JPS6130181B2 - - Google Patents

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JPS6130181B2
JPS6130181B2 JP14851780A JP14851780A JPS6130181B2 JP S6130181 B2 JPS6130181 B2 JP S6130181B2 JP 14851780 A JP14851780 A JP 14851780A JP 14851780 A JP14851780 A JP 14851780A JP S6130181 B2 JPS6130181 B2 JP S6130181B2
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JP
Japan
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gas
expander
compressor
pressure
turbo
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JP14851780A
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Japanese (ja)
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Hiromi Ino
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Mayekawa Manufacturing Co
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Mayekawa Manufacturing Co
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガスの液化又は低温化装置に関するも
のである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a gas liquefaction or low temperature apparatus.

従来窒素、酸素、水素などの低沸点ガスやヘリ
ウム、アルゴンなどの希有ガスを用いた液化機や
冷凍機においては、圧縮した高圧ガスを逆転温度
以下に冷却するため、該高圧ガスの一部を膨脹機
で膨脹させ、得られた低圧低温ガスで熱交換器を
介して残りの高圧ガスを冷却し、次いで該高圧ガ
スをジユールトムソン弁(以下、「JT弁」とい
う)で等エンタルピー膨脹させ、ガスの液化又は
低温化を行う方法が用いられている。
Conventionally, in liquefiers and refrigerators that use low-boiling point gases such as nitrogen, oxygen, and hydrogen, and rare gases such as helium and argon, a portion of the high-pressure gas is cooled to below the reversal temperature. The remaining high-pressure gas is cooled by the obtained low-pressure low-temperature gas through a heat exchanger, and then the high-pressure gas is isenthalpically expanded using a Joel-Thomson valve (hereinafter referred to as "JT valve"). , a method of liquefying or lowering the temperature of the gas is used.

このような装置においては、高圧ガスの膨脹に
より得られる膨脹機動力は全ての熱の形で外部に
廃棄されていた。すなわち、ターボ式膨脹機にタ
ーボ式ブロワを直結し、膨脹によりなされる仕事
でターボ式ブロワを駆動し、該ブロワによりガス
を圧縮する。圧縮されたガスは水冷により圧縮熱
を除去され、膨脹弁を介して膨脹し再びターボ式
ブロワに吸入されブロワ系統内を循環する。ある
いは往復式膨脹機を用いた場合は、その出力でオ
イルポンプを駆動し同様に熱の形で捨る。
In such devices, all of the expansion motive power obtained by expanding the high pressure gas is wasted to the outside in the form of heat. That is, a turbo blower is directly connected to a turbo expander, the work done by the expansion drives the turbo blower, and the blower compresses gas. The compressed gas is water-cooled to remove the heat of compression, expands through an expansion valve, and is sucked into the turbo blower again and circulated within the blower system. Alternatively, if a reciprocating expander is used, its output drives an oil pump and similarly discards the heat in the form of heat.

ターボ式膨脹機およびブロワは数万から数十万
r.p.mの高速回転を必要とし、しかも数十度〓の
極低温ガスに接触しているため、油潤滑ベアリン
グは使用できずもつぱらガスベアリングが使用さ
れている。このガスベアリングには動圧式と静圧
式の両方式があるが、信頼性、制御性、保守性の
点で静圧式が優れている。しかし静圧式は圧縮ガ
スの一部をベアリング部に供給する必要があるた
め、その分だけ有効に利用できる高圧ガスの量が
減少し、動圧式に比べて装置の効率が低下すると
いう欠点があつた。
Turbo expanders and blowers cost tens of thousands to hundreds of thousands
Because they require high-speed rotation (rpm) and are in contact with cryogenic gas at temperatures of several tens of degrees Celsius, oil-lubricated bearings cannot be used; instead, gas bearings are used instead. There are both hydrodynamic and hydrostatic types of gas bearings, but the hydrostatic type is superior in terms of reliability, controllability, and maintainability. However, the static pressure type requires a portion of the compressed gas to be supplied to the bearings, which reduces the amount of high-pressure gas that can be used effectively, resulting in lower equipment efficiency compared to the dynamic pressure type. Ta.

本発明は従来技術における前記のような膨脹機
出力およびベアリングに関する問題点を除去する
ことを目的とするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to eliminate the above-mentioned problems with expander output and bearings in the prior art.

以下、図によつて説明する。 This will be explained below using figures.

第1図は従来使用されているヘリウム液化冷凍
機の概略を示したものである。
FIG. 1 schematically shows a conventionally used helium liquefaction refrigerator.

主圧縮機1で圧縮されたガスはアフタークーラ
2で水冷却されコールドボツクス3に入る。コー
ルドボツクス3は高真空容器となつており、内部
の低温機器と常温の外部との対流熱伝導を防止し
ている。4ないし10は高圧ガスと低圧低温ガス
とを対向流で熱交換する熱交換器である。熱交換
器4,5は入口11,出口12を有する管13の
内部を流れる液体窒素と熱交換できるようになつ
ており、高圧ガスをほぼ窒素温度まで冷却する。
熱交換器6を出た高圧ガスの一部は1段目のター
ボ式膨脹機14に入り、機内で断熱膨脹して低圧
低温ガスとなり、熱交換器7で残りの高圧ガスと
熱交換する。熱交換器8を出たガスの一部は2段
目の膨脹機15に入り、熱交換器9で残りの高圧
ガスを熱交換を行う。
The gas compressed by the main compressor 1 is water-cooled by an aftercooler 2 and enters a cold box 3. The cold box 3 is a high-vacuum container that prevents convection heat transfer between the low-temperature equipment inside and the room-temperature outside. 4 to 10 are heat exchangers for exchanging heat between high-pressure gas and low-pressure low-temperature gas in countercurrent flow. The heat exchangers 4 and 5 are capable of exchanging heat with liquid nitrogen flowing inside a tube 13 having an inlet 11 and an outlet 12, and cool the high-pressure gas to approximately the nitrogen temperature.
A part of the high pressure gas leaving the heat exchanger 6 enters the first stage turbo expander 14, undergoes adiabatic expansion within the machine, becomes low pressure low temperature gas, and exchanges heat with the remaining high pressure gas in the heat exchanger 7. A portion of the gas leaving the heat exchanger 8 enters the second stage expander 15, and heat exchanges with the remaining high pressure gas in the heat exchanger 9.

熱交換器10を出た高圧ガスはJT弁16等で
等エンタルピー膨脹をした後、液溜17内で1部
液化し、残りの飽和ガスは熱交換器10ないし4
において順次高圧ガスを熱交換した後、コールド
ボツクス3を出て主圧縮機1に戻る。液溜17内
で液化した液は管18の途中より外部に取り出す
場合と、外部の蒸発器19で負荷20より熱をう
ばつて蒸発し、取り出した液の全量が飽和ガスと
なつて管21よりコールドボツクス3に戻る場合
との2つがある。
The high-pressure gas leaving the heat exchanger 10 undergoes isenthalpic expansion in the JT valve 16, etc., and then partially liquefies in the liquid reservoir 17, and the remaining saturated gas is transferred to the heat exchangers 10 to 4.
After the high pressure gas undergoes heat exchange in sequence, it exits the cold box 3 and returns to the main compressor 1. The liquid liquefied in the liquid reservoir 17 may be taken out from the middle of the pipe 18, or it may be evaporated by removing heat from the load 20 in the external evaporator 19, and the entire amount of the liquid taken out becomes saturated gas and is taken out from the pipe 21. There are two cases: returning to cold box 3;

ターボ式膨脹機14にはターボ式ブロワ22が
直結されており、ターボ式膨脹機14内と同一種
類の作動ガスがブロワ系統内を循環している。前
記ブロワで圧縮されたガスはアフタークーラ23
で水冷却された後、膨脹弁24を通つて再び前記
ブロワ22に吸入される。ブロワ25についても
同様である。なお28,29はアフタークーラ2
3の水の入口及び出口、26及び27はそれぞれ
ターボ式ブロワ25の系統のアフタークーラ及び
膨脹弁であり、30,31はアフタークーラ26
の水の入口及び出口である。
A turbo blower 22 is directly connected to the turbo expander 14, and the same type of working gas as in the turbo expander 14 is circulated within the blower system. The gas compressed by the blower is transferred to an aftercooler 23.
After being cooled with water, it is sucked into the blower 22 again through the expansion valve 24. The same applies to the blower 25. Note that 28 and 29 are aftercooler 2
The water inlet and outlet 3, 26 and 27 are the aftercooler and expansion valve of the turbo blower 25 system, respectively, and 30 and 31 are the aftercooler 26.
water inlet and outlet.

以上の説明から明らかなように、ターボ式膨脹
機14,15でなされた仕事は何れも熱として外
部に無駄に捨てられている。ターボ式膨脹機14
又は15とターボ式ブロワ22又は25とそれぞ
れ結ぶ回転軸はガスベアリング32,33で軸支
されている。この従来例には静圧式ガスベアリン
グが使用されており、高圧ガスの一部を通じてベ
アリング部に供給し、該ガスの静圧により回転軸
を無接触の状態に支持している。
As is clear from the above explanation, the work done by the turbo expanders 14 and 15 is wasted as heat to the outside. Turbo expander 14
The rotating shafts connecting the turbo blower 22 or 25 to the turbo blower 22 or 25 are supported by gas bearings 32 and 33, respectively. This conventional example uses a hydrostatic gas bearing, in which a portion of high-pressure gas is supplied to the bearing section, and the rotating shaft is supported in a non-contact state by the static pressure of the gas.

調圧弁35は主圧縮機1の吸入圧を設定圧に維
持する。液化運転時、圧縮ガスの一部が液化する
と、その分を補うためガスタンク36より、弁3
5を通つてガスが系内に補給される。弁37は主
圧縮機1の吐出圧を設定値に維持する。冷凍運転
時、負荷変動により吐出圧が上昇すると、弁37
よりガスタンク36にガスがバイパスし吐出圧を
一定に維持する。38はバイパス弁である。
The pressure regulating valve 35 maintains the suction pressure of the main compressor 1 at a set pressure. During liquefaction operation, when a part of the compressed gas liquefies, the valve 3 is removed from the gas tank 36 to compensate for the liquefaction.
Gas is replenished into the system through 5. Valve 37 maintains the discharge pressure of main compressor 1 at a set value. During refrigeration operation, if the discharge pressure increases due to load fluctuation, the valve 37
Gas bypasses the gas tank 36 and maintains the discharge pressure constant. 38 is a bypass valve.

第2図は原理的には第1図と全く同じである
が、ターボ式膨脹機のかわりに往復式膨脹機が使
用されている点が異る。
The principle of FIG. 2 is exactly the same as that of FIG. 1, except that a reciprocating expander is used instead of a turbo expander.

14a,15aは往復式膨脹機であり、吸入弁
22,27、吐出弁23,26、シリンダ24,
28、ピストン25,29等は極低温ガスと接触
するためコールドボツクス3内に収納されてい
る。ピストン25,29とシリンダ24,28は
極低温ガスに接触するため、油潤滑は不可能でオ
イルフリーの構造となつている。油潤滑を要する
軸受その他の部分は全て外部に設置されている。
往復式膨脹機14a,15aはカツプリング3
0,31によりオイルポンプ32,33に連結さ
れている。ポンプ32,33により昇圧された油
は水クーラ34,39により冷却され、降圧弁4
0,41を経て油タンク42,43に到る。従つ
て膨脹機の出力は全て熱として捨てられている。
現在では膨脹機は大部分ターボ式であり、往復式
は小型の一部に使用されているにすぎない。
14a, 15a are reciprocating expanders, which include suction valves 22, 27, discharge valves 23, 26, cylinder 24,
28, pistons 25, 29, etc. are housed in the cold box 3 in order to come into contact with the cryogenic gas. Since the pistons 25 and 29 and the cylinders 24 and 28 come into contact with cryogenic gas, oil lubrication is impossible and they have an oil-free structure. Bearings and other parts that require oil lubrication are all installed externally.
The reciprocating expanders 14a and 15a are coupled to the coupling 3
0 and 31 are connected to oil pumps 32 and 33. The oil whose pressure has been increased by the pumps 32 and 33 is cooled by the water coolers 34 and 39, and the oil is cooled by the water coolers 34 and 39.
It reaches oil tanks 42 and 43 via 0 and 41. Therefore, all the output of the expander is wasted as heat.
At present, most expanders are turbo type, and reciprocating type is only used in some small scale machines.

その理由として、 1. 気密性保持が困難である。 The reason is that 1. Difficult to maintain airtightness.

すなわち、ピストンとシリンダはオイルフリ
ーのため気密保持がむつかしい。また、ピスト
ンロツドと弁操作棒などに系内と大気を分離す
るシールが必要であるが、往復運動するため気
密維持が困難である。
That is, since the piston and cylinder are oil-free, it is difficult to maintain airtightness. In addition, seals are required for the piston rod, valve operating rod, etc. to separate the inside of the system from the atmosphere, but it is difficult to maintain airtightness because of the reciprocating movement.

2. ターボ式に比べて大型となり、大気露出部か
らコールドボツクス内への熱侵入が大きい。
2. It is larger than the turbo type, and there is a large amount of heat intrusion from the exposed part into the cold box.

3. 騒音振動がある。3. There is noise and vibration.

などが挙げられる。Examples include.

しかしながらターボ式にも問題がある。すなわ
ち、ターボ式に使用されているガスベアリングに
は静圧式と動圧式があり、前者は圧縮ガスの一部
を軸受に供給する必要があるが後者には必要がな
いので、装置の成績係数は後者が勝る。一方後者
は起動時及び停止時に不安定となり、軸と軸受の
接触による焼付事故を起し易い。元来、後者は軸
支力が弱いため、運転変動や装置を常温から極低
温まで冷却していくいわゆるクーリングダウン時
にも事故を生じ易い。これに対し、前者は軸支力
が大きく常に安定しており、信頼性、操作性及び
保守性において後者より勝る。
However, the turbo type also has problems. In other words, there are two types of gas bearings used in turbo systems: static pressure type and dynamic pressure type.The former requires some compressed gas to be supplied to the bearing, but the latter does not, so the coefficient of performance of the device is The latter wins. On the other hand, the latter becomes unstable when starting and stopping, and is likely to cause a seizure accident due to contact between the shaft and the bearing. Originally, the latter has a weak shaft support force, so accidents are likely to occur during operational fluctuations and during so-called cooling down, in which the equipment is cooled from room temperature to an extremely low temperature. On the other hand, the former has a large shaft support force and is always stable, and is superior to the latter in terms of reliability, operability, and maintainability.

次に、従来の装置では膨脹機の出力が有効に利
用されていない理由について説明する。
Next, the reason why the output of the expander is not effectively utilized in conventional devices will be explained.

一般に膨脹機出力を系外で利用することは適当
でない、その理由は装置を運転するとき、同時に
系外で膨脹機出力を必要とするとは限らないから
である。故に膨脹機出力を系内で利用することが
望ましい。この場合先ず考えられることは主圧縮
機の駆動力として利用することであるが、極低温
用液化冷凍機では構造上非常に困難である。次に
考えられる方法としてはブロワを駆動することで
ある。この場合の問題点はブロワで圧縮したガス
を如何に有効に利用するかにある。
Generally, it is not appropriate to use the expander output outside the system, because when operating the device, the expander output is not necessarily required outside the system at the same time. Therefore, it is desirable to utilize the expander output within the system. In this case, the first thing to consider is to use it as a driving force for the main compressor, but this is extremely difficult in a cryogenic liquefaction refrigerator due to its structure. The next possible method is to drive a blower. The problem in this case is how to effectively utilize the gas compressed by the blower.

第1の方法としてブロワを圧縮機の低段側に利
用することが考えられる。
A first method is to use a blower on the lower stage side of the compressor.

第3図にこの方法を示す。主圧縮機1の吸入ガ
スの全量をブロワ22,25に導き、ここで圧縮
したガスを主圧縮機1に吸入させる。しかしこの
方法は極低温装置では実現困難である。これは膨
脹機出力が膨脹機の吸入温度の低下につれて減少
し、ヘリウム冷凍機の場合では圧縮機所要動力の
数%以下ということもあるためである。このよう
に極低温装置では圧縮機吸入ガスの全量をブロワ
で圧縮しても期待通りの成果が得られないためこ
の方法は使用されていない。
Figure 3 shows this method. The entire amount of suction gas from the main compressor 1 is guided to blowers 22 and 25, and the gas compressed here is sucked into the main compressor 1. However, this method is difficult to implement using cryogenic equipment. This is because the expander output decreases as the expander suction temperature decreases, and in the case of a helium refrigerator, it may be less than a few percent of the compressor required power. As described above, this method is not used in cryogenic equipment because the expected results cannot be obtained even if the entire amount of gas taken into the compressor is compressed using a blower.

第2の方法として主圧縮機に到る吸入ガスの一
部をブロワで圧縮し、出口ガスを多段圧縮の2段
目に送入することが考えられる。
As a second method, a blower may be used to compress part of the intake gas that reaches the main compressor, and the outlet gas may be sent to the second stage of multistage compression.

第4図にこの方法を示す。一般に水素やヘリウ
ムなどの液化冷凍機では図のように多段圧縮を行
うのが普通である。この場合、主圧縮機に往復式
のものを使用すると、一段目の圧縮機1の吐出圧
はターボ式ブロワ22,25の吐出圧より一般に
は高いため、ターボ式ブロワを多段にする必要が
あり、ターボ式ブロワの構造が複雑となる。この
不都合を除くため、往復式ブロワを使用すればブ
ロワ吐出圧は高くとれる。しかしターボ式膨脹機
14,15で駆動するには大きな減速比の減速機
が必要となる。従つてターボ式膨脹機1に往復式
ブロワを連結することは望ましくなく往復式膨脹
機で往復式ブロワを駆動すれば具合がよい。結
局、往復式の多段圧縮に往復式膨脹機と往復式ブ
ロワを組み合せるのが最適ということになる。
Figure 4 shows this method. Generally, in refrigerators that liquefy hydrogen or helium, it is common to perform multistage compression as shown in the figure. In this case, if a reciprocating main compressor is used, the discharge pressure of the first stage compressor 1 is generally higher than the discharge pressure of the turbo blowers 22 and 25, so the turbo blowers must be multi-staged. , the structure of the turbo blower becomes complicated. To eliminate this inconvenience, if a reciprocating blower is used, the blower discharge pressure can be kept high. However, driving with the turbo expanders 14 and 15 requires a reduction gear with a large reduction ratio. Therefore, it is not desirable to connect a reciprocating blower to the turbo expander 1, but it is more convenient if the reciprocating blower is driven by the reciprocating expander. In the end, it is optimal to combine reciprocating multi-stage compression with a reciprocating expander and a reciprocating blower.

18,19,20はそれぞれ二段目、三段目、
四段目の圧縮機である。
18, 19, and 20 are the second and third rows, respectively.
This is the fourth stage compressor.

この場合前記のように往復式にはいくつかの欠
点があり、更に極低温装置では膨脹機出力が非常
に小さいため、ブロワ吐出圧を必要なだけ上昇す
るとその流量が非常に小さくなり、実用性に乏し
くなる。他の組合せとしてはターボ式多段圧縮機
にターボ式膨脹機とターボ式ブロワを組合せるこ
とが考えられる。この場合、ターボ式多段圧縮機
は、ヘリウム、水素などの軽いガスに対しては段
数が多くなり、往復式に較べて高価となり、更に
運転条件の変動に対し制限を受けるなどの理由で
殆んど使用されていない。
In this case, as mentioned above, the reciprocating type has several drawbacks, and furthermore, the expander output is very small in cryogenic equipment, so if the blower discharge pressure is increased as much as necessary, the flow rate will be very small, making it impractical. becomes scarce. Another possible combination is to combine a turbo-type multi-stage compressor with a turbo-type expander and a turbo-type blower. In this case, turbo-type multi-stage compressors have a large number of stages for light gases such as helium and hydrogen, are more expensive than reciprocating types, and are also limited in response to fluctuations in operating conditions. is not used.

以上の理由により、極低温用液化冷凍機では膨
脹機の出力を有効利用するということは行われて
いない。
For the above reasons, the output of the expander is not effectively utilized in cryogenic liquefaction refrigerators.

本発明は前記のような種々の不都合をなくし、
膨脹機出力を有効に利用するとともに装置の信頼
性と性能の向上を目的とするものである。
The present invention eliminates the various disadvantages mentioned above,
The purpose is to effectively utilize the output of the expander and to improve the reliability and performance of the device.

次に本発明の実施例について説明する。 Next, examples of the present invention will be described.

第5図は実施例の1つでありその原理は第1図
と全く同じであるが、主圧縮機にスクリユー式圧
縮機を使用し、ブロワ出口ガスをスクリユー式圧
縮機の閉じ込み空間又は圧縮行程に導いている点
に特徴がある。
Fig. 5 shows one embodiment, and the principle is exactly the same as Fig. 1, but a screw type compressor is used as the main compressor, and the blower outlet gas is transferred to the confined space of the screw type compressor or compressed. It is distinctive in that it guides people through the process.

図中1aはスクリユー式圧縮機でありカツプリ
ング23を介して原動機24により駆動されてい
る。油噴射式スクリユー式圧縮機では油分離器2
6を設ける必要がある。吸入ガスライン及び吐出
ガスラインについては第1図と全く同様である。
膨脹機14,15及びガス加圧機としてのブロワ
22,25は共にターボ式とし直結軸により両者
を一体化し、ガスベアリング32,33により直
結軸を軸支する。該ガスベアリングは動圧式、静
圧式のいずれを使用してもよいが、後者の方が信
頼性、制御性及び保守性の点で前者より勝つてい
ることは前記の通りである。更に実施例によれば
静圧式の欠点であるベアリング供給ガスによる装
置の効率低下を防止できる効果がある。
In the figure, reference numeral 1a denotes a screw compressor, which is driven by a prime mover 24 via a coupling 23. Oil separator 2 for oil injection screw type compressors
It is necessary to provide 6. The suction gas line and the discharge gas line are exactly the same as in FIG. 1.
The expanders 14 and 15 and the blowers 22 and 25 as gas pressurizers are both turbo type and are integrated by a directly connected shaft, and the directly connected shaft is supported by gas bearings 32 and 33. The gas bearing may be either a hydrodynamic type or a static pressure type, but as described above, the latter is superior to the former in terms of reliability, controllability, and maintainability. Further, according to the embodiment, it is possible to prevent a decrease in the efficiency of the device due to the bearing supply gas, which is a disadvantage of the static pressure type.

熱交換器4を出た低圧ガスの一部をターボ式ブ
ロワ22,25の吸入側に導き、該ブロワで圧縮
されたガスは定圧弁27を経てスクリユー式圧縮
機1aの閉じ込み空間又は圧縮行程の一点に設け
られた吸入孔28より機内に送入される。吸入孔
28の位置は雄、雌両ロータにより形成される歯
形空間が、ロータケーシング29、ロータ吸入端
面30、ロータ吐出端面31及びロータかみ合接
触線により完全に密閉されてから、吐出孔33よ
り吐出される直前までの間(これを閉じ込み空間
と称する)、すなわち吸入ガスの圧縮が行われて
いる行程(これを圧縮行程と称する)の間のいか
なる位置に設けてもよい。すなわちブロワの出口
圧力に合せてそれと同等か又は僅かに低い内部圧
を有する閉じ込み空間又は圧縮行程の位置に吸入
孔28を設ければよい。
A part of the low pressure gas exiting the heat exchanger 4 is guided to the suction side of the turbo blowers 22 and 25, and the gas compressed by the blowers passes through the constant pressure valve 27 to the confined space or compression stroke of the screw compressor 1a. It is fed into the machine through a suction hole 28 provided at one point. The position of the suction hole 28 is determined from the discharge hole 33 after the tooth-shaped space formed by both the male and female rotors is completely sealed by the rotor casing 29, the rotor suction end surface 30, the rotor discharge end surface 31, and the rotor meshing contact line. It may be provided at any position immediately before being discharged (this is referred to as a confined space), that is, during a stroke in which the intake gas is compressed (this is referred to as a compression stroke). That is, the suction hole 28 may be provided in a confined space having an internal pressure equal to or slightly lower than the outlet pressure of the blower or in a compression stroke position.

スクリユー式圧縮機の閉じ込み空間又は圧縮行
程の適当な位置にブロワの吐出ガスを送入するこ
とによる特徴は次の通りである。
The features of feeding the discharge gas of the blower into the confined space of the screw compressor or into an appropriate position in the compression stroke are as follows.

1. 膨脹機出力の有効利用が可能となる。1. Effective use of expander output becomes possible.

膨脹機直結のブロワで圧縮されたガスは全量
が圧縮機の圧縮ガスの一部として利用されてい
る。従つて膨脹機出力は主圧縮機の圧縮動力の
一部として有効利用されている。
The entire amount of gas compressed by the blower directly connected to the expander is used as part of the compressed gas of the compressor. Therefore, the expander output is effectively used as part of the compression power of the main compressor.

2. 圧縮機の体積効率が向上する。2. The volumetric efficiency of the compressor is improved.

スクリユー式圧縮機の圧縮行程(閉じ込み空
間)にブロワからのガスを送入するため、圧縮
機の吸入ガス量は同じであるにも拘らずその分
だけ圧縮機の処理ガス量が増加する。すなわち
体績効率の上昇が可能となる。
Since the gas from the blower is fed into the compression stroke (confined space) of the screw compressor, the amount of gas processed by the compressor increases by that amount even though the amount of gas sucked into the compressor remains the same. In other words, performance efficiency can be increased.

3. 静圧式ガスベアリングを用いた従来方式に比
べて装置の液化効率又は成績係数が向上する。
すなわち、前記の膨脹機出力の有効利用と圧縮
機の体積効率の増加に、更にスクリユー式圧縮
機の閉じ込み空間にガスを送入することにより
KW/m2/h(0時間に1立方米のガスを圧縮す
る必要な軸動力KW)が向上するという特徴が
加わり装置の液化効率又は成績係数は大幅に改
善される。
3. The liquefaction efficiency or coefficient of performance of the device is improved compared to the conventional method using hydrostatic gas bearings.
In other words, in addition to effectively utilizing the expander output and increasing the volumetric efficiency of the compressor, by feeding gas into the confined space of the screw compressor.
With the addition of the feature of improved KW/m 2 /h (the required shaft power in KW to compress 1 cubic meter of gas in 0 hours), the liquefaction efficiency or coefficient of performance of the device is significantly improved.

静圧式ガスベアリングを使用した従来の装置で
は、圧縮ガスの一部をベアリングに供給するた
め、そのガスの分だけ動圧式ガスベアリングに比
べて有効に利用できる圧縮ガスの量が減少する欠
点があつた。本発明の方式によれば前記1,2に
述べたように膨脹機の出力利用と主圧縮機の体積
効率の向上により有効に利用できる高圧ガスが減
少するという欠点が除去され従来方式に比べて装
置の効率は著しく改善される。
Conventional equipment using hydrostatic gas bearings has the disadvantage that a portion of the compressed gas is supplied to the bearings, which reduces the amount of compressed gas that can be used effectively compared to hydrodynamic gas bearings. Ta. According to the method of the present invention, as mentioned in 1 and 2 above, the disadvantage of reducing the amount of high pressure gas that can be effectively used is eliminated by utilizing the output of the expander and improving the volumetric efficiency of the main compressor, compared to the conventional method. The efficiency of the device is significantly improved.

第5図の実施例はターボ式膨脹機とターボ式ブ
ロワの組合せであるが、前記のように往復式膨脹
機とガス加圧機としての往復式ブロワの組合せも
可能である。
The embodiment shown in FIG. 5 is a combination of a turbo expander and a turbo blower, but as described above, a combination of a reciprocating expander and a reciprocating blower as a gas pressurizer is also possible.

この実施例を第6図に示す。往復式はターボ式
に比べてブロワの圧縮比を大きくとれるので、ブ
ロワ的利用でなく圧縮機として利用できる。すな
わち図のように往復式膨脹機14a,15aに往
復式圧縮機22a,25aを組合せることもでき
る。29は吸入弁、30は吐出弁、31,32は
カツプリングである。
This embodiment is shown in FIG. Since the reciprocating type can have a higher blower compression ratio than the turbo type, it can be used not as a blower but as a compressor. That is, as shown in the figure, reciprocating compressors 22a and 25a can be combined with reciprocating expanders 14a and 15a. 29 is a suction valve, 30 is a discharge valve, and 31 and 32 are couplings.

往復式はターボ式に比べて機械的損失が大きく
膨脹機出力の小さい場合は、ブロワを駆動できな
いこともある。従つて膨脹機の吸入温度の高い場
合は膨脹機出力が大きくなるので往復式の組合せ
が有効である。逆に膨脹機の吸入温度の低い膨脹
機出力の小さい場合は、機械的損失の小さいター
ボ式の組合せが適当である。ガスの種類でいえば
窒素、酸素のように比較添高沸点のガスに対して
は往復式が利用できるが、水素やヘリウムのよう
なガスに対してはターボ式の組合せが適当であ
る。
The reciprocating type has greater mechanical loss than the turbo type, and if the expander output is small, the blower may not be able to be driven. Therefore, when the suction temperature of the expander is high, the expander output increases, so a reciprocating type combination is effective. On the other hand, if the expander has a low suction temperature and the expander output is small, a turbo type combination with low mechanical loss is appropriate. In terms of gas types, a reciprocating type can be used for gases with comparatively high boiling points such as nitrogen and oxygen, but a turbo type combination is suitable for gases such as hydrogen and helium.

第1図に代表される方式のサイクルはクロード
サイクルと呼ばれ広く実用化されている。ターボ
式膨脹機は極低温を発生しながらベアリングによ
り高速回転しているということから、空気などの
異種ガス(凝縮固化する)や配管などのゴミなど
からなる異物の混入に対して極めて弱い。このた
め膨脹機サイクルを液化サイクルから独立したサ
イクルとして使用することがある。このサイクル
をプレイトンサイクルといい第7図に従来使用さ
れているプレイトンサイクルを示す。
The cycle represented by FIG. 1 is called a Claude cycle and is widely put into practical use. Because turbo expanders rotate at high speeds using bearings while generating extremely low temperatures, they are extremely vulnerable to contamination by foreign substances such as foreign gases such as air (which condense and solidify) and dust from pipes. For this reason, the expander cycle is sometimes used as a separate cycle from the liquefaction cycle. This cycle is called the Preyton cycle, and FIG. 7 shows a conventionally used Preyton cycle.

次にこのプレイトンサイクルのフローについて
説明する。
Next, the flow of this Preyton cycle will be explained.

このサイクルは独立した2系統よりなつてい
る。一つはJT弁16と主圧縮機1を含む系であ
り、これをJT系と称する。他は膨脹機14,1
5と圧縮機39を含む系であり、これを膨脹機系
と称する。JT系と膨脹機系を独立して設けた点
の外は第1図のクロードサイクルと原理的には全
く同じである。JT系の主圧縮機1で圧縮された
ガスはアフタークーラ2で水冷却されコールドボ
ツクス3に入る。熱交換器4ないし10により、
順次戻りガスと膨脹機出口ガスとにより逆転温度
以下に冷却された高圧ガスはJT弁16により等
エンタルピー膨脹をし、液溜17内で一部液化す
る。残りの飽和ガスは戻りガスとなり対向流とし
て高圧ガスと順次熱交換した後、主圧縮機1に戻
る。
This cycle consists of two independent systems. One is a system including the JT valve 16 and the main compressor 1, and this is called the JT system. Others are expansion machines 14,1
5 and a compressor 39, and this is called an expander system. The principle is exactly the same as the Claude cycle shown in Figure 1, except that the JT system and expander system are provided independently. The gas compressed by the main compressor 1 of the JT system is cooled with water in the aftercooler 2 and enters the cold box 3. By heat exchangers 4 to 10,
The high-pressure gas, which has been cooled to below the inversion temperature by the return gas and the expander outlet gas, is isenthalpically expanded by the JT valve 16 and partially liquefied in the liquid reservoir 17. The remaining saturated gas becomes return gas and returns to the main compressor 1 after sequentially exchanging heat with the high pressure gas as a counterflow.

膨脹機系の圧縮機39で圧縮されたガスはアフ
タークーラ40を経てコールドボツクス3に入
り、膨脹機出口ガスと順次熱交換し熱交換器6の
出口で一部が第1段の膨脹機4に入り、残りの高
圧ガスは熱交換器8の出口で全量が第2段の膨脹
機15に入り、ここで断熱膨脹して膨脹機系の最
低温度を発生し、先ず熱交換器9でJT系の高圧
ガスと熱交換した後、戻りガスとしてJT系の高
圧ガス及び膨脹機系の高圧ガスと対向流で熱交換
して圧縮機39に戻る。調圧弁41,43,44
ガスタンク42はそれぞれJT系と同じ作用をす
る。ガスベアリング32,33が静圧式の場合は
熱交換器4の入口から高圧ガスの一部が管34を
通じて供給される。ブロワ系統については第1図
の場合と全く同じである。このプレイトンサイク
ルにおいても膨脹機出力が熱として無駄に捨てら
れている。
The gas compressed by the compressor 39 of the expander system enters the cold box 3 via the aftercooler 40, and sequentially exchanges heat with the expander outlet gas, and at the outlet of the heat exchanger 6, a part of the gas is transferred to the first stage expander 4. The remaining high pressure gas enters the second stage expander 15 at the exit of the heat exchanger 8, where it undergoes adiabatic expansion to generate the lowest temperature of the expander system. After exchanging heat with the high pressure gas of the system, the return gas exchanges heat with the high pressure gas of the JT system and the high pressure gas of the expander system in a counterflow and returns to the compressor 39. Pressure regulating valve 41, 43, 44
Each gas tank 42 has the same function as the JT system. When the gas bearings 32 and 33 are of the static pressure type, a portion of the high pressure gas is supplied from the inlet of the heat exchanger 4 through the pipe 34. The blower system is exactly the same as that shown in FIG. Even in this Playton cycle, the output of the expander is wasted as heat.

第8図はこの膨脹機出力を有効に利用し装置の
効率の向上をはかつた本発明の実施の一例であ
る。
FIG. 8 shows an example of the present invention in which the output of the expander is effectively used to improve the efficiency of the device.

JT系は第7図と全く同じである。本発明の特
徴は、プレイトンサイクルの膨脹機系においてス
クリユー式圧縮機39aを使用し、ターボ式膨脹
機14,15とガス加圧機としてのターボ式ブロ
ワ22,25はガスベアリング32,33により
軸支された直結軸により連結され、スクリユー式
圧縮機39aに至る吸入ガスの一部をターボ式ブ
ロワ22,25に吸入し、ここで圧縮されたガス
をスクリユー式圧縮機39aの閉じ込み空間又は
圧縮行程にもうけられた吸入孔28より機内に送
入するところにある。
The JT system is exactly the same as Figure 7. A feature of the present invention is that a screw type compressor 39a is used in the expander system of the Preyton cycle, and the turbo type expanders 14, 15 and the turbo type blowers 22, 25 as gas pressurizers are rotated by gas bearings 32, 33. A part of the suction gas reaching the screw compressor 39a is sucked into the turbo blowers 22, 25, and the gas compressed here is transferred to the confined space of the screw compressor 39a or compressed. It is where it is fed into the machine through a suction hole 28 made in the stroke.

本発明の効果は第5図において述べた通りであ
り、膨脹機の出力の有効利用が可能であり、圧縮
機の体積効率の向上が可能となる。更に静圧式ガ
スベアリングを用いた従来方式に比べて液化効率
又は成績係数が向上し、静圧式ベアリングの欠点
を除去することができる。
The effects of the present invention are as described in FIG. 5, and the output of the expander can be used effectively, and the volumetric efficiency of the compressor can be improved. Furthermore, the liquefaction efficiency or coefficient of performance is improved compared to conventional systems using hydrostatic gas bearings, and the drawbacks of hydrostatic bearings can be eliminated.

膨脹機、ブロワの組合せとしては、前記のター
ボ式の他に往復式の組合せも可能である。第9図
は往復式膨脹機とガス加圧機としての往復式圧縮
機の組合せによる本発明の実施例である。
As for the combination of the expander and the blower, in addition to the above-mentioned turbo type, a reciprocating type combination is also possible. FIG. 9 shows an embodiment of the present invention using a combination of a reciprocating expander and a reciprocating compressor as a gas pressurizer.

すなわち、往復式膨脹機14a,15aにより
それぞれ運転される往復式圧縮機22a,25a
により膨脹機系のスクリユー式圧縮機39aへの
吸入ガスの一部を吸入して圧縮し、その吐出ガス
をスクリユー式圧縮機39aの閉じ込み空間に設
けられた吸入孔28より機内に送入するようにな
つている。
That is, reciprocating compressors 22a and 25a are operated by reciprocating expanders 14a and 15a, respectively.
A part of the suction gas is sucked into the screw compressor 39a of the expander system and compressed, and the discharged gas is sent into the machine through the suction hole 28 provided in the confined space of the screw compressor 39a. It's becoming like that.

このように、プレイトンサイクルの膨脹機系に
おいて、ターボ式膨脹機によりターボ式ブロワを
駆動し、又は往復式膨脹機により往復式ブロワ又
は往復式圧縮機を駆動し、膨脹機系の圧縮機に至
る吸入ガスの一部を膨脹機により駆動されるブロ
ワ又は圧縮機に吸入させ、ここで圧縮された吐出
ガスをスクリユー式圧縮機の閉じ込み空間又は圧
縮行程に送入することにより、従来方式の欠点を
除去し、装置の効率を著しく向上することが可能
となる。
In this way, in the Preyton cycle expander system, the turbo blower is driven by the turbo expander, or the reciprocating blower or reciprocating compressor is driven by the reciprocating expander, and the compressor of the expander system is A part of the suction gas is sucked into a blower or compressor driven by an expander, and the discharge gas compressed here is sent to the confined space or compression stroke of the screw compressor, which eliminates the conventional method. It becomes possible to eliminate drawbacks and significantly improve the efficiency of the device.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は従来使用されているクロードサイクル
方式によるターボ式膨脹機使用のガス液化装置の
系統図、第2図は第1図の膨脹機を往復式膨脹機
としたガス液化装置の系統図、第3図は圧縮機へ
の吸入ガスの全量をブロワに導びく方式のガス液
化装置の系統図、第4図は圧縮機への吸入ガスの
一部をブロワに導びく方式のガス液化装置の系統
図、第5図はクロードサイクル方式を用いる本発
明のガス液化装置の第1実施例の系統図、第6図
はクロードサイクル方式を用いる本発明のガス液
化装置の第2実施例の系統図、第7図は従来使用
されているプレイトンサイクルを用いるガス液化
装置の系統図、第8図はプレイトンサイクル方式
を用いる本発明のガス液化装置の第3施例の系統
図、第9図はプレイトンサイクル方式を用いる本
発明のガス液化装置の第4実施例の系統図であ
る。 1…主圧縮機、1a…スクリユー式圧縮機、4
ないし10…熱交換器、14,15…膨脹機とし
てのターボ式膨脹機、14a,15a…膨脹機と
しての往復式膨脹機、22,25…ガス加圧機と
してのターボ式ブロワ、22a,25a…ガス加
圧機としての往復式ブロワ又は往復式圧縮機、2
8…吸入孔、39…主圧縮機、39a…スクリユ
ー式圧縮機。
Fig. 1 is a system diagram of a gas liquefaction device using a conventionally used Claude cycle type turbo expander, and Fig. 2 is a system diagram of a gas liquefaction device using the expander shown in Fig. 1 as a reciprocating expander. Figure 3 is a system diagram of a gas liquefaction system that directs the entire amount of suction gas into the compressor to a blower, and Figure 4 shows a system diagram of a gas liquefaction system that leads a portion of the suction gas into the compressor to a blower. System diagram, FIG. 5 is a system diagram of the first embodiment of the gas liquefaction apparatus of the present invention using the Claude cycle system, and FIG. 6 is a system diagram of the second embodiment of the gas liquefaction system of the present invention using the Claude cycle system. , FIG. 7 is a system diagram of a gas liquefaction device using the conventionally used Preyton cycle, FIG. 8 is a system diagram of a third embodiment of the gas liquefaction device of the present invention using the Preyton cycle method, and FIG. 9 This is a system diagram of a fourth embodiment of the gas liquefaction apparatus of the present invention using the Preyton cycle system. 1... Main compressor, 1a... Screw type compressor, 4
10... Heat exchanger, 14, 15... Turbo expander as an expander, 14a, 15a... Reciprocating expander as an expander, 22, 25... Turbo blower as a gas pressurizer, 22a, 25a... Reciprocating blower or reciprocating compressor as gas pressurizer, 2
8... Suction hole, 39... Main compressor, 39a... Screw type compressor.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 スクリユー式圧縮機により圧縮した高圧ガス
の一部を膨脹機を介して断熱膨脹させ、この膨脹
により得られた低圧低温ガスにより熱交換器を介
して残りの高圧ガスの冷却を行い、次いでこの高
圧ガスを減圧して膨脹させることによりガスの液
化又は低温化を行う装置において、前記スクリユ
ー式圧縮機の吸入側に至る吸入ガス経路に吸入側
が連結されるとともに、該圧縮機の閉じ込み空間
に至る送入ガス経路に吐出側が連結されるガス加
圧機を有し、かつ該ガス加圧機が前記膨脹機に連
結されていることを特徴とするガスの液化又は低
温化装置。 2 膨脹機がターボ式膨脹機でありガス加圧機が
ターボ式ブロワである特許請求の範囲第1項記載
のガスの液化又は低温化装置。 3 膨脹機が往復式膨脹機でありガス加圧機が往
復式圧縮機である特許請求の範囲第1項記載のガ
スの液化又は低温化装置。 4 膨脹機系のスクリユー式圧縮機により圧縮さ
れた高圧ガスを膨脹機を介して断熱膨脹させ、こ
の膨脹により得られる低圧低温ガスでジユールタ
ムソン系の圧縮機により圧縮された高圧ガスを熱
交換器を介して冷却し、次いでこの高圧ガスを減
圧して膨脹させることによりガスの液化又は低温
化を行う装置の膨脹機系において、前記スクリユ
ー式圧縮機の吸入側に至る吸入ガス経路に吸入側
が連結されるとともに、該圧縮機の閉じ込み空間
に至る送入ガス経路に吐出側が連結されるガス加
圧機を有し、かつ該ガス加圧機が前記膨脹機に連
結されていることを特徴とするガスの液化又は低
温化装置。 5 膨脹機がターボ式膨脹機であり、ガス加圧機
がターボ式ブロワである特許請求の範囲第4項記
載のガスの液化又は低温化装置。 6 膨脹機が往復式膨脹機であり、ガス加圧機が
往復式ブロワ又は往復式圧縮機である特許請求の
範囲第4項記載のガスの液化又は低温化装置。
[Claims] 1. A part of the high-pressure gas compressed by the screw compressor is adiabatically expanded through the expander, and the remaining high-pressure gas is expanded through the heat exchanger using the low-pressure low-temperature gas obtained by this expansion. In an apparatus that liquefies or lowers the temperature of gas by cooling and then reducing the pressure and expanding the high-pressure gas, the suction side is connected to the suction gas path leading to the suction side of the screw compressor, and the suction side is connected to the suction gas path leading to the suction side of the screw compressor. A gas liquefaction or low-temperature device comprising a gas pressurizer whose discharge side is connected to an inlet gas path leading to a confined space of the machine, and the gas pressurizer is connected to the expansion machine. . 2. The gas liquefaction or low-temperature device according to claim 1, wherein the expander is a turbo expander and the gas pressurizer is a turbo blower. 3. The gas liquefaction or low-temperature device according to claim 1, wherein the expander is a reciprocating expander and the gas pressurizer is a reciprocating compressor. 4 The high-pressure gas compressed by the screw compressor of the expansion machine system is adiabatically expanded through the expander, and the low-pressure low-temperature gas obtained by this expansion is used to transfer the high-pressure gas compressed by the Jordan compressor to the heat exchanger. In an expansion machine system of a device that liquefies or lowers the temperature of gas by cooling the high-pressure gas through the compressor, and then reducing the pressure and expanding the high-pressure gas, the suction side is connected to the suction gas path leading to the suction side of the screw compressor. and a gas pressurizer whose discharge side is connected to the feed gas path leading to the confined space of the compressor, and the gas pressurizer is connected to the expander. Liquefaction or cryogenic equipment. 5. The gas liquefaction or low-temperature device according to claim 4, wherein the expander is a turbo expander and the gas pressurizer is a turbo blower. 6. The gas liquefaction or low-temperature device according to claim 4, wherein the expander is a reciprocating expander, and the gas pressurizer is a reciprocating blower or a reciprocating compressor.
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