JP7163378B2 - 冷凍装置及び方法 - Google Patents
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Description
-第1の圧縮ステージの電気駆動モータは出力軸を備え、その一方の端部は、第1の圧縮ステージを担持し、直接結合によりそれを回転させ、その他方の端部は、直接結合によりタービンによって回転され、
-2つのモータは同一又は類似であり、
-冷却機構は、第1の圧縮ステージと第2の圧縮ステージとの間に位置し、第1の圧縮ステージを出る流体を、第2の圧縮ステージに入る前に冷却するための中間冷却交換器を備え、
-モータは高速モータ、すなわち、kWでの電力P×1分当たりの回転数での速度Nの2乗の積(P.N2)が5.1010~5.1012の間のモータであり、
-2つのモータの回転速度は同一であり、
-2つのモータの機械動力は同一であり、
-第2の圧縮ステージの駆動モータは、また、循環ポンプ又は1つ若しくは複数のモータの冷却液を循環させるために構成される追加の圧縮機も機械的に駆動し、
-2つの圧縮ステージはそれぞれ、圧縮機のエネルギー効率を最大化することによって特定される最適比速度を有する遠心圧縮機からなり、装置は、圧縮機の比速度を最適比速度の70%~130%の間、好ましくは80%~120%の間、更により好ましくは最適比速度の90%~110%の間に維持するよう構成され、
-2つの圧縮ステージは、圧縮機のエネルギー効率を最大化することによって特定される最適比速度をそれぞれが有する複数の遠心圧縮機からなり、各圧縮機は定義された体積流量及び定義された機械動力を有し、第2の圧縮機の体積流量に対する第1の圧縮機の体積流量の比は1.1~2.5の間であり、好ましくは1.8と等しく、第2の圧縮機を駆動する機械動力に対する第1の圧縮機を駆動する機械動力の比は1.1~2.5の間であり、好ましくは1.5と等しく、2つのモータの回転速度の比は0.5~1.5の間であり、好ましくは1と等しく、
-装置は、装置を制御するための電子ユニットを備え、データ格納及び処理のためのユニットを備え、電子制御ユニットはモータのうちの少なくとも1つを制御するために特に構成され、
-動作回路は閉じていることが好ましく、
-2つのモータは電気式のものであり、
-モータは、同じ電磁ステータ及び/又は同じ電磁ロータ及び/又は同じベアリング及び/又は同じ冷却システムを有し、
-冷却機構は、第2の圧縮ステージを出る流体をタービンに入る前に冷却するための、第2の圧縮ステージとタービンとの間に位置する少なくとも1つの冷却交換器を備え、
-冷却交換器の少なくとも1つは、タービンを出た後及び/又は冷却される構成要素との熱交換後、作動流体との熱交換も提供する向流交換器であり、
-第2の圧縮ステージの駆動モータは、第2の圧縮ステージを担持し、直接結合によりその回転を生じさせる出力軸を備え、
-1つ又は複数の膨張タービンは求心膨張を有する種類のものであり、
-モータの出力軸は磁気型又は気体力学型のベアリングに取り付けられ、前記ベアリングは圧縮機及びタービンをそれぞれ支持するために用いられ、
-加熱機構は、作動流体が冷却されるか又は加熱されるかに応じて向流で通過する共通の熱交換器を備え、
-作動回路は、作動流体の貯蔵のためのバッファタンクを形成するリザーバを備え、
-作動流体は気相状態にあり、ヘリウム、ネオン、窒素、酸素、アルゴン、一酸化炭素、メタン、又はその他の適切な流体からの純ガス又は純ガスの混合気からなり、
-作動流体は、回路内で逆エリクソン式の熱力学的作動サイクル(温度T、エントロピーS)に送られる。
-圧縮機の比速度は、それらの最適比速度の70%~130%の間、好ましくは80%~120%の間、更により好ましくは90%~110%の間に維持される。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
[1] 作動流体を含む作動回路(10)を備える-100℃~-273℃の間の低温冷凍用の装置であって、前記装置は、前記作動回路(10)内を循環する前記作動流体との熱交換によって、少なくとも1つの構成要素(15)から熱を抽出することを目的としており、前記作動回路(10)は、直列に編成される、好ましくは等エントロピー又は略等エントロピーの、前記流体の圧縮のための機構(13)と、好ましくは等圧又は略等圧の、前記流体を冷却するための機構と、好ましくは等エントロピー又は略等エントロピーの、前記流体の膨張のための機構(8)と、好ましくは等圧又は略等圧の、前記流体を加熱するための機構(9、6)とを備え、前記圧縮機構(13、4)は、遠心圧縮を有する種類のものであり、前記回路(10)内で直列に編成される2つの圧縮ステージ(13、4)、それぞれ第1の圧縮ステージ(13)及び第2の圧縮ステージ(4)からなっており、すなわち、前記装置は、それぞれが前記2つの圧縮ステージのうちの1つを構成する2つの圧縮機(13、4)のみを有し、前記装置は、前記2つの圧縮ステージ(13、4)それぞれの2つの電気駆動モータ(2、7)のみを備え、前記膨張機構は、前記圧縮ステージ(13、4)のうちの一方の前記モータ(2)に結合されるタービン(8)からなり、すなわち、前記装置は、前記膨張機構を構成する1つのみのタービン(8)を有し、前記膨張機構の前記タービン(8)は前記第1の圧縮ステージの前記駆動モータ(2)に結合されることを特徴とする、装置。
[2] 前記第1の圧縮ステージ(13)の前記電気駆動モータ(2)は出力軸を備え、その一方の端部は、前記第1の圧縮ステージ(13)を担持し、直接結合によりそれを回転させ、その他方の端部は、直接結合により前記タービン(8)を担持し、それによって回転されることを特徴とする、[1]に記載の装置。
[3] 前記2つのモータ(2、7)は同一又は類似であることを特徴とする、[1]又は[2]に記載の装置。
[4] 前記冷却機構は、前記第1の圧縮ステージ(13)と前記第2の圧縮ステージ(4)との間に位置し、前記第1の圧縮ステージ(13)を出る流体を、前記第2の圧縮ステージ(4)に入る前に冷却するための中間冷却交換器(3)を備えることを特徴とする、[1]~[3]のいずれか一項に記載の装置。
[5] 前記モータ(2、7)は高速モータ、すなわち、kWでの電力P×1分当たりの回転数での速度Nの2乗の積(P.N 2 )が5.10 10 ~5.10 12 の間のモータであることを特徴とする、[1]~[4]のいずれか一項に記載の装置。
[6] 前記2つのモータ(2、7)の前記回転速度は同一であることを特徴とする、[1]~[5]のいずれか一項に記載の装置。
[7] 前記2つのモータ(2、7)の前記機械動力は同一であることを特徴とする、[1]~[6]のいずれか一項に記載の装置。
[8] 前記第2の圧縮ステージ(4)の前記駆動モータ(7)は、また、循環ポンプ(14)又は1つ若しくは複数の前記モータ(2、7)の冷却液を循環させるために構成される追加の圧縮機も機械的に駆動することを特徴とする、[1]~[7]のいずれか一項に記載の装置。
[9] 前記2つの圧縮ステージ(13、4)はそれぞれ、前記圧縮機のエネルギー効率を最大化することによって特定される最適比速度を有する遠心圧縮機からなり、且つ、前記装置は、前記圧縮機(13、4)の前記比速度を前記最適比速度の70%~130%の間、好ましくは80%~120%の間、更により好ましくは前記最適比速度の90%~110%の間に維持するよう構成されることを特徴とする、[1]~[8]のいずれか一項に記載の装置。
[10] 前記2つの圧縮ステージ(13、4)は、前記圧縮機の前記エネルギー効率を最大化することによって特定される最適比速度をそれぞれが有する複数の遠心圧縮機からなり、各圧縮機は定義された体積流量(Q1、Q2)及び定義された機械動力(P1、P2)を有し、前記第2の圧縮機(4)の前記体積流量(Q2)に対する前記第1の圧縮機(13)の前記体積流量(Q1)の比(Q1/Q2)は1.1~2.5の間であり、好ましくは1.8と等しく、前記第2の圧縮機(4)を駆動する前記機械動力(P2)に対する前記第1の圧縮機(13)を駆動する前記機械動力(P1)の比(P1/P2)は1.1~2.5の間であり、好ましくは1.5と等しく、前記2つのモータの前記回転速度の比(w1/w2)は0.5~1.5の間であり、好ましくは1と等しいことを特徴とする、[1]~[9]のいずれか一項に記載の装置。
[11] 積:(w1/w2).(Q1/Q2) 0.5 .(Δhs2/Δhs1) 0.75 は、
-前記2つのモータの前記回転速度の前記比(w1/w2)と、前記第2の圧縮機(4)の前記体積流量(Q2)に対する前記第1の圧縮機(13)の前記体積流量(Q1)の前記比(Q1/Q2)の0.5乗と、
-前記圧縮が等エントロピーであると仮定した前記第1の圧縮機(13)の前記ステージを介するエンタルピーの増加に対する前記圧縮が等エントロピーであると仮定した前記第2の圧縮機(4)の前記ステージを介するエンタルピーの増加の前記比(Δhs2/Δhs1)の0.75乗との間が、0.70~1.30の間、好ましくは0.80~1.20の間、更により好ましくは0.90~1.10の間であることを特徴とする、[10]に記載の装置。
[12] 前記装置の電子制御ユニット(16)を備え、データ格納及び処理のためのユニットを備え、前記電子制御ユニット(16)は前記モータ(13、4)のうちの少なくとも1つを制御するために特に構成されることを特徴とする、[1]~[11]のいずれか一項に記載の装置。
[13] [1]~[12]のいずれか一項に記載の冷凍装置(1)を用いる冷熱源(15)の冷凍方法であって、熱交換が、前記膨張機構(8)を出た後に冷却される前記作動流体と、冷却される前記構成要素(15)との間で行われる方法。
[14] 前記圧縮機(13、4)の前記比速度は、それらの最適比速度の70%~130%の間、好ましくは80%~120%の間、更により好ましくは90%~110%の間に維持されることを特徴とする、[13]に記載の冷凍方法。
Claims (13)
- 作動流体を含む作動回路(10)を備える-100℃~-273℃の間の低温冷凍用の冷凍装置(1)であって、
前記冷凍装置は、前記作動回路(10)内を循環する前記作動流体との熱交換によって、少なくとも1つの構成要素(15)から熱を抽出することを目的としており、
前記作動回路(10)は、直列に編成される、前記作動流体の圧縮のための圧縮機構(13、4)と、前記作動流体を冷却するための冷却機構と、前記作動流体の膨張のための膨張機構(8)と、前記作動流体を加熱するための加熱機構(9、6)とを備え、
前記圧縮機構(13、4)は、遠心圧縮を有する種類のものであり、前記作動回路(10)内で直列に編成される2つの圧縮ステージ(13、4)である、それぞれ第1の圧縮ステージ(13)及び第2の圧縮ステージ(4)からなっており、すなわち、前記冷凍装置は、それぞれが前記2つの圧縮ステージのうちの1つを構成する2つの圧縮機(13、4)のみを有し、
前記冷凍装置は、前記2つの圧縮ステージ(13、4)のそれぞれの2つの電気駆動モータ(2、7)のみを備え、
前記膨張機構は、前記2つの圧縮ステージ(13、4)のうちの一方の前記電気駆動モータ(2)に結合されるタービン(8)からなり、すなわち、前記冷凍装置は、前記膨張機構を構成する1つのみのタービン(8)を有し、前記膨張機構の前記タービン(8)は前記第1の圧縮ステージの前記電気駆動モータ(2)に結合されていることを特徴とする、冷凍装置(1)。 - 前記第1の圧縮ステージ(13)の前記電気駆動モータ(2)は出力軸を備え、その一方の端部は、前記第1の圧縮ステージ(13)を担持し、直接結合によりそれを回転させ、その他方の端部は、直接結合により前記タービン(8)を担持し、それによって回転されることを特徴とする、請求項1に記載の冷凍装置(1)。
- 前記2つの電気駆動モータ(2、7)は同一又は類似であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の冷凍装置(1)。
- 前記冷却機構は、前記第1の圧縮ステージ(13)と前記第2の圧縮ステージ(4)との間に位置し、前記第1の圧縮ステージ(13)を出る流体を、前記第2の圧縮ステージ(4)に入る前に冷却するための中間冷却交換器(3)を備えることを特徴とする、請求項1~3のいずれか一項に記載の冷凍装置(1)。
- 前記2つの電気駆動モータ(2、7)は高速モータ、すなわち、kWでの電力P×1分当たりの回転数での速度Nの2乗の積(P.N2)が5.1010~5.1012の間のモータであることを特徴とする、請求項1~4のいずれか一項に記載の冷凍装置。
- 前記2つの電気駆動モータ(2、7)の回転速度は同一であることを特徴とする、請求項1~5のいずれか一項に記載の冷凍装置(1)。
- 前記2つの電気駆動モータ(2、7)の機械動力は同一であることを特徴とする、請求項1~6のいずれか一項に記載の冷凍装置(1)。
- 前記第2の圧縮ステージ(4)の前記電気駆動モータ(7)は、また、循環ポンプ(14)又は1つ若しくは複数の前記電気駆動モータ(2、7)の冷却液を循環させるために構成される追加の圧縮機も機械的に駆動することを特徴とする、請求項1~7のいずれか一項に記載の冷凍装置(1)。
- 前記2つの圧縮ステージ(13、4)は、それぞれ前記圧縮機のエネルギー効率を最大化することによって特定される最適比速度を有する遠心圧縮機からなり、且つ、前記冷凍装置は、前記圧縮機(13、4)の前記最適比速度を前記最適比速度の70%~130%の間に維持するよう構成されていることを特徴とする、請求項1~8のいずれか一項に記載の冷凍装置(1)。
- 前記2つの圧縮ステージ(13、4)は、前記圧縮機のエネルギー効率を最大化することによって特定される最適比速度をそれぞれが有する複数の遠心圧縮機からなり、
各圧縮機は定義された体積流量(Q1、Q2)及び定義された機械動力(P1、P2)を有し、第2の圧縮機(4)の前記体積流量(Q2)に対する第1の圧縮機(13)の前記体積流量(Q1)の比(Q1/Q2)は1.1~2.5の間であり、
前記第2の圧縮機(4)を駆動する機械動力(P2)に対する前記第1の圧縮機(13)を駆動する機械動力(P1)の比(P1/P2)は1.1~2.5の間であり、
前記2つの電気駆動モータの回転速度の比(w1/w2)は0.5~1.5の間であることを特徴とする、請求項1~9のいずれか一項に記載の冷凍装置(1)。 - 前記冷凍装置は電子制御ユニット(16)を備え、データ格納及び処理のためのユニットを備え、前記電子制御ユニット(16)は前記電気駆動モータ(13、4)のうちの少なくとも1つを制御するために特に構成されていることを特徴とする、請求項1~10のいずれか一項に記載の冷凍装置(1)。
- 請求項1~11のいずれか一項に記載の冷凍装置(1)を用いる冷熱源(15)の冷凍方法であって、熱交換が、前記膨張機構(8)を出た後に冷却される前記作動流体と、冷却される前記構成要素(15)との間で行われる冷凍方法。
- 前記圧縮機(13、4)の最適比速度は、それらの最適比速度の70%~130%の間に維持されることを特徴とする、請求項12に記載の冷凍方法。
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