JPH05223380A - 極低温冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】種々の運転モードに熱力学的効率良く対応てき
る極低温冷却装置を提供することを目的とする。 【構成】冷却段階と予冷段階とに切り替え使用する膨張
タービンを設け、さらに又、可変容量式膨張タービンを
採用した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超伝導機器の冷却等に
用いられる極低温冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】極低温冷却装置（例えば、ヘリウム冷凍
装置）では、特開平２−１４３０５７号公報に記載され
ているように、運転モードとして大きく分けると液化運
転と冷凍運転があり、各運転モードで適正な熱力学的効
率を得るためには予冷段階で必要とする寒冷量と、冷却
段階に導入する高圧流に非常に大きな相異が生じる。即
ち、液化運転では予冷段階で必要とする寒冷量が大きく
冷却段階に導入する高圧流は少ないのに対し、冷凍運転
時には予冷段階で必要とする寒冷量は小さく冷却段階に
導入する高圧流は多くする必要がある。上記の従来技術
では、各運転モードに対応した膨張タービンを並置し、
運転モードで切り替えていた。

【０００３】冷却段階に膨張タービンを使用した従来技
術としては、特開昭６１−３１８７１号公報がある。一
般的に、特開昭６１−３１８７１号公報のように冷却段
階に膨張タービンを使用すれば熱力学的効率が大幅に向
上することは知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記、第１の従来技術
では、各膨張タービンが複数台必要であるため、装置が
大きくなると共にコストも増大するという欠点があっ
た。

【０００５】上記、第２の従来技術では、膨張タービン
が固定使用のため、種々の運転モードに熱力学的効率良
く対応できないという欠点があった。

【０００６】本発明の目的は、種々の運転モードに熱力
学的に効率良く対応できる極低温冷却装置を提供するこ
とにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記、目的を達成するた
めに、予冷段階と冷却段階とに切り替え運転できる膨張
タービンを設けた。さらに、可変容量式膨張タービンを
使用することにより、中間の運転モードでも熱力学的効
率良く対応できるようにした。さらに、又、冷却段階で
運転する膨張タービンの異常時も極低温冷却装置の運転
が可能とした。

【０００８】

【作用】極低温冷却装置においては、複数の熱交換器と
複数の膨張タービンを含む予冷段階で、複数の膨張ター
ビンを主要な寒冷発生源として冷却段階に送る高圧流を
予冷する。冷却段階に導入された上記の高圧流は、複数
の熱交換器を介して低圧ガス流と熱交換して冷却される
と共に、膨張タービンで寒冷を発生し、最終的にはＪＴ
弁で断熱膨張し、少くても或る程度の液化ガスを生じ
る。このような極低温冷却装置としてヘリウム冷凍装置
を例とした熱バランス検討の結果、予冷段階の膨張ター
ビンへ導入する流量と、冷却段階の膨張タービンに導入
する流量に関し、液化運転と冷凍運転とで共に適正な熱
力学的効率を確保するためには以下のような条件が必要
なことが判明した。即ち、液化運転時の流量配分は２：
１（予冷段階：冷却段階）に対し、冷凍運転時には１：
２程度が必要である。

【０００９】さらに又、液化運転時の冷却段階の膨張タ
ービンは、一般で十分高い熱力学的効率が得られるのに
対し、冷凍運転時には二段膨張タービン方式かせより高
効率になることが判明した。

【００１０】次に、膨張タービンの作用について説明す
る。膨張タービンは、高圧ガス流をノズルで膨張させて
高速流体とし、翼車に導入して、翼車内でさらに膨張さ
せながら翼車に回転仕事を遂行させ寒冷を発生する。こ
のような膨張タービンの機構により、異なるプロセス条
件（流量，圧力，温度）で使用できるかどうかは第１に
ノズルの条件により決定される。熱バランス検討の結
果、冷凍運転時に冷却段階で使用する膨張タービンは、
予冷段階の膨張タービンとして使用できることが判明し
た。

【００１１】従って、液化運転時には、冷凍運転時の冷
却段階の膨張タービンを予冷段階の膨張タービンとして
切り替え使用し、冷却段階には液化運転用の膨張タービ
ンを設けることにより、最少限の膨張タービンにより液
化運転及び冷凍運転で共に熱力学的高効率を達成するこ
とができる。

【００１２】さらに又、可変容量式膨張タービンを採用
することにより、中間の運転条件でも比較的高い熱力学
的効率を得ることができる。

【００１３】さらに又、冷却段階で使用する膨張タービ
ンにバイパス弁を並置することによって、冷却段階の膨
張タービン異常時にも、該当バイパス弁を使用すること
で極低温冷却装置の運転を続行できる。

【００１４】

【実施例】以下、発明の一実施例を図１に説明する。

【００１５】図１は、予冷段階Ｉ，冷却段階II及び消費
体２０を含む。

【００１６】最初に冷凍運転時について説明する。

【００１７】予冷段階Ｉは、圧縮機（図示省略）から高
圧ガスライン８で供給された高圧ガス流を予冷段階の第
１の熱交換器１で低圧ガス流、及び補助寒冷源である液
体窒素の供給ライン１０から供給される窒素と熱交換し
冷却され、引き続き、予冷段階の第２の膨張タービンラ
インと液化ラインに分流される。膨張タービンラインに
分流されたガスは、予冷段階の第１の膨張タービン６で
仕事の遂行により寒冷を発生し中間圧力まで膨張し、予
冷段階の第４の熱交換器４で冷却された後、予冷段階の
第２の膨張タービン７で仕事の遂行により寒冷を発生し
低圧まで膨張し低圧ガス流となる。液化ラインに分流し
たガスは、予冷段階の第３，第４，第５の熱交換器３，
４，５で順次冷却され、予冷温度の高圧ガス流として冷
却段階IIに供給される。

【００１８】冷却段階IIに供給された高圧ガス流は、冷
却段階の第１の熱交換器１１で低圧ガス流と熱交換し冷
却されて、冷却段階の第１の膨張タービン１４で仕事の
遂行により寒冷を発生し、第１の中間圧力まで膨張し、
冷却段階の第２の熱交換器１２で冷却された後、冷却段
階の第２の膨張タービン１５で仕事の遂行により寒冷を
発生し第２の中間圧力まで膨張し、冷却段階の第３の熱
交換器１３で冷却されて膨張弁１７に至り、液化圧力に
膨張される。その結果生じたガスと液体は極低温の使用
を可能とする消費体２０に供給される。以上の冷凍運転
においては、予冷段階の膨張タービンに流す流量と、冷
却段階に供給する予冷温度の高圧ガス流量との関係は、
略１：２となっている。

【００１９】次に、液化運転時について説明する。

【００２０】液化運転で冷却運転と同様な熱力学的高効
率を得るためには、予冷段階の膨張タービンで発生する
寒冷量をほぼ２倍にする必要がある。一方、冷却段階に
導入する予冷温度の高圧ガス流はほぼ半分で良い。ま
た、冷却段階の膨張タービンは一段で第２の中間圧力ま
で膨張させることで、十分高い熱力学的効率が得られ
る。 液化運転時は、冷却段階の第１及び第２の膨張タ
ービン１４，１５の出入口弁３３，３４，３７，３８は
閉止し、切り替え弁３１，３２，３５，３６を開し、膨
張タービン１４，１５を予冷段階の膨張タービンとして
使用する。冷却段階の液化運転時の膨張タービンとして
は、第３の膨張タービン１６を使用する。

【００２１】次に、中間の運転モードに熱力学的効率良
く対応するためには、可変容量式膨張タービンを採用す
るのが非常に有効である。また、第１図のように膨張タ
ービンを直列に接続した場合には、例えば常温からの初
期運転時のように熱バランスが大きく異なる運転条件時
に、両膨張タービンに最大の負荷がかけられるように、
後流側膨張タービン入口圧力を上流側の可変容量式膨張
タービンの容量制御で制御するのは有効である。

【００２２】図１の４１，４２は冷却段階の膨張タービ
ンのバイパス弁である。冷却段階の膨張タービンは、熱
力学的効率を高める上で非常に重要であるが、装置の運
転のための必須条件ではない。従って、冷却段階の膨張
タービンと並列にバイパス弁を設置することは、装置の
最少限の運転続行を可能とする上で非常に重要である。

【００２３】また、上記の膨張タービンの切り替え、可
変容量式膨張タービンの容量制御を装置の運転モードに
対応し、自動的に行う制御装置を設けることは、運転制
御を容易にする上で有効なことは言うまでもない。

【００２４】本実施例によれば、最少限の膨張タービン
で種々の運転モードに熱力学的効率良く対応できるとい
う効果がある。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、冷却段階と予冷段階と
に切り替え使用する膨張タービンを設け、さらに又、可
変容量式膨張タービンを採用することによって、最少限
の膨張タービンで種々の運転モードに熱力学的効率良く
対応できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す系統図である。

【符号の説明】

Ｉ…予冷段階、II…冷却段階、１〜５及び１１〜１３…
熱交換器、６，７，１４〜１６…膨張タービン、１７…
膨張弁、２０…消費体、４１，４２…バイパス弁。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】予冷温度で高圧ガス流を作るために複数の
   熱交換器と複数の膨張タービンとを含む予冷段階と、こ
   の高圧流を液化ガス温度の近くになるように冷却するた
   めに複数の熱交換器と複数の膨張タービンを含む冷却段
   階と、前記冷却段階から少くとも或る程度の液化ガスを
   受け、且つ、低温ガス流を前記冷却段階に再循環するた
   めの極低温消費体とを有する極低温冷却段階とに切り替
   え運転可能に構成したことを特徴とする極低温冷却装
   置。
2. 【請求項２】２台の膨張タービンを予冷段階と冷却段階
   とに切り替え運転可能にしたことを特徴とする請求項１
   記載の極低温冷却装置。
3. 【請求項３】少くとも１台の膨張タービンとして可変容
   量式膨張タービンを用いたことを特徴とする請求項１及
   び請求項２記載の極低温冷却装置。
4. 【請求項４】直列に接続された膨張タービンで少くとも
   上流側の膨張タービンを可変容量式膨張タービンとし、
   後流側膨張タービン入口圧力を上流側の可変容量式膨張
   タービンの容量制御で制御することを特徴とする請求項
   ３記載の極低温冷却装置。
5. 【請求項５】冷却段階で運転される膨張タービンと並列
   にバイパス弁を設置したことを特徴とする請求項１及至
   請求項４記載の極低温冷却装置。
6. 【請求項６】装置の運転モードに対応し、予冷段階と冷
   却段階との膨張タービン切り替え運転，及び可変容量式
   膨張タービンの容量制御を自動的に行うようにしたこと
   を特徴とする請求項１及至請求項５記載の極低温冷却装
   置。