JPH06101918A - 極低温冷凍機 - Google Patents
極低温冷凍機Info
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- JPH06101918A JPH06101918A JP4249578A JP24957892A JPH06101918A JP H06101918 A JPH06101918 A JP H06101918A JP 4249578 A JP4249578 A JP 4249578A JP 24957892 A JP24957892 A JP 24957892A JP H06101918 A JPH06101918 A JP H06101918A
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- Japan
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- line
- temperature
- inlet
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- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
- F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
- F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
- F25J1/0244—Operation; Control and regulation; Instrumentation
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- F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
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- F25J2270/14—External refrigeration with work-producing gas expansion loop
- F25J2270/16—External refrigeration with work-producing gas expansion loop with mutliple gas expansion loops of the same refrigerant
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- F25J2270/90—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration
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Abstract
(57)【要約】
【目的】複数の運転モードを高効率に実現することを目
的とする。 【構成】膨張タービン１２，１３温度レベルを適正に保
持するために、熱交換器１１のバイパスライン２０，２
１を設ける。 【構成】熱交換器のバイパスラインにより、膨張タービ
ン温度レベルを複数の運転モードでも適正に保持できる
ため、複数の運転モードを高効率に実現できる。
的とする。 【構成】膨張タービン１２，１３温度レベルを適正に保
持するために、熱交換器１１のバイパスライン２０，２
１を設ける。 【構成】熱交換器のバイパスラインにより、膨張タービ
ン温度レベルを複数の運転モードでも適正に保持できる
ため、複数の運転モードを高効率に実現できる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、複数の運転モードを効
率良く実現するに好適な極低温冷凍機に関する。
率良く実現するに好適な極低温冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】極低温冷凍機、例えばヘリウム冷凍機で
は、複数の運転モード（代表的には冷凍運転と液化運
転）が必要になるが、これに対する設計上の考え方は２
つある。第１の考え方が、各モード共に同程度の効率に
するもので、具体的には膨張タービンで発生すべき寒冷
量が相対的に少ない冷凍運転では膨張タービン入口圧力
を下げて流量を減らし、より多くの寒冷量が必要な液化
運転では膨張タービン入口圧力を最大とするものであ
る。この種の装置として関連するものには例えば、特公
平１−３６０３１号等がある。第２の考え方は、主要な
運転モードである冷凍運転に設計ポイントをおき、液化
能力は問わないとするものである。この種の装置として
関連するものには例えば、日立評論Vol.71 No.10(1989-
10)P59〜P64がある。
は、複数の運転モード（代表的には冷凍運転と液化運
転）が必要になるが、これに対する設計上の考え方は２
つある。第１の考え方が、各モード共に同程度の効率に
するもので、具体的には膨張タービンで発生すべき寒冷
量が相対的に少ない冷凍運転では膨張タービン入口圧力
を下げて流量を減らし、より多くの寒冷量が必要な液化
運転では膨張タービン入口圧力を最大とするものであ
る。この種の装置として関連するものには例えば、特公
平１−３６０３１号等がある。第２の考え方は、主要な
運転モードである冷凍運転に設計ポイントをおき、液化
能力は問わないとするものである。この種の装置として
関連するものには例えば、日立評論Vol.71 No.10(1989-
10)P59〜P64がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記第１の従来技術
は、電力を大量に消費し、長期連続運転を行う大型装置
では採用されていない。上記第２の従来技術では、冷凍
運転時のエネルギー効率を向上されるため膨張タービン
の入口圧力を最大とし高性能の熱交換器を採用してい
る。液化運転時には液化ラインに流れる流量を減少させ
る必要があるが、高性能の熱交換器を採用しているた
め、膨張タービンの温度が低下し過ぎて膨張タービンで
可能な最大寒冷発生能力を発揮できず、液化能力が十分
に発揮できないという問題があった。
は、電力を大量に消費し、長期連続運転を行う大型装置
では採用されていない。上記第２の従来技術では、冷凍
運転時のエネルギー効率を向上されるため膨張タービン
の入口圧力を最大とし高性能の熱交換器を採用してい
る。液化運転時には液化ラインに流れる流量を減少させ
る必要があるが、高性能の熱交換器を採用しているた
め、膨張タービンの温度が低下し過ぎて膨張タービンで
可能な最大寒冷発生能力を発揮できず、液化能力が十分
に発揮できないという問題があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、熱交換器をバイパスするラインを設け、運転モー
ドによらず膨張タービン温度レベルを適正に保持できる
ようにした。
めに、熱交換器をバイパスするラインを設け、運転モー
ドによらず膨張タービン温度レベルを適正に保持できる
ようにした。
【０００５】
【作用】膨張タービンは、高圧ガスをノズルから中間圧
力まで膨張させることによって高速ガスとして翼車内に
導入し、翼車内で出口圧力まで膨張しながら翼車に回転
仕事をすることによって温度降下し寒冷を発生する機器
である。ロータに伝えられた動力は付属する制動手段
（例えば、ファンブレーキ）で吸収するようになってい
る。
力まで膨張させることによって高速ガスとして翼車内に
導入し、翼車内で出口圧力まで膨張しながら翼車に回転
仕事をすることによって温度降下し寒冷を発生する機器
である。ロータに伝えられた動力は付属する制動手段
（例えば、ファンブレーキ）で吸収するようになってい
る。
【０００６】このような膨張タービンの機構的条件によ
って、膨張タービンには以下のうな特性がある。流量は
ノズルの条件によって概略、入口圧力に比例し、入口温
度の０．５乗に反比例する。単位流量当りの寒冷発生量
は膨張比と入口温度から決まり、膨張比が同じなら概
略、入口温度に比例する。即ち、膨張タービンの寒冷発
生量は概略入口温度の０．５乗に比例することになり、
膨張タービンを適正な温度レベルに保持することが運転
上、非常に重要なことが分かる。
って、膨張タービンには以下のうな特性がある。流量は
ノズルの条件によって概略、入口圧力に比例し、入口温
度の０．５乗に反比例する。単位流量当りの寒冷発生量
は膨張比と入口温度から決まり、膨張比が同じなら概
略、入口温度に比例する。即ち、膨張タービンの寒冷発
生量は概略入口温度の０．５乗に比例することになり、
膨張タービンを適正な温度レベルに保持することが運転
上、非常に重要なことが分かる。
【０００７】一方、熱交換器と膨張タービンを含む実際
の運転条件をみると、主たる寒冷発生源である主膨張タ
ービンラインを流れる流量と液化ラインを流す流量との
割合は運転モードによって大きく異なる。冷凍運転時に
は主膨張タービンラインを流れる流量が全体の約６０％
〜２０％であり、冷凍運転時を高効率にするほどこの割
合は低下する。
の運転条件をみると、主たる寒冷発生源である主膨張タ
ービンラインを流れる流量と液化ラインを流す流量との
割合は運転モードによって大きく異なる。冷凍運転時に
は主膨張タービンラインを流れる流量が全体の約６０％
〜２０％であり、冷凍運転時を高効率にするほどこの割
合は低下する。
【０００８】６０％が第１の従来技術例であり、２０％
が第２の従来技術例である。液化運転時には第１の従来
技術例では膨張タービン入口圧力を最大とし全流量は変
えずに主膨張タービンラインを約８０％にする。即ち、
主膨張タービンライン流量と液化ライン流量の割合は
４：１程度にしている。これに対し、第２の従来技術例
では冷凍運転時に既に膨張タービン入口圧力を最大とし
ているために、主膨張タービンライン流量は液化運転時
も変えられないため、液化ライン流量を低下させること
によって全流量も大幅に低下し、高性能熱交換器に大幅
な性能余裕が生じて膨張タービン温度レベルが低下する
ことになる。この膨張タービン温度レベル低下は、上記
した膨張タービン特性により膨張タービンの寒冷発生量
の低下を生じしめ、液化能力を増々低下させることにな
る。
が第２の従来技術例である。液化運転時には第１の従来
技術例では膨張タービン入口圧力を最大とし全流量は変
えずに主膨張タービンラインを約８０％にする。即ち、
主膨張タービンライン流量と液化ライン流量の割合は
４：１程度にしている。これに対し、第２の従来技術例
では冷凍運転時に既に膨張タービン入口圧力を最大とし
ているために、主膨張タービンライン流量は液化運転時
も変えられないため、液化ライン流量を低下させること
によって全流量も大幅に低下し、高性能熱交換器に大幅
な性能余裕が生じて膨張タービン温度レベルが低下する
ことになる。この膨張タービン温度レベル低下は、上記
した膨張タービン特性により膨張タービンの寒冷発生量
の低下を生じしめ、液化能力を増々低下させることにな
る。
【０００９】冷媒ガスの一部を熱交換器をバイパスさせ
ることによって、膨張タービンを適正な温度レベルに保
持することができ、液化能力を増大させ、複数の運転モ
ードでの高効率を実現できる。
ることによって、膨張タービンを適正な温度レベルに保
持することができ、液化能力を増大させ、複数の運転モ
ードでの高効率を実現できる。
【００１０】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図１によりヘリウ
ム冷凍機を例に説明する。図１において、１は高圧入口
ライン，２は低圧出口ライン，１０は極低温冷凍機，１
１ａ〜１１ｆは熱交換器，１２は高段膨張タービン，１
３は低段膨張タービン，１４は主膨張タービン入口弁，
１５はＪＴ弁，１６は補助寒冷源である液体窒素（ＬＮ
2）供給ライン，２０は高段バイパスライン，２１は低
段バイパスライン，２２は高段バイパス弁，２３は低段
バイパス弁である。
ム冷凍機を例に説明する。図１において、１は高圧入口
ライン，２は低圧出口ライン，１０は極低温冷凍機，１
１ａ〜１１ｆは熱交換器，１２は高段膨張タービン，１
３は低段膨張タービン，１４は主膨張タービン入口弁，
１５はＪＴ弁，１６は補助寒冷源である液体窒素（ＬＮ
2）供給ライン，２０は高段バイパスライン，２１は低
段バイパスライン，２２は高段バイパス弁，２３は低段
バイパス弁である。
【００１１】次に上記のように構成された本実施例の冷
凍運転時の動作について説明する。高圧入口ライン１か
ら供給された高圧ヘリウムは、第１の熱交換器１１ａ及
び第２の熱交換器１１ｂで熱交換して温度降下し、主膨
張タービンラインと液化ライン（ＪＴライン）に分か
れ、主膨張タービンラインのヘリウムは、主膨張タービ
ン入口弁１４を通り、高段膨張タービン１２で寒冷を発
生し、第４の熱交換器１１ｄで冷却された後、低段膨張
タービン１３で寒冷を発生して低圧ラインに合流する。
ＪＴラインのヘリウムは、第３〜第６の熱交換器１１ｃ
〜１１ｆで冷却された後、ＪＴ弁１５で断熱膨張して被
冷却体（図示省略）に供給される。被冷却体を冷却した
極低温ヘリウムガスは、極低温冷凍機１０に戻り、第６
〜第１の熱交換器で寒冷回収された後、低圧ライン２を
通りヘリウム圧縮機（図示省略）に戻る。
凍運転時の動作について説明する。高圧入口ライン１か
ら供給された高圧ヘリウムは、第１の熱交換器１１ａ及
び第２の熱交換器１１ｂで熱交換して温度降下し、主膨
張タービンラインと液化ライン（ＪＴライン）に分か
れ、主膨張タービンラインのヘリウムは、主膨張タービ
ン入口弁１４を通り、高段膨張タービン１２で寒冷を発
生し、第４の熱交換器１１ｄで冷却された後、低段膨張
タービン１３で寒冷を発生して低圧ラインに合流する。
ＪＴラインのヘリウムは、第３〜第６の熱交換器１１ｃ
〜１１ｆで冷却された後、ＪＴ弁１５で断熱膨張して被
冷却体（図示省略）に供給される。被冷却体を冷却した
極低温ヘリウムガスは、極低温冷凍機１０に戻り、第６
〜第１の熱交換器で寒冷回収された後、低圧ライン２を
通りヘリウム圧縮機（図示省略）に戻る。
【００１２】次に、液化運転時の動作について説明す
る。液化運転時には液化ヘリウムは被冷却体に貯液され
るために被冷却体から戻る極低温ヘリウムガスが減少
し、これに伴いＪＴ弁１４の温度が上昇しだす。ＪＴ弁
１４の温度を適当に保持しなければ、ついには液体ヘリ
ウムを生成し得なくなるため、ＪＴ弁１４を閉方向にし
ＪＴラインの流量を大幅に低下させる必要がある。ＪＴ
ラインの流量を大幅に低下させるため、熱交換器１１ａ
〜１１ｆに大きな性能余裕が生じ、膨張タービン１２，
１３の温度レベルが低下しだす。この膨張タービン１
２，１３の温度低下を防止し、膨張タービン１２，１３
の温度レベルを適正に保持するため高段膨張タービン１
２に対しては高段バイパスライン２０を使用し、低段膨
張タービン１３に対しては低段バイパスライン２１を使
用し、各々、高段バイパス弁２２，低段バイパス弁２３
を調整する。
る。液化運転時には液化ヘリウムは被冷却体に貯液され
るために被冷却体から戻る極低温ヘリウムガスが減少
し、これに伴いＪＴ弁１４の温度が上昇しだす。ＪＴ弁
１４の温度を適当に保持しなければ、ついには液体ヘリ
ウムを生成し得なくなるため、ＪＴ弁１４を閉方向にし
ＪＴラインの流量を大幅に低下させる必要がある。ＪＴ
ラインの流量を大幅に低下させるため、熱交換器１１ａ
〜１１ｆに大きな性能余裕が生じ、膨張タービン１２，
１３の温度レベルが低下しだす。この膨張タービン１
２，１３の温度低下を防止し、膨張タービン１２，１３
の温度レベルを適正に保持するため高段膨張タービン１
２に対しては高段バイパスライン２０を使用し、低段膨
張タービン１３に対しては低段バイパスライン２１を使
用し、各々、高段バイパス弁２２，低段バイパス弁２３
を調整する。
【００１３】本実施例によれば、複数の運転モードで膨
張タービン温度レベルを適正に保持できるため、複数の
運転モードを高効率に実現できるという効果がある。図
２は、第２の実施例であり、本実施例では低段バイパス
ライン２５，低段バイパス弁２６を第４の熱交換器１１
ｄの高圧入口から低段膨張タービン１３の入口に導入す
るようにしている。本実施例によれば、低段膨張タービ
ン１３の入口圧力（高段膨張タービン１２出口圧力）を
も調整することができる。図３は、第３の実施例であ
り、本実施例ではバイパスライン２８，２９、バイパス
弁３０，３１を低圧ラインに設けている。本実施例でも
熱交換器を介して膨張タービン温度レベルを調整可能で
あり、同様の効果が得られる。
張タービン温度レベルを適正に保持できるため、複数の
運転モードを高効率に実現できるという効果がある。図
２は、第２の実施例であり、本実施例では低段バイパス
ライン２５，低段バイパス弁２６を第４の熱交換器１１
ｄの高圧入口から低段膨張タービン１３の入口に導入す
るようにしている。本実施例によれば、低段膨張タービ
ン１３の入口圧力（高段膨張タービン１２出口圧力）を
も調整することができる。図３は、第３の実施例であ
り、本実施例ではバイパスライン２８，２９、バイパス
弁３０，３１を低圧ラインに設けている。本実施例でも
熱交換器を介して膨張タービン温度レベルを調整可能で
あり、同様の効果が得られる。
【００１４】図４は、第４の実施例であり、第２の従来
技術例に適用したものである。本実施例では冷凍運転時
の高効率を実現するためにＪＴラインに超臨界膨張ター
ビン４０が採用されている。冷凍運転時には第６の熱交
換器１１ｆを出た高圧ガスは超臨界膨張タービン入口弁
４１を通り超臨界膨張タービン４０で中間圧力まで断熱
膨張した後、第７熱交換器１１ｇで冷却されＪＴ弁１５
に至る。液化運転時には、発明者が先に出願した特願平
１−２４２２４０号記載により第１の超臨界膨張タービ
ン出口弁４３を閉とし、第２の超臨界膨張タービン出口
弁４４を開とし、超臨界膨張タービンバイパス弁４２を
開とする。次に、超臨界膨張タービン４０の入口温度を
適正に保持するために超臨界バイパス弁４５，超臨界バ
イパスライン４６を使用する。併行して超臨界膨張ター
ビン入口弁４１をも調整する。
技術例に適用したものである。本実施例では冷凍運転時
の高効率を実現するためにＪＴラインに超臨界膨張ター
ビン４０が採用されている。冷凍運転時には第６の熱交
換器１１ｆを出た高圧ガスは超臨界膨張タービン入口弁
４１を通り超臨界膨張タービン４０で中間圧力まで断熱
膨張した後、第７熱交換器１１ｇで冷却されＪＴ弁１５
に至る。液化運転時には、発明者が先に出願した特願平
１−２４２２４０号記載により第１の超臨界膨張タービ
ン出口弁４３を閉とし、第２の超臨界膨張タービン出口
弁４４を開とし、超臨界膨張タービンバイパス弁４２を
開とする。次に、超臨界膨張タービン４０の入口温度を
適正に保持するために超臨界バイパス弁４５，超臨界バ
イパスライン４６を使用する。併行して超臨界膨張ター
ビン入口弁４１をも調整する。
【００１５】尚、高段膨張タービン１２，低段膨張ター
ビン１３は図１と同様であるので説明を省略する。以上
の実施例では、各膨張タービンに２つの温度レベルの冷
媒ガスを導入するようにしているが、更に多数の温度レ
ベルの冷媒ガスを導入できるようにすることは、調整可
能範囲を広くし、有効なことは明らかである。
ビン１３は図１と同様であるので説明を省略する。以上
の実施例では、各膨張タービンに２つの温度レベルの冷
媒ガスを導入するようにしているが、更に多数の温度レ
ベルの冷媒ガスを導入できるようにすることは、調整可
能範囲を広くし、有効なことは明らかである。
【００１６】
【発明の効果】本発明によれば、複数の運転モードで膨
張タービン温度レベルを適正に保持できるため、複数の
運転モードを高効率に実現できるという効果がある。
張タービン温度レベルを適正に保持できるため、複数の
運転モードを高効率に実現できるという効果がある。
【図１】本発明の一実施例を示す極低温冷凍機の系統図
である。
である。
【図２】本発明の第２の実施例を示す極低温冷凍機の系
統図である。
統図である。
【図３】本発明の第３の実施例を示す極低温冷凍機の系
統図である。
統図である。
【図４】本発明の第４の実施例を示す極低温冷凍機の系
統図である。
統図である。
１０…極低温冷凍機、１１…熱交換器、１２…高段膨張
タービン、１３…低段膨張タービン、１４…膨張タービ
ン入口弁、１５…ＪＴ弁、２０…高段バイパスライン、
２１…低段バイパスライン。
タービン、１３…低段膨張タービン、１４…膨張タービ
ン入口弁、１５…ＪＴ弁、２０…高段バイパスライン、
２１…低段バイパスライン。
Claims (3)
- 【請求項１】複数の熱交換器と複数の膨張タービンを有
する極低温冷凍機において、熱交換器をバイパスするラ
インを設けバイパス流量を調整することにより前記膨張
タービンの温度レベルを変えられるようにしたことを特
徴とする極低温冷凍機。 - 【請求項２】前記バイパスラインを前記膨張タービン入
口直前の熱交換器に設け、複数の温度レベルの冷媒ガス
を前記膨張タービンに導入できるようにしたことを特徴
とする請求項１に記載の極低温冷凍機。 - 【請求項３】前記膨張タービンの入口温度又は出口温
度，出口圧力から該膨張タービンの寒冷発生量が最大に
なるように該膨張タービン入口圧力を制御したことを特
徴とする請求項１、又は請求項２に記載の極低温冷凍
機。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4249578A JPH06101918A (ja) | 1992-09-18 | 1992-09-18 | 極低温冷凍機 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4249578A JPH06101918A (ja) | 1992-09-18 | 1992-09-18 | 極低温冷凍機 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06101918A true JPH06101918A (ja) | 1994-04-12 |
Family
ID=17195094
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4249578A Pending JPH06101918A (ja) | 1992-09-18 | 1992-09-18 | 極低温冷凍機 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06101918A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2775518A1 (fr) * | 1998-03-02 | 1999-09-03 | Air Liquide | Procede et installation de production frigorifique a partir d'un cycle thermique d'un fluide a bas point d'ebullition |
| CN113154794A (zh) * | 2020-01-22 | 2021-07-23 | 乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司 | 液化装置 |
| CN114704973A (zh) * | 2022-05-07 | 2022-07-05 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种超流氦制冷机 |
| CN114923295A (zh) * | 2022-06-27 | 2022-08-19 | 北京中科富海低温科技有限公司 | 一种两级串联中间换热的透平膨胀机变工况调节方法 |
-
1992
- 1992-09-18 JP JP4249578A patent/JPH06101918A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2775518A1 (fr) * | 1998-03-02 | 1999-09-03 | Air Liquide | Procede et installation de production frigorifique a partir d'un cycle thermique d'un fluide a bas point d'ebullition |
| US6170290B1 (en) | 1998-03-02 | 2001-01-09 | L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude | Refrigeration process and plant using a thermal cycle of a fluid having a low boiling point |
| CN113154794A (zh) * | 2020-01-22 | 2021-07-23 | 乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司 | 液化装置 |
| CN113154794B (zh) * | 2020-01-22 | 2024-05-31 | 乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司 | 液化装置 |
| CN114704973A (zh) * | 2022-05-07 | 2022-07-05 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种超流氦制冷机 |
| CN114923295A (zh) * | 2022-06-27 | 2022-08-19 | 北京中科富海低温科技有限公司 | 一种两级串联中间换热的透平膨胀机变工况调节方法 |
| CN114923295B (zh) * | 2022-06-27 | 2024-02-20 | 北京中科富海低温科技有限公司 | 一种两级串联中间换热的透平膨胀机变工况调节方法 |
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