JPS6280456A - 極低温冷凍装置およびその運転方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は極低温冷凍装置およびその運転方法に係り、寒
冷発生源として膨張タービンを使用した極低温冷凍装置
およびその運転方法に関するものである。

〔発明の背景〕

従来の装置は、極低温冷凍装置の起動運転時において、
第１段目の膨張タービンの入口圧力を膨張タービンの入
口部の圧力調整弁の操作によって調整して行っていた。

この場合、膨張タービンの形式および容量等によってそ
の圧力を変える必要があり、げた、第１段目の膨張ター
ビンの入口圧力が起動時において、２１’９／ｃｒＩ前
後の低い圧力で運転する必要がある場合には、膨張ター
ビンの入口部の圧力調整弁だけの操作では微小な圧力調
整ができず、冷凍機の入口部の圧力調整弁も一緒に操作
して圧力調整をする必要があった。これらの操作は、圧
力計等を見ながらの手動操作であり、起動運転時の繁雑
な操作においては、大変な労力を要していた。

なお、二の種の装置として関連するものには例えば、特
開昭５５−４９６６４号公報等がある。

〔発明の目的〕 本発明の目的は、極低温冷凍装置ｎの起動運転時の圧力
調整を自動化することで、起動運転の繁雑さを省（とと
もに、運転を正確に行うことのできる極低温冷凍装置お
よびその運転方法を提供するものである。

〔発明の概要〕

膨張タービン起動時は、第１段目の膨張タービンおよび
第２段目の膨張タービンのシリーズ配置による協調運転
が問題である。起動時は、第２段目の膨張タービンの方
が過回転になりやすいので、第１段目の膨張タービンの
入口圧力を抑える必要がある。この圧力は膨張タービン
が冷えるに従い上昇させていき、定常運転時には、定圧
力をかける。膨張タービンは定常運転時に最高効率を出
すように設計されているので、起動予冷の非定常時は、
仕事量が大きく、膨張タービン人口圧力を抑え、冷却に
従い段階的に圧力を増やしていくことになる。

また、膨張タービン入口部の圧力調整弁は、定常運転時
において、定格流量が一定、圧力変位ができるだけつか
ぬよう口径を定めているので、膨張タービン起動時にお
いて、膨張タービン人口弁で大きな圧力調整をとること
は弁のレンジビアリテイから難しい。そのため、冷凍機
入口部の圧力調整弁を絞って、膨張タービン入口部の圧
力調整弁で更に絞る二段調節を行なっている。これらの
一連の操作を手動でやるのは繁雑で、誤操作につながる
ので、制御装置を使って、制御するものである。

本発明は、冷媒ガスを圧縮循環させる圧縮機と、複数の
熱交換器および複数の膨張タービンから成り前記圧縮機
で圧縮された高圧冷媒ガスを導入し極低温冷媒を生成す
る冷凍機とから成る極低温冷凍装置において、前記冷凍
機と前記圧縮機との間に第１の圧力調整計を設け、該第
１の圧力調整計の高圧冷媒ガス入口部に前記第１の圧力
調整計と連動した第１の圧力調整弁を設け、前記冷凍機
内の第１段目の膨張タービン入口部に第２の圧力調整計
と温度計とを設け、該第２の圧力調整計と連動した第２
の圧力調整弁を設け、前記温度計に接続され前記温度針
で測定した温度に応じて前記第１および第２の圧力調整
計な設定値に制御する制御装置を備えたことを特徴とし
、冷媒ガスを圧縮循環させて、膨張タービンで断熱膨張
させ寒冷を発生させるとともに、熱交換器で熱交換させ
たがら極低温冷媒を生成する工程において、高圧冷媒ガ
スの第１段目の膨張タービン入口部の温邸を測定する工
程と、該測定値を制御装置に入力する工程と、前記制御
装置から前記温変に応じて高圧冷媒ガスの前記冷凍機入
口部および前記第１段目の膨張タービン入口部の圧力を
設定値にするための制御指令を出力する工程と、該制御
指令によって圧力調整弁を設定値に調整する工程とを有
することを特徴とし、極低温冷凍装置の起動運転時の圧
力調整を自動化することで、起動運転の繁雑さをご 省くとともに、運転を正確に行えるようにしだもへ のである。

〔発明の実施例〕 以下、本発明の一実施例を第１図と第２図とにより説明
する。

１は圧縮機で、冷媒ガス例えばＨｅガスを高圧に圧縮し
て、高圧ライン囚、中圧うイン冴および低圧ラインきを
循環させる。２は中圧タンクで、高圧ラインおおよび低
圧ライン６内のＨｅガス圧力の調整用のタンクである。

３，４は圧力調整弁で、圧力調整弁３は高圧ライン乙の
圧力が所定の圧力より高い場合に作動（）て中圧タンク
２にＨｅガスを逃がすもので、圧力調整弁４は低圧ライ
ン５の圧力が所定の圧力より低い場合に作動して中圧タ
ンク２からＨｅガスを供給するものである。５は圧力調
整弁で、高圧ラインｎの冷凍機１３への入口部に設けら
れ、高圧ラインｎの圧力調整を行う。６は圧力調節計で
、圧力調整弁５の後側に設けられ、圧力調整弁５を連動
して、圧力調整弁５の圧力設定を行う。７は液体窒素供
給管で、熱交換器８に通され、起動運転時に熱交換器８
を冷やし、高圧ライン列の高圧Ｈｅガスを冷やす。８〜
１２は熱交換器で、高圧ライン塾と低圧ライン肪との熱
交換をさせて、低圧ライン５によ〕て高圧ライン幻を冷
やす。１３は冷凍機で、熱交換器８〜１２と膨張タービ
ン１７および１８とジュールトムソン弁１９とから成り
、内部を真空断熱している。１４はトランスファーチュ
ーブで、冷凍機１３とデユワ−１５とを真空断熱パイプ
で継いだものである。デユワ−１５は、この場合被冷却
体で、クライオスタット等でも良い。

デユワ−】５は冷凍機１３で生成した液体ヘリウムを貯
蔵するものである。１６は圧力調整弁で、高圧ライン久
から分岐した中圧ライン冴の第１段目の膨張タービン１
７の入口部に設けられ、中圧ライン冴の膨張タービン１
７に入る前の高圧Ｈｅガスの圧力調整を行う。１７．１
８は膨張タービンで、膨張タービン１７は高圧Ｈｅガス
により作動しＨｅガスを断熱膨張させ寒冷して中圧にし
、膨張タービン１８は中圧ライン列に、膨張タービン１
７から熱交換器１０を介して設けられ、中圧のＨｅガス
により作動しＨｅガスをさらに断熱膨張させ寒冷して低
圧にする。ジュールトムソン弁（以下、「ＪＴ弁」と略
す）　１９は、高圧ライン幻の熱交換器１２の出口部に
設けられ、高圧Ｈｅガスを断熱膨張させて液体ヘリウム
または極低温の低圧Ｈｅガスにする。２０は圧力調節計
で、圧力調整弁１６の後側に設けられ、圧力調整弁１６
を連動して、圧力調整弁１６の圧力設定を行う。２１は
温度計で、この場合は圧力調節計加の後側に設けられ、
高圧Ｈｅガスの温度を測定する。ｎは制御装置で、温度
計２１および圧力調節計６，２０に接続されている。高
圧ライン久は、圧縮機１の吐出部からトランスファーチ
ューブ１４の入口部までのＨｅガス移送ラインである。

中圧ライン冴は、高圧ライン幻の分岐点から低圧ライン
５の合流点までのＨｅガス移送ラインである。低圧ライ
ン５は、トランスファーチューブ１４の出口部から圧縮
機ｌの吸込口までのＨｅガス移送ラインである。

上記構成により、Ｈｅガスは、圧縮機１で所定の圧力に
昇圧され、高圧ラインるを通って冷凍８！１３に供給さ
れて１番目の熱交換器８に通されて、液体窒素供給管７
から液体窒素で予冷される。次に、高圧ライン器と中圧
ライスとに分かれて、中圧ライン冴を通ったＨｅガスは
膨張タービン１７および１８によって低温低圧のＨｅガ
スとなって低圧ラインかに入り、熱交換器１１．　１０
．　９および８を通って、高圧ライン幻のＨｅガスを冷
却しながら圧縮機ｌに戻る。高圧ライン幻を流れるＨｅ
ガスは、２番目の熱交換器９．３番目の熱交換器１０お
よび４番目の熱交換器１１で低圧ライン５の戻りのＨｅ
ガスによって冷やされ、５番目の熱交換器１２を介して
ＪＴＴｉＯ２極低温のＨｅガスに断熱膨張して、トラン
スファーチューブ１４およびデユワ−１５を介して熱交
換器犯に入り、高圧ライン塾の高圧Ｈｅガスを冷やし、
中圧ライン列のＨｅガスと合流して圧縮機１に戻る。

前記工程を繰り返しながら、ＪＴＴｉＯ２のＨｅガスの
温度が下がって行き、液体ヘリウムとなってデニワー１
５に貯蔵される。この系のＨｅガス量および圧縮ｆｉｌ
の吐出圧力、吸入圧力は、圧力調整弁３゜圧力調整弁４
．中圧タンク２で制御される。

膨張タービンの起動時は、第１段目の膨張タービン１７
の入口部の温度計２１で温度状態を検出して測定値を制
御装置ｎに入力し、それにより制御袋Ｍ’１２から設定
信号を出力し冷凍機１３の入力部の圧力調節計６および
、ｉｌ１段目の膨張タービン１７の入口部の圧力調節計
（９）を所定値に設定して、圧力調整弁５および１６を
動かし、男１段目の膨張タービン１７および第２段目の
膨張タービン１８を運転するものである。

第２因に、第１段目の膨張タービン１７の入力混層（Ｔ
ｌ−３）と冷凍Ｓ１３の入口圧力（Ｐ］、Ｃ−１）と第
１段目の膨張タービン１７の入口圧力（ＰＩＣ−２）と
の関係の一例を示す。

膨張タービン１７の入口温度（ＴＩ−３）を３段階に区
切り、またそれに応じ膨張タービン１７の入口圧力（Ｐ
ＩＣ−２）を３段階に、冷凍機１３の入口圧力（ＰＩＣ
−１）を２段階に変化させるものである。これらの温ｔ
ｆ　Ｔｔ　＊　Ｔ２　＋　Ｔ３および圧力Ｐ１＋Ｐ２　
＊　”３　ｔ　”４　＋　”５を制御装置１２２にあら
かじめインプットしておけば自動的に制御できるもので
、運転が容易になる。

これらの値は装置の特性に合せて任意に代えれば、どの
装置にも対応できる。

以上、本実施例によれば、膨張タービンの起動時の運転
の繁雑さを自動化できるので、省力化および運転を確か
にできるという効果がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、極低温冷凍装置の起動運転時の圧力調
整を自動化することができるので、起動運転の繁雑さを
省くとともに、運転を正確に行うことができるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

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
構成図、第２図は第１図の運転時の圧力制御例を示す図
である。 １・・・・・・圧縮機、５，１６・・・・・・圧力調整
弁、６，２０・・・・・・圧力調節計、８〜１２・・・
・・・熱交換器、１３・・・・・・冷凍機、１７．１８
・・・・・・膨張タービン、２１・・・・・・温度計、
１１図 ン Ｔｔ−３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、冷媒ガスを圧縮循環させる圧縮機と、複数の熱交換
   器および複数の膨張タービンから成り前記圧縮機で圧縮
   された高圧冷媒ガスを導入し極低温冷媒を生成する冷凍
   機とから成る極低温冷凍装置において、前記冷凍機と前
   記圧縮機との間に第１の圧力調節計を設け、該第１の圧
   力調節計の高圧冷媒ガス入口部に前記第１の圧力調節計
   と連動した第１の圧力調整弁を設け、前記冷凍機内の第
   １段目の膨張タービン入口部に第２の圧力調節計と温度
   計とを設け、該第２の圧力調節計の高圧冷媒ガス入口部
   に前記第２の圧力調節計と連動した第２の圧力調整弁を
   設け、前記温度計に接続され前記温度計で測定した温度
   に応じて前記第１および第２の圧力調節計を設定値に制
   御する制御装置を備えたことを特徴とする極低温冷凍装
   置。 ２、冷媒ガスを圧縮循環させる圧縮機と、複数の熱交換
   器および複数の膨張タービンから成り前記圧縮機で圧縮
   された高圧冷媒ガスを導入し極低温冷媒を生成する冷凍
   機とから成る極低温冷凍装置において、冷媒ガスを圧縮
   循環させて、膨張タービンで断熱膨張させ寒冷を発生さ
   せるとともに、熱交換器で熱交換させながら極低温冷媒
   を生成する工程で、高圧冷媒ガスの第１段目の膨張ター
   ビン入口部の温度を測定する工程と、該測定値を制御装
   置に入力する行程と、前記制御装置から前記温度に応じ
   て高圧冷媒ガスの前記冷凍機入口部および前記第１段目
   の膨張タービン入口部の圧力を設定値にするための制御
   指令を出力する工程と、該制御指令によって圧力調整弁
   を設定値に調整する工程とを有することを特徴とする極
   低温冷凍装置の運転方法。