特開 2024-95327 冷却装置及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024095327

(43)【公開日】2024-07-10

(54)【発明の名称】冷却装置及び方法

(51)【国際特許分類】

   F25B 1/00 20060101AFI20240703BHJP

【ＦＩ】

F25B1/00 101E

F25B1/00 304S

【審査請求】有

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022212532

(22)【出願日】2022-12-28

(71)【出願人】

【識別番号】320011650

【氏名又は名称】大陽日酸株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100149249

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 達也

(72)【発明者】

【氏名】尾▲崎▼ 信介

(72)【発明者】

【氏名】石井 政輝

(72)【発明者】

【氏名】平井 寛一

(57)【要約】

【課題】凍結による熱交換器内での冷却流体の流路の閉塞を抑制し易い冷却装置及び方法を提供する。
【解決手段】冷媒を循環させる第１経路２と、冷却流体を流す第２経路３と、第１経路２と第２経路３の相互の熱交換をする熱交換器４とを有し、第１経路２が圧縮機５と圧縮機５よりも下流且つ熱交換器４よりも上流に配置される膨張機６とを有し、圧縮機５よりも下流且つ膨張機６よりも上流の部分から熱交換器４よりも下流且つ圧縮機５よりも上流の部分まで冷媒を流すバイパス経路１０と、熱交換器４内での冷却流体の凍結の発生に関連する物理量を検出し、検出された物理量に応じてバイパス経路１０の流量を制御するバイパス流量制御部１１とを更に有する冷却装置１。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷媒を循環させる第１経路と、冷却流体を流す第２経路と、前記第１経路と前記第２経路の相互の熱交換をする熱交換器とを有し、
前記第１経路が圧縮機と前記圧縮機よりも下流且つ前記熱交換器よりも上流に配置される膨張機とを有し、
前記圧縮機よりも下流且つ前記膨張機よりも上流の部分から前記熱交換器よりも下流且つ前記圧縮機よりも上流の部分まで前記冷媒を流すバイパス経路と、
前記熱交換器内での前記冷却流体の凍結の発生に関連する物理量を検出し、検出された前記物理量に応じて前記バイパス経路の流量を制御するバイパス流量制御部とを更に有する冷却装置。

【請求項2】

前記バイパス経路の上流側端部よりも下流且つ前記膨張機よりも上流の部分と前記熱交換器よりも下流且つ前記バイパス経路の下流側端部よりも上流の部分との相互の熱交換をする更なる熱交換器を更に有する、請求項１に記載の冷却装置。

【請求項3】

前記物理量として前記冷却流体の温度を検出する温度センサ、又は、前記物理量として前記冷却流体の流量を検出する流量センサを更に有する、請求項１に記載の冷却装置。

【請求項4】

前記圧縮機としてのターボ圧縮機と、前記膨張機としての膨張タービンとを有する、請求項１に記載の冷却装置。

【請求項5】

前記冷却流体が液体窒素である、請求項１に記載の冷却装置。

【請求項6】

冷媒を循環させる第１経路と、冷却流体を流す第２経路と、前記第１経路と前記第２経路の相互の熱交換をする熱交換器とを有し、前記第１経路が圧縮機と前記圧縮機よりも下流且つ前記熱交換器よりも上流に配置される膨張機とを有し、前記圧縮機よりも下流且つ前記膨張機よりも上流の部分から前記熱交換器よりも下流且つ前記圧縮機よりも上流の部分まで前記冷媒を流すバイパス経路と、前記バイパス経路の開度を変化させる開度調整部とを更に有する冷却装置を用い、
前記熱交換器内での前記冷却流体の凍結の発生に関連する物理量を検出し、検出された前記物理量に応じて前記開度調整部によって前記バイパス経路の開度を変化させる、冷却方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は冷却装置及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

冷媒を循環させる第１経路と、冷却流体を流す第２経路と、第１経路と第２経路の相互の熱交換をする熱交換器とを有し、第１経路が圧縮機と圧縮機よりも下流且つ熱交換器よりも上流に配置される膨張機とを有する冷却装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】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】

【0004】

上記のような冷却装置は、何等かの原因で冷媒による過冷却が発生し、熱交換器内で冷却流体が凍結すると、熱交換器内で冷却流体の流路が閉塞し、冷却流体が流れなくなる虞がある。冷却流体が超電導電力機器の冷却に用いられる液体窒素である場合などにおいては、凍結による熱交換器内での冷却流体の流路の閉塞を抑制することが特に重要となる。

【0005】

そこで本発明の目的は、凍結による熱交換器内での冷却流体の流路の閉塞を抑制し易い冷却装置及び方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様は以下のとおりである。

【0007】

［１］
冷媒を循環させる第１経路と、冷却流体を流す第２経路と、前記第１経路と前記第２経路の相互の熱交換をする熱交換器とを有し、
前記第１経路が圧縮機と前記圧縮機よりも下流且つ前記熱交換器よりも上流に配置される膨張機とを有し、
前記圧縮機よりも下流且つ前記膨張機よりも上流の部分から前記熱交換器よりも下流且つ前記圧縮機よりも上流の部分まで前記冷媒を流すバイパス経路と、
前記熱交換器内での前記冷却流体の凍結の発生に関連する物理量を検出し、検出された前記物理量に応じて前記バイパス経路の流量を制御するバイパス流量制御部とを更に有する冷却装置。

【0008】

［２］
前記バイパス経路の上流側端部よりも下流且つ前記膨張機よりも上流の部分と前記熱交換器よりも下流且つ前記バイパス経路の下流側端部よりも上流の部分との相互の熱交換をする更なる熱交換器を更に有する、［１］に記載の冷却装置。

【0009】

［３］
前記物理量として前記冷却流体の温度を検出する温度センサ、又は、前記物理量として前記冷却流体の流量を検出する流量センサを更に有する、［１］又は［２］に記載の冷却装置。

【0010】

［４］
前記圧縮機としてのターボ圧縮機と、前記膨張機としての膨張タービンとを有する、［１］～［３］の何れか１項に記載の冷却装置。

【0011】

［５］
前記冷却流体が液体窒素である、［１］～［４］の何れか１項に記載の冷却装置。

【0012】

［６］
冷媒を循環させる第１経路と、冷却流体を流す第２経路と、前記第１経路と前記第２経路の相互の熱交換をする熱交換器とを有し、前記第１経路が圧縮機と前記圧縮機よりも下流且つ前記熱交換器よりも上流に配置される膨張機とを有し、前記圧縮機よりも下流且つ前記膨張機よりも上流の部分から前記熱交換器よりも下流且つ前記圧縮機よりも上流の部分まで前記冷媒を流すバイパス経路と、前記バイパス経路の開度を変化させる開度調整部とを更に有する冷却装置を用い、
前記熱交換器内での前記冷却流体の凍結の発生に関連する物理量を検出し、検出された前記物理量に応じて前記開度調整部によって前記バイパス経路の開度を変化させる、冷却方法。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、凍結による熱交換器内での冷却流体の流路の閉塞を抑制し易い冷却装置及び方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の一実施形態の冷却装置を示す回路図である。

【図2】図１に示す冷却装置の変形例を示す回路図である。

【図3】圧縮機の流量と圧力比の関係を示すグラフである。

【図4】図１に示す冷却装置において凍結による第１熱交換器内での冷却流体の流路の閉塞を抑制する制御を行わなかった場合の状態変化の一例を示すグラフである。

【図5】図１に示す冷却装置において凍結による第１熱交換器内での冷却流体の流路の閉塞を抑制する制御を行った場合の状態変化の一例を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を例示説明する。

【0016】

図１に示すように、本発明の一実施形態において冷却装置１は、冷媒を循環させる第１経路２と、冷却流体を流す第２経路３と、第１経路２と第２経路３の相互の熱交換をする熱交換器４（第１熱交換器４ともいう）とを有する。第１経路２は、圧縮機５と、圧縮機５よりも下流且つ第１熱交換器４よりも上流に配置される膨張機６とを有する。

【0017】

冷却装置１は、冷媒がブレイトンサイクルの４つの過程である断熱圧縮、等圧冷却、断熱膨張、等圧加熱がこの順に繰り返されることにより寒冷を発生する冷凍機能を有する。圧縮機５で圧縮された冷媒は圧縮熱を例えば大気へ放散した後、膨張機６で断熱膨張し、その結果、冷媒の温度が低下する。次いで冷媒は周囲の熱を吸収し、圧縮機５の入り口に戻される。冷媒は特に限定されないが、本実施形態ではネオンガスである。冷却流体は特に限定されないが、本実施形態では液体窒素である。

【0018】

第２経路３は、冷却流体を循環させる循環経路の一部又は全部を構成する。循環経路は、循環経路を流れる冷却流体によって超電導送電ケーブル、超電導限流器などの超電導電力機器を冷却できるように配置される。超電導電力機器は侵入熱や機器の発熱により温度が上昇すると超電導状態を保てなくなる。そのため冷却装置１は、電導電力機器を冷却する冷却流体を安定して冷却する必要がある。なお、冷却装置１は、超電導電力機器以外の機器又は機器以外の冷却対象を冷却するように構成してもよい。

【0019】

冷却装置１は、第２経路３における第１熱交換器４よりも下流且つ冷却対象よりも上流の部分の温度を検出する第１温度センサ７ａと、第１温度センサ７ａによって検出された温度に応じて圧縮機５の出力（回転数など）を制御する出力制御部（不図示）を有する。出力制御部は例えばコンピュータによって構成される。なお、第１温度センサ７ａは上記部分以外で第２経路３の温度を検出する構成としてもよい。

【0020】

冷却装置１は、圧縮機５よりも下流且つ膨張機６よりも上流の部分と第１熱交換器４よりも下流且つ圧縮機５よりも上流の部分との相互の熱交換をする更なる熱交換器８（第２熱交換器８ともいう）を更に有する。第２熱交換器８によれば冷却性能を高めることができる。なお、冷却装置１は、第２熱交換器８を有する構成に限らない。

【0021】

冷却装置１は、圧縮機５としてのターボ圧縮機と、膨張機６としての膨張タービンとを有する。このような構成によれば冷却性能を高めることができる。なお、冷却装置１はこれに限らず、例えば、ターボ圧縮機以外の圧縮機５を有する構成としてもよいし、膨張タービン以外の膨張機６を有する構成としてもよい。

【0022】

膨張機６によって発電された電力は第１インバータ９ａを介して所定の電気回路に供給され、更に第２インバータ９ｂを介して圧縮機５に供給される。なお、膨張機６によって回収された動力を別の方法で圧縮機５に伝達する構成としてもよい。膨張機６によって回収された動力を圧縮機５の動力源として使用する構成に限らず、例えば、他の機器の駆動等に使用する構成としてもよい。

【0023】

冷却装置１は、何等かの原因で冷媒による過冷却が発生し、第１熱交換器４内で冷却流体が凍結すると、第１熱交換器４内で冷却流体の流路が閉塞し、冷却流体が流れなくなる虞がある。冷却流体が超電導電力機器の冷却に用いられる液体窒素である場合などにおいては、凍結による第１熱交換器４内での冷却流体の流路の閉塞を抑制することが特に重要となる。

【0024】

そこで、冷却装置１は、圧縮機５よりも下流且つ膨張機６よりも上流の部分から第１熱交換器４よりも下流且つ圧縮機５よりも上流の部分まで冷媒を流すバイパス経路１０と、第１熱交換器４内での冷却流体の凍結の発生に関連する物理量（凍結関連物理量ともいう）を検出し、検出された凍結関連物理量に応じてバイパス経路１０の流量を、凍結による第１熱交換器４内での冷却流体の流路の閉塞を抑制するように制御するバイパス流量制御部１１とを更に有する。

【0025】

バイパス流量制御部１１は、バイパス経路１０の開度を変化させる開度調整部１１ａと、凍結関連物理量を検出する検出部１１ｂと、検出部１１ｂによって検出された凍結関連物理量に応じてバイパス経路１０の開度を変化させるように開度調整部１１ａを制御する開度調整部１１ａ制御部（不図示）とを有する。開度調整部１１ａ制御部は例えばコンピュータによって構成される。開度調整部１１ａは、電磁バルブなどのバルブによって構成される。なお、開度調整部１１ａはバルブ以外の装置で構成してもよい。

【0026】

検出部１１ｂは特に限定されないが、例えば、冷却流体の温度を検出する温度センサ、又は、冷却流体の流量を検出する流量センサ１２によって構成することができる。本実施形態では検出部１１ｂは、第１経路２における膨張機６よりも下流且つ第１熱交換器４よりも上流の部分の温度を検出する第２温度センサ７ｂによって構成される。

【0027】

バイパス流量制御部１１は、検出された凍結関連物理量が第１閾値に達した時（本実施形態では第２温度センサ７ｂによって検出された温度が第１閾値まで下降した時）、バイパス経路１０の開度を第１開度まで増加させ、その後、検出された凍結関連物理量が第２閾値に達した時（本実施形態では第２温度センサ７ｂによって検出された温度が第２閾値まで上昇した時）、バイパス経路１０の開度を第２開度まで減少させる。第２開度は例えば、バイパス経路１０が閉塞される開度である。第１開度は例えば、バイパス経路１０が（例えば全開となるように）開かれる開度である。

【0028】

第１閾値は、第１熱交換器４内での冷却流体の凍結の発生を生じる又は生じ得る値に設定される。第２閾値は、第１熱交換器４内での冷却流体の凍結の発生が第１閾値よりも生じにくい値（本実施形態では第１閾値よりも高い温度値）に設定される。

【0029】

バイパス経路１０の開度が第１開度まで増加すると、バイパス経路１０を流れて圧縮機５に流入する冷媒により圧縮機５の流量が増加し、その結果、圧縮機５の圧力比が減少する。例えば図３に示すように、所定の回転数において圧縮機５の流量が増加すると、それに従って圧力比が減少する（図３中の矢印参照）。圧縮機５の圧力比が減少すると、第２温度センサ７ｂで検出される温度（つまり、膨張機６を出てから第１熱交換器４に入るまでの冷媒の温度）が上昇するので、凍結による第１熱交換器４内での冷却流体の流路の閉塞を抑制することができる。

【0030】

したがって、例えば図５に示すように、冷却装置１により発生される寒冷を良好に維持することができる。なお、上記のようなバイパス流量制御部１１によるバイパス経路１０の開度の制御を行わない場合の一例を図４に示す。図４に示す例では、閉塞により冷却流体が流れなくなり、その結果、第１温度センサ７ａにより検出された温度が上昇し続け、この上昇し続ける温度に応じて圧縮機５の出力が増加され続ける。したがって、過冷却と閉塞が解消せず、その結果、良好な発生寒冷が得られなくなる。

【0031】

バイパス経路１０は、圧縮機５よりも下流且つ第２熱交換器８よりも上流の部分から第２熱交換器８よりも下流且つ圧縮機５よりも上流の部分まで冷媒を流すように設けられる。すなわち、第２熱交換器８は、バイパス経路１０の上流側端部よりも下流且つ膨張機６よりも上流の部分と第１熱交換器４よりも下流且つバイパス経路１０の下流側端部よりも上流の部分との相互の熱交換をするように設けられる。このような構成によれば、凍結による第１熱交換器４内での冷却流体の流路の閉塞を抑制する効果を良好なエネルギー効率によって得ることができる。

【0032】

なお、バイパス経路１０の配置はこれに限らず、例えば、第２熱交換器８よりも下流且つ膨張機６よりも上流の部分から第１熱交換器４よりも下流且つ第２熱交換器８よりも上流の部分まで冷媒を流すように設けてもよい。

【0033】

検出部１１ｂを、第２温度センサ７ｂに代えて又は加えて、図２に示すように、第１温度センサ７ａによって構成し、第１温度センサ７ａによって検出される温度を凍結関連物理量として用いる構成としてもよい。この場合、例えば、冷却流体の凝固温度よりも所定値高い温度を第１閾値として用いることができる。

【0034】

検出部１１ｂを、第２温度センサ７ｂに代えて又は加えて、図２に示すように、第２経路３における第１熱交換器４よりも下流且つ冷却対象よりも上流の部分の流量を検出する流量センサ１２によって構成し、流量センサ１２によって検出される流量を凍結関連物理量として用いる構成としてもよい。この場合、例えば、流路断面積の半分が閉塞したときに対応する流量を第１閾値として用いることができる。

【0035】

検出部１１ｂを、第２温度センサ７ｂに代えて又は加えて、図２に示すように、第１熱交換器４の温度を検出する第３温度センサ７ｃによって構成し、第３温度センサ７ｃによって検出される温度を凍結関連物理量として用いる構成としてもよい。この場合、例えば、冷却流体の凝固温度よりも所定値高い温度を第１閾値として用いることができる。

【0036】

検出部１１ｂを、第２温度センサ７ｂに代えて又は加えて、図２に示すように、第１経路２における第２熱交換器８よりも下流且つ膨張機６よりも上流の部分の温度を検出する第４温度センサ７ｄによって構成し、第４温度センサ７ｄによって検出される温度を凍結関連物理量として用いる構成としてもよい。この場合、例えば、冷却流体の凝固温度よりも所定値高い温度を第１閾値として用いることができ、例えば、膨張機６の性能と運転条件などを考慮して第１閾値を設定することができる。

【0037】

検出部１１ｂを、第２温度センサ７ｂに代えて又は加えて、図２に示すように、第１経路２における第１熱交換器４よりも下流且つ第２熱交換機よりも上流の部分の温度を検出する第５温度センサ７ｅによって構成し、第５温度センサ７ｅによって検出される温度を凍結関連物理量として用いる構成としてもよい。この場合、例えば、冷却流体の凝固温度よりも所定値高い温度を第１閾値として用いることができ、例えば、冷却装置１の仕様などを考慮して第１閾値を設定することができる。

【0038】

次に、本発明の一実施形態の冷却方法について例示説明する。本発明の一実施形態の冷却方法は、前述した実施形態又はその変形例の冷却装置１を用い、凍結関連物理量を検出し、検出された凍結関連物理量に応じて開度調整部１１ａによってバイパス経路１０の開度を変化させる（より具体的には、バイパス流量制御部１１によって、凍結関連物理量を検出し、検出された凍結関連物理量に応じてバイパス経路１０の流量を制御する）、冷却方法である。

【0039】

なお、本実施形態の冷却方法は、前述した実施形態又はその変形例の冷却装置１から開度調整部１１ａ制御部を除いた構成とした冷却装置１を用い、検出部１１ｂによって凍結関連物理量を検出し、検出された凍結関連物理量に応じて、人が開度調整部１１ａを操作してバイパス経路１０の開度を（凍結による第１熱交換器４内での冷却流体の流路の閉塞を抑制するように）変化させる構成としてもよい。

【0040】

本発明は前述した実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

【実施例0041】

図２に示す実施形態の冷却装置１により、バイパス経路１０の開度を第１開度よりも小さい第３開度に調整することで凍結が発生する第１状態とし、その後、バイパス経路１０の開度を第１開度に調整することで凍結が解消する第２状態とし、その後、バイパス経路１０の開度を第３開度よりも小さい第４開度に調整することで凍結が発生する第３状態とするシミュレーションを行った。

【0042】

第１状態では、圧縮機５の回転数が５５０ｒｐｓ、圧縮機５の流量が１０００Ｎｍ^３／ｈ、圧縮機５の圧力比が２．０、膨張機６の入口圧力が１０００ＭＰａＡ、膨張機６の出口圧力が５００ＭＰａＡ、第２温度センサ７ｂの検出値が６２．７Ｋ、第３温度センサ７ｃの検出値が６２．７Ｋ、第１温度センサ７ａの検出値が６２．７Ｋであった。

【0043】

第２状態では、圧縮機５の回転数が５５０ｒｐｓ、圧縮機５の流量が１４００Ｎｍ^３／ｈ、圧縮機５の圧力比が１．８８、膨張機６の入口圧力が９４０ＭＰａＡ、膨張機６の出口圧力が５００ＭＰａＡ、第２温度センサ７ｂの検出値が６３．７Ｋ、第３温度センサ７ｃの検出値が６４．２Ｋ、第１温度センサ７ａの検出値が６４．７Ｋであった。

【0044】

第３状態では、圧縮機５の回転数が５５０ｒｐｓ、圧縮機５の流量が８００Ｎｍ^３／ｈ、圧縮機５の圧力比が２．０５、膨張機６の入口圧力が１０２５ＭＰａＡ、膨張機６の出口圧力が５００ＭＰａＡ、第２温度センサ７ｂの検出値が６２．２Ｋ、第３温度センサ７ｃの検出値が６２．２Ｋ、第１温度センサ７ａの検出値が６２．２Ｋであった。

【0045】

なお、第１状態、第２状態及び第３状態のいずれにおいても、第４温度センサ７ｄの検出値は７６Ｋ、第５温度センサ７ｅの検出値は７３Ｋ、流量センサ１２の検出値は０．５ｋｇ／ｓ、膨張機６の効率は７０％であった。

【符号の説明】

【0046】

１ 冷却装置
２ 第１経路
３ 第２経路
４ 第１熱交換器
５ 圧縮機
６ 膨張機
７ａ 第１温度センサ
７ｂ 第２温度センサ
７ｃ 第３温度センサ
７ｄ 第４温度センサ
７ｅ 第５温度センサ
８ 第２熱交換器
９ａ 第１インバータ
９ｂ 第２インバータ
１０ バイパス経路
１１ バイパス流量制御部
１１ａ 開度調整部
１１ｂ 検出部
１２ 流量センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】