JPH0718611B2

JPH0718611B2 - 極低温液化冷凍装置の減量運転方法

Info

Publication number: JPH0718611B2
Application number: JP61278618A
Authority: JP
Inventors: 博毅梶原; 孝三松本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-11-25
Filing date: 1986-11-25
Publication date: 1995-03-06
Anticipated expiration: 2010-03-06
Also published as: JPS63131960A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は極低温液化冷凍装置の減量運転方法に関するも
のである。

〔従来の技術〕

従来の極低温液化冷凍装置において減量運転に適した制
御方法としては、特開昭61−79953号に記載のように、
膨張機入口弁とJT弁との開度を、例えば、所望の冷媒出
力を効率良く発生させられる開度にセットしておき、圧
縮機とコールドボックスとの間に設けられ高圧ラインと
低圧ラインとをつなぐバイパス機構によりバイパスさせ
る冷媒ガス量を一定に保持するように、圧縮機の容量制
御を行なうようにして、容易にかつ効率的に圧縮機の最
適容量制御を行なうようにしたものがある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、圧縮機の運転効率の点について配慮さ
れておらず、減量運転を行う際に、必要な容量の液化ガ
スを発生させるように弁開度を絞り、それに似合った流
量の冷媒ガスを出力するように圧縮機の出力を下げた運
転を行なっているが、現在の圧縮機の効率はあまり良く
なく、また膨張機を常に運転しているため、膨張機の運
転のための冷媒ガスを送る容量も必要であり、大幅に冷
凍負荷を下げた減量運転を行なう場合は、減量運転した
ときの負荷に対する圧縮機動力の減少効率が悪いという
問題があった。

本発明は、大幅な冷凍負荷の減少時にも、圧縮機動力を
十分に下げランニングコストを低減することのできる極
低温液化冷凍装置の減量運転方法を提供することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、液化ガスを貯蔵する容器内に冷媒機を全量
運転して冷媒ガスを液化した液化ガスを供給する工程
と、負荷部内の液化ガスをガス化して減少する分の液化
ガスを容器内から補充する工程と、負荷部でガス化した
冷媒ガスを冷凍機に回収する工程と、冷凍機の全量運転
によって容器内の液化ガスが所定量になったら、冷凍機
の寒冷発生運転を停止し、負荷部でガス化する冷媒ガス
分を回収する循環運転を行なう工程と、容器内の液化ガ
スが一定量まで減少したら全量運転を再開する工程とを
有することにより、達成される。

〔作用〕

冷凍機で生成された液化ガスを容器を介して負荷部に供
給する際に、負荷部での冷凍負荷が減少しても、冷凍機
を効率の良い全量運転をさせて容器内に液化ガスを十分
溜め、容器内の液化ガスが所定量溜まったら、冷凍機の
液化運転を停止し、負荷部の冷却負荷に似合った量の液
化ガスを容器から供給してやり、冷凍機では負荷部でガ
ス化した冷媒ガスのみを回収するように運転して、容器
内の液化ガスが一定量まで減ったら、再度全量運転を行
ない容器内へ液化ガスを溜める。この運転を繰り返えす
ことにより、液化ガスの発生を最大効率の状態で行な
え、その後は液化運転させず冷媒ガスの回収だけの負荷
の軽い運転だけで済むので、トータル的に、大幅な冷凍
負荷の減少時にも圧縮機動力を十分に下げられ、ランニ
ングコストを低減できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図および第２図により説
明する。

第１図に極低温液化冷凍装置の構成の一例を示す。コー
ルドボックス２内には熱交換器3aないし3eが設けてあ
り、熱交換器3aないし3eを順次介し対向して流れる高圧
ライン８と低圧ライン９とが通る。高圧ライン８の上流
端は圧縮機１の吐出側につなげられ、下流端は容器てあ
るデュワー11につながる。低圧ライン９の上流端はデュ
ワー11につなげられ、下流端は圧縮機１の吸込側につな
がる。また、コールドボックス２内には、高圧ライン８
の熱交換器3aの流出側から分岐して、熱交換器3cをはさ
んで設けられた膨張タービン６および７と熱交換器3cと
を順次介して、低圧ライン９の熱交換器3dの流入側に合
流する中圧ライン10が設けてある。４は膨張機入口弁、
５はJT弁である。

負荷部であるクライオスタット13は供給ライン17によっ
てデュワー11とつながれており、クライオスタット13か
らの戻りライン18は熱交換器3eの前で低圧ライン９に合
流する。14は液体ヘリウム槽、16は負荷である例えば超
電導マグネット、12と15は液化ガスである液体ヘリウム
である。

圧縮機１の吐出側の高圧ライン８と圧縮機１の吸収側の
低圧ライン９とには、それぞれに分岐させたバイパスラ
イン22および23が設けられ、中圧タンク19につながる。
20および21は圧力制御弁である。

なお、この場合、冷凍機は圧縮機１とコールドボックス
２とで構成され、冷媒ガスはヘリウムである。24は液面
計、25は制御装置である。

上記構成により、本一実施例の動作を説明する。

まず、冷凍機による液化運転について説明する。

圧縮機１で圧縮されたヘリウムは、高圧常温となって高
圧ライン８を流れコールドボックス２に導入され、大１
の熱交換器3aで冷却された後、そのまま高圧ライン８を
流れる流れと、分岐して中圧ライン10を流れる流れに分
かれる。中圧ラインに分岐したヘリウムは、膨張機入口
弁４で最適流量に制御され、第１の膨張タービン６に流
れて断熱膨張し寒冷を発生して温度低下した後、第３の
熱交換器3cで冷却され、さらに、第２の膨張タービン７
に流れて断熱膨張し寒冷を発生して温度低下した後、低
圧ライン９に合流して低圧戻りヘリウムガスとなる。一
方、高圧ライン８をそのまま流れたヘリウムは、第２〜
第５の熱交換器3b〜3eによって順次冷却された後、JT弁
５に流れて断熱膨張し、一部が液化したミスト状となっ
てデュワー11に供給される。

冷凍機の全量運転は、上記の液化運転において液化量を
最大とする運転である。

次に、冷凍機で生成されたミスト状の液化ガスは、容器
11内で気液分離して液体ヘリウムが溜められ、液化しな
かったヘリウムガスは低圧ライン９に入って、コールド
ボックス２内の高圧ラインを流れる高圧ヘリウムを冷却
し昇温しながら圧縮機１へ戻る。

デュワー11内に溜められた液体ヘリウム12は、供給ライ
ン17を通ってクライオスタット13に供給され、液体ヘリ
ウム槽14内に溜められる。液体ヘリウム槽14内の液体ヘ
リウム15は、液体ヘリウム15に浸漬された超電導マグネ
ット16の発熱によって気化され、ガス化したヘリウムは
戻りライン18を通って低圧ライン９に合流し、デュワー
11からの戻りヘリウムガスと一緒になって圧縮機１へ戻
る。

また、高圧ライン８内の圧力が所定の圧力、例えば、15
Kg/cm²Ｇよりも高くなると、圧力制御弁20が開いて、バ
イパスライン22から中圧タンク19内に高圧ヘリウムガス
が流れる。一方、低圧ライン９内の圧力が所定の圧力、
例えば、0.1Kg/cm²Ｇよりも低くなると、圧力制御弁21
が開いて、バイパスライン23を通って中圧タンク19内の
ヘリウムガスが低圧ライン９に供給される。

次に前期のような、冷凍機で生成された液体ヘリウムを
一旦デュワー11に溜め、クライオスタット13に送って超
電導マグネット16を冷却する運転において、超電導マグ
ネット16の運転状態が変わり、クライオスタット13内の
熱負荷が大幅に減少した場合の運転について説明する。

従来だと、ここで膨張機入口弁４およびJT弁５を絞っ
て、圧縮機１の吐出流量を減少させ、圧縮機１の動力を
減少させる減量運転を行ない。減小した負荷に似合った
量の液体ヘリウムを生成していたが、これでは第２図の
波線で示すように原単位が悪かった。

そこで、本方法はまず、前期の液化運転を最も効率の良
い全量運転で行ない、クライオスタット13で消費される
液体ヘリウムの必要量以上の液体ヘリウムを生成して、
余分の液体ヘリウムをデュワー11内に溜める。デュワー
11内の液体ヘリウム12が所定の量まで溜まるかまたは、
一定時間全量運転した後、冷凍機の膨張機入口弁４を全
閉しJT弁５を絞り、液化運転を停止する。その後は、デ
ュワー11内の液体ヘリウム12をクライオスタット13内へ
供給し続ける。

クライオスタット13では、超電導マグネットの発生する
熱で液体ヘリウム15が徐々に気化してヘリウムガスとな
る。このヘリウムガスを圧縮機１を運転して回収する。

このときの圧縮機１の運転は、クライオスタット13内の
気化したヘリウムガスを回収するためだけの循環運転て
あるため、圧縮機１に掛かる負荷は大変少なくてすむ。

循環運転の際の系内の流れを説明すると、圧縮機１の運
転により、低圧ライン９中のヘリウムガスが圧縮されて
高圧ライン８側に流れ、JT弁５を介して低圧、例えば、
0.2Kg/cm₂Ｇに膨張され、一旦デュワー11内へ入って低
圧ライン９に入って圧縮機１へ戻るとともに、クライオ
スタット13内のヘリウムガスが戻りライン18を通って低
圧ライン９のデュワー11側のヘリウムガスと合流して、
低圧ライン９を圧縮機１側へ一緒に戻る。

ここで、圧縮機１が吸込むガス量は、デュワー11とクラ
イオスタット13とから戻るヘリウムガスの合計量であ
り、JT弁５を介してデュワー11へ入るガス量はJT弁５で
制限されているため、圧縮機１から吐出された前記合計
のヘリウムガス量のうち、ほぼクライオスタット13から
戻るガス量の分だけ、高圧ライン８の圧力が所定圧力、
例えば、15Kg/cm₂Ｇよりも高くなって、圧力制御弁20が
開いてバイパスライン22を介して中圧タンク19内へ入
り、中圧タンク19内に溜められる。

このように、冷凍機の液化運転を停止し、デュワー11か
らクライオスタット13へ液体ヘリウムを供給しながら、
クライオスタット13内のヘリウムガスの回収運転を続け
るうちに、デュワー11内の液体ヘリウム12が一定の量ま
で減ったら、回収運転をやめて、冷凍機を全量運転に戻
し、デュワー11内に液体ヘリウムを溜める。

これらの運転を繰り返えして行なう減量運転によれば、
第２図の実線で示すように、クライオスタット13での負
荷比が小さくなるにつれて、圧縮機１を作動させる合計
の動力比は、どんどん下がっていき、熱負荷ガス幅に減
少する場合の減量運転に対して効率が良くなることが分
かる。

これは、負荷比が比較的大きい場合では、クライオスタ
ット13内で消費する液体ヘリウムの量が多く、回収運転
の時間が短くなるために、原単位を向上させることがで
きないが、逆に、負荷比が比較的小さい場合は、クライ
オスタット13内で消費される液体ヘリウムの量が少な
く、回収運転の時間が長くなるので、原単位を向上させ
ることができる。

以上、本一実施例によれば、冷凍機の全量運転とガスの
回収運転とを交互に繰り返えした減量運転を行なうこと
により、大幅な冷凍負荷の減少時にも、圧縮機を運転す
る総動力を十分に下げることができ、ランニングコスト
を低減できるという効果がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、大幅な冷凍負荷の減少時にも、圧縮機
動力を十分に下げられるので、ランニングコストを低減
することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である極低温液化冷凍装置の
減量運転方法を実施するための極低温液化冷凍装置の一
例を示す構成図、第２図は従来と本発明による減量運転
との負荷比と動力比との関係を示した図である。１……圧縮機、２……コールドボックス、４……膨張機
入口弁、５……JT弁、11……デュワー、13……クライオ
スタット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、該圧縮機に接続された高圧ラインと低圧ラインと備え、
これらラインを通じて循環する冷媒ガスの熱交換を行な
う熱交換器と、上記熱交換器のライン間に設けられ、寒冷発生を行う動
作状態と寒冷発生を行わない非動作状態とのいずれかの
状態をとる寒冷発生装置と、上記冷媒ガスを液化した液化ガスを、上記熱交換器の高
圧ラインの下流側から供給される容器と、液化ガスによる冷却が行なわれる負荷部と、上記容器および負荷部の液化ガスのガス化により生じた
冷媒ガスを上記熱交換器の低圧ラインの上流側に供給す
る戻りラインと、上記負荷部内の液化ガスのガス化による減少を、上記容
器に貯蔵された液化ガスにより補充する供給ラインとからなる冷凍装置を運転する際に、上記容器内の液化ガスが第１の所定量に達するまでは、
上記寒冷発生装置を動作状態に維持して、寒冷発生によ
り上記容器内の液化ガスを増加させる全量運転の工程
と、上記容器内の液化ガスが第１の所定量に達した後は上記
寒冷発生装置を非動作状態に維持して、冷媒ガスの液化
を行わずに上記冷凍装置を運転する軽負荷運転の工程
と、上記軽負荷運転の工程の持続により上記容器内の液化ガ
スが上記第１の所定量よりも低い第２の所定量まで減少
すると上記全量運転の工程を再開始させる工程と、からなることを特徴とする極低温液化冷凍装置の減量運
転方法。