JP3465117B2 - ヘリウム冷凍液化機及びその運転方法 - Google Patents

ヘリウム冷凍液化機及びその運転方法

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ヘリウム冷凍液化機及
びその運転方法に関し、特に、容量調整用のスライド弁
を有するスクリュー型のヘリウム圧縮機を備えたヘリウ
ム冷凍液化機及びその運転方法に関する。
【0002】
【従来の技術】ヘリウム冷凍液化機は、ヘリウム圧縮機
で昇圧したヘリウムを、膨張タービンで断熱膨張して寒
冷を発生した帰還ヘリウムと熱交換させて冷却し、さら
にジュールトムソン弁(JT弁)で断熱自由膨張させる
ことにより、前記昇圧したヘリウムの一部を液化するも
ので、液化しなかったヘリウムは、帰還ヘリウムとして
前記昇圧したヘリウムの冷却源となり、前記ヘリウム圧
縮機に帰還するように構成されている。
【0003】このようなヘリウム冷凍液化機において
は、熱交換器等を収納した保冷箱の予冷時のように、保
冷箱内の各部の温度、例えば、熱交換器の出入口温度等
が定常的な液化運転時における所定の温度以上の場合に
は、所定流量のヘリウムは流れず、その多くは、前記ヘ
リウム圧縮機の吸入側と吐出側とを接続するバイパス経
路を介して圧縮機吸入側に戻されている。このバイパス
経路に設けられたバイパス弁は、ヘリウム圧縮機の吸入
圧力によって制御されており、上記予冷時のような状態
では、バイパス弁は定常的な液化運転時の開度よりも開
いた状態となる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このようにバイパス弁
が開いているときは、上記バイパス経路が、ヘリウム圧
縮機で昇圧したヘリウムのほとんどをヘリウム圧縮機の
吸入側に戻して循環させている状態であるから、ヘリウ
ム圧縮機は、予冷運転に必要な量以上のヘリウムを圧縮
していることになり、無駄な動力を消費していることに
なる。また、上記予冷運転時以外の定常運転時において
も、運転条件が相違する場合は、バイパス弁の開度が大
きくなることもあり、このときも不必要な動力が消費さ
れることになる。
【0005】一方、上述のようなヘリウム冷凍液化機の
ヘリウム圧縮機としては、容量調整用のスライド弁を有
するスクリュー型圧縮機が多く用いられているが、該圧
縮機のスライド弁は、起動,停止時以外は殆ど全閉状態
であり、ヘリウム圧縮機は、通常、全負荷の状態で運転
されていた。
【0006】そこで本発明は、上記容量調整用のスライ
ド弁を有するスクリュー型圧縮機を備えたヘリウム冷凍
液化機において、前記スライド弁を有効に活用すること
により、ヘリウム冷凍液化機の動力消費量の低減を図る
ことができるヘリウム冷凍液化機及びその運転方法を提
供することを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、本発明のヘリウム冷凍液化機は、容量調整用のス
ライド弁を有するヘリウム圧縮機と、該ヘリウム圧縮機
の吸入側と吐出側とをバイパス弁を介して接続するバイ
パス経路と、前記ヘリウム圧縮機の吐出圧力を制御する
ための供給弁及び回収弁とを備えたヘリウム冷凍液化機
において、前記ヘリウム圧縮機の吸入圧力を検出し、該
検出値に基づいて前記バイパス弁の開度を制御する吸入
圧力制御手段を設けるとともに、前記バイパス弁の開度
を、あらかじめ設定されている開度設定値と比較して、
前記バイパス弁の開度が前記開度設定値になるように前
スライド弁の開度を調節するスライド弁制御手段を設
けたことを特徴としている。
【0008】また、本発明のヘリウム冷凍液化機の運転
方法は、容量調整用のスライド弁を有するヘリウム圧縮
機と、該ヘリウム圧縮機の吸入側と吐出側とをバイパス
弁を介して接続するバイパス経路と、前記ヘリウム圧縮
機の吐出圧力を制御するための供給弁及び回収弁とを備
えたヘリウム冷凍液化機の運転方法において、前記ヘリ
ウム圧縮機の吸入圧力を検出し、該検出値に基づいて前
記バイパス弁の開度を制御するとともに、該バイパス弁
の開度があらかじめ設定されている開度設定値になるよ
うに前記スライド弁の開度を調節することを特徴として
いる。
【0009】
【作 用】上記構成によれば、ヘリウム冷凍液化機の運
転状態に応じてヘリウム圧縮機のスライド弁の開度を調
節し、該ヘリウム圧縮機の容量を調節するので、ヘリウ
ム必要量が少ないときにはスライド弁を開いてヘリウム
圧縮機の容量を小さくすることにより、ヘリウム圧縮機
の負荷を小さくして動力消費量を低減することができ
る。
【0010】
【実施例】以下、本発明を、図面に示す一実施例に基づ
いてさらに詳細に説明する。図1は、本発明のヘリウム
冷凍液化機の一実施例を示す系統図である。このヘリウ
ム冷凍液化機は、ヘリウムを所定圧力に昇圧するヘリウ
ム圧縮機(以下、単に圧縮機という)1と、昇圧したヘ
リウムを帰還ヘリウムと熱交換させて冷却する5基の熱
交換器2,2と、昇圧したヘリウムの一部を断熱膨張さ
せて寒冷を発生する2基の膨張タービン3,3と、昇圧
したヘリウムを断熱自由膨張させるJT弁4と、JT弁
4で膨張して液化したヘリウムを貯留する液化ヘリウム
容器5と、圧縮機1の吸入側と吐出側とをバイパス弁6
を介して接続するバイパス経路7と、圧縮機1の吐出圧
力を制御するための供給弁8及び回収弁9と、原料とな
るヘリウムを供給する供給管10と、該供給管10に設
けられたバッファタンク11と、圧縮機1の吸入圧力を
検出して前記バイパス弁6の開度を制御する吸入側圧力
指示調節計12と、圧縮機の吐出圧力を検出して前記供
給弁8及び回収弁9の開度を制御する吐出側圧力指示調
節計13と、前記バイパス弁6の開度に応じて前記圧縮
機1に設けられているスライド弁14の開度を制御する
ためのスライド弁制御手段である演算器15とを備えて
いる。
【0011】前記圧縮機1で所定圧力に昇圧されたヘリ
ウムは、保冷箱16内に導入され、各熱交換器2,2で
それぞれ所定温度に冷却された後、前記JT弁4で膨張
して一部が液化し、前記液化ヘリウム容器5に貯留され
る。このとき液化しなかったヘリウムは、弁17から帰
還経路18を経て圧縮機1の吸入側に帰還し、このとき
に、前記昇圧したヘリウムの冷却源となる。
【0012】また、昇圧されたヘリウムの一部は、途中
で分岐して膨張タービン3,3に導入され、寒冷を発生
して前記帰還経路18のヘリウムと合流し、同様に、前
記昇圧したヘリウムの冷却源となる。この分岐ヘリウム
の流れは、膨張タービン入口に設けられた弁により流量
が調節されている。
【0013】定常運転時においては、液化して液化ヘリ
ウム容器5に貯留されるヘリウムに対応する分のヘリウ
ムが前記供給管10から系内に供給されることにより、
系内は所定流量,所定圧力に保たれている。すなわち、
ヘリウムの一部が液化して系内を循環するヘリウム量が
減少すると、圧縮機1の吐出圧力が減少するので、前記
吐出側圧力指示調節計13が吐出圧力の低下を検出して
前記供給弁8を開き、供給管10から供給されたバッフ
ァタンク11内のヘリウムを系内に導入する。また、温
度変動等の原因で液化量が減少し、系内の圧力が上昇し
た場合は、吐出側圧力指示調節計13が吐出圧力の上昇
を検出し、前記回収弁9を開いて系内のヘリウムをバッ
ファタンク11に導出する。
【0014】さらに、温度変動等により液化量が変動し
た場合や、膨張タービン3,3の寒冷発生量が変動した
場合は、該変動量に応じて圧縮機1の吸入側圧力が変動
するので、前記吸入側圧力指示調節計12が圧力変動を
検出して前記バイパス弁6の開度を調節する。すなわ
ち、吸入側の圧力が低下した場合には、バイパス弁6を
開いて吐出側のヘリウムを吸入側に循環させるように
し、逆に吸入側の圧力が上昇した場合は、ヘリウムの循
環量を減らすようにする。
【0015】したがって、上記バイパス弁6は、吸入側
の圧力が低下した場合と上昇した場合との両方に対応し
なければならないため、通常の運転時は、ある程度の開
度に保持されており、適当な量のバイパスガスが常時流
れている状態になっている。
【0016】そして、本実施例に示すヘリウム冷凍液化
機には、上記吸入側圧力の変動に基づいて上記バイパス
弁6の開度を調節するとともに、該バイパス弁6の開度
に基づいて前記圧縮機1に設けられているスライド弁1
4の開度を調節するための演算器15が設けられてい
る。
【0017】上記演算器15は、バイパス弁6及びスラ
イド弁14のそれぞれの開度を検出する手段と、前記吸
入側圧力指示調節計12の指示とバイパス弁6及びスラ
イド弁14の開度とを比較演算してバイパス弁6及びス
ライド弁14の開度を調節する手段とを備えるもので、
この演算器15には、あらかじめバイパス弁6の最適な
開度、すなわち、定常運転時において効率よく運転する
ことができる開度(設定開度)が設定されており、定常
運転時には、バイパス弁6は、この設定開度に保持さ
れ、スライド弁14は、全閉状態に保持されるように設
定されている。
【0018】ヘリウム冷凍液化機の運転において、前記
圧縮機1の吸入側圧力が低下すると、該圧力低下を前記
吸入側圧力指示調節計12が検出し、前述のように、バ
イパス弁6を開く方向の指示を出力する。この出力が前
記演算器15に入力されると、該演算器15はバイパス
弁6を開方向に作動させるとともに、バイパス弁6の現
在の開度と前記設定開度とを比較し、バイパス弁6が設
定開度よりも開いた状態にあるときには、前記スライド
弁14を開方向に作動させる。
【0019】これにより、圧縮機1の容量が減少して吐
出量が減少し、スライド弁6からの帰還ガスにより吸入
側圧力が上昇傾向となるので、吸入側圧力指示調節計1
2がバイパス弁6を閉じる方向の指示を出力し、バイパ
ス弁6が閉方向に作動することにより、バイパス経路7
を流れて圧縮機1の吸入側に戻る余分なヘリウム量が低
減する。そして、バイパス弁6が設定開度になったとき
にスライド弁14はその位置に固定され、この状態で圧
縮機1の吐出量及び吸入量がバランスする。
【0020】逆に、バイパス弁6が閉じ方向になった場
合は、スライド弁14を閉じ方向に作動させて圧縮機1
の容量を増加させ、必要なバイパスガス量を確保するよ
うにする。
【0021】このように、バイパス弁6の開度を設定開
度に保つように圧縮機1のスライド弁14の開度を制御
することにより、バイパス弁6を流れるバイパスガス量
を、圧縮機1の吸入側圧力の変動に対応するために必要
な量だけにすることができ、圧縮機1では必要量以上の
ヘリウムを圧縮することがなくなるので、該圧縮機1の
消費動力を低減することができる。
【0022】さらに、上記のように圧縮機1で必要量以
上のヘリウムを圧縮しないようにしたことにより、該圧
縮機1の付設されている油分離装置等を流れるヘリウム
の量も減少するので、油分離装置等の負荷も軽減でき、
該装置に使用されている吸着剤等の寿命の延長も図れ
る。
【0023】なお、上記圧縮機1のスライド弁14は、
図2及び図3に示すように、スクリュー型圧縮機の容量
を調節するためのもので、図2に示すように、スライド
弁14が全閉状態のときには、ローター1aの略全長が
圧縮容量Vとなり、図3に示すように、スライド弁14
が開いたときには、ポート14aから流出して吸入側に
戻る分だけスライド弁14の位置に応じて圧縮容量V′
が減少する。すなわち、スライド弁14を開くと、圧縮
比は略一定のまま圧縮容量が減少し、この分が動力費の
節減となる。
【0024】また、本発明においては、ヘリウム冷凍液
化機の構成は上記実施例に限るものではなく、例えば、
熱交換器や膨張タービンの設置数等はヘリウム冷凍液化
機の処理能力等に応じて適宜最適な構成を採用すること
ができる。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、バイパ
ス弁の開度に応じて圧縮機のスライド弁を開閉し、バイ
パス弁を圧力制御に必要な開度に保ちながら圧縮機の容
量を変化させるようにしたので、ヘリウム必要量が少な
いときには、スライド弁を開いて圧縮機の容量を小さく
することにより、圧縮機の負荷を小さくして動力消費量
を低減することができる。また、圧縮機後段に設けられ
ている油分離器等の負荷も軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のヘリウム冷凍液化機の一実施例を示
す系統図である。
【図2】 圧縮機のスライド弁が閉じている状態を示す
説明図である。
【図3】 圧縮機のスライド弁が開いている状態を示す
説明図である。
【符号の説明】
1…圧縮機、2…熱交換器、3…膨張タービン、4…J
T弁、5…液化ヘリウム容器、6…バイパス弁、7…バ
イパス経路、8…供給弁、9…回収弁、12…吸入側圧
力指示調節計、13…吐出側圧力指示調節計、14…ス
ライド弁、15…演算器

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 容量調整用のスライド弁を有するヘリウ
    ム圧縮機と、該ヘリウム圧縮機の吸入側と吐出側とをバ
    イパス弁を介して接続するバイパス経路と、前記ヘリウ
    ム圧縮機の吐出圧力を制御するための供給弁及び回収弁
    とを備えたヘリウム冷凍液化機において、前記ヘリウム
    圧縮機の吸入圧力を検出し、該検出値に基づいて前記バ
    イパス弁の開度を制御する吸入圧力制御手段を設けると
    ともに、前記バイパス弁の開度を、あらかじめ設定され
    ている開度設定値と比較して、前記バイパス弁の開度が
    前記開度設定値になるように前記スライド弁の開度を調
    節するスライド弁制御手段を設けたことを特徴とするヘ
    リウム冷凍液化機。
  2. 【請求項2】 容量調整用のスライド弁を有するヘリウ
    ム圧縮機と、該ヘリウム圧縮機の吸入側と吐出側とをバ
    イパス弁を介して接続するバイパス経路と、前記ヘリウ
    ム圧縮機の吐出圧力を制御するための供給弁及び回収弁
    とを備えたヘリウム冷凍液化機の運転方法において、前
    記ヘリウム圧縮機の吸入圧力を検出し、該検出値に基づ
    いて前記バイパス弁の開度を制御するとともに、該バイ
    パス弁の開度があらかじめ設定されている開度設定値に
    なるように前記スライド弁の開度を調節することを特徴
    とするヘリウム冷凍液化機の運転方法。
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