧縮機4a~4c及び膨張タービン6の断熱効率: それぞれ80%、
2段側水冷クーラー7b及び7c主熱交換器2及び副熱交換器3の圧力損失: 0.02MPa、
主熱交換器2の低圧側の温度効率: 0.991、
冷媒ガス: ネオンガスで流量1.0kg/s、
副熱交換器3の冷媒ガス出口温度: 70K(冷却温度)、
各駆動モータ500及び5cの効率、インバータ効率: それぞれ0.85、0.95
比較例2においては、比較例1と異なり、各圧縮機4a~4c及び膨張タービン6の断熱効率を80%から75%に変更した以外は、条件は同じとして、同様に、消費電力及び冷凍効率(COP)を評価した。
図1に示す多段圧縮タービン式冷却システム1Aを用いて、消費電力、冷凍効率、及び冷凍能力を評価した。
プロセスの最高圧力: 1.0MPaA、
1段側ターボ圧縮機4a及び4bの圧力比: 1.46、
入口温度: 300K、
各圧縮機4a~4c及び膨張タービン6の断熱効率: それぞれ80%、
2段側水冷クーラー7b及び7c、主熱交換器2、並びに副熱交換器3の圧力損失: 0.02MPa、
主熱交換器2の低圧側の温度効率: 0.991、
冷媒ガス: ネオンガスで流量1.0kg/s、
副熱交換器3の冷媒ガス出口温度: 70K(冷却温度)、
各駆動モータ5a~5cの効率、インバータ効率: それぞれ0.85、0.95
Claims (8)
- 冷媒ガスを圧縮及び循環させる第一のターボ圧縮機、第二のターボ圧縮機、及び第三のターボ圧縮機と、
圧縮した冷媒ガスを戻りの冷媒ガスとの熱交換により冷却する主熱交換器と、を備え、
前記第一のターボ圧縮機、前記第二のターボ圧縮機、及び前記第三のターボ圧縮機から選択される少なくとも1つの同軸上に、前記冷媒ガスを膨張させる膨張タービンが設けられ、
前記第一のターボ圧縮機、前記第二のターボ圧縮機、及び前記第三のターボ圧縮機が、上流側から順に直列に配置され、
前記主熱交換器から導出される冷媒ガスを前記第二のターボ圧縮機に直接供給可能な循環経路、及び前記第一のターボ圧縮機から導出される冷媒ガスを前記第三のターボ圧縮機に直接供給可能な循環経路の少なくともいずれかを有する、多段圧縮タービン式冷却システム。 - 前記各ターボ圧縮機が、それぞれ個別の駆動モータにより駆動される、請求項1に記載の多段圧縮タービン式冷却システム。
- 前記駆動モータが、いずれも同一の仕様である、請求項2に記載の多段圧縮タービン式冷却システム。
- 少なくとも前記主熱交換器から導出される冷媒ガスを前記第二のターボ圧縮機に直接供給可能な循環経路に設けられたバルブをさらに備える、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の多段圧縮タービン式冷却システム。
- 冷媒ガスを圧縮及び循環させる第一のターボ圧縮機、第二のターボ圧縮機、及び第三のターボ圧縮機と、
圧縮した冷媒ガスを戻りの冷媒ガスとの熱交換により冷却する主熱交換器と、を備え、
前記第一のターボ圧縮機、前記第二のターボ圧縮機、及び前記第三のターボ圧縮機から選択される少なくとも1つの同軸上に、前記冷媒ガスを膨張させる膨張タービンが設けられ、
前記第一のターボ圧縮機、前記第二のターボ圧縮機、及び前記第三のターボ圧縮機が、上流側から順に直列に配置され、
前記主熱交換器から導出される冷媒ガスを前記第二のターボ圧縮機に直接供給可能な循環経路、及び前記第一のターボ圧縮機から導出される冷媒ガスを前記第三のターボ圧縮機に直接供給可能な循環経路の少なくともいずれかを有し、
必要な冷凍能力に応じて、前記冷媒ガスが供給されるターボ圧縮機の数を増減し、冷凍能力を調整する、多段圧縮タービン式冷却方法。 - 前記各ターボ圧縮機が、それぞれ個別の駆動モータにより駆動される、請求項5に記載の多段圧縮タービン式冷却方法。
- 前記駆動モータが、いずれも同一の仕様である、請求項6に記載の多段圧縮タービン式冷却方法。
- 少なくとも前記主熱交換器から導出される冷媒ガスを前記第二のターボ圧縮機に直接供給可能な循環経路に設けられたバルブの開閉により、前記冷媒ガスが供給されるターボ圧縮機の数を増減し、冷凍能力を調整する、請求項5乃至7のいずれか一項に記載の多段圧縮タービン式冷却方法。
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