JPH01102289A - ヘリウム液化冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はヘリウム冷凍機またはヘリウム液化機として使
用されるヘリウム液化冷凍装置に関するものである。

（従来技術） 従来のヘリウム液化冷凍装置の概略構成を第２図に示し
ている。

同図において、１はコンプレッサ、２〜７は熱交換器、
８は気液分離器で、これらが直列に接続されて、送りラ
イン９ａと戻りライン９ｂとからなる熱交換ライン９が
構成される。この熱交換ライン９における送り、戻り両
ライン９ａ、９ｂの途中間に、高圧段および低圧段両タ
ービン膨張機１０．１１が直列に接続された膨張ライン
１２が接続されるとともに、第１段熱交換器２に液体窒
素を冷媒とするクーラー１３が設けられている。

１４は気液分離器８の入口側に設けられた膨張、液化用
のＪ−Ｔ（ジュール・トムソン）弁、１５はこのＪ−Ｔ
弁１４を制御する温度スイッチ、１６は気液分離′ａ８
と戻りライン９ｂの接続部に設けられた切換弁、１７は
気液分離器８とコンプレッサ１の入口とを結ぶ高温戻り
ライン、１８は同ライン１７に設けられたガス加温器、
１９は同バイパス弁である。また、膨張ライン１２にお
いて、２０は高圧段タービン膨張機１０に対するヘリウ
ムガスの流入圧を制御する圧力制御弁、２１は同ヘリウ
ムガスの温度を検出する温度スイッチ、２２はこの温度
スイッチ２１の検出信号に基づいて圧力制御弁２０を制
御する圧力調節計である。

このヘリウム液化冷凍装置は、始動後、つぎの予冷運転
を経て定常運転に入る。

（イ）コンプレッサ１により圧縮され高圧化された常温
またはそれに近い高温状態のヘリウムガスは、第１段熱
交換器２においてクーラー１３により９０Ｋ（絶対温度
、以下同じ）程度に前冷却された後、熱交換ライン９の
送りライン９ａに入り、各熱交換器３〜７を順次通って
熱交換を行なう。この熱交換後の高温のヘリウムガスは
、高温戻りライン１７を通ってコンプレッサ１に戻る。

これが予冷の第１段階である。

（ロ）この第１段階によって熱交換ライン９のガス温度
が１００に程度となると、高圧段、低圧段山タービン膨
張機（以下、単に膨張機という）１０．１１を起動し、
熱交換ライン９の送りライン９ａから取込んだヘリウム
ガスを一段階に膨張させ、低温化させて戻りライン９ｂ
に送り込む。

（ハ）こうしてヘリウムガスに寒冷を与え、ガス温度が
２０に程度の極低温となったときに、バイパス弁１９（
高温戻りライン１７）を閉じて切換弁１６（熱交換９の
戻りライン９ｂ）を間き、ヘリウムガスを、本来のルー
プである熱交換ライン９および膨張ライン１２で循環さ
せて予冷の最終段階に入る。そして、ガス温度が４．５
に程度となると気液分離器８においてガスの液化が始ま
　。

す、以後、定常運転に移行する。

ところが、この従来のヘリウム液化冷凍装置によると、
上記予冷運転時において、膨張機１０゜１１に関して次
のような問題が生じていた。

通常、タービン膨張機は、定常（極低温）状態でマツチ
ングするように設計されているため、ヘリウムガスがま
だ高温状態にある予冷運転時に、定常運転時と同じ温度
および圧力条件で運転すると、タービン膨張機の特性か
ら、タービン動力が大きくなってオーバースピードとな
る。このため、予冷運転時には、オーバースピードを防
止するために、定常運転時よりも膨張機に対するガス流
入圧を低）させる必要がある。一方、設備の簡略化等の
ために、前冷却用のクーラー１３を省略して、膨張ｍｉ
ｏ、ｉ１を常温から起動させたい要望があるが、こうす
ると、上記オーバースピードの問題からガス流入圧を益
々低くしなければならない。

したがって、高圧段、低圧段山膨張１１０．１１を常時
直列運転する従来の装置によると、予冷運転時、とくに
前冷却なしに常温から始動する場合に、ガス流入圧を、
低圧段膨張１１１１を基準として定常運転時より遥かに
低くしなければならないため、高圧段膨張機１０の膨張
比が極端に小ざくなり、同膨張機１０は殆ど仕事をしな
いことになる。このため、予冷運転時の冷却効率が悪く
なり、予冷時間が長くかかる。

また、両局張機１０．１１の運転制御は圧力制御弁２０
によって行なわれるが、両局張機１０゜１１０オーバー
スピードを防止し、かつそれぞれの固有振動数を避ける
ための運転制御を、この一つの制御弁２０によって行な
わなければならない従来装置の場合、制御がきわめて複
雑となっていた。

（発明の目的） そこで本発明は、常湿起動する場合を゛含めて、予冷運
転時の冷却効率を高めることができるとともに、膨張機
の制御が容易となるヘリウム液化冷凍装置を提供するも
のである。

（発明の構成） 本発明は、コンプレッサにより圧縮され高圧化されたヘ
リウムガスを、熱交換器および気液分離−〇　− 器を備えた熱交換ラインに通しつつ、一部のヘリウムガ
スを高圧段および低圧段両タービン膨張機に通して膨張
させ低温化させるように構成されたヘリウム液化冷凍装
置において、上記熱交換ラインから取込んだヘリウムガ
スを上記高圧段および低圧段両タービン膨張機に直列に
通して熱交換ラインに戻す直列膨張ラインと、熱交換ラ
インから取込んだヘリウムガスを両膨張機に別々に通し
て熱交換ラインに戻す並列膨張ラインと、ヘリウム、ガ
スの流路をこれら直列膨張ラインと並列膨張ラインとの
間で切換えるライン切換手段と、上記直列膨張ラインま
たは並列膨張ラインを通るヘリウムガスの上記高圧段タ
ービン膨張機に対する流入圧を制御する高圧側注力１１
１１１１１手段と、上記並列膨張ラインを通るヘリウム
ガスの上記低圧段タービン膨張機に対する流入圧を制御
する低圧側圧力制御手段とを具備してなるものである。

この構成により、予冷運転時にはヘリウムガスを並列膨
張ラインに通して、高圧段、低圧段山膨張機を並列運転
することによって、両膨張機をそれぞれの能力に応じた
条件で独立して運転および圧力制御できるため、高圧段
膨張機による寒冷発生量を増大させることができる。し
たがって、冷却効率が向上するとともに、膨張機の制御
が容易となる。

（実施例） 本発明の実施例を第１図によって説明する。

この実施例において、第２図に示す従来装置と同一部分
には同一符号を付してその重複説明を省略し、相違点の
みについて説明する。

ヘリウムガスを膨張させて寒冷を得る膨張ラインは、従
来装置の膨張ライン１２に相当する直列膨張ライン２３
と、両膨張機１０．１１に並列にヘリウムガスを通して
別々に膨張させる並列膨張ラインとによって構成される
。直列膨張ライン２３は、高圧段、低圧段山膨張１ｆｉ
１０．１１が直列に接続され、高圧段膨張＄１１０の入
口側が熱交換ライン９の送りライン９ａにおける第２段
熱交換器３の出口側に、低圧段膨張機１１の出口側が戻
りライン９ｂにおける第５段熱交換器６の入口側にそれ
ぞれ接続されて構成される。この直列膨張ライン２３に
は、高圧段膨張機１０の入口側に、同膨張機１０に対す
るガス流入圧（流量）をガス潟麿に応じて制御する第１
圧力制御弁２４が設けられるとともに、両膨張機１０．
１１の接続部分に第１切換弁２５がそれぞれ設けられて
いる。２６は高圧段膨張１１１０の入口側ガス温度を検
出する第１温度スイッチ、２７はこの第１温度スイッチ
２６の検出信号に基づいて第１圧力制御弁２４を制御す
る第１圧力調節計である。

この直列膨張ライン２３における高圧段膨張機１０と第
１切換弁２５の接続点と、熱交換ライン９の戻りライン
９ｂにおける第３段熱交換器４の入口側とが、第２切換
弁２８を備えた第１分岐ライン２９によって接続され、
直列膨張ライン２３における第１圧力制御弁２４と高圧
段膨張機１０とが設けられた区間と、この分岐ライン２
９とによって第１並列膨張ライン３０が構成される。

また、直列膨張ライン２３における低圧段膨張機１１の
入口側と、熱交換ライン９の送りライン９ａにおけ第４
段熱交換器５の出口部分とが、第２圧力制御弁３１を備
えた第２分岐ライン３２によって接続され、この第２分
岐ライン３２と、直列膨張ライン２３における低圧段膨
張機１１が設けられた区間とによって第２並列膨張ライ
ン３３が構成される。３４はこの第２並列膨張ライン３
３の入口側ガス温度を検出する第２温度スイッチ、３５
はこの第２温度スイッチ３４の検出信号に基づいて第２
圧力制御弁３１を制御する第２圧力調節計である。

この構成において、予冷運転の初期、すなわちヘリウム
ガスが常温またはそれに近い高温状態にある段階では、
第１切換弁２５を閉じ、第２切換弁２８および第１、第
２両圧力制御弁２４．３１を開いた状態にセットする。

この状態では、直列膨張ライン２３が無効、第１、第２
山並列膨張ライン３０．３１が有効となるため、熱交換
ライン９の送りライン９ａからヘリウムガスが別々に山
並列膨張ライン３０．３３に取込まれて膨張、低温化し
、別々に戻りライン９ｂに送り込まれる。

このように、ガス高温状態では両局張機１０゜１１を並
列に運転することにより、これらをそれぞれの能力に応
じた条件下で独立して運転することが可能となる。すな
わち、従来装置のように、低圧段膨張機１１に対するガ
ス流入圧を低くしな【プればならないことに引きずられ
て高圧段膨張機１１の膨張比を大きくとれないといった
制約が無くなり、高圧段膨張機１０を、低圧段膨張機１
１と無関係にそのときの温度条件に応じた膨張比で運転
することができる。このため、高圧段膨張機１０が殆ど
仕事をしなかった従来装置と比較して、寒冷発生量が大
幅に増加し、冷却効率が遥かに良いものとなる。また、
両膨張１１１０．１１がオーバースピードとなったり固
有振動数になったりしないように、これらを第１、第２
両圧力制御弁２４．３１によって独立して制御できるた
め、制御が生純化される。したがって、制御が容易、確
実となるとともに、制御系の構成が簡単となる。

こうして、両局張機ｉｏ、ｉ１の並列運転によってガス
温度が一定の低温（たとえば１００に程度）となると、
以後は、高圧段、低圧段山膨張機１０．１１による二段
階に分けての膨張を行なわせる方が冷却効率の点で有利
となるため、第２切換弁２８および第２圧力制御弁３１
を閉じ、第１切換弁２５を開くことにより、並列膨張ラ
イン３０．３３を無効、直列膨張ライン２３を自効とし
て、従来装置と同様の直列膨張運転を行なう。また、こ
のとき同時に、それまで開いていた高温戻りラインのバ
イパス弁１９を閉じ、代って切換弁１６を開いて本来の
循環運転に移行し、ガス温度が４．５Ｋｉ！ｉ！度とな
ると予冷運転が終了し、定常運転に入る。

ところで、上記のように予冷運転の冷却効率が良いこと
から、上記実施例では前冷却用のクーラーを省略したが
、−層、冷却効率を上げるためにこのクーラーを設けて
もよいことはいうまでもない。

（発明の効果） 以上のように本発明によるときは、高圧段、低圧段山膨
張機を備えた膨張ラインを、両局張機が直列運転される
直列膨張ラインと、両局張機が並列に独立して運転され
る並列膨張ラインとに切換え得るように構成したから、
ガス温度が高い予冷運転時に上記並列膨張ラインを選択
することにより、高圧段膨張機の能力を十分生かして冷
却効率を大幅に向上させることができ、これにより予冷
に要する時間を大幅に短縮することができる。また、こ
の並列膨張運転状態では、両局張機を別個独立して制御
できるため、オーバースピード防止、固有振動数回避の
ためのこれらの制御が容易となるとともに、制御系の構
成が簡単となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例にかかるヘリウム液化冷凍装置
の概略構成図、第２図は従来の装置の概略構成図である
。 １・・・コンプレツリ、２〜７・・・熱交換器、８・・
・気液分離器、９・・・熱交換ライン、１０・・・高圧
段タービン膨張機、１１・・・低圧段タービン膨張機、
２３・・・直列膨張ライン、３０・・・第１並列膨張ラ
イン、３３・・・第２並列膨張ライン、２４・・・高圧
側圧力制御手段としての第１圧力制御弁、３１・・・低
圧側圧力制御手段兼ライン切換手段としての第２圧力制
御弁、２５．２８−ライン切換手段としての切換弁。 特許出願人　　　　　　株式会社神戸製鋼所代　理　人
　　　　　　弁理士　小谷悦司同　　　　　　　　弁理
士　長１）正 向　　　　　　　　弁理士　板谷康夫 第　　１　　図 第　　２　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、コンプレッサにより圧縮され高圧化されたヘリウム
   ガスを、熱交換器および気液分離器を備えた熱交換ライ
   ンに通しつつ、一部のヘリウムガスを高圧段および低圧
   段両タービン膨張機に通して膨張させ低温化させるよう
   に構成されたヘリウム液化冷凍装置において、上記熱交
   換ラインから取込んだヘリウムガスを上記高圧段および
   低圧段両タービン膨張機に直列に通して熱交換ラインに
   戻す直列膨脹ラインと、熱交換ラインから取込んだヘリ
   ウムガスを両膨張機に別々に通して熱交換ラインに戻す
   並列膨張ラインと、ヘリウムガスの流路をこれら直列膨
   張ラインと並列膨張ラインとの間で切換えるライン切換
   手段と、上記直列膨張ラインまたは並列膨張ラインを通
   るヘリウムガスの上記高圧段タービン膨張機に対する流
   入圧を制御する高圧側圧力制御手段と、上記並列膨張ラ
   インを通るヘリウムガスの上記低圧段タービン膨張機に
   対する流入圧を制御する低圧側圧力制御手段とを具備し
   てなることを特徴とするヘリウム液化冷凍装置。