JPH0794928B2 - Cryogenic refrigerator and operation control method thereof - Google Patents
Cryogenic refrigerator and operation control method thereofInfo
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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。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a cryogenic refrigerator, and more particularly to a cryogenic refrigerator having a supercritical expansion turbine and an operation control method thereof.
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。In the conventional liquefaction refrigeration system, for example, a helium liquefaction refrigeration system, in the lowest temperature part, there are many devices that enthalpy-expand high-pressure helium gas by an expansion valve to liquefy a part of the helium gas. However, the isenthalpic expansion by the expansion valve is relatively inefficient, so the isenthalpic expansion is performed up to the critical pressure by the expansion turbine, and after the critical pressure, the isenthalpic expansion is performed by the expansion valve to liquefy a part of the helium gas. Has been.
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。Note that, as a device related to this kind of device, for example,
JP-A-59-134460, JP-A-60-164182 and the like are listed.
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。The above-mentioned conventional technology is designed to prevent the liquefaction of helium gas in the expansion turbine and to prevent the liquefied helium from impacting the rotor blade that is rotating at high speed and damaging the blade. There was a problem in that the entire device had to be stopped when the expansion turbine was stopped, because no consideration was given to the efficient operation of the device.
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。A first object of the present invention is to provide a cryogenic refrigeration system and an operation control method thereof that can continue efficient operation without stopping the system even when the expansion turbine is at rest.
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。A second object of the present invention is to provide a cryogenic refrigeration system capable of performing stable operation of the expansion turbine and an operation control method thereof.
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。In order to achieve the above first and second objects, in a cryogenic refrigeration system having an expansion turbine on the upstream side of an expansion valve, valves are provided on the inlet and outlet sides of the expansion turbine, and on the upstream side of the inlet side valve. A bypass flow path that communicates with the downstream side of the valve on the outlet side is provided, and a valve is provided in the bypass flow path to expand all or part of the refrigerant gas supplied to the expansion turbine through the valve of the bypass line. This is the method of supplying to the valve.
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。Further, in order to achieve the second object with higher accuracy, in a method of operating a cryogenic refrigeration system having an expansion turbine upstream of an expansion valve, the refrigerant flow rate of the expansion turbine is adjusted by the pressure and temperature on the expansion turbine outlet side. It is something that is done.
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。During operation of the expansion turbine, the valve on the inlet / outlet side of the expansion turbine is opened to send the refrigerated gas to the expansion valve via the expansion turbine to improve the cold generation efficiency, but the refrigerant gas is liquefied in the expansion turbine. In this case, the valve of the bypass line is opened and a part of the refrigerant gas is sent to the expansion valve through the bypass line. This reduces the flow rate to the expansion turbine side, lowers the turbine speed, reduces the amount of cold generation, and prevents liquefaction of the refrigerant in the expansion turbine.
Stable operation can be performed.When the expansion turbine is at rest, the valve on the inlet / outlet side of the expansion turbine is closed to stop the supply of the refrigerant gas to the expansion turbine, and the valve on the bypass line is opened to prevent the refrigerant gas from flowing. Send all to expansion valve. As a result, the refrigerant gas adiabatically expands in the expansion valve to generate cold, so that the operation can be continued without stopping the device even if the expansion turbine is stopped, and the bypass line valve can be used as an expansion valve. For example, the two-stage expansion enables efficient operation.
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。Furthermore, by adjusting the refrigerant flow rate of the expansion turbine according to the pressure and temperature on the outlet side of the expansion turbine, when the pressure or temperature approaches the critical point, the flow rate of the expansion turbine can be reduced to reduce the amount of cold generation, and liquefaction in the expansion turbine can be reduced. Can be prevented and stable operation can be performed.
以下本発明の一実施例を、第1図により説明する。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.
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。FIG. 1 shows the configuration of a cryogenic refrigerator, for example, a helium refrigerator. The high-pressure gas pipe 2 connected to the outlet side of the compressor 20 includes a high temperature side of the first heat exchanger 21, a high temperature side of the second heat exchanger 22, a high temperature side of the third heat exchanger 23, and a fourth heat exchange. The hot side of the vessel 24 and the hot side inlet of the fifth heat exchanger 11 are connected in series. The high temperature side intermediate part outlet of the fifth heat exchanger 11 and the helium gas inlet of the supercritical expansion turbine 5 are the turbine inlet pipe 3
Connected by. The helium gas outlet of the supercritical expansion turbine 5 and the high temperature side intermediate inlet of the fifth heat exchanger 11 are connected by a turbine outlet pipe 6, and the high temperature side outlet of the fifth heat exchanger 11 and the inlet of the refrigeration load 10 are joules. It is connected to the JT inlet pipe 8 through the Thomson expansion valve 9. Further, the turbine inlet pipe 3 and the turbine outlet pipe 6 are connected via a bypass passage 13. Refrigerating load 10 outlet, 5th heat exchanger
11 low temperature side, 4th heat exchanger 24 low temperature side, 3rd heat exchanger 23
, The low temperature side of the second heat exchanger 22, the low temperature side of the first heat exchanger 21, and the inlet side of the compressor 20 are connected in series by a low pressure gas pipe 12. Furthermore, the first heat exchanger 21 and the second
A branch pipe 27 is connected to the high-pressure gas pipe 2 connecting the heat exchanger 22, and the branch pipe 27 is connected to the first expansion turbine 25, the second high temperature side of the third heat exchanger 23, and the second expansion turbine. 26 are connected in series, and are joined and connected to the low-pressure gas pipe 12 that connects the fifth heat exchanger 11 and the fourth heat exchanger 24.
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。An inlet valve 4 is provided on the inlet side of the supercritical expansion turbine 5 of the turbine inlet pipe 3, and an outlet valve 7 is provided on the turbine 5 outlet side of the turbine outlet pipe 6. In addition, the second Joule-Thomson expansion valve 14 (hereinafter,
"Called the second JT valve") is provided. Further, a pressure detector 17 and a temperature detector 18 are attached to the turbine outlet pipe 6, and the signals thereof are sent to a controller 19. The controller 19 can adjust the valve opening degree of the second JT valve 14 by judging from the signal. Further, the controller 19 can control the opening / closing of the inlet valve 14, the outlet valve 7 and the second JT valve 14, respectively.
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。Although not shown, in this case, the other devices except the compressor 20 and the controller 19 are housed in a vacuum-insulated space.
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。The helium gas compressed to, for example, 16 atm and 300 ° K (normal temperature) by the compressor 20 by the apparatus configured as described above is pre-cooled through the first to fourth heat exchangers 21 to 24. , High pressure and low temperature helium gas (eg 16atm, 10 °
K) and enters the high temperature side of the fifth heat exchanger 11. Fifth
The helium gas flowing into the high temperature side of the heat exchanger 11 flows into the turbine inlet pipe 3 from the high temperature side intermediate outlet of the heat exchanger 11. In the normal operation state, the second JT valve 14 is closed and the inlet valve 4 and the outlet valve 7 are open. Turbine inlet piping 3
The helium gas that has flowed into the tank is adjusted to an appropriate pressure by the inlet valve 4 and enters the supercritical expansion turbine 5, where it undergoes adiabatic expansion and its temperature and pressure drop. The medium-pressure helium gas (for example, 4 atm, 6 ° K) whose temperature and pressure have dropped is passed through the outlet valve 7 and the turbine outlet pipe 6 and returned to the high pressure side of the fifth heat exchanger 11 to cool the helium gas on the low temperature side. Replace it and the temperature will drop further. The helium gas having the lowered temperature passes through the Joule-Thomson expansion valve 9 to undergo isenthalpic expansion (for example,
Liquefaction is performed at 1.2atm, 4.4 ° K). The liquefied helium is vaporized while passing through the refrigeration load 10 and passes through the low-pressure gas pipe 12, the fifth heat exchanger 11 and the fourth to first heat exchangers 24 to 21 on the low temperature side, but on the high temperature side. It exchanges heat with the flowing helium gas, returns to the compressor 20, and repeats circulation. Since the supercritical expansion turbine 5 performs isentropic expansion that is more efficient than the Joule-Thomson expansion valve 9, the helium is liquefied more efficiently than the conventional device that liquefies helium only with the Joule-Thomson expansion valve.
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。On the other hand, due to the outlet pressure of the supercritical expansion turbine, the critical pressure Pc (=
2.27atm) and the outlet temperature is the critical temperature Tc (= 5.2 °)
If it becomes smaller than K), helium gas may partially liquefy in the rotor of the supercritical expansion turbine, causing fluctuations in the turbine outlet pressure, preventing normal turbine rotation, or causing turbine failure. Therefore, the outlet pressure P 2 is measured by the pressure detector 17 provided in the outlet pipe 6 of the supercritical expansion turbine 5, and the controller 19 calculates the temperature T = f (P 2 ) at which the helium gas is liquefied. Moreover, the outlet temperature T 2 of the supercritical expansion turbine 5 can be known from the signal of the temperature detector 18 provided in the outlet pipe 6 of the turbine. Therefore, when the outlet temperature T 2 is lower than the liquefaction temperature T, the helium gas is liquefied. In this case, the controller 19
A signal for opening the 2JT valve 14 by an appropriate amount is sent to the second JT valve. In this case, the opening of the turbine inlet valve 4 is the same, but the second JT valve 14
By opening, the flow rate of gas flowing to the supercritical expansion turbine 5 decreases, the rotational speed of the turbine decreases, and the amount of cold generation of the supercritical expansion turbine 5 decreases. Therefore, the outlet temperature of the supercritical expansion turbine 5 rises. It is possible to prevent liquefaction of helium gas in the supercritical expansion turbine 5 by opening the second JT valve 14 until the outlet temperature T 2 becomes higher than the liquefaction temperature T.
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。Further, even if the supercritical expansion turbine 5 fails, if the turbine inlet valve 4 and the turbine outlet valve 7 are closed, the helium is isolated by the circulating piping systems 4 and 7. It can be repaired and replaced, and the trouble of replacing helium in the entire system for repair can be saved. Further, if the second JT valve 14 is opened at the same expansion ratio as that of the supercritical expansion turbine 5, for example, the helium gas will flow through the bypass pipe 13, the JT valve 9, and the refrigeration load 10. Therefore, if the refrigeration load 10 can be appropriately reduced compared to the steady state, the liquefaction of helium gas can be efficiently continued by performing JT expansion in two stages (compared to JT expansion in one stage).
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。As described above, according to this embodiment, even if the helium gas is liquefied in the supercritical expansion turbine 5, it has an effect of easily preventing the liquefaction of the helium gas and prevents the failure of the supercritical expansion turbine. effective. Further, even if the supercritical expansion turbine fails, there is an effect that the liquefaction of helium can be continued, the reliability of the refrigerating apparatus is improved, and the maintenance of the refrigerator is facilitated.
Also at this time, there is an effect that the two-stage expansion by the JT valve enables efficient operation.
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。In the present embodiment, the refrigerating load 10 is a condenser for recondensing the liquid helium vaporized by the superconducting magnet 15 in the liquid helium tank 16, but it is not limited to this.
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。Further, although the valve provided in the bypass pipe 13 is a JT valve, it may be a normal valve (hereinafter referred to as “bypass valve”). In this case, when liquefying helium gas in the supercritical expansion turbine 5, the controller 19 is adjusted to open (normally closed) the same as described above.
In this case also, the opening of the turbine inlet valve 4 is the same,
By opening the bypass valve, the flow rate of gas flowing to the supercritical expansion turbine 5 is reduced, the rotational speed of the turbine is reduced, and the amount of cold generation of the turbine is reduced. Therefore, the outlet temperature of the turbine rises and liquefaction of helium gas is prevented.
次に、本発明の第2実施例を第2図により説明する。Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
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。In this figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same members, and the description thereof will be omitted. The frame 1 indicated by the one-dot chain line in the figure is
The range of the frame 1 indicated by the one-dot chain line in FIG. 1 is shown, and the inside is omitted. The difference between this figure and Figure 1 is that
The point is that the controller 19 controls the turbine outlet valve 7 by the signals of the pressure detector 17 and the temperature detector 18. Although not shown, the controller 19 can control opening / closing of the turbine inlet valve 4, the turbine outlet valve 7, and the second JT valve 14.
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。In the above configuration, when the helium gas is liquefied in the supercritical expansion turbine 5, the controller 19 adjusts the outlet valve 7 of the turbine to be closed. That is, the outlet pressure P 2 is measured by the pressure detector 17 provided in the outlet pipe 6 of the supercritical expansion turbine 5, and the controller 19 calculates the temperature T = f (P 2 ) at which the helium gas is liquefied. Further, the turbine outlet temperature T 2 is detected by a signal from a temperature detector 18 provided in the turbine outlet pipe 6. The outlet temperature T 2 is the liquefaction temperature T
If smaller, helium gas is liquefied, and in this case, the controller 19 sends a signal in the direction of reducing the opening of the outlet valve 7 of the turbine. As a result, the turbine outlet pressure P 2 rises. When the output pressure P 2 rises, the liquefaction temperature of helium gas rises. Therefore, the outlet temperature T 2 is the liquefaction temperature T
Until it becomes larger, the outlet valve 7 of the supercritical expansion turbine 5
Liquefying the helium gas in the turbine can be prevented by appropriately squeezing.
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。Further, by closing the inlet valve 4 and the outlet valve 7 and opening the second JIT valve 14 by the controller 19, the operation can be continued even if the supercritical expansion turbine 5 is disconnected as in the case of the one embodiment.
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。As described above, according to the present embodiment, even when the helium gas is liquefied in the supercritical expansion turbine as in the case of the one embodiment, there is an effect of easily preventing the liquefaction of the helium gas, and the reliability of the refrigeration system is improved. It has the effects of improving the property and preventing the failure of the supercritical expansion turbine. Further, even if the supercritical expansion turbine fails, there is an effect that the liquefying operation of helium can be efficiently continued.
次に、本発明の第3の実施例を第3図により説明する。Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
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。In this figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same members, and the description thereof will be omitted. The frame 1 shown by the one-dot chain line in this figure is the same as that described in FIG. The difference between this drawing and FIG. 1 is that the controller 19 controls the turbine inlet valve 4 by the signals of the pressure detector 17 and the temperature detector 18. Although not shown, the controller 17 can control opening / closing of the turbine inlet valve 4, the turbine outlet valve 7, and the second JT valve 14.
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。In the above configuration, when the helium gas is liquefied in the supercritical expansion turbine 5, the controller 19 adjusts the opening of the turbine inlet valve 4 to be closed. That is, the controller 19 calculates the temperature T = f (P 2 ) at which the helium gas is liquefied from the pressure signal P 2 of the pressure detector 17 of the outlet pressure. In addition, the temperature from the temperature detector 18 causes the turbine outlet temperature to change.
Detect T 2 . When the outlet temperature T 2 is lower than the liquefaction temperature T, the turbine inlet valve 4 is closed until the outlet temperature T 2 becomes higher than the liquefaction temperature T. By restricting the inlet valve 4 of the turbine, the gas flow rate to the supercritical expansion turbine 5 is reduced, the rotational speed of the turbine is reduced, and the amount of cold generation of the turbine is reduced. As a result, the outlet temperature of the supercritical expansion turbine 5 rises, and the turbine outlet temperature rises above the critical temperature (T c = 5.2 ° K) at which helium is liquefied. Here, if the design temperature T 2 of the supercritical expansion turbine 5 is set in the controller 19, the inlet valve 4 can be adjusted to control the outlet temperature T 2 to approach the design temperature T d .
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。Further, by closing the inlet valve 4 and the outlet valve 7 and opening the second JT valve 14 by the controller 19, the operation can be continued even if the supercritical expansion turbine 5 is disconnected as in the case of the one embodiment.
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。As described above, according to this embodiment, by controlling the inlet valve, it is possible to easily prevent the liquefaction of helium gas in the supercritical expansion turbine as in the case of the above-mentioned embodiment, and the turbine outlet temperature can be easily adjusted. It also has the effect of controlling the design temperature. Further, there is an effect that the liquefaction operation of helium can be efficiently continued even when the turbine fails.
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。In these first to third embodiments, the inlet valve 4, the outlet valve 7 or the second JT valve 14 near the supercritical expansion turbine 5 are adjusted to prevent liquefaction in the supercritical expansion turbine 5. However, as shown in FIG. 4, a part of the room temperature / high pressure helium gas from the upstream side of the fifth heat exchanger 11, for example, the discharge side of the compressor 20, is branched off, and is superposed via the valve 28. The valve is connected to the inlet of the critical expansion turbine 5 by the controller 19 by the valve 28.
May be controlled. In this case, when the liquefaction is about to occur, the valve 20 is controlled so as to be opened, and the high temperature helium gas is supplied to the supercritical expansion turbine 5 to make the outlet temperature T 2 higher than the liquefaction temperature T.
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。Further, as shown in FIG. 5, the refrigerator inlet valve 29 provided on the discharge side of the compressor 20 may be controlled by the controller 19. In this case, liquefied by controlling the direction to narrow the refrigerator inlet valve 29 if unlikely, by reducing cold emission under supercritical expansion turbine 5 by subtracting the flow rate of the whole refrigerator, outlet temperature T 2 Is higher than the liquefaction temperature T.
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。According to the present invention, even when liquefaction is about to occur in the supercritical expansion turbine, the outlet pressure of the turbine can be increased or the amount of cold generation of the turbine can be reduced,
Liquefaction in the turbine can be prevented, and the expansion turbine can be operated stably.
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。Further, there is an effect that even when the supercritical expansion turbine is stopped, efficient operation can be continued through the bypass circuit without stopping the refrigerator.
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FIG. 1 is a system diagram showing a cryogenic refrigerating apparatus which is an embodiment of the present invention, and FIGS. 2 to 5 are system diagrams showing other embodiments of the present invention. 4 …… Inlet valve, 5 …… Supercritical expansion turbine, 7 …… Outlet valve, 13 …… Bypass piping, 14 …… Second JT valve, 17 …… Pressure detector, 18 …… Temperature detector, 19 …… Controller, 28 ... valve,
29 …… Refrigerator inlet valve
───────────────────────────────────────────────────── 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) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Kazuo Okamoto Kazuo Okamoto 794, Higashi-Toyoi, Kudamatsu City, Yamaguchi Prefecture Stock company Hitachi Kasado Plant (72) Inventor Kozo Matsumoto 794, Higashi-Toyoi, Shimomatsu City, Yamaguchi Prefecture Hitachi, Ltd. Kasado Factory (56) References Japanese Patent Laid-Open No. 1-155755 (JP, A)
Claims (6)
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。1. A cryogenic refrigeration system having an expansion turbine upstream of an expansion valve, wherein valves are provided on the inlet and outlet sides of the expansion turbine, and the upstream side of the inlet side valve and the downstream side of the outlet side valve. A cryogenic refrigerating device, characterized in that a bypass flow path communicating with the side is provided and a valve is provided in the bypass flow path.
ることを特徴とする請求項1記載の極低温冷凍装置。2. The cryogenic refrigerating apparatus according to claim 1, wherein the valve provided in the bypass passage is an expansion valve.
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。3. The cryogenic refrigerating apparatus according to claim 1,
A pressure detector and a temperature detector are provided on the outlet side of the expansion turbine, and the expansion valve, the bypass passage valve, the outlet side valve, and the inlet side valve are received by receiving signals from the both detectors. Alternatively, the cryogenic refrigeration system is provided with control means for controlling any of the valves on the upstream side of the valves on the inlet side.
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。4. The cryogenic refrigerating apparatus according to claim 1,
A means for supplying a refrigerant gas having a relatively high temperature upstream of the valve on the inlet side to the expansion turbine is provided, and a pressure detector and a temperature detector are provided on the outlet side of the expansion turbine. A cryogenic refrigerating apparatus comprising a control means for controlling a supply amount of the means by receiving a signal from the refrigerator.
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。5. A method for operating a cryogenic refrigeration system having an expansion turbine upstream of an expansion valve, wherein a valve is provided in a line bypassing the expansion turbine so that all or one of refrigerant gas supplied to the expansion turbine is supplied. Is supplied to the expansion valve via the valve, the operation control method of the cryogenic refrigeration system.
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。6. A method for operating a cryogenic refrigeration system having an expansion turbine upstream of an expansion valve, wherein valves are provided on the inlet and outlet sides of the expansion turbine, and valves on the upstream side and the outlet side of the inlet side valve are provided. A bypass flow path including a valve, which communicates with the downstream side of the expansion turbine, a pressure detector and a temperature detector are provided on the outlet side of the expansion turbine, and the expansion valve receives the signals from both detectors, A method for controlling operation of a cryogenic refrigerating apparatus, comprising controlling any one of a bypass flow path valve, the outlet side valve, the inlet side valve, and a valve upstream of the inlet side valve.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1196578A JPH0794928B2 (en) | 1989-07-31 | 1989-07-31 | Cryogenic refrigerator and operation control method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1196578A JPH0794928B2 (en) | 1989-07-31 | 1989-07-31 | Cryogenic refrigerator and operation control method thereof |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0363465A JPH0363465A (en) | 1991-03-19 |
| JPH0794928B2 true JPH0794928B2 (en) | 1995-10-11 |
Family
ID=16360075
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1196578A Expired - Lifetime JPH0794928B2 (en) | 1989-07-31 | 1989-07-31 | Cryogenic refrigerator and operation control method thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0794928B2 (en) |
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 (en) * | 2020-07-06 | 2022-01-19 | 大陽日酸株式会社 | Control method, model prediction control apparatus, and liquefaction apparatus |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2512041B2 (en) * | 1987-12-07 | 1996-07-03 | 日本原子力研究所 | Operation control method for cryogenic refrigerator |
-
1989
- 1989-07-31 JP JP1196578A patent/JPH0794928B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0363465A (en) | 1991-03-19 |
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