УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ НА ОСНОВЕ ЦИКЛА БРАЙТОНА
COOLING DEVICE BASED ON BRAYTON CYCLE

Область техники
Настоящее изобретение относится к устройству охлаждения на основе цикла Брайтона, которое способно регулировать холодопроизводительность по отношению к изменению тепловой нагрузки охлаждаемого объекта.
Цикл Брайтона, используемый для устройства охлаждения (холодильной установки), называется "обратным циклом Брайтона" в отличие от цикла Брайтона, используемого в тепловом двигателе. Однако в данном описании такой цикл Брайтона, используемый для устройства охлаждения, будет просто упоминаться как "цикл Брайтона" (см. Handbook of Superconductivity and Cryogenic Engineering", 1993, Ohmsha, edited by Cryogenic Association of Japan).
Предшествующий уровень техники
[0001] В качестве типа холодильных циклов с использованием вращающейся машины, такой как компрессор или расширитель (детандер), известна холодильная установка, использующая цикл Брайтона. Примеры такого типа холодильной системы включают в себя холодильную систему, имеющую несколько компрессоров или турбодетандеров расположенных последовательно в канале циркуляции, в котором протекает хладагент, чтобы сжимать или расширять хладагент во множестве ступеней, чтобы тем самым улучшать холодопроизводительность, как раскрыто в патентном документе 1 и патентном документе 2.
Список цитированных источников
Патентная литература
[0003] Патентный документ 1: JP 2003-148824 A
Патентный документ 2: JP Hei9-329034 A
Сущность изобретения
Техническая задача
[0004] В устройстве охлаждения такого типа, когда тепловая нагрузка охлаждаемого объекта изменяется, скорость вращения компрессора или детандера регулируется, чтобы скорректировать холодопроизводительность в соответствии с тепловой нагрузкой. Однако в случае, когда холодопроизводительность регулируется путем регулирования скорости вращения, другие параметры регулирования, такие как расход хладагента, коэффициент давления и температура, могут также изменяться с изменением скорости вращения. Таким образом, существует проблема, состоящая в том, что может потребоваться длительное время, пока не произойдет сходимость холодопроизводительности к предписанному целевому значению, зависящему от тепловой нагрузки, и, таким образом, трудно получить хороший отклик.
[0005] Особенно в случае использования множества каскадов вращающихся машин, как в вышеописанных патентных документах, при попытке регулировать скорость вращения соответствующих компрессоров, количество параметров регулирования, которые изменяются в соответствии со скоростями вращения, будет увеличиваться, и, таким образом, вышеописанные проблемы становятся более существенными.
[0006] в случае корректировки холодопроизводительности посредством регулировки скорости вращения, также имеет место проблема, состоящая в том, что коэффициент производительности (СОР) холодильника будет ухудшаться вследствие снижения адиабатической эффективности детандера. При оценке, выполненной изобретателями настоящего изобретения, было установлено, что когда скорость вращения изменяется примерно на 10%, СОР снижается примерно на 30%.
[0007] Задачей настоящего изобретения является разработка устройства с учетом вышеуказанных проблем известного уровня техники, в частности устройства охлаждения на основе цикла Брайтона, использующего несколько ступеней компрессоров и имеющего хороший отклик без снижения эффективности вследствие изменения в тепловой нагрузке охлаждаемого объекта.
Решение задачи
[0008] Для решения вышеуказанной задачи устройство охлаждения на основе цикла Брайтона в соответствии с настоящим изобретением использует цикл Брайтона, имеющий множество каскадов компрессоров, расположенных последовательно в линии хладагента для генерации охлажденного (захоложенного) тепла с использованием хладагента, сжатого компрессорами, чтобы охлаждать вторичный хладагент, и содержит:
устройство детектирования тепловой нагрузки для детектирования тепловой нагрузки охлаждаемого объекта;
буферный резервуар, обеспеченный между линией низкого давления, в которой протекает хладагент перед сжатием посредством компрессоров, и линией высокого давления, в которой протекает хладагент после сжатия посредством компрессоров;
первый клапан, предусмотренный на стороне впуска буферного резервуара и способный регулировать скорость втекания хладагента в буферный резервуар;
второй клапан, предусмотренный на стороне выпуска буферного резервуара и способный регулировать скорость вытекания хладагента из буферного резервуара; и
устройство управления для управления степенью открытия первого клапана и степенью открытия второго клапана,
при этом устройство управления сконфигурировано, чтобы, если изменение в тепловой нагрузке охлаждаемого объекта обнаружено устройством детектирования тепловой нагрузки, корректировать степень открытия первого клапана и степень открытия второго клапана, чтобы изменять расход хладагента, протекающего в цикле Брайтона.
[0009] В соответствии с настоящим изобретением, когда изменение в тепловой нагрузке обнаружено в охлаждаемом объекте, путем корректировки степеней открытия первого клапана и второго клапана для регулировки расхода хладагента, протекающего в цикле Брайтона, можно корректировать холодопроизводительность. При такой регулировке расхода хладагента, массовый расход изменяется при поддержании постоянным объемного расхода хладагента, причем хороший отклик на изменение тепловой нагрузки может быть получен без изменения других параметров регулирования, таких как коэффициент давления или температура. При регулировании расхода хладагента, можно избежать снижения адиабатической эффективности детандера, которое может вызываться при обычном управлении скоростью вращения, при этом можно избежать ухудшения коэффициента производительности.
[0010] Кроме того, поскольку буферный резервуар обеспечен между линией низкого давления и линией высокого давления, где существует перепад давления, посредством открытия или закрытия первого клапана, предусмотренного в линии высокого давления, можно вводить хладагент в буферный резервуар в соответствии с перепадом давления между буферным резервуаром и линией высокого давления. С другой стороны, посредством открытия или закрытия второго клапана, предусмотренного в линии низкого давления, можно выпускать хладагент из буферного резервуара в соответствии с перепадом давления между буферной емкостью и линией низкого давления. Соответственно, посредством регулирования расхода с использованием буферного резервуара, что не требует подачи мощности извне, может быть получена превосходная эффективность использования энергии.
[0011] В варианте осуществления настоящего изобретения, линия высокого давления может представлять собой линию, в которую выпускается хладагент из компрессора, расположенного в самом нижнем положении по потоку среди компрессоров, и линия низкого давления может представлять собой линию, через которую хладагент подается в компрессор, расположенный в самом верхнем положении по потоку среди компрессоров.
Согласно этому варианту осуществления, поскольку может обеспечиваться большой перепад давления между линией высокого давления и линией низкого давления, то путем управления открытием/закрытием первого клапана и второго клапана можно простым образом выполнять регулирование расхода посредством ввода или отвода хладагента из буферного резервуара.
[0012] В вышеописанном варианте осуществления устройство охлаждения на основе цикла Брайтона может дополнительно содержать теплообменник регенерации охлажденного тепла (регенеративный теплообменник) для теплообмена между хладагентом, сжатым компрессорами, и хладагентом после охлаждения охлаждаемого объекта, и линия высокого давления может иметь линию ответвления, ответвленную из положения между по меньшей мере одним из компрессоров и теплообменником регенерации охлажденного тепла.
Согласно этому варианту осуществления, с использованием охлажденного тепла, оставшегося в хладагенте после охлаждения охлаждаемого объекта, посредством теплообменника регенерации охлажденного тепла, можно предварительно охладить хладагент, имеющий высокую температуру, подаваемый в детандер, чтобы улучшить холодопроизводительность. В случае, когда хладагент вводится в буферный резервуар для выполнения регулировки расхода, путем ввода хладагента в буферный резервуар из ветви со стороны выше по потоку от теплообменника регенерации охлажденного тепла, расход хладагента, подаваемого в теплообменник регенерации охлажденного тепла, снижается, благодаря чему можно охлаждать хладагент посредством теплообменника регенерации охлажденного тепла более эффективно.
[0013] В еще одном варианте осуществления устройство управления может быть сконфигурировано, чтобы, если скорость изменения тепловой нагрузки, детектируемой устройством детектирования тепловой нагрузки, больше, чем предварительно установленное заданное значение, регулировать скорость вращения по меньшей мере одного из компрессоров и скорость вращения детандера и затем корректировать степень открытия первого клапана и степень открытия второго клапана.
Согласно этому варианту осуществления, в случае, когда возникает быстрое изменение в тепловой нагрузке охлаждаемого объекта, скорости вращения компрессора и детандера регулируется перед регулировкой расхода хладагента путем корректировки степеней открытия клапанов, причем может быть получен хороший отклик на большое изменение в тепловой нагрузке.
[0014] В другом варианте осуществления, охлаждающая часть цикла Брайтона может быть сконфигурирована, чтобы охлаждать с помощью теплообменника вторичный хладагент, циркулирующий через охлаждаемый объект, и устройство детектирования тепловой нагрузки может содержать датчик температуры, предусмотренный в линии, в которой протекает вторичный хладагент.
Согласно этому варианту осуществления, устройство детектирования тепловой нагрузки для детектирования тепловой нагрузки охлаждаемого объекта содержит датчик температуры, предусмотренный в линии, в которой протекает вторичный хладагент, при этом можно быстро обнаруживать изменение в тепловой нагрузке охлаждаемого объекта, чтобы тем самым получить устройство охлаждения на основе цикла Брайтона с превосходной быстротой реакции.
[0015] В другом варианте осуществления множество ступеней компрессоров могут содержать первый компрессор, второй компрессор и третий компрессор, расположенные в этом порядке последовательно от стороны выше по потоку; первый компрессор и второй компрессор могут быть соединены с выходным валом первого электродвигателя; и третий компрессор и детандер могут быть соединены с выходным валом второго электродвигателя.
Согласно этому варианту осуществления, с первого по третий компрессоры расположены последовательность в канале циркуляции, чтобы обеспечивать сжатие во множестве ступеней. В частности, первый компрессор и второй компрессор соединены с выходным валом первого электродвигателя, что позволяет упростить структуру по сравнению со случаем, когда источник мощности предоставляется для каждого компрессора. Далее, третий компрессор и детандер соединены с выходным валом второго электродвигателя, что позволяет упростить структуру, и дополнительно мощность, регенерируемая детандером, вносит вклад в мощность сжатия третьего компрессора, чтобы повысить эффективность.
Полезные эффекты
[0016] В соответствии с настоящим изобретением, когда обнаруживается изменение в тепловой нагрузке охлаждаемого объекта, путем корректировки степеней открытия первого клапана и второго клапана для регулировки расхода хладагента, протекающего в цикле Брайтона, можно корректировать холодопроизводительность. При такой регулировке расхода хладагента массовый расход изменяется при поддержании постоянным объемного расхода, и хороший отклик на изменение тепловой нагрузки может быть получен без изменения других параметров регулирования, таких как коэффициент давления или температура. При регулировке расхода хладагента можно избежать снижения адиабатической эффективности детандера, что может вызываться при обычной регулировке скорости вращения, при этом можно избежать ухудшения коэффициента производительности.
[0017] Кроме того, поскольку предусмотрен буферный резервуар между линией низкого давления и линией высокого давления, где существует перепад давления, посредством открытия и закрытия первого клапана, предусмотренного в линии высокого давления, можно вводить хладагент в буферный резервуар в соответствии с перепадом давления между буферным резервуаром и линией высокого давления. С другой стороны, посредством открытия и закрытия второго клапана, предусмотренного в линии низкого давления, можно выпускать хладагент из буферного резервуара в соответствии с перепадом давления между буферным резервуаром и линией низкого давления. Соответственно, путем регулировки расхода с помощью буферного резервуара, что не требует подачи мощности извне, может быть получена превосходная эффективность использования энергии.
Краткое описание чертежей
[0018] Фиг. 1 является диаграммой, схематично иллюстрирующей конструкцию в целом устройства охлаждения на основе цикла Брайтона (далее также упоминается как "устройство охлаждения"), являющегося примером осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2а и 2b - T-S-диаграмма цикла Брайтона устройства охлаждения.
Фиг. 3 - график, показывающий соотношение между коэффициентами сжатия и отношениями коэффициента эффективности компрессора в устройстве охлаждения согласно данному примеру.
Фиг. 4 - блок-схема, показывающая поток управления контроллером во время изменения в тепловой нагрузке.
Фиг. 5 - график, показывающий соотношение между значениями, определенными датчиком давления, и коэффициентом адиабатической эффективности каждого из компрессоров и детандера в устройстве охлаждения согласно данному примеру.
Фиг. 6 - график, показывающий соотношение между значениями, определенными датчиком давления, и коэффициентом эффективности устройства охлаждения согласно данному примеру.
Фиг. 7 - график, показывающий соотношение между значениями, определенными датчиком давления, и коэффициентом адиабатической эффективности каждого компрессора и детандера в устройстве охлаждения согласно сравнительному примеру.
Фиг. 8 - график, показывающий соотношение между значениями, определенными датчиком давления, и коэффициентом эффективности устройства охлаждения согласно сравнительному примеру.
Лучший вариант осуществления изобретения
[0019] Варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны ниже более подробно со ссылками на иллюстрирующие чертежи. Однако предполагается, что, если только конкретно не определено, размеры, материалы, формы, относительные положения и т.д. компонентов, описанных в вариантах осуществления, должны интерпретироваться только как иллюстративные, но не ограничивающие объем настоящего изобретения.
[0020] Фиг. 1 является диаграммой, схематично иллюстрирующей конструкцию в целом устройства 100 охлаждения на основе цикла Брайтона (далее также упоминается как "устройство охлаждения"), являющегося примером осуществления настоящего изобретения. Фиг. 2а и 2b являются T-S-диаграммами цикла Брайтона устройства 100 охлаждения, где вертикальная ось показывает температуры Т [K], и горизонтальная ось показывает энтропии S [КДж/кгК]. Фиг. 2b является увеличенным видом области, окруженной пунктирной линией на фиг. 2а.
[0021] Устройство 100 охлаждения содержит, в канале 101 циркуляции, в котором протекает хладагент, компрессор 102 для сжатия хладагента, теплообменник 103 для охлаждения хладагента, сжатого компрессором, путем теплообмена с охлаждающей водой, детандер 104 для расширения хладагента, секцию 105 охлаждения, имеющую теплообменник для теплообмена между хладагентом и охлаждаемым объектом, и теплообменник 106 регенерации охлажденного тепла для регенерации охлажденного тепла хладагента, которые предусмотрены в этом порядке в канале циркуляции для формирования цикла Брайтона типа теплообменника противотока с использованием холодильного цикла с установившимся циркуляционным потоком.
[0022] Объектом, подлежащим охлаждению в устройстве 100 охлаждения, является сверхпроводящее устройство (не показано), использующее сверхпроводник при очень низкой температуре. На стороне сверхпроводящего устройства в качестве охлаждаемого объекта используется жидкий азот в качестве вторичного хладагента, подвергаемого теплообмену в секции 105 охлаждения с хладагентом, используемым в устройстве 100 охлаждения (на фиг. 1 показан только канал 150 циркуляции, в котором циркулирует жидкий азот, который является хладагентом в объекте, подлежащем охлаждению). Жидкий азот, протекающий через канал 150 циркуляции и имеющий температуру, повышенную тепловой нагрузкой сверхпроводящего устройства, при этом охлаждается за счет теплообмена с хладагентом, протекающим в канале 101 циркуляции, охлаждаемом устройством 100 охлаждения.
В канале 150 циркуляции, в котором протекает вторичный хладагент, предусмотрен датчик 160 температуры как устройство детектирования тепловой нагрузки для детектирования тепловой нагрузки охлаждаемого объекта.
[0023] В качестве хладагента в канале 101 циркуляции на стороне устройства 100 охлаждения может быть соответственно выбран некоторый тип газа, например, в зависимости от температуры охлаждения, такой как гелий, неон, водород, азот, воздух или углеводород.
[0024] Устройство 100 охлаждения имеет в канале 101 циркуляции множество компрессоров 102а, 102b, 102с и теплообменников 103а, 103b, 103c. Теплообменники 103a, 103b, 103c предусмотрены на стороне ниже по потоку от компрессоров 102а, 102b, 102с и сконфигурированы, чтобы охлаждать, путем теплообмена с охлаждающей водой, хладагент, имеющий температуру, повышенную за счет адиабатического сжатия.
[0025] Температура хладагента, протекающего в канале 101 циркуляции, увеличивается посредством адиабатического сжатия в первом компрессоре 102а, предусмотренном в самом высоком по потоку положении (см. позицию 151 на фиг. 2b), и затем хладагент охлаждается посредством теплообмена с охлаждающей водой в теплообменнике 103а, предусмотренном на стороне ниже по потоку (см. позицию 152 на фиг. 2b). Затем температура хладагента вновь повышается посредством адиабатического сжатия компрессором 102b (см. позицию 153 на фиг. 2b), и затем хладагент охлаждается посредством теплообмена с охлаждающей водой в теплообменнике 103b, предусмотренном на стороне ниже по потоку (см. позицию 154 на фиг. 2b). Далее, температура хладагента вновь повышается посредством адиабатического сжатия компрессором 102с (см. позицию 155 на фиг. 2b), и затем хладагент охлаждается посредством теплообмена с охлаждающей водой в теплообменнике 103с, предусмотренном на стороне ниже по потоку (см. позицию 156 на фиг. 2b).
[0026] В устройстве 100 охлаждения, несколько ступеней адиабатического сжатия посредством компрессоров 102 и охлаждения посредством теплообменников 103 повторно выполняются для повышения эффективности. То есть, путем выполнения нескольких ступеней повторения адиабатического сжатия и охлаждения, процесс сжатия цикла Брайтона сближается с идеальным изотермическим сжатием. Большее число ступеней сделают процесс сжатия более близким к изотермическому сжатию; однако число ступеней может быть выбрано с учетом выбора коэффициента сжатия ввиду увеличения числа ступеней, сложности конструкции устройства и простоты эксплуатации.
[0027] Хладагент, протекающий через теплообменник 103с, дополнительно охлаждается с помощью теплообменника 106 регенерации охлажденного тепла (см. позицию 157 на фиг. 2а) и подвергается адиабатическому расширению посредством детандера 104, чтобы генерировать охлажденное тепло (см. позицию 158 на фиг. 2а).
На фиг. 1 показан пример устройства 100 охлаждения, имеющего один детандер 104; однако устройство 100 охлаждения может иметь множество детандеров, расположенных последовательно в канале циркуляции, таким же образом, как компрессоры 102.
[0028] Хладагент, выпускаемый из детандера 104, подвергается теплообмену в секции 105 охлаждения с жидким азотом, протекающим в канале циркуляции внутри сверхпроводящего устройства, в качестве объекта, подвергаемого охлаждению, чтобы иметь температуру, увеличенную за счет тепловой нагрузки (см. позицию 159 на фиг. 2а)
[0029] Хладагент, имеющий температуру, повышенную посредством секции 105 охлаждения, вводится в теплообменник 106 регенерации охлажденного тепла и подвергается теплообмену со сжатым хладагентом, имеющим высокую температуру, протекающим через теплообменник 103с, чтобы восстановить остаточное охлажденное тепло. С использованием охлажденного тепла, оставшегося в хладагенте после охлаждения охлаждаемого объекта, температура хладагента, вводимого в турбодетандер, может быть снижена, за счет чего эффективность охлаждения может быть улучшена.
[0029] Как описано выше, в устройстве 100 охлаждения цикл Брайтона формируется с использованием вращающихся машин, включая компрессоры 102 и детандер 104.
Два компрессора 102а и 102b на стороне выше по потоку соединены с обоими концами выходного вала 108а электродвигателя 107а в качестве их общего источника мощности, соответственно, причем число деталей может быть уменьшено, и устройство охлаждения может быть установлено в небольшом пространстве. Также компрессор 102с на стороне ниже по потоку и детандер 104 соединены с обоими концами выходного вала 108b вала электродвигателя 107b в качестве их общего источника мощности, соответственно, при этом количество деталей может быть уменьшено, и устройство охлаждения может быть установлено в небольшом пространстве. Кроме того, мощность, генерируемая детандером 104, вносит вклад в мощность сжатия компрессора 102с, за счет чего эффективность охлаждения может быть улучшена.
[0031] Фиг. 3 является графиком, показывающим соотношение между коэффициентами давления и значениями коэффициента эффективности (значениями СОР) компрессоров 102 устройства 100 охлаждения согласно данному примеру. В соответствии с этим графиком, аналитически показано, что когда коэффициент сжатия компрессора 102 составляет приблизительно 1,40, СОР становится максимальным. В соответствии с исследованием изобретателей настоящего изобретения, было установлено, что для того чтобы получить коэффициент сжатия около 1,40, лучше всего установить число ступеней компрессора на ‘3’ и установить число ступеней детандера на ‘1’.
[0032] Возвращаясь к фиг. 1, в канале 101 циркуляции, в качестве линии хладагента, образующей цикл Брайтона, между линией 109 низкого давления, в которой протекает хладагент перед сжатием компрессорами 102, и линией 110 высокого давления, в которой протекает хладагент после сжатия компрессорами 102, предусмотрен буферный резервуар 111. На впускной стороне (стороне линии 110 высокого давления) буферного резервуара 111 предусмотрен первый клапан 112, способный регулировать скорость притока хладагента в буферный резервуар 111, а на выпускной стороне (стороне линии 109 низкого давления) буферного резервуара 111 предусмотрен второй клапан 113, способный регулировать скорость оттока хладагента из буферного резервуара 111.
[0033] Первый клапан 112 и второй клапан 113 являются электрически управляемыми клапанами, степени открытия которых могут корректироваться на основе управляющих сигналов от контроллера 200 в качестве примера устройства управления в соответствии с настоящим изобретением, и сконфигурированы, чтобы разрешать приток и отток хладагента между каналом 101 циркуляции и буферным резервуаром 111, образующими цикл Брайтона.
[0034] Контроллер 200 представляет собой блок управления, который осуществляет общее управление работой устройства 100 охлаждения и сконфигурирован для управления соответствующими компонентами устройства 100 охлаждения на основе значений детектирования вышеуказанным датчиком 160 температуры, чтобы корректировать холодопроизводительность в соответствии с изменением тепловой нагрузки охлаждаемого объекта.
В частности, в этом примере, датчик 160 температуры предусмотрен в канале 150 циркуляции, в котором протекает вторичный хладагент, причем можно быстро детектировать изменение в тепловой нагрузке охлаждаемого объекта. Соответственно, может быть получено устройство охлаждения на основе цикла Брайтона, имеющее хорошую быстроту реагирования.
[0035] Кроме того, в непосредственной близости от компрессора 102а, расположенного на стороне выше всего по потоку, предусмотрен датчик 170 давления для детектирования давления хладагента перед сжатием соответствующими компрессорами 102. Детектированное значение датчика 170 давления соответствует расходу хладагента, протекающего в канале 101 циркуляции, и посылается к контроллеру 200, чтобы использоваться для управления различными компонентами, как в случае значения, детектированного датчиком 160 температуры.
[0036] Далее, поток управления контроллера 200 в устройстве 100 охлаждения будет описан со ссылкой на фиг. 4. Фиг. 4 представляет собой блок-схему, показывающую поток управления контроллера 200 во время изменения в тепловой нагрузке.
[0037] Во-первых, контроллер 200 на основании измеренного значения датчика 160 температуры определяет, имеет ли место изменение в тепловой нагрузке охлаждаемого объекта (этап S101). В случае, если определено, что имеет место изменение в тепловой нагрузке (ДА на этапе S101), контроллер 200 вычисляет скорость изменения в тепловой нагрузке и определяет знак - плюс или минус - изменения (этап S102). В случае, если определено, что нет изменения в тепловой нагрузки (НЕТ на этапе S101), поток возвращается на этап S101, чтобы повторить этап.
[0038] В случае, если скорость изменения тепловой нагрузки положительна (ДА на этапе S102), то есть, в случае, когда тепловая нагрузка увеличивается, контроллер 200 выполняет управление так, чтобы открыть второй клапан 113, в то время как первый клапан 112 закрыт (этап S103). Затем хладагент, хранящийся в буферном резервуаре 111, выпускается в линию 109 низкого давления посредством перепада давления между буферным резервуаром 111 и линией 109 низкого давления, чтобы повысить расход (давление) хладагента, протекающего в цикле Брайтона. В результате холодопроизводительность устройства 100 охлаждения корректируется для увеличения в соответствии с увеличением в тепловой нагрузке охлаждаемого объекта.
[0039] С другой стороны, в случае, если скорость изменения тепловой нагрузки является отрицательной (НЕТ на этапе S102), то есть, когда тепловая нагрузка уменьшается, контроллер 200 выполняет управление так, чтобы открыть первый клапан 112, в то время как второй клапан 113 закрыт (этап S104). Затем часть хладагента, протекающего в линии 110 высокого давления, вводится в буферный резервуар 111 посредством перепада давления между линией 110 высокого давления и буферным резервуаром 111, чтобы уменьшить расход (давление) хладагента, который протекает в канале 101 циркуляции. В результате, холодопроизводительность устройства 100 охлаждения корректируется для снижения в соответствии с уменьшением тепловой нагрузки охлаждаемого объекта.
[0040] Поскольку степени открытия первого клапана 112 и второго клапана 113 требуется корректировать во время вышеописанного управления потоком, предпочтительно использовать электрически управляемые клапаны в качестве первого клапана 112 и второго клапана 113.
[0041] Управление степенями открытия первого клапана 112 и второго клапана 113 контроллером 200 может предпочтительно выполняться таким образом, что расход хладагента, протекающего в канале 101 циркуляции, становится целевым расходом, соответствующим скорости изменения тепловой нагрузки, определенной, например, датчиком 160 температуры. Что касается целевого расхода, отображение соотношения между степенью открытия каждого из клапанов, соответствующей целевому расходу, и скоростью изменения значения, детектируемого датчиком 160 температуры, может быть предварительно сохранено в устройстве хранения, таком как память, и текущее измеренное значение может сравниваться соответственно с отображением, чтобы выполнять управление степенями открытия клапанов.
[0042] Фиг. 5 представляет собой график, показывающий соотношение между значениями, детектированными датчиком 170 давления, и коэффициентом адиабатической эффективности каждого из компрессоров 102 устройства 100 охлаждения согласно данному примеру. Фиг. 6 является графиком, показывающим соотношение между значениями, определенными датчиком 170 давления, и коэффициентом эффективности (СОР) устройства охлаждения согласно данному примеру. На фиг. 5 и 6 показаны результаты, полученные путем вычисления коэффициентов адиабатической эффективности и СОР на основе опорного значения 170 кПа для значения, детектированного датчиком 170 давления. Как показано на этих графиках, был получен результат такой, что с помощью устройства 100 охлаждения согласно этому примеру, даже в случае, когда давление хладагента перед сжатием в соответствующих компрессорах 102 изменяется, коэффициент адиабатической эффективности и коэффициент эффективности (СОР) поддерживается по существу постоянными без изменения.
[0043] С другой стороны, фиг. 7 и 8 являются графиками, показывающими соотношение между скоростью вращения и коэффициентом адиабатической эффективности и соотношение между скоростью вращения и коэффициентом эффективности (СОР), соответственно, в случае, когда холодопроизводительность корректируется только путем регулирования скорости вращения компрессоров 102 и детандера 104 обычным способом. То есть, фиг. 7 и 8 показывают сравнительный пример в случае обычного регулирования скорости вращения. На фиг. 7 и фиг. 8 показаны результаты, полученные путем вычисления коэффициентов адиабатической эффективности и СОР на основе опорного значения 100% скорости вращения.
В этом случае, как показано на фиг. 7, коэффициенты адиабатической эффективности вращающихся машин уменьшаются в соответствии с изменением скорости вращения, и показано, что такая тенденция, в частности, важна в случае детандера 104. Кроме того, коэффициент расширения также уменьшается в соответствии с изменением в скорости вращения. В результате, как показано на фиг. 8, СОР уменьшается и холодопроизводительность устройства охлаждения уменьшается.
[0044] Соответственно, с устройством 100 охлаждения согласно данному примеру, когда обнаружено изменение в тепловой нагрузке охлаждаемого объекта, путем корректировки степеней открытия первого клапана 112 и второго клапана 113, расход хладагента, протекающего в канале 101 циркуляции, регулируется, чтобы корректировать холодопроизводительность. При такой регулировке расхода хладагента, массовый расход изменяется, в то время как объемный расход поддерживается постоянным, при этом может быть получен хороший отклик на изменение тепловой нагрузки без изменения других параметров регулирования, таких как коэффициент давления или температура. При регулировке расхода хладагента можно избежать уменьшения в адиабатической эффективности детандера, которое может быть вызвано в обычной регулировке скорости вращения, при этом можно избежать уменьшения коэффициента эффективности.
[0045] Кроме того, буферный резервуар 111 предусмотрен между линией 109 низкого давления и линией 110 высокого давления, где существует перепад давления. Таким образом, путем открытия или закрытия первого клапана 112, предусмотренного в линии 110 высокого давления, можно вводить хладагент в буферный резервуар 111 в соответствии с перепадом давления между буферным резервуаром 111 и линией 110 высокого давления. С другой стороны, посредством открытия и закрытия второго клапана 113, предусмотренного в линии 109 низкого давления, можно выполнять выпуск хладагента из буферного резервуара 111 в соответствии с перепадом давления между буферным резервуаром 111 и линией 109 низкого давления 109. Таким образом, посредством регулировки расхода с использованием буферного резервуара 111, что не требует подачи мощности извне, может быть получена превосходная эффективность использования энергии.
[0046] В частности, буферный резервуар 111 предусмотрен между линией 110 высокого давления, в которую выпускается хладагент из компрессора 102с, расположенного в самом нижнем по потоку положении, и линией 109 низкого давления, через которую хладагент подается в компрессор 102а, расположенный в самом верхнем по потоку положении, при этом может быть обеспечен большой перепад давления между линией высокого давления и линией низкого давления. Соответственно, путем управления открытием и закрытием первого клапана 112 и второго клапана 113 можно просто выполнять регулировку расхода посредством ввода или выпуска хладагента из буферного резервуара 111.
[0047] Кроме того, линия 110 высокого давления, с которой соединен буферный резервуар 111, имеет линию ответвления, ответвляющуюся из положения между компрессором 102с и теплообменником 106 регенерации охлажденного тепла. Таким образом, с помощью охлажденного тепла, оставшегося в хладагенте после охлаждения охлаждаемого объекта посредством секции 105 охлаждения, можно предварительно охладить хладагент, имеющий высокую температуру, подаваемый в детандер 104, чтобы улучшить холодопроизводительность. В случае, когда хладагент вводится в буферный резервуар 111 для выполнения регулировки расхода, путем ввода хладагента в буферный резервуар 111 из ветви со стороны выше по потоку теплообменника 106 регенерации охлажденного тепла, расход хладагента, подаваемого в секцию 105 охлаждения, снижается, при этом можно охлаждать хладагент посредством теплообменника 106 регенерации охлажденного тепла более эффективно.
[0048] Возвращаясь к фиг. 1, в устройстве 100 охлаждения согласно этому примеру, байпасная линия 114 предусмотрена между линией 110 высокого давления и линией 109 низкого давления, чтобы обходить буферный резервуар 111, и на байпасной линии 114 предусмотрен третий клапан 115. Путем переключения третьего клапана 115 в открытое состояние во время запуска устройства 100 охлаждения на основе управляющего сигнала от контроллера 200, становится возможным эксплуатировать компрессоры 102 или детандер 104 при высоких скоростях вращения, чтобы выполнять предварительное охлаждение, чтобы при этом выполнять плавное охлаждение.
Такая работа с высокой скоростью вращения может выполняться в пределах допустимого диапазона скорости охлаждения, например, теплообменников, используемых в устройстве 100 охлаждения.
[0049] В канале 101 циркуляции, благодаря наличию минимального сечения в канале потока в непосредственной близости от впуска детандера 104, где плотность является наивысшей при номинальных рабочих условиях, температура впуска детандера 104, вероятно, будет высокой (плотность хладагента, вероятно, будет мала) во время предварительного охлаждения. Тогда, поскольку расход хладагента в данном месте уменьшается, в случае, когда скорость вращения увеличивается в этом состоянии, может происходить пульсация.
[0050] Соответственно, в устройстве 100 охлаждения согласно данному примеру, в случае, когда обнаруживается состояние, указывающее высокую вероятность пульсации, третий клапан 115 управляется, чтобы открываться, чтобы позволить хладагенту вытекать из линии 110 высокого давления в линию 109 низкого давления (обходя буферный резервуар 111), при этом можно поддерживать расход хладагента, чтобы предотвращать пульсацию компрессоров 102 во время предварительного охлаждения. Вышеуказанное управление клапаном может, например, быть следующим: второй датчик 180 температуры обеспечен в непосредственной близости от детандера 104, и если на основе детектированного значения датчика 180 температуры контроллером 200 определяется, что вероятность пульсации высока, то третий клапан 115 автоматически открывается.
[0051] Поскольку третий клапан 115 также требует управления степенью открытия посредством контроллера 200, электрически управляемый клапан предпочтительно используется в качестве третьего клапана 115.
[0052] Дополнительно, вторая байпасная линия 116 предусмотрена так, чтобы ответвляться из положения между компрессором 102b и компрессором 102с в канале 101 циркуляции, и четвертый клапан 117 предусмотрен на второй байпасной линии 116. Если какой-либо из компрессоров 102 остановлен вследствие неисправности вращающихся машин, включая компрессоры 102 и детандер 104, или системы управления, включая инвертор (не показан) для подачи мощности на вращающиеся машины, расход хладагента, протекающего в цикле Брайтона, снижается, и пульсация может возникнуть, таким образом, в другом из компрессоров 102. В таком случае, путем открытия четвертого клапана 117 с помощью контроллера 200, можно выпустить хладагент в буферный резервуар 111, чтобы предотвратить пульсацию. Вышеуказанное управление открытием/закрытием четвертого клапана 117 может, например, быть следующим: скорость вращения компрессоров 102 или детандера 104 или выход системы управления, включающей в себя инвертор, контролируется, чтобы обнаруживать пульсацию посредством датчика (не показан) в контроллере 200, и если обнаруживается снижение скорости вращения или сигнал ошибки, то определяется, что возникла пульсация, и четвертый клапан 117 открывается.
[0053] Так как требуется, чтобы четвертый клапан 117 быстро реагировал на команду открытия от контроллера 200, в качестве четвертого клапана 117 предпочтительно используется электромагнитный клапан. Кроме того, электромагнитный клапан 118 может быть предусмотрен между линией 110 высокого давления и буферным резервуаром 111 и может быть сконфигурирован для открытия или закрытия на основе сигнала управления от контроллера 200, чтобы позволить хладагенту, протекающему в линии 110 высокого давления, вытекать в буферный резервуар 111 в случае аномалии.
[0054] Вышеуказанные с первого по четвертый клапаны могут быть сконфигурированы, чтобы открываться или закрываться путем управления, чтобы позволять хладагенту, текущему в канале 101 циркуляции, поступать в буферный резервуар 111 в случае чрезвычайной ситуации, такой как, например, возникновение некоторой аномалии в устройстве 100 охлаждения. При этом можно избегать непреднамеренного увеличения давления хладагента в канале 101 циркуляции или пульсации в компрессорах 102, и, таким образом, можно получить устройство 100 охлаждения с превосходной надежностью. В таком случае расход хладагента или коэффициент давления может контролироваться датчиком, чтобы управлять степенью открытия клапанов.
[0055] Если предполагается исключать пульсацию только на основе скорости вращения, предпочтительным является бесступенчатое управление скорости вращения. Однако имеется проблема, состоящая в том, что конструкция устройства может стать сложной, чтобы выполнять такое бесступенчатое управление. С помощью устройства 100 охлаждения, например, можно избегать пульсации путем управления расходом хладагента, при этом можно улучшить надежность при упрощении конструкции устройства.
[0056] Буферный резервуар 111 также может быть использован для поглощения изменения в объеме хладагента в цикле, когда устройство 100 охлаждения останавливается. Хотя может быть известно устройство охлаждения, применяющее резервуар, имеющий такое использование, вышеописанное управление расходом хладагента с использованием буферного резервуара 11 согласно настоящему изобретению может выполняться с использованием обычно используемого резервуара в комбинации. Соответственно, устройство охлаждения согласно настоящему изобретению также имеет преимущество в аспекте затрат.
[0057] Кроме того, так как устройство 100 охлаждения согласно данному примеру может функционировать путем управления открытием/закрытием клапанов, ухудшение компонентов, например, вследствие износа, менее вероятно. Соответственно, срок службы устройства больше, и можно гарантировать долговечность, надежность и устойчивость в течение длительного периода времени. Кроме того, операция открытия/закрытия клапанов выполняется просто даже в очень низкотемпературном состоянии, при этом можно применять такое устройство 100 охлаждения в системе, используемой в суровой температурной среде, такой как сверхпроводящее устройство.
[0058] В процессе сжатия согласно циклу Брайтона, выполняется адиабатическое сжатие; однако настоящее изобретение может применяться также к так называемому циклу Эриксона, где адиабатическое сжатие заменяется изотермическим сжатием. В приведенном выше примере, нагревание при сжатии компрессорами 102 и охлаждение теплообменниками 103 выполняются повторно во множестве ступеней, и путем увеличения числа повторений можно по существу реализовать изотермическое сжатие. Соответственно, устройство охлаждения, которое может рассматриваться по существу как устройство охлаждения, работающее на основе цикла Эриксона, которое может быть получено путем увеличения числа ступеней сжатия устройства охлаждения цикла Брайтона согласно вышеприведенному примеру, также входит в объем настоящего изобретения.
[0059] В приведенном выше описании раскрыт пример устройства охлаждения, использующего цикл Брайтона; однако настоящее изобретение может быть применено также к устройству теплового насоса, использующему цикл Брайтона.
Промышленная применимость
[0060] Настоящее изобретение применимо к устройству охлаждения на основе цикла Брайтона, способному управлять холодопроизводительностью по отношению к изменению в тепловой нагрузке охлаждаемого объекта.