JP2510769B2 - 極低温冷凍装置 - Google Patents
極低温冷凍装置Info
- Publication number
- JP2510769B2 JP2510769B2 JP18395590A JP18395590A JP2510769B2 JP 2510769 B2 JP2510769 B2 JP 2510769B2 JP 18395590 A JP18395590 A JP 18395590A JP 18395590 A JP18395590 A JP 18395590A JP 2510769 B2 JP2510769 B2 JP 2510769B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- turbine
- phase flow
- valve
- expansion
- flow turbine
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
- F25B2400/04—Refrigeration circuit bypassing means
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は極低温冷凍装置に係り、特にヘリウムを冷媒
とする極低温冷凍装置に関するものである。
とする極低温冷凍装置に関するものである。
従来のヘリウムを冷媒とする冷凍装置としては、例え
ば、特公昭61−6309号公報に記載のような、ジュールト
ムソン膨張弁の代りに二相流膨張タービンを設けたもの
が知られている。
ば、特公昭61−6309号公報に記載のような、ジュールト
ムソン膨張弁の代りに二相流膨張タービンを設けたもの
が知られている。
上記従来技術においては、二相流膨張タービンを設置
する場合の問題について配慮れておらず、二相流膨張タ
ービンが故障した場合は、冷凍装置の運転を停止しなけ
ればならなかった。
する場合の問題について配慮れておらず、二相流膨張タ
ービンが故障した場合は、冷凍装置の運転を停止しなけ
ればならなかった。
本発明は信頼性が高い極低温冷凍装置に提供すること
を目的としており、さらに二相流タービンが故障した場
合でも、冷媒であるヘリウムの液化を継続して行うこと
ができる極低温冷凍装置を提供することにある。
を目的としており、さらに二相流タービンが故障した場
合でも、冷媒であるヘリウムの液化を継続して行うこと
ができる極低温冷凍装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、超臨界膨張タービン（単
相流タービン）と二相流タービンを直列に継ぎ、二相流
タービンの出入口配管に設けた出口弁および入口弁と、
前記入口弁の上流側のタービン入口配管と前記出口配管
とを連通するジュール・トムソン膨張弁を備えたバイパ
ス流路を設けた極低温冷凍装置により達成される。
相流タービン）と二相流タービンを直列に継ぎ、二相流
タービンの出入口配管に設けた出口弁および入口弁と、
前記入口弁の上流側のタービン入口配管と前記出口配管
とを連通するジュール・トムソン膨張弁を備えたバイパ
ス流路を設けた極低温冷凍装置により達成される。
従来、１段のジュール・トムソン膨張弁で行われてい
た膨張過程を超臨界ヘリウム膨張タービン（単相流ター
ビン）と二相流タービンに分割している。従ってヘリウ
ムガスの液化は二相流タービン内だけで生じる。ヘリウ
ムガスよりも密度が大きい液体ヘリウムによるドレイン
アタック等で、二相流タービン故障した場合、二相流タ
ービンの出入口に設けた入口弁と出口弁は閉じられ、ヘ
リウムガスバイパス流路に設けたジュール・トムソン膨
張弁が開かれる。ヘリウムガスは超臨界膨張タービンで
断熱膨張を行い、その後ジュール・トムソン膨張弁で等
エンタルピ膨張を行うので、ヘリウムガスの液化率は多
少低下するが、極低温冷凍装置の運転は継続して行え
る。
た膨張過程を超臨界ヘリウム膨張タービン（単相流ター
ビン）と二相流タービンに分割している。従ってヘリウ
ムガスの液化は二相流タービン内だけで生じる。ヘリウ
ムガスよりも密度が大きい液体ヘリウムによるドレイン
アタック等で、二相流タービン故障した場合、二相流タ
ービンの出入口に設けた入口弁と出口弁は閉じられ、ヘ
リウムガスバイパス流路に設けたジュール・トムソン膨
張弁が開かれる。ヘリウムガスは超臨界膨張タービンで
断熱膨張を行い、その後ジュール・トムソン膨張弁で等
エンタルピ膨張を行うので、ヘリウムガスの液化率は多
少低下するが、極低温冷凍装置の運転は継続して行え
る。
以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。高
圧ヘリウムガス（16atm）はヘリウム冷凍機１の最下部
（最冷端部）に設けた熱交換器２の高圧ライン３を通っ
て入口弁４で圧力を調整された後、超臨界ヘリウム膨張
タービン（単相流タービン）５で断熱膨張（4atm）す
る。さらに温度・圧力を低下したヘリウムガスは二相流
タービン７の入口弁６を通って、二相流タービンで断熱
膨張（1.2atm）し、ヘリウムガスと液体ヘリウムの気液
二相流となる。その後、熱負荷11により液体ヘリウムは
気化し単一ガス相となり低圧ライン12を通ってヘリウム
冷凍機１に戻る。
圧ヘリウムガス（16atm）はヘリウム冷凍機１の最下部
（最冷端部）に設けた熱交換器２の高圧ライン３を通っ
て入口弁４で圧力を調整された後、超臨界ヘリウム膨張
タービン（単相流タービン）５で断熱膨張（4atm）す
る。さらに温度・圧力を低下したヘリウムガスは二相流
タービン７の入口弁６を通って、二相流タービンで断熱
膨張（1.2atm）し、ヘリウムガスと液体ヘリウムの気液
二相流となる。その後、熱負荷11により液体ヘリウムは
気化し単一ガス相となり低圧ライン12を通ってヘリウム
冷凍機１に戻る。
二相流タービン７が何かの原因で（例えば液体ヘリウ
ムによるドレインアタックによる軸受の焼付）運転不能
となった場合には、二相流タービン７の入口弁６および
出口弁８は直ちに閉じられ、バイパスライン９に設けた
ジュール・トムソン膨張弁（J.T弁）10が開かれる。し
たがって、単相流タービン５からの中圧・低温のヘリウ
ムガスはJ.T弁10で等エンタルピー膨張して気液二相流
となる。
ムによるドレインアタックによる軸受の焼付）運転不能
となった場合には、二相流タービン７の入口弁６および
出口弁８は直ちに閉じられ、バイパスライン９に設けた
ジュール・トムソン膨張弁（J.T弁）10が開かれる。し
たがって、単相流タービン５からの中圧・低温のヘリウ
ムガスはJ.T弁10で等エンタルピー膨張して気液二相流
となる。
液化過程の原理を第２図により説明する。単相タービ
ンの入口状態Ａ点（圧力P1＝16atm,温度7K）から断熱効
率70％で等エントロピ膨張を行うと、単相タービンの出
口状態Ｂ点（圧力P2＝4atm,温度5.76K）となり、次に二
相流タービンで断熱膨張（断熱効率70％）するとＣ点で
（圧力P2＝1.2atmの場合）温度4.4K気液平衡状態とな
る。このとき線分CFと線分DFの比がヘリウムガスの液化
率εを表し、今の場合ε＝0.64である。一方、二相流タ
ービンが故障した場合には、Ｂ点からＣ′点まで等エン
タルピ膨張（J.T膨張）を行う。この場合の液化率εは
0.51′となる。従って、冷凍機の冷凍能力としてはこの
液化率の減少分冷凍機能が小さくなるが、ヘリウムガス
の液化は継続でき、冷凍負荷を減少させれば冷凍機の運
転を続けて行うことができる。
ンの入口状態Ａ点（圧力P1＝16atm,温度7K）から断熱効
率70％で等エントロピ膨張を行うと、単相タービンの出
口状態Ｂ点（圧力P2＝4atm,温度5.76K）となり、次に二
相流タービンで断熱膨張（断熱効率70％）するとＣ点で
（圧力P2＝1.2atmの場合）温度4.4K気液平衡状態とな
る。このとき線分CFと線分DFの比がヘリウムガスの液化
率εを表し、今の場合ε＝0.64である。一方、二相流タ
ービンが故障した場合には、Ｂ点からＣ′点まで等エン
タルピ膨張（J.T膨張）を行う。この場合の液化率εは
0.51′となる。従って、冷凍機の冷凍能力としてはこの
液化率の減少分冷凍機能が小さくなるが、ヘリウムガス
の液化は継続でき、冷凍負荷を減少させれば冷凍機の運
転を続けて行うことができる。
また、第３図に単相流タービンと二相流タービンを用
いてヘリウムガスを液化させる場合と、二相流タービン
１台で液化させる場合の液化率の比較を示す。ヘリウム
ガスのタービン入口圧力，入口温度および出口圧力等の
条件は第２図で示した条件と同じである。第２図では二
相流タービンの断熱効率を横軸に示し、縦軸にはヘリウ
ムガスの液化率を示す。単相流タービンの断熱効率は従
来のヘリウムタービンの断熱効率と同様で60〜70％程度
とすると、二相流タービンの効率を50％から100％に変
化させても液化率の変化の割合は小さい。一方、二相流
タービンで16atmから1.2atmまで断熱膨張する場合の液
化方式では二相流タービンの断熱効率を50％から100％
に変化させた場合では液化率は大幅に変化する。二相流
タービンの断熱効率が通常の60％程度であれば、両者の
液化方式にその性能の差異はなく、むしろ単相流タービ
ンと二相流タービンを組合せた方が、二相流タービンの
性能の差異にあまり影響を受けない安定した液化能力）
を提供できる。
いてヘリウムガスを液化させる場合と、二相流タービン
１台で液化させる場合の液化率の比較を示す。ヘリウム
ガスのタービン入口圧力，入口温度および出口圧力等の
条件は第２図で示した条件と同じである。第２図では二
相流タービンの断熱効率を横軸に示し、縦軸にはヘリウ
ムガスの液化率を示す。単相流タービンの断熱効率は従
来のヘリウムタービンの断熱効率と同様で60〜70％程度
とすると、二相流タービンの効率を50％から100％に変
化させても液化率の変化の割合は小さい。一方、二相流
タービンで16atmから1.2atmまで断熱膨張する場合の液
化方式では二相流タービンの断熱効率を50％から100％
に変化させた場合では液化率は大幅に変化する。二相流
タービンの断熱効率が通常の60％程度であれば、両者の
液化方式にその性能の差異はなく、むしろ単相流タービ
ンと二相流タービンを組合せた方が、二相流タービンの
性能の差異にあまり影響を受けない安定した液化能力）
を提供できる。
以上、詳細に説明したように本実施例によれば、単相
流タービンと二相流タービンを併用しているので、二相
流タービンが故障した場合でもバイパス流路のＪ・Ｔ弁
で等エンタルピ膨張できるので、液化効率は低下する
が、ヘリウムの液化が継続でき、冷凍装置の運転を維持
できる。さらに、この状態では、二相流タービンはヘリ
ウムが循環している管系統から弁によって隔離されてい
るので、タービンの修理，交換が可能である。また、前
膨張過程を二つに分けてあるので、各タービンに加わる
スラスト力を小さくでき、気体軸受を採用する場合に信
頼性の高い冷凍装置を提供できる効果がある。
流タービンと二相流タービンを併用しているので、二相
流タービンが故障した場合でもバイパス流路のＪ・Ｔ弁
で等エンタルピ膨張できるので、液化効率は低下する
が、ヘリウムの液化が継続でき、冷凍装置の運転を維持
できる。さらに、この状態では、二相流タービンはヘリ
ウムが循環している管系統から弁によって隔離されてい
るので、タービンの修理，交換が可能である。また、前
膨張過程を二つに分けてあるので、各タービンに加わる
スラスト力を小さくでき、気体軸受を採用する場合に信
頼性の高い冷凍装置を提供できる効果がある。
第４図に本発明の第２の実施例を示す。第１図に示し
たものと同様な部分は同一の符号を付して説明を省略す
る。本実施例では単相流タービン５の入口弁４の上流側
配管からバイパスライン13および他のジュール・トムソ
ン膨張弁（Ｊ・Ｔ弁）14が設けられ、バイパスライン９
のバイパスライン13とは一つのヘリウムガス流路を形成
し、連通ライン15により単相流タービン５の出口配管と
接続されている。従って、本実施例によれば、単相流タ
ービンが故障した場合入口弁９を閉じて、バイパスライ
ン13のＪ・Ｔ弁14で、例えば単相流膨張タービンと同様
な膨張比でエンタルピ膨張を行い、その後に二相流ター
ビンで断熱膨張を行ってヘリウムガスを液化できる効果
があり、さらに単相流タービンと二相流タービンの両方
が故障した場合でも入口弁４と出口弁８を閉じてＪ・Ｔ
弁10およびＪ・Ｔ弁14を開くことによって、液化効率は
かなり悪くなるが、ヘリウムガスの液化を継続できる効
果がある。また、二相流タービンだけが故障した場合に
も対応できる効果があり、より信頼性の高い冷凍装置を
提供できる。
たものと同様な部分は同一の符号を付して説明を省略す
る。本実施例では単相流タービン５の入口弁４の上流側
配管からバイパスライン13および他のジュール・トムソ
ン膨張弁（Ｊ・Ｔ弁）14が設けられ、バイパスライン９
のバイパスライン13とは一つのヘリウムガス流路を形成
し、連通ライン15により単相流タービン５の出口配管と
接続されている。従って、本実施例によれば、単相流タ
ービンが故障した場合入口弁９を閉じて、バイパスライ
ン13のＪ・Ｔ弁14で、例えば単相流膨張タービンと同様
な膨張比でエンタルピ膨張を行い、その後に二相流ター
ビンで断熱膨張を行ってヘリウムガスを液化できる効果
があり、さらに単相流タービンと二相流タービンの両方
が故障した場合でも入口弁４と出口弁８を閉じてＪ・Ｔ
弁10およびＪ・Ｔ弁14を開くことによって、液化効率は
かなり悪くなるが、ヘリウムガスの液化を継続できる効
果がある。また、二相流タービンだけが故障した場合に
も対応できる効果があり、より信頼性の高い冷凍装置を
提供できる。
第５図に本発明の第３の実施例を示す。第１図に示し
たものと同様な部分は同一の符号を付して説明を省略す
る。本実施例では単相流タービン５は熱交換器２の高圧
側流路より分岐したタービンライン16に設置されてい
る。したがって熱交換器２の伝熱面積を大きくすること
により二相流タービン７の入口温度を低くできる。この
ことより二相流タービン７の断熱効率が悪い場合でも、
ヘリウムガス液化効率を向上できる。また二相流タービ
ン７が故障した場合でも、Ｊ・Ｔ弁10により効率の良い
液化効率を維持できる効果がある。
たものと同様な部分は同一の符号を付して説明を省略す
る。本実施例では単相流タービン５は熱交換器２の高圧
側流路より分岐したタービンライン16に設置されてい
る。したがって熱交換器２の伝熱面積を大きくすること
により二相流タービン７の入口温度を低くできる。この
ことより二相流タービン７の断熱効率が悪い場合でも、
ヘリウムガス液化効率を向上できる。また二相流タービ
ン７が故障した場合でも、Ｊ・Ｔ弁10により効率の良い
液化効率を維持できる効果がある。
本発明によれば、単相流タービンと二相流タービンを
直列に配置し、二相流タービンに並列にヘリウムガスバ
イパス流路を設けたので、前記二相流タービンが故障し
た場合でも、ヘリウムの液化を継続して冷凍装置の運転
をつづけることが可能となり、冷凍装置の信頼性を高め
る効果がある。
直列に配置し、二相流タービンに並列にヘリウムガスバ
イパス流路を設けたので、前記二相流タービンが故障し
た場合でも、ヘリウムの液化を継続して冷凍装置の運転
をつづけることが可能となり、冷凍装置の信頼性を高め
る効果がある。
第１図は本発明の一実施例のヘリウム冷凍装置の系統
図、第２図は本発明の動作原理を示すＴ−Ｓ線図、第３
図は本発明での液化率を示す便宜的な模式図、第４図，
第５図は本発明の第２および第３の実施例のヘリウム冷
凍装置の系統図である。 １……ヘリウム冷凍機、２……熱交換器、５……単相流
タービン、８……二相流タービン、9,13……バイパスラ
イン、10,14……ジュール・トムソン膨張弁、15……連
通ライン、16……タービンライン
図、第２図は本発明の動作原理を示すＴ−Ｓ線図、第３
図は本発明での液化率を示す便宜的な模式図、第４図，
第５図は本発明の第２および第３の実施例のヘリウム冷
凍装置の系統図である。 １……ヘリウム冷凍機、２……熱交換器、５……単相流
タービン、８……二相流タービン、9,13……バイパスラ
イン、10,14……ジュール・トムソン膨張弁、15……連
通ライン、16……タービンライン
Claims (2)
- 【請求項１】ヘリウムガスを圧縮・循環させる圧縮機
と、前記ヘリウムガスと冷凍負荷で気化したヘリウムガ
スとの間で熱交換を行わせる熱交換器と、前記熱交換器
に接続して設けられた入口弁を有する超臨界ヘリウム膨
張タービンと、該膨張タービンの出口側に直列に接続さ
れた二相流タービンとを備えた極低温冷凍装置におい
て、前記二相流タービンの出・入口配管に出口弁および
入口弁を設け、前記出口弁の下流側のタービン出口配管
と前記入口弁の上流側のタービン入口配管とを連通する
ヘリウムガスバイパス流路にジュール・トムソン膨張弁
を設けたことを特徴とする極低温冷凍装置。 - 【請求項２】前記超臨界膨張タービンの入口弁の上流側
配管と前記二相流タービンの入口弁の上流側配管とを連
通するヘリウムガスバイパス流路に他のジュール・トム
ソン膨張弁を設けた第１請求項に記載の極低温冷凍装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18395590A JP2510769B2 (ja) | 1990-07-13 | 1990-07-13 | 極低温冷凍装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18395590A JP2510769B2 (ja) | 1990-07-13 | 1990-07-13 | 極低温冷凍装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0473554A JPH0473554A (ja) | 1992-03-09 |
| JP2510769B2 true JP2510769B2 (ja) | 1996-06-26 |
Family
ID=16144743
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18395590A Expired - Lifetime JP2510769B2 (ja) | 1990-07-13 | 1990-07-13 | 極低温冷凍装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2510769B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4563269B2 (ja) * | 2005-07-05 | 2010-10-13 | 財団法人鉄道総合技術研究所 | タービン型冷凍機の冷凍能力制御装置 |
-
1990
- 1990-07-13 JP JP18395590A patent/JP2510769B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0473554A (ja) | 1992-03-09 |
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