JPH02622Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔考案の目的〕 （産業上の利用分野） 本考案は液化冷凍装置における圧縮機の容量制
御装置に関する。

（従来の技術） 窒素、酸素、水素、ヘリウムなどの低沸点ガス
の液化を行なう液化サイクルにブライトンサイク
ルと呼ばれる液化サイクルがあるが、このサイク
ルにより得られた液化ガスは一旦液溜容器に貯蔵
し、液化ガスが必要なときは該容器より外部に液
を取り出し、また負荷を冷却したいときは蒸発器
を設けて液留容器より液を導びき、蒸発器内で負
荷から熱をうばつて蒸発したガスをサイクルに戻
すようにしている。そして液を装置外に取り出す
ときを液化機、蒸発器で負荷を冷却するときを冷
凍機としている。

この液化サイクルを用いた液化機又は冷凍機の
運転において液溜容器の液面が規定の液面をオー
バーした場合、圧縮機を停止する方法もあるが、
実際の運転では発停が頻繁となり、発停時に装置
にトラブルが発生し易いので、殆んど行なわれて
おらず、従来は圧縮機出口の高圧ガスを圧縮機入
口の低圧ガス側にバイパスするいわゆるバイパス
運転が行なわれていた。

ところがこのバイパス運転では、圧縮機は定常
運転となつているため、バイパスガスの圧縮に要
する動力は全て熱の形で外部に廃棄されていた。

第２図はブライトンサイクルを用いる冷凍機を
バイパス運転する従来技術の一例である。

以下、圧縮機１とジユールトムソン弁（以下、
「JT弁」と略記する）１９を含むガスの流れの系
統をジユールトムソン系（以下、「JT系」と略記
する）、圧縮機３５と膨脹機１７，１８を含むガ
スの流れの系統を膨脹機系と称呼して説明する。

JT系の圧縮機１で圧縮されたガスはコールド
ボツクス３に入る。コールドボツクス３の内部は
高真空に保たれ、対流熱伝導による外部から低温
機器への熱侵入を防止している。

コールドボツクス３に入つたガスは高圧ガス管
１３を流れ、熱交換器４ないし１０の各熱交換器
で低圧ガス管１４を流れる戻りガス及び膨脹機系
のガス管４５を流れる低温ガスにより冷却された
後、JT弁１９に入り、ここで等エンタルピー膨
脹をしてその一部が液化し、液溜容器２５内に溜
る。残りのガスは飽和蒸気の状態で熱交換器１０
に戻り、続いて低圧ガス管１４を流れて順次、高
圧ガス管１３を流れる高圧ガスと熱交換した後、
吸込管２０を経て圧縮機１に戻る。

なお、熱交換器４，５には流入口１１より液体
窒素を補給し、高圧ガスと熱交換してこれをほぼ
液体窒素の温度に冷却した後、流出口１２より流
出するようになつている。

液溜容器２５から蒸発器２６に液を導入し、負
荷２７により蒸発させられたガスを液溜容器２５
からの戻りガスと合流させると、装置は冷凍機と
して使用されたことになり、蒸発器２６を使用せ
ず液のみを外部に取出すときは、液化機として使
用されたことになる。

バイパス管２２には調圧弁２８が設けられ、ガ
スタンク３１には管２３，２４が連結される。管
２３に設けられた調圧弁２９は高圧を設定値に保
ち、管２４に設けられた調圧弁３０は吸入圧を設
定圧力に保つと同時に、液化運転時に液化した分
のガスをガスタンク３１より補給する作用もす
る。２はアフタークーラである。

一方、膨脹機系は前記JT系とは完全に独立し
た閉ループを形成している。すなわち、圧縮機３
５で圧縮された高圧ガスはコールドボツクス３に
入りガス管４４内を流れて膨脹機１７，１８出口
の低温ガスと順次熱交換し、熱交換器６を出た高
圧ガスの一部は第１段目の膨脹機１７に入つて膨
脹し、この膨脹低温ガスにより残りの高圧ガスが
熱交換器７で更に冷却され熱交換器８に入る。熱
交換器８を出た高圧ガスは第二段目の膨脹機１８
に入り、膨脹した低温ガスは熱交換器９でJT系
の高圧ガスを冷却した後、ガス管４５を流れなが
ら膨脹機系の高圧ガス等と順次熱交換した後、コ
ールドボツクス３を出て圧縮機３５に戻る。３６
はアフタークーラ、３７はバイパス弁、３９，４
０は調圧弁、３８はガスタンクである。

前記のような従来技術においては、運転中、液
溜容器２５に規定量の液が溜ると圧縮機１，３５
の何れか一方、もしくは圧縮機１のみを停止する
か、またはバイパス弁２８，３７から高圧ガスを
低圧側にバスパスするかのいずれかの方法を用い
ていた。

しかし、圧縮機を停止する方法は、圧縮機の発
停が頻繁になり、更に発停時にトラブルを発生し
易いなどの理由で余り用いられず、主としてバイ
パス運転の方式が用いられていたが、バイパス運
転では、圧縮機の圧縮動力は定常運転と変らず、
バイパスガスの圧縮に要した動力は無駄に外部に
捨てられてしまつていた。

また、前記の従来技術とは別に、ガス液化装置
を含む冷凍システムにおいて、内部に液化ガスを
含み圧力が解放されている型の第１のクライオス
タツトと、前記第１のクライオスタツトの液化ガ
ス中に配置され、内部に液化ガスを含み圧力が解
放されていない封じ切り型の第２のクライオスタ
ツトとを備え、前記第２のクライオスタツト内部
に被冷却物を配置するように構成された二重クラ
イオスタツト型の冷凍システムにおいて、前記第
２のクライオスタツト内部の圧力を検出し冷凍装
置の高圧側流量を制御する負荷応動手段について
特開昭51−97047号公報所載の装置がある。しか
しこの装置は、ブライトンサイクル利用の液化装
置としては用いることはできない。

（考案が解決しようとする問題点） 従来技術には前記のように種々の問題がある。

本考案はこれらの問題点を解決することを目的
とする。

〔考案の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本考案の液化冷凍装置における圧縮機の容量制
御装置は、前記の問題点を解決するために次の構
成を有している。

膨脹機系の圧縮機により圧縮された高圧ガスを
膨脹させ、該膨脹により得られた低圧低温ガスに
より、ジユールトムソン系の圧縮機で圧縮された
高圧ガスの冷却を行ない、該高圧ガスをジユール
トムソン弁で膨脹させることによりガスの液化を
行なうブライトンサイクル利用の液化冷凍装置に
おいて、 ジユールトムソン系におけるジユールトムソン
弁の後に設けられる液溜容器内に液面を検出する
液面検出器が設けられていること、 該検出器が第１制御器を介してジユールトムソ
ン系のスクリユー圧縮機のスライド弁操作機構に
連結されていること、 前記第１制御器は、前記液溜容器の液面が負荷
の減少により規定液面以上になると前記圧縮機の
スライド弁を開いて該圧縮機への吸入ガス量を減
少させ、また前記液面が負荷の増大により規定液
面以下になると前記スライド弁を閉じて前記圧縮
機への吸入ガス量を増加させるように前記スライ
ド弁を制御して、負荷の変動にかかわらず前記液
面が設定値に維持されるように構成されているる
こと、 膨脹機系における高圧または低圧のガスライン
上の適宜の点の温度を検知する温度検出器が設け
られていること、 該検出器が第２制御器を介して膨脹機系のスク
リユー圧縮機のスライド弁操作機構に連結されて
いること、 前記第２制御器は、前記適宜の点の温度が負荷
の減少により設定温度以下になると前記圧縮機の
スライド弁を開いて前記圧縮機への吸入ガス量を
減少させ、また前記温度が負荷の増加により設定
温度以上になると前記スライド弁を閉じて前記圧
縮機への吸入ガス量を増加させるように前記スラ
イド弁を制御して負荷の変動にかかわらず前記温
度が設定値に維持されるように構成されているこ
と。

（作用） JT系においては、液溜容器の液面検出器によ
つて該容器内の液面検出が行なわれ、液溜容器内
の液面が負荷の減少により規定液面以上になると
スクリユー圧縮機のスライド弁を開いて該圧縮機
への吸入ガス量を減少させるように制御が行なわ
れ、逆に液面が負荷の増大により規定液面以下に
なると前記スライド弁を閉じて前記圧縮機への吸
入ガス量を増加させるように制御が行なわれ、負
荷の変動にかかわらず液溜容器内の液面が設定値
に維持される。

また、膨脹機系においては、高圧または低圧の
ガスライン上の適宜の点の温度が温度検出器によ
つて検出され、前記温度が負荷の減少により設定
温度以下になるとスクリユー圧縮機のスライド弁
を開いて該圧縮機への吸入ガス量を減少させるよ
うに制御が行なわれ、逆に前記温度が負荷の増加
により設定温度以上になると前記スライド弁を閉
じて前記圧縮機への吸入ガス量を増加させるよう
に制御が行なわれ、負荷の変動にかかわらず前記
温度が設定値に維持される。

（実施例） 本考案の実施の一例を第１図により説明する。

１ａ，３５ａはスライド弁３４，４１をそれぞ
れ有するスクリユー圧縮機、３２は液面検出器、
４２は温度検出器、３３は第１は制御器、４３は
第２制御器である。

第２図と同一符号の他の構成は、それぞれ第２
図の場合と全く同じであるからその説明を省略す
る。

次に本実施例の作用及び効果について説明す
る。

先ずJT系について説明すると、JT弁１９の直
後に設けられた液溜容器２５の液面検出器３２に
より該容器内の液面検出を行なう。スライド弁３
４をもつたスクリユー圧縮機１ａは液溜容器２５
の液面が規定液面以上になると、第１制御器３３
によりスライド弁３４が働いて開き、吸入ガス量
を減少させる。逆に液面が規定液面以下になる
と、スクリユー圧縮機１ａは吸入ガス量を増加さ
せる。このように液面検出器３２により液溜容器
２５の液面を検出し、常に液面を一定に維持する
ようスライド弁３４を用いてスクリユー圧縮機１
ａの容量制御を行なうことにより、JT系のスク
リユー圧縮機１ａは運転中常に必要最小限のガス
を圧縮し、圧縮機動力を最小に抑えることができ
る。

また、装置に要する動力を必要最小限にするた
めには、JT系のスクリユー圧縮機１ａの動力変
化に連動して、膨脹機系のスクリユー圧縮機３５
ａの動力も変化させる必要がある。このために本
実施例では、管４４，４５等の適所に温度検出器
４２を設け、スライド弁４１を有するスクリユー
圧縮機３５ａの容量を第２制御器４３により制御
する。すなわち、JT系の処理ガス量が変化した
にも拘らず、膨脹機系の処理ガス量を一定にして
おくこと、コールドボツクス３内の膨脹機系の各
部の温度は設定温度から離れてしまう。このよう
な不都合を除くため、本実施例では熱交換器９の
膨脹機系のガスの出口部に温度検出器４２を設
け、この温度が設定温度以下になると、制御部４
３によりスライド弁４１が働らいて開きスクリユ
ー圧縮機３５ａの吸入ガス量は減少される。逆に
温度検出器４２の温度が設定温度以上になると、
スクリユー圧縮機３５ａの吸入ガス量は増加され
る。このように温度検出器４２によりコールドボ
ツクス３内の膨脹機系の高圧または低圧のガスラ
イン上の適宜の点の温度を検知し、常にこの点の
温度を一定に保持するようスライド弁４１を用い
てスクリユー圧縮機３５ａの容量制御を行なうこ
とにより、JT系の処理ガス量の変動に応じて膨
脹機系の処理ガス量も必要最小限にすることがで
きる。なお、温度の検出場所として本実施例にお
いては42点を設定したが、この点に限られる訳で
はなく膨脹機系のガスラインであるバイパス管１
５，１６またはガス管４４，４５上の任意の点を
選定することができる。この場合、第一段目の膨
脹機１７の入口直前に設けられた熱交換器６の高
温端の温度以下の温度であるイないしチの点を選
定すればスクリユー圧縮機３５ａの容量制御を正
確迅速に行なう上において有利である。

なお、タービンの運転状態（圧力、入口温度又
は出口温度で把握できる）をも正確に把握できる
有利さを併せ考慮すると、膨脹タービンの出入口
近傍におけるガスの温度を検知して膨脹機系の圧
縮機の容量制御を行なうのが最も望ましい。

〔考案の効果〕

JT系において液溜容器の液面検出器によつて
該容器内の液面検出を行ない、負荷の変動により
液面が規定値より上下するに応じ第１制御器を介
してスクリユー圧縮機のスライド弁により処理ガ
ス量の制御を行なうことにより、JT系のスクリ
ユー圧縮機を常に必要最小限のガスを圧縮して圧
縮機動力を最小に抑えることができる。

また、前記のJT系の圧縮機の動力変化に連動
して、膨脹機系の高圧または低圧のガラスライン
上の点の温度を温度検出器により検知し第２制御
器を介てスクリユー圧縮機のスライド弁により処
理ガス量の制御を行なうことにより、JT系の処
理ガス量の変動に応じて膨脹機系の処理ガス量も
必要最小限のものとし、装置全体に要する動力を
大きく節約することができる。

そして、これにより効率の高いブライトンサイ
クル方式の液化冷凍装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の実施例の系統図、第２図は従
来技術の系統図である。 １ａ……スクリユー圧縮機、１５，１６……ガ
スラインとしてのバイパス管、１７，１８……膨
脹機、１９……ジユールトムソン弁、２５……液
溜容器、３３……第１制御器、３４……スライド
弁、３５ａ……スクリユー圧縮機、４１……スラ
イド弁、４３……第２制御器、４４，４５……ガ
スラインとしてのガス管、イないしチ……ガスラ
イン上の温度検出用の点。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 膨脹機系の圧縮機により圧縮された高圧ガスを
   膨脹させ、該膨脹により得られた低圧低温ガスに
   より、ジユールトムソン系の圧縮機で圧縮された
   高圧ガスの冷却を行ない、該高圧ガスをジユール
   トムソン弁で膨脹させることによりガスの液化を
   行なうブライトンサイクル利用の液化冷凍装置に
   おいて、ジユールトムソン系におけるジユールト
   ムソン弁の後に設けられる液溜容器内に液面を検
   出する液面検出器が設けられ、該検出器が第１制
   御器を介してジユールトムソン系のスクリユー圧
   縮機のスライド弁操作機構に連結され、前記第１
   制御器は、前記液溜容器の液面が負荷の減少によ
   り規定液面以上になると前記圧縮機のスライド弁
   を開いて該圧縮機への吸入ガス量を減少させ、ま
   た前記液面が負荷の増大により規定液面以下にな
   ると前記スライド弁を閉じて前記圧縮機への吸入
   ガス量を増加させるように前記スライド弁を制御
   して、負荷の変動にかかわらず前記液面が設定値
   に維持されるように構成され、一方、膨脹機系に
   おける高圧または低圧のガスライン上の適宜の点
   の温度を検知する温度検出器が設けられ、該検出
   器が第２制御器を介して膨脹機系のスクリユー圧
   縮機のスライド弁操作機構に連結され、前記第２
   制御器は、前記適宜の点の温度が負荷の減少によ
   り設定温度以下になると前記圧縮機のスライド弁
   を開いて前記圧縮機への吸入ガス量を減少させ、
   また前記温度が負荷の増加により設定温度以上に
   なると前記スライド弁を閉じて前記圧縮機への吸
   入ガス量を増加させるように前記スライド弁を制
   御して負荷の変動にかかわらず前記温度が設定値
   に維持されるように構成された、ことを特徴とす
   る液化冷凍装置における圧縮機の容量制御装置。