JPS63169449A - 極低温冷凍装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は極低温冷凍装置に係り、特に膨張タービンの寒
冷発生を安定に供給するのに好適な極低温冷凍＊５１に
関するものである。

〔従来の技術〕

従来の装置は、特開昭５６−３４０７１号、特開昭５８
−６３号等に記載しであるように、ジュールトムソン弁
により断熱膨張させる回路の高圧ラインの一部から分岐
して低圧ラインに合流するように、膨張タービンにより
断熱膨張させる回路が形成しである。

前者の場合は、高圧冷媒ガス、例えば高圧ガスヘリウム
は常温状態で冷凍機に流入し、第１熱交換器で低圧の戻
りガスヘリウムによって冷却された後、その一部が極低
温弁で配流され第１の膨張タービンに流入して寒冷を発
生し、低温中圧となって第３熱交換器に流入する。ここ
で、さらに冷奪 却されて！Ｊ２の膨張タービンに流入し考冷を発生して
、さらに低温低圧となって第４熱交換器の低圧入口に流
入し、膨張タービンに流入しなかった他の高圧ガスヘリ
ウムを冷却するようになっている。

後者の場合は、高圧ガスヘリウムは常温状態で冷凍機に
流入し、第１熱交換器で低圧の戻りガスヘリウムによっ
て冷却された後、その一部が極低温弁で配流され第１の
膨張タービンに流入して寒冷を発生し、低温低圧となっ
て第２熱文換器の低圧入口に流入する。他の高圧ガスヘ
リウムは第２゜第３熱交換器でさらに冷却された後、そ
の一部が他の極低温弁で配流され第２の膨張タービンに
流入して寒冷を発生し、さらに低温低圧となって第４熱
交換器の低圧入口に流入し、膨張タービンに流入しなか
った他の高圧ガスヘリウムを冷却するようになっている
。

〔発明が解決しようとする問題点〕 上記従来技術は、膨張タービンの制御性の点について配
慮されておらず、膨張タービンのガス流入ラインが、高
圧ガスヘリウムをクユールトムソン弁によって断熱膨張
させる回路の低圧ラインに合流しているので、次のよう
な問題がありだ。

前者の場合には、第１および第２の膨張タービンが直列
に連通しているため、第２の膨張タービンの入口圧力お
よび風量が第１の膨張タービンの回転数、圧力および温
度等によって、さまざまに変化し、おのおのの膨張ター
ビンを制御するのは難しいという問題がある。すなわち
、第１および１ｊＪ２の膨張タービンはおのおのに危険
速度を有しているが、両方の膨張タービンが同時に危険
速度に達することはなく、どちらかの膨張タービンの回
転数に余裕、すなわち、風量を増やして回転数を上げ寒
冷発生量を増加させる余裕があっても、この余裕のある
方の膨張タービンの操作は、もう一方の膨張タービンに
より規制されてしまい、クールダウン時間を長くさせる
とともに、冷凍、液゛化性能を低下させることになる。

後者の場合には、第１および第２の膨張タービンはそれ
ぞれ並列に連通しているが、第２の膨張タービン入口は
、！！！１の膨張タービン入口よりさらに低温の同一配
管に連通しているため、第１の膨張タービン入口から第
２の膨張タービン入口までの配管内のガスヘリウムの圧
力損失が小さく、第１の膨張タービンの風量の変化によ
る圧力変動が第２の膨張タービンに敏感に影響を与え、
おのおののタービンの制御が難しく、前者と同様の問題
がある。

ため、合流部から冷凍機出口の常温部までの低圧流路抵
抗は、ジュールトムソン弁以後の流体ヘリウム温度、例
えば４．４Ｋを確保するために、０．１Ｋｆ／ｃＩ！と
小さくしなければならず、したがって、熱交換器の低圧
流路の圧力損失を小さくする必要があるため、低圧流路
の断面積を大きくした大型の熱交換器が必要となり、冷
凍機が大型化するという問題があった。

本発明の目的は、膨張タービンの制御性を向上させ効率
良く極低温冷媒を生成させるとともに、装置全体を小型
化することのできる極低温冷凍装置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、冷媒ガスを圧縮循環させる圧縮機と、圧縮
機により圧縮された冷媒ガスを断熱膨張して寒冷を発生
させる複数個の膨張タービンと、圧縮機により循環する
冷媒ガスの往復路・こおいて該冷媒ガスのもつ冷却熱を
熱交換させる複数個の熱交換器と、熱交換器により最も
低温に冷却された冷媒ガスを断熱膨張するジュールトム
ソン弁とを具備し、膨張タービンにより断熱膨張する回
路を各膨張タービンごとに並列して設けるとともに、膨
張タービンにより断熱膨張される回路とジュールトムソ
ン弁により断熱膨張される回路とを分けて圧縮機から直
接循環させ、それぞれの回路を他の熱交換器で熱的に接
続するとともに、膨張タービンの入口側常温部にそれぞ
れ流量調整弁を設けることにより、達成される。

〔作　　　用〕

並列に設けられた複数個の膨張タービンの入口部 側常温！にそれぞれ流量１１整弁を設けることにより、
各膨張タービンに送り込む冷媒ガス流量をそれぞれに調
整でき、各膨張タービンの制御が他の膨張タービンに無
関係に行なえるので、各膨張タービンごとに最大の寒冷
を発生させられ、冷凍。

液化能力の効率を向上でき、また、膨張タービンの戻り
回路がジュールトムソン弁以後の戻り回路と別々にしで
あるので、膨張タービンの戻り配管の圧力損失を厳しく
制限されることがなζ、熱交換器を小型、軽量にでき、
装置全体を小型化できる。

〔実　施　例〕

以下、本発明の一実施例を第１因により説明する。

低圧段の圧縮機１と高圧段の圧縮１１！２とを連続に接
続し、圧縮機２の吐出側を２方向に分割している。一方
は、この場合、さらに２方向に分割して、それぞれ流量
制御弁６，７を介して第１熱文換器８に２通しており、
他方は、第５熱交換器１２に通している。

流量調整弁６を介して第１熱文換器８に通された方は、
第１熱文換器８を通過した後、第１膨張タービン４．第
２熱交換器９を順次通過し、第１熱交換器８を逆方向に
再び通過して、圧縮機１と圧縮機２との間に合流して戻
る。流量調整弁７を介して第１熱交換器８に通された方
は、第１熱文換器８を通過した後、第３熱交換器１０．
＠２膨張タービン５．第４熱交換器１１を順次通過し、
第３熱文換器１０を逆方向に再び通過して、第２熱文換
器９を出た配管路と合流し、圧縮ｆｉ２に戻る。この場
合、圧縮機２から第１膨張タービン４および第２膨張タ
ービン５を経由して圧縮機２の吸込側に戻る糸路が膨張
機回路１８となる。

第５熱交換器四に通された方は、第１膨張タービン４か
らの流れに対向して第２熱交換器９を通り、第６熱文換
器１３を通過して、第２膨張タービン５からの流れに対
向して第４熱交換器１１を通り、第７熱交換器１４．ジ
ュールトムソン弁巧、被冷却部１６を順次通過し、第７
熱交換器１４．第６熱交換器１３．第５熱交換器鵞を順
次逆方向に再び通過して、圧縮ｆｉｔの吸込側に戻る。

この場合、圧縮機１．２を出てジュールトムソン弁巧を
経由して圧縮機１の吸込側に戻る糸路が：）ニールトム
ソン回路１９となる。

なお、３は圧縮機２の吐出圧力を一定に制御する弁であ
り、１７は真空槽で、■は膨張タービン４゜５の状態を
検出して流量調整弁６，７を制御する制御装置である。

上記構成の装置により、圧縮機ｌで冷媒ガス、この場合
は、ガスヘリウムを低圧（例えば、１．１ａｔｍ）から
中圧（例えば、４ａｔｍ）まで加圧し、圧縮ａ２でさら
に加圧して高圧（例えば、１６ａｔｍ）のガスヘリウム
にして送り出し、一部はジュールトムソン回絡１９内に
配流し、残りの高圧ガスヘリウムは並列に設けられた流
量調整弁６，７を通り、第１熱交換器８に流れる。

第１熱交換器８に流れた高圧ガスヘリウムは戻りのガス
ヘリウムとそれぞれ熱交換し冷却されて、一方は第１膨
張タービン４に流れ、断熱膨張して寒冷を発生し、第２
熱交換器へ流れ、他方は第３熱交換器１０で戻りのガス
ヘリウムによってさらに冷却され、第２膨張タービン５
に流れ、断熱膨張して寒冷を発生し、第４熱交換器へ流
れる。熱交換器９および１１に流れてきたガスヘリウム
は、膨張タービン４および５によって中圧まで膨張しそ
れぞれの温度レベル、例えば、５０におよび１２Ｋにま
で温度降下しており、熱交換器９およびｌＯ内を対向し
て流れるガスヘリウムを冷却した後、第４熱交換器１１
を出た中圧ガスヘリウムは第３熱交換器ｌＯを戻り熱交
換して温度を少し高め、第２熱交換器９を出た中圧ガス
ヘリウムと合流して、第１熱交換器８を戻り、さらに熱
交換して常温に温度回復して、圧縮８！２の吸込側に戻
る。

圧縮機２を出てジュールトムソン回路１９に分岐した高
圧ガスヘリウムは、ｔＪ５熱交換器１２で戻りのガスヘ
リウムと温度交換して冷却され、第２熱交換器９に流れ
て、第１膨張タービン４によって−ａ度降下したガスヘ
リウムにより冷却され、さらに第６熱交換器１３で戻り
のガスヘリウムと温度交換して冷却され、第４熱文換器
１１に流れて、第２膨張タービン５によって温度降下し
たガスヘリウムにより冷却され、さらに第７熱交換器で
戻りのガスヘリウムと温度交換して冷却され、ジュール
トムソン弁１５によって断熱膨張させられて、低圧のミ
スト状の液体ヘリウムとなって被冷却部１６を冷却した
後ガス化して、熱交換器１４．１３．１２で順次温度回
復し常温になって、圧縮機ｌの吸込側に戻る。

このような、高圧ガスヘリウムの流れにおいて、図示し
ない測定器により、膨張タービン４および５の入口圧力
、温度ならびに回転数等を測定して。

測定値を制御装置１８に入力し、流量調整弁６および７
を膨張タービン４および５が最適回転数になるように制
御する。

以上１本−実施例によれば、膨張タービン４および５に
流れるガスヘリウムの流路は並列して設けてあり、それ
ぞれの流路に流量調整弁６および７が設けであるので、
膨張タービン４および５の回転数制御を行う際、一方の
膨張タービンの流量制御を行って流量を変化させても、
他方の膨張タービンに影響を与えることがなく、それぞ
れの膨張タービンを最適条件で運転できる。

また、膨張機回路１８とジュールトムソン回路１９とが
別々に設けであるので、膨張機回路１８の制御を行う流
量調整弁６，７を常温部に設けることができ、これによ
り、弁を安価にできるとともに、極低温部に設けた従来
の弁のように、弁を介して極低温部へ熱が侵入すること
がない。

さらに、膨張機回路１８とジュールトムソン回路１９と
が別々に設けであるので、膨張タービン４゜５で断熱膨
張したガスヘリウムを、従来の装置のように、ジュール
トムソン弁以後の戻りライン、すなわち低圧ラインに合
流させて戻すことがなく、ジュールトムソン回路１９の
熱交換器１２．１３．１４の戻り流路、すなわち低圧流
路の断面積を必要最小限に小さくでき、熱交換器が小型
化でき装置全体を軽麓小型にできる。

次に、本発明の他の実施例をｌ！２図により説明する。

本図において、第１図と同符号は同一部材を示す。本図
が第１図と異なる点は、膨張機回路１８とジュールトム
ソン回路１９とが完全に独立し、膨張機回路１８専用に
圧縮１ａ２１を設け、ジュールトムソン回路専用に圧縮
機ｎを設けた点である。

本構成の装置ｔＩこよれば、前記一実施例と同様の効果
があるとともに、圧縮機乙の圧力変動が圧縮機乙に伝わ
らず、さらに良好な膨張タービン４゜５の制御が行える
。また、膨張機回路１８とジュールトムソン回路１９と
を循環するガスヘリウムが完全に分けられているので、
ジュールトムソン回路１９内のガスヘリウムに外部から
不純分が混入することを防く゛ことができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、膨張タービンの制御性が向上し、膨張
タービンを最適運転できるので、効率の良い極低温冷媒
を生成できるとともに、熱交換器を小型化できるので、
装置全体を小型化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冷凍装置を示す
図、第２図は本発明の池の実施例である１、２．ｍ、俸
・・・・・・圧縮機、４，５・・・・・・膨張タービン
、６，７・・・・・・流量調整弁、８ないし１４・・川
・熱交換器、１５・・曲ジュールトムソン弁、１８・・
曲膨第２図 ２／、２２−一一屏瘤桟

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、冷媒ガスを圧縮循環させる圧縮機と、 該圧縮機により圧縮された冷媒ガスを断熱膨張して寒冷
   を発生させる複数個の膨張タービンと、 前記圧縮機により循環する冷媒ガスの往復路において該
   冷媒ガスのもつ冷却熱を熱交換させる複数個の熱交換器
   と、 該熱交換器により最も低温に冷却された冷媒ガスを断熱
   膨張するジュールトムソン弁とを具備し、 前記膨張タービンにより断熱膨張する回路を前記各膨張
   タービンごとに平行して設けるとともに、 前記膨張タービンにより断熱膨張される回路と前記ジュ
   ールトムソン弁により断熱膨張される回路とを別けて前
   記圧縮機から直接循環させ、前記それぞれの回路を他の
   熱交換器で熱的に接続するとともに、 前記膨張タービンの入口側常温部にそれぞれ流量調整弁
   を設けたことを特徴とする極低温冷凍装置。