JP3276519B2

JP3276519B2 - タービン式膨張機の運転制御方法及び装置

Info

Publication number: JP3276519B2
Application number: JP27662494A
Authority: JP
Inventors: 善裕仲山; 巌河島; 好彦岡本; 洋一上谷内
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1994-11-10
Filing date: 1994-11-10
Publication date: 2002-04-22
Anticipated expiration: 2017-04-22
Also published as: JPH08136073A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、相互直列に接続された
二段のタービン式膨張機の運転を制御する方法及び装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ヘリウム冷凍機をはじめとする多くの極
低温冷凍液化装置においては、寒冷発生用の冷媒循環通
路に、タービン式膨張機が二段にわたって相互直列に配
されている。これらのタービン式膨張機の起動により、
液化冷凍装置は常温から設計点の温度まで次第に冷却さ
れるが、この設計点に至るまでの起動時間はなるべく短
縮することが好ましい。この起動時間は、タービン式膨
張機の発生する寒冷量Ｑが多いほど短くなるが、この寒
冷量Ｑは一般に次式で表される。

【０００３】

【数１】Ｑ＝Ｋ1・Ｐi・√Ｔi・ｆ(π) ここで、Ｋ1は定数、Ｐiはタービン入口圧力、Ｔiは入
口温度、πは圧力比（＝Ｐi／Ｐe）、Ｐeはタービン出
口圧力、ｆ(π）はπとともに増加する関数である。こ
の数１から明らかなように、寒冷量Ｑを急増させるに
は、タービン入口圧力Ｐiを急増させればよい。しかし
ながら、このタービン入口圧力Ｐiを過度に上昇させる
と、タービン圧力比Ｐi／Ｐe が高まってそのタービン
式膨張機の回転数が異常に増大し（以下、過回転と称す
る。）、その結果、焼き付き等のトラブルを起こすおそ
れがある。

【０００４】そこで、このようなタービン式膨張機の過
回転を防ぎながら迅速に運転（特に予冷運転）を進める
方法として、次のようなものが提案されている。

【０００５】Ａ）特公平３−１７０６２号公報：上流側
タービン式膨張機の入口温度に対応する下流側タービン
入口圧力の制限値を予め設定しておき、この制限値まで
低温側タービン式膨張機の入口圧力を圧力制御弁（以
下、タービン入口弁と称する。）によって昇圧する動作
と、この動作後、タービン式膨張機の入口温度が平衡終
端入口温度に達するまで圧力状態を維持する動作とを交
互に行う（図５参照）。この方法によれば、上記タービ
ン入口弁の制御によって低温側タービン式膨張機の入口
圧力を制御することにより、低温側タービン式膨張機が
過速度で回転するのを防ぎながら、液化冷凍装置を予冷
できる。

【０００６】Ｂ）特開昭６２−８０４５５号公報：上流
側タービン式膨張機の入口側に圧力調節弁（以下、ター
ビン入口弁と称する。）を、下流側タービン式膨張機の
出口側に下流側圧力調節弁（以下、タービン出口弁と称
する。）をそれぞれ設け、上記タービン入口弁の開度調
節により上流側タービン式膨張機の入口圧力を所定の圧
力制限値以下に抑え、上記タービン出口弁の開度調節に
より下流側タービン式膨張機の出口圧力を圧力制限値以
下に抑える。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のようにタービン
式膨張機が直列２段に設けられた装置では、ノズルの中
でチョークしていないという前提で、上流側タービン式
膨張機の流量Ｇ１及び下流側タービン式膨張機の流量Ｇ
２が次式で表される。

【０００８】

【数２】

【０００９】ここで、Ｋ１，Ｋ２は一定の係数、Ｐ１は
上流側タービン式膨張機の入口圧力、Ｐ２は上流側ター
ビン式膨張機の出口圧力、Ｐ３は下流側タービン式膨張
機の入口圧力、Ｔ１は上流側タービン式膨張機の入口温
度、Ｔ３は下流側タービン式膨張機の入口温度である。

【００１０】両タービン式膨張機を直列に配した場合、
Ｇ１＝Ｇ２であるため、上記数１から次式が得られる。

【００１１】

【数３】

【００１２】ここで上記Ａ）の方法及びＢ）の方法で
は、上流側タービン式膨張機の出口と下流側タービン式
膨張機の入口とが弁を介さずに直結されているため、Ｐ
２＝Ｐ３となる。これを数２に代入すると次式が得られ
る。

【００１３】

【数４】

【００１４】従って、上記Ａ）の方法及びＢ）の方法で
は、理論上、温度比Ｔ１／Ｔ３が上流側タービン式膨張
機の圧力比Ｐ１／Ｐ２の関数ｆ（Ｐ１／Ｐ２）となる。
換言すれば、圧力比Ｐ１／Ｐ２は上記温度比Ｔ１／Ｔ３
に支配されることになり、理論上は、上記温度比Ｔ１／
Ｔ３が変化しない限り、タービン入口弁やタービン出口
弁を操作しても圧力比Ｐ１／Ｐ２が変動しないことにな
る。実際の運転では、タービン入口弁の開度の変化に伴
って圧力比Ｐ１／Ｐ２も多少変動するが、その応答性は
低く、タービン入口弁を絞っても直ちに圧力比Ｐ１／Ｐ
２が降下する保証はない。よって、上記Ａ）の方法及び
Ｂ）の方法では、タービン入口弁あるいはタービン出口
弁を操作しても、タービン式膨張機の回転数、特に上流
側タービン式膨張機の回転数を思い通りに調節できず、
タービン式膨張機の過回転を発生させてしまうおそれが
ある。

【００１５】また、Ａ）の方法では、下流側タービン式
膨張機の入口圧力を階段状に昇圧させているので、予冷
中でのタービン式膨張機の性能をフルに発揮させること
ができず、その分予冷時間が長くなる不都合もある。

【００１６】本発明は、このような事情に鑑み、直列に
配される２段のタービン式膨張機の過負荷運転を確実に
防ぎ、さらに好ましくは、迅速な予冷も行うことができ
るタービン式膨張機の運転制御方法及び装置を提供する
ことを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、寒冷を発生さ
せるための冷媒循環回路に相互直列に配された二段の寒
冷発生用タービン式膨張機の運転制御方法であって、上
流側タービン式膨張機の入口側に上流側タービン入口弁
を設け、下流側タービン式膨張機の入口側に下流側ター
ビン入口弁を設け、上流側タービン入口弁の開度変化に
より、いずれか一方のタービン式膨張機の入口圧力、上
流側タービン式膨張機の回転数、下流側タービン式膨張
機の回転数のうちの一つのパラメータを所定条件に見合
うように調節するとともに、下流側タービン入口弁の開
度調節により残りのパラメータを所定条件に見合うよう
に調節するものである（請求項１）。

【００１８】より具体的には、いずれか一方のタービン
式膨張機の入口圧力を検出してこの圧力を予め設定され
た圧力制限値以下に抑えるように上記上流側タービン入
口弁の開度を調節するとともに、上流側タービン式膨張
機の回転数を検出してこの回転数を予め設定された回転
数制限値以下に抑えるための下流側タービン入口弁の開
度を設定し、かつ、下流側タービン式膨張機の回転数を
検出してこの回転数を予め設定された回転数制限値以下
に抑えるための下流側タービン入口弁の開度を設定し、
上記２つの開度のうち小さい側の開度に基づき上記下流
側タービン入口弁の開度を調節する方法や（請求項
２）、上流側タービン式膨張機の入口圧力を検出してこ
の圧力を予め設定された圧力制限値以下に抑えるように
上記上流側タービン入口弁の開度を調節するとともに、
上流側タービン式膨張機の出口圧力を検出してこの圧力
を予め設定された圧力制限値以上に保つための下流側タ
ービン入口弁の開度を設定し、かつ、下流側タービン式
膨張機の入口圧力を検出してこの圧力を予め設定された
圧力制限値以下に抑えるための下流側タービン入口弁の
開度を設定し、上記２つの開度のうち小さい側の開度に
基づき上記下流側タービン入口弁の開度を調節する方法
（請求項４）が好適である。

【００１９】請求項２記載の方法では、上記上流側ター
ビン式膨張機の回転数制限値を上流側タービン式膨張機
の入口温度に応じて変化させ、上記下流側タービン式膨
張機の回転数制限値を下流側タービン式膨張機の入口温
度に応じて変化させることが、より好ましく（請求項
３）、請求項４記載の方法では、上記上流側タービン式
膨張機の出口圧力の圧力制限値を上流側タービン式膨張
機の入口温度に応じて変化させ、上記下流側タービン式
膨張機の入口圧力の圧力制限値を下流側タービン式膨張
機の入口温度に応じて変化させることが、より好ましい
（請求項５）。

【００２０】また、上記各方法において、上記上流側タ
ービン入口弁の開度調節に用いる圧力制限値をこの圧力
制限値に関する側のタービン式膨張機の入口温度に応じ
て変化させることにより、後述のようなより優れた効果
が得られる（請求項６）。

【００２１】さらに本発明は、寒冷を発生させるための
冷媒循環回路に相互直列に配された二段の寒冷発生用タ
ービン式膨張機の運転制御装置であって、上流側タービ
ン式膨張機の入口側に上流側タービン入口弁を設け、下
流側タービン式膨張機の入口側に下流側タービン入口弁
を設けるとともに、いずれか一方のタービン式膨張機の
入口圧力を検出してこの圧力を予め設定された圧力制限
値以下に抑えるように上流側タービン入口弁の開度を調
節する上流側入口弁調節手段と、上流側タービン式膨張
機の回転数を検出してこの回転数を予め設定された回転
数制限値以下に抑えるための下流側タービン入口弁の開
度を設定する上流側開度設定手段と、下流側タービン式
膨張機の回転数を検出してこの回転数を予め設定された
回転数制限値以下に抑えるための下流側タービン入口弁
の開度を設定する下流側開度設定手段と、実際の下流側
タービン入口弁の開度を上記上流側開度設定手段で設定
された開度と下流側開度設定手段で設定された開度との
うち小さい側の開度に基づき調節する下流側入口弁調節
手段とを備えたものである（請求項７）。

【００２２】この装置では、上記上流側タービン式膨張
機の回転数制限値を上流側タービン式膨張機の入口温度
に応じて変化させるように上記上流側開度設定手段を構
成し、上記下流側タービン式膨張機の回転数制限値を下
流側タービン式膨張機の入口温度に応じて変化させるよ
うに上記下流側開度設定手段を構成するのが、より好ま
しい（請求項８）。

【００２３】また本発明は、寒冷を発生させるための冷
媒循環回路に相互直列に配された二段の寒冷発生用ター
ビン式膨張機の運転制御装置であって、上流側タービン
式膨張機の入口側に上流側タービン入口弁を設け、下流
側タービン式膨張機の入口側に下流側タービン入口弁を
設けるとともに、上流側タービン式膨張機の入口圧力を
検出してこの圧力を予め設定された圧力制限値以下に抑
えるように上流側タービン入口弁の開度を調節する上流
側入口弁調節手段と、上流側タービン式膨張機の出口圧
力を検出してこの圧力を予め設定された圧力制限値以上
に保つための下流側タービン入口弁の開度を設定する上
流側開度設定手段と、下流側タービン式膨張機の入口圧
力を検出してこの圧力を予め設定された圧力制限値以下
に抑えるための下流側タービン入口弁の開度を設定する
下流側開度設定手段と、実際の下流側タービン入口弁の
開度を上記上流側開度設定手段で設定された開度と下流
側開度設定手段で設定された開度とのうち小さい側の開
度に基づき調節する下流側入口弁調節手段とを備えたも
のである（請求項９）。

【００２４】この装置では、上記上流側タービン式膨張
機の出口圧力の圧力制限値を上流側タービン式膨張機の
入口温度に応じて変化させるように上記上流側開度設定
手段を構成し、上記下流側タービン式膨張機の入口圧力
の圧力制限値を下流側タービン式膨張機の入口温度に応
じて変化させるように上記下流側開度設定手段を構成す
るのが、より好ましい（請求項１０）。

【００２５】また、上記各装置において、上記上流側入
口弁調節手段で用いられる圧力制限値をこの圧力制限値
に関する側のタービン式膨張機の入口温度に応じて変化
させるように上記上流側入口弁調節手段を構成すること
により、後述のようなより優れた効果が得られる（請求
項１１）。

【００２６】

【作用】請求項１記載の方法では、下流側タービン式膨
張機の入口側に設けられた下流側タービン入口弁の操作
により、上流側タービン式膨張機の出口圧力と下流側タ
ービン式膨張機の入口圧力とを異ならせることができ、
上流側タービン式膨張機の入口温度と下流側タービン式
膨張機の入口温度との比に束縛されることなく、上流側
タービン式膨張機の圧力比を自由に調節できる。従っ
て、上流側タービン入口弁の開度変化により、いずれか
一方のタービン式膨張機の入口圧力、上流側タービン式
膨張機の回転数、下流側タービン式膨張機の回転数のう
ちの一つのパラメータを適正に調節するとともに、下流
側タービン入口弁の開度調節により残りのパラメータを
適正に調節することにより、双方のタービン式膨張機の
過回転を防ぐことができる。

【００２７】より具体的に、請求項２，７記載の方法及
び装置では、上記上流側タービン入口弁の開度変化によ
り、いずれか一方のタービン式膨張機の入口圧力を調節
するとともに、上流側タービン式膨張機の回転数を検出
してこの回転数を予め設定された回転数制限値以下に抑
えるための下流側タービン入口弁の開度を設定し、か
つ、下流側タービン式膨張機の回転数を検出してこの回
転数を予め設定された回転数制限値以下に抑えるための
下流側タービン入口弁の開度を設定し、両開度のうち小
さい側の開度に基づいて実際の下流側タービン入口弁の
開度を調節することにより、双方のタービン式膨張機の
回転数を直接的に調節でき、過回転を確実に防止でき
る。

【００２８】ここで、請求項３，８記載の方法及び装置
では、上記上流側タービン式膨張機の回転数制限値を上
流側タービン式膨張機の入口温度に応じて変化させ、上
記下流側タービン式膨張機の回転数制限値を下流側ター
ビン式膨張機の入口温度に応じて変化させることによ
り、広い温度範囲に亘ってその運転温度に適したタービ
ン式膨張機の回転数制御を実行できる。また、従来のよ
うにタービン温度の変化に伴ってタービン圧力制限値を
階段状に変化させていくものに比べ、予冷中も各タービ
ン式膨張機の性能をより有効に発揮させることができ、
その分予冷時間が短縮される。

【００２９】一方、請求項４，９記載の方法及び装置で
は、上記上流側タービン入口弁の開度変化により、上流
側タービン式膨張機の入口圧力を調節するとともに、上
流側タービン式膨張機の出口圧力を検出してこの圧力を
予め設定された回転数制限値以下に抑えるための下流側
タービン入口弁の開度を設定し、かつ、下流側タービン
式膨張機の入口圧力を検出してこの圧力を予め設定され
た回転数制限値以下に抑えるための下流側タービン入口
弁の開度を設定し、両開度のうち小さい側の開度に基づ
いて実際の下流側タービン入口弁の開度を調節すること
により、双方のタービン式膨張機の回転数を直接検出し
なくても、間接的に両タービン式膨張機の回転数を制御
でき、過回転を防止できる。

【００３０】ここで、請求項５，１０記載の方法及び装
置では、上記上流側タービン式膨張機の出口圧力の圧力
制限値を上流側タービン式膨張機の入口温度に応じて変
化させ、上記下流側タービン式膨張機の入口圧力の圧力
制限値を下流側タービン式膨張機の入口温度に応じて変
化させることにより、広い温度範囲に亘ってその運転温
度に適したタービン式膨張機の圧力制御を実行できる。
また、従来のようにタービン温度の変化に伴ってタービ
ン圧力制限値を階段状に変化させていくものに比べ、予
冷中も各タービン式膨張機の性能をより有効に発揮させ
ることができ、その分予冷時間が短縮される。

【００３１】また、請求項６，１１記載の方法及び装置
では、上記上流側タービン入口弁の開度調節に用いる圧
力制限値をこの圧力制限値に関する側のタービン式膨張
機の入口温度に応じて変化させることにより、広い温度
範囲に亘ってその運転温度に適したタービン式膨張機の
入口圧力制御を実行できる。

【００３２】

【実施例】本発明の第１実施例を図１及び図２に基づい
て説明する。

【００３３】図１は本発明方法が実施されるヘリウム液
化冷凍装置を示したものである。同図において、１は液
体ヘリウムデュワー（容器）、２は保冷箱であり、液体
ヘリウムデュワー１内には冷媒であるヘリウムが収容さ
れ、保冷箱２内には低温側から順に５つの熱交換器５，
６，７，８，９が設置されている。

【００３４】保冷箱２の外部には圧縮機１０が設けら
れ、この圧縮機１０の吐出側が熱交換器９，８，７，
６，５をこの順に通る高圧供給ライン３を介して液体ヘ
リウムデュワー１内に接続されるとともに、この液体ヘ
リウムデュワー１内が熱交換器５，６，７，８，９をこ
の順に通る低圧戻りライン４を介して圧縮機１０の吸込
み側に接続されている。また、上記高圧供給ライン３に
おいて、熱交換器５の出口側の位置には、ＪＴ弁１４が
設けられている。

【００３５】なお、本発明のタービン式膨張機運転制御
方法は、両ライン３，４が液体ヘリウムデュワー１に接
続された液化冷凍装置に限らず、両ライン３，４が冷凍
負荷のみに接続された冷凍装置に対しても適用が可能で
ある。

【００３６】上記高圧供給ライン３において上記熱交換
器８，９同士の間に位置する箇所と、低圧戻りライン４
において熱交換器５，６同士の間に位置する箇所とは、
タービンライン１３を介して接続されている。このター
ビンライン１３は熱交換器７を通っており、この熱交換
器７よりも上流側の位置には上流側タービン式膨張機
（以下、単に「第１タービン」と称する。）１１が設け
られ、熱交換器７よりも下流側の位置には下流側タービ
ン式膨張機（以下、単に「第２タービン」と称する。）
１２が設けられている。従って、両タービン１１，１２
はタービンライン１３に相互直列に配された状態となっ
ている。

【００３７】このタービンライン１３には、第１タービ
ン入口弁（上流側タービン入口弁）１５、第２タービン
入口弁（下流側タービン入口弁）１６、温度計１７，１
８、圧力調節器（上流側入口弁調節手段）２０、回転数
調節器（上流側開度設定手段）２１、回転数調節器（下
流側開度設定手段）２２、及び開度比較器（下流側入口
弁調節手段）２４が設けられている。

【００３８】第１タービン入口弁１５は、上記第１ター
ビン１１の入口側に設けられており、第２タービン入口
弁１６は、上記第２タービン１２の入口側であって熱交
換器７の出口側に設けられている。温度計１７は、第１
タービン１１の入口温度Ｔ１の検出信号を圧力調節器２
０及び回転数調節器２１に出力するものであり、温度計
１８は、第２タービン１２の入口温度Ｔ２の検出信号を
回転数調節器２２に出力するものである。

【００３９】圧力調節器２０は、上記第１タービン入口
温度Ｔ１に対応して予め定められた第１タービン入口圧
力Ｐ１の圧力制限値を記憶するとともに、実際の第１タ
ービン入口圧力Ｐ１を検出し、この圧力を上記圧力制限
値以下に抑えるように第１タービン入口弁１５の開度を
調節するものである。この実施例では、図２（ａ）に示
すように、第１タービン入口温度Ｔ１が定格温度Ｔｏを
超える領域では、第１タービン入口温度Ｔ１が降下する
に従って上記入口圧力Ｐ１の圧力制限値が上げられ、第
１タービン入口温度Ｔ１が定格温度Ｔｏ以下の領域で
は、上記圧力制限値が定格圧力Ｐ１ｏに設定されてい
る。

【００４０】回転数調節器２１は、上記第１タービン入
口温度Ｔ１に対応して予め定められた第１タービン１１
の回転数（単位時間当たりの回転数）の回転数制限値を
記憶するとともに、実際の第１タービン回転数Ｎ１を検
出し、この回転数Ｎ１を上記回転数制限値以下に抑える
ための第１タービン入口弁１５の開度を設定し、その設
定信号を開度比較器２４に出力するものである。この実
施例では、図２（ｂ）に示すように、第１タービン入口
温度Ｔ１が定格温度Ｔｏを超える領域では、第１タービ
ン入口温度Ｔ１が降下するに従って上記回転数Ｎ１の回
転数制限値が上げられ、第２タービン入口温度Ｔ１が定
格温度Ｔｏ以下の領域では、上記回転数制限値が定格回
転数Ｎ１ｏに設定されている。

【００４１】同様に、回転数調節器２２は、上記第２タ
ービン入口温度Ｔ２に対応して予め定められた第２ター
ビン１２の回転数（単位時間当たりの回転数）の回転数
制限値を記憶するとともに、実際の第２タービン回転数
Ｎ２を検出し、この回転数Ｎ２を上記回転数制限値以下
に抑えるための第２タービン入口弁１６の開度を設定
し、その設定信号を開度比較器２４に出力するものであ
る。この実施例では、図２（ｃ）に示すように、第２タ
ービン入口温度Ｔ３が定格温度Ｔｏを超える領域では、
第２タービン入口温度Ｔ３が降下するに従って上記回転
数Ｎ２の回転数制限値が上げられ、第２タービン入口温
度Ｔ３が定格温度Ｔｏ以下の領域では、上記回転数制限
値が定格回転数Ｎ２ｏに設定されている。

【００４２】開度比較器２４は、上記回転数調節器２１
で設定された開度と、上記回転数調節器２２で設定され
た開度とを比較し、小さい方を選択してこの開度に基づ
き第２タービン入口弁１６の開度を調節するものであ
る。

【００４３】次に、この装置の作用を説明する。

【００４４】圧縮機１０から吐出される冷媒（ヘリウ
ム）は、高圧供給ライン３を通って熱交換器９で液体窒
素により冷却された後、ＪＴ弁１４を通じて液体ヘリウ
ムデュワー１に導入され、この液体ヘリウムデュワー１
からの蒸発ヘリウムガスは、低圧戻りライン４を通じて
圧縮機１０の吸込み側に戻される。

【００４５】上記熱交換器９で冷却されたヘリウムの一
部は、タービンライン１３に分流し、低圧戻りライン４
に入る。このタービンライン１３では、温度計１７によ
り第１タービン１１の入口温度Ｔ１が検出され、この第
１タービン入口温度Ｔ１に基づいて第１タービン１１の
入口圧力Ｐ１の圧力制限値が決定される一方、圧力調節
器２０により実際の第１タービン入口圧力Ｐ１が検出さ
れ、この入口圧力Ｐ１を上記圧力制限値以下に抑えるよ
うに第１タービン入口弁１５の開度が調節される。この
第１タービン入口圧力Ｐ１の抑制により、間接的に第２
タービン入口圧力Ｐ３も抑制される。

【００４６】一方、回転数調節器２１では、上記第１タ
ービン入口温度Ｔ１に基づいて第１タービン１１の回転
数Ｎ１の回転数制限値が決定される一方、この回転数調
節器２１により実際の第１タービン回転数Ｎ１が検出さ
れ、この回転数Ｎ１を上記回転数制限値以下に抑えるた
めの開度が設定される。同様に、回転数調節器２２で
は、温度計１８により検出される第２タービン入口温度
Ｔ３に基づいて第２タービン１２の回転数Ｎ２の回転数
制限値が決定される一方、この回転数調節器２２により
実際の第２タービン回転数Ｎ２が検出され、この回転数
Ｎ２を上記回転数制限値以下に抑えるための開度が設定
される。そして、両設定開度のうちの小さい方に基づい
て、開度比較器２４により第２タービン入口弁１６の開
度が調節され、これにより双方のタービン１１，１２の
過回転が確実に防がれる。

【００４７】しかも、この実施例では、上記第１タービ
ン入口圧力Ｐ１及び両タービン回転数Ｎ１，Ｎ２の制限
値を各タービン１１，１２の入口温度Ｔ１，Ｔ２に応じ
て定めているので、広い温度範囲に亘って適正な入口圧
力制御及び回転数制御を実行できる。また、従来のよう
に圧力制限値を温度降下に応じて階段状に上昇させてい
く場合に比べ、予冷中も両タービン１１，１２の性能を
より有効に発揮させることが可能であり、その分予冷時
間を短縮できる。

【００４８】次に、第２実施例を説明する。この実施例
では、前記第１実施例での回転数調節器２１，２２に代
え、圧力調節器２５，２６が設けられている。

【００４９】圧力調節器２５は、上記第１タービン入口
温度Ｔ１に対応して予め定められた第１タービン１１の
出口圧力Ｐ２の圧力制限値を記憶するとともに、実際の
第１タービン出口圧力Ｐ２を検出し、この出口圧力Ｐ２
を上記圧力制限値以上に保つための第２タービン入口弁
１６の開度を設定し、その設定信号を開度比較器２４に
出力するものである。この実施例では、図４（ａ）に示
すように、第１タービン入口温度Ｔ１が定格温度Ｔｏを
超える領域では、第１タービン入口温度Ｔ１が降下する
に従って上記出口圧力Ｐ２の圧力制限値が上げられ、第
２タービン入口温度Ｔ３が定格温度Ｔｏ以下の領域で
は、上記圧力制限値が定格圧力Ｐ２ｏに設定されてい
る。

【００５０】同様に、圧力調節器２６は、上記第２ター
ビン入口温度Ｔ２に対応して予め定められた第２タービ
ン１２の入口圧力Ｐ３の圧力制限値を記憶するととも
に、実際の第２タービン入口圧力Ｐ３を検出し、この入
口圧力Ｐ３を上記圧力制限値以下に抑えるための第２タ
ービン入口弁１６の開度を設定し、その設定信号を開度
比較器２４に出力するものである。この実施例では、図
４（ｂ）に示すように、第２タービン入口温度Ｔ３が定
格温度Ｔｏを超える領域では、第２タービン入口温度Ｔ
３が降下するに従って上記入口圧力Ｐ３の圧力制限値が
上げられ、第２タービン入口温度Ｔ３が定格温度Ｔｏ以
下の領域では、上記圧力制限値が定格圧力Ｐ３ｏに設定
されている。

【００５１】そして、開度比較器２４は、上記圧力調節
器２５で設定された開度と、上記圧力調節器２６で設定
された開度とを比較し、小さい方を選択してこの開度に
基づき第２タービン入口弁１６の開度を調節するように
構成されている。

【００５２】この実施例によれば、第１実施例と同様、
第１タービン入口弁１５の開度調節で第１タービン１１
の入口圧力Ｐ１を制限値以下に抑える一方、第２タービ
ン入口弁１６の開度調節で、第１タービン１１の出口圧
力Ｐ２を圧力制限値以上に保ち、かつ第２タービン１２
の入口圧力Ｐ３を圧力制限値以下に抑えることができ
る。ここで、各タービン１１，１２の回転数は、それぞ
れのタービン圧力比Ｐ１／Ｐ２，Ｐ３／Ｐ４（Ｐ４は第
２タービン出口圧力）に大きく影響されるので、上記出
口圧力Ｐ２及び入口圧力Ｐ３の調節によって、比較的高
価なタービン回転計や回転数調節器を用いること無く、
比較的安価な圧力調節器２５，２６を用いて間接的に両
タービン１１，１２の過回転を防ぐことができる。

【００５３】また、この実施例でも、各圧力Ｐ１，Ｐ
２，Ｐ３の制限値を各タービン１１，１２の入口温度Ｔ
１，Ｔ２に応じて定めているので、広い温度範囲に亘っ
て適正な入口圧力制御及び回転数制御を実行できる。

【００５４】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、例として次のような態様をとることも可能
である。

【００５５】(1) 上記各実施例において、両タービン回
転数Ｎ１，Ｎ２の制御や（第１実施例）、圧力Ｐ２，Ｐ
３の制御を行うべく、第２タービン入口弁１６の開度を
過小にしてしまい、あるいは全閉にしてしまうと、ター
ビンライン１３の閉塞により第１タービン１１の出口圧
力Ｐ２が過度に上昇して第１タービン１１を破損した
り、上記第２タービン入口弁１６を再度開いた時に両タ
ービン１１，１２の回転数Ｎ１，Ｎ２が急上昇して制御
不能になったりするおそれがあるので、上記開度比較器
２４には開度下限値を設定しておき、回転数調節器２
１，２２や圧力調節器２５，２６の設定信号にかかわら
ず、第２タービン入口弁１６の開度は上記開度下限値以
上に保っておくように上記開度比較器２４を構成するの
が、より好ましい。さらに、上記設定開度が上記開度下
限値以下になった場合には警告指令を発するように開度
比較器２４を構成すれば、より好ましいものとなる。

【００５６】(2) 前記第１実施例では、第１タービン入
口弁１５の操作で第２タービン１２の入口圧力Ｐ３を調
節するようにしてもよい。この入口圧力Ｐ３を下げれ
ば、結果的に第１タービン入口圧力Ｐ１も下げることが
可能である。

【００５７】(3) 前記第１実施例の装置において、第１
タービン入口弁１５の操作で第１タービン１１の回転数
Ｎ１、第２タービン１２の回転数Ｎ２のいずれか一方を
調節し、第２タービン入口弁１６の操作で第１タービン
１１の入口圧力Ｐ１（もしくは第２タービン１２の入口
圧力Ｐ２）及び両回転数Ｎ１，Ｎ２のうちの他方を調節
することも可能である。また、第２実施例の装置におい
て、第１タービン入口弁１５の操作で第１タービン１１
の出口圧力Ｐ２、第２タービン１２の入口圧力Ｐ３のい
ずれか一方を調節し、第２タービン入口弁１６の操作で
第１タービン１１の入口圧力Ｐ１及び上記両圧力Ｐ２，
Ｐ３のうちの他方を調節することも可能である。

【００５８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、次の効
果を得ることができる。

【００５９】請求項１記載の方法は、上流側タービン式
膨張機の入口側に上流側タービン入口弁を設け、下流側
タービン式膨張機の入口側に下流側タービン入口弁を設
け、上流側タービン入口弁の開度変化により、いずれか
一方のタービン式膨張機の入口圧力、上流側タービン式
膨張機の回転数、下流側タービン式膨張機の回転数のう
ちの一つのパラメータを調節するとともに、下流側ター
ビン入口弁の開度調節により残りのパラメータを調節す
るようにしたものであるので、上記下流側タービン入口
弁の操作により、上流側タービン式膨張機の出口圧力と
下流側タービン式膨張機の入口圧力とを自由に異ならせ
ることにより、双方のタービン式膨張機の過回転を防止
できる効果がある。

【００６０】より具体的に、請求項２，７記載の方法及
び装置では、上記上流側タービン入口弁の開度変化によ
り、いずれか一方のタービン式膨張機の入口圧力を調節
するとともに、上流側タービン式膨張機の回転数を検出
してこの回転数を予め設定された回転数制限値以下に抑
えるための下流側タービン入口弁の開度を設定し、か
つ、下流側タービン式膨張機の回転数を検出してこの回
転数を予め設定された回転数制限値以下に抑えるための
下流側タービン入口弁の開度を設定し、両開度のうち小
さい側の開度に基づいて実際の下流側タービン入口弁の
開度を調節するようにしているので、双方のタービン式
膨張機の回転数を直接的に調節でき、過回転をより確実
に防止できる効果がある。

【００６１】ここで、請求項３，８記載の方法及び装置
では、上記上流側タービン式膨張機の回転数制限値を上
流側タービン式膨張機の入口温度に応じて変化させ、上
記下流側タービン式膨張機の回転数制限値を下流側ター
ビン式膨張機の入口温度に応じて変化させることによ
り、広い温度範囲に亘ってその運転温度に適したタービ
ン式膨張機の回転数制御を実行できる効果がある。ま
た、従来のようにタービン温度の変化に伴ってタービン
圧力制限値を階段状に変化させていくものに比べ、予冷
中も各タービン式膨張機の性能をより有効に発揮させる
ことができ、予冷時間を短縮できる効果がある。

【００６２】一方、請求項４，９記載の方法及び装置で
は、上記上流側タービン入口弁の開度変化により、上流
側タービン式膨張機の入口圧力を調節するとともに、上
流側タービン式膨張機の出口圧力を検出してこの圧力を
予め設定された回転数制限値以下に抑えるための下流側
タービン入口弁の開度を設定し、かつ、下流側タービン
式膨張機の入口圧力を検出してこの圧力を予め設定され
た回転数制限値以下に抑えるための下流側タービン入口
弁の開度を設定し、両開度のうち小さい側の開度に基づ
いて実際の下流側タービン入口弁の開度を調節するよう
にしているので、高価な回転計等を用いて双方のタービ
ン式膨張機の回転数を直接検出しなくても、安価な構造
で間接的にタービン回転数を調節でき、過回転を防止で
きる効果がある。

【００６３】ここで、請求項５，１０記載の方法及び装
置では、上記上流側タービン式膨張機の出口圧力の圧力
制限値を上流側タービン式膨張機の入口温度に応じて変
化させ、上記下流側タービン式膨張機の入口圧力の圧力
制限値を下流側タービン式膨張機の入口温度に応じて変
化させることにより、広い温度範囲に亘ってその運転温
度に適したタービン式膨張機の圧力制御を実行できる効
果がある。また、従来のようにタービン温度の変化に伴
ってタービン圧力制限値を階段状に変化させていくもの
に比べ、予冷中も各タービン式膨張機の性能をより有効
に発揮させることができ、予冷時間を短縮できる効果が
ある。

【００６４】また、請求項６，１１記載の方法及び装置
では、上記上流側タービン入口弁の開度調節に用いる圧
力制限値をこの圧力制限値に関する側のタービン式膨張
機の入口温度に応じて変化させることにより、広い温度
範囲に亘ってその運転温度に適したタービン式膨張機の
入口圧力制御を実行できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例におけるヘリウム液化冷凍
装置の全体構成を示すフローシートである。

【図２】（ａ）は上記装置において設定される第１ター
ビン入口温度と第１タービン入口圧力の制限値との関係
を示すグラフ、（ｂ）は上記装置において設定される第
１タービン入口温度と第１タービン回転数の制限値との
関係を示すグラフ、（ｃ）は上記装置において設定され
る第２タービン入口温度と第２タービン回転数の制限値
との関係を示すグラフである。

【図３】本発明の第２実施例におけるヘリウム液化冷凍
装置の全体構成を示すフローシートである。

【図４】（ａ）は上記装置において設定される第１ター
ビン入口温度と第１タービン出口圧力の制限値との関係
を示すグラフ、（ｂ）は上記装置において設定される第
２タービン入口温度と第２タービン入口圧力の制限値と
の関係を示すグラフである。

【図５】従来のタービン式膨張機運転制御方法で設定さ
れる上流側タービン式膨張機入口圧力の制限値と下流側
タービン式膨張機入口温度との関係を示すグラフであ
る。

【符号の説明】３高圧供給ライン４低圧戻りライン１１第１タービン（上流側タービン式膨張機）１２第２タービン（下流側タービン式膨張機）１３タービンライン１５第１タービン入口弁１６第２タービン入口弁１７，１８温度計２０圧力調節器（上流側入口弁調節手段）２１回転数調節器（上流側開度設定手段）２２回転数調節器（下流側開度設定手段）２４開度比較器（下流側入口弁調節手段）２５圧力調節器（上流側開度設定手段）２６圧力調節器（下流側開度設定手段）

フロントページの続き (72)発明者上谷内洋一神戸市中央区脇浜町１丁目３番18号株式会社神戸製鋼所神戸本社内 (56)参考文献特開平６−265230（ＪＰ，Ａ) 特開平６−34217（ＪＰ，Ａ) 特開平５−196314（ＪＰ，Ａ) 特開平３−156256（ＪＰ，Ａ) 実開平４−36565（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 9/02 F25B 9/06

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】寒冷を発生させるための冷媒循環回路に
相互直列に配された二段の寒冷発生用タービン式膨張機
の運転制御方法であって、上流側タービン式膨張機の入
口側に上流側タービン入口弁を設け、下流側タービン式
膨張機の入口側に下流側タービン入口弁を設け、上流側
タービン入口弁の開度変化により、いずれか一方のター
ビン式膨張機の入口圧力、上流側タービン式膨張機の回
転数、下流側タービン式膨張機の回転数のうちの一つの
パラメータを所定条件に見合うように調節するととも
に、下流側タービン入口弁の開度調節により残りのパラ
メータを所定条件に見合うように調節することを特徴と
するタービン式膨張機の運転制御方法。
【請求項２】請求項１記載のタービン式膨張機の運転
制御方法において、いずれか一方のタービン式膨張機の
入口圧力を検出してこの圧力を予め設定された圧力制限
値以下に抑えるように上記上流側タービン入口弁の開度
を調節するとともに、上流側タービン式膨張機の回転数
を検出してこの回転数を予め設定された回転数制限値以
下に抑えるための下流側タービン入口弁の開度を設定
し、かつ、下流側タービン式膨張機の回転数を検出して
この回転数を予め設定された回転数制限値以下に抑える
ための下流側タービン入口弁の開度を設定し、上記２つ
の開度のうち小さい側の開度に基づき上記下流側タービ
ン入口弁の開度を調節することを特徴とするタービン式
膨張機の運転制御方法。
【請求項３】請求項２記載のタービン式膨張機の運転
制御方法において、上記上流側タービン式膨張機の回転
数制限値を上流側タービン式膨張機の入口温度に応じて
変化させ、上記下流側タービン式膨張機の回転数制限値
を下流側タービン式膨張機の入口温度に応じて変化させ
ることを特徴とするタービン式膨張機の運転制御方法。
【請求項４】請求項１記載のタービン式膨張機の運転
制御方法において、上流側タービン式膨張機の入口圧力
を検出してこの圧力を予め設定された圧力制限値以下に
抑えるように上記上流側タービン入口弁の開度を調節す
るとともに、上流側タービン式膨張機の出口圧力を検出
してこの圧力を予め設定された圧力制限値以上に保つた
めの下流側タービン入口弁の開度を設定し、かつ、下流
側タービン式膨張機の入口圧力を検出してこの圧力を予
め設定された圧力制限値以下に抑えるための下流側ター
ビン入口弁の開度を設定し、上記２つの開度のうち小さ
い側の開度に基づき上記下流側タービン入口弁の開度を
調節することを特徴とするタービン式膨張機の運転制御
方法。
【請求項５】請求項４記載のタービン式膨張機の運転
制御方法において、上記上流側タービン式膨張機の出口
圧力の圧力制限値を上流側タービン式膨張機の入口温度
に応じて変化させ、上記下流側タービン式膨張機の入口
圧力の圧力制限値を下流側タービン式膨張機の入口温度
に応じて変化させることを特徴とするタービン式膨張機
の運転制御方法。
【請求項６】請求項２〜５のいずれかに記載のタービ
ン式膨張機の運転制御方法において、上記上流側タービ
ン入口弁の開度調節に用いる圧力制限値をこの圧力制限
値に関する側のタービン式膨張機の入口温度に応じて変
化させることを特徴とするタービン式膨張機の運転制御
方法。
【請求項７】寒冷を発生させるための冷媒循環回路に
相互直列に配された二段の寒冷発生用タービン式膨張機
の運転制御装置であって、上流側タービン式膨張機の入
口側に上流側タービン入口弁を設け、下流側タービン式
膨張機の入口側に下流側タービン入口弁を設けるととも
に、いずれか一方のタービン式膨張機の入口圧力を検出
してこの圧力を予め設定された圧力制限値以下に抑える
ように上流側タービン入口弁の開度を調節する上流側入
口弁調節手段と、上流側タービン式膨張機の回転数を検
出してこの回転数を予め設定された回転数制限値以下に
抑えるための下流側タービン入口弁の開度を設定する上
流側開度設定手段と、下流側タービン式膨張機の回転数
を検出してこの回転数を予め設定された回転数制限値以
下に抑えるための下流側タービン入口弁の開度を設定す
る下流側開度設定手段と、実際の下流側タービン入口弁
の開度を上記上流側開度設定手段で設定された開度と下
流側開度設定手段で設定された開度とのうち小さい側の
開度に基づき調節する下流側入口弁調節手段とを備えた
ことを特徴とするタービン式膨張機の運転制御装置。
【請求項８】請求項７記載のタービン式膨張機の運転
制御装置において、上記上流側タービン式膨張機の回転
数制限値を上流側タービン式膨張機の入口温度に応じて
変化させるように上記上流側開度設定手段を構成し、上
記下流側タービン式膨張機の回転数制限値を下流側ター
ビン式膨張機の入口温度に応じて変化させるように上記
下流側開度設定手段を構成したことを特徴とするタービ
ン式膨張機の運転制御装置。
【請求項９】寒冷を発生させるための冷媒循環回路に
相互直列に配された二段の寒冷発生用タービン式膨張機
の運転制御装置であって、上流側タービン式膨張機の入
口側に上流側タービン入口弁を設け、下流側タービン式
膨張機の入口側に下流側タービン入口弁を設けるととも
に、上流側タービン式膨張機の入口圧力を検出してこの
圧力を予め設定された圧力制限値以下に抑えるように上
流側タービン入口弁の開度を調節する上流側入口弁調節
手段と、上流側タービン式膨張機の出口圧力を検出して
この圧力を予め設定された圧力制限値以上に保つための
下流側タービン入口弁の開度を設定する上流側開度設定
手段と、下流側タービン式膨張機の入口圧力を検出して
この圧力を予め設定された圧力制限値以下に抑えるため
の下流側タービン入口弁の開度を設定する下流側開度設
定手段と、実際の下流側タービン入口弁の開度を上記上
流側開度設定手段で設定された開度と下流側開度設定手
段で設定された開度とのうち小さい側の開度に基づき調
節する下流側入口弁調節手段とを備えたことを特徴とす
るタービン式膨張機の運転制御装置。
【請求項１０】請求項９記載のタービン式膨張機の運
転制御装置において、上記上流側タービン式膨張機の出
口圧力の圧力制限値を上流側タービン式膨張機の入口温
度に応じて変化させるように上記上流側開度設定手段を
構成し、上記下流側タービン式膨張機の入口圧力の圧力
制限値を下流側タービン式膨張機の入口温度に応じて変
化させるように上記下流側開度設定手段を構成したこと
を特徴とするタービン式膨張機の運転制御装置。
【請求項１１】請求項７〜１０のいずれかに記載のタ
ービン式膨張機の運転制御装置において、上記上流側入
口弁調節手段で用いられる圧力制限値をこの圧力制限値
に関する側のタービン式膨張機の入口温度に応じて変化
させるように上記上流側入口弁調節手段を構成したこと
を特徴とするタービン式膨張機の運転制御装置。