JPS62134462A - タ−ビン式膨張機の制御方法 - Google Patents

タ−ビン式膨張機の制御方法

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JPS62134462A
JPS62134462A JP27375585A JP27375585A JPS62134462A JP S62134462 A JPS62134462 A JP S62134462A JP 27375585 A JP27375585 A JP 27375585A JP 27375585 A JP27375585 A JP 27375585A JP S62134462 A JPS62134462 A JP S62134462A
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JP
Japan
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turbine
pressure
expander
inlet
temperature
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JP27375585A
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定男 佐藤
善裕 仲山
哲朗 松本
垣原 光喜
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Kobe Steel Ltd
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Kobe Steel Ltd
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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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、タービン式膨張機の制御方法に関し、1しこ
直列二段のタービン式膨張機で寒冷を発生するようにじ
だ循環回路を備えた電子制御ガス液化冷凍装置の起動時
におけるタービン式膨張機の制御方法に関するものであ
る。
〔従来技術〕
一般に、直列二段のタービン式膨張機を用いて寒冷を発
生する基本的な循環回路は、第5図ごこ示すように構成
されている。即ち、ヘリウムや水素などの冷媒容器51
からコールドボックス52内に配設された各熱交換器5
3〜57を経由して供給された冷媒を圧縮機58で加圧
し、この力n圧冷媒を前記熱交換器57を経由して一段
目と二段目のタービン式膨張機61・62に供給し、こ
れらタービン式膨張a61・62で冷媒に仕事をさせて
膨張させ、自らの温度を降下させるように構成されてお
り、この温度降下が発生寒冷と称されている。尚、ター
ビンが得た仕事はタービン軸と直結する制動ブロアまた
は発電機などく図示せず)で系外に取り出される。
この循環回路のj1転を開始すると、上記寒冷によって
、この装置は常147tから設計温度まで順次冷却され
るが、その間の起動時間はできるだけ短くするのが好ま
しい。
ところで、この装置が到達する平衡終端温度は、供給さ
れる冷媒の圧力に対応じて一義的に定まり、それは圧力
が高い程、低い温度に達する。また、装置が平衡温度に
達するまでの801時間は、タービンが発生する寒冷量
に依存し、多いほど短時間で済むのである。
然るに、寒冷量Qは、 Q=に、  ・Pi−f〒1・f (π)で与えられる
。ここで、K、は定数、P iは入口圧力、Tiは入口
温度、f (π)はπの増加に従って増加する函数、π
は膨張機の圧力比(=Pi/Pe)、Peは出口圧力で
あり、Peはほぼ一定である。
上式から、起動開始直後でTiの高い時にPiやπを大
きくすればQが大となることが認、められる。即ち、起
動時間を短縮するには、寒冷量Qを増加すべくタービン
入口圧力P1を高くすればよいのである。
しかし、タービン式膨張機では温度の高い起動の初1す
jからタービン入口圧力を高くすると、設計速度を越え
るような高速度となって不都合である。
!+1ち、1(11阿りJ)o 7 ノir4費動力B
 ハ、B=に2 ・γ・N3 で与えられ、ここてに2は定数、Tはブロア循環ガスの
比重量、Nはタービン・ブロア軸の回転数である。
上記Qはタービンの吸収動ノjでもあるから、Q=Bと
すると、 N3−に3 ・ (Pi−、/′rT/T)・f (π
)(K、は定V!、) となり、Ti−Pi及びπ (=Pi/Pe)が高い程
高速になるため、Piが高くなると著しく高速になるの
である。
しかるに、タービンには回転体の遠心力強度や、軸受の
流体動力学的な力にょる軸振動に基づく上限回転数が存
在するので、設計速度を上回って運転することは避けな
ければならない。そして、その危険が最も大きいのが上
記の如く温度の高い起動時なのである。
一方、装置が設計平衡温度に達している液化冷凍運転中
は、危険が少なく多少の回転変動も許容できる。そのた
め、従来の液化冷凍装置では、一般の原動機のような複
雑高価なガバナなどの回転数制御器は設置されておらず
、圧力制御弁などで対処しているのである。
従って、従来は起動時間が短くなるように制御しようと
すると、設計速度を上回って屡々タービンが損傷したり
、逆に徒に起動時間を長くとるなどの不都合を招来して
いた。
〔発明の目的〕
本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされた
ものであって、起動時間を最も短くできるとともに、過
速度にならずに安定した起動が簡隼な構成で可能となる
タービン式膨張機の制御方法の提供を目的とするもので
ある。
〔発明の構成〕
本発明に係るタービン式膨張機の制御方法は、直列二段
のタービン式膨張機で寒冷を発生ずるようにされた循環
回路において予め設定された制御パターンにより、一段
目のタービン式膨張機の入口圧力を圧力制御J11弁で
制御するタービン式膨張機の制御方法において、一段目
のタービン式膨張機の入口温度に応じて前記制御パター
ンを変化させ、この一段目のタービン式膨張機の入口温
度に応じて二段目のタービン式膨張機の入口圧力を制御
することにより、タービンの入口温度毎にタービンの入
口圧力の制御パターンを変更してタービンが過速度を生
しない範囲で許される限りタービン入口圧力を高くとる
ようにしたことを特徴とするものである。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を第1図〜第4図に基づいて説
明する。第1図及び第2図において、液体ヘリウム等の
冷媒を収容した冷媒容器1がら直接あるいは熱負荷2を
介して得られたガス冷媒は、コールトポ・ノクス3内に
配設された各熱交換器5〜9を通る吸込ライン4を経て
圧縮機10に供給される。この圧縮機10で圧縮された
冷媒は、前記熱交換器9を介して一段目のタービン式膨
張機11に入り、さらに前記熱交換器7を介して二段目
のタービン式膨張機12を経て前記吸込ライン4に還流
して循環する。また、前記熱交換器9を出た冷媒の一部
は、戻しライン13を通り、前記熱交換器8〜5及びそ
の出口端に設けられた制411弁14を経て前記冷媒容
器1に戻るように構成されている。前記一段目のタービ
ン式膨張機11の入口には入口圧力制御弁15が配設さ
れ、さらにその手前に入口温度検知器16が配設されて
いる。また二段目のタービン式膨張機12の入口には入
口圧力検知器17が配設されている。前記入口温度検知
Jj16と入口圧力検知器17の出力信号は、A/Dコ
ンバータ19を介してマイクロコンピュータ18に入力
され、その出力が前記入口圧力制御弁15のアクチュエ
ータ15aに入力されている。また、マイクロコンピュ
ータ18の出力は、戻しライン13の出口端に配設され
た制御弁14及び圧縮機10に並列に介装された容量制
?′IIl弁20のアクチュエータ20aに入力されて
いる。
次に作用を説明する。前記マイクロコンピュータ18は
、起動時に第3図(a)(b)に示すような制御パター
ンとなるように構成されている。
第3図(a)はタービン入口温度とタービン入口圧力の
制御特性を示し、図中、a−c−e曲線はタービン入口
圧力に対応する平衡終端入口温度曲線、b−d−1曲線
はその許容上限速度に対応する昇圧比を示す曲線である
。また第3図(b)はタービン入口温度とタービン回転
速度の制御特性を示し、図中、a′−a′−e′凸曲線
平衡純情入口温度に於けるタービン速度曲線、b’ −
d’−f’曲線はタービン許容上限速度曲線である。
ここで、起動開始時に、圧力一温度がa点、回転速度一
温度がa′点にあるとき、入口圧力制御弁15を開いて
圧力をb点の状態にすると、回転速度はb′点の最高速
度になる。このまま圧力を維持しつつ冷却を続けると、
温度は0点、速度は低下してC′点の値となり、次の平
衡終端温度に到達する。このように温度a点に対してパ
ターンa −+ b −cにしたがってタービン入口圧
力を制御し、次いで同様に、温度Cに対してパターンC
−4d −+ eにしたがってタービン入口圧力を制御
し、以降これを繰り返すことによって最終の設計温度・
圧力に到達するのである。
この制御パターンによれば、タービン入口圧力を可能な
限り高くとるとともに平衡温度への到達の如何によって
制御しているので、半端な圧力で平衡温度以下への到達
を目指して無駄な待ち時間を費やすことがなくなり、こ
れにより起動時間の短縮が図れるのである。
尚、さらにタービン速度がパターンb’ −d’−f’
にしたがって常に最大値を保つように、タービン入口温
度にしたがってタービン入口圧力がパターンb−d−1
に沿って連続的に変化するように制御すれば、冷却時間
を極限まで短縮することかできる。
上述では説明を簡単にするため、タービン式膨張機の台
数を無視して説明したが、具体的には起動時にも高圧段
と低圧段の直列二段として運転している。その際、両タ
ービン式膨張機11・12における第3図(a)のパタ
ーンを比較してタービン許容上限速度に対応する許容昇
圧比がより低い方のパターンを採用している。また、制
御対象としては、二段目のタービン式膨張機12の人口
圧力、あるいはこれから一義的に決まる二段目のタービ
ン式膨張機12の圧力比(入口圧力を出口圧力で除した
もの)を採用している。その理由は次の通りである。即
ち、第4図に示すように、入口圧力の変化に対して一段
目のタービン式膨張機11の圧力比は、圧力が極(低い
ときを除いて殆ど一定値であるが、二段目のタービン式
膨張if2の圧力比は全範囲にわたってリニヤに変化す
る。従って、タービンの入口圧力を制御するには、二段
目のタービン式膨張機12の圧力比を選ぶことによって
感度の高い制御が可能となるからであり、さらに二段目
のタービン式膨張機12の出口圧力は圧縮[10の吸込
圧力にほぼ等しく、常に一定であるから、二段目圧力比
に代えて入口圧力を採用しても同じ効果が得られるので
ある。
なお、第4図に示すように2台のタービン式膨張機の圧
力比が顕著に異なる理由は、両タービン式膨張機はそれ
ぞれの推力軸受負荷容量の限界からそのタービンの入口
と出口の差圧をほぼ同一になすべく設計されているため
、圧力比としては高圧の一段目のタービン式膨張機11
の圧力比が著しく低くなる結果として現れるものである
かくして、一段目のタービン式膨張機11の入口温度に
応じて二段目のタービン式膨張機12の入口圧力を制御
し、タービンの入口温度毎にタービンの入口圧力の制1
111パターンを変更することにより、タービンが過速
度を生じない範囲で許される限りタービン入口圧力を高
くとることができる。
これにより、高価で複雑なガバナを採用することなく、
1つの圧力側Jffll弁15によって感度よくかつ2
台のタービン式U張に〕、・12の挙動を同時にかつ安
定じて安全C:制?ff1lする二とが可能となるので
ある。
〔発明の効果。
本発明のタービン式膨張機の制御方法によれば、以上の
ように、一段目のタービン式膨張機の入口1υ、度に応
、して二段目のタービン式膨張機の入口圧力を制御する
ことにより、タービンが過速度を生じない範囲で許され
る限りタービン入口圧力を高くとることができる。従っ
て、起動時間を短(できるとともに過速度にならずに安
定した起動が可能となり、しかも高価で複雑なガバナな
どを必要とせずに簡単な構成で済むという優れた効果を
奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の概略構成図、第2図は制御
部の要部構成図、第3図(a)(b)はそれぞれタービ
ンの入口温度と入口圧力及び入口温度と回転速度の関係
を示す制御特性図、第4図はタービンの入口圧力とター
ビンの圧力比の関係を示す特性図、第5図は従来例の基
本構成を示す概略図である。 10は圧縮機、11は一段目のタービン式膨張機、12
は二段目、のタービン式膨張機、15は入口圧力制御弁
、16は入口温度検知器、17は入口圧力検知器、18
はマイクロコンビュータテする。 特許出願人  株式会社 神戸製鋼所 −会司目夕−こン入ロ五7′3(’10)第2図 矢1簀2”3 ターヒ゛ン入ロ呈/l(0に)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1、直列二段のタービン式膨張機で寒冷を発生するよう
    にされた循環回路において予め設定された制御パターン
    により、一段目のタービン式膨張機の入口圧力を圧力制
    御弁で制御するタービン式膨張機の制御方法において、
    一段目のタービン式膨張機の入口温度に応じて前記制御
    パターンを変化させ、この一段目のタービン式膨張機の
    入口温度に応じて二段目のタービン式膨張機の入口圧力
    を制御することを特徴とするタービン式膨張機の制御方
    法。
JP27375585A 1985-12-05 1985-12-05 タ−ビン式膨張機の制御方法 Granted JPS62134462A (ja)

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JPH0317062B2 JPH0317062B2 (ja) 1991-03-07

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JP27375585A Granted JPS62134462A (ja) 1985-12-05 1985-12-05 タ−ビン式膨張機の制御方法

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017524101A (ja) * 2014-07-08 2017-08-24 リンデ アクチェンゲゼルシャフト 一連の極低温圧縮機における流体の圧力及び温度制御のための方法
WO2025115626A1 (ja) * 2023-11-28 2025-06-05 三菱重工業株式会社 冷却装置、および冷却装置の運転方法

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JPH0317062B2 (ja) 1991-03-07

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