JPH02143057A

JPH02143057A - 極低温寒冷発生装置

Info

Publication number: JPH02143057A
Application number: JP29454788A
Authority: JP
Inventors: Shigeto Kawamura; 河村　成人; Kozo Matsumoto; 松本　孝三; Hirotake Kajiwara; 梶原　博毅; Kanji Fujimori; 幹治藤森
Original assignee: Hitachi Techno Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 1988-11-24
Filing date: 1988-11-24
Publication date: 1990-06-01

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、極低温寒冷発生装置に係り、特に膨張タービ
ンを月いたものに好適な極低温寒冷発生装置に関するも
のである。

〔従来の技術〕

従来の極低温寒冷発生！＆置、例えば、ヘリウム液化冷
凍１１ｔＲは、第５図に示すように、圧縮機１で圧縮さ
れたヘリウムガスは、真空断熱された保冷槽２八入り、
熱又換器３ａで冷却され、一部はＩ１１張タービン４お
よび５を通りで膨張し寒冷を発生する。他の一部はさら
に熱交換器３ｂ、３ｃにより冷却されＪＴＴｉＩ４通っ
て一部が液化し、真空断熱配管［を介して超電導マグネ
ブトのような冷凍負荷１３に送られる。冷凍負荷１３に
おいて、熱を吸収したヘリウムガスは真空断熱配管１４
を介して保冷槽２に戻り１，１％又換器３ｃ、３ｂ、３
ａで寒冷を回収された後、圧縮機１の吸入側へ戻る。

なお、冷凍負荷１３の温度が高い時は、戻りガス温度も
高いので、予冷バイパス弁巧を介して圧縮機ｌの吸入側
へ戻す。

一般に、このようなヘリウム液化冷凍機においては液化
モードと冷凍モードが存在し、液化モードは、予冷時に
保冷槽へ比較的高い温度のガスが戻る場合、あるいは、
冷凍負荷に対して液溜を行なう場合で、冷凍負荷側から
極低温ガスの戻ってζることがない、またはたいへん少
ないモード、すなわち、高度の高いガスが戻ってくるモ
ードであり、冷凍モードは、冷凍負荷が定常状態にある
場合のように冷凍負荷からの極低温ガスの戻り量が多い
モードである。

また、液化モード時は、冷凍モード時よりも、膨張ター
ビンに多（の冷媒量を必要とし、液化モード時は、弁６
をほぼ全開のままとし圧１１機工の吐出圧力をそのまま
（例えば、１６ａｔｍ）の状態とし膨張タービンを運転
し、冷凍モード時は、弁６をしぼり圧力を例えば１２　
ａｔｍまでおとして膨張タービンを運転する。

なお、この種の装置として関連するものには、例えば、
特開昭５８−６３号公報、特開昭６０−６０４６４号公
報等が挙げられる。

〔発明が解決しようとするａ題〕

上記従来技術は、膨張タービンの運転モード毎の効率の
点について配慮されておらず、弁をほぼ全開で運転する
液化モードではＭ１張タービン入口圧力が高いが、冷凍
モードにおいては弁を絞って運転するので、膨張タービ
ン入口圧力が低くなり。

すなわち、弁部で無駄な膨張が生じて、膨張タービンで
膨張させる際の入口、出口の圧力差が小さくなり、冷凍
モードにおける膨張タービンの効率が悪ζなり、ヘリウ
ム液化冷凍機の運転時の効率が悪くなるという問題があ
った。

また、膨張タービンは、ヘリウム液化冷凍機の心臓部に
当る機械であるが、回転体であるため比較的故障しやす
い機器であり、−旦、膨張タービンが故障すると、全系
を加温して膨張タービンを交換し、その間、液化冷凍機
を停止させなければならないという問題があった。

本発明の目的は、運転モード毎の効率を向上させること
のできる極低温寒冷発生装置を提供する二とにある。

本発明の他の目的は、装置を停止させることなく、ｉ＊
ａのメンテナンス性を良くして、装置の場運転時間効率を高める二とのできる併低温寒冷発生装置
を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、モード毎に最適な膨張機と
した複数の膨張機を、並列または独立に配置し、膨Ｉｌ
ｉ機の前後に弁を設け、！＃張機の運転を切替可能にし
たものである。

上記他の目的を達成するために、複数の膨張機を並列ま
たは独立に配置し、膨張機のＨ後に弁を設け、膨張機の
運転を切替可能にしたものである。

〔作　　用〕

複数の膨ｆｘ機を並列または独立に配置し、膨張機の前
後に弁を設けることによって、一方の膨張機を液化モー
ドで最適になるように設定でき、他方の膨張機を冷凍モ
ードで最適になるように設定でき、これらの膨張機をそ
れぞれの弁で運転モー執ドに合わせて切替えて遅進することによって、極低温寒
冷発生ｍｌの運転時の効率を向上させることができる。

また、複数の膨張機を並列または独立に配置し、膨張機
の前後に弁を設けることによって、一方の膨ｇ＆機をメ
ンテナンスする際は、他方の膨ｉＨｋ機で運転を行なえ
るように、これらの膨張機をそれぞれの弁で切替えられ
るので、装置を停止させる二となく膨張機のメンテナン
スを行ない、極低温寒冷発生装置の運転時間効率を高め
ることができる。

〔実　施　例〕以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

第１図は極低温寒冷発生装置、例えば、ヘリウム液化冷
凍ｇ装置を示す。圧縮機１の吐出側の高圧ラインは、保
冷槽２内の熱交換器３ｇを介してＪＴラインと膨張ライ
ンとに分かれる。ＪＴラインは熱交換器３ｂ、３ｃおよ
びＪＴＴｉＩ４介して、真空断熱配管ｎを通り、冷凍負
荷１３につながる。

冷凍負荷１３からは、真空断熱配管１４を通る低圧戻り
ラインが熱交換器３ｃ、３ｂ、３ｍを介して圧縮ｔ１１
１の吸込側につながる。

一方、膨張ラインは、流量調整弁６を介して膨張機であ
る膨張タービン４ａ、熱交換器ｓｂ、！＃張タービシタ
−ビン次通り、熱交換器３Ｃと３ｂとの間の低圧戻りラ
インに合流する。また、膨張タービン４ａに並列に膨張
タービン４ｂをつなぎ、膨張タービン５ａに並列に膨張
タービン５ｂをつなぎ、それぞれの膨張タービン４ｍ、
４ｂ、５ｍ。

５ｂのｌｆｆ後に弁７ｇ、７ｂ、８ａ、８ｂ、９ａ。

９　ｂ、１０ａ、１０ｂが設けである。なお、この場合
、膨張タービン４ａ、５ａは液化モード時に効率良く運
転できるように設定してあり、膨張タービン４ｂ、５ｂ
は冷凍モード時に効率良く運転できるように設定しであ
る。

また、二の場合、それぞれの膨張タービン４１゜４ｂ、
５ａ、５ｂの近傍には加ｄｉ器１８ｍ、１８ｂ。

２３　ａ　、　２１　ｂ　カ設置ｔ　テｈ　’Ｊ、加ｍ
＃１１８　ａ　、　１８　ｂ、　２１ｇ、４ｂの一方に
つながる加温う不ン１６は弁１７１゜１７ｂ、２りａ、
２０ｂを介して圧縮機１の高圧ラインから分岐させ、他
方につながる戻しライン２は弁１９　ａ　、　１９　ｂ
　、　２２　ａ　、　２２　ｂを介して圧縮ａｔの低圧
戻りラインに合流する。

さらに、それぞれの弁７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂ１９　ｍ
、　　９　ｂ、　　１０ａ、　１０　ｂで区切られた膨
張タービン４ａ、４ｂ、５ｍ、５ｂのそれぞれの膨張ラ
インに、真空ポンプｎに接続した真空引きライ〉々を弁
２４ａ、２４ｂ、　　２５ｍ、２５ｂを介してつなげで
ある。

なお、第１図において、郷は低圧戻りラインに設けたバ
イパスラインの弁である。

上記のように構成したヘリウム液化冷凍装置において、圧Ｍ！Ｉ１．ｔで圧縮されたヘリウムガスは、真空断熱
された保冷槽２に入り、熱交換器３ａで冷却され、一部
は膨張ラインへ流れ、他の一部はＪＴラインへ流れる。

膨張ラインへ流れたヘリウムガスは、予冷時あるいは液
化運転の場合、液化モード用の８％タービン４ａ、５ａ
へ通し、ヘリウムガスを膨張させて寒冷を発生させる。

この時、膨張タービン４ａ、５ｍの前後の弁？ａ、８ａ
、９ｍ。

１０１は開であり、膨張タービン４ｂ、５ｂの前後の弁
７ｂ、８ｂ、９ｂ、１０ｂは閉である。ＪＴ’ラインへ
流れた他の一部は、さらに熱交換器３ｂ。

３Ｃによって冷却され、ＪＴＴｉＩ４一部が液化し、真
空断熱配管１２を通つて超電導マグネットのような冷凍
負荷１３に送られる。

冷凍負荷１３において、予冷時は供給された寒冷のヘリ
ウムガスが暖められ、また、液溜時はＪＴ弁から送られ
るミスト状のヘリウム冷媒中の液体ヘリウムを分離して
、これらのｆスヘリウムのみが、真空断熱配管１４を通
って保冷槽２へ戻り、熱交換Ｂ３ｃ、３ｂ、３ｍで寒冷
を回収された後、圧縮機ｌの吸入側へ戻る。なお、冷却
負荷１３の温度が高く、戻りヘリウムガスの温度が高い
時には、弁１５を開けて予冷バイパスラインを用いて圧
縮機工の吸入側へ戻す。

冷凍負荷１３の予冷および液溜を液化モードにて実施し
ている間は、寒冷を多く必要とするため、液化モード用
の膨張タービン４ａ、５ｍを用い、ＪＴ弁６は比較的絞
りぎみにする。これに対し、冷凍負荷１３が定常湯度に
なると、寒冷の先生量は少な畷て良いので、より効牢的
に寒冷を発生させるため、タービンノズルを小さくした
冷凍用の膨張タービン４ｂ、５ｂに切替える。このとき
は、弁７ａ、８ａ、９ａ、ｌＯａを閉め、弁７ｂ、８ｂ
。

９ｂ、１０ｂを開ける。また、ＪＴ弁６は開きぎみにし
、ＪＴ風量を多くとることが可能となる。

冷凍運転をしている時には、液化モード用の膨張タービ
ン４ａ、５ｇは停止しているので、この間にメンテナン
スが可能となる。例えば、液化モード用の膨張タービン
４ａをメンテナンスする場合には、次のような要領で行
なう。

弁１７ａ、１９ａを開き、ｊ１張タービン４ａの前後の
配管に＠き付けた加ｍ　ａ　１８　ａに加温ライン１Ｇ
から常温のヘリウムガスを流し、膨張タービン４ａをｌ
ｆｆ後から加温する。十分に加温された時点で、保冷槽
２の真空空間を保持するように取り付けられたハウジン
グ（例えば、４ＩＮＪ昭６１−２５０４６１号公報、実
開昭６１−１８７２７１号公報等に示されたような構造
）内から回転体等のタービン構成部材をとり出し、メン
テナンスを行なう。その後、再び組み込みメンテナンス
を終Ｔする。タービンの回転体等を保持する領域は、タ
ービン１ｉｆｆ後の配管とは通じているが、保冷槽２の
真空断熱部とは通じていないので、保冷１＄２の真空を
保ったままメンテナンスが行なえ、冷凍モード用の膨張
タービン４ｂ、５ｂの運転が可能である。タービン回転
体等を組み込んだ後に、弁２４ａを開き真空引きライン
濁を介して真空ポンプ詔により膨張タービン４ａｌｌσ
後の膨張ラインを真空に引く。その後押２４＋１を閉め
、弁７ａあるいは弁８ａを微開し膨張タービン４ａのま
わりをヘリウムに置換する。

これにより、再び、必要に応じて、液化モード用の膨張
タービン４ｍの運転が可能となる。膨張タービン５ｍに
ついても同様である。また、冷凍モード用の膨張タービ
ン４ｂ、５ｂについてもｌｆｆ紀と同様に、液化モード
で運転中にメンテナンスが可能である。

なお、タービンノズル等の設定によっては、液化モード
で膨張タービン４ｍ、４ｂおよび５ｍ。

５ｂを囲い、冷凍モードで膨張タービン４ｂ、５ｂのみ
を用いるような切替運転を行なうこともできる。

また、膨張タービン４ｍと４ｂおよび膨張タービン５ｍ
と５ｂとがそれぞれ同じ膨張タービンを用いると、それ
ぞれの膨張タービンが互いに予備機の役割をはたすこと
になり、メンテナンス性が大変向上する。二の時、上記
の如く、液化モードでｊ１張タービンを２台ずつ運転し
、冷凍モードで膨張タービンを１台ずつ運転するように
することにより、運転モードに合わせて効率の良い運転
が可能となる。

また、液化と冷凍の中間的な運転、あるいは全体的な寒
冷の調整を行なうには、膨張タービン人口の弁６または
弁７ｍ、７ｂ等の開度な調整する二とで行なえ、これに
より効率的で安定な運転が有効に行なえる。

また、これら−運の弁の切替え、加温およびへリウム置
換のための弁の切替え、真空ポンプの操作、膨張タービ
ン入口の弁６およびＪＴＴｌ２Ｏ調整等を制御装置（図
示せず）によって自動的に行なうことは、省力化、信頼
性の向上からも有効である。

以上、本−実施例によれば、運転モードに対応した膨張
タービンの運転が可能となり、ヘリウム液化冷凍機の運
転効率を向上させることができる。

また、メンテナンス時においても、一方の膨張タービン
が停止している間に行なうことができるので、運転時間
効率を高めることができるという効果がある。

また、それぞれの膨張タービン１ｆｆｉ＆の短い間を弁
で仕切っているので、置換作業によるヘリウムガスの損
失も少なくできる。

次に、本発明の第２の実施例を第２図により説明する。

本図において、第１図と同一のものは同符号で示し説明
を省略する。本図がｊＪｒ１図と１４なる点は、膨張タ
ービン？９ｓ、２９ｂをそれぞれ独立した膨張ラインで
形成し、興なる虐度域で分岐２合流させている点で、そ
れぞれの膨張タービン２９ｍ、　２１１ｂのｌ１ＩＴ４
Ｉ！には弁２８ｇ、　２８ｂ、　３０ａ、　３０ｂが設
ｉｔ　テｓる。なお１本図には図示していないが、膨張
ラインの加温、ｉ換については第１図と同様に行なえば
良い。

本実施例によれば、前記一実施例と同様の効果がある。

また、この場合には、膨張タービンの運転条件を蟲度領
域も合わせて最適化できる。

次に、本発明の第３の実施例を第３図により説明する。

本図において、第１図と同一のものは同’Ｆｆ＠で示し
説明を省略する。本図が第１図と異なる点は、膨張ター
ビン４ａと５ａとの間および！＃張タービン４ｂと５ｂ
との間に熱父換器を介さないで、膨張タービンを直接に
直列配置し、膨張タービン４ａ、４ｂの前と膨張タービ
ン５ｍ、５ｂの後に弁７　ａ、７　ｂ、ｌＯａ、１０ｂ
を配置した点であル。ナお、本図には図示していないが
、膨張ラインの加湿、置換を行なう場合には、第１図に
示す要領で行なえば膚い。

本実施例によれば、１ｉｆｆ記−実施例と同様の効果が
ある。また、この場合には、直列配置した膨張タービン
を並列に設けているので、それぞれの膨張ラインにはｉ
ｆｆ後の２箇所に弁を設ければ良く、部品点数を少なく
することができる。

なお、これら一実施例ないし第３の実施例は、ヘリウム
液化冷凍＊ａおよび膨張タービンを用いた例を述べたが
、他の冷媒を用いた極低温寒冷発生装置や膨張機を用い
たものでも良い。

また、膨張ラインの加温や置換を行なうやり方として、
第４図に示すように、膨張タービン４のＩＩＵ後の弁７
，８を閉じ、弁１７．１９を発にして直接膨張ラインに
常温の冷媒を供給、循環させて加温し、その後は、弁１
７．１９を閉じ、弁冴な開けて加温された冷媒を真空排
気し、弁スを閉じ弁７，８を微量ずつ関けて冷却するよ
うにしても良いし。

真空排２を省略し、ｉ記のように常置状態から少しずつ
冷却しても良い。

〔３明の効果〕本発明によれば、運転モード毎の効率を向上させる二と
ができ、また、メンテナンス性を良（して装置の運転時
間効率を高めることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である極低温寒冷発生装置を
示す構成図、第２図および第３図は本発明の他の実施例
でめる極低温寒冷発生装置を示す構成図、第４図は本発
明の膨張タービン廻りの他の実施例を示す構成図、第５
図は従来の極低ｍ寒冷発生装置を示す構成図である。４．４ａ、４ｂ、５，５ａ、５ｂ、２９ｍ、２９ｂ・・
・・・・膨張タービン、７，７ａ、７ｂ、８，８ａ。８　ｂ、　　９　ａ、　　９　ｂ、　１０ａ、　１０ｂ
、　　２８ａ、　２８ｂ、　３０ｍ、　３０ｂ・・・・
・・弁＼で上・４４図

Claims

【特許請求の範囲】１、複数の膨張機を持つ極低温寒冷発生装置において、
前記膨張機を並列または独立に配置し、前記膨張機の前
後に弁を設け、前記膨張機の運転を切替可能としたこと
を特徴とする極低温寒冷発生装置。２、前記膨張機の切替えを運転モードに応じて行なう特
許請求の範囲第１項記載の極低温寒冷発生装置。３、前記膨張機の運動部を真空断熱部の真空を破壊せず
に取り出し可能に搭載した特許請求の範囲第１項記載の
極低温寒冷発生装置。４、前記弁で区切られた前記膨張機の上流または下流、
または上流および下流に加温ラインを設けた特許請求の
範囲第１項記載の極低温寒冷発生装置。５、前記弁で区切られた膨張機ラインにプロセスガス置
換用ラインを設けた特許請求の範囲第１項記載の極低温
寒冷発生装置。