KR101161339B1 - Cryogenic refrigerator and control method therefor - Google Patents

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세이치로 요시나가
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Abstract

폐루프(closed loop)(11)로 작동 가스를 압축해 팽창시켜 극저온을 발생시키는 극저온 냉동 장치(10). 고압부와 저압부를 연통시키는 바이패스 라인(22)과, 바이패스 라인의 중간에 위치하고 고압 측과 저압 측에 각각 압력 조정 밸브(23a, 23b)를 가지는 가스 저장 탱크(24)와, 각 압력 조정 밸브를 제어하는 압력 제어 장치(26)를 구비한다. 압력 제어 장치(26)는 가스 저장 탱크(24)의 압력이, 상온이고 정지 시에 폐루프와 동일해지고, 운전 시에 고압부와 저압부의 중간의 저압부에 가까운 압력이 되도록 각 압력 조정 밸브(23a, 23b)를 제어한다.Cryogenic refrigeration apparatus (10) for generating cryogenic by compressing and expanding the working gas in a closed loop (11). A bypass line 22 for communicating the high pressure part and the low pressure part, a gas storage tank 24 positioned in the middle of the bypass line and having pressure control valves 23a and 23b respectively on the high pressure side and the low pressure side, and each pressure control valve. It is provided with a pressure control device 26 for controlling. The pressure control device 26 controls each of the pressure regulating valves 23a so that the pressure of the gas storage tank 24 is equal to the closed loop at the time of normal temperature and stops, and becomes the pressure close to the middle of the low pressure section between the high pressure section and the low pressure section at the time of operation. , 23b).

Description

극저온 냉동 장치와 그 제어 방법{CRYOGENIC REFRIGERATOR AND CONTROL METHOD THEREFOR}Cryogenic Refrigeration System and Control Method {CRYOGENIC REFRIGERATOR AND CONTROL METHOD THEREFOR}

본 발명은 피냉각체를 극저온까지 냉각할 수 있는 냉각 능력을 가지는 극저온 냉동 장치와 그 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a cryogenic refrigeration apparatus and a method of controlling the same having a cooling capacity capable of cooling the cooled object to cryogenic temperatures.

고온 초전도(HTS) 기기(예를 들어, 초전도 송전 케이블, 초전도 트랜스, 초전도 모터, 초전도 전력 저장용 초전도 코일, 대형 가속기, 핵융합 시험 설비, MHD 발전, 초전도 코일 등)를 냉각하기 위하여, 극저온 냉동 장치(예를 들어, 브레이튼(Brayton) 사이클 냉동기나 에릭슨(Ericsson) 사이클 냉동기)가 이용된다.Cryogenic refrigeration units for cooling high temperature superconducting (HTS) devices (e.g., superconducting transmission cables, superconducting transformers, superconducting motors, superconducting coils for superconducting power storage, large accelerators, fusion test facilities, MHD power generation, superconducting coils, etc.) For example, a Brayton cycle freezer or an Ericsson cycle freezer is used.

예를 들어, 고온 초전도 기기 냉각용의 경우, 초전도 선재(線材)의 종류와 용도에 따라 다르지만, 최저 온도 범위는 65K, 40K, 30K, 20K 등이다. 또한, 냉동 출력은 각 온도에서 1 ~ 10kW 정도, 냉매 가스는 헬륨(비점 약 4K), 네온(비점 약 27K), 또는 헬륨?네온의 혼합 가스 등이 이용된다.For example, in the case of high temperature superconducting device cooling, the minimum temperature range is 65K, 40K, 30K, 20K, etc., depending on the type and use of the superconducting wire. The refrigeration output is about 1 to 10 kW at each temperature, and the refrigerant gas is helium (boiling point about 4K), neon (boiling point about 27K), or a mixed gas of helium-neon.

이와 같은 극저온 냉동 장치는 예를 들어, 특허 문헌 1, 2 및 비특허 문헌 1에 개시된다.Such cryogenic refrigeration apparatuses are disclosed in, for example, Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1.

특허 문헌 1의 캐스케이드 터보(cascade-turbo) 헬륨 냉동 액화 장치는 도 1에 나타내는 바와 같이, 터보식 압축기(51), 열 교환기(52a ~ 52e), 터보식 팽창기(53)를 구비한 네온 냉동 사이클과, 터보식 압축기(54), 열 교환기(55a ~ 55c), 팽창 터빈(56), 줄-톰슨(Joule-Thomson) 밸브(57)를 구비한 헬륨 냉동 사이클로 이루어지고, 네온 냉동 사이클로 헬륨을 예랭(豫冷)하게 관련 구성한 것을 특징으로 하는 것이다.The cascade turbo helium refrigeration liquefaction apparatus of patent document 1 is a neon refrigeration cycle provided with the turbo compressor 51, the heat exchangers 52a-52e, and the turboexpander 53, as shown in FIG. And a helium refrigeration cycle equipped with a turbo compressor 54, a heat exchanger 55a to 55c, an expansion turbine 56, and a Joule-Thomson valve 57, and preheat helium to a neon refrigeration cycle. (Iii) it is characterized by the relevant configuration.

특허 문헌 2의 냉동기는, 냉각 매체의 고화(固化)를 방지하고, 유지 및 보수의 주기를 길게 하며, 큰 출력을 낼 수 있고, 진동도 생기지 않게 하는 것을 목적으로 하여, 도 2에 나타내는 바와 같이, 원심식 컴프레서(62)와 터빈(63)을 구비하고, 컴프레서(62)의 날개(64)를 1단으로 한 냉동기(61)로서, 컴프레서(62)로 압축되어 터빈(63)으로 도입되는 가스를 예를 들어, 헬륨과 아르곤, 헬륨과 질소 등을 혼합한 가스로 하는 것이다.As shown in FIG. 2, the refrigerator of patent document 2 aims at preventing the solidification of a cooling medium, lengthening the period of maintenance and repair, producing a large output, and generating no vibration, as shown in FIG. And a refrigeration unit 61 having a centrifugal compressor 62 and a turbine 63 and having a blade 64 of the compressor 62 in one stage, which is compressed by the compressor 62 and introduced into the turbine 63. For example, the gas is a mixture of helium and argon, helium and nitrogen.

비특허 문헌 1은, 도 3에 나타내는 바와 같이, 고온 초전도 케이블을 냉각하기 위하여 액체 질소(비점 약 77K)를 65K까지 냉각하는 극저온 냉동 장치를 개시하고 있다.As shown in FIG. 3, Non Patent Literature 1 discloses a cryogenic refrigeration apparatus that cools liquid nitrogen (boiling point about 77 K) to 65 K in order to cool a high temperature superconducting cable.

상술한 극저온 냉동 장치에서 사용하는 작동 가스(헬륨, 네온 등)는 액화 온도가 매우 낮기 때문에, 팽창기 내부에서의 액화를 피하는 데 있어 우수하지만, 매우 고가인 문제점이 있다.The working gas (helium, neon, etc.) used in the above-mentioned cryogenic refrigeration apparatus has a very low liquefaction temperature, which is excellent in avoiding liquefaction inside the expander, but has a very expensive problem.

이와 같은 고가의 작동 가스를 사용하는 극저온 냉동 장치에서는 가스의 충전량을 최소로 하고, 또한 냉동기의 기동에서 정상 운전에 도달한 때까지 내부의 압력을 일정하게 유지하는 것이 필요하다.In the cryogenic refrigeration apparatus using such expensive operating gas, it is necessary to minimize the filling amount of the gas and to keep the internal pressure constant until the normal operation is reached at the start of the refrigerator.

그러나, 운전 중의 극저온 냉동 장치의 저압 저온 부분은, 냉동기 내부의 온도가 저하됨에 따라, 예를 들어 상온(常溫)(예를 들어, 300K)에서 극저온(예를 들어, 60K)까지 냉각되면 그 부분의 가스 용적은 1/5이 되므로, 소정의 압력(예를 들어, 기동 시의 1/2)을 유지하려면 그 부분에서 5/2배가 되도록 작동 가스를 보충할 필요가 있다.However, the low-pressure low-temperature portion of the cryogenic refrigeration apparatus during operation, when the temperature inside the freezer is lowered, for example, the portion when cooled from the room temperature (for example, 300K) to cryogenic (for example, 60K) Since the gas volume is 1/5, the working gas needs to be replenished to be 5/2 times that portion in order to maintain a predetermined pressure (for example, 1/2 at startup).

또한 반대로, 운전 정지 후에는 압력이 높아지므로 작동 가스를 외부로 방출하거나, 별도로 마련한 압력 용기로 배출시킬 필요가 있다. 이 경우, 외부로 방출하면 고가인 작동 가스의 손실이 크고, 압력 용기로 배출시키면 압력 용기의 내압 강도가 과다해진다.On the contrary, since the pressure increases after the operation stops, it is necessary to discharge the working gas to the outside or to discharge the pressure vessel separately provided. In this case, when it is discharged to the outside, the loss of expensive operating gas is large, and when it is discharged to the pressure vessel, the pressure resistance strength of the pressure vessel becomes excessive.

또한, 압력 용기를 이용하지 않고 냉동기 전체를 그대로 정지시키는 경우에는, 냉동기 전체의 내압 강도를 늘려 두지 않으면 안 된다. 또한 이 경우, 기동 시에 압축기에 과다한 부하가 걸리는 문제점이 있다.In addition, when stopping the whole refrigerator as it is, without using a pressure vessel, the pressure resistance strength of the whole refrigerator must be increased. In this case, there is also a problem that an excessive load is applied to the compressor at the start.

또한, 냉동기를 긴급 정지 등으로 갑자기 정지시키면, 고압 측의 작동 가스가 압축기를 통과하여 역류하고, 압축기가 역회전하여, 구동 시스템 등에 악영향을 미치는 일이 있다.When the refrigerator is suddenly stopped by an emergency stop or the like, the working gas on the high pressure side flows back through the compressor, and the compressor reversely rotates, which may adversely affect the drive system or the like.

특허 문헌 1: 일본 특허 공개 소59-122868호Patent Document 1: Japanese Patent Laid-Open No. 59-122868 특허 문헌 2: 일본 특허 공개 평11-159898호Patent Document 2: Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-159898

비특허 문헌 1: N. Saji, et. al, “DESIGN OF OIL-FREE SIMPLE TURBO TYPE 65K/6KW HELIUM AND NEON MIXTURE GAS REFRIGERATOR FOR HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTING POWER CABLE COOLING”, CP613, Advances in Cryogenic Engineering: Proceedings of the Cryogenic Engineering Conference, Vol. 47, 2002[Non-Patent Document 1] N. Saji, et. al, “DESIGN OF OIL-FREE SIMPLE TURBO TYPE 65K / 6KW HELIUM AND NEON MIXTURE GAS REFRIGERATOR FOR HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTING POWER CABLE COOLING”, CP613, Advances in Cryogenic Engineering: Proceedings of the Cryogenic Engineering Conference, Vol. 47, 2002

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것이다. 즉, 본 발명은, 피냉각체를 소정의 극저온까지 냉각할 수 있는 냉각 능력을 가지며, 내압 강도가 소정의 압력(예를 들어, 1MPa)을 초과하는 압력 용기를 이용하지 않고, 또한 작동 가스의 방출?보충을 하지 않고, 정지 중의 상온에서 작동 중의 극저온까지, 고압 부분의 압력을 거의 일정하게 유지할 수 있고, 또한 긴급 정지시켜도 압축기의 역회전을 방지할 수 있는 극저온 냉동 장치와 그 제어 방법을 제공하는 것이다.The present invention has been devised to solve the above problems. That is, the present invention has a cooling capacity capable of cooling the object to be cooled down to a predetermined cryogenic temperature, and does not use a pressure vessel whose pressure resistance exceeds a predetermined pressure (for example, 1 MPa). Provides a cryogenic refrigeration apparatus and its control method that can maintain a substantially constant pressure in the high pressure portion from normal temperature during stop to cryogenic temperature during operation, and prevent reverse rotation of the compressor even in case of emergency stop. It is.

본 발명에 따르면, 폐루프(closed loop)로 작동 가스를 압축하고, 압축한 작동 가스를 팽창시킴으로써 극저온을 발생시키는 극저온 냉동 장치로서, 상기 폐루프의 고압부와 저압부를 연통시키는 바이패스 라인과, 상기 바이패스 라인의 중간에 위치하고, 고압 측과 저압 측에 각각 압력 조정 밸브를 가지는 가스 저장 탱크와, 상기 각 압력 조정 밸브를 제어하는 압력 제어 장치를 구비하고, 상기 압력 제어 장치는, 상온이고 정지 시에 가스 저장 탱크의 압력이 폐루프의 압력과 동일해지도록 상기 각 압력 조정 밸브를 제어하고, 극저온을 발생시키는 운전 시에 고압부의 압력이 소정의 압력이 되도록 상기 각 압력 조정 밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 극저온 냉동 장치가 제공된다.According to the present invention, there is provided a cryogenic refrigeration apparatus for generating a cryogenic temperature by compressing a working gas in a closed loop and expanding the compressed working gas, the bypass line communicating a high pressure part and a low pressure part of the closed loop, Located in the middle of the bypass line, and provided with a gas storage tank having a pressure regulating valve on the high pressure side and the low pressure side, respectively, and a pressure control device for controlling each of the pressure regulating valve, the pressure control device is a normal temperature and at the time of stop Controlling the pressure regulating valves so that the pressure of the gas storage tank is equal to the pressure of the closed loop, and controlling the pressure regulating valves so that the pressure of the high pressure part becomes a predetermined pressure during the operation of generating cryogenic temperature. A cryogenic refrigeration apparatus is provided.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 상기 가스 저장 탱크의 용량은, 정지 시에 상온이 되었을 때 상기 가스 저장 탱크 내부의 압력을 소정의 기준 압력 이하로 유지할 수 있고, 또한 극저온을 발생시키는 운전 시에 상기 고압부의 압력을 소정의 운전 압력으로 유지할 수 있도록 설정되어 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the capacity of the gas storage tank can maintain the pressure inside the gas storage tank below a predetermined reference pressure when it is at room temperature at the time of stopping, and at the time of operation to generate cryogenic temperatures. It is set so that the pressure of the said high pressure part can be maintained at predetermined | prescribed operating pressure.

상기 압력 제어 장치는, 극저온 냉동 장치의 정지 시에 상기 각 압력 조정 밸브를 전체 개방으로 유지하고, 기동 중에는 상기 고압부가 소정의 최대 압력을 초과하는 경우에 고압 측에 접속되어 있는 압력 조정 밸브를 개방하고, 상기 고압부가 소정의 최저 압력 이하인 경우에 저압 측에 접속되어 있는 압력 조정 밸브를 개방하는 것이 바람직하다.The pressure control device maintains each of the pressure regulating valves at full opening when the cryogenic refrigeration apparatus is stopped, and opens the pressure regulating valve connected to the high pressure side when the high pressure portion exceeds a predetermined maximum pressure during startup. And it is preferable to open the pressure regulating valve connected to the low pressure side, when the said high pressure part is below predetermined minimum pressure.

또한, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 상기 폐루프의 상온부에 마련되고 작동 가스를 소정의 저압에서 고압까지 압축하는 상온 압축기와, 상기 극저온부와 상온부의 중간에 위치하고 작동 가스끼리 열 교환하는 제1 중간 열 교환기와, 상기 제1 중간 열 교환기보다 극저온부 측에 마련되고 작동 가스를 등엔트로피 팽창(isentropic expansion)시키는 팽창기를 구비한다.In addition, according to a preferred embodiment of the present invention, a room temperature compressor provided at a room temperature portion of the closed loop and compressing a working gas from a predetermined low pressure to a high pressure, and positioned between the cryogenic portion and the room temperature portion to heat exchange the operating gases. A first intermediate heat exchanger and an expander provided on the cryogenic portion side than the first intermediate heat exchanger and for isentropic expansion of the working gas.

또한, 상기 상온 압축기는, 상기 소정의 저압에서 상기 고압까지 다단(多段)으로 압축하는 복수의 터보 압축기로 이루어지고, 상기 팽창기는, 상기 고압에서 상기 저압까지 다단으로 팽창시키는 복수의 팽창 터빈으로 이루어지고, 상기 복수의 팽창 터빈의 중간에, 작동 가스끼리 열 교환하는 복수의 중간 열 교환기를 구비하는 것이 바람직하다.In addition, the room temperature compressor is composed of a plurality of turbo compressors compressed in multiple stages from the predetermined low pressure to the high pressure, and the expander is composed of a plurality of expansion turbines that expand in multiple stages from the high pressure to the low pressure. In the middle of the said plurality of expansion turbines, it is preferable to provide a some intermediate heat exchanger which heat-exchanges working gases.

또한, 본 발명에 따르면, 폐루프로 작동 가스를 압축하고, 압축한 작동 가스를 팽창시킴으로써 극저온을 발생시키는 극저온 냉동 장치의 제어 방법으로서, 상기 극저온 냉동 장치에, 상기 폐루프의 고압부와 저압부를 연통시키는 바이패스 라인과, 상기 바이패스 라인의 중간에 위치하고 고압 측과 저압 측에 각각 압력 조정 밸브를 가지는 가스 저장 탱크를 마련하고, 상온이고 정지 시에 가스 저장 탱크의 압력이 폐루프의 압력과 동일해지도록 상기 각 압력 조정 밸브를 제어하고, 극저온을 발생시키는 운전 시에 고압부의 압력이 소정의 압력이 되도록 상기 각 압력 조정 밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 극저온 냉동 장치의 제어 방법이 제공된다.Further, according to the present invention, a control method of a cryogenic refrigeration apparatus that generates cryogenic by compressing a working gas with a closed loop and expanding the compressed working gas, wherein the cryogenic refrigeration apparatus communicates the high pressure part and the low pressure part of the closed loop. A gas storage tank having a bypass line and a pressure regulating valve positioned at a high pressure side and a low pressure side in the middle of the bypass line, and the pressure of the gas storage tank at room temperature and at stop is the same as that of the closed loop. A control method of a cryogenic refrigeration apparatus is provided, wherein the respective pressure regulating valves are controlled so as to be released, and the respective pressure regulating valves are controlled such that the pressure of the high pressure part becomes a predetermined pressure during the operation of generating cryogenic temperature.

또한, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 상기 가스 저장 탱크의 용량을, 정지 시에 상온이 되었을 때 상기 가스 저장 탱크 내부의 압력을 소정의 기준 압력 이하로 유지할 수 있고, 또한 극저온을 발생시키는 운전 시에 상기 고압부의 압력을 소정의 운전 압력으로 유지할 수 있도록 설정한다.According to a preferred embodiment of the present invention, when the capacity of the gas storage tank reaches room temperature at the time of stopping, the pressure inside the gas storage tank can be kept below a predetermined reference pressure and the cryogenic operation is generated. At the time of setting, the pressure of the high pressure section is set to be maintained at a predetermined operating pressure.

상기 본 발명의 장치 및 방법에 따르면, 극저온 냉동 장치를 구성하는 폐루프의 고압부와 저압부를 연통시키는 바이패스 라인과, 상기 바이패스 라인의 중간에 위치하고 고압 측과 저압 측에 각각 압력 조정 밸브를 가지는 가스 저장 탱크를 구비하므로, 가스 저장 탱크의 압력이 상온이고 정지 시에 폐루프와 동일해지도록 각 압력 조정 밸브를 제어함으로써(예를 들어, 정지 시에 각 압력 조정 밸브를 전체 개방으로 유지한다), 폐루프, 바이패스 라인 및 가스 저장 탱크로 이루어지는 전체 시스템을 소정의 기준 압력 이하로 설정할 수 있다.According to the apparatus and method of the present invention, the bypass line for communicating the high pressure portion and the low pressure portion of the closed loop constituting the cryogenic refrigeration apparatus, and having a pressure regulating valve located in the middle of the bypass line and on the high pressure side and the low pressure side, respectively Since a gas storage tank is provided, by controlling each pressure regulating valve so that the pressure of the gas storage tank is at room temperature and equal to the closed loop at the stop (for example, each pressure regulating valve is kept full open at the stop). The entire system consisting of a closed loop, a bypass line and a gas storage tank can be set below a predetermined reference pressure.

또한, 이에 의해, 냉동기의 정지 시에 압축기의 입구 측과 출구 측의 압력을 균압화할 수 있으므로, 정지 후에 압축기의 입구 측과 출구 측의 압력차에 기인하는 압축기의 역회전을 방지할 수 있다.In addition, since the pressure at the inlet side and the outlet side of the compressor can be equalized at the time of stopping the refrigerator, it is possible to prevent the reverse rotation of the compressor caused by the pressure difference between the inlet side and the outlet side of the compressor after the stop of the refrigerator. .

또한, 극저온을 발생시키는 운전 시에 고압부의 압력이 소정의 압력이 되도록 상기 각 압력 조정 밸브를 제어함으로써, 운전 중인 극저온 냉동 장치의 저압 저온 부분이, 온도 저하와 압력 저하에 의해 기동 시의 예를 들어 5/2배의 작동 가스가 필요해져도, 그만큼의 작동 가스를 가스 저장 탱크로부터 보충할 수 있다.In addition, by controlling each of the pressure regulating valves so that the pressure of the high pressure part becomes a predetermined pressure during the operation of generating the cryogenic temperature, the low-pressure low-temperature portion of the cryogenic refrigeration apparatus in operation is an example of starting at the time of temperature drop and pressure drop. For example, even if 5/2 times the working gas is required, the working gas can be replenished from the gas storage tank.

따라서, 가스 저장 탱크의 용량을, 정지 시에 상온이 되었을 때 가스 저장 탱크 내부의 압력을 소정의 기준 압력 이하로 유지할 수 있고, 또한 극저온을 발생시키는 운전 시에 상기 고압부의 압력을 소정의 운전 압력으로 유지할 수 있도록 설정함으로써, 피냉각체를 소정의 극저온까지 냉각할 수 있는 냉각 능력을 가지고, 내압 강도가 소정의 압력(예를 들어, 1MPa)을 초과하는 압력 용기를 이용하지 않으며, 또한 작동 가스의 방출?보충을 하지 않고, 정지 중의 상온으로부터 작동 중의 극저온까지, 고압 부분의 압력을 거의 일정하게 유지할 수 있다.Therefore, when the capacity of the gas storage tank is at room temperature at the time of stopping, the pressure inside the gas storage tank can be kept below a predetermined reference pressure, and the pressure of the high-pressure section during the operation of generating cryogenic temperature is determined by the predetermined operating pressure. By setting so as to maintain the pressure, it has a cooling capacity capable of cooling the object to be cooled to a predetermined cryogenic temperature, does not use a pressure vessel whose pressure resistance exceeds a predetermined pressure (for example, 1 MPa), and does not use a working gas. The pressure of the high-pressure part can be kept substantially constant from normal temperature during stop to cryogenic temperature during operation, without releasing or supplementing the fluorescence.

도 1은 특허 문헌 1의 장치의 모식도이다.
도 2는 특허 문헌 2의 냉동기의 구성도이다.
도 3은 비특허 문헌 1의 장치의 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 극저온 냉동 장치의 제1 실시 형태를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 극저온 냉동 장치의 제2 실시 형태를 나타내는 도면이다.1 is a schematic view of the apparatus of Patent Document 1. FIG.
2 is a configuration diagram of a refrigerator of Patent Document 2;
It is a schematic diagram of the apparatus of the nonpatent literature 1.
It is a figure which shows 1st Embodiment of the cryogenic refrigeration apparatus which concerns on this invention.
5 is a view showing a second embodiment of the cryogenic refrigeration apparatus according to the present invention.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태를 도면을 참조하면서 설명한다. 한편, 각 도면에서 공통되는 부분에는 동일한 부호를 부여하여 중복된 설명은 생략한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, preferred embodiment of this invention is described, referring drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part which is common in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

도 4는, 본 발명에 따른 극저온 냉동 장치의 제1 실시 형태를 나타내는 도면이다.4 is a diagram showing a first embodiment of the cryogenic refrigeration apparatus according to the present invention.

본 발명의 극저온 냉동 장치(10)는, 폐루프(11)로 작동 가스를 압축하고, 압축한 작동 가스를 팽창시킴으로써 극저온을 발생시키는 극저온 냉동 장치이다. 팽창 터빈에 의한 팽창은 등엔트로피 팽창인 것이 바람직하다.The cryogenic refrigeration apparatus 10 of the present invention is a cryogenic refrigeration apparatus that generates cryogenic temperature by compressing the working gas with the closed loop 11 and expanding the compressed working gas. The expansion by the expansion turbine is preferably isentropic expansion.

이 도면에서 본 발명의 극저온 냉동 장치(10)는 작동 가스가 순환하는 폐루프(11)를 구비하고, 폐루프(11)에 극저온 열 교환기(12), 상온 압축기(14), 제1 중간 열 교환기(16) 및 팽창기(18)가 마련된다. 폐루프(11)를 순환하는 작동 가스는 헬륨(비점 약 4K), 네온(비점 약 27K), 또는 헬륨?네온의 혼합 가스를 이용한다.In this figure, the cryogenic refrigeration apparatus 10 of the present invention has a closed loop 11 through which the working gas is circulated, and the cryogenic heat exchanger 12, the room temperature compressor 14, and the first intermediate heat in the closed loop 11. An exchanger 16 and an expander 18 are provided. The working gas circulating in the closed loop 11 uses helium (boiling point about 4K), neon (boiling point about 27K), or a mixed gas of helium-neon.

극저온 열 교환기(12)는, 폐루프(11)의 극저온부에 마련되고, 피냉각체를 작동 가스로 간접 냉각한다. 피냉각체는 고온 초전도(HTS) 기기(예를 들어, 초전도 송전 케이블, 초전도 트랜스, 초전도 모터, 초전도 전력 저장용 초전도 코일, 대형 가속기, 핵융합 시험 설비, MHD 발전, 초전도 코일 등)이고, 극저온부의 극저온 열 교환기(12)의 출구 온도는 예를 들어 65K이다.The cryogenic heat exchanger 12 is provided in the cryogenic portion of the closed loop 11 and indirectly cools the cooled object with a working gas. The object to be cooled is a high temperature superconducting (HTS) device (e.g., superconducting transmission cable, superconducting transformer, superconducting motor, superconducting coil for superconducting power storage, large accelerator, fusion test equipment, MHD power generation, superconducting coil, etc.) The outlet temperature of the cryogenic heat exchanger 12 is for example 65K.

상온 압축기(14)는, 예를 들어 터보 압축기이고, 폐루프(11)의 상온부(예를 들어, 300K 전후의 실내)에 마련되며, 작동 가스를 소정의 저압에서 고압까지 압축한다. 소정의 저압은 예를 들어 O.5 ~ 0.6MPa이고, 소정의 고압은 예를 들어 1.O ~ 1.2MPa, 압축기의 압축비는 2 전후인 것이 바람직하다.The normal temperature compressor 14 is a turbo compressor, for example, and is provided in the normal temperature part of the closed loop 11 (for example, about 300K around), and compresses a working gas from predetermined low pressure to high pressure. The predetermined low pressure is, for example, 0.5 to 0.6 MPa, the predetermined high pressure is preferably 1.O to 1.2 MPa, for example, and the compression ratio of the compressor is about 2 or around.

상온 압축기(14)의 하류 측(고압 측)에는 수냉(水冷)의 가스 냉각기(15)가 마련되어, 외부의 냉각수 순환 장치(9)로부터 공급되는 냉각수에 의해, 압축에 의해 온도 상승한 작동 가스를 바람직하게 300K 전후까지 냉각하게 되어 있다.On the downstream side (high pressure side) of the room temperature compressor 14, a water-cooled gas cooler 15 is provided, and the working gas whose temperature rises by compression is preferably used by the cooling water supplied from the external cooling water circulation device 9. It is supposed to cool down to around 300K.

제1 중간 열 교환기(16)는, 극저온부와 상온부의 중간에 위치하고, 고압 측과 저압 측의 작동 가스끼리 열 교환한다. 이 열 교환에 의해 고압 측 작동 가스를 바람직하게 65 ~ 70K까지 냉각한다.The first intermediate heat exchanger 16 is located in the middle of the cryogenic portion and the normal temperature portion, and heat exchanges working gases between the high pressure side and the low pressure side. By this heat exchange, the high pressure side working gas is preferably cooled to 65 to 70K.

팽창기(18)는, 예를 들어 팽창 터빈이며, 제1 중간 열 교환기(16)보다 극저온부 측에 마련되고, 제1 중간 열 교환기(16)에서 냉각된 작동 가스를 등엔트로피 팽창시킨다. 이 팽창 터빈에 의한 팽창에 의해 작동 가스는 소정의 극저온(예를 들어 56K)을 발생시킨다. 팽창 터빈은 터보 압축기와 동축이며, 동일한 전동기로 구동되는 것이 바람직하다.The expander 18 is, for example, an expansion turbine, is provided on the cryogenic side than the first intermediate heat exchanger 16, and isotropically expands the working gas cooled in the first intermediate heat exchanger 16. By expansion by this expansion turbine, the working gas generates a predetermined cryogenic temperature (eg 56 K). The expansion turbine is coaxial with the turbo compressor and is preferably driven by the same electric motor.

이 극저온의 작동 가스는 극저온 열 교환기(12)에 공급되어 피냉각체를 작동 가스로 간접 냉각하고, 제1 중간 열 교환기(16)에서 고압 측의 작동 가스를 간접 냉각하고, 이어서 상온 압축기(14)에 공급되어 다시 압축된다.This cryogenic working gas is supplied to the cryogenic heat exchanger 12 to indirectly cool the object to be cooled with the working gas, indirectly cool the working gas on the high pressure side in the first intermediate heat exchanger 16, and then to the ambient temperature compressor 14. ) And compressed again.

상술한 구성에 의해, 폐루프(11)로 작동 가스를 압축하고, 압축된 작동 가스를 팽창기(18)에 의해 팽창시켜 극저온을 발생시켜서, 피냉각체를 소정의 극저온까지 냉각할 수 있다.By the above-described configuration, the working gas can be compressed by the closed loop 11, the compressed working gas is expanded by the expander 18 to generate cryogenic temperatures, and the cooled object can be cooled to a predetermined cryogenic temperature.

도 4에 있어서, 본 발명의 극저온 냉동 장치(10)는, 또한 바이패스 라인(22), 가스 저장 탱크(24), 및 압력 제어 장치(26)를 구비한다.In FIG. 4, the cryogenic refrigeration apparatus 10 of the present invention further includes a bypass line 22, a gas storage tank 24, and a pressure control device 26.

바이패스 라인(22)은, 폐루프(11)의 고압부와 저압부를 직접 연통시킨다. 상기 고압부는 이 예에서는 압축기(14)의 하류 측이며, 보다 구체적으로는 압축기(14)의 출구로부터 팽창기(18)의 입구까지의 가스 냉각기(15)?제1 중간 열 교환기(16)의 고압 측, 및 접속 배관의 용적이다. 상기 저압부는 이 예에서는 상온 압축기(14)의 상류 측이며, 보다 구체적으로는 극저온 열 교환기(12)?제1 중간 열 교환기(16)의 저압 측, 및 팽창기(18)의 출구로부터 상온 압축기(14)까지의 접속 배관의 용적이다.The bypass line 22 directly communicates the high pressure part and the low pressure part of the closed loop 11. The high pressure section is in this example the downstream side of the compressor 14, more specifically the high pressure of the gas cooler 15-first intermediate heat exchanger 16 from the outlet of the compressor 14 to the inlet of the expander 18. Side and the volume of the connecting pipe. The low pressure portion is upstream of the room temperature compressor 14 in this example, and more specifically the low temperature side of the cryogenic heat exchanger 12 to the first intermediate heat exchanger 16 and the outlet of the expander 18. The volume of the connecting pipe up to 14).

가스 저장 탱크(24)는, 바이패스 라인(22)의 중간에 위치하고, 고압 측과 저압 측에 각각 압력 조정 밸브(23a, 23b)를 가진다.The gas storage tank 24 is located in the middle of the bypass line 22 and has pressure regulating valves 23a and 23b on the high pressure side and the low pressure side, respectively.

가스 저장 탱크(24)의 용량은, 정지 시에 상온이 되었을 때 가스 저장 탱크(24) 내부의 압력을 소정의 기준 압력(예를 들어, 1MPa) 이하로 유지할 수 있고, 또한 극저온을 발생시키는 운전 시에 고압부의 압력을 소정의 운전 압력(예를 들어, 1.O ~ 1.2MPa)으로 유지할 수 있게 설정된다.The capacity of the gas storage tank 24 maintains the pressure inside the gas storage tank 24 at a predetermined reference pressure (for example, 1 MPa) or less when it has reached room temperature at the time of stopping, and also generates cryogenic temperatures. At the time of setting, the pressure of the high-pressure part is set to be maintained at a predetermined operating pressure (for example, 1.0 to 1.2 MPa).

가스 저장 탱크(24)의 용량은, 운전 시의 온도와 압력으로부터 산출되는 폐루프(11) 내의 가스 저장 탱크(24)를 제외한 가스의 전체 질량과, 정지 시에 상온에서의 가스 저장 탱크(24)를 제외한 폐루프(11)의 용적에 운전 시의 고압부(도 4에서 가스 냉각기(15)의 하류 측)의 압력(예를 들어, 1MPa)으로 충전된 가스의 질량과의 차이가, 가스 저장 탱크(24) 내부를 운전 시의 고압부의 압력으로 채웠을 경우의 가스의 질량과 운전 시의 저압부(도 4에서 상온 압축기(14)의 상류 측)의 압력으로 채웠을 경우의 가스의 질량과의 차이와 동일해지는 가스 저장 탱크의 용적이 필요해진다. 한편, 가스 저장 탱크의 온도는 항상 일정하다. 가스 저장 탱크의 압력은 운전 시의 고압 측의 압력이 될 때 최대이고, 저압부의 압력이 될 때 최소이다. 이 온도가 일정할 때의 압력차와 용적에 의해 가스 저장 탱크가 흡수할 수 있는 가스의 질량이 구해진다. 따라서, 가스 저장 탱크(24)의 용량은 극저온이면서 저압이 되는 저온 저압 부분 용적의 3배 이상, 바람직하게는 4 ~ 5배로 설정하는 것이 좋다.The capacity of the gas storage tank 24 is the total mass of gas excluding the gas storage tank 24 in the closed loop 11 calculated from the temperature and pressure at the time of operation, and the gas storage tank 24 at normal temperature at the time of stop. The difference between the mass of the gas filled in the volume of the closed loop 11 and the pressure of the high pressure part (downstream side of the gas cooler 15 in FIG. 4) (for example, 1 MPa) at the time of operation except the The difference between the mass of gas when the inside of the tank 24 is filled with the pressure of the high pressure part at the time of operation, and the mass of the gas when it fills with the pressure of the low pressure part (upstream of the normal temperature compressor 14 in FIG. 4) at the time of operation. The volume of the gas storage tank to be equal to is required. On the other hand, the temperature of the gas storage tank is always constant. The pressure of the gas storage tank is maximum when the pressure is at the high pressure side during operation, and minimum when the pressure is at the low pressure part. The mass of the gas which can be absorbed by a gas storage tank is calculated | required by the pressure difference and volume at this temperature being constant. Therefore, the capacity of the gas storage tank 24 is preferably set to three times or more, preferably 4 to 5 times, the volume of the low temperature low pressure portion which becomes cryogenic and low pressure.

또한, 폐루프(11)의 고압부에 압력 검출기(25)가 마련되고, 검출된 압력 데이터는 압력 제어 장치(26)에 입력된다.In addition, the pressure detector 25 is provided at the high pressure portion of the closed loop 11, and the detected pressure data is input to the pressure control device 26.

압력 제어 장치(26)는, 검출된 압력 데이터에 근거하여, 상온이고 정지 시에 가스 저장 탱크(24)의 압력이 폐루프(11)와 동일해지도록 압력 조정 밸브(23a, 23b)를 제어하고, 극저온을 발생시키는 운전 시에 고압부와 저압부의 중간 압력이고 또한 저압부에 가까운 압력(저압부보다 약간 높은 압력)이 되도록 각 압력 조정 밸브(23a, 23b)를 제어한다.The pressure control device 26 controls the pressure regulating valves 23a and 23b so that the pressure of the gas storage tank 24 becomes equal to the closed loop 11 at normal temperature and stops, based on the detected pressure data. Each of the pressure regulating valves 23a and 23b is controlled so as to be an intermediate pressure between the high pressure portion and the low pressure portion and a pressure close to the low pressure portion (slightly higher than the low pressure portion) during the operation of generating the cryogenic temperature.

상술한 구성의 극저온 냉동 장치(10)를 이용하는 본 발명의 극저온 냉동 장치의 제어 방법에서는 압력 제어 장치(26)에 의해 이하의 제어를 행한다.In the control method of the cryogenic refrigeration apparatus of this invention using the cryogenic refrigeration apparatus 10 of the structure mentioned above, the following control is performed by the pressure control apparatus 26. As shown in FIG.

(A) 극저온 냉동 장치(10)의 정지 시에 각 압력 조정 밸브(23a, 23b)를 전체 개방으로 유지한다. 이 조작에 의해, 냉동기의 정지 시에 압축기(14)의 입구 측과 출구 측의 압력을 균압화할 수 있으므로, 정지 후의 압축기의 압력에 의한 역회전을 방지할 수 있다.(A) When the cryogenic refrigerating device 10 stops, each of the pressure regulating valves 23a and 23b is kept open. By this operation, since the pressure at the inlet side and the outlet side of the compressor 14 can be equalized at the time of stopping the refrigerator, reverse rotation by the pressure of the compressor after stopping can be prevented.

(B) 극저온 냉동 장치(10)의 기동 전에 각 압력 조정 밸브(23a, 23b)를 전체 폐쇄한다. 이 조작에 의해, 기동 직후의 고압 측 및 저압 측의 압력 변동으로부터 가스 저장 탱크(24)를 분리하고, 폐루프(11)만으로 기동할 수 있다.(B) Before starting the cryogenic refrigeration apparatus 10, each pressure control valve 23a, 23b is fully closed. By this operation, the gas storage tank 24 can be separated from the pressure fluctuations on the high pressure side and the low pressure side immediately after starting, and can be started only by the closed loop 11.

(C) 극저온 냉동 장치(10)의 기동 중에, 고압부가 소정의 최대 압력(예를 들어, 1.1MPa)을 초과할 경우에 고압 측의 압력 조정 밸브(23a)를 개방한다. 이 조작에 의해, 고압부가 소정의 최대 압력을 초과하는 것을 방지하고, 여분의 작동 가스를 가스 저장 탱크(24)로 회수할 수 있다.(C) During the start of the cryogenic refrigeration apparatus 10, when the high pressure part exceeds a predetermined maximum pressure (for example, 1.1 MPa), the pressure control valve 23a on the high pressure side is opened. By this operation, the high pressure portion can be prevented from exceeding the predetermined maximum pressure, and the extra working gas can be recovered to the gas storage tank 24.

(D) 극저온 냉동 장치(10)의 기동 중에, 고압부가 소정의 최저 압력(예를 들어, 0.9MPa) 이하인 경우에 저압 측의 압력 조정 밸브(23b)를 개방한다. 이 조작에 의해, 폐루프(11)의 저압부에 가스 저장 탱크(24)로부터 작동 가스를 보급하여, 고압부의 압력 저하를 억제할 수 있다.(D) During the start of the cryogenic refrigeration apparatus 10, when the high pressure part is below predetermined minimum pressure (for example, 0.9 MPa), the pressure regulating valve 23b of the low pressure side is opened. This operation can supply working gas from the gas storage tank 24 to the low pressure part of the closed loop 11, and can suppress the pressure fall of the high pressure part.

(B) 내지 (D)의 조작에 의해, 극저온 냉동 장치(10)의 기동을 완료하고, 극저온을 발생시키는 정상 운전을 할 수 있다.By the operation of (B) to (D), it is possible to complete the startup of the cryogenic refrigeration apparatus 10 and to perform normal operation of generating cryogenic temperatures.

또한, 극저온을 발생시키는 정상 운전으로부터 정지시키는 경우의 제어도 상기와 마찬가지이다. 즉, 운전 시에 극저온이면서 저압이 되는 저온 저압 부분의 온도 및 압력이 상승함에 따라 저압 측의 압력이 상승하므로, 상술한 (C)의 조작에 의해 여분의 작동 가스를 가스 저장 탱크(24)로 회수할 수 있다.In addition, the control in the case of stopping from the normal operation which produces cryogenic temperature is the same as the above. That is, since the pressure on the low pressure side rises as the temperature and pressure of the low temperature and low pressure portion which become cryogenic and low pressure at the time of operation increase, the excess working gas is transferred to the gas storage tank 24 by the above-mentioned operation (C). It can be recovered.

또한, 극저온 냉동 장치(10)의 정지 시에 각 압력 조정 밸브(23a, 23b)를 전체 개방으로 유지하는 (A)의 조작에 의해 냉동기의 정지 시에 압축기(14)의 입구 측과 출구 측의 압력을 균압화할 수 있으므로, 정지 후에 압축기(14)의 입구 측과 출구 측의 압력차에 기인하는 압축기의 역회전을 방지할 수 있다.In addition, when the cryogenic freezing device 10 is stopped, the inlet side and the outlet side of the compressor 14 are stopped at the time of stopping the freezer by the operation of (A) which holds each of the pressure regulating valves 23a and 23b at full opening. Since the pressure can be equalized, reverse rotation of the compressor due to the pressure difference between the inlet side and the outlet side of the compressor 14 can be prevented after the stop.

상술한 본 발명의 장치 및 방법에 따르면, 극저온 냉동 장치(10)를 구성하는 폐루프(11)의 고압부와 저압부를 연통시키는 바이패스 라인(22)의 중간에 위치하고 고압 측과 저압 측에 각각 압력 조정 밸브(23a, 23b)를 가지는 가스 저장 탱크(24)를 구비하므로, 가스 저장 탱크(24)의 압력이 상온이면서 정지 시에 폐루프(11)와 동일해지도록 각 압력 조정 밸브를 제어함으로써(예를 들어, 정지 시에 각 압력 조정 밸브(23a, 23b)를 전체 개방으로 유지한다), 폐루프(11), 바이패스 라인(22) 및 가스 저장 탱크(24)로 이루어지는 전체 시스템을 소정의 기준 압력(예를 들어, 1MPa) 이하로 설정할 수 있다.According to the apparatus and method of the present invention described above, the pressure is placed in the middle of the bypass line 22 communicating the high and low pressure portions of the closed loop 11 constituting the cryogenic refrigeration apparatus 10 to the high pressure side and the low pressure side, respectively. Since the gas storage tank 24 having the adjustment valves 23a and 23b is provided, the respective pressure control valves are controlled so that the pressure of the gas storage tank 24 becomes the same as the closed loop 11 at the time of stopping at normal temperature ( For example, the entire system consisting of each of the pressure regulating valves 23a and 23b is kept fully open at the time of stopping), the closed loop 11, the bypass line 22 and the gas storage tank 24. It can be set to a reference pressure (for example, 1 MPa) or less.

또한, 이에 의해, 냉동기의 정지 시에 압축기(14)의 입구 측과 출구 측의 압력을 균압화할 수 있으므로, 정지 후의 압축기의 압력에 의한 역회전을 방지할 수 있다.In addition, since the pressure at the inlet side and the outlet side of the compressor 14 can be equalized at the time of stopping a refrigerator, reverse rotation by the pressure of the compressor after stopping can be prevented.

또한, 극저온을 발생시키는 운전 시에 가스 저장 탱크(24)의 압력이 고압부와 저압부의 중간 압력이면서 저압부에 가까운 압력이 되도록 각 압력 조정 밸브(23a, 23b)를 제어함으로써, 운전 개시 후 냉동기 내부의 저온부의 온도가 내려감에 따라 폐루프 내의 작동 가스의 압력이 저하되어도, 그만큼의 작동 가스를 가스 저장 탱크로부터 보충할 수 있다.In addition, by controlling each of the pressure regulating valves 23a and 23b so that the pressure of the gas storage tank 24 becomes a pressure close to the low pressure portion while being the intermediate pressure between the high pressure portion and the low pressure portion during the operation of generating the cryogenic temperature, the inside of the freezer after the operation is started. Even if the pressure of the working gas in the closed loop decreases as the temperature of the low temperature portion of the lower temperature decreases, the corresponding working gas can be replenished from the gas storage tank.

예를 들어, 가스 저장 탱크(24)의 용량을, 운전 시에 극저온이면서 저압이 되는 저온 저압 부분의 용적 V의 3배 이상으로 설정할 경우, 저온 저압 부분은 온도의 저하(예를 들어, 300K에서 60K로)와 압력의 저하(예를 들어, 1/2로)에 의해, 저온 저압 부분의 압력(예를 들어, 기동 시의 1/2)을 유지하려면 그 부분에서 기동 시의 5/2(2.5)배가 되도록 작동 가스를 보충할 필요가 있다.For example, when the capacity of the gas storage tank 24 is set to three times or more of the volume V of the low temperature low pressure portion that becomes cryogenic and low pressure at the time of operation, the low temperature low pressure portion decreases in temperature (for example, at 300 K). 60K) and the drop in pressure (e.g., 1/2) to maintain the pressure of the low-temperature, low-pressure part (e.g., 1/2 at startup) and 5/2 (at startup) 2.5) It is necessary to replenish the working gas so that it doubles.

따라서, 가스 저장 탱크(24)로부터 부족분인 1.5V를 저온 저압 부분에 공급해도, 가스 저장 탱크(24)의 압력을 정지 시의 1/2 이상으로 유지할 수 있다.Therefore, even if 1.5V which is a shortage from the gas storage tank 24 is supplied to the low temperature low pressure part, the pressure of the gas storage tank 24 can be maintained at 1/2 or more at the time of stopping.

즉, 가스 저장 탱크(24)의 용량을, 정지 시에 상온이 되었을 때 가스 저장 탱크(24) 내부의 압력을 소정의 기준 압력(예를 들어, 1MPa) 이하로 유지할 수 있고, 또한 극저온을 발생시키는 운전 시에 고압부의 압력을 소정의 운전 압력으로 유지할 수 있도록 설정함으로써, 피냉각체를 소정의 극저온까지 냉각할 수 있는 냉각 능력을 가지고, 내압 강도가 소정의 압력(예를 들어, 1MPa)을 초과하는 가스 저장 탱크를 이용하지 않으며, 또한 작동 가스의 방출?보충을 하지 않고, 정지 중의 상온으로부터 작동 중의 극저온까지, 고압 부분의 압력을 거의 일정하게 유지할 수 있다.That is, when the capacity of the gas storage tank 24 reaches room temperature at the time of stopping, the pressure inside the gas storage tank 24 can be maintained at a predetermined reference pressure (for example, 1 MPa) or less, and the cryogenic temperature is generated. By setting so that the pressure of the high pressure part can be maintained at a predetermined operating pressure during the operation, the cooling body can be cooled to a predetermined cryogenic temperature, and the pressure resistance is set to a predetermined pressure (for example, 1 MPa). The pressure of the high-pressure part can be kept substantially constant from normal temperature during stop to cryogenic temperature during operation, without using an excess gas storage tank, and without releasing or supplementing the working gas.

실시예Example

도 5는, 본 발명에 따른 극저온 냉동 장치의 제2 실시 형태를 나타내는 도면이다. 이 예는, 극저온부의 출구 온도가 65K, 냉각 능력이 3kW인 실시예이며, 도면 중의 P, T, H, G는 각각 압력(bar), 온도(K), 질량 유량(g/s)을 나타낸다.5 is a view showing a second embodiment of the cryogenic refrigeration apparatus according to the present invention. This example is an example in which the exit temperature of the cryogenic portion is 65K and the cooling capacity is 3kW, and P, T, H, and G in the figure represent pressure (bar), temperature (K), and mass flow rate (g / s), respectively. .

이 예에 있어서, 상온 압축기(14)는, 소정의 저압(5.57bar)으로부터 저압과 고압 사이의 제1 중간 압력(8.03bar)까지 압축하는 제1단 압축기(14A)와, 제1 중간 압력으로부터 고압(11.Obar)까지 압축하는 제2단 압축기(14B)로 이루어진다. 제1단 압축기(14A)와 제2단 압축기(14B)의 하류 측(고압 측)에는 각각 수냉의 가스 냉각기(15)가 마련된다.In this example, the room temperature compressor 14 includes a first stage compressor 14A that compresses from a predetermined low pressure (5.57 bar) to a first intermediate pressure (8.03 bar) between low pressure and high pressure, and from the first intermediate pressure. It consists of a second stage compressor 14B which compresses to a high pressure (11.Obar). Water-cooled gas coolers 15 are provided on the downstream side (high pressure side) of the first stage compressor 14A and the second stage compressor 14B, respectively.

또한, 팽창기(18)는, 고압(11.Obar)으로부터 저압과 고압 사이의 제2 중간 압력(10.29bar)까지 팽창시키는 제1 팽창기(18A)와, 제2 중간 압력으로부터 저압(5.57bar)까지 팽창시키는 제2 팽창기(18B)로 이루어진다.The inflator 18 also includes a first inflator 18A that expands from a high pressure (11.Obar) to a second intermediate pressure (10.29 bar) between low and high pressure, and from a second intermediate pressure to low pressure (5.57 bar). Inflation second expander 18B.

또한, 제1 팽창기(18A)와 제2 팽창기(18B)의 중간에, 저압과 고압의 작동 가스끼리 열 교환하는 제2 중간 열 교환기(17)를 구비한다.A second intermediate heat exchanger 17 is provided between the first expander 18A and the second expander 18B to heat-exchange the working gases of low pressure and high pressure.

제1단 압축기(14A)와 제2단 압축기(14B)는 각각 터보 압축기이고, 제1 팽창기(18A)와 제2 팽창기(18B)는 각각 팽창 터빈이며, 제1단 압축기(14A)와 제2 팽창기(18B), 제2단 압축기(14B)와 제1 팽창기(18A)는 각각 동축이고, 각각 동일한 전동기로 구동되는 것이 바람직하다.The first stage compressor 14A and the second stage compressor 14B are each a turbo compressor, the first expander 18A and the second expander 18B are each an expansion turbine, and the first stage compressor 14A and the second The expander 18B, the second stage compressor 14B and the first expander 18A are each coaxial and preferably driven by the same electric motor.

그 밖의 구성은 도 4와 동일하다.The rest of the configuration is the same as in FIG.

이 구성에 의해, 폐루프(11)로 작동 가스를 압축하고, 압축된 작동 가스를 제1 팽창기(18A) 및 제2 팽창기(18B)에 의해 팽창시켜 56K의 극저온을 발생시켜, 피냉각체로부터 3kW의 열량을 흡열할 수 있음이 확인된다.This configuration compresses the working gas into the closed loop 11, expands the compressed working gas by the first expander 18A and the second expander 18B to generate a cryogenic temperature of 56 K, and removes the It is confirmed that heat capacity of 3 kW can be absorbed.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는, 상온부에 가스 저장 탱크(24)를 마련하여 냉동기의 고압 측(압축기 출구 측)과 저압 측(회귀 측)에 각각 압력 조정 밸브(23a, 23b)를 구비한 배관(바이패스 라인(22))으로 접속한다.As described above, in the present invention, the gas storage tank 24 is provided at room temperature, and the pressure regulating valves 23a and 23b are provided on the high pressure side (compressor outlet side) and the low pressure side (return side) of the refrigerator, respectively. It is connected by piping (bypass line 22).

압력 조정 밸브(23a, 23b)의 제어에 있어서의 참조 압력은 모두 고압 측 압력이며, 배관이 고압 측에 접속되는 압력 조정 밸브(23a)는 규정압을 초과했을 때 밸브를 ‘개방’으로 하고, 회귀 측에 접속되는 압력 조정 밸브(23b)는 고압 측이 규정압보다 저하되었을 때 ‘개방’으로 하여 시스템 내부의 압력을 상승시킨다.The reference pressures in the control of the pressure regulating valves 23a and 23b are all high pressure side pressures, and the pressure regulating valve 23a to which the pipe is connected to the high pressure side sets the valve to 'open' when the specified pressure is exceeded, The pressure regulating valve 23b connected to the return side is set to 'open' when the high pressure side is lower than the prescribed pressure, thereby raising the pressure inside the system.

또한, 가스 저장 탱크(24)의 용적은 운전 시에 회귀 측 압력보다 약간 높은 압력을 유지하고, 정지 시에 시스템 내부가 상온이 되어도 설계 압력을 초과하지 않는 범위에서 가능한 한 작은 용적으로 설정되어 있다.In addition, the volume of the gas storage tank 24 is set to a volume as small as possible in the range which does not exceed the design pressure even if it maintains the pressure slightly higher than the return side pressure at the time of operation | operation, and the system inside becomes normal temperature at the time of stopping. .

또한, 팽창 터빈(제1 팽창기(18A)와 제2 팽창기(18B))을 터보 압축기(제1단 압축기(14A)와 제2단 압축기(14B))와 동축으로 구성하고, 동일한 전동기로 구동함으로써, 팽창 터빈의 동력을 회수하고 전동기 동력을 삭감할 수 있음과 함께, 팽창 터빈을 전동기의 회전 속도로 제한하고, 그 오버 스피드를 본질적으로 방지할 수 있으므로, 팽창 터빈의 바이패스 밸브나 입구의 쓰로틀 밸브가 불필요하며, 압축기는 기동 시부터 정격 회전수의 운전을 할 수 있다.In addition, the expansion turbine (the first expander 18A and the second expander 18B) is configured coaxially with the turbo compressor (the first stage compressor 14A and the second stage compressor 14B), and is driven by the same electric motor. In addition, it is possible to recover the power of the expansion turbine and reduce the power of the motor, limit the expansion turbine to the rotational speed of the motor, and essentially prevent the overspeed of the expansion turbine. No valve is required, and the compressor can operate at rated speed from the start.

또한, 냉동기의 정지 시에 압력 조정 밸브(23a, 23b)의 양쪽을 모두 개방으로 하여 압축기 입구 측과 출구 측의 압력을 균압화함으로써, 정지 후에 압축기(제1단 압축기(14A)와 제2단 압축기(14B))의 입구 측과 출구 측의 압력차에 기인하는 압축기의 역회전을 방지할 수 있다.In addition, when the refrigerator stops, both pressure control valves 23a and 23b are opened to equalize the pressure at the compressor inlet and outlet, so that the compressor (the first stage compressor 14A and the second stage after the compressor is stopped). Reverse rotation of the compressor due to the pressure difference between the inlet side and the outlet side of the compressor 14B can be prevented.

상술한 구성에 의하여, 작동 가스는 상온 압축기(14)로 승압되며, 상승한 가스의 온도를 가스 냉각기(15)로 상온 부근까지 낮추고, 제1 중간 열 교환기(16), 팽창기(18)를 통과시켜 온도를 저하시키고 압력도 낮춘다. 냉동 부하인 피냉각체로부터 열을 빼앗은 리턴 가스는 제1 중간 열 교환기(16)로 고압 측의 작동 가스를 냉각하면서 상온 부근까지 온도가 상승되어 상온 압축기(14)로 돌아간다. 고압 측과 저압 측의 압력 비는 대략 2이다. 가스 저장 탱크(24)는 냉동기 고압 측(압축기 출구 측)과 회귀 측(압축기 입구 측)에 각각 압력 조정 밸브(23a, 23b)를 구비한 배관(바이패스 라인(22))으로 접속한다.By the above-described configuration, the working gas is boosted by the room temperature compressor 14, and the temperature of the risen gas is lowered by the gas cooler 15 to near the normal temperature, and the first intermediate heat exchanger 16 and the expander 18 are passed through. Lower the temperature and lower the pressure. The return gas which took heat from the to-be-cooled body which is a refrigeration load raises temperature to near normal temperature, returning to normal temperature compressor 14, cooling the operating gas of the high pressure side by the 1st intermediate heat exchanger 16, and returning to normal temperature compressor 14. The pressure ratio between the high pressure side and the low pressure side is approximately two. The gas storage tank 24 is connected by piping (bypass line 22) provided with pressure regulating valves 23a and 23b on the refrigerator high pressure side (compressor outlet side) and the return side (compressor inlet side), respectively.

압력 조정 밸브(23a, 23b)의 제어에 있어서의 참조 압력은 모두 고압 측 압력이며, 배관이 고압 측에 접속되는 압력 조정 밸브(23a)는 규정압을 초과했을 때 밸브를 ‘개방’으로 하고, 회귀 측에 접속되는 압력 조정 밸브(23b)는 고압 측이 규정압보다 저하되었을 때 ‘개방’으로 되어 시스템 내부의 압력을 상승시킨다. 이 2개의 압력 조정 밸브(23a, 23b)의 기능으로 고압 측의 압력은 운전, 기동 및 정지 시에 일정하게 유지된다.The reference pressures in the control of the pressure regulating valves 23a and 23b are all high pressure side pressures, and the pressure regulating valve 23a to which the pipe is connected to the high pressure side sets the valve to 'open' when the specified pressure is exceeded, The pressure regulating valve 23b connected to the return side becomes 'open' when the high pressure side is lower than the prescribed pressure, thereby raising the pressure inside the system. By the function of these two pressure regulating valves 23a and 23b, the pressure on the high pressure side is kept constant at the time of driving, starting and stopping.

한편, 본 발명은 상술한 실시 형태로 한정되지 않으며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경할 수가 있음은 물론이다.In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, Of course, it can change variously in the range which does not deviate from the summary of this invention.

Claims (7)

폐루프(closed loop)로 작동 가스를 압축하고, 압축한 작동 가스를 팽창시킴으로써 극저온을 발생시키는 극저온 냉동 장치로서,
상기 폐루프의 고압부와 저압부를 연통시키는 바이패스 라인,
상기 바이패스 라인의 중간에 위치하고, 고압 측과 저압 측에 각각 압력 조정 밸브를 가지는 가스 저장 탱크, 및
상기 각 압력 조정 밸브를 제어하는 압력 제어 장치를 구비하고,
상기 압력 제어 장치는, 상온이고 정지 시에 가스 저장 탱크의 압력이 폐루프의 압력과 동일해지도록 상기 각 압력 조정 밸브를 제어하고, 극저온을 발생시키는 운전 시에 고압부의 압력이 소정의 압력이 되도록 상기 각 압력 조정 밸브를 제어하며,
상기 압력 제어 장치는,
극저온 냉동 장치의 정지 시에 상기 각 압력 조정 밸브를 전체 개방으로 유지하고,
기동 중에 상기 고압부가 소정의 최대 압력을 초과하는 경우에 고압 측에 접속되어 있는 압력 조정 밸브를 개방하고, 상기 고압부가 소정의 최저 압력 이하인 경우에 저압 측에 접속되어 있는 압력 조정 밸브를 개방하는 것을 특징으로 하는 극저온 냉동 장치.A cryogenic refrigeration apparatus that generates cryogenic by compressing a working gas in a closed loop and expanding the compressed working gas,
A bypass line communicating the high pressure part and the low pressure part of the closed loop,
A gas storage tank located in the middle of the bypass line, each having a pressure regulating valve on a high pressure side and a low pressure side, and
And a pressure control device for controlling the respective pressure regulating valves,
The pressure control device controls each of the pressure regulating valves so that the pressure of the gas storage tank is equal to the pressure of the closed loop at the time of normal temperature and stops, so that the pressure of the high pressure part becomes a predetermined pressure during the operation of generating the cryogenic temperature. To control the respective pressure regulating valves,
The pressure control device,
Each of the above pressure regulating valves are kept at full opening when the cryogenic refrigeration unit is stopped,
Opening the pressure regulating valve connected to the high pressure side when the high pressure part exceeds a predetermined maximum pressure during starting, and opening the pressure regulating valve connected to the low pressure side when the high pressure part is below a predetermined minimum pressure. Cryogenic refrigeration apparatus characterized in that. 제1항에 있어서,
상기 가스 저장 탱크의 용량은, 정지 시에 상온이 되었을 때 상기 가스 저장 탱크 내부의 압력을 소정의 기준 압력 이하로 유지할 수 있고, 극저온을 발생시키는 운전 시에 상기 고압부의 압력을 소정의 운전 압력으로 유지할 수 있도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 극저온 냉동 장치.The method of claim 1,
The capacity of the gas storage tank can maintain the pressure inside the gas storage tank below a predetermined reference pressure when it is at room temperature at the time of stopping, and the pressure of the high pressure section is a predetermined operating pressure during the operation of generating cryogenic temperature. Cryogenic refrigeration apparatus characterized in that it is set to hold. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 폐루프의 상온부에 마련되고 작동 가스를 소정의 저압에서 고압까지 압축하는 상온 압축기,
극저온부와 상온부의 중간에 위치하고 작동 가스끼리 열 교환하는 제1 중간 열 교환기, 및
상기 제1 중간 열 교환기보다 극저온부 측에 마련되고 작동 가스를 등엔트로피 팽창(isentropic expansion)시키는 팽창기를 구비하는 것을 특징으로 하는 극저온 냉동 장치.The method of claim 1,
A room temperature compressor provided at a room temperature of the closed loop and compressing a working gas from a predetermined low pressure to a high pressure,
A first intermediate heat exchanger positioned between the cryogenic portion and the normal temperature portion, and for performing heat exchange between the working gases;
And a expander provided on the cryogenic portion side than the first intermediate heat exchanger and configured to isentropically expand the working gas. 제4항에 있어서,
상기 상온 압축기는, 상기 소정의 저압에서 상기 고압까지 다단(多段)으로 압축하는 복수의 터보 압축기로 이루어지고,
상기 팽창기는, 상기 고압에서 상기 저압까지 다단으로 팽창시키는 복수의 팽창 터빈으로 이루어지고,
상기 복수의 팽창 터빈의 중간에, 작동 가스끼리 열 교환하는 복수의 중간 열 교환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 극저온 냉동 장치.The method of claim 4, wherein
The normal temperature compressor is composed of a plurality of turbo compressors which compress in multiple stages from the predetermined low pressure to the high pressure,
The expander is composed of a plurality of expansion turbine for expanding in multiple stages from the high pressure to the low pressure,
A cryogenic refrigeration apparatus comprising a plurality of intermediate heat exchangers for performing heat exchange between working gases in the middle of the plurality of expansion turbines. 폐루프로 작동 가스를 압축하고, 압축한 작동 가스를 팽창시킴으로써 극저온을 발생시키는 극저온 냉동 장치의 제어 방법으로서,
상기 극저온 냉동 장치에, 상기 폐루프의 고압부와 저압부를 연통시키는 바이패스 라인과, 상기 바이패스 라인의 중간에 위치하고 고압 측과 저압 측에 각각 압력 조정 밸브를 가지는 가스 저장 탱크를 마련하고,
상온이고 정지 시에 가스 저장 탱크의 압력이 폐루프의 압력과 동일해지도록 상기 각 압력 조정 밸브를 제어하고, 극저온을 발생시키는 운전 시에 고압부의 압력이 소정의 압력이 되도록 상기 각 압력 조정 밸브를 제어하며,
상기 극저온 냉동 장치의 정지 시에 상기 각 압력 조정 밸브를 전체 개방으로 유지하고,
기동 중에 상기 고압부가 소정의 최대 압력을 초과하는 경우에 고압 측에 접속되어 있는 압력 조정 밸브를 개방하고, 상기 고압부가 소정의 최저 압력 이하인 경우에 저압 측에 접속되어 있는 압력 조정 밸브를 개방하는 것을 특징으로 하는 극저온 냉동 장치의 제어 방법.A control method of a cryogenic refrigeration apparatus that generates cryogenic by compressing a working gas with a closed loop and expanding the compressed working gas,
The cryogenic refrigeration apparatus is provided with a bypass line for communicating the high pressure part and the low pressure part of the closed loop, and a gas storage tank having a pressure regulating valve positioned in the middle of the bypass line and on the high pressure side and the low pressure side, respectively.
Control each of the pressure regulating valves so that the pressure of the gas storage tank at room temperature is the same as the pressure of the closed loop at the time of stopping, and adjust the pressure regulating valves so that the pressure of the high pressure part becomes a predetermined pressure in the operation of generating cryogenic temperature. Control,
Maintaining each of the pressure regulating valves at full opening when the cryogenic freezing device is stopped,
Opening the pressure regulating valve connected to the high pressure side when the high pressure part exceeds a predetermined maximum pressure during starting, and opening the pressure regulating valve connected to the low pressure side when the high pressure part is below a predetermined minimum pressure. A control method of a cryogenic refrigeration apparatus. 제6항에 있어서,
상기 가스 저장 탱크의 용량을, 정지 시 상온이 되었을 때 상기 가스 저장 탱크 내부의 압력을 소정의 기준 압력 이하로 유지할 수 있고, 극저온을 발생시키는 운전 시에 상기 고압부의 압력을 소정의 운전 압력으로 유지할 수 있도록 설정하는 것을 특징으로 하는 극저온 냉동 장치의 제어 방법.The method of claim 6,
The capacity of the gas storage tank can maintain the pressure inside the gas storage tank below a predetermined reference pressure when it is at room temperature at stop, and maintain the pressure of the high pressure section at a predetermined operating pressure during operation that generates cryogenic temperatures. Control method of cryogenic refrigeration apparatus, characterized in that the setting so that.
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