JPH0248827B2 - Gokuteionekikasochioyobisonontenhoho - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は極低温液化装置及びその運転方法に係
り、特に予冷時の運転に好適な極低温液化装置及
びその運転方法に関するものである。

〔発明の背景〕

従来の極低温液化装置、例えば、ヘリウム液化
機における予冷時の操作手順を第１図に示す。第
１図はガスヘリウムの液化機を示したもので、液
化機１は、基本的に第１熱交換器２、第２熱交換
器３、第３熱交換器４、第４熱交換器５、第５熱
交換器６と、寒冷発生用の第１膨張タービン７、
第２膨張タービン８およびジユールトムソン弁９
で構成される。圧縮機１０で圧縮された常温の高
圧ガスヘリウムは、第１熱交換器２の高温端に流
入する。第１熱交換器２の冷温端より流出した高
圧ガスヘリウムは、流量もしくは圧力調整弁１１
を通つてその１部が第１膨張タービン７に配流さ
れ、第１膨張タービン７で寒冷を発生した後、そ
の寒冷を第３熱交換器４内で高圧ガスヘリウムに
与え、再び第２膨張タービン８内で寒冷を発生し
た後、第４熱交換器５の低温端側低圧入口に流入
されて寒冷を第４熱交換器５に与える。ここで、
ジユールトムソン弁９は弁入口側の高圧ガスヘリ
ウムの温度が約20K以下まで降下しないと、実用
上膨張後の寒冷を利用できない。ジユールトムソ
ン弁９の入口温度が20K以下になると、ジユール
トムソン弁９出口の膨張した低温ガスヘリウム
が、第５熱交換器６の低温端入口より熱交換器６
〜２に順次流入し、その寒冷で各熱交換器６〜２
内の高圧ガスヘリウムを冷却する。このようにし
て、しだいにジユールトムソン弁９入口のガスヘ
リウムの温度は降下し、ジユールトムソン弁９出
口で、膨張後の低圧ガスヘリウムの１部が液化
し、気液分離器９′に液化ヘリウムが製造される。
液化機全体が常温の状態から、液化を開始するま
での時間をクールダウン時間と呼ばれており、液
化機を利用する場合、このクールダウン時間は短
い程有利となる。クールダウン時間を短縮させる
一方法として、第５熱交換器６の低温端入口と、
第１熱交換器２の低温端入口とをバイパス弁１２
を介して導管１３で導通させ、第２膨張タービン
８出口の低温低圧ガスおよびジユールトムソン弁
９で膨張後のガスの１部を、バイパス弁１２より
第１熱交換器２の低温端入口に戻す方法がある。
この方法によつて、第５熱交換器６の温度は、第
２膨張タービン８の膨張出口温度約15K以下まで
短時間で冷却する。すなわち、低温側の熱交換
器、例えば、第４熱交換器５及び第５熱交換器６
においては、低圧戻りガスの温度が高いと熱交換
器を通るときの圧損が大きくなり、高圧ガスを所
定流量供給できなくなるが、この温度の高い低圧
戻りガスを導管１３に通して高温部分にバイパス
させることによつて圧損をなくせ、所定流量の高
圧ガスを膨張タービン等に供給でき寒冷の発生も
多くなつて早く冷却できる。また、ジユールトム
ソン弁９の入口側の高圧ヘリウムガスの温度が約
20K以上の高い温度の場合には、実用上利用可能
な寒冷が発生されないため、第５熱交換器６の低
圧ガス戻り側には温度の高いガスが流れて第５熱
交換器６の高圧ガスを冷却できなくなるが、この
温度の高いガスを導管１３にバイパスさせること
で、第５熱交換器６は第４熱交換器５で冷却され
る高圧ガスによつて徐々に冷却される。その後
は、バイパス弁１２を絞り、バイパス流量を止
め、ジユールトムソン弁９の寒冷で液化開始状態
に至る。第２図は、ジユールトムソン弁９出口の
温度計１４の温度θと、クールダウン開始から時
間Ｔの関係およびそれと同時間のバイパス弁１２
とジユールトムソン弁９の開度との関係を示して
いる。おのおのの弁は、開度を増す程弁通過ガス
流量が増加する特性を有している。従来のこの弁
開度の設定値変更およびその切換タイミングは、
ジユールトムソン弁９の出口温度降下割合が減少
してきた時点、例えば第２図で液化運転開始、す
なわち、クールダウン開始時点Ｓから温度降下割
合が減少したＡ点、切換後の温度降下割合が減少
したＢ点、その後のＣ，Ｄ点および液化温度とな
つたＥ点である。従来技術では、この操作を温度
計１４の値を入力値、各Ａ〜Ｅ点の設定温度値を
設定弁開度への切換条件の判定値とする。シーケ
ンス制御で行つていた。

この制御法では、クールダウン時間を短縮させ
るためには、以下に述べる欠点が生じる。その第
１は、シーケンス制御の切換回数を増加させ、お
のおのの切換時点に最適な弁開度を設定しなけれ
ばならない。すなわち、温度および弁開度の設定
値は、液化機を実際に液化運転して、温度計１４
およびバイパス弁１２、ジユールトムソン弁９の
特性を考慮した上で、その液化機に合つた値を決
定しなければならない。これには、多くの時間と
運転費用を必要とする。第２に、クールダウン時
間を短縮するためには、シーケンス切換回数を増
加させなければならない。これは、シーケンスプ
ログラム量が増加し、制御器のコストが上昇す
る。第３に、温度計および弁特性の経年変化、例
えば、温度計の電源および素子の特性変化に伴う
絶対温度値の変化、弁の汚れ、ゴミ等のつまり、
弁棒駆動部の出力変化に伴う実質開度の変化によ
る誤つた制御が生じることである。

〔発明の目的〕 本発明の目的は、クールダウン時間が短縮で
き、かつ、その制御性が経年的に損われない液化
機のクールダウン制御法を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、圧縮機からの冷媒ガスの一部を分岐
し断熱膨張させて寒冷を発生させ、該寒冷を有す
る戻りガスと熱交換させて前記冷媒ガスを冷却
し、該冷却された冷媒ガスを膨張弁によつて断熱
膨張させて液化させるものにおいて、膨張弁下流
側の戻しラインから分岐し熱交換器をバイパスす
る流路と、該流路の戻りガスの流量を調整する弁
と、膨張弁下流側の戻しラインの戻りガス温度を
検出する温度検出器と、該温度検出器の検出した
温度値によつて温度の時間に対する二次微分値を
算出し該二次微分値により弁を制御する制御装置
とを具備した装置とし、膨張弁下流側の戻しライ
ンから分岐し熱交換器をバイパスさせて圧縮機側
に戻す戻りガスの流量を調整する弁を、予冷運転
の間、膨張弁下流側の戻しラインの戻しガス温度
を検出して算出した温度の時間に対する二次微分
値により制御することにより、クールダウン時間
を短縮するとともに、制御性が損なわれないよう
にしたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第３図ないし第６図
により説明する。

第５図に極低温液化装置の一例を示す。本図
は、バイパス弁の制御機構を示したもので、第１
図で示した液化機の第４熱交換器５以降のみ図示
している。本図において、第１図と同符号は同一
部材を示し、また、図示を省略した部分は第１図
と同様であり、説明を省略する。本図が第１図と
異なるのは、温度計１４の信号を演算器１５に入
力して演算器１５によつてバイパス弁１２を制御
するようにしている点である。

以下、この制御について説明する。

まず、第３図は、第２図で示したような極低温
液化装置のクールダウン時の温度θと時間Ｔとの
温度分布モデルを示す。温度θがこのような温度
分布を示すとき、その温度降下割合、すなわち、
時間dT経過前後の温度差dθ（すなわち、一次微分
値）は、各A₁〜A₁₁の間で時間の経過とともに第
４図のごとく変化する。第３図の温度分布モデル
は、図中A₄の時点でバイパス弁１２の開度を大
幅に減少させた場合に生じる。即ち、A₆〜A₈の
時間までは、A₆の温度よりも高い値を示す。こ
れは、第５熱交換器６側に流れるジユールトムソ
ン弁９を出たまだ温度の高いガスの流量が多くな
つて、第５熱交換器６での圧損が大きくなり、液
化機への高圧ガスの供給量が減少するとともに、
第５熱交換器６側に流れるジユールトムソン弁９
を出たまだ温度の高いガスの流量が多くなつて、
一時的に第５熱交換器６内で高圧ガスの寒冷を奪
つてしまうからである。この後は、供給される高
圧ガスの寒冷によつて徐々に冷却され高圧側と低
圧側のガス温度のバランスが良くなり、また温度
降下していく。この時点で、さらにバイパス弁１
２の開度を減少させると、上記の理由によりA₆
の温度より低くなるのに時間が掛かり、クールダ
ウン時間が長くなる。

従つて、第４図に示す温度降下割合dθ／dTと
時間Ｔとの関係で、dθ／dTの曲線が図中右下が
りの場合はバイパス弁１２の開度を増加させ、曲
線が図中右上がりの場合はバイパス弁１２の開度
を減少させるように制御する。尚、ここで、この
場合は、温度を下げるのが目的であるからθの降
下する方向を正とし上昇する方向を負としてい
る。また、この場合は、さらに制御を簡単にする
ため、第４図の温度降下割合dθ／dTの微分、即
ち、d²θ／dT²（二次微分値）を算出し、d²θ／dT²
＜０の場合にはバイパス弁１２の開度を増加さ
せ、d²θ／dT²≧０の場合にはバイパス弁１２の
開度を減少させるように制御する。

本発明により、クールダウンを実施した場合の
温度降下曲線を第６図に示す。本制御法によれ
ば、液化機クールダウン開始時点Ｓより、液化開
始時点Ｅまでの間、バイパス弁開度は時間ピツチ
dTでゆるやかに減少させることにより、ジユー
ルトムソン弁後の温度θを急速に低下させること
ができ、クールダウン時間を大巾に短縮すること
ができる。

また、本制御法では、温度計１４からの温度入
力値の差を間接的入力値としているので、温度計
１４の入力値の絶対値が、実際の温度と一致する
必要がなく、温度計１４の特性例えば温度の降下
とともに出力値が減少するという特性が逆転もし
くは、出力値が一定とならない限り、制御性を損
われることはない。このことは、弁の開度と流量
の特性についても同様で、弁の開度と流量特性、
すなわち、CV値が、ごみや弁棒駆動部の出力変
化に伴う実質弁開度が変化しても、開度の増加と
ともに流量が増加する特性があれば、制御性を損
われることはない。

また、本制御法では、ジユールトムソン弁後の
実質温度は必要としないため、熱交換器の大きさ
が異なるような機種の異なつた液化機の場合で
も、同一操作の制御法を採用することができ、制
御判定値の選定のための試運転を必要としない。

更にまた、本制御法では、バイパス弁の開度増
減の判定を（d²θ／dT²）の≦０，＞０のみで行う
だけでよく、制御器の構成および演算プログラム
量が少なくて済み、制御器のコストを低減するこ
とができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、弁開度の制
御時間ピツチdTを約１分間程度に短かくできる
ので、従来のシーケンス制御における約30分ごと
のシーケンス制御によるクールダウン時間に比
べ、約30％クールダウン時間を短縮することがで
きる。また、制御のための温度演算は温度差を基
準としているので、温度計の経年変化により制御
機能が劣化することがなく、かつ、制御弁の開度
も、微少開度の加算および減算で制御するため、
弁のCV値の経年変化等により制御機能が劣化し
ない効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術による液化機の系統図、第２
図は従来技術によるクールダウン時の温度−時間
の関係を示す線図、第３，第４図は本発明による
クールダウン制御法を説明する温度−時間の関係
線図、第５図は本発明を実施した液化機の一例を
示す系統図、第６図は本発明によるクールダウン
時の温度−時間の関係を示す線図である。 １……液化機、２……第１熱交換器、３……第
２熱交換器、４……第３熱交換器、５……第４熱
交換器、６……第５熱交換器、７……第１膨張タ
ービン、８……第２膨張タービン、９……ジユー
ルトムソン弁、９′……気液分離器、１０……圧
縮機、１１……圧力調整弁、１２……バイパス
弁、１３……導管、１４……温度計、１５……演
算器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 冷媒ガスを昇圧する圧縮機と、該圧縮機から
   の冷媒ガスの一部を分岐し断熱膨張させて寒冷を
   発生させ低圧戻りガスに合流させる膨張機と、前
   記寒冷を有する低圧戻りガスと熱交換させて前記
   冷媒ガスを冷却する熱交換器と、該冷却された冷
   媒ガスを断熱膨張させて液化させる膨張弁とから
   成る極低温液化装置において、 前記膨張弁下流側の戻しラインから分岐し前記
   熱交換器をバイパスする流路と、該流路の戻りガ
   スの流量を調整する弁と、前記膨張弁下流側の戻
   しラインの戻りガス温度を検出する温度検出器
   と、該温度検出器の検出した温度値によつて温度
   の時間に対する二次微分値を算出し該二次微分値
   により前記弁を制御する制御装置とを具備したこ
   とを特徴とする極低温液化装置。 ２ 圧縮機からの冷媒ガスの一部を分岐し断熱膨
   張させて寒冷を発生させ、熱交換器によつて前記
   寒冷を有する戻りガスと熱交換させて前記冷媒ガ
   スを冷却し、該冷却された冷媒ガスを膨張弁によ
   つて断熱膨張させて液化させる極低温液化装置の
   運転方法において、 前記膨張弁下流側の戻しラインから分岐し前記
   熱交換器をバイパスさせて前記圧縮機側に戻す戻
   りガスの流量を調整する弁を、予冷運転の間、前
   記膨張弁下流側の戻しラインの戻しガス温度を検
   出して算出した温度の時間に対する二次微分値に
   より制御することを特徴とする極低温液化装置の
   運転方法。