JPH06147667A - Method and apparatus for controlling operation of liquified freezer device - Google Patents

Method and apparatus for controlling operation of liquified freezer device

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JPH06147667A
JPH06147667A JP29872592A JP29872592A JPH06147667A JP H06147667 A JPH06147667 A JP H06147667A JP 29872592 A JP29872592 A JP 29872592A JP 29872592 A JP29872592 A JP 29872592A JP H06147667 A JPH06147667 A JP H06147667A
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JP
Japan
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pressure
turbine
outlet
valve
refrigerant
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Application number
JP29872592A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tetsuro Matsumoto
哲朗 松本
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Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To enable the control of the degree of opening of an expansion valve accompanying liquifying operation of refrigerant and the control of pressure at the outlet of a supercritical expansion turbine along with its operation to be carried out concurrently and in a well-adapted manner. CONSTITUTION:The degree of opening of an expansion valve 6 is controlled in response to a storing condition of refrigerant liquid in a refrigerant liquid storing tank 1 and concurrently the degree of opening of an outlet valve 15 arranged on the upstream side of the expansion valve 6 is adjusted, thereby the pressure at an outlet port of a super critical expansion turbine 12 is controlled. In the case where both controls are carried out, the control of the degree of opening of a pre-cooling valve 24 arranged in a pre-cooling bypass line 23 bypassing a refrigerant liquid storing tank 1 and the expansion valve 6 and the control of the degree of opening of a bypass valve 26 arraanged in a turbine bypass line 25 bypassing the outlet port valve 15 are carried out and thereby the pressure at the inlet port of the expansion carried out and thereby the pressure at the inlet port of the expansion valve 6 is always kept at a lower pressure than the pressure at the outlet port of the supercritical expansion turbine 12 irrespective of the degree of opening of the expansion valve 6.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、冷媒を液化する膨張弁
の上流側に超臨界タービン式膨張機が設けられる液化冷
凍装置の運転制御方法及び装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an operation control method and apparatus for a liquefaction refrigeration system in which a supercritical turbine expander is provided upstream of an expansion valve for liquefying a refrigerant.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、ヘリウム液化冷凍装置をはじめと
する極低温液化冷凍装置、特に大型の液化冷凍装置にお
いて、その冷凍能力を増大し、また膨張弁(JT弁)で
の液化率を向上させるために、膨張弁の上流側に超臨界
タービン式膨張機(以下、超臨界膨張タービンと称す
る。)を設けることがよく行われている。このような装
置では、上記超臨界膨張タービン内でヘリウムが液化す
ると、その液滴に起因してタービンブレードでいわゆる
ドレンアタック現象が生じ、膨張タービンに多大なダメ
ージが加えられるので、これを防ぐための手段を備える
必要がある。
2. Description of the Related Art In recent years, in a cryogenic liquefaction refrigeration system such as a helium liquefaction refrigeration system, especially in a large liquefaction refrigeration system, its refrigerating capacity is increased and the liquefaction rate of an expansion valve (JT valve) is improved. Therefore, a supercritical turbine expander (hereinafter referred to as a supercritical expansion turbine) is often provided upstream of the expansion valve. In such a device, when helium is liquefied in the supercritical expansion turbine, a so-called drain attack phenomenon occurs in the turbine blade due to the droplets, which causes a great damage to the expansion turbine. It is necessary to provide the means of.

【0003】そこで、特開昭60−164182号公報
には、上記超臨界膨張タービンの下流側に設けられてい
る膨張弁を調圧弁として兼用し、その開度調節によって
上記超臨界膨張タービンの出口圧力を常にヘリウムの臨
界圧力以上の圧力に保持する方法が示されている。
Therefore, in JP-A-60-164182, the expansion valve provided on the downstream side of the supercritical expansion turbine is also used as a pressure regulating valve, and the opening of the supercritical expansion turbine is adjusted by adjusting the opening thereof. A method of keeping the pressure always above the critical pressure of helium is shown.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】上記方法では、本来、
冷媒の液化具合を制御するための膨張弁を利用して超臨
界タービン式膨張機の出口圧力を制御しており、この膨
張弁開度は超臨界膨張タービンの運転及び液化運転の双
方に影響を与えるので、次のような不具合を生じること
になる。
In the above method, originally,
The outlet pressure of the supercritical turbine type expander is controlled by using an expansion valve for controlling the degree of liquefaction of the refrigerant, and this expansion valve opening affects both the operation of the supercritical expansion turbine and the liquefaction operation. Since it is given, the following problems will occur.

【0005】A)超臨界膨張タービンに動圧気体軸受を
採用している場合、この軸受は低回転数領域ではその能
力を十分発揮することができないため、この超臨界膨張
タービンを起動する際にはその出口側に位置する膨張弁
をかなり急激に開き、タービン回転数を適当な回転数ま
で可及的迅速に上昇させる必要がある。
A) When a dynamic pressure gas bearing is used in the supercritical expansion turbine, this bearing cannot fully exhibit its ability in the low rotation speed region, so when starting this supercritical expansion turbine. Needs to open the expansion valve located on the outlet side quite rapidly to raise the turbine speed to an appropriate speed as quickly as possible.

【0006】ところが、上記膨張弁を開き始める時点で
は、膨張弁回りの配管や膨張弁自身が完全には冷却され
ていないため、この膨張弁を出る冷媒ガスの温度はまだ
高い状態にあり、従って、上記のように急激に膨張弁を
開くと、高温の冷媒ガスが多量に冷媒液貯槽に流れ込む
ことになる。このような操作により、冷媒液貯槽内の冷
媒液が急激にかつ多量に気化し、冷媒液貯槽内の圧力が
急上昇するおそれがあり、最悪の場合には、圧縮機に接
続されている低圧ライン(冷媒戻りライン)の圧力にも
悪影響を及ぼし、液化冷凍装置の円滑な運転が望めなく
なる。このような問題点は、大容量の冷媒液貯槽を用い
る場合に特に深刻となる。
However, at the time when the expansion valve starts to open, the temperature of the refrigerant gas leaving the expansion valve is still high because the piping around the expansion valve and the expansion valve itself are not completely cooled. When the expansion valve is rapidly opened as described above, a large amount of high-temperature refrigerant gas will flow into the refrigerant liquid storage tank. Due to such an operation, the refrigerant liquid in the refrigerant liquid storage tank may vaporize rapidly and in large quantities, and the pressure in the refrigerant liquid storage tank may rise rapidly. In the worst case, the low pressure line connected to the compressor The pressure in the (refrigerant return line) is also adversely affected, and smooth operation of the liquefaction refrigeration system cannot be expected. Such a problem becomes particularly serious when a large-capacity refrigerant liquid storage tank is used.

【0007】B)予冷運転中、冷媒液貯槽内の冷媒液が
所定量まで増加した時点で、膨張弁を閉じて液化を中断
し、例えば冷凍負荷の予冷のみを続けたい場合がある
が、このように液化を中断する場合でも、次のような理
由から超臨界膨張タービンの運転を続行する必要があ
る。
B) During the precooling operation, when the refrigerant liquid in the refrigerant liquid storage tank has increased to a predetermined amount, there is a case where the expansion valve is closed to interrupt the liquefaction and, for example, only the precooling of the refrigeration load is continued. Even when the liquefaction is interrupted, it is necessary to continue the operation of the supercritical expansion turbine for the following reasons.

【0008】理由:冷凍負荷の予冷には超臨界膨張タ
ービンで発生する寒冷が必要である。
Reason: Precooling of the refrigeration load requires coldness generated in the supercritical expansion turbine.

【0009】理由:超臨界膨張タービンを停止すると
その内部の温度分布が正常でなくなり、軸受部等のすき
間が適正値から外れて再起動できなくなるおそれがあ
る。
Reason: When the supercritical expansion turbine is stopped, the temperature distribution inside the turbine becomes abnormal, and there is a risk that the clearance of the bearing and the like will deviate from an appropriate value and restart will be impossible.

【0010】しかしながら上記方法では、膨張弁を閉じ
ると超臨界膨張タービンの運転は不可能となるため、結
局、液化運転のみを中断しながら超臨界膨張タービンを
運転し続けることができない。
However, in the above method, the operation of the supercritical expansion turbine becomes impossible when the expansion valve is closed, so that it is impossible to continue the operation of the supercritical expansion turbine while interrupting only the liquefaction operation.

【0011】以上示したA)B)の場合のように、上記
従来方法では、液化運転上要求される制御条件と、超臨
界膨張タービンの運転上要求される条件の双方を同時に
満足することができない場合が存在する。
As in the cases A) and B) described above, in the above conventional method, it is possible to simultaneously satisfy both the control conditions required for the liquefaction operation and the conditions required for the operation of the supercritical expansion turbine. There are cases where you cannot.

【0012】本発明は、このような事情に鑑み、特に予
冷時において、超臨界膨張タービンの出口圧力の制御
と、膨張弁の操作による液化運転制御との双方を同時に
かつ満足に行うことができる液化冷凍装置の運転制御方
法及び装置を提供することを目的とする。
In view of such circumstances, the present invention can perform both the control of the outlet pressure of the supercritical expansion turbine and the liquefaction operation control by operating the expansion valve simultaneously and satisfactorily, especially during precooling. An object of the present invention is to provide an operation control method and device for a liquefaction refrigeration system.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明は、冷媒を圧送す
る圧縮機と、液化された冷媒を貯留する液貯留部と、上
記圧縮機から圧送された冷媒を上記液貯留部へ供給する
高圧ラインと、液貯留部から上記圧縮機へ冷媒を戻す低
圧ラインとを備え、上記高圧ラインに開度調節可能な膨
張弁が設けられ、その上流側に超臨界タービン式膨張機
が設けられた液化冷凍装置において、上記液貯留部内の
冷媒液の貯留状態を検出し、この貯留状態に基づいて上
記膨張弁の開度を制御する一方、上記超臨界タービン式
膨張機の出口側であって上記膨張弁よりも上流側の位置
に出口弁を設け、上記超臨界タービン式膨張機の出口側
であって上記出口弁の上流側の圧力であるタービン出口
圧力を検出し、少なくともこのタービン出口圧力をファ
クタとして取り込んで上記出口弁の開度の調節によりタ
ービン出口圧力を制御するとともに、上記膨張弁の入口
側であって上記出口弁の下流側の圧力である膨張弁入口
圧力を検出し、この膨張弁入口圧力が上記タービン出口
圧力よりも低い所定の圧力範囲内となるような流量で、
上記高圧ラインにおいて上記超臨界タービン式膨張機及
び出口弁をバイパスして冷媒を流しかつ高圧ラインにお
いて上記出口弁と膨張弁との間の部分から上記膨張弁及
び液貯留部をバイパスして上記低圧ラインへ冷媒を流す
ものであり(請求項1)、そのための装置として、上記
超臨界タービン式膨張機の出口側であって上記膨張弁よ
りも上流側の位置に出口弁を設けるとともに、高圧ライ
ンにおいて上記超臨界タービン式膨張機及び出口弁をバ
イパスするタービンバイパスラインと、このタービンバ
イパスラインにおける冷媒流量を変化させるタービンバ
イパス流量調節手段と、上記膨張弁及び冷媒液貯槽をバ
イパスして高圧ラインと低圧ラインとを接続する予冷バ
イパスラインと、この予冷バイパスラインにおける冷媒
流量を変化させる予冷バイパス流量調節手段と、上記超
臨界タービン式膨張機の出口側であって上記出口弁の上
流側の圧力であるタービン出口圧力を検出する出口圧力
検出手段と、少なくともこのタービン出口圧力をファク
タとして取り込んで上記出口弁の開度の調節によりター
ビン出口圧力を制御する超臨界膨張タービン制御手段
と、上記液貯留部内の冷媒液の貯留状態を検出する貯留
状態検出手段と、この検出された貯留状態に基づいて上
記膨張弁の開度を制御する膨張弁制御手段と、高圧ライ
ンにおいて上記膨張弁の入口側であって上記出口弁の下
流側の圧力である膨張弁入口圧力を検出する入口圧力検
出手段と、予冷時において上記膨張弁が開かれた後に上
記入口圧力検出手段で検出される膨張弁入口圧力に基づ
きこの膨張弁入口圧力が上記タービン出口圧力よりも低
い所定の圧力範囲内となるように上記タービンバイパス
流量調節手段及び予冷バイパス流量調節手段を作動させ
るバイパス流量制御手段とを備えたものである(請求項
3)。
The present invention is directed to a compressor for pumping a refrigerant, a liquid storage section for storing a liquefied refrigerant, and a high pressure for supplying the refrigerant pumped from the compressor to the liquid storage section. A liquefaction in which a line and a low-pressure line that returns the refrigerant from the liquid storage unit to the compressor are provided, an expansion valve whose opening can be adjusted is provided in the high-pressure line, and a supercritical turbine expander is provided on the upstream side of the expansion valve. In the refrigeration system, the storage state of the refrigerant liquid in the liquid storage section is detected, and the opening degree of the expansion valve is controlled based on the storage state, while the expansion is performed on the outlet side of the supercritical turbine expander. An outlet valve is provided at a position upstream of the valve, the turbine outlet pressure that is the outlet side of the supercritical turbine expander and is the upstream side of the outlet valve is detected, and at least this turbine outlet pressure is a factor. Captured as While controlling the turbine outlet pressure by adjusting the opening of the outlet valve, the expansion valve inlet pressure, which is the pressure on the inlet side of the expansion valve and on the downstream side of the outlet valve, is detected. At a flow rate such that is within a predetermined pressure range lower than the turbine outlet pressure,
In the high-pressure line, the supercritical turbine expander and the outlet valve are bypassed to flow the refrigerant, and in the high-pressure line, the expansion valve and the liquid reservoir are bypassed from a portion between the outlet valve and the expansion valve to reduce the low pressure. The refrigerant flows through the line (Claim 1). As a device therefor, an outlet valve is provided at a position on the outlet side of the supercritical turbine expander and upstream of the expansion valve, and a high pressure line is provided. A turbine bypass line that bypasses the supercritical turbine expander and the outlet valve, turbine bypass flow rate adjusting means that changes the refrigerant flow rate in the turbine bypass line, and a high pressure line that bypasses the expansion valve and the refrigerant liquid storage tank. A precooling bypass line connecting the low pressure line and the refrigerant flow rate in this precooling bypass line are changed. Cold bypass flow rate adjusting means, outlet pressure detecting means for detecting the turbine outlet pressure which is the outlet side of the supercritical turbine expander and is the upstream side pressure of the outlet valve, and at least this turbine outlet pressure as a factor Supercritical expansion turbine control means that takes in and controls the turbine outlet pressure by adjusting the opening of the outlet valve, storage state detection means that detects the storage state of the refrigerant liquid in the liquid storage section, and the detected storage state Expansion valve control means for controlling the opening degree of the expansion valve based on the above, and inlet pressure detection for detecting the expansion valve inlet pressure which is the pressure on the inlet side of the expansion valve in the high pressure line and on the downstream side of the outlet valve. Means and the expansion valve inlet pressure detected by the inlet pressure detecting means after the expansion valve is opened during precooling Those having a bypass flow control means for operating the turbine bypass flow rate adjusting means and the pre-cooling the bypass flow rate control means so as to be within a lower predetermined pressure range than the mouth pressure (claim 3).

【0014】さらに本発明は、上記超臨界タービン式膨
張機の出口圧力制御に際し、この超臨界タービン式膨張
機の回転速度に関する値を検出し、検出したタービン出
口圧力が上記冷媒の臨界圧力よりも高い予め定められた
設定圧力に降下するまでは上記タービン式膨張機の入口
圧力が上記圧縮機の吐出圧と略等しい圧力にある状態で
上記タービン式膨張機の回転速度に関する値を予め設定
された範囲内に収めるように出口弁の開度を調節し、検
出するタービン出口圧力が上記設定圧力に達した後は上
記タービン式膨張機の入口圧力が上記圧縮機の吐出圧と
略等しい圧力にある状態で上記設定圧力近傍の予め設定
された圧力範囲内に上記検出圧力を収めるように出口弁
の開度を調節するものであり(請求項2)、そのための
装置として、上記超臨界タービン式膨張機の回転速度に
関する値を検出する回転検出手段を備えるとともに、上
記超臨界膨張タービン制御手段を、上記出口圧力検出手
段で検出されたタービン出口圧力が上記冷媒の臨界圧力
よりも高い予め定められた設定圧力に降下するまでは上
記タービン式膨張機の入口圧力が上記圧縮機の吐出圧と
略等しい圧力にある状態で上記タービン式膨張機の回転
速度に関する値を予め設定された範囲内に収めるように
出口弁の開度を調節し、検出するタービン出口圧力が上
記設定圧力に達した後は上記タービン式膨張機の入口圧
力を上記圧縮機の吐出圧と略等しい圧力にある状態で上
記設定圧力近傍の予め設定された圧力範囲内に上記検出
圧力を収めるように出口弁の開度を調節するように構成
したものである(請求項4)。
Further, according to the present invention, when controlling the outlet pressure of the supercritical turbine type expander, a value relating to the rotation speed of the supercritical turbine type expander is detected, and the detected turbine outlet pressure is higher than the critical pressure of the refrigerant. The value related to the rotation speed of the turbine type expander was preset while the inlet pressure of the turbine type expander was at a pressure substantially equal to the discharge pressure of the compressor until it dropped to a high predetermined set pressure. The opening of the outlet valve is adjusted so that it falls within the range, and after the detected turbine outlet pressure reaches the set pressure, the inlet pressure of the turbine expander is approximately equal to the discharge pressure of the compressor. In this state, the opening of the outlet valve is adjusted so that the detected pressure falls within a preset pressure range near the set pressure (Claim 2). The supercritical expansion turbine control means is provided with rotation detection means for detecting a value related to the rotation speed of the critical turbine expander, and the turbine outlet pressure detected by the outlet pressure detection means is higher than the critical pressure of the refrigerant. Until the inlet pressure of the turbine type expander is substantially equal to the discharge pressure of the compressor until the pressure falls to a predetermined set pressure, the value related to the rotational speed of the turbine type expander is set in a preset range. After adjusting the opening of the outlet valve so that the pressure falls within the range and the turbine outlet pressure to be detected reaches the set pressure, the inlet pressure of the turbine expander is approximately equal to the discharge pressure of the compressor. Then, the opening degree of the outlet valve is adjusted so that the detected pressure falls within a preset pressure range near the set pressure (claim 4).

【0015】[0015]

【作用】請求項1,3記載の方法及び装置によれば、液
貯留部における貯留状態に基づいて膨張弁の開度制御が
行われるとともに、これと独立して出口弁の開度調節に
より超臨界膨張タービンのタービン出口圧力が制御され
る。ここで、上記膨張弁の入口圧力が上記タービン出口
圧力に近づくと、出口弁を全開にしてもタービン出口圧
力を下げることができず、超臨界膨張タービンの運転制
御は不可能となるが、上記方法及び装置では、上記超臨
界タービン式膨張機及び出口弁をバイパスする冷媒流量
の調節と、上記膨張弁及び液貯留部をバイパスする冷媒
流量の調節とにより、上記膨張弁入口圧力を常にタービ
ン出口圧力よりも低い所定の圧力範囲内に収めるように
制御しているので、膨張弁開度にかかわらず、上記出口
弁の開閉によるタービン出口圧力の良好な制御を確保す
ることができる。
According to the method and apparatus of claims 1 and 3, the expansion valve opening control is performed based on the storage state in the liquid storage portion, and independently of this, the outlet valve opening adjustment is performed. The turbine outlet pressure of the critical expansion turbine is controlled. Here, when the inlet pressure of the expansion valve approaches the turbine outlet pressure, the turbine outlet pressure cannot be lowered even when the outlet valve is fully opened, and the operation control of the supercritical expansion turbine becomes impossible. In the method and the apparatus, the expansion valve inlet pressure is constantly adjusted to the turbine outlet by adjusting the refrigerant flow rate that bypasses the supercritical turbine expander and the outlet valve, and the refrigerant flow rate that bypasses the expansion valve and the liquid reservoir. Since the control is performed so that the pressure falls within a predetermined pressure range lower than the pressure, good control of the turbine outlet pressure by opening and closing the outlet valve can be ensured regardless of the opening of the expansion valve.

【0016】さらに、上記超臨界膨張タービンの運転制
御に関して、請求項2,4記載の方法及び装置によれ
ば、タービン出口圧力が予め定められた設定圧力に達す
るまでは、タービン回転速度に関する値に基づき、膨張
弁の開度調節による出口圧力制御(換言すればタービン
の膨張比制御)が行われることにより、予冷時のタービ
ン過回転が防がれる。これに対し、検出タービン出口圧
力が上記設定圧力に達した後は、この検出圧力を上記設
定圧力近傍の圧力範囲に収めるような出口圧力制御が行
われることにより、タービン内での冷媒の液化が防が
れ、タービン出口圧力は自動的に通常運転時の定格圧力
に調節される。この時、既にタービン入口温度は十分低
下しているため、上記タービン回転速度を特に考慮しな
くてもタービン過回転が発生するおそれはない。
Further, regarding the operation control of the supercritical expansion turbine, according to the method and the apparatus of claims 2 and 4, until the turbine outlet pressure reaches a predetermined set pressure, a value relating to the turbine rotation speed is set. Based on this, the outlet pressure control (in other words, the expansion ratio control of the turbine) is performed by adjusting the opening degree of the expansion valve, whereby turbine over-rotation during precooling is prevented. On the other hand, after the detected turbine outlet pressure reaches the set pressure, the outlet pressure control is performed so that the detected pressure falls within the pressure range near the set pressure, so that the refrigerant is liquefied in the turbine. It is prevented and the turbine outlet pressure is automatically adjusted to the rated pressure during normal operation. At this time, since the turbine inlet temperature has already dropped sufficiently, there is no possibility that turbine over-rotation will occur even if the turbine rotation speed is not particularly taken into consideration.

【0017】このような制御において、タービン入口圧
力は常に圧縮機吐出圧と略等しい圧力に維持され、ター
ビン出口圧力の変化のみによってタービン膨張比の調節
が行われているので、タービン運転圧力は液化冷凍装置
の運転可能な範囲で最大の圧力とされており、その分後
述のようにタービンの寒冷発生量は増大することとな
る。
In such control, the turbine inlet pressure is always maintained at a pressure substantially equal to the compressor discharge pressure, and the turbine expansion ratio is adjusted only by changing the turbine outlet pressure, so the turbine operating pressure is liquefied. The maximum pressure is set within the operable range of the refrigeration system, and as a result, the amount of cold generation of the turbine increases, as will be described later.

【0018】[0018]

【実施例】本発明の第1実施例を図1〜図4に基づいて
説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

【0019】図において、1は液化された冷媒(ここで
はヘリウム)を貯留する冷媒液貯槽(液貯留部)、2は
保冷箱であり、保冷箱2の外部には圧縮機10が設けら
れ、この圧縮機10の吐出側が高圧ライン3を介して冷
媒液貯槽1に接続されるとともに、この冷媒液貯槽1が
低圧ライン4を介して圧縮機10の吸込み側に接続され
ている。
In the figure, 1 is a refrigerant liquid storage tank (liquid storage part) for storing a liquefied refrigerant (here, helium), 2 is a cold insulation box, and a compressor 10 is provided outside the cold insulation box 2. The discharge side of the compressor 10 is connected to the refrigerant liquid storage tank 1 via the high pressure line 3, and the refrigerant liquid storage tank 1 is connected to the suction side of the compressor 10 via the low pressure line 4.

【0020】保冷箱2内には、上記高圧ライン3及び低
圧ライン4の双方が通る熱交換器として、高温側から順
に熱交換器5a,5b,5c,5d,5eが設置されて
いる。高圧ライン3において上記熱交換器5b,5cの
間に位置する部分と、低圧ライン4における熱交換器5
c,5dの間に位置する部分はタービンライン7を介し
て接続され、このタービンライン7の途中に寒冷発生用
の膨張タービン8が設けられている。
Inside the cool box 2, heat exchangers 5a, 5b, 5c, 5d and 5e are installed in order from the high temperature side as heat exchangers through which both the high pressure line 3 and the low pressure line 4 pass. A portion of the high pressure line 3 located between the heat exchangers 5b and 5c, and a heat exchanger 5 in the low pressure line 4
The portion located between c and 5d is connected via a turbine line 7, and an expansion turbine 8 for generating cold is provided in the middle of the turbine line 7.

【0021】高圧ライン3において、最低温側の熱交換
器5eの出口側の位置には膨張弁(JT弁)6が設けら
れ、これよりも上流側の位置、具体的には熱交換器5
d,5e同士の間の位置に超臨界膨張タービン12が設
けられている。この超臨界膨張タービン12の入口側に
は、開状態と閉状態とに切換えられる入口弁14が設け
られ、出口側であって上記熱交換器5eよりも上流側に
は開度調節可能な出口弁15が設けられている。さら
に、上記超臨界膨張タービン12の単位時間当たりの回
転数(以下、単にタービン回転数と称する。)Nを検出
する回転計(回転検出手段)16及び超臨界膨張タービ
ン12の出口圧力Pを検出する出口圧力計(出口圧力検
出手段)18がそれぞれ適所に配されており、両者の検
出信号はタービン制御装置(超臨界膨張タービン制御手
段)20に入力されるようになっている。このタービン
制御装置20は、液化冷凍装置の予冷時において、超臨
界膨張タービン12近傍の温度がある程度まで下がった
時点から、上記入口弁14を開くとともに上記回転数N
及び出口圧力Pに基づいて出口弁15の開度を制御する
ように構成されている。その制御内容は次の通りであ
る。
In the high-pressure line 3, an expansion valve (JT valve) 6 is provided at a position on the outlet side of the heat exchanger 5e on the lowest temperature side, and a position upstream thereof, specifically, the heat exchanger 5 is provided.
The supercritical expansion turbine 12 is provided at a position between d and 5e. An inlet valve 14 that is switched between an open state and a closed state is provided on the inlet side of the supercritical expansion turbine 12, and an outlet whose outlet opening is adjustable upstream of the heat exchanger 5e. A valve 15 is provided. Further, a tachometer (rotation detecting means) 16 for detecting the number of revolutions per unit time (hereinafter, simply referred to as turbine revolution number) N of the supercritical expansion turbine 12 and an outlet pressure P of the supercritical expansion turbine 12 are detected. Outlet pressure gauges (outlet pressure detection means) 18 are provided at appropriate places, and detection signals of both are input to a turbine control device (supercritical expansion turbine control means) 20. The turbine control device 20 opens the inlet valve 14 and rotates at the rotation speed N from the time when the temperature in the vicinity of the supercritical expansion turbine 12 decreases to some extent during precooling of the liquefaction refrigeration system.
And the opening degree of the outlet valve 15 is controlled based on the outlet pressure P. The control contents are as follows.

【0022】i)回転数制御モード:上記検出出口圧力
Pが予め設定された上限圧力P2、より具体的にはヘリ
ウムの臨界圧力よりも少し高い圧力P2に達するまで
は、検出回転数Nが予め定められた回転数範囲N1
2、より具体的には超臨界膨張タービン12が過回転
とならない最大の回転数(許容最大回転数)よりも少し
低い回転数範囲N1〜N2内に収まるように、出口弁15
の開閉操作でタービン出口圧力を制御する。
I) Rotational speed control mode: The detected rotational speed N is reached until the detection outlet pressure P reaches a preset upper limit pressure P 2 , more specifically, a pressure P 2 slightly higher than the critical pressure of helium. Is a predetermined rotation speed range N 1 ~
N 2, and more specifically to fit the maximum rotational speed (allowable maximum rotational speed) slightly lower rotational speed range N 1 to N in 2 than the supercritical expansion turbine 12 does not become over-rotation, the outlet valve 15
Turbine outlet pressure is controlled by opening and closing.

【0023】ii)圧力制御モード:上記検出出口圧力P
が上記下限圧力P2に達した後は、この上限圧力P2とこ
れよりも少し低い設定圧力P1との間の圧力範囲内に上
記出口圧力Pが収まるように、出口弁15の開閉制御を
行う。
Ii) Pressure control mode: the above detection outlet pressure P
After reaching the lower limit pressure P 2 , the opening / closing control of the outlet valve 15 is performed so that the outlet pressure P falls within the pressure range between the upper limit pressure P 2 and the set pressure P 1 slightly lower than the upper limit pressure P 2. I do.

【0024】低圧ライン4において、上記熱交換器5e
よりも上流側(図1では下側)の位置には戻り弁22が
設けられている。高圧ライン3において上記熱交換器5
eと膨張弁6との間に位置する部分と、低圧ライン4に
おいて戻り弁22と上記熱交換器5eとの間に位置する
部分とは予冷バイパスライン23を介して直結され、そ
の途中に開度調節可能な予冷弁(予冷バイパス流量調節
手段)24が設けられている。また、高圧ライン3にお
いて、上記熱交換器5dと入口弁14との間に位置する
部分と、出口弁15と熱交換器5eとの間に位置する部
分とがタービンバイパスライン25を介して直結されて
おり、その途中に開度調節可能なバイパス弁(タービン
バイパス流量調節手段)26が設けられている。
In the low pressure line 4, the heat exchanger 5e
A return valve 22 is provided at a position on the upstream side (lower side in FIG. 1). The heat exchanger 5 in the high pressure line 3
The part located between e and the expansion valve 6 and the part located between the return valve 22 and the heat exchanger 5e in the low pressure line 4 are directly connected via the pre-cooling bypass line 23 and opened in the middle thereof. A precooling valve (precooling bypass flow rate adjusting means) 24 whose degree can be adjusted is provided. Further, in the high-pressure line 3, the portion located between the heat exchanger 5d and the inlet valve 14 and the portion located between the outlet valve 15 and the heat exchanger 5e are directly connected via the turbine bypass line 25. A bypass valve (turbine bypass flow rate adjusting means) 26 whose opening can be adjusted is provided in the middle thereof.

【0025】さらにこの装置では、上記膨張弁6の入口
圧力(より具体的には熱交換器5eと予冷バイパスライ
ン23端部との間の圧力)を検出する入口圧力計(入口
圧力検出手段)27、前記冷媒液貯槽1内のガス圧を検
出する槽内圧力計(貯留状態検出手段)28、及び同貯
槽1内の液面レベルを検出する液面計29がそれぞれ適
所に配されている。これらの検出信号は、弁制御装置3
0に入力され、この弁制御装置30により上記膨張弁
6、予冷弁24、及びバイパス弁26の開度が制御され
るようになっている。
Further, in this apparatus, an inlet pressure gauge (inlet pressure detecting means) for detecting the inlet pressure of the expansion valve 6 (more specifically, the pressure between the heat exchanger 5e and the end of the precooling bypass line 23). 27, an in-tank pressure gauge (storage state detecting means) 28 for detecting the gas pressure in the refrigerant liquid storage tank 1, and a liquid level gauge 29 for detecting the liquid level in the storage tank 1 are arranged at appropriate positions. . These detection signals are sent to the valve control device 3
0, and the valve control device 30 controls the openings of the expansion valve 6, the precooling valve 24, and the bypass valve 26.

【0026】この弁制御装置30は、図2に示すような
膨張弁制御部(膨張弁制御手段)31、予冷弁制御部
(バイパス流量制御手段)32、及びバイパス弁制御部
(バイパス流量制御手段)33を備えている。
The valve control device 30 includes an expansion valve control section (expansion valve control means) 31, a pre-cooling valve control section (bypass flow rate control means) 32, and a bypass valve control section (bypass flow rate control means) as shown in FIG. ) 33.

【0027】上記膨張弁制御部31は、膨張弁6近傍の
温度がある程度下がった時点で、戻り弁22を全開にす
るとともに膨張弁6を少し開いて液化運転を開始し、そ
の後は上記槽内圧力計28及び液面計29で検出される
槽内の液貯留状態に基づいて膨張弁6の開度を制御する
ものである。より具体的には、予冷時において次のよう
な制御を行う。
The expansion valve control section 31 fully opens the return valve 22 and slightly opens the expansion valve 6 to start the liquefaction operation when the temperature in the vicinity of the expansion valve 6 has dropped to some extent, and thereafter, in the tank. The opening degree of the expansion valve 6 is controlled based on the liquid storage state in the tank detected by the pressure gauge 28 and the liquid level gauge 29. More specifically, the following control is performed during precooling.

【0028】槽内圧力及び液面レベルが正常な範囲内
にある状態では、膨張弁6の開度を次第に大きくする。 液面が予め設定された値以上の速度で低下し、槽内圧
力が高くなる時(例えば膨張弁6の初期開度が大きすぎ
て冷媒ガスが多量に冷媒液貯槽1内に流入した場合や、
冷媒ガス温度が所定温度よりも高い場合等に生じる。)
には、膨張弁6の開度を小さくする。この場合、さらに
設定時間経過後も異常変化がないか否かをチェックす
る。
When the tank pressure and the liquid level are within the normal range, the opening degree of the expansion valve 6 is gradually increased. When the liquid level decreases at a speed equal to or higher than a preset value and the tank pressure increases (for example, when the initial opening of the expansion valve 6 is too large and a large amount of refrigerant gas flows into the refrigerant liquid storage tank 1, ,
This occurs when the refrigerant gas temperature is higher than a predetermined temperature. )
First, the opening degree of the expansion valve 6 is reduced. In this case, it is further checked whether or not there is an abnormal change after the set time has elapsed.

【0029】上記のようにして、膨張弁6の開度を設
定最大開度まで上昇させるが、冷媒液貯槽1内の液面が
設定値以上になった時点で膨張弁6を閉じ、予冷弁制御
部32に信号を出力して予冷弁24を開かせる。
As described above, the opening degree of the expansion valve 6 is increased to the set maximum opening degree, but when the liquid level in the refrigerant liquid storage tank 1 exceeds the set value, the expansion valve 6 is closed and the precooling valve is opened. A signal is output to the control unit 32 to open the precooling valve 24.

【0030】予冷弁制御部32は、保冷箱2の予冷運転
開始とともに予冷弁24を開かせ、その後、予冷運転が
進んで膨張弁6が開かれ、液化運転に入る段階から、以
下の要領で予冷弁24を徐々に絞るものである。
The pre-cooling valve control unit 32 opens the pre-cooling valve 24 when the pre-cooling operation of the cold insulation box 2 is started, and then the pre-cooling operation proceeds to open the expansion valve 6 and start the liquefaction operation. The precooling valve 24 is gradually throttled.

【0031】上記膨張弁6が開かれると同時に予冷弁
24を少し絞る。 入口圧力計27の検出する膨張弁入口圧力と、予め定
められた設定圧力(具体的には上記タービン制御装置2
0で設定されている下限圧力P1よりも少し低い圧力)
とを比較し、前者圧力が後者圧力を下回る場合には予冷
弁24をさらに絞って実際の入口圧力を上げ、前者圧力
が後者圧力を上回る場合には予冷弁24を少し開いて実
際の入口圧力を下げることにより、この実際圧力を上記
設定圧力に近付ける。 上記操作を繰返し、膨張弁6が設定最大開度まで開く
前に予冷弁24を全閉にする。
At the same time when the expansion valve 6 is opened, the precooling valve 24 is slightly throttled. Expansion valve inlet pressure detected by the inlet pressure gauge 27 and a preset set pressure (specifically, the turbine control device 2 described above).
(A little lower than the lower limit pressure P 1 set at 0)
When the former pressure is lower than the latter pressure, the pre-cooling valve 24 is further throttled to increase the actual inlet pressure, and when the former pressure is higher than the latter pressure, the pre-cooling valve 24 is slightly opened to reduce the actual inlet pressure. This actual pressure approaches the set pressure by lowering. By repeating the above operation, the precooling valve 24 is fully closed before the expansion valve 6 opens to the set maximum opening.

【0032】バイパス弁制御部33は、上記予冷弁24
と同様に保冷箱2の予冷開始時からバイパス弁26を開
き、その後、次のような要領でバイパス弁26を徐々に
絞るものである。
The bypass valve control unit 33 includes the precooling valve 24.
Similarly to the above, the bypass valve 26 is opened from the start of precooling of the cold insulation box 2, and then the bypass valve 26 is gradually throttled in the following manner.

【0033】上記タービン制御装置20により超臨界
膨張タービン12の運転が開始された後、バイパス弁2
6を少し絞る。 入口圧力計27の検出する膨張弁入口圧力と、予め定
められた設定圧力(上記予冷弁制御部32で設定されて
いる圧力と同等の圧力)とを比較し、前者圧力が後者圧
力を上回る場合にはバイパス弁26をさらに絞って実際
の入口圧力を下げ、前者圧力が後者圧力を下回る場合に
はバイパス弁26を少し開いて実際の入口圧力を上げる
ことにより、上記予冷弁制御部32と同様に実際の入口
圧力を上記設定圧力に近付ける操作を行う。 出口圧力計18により検出される超臨界膨張タービン
12の出口圧力が予め設定された圧力(具体的には前記
タービン制御装置20で設定されている設定圧力P2
略同等の圧力)まで低下した時点、すなわちタービン出
口圧力がほぼ安定状態に入った時点からバイパス弁26
を全閉状態までゆっくり絞る。
After the turbine control device 20 starts the operation of the supercritical expansion turbine 12, the bypass valve 2
Squeeze 6 a little. When the expansion valve inlet pressure detected by the inlet pressure gauge 27 is compared with a preset set pressure (pressure equivalent to the pressure set by the precooling valve control unit 32), and the former pressure exceeds the latter pressure. The bypass valve 26 is further throttled to lower the actual inlet pressure, and when the former pressure is lower than the latter pressure, the bypass valve 26 is slightly opened to increase the actual inlet pressure, so that the pre-cooling valve control section 32 can be operated. Perform the operation to bring the actual inlet pressure close to the set pressure. The outlet pressure of the supercritical expansion turbine 12 detected by the outlet pressure gauge 18 has dropped to a preset pressure (specifically, a pressure substantially equal to the set pressure P 2 set by the turbine control device 20). From the time point, that is, the time when the turbine outlet pressure enters a substantially stable state, the bypass valve 26
Slowly squeeze until fully closed.

【0034】図1に戻って、上記冷媒液貯槽1の近傍に
は、冷凍負荷34が設置されている。この冷凍負荷34
は、冷媒液供給ライン35を介して上記冷媒液貯槽1に
接続されるとともに、冷媒戻りライン36を介して上記
低圧ライン4における戻り弁22の出口側に接続されて
おり、両ライン35,36には供給弁37及び戻り弁3
8がそれぞれ設けられている。
Returning to FIG. 1, a refrigerating load 34 is installed near the refrigerant liquid storage tank 1. This refrigeration load 34
Is connected to the refrigerant liquid storage tank 1 via a refrigerant liquid supply line 35, and is connected to the outlet side of the return valve 22 in the low pressure line 4 via a refrigerant return line 36. Supply valve 37 and return valve 3
8 are provided respectively.

【0035】さらに、上記冷媒液供給ライン35におけ
る供給弁37の出口側部分は予冷供給ライン40を介し
て高圧ライン3に接続され、冷媒戻りライン36におけ
る戻り弁38の入口側部分が予冷戻りライン42を介し
て低圧ライン4において熱交換器5a,5b同士の間の
位置に接続されている。上記予冷供給ライン40の上流
端(図では上端)はライン43,44に分岐し、ライン
43が高圧ライン3において熱交換器5aの上流側部分
に、ライン44が高圧ライン3において熱交換器5a,
5b同士の間に位置する部分にそれぞれ接続されてお
り、ライン43、ライン44、及び両ライン43,44
の合流部分にそれぞれ温度調節弁46,47,48が設
けられ、上記予冷戻りライン42の途中にはライン切換
弁49が設けられている。
Further, the outlet side portion of the supply valve 37 in the refrigerant liquid supply line 35 is connected to the high pressure line 3 via the precooling supply line 40, and the inlet side portion of the return valve 38 in the refrigerant return line 36 is the precooling return line. The low pressure line 4 is connected via 42 to a position between the heat exchangers 5a and 5b. The upstream end (upper end in the figure) of the pre-cooling supply line 40 is branched into lines 43 and 44, the line 43 being in the high pressure line 3 upstream of the heat exchanger 5a, and the line 44 being high pressure line 3 in the heat exchanger 5a. ,
5b are respectively connected to the portions located between them, and the lines 43, 44 and both lines 43, 44 are connected.
Temperature control valves 46, 47, 48 are provided at the confluent portions of the above, and a line switching valve 49 is provided in the middle of the precooling return line 42.

【0036】次に、この液化冷凍装置の作用を説明す
る。
Next, the operation of this liquefaction refrigeration system will be described.

【0037】まず、液化運転の前に保冷箱2及び冷凍負
荷34の予冷が行われるが、その開始時には弁24,2
6,47,48,49のみが開かれる。この状態で圧縮
機10が作動することにより、冷媒は高圧ライン3を通
って熱交換器5aにおける液体窒素との熱交換で補助冷
却された後、超臨界膨張タービン12をバイパスするタ
ービンバイパスライン25を通り、さらに予冷バイパス
ライン23及び低圧ライン4を通じて圧縮機10の吸込
み側に戻る。このような冷媒の循環により保冷箱2内の
予冷が進められる。また、補助冷却された冷媒の一部は
ライン44から予冷供給ライン40を通じて冷凍負荷3
4へ送られてこれを予冷し、また、タービンライン7に
分流した冷媒は膨張タービン8で仕事を行うことにより
寒冷を発生させる。
First, the cold storage box 2 and the refrigerating load 34 are precooled before the liquefaction operation.
Only 6,47,48,49 are open. When the compressor 10 operates in this state, the refrigerant passes through the high pressure line 3 and is auxiliary cooled by heat exchange with liquid nitrogen in the heat exchanger 5a, and then the turbine bypass line 25 that bypasses the supercritical expansion turbine 12. Through the pre-cooling bypass line 23 and the low pressure line 4 to the suction side of the compressor 10. Precooling in the cool box 2 is promoted by such circulation of the refrigerant. Further, a part of the auxiliary cooled refrigerant is supplied from the line 44 through the pre-cooling supply line 40 to the refrigeration load 3
4, the refrigerant is pre-cooled, and the refrigerant branched to the turbine line 7 performs cold work by performing work in the expansion turbine 8.

【0038】このようにして予冷が進められるうち、膨
張弁6近傍の温度が所定温度まで低下すると、膨張弁制
御部31からの制御信号により、戻り弁22が全開され
るとともに膨張弁6が少し開かれ、これにより液化運転
が開始されると同時に、予冷弁24が少し絞られる。そ
の後、槽内圧力計28及び液面計29により検出される
槽内液貯留状態に基づいて膨張弁6の開度が制御される
が、これと並行して予冷弁24の開度が制御されること
により、上記膨張弁6の開度にかかわらず、その入口圧
力は常にタービン制御装置20で設定されている下限圧
力P1より低い一定圧力近傍の圧力に保持される。
When the temperature in the vicinity of the expansion valve 6 drops to a predetermined temperature while the precooling proceeds in this way, the return valve 22 is fully opened and the expansion valve 6 is slightly opened by the control signal from the expansion valve control unit 31. The pre-cooling valve 24 is slightly throttled at the same time as the liquefaction operation is started by opening. After that, the opening degree of the expansion valve 6 is controlled based on the tank liquid storage state detected by the tank pressure gauge 28 and the liquid level gauge 29. In parallel with this, the opening degree of the precooling valve 24 is controlled. As a result, the inlet pressure of the expansion valve 6 is always maintained at a pressure near a constant pressure lower than the lower limit pressure P 1 set by the turbine control device 20, regardless of the opening degree of the expansion valve 6.

【0039】予冷がさらに進行し、超臨界膨張タービン
12近傍の温度が所定温度(すなわち超臨界膨張タービ
ン12の運転可能な温度)まで降下すると、図3のフロ
ーチャートに示すような超臨界膨張タービン12の運転
制御動作が開始される。
When the precooling further progresses and the temperature in the vicinity of the supercritical expansion turbine 12 drops to a predetermined temperature (that is, the temperature at which the supercritical expansion turbine 12 can operate), the supercritical expansion turbine 12 as shown in the flowchart of FIG. The operation control operation of is started.

【0040】まず、入口弁14が全開されるとともに出
口弁15が徐開されることにより、高圧ライン3及び低
圧ライン4を循環する冷媒ガスの一部が超臨界膨張ター
ビン12を通過し、これにより超臨界膨張タービン12
の予冷運転が開始される(ステップS1)。
First, the inlet valve 14 is fully opened and the outlet valve 15 is gradually opened, whereby a part of the refrigerant gas circulating in the high pressure line 3 and the low pressure line 4 passes through the supercritical expansion turbine 12 and By supercritical expansion turbine 12
The pre-cooling operation is started (step S1).

【0041】この時、タービン制御装置20は、現在出
口圧力計18で検出されている出口圧力Pと、予め定め
られた設定圧力P2、より具体的にはヘリウムの臨界圧
力(約2.2atm)よりも少し高い値に設定された圧力P
2とを比較し、前者が後者を上回る場合には(ステップ
S2でYES)、検出回転数Nが予め設定された回転数
1とN2との間の範囲に収まるように出口弁15の開度
を設定する(ステップS3)。
At this time, the turbine control device 20 sets the outlet pressure P currently detected by the outlet pressure gauge 18 to a preset set pressure P 2 , more specifically, the critical pressure of helium (about 2.2 atm). ) Pressure P set to a value slightly higher than
2 is compared, and when the former exceeds the latter (YES in step S2), the outlet valve 15 of the outlet valve 15 is adjusted so that the detected rotation speed N falls within a preset range between the rotation speeds N 1 and N 2 . The opening is set (step S3).

【0042】実際に、予冷開始当初では、図4に示すよ
うにタービン出口圧力(出口弁入口圧力)が上記設定圧
力P2に比べて十分高いので、タービン制御装置20は
上記のような回転数制御を専ら行うことになる。具体的
には、検出回転数Nが下限回転数N1まで降下すると、
図4のB点−B′点、C点−C′点、D点−D′点に示
すように、出口弁15の開度を大きくしてタービン出口
圧力を下げる(すなわち膨張比を上げる)ことにより実
際のタービン回転数を上げ、検出回転数Nが上限回転数
2まで上昇した時点で出口弁開度の増大を止めて回転
数上昇を抑えるといった制御を行う。ここで、上記下限
回転数N1は、超臨界膨張タービン12に有効に仕事を
行わせることができる最低限の回転数に設定され、上限
回転数N2は、タービンが過回転とならない最大限の回
転数に設定されており、従って、このような回転数
1,N2の間に実際の回転数Nが制御されることによ
り、タービン過回転を防ぎながら超臨界膨張タービン1
2の機能を最大限発揮させる運転制御が実行されること
となる。
Actually, at the beginning of precooling, the turbine outlet pressure (outlet valve inlet pressure) is sufficiently higher than the set pressure P 2 as shown in FIG. It will be exclusively controlled. Specifically, when the detected rotation speed N drops to the lower limit rotation speed N 1 ,
As shown at points B-B ', C-C', and D-D 'in FIG. 4, the opening of the outlet valve 15 is increased to reduce the turbine outlet pressure (that is, increase the expansion ratio). As a result, the actual turbine rotation speed is increased, and when the detected rotation speed N rises to the upper limit rotation speed N 2, control is performed to stop the increase of the outlet valve opening and suppress the rotation speed increase. Here, the lower limit rotation speed N 1 is set to the minimum rotation speed at which the supercritical expansion turbine 12 can effectively perform work, and the upper limit rotation speed N 2 is the maximum rotation speed at which the turbine does not become over-rotation. Therefore, the actual rotational speed N is controlled between the rotational speeds N 1 and N 2 so that the supercritical expansion turbine 1 is prevented while preventing turbine over-rotation.
The operation control that maximizes the function of No. 2 will be executed.

【0043】このような制御により、出口弁15は徐々
に開いてタービン出口圧力Pが次第に低下していくが、
この出口圧力Pが上記上限圧力P2まで下降した時点か
らは(ステップS2でNO)、タービン制御装置20は
上記出口圧力Pを上記下限圧力P1とこれよりも一定値
高い上限圧力P2との間の範囲に収めるような圧力制御
を専ら行う(ステップS4)。より具体的には、検出圧
力Pが上記下限圧力P1まで下降すると、図4E点−
E′点、F点−F′点に示すように出口弁15を絞るこ
とにより出口圧力Pを上昇させ、この出口圧力Pが上限
圧力P2に達した時点で出口弁15の絞りを止めること
により出口圧力Pの上昇を抑えるといった制御を行う。
このような制御を行うことにより、タービン出口圧力P
を良好な値に維持しながらそのまま通常運転状態へ移行
することができる。
By such control, the outlet valve 15 is gradually opened and the turbine outlet pressure P is gradually decreased.
From the time when the outlet pressure P drops to the upper limit pressure P 2 (NO in step S2), the turbine control device 20 sets the outlet pressure P to the lower limit pressure P 1 and the upper limit pressure P 2 which is a constant value higher than the lower limit pressure P 1. The pressure control is performed exclusively so that the pressure falls within the range (step S4). More specifically, when the detected pressure P decreases to the lower limit pressure P 1 , the point E in FIG.
The outlet pressure P is increased by throttling the outlet valve 15 as shown at points E ′ and F−F ′, and when the outlet pressure P reaches the upper limit pressure P 2 , the throttling of the outlet valve 15 is stopped. Therefore, control is performed to suppress the rise of the outlet pressure P.
By performing such control, the turbine outlet pressure P
It is possible to shift to the normal operation state as it is, while maintaining

【0044】なお、この出口圧力に基づく制御ではター
ビン回転数Nが考慮されないことになるが、実際にター
ビン出口圧力Pが上記設定圧力P1に達した時点では既
にタービン入口温度が十分低下しており、上記タービン
回転数Nを考慮に入れなくてもタービン過回転を招くお
それはない。この出口圧力に基づく制御は、通常運転に
移行した後も行われる。
In the control based on the outlet pressure, the turbine speed N is not taken into consideration. However, when the turbine outlet pressure P actually reaches the set pressure P 1 , the turbine inlet temperature has already dropped sufficiently. Therefore, even if the turbine speed N is not taken into consideration, there is no possibility of causing turbine over-rotation. The control based on the outlet pressure is performed even after shifting to the normal operation.

【0045】このようなタービン運転制御中、これとは
独立して膨張弁6の開度制御が行われており、例えば冷
媒液貯槽1が満杯の時等にはタービン運転中も膨張弁6
が全閉にされ、液化が中断される場合もある。ここで従
来は、膨張弁6の開度がタービン出口圧力に直接影響す
るため、例えば上記のように膨張弁6を全閉にする場合
には超臨界膨張タービン12の運転が不可能となってい
たが、この装置では、予冷弁24及びバイパス弁26の
開度制御により、膨張弁6の開度に関係なく膨張弁入口
圧力(すなわち出口弁15の出口圧力)が常に上記下限
圧力P1よりも低い適当な圧力に保持されるので、出口
弁15の開閉操作によって終始タービン出口圧力を適切
に調節することができる。従って、液化運転を止めたま
ま超臨界膨張タービン12の発生寒冷を利用して冷凍負
荷34を予冷することも可能となる。
During such turbine operation control, the opening degree control of the expansion valve 6 is performed independently of the control operation. For example, when the refrigerant liquid storage tank 1 is full, the expansion valve 6 is controlled even during turbine operation.
May be closed completely, and liquefaction may be interrupted. Here, conventionally, since the opening degree of the expansion valve 6 directly affects the turbine outlet pressure, it is impossible to operate the supercritical expansion turbine 12 when the expansion valve 6 is fully closed as described above. However, in this device, by controlling the opening degrees of the precooling valve 24 and the bypass valve 26, the expansion valve inlet pressure (that is, the outlet pressure of the outlet valve 15) is always lower than the lower limit pressure P 1 regardless of the opening degree of the expansion valve 6. Since it is maintained at an appropriate low pressure, the turbine outlet pressure can be appropriately adjusted from beginning to end by opening / closing the outlet valve 15. Therefore, it is possible to precool the refrigeration load 34 by utilizing the cold generated by the supercritical expansion turbine 12 while stopping the liquefaction operation.

【0046】以上のように、この方法及び装置では、槽
内液貯留状態に基づく膨張弁6の開度制御中、これと並
行して予冷弁24及びバイパス弁26の開度制御を行う
ことにより、膨張弁入口圧力を常にタービン出口圧力よ
り低い適当な圧力に保持しているので、上記膨張弁6の
開度に拘束されることなく、出口弁15を自由に操作し
て適切な超臨界膨張タービン12の運転制御を実行する
ことができる。
As described above, in this method and apparatus, the opening control of the precooling valve 24 and the bypass valve 26 is performed in parallel with the opening control of the expansion valve 6 based on the liquid storage state in the tank. Since the expansion valve inlet pressure is always maintained at an appropriate pressure lower than the turbine outlet pressure, the outlet valve 15 can be freely operated without being restricted by the opening degree of the expansion valve 6 to achieve an appropriate supercritical expansion. The operation control of the turbine 12 can be executed.

【0047】また、この実施例では、上記超臨界膨張タ
ービン12の制御に関し、その出口圧力が十分高いター
ビン予冷初期の段階では、タービン回転数Nに基づく膨
張弁開度制御を行うことにより、超臨界膨張タービン1
2を有効に働かせながらその過回転を防ぎ、タービン出
口圧力Pが降下してタービン過回転のおそれがなくなっ
た予冷後期からは上記出口圧力Pをヘリウム臨界圧力を
上回る一定の圧力範囲内に収める制御を行うことによ
り、超臨界膨張タービン12内でのヘリウム液化を防ぎ
ながらそのまま円滑に通常運転状態へ移行することがで
きる利点がある。
Further, in this embodiment, regarding the control of the supercritical expansion turbine 12, in the initial stage of the turbine precooling when the outlet pressure thereof is sufficiently high, the expansion valve opening control based on the turbine rotation speed N is performed to control the supercritical expansion turbine opening. Critical expansion turbine 1
Control that keeps the outlet pressure P within a certain pressure range higher than the helium critical pressure from the latter stage of pre-cooling when the turbine outlet pressure P drops and the turbine over-rotation does not occur while the 2 is effectively working. By performing the above, there is an advantage that the helium liquefaction in the supercritical expansion turbine 12 can be prevented and the normal operation state can be smoothly performed as it is.

【0048】しかも、上記制御の実行中は、常に超臨界
膨張タービン12の入口圧力を圧縮機10の吐出圧と略
同等の圧力にしておき、出口弁15の開度調整すなわち
タービン出口圧力の調整のみでタービン膨張比の制御を
行うようにしているので、制御内容を簡略化できるとと
もに入口弁14が開閉切換専用のもの(すなわち開度調
節不能のもの)で間に合うこととなり、従ってより一層
の低コスト化を図ることができる。さらに、従来のよう
にタービン出口圧力をヘリウム臨界圧力付近の圧力に維
持しながら入口弁を次第に開いていく従来制御と異な
り、予冷運転時のタービン運転圧力は通常運転時の運転
圧力よりも高いので、予冷運転時の超臨界膨張タービン
12の寒冷発生量を従来よりも大幅に増やし、これによ
って予冷時間を短縮することができる。
Moreover, during the execution of the above control, the inlet pressure of the supercritical expansion turbine 12 is always set to a pressure substantially equal to the discharge pressure of the compressor 10, and the opening degree of the outlet valve 15 is adjusted, that is, the turbine outlet pressure is adjusted. Since the turbine expansion ratio is controlled only by this, the control content can be simplified, and the inlet valve 14 can be used only for opening / closing switching (that is, one whose opening cannot be adjusted). Cost can be reduced. Furthermore, unlike the conventional control that gradually opens the inlet valve while maintaining the turbine outlet pressure near the helium critical pressure as in the past, the turbine operating pressure during precooling operation is higher than the operating pressure during normal operation. The amount of cold generation of the supercritical expansion turbine 12 during the precooling operation can be significantly increased as compared with the conventional case, and thus the precooling time can be shortened.

【0049】その理由は次の通りである。例えば制動フ
ァン付超臨界膨張タービンにおいて、タービン回転数
N、制動ファン循環経路の温度、及びこの循環経路の速
度制御弁の開度といった諸運転条件を一定とした場合、
制動ファンの動力は制動ファン循環流路の圧力に比例す
る。この制動ファンの動力は、超臨界膨張タービンの発
生寒冷量とほぼ等しい。一方、制動ファン付超臨界膨張
タービンでは、スラスト軸受の負荷を軽減するために、
一般に、タービン部の圧力と制動ファン循環経路の圧力
とが均圧化されている。従って、上記方法及び装置のよ
うにタービン入口圧力は終始高圧に維持してタービン出
口圧力を徐々に下げていくことによってタービン運転圧
力を高くすれば、従来方式より制動ファン循環経路の圧
力を高く維持することができ、これによりタービン発生
寒冷量の大幅な増大を図ることができるのである。
The reason is as follows. For example, in a supercritical expansion turbine with a braking fan, if various operating conditions such as the turbine speed N, the temperature of the braking fan circulation path, and the opening of the speed control valve in this circulation path are constant,
The power of the braking fan is proportional to the pressure of the braking fan circulation passage. The power of the braking fan is almost equal to the amount of cold generated by the supercritical expansion turbine. On the other hand, in the supercritical expansion turbine with a braking fan, in order to reduce the load on the thrust bearing,
Generally, the pressure in the turbine section and the pressure in the brake fan circulation path are equalized. Therefore, if the turbine operating pressure is increased by maintaining the turbine inlet pressure at high pressure and gradually decreasing the turbine outlet pressure as in the above method and apparatus, the pressure in the braking fan circulation path is maintained higher than that in the conventional method. As a result, the amount of cold generated by the turbine can be significantly increased.

【0050】ただし、本発明の請求項1,3記載の方法
及び装置では、超臨界膨張タービンの具体的な制御内容
を問わず、少なくともその出口圧力をファクタとして取
り込んでタービン運転制御を行う場合に、本発明を有効
に適用することが可能となる。また、この実施例で示し
たタービン運転制御を行う場合、タービンの回転速度に
関する値を検出すれば良く、上記実施例のように単位時
間当たりの回転数Nを取り込む代わりにタービンの回転
速度を直接取り込むようにしてもよい。
However, in the method and apparatus according to the first and third aspects of the present invention, regardless of the specific control content of the supercritical expansion turbine, at least the outlet pressure is taken as a factor to perform turbine operation control. The present invention can be effectively applied. Further, when performing the turbine operation control shown in this embodiment, it is sufficient to detect a value relating to the rotation speed of the turbine, and instead of taking in the rotation speed N per unit time as in the above embodiment, the rotation speed of the turbine is directly measured. You may make it take in.

【0051】次に、第2実施例を図5,6に基づいて説
明する。
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS.

【0052】この実施例では前記図1に示した装置にお
いて、低圧ライン4における適所の冷媒温度を検出する
温度計50を設けるとともに、その検出温度に基づき、
タービン制御装置20で設定されている下限圧力P1
上限圧力P2を変更することにより、タービン寒冷発生
量を制御するようにしている。このように設定圧力値の
変更で寒冷発生量を制御できるのは、次のような理由に
よる。
In this embodiment, the apparatus shown in FIG. 1 is provided with a thermometer 50 for detecting the temperature of the refrigerant at a proper place in the low pressure line 4, and based on the detected temperature,
By changing the lower limit pressure P 1 and the upper limit pressure P 2 set by the turbine control device 20, the turbine cold generation amount is controlled. The reason why the amount of cold generation can be controlled by changing the set pressure value is as follows.

【0053】図6は、上記装置についてのh−s線図で
ある。図において、タービン入口圧力を15atm、ター
ビン出口圧力を6atm、タービン流量をMc、タービン入
出口の比エンタルピー差をΔhcで運転していたとする
(図A点→C′点)。この状態から、出口圧力設定値P
1,P2をそれぞれ3.9atm,4.1atmと小さい値に変更
し、これによって実際の出口圧力がより低い圧力(約4
atm)で収束したとし(図A点→D′点)、この時のタ
ービン流量をMd、タービン入出口の比エンタルピー差
をΔhdとすると、タービン流量についてはMd>Mcと
なり、比エンタルピー差についても図6に示すようにΔ
hd>Δhcとなる。ここで、寒冷発生量はタービン流量
とタービン入出口の比エンタルピー差との積に等しいの
で、上記出口圧力設定値の降下によってタービン発生寒
冷量は増大することになる。
FIG. 6 is an hs diagram for the above device. In the figure, it is assumed that the turbine inlet pressure is 15 atm, the turbine outlet pressure is 6 atm, the turbine flow rate is Mc, and the specific enthalpy difference between the turbine inlet and outlet is Δhc (point A → C 'in the figure). From this state, the outlet pressure setting value P
1 and P 2 were changed to small values of 3.9 atm and 4.1 atm, respectively, so that the actual outlet pressure became lower (about 4 atm).
If the turbine flow rate at this time is Md and the specific enthalpy difference between the turbine inlet and outlet is Δhd, then the turbine flow rate is Md> Mc, and the specific enthalpy difference is also As shown in FIG.
hd> Δhc. Here, since the amount of cold generation is equal to the product of the turbine flow rate and the specific enthalpy difference between the turbine inlet and outlet, the amount of cold generated by the turbine increases as the outlet pressure setting value drops.

【0054】すなわち、この第2実施例装置によれば、
出口圧力設定値を大きくすることにより、寒冷発生量を
減少させ、出口圧力設定値を小さくすることにより、寒
冷発生量を増大させることができる。なお、このような
温度の自動制御に代え、例えば予めタービン制御装置2
0に何種類かの出口圧力設定値P1,P2をインプットし
ておくとともに、このタービン制御装置20にキーボー
ド等からなる設定値入力装置を接続し、その操作により
上記インプットされた値の中から使用者が所望の設定値
を選択できるようにしてもよいし、つまみ等の調整で上
記設定値をアナログ的に変更できるようにしてもよい。
That is, according to the device of the second embodiment,
By increasing the outlet pressure setting value, the amount of cold generation can be reduced, and by decreasing the outlet pressure setting value, the amount of cold generation can be increased. Instead of such automatic temperature control, for example, the turbine control device 2
In addition to inputting several kinds of outlet pressure set values P 1 and P 2 into 0, a set value input device such as a keyboard is connected to this turbine control device 20 to select one of the above input values by the operation. The user may be allowed to select a desired setting value, or the setting value may be changed in an analog manner by adjusting a knob or the like.

【0055】次に、第3実施例を図7に基づいて説明す
る。
Next, a third embodiment will be described with reference to FIG.

【0056】前記第1実施例では、超臨界膨張タービン
12の運転中に膨張弁6を全閉にする必要が生じた場
合、予冷弁24を開き(もしくはその開度を大きく
し)、超臨界膨張タービン12を流れるガスを予冷バイ
パスライン23及び低圧ライン4を経由して圧縮機10
に戻すこととなるが、このガスの寒冷をより有効に利用
できれば、それだけ装置全体の冷凍能力を高めることが
できる。
In the first embodiment, when it is necessary to fully close the expansion valve 6 during the operation of the supercritical expansion turbine 12, the precooling valve 24 is opened (or its opening is increased) and the supercritical valve is opened. The gas flowing through the expansion turbine 12 is passed through the pre-cooling bypass line 23 and the low pressure line 4 to the compressor 10
However, if the cold of the gas can be used more effectively, the refrigerating capacity of the entire apparatus can be increased.

【0057】そこでこの実施例では、前記図1に示した
装置において、膨張弁6の上流側で高圧ライン3から分
岐する極低温冷媒供給ライン51が増設されており、こ
の冷媒供給ライン51が温度調節弁48の下流側で予冷
供給ライン40に接続されるとともに、その途中に温度
調節弁39が設けられている。
Therefore, in this embodiment, in the apparatus shown in FIG. 1, a cryogenic refrigerant supply line 51 branching from the high pressure line 3 on the upstream side of the expansion valve 6 is additionally provided, and this refrigerant supply line 51 has a temperature The temperature control valve 39 is provided on the downstream side of the control valve 48 and connected to the pre-cooling supply line 40.

【0058】このような構成によれば、温度調節弁39
を開き、超臨界膨張タービン12を流れるガスの全量も
しくは一部を極低温冷媒供給ライン51を経由して冷凍
負荷34に供給することにより、上記寒冷の有効利用を
図ることができる。
According to this structure, the temperature control valve 39
And the whole or part of the gas flowing through the supercritical expansion turbine 12 is supplied to the refrigerating load 34 via the cryogenic refrigerant supply line 51, whereby the cold can be effectively used.

【0059】以上、第1〜第3実施例を示したが、本発
明における貯留状態検出手段は、上記のような槽内圧力
計28及び液面計29に限らず、膨張弁6の開度制御の
ファクタとして提供できる値を検出するものであればよ
い。例えば、上記実施例における槽内圧力計28に代
え、図8に示すように、低圧ライン4において上記冷媒
液貯槽1近傍部分の圧力を検出する戻り圧力検出計2
8′を設けるようにしても上記と同様に貯留状態を把握
することができる。
Although the first to third embodiments have been described above, the storage state detecting means in the present invention is not limited to the in-tank pressure gauge 28 and the liquid level gauge 29 as described above, and the opening degree of the expansion valve 6 can be used. Anything that detects a value that can be provided as a control factor may be used. For example, instead of the in-tank pressure gauge 28 in the above embodiment, as shown in FIG. 8, a return pressure detector 2 for detecting the pressure in the vicinity of the refrigerant liquid storage tank 1 in the low pressure line 4 is shown.
Even if 8'is provided, the storage state can be grasped in the same manner as above.

【0060】また本発明は、超臨界膨張タービン12が
高圧ライン3において膨張弁15の上流側に設けられて
いる種々の液化冷凍装置に適用できるものであり、前記
各実施例に示したように膨張弁6と出口弁15との間に
熱交換器5eが介在していなくてもよく、逆に超臨界膨
張タービン12と出口弁15との間に熱交換器が介在し
ていてもよい。
Further, the present invention can be applied to various liquefaction refrigerating apparatuses in which the supercritical expansion turbine 12 is provided on the high pressure line 3 upstream of the expansion valve 15, and as described in the above embodiments. The heat exchanger 5e may not be interposed between the expansion valve 6 and the outlet valve 15, and conversely, the heat exchanger may be interposed between the supercritical expansion turbine 12 and the outlet valve 15.

【0061】[0061]

【発明の効果】以上のように本発明は、膨張弁の上流側
に超臨界膨張タービンの出口弁を設けてこの出口弁の開
度調節によりタービン出口圧力を制御するとともに、こ
の超臨界膨張タービンをバイパスして冷媒を流し、また
上記膨張弁及び液貯留部をバイパスして高圧ラインから
低圧ラインに冷媒を流し、そのバイパス流量を調節する
ことにより上記膨張弁の開度にかかわらずその入口圧力
を常に上記タービン出口圧力よりも低い適当な圧力に制
御するものであるので、液貯留部における冷媒液の貯留
状態に基づいて膨張弁開度を良好に制御すると同時に、
この膨張弁開度に影響を受けることなく、上記出口弁の
開度調節で超臨界膨張タービンの運転を良好に制御する
ことができる効果がある。従って、例えば上記膨張弁を
全閉して液化を中断している間でも、超臨界膨張タービ
ンの運転を不都合なく続行することが可能となる。
As described above, according to the present invention, the outlet valve of the supercritical expansion turbine is provided on the upstream side of the expansion valve, the turbine outlet pressure is controlled by adjusting the opening degree of the outlet valve, and the supercritical expansion turbine is also provided. To bypass the expansion valve and the liquid storage part to bypass the expansion valve and the liquid storage part to flow the refrigerant from the high pressure line to the low pressure line, and adjust the bypass flow rate to adjust the bypass valve flow rate regardless of the opening degree of the expansion valve. Is always controlled to an appropriate pressure lower than the turbine outlet pressure, so that the expansion valve opening degree is controlled well based on the storage state of the refrigerant liquid in the liquid storage portion,
The operation of the supercritical expansion turbine can be well controlled by adjusting the opening of the outlet valve without being affected by the opening of the expansion valve. Therefore, for example, it becomes possible to continue the operation of the supercritical expansion turbine without any inconvenience even while the expansion valve is fully closed to interrupt the liquefaction.

【0062】さらに、請求項2,4記載の方法及び装置
では、上記超臨界膨張タービンの運転制御に関し、膨張
弁の上流側に超臨界膨張タービンが設けられた液化冷凍
装置において、この超臨界膨張タービンの入口圧力を圧
縮機の吐出圧と略同等の圧力に維持しておき、タービン
出口圧力が十分高い予冷初期の段階ではタービン回転速
度に関する値に基づいて上記膨張弁の開度制御(すなわ
ちタービン出口圧力の制御)を行い、タービン出口圧力
が低くてタービン過回転が生じるおそれのない予冷後期
の段階からは上記出口圧力を冷媒臨界圧力以上の所定範
囲に収めるような制御を行うので、簡単にかつ低コスト
で、超臨界膨張タービンの過回転及びタービン内での冷
媒の液化を確実に防ぐとともに、従来よりもタービン運
転圧力を高く維持することにより、超臨界膨張タービン
の寒冷発生量を大幅に増大することができ、これにより
予冷時間の短縮を図ることができる効果がある。
Further, in the method and apparatus according to claims 2 and 4, regarding the operation control of the supercritical expansion turbine, in the liquefaction refrigeration system in which the supercritical expansion turbine is provided upstream of the expansion valve, the supercritical expansion is performed. The inlet pressure of the turbine is maintained at a pressure substantially equal to the discharge pressure of the compressor, and in the early stage of precooling when the turbine outlet pressure is sufficiently high, the expansion valve opening control (that is, turbine The outlet pressure is controlled), and from the latter stage of pre-cooling where the turbine outlet pressure is low and there is no risk of turbine over-rotation, the outlet pressure is controlled so that it falls within a predetermined range above the refrigerant critical pressure. And at low cost, it surely prevents over-rotation of the supercritical expansion turbine and liquefaction of the refrigerant in the turbine, and keeps the turbine operating pressure higher than before. The Rukoto, a cold generating of the supercritical expansion turbine can be greatly increased, thereby there is an effect that it is possible to shorten the pre-cooling time.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1実施例におけるヘリウム液化冷凍
装置のフローシートである。
FIG. 1 is a flow sheet of a helium liquefaction refrigeration system according to a first embodiment of the present invention.

【図2】上記液化冷凍装置に設けられる弁制御装置の機
能ブロック図である。
FIG. 2 is a functional block diagram of a valve control device provided in the liquefaction refrigeration system.

【図3】上記液化冷凍装置に設けられるタービン制御装
置の行う制御動作を示すフローチャートである。
FIG. 3 is a flowchart showing a control operation performed by a turbine control device provided in the liquefaction refrigeration system.

【図4】上記液化冷凍装置の運転時における超臨界膨張
タービンの回転数と入出口圧力と入口弁開度及び出口弁
開度の時間変化を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing changes over time in the rotational speed, inlet / outlet pressure, inlet valve opening, and outlet valve opening of the supercritical expansion turbine during operation of the liquefaction refrigeration system.

【図5】本発明の第2実施例におけるヘリウム液化冷凍
装置のフローシートである。
FIG. 5 is a flow sheet of a helium liquefaction refrigeration system according to a second embodiment of the present invention.

【図6】上記装置についてのh−s線図である。FIG. 6 is an hs diagram for the device.

【図7】本発明の第3実施例におけるヘリウム液化冷凍
装置のフローシートである。
FIG. 7 is a flow sheet of a helium liquefaction refrigerating apparatus according to a third embodiment of the present invention.

【図8】本発明の他の実施例におけるヘリウム液化冷凍
装置のフローシートである。
FIG. 8 is a flow sheet of a helium liquefier refrigerating apparatus according to another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 冷凍負荷 3 高圧ライン 4 低圧ライン 5a〜5e 熱交換器 6 膨張弁 10 圧縮機 12 超臨界膨張タービン 16 回転計(回転数検出手段) 18 出口圧力計(出口圧力検出手段) 20 タービン制御装置(超臨界膨張タービン制御手
段) 23 予冷バイパスライン 24 予冷弁(予冷バイパス流量調節手段) 25 タービンバイパスライン 26 バイパス弁(タービンバイパス流量調節手段) 27 入口圧力計(入口圧力検出手段) 28 槽内圧力計(貯留状態検出手段) 28′ 戻り圧力計(貯留状態検出手段) 29 液面計(貯留状態検出手段) 30 弁制御装置 31 膨張弁制御部(膨張弁制御手段) 32 予冷弁制御部(バイパス流量制御手段) 33 バイパス弁制御部(バイパス流量制御手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Refrigeration load 3 High pressure line 4 Low pressure line 5a-5e Heat exchanger 6 Expansion valve 10 Compressor 12 Supercritical expansion turbine 16 Tachometer (rotation speed detection means) 18 Outlet pressure gauge (outlet pressure detection means) 20 Turbine control device ( Supercritical expansion turbine control means) 23 Pre-cooling bypass line 24 Pre-cooling valve (pre-cooling bypass flow rate adjusting means) 25 Turbine bypass line 26 Bypass valve (turbine bypass flow rate adjusting means) 27 Inlet pressure gauge (inlet pressure detecting means) 28 In-tank pressure gauge (Storage state detection means) 28 'Return pressure gauge (storage state detection means) 29 Liquid level gauge (storage state detection means) 30 Valve control device 31 Expansion valve control section (expansion valve control means) 32 Precooling valve control section (bypass flow rate) Control means) 33 Bypass valve control section (bypass flow rate control means)

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 冷媒を圧送する圧縮機と、液化された冷
媒を貯留する液貯留部と、上記圧縮機から圧送された冷
媒を上記液貯留部へ供給する高圧ラインと、液貯留部か
ら上記圧縮機へ冷媒を戻す低圧ラインとを備え、上記高
圧ラインに開度調節可能な膨張弁が設けられ、その上流
側に超臨界タービン式膨張機が設けられた液化冷凍装置
において、上記液貯留部内の冷媒液の貯留状態を検出
し、この貯留状態に基づいて上記膨張弁の開度を制御す
る一方、上記超臨界タービン式膨張機の出口側であって
上記膨張弁よりも上流側の位置に出口弁を設け、上記超
臨界タービン式膨張機の出口側であって上記出口弁の上
流側の圧力であるタービン出口圧力を検出し、少なくと
もこのタービン出口圧力をファクタとして取り込んで上
記出口弁の開度の調節によりタービン出口圧力を制御す
るとともに、上記膨張弁の入口側であって上記出口弁の
下流側の圧力である膨張弁入口圧力を検出し、この膨張
弁入口圧力が上記タービン出口圧力よりも低い所定の圧
力範囲内となるような流量で、上記高圧ラインにおいて
上記超臨界タービン式膨張機及び出口弁をバイパスして
冷媒を流しかつ高圧ラインにおいて上記出口弁と膨張弁
との間の部分から上記膨張弁及び液貯留部をバイパスし
て上記低圧ラインへ冷媒を流すことを特徴とする液化冷
凍装置の運転制御方法。
1. A compressor for pumping a refrigerant, a liquid storage section for storing a liquefied refrigerant, a high-pressure line for supplying the refrigerant pumped from the compressor to the liquid storage section, and a liquid storage section for storing the refrigerant. A low pressure line for returning the refrigerant to the compressor, an expansion valve having an adjustable opening is provided in the high pressure line, and in the liquefaction refrigeration apparatus in which a supercritical turbine type expander is provided on the upstream side of the expansion valve, in the liquid storage section Detecting the storage state of the refrigerant liquid, while controlling the opening degree of the expansion valve based on this storage state, at the outlet side of the supercritical turbine type expander and upstream of the expansion valve An outlet valve is provided, the turbine outlet pressure, which is the outlet side of the supercritical turbine expander and the upstream side of the outlet valve, is detected, and at least this turbine outlet pressure is taken as a factor to open the outlet valve. Degree adjustment Control the turbine outlet pressure by detecting the expansion valve inlet pressure, which is the pressure on the inlet side of the expansion valve and on the downstream side of the outlet valve, and the expansion valve inlet pressure is lower than the turbine outlet pressure. At a flow rate such that the pressure is within the pressure range, the refrigerant flows in the high pressure line by bypassing the supercritical turbine expander and the outlet valve, and the expansion is performed from a portion between the outlet valve and the expansion valve in the high pressure line. A method for controlling the operation of a liquefaction refrigeration system, characterized in that a refrigerant is caused to flow through the low-pressure line by bypassing the valve and the liquid reservoir.
【請求項2】 請求項1記載の液化冷凍装置の運転制御
方法において、上記超臨界タービン式膨張機の出口圧力
制御に際し、この超臨界タービン式膨張機の回転速度に
関する値を検出し、検出したタービン出口圧力が上記冷
媒の臨界圧力よりも高い予め定められた設定圧力に降下
するまでは上記タービン式膨張機の入口圧力が上記圧縮
機の吐出圧と略等しい圧力にある状態で上記タービン式
膨張機の回転速度に関する値を予め設定された範囲内に
収めるように出口弁の開度を調節し、検出するタービン
出口圧力が上記設定圧力に達した後は上記タービン式膨
張機の入口圧力が上記圧縮機の吐出圧と略等しい圧力に
ある状態で上記設定圧力近傍の予め設定された圧力範囲
内に上記検出圧力を収めるように出口弁の開度を調節す
ることを特徴とする液化冷凍装置の運転制御方法。
2. The operation control method for a liquefaction refrigeration system according to claim 1, wherein when controlling the outlet pressure of the supercritical turbine expander, a value relating to the rotational speed of the supercritical turbine expander is detected and detected. The turbine expansion is performed in a state where the inlet pressure of the turbine expander is substantially equal to the discharge pressure of the compressor until the turbine outlet pressure drops to a predetermined set pressure higher than the critical pressure of the refrigerant. After adjusting the opening of the outlet valve so that the value related to the rotation speed of the machine falls within a preset range and the turbine outlet pressure to be detected reaches the set pressure, the inlet pressure of the turbine expander is set to the above. It is characterized in that the opening degree of the outlet valve is adjusted so that the detected pressure falls within a preset pressure range near the set pressure in a state where the pressure is substantially equal to the discharge pressure of the compressor. Operation control method for liquefaction refrigeration system.
【請求項3】 冷媒を圧送する圧縮機と、液化された冷
媒を貯留する液貯留部と、上記圧縮機から圧送された冷
媒を上記液貯留部へ供給する高圧ラインと、液貯留部か
ら上記圧縮機へ冷媒を戻す低圧ラインとを備え、上記高
圧ラインに開度調節可能な膨張弁が設けられ、その上流
側に超臨界タービン式膨張機が設けられた液化冷凍装置
において、上記超臨界タービン式膨張機の出口側であっ
て上記膨張弁よりも上流側の位置に出口弁を設けるとと
もに、高圧ラインにおいて上記超臨界タービン式膨張機
及び出口弁をバイパスするタービンバイパスラインと、
このタービンバイパスラインにおける冷媒流量を変化さ
せるタービンバイパス流量調節手段と、上記膨張弁及び
冷媒液貯槽をバイパスして高圧ラインと低圧ラインとを
接続する予冷バイパスラインと、この予冷バイパスライ
ンにおける冷媒流量を変化させる予冷バイパス流量調節
手段と、上記超臨界タービン式膨張機の出口側であって
上記出口弁の上流側の圧力であるタービン出口圧力を検
出する出口圧力検出手段と、少なくともこのタービン出
口圧力をファクタとして取り込んで上記出口弁の開度の
調節によりタービン出口圧力を制御する超臨界膨張ター
ビン制御手段と、上記液貯留部内の冷媒液の貯留状態を
検出する貯留状態検出手段と、この検出された貯留状態
に基づいて上記膨張弁の開度を制御する膨張弁制御手段
と、高圧ラインにおいて上記膨張弁の入口側であって上
記出口弁の下流側の圧力である膨張弁入口圧力を検出す
る入口圧力検出手段と、予冷時において上記膨張弁が開
かれた後に上記入口圧力検出手段で検出される膨張弁入
口圧力に基づきこの膨張弁入口圧力が上記タービン出口
圧力よりも低い所定の圧力範囲内となるように上記ター
ビンバイパス流量調節手段及び予冷バイパス流量調節手
段を作動させるバイパス流量制御手段とを備えたことを
特徴とする液化冷凍装置の運転制御装置。
3. A compressor for pumping a refrigerant, a liquid storage section for storing a liquefied refrigerant, a high-pressure line for supplying the refrigerant pumped from the compressor to the liquid storage section, and a liquid storage section for storing the refrigerant. A low pressure line for returning the refrigerant to a compressor, an expansion valve having an adjustable opening degree is provided in the high pressure line, and in the liquefaction refrigeration apparatus in which a supercritical turbine type expander is provided on the upstream side thereof, the supercritical turbine A turbine bypass line that bypasses the supercritical turbine type expander and the outlet valve in the high-pressure line, while providing the outlet valve at a position upstream of the expansion valve on the outlet side of the expander.
Turbine bypass flow rate adjusting means for changing the refrigerant flow rate in this turbine bypass line, a precooling bypass line that bypasses the expansion valve and the refrigerant liquid storage tank and connects the high pressure line and the low pressure line, and the refrigerant flow rate in this precooling bypass line Precooling bypass flow rate adjusting means for changing, outlet pressure detecting means for detecting the turbine outlet pressure which is the outlet side of the supercritical turbine expander and is the upstream side pressure of the outlet valve, and at least this turbine outlet pressure Supercritical expansion turbine control means that takes in as a factor and controls the turbine outlet pressure by adjusting the opening of the outlet valve, storage state detection means that detects the storage state of the refrigerant liquid in the liquid storage portion, and this detected Expansion valve control means for controlling the opening degree of the expansion valve based on the storage state, and the high pressure line In the inlet side of the expansion valve, the inlet pressure detecting means for detecting the inlet pressure of the expansion valve, which is the pressure on the downstream side of the outlet valve, and the inlet pressure detecting means after the expansion valve is opened during precooling. A bypass flow rate control means for operating the turbine bypass flow rate adjusting means and the precooling bypass flow rate adjusting means so that the expansion valve inlet pressure is within a predetermined pressure range lower than the turbine outlet pressure based on the detected expansion valve inlet pressure. An operation control device for a liquefaction refrigeration system, comprising:
【請求項4】 請求項3記載の液化冷凍装置の運転制御
装置において、上記超臨界タービン式膨張機の回転速度
に関する値を検出する回転検出手段を備えるとともに、
上記超臨界膨張タービン制御手段を、上記出口圧力検出
手段で検出されたタービン出口圧力が上記冷媒の臨界圧
力よりも高い予め定められた設定圧力に降下するまでは
上記タービン式膨張機の入口圧力が上記圧縮機の吐出圧
と略等しい圧力にある状態で上記タービン式膨張機の回
転速度に関する値を予め設定された範囲内に収めるよう
に出口弁の開度を調節し、検出するタービン出口圧力が
上記設定圧力に達した後は上記タービン式膨張機の入口
圧力を上記圧縮機の吐出圧と略等しい圧力にある状態で
上記設定圧力近傍の予め設定された圧力範囲内に上記検
出圧力を収めるように出口弁の開度を調節するように構
成したことを特徴とする液化冷凍装置の運転制御装置。
4. The operation control device for a liquefaction refrigeration system according to claim 3, further comprising rotation detection means for detecting a value related to the rotation speed of the supercritical turbine expander,
The inlet pressure of the turbine type expander until the turbine outlet pressure detected by the outlet pressure detecting means falls to a predetermined set pressure higher than the critical pressure of the refrigerant through the supercritical expansion turbine control means. The opening of the outlet valve is adjusted so that the value relating to the rotational speed of the turbine expander falls within a preset range in a state in which the discharge pressure of the compressor is approximately equal to the turbine outlet pressure to be detected. After reaching the set pressure, the detected pressure is kept within a preset pressure range near the set pressure with the inlet pressure of the turbine expander at a pressure substantially equal to the discharge pressure of the compressor. An operation control device for a liquefaction refrigeration system, characterized in that the opening degree of the outlet valve is adjusted.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010536002A (en) * 2007-08-03 2010-11-25 レール・リキード−ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード Method and corresponding equipment for cooling fluids such as helium for supply to fluid consumers
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