(57)【要約】【課題】本発明は、装置を大型化させないで、外気温に依存することなく、発熱部を十分に冷却することの可能なブレイトンサイクル冷凍機、及びターボ圧縮機の発熱部の冷却方法を提供することを課題とする。【解決手段】第２の熱交換器２５に冷媒を冷却する冷却ガスを供給する冷媒冷却ガス供給ライン１７のうち、第１の熱交換器により冷却された冷却ガスの温度が−５０〜１０℃の範囲内の所定温度となる部分から分岐され、ターボ圧縮機内に配置された発熱部に、所定温度とされた冷却ガスを供給する発熱部冷却ガス供給ラインを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温超電導電力機器を冷却する冷媒を冷却するブレイトンサイクル冷凍機であって、
内部に配置された発熱部を含み、冷却ガスを昇圧させるターボ圧縮機と、
前記ターボ圧縮機により昇圧された前記冷却ガスを常温となるように冷却する第１のアフタークーラーと、
前記第１のアフタークーラーを通過した前記冷却ガスを前記常温よりも低い所定の低温まで冷却する第１の熱交換器と、
一端が前記ターボ圧縮機の冷却ガス出口部と接続され、前記第１のアフタークーラーが配置されると共に、前記第１の熱交換器内を通過し、前記第１の熱交換器の後段に配置され、前記冷媒を冷却する第２の熱交換器に前記第１の熱交換器及び膨張タービンを通過した前記冷却ガスを供給する冷媒冷却ガス供給ラインと、
前記冷媒冷却ガス供給ラインのうち、前記第１の熱交換器により冷却された前記冷却ガスの温度が−５０〜１０℃の範囲内の所定温度となる部分から分岐され、前記ターボ圧縮機内に配置された前記発熱部に、前記所定温度とされた前記冷却ガスを供給する発熱部冷却ガス供給ラインと、
を有することを特徴とするブレイトンサイクル冷凍機。
【請求項２】
前記第１の熱交換器は、複数の第１の熱交換ブロックに分割された構成とされており、
前記冷媒冷却ガス供給ラインは、複数の前記第１の熱交換ブロックを通過しており、
前記発熱部冷却ガス供給ラインは、前記冷媒冷却ガス供給ラインのうち、前記第１の熱交換ブロック内に位置する部分、または前記冷媒冷却ガス供給ラインのうち、前記第１の熱交換ブロック間に位置する部分から分岐させることを特徴とする請求項１記載のブレイトンサイクル冷凍機。
【請求項３】
前記第２の熱交換器の後段に前記第１の熱交換器内を通過するように配置され、一端が前記冷媒冷却ガス供給ラインの他端と接続され、他端が前記ターボ圧縮機の冷却ガス入口部と接続された冷媒冷却ガス回収ラインと、
一端が前記ターボ圧縮機と接続され、他端が前記冷却ガス入口部と前記第１の熱交換器との間に位置する前記冷媒冷却ガス回収ラインと接続され、前記ターボ圧縮機内において、前記発熱部の冷却に寄与した前記冷却ガスを回収する発熱部冷却ガス回収ラインと、
前記発熱部冷却ガス回収ラインに設けられ、前記発熱部冷却ガス回収ラインで回収された前記冷却ガスを常温まで冷却する第２のアフタークーラーと、
を有することを特徴とする請求項１または２記載のブレイトンサイクル冷凍機。
【請求項４】
前記発熱部に埋め込まれ、該発熱部の温度を測定する温度センサと、
前記発熱部冷却ガス供給ラインに設けられ、前記温度センサが測定する前記発熱部の温度に基づいて、前記ターボ圧縮機内に導入する前記冷却ガスの流量を調整する自動バルブと、
を有することを特徴とする請求項１ないし３のうち、いずれか１項記載のブレイトンサイクル冷凍機。
【請求項５】
前記ターボ圧縮機は、前記発熱部を含む圧縮機本体と、
前記圧縮機本体に設けられ、冷却された液体を供給することで、前記発熱部を冷却する冷却ジャケットと、
を有することを特徴とする請求項１ないし４のうち、いずれか１項記載のブレイトンサイクル冷凍機。
【請求項６】
前記液体として、冷却水を用いることを特徴とする請求項５記載のブレイトンサイクル冷凍機。
【請求項７】
前記液体として、凍結温度が水よりも低い不凍液を用いることを特徴とする請求項５記載のブレイトンサイクル冷凍機。
【請求項８】
前記発熱部は、回転子と、該回転子の外側に隙間を介在させて配置された固定子と、を含むことを特徴とする請求項１ないし７のうち、いずれか１項記載のブレイトンサイクル冷凍機。
【請求項９】
高温超電導電力機器を冷却する冷媒を冷却するブレイトンサイクル冷凍機を構成するターボ圧縮機の発熱部の冷却方法であって、
第１の熱交換器内を通過する冷媒冷却ガス供給ラインを介して、ターボ圧縮機により昇圧され、その後、常温となるように冷却された冷却ガスを、前記第１の熱交換器内に供給する工程と、
前記第１の熱交換器により、前記冷媒冷却ガス供給ライン内を流れる前記冷却ガスを前記常温よりも低い所定の低温まで冷却する工程と、
前記冷媒冷却ガス供給ラインから分岐された発熱部冷却ガス供給ラインにより、−５０〜１０℃の範囲内の所定温度とされた前記冷却ガスを抜き出し、該冷却ガスにより、前記発熱部を冷却する発熱部冷却工程と、
を有することを特徴とするターボ圧縮機の発熱部の冷却方法。
【請求項１０】
前記発熱部冷却工程では、前記発熱部の温度に基づいて、前記発熱部冷却ガス供給ラインに設けられた自動バルブにより、前記発熱部を冷却する前記冷却ガスの流量を調整することを特徴とする請求項９記載のターボ圧縮機の発熱部の冷却方法。
【請求項１１】
前記発熱部冷却工程後に、前記発熱部の冷却に寄与した前記冷却ガスを前記ターボ圧縮機内から回収し、該冷却ガスを常温まで冷却させた後、前記ターボ圧縮機と接続された冷媒冷却ガス回収ラインを介して、前記冷媒冷却ガス供給ラインに該冷却ガスを戻す工程を有することを特徴とする請求項９または１０記載のターボ圧縮機の発熱部の冷却方法。
【請求項１２】
前記発熱部冷却工程では、前記ターボ圧縮機を構成する冷却ジャケットに、冷却された液体を供給することで、前記発熱部を冷却することを特徴とする請求項９ないし１１のうち、いずれか１項記載のターボ圧縮機の発熱部の冷却方法。
【請求項１３】
前記液体として、凍結温度が水よりも低い不凍液を用いることを特徴とする請求項１２記載のターボ圧縮機の発熱部の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温超電導電力機器を冷却する冷媒を冷却するブレイトンサイクル冷凍機、及びブレイトンサイクル冷凍機を構成するターボ圧縮機の発熱部の冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、超電導ケーブル、モータ、変圧器等の高温超電導電力機器（例えば、−２３３〜−１９６℃の範囲内で使用される超電導電力機器）が実用化されている。
上記高温超電導電力機器の性能を維持するためには、高温超電導電力機器を超電導性能が発揮される臨界温度以下に冷却する必要がある。このため、高温超電導電力機器を冷却する冷媒としては、液体窒素が使用されている。
【０００３】
高温超電導電力機器内の超電導体を液体窒素によって冷却する場合、超電導体の冷却に寄与した液体窒素が昇温するため、該液体窒素を冷却するための冷凍機が必要となる。
このような冷凍機としては、高性能で、かつ小型化（省スペース化）されたものが望まれる。また、冷凍機としては、連続的に、安定的に運転を続けることが可能であることが好ましい。
【０００４】
このような液体窒素温度レベルで使用される冷凍機としては、スターリング冷凍機、ＧＭ冷凍機、パルス管冷凍機、ブレイトンサイクル冷凍機等がある。
しかしながら、スターリング冷凍機、ＧＭ冷凍機、及びパルス管冷凍機は、冷凍能力が比較的小さいため、実用規模の超電導電力機器を冷却する際には数台から数十台の冷凍機が必要となってしまう。
【０００５】
一方、ブレイトンサイクル冷凍機は、ターボ圧縮機を有するため、上記スターリング冷凍機、ＧＭ冷凍機、及びパルス管冷凍機と比較して、冷凍能力を大きくすることが可能であり、1台もしくは数台の冷凍機で実用規模の超電導電力機器を冷却することができる。
つまり、高温超電導電力機器内の超電導体の冷却に使用される液体窒素を冷却する冷凍機としては、ブレイトンサイクル冷凍機が好ましい。
【０００６】
この様な液体窒素温度レベルで使用されるブレイトンサイクル冷凍機では、窒素ガスよりも沸点が低い、ネオンガス、ヘリウムガス、或いは、これらの混合ガスが冷媒として用いられている。
【０００７】
ところで、ターボ圧縮機の回転子が高速回転すると、冷媒との回転摩擦損失により、ターボ圧縮機の回転子の温度上昇により、回転子及び固定子（以下、これらを「発熱部」というときがある）の温度が上昇する。
例えば、回転子及び固定子よりなる構造体が高周波モータの場合、高周波モータ自体も銅損や鉄損によって発熱するため、高周波モータの温度はさらに上昇してしまう。
一般に高周波モータの場合、その温度が１５０℃になるとモータコイル（巻線）の絶縁が劣化するリスクが高くなるため、許容最高使用温度は１３０℃程度とされている。
【０００８】
このような理由により、従来、上記発熱部を冷却することが行われている。
ブレイトンサイクル冷凍機を構成するターボ圧縮機の回転子及び固定子を冷却する方法として、例えば、特許文献１に開示された方法がある。
【０００９】
特許文献１には、１段インペラで圧縮したガスをインタークーラで中間冷却して２段インペラに導き、ここで再圧縮して高圧縮比を得る高速モータ駆動圧縮機であって、中間冷却した圧縮ガスを、ロータ軸を通して電動機の回転子と固定子の隙間に噴射してロータ軸、回転子、及び固定子を冷却する高速モータ駆動圧縮機の冷却方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００１−２５４６９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、外気の温度が高い場合（例えば、３０℃以上の場合）、特許文献１に開示された方法を用いると、回転子と固定子との隙間が非常に狭いため、該隙間に温度が高いガス（言い換えれば、密度が小さく、容積が大きい冷却用のガス）を供給することが困難となり、発熱部を十分に冷却することが困難であった。
【００１２】
また、外気の温度がさらに高い場合（例えば、３５℃以上の場合）には、発熱部の温度が１３０℃以上になってしまう恐れがあった。
【００１３】
また、特許文献１に開示された高速モータ駆動圧縮機とは別に、配管を介して、発熱部を冷却するためのガスを冷却するチラーユニットを設けることも考えられるが、この場合、装置が大型化してしまう。
【００１４】
そこで、本発明は、装置を大型化させないで、外気温に依存することなく、発熱部を十分に冷却することの可能なブレイトンサイクル冷凍機、及びターボ圧縮機の発熱部の冷却方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明によれば、高温超電導電力機器を冷却する冷媒を冷却するブレイトンサイクル冷凍機であって、内部に配置された発熱部を含み、冷却ガスを昇圧させるターボ圧縮機と、前記ターボ圧縮機により昇圧された前記冷却ガスを常温となるように冷却する第１のアフタークーラーと、前記第１のアフタークーラーを通過した前記冷却ガスを前記常温よりも低い所定の低温まで冷却する第１の熱交換器と、一端が前記ターボ圧縮機の冷却ガス出口部と接続され、前記第１のアフタークーラーが配置されると共に、前記第１の熱交換器内を通過し、前記第１の熱交換器の後段に配置され、前記冷媒を冷却する第２の熱交換器に前記第１の熱交換器及び膨張タービンを通過した前記冷却ガスを供給する冷媒冷却ガス供給ラインと、前記冷媒冷却ガス供給ラインのうち、前記第１の熱交換器により冷却された前記冷却ガスの温度が−５０〜１０℃の範囲内の所定温度となる部分から分岐され、前記ターボ圧縮機内に配置された前記発熱部に、前記所定温度とされた前記冷却ガスを供給する発熱部冷却ガス供給ラインと、を有することを特徴とするブレイトンサイクル冷凍機が提供される。
【００１６】
また、請求項２に係る発明によれば、前記第１の熱交換器は、複数の第１の熱交換ブロックに分割された構成とされており、前記冷媒冷却ガス供給ラインは、複数の前記第１の熱交換ブロックを通過しており、前記発熱部冷却ガス供給ラインは、前記冷媒冷却ガス供給ラインのうち、前記第１の熱交換ブロック内に位置する部分、または前記冷媒冷却ガス供給ラインのうち、前記第１の熱交換ブロック間に位置する部分から分岐させることを特徴とする請求項１記載のブレイトンサイクル冷凍機が提供される。
【００１７】
また、請求項３に係る発明によれば、前記第２の熱交換器の後段に前記第１の熱交換器内を通過するように配置され、一端が前記冷媒冷却ガス供給ラインの他端と接続され、他端が前記ターボ圧縮機の冷却ガス入口部と接続された冷媒冷却ガス回収ラインと、一端が前記ターボ圧縮機と接続され、他端が前記冷却ガス入口部と前記第１の熱交換器との間に位置する前記冷媒冷却ガス回収ラインと接続され、前記ターボ圧縮機内において、前記発熱部の冷却に寄与した前記冷却ガスを回収する発熱部冷却ガス回収ラインと、前記発熱部冷却ガス回収ラインに設けられ、前記発熱部冷却ガス回収ラインで回収された前記冷却ガスを常温まで冷却する第２のアフタークーラーと、を有することを特徴とする請求項１または２記載のブレイトンサイクル冷凍機が提供される。
【００１８】
また、請求項４に係る発明によれば、前記発熱部に埋め込まれ、該発熱部の温度を測定する温度センサと、前記発熱部冷却ガス供給ラインに設けられ、前記温度センサが測定する前記発熱部の温度に基づいて、前記ターボ圧縮機内に導入する前記冷却ガスの流量を調整する自動バルブと、を有することを特徴とする請求項１ないし３のうち、いずれか１項記載のブレイトンサイクル冷凍機が提供される。
【００１９】
また、請求項５に係る発明によれば、前記ターボ圧縮機は、前記発熱部を含む圧縮機本体と、前記圧縮機本体に設けられ、冷却された液体を供給することで、前記発熱部を冷却する冷却ジャケットと、を有することを特徴とする請求項１ないし４のうち、いずれか１項記載のブレイトンサイクル冷凍機が提供される。
【００２０】
また、請求項６に係る発明によれば、前記液体として、冷却水を用いることを特徴とする請求項５記載のブレイトンサイクル冷凍機が提供される。
【００２１】
また、請求項７に係る発明によれば、前記液体として、凍結温度が水よりも低い不凍液を用いることを特徴とする請求項５記載のブレイトンサイクル冷凍機が提供される。
【００２２】
また、請求項８に係る発明によれば、前記発熱部は、回転子と、該回転子の外側に隙間を介在させて配置された固定子と、を含むことを特徴とする請求項１ないし７のうち、いずれか１項記載のブレイトンサイクル冷凍機が提供される。
【００２３】
また、請求項９に係る発明によれば、高温超電導電力機器を冷却する冷媒を冷却するブレイトンサイクル冷凍機を構成するターボ圧縮機の発熱部の冷却方法であって、第１の熱交換器内を通過する冷媒冷却ガス供給ラインを介して、ターボ圧縮機により昇圧され、その後、常温となるように冷却された冷却ガスを、前記第１の熱交換器内に供給する工程と、前記第１の熱交換器により、前記冷媒冷却ガス供給ライン内を流れる前記冷却ガスを前記常温よりも低い所定の低温まで冷却する工程と、前記冷媒冷却ガス供給ラインから分岐された発熱部冷却ガス供給ラインにより、−５０〜１０℃の範囲内の所定温度とされた前記冷却ガスを抜き出し、該冷却ガスにより、前記発熱部を冷却する発熱部冷却工程と、を有することを特徴とするターボ圧縮機の発熱部の冷却方法が提供される。
【００２４】
また、請求項１０に係る発明によれば、前記発熱部冷却工程では、前記発熱部の温度に基づいて、前記発熱部冷却ガス供給ラインに設けられた自動バルブにより、前記発熱部を冷却する前記冷却ガスの流量を調整することを特徴とする請求項９記載のターボ圧縮機の発熱部の冷却方法が提供される。
【００２５】
また、請求項１１に係る発明によれば、前記発熱部冷却工程後に、前記発熱部の冷却に寄与した前記冷却ガスを前記ターボ圧縮機内から回収し、該冷却ガスを常温まで冷却させた後、前記ターボ圧縮機と接続された冷媒冷却ガス回収ラインを介して、前記冷媒冷却ガス供給ラインに該冷却ガスを戻す工程を有することを特徴とする請求項９または１０記載のターボ圧縮機の発熱部の冷却方法が提供される。
【００２６】
また、請求項１２に係る発明によれば、前記発熱部冷却工程では、前記ターボ圧縮機を構成する冷却ジャケットに、冷却された液体を供給することで、前記発熱部を冷却することを特徴とする請求項９ないし１１のうち、いずれか１項記載のターボ圧縮機の発熱部の冷却方法が提供される。
【００２７】
また、請求項１３に係る発明によれば、前記液体として、凍結温度が水よりも低い不凍液を用いることを特徴とする請求項１２記載のターボ圧縮機の発熱部の冷却方法が提供される。
【発明の効果】
【００２８】
本発明のブレイトンサイクル冷凍機によれば、装置を大型化させないで、外気温に依存することなく、発熱部を十分に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るブレイトンサイクル冷凍機の概略構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係るブレイトンサイクル冷凍機の概略構成を模式的に示す図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係るブレイトンサイクル冷凍機の概略構成を模式的に示す図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係るブレイトンサイクル冷凍機の概略構成を模式的に示す図である。
【図５】参考例のシミュレーションで使用したブレイトンサイクル冷凍機の概略構成を模式的に示す図である。
【図６】表１に示す参考例、及び実施例１，２の圧縮機動力比率、圧縮機流量比率、及び冷却ガス流量比率と冷却ガスの温度との関係をグラフ化させた図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際のブレイトンサイクル冷凍機の寸法関係とは異なる場合がある。
【００３１】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るブレイトンサイクル冷凍機の概略構成を模式的に示す図である。図１では、第１の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機１０の構成要素ではない冷媒循環ライン１１及び高温超電導電力機器１２を点線で図示する。
なお、本発明において、「高温超電導電力機器１２」とは、例えば、−２３３〜−１９６℃の範囲内で使用される超電導電力機器のことをいう。
【００３２】
図１を参照するに、第１の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機１０は、高温超電導電力機器１２を冷却する冷媒（冷媒循環ライン１１内を流れる冷媒（例えば、液体窒素））を冷却ガス（例えば、窒素ガスよりも沸点が低い、ネオンガス、ヘリウムガス、或いは、これらの混合ガス）を用いて冷却する冷凍機である。
ブレイトンサイクル冷凍機１０は、ターボ圧縮機１５と、冷媒冷却ガス供給ライン１７と、冷媒冷却ガス回収ライン１８と、第１のアフタークーラー１９と、膨張タービン２１と、第１の熱交換器２３と、第２の熱交換器２５と、発熱部冷却ガス供給ライン２７と、発熱部冷却ガス回収ライン２９と、第２のアフタークーラー３１と、を有する。
【００３３】
ターボ圧縮機１５は、ターボ圧縮機本体３５と、冷却ジャケット３６と、を有する。ターボ圧縮機本体３５は、筐体３８と、発熱部４１と、発熱部冷却用ガス導入部４３と、発熱部冷却用ガス導出部４４と、冷却ガス出口部４７と、冷却ガス入口部４８と、を有する。
【００３４】
筐体３８は、本体部３８Ａと、本体部３８Ａから突出した先端部３８Ｂと、を有する。
発熱部４１は、筐体３８内（主に、本体部３８Ａ）に収容されている。発熱部４１は、ターボ圧縮機１５が駆動することで、発熱するターボ圧縮機１５の構成要素（筐体３８内に収容された構成要素）である。
【００３５】
発熱部４１は、回転子５１（ロータ）と、回転子５１の外側に隙間を介在させて配置された固定子５２と、を含む。回転子５１及び固定子５２は、モータを構成している。該モータを構成する回転子５１及び固定子５２としては、例えば、電磁石を用いるとよい。
このような構成とすることで、回転子５１と固定子５２とが接触することがなくなるため、回転子５１と固定子５２との接触（摩耗）に起因するモータの劣化を抑制することができる。
【００３６】
発熱部冷却用ガス導入部４３は、筐体３８の本体部３８Ａの後端側に設けられている。発熱部冷却用ガス導入部４３は、発熱部冷却ガス供給ライン２７の一端と接続される部分である。
発熱部冷却用ガス導出部４４は、筐体３８の本体部３８Ａの前端側に設けられている。発熱部冷却用ガス導出部４４は、発熱部冷却ガス回収ライン２９の一端と接続される部分である。
【００３７】
冷却ガス出口部４７は、筐体３８の先端部３８Ｂに設けられている。冷却ガス出口部４７は、冷媒冷却ガス供給ライン１７の一端と接続されている。冷却ガス出口部４７は、ターボ圧縮機１５により圧縮した冷却ガスを冷媒冷却ガス供給ライン１７に導出するための導出部である。
冷却ガス入口部４８は、筐体３８の先端部３８Ｂに設けられている。冷却ガス入口部４８は、冷媒冷却ガス回収ライン１８の他端と接続されている。冷却ガス入口部４８は、第２の熱交換器２５において、冷媒循環ライン１１内を流れる冷媒の冷却に寄与し、その後、第１の熱交換器２３を通過した冷却ガスをターボ圧縮機１５に導入させるための導入部である。
【００３８】
冷却ジャケット３６は、筐体３８の本体部３８Ａの外周面に設けられている。冷却ジャケット３６内には、冷却された液体が流れる流路（図示せず）が設けられている。
冷却ジャケット３６は、冷却された液体により、発熱部４１を冷却する。上記液体としては、例えば、冷却水や、凍結温度が水よりも低い不凍液を用いることができる。
このように、冷却ジャケット３６に供給する液体として、凍結温度が水よりも低い不凍液を用いることで、発熱部冷却ガス供給ライン２７を介して供給される冷却ガスにより、該液体が凍ることを抑制できる。
上記冷却された液体の温度は、例えば、−３０〜３０℃の範囲内の温度とすることができる。
【００３９】
上記構成とされたターボ圧縮機１５は、冷却ガスを圧縮することで、高圧（例えば、０．５〜３ＭＰａ）の冷却ガスを生成する。ターボ圧縮機１５により高圧とされた冷却ガスは、冷媒冷却ガス供給ライン１７を介して、第１のアフタークーラー１９に供給される。
【００４０】
冷媒冷却ガス供給ライン１７は、一端がターボ圧縮機１５の冷却ガス出口部４７と接続され、他端が冷媒冷却ガス回収ライン１８の一端と接続されている。冷媒冷却ガス供給ライン１７は、第１の熱交換器２３内、及び第１の熱交換器２３の後段に配置された第２の熱交換器２５内を通過するように配置されている。
冷媒冷却ガス供給ライン１７は、第１のアフタークーラー１９、第１の熱交換器２３、及び膨張タービン２１を通過することで、冷却された冷却ガスを第２の熱交換器２５に供給するためのラインである。
【００４１】
冷媒冷却ガス回収ライン１８は、第２の熱交換器２５の後段に設けられており、一端が冷媒冷却ガス供給ライン１７の他端と接続され、他端がターボ圧縮機１５の冷却ガス入口部４８と接続されている。
冷媒冷却ガス回収ライン１８は、第１の熱交換器２３内を通過するように配置されている。冷媒冷却ガス回収ライン１８は、冷媒循環ライン１１内を流れる冷媒の冷却に寄与し、その後、第１の熱交換器２３を通過した冷却ガスを回収し、第１の熱交換器２３を介して、回収した冷却ガスをターボ圧縮機１５に供給するためのラインである。
【００４２】
第１のアフタークーラー１９は、ターボ圧縮機１５の冷却ガス出口部４７と第１の熱交換器２３との間に位置する冷媒冷却ガス供給ライン１７に設けられている。
第１のアフタークーラー１９は、ターボ圧縮機１５により昇圧された冷却ガスを常温（例えば、５〜３５℃）となるように冷却する。常温とされた冷却ガスは、冷媒冷却ガス供給ライン１７を介して、第１の熱交換器２３内に供給される。
【００４３】
膨張タービン２１は、第１の熱交換器２３と第２の熱交換器２５との間に位置する冷媒冷却ガス供給ライン１７に設けられている。膨張タービン２１は、第１の熱交換器２３により、冷却された高圧（例えば、０．５〜３ＭＰａ）の冷却ガスを断熱膨張させることで、低圧（例えば、０．２５〜１ＭＰａ）で、かつ低温（例えば、−２４３〜−２０３℃）の冷却ガスを生成する。
膨張タービン２１において生成された低圧で、かつ低温とされた冷却ガスは、冷媒冷却ガス供給ライン１７を介して、第２の熱交換器２５に供給され、冷媒の冷却に寄与する。
【００４４】
第１の熱交換器２３は、第１のアフタークーラー１９と膨張タービン２１との間に位置する冷媒冷却ガス供給ライン１７を収容するように配置されている。
第１の熱交換器２３は、常温とされた冷却ガスが常温よりも低い所定の低温（例えば、−１９０℃以下）となるように、該冷却ガスを冷却する。
所定の低温とされた冷却ガスは、冷媒冷却ガス供給ライン１７を介して、第２の熱交換器２５に供給される。
【００４５】
第２の熱交換器２５は、膨張タービン２１の後段に配置されている。第２の熱交換器２５は、冷媒循環ライン１１の一部、及び冷媒冷却ガス供給ライン１７の一部を収容している。
【００４６】
発熱部冷却ガス供給ライン２７は、冷媒冷却ガス供給ライン１７のうち、第１の熱交換器２３により冷却された冷却ガスの温度が−５０〜１０℃の範囲内の所定温度となる部分から分岐されており、ターボ圧縮機１５の発熱部冷却用ガス導入部４３と接続されている。
発熱部冷却ガス供給ライン２７は、ターボ圧縮機１５内に配置された発熱部４１に、所定温度とされた冷却ガスを供給する。
【００４７】
発熱部４１に供給される冷却ガスは、温度が−５０〜１０℃の範囲内に設定されているため、外気温（例えば、夏場の高い気温）に影響されることなく、温度の低い冷却ガスを発熱部４１に供給することが可能となるので、外気温に影響されることなく、発熱部４１を効率良く冷却することができる。
【００４８】
また、温度が−５０〜１０℃の範囲内に設定された低い温度の冷却ガスを発熱部４１に供給することで、回転子５１と固定子５２との間に配置された狭い隙間（例えば、０．２〜１ｍｍ）を冷却ガスが、より流れやすくなるため、発熱部４１を効率良く冷却できる。
【００４９】
発熱部４１に供給される冷却ガスの温度が−５０℃よりも低いと、冷却ジャケット３６を流れる液体（具体的には、冷却水またはエチレングリコール水溶液等の不凍液）が凍結してしまうため、冷却ジャケット３６による発熱部４１の冷却効果を得ることが困難になってしまう。
また、発熱部４１に供給される冷却ガスの温度が−５０℃よりも低いと、第１の熱交換器２３の負荷が大きくなってしまうと共に、無駄にエネルギーを消費してしまう。
発熱部４１に供給される冷却ガスの温度が１０℃よりも高いと、発熱部４１を十分に冷却（具体的には、発熱部４１の温度が１３０℃以下となるように冷却）することが困難となってしまう。
【００５０】
なお、発熱部４１に供給される冷却ガスの温度は、−２０〜−１０℃の範囲内がより好ましい。このように、発熱部４１に供給される冷却ガスの温度を−２０〜−１０℃の範囲内とすることで、ターボ圧縮機１５の動力を抑制した上で、冷却ガスにより、発熱部４１を効率良く冷却することができる。
【００５１】
発熱部冷却ガス供給ライン２７の材質としては、例えば、ステンレス鋼管を用いることができる。また、発熱部冷却ガス供給ライン２７の内径は、例えば、１６ｍｍとすることができる。
【００５２】
なお、発熱部冷却ガス供給ライン２７の外周面を覆う断熱部材（図示せず）を設けてもよい。このように、発熱部冷却ガス供給ライン２７の外周面を覆う断熱部材（図示せず）を設けることで、発熱部冷却ガス供給ライン２７により輸送される冷却ガスの温度が上昇することを抑制できる。
【００５３】
発熱部冷却ガス回収ライン２９は、一端が発熱部冷却用ガス導出部４４と接続されており、他端が冷却ガス入口部４８と第１の熱交換器２３との間に位置する冷媒冷却ガス回収ライン１８と接続されている。
発熱部冷却ガス回収ライン２９は、ターボ圧縮機１５内において、発熱部４１の冷却に寄与した冷却ガスを回収すると共に、回収した冷却ガスを冷媒冷却ガス回収ライン１８に供給する。
冷媒冷却ガス回収ライン１８に供給された冷却ガスは、冷媒冷却ガス回収ライン１８に回収された冷却ガスと共に、ターボ圧縮機１５に供給される。
【００５４】
第２のアフタークーラー３１は、発熱部冷却ガス回収ライン２９に設けられている。第２のアフタークーラー３１は、発熱部４１を冷却することで、温度が上昇した冷却ガスの温度を常温（例えば、５〜３５℃）となるように冷却する。
【００５５】
第１の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機によれば、冷媒を冷却する第２の熱交換器２５に第１の熱交換器２３を通過した冷却ガスを供給する冷媒冷却ガス供給ライン１７のうち、第１の熱交換器２３により冷却された冷却ガスの温度が−５０〜１０℃の範囲内の所定温度となる部分から分岐され、ターボ圧縮機１５内に配置された発熱部４１に、所定温度とされた冷却ガスを供給する発熱部冷却ガス供給ライン２７を有することで、外気温（例えば、夏場の高い気温）に影響されることなく、温度の低い冷却ガスを発熱部４１に供給することが可能となる。これにより、外気温に影響されることなく、発熱部４１を効率良く冷却することができる。
【００５６】
また、温度が−５０〜１０℃の範囲内に設定された冷却ガスを発熱部４１に供給することで、回転子５１と固定子５２との狭い隙間（例えば、０．２〜１ｍｍ）に冷却ガスが流れやすくなるため、発熱部４１を効率良く冷却することができる。
【００５７】
なお、図１では、一例として、図１に示す位置から発熱部冷却ガス供給ライン２７を分岐させた場合を例に挙げて図示したが、発熱部冷却ガス供給ライン２７を分岐させる位置は、図１に示す位置に限定されない。
発熱部冷却ガス供給ライン２７を分岐させる位置は、冷媒冷却ガス供給ライン１７が抜き出す冷却ガスの温度に応じて、適宜設定することができる。
【００５８】
次に、図１を参照して、図１に示すブレイトンサイクル冷凍機１０を用いたターボ圧縮機１５の発熱部４１の冷却方法について説明する。
始めに、ターボ圧縮機１５により、冷却ガスを昇圧させ、次いで、第１のアフタークーラー１９により、該冷却ガスを常温まで冷却させる。
次いで、第１のアフタークーラー１９により、常温となるように冷却された冷却ガスを、冷媒冷却ガス供給ライン１７により、第１の熱交換器２３内に供給する。
【００５９】
冷媒冷却ガス供給ライン１７内を流れる冷却ガスは、第１の熱交換器２３により、常温よりも低い所定の低温まで冷却される。第１の熱交換器２３に冷却される冷却ガスのうち、一部の冷却ガスは、第１の熱交換器２３の途中において（−５０〜１０℃の範囲内の所定温度まで冷却された段階において）、発熱部冷却ガス供給ライン２７を介して、ターボ圧縮機１５内に供給され、発熱部４１を冷却する（発熱部冷却工程）。
また、第１の熱交換器２３に冷却される冷却ガスのうち、残りの冷却ガスは、第１の熱交換器２３内を完全に通過することで、所定の温度（例えば、−１９０℃〜−２３３℃）まで冷却される。
【００６０】
発熱部冷却工程後に、発熱部４１の冷却に寄与した冷却ガスは、発熱部冷却ガス回収ライン２９により、ターボ圧縮機１５内から回収される。発熱部冷却ガス回収ライン２９により回収された冷却ガスは、第２のアフタークーラー３１により、常温まで冷却され、その後、発熱部冷却ガス回収ライン２９を介して、冷媒冷却ガス回収ライン１８に供給される。
【００６１】
所定の温度とされた冷却ガス（言い換えれば、第１の熱交換器２３内を完全に通過した冷却ガス）は、冷媒冷却ガス供給ライン１７により、第２の熱交換器２５内に供給される。
そして、第２の熱交換器２５に供給された冷却ガスは、冷媒循環ライン１１内を流れる冷媒を冷却する。冷却された冷媒は、冷媒循環ライン１１を介して、高温超電導電力機器１２に供給され、高温超電導電力機器１２を冷却する。
【００６２】
第２の熱交換器２５において、冷媒の冷却に寄与し、温度が上昇した冷却ガスは、冷媒冷却ガス回収ライン１８に供給され、第１の熱交換器２３内を通過した後、発熱部冷却ガス回収ライン２９から供給された冷却ガスと共に、ターボ圧縮機１５内に供給され、圧縮されて、高圧の冷却ガスとなる。
【００６３】
第１の実施の形態のターボ圧縮機の発熱部の冷却方法によれば、第１の熱交換器２３内を通過する冷媒冷却ガス供給ライン１７を介して、ターボ圧縮機１５により昇圧され、その後、常温となるように冷却された冷却ガスを、第１の熱交換器２３内に供給する工程と、第１の熱交換器２３により、冷媒冷却ガス供給ライン１７内を流れる冷却ガスを常温よりも低い所定の低温まで冷却する工程と、冷媒冷却ガス供給ライン１７から分岐された発熱部冷却ガス供給ライン２７により、−５０〜１０℃の範囲内の所定温度とされた冷却ガスを抜き出し、該冷却ガスにより発熱部４１を冷却する発熱部冷却工程と、を有することで、外気温（例えば、夏場の高い気温）に影響されることなく、温度の低い冷却ガスを発熱部４１に供給することが可能となる。これにより、外気温に影響されることなく、発熱部４１を効率良く冷却することができる。
【００６４】
また、温度が−５０〜１０℃の範囲内に設定された冷却ガスを発熱部４１に供給することで、回転子５１と固定子５２との間に形成された狭い隙間（例えば、０．２〜１ｍｍ）に冷却ガスが流れやすくなるため、発熱部４１を効率良く冷却することができる。
【００６５】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係るブレイトンサイクル冷凍機の概略構成を模式的に示す図である。図２では、第２の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機６０の構成要素ではない冷媒循環ライン１１及び高温超電導電力機器１２を点線で図示する。
図２において、図１に示す第１の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機１０と同一構成部分には、同一符号を付す。
【００６６】
図２を参照するに、第２の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機６０は、第１の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機１０の構成要素に、さらに、温度センサ６１と、自動バルブ６２と、を有すること以外は、ブレイトンサイクル冷凍機１０と同様に構成される。
【００６７】
温度センサ６１は、回転子５１に埋め込まれている。温度センサ６１は、発熱する回転子５１の温度を検知するセンサである。
温度センサ６１は、自動バルブ６２と電気的に接続されており、検知した回転子５１の温度に関するデータを自動バルブに送信する
温度センサ６１としては、−５０〜２００℃の範囲で精度±１℃程度の性能を有するものを用いることができる。このような温度センサ６１としては、例えば、測温抵抗体や熱電対を用いることができる。
【００６８】
自動バルブ６２は、発熱部冷却ガス供給ライン２７に設けられている。自動バルブ６２は、温度センサ６１が検知する回転子５１の温度に基づいて、開度を調節することで、ターボ圧縮機１５内に供給する冷却ガスの流量を調節するためのバルブである。
例えば、温度センサ６１が検知する温度が高い場合には、開度を大きくして、ターボ圧縮機１５内に多くの流量の冷却ガスを供給し、温度センサ６１が検知する温度があまり高くない場合には、開度を小さくして、ターボ圧縮機１５内に供給する冷却ガスの流量を少なくする。
【００６９】
なお、図２では、一例として、発熱部４１のうち、回転子５１に温度センサ６１を内設させた場合を例に挙げて説明したが、温度センサ６１は、固定子５２に内設させてもよいし、回転子５１と固定子５２との両方に内設させてもよい。
また、温度センサ６１は、発熱部４１を構成する構成要素のうち、最も発熱する構成要素に設けるとよい。
【００７０】
第２の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機によれば、発熱部４１に埋め込まれ、発熱部４１の温度を検知する温度センサ６１と、発熱部冷却ガス供給ライン２７に設けられ、温度センサ６１が測定する発熱部４１の温度に基づいて、ターボ圧縮機１５内に導入させる冷却ガスの流量を調整する自動バルブ６２と、を有することで、発熱部４１を冷却するために必要な冷却ガスの流量を調節することが可能となるので、無駄なエネルギーを消費することなく、発熱部４１をより効率良く冷却することができる。
【００７１】
なお、上記構成とされた第２の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機６０は、第１の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機１０と同様な効果（具体的には、外気温に影響されることなく、発熱部４１を効率良く冷却することができるという効果）を得ることができる。
【００７２】
図２に示すブレイトンサイクル冷凍機６０を用いた場合のターボ圧縮機１５の発熱部４１の冷却方法は、発熱部冷却ガス供給ライン２７を介して供給する冷却ガスの流量を自動バルブ６２で調整すること以外は、第１の実施の形態のターボ圧縮機の発熱部の冷却方法と同様な手法で行うことができる。
【００７３】
（第３の実施の形態）
図３は、本発明の第３の実施の形態に係るブレイトンサイクル冷凍機の概略構成を模式的に示す図である。図３では、第３の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機７０の構成要素ではない冷媒循環ライン１１及び高温超電導電力機器１２を点線で図示する。
図３において、図１に示す第１の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機１０と同一構成部分には、同一符号を付す。
【００７４】
図３を参照するに、第３の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機７０は、第１の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機１０を構成する第１の熱交換器２３に替えて、第１の熱交換器７１を有すること以外は、第１の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機１０と同様に構成される。
【００７５】
第１の熱交換器７１は、第１の熱交換ブロック７２と、第２の熱交換ブロック７３と、第３の熱交換ブロック７４と、第４の熱交換ブロック７５と、を有する。つまり、第１の熱交換器７１は、複数の熱交換ブロックに分割された熱交換器である。
第１ないし第４の熱交換ブロック７２〜７５は、第１のアフタークーラーから膨張タービン２１に向かう方向に対して、第１の熱交換ブロック７２、第２の熱交換ブロック７３、第３の熱交換ブロック７４、第４の熱交換ブロック７５の順に配置されている。
第１ないし第４の熱交換ブロック７２〜７５は、それぞれ隣接する熱交換器から離間して配置されており、第１の熱交換ブロック７２から第４の熱交換ブロック７５に向かうにつれて、第１の熱交換器７１により冷却される冷却ガスの温度は低くなる。
【００７６】
例えば、図３に示すように、４つに分割された第１の熱交換器７１を用いて、冷却ガスを−２００℃まで冷却させる場合、第１の熱交換ブロック７２としては、−２０℃まで冷却可能な熱交換ブロック、第２の熱交換ブロック７３としては、−９０℃まで冷却可能な熱交換ブロック、第３の熱交換ブロック７４としては、−１５０℃まで冷却可能な熱交換ブロック、第４の熱交換ブロック７５としては、−２００℃まで冷却可能な熱交換ブロックを用いることができる。
【００７７】
発熱部冷却ガス供給ライン２７は、第１の熱交換ブロック７２と第２の熱交換ブロック７３との間に位置する冷媒冷却ガス供給ライン１７から分岐されている。
【００７８】
第３の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機によれば、図１に示すような分割されていない１つの第１の熱交換器２３に替えて、複数の熱交換ブロック（具体的には、第１ないし第４の熱交換ブロック７２〜７５）に分割された第１の熱交換器７１を用いることで、第１の熱交換器２３を用いた場合と比較して、第１の熱交換器７１の大きさを小さくすることが可能となるので、ブレイトンサイクル冷凍機７０の小型化を図ることができる。
【００７９】
なお、上記構成とされた第３の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機７０は、第１の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機１０と同様な効果（具体的には、外気温に影響されることなく、発熱部４１を効率良く冷却することができるという効果）を得ることができる。
【００８０】
また、図３に示すブレイトンサイクル冷凍機７０において、図２に示す温度センサ６１及び自動バルブ６２を設けてもよい。この場合、第２の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機６０と同様な効果を得ることができる。
【００８１】
また、図３では、一例として、第１の熱交換ブロック７２と第２の熱交換ブロック７３との間に位置する冷媒冷却ガス供給ライン１７から発熱部冷却ガス供給ライン２７を分岐させた場合を例に挙げて図示したが、発熱部冷却ガス供給ライン２７を分岐させる位置は、これに限定されない。
【００８２】
発熱部冷却ガス供給ライン２７を分岐させる位置は、例えば、第２の熱交換ブロック７３と第３の熱交換ブロック７４との間に位置する冷媒冷却ガス供給ライン１７から分岐させてもよいし、第３の熱交換ブロック７４と第４の熱交換ブロック７５との間に位置する冷媒冷却ガス供給ライン１７から分岐させてもよいし、第２ないし第４の熱交換ブロック７３〜７５内に位置する冷媒冷却ガス供給ライン１７から分岐させてもよい。
【００８３】
図３に示すブレイトンサイクル冷凍機７０を用いたターボ圧縮機１５の発熱部４１の冷却方法は、第１の実施の形態のターボ圧縮機の発熱部の冷却方法と同様な手法で行うことができる。
【００８４】
（第４の実施の形態）
図４は、本発明の第４の実施の形態に係るブレイトンサイクル冷凍機の概略構成を模式的に示す図である。図４では、第４の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機８０の構成要素ではない冷媒循環ライン１１及び高温超電導電力機器１２を点線で図示する。
図４において、図３に示す第３の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機７０と同一構成部分には、同一符号を付す。但し、図４では、説明の便宜上、図３に示すターボ圧縮機１５と同一構成とされた２つのターボ圧縮機１５を、ターボ圧縮機１５−１，１５−２として図示する。
また、同様な理由により、図４では、図３に示す第１のアフタークーラー１９と同一構成とされた第１のアフタークーラーを第１のアフタークーラー１９−１，１９−２として図示する。
【００８５】
図４を参照するに、第４の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機８０は、第３の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機７０を構成するターボ圧縮機１５及び第１のアフタークーラー１９に替えて、ターボ圧縮機１５−１，１５−２、及び第１のアフタークーラー１９−１，１９−２を有すると共に、さらにライン８１，８２を有し、かつ発熱部冷却ガス供給ライン２７が２つに分岐されていること以外は、ブレイトンサイクル冷凍機７０と同様に構成される。
【００８６】
ターボ圧縮機１５−１の冷却ガス入口部４８は、冷媒冷却ガス回収ライン１８の他端と接続されている。ターボ圧縮機１５−１の発熱部冷却用ガス導入部４３は、発熱部冷却ガス供給ライン２７の２つに分岐したラインのうち、一方の分岐ラインと接続されている。
ターボ圧縮機１５−１の発熱部冷却用ガス導出部４４は、発熱部冷却ガス回収ライン２９の一端と接続されている。
【００８７】
ターボ圧縮機１５−２の発熱部冷却用ガス導入部４３は、発熱部冷却ガス供給ライン２７の２つに分岐したラインのうち、他方の分岐ラインと接続されている。
ターボ圧縮機１５−２の冷却ガス出口部４７は、冷媒冷却ガス供給ライン１７の一端と接続されている。
【００８８】
ライン８１は、その一端がターボ圧縮機１５−２の発熱部冷却用ガス導出部４４と接続されており、他端がターボ圧縮機１５−１の発熱部冷却用ガス導出部４４と第２のアフタークーラー３１との間に位置する発熱部冷却ガス回収ライン２９と接続されている。
ライン８１は、ターボ圧縮機１５−２を構成する発熱部４１の冷却に寄与した冷却ガスを回収し、回収した冷却ガスを発熱部冷却ガス回収ライン２９に供給するためのラインである。
【００８９】
ライン８２は、その一端がターボ圧縮機１５−１の冷却ガス出口部４７と接続されており、他端がターボ圧縮機１５−２の冷却ガス入口部４８と接続されている。
ライン８２は、ターボ圧縮機１５−１により昇圧された冷却ガスを第１のアフタークーラー１９−１に供給する。
【００９０】
第１のアフタークーラー１９−１は、ライン８２に設けられている。第１のアフタークーラー１９−１は、昇圧された冷却ガスの温度を常温まで冷却する。第１のアフタークーラー１９−１により、常温とされた冷却ガスは、ライン８２を介して、ターボ圧縮機１５−２に供給される。
【００９１】
第１のアフタークーラー１９−２は、ターボ圧縮機１５−２と第１の熱交換ブロック７２との間に位置する冷媒冷却ガス供給ライン１７に設けられている。
第１のアフタークーラー１９−２は、ターボ圧縮機１５−２により昇圧された冷却ガスの温度が常温になるまで冷却する。
【００９２】
上記説明した第４の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機８０のように、必要に応じて、複数（図４の場合、２つ）のターボ圧縮機１５−１，１５−２を用いて、ブレイトンサイクル冷凍機を構成してもよい。
この場合、ターボ圧縮機１５−１，１５−２の後段に位置する配管（ライン）に、１つの第１のアフタークーラー（具体的には、第１のアフタークーラー１９−１または第１のアフタークーラー１９−２）を配置する。
【００９３】
このように、複数のターボ圧縮機１５−１，１５−２を用いて、ブレイトンサイクル冷凍機８０を構成することにより、１台のターボ圧縮機のみを用いた場合と比較して、冷却ガスの圧力を高くすることが可能となる。
また、１台のターボ圧縮機で圧縮するよりも２台以上のターボ圧縮機で圧縮する方がプロセスの圧力比（具体的には、出口側圧力と入口側圧力との比）が大きくなるため、サイクル効率を向上させることができる。
【００９４】
なお、図４では、２つのターボ圧縮機１５−１，１５−２を接続させた場合を例に挙げて説明したが、ブレイトンサイクル冷凍機を構成するターボ圧縮機の数が、２つに限定されない。例えば、必要（目的）に応じて、３つ以上のターボ圧縮機を用いて、ブレイトンサイクル冷凍機を構成してもよい。
【００９５】
また、図４では、複数に分割された第１の熱交換器７１を用いた場合を例に挙げて説明したが、第１の熱交換器７１に替えて、分割されていない図１に示す第１の熱交換器２３を用いてもよい。
【００９６】
上記構成とされた第４の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機８０は、第１の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機１０と同様な効果（具体的には、外気温に影響されることなく、発熱部４１を効率良く冷却することができるという効果）を得ることができる。
【００９７】
また、図４に示すブレイトンサイクル冷凍機８０において、ターボ圧縮機１５−１，１５−２を構成する各発熱部４１に、図２に示す温度センサ６１を配置させ、かつ発熱部冷却ガス供給ライン２７から分岐した２つの分岐ラインに図２に示す自動バルブ６２を配置してもよい。
この場合、第２の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機６０と同様な効果を得ることができる。
【００９８】
図４に示すブレイトンサイクル冷凍機８０を用いたターボ圧縮機１５−１，１５−２の発熱部４１の冷却方法は、第１の実施の形態のターボ圧縮機１５の発熱部４１の冷却方法と同様な手法で行うことができる。
【００９９】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【０１００】
以下、参考例、及び実施例について説明する。
【０１０１】
（参考例）
＜参考例で使用したブレイトンサイクル冷凍機＞
図５は、参考例のシミュレーションで使用したブレイトンサイクル冷凍機の概略構成を模式的に示す図である。
始めに、参考例のシミュレーションで使用したブレイトンサイクル冷凍機２００の構成について説明する。
図５を参照するに、ブレイトンサイクル冷凍機２００は、図３に示す第３の実施の形態のブレイトンサイクル冷凍機７０を構成する発熱部冷却ガス供給ライン２７に替えて、発熱部冷却ガス供給ライン２０１を有すること以外は、ブレイトンサイクル冷凍機７０と同様に構成した。
発熱部冷却ガス供給ライン２０１は、第１のアフタークーラー１９と第１の熱交換ブロック７２との間から分岐されたラインであり、ターボ圧縮機１５の発熱部冷却用ガス導入部４３と接続した。
【０１０２】
参考例のシミュレーション条件としては、下記条件を用いた。
ターボ圧縮機１５の性能を示すパラメータとして、入口側圧力を０．５Ｍｐａ、出口側圧力を１．０ＭＰａ、入口温度を２４℃として入力した。
回転子５１及び固定子５２よりなるモータの性能として、インバータ駆動の３相交流４００Ｖの２極誘導モータを用いた。このとき、回転子５１であるロータエレメントと固定子５２であるステータエレメントとの隙間は、０．６ｍｍとした。
【０１０３】
第１の熱交換器７１の条件としては、アルミプレートフィン熱交換器を用いた。冷却ジャケット３６に流す液体の条件としては、１６℃に冷却された工業用水を用いた。
冷却ガス出口部４７から導出する冷却ガスとしては、ネオンガスを用いた。冷却ガス出口部４７から導出するネオンの流量の設定値は、１３０６Ｎｍ３／ｈとし、圧力は１．０ＭＰａに設定した。
【０１０４】
第１のアフタークーラー１９の出口側のネオンの温度を２７℃とし、ネオンの流量を１３０６Ｎｍ３／ｈに設定した。
発熱部冷却ガス供給ライン２０１には、第１のアフタークーラー１９を通過後のネオンの一部（具体的には、１０６Ｎｍ３／ｈ）を供給し、残りのネオン（具体的には、１２００Ｎｍ３／ｈ）は、冷媒冷却ガス供給ライン１７を介して、第１の熱交換器７１に供給するように設定した。
【０１０５】
第１の熱交換器７１を構成する第４の熱交換ブロック７５を通過した段階のネオンの温度は、−２００℃に設定した。冷媒循環ライン１１を流れる冷媒としては、液体窒素を用いた。
第２のアフタークーラー３１では、ターボ圧縮機１５の発熱部４１の冷却に寄与したネオンガスの温度が２４℃となるように冷却し、２４℃まで冷却したネオンガスを冷媒冷却ガス回収ライン１８に供給するように設定した。
【０１０６】
シミュレーションのソフトとして、Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ社製のプロセスシミュレータｇＰＲＯＭＳを用いるとともに、ネオンガスの物性として、ＮＩＳＴ（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｓｔａｎｄａｒｄｓ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）の物性推算プログラムＲＥＦＰＲＯＰ８を用い、上記シミュレーション条件を入力して、参考例のシミュレーションを行った。
上記シミュレーションの結果から、参考例のターボ圧縮機１５の動力、ターボ圧縮機１５の入口における流量、発熱部冷却ガス供給ライン２０１における冷却ガスの流量を求めた。
【０１０７】
このときに得られたターボ圧縮機１５の動力、ターボ圧縮機１５の入口における流量、発熱部冷却ガス供給ライン２０１における冷却ガスの流量の値を基準値（つまり、表１に示すように、それぞれ「１．０００」とする）として、下記実施例１，２のシミュレーション結果を評価した。
【０１０８】
（実施例１）
実施例１では、図３に示すブレイトンサイクル冷凍機７０を用いて、参考例で使用したシミュレーションソフトを用いて、同様なシミュレーションを行った。
このとき、第１の熱交換ブロック７２と第２の熱交換ブロック７３との間に位置する冷媒冷却ガス供給ライン１７から−１１℃のネオンを抜き出して、ターボ圧縮機１５内に供給させ、第１のアフタークーラー１９から導出されるネオンの流量を１３２８Ｎｍ３／ｈ、発熱部冷却ガス供給ライン２７に供給するネオンの流量を６８Ｎｍ３／ｈ、残りの膨張タービン２１に供給するネオンの流量を１２６０Ｎｍ３／ｈにしたこと以外は、上記説明した参考例と同様な条件を用いて、実施例１のシミュレーションを行った。
【０１０９】
その結果、表１に示すように、参考例のターボ圧縮機１５の動力を１．０００としたときの実施例１の圧縮機動力比率は、１．０３３であり、参考例のターボ圧縮機１５の入口側における流量を１．０００としたときの実施例１の圧縮機流量比率は、１．０１７であり、参考例の図５における冷却ガスの流量を１．０００としたときの実施例１の冷却ガス流量比率は０．６４２であった。
【０１１０】
【表１】
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【０１１１】
表１は、参考例のターボ圧縮機１５の動力、ターボ圧縮機１５の入口側における流量、及び発熱部冷却ガス供給ライン２７に供給するネオンの流量を１．０００とした場合の参考例、及び実施例１，２の圧縮機動力比率、圧縮機流量比率、及び冷却ガス流量比率を示している。
【０１１２】
（実施例２）
実施例２では、発熱部冷却ガス供給ライン２７を第２の熱交換ブロック７３と第３の熱交換ブロック７４との間に位置する冷媒冷却ガス供給ライン１７から分岐させたこと以外は、図３に示すブレイトンサイクル冷凍機７０を用い、かつ参考例で使用したシミュレーションソフトを用いて、参考例と同様なシミュレーションを行った。
【０１１３】
このとき、第２の熱交換ブロック７３と第３の熱交換ブロック７４との間に位置する冷媒冷却ガス供給ライン１７から−５４℃のネオン抜き出して、ターボ圧縮機１５内に供給させ、第１のアフタークーラー１９から導出されるネオンの流量を１４２８Ｎｍ３／ｈ、発熱部冷却ガス供給ライン２７に供給するネオンの流量を５１Ｎｍ３／ｈ、残りの膨張タービン２１に供給するネオンの流量を１３７７Ｎｍ３／ｈにしたこと以外は、上記説明した参考例と同様な条件を用いて、実施例２のシミュレーションを行った。
【０１１４】
その結果、表１に示すように、参考例のターボ圧縮機１５の動力を１．０００としたときの実施例２の圧縮機動力比率は、１．１３３であり、参考例のターボ圧縮機１５の入口における流量を１．０００としたときの実施例２の圧縮機流量比率は、１．０９３であり、参考例（図５参照）における冷却ガスの流量を１．０００としたときの実施例１の冷却ガス流量比率は０．４８１であった。
【０１１５】
（参考例、実施例１、及び実施例２の結果について）
図６は、表１に示す参考例、及び実施例１，２の圧縮機動力比率、圧縮機流量比率、及び冷却ガス流量比率と冷却ガスの温度との関係をグラフ化させた図である。
図６の横軸は、冷却ガスの温度（℃）を示しており、縦軸は、圧縮機動力比率、圧縮機流量比率、及び冷却ガス流量比率を示している。
【０１１６】
図６を参照するに、冷却ガスの温度が低くなると、ターボ圧縮機１５内に供給する冷却ガスの流量が少なくて済むことが分かった。
また、冷却ガスの温度が低くなると、ターボ圧縮機１５の動力が大きくなるため、冷却ガスの温度が低すぎない方がよいことが分かった。
図６の結果から、ターボ圧縮機１５内に供給する冷却ガスの温度範囲は、−５０〜１０℃の範囲内がよいことが分かった。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
本発明は、高温超電導電力機器を冷却する冷媒を冷却するブレイトンサイクル冷凍機、及びブレイトンサイクル冷凍機を構成するターボ圧縮機の発熱部の冷却方法に適用可能である。
【符号の説明】
【０１１８】
１０，６０，７０，８０…ブレイトンサイクル冷凍機、１１…冷媒循環ライン、１２…高温超電導電力機器、１５，１５−１，１５−２…ターボ圧縮機、１７…冷媒冷却ガス供給ライン、１８…冷媒冷却ガス回収ライン、１９，１９−１，１９−２…第１のアフタークーラー、２１…膨張タービン、２３，７１…第１の熱交換器、２５…第２の熱交換器、２７…発熱部冷却ガス供給ライン、２９…発熱部冷却ガス回収ライン、３１…第２のアフタークーラー、３５…ターボ圧縮機本体、３６…冷却ジャケット、３８…筐体、３８Ａ…本体部３８Ｂ…先端部、４１…発熱部、４３…発熱部冷却用ガス導入部、４４…発熱部冷却用ガス導出部、４７…冷却ガス出口部、４８…冷却ガス入口部、５１…回転子、５２…固定子、６１…温度センサ、６２…自動バルブ、７２…第１の熱交換ブロック、７３…第２の熱交換ブロック、７４…第３の熱交換ブロック、７５…第４の熱交換ブロック、８１，８２…ライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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