JPH06123509A

JPH06123509A - 制動装置付膨張タービンの運転制御方法および運転制御装置

Info

Publication number: JPH06123509A
Application number: JP26889092A
Authority: JP
Inventors: Tetsuro Matsumoto; 哲朗松本
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1992-10-07
Filing date: 1992-10-07
Publication date: 1994-05-06

Abstract

(57)【要約】【目的】予冷運転時は最大の寒冷発生量を、定常運時
には最大のタービン効率を引き出すことが可能なように
する。【構成】この回転シャフト２の両端にインペラ２１と
制動ファン２２とが設けられ、インペラ２１に供給され
る寒冷媒体としてのヘリウムＨの断熱膨張仕事によって
インペラ２１が回転され、このインペラ２１に連動した
制動ファン２２は循環経路に封入された制動用ヘリウム
ガスＨａを循環経路内で循環移動させ、この循環経路に
は循環移動している制動用ヘリウムガスＨａの循環流量
を調節する速度制御弁４１が設けられ、この速度制御弁
４１の開度を調節することによってインペラ２１の回転
を制御するものであり、予冷運転時は回転数を制御ファ
クターにして最大寒冷発生量を得るようにし、定常運転
時にはタービン効率が最大になるように速度制御弁４１
の開度を調節する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ヘリウム液化用に用い
られる制動装置付膨張タービンの運転制御方法および装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図６に例示するようなヘリウム液化冷凍
機に用いられる制動装置付膨張タービンが知られてい
る。この図に示すように、膨張タービン１の内部には、
回転シャフト２が設けられ、この一端にはインペラ２１
が固設され、他端には制動ファン２２が取り付けられて
いる。これらの回転シャフト２とインペラ２１と制動フ
ァン２２とによってロータ２ａが形成されている。そし
てロータ２ａがケーシング３内に内装されて膨張タービ
ン１が形成されている。

【０００３】寒冷媒体としてはヘリウムＨが用いられて
いる。このヘリウムＨは、ヘリウム圧縮機７の上流側に
接続された媒体吐出経路Ｌ１と、膨張タービン１と、膨
張タービン１とヘリウム圧縮機７の下流側とをつなぐ媒
体吸引経路Ｌ２とによって形成された閉経路を、ヘリウ
ム圧縮機７の駆動によって循環移動するようになってい
る。媒体吐出経路Ｌ１には入口弁７１が設けられてい
る。

【０００４】ケーシング３のインペラ２１に対応した部
分には、上記ヘリウムＨを膨張タービン１内に導入する
ための入口ノズル３１が設けられ、この入口ノズル３１
に媒体吐出経路Ｌ１が接続されている。この入口ノズル
３１の下流側には前室３２が設けられ、この前室３２の
下流側にはインペラ２１の外周部に対向した噴出ノズル
３３が設けられており、インペラ２１の下流側は後室３
４につながっている。

【０００５】上記入口ノズル３１を介して導入されたヘ
リウムＨは、前室３２を経由して噴出ノズル３３および
インペラ２２で構成されるタービン部で断熱膨張仕事を
し、インペラ２１を回転させ、ヘリウムＨ自信は温度お
よび圧力が低下して後室３４を経由し、媒体吸引経路Ｌ
２を通ってヘリウム圧縮機７に戻される。

【０００６】一方、上記ケーシング３内の制動ファン２
２が設けられている部分には、仕切壁の役目を果たす環
状の案内筒３６が内設されている。この案内筒３６の先
端部は制動ファン２２の回転周面に対向するように設け
られ、制動ファン２２の案内筒３６の先端部側にファン
部通路４３が形成されている。そしてファン部通路４３
の下流側には環状の第一室３５が形成され、ファン部通
路４３の上流側には案内筒３６とケーシング３の側壁３
ａとで囲まれた第二室３７が形成されている。

【０００７】また、第一室３５と第二室３７とはケーシ
ング３の外部に突出して設けられた外部循環経路４０に
接続されており、第一室３５と、外部循環経路４０と、
第二室３７と、ファン部通路４３とで全体的な循環経路
としての循環閉通路が形成されている。この循環閉通路
の中には制動用のヘリウムガスＨａが封入されており、
このヘリウムガスＨａは制動ファン２２の回転に伴って
図中の矢印で示すように上記閉通路内を循環移動するよ
うになっている。上記循環経路４０にはヘリウムガスＨ
ａを冷却するための熱交換器４２およびヘリウムガスの
流量を制御するための速度制御弁４１が設けられてい
る。

【０００８】従って、上記入口ノズル３１を介して膨張
タービン１内に導入されたヘリウムＨによってインペラ
２１が回転すると、その回転は回転シャフト２を介して
制動ファン２２に伝達され、この制動ファン２２の回転
によって循環経路内に封入されたヘリウムガスＨａは循
環閉通路すなわちファン部通路４３、第一室３５、外部
循環経路４０および第二室３７と循環移動し、制動ファ
ン２２からヘリウムガスＨａに熱として与えられたエネ
ルギーは外部循環経路４０に設けられた熱交換器４２よ
って取り去られ、インペラ２１に供給されたヘリウムＨ
の保有する熱が連続的に汲み上げられた状態になり、イ
ンペラ２１を通過した寒冷媒体としてのヘリウムＨは連
続的かつ定常的に冷却されることになる。

【０００９】そして、入口弁７１の下流側には媒体吐出
経路Ｌ１内の温度を検出する入口温度伝送器５１と、同
圧力を検出する入口圧力伝送器５２とが設けられてい
る。これら入口温度伝送器５１および入口圧力伝送器５
２によって検出された媒体吐出経路Ｌ１内の温度および
圧力の値は膨張タービン１に付設された制御装置５に入
力されるようになっている。

【００１０】上記制御装置５は膨張タービン１の運転制
御を行うためのプログラムが予め入力されたいわゆる小
型のコンピュータであって、この制御装置５からの指令
信号によって媒体吐出経路Ｌ１上の入口弁７１および外
部循環経路４０上の速度制御弁４１の開度が設定され、
ロータ２ａ正常に回転するように調節されている。

【００１１】具体的には、膨張タービン１の初期立ち上
がりの予冷運転中は、ロータ２ａの過回転を防止するた
めに、制動ファン２２の能力を最大にすべく速度制御弁
４１は全開とされ、かつ予め決められたスケジュールに
従って入口弁７１は順次開かれる。上記制御装置５には
定格運転時の媒体吐出経路Ｌ１内の温度値と圧力値とが
予め設定値として入力されており、入口温度伝送器５１
および入口圧力伝送器５２が検出した検出温度値および
検出圧力値と上記設定値との比較演算が予冷運転中は常
に行われ、上記検出値が上記設定値に到達した時点で予
冷運転が終了したと判断される。

【００１２】そして、定格運転時のタービン効率が最大
になる速度制御弁４１の開度（タービン効率最大開度）
は予め求められており、予冷運転が終了した時点で制御
装置５からはタービン効率最大開度を維持するように速
度制御弁４１に開度指示信号が発信されるため、それを
受けた速度制御弁４１は予冷運転中の全開状態からター
ビン効率が最大になるであろうと想定される開度にな
り、以後はその開度が維持される。その後、膨張タービ
ン１の運転条件、すなわちヘリウムＨのタービン入口温
度、タービン入口圧力およびタービン出口圧力に変動が
生じたとしても、速度制御弁４１の開度を調節して設定
変更されることはなかった。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】近年、ヘリウム液化用
の冷凍機は大型化する傾向にあり、従来のような小型の
ものであればあまり問題視されなかったランニングコス
トの低減が重要問題として提起されるようになってい
る。上記ランニングコストの代表的なものはヘリウム圧
縮機７が消費する電力費であり、このコストを低減する
ためには、予冷運転時は慣例発生量ができるだけ多くな
るように膨張タービン１を運転し、定常運転時は膨張タ
ービン１のタービン効率が常に最大になるように運転さ
れる必要がある。

【００１４】また、従来の予冷運転は、予め決められた
スケジュールに従って、タービン入口温度とタービン入
口圧力とを制御ファクターにしてタービン入口圧力を段
階的に昇圧し、タービンが過回転にならない運転条件を
維持しながら定格圧力まで昇圧する方式が採用されてき
た。過回転回避することが予冷運転時のポイントである
にも拘らず、従来は回転数を直接の制御ファクターにし
ていなかったために、許容最大回転数より相当低い回転
数で運転せざるを得なかった。そのため、予冷運転時に
は膨張タービン１が最大の寒冷を発生しているとはいえ
なかった。

【００１５】また、従来は上記のように一旦定格運転に
突入してしまうと、一旦設定された速度制御弁４１の開
度、ロータ２ａの回転数等の被制御量は一定とされてし
まうため、実際にタービン効率が最大になるようなロー
タ２ａの回転数を得ることができず、結果として必ずし
も最大効率で膨張タービン１が運転されているとはいえ
なかった。

【００１６】ところで、図７はタービン速度比（Ｒ）と
タービン効率（η）との関係を例示するグラフである。
ここにタービン速度比（Ｒ）は、タービン周速（Ｕ）と
寒冷媒体としてのヘリウムＨの断熱膨張仕事速度（Ｃa
d）との比である。従って、Ｒ＝Ｕ／Ｃad と表すこ
とができる。

【００１７】図７に示すように、タービン速度比（Ｒ）
とタービン効率（η）との関係はグラフで上に凸の曲線
になるため、必ずタービン効率（η）が最大になるター
ビン速度比（Ｒ）の値（最適速度比（ａ））が存在す
る。従って、タービン速度比（Ｒ）が最適速度比（ａ）
になるようにロータ２ａの回転数を制御すればよいこと
になるが、タービン入口温度、タービン入口圧力および
タービン出口圧力に応じてヘリウムＨの断熱膨張仕事速
度（Ｃad）は変化する。

【００１８】従って、一旦タービン速度比（Ｒ）が最適
速度比（ａ）に調節されたとしても、タービン入口温
度、タービン入口圧力、またタービン出口圧力が変化す
ると、上記タービン速度比（Ｒ）は最適速度比（ａ）か
ら外れるから、結局タービン効率は最大ではなくなって
しまう。これを元の最適速度比（ａ）に戻すためには、
タービン周速（Ｕ）を速くするか遅くするかしてタービ
ン速度比（Ｒ）が最適速度比（ａ）になるようにすれば
よいが、そのときの断熱膨張仕事速度（Ｃad）がどのよ
うな値になっているかが不明であるため、何を制御量と
してとらえ、何を被制御量としてとらえれば、実際にタ
ービン効率を最大にする運転ができるか結局不明であ
り、実質的に膨張タービン１の最適運転の制御が実現し
ないというのが現状であった。

【００１９】本発明は、上記のような問題点を解決する
ためになされたものであり、予冷運転時は膨張タービン
１から最大の寒冷を引き出すことが可能で、定常運転時
は最大のタービン効率を引き出すことが可能な制動装置
付膨張タービンの運転制御方法および装置を提供するこ
とを目的としている。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１記載の
制動装置付膨張タービンの運転制御方法は、ケーシング
内に回転シャフトが内装され、この回転シャフトの両端
にインペラと制動ファンとが設けられ、上記インペラに
入口弁を介して供給される寒冷媒体の断熱膨張仕事によ
ってインペラが回転され、このインペラに連動した上記
制動ファンは循環経路に封入された制動用ガスを上記循
環経路内で循環移動させ、この循環経路には循環移動し
ている制動用ガスの循環流量を調節する速度制御弁が設
けられ、この速度制御弁の開度を調節することによって
上記インペラの回転を制御する制動装置付膨張タービン
の運転制御方法において、予冷運転時は回転シャフトの
実際回転数を検出し、この実際回転数が予め設定された
設定回転数の範囲内の回転数になるように上記入口弁の
開度を調節し、定常運転時はインペラに供給される寒冷
媒体の温度および圧力、並びにインペラから排出される
寒冷媒体の圧力を検出するとともに、回転シャフトの実
際回転数を検出し、これらの検出値を基にタービン効率
が最大になる回転シャフトの最適回転数を算出し、上記
実際回転数が常に最適回転数になるように上記速度制御
弁の弁の開度を調節することを特徴とするものである。

【００２１】本発明の請求項２記載の制動装置付膨張タ
ービンの運転制御方法は、ケーシング内に回転シャフト
が内装され、この回転シャフトの両端にインペラと制動
発電機の回転子とが設けられ、上記入口弁を介してイン
ペラに供給される寒冷媒体の断熱膨張仕事によってイン
ペラが回転され、このインペラに連動した回転子の回転
によって上記制動発電機は発電され、この制動用発電機
には発電量を調節する制動発電機制御回路が設けられ、
この制動発電機制御回路で制動発電機の発電量を調節す
ることによって上記インペラの回転を制御する制動装置
付膨張タービンの運転制御方法において、予冷運転時は
回転シャフトの実際回転数を検出し、この実際回転数が
予め設定された設定回転数の範囲内の回転数になるよう
に上記入口弁の開度を調節し、定常運転時はインペラに
供給される寒冷媒体の温度および圧力、並びにインペラ
から排出される寒冷媒体の圧力を検出するとともに、回
転シャフトの実際回転数を検出し、これらの検出値を基
にタービン効率が最大になる回転シャフトの最適回転数
を算出し、上記実際回転数が常に最適回転数になるよう
に上記制動発電機制御回路に制動発電機の発電量を設定
することを特徴とするものである。

【００２２】本発明の請求項３記載の制動装置付膨張タ
ービンの運転制御装置は、ケーシング内に回転シャフト
が内装され、この回転シャフトの両端にインペラと制動
ファンとが設けられ、上記インペラに入口弁を介して供
給される寒冷媒体の断熱膨張仕事によってインペラが回
転され、このインペラに連動した上記制動ファンは循環
経路に封入された制動用ガスを上記循環経路内で循環移
動させ、この循環経路には循環移動している制動用ガス
の循環流量を調節する速度制御弁が設けられ、この速度
制御弁の開度を調節することによって上記インペラの回
転を制御する方式の制動装置付膨張タービンの運転制御
装置において、インペラに供給される寒冷媒体の温度お
よび圧力を検出する入口温度伝送器および入口圧力伝送
器が設けられ、インペラから排出される寒冷媒体の圧力
を検出する出口圧力伝送器が設けられ、回転シャフトの
実際回転数を検出する回転計が設けられ、上記の各伝送
器が検出した検出値を基にタービン効率が最大になる回
転シャフトの最適回転数を算出する制御装置が設けら
れ、この制御装置は、予冷運転時には回転シャフトの実
際回転数を検出し、この実際回転数が予め設定された設
定回転数の範囲内の回転数になるように上記入口弁に弁
の開度を調節する指示信号を発信し、定常運転時には上
記実際回転数が常に最適回転数になるように上記速度制
御弁に弁の開度を調節する指示信号を発信するように構
成されていることを特徴とするものである。

【００２３】本発明の請求項４記載の制動装置付膨張タ
ービンの運転制御装置は、ケーシング内に回転シャフト
が内装され、この回転シャフトの両端にインペラと制動
発電機の回転子とが設けられ、上記インペラに入口弁を
介して供給される寒冷媒体の断熱膨張仕事によってイン
ペラが回転され、このインペラに連動した回転子の回転
によって上記制動発電機は発電され、この制動用発電機
には発電量を調節する制動発電機制御回路が設けられ、
この制動発電機制御回路で制動発電機の発電量を調節す
ることによって上記インペラの回転を制御する方式の制
動装置付膨脹タービンの運転制御装置において、インペ
ラに供給される寒冷媒体の温度および圧力を検出する入
口温度伝送器および入口圧力伝送器が設けられ、インペ
ラから排出される寒冷媒体の圧力を検出する出口圧力伝
送器が設けられ、回転シャフトの実際回転数を検出する
回転計が設けられ、上記の各伝送器が検出した検出値を
基にタービン効率が最大になる回転シャフトの最適回転
数を算出する制御装置が設けられ、この制御装置は、予
冷運転時には回転シャフトの実際回転数を検出し、この
実際回転数が予め設定された設定回転数の範囲内の回転
数になるように上記入口弁に弁の開度を調節する指示信
号を発信し、定常運転時にはこの制御装置は上記実際回
転数が常に最適回転数になるように上記制動発電機制御
回路に制動発電機の発電量を設定する指示信号を発信す
るように構成されていることを特徴とするものである。

【００２４】本発明の請求項５記載の制動装置付膨張タ
ービンの運転制御方法は、請求項１、２、３、または４
記載の制動装置付膨張タービンの運転制御方法および装
置において、上記最適回転数は以下の式によって算出さ
れることを特徴とするものである。

【００２５】Ｎ＝（α×｛√（ｉ₁−ｉ₂)｝）／（πＤ）但し、Ｎ：インペラの最適回転数 α ：タービン効率が最大になるための予め設定された
定数ｉ₁ ：断熱膨張仕事前の寒冷媒体の比エンタルピｉ₂ ：断熱膨張仕事後の寒冷媒体の比エンタルピ π ：円周率（３．１４１５９・・・）Ｄ：インペラの直径

【００２６】

【作用】上記請求項１記載の制動装置付膨張タービンの
運転制御方法によれば、予冷運転時は回転シャフトの実
際回転数を検出し、この実際回転数が予め設定された設
定回転数の範囲内の回転数になるように上記入口弁の開
度を調節し、定常運転時はインペラに供給される寒冷媒
体の温度および圧力、並びにインペラから排出される寒
冷媒体の圧力を検出するとともに、回転シャフトの実際
回転数を検出し、これらの検出値を基にタービン効率が
最大になる回転シャフトの最適回転数を算出し、上記実
際回転数が常に最適回転数になるように上記速度制御弁
の弁の開度を調節するようになっている。

【００２７】従って、まず膨張タービンが始動した初期
の予冷運転時においては、タービン入口温度が定格運転
時より大幅に高いため、タービン入口圧力を下げてター
ビンが過回転にならないように運転制御しなければなら
ないが、回転数を直接制御ファクターに用いてタービン
入口圧力を調節することができるようにしてあるから、
回転数の面で高精度に膨張タービンを運転制御すること
が可能でり、タービンの過回転が確実に回避できるとと
もに、許容最大回転数に近い回転数を維持して運転する
ことができ、まず予冷運転時であっても、膨張タービン
から最大の寒冷を引き出すことが可能になる。

【００２８】また、上記速度制御弁は、制動用ガスの封
入された循環経路の途中に設けられ、この速度制御弁の
開度を調節することによって循環流量が調節され、循環
流量の寡多によって制動ファンの回転数を制御すること
ができるのものであり、定格運転時においては、上記速
度制御弁の開度が大きくなると制動用ガスの循環流量が
増加することによってその伝達エネルギーが増加するか
らその分制動効果が上昇して回転シャフトの回転数は抑
制され、逆に上記開度が小さくなると回転シャフトの回
転数は増加するのである。

【００２９】以上より、実際回転数が最適回転数よりも
多いときにはその回転数を減少させるべく速度制御弁の
弁開度は増加され、逆に実際回転数が最適回転数よりも
少ないときにはその回転数を増加させるべく弁開度を減
少されるため、速度制御弁の開閉操作が行われると、循
環経路を循環移動する制動用ガスの移動抵抗が増減し、
それに伴って回転シャフトの実際回転数も増減するが、
この実際回転数は上記各検出値を基に計算した最適回転
数に近づくように変化するため、結果として膨張タービ
ンは常に最大の効率で運転されることになる。

【００３０】上記請求項２記載の制動装置付膨張タービ
ンの運転制御方法によれば、予冷運転時は回転シャフト
の実際回転数を検出し、この実際回転数が予め設定され
た設定回転数の範囲内の回転数になるように上記入口弁
の開度を調節し、定常運転時はインペラに供給される寒
冷媒体の温度および圧力、並びにインペラから排出され
る寒冷媒体の圧力を検出するとともに、回転シャフトの
実際回転数を検出し、これらの検出値を基にタービン効
率が最大になる回転シャフトの最適回転数を算出し、上
記実際回転数が常に最適回転数になるように上記制動発
電機制御回路に制動発電機の発電量を設定するようにな
っている。

【００３１】従って、まず予冷運転時には、タービン入
口温度が定格運転時より大幅に高いため、タービン入口
圧力を下げてタービンが過回転にならないように運転制
御しなければならないが、回転数を直接制御ファクター
に用いてタービン入口圧力を調節することができるよう
にしてあるから、回転数の面で高精度に膨張タービンを
運転制御することが可能でり、タービンの過回転が確実
に回避できるとともに、許容最大回転数に近い回転数を
維持して運転することができ、まず予冷運転時であって
も、膨張タービンから最大の寒冷を引き出すことが可能
になる。

【００３２】また、定格運転時においては、予め制動発
電機制御回路に発電量を適宜設定することによって制動
発電機の発電量が調節され、発電量の寡多によって発電
機の回転子すなわち回転シャフトの回転数を制御するこ
とができるのものであり、制動発電機制御回路の発電量
設定値が大きくなると発電量が多くなり、そのためによ
り多くのエネルギーが消費されるため回転シャフトの回
転数は抑制され、逆に上記発電量設定値が小さくなると
回転シャフトの回転数は増加するのである。

【００３３】従って、上記制動発電機制御回路に発電量
設定が行われると、制動発電機の発電量が増減し、それ
に伴って回転シャフトの実際回転数も増減するが、この
実際回転数は、制御装置が各伝送器から入力された各検
出値を基に計算した最適回転数に近づくように変化する
ため、結果として膨張タービンは常に最大の効率で運転
されることになる。

【００３４】上記請求項３記載の制動装置付膨張タービ
ンの運転制御装置によれば、インペラに供給される寒冷
媒体の温度および圧力を検出する入口温度伝送器および
入口圧力伝送器が設けられ、インペラから排出される寒
冷媒体の圧力を検出する出口圧力伝送器が設けられ、回
転シャフトの実際回転数を検出する回転計が設けられ、
上記の各伝送器が検出した検出値を基にタービン効率が
最大になる回転シャフトの最適回転数を算出する制御装
置が設けられ、この制御装置は、予冷運転時には回転シ
ャフトの実際回転数を検出し、この実際回転数が予め設
定された設定回転数の範囲内の回転数になるように上記
入口弁に弁の開度を調節する指示信号を発信し、定常運
転時には上記実際回転数が常に最適回転数になるように
上記速度制御弁に弁の開度を調節する指示信号を発信す
るようになっている。

【００３５】従って、まず膨張タービンが始動した初期
の予冷運転時においては、タービン入口温度が定格運転
時より大幅に高いため、タービン入口圧力を下げてター
ビンが過回転にならないように運転制御しなければなら
ないが、回転数を直接制御ファクターに用いてタービン
入口圧力を調節することができるようにしてあるから、
回転数の面で高精度に膨張タービンを運転制御すること
が可能でり、タービンの過回転が確実に回避できるとと
もに、許容最大回転数に近い回転数を維持して運転する
ことができ、まず予冷運転時であっても、膨張タービン
から最大の寒冷を引き出すことが可能になる。

【００３６】また、上記速度制御弁は、制動用ガスの封
入された循環経路の途中に設けられ、この速度制御弁の
開度を調節することによって循環流量が調節され、循環
流量の寡多によって制動ファンの回転数を制御すること
ができるようになっているため、定格運転時において
は、上記速度制御弁の開度が大きくなると制動用ガスの
循環流量が増加することによってその運動エネルギーが
増加するからその分制動効果が上昇して回転シャフトの
回転数は抑制され、逆に上記開度が小さくなると回転シ
ャフトの回転数は増加するのである。

【００３７】以上より、実際回転数が最適回転数よりも
多いときにはその回転数を減少させるべく制御装置から
は速度制御弁に弁開度を増加させるための信号が発信さ
れ、逆に実際回転数が最適回転数よりも少ないときには
その回転数を増加させるべく弁開度を減少させるための
信号が発信されるのである。

【００３８】従って、上記指示信号を基に速度制御弁の
開閉操作が行われると、循環経路を循環移動する制動用
ガスの移動抵抗が増減し、それに伴って回転シャフトの
実際回転数も増減するが、この実際回転数は、制御装置
が各伝送器から入力された各検出値を基に計算した最適
回転数に近づくように変化するため、結果として膨張タ
ービンは常に最大の効率で運転されることになる。

【００３９】上記請求項４記載の制動装置付膨張タービ
ンの運転制御装置によれば、インペラに供給される寒冷
媒体の温度および圧力を検出する入口温度伝送器および
入口圧力伝送器が設けられ、インペラから排出される寒
冷媒体の圧力を検出する出口圧力伝送器が設けられ、回
転シャフトの実際回転数を検出する回転計が設けられ、
上記の各伝送器が検出した検出値を基にタービン効率が
最大になる回転シャフトの最適回転数を算出する制御装
置が設けられ、この制御装置は、予冷運転時には回転シ
ャフトの実際回転数を検出し、この実際回転数が予め設
定された設定回転数の範囲内の回転数になるように上記
入口弁に弁の開度を調節する指示信号を発信し、定常運
転時にはこの制御装置は上記実際回転数が常に最適回転
数になるように上記制動発電機制御回路に制動発電機の
発電量を設定する指示信号を発信するようになってい
る。

【００４０】従って、まず予冷運転時には、タービン入
口温度が定格運転時より大幅に高いため、タービン入口
圧力を下げてタービンが過回転にならないように運転制
御しなければならないが、回転数を直接制御ファクター
に用いてタービン入口圧力を調節することができるよう
にしてあるから、回転数の面で高精度に膨張タービンを
運転制御することが可能でり、タービンの過回転が確実
に回避できるとともに、許容最大回転数に近い回転数を
維持して運転することができ、まず予冷運転時であって
も、膨張タービンから最大の寒冷を引き出すことが可能
になる。

【００４１】また、上記制動発電機制御回路は、回転シ
ャフトに設けられた制動発電機に付設され、制動発電機
制御回路に発電量を適宜設定することによって制動発電
機の発電量が調節され、発電量の寡多によって発電機の
回転子すなわち回転シャフトの回転数を制御することが
できるため、定格運転持においては、制動発電機制御回
路の発電量設定値が大きくなると発電量が多くなり、そ
のためにより多くのエネルギーが消費されるため回転シ
ャフトの回転数は抑制され、逆に上記発電量設定値が小
さくなると回転シャフトの回転数は増加するのである。

【００４２】従って、上記指示信号を基に制動発電機制
御回路の発電量設定が行われると、制動発電機の発電量
が増減し、それに伴って回転シャフトの実際回転数も増
減するが、この実際回転数は、制御装置が各伝送器から
入力された各検出値を基に計算した最適回転数に近づく
ように変化するため、結果として膨張タービンは常に最
大の効率で運転されることになる。

【００４３】上記請求項５記載の制動装置付膨張タービ
ンの運転制御方法および装置によれば、上記インペラの
回転数（Ｎ）が以下の式、すなわち、Ｎ＝（α×｛√（ｉ₁−ｉ₂)｝）／（πＤ）によって計算される値が採用される。

【００４４】ところで、タービン効率（η）はタービン
速度比（Ｒ）の関数であり、タービン速度比（Ｒ）は、
タービン周速（Ｕ）と寒冷媒体としてのヘリウムＨの断
熱膨張仕事速度（Ｃad）との比である。従って、タービン効率（η）＝Ｆ（Ｒ）＝Ｆ（Ｕ／Ｃad）と表すことができる。

【００４５】そして、寒冷媒体の状態が如何なるもので
あっても、タービン効率が最大になる値、すなわちＲ＝
ａが存在することが実験的に確認されている。そこで、
Ｒ＝Ｕ／Ｃad＝ａが満足するように運転制御すればター
ビン効率（η）は常に最大の状態になる。

【００４６】ところで、Ｕ＝πＤＮであり、また、Ｃad
＝ｃ×｛√（ｉ₁−ｉ₂)｝と表すことができる。なお、
ｃは膨張タービンのタイプによって決まる定数である。
従って、（πＤＮ）／（ｃ×√（ｉ₁−ｉ₂））＝ａが
満足する状態でタービンが回転すれば、その状態では最
大のタービン効率が得られていることになる。この式を
整理しなおすと、Ｎ＝（ａ×ｃ×√（ｉ₁−ｉ₂））／
（πＤ）となる。ａおよびｃはいずれも定数であるか
ら、ａ×ｃ＝αとおいて上記の式が得られる。

【００４７】そして（ｉ₁−ｉ₂) の値は、計装的に測
定が容易な寒冷媒体の入口圧力（Ｐti）、同出口圧力
（Ｐte）および寒冷媒体の入口温度（Ｔti）を基に算出
可能であるため、予め制御装置に計算式を入力しておけ
ば、それらの測定値が制御装置に入力される都度最大タ
ービン効率が得られるような最適回転数が常に算出され
る。

【００４８】そして、タービンの回転数を検出する回転
計を設けておき、この回転計の検出した実際回転数と、
上記最大タービン効率が得られる最適回転数とが常に比
較されるようにするとともに、実際回転数が、最適回転
数よりも多いときには、制動装置が制動ファンである場
合には、制御装置から速度制御弁にその開度が大きくな
る指示信号が発信され、その逆のときには速度制御弁の
開度が小さくなる指示信号が発信されるようにしておけ
ば、タービンは常に最大の効率が得られる状態で回転す
る。制動装置が制動発電機である場合においても、上記
同様にタービン効率が最大になる状態で運転することが
できる。

【００４９】

【実施例】図１は、本発明が適用される制動装置付膨張
タービンの一例を示す断面視の説明図である。膨張ター
ビン１としては、ヘリウム液化装置に使用されるものが
適用されている。この図に示すように、膨張タービン１
は、回転シャフト２の一端に固設されたインペラ２１
と、同他端に設けられた制動装置としての制動ファン２
２と、それらを内装するケーシング３とから基本構成さ
れている。回転シャフト２とインペラ２１と制動ファン
２２とでロータ２ａが形成されている。

【００５０】膨張タービン１には、ヘリウム圧縮機７か
ら媒体吐出経路Ｌ１を介して寒冷媒体としてのヘリウム
Ｈが圧送され、このヘリウムＨは膨張タービン１内で断
熱膨張仕事してインペラ２１を回転させ、媒体吸引経路
Ｌ２を介してヘリウム圧縮機７に戻される。媒体吐出経
路Ｌ１には入口弁７１が設けられている。

【００５１】そして、入口弁７１の下流側の媒体吐出経
路Ｌ１には経路内を移動しているヘリウムＨの圧力を検
出する入口圧力伝送器５２と、同ヘリウムＨの温度を検
出する入口温度伝送器５１が設けられており、媒体吸引
経路Ｌ２にはこの経路内を移動しているヘリウムＨの圧
力を検出する出口圧力伝送器５３が設けられている。ま
た、ケーシング３のほぼ中央部にはロータ２ａの回転数
を検出する回転計５４が設けられている。これらの伝送
器および回転計５４が検出した検出値は電気信号の形で
後述する制御装置５に入力される。

【００５２】ケーシング３のインペラ２１に対応した部
分には、ヘリウムＨを膨張タービン１内に導入するため
の入口ノズル３１が設けられている。この入口ノズル３
１の下流側には前室３２が設けられ、この前室３２の下
流側にインペラ２１の外周部に対向した噴出ノズル３３
が設けられている。インペラ２１の下流側にはタービン
出口に続く後室３４が設けられている。

【００５３】上記入口ノズル３１を介して導入されたヘ
リウムＨは、前室３２を経由して噴出ノズル３３および
インペラ２２で構成されるタービン部で断熱膨張仕事を
し、インペラ２１を回転させ、ヘリウムＨ自信は温度お
よび圧力が低下して後室３４を経由し、媒体吸引経路Ｌ
２を通ってヘリウム圧縮機７に戻される。その後、後室
３４を通って膨張タービン１から媒体吸引経路Ｌ２に導
出される。

【００５４】一方、回転シャフト２の他端部には制動フ
ァン２２が設けられている。ケーシング３内のこの部分
には、仕切壁の役目を果たす環状の案内筒３６が設けら
れている。この案内筒３６は先端側の円筒部３６ａと基
端側の鍔部３６ｂとからなり、鍔部３６ｂの外周縁部は
制動ファン２２の下流側に形成されたケーシング３内の
第一室３５と制動ファン２２の上流側に形成された第二
室３７とを互いに区分している。

【００５５】案内筒３６の円筒部３６ａ先端は、制動フ
ァン２２の先細りの外周面に所定の間隔を保って対向
し、制動ファン２２の案内筒３６の先端部がわにはファ
ン部通路４３が形成されている。一方案内筒３６の鍔部
３６ｂで左右に仕切られた空間（第一室３５および第二
室３７）は外部循環経路４０によって連結されている。
従って、ファン部通路４３、第一室３５、外部循環経路
４０および第二室３７で封入された制動用のヘリウムガ
スＨａが循環移動する循環経路が形成されている。上記
外部循環経路４０には上記ヘリウムガスＨａを冷却する
ための熱交換器４２およびヘリウムガスＨａの流量を調
節するための速度制御弁４１が設けられている。

【００５６】従って、入口ノズル３１を介して膨張ター
ビン１の前室３２内に供給されたヘリウムＨは、断熱膨
張仕事してインペラ２１を回転シャフト２周りに回転さ
せ、それに伴って回転シャフト２の他端に設けられてい
る制動ファン２２が回転する。

【００５７】そして、制動ファン２２の回転によって矢
印で示すように密封された制動用のヘリウムガスＨａ
は、制動ファン２２、ファン部通路４３、第一室３５、
外部循環経路４０、第二室３７、制動ファン２２と循環
移動し、制動ファン２２の回転のエネルギーは制動用ヘ
リウムＨａの循環移動の運動エネルギーおよび摩擦によ
る熱エネルギーとなって上記ヘリウムＨａに伝達される
ため、このエネルギーの伝達によって、インペラ２１の
回転に対する制動効果が得られる。

【００５８】循環経路４０に設けられた熱交換器４２
は、上記エネルギーの伝達によって上昇したヘリウムＨ
ａの温度を低下させるためのものであり、速度制御弁４
１は、その開度によってヘリウムの循環流量を調節する
ためのものである。速度制御弁４１の開度を絞ると、ヘ
リウムが循環移動する抵抗が増大するため、制動能力が
減少し、効果も上昇し、タービンの回転数は高くなる。
逆に速度制御弁４１の開度を大きくすると、上記抵抗が
減少するため制動能力が増加し、タービンの回転数は低
下する。

【００５９】上記のように構成された膨張タービン１に
は制御装置５が付設されている。この制御装置５には膨
張タービン１を運転制御するためのプログラムが予め入
力されている。そしてこのプログラムに基づいた制御装
置５からの指令信号を受けて入口弁７１および速度制御
弁４１の開度は設定されるようになっている。

【００６０】上記制御装置５による運転制御のための重
要な制御量として、上記入口温度伝送器５１、入口圧力
伝送器５２、出口圧力伝送器５３および回転計５４から
発信されるヘリウムＨの温度値、圧力値およびロータ２
ａの回転数が採用されている。すなわちこれらの制御量
は制御装置５に入力され、これらを基に制御装置５内で
所定の演算が行われ、その演算結果として所定の指令信
号が入口弁７１および速度制御弁４１に発信されるので
ある。

【００６１】具体的には、入口温度伝送器５１、入口圧
力伝送器５２および出口圧力伝送器５３が検出した膨張
タービン１入りのヘリウムＨの温度、圧力および膨張タ
ービン１出のヘリウムＨの圧力は常に制御装置５に入力
され、一方回転計５４が検出したロータ２ａの回転数も
制御装置５に逐一入力されるようになっている。

【００６２】そして、上記それぞれの入力された検出値
を基に、制御装置５は下記式、すなわち、Ｎ＝（α×√（ｉ₁−ｉ₂））／（πＤ）によってインペラの最適回転数（タービン最適回転数）
（Ｎ）が計算される。なお、上記式中、（α）はタービ
ン効率が最大になるための予め設定された定数であり、
膨張タービン１のタイプによって決まっており、この値
は制御装置５に事前に定数としてインプットされてい
る。また、（Ｄ）はインペラの直径であり、この値も予
め制御装置５に定数として入力されている。

【００６３】そして、（ｉ₁）は断熱膨張仕事前の寒冷
媒体の比エンタルピであり、（ｉ₂）は断熱膨張仕事後
の寒冷媒体の比エンタルピである。これらの値の差、す
なわち断熱膨脹仕事（ｉ₁−ｉ₂）の値は、例えば以下の
公知文献、すなわち、（１）ナショナルインスティチュートオブスタン
ダードアンドテクノロジーノート１３３４（１
９８９）に開示されている「２０００Ｍpaまでの圧力に
おけるヘリウムの２〜１５００Ｋの範囲の熱物理量」（”Thermophysical Properties of Helium-4 From 0.8
to 1500K WithPressures to 2000 Mpa" National Ins
titute of Standards andTechnology Note 1334 (198
9)）（２）エヌビーエステクニカルノート６３１（１
９７２）に開示されている「１０００気圧までの圧力に
おけるヘリウムの２〜１５００Ｋの範囲の熱物理量」（"Thermophysical Properties of Helium-4 From 2 to
1500K WithPressures to 1000 Atmospheres" NBS TEC
HNICAL NOTE 631 (1972)）（３）エヌエスアールデーの学術論文（１９７２）に開
示されている「圧力１００MN／ｍ²までのヘリウムの２
〜１５００Ｋの範囲の熱力学関数」（ Mc Carty,R.D., "The Thermodynamic Functions for
Helium-4 forTemperatures from 2 to 1500K with Pre
ssures to 100MN/m²"NSRD Monograph(to be published)
(1972)）に記載されている各熱力学的数値を、横軸にエントロピ
ー、縦軸に比エンタルピをとったグラフに、圧力および
温度の等高線を作成する要領でプロットすることによ
り、図２に例示するようなグラフが得られる。このグラ
フ内に検出された膨脹タービン１の入口圧力（例えばＰ
₁）と入口温度（例えばＴ₃）に対応する点（Ａ点）を求
める。このＡ点を通り縦軸に平行な直線を引き、検出さ
れた膨脹タービン１の出口圧力（例えばＰ₅）に相当す
る等圧線との交点（Ｂ点）を求める。Ａ点の比エンタル
ピ（ｉ₁）が寒冷媒体の膨脹前の比エンタルピであり、
Ｂ点の比エンタルピ（ｉ₂）が膨脹後の比エンタルピで
ある。

【００６４】従って、図２に示すように、入口比エンタ
ルピ（i₁）の値、および出口比エンタルピ（ｉ₂）の値
をこのグラフから読み取り、両者の差を求めることによ
って断熱膨脹仕事（ｉ₁−ｉ₂）を求めることができる。

【００６５】本実施例においては、上記図２に例示する
グラフは、適切な方法で数値化されて制御装置５に入力
されている。そして、検出されたタービン入口圧力
(Ｐ₁)、タービン出口圧力（Ｐ₅）およびタービン入口温
度（Ｔ₃）が制御装置５に入力されると、制御装置５は
これらの入力値を基に所定の演算を行って上記図２に例
示するグラフから入口比エンタルピ（i₁）の値を読み取
り、断熱膨張仕事の前後でエントロピー（Ｓ）に変化は
ないとして曲線(Ｐ₁)と曲線（Ｔ₃）との交点から垂下す
る直線と、曲線（Ｐ₅）との交点の縦軸の目盛を読み取
り出口比エンタルピ（ｉ₂）の値を得て断熱膨脹仕事
（ｉ₁−ｉ₂）を計算し、最終的には上記の式によってタ
ービン効率が最大になるインペラの回転数（Ｎ）が演算
される。

【００６６】このようにして計算されたインペラの回転
数（Ｎ）は、常に回転計５４から制御装置５に入力され
る実際のロータ２ａの回転数と比較演算がなされる。そ
して、計算されたインペラの最適回転数（Ｎ）の方がイ
ンペラの実際回転数よりも多いときには、制御装置５か
ら速度制御弁４１に弁開度を絞るような指示信号が発信
され、逆に計算されたインペラの最適回転数（Ｎ）の方
がインペラの実際回転数よりも少ないときには、弁開度
を大きくするための指示信号が発信されるように構成さ
れている。

【００６７】以上、本発明の基本的な構成を説明するた
めに、制御装置５からの指令信号は速度制御弁４１にの
み発信される定格運転に突入した後について説明した
が、膨張タービン１の運転状況によっては、制御装置５
から入口弁７１に指令信号が発信される場合もある。以
下このような場合について説明する。

【００６８】まず、膨張タービン１が始動した初期の予
冷運転時においては、タービン入口温度が大幅に高いた
め、タービン入口圧力を定格圧力以下に抑制しないとう
ロータ２ａは過回転になる。一方、予冷時間を短縮させ
るためには、膨張タービン１に最大の能力を発揮させな
ければならない。このような相反する課題をクリヤーす
るために、本実施例においては、予冷運転時はロータ２
ａの回転数を制御ファクターに用いて入口弁７１を操作
してタービン入口圧力を段階的に昇圧する予冷運転制御
モードを採用している。

【００６９】具体的には、図３のグラフに例示するよう
な状態の運転制御を行っている。すなわち、制御装置５
は、膨張タービン１が起動した直後であることを入口温
度伝送器５１が検出した入口温度で判断し、予冷運転の
制御モードが選択される。この予冷運転制御モードは予
め制御装置５に入力されている。なお、このモードのと
きには、それが解除されるまで当初に設定された設定最
大回転数および設定最小回転数は変更しないようにして
ある。

【００７０】また、このモードのときには、外部循環経
路４０の速度制御弁４１は全開状態とされるとともに、
媒体吐出経路Ｌ１の入口弁７１の開度は絞られる。その
ため、当初は定格圧力よりも相当低い圧力になってい
る。そして、時間の経過とともにタービンの入口温度は
低下していくから、その分タービン入口圧力は下がり、
その結果タービン回転数は徐々に小さくなっていくが、
その実際回転数（回転計５４により検出される）が上記
設定最小回転数になったときには、タービン回転数が設
定回転数に達するまで入口弁７１の開度を若干大きくす
るような信号が制御装置５から入口弁７１に伝達される
ようになっている。上記開度を大きくするとタービン入
口圧力は階段状に上昇する。

【００７１】上記のような制御が行われるため、時間の
経過に従って、タービン入口温度は低下してゆき、ター
ビン入口圧力は階段状に上昇してゆき、タービン回転数
は設定最大回転数と設定最小回転数との間を維持した状
態で推移する。

【００７２】そして、タービン入口圧力が定格圧力に到
達すると、上記予冷運転制御モードは解除され、前述の
定格運転時の制御に切り替わるようになっている。定格
運転制御になると、上記設定最小回転数も解除され、従
って、定格運転見合いのタービン回転数が設定され、以
後先に説明したように入口弁７１の開度ではなく、速度
制御弁４１の開度を調節することによってタービン効率
が最大になるようにロータ２ａの回転数が制御される。

【００７３】従来は、上記予冷運転中は、予め決められ
たスケジュールに従って、タービン入口温度とタービン
入口圧力とを制御ファクターにしてタービン入口圧力を
昇圧し、タービンが過回転にならないと、予め想定した
運転条件範囲を維持しながら、定格圧力までタービン入
口圧力を昇圧する方式が採用されてきた。この方式は、
タービン入口温度とタービン入口圧力からタービン回転
数を予想するものであるから正確ではない。そのため過
回転になるのを確実に抑止するため、ややもすると許容
回転数より相当低い回転数で運転されていた場合が多か
ったが、本実施例においては、ロータ２ａの設定最大回
転数および設定最小回転数を予め制御装置５内に入力し
てこの範囲内の回転数が得られるように構成されている
ため、過回転にはならず、かつ、効率的な予冷運転が可
能になる。

【００７４】以下本発明の作用について図１に例示する
実施例を基に説明する。まず、ヘリウム圧縮機７の運転
を開始することによって膨張タービン１は起動する。起
動に際しては、予め制御装置５は予冷運転制御モードに
設定されている。このモードの設定は、作業者のスイッ
チ操作によって行ってもよいが、本実施例においては、
入口温度伝送器５１が検出した温度によって行ってい
る。すなわち、予め設定された温度よりも入口温度伝送
器５１の検出した温度の方が高いときには、自動的に予
冷運転制御モードに切換えられるようになっている。

【００７５】いずれにしても、膨張タービン１が起動す
る直前には、まず制御装置５からは速度制御弁４１に弁
全開の指示信号が発信され、それを受けた速度制御弁４
１は全開状態になり、循環経路内に密封されている制動
用のヘリウムガスＨａは制動ファン２２の回転に従って
最小の抵抗で循環移動するため、ロータ２ａの回転はこ
のヘリウムガスＨａによって最大限に制動された状態に
なっている。

【００７６】また、予め入口弁７１が所定の開度になる
ように制御装置５からは指示信号が発信されているた
め、入口弁７１は定格運転時よりも相当絞り込まれた状
態になっている。このような状態でヘリウム圧縮機７か
らは寒冷媒体としてのヘリウムＨが膨張タービン１に送
出され、図３に示すようにヘリウムＨの圧力は入口弁７
１に設定された開度分だけ上昇し、インペラ２１を設定
最大回転数まで回転させるが、タービン入口温度の下降
に従って上記圧力は低下する。

【００７７】その結果タービン回転数が設定最小回転数
に到達すると、制御装置５はそれを回転計５４からの信
号で認識し、入口弁７１に弁開度を若干大きくする指示
信号を発信する。そうすると、再度タービン入口圧力は
上昇しタービン回転数は設定最大回転数まで回復する。
タービン入口温度の下降に従って、次順入口弁７１の開
度を大きくしていくと、タービン回転数は設定最大回転
数と、設定最小回転数との間を維持した状態で推移し、
過回転および過小回転は抑止され、効率的な予冷運転が
実現する。

【００７８】そして、タービン入口圧力が定格圧力に到
達すると、制御装置５はそのことを入口圧力伝送器５２
からの圧力信号をもとに判断し、膨張タービン１の運転
制御は予冷運転制御モードから定常運転制御モードに切
換えられる。

【００７９】すなわち、定常運転制御モードにおいて
は、タービン効率が最大になる制御に主眼が置かれ、そ
のために入口弁７１の開度は最大とされ、速度制御弁４
１の開度を調節することによる制動用ヘリウムガスＨａ
の循環流量によってのみタービン回転数が制御されるこ
とになる。

【００８０】そして、その制御は、前記のように入口温
度伝送器５１、入口圧力伝送器５２および出口圧力伝送
器５３から入力されるタービン入口温度、タービン入口
圧力およびタービン出口圧力を基に前記計算式に基づい
たタービン効率が最大になる回転数が制御装置５によっ
て逐一計算され、回転計５４から入力される実際のロー
タ２ａの回転数と比較計算され、計算値の方が実測値よ
りも大きいときには制御装置５から速度制御弁４１にそ
の開度を小さくする指示信号が発信され、計算値の方が
小さいときにはその開度を大きくする指示信号が発信さ
れる。

【００８１】従って、それらの指示信号を受けた速度制
御弁４１はその開度を都度変更し、制動ファン２２の回
転による制動用ヘリウムガスＨａの循環流量を適正なも
のにして常にロータ２ａの回転数をタービン効率が最大
になるように制御する。

【００８２】本発明の膨張タービンの運転制御方法は以
上詳述したように、予冷運転中は回転計５４からのロー
タ２ａの回転数を制御ファクターにして入口弁７１の弁
開度を調節してタービン入口圧力を昇圧する方式である
ため、従来困難であった予冷運転中の過大回転および過
小回転の回避することが可能であり、また、定格運転時
においては、寒冷媒体としてのヘリウムの循環経路に入
口温度伝送器５１、入口圧力伝送器５２および出口圧力
伝送器５３を設け、それらによって検出されたタービン
入口温度、タービン入口圧力およびタービン出口圧力の
値を基にタービン効率が最大になるタービンの回転数を
計算し、この計算値になるように制動用ガスの循環経路
に設けられた速度制御弁の開度を調節することによって
実際のタービン回転数をタービン効率が最大になるよう
に制御するものであるため、定格運転中のタービン効率
が最大になる運転を容易に行うことが可能になり、ヘリ
ウム液化冷凍機における膨張タービンの大型化による電
力消費量の増大を有効に抑止し、極めて効果的な省エネ
ルギー的運転が可能になった。

【００８３】図４は本発明を実施するために採用される
他の例の膨張タービンを例示した断面視の説明図であ
る。この例の場合は、膨張タービン１のロータ２ａに制
動用の制動ファンを設けて循環経路内の制動用ガスを循
環移動させて制動効果を得る代わりに、ロータ２ｂに制
動装置としての制動発電機２３ａを設けている。制動発
電機２３ａは回転シャフト２に固設された回転子２３と
この回転子２３に対応してケーシング３の内部に設けら
れた固定子２４とから構成されている。従って、この例
の場合は、ロータ２ｂは回転シャフト２とロータ２ａと
回転子２３とで構成されており、先の例にあったような
制動用ガスの循環経路は設けられていない。

【００８４】さらにこの例の場合には、上記制動発電機
２３ａの発電量を制御する制動発電機制御回路４４が設
けられ、この制動発電機制御回路４４からの信号によっ
て制動発電機２３ａの発電量が決定されるようになって
いる。そして、上記制動発電機制御回路４４が制動発電
機２３ａに発信する発電量は、制御装置５から指示され
るようになっている。

【００８５】その他については、図１を基に述べた先の
実施例と全く同じであり、寒冷媒体としてのヘリウムＨ
を圧送するヘリウム圧縮機７が設けられ、その下流側に
は媒体吐出経路Ｌ１が、その上流側には媒体吸引経路Ｌ
２が設けられ、ヘリウム圧縮機７、媒体吐出経路Ｌ１、
膨張タービン１および媒体吸引経路Ｌ２によってヘリウ
ムＨの循環経路が形成されている。

【００８６】そして、媒体吐出経路Ｌ１には入口弁７１
が設けられ、その下流側であって膨張タービン１の手前
には入口圧力伝送器５２および入口温度伝送器５１が付
設されている。また、膨張タービン１の出口側の媒体吸
引経路Ｌ２上には出口圧力伝送器５３が付設されてい
る。さらに膨張タービン１のケーシング３には回転計５
４が設けられている。

【００８７】上記各伝送器５２、５１、５３が検出した
タービン入口温度、タービン入口圧力およびタービン出
口圧力、並びに回転計５４が検出したタービン回転数
は、いずれも制御装置５に入力され、所定の演算がなさ
れて指示信号が発信され、ロータ２ｂの回転数が制御さ
れる。

【００８８】そして、予冷運転制御モードのときは、制
御装置５から制動発電機制御回路４４に制動発電機２３
ａの発電量が最大になるような発電量設定値を採用する
ように指示信号が発信されるが、それ以外は先に図３を
基に説明したのと同じく、回転計５４からの入力信号を
基に、入口弁７１が所定の弁開度になるように指示信号
が発信され、その結果、タービン回転数は設定最大回転
数と設定最小回転数との間を維持した状態で推移する。

【００８９】その後、タービン入口圧力が定格圧力に到
達し、運転制御が予冷運転制御モードから定常運転制御
モードに切り換えられてからは、入口弁７１は最大開度
に固定され、制動発電機２３ａの発電量を調節すること
によって、最大のタービン効率が得られるようなタービ
ン回転数が先に述べた計算式を基に計算され、逐一計算
回転数が設定される。

【００９０】そして、回転計５４が検出した実際のター
ビン回転数と、上記計算された回転数とが比較演算さ
れ、計算回転数の方が多いときには（すなわち、タービ
ン効率が最大になる回転数より実際の回転数が少ないと
きには）、制御装置５から制動発電機制御回路４４に制
動発電機２３ａの発電量を少なくするようにせよ、との
指示信号が発信されるため、制動発電機２３ａの発電量
が少なくなって（すなわち、ロータ２ｂの回転抵抗が少
なくなって）、タービン回転数は上昇する。

【００９１】逆の場合、すなわち計算回転数の方が実際
の回転数よりも少ないときには、制御装置５から制動発
電機制御回路４４に制動発電機２３ａの発電量を多くす
るようにせよ、との指示信号が発信されるため、制動発
電機２３ａの発電量が多くなってロータ２ｂの回転抵抗
が増加し、タービン回転数は減少する。

【００９２】このように、発電量を調節することによっ
て、ロータ２ｂの回転抵抗を増減させ、これによってタ
ービン回転数をタービン効率が最大になるように制御す
ることができる。

【００９３】図５は、２台の膨張タービンを直列に連結
した場合の、本発明の適用例を例示した系統図である。
この例の場合は、２台の膨張タービンはいずれも図４に
例示する発電制動方式のものが採用されている。

【００９４】寒冷媒体としてのヘリウムは、ヘリウム圧
縮機７から吐出され、媒体吐出経路Ｌ１と媒体吸引経路
Ｌ２からヘリウム圧縮機７に供給されるように循環移動
している。ヘリウム圧縮機７に対向した側の媒体吐出経
路Ｌ１と媒体吸引経路Ｌ２との接合部分には冷却される
べき冷媒負荷７３が設けられている。冷媒負荷７３の直
前の媒体吐出経路Ｌ１上にはＪＴ弁７２が設けられてい
る。そして、媒体吐出経路Ｌ１と媒体吸引経路Ｌ２との
互いに隣接した部分には熱交換器７４、７５、７６、７
７、７８、７９が設けられている。

【００９５】熱交換器７５の下流側の媒体吐出経路Ｌ１
からは経路Ｌ３が分岐され、この経路Ｌ３は入口弁７１
を介して第一膨張タービン１１に接続され、第一膨張タ
ービン１１の下流側は経路Ｌ４に接続されている。この
経路Ｌ４は熱交換器７７で熱交換に供され、第二膨張タ
ービン１２に接続されている。そしてこの第二膨張ター
ビン１２の下流側は経路Ｌ５に接続され、この経路Ｌ５
は熱交換器７８と熱交換器７９の間の媒体吸引経路Ｌ２
に接続されている。

【００９６】従って、ヘリウム圧縮機７によって圧送さ
れた寒冷媒体としてのヘリウムは、まず媒体吐出経路Ｌ
１を通り、経路Ｌ３を介して第一膨張タービン１１に供
給され、ここで第一段階目の冷却が行われてから、経路
Ｌ４を通って第二膨張タービン１２に供給され、ここで
第二段階目の冷却が行われ、経路Ｌ５を介して媒体吸引
経路Ｌ２に戻されるようになっている。従って、媒体吸
引経路Ｌ２には常に新たに冷却されたヘリウムが供給さ
れ、このヘリウムは一部が媒体吐出経路Ｌ１および媒体
吸引経路Ｌ２を循環移動して冷媒負荷７３の冷却に供さ
れるようになっている。

【００９７】そして、入口弁７１の下流側の経路Ｌ３に
はヘリウムのタービン入口温度とタービン入口圧力とを
検出する第一入口温度伝送器５１１と第一入口圧力伝送
器５２１とが設けられ、第一膨張タービン１１にはその
タービンの回転数を検知する第一回転計５４１が設けら
れている。そして、これらの検知した値は、いずれも制
御装置５に入力されるように構成されている。

【００９８】一方、第一膨張タービン１１には第一制動
発電機２３１が設けられており、この制動発電機２３１
には第一制動発電機制御回路４４１が接続されている。
この第一制動発電機制御回路４４１には第一制動発電機
２３１の発電量を設定するための指示信号が制御装置５
から発信されるようになっている。

【００９９】また、経路Ｌ４の第一膨張タービン１１直
後の部分には、第二膨張タービン１２を対象とした第二
入口圧力伝送器５２２が設けられ、経路Ｌ４上の熱交換
器７７より下流側には第二入口温度伝送器５１２が設け
られている。また、第二膨脹タービン１２には第二回転
計５４２および出口圧力伝送器５３１が設けられてい
る。なお、第二入口圧力伝送器５２２は、第一膨張ター
ビン１１の出口圧力伝送器の役割をも兼ね備えている。

【０１００】そして、第二膨張タービン１２には第二制
動発電機２３２が設けられており、この制動発電機２３
２には第二制動発電機制御回路４４２が接続されてい
る。この第二制動発電機制御回路４４２には第二制動発
電機２３２の発電量を設定するための指示信号が制御装
置５から発信されるようになっている。

【０１０１】本実施例においては、以上のように各装置
および計装機器が配置されて２台の膨張タービン１１、
１２によって寒冷媒体であるヘリウムを冷却するように
なっている。

【０１０２】つぎに、上記２台の膨張タービン１１、１
２の運転制御方法について説明する。まず、定常時の定
格運転においては、各膨張タービン１１、１２を対象と
して設けられた第一および第二入口温度伝送器５１１、
５１２、第一および第二入口圧力伝送器５２１、５２
２、並びに出口圧力伝送器５３１は、それぞれ第一膨張
タービン１１、および第二膨張タービン１２用として使
用され、それらが検出した検出値は制御装置５に入力さ
れて前述した通りの所定の演算が行われ、タービン効率
が最大になるようなタービン回転数がそれぞれ設定さ
れ、制御装置５から第一および第二制動発電機制御回路
４４１、４４２に、上記設定されたタービン回転数にな
るための第一および第二制動発電機２３１、２３２の発
電量が指示される。

【０１０３】従って、第一および第二制動発電機２３
１、２３２は上記指示信号の通りの発電量で発電し、そ
れぞれのタービンはタービン効率が最大になる状態で回
転する。

【０１０４】なお、入口弁７１の開度は、いずれの膨張
タービン１１、１２も過回転にならないように弁開閉が
制御されている。すなわち、いずれかの膨張タービン１
１、１２が、予め設定された設定最大回転数よりも回転
数が多くなり、かつ、その制動発電機が全負荷状態にな
っている場合には、制御装置５から入口弁７１に弁開度
を絞る指示信号が発信される。

【０１０５】つぎに、膨張タービン起動直後の予冷運転
モードにおける運転制御について説明する。基本的には
先に説明した膨張タービンが一台の場合と変わりはない
が、二基の膨張タービン中の予冷運転におけるタービン
入口圧力の階段状の昇圧操作および予冷運転の終了時点
をいずれか一方の膨張タービン１１、１２が到達した状
態で決定している点に特徴がある。

【０１０６】具体的には、起動条件が整ったところで制
御装置５の指示信号によって入口弁７１が開通されると
ともに、双方の制動発電機２３１、２３２は最大負荷状
態にされる。そして、いずれかの膨張タービン１１、１
２の回転数が設定最大回転数と設定最低回転数との間を
維持した状態で推移し、図３に示すようにタービン入口
圧力が定格圧力に到達するまで入口弁７１の開度を徐々
に大きくしてゆく。

【０１０７】また、２台の膨張タービン１１、１２が両
方共定常運転制御モードに到達したら、全体を定常運転
制御モードに切り換えるように制御されるのである。

【０１０８】なお、２台の膨張タービン１１、１２が同
時に運転されているため、特に予冷時には温度分布によ
って、いずれか一方の膨張タービンが設定最小回転数以
下の回転数になり、他方の膨張タービンが設定最高回転
数以上の回転数になることがある。本実施例において
は、そのような場合も想定し、制御装置５からは入口弁
７１の開度を適正なものにする信号が発信されるように
構成されている。

【０１０９】

【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１記
載の制動装置付膨張タービンの運転制御方法は、予冷運
転時は回転シャフトの実際回転数を検出し、この回転数
が設定範囲内になるようにタービン部に供給される寒冷
媒体の圧力を増減するために、膨脹タービンの入口弁の
弁開度を調節するものであり、定格運転時はインペラに
供給される寒冷媒体の温度および圧力、並びにインペラ
から排出される寒冷媒体の圧力を検出するとともに、回
転シャフトの実際回転数を検出し、これらの検出値を基
にタービン効率が最大になる回転シャフトの最適回転数
を算出し、上記実際回転数が常に最適回転数になるよう
に上記速度制御弁に弁の開度を調節するものであり、請
求項３記載の制動装置付膨張タービンの運転制御装置
は、予冷運転時は回転シャフトの実際回転数を検出し、
この回転数が設定範囲内になるようにタービン部に供給
される寒冷媒体の圧力を増減するために、膨脹タービン
の入口弁の弁開度を調節するものであり、定格運転時は
インペラに供給される寒冷媒体の温度および圧力を検出
する入口温度伝送器および入口圧力伝送器が設けられ、
インペラから排出される寒冷媒体の圧力を検出する出口
圧力伝送器が設けられ、回転シャフトの最適回転数の算
出および速度制御弁の開度調節指示を行う制御装置が設
けられてなるものである。

【０１１０】従って、これらの制御方法および制御装置
によれば、予冷運転時に回転数を直接の制御ファクター
に用いることができるから、ロータの過回転が確実に回
避できるだけでなく、許容最大回転数に近い高い回転数
を維持した運転が可能になり、膨脹タービンから最大の
寒冷を引き出すことができる。

【０１１１】また、これらの制御方法および制御装置に
よれば、回転シャフトの実際回転数が最適回転数よりも
多いときにはその回転数を減少させるべく制御装置から
は速度制御弁に弁開度を増加させるための信号が発信さ
れ、逆に実際回転数が最適回転数よりも少ないときには
その回転数を増加させるべく弁開度を減少させるための
信号が発信されるのである。

【０１１２】従って、上記指示信号を基に速度制御弁の
開閉操作が行われると、循環経路を循環移動する制動用
ガスの移動抵抗が増減し、それに伴って回転シャフトの
実際回転数も増減するが、この実際回転数は、制御装置
が各伝送器から入力された各検出値を基に計算した最適
回転数に近づくように変化するため、結果として膨張タ
ービンは常に最大の効率で運転されることになる。

【０１１３】本発明の請求項２記載の制動装置付膨張タ
ービンの運転制御方法は、予冷運転時は回転シャフトの
実際回転数を検出し、この回転数が設定範囲内になるよ
うにタービン部に供給される寒冷媒体の圧力を増減する
ために、膨脹タービンの入口弁の弁開度を調節するもの
であり、定格運転時はインペラに供給される寒冷媒体の
温度および圧力、並びにインペラから排出される寒冷媒
体の圧力を検出するとともに、回転シャフトの実際回転
数を検出し、これらの検出値を基にタービン効率が最大
になる回転シャフトの最適回転数を算出し、上記実際回
転数が常に最適回転数になるように上記制動発電機制御
回路に制動発電機の発電量を設定するものであり、請求
項４記載の制動装置付膨張タービンの運転制御装置は、
予冷運転時は回転シャフトの実際回転数を検出し、この
回転数が設定範囲内になるようにタービン部に供給され
る寒冷媒体の圧力を増減するために、膨脹タービンの入
口弁の弁開度を調節するものであり、定格運転時はイン
ペラに供給される寒冷媒体の温度および圧力を検出する
入口温度伝送器および入口圧力伝送器が設けられ、イン
ペラから排出される寒冷媒体の圧力を検出する出口圧力
伝送器が設けられ、回転シャフトの最適回転数の算出お
よび制動発電機制御回路に制動発電機の発電量を指示す
る制御装置が設けられてなるものである。

【０１１４】従って、これらの制御方法および制御装置
によれば、予冷運転時に回転数を直接の制御ファクター
に用いることができるから、ロータの過回転が確実に回
避できるだけでなく、許容最大回転数に近い高い回転数
を維持した運転が可能になり、膨脹タービンから最大の
寒冷を引き出すことができる。

【０１１５】また、上記指示信号を基に制動発電機制御
回路の発電量設定が行われると、制動発電機の発電量が
増減し、それに伴って回転シャフトの実際回転数も増減
するが、この実際回転数は、制御装置が各伝送器から入
力された各検出値を基に計算した最適回転数に近づくよ
うに変化するため、結果として膨張タービンは常に最大
の効率で運転されることになる。

【０１１６】また、上記インペラの最適回転数（Ｎ）と
して以下の式、すなわち、Ｎ＝（α×（ｉ₁−ｉ₂)¹/²）／（πＤ）によって計算される値を採用するようにすれば、膨張タ
ービンが最大の効率で運転された状態になり、運転制御
を行う上で極めて好都合である。なぜなら、上記αはタ
ービンの種類によって設定された値であり、断熱膨張仕
事仕事である（ｉ₁−ｉ₂)の値も膨張タービン運転中の
寒冷媒体のタービン入口圧力、同出口圧力およびタービ
ン入口温度を検出することによって容易に計算可能であ
るから、運転中は常に上記インペラの最適回転数（Ｎ）
を目安にして、その回転数になるように実際のタービン
回転数を制御することは容易であり、これによって従来
困難とされていたヘリウム液化冷凍器用の膨張タービン
の最適な運転制御が行えるのである。

【０１１７】本発明の膨張タービンの運転制御方法は以
上詳述したように、予冷運転中は回転計５４からのロー
タ２ａの回転数を制御ファクターにして入口弁７１の弁
開度を調節してタービン入口圧力を昇圧する方式である
ため、従来困難であった予冷運転中の過大回転および過
小回転の回避することが可能であり、また、定格運転時
においては、寒冷媒体としてのヘリウムの循環経路に入
口温度伝送器５１、入口圧力伝送器５２および出口圧力
伝送器５３を設け、それらによって検出されたタービン
入口温度、タービン入口圧力およびタービン出口圧力の
値を基にタービン効率が最大になるタービンの回転数を
計算し、この計算値になるように制動用ガスの循環経路
に設けられた速度制御弁の開度を調節することによって
実際のタービン回転数をタービン効率が最大になるよう
に制御するものであるため、定格運転中のタービン効率
が最大になる運転を容易に行うことが可能になり、ヘリ
ウム液化冷凍機における膨張タービンの大型化による電
力消費量の増大を有効に抑止し、極めて効果的な省エネ
ルギー的運転が可能になるなど工業上極めて有用な発明
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る制動装置付膨張タービンの運転制
御方法を説明するための膨張タービンの断面視説明図で
ある。

【図２】ヘリウムを対象とした場合のエントロピーとエ
ンタルピとの関係を示すグラフである。

【図３】予冷運転制御モードにおけるタービン入口温
度、タービン入口圧力およびタービン回転数の経時的変
化を例示するグラフである。

【図４】本発明に係る制動装置付膨張タービンの運転制
御方法を説明するための膨張タービンの他の例を示す断
面視説明図である。

【図５】二台の膨張タービンを直列に接続した場合の系
統図である。

【図６】従来の制動装置付膨張タービンの運転制御方法
を説明するための膨張タービンの断面視説明図である。

【図７】タービン速度比とタービン効率との関係を例示
するグラフである。

【符号の説明】

１膨張タービン２ａ、２ｂロータ２回転シャフト２１インペラ２２制動ファン２３回転子２３２４固定子２３ａ制動発電機３ケーシング３１入口ノズル３２前室３３噴出ノズル３４後室３５第一室３６案内筒３６ａ円筒部３６ｂ鍔部３７第二室４０外部循環経路４１速度制御弁４２熱交換器５制御装置５１入口温度伝送器５２入口圧力伝送器５３出口圧力伝送器７ヘリウム圧縮機

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ケーシング内に回転シャフトが内装さ
れ、この回転シャフトの両端にインペラと制動ファンと
が設けられ、上記インペラに入口弁を介して供給される
寒冷媒体の断熱膨張仕事によってインペラが回転され、
このインペラに連動した上記制動ファンは循環経路に封
入された制動用ガスを上記循環経路内で循環移動させ、
この循環経路には循環移動している制動用ガスの循環流
量を調節する速度制御弁が設けられ、この速度制御弁の
開度を調節することによって上記インペラの回転を制御
する制動装置付膨張タービンの運転制御方法において、
予冷運転時は回転シャフトの実際回転数を検出し、この
実際回転数が予め設定された設定回転数の範囲内の回転
数になるように上記入口弁の開度を調節し、定常運転時
はインペラに供給される寒冷媒体の温度および圧力、並
びにインペラから排出される寒冷媒体の圧力を検出する
とともに、回転シャフトの実際回転数を検出し、これら
の検出値を基にタービン効率が最大になる回転シャフト
の最適回転数を算出し、上記実際回転数が常に最適回転
数になるように上記速度制御弁の弁の開度を調節するこ
とを特徴とする制動装置付膨張タービンの運転制御方
法。
【請求項２】ケーシング内に回転シャフトが内装さ
れ、この回転シャフトの両端にインペラと制動発電機の
回転子とが設けられ、上記入口弁を介してインペラに供
給される寒冷媒体の断熱膨張仕事によってインペラが回
転され、このインペラに連動した回転子の回転によって
上記制動発電機は発電され、この制動用発電機には発電
量を調節する制動発電機制御回路が設けられ、この制動
発電機制御回路で制動発電機の発電量を調節することに
よって上記インペラの回転を制御する制動装置付膨張タ
ービンの運転制御方法において、予冷運転時は回転シャ
フトの実際回転数を検出し、この実際回転数が予め設定
された設定回転数の範囲内の回転数になるように上記入
口弁の開度を調節し、定常運転時はインペラに供給され
る寒冷媒体の温度および圧力、並びにインペラから排出
される寒冷媒体の圧力を検出するとともに、回転シャフ
トの実際回転数を検出し、これらの検出値を基にタービ
ン効率が最大になる回転シャフトの最適回転数を算出
し、上記実際回転数が常に最適回転数になるように上記
制動発電機制御回路に制動発電機の発電量を設定するこ
とを特徴とする制動装置付膨張タービンの運転制御方
法。
【請求項３】ケーシング内に回転シャフトが内装さ
れ、この回転シャフトの両端にインペラと制動ファンと
が設けられ、上記インペラに入口弁を介して供給される
寒冷媒体の断熱膨張仕事によってインペラが回転され、
このインペラに連動した上記制動ファンは循環経路に封
入された制動用ガスを上記循環経路内で循環移動させ、
この循環経路には循環移動している制動用ガスの循環流
量を調節する速度制御弁が設けられ、この速度制御弁の
開度を調節することによって上記インペラの回転を制御
する方式の制動装置付膨張タービンの運転制御装置にお
いて、インペラに供給される寒冷媒体の温度および圧力
を検出する入口温度伝送器および入口圧力伝送器が設け
られ、インペラから排出される寒冷媒体の圧力を検出す
る出口圧力伝送器が設けられ、回転シャフトの実際回転
数を検出する回転計が設けられ、上記の各伝送器が検出
した検出値を基にタービン効率が最大になる回転シャフ
トの最適回転数を算出する制御装置が設けられ、この制
御装置は、予冷運転時には回転シャフトの実際回転数を
検出し、この実際回転数が予め設定された設定回転数の
範囲内の回転数になるように上記入口弁に弁の開度を調
節する指示信号を発信し、定常運転時には上記実際回転
数が常に最適回転数になるように上記速度制御弁に弁の
開度を調節する指示信号を発信するように構成されてい
ることを特徴とする制動装置付膨張タービンの運転制御
装置。
【請求項４】ケーシング内に回転シャフトが内装さ
れ、この回転シャフトの両端にインペラと制動発電機の
回転子とが設けられ、上記インペラに入口弁を介して供
給される寒冷媒体の断熱膨張仕事によってインペラが回
転され、このインペラに連動した回転子の回転によって
上記制動発電機は発電され、この制動用発電機には発電
量を調節する制動発電機制御回路が設けられ、この制動
発電機制御回路で制動発電機の発電量を調節することに
よって上記インペラの回転を制御する方式の制動装置付
膨脹タービンの運転制御装置において、インペラに供給
される寒冷媒体の温度および圧力を検出する入口温度伝
送器および入口圧力伝送器が設けられ、インペラから排
出される寒冷媒体の圧力を検出する出口圧力伝送器が設
けられ、回転シャフトの実際回転数を検出する回転計が
設けられ、上記の各伝送器が検出した検出値を基にター
ビン効率が最大になる回転シャフトの最適回転数を算出
する制御装置が設けられ、この制御装置は、予冷運転時
には回転シャフトの実際回転数を検出し、この実際回転
数が予め設定された設定回転数の範囲内の回転数になる
ように上記入口弁に弁の開度を調節する指示信号を発信
し、定常運転時にはこの制御装置は上記実際回転数が常
に最適回転数になるように上記制動発電機制御回路に制
動発電機の発電量を設定する指示信号を発信するように
構成されていることを特徴とする制動装置付膨張タービ
ンの運転制御装置。
【請求項５】上記最適回転数は以下の式によって算出
されることを特徴とする請求項１、２、３または４記載
の制動装置付膨脹タービンの運転制御方法および装置。Ｎ＝（α×｛√（ｉ₁−ｉ₂)｝）／（πＤ）但し、Ｎ：インペラの最適回転数 α ：タービン効率が最大になるための予め設定された
定数ｉ₁ ：断熱膨張仕事前の寒冷媒体の比エンタルピｉ₂ ：断熱膨張仕事後の寒冷媒体の比エンタルピ π ：円周率（３．１４１５９・・・）Ｄ：インペラの直径