JPH04302955A - 極低温冷凍機 - Google Patents
極低温冷凍機Info
- Publication number
- JPH04302955A JPH04302955A JP6436091A JP6436091A JPH04302955A JP H04302955 A JPH04302955 A JP H04302955A JP 6436091 A JP6436091 A JP 6436091A JP 6436091 A JP6436091 A JP 6436091A JP H04302955 A JPH04302955 A JP H04302955A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- expansion turbine
- line
- inlet
- expansion
- valve
- Prior art date
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- Pending
Links
- 238000001816 cooling Methods 0.000 abstract description 6
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 9
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 9
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 7
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 230000005856 abnormality Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
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- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 1
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
- F25B2400/14—Power generation using energy from the expansion of the refrigerant
- F25B2400/141—Power generation using energy from the expansion of the refrigerant the extracted power is not recycled back in the refrigerant circuit
Landscapes
- Control Of Turbines (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は直列に複数個接続した膨
張タービンを有する極低温冷凍機に関する。
張タービンを有する極低温冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】極低温冷凍機、例えばヘリウム冷凍機で
は、予冷時等の過渡的な状態では定常時と大きく異なっ
た運転条件となる。
は、予冷時等の過渡的な状態では定常時と大きく異なっ
た運転条件となる。
【０００３】寒冷発生源である膨張タービンに制動手段
の制動能力を越えた負荷がかからないように、膨張ター
ビン入口圧力を制御する必要が有るが、直列に複数個接
続した膨張タービンの場合、従来の装置では膨張タービ
ン入口弁が上段膨張タービンにしかないため、予冷時に
過大な負荷がかかり易い下段膨張タービンの入口圧力を
上段膨張タービン入口弁で制御していた。
の制動能力を越えた負荷がかからないように、膨張ター
ビン入口圧力を制御する必要が有るが、直列に複数個接
続した膨張タービンの場合、従来の装置では膨張タービ
ン入口弁が上段膨張タービンにしかないため、予冷時に
過大な負荷がかかり易い下段膨張タービンの入口圧力を
上段膨張タービン入口弁で制御していた。
【０００４】この種の装置として関連するものには例え
ば、特公平１−３６０３１号公報がある。
ば、特公平１−３６０３１号公報がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、予冷
時等の過渡的な運転に対し配慮されておらず、例えば、
二段直列膨張タービンの場合、下段膨張タービンに合わ
せて上段膨張タービン入口弁を制御するため、上段膨張
タービンが発生し得る最大寒冷発生ができないという問
題があった。尚、膨張タービンの最適運転条件は、膨張
タービンの制動手段の制動能力に制約された中での最大
寒冷発生と、極低温冷凍機の予冷能力を最大にするため
の条件とがあり、各々を適正に制御することが課題とな
る。
時等の過渡的な運転に対し配慮されておらず、例えば、
二段直列膨張タービンの場合、下段膨張タービンに合わ
せて上段膨張タービン入口弁を制御するため、上段膨張
タービンが発生し得る最大寒冷発生ができないという問
題があった。尚、膨張タービンの最適運転条件は、膨張
タービンの制動手段の制動能力に制約された中での最大
寒冷発生と、極低温冷凍機の予冷能力を最大にするため
の条件とがあり、各々を適正に制御することが課題とな
る。
【０００６】本発明の第１の目的は、直列に接続された
複数の膨張タービンのそれぞれの寒冷発生を最大にでき
る極低温冷凍機を提供することにある。
複数の膨張タービンのそれぞれの寒冷発生を最大にでき
る極低温冷凍機を提供することにある。
【０００７】本発明の第２の目的は、直列に接続された
複数の膨張タービンを用いた装置において、予冷能力を
最大にすることのできる極低温冷凍機を提供することに
ある。
複数の膨張タービンを用いた装置において、予冷能力を
最大にすることのできる極低温冷凍機を提供することに
ある。
【０００８】本発明の第３の目的は、予冷時等の過渡的
運転時の運転効率を向上させることのできる極低温冷凍
機を提供することにある。
運転時の運転効率を向上させることのできる極低温冷凍
機を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、直列に接続した膨張タービンの接続ラインに
分岐ラインを設けたものである。
るために、直列に接続した膨張タービンの接続ラインに
分岐ラインを設けたものである。
【００１０】上記第２の目的を達成するために、直列に
接続した膨張タービンの接続ラインの下段膨張タービン
の入口側に該部分の温度よりも高い温度レベルの作動ガ
スが合流する合流ラインを設けたものである。
接続した膨張タービンの接続ラインの下段膨張タービン
の入口側に該部分の温度よりも高い温度レベルの作動ガ
スが合流する合流ラインを設けたものである。
【００１１】上記第３の目的を達成するために、膨張タ
ービン間の接続ラインに分岐ラインを設け、下段膨張タ
ービンの入口側に該部分の温度よりも高い温度レベルの
膨張ラインからの作動ガスが合流する合流ラインを設け
たものである。
ービン間の接続ラインに分岐ラインを設け、下段膨張タ
ービンの入口側に該部分の温度よりも高い温度レベルの
膨張ラインからの作動ガスが合流する合流ラインを設け
たものである。
【００１２】
【作用】膨張タービンは、高圧ガスをノズルから中間圧
力まで膨張させることによって高速ガスとしてロータ内
に導入し、ロータ内で出口圧力まで膨張しながらロータ
に回転仕事をさせることによって温度降下し寒冷を発生
する機器である。ロータが生じる動力は、回転体に付属
する制動手段（例えば、ファンブレーキ）で吸収し、過
回転等の異常が発生しないようになっている。このよう
な膨張タービンの機構的条件によって、膨張タービンに
は下記のような特性がある。 （１）流量は、ノズルの条件によって、入口圧力に比例
し、入口温度の０．５乗に反比例する。 （２）効率は、ロータの周速度と、理論的エネルギー落
差から決まる理論速度の比から決まる。 （３）理論的エネルギー落差は、入口温度と膨張比から
決まる。 （４）ファンブレーキの制動能力は回転数の３乗に比例
する。
力まで膨張させることによって高速ガスとしてロータ内
に導入し、ロータ内で出口圧力まで膨張しながらロータ
に回転仕事をさせることによって温度降下し寒冷を発生
する機器である。ロータが生じる動力は、回転体に付属
する制動手段（例えば、ファンブレーキ）で吸収し、過
回転等の異常が発生しないようになっている。このよう
な膨張タービンの機構的条件によって、膨張タービンに
は下記のような特性がある。 （１）流量は、ノズルの条件によって、入口圧力に比例
し、入口温度の０．５乗に反比例する。 （２）効率は、ロータの周速度と、理論的エネルギー落
差から決まる理論速度の比から決まる。 （３）理論的エネルギー落差は、入口温度と膨張比から
決まる。 （４）ファンブレーキの制動能力は回転数の３乗に比例
する。
【００１３】上記のような膨張タービンの特性に基づい
た具体的例について、以下に説明する。 二段直列膨張タービンを例とし、定常運転条件上段
１６ → ６ａｔｍ， 入
口温度 ４０Ｋ 下段 ６ → １．２ａｔｍ，
入口温度 １５Ｋ の極低温冷凍機で、予冷開始直後（３００Ｋ）の条件に
ついて示す。尚、最大回転数は定常条件の１０％増とす
る。従来装置の場合は、 上段 ８ → ５ａｔｍ下
段 ５ → １．２ａｔｍで、寒冷
発生量は、定常条件の８０％となる。本発明の場合は、 上段 １３ → ５ａｔｍ下段
５ → １．２ａｔｍで、寒冷発
生量は、定常条件の１３０％となり、従来装置の１．６
倍となる。
た具体的例について、以下に説明する。 二段直列膨張タービンを例とし、定常運転条件上段
１６ → ６ａｔｍ， 入
口温度 ４０Ｋ 下段 ６ → １．２ａｔｍ，
入口温度 １５Ｋ の極低温冷凍機で、予冷開始直後（３００Ｋ）の条件に
ついて示す。尚、最大回転数は定常条件の１０％増とす
る。従来装置の場合は、 上段 ８ → ５ａｔｍ下
段 ５ → １．２ａｔｍで、寒冷
発生量は、定常条件の８０％となる。本発明の場合は、 上段 １３ → ５ａｔｍ下段
５ → １．２ａｔｍで、寒冷発
生量は、定常条件の１３０％となり、従来装置の１．６
倍となる。
【００１４】次に、極低温冷凍機の発生する予冷能力に
ついて説明する。膨張タービンは、入口温度が高いほど
寒冷発生量が大きくなるが、上段膨張タービンと下段膨
張タービンは高性能な熱交換器を介して接続されている
ため、下段膨張タービンが先行して温度が降下していく
。一方、被冷却体は一般的に冷却速度が遅いため、供給
する冷媒温度をそれほど低くする必要がない。従って、
下段膨張タービン入口温度を適正に保持するために高温
側からの合流ラインを設けることにより、更に効率的な
システムを構成できる。
ついて説明する。膨張タービンは、入口温度が高いほど
寒冷発生量が大きくなるが、上段膨張タービンと下段膨
張タービンは高性能な熱交換器を介して接続されている
ため、下段膨張タービンが先行して温度が降下していく
。一方、被冷却体は一般的に冷却速度が遅いため、供給
する冷媒温度をそれほど低くする必要がない。従って、
下段膨張タービン入口温度を適正に保持するために高温
側からの合流ラインを設けることにより、更に効率的な
システムを構成できる。
【００１５】
【実施例】以下、本発明の一実用例を図１により説明す
る。図１において、１は高圧入口ライン，２は低圧出口
ライン，１０は極低温冷凍機，１１ａ〜１１ｅは熱交換
器，１２ａ，１２ｂは膨張タービン，１３は膨張タービ
ン入口弁，１４はＪＴ弁，１５は分岐弁，１６は合流弁
，２０は被冷却体である。次に上記のように構成された
本実施例の動作について説明する。高圧入口ライン１か
ら供給された高圧ヘリウムは、第１の熱交換器１１ａで
低圧ヘリウムと熱交して温度降下し、膨張タービンライ
ンとＪＴラインに分かれ、膨張タービンラインのヘリウ
ムは、膨張タービン入口弁１３を通り、上段膨張タービ
ン１２ａで寒冷を発し、第３の熱交換器１１ｃで冷却さ
れた後、下段膨張タービン１２ｂで寒冷を発生して低圧
ラインに合流する。ＪＴラインのヘリウムは、第２〜第
５の熱交換器１１ｂ〜１１ｅで冷却された後、ＪＴ弁１
４で断熱膨張して被冷却体２０に供給される。被冷却体
２０を冷却したヘリウムは、極低温冷凍機１０に戻り、
第５〜第１の熱交換器で寒冷回収された後、低圧ライン
２を通りヘリウム圧縮機（図示省略）に戻る。
る。図１において、１は高圧入口ライン，２は低圧出口
ライン，１０は極低温冷凍機，１１ａ〜１１ｅは熱交換
器，１２ａ，１２ｂは膨張タービン，１３は膨張タービ
ン入口弁，１４はＪＴ弁，１５は分岐弁，１６は合流弁
，２０は被冷却体である。次に上記のように構成された
本実施例の動作について説明する。高圧入口ライン１か
ら供給された高圧ヘリウムは、第１の熱交換器１１ａで
低圧ヘリウムと熱交して温度降下し、膨張タービンライ
ンとＪＴラインに分かれ、膨張タービンラインのヘリウ
ムは、膨張タービン入口弁１３を通り、上段膨張タービ
ン１２ａで寒冷を発し、第３の熱交換器１１ｃで冷却さ
れた後、下段膨張タービン１２ｂで寒冷を発生して低圧
ラインに合流する。ＪＴラインのヘリウムは、第２〜第
５の熱交換器１１ｂ〜１１ｅで冷却された後、ＪＴ弁１
４で断熱膨張して被冷却体２０に供給される。被冷却体
２０を冷却したヘリウムは、極低温冷凍機１０に戻り、
第５〜第１の熱交換器で寒冷回収された後、低圧ライン
２を通りヘリウム圧縮機（図示省略）に戻る。
【００１６】次に、予冷運転時の膨張タービン１２ａ，
１２ｂの制御について説明する。下段膨張タービン１２
ｂの入口温度は、極低温冷凍機１０の運転状態（例えば
、ＪＴ弁１４の入口温度、及び入口温度降下速度）によ
って、膨張タービン入口弁１３の一次側から分岐した合
流ラインを介し、合流弁１６によって制御される。下段
膨張タービン１２ｂの入口圧力は、入口温度、及び膨張
比により決まる発生動力が制動手段（図示省略）の制動
能力を越えないように分岐ラインを介して分岐弁１５で
制御される。上段膨張タービン１２ａ入口圧力は、下段
膨張タービン１２ｂと同様に、制動手段の制動能力を越
えないように膨張タービン入口弁１３によって制御され
る。本実施例によれば、予冷時等の過渡的運転時に膨張
タービンの寒冷発生量を最大にできると共に、膨張ター
ビンの入口温度を適正に制御できるため、過渡的運転効
率が大巾に改善される効果がある。
１２ｂの制御について説明する。下段膨張タービン１２
ｂの入口温度は、極低温冷凍機１０の運転状態（例えば
、ＪＴ弁１４の入口温度、及び入口温度降下速度）によ
って、膨張タービン入口弁１３の一次側から分岐した合
流ラインを介し、合流弁１６によって制御される。下段
膨張タービン１２ｂの入口圧力は、入口温度、及び膨張
比により決まる発生動力が制動手段（図示省略）の制動
能力を越えないように分岐ラインを介して分岐弁１５で
制御される。上段膨張タービン１２ａ入口圧力は、下段
膨張タービン１２ｂと同様に、制動手段の制動能力を越
えないように膨張タービン入口弁１３によって制御され
る。本実施例によれば、予冷時等の過渡的運転時に膨張
タービンの寒冷発生量を最大にできると共に、膨張ター
ビンの入口温度を適正に制御できるため、過渡的運転効
率が大巾に改善される効果がある。
【００１７】更に又、定常運転時においても、被冷却体
の熱負荷が急上昇し、保持されていた液体ヘリウムが急
蒸発して下段膨張タービン温度が急低下しそうになった
場合、合流ラインから比較的高温のヘリウムを供給する
ことによって、下段膨張タービン温度低下によってロー
タ内に液体ヘリウムが生成することによるトラブルを防
止できるという効果もある。
の熱負荷が急上昇し、保持されていた液体ヘリウムが急
蒸発して下段膨張タービン温度が急低下しそうになった
場合、合流ラインから比較的高温のヘリウムを供給する
ことによって、下段膨張タービン温度低下によってロー
タ内に液体ヘリウムが生成することによるトラブルを防
止できるという効果もある。
【００１８】
【発明の効果】本発明によれば、予冷時等の過渡的運転
時に膨張タービンの寒冷発生量を最大にできると共に、
膨張タービンの入口温度を適正に制御できるため、過渡
的運転効率を向上できるという効果がある。
時に膨張タービンの寒冷発生量を最大にできると共に、
膨張タービンの入口温度を適正に制御できるため、過渡
的運転効率を向上できるという効果がある。
【図１】本発明の一実施例の極低温冷凍機を示す系統図
である。
である。
１０…極低温冷凍機、１１ａないし１１ｅ…熱交換器、
１２ａおよび１２ｂ…膨張タービン、１３…膨張タービ
ン入口弁、１４…ＪＴ弁、１５…分岐弁、１６…合流弁
。
１２ａおよび１２ｂ…膨張タービン、１３…膨張タービ
ン入口弁、１４…ＪＴ弁、１５…分岐弁、１６…合流弁
。
Claims (3)
- 【請求項１】多段の熱交換器と、直列に接続された複数
の膨張タービンを有する極低温冷凍機において、前記膨
張タービン間の接続ラインから分岐し略同温レベルの戻
りラインに合流する分岐ラインを設けたことを特徴とす
る極低温冷凍機。 - 【請求項２】多段の熱交換器と、直列に接続された複数
の膨張タービンを有する極低温冷凍機において、下段膨
張タービンの入口側温度よりも高い温度レベルの作動ガ
スが下段側の膨張タービン入口側に合流する合流ライン
を設けたことを特徴とする極低温冷凍機。 - 【請求項３】多段の熱交換器と、直列に接続された複数
の膨張タービンを有する極低温冷凍機において、前記膨
張タービン間の接続ラインに分岐ラインを設け、上段側
の膨張タービン入口側から分岐し下段側の膨張タービン
入口側に合流する合流ラインを設けたことを特徴とする
極低温冷凍機。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6436091A JPH04302955A (ja) | 1991-03-28 | 1991-03-28 | 極低温冷凍機 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6436091A JPH04302955A (ja) | 1991-03-28 | 1991-03-28 | 極低温冷凍機 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04302955A true JPH04302955A (ja) | 1992-10-26 |
Family
ID=13256018
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6436091A Pending JPH04302955A (ja) | 1991-03-28 | 1991-03-28 | 極低温冷凍機 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04302955A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007006684A (ja) * | 2005-06-27 | 2007-01-11 | Ebara Corp | 発電装置 |
-
1991
- 1991-03-28 JP JP6436091A patent/JPH04302955A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007006684A (ja) * | 2005-06-27 | 2007-01-11 | Ebara Corp | 発電装置 |
| JP4684762B2 (ja) * | 2005-06-27 | 2011-05-18 | 株式会社荏原製作所 | 発電装置 |
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