JP2020060341A - 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

Abstract

【課題】冷凍効率を落とさずに冷凍能力を増減させることができる多段圧縮タービン式冷却システム及びその冷却方法を提供する。【解決手段】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４ａ、２段側ターボ圧縮機４ｂ、及び３段側ターボ圧縮機４ｃと、その３段に対応した３基の１段側駆動モータ５ａ、２段側駆動モータ５ｂ、及び３段側駆動モータ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８ｃと、第１の循環経路Ｌ１と、第２の循環経路Ｌ２と、を備える多段圧縮タービン式冷却システム１Ａを選択する。【選択図】図１

Description

本発明は、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に関する。

冷媒ガスを圧縮、膨張させて液化冷媒（冷却液、例えば液体窒素ＬＮ_２）を冷却し、該液化冷媒を高温超電導送電ケーブル等の被冷却体に循環させることで被冷却体を冷却するブレイトンサイクル冷凍機が、代表的な冷却システムとして知られている（例えば、特許文献１〜３を参照）。それらの中でも、主熱交換器に供給される冷媒ガスを、複数のターボ圧縮機で順次圧縮する、いわゆる多段圧縮ブレイトンサイクル冷凍機が知られている。

図６は、かかる従来の多段圧縮タービン式冷却システムの例である多段圧縮ブレイトンサイクル冷凍機の構成を示す系統図である。図６に示すように、従来の多段圧縮タービン式冷却システムの例としての多段（３段）圧縮ブレイトンサイクル冷凍機１００は、主熱交換器２と、副熱交換器３と、３段を構成する３つの１段側ターボ圧縮機４ａ〜３段側ターボ圧縮機４ｃと、１段及び２段側駆動モータ５００、３段側駆動モータ５ｃと、膨張タービン６と、１段側水冷クーラー７ａ〜３段側水冷クーラー７ｃと、第１の循環経路Ｌ１と、第２の循環経路Ｌ２とで構成されている。

詳細には、第１の循環経路Ｌ１の経路上には、当該第１の循環経路Ｌ１に冷媒ガスを圧縮循環させるための１段側ターボ圧縮機４ａ、２段側ターボ圧縮機４ｂ、及び３段側ターボ圧縮機４ｃが、下流方向に向かってこの順で設けられている。３段側ターボ圧縮機４ｃを経た冷媒ガスは、主熱交換器２に供給されている。また、１段側ターボ圧縮機４ａと２段側ターボ圧縮機４ｂとの間、２段側ターボ圧縮機４ｂと３段側ターボ圧縮機４ｃとの間、３段側ターボ圧縮機４ｃと主熱交換器２との間には、それぞれ、１段側水冷クーラー７ａ、２段側水冷クーラー７ｂ、３段側水冷クーラー７ｃが設けられている。

３段側ターボ圧縮機４ｃから主熱交換器２に供給された冷媒ガスは、後述の熱交換の後、主熱交換器２から排出され、膨張タービン６により断熱膨張される。膨張タービン６により断熱膨張された冷媒ガスは、副熱交換器３に供給され、そこで、第２の循環経路Ｌ２を流れる液化冷媒（冷却液）と熱交換される。副熱交換器３で熱交換された冷媒ガスは、主熱交換器２に戻され、そこで、前述の３段側ターボ圧縮機４ｃで圧縮された冷媒ガスを冷却するために利用される。その熱交換処理を終えて、主熱交換器２から排出された冷媒ガスは、第１の循環経路Ｌ１に基づく循環ループを形成すべく、１段側ターボ圧縮機４ａに戻される。

１段及び２段側駆動モータ５００は、１段側ターボ圧縮機４ａ及び２段側ターボ圧縮機４ｂ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、２段側ターボ圧縮機４ｂ、及び１段及び２段側駆動モータ５００を総称してモータ駆動ターボ圧縮機ＭＣ１２とする。３段側駆動モータ５ｃは、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、それらを駆動している。なお、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。かかる構成とすることにより、３つのターボ圧縮機に対して、回転機の数を２としている。

特許第５３５６９８３号公報 特開２０１６−１６９８８０号公報 特許第５７０５３７５号公報

しかしながら、上述した従来の冷却システムによれば、１段及び２段側駆動モータ５００と３段側駆動モータ５ｃの容量は大きく異なり、例えば、１段及び２段側駆動モータ５００の容量が１５７ｋＷの場合、３段側駆動モータ５ｃのそれは５６ｋＷとなり、１段及び２段側駆動モータ５００の容量は、３段側駆動モータ５ｃの約３倍の大容量となってしまうという課題があった。また、それに伴って、モータを駆動するインバータ（図示せず）も異なる容量が必要となるという課題があった。

ところで、冷却対象である超電導電力機器、例えば超電導送電ケーブルで、昼夜で送電量が大きく変動したり、別回線のケーブル短絡事故等で該送電ケーブルの送電量が増大したりする際には、冷凍機の冷却負荷が大きく変動することとなる。したがって、それに対応するため、冷凍機の冷凍能力は調整可能であることが望ましい。

図６に示した従来における冷却システムにおいては、インバータ等により１段及び２段側駆動モータ５００や３段側駆動モータ５ｃの回転数を変更することで、システムの冷凍能力をある程度は調整可能である。しかしながら、低い回転数では圧縮機やモータの効率が大きく低下してしまうという課題があった。

本発明は上述のような事情から為されたものであり、冷凍効率を落とさずに冷凍能力を増減させることができる多段圧縮タービン式冷却システム及びその冷却方法を提供することを課題とする。

かかる課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。
［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、前記冷却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、前記冷却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。

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よれば、冷凍効率を落とさずに冷凍能力を増減させることができる。
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。

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。 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２実施形態の構成を示す系統図である。 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３実施形態の構成を示す系統図である。 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４実施形態の構成を示す系統図である。 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５実施形態の構成を示す系統図である。 従来の従来の多段圧縮タービン式冷却システムの例である多段圧縮ブレイトンサイクル冷凍機の構成を示す系統図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
＜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。

具体的には、第１の循環経路Ｌ１の経路上には、当該第１の循環経路Ｌ１に冷媒ガスを圧縮循環させるための１段側ターボ圧縮機４ａ、２段側ターボ圧縮機４ｂ、及び３段側ターボ圧縮機４ｃが、下流方向に向かってこの順で設けられている。３段側ターボ圧縮機４ｃを経た冷媒ガスは、主熱交換器２に供給されている。また、１段側ターボ圧縮機４ａと２段側ターボ圧縮機４ｂとの間、２段側ターボ圧縮機４ｂと３段側ターボ圧縮機４ｃとの間、３段側ターボ圧縮機４ｃと主熱交換器２との間には、それぞれ、１段側水冷クーラー７ａ、２段側水冷クーラー７ｂ、３段側水冷クーラー７ｃが設けられている。

１段側駆動モータ５ａ及び２段側駆動モータ５ｂは、それぞれ、１段側ターボ圧縮機４ａ及び２段側ターボ圧縮機４ｂを駆動するためのものである。なお、説明の便宜上、１段側ターボ圧縮機４ａ及び１段側駆動モータ５ａを総称してモータ駆動ターボ圧縮機ＭＣ１とし、２段側ターボ圧縮機４ｂ及び２段側駆動モータ５ｂを総称してモータ駆動ターボ圧縮機ＭＣ２とする。一方、３段側駆動モータ５ｃは、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、それらを駆動している。
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。

主熱交換器／１段側圧縮機間弁８ａは、第１の循環経路Ｌ１における、主熱交換器２から１段側ターボ圧縮機４ａへの経路を導通／遮断（開／閉）するためのものである。１段側／２段側圧縮機間弁８ｂは、第１の循環経路Ｌ１における、１段側ターボ圧縮機４ａ（１段側水冷クーラー７ａ経由）から２段側ターボ圧縮機４ｂへの経路を導通／遮断するためのものである。１段側圧縮機バイパス弁８ｃは、第１の循環経路Ｌ１における、主熱交換器２と２段側ターボ圧縮機４ｂとを短絡する経路を導通／遮断するためのものである。

３段側ターボ圧縮機４ｃから主熱交換器２に供給された冷媒ガスは、後述の熱交換の後、主熱交換器２から排出され、膨張タービン６により断熱膨張される。膨張タービン６により断熱膨張された冷媒ガスは、副熱交換器３に供給され、そこで、第２の循環経路Ｌ２を流れる液化冷媒（冷却液）と熱交換される。副熱交換器３で熱交換された冷媒ガスは、主熱交換器２に戻され、そこで、前述の３段側ターボ圧縮機４ｃで圧縮された冷媒ガスを冷却するために利用される。その熱交換処理を終えて、主熱交換器２から排出された冷媒ガスは、主熱交換器／１段側圧縮機間弁８ａ及び１段側／２段側圧縮機間弁８ｂが開であって、１段側圧縮機バイパス弁８ｃが閉の場合には、１段側ターボ圧縮機４ａに戻る。よって、１段側ターボ圧縮機４ａを含んだ第１の循環経路Ｌ１が形成される。一方、主熱交換器／１段側圧縮機間弁８ａ及び１段側／２段側圧縮機間弁８ｂが閉であって、１段側圧縮機バイパス弁８ｃが開の場合には、２段側ターボ圧縮機４ｂに導入される。よって、１段側ターボ圧縮機４ａ（モータ駆動ターボ圧縮機ＭＣ１）を分断した第１の循環経路Ｌ１が形成される。
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。

次に、作用効果を説明する。
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。

また、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、１段側駆動モータ５ａ、２段側駆動モータ５ｂ、及び３段側駆動モータ５ｃをそれぞれ同一の仕様の駆動モータとすることにより、主軸、軸受、及びこれらを収容するケーシング等の部品も共通化できて、部品コストが低減される。また、いずれかの駆動モータに故障等の問題が生じた場合でも、交換部品を１つ用意するだけで、すべての駆動モータの修理に使用することができ、交換部品のストックを減らすことができる。なお、本明細書において同一の仕様とは、対象の機器の機械的寸法、性能等が全て同一であることを意味するものではなく、交換部品のストックを減らすために共通の交換部品を使用できる範囲を同一の仕様であるという。

さらに、圧縮機側の配管ルートが簡素となり、圧縮機側の配管、水冷クーラーを１つの防音ボックスに収納することで、騒音低減が可能となる。

次に、冷凍機の負荷の変動に応じた、冷凍能力の調整の作用効果について説明する。
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。

すわなち、３段圧縮冷却システムから冷凍能力を概ね２／３にしたい場合、上述のように、１段側圧縮機バイパス弁８ｃを開にして、主熱交換器／１段側圧縮機間弁８ａ及び１段側／２段側圧縮機間弁８ｂを閉にすれば、モータ駆動ターボ圧縮機ＭＣ１（１段側ターボ圧縮機４ａ、１段側駆動モータ５ａ）及び１段側水冷クーラー７ａがシステムから分断される。

このとき、後述のように、冷凍効率を維持したまま冷凍能力を２／３に落とすことができ、さらに、消費電力については、従来のインバータ調整による低下に比較してさらに低下させることができる。

一方、１段側を分断した２段圧縮冷却システムから冷凍能力を戻す場合には、逆に、主熱交換器／１段側圧縮機間弁８ａ及び１段側／２段側圧縮機間弁８ｂを開にして、１段側圧縮機バイパス弁８ｃを閉にすればよい。これにより、同様に、冷凍効率を維持したまま冷凍能力を３／２に増加させることができる。また、元々、２段圧縮冷却システムであるものに対しても、簡易な接続作業で、３段圧縮冷却システムに変更でき、冗長性が増す。

なお、本実施形態においては、弁として、３つの弁を採用しているが、以下のような動作を行わせることにより、主熱交換器／１段側圧縮機間弁８ａ及び１段側／２段側圧縮機間弁８ｂがなくても１段側圧縮機バイパス弁８ｃのみで、３段圧縮冷却システムから２段圧縮冷却システムに切り換えることができる。すなわち、１段側駆動モータ５ａの回転数を定格運転回転数の５０％程度まで下げてから１段側圧縮機バイパス弁８ｃを開け、その後１段側駆動モータ５ａを停止させる。このような手順とすることで、冷凍機の運転を中断させることなく、また、１段側駆動モータ５ａのオーバーロード（過負荷運転）が発生することなく、スムーズに切り換え運転ができる。さらに、停止させた１段側駆動モータ５ａを再び運転する手順としては、１段側駆動モータ５ａの回転数を定格運転回転数の５０％程度まで増加させてから１段側圧縮機バイパス弁８ｃを閉じ、その後、１段側駆動モータ５ａの回転数を増加させればよい。

＜第２実施形態＞
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）。

前述の第１実施形態においては、１段側を分断できる構成としたが、第２実施形態に係る多段圧縮タービン式冷却システム１Ｂにおいては、２段側を分断できる構成としている。

そのために、主熱交換器／１段側圧縮機間弁８ａの代わりに、２段側ターボ圧縮機４ｂ（２段側水冷クーラー７ｂ経由）から３段側ターボ圧縮機４ｃへの経路を導通／遮断する２段側／３段側圧縮機間弁８ｄを設けている。また、１段側圧縮機バイパス弁８ｃの代わりに、１段側ターボ圧縮機４ａと３段側ターボ圧縮機４ｃとを短絡する経路を導通／遮断する２段側圧縮機バイパス弁８ｅを設けている。

３段圧縮冷却システムからモータ駆動ターボ圧縮機ＭＣ２（２段側ターボ圧縮機４ｂ、２段側駆動モータ５ｂ）及び２段側水冷クーラー７ｂを分断して２段圧縮冷却システムにしたい場合は、１段側／２段側圧縮機間弁８ｂ及び２段側／３段側圧縮機間弁８ｄを閉にして、２段側圧縮機バイパス弁８ｅを開にすればよい。

この第２実施形態においても、１段側ターボ圧縮機４ａ及び２段側ターボ圧縮機４ｂに対して、それぞれ１対１で１段側駆動モータ５ａ及び２段側駆動モータ５ｂを設けたことは同様であり、２段側のモータ駆動ターボ圧縮機ＭＣ２を分断できる構成としたことが第１実施形態とは異なるだけである。従って、この第２実施形態によっても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

なお、この第２実施形態においても、１段側／２段側圧縮機間弁８ｂ及び２段側／３段側圧縮機間弁８ｄがなくても２段側圧縮機バイパス弁８ｅのみで、３段圧縮冷却システムから２段圧縮冷却システムに切り換えることができることは、第１実施形態と同様である（なお、以下の各実施形態についても同様である）。

＜第３実施形態＞
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。

この第３実施形態は、第１実施形態と第２実施形態を組み合わせた態様である。よって、第３実施形態に係る多段圧縮タービン式冷却システム１Ｃにおいては、すべての弁８ａ〜８ｅを備えている。それにより、第１実施形態のようにモータ駆動ターボ圧縮機ＭＣ１（１段側ターボ圧縮機４ａ、１段側駆動モータ５ａ）及び１段側水冷クーラー７ａを分断できるし、あるいは、第２実施形態のようにモータ駆動ターボ圧縮機ＭＣ２（２段側ターボ圧縮機４ｂ、２段側駆動モータ５ｂ）及び２段側水冷クーラー７ｂを分断できる。従って、この第３実施形態によっても、第１実施形態及び第２実施形態と同様の効果が得られるうえに、さらに分断選択の融通性が増す。

＜第４実施形態＞
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。

２段側ターボ圧縮機４ｂと対とした場合を、第４実施形態として、図４に示す。図４に示すように、第４実施形態に係る多段圧縮タービン式冷却システム１Ｄにおいては、２段側駆動モータ５ｂは、２段側ターボ圧縮機４ｂ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、２段側ターボ圧縮機４ｂ、２段側駆動モータ５ｂ、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ＭＴＣｂとする。また、３段側駆動モータ５ｃは、３段側ターボ圧縮機４ｃのみを駆動するためのものである。なお、説明の便宜上、３段側ターボ圧縮機４ｃ及び３段側駆動モータ５ｃを総称してモータ駆動ターボ圧縮機ＭＣ３とする。

本実施形態の場合には、第１の循環経路Ｌ１は、必ず２段側ターボ圧縮機４ｂを経由する経路として構成され、１段側と３段側のいずれか一方が分断可能となる。
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。

一方、本実施形態では、３段側を分断、または経由させるために、２段側／３段側圧縮機間弁８ｄ、３段側圧縮機／主熱交換器間弁８ｆ、及び３段側圧縮機バイパス弁８ｇを設けている。つまり、３段側を分断する場合には、２段側／３段側圧縮機間弁８ｄ及び３段側圧縮機／主熱交換器間弁８ｆを閉とするとともに３段側圧縮機バイパス弁８ｇを開とする。一方、３段側を経由させる場合には、２段側／３段側圧縮機間弁８ｄ及び３段側圧縮機／主熱交換器間弁８ｆを開とするとともに３段側圧縮機バイパス弁８ｇを閉とする。
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。

＜第５実施形態＞
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。

本実施形態の場合には、第１の循環経路Ｌ１は、必ず１段側ターボ圧縮機４ａを経由する経路として構成され、２段側と３段側のいずれか一方が分断可能となる。

２段側を分断、または経由させるための構成及び動作は、第２実施形態及び第３実施形態と同様である。また、３段側を分断、または経由させるための構成及び動作は、第４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実施形態及び第４実施形態と同様である。

＜他の実施形態＞
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。

以下、本発明の効果について実施例及び比較例を用いて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。

＜比較例１＞
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。

（測定条件）
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

以上の測定条件の下で測定評価した結果、表１に示すように、モータ駆動ターボ圧縮機ＭＣ１２の消費電力は７９＋７８＝１５７ｋＷ、タービンアシストモータ駆動ターボ圧縮機ＭＴＣの消費電力は５６ｋＷであり、総消費電力は２１３ｋＷであった。また、このときの冷凍能力は、１５．８ｋＷであった。従って、冷凍効率（ＣＯＰ）は、冷凍能力（Ｑ）／総消費電力（Ｗ）＝１５．８／２１３＝０．０７４となった。

次に、図６の３段圧縮１段膨張のモータ駆動ターボ圧縮機ＭＣ１２とタービンアシストモータ駆動ターボ圧縮機ＭＴＣの回転数を低下させて冷凍能力を、後述の実施例１と同じ１０．４ｋＷに減少させる場合を考える。プロセスの最高圧力、圧力比、温度、効率、圧力損失、流量などはすべて上記と同一の条件である。

各圧縮機４ａ〜４ｃ及び膨張タービン６の断熱効率を、定格運転時の８０％というように不変と仮定すると、消費電力は１４４ｋＷとなり、これにより、冷凍効率（ＣＯＰ）は、０．０７４から０．０７２に低下した。

ただし、実際には、圧縮機やタービンの効率は、最高効率（ピーク効率）が得られるように設計された回転数（定格運転時）よりも回転数が低下すると、低下するものである。なお、ここではモータ効率は変わらないと仮定したが、回転数を低下させるとモータ効率も低下するため、消費電力は、上記値（１４４ｋＷ）よりも大きい値となる。

＜比較例２＞
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。

その結果、減量運転時の消費電力は、効率８０％のときの１４４ｋＷよりも大きい１６５ｋＷとなった。それにより、減量運転時の冷凍効率（ＣＯＰ）は、効率８０％のときの０．０７２よりもさらに低い０．０６３に低下した。

＜実施例１＞
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。

（測定条件）
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

以上の測定条件の下で測定評価した結果、モータ駆動ターボ圧縮機ＭＣ１の入口圧力は、０．３４４ＭＰａであった。また、表１に示すように、モータ駆動ターボ圧縮機ＭＣ１の消費動力は７９ｋＷ、モータ駆動ターボ圧縮機ＭＣ２の消費電力は７８ｋＷ、タービンアシストモータ駆動ターボ圧縮機ＭＴＣの消費動力は５６ｋＷであり、総消費動力は２１３ｋＷであった。また、このときの冷凍能力は、１５．８ｋＷであった。従って、冷凍効率（ＣＯＰ）は、Ｑ／Ｗ＝１５．８／２１３＝０．０７４となった。

次に、図１に示す多段圧縮タービン式冷却システムにおけるモータ駆動ターボ圧縮機ＭＣ１を分断して、上記と同様にして、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、圧力比、温度、効率、圧力損失、流量などはすべて上記と同一の条件である。

この場合、モータ駆動ターボ圧縮機ＭＣ２の入口圧力は０．４８３ＭＰａ、冷凍能力は１０．４ｋＷとなった。また、モータ駆動ターボ圧縮機ＭＣ２の消費電力は７８ｋＷ、タービンアシストモータ駆動ターボ圧縮機ＭＴＣの消費電力は６３ｋＷとなり、総消費電力は１４１ｋＷとなった。従って、冷凍機としての冷凍効率（ＣＯＰ）は、Ｑ／Ｗ＝１０．４／１４１＝０．０７４で、モータ駆動ターボ圧縮機ＭＣ１を分断して冷凍能力を削減しても、冷凍効率は不変となった。

表１の結果から、実施例１のように、モータ駆動ターボ圧縮機ＭＣ１を停止させて冷凍能力を減少させると、当該減量運転前後で冷凍効率が不変（０．０７４）となるような総消費電力の減少量であった。また、比較例との比較では、比較例１が減量運転後の総消費電力が１４４ｋＷとなって、実施例１の１４１ｋＷよりも３ｋＷ高くなってしまい、また、比較例２が減量運転後の総消費電力が１６５ｋＷとなって、実施例１の１４１ｋＷよりも２４ｋＷ高くなってしまった。従って、比較例１及び比較例２の冷凍効率は、それぞれ、０．０７２及び０．０６３となって、総消費電力が多い分、実施例１のそれよりも低くなってしまう結果となった。

以上から、従来システムのように回転数を低下させて減量運転を行うと必ず冷凍効率が落ちてしまうのに対して、本発明に係る実施例１のように、例えばモータ駆動ターボ圧縮機ＭＣ１を分断して減量運転を行うと、その減量に関わらず冷凍効率を維持できることが判明した。

一方、冷凍能力を増加させる場合の観点からいうと、例えばいわゆる２段圧縮から３段圧縮に増加させると、その分、水冷クーラーの数が増えて圧力損失は増加するが、冷凍効率が同じで必ず１．５倍に冷凍能力を上げられることとなる。

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は、例えば、冷媒ガスを圧縮、膨張させて液化冷媒（例えば液体窒素ＬＮ_２）を冷却し、該液化冷媒を高温超電導送電ケーブル等の被冷却体に循環させることで被冷却体を冷却するような場合に採用することができる。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ・・・多段圧縮タービン式冷却システム、１００・・・多段圧縮ブレイトンサイクル冷凍機、２・・・主熱交換器、３・・・副熱交換器、４ａ・・・１段側ターボ圧縮機（第一のターボ圧縮機）、４ｂ・・・２段側ターボ圧縮機（第二のターボ圧縮機）、４ｃ・・・３段側ターボ圧縮機（第三のターボ圧縮機）、５ａ・・・１段側駆動モータ（駆動モータ）、５ｂ・・・２段側駆動モータ（駆動モータ）、５ｃ・・・３段側駆動モータ（駆動モータ）、５００・・・駆動モータ、６・・・膨張タービン、７ａ、７ｂ、７ｃ・・・水冷クーラー、８ａ〜８ｇ・・・弁（バルブ）、Ｌ１・・・第１の循環経路、Ｌ２・・・第２の循環経路、ＭＣ１、ＭＣ２、ＭＣ３、ＭＣ１２・・・モータ駆動ターボ圧縮機、ＭＴＣ、ＭＴＣａ、ＭＴＣｂ・・・タービンアシストモータ駆動ターボ圧縮機

Claims (8)

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、前記冷却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、請求項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、請求項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、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。
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、前記冷却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、請求項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、請求項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、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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