(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１冷媒が循環する第１循環経路と、
被冷却対象である第２冷媒が循環する第２循環経路と、
前記第１循環経路と前記第２循環経路とに亘って配置され、単一の熱交換部を有するサブクーラと、
前記第１循環経路の前記サブクーラの一次側に位置する膨張タービンと、を備え、
前記膨張タービンの出口温度が前記第２冷媒の凝固点より高い温度となる前記膨張タービンの圧力比である、ターボブレイトン冷凍機。
【請求項２】
前記膨張タービンの圧力比が、２．０以下である、請求項１に記載のターボブレイトン冷凍機。
【請求項３】
前記第１冷媒として、ヘリウム、水素、ネオン、窒素、アルゴン、酸素、空気、炭化水素からなる群から選択する２以上の混合冷媒を用いる、請求項１又は２に記載のターボブレイトン冷凍機。
【請求項４】
前記第２冷媒は、凝固点が１２０Ｋ以下の液化ガスである、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のターボブレイトン冷凍機。
【請求項５】
前記第１冷媒が、少なくともヘリウムを含む、請求項３又は４に記載のターボブレイトン冷凍機。
【請求項６】
前記第１冷媒における前記ヘリウムの混合割合が、２０％〜９５％である、請求項５に記載のターボブレイトン冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボブレイトン冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボブレイトン冷凍機は、他の冷凍方式と比較して冷凍能力が大きく、メンテナンス間隔を長期化できる特長を有する。この特長を利用して、ターボブレイトン冷凍機は、超電導送電ケーブルや超電導限流器などの、超電導電力機器の冷却に用いられている。超電導電力機器の冷却では、循環する液体窒素（被冷却対象）が超電導電力機器における侵入熱や発熱を除去した後、冷凍機に戻ってきた液体窒素が冷凍機で冷却される。
【０００３】
特許文献１には、圧縮された冷媒ガスが主熱交換器を通過し、膨張タービンで膨張した後、サブクーラで液体窒素を冷却し、再び主熱交換機を通過して圧縮機へ戻る閉サイクルを有するターボブレイトン冷凍機が記載されている。また、特許文献１には、ターボブレイトン冷凍機において高い冷凍機効率を得るために、膨張タービンの入口側の圧力と出口側の圧力との比（圧力比）が、２．７程度が望ましいことが記載されている。また、特許文献２では圧力比２．０と記載されている。
【０００４】
特許文献１に記載されたターボブレイトン冷凍機では、サブクーラにおいて冷媒ガスによって液体窒素が６５Ｋ〜８０Ｋ程度に冷却されるが、液体窒素の凝固温度が６３Ｋ付近のため、液体窒素の凍結を防止する手段が必要であった。
【０００５】
そこで、特許文献２には、液体窒素の凍結を防ぐために、サブクーラの冷媒流路の構造を工夫したり、サブクーラの表面にヒータ等の加熱手段を設けたターボブレイトン冷凍機の構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１４／１９２３８２号
【特許文献２】国際公開第２０１３／１５４１８５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２に開示されたターボブレイトン冷凍機では、複雑な冷媒流路を有するサブクーラや追加設備が必要となる。特に、特許文献２に開示されたターボブレイトン冷凍機では、冷媒通路の圧力損失が増加して冷凍機の効率が低下するという課題があった。
【０００８】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、被冷却対象の凍結防止が可能な、ターボブレイトン冷凍機を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を達成するために、本発明は以下の構成を採用する。
［１］  第１冷媒が循環する第１循環経路と、
被冷却対象である第２冷媒が循環する第２循環経路と、
前記第１循環経路と前記第２循環経路とに亘って配置されるサブクーラと、
前記第１循環経路の前記サブクーラの一次側に位置する膨張タービンと、を備え、
前記膨張タービンの出口温度が前記第２冷媒の凝固点より高い温度となる前記膨張タービンの圧力比である、ターボブレイトン冷凍機。
［２］  前記膨張タービンの圧力比が、２．０以下である、［１］に記載のターボブレイトン冷凍機。
［３］  前記第１冷媒として、ヘリウム、水素、ネオン、窒素、アルゴン、酸素、空気、炭化水素からなる群から選択する２以上の混合冷媒を用いる、［１］又は［２］に記載のターボブレイトン冷凍機。
［４］  前記第２冷媒は、凝固点が１２０Ｋ以下の液化ガスである、［１］乃至［３］のいずれかに記載のターボブレイトン冷凍機。
［５］  前記第１冷媒が、少なくともヘリウムを含む、［３］又は［４］に記載のターボブレイトン冷凍機。
［６］  前記第１冷媒における前記ヘリウムの混合割合が、２０％〜９５％である、［５］に記載のターボブレイトン冷凍機。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のターボブレイトン冷凍機は、被冷却対象の凍結防止が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係るターボブレイトン冷凍機を示す系統図である。
【図２】ネオンとヘリウムとの混合ガスを用いた際の、膨張タービンの入口側の圧力と出口側の圧力との比（圧力比）と、膨張タービンの入口側の温度と出口側の温度との温度差との関係を示す図である。
【図３】膨張タービンの入口側の圧力と出口側の圧力との比（圧力比）と、膨張タービンの圧力比を２．０として運転した際の、基準冷媒（ネオン）の断熱熱落差比を基準（１．０）とした場合の断熱熱落差の比との関係を示す図である。
【図４】ネオンとヘリウムとの混合ガスにおけるヘリウム濃度と、ネオン１００体積％の密度を基準（１．０）とした場合の混合ガスの密度の比との関係を示す図である。
【図５】タービンの比速度と効率との関係の一例を示す図である。
【図６】混合ガスにおけるヘリウム濃度と、膨張タービンの比速度比との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明について、添付の図面を参照し、実施形態を示して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００１３】
＜ターボブレイトン冷凍機＞
先ず、本発明を適用した一実施形態であるターボブレイトン冷凍機の構成について、説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るターボブレイトン冷凍機を示す系統図である。
図１に示すように、本実施形態のターボブレイトン冷凍機１１は、第１冷媒が循環する第１循環経路Ｌ１と、被冷却対象である第２冷媒が循環する第２循環経路Ｌ２と、第１循環経路Ｌ１と第２循環経路Ｌ２とに亘って配置されるサブクーラ２２と、第１循環経路Ｌ１のサブクーラ２２の一次側に位置する膨張タービン２１と、を備える。
また、第１循環経路Ｌ１には、ターボ圧縮機３１と、水冷クーラ３２と、主熱交換器３３とが配設されている。
【００１４】
本実施形態のターボブレイトン冷凍機１１は、前記膨張タービンの出口温度が前記第２冷媒の凝固点より高い温度となる前記膨張タービンの圧力比であることにより、液体窒素の凍結を防ぐために、サブクーラの冷媒流路の構造を変更したり、サブクーラの表面にヒータ等の加熱手段を設けることなく、被冷却対象の凍結防止が可能である。
【００１５】
本実施形態のターボブレイトン冷凍機１１では、ターボ圧縮機３１によって圧縮された第１冷媒が、水冷クーラ３２及び主熱交換器３３を通過する際に冷却された後に膨張タービン２１で膨張することで、さらに温度が低下し、サブクーラ２２において第１冷媒と第２冷媒とが熱交換することで、第２冷媒が冷却目標温度まで冷却される。
【００１６】
第１冷媒は、ヘリウム、水素、ネオン、窒素、アルゴン、酸素からなる群から選択される２以上の混合ガスである。第１冷媒として上述の混合ガスを用いることで、被冷却対象である第２冷媒を凍結することなく、最適なタービン効率を維持したターボブレイトン冷凍機の運転が可能となる。
【００１７】
第２冷媒は、特に限定されない。第２冷媒は、凝固点が１２０Ｋ以下の液化ガス（例えば、液体窒素、ＬＮＧなど）であることが好ましい。
本実施形態のターボブレイトン冷凍機１１を超電導電力機器の冷却に用いる場合、第２冷媒が液体窒素であることが好ましく、第１冷媒が、ヘリウム、水素、ネオンからなる群から選択される２以上の混合冷媒であることが好ましい。さらに、第１冷媒としては、これらの混合冷媒の中でも、少なくともヘリウムを含むものがより好ましい。
【００１８】
なお、本実施形態のターボブレイトン冷凍機１１を超電導電力機器の冷却に用いる場合、膨張タービン２１の運転時の圧力比と第１冷媒とを、選定する具体的な方法については、以下の実施例において詳細に説明する。
【００１９】
本実施形態のターボブレイトン冷凍機１１によれば、第１冷媒の組み合わせと混合割合を選定することで、膨張タービン２１の効率を大きく低下させることなく、被冷却対象である第２冷媒の凍結を防止できる。
【００２０】
また、本実施形態のブレイトン冷凍機１１によれば、第２冷媒を液体窒素として超電導電力機器の冷却に用いる場合、膨張タービン２１の圧力比を１．５３とし、第１冷媒としてネオンとヘリウムとの混合冷媒（ネオン濃度：５〜８０体積％、ヘリウム濃度：２０〜９５体積％）を用いることで、膨張タービン２１の効率を低下させることなく、液体窒素の凍結を防止できる。
【００２１】
以上、実施形態を示して本発明のターボブレイトン冷凍機を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。上記実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。
【実施例】
【００２２】
以下、検証試験によって本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されない。
【００２３】
＜検証試験＞
本発明のターボブレイトン冷凍機を超電導電力機器の冷却に用いる場合、膨張タービンの運転時の圧力比と第１冷媒とを選定する具体的な方法について詳細に説明する。
【００２４】
（検証１）
ネオンとヘリウムとの混合ガスを用いた際の、膨張タービンの入口側の圧力と出口側の圧力との比（圧力比）と、膨張タービンの入口側の温度と出口側の温度との温度差との関係を検証した。
ここで、図２は、ネオンとヘリウムとの混合ガスを用いた際の、膨張タービンの入口側の圧力と出口側の圧力との比（圧力比）と、膨張タービンの入口側の温度と出口側の温度との温度差との関係を示す図である。
なお、混合ガスにおけるヘリウム濃度は、０、３０、５０、８０、１００（体積％）の５水準を用いた。
また、タービン効率は７０％とし、膨張タービンの入口側の温度は７２Ｋとした。
【００２５】
図２に示すように、圧力比が高いと、膨張タービンの入口側の温度と出口側の温度との温度差は大きくなることを確認した。一方、混合ガスにおけるヘリウム濃度の違いによる温度差は小さいことを確認した。
【００２６】
（検証２）
ネオンとヘリウムとの混合ガスを用いた際の、膨張タービンの入口側の圧力と出口側の圧力との比（圧力比）と、断熱熱落差（タービンにより理想的に断熱膨張した際のタービン入口とタービン出口とのエンタルピー差）との関係を検証した。
ここで、図３は、膨張タービンの入口側の圧力と出口側の圧力との比（圧力比）と、膨張タービンの圧力比を２．０として運転した際の、基準冷媒（ネオン）の断熱熱落差比を基準（１．０）とした場合の断熱熱落差の比との関係を示す図である。
なお、混合ガスにおけるヘリウム濃度は、０、３０、５０、８０、１００（体積％）の５水準を用いた。
【００２７】
図３に示すように、同じ圧力比において断熱熱落差の比を比較すると、混合ガスにおけるヘリウム濃度が高いほど断熱熱落差の比が大きくなることを確認した。
【００２８】
（検証３）
ネオンとヘリウムとの混合ガスを用いた際の、混合ガスにおけるヘリウム濃度と、ネオン１００体積％の密度を基準（１．０）とした場合の混合ガスの密度の比との関係を検証した。
ここで、図４は、ネオンとヘリウムとの混合ガスにおけるヘリウム濃度と、ネオン１００体積％の密度を基準（１．０）とした場合の混合ガスの密度の比との関係を示す図である。
図４に示すように、ネオンとヘリウムとの混合ガスにおいて、ヘリウム濃度が高くなると密度は小さくなることを確認した。
【００２９】
上述した検証１〜３の結果を踏まえて、膨張タービンの入口側の温度と出口側の温度との温度差が８Ｋとなる条件を検討した。
上述した検証１の結果より、混合ガスにおけるヘリウム濃度の違いによる温度差は小さいため、混合ガスにおけるヘリウム濃度５０％の場合で圧力比に対する膨張タービンの入口側の温度と出口側の温度との温度差を求めると、以下の式１となる。
【００３０】
【数１】
0006951598.tif 000002
【００３１】
なお、上記式１中、ΔＴは膨張タービン出入口の温度差、Ｐｒは膨張タービン出入口の圧力比である。
上記式１より、膨張タービンの入口側の温度と出口側の温度との温度差が８Ｋとなるのは、膨張タービンの圧力比１．５３であった。
【００３２】
ここで、具体的なターボブレイトン冷凍機として特許文献２で示されている冷媒としてネオン１００％を用い、膨張タービンの圧力比を２．０とする条件を例１とした。また、例１を基準として得られる発生寒冷を同じとした場合、冷媒としてネオン１００％を用い、膨張タービンの圧力比１．５３とする条件を例２とし、冷媒としてヘリウム濃度５０％の混合ガスを用い、膨張タービンの圧力比１．５３とする条件を例３とした。
表１は、例１のタービンの断熱熱落差、質量流量、体積流量、比速度を基準とした場合の、例２及び例３のタービンの断熱熱落差比、質量流量比、体積流量比、比速度比をそれぞれ示す。
【００３３】
【表１】
0006951598.tif 000003
【００３４】
表１に示すように、例２及び例３の、膨張タービンの入口側の温度と出口側の温度との温度差は、８．０〜８．２Ｋであった。
また、例２では、圧力比が１．５３で断熱熱落差比が０．６５倍となるため、質量流量比、及び体積流量比がそれぞれ１．５４倍であった。
また、例３では、圧力比が１．５３で断熱熱落差比が１．１倍となるため、質量流量比が０．９１倍となり、Ｈｅ５０％を含む冷媒はＮｅ１００％の冷媒と比較して密度が小さいため、体積流量比が１．５２倍であった。
【００３５】
また、膨張タービンの比速度比は、体積流量比の０．５乗と断熱熱落差比の−０．７５乗に比例するため、基準条件となる例１と比較すると例２の比速度比は１．７１倍となり、例３では１．１５倍となった。
したがって、膨張タービンによって同じ発生寒冷を得る場合、冷媒ガスの適切なヘリウム混合濃度を選定することで、膨張タービンの比速度比を大きく変化させることなく、膨張タービンの入口側の温度と出口側の温度との温度差を変えることができることを見出した。
【００３６】
（検証４）
膨張タービンの比速度と効率との関係を検証した。
ここで、図５は、タービンの比速度と効率との関係の一例を示す図である。
図５に示すように、一般的にタービンでは、比速度が０．６の条件で効率が最大（ピーク）となり、比速度が０．３〜０．９の範囲で高効率（効率８０％以上）となっている。
【００３７】
上述した検証４の結果を踏まえて、冷媒１として用いる、ネオンとヘリウムとの混合割合を決定する方法を検討した。
【００３８】
上述した検証４の結果から、膨張タービンの比速度比の許容範囲は、効率が最大となる比速度０．６を基準とすれば、基準となる比速度の０．５〜１．５倍の範囲となる。
ここで、上述した例２では、比速度比が１．７１と大きく、タービンの効率が低下することがわかる。
一方、例３では、比速度比が１．１５であり、タービンを高効率に維持できることがわかった。
【００３９】
ここで、図６は、混合ガスにおけるヘリウム濃度と、膨張タービンの比速度比との関係を示す図である。
なお、膨張タービンの圧力比は、１．１６、１．３０、１．５３、１．８、２．０の５水準を用いた。
また、膨張タービンの比速度比は、冷媒としてネオン１００％を用い、膨張タービンの圧力比を２．０とした際の比速度を基準（１．０）とした。
ここで、圧力比が１．５３の場合、混合ガスにおけるヘリウム濃度と、膨張タービンの比速度比との関係は、以下の式２で表すことができる。
【００４０】
【数２】
0006951598.tif 000004
【００４１】
上記式２中、ｎ’は比速度比、Ｎｅは混合ガスにおけるネオン濃度（体積％）である。
表２に、上記式２より求めた膨張タービンの比速度比と混合ガスにおけるヘリウム濃度との関係を示す。
【００４２】
【表２】
0006951598.tif 000005
【００４３】
表２に示すように、混合ガスにおけるネオン濃度が４０％のとき、基準とした比速度（１．０）と同等の比速度（１．０２）になることがわかった。
したがって、膨張タービンの入口側の温度と出口側の温度との温度差が８Ｋとなる条件とする場合、膨張タービンを高効率に維持するためには比速度比が０．５〜１．５の範囲であるため、混合ガスにおけるネオン濃度は５〜８０％（ヘリウム濃度は２０〜９５％）の範囲で選択することが好ましいことを確認した。
【００４４】
（検証５）
表３は、図６中に示す膨張タービンの圧力比１．１６、１．３０、１．５３、１．８、２．０の５水準について、混合ガス中のネオンとヘリウムとの混合割合における各比速度比の値を示す。
【００４５】
【表３】
0006951598.tif 000006
【００４６】
表３に示すように、膨張タービンの圧力比ごとに、混合ガス中のネオンとヘリウムとの混合割合と比速度比との関係を確認できた。
表３の結果から、本発明のターボブレイトン冷凍機を運転する際、膨張タービンの運転時の圧力比として１．５３以外を選択した場合であっても、適切な混合ガス中のネオンとヘリウムとの混合割合を決定できることが示唆された。
【符号の説明】
【００４７】
１１・・・ターボブレイトン冷凍機
２１・・・膨張タービン
２２・・・サブクーラ
３１・・・ターボ圧縮機
３２・・・水冷クーラ
３３・・・主熱交換器
Ｌ１・・・第１循環経路
Ｌ２・・・第２循環経路
【要約】
【課題】被冷却対象の凍結防止が可能な、ターボブレイトン冷凍機を提供する。
【解決手段】第１冷媒が循環する第１循環経路Ｌ１と、被冷却対象である第２冷媒が循環する第２循環経路Ｌ２と、第１循環経路Ｌ１と第２循環経路Ｌ２とに亘って配置されるサブクーラ２２と、第１循環経路Ｌ１のサブクーラ２２の一次側に位置する膨張タービン２１と、を備え、膨張タービン２１の出口温度が第２冷媒の凝固点より高い温度となる膨張タービン２１の圧力比である、ターボブレイトン冷凍機１１を選択する。
【選択図】図１【図１】
0006951598.tif 000007
【図２】
0006951598.tif 000008
【図３】
0006951598.tif 000009
【図４】
0006951598.tif 000010
【図５】
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【図６】
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