JPH053885U - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷凍運転中にブロア側ガス中の不純物が固着
するのを未然に防ぎ、これにより良好な冷凍運転を確保
する。 【構成】 タービンＴ１，Ｔ２及びブロアＢ１，Ｂ２を
もつ膨張タービンＥＴ１，ＥＴ２を備え、かつ、冷凍運
転前にガス精製を行うための精製手段１８を備えた冷凍
装置において、上記ブロアＢ１，Ｂ２で循環されるガス
を圧縮手段１０の上流側に導くブロアガス循環ライン５
２と、このブロアガス循環ラインを開閉する開閉手段５
４とを備える。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、ヘリウム、水素等の冷凍や液化を行うための冷凍装置に関するもの である。

【０００２】

【従来の技術】

従来、ヘリウムガスや水素ガス等を冷却し、液化・冷凍する冷凍装置は数々知 られているが、このような冷凍装置に不純ガスを導入した後にいきなり冷凍運転 を開始すると、上記ガス中に含まれる不純物が低温の熱交換路中で凝固し、この 熱交換路を塞いでしまう不都合が生じる。このため従来は、上記冷凍運転を行う 前に冷凍装置内においてガス精製操作を行い、予めガスの純度を高めた状態で冷 凍運転を開始するといった対策が施されている。

【０００３】 図３は、従来の冷凍装置の一例を示したものである。図において、冷凍運転中 、圧縮器１０で圧縮されたガスは、高圧ラインＬｈを通じて主熱交換器Ｈ１〜Ｈ ５を通過することにより冷却され、ジュール・トムソン弁（以下ＪＴ弁と称する 。）１２で膨張した後に寒冷取出し部１４に導入される。そして、低圧ラインＬ ｌを通じて上記主熱交換器Ｈ５〜Ｈ１を逆行した後、圧縮器１０に戻される。一 方、高圧ラインＬｈにおいて主熱交換器Ｈ１の下流側の位置からガスが引き出さ れ、膨張タービンＥＴ１、主熱交換器Ｈ３、及び膨張タービンＥＴ２を通じて低 圧ラインへ戻される。各膨張タービンＥＴ１，ＥＴ２においては、高圧ガスの膨 張によりタービンＴ１，Ｔ２が回転するとともに、これらのタービンＴ１，Ｔ２ と同期してブロアＢ１，Ｂ２が回転してブロアガスを循環させることにより、上 記タービンＴ１，Ｔ２の回転エネルギが消費され、この消費されたエネルギは上 記ブロアガスと熱交換器Ｓ１，Ｓ２における冷却水５０との熱交換によって系外 に放出される。

【０００４】 一方、高圧ラインＬｈにおいて上記圧縮機１０と主熱交換器Ｈ１との間の部分 には、ガス精製通路１６が並列に接続され、このガス精製通路１６にガス精製装 置１８が設けられるとともに、このガス精製装置１６の入口部分に三方切換弁２ ０が設けられ、ガス精製装置１８の出口側に遮断弁２２が設けられている。そし て、冷凍運転を始める前に上記三方切換弁２０を操作して圧縮機１０からガス精 製装置１６へ至るラインのみを開き、かつ遮断弁２２を開いた状態で、装置内で 不純ガスを循環させることにより、この不純ガス中の不純物がガス精製装置１８ において除去され、高純度ガスが精製されるようになっている。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】

一般に、上記各膨張タービンＥＴ１，ＥＴ２におけるタービンＴ１，Ｔ２とブ ロアＢ１，Ｂ２はシャフト３０周囲に形成された隙間を介して連通されているが 、上記ガス精製工程中、ブロアＢ１，Ｂ２側のガスは積極的に循環されているわ けではないので、このブロアガスはほとんど精製されず、高圧ラインＬｈ、低圧 ラインＬｌ、及びタービンＴ１，Ｔ２を通るガス（すなわち循環ガス）のみが精 製されることとなる。従って、このようなガス精製工程を終えて冷凍運転を開始 した後に、上記ブロアＢ１，Ｂ２側の不純ガスが、低温下にある上記シャフト３ ０の周囲の隙間に流入することにより、この不純ガス中の不純物が上記隙間内に 固着し、これによってブロアＢ１，Ｂ２側とタービンＴ１，Ｔ２側とが遮断され てしまうおそれがある。このような遮断が生じると、ブロアＢ１，Ｂ２側の圧力 がタービンＴ１，Ｔ２側の圧力変動に追従しなくなるため、両者の圧力バランス が崩れ、上記シャフト３０に過剰なスラスト荷重が発生し、このシャフト３０を 支持するスラスト軸受に焼付きが生じる等の不都合が発生する。

【０００６】 本考案は、このような事情に鑑み、冷凍運転中にブロア側ガス中の不純物が固 着するのを未然に防ぎ、これにより良好な冷凍運転を確保することができる冷凍 装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

本考案は、圧縮手段と、主熱交換器と、膨張手段と、圧縮手段で圧縮された流 体を上記主熱交換器を通して膨張手段へ導く高圧ラインと、膨張手段で膨張され た流体を上記主熱交換器を通して上記圧縮手段へ戻す低圧ラインと、上記高圧ラ インから導出された流体を膨張させて寒冷を発生させる膨張タービンとを備え、 この膨張タービンに、膨張ガスを受けて回転するタービンと、このタービンと一 体に回転してブロアガスを循環させるブロアとを設けるとともに、タービン側と ブロア側とを連通した冷凍装置において、導入されるガスを精製する精製手段と 、上記圧縮手段の作動により循環されるガスを上記精製手段に導く状態と上記精 製手段をバイパスする状態とに切換える通路切換手段と、上記ブロアにより循環 されるブロアガスを上記圧縮手段の上流側に導くブロアガス循環ラインと、この ブロアガス循環ラインを開閉する開閉手段とを備えたものである。

【０００８】 なお、ここでいう「ブロア」は、タービンとともに回転してそのエネルギによ りガスの循環を行うものであればよく、「ブロア」は、その送風圧力を限定する ために用いた語ではない。

【０００９】

【作用】

上記構成によれば、ガス精製工程の際、開閉手段によってガス循環ラインを開 くことにより、上記ブロアで循環されるガスをも積極的に冷凍装置内で循環させ ることができ、これによって上記ガスの精製が行われる。また、ガス精製後は、 上記ガス循環ラインを閉じることにより、通常の冷凍運転を行うことができる。

【００１０】

【実施例】

本考案の第１実施例を図１に基づいて説明する。なお、ここではヘリウム冷凍 装置について説明するが、本考案ではその対象ガスを特に問わず、水素等の冷凍 装置にも容易に適用し得るものである。

【００１１】 この装置は、圧縮機（圧縮手段）１０を備え、その吐出側に高圧ラインＬｈが 、吸込側に低圧ラインＬｌが接続されている。この高圧ラインＬｈ及び低圧ライ ンＬｌは冷凍サイクルを構成しており、上記圧縮機１０から主熱交換器Ｈ１〜Ｈ ５を通り、ＪＴ弁１２及び寒冷取出し部１４に至った後、上記主熱交換器Ｈ５〜 Ｈ１を通じて上記圧縮機１０内に戻っている。また、上記高圧ラインＨＬは、主 熱交換器Ｈ１，Ｈ２の間の位置から膨張タービンＥＴ１、主熱交換器Ｈ３、膨張 タービンＥＴ２を順に通る寒冷発生ラインＬｃに分岐しており、このラインＬｃ は低圧ラインＬｌに至っている。

【００１２】 さらに、この装置では、上記高圧ラインＬｈにおいて圧縮機１０と主熱交換器 Ｈ１との間の部分に対し、これと並列にガス精製通路１６が配され、このガス精 製通路１６にガス精製装置（精製手段）１８が設けられるとともに、上記ガス精 製通路１６の入口部分に三方切換弁（通路切換手段）２０が設けられ、ガス精製 装置１８の出口側に遮断弁２２が設けられている。上記ガス精製装置１８は、吸 着剤等により不純ヘリウムガス中から不純物を除去するものであり、周知のもの 等が適用可能である。

【００１３】 図２は、上記膨張タービンＥＴ１の具体的な構造を示したものである。

【００１４】 図において、２４はタービン取付用フランジであり、このフランジ２４に上記 膨張タービンＥＴ１のケーシング２６が固定されている。このケーシング２６内 にはタービンロータ２８が収納されており、このタービンロータ２８は、上下に 延びるシャフト３０と、このシャフト３０の上端及び下端にそれぞれ設けられた ブロアＢ１及びタービンＴ１とからなっている。

【００１５】 ケーシング２６の下部には、円筒状のタービン入口通路３２が形成され、中央 にはタービン出口通路３４が形成されており、両通路３２，３４の境界部分にタ ービンＴ１が挿入されるとともに、このタービンＴ１の周囲の位置に、すなわち 上記タービン入口通路３２の出口位置にノズル３６が配設されている。そして、 上記タービン入口通路３２に配管３３から低温高圧ヘリウムガスが導入され、こ のヘリウムガスがノズル３６を通じてタービンＴ１に吹き付けられ、膨張状態す なわち低温低圧状態でタービン出口通路３４から排出されるようになっている。

【００１６】 上記シャフト３０の大半部はシャフト収納部３８に収納されており、このシャ フト収納部３８はシャフト３０下部の周囲に形成された微小隙間３９を通じて上 記タービンＴ１側に連通されている。このシャフト収納部３８内にはジャーナル 軸受４０が設けられ、このジャーナル軸受４０によって上記シャフト３０の半径 方向の支持が行われている。また、シャフト３０の適当な位置には鍔状のスラス ト板４２が形成され、このスラスト板４２を上下から挾む位置にスラスト軸受４ ３，４４が設けられており、これらスラスト軸受４３，４４によってシャフト３ ０の軸方向の支持が行われている。

【００１７】 ブロアＢ１に臨む位置には、ブロア吸込管４６及びブロア吐出管４８の一端部 が接続され、両管４６，４８の他端部は熱交換器Ｓ１に接続されている。

【００１８】 このような構造において、配管３３から低温高圧ヘリウムガスが導入され、タ ービンＴ１に吹き付けられると、タービンロータ３０全体が回転し、このタービ ンロータ３０におけるブロアＢ１の回転によって、ブロア吐出管４８→熱交換器 Ｓ１→ブロア吸込管４６というブロアガスの循環が行われ、このガスは熱交換器 Ｓ１における冷却水５０との熱交換で冷却される。すなわち、上記低温高圧ヘリ ウムガスの圧力エネルギはタービンＴ１の回転エネルギに変換され、この回転エ ネルギがブロアＢ１のガス還流仕事によって消費されるとともに、この消費され たエネルギが熱交換器Ｓ１を通じて外部に放出されることとなる。

【００１９】 一方、膨張タービンＥＴ２は上記膨張タービンＥＴ１と全く同様の構造を有し ており、上記タービンＴ１、ブロアＢ１と同様のタービンＴ２、ブロアＢ２を有 するとともに、ブロア側が上記熱交換器Ｓ１と同様の熱交換器Ｓ２に接続されて いる。

【００２０】 さらに、この冷凍装置では、上記ブロアＢ１，Ｂ２によるガスの循環通路（例 えばブロア吐出管４８）の適当な部分が、図１に示されるブロアガス循環ライン ５２を介して、低圧ラインＬｌの圧縮機１０直上流側部分に接続されるとともに 、このブロアガス循環ライン５２の途中に遮断弁（開閉手段）５４が設けられて いる。なお、各膨張タービンＥＴ１，ＥＴ２に対するブロアガス循環ライン５２ の接続位置は、ブロア側、すなわち図２に示す隙間３９よりも上側の範囲で適宜 設定すればよく、例えば同図のシャフト収納部３８に接続するようにしてもよい 。

【００２１】 次に、この冷凍装置の作用を説明する。

【００２２】 まず、冷凍運転を行う前に、装置内の不純ガスの精製を行うが、その際には、 三方切換弁２０を操作して圧縮機１０からガス精製装置１６へ至るラインのみを 開き、かつ遮断弁２２，５４を開いておく。この状態で圧縮機１０を低圧で作動 させ、装置内で不純ヘリウムガスを循環させると、このガスが上記ガス精製装置 １８を通る際にその不純成分が除去され、高純度ガスに精製される。ここで、タ ービンＴ１，Ｔ２を通るガスの一部は図２で示した隙間３９を通ってブロアＢ１ ，Ｂ２側に流入し、このブロアＢ１，Ｂ２側からブロアガス循環ラインＬｃを通 じて圧縮機１０の上流側に戻されるため、この流れによりブロアＢ１，Ｂ２側の ガスも精製対象ガスとして積極的に冷凍装置内を循環し、精製されることとなる 。

【００２３】 次に、冷凍運転を開始する際には、上記三方切換弁２０を切換えて上記圧縮機 １０から直接主熱交換器Ｈ１に至るラインのみを開くとともに、遮断弁２２，５ ４を閉じ、ガス精製装置１８をバイパスする状態に切換えて、この状態で圧縮機 １０を高圧で作動させる。

【００２４】 この圧縮機１０で圧縮された純ヘリウムガスは、高圧ラインＬｈを通じて図外 の保冷箱内の主熱交換器Ｈ１〜Ｈ５内に順次通され、冷却される。さらに、この 純ヘリウムガスはＪＴ弁１２で膨張され、これにより発生した寒冷は寒冷取出し 部１４から取出される。この寒冷取出し部１４からは低圧流体が低圧ラインＬｌ を通じて導出され、上記主熱交換器Ｈ５〜Ｈ１を通じて上記圧縮機１０内に戻さ れる。また、上記高圧ラインＬｈを流れるガスの一部は、主熱交換器Ｈ１，Ｈ２ 間から導出されて膨張タービンＥＴ１、主熱交換器Ｈ３、膨張タービンＥＴ２に 順に導かれ、両膨張タービンＥＴ１，ＥＴ２における膨張で寒冷発生に寄与した 後、上記低圧ラインＬｌに戻される。

【００２５】 この冷凍運転中、ブロアＢ１，Ｂ２の回転で循環されるガスは、一部、図２に 示される隙間３９内に流入する可能性があるが、このガスは上記ガス精製工程に おいて既に高純度とされているので、低温下にある上記隙間３９内に入っても不 純物が固着することはほとんどない。

【００２６】 以上のように、この装置では、各膨張タービンＥＴ１，ＥＴ２のブロア側から 圧縮機１０上流側に至るブロアガス循環ライン５２を設け、冷凍運転前の精製ガ ス工程中に上記ブロア側のガスも精製対象として積極的に冷凍装置内を循環させ 、高純度ガスに精製するようにしているので、その後の冷凍運転中に上記ブロア 側ガスが低温のタービン側に向かって流れても、このガス中の不純物が固着する といった不都合は生じない。しかも、冷凍運転時には遮断弁５４を閉じることに より、通常の冷凍運転を良好に行うことができる。

【００２７】 なお、本考案において膨張タービンの設置個数や設置個所は問わず、これらの 膨張タービンの全部あるいは一部に対して上記ブロアガス循環ラインを接続する ことにより、優れた効果を得ることができる。

【００２８】 また、本考案では膨張タービンの具体的な構造を問わず、低温高圧ヘリウムガ スの圧力エネルギを回転エネルギに変換するタービンと、このタービンの回転エ ネルギを消費するブロアとを備えたものであれば、種々のものについて適用する ことができる。

【００２９】

【考案の効果】 以上のように本考案は、膨張タービンのブロア側から圧縮手段の上流側に至る ブロアガス循環ラインを設けるだけの簡単な構造で、冷凍運転前の精製ガス工程 中に上記ブロア側ガスも精製対象として積極的に冷凍装置内を循環させるように したものであり、この循環によって冷凍運転前に上記ブロア側のガスを予め高純 度ガスに精製することができるので、その後の冷凍運転中に上記ブロア側ガスが 低温のタービン側に流れる際、このガス中の不純物が固着するといった不都合を 未然に防止することができる効果がある。しかも、冷凍運転時には上記ブロアガ ス循環ラインを閉じることにより、冷凍運転を通常通り行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例におけるヘリウム冷凍装置の
フロー図である。

【図２】上記ヘリウム冷凍装置に設けられた膨張タービ
ンの断面図である。

【図３】従来のヘリウム冷凍装置のフロー図である。

【符号の説明】

１０ 圧縮機 Ｈ１〜Ｈ５ 主熱交換器 １２ ＪＴ弁（膨張手段） １８ ガス精製装置 ２０ 三方切換弁（通路切換手段） ５２ ブロアガス循環ライン ５４ 遮断弁（開閉手段） Ｌｈ 高圧ライン Ｌｌ 低圧ライン ＥＴ１，ＥＴ２ 膨張タービン Ｔ１，Ｔ２ タービン Ｂ１，Ｂ２ ブロア

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 【請求項１】 圧縮手段と、主熱交換器と、膨張手段
   と、圧縮手段で圧縮された流体を上記主熱交換器を通し
   て膨張手段へ導く高圧ラインと、膨張手段で膨張された
   流体を上記主熱交換器を通して上記圧縮手段へ戻す低圧
   ラインと、上記高圧ラインから導出された流体を膨張さ
   せて寒冷を発生させる膨張タービンとを備え、この膨張
   タービンに、膨張ガスを受けて回転するタービンと、こ
   のタービンと一体に回転してブロアガスを循環させるブ
   ロアとを設けるとともに、タービン側とブロア側とを連
   通した冷凍装置において、導入されるガスを精製する精
   製手段と、上記圧縮手段の作動により循環されるガスを
   上記精製手段に導く状態と上記精製手段をバイパスする
   状態とに切換える通路切換手段と、上記ブロアにより循
   環されるブロアガスを上記圧縮手段の上流側に導くブロ
   アガス循環ラインと、このブロアガス循環ラインを開閉
   する開閉手段とを備えたことを特徴とする冷凍装置。