JP2018066511A - ターボ冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ圧縮機のサージングを防止しながら、効率的な運転を継続して行うことを可能としたターボ冷凍機を提供する。
【解決手段】ターボ圧縮機３の出側と膨張タービン４の入側とを接続する高圧ライン２ａと、膨張タービン３の出側とターボ圧縮機４の入側とを接続する低圧ライン２ｂとの間で熱交換を行うことで、高圧ライン２ａを流れる冷却ガスＣＧを常温よりも低い所定の低温まで冷却する主熱交換器６と、低圧ライン２ｂ又は高圧ライン２ａと冷媒循環ライン１０１との間で熱交換を行うことで、冷媒ＣＬを冷却する副熱交換器７と、副熱交換器７において、低圧ライン２ｂと冷媒循環ライン１０１との間で熱交換を行う第１の冷却状態と、高圧ライン２ａと冷媒循環ライン１０１との間で熱交換を行う第２の冷却状態とを切り替える冷却切替機構９とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボ冷凍機に関する。

高温超電導（ＨＴＳ：High Temperature Superconducting）を利用した変圧器、送電ケーブル、モータなどのＨＴＳ機器がある。ＨＴＳ機器では、超電導状態を維持するために６５〜８０Ｋ程度に冷却する必要がある。このため、最近では２〜１０ｋＷ程度の冷凍能力を備えた冷却システム（冷凍機）が必要となっている。

ＨＴＳ機器は、例えば液体窒素によって冷却される。この液体窒素は、サブクール状態で液体窒素循環装置によって循環される。また、液体窒素循環装置で循環される液体窒素は、冷凍機によって冷却される。

ここで、サブクール状態とは、液体温度がその飽和温度よりも低い状態のことを言う。例えば、大気圧下の液体窒素の場合、沸点（約７７Ｋ）から凝固点（約６３Ｋ）までの温度範囲にある液体窒素の状態のことを言う。なお、飽和温度とは、ある液体の圧力がその飽和蒸気圧と等しくなる温度のことを言う。

ＨＴＳ機器で使用される冷凍機では、その大きさはもとより、冷却温度、冷凍能力、冷凍効率などの冷却性能が求められる。例えば、ＧＭ冷凍機又はスターリング冷凍機の冷凍能力（６５〜８０Ｋ、０．１〜０．６ｋＷ）では、ＨＴＳ機器の冷却に対応することができない。また、数ｋＷ程度の冷凍能力を備えたＧＭ冷凍機又はスターリング冷凍機を開発することは、冷凍機の内部に設けられた熱交換器に問題が生じ易く、非常に困難である。

ＨＴＳ機器で使用される冷凍機としては、上述したＧＭ冷凍機やスターリング冷凍機の他にも、ブレイトンサイクル冷凍機（Brayton Cycle Refrigerator）がある。例えば、ＨＴＳ機器を冷却する冷媒（冷却液）として液体窒素を用い、この冷媒を冷却する冷却ガス（動作流体、作動流体）としてネオンガスを用いたブレイトンサイクル冷凍機が提案されている（例えば、下記特許文献１を参照。）。

ブレイトンサイクル冷凍機では、内部を循環するネオンガスと、液体窒素循環装置によって循環される液体窒素とが副熱交換器を介して熱交換することで、液体窒素をサブクール状態まで冷却している。

一方、冷却ガスとして、ネオンガスよりも安価なヘリウムガスを用いる場合がある。しかしながら、ヘリウムは、ネオンよりも分子量が小さい。このため、ターボ圧縮機や膨張タービンなどの回転機を用いるターボブレイトンサイクル冷凍機（以下、ターボ冷凍機という。）では、回転機の回転数が極端に高くなる。また、技術的な難易度が高く、回転機の信頼性も低下するといった懸念がある。このため、ＨＴＳ機器を冷却するためのターボ冷凍機では、ヘリウムガスよりも高価なネオンガスが採用されている。

特開２０１５−１８７５２５号公報

ところで、上述したターボ冷凍機では、ターボ圧縮機で圧縮された冷却ガスを膨張タービンで断熱膨張させることによって寒冷を発生させる。膨張タービンには、ノズル（固定翼）が内蔵されている。ノズルは、通過する冷却ガスを膨張させながら、冷却ガスの圧力エネルギーを運動エネルギーに変換する役割を果たしている。

ここで、ノズルの入口圧力をＰ_０、入口温度をＴ_０、出口圧力をＰ_１とし、スロートと呼ばれるノズル翼間の最小断面積（ノズルスロート面積）をＡとしたときに、ノズルを通過する冷却ガスの質量流量ｍは、下記式（１）で表される。

なお、上記式（１）中における「Φ」は、ノズルの圧力比「Ｐ_１／Ｐ_０」と冷却ガスの物性値との関数である。上述したターボ冷凍機における膨張タービンの運転圧力比からすると、Φの変化は小さく、Φの値は概略一定と見なすことができる。また、ターボ冷凍機では、設計運転温度Ｔ_０（本例では７７Ｋ）において必要となる冷却ガスの流量を確保できるように、膨張タービンのノズルスロート面積Ａが設計される。

一方、この設計運転温度Ｔ_０とは異なる温度（例えば常温の３００Ｋ）では、上記式（１）からわかるように、入口温度Ｔ_０が７７Ｋから３００Ｋとなる。このため、ノズルを通過できる冷却ガスの流量は、（７７／３００）^１／２≒０．５１となる。すなわち、常温での膨張タービンの流量は、約１／２まで減少することになる。したがって、膨張タービンの入口温度が設計点よりも高い状態では、所定の流量を膨張タービンで処理できなくなる。

ターボ圧縮機では、同一の回転数において流量と圧力比に一定の関係がある。さらに、流量が一定値以下になると、圧縮機の羽根車内での逆流によって、サージングと呼ばれる激しい圧力振動が発生してターボ圧縮機の運転継続が困難となる。

ここで、ターボ圧縮機の流量と圧力比との関係を模式化したグラフを図８に示す。図８に示すグラフでは、回転数を一定としたときに、それぞれの回転数に対して１本の曲線が描かれる。また、各回転数のサージングが発生する流量を繋げた線ＳＬをサージラインと呼ぶ。

ターボ圧縮機では、このサージライン（ＳＬ）よりも右側の領域で運転する必要がある。このため、ターボ圧縮機は、サージングの発生を抑制するため、一定の流量を確保しながら運転を行う必要がある。

しかしながら、従来のターボ冷凍機では、設計とは異なる状態（常温起動など）のとき、ターボ圧縮機のサージングを防止できる十分な冷却ガスの流量を確保できなくなる。この対策として、ターボ圧縮機で圧縮された冷却ガスの一部を膨張タービンに供給することなく、再びターボ圧縮機に戻すバイパスラインと、このバイパスラインを開閉するバイパス弁とを設けることが行われている。

ターボ冷凍機では、このバイパス弁を開状態とし、膨張タービンでの処理量に加え、バイパスラインにおいて冷却ガスの流れを確保することによって、ターボ圧縮機にサージングが発生することを回避できる。一方、バイパス弁を開けた状態でターボ冷凍機を起動すると、時間の経過と共に膨張タービンの運転温度が低下して設計温度に近づくことで、膨張タービンの流量が設計流量に近づくため、バイパス弁を閉状態とすることができる。

ターボ冷凍機は、被冷却物の温度を一定に維持するために利用されるが、被冷却物からの熱負荷が冷凍能力を超えると、冷却ガスの温度が徐々に上昇する。これに伴って、膨張タービンの運転温度（膨張タービンの入口温度）も上昇し、膨張タービンの流量が減少する。この場合も、ターボ圧縮機でのサージングの発生が懸念される。

これを防止する方法としては、バイパス弁を開状態として、ターボ圧縮機の流量を確保する方法が考えられる。しかしながら、この方法では、ターボ圧縮機で生成した圧力エネルギーを寒冷の発生に寄与しないバイパスラインで消失させることになる。また、バイパス弁を開け過ぎると、ターボ圧縮機の流量が必要以上に増加し、ターボ圧縮機の動力が過大となってオーバーロードが発生する懸念がある。このため、ターボ冷凍機の効率的な運転の観点からは課題が残る。

一方、膨張タービンのノズルを冷却ガスの通過面積が変更できる構造として、冷却ガスの流量を確保すれば、バイパス弁を開ける必要がなくなる。しかしながら、この方法では、膨張タービンの内部構造が複雑となるため、故障などの信頼性の低下が懸念される。

本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、ターボ圧縮機のサージングを防止しながら、効率的な運転を継続して行うことを可能としたターボ冷凍機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
（１） 被冷却物を冷却する冷媒が循環される冷媒循環ラインとの熱交換により、前記冷媒を冷却するターボ冷凍機であって、
前記冷媒を冷却する冷却ガスが循環される冷却ガス循環ラインと、
前記冷却ガス循環ラインに配置されて、前記冷却ガスを断熱圧縮させるターボ圧縮機と、
前記冷却ガス循環ラインに配置されて、前記冷却ガスを断熱膨張させる膨張タービンと、
前記冷却ガス循環ラインのうち、前記ターボ圧縮機の出側と前記膨張タービンの入側とを接続する高圧ラインと、前記膨張タービンの出側と前記ターボ圧縮機の入側とを接続する低圧ラインとの間で熱交換を行うことにより、前記高圧ラインを流れる冷却ガスを冷却する主熱交換器と、
前記低圧ライン又は前記高圧ラインと前記冷媒循環ラインとの間で熱交換を行うことにより、前記冷媒を冷却する副熱交換器と、
前記副熱交換器において、前記低圧ラインと前記冷媒循環ラインとの間で熱交換を行う第１の冷却状態と、前記高圧ラインと前記冷媒循環ラインとの間で熱交換を行う第２の冷却状態とを切り替える冷却切替機構とを備えることを特徴とするターボ冷凍機。
（２） 前記冷却切替機構は、前記冷却ガス循環ラインのうち、前記主熱交換器の前記高圧ラインの出側と前記副熱交換器の入側とを接続する第１の接続ラインと、前記副熱交換器の出側と前記主熱交換器の前記低圧ラインの入側とを接続する第２の接続ラインと、前記膨張タービンの入側と前記第１の接続ラインとを接続する第３の接続ラインと、前記膨張タービンの入側と前記第２の接続ラインとを接続する第４の接続ラインと、前記膨張タービンの出側と前記第１の接続ラインとを接続する第５の接続ラインと、前記膨張タービンの出側と前記第２の接続ラインとを接続する第６の接続ラインと、前記第１の接続ラインの前記第３の接続ラインと前記第５の接続ラインとの間に配置される第１の切替バルブと、前記第２の接続ラインの前記第４の接続ラインと前記第６の接続ラインとの間に配置される第２の切替バルブと、前記第３の接続ラインに配置される第３の切替バルブと、前記第４の接続ラインに配置される第４の切替バルブと、前記第５の接続ラインに配置される第５の切替バルブと、前記第６の接続ラインに配置される第６の切替バルブとを有して、
前記第１の冷却状態において、前記第２、第３及び第５の切替バルブを開状態とし、前記第１、第４及び第６の切替バルブを閉状態とすることによって、前記膨張タービンが前記副熱交換器の入側に接続された状態とし、
前記第２の冷却状態において、前記第２、第３及び第５の切替バルブを閉状態とし、前記第１、第４及び第６の切替バルブを開状態とすることによって、前記膨張タービンが前記副熱交換器の入側に接続された状態とすることを特徴とする前記（１）に記載のターボ冷凍機。
（３） 前記第１〜第６の切替バルブのうち、何れか隣接する切替バルブが三方弁により一体に構成されていることを特徴とする前記（２）に記載のターボ冷凍機。
（４） 前記冷却切替機構は、前記ターボ圧縮機においてサージング又はオーバーロードが発生しないように、前記第１の冷却状態と前記第２の冷却状態とを切り替える制御を行うことを特徴とする前記（１）〜（３）の何れか一項に記載のターボ冷凍機。
（５） 前記膨張タービンに流入する冷却ガスの温度を測定する温度測定部を有し、
前記冷却切替機構は、前記温度測定部により測定される冷却ガスの温度が所定の温度以上となったときに、前記第１の冷却状態から前記第２の冷却状態へと切り替える制御を行い、前記温度測定部により測定される冷却ガスの温度が前記所定の温度まで低下したときに、前記第２の冷却状態から前記第１の冷却状態へと切り替える制御を行うことを特徴とする前記（４）に記載のターボ冷凍機。
（６） 前記ターボ圧縮機から流出する冷却ガスの流量を測定する流量測定部を有し、
前記冷却切替機構は、前記流量測定部により測定される冷却ガスの流量が所定の流量以下となったときに、前記第１の冷却状態から前記第２の冷却状態へと切り替える制御を行い、前記流量測定部により測定される冷却ガスの流量が前記所定の流量まで上昇したときに、前記第２の冷却状態から前記第１の冷却状態へと切り替える制御を行うことを特徴とする前記（４）に記載のターボ冷凍機。
（７） 前記冷却切替機構は、前記第１の冷却状態から、前記第６の切替バルブを開状態とする第１の操作と、前記第２及び第５の切替バルブを閉状態とする第２の操作と、前記第１及び第４の切替バルブを開状態とする第３の操作と、前記第３の切替バルブを閉状態とする第４の操作とを、この順で行うことで、前記第２の冷却状態へと切り替え、前記第２の冷却状態から、前記第３の切替バルブを開状態とする第４の逆の操作と、前記第１及び第４の切替バルブを閉状態とする第３の逆の操作と、前記第２及び第５の切替バルブを開状態とする第２の逆の操作と、前記第６の切替バルブを閉状態とする第１の逆の操作とを、この順で行うことで、前記第１の冷却状態へと切り替えることを特徴とする前記（５）又は（６）に記載のターボ冷凍機。
（８） 前記冷却切替機構は、前記各切替バルブの開閉状態を検出する開閉検出部を有し、
前記第１〜第４の操作のうち、前の操作が完了したことを前記開閉検出部が検出した後に、次に操作を行うことを特徴とする前記（７）に記載のターボ冷凍機。
（９） 前記被冷却物が高温超電導機器であり、前記冷媒として液体窒素を用い、前記冷却ガスとしてネオンガス、又は、ネオンガスとヘリウムガスとの混合ガスを用いることを特徴とする前記（１）〜（８）の何れか一項に記載のターボ冷凍機。

以上のように、本発明によれば、ターボ圧縮機のサージングを防止しながら、効率的な運転を継続して行うことを可能としたターボ冷凍機を提供することが可能である。

本発明の第１の実施形態に係るターボ冷凍機の一構成例を示す系統図である。 図１に示すターボ冷凍機において、第１の冷却状態を示す系統図である。 図１に示すターボ冷凍機において、第２の冷却状態を示す系統図である。 図１に示すターボ冷凍機において、第１の冷却状態と第２の冷却状態との切り替えの際に各切替バルブの開閉状態を示すタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態に係るターボ冷凍機の一構成例を示す系統図である。 本発明の第３の実施形態に係るターボ冷凍機の一構成例を示す系統図である。 本発明の第４の実施形態に係るターボ冷凍機の一構成例を示す系統図である。 ターボ圧縮機の流量と圧力比との関係を模式化したグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態として、例えば図１に示すターボ冷凍機１について説明する。なお、図１は、ターボ冷凍機１の概略構成を示す系統図である。

本実施形態のターボ冷凍機１は、図１に示すように、被冷却物である高温超電導（ＨＴＳ）機器１００を冷却する冷媒ＣＬとして液体窒素を用い、冷媒ＣＬを冷却する冷却ガスＣＧとしてネオンガスを用いたブレイトンサイクル冷凍機である。なお、冷却ガスＣＧについては、窒素よりも沸点が低いガスであればよく、上述したネオンガスの他にも、ネオンガスとヘリウムガスとの混合ガス等を用いることができる。

ＨＴＳ機器１００としては、例えば４０〜７７Ｋの範囲内で使用される変圧器や送電ケーブル、モータなどの超電導電力機器を挙げることができる。冷媒ＣＬは、冷媒循環ライン１０１内を液体窒素循環装置１０２により循環されながら、サブクール状態で高温超電導機器ＨＴＳを冷却する。なお、ＨＴＳ機器１００、冷媒循環ライン１０１及び液体窒素循環装置１０２については、ターボ冷凍機１の構成要素ではないことから、図１中において破線で示すものとする。

ターボ冷凍機１の冷却ガスＣＧは、後述する副熱交換器７において冷媒循環ライン１０１と熱交換することにより冷媒ＣＬを冷却する。具体的に、このターボ冷凍機１は、冷却ガスＣＧが循環される冷却ガス循環ライン２と、この冷却ガス循環ライン２に配置されたターボ圧縮機３及び膨張タービン４とを備えている。

冷却ガス循環ライン２は、ターボ圧縮機３の出側と膨張タービン４の入側とを接続する高圧ライン２ａと、膨張タービン４の出側とターボ圧縮機３の入側とを接続する低圧ライン２ｂとを有している。

また、ターボ冷凍機１は、高圧ライン２ａと低圧ライン２ｂとの間で熱交換を行う主熱交換器６と、低圧ライン２ｂ又は高圧ライン２ａと冷媒循環ライン１０１との間で熱交換を行う副熱交換器７とを備えている。

ターボ圧縮機３は、低圧ライン２ｂから供給された冷却ガスＣＧを断熱圧縮（昇圧）させる。これにより、高圧（例えば０．５〜３ＭＰａ）とされた冷却ガスＣＧは、高圧ライン２ａを介して膨張タービン４に供給される。

ターボ圧縮機３と主熱交換器６との間の高圧ライン２ａには、アフタークーラー５が配置されている。このアフタークーラー５は、ターボ圧縮機３により圧縮されて高温となった冷却ガスＣＧを常温（例えば５〜３５℃）となるように冷却する。常温まで冷却された冷却ガスＣＧは、主熱交換器６で更に冷却され、高圧ライン２ａを介して膨張タービン４に供給される。

膨張タービン４は、高圧ライン２ａから供給された冷却ガスＣＧを断熱膨張させる。これにより、低圧（例えば０．２５〜１ＭＰａ）且つ低温（例えば４０〜７７Ｋ）とされた冷却ガスＣＧは、低圧ライン２ｂを介してターボ圧縮機３に供給される。

ターボ圧縮機３と主熱交換器６との間の高圧ライン２ａと、ターボ圧縮機３と主熱交換器６との間の低圧ライン２ｂとの間には、ターボ圧縮機３で圧縮された冷却ガスＣＧの一部を膨張タービン４に供給することなく、再びターボ圧縮機３に戻すバイパスライン２ｃと、このバイパスライン２ｃを開閉するバイパス弁８とが設けられている。

主熱交換器６は、アフタークーラー５の出側の高圧ライン２ａと、ターボ圧縮機３の入側の低圧ライン２ｂとの間に挿入されて、膨張タービン４で発生される冷熱を回収する。これにより、高圧ライン２ａを流れる冷却ガスＣＧを常温よりも低い所定の低温（例えば８３Ｋ以下）まで冷却する。

副熱交換器７は、冷媒循環ライン１０１と、低圧ライン２ｂ又は高圧ライン２ａとの間に挿入されて、冷媒ＣＬをサブクール状態まで冷却する。副熱交換器７には、冷媒ＣＬを効率良くサブクール状態とするため、プレートフィン熱交換器を用いることが好ましい。また、プレートフィン熱交換器を用いた場合、小型化が可能である。

ところで、本実施形態のターボ冷凍機１では、副熱交換器７において、膨張タービン４の出側の低圧ライン２ｂと冷媒循環ライン１０１との間で熱交換を行う第１の冷却状態（図２を参照。）と、膨張タービン４に冷却ガスＣＧが流入する前の高圧ライン２ａと冷媒循環ライン１０１との間で熱交換を行う第２の冷却状態（図３を参照。）とを切り替える第１〜第６の接続ライン２ｃ〜２ｉ及び第１〜第６の切替バルブ１０ａ〜１０ｆを含む冷却切替機構９（図１を参照。）を備えている。

具体的に、この冷却切替機構９は、冷却ガス循環ライン２のうち、主熱交換器６の高圧ライン２ａの出側と副熱交換器７の入側とを接続する第１の接続ライン２ｄと、副熱交換器７の出側と主熱交換器６の低圧ライン２ｂの入側とを接続する第２の接続ライン２ｅと、膨張タービン４の入側と第１の接続ライン２ｄとを接続する第３の接続ライン２ｆと、膨張タービン４の入側と第２の接続ライン２ｅとを接続する第４の接続ライン２ｇと、膨張タービン４の出側と第１の接続ライン２ｄとを接続する第５の接続ライン２ｈと、膨張タービン４の出側と第２の接続ライン２ｅとを接続する第６の接続ライン２ｉとを有している。なお、第３及び第４の接続ライン２ｆ，２ｇは、互いに接続されて共通のラインとして膨張タービン４の入側に接続されている。同様に、第５及び第６の接続ライン２ｈ，２ｉは、互いに接続されて共通のラインとして膨張タービン４の出側に接続されている。

また、冷却切替機構９は、第１の接続ライン２ｄの第３の接続ライン２ｆと第５の接続ライン２ｈとの間に配置される第１の切替バルブ１０ａと、第２の接続ライン２ｅの第４の接続ライン２ｇと第６の接続ライン２ｉとの間に配置される第２の切替バルブ１０ｂと、第３の接続ライン２ｆに配置される第３の切替バルブ１０ｃと、第４の接続ライン２ｇに配置される第４の切替バルブ１０ｄと、第５の接続ライン２ｈに配置される第５の切替バルブ１０ｅと、第６の接続ライン２ｉに配置される第６の切替バルブ１０ｆとを有している。

冷却切替機構９では、第２、第３及び第５の切替バルブ１０ｂ，１０ｃ，１０ｅを「開」状態とし、第１、第４及び第６の切替バルブ１０ａ，１０ｄ，１０ｆを「閉」状態とすることによって、膨張タービン４が副熱交換器７の上流側に接続された状態（以下、第１の冷却状態という。）とすることができる。

一方、冷却切替機構９では、第２、第３及び第５の切替バルブ１０ｂ，１０ｃ，１０ｅを「閉」状態とし、第１、第４及び第６の切替バルブ１０ａ，１０ｄ，１０ｆを「開」状態とすることによって、膨張タービン４が副熱交換器７の下流側に接続された状態（以下、第２の冷却状態という。）とすることができる。

ここで、ターボ冷凍機１が第１の冷却状態となるときの系統図を図２に示し、ターボ冷凍機１が第２の冷却状態となるときの系統図を図３に示す。なお、図２，３の温度分布は、ＨＴＳ機器を７０Ｋまで冷却する場合を示している。また、図２，３中の（ ）内には、ＨＴＳ機器を７５Ｋまで冷却する場合の各位置での温度を示している。

図２に示すように、ターボ冷凍機１が第１の冷却状態となるとき、主熱交換器６で低温とされた冷却ガスＣＧは、膨張タービン４で断熱膨張することによって温度が低下する。その後、副熱交換器７で冷媒ＣＬを冷却することによって温度が上昇する。そして、主熱交換器６で冷熱が回収されることによって常温へと戻される。

一方、図３に示すように、ターボ冷凍機１が第２の冷却状態となるとき、主熱交換器６で低温とされた冷却ガスＣＧは、副熱交換器７で冷媒ＣＬを冷却することによって温度が上昇する。その後、膨張タービン４で断熱膨張することによって温度が低下する。そして、主熱交換器６で冷熱が回収されることによって常温へと戻される。

ＨＴＳ機器を７０Ｋまで冷却する場合、第１の冷却状態における膨張タービン４の運転温度（入口温度）は、図２に示す温度分布から７７Ｋとなる。一方、第２の冷却状態における膨張タービン４の運転温度（入口温度）は、図３に示す温度分布から７２Ｋとなる。したがって、第２の冷却状態に比べて第１の冷却状態では膨張タービン４の運転温度は５Ｋだけ高くなる。

一方、ターボ冷凍機１の冷凍効率は、熱力学的関係から検討すると、第２の冷却状態に比べて第１の冷却状態の方が高くなる傾向にある。したがって、ターボ冷凍機１では、通常の運転を第１の冷却状態とすることが効率的な運転を継続する上で好ましい。

これに対して、上述した設計よりもＨＴＳ機器１００の熱負荷が増大して、ターボ冷凍機１の運転温度が上昇した場合には、膨張タービン４の運転温度が設計温度よりも高くなり、膨張タービン４自体の効率低下の原因となる。

この場合、第１の冷却状態から第２の冷却状態に切り替えることで、膨張タービン４の運転温度を第１の冷却状態よりも低くすることができる。すなわち、冷媒ＣＬの温度が上昇した場合にも、膨張タービン４自体の効率の低下を防ぐことによって、ターボ冷凍機１全体の効率低下を最小限とできる効果が期待できる。また、所定の冷却ガスＣＧの流量を確保することによって、ターボ圧縮機３のサージングを防止も期待できる。

そこで、本実施形態のターボ冷凍機１では、ターボ圧縮機３においてサージング又はオーバーロードが発生しないように、第１の冷却状態と第２の冷却状態とを切り替える制御を行う。具体的には、このターボ冷凍機１の運転温度が設計温度に近い状態（通常運転）では、第１の冷却状態とする。一方、熱負荷の増大により運転温度が上昇した場合には、第１の冷却状態から第２の冷却状態へと切り替える制御を行う。その後、冷凍機１の運転温度が所定の温度（設計温度）まで低下した場合には、第２の冷却状態から第１の冷却状態へと切り替える制御を行う。

本実施形態のターボ冷凍機１は、このような切替制御を適切に行うため、膨張タービン４に流入する冷却ガスＣＧの温度（入口温度）を測定する温度測定部１１と、この温度測定部１１により測定される膨張タービン４の入口温度に基づいて、第１の冷却状態と第２の冷却状態とを切り替える制御部１２とを備えている。

温度測定部１１は、例えばデータロガーなどの温度計を用いて、第３及び第４の接続ライン２ｆ，２ｇが接続された共通のラインを流れる冷却ガスＣＧの温度を測定する。

制御部１２は、第１〜第６の切替バルブ１０ａ〜１０ｆ及び温度測定部１１と電気的に接続されている。制御部１２は、温度測定部１１により測定された膨張タービン４の入口温度に基づいて、各切替バルブ１０ａ〜１０ｆの開閉を切り替えながら、上述した第１の冷却状態又は第２の冷却状態とするための制御を行う。

ここで、ターボ冷凍機１において、第１の冷却状態と第２の冷却状態との切り替えの際に各切替バルブ１０ａ〜１０ｆの具体的な操作について、図４を参照して説明する。なお、図４は、第１の冷却状態と第２の冷却状態との切り替えの際に各切替バルブ１０ａ〜１０ｆの開閉状態を示すタイミングチャートである。

ターボ冷凍機１では、第１の冷却状態のとき、第２、第３及び第５の切替バルブ１０ｂ，１０ｃ，１０ｅが「開」状態となり、第１、第４及び第６の切替バルブ１０ａ，１０ｄ，１０ｆが「閉」状態となっている。

この状態から、先ず、第６の切替バルブ１０ｆを「開」状態とする操作（以下、第１の操作という。）を行う。このとき、膨張タービン４の出側から第６の接続ライン２ｉを通じて、冷却ガスＣＧの一部が第２の切替バルブ１０ｂの下流側へと流れる。これにより、第１の操作を行った後も、ターボ圧縮機３及び膨張タービン４の処理量は変わらないため、これらターボ圧縮機３及び膨張タービン４の運転状態を一定とすることができる。

次に、第６の切替バルブ１０ｆが完全に「開」状態となったことを確認した後に、第２及び第５の切替バルブ１０ｂ，１０ｅを「閉」状態とする操作（以下、第２の操作という。）を行う。このとき、膨張タービン４の出側から第６の接続ライン２ｉを通じて、冷却ガスＣＧが第６の切替バルブ１０ｆの下流側へと向かう流れが確保されているため、ターボ圧縮機３及び膨張タービン４の運転状態を一定とすることができる。

次に、第２及び第５の切替バルブ１０ｂ，１０ｅが完全に「閉」状態となったことを確認した後に、第１及び第４の切替バルブ１０ａ，１０ｄを「開」状態とする操作（以下、第３の操作という。）を行う。このとき、ターボ圧縮機３の出側から第１の接続ライン２ｄ、副熱交換器７、第２の接続ライン２ｅ及び第４の接続ライン２ｇを通じて、冷却ガスＣＧの一部が膨張タービン４の入側へと導入される。これにより、副熱交換器７の冷却ガス循環ライン２を高圧状態に充圧することができる。

次に、第１及び第４の切替バルブ１０ａ，１０ｄが完全に「開」状態となったことを確認した後に、第３の切替バルブ１０ｃを「閉」状態とする操作（以下、第４の操作という。）を行う。このとき、ターボ圧縮機３の出側から第１の接続ライン２ｄ、副熱交換器７、第２の接続ライン２ｅ及び第４の接続ライン２ｇを通じて、冷却ガスＣＧが膨張タービン４の入側へと向かう流れが確保されているため、ターボ圧縮機３及び膨張タービン４の運転状態を一定とすることができる。
以上のような第１〜第４の操作を経ることによって、ターボ冷凍機１を第１の冷却状態から第２の冷却状態へと切り替えることが可能である。

一方、ターボ冷凍機１を第２の冷却状態から第１の冷却状態へと切り替える際は、上述した第１〜第４の操作とは逆の操作を行えばよい。
すなわち、ターボ冷凍機１では、第２の冷却状態のとき、第２、第３及び第５の切替バルブ１０ｂ，１０ｃ，１０ｅが「閉」状態となり、第１、第４及び第６の切替バルブ１０ａ，１０ｄ，１０ｆが「開」状態となっている。

この状態から、先ず、第３の切替バルブ１０ｃを「開」状態とする操作（以下、第４の逆の操作という。）を行う。このとき、ターボ圧縮機３の出側から第３の接続ライン２ｆを通じて、冷却ガスＣＧの一部が膨張タービン４の入側へと導入される経路が確保される。

次に、第３の切替バルブ１０ｃが完全に「開」状態となったことを確認した後に、第１及び第４の切替バルブ１０ａ，１０ｄを「閉」状態とする操作（以下、第３の逆の操作という。）を行う。このとき、ターボ圧縮機３の出側から第３の接続ライン２ｆを通じて、冷却ガスＣＧが膨張タービン４の入側へと導入され、この膨張タービン４の出側から第６の接続ライン２ｉを通じて、冷却ガスＣＧがターボ圧縮機３の入側へと導入される。

次に、第１及び第４の切替バルブ１０ａ，１０ｄが完全に「閉」状態となったことを確認した後に、第２の切替バルブ１０ｂ及び第５の切替バルブ１０ｅを「開」状態とする操作（以下、第２の逆の操作という。）を行う。このとき、第２の切替バルブ１０ｂを「開」状態とする操作を先に行う。これにより、高圧であった第５の接続ライン２ｈ、副熱交換器７及び第２の接続ライン２ｅの間が低圧となる。そして、この部分が低圧となった後に、第５の切替バルブ１０ｅを「開」状態とする操作を行う。これにより、膨張タービン４の出側から第５の接続ライン２ｈ、副熱交換器７及び第２の接続ライン２ｅを通じて、冷却ガスＣＧの一部がターボ圧縮機３の入側へと導入される。

次に、第２及び第５の切替バルブ１０ｂ，１０ｅが完全に「開」状態となったことを確認した後に、第６の切替バルブ１０ｆを「閉」状態とする操作（以下、第１の逆の操作という。）を行う。このとき、膨張タービン４の出側から第５の接続ライン２ｈ、副熱交換器７及び第２の接続ライン２ｅを通じて、冷却ガスＣＧがターボ圧縮機３の入側へと向かう流れが確保されているため、ターボ圧縮機３及び膨張タービン４の運転状態を一定とすることができる。
以上のような第４〜第１の逆の操作を経ることによって、ターボ冷凍機１を第２の冷却状態から第１の冷却状態へと切り替えることが可能である。

ところで、上記冷却切替機構９では、上述した第１〜第４の操作（又は第４〜第１の逆の操作）のうち、前の操作が完了する前に、次の操作が開始されると、冷却ガスＣＧの流路が確保されずに、ターボ圧縮機３の流量が減少してしまい、サージングを引き起こす可能性がある。

そこで、本実施形態のターボ冷凍機１では、上述した第１〜第４の操作（又は第４〜第１の逆の操作）を確実に行うため、例えば、各切替バルブ１０ａ〜１０ｆの開閉状態を検出する開閉検出部（図示せず。）を設けた構成としてもよい。開閉検出部としては、各切替バルブ１０ａ〜１０ｆのリミットスイッチなどを用いることができる。

これにより、上述した第１〜第４の操作（又は第４〜第１の逆の操作）のうち、前の操作が完了したことを開閉検出部が検出した後に、次の操作を行うことで、第１の冷却状態から第２の冷却状態へと（又は第２の冷却状態から第１の冷却状態へと）確実に切り替えることが可能である。

また、上記冷却切替機構９では、上述した第１〜第４の操作（又は第４〜第１の逆の操作）のうち、前の操作が完了してから一定の時間（図４中に示すΔＴ１〜ΔＴ１０）が経過した後に、次の操作を行うようにしてもよい。この場合も、第１の冷却状態から第２の冷却状態へと（又は第２の冷却状態から第１の冷却状態へと）確実に切り替えることが可能である。

以上のように、本実施形態のターボ冷凍機１では、上述した膨張タービン４の入口温度の変化に応じて、第１の冷却状態と第２の冷却状態とを切り替えることで、ターボ圧縮機３のサージングを防止しながら、効率的な運転を継続して行うことが可能であり、より広範囲な温度への対応も可能となる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態として、例えば図５に示すターボ冷凍機１Ａについて説明する。なお、図５は、ターボ冷凍機１Ａの概略構成を示す系統図である。また、以下の説明では、図１に示すターボ冷凍機１と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。

本実施形態のターボ冷凍機１Ａは、図５に示すように、上記温度測定部１１の代わりに、ターボ圧縮機３から流出する冷却ガスＣＧの流量を測定する流量測定部１３を設けた構成である。それ以外は、上記ターボ冷凍機１と基本的に同様の構成を有している。

流量測定部１３は、ターボ圧縮機３の出側の高圧ライン２ａに流量計を配置し、ターボ圧縮機３から流出する冷却ガスＣＧの流量（出口流量）を測定する。流量計は、制御部１２と電気的に接続されている。

制御部１２は、流量測定部１３により測定される冷却ガスＣＧの出口流量に基づいて、各切替バルブ１０ａ〜１０ｆの開閉を切り替えながら、上述した第１の冷却状態又は第２の冷却状態とするための制御を行う。

具体的には、ターボ圧縮機３の出口流量が設計流量に近い状態（通常運転）では、第１の冷却状態とする。一方、熱負荷の増大によりターボ圧縮機３の出口流量が所定の流量（設計流量）以下となったときに、ターボ圧縮機３においてサージングが発生しないように、上述した第１の冷却状態から第２の冷却状態へと切り替える制御を行う。その後、熱負荷の減少によりターボ圧縮機３の出口流量が設計流量まで上昇、或いは、これを上回ってオーバーロードが発生する流量付近まで上昇した場合には、第２の冷却状態から第１の冷却状態へと切り替える制御を行う。

以上のように、本実施形態のターボ冷凍機１Ａでは、上述したターボ圧縮機３の出口流量の変化に応じて、第１の冷却状態と第２の冷却状態とを切り替えることで、ターボ圧縮機３のサージング又はオーバーロードを防止しながら、効率的な運転を継続して行うことが可能であり、より広範囲な温度への対応も可能となる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態として、例えば図６に示すターボ冷凍機１Ｂについて説明する。なお、図６は、ターボ冷凍機１Ｂの概略構成を示す系統図である。また、以下の説明では、図１に示すターボ冷凍機１と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。

本実施形態として図６に示すターボ冷凍機１Ｂは、上記冷却切替機構９の代わりに、冷却切替機構９Ａを備える以外は、上記ターボ冷凍機１と基本的に同様の構成を有している。

冷却切替機構９Ａでは、上記第１〜第６の切替バルブ１０ａ〜１０ｆのうち、第３及び第４の切替バルブ１０ｃ，１０ｄが第１の三方弁１４ａにより一体に構成され、第５及び第６の切替バルブ１０ｅ，１０ｆが第２の三方弁１４ｂにより一体に構成されている。

本実施形態のターボ冷凍機１Ｃでは、これら第１の三方弁１４ａ及び第２の三方弁１４ｂを用いることによって、第１〜第６の切替バルブ１０ａ〜１０ｆを構成する切替バルブの数を減らしながら、上述した第１の冷却状態と第２の冷却状態とを切り替える冷却切替機構９Ａを構成することが可能である。

また、上記ターボ冷凍機１Ｂが備える冷却切替機構９Ａは、何れも上記ターボ冷凍機１Ａが備える冷却切替機構９と置換することが可能である。

以上のように、本実施形態のターボ冷凍機１Ｂでは、何れも上記ターボ冷凍機１，１Ａと同様に、上述した膨張タービン４の入口温度やターボ圧縮機３の出口流量の変化に応じて、第１の冷却状態と第２の冷却状態とを切り替えることで、ターボ圧縮機３のサージングを防止しながら、効率的な運転を継続して行うことが可能であり、より広範囲な温度への対応も可能となる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態として、例えば図７に示すターボ冷凍機１Ｃについて説明する。なお、図７は、ターボ冷凍機１Ｃの概略構成を示す系統図である。また、以下の説明では、図１に示すターボ冷凍機１と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。

本実施形態のターボ冷凍機１Ｃは、上記冷却切替機構９の代わりに、冷却切替機構９Ｂを備える以外は、上記ターボ冷凍機１と基本的に同様の構成を有している。

冷却切替機構９Ｂでは、上記第１〜第６の切替バルブ１０ａ〜１０ｆのうち、第１及び第３の切替バルブ１０ａ，１０ｃが第３の三方弁１４ｃにより一体に構成され、第５及び第６の切替バルブ１０ｅ，１０ｆが第４の三方弁１４ｄにより一体に構成されている。

本実施形態のターボ冷凍機１Ｃでは、これら第３の三方弁１４ｃ及び第４の三方弁１４ｄを用いることによって、第１〜第６の切替バルブ１０ａ〜１０ｆを構成する切替バルブの数を減らしながら、上述した第１の冷却状態と第２の冷却状態とを切り替える冷却切替機構９Ｂを構成することが可能である。

また、上記ターボ冷凍機１Ｃが備える冷却切替機構９Ｂは、何れも上記ターボ冷凍機１Ａが備える冷却切替機構９と置換することが可能である。

以上のように、本実施形態のターボ冷凍機１Ｃでは、何れも上記ターボ冷凍機１，１Ａと同様に、上述した膨張タービン４の入口温度やターボ圧縮機３の出口流量の変化に応じて、第１の冷却状態と第２の冷却状態とを切り替えることで、ターボ圧縮機３のサージングを防止しながら、効率的な運転を継続して行うことが可能であり、より広範囲な温度への対応も可能となる。

なお、上記第３及び第４の実施形態に示すターボ冷凍機１Ｂ，１Ｃは、第１〜第６の切替バルブ１０ａ〜１０ｆのうち、何れか隣接する切替バルブが三方弁により一体化された構成を例示したものである。

なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記本実施形態では、上記冷却切替機構９，９Ａ，９Ｂにおいて、各切替バルブ１０ａ〜１０ｆ（第１〜第４の三方弁１４ａ〜１４ｄ）の切替制御を自動で行っているが、上述した温度計や流量計の表示に基づいて、各切替バルブ１０ａ〜１０ｆ（第１〜第４の三方弁１４ａ〜１４ｄ）の切り替えを手動で行うことも可能である。

また、上記実施形態では、ＨＴＳ機器１００を冷却する冷媒として、液体窒素を用いる場合を例示しているが、液体窒素に必ずしも限定されるものではない。すなわち、冷媒に求められる要件は、ＨＴＳ機器１００を冷却する温度において固化しないことであり、例えば、ガス状態又は液体状態のネオン、ヘリウム、水素又はこれらの混合物を用いることも可能である。

また、本発明は、上述した被冷却物である高温超電導（ＨＴＳ）機器を冷却するターボ冷凍機に好適に用いることができるが、被冷却物については特に限定されるものではなく、本発明が実施可能なターボ冷凍機に対して本発明を幅広く適用することが可能である。

１，１Ａ〜１Ｃ…ターボ圧縮機 ２…冷却ガス循環ライン ２ａ…高圧ライン ２ｂ…低圧ライン ２ｃ…バイパスライン ２ｄ〜２ｉ…第１〜第６の接続ライン ３…ターボ圧縮機 ４…膨張タービン ５…アフタークーラー ６…主熱交換器 ７…副熱交換器 ８…バイパス弁 ９，９Ａ，９Ｂ…冷却切替機構 １０ａ〜１０ｆ…第１〜第６の切替バルブ １１…温度測定部 １２…制御部 １３…流量測定部 １４ａ〜１４ｄ…第１〜第４の三方弁 １００…高温超電導（ＨＴＳ）機器（被冷却物） １０１…冷媒循環ライン １０２…液体窒素循環装置 ＣＬ…冷媒 ＣＧ…冷却ガス

Claims (9)

1. 被冷却物を冷却する冷媒が循環される冷媒循環ラインとの熱交換により、前記冷媒を冷却するターボ冷凍機であって、
   前記冷媒を冷却する冷却ガスが循環される冷却ガス循環ラインと、
   前記冷却ガス循環ラインに配置されて、前記冷却ガスを断熱圧縮させるターボ圧縮機と、
   前記冷却ガス循環ラインに配置されて、前記冷却ガスを断熱膨張させる膨張タービンと、
   前記冷却ガス循環ラインのうち、前記ターボ圧縮機の出側と前記膨張タービンの入側とを接続する高圧ラインと、前記膨張タービンの出側と前記ターボ圧縮機の入側とを接続する低圧ラインとの間で熱交換を行うことにより、前記高圧ラインを流れる冷却ガスを冷却する主熱交換器と、
   前記低圧ライン又は前記高圧ラインと前記冷媒循環ラインとの間で熱交換を行うことにより、前記冷媒を冷却する副熱交換器と、
   前記副熱交換器において、前記低圧ラインと前記冷媒循環ラインとの間で熱交換を行う第１の冷却状態と、前記高圧ラインと前記冷媒循環ラインとの間で熱交換を行う第２の冷却状態とを切り替える冷却切替機構とを備えることを特徴とするターボ冷凍機。
2. 前記冷却切替機構は、前記冷却ガス循環ラインのうち、前記主熱交換器の前記高圧ラインの出側と前記副熱交換器の入側とを接続する第１の接続ラインと、前記副熱交換器の出側と前記主熱交換器の前記低圧ラインの入側とを接続する第２の接続ラインと、前記膨張タービンの入側と前記第１の接続ラインとを接続する第３の接続ラインと、前記膨張タービンの入側と前記第２の接続ラインとを接続する第４の接続ラインと、前記膨張タービンの出側と前記第１の接続ラインとを接続する第５の接続ラインと、前記膨張タービンの出側と前記第２の接続ラインとを接続する第６の接続ラインと、前記第１の接続ラインの前記第３の接続ラインと前記第５の接続ラインとの間に配置される第１の切替バルブと、前記第２の接続ラインの前記第４の接続ラインと前記第６の接続ラインとの間に配置される第２の切替バルブと、前記第３の接続ラインに配置される第３の切替バルブと、前記第４の接続ラインに配置される第４の切替バルブと、前記第５の接続ラインに配置される第５の切替バルブと、前記第６の接続ラインに配置される第６の切替バルブとを有して、
   前記第１の冷却状態において、前記第２、第３及び第５の切替バルブを開状態とし、前記第１、第４及び第６の切替バルブを閉状態とすることによって、前記膨張タービンが前記副熱交換器の入側に接続された状態とし、
   前記第２の冷却状態において、前記第２、第３及び第５の切替バルブを閉状態とし、前記第１、第４及び第６の切替バルブを開状態とすることによって、前記膨張タービンが前記副熱交換器の入側に接続された状態とすることを特徴とする請求項１に記載のターボ冷凍機。
3. 前記第１〜第６の切替バルブのうち、何れか隣接する切替バルブが三方弁により一体に構成されていることを特徴とする請求項２に記載のターボ冷凍機。
4. 前記冷却切替機構は、前記ターボ圧縮機においてサージング又はオーバーロードが発生しないように、前記第１の冷却状態と前記第２の冷却状態とを切り替える制御を行うことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のターボ冷凍機。
5. 前記膨張タービンに流入する冷却ガスの温度を測定する温度測定部を有し、
   前記冷却切替機構は、前記温度測定部により測定される冷却ガスの温度が所定の温度以上となったときに、前記第１の冷却状態から前記第２の冷却状態へと切り替える制御を行い、前記温度測定部により測定される冷却ガスの温度が前記所定の温度まで低下したときに、前記第２の冷却状態から前記第１の冷却状態へと切り替える制御を行うことを特徴とする請求項４に記載のターボ冷凍機。
6. 前記ターボ圧縮機から流出する冷却ガスの流量を測定する流量測定部を有し、
   前記冷却切替機構は、前記流量測定部により測定される冷却ガスの流量が所定の流量以下となったときに、前記第１の冷却状態から前記第２の冷却状態へと切り替える制御を行い、前記流量測定部により測定される冷却ガスの流量が前記所定の流量まで上昇したときに、前記第２の冷却状態から前記第１の冷却状態へと切り替える制御を行うことを特徴とする請求項４に記載のターボ冷凍機。
7. 前記冷却切替機構は、前記第１の冷却状態から、前記第６の切替バルブを開状態とする第１の操作と、前記第２及び第５の切替バルブを閉状態とする第２の操作と、前記第１及び第４の切替バルブを開状態とする第３の操作と、前記第３の切替バルブを閉状態とする第４の操作とを、この順で行うことで、前記第２の冷却状態へと切り替え、前記第２の冷却状態から、前記第３の切替バルブを開状態とする第４の逆の操作と、前記第１及び第４の切替バルブを閉状態とする第３の逆の操作と、前記第２及び第５の切替バルブを開状態とする第２の逆の操作と、前記第６の切替バルブを閉状態とする第１の逆の操作とを、この順で行うことで、前記第１の冷却状態へと切り替えることを特徴とする請求項５又は６に記載のターボ冷凍機。
8. 前記冷却切替機構は、前記各切替バルブの開閉状態を検出する開閉検出部を有し、
   前記第１〜第４の操作のうち、前の操作が完了したことを前記開閉検出部が検出した後に、次に操作を行うことを特徴とする請求項７に記載のターボ冷凍機。
9. 前記被冷却物が高温超電導機器であり、前記冷媒として液体窒素を用い、前記冷却ガスとしてネオンガス、又は、ネオンガスとヘリウムガスとの混合ガスを用いることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載のターボ冷凍機。

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