JPH10111032A - 気体圧縮法 - Google Patents

気体圧縮法

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JPH10111032A
JPH10111032A JP27498897A JP27498897A JPH10111032A JP H10111032 A JPH10111032 A JP H10111032A JP 27498897 A JP27498897 A JP 27498897A JP 27498897 A JP27498897 A JP 27498897A JP H10111032 A JPH10111032 A JP H10111032A
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JP
Japan
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compression stage
compression
gas
pressure
helium
Prior art date
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Pending
Application number
JP27498897A
Other languages
English (en)
Inventor
Bruno Dr Ziegler
ブルーノ・ツィーグラー
Lutz Decker
ルッツ・デッカー
Andres Kuendig
アントレス・クェーンディッヒ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D23/00—Other rotary non-positive-displacement pumps
    • F04D23/001—Pumps adapted for conveying materials or for handling specific elastic fluids
    • F04D23/003—Pumps adapted for conveying materials or for handling specific elastic fluids of radial-flow type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Pumps (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 一定の圧力及び温度で時間的に変化する質量
流の気体を多段ターボ圧縮装置を用いた動的圧縮により
一定の最終圧にまで圧縮する方法を提供する。 【解決手段】 気体流が最大質量流である場合は主圧縮
段で最終圧まで到達せしめ、後圧縮段は迂回してその後
の使用に供する。最大質量流よりも減少した質量流の場
合は主圧縮段から後圧縮段に導いて最終圧にまで圧縮し
てからその後の使用に供する。圧縮すべき気体は極低温
の周囲圧以下の低圧状態にある。主圧縮段が多段構成で
後圧縮段が1つのターボ圧縮段のみを含むのがよい。縦
続圧縮段の間に段間冷却器または段間加熱器を含むこと
ができる。主圧縮段は、少なくとも多段運転の場合の初
段のターボ圧縮段に調速機を含む。圧縮すべき気体はヘ
リウムでよく、ヘリウム冷却装置またはヘリウム液化装
置用に好適である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、一定の圧力及び一
定の温度で時間的に変化する質量流の気体を主圧縮段と
後圧縮段とを含むターボ圧縮装置を用いて動的圧縮によ
り一定の最終圧にまで圧縮する気体圧縮法に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】請求項1の前文部分による方法は、ガイ
・ギストーベイガー(Guy Gisteau-Baguer)の報告「温度
2K近傍における高性能冷却:ICEC(International Cryo
genicEngineering Conference) 第16巻、1996年、北九
州市、日本」およびカウシュク(M.Kauschke)、ヘイバー
ストロー(C.Haberstroh)、クエイク(H. Quack)著「多段
低温圧縮装置の安全かつ効率的運転:CEC(Cryogenic Eng
ineering Conference)、1995年」の各文献で知られてい
る。
【0003】核工学研究装置の粒子加速器には、超伝導
磁気空洞共振器の冷却に必要な高性能の極低温冷却装置
が設置されている。この冷却はヘリウムのラムダ点(T
λ=2.17K)以下の温度、例えば2Kで行われる。
2Kにおけるヘリウムの蒸気圧は3129Pa(31mba
r)である。このようなヘリウム冷却装置では31mbar
のヘリウムを大気圧にまで圧縮しなければならない。こ
れは32:1の圧縮比に相当する。高い冷却性能の際に
あらわれる大きい質量流を圧縮するために、現状の技術
ではターボ圧縮装置を使用する。通例は5段の圧縮段が
必要である。低温圧縮機を使用すれば、相応して小さい
体積流で比較的小さいターボ圧縮機を使用することがで
き、また低温における比較的高い密度により1段あたり
の圧縮比を大きくすることができる。その上、低温圧縮
の場合は気体を周囲温度で温めて周囲を冷却する熱交換
器を一層簡単に構成できることは明らかである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】この場合の主な難点
は、全圧縮段の安定運転においてターボ圧縮機が気体流
入温度及び質量流を限られた程度にしか変化させ得ない
ことである。これは、冷却能力を低める場合、負荷を速
やかに変える場合、および上記のような冷却装置の冷却
過程において要求される大部分の運転方法に反する。大
気圧より遥かに低い場合でも、最終圧の変化を容認しな
ければならないことはよくある。これは、冷却装置の温
部分において、冷却循環系への好ましくない空気流の導
入を余儀なくされる恐れがある。部分負荷においては高
い圧力比を保証する容量動作圧縮機もよく使われるが、
これらは限定された質量流にのみ適する。または冷却能
力を低くした場合、より小さい質量流は付加的質量流に
よって補われ、それは冷却装置の全効率の低下をもたら
す。
【0005】したがって本発明の目的は上述の欠点を広
く克服することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、ターボ
圧縮装置における動的圧縮を次のように行うことであ
る。すなわち、導入される気体が最大質量流である場合
には気体を主圧縮段において最終圧に到達せしめ、後圧
縮段を迂回させてその後の使用に供する。その利点は、
主圧縮段の運転において熱力学的に充分に必要な最終圧
に達し、その際に後圧縮段は運転する必要がないことで
ある。最大質量流よりも減少した質量流の場合は気体が
後圧縮段に導かれ、そこで最終圧にまで圧縮され、それ
からその後の使用に供される。その利点は、この方法が
重要な部分負荷の場合にも熱力学的に満足のいくように
設計、運転できることである。この場合、後圧縮段は一
定の圧力比で気体を最終圧にまで圧縮する。圧縮された
気体は、更に圧力が低い後続の機械装置がより低い圧力
で吸引する。
【0007】本発明による方法は、圧縮すべき気体が極
低温の場合に用いて好適である。圧縮前の加熱は、温熱
圧縮機と結合した付加的熱交換器を必要とする。この温
熱圧縮機は、より大きい体積流のために遥かに大型でな
ければならない。
【0008】本発明による方法は、圧縮すべき気体の圧
力がその気体の沸騰圧と大気圧との間の低圧領域にある
とき、好適に用いられる。原理的に大きい体積流をもつ
この圧力領域では、ターボ圧縮機の使用時においてその
圧縮機のサイズが自由になるため使用領域はほとんど制
限されない。
【0009】本発明による方法において、主圧縮段を多
段で運転し、特に段間冷却器を使用することによって圧
縮効率が改善される。
【0010】本発明の多くの実施形態において、後圧縮
段は1段の圧縮段のみで行われる。そのため、部分負荷
の場合の運転のための付加的投資は非常に小さい。
【0011】ターボ圧縮装置は、本発明による方法にお
いては、次々に続くターボ圧縮段の間に段間冷却器また
は段間加熱器を含むのが好適である。それにより、装置
の運転は温度の適合及び調節によって安定に保たれる。
その上、段間冷却により経済的運転に必要なターボ圧縮
機の段数を少なくし、その構造サイズを縮小することが
できる。その他、圧縮装置の熱力学的効率が改善され
る。
【0012】本発明の方法では、主圧縮段には、特に多
段運転の場合の少なくとも第1段目に調速機を配設する
のが好適である。これは、特に2種類以上の運転法で運
転する場合に、負荷の変化および動的運転中に一定の最
終圧の設定および調節を可能にする。
【0013】本発明による方法において、圧縮すべき気
体はヘリウムでよい。この気体の場合、特にヘリウム冷
却装置またはヘリウム圧縮装置に本発明の方法を用いる
ときに、圧縮に際して非常に低い初期温度並びに非常に
低い初期圧で稼働可能となることが利点である。このた
めにも本発明による方法は上記のようにヘリウムの圧縮
に特に適している。特に、従来技術による方法を同様に
適用した場合に生ずる欠点を避けることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】本発明を図示の実施形態とともに
以下に詳細に説明する。図1は、本発明による方法の実
施形態の一例をヘリウム冷却装置用の圧縮システムを例
にして模式的に示した流れ図である。
【0015】図示の圧縮システムは、図示しないヘリウ
ム冷却装置の1部を構成し、縦続接続された複数のター
ボ圧縮機からなる多段ターボ圧縮装置として運転され
る。この圧縮システムは、主圧縮段を構成するターボ圧
縮機C1〜C4、主圧縮段中のターボ圧縮機C2の後段
の段間冷却器3、後圧縮段を構成するターボ圧縮機C5
及びこの後圧縮段C5の迂回路5からなる。今、入口に
導入される気体が極低温のヘリウム流1で100g/s
の質量流であるとすると、このヘリウム流は圧力31mb
arおよび温度2Kで初段のターボ圧縮段階C1に達し、
次いで第2段目のターボ圧縮機C2に達し、約6mbarの
中間圧力で導管2を介して段間冷却器3に入り、これに
よって安定な中間温度に調節される。そこからヘリウム
流4は第3段目と第4段目のターボ圧縮機C3及びC4
に導かれて1bar の最終圧に圧縮されたのち、ターボ圧
縮機C5による後圧縮段に導かれることなく迂回路5を
通って出口のヘリウム流6として図示しないヘリウム冷
却装置の冷却循環系に導かれる。一方、入口のヘリウム
流1が上述と同じ圧力及び温度で80g/sの質量流で
ある部分負荷運転の場合には、ターボ圧縮機C1とC2
の運転特性曲線に応じて中間のヘリウム流4には6mbar
未満という低下した中間圧力があらわれる。次いでター
ボ圧縮機C3とC4で到達する圧力は1bar 未満であ
り、この場合は迂回路5が弁で遮断されて後圧縮段であ
るターボ圧縮機C5でヘリウム流が1barの最終圧に圧
縮される。
【0016】主圧縮段の初段ターボ圧縮機C1は調速機
付きのものである。これによって部分負荷運転への移行
時、およびヘリウム冷却装置の動的運転の際に出口のヘ
リウム流6が常に一定の最終圧1bar に到達するように
調節が行われる。
【0017】
【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば、
ターボ圧縮装置における動的圧縮において導入される気
体が最大質量流である場合には主圧縮段の運転で熱力学
的に充分に必要な最終圧に達し、後圧縮段は運転する必
要がなく、また最大質量流よりも減少した質量流の場合
は後圧縮段で最終圧にまで圧縮されるので部分負荷の場
合にも熱力学的に満足のいくように設計、運転でき、特
に主圧縮段を多段で運転して段間冷却器を使用すると圧
縮効率も改善できるほか、多段構成のターボ圧縮装置に
段間冷却器または段間加熱器を併用して負荷の変化を伴
う冷却装置の安定運転を実現でき、さらには、段間冷却
により経済的運転に必要なターボ圧縮機の段数を少なく
してその構造サイズを縮小することも可能である。
【図面の簡単な説明】
図1は、ヘリウム冷却装置用の場合の本発明による圧縮
方法の実施形態を模式的に示す流れ図である。
【符号の説明】
C1,C2,C3,C4:主圧縮段のターボ圧縮機 C5:後圧縮段のターボ圧縮機 1:入口のヘリウム流 2:導管 3:段間冷却器 4:中間のヘリウム流 5:迂回路 6:出口のヘリウム流
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アントレス・クェーンディッヒ スイス国 8706 マイレン、アルテラント シュトラーセ 74

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 主圧縮段と後圧縮段とを含むターボ圧縮
    装置を用いた動的圧縮により、一定の圧力及び温度で時
    間的に変化する質量流の気体を一定の最終圧まで圧縮す
    る方法であって、前記気体が最大質量流の場合は主圧縮
    段で最終圧に到達せしめるとともに後圧縮段を迂回して
    その後の使用に供し、最大質量流よりも減少した質量流
    の場合には主圧縮段から後圧縮段に導いて該後圧縮段で
    最終圧まで圧縮してからその後の使用に供することを特
    徴とする気体圧縮法。
  2. 【請求項2】 圧縮すべき気体が極低温状態にあって低
    温圧縮が行われることを特徴とする請求項1に記載の方
    法。
  3. 【請求項3】 圧縮すべき気体の圧力が沸騰圧と大気圧
    との間の低圧領域にあることを特徴とする請求項1また
    は2に記載の方法。
  4. 【請求項4】 主圧縮段が多段階で行われることを特徴
    とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
  5. 【請求項5】 後圧縮段が1つのターボ圧縮段を含むこ
    とを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の方
    法。
  6. 【請求項6】 ターボ圧縮装置が縦続圧縮段中に段間冷
    却器または段間加熱器を含むことを特徴とする請求項1
    〜5のいずれか1項に記載の方法。
  7. 【請求項7】 主圧縮段が少なくとも多段運転の場合の
    初段のターボ圧縮段に調速機を含むことを特徴とする請
    求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。
  8. 【請求項8】 圧縮すべき気体がヘリウムであることを
    特徴とする請求項1に記載の方法。
  9. 【請求項9】 ヘリウム冷却装置またはヘリウム液化装
    置に対する請求項2〜7のいずれか1項に記載の方法の
    使用。
JP27498897A 1996-09-27 1997-09-24 気体圧縮法 Pending JPH10111032A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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DE19639733.2 1996-09-27
DE1996139733 DE19639733A1 (de) 1996-09-27 1996-09-27 Verfahren zum Verdichten eines Gases

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