JPH065143B2 - 極低温液化冷凍装置の制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、極低温液化冷凍装置に係り、特に減量運転な
どの多様な運転条件の必要な極低温液化冷凍装置に好適
な制御方法に関するものである。

〔発明の背景〕

極低温液化冷凍装置、特にヘリウム液化冷凍装置では、
極低温での冷凍能力を得るために必要な理論動力は、冷
凍能力の約７０倍にもなる。更に、機器の効率，熱侵入
による損失等を考慮すると、実際には冷凍能力の約５０
０倍〜１０００倍の能力を必要とする。したがって、装
置の効率を向上させることはもとより重要であるが、装
置の運転を効率的に行なうことも重要な課題である。

装置の効率的な運転を行なうためには、コールドボック
ス内での最適な調整と共に、圧縮機の最適な制御が必要
である。

従来のヘリウム液化冷凍装置では装置が小型であり、圧
縮機動力としても数百KWと比較的小さく、かつ、長時間
の連続運転を行なうことが少なかったため、コールドボ
ックスの調節のみを行ない、圧縮機の最適な制御を行な
っていなかった。

圧縮機の制御法として従来提案されていたものとして
は、コールドボックス内の適当な位置の温度を一定に保
つように圧縮機の容量制御（出力流量の制御）を行なう
方法、液体ヘリウム槽の液体ヘリウム液面を一定に保つ
ように圧縮機の容量制御を行なう方法などがある。（特
開昭５７−１０８５５７号公報参照） しかしながら、従来提案されたこれらの制御方法は、コ
ールドボックス内の調整を行なわずに直接圧縮機の容量
制御を行なう方法であるため、装置の最適な運転状態を
実現することができず、実用的ではなかった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、極低温液化冷凍装置において、最適な
装置の運転を実現するための制御方法を提供することに
ある。

〔発明の概要〕

極低温液化冷凍装置では、一般的に圧縮機の吸入圧力と
吐出圧力との中間圧力で使用する中圧タンクを設け、吸
入圧力および吐出圧力の制御を行なっている。一方、コ
ールドボックスで必要な高圧冷媒ガスは、負荷の条件な
どによって大巾に変わるため、圧縮機で圧縮された高圧
冷媒ガスのうち、コールドボックスで使用されない残り
は、上記中圧タンクをバイパスすることになる。すなわ
ち、コールドボックスより冷媒ガスが供給される被冷却
体の負荷量が最大のときに中圧タンク側にバイパスされ
るバイパス量が最小となり、負荷量が最小のときにバイ
パス量が最大となる。本発明は、被冷却体の負荷量が小
さいときは圧縮機の出力流量も小さくなるような制御を
行うことにより、負荷量が小さいときに不必要に増大す
るバイパス量を一定値に抑えるようにしたものである。
すなわち、負荷量の大小にかかわらずバイパス量が一定
値に抑えられるので、圧縮機は負荷量に応じた必要最小
限の動作点での動作が可能となり、高効率の装置運転を
実現できる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。第１
図において、１は圧縮機、２は中圧タンク、３は吐出圧
力調節弁、４は吸入圧力調節弁、５は高圧バイパス管、
６は低圧バイパス管、７は高圧ライン、８は低圧ライ
ン、10はコールドボックス、11a〜11eは熱交換器、12は
膨張機入口弁、13はジュール・トムソン膨張弁（以下、
ＪＴ弁と略す）、14aおよび14bは膨張機、15は補助寒冷
源である液体窒素導入管、16は液化ライン、17は膨張機
ライン、18，19は導管、20は被冷却体、25は低圧バイパ
ス管６内の流量を検出し、低圧バイパス管６内の流量が
一定になるように圧縮機１の出力流量制御を行なう制御
器である。

上述の構成において、圧縮機１で圧縮された高圧冷媒ガ
スの大部分は、高圧ライン７を通ってコールドボックス
10に導入され、第１の熱交換器11aで液体窒素、および
低圧冷媒ガスと熱交換して冷却された後、液化ライン16
と膨張機ライン17に分岐される。膨張機ライン17に分岐
された高圧冷媒ガスは、膨張機入口弁12を通り第１の膨
張機14aで断熱膨張して寒冷を発生した後、第３の熱交
換器11cで低圧冷媒ガスと熱交換して更に温度低下した
後、第２の膨張機14bで再び断熱膨張し、寒冷を発生し
て低圧ライン８に合流する。一方、第１の熱交換器11a
で冷却された後、液化ライン16に分岐された高圧冷媒ガ
スは、第２〜第５の熱交換器11b〜11eで低圧冷媒ガスと
熱交換して最終的に逆転温度以下に冷却された後、ＪＴ
弁13で断熱膨張して極低温冷媒となり、導管18を通って
被冷却体20に送られる。被冷却体20で熱負荷を吸収した
冷媒は導管19を通って再びコールドボックス10に戻り、
熱交換器11e〜11aで熱交換することによって寒冷回収さ
れた後、低圧ライン８を通り圧縮機１の吸入側に循環さ
れる。

圧縮機１で圧縮された高圧冷媒ガスのうち、コールドボ
ックス10に導入されなかった残りの高圧冷媒ガスは、高
圧バイパス管５，吐出圧力調節弁３，中圧タンク２，吸
入圧力調節弁４，低圧バイパス管６から成るバイパス機
構によって低圧ライン８にバイパスされる。この場合、
制御器25により上記バイパス流量が最少になるように圧
縮機１の出力流量制御を行う。この出力流量制御は例え
ば圧縮機モータの回転数制御や圧縮機の吸入スライド弁
の開閉制御によってなされる。

つぎに、上述した構成，動作の本発明の実施例による装
置の特性，および効果について説明すると、極低温液化
冷凍装置を最適な条件で運転するためには、コールドボ
ックス10の調整が必要であり、特に膨張機ライン17と液
化ライン16との高圧冷媒ガスの分配制御が重要である。
この制御は膨張機入口弁12とＪＴ弁13の調節によって行
なわれるが、この場合の冷凍出力とコールドボックス10
で必要な高圧冷媒ガス量との関係を第２図に示す。第２
図において、実線で示した曲線群ａ〜ｃが、おのおの膨
張機入口弁12の開度を一定としてＪＴ弁13の開度を変え
た場合の性能曲線であり、これらの曲線群ａ〜ｃの包絡
線として得られる点線で示した曲線が所定の冷凍出力に
対応した最少高圧冷凍ガス量を示す特性曲線である。

上述したように、負荷の条件に合わせてコールドボック
ス10の調整を行なうことによって、コールドボックス10
で必要な高圧冷媒ガス量が変動する。さらに、被冷却体
20の予冷時には、コールドボックス10で必要な高圧冷媒
ガス量が、定常時に比べて大巾に減少する。

本実施例によれば、コールドボックス10で必要な高圧冷
媒ガス量に対応して、増減しようとするバイパス量を最
少に、すなわち最大負荷時のバイパス量の値に保持する
ように圧縮機１の出力流量制御を行なうことができるた
め、コールドボックス10内の調節法によらず非常に容易
に、かつ、効率的に圧縮機の最適容量制御を行なうこと
ができる。

〔発明の効果〕

本発明は以上述べたように、バイパス機構によりバイパ
スさせる冷媒ガス量を一定に保持するように圧縮機の出
力流量制御を行なうようにしたものであるから、コール
ドボックスで必要とする高圧冷媒ガス量の増減に対応し
て、圧縮機の最適制御を行なうことができ、運転動力を
必要最少限に低減することができる効果がある。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明による極低温液化冷凍装置の制御方法の
一実施例を示す系統図、第２図は極低温液化冷凍装置の
特性の一例を示す曲線図である。 １……圧縮機、２……中圧タンク、３……吐出圧力調節
弁、４……吸入圧力調節弁、５……高圧バイパス管、６
……低圧バイパス管、７……高圧ライン、８……低圧ラ
イン、10……コールドボックス、11a〜11e……熱交換
器、12……膨張機入口弁、13……ジュールトムソン膨張
弁、14a，14b……膨張機、15……液体窒素導入管、16…
…液化ライン、17……膨張機ライン、18，19……導管、
20……被冷却体、25……制御器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機で圧縮された高圧冷媒ガスを高圧ラ
   インを経て極低温冷媒を生成するコールドボックスに送
   り、 該コールドボックスからの低圧冷媒ガスを低圧ラインを
   経て圧縮機の吸入側に循環させると共に、 高圧ラインの高圧冷媒ガスの一部をバイパス機構を介し
   て低圧ラインにバイパスさせるようにした極低温冷凍装
   置において、 前記コールドボックスに接続される被冷却体の負荷量の
   大小にかかわらず、前記バイパス機構によりバイパスさ
   せる冷媒ガス量を一定に保持するように前記圧縮機の出
   力流量を制御することを特徴とする 極低温液化冷凍装置の制御方法。