JP2013502553A - 超電導体を冷却するための冷却装置の運転方法ならびにこれに適した冷却装置 - Google Patents

超電導体を冷却するための冷却装置の運転方法ならびにこれに適した冷却装置 Download PDF

Info

Publication number
JP2013502553A
JP2013502553A JP2012525158A JP2012525158A JP2013502553A JP 2013502553 A JP2013502553 A JP 2013502553A JP 2012525158 A JP2012525158 A JP 2012525158A JP 2012525158 A JP2012525158 A JP 2012525158A JP 2013502553 A JP2013502553 A JP 2013502553A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piston
cooling
stroke
frequency
cooling device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2012525158A
Other languages
English (en)
Inventor
フォックス、ファルコ
ペーツ、アレクサンダー
シュミット、ハインツ
ハッセルト、 ペーター ファン
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of JP2013502553A publication Critical patent/JP2013502553A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • F25B1/02Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle with compressor of reciprocating-piston type
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/001Gas cycle refrigeration machines with a linear configuration or a linear motor
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/07Details of compressors or related parts
    • F25B2400/073Linear compressors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Pumps (AREA)
  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Abstract

冷却装置(20)が作動媒体を圧縮するためのリニア圧縮機(23)と、作動媒体の膨張によって超電導体(5)の極低温冷却材に冷却出力(K)を伝達するための冷却ユニット(22)とを含み、リニア圧縮機(23)が2つのピストン(31)を有し、両ピストンのうちの少なくとも一方が、好ましくは両方が同期して互いに向かい合って、或る周波数(f)および或るストローク(H)にてそれぞれ相手方のピストンに対して直線状に移動可能である超電導体(5)を冷却するための冷却装置(20)においては、特に例えば船舶のような移動装置に使用するために、良好な効率で規定の冷却出力が発生可能でなければならない。このために、本発明によれば、少なくとも一方の可動ピストン(31)のストローク(H)が目標値、好ましくは予め与え得る目標値に調節される。
【選択図】図4

Description

本発明は、請求項1の前文による超電導体を冷却するための冷却装置の運転方法に関する。この種の冷却装置は、例えば特許文献1から公知である。更に、本発明は、その方法を実施するのに適した請求項9による冷却装置に関する。
例えば電動機、発電機又は超電導電流制限器のような電気装置又は電気機械において、超電導体は冷却されなければならず、このために一般に例えば液化ネオン又は液化窒素のような極低温冷却材が入っているクライオスタット内にある。冷却装置はクライオスタット内に存在する気化した冷却材を再び液化するために使用される。冷却装置は、しばしば冷凍機とも呼ばれ、一般に閉じられた回路を含み、この回路内では作動媒体、例えばヘリウムガスが圧縮機において圧縮され、冷却ユニットにおいて再膨張させられ、それによって冷却出力がクライオスタット内にある冷却材に伝達される。冷却装置は、例えばギフォードマクマホン原理、パルスチューブ原理又はスターリング原理に従って動作することができる。
超電導体を有する電気装置又は電気機械は、それらの高い出力密度、少ないスペース要求およびその他の超電導体の固有特性のおかげで、例えば船舶又は海上プラットフォームのような移動装置における使用に向いている。例えば特許文献2および特許文献3は、回転する高温超電導体界磁巻線を有する船舶駆動機械および船舶用発電機を開示しており、その界磁巻線は、超電導体のための冷却材として25Kの温度を有するネオンが入っているクライオスタット内に配置されている。そのクライオスタットは極低温ヒートパイプを介して冷却装置のコールドヘッドに接続され、この冷却装置には圧縮機も属する。
特許文献1から、超電導電流制限器を有する船舶および海上設備用の短絡電流保護システムが公知であり、この電流制限器においては超電導体がクライオスタット内に配置されており、クライオスタット内には超電導のための冷却材として77Kの温度を有する液化窒素がある。気化した冷却材の再凝縮のために、クライオスタット内に突出したコールドヘッドおよび圧縮機を含む冷却装置が使用されている。冷却装置自体は調節できず、むしろ調節はコールドヘッドに取り付けられた再熱ヒータによって間接的に行なわれる。再熱ヒータは、周囲圧力において液化窒素の温度が77Kになるように、温度調節器によってオンオフされる。圧縮機としては、少ないメンテナンス要求のゆえに、油を使わないリニア圧縮機がとりわけ使用される。
移動装置、特に船舶又は海上プラットホームにおいて、超電導体を有する電気装置又は電気機械を使用するためには、構成要素が傾斜していても冷却装置の運転を保証することを考慮すべきである。例えば船上で使用するためには、22.5度の傾斜姿勢でも運転が保証されなければならない。往復ピストン原理に従って動作する圧縮機又はスクリュー圧縮機はこれに適していない。何故ならば、それらは潤滑油を使用しており、従って運転中に傾斜させてはならないからである。これに対して油を使用しないリニア圧縮機が適している。この種のリニア圧縮機は一般に2つのピストンを有し、両ピストンのうち少なくとも一方が、好ましくは両方が同期して互いに向かい合って、リニアモータによって或る周波数および或るストロークにてそれぞれ相手方のピストンに対して直線状に可動である。
この種の圧縮機の出力を手動又は自動でモータ電圧およびピストン周波数の変化によって制御することは公知である。もっとも、明らかに、この種の制御は船に適さない。何故ならばその制御は、例えば、回路内の充填圧力および作動媒体の温度に対するピストンの共振周波数の依存性を考慮していないからである。更に、圧縮機の傾斜もしくは傾斜姿勢も圧縮機の動作点の変動をもたらす。これは一方では規定の冷却出力が調整できないという結果を招く。他方ではこれは、冷却装置が非常に悪い効率で動作し、かなり高い電気エネルギ需要を有する動作点が生じるという結果を招く。動作点の変動によって圧縮機のハウジングへのピストンの衝突の危険が生じ、それに伴って圧縮機の安全上の運転停止という結果となりかねない。
欧州特許出願公開第1526625号明細書 独国特許出願公開第102004023481号明細書 国際特許出願公開第03/047961号明細書
これから出発して、本発明の課題は、冷却装置が特に例えば船舶のような移動装置への使用に適するように良好な効率にて規定の冷却出力を発生させることを可能にする請求項1の前文による冷却装置の運転方法を提供することにある。更に、本発明の課題は、その方法を実施するのに適した冷却装置を提供することにある。
方法に向けられた課題の解決は請求項1記載の方法によって達成される。本発明の有利な実施形態はそれぞれ従属請求項2乃至8の対象である。冷却装置に向けられた課題の解決は請求項9記載の冷却装置によって達成される。冷却装置の有利な実施形態はそれぞれ従属請求項10乃至15の対象である。
本発明による方法では、少なくとも一方の可動ピストンのストロークが目標値、好ましくは予め与え得る目標値に調節される。この場合に、一方のピストンのストロークとは、ピストンが往復運動の第1の死点(折り返し点)から第2の死点(折り返し点)まで戻る距離のことである。ストロークのこのような調節によって、温度や、作動媒体の充填圧力や、例えば圧縮機の傾斜姿勢のようなその他の影響に関係なく、冷却装置の固定した動作点を設定することができる。その際に、ピストンストロークおよび周波数に基づいて発生冷却出力を正確に推定することができる。それにより、良好な効率にて規定の、特に予め与え得る冷却出力を発生する動作点に狙いを定めて設定をすることができる。従ってこのように運転される冷却装置は、特に例えば船のような移動装置に使用するのに適している。
有利な実施形態によれば、ストロークの目標値が冷却出力の目標値から導き出され、ストロークを予め与え得る目標値に調節することによって冷却出力がこの目標値に制御および/又は調節される。
2つのピストンが同期して互いに向かい合って直線状に往復運動する場合に、ピストンストロークの調節のための制御量として両ピストンのストロークの平均値が使用されるとよい。
一方の可動ピストン又は各可動ピストンがそれぞれ1つのモータによって駆動される場合に、ピストンストロークを調節するための操作量として各モータに印加される電圧を使用することによって、ピストンストロークの調節を正確に行なうことができる。
ピストンストロークを調節する際に往復運動の周波数を固定的に予め与えることができる。
しかし、格別に有利な実施形態によれば、ピストンストロークを調節する際に往復運動の共振周波数が求められ、少なくとも一方の可動ピストンの往復運動の周波数がこの共振周波数に設定される。これによって運転中に自動的に最適な効率を有する動作点を設定することができる。
この共振周波数はモータ電流とモータ電圧との間の位相差を介して特に容易に求めることができる。代替として、この共振周波数はピストンストロークを調節するための目標値を介して求めることもできる。
2つのピストンが同期して互いに向かい合って直線状に往復運動する場合に、ピストンストロークの調節の際に、ピストンの零位置に対する例えば圧縮機の傾斜姿勢に起因する偏差および不均整が補償されると有利である。往復運動が水平方向の成分のみならず垂直方向の成分も有する圧縮機の傾斜姿勢においては、モータ力が、水平方向の成分も垂直方向の成分も有する。その場合に垂直方向の成分は重力と相互作用をする。これは、或る特定の時点で一方のピストンにおいてモータ力が重力と一緒に作用するのに対して、他方のピストンにおいては重力に抗して作用する。これによって一方のピストンでは死点に到達するために他方のピストンよりも少ない駆動力が必要である。従って両モータのための一定の操作値(例えばモータ電圧)による運転の場合にピストンの経路が変化するので、最大冷却出力を減少させるピストンの零点移動が生じる。これは、例えば操作量におけるオフセットの形での(例えばモータ電圧における直流電圧成分による)両モータの的確な異なる制御によって補償することができる。
超電導体を冷却するための本発明による冷却装置は、作動媒体を圧縮するためのリニア圧縮機と、作動媒体の膨張によって超電導体の極低温冷却材に冷却出力を伝達するための冷却ユニットとを含み、このリニア圧縮機が2つのピストンを有し、両ピストンのうちの少なくとも一方が、好ましくは両方が同期して互いに向かい合って、或る周波数および或るストロークにてそれぞれ相手方のピストンに対して直線状に可動である。この冷却装置は、少なくとも一方の可動ピストンのストロークを目標値、好ましくは予め与え得る目標値に調節するように構成されている調節装置を有する。
調節装置内に冷却出力とピストンストロークとの間の関係を記述するデータが記憶されていることが好ましい。
格別に有利な実施形態によれば、冷却装置が、ピストンストロークを調節することによって冷却出力を予め与え得る目標値に制御および/又は調節するために上位に置かれた制御および/又は調節装置を含む。
少なくとも一方の可動ピストンのピストンストロークを測定するために、前記調節装置は測定装置、特に磁界センサ又は光学センサを含むことができる。
一方の可動ピストン又は各可動ピストンを正確かつ強力に駆動するために、冷却装置がそれぞれ1つのモータと、予め与え得る電圧および周波数にて当該モータに電流を供給するためのそれぞれ1つの周波数変換装置とを含む。
一実施形態では、冷却装置が、それぞれ1つの周波数変換装置を介して周波数同期した電圧にてそれぞれ1つのモータによって駆動可能である2つの可動ピストンを含み、これらのモータは2相交流モータとして、これらの周波数変換装置は電圧中間回路を有する3相変換装置として構成されており、これらの周波数変換装置は入力側が3相電源系統に接続可能であり、出力側が2つの相を介して各モータに接続されており、これらの電圧中間回路に並列に1つの付加的なコンデンサが接続されている。
最適な効率を有する動作点の自動的な設定が、調節装置を次のように構成することによって、即ちピストンストロークを調節する際に往復運動の共振周波数を求めて往復運動の周波数をこの共振周波数に設定するように構成することによって可能である。
以下において図面における実施例に基づいて本発明および従属請求項による本発明の有利な実施形態を更に詳細に説明する。
図1は超電導体を備えたモータを有する船舶駆動装置の一例を示す。 図2はリニア圧縮機の概略断面図を示す。 図3はピストンストロークに対する冷却出力の依存性を表すダイアクラムを示す。 図4はリニア圧縮機の制御および調節のための構成要素を示す。 図5はリニア圧縮機のピストンのストロークの測定値に関するダイアグラムを示す。 図6は調節系のブロック図を示す。 図7は周波数に対する冷却出力およびストロークの依存性を表わすダイアグラムを示す。 図8は2相モータと3相電力変換装置とを有する実施形態を示す。
図1に示された従来技術から公知の船舶用駆動システム1は、高温超電導体電動機(HTS電動機)2を含み、この電動機は本来の船腹の外側のゴンドラ3内に配置されており、ポッド形駆動装置とも呼ばれる。しかし、HTS電動機2は船の内部にあってもよい。HTS電動機2は、回転する高温超電導体界磁巻線5を備えた回転子4を有し、この界磁巻線5はクライオスタット6内に配置されている。クライオスタット6の中には超電導体のための冷却材として25Kの温度を有するネオンが存在する。回転子4は固定子(ステータ)7によって取り囲まれている。その間には空隙が存在する。HTS電動機の給電は給電線8を介して行なわれる。HTS電動機2はプロペラ軸9を介してプロペラ10に接続されている。
クライオスタット6は極低温ヒートパイプ12を介して冷却装置20の冷却ユニット22に接続されている。冷却装置20は作動媒体のための閉じられた熱力学回路21を含み、この回路21内には冷却ユニット22のほかに油を使わないリニア圧縮機30および熱交換器24が接続されている。この回路21で作動媒体は圧縮機30において圧縮され、熱交換器24において冷却され、冷却ユニット22において膨張させられ、これによって冷却出力が超電導体の冷却材に伝達される。クライオスタット6において気化された冷却材が冷却ユニット22に極低温ヒートパイプ12を介して導入され、冷却ユニット22の冷却された表面において再び凝縮させられる。
冷却装置20がギフォードマクマホンの原理に基づいて動作する場合には、冷却ユニット22がいわゆるコールドヘッドである。作動媒体としては、例えばヘリウムガスが使用される。しかしこの冷却装置は、例えばパルスチューブ原理又はスターリング原理に基づいて動作してもよい。
リニア圧縮機30の更なる細部が概略的に図2に示されている。リニア圧縮機30は2つのピストン31を有し、これらのピストン31は、ハウジング34内において矢印32で示された方向に直線状に互いに向かい合って或る周波数fおよび或るストロークHにてそれぞれ相手方のピストン31に対して可動である。変形例において、両ピストン31の一方が静止状態に保たれ、これに向かって他方のピストン31だけが直線状に或る周波数fおよび或るストロークHにて移動可能であってもよい。
両ピストン31の駆動はそれぞれ1つのリニアモータ33によって行なわれる。このピストン運動によって、35で示された導入口を介して僅かな圧力を有するヘリウムガスが吸い込まれる。吸い込まれたヘリウムガスはピストン31によって圧縮され、36で示された導出口を介して再び吐き出される。
入力側ではモータ33にモータ電流Iを生じさせる2相のモータ電圧が印加される。
本発明によれば、両ピストン31のストロークが予め与え得る目標値に調節される。その場合にストロークの目標値は、冷却ユニット22によって超電導体5のための冷却材、即ちここではネオンに伝達されるべき冷却出力の目標値から導き出される。これについて模範的に図3のダイアグラムが、ピストン31の往復運動の周波数fが一定である場合における冷却出力KとストロークHとの間の関係を示している。明らかに、冷却出力Kはピストン31のストロークHの増大にともなって上昇する。従って、ピストン31のストロークHを調節することによって、冷却出力を目標値に制御および/又は調節することができる。
ピストン31のストロークを決定するために、リニア圧縮機30の内部において、両ピストン31のそれぞれに、各ピストン31のストロークを求めるための測定装置37が配置されている。測定装置37は、好ましくは磁界センサ(例えば、ホールセンサ)又は光学センサ(例えば、レーザダイオード)である。
リニア圧縮機の調節および制御のための冷却装置20の他の構成要素が図4に示されている。調節装置40は、ピストン31のストロークを予め与え得る目標値に調節するように構成されている。調節装置40は、冷却出力の目標値Kを、手動によって操作者から受け取るか、又は冷却出力の制御および/又は調節のために上位に置かれた制御および/又は調節装置50から受け取る。この目標値から調節装置40においてピストン31のストロークの目標値およびピストン31の往復運動の周波数が導き出される。このために調節装置40内には、冷却出力とピストンストロークと共振周波数との間の関係を記述するデータ41が記憶されている。これらの関係は、場合によっては、前もって実験により求めることができる。
周波数fUの予め与え得る電圧Uを両リニアモータ33に供給するために、それぞれ1つの周波数変換装置43が使用されている。制御および/又は調節ユニット44が周波数変換装置43の制御および/又は調節のために使用されている。
ピストンストロークを調節するための制御量として両ピストン31のストロークの平均値が使用される。このために調節装置40が複数の測定装置37から複数の信号線42を介して複数のピストン位置の実際値を検出し、それらから両ピストン31のストロークの平均値を求める。測定装置37の出力信号、例えば電圧が、ストロークの少なくとも1つの周期にわたって、即ち1つの完全な往復運動にわたって測定される。
その際に両ピストンのストロークは、往復運動の1つの周期においてピストンが運動方向を転換する2つのピストン死点の間の差から決定される。これに対して、図5には、往復運動の1つの周期における時間tに対する両ピストン31のストロークHの経過を表す種々の測定値が例示されている。これらの測定点から、各ピストン31のピストンストロークの最小および最大が求められ、それにより周期ごとの各ピストンのストロークが算定される。
周期ごとの両ピストンのストロークの平均値が実際値HImをもたらし、この実際値が調節装置40の調節器45に供給される。これについて図6が調節器45および制御対象46を有する調節ループのブロック図を示す。調節器45は、ピストンストロークの実際値HImとピストンストロークの目標値HSとの間の差から、操作値、即ちここではモータ電圧Uの目標値USを決定する。この目標値USは調節装置20によってモータ電圧の周波数の目標値fsと共に周波数変換装置43の制御および/又は調節ユニット44に伝達される。それにしたがって制御および/又は調節ユニット44は両周波数変換装置43の出力電圧を要求された目標値US,fsに制御および/又は調節し、両リニアモータ33が周波数に同期した電圧を供給される。
調節器45は、例えばI調節器である。調節器45の詳細な構成は、好ましくは制御対象のステップ応答およびシステム全体の操縦特性の評価に基づいて行なわれるとよい。
従って、ピストンストロークを調節するための操作量としては、両モータ31に印加されるモータ電圧Uが使用される。その場合、ピストンストロークを調節する際に往復運動の周波数を固定的に設定することができる。もっとも、例えば温度および充填圧力のような種々の運転パラメータに対する共振周波数の依存性に基づいて、冷却装置20が悪化した動作効率で運転されるおそれがある。図7はこれに関する周波数fに対するストロークHおよび冷却出力Kのあり得る関係を例示する。明らかに、冷却出力およびストロークの最大値は共振周波数f0の領域にある。従って調節装置20によってピストンストロークを調節する際に往復運動の共振周波数が求められ、往復運動の周波数がこの共振周波数に設定されるとよい。これによって最適な効率を有する動作点で冷却装置20を運転することができる。
この共振周波数は、調節装置40内に記憶された共振周波数と動作パラメータ(例えば温度)との間の関係に基づいて求められて制御されるとよい。しかし、共振周波数が自動的に最適値に調節されるのが好ましい。このために調節装置40によって、モータ電圧Uの予め与えられた一定の振幅においてモータ電圧の周波数の目標値fsを定められた時間間隔で自動的に変化させることにより、モータ電圧Uの周波数fUがより大きい周波数の方向およびより小さい周波数の方向へ変化させられ、その際にモータ電圧Uとモータ電流Iとの間の位相差が求められる。共振周波数はその位相差が最大であるときに存在する。
調節装置40は、このために両周波数変換装置43又は該変換装置の制御および/又は調節ユニット44からモータ電圧Uおよびモータ電流Iの測定値を受け取って、前記位相差を決定する。この位相差の決定は両周波数変換装置43又は制御および/又は調節ユニット44において直接に行なって、その結果を調節装置40に伝達してもよい。
代替として、この共振周波数は、ピストンストロークを調節するための操作値を介して求めてもよい。その場合に共振周波数は、操作値、即ちここではモータ電圧が最小となる周波数である。
調節装置40によって、ピストンストロークを調節する際に、例えば圧縮機20の傾斜姿勢に基づくピストン31の零位置に関する偏差および不均整が考慮されると有利である。これは、例えば両変換装置43に対する(例えば、モータ電圧における直流電圧成分の形の)異なった目標値設定によって補償することができる。
追加的になおも調節装置40が、ハウジング壁へのピストン衝突ならびに過大なモータ電流を目標値低減によって防止する監視を含んでいるとよい。このために、調節装置40によって、測定装置37により測定される極値が予め設定された限界値を超過しているかどうかが監視される。
両リニアモータ33は唯一の周波数変換装置43によって共通に給電されてもよい。もっともこの場合には、ピストンストロークを調節する際に、例えば圧縮機が傾斜した際のピストンの零位置に関する偏差および不均整を補償するために、両モータを別々に制御することができなくなる。
図8に示されている実施形態によれば、モータ33は2相交流モータとして構成されている。例えば船舶におけるような大型設備における電源系統はたいてい3相電源系統60として構成されているので、周波数変換装置43は、系統60の対称性を有する負荷を保証するために、それぞれ電源側変換器61とモータ側変換器62とその中間に配置された電圧中間回路63とを有する3相変換装置として構成されている。
市販の変換装置を使用する場合、もっとも、その変換装置は中間回路63の2相負荷を系統における1相の欠相として認識し、それゆえ遮断動作をするおそれがある。このおそれは、両変換装置43の中間回路63に並列接続した付加的なコンデンサ64により両変換装置43の中間回路電圧を安定化することによって解消される。
冷却装置20によって発生させられる冷却出力はストロークの調節によって制御もしくは調節可能となる。これにより供給電気エネルギに関して非常に大きな節減可能性が存在する。何故ならば圧縮機の効率は約1%しかないからである。市販の圧縮機は常に全負荷運転され、不要な冷却出力は逆加熱によって補償もしくは浪費される。この場合に1Wの浪費された冷却出力は、系統から摂取されて浪費された100Wの電力に相当する。本発明による調節および制御によって、温度変化又はその他の運転上の影響(例えば圧縮機の傾斜姿勢)が動作点の変動を招くことなしに、圧縮機を固定の動作点に保つことができる。ピストンの衝突およびそれに伴う圧縮機の安全上の運転停止も回避することができる。
固定点として調整される動作点は圧縮機の傾斜もしくは傾斜姿勢のもとでも維持することができる。これは船上での圧縮機の使用のための重要な前提条件である。調節および制御のために使用される色々な構成要素に関しては既に造船用の仕様のものが市販されているので、本発明による冷却装置は十分に船で使用できるように構成することができる。
圧縮機の動作点は、動作周波数の自動的な再調整によって常に共振点近くで動作可能である。これによって、圧縮機がいつでも共振点で動作する、即ち最適な効率を有することを保証することができる。
本発明による調節装置により、1つの複合体で運転される複数の圧縮機を並列に制御もしくは調節することもできる。例えば、1台のHTS同期機に対して4台までの冷却装置(冷凍機)が必要とされ、そのうち例えば2台が冗長要素として設けられている。このような装置のうちの2台を全負荷で運転する代わりに、今や4台全部を部分負荷で運転することができる。これによって4台の装置の全てを効率に関して有利な領域で動作させることができる。
1 船舶駆動システム
2 高温超電導体電動機(HTS電動機)
3 ゴンドラ
4 回転子
5 超電導体界磁巻線
6 クライオスタット
7 固定子(ステータ)
8 給電線
9 プロペラ軸
10 プロペラ
12 極低温ヒートパイプ
20 冷却装置
21 熱力学回路
22 冷却ユニット
24 熱交換器
30 リニア圧縮機
31 ピストン
32 矢印
33 モータ
34 ハウジング
35 導入口
36 導出口
37 測定装置
40 調節装置
41 データ
42 信号線
43 周波数変換装置
44 制御および/又は調節ユニット
45 調節器
46 制御対象
50 上位の制御および/又は調節装置
60 3相電源系統
61 系統側変換器
62 モータ側変換器
63 電圧中間回路
65 付加的なコンデンサ
本発明は、請求項1の前文による超電導体を冷却するための冷却装置の運転方法に関する。この種の冷却装置は、例えば特許文献1から公知である。更に、本発明は、その方法を実施するのに適した請求項による冷却装置に関する。
例えば電動機、発電機又は超電導電流制限器のような電気装置又は電気機械において、超電導体は冷却されなければならず、このために一般に例えば液化ネオン又は液化窒素のような極低温冷却材が入っているクライオスタット内にある。冷却装置はクライオスタット内に存在する気化した冷却材を再び液化するために使用される。冷却装置は、しばしば冷凍機とも呼ばれ、一般に閉じられた回路を含み、この回路内では作動媒体、例えばヘリウムガスが圧縮機において圧縮され、冷却ユニットにおいて再膨張させられ、それによって冷却出力がクライオスタット内にある冷却材に伝達される。冷却装置は、例えばギフォードマクマホン原理、パルスチューブ原理又はスターリング原理に従って動作することができる。
超電導体を有する電気装置又は電気機械は、それらの高い出力密度、少ないスペース要求およびその他の超電導体の固有特性のおかげで、例えば船舶又は海上プラットフォームのような移動装置における使用に向いている。例えば特許文献2および特許文献3は、回転する高温超電導体界磁巻線を有する船舶駆動機械および船舶用発電機を開示しており、その界磁巻線は、超電導体のための冷却材として25Kの温度を有するネオンが入っているクライオスタット内に配置されている。そのクライオスタットは極低温ヒートパイプを介して冷却装置のコールドヘッドに接続され、この冷却装置には圧縮機も属する。
特許文献から、超電導電流制限器を有する船舶および海上設備用の短絡電流保護システムが公知であり、この電流制限器においては超電導体がクライオスタット内に配置されており、クライオスタット内には超電導のための冷却材として77Kの温度を有する液化窒素がある。気化した冷却材の再凝縮のために、クライオスタット内に突出したコールドヘッドおよび圧縮機を含む冷却装置が使用されている。冷却装置自体は調節できず、むしろ調節はコールドヘッドに取り付けられた再熱ヒータによって間接的に行なわれる。再熱ヒータは、周囲圧力において液化窒素の温度が77Kになるように、温度調節器によってオンオフされる。圧縮機としては、少ないメンテナンス要求のゆえに、油を使わないリニア圧縮機がとりわけ使用される。
移動装置、特に船舶又は海上プラットホームにおいて、超電導体を有する電気装置又は電気機械を使用するためには、構成要素が傾斜していても冷却装置の運転を保証することを考慮すべきである。例えば船上で使用するためには、22.5度の傾斜姿勢でも運転が保証されなければならない。往復ピストン原理に従って動作する圧縮機又はスクリュー圧縮機はこれに適していない。何故ならば、それらは潤滑油を使用しており、従って運転中に傾斜させてはならないからである。これに対して油を使用しないリニア圧縮機が適している。この種のリニア圧縮機は一般に2つのピストンを有し、両ピストンのうち少なくとも一方が、好ましくは両方が同期して互いに向かい合って、リニアモータによって或る周波数および或るストロークにてそれぞれ相手方のピストンに対して直線状に可動である。
この種の圧縮機の出力を手動又は自動でモータ電圧およびピストン周波数の変化によって制御することは公知である。もっとも、明らかに、この種の制御は船に適さない。何故ならばその制御は、例えば、回路内の充填圧力および作動媒体の温度に対するピストンの共振周波数の依存性を考慮していないからである。更に、圧縮機の傾斜もしくは傾斜姿勢も圧縮機の動作点の変動をもたらす。これは一方では規定の冷却出力が調整できないという結果を招く。他方ではこれは、冷却装置が非常に悪い効率で動作し、かなり高い電気エネルギ需要を有する動作点が生じるという結果を招く。動作点の変動によって圧縮機のハウジングへのピストンの衝突の危険が生じ、それに伴って圧縮機の安全上の運転停止という結果となりかねない。
米国特許第5535593号明細書 独国特許出願公開第102004023481号明細書 国際特許出願公開第03/047961号明細書 欧州特許出願公開第1526625号明細書
これから出発して、本発明の課題は、冷却装置が特に例えば船舶のような移動装置への使用に適するように良好な効率にて規定の冷却出力を発生させることを可能にする請求項1の前文による冷却装置の運転方法を提供することにある。更に、本発明の課題は、その方法を実施するのに適した冷却装置を提供することにある。
方法に向けられた課題の解決は請求項1記載の方法によって達成される。本発明の有利な実施形態はそれぞれ従属請求項2乃至の対象である。冷却装置に向けられた課題の解決は請求項記載の冷却装置によって達成される。冷却装置の有利な実施形態はそれぞれ従属請求項乃至12の対象である。
本発明による方法では、少なくとも一方の可動ピストンのストロークが目標値、好ましくは予め与え得る目標値に調節される。この場合に、一方のピストンのストロークとは、ピストンが往復運動の第1の死点(折り返し点)から第2の死点(折り返し点)まで戻る距離のことである。ストロークのこのような調節によって、温度や、作動媒体の充填圧力や、例えば圧縮機の傾斜姿勢のようなその他の影響に関係なく、冷却装置の固定した動作点を設定することができる。その際に、ピストンストロークおよび周波数に基づいて発生冷却出力を正確に推定することができる。それにより、良好な効率にて規定の、特に予め与え得る冷却出力を発生する動作点に狙いを定めて設定をすることができる。従ってこのように運転される冷却装置は、特に例えば船のような移動装置に使用するのに適している。
冷却装置が、一方の可動ピストン又は両方の可動ピストンの精確かつ高性能な駆動のために、それぞれ1つのモータと、予め与え得る電圧および周波数にて当該モータに電流を供給するための1つの周波数変換装置とを含む。
従って、冷却装置がそれぞれ1つの周波数変換装置を介して周波数に同期した電圧にてそれぞれ1つのモータによって駆動可能である2つの可動ピストンを含み、これらのモータは2相交流モータとして、これらの周波数変換装置は1つの電圧中間回路を有する3相変換装置として構成されており、これらの周波数変換装置は、入力側が3相電源系統に接続可能であり、出力側が2つの相を介して各モータに接続されており、電圧中間回路に並列に1つの付加的なコンデンサが接続されている。
有利な実施形態によれば、ストロークの目標値が冷却出力の目標値から導き出され、ストロークを予め与え得る目標値に調節することによって冷却出力がこの目標値に制御および/又は調節される。
2つのピストンが同期して互いに向かい合って直線状に往復運動する場合に、ピストンストロークの調節のための制御量として両ピストンのストロークの平均値が使用されるとよい。
一方の可動ピストン又は各可動ピストンがそれぞれ1つのモータによって駆動される場合に、ピストンストロークを調節するための操作量として各モータに印加される電圧を使用することによって、ピストンストロークの調節を正確に行なうことができる。
ピストンストロークを調節する際に往復運動の周波数を固定的に予め与えることができる。
しかし、格別に有利な実施形態によれば、ピストンストロークを調節する際に往復運動の共振周波数が求められ、少なくとも一方の可動ピストンの往復運動の周波数がこの共振周波数に設定される。これによって運転中に自動的に最適な効率を有する動作点を設定することができる。
この共振周波数はモータ電流とモータ電圧との間の位相差を介して特に容易に求めることができる。代替として、この共振周波数はピストンストロークを調節するための目標値を介して求めることもできる。
2つのピストンが同期して互いに向かい合って直線状に往復運動する場合に、ピストンストロークの調節の際に、ピストンの零位置に対する例えば圧縮機の傾斜姿勢に起因する偏差および不均整が補償されると有利である。往復運動が水平方向の成分のみならず垂直方向の成分も有する圧縮機の傾斜姿勢においては、モータ力が、水平方向の成分も垂直方向の成分も有する。その場合に垂直方向の成分は重力と相互作用をする。これは、或る特定の時点で一方のピストンにおいてモータ力が重力と一緒に作用するのに対して、他方のピストンにおいては重力に抗して作用する。これによって一方のピストンでは死点に到達するために他方のピストンよりも少ない駆動力が必要である。従って両モータのための一定の操作値(例えばモータ電圧)による運転の場合にピストンの経路が変化するので、最大冷却出力を減少させるピストンの零点移動が生じる。これは、例えば操作量におけるオフセットの形での(例えばモータ電圧における直流電圧成分による)両モータの的確な異なる制御によって補償することができる。
超電導体を冷却するための本発明による冷却装置は、作動媒体を圧縮するためのリニア圧縮機と、作動媒体の膨張によって超電導体の極低温冷却材に冷却出力を伝達するための冷却ユニットとを含み、このリニア圧縮機が2つのピストンを有し、両ピストンのうちの少なくとも一方が、好ましくは両方が同期して互いに向かい合って、或る周波数および或るストロークにてそれぞれ相手方のピストンに対して直線状に可動である。この冷却装置は、少なくとも一方の可動ピストンのストロークを目標値、好ましくは予め与え得る目標値に調節するように構成されている調節装置を有する。
調節装置内に冷却出力とピストンストロークとの間の関係を記述するデータが記憶されていることが好ましい。
格別に有利な実施形態によれば、冷却装置が、ピストンストロークを調節することによって冷却出力を予め与え得る目標値に制御および/又は調節するために上位に置かれた制御および/又は調節装置を含む。
少なくとも一方の可動ピストンのピストンストロークを測定するために、前記調節装置は測定装置、特に磁界センサ又は光学センサを含むことができる。
最適な効率を有する動作点の自動的な設定が、調節装置を次のように構成することによって、即ちピストンストロークを調節する際に往復運動の共振周波数を求めて往復運動の周波数をこの共振周波数に設定するように構成することによって可能である。
以下において図面における実施例に基づいて本発明および従属請求項による本発明の有利な実施形態を更に詳細に説明する。
図1は超電導体を備えたモータを有する船舶駆動装置の一例を示す。 図2はリニア圧縮機の概略断面図を示す。 図3はピストンストロークに対する冷却出力の依存性を表すダイアクラムを示す。 図4はリニア圧縮機の制御および調節のための構成要素を示す。 図5はリニア圧縮機のピストンのストロークの測定値に関するダイアグラムを示す。 図6は調節系のブロック図を示す。 図7は周波数に対する冷却出力およびストロークの依存性を表わすダイアグラムを示す。 図8は2相モータと3相電力変換装置とを有する実施形態を示す。
図1に示された従来技術から公知の船舶用駆動システム1は、高温超電導体電動機(HTS電動機)2を含み、この電動機は本来の船腹の外側のゴンドラ3内に配置されており、ポッド形駆動装置とも呼ばれる。しかし、HTS電動機2は船の内部にあってもよい。HTS電動機2は、回転する高温超電導体界磁巻線5を備えた回転子4を有し、この界磁巻線5はクライオスタット6内に配置されている。クライオスタット6の中には超電導体のための冷却材として25Kの温度を有するネオンが存在する。回転子4は固定子(ステータ)7によって取り囲まれている。その間には空隙が存在する。HTS電動機の給電は給電線8を介して行なわれる。HTS電動機2はプロペラ軸9を介してプロペラ10に接続されている。
クライオスタット6は極低温ヒートパイプ12を介して冷却装置20の冷却ユニット22に接続されている。冷却装置20は作動媒体のための閉じられた熱力学回路21を含み、この回路21内には冷却ユニット22のほかに油を使わないリニア圧縮機30および熱交換器24が接続されている。この回路21で作動媒体は圧縮機30において圧縮され、熱交換器24において冷却され、冷却ユニット22において膨張させられ、これによって冷却出力が超電導体の冷却材に伝達される。クライオスタット6において気化された冷却材が冷却ユニット22に極低温ヒートパイプ12を介して導入され、冷却ユニット22の冷却された表面において再び凝縮させられる。
冷却装置20がギフォードマクマホンの原理に基づいて動作する場合には、冷却ユニット22がいわゆるコールドヘッドである。作動媒体としては、例えばヘリウムガスが使用される。しかしこの冷却装置は、例えばパルスチューブ原理又はスターリング原理に基づいて動作してもよい。
リニア圧縮機30の更なる細部が概略的に図2に示されている。リニア圧縮機30は2つのピストン31を有し、これらのピストン31は、ハウジング34内において矢印32で示された方向に直線状に互いに向かい合って或る周波数fおよび或るストロークHにてそれぞれ相手方のピストン31に対して可動である。変形例において、両ピストン31の一方が静止状態に保たれ、これに向かって他方のピストン31だけが直線状に或る周波数fおよび或るストロークHにて移動可能であってもよい。
両ピストン31の駆動はそれぞれ1つのリニアモータ33によって行なわれる。このピストン運動によって、35で示された導入口を介して僅かな圧力を有するヘリウムガスが吸い込まれる。吸い込まれたヘリウムガスはピストン31によって圧縮され、36で示された導出口を介して再び吐き出される。
入力側ではモータ33にモータ電流Iを生じさせる2相のモータ電圧が印加される。
本発明によれば、両ピストン31のストロークが予め与え得る目標値に調節される。その場合にストロークの目標値は、冷却ユニット22によって超電導体5のための冷却材、即ちここではネオンに伝達されるべき冷却出力の目標値から導き出される。これについて模範的に図3のダイアグラムが、ピストン31の往復運動の周波数fが一定である場合における冷却出力KとストロークHとの間の関係を示している。明らかに、冷却出力Kはピストン31のストロークHの増大にともなって上昇する。従って、ピストン31のストロークHを調節することによって、冷却出力を目標値に制御および/又は調節することができる。
ピストン31のストロークを決定するために、リニア圧縮機30の内部において、両ピストン31のそれぞれに、各ピストン31のストロークを求めるための測定装置37が配置されている。測定装置37は、好ましくは磁界センサ(例えば、ホールセンサ)又は光学センサ(例えば、レーザダイオード)である。
リニア圧縮機の調節および制御のための冷却装置20の他の構成要素が図4に示されている。調節装置40は、ピストン31のストロークを予め与え得る目標値に調節するように構成されている。調節装置40は、冷却出力の目標値Kを、手動によって操作者から受け取るか、又は冷却出力の制御および/又は調節のために上位に置かれた制御および/又は調節装置50から受け取る。この目標値から調節装置40においてピストン31のストロークの目標値およびピストン31の往復運動の周波数が導き出される。このために調節装置40内には、冷却出力とピストンストロークと共振周波数との間の関係を記述するデータ41が記憶されている。これらの関係は、場合によっては、前もって実験により求めることができる。
周波数fUの予め与え得る電圧Uを両リニアモータ33に供給するために、それぞれ1つの周波数変換装置43が使用されている。制御および/又は調節ユニット44が周波数変換装置43の制御および/又は調節のために使用されている。
ピストンストロークを調節するための制御量として両ピストン31のストロークの平均値が使用される。このために調節装置40が複数の測定装置37から複数の信号線42を介して複数のピストン位置の実際値を検出し、それらから両ピストン31のストロークの平均値を求める。測定装置37の出力信号、例えば電圧が、ストロークの少なくとも1つの周期にわたって、即ち1つの完全な往復運動にわたって測定される。
その際に両ピストンのストロークは、往復運動の1つの周期においてピストンが運動方向を転換する2つのピストン死点の間の差から決定される。これに対して、図5には、往復運動の1つの周期における時間tに対する両ピストン31のストロークHの経過を表す種々の測定値が例示されている。これらの測定点から、各ピストン31のピストンストロークの最小および最大が求められ、それにより周期ごとの各ピストンのストロークが算定される。
周期ごとの両ピストンのストロークの平均値が実際値HImをもたらし、この実際値が調節装置40の調節器45に供給される。これについて図6が調節器45および制御対象46を有する調節ループのブロック図を示す。調節器45は、ピストンストロークの実際値HImとピストンストロークの目標値HSとの間の差から、操作値、即ちここではモータ電圧Uの目標値USを決定する。この目標値USは調節装置20によってモータ電圧の周波数の目標値fsと共に周波数変換装置43の制御および/又は調節ユニット44に伝達される。それにしたがって制御および/又は調節ユニット44は両周波数変換装置43の出力電圧を要求された目標値US,fsに制御および/又は調節し、両リニアモータ33が周波数に同期した電圧を供給される。
調節器45は、例えばI調節器である。調節器45の詳細な構成は、好ましくは制御対象のステップ応答およびシステム全体の操縦特性の評価に基づいて行なわれるとよい。
従って、ピストンストロークを調節するための操作量としては、両モータ33に印加されるモータ電圧Uが使用される。その場合、ピストンストロークを調節する際に往復運動の周波数を固定的に設定することができる。もっとも、例えば温度および充填圧力のような種々の運転パラメータに対する共振周波数の依存性に基づいて、冷却装置20が悪化した動作効率で運転されるおそれがある。図7はこれに関する周波数fに対するストロークHおよび冷却出力Kのあり得る関係を例示する。明らかに、冷却出力およびストロークの最大値は共振周波数f0の領域にある。従って調節装置20によってピストンストロークを調節する際に往復運動の共振周波数が求められ、往復運動の周波数がこの共振周波数に設定されるとよい。これによって最適な効率を有する動作点で冷却装置20を運転することができる。
この共振周波数は、調節装置40内に記憶された共振周波数と動作パラメータ(例えば温度)との間の関係に基づいて求められて制御されるとよい。しかし、共振周波数が自動的に最適値に調節されるのが好ましい。このために調節装置40によって、モータ電圧Uの予め与えられた一定の振幅においてモータ電圧の周波数の目標値fsを定められた時間間隔で自動的に変化させることにより、モータ電圧Uの周波数fUがより大きい周波数の方向およびより小さい周波数の方向へ変化させられ、その際にモータ電圧Uとモータ電流Iとの間の位相差が求められる。共振周波数はその位相差が最大であるときに存在する。
調節装置40は、このために両周波数変換装置43又は該変換装置の制御および/又は調節ユニット44からモータ電圧Uおよびモータ電流Iの測定値を受け取って、前記位相差を決定する。この位相差の決定は両周波数変換装置43又は制御および/又は調節ユニット44において直接に行なって、その結果を調節装置40に伝達してもよい。
代替として、この共振周波数は、ピストンストロークを調節するための操作値を介して求めてもよい。その場合に共振周波数は、操作値、即ちここではモータ電圧が最小となる周波数である。
調節装置40によって、ピストンストロークを調節する際に、例えば圧縮機30の傾斜姿勢に基づくピストン31の零位置に関する偏差および不均整が考慮されると有利である。これは、例えば両変換装置43に対する(例えば、モータ電圧における直流電圧成分の形の)異なった目標値設定によって補償することができる。
追加的になおも調節装置40が、ハウジング壁へのピストン衝突ならびに過大なモータ電流を目標値低減によって防止する監視を含んでいるとよい。このために、調節装置40によって、測定装置37により測定される極値が予め設定された限界値を超過しているかどうかが監視される。
両リニアモータ33は唯一の周波数変換装置43によって共通に給電されてもよい。もっともこの場合には、ピストンストロークを調節する際に、例えば圧縮機が傾斜した際のピストンの零位置に関する偏差および不均整を補償するために、両モータを別々に制御することができなくなる。
図8に示されている実施形態によれば、モータ33は2相交流モータとして構成されている。例えば船舶におけるような大型設備における電源系統はたいてい3相電源系統60として構成されているので、周波数変換装置43は、系統60の対称性を有する負荷を保証するために、それぞれ電源側変換器61とモータ側変換器62とその中間に配置された電圧中間回路63とを有する3相変換装置として構成されている。
市販の変換装置を使用する場合、もっとも、その変換装置は中間回路63の2相負荷を系統における1相の欠相として認識し、それゆえ遮断動作をするおそれがある。このおそれは、両変換装置43の中間回路63に並列接続した付加的なコンデンサ65により両変換装置43の中間回路電圧を安定化することによって解消される。
冷却装置20によって発生させられる冷却出力はストロークの調節によって制御もしくは調節可能となる。これにより供給電気エネルギに関して非常に大きな節減可能性が存在する。何故ならば圧縮機の効率は約1%しかないからである。市販の圧縮機は常に全負荷運転され、不要な冷却出力は逆加熱によって補償もしくは浪費される。この場合に1Wの浪費された冷却出力は、系統から摂取されて浪費された100Wの電力に相当する。本発明による調節および制御によって、温度変化又はその他の運転上の影響(例えば圧縮機の傾斜姿勢)が動作点の変動を招くことなしに、圧縮機を固定の動作点に保つことができる。ピストンの衝突およびそれに伴う圧縮機の安全上の運転停止も回避することができる。
固定点として調整される動作点は圧縮機の傾斜もしくは傾斜姿勢のもとでも維持することができる。これは船上での圧縮機の使用のための重要な前提条件である。調節および制御のために使用される色々な構成要素に関しては既に造船用の仕様のものが市販されているので、本発明による冷却装置は十分に船で使用できるように構成することができる。
圧縮機の動作点は、動作周波数の自動的な再調整によって常に共振点近くで動作可能である。これによって、圧縮機がいつでも共振点で動作する、即ち最適な効率を有することを保証することができる。
本発明による調節装置により、1つの複合体で運転される複数の圧縮機を並列に制御もしくは調節することもできる。例えば、1台のHTS同期機に対して4台までの冷却装置(冷凍機)が必要とされ、そのうち例えば2台が冗長要素として設けられている。このような装置のうちの2台を全負荷で運転する代わりに、今や4台全部を部分負荷で運転することができる。これによって4台の装置の全てを効率に関して有利な領域で動作させることができる。
1 船舶駆動システム
2 高温超電導体電動機(HTS電動機)
3 ゴンドラ
4 回転子
5 超電導体界磁巻線
6 クライオスタット
7 固定子(ステータ)
8 給電線
9 プロペラ軸
10 プロペラ
12 極低温ヒートパイプ
20 冷却装置
21 熱力学回路
22 冷却ユニット
24 熱交換器
30 リニア圧縮機
31 ピストン
32 矢印
33 モータ
34 ハウジング
35 導入口
36 導出口
37 測定装置
40 調節装置
41 データ
42 信号線
43 周波数変換装置
44 制御および/又は調節ユニット
45 調節器
46 制御対象
50 上位の制御および/又は調節装置
60 3相電源系統
61 系統側変換器
62 モータ側変換器
63 電圧中間回路
65 付加的なコンデンサ

Claims (15)

  1. 超電導体(5)を冷却するための冷却装置(20)の運転方法であって、冷却装置(20)が作動媒体を圧縮するためのリニア圧縮機(23)と、作動媒体の膨張によって超電導体(5)の極低温冷却材に冷却出力(K)を伝達するための冷却ユニット(22)とを含み、リニア圧縮機(23)が2つのピストン(31)を有し、両ピストンのうちの少なくとも一方が、好ましくは両方が同期して互いに向かい合って、或る周波数(f)および或るストローク(H)にてそれぞれ相手方のピストンに対して直線状に可動である方法において、少なくとも一方の可動ピストン(31)のストローク(H)が目標値、好ましくは予め与え得る目標値に調節されることを特徴とする方法。
  2. ストローク(H)の目標値が冷却出力(K)の目標値から導き出され、ストローク(H)を予め与え得る目標値に調節することによって冷却出力(K)がこの目標値に制御および/又は調節されることを特徴とする請求項1記載の方法。
  3. 2つのピストン(31)が同期して互いに向かい合って直線状に往復運動する場合に、ピストンストロークの調節のための制御量として両ピストンのストロークの平均値が使用されることを特徴とする請求項2記載の方法。
  4. 一方の可動ピストン又は各可動ピストン(31)がそれぞれ1つのモータ(33)によって駆動され、ピストンストローク(H)を調節するための操作量として各モータ(33)に印加される電圧(U)が使用されることを特徴とする請求項1乃至3の1つに記載の方法。
  5. ピストンストローク(H)を調節する際に往復運動の周波数(f)が固定的に予め与えられることを特徴とする請求項1乃至4の1つに記載の方法。
  6. ピストンストローク(H)を調節する際に往復運動の共振周波数(f0)が求められ、往復運動の周波数(f)がこの共振周波数(f0)に設定されることを特徴とする請求項1乃至4の1つに記載の方法。
  7. 共振周波数(f0)がモータ電流(I)とモータ電圧(U)との間の位相差を介して、又はピストンストロークを調節するための操作値を介して求められることを特徴とする請求項6記載の方法。
  8. ピストンストローク(H)を調節する際にピストン(31)の零位置に対する偏差および不均整が補償されることを特徴とする請求項1乃至7の1つに記載の方法。
  9. 作動媒体を圧縮するためのリニア圧縮機(23)と、作動媒体の膨張によって超電導体(5)の極低温冷却材に冷却出力(K)を伝達するための冷却ユニット(22)とを含む超電導体(5)を冷却するための冷却装置(20)であって、リニア圧縮機(23)が2つのピストン(31)を有し、両ピストンのうちの少なくとも一方が、好ましくは両方が同期して互いに向かい合って、或る周波数(f)および或るストローク(H)にてそれぞれ相手方のピストンに対して直線状に可動である冷却装置(20)において、
    少なくとも一方の可動ピストン(31)のストローク(H)を目標値、好ましくは予め与え得る目標値に調節するように構成されている調節装置(40)を含むことを特徴とする冷却装置。
  10. 調節装置(40)内に冷却出力(K)とピストンストローク(H)との間の関係を記述するデータ(41)が記憶されていることを特徴とする請求項9記載の冷却装置。
  11. ピストンストローク(H)を調節することによって冷却出力(K)を予め与え得る目標値に制御および/又は調節するために、冷却装置(20)が上位に置かれた制御および/又は調節装置(50)を含むことを特徴とする請求項9又は10記載の冷却装置。
  12. 調節装置(40)が、少なくとも一方の可動ピストン(31)のピストンストローク(H)を測定するために、測定装置(37)、特に磁界センサ又は光学センサを含むことを特徴とする請求項9乃至11の1つに記載の冷却装置。
  13. 冷却装置(20)が、一方の可動ピストン又は各可動ピストンを駆動するために、それぞれ1つのモータ(33)と、予め与え得る電圧および周波数にて当該モータ(33)に電流を供給するためのそれぞれ1つの周波数変換装置(43)とを含むことを特徴とする請求項9乃至12の1つに記載の冷却装置。
  14. それぞれ1つの周波数変換装置(43)を介して周波数に同期した電圧にてそれぞれ1つのモータ(33)によって駆動可能である2つの可動ピストン(31)を含み、これらのモータ(33)は2相交流モータとして、これらの周波数変換装置(43)は1つの電圧中間回路(63)を有する3相変換装置として構成されており、これらの周波数変換装置(43)は、入力側が3相電源系統(60)に接続可能であり、出力側が2つの相を介して各モータ(33)に接続されており、電圧中間回路(63)に並列に1つの付加的なコンデンサ(65)が接続されていることを特徴とする請求項13記載の冷却装置。
  15. 調節装置(40)が、ピストンストローク(H)を調節する際に往復運動の共振周波数(f0)を求めて、往復運動の周波数(f)をこの共振周波数(f0)に設定するように構成されていることを特徴とする請求項9乃至14の1つに記載の冷却装置。
JP2012525158A 2009-08-21 2010-08-17 超電導体を冷却するための冷却装置の運転方法ならびにこれに適した冷却装置 Pending JP2013502553A (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102009038308.5 2009-08-21
DE102009038308A DE102009038308A1 (de) 2009-08-21 2009-08-21 Verfahren zum Betrieb einer Kälteerzeugungseinrichtung zur Kühlung eines Supraleiters sowie hierfür geeignete Kälteerzeugungseinrichtung
PCT/EP2010/061966 WO2011020828A2 (de) 2009-08-21 2010-08-17 Verfahren zum betrieb einer kälteerzeugungseinrichtung zur kühlung eines supraleiters sowie hierfür geeignete kälteerzeugungseinrichtung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2013502553A true JP2013502553A (ja) 2013-01-24

Family

ID=43495464

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012525158A Pending JP2013502553A (ja) 2009-08-21 2010-08-17 超電導体を冷却するための冷却装置の運転方法ならびにこれに適した冷却装置

Country Status (11)

Country Link
US (1) US8707717B2 (ja)
EP (1) EP2467652B1 (ja)
JP (1) JP2013502553A (ja)
KR (1) KR101420946B1 (ja)
CN (1) CN102803868A (ja)
AU (1) AU2010285028B2 (ja)
BR (1) BR112012008134A2 (ja)
CA (1) CA2771430A1 (ja)
DE (1) DE102009038308A1 (ja)
RU (1) RU2012110611A (ja)
WO (1) WO2011020828A2 (ja)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BRPI1105436A2 (pt) * 2011-12-26 2014-04-08 Whirlpool Sa Compressor linear baseado em mecanismo oscilatório ressonante
CN104089327B (zh) * 2013-10-30 2015-02-04 威海震宇智能科技股份有限公司 节能超传导输送热能管
US10323628B2 (en) * 2013-11-07 2019-06-18 Gas Technology Institute Free piston linear motor compressor and associated systems of operation
US11466678B2 (en) 2013-11-07 2022-10-11 Gas Technology Institute Free piston linear motor compressor and associated systems of operation
US10729600B2 (en) 2015-06-30 2020-08-04 The Procter & Gamble Company Absorbent structure
USD791678S1 (en) * 2015-08-20 2017-07-11 Abb Schweiz Ag Propulsion unit for ships and boats
US11376168B2 (en) 2015-11-04 2022-07-05 The Procter & Gamble Company Absorbent article with absorbent structure having anisotropic rigidity
MX2018005607A (es) 2015-11-04 2018-11-09 Procter & Gamble Estructura absorbente.
WO2017079602A1 (en) 2015-11-04 2017-05-11 The Procter & Gamble Company Absorbent structure
WO2017079599A1 (en) 2015-11-04 2017-05-11 The Procter & Gamble Company Absorbent structure
US11890171B2 (en) 2017-11-06 2024-02-06 The Procter And Gamble Company Absorbent article with conforming features
JP7293035B2 (ja) * 2019-08-09 2023-06-19 川崎重工業株式会社 船舶

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06207757A (ja) * 1993-01-11 1994-07-26 Mitsubishi Electric Corp スターリングサイクル冷凍機
JPH1096563A (ja) * 1996-09-20 1998-04-14 Mitsubishi Electric Corp 冷凍機
JPH11304270A (ja) * 1998-04-17 1999-11-05 Daikin Ind Ltd 振動型圧縮機
JP2003185284A (ja) * 2001-12-21 2003-07-03 Sharp Corp スターリング冷凍機
JP2004108678A (ja) * 2002-09-19 2004-04-08 Fuji Electric Systems Co Ltd 極低温冷凍機の制御装置
JP2005094882A (ja) * 2003-09-16 2005-04-07 Toyota Motor Corp パワーモジュール
JP2007014144A (ja) * 2005-06-30 2007-01-18 High Frequency Heattreat Co Ltd 電力供給制御装置、電力供給装置、電力供給方法、および、誘導加熱装置

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1178935A (en) * 1967-09-13 1970-01-21 Philips Electronic Associated Low-Frequency Generator
US5130628A (en) * 1990-06-28 1992-07-14 Southwest Electric Company Transformer providing two multiple phase outputs out of phase with each other, and pumping system using the same
DE9218056U1 (de) * 1992-04-21 1993-06-03 Albert-Frankenthal Ag, 6710 Frankenthal Vorrichtung zum Erzeugen eines druckenden Musters auf einer Druckform-Hülse
US5245830A (en) 1992-06-03 1993-09-21 Lockheed Missiles & Space Company, Inc. Adaptive error correction control system for optimizing stirling refrigerator operation
US5342176A (en) * 1993-04-05 1994-08-30 Sunpower, Inc. Method and apparatus for measuring piston position in a free piston compressor
US5535593A (en) * 1994-08-22 1996-07-16 Hughes Electronics Apparatus and method for temperature control of a cryocooler by adjusting the compressor piston stroke amplitude
US5980211A (en) * 1996-04-22 1999-11-09 Sanyo Electric Co., Ltd. Circuit arrangement for driving a reciprocating piston in a cylinder of a linear compressor for generating compressed gas with a linear motor
JPH11132585A (ja) 1997-10-29 1999-05-21 Daikin Ind Ltd 振動型圧縮機
DE19952578B4 (de) 1998-11-04 2005-11-24 Lg Electronics Inc. Vorrichtung und Verfahren zum Steuern eines Linearverdichters
JP3680685B2 (ja) 2000-03-09 2005-08-10 富士通株式会社 リニア往復駆動型冷却機
KR100378815B1 (ko) * 2000-11-28 2003-04-07 엘지전자 주식회사 리니어 컴프레샤의 스트로크 떨림 검출장치 및 방법
US7018249B2 (en) 2001-11-29 2006-03-28 Siemens Aktiengesellschaft Boat propulsion system
JP2003185281A (ja) 2001-12-17 2003-07-03 Fuji Electric Co Ltd 極低温用冷凍機の圧縮機の制御方法および圧縮機、およびその圧縮機を制御する電源装置
BR0300010B1 (pt) 2003-01-08 2012-05-02 sistema de controle de um compressor linear, método de controle de um compressor linear, compressor linear e sistema de refrigeração.
DE102004023481A1 (de) 2003-05-16 2004-12-16 Siemens Ag Elektrisches Antriebssystem und elektrische Maschine
JP4596866B2 (ja) * 2003-09-09 2010-12-15 パナソニック株式会社 モータ駆動装置
DE10349552A1 (de) 2003-10-22 2005-06-02 Siemens Ag Kurzschluss-Strom-Schutzsystem für elektrische DC- und AC-Netze von Schiffen und Offshore-Anlagen
US20070286751A1 (en) * 2006-06-12 2007-12-13 Tecumseh Products Company Capacity control of a compressor

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06207757A (ja) * 1993-01-11 1994-07-26 Mitsubishi Electric Corp スターリングサイクル冷凍機
JPH1096563A (ja) * 1996-09-20 1998-04-14 Mitsubishi Electric Corp 冷凍機
JPH11304270A (ja) * 1998-04-17 1999-11-05 Daikin Ind Ltd 振動型圧縮機
JP2003185284A (ja) * 2001-12-21 2003-07-03 Sharp Corp スターリング冷凍機
JP2004108678A (ja) * 2002-09-19 2004-04-08 Fuji Electric Systems Co Ltd 極低温冷凍機の制御装置
JP2005094882A (ja) * 2003-09-16 2005-04-07 Toyota Motor Corp パワーモジュール
JP2007014144A (ja) * 2005-06-30 2007-01-18 High Frequency Heattreat Co Ltd 電力供給制御装置、電力供給装置、電力供給方法、および、誘導加熱装置

Also Published As

Publication number Publication date
AU2010285028B2 (en) 2013-09-12
BR112012008134A2 (pt) 2019-09-24
WO2011020828A2 (de) 2011-02-24
US20120159975A1 (en) 2012-06-28
KR101420946B1 (ko) 2014-07-17
RU2012110611A (ru) 2013-09-27
DE102009038308A1 (de) 2011-02-24
EP2467652A2 (de) 2012-06-27
KR20120061904A (ko) 2012-06-13
AU2010285028A1 (en) 2012-03-15
CN102803868A (zh) 2012-11-28
US8707717B2 (en) 2014-04-29
WO2011020828A3 (de) 2011-04-21
CA2771430A1 (en) 2011-02-24
EP2467652B1 (de) 2018-02-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2013502553A (ja) 超電導体を冷却するための冷却装置の運転方法ならびにこれに適した冷却装置
US7439692B2 (en) Linear compressor and apparatus to control the same
US5980211A (en) Circuit arrangement for driving a reciprocating piston in a cylinder of a linear compressor for generating compressed gas with a linear motor
US8752375B2 (en) Free-piston stirling machine in an opposed piston gamma configuration having improved stability, efficiency and control
KR101904870B1 (ko) 압축기 제어 장치와 방법, 및 이를 포함한 냉장고
CN104079219A (zh) 直流无刷电机的起动装置及方法
JP2007527479A (ja) 自由ピストンスターリングエンジン制御
CA2616725C (en) Refrigeration system for superconducting devices
KR100730251B1 (ko) 냉장고
US20240102705A1 (en) Cryocooler and method for operating cryocooler
JPH09287558A (ja) リニアコンプレッサの駆動装置
JP4575704B2 (ja) モータ制御装置、圧縮機、空気調和機、及び冷蔵庫
KR101766243B1 (ko) 압축기 제어 장치와 방법, 및 이를 포함한 냉장고
KR100633155B1 (ko) 리니어 압축기 및 그 제어방법
JP3885952B2 (ja) 極低温冷凍機の制御装置
CN1573105B (zh) 用于控制压缩机运行的方法及装置
EP4350249A2 (en) Method for operating cryocooler and cryocooler
JP2003284246A (ja) 同期投入制御方法及び装置
KR100393803B1 (ko) 왕복동식 압축기의 운전제어장치
KR101948563B1 (ko) 압축기 제어 장치 및 이를 포함한 냉장고
JP2005351262A (ja) 往復動式圧縮機の運転制御装置及びその方法
JPH074763A (ja) 冷凍機
JP2009136149A (ja) ブラシレスdcモータの駆動装置及び冷蔵庫の圧縮機およびブラシレスdcモータの駆動方法
JP2005094971A (ja) ブラシレスdcモータの駆動方法及びその装置

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20130417

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20130423

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20131001