JP5149381B2 - 流体消費者へ供給するためのヘリウムなどの流体を冷却する方法及び対応の設備 - Google Patents
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Description
本発明は、流体消費者へ供給するためのヘリウムなどの流体を冷却する方法及び対応の設備に関する。
従来の方法では、流体は、圧縮ステージと、流体予備冷却及び／又は冷却ステージと、流体を消費者に供給し且つ消費者から流体を回収するためのインターフェースとを連続的に循環するように流れる。
このタイプの方法は、消費者が実質的に一定な熱交換を要求する場合、即ち、この冷却方法によって供給されるべき熱出力が経時的にほぼ一定である場合に、特に適している。
しかしながら、このような方法は、経時的に変化する熱負荷の場合には不向きである。
制御核融合の分野で使用されるリアクタは、液体ヘリウムによって冷却される超電導素子を備えている。このタイプのリアクタの場合、上記超電導素子にダメージを与えることを避けるために、時間とともに実質的に正弦波のように変化するパルス状の熱負荷が要求される。
それ故、特にこの用途においては、上記従来の方法は、この方法を実施するのに使用する設備の各種部材の大幅な大型化なくしては使用できないことが分かる。
文献仏国出願公開第１５４０３９１号は、圧縮ステージと膨張及び冷却ステージとに供されて、目標温度での流体の相平衡を維持するように適合させられたタンク内において部分的に液化されるべき流体を使用して、電気機器を極めて低い温度に保つ方法を記載している。
このタンクは、電子機器にそれらの冷却を提供する。このシステムは、流体の流量が（圧縮ステージ並びに膨張及び冷却ステージへ向けて）大幅に変動するので、消費者によって要求される熱負荷が変動する用途には不適切である。
本発明の目的は、経時的に変動する熱負荷に適合し得る流体冷却方法を提案することにより、この欠点を取り除くことにある。
この目的のために、本発明は、上述したタイプの流体冷却方法であって、予備冷却及び／又は冷却ステージからの流体の第１部分はインターフェースへと選択的に送られ、前記流体の第２部分は、消費者が要求する熱負荷が低いか又は高いかに応じて、前記予備冷却及び／又は冷却ステージへと選択的に送り戻され、前記流体の第３部分は、冷却されて、アキュムレータへと送られ、このアキュムレータは、前記流体を選択的に貯蔵し、且つ、消費者が要求する熱負荷が低いか又は高いかに応じて、前記インターフェースへと送られる前記流体の第１部分を冷却するべく、予め貯蔵されている或る量の流体を送出するように適合させられており、前記流体の第１部分は、前記アキュムレータを通過することなく、前記インターフェースへと直接送られることを特徴とする方法に関する。
このようにして、インターフェースへと供給される低温流体の量を調節でき、結果として、消費者が利用可能な熱負荷を調節することができる。
更に、先のアキュムレータ（accumulateur）は、供給されるべき熱負荷が低い場合に、冷却された流体を貯蔵する役割を、即ち、予め定められた熱負荷をこの蓄積手段（moyens d'accumulation）に貯蔵する役割を果たし、熱交換により、この貯蔵された負荷の少なくとも一部をインターフェースに送られる流体へと送出する役割を果たす。
それ故、この方法は、送出されるべき平均出力に応じて単純に大きさを定めた設備をその実施のために使用することに役立ち、また、この方法は、消費者に供給されるべき熱負荷のピークに適合可能である。
本発明の１つの特徴によると、予備冷却及び／又は冷却ステージへと送り戻される流体の量は、例えば圧力トランスデューサにより制御される少なくとも１つのバイパス弁によって調節される。
それ故、インターフェースに供給される低温流体の量は、使用者の要求に応じて、バイパス弁によって動的に調節される。
有利には、予備冷却及び／又は冷却ステージからの流体は、ターボエキスパンダを通って流れる。
本発明の１つの可能性によると、予備冷却及び／又は冷却ステージからの流体の第１部分は、アキュムレータによって送出される流体との熱交換を行う。
好ましくは、予備冷却及び／又は冷却ステージからの流体は、インターフェースからの流体及び／又は予備冷却及び／又は冷却ステージからの流体の第２部分との熱交換を行う。
有利には、予備冷却及び／又は冷却ステージからの流体の第２及び／又は第３部分は、インターフェースからの流体との熱交換を行う。
本発明の１つの可能性によると、予備冷却及び／又は冷却ステージからの流体の第２部分は、膨張弁によって膨張する。
好ましくは、予備冷却及び／又は冷却ステージからの流体の第１部分は、前記膨張弁からの流体の第１フラクションとの熱交換を行う。
本発明の１つの特徴によると、膨張弁からの流体の第２フラクションは、アキュムレータを補給するように適合させられている。
有利には、アキュムレータにより送出された流体は、予備冷却及び／又は冷却ステージへと戻される。
更に、本発明は、前記方法を実施するための、ヘリウムなどの流体を冷却する設備であって、消費者に流体を供給するように及びこの消費者から流体を回収するようにそれぞれ適合させられた流体引入れ及び引出し部材を備えたインターフェースと、このインターフェースからの流体を圧縮するためのステージと、前記インターフェースからの流体及び／又は前記圧縮ステージからの流体を予備冷却及び／又は冷却するための少なくとも１つのステージとを具備しており、この設備は、前記予備冷却及び／又は冷却ステージを前記インターフェースの前記流体引入れ部材へと接続した供給ラインと、前記流体引出し部材を前記インターフェースから前記予備冷却及び／又は冷却ステージへと接続した排出ラインと、前記供給ラインを少なくとも１つのバイパス弁を介して前記排出ラインへと接続した第１バイパスラインとを含んだダンピングステージ（un etage d'amortissement）を備えており、このダンピングステージは、前記供給ラインを前記排出ラインへと接続した第２バイパスラインを更に備えており且つアキュムレータが備え付けられており、前記アキュムレータからの流体と前記供給ライン内を流れる流体との間で熱交換を行うように、第１熱交換器が設置されている設備に関する。
本発明の１つの特徴によると、供給ラインは、第１バイパスラインの上流に設置されたターボエキスパンダが備え付けられている。
有利には、供給ラインは、排出ラインと供給ラインとの間で熱交換を行うために、ターボエキスパンダの上流に設置された第２熱交換器が備え付けられている。
本発明の１つの可能性によると、供給ラインは、排出ラインと供給ラインとの間での熱交換を行うために、ターボエキスパンダの下流に設置された第３熱交換器が備え付けられている。
好ましくは、第１バイパスラインは、供給ラインを、そのターボエキスパンダと第３熱交換器との間の位置で、排出ラインであって第３熱交換器と第２熱交換器との間の位置に接続している。
本発明の代わりの態様によると、第１バイパスラインは、供給ラインを、そのターボエキスパンダと第３熱交換器との間の位置で、排出ラインであって第２熱交換器と予備冷却及び／又は冷却ステージとの間の位置に接続しており、第１バイパスラインは第２熱交換器を貫いており、この第２熱交換器の下流にバイパス弁が設置されている。
本発明の他の代わりの態様によると、第１バイパスラインは、供給ラインを、その第３熱交換器の下流の位置で、排出ラインであって第２熱交換器と予備冷却及び／又は冷却ステージとの間の位置に接続しており、第１バイパスラインは、第３熱交換器及び第２熱交換器を連続して貫いており、且つ、第３熱交換器の上流に設置された第１バイパス弁と、第２熱交換器の下流に設置された第２バイパス弁とが備え付けられている。
本発明の１つの可能性によると、第２バイパスラインは、第３熱交換器とアキュムレータとの間に設置された膨張弁が備え付けられている。
好ましくは、ダンピングステージは、膨張弁からの流体の一部をバイパスするように適合させられた第３バイパスラインを含んでおり、この第３ラインは、第１熱交換器を貫いており且つ排出ラインに接続されている。
本発明の１つの特徴によると、内部に第１熱交換器が設置されているアキュムレータは、第１熱交換器を通過する流体とこのアキュムレータ内に収容されている流体との間での熱交換を行うように適合させられている。
有利には、インターフェースは、流体引入れ及び引出し部材が備え付けられたチャンバを備えており、供給ラインは、前記流体引入れ部材の上流に設置された被制御弁が備え付けられており、この弁は、例えば、チャンバ内の流体レベルのセンサによって制御される。
何れにせよ、本発明は、この方法及びこの流体冷却設備の３つの態様を例として示している添付の概略図と併せて、以下の説明から、明瞭に理解されるであろう。
予備冷却及び／又は冷却ステージからの流体の第１、第２及び第３部分は、予備冷却及び／又は冷却ステージからの流体全体のうちの少なくとも一部の選択的なバイパスによって得られる。
予備冷却及び／又は冷却ステージからの流体の第２部分は、インターフェース（流体の第１部分）及び／又はアキュムレータ（流体の第３部分）に選択的に供給するように適合させられた予備冷却及び／又は冷却ステージからの流体の一部の選択的なバイパスによって得られる（即ち、流体の第２部分は、圧縮ステージからの流体全体から差し引かれる（est retranchee）)。
予備冷却及び／又は冷却ステージからの流体の第３部分は、インターフェース（１）に選択的且つ直接的に供給するように適合させられた予備冷却及び／又は冷却ステージからの流体の一部の選択的なバイパスによって得られる（即ち、流体の第３部分は、流体の第１部分から差し引かれる）。
アキュムレータは、例えば、減圧下にある断熱極低温タンク、例えば予備冷却及び／又は冷却ステージに収容されたタンクを含んでいる。
本発明に係るヘリウム冷却設備を図１に示す。
特に図２に示したように、この設備は、消費者に流体を供給するように及びこの消費者から流体を回収するようにそれぞれ適合させられた流体引入れ口及び引出し口２、３が備え付けられたコールドボックス又はチャンバの形態のインターフェース１を備えている。
特に図２に示したように、この設備は、消費者に流体を供給するように及びこの消費者から流体を回収するようにそれぞれ適合させられた流体引入れ口及び引出し口２、３が備え付けられたコールドボックス又はチャンバの形態のインターフェース１を備えている。
コールドボックス１は、例えば、制御核融合リアクタの超電導素子を冷却するための循環路からなる消費者用として意図された流体との熱負荷の交換を行う役割を果たす。
この設備は、インターフェース１からの流体を圧縮するためのステージ４と、流体予備冷却ステージ５と、冷却ステージ６とを備えている。
これらステージは、従来技術から知られており、それ故、以下では、簡潔な説明のみとする。
圧縮ステージ４は、後段のステージからの、即ち、予備冷却ステージ５からのヘリウムを圧縮し、このヘリウムを周囲温度へと加熱する役割を果たす。
高圧の、即ち１５乃至２０ｂａｒの圧力のヘリウムは、予備冷却ステージ５へと運ばれ、そこで、例えばろう付けアルミニウムプレートタイプの熱交換器７、８において、後段のステージからの、即ち冷却ステージ６からの低温ヘリウムによって冷却される。
この予備冷却は、液体窒素との熱交換によって補われてもよい。
この予備冷却は、液体窒素との熱交換によって補われてもよい。
ヘリウムの冷却は、冷却ステージ６において、上述のタイプの複数の熱交換器を介して及び並列に配置された極低温ターボエキスパンダ９によって継続する。ターボエキスパンダ９毎に先の高圧ヘリウム流の一部が抜き取られて、サイクルの中程度の圧力へと膨張させられる。本発明の１つの可能性によると、ターボエキスパンダ９の数は、１つの高出力冷却設備に対し、２乃至４の間で多様である。予備冷却ステージは、ヘリウムを、約２０ケルビンの温度で、後段のステージへ、即ちダンピングステージ１０へと運ぶ。
ここで、ダンピングステージ１０を、図２乃至４を用いてより詳細に説明する。
このステージ１０は、内部で低温流体が冷却ステージ６からインターフェース１へと流れる供給ライン１１と、高温流体（le fluid chaud）をインターフェース１から冷却ステージ６へと運ぶための排出ライン１２とを備えている。
このステージ１０は、内部で低温流体が冷却ステージ６からインターフェース１へと流れる供給ライン１１と、高温流体（le fluid chaud）をインターフェース１から冷却ステージ６へと運ぶための排出ライン１２とを備えている。
供給ライン１１内を流れるヘリウムは、その流れ方向に、第２熱交換器１３と、制御弁１４と、ターボエキスパンダ１５と、第３熱交換器１６と、第１熱交換器１７と、例えばチャンバ１内のヘリウムレベルのセンサ１９によって制御される弁１８とを連続的に通過する。
排出ライン１２内を流れるヘリウムは、その流れ方向に、第３熱交換器１６と、第２熱交換器１３とを連続的に通過し、その後、冷却ステージ６へと送られる。
ダンピングステージ１０は、流体を、ターボエキスパンダ１５から、排出ライン１２であって第２及び第３熱交換器１３、１６間の位置へと送るための第１バイパスライン２１を更に備えている。第１バイパスライン２１は、例えば圧力トランスデューサ２３によって制御されるバイパス弁２２が備え付けられている。このトランスデューサ２３により、フィードライン１１上であって、ターボエキスパンダ１５の下流であり且つ第３熱交換器１６の上流の位置で圧力が測定される。
第２バイパスライン２４は、第３熱交換器１６からの流体の一部をバイパスする役割を果たす。第２ライン内を流れるヘリウムは膨張弁２５を通過し、この弁２５からのヘリウム流の一部はアキュムレータ２６へと送られ、他の一部は、第１熱交換器１７を通過し、次に、排出ライン１２であって、弁２０と第３熱交換器１６との間の位置へと移動させられる。
また、アキュムレータ２６内に貯蔵された流体は、第１熱交換器１７へと送られ、次に、排出ライン１２であって、弁２０と第３熱交換器１６との間の位置へと送られる。
アキュムレータ２６は、液体の形態にあり、また、気体の形態にもあるヘリウムを収容するように適合されている。排気ライン２７は、排出ライン１２であって、その第３熱交換器１６の上流の位置へとガスを移動させる役割を果たす。
熱交換器１３、１６、１７は、それらを通過する流体を冷却又は加熱するために使用され、高温流体及び低温流体は、これら熱交換器の各々において、互いに向流となるように配置される。かくして、供給ライン１１内を流れるヘリウムは、それが第２、第３及び第１熱交換器１３、１６、１７を通過するときに、連続して冷却される。同様に、排出ライン１２内を流れるヘリウムの温度は、それが第２及び第３熱交換器１３、１６を通過するときに上昇し、第２バイパスライン２４又はアキュムレータ２６からのヘリウムの温度は、それが第１熱交換器１７を通過するときに上昇する。
ダンピングステージの動作は、以下の通りである。
消費者によって吸収される熱負荷が低い場合、被制御バイパス弁２２は、ターボエキスパンダ１５からの流体の大部分が冷却ステージ６へと送り戻されるように、主に（majoritairement）開いている。
消費者によって吸収される熱負荷が低い場合、被制御バイパス弁２２は、ターボエキスパンダ１５からの流体の大部分が冷却ステージ６へと送り戻されるように、主に（majoritairement）開いている。
低温ヘリウム流の小部分は、供給ライン１１によって、インターフェース１へと移動させられる。上述した流れの前記部分からの或る量のヘリウムは、アキュムレータ２６内に貯蔵され、残部は排出ライン１２へと送られる。
消費者によって吸収される熱負荷が高い場合、バイパス弁２２は、流体の殆どがインターフェース１へと送られるように、主に閉じている。これは、消費者がインターフェース１において利用可能な熱負荷を増やすという効果を有している。更に、アキュムレータ２６によって貯蔵された低温流体は、インターフェース１へと送られるライン１１内の流体を冷却すべく、送出され、第１熱交換器１７を通過して、消費者へと供給される熱負荷をそれに応じて増やす。
本発明の代わりの態様が図３に示されており、ここでは、第１バイパスライン２１及びバイパス弁２２の位置のみが変更されている。この代替案では、第１バイパスライン２１は、供給ライン１１を、そのターボエキスパンダ１５と第３熱交換器１６との間の位置で、排出ライン１２であって第２熱交換器１３と冷却ステージ６との間の位置へと接続しており、第１バイパスライン２１は第２熱交換器１３を貫いており、バイパス弁２２は第２熱交換器１３の下流に設置されている。
この態様は、第２熱交換器１３の効率の低下を避けるのに役立つ。実際、熱交換器の効率は、液相と気相とを有している流体の通過中に低下し易い。バイパス弁２２は、それを通過する流体の膨張とその結果としての冷却とを生じさせるので、バイパス弁２２の後段に位置する流体は、動作条件に応じて、二相の形態にあってもよい。熱交換器１３の下流にこのように設置された弁２２は、流体の状態が、それがこの熱交換器を通過する前に変化するのを回避する役割を果たす。
他の代わりの態様は、図４に示されている。この場合、第１バイパスライン２１は、供給ライン１１を、その第３熱交換器１６の下流の位置で、排出ライン１２であって第２熱交換器１３と冷却ステージ６との間の位置へと接続しており、この第１バイパスライン２１は、第３熱交換器１６と第２熱交換器１３とを連続して貫いており、第３熱交換器１６の上流に位置した第１バイパス弁２８と、第２熱交換器１３の下流に位置した第２バイパス弁２９とが備え付けられている。
第２及び第３熱交換器１３、１６は、一般に、同一の熱交換ユニットにおいて組み合わされている。それらバイパス弁のこの配置は、これら弁２８、２９を熱交換器の外側で接続し、熱交換器１３、１６の各々を通過する流体が二相の流体でないことを確実にしながら、より便利な設備を可能にするのに役立つ。
言うまでもないが、本発明は、例として先に説明した流体冷却方法又は設備の態様に限定されるものではなく、それどころか、全ての選択肢を包含するものである。それ故、特には、バイパス弁は、温度センサによって又は消費者の要求の代表的なパラメータを測定するあらゆる手段によって制御され得る。
Claims (15)
- 流体消費者に供給するためのヘリウムなどの流体を冷却する方法であって、前記流体は、圧縮ステージ（４）と、流体予備冷却及び／又は冷却ステージ（５、６）と、前記流体を前記消費者に供給し且つ前記消費者から前記流体を収集するためのインターフェース（１）とを連続的に循環するように流れ、前記予備冷却及び／又は冷却ステージからの流体の第１部分は前記インターフェース（１）へと送られ、前記予備冷却及び／又は冷却ステージからの前記流体の第２部分は、前記消費者が要求する熱負荷が低いか又は高いかに応じて、前記インターフェース（１）の上流にある前記予備冷却及び／又は冷却ステージ（５、６）へと選択的に送り戻され、前記インターフェース（１）の上流にある前記予備冷却及び／又は冷却ステージからの流体の第３部分は、連続的に、冷却され、アキュムレータ（２６）へと送られ、このアキュムレータは、前記流体を選択的に貯蔵するように適合されているか、又は、前記消費者が要求する前記熱負荷が低いか高いかに基づいて、前記インターフェース（１）へと送られる流体の前記第１部分を冷却するべく予め貯蔵されている或る量の流体を送出するように適合されており、前記流体の前記第１部分は、前記アキュムレータ（２６）を通過することなく、前記インターフェースへと直接送られることを特徴とする方法。
- 請求項１に記載の方法であって、前記予備冷却及び／又は冷却ステージ（５、６）へと送り戻される流体の量は、例えば圧力トランスデューサ（２３）により制御される少なくとも１つのバイパス弁（２２）によって調節されることを特徴とする方法。
- 請求項１又は２に記載の方法であって、前記予備冷却及び／又は冷却ステージ（５、６）からの前記流体は、ターボエキスパンダ（１５）を通って流れることを特徴とする方法。
- 請求項１乃至３の何れか１項に記載の方法であって、前記予備冷却及び／又は冷却ステージ（５、６）からの前記流体の前記第１部分は、前記アキュムレータ（２６）が送出する前記流体との熱交換を行うことを特徴とする方法。
- 請求項１乃至４の何れか１項に記載の方法であって、前記予備冷却及び／又は冷却ステージ（５、６）からの前記流体の前記第２及び／又は第３部分は、前記インターフェース（１）からの前記流体との熱交換を行うことを特徴とする方法。
- 請求項４又は５に記載の方法であって、前記アキュムレータ（２６）は、前記流体の第１部分のフラクションを取り出す膨張弁（２５）によって膨張した流体が選択的に供給され、前記弁（２５）は、前記流体の第２部分の選択的リターンラインの下流に位置していることを特徴とする方法。
- 請求項１乃至６の何れか１項に記載の方法であって、前記アキュムレータ（２６）が送出する前記流体は、前記予備冷却及び／又は冷却ステージ（５、６）へと選択的に送り戻され得ることを特徴とする方法。
- 請求項１乃至７の何れか１項に記載の方法であって、前記消費者が要求する前記熱負荷は減少するか又はそれは相対的に低く、前記インターフェースへと送られる前記流体の前記第１部分は、一方では前記予備冷却及び／又は冷却ステージへと送り戻される前記流体の第２部分を、他方では前記アキュムレータへと送られる前記流体の第３部分を優先することによって減少させられ、前記消費者が要求する前記熱負荷が増加するか又はそれが相対的に高い場合には、前記予備冷却及び／又は冷却ステージへと及び前記アキュムレータへとそれぞれ送られる前記流体の第２及び第３部分は、前記インターフェースへと送られる前記流体の第１部分を優先することによって減少させられることと、前記流体の第１部分は、前記アキュムレータ（２６）を介して送出される流体によって選択的に増加させられることとを特徴とする方法。
- 請求項１乃至８の何れか１項に記載の方法であって、循環するように流れる前記流体の流量は、前記循環路において及び特には前記圧縮ステージにおいて実質的に一定に保たれることを特徴とする方法。
- 請求項１乃至９の何れか１項に記載の方法であって、前記流体の前記第１及び第３部分は、好ましくは固定分配器タイプの共通タービン（１５）において膨張させられ、前記流体の第３部分は、前記共通タービン（１５）の下流にある流体バイパスシステム（２５）によって得られることを特徴とする方法。
- 請求項１乃至１０の何れか１項に記載の方法を実施するための、ヘリウムなどの流体を冷却する設備であって、消費者に流体を供給するように及び前記流体を前記消費者から収集するようにそれぞれ適合されている流体引入れ及び引出し部材（２、３）が備え付けられたインターフェース（１）と、前記インターフェース（１）からの前記流体を圧縮するためのステージ（４）と、前記インターフェース（１）からの前記流体及び／又は前記圧縮ステージ（４）からの前記流体を予備冷却及び／又は冷却するための少なくとも１つのステージ（５、６）とを具備しており、前記設備は、前記予備冷却及び／又は冷却ステージ（５、６）を前記インターフェース（１）の前記流体引入れ部材（２）へと接続した供給ライン（１１）と、前記流体引出し部材（３）を前記インターフェース（１）から前記予備冷却及び／又は冷却ステージ（５、６）へと接続した排出ライン（１２）と、前記供給ライン（１１）を少なくとも１つのバイパス弁（２２）を介して前記排出ライン（１２）へと接続した第１バイパスライン（２１）とを備えたダンピングステージ（１０）を具備しており、前記ダンピングステージ（１０）は、前記供給ライン（１１）を前記排出ライン（１２）へと接続した第２バイパスライン（２４）を更に含み且つアキュムレータ（２６）が備え付けられており、前記アキュムレータ（２６）からの前記流体と前記供給ライン（１１）内を流れる前記流体との間で熱交換を行うように第１熱交換器（１７）が設置されている設備。
- 請求項１１に記載の設備であって、前記第１バイパスライン（２１）は、前記供給ライン（１１）を、その前記ターボエキスパンダ（１５）と第３熱交換器（１６）との間の位置で、前記排出ライン（１２）であって第２熱交換器（１３）と前記予備冷却及び／又は冷却ステージ（５、６）との間の位置に接続しており、前記第１バイパスライン（２１）は第２熱交換器（１３）を貫いており、前記第２熱交換器（１３）の下流にバイパス弁（２２）が設置されていることを特徴とする設備。
- 請求項１２に記載の設備であって、前記第２バイパスライン（２４）は、前記第３熱交換器（１６）と前記アキュムレータ（２６）との間に膨張弁（２５）が据え付けられていることを特徴とする設備。
- 請求項１３に記載の設備であって、前記ダンピングステージ（１０）は、前記膨張弁（２５）からの前記流体の一部をバイパスするように適合された第３バイパスラインを含んでおり、前記第３バイパスラインは前記第１熱交換器（１７）を貫き且つ前記排出ライン（１２）に接続されている設備。
- 請求項１１乃至１４の何れか１項に記載の設備であって、前記インターフェースは、流体引入れ及び引出し部材（２、３）が備え付けられたチャンバ（１）を備えており、前記供給ライン（１１）は、前記流体引入れ部材（２）の上流に位置した被制御弁（１８）が備え付けられており、前記弁（１８）は、例えば、前記チャンバ（１）内の流体レベルのセンサ（１９）によって制御されることを特徴とする設備。
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