JPH0379623B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、極低温液化冷凍装置に係り、特に液
化運転、冷凍運転および液化＋冷凍運転の各種運
転モードを必要とする極低温液化冷凍装置に好適
な運転方法に関するものである。

極低温液化冷凍装置、特にヘリウム液化冷凍装
置は、ある種の材料が絶対零度（−273℃）に近
い温度まで冷却されると電気抵抗が零になる超電
導現象を利用した各種の応用技術の進展と共に、
一般的な液化機としてのみでなく液化運転、冷凍
運転および液化＋冷凍運転の各種運転モードが一
つの装置でできることが必要になつてきた。

第１図は、超電導マグネツトを冷却するヘリウ
ム液化冷凍装置システムフローの一例を示すもの
である。圧縮機１で圧縮されたヘリウムガスは極
低温液化冷凍機１０に導かれ、第１熱交換器１１
Ａにて低温戻りガス（補助寒冷源として液体窒素
などを使用する場合もある。）で冷却され、一部
のガスは等エントロピー膨張によつて寒冷を発生
させる第１膨張タービン１３Ａに導かれ、温度降
下した後第３熱交換器１１Ｃで戻りガスによつて
さらに冷却された後第２膨張タービン１３Ｂに入
り、等エントロピー膨張により温度降下し導管２
０を通つて戻りガスに合流する。第１熱交換器１
１Ａで冷却された残りのガスは、第２熱交換器１
１Ｂ、第３熱交換器１１Ｃ、第４熱交換器１１
Ｄ、第５熱交換器１１Ｅによつて順次冷却され逆
転温度以下となり、Ｊ−Ｔ弁１４にてほぼ大気圧
まで膨張し気液混相状態となつて気液分離器１５
に導かれる。

気液分離器１５に導かれた気液混相状態のガス
は気液分離され、液体は保冷された低温移送管２
４Ａを通り超電導マグネツト３２を内蔵したクラ
イオスタツト３０に送られ、クライオスタツト内
槽３１に入り熱負荷を吸収してガス化する。ガス
化した一部は超電導マグネツト３２の電力供給線
（パワーリード）を冷却するのに使用され、常温
まで温度回復した後導管２５を通り圧縮機１の吸
入側に戻る。残りのガスは低温移送管２４Ｂを通
り極低温液化冷凍機１０に戻り、気液分離器１５
で気液分離されたガスと合流し第５熱交換器１１
Ｅで熱交換することによつて寒冷の回収を行な
い、第２膨張タービン１３Ｂの出口ガスと合流し
て第４熱交換器１１Ｄ、第３熱交換器１１Ｃ、第
２熱交換器１１Ｂ、第１熱交換器１１Ａで順次寒
冷を回収し、常温に戻つた後圧縮機１の吸入側に
戻る。中圧タンク２は系内ガスのクツシヨン用と
して使用され、高圧ライン５、低圧ライン６の圧
力制御を制御弁３，４にて行なう。

以上の一例の場合は、極低温液化冷凍機１０に
て作りだされた液体ヘリウムは熱負荷を吸収し、
ガス化した低温ガスの一部は極低温液化冷凍機１
０に戻るが、パワーリードの冷却に使用されるガ
スは常温に温度回復して直接圧縮機１に戻ること
になり、この場合、前者、すなわち、極低温冷凍
機１０にて作りだされた液体ヘリウムによつて超
電導マグネツト３２を冷却し、熱負荷を吸収して
ガス化した低温ガスを極低温液化冷凍機１０に戻
して行なう運転が冷凍運転に対応し、後者、すな
わち、極低温冷凍機１０にて作りだされた液体ヘ
リウムによつて超電導マグネツト３２を冷却し、
熱負荷を吸収してガス化した低温ガスを極低温液
化冷凍機１０を介さずに、常温に温度回復して直
接圧縮機１に戻して行なう運転、この場合、パワ
ーリードを冷却して常温に温度回復して戻す運転
が液化運転に対応する。第１図に示したヘリウム
液化冷凍装置システムは、これら冷凍運転と液化
運転とを併用した運転となつている。

液化運転と冷凍運転では極低温液化冷凍機の状
態が大巾に異なる。すなわち、冷凍運転時には低
温の戻りガスがあるため作り出せる液体ヘリウム
量が液化運転時と比較して約４倍と大幅に増加
し、膨張タービンで発生すべき寒冷量は逆に少な
くて良い。また、液化運転では、極低温液化冷凍
機へ戻る低温の戻りガスがないため膨張タービン
へのガス量を多くして発生すべき寒冷量を多く
し、液化のための高圧ガス量は逆に少なくして十
分に冷却できるようにする必要がある。このよう
な総合的バランスをとるため、膨張タービンとＪ
−Ｔ弁に流すガス量の割合も液化運転と冷凍運転
では大きく変える必要があり、液化運転時には圧
縮機の全流量の約75％が膨張タービン、約25％が
Ｊ−Ｔ弁に流れるのに対し、冷凍運転時には圧縮
機の全流量の約55％が膨張タービン、約45％がＪ
−Ｔ弁に流れる。

従来の液化冷凍装置では、以上のような液化運
転と冷凍運転のバランスをとるために液化運転時
には第１、２膨張タービン１３Ａ，１３Ｂの入口
弁１２は全開とし、冷凍運転時にはＪ−Ｔ弁１４
の開度を上げると共に入口弁１２の開度を下げて
いた。このような操作では、冷凍運転時の第１膨
張タービン１３Ａの入口圧力は液化運転時に比較
し約70％（液化運転時16atmとすれば冷凍運転時
約12atm）になり、圧縮機１で昇圧された圧力エ
ネルギーが無駄に消費される欠点があつた。

本発明の目的は、液化運転、冷凍運転および液
化＋冷凍運転などの各種運転モードを要求される
極低温液化冷凍装置において、そのエネルギー効
率を上げた運転方法を提供することにある。

液化運転、冷凍運転および液化＋冷凍運転の各
運転モードでは、圧縮機の流量を寒冷を発生せし
める膨張タービンとＪ−Ｔ弁（液化ライン）とに
分配する割合がそれぞれ異なり、このガスの分配
が所定通りに行なわれなければ最大能力を発揮で
きない、このガスの分配において液化ライン流量
はＪ−Ｔ弁にて制御できるが、膨張タービンの場
合は機構的に固定している入口ノズルによつてい
るため入口の温度、圧力によつて自動的に決ま
る。したがつて、一定の圧縮機流量のもとで、冷
凍運転モード時膨張タービン流量を減らすために
従来入口弁にて調整していた。

本発明は、従来膨張タービンの入口弁によつて
調整していた膨張タービン流量に見合う条件、す
なわち、液化運転時は膨張タービン入口圧力を高
く、冷凍運転時は膨張タービン入口圧力を低く、
液化＋冷凍運転時にはこれらの中間となるような
圧力に、圧縮機吐出圧を調整することにより、液
化運転、冷凍運転および液化＋冷凍運転などの各
種運転モードの条件のもとで、極低温液化冷凍装
置の運転時のエネルギー効率を上げられるように
したものである。

第２図は極低温液化冷凍機のエネルギー収支を
示すＴ−Ｓ線図（温度−エントロピー線図）であ
る。以下、第１図、第２図によつて本発明の一実
施例を説明する。

液化運転時には、圧縮機１にて圧縮された高圧
ガスは極低温液化冷凍機１０に導かれ第１熱交換
器１１Ａにて高圧側の等圧線５０Ｂに沿つて５Ａ
から１６Ａまで冷却され、第１、２膨張タービン
１３Ａ，１３ＢとＪ−Ｔ弁１４とに分配され、第
１、２膨張タービン１３Ａ，１３Ｂに導かれたガ
スは第１膨張タービン１３Ａで１６Ａから１８
Ａ、第２膨張タービンＢで１９Ａから２０Ａに等
エントロピー膨張し、寒冷を発生して低圧側の等
圧線５０Ａに沿つて２０Ａから６Ａまで第４熱交
換器１１Ｄ、第３熱交換器１１Ｃ、第２熱交換器
１１Ｂ、第１熱交換器１１Ａで寒冷回収した後圧
縮機１の吸入側に戻る。一方、Ｊ−Ｔ弁１４用の
ガスはさらに等圧線５０Ｂに沿つて１６Ａから２
１Ａまで第２熱交換器１１Ｂ、第３熱交換器１１
Ｃ、第４熱交換器１１Ｄ、第５熱交換器１１Ｅで
冷却され、Ｊ−Ｔ弁１４で等エンタルピー線５５
に沿つて膨張し気液平衡曲線５１の低圧側圧力ま
で達し、気液混相となる。

一方、冷凍運転時には第１、２膨張タービン１
３Ａ，１３Ｂの流量を減らすため、第１熱交換器
１１Ａにて冷却された１６Ａから従来は入口弁１
２で１６A′まで圧力を絞つていたのに対し、本
発明では圧縮機１の吐出圧力を５Ａから５A′に
下げる。したがつて、極低温液化冷凍機１０に導
入された高圧ガスは新しい等圧線５０B′に沿つ
て５A′から１６A′まで冷却されることになり、
入口弁１２での減圧は殆んど必要が無くなり、圧
縮機１で圧縮された圧力エネルギーを有効に利用
できて圧縮機１の消費動力を低減することができ
る。

なお、圧縮機１の吐出圧力を５Ａから５A′に
下げた冷凍運転時でも、Ｊ−Ｔ弁１４で等エント
ロピー膨張させるに際しての問題はない。すなわ
ち、Ｊ−Ｔ弁１４での等エントロピー膨張は等エ
ントロピー線５５に沿つて行なわれ、等エントロ
ピー線５５上のどの点（この場合、等圧線５０
B′に沿つた２１′の点）から膨張しても最終的な
液化率５３は変わらない。さらに、この場合は、
液化運転の場合のように、等エントロピー線５５
上の２１Ａの点から一旦右上がりになつて温度上
昇し、それから温度低下して液化することもない
ので、第５熱交換器１１Ｅに無駄な負荷をかける
こともなくなる。

また、液化＋冷凍運転時は、これら液化運転時
と冷凍運転時との条件の間、すなわち、等圧線５
Ａと５A′との圧力の間で調整すれば良い。

次に、液化運転、冷凍運転および液化＋冷凍運
転の各運転モードの最適条件に制御する装置を第
１図によつて説明する。負荷条件設定器４０によ
つて負荷条件を設定し、この負荷条件によつて制
御器４２は前以つて指定されていた高圧条件に圧
縮機１の吐出圧力を制御すると共に、高圧ライン
の制御弁３の設定圧力を変更し、Ｊ−Ｔ弁１４の
開度をも所定値に変更する。以上によつて基本的
操作と制御が行なわれるが、さらに各運転モード
での最適条件制御のためには微少制御を行なうこ
とが望ましく、この場合には第２膨張タービン１
３Ｂの出口温度およびＪ−Ｔ弁１４入口温度を制
御対象とし、入口弁１２、Ｊ−Ｔ弁１４によつて
微少制御を行なうのが望ましい。このように、制
御装置を負荷することによつて各運転モードに対
応した適切な運転条件を容易に実現できる。

なお、冷凍運転時に極低温液化冷凍機１０の高
圧ガス圧力を下げる方法として、極低温液化冷凍
機１０の入口弁７を使用することも可能で、第５
熱交換器１１Ｅの特性から極低温液化冷凍機１０
の冷凍能力を高めることができる。ただし、この
場合は圧縮機１の消費動力は減少しない。

本発明によれば、液化運転、冷凍運転および液
化＋冷凍運転の各運転モードを必要とする極低温
液化冷凍装置において、各運転モードに対応した
高圧側圧力条件を選定使用することによつて圧縮
機の消費動力を低減することができ、極低温液化
冷凍装置の能力を高めることができてエネルギー
効率を上げることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は超電導マグネツトを冷却するヘリウム
液化冷凍装置システムフローの説明図、第２図は
極低温液化冷凍機のＴ−Ｓ線図である。 １……圧縮機、２……中圧タンク、１０……極
低温液化冷凍機、１３Ａ……第１膨張タービン、
１３Ｂ……第２膨張タービン、１４……Ｊ−Ｔ
弁、１５……気液分離器、３０……クライオスタ
ツト、３２……超電導マグネツト、４０……負荷
条件設定器、４２……制御器、５０Ａ……低圧側
等圧線、５０Ｂ……高圧側等圧線、５１……気液
平衡曲線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧縮機で冷媒ガスを昇圧し、極低温液化冷凍
   機の熱交換器群に前記冷媒ガスを順次介して循環
   させるとともに、前記昇圧された冷媒ガスの一部
   を分岐し膨張タービンによつて断熱膨張させ前記
   循環する冷媒ガスの戻りに合流させて前記冷媒ガ
   スを冷却し、前記昇圧された冷媒ガスの残りを熱
   交換器群によつて逆転温度以下に冷却し、該冷却
   された冷媒ガスを膨張弁で断熱膨張させて極低温
   冷媒を生成し、 該極低温冷媒の気化ガスを常温まで温度回復さ
   せ前記極低温液化冷凍機を介さずに直接前記圧縮
   機に戻す液化運転と、 前記極低温冷媒の気化ガスを前記極低温液化冷
   凍機の冷媒ガスの戻りとする冷凍運転と、 前記極低温冷媒の気化ガスの一部を常温まで温
   度回復させ前記極低温液化冷凍機を介さずに直接
   前記圧縮機に戻すとともに前記極低温冷媒の気化
   ガスの残りを前記極低温液化冷凍機の冷媒ガスの
   戻りとする液化＋冷凍運転とを行ない得る極低温
   液化冷凍装置の運転方法において、 前記圧縮機からの冷媒ガスの吐出圧力を、液化
   運転時は高く、冷凍運転時は低く、液化＋冷凍運
   転時は前記両運転時の間の圧力にそれぞれ変える
   ことを特徴とする極低温液化冷凍装置の運転方
   法。