JP2022138673A - ターボブレイトン冷凍機 - Google Patents
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Abstract
Description
[1] 第1冷媒が循環する第1循環経路と、
被冷却対象である第2冷媒が循環する第2循環経路と、
前記第1循環経路と前記第2循環経路とに亘って配置されるサブクーラと、
前記第1循環経路の前記サブクーラの一次側に位置する膨張タービンと、を備え、
前記膨張タービンの出口温度が前記第2冷媒の凝固点より高い温度となる前記膨張タービンの圧力比である、ターボブレイトン冷凍機。
[2] 前記膨張タービンの圧力比が、2.0以下である、[1]に記載のターボブレイトン冷凍機。
[3] 前記第1冷媒として、ヘリウム、水素、ネオン、窒素、アルゴン、酸素、空気、炭化水素からなる群から選択する2以上の混合冷媒を用いる、[1]又は[2]に記載のターボブレイトン冷凍機。
[4] 前記第2冷媒は、凝固点が120K以下の液化ガスである、[1]乃至[3]のいずれかに記載のターボブレイトン冷凍機。
[5] 前記第1冷媒が、少なくともヘリウムを含む、[3]又は[4]に記載のターボブレイトン冷凍機。
[6] 前記第1冷媒における前記ヘリウムの混合割合が、20%~95%である、[5]に記載のターボブレイトン冷凍機。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
先ず、本発明を適用した一実施形態であるターボブレイトン冷凍機の構成について、説明する。
図1は、本発明の実施形態に係るターボブレイトン冷凍機を示す系統図である。
図1に示すように、本実施形態のターボブレイトン冷凍機11は、第1冷媒が循環する第1循環経路L1と、被冷却対象である第2冷媒が循環する第2循環経路L2と、第1循環経路L1と第2循環経路L2とに亘って配置されるサブクーラ22と、第1循環経路L1のサブクーラ22の一次側に位置する膨張タービン21と、を備える。
また、第1循環経路L1には、ターボ圧縮機31と、水冷クーラ32と、主熱交換器33とが配設されている。
本実施形態のターボブレイトン冷凍機11を超電導電力機器の冷却に用いる場合、第2冷媒が液体窒素であることが好ましく、第1冷媒が、ヘリウム、水素、ネオンからなる群から選択される2以上の混合冷媒であることが好ましい。さらに、第1冷媒としては、これらの混合冷媒の中でも、少なくともヘリウムを含むものがより好ましい。
本発明のターボブレイトン冷凍機を超電導電力機器の冷却に用いる場合、膨張タービンの運転時の圧力比と第1冷媒とを選定する具体的な方法について詳細に説明する。
ネオンとヘリウムとの混合ガスを用いた際の、膨張タービンの入口側の圧力と出口側の圧力との比(圧力比)と、膨張タービンの入口側の温度と出口側の温度との温度差との関係を検証した。
ここで、図2は、ネオンとヘリウムとの混合ガスを用いた際の、膨張タービンの入口側の圧力と出口側の圧力との比(圧力比)と、膨張タービンの入口側の温度と出口側の温度との温度差との関係を示す図である。
なお、混合ガスにおけるヘリウム濃度は、0、30、50、80、100(体積%)の5水準を用いた。
また、タービン効率は70%とし、膨張タービンの入口側の温度は72Kとした。
ネオンとヘリウムとの混合ガスを用いた際の、膨張タービンの入口側の圧力と出口側の圧力との比(圧力比)と、断熱熱落差(タービンにより理想的に断熱膨張した際のタービン入口とタービン出口とのエンタルピー差)との関係を検証した。
ここで、図3は、膨張タービンの入口側の圧力と出口側の圧力との比(圧力比)と、膨張タービンの圧力比を2.0として運転した際の、基準冷媒(ネオン)の断熱熱落差比を基準(1.0)とした場合の断熱熱落差の比との関係を示す図である。
なお、混合ガスにおけるヘリウム濃度は、0、30、50、80、100(体積%)の5水準を用いた。
ネオンとヘリウムとの混合ガスを用いた際の、混合ガスにおけるヘリウム濃度と、ネオン100体積%の密度を基準(1.0)とした場合の混合ガスの密度の比との関係を検証した。
ここで、図4は、ネオンとヘリウムとの混合ガスにおけるヘリウム濃度と、ネオン100体積%の密度を基準(1.0)とした場合の混合ガスの密度の比との関係を示す図である。
図4に示すように、ネオンとヘリウムとの混合ガスにおいて、ヘリウム濃度が高くなると密度は小さくなることを確認した。
上述した検証1の結果より、混合ガスにおけるヘリウム濃度の違いによる温度差は小さいため、混合ガスにおけるヘリウム濃度50%の場合で圧力比に対する膨張タービンの入口側の温度と出口側の温度との温度差を求めると、以下の式1となる。
上記式1より、膨張タービンの入口側の温度と出口側の温度との温度差が8Kとなるのは、膨張タービンの圧力比1.53であった。
表1は、例1のタービンの断熱熱落差、質量流量、体積流量、比速度を基準とした場合の、例2及び例3のタービンの断熱熱落差比、質量流量比、体積流量比、比速度比をそれぞれ示す。
また、例2では、圧力比が1.53で断熱熱落差比が0.65倍となるため、質量流量比、及び体積流量比がそれぞれ1.54倍であった。
また、例3では、圧力比が1.53で断熱熱落差比が1.1倍となるため、質量流量比が0.91倍となり、He50%を含む冷媒はNe100%の冷媒と比較して密度が小さいため、体積流量比が1.52倍であった。
したがって、膨張タービンによって同じ発生寒冷を得る場合、冷媒ガスの適切なヘリウム混合濃度を選定することで、膨張タービンの比速度比を大きく変化させることなく、膨張タービンの入口側の温度と出口側の温度との温度差を変えることができることを見出した。
膨張タービンの比速度と効率との関係を検証した。
ここで、図5は、タービンの比速度と効率との関係の一例を示す図である。
図5に示すように、一般的にタービンでは、比速度が0.6の条件で効率が最大(ピーク)となり、比速度が0.3~0.9の範囲で高効率(効率80%以上)となっている。
ここで、上述した例2では、比速度比が1.71と大きく、タービンの効率が低下することがわかる。
一方、例3では、比速度比が1.15であり、タービンを高効率に維持できることがわかった。
なお、膨張タービンの圧力比は、1.16、1.30、1.53、1.8、2.0の5水準を用いた。
また、膨張タービンの比速度比は、冷媒としてネオン100%を用い、膨張タービンの圧力比を2.0とした際の比速度を基準(1.0)とした。
ここで、圧力比が1.53の場合、混合ガスにおけるヘリウム濃度と、膨張タービンの比速度比との関係は、以下の式2で表すことができる。
表2に、上記式2より求めた膨張タービンの比速度比と混合ガスにおけるヘリウム濃度との関係を示す。
したがって、膨張タービンの入口側の温度と出口側の温度との温度差が8Kとなる条件とする場合、膨張タービンを高効率に維持するためには比速度比が0.5~1.5の範囲であるため、混合ガスにおけるネオン濃度は5~80%(ヘリウム濃度は20~95%)の範囲で選択することが好ましいことを確認した。
表3は、図6中に示す膨張タービンの圧力比1.16、1.30、1.53、1.8、2.0の5水準について、混合ガス中のネオンとヘリウムとの混合割合における各比速度比の値を示す。
表3の結果から、本発明のターボブレイトン冷凍機を運転する際、膨張タービンの運転時の圧力比として1.53以外を選択した場合であっても、適切な混合ガス中のネオンとヘリウムとの混合割合を決定できることが示唆された。
21・・・膨張タービン
22・・・サブクーラ
31・・・ターボ圧縮機
32・・・水冷クーラ
33・・・主熱交換器
L1・・・第1循環経路
L2・・・第2循環経路
Claims (6)
- 第1冷媒が循環する第1循環経路と、
被冷却対象である第2冷媒が循環する第2循環経路と、
前記第1循環経路と前記第2循環経路とに亘って配置されるサブクーラと、
前記第1循環経路の前記サブクーラの一次側に位置する膨張タービンと、を備え、
前記膨張タービンの出口温度が前記第2冷媒の凝固点より高い温度となる前記膨張タービンの圧力比である、ターボブレイトン冷凍機。 - 前記膨張タービンの圧力比が、2.0以下である、請求項1に記載のターボブレイトン冷凍機。
- 前記第1冷媒として、ヘリウム、水素、ネオン、窒素、アルゴン、酸素、空気、炭化水素からなる群から選択する2以上の混合冷媒を用いる、請求項1又は2に記載のターボブレイトン冷凍機。
- 前記第2冷媒は、凝固点が120K以下の液化ガスである、請求項1乃至3のいずれか一項に記載のターボブレイトン冷凍機。
- 前記第1冷媒が、少なくともヘリウムを含む、請求項3又は4に記載のターボブレイトン冷凍機。
- 前記第1冷媒における前記ヘリウムの混合割合が、20%~95%である、請求項5に記載のターボブレイトン冷凍機。
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