JPH0363465A - 極低温冷凍装置およびその運転制御方法 - 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〕 本発明は極低温冷凍装置に係り、特に超臨界膨張タービ
ンを有する極低温冷凍装置およびその運転制御方法に関
するものである。

〔従来の技術〕

従来の液化冷凍装置、例えば、ヘリウム液化冷凍装置は
、最低温部において、膨張弁により高圧ヘリウムガスを
等エンタルピｌＩｌ＆させ、ヘリウムガスの一部を液化
させるものが多かった。しかし、膨張弁による等エンタ
ルピ膨張では比較的効率が悪いので、ＩＩＩ張タービン
によって臨界圧まで等エンタルピ膨張させ、臨界圧以降
は膨張弁によって等エンタルピ膨張させてヘリウムガス
の一部を液化させる方法も用いられている。

なお、この種の装置としてＪＩＪＩ達するものには、例
えば、特開昭５９−１３４４６０号公報、特開昭６０−
１６４１８２号公報等が挙けられる。

〔発明が解決しようとする課題〕 上記従来技術は、膨張タービンでのヘリウムガスの液化
を防止し、液化ヘリウムが高速回転しているローターブ
レードに衝撃的にあたってプレードを損傷させないよう
に考慮されているが、膨張タービンの点検特等休止時の
５Ｎ！の効率運転の点について配慮されておらず、膨張
タービンの休止時には、装置全体も停止させなければな
らないという問題があ゛った。

本発明の第１の目的は、膨張タービンの休止時にもＭｌ
を停止させることな（効率の良い運転を継続することの
できる極低温冷凍１ｉＩｔｌＩＩおよびその運転制御方
法を提供することにある。

本発明の！１！２の目的は、膨張タービンの安定した運
転を行なうことのできる極低温冷凍装置およ上ｊｅ第１
および′！Ｊ２の目的を達成するために、膨張弁の上流
側に膨張タービンを有する極低温冷凍装置において、［
１ｇｋタービンの出入口側にそれぞれ弁を設けるととも
に、入口側の弁の上流側と出口側の弁の下流側とを連通
するバイパス流路を設け、バイパス流路に弁を設けた装
置とし、膨張タービンへ供給される冷媒ガスの全部また
は一部をバイパスラインの弁を介して膨張弁に供給する
方法としたものである。

また、第２の目的をさらに精度貴く連成するために、Ｊ
ｌｌ張弁の上流側に膨張タービンを有する極低温冷凍装
置の運転方法において、膨張タービン出口側の圧力およ
び温度によって膨張タービンの冷媒流量をＩＩ！１する
ようにしたものである。

〔作　　用〕

膨張タービンの運転時には、膨張タービン出入口側の弁
を開けて、冷凍ガスを膨張タービンを介して＃強弁へ送
り、寒冷発生効率を向上させるようにするが、膨張ター
ビンで冷媒ガスが液化するような場合には、バイパスラ
インの弁を開けて冷奴ガスの一部をバイパスラインに通
して直接に膨張弁へ送る。これにより、膨張タービン側
への流量が減少してタービン回転数が下がり、寒冷発生
量が小さくなって膨張タービンでの冷媒の液化が防げ、
安定した運転を行なうことができる。

また、膨張タービンの休止時には、膨張タービン出入口
側の弁を開めて、膨張タービンへの冷媒ガスの供給を停
止させるとともに、バイパスラインの弁を開いて冷媒ガ
スの全部を膨張弁へ送る。

これにより、冷媒ガスは膨張弁で断熱膨張して寒冷を発
生するので、ＩＩＩＩＩ！）タービンを停止させても装
置を停止することなく運転を継続することができ、さら
にバイパスラインの弁を膨張弁とすれば、２段膨張によ
って効率の良い運転を行なうことができる。

さらに、膨張タービン出口側の圧力および温度によって
膨張タービンの冷奴流量を調整することにより、圧力ま
たは温度が臨界点に近づくと膨張タービンの流量を減じ
て寒冷発生量を小さくでき、膨張タービンでの液化を防
止して安定した運転を行なうことができる。

〔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図は極低温冷凍！！Ｌ、例えば、ヘリウム冷凍装置
の構成な示す。圧縮ＩＩ！２０の出口側に接続された高
圧ガス配管２は、第１熱交換器ガの高温側。

第２熱交換器ｎの高温側、第３熱交換器乙の高温側、第
４熱交換器例の高温側およびＮ５熱交換器Ｕの高温側入
口を直列に接続しである。第５熱交換器Ｈの高温側中間
部分出口と超臨界ＩＩＩ！タービン５のヘリウムガス入
口はタービン入口配管３で接続されている。超臨界膨張
タービン５のヘリウムガス出口と第５熱交換器１１の高
温側中間入口とはタービン出口配管６により接続され、
１！５熱交換器Ｕの高温側出口と冷凍負荷１０の入口と
はジュールトムソン膨張弁９を介してＪＴ入口配管８で
連通されている。またタービン入口配管３とタービン出
口配管６とはバイパス流路１３を介して接続されている
。冷凍負荷ｉｏの出口、ＩＪｓ熱交換器Ｈの低温側、第
４熱交換器のの低温側、ＩＪｓ熱交換器幻の低温側、１
１２熱交換器乙の低温側、第１熱交換ａｚｉの低温側お
よび圧縮横加の入口側は、低圧ガス配管稔により直列に
接続されている。さらにＮｌ熱交換器乙と！１！２熱交
換器ｎを接続している高圧ガス配管２には、分岐配管が
か接続され、分岐配管ｎは第１！＃張タービン２５　ｔ
　Ｎ　ａ熱交換器幻の！２の高温側、第２膨張タービン
房な直列に接続し、第５熱交換器Ｕと第４熱交換器例と
を接続する低圧ガス配管セに合流・接続している。

タービン入口配管３の超臨界！＃張タービン５の入口側
には入口弁４が設けられ、タービン出口配管６のタービ
ン５出口側には出口弁７が設けられている。またバイパ
ス流路１３には第２のジュールトムソン膨張弁１４（以
下、ｒＮ２ＪＴ弁」と呼ぶ）が設けられている。さらに
タービン出口配管６には圧力検出！１ｌ１７および温度
検出器用が取り付けられその信号は制御器東に送られる
ようになっている。制御器東は前記信号より判断して第
２ＪＴ弁１４の弁開度を調節できるようになっている。

また、制御器迅は入口弁１４．出口弁７および第２ＪＴ
弁１４をそれぞれに開閉制御可能になっている。

なお、図示を省略したが、この場合は、圧縮横加と制御
器Ｗとを除く他の機器は真空断熱された空間に収納され
ている。

上記のように構成された装［４こより、圧縮横加で、例
えば、１６ａｔｍ、３００°Ｋ（常温〉に圧縮されたヘ
リウムガスは、Ｎｌないし第４の熱交換器外ないし割を
通って予冷され、高圧・低温のヘリウムガス（例えば１
６ａｔｍ、１０°Ｋ）となって第５熱交換器Ｕの高温側
に粒大する。第５熱交換！Ｉｕの高温側に流入したヘリ
ウムガスは、熱交換器Ｕの高温側中間出口からタービン
入口配管３へ流入する。通常運転状態において、第２Ｊ
Ｔ弁１４は閉じて、入口弁４および出口弁７は開いであ
る。

タービン入口配管３に流入したヘリウムガスは、入口弁
４で適当な圧力に調整されて超臨界膨張タービン５に入
り、断熱膨張を行って温度、圧力が低下する。温度・圧
力が低下した中圧ヘリウムガス（例えば４２１ｍ、　６
°Ｋ）は出口弁７を経てタービン出口配管６を通り、第
５熱交換器Ｕの高圧側に戻って低温側のヘリウムガスと
熱交換してさらに温度が下がる。温度が下がったヘリウ
ムガスは、ジュールトムソン膨張弁９を通過しながら等
エンタルピー膨ｇｋ（例えば、１．２　ａｔｍ　、　　
４．４　’Ｋ　）　を行って液化する。液化したヘリウ
ムは冷凍負荷１０を通過しつつ気化し、低圧ガス配管稔
、第５の熱交換器Ｕおよびｆｆ４ないし！！１の熱交換
器斜ないしガの低温側を通りなか、高温側を流れるヘリ
ウムガスと熱交換し、圧縮横加に戻って循環を繰り返す
。超臨界膨張タービン５は、ジュールトムソン膨張弁９
よりも効率の良い等エントロピー膨張を行うので、従来
のようにジュールトムソン膨張弁だけでヘリウムを液化
させる装置よりも効率良くヘリウムが液化される。

一方、超臨界膨張タービンの出口圧力が何らかの原因で
、例えば冷凍負荷の変動でヘリウムの臨界圧力ＰＣ（＝
２．２７ａｔｍ）より低下し、出０１ｆｆが臨界温度Ｔ
ｃ　（＝　５．２°Ｋ）より小さくなった場合は超臨界
膨張タービンの回転体内でヘリウムガスが部分的に液化
してタービン出口圧力の変動を引き起こしタービンの正
常回転を妨げる、あるいはタービンの故障を引き起こす
可能性がある。そこで、超臨界膨張タービン５の出口配
管６に設けである圧力検出器１７により出口圧力Ｐ２を
測定、制御器１９にてヘリウムガスが液化する温度Ｔ＝
ｆ（Ｐ２）を計算する。またタービンの出口配管６に設
けてある温度検出器１８の信号から超臨界膨張タービン
５の出口温度Ｔ２がわかる。したがって出口温度Ｔ２が
液化温度Ｔより小さい場合にはヘリウムガスが液化する
。このような場合、制御器１９より第２ＪＴ弁１４を１
ｓｉｌに開く信号が第２Ｊ’Ｉ’弁に送られる。

この場合タービン人口弁４の開度は同じであるが、第２
ＪＴ弁１４を開くことによって超臨界膨張タービン５へ
流れるガス流量が減少し、タービンの回転数が低下して
超臨界膨張タービン５の寒冷発生量が小さ畷なる。従っ
て超臨界膨張タービン５の出口温度は上昇する。出口温
度Ｔ２が液化温度Ｔより太き（なるまで、第２ＪＴ弁１
４を開くことによって超臨界膨張タービン５内でのヘリ
ウムガスの液化を防ぐことができる。

また、超臨界膨張タービン５が故障した場合でも、ター
ビン人口弁４とタービン出口弁７を閉じれば、ヘリウム
が循環している配管系統４，７によって隔離されている
ので、超臨界膨張タービン５の修理交換が可能であり、
修理のために系統全体のヘリウムを置換する手間を省く
ことができる。

さらに、第２ＪＴ弁１４を例えば超臨界膨張タービン５
と同じ膨張比程度で開けば、ヘリウムガスはバイパス配
管１３を通って、ＪＴ弁９を通り、冷凍負荷１０に向っ
て流れる。したがって、定常状態よりも冷凍負荷１０を
適当に減少させることができれば、２段のＪＴ膨張を行
うことによって効率良く（１段のＪ　Ｔｌｌ１＊に比べ
て）ヘリウムガスの液化なｍ続することができる。

以上述べたように本実施例によれば、超臨界膨張タービ
ン５内でヘリウムガスが液化するような場合でも、容易
にヘリウムガスの液化を防止させる効果があり、超臨界
膨張タービンの故障を防ぐ効果がある。さらに、超臨界
膨張タービンが故障した場合でも、ヘリウムの液化を継
続できる効果があり、冷凍装置の信頼性を高めると共に
、冷凍機のメインテナンスを容易にする効果がある。ま
た、このときも、ＪＴ弁による２段膨張によって効率の
良い運転ができるという効果がある。

なお、本実施例においては、冷凍負荷１０を液体ヘリウ
ムタンク１６内で超電導マグネット巧にょうて気化され
た液体ヘリウムを再凝縮する凝縮器としているが、これ
に限られるものではない。

また、バイパス配管口に設けた弁は、ＪＴ弁としている
が、通常の弁（以下、「バイパス弁」と呼ぶ）としても
良い。この場合、超臨界膨張タービン５内でヘリウムガ
スぎ液化する場合は前述と同じように制御器１９により
バイパス弁を開く（通常は閉じている）ように調節する
。この場合も、タービン人口弁４の開度は同じであるが
、バイパス弁を開くことによって超臨界膨張タービン５
へ流れるガス流量が減り、タービンの回転数が減少して
タービンの寒冷発生量は小さくなる。従ってタービンの
出口温度は上昇してヘリウムガスの液化が防止される。

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図と同符号は同一部材を示し、説明
を省略する。なお、本図の１点鎖線で示された枠ｌは、
第１図の１点鎖線で示された枠ｌの穐囲を示し、内部を
省略図示したものである。

本図が第１図と異なる点は、制御器１９が圧力検出器１
７および温度検出器用の信号によってタービン出口弁７
を制御するようになっている点である。

なお、図示を省略したが、制御器１９はタービン人口弁
４．タービン出口弁７．第２ＪＴ弁１４の開閉を制御可
能である。

上記の構成において、超臨界膨張タービン５内でヘリウ
ムガスが液化する場合は、制御器１９によりタービンの
出口弁７を閉めるように調整する。

すなわち超臨界膨張タービン５の出口配管６に設けであ
る圧力検出器１７により出ロ圧力Ｐ２を測定し、制御器
１９にてヘリウムガスが液化する温度Ｔ＝ｆ（Ｐ２）を
計算する。またタービンの出口配管６に設けである温度
検出器用からの信号によりタービンの出口温度Ｔ２を検
出する。出口温度Ｔ２が液化温度Ｔより小さい場合には
ヘリウムガスが液化するので、この場合、制御器１９よ
りタービンの出口弁７の開度な絞る方向の信号を送る。

これにより、タービンの出ロ圧力Ｐ２は上昇する。出力
圧力Ｐ２が上昇すると、ヘリウムガスの液化温度は高く
なる。したがって出口温度Ｔ２が液化温度Ｔより大きく
なるまで、超臨界膨張タービン５の出口弁７を適当に絞
ることによってタービン内でヘリウムガスの液化を防ぐ
ことができる。

また、制御器１９によって入口弁４および出口弁７を閉
じ、！Ｊ２Ｊ　Ｔ弁１４を開とすることにより、前記一
実施例と同様に超臨界膨彊タービン５を切り離しても運
転を継続できる。

以上述べたように本実施例によれば、前記一実施例と同
様に超臨界膨張タービン内でヘリウムガスが液化する場
合でも、容易にヘリウムガスの液化を防止させる効果が
あり、冷凍装置の信頼性を高めると共に超臨界膨張ター
ビンの故障を防ぐ効果がある。また、超臨界膨強ター、
ビンが故障した場合でも、ヘリウムの液化運転を効率良
く継続できる効果がある。

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図と同符号は同一部材を示し、説明
を省略する。なお、本図の一点鎖線で示された枠１は前
述の第２図の説明と同様である。

本図が′Ｍ１図と異なる点は、制御器１９が圧力検出器
１７および温度検出器１８の信号によってタービン人口
弁４を制御するようになっている点である。

なお、図示を省略したが、制御器１７はタービン人口弁
４．タービン出口弁７．第２ＪＴ弁１４の開閉を制御可
能である。

上記の構成において、超臨界膨張タービン５内でヘリウ
ムガスが液化する場合は、制御器１９によりタービン人
口弁４の開度を閉めるように１１１ｇＭする。すなわち
、出口圧力の圧力検出器１７の圧力信号Ｐ２より、制御
器１９にてヘリウムガスが液化する温度Ｔ＝ｆ（Ｐ２）
を計算する。また、温度検出器１８からの信号によりタ
ービンの出口温度Ｔ２を検出する。出口温度Ｔ２が液化
温度Ｔより小さい場合には、出口温度Ｔ２が液化温度Ｔ
より大きくなるまで、タービンの大口弁４を閉じる。タ
ービンの入口弁４を絞ることによって、超臨界膨張ター
ビン５へ流れるガスｔＸｋｋが減り、タービンの回転数
が減少して、タービンの寒冷発生量は小さくなる。これ
により、超臨界膨張タービン５の出口温度は上昇して、
ヘチウムが液化する臨界温度（Ｔｃ＝５．２°Ｋ〉より
もタービン出口温度が上昇する。ここで制御器１９に超
臨界膨張タービン５の設計温度Ｔ２　　を設定しておけ
ば、人口弁４を調整して出口温度Ｔ２を設計濃度Ｔｄに
近づくように制御することもできる。

また、制御器１９によって入口弁４および出口弁７を閉
じ、Ｎ２ＪＴ弁１４を開とすることにより、前記一実施
例と同様に超臨界膨張タービン５を切り離しても運転を
継続できる。

以上述べたように本実施例によれば入口弁を制御するこ
とによって、前記一実施例と同様に容易に超臨界膨張タ
ービン内でヘリウムガスの液化を防止させる効果があり
、タービンａ口温度を容易に設計１１度に制御できる効
果もある。また、タービン故障時でもヘリウムの液化運
転を効率良く継続できる効果がある。

なお、これらｌないし３の実施例では、超臨界ＩＩｌ張
タービン５近傍の入口弁４．出口弁７または第２ＪＴ弁
１４を調整して、超臨界膨強タービン５での液化を防止
するようにしているが、第４図に示すように、９Ｊ５熱
交換器１１よりも上流側、例えば、圧縮横加の吐出側か
らの常温・高圧のヘリウムガスの一部を分岐し、弁路な
介して超臨界膨張タービン５の入口部につなげ、制御器
１９によって弁路を制御するようにしても良い。この場
合は、液化しそうになれば弁路を開く方向に制御して、
高い温度のヘリウムガスを超臨界膨張タービン５に与え
ることによって出口温度Ｔ２を液化温度Ｔよりも高くす
る。

また、第５図に示すように、圧縮横加の吐出側に設けら
れた冷凍機人口弁器を制御器１９によって制御するよう
にしても良い。この場合は、液化しそうになれば冷凍機
人口弁器を絞る方向に制御して、冷凍機全体の流量を減
じて超臨界膨張タービン５での寒冷発生量を減少させる
ことによって、出口温度Ｔ２を液化温度Ｔよりも高くす
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、超臨界膨張タービンで液化が生じよう
とした場合でも、タービンの出口圧力を大きくあるいは
タービンの寒冷発生量を低下させることができるので、
タービン内での液化を防止することができ、膨張タービ
ンの安定した運転を行なうことができる効果がある。

また、超臨界ｊｉＩＩＩＮタービンの休止時でも、冷凍
機を停止させることなくバイパス回路を介して効率の良
い運転を＃続す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冷凍装置を示す
系統図、１１２図ないし８５図は本発明のその他の実施
例を示す系統図である。 ４・・−・・入口弁、５・・・・・・超臨界膨張タービ
ン、７・・−・・出口弁、１３・・・・・・バイパス配
管、１４・・・・・・１１２ＪＴ弁、１７・・−・・圧
力検出器、迅・・−・・温度検出器、１９ｙ 第 ５ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、膨張弁の上流側に膨張タービンを有する極低温冷凍
   装置において、前記膨張タービンの出入口側にそれぞれ
   弁を設けるとともに、該入口側の弁の上流側と該出口側
   の弁の下流側とを連通するバイパス流路を設け、該バイ
   パス流路に弁を設けたことを特徴とする極低温冷凍装置
   。 ２、前記バイパス流路に設けた弁は膨張弁である請求項
   １記載の極低温冷凍装置。 ３、請求項１記載の極低温冷凍装置において、前記膨張
   タービンの出口側に圧力検出器と温度検出器とを設け、
   該両検出器からの信号を受けて前記膨張弁、前記バイパ
   スラインの弁、前記出口側の弁、前記入口側の弁または
   前記入口側の弁よりも上流側の弁のいずれかを制御する
   制御手段を設けた極低温冷凍装置。 ４、請求項１記載の極低温冷凍装置において、前記入口
   側の弁よりも上流側で比較的温度の高い冷媒ガスを前記
   膨張タービンに供給する手段を設けるとともに、前記膨
   張タービンの出口側に圧力検出器と温度検出器とを設け
   、該両検出器からの信号を受けて前記手段の供給量を制
   御する手段を設けた極低温冷凍装置。 ５、膨張弁の上流側に膨張タービンを有する極低温冷凍
   装置の運転方法において、前記膨張タービンをバイパス
   するラインに弁を設けて、前記膨張タービンへ供給され
   る冷媒ガスの全部または一部を前記弁を介して前記膨張
   弁に供給することを特徴とする極低温冷凍装置の運転制
   御方法。 ６、膨張弁の上流側に膨張タービンを有する極低温冷凍
   装置の運転方法において、前記膨張タービン出口側の圧
   力および温度によって前記膨張タービンの冷媒流量を調
   整することを特徴とする極低温冷凍装置の運転制御方法
   。