(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液化用Ｈｅガスを圧縮する圧縮機群と、Ｈｅタンクと、該ＨｅタンクよりＨｅの供給を受ける冷却負荷と、圧縮機群の吐出側よりＨｅタンクへ高圧Ｈｅガスを供給する供給液化流路と、Ｈｅタンクより低圧低温Ｈｅガスを圧縮機群の吸い込み側へ還流させる還流戻し流路と、供給液化流路と還流戻し流路の双方にそれぞれ貫通され、前段側を予冷熱交換器とした複数の熱交換器と、供給液化流路より膨張タービンを介して還流戻し流路のＨｅタンクに近い部位で合流させる寒冷バイパス流路と、供給液化流路の末端に設けたＪＴ膨張弁とを含むＨｅ液化冷凍機において、
前記圧縮機群は電動スクリュー多段圧縮機で構成し、別途設けた最適周波数発電システムより最適周波数電力の供給を受けて負荷に対応して回転数制御を行うとともに、
前記最適周波数発電システムは、周波数変換機と、燃焼器を含むガスタービン発電部と前記燃焼器に燃料を供給する燃料供給部とからなり、
燃料供給部は、液化天然ガスタンクより前記燃焼器に燃料を供給する第１の通路上に前記予冷熱交換器を介装させて、該予冷熱交換器に気化熱に相応する冷熱を供給する気化部となすとともに、前記第１の通路をバイパスさせた第２の通路に前記液化天然ガスの一部をガス化する加温器を設けたことを特徴とするＨｅ液化冷凍機。
【請求項２】
前記最適周波数発電システムは、周波数変換機と、燃焼器を含むガスタービン発電部と前記燃焼器に燃料を供給する燃料供給部とケミカル冷凍機とからなり、
ケミカル冷凍機はガスタービン発電部の廃ガスを熱源して前記予冷熱交換器に冷熱を供給する構成とし、
前記第１の通路を介した液化天然ガスの気化熱に相応する冷熱と、ケミカル冷凍機を介したガスタービン発電部の廃ガスにより発生する冷熱とを予冷熱交換器に供給して、前記供給液化流路を流れる高圧Ｈｅガスを予冷することを特徴とする請求項１記載のＨｅ液化冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、核融合発電等の超伝導装置に用いられる大容量のＨｅ液化冷凍機に関し、特に液化用Ｈｅガスの圧縮用の電動圧縮機の駆動を別途用意した最適周波数発電システムを電源とした発電システムにより、交流可変周波数の電力の供給を受け、負荷の変動に対し常に最適回転数を対応させ、高効率の安全連続運転を可能とするともに、前記発電システムに天然ガスによるガスタービン発電システムを使用し、液化天然ガスの気化熱とガスタービンの廃ガスの温熱利用により、前記電動圧縮機群による高圧Ｈｅガスの冷却用に冷熱を供給して熱効率の向上を図ったＨｅ液化冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超伝導装置には、超伝導磁石、超伝導発電機、電動機、超伝導電力の貯蔵、あるいは核融合用テスト等を挙げることができるが、例えば核融合炉において、強力な磁界を造るためにはコイルの直流電気抵抗が「０」になる転移温度以下に超伝導磁石を冷却する必要があるが、その絶対０度近辺の極低温は液化Ｈｅにより得ている状況である。
上記液化Ｈｅを製造する冷凍機としては例えば特開平５ー７９７１９号公報記載の図３に示すＨｅ液化冷凍装置が知られている。
即ち、圧縮機６８と、予冷熱交換機６０、熱交換器６１、６２、６３、６４と、液化窒素冷却装置部６９と、液化Ｈｅを貯蔵するＨｅタンク６６とを設け、前記圧縮機６８の吐出側より各熱交換器を貫通して前記Ｈｅタンク６６に導入されるよう形成された高圧Ｈｅガスの供給液化流路５０と、
前記Ｈｅタンク６６より各熱交換器を貫通して圧縮機６８の吸入側に導入するよう形成された低圧Ｈｅガスの還流戻し流路５１と、
前記供給液化流路５０と還流戻し流路５１との間を膨張タービン５３、５４を介して接続するようにした寒冷バイパス流路５２と、
前記供給液化流路の末端に設けたＪＴ膨張弁５０ａと、
例えば、超伝導磁石を内蔵してＨｅタンク６６より液化Ｈｅの供給を受ける冷却負荷６５と、より構成されている。
【０００３】
上記構成を持つＨｅ液化冷凍機において、
圧縮機６８は２本のロータの単純回転運動により空間容積を変化させ、吸い込み、圧縮及び吐き出しのサイクルを繰り返す純容積型圧縮機で、回転数変化に対し効率変化の少ない容量制御が可能の給油式スクリュー圧縮機が使用されている。
上記圧縮機６８により圧縮された高圧Ｈｅガスは供給液化流路５０を介して、まず予冷熱交換器６０に導入され、該熱交換器６０において液体窒素冷却装置６０よりの液体窒素ＬＮ２の気化熱により予冷される。
ついで、熱交換器６１、６２、６３、６４を経由徐々に冷却され、最終的にＪＴ膨張弁５０ａの自由膨張により気液２相状態のＨｅとなり、Ｈｅタンク６６に導入するようにしてある。
一方Ｈｅタンク６６中及び冷却負荷６５に接し気化した低圧低温Ｈｅガスは、還流戻し流路５１を介し前記熱交換器６４、６３、６２、６１、予冷熱交換器６０を経由して、圧縮機６８の吸入側に還流するようにしてあり、熱交換器６４、６３、６２、６１、予冷熱交換器６０を介して供給液化流路５０内の高圧Ｈｅガスと向流熱交換をして高圧Ｈｅガスの冷却をさせる構成にしてある。また、供給液化流路５０内の高圧Ｈｅガスの一部は寒冷バイパス流路５２により分岐され、膨張タービン５３、５４を経由して断熱膨張により寒冷を発生したのち、熱交換器６２を経由して還流戻し流路５１の適当温度位置に合流し、前記高圧Ｈｅガスの冷熱源となり、熱交換器６４で向流熱交換による供給液化流路内の高圧Ｈｅガスを冷却する。
上記して寒冷冷却された高圧ＨｅガスはＪＴ膨張弁５０ａを介して自由膨張をして気液２相状態のＨｅとなり、Ｈｅタンク６６に導入貯蔵されるようにしてある。
なお、この場合は、レベル検出素子６７を介してＨｅタンク６６の適正液面レベルを検出して、ノズル開度制御部５６により前記膨張タービンの５３、５４のノズル開度を制御可能にしてある。
【０００４】
ところで、核融合発電の開発には大型超伝導マグネットの開発が不可欠で、そのためには、該マグネットの冷却に必要な大容量のＨｅ液化冷凍機が必要となるわけで、しかも信頼性及び連続運転性のある冷凍機の出現が強く望まれている状況である。
上記冷凍機の信頼性や連続運転性を左右する圧縮機は、前記図３に示す従来例においても説明してあるように、給油式スクリュー式圧縮機が使用されているが、冷凍機の大型化に連れ油インジェクション型の多段圧縮機が複数基用いられ、しかも圧縮機のシャフトシール部からの油漏れに起因する環境汚染の問題、及び前記シャフトシール部よりの大気混入にからむＨｅ液化冷凍機の連続運転阻害の問題があるため、スクリュウー圧縮機の密閉化が要求され、特に効率化のため複数基の多段圧縮機の密閉化が重要課題となっている。
一方核融合炉に使用する安全上の問題から見ても、それに使用するＨｅ液化冷凍機の停電等による運転停止を避け、運転継続のための計画運転の確保も不可欠の問題である。
また、効率的運転のためには圧縮機の負荷の変動に対する容量制御が可能であることが必要である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記事項を結論すると、圧縮機に対しては、
１、油漏れ、大気混入の問題点より、複数の多段圧縮機の密閉化が要求されている。
２、負荷の安全運転上の問題より停電時にも関わらず連続運転が必要である。
３、負荷の変動に対応して容量制御可能である。
【０００６】
上記事項特に第２項解決のために、従来は図４（Ｂ）に示すエンジン７８による圧縮機７２、７３の直接運転が提案され行われているが、この対策は第１項の密閉化の点から適当でないと考えられる。
また、上記第３項、第１項解決のために、従来は図４（Ａ）に示すインバータ７４、７５により、電動多段圧縮機７０、７１の駆動用誘導機Ｍａ、Ｍｂを可変周波数による可変回転数運転を可能として容量制御できるようにしている。７６は商用電源である。然し、上記インバータによる可変周波数運転の場合は、密閉化雰囲気の中での容量制御可能の点は略解決されているが、下記問題点が介在する。即ち、
１、インバータは信頼性が低く、過負荷や不測事態発生にはインバータが最初にダメージを受けることが多い。
２、インバータ駆動圧縮機では、圧縮機本体に問題がない場合でも、インバータの異常や故障により圧縮機全体が運転停止に陥る可能性がある。
３、そのため、インバータ異常診断機能を装置として必要とされ、且つ系統電源による定速運転に切り替えるシステムが必要である。
４、インバータ損失による効率低下やインバータ波形による電気的ノイズによる計測関連機器等の誤動作を誘引し、延いては制御不能に陥る問題がある。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑み、負荷の変動に追随して密閉化された電動圧縮機群の効率的容量制御を可能とした、独立変速ガスタービン発電システムを備え、併せて該システムの冷熱利用と廃熱回収を可能として、効率的Ｈｅ液化冷凍システムの提供を図ったものである。
【０００８】
そこで、本発明は、
圧縮機に従来より要求されている、複数の多段圧縮機の密閉化を行う中で、負荷の安全運転上の問題となる停電時にも関わらず連続運転を可能とし、且つ、負荷の変動に対応して容量制御可能とすべく、別途用意した最適周波数発電システムを独立電源として稼働する密閉型電動スクリュー多段圧縮機を含む構成とした、圧縮機用最適周波数発電システムを備えたＨｅ液化冷凍機の提供を目的としたものである。
【０００９】
また、本発明は、前記発明の目的に加え、
請求項１記載の最適周波数発電システムに天然ガスを燃料とするガスタービン発電システムを使用して、冷熱用熱交換器とケミカル冷凍機の併用により、冷熱と廃熱の有効利用を図り、システムの効率化を図った、圧縮機用最適周波数発電システムを備えたＨｅ液化冷凍機の提供を目的としたものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、
液化用Ｈｅガスを圧縮する圧縮機群と、Ｈｅタンクと、該ＨｅタンクよりＨｅの供給を受ける冷却負荷と、圧縮機群の吐出側よりＨｅタンクへ高圧Ｈｅガスを供給する供給液化流路と、Ｈｅタンクより低圧低温Ｈｅガスを圧縮機群の吸い込み側へ還流させる還流戻し流路と、供給液化流路と還流戻し流路の双方にそれぞれ貫通され、前段側を予冷熱交換器とした複数の熱交換器と、供給液化流路より膨張タービンを介して還流戻し流路のＨｅタンクに近い部位で合流させる寒冷バイパス流路と、供給液化流路の末端に設けたＪＴ膨張弁とを含むＨｅ液化冷凍機において、
前記圧縮機群は電動スクリュー多段圧縮機で構成し、別途設けた最適周波数発電システムより最適周波数電力の供給を受けて負荷に対応して回転数制御を行うとともに、
前記最適周波数発電システムは、周波数変換機と、燃焼器を含むガスタービン発電部と前記燃焼器に燃料を供給する燃料供給部とからなり、
燃料供給部は、液化天然ガスタンクより前記燃焼器に燃料を供給する第１の通路上に前記予冷熱交換器を介装させて、該予冷熱交換器に気化熱に相応する冷熱を供給する気化部となすとともに、前記第１の通路をバイパスさせた第２の通路に前記液化天然ガスの一部をガス化する加温器を設けたことを特徴とするものである。
【００１１】
また、請求項２記載の発明は、
請求項１記載の最適周波数発電システムに加えて、前記最適周波数発電システムは、周波数変換機と、燃焼器を含むガスタービン発電部と前記燃焼器に燃料を供給する燃料供給部とケミカル冷凍機とからなり、
ケミカル冷凍機はガスタービン発電部の廃ガスを熱源して前記予冷熱交換器に冷熱を供給する構成とし、
前記第１の通路を介した液化天然ガスの気化熱に相応する冷熱と、ケミカル冷凍機を介したガスタービン発電部の廃ガスにより発生する冷熱とを予冷熱交換器に供給して、前記供給液化流路を流れる高圧Ｈｅガスを予冷することを特徴とするものである。
【００１２】
【作用】
上記請求項１記載の、Ｈｅ液化冷凍機に対し、別個に設けた最適周波数発電システムにより、密閉化された電動スクリュー多段圧縮機群の効率的駆動が可能となる。即ち、当該圧縮機群の組合せに対応した均質波形を持つ最適周波数電力の導入により、前記電動スクリュー多段圧縮機群のそれぞれの駆動用誘導機が負荷要求に対応した回転数で駆動することができ、最適効率化を図ることができる。また、上記したように独自の安定した電源の装備により、連続運転性能の向上が図れる。
【００１３】
上記請求項２記載の上記最適周波数発電システムを、天然ガス、例えばＬＮＧを使用したガスタービン発電部と燃料供給部とケミカル冷凍機との構成により、ＬＮＧの気化熱に相当する冷熱を発生する気化部と廃熱を利用して冷熱を発生するケミカル冷凍機と、請求項１記載の予冷熱交換器群との有機的組合せにより、システムの熱効率化を図ることができる。
特に前記第１の通路を介した液化天然ガスの気化熱に相応する冷熱と、ケミカル冷凍機を介したガスタービン発電部の廃ガスにより発生する冷熱とにより、前記予冷熱交換器内の前記供給液化流路を流れる高圧Ｈｅガスを予冷することにより、液化窒素の気化による予冷を不用にできる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例の形態を、図示例と共に説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、形状、その相対的位置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図１は、本発明の圧縮機用最適周波数発電システムを備えたＨｅ液化冷凍の概略の構成を示す図で、図２は最適周波数発電システムの概略の構成を示す図である。
【００１５】
図１に示すように、本発明の圧縮機用最適周波数発電システムを備えたＨｅ液化冷凍機は、Ｈｅ液化冷凍機１３と、最適周波数発電システム３３と、より構成する。
最適周波数発電システム３３は、ガスタービン発電部３０と、ケミカル冷凍機である吸着冷凍機３１と、燃料供給部３５と、よりなる。
【００１６】
Ｈｅ液化冷凍機１３は、密閉型電動スクリュウ多段圧縮機１５ａ、１５ｂとよりなる密閉型圧縮機群１４と、Ｈｅタンク１６と、例えば超伝導マグネットである冷却負荷１７と、圧縮機群１４の吐出側より高圧ＨｅガスをＨｅタンク１６へ供給する供給液化流路１０と、Ｈｅタンク１６より低圧低温Ｈｅガスを圧縮機群１４の吸入側へ還流させる還流戻し流路１１と、予冷熱交換器２０、２１、熱交換器２２、２３、２４と、供給液化流路１０の中段より還流戻し流路１１の温度適当位置に膨張タービン１２ａを介して合流する寒冷バイパス流路１２と、ＪＴ膨張弁１０ａとより構成する。
【００１７】
上記密閉型電動スクリュウ多段圧縮機１５ａ、１５ｂは、シャフトシール部よりの油漏れによる環境汚染の防止やシャフトシール部よりの大気混合による連続運転の阻害防止のため、それぞれ密閉化されてある。
また、小型化、低コスト化を図るため、１軸に低段機と高段機とを組み込んだものや両軸モータを使用し両軸に低段機と高段機とをそれぞれ組みつけたものを使用するようにしてある。
また、回転数変化に対し効率変化の伴うことの少ない容量制御が可能のインジェクション給油式スクリュー圧縮機が使用するようにしてある。
なお、駆動用モータＭａ、Ｍｂは誘導電動機よりなり、前記最適周波数発電システム３３より最適周波数電力である３相可変周波数電力の供給を受け、回転数可変の運転ができるようにし、負荷要求信号に対応容量制御可能の構成にしてある。
【００１８】
前記予冷熱交換器２０においては、還流戻し流路１１を介して還流する低圧低温Ｈｅガスの冷熱と、後記するＬＮＧの気化熱に対応発生する冷熱と、吸着冷凍機３１の冷却側３１ｂより出力する冷熱とに対し、供給液化流路を流れる高圧Ｈｅガスが向流熱交換して予冷されるようにしてある。
また、予冷熱交換器２１においては、還流戻し流路１１を介して還流する低圧低温Ｈｅガスの冷熱と後記するＬＮＧの気化熱に対応発生する冷熱とに対し、供給液化流路を流れる高圧Ｈｅガスが向流熱交換して予冷されるようにしてある。また、熱交換機２２、２４においては、還流戻し流路１１を介して還流する低圧低温Ｈｅガスの冷熱に対し、供給液化流路１０を流れる高圧Ｈｅガスが向流熱交換して冷却されるようにしてある。
また、熱交換器２３においては、供給液化流路１０の中段より分岐した寒冷バイパス流路１２上に設けた膨張タービン１２ａにより断熱膨張して寒冷状態になった高圧Ｈｅガスが、還流戻し流路を還流する低圧低温Ｈｅガスに合流して発生する寒冷冷熱に対し、供給液化流路１０を流れる高圧Ｈｅガスが向流熱交換して液化近くまで冷却されるようにしてある。
また、ＪＴ膨張弁１０ａは断熱膨張弁であって、上記のように予冷熱交換器２０、２１を介して順次予冷され、更に熱交換器２２、２３、２４の順に順次冷却され、液化の寸前まで温度降下した供給液化流路１０を流れる高圧Ｈｅガスが断熱膨張により液化させられ、気液２相状態となってＨｅタンク１６に供給貯留されるようにしてある。
斯くして、冷却負荷１７は流路１６ａを介してＨｅタンク１６よりＨｅの供給を受けることができる。なお、冷却負荷１７に接触の結果、気化した低温Ｈｅガスは流路１７ａを介してＨｅタンク１６の上部に貯留し、低圧低温Ｈｅガスとなって還流戻し流路１１を経由して、圧縮機群１４の吸入側に還流され循環路を形成する。
【００１９】
最適周波数発電システム３３は、ガスタービン発電部３０とケミカル冷凍機である吸着冷凍機３１と燃料供給部３５とより構成する。
ガスタービン発電部３０は、図２に示すように、大気を吸気して圧縮するコンプレッサ４１と、該コンプレッサ４１により形成された圧縮空気と燃料（ＬＮＧ気化ガス）３０ａとを用いて燃焼を行う燃焼器４２と、この燃焼器４２で形成された燃焼空気で駆動されるガスタービン４３と、周波数変換機４５と、燃料制御部４６と、演算部４７とを含む構成とする。
なお、周波数変換機４５とコンプレツサ４１、ガスタービン４３は同一軸上にセットされるものとする。
周波数変換機４５は、系統電源３０ｄによる交流励磁によりガスタービン４３の回転数に相応した３相可変周波数電力を得るようにしたものである。
演算部４７は可変速のガスタービン４３を運転するため冷却負荷１７よりの負荷要求信号Ｐｄと、大気温度検出器で検出した大気温度Ｔとを入力させ所要燃料値を演算して燃料制御部４６で所要燃料を制御供給して、周波数変換機４５より、負荷要求信号に相応する最適周波数電力である３相可変周波数電力を圧縮機群１４の誘導機Ｍａ、Ｍｂに供給し、圧縮機群１４の容量制御を可能にしてある。
【００２０】
ケミカル冷凍機である吸着冷凍機３１は、ガスタービン発電部３０の廃熱ガスにより形成された温水３０ｃを熱源側３１ａに供給し、冷却側３１ｂより冷熱を得るようにしたもので、前記したように冷却側３１ｂで得られた前記冷熱は予冷熱交換器２０に供給して、供給液化流路１０を流れる高圧Ｈｅガスの予冷を可能にしている。
【００２１】
燃料供給部３５は、ＬＮＧタンク３６と加温部３７と予冷熱交換器２０、２１における予冷用冷熱発生用の気化部３８とより構成する。即ち燃料供給部３５は、液化天然ガスタンク３６より前記燃焼器４２に燃料を供給する第１の通路３８１上に前記予冷熱交換器２０、２１を介装させて、該予冷熱交換器２０、２１に気化熱に相応する冷熱を供給する気化部３８となすとともに、前記第１の通路３８１をバイパスさせた第２の通路３７１に前記液化天然ガスの一部をガス化する加温器３７を設けている。
加温部３７は、ガスタービン４３への供給ＬＮＧ量が予冷熱交換器２０、２１の気化部３８での気化量より多い場合に、ＬＮＧを強制的に気化させガスタービン４３への燃料適正供給量を確保する構成にしてある。
また、吸着冷凍機３１で形成された冷熱は、供給液化流路１０を流れる高圧Ｈｅガスの予冷に利用し、ガスタービン４３への供給ＬＮＧ量が予冷熱交換器の気化部３８での気化量より小さい場合は、予冷負荷を低減してバランスを取るようにする。
上記ガスタービン発電部３０の廃ガスにより発生する冷熱と燃料供給部３５の気化部３８より発生する冷熱とによる、予冷熱交換器２０、２１のおける予冷により、従来システムに見られた液化窒素の気化による予冷を不用にしている。
【００２２】
上記のようにして、吸着冷凍機３１と燃料供給部３５とのシステム内の各機器を適宜組合せ熱効率を挙げるようにしてある。
【００２３】
【発明の効果】
上記Ｈｅ液化冷凍機に対し、別個に設けた最適周波数発電システムにより、密閉化された電動スクリュー多段圧縮機群の効率的駆動が可能となり、当該圧縮機群の組合せに対応した均質波形を持っ最適周波数電力を導入して、前記電動スクリュー多段圧縮機群を負荷要求に対応した回転数で駆動することができ、最適効率化を図ることができる。
また、上記したように独自の安定した電源の装備により、連続運転性能の向上が図れる。
また、最適周波数発電システムを、ＬＮＧを使用したガスタービン発電部と燃料供給部とケミカル冷凍機との構成により、ＬＮＧの気化熱に相当する冷熱と廃熱を利用した冷熱とを高圧Ｈｅガスの予冷に利用することにより、システムの熱効率化を図ることができる。
また、従来の予冷用液化窒素が不用となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧縮機用最適周波数発電システムを備えたＨｅ液化冷凍機の概略の構成を示す図である。
【図２】図１の最適周波数発電システムの概略の構成を示す図である。
【図３】従来のＨｅ液化冷凍機の概略の構成を示す図である。
【図４】従来の圧縮機群の駆動方式を示す図で、（Ａ）はインバータ駆動の場合を示し、（Ｂ）はエンジン駆動の場合を示す図である。
【符号の説明】
１０            供給液化流路
１０ａ          ＪＴ膨張弁
１１            還流戻し流路
１２            寒冷バイパス流路
１２ａ          膨張タービン
１３            Ｈｅ液化冷凍機
１４            圧縮機群
１５ａ、１５ｂ  密閉型電動スクリュウ多段圧縮機
１６            Ｈｅタンク
１７            冷却負荷
２０、２１      予冷熱交換器
２２、２３、２４        熱交換器
３０            ガスタービン発電部
３０ｂ          ３相可変周波数電力
３０ｃ          温水
３０ｄ          系統電源
３１            吸着冷凍機
３１ａ          熱源側
３１ｂ          冷却側
３５            燃料供給部
３６            ＬＮＧタンク
３７            加温部
３８            気化部
４１            コンプレツサ
４２            燃焼器
４３            ガスタービン
４５            周波数変換機
４６            燃料制御部
４７            演算部
【図１】
0003859797.tif 000002
【図２】
0003859797.tif 000003
【図３】
0003859797.tif 000004
【図４】
0003859797.tif 000005