JPH05248761A - 冷凍液化機 - Google Patents

冷凍液化機

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JPH05248761A
JPH05248761A JP8265392A JP8265392A JPH05248761A JP H05248761 A JPH05248761 A JP H05248761A JP 8265392 A JP8265392 A JP 8265392A JP 8265392 A JP8265392 A JP 8265392A JP H05248761 A JPH05248761 A JP H05248761A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ターボ圧縮機を用い且つ膨張タービンに生じ
る回転力を有効利用することが可能な冷凍液化機を提供
する。 【構成】 ターボ型常温圧縮機Ｃ1により圧縮されたガ
スは、第１の熱交換器Ｈ1、第１の膨張タービンＴ1、第
２の熱交換器Ｈ2、第２の膨張タービンＴ2、第３の熱交
換器Ｈ3、第３の膨張タービンＴ3により順次冷却され
る。このとき、第１の膨張タービンＴ1、第２の膨張タ
ービンＴ2は、第１のターボ型低温圧縮機Ｃ2、第２のタ
ーボ型低温圧縮機Ｃ3を駆動し、第１のターボ型低温圧
縮機Ｃ2、第２のターボ型低温圧縮機Ｃ3によって、第２
の熱交換器Ｈ2、第３の熱交換器Ｈ3に流入するガスの圧
力が順次上昇する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は冷凍液化機に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】図３は従来の冷凍液化機の一例を示すも
ので、Ｃは液化すべきヘリウムガスを常温圧縮する図示
しない中間及び出口ガス冷却器をもつ給油式常温圧縮
機、Ｈ1は一次流路の入口が前記常温圧縮機Ｃの流体出
口に流路１を介して接続された第１の熱交換器、Ｈ2は
一次流路の入口が前記第１の熱交換器Ｈ1の一次流路の
出口に流路２を介して接続された第２の熱交換器、Ｈ3
は一次流路の入口が前記第２の熱交換器Ｈ2の一次流路
の出口に流路３を介して接続された第３の熱交換器、Ｈ
4は一次流路の入口が前記第３の熱交換器Ｈ3の一次流路
の出口に流路４を介して接続された第４の熱交換器、Ｊ
は流体入口が前記第４の熱交換器Ｈ4の一次流路の出口
に流路５を介して接続した膨張弁（ジュールトムソン
弁）、７は流体入口が前記膨張弁Ｊの流体出口に流路６
を介して接続されたタンクである。
【０００３】８は前記流路６と第４の熱交換器Ｈ4の二
次流路の入口を接続する流路、９は第４の熱交換器Ｈ4
の二次流路の出口と第３の熱交換器Ｈ3の二次流路の入
口を接続する流路、１０は第３の熱交換器Ｈ3の二次流
路の出口と第２の熱交換器Ｈ2の二次流路の入口を接続
する流路、１１は第２の熱交換器Ｈ2の二次流路の出口
と第１の熱交換器Ｈ1の二次流路の入口を接続する流
路、１２は第１の熱交換器Ｈ1の二次流路の出口と前記
常温圧縮器Ｃの入口に接続された流路である。
【０００４】Ｔ1は前記流路２と第２の熱交換器Ｈ2の間
に接続された第１の膨張タービン、Ｔ2は前記流路３と
第３の熱交換器Ｈ3の間に接続された第２の膨張タービ
ン、Ｔ 3は前記流路４と第４の熱交換器Ｈ4の間に接続さ
れた第３の膨張タービンである。
【０００５】以下、図３に示す冷凍液化機の作動を、図
４の温度エントロピ線図を交えて説明する。
【０００６】ヘリウムガスを液化する際には、該ヘリウ
ムガスを常温圧縮機Ｃにより圧力が約０．８ＭＰａ程度
になるように常温（約３００Ｋ）で圧縮し、圧縮したヘ
リウムガスを流路１から第１の熱交換器Ｈ1の一次流路
へ流入させると、二次流路を流れるヘリウムガスと熱交
換して約１５０Ｋに冷却され、第１の熱交換器Ｈ1を出
たヘリウムガスの一部は、流路２から第１の膨張タービ
ンＴ1に流入し、残りのヘリウムガスは流路２から第２
の熱交換器Ｈ2の一次流路へ流入する。
【０００７】第１の膨張タービンＴ1に流入したヘリウ
ムガスは、断熱膨張により温度が低下し、温度が低下し
たヘリウムガスは、第２の熱交換器Ｈ2内の二次流路に
合流し、このヘリウムガスと、第２の熱交換器Ｈ2の一
次流路に流入したヘリウムガスとの間で熱交換が行われ
る。
【０００８】第２の熱交換器Ｈ2の一次流路に流入した
ヘリウムガスは二次流路を流れるヘリウムガスによって
冷却され、約８０Ｋで第２の熱交換器Ｈ2を出てその一
部は、流路３から第２の膨張タービンＴ2に流入し、残
りのヘリウムガスは流路３から第３の熱交換器Ｈ3の一
次流路へ流入する。
【０００９】第２の膨張タービンＴ2に流入したヘリウ
ムガスは、断熱膨張により温度が低下し、温度が低下し
たヘリウムガスは、第３の熱交換器Ｈ3内の二次流路に
合流し、このヘリウムガスと、第３の熱交換器Ｈ3の一
次流路に流入したヘリウムガスとの間で熱交換が行われ
る。
【００１０】第３の熱交換器Ｈ3の一次流路を出たヘリ
ウムガスは約３０Ｋに冷却され、その一部は、流路４か
ら第３の膨張タービンＴ3に流入し、残りのヘリウムガ
スは流路４から第４の熱交換器Ｈ4の一次流路に流入す
る。
【００１１】第３の膨張タービンＴ3に流入したヘリウ
ムガスは、断熱膨張により温度が低下し、温度が低下し
たヘリウムガスは、第４の熱交換器Ｈ4内の二次流路に
合流し、このヘリウムガスと、第４の熱交換器Ｈ4の一
次流路に流入したヘリウムガスとの間で熱交換が行われ
る。
【００１２】第４の熱交換器Ｈ4の一次流路に流入した
ヘリウムガスは、流路５を経て膨張弁Ｊにより膨張して
液化し、液化したヘリウムは流路６を経てタンク７に貯
留され、一方、膨張弁Ｊにより液化しなかったヘリウム
ガスは、流路８から第４の熱交換器Ｈ4の二次流路に流
入し、前述したように第３の熱交換器Ｈ3内で第３の膨
張タービンＴ3から出たヘリウムガスと合流し、このヘ
リウムガスと、前記第３の熱交換器Ｈ3から第４の熱交
換器Ｈ4の一次流路に流入したヘリウムガスとの間で熱
交換が行われ、第４の熱交換器Ｈ4の一次流路に流入し
たヘリウムガスの温度が極低温に低下する。
【００１３】更に、二次流路のヘリウムガスは、流路
９、第３の熱交換器Ｈ3の二次流路、流路１０、第２の
熱交換器Ｈ2の二次流路、流路１１、第１の熱交換器Ｈ1
の二次流路を経て流路１２から回収され、再び常温圧縮
機Ｃにより圧縮され、上述したサイクルが繰り返される
ようになっている。
【００１４】前記第１の膨張タービンＴ1、第２の膨張
タービンＴ2、第３の膨張タービンＴ 3にヘリウムガスが
流入することにより生じる回転力は、図示されていない
発電機を駆動することにより電力に変換され、発生した
電力を熱として外部に捨てるか、あるいは、常温圧縮機
Ｃの駆動用動力に利用される。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】前述した常温圧縮機Ｃ
には、オイルフリー化に適したターボ圧縮機を用いるこ
とが好ましいが、ヘリウムガスのように、分子量が少な
く比重の小さな常温ガスは、動エネルギーを付与しても
圧力が上昇しにくく、また、ターボ圧縮機のインペラの
強度の点からインペラ周速が制限され、一段あたりの圧
力ヘッドを大きくすることができないため、常温圧縮機
Ｃにターボ圧縮機を用いようとすると、常温圧縮機Ｃに
用いるターボ圧縮機を極端な多段構造とする必要があ
り、現実的ではない。
【００１６】また、第１の膨張タービンＴ1、第２の膨
張タービンＴ2、第３の膨張タービンＴ3に生じる回転力
を熱に変換して捨てるのは効率的なことではない。
【００１７】更に、上記回転力を常温圧縮機Ｃの駆動用
動力として利用するのには、第１の膨張タービンＴ1、
第２の膨張タービンＴ2、第３の膨張タービンＴ3の回転
数が数万〜数十万ｒｐｍにも及ぶため、このような超高
速回転に対応できる精密な伝動減速装置を必要とし、装
置の保守点検が容易でないという問題がある。
【００１８】本発明は上述した実情に鑑みなしたもの
で、ターボ圧縮機を用い且つ膨張タービンに生じる回転
力を有効利用することが可能な冷凍液化機を提供するこ
とを目的としている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の冷凍液化機においては、液化すべきガスを
常温圧縮するターボ型常温圧縮機と、被冷却流体を通す
一次流路と冷却流体を通す二次流路を備えた複数の熱交
換器と、液化のための膨張弁と、液化流体を貯留するタ
ンクとを配設し、前記のターボ型常温圧縮機の流体出
口、一次流路、膨張弁、タンクを直列に接続するととも
に、前記の二次流路を直列に接続し、液化すべきガスの
流通方向最下流側に位置する熱交換器を除く他の熱交換
器の一次流路の出口と次段の熱交換器内の二次流路をそ
れぞれ膨張タービンを介して接続し、所要の膨張タービ
ンの回転軸にターボ型低温圧縮機の駆動軸を連結し、熱
交換器から膨張タービンに分流されなかったガスが前記
ターボ型低温圧縮機を介して前記ガスの流通方向下流側
の熱交換器の一次流路に流入し得るように構成し、前記
膨張弁の出口流路と液化すべきガスの流通方向最下流側
に位置する熱交換器の二次流路の入口とを接続してい
る。
【００２０】
【作用】ターボ型常温圧縮機により圧縮されたガスは、
各熱交換器及び膨張タービンにより順次冷却される。
【００２１】このとき、所定の膨張タービンは、ターボ
型低温圧縮機を駆動し、該ターボ型低温圧縮機によっ
て、液化すべきガスの圧力が順次上昇する。
【００２２】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説
明する。
【００２３】図１は本発明の冷凍液化機の一実施例を示
すもので、Ｃ1は液化すべきヘリウムガスを常温圧縮す
る図示しない中間及び出口ガス冷却器をもつターボ型常
温圧縮機、Ｈ1は一次流路の入口がターボ型常温圧縮機
Ｃ1の流体出口に流路１３を介して接続された第１の熱
交換器、Ｃ2は流体入口が第１の熱交換器Ｈ1の一次流路
の出口に流路１４を介して接続された第１のターボ型低
温圧縮機、Ｈ2は一次流路の入口が第１のターボ型低温
圧縮機Ｃ2の流体出口に流路１５を介して接続された第
２の熱交換器、Ｃ3は流体入口が第２の熱交換器Ｈ2の一
次流路の出口に流路１６を介して接続された第２のター
ボ型低温圧縮機、Ｈ3は一次流路の入口が第２のターボ
型低温圧縮機Ｃ3の流体出口に流路１７を介して接続さ
れた第３の熱交換器、Ｈ4は一次流路の入口が第３の熱
交換器Ｈ3の一次流路の出口に流路１８を介して接続さ
れた第４の熱交換器、Ｊは流体入口が第４の熱交換器Ｈ
4の一次流路の出口に流路１９を介して接続した膨張弁
（ジュールトムソン弁）、２１は膨張弁Ｊの流体出口に
流路２０を介して接続されたタンクである。
【００２４】２２は前記流路２０と第４の熱交換器Ｈ4
の二次流路の入口を接続する流路、２３は第４の熱交換
器Ｈ4の二次流路の出口と第３の熱交換器Ｈ3の二次流路
の入口を接続する流路、２４は第３の熱交換器Ｈ3の二
次流路の出口と第２の熱交換器Ｈ2の二次流路の入口を
接続する流路、２５は第２の熱交換器Ｈ2の二次流路の
出口と第１の熱交換器Ｈ1の二次流路の入口を接続する
流路、２６は第１の熱交換器Ｈ1の二次流路の出口と前
記ターボ型常温圧縮機Ｃ1の入口に接続された流路であ
る。
【００２５】Ｔ1は前記流路１４と第２の熱交換器Ｈ2の
間に接続された第１の膨張タービン、Ｔ2は前記流路１
６と第３の熱交換器Ｈ3の間に接続された第２の膨張タ
ービン、Ｔ3は前記流路１８と第４の熱交換器Ｈ4の間に
接続された第３の膨張タービンである。
【００２６】前記第１の膨張タービンＴ1の回転軸２７
には、第１のターボ型低温圧縮機Ｃ2の駆動軸２８が連
結され、また、第２の膨張タービンＴ2の回転軸２９に
は、第２のターボ型低温圧縮機Ｃ3の駆動軸３０が連結
されている。
【００２７】以下、本実施例の冷凍液化機の作動を図２
に示す温度エントロピ線図を交えて説明する。
【００２８】ヘリウムガスを液化する際には、該ヘリウ
ムガスをターボ型常温圧縮機Ｃ1により圧力が０．３Ｍ
Ｐａ程度になるように常温（約３００Ｋ）で圧縮し、圧
縮したヘリウムガスを流路１３から第１の熱交換器Ｈ1
の一次流路へ流入させると、前記の第１の熱交換器Ｈ1
の一次流路を通過したヘリウムガスの一部は流路１４か
ら第１の膨張タービンＴ1に流入し、残りのヘリウムガ
スは流路１４から第１のターボ型低温圧縮機Ｃ2及び流
路１５を経て第２の熱交換器Ｈ2の一次流路へ流入する
（第１の熱交換器Ｈ1の一次流路を通過したヘリウムガ
スの温度は約１５０Ｋ程度に低下している。）。
【００２９】第１の膨張タービンＴ1に流入したヘリウ
ムガスは断熱膨張により温度が低下し、温度が低下した
ヘリウムガスは、第２の熱交換器Ｈ2内の二次流路でこ
れとほぼ同温の箇所に合流し、この温度が低下したヘリ
ウムガスと、ターボ型低温圧縮機Ｃ2から第２の熱交換
器Ｈ2の一次流路に流入したヘリウムガスとの間で熱交
換が行われる。
【００３０】このとき、第１の膨張タービンＴ1に生じ
る回転力は、回転軸２７、駆動軸２８を介して第１のタ
ーボ型低温圧縮機Ｃ2に伝達され、該第１のターボ型圧
縮機Ｃ2が駆動される。
【００３１】第１のターボ型低温圧縮機Ｃ2に流入した
ヘリウムガスは、圧力が約０．５５ＭＰａ程度になるよ
うに圧縮され、流路１５を経て第２の熱交換器Ｈ2の一
次流路に流入する。
【００３２】第２の熱交換器Ｈ2の一次流路に流入し、
該一次流路を通過したヘリウムガスは約８０Ｋに冷却さ
れ、その一部は流路１６から第２の膨張タービンＴ2に
流入し、残りのヘリウムガスは流路１６から第２のター
ボ型低温圧縮機Ｃ3及び流路１７を経て第３の熱交換器
Ｈ3の一次流路へ流入する。
【００３３】第２の膨張タービンＴ2に流入したヘリウ
ムガスは断熱膨張により温度が低下し、温度が低下した
ヘリウムガスは、第３の熱交換器Ｈ3内の二次流路でこ
れとほぼ同温の箇所に合流し、このヘリウムガスと、第
３の熱交換器Ｈ3の一次流路に流入したヘリウムガスと
の間で熱交換が行われ、第３の熱交換器Ｈ3の一次流路
を通過したヘリウムガスの温度が約３０Ｋ程度に低下す
る。
【００３４】このとき、第２の膨張タービンＴ2に生じ
る回転力は、回転軸２９、駆動軸３０を介して第２のタ
ーボ型低温圧縮機Ｃ3に伝達され、該第２のターボ型低
温圧縮機Ｃ3が駆動される。
【００３５】第２のターボ型低温圧縮機Ｃ3に流入した
ヘリウムガスは、圧力が約０．８ＭＰａ程度になるよう
に圧縮される。
【００３６】第３の熱交換器Ｈ3の一次流路に流入し、
該一次流路を通過したヘリウムガスの一部は流路１８か
ら第３の膨張タービンＴ3に流入し、残りのヘリウムガ
スは流路１８から第４の熱交換器Ｈ4の一次流路に流入
する。
【００３７】第３の膨張タービンＴ3に流入したヘリウ
ムガスは断熱膨張により温度が低下し、温度が低下した
ヘリウムガスは、第４の熱交換器Ｈ4内の二次流路でこ
れとほぼ同温の箇所に合流し、この温度が低下したヘリ
ウムガスと、第４の熱交換器Ｈ4の一次流路に流入した
ヘリウムガスとの間で熱交換が行われ、第４の熱交換器
Ｈ4の一次流路を通過したヘリウムガスの温度は極低温
になる。
【００３８】一次流路を通過したヘリウムガスは、流路
１９を経て膨張弁Ｊにより膨張して液化し、液化したヘ
リウムは流路２０を経てタンク２１に貯留され、一方、
膨張弁Ｊにより液化しなかったヘリウムガスは、流路２
２から第４の熱交換器Ｈ4の二次流路に流入し、このヘ
リウムガスと、第４の熱交換器Ｈ4の一次流路に流入し
たヘリウムガスとの間で熱交換が行われる。
【００３９】更に、このヘリウムガスは、流路２３、第
３の熱交換器Ｈ3の二次流路、流路２４、第２の熱交換
器Ｈ2の二次流路、流路２５、第１の熱交換器Ｈ1の二次
流路を経て流路２６から回収され、再びターボ型常温圧
縮機Ｃ1により圧縮され、上述したサイクルが繰り返さ
れる。
【００４０】このように、本実施例の冷凍液化機では、
オイルフリー化に適したターボ型常温圧縮機Ｃ1、第１
のターボ型低温圧縮機Ｃ2、第２のターボ型低温圧縮機
Ｃ3によりヘリウムガスの圧力を順次昇圧させるので、
従来の給油式圧縮機に比べヘリウムガス中への油ガスの
混入がなく冷凍液化機の信頼性が向上する。
【００４１】更に、第１のターボ型低温圧縮機Ｃ2、第
２のターボ型低温圧縮機Ｃ3を、第１の膨張タービン
Ｔ1、第２の膨張タービンＴ2により駆動するので、第１
の膨張タービンＴ1、第２の膨張タービンＴ2に生じる回
転力を有効に利用することができる。
【００４２】一方、ガスの比重は絶対温度に対して反比
例する傾向を呈するため、圧縮機の一段あたりの圧力ヘ
ッドも絶対温度に反比例し、従って、ターボ型常温圧縮
機Ｃ 1、第１のターボ型低温圧縮機Ｃ2、第２のターボ型
低温圧縮機Ｃ3のインペラ周速を等しくすると、同じ圧
力ヘッドを得るのに必要な圧縮段数は、ターボ型常温圧
縮機Ｃ1の４に対し、第１のターボ型低温圧縮機Ｃ2では
２、第２のターボ型低温圧縮機Ｃ3では約１になる。
【００４３】よって、図３に示す従来の冷凍液化機の常
温圧縮機Ｃにおいて必要とされる圧縮段数に比べて、本
実施例では、ターボ型常温圧縮機Ｃ1、第１のターボ型
低温圧縮機Ｃ2、第２のターボ型低温圧縮機Ｃ3と合せて
前記常温圧縮機Ｃをターボ機に置換えた場合の７割程度
の圧縮段数でヘリウムガスを断熱膨張により液化させる
のに必要な圧力に昇圧させることができる。
【００４４】更に、第１のターボ型低温圧縮機Ｃ2、第
２のターボ型低温圧縮機Ｃ3の軸動力に比べて第１の膨
張タービンＴ1、第２の膨張タービンＴ2の軸動力が大き
い場合には、第１の膨張タービンＴ1、第２の膨張ター
ビンＴ2により発電機を駆動させて軸動力のアンバラン
スを補正するように構成すればよく、また、第１のター
ボ型低温圧縮機Ｃ2、第２のターボ型低温圧縮機Ｃ3の軸
動力に比べて第１の膨張タービンＴ1、第２の膨張ター
ビンＴ2の軸動力が小さい場合には、電動機により第１
のターボ型低温圧縮機Ｃ2、第２のターボ型低温圧縮機
Ｃ3を駆動するのに必要な軸動力を補助するように構成
すればよい。
【００４５】なお、本発明の冷凍液化機は、上述の実施
例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱
しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論で
ある。
【００４６】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の冷凍液化機
によれば、下記のような種々の優れた効果を奏し得る。
【００４７】（１）オイルフリー化に適したターボ型圧
縮機を用いるので、冷凍液化機の信頼性が向上する。
【００４８】（２）ターボ型低温圧縮機を膨張タービン
により駆動するので、膨張タービンに生じる回転力を有
効に利用することができる。
【００４９】（３）液化すべきガスを順次冷却しつつ昇
圧させるので、ターボ型低温圧縮機の圧縮段数を少なく
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷凍液化機の一実施例を示す概念図で
ある。
【図２】本発明の冷凍液化機の一実施例における温度エ
ントロピ線図である。
【図３】従来の冷凍液化機の一例を示す概念図である。
【図４】従来の冷凍液化機の一例における温度エントロ
ピ線図である。
【符号の説明】
２７，２９ 回転軸 ２８，３０ 駆動軸 Ｃ1 ターボ型常温圧縮機 Ｃ2 第１のターボ型低温圧縮機 Ｃ3 第２のターボ型低温圧縮機 Ｈ1 第１の熱交換器 Ｈ2 第２の熱交換器 Ｈ3 第３の熱交換器 Ｈ4 第４の熱交換器 Ｊ 膨張弁 Ｔ1 第１の膨張タービン Ｔ2 第２の膨張タービン Ｔ3 第３の膨張タービン

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 液化すべきガスを常温圧縮するターボ型
    常温圧縮機と、被冷却流体を通す一次流路と冷却流体を
    通す二次流路を備えた複数の熱交換器と、液化のための
    膨張弁と、液化流体を貯留するタンクとを配設し、前記
    のターボ型常温圧縮機の流体出口、一次流路、膨張弁、
    タンクを直列に接続するとともに、前記の二次流路を直
    列に接続し、液化すべきガスの流通方向最下流側に位置
    する熱交換器を除く他の熱交換器の一次流路の出口と次
    段の熱交換器内の二次流路をそれぞれ膨張タービンを介
    して接続し、所要の膨張タービンの回転軸にターボ型低
    温圧縮機の駆動軸を連結し、熱交換器から膨張タービン
    に分流されなかったガスが前記ターボ型低温圧縮機を介
    して前記ガスの流通方向下流側の熱交換器の一次流路に
    流入し得るように構成し、前記膨張弁の出口流路と液化
    すべきガスの流通方向最下流側に位置する熱交換器の二
    次流路の入口とを接続したことを特徴とする冷凍液化
    機。
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CN112361713A (zh) * 2020-10-30 2021-02-12 北京航天试验技术研究所 一种设置有并联透平膨胀机机组的氢气液化设备

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