KR20130142201A - Cooling device for high temperature superconducting apparatus and operation method therefor - Google Patents

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Abstract

본 발명의 고온 초전도 기기의 냉각 장치(1)는 터보 압축기(2)와, 주열교환기(3)와, 팽창 터빈(4)과, 냉매 가스와 냉각액을 열교환시키는 부열교환기(5)와, 순환 펌프(7)와, 상기 냉각액의 온도를 측정하는 온도 측정 수단(10)과, 제1 폐유로(L1)와, 상기 냉각액을 순환시키는 제2 폐유로(L2)를 구비하고, 부열교환기(5)는 상기 냉매 가스가 병행으로 흐르는 경로를 갖고, 상기 냉매 가스가 서로 열교환하는 제1 열교환부(5a)와, 냉매 가스와 냉각액이 대향하도록 열교환하는 제2 열교환부(5b)를 갖는다.The cooling apparatus 1 of the high temperature superconducting apparatus of the present invention includes a turbo compressor 2, a main heat exchanger 3, an expansion turbine 4, a sub-heat exchanger 5 for heat-exchanging refrigerant gas and a cooling liquid, and circulation. A pump 7, a temperature measuring means 10 for measuring the temperature of the coolant, a first waste flow path L1, and a second waste flow path L2 for circulating the coolant include a sub-heat exchanger ( 5) has a path through which the refrigerant gas flows in parallel, and has a first heat exchange part 5a for exchanging the refrigerant gas with each other, and a second heat exchange part 5b for exchanging heat so that the refrigerant gas and the coolant face each other.

Description

고온 초전도 기기의 냉각 장치 및 그 운전 방법{COOLING DEVICE FOR HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTING APPARATUS AND OPERATION METHOD THEREFOR}COOLING DEVICE FOR HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTING APPARATUS AND OPERATION METHOD THEREFOR}

본 발명은 고온 초전도 기기의 냉각 장치 및 그 운전 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a cooling device for a high temperature superconducting device and a method of operating the same.

본원은 2012년 4월 13일에 일본에 출원된 특허출원 2012-092079호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2012-092079 for which it applied to Japan on April 13, 2012, and uses the content here.

고온 초전도(High Temperature Superconducting, 이하 「HTS」로 기재한다)를 이용한 변압기, 송전 케이블, 모터 등의 HTS 기기는 초전도 상태를 유지하기 위해 60∼80K 정도로 냉각될 필요가 있다. 초전도 상태를 유지하기 위해서는 냉각 시스템(냉동기)이 필요 불가결하고, 최근에는 2∼10㎾ 정도의 냉동 능력을 구비하는 냉동기가 필요로 되고 있다. HTS 기기는 예를 들면 액체 질소에 의해 냉각되고, 이 액체 질소는 서브쿨 상태로 액체 질소 순환 장치에 의해 순환된다. 액체 질소 순환 장치의 액체 질소는 냉동기에 의해 냉각된다.HTS devices such as transformers, power transmission cables, and motors using high temperature superconducting (hereinafter referred to as "HTS") need to be cooled to about 60 to 80K in order to maintain a superconducting state. In order to maintain a superconducting state, a cooling system (freezer) is indispensable, and in recent years, a refrigerator having a freezing capacity of about 2 to 10 kPa is required. The HTS apparatus is cooled by, for example, liquid nitrogen, which is circulated by the liquid nitrogen circulation device in a subcool state. The liquid nitrogen in the liquid nitrogen circulation device is cooled by the freezer.

서브쿨 상태란, 액체 온도가 그 포화 온도보다 낮은 상태를 말하고, 예를 들면, 대기압하의 액체 질소의 경우에는 비점(약 77K)에서 응고점(약 63K)까지의 온도인 액체 질소 상태를 말한다. 또한, 포화 온도란, 어느 액체의 압력이 그 포화 증기압과 동일해지는 온도를 말한다.The subcool state refers to a state in which the liquid temperature is lower than the saturation temperature. For example, in the case of liquid nitrogen under atmospheric pressure, it refers to a liquid nitrogen state having a temperature from the boiling point (about 77K) to the freezing point (about 63K). In addition, a saturation temperature means the temperature at which the pressure of a certain liquid is equal to the saturation vapor pressure.

HTS 기기에 요구되는 냉동기로는, 그 크기는 물론, 냉각 온도, 냉동 능력, 냉동 효율 등의 냉각 성능이 중요하다. GM 냉동기 또는 스털링 냉동기의 냉동 능력(60∼80K, 0.1∼0.6㎾)으로는 대응할 수 없다. 또한, 수㎾ 정도의 냉동 능력을 구비하는 GM 냉동기, 스털링 냉동기를 개발하는 것은 냉동기 내부에 설치되는 열교환기가 문제가 되어 개발이 곤란하다.As the freezer required for the HTS apparatus, not only its size but also its cooling performance such as cooling temperature, freezing capacity, and freezing efficiency is important. The freezing capacity (60-80 K, 0.1-0.6 kPa) of GM refrigerator or Sterling refrigerator is not applicable. In addition, the development of a GM refrigerator and a sterling refrigerator having a refrigeration capacity of several degrees is difficult due to a heat exchanger installed inside the refrigerator.

HTS 기기에 요구되는 냉동기로는, GM 냉동기 및 스털링 냉동기 외에, 브레이턴 사이클 냉동기(Brayton Cycle Refrigerator)가 있다.Refrigerators required for HTS appliances include Brayton Cycle Refrigerators, in addition to GM and Sterling refrigerators.

예를 들면, 특허문헌 1에 있는 바와 같이, 냉매 가스(동작 유체, 작동 유체)로서 네온 가스를 사용하고, 냉각액으로서 액체 질소를 사용한 브레이턴 사이클 냉동기가 개발되어 있다. 브레이턴 사이클 냉동기 내를 순환하는 네온 가스와, 액체 질소 순환 장치 내를 순환하는 액체 질소가 부열교환기에서 열교환함으로써, 액체 질소를 서브쿨 상태까지 냉각하고 있다.For example, as described in Patent Document 1, a Brayton cycle refrigerator using a neon gas as a refrigerant gas (a working fluid and a working fluid) and using liquid nitrogen as a cooling liquid has been developed. The neon gas circulating in the Brayton cycle freezer and the liquid nitrogen circulating in the liquid nitrogen circulating device exchange heat in the sub-heat exchanger, thereby cooling the liquid nitrogen to the subcool state.

또한, 액체 질소 순환 장치에 의해 액체 질소를 효율적으로 서브쿨 상태로 하기 위해서는, 부열교환기로서 플레이트 핀 열교환기를 이용하는 것이 바람직한 것으로 여겨진다. 플레이트 핀 열교환기이면 소형화도 가능하다.In addition, it is considered preferable to use a plate fin heat exchanger as the sub-heat exchanger in order to efficiently subcool the liquid nitrogen by the liquid nitrogen circulation device. The plate fin heat exchanger can be miniaturized.

일본 공개특허공보 2011-106755호Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-106755

그러나, 브레이턴 사이클 냉동기의 냉매인 네온 가스가 냉각액인 액체 질소의 응고점(63K)보다 낮아지면, 액체 질소가 부열교환기 내에서 응고되어, 부열교환기 내의 액체 질소 유로를 폐색시키는 문제가 있었다.However, when the neon gas as the refrigerant of the Brayton cycle refrigerator is lower than the freezing point 63K of the liquid nitrogen as the cooling liquid, the liquid nitrogen coagulates in the subheat exchanger, thereby blocking the liquid nitrogen flow path in the subheat exchanger.

액체 질소 순환 장치에 있어서, 피냉각체인 HTS 기기를 냉각하기 전에, 액체 질소 유로가 동결되지 않도록 가열 수단(예를 들면, 히터 등)을 설치하여, 액체 질소 온도를 응고점보다 높은 온도로 제어할 수도 있다. 그러나, 히터 등의 불필요한 설비를 필요로 하는 문제가 발생한다. 원래 히터 등의 불필요한 설비를 필요로 하는 것은 액체 질소를 지나치게 냉각하는 것으로, 즉 브레이턴 사이클 냉동기가 효율적으로 운전되지 않는 것이다.In the liquid nitrogen circulation device, a heating means (for example, a heater or the like) may be provided so that the liquid nitrogen flow path does not freeze before cooling the HTS device, which is the object to be cooled, and the liquid nitrogen temperature may be controlled to a temperature higher than the freezing point. have. However, a problem arises in that unnecessary equipment such as a heater is required. The original need for unnecessary equipment, such as heaters, is to overcool the liquid nitrogen, i.e. the Brayton cycle freezer does not operate efficiently.

또한, 이와 같이 액체 질소가 고화되는 상태가 생기면, HTS 기기의 운전 상태가 급격히 변화되었을 경우에 대응하여, 브레이턴 사이클 냉동기의 운전 변경을 적절히 실행할 수 없고, 그 결과, HTS 기기를 일정 온도로 냉각하기 위한 액체 질소 온도를 적절한 온도로 유지할 수 없는 문제가 있었다.In addition, if the state where the liquid nitrogen is solidified in this way, the operation change of the Brayton cycle freezer cannot be appropriately performed in response to the case where the operation state of the HTS device is changed rapidly, and as a result, the HTS device is cooled to a constant temperature. There was a problem in that the liquid nitrogen temperature to be maintained at an appropriate temperature could not be maintained.

본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 냉각액을 응고시키지 않고 서브쿨 상태로 하는 것이 가능하고, 피냉각체의 운전 상태가 급격히 변화되었을 경우에도 냉각액을 적절한 온도로 유지하는 것이 가능한 고온 초전도 기기의 냉각 장치 및 그 운전 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such a problem, and it is possible to make the subcool state without solidifying the cooling liquid and to maintain the cooling liquid at an appropriate temperature even when the operating state of the cooled object changes drastically. It is an object of the present invention to provide a cooling device and a driving method thereof.

이러한 과제를 해결하기 위해,To solve these challenges,

본 발명의 제1 양태는 냉매 가스를 압축·순환시키는 터보 압축기와,The first aspect of the present invention is a turbo compressor for compressing and circulating a refrigerant gas,

압축한 냉매 가스를 반환된 냉매 가스(압축하기 전의 냉매 가스)와의 열교환에 의해 냉각하는 주열교환기와,A main heat exchanger for cooling the compressed refrigerant gas by heat exchange with the returned refrigerant gas (refrigerant gas before compression);

냉각한 냉매 가스를 단열 팽창시키는 팽창 터빈과,An expansion turbine for thermally expanding and expanding the cooled refrigerant gas;

상기 팽창 터빈을 나온 극저온의 냉매 가스와 냉각액을 열교환시키는 부열교환기와,A sub-heat exchanger for heat-exchanging the cryogenic refrigerant gas and the cooling liquid exiting the expansion turbine,

상기 냉각액을 상기 부열교환기와 피냉각체 사이에서 순환시키는 순환 펌프와,A circulation pump for circulating the coolant between the sub-heat exchanger and the object to be cooled,

상기 냉각액의 온도를 측정하는 온도 측정 수단과,Temperature measuring means for measuring a temperature of the cooling liquid;

상기 부열교환기에서 열교환한 후의 냉매 가스를 상기 주열교환기를 개재하여 상기 터보 압축기로 순환시키는 순환 경로를 구성하는 제1 폐유로와, A first waste flow passage constituting a circulation path for circulating the refrigerant gas after the heat exchange in the sub-heat exchanger to the turbo compressor via the main heat exchanger;

상기 부열교환기에서 열교환한 후의 냉각액을 상기 순환 펌프로 순환시키는 순환 경로를 구성하는 제2 폐유로를 구비하고,A second waste flow passage constituting a circulation path for circulating the cooling liquid after the heat exchange in the sub-heat exchanger to the circulation pump,

상기 부열교환기는The subheat exchanger

상기 냉매 가스가 병행으로 흐르는 경로를 갖고, 상기 냉매 가스가 서로 열교환하는 제1 열교환부와,A first heat exchange part having a path in which the refrigerant gas flows in parallel, and wherein the refrigerant gas exchanges heat with each other;

상기 제1 열교환부에서 열교환된 냉매 가스와 상기 냉각액이 대향하도록 열교환하는 제2 열교환부를 갖는 고온 초전도 기기의 냉각 장치를 제공한다.Provided is a cooling apparatus for a high temperature superconducting device having a second heat exchanger configured to exchange heat between the refrigerant gas heat exchanged in the first heat exchanger and the cooling liquid.

또한, 본 발명의 제1 양태에 있어서는, 상기 온도 측정 수단이 상기 부열교환기에서 열교환된 후의 상기 냉각액의 온도를 측정하는 것이 바람직하다.Moreover, in the 1st aspect of this invention, it is preferable that the said temperature measuring means measures the temperature of the said cooling liquid after heat-exchanging in the said sub heat exchanger.

또한, 본 발명의 제1 양태에 있어서는, 상기 냉매 가스가 네온 가스, 헬륨 가스 및 네온 가스의 혼합 가스, 수소 및 네온 가스의 혼합 가스, 수소 및 헬륨 가스의 혼합 가스, 또는 네온 가스, 헬륨 가스 혹은 상기 혼합 가스에 불활성 가스를 혼합시킨 혼합 가스 중 어느 것인 것이 바람직하다.In addition, in the first aspect of the present invention, the refrigerant gas is a mixed gas of neon gas, helium gas and neon gas, a mixed gas of hydrogen and neon gas, a mixed gas of hydrogen and helium gas, or neon gas, helium gas or It is preferable that it is any of the mixed gas which mixed the inert gas with the said mixed gas.

또한, 본 발명의 제1 양태에 있어서는, 상기 냉각액이 액체 질소인 것이 바람직하다.Moreover, in 1st aspect of this invention, it is preferable that the said cooling liquid is liquid nitrogen.

또한, 본 발명의 제2 양태는 본 발명의 제1 양태의 고온 초전도 기기의 냉각 장치의 운전 방법으로서, Moreover, the 2nd aspect of this invention is an operation method of the cooling apparatus of the high temperature superconducting apparatus of the 1st aspect of this invention,

제2 폐유로 내의 냉각액이 서브쿨 상태가 되는 온도 범위가 되도록, 냉매 가스의 온도를 터보 압축기의 회전수에 의해 제어하는 고온 초전도 기기의 냉각 장치의 운전 방법을 제공한다.A method of operating a cooling apparatus of a high temperature superconducting device which controls the temperature of a refrigerant gas by the rotational speed of a turbo compressor so that the cooling liquid in a 2nd waste flow path becomes a subcool state.

또한, 본 발명의 제2 양태에 있어서는, 상기 제2 폐유로 내의 냉각액의 온도가 낮아졌을 경우에는 상기 터보 압축기의 회전수를 낮추는 것이 바람직하다.Moreover, in the 2nd aspect of this invention, when the temperature of the cooling liquid in a said 2nd waste flow path becomes low, it is preferable to reduce the rotation speed of the said turbo compressor.

또한, 본 발명의 제2 양태에 있어서는, 상기 제2 폐유로 내의 냉각액의 온도가 높아졌을 경우에는 상기 터보 압축기의 회전수를 높이는 것이 바람직하다.Moreover, in the 2nd aspect of this invention, when the temperature of the cooling liquid in a said 2nd waste flow path becomes high, it is preferable to raise the rotation speed of the said turbo compressor.

또한, 본 발명의 제2 양태에 있어서는, 제2 폐유로 내의 냉각액이 서브쿨 상태가 되는 온도 범위가 되도록, 상기 냉각액의 순환 유량을 상기 순환 펌프의 회전수에 의해 제어하고, 상기 순환 펌프의 회전수를 인버터 제어에 의해 제어하는 것이 바람직하다.Moreover, in the 2nd aspect of this invention, the circulation flow volume of the said cooling liquid is controlled by the rotation speed of the said circulation pump so that the cooling liquid in a 2nd waste flow path may become a subcool state, and the rotation of the said circulation pump is carried out. It is preferable to control the number by inverter control.

본 발명의 고온 초전도 기기의 냉각 장치에 의하면, 당해 냉각 장치 내에 제2 폐유로 내의 냉각액을 서브쿨 상태로 하기 위한 부열교환기를 설치하고, 당해 부열교환기 내의 제1 열교환부에서 제1 폐유로 내의 냉매 가스를 스스로 열교환시킴과 함께 제2 열교환부에서 제2 폐유로 내의 냉각액을 냉각하도록 했으므로, 부열교환기 내에서 냉각액을 응고시키는 경우가 없다.According to the cooling apparatus of the high temperature superconducting apparatus of the present invention, a subheat exchanger for subcooling the coolant in the second waste flow passage is provided in the cooling apparatus, and the first heat exchange part in the subheat exchanger is used in the first waste flow passage. Since the refrigerant gas is heat-exchanged by itself and the cooling liquid in the second waste flow path is cooled by the second heat exchanger, the cooling liquid is not solidified in the sub-heat exchanger.

또한, 본 발명의 고온 초전도 기기의 냉각 장치의 운전 방법에 의하면, 부열교환기의 출구측의 냉각액의 온도 변화에 따라서만, 제1 폐유로에 설치된 터보 압축기의 회전수를 제어하므로, 피냉각체의 급격한 운전 상태의 변동이 있는 경우에도 부열교환기 내에서 냉각액을 응고시키지 않고, 피냉각체를 적절히 효율적으로 냉각할 수 있다.Moreover, according to the operating method of the cooling device of the high temperature superconducting apparatus of this invention, since the rotation speed of the turbocompressor installed in the 1st waste flow path is controlled only according to the temperature change of the cooling liquid of the exit side of a subheat exchanger, the to-be-cooled body Even when there is a sudden change in the operating state, the cooled object can be cooled appropriately and efficiently without solidifying the cooling liquid in the sub-heat exchanger.

도 1은 본 발명의 일 실시형태인 고온 초전도 기기의 냉각 장치를 나타내는 계통도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태인 고온 초전도 기기의 냉각 장치에 이용하는 부열교환기를 나타내는 확대 계통도이다.
도 3은 본 발명을 적용한 브레이턴 사이클 냉동기의 냉동 능력과 부열교환기 출구에 있어서의 액체 질소 온도의 관계를 나타내는 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a system diagram which shows the cooling device of the high temperature superconducting apparatus which is one Embodiment of this invention.
FIG. 2 is an enlarged schematic diagram showing a sub-heat exchanger used for a cooling device of a high temperature superconducting device according to one embodiment of the present invention. FIG.
3 is a graph showing the relationship between the freezing capacity of the Brayton cycle refrigerator to which the present invention is applied and the liquid nitrogen temperature at the outlet of the sub-heat exchanger.

이하, 본 발명의 고온 초전도 기기의 냉각 장치를 적용한 일 실시형태인 냉동기에 대해서, 그 운전 방법과 함께 도면을 이용하여 자세하게 설명한다. 또한, 이하의 설명에서 이용하는 도면은 특징을 알기 쉽게 하기 위해서, 편의상 특징이 되는 부분을 확대하여 나타내는 경우가 있어, 각 구성 요소의 치수비 등이 실제 당해 장치와 동일하다고는 단정할 수 없다. 또한, 본 발명에 있어서, 「냉동기」와「냉각 장치」는 동일한 내용을 의미하고 있어, 동일한 부호 1이 부여되어 있다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the refrigerator which is one Embodiment which applied the cooling apparatus of the high temperature superconducting apparatus of this invention is demonstrated in detail using drawing with the operation method. In addition, the drawing used for the following description may expand and show the part which becomes a feature for convenience, and it cannot be concluded that the dimension ratio etc. of each component are the same as the said apparatus actually. In addition, in this invention, the "freezer" and the "cooling device" mean the same content, and the same code | symbol 1 is attached | subjected.

먼저, 본 실시형태의 냉동기의 구성에 대해 설명한다.First, the structure of the refrigerator of this embodiment is demonstrated.

도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 냉동기(1)와 피냉각체(6)의 조합은 터보 압축기(2), 주열교환기(3), 팽창 터빈(4), 부열교환기(5)가 설치된 제1 순환 경로(제1 폐유로)(L1)와, 부열교환기(5), 피냉각체(6), 순환 펌프(7), 온도 측정 수단(10)이 설치된 제2 순환 경로(제2 폐유로)(L2)를 구비하여 개략 구성되어 있고, 제1 순환 경로(L1) 내를 순환하는 냉매 가스와 제2 순환 경로(L2)를 순환하는 냉각액이 부열교환기(5)에서 열교환하게 되어 있다.As shown in FIG. 1, the combination of the refrigerator 1 and the to-be-cooled body 6 of this embodiment is the turbo compressor 2, the main heat exchanger 3, the expansion turbine 4, and the sub heat exchanger 5. The second circulation path (first waste passage) (L1) provided, the second heat exchanger (5), the to-be-cooled body (6), the circulation pump (7), and the temperature measuring means (10) are installed. 2, a waste flow path (L2) is roughly configured, and the refrigerant gas circulating in the first circulation path (L1) and the coolant circulating in the second circulation path (L2) are allowed to exchange heat in the sub-heat exchanger (5). It is.

보다 구체적으로는, 냉동기(1)는 터보 압축기(2), 주열교환기(3), 팽창 터빈(4), 부열교환기(5), 온도 측정 수단(10), 순환 펌프(7)를 구비하여 구성되어 있고, 냉동기(1)의 외부에 설치되어 있는 것은 피냉각체(6)만으로 되어 있다. 또한, 피냉각체(6) 이외의 냉동기(1)의 구성 요소는 전부 동일한 진공 용기(콜드 박스) 내에 수납되어 있다.More specifically, the refrigerator 1 includes a turbo compressor 2, a main heat exchanger 3, an expansion turbine 4, a subheat exchanger 5, a temperature measuring means 10, and a circulation pump 7. It is comprised and only the to-be-cooled body 6 is provided in the exterior of the refrigerator 1. As shown in FIG. In addition, all the components of the refrigerator 1 other than the to-be-cooled body 6 are accommodated in the same vacuum container (cold box).

또한, 본 실시형태의 냉동기(1)는 도 1에 나타내는 바와 같이, 터보 압축기(2)로 네온 가스 등의 냉매 가스를 단열 압축하여, 주열교환기(3)에서 고압측의 냉매 가스와 저압측의 반환된 냉매 가스가 열교환함으로써 고압측의 냉매 가스가 냉각되고, 이 냉각된 냉매 가스가 팽창 터빈(4)에서 단열 팽창함으로써 냉매 가스 자신이 극저온이 되고, 부열교환기(5)에서 극저온의 냉매 가스와 순환 펌프(7)로부터 송출된 액체 질소 등의 냉각액이 열교환함으로써 냉각액을 냉각하고, 이 냉각액으로 예를 들면 HTS 기기 등의 피냉각체(6)를 냉각하는 것이다.In addition, as shown in FIG. 1, the refrigerator 1 of this embodiment heat-compresses and compresses refrigerant gas, such as neon gas, by the turbo compressor 2, and the refrigerant gas of the high pressure side and the low pressure side of the main heat exchanger 3 are carried out. When the returned refrigerant gas exchanges heat, the refrigerant gas on the high pressure side is cooled, and the cooled refrigerant gas is thermally expanded in the expansion turbine 4 so that the refrigerant gas itself becomes cryogenic and the cryogenic refrigerant gas in the sub-heat exchanger 5. And a cooling liquid such as liquid nitrogen sent out from the circulation pump 7 cool the cooling liquid by heat exchange, and for example, the cooled object 6 such as an HTS apparatus is cooled by the cooling liquid.

냉매 가스로는, 질소보다 비점이 낮은 헬륨, 네온 또는 수소 및 그들의 혼합 가스, 혹은, 이들 가스에 약간의 질소나 아르곤 등의 불활성 가스를 혼합시킨 혼합 가스를 이용할 수 있다.As the refrigerant gas, helium, neon or hydrogen having a boiling point lower than nitrogen and a mixed gas thereof, or a mixed gas obtained by mixing some gases with an inert gas such as nitrogen or argon can be used.

또한, 냉각액으로는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 액체 질소를 이용할 수 있다.In addition, as a cooling liquid, although it does not specifically limit, For example, liquid nitrogen can be used.

제1 순환 경로(L1)는 냉매 가스를 압축하여 순환시키는 터보 압축기(2)와, 단열 압축된 냉매 가스를 반환된 냉매 가스와의 열교환에 의해 냉각하는 주열교환기(3)와, 냉각한 냉매 가스를 단열 팽창시키는 팽창 터빈(4)과, 팽창 터빈(4)으로부터 도출된 극저온의 냉매 가스와 냉각액을 열교환시키는 부열교환기를 개재하여, 터보 압축기(2)로 순환시키는 순환 경로이다.The first circulation path L1 includes a turbo compressor 2 for compressing and circulating refrigerant gas, a main heat exchanger 3 for cooling the adiabatic compressed refrigerant gas by heat exchange with the returned refrigerant gas, and the cooled refrigerant gas. Is a circulation path circulated to the turbocompressor 2 via an expansion turbine 4 for adiabatic expansion, and a sub-heat exchanger for heat-exchanging the cryogenic refrigerant gas and the cooling liquid derived from the expansion turbine 4.

터보 압축기(2)는 냉매 가스를 단열 압축하여 순환시키기 위해서 제1 순환 경로(L1)에 설치되어 있다. 본 실시형태에서는 1단식 터보 압축기를 예시하고 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 그 밖에, 인터쿨러 등을 구비한 2단식 터보 압축기로 해도 된다.The turbo compressor 2 is provided in the 1st circulation path L1 in order to adiabatic-compress and circulate a refrigerant gas. In this embodiment, although the one-stage turbo compressor is illustrated, it is not limited to this. In addition, it is good also as a two stage turbo compressor provided with an intercooler.

또한, 터보 압축기(2)는 인버터에 의해 구동되는 것을 이용해도 된다. 터보 압축기가 인버터에 의해 구동되는 경우에는 터보 압축기(2)의 출구측 압력이 소정의 값보다 높아졌을 때에, 인버터의 출력 주파수를 변경하여 터보 압축기(2)의 회전수를 적게 할 수 있다. 따라서, 터보 압축기(2)의 출구측 압력을 소정의 값 이하 로 유지하는 것이 가능하다. 이와 같이, 터보 압축기(2)가 인버터 제어할 수 있으면, 회전수를 바람직하게 제어할 수 있다. 또한, 인버터의 출력 주파수를 변경하여 터보 압축기(2)의 회전수를 크게 하면, 터보 압축기(2)의 출구측 압력을 높게 할 수 있다.In addition, the turbo compressor 2 may use what is driven by an inverter. When the turbo compressor is driven by the inverter, when the outlet side pressure of the turbo compressor 2 is higher than a predetermined value, the output frequency of the inverter can be changed to reduce the rotation speed of the turbo compressor 2. Therefore, it is possible to maintain the outlet side pressure of the turbocompressor 2 below a predetermined value. In this way, if the turbo compressor 2 can control the inverter, the rotation speed can be preferably controlled. Moreover, when the output frequency of an inverter is changed and the rotation speed of the turbo compressor 2 is made large, the outlet pressure of the turbo compressor 2 can be made high.

또한, 터보 압축기(2)의 출구측 후단에 열교환기를 설치해도 된다. 이 열교환기에서 터보 압축기(2)로부터 나온 고온의 냉매 가스를 대기 온도 근처까지 냉각할 수 있다. 예를 들면, 수랭식의 애프터 쿨러를 들 수 있다.In addition, a heat exchanger may be provided at the rear end of the outlet of the turbo compressor 2. In this heat exchanger, the hot refrigerant gas from the turbo compressor 2 can be cooled to near the ambient temperature. For example, a water-cooled after cooler is mentioned.

주열교환기(3)는 도 1에 나타내는 바와 같이, 제1 순환 경로(L1)에 있어서, 터보 압축기(2)와 팽창 터빈(4) 사이에 설치되어 있고, 터보 압축기(2)에 의해 단열 압축된 냉매 가스와 부열교환기(5)로부터 반환된 냉매 가스를 열교환함으로써, 터보 압축기(2)로부터 나온 냉매 가스를 냉각하는 것이다.As shown in FIG. 1, the main heat exchanger 3 is provided between the turbo compressor 2 and the expansion turbine 4 in the first circulation path L1, and is thermally compressed by the turbo compressor 2. The refrigerant gas from the turbo compressor 2 is cooled by heat-exchanging the refrigerant gas and the refrigerant gas returned from the sub-heat exchanger 5.

팽창 터빈(4)은 도 1에 나타내는 바와 같이, 제1 순환 경로(L1)에 있어서 주열교환기(3)의 후단에 설치되어 있어, 주열교환기(3)에 의해 냉각된 냉매 가스를 단열 팽창시켜 극저온의 냉매 가스로 하는 것이다. 또한, 팽창 터빈(4)은 터보 압축기(2)와 동일한 축에 설치하도록 하여 일체 구조로 해도 된다. 일체 구조로 함으로써, 팽창 터빈(4)과 터보 압축기(2)를 동작시키는 동력을 하나로 할 수 있으므로, 냉동기를 소형화할 수 있다.As shown in FIG. 1, the expansion turbine 4 is provided at the rear end of the main heat exchanger 3 in the first circulation path L1, and thermally expands and cools the refrigerant gas cooled by the main heat exchanger 3. Is refrigerant gas. In addition, the expansion turbine 4 may be provided on the same shaft as the turbo compressor 2 so as to have an integral structure. By having an integrated structure, since the power for operating the expansion turbine 4 and the turbo compressor 2 can be united, the refrigerator can be miniaturized.

또한, 팽창 터빈(4)의 출구 온도(도 2에 있어서의 점 1의 온도에 상당)는 냉매 가스의 종류에 의존하지만, 주열교환기와 부열교환기를 조합한 본원 발명의 냉각 장치에 있어서는, 55K∼65K의 범위 내인 것이 많다.In addition, although the outlet temperature (corresponding to the temperature of point 1 in FIG. 2) of the expansion turbine 4 depends on the type of refrigerant gas, in the cooling apparatus of the present invention in which the main heat exchanger and the sub-heat exchanger are combined, 55 K to Many are in the 65K range.

부열교환기(5)는 도 1에 나타내는 바와 같이, 제1 순환 경로(L1)에서 팽창 터빈(4)의 출구측에 설치되어 있고, 팽창 터빈(4)에 의해 극저온으로 된 냉매 가스와 피냉각체(6)를 냉각하는 냉각액이 열교환함으로써, 냉각액을 냉각하는 것이다.즉, 냉매 가스가 냉각액을 냉각함으로써, 피냉각체가 냉각된다.As shown in FIG. 1, the sub-heat exchanger 5 is provided at the outlet side of the expansion turbine 4 in the first circulation path L1, and is cooled by the expansion turbine 4 with the cryogenic gas and the cooled object. The cooling liquid for cooling the sieve 6 cools the cooling liquid by heat exchange. That is, the refrigerant to be cooled is cooled by the refrigerant gas cooling the cooling liquid.

순환 펌프(7)는 도 1에 나타내는 바와 같이, 제2 순환 경로(L2)에서 냉각액을 순환시키는 것이다.As shown in FIG. 1, the circulation pump 7 circulates the cooling liquid in the second circulation path L2.

또한, 도 1에 나타내는 바와 같이, 제2 순환 경로(L2)에는 부열교환기(5)로부터 유출되는 냉각액의 온도를 측정하기 위한 온도 측정 수단(10)이 설치되어 있다. 온도 측정 수단(10)으로는, 예를 들면, 열전대 등을 들 수 있다.1, the temperature measuring means 10 for measuring the temperature of the coolant which flows out from the sub-heat exchanger 5 is provided in the 2nd circulation path L2. As the temperature measuring means 10, a thermocouple etc. are mentioned, for example.

또한, 피냉각체(6)로는, 예를 들면, 초전도 송전 케이블, 초전도 변압기, 초전도 모터 등의 HTS 기기를 들 수 있다.Moreover, as the to-be-cooled body 6, HTS apparatuses, such as a superconducting power transmission cable, a superconducting transformer, and a superconducting motor, are mentioned, for example.

다음으로, 본 실시형태의 냉동기(1)의 운전 방법에 대해 설명한다.Next, the operation method of the refrigerator 1 of this embodiment is demonstrated.

우선, 제1 순환 경로(L1)에 있어서, 터보 압축기(2)에 의해 냉매 가스가 단열 압축된다. 다음으로, 냉매 가스는 주열교환기(3)에 도입되어, 부열교환기(5)로부터 반환된 냉매 가스(단열 압축되기 전의 냉매 가스)와 열교환된다. 이 때, 단열 압축된 냉매 가스는 65∼70K까지 냉각된다.First, in the first circulation path L1, the refrigerant gas is adiabaticly compressed by the turbo compressor 2. Next, the refrigerant gas is introduced into the main heat exchanger 3 to exchange heat with the refrigerant gas (refrigerant gas before thermal insulation compression) returned from the sub-heat exchanger 5. At this time, the adiabatic compressed refrigerant gas is cooled to 65 to 70K.

또한, 터보 압축기(2)로 단열 압축된 냉매 가스는 고온이 되기 때문에, 터보 압축기(2)의 후단에 열교환기를 설치하여, 냉매 가스를 대기 온도 근처까지 냉각해도 된다.In addition, since the refrigerant gas heat-insulated and compressed by the turbocompressor 2 becomes high temperature, a heat exchanger may be provided at the rear end of the turbocompressor 2 and the refrigerant gas may be cooled to near the ambient temperature.

다음으로, 팽창 터빈(4)에 있어서, 냉매 가스를 팽창 터빈(4)에 도입하는 압력(고압측 압력, 1∼2MPa)에서 팽창 터빈(4)으로부터 도출되는 압력(저압측 압력, 0.5∼1MPa)으로 단열 팽창시켜, 냉매 가스의 온도를 55∼65K까지 하강시킨다.Next, in the expansion turbine 4, the pressure (low pressure side pressure, 0.5 to 1 MPa) derived from the expansion turbine 4 at a pressure (high pressure side pressure, 1 to 2 MPa) for introducing refrigerant gas into the expansion turbine 4. ) Is adiabatically expanded to lower the temperature of the refrigerant gas to 55 to 65K.

다음으로, 팽창 터빈(4)에 의해 55∼65K까지 냉각된 냉매 가스는 부열교환기(5)에 도입되어 피냉각체(6)를 냉각하는 냉각액과 열교환된다. 이 때, 냉각액은 서브쿨 상태까지 냉각된다. 예를 들면, 액체 질소를 65K까지 냉각하는 경우, 냉매 가스 온도는 65∼70K 정도까지 상승한다.Next, the refrigerant gas cooled to 55 to 65K by the expansion turbine 4 is introduced into the sub-heat exchanger 5 and heat-exchanges with the cooling liquid for cooling the object to be cooled 6. At this time, the cooling liquid is cooled to a subcool state. For example, when cooling liquid nitrogen to 65K, refrigerant gas temperature rises to about 65-70K.

한편, 서브쿨 상태의 냉각액은 순환 펌프(7)에 의해 피냉각체(6)를 일정 온도로 유지하도록 제2 순환 경로(L2)를 순환한다. 또한, 서브쿨 상태의 냉각액의 온도 범위는 예를 들면, 대기압하의 액체 질소의 경우에는 비점(약 77K)으로부터 응고점(약 63K)까지의 온도가 된다. 또한, 피냉각체(6)를 냉각하는 냉각액의 온도를 온도 측정 수단(10)에 의해 상시 모니터해 둔다. 피냉각체(6)를 유지하는 온도는 HTS 기기에 따라 다소 상이하지만, 대부분 약 70K 정도로 냉각 유지하는 것이 많다.On the other hand, the coolant in the subcool state circulates through the second circulation path L2 so as to maintain the cooled object 6 at a constant temperature by the circulation pump 7. The temperature range of the subcooled cooling liquid is, for example, the temperature from the boiling point (about 77K) to the freezing point (about 63K) in the case of liquid nitrogen at atmospheric pressure. Moreover, the temperature of the cooling liquid which cools the to-be-cooled body 6 is always monitored by the temperature measuring means 10. FIG. Although the temperature to hold the to-be-cooled body 6 differs somewhat according to HTS apparatuses, in most cases, it maintains cooling about about 70K.

다음으로, 부열교환기(5)로부터 도출된 냉매 가스(반환된 냉매 가스)는 주열교환기(3)로 반환되어, 터보 압축기(2)에 의해 단열 압축된 냉매 가스와 열교환된다. 이 때, 부열교환기(5)로부터 도출된 냉매 가스(반환된 냉매 가스)의 온도는 대기 온도 근처까지 더욱 상승한다. 그 후, 부열교환기(5)로부터 도출된 냉매 가스(반환된 냉매 가스)는 터보 압축기의 입구측으로 반환된다.Next, the refrigerant gas (returned refrigerant gas) derived from the sub-heat exchanger (5) is returned to the main heat exchanger (3), and is heat-exchanged with the refrigerant gas thermally compressed by the turbo compressor (2). At this time, the temperature of the refrigerant gas (returned refrigerant gas) derived from the sub-heat exchanger 5 further rises to near the atmospheric temperature. Thereafter, the refrigerant gas (returned refrigerant gas) derived from the subheat exchanger 5 is returned to the inlet side of the turbo compressor.

이와 같이, 본 실시형태의 냉동기(1)에 설치된 제1 순환 경로(L1)에서는 냉매 가스가 순환하는 구성으로 되어 있어, 브레이턴 사이클을 구성하고 있다.Thus, in the 1st circulation path L1 provided in the refrigerator 1 of this embodiment, it is the structure which refrigerant gas circulates, and comprises the Brayton cycle.

또한, 부열교환기(5)에서 냉각 가스의 압력 손실이 큰 경우에는 제1 순환 경로(L1)에 있어서, 팽창 터빈(4)을 부열교환기(5)의 후단, 즉 주열교환기(3)의 전단에 설치하여, 1∼2MPa의 고압의 냉매 가스를 부열교환기(5)에 도입할 수도 있다. 이로써, 부열교환기(5)에서 냉각 가스의 압력 손실이 큰 경우여도 대응할 수 있다.When the pressure loss of the cooling gas is large in the sub-heat exchanger 5, the expansion turbine 4 is connected to the rear end of the sub-heat exchanger 5 in the first circulation path L1, that is, the main heat exchanger 3 It may be provided at the front end, and a refrigerant gas having a high pressure of 1 to 2 MPa may be introduced into the subheat exchanger 5. Thereby, even if the pressure loss of cooling gas is large in the subheat exchanger 5, it can respond.

다음으로, 본 실시형태의 부열교환기(5)에 대해서, 도 2에 기초하여 더욱 상세하게 설명한다.Next, the subheat exchanger 5 of this embodiment is demonstrated in more detail based on FIG.

도 2에 나타내는 바와 같이, 부열교환기(5) 내에는 냉매 가스가 흐르는 제1 순환 경로(L1)가 경로(L1a)와 경로(L1b)가 병행하도록(경로(L1a) 내의 냉매 가스와 경로(L1b) 내의 냉매 가스가 병행류가 되도록), 제1 열교환부(5a)가 형성되어 있다. 또한, 부열교환기(5) 내에는 냉각액이 흐르는 경로(L2a)가 냉매 가스가 흐르는 경로(L1b)와 대향하도록(경로(L1b)와 경로(L2a)가 대향류가 되도록), 제2 열교환부(5b)가 형성되어 있다.As shown in FIG. 2, in the sub-heat exchanger 5, the first circulation path L1 through which the refrigerant gas flows is parallel to the path L1a and the path L1b (the refrigerant gas in the path L1a and the path ( The first heat exchange part 5a is formed so that the refrigerant gas in L1b) may be parallel flow. Further, in the sub-heat exchanger 5, the second heat exchange part such that the path L2a through which the coolant flows is opposed to the path L1b through which the refrigerant gas flows (the path L1b and the path L2a are opposed to each other). (5b) is formed.

부열교환기(5) 내에 이러한 유로를 설치함으로써, 제1 열교환부(5a)의 병행류 부분에서는 냉매 가스끼리를 서로 열교환시켜, 팽창 터빈(4)에서 냉각된 냉매 가스의 온도를 냉각액의 응고점 이상까지 상승시킴과 함께, 제2 열교환부(5b)의 대향류 부분에서는 이 냉매 가스와 피냉각체(6)를 냉각시키는 냉각액(서브쿨 상태)을 열교환시켜, 냉각액을 냉각한다.By providing such a flow path in the sub-heat exchanger 5, in the parallel flow part of the 1st heat exchange part 5a, refrigerant gas exchanges with each other, and the temperature of the refrigerant gas cooled by the expansion turbine 4 is more than the freezing point of a cooling liquid. In addition, in the counter flow part of the 2nd heat exchange part 5b, the cooling liquid (subcool state) which cools this refrigerant gas and the to-be-cooled body 6 is heat-exchanged, and cools a cooling liquid.

즉, 부열교환기(5)에서는, 냉각액이 서브쿨 상태이면서 또한 응고점 이상의 상태로 냉매 가스와 냉각액이 열교환된다.That is, in the sub-heat exchanger 5, the refrigerant gas and the cooling liquid are heat-exchanged in a state where the cooling liquid is in a sub-cooling state and above the freezing point.

그런데, 도 1에 나타내는 바와 같이, 피냉각체(HTS 기기)(6)의 부하 변동·운전 변화에 의해, 냉각액의 온도가 변화한다. 이에 대해서, 본 실시형태의 냉동기(1)에 의하면, 부열교환기(5)의 후단(즉, 피냉각체(6)의 전단)에 온도 측정 수단(10)을 설치하고 있으므로, 피냉각체(6)를 냉각하는 냉각액의 온도를 상시 측정할 수 있다. 또한, 냉각액의 측정 온도에 따라 터보 압축기(2)의 회전수를 제어할 수 있다. 냉각액의 측정 온도가 하강했을 때, 즉, HTS 기기 등의 피냉각체(6)의 부하가 저감되었을 때는 터보 압축기(2)의 회전수를 낮추게 된다. 한편, 냉각액의 측정 온도가 상승했을 때, 즉, HTS 기기 등의 피냉각체(6)의 부하가 증대되었을 때는 터보 압축기(2)의 회전수를 높이게 된다.By the way, as shown in FIG. 1, the temperature of a cooling liquid changes with the load fluctuation | variation and operation change of the to-be-cooled body (HTS apparatus) 6. As shown in FIG. On the other hand, according to the refrigerator 1 of this embodiment, since the temperature measuring means 10 is provided in the rear end (namely, the front end of the to-be-cooled body 6) of the sub-heat exchanger 5, the to-be-cooled body ( The temperature of the cooling liquid for cooling 6) can be measured at all times. Moreover, the rotation speed of the turbo compressor 2 can be controlled according to the measured temperature of a cooling liquid. When the measured temperature of the coolant drops, that is, when the load of the to-be-cooled body 6 such as an HTS device is reduced, the rotation speed of the turbo compressor 2 is lowered. On the other hand, when the measurement temperature of the cooling liquid rises, that is, when the load of the to-be-cooled body 6, such as an HTS apparatus, increases, the rotation speed of the turbocompressor 2 will be made high.

이상으로써, 냉동기(1)의 냉동 능력은 터보 압축기(2)의 회전수의 제어에 의해 변화시킬 수 있다.As mentioned above, the refrigerating capacity of the refrigerator 1 can be changed by control of the rotation speed of the turbo compressor 2.

또한, 팽창 터빈(4)의 팽창비는 냉동기(1)의 고압측 압력과 저압측 압력의 관계로 정해진다. 냉동기(1)의 이들 압력을 결정하는 것은 터보 압축기(2)의 압축비이다. 팽창 터빈(4)은 터보 압축기(2)를 개재하여 높여진 냉매 가스 출구 압력(고압측 압력)을 터보 압축기(2)의 냉매 가스 입구 압력(저압측 압력)까지 팽창시키는 기능을 갖고 있을 뿐, 팽창 터빈(4) 스스로 팽창비를 결정할 수 없다. 즉, 터보 압축기(2)에서의 냉매 가스의 압축비에 따라서, 팽창 터빈(4)의 냉매 가스의 팽창비가 결정된다.In addition, the expansion ratio of the expansion turbine 4 is determined by the relationship between the high pressure side pressure and the low pressure side pressure of the refrigerator 1. It is the compression ratio of the turbo compressor 2 that determines these pressures of the refrigerator 1. The expansion turbine 4 only has a function of expanding the refrigerant gas outlet pressure (high pressure side pressure) increased via the turbo compressor 2 to the refrigerant gas inlet pressure (low pressure side pressure) of the turbo compressor 2, The expansion turbine 4 itself cannot determine the expansion ratio. That is, the expansion ratio of the refrigerant gas of the expansion turbine 4 is determined in accordance with the compression ratio of the refrigerant gas in the turbo compressor 2.

즉, 터보 압축기(2)의 회전수를 낮추면, 터보 압축기(2)의 특성에 의해 압축비가 작아져, 그 결과, 팽창 터빈(4)의 팽창비가 작아지므로, 팽창 터빈(4)으로부터 도출되는 냉매 가스 온도는 회전수를 낮추기 전보다도 상승한다.In other words, when the rotation speed of the turbo compressor 2 is lowered, the compression ratio becomes smaller due to the characteristics of the turbo compressor 2, and as a result, the expansion ratio of the expansion turbine 4 becomes smaller, and therefore, the refrigerant derived from the expansion turbine 4. The gas temperature rises more than before the rotation speed is lowered.

반대로, 터보 압축기(2)의 회전수를 높이면, 터보 압축기(2)의 특성에 의해 압축비가 커져, 그 결과, 팽창 터빈(4)의 팽창비가 커지므로, 팽창 터빈(4)으로부터 도출되는 냉매 가스 온도는 회전수를 높이기 전보다도 하강한다.On the contrary, when the rotation speed of the turbo compressor 2 is increased, the compression ratio becomes large due to the characteristics of the turbo compressor 2, and as a result, the expansion ratio of the expansion turbine 4 becomes large, so that the refrigerant gas derived from the expansion turbine 4 is increased. The temperature is lower than before the rotation speed is increased.

이상으로부터, 본 실시형태의 냉동기(1)에 의하면, HTS 기기 등의 피냉각체(6)의 부하 변동·운전 변화에 따라, 신속하게 터보 압축기(2)의 회전수를 제어함으로써, 냉매 가스의 온도를 적절한 온도로 유지할 수 있다. 그 때문에, 피냉각체(6)를 일정 온도로 유지할 수 있다.As mentioned above, according to the refrigerator 1 of this embodiment, by controlling the rotation speed of the turbocompressor 2 quickly according to the load fluctuation | variation and the operation change of the to-be-cooled body 6, such as an HTS apparatus, The temperature can be maintained at an appropriate temperature. Therefore, the to-be-cooled body 6 can be kept at a fixed temperature.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 냉동기(1)는 브레이턴 사이클을 구성하는 당해 냉동기(1) 내에 제2 순환 경로(L2) 내의 냉각액(액체 질소)을 서브쿨 상태로 하기 위한 부열교환기(5)를 설치하고, 당해 부열교환기(5) 내의 제1 열교환부(5a)에서 제1 순환 경로(L1) 내의 냉매 가스(네온 가스)를 스스로 열교환시킴과 함께 제2 열교환부(5b)에서 제2 순환 경로(L2) 내의 냉각액을 냉각하도록 구성되어 있다. 따라서, 부열교환기(5) 내에서 냉각액을 응고시키는 경우가 없다.As described above, the refrigerator 1 of the present embodiment includes a sub-heat exchanger for subcooling the cooling liquid (liquid nitrogen) in the second circulation path L2 in the refrigerator 1 constituting the Brayton cycle ( 5), the first heat exchanger 5a in the sub-heat exchanger 5 heats the refrigerant gas (neon gas) in the first circulation path L1 by itself and at the second heat exchanger 5b. It is comprised so that the cooling liquid in 2nd circulation path L2 may be cooled. Therefore, the cooling liquid is not solidified in the subheat exchanger 5.

또한, 본 실시형태의 냉동기(1)의 운전 방법에 의하면, 부열교환기(5)의 출구측의 냉각액의 온도 변화에 따라서만, 제1 순환 경로(L1)에 설치된 터보 압축기(2)의 회전수를 제어하므로, 피냉각체(HTS 기기)(6)의 급격한 운전 상태의 변동이 있는 경우에도, 부열교환기(5) 내에서 냉각액을 응고시키지 않고, HTS 기기 내의 고온 초전도체를 적절히 효율적으로 냉각할 수 있다.In addition, according to the operation method of the refrigerator 1 of this embodiment, the rotation of the turbocompressor 2 provided in the 1st circulation path L1 only according to the temperature change of the cooling liquid of the exit side of the sub-heat exchanger 5. Since the number is controlled, even when there is a sudden change in the operating state of the object to be cooled (HTS device) 6, the high temperature superconductor in the HTS device is appropriately and efficiently cooled without solidifying the cooling liquid in the sub-heat exchanger 5. can do.

(순환 펌프(7)의 회전수의 제어) (Control of the rotation speed of the circulation pump 7)

본 발명의 고온 초전도 기기의 냉각 장치에서는, 부열교환기(5)의 냉각액 출구(점 4)의 온도(10)를 일정하게 하도록 터보 압축기(2)의 회전수를 제어하고 있다. 따라서, 냉각액의 순환 유량이 일정하면, 부열교환기(5)의 냉각액 입구(점 3)의 온도는 피냉각체(6)의 부하에 의존한다.In the cooling apparatus of the high temperature superconducting apparatus of the present invention, the rotation speed of the turbo compressor 2 is controlled to make the temperature 10 at the cooling liquid outlet (point 4) of the sub-heat exchanger 5 constant. Therefore, if the circulation flow rate of the cooling liquid is constant, the temperature of the cooling liquid inlet (point 3) of the sub-heat exchanger 5 depends on the load of the object to be cooled 6.

피냉각체(6)의 부하가 감소하면, 부열교환기(5)의 냉각액 입구(점 3)의 온도가 하강하여, 주열교환기(3)로 반환되는 냉매 가스의 온도도 하강한다. 또한, 팽창 터빈(4)의 입구 온도도 하강한다. 한편, 피냉각체(6)의 부하가 감소하면, 냉동 능력을 낮추기 위해서 터보 압축기(2)의 회전수를 낮추는 자동 제어가 행해진다. 터보 압축기(2)의 회전수가 감소하면, 냉매 가스의 압축비가 유량과 함께 감소한다. 이 때, 팽창 터빈(4)의 입구 온도의 저하와 팽창비의 저하가 동시에 일어난다. 다만, 팽창 터빈의 출구 온도는 이용한 터보 압축기(2)와 팽창 터빈(4)의 특성에 따라 상승하는 경우와 하강하는 경우가 있다.When the load of the to-be-cooled body 6 decreases, the temperature of the cooling liquid inlet (point 3) of the subheat exchanger 5 falls, and the temperature of the refrigerant gas returned to the main heat exchanger 3 also decreases. In addition, the inlet temperature of the expansion turbine 4 is also lowered. On the other hand, when the load of the to-be-cooled body 6 decreases, automatic control which lowers the rotation speed of the turbocompressor 2 is performed in order to reduce the refrigerating capacity. When the rotation speed of the turbo compressor 2 decreases, the compression ratio of the refrigerant gas decreases with the flow rate. At this time, the reduction of the inlet temperature of the expansion turbine 4 and the reduction of the expansion ratio occur simultaneously. However, the outlet temperature of the expansion turbine may rise or fall depending on the characteristics of the turbo compressor 2 and the expansion turbine 4 used.

팽창 터빈(4)의 출구 온도가 상승했을 경우는, 부열교환기(5)의 냉매 가스 입구(점 1)의 온도가 상승하므로, 부열교환기(5) 내에서 액체 질소(냉각액)가 응고되는 경우는 없다. 한편, 팽창 터빈(4)의 출구 온도가 하강했을 경우는, 부열교환기(5)의 냉매 가스 입구(점 1)의 온도가 낮아지므로, 부열교환기(5) 내에서 냉각액이 응고될 위험성이 있다. 이 냉각액의 응고를 회피하기 위해, 부열교환기(5)의 냉매 가스 입구(점 1)의 온도에 기초하여, 순환 펌프(7)의 회전수를 감소시켜, 냉각액의 순환 유량을 줄이는 것이 바람직하다. 냉각액의 순환 유량이 감소하면, 피냉각체(6)의 영향에 의해 냉각액의 온도가 상승한다. 그 결과, 부열교환기(5)에 있어서 온도가 하강한 냉매 가스와 온도가 상승한 냉각 가스가 열교환을 행하게 되므로, 부열교환기(5) 내의 냉각액의 응고를 막을 수 있다.When the outlet temperature of the expansion turbine 4 rises, the temperature of the refrigerant gas inlet (point 1) of the subheat exchanger 5 rises, so that liquid nitrogen (coolant) solidifies in the subheat exchanger 5. There is no case. On the other hand, when the outlet temperature of the expansion turbine 4 decreases, the temperature of the refrigerant gas inlet (point 1) of the subheat exchanger 5 becomes low, so that there is a risk that the coolant solidifies in the subheat exchanger 5. have. In order to avoid solidification of the cooling liquid, it is preferable to reduce the rotation speed of the circulation pump 7 based on the temperature of the refrigerant gas inlet (point 1) of the sub-heat exchanger 5 to reduce the circulation flow rate of the cooling liquid. . When the circulation flow rate of the cooling liquid decreases, the temperature of the cooling liquid rises under the influence of the object to be cooled 6. As a result, in the sub-heat exchanger 5, the refrigerant gas having a lower temperature and the cooling gas having a higher temperature are subjected to heat exchange, so that solidification of the cooling liquid in the sub-heat exchanger 5 can be prevented.

피냉각체(6)의 부하가 상승하여, 정상으로 돌아왔을 경우에는 즉시 터보 압축기(2)의 회전수 및 순환 펌프(7)의 회전수를 원래의 수치까지 증가시킴으로써, 냉각액의 순환 유량을 회복시킨다. 이로써, 제2 폐유로(L2) 내의 냉각액의 온도가 서브쿨 상태가 되는 온도 범위가 되도록 유지하고, 계 전체의 온도를 안정적으로 유지할 수 있다. 순환 펌프(7)의 회전수 제어에는 일반적인 인버터 제어가 적용 가능하다.When the load of the to-be-cooled body 6 rises and returns to normal, the rotation speed of the turbo compressor 2 and the rotation speed of the circulation pump 7 are immediately increased to the original value, thereby restoring the circulation flow rate of the cooling liquid. Let's do it. Thereby, the temperature of the cooling liquid in the 2nd waste flow path L2 can be kept in the temperature range which becomes a subcool state, and the temperature of the whole system can be stably maintained. General inverter control is applicable to the rotation speed control of the circulation pump 7.

실시예Example

이하, 실시예에 의해 본 발명의 효과를 보다 분명한 것으로 한다. 또한, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것이 아니고, 그 요지를 변경하지 않는 범위에서 적절하게 변경하여 실시할 수 있다.Hereinafter, the effect of this invention is made clear by an Example. In addition, this invention is not limited to a following example, It can change suitably and can implement in the range which does not change the summary.

(실시예 1) (Example 1)

도 1에 나타내는 본 발명의 고온 초전도 기기의 냉각 장치를 적용한 냉동기를 정상 상태가 될 때까지 운전하였다. 냉매 가스로는 네온 가스를 사용하고, 냉각액으로는 액체 질소를 사용하였다. 도 2 중에 나타낸 각 점(측정점)에 있어서의 온도를 측정한 결과를 이하의 표 1에 나타낸다.The refrigerator to which the cooling apparatus of the high temperature superconducting apparatus of this invention shown in FIG. 1 was applied was operated until it turned into a steady state. Neon gas was used as the refrigerant gas and liquid nitrogen was used as the cooling liquid. The results of measuring the temperature at each point (measurement point) shown in FIG. 2 are shown in Table 1 below.

Figure pct00001
Figure pct00001

상기 표 1에 나타내는 바와 같이, 도 2 중에 나타내는 점(1a)의 온도는 64.8 K이고, 점(1c)의 온도는 65.4K이며, 점(4)의 온도는 67.0K였다. 여기서, 대기압하에 있어서의 서브쿨 상태의 질소 온도는 비점(약 77K)으로부터 응고점(약 63K)까지이다. 따라서, 본 발명의 냉동기에 의하면, 냉각액을 가열하기 위한 히터 등을 이용하지 않고, 냉매 가스 온도를 냉각액이 응고되지 않는 온도로 유지할 수 있었다.As shown in the said Table 1, the temperature of the point 1a shown in FIG. 2 was 64.8K, the temperature of the point 1c was 65.4K, and the temperature of the point 4 was 67.0K. Here, the nitrogen temperature of the subcool state under atmospheric pressure is from a boiling point (about 77K) to a freezing point (about 63K). Therefore, according to the refrigerator of the present invention, the refrigerant gas temperature can be maintained at a temperature at which the cooling liquid does not solidify without using a heater or the like for heating the cooling liquid.

(실시예 2) (Example 2)

도 1에 나타내는 본 발명의 고온 초전도 기기의 냉각 장치를 적용한 브레이턴 사이클 냉동기를 부하 변동 운전하였다. 냉매 가스로는 네온 가스를 사용하고, 냉각액으로는 액체 질소를 사용하였다.The Brayton cycle freezer to which the cooling device of the high temperature superconducting apparatus of this invention shown in FIG. 1 was applied was subjected to load change operation. Neon gas was used as the refrigerant gas and liquid nitrogen was used as the cooling liquid.

HTS 기기의 부하를 변동시켜, 터보 압축기의 회전수를 제어하고, 냉동기의 냉동 능력을 제어한 결과, 도 3에 나타내는 바와 같이, HTS 기기의 부하가 0.7에서 2.5㎾로 변동했을 경우에도, 부열교환기의 액체 질소 출구(점 4)의 온도는 67K로 일정하였다. 따라서, 본 발명의 고온 초전도 기기의 냉각 장치에 의하면, 부하 변동 운전했을 경우여도 냉각액을 가열하기 위한 히터 등을 이용하지 않고, 냉매 가스 온도를 냉각액이 응고되지 않는 온도로 유지할 수 있었다.As a result of varying the load of the HTS device, controlling the rotational speed of the turbo compressor, and controlling the refrigeration capacity of the refrigerator, even when the load of the HTS device varied from 0.7 to 2.5 kW, as shown in FIG. The temperature of the liquid nitrogen outlet (point 4) of the group was constant at 67K. Therefore, according to the cooling apparatus of the high temperature superconducting apparatus of the present invention, even when the load fluctuation operation is performed, the refrigerant gas temperature can be maintained at a temperature at which the cooling liquid does not solidify without using a heater or the like for heating the cooling liquid.

1: 냉동기(냉각 장치)
2: 터보 압축기
3: 주열교환기
4: 팽창 터빈
5: 부열교환기
5a: 제1 열교환부
5b: 제2 열교환부
6: 피냉각체
7: 순환 펌프
10: 온도 측정 수단
L1: 제1 순환 경로(제1 폐유로)
L2: 제2 순환 경로(제2 폐유로)
1: freezer (cooling unit)
2: turbo compressor
3: main heat exchanger
4: expansion turbine
5: sub-heat exchanger
5a: first heat exchanger
5b: second heat exchanger
6: coolant
7: circulation pump
10: temperature measuring means
L1: first circulation path (first waste flow path)
L2: second circulation path (second waste flow path)

Claims (8)

냉매 가스를 압축·순환시키는 터보 압축기와,
압축한 냉매 가스를 반환된 냉매 가스와의 열교환에 의해 냉각하는 주열교환기와,
냉각한 냉매 가스를 단열 팽창시키는 팽창 터빈과,
상기 팽창 터빈을 나온 극저온의 냉매 가스와 냉각액을 열교환시키는 부열교환기와,
상기 냉각액을 상기 부열교환기와 피냉각체 사이에서 순환시키는 순환 펌프와,
상기 냉각액의 온도를 측정하는 온도 측정 수단과,
상기 부열교환기에서 열교환한 후의 냉매 가스를, 상기 주열교환기를 개재하여 상기 터보 압축기로 순환시키는 순환 경로를 구성하는 제1 폐유로와,
상기 부열교환기에서 열교환한 후의 냉각액을 상기 순환 펌프로 순환시키는 순환 경로를 구성하는 제2 폐유로를 구비하고,
상기 부열교환기는
상기 냉매 가스가 병행으로 흐르는 경로를 갖고, 상기 냉매 가스가 서로 열교환하는 제1 열교환부와,
상기 제1 열교환부에서 열교환된 냉매 가스와 상기 냉각액이 대향하도록 열교환하는 제2 열교환부를 갖는 고온 초전도 기기의 냉각 장치.
A turbo compressor for compressing and circulating refrigerant gas,
A main heat exchanger for cooling the compressed refrigerant gas by heat exchange with the returned refrigerant gas,
An expansion turbine for thermally expanding and expanding the cooled refrigerant gas;
A sub-heat exchanger for heat-exchanging the cryogenic refrigerant gas and the cooling liquid exiting the expansion turbine,
A circulation pump for circulating the coolant between the sub-heat exchanger and the object to be cooled,
Temperature measuring means for measuring a temperature of the cooling liquid;
A first waste flow passage constituting a circulation path for circulating the refrigerant gas after heat exchange in the sub-heat exchanger to the turbo compressor via the main heat exchanger;
A second waste flow passage constituting a circulation path for circulating the cooling liquid after the heat exchange in the sub-heat exchanger to the circulation pump,
The subheat exchanger
A first heat exchange part having a path in which the refrigerant gas flows in parallel, and wherein the refrigerant gas exchanges heat with each other;
And a second heat exchanger configured to exchange heat between the refrigerant gas heat exchanged in the first heat exchanger and the cooling liquid.
제 1 항에 있어서,
상기 온도 측정 수단은 상기 부열교환기에서 열교환된 후의 상기 냉각액의 온도를 측정하는 고온 초전도 기기의 냉각 장치.
The method of claim 1,
And the temperature measuring means measures a temperature of the cooling liquid after heat exchange in the sub-heat exchanger.
제 1 항에 있어서,
상기 냉매 가스는 네온 가스, 헬륨 가스 및 네온 가스의 혼합 가스, 수소 및 네온 가스의 혼합 가스, 수소 및 헬륨 가스의 혼합 가스, 또는 네온 가스, 헬륨 가스 혹은 상기 혼합 가스에 불활성 가스를 혼합시킨 혼합 가스 중 어느 것인 고온 초전도 기기의 냉각 장치.
The method of claim 1,
The refrigerant gas is a mixed gas of neon gas, helium gas and neon gas, a mixed gas of hydrogen and neon gas, a mixed gas of hydrogen and helium gas, or a mixed gas in which neon gas, helium gas, or the inert gas is mixed with the mixed gas. Any of the high temperature superconducting apparatus cooling apparatus.
제 1 항에 있어서,
상기 냉각액은 액체 질소인 고온 초전도 기기의 냉각 장치.
The method of claim 1,
And said coolant is liquid nitrogen.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 고온 초전도 기기의 냉각 장치의 운전 방법으로서,
제2 폐유로 내의 냉각액의 온도가 서브쿨 상태가 되는 온도 범위가 되도록, 냉매 가스의 온도를 터보 압축기의 회전수에 의해 제어하는 고온 초전도 기기의 냉각 장치의 운전 방법.
As a driving method of the cooling device of the high temperature superconducting apparatus of any one of Claims 1-4,
The operating method of the cooling device of the high temperature superconducting apparatus which controls the temperature of refrigerant gas by the rotation speed of a turbo compressor so that the temperature of the cooling liquid in a 2nd waste channel may become a subcool state.
제 5 항에 있어서,
상기 제2 폐유로 내의 냉각액의 온도가 낮아졌을 경우에는 상기 터보 압축기의 회전수를 낮추는 고온 초전도 기기의 냉각 장치의 운전 방법.
The method of claim 5, wherein
And operating the cooling device of the high temperature superconducting device to lower the rotation speed of the turbo compressor when the temperature of the cooling liquid in the second waste oil passage decreases.
제 5 항에 있어서,
상기 제2 폐유로 내의 냉각액의 온도가 높아졌을 경우에는 상기 터보 압축기의 회전수를 높이는 고온 초전도 기기의 냉각 장치의 운전 방법.
The method of claim 5, wherein
And a method of operating a cooling apparatus of a high temperature superconducting device that increases the rotation speed of the turbo compressor when the temperature of the cooling liquid in the second waste passage increases.
제 5 항에 있어서,
제2 폐유로 내의 냉각액이 서브쿨 상태가 되는 온도 범위가 되도록, 상기 냉각액의 순환 유량을 상기 순환 펌프의 회전수에 의해 제어하고,
상기 순환 펌프의 회전수를 인버터 제어에 의해 제어하는 고온 초전도 기기의 냉각 장치의 운전 방법.
The method of claim 5, wherein
The circulation flow rate of the said cooling liquid is controlled by the rotation speed of the said circulation pump so that the cooling liquid in a 2nd waste channel may become a subcool state,
A driving method of a cooling device of a high temperature superconducting device that controls the rotation speed of the circulation pump by inverter control.
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