JPS58148365A - 極低温液化冷凍装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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＋冷凍運転の各樵運転モードを必要
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［（−２７３℃）に近い温ＩＩｊＬ
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＋？１？！
凍運転の各種運転モードが一つの＊ｔでできることが必
要になってきた。

１！Ｊ１図は、超電導マグネッ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イヒ冷凍機
１０に導かれ、＄１熱交換器１１Ａ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
３、）で冷却され、一部のガスは等エントロピー膨張に
よって寒冷を発生させるｌＮ１１ｍ！ｉタービン１３Ａ
に導かれ、温度降下した後ＩＪａ熱交換１１１１０で戻
りガスによってさらに冷却された後第２ｊ１張タービン
１３Ａに入り、勢エントロピー１３　Ｂに入り、等エン
トロピー膨張により温度降下し導管園を通って戻りガス
に合流する。

第１熱交換器１１人で冷却された残りのガスは、第２熱
交換器１１Ｂ、第３熱交換器１１ｃ、第４熱交換器１１
Ｄ、第５熱交換器１１　Ｅによっ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
気液混相状態となって気液分離器正に導かれる。

気液分離器ルに導かれた気液混和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２４Ａを通り超電導
マグネット３２を内蔵したクライオスタット３０に送ら
れ、り２イオスタツト内檜Ｊ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ット諺の電力
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２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を通り液化冷凍４１１
ｉｏに戻り、気液分離器ルで気液分離されたガスと合流
し第５熱交換器１１　Ｍで熱交換することによって寒冷
）回収を行ない、第２ｊｌ！ｌ／−ビン１８ＢのＩｔｌ
ガスと合流して第４熱交換器１１Ｄ、第３熱交換器１１
Ｃ，１１２熱交換器１１Ｂ、第１熱交換器１１Ａで順次
寒冷を回収し、常温に戻った後圧縮機ｌの吸入側に戻る
。中圧タンク２は系内ガスのクッション用として使用さ
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１０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、この場合前者は冷凍運転に
対応し、後者は液化運転に対応する。

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金〈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ＩＩｉ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．
　２ｇ１張タービン１３Ａ、１３Ｂの大口弁戎は全開と
し、冷凍運転時にはＪ−Ｔ弁１４の開度な上げると共に
大口弁νの開度な下げていた。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７０１（液化運転時１６　ａｔｍとすれ
ば冷凍運転特約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った
。

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中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（［化２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ってい
るため入口の温ｔＬ、圧力によって自動的に決まる。

したがって、一定の圧縮機流量のもとで、冷凍這マ 転モード時膨張タービン流量を減らずために従来大口弁
にて調整していた。

本発明は、圧縮機吐出圧力を膨張タービン流量に見合う
条件に制御するようにしたもので、それによりガス分配
を良好に行なうことができ、かつ、圧縮機吐出圧力を下
げるため一定流量のもとで圧縮機の消費動力を減らすこ
とができる。

ｉＪ２図は極低温液化冷凍機のエネルギー収支を示すＴ
−８＠図（温度−エントロピー線図）である。以下、第
１図、第２図によっ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
圧真の等圧線５０Ｂに沿って５人から１６人まで冷却さ
れ、＠ｉ、２膨張タービン１３Ａ、１３ＢとＪ−Ｔ弁１
４とに分配され、第１，２膨張タ一ビン１３人、１３Ｂ
に導かれたガセはｖＨ１膨張膨張ターエフ１３人６Ａか
ら１８Ａ、！Ｊ２膨張タービンＢで１９人から２［ＩＡ
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に沿って９人から６Ａｔで第４熱交換器１１月
、第３熱交換器１１Ｃ１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用のガスはさらに勢圧線５０Ｂに沿
って１６ＡからｍＡｔで第２熱交換器１１Ｂ、第３熱交
換器ｕＣ，第４熱交換器１１Ｄ、第５熱交換器１１　Ｂ
で冷却され、Ｊ−Ｔ弁１４で等エンタルピーｌ［５６に
沿っ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１３Ａ、１
３Ｂの流量を減らすため、！ｓｌ熱交換器１１Ａ優こて
冷却された１６Ａから従来は大口弁戎で１６Ａ′まで圧
力を絞っていたのに対し、本発明では圧縮機１の吐出圧
力を５人から５人′に下げる。したがって、極低温液化
冷凍機ｌＯに導入された高圧ガスは新しい等圧線５０Ｂ
’に沿って５Ａ’から１６Ａ′まで冷却されること膓こ
なり、大口弁Ｕ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。

さらに、本発明の特徴は第５熱交換器１１ＥＩ（Ｊ−Ｔ
熱交換器）に関するものである。一般に、熱交換器の仕
様（直接的には伝熱面積）は熱交換量を温度差で割った
値で評価される。すなわち、一定の熱交換を行なう場合
には温度差の大きい方が必要伝熱面積は少なくて良い。

また、熱交換量はエンタルピー差に流量を乗じたもので
ある。一方、Ｊ−Ｔ弁１４は等エンタルピー膨張を行な
うため、等エンタルピー線のどの点から膨張しても最終
的な条件の液化率困は変らない。以上のことから、等エ
ンタルピー線が右上りになっている温度、圧力条件で使
用するのは、第５熱交換器１１　Ｅｌに無駄な負荷をか
けることになる。液化運転の場合には戻り低温ガスが少
いためＪ　−Ｔ弁１４の入口ガス温度は高く、等エンタ
ルピー線が右上りの領域に入る区間は少いのに対し、冷
凍運転の場合はＪ−Ｔ弁１４の入口ガス温度が低いため
等エンタルピー線の右上りの領域に入る区間が多くなり
、液化運転に比較し高圧側圧力を低い条件で使用するこ
とは第５熱交換器１１　Ｅｌにとっても良い方向になる
ことである。

液化運転、冷凍運転および液化中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図によって説明する
。負荷条件設定器φによって負荷条件を設定し、この負
荷条件によって制御器Ｃは前取っ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８の設定圧力を変更し、Ｊ−Ｔ９Ｐ１４の開
度をも所定値に変更する。以上によって基本的操作と制
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うことが望ましく、この場合
には！５２ｊ１１張タービン１３Ｂの出口温度およびＪ
−Ｔ弁１４人口温度を制御対象とし、大ロ弁ｕ、Ｊ−Ｔ
弁１４によって微少制御を行なうのが望ましい。

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の大口弁
７を使用することも可能で、第５熱交換器１１Ｆｆの特
性から極低温液化冷凍機ｌＯ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
使用することによっ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自
てエネルギー効率を上げることができる。さらに、制御
装置を付加することによって、各運転モードに対応した
適切な運転条件な容品に実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は超電導マグネッ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−８ＩＩＡ図である。 １・・・・・・圧縮機、２・曲・中圧タンク、１０・・
相極低温液化冷凍機、１３Ａ・・・・・・第１膨張ター
ビン、１３　Ｂ・・・・・・第２膨張タービン、１４・
・・・・・Ｊ−Ｔ弁、巧・・開気液分ｌＩｌ器、Ｉ・叫
クライオスタット、〜・・面層電導マグネット、ω・曲
・負荷条件設定器、４２曲・・制御器、５０Ａ・・・・
・・低圧側等圧線、５０Ｂ・・・・・・高圧側等圧線、
５１・・・・・・気液平衡曲線ｆ１図 ノ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、　圧縮機と、圧縮機によって圧縮された高圧ガスの
   一部に断熱膨張時外部仕事をさせ寒冷を発生させる膨張
   タービンと、圧縮機によって圧縮されたその他の高圧ガ
   スを逆転温度以下に冷却するための熱交換器と、逆転温
   度以下に冷却された高圧ガスを断熱膨張させ極低温冷媒
   を発生させる膨張弁と、中圧タンクと、中圧タンクを介
   して高圧ガスと低圧ガスの圧力制御を行なう制御弁より
   なる極低温液化冷凍装置において、液化運転、冷凍運転
   および液化＋冷凍運転の各運転条件に合わせ圧縮機の吐
   出圧力を変えるようにしたことを特徴とする極低温液化
   冷凍装置の運転方法。