JPH08285395A - ヘリウム液化冷凍装置 - Google Patents

ヘリウム液化冷凍装置

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JPH08285395A
JPH08285395A JP7084262A JP8426295A JPH08285395A JP H08285395 A JPH08285395 A JP H08285395A JP 7084262 A JP7084262 A JP 7084262A JP 8426295 A JP8426295 A JP 8426295A JP H08285395 A JPH08285395 A JP H08285395A
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JP
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helium
turbine
flow path
nozzle opening
expansion turbine
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JP7084262A
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Youichi Kamiyauchi
洋一 上谷内
Iwao Kawashima
巌 河島
Yoshihiro Nakayama
善裕 仲山
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Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
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Publication date
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    • F25J2270/912—Liquefaction cycle of a low-boiling (feed) gas in a cryocooler, i.e. in a closed-loop refrigerator

Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷却負荷の状況に応じて常に最適の運転状態
が得られ、かつ、膨張タービンの過回転を確実に抑制す
る。 【構成】 冷却負荷３と、この冷却負荷３に設けられた
低圧戻り流路Ｌ１と高圧供給流路Ｌ２とからなるヘリウ
ム循環流路Ｌと、このヘリウム循環流路Ｌの低圧戻り流
路Ｌ１および高圧供給流路Ｌ２の双方がそれぞれに貫通
される複数の熱交換器２と、両流路Ｌ１，Ｌ２の接続部
分に介在される主圧縮機４と、高圧供給流路Ｌ２から分
岐して低圧戻り流路Ｌ１に接続されるバイパス流路Ｌ３
と、このバイパス流路Ｌ３に設けられたメインタービン
５とから構成され、上記高圧供給流路Ｌ２にノズル開度
変更可能のＳＨＥタービン６が設けられ、このＳＨＥタ
ービン６のノズル開度を調節するノズル開度設定器８が
設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、超電導電力貯蔵用、あ
るいは核融合炉用等に使用される超電導電磁石冷凍用の
ヘリウム液化冷凍装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】超電導電力を貯蔵するため、あるいは核
融合炉において強力な磁界をつくるためには、コイルの
直流電気抵抗が「０」になる転移温度以下にまで超電導
電磁石を冷却する必要がある。通常この転移温度は、絶
対温度０度（０Ｋ）近辺の極低温であり、このような極
低温を得るためには液化ヘリウムを用いるのが一般的で
ある。そして、超電導電磁石を液化ヘリウムの中に浸漬
することによって励磁用のコイルは極低温になり、極め
て少ない消費電力で強力な磁界が生成する。
【０００３】上記液化ヘリウムを製造するものとして、
例えば特開平５−７９７１９公報に記載された図４に示
すようなヘリウム液化冷凍装置が知られている。このヘ
リウム液化冷凍装置１０は、複数の熱交換器２０と、液
化ヘリウムを貯留するヘリウムデュワ３０と、上記各熱
交換器２０を貫通した低圧戻り流路（往路）Ｌ１０およ
び高圧供給流路（復路）Ｌ２０と、両流路Ｌ１０，Ｌ２
０間の接合部分に介在された圧縮機４０と、両流路Ｌ１
０，Ｌ２０間にバイパスされたバイパス流路Ｌ３０と、
このバイパス流路Ｌ３０に直列に設けられた２台の膨張
タービン５１０と、ヘリウムデュワ３０から液化ヘリウ
ムの供給をうける冷却負荷６０とから構成されている。
冷却負荷６０には図略の超電導電磁石が内装されてい
る。
【０００４】上記熱交換器２０は、ヘリウムデュワ３０
に近い側から第１熱交換器２１０、第２熱交換器２２
０、第３熱交換器２３０、第４熱交換器２４０および第
５熱交換器２５０の合計５台が並設されている。そし
て、低圧戻り流路Ｌ１０が上流側から順次第１〜第５熱
交換器２１０，２２０，２３０，２４０，２５０に貫通
されているとともに、高圧供給流路Ｌ２０が順次第５〜
第１熱交換器２５０，２４０，２３０，２２０，２１０
に貫通され、熱交換器２０において低圧戻り流路Ｌ１０
内のヘリウムと高圧供給流路Ｌ２０内のヘリウムとが熱
交換されるようになっている。
【０００５】上記ヘリウムデュワ３０内の底部と冷却負
荷６０との間にはトランスファチューブＬ４０が設けら
れ、このトランスファチューブＬ４０によってヘリウム
デュワ３０内の液化ヘリウムが冷却負荷６０内に供給さ
れ、内部の超電導電磁石を冷却するようになっている。
【０００６】上記低圧戻り流路Ｌ１０の上流端は、吸引
流路Ｌ１０′に接続されている。この吸引流路Ｌ１０′
の一端部はヘリウムデュワ３０内に導入されているとと
もに、他端部は冷却負荷６０内に導入されている。そし
て、ヘリウムデュワ３０および冷却負荷６０内で発生し
た気体ヘリウムは吸引流路Ｌ１０′の両端部から吸引さ
れ、低圧戻り流路Ｌ１０に導入されるようになってい
る。
【０００７】上記圧縮機４０は、低圧戻り流路Ｌ１０の
下流端（第５熱交換器２５０の上方）と、高圧供給流路
Ｌ２０の上流端との間に設けられ、この圧縮機４０によ
って低圧戻り流路Ｌ１０内の低圧の気体ヘリウムは圧縮
され、高圧の気体ヘリウムになって高圧供給流路Ｌ２０
に圧送されるようになっている。
【０００８】一方、上記バイパス流路Ｌ３０は、第５熱
交換器２５０と第４熱交換器２４０との間にある高圧供
給流路Ｌ２０と、第１熱交換器２１０と第２熱交換器２
２０との間にある低圧戻り流路Ｌ１０とをバイパスする
ように設けられ、第５熱交換器２５０を出た高圧供給流
路Ｌ２０内の高圧気体ヘリウムの一部がこのバイパス流
路Ｌ３０に導入されるようになっている。このバイパス
流路Ｌ３０は、第３熱交換器２３０を通るように配管さ
れている。
【０００９】上記膨張タービン５１０は、第３熱交換器
２３０の上流側のバイパス流路Ｌ３０に設けられた第１
膨張タービン５１１と、同下流側のバイパス流路Ｌ３０
に設けられた第２膨張タービン５１２とから構成されて
いる。上記第１膨張タービン５１１の上流側のバイパス
流路Ｌ３０にはタービン入口弁５１３が設けられてい
る。上記各膨張タービン５１０は、いずれもノズルの開
孔面積を変化させることができる、いわゆる可変容量式
のものが用いられている。
【００１０】また、上記第１熱交換器２１０の下流側の
高圧供給流路Ｌ２０にはジュールトムソン弁３１０が設
けられ、このジュールトムソン弁３１０を過ぎた高圧供
給流路Ｌ２０の下流端はヘリウムデュワ３０内に導入さ
れている。
【００１１】上記ヘリウムデュワ３０には内部の液化ヘ
リウムの液位を検出する液面計３２０が設けられ、この
液面計３２０の液面検出結果は検出信号として制御装置
７０に入力されるようになっている。この制御装置７０
は、第１膨張タービン５１１および第２膨張タービン５
１２のノズルの開度を制御するためのものであり、上記
液面計３２０の液位検出結果に基づいて膨張タービン５
１０のノズル開度が予め設定されたものになるように制
御信号が出力される。
【００１２】具体的には、制御装置７０が液面計３２０
の液位検出信号を基に判別し、液位が予め設定された下
限値よりも低いときには制御装置７０は膨張タービン５
１０にノズル開度を全開にする制御信号を出力し、同上
限値よりも高いときにはノズル開度を所定の開度まで小
さくする制御信号を出力するようになっている。
【００１３】従来のヘリウム液化冷凍装置１０の上記構
成によれば、圧縮機４０の駆動により吸引流路Ｌ１０′
を通って低圧戻り流路Ｌ１０に吸引された気体ヘリウム
は、第１熱交換器２１０の下流側でバイパス流路Ｌ３０
からの寒冷ヘリウムと合流し、第２熱交換器２２０、第
３熱交換器２３０、第４熱交換器２４０および第５熱交
換器２５０において高圧供給流路Ｌ２０中のヘリウムに
冷熱を供給しつつ圧縮機４０に導入され、この圧縮機４
０において所定の圧力に圧縮され圧縮ヘリウムになり、
今度は高圧供給流路Ｌ２０を通って流下しつつ熱交換器
２０において冷却される。
【００１４】そして、高圧供給流路Ｌ２０を流下する圧
縮ヘリウムは、第５熱交換器２５０と第４熱交換器２４
０との間で一部がバイパス流路Ｌ３０に流入し、残部が
そのまま高圧供給流路Ｌ２０を流下する。バイパス流路
Ｌ３０に導入された圧縮ヘリウムは、第１膨張タービン
５１１による断熱膨張仕事によって極低温にまで冷却さ
れ、第３熱交換器２３０において高圧供給流路Ｌ２０内
の圧縮ヘリウムを冷却する。
【００１５】その後、第３熱交換器２３０を出たバイパ
ス流路Ｌ３０内のヘリウムは、第２膨張タービン５１２
に導入され、再度ここで断熱膨張仕事をして寒冷ヘリウ
ムになり、第１熱交換器２１０と第２熱交換器２２０と
の間の低圧戻り流路Ｌ１０に導入される。
【００１６】一方、高圧供給流路Ｌ２０を流下する圧縮
ヘリウムは、第５〜第２熱交換器２５０〜２２０におい
て低圧戻り流路Ｌ１０内を流れるヘリウムおよびバイパ
ス流路Ｌ３０内を流れるヘリウムとの熱交換によって冷
却されるとともに、第１熱交換器２１０において逆に低
圧戻り流路Ｌ１０内のヘリウムに冷熱を与え、ジュール
トムソン弁３１０で断熱膨張によって冷却され、液化ヘ
リウムとしてヘリウムデュワ３０に導入される。
【００１７】そして、ヘリウムデュワ３０内の液位が下
限値よりも低いときには、膨張タービン５１０のノズル
開度が制御装置７０からの制御信号によって全開状態で
運転され、バイパス流路Ｌ３０を通るヘリウムの量が多
くなって寒冷発生量が増大し、低圧戻り流路Ｌ１０内お
よび高圧供給流路Ｌ２０内を循環移動しているヘリウム
の液化量も増大し、その結果ヘリウムデュワ３０内の液
化ヘリウムの液位が上昇する。
【００１８】逆に、ヘリウムデュワ３０内の液位が上限
値よりも高いときには、制御装置７０からの制御信号に
よって膨張タービン５１０のノズル開度は小さく設定さ
れ、その分寒冷の発生量が少なくなり、余分な動力の消
費が抑制される。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のヘリ
ウム液化冷凍装置１０においては、ヘリウム循環流路Ｌ
内を循環しているヘリウムは、最終的にジュールトムソ
ン弁３１０を通って断熱膨張によってのみ液化される
が、それのみではジュールトムソン効果だけの作用であ
るため、ヘリウムの温度を効率的に降下させることがで
きず、液化ヘリウムを効果的につくる上で不利であると
いう問題点を有している。
【００２０】また、ヘリウム液化冷凍装置は、冷却負荷
６０の状況に応じて種々の運転が行われることが望まし
いが、上記従来のヘリウム液化冷凍装置１０は、ヘリウ
ムデュワ３０内の液位が下限値以下になった場合と、上
限値以上になった場合にだけ制御装置７０から制御信号
が出力されるようになっているため、液位が上限値と下
限値との間に存在するときの冷却負荷６０の状況に応じ
た適正な制御を行い得ず、その結果膨張タービン５１０
が過回転して破損することがあるという問題点を有して
いる。
【００２１】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、より効率的にヘリウムを液
化することができるとともに、ヘリウムデュワ内の液位
の高低に拘らず、冷却負荷の状況に応じて常に最適の運
転状態が得られ、かつ、膨張タービンの過回転を確実に
抑制することが可能なヘリウム液化冷凍装置を提供する
ことを目的としている。
【００２２】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項１記載の
ヘリウム液化冷凍装置は、内部にヘリウムデュワを備え
た冷却負荷と、この冷却負荷に対して流出点と流入点と
を有するように形成された往路と復路とからなるヘリウ
ム循環流路と、このヘリウム循環流路の往路および復路
の双方がそれぞれに貫通される複数の熱交換器と、往路
と復路との接続部分に介在される主圧縮機と、復路から
分岐して往路に接続されるバイパス流路と、このバイパ
ス流路に設けられた主膨張タービンとからなるヘリウム
液化冷凍装置において、上記復路のバイパス流路よりも
下流側にノズル開度変更可能の可変容量式深冷膨張ター
ビンが設けられ、この可変容量式深冷膨張タービンのノ
ズル開度を調節する制御装置が設けられていることを特
徴とするものである。
【００２３】本発明の請求項２記載のヘリウム液化冷凍
装置は、請求項１記載のヘリウム液化冷凍装置におい
て、上記主膨張タービンの下流側のバイパス流路内のヘ
リウム温度を検出する温度計が設けられ、上記制御装置
は、上記温度計の検出温度に応じて上記ノズル開度を設
定する制御信号を可変容量式深冷膨張タービンに出力す
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３記載のヘリウム液化冷凍
装置は、請求項１記載のヘリウム液化冷凍装置におい
て、上記ヘリウムデュワ内の液位を検出する液面計が設
けられ、上記制御装置は、液面計の検出液位に応じて上
記ノズル開度を設定する制御信号を可変容量式深冷膨張
タービンに出力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。
【００２５】本発明の請求項４記載のヘリウム液化冷凍
装置は、請求項１乃至３のいずれかに記載のヘリウム液
化冷凍装置において、上記主膨張タービンとして、ノズ
ル開度変更可能の可変容量式膨張タービンが適用されて
いることを特徴とするものである。
【００２６】
【作用】上記請求項１記載のヘリウム液化冷凍装置によ
れば、冷却負荷内で生じた気体ヘリウムは、主圧縮機の
駆動によってヘリウム循環流路の流出点から低圧戻り流
路に導入され、高圧供給流路を通って流入点から冷却負
荷に戻され循環移動する。そして、往路中のヘリウムと
復路中のヘリウムとはそれぞれ熱交換器で熱交換される
とともに、バイパス流路に分流したヘリウムは主膨張タ
ービンにおける断熱膨張仕事によって冷却され、寒冷に
なって往路中のヘリウムに合流されるため、この合流さ
れた寒冷との熱交換によって復路中のヘリウムは冷却さ
れる。
【００２７】さらに、上記冷却された復路中のヘリウム
は、下流側で可変容量式深冷膨張タービンに導入される
ため、この膨張タービンでの断熱膨張仕事によってさら
に降温し、最後に断熱膨張弁で冷却されて液化し、冷却
負荷内のヘリウムデュワに導入される。
【００２８】そして、上記可変容量式深冷膨張タービン
のノズル開度を調節する制御装置が設けられており、こ
の制御装置からの制御信号によって適宜上記ノズル開度
が変更されるため、ただ単に主膨張タービンの入口側の
復路に設けられた弁の開度を調節する場合に比較して、
大きなエネルギーロスの生じることがなく、ヘリウム液
化冷凍装置を効率的に運転することが可能になる。
【００２９】上記請求項２記載のヘリウム液化冷凍装置
によれば、主膨張タービンの下流側のバイパス流路内の
ヘリウム温度を検出する温度計が設けられているととも
に、制御装置は、温度計の検出温度に応じて上記ノズル
開度を設定する制御信号を可変容量式深冷膨張タービン
に出力するようになっているため、種々変化する冷却負
荷に対して各膨張タービンの運転温度を一定に保つよう
にすることが可能になり、その結果、各膨張タービンの
過回転を確実に防止することができる。
【００３０】上記請求項３記載のヘリウム液化冷凍装置
によれば、ヘリウムデュワ内の液位を検出する液面計が
設けられているとともに、制御装置は、液面計の検出液
位に応じて上記ノズル開度を設定する制御信号を可変容
量式深冷膨張タービンに出力するようになっているた
め、種々変化する冷却負荷に対して液化能力を適正に保
つように各膨張タービンを運転することが可能になり、
その結果、寒冷の発生量を常に適正に制御することが可
能になる。
【００３１】上記請求項４記載のヘリウム液化冷凍装置
によれば、主膨張タービンとして、ノズル開度変更可能
の可変容量式膨張タービンが適用されているため、さら
に広範囲に冷却負荷の変動に適正に追随することができ
るようになる。
【００３２】
【実施例】図１は、本発明に係るヘリウム液化冷凍装置
の第１実施例を示す説明図である。この図に示すよう
に、ヘリウム液化冷凍装置１は、熱交換器２と、液化ヘ
リウムによって冷却される冷却負荷３と、上記熱交換器
２を往復で貫通し、かつ、冷却負荷３を流出点および流
入点にしたヘリウム循環流路Ｌと、このヘリウム循環流
路Ｌに設けられた主圧縮機４と、上記ヘリウム循環流路
Ｌに設けられたバイパス流路Ｌ３と、このバイパス流路
Ｌ３に直列に設けられたメインタービン（主膨張タービ
ン）５と、高圧供給流路Ｌ２の下流側に設けられたヘリ
ウム引出流路Ｌ４と、このヘリウム引出流路Ｌ４に設け
られたノズル開度変更可能の超臨界ヘリウムタービン
（以下ＳＨＥタービン６と称する）とから基本構成され
ている。
【００３３】上記冷却負荷３には、内部に図略の液化ヘ
リウムを貯留するヘリウムデュワと超電導電磁石とが設
けられており、超電導電磁石はヘリウムデュワからの液
化ヘリウムの供給を得て極低温に冷却されるようになっ
ている。
【００３４】上記熱交換器２は、冷却負荷３側から第１
熱交換器２１、第２熱交換器２２、第３熱交換器２３、
第４熱交換器２４、第５熱交換器２５、第６熱交換器２
６、および第７熱交換器２７の合計７台から構成されて
いる。また、上記ヘリウム循環流路Ｌは、冷却負荷３の
流出点３１と主圧縮機４の上流側との間に設けられた低
圧戻り流路Ｌ１と、主圧縮機４の下流側と冷却負荷３の
流入点３２との間に設けられた高圧供給流路Ｌ２とから
構成されている。
【００３５】そして、低圧戻り流路Ｌ１は、上流側から
順次第１〜第７熱交換器２１，２２，２３，２４，２
５，２６，２７に貫通されているとともに、高圧供給流
路Ｌ２は、上流側から順次第７〜第１熱交換器２７，２
６，２５，２４，２３，２２，２１に貫通され、それぞ
れの熱交換器２において低圧戻り流路Ｌ１内のヘリウム
と高圧供給流路Ｌ２内のヘリウムとが互いに熱交換され
るようになっている。
【００３６】上記バイパス流路Ｌ３は、第６熱交換器２
６と第５熱交換器２５との間の高圧供給流路Ｌ２と、第
２熱交換器２２と第３熱交換器２３との間の低圧戻り流
路Ｌ１との間に設けられている。このバイパス流路Ｌ３
は第４熱交換器２４を貫通している。また、上記メイン
タービン５としては第１メインタービン５１と第２メイ
ンタービン５２とが備えられ、第１メインタービン５１
は第４熱交換器２４の上流側のバイパス流路Ｌ３に、ま
た第２メインタービン５２は同下流側のバイパス流路Ｌ
３に設けられている。
【００３７】上記第１メインタービン５１の上流側のバ
イパス流路Ｌ３には第１制御弁６１が設けられている。
また、第４熱交換器２４の下流側のバイパス流路Ｌ３内
圧力を検出して第１制御弁６１の開度を制御する第１圧
力調節計７１が設けられている。そして、上記圧力調節
計７１には予め所定の圧力値が設定されており、第４熱
交換器２４の下流側のバイパス流路Ｌ３内の圧力が上記
設定値になるように上記第１制御弁６１に開度指示の制
御信号が出力されるようになっている。
【００３８】上記ヘリウム引出流路Ｌ４は、第２熱交換
器２２と第１熱交換器２１との間の高圧供給流路Ｌ２に
設けられた第１膨張弁６４の上流側と下流側との間に配
設され、高圧供給流路Ｌ２内のヘリウムは、一部がヘリ
ウム引出流路Ｌ４に分流されるとともに、残部が第１膨
張弁６４を通って冷却されるようになっている。上記ヘ
リウム引出流路Ｌ４にＳＨＥタービン６が配置され、こ
のＳＨＥタービン６の直上流側および直下流側のヘリウ
ム引出流路Ｌ４にそれぞれ第２制御弁６２および第３制
御弁６３が設けられている。
【００３９】また、第２制御弁６２とＳＨＥタービン６
との間のヘリウム引出流路Ｌ４内のヘリウムの圧力を検
出し、この検出結果を基に第２制御弁６２の弁開度が予
め設定された所定の開度になるように第２制御弁６２に
制御信号を出力する第２圧力調節計７２が設けられてい
る。また、ＳＨＥタービン６と第３制御弁６３との間の
ヘリウム圧力を検出してそれに上記同様の制御信号を出
力する第３圧力調節計７３が設けられている。従って、
ＳＨＥタービン６の上流側および下流側のヘリウム圧力
は予め設定された圧力に制御されるようになっている。
【００４０】また、上記第２メインタービン５２の下流
側のバイパス流路Ｌ３内のヘリウムの温度を検出し、得
られた検出結果を温度検出信号として出力する温度計７
４が設けられているとともに、この温度計７４の検出し
た温度検出信号が入力されるノズル開度設定器（制御装
置）８が設けられている。
【００４１】このノズル開度設定器８は、温度計７４が
検出したヘリウムの温度に応じてＳＨＥタービン６のノ
ズル開度を設定するためのものである。すなわち、ノズ
ル開度設定器８からは、上記ヘリウムの温度が予め設定
された温度よりも高いときには、ＳＨＥタービン６のノ
ズル開度を設定値との偏差に見合って小さくする制御信
号が第２制御弁６２向けて出力されるとともに、ヘリウ
ムの温度が設定温度よりも低いときには、設定値との偏
差に見合って上記ノズル開度を大きくする制御信号がＳ
ＨＥタービン６に向けて出力されるようになっている。
【００４２】上記第１熱交換器２１と冷却負荷３の流入
点３２との間の高圧供給流路Ｌ２には第２断熱膨張弁６
５が設けられており、第１熱交換器２１で低圧戻り流路
Ｌ１内の気体ヘリウムと熱交換した高圧供給流路Ｌ２内
のヘリウムは降温して液化ヘリウムになり、流入点３２
から冷却負荷３内に導入されるようになっている。
【００４３】また、上記第７熱交換器２７には液体窒素
の流通される液体窒素流路Ｌ５が配設されている。そし
て、主圧縮機４での圧縮により昇温した高圧供給流路Ｌ
２内のヘリウムと、液体窒素流路Ｌ５内の液体窒素との
第７熱交換器２７における熱交換によって上記ヘリウム
を事前冷却するようにしている。
【００４４】ヘリウム液化冷凍装置１の第１実施例に係
る上記構成によれば、主圧縮機４を駆動することによ
り、冷却負荷３中の低圧気体ヘリウムＨ１は流出点３１
から低圧戻り流路Ｌ１内に吸引され、第１〜第７熱交換
器２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７を通って
主圧縮機４に導入される。そして、低圧気体ヘリウムＨ
１は、第２熱交換器２２の下流側の低圧戻り流路Ｌ１に
おいてバイパス流路Ｌ３からの低温気体ヘリウムＨ６と
合流して寒冷気体ヘリウムＨ２になり、この寒冷気体ヘ
リウムＨ２が主圧縮機４において圧縮され、高圧気体ヘ
リウムＨ３になって高圧供給流路Ｌ２を流下する。
【００４５】この高圧気体ヘリウムＨ３は、まず第７熱
交換器２７において低圧戻り流路Ｌ１内の寒冷気体ヘリ
ウムＨ２および液体窒素流路Ｌ５内の液体窒素との間の
熱交換によって事前冷却され、つぎの第６熱交換器２６
において低圧戻り流路Ｌ１内の寒冷気体ヘリウムＨ２と
の熱交換によってさらに冷却された状態になる。そし
て、第６熱交換器２６を出た高圧供給流路Ｌ２内の高圧
気体ヘリウムＨ３は、その一部が分流ヘリウムＨ４とし
てバイパス流路Ｌ３に分流され、残部が主流ヘリウムＨ
５として高圧供給流路Ｌ２を流下する。
【００４６】バイパス流路Ｌ３に分流した上記分流ヘリ
ウムＨ４は、まず第１メインタービン５１において断熱
膨張仕事によって冷却され、その後、第４熱交換器２４
における高圧供給流路Ｌ２内の主流ヘリウムＨ５との熱
交換によって主流ヘリウムＨ５を冷却し、ついで第２メ
インタービン５２において断熱膨張仕事によって再度冷
却され、その結果、低温気体ヘリウムＨ６になって第２
熱交換器２２および第３熱交換器２３間の低圧戻り流路
Ｌ１内の低圧気体ヘリウムＨ１に合流される。
【００４７】この合流によって得られた低圧戻り流路Ｌ
１内の寒冷気体ヘリウムＨ２は、第２〜第５熱交換器２
２，２３，２４，２５において高圧供給流路Ｌ２内の主
流ヘリウムＨ５との熱交換によって主流ヘリウムＨ５を
冷却し、さらに第６，７熱交換器２６，２７において高
圧気体ヘリウムＨ３を冷却する。
【００４８】このように、寒冷気体ヘリウムＨ２によっ
て冷却された主流ヘリウムＨ５は、第２熱交換器２２に
おける低圧戻り流路Ｌ１内の低圧気体ヘリウムＨ１との
熱交換の後、ヘリウム引出流路Ｌ４に導入され、同流路
Ｌ４に設けられたＳＨＥタービン６における断熱膨張仕
事によって降温し、極低温ヘリウムＨ７になって第１膨
張弁６４の下流側の高圧供給流路Ｌ２に戻される。な
お、上記第１膨張弁６４は、ＳＨＥタービン６が運転さ
れるときには閉止されるのが一般的である。
【００４９】そして、高圧供給流路Ｌ２に戻された極低
温ヘリウムＨ７は、第１熱交換器２１を通って第２断熱
膨張弁６５に到り、ここで断熱膨張によって液化ヘリウ
ムＨ８が生成し、冷却負荷３に導入される。
【００５０】ところで、上記のようなヘリウム液化冷凍
装置１の運転は、冷却負荷３内の液化ヘリウムの貯留量
を増加させることを目的とした「液化モード」の運転
と、冷却負荷３内の熱負荷に対応することを目的とした
「冷凍モード」の運転とに分けられるが、冷却負荷３の
熱負荷が変動すると、１００％の冷凍モードの運転と、
１００％の液化モードの運転との間を変動することにな
る。表１に、各種の運転モードに対応したメインタービ
ン５の質量流量とＳＨＥタービン６の質量流量とを例示
している。このような質量流量のバランスは、ヘリウム
液化冷凍装置１のプロセス的な熱バランスから得られる
ものである。
【００５１】
【表１】
【００５２】そして、ＳＨＥタービン６の入口圧力は第
２圧力調節計７２および第２制御弁６２によって予め設
定された圧力に調節されるとともに、同出口圧力は第３
圧力調節計７３および第３制御弁６３によって予め設定
された圧力に調節されるが、このようなＳＨＥタービン
６の圧力条件が一定の状態で１００％冷凍モードの運転
から、１００％液化モードの運転に移行するときには、
メインタービン５の質量流量に対するＳＨＥタービン６
の質量流量の比を小さくする必要がある。その理由は、
冷凍モードの運転においては、冷却負荷３内の液化ヘリ
ウムＨ８が実際に極低温電磁石の冷却用として用いられ
るのに対して、液化モードの運転は、冷却負荷３内の液
化ヘリウムＨ８の貯留量を増加させるためだけの運転で
あり、熱負荷が実質的に存在しないため冷凍モードのと
きほどの液化ヘリウムＨ８が必要ではなく、結局冷凍モ
ードのときの方が液化モードのときより多くの液化ヘリ
ウムＨ８が必要になるからである。
【００５３】そして、ＳＨＥタービン６のノズル開度を
固定した状態でメインタービン５の質量流量に対するＳ
ＨＥタービン６の質量流量の比を小さくしようとすれ
ば、ＳＨＥタービン６の運転温度（ＳＨＥタービン６の
入口の主流ヘリウムＨ５の温度）が著しく上昇せざるを
得ず（例えば、冷凍モードでの主流ヘリウムＨ５の温度
が７．０Ｋであったとすると、液化モードでの主流ヘリ
ウムＨ５の温度は１２Ｋ）、結果としてメインタービン
５の運転温度（第１メインタービン５１の入口の分流ヘ
リウムＨ４の温度）も上昇し、この温度上昇によって体
積流量が増加することによりメインタービン５の過回転
を招くおそれがある。
【００５４】なお、１００％冷凍モードの運転から、１
００％液化モードの運転に移行するときにＳＨＥタービ
ン６の運転温度が上昇する理由は以下の通りである。す
なわち、一般的に、ある幾何形状の流体要素をもったタ
ービンの質量流量は、つぎの式で規定される。
【００５５】（ノズルの中で流れがチョークしている場
合） G√Ti／Pi=Kt√(1-(Po／Pi))… （ノズルの中で流れがチョークしていない場合） G√Ti／Pi=Kt′………………… ここに、Ｇは質量重量、Ｐｉは入口圧力、Ｐｏは出口圧
力、Ｔｉは入口温度、ＫｔおよびＫｔ′はタービン固有
の定数である。
【００５６】従って、上記および式から判るよう
に、圧力Ｐｉ，Ｐｏが一定になるように制御されている
状態では、ＫｔおよびＫｔ′が定数であるため、質量重
量Ｇが小さくなると（すなわち冷凍モードから液化モー
ドに移行すると）、タービンの入口温度が上昇するので
ある。この温度上昇をプロセスバランス上吸収するため
には、メインタービン５の運転温度が上昇せざるを得な
い。
【００５７】このようなメインタービン５の運転温度の
上昇を防ぐために、第２圧力調節計７２の設定変更を行
い、第２制御弁６２の弁開度を小さくして運転圧力（Ｓ
ＨＥタービン６の上流側のヘリウム引出流路Ｌ４内の主
流ヘリウムＨ５の圧力）を下げることが考えられるが、
このようにすると、弁開度を小さくした第２制御弁６２
においてエネルギーロスが発生する。そして、このエネ
ルギーロスは、極低温状態においては絶対温度に略反比
例して大きくなるため、ＳＨＥタービン６における運転
温度よりも高温の運転温度で運転されるメインタービン
５の第１制御弁６１でのエネルギーロスに比べて、ＳＨ
Ｅタービン６の上流側の第２制御弁６２でのエネルギー
ロスは非常に大きく、ヘリウム液化冷凍装置１全体の運
転効率におよぼす影響は極めて大きい。
【００５８】上記のような不都合をなくすために、本発
明においては、第２制御弁６２の弁開度を絞る代りに、
ＳＨＥタービン６のノズル開度を変更するようにしてい
る。ＳＨＥタービン６は、いわゆる可変容量式の膨張タ
ービンであって、そのノズル開度を変更することによ
り、機構的にエネルギーロスが起こらない状態で流体の
流量を変化させることができるようになっている。そし
て、ノズル開度を変更することによってタービンの流体
要素の幾何形状で決まる上記定数ＫｔあるいはＫｔ′が
変化するので（具体的には、質量流量Ｇの減少に見合う
だけ定数ＫｔおよびＫｔ′を減少させることができるの
で）、ＳＨＥタービン６の運転温度が上昇しなければな
らない必然性が緩和され、ひいてはメインタービン５の
温度上昇による過回転も防止することが可能になる。
【００５９】そして、図１に示す第１実施例において
は、第２メインタービン５２の下流側のバイパス流路Ｌ
３内の低温気体ヘリウムＨ６の温度が温度計７４によっ
て検出され、この検出信号の入力されたノズル開度設定
器８からＳＨＥタービン６に向けて上記検出温度に見合
ったノズル開度設定の制御信号が出力されるようになっ
ている。具体的には、温度計７４の検出温度が、予め設
定された基準温度よりも高いときにはＳＨＥタービン６
のノズル開度を減少させ、同基準温度よりも低いときに
は上記ノズル開度を増大させる制御信号がノズル開度設
定器８からＳＨＥタービン６に向けて出力されるのであ
る。
【００６０】なお、ＳＨＥタービン６のノズルを固定式
にし、メインタービン５を可変容量式にすることも考え
られるが、このようなメインタービン可変容量方式のヘ
リウム液化冷凍装置は、メインタービン５とＳＨＥター
ビン６との流量バランスを適宜変更することができるも
のの、表１に示す８０％の液化モードのようなプロセス
全体の減量運転においては、メインタービン５のノズル
開度を減少させ、かつ、ＳＨＥタービン６の第２制御弁
６２の開度を絞ることになるため、ＳＨＥタービン６の
ノズル開度を減少させる第１実施例の本発明に比較し
て、極低温領域でのエネルギーロスが大きく、全体のプ
ロセス効率の面で不利である。
【００６１】図２は、本発明に係るヘリウム液化冷凍装
置の第２実施例を示す説明図である。この実施例の場合
は、ヘリウム液化冷凍装置１ａにおいて、低圧戻り流路
Ｌ１と高圧供給流路Ｌ２との間に第１圧縮機４１と第２
圧縮機４２とからなる２台の主圧縮機４ａが設けられて
いる。第１圧縮機４１と第２圧縮機４２との間には接続
流路Ｌ１２が設けられている。
【００６２】また、第４熱交換器２４と第３熱交換器２
３との間の高圧供給流路Ｌ２から第２バイパス流路Ｌ３
２が分岐され、この第２バイパス流路Ｌ３２は、第３〜
第７熱交換器２３，２４，２５，２６，２７を貫通して
その下流端が上記接続流路Ｌ１２に接続されている。
【００６３】また、第６熱交換器２６と第５熱交換器２
５との間の高圧供給流路Ｌ２から第１バイパス流路Ｌ３
１が分岐され、この下流端は上記第２バイパス流路Ｌ３
２の第４熱交換器２４および第５熱交換器２５間に接続
されている。そして、第１メインタービン５１および第
２メインタービン５２は、それぞれ第１バイパス流路Ｌ
３１および第２バイパス流路Ｌ３２に並列に設けられて
いる。
【００６４】上記第１メインタービン５１の上流側の第
１バイパス流路Ｌ３１には第１′制御弁６１０が設けら
れ、この制御弁６１０は、第１メインタービン５１の直
上流側の圧力を検出して制御信号を出力する第１′圧力
調節計７１ａによって弁開度が制御されるようになって
いる。また、第２メインタービン５１の上流側の第２バ
イパス流路Ｌ３２には第１″制御弁６１１が設けられ、
この制御弁６１１は、第２メインタービン５２の直上流
側の圧力を検出して制御信号を出力する第１″圧力調節
計７１ｂによって弁開度が制御されるようになってい
る。
【００６５】また、ＳＨＥタービン６のノズル開度を制
御するノズル開度設定器８は、冷却負荷３内に設けられ
た図略のヘリウムデュワ内の液化ヘリウムの液位に応じ
て制御信号を出力するようにしている。そのために、ヘ
リウムデュワ内の液位を検出する液面計７５が設けら
れ、この液面計７５からの液面検出信号に基づいてノズ
ル開度設定器８からＳＨＥタービン６に制御信号が出力
されるようにしている。
【００６６】具体的には、ヘリウムデュワ内の液面が上
昇傾向にあるときは、その変化率に応じてＳＨＥタービ
ン６のノズル開度が減少するようにノズル開度設定器８
から制御信号が出力され、逆の場合にはノズル開度設定
器８からノズル開度を増大させる制御信号が出力される
ようになっている。以上の他は、図１の第１実施例と同
様である。
【００６７】このように、冷却負荷３に設けられたヘリ
ウムデュワ内の液位を検出し、その変化率に応じてＳＨ
Ｅタービン６のノズル開度を変更することによって、最
適のプロセス効率を保ちつつ、冷却の負荷の変動に迅速
かつ適正に対応し、液化率を一定に保つように発生寒冷
を調節することが可能になる。
【００６８】なお、第２実施例においては、第１メイン
タービン５１と第２メインタービン５２とは並列で設け
られているが、並列にする代りに第１実施例に示すよう
に直列に配設してもよい。
【００６９】図３は、本発明に係るヘリウム液化冷凍装
置の第３実施例を示す説明図である。この実施例におい
ては、ヘリウム液化冷凍装置１ｂは、ヘリウム循環流路
Ｌの構成が図１の第１実施例と同様であるが、バイパス
流路Ｌ３に、通常の膨張タービンの代りに可変容量式の
第１メインタービン５１ａおよび第２メインタービン５
２ａを適用している点、およびノズル開度設定器８が図
２の第２実施例と同様に液面計７５からの液面検出信号
に基づいてＳＨＥタービン６に制御信号を出力するよう
にしている点で実施例１とは異なっている。
【００７０】そして、第１メインタービン５１ａの入口
圧力は、第１メインタービン５１ａの上流側のバイパス
流路Ｌ３に設けられた第１制御弁６１と第１メインター
ビン５１ａの直上流側の圧力を検出する第１′圧力調節
計７１ａによって制御されるようにしている。また、第
１メインタービン５１ａのノズル開度を制御するために
上記ノズル開度設定器８と同様の第１ノズル開度設定器
８１が設けられ、第１メインタービン５１ａの直下流側
の圧力を検出する第４圧力調節計７１ｃからの検出信号
に応じて第１ノズル開度設定器８１から第１メインター
ビン５１ａに向けてノズル開度を設定する制御信号が出
力されるようにしている。
【００７１】さらに、第２メインタービン５２ａのノズ
ル開度を制御するために上記ノズル開度設定器８と同様
の第２ノズル開度設定器８２が設けられ、第２メインタ
ービン５２ａの直下流側の温度を検出する温度計７４ａ
からの検出信号に応じて第２ノズル開度設定器８２から
第２メインタービン５２ａに向けてノズル開度を設定す
る制御信号が出力されるようにしている。
【００７２】そして、第２メインタービン５２ａの出口
温度が予め設定された基準温度よりも高いときは、第２
ノズル開度設定器８２から第２メインタービン５２ａの
ノズル開度を大きくするための制御信号が出力され、逆
のときはノズル開度を小さくする制御信号が出力され
る。このような制御によって、メインタービン５ａの運
転温度を一定にすることが可能になる。
【００７３】第３実施例の上記構成によれば、第１制御
弁６１および第２制御弁６２でのエネルギーロスを最小
限に抑制した状態で全体のプロセス効率を最適に保ちつ
つ、冷凍負荷の変動に応じてヘリウムデュワ内の液面上
昇率を一定に保ち、同時にメインタービン５ａの運転温
度の上昇と過回転とを抑制することが可能になる。
【００７４】
【発明の効果】本発明の請求項１記載のヘリウム液化冷
凍装置によれば、冷却負荷内で生じた気体ヘリウムは、
主圧縮機の駆動によってヘリウム循環流路の流出点から
低圧戻り流路に導入され、高圧供給流路を通って流入点
から冷却負荷に戻され循環移動する。そして、往路中の
ヘリウムと復路中のヘリウムとはそれぞれ熱交換器で熱
交換されるとともに、バイパス流路に分流したヘリウム
は主膨張タービンにおける断熱膨張仕事によって冷却さ
れ、寒冷になって往路中のヘリウムに合流されるため、
この合流された寒冷との熱交換によって復路中のヘリウ
ムは冷却される。
【００７５】さらに、上記冷却された復路中のヘリウム
は、下流側で可変容量式深冷膨張タービンに導入される
ため、この膨張タービンでの断熱膨張仕事によってさら
に降温し、最後に断熱膨張弁で冷却されて液化し、冷却
負荷内のヘリウムデュワに導入される。
【００７６】そして、上記可変容量式深冷膨張タービン
のノズル開度を調節する制御装置が設けられており、こ
の制御装置からの制御信号によって適宜上記ノズル開度
が変更されるため、ただ単に膨張タービンの入口側の復
路に設けられた弁の開度を調節する場合に比較して、大
きなエネルギーロスの生じることがなく、ヘリウム液化
冷凍装置を効率的に運転することが可能になる。
【００７７】本発明の請求項２記載のヘリウム液化冷凍
装置によれば、主膨張タービンの下流側のバイパス流路
内のヘリウム温度を検出する温度計が設けられていると
ともに、制御装置は、温度計の検出温度に応じて上記ノ
ズル開度を設定する制御信号を可変容量式深冷膨張ター
ビンに出力するようになっているため、種々変化する冷
却負荷に対して各膨張タービンの運転温度を一定に保つ
ようにすることが可能になり、その結果、各膨張タービ
ンの過回転を確実に防止することができる。
【００７８】本発明の請求項３記載のヘリウム液化冷凍
装置によれば、ヘリウムデュワ内の液位を検出する液面
計が設けられているとともに、制御装置は、液面計の検
出液位に応じて上記ノズル開度を設定する制御信号を可
変容量式深冷膨張タービンに出力するようになっている
ため、種々変化する冷却負荷に対して液化能力を適正に
保つように各膨張タービンを運転することが可能にな
り、その結果、寒冷の発生量を常に適正に制御すること
が可能になる。
【００７９】本発明の請求項４記載のヘリウム液化冷凍
装置によれば、主膨張タービンとして、ノズル開度変更
可能の可変容量式膨張タービンが適用されているため、
さらに広範囲に冷却負荷の変動に適正に追随することが
できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るヘリウム液化冷凍装置の第１実施
例を示す説明図である。
【図２】本発明に係るヘリウム液化冷凍装置の第２実施
例を示す説明図である。
【図３】本発明に係るヘリウム液化冷凍装置の第３実施
例を示す説明図である。
【図４】従来のヘリウム液化冷凍装置を例示す説明図で
ある。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ ヘリウム液化冷凍装置 ２ 熱交換器 ２１ 第１熱交換器 ２２ 第２熱交換器 ２３ 第３熱交換器 ２４ 第４熱交換器 ２５ 第５熱交換器 ２６ 第６熱交換器 ２７ 第７熱交換器 ３ 冷却負荷 ４，４ａ 主圧縮機 ４１ 第１圧縮機 ４２ 第２圧縮機 ５，５ａ メインタービン ５１，５１ａ 第１メインタービン ５２，５２ａ 第２メインタービン ６ ＳＨＥタービン（可変容量式深冷膨張タービン） ６１ 第１制御弁 ６１０ 第１′制御弁 ６１１ 第１″制御弁 ６２ 第２制御弁 ６３ 第３制御弁 ６４ 第１膨張弁 ６５ 第２断熱膨張弁 ７１ 第１圧力調節計 ７１ａ 第１′圧力調節計 ７１ｂ 第１″圧力調節計 ７１ｃ 第４圧力調節計 ７２ 第２圧力調節計 ７３ 第３圧力調節計 ７４，７４ａ 温度計 ８ ノズル開度設定器 ８１ 第１ノズル開度設定器 ８２ 第２ノズル開度設定器 Ｌ ヘリウム循環流路 Ｌ１ 低圧戻り流路（往路） Ｌ２ 高圧供給流路（復路） Ｌ３ バイパス流路 Ｌ３１ 第１バイパス流路 Ｌ３２ 第２バイパス流路 Ｌ４ ヘリウム引出流路

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内部にヘリウムデュワを備えた冷却負荷
    と、この冷却負荷に対して流出点と流入点とを有するよ
    うに形成された往路と復路とからなるヘリウム循環流路
    と、このヘリウム循環流路の往路および復路の双方がそ
    れぞれに貫通される複数の熱交換器と、往路と復路との
    接続部分に介在される主圧縮機と、復路から分岐して往
    路に接続されるバイパス流路と、このバイパス流路に設
    けられた主膨張タービンとからなるヘリウム液化冷凍装
    置において、上記復路のバイパス流路よりも下流側にノ
    ズル開度変更可能の可変容量式深冷膨張タービンが設け
    られ、この可変容量式深冷膨張タービンのノズル開度を
    調節する制御装置が設けられていることを特徴とするヘ
    リウム液化冷凍装置。
  2. 【請求項２】 上記主膨張タービンの下流側のバイパス
    流路内のヘリウム温度を検出する温度計が設けられ、上
    記制御装置は、上記温度計の検出温度に応じて上記ノズ
    ル開度を設定する制御信号を可変容量式深冷膨張タービ
    ンに出力するように構成されていることを特徴とする請
    求項１記載のヘリウム液化冷凍装置。
  3. 【請求項３】 上記ヘリウムデュワ内の液位を検出する
    液面計が設けられ、上記制御装置は、液面計の検出液位
    に応じて上記ノズル開度を設定する制御信号を可変容量
    式深冷膨張タービンに出力するように構成されているこ
    とを特徴とする請求項１記載のヘリウム液化冷凍装置。
  4. 【請求項４】 上記主膨張タービンとして、ノズル開度
    変更可能の可変容量式膨張タービンが適用されているこ
    とを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のヘリ
    ウム液化冷凍装置。
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Cited By (7)

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