JPH0794928B2 - 極低温冷凍装置およびその運転制御方法 - Google Patents
極低温冷凍装置およびその運転制御方法Info
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- JPH0794928B2 JPH0794928B2 JP1196578A JP19657889A JPH0794928B2 JP H0794928 B2 JPH0794928 B2 JP H0794928B2 JP 1196578 A JP1196578 A JP 1196578A JP 19657889 A JP19657889 A JP 19657889A JP H0794928 B2 JPH0794928 B2 JP H0794928B2
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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、特に超臨界膨張タービ
ンを有する極低温冷凍装置およびその運転制御方法に関
するものである。
ンを有する極低温冷凍装置およびその運転制御方法に関
するものである。
従来の液化冷凍装置、例えば、ヘリウム液化冷凍装置
は、最低温部において、膨張弁により高圧ヘリウムガス
を等エンタルピ膨張させ、ヘリウムガスの一部を液化さ
せるものが多かった。しかし、膨張弁による等エンタル
ピ膨張では比較的効率が悪いので、膨張タービンによっ
て臨界圧まで等エンタルピ膨張させ、臨界圧以降は膨張
弁によって等エンタルピ膨張させてヘリウムガスの一部
を液化させる方法も用いられている。
は、最低温部において、膨張弁により高圧ヘリウムガス
を等エンタルピ膨張させ、ヘリウムガスの一部を液化さ
せるものが多かった。しかし、膨張弁による等エンタル
ピ膨張では比較的効率が悪いので、膨張タービンによっ
て臨界圧まで等エンタルピ膨張させ、臨界圧以降は膨張
弁によって等エンタルピ膨張させてヘリウムガスの一部
を液化させる方法も用いられている。
なお、この種の装置として関連するものには、例えば、
特開昭59−134460号公報、特開昭60−164182号公報等が
挙けられる。
特開昭59−134460号公報、特開昭60−164182号公報等が
挙けられる。
上記従来技術は、膨張タービンでのヘリウムガスの液化
を防止し、液化ヘリウムが高速回転しているローターブ
レードに衝撃的にあたってブレードを損傷させないよう
に考慮されているが、膨張タービンの点検時等休止時の
装置の効率運転の点について配慮されておらず、膨張タ
ービンの休止時には、装置全体も停止させなければなら
ないという問題があった。
を防止し、液化ヘリウムが高速回転しているローターブ
レードに衝撃的にあたってブレードを損傷させないよう
に考慮されているが、膨張タービンの点検時等休止時の
装置の効率運転の点について配慮されておらず、膨張タ
ービンの休止時には、装置全体も停止させなければなら
ないという問題があった。
本発明の第１の目的は、膨張タービンの休止時にも装置
を停止させることなく効率の良い運転を継続することの
できる極低温冷凍装置およびその運転制御方法を提供す
ることにある。
を停止させることなく効率の良い運転を継続することの
できる極低温冷凍装置およびその運転制御方法を提供す
ることにある。
本発明の第２の目的は、膨張タービンの安定した運転を
行なうことのできる極低温冷凍装置およびその運転制御
方法を提供することにある。
行なうことのできる極低温冷凍装置およびその運転制御
方法を提供することにある。
上記第１および第２の目的を達成するために、膨張弁の
上流側に膨張タービンを有する極低温冷凍装置におい
て、膨張タービンの出入口側にそれぞれ弁を設けるとと
もに、入口側の弁の上流側と出口側の弁の下流側とを連
通するバイパス流路を設け、バイパス流路に弁を設けた
装置とし、膨張タービンへ供給される冷媒ガスの全部ま
たは一部をバイパスラインの弁を介して膨張弁に供給す
る方法としたものである。
上流側に膨張タービンを有する極低温冷凍装置におい
て、膨張タービンの出入口側にそれぞれ弁を設けるとと
もに、入口側の弁の上流側と出口側の弁の下流側とを連
通するバイパス流路を設け、バイパス流路に弁を設けた
装置とし、膨張タービンへ供給される冷媒ガスの全部ま
たは一部をバイパスラインの弁を介して膨張弁に供給す
る方法としたものである。
また、第２の目的をさらに精度良く達成するために、膨
張弁の上流側に膨張タービンを有する極低温冷凍装置の
運転方法において、膨張タービン出口側の圧力および温
度によって膨張タービンの冷媒流量を調整するようにし
たものである。
張弁の上流側に膨張タービンを有する極低温冷凍装置の
運転方法において、膨張タービン出口側の圧力および温
度によって膨張タービンの冷媒流量を調整するようにし
たものである。
膨張タービンの運転時には、膨張タービン出入口側の弁
を開けて、冷凍ガスを膨張タービンを介して膨張弁へ送
り、寒冷発生効率を向上させるようにするが、膨張ター
ビンで冷媒ガスが液化するような場合には、バイパスラ
インの弁を開けて冷媒ガスの一部をバイパスラインに通
して直接に膨張弁へ送る。これにより、膨張タービン側
への流量が減少してタービン回転数が下がり、寒冷発生
量が小さくなって膨張タービンでの冷媒の液化が防げ、
安定した運転を行なうことができる、 また、膨張タービンの休止時には、膨張タービン出入口
側の弁を閉めて、膨張タービンへの冷媒ガスの供給を停
止させるとともに、バイパスラインの弁を開いて冷媒ガ
スの全部を膨張弁へ送る。これにより、冷媒ガスは膨張
弁で断熱膨張して寒冷を発生するので、膨張タービンを
停止させても装置を停止することなく運転を継続するこ
とができ、さらにバイパスラインの弁を膨張弁とすれ
ば、２段膨張によって効率の良い運転を行なうことがで
きる。
を開けて、冷凍ガスを膨張タービンを介して膨張弁へ送
り、寒冷発生効率を向上させるようにするが、膨張ター
ビンで冷媒ガスが液化するような場合には、バイパスラ
インの弁を開けて冷媒ガスの一部をバイパスラインに通
して直接に膨張弁へ送る。これにより、膨張タービン側
への流量が減少してタービン回転数が下がり、寒冷発生
量が小さくなって膨張タービンでの冷媒の液化が防げ、
安定した運転を行なうことができる、 また、膨張タービンの休止時には、膨張タービン出入口
側の弁を閉めて、膨張タービンへの冷媒ガスの供給を停
止させるとともに、バイパスラインの弁を開いて冷媒ガ
スの全部を膨張弁へ送る。これにより、冷媒ガスは膨張
弁で断熱膨張して寒冷を発生するので、膨張タービンを
停止させても装置を停止することなく運転を継続するこ
とができ、さらにバイパスラインの弁を膨張弁とすれ
ば、２段膨張によって効率の良い運転を行なうことがで
きる。
さらに、膨張タービン出口側の圧力および温度によって
膨張タービンの冷媒流量を調整することにより、圧力ま
たは温度が臨界点に近づくと膨張タービンの流量を減じ
て寒冷発生量を小さくでき、膨張タービンでの液化を防
止して安定した運転を行なうことができる。
膨張タービンの冷媒流量を調整することにより、圧力ま
たは温度が臨界点に近づくと膨張タービンの流量を減じ
て寒冷発生量を小さくでき、膨張タービンでの液化を防
止して安定した運転を行なうことができる。
以下本発明の一実施例を、第１図により説明する。
第１図は極低温冷凍装置、例えば、ヘリウム冷凍装置の
構成を示す。圧縮機20の出口側に接続された高圧ガス配
管２は、第１熱交換器21の高温側，第２熱交換器22の高
温側，第３熱交換器23の高温側，第４熱交換器24の高温
側および第５熱交換器11の高温側入口を直列に接続して
ある。第５熱交換器11の高温側中間部分出口と超臨界膨
張タービン５のヘリウムガス入口はタービン入口配管３
で接続されている。超臨界膨張タービン５のヘリウムガ
ス出口と第５熱交換器11の高温側中間入口とはタービン
出口配管６により接続され、第５熱交換器11の高温側出
口と冷凍負荷10の入口とはジュールトムソン膨張弁９を
介してJT入口配管８で連通されている。またタービン入
口配管３とタービン出口配管６とはバイパス流路13を介
して接続されている。冷凍負荷10の出口，第５熱交換器
11の低温側，第４熱交換器24の低温側，第３熱交換器23
の低温側，第２熱交換器22の低温側，第１熱交換器21の
低温側および圧縮機20の入口側は、低圧ガス配管12によ
り直列に接続されている。さらに第１熱交換器21と第２
熱交換器22を接続している高圧ガス配管２には、分岐配
管27が接続され、分岐配管27は第１膨張タービン25,第
３熱交換器23の第２の高温側，第２膨張タービン26を直
列に接続し、第５熱交換器11と第４熱交換器24とを接続
する低圧ガス配管12に合流・接続している。
構成を示す。圧縮機20の出口側に接続された高圧ガス配
管２は、第１熱交換器21の高温側，第２熱交換器22の高
温側，第３熱交換器23の高温側，第４熱交換器24の高温
側および第５熱交換器11の高温側入口を直列に接続して
ある。第５熱交換器11の高温側中間部分出口と超臨界膨
張タービン５のヘリウムガス入口はタービン入口配管３
で接続されている。超臨界膨張タービン５のヘリウムガ
ス出口と第５熱交換器11の高温側中間入口とはタービン
出口配管６により接続され、第５熱交換器11の高温側出
口と冷凍負荷10の入口とはジュールトムソン膨張弁９を
介してJT入口配管８で連通されている。またタービン入
口配管３とタービン出口配管６とはバイパス流路13を介
して接続されている。冷凍負荷10の出口，第５熱交換器
11の低温側，第４熱交換器24の低温側，第３熱交換器23
の低温側，第２熱交換器22の低温側，第１熱交換器21の
低温側および圧縮機20の入口側は、低圧ガス配管12によ
り直列に接続されている。さらに第１熱交換器21と第２
熱交換器22を接続している高圧ガス配管２には、分岐配
管27が接続され、分岐配管27は第１膨張タービン25,第
３熱交換器23の第２の高温側，第２膨張タービン26を直
列に接続し、第５熱交換器11と第４熱交換器24とを接続
する低圧ガス配管12に合流・接続している。
タービン入口配管３の超臨界膨張タービン５の入口側に
は入口弁４が設けられ、タービン出口配管６のタービン
５出口側には出口弁７が設けられている。またバイパス
流路13には第２のジュールトムソン膨張弁14（以下、
「第2JT弁」と呼ぶ）が設けられている。さらにタービ
ン出口配管６には圧力検出器17および温度検出器18が取
り付けられその信号は制御器19に送られるようになって
いる。制御器19は前記信号より判断して第2JT弁14の弁
開度を調節できるようになっている。また、制御器19は
入口弁14,出口弁７および第2JT弁14をそれぞれに開閉制
御可能になっている。
は入口弁４が設けられ、タービン出口配管６のタービン
５出口側には出口弁７が設けられている。またバイパス
流路13には第２のジュールトムソン膨張弁14（以下、
「第2JT弁」と呼ぶ）が設けられている。さらにタービ
ン出口配管６には圧力検出器17および温度検出器18が取
り付けられその信号は制御器19に送られるようになって
いる。制御器19は前記信号より判断して第2JT弁14の弁
開度を調節できるようになっている。また、制御器19は
入口弁14,出口弁７および第2JT弁14をそれぞれに開閉制
御可能になっている。
なお、図示を省略したが、この場合は、圧縮機20と制御
器19とを除く他の機器は真空断熱された空間に収納され
ている。
器19とを除く他の機器は真空断熱された空間に収納され
ている。
上記のように構成された装置により、圧縮機20で、例え
ば、16atm、300゜K（常温）に圧縮されたヘリウムガス
は、第１ないし第４の熱交換器21ないし24を通って予冷
され、高圧・低温のヘリウムガス（例えば16atm,10゜
K）となって第５熱交換器11の高温側に粒入する。第５
熱交換器11の高温側に流入したヘリウムガスは、熱交換
器11の高温側中間出口からタービン入口配管３へ流入す
る。通常運転状態において、第2JT弁14は閉じて、入口
弁４および出口弁７は開いてある。タービン入口配管３
に流入したヘリウムガスは、入口弁４で適当な圧力に調
整されて超臨界膨張タービン５に入り、断熱膨張を行っ
て温度，圧力が低下する。温度・圧力が低下した中圧ヘ
リウムガス（例えば4atm,6゜K）は出口弁７を経てター
ビン出口配管６を通り、第５熱交換器11の高圧側に戻っ
て低温側のヘリウムガスと熱交換してさらに温度が下が
る。温度が下がったヘリウムガスは、ジュールトムソン
膨張弁９を通過しながら等エンタルピー膨張（例えば、
1.2atm,4.4゜K）を行って液化する。液化したヘリウム
は冷凍負荷10を通過しつつ気化し、低圧ガス配管12,第
５の熱交換器11および第４ないし第１の熱交換器24ない
し21の低温側を通りなが、高温側を流れるヘリウムガス
と熱交換し、圧縮機20に戻って循環を繰り返す。超臨界
膨張タービン５は、ジュールトムソン膨張弁９よりも効
率の良い等エントロピー膨張を行うので、従来のように
ジュールトムソン膨張弁だけでヘリウムを液化させる装
置よりも効率良くヘリウムが液化される。
ば、16atm、300゜K（常温）に圧縮されたヘリウムガス
は、第１ないし第４の熱交換器21ないし24を通って予冷
され、高圧・低温のヘリウムガス（例えば16atm,10゜
K）となって第５熱交換器11の高温側に粒入する。第５
熱交換器11の高温側に流入したヘリウムガスは、熱交換
器11の高温側中間出口からタービン入口配管３へ流入す
る。通常運転状態において、第2JT弁14は閉じて、入口
弁４および出口弁７は開いてある。タービン入口配管３
に流入したヘリウムガスは、入口弁４で適当な圧力に調
整されて超臨界膨張タービン５に入り、断熱膨張を行っ
て温度，圧力が低下する。温度・圧力が低下した中圧ヘ
リウムガス（例えば4atm,6゜K）は出口弁７を経てター
ビン出口配管６を通り、第５熱交換器11の高圧側に戻っ
て低温側のヘリウムガスと熱交換してさらに温度が下が
る。温度が下がったヘリウムガスは、ジュールトムソン
膨張弁９を通過しながら等エンタルピー膨張（例えば、
1.2atm,4.4゜K）を行って液化する。液化したヘリウム
は冷凍負荷10を通過しつつ気化し、低圧ガス配管12,第
５の熱交換器11および第４ないし第１の熱交換器24ない
し21の低温側を通りなが、高温側を流れるヘリウムガス
と熱交換し、圧縮機20に戻って循環を繰り返す。超臨界
膨張タービン５は、ジュールトムソン膨張弁９よりも効
率の良い等エントロピー膨張を行うので、従来のように
ジュールトムソン膨張弁だけでヘリウムを液化させる装
置よりも効率良くヘリウムが液化される。
一方、超臨界膨張タービンの出口圧力が何らかの原因
で、例えば冷凍負荷の変動でヘリウムの臨界圧力Pc（＝
2.27atm）より低下し、出口温度が臨界温度Tc（＝5.2゜
K）より小さくなった場合は超臨界膨張タービンの回転
体内でヘリウムガスが部分的に液化してタービン出口圧
力の変動を引き起こしタービンの正常回転を妨げる、あ
るいはタービンの故障を引き起こす可能性がある。そこ
で、超臨界膨張タービン５の出口配管６に設けてある圧
力検出器17により出口圧力P2を測定、制御器19にてヘリ
ウムガスが液化する温度Ｔ＝ｆ（P2）を計算する。また
タービンの出口配管６に設けてある温度検出器18の信号
から超臨界膨張タービン５の出口温度T2がわかる。した
がって出口温度T2が液化温度Ｔより小さい場合にはヘリ
ウムガスが液化する。このような場合、制御器19より第
2JT弁14を適量に開く信号が第2JT弁に送られる。この場
合タービン入口弁４の開度は同じであるが、第2JT弁14
を開くことによって超臨界膨張タービン５へ流れるガス
流量が減少し、タービンの回転数が低下して超臨界膨張
タービン５の寒冷発生量が小さくなる。従って超臨界膨
張タービン５の出口温度は上昇する。出口温度T2が液化
温度Ｔより大きくなるまで、第2JT弁14を開くことによ
って超臨界膨張タービン５内でのヘリウムガス液化を防
ぐことができる。
で、例えば冷凍負荷の変動でヘリウムの臨界圧力Pc（＝
2.27atm）より低下し、出口温度が臨界温度Tc（＝5.2゜
K）より小さくなった場合は超臨界膨張タービンの回転
体内でヘリウムガスが部分的に液化してタービン出口圧
力の変動を引き起こしタービンの正常回転を妨げる、あ
るいはタービンの故障を引き起こす可能性がある。そこ
で、超臨界膨張タービン５の出口配管６に設けてある圧
力検出器17により出口圧力P2を測定、制御器19にてヘリ
ウムガスが液化する温度Ｔ＝ｆ（P2）を計算する。また
タービンの出口配管６に設けてある温度検出器18の信号
から超臨界膨張タービン５の出口温度T2がわかる。した
がって出口温度T2が液化温度Ｔより小さい場合にはヘリ
ウムガスが液化する。このような場合、制御器19より第
2JT弁14を適量に開く信号が第2JT弁に送られる。この場
合タービン入口弁４の開度は同じであるが、第2JT弁14
を開くことによって超臨界膨張タービン５へ流れるガス
流量が減少し、タービンの回転数が低下して超臨界膨張
タービン５の寒冷発生量が小さくなる。従って超臨界膨
張タービン５の出口温度は上昇する。出口温度T2が液化
温度Ｔより大きくなるまで、第2JT弁14を開くことによ
って超臨界膨張タービン５内でのヘリウムガス液化を防
ぐことができる。
また、超臨界膨張タービン５が故障した場合でも、ター
ビン入口弁４とタービン出口弁７を閉じれば、ヘリウム
が循環している配管系統4,7によって隔離されているの
で、超臨界膨張タービン５の修理交換が可能であり、修
理のために系統全体のヘリウムを置換する手間を省くこ
とができる。さらに、第2JT弁14を例えば超臨界膨張タ
ービン５と同じ膨張比程度で開けば、ヘリウムガスはバ
イパス配管13を通って、JT弁９を通り、冷凍負荷10に向
って流れる。したがって、定常状態よりも冷凍負荷10を
適当に減少させることができれば、２段のJT膨張を行う
ことによって効率良く（１段のJT膨張に比べて）ヘリウ
ムガスの液化を継続することができる。
ビン入口弁４とタービン出口弁７を閉じれば、ヘリウム
が循環している配管系統4,7によって隔離されているの
で、超臨界膨張タービン５の修理交換が可能であり、修
理のために系統全体のヘリウムを置換する手間を省くこ
とができる。さらに、第2JT弁14を例えば超臨界膨張タ
ービン５と同じ膨張比程度で開けば、ヘリウムガスはバ
イパス配管13を通って、JT弁９を通り、冷凍負荷10に向
って流れる。したがって、定常状態よりも冷凍負荷10を
適当に減少させることができれば、２段のJT膨張を行う
ことによって効率良く（１段のJT膨張に比べて）ヘリウ
ムガスの液化を継続することができる。
以上述べたように本実施例によれば、超臨界膨張タービ
ン５内でヘリウムガスが液化するような場合でも、容易
にヘリウムガスの液化を防止させる効果があり、超臨界
膨張タービンの故障を防ぐ効果がある。さらに、超臨界
膨張タービンが故障した場合でも、ヘリウムの液化を継
続できる効果があり、冷凍装置の信頼性を高めると共
に、冷凍機のメインテナンスを容易にする効果がある。
また、このときも、JT弁による２段膨張によって効率の
良い運転ができるという効果がある。
ン５内でヘリウムガスが液化するような場合でも、容易
にヘリウムガスの液化を防止させる効果があり、超臨界
膨張タービンの故障を防ぐ効果がある。さらに、超臨界
膨張タービンが故障した場合でも、ヘリウムの液化を継
続できる効果があり、冷凍装置の信頼性を高めると共
に、冷凍機のメインテナンスを容易にする効果がある。
また、このときも、JT弁による２段膨張によって効率の
良い運転ができるという効果がある。
なお、本実施例においては、冷凍負荷10を液体ヘリウム
タンク16内で超電導マグネット15によって気化された液
体ヘリウムを再凝縮する凝縮器としているが、これに限
られるものではない。
タンク16内で超電導マグネット15によって気化された液
体ヘリウムを再凝縮する凝縮器としているが、これに限
られるものではない。
また、バイパス配管13に設けた弁は、JT弁としている
が、通常の弁（以下、「バイパス弁」と呼ぶ）としても
良い。この場合、超臨界膨張タービン５内でヘリウムガ
スぎ液化する場合は前述と同じように制御器19によりバ
イパス弁を開く（通常は閉じている）ように調節する。
この場合も、タービン入口弁４の開度は同じであるが、
バイパス弁を開くことによって超臨界膨張タービン５へ
流れるガス流量が減り、タービンの回転数が減少してタ
ービンの寒冷発生量は小さくなる。従ってタービンの出
口温度は上昇してヘリウムガスの液化が防止される。
が、通常の弁（以下、「バイパス弁」と呼ぶ）としても
良い。この場合、超臨界膨張タービン５内でヘリウムガ
スぎ液化する場合は前述と同じように制御器19によりバ
イパス弁を開く（通常は閉じている）ように調節する。
この場合も、タービン入口弁４の開度は同じであるが、
バイパス弁を開くことによって超臨界膨張タービン５へ
流れるガス流量が減り、タービンの回転数が減少してタ
ービンの寒冷発生量は小さくなる。従ってタービンの出
口温度は上昇してヘリウムガスの液化が防止される。
次に、本発明の第２実施例を第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し、説明
を省略する。なお、本図の１点鎖線で示された枠１は、
第１図の１点鎖線で示された枠１の範囲を示し、内部を
省略図示したものである。本図が第１図と異なる点は、
制御器19が圧力検出器17および温度検出器18の信号によ
ってタービン出口弁７を制御するようになっている点で
ある。なお、図示を省略したが、制御器19はタービン入
口弁4,タービン出口弁7,第2JT弁14の開閉を制御可能で
ある。
を省略する。なお、本図の１点鎖線で示された枠１は、
第１図の１点鎖線で示された枠１の範囲を示し、内部を
省略図示したものである。本図が第１図と異なる点は、
制御器19が圧力検出器17および温度検出器18の信号によ
ってタービン出口弁７を制御するようになっている点で
ある。なお、図示を省略したが、制御器19はタービン入
口弁4,タービン出口弁7,第2JT弁14の開閉を制御可能で
ある。
上記の構成において、超臨界膨張タービン５内でヘリウ
ムガスが液化する場合は、制御器19によりタービンの出
口弁７を閉めるように調整する。すなわち超臨界膨張タ
ービン５の出口配管６に設けてある圧力検出器17により
出口圧力P2を測定し、制御器19にてヘリウムガスが液化
する温度Ｔ＝ｆ（P2）を計算する。またタービンの出口
配管６に設けてある温度検出器18からの信号によりター
ビンの出口温度T2を検出する。出口温度T2が液化温度Ｔ
より小さい場合にはヘリウムガスが液化するので、この
場合、制御器19よりタービンの出口弁７の開度を絞る方
向の信号を送る。これにより、タービンの出口圧力P2は
上昇する。出力圧力P2が上昇すると、ヘリウムガスの液
化温度は高くなる。したがって出口温度T2が液化温度Ｔ
より大きくなるまで、超臨界膨張タービン５の出口弁７
を適当に絞ることによってタービン内でヘリウムガスの
液化を防ぐことができる。
ムガスが液化する場合は、制御器19によりタービンの出
口弁７を閉めるように調整する。すなわち超臨界膨張タ
ービン５の出口配管６に設けてある圧力検出器17により
出口圧力P2を測定し、制御器19にてヘリウムガスが液化
する温度Ｔ＝ｆ（P2）を計算する。またタービンの出口
配管６に設けてある温度検出器18からの信号によりター
ビンの出口温度T2を検出する。出口温度T2が液化温度Ｔ
より小さい場合にはヘリウムガスが液化するので、この
場合、制御器19よりタービンの出口弁７の開度を絞る方
向の信号を送る。これにより、タービンの出口圧力P2は
上昇する。出力圧力P2が上昇すると、ヘリウムガスの液
化温度は高くなる。したがって出口温度T2が液化温度Ｔ
より大きくなるまで、超臨界膨張タービン５の出口弁７
を適当に絞ることによってタービン内でヘリウムガスの
液化を防ぐことができる。
また、制御器19によって入口弁４および出口弁７を閉
じ、第2JIT弁14を開とすることにより、前記一実施例と
同様に超臨界膨張タービン５を切り離しても運転を継続
できる。
じ、第2JIT弁14を開とすることにより、前記一実施例と
同様に超臨界膨張タービン５を切り離しても運転を継続
できる。
以上述べたように本実施例によれば、前記一実施例と同
様に超臨界膨張タービン内でヘリウムガスが液化する場
合でも、容易にヘリウムガスの液化を防止させる効果が
あり、冷凍装置の信頼性を高めると共に超臨界膨張ター
ビンの故障を防ぐ効果がある。また、超臨界膨張タービ
ンが故障した場合でも、ヘリウムの液化運転を効率良く
継続できる効果がある。
様に超臨界膨張タービン内でヘリウムガスが液化する場
合でも、容易にヘリウムガスの液化を防止させる効果が
あり、冷凍装置の信頼性を高めると共に超臨界膨張ター
ビンの故障を防ぐ効果がある。また、超臨界膨張タービ
ンが故障した場合でも、ヘリウムの液化運転を効率良く
継続できる効果がある。
次に、本発明の第３の実施例を第３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し、説明
を省略する。なお、本図の一点鎖線で示された枠１は前
述の第２図の説明と同様である。本図が第１図と異なる
点は、制御器19が圧力検出器17および温度検出器18の信
号によってタービン入口弁４を制御するようになってい
る点である。なお、図示を省略したが、制御器17はター
ビン入口弁4,タービン出口弁7,第2JT弁14の開閉を制御
可能である。
を省略する。なお、本図の一点鎖線で示された枠１は前
述の第２図の説明と同様である。本図が第１図と異なる
点は、制御器19が圧力検出器17および温度検出器18の信
号によってタービン入口弁４を制御するようになってい
る点である。なお、図示を省略したが、制御器17はター
ビン入口弁4,タービン出口弁7,第2JT弁14の開閉を制御
可能である。
上記の構成において、超臨界膨張タービン５内でヘリウ
ムガスが液化する場合は、制御器19によりタービン入口
弁４の開度を閉めるように調整する。すなわち、出口圧
力の圧力検出器17の圧力信号P2より、制御器19にてヘリ
ウムガスが液化する温度Ｔ＝ｆ（P2）を計算する。ま
た、温度検出器18からの信号によりタービンの出口温度
T2を検出する。出口温度T2が液化温度Ｔより小さい場合
には、出口温度T2が液化温度Ｔより大きくなるまで、タ
ービンの入口弁４を閉じる。タービンの入口弁４を絞る
ことによって、超臨界膨張タービン５へ流れるガス流量
が減り、タービンの回転数が減少して、タービンの寒冷
発生量は小さくなる。これにより、超臨界膨張タービン
５の出口温度は上昇して、ヘチウムが液化する臨界温度
（Tc＝5.2゜K）よりもタービン出口温度が上昇する。こ
こで制御器19に超臨界膨張タービン５の設計温度T2を設
定しておけば、入口弁４を調整して出口温度T2を設計温
度Tdに近づくように制御することもできる。
ムガスが液化する場合は、制御器19によりタービン入口
弁４の開度を閉めるように調整する。すなわち、出口圧
力の圧力検出器17の圧力信号P2より、制御器19にてヘリ
ウムガスが液化する温度Ｔ＝ｆ（P2）を計算する。ま
た、温度検出器18からの信号によりタービンの出口温度
T2を検出する。出口温度T2が液化温度Ｔより小さい場合
には、出口温度T2が液化温度Ｔより大きくなるまで、タ
ービンの入口弁４を閉じる。タービンの入口弁４を絞る
ことによって、超臨界膨張タービン５へ流れるガス流量
が減り、タービンの回転数が減少して、タービンの寒冷
発生量は小さくなる。これにより、超臨界膨張タービン
５の出口温度は上昇して、ヘチウムが液化する臨界温度
（Tc＝5.2゜K）よりもタービン出口温度が上昇する。こ
こで制御器19に超臨界膨張タービン５の設計温度T2を設
定しておけば、入口弁４を調整して出口温度T2を設計温
度Tdに近づくように制御することもできる。
また、制御器19によって入口弁４および出口弁７を閉
じ、第2JT弁14を開とすることにより、前記一実施例と
同様に超臨界膨張タービン５を切り離しても運転を継続
できる。
じ、第2JT弁14を開とすることにより、前記一実施例と
同様に超臨界膨張タービン５を切り離しても運転を継続
できる。
以上述べたように本実施例によれば入口弁を制御するこ
とによって、前記一実施例と同様に容易に超臨界膨張タ
ービン内でヘリウムガスの液化を防止させる効果があ
り、タービン出口温度を容易に設計温度に制御できる効
果もある。また、タービン故障時でもヘリウムの液化運
転を効率良く継続できる効果がある。
とによって、前記一実施例と同様に容易に超臨界膨張タ
ービン内でヘリウムガスの液化を防止させる効果があ
り、タービン出口温度を容易に設計温度に制御できる効
果もある。また、タービン故障時でもヘリウムの液化運
転を効率良く継続できる効果がある。
なお、これら１ないし３の実施例では、超臨界膨張ター
ビン５近傍の入口弁4,出口弁７または第2JT弁14を調整
して、超臨界膨張タービン５での液化を防止するように
しているが、第４図に示すように、第５熱交換器11より
も上流側、例えば、圧縮機20の吐出側からの常温・高圧
のヘリウムガスの一部を分岐し、弁28を介して超臨界膨
張タービン５の入口部につなげ、制御器19によって弁28
を制御するようにしても良い。この場合は、液化しそう
になれば弁20を開く方向に制御して、高い温度のヘリウ
ムガスを超臨界膨張タービン５に与えることによって出
口温度T2を液化温度Ｔよりも高くする。
ビン５近傍の入口弁4,出口弁７または第2JT弁14を調整
して、超臨界膨張タービン５での液化を防止するように
しているが、第４図に示すように、第５熱交換器11より
も上流側、例えば、圧縮機20の吐出側からの常温・高圧
のヘリウムガスの一部を分岐し、弁28を介して超臨界膨
張タービン５の入口部につなげ、制御器19によって弁28
を制御するようにしても良い。この場合は、液化しそう
になれば弁20を開く方向に制御して、高い温度のヘリウ
ムガスを超臨界膨張タービン５に与えることによって出
口温度T2を液化温度Ｔよりも高くする。
また、第５図に示すように、圧縮機20の吐出側に設けら
れた冷凍機入口弁29を制御器19によって制御するように
しても良い。この場合は、液化しそうになれば冷凍機入
口弁29を絞る方向に制御して、冷凍機全体の流量を減じ
て超臨界膨張タービン５での寒冷発生量を減少させるこ
とによって、出口温度T2を液化温度Ｔよりも高くする。
れた冷凍機入口弁29を制御器19によって制御するように
しても良い。この場合は、液化しそうになれば冷凍機入
口弁29を絞る方向に制御して、冷凍機全体の流量を減じ
て超臨界膨張タービン５での寒冷発生量を減少させるこ
とによって、出口温度T2を液化温度Ｔよりも高くする。
本発明によれば、超臨界膨張タービンで液化が生じよう
とした場合でも、タービンの出口圧力を大きくあるいは
タービンの寒冷発生量を低下させることができるので、
タービン内での液化を防止することができ、膨張タービ
ンの安定した運転を行なうことことができる効果があ
る。
とした場合でも、タービンの出口圧力を大きくあるいは
タービンの寒冷発生量を低下させることができるので、
タービン内での液化を防止することができ、膨張タービ
ンの安定した運転を行なうことことができる効果があ
る。
また、超臨界膨張タービンの休止時でも、冷凍機を停止
させることなくバイパス回路を介して効率の良い運転を
継続することができるという効果がある。
させることなくバイパス回路を介して効率の良い運転を
継続することができるという効果がある。
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
系統図、第２図ないし第５図は本発明のその他の実施例
を示す系統図である。 ４……入口弁、５……超臨界膨張タービン、７……出口
弁、13……バイパス配管、14……第2JT弁、17……圧力
検出器、18……温度検出器、19……制御器、28……弁、
29……冷凍機入口弁
系統図、第２図ないし第５図は本発明のその他の実施例
を示す系統図である。 ４……入口弁、５……超臨界膨張タービン、７……出口
弁、13……バイパス配管、14……第2JT弁、17……圧力
検出器、18……温度検出器、19……制御器、28……弁、
29……冷凍機入口弁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡本 和夫 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立製作所笠戸工場内 (72)発明者 松本 孝三 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立製作所笠戸工場内 (56)参考文献 特開 平１−150755（ＪＰ，Ａ)
Claims (6)
- 【請求項１】膨張弁の上流側に膨張タービンを有する極
低温冷凍装置において、前記膨張タービンの出入口側に
それぞれ弁を設けるとともに、該入口側の弁の上流側と
該出口側の弁の下流側とを連通するバイパス流路を設
け、該バイパス流路に弁を設けたことを特徴とする極低
温冷凍装置。 - 【請求項２】前記バイパス流路に設けた弁は膨張弁であ
ることを特徴とする請求項１記載の極低温冷凍装置。 - 【請求項３】請求項１記載の極低温冷凍装置において、
前記膨張タービンの出口側に圧力検出器と温度検出器と
を設け、該両検出器からの信号を受けて前記膨張弁、前
記バイパス流路の弁、前記出口側の弁、前記入口側の弁
または前記入口側の弁よりも上流側の弁のいずれかを制
御する制御手段を設けたことを特徴とする極低温冷凍装
置。 - 【請求項４】請求項１記載の極低温冷凍装置において、
前記入口側の弁よりも上流側で比較的温度の高い冷媒ガ
スを前記膨張タービンに供給する手段を設けるととも
に、前記膨張タービンの出口側に圧力検出器と温度検出
器とを設け、該両検出器からの信号を受けて前記手段の
供給量を制御する制御手段を設けたことを特徴とする極
低温冷凍装置。 - 【請求項５】膨張弁の上流側に膨張タービンを有する極
低温冷凍装置の運転方法において、前記膨張タービンを
バイパスするラインに弁を設けて、前記膨張タービンへ
供給される冷媒ガスの全部または一部を前記弁を介して
前記膨張弁に供給することを特徴とする極低温冷凍装置
の運転制御方法。 - 【請求項６】膨張弁の上流側に膨張タービンを有する極
低温冷凍装置の運転方法において、前記膨張タービンの
出入口側にそれぞれ弁を設け、該入口側の弁の上流側と
該出口側の弁の下流側とを連通する、弁を含むバイパス
流路を設け、前記膨張タービンの出口側に圧力検出器と
温度検出器とを設け、該両検出器からの信号を受けて前
記膨張弁、前記バイパス流路の弁、前記出口側の弁、前
記入口側の弁または前記入口側の弁よりも上流側の弁の
いずれかを制御することを特徴とする極低温冷凍装置の
運転制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1196578A JPH0794928B2 (ja) | 1989-07-31 | 1989-07-31 | 極低温冷凍装置およびその運転制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1196578A JPH0794928B2 (ja) | 1989-07-31 | 1989-07-31 | 極低温冷凍装置およびその運転制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0363465A JPH0363465A (ja) | 1991-03-19 |
| JPH0794928B2 true JPH0794928B2 (ja) | 1995-10-11 |
Family
ID=16360075
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1196578A Expired - Lifetime JPH0794928B2 (ja) | 1989-07-31 | 1989-07-31 | 極低温冷凍装置およびその運転制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0794928B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8683824B2 (en) | 2009-04-24 | 2014-04-01 | Ebara International Corporation | Liquefied gas expander and integrated Joule-Thomson valve |
| JP2022014450A (ja) * | 2020-07-06 | 2022-01-19 | 大陽日酸株式会社 | 制御方法、モデル予測制御装置及び液化装置 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2512041B2 (ja) * | 1987-12-07 | 1996-07-03 | 日本原子力研究所 | 極低温冷凍装置の運転制御方法 |
-
1989
- 1989-07-31 JP JP1196578A patent/JPH0794928B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0363465A (ja) | 1991-03-19 |
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