JP2006170606A

JP2006170606A - バックアップ低温貯蔵装置を有する極低温冷却システム及び方法

Info

Publication number: JP2006170606A
Application number: JP2005351602A
Authority: JP
Inventors: Albert Eugene Steinbach; アルバート・ユージーン・ステインバック
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-12-16
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2006-06-29
Also published as: CN1789862A; US20060266054A1; EP1672300A1; US7185501B2

Abstract

【課題】熱負荷（１２）に対して極低温冷却流体を供給するための冷却システムを提供する。
【解決手段】本冷却システムは、主極低温冷凍システム（１０）と、熱負荷に結合されたフィードライン出口と極低温冷凍システムに結合されたフィードライン入口とを有する極低温冷却流体フィードライン（１９）と、熱負荷に結合されたリターンライン入口と極低温冷凍システムに結合されたリターンライン出口とを有する極低温冷却流体リターンライン（２１）と、バイパス冷却システム（３０）とを含み、バイパス冷却システムはさらに、フィードライン及びリターンラインに取付けられかつその各々が閉鎖位置と開放位置とを有する遮断弁（３６、３８）と、フィードライン及びリターンライン間で延びるバイパスラインと、バイパス弁（３４）と、フィードライン及びリターンラインの１つに取付けられた冷却装置（３２、３７、４６）とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温超伝導部品を備えたロータを有する同期機械のような超伝導装置を冷却するための極低温冷凍システムに関する。

極低温冷凍機は、同期発電機（ＨＴＳＧ）におけるロータの高温超伝導界磁巻線のような熱負荷を冷却するためにしばしば使用される。界磁巻線は、流体回路を通して低温ヘリウムガスをロータの界磁巻線に循環させる外部極低温冷凍機により極低温まで冷却される。

極低温冷却することは、超伝導発電機のために必要である。ロータ界磁巻線は、極低温以上に加熱された時に、その超伝導能力を失う。連続的な発電機の稼動を保証するためには、超伝導界磁巻線に対して極低温冷却流体を絶えず供給しなければならない。冷凍機が故障した場合には、冷却流体の温度が上昇し、界磁巻線は、超伝導作動が消滅し停止するのに十分なほどに温暖化される。バックアップ冷凍システムは一般的に、特に主冷却システムが故障するか又は保守を必要とする状態にある時に、界磁巻線に対する冷却流体の安定した供給源を提供するために使用される。

従来型の極低温冷凍システムには、ジフォードマクマホン（Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ）型冷凍システム、パルスチューブ（ＰｕｌｓｅＴｕｂｅ）型冷凍システム、スターリング（Ｓｔｉｒｌｉｎｇ）型冷凍システム及びリバースブレイトン（ＲｅｖｅｒｓｅＢｒａｙｔｏｎ）型冷凍システムが含まれる。図４及び図５は、代表的な極低温冷却器（ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ）冷凍システムによって冷却されるＨＴＳ（高温超伝導）発電機ロータコイル巻線１０２を概略的に示す。図４は、ジフォードマクマホン（ＧＭ）、パルスチューブ（ＰＴ）又はスターリング型システムの低温ヘッド１１４を使用して高温超伝導（ＨＴＳ）ロータコイル１０２を通して循環する冷却流体（典型的には、２０°Ｋのヘリウムガス）を冷却する極低温冷却器システム１００を示す。冷凍システム１００は、該システム１００内及び該システムとロータ１０２との間のパイプライン１０６を通して冷凍流体を移動させる循環圧縮機１０４を含む。冷凍システムは、循環型熱交換器１０８と、バイパス弁１１０と、ジフォードマクマホン又はパルスチューブ型システムの複数の低温ヘッド圧縮機１１２及び低温ヘッド１１４と、低温ヘッド熱交換器１１６とを含む。

図５は、リバースブレイトン型冷凍機１２０を使用してロータを通して循環する流体を冷却する別の極低温冷却器システム１２０を示す。極低温冷却流体は、ＨＴＳロータ１０２内の超伝導巻線を冷却する。冷却流体は、ロータへのフィードラインと該ロータからのリターンラインとを有する回路１０６を通って流れる。冷凍機１２０は、例えばヘリウムガスなどの冷却流体をろ過しかつ加圧して、加圧流体をコールドボックス１２５内の循環型熱交換器１２４に流す圧縮機及びオイル除去装置１２２を含む。ターボ膨張器１２６により、流体をロータ１０２に供給する前に、該流体は冷却される。

両方の従来型の冷凍剤冷却システム１００、１２０には、作動しないことによって冷凍システムに故障を個々に引き起こすおそれのある多数の部品が存在する。これらの部品は、それら部品を冷凍システムの熱負荷に付加ることなく一時的に取り除くようにするために、冗長性がありかつ特殊なシステム及び方法を必要とする。

主極低温冷却システムは、高温超伝導発電機（ＨＴＳＧ）における高価な部品となりがちである。冗長部品又は冗長冷却システムを有する従来型の冷却システムは、極低温冷却システムのコストをさらに増大させる。従来型の冷却システムにおける冗長部品としては、圧縮機及び低温ヘッドが含まれることになる。これに代えて、従来型の冷却システムには、冗長主冷却システムが設けられる場合がある。それに加えて、従来型の冷却システムは、発電機をオンラインのままにした状態で、例えば低温ヘッドなどの冗長冷却部品を改修のために取外すのを可能にするような手の込んだ装置を採用する傾向がある。そうした場合であっても、伝統的に冷却システム及び発電機をオフラインにすることによって整備される例えばフィルタ及びタービンなどの幾つかの冷却部品が存在しており、このことが発電機の稼動性及び信頼性に悪影響を及ぼしている。
米国特許第５，４２９，１７７号公報米国特許第６，３１８，０９０号公報米国特許第６，４１５，６１３号公報米国特許第６，４３８，９６９号公報米国特許第６，４４２，９４９号公報米国特許第６，８１２，６０１号公報欧州特許第１２７６２１５号公報 Britcliffe et al.,"A 2.5-Kelvin Gifford-McMahon/Joule-Thomson Cooler for Cavity Maser Applications",IPN Progress Report 42-147,pp.1-9(Nov.15,2001).

発電機の稼動を妨げずに主冷凍システム１００、１２０の全ての部品（又は、大部分の部品）を整備するのを可能にするような単純で、廉価でかつ信頼性がある冷凍剤冷却システムに対する要望が長年あった。さらに、主冷凍システムにおける部品の冗長度を少なくし、かつ発電機をオンラインのままにした状態で冷凍部品を改修のために取外す比較的簡単な手段を可能にするシステムに対する必要性もある。さらに、発電機の始動操作手順時にロータコイルの急速な温度低下を可能にする冷凍システムに対する必要性もある。

本発明は、熱負荷に対して極低温冷却流体を供給するための冷却システムとして具体化することができ、本冷却システムは、主極低温冷凍システムと、熱負荷に結合されたフィードライン出口と極低温冷凍システムに結合されたフィードライン入口とを有する極低温冷却流体フィードラインと、熱負荷に結合されたリターンライン入口と極低温冷凍システムに結合されたリターンライン出口とを有する極低温冷却流体リターンラインと、バイパス冷却システムとを含み、バイパス冷却システムはさらに、フィードライン及びリターンラインに取付けられかつその各々が閉鎖位置と開放位置とを有する遮断弁と、フィードライン及びリターンライン間で延びるバイパスラインと、バイパス弁と、フィードライン及びリターンラインの１つに取付けられた冷却装置とを含む。バイパス冷却システムはさらに、バイパスラインと例えば冷凍剤の貯蔵タンクに結合された開路又は閉路熱交換器などの冷却装置とを収容したコールドボックスを含むことができる。

本発明はまた、主冷凍剤冷却システムと熱負荷との間に配置されるようになった冷凍剤バックアップ冷却システムとして具体化することができ、本バックアップ冷却システムは、主冷凍剤冷却システムに結合可能な冷却流体フィードライン入口と熱負荷に結合可能な出口とを有する冷却流体フィードライン内の第１の遮断弁と、熱負荷に結合可能なリターンライン入口と主冷凍剤冷却システムに結合可能な出口とを有する冷却流体リターンライン内の第２の遮断弁と、第１の遮断弁と熱負荷との間でフィードラインに結合可能でありかつ第２の遮断弁と熱負荷との間でリターンラインに結合可能であるバイパスラインと、バイパスラインと熱負荷との間でリターンライン及びフィードラインの１つに結合された冷却装置とを含む。

本発明はさらに、熱負荷に対して冷凍剤冷却流体を供給する方法として具体化することができ、本方法は、主極低温冷凍機内で流体を冷却する段階と、冷却した流体を主極低温冷凍機からフィードラインを通して熱負荷に移送する段階と、冷却した流体で熱負荷を冷却しかつリターンラインを通して該流体を主極低温冷凍機に戻す段階と、主極低温冷凍機から流れる流体及びを該主極低温冷凍機に流れる流体を遮断する段階と、主極低温冷凍機を遮断している間にフィードラインからの流体をバイパスラインを通して該フィードライン内に戻すように循環させる段階と、循環する流体を熱交換器内で冷却する段階とを含む。

図１は、熱負荷１２を冷却するための主極低温冷凍システム１０の系統図である。熱負荷１２は、例えば同期ＨＴＳ発電機のロータ内の超伝導界磁巻線コイル１３とすることができる。以下に開示する例示的な実施形態は、冷却流体として例えばヘリウムなどの圧縮性ガスを使用する極低温冷凍システムであるが、液体のようなその他の冷却流体を使用することもできる。

主冷凍システム１０は、例えば、熱交換器１４と、再循環圧縮機ファン又はポンプのような再循環装置１６とを含む。例えば、主冷凍システム１０は、図４及び図５に示す冷凍システム１００、１２０の１つとすることができる。再循環装置１６は、熱負荷１２からの例えば３００°Ｋといった温暖化ガスを加圧して熱交換器１４に供給する。再循環装置は、冷却流体の貯蔵容器１８を含むことができる。熱交換器１４は、再循環装置１６から受けたガスを極低温まで冷却する。冷却されたガスは、主冷却器１０と負荷１２とを通してかつそれらの間を流れるガス回路２０内の流体フィードライン１９を通って流れる。ガス回路２０はまた、熱負荷１２から主冷却器１０に流れる温暖化ガスのための流体リターンライン２１を含む。

バックアップ冷却システム３０は、ＨＴＳ発電機のような熱負荷１２のための主冷却システム１０を補完する。バックアップ冷却システムは、主冷却システム１０と熱負荷１２との間に配置され、フィードライン及びリターンライン１９、２１の一部分を囲むことができる。バックアップ冷却システム３０は、主冷凍システム１０と熱負荷１２との間に配置されたコールドボックス（点線により特定）を含む。コールドボックスは、例えば数時間といった限られた時間の間、該ボックス内部に極低温を維持するように良好に断熱されたチャンバとすることができる。バックアップシステムのコールドボックスは、ロータに流れるフィードライン１９内の流体を冷却する熱交換器３２と、バイパス弁３４と、リターンライン２１内の遮断弁３６と、フィードライン１９内の第２の遮断弁３８とを含む。これらの遮断弁は、コールドボックス内で主冷却器１０に近い側に配置することができる。これらの遮断弁は、コールドボックスの外部から開閉することができる。

主冷却システム１０の正常作動時、バイパス弁３４は閉鎖され、遮断弁３６、３８は開放されている。冷却流体は、主冷却システムと熱負荷との間でフィードライン及びリターンライン１９、２１を通って流れる。熱交換器３２は、冷却流体と多くの熱量は交換しない。正常作動時、バックアップシステムは、比較的不作動な状態である。

バックアップシステム３０は、主冷凍システム１０が主冷凍部品の故障又は保守作業により作動していない時に、ロータ１２の巻線１３に極低温冷却流体を供給するようになされている。バックアップシステム３０は、遮断弁３６、３８を閉じることによって主冷却システムを隔離して起動する。バイパス弁３４を開放して、バックアップシステム（主冷却器１０ではない）とロータ１２とを循環する冷却流体の冷却流体ループを形成する。熱交換器３２は、ロータに流れる冷却流体から熱を除去する。熱交換器によって冷却流体から抽出された熱は、コールドボックスの外部に排出されるか又は熱交換器によって吸収される。

バックアップシステム３０は、ロータにより冷却流体に作用する遠心力とロータ内における冷却流体の膨張との固有なポンピング作用に依存して、ロータ１２及びバックアップシステム３０を通して冷却流体を循環させる。ロータが静止している時には一般的に冷却流体を必要としないので、バックアップシステム内における別個の冷却流体ポンプは、一般に不要である。ロータが回転していない時、ロータがゆっくりと温暖化することは通常許容される。静止ロータ界磁巻線コイルを極低温に冷却する必要がある場合には、ロータを全速無負荷（ＦＳＮＬ）状態で定期的に高速回転させて、ロータコイルを通して冷却流体を圧送し、それによってコイル１３を定期的に冷却することができる。さらに、フィードライン又はリターンライン内にバックアップシステムのポンプを設けることもできる。

熱交換器３２は、多様な異なるタイプの熱交換器の１つとすることができる。例えば、熱交換器は、高い比熱値を有する大きな固体物質（鉛又はハンダのような）マスを有する蓄熱器とすることができる。主冷却器からの流体は、正常の温度低下作動時に熱交換機マス３２を冷却する。冷却された保温マス３２は、バックアップ作動時（遮断弁及びバイパス弁が主冷却器を閉鎖している時）に該マスのウォームアップ速度によって限定される時間の間、冷却流体（ロータ冷却媒体）を冷却するのに使用できる。

図２は、閉路熱交換器３７を有するバックアップ冷却システム３０の系統図である。この閉路熱交換器においては、例えば液体ヘリウムなどの冷凍剤が、貯蔵タンク４０から流量制御弁４２を通して熱交換器３６内に流れ、この熱交換器３６において、冷凍剤はロータ冷却媒体を冷却する。ロータ冷却媒体を冷却する際に、熱交換器は、タンクからの冷凍剤を液体から気体に変換し、最終的には該気体を逃し弁４４を通して大気に排出することができる。

図３は、開路熱交換器４６を有するバックアップ冷却システム３０を示す。貯蔵タンク４０からの低温冷凍剤は、熱交換器４６のチャンバ４８内に流入する。低温冷凍剤は、フィードライン１９を通ってロータに流れるロータ冷却媒体を搬送する熱交換器チューブ５０の表面を直接取り囲む。熱交換器４６はまた、これもまた蓄熱体として作用する例えば中実又は多孔質ブロックなどの大きな保温マスを含むことができる。

正常の温度低下作動時、主冷却器１０は冷却流体を冷却し、遮断弁３６、３８は開放し、またバイパス弁３４は閉鎖している。正常の温度低下作動時に、より急速な温度低下作動のために図２及び３に示す熱交換器を外部の冷凍剤で冷却して、ロータに対する冷却量を補足することができる。

現時最も実用的でかつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

熱負荷に冷却流体を供給するためのバックアップ冷却器を有する極低温冷凍システムの系統図。第２のバックアップ冷却器を有する冷凍システムの系統図。第３のバックアップ冷却器を有する別の冷凍システムの系統図。ジフォードマクマホン型システム、パルスチューブ型システム及びスターリング型システムを代表する従来型の極低温冷凍システムの系統図。リバースブレイトン型システムを代表する従来型の極低温冷凍システムの系統図。

符号の説明

１０主極低温冷凍システム
１２熱負荷
１３超伝導界磁巻線コイル
１４熱交換器
１６再循環装置
１８冷却流体貯蔵容器
１９流体フィードライン
２０ガス回路
２１流体リターンライン
３０バックアップ冷却システム
３２、３７、４６バックアップ冷却システムの熱交換器
３４バイパス弁
３６、３８遮断弁
４０貯蔵タンク
４２流量制御弁
４４逃し弁

Claims

熱負荷（１２）に対して極低温冷却流体を供給するための冷却システムであって、
主極低温冷凍システム（１０）と、
前記熱負荷に結合されたフィードライン出口と前記極低温冷凍システムに結合されたフィードライン入口とを有する極低温冷却流体フィードライン（１９）と、
前記熱負荷に結合されたリターンライン入口と前記極低温冷凍システムに結合されたリターンライン出口とを有する極低温冷却流体リターンライン（２１）と、
第２の冷却システム（３０）と、
を含み、前記第２の冷却システム（３０）が、
前記フィードライン及びリターンラインに取付けられかつその各々が閉鎖位置と開放位置とを有する遮断弁（３６、３８）と、
前記フィードライン及びリターンライン間で延びるバイパスラインと、
バイパス弁（３４）と、
前記フィードライン及びリターンラインの１つに取付けられた冷却装置（３２、３７、４６）とをさらに含むことを特徴とする冷却システム。
前記第２の冷却システム（３０）が、前記バイパスラインと前記冷却装置とを収容したコールドボックスをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の冷却システム。
前記冷却装置が熱交換器（３２、３７、４６）であることを特徴とする請求項１記載の冷却システム。
前記冷却装置が開路熱交換器（３２）であることを特徴とする請求項１記載の冷却システム。
前記冷却装置が閉路熱交換器（３７）であることを特徴とする請求項１記載の冷却システム。
前記熱交換器に結合された冷凍剤の貯蔵タンク（４０）をさらに含むことを特徴とする請求項３記載の冷却システム。
前記熱交換器（４６）に結合された冷凍剤の貯蔵タンク（４０）をさらに含み、前記熱交換器（４６）が開路熱交換器であることを特徴とする請求項３記載の冷却システム。
前記熱交換器（３７）に結合された冷凍剤の貯蔵タンク（４０）をさらに含み、前記熱交換器（３７）が閉路熱交換器であることを特徴とする請求項３記載の冷却システム。
前記熱負荷（１２）が、発電機におけるロータの超伝導巻線（１３）であることを特徴とする請求項１記載の冷却システム。
前記冷却装置（３２、３７、４６）が前記フィードライン（１９）に結合されていることを特徴とする請求項１記載の冷却システム。