JPS61168756A - 膨張タ−ビン運転制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は膨張タービン運転制御方法に係薯ハ特に小型極
低温冷凍装置の寒冷発生装置として用いる膨張タービン
に好適な膨張タービン運転制御方法に関するものである
。

〔発明の背景〕

従来の方法は例えば、ターボ機械第１１巻第７号３７頁
馬液化冷凍機用膨張タービンに記載のようなＨｅガスを
圧縮循環する圧縮機ユニットと、真空槽内に膨張タービ
ンおよび熱交換器等を内蔵した真空保冷槽とからなり、
圧縮ユニットで圧縮された高圧Ｈｅガスは第１熱交換器
で約４０Ｋまで冷却され、タービンラインと液化ライン
に分岐して、タービンラインの高圧Ｈｅガスは＠ｌ膨張
タービンで等エントロピー的に膨張仕事を行い温度降下
して、さらに第３熱交換器で冷却されて第２膨張タービ
ンで低圧ラインの圧力まで膨張仕事を行い温度降下して
低圧ラインに合流し、一方液体ラインのＨｅガスは第２
〜！！５熱交換器を通り各熱交換器で冷却されて、最終
的に第５熱交換器によって約６Ｋまで冷却され、ＪＴ弁
で等エンタルピ膨張して液体比と成り貯蔵槽に入り、貯
蔵槽から気化したＨｅガスが第５〜第１熱交換器につな
がれた低圧ラインを通りながら、高圧ラインのＨｅガス
を冷却し自らは温度上昇して、最終的にＩＩＩ熱交換器
を出て常温になりて圧縮機ユニブトの吸込側に戻る構成
のＨｅ液化冷凍機において、膨張タービンが常温から極
低温域まで、一定した回転数で運転・されるようになっ
ているが、真空保冷槽内を流れるＨｅガスの温度が下が
ると、圧縮機ユニットの吐出圧力が一定であるため真空
保冷槽内を流れる流量が増え、第１膨張タービンおよび
第２膨張タービンの回転が上って危険速度に達してしま
うため、各膨張タービンの回転数および入口圧力を常に
検出しながら第１熱交換器を出たところの分岐点と第１
膨張タービンとの間に設けた圧力調整弁によって、第１
膨張タービンに入る圧力調整をして第１膨張タービンお
よび第２膨張タービンの回転数を調整していた。第２膨
張タービンは第１膨張タービンにつながっているので、
第１膨張タービンへ入る圧力が下がれば、第２膨張ター
ビンへ入る圧力も下がる。

しかしながらこのような従来の膨張タービン運転制御方
法においては、膨張タービン入口の圧力を調整する方法
としているため、少しの圧力変化が直曵゛に回転数に影
響して鳴る。したがって、膨張タービンの回転数を検出
しながら、常に膨張タービン入口の圧力を微妙に上げ下
げして調整する必要があり、制御装置を含め制御方法が
複雑になるという問題があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、膨張タービンのファン制動用ガス循環
回路の循環ガス圧力を制御して、膨張タービンの起動時
および定常運転時の回転数を簡単に制御することのでき
ろ膨張タービン運転制御方法を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、寒冷発生装置として使用されタービンロータ
の動力吸収にファン制動方式を用いた膨張タービンの運
転制御方法において、ファン制動用ガス循環回路内の循
環ガス曝こ外部からガスを加えてガス密度を制御し、膨
張タービンの回転数調整を行うことを特徴とし、膨張タ
ービンの起動時および定常運転時の回転数番簡単に制御
することのできる膨張タービンの運転制御方法である。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

真空保冷槽園内には、第１熱交換器ガと第２熱交換器４
と第３熱交換器田と第４熱交換器Ｕと第５熱交換器すと
第１膨張タービンがと第２膨張タービンＩとクライオス
タットＪとが納められている。真空保冷槽（９）外事こ
は、圧縮機１０とファン側冷却用熱交換器１１および丘
とが設けられている。圧縮機１０の吐出側には、第１熱
交換器乙に入って第１熱交換器４から第５熱交換器５ま
でを順に通り抜けて、第５熱交換器５から出て膨張弁四
の入口側につながる高圧ラインφが構成され、圧縮機ｌ
Ｇの吸込側には、膨張弁四の出口側からクライオスタッ
ト刃内部の凝縮熱交換器ｍを通って、第５熱交換器３に
入り第５熱交換器５から！［１熱交換器４までを順に通
り抜けて、第１熱交換器４から出て圧縮機１０に戻る低
圧ラインが構成されている。

第１熱交換器４の高圧ライン出口側に分岐点が設けられ
、一方は第２熱交換器に入る高圧ラインで、他方は開閉
弁困を介して第１膨張タービン浸のタービンロータ側に
入る高圧配管Ｃが取り付（。第１膨張タービン漠のター
ビンロータ側の吐出側には中圧配管０が設けられ、第３
熱交換器ｎを通り第２膨張タービンＩのタービンロータ
側に入る。

Ｗｉ２膨張タービンｎのタービンロータ側の吐出側には
低圧配管賛が取り付けられ、第１熱交換器３とｊｌ！４
熱交換熱交換器間の低圧ラインにつながる。

第１膨張タービンあの制動ファン側には、ファン側冷却
用熱交換器１１との間にファン制動用ガス循環回路６が
構成され、該ファン制動用ガス循環回路６には、圧縮機
１０の吐出側の高圧ライン荀とを開閉弁１４を介してつ
なく９高圧バイパス槌と、圧縮機１０の吸込側の低圧ラ
イン４１とを開閉弁１３を介してつなく°低圧バイパス
４７とが設けられている。第２１１Ｉ張タービンＩの制
動ファン側には、ファン側冷却用熱交換器四との間にフ
ァン制動用ガス循環偏 回路豊が構成される。ファン側冷却用熱交換器１１およ
び認には、外部につながれた冷却水回路４９が設けであ
る。

上記のような構成において、装置全体の運転に当たり、
まず開閉弁四と開閉弁１３とを開いて開閉弁１４を締め
ておき、膨張弁四は運転始動時の所定の開度に開いてお
鴫。圧縮機１０を出た高圧、常温のガスは高圧ラインψ
を通つて′Ｎｌ熱交換器乙な通り抜けて、一方は高圧ラ
イン荀をそのまま通り膨張弁四を介して低圧ライン４１
に入り、他方は高圧配管４２を通って第１膨張タービン
々のタービンロータに入り、該Ｍｌｌ膨張ターピンで断
熱膨張して中圧、低温になったガスは中圧配管Ｃを通っ
て第３熱交換器コを介してｌ！２膨張タービンＩのター
ビンロータに入り、該ｊｌ！２膨張タービンで断熱膨張
してさらに低圧、低温になったガスは低圧配管祠な通っ
て、第５熱交換器５と第４熱交換器Ｕとの間の低圧ライ
ン４１に合流し、！Ｊ４熱交換器例に入って順次熱交換
器を通り第１熱交換器ムを出る間に、低圧、砥瀧のガス
は高圧ライン荀を通るガスと各熱交換器で熱交換しなが
ら、高圧ライン荀のガスを冷し自らは段々濃度が上がり
常温となって、圧縮機１０の吸込側に戻る。開閉弁１３
は第１膨張タービン謳のタービンロータが回り始めると
閉めろ。該タービンロータは静止状態から動き始めると
きに、大きな起動トルクを必要とするため、制動ファン
側のファン制動用循環回路６内のガス圧力を下げて、ガ
ス密度を小さくし制動ファンの回転時の抵抗を下げて回
転し易（する。

高圧ライン切および低圧ライン４１をガスが循環するこ
とによって、高圧ラインψおよび低圧ライン４１での各
熱交換部のガス濃度は、第１熱交換器器から第５熱交換
器３にいくに従って、段々低くなつて、膨張弁四を高圧
、低温のガスが通過する過程で、ジュールトムソン効果
にょつて等エンタルピ膨張をしながら一部のガスが液化
して、低圧。

低温のガスと一緒にミスト状になって低圧ライン４１に
入っていく。クライオスタット加内には、あらかじめ液
体となった液化ガス諺が入れられ、被冷却体器が液化ガ
スｎ中に漬けられている。該クライオスタットＩ内を通
る低圧ライン４１に設けた凝縮熱交換器ｍを膨張弁四に
よってミスト状になりたガスが流れ、クライオスタット
Ｊに侵入してきた熱によつて気化した液化ガスｎを凝縮
熱交換器五によって再凝縮させ、低圧ライン４１の凝縮
熱交換器３１を流れるミスト状のガスは気化して低圧。

低温のガスとなって第５熱交換器５に入りて、高圧ライ
ン荀側のガスと熱交換しやや温度上昇して出てゆき、第
２膨張タービンｎから出てきた低圧。

低温のガスと一緒になって低圧ライン４１を流れてゆく
。

第１膨張タービン々および第２膨張タービンｎの回転数
は、常温から極低温域まで一定の回転数で運転するよう
になっているが、ガスが定格運転時の極低温域まで冷え
てい畷過程で、タービンの回転数が定格回転数を越える
状態になる場合がある。この時には開閉弁１４を開いて
第１膨張タービン加のファン制動用ガス循環回路６の圧
力を高め、ファン制動用ガス循環回路仙のガス密度を高
鳴することにより、ファンの制動力が増えて第１膨張タ
ービンあの回転数が下がる。回転数が下がれば開閉弁１
４を閉める。ファン制動用ガス循環回路６内の圧力は開
閉弁１４を閉めることによって高圧ガスの供給が止まり
て供給時のそのままの圧力となり、第１膨張タービンか
の回転数が下がり過ぎてしまうことになるが、第１膨張
タービンがの内部はタービンロータ側と制動ファン側と
が軸でつながっており、該軸をガス軸受にょつて支持す
る構造となっているので、ファン制動用循環回路６内の
圧力は軸部の隙間を通って抜け、通常運転時のタービン
ロータ側の圧力とファン制動用循環回路６内の圧力とが
バランスした状態になるので、第１膨張タービン々の回
転数が下がり過ぎることはない。通常運転時はタービン
ロータ側のガス圧力が軸部の隙−を通って抜け、ファン
制動用循環回路６内のガス圧力となる。第２膨張タービ
ン４の回転数は、第１膨張タービン謳の回転数が制御さ
れることによって、第２膨張タービンｎのタービンロー
タに入りて鳴るガス量が変わり制御される。

上記のように本−実施例によれば、従来のように第１膨
張タービンのタービンロータに入るガス圧力を微妙に調
整して回転数調整を行う必要がなく、ファン制動用循環
回路仙に圧力を加える開閉棟 弁１４の開閉程度の簡単な樺作で行える。開閉弁１４は
調整用として使用されるが、ファン制動用循環回路６に
高圧ガスを供給するだけで、後は自、然に゛圧力が戻る
ので微妙な調整が必要なく、自動制御しても簡単な開閉
弁で簡単な制御にすることができる。また、第１膨張タ
ービン々の入口側に設けた開閉弁公は微妙な圧力調整が
な啜なり、開閉弁２８麿は簡単な圧力調整のできる開閉
弁とすることができる。ファン制動用循環回路部側に設
けた開閉弁１４および１３は、真空槽外に設けられるの
で低温用の特殊材料を使用したり、真空シール構造にす
るなどの必要がなく、安い一般の開閉弁を使用できる。

次に本発明の他の実施例を第２図によりて説明する。

同図において、前記一実施例と同一符号は同一部材を示
す。本実施例において、前記一実施例との相違点は、第
１図に示す第１膨張タービン浸に入る高圧配管々と該高
圧配管社の途中に設けた開閉弁Ｚとを、第２因に示すよ
うに高圧配管４２ａを高圧ライン旬の第１熱交換器４の
入口側から分岐させ、開閉弁２８ａを介して第１熱文換
器ガな通して、第１膨張−タービン怒につなげる構成と
し、開閉弁２８ａを真空保冷槽外に設けたことである。

運転時の操作および作動内容については、前記一実施例
と同様である。従来の膨張タービンの回転数制御は、膨
張タービンのタービンロータに入る圧力を調整していた
ため、膨張タービンの近くに圧力調整弁を設けて、配管
長さを短鳴し途中の圧力変動を少くして応答性を良くさ
せる必要があり、ま起膨張タービンの緊急停止時には圧
力調整弁を閉めて膨張タービンに流れるガスを止める必
要があるため、圧力調整弁をできるだけ膨張タービンの
近くに設ける必要があった。しかし本発明では第１膨張
タービンの回転数制御をファン制動用循環回路部側で行
うこと畢こより、開閉弁２８ａでの回転数制御の調整が
ないのと、小型（小容量）の装置に用いるので、真空保
冷槽（９）も小さく高圧配管４２８も細曵短くなりて、
第１膨張タービンあの緊急停止の際にも、開閉弁７！Ａ
ｍが真空保冷槽ｍの外部に設けであることで、高圧配管
４２ａ内のガスがなかなか抜けずに第１膨張タービン謳
の回転が止まらないという問題はない。

上記実施例によれば前記一実施例と同様に、開閉弁１４
を使って簡単に膨張タービンの運転制御ができ、開閉弁
１４および１３は安い一般の開閉弁を使用できる。また
開閉弁２８麿を真空保冷槽ｙの外に設けたことで、開閉
弁２８ａ自体を真空シール構造や低温用材料にする必要
がな畷なり、前記一実施例同様に簡単な圧力調整のでき
る開閉弁を使用できるので、非常に安価な開閉弁とする
ことができる。また、開閉弁２８ａを真空保冷槽加の外
に出すことにより、真空保冷槽夏を小さ曵することがで
きる。

なお、本−実施例および他の実施例では第１膨張タービ
ン謳のファン制動用循環回路部に圧力を送って回転数つ
制御を行ったが、ｆｌｓ２膨張タービンにも同様の制御
をすることにより、第２膨張タービンにさらに応答性の
良い回転数制御ができる。

また、低圧配管４７と開閉弁四とはｊｌ膨張タービンの
起動時の特性を良曵するために設けたものであり、特に
無電ても運転には差し支えない。

（５！Ｆ明の効果〕 本発明によれば、膨張タービンのファン制御用ガス循環
回路の循環ガス圧力を制御することで、膨張タービンの
回転数を変えることができるので、膨張タービンの起動
時および定常運転時の回転数を簡単に制御することがで
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膨張タービン運転制御
方法を説明する構成図で、第２図は本発明の他の実施例
である膨張タービン運転制御方法を説明する構成図であ
る。　　　　　□１０・・・・・・圧縮機、１４・・・
・・・開閉弁、瀝・・・・・・第１膨張タービン、荀・
・・・・・高圧ライン、荀・・・・・・ファン制動用循
環回路、絽・・・・・・高圧バイパス中１図 才２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、寒冷発生装置として使用されタービンロータの動力
   吸収にファン制動方式を用いた膨張タービンの運転制御
   方法において、ファン制動用ガス循環回路内の循環ガス
   に外部からガスを加えてガス密度を制御し、膨張タービ
   ンの回転数調整を行うことを特徴とする膨張タービン運
   転制御方法。