JP2022091505A - 極低温流体循環式冷却システムの運転方法及び極低温流体循環式冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷却ガスのバッファータンクが不要で、冷凍機のクールダウン時間の短縮及び冷却ガスの過度の圧力上昇を防止できる極低温流体循環式冷却システムの運転方法及び極低温流体循環式冷却システムの提供。【解決手段】液化冷媒を、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１から第１のバイパス経路（液化冷媒流路２０３、２１４、２０７）を経由して冷却対象ＨＴＳに導入し、冷却対象ＨＴＳの冷却時に発生する気化した液化冷媒を第２のバイパス経路（液化冷媒流路２０１、２０８、２０９、２０５）を経由してサブクール熱交換器ＨＸ２に導入するとともに、ターボ圧縮機Ｃ１を低速回転させ、冷却ガスをサブクール熱交換器ＨＸ２に導入して冷却ガスを冷却することにより、冷凍機内を循環する冷却ガスの圧力を低下させることを特徴とする、極低温流体循環式冷却システム１の運転方法。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、極低温流体循環式冷却システムの運転方法及び極低温流体循環式冷却システムに関する。

送電ケーブル、モータ、限流器又は変圧器等の高温超電導電力機器を冷却するための液化冷媒として、液体窒素が使用されている。その主な理由としては、液体窒素は、比較的安価で、入手性がよく、電気絶縁性にも優れていることが挙げられる。液体窒素は、ＧＭ（Ｇｉｆｆｏｒｄ－ＭｃＭａｈｏｎ）冷凍機、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機又はブレイトンサイクル冷凍機等の極低温冷凍機により６５～７７Ｋの過冷却温度（「サブクール温度」ともいう。）まで冷却されて、高温超電導電力機器の冷却に用いられる。
一般に、実用規模の高温超電導電力機器を冷却するためには数ｋＷから数十ｋＷの冷凍能力が要求される。このような大容量の冷凍能力を有する極低温冷凍機としては、ターボ圧縮機及び膨張タービンを組み合わせたブレイトンサイクル冷凍機が適している。

ブレイトンサイクル冷凍機（以下、単に「冷凍機」ともいう。）において、液体窒素等の液化冷媒を６５～７７Ｋのサブクール温度まで冷却するための、冷凍機内を循環する冷却ガスとしては、液化冷媒よりも沸点が低いネオン、ヘリウム又はこれらの混合ガスが用いられる。
また、冷凍機を構成するターボ圧縮機及び膨張タービンは高速回転機械であり、その回転軸には高速モータ又は高速発電機が組み込まれており、インバータによる回転数制御で運転される。
高速モータ又は高速発電機は、冷却ガス雰囲気中で運転され、高速回転によるモータ発熱は冷却ガスによって冷却される。また、高速モータや高速発電機はインバータと接続されているためで、モータや発電機の巻線（コイル）の接続端子には高電圧が印加される。冷却ガスであるネオン、ヘリウム又はこれらの混合ガスは、空気及び窒素ガスに比べてガスの電気絶縁特性が劣り、高電圧中でガスが放電しやすいという欠点がある。しかし、ガスの圧力が高くなると電気絶縁特性が改善されることから、冷凍機では冷却ガスの最低圧力が０．３ＭＰａよりも高い圧力で運転される。冷却ガスの圧力を高くすると、ガスの密度が大きくなって体積流量が減少するため、機器の圧力損失が小さくなり、冷凍機の効率が向上する。また、ターボ圧縮機、膨張タービン、熱交換器及び配管等の機器の容積が小さくなり、装置全体を小型化及び軽量化できる。しかし、冷却ガスの圧力が高くなりすぎると、材料の耐圧強度の点から受圧部の肉厚が増加し、機器の熱容量及び重量が増大するので、冷凍機のクールダウン時間及び装置コストが増大する。さらに、冷却ガスの圧力が高くなってガスの密度が大きくなると、高速回転時の摩擦損失による発熱によって、モータ及び軸受部の温度が上昇し、高速回転機械の安定運転及び耐久性が損なわれることがある。
このような理由から、一般に、冷凍機が常温で停止した状態の冷却ガスの初期充填圧力（封入圧力）は、０．５～１ＭＰａの間に設定される。
冷凍機を起動してターボ圧縮機の回転数を増加させていくと、ターボ圧縮機の入口側圧力は低下し、出口側圧力は上昇する。ターボ圧縮機の回転数を一定に保持すると、ターボ圧縮機の入口側圧力と出口側圧力の比は一定となる。この圧力比は圧縮機の圧力比と呼ばれており、ターボ圧縮機では回転数が高くなると圧縮機の圧力比は大きくなる。
冷凍機のクールダウンが進行すると熱交換器の一部は６５～７７Ｋという極低温まで冷却されるため、ターボ圧縮機の入口側圧力（冷凍機の最低圧力）及び出口側圧力（冷凍機の最高圧力）は低下する。冷凍機の最低圧力または冷凍機の最高圧力を設定した所定の圧力に保持する方法として、冷却ガスを封入した大容量のバッファータンクを冷凍機に付帯させ、冷凍機内の冷却ガス圧力が低下した時にバッファータンクから冷却ガスを冷凍機内に補充する方法がある（特許文献１、特許文献２）。この方法では、バッファータンク内の冷却ガスは冷却ガス中での放電を防止するために、前述した０．３ＭＰａよりも高い圧力までしか使用できず、残りの冷却ガスはバッファータンクに蓄えられたまま利用されない。

図３に示す従来の極低温流体循環式冷却システム３は、冷却ガスを貯留したバッファータンクＢＴ１を有する。冷凍機本体ＲＥＦの停止中はバルブＶ２が開となって、冷却ガス流路４０１、冷却ガス流路４０２及びバッファータンクＢＴ１の内部は同一圧力となっている。冷凍機本体ＲＥＦが常温となっているときの圧力を初期充填圧力という。冷凍機本体ＲＥＦの起動時には、バルブＶ１及びバルブＶ２を閉として、ターボ圧縮機Ｃ１を起動し、ターボ圧縮機Ｃ１の回転数が増加すると、冷却ガス流路４０１の内部の圧力は低下し、冷却ガス流路４０２の内部の圧力は上昇する。冷却ガス流路４０１の圧力が設定した圧力以下になれば、バルブＶ１を開とし、冷却ガスがバッファータンクＢＴ１から冷却ガス流路４０１に導入される。冷却ガス流路４０２の圧力が設定した圧力を超えると、バルブＶ２を開とし、冷却ガス流路４０２の冷却ガスがバッファータンクＢＴ１に回収され、冷却ガス流路４０２の内部の圧力は設定した圧力以下に保持される。すなわち、バルブＶ１及びバルブＶ２を適宜、開閉することによって冷凍機の冷却ガスの圧力は０．３～１ＭＰａの間で運転される。

ネオン及びヘリウムは希ガスと呼ばれ、希少で高価であるため、バッファータンク内の冷却ガスを大気圧近くまで有効利用することが好ましい。バッファータンクの容量を小型化する方法として、バッファータンクに小型の圧縮機（副圧縮機）を接続し、バッファータンク内の冷却ガスを圧縮して冷凍機に供給する方法がある（特許文献３）。この方法によれば、バッファータンク内の冷却ガスを大気圧近くまで有効利用することで、ネオン又はヘリウム等の希ガスの必要量を削減できる。

特開平５－２２３３７８号公報 特開２００９－１２１７８６号公報 特許第５３５６９８３号公報

特許文献１～３のバッファータンクを有する冷凍機では、冷凍機本体の内容積に対してバッファータンクの内容積が１００～３００％程度の割合を占めることとなり、設備の設置スペース及び設備コストが増大する。例えば、特許文献３の記載事項を参照すると、冷凍機本体の内容積とバッファータンクの内容積はほぼ等しいので、バッファータンクの内容積の割合は１００％となる。ただし、これは副圧縮機を用いてバッファータンク内のガスを大気圧まで冷凍機本体に補充する場合である。副圧縮機を用いない場合は、バッファータンクの内容積の割合は３００％となる。

また、冷凍機本体の内容積によっては、冷却ガスの初期充填圧力を冷凍機の設計圧力付近まで高めることにより、バッファータンクを省略し、外部から冷却ガスを補充せずに冷凍機を定格運転することも可能である。しかしながら、冷却ガスの初期充填圧力を高めると、ターボ圧縮機及び膨張タービンの高速回転時のモータ及び軸受の発熱が増大し、ターボ圧縮機及び膨張タービンの高速回転時の安定性が損なわれることがある。また、冷凍機起動時にターボ圧縮機の出口側圧力が冷凍機の設計圧力を超えないようにターボ圧縮機を低速回転して圧力比を小さく抑制する必要があることから、膨張タービンの圧力比も小さく抑制され、膨張タービンの発生寒冷が不足して、冷凍機のクールダウンに非常に時間がかかったり、クールダウンできなかったりする。

本発明は、冷却ガスのバッファータンクが不要で、冷凍機のクールダウン時間の短縮及び冷却ガスの過度の圧力上昇を防止できる極低温流体循環式冷却システムの運転方法及び極低温流体循環式冷却システムの提供を課題とする。

［１］ 冷却ガスが循環する冷却ガス循環経路と、液化冷媒が循環する液化冷媒循環経路と、前記冷却ガス循環経路に配置された、前記冷却ガスを断熱圧縮するターボ圧縮機、前記ターボ圧縮機により断熱圧縮した後の前記冷却ガスを等圧冷却する冷却器、前記ターボ圧縮機により断熱圧縮する前の前記冷却ガスと前記冷却器により等圧冷却した後の前記冷却ガスとの熱交換を行う主熱交換器及び前記主熱交換器を出た前記冷却ガスを断熱膨張する膨張タービンと、前記冷却ガス循環経路及び前記液化冷媒循環経路に配置された、サブクール熱交換器と、前記液化冷媒循環経路に配置された冷却対象と、前記液化冷媒循環経路に配置された第１の液化冷媒貯留タンクと、前記液化冷媒循環経路外から前記第１の液化冷媒貯留タンクに前記液化冷媒を供給する第２の液化冷媒貯留タンクと、前記サブクール熱交換器をバイパスし、前記第１の液化冷媒貯留タンクと前記冷却対象の液化冷媒入口側とを接続する第１のバイパス経路と、前記第１の液化冷媒貯留タンクをバイパスし、前記冷却対象の液化冷媒出口側と前記サブクール熱交換器の液化冷媒入口側とを接続する第２のバイパス経路と、前記サブクール熱交換器の液化冷媒出口側に接続された液化冷媒排出路と、を備える極低温流体循環式冷却システムの運転方法であって、
前記液化冷媒を、前記第１の液化冷媒貯留タンクから前記第１のバイパス経路を経由して前記冷却対象に導入し、前記冷却対象の冷却時に発生する気化した前記液化冷媒を前記第２のバイパス経路を経由して前記サブクール熱交換器に導入するとともに、前記ターボ圧縮機を低速回転させ、前記冷却ガスを前記サブクール熱交換器に導入して前記冷却ガスを冷却することにより、前記冷却ガスの圧力を低下させることを特徴とする、極低温流体循環式冷却システムの運転方法。
［２］ 前記液化冷媒を、前記第２の液化冷媒貯留タンクから前記第１の液化冷媒貯留タンクに供給する、［１］に記載の極低温流体循環式冷却システムの運転方法。
［３］ 前記サブクール熱交換器の出口側の前記冷却ガスの温度の低下速度が設定した速度以下となるように、前記サブクール熱交換器に導入する気化した前記液化冷媒の導入量を制御する、［１］又は［２］に記載の極低温流体循環式冷却システムの運転方法。
［４］ 冷却ガスが循環する冷却ガス循環経路と、液化冷媒が循環する液化冷媒循環経路と、前記冷却ガス循環経路に配置された、前記冷却ガスを断熱圧縮するターボ圧縮機、前記ターボ圧縮機により断熱圧縮した後の前記冷却ガスを等圧冷却する冷却器、前記ターボ圧縮機により断熱圧縮する前の前記冷却ガスと前記冷却器により等圧冷却した後の前記冷却ガスとの熱交換を行う主熱交換器及び前記主熱交換器を出た前記冷却ガスを断熱膨張する膨張タービンと、前記冷却ガス循環経路及び前記液化冷媒循環経路に配置された、サブクール熱交換器と、前記液化冷媒循環経路に配置された冷却対象と、前記液化冷媒循環経路に配置された第１の液化冷媒貯留タンクと、前記液化冷媒循環経路外から前記第１の液化冷媒貯留タンクに前記液化冷媒を供給する第２の液化冷媒貯留タンクと、前記サブクール熱交換器をバイパスし、前記第１の液化冷媒貯留タンクと前記冷却対象の液化冷媒入口側とを接続する第１のバイパス経路と、前記サブクール熱交換器の液化冷媒出口側に接続された液化冷媒排出路と、を備える極低温流体循環式冷却システムの運転方法であって、
前記液化冷媒を、前記第１の液化冷媒貯留タンクから前記液化冷媒循環経路の前記第１の液化冷媒貯留タンクと前記サブクール熱交換器とを接続する経路を経由して前記サブクール熱交換器に導入するとともに、前記ターボ圧縮機を低速回転させ、前記冷却ガスを前記サブクール熱交換器に導入して前記冷却ガスを冷却することにより、前記冷却ガスの圧力を低下させることを特徴とする、極低温流体循環式冷却システムの運転方法。
［５］ 前記液化冷媒を、前記第２の液化冷媒貯留タンクから前記第１の液化冷媒貯留タンクに供給する、［４］に記載の極低温流体循環式冷却システムの運転方法。
［６］ 前記ターボ圧縮機の出口側の前記冷却ガスの圧力が設定した圧力以下となるように前記ターボ圧縮機の回転数を制限する、［１］～［５］のいずれかに記載の極低温流体循環式冷却システムの運転方法。
［７］ 冷却ガスが循環する冷却ガス循環経路と、液化冷媒が循環する液化冷媒循環経路と、前記冷却ガス循環経路に配置された、前記冷却ガスを断熱圧縮するターボ圧縮機、前記ターボ圧縮機により断熱圧縮した後の前記冷却ガスを等圧冷却する冷却器、前記ターボ圧縮機により断熱圧縮する前の前記冷却ガスと前記冷却器により等圧冷却した後の前記冷却ガスとの熱交換を行う主熱交換器及び前記主熱交換器を出た前記冷却ガスを断熱膨張する膨張タービンと、前記冷却ガス循環経路及び前記液化冷媒循環経路に配置された、サブクール熱交換器と、前記液化冷媒循環経路に配置された冷却対象と、前記液化冷媒循環経路に配置された第１の液化冷媒貯留タンクと、前記液化冷媒循環経路外から前記第１の液化冷媒貯留タンクに前記液化冷媒を供給する第２の液化冷媒貯留タンクと、前記サブクール熱交換器をバイパスし、前記第１の液化冷媒貯留タンクと前記冷却対象の液化冷媒入口側とを接続する第１のバイパス経路と、前記第１の液化冷媒貯留タンクをバイパスし、前記冷却対象の液化冷媒出口側と前記サブクール熱交換器の液化冷媒入口側とを接続する第２のバイパス経路と、前記サブクール熱交換器の液化冷媒出口側に接続された液化冷媒排出路と、を備える極低温流体循環式冷却システム。
［８］ 冷却ガスが循環する冷却ガス循環経路と、液化冷媒が循環する液化冷媒循環経路と、前記冷却ガス循環経路に配置された、前記冷却ガスを断熱圧縮するターボ圧縮機、前記ターボ圧縮機により断熱圧縮した後の前記冷却ガスを等圧冷却する冷却器、前記ターボ圧縮機により断熱圧縮する前の前記冷却ガスと前記冷却器により等圧冷却した後の前記冷却ガスとの熱交換を行う主熱交換器及び前記主熱交換器を出た前記冷却ガスを断熱膨張する膨張タービンと、前記冷却ガス循環経路及び前記液化冷媒循環経路に配置された、サブクール熱交換器と、前記液化冷媒循環経路に配置された冷却対象と、前記液化冷媒循環経路に配置された第１の液化冷媒貯留タンクと、前記液化冷媒循環経路外から前記第１の液化冷媒貯留タンクに前記液化冷媒を供給する第２の液化冷媒貯留タンクと、前記サブクール熱交換器をバイパスし、前記第１の液化冷媒貯留タンクと前記冷却対象の液化冷媒入口側とを接続する第１のバイパス経路と、前記サブクール熱交換器の液化冷媒出口側に接続された液化冷媒排出路と、を備える極低温流体循環式冷却システム。

本発明によれば、冷却ガスのバッファータンクが不要で、冷凍機のクールダウン時間の短縮及び冷却ガスの過度の圧力上昇を防止できる極低温流体循環式冷却システムの運転方法及び極低温流体循環式冷却システムを提供できる。

大容量のバッファータンクが不要となるため、冷凍機の設置スペース及び装置コストを削減できる。
また、従来大気放出していた低温の液化冷媒ガスの冷熱エネルギーを冷凍機で回収することで冷凍機の消費電力が削減できる。
また、冷凍機の起動時に冷却ガスを熱交換器で冷却して圧力を低下させることにより、冷凍機の圧力上昇を低く抑制できるため、構成機器（冷却器、熱交換器及び配管等）の耐圧強度を低くできるので、構成機器の重量が削減でき、装置コストが低減できる。

図１Ａは、本発明の極低温流体循環式冷却システムの実施形態の一例を示す概要図である。 図１Ｂは、図１Ａに示す極低温流体循環式冷却システムの運転方法の一例（クールダウン中）を説明する概要図である。 図１Ｃは、図１Ａに示す極低温流体循環式冷却システムの運転方法の別の一例（定常運転中）を説明する概要図である。 図２Ａは、本発明の極低温流体循環式冷却システムの他の実施形態の一例を示す概要図である。 図２Ｂは、図２Ａに示す極低温流体循環式冷却システムの運転方法の一例を説明する概要図である。 図３は、従来の極低温流体循環式冷却システムの一例を示す概要図である。

「～」を用いて表される数値範囲は、「～」の両側の数値をその範囲内に含む。
以下では、図を適宜参照しながら、本発明を詳細に説明する。

［第１の実施形態］
＜極低温流体循環式冷却システム１＞
図１Ａに概要を示す極低温流体循環式冷却システム１は、本発明の第１の実施形態を実施するための極低温流体循環式冷却システムの装置構成の一例である。
図１Ａに示す極低温流体循環式冷却システム１は、冷却ガスが循環する冷却ガス循環経路（冷却ガス流路４０１、４０２）と、液化冷媒が循環する液化冷媒循環経路（液化冷媒流路２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６ａ、２０６ｂ及び２０７）とを備える。

前記冷却ガス循環経路には、冷却ガスを断熱圧縮するターボ圧縮機Ｃ１と、ターボ圧縮機Ｃ１により断熱圧縮した後の冷却ガスを等圧冷却する冷却器ＷＣと、ターボ圧縮機Ｃ１により断熱圧縮する前の冷却ガスと冷却器ＷＣにより等圧冷却した後の冷却ガスとの熱交換を行う主熱交換器ＨＸ１と、主熱交換器ＨＸ１を出た冷却ガスを断熱膨張する膨張タービンＥＴと、冷却ガスと液化冷媒との間で熱交換を行うサブクール熱交換器ＨＸ２とが配置されている。図１Ａでは、ターボ圧縮機Ｃ１及び冷却器ＷＣはそれぞれ１台であるが、ターボ圧縮機Ｃ１及び冷却器ＷＣは、それぞれ複数台あってもよく、直列に配置して多段圧縮の冷凍機としてもよい。なお、ターボ圧縮機には軸流式、斜流式、遠心式の３種類があるが、本発明では圧力比が高い遠心式のターボ圧縮機が好ましい。

前記液化冷媒循環経路には、冷却対象ＨＴＳと、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１と、液化冷媒を循環させる液化冷媒循環ポンプＬＮＰと、液化冷媒と冷却ガスとの間で熱交換を行うサブクール熱交換器ＨＸ２とが配置されている。
冷却対象ＨＴＳの液化冷媒出口側と第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１とは、液化冷媒流路２０１及び２０２により接続されている。液化冷媒流路２０２にはバルブＶ１５が設置されている。
第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１とサブクール熱交換器ＨＸ２の液化冷媒入口側とは、液化冷媒流路２０３、２０４及び２０５により接続されている。液化冷媒流路２０３には液化冷媒循環ポンプＬＮＰが配置されている。液化冷媒流路２０４にはバルブＶ１２が設置されている。
サブクール熱交換器ＨＸ２の液化冷媒出口側と冷却対象ＨＴＳの液化冷媒入口側とは液化冷媒流路２０６ａ、２０６ｂ及び２０７により接続されている。液化冷媒流路２０６ｂにはバルブＶ１３が設置されている。
第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１には、液化冷媒循環経路外から第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１に液化冷媒を供給する第２の液化冷媒貯留タンクＳＴ２が液化冷媒流路２１０により接続されている。液化冷媒流路２１０にはバルブＶ１０が設置されている。第２の液化冷媒貯留タンクＳＴ２の上部の気相部には、バルブＶ２０が設置されたガス放出路２１３が設けられている。
第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１と冷却対象ＨＴＳの液化冷媒入口側とは、液化冷媒流路２０３、２１４及び２０７により構成される第１のバイパス経路によって、液化冷媒循環ポンプＬＮＰから出た液化冷媒をサブクール熱交換器ＨＸ２を経由せずにバイパスする流路が接続されている。液化冷媒流路２１４にはバルブＶ１１が設置されている。
冷却対象ＨＴＳの液化冷媒出口側とサブクール熱交換器ＨＸ２の液化冷媒入口側とは、液化冷媒流路２０１、２０８、２０９及び２０５により構成される第２のバイパス経路によって、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１をバイパスする流路が接続されている。液化冷媒流路２０９にはバルブＶ１７が設置されている。
接続点Ａは、液化冷媒流路２０１、２０２及び２０８が接続する部分である。
接続点Ｂは、液化冷媒流路２０３、２０４及び２１４が接続する部分である。
接続点Ｃは、液化冷媒流路２０４、２０５及び２０９が接続する部分である。
接続点Ｄは、液化冷媒流路２０６ａ、２０６ｂ及び液化冷媒排出路２１２が接続する部分である。液化冷媒排出路２１２には、バルブＶ１６が設置されている。
接続点Ｅは、液化冷媒流路２０６ｂ、２０７及び２１４が接続する部分である。
接続点Ｆは、液化冷媒流路２０８、２０９及び液化冷媒放出路２１１が接続する部分である。液化冷媒放出路２１１には、バルブＶ１４が設置されている。
冷却ガス流路４０１のサブクール熱交換器ＨＸ２の冷却ガス出口側には、温度測定器Ｔａが設置されている。
液化冷媒流路２０６ａのサブクール熱交換器ＨＸ２の液化冷媒出口側には、温度測定器Ｔｂが設置されている。

＜極低温流体循環式冷却システム１の運転方法＞
本発明の極低温流体循環式冷却システム１の運転方法は、図１Ｂに示すように、液化冷媒を、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１から第１のバイパス経路（液化冷媒流路２０３、２１４及び２０７）を経由して冷却対象ＨＴＳに導入し（バルブＶ１１開、バルブＶ１２及びＶ１３閉）、冷却対象ＨＴＳの初期冷却時、すなわちクールダウンする際に発生する低温の気化した液化冷媒を第２のバイパス経路（液化冷媒流路２０１、２０８、２０９及び２０５）を経由してサブクール熱交換器ＨＸ２に導入する（バルブＶ１４及びＶ１５閉、バルブＶ１７開）。気化した液化冷媒は液化冷媒排出路２１２から大気中に放出される（バルブＶ１６開）。第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１に貯留された液化冷媒の量が不足する場合は、第２の液化冷媒貯留タンクＳＴ２から第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１に液化冷媒を供給してもよい（バルブＶ１０開）。

冷凍機本体ＲＥＦでは、ターボ圧縮機Ｃ１を低速回転させ、冷却ガスをサブクール熱交換器ＨＸ２に導入して、前述した低温の気化した液化冷媒と熱交換させることで冷却ガスの温度を降下させることにより、冷却ガス流路４０１の内部の冷却ガスの圧力を低下させる。
サブクール熱交換器ＨＸ２の温度が低下するとともに冷却ガス流路４０１の内部の圧力（冷凍機の最低圧力）及び冷却ガス流路４０２の内部の圧力（冷凍機の最高圧力）が低下するので、冷却ガス流路４０２の圧力が設定した圧力に維持されるようにターボ圧縮機Ｃ１の回転数を増加させる。

冷凍機のクールダウン運転時には、サブクール熱交換器ＨＸ２の冷却ガス出口側の冷却ガス温度Ｔａが設定したクールダウン速度（例えば、４０～７０℃／ｈｏｕｒ）以下となるように、サブクール熱交換器ＨＸ２の液化冷媒入口側に導入する気化した液化冷媒の導入量を制御する。

冷凍機本体ＲＥＦでサブクール熱交換器ＨＸ２の冷却ガス出口側の冷却ガスの温度Ｔａが設定した温度（例えば、７７Ｋ）以下になれば、冷凍機は定常運転を行う。
図１Ｃに示すように、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１に貯留された液化冷媒を液化冷媒循環ポンプＬＮＰで昇圧し、液化冷媒流路２０３、２０４及び２０５を通してサブクール熱交換器ＨＸ２に導入し（バルブＶ１２開）、液化冷媒流路２０６ａ、２０６ｂ及び２０７を通して（バルブＶ１３開、バルブＶ１１及びＶ１６閉）、冷却対象ＨＴＳの液化冷媒入口側にサブクール温度の液化冷媒を供給し、冷却対象ＨＴＳを冷却する。冷却対象ＨＴＳを冷却して温度上昇した液化冷媒は、液化冷媒流路２０１及び２０２を通して（バルブＶ１５開、バルブＶ１７閉）、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１に戻る。

冷凍機本体ＲＥＦは、サブクール熱交換器ＨＸ２の冷却ガス出口側の冷却ガスの温度Ｔａが設定した温度で一定となるようにターボ圧縮機Ｃ１の回転数を制御するが、サブクール熱交換器ＨＸ２の液化冷媒出口側の液化冷媒の温度Ｔｂが一定になれば、この液化冷媒出口側の温度Ｔｂが設定した温度で一定となるようにターボ圧縮機Ｃ１の回転数を制御する。

［第２の実施形態］
＜極低温流体循環式冷却システム２＞
図２Ａに概要を示す極低温流体循環式冷却システム２は、本発明の第２の実施形態を実施するための極低温流体循環式冷却システムの装置構成の一例である。
本発明の第２の実施形態は、冷却対象ＨＴＳから発生する気化した液化冷媒を冷凍機のクールダウンに利用しないため、あらかじめ冷却対象ＨＴＳは、液化冷媒を第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１から液化冷媒循環ポンプＬＮＰ、バルブＶ１１、液化冷媒流路２０７、冷却対象ＨＴＳ、液化冷媒流路２０１、バルブＶ１４、液化冷媒放出路２１１を経由して大気放出することにより初期冷却され、冷却対象ＨＴＳは液化冷媒の温度までクールダウンされている。そのため、図１Ａに概要を示す極低温流体循環式冷却システム１とは異なり、冷却対象ＨＴＳから発生する気化した液化冷媒を必要としない。
図２Ａに示す極低温流体循環式冷却システム２は、冷却ガスが循環する冷却ガス循環経路（冷却ガス流路４０１、４０２）と、液化冷媒が循環する液化冷媒循環経路（液化冷媒流路２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６ａ、２０６ｂ及び２０７）とを備える。

前記冷却ガス循環経路には、冷却ガスを断熱圧縮するターボ圧縮機Ｃ１と、ターボ圧縮機Ｃ１により断熱圧縮した後の冷却ガスを等圧冷却する冷却器ＷＣと、ターボ圧縮機Ｃ１により断熱圧縮する前の冷却ガスと冷却器ＷＣにより等圧冷却した後の冷却ガスとの熱交換を行う主熱交換器ＨＸ１と、主熱交換器ＨＸ１を出た冷却ガスを断熱膨張する膨張タービンＥＴと、冷却ガスと液化冷媒との間で熱交換を行うサブクール熱交換器ＨＸ２とが配置されている。図２Ａでは、ターボ圧縮機Ｃ１及び冷却器ＷＣはそれぞれ１台であるが、ターボ圧縮機Ｃ１及び冷却器ＷＣは、それぞれ複数台あってもよく、直列に配置して多段圧縮の冷凍機としてもよい。なお、ターボ圧縮機には軸流式、斜流式、遠心式の３種類があるが、本発明では圧力比が高い遠心式のターボ圧縮機が好ましい。

前記液化冷媒循環経路には、冷却対象ＨＴＳと、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１と、液化冷媒を循環させる液化冷媒循環ポンプＬＮＰと、液化冷媒と冷却ガスとの間で熱交換を行うサブクール熱交換器ＨＸ２とが配置されている。
冷却対象ＨＴＳの液化冷媒出口側と第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１とは、液化冷媒流路２０１及び２０２により接続されている。液化冷媒流路２０２にはバルブＶ１５が設置されている。
第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１とサブクール熱交換器ＨＸ２の液化冷媒入口側とは、液化冷媒流路２０３、２０４及び２０５により接続されている。液化冷媒流路２０３には液化冷媒循環ポンプＬＮＰが配置されている。液化冷媒流路２０４にはバルブＶ１２が設置されている。
サブクール熱交換器ＨＸ２の液化冷媒出口側と冷却対象ＨＴＳの液化冷媒入口側とは液化冷媒流路２０６ａ、２０６ｂ及び２０７により接続されている。液化冷媒流路２０６ｂにはバルブＶ１３が設置されている。
第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１には、液化冷媒循環経路外から第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１に液化冷媒を供給する第２の液化冷媒貯留タンクＳＴ２が液化冷媒流路２１０により接続されている。液化冷媒流路２１０にはバルブＶ１０が設置されている。第２の液化冷媒貯留タンクＳＴ２の上部の気相部には、バルブＶ２０が設置されたガス放出路２１３が設けられている。
第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１と冷却対象ＨＴＳの液化冷媒入口側とは、液化冷媒流路２０３、２１４及び２０７により構成される第１のバイパス経路によって、液化冷媒循環ポンプＬＮＰから出た液化冷媒をサブクール熱交換器ＨＸ２を経由せずにバイパスする流路が接続されている。液化冷媒流路２１４にはバルブＶ１１が設置されている。
接続点Ａは、液化冷媒流路２０１、２０２及び２０８が接続する部分である。液化冷媒流路２０８は液化冷媒放出路２１１に接続し、液化冷媒放出路２１１にはバルブＶ１４が設置されている。
接続点Ｂは、液化冷媒流路２０３、２０４及び２１４が接続する部分である。
接続点Ｄは、液化冷媒流路２０６ａ、２０６ｂ及び液化冷媒排出路２１２が接続する部分である。液化冷媒排出路２１２には、バルブＶ１６が設置されている。
接続点Ｅは、液化冷媒流路２０６ｂ、２０７及び２１４が接続する部分である。
冷却ガス流路４０１のサブクール熱交換器ＨＸ２の冷却ガス出口側には、温度測定器Ｔａが設置されている。
液化冷媒流路２０６ａのサブクール熱交換器ＨＸ２の液化冷媒出口側には、温度測定器Ｔｂが設置されている。

＜極低温流体循環式冷却システム２の運転方法＞
本発明の極低温流体循環式冷却システム２の運転方法は、図２Ｂに示すように、液化冷媒を、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１から液化冷媒流路２０３、２０４及び２０５を経由してサブクール熱交換器ＨＸ２の液化冷媒入口側に導入する（バルブＶ１２開、バルブＶ１１及びＶ１３閉）。サブクール熱交換器ＨＸ２の液化冷媒出口側から出た気化した液化冷媒は、液化冷媒排出路２１２から大気中に放出される（バルブＶ１６開）。第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１に貯留された液化冷媒の量が不足する場合は、第２の液化冷媒貯留タンクＳＴ２から第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１に液化冷媒を供給してもよい（バルブＶ１０開）。
なお、図示しないが液化冷媒循環ポンプＬＮＰをバイパスするラインを設け、液化冷媒循環ポンプＬＮＰを運転しなくても第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１と大気圧との圧力差で液化冷媒をサブクール熱交換器ＨＸ２に導入してもよい。これは前述した図１Ｂの第１の実施形態でも同様であることは言うまでもない。

冷凍機本体ＲＥＦでは、ターボ圧縮機Ｃ１を低速回転させ、冷却ガスをサブクール熱交換器ＨＸ２に導入して、前述した液化冷媒と熱交換させることで冷却ガスの温度を降下させることにより、冷却ガス流路４０１の内部の冷却ガスの圧力を低下させる。
サブクール熱交換器ＨＸ２の温度が低下するとともに冷却ガス流路４０１の内部の圧力（冷凍機の最低圧力）及び冷却ガス流路４０２の内部の圧力（冷凍機の最高圧力）が低下するので、冷却ガス流路４０２の圧力が設定した圧力に維持されるようにターボ圧縮機Ｃ１の回転数を増加させる。

冷凍機のクールダウン運転時には、サブクール熱交換器ＨＸ２の冷却ガス出口側の冷却ガス温度Ｔａが設定したクールダウン速度（例えば、４０～７０℃／ｈｏｕｒ）以下となるように、サブクール熱交換器ＨＸ２の液化冷媒入口側に導入する液化冷媒の導入量を制御する。

冷凍機本体ＲＥＦでサブクール熱交換器ＨＸ２の冷却ガス出口側の冷却ガスの温度Ｔａが設定した温度（例えば、７７Ｋ）以下になれば、液化冷媒流路２０６ａ、２０６ｂ及び２０７を通して（バルブＶ１３開、バルブＶ１６閉）、冷却対象ＨＴＳの液化冷媒入口側にサブクール温度の液化冷媒を供給し、冷却対象ＨＴＳを冷却する。冷却対象ＨＴＳを冷却して温度上昇した液化冷媒は、液化冷媒流路２０１及び２０２を通して（バルブＶ１５開）、第１の液化冷媒貯留タンクＳＴ１に戻る。

冷凍機本体ＲＥＦは、サブクール熱交換器ＨＸ２の冷却ガス出口側の冷却ガスの温度Ｔａが設定した温度で一定となるようにターボ圧縮機Ｃ１の回転数を制御するが、サブクール熱交換器ＨＸ２の液化冷媒出口側の液化冷媒の温度Ｔｂが一定になれば、この液化冷媒出口側の温度Ｔｂが設定した温度で一定となるようにターボ圧縮機Ｃ１の回転数を制御する。

［冷却ガス及び液化冷媒］
上述した極低温流体循環式冷却システムで用いる冷却ガスとしては、ネオン、ヘリウム又はこれらの混合ガスが挙げられ、ネオンが好ましい。また、液化冷媒としては、入手が容易で安価であり、大気中に放出しても安全性が高いことから、液体窒素が好ましい。

［作用効果］
本発明の極低温流体循環式冷却システムの運転方法では、冷却対象を冷却した後の低温の気化した液化冷媒及び／又は液化冷媒貯留タンクからの低温の液化冷媒を用いて冷凍機内を循環する冷却ガスを冷却することにより冷却ガスの圧力を低下させ、冷却ガスを貯留する大容量のバッファータンクを必要とせず、冷凍機本体のクールダウン時間を短縮できる。また、冷却ガスを冷却して冷却ガスの圧力を低下させることにより、冷却ガスの過度の圧力上昇を防止できるため、冷凍機本体の構成機器の耐圧限界を低くすることができ、設備重量及び装置コストの低減が可能となる。

１，２…極低温流体循環式冷却システム；３…従来の極低温流体循環式冷却システム；２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２０６，２０６ａ，２０６ｂ，２０７，２０８，２０９，２１０，２１４，２１５…液化冷媒流路；２１１…液化冷媒放出路；２１２…液化冷媒排出路；２１３…ガス放出路；４０１、４０２、４０３、４０４…冷却ガス流路；ＳＴ１…第１の液化冷媒貯留タンク；ＳＴ２…第２の液化冷媒貯留タンク；ＬＮＰ…液化冷媒循環ポンプ；ＨＴＳ…冷却対象；ＨＸ１…主熱交換基；ＨＸ２…サブクール熱交換器；Ｃ１…ターボ圧縮機；ＷＣ…冷却器；ＥＴ…膨張タービン；Ｔａ，Ｔｂ…温度測定器；ＢＴ１…バッファータンク；Ｖ１，Ｖ２，Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３，Ｖ１４，Ｖ１５，Ｖ１６，Ｖ１７，Ｖ２０…バルブ；ＲＥＦ…冷凍機本体；Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ…流路接続点

Claims (8)

1. 冷却ガスが循環する冷却ガス循環経路と、液化冷媒が循環する液化冷媒循環経路と、前記冷却ガス循環経路に配置された、前記冷却ガスを断熱圧縮するターボ圧縮機、前記ターボ圧縮機により断熱圧縮した後の前記冷却ガスを等圧冷却する冷却器、前記ターボ圧縮機により断熱圧縮する前の前記冷却ガスと前記冷却器により等圧冷却した後の前記冷却ガスとの熱交換を行う主熱交換器及び前記主熱交換器を出た前記冷却ガスを断熱膨張する膨張タービンと、前記冷却ガス循環経路及び前記液化冷媒循環経路に配置された、サブクール熱交換器と、前記液化冷媒循環経路に配置された冷却対象と、前記液化冷媒循環経路に配置された第１の液化冷媒貯留タンクと、前記液化冷媒循環経路外から前記第１の液化冷媒貯留タンクに前記液化冷媒を供給する第２の液化冷媒貯留タンクと、前記サブクール熱交換器をバイパスし、前記第１の液化冷媒貯留タンクと前記冷却対象の液化冷媒入口側とを接続する第１のバイパス経路と、前記第１の液化冷媒貯留タンクをバイパスし、前記冷却対象の液化冷媒出口側と前記サブクール熱交換器の液化冷媒入口側とを接続する第２のバイパス経路と、前記サブクール熱交換器の液化冷媒出口側に接続された液化冷媒排出路と、を備える極低温流体循環式冷却システムの運転方法であって、
   前記液化冷媒を、前記第１の液化冷媒貯留タンクから前記第１のバイパス経路を経由して前記冷却対象に導入し、前記冷却対象の冷却時に発生する気化した前記液化冷媒を前記第２のバイパス経路を経由して前記サブクール熱交換器に導入するとともに、前記ターボ圧縮機を低速回転させ、前記冷却ガスを前記サブクール熱交換器に導入して前記冷却ガスを冷却することにより、前記冷却ガスの圧力を低下させることを特徴とする、極低温流体循環式冷却システムの運転方法。
2. 前記液化冷媒を、前記第２の液化冷媒貯留タンクから前記第１の液化冷媒貯留タンクに供給する、請求項１に記載の極低温流体循環式冷却システムの運転方法。
3. 前記サブクール熱交換器の出口側の前記冷却ガスの温度の低下速度が設定した速度以下となるように、前記サブクール熱交換器に導入する気化した前記液化冷媒の導入量を制御する、請求項１又は２に記載の極低温流体循環式冷却システムの運転方法。
4. 冷却ガスが循環する冷却ガス循環経路と、液化冷媒が循環する液化冷媒循環経路と、前記冷却ガス循環経路に配置された、前記冷却ガスを断熱圧縮するターボ圧縮機、前記ターボ圧縮機により断熱圧縮した後の前記冷却ガスを等圧冷却する冷却器、前記ターボ圧縮機により断熱圧縮する前の前記冷却ガスと前記冷却器により等圧冷却した後の前記冷却ガスとの熱交換を行う主熱交換器及び前記主熱交換器を出た前記冷却ガスを断熱膨張する膨張タービンと、前記冷却ガス循環経路及び前記液化冷媒循環経路に配置された、サブクール熱交換器と、前記液化冷媒循環経路に配置された冷却対象と、前記液化冷媒循環経路に配置された第１の液化冷媒貯留タンクと、前記液化冷媒循環経路外から前記第１の液化冷媒貯留タンクに前記液化冷媒を供給する第２の液化冷媒貯留タンクと、前記サブクール熱交換器をバイパスし、前記第１の液化冷媒貯留タンクと前記冷却対象の液化冷媒入口側とを接続する第１のバイパス経路と、前記サブクール熱交換器の液化冷媒出口側に接続された液化冷媒排出路と、を備える極低温流体循環式冷却システムの運転方法であって、
   前記液化冷媒を、前記第１の液化冷媒貯留タンクから前記液化冷媒循環経路の前記第１の液化冷媒貯留タンクと前記サブクール熱交換器とを接続する経路を経由して前記サブクール熱交換器に導入するとともに、前記ターボ圧縮機を低速回転させ、前記冷却ガスを前記サブクール熱交換器に導入して前記冷却ガスを冷却することにより、前記冷却ガスの圧力を低下させることを特徴とする、極低温流体循環式冷却システムの運転方法。
5. 前記液化冷媒を、前記第２の液化冷媒貯留タンクから前記第１の液化冷媒貯留タンクに供給する、請求項４に記載の極低温流体循環式冷却システムの運転方法。
6. 前記ターボ圧縮機の出口側の前記冷却ガスの圧力が設定した圧力以下となるように前記ターボ圧縮機の回転数を制限する、請求項１～５のいずれか１項に記載の極低温流体循環式冷却システムの運転方法。
7. 冷却ガスが循環する冷却ガス循環経路と、液化冷媒が循環する液化冷媒循環経路と、前記冷却ガス循環経路に配置された、前記冷却ガスを断熱圧縮するターボ圧縮機、前記ターボ圧縮機により断熱圧縮した後の前記冷却ガスを等圧冷却する冷却器、前記ターボ圧縮機により断熱圧縮する前の前記冷却ガスと前記冷却器により等圧冷却した後の前記冷却ガスとの熱交換を行う主熱交換器及び前記主熱交換器を出た前記冷却ガスを断熱膨張する膨張タービンと、前記冷却ガス循環経路及び前記液化冷媒循環経路に配置された、サブクール熱交換器と、前記液化冷媒循環経路に配置された冷却対象と、前記液化冷媒循環経路に配置された第１の液化冷媒貯留タンクと、前記液化冷媒循環経路外から前記第１の液化冷媒貯留タンクに前記液化冷媒を供給する第２の液化冷媒貯留タンクと、前記サブクール熱交換器をバイパスし、前記第１の液化冷媒貯留タンクと前記冷却対象の液化冷媒入口側とを接続する第１のバイパス経路と、前記第１の液化冷媒貯留タンクをバイパスし、前記冷却対象の液化冷媒出口側と前記サブクール熱交換器の液化冷媒入口側とを接続する第２のバイパス経路と、前記サブクール熱交換器の液化冷媒出口側に接続された液化冷媒排出路と、を備える極低温流体循環式冷却システム。
8. 冷却ガスが循環する冷却ガス循環経路と、液化冷媒が循環する液化冷媒循環経路と、前記冷却ガス循環経路に配置された、前記冷却ガスを断熱圧縮するターボ圧縮機、前記ターボ圧縮機により断熱圧縮した後の前記冷却ガスを等圧冷却する冷却器、前記ターボ圧縮機により断熱圧縮する前の前記冷却ガスと前記冷却器により等圧冷却した後の前記冷却ガスとの熱交換を行う主熱交換器及び前記主熱交換器を出た前記冷却ガスを断熱膨張する膨張タービンと、前記冷却ガス循環経路及び前記液化冷媒循環経路に配置された、サブクール熱交換器と、前記液化冷媒循環経路に配置された冷却対象と、前記液化冷媒循環経路に配置された第１の液化冷媒貯留タンクと、前記液化冷媒循環経路外から前記第１の液化冷媒貯留タンクに前記液化冷媒を供給する第２の液化冷媒貯留タンクと、前記サブクール熱交換器をバイパスし、前記第１の液化冷媒貯留タンクと前記冷却対象の液化冷媒入口側とを接続する第１のバイパス経路と、前記サブクール熱交換器の液化冷媒出口側に接続された液化冷媒排出路と、を備える極低温流体循環式冷却システム。

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