JP2007017010A - タービン型冷凍機の冷凍能力制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一般に定常状態で冷凍発生能力も一定で運転されるタービン膨張機の、入口圧力、容量を変化させることなく、的確に冷凍機の冷凍能力を調整することができる冷凍能力の高いタービン型冷凍機の冷凍能力制御方法及び装置を提供する。
【解決手段】タービン型冷凍機の冷凍能力制御装置において、熱負荷が１〜５ｋＷの小型タービンであって、凝縮熱交換器２を有する冷媒が封入されたクライオスタット１と、前記凝縮熱交換器２に接続されるＪＴ弁４と、このＪＴ弁４と並列に接続されるタービン膨張機５と、前記ＪＴ弁４とタービン膨張機５に接続される熱交換器７と、この熱交換器７に並列に接続される圧縮機８と、前記クライオスタット１内に設けられる温度センサー３と、この温度センサー３からの出力信号に基づいて前記ＪＴ弁４の開度を調整する手段とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービン膨張により寒冷を発生させるタービン型冷凍機の冷凍能力制御方法及び装置に関するものである。

従来、クライオスタット（低温容器：液体窒素貯蔵槽）内の液体窒素を、サブクール状態にするためには、ヘリウム冷凍機が用いられている。

ところで、熱負荷が変動する冷凍機内にある冷媒の温度を一定に保つためには、冷凍機の冷凍能力調整機構が必要とされる。そこで、冷凍負荷の変動にかかわらず、寒冷発生用の膨張機を常時安定して効率良く運転するために、膨張機の入口圧力を検出し、この検出圧力に基づいて膨張機の入口流量を制御すると同時に、ＪＴ弁（ジュールトムソン弁：流路に大きな絞りを与えることにより、流体を断熱膨張させ、流体の温度を低温まで下げる働きをする弁）出口側の冷媒を低圧ラインにおいて膨張機よりも高圧側の熱交換器の入口側に供給し、膨張機の入口温度を検出してこの入口温度を予め定めた目標温度に近づけるように膨張弁出口側の冷媒の供給量を制御するようにした液化冷凍装置の運転制御方法が提案されている（下記特許文献１）。
特開平６−２６５２３０号公報

クライオスタット内の液体窒素に浸漬冷却されている高温超電導コイルに交流電流を流すとＡＣ（交流）ロスにより熱負荷が発生する。この熱負荷は電流量により変動するため、上記したように、クライオスタットの冷却温度を一定に保つためには、冷凍機の冷凍能力を調整する必要がある。

現在、タービン型の冷凍機はＭＷクラスの大容量タイプが主流であり、上記したように、このクラスのものでは膨張容量を可変として負荷変動に対応する技術が報告されている（上記特許文献１）。しかし、例えば、鉄道車両用主変圧器用の１〜５ｋＷクラスの小型タービン型冷凍機では、タービンの羽が小さくなること、タービン回転数が多くなることから、膨張容量を可変とする方式を採用することは困難といわれている。また、タービン入口圧力を変化させる方式では、冷凍能力の変動が激しくなり、数Ｗの負荷変動に追随できるものではない。

本発明は、上記状況に鑑みて、一般に定常状態で冷凍発生能力も一定で運転されるタービン膨張機の、入口圧力、容量を変化させることなく、的確に冷凍機の冷凍能力を調整することができる冷凍能力の高いタービン型冷凍機の冷凍能力制御方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕タービン型冷凍機の冷凍能力制御方法において、熱負荷が１〜５ｋＷの小型タービンであって、タービン膨張機の高圧入り口側に、このタービン膨張機と並列にＪＴ弁を配置し、前記タービン膨張機の、入口圧力、容量を変化させることなく、圧縮機の吐出流量を膨張ラインと並列分岐させ、分岐ラインに設けたＪＴ弁の開度を調整し、断熱自由膨張されたヘリウムガスを、クライオスタット内の凝縮熱交換器に入る前に前記タービン膨張機によるタービン膨張後の低温ガスと合流させ、熱負荷が変動するクライオスタット内の冷媒の温度を一定に保つことを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載のタービン型冷凍機の冷凍能力制御方法において、前記冷媒が液体窒素であることを特徴とする。

〔３〕タービン型冷凍機の冷凍能力制御装置において、熱負荷が１〜５ｋＷの小型タービンであって、凝縮熱交換器を有する冷媒が封入されたクライオスタットと、前記凝縮熱交換器に接続されるＪＴ弁と、このＪＴ弁と並列に接続されるタービン膨張機と、前記ＪＴ弁とタービン膨張機に接続される熱交換器と、この熱交換器に並列に接続される圧縮機と、前記クライオスタット内に設けられる温度センサーと、この温度センサーからの出力信号に基づいて前記ＪＴ弁の開度を調整する手段とを具備することを特徴とする。

〔４〕上記〔３〕記載のタービン型冷凍機の冷凍能力制御装置において、前記冷媒として液体窒素を用いることを特徴とする。

〔５〕上記〔４〕記載のタービン型冷凍機の冷凍能力制御装置において、前記ＪＴ弁の開度を調整する手段として、ＰＩＤ制御器を用いることを特徴とする。

本発明によれば、次のような効果を奏することができる。

（１）一般に定常状態で冷凍発生能力も一定で運転されるタービン膨張機の、入口圧力、容量を変化させることなく、的確に冷凍機の冷凍能力を調整することができる。

（２）ＪＴ膨張（ジュールトムソン膨張：ある温度以下で気体を膨張させると、気体の温度が下がる現象）を逆手にとり、温度上昇させる目的で使用することにより、鉄道車両用主変圧器用の１〜５ｋＷクラスの小型タービン型冷凍機に好適である。

熱負荷が変動するクライオスタット内にある冷媒の温度を一定に保つためには、冷凍機の冷凍能力調整機構が必要とされる。そこで、タービン膨張機の高圧入り口側に、並列してＪＴ弁を具備し、断熱自由膨張されヘリウムガスを、タービン膨張によって冷却されたガスヘリウムと合流させ、この冷凍能力調整を行う。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の実施例を示すタービン型冷凍機の冷凍能力制御システムの構成図である。

この図において、１はクライオスタット（低温容器：サブクール液体窒素貯蔵槽）、２はこのクライオスタット１に設けられる凝縮熱交換器、３はそのクライオスタット１に設けられる温度センサー、４は凝縮熱交換器２の第１の端部に接続されるＪＴ弁（ニードル弁）、５は凝縮熱交換器２の第１の端部に接続され、ＪＴ弁（ニードル弁）４と並列に接続されるタービン膨張機、６は凝縮熱交換器２の第２の端部とＪＴ弁（ニードル弁）４とに接続される第１の熱交換器、７は第１の熱交換器６とＪＴ弁（ニードル弁）４を経由する第１の熱交換器６及びタービン膨張機５に接続される第２の熱交換器、８は第２の熱交換器７と並列に接続される圧縮機、９は圧縮機８に並列に接続される自動バイパス弁、１０は温度センサー３に接続されるＰＩＤ制御（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｉｎｔｅｇｒａｌ ａｎｄ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ：入力値の制御を出力値と目標値との偏差、その積分、及び微分の３つの要素によって行うフィードバック制御）器であり、このＰＩＤ制御器１０からの出力によってＪＴ弁（ニードル弁）４が制御される。なお、Ａはコールドボックス、Ｂは常温領域である。

本発明は、一般に定常状態で冷凍発生能力も一定で運転されるタービン膨張機の、入口圧力、容量を変化させることなく、圧縮機の吐出流量を膨張ラインと並列に分岐させ、分岐ラインに設けたＪＴ弁（ニードル弁）の開度を調整し、凝縮熱交換器に入る前にタービン膨張後の低温ガスと合流させることによって、冷凍能力の高い小型タービン型冷凍機の運転でサブクール液体窒素の温度制御を達成することができる。

また、小型から大型まで冷凍能力調整が困難といわれているタービン冷凍機を、負荷変動に対して容易に温度制御できる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明のタービン型冷凍機の冷凍能力制御方法及び装置は、鉄道車両用主変圧器用の１〜５ｋＷクラスの小型タービン型冷凍機に好適である。

本発明の実施例を示すタービン型冷凍機の冷凍能力制御システムの構成図である。

符号の説明

１ クライオスタット（低温容器：サブクール液体窒素貯蔵槽）
２ 凝縮熱交換器
３ 温度センサー
４ ＪＴ弁（ニードル弁）
５ タービン膨張機
６ 第１の熱交換器
７ 第２の熱交換器
８ 圧縮機
９ 自動バイパス弁
１０ ＰＩＤ制御器
Ａ コールドボックス
Ｂ 常温領域

Claims (5)

1. 熱負荷が１〜５ｋＷの小型タービンであって、タービン膨張機の高圧入り口側に、該タービン膨張機と並列にＪＴ弁を配置し、前記タービン膨張機の、入口圧力、容量を変化させることなく、圧縮機の吐出流量を膨張ラインと並列分岐させ、分岐ラインに設けたＪＴ弁の開度を調整し、断熱自由膨張されたヘリウムガスを、クライオスタット内の凝縮熱交換器に入る前に前記タービン膨張機によるタービン膨張後の低温ガスと合流させ、熱負荷が変動するクライオスタット内の冷媒の温度を一定に保つことを特徴とするタービン型冷凍機の冷凍能力制御方法。
2. 請求項１記載のタービン型冷凍機の冷凍能力制御方法において、前記冷媒が液体窒素であることを特徴とするタービン型冷凍機の冷凍能力制御方法。
3. 熱負荷が１〜５ｋＷの小型タービンであって、
   （ａ）凝縮熱交換器を有する冷媒が封入されたクライオスタットと、
   （ｂ）前記凝縮熱交換器に接続されるＪＴ弁と、
   （ｃ）該ＪＴ弁と並列に接続されるタービン膨張機と、
   （ｄ）前記ＪＴ弁とタービン膨張機に接続される熱交換器と、
   （ｅ）該熱交換器に並列に接続される圧縮機と、
   （ｆ）前記クライオスタット内に設けられる温度センサーと、
   （ｇ）該温度センサーからの出力信号に基づいて前記ＪＴ弁の開度を調整する手段とを具備することを特徴とするタービン型冷凍機の冷凍能力制御装置。
4. 請求項３記載のタービン型冷凍機の冷凍能力制御装置において、前記冷媒として液体窒素を用いることを特徴とするタービン型冷凍機の冷凍能力制御装置。
5. 請求項４記載のタービン型冷凍機の冷凍能力制御装置において、前記ＪＴ弁の開度を調整する手段として、ＰＩＤ制御器を用いることを特徴とするタービン型冷凍機の冷凍能力制御装置。

Images