JPH05172413A - 冷却システム - Google Patents

冷却システム

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JPH05172413A
JPH05172413A JP33850791A JP33850791A JPH05172413A JP H05172413 A JPH05172413 A JP H05172413A JP 33850791 A JP33850791 A JP 33850791A JP 33850791 A JP33850791 A JP 33850791A JP H05172413 A JPH05172413 A JP H05172413A
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bearing
turbine
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flow passage
compressor
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JP33850791A
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Osamu Morioka
収 森岡
Koichi Shinkai
光一 新開
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Kobe Steel Ltd
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Kobe Steel Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 システム全体の構成を簡略化する。また、冷
凍サイクルにおける膨張タービンの入口側と出口側の差
圧の変動を防止する。 【構成】 冷凍サイクルEのタービン入口側流路39
を、循環サイクルDにおける熱交換器23,24,26
の高圧側流路を通る高圧ライン27に、タービン出口側
流路40を、同熱交換器23,24,26の低圧側流路
を通る低圧ライン31にそれぞれ接続するとともに、タ
ービン軸受ラインFの軸受入口側流路43を循環サイク
ルDにおける圧縮機出口側流路32に、軸受出口側流路
44を圧縮機入口側流路33にそれぞれ接続することに
より、循環サイクルDと冷凍サイクルEを、圧縮機21
を共用する形で結合した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は熱負荷を冷却する循環サ
イクルと、気体軸受形の膨張タービンで発生させた寒冷
を循環サイクルに寒冷として与える冷凍サイクルとを備
えた冷却システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、超伝導マグネット等の熱負荷を冷
却する冷却システムとして、一般に、図2に示すよう
に、熱負荷1を含む循環サイクルAと、これに寒冷を与
える冷凍サイクルBとを別々の系統として構成したブラ
イトンサイクルが採用されている。
【0003】このブライトンサイクルを簡単に説明す
る。
【0004】循環サイクルAの圧縮機2から出た冷媒と
しての窒素ガスは、コールドボックス3内に入り、第
1、第2両熱交換器4,5、液化窒素容器6内の第3熱
交換器7の各高圧側流路を通る高圧ライン8を流れる。
【0005】そして、この窒素ガスは、ジュール・トム
ソン弁9によりその大部分が液化した後、液化窒素容器
6内の第4熱交換器10、コールドボックス11内の熱
負荷1、液化窒素容器6のガス室6a、第2および第1
両熱交換器5,4の各低圧側流路を通る低圧ライン12
を経て圧縮機2に戻る。
【0006】一方、この循環サイクルAに寒冷を与える
冷凍サイクルBは、圧縮機13と、気体軸受形の膨張タ
ービン14を備え、この膨張タービン14で発生した寒
冷(液化窒素)が熱交換器4,5に供給される。
【0007】また、圧縮機13から出た窒素ガスは、タ
ービン軸受ラインCにも供給され、膨張タービン14の
気体軸受15に送られて軸受ガスとしての役割を果た
す。
【0008】図中、16は膨張タービン14に連結され
た負荷ブレーキ、17,18は循環、冷凍両サイクル
A,Bに設けられたタンクである。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】ところが、このように
循環サイクルAと冷凍サイクルBとを別系統とした従来
の冷却システムによると、両サイクルA,Bのそれぞれ
に圧縮機2,13が必要となり、これに伴って熱交換器
流路(配管)や、バルブ等の各種付属部品も多くなるた
め、システム全体の構成が大がかり、かつ、複雑となっ
てコストが高くつくとともに、機器類が多くなる分、故
障も多くなり、信頼性が低下する等の欠点があった。
【0010】そこで本発明は、全体構成を簡略化するこ
とができる冷却システムを提供するものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、圧縮
機から出た冷媒ガスを熱交換器により低温化させて熱負
荷に供給する循環サイクルと、気体軸受形の膨張タービ
ンで発生させた寒冷を上記循環サイクルに供給する冷凍
サイクルと、上記膨張タービンの気体軸受に軸受ガスを
供給するタービン軸受ラインとを備え、上記冷凍サイク
ルのタービン入口側流路を、上記循環サイクルにおける
熱交換器の高圧側流路を通る高圧ラインに、タービン出
口側流路を、同熱交換器の低圧側流路を通る低圧ライン
にそれぞれ接続するとともに、上記タービン軸受ライン
の軸受入口側流路を循環サイクルにおける圧縮機出口側
流路に、軸受出口側流路を圧縮機入口側流路にそれぞれ
接続してなるものである。
【0012】請求項2の発明は、請求項1の構成におい
て、循環サイクルにおける圧縮機入口側流路と出口側流
路とを結ぶバイパス流路に設けられたバイパス弁と、タ
ービン軸受ラインの軸受出口側流路に設けられた軸受出
口弁と、タービン軸受ラインの軸受出口側流路と圧縮機
入口側流路との接続点よりも上流側において圧縮機入口
側流路に設けられた圧縮機入口弁と、圧縮機入口側圧力
を検出する圧力検出手段と、この圧力検出手段によって
検出された圧力値に基づいて基準値に対する圧力変動が
平滑化される方向に上記バイパス弁、軸受出口弁および
圧縮機入口弁の開度を制御するコントローラとを具備し
てなるものである。
【0013】
【作用】請求項1の構成によると、圧縮機から出た冷媒
ガスが循環サイクル、冷凍サイクル、タービン軸受ライ
ンに並行して送られ、循環サイクルでは熱負荷を冷却
し、冷凍サイクルでは膨張タービンで寒冷を発生させて
循環サイクルに送り、タービン軸受ラインでは軸受ガス
として機能した後、合流して圧縮機に戻る。
【0014】すなわち、一つの圧縮機を循環サイクルと
冷凍サイクルとに共用することができる。このため、圧
縮機とそれに付随する流路、関連機器類を減少させて全
体構成を簡略化することができる。
【0015】ところが、ここに一つの問題が生じる。
【0016】循環サイクルにおいては、周知のように熱
負荷の変動によって低圧ラインに圧力変動が発生し易
い。ここで、循環サイクルと冷凍サイクルとを結合した
上記構成によると、循環サイクルの低圧ラインに発生し
た圧力変動が配管を通じてタービン軸受ラインの出口側
にも伝えられる。
【0017】この圧力変動が大きくなると、これによっ
てタービン軸受の入口側と出口側の差圧も大きく変動す
るため軸が振動し、軸が軸受と接触して損傷するおそれ
が生じる。
【0018】この点、請求項2の構成によると、圧力検
出手段で検出された圧力値に基づき、コントローラによ
って、たとえば循環サイクルにおける低圧ラインの圧力
上昇時には圧縮機入口弁を閉じ方向に、バイパス弁およ
び軸受出口弁を開き方向にそれぞれ制御することによ
り、タービン軸受の出口側圧力の上昇(差圧の減少)を
抑えることができる。
【0019】一方、循環サイクルの圧力下降時には、逆
に圧縮機入口弁を開き方向に、バイパス弁および軸受出
口弁を閉じ方向にそれぞれ制御することにより、タービ
ン軸受の出口側圧力の下降(差圧の増加)を抑えること
ができる。
【0020】こうして、タービン軸受の差圧の大きな変
動を抑えることができるため、循環サイクルと冷凍サイ
クル(タービン軸受ライン)を一系統に統合することに
よる弊害であるタービン軸受の損傷を確実に防止するこ
とができる。
【0021】
【実施例】本発明の実施例を図1によって説明する。
【0022】21は循環サイクルDと冷凍サイクルEと
に共用される圧縮機で、この圧縮機21から出た冷媒と
しての窒素ガスは、循環サイクルDにおいて、基本的に
は従来同様、コールドボックス22内で第1熱交換器2
3、第2熱交換器24、液化窒素容器25内の第3熱交
換器26の各高圧側流路を通る高圧ライン27を流れ
る。
【0023】この窒素ガスは、ジュール・トムソン弁2
8で液化された後、再び液化窒素容器25内に入り、第
3熱交換器26の低圧側流路、コールドボックス29内
の熱負荷30、液化窒素容器25内のガス室25a、第
2熱交換器24、第1熱交換器23の各低圧側流路を通
る低圧ライン31を経て圧縮機21に戻る。
【0024】この循環サイクルDにおいて、圧縮機出口
側(吐出側)流路32と入口側(吸込み側)流路33と
の間にバイパス流路34が設けられ、このバイパス流路
34にバイパス弁35が設けられている。
【0025】また、圧縮機入口側流路33に、圧縮機入
口弁36と、この圧縮機入口弁33の上流側の圧力(第
1熱交換器22の出口圧力)を検出する圧力計37とが
設けられている。
【0026】一方、気体軸受形タービン38を備えた冷
凍サイクルEにおけるタービン入口側流路39は、この
循環サイクルDの高圧ライン27における第1熱交換器
23の出口に接続され、タービン出口側流路40は循環
サイクルDの低圧ライン31における第2熱交換器24
の入口に接続されている。
【0027】こうして、圧縮機21から出た窒素ガスの
一部が冷凍サイクルEに流入し、膨張タービン38での
断熱膨張により低温化した後、循環サイクルDに外部寒
冷として供給され、低圧ライン31を通って圧縮機21
に戻される。
【0028】41は膨張タービン38の気体軸受、42
は同タービン33に連結された負荷ブレーキである。
【0029】一方、タービン軸受ラインFにおける軸受
入口側流路43は、循環サイクルDにおける圧縮機21
の出口側(吐出側)流路32に、軸受出口側流路44は
同サイクルDにおける圧縮機21の入口側(吸込み側)
流路33にそれぞれ接続され、圧縮機21から出た窒素
ガスのさらに一部が軸受ガスとしてタービン軸受41に
供給されるように構成されている。
【0030】また、このタービン軸受ラインFにおい
て、軸受出口側流路44に、軸受出口弁45と、循環サ
イクルDの低圧ライン31から同流路44に伝えられる
圧力変動を弱める役割を果たすバラストタンク46とが
設けられている。
【0031】なお、47はタービン軸受ラインFの入口
側流路43に設けられたバッファタンクで、停電等の電
源系のトラブルによって圧縮機21が非常停止した場合
に、タービン38が停止するまでの短時間、軸受41へ
の軸受ガスの供給を継続する役割を果たす。
【0032】上記バイパス弁35、圧縮機入口弁36、
軸受出口弁45は、それぞれ電気信号によって作動する
駆動部35a,36a,45aを備えた遠隔操作弁とし
て構成され、コントローラ48により、この駆動部35
a,36a,45aを通じて開度制御される。
【0033】コントローラ48には、圧力計37で検出
された圧力値の信号が入力され、この圧力値が、予め設
定された基準値よりも上昇または下降する圧力変動が生
じた場合に、この圧力変動を平滑化する方向に各弁3
5,36,45を制御する。
【0034】すなわち、検出された圧力値が基準値を超
える場合(圧力上昇時)には、コントローラ48によ
り、この超える値に応じて、 バイパス弁35が開き方向に、 圧縮機入口弁36が閉じ方向に、 軸受出口弁45が開き方向に、 それぞれ制御される。
【0035】こうして、の動作により、圧縮機21か
ら出た窒素ガスが循環サイクルDに向かう流れと、バイ
パス流路34を介してそのまま圧縮機入口に戻る流れと
に分流されるため、循環サイクル全体の流量が減少し、
これによって低圧ライン31の圧力上昇が抑えられる。
【0036】また、の動作により、圧縮機入口側流路
33の圧力が低下するとともに、の動作により、軸受
出口側流路44の圧力が低下する。
【0037】この結果、膨張タービン38の出口圧の上
昇が抑えられ、上昇した低圧ライン31の圧力がそのま
まタービン38の軸受出口に伝わって軸受41の差圧が
所定値(気体軸受作用を果たすのに十分な値)よりも小
さくなるという事態が防止される。
【0038】一方、逆に低圧ライン31の圧力が基準値
よりも低下した場合にも、軸受の差圧が所定値よりも大
きくなるおそれが生じるため、各弁35,36,45が
上記と逆方向に制御される。
【0039】
【発明の効果】上記のように本発明によるときは、一つ
の圧縮機を循環サイクルと冷凍サイクルで共用する形で
両サイクルを結合したから、圧縮機とそれに付随する流
路、関連機器類を減少させて全体構成を簡略化すること
ができる。このため、システム全体のコストを安くでき
るとともに、機器類が少なくなる分、故障も少なくな
り、信頼性を向上させることができる。
【0040】また、請求項2の発明によるときは、循環
サイクルにおける圧縮機の入口側流路と出口側流路とを
結ぶバイパス流路にバイパス弁、タービン軸受ラインの
軸受出口側流路に軸受出口弁、タービン軸受ラインの軸
受出口側流路と圧縮機入口側流路との接続点よりも上流
側において圧縮機入口側流路に圧縮機入口弁をそれぞれ
設けるとともに、圧縮機の入口圧力を検出する圧力検出
手段を設け、循環サイクルの低圧ラインに基準値を超え
る圧力変動が生じた場合に、コントローラにより、この
圧力変動が平滑化される方向、すなわち、タービン軸受
の入口と出口の差圧の変動を抑制する方向に上記各弁の
開度を制御するように構成したから、循環サイクルと冷
凍サイクル(タービン軸受ライン)を一系統に統合する
ことによる弊害であるタービン軸受の損傷を確実に防止
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例にかかる冷却システムを示すフ
ローシートである。
【図2】従来の冷却システムを示すフローシートであ
る。
【符号の説明】
21 圧縮機 D 循環サイクル 23,23,26 循環サイクルの熱交換器 30 同熱負荷 27 同高圧ライン 31 同低圧ライン 34 同バイパス流路 35 同バイパス弁 36 圧縮機入口弁 37 圧力計 E 冷凍サイクル 38 膨張タービン 39 タービン入口側流路 40 タービン出口側流路 41 タービンの気体軸受 F タービン軸受ライン 43 同ラインの軸受入口側流路 44 同軸受出口側流路 45 軸受出口弁 48 コントローラ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧縮機から出た冷媒ガスを熱交換器によ
    り低温化させて熱負荷に供給する循環サイクルと、気体
    軸受形の膨張タービンで発生させた寒冷を上記循環サイ
    クルに供給する冷凍サイクルと、上記膨張タービンの気
    体軸受に軸受ガスを供給するタービン軸受ラインとを備
    え、上記冷凍サイクルのタービン入口側流路を、上記循
    環サイクルにおける熱交換器の高圧側流路を通る高圧ラ
    インに、タービン出口側流路を、同熱交換器の低圧側流
    路を通る低圧ラインにそれぞれ接続するとともに、上記
    タービン軸受ラインの軸受入口側流路を循環サイクルに
    おける圧縮機出口側流路に、軸受出口側流路を圧縮機入
    口側流路にそれぞれ接続してなることを特徴とする冷却
    システム。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の冷却システムにおいて、
    循環サイクルにおける圧縮機入口側流路と出口側流路と
    を結ぶバイパス流路に設けられたバイパス弁と、タービ
    ン軸受ラインの軸受出口側流路に設けられた軸受出口弁
    と、タービン軸受ラインの軸受出口側流路と圧縮機入口
    側流路との接続点よりも上流側において圧縮機入口側流
    路に設けられた圧縮機入口弁と、圧縮機入口側圧力を検
    出する圧力検出手段と、この圧力検出手段によって検出
    された圧力値に基づいて基準値に対する圧力変動が平滑
    化される方向に上記バイパス弁、軸受出口弁および圧縮
    機入口弁の開度を制御するコントローラとを具備してな
    ることを特徴とする冷却システム。
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