CN109661549B - 原料气体液化装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对例如氢气那样在极低温液化的原料气体进行液化的原料气体液化装置及其控制方法。原料气体液化装置具有：供原料气体流动的进给管路；具有制冷剂液化路径和冷热生成路径的制冷剂循环管路；以及控制装置。控制装置判定制冷剂贮槽液位是否在规定的容许范围内，若制冷剂贮槽液位在容许范围内，则操作供给系JT阀的开度，并将热交换器的高温侧制冷剂流路的出口侧制冷剂温度控制为规定的温度设定值，若制冷剂贮槽液位在容许范围外，则操作供给系JT阀的开度，并将制冷剂贮槽液位控制在容许范围内。根据本发明，能通过在使液化制冷剂贮槽的液位稳定化的同时保持良好的循环平衡从而使液化原料气体的制造稳定化。

Description

原料气体液化装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及对例如氢气那样在极低温液化的原料气体进行液化的原料气体液化装置及其控制方法。

背景技术

以往已知对例如氢气那样在极低温液化的原料气体进行液化的原料气体液化装置。专利文献1中公开了这种技术。

专利文献1的原料气体液化装置由本申请的发明者们研究而成，为本申请发明的现有技术。图9示出专利文献1所示的以往的原料气体液化装置200。如图9所示，专利文献1的原料气体液化装置200具备供原料气体（例如氢气）流动的进给管路1和供进行原料气体的冷却的制冷剂（例如氢气）流动的制冷剂循环管路3。又，原料气体液化装置200中设置有进给管路1的原料气体和制冷剂循环管路3的制冷剂进行热交换的热交换器81~86、和由贮存于液化制冷剂贮槽40的液化制冷剂冷却原料气体的冷却器88。

进给管路1以热交换器81~86、冷却器88、及供给系焦耳-汤姆逊阀（以下称为“供给系JT阀16”）的顺序通过。向进给管路1导入由未图示的压缩机等升压后的高压的原料气体。进给管路1中，在通过热交换器81~86及冷却器88期间冷却的原料气体因由供给系JT阀16进行焦耳-汤姆逊（等焓）膨胀而液化，成为液化原料气体。

在制冷剂循环管路3中形成有制冷剂液化路径41和冷热生成路径42的局部重复的两个循环流路。制冷剂液化路径41以低压侧的压缩机（以下称为“低压压缩机32”）、高压侧的压缩机（以下称为“高压压缩机33”）、热交换器81~86、循环系焦耳-汤姆逊阀（以下称为“循环系JT阀36”）、液化制冷剂贮槽40、及热交换器86~81的顺序通过并向低压压缩机32返回。该制冷剂液化路径41的制冷剂由压缩机32、33升压，由热交换器81~86冷却，因由循环系JT阀36进行焦耳-汤姆逊膨胀而液化，向液化制冷剂贮槽40流入。液化制冷剂贮槽40中产生的液化制冷剂的蒸发气体在通过热交换器86~81期间升温，向低压压缩机32的入口返回。另一方面，冷热生成路径42以高压压缩机33、热交换器81~82、高压侧的膨胀机（以下称为“高压膨胀机37”）、热交换器84、低压侧的膨胀机（以下称为“低压膨胀机38”）、及热交换器85~81的顺序通过并向高压压缩机33返回。制冷剂液化路径41和冷热生成路径42从高压压缩机33到第二段热交换器82为止共用。从第二段热交换器82出来的制冷剂的一部分分向冷热生成路径42。冷热生成路径42的制冷剂通过膨胀机37、38从而成为低温气体，该低温气体在通过热交换器85~81期间升温，向高压侧的压缩机33的入口返回。

原料气体液化装置200的工序由控制装置6管理。控制装置6取得进给管路1及制冷剂循环管路3的工序数据（例如原料气体及制冷剂的流量・压力・温度、液化制冷剂贮槽40的液位、压缩机32、33及膨胀机37、38的转速等），基于它们控制旁通阀34和JT阀16、36的开度。

专利文献1的原料气体液化装置200中，以低压膨胀机38的出口侧制冷剂温度为规定的设定值的形式调节供给系JT阀16的开度，由此控制原料气体的液化量。由此，制冷剂温度与原料气体的液化量以不产生对原料气体的冷热不足、过冷却的形式平衡。又，专利文献1的原料气体液化装置200中设置有对高压压缩机33进行旁通的旁通流路31b，在此设置旁通阀34。而且，以检测到的高压压缩机33的出口侧制冷剂压力为规定的压力的形式调节旁通阀34的开度，由此对在制冷剂循环管路3循环的制冷剂的量进行控制。

现有技术文献：

专利文献：

专利文献1 ：日本特开2016-176654号公报。

发明内容

发明要解决的问题：

一般而言，焦耳-汤姆逊阀根据入口温度、压力（即开始等焓膨胀的温度、压力），液化收获率发生变化，入口温度越低，液化收获率越高。上述专利文献1的原料气体液化装置200中，若循环系JT阀36的入口压力、入口温度变动，则循环系JT阀36的液化收获率变动。若循环系JT阀36的液化收获率变动，则液化制冷剂贮槽40的液位难以稳定，循环平衡被打乱。一旦被打乱的循环平衡难以恢复。专利文献1中，对于循环系JT阀36的开度、液化制冷剂贮槽40的液位的控制并未特别说明。

因此，本发明的课题为在原料气体液化装置中，通过在使液化制冷剂贮槽的液位稳定化的同时保持良好的循环平衡来使液化原料气体的制造稳定化。

解决问题的手段：

根据本发明的一形态的原料气体液化装置特征在于，

具备：原料气体以热交换器的原料流路、贮存液化的制冷剂的液化制冷剂贮槽及供给系焦耳-汤姆逊阀的顺序通过的进给管路；

具有所述制冷剂以压缩机、所述热交换器的高温侧制冷剂流路、循环系焦耳-汤姆逊阀、所述液化制冷剂贮槽及所述热交换器的第一低温侧制冷剂流路的顺序通过并向所述压缩机返回的制冷剂液化路径，以及所述制冷剂以所述压缩机、膨胀机、所述热交换器的第二低温侧制冷剂流路的顺序通过并向所述压缩机返回的冷热生成路径的制冷剂循环管路；

对所述热交换器的高温侧制冷剂流路的出口侧制冷剂温度或所述热交换器的原料流路的出口侧原料气体温度进行检测的温度传感器；

对作为所述液化制冷剂贮槽的液位的制冷剂贮槽液位进行检测的液位传感器；以及

判定所述制冷剂贮槽液位是否在规定的容许范围内，若所述制冷剂贮槽液位在所述容许范围内，则以操作所述供给系焦耳-汤姆逊阀的开度，并使所述温度传感器检测的温度为规定的温度设定值的形式进行控制，若所述制冷剂贮槽液位在所述容许范围外，则以操作所述供给系焦耳-汤姆逊阀的开度，并使所述制冷剂贮槽液位在所述容许范围内的形式进行控制的控制装置。

又，根据本发明的一形态的原料气体液化装置的控制方法特征在于，

作为具备：原料气体以热交换器的原料流路、贮存液化的制冷剂的液化制冷剂贮槽及供给系焦耳-汤姆逊阀的顺序通过的进给管路；以及

具有所述制冷剂以压缩机、所述热交换器的高温侧制冷剂流路、循环系焦耳-汤姆逊阀、所述液化制冷剂贮槽及所述热交换器的第一低温侧制冷剂流路的顺序通过并向所述压缩机返回的制冷剂液化路径，以及所述制冷剂以所述压缩机、膨胀机、所述热交换器的第二低温侧制冷剂流路的顺序通过并向所述压缩机返回的冷热生成路径的制冷剂循环管路的原料气体液化装置的控制方法；

当作为所述液化制冷剂贮槽的液位的制冷剂贮槽液位在规定的容许范围外时，以操作所述供给系焦耳-汤姆逊阀的开度，并使所述制冷剂贮槽液位在所述容许范围内的形式进行控制；

当所述制冷剂贮槽液位在所述容许范围内时，以操作所述供给系焦耳-汤姆逊阀的开度，并使所述热交换器的高温侧制冷剂流路的出口侧制冷剂温度或所述热交换器的原料流路的出口侧原料气体温度为规定的温度设定值的形式进行控制。

根据上述原料气体液化装置及其控制方法，当制冷剂贮槽液位在容许范围外时，以使制冷剂贮槽液位在容许范围内的形式控制制冷剂贮槽液位。即，当制冷剂贮槽液位在容许范围外时，优先使制冷剂贮槽液位在容许范围内。由此，无论制冷剂贮槽液位的初期位置如何，制冷剂贮槽液位都迅速成容许范围内，易稳定液化制冷剂贮槽的液位。

又，根据上述原料气体液化装置及其控制方法，当制冷剂贮槽液位在容许范围内时，以热交换器的出口侧制冷剂温度或出口侧原料气体温度保持为温度设定值的形式控制出口侧制冷剂温度或出口侧原料气体温度，热交换器的出口侧制冷剂温度得以稳定。由此，循环系焦耳-汤姆逊阀的入口温度稳定化，循环系焦耳-汤姆逊阀的液化收获率稳定，所以能使制冷剂贮槽液位稳定化。如此，为了得到良好的循环平衡，冷热生成路径上生成的冷热量向制冷剂液化路径和进给管路分配。从而，能在使液化制冷剂贮槽的液位稳定化的同时保持良好的循环平衡，由此能有助于液化原料气体的制造的稳定化。

发明效果：

根据本发明，原料气体液化装置中，能通过在使液化制冷剂贮槽的液位稳定化的同时保持良好的循环平衡，从而使液化原料气体的制造稳定化。

附图说明

图1是示出根据本发明的一实施形态的原料气体液化装置的整体结构的图；

图2是示出原料气体液化装置的控制系统的结构的框图；

图3是对循环系JT阀开度控制部的处理的流程进行说明的图；

图4是对供给系JT阀开度控制部的处理的流程进行说明的图；

图5是示出负荷率设定值与制冷剂的设定温度的关系的图表；

图6是示出液化制冷剂贮槽的液位与设定温度修正量的关系的图表；

图7是示出根据变形例1的原料气体液化装置的整体结构的图；

图8是示出根据变形例2的原料气体液化装置的整体结构的图；

图9是示出以往的原料气体液化装置的整体结构的图。

具体实施方式

接着，参照附图对本发明的实施形态进行说明。图1是示出根据本发明的一实施形态的原料气体液化装置100的整体结构的图，图2是示出原料气体液化装置100的控制系统的结构的框图。根据本实施形态的原料气体液化装置100是对供给的原料气体进行冷却并液化，从而生成液化原料气体的装置。本实施形态中使用高纯度的氢气作为原料气体，其结果为生成液氢作为液化原料气体。但原料气体不限于氢气，为常温常压时为气体，且沸点低于氮气的沸点（-196℃）的物质即可。这样的原料气体例如有氢气、氦气、氖气等。

如图1及图2所示，原料气体液化装置100具备供原料气体流动的进给管路1、制冷剂进行循环的制冷剂循环管路3、控制原料气体液化装置100的动作的控制装置6。在原料气体液化装置100中设置有使在进给管路1流动的原料气体和在制冷剂循环管路3流动的制冷剂热交换的多段热交换器81~86、和冷却器73、88。

〔进给管路1的结构〕

进给管路1作为供原料气体流动的流路，由热交换器81~86内的高温侧流路（原料流路）、冷却器73、88内的流路、供给系焦耳-汤姆逊阀（以下称为“供给系JT阀16”）、和连接它们的配管内的流路等形成。向进给管路1供给由未图示的压缩机等升压后的常温高压的原料气体。

进给管路1以第一段热交换器81、预备冷却器73、第二段到第六段的热交换器82~86、冷却器88、及供给系JT阀16这样的顺序通过。在热交换器81~86中进行原料气体与制冷剂的热交换，冷却原料气体。

进给管路1从第一段热交换器81出来，到进入第二段热交换器82为止，通过预备冷却器73。预备冷却器73具备贮存液氮的液氮贮槽71、和从外部向该液氮贮槽71供给液氮的氮管路70，液氮贮槽71内有进给管路1通过。预备冷却器73中，原料气体大约冷却至液氮的温度。

又，进给管路1从第六段热交换器86出来，到进入供给系JT阀16为止，通过冷却器88。冷却器88具备对制冷剂循环管路3的制冷剂液化后的液化制冷剂进行贮存的液化制冷剂贮槽40，该液化制冷剂贮槽40内有进给管路1通过。冷却器88中，利用液化制冷剂贮槽40内的液化制冷剂，原料气体大约冷却至液化制冷剂的温度（即极低温）。

如上所述从冷却器88出来的极低温的原料气体流入供给系JT阀16。在供给系JT阀16，极低温的原料气体因进行焦耳-汤姆逊膨胀而成为低温常压的液体。如此，液化后的原料气体（即液化原料气体）送向未图示的贮槽并贮存。液化原料气体的生成量（即液化量）通过供给系JT阀16的开度来调节。

〔制冷剂循环管路3的结构〕

制冷剂循环管路3作为有制冷剂进行循环的闭合的流路，由热交换器81~86内的流路，冷却器73内的流路，两台压缩机32、33，两台膨胀机37、38，循环系焦耳-汤姆逊阀（以下称为“循环系JT阀36”），液化制冷剂贮槽40，及连接它们的配管内的流路等形成。

制冷剂循环管路3上连接有用于填充制冷剂的填充管路（图示略）。本实施形态中，使用氢作为制冷剂。但制冷剂不限于氢，为常温常压时为气体，且沸点与原料气体相同或在其以下的物质即可。这样的制冷剂例如有氢、氦、氖等。

制冷剂循环管路3包括具有制冷剂液化路径41和冷热生成路径42的共有局部流路的两个循环流路（闭环）。

制冷剂液化路径41以低压侧的压缩机（以下称为“低压压缩机32”）、高压侧的压缩机（以下称为“高压压缩机33”）、第一段热交换器81的高温侧制冷剂流路、预备冷却器73、第二段到第六段热交换器82~86的高温侧制冷剂流路、循环系JT阀36、液化制冷剂贮槽40、及第六段到第一段热交换器86~81的低温侧制冷剂流路的顺序通过并向低压压缩机32返回。

低压压缩机32的入口连接有低压流路31L。低压压缩机32的出口和高压压缩机33的入口由中压流路31M连接。低压流路31L的制冷剂由低压压缩机32压缩，向中压流路31M吐出。高压压缩机33的出口和循环系JT阀36的入口由高压流路31H连接。中压流路31M的制冷剂由高压压缩机33压缩，向高压流路31H吐出。

低压流路31L和中压流路31M由不通过低压压缩机32的第一旁通流路31a连接。在第一旁通流路31a上设置有第一旁通阀30。又，中压流路31M和高压流路31H由不通过高压压缩机33的第二旁通流路31b连接。在第二旁通流路31b上设置有第二旁通阀34。

高压流路31H的制冷剂以第一段热交换器81的高温侧制冷剂流路、预备冷却器73、及第二段到第六段热交换器82~86的高温侧制冷剂流路这样的顺序通过并冷却，流入循环系JT阀36。在循环系JT阀36，因进行焦耳-汤姆逊膨胀而液化的制冷剂流入液化制冷剂贮槽40。液化制冷剂的生成量（即液化量）通过循环系JT阀36的开度来调节。

在贮存液化制冷剂的液化制冷剂贮槽40产生蒸发气体。该蒸发气体向连接液化制冷剂贮槽40的出口和低压压缩机32的入口的低压流路31L流入。低压流路31L以逆于高压流路31H的顺序通过第一段到第六段热交换器81~86。即，低压流路31L以从第六段热交换器86到第一段热交换器81这样的顺序通过。低压流路31L的制冷剂在通过热交换器86~81的低温侧制冷剂流路期间升温，向低压压缩机32的入口返回。

另一方面，冷热生成路径42以高压压缩机33、第一段到第二段热交换器81~82的高温侧制冷剂流路、高压侧的膨胀机（以下称为“高压膨胀机37”）、第四段热交换器84、低压侧的膨胀机（以下称为“低压膨胀机38”）、及第五段到第一段热交换器85~81的低温侧制冷剂流路的顺序通过并向高压压缩机33返回。

制冷剂液化路径41和冷热生成路径42共用从高压压缩机33至第二段热交换器82的流路。高压流路31H上，在从第二段热交换器82的出口至第三段热交换器83的入口之间设置分岔部31d，冷热生成流路31C的上游端与该分岔部31d连接。冷热生成流路31C的下游端与中压流路31M连接。

冷热生成流路31C在从分岔部31d至中压流路31M之间通过包括高压膨胀机37、第四段热交换器84、低压膨胀机38、及第五段到第一段热交换器85~81的低温侧制冷剂流路。在高压流路31H上通过第二段热交换器82的制冷剂因高压膨胀机37的动作，其大半流向冷热生成流路31C，剩余流向第三段热交换器83。

流入冷热生成流路31C的比液氮温度低且高压的制冷剂在由于高压膨胀机37膨胀而降压・降温并通过第四段热交换器84后，由于低压膨胀机38膨胀而进一步降压・降温。从低压膨胀机38出来的极低温的制冷剂进一步以从第五段热交换器85至第一段热交换器81的顺序通过并升温（即对原料气体及高压流路31H的制冷剂进行冷却），并与中压流路31M的制冷剂合流。

另，上述进给管路1及制冷剂循环管路3中，包括第一~第六段热交换器81~86、预备冷却器73、冷却器88、及膨胀机37、38的部分构成为液化机20。

〔原料气体液化装置100的控制系统的结构〕

在进给管路1及制冷剂循环管路3上设置有用于检测原料气体液化装置100的工序数据的各种传感器。制冷剂循环管路3中，在高压流路31H的比第一段热交换器86靠近上游侧且制冷剂液化路径41和冷热生成路径42共有流路的部分，设置有对在制冷剂循环管路3流动的制冷剂的流量F1进行检测的流量传感器51。又，在冷热生成流路31C的上游部设置有对高压膨胀机37的入口的制冷剂的流量F2进行检测的流量传感器52。即，流量F1是在制冷剂液化路径41及冷热生成路径42流动的制冷剂的流量之和，流量F2是在冷热生成路径42流动的制冷剂的流量。

高压流路31H上，在热交换器81~86的高压侧制冷剂流路的出口侧设置有对热交换器81~86的高温侧制冷剂流路的出口侧制冷剂温度T进行检测的温度传感器53。温度传感器53设置在连接最终段（本实施形态中为第六段）的热交换器86的出口和循环系JT阀36的入口的流路上即可。又，温度传感器53也可以代替热交换器81~86的高温侧制冷剂流路的出口侧制冷剂温度T而检测循环系JT阀36的入口的制冷剂温度。

在液化制冷剂贮槽40设置有对贮存的液化制冷剂的液位（以下称为“制冷剂贮槽液位L”）进行检测的液位传感器54。冷热生成流路31C上设置有对高压膨胀机37的入口的制冷剂的压力P进行检测的压力传感器55。流量传感器51、流量传感器52、温度传感器53、液位传感器54、及压力传感器55可发送检测值地与控制装置6有线或无线连接。

第一旁通阀30、第二旁通阀34、循环系JT阀36、及供给系JT阀16的开度由控制装置6控制。控制装置6具有控制供给系JT阀16的开度的供给系JT阀开度控制部61、控制循环系JT阀36的开度的循环系JT阀开度控制部62、和控制第一旁通阀30及第二旁通阀34的开度的旁通阀开度控制部63等各功能部。控制装置6为所谓的计算机，通过执行预先存储的程序来发挥作为供给系JT阀开度控制部61、循环系JT阀开度控制部62、及旁通阀开度控制部63的功能。这些功能部基于取得的工序数据求得对应的阀的开度，向其阀输出开度指令。

〔旁通阀开度控制部63的处理〕

上述结构的原料气体液化装置100中，由于若制冷剂循环管路3的压力变动，则循环系JT阀36的入口压力变动，所以循环系JT阀36的液化收获率不稳定，液化制冷剂贮槽40的液位难以稳定。因此，旁通阀开度控制部63基于对高压流路31H的制冷剂压力进行测量的压力传感器（图示略）的检测值，以高压流路31H的制冷剂的压力为规定的压力的形式控制第一旁通阀30及第二旁通阀34的开度。

〔循环系JT阀开度控制部62的处理〕

原料气体液化装置100中，若从制冷剂循环管路3的高压流路31H分向冷热生成流路31C的制冷剂的比例（或冷热生成路径42的流量相对于合计制冷剂循环管路3的制冷剂液化路径41和冷热生成路径42后的流量的流量比）变动，则在冷热生成路径42生成的冷热量变动。若在制冷剂液化路径41生成的冷热量变动，则循环系JT阀36的入口温度变动，所以循环系JT阀36的液化收获率不稳定，液化制冷剂贮槽40的液位难以稳定。因此，循环系JT阀开度控制部62以在冷热生成路径42生成的冷热量一定的形式控制循环系JT阀36的开度。

图3是说明循环系JT阀开度控制部62的处理的流程的图。如图3所示，控制装置6的循环系JT阀开度控制部62具备除法计算器75、基于流量比的循环系流量控制器76、切换器77。

除法计算器75取得高压流路31H上的第一段热交换器81的入口的制冷剂流量F1和冷热生成流路31C上的高压膨胀机37的入口的制冷剂流量F2，由这些值求得在制冷剂循环管路3流动的制冷剂中流向冷热生成路径42的制冷剂的比例。具体而言，除法计算器75求得以流量F1为分母，以流量F2为分子的流量比R，将其向循环系流量控制器76输出。流量比R表示在制冷剂循环管路3流动的制冷剂中流向冷热生成路径42的制冷剂的比例。

循环系流量控制器76取得预先存储的流量比设定值R’和流量比R，求得流量比R与流量比设定值R’的偏差为零的循环系JT阀36的开度（操作量），将其输出。

切换器77基于液化机20的负荷率为一定或变动来切换循环系JT阀36的开度指令。另，液化机20的负荷率的变动幅度在规定的阈值以下时负荷率一定，除此以外时负荷率变动即可。

另，负荷率［%］与高压膨胀机37的入口的制冷剂的压力成比例。例如，若以负荷率为50%时的高压膨胀机37的入口压力为P50，以负荷率为100%时的高压膨胀机37的入口压力为P100，以压力传感器55检测的高压膨胀机37的入口压力为P，则负荷率x能以如下算式求得；

x=［（P-2×P50+P100）×50］/（P100-P50）。

负荷率一定时，当前的循环系JT阀36的开度指令作为循环系JT阀36的开度指令输出。即，液化机20的负荷率一定时，为了不在制冷剂循环管路3中产生压力变动，循环系JT阀36的开度固定。

另一方面，负荷率变动时，来自循环系流量控制器76的输出作为循环系JT阀36的开度指令输出。例如流量比R大于流量比设定值R’时，冷热生成路径42上的冷热生成量过剩，冷却过多。因此，在上述控制中，增大制冷剂液化路径41的流量，即增大循环系JT阀36的开度，从而使流量比R接近流量比设定值R’。又，例如流量比R小于流量比设定值R’时，冷热生成路径42上的冷热生成量不足，冷却不足。因此，减少制冷剂液化路径41的流量，即减少循环系JT阀36的开度，从而使流量比R接近流量比设定值R’。

根据上述的循环系JT阀开度控制部62的处理，即便在负荷率变动时，流向冷热生成路径42的制冷剂的比例（流量比）也保持为规定的值，所以能稳定制冷剂循环管路3的冷热生成量。

〔供给系JT阀开度控制部61的处理〕

图4是说明供给系JT阀开度控制部61的处理的流程的图。如图4所示，控制装置6的供给系JT阀开度控制部61具备控制方法判定器90、设定温度运算器91、设定温度修正量运算器92、加法计算器93、基于温度的液化量控制器94、基于温度的液化量控制器95、及切换器96。

控制方法判定器90判定是使供给系JT阀16的开度的控制为重视制冷剂贮槽液位L的液位控制，还是为重视循环平衡的温度控制。如图6所示，对制冷剂贮槽液位L规定液位的容许范围。液位的容许范围为下限值L1［m］以上且上限值L4［m］以下的范围。另，液位的容许范围包含液位的适当范围。液位的适当范围为下限值L2［m］以上且上限值L3［m］以下的范围（但L1＜L2＜L3＜L4）。另，也存在下限值L2［m］与上限值L3［m］相同，液位的适当范围定为唯一的情况。

控制方法判定器90判定制冷剂贮槽液位L是否在容许范围外，当制冷剂贮槽液位L偏离容许范围时（L＜L1、L4＜L），输出液位控制的选择（信号ON），当制冷剂贮槽液位L在容许范围内时（L1≦L≦L4），输出温度控制的选择（信号OFF）。控制方法判定器90的输出向切换器96输入，切换器96对从基于温度的液化量控制器94和基于液位的液化量控制器95中的哪个输出供给系JT阀16的开度指令进行切换。

（供给系JT阀16的开度的液位控制）

首先，对供给系JT阀16的开度就液位控制的情况进行说明。在供给系JT阀开度控制部61，当制冷剂贮槽液位L偏离容许范围时（L＜L1、L4＜L），以操作供给系JT阀16的开度，且制冷剂贮槽液位L迅速成容许范围内的形式控制制冷剂贮槽液位L。

具体而言，基于液位的液化量控制器95取得制冷剂贮槽液位L和液位设定值L’，并求得制冷剂贮槽液位L与液位设定值L’的偏差为零的供给系JT阀16的开度（操作量），将其作为供给系JT阀16的开度指令输出。另，液位设定值L’为液位的容许范围内的值（L1≦L’≦L4），优选为液位的适当范围内的值（L2≦L’≦L3）。

根据上述控制，当制冷剂贮槽液位L小于容许范围的下限值L1［m］时，输出减少供给系JT阀16的开度的开度指令。由此减小进给管路1的流量(液化量)，相应分量的冷热量给向制冷剂循环管路3，因而制冷剂循环管路3的液化收获率（冷却能力）上升，能使制冷剂贮槽液位L回到容许范围内。另一方面，当制冷剂贮槽液位L超过容许范围的上限值L4［m］时，输出增大供给系JT阀16的开度的开度指令。由此降低制冷剂循环管路3的液化收获率(冷却能力)，相应分量的冷热量给向进给管路1，因而进给管路1的流量(液化量)增加，能使制冷剂贮槽液位L回到容许范围内。

（供给系JT阀16的开度的温度控制）

接着，对供给系JT阀16的开度就温度控制的情况进行说明。当制冷剂贮槽液位L在容许范围内时，供给系JT阀开度控制部61以如下形式操作供给系JT阀16的开度：冷热生成路径42上生成的一定的冷热量以循环平衡在进给管路1和制冷剂循环管路3的制冷剂液化路径41上稳定的形式分配。向进给管路1分配的冷热量是在热交换器81~86的高温侧原料流路上向原料气体移动的冷热量（即从原料气体给向低温侧制冷剂流路的制冷剂的热量）。又，向制冷剂液化路径41分配的冷热量是在热交换器81~86的高温侧制冷剂流路上向制冷剂移动的冷热量（即从高温侧制冷剂流路的制冷剂给向低温侧制冷剂流路的制冷剂的热量）。向进给管路1分配的冷热量和向制冷剂液化路径41分配的冷热量具有若一方减少则另一方增加的关系。

具体而言，设定温度运算器91取得液化机20的规定的负荷率设定值，基于该负荷率设定值求得热交换器81~86的出口侧制冷剂温度T的设定温度，将该设定温度向加法计算器93输出。另，本实施形态中“出口侧制冷剂温度T”是指利用在制冷剂循环管路3的冷热生成路径42生成的冷热，对原料气体（及制冷剂）进行冷却的热交换器81~86的高温侧制冷剂流路的出口侧的温度。本实施形态中，将通过全部六段热交换器81~86的高温侧制冷剂流路后的制冷剂的温度（即循环系JT阀36的入口的制冷剂温度）作为出口侧制冷剂温度T。

在设定温度运算器91预先存储用于从负荷率算出唯一的设定温度的、负荷率与设定温度的关系（例如算式、映射图、表格等）。图5的图表表示负荷率与制冷剂的设定温度的关系。该图表中，纵轴表示设定温度，横轴表示负荷率。热交换器81~86的出口侧制冷剂温度的设定温度具有如下特征：到负荷率为D1［%］为止固定为T2［℃］，负荷率在从D1［%］到100［%］的范围内则从T2［℃］以一次函数的形式减少至T1［℃］，负荷率超过100［%］则固定为T1［℃］（但T1＜T2）。

在基于热交换器81~86的出口侧制冷剂温度T来操作供给系JT阀16的开度期间，制冷剂贮槽液位L也变化。因此，为了使制冷剂贮槽液位L维持在容许范围内，以与制冷剂贮槽液位L相关联的设定温度修正量来修正上述的设定温度。如此，使制冷剂贮槽液位L和供给系JT阀16的液化量相关联并进行控制，从而进给管路1和制冷剂循环管路3的良好的循环平衡难以破坏。

具体而言，设定温度修正量运算器92取得制冷剂贮槽液位L，基于该制冷剂贮槽液位L求得设定温度修正量，将该设定温度修正量向加法计算器93输出。在设定温度修正量运算器92预先存储用于从制冷剂贮槽液位L算出唯一的设定温度修正量的、设定温度修正量与制冷剂贮槽液位L的关系（例如算式、映射图、表格等）。图6的图表表示设定温度修正量与制冷剂贮槽液位L的关系。该图表中，纵轴表示设定温度修正量，横轴表示制冷剂贮槽液位L。设定温度修正量具有如下特征：制冷剂贮槽液位L为L1［m］则为C1［℃］，制冷剂贮槽液位L从L1［m］到L2［m］则从C1［℃］以一次函数的形式增加至0［℃］，制冷剂贮槽液位L在从L2［m］到L3［m］的适当范围内则为0［℃］，液位L从L3［m］到L4［m］则从0［℃］以一次函数的形式增加至C2［℃］，液位L为L4［m］则为C2［℃］（但C1＜0＜C2）。

加法计算器93将设定温度与设定温度修正量之和作为温度设定值T’，向基于温度的液化量控制器94输出。另，制冷剂贮槽液位L在适当范围内时，设定温度就此成为温度设定值T’。该液化量控制器94取得热交换器81~86的出口侧制冷剂温度（循环系JT阀36的入口的制冷剂温度）T，求得制冷剂温度T与温度设定值T’的偏差为零的供给系JT阀16的开度（操作量），将其作为供给系JT阀16的开度指令输出。

上述的控制中，制冷剂贮槽液位L在适当范围内时（L2≦L≦L3），设定温度修正量为0，以热交换器81~86的出口侧制冷剂温度T为由液化机20的负荷率决定的设定温度的形式决定供给系JT阀16的开度。又，制冷剂贮槽液位L超过适当范围时（L3＜L≦L4），输出增大供给系JT阀16的开度的开度指令。由此，降低制冷剂循环管路3的冷却能力(液化收获率)，相应分量的冷热量给向进给管路1，从而进给管路1的流量(液化量)增加，制冷剂贮槽液位L收敛在适当范围内。又，制冷剂贮槽液位L未到适当范围时（L1≦L＜L2），输出减少供给系JT阀16的开度的开度指令。由此，减小进给管路1的流量(液化量)，相应分量的冷热量给向制冷剂循环管路3，从而制冷剂贮槽液位L收敛在适当范围内。

如以上说明，本实施形态的原料气体液化装置100具备进给管路1、制冷剂循环管路3和控制装置6。进给管路1为，沸点比氮气低温的原料气体以热交换器81~86的原料流路、贮存液化的制冷剂的液化制冷剂贮槽40、及供给系JT阀16的顺序通过。制冷剂循环管路3具有制冷剂液化路径41和冷热生成路径42的共用局部流路的循环流路。在制冷剂液化路径41，制冷剂以压缩机32、33、热交换器81~86的高温侧制冷剂流路、循环系JT阀36、液化制冷剂贮槽40、及热交换器86~81的第一低温侧制冷剂流路的顺序通过并向压缩机32返回。在冷热生成路径42，制冷剂以压缩机33、膨胀机37、38、热交换器85~81的第二低温侧制冷剂流路的顺序通过并向压缩机33返回。上述的原料气体液化装置100中设置有对热交换器81~86的高温侧制冷剂流路的出口侧制冷剂温度T进行直接或间接检测的温度传感器53、和对液化制冷剂贮槽40的液位（制冷剂贮槽液位L）进行检测的液位传感器54。

而且，原料气体液化装置100特征在于，控制装置6判定制冷剂贮槽液位L是否在规定的容许范围内，若制冷剂贮槽液位L在容许范围内，则以操作供给系JT阀16的开度，并使温度传感器53检测的温度（即热交换器81~86的高温侧制冷剂流路的出口侧制冷剂温度T）为规定的温度设定值的形式进行控制，若制冷剂贮槽液位L在容许范围外，则以操作供给系JT阀16的开度，并使制冷剂贮槽液位L在容许范围内的形式进行控制。

又，本实施形态的原料气体液化装置100的控制方法特征在于，当作为液化制冷剂贮槽40的液位的制冷剂贮槽液位L在规定的容许范围外时，以操作供给系JT阀16的开度，并使制冷剂贮槽液位L在容许范围内的形式进行控制，当制冷剂贮槽液位L在容许范围内时，以操作供给系JT阀16的开度，并使热交换器81~86的高温侧制冷剂流路的出口侧制冷剂温度T为规定的温度设定值的形式进行控制。

根据上述的原料气体液化装置100及其控制方法，当制冷剂贮槽液位L偏离容许范围时，优先使制冷剂贮槽液位L在容许范围内。由此，无论制冷剂贮槽液位L的初期位置如何，制冷剂贮槽液位L都迅速为容许范围内，易稳定制冷剂贮槽液位L。又，当制冷剂贮槽液位L在容许范围内时，以热交换器81~86的出口侧制冷剂温度T为温度设定值的形式操作供给系JT阀16的开度。另，温度设定值设定为进给管路1和制冷剂循环管路3的循环平衡稳定的值。因此，根据上述控制，制冷剂循环管路3上生成的冷热量能以循环平衡在进给管路1和制冷剂循环管路3上稳定的形式分配。又，由于流入循环系JT阀36的制冷剂温度稳定，所以供给系JT阀16的液化量稳定，易稳定制冷剂贮槽液位L。如此，能在稳定制冷剂贮槽液位L的同时保持进给管路1及制冷剂循环管路3的循环平衡，所以能使液化原料气体的制造稳定化。

又，根据上述实施形态的原料气体液化装置100及其控制方法中，以随着负荷率变高，温度设定值降低的形式，温度设定值与负荷率相关联，采用基于负荷率的设定值而求得的温度设定值。

由此，根据负荷率的设定值，获得良好循环平衡的温度设定值应用于控制。

又，根据上述实施形态的原料气体液化装置100及其控制方法中，以当制冷剂贮槽液位L在包含于规定的容许范围内的规定的适当范围时为零，当制冷剂贮槽液位L在低于适当范围时为负值，当制冷剂贮槽液位L超过适当范围时为正值的形式，设定温度修正量与制冷剂贮槽液位L相关联，温度设定值以基于制冷剂贮槽液位L求得的设定温度修正量来修正。

如此，利用设定温度修正量，以当制冷剂贮槽液位L高于适当范围时（即制冷剂循环管路3的冷热量趋于过多时）温度设定值上升，当制冷剂贮槽液位L低于适当范围时（即制冷剂循环管路3的冷热量趋于不足时）温度设定值下降的形式来修正，因此能将热交换器81~86的出口侧制冷剂温度T控制为温度设定值，并将制冷剂贮槽液位L维持在容许范围内。

又，根据上述实施形态的原料气体液化装置100及其控制方法中，负荷率的变动在规定范围内时，固定循环系JT阀36的开度，负荷率的变动在规定范围外时，以操作循环系JT阀36的开度，且在制冷剂循环管路3流动的制冷剂中流向冷热生成路径42的制冷剂的比例为规定的值的形式控制流向冷热生成路径42的制冷剂的流量。在此，原料气体液化装置100中，为了对在制冷剂循环管路3流动的制冷剂中流向冷热生成路径42的制冷剂的比例进行检测，设置有流量传感器51、52。

如此，负荷率变动时，以将流向冷热生成路径42的制冷剂的比例维持在规定的值的形式操作循环系JT阀36的开度（液化量），因此在负荷率变动时也能稳定冷热生成路径42上生成的冷热量。

另，以负荷率与向膨胀机37流入的制冷剂压力具有比例关系的形式，负荷率与向膨胀机37流入的制冷剂压力相关联，基于向膨胀机37流入的制冷剂压力求得的负荷率应用于控制。为了求得负荷率，原料气体液化装置100中设置有检测向高压膨胀机37流入的制冷剂压力的压力传感器55。

以上对本发明的优选实施形态进行了说明，但在不脱离本发明的主旨的范围内，对上述实施形态的具体构造及/或功能的详情进行变更后的形态也可包含于本发明。上述的原料气体液化装置100的结构例如可进行如下变更。

上述实施形态中，使用由温度传感器53检测的热交换器81~86的高温侧制冷剂流路的出口侧制冷剂温度T来调节向进给管路1和制冷剂液化路径41分配的冷热量的平衡。在此，温度传感器53设置于利用制冷剂循环管路3的制冷剂液化路径41上生成的冷热来冷却原料气体的热交换器81~86的出口侧、即最终段（第六段）的热交换器86的出口侧的流路。但若比高压流路31H的分岔部31d靠近下游侧，则也可以使用最终段（第六段）之外的热交换器83~85的高温侧制冷剂流路的出口侧制冷剂温度或入口侧制冷剂温度来调节向进给管路1和制冷剂液化路径41分配的冷热量的平衡。

例如，在根据图7所示的变形例1的原料气体液化装置100A中，在制冷剂循环管路3的制冷剂液化路径41的第五段热交换器85与第六段热交换器之间设置有温度传感器53A。在该温度传感器53A检测第五段热交换器85的高温侧制冷剂流路的出口侧制冷剂温度（或第六段热交换器86高温侧制冷剂流路的入口侧冷热温度）。而且，原料气体液化装置100A的控制装置6使用温度传感器53A的检测值和相对于此设定的温度设定值，与前述的实施形态同样地，操作供给系JT阀16的开度，进行第五段热交换器85的高温侧制冷剂流路的出口侧制冷剂温度的控制。

又，根据前述的实施形态的原料气体液化装置100中，使用在制冷剂液化路径41流动的制冷剂的温度（热交换器81~86的高温侧制冷剂流路的出口侧制冷剂温度T）来调节向进给管路1和制冷剂液化路径41分配的冷热量的平衡。但由于冷热生成路径42上生成的一定的冷热量在进给管路1和制冷剂液化路径41上分配，所以也可以使用在进给管路1流动的原料气体的温度来调节分配于进给管路1和制冷剂液化路径41的冷热量的平衡。

例如，在根据图8所示的变形例2的原料气体液化装置100B中，在进给管路1上设置有对热交换器81~86的原料流路的出口侧原料气体温度进行检测的温度传感器53B。具体而言，进给管路1上，在最终段（第六段）的热交换器86与冷却器88之间设置有检测原料气体的温度的温度传感器53B。该原料气体液化装置100B的控制装置6使用温度传感器53B的检测值和相对于此设定的温度设定值，与前述的实施形态同样地，以操作供给系JT阀16的开度并使温度传感器53B检测的原料气体的温度为规定的温度设定值的形式进行控制。

又，根据前述的实施形态的原料气体液化装置100中，利用在制冷剂循环管路3的高压流路31H的第一段热交换器81的入口设置的流量传感器51和在冷热生成流路31C的高压膨胀机37的入口设置的流量传感器52来检测在制冷剂循环管路3流动的制冷剂中流向冷热生成路径42的制冷剂的比例。但也可以利用设置于除此以外的地方的流量传感器来检测在制冷剂循环管路3流动的制冷剂中流向冷热生成路径42的制冷剂的比例。

例如，在根据图8所示的变形例2的原料气体液化装置100B中，在高压流路31H的第一段热交换器81的入口设置有流量传感器51，在比高压流路31H的分岔部31d靠近下游侧处设置有流量传感器52B。这种情况下，控制装置6能基于这些流量传感器51、52B的检测值，求得在制冷剂循环管路3流动的制冷剂中流向冷热生成路径42的制冷剂的比例。又，虽未图示，但也能在冷热生成流路31C的高压膨胀机37的入口设置流量传感器，在比高压流路31H的分岔部31d靠近下游侧处设置流量传感器，基于这些流量传感器的检测值，求得在制冷剂循环管路3流动的制冷剂中流向冷热生成路径42的制冷剂的比例。

又，根据前述的实施形态的原料气体液化装置100中，分别具备各两台压缩机32、33和膨胀机37、38。但这些台数依存于压缩机32、33及膨胀机37、38的性能，不限于上述实施形态。又，根据前述的实施形态的原料气体液化装置100中具备六段热交换器81~86，但热交换器81~86的数量不限于此。

符号说明：

1：进给管路；

3：制冷剂循环管路；

6：控制装置；

16：供给系焦耳-汤姆逊阀；

20：液化机；

30，34：旁通阀；

31C：冷热生成流路；

31H：高压流路；

31L：低压流路；

31M：中压流路；

31a，31b：第一旁通流路；

31d：分岔部；

32、33：压缩机；

36：循环系焦耳-汤姆逊阀；

37、38：膨胀机；

40：液化制冷剂贮槽；

41：制冷剂液化路径；

42：冷热生成路径；

51、52：流量传感器；

53：温度传感器；

54：液位传感器；

55：压力传感器；

61：供给系JT阀开度控制部；

62：循环系JT阀开度控制部；

63：旁通阀开度控制部；

70：氮管路；

73：预备冷却器；

75：除法计算器；

76：循环系流量控制器；

77：切换器；

81~86：热交换器；

88：冷却器；

90：控制方法判定器；

91：设定温度运算器；

92：设定温度修正量运算器；

93：加法计算器；

94：液化量控制器；

95：液化量控制器；

96：切换器；

100：原料气体液化装置。

Claims (10)

1.一种原料气体液化装置，其特征在于，具备：

原料气体以热交换器的原料流路、贮存液化的制冷剂的液化制冷剂贮槽及供给系焦耳-汤姆逊阀的顺序通过的进给管路；

具有所述制冷剂以压缩机、所述热交换器的高温侧制冷剂流路、循环系焦耳-汤姆逊阀、所述液化制冷剂贮槽及所述热交换器的第一低温侧制冷剂流路的顺序通过并向所述压缩机返回的制冷剂液化路径，以及所述制冷剂以所述压缩机、膨胀机、所述热交换器的第二低温侧制冷剂流路的顺序通过并向所述压缩机返回的冷热生成路径的制冷剂循环管路；

对所述热交换器的高温侧制冷剂流路的出口侧制冷剂温度或所述热交换器的原料流路的出口侧原料气体温度进行检测的温度传感器；

对作为所述液化制冷剂贮槽的液位的制冷剂贮槽液位进行检测的液位传感器； 以及

判定所述制冷剂贮槽液位是否在规定的容许范围内，若所述制冷剂贮槽液位在所述容许范围内，则以操作所述供给系焦耳-汤姆逊阀的开度，并使所述温度传感器检测的温度为规定的温度设定值的形式进行控制，若所述制冷剂贮槽液位在所述容许范围外，则以操作所述供给系焦耳-汤姆逊阀的开度，并使所述制冷剂贮槽液位在所述容许范围内的形式进行控制的控制装置。

2.根据权利要求1所述的原料气体液化装置，其特征在于，

以随着负荷率变高所述温度设定值降低的形式，所述温度设定值与所述负荷率相关联；

所述控制装置采用基于所述负荷率的设定值而求得的所述温度设定值。

3.根据权利要求2所述的原料气体液化装置，其特征在于，

以当所述制冷剂贮槽液位在包含于所述容许范围内的规定的适当范围时为零，当所述制冷剂贮槽液位在低于所述适当范围时为负值，当所述制冷剂贮槽液位超过所述适当范围时为正值的形式，设定温度修正量与所述制冷剂贮槽液位相关联；

所述控制装置使用基于所述制冷剂贮槽液位求得的所述设定温度修正量，以该设定温度修正量来修正的所述温度设定值。

4.根据权利要求1所述的原料气体液化装置，其特征在于，

还具备对在所述制冷剂循环管路流动的所述制冷剂中流向所述冷热生成路径的所述制冷剂的比例进行检测的流量传感器；

所述控制装置当负荷率的变动在规定范围内时，固定所述循环系焦耳-汤姆逊阀的开度，当所述负荷率的变动在规定范围外时，以在所述制冷剂循环管路流动的所述制冷剂中流向所述冷热生成路径的所述制冷剂的比例为规定的值的形式操作所述循环系焦耳-汤姆逊阀的开度，控制流向所述冷热生成路径的所述制冷剂的流量。

5.根据权利要求4所述的原料气体液化装置，其特征在于，

以所述负荷率与向所述膨胀机流入的制冷剂压力成比例的形式，所述负荷率与向所述膨胀机流入的制冷剂压力相关联；

还具备检测向所述膨胀机流入的制冷剂压力的压力传感器；

所述控制装置使用基于向所述膨胀机流入的制冷剂压力而求得的所述负荷率。

6.一种原料气体液化装置的控制方法，其特征在于，

作为具备：原料气体以热交换器的原料流路、贮存液化的制冷剂的液化制冷剂贮槽及供给系焦耳-汤姆逊阀的顺序通过的进给管路；以及具有所述制冷剂以压缩机、所述热交换器的高温侧制冷剂流路、循环系焦耳-汤姆逊阀、所述液化制冷剂贮槽及所述热交换器的第一低温侧制冷剂流路的顺序通过并向所述压缩机返回的制冷剂液化路径，以及所述制冷剂以所述压缩机、膨胀机、所述热交换器的第二低温侧制冷剂流路的顺序通过并向所述压缩机返回的冷热生成路径的制冷剂循环管路的原料气体液化装置的控制方法；

当作为所述液化制冷剂贮槽的液位的制冷剂贮槽液位在规定的容许范围外时，以操作所述供给系焦耳-汤姆逊阀的开度，并使所述制冷剂贮槽液位在所述容许范围内的形式进行控制；

当所述制冷剂贮槽液位在所述容许范围内时，以操作所述供给系焦耳-汤姆逊阀的开度，并使所述热交换器的高温侧制冷剂流路的出口侧制冷剂温度或所述热交换器的原料流路的出口侧原料气体温度为规定的温度设定值的形式进行控制。

7.根据权利要求6所述的原料气体液化装置的控制方法，其特征在于，

以随着负荷率变高所述温度设定值降低的形式，所述温度设定值与所述负荷率相关联；

所述温度设定值为基于所述负荷率的设定值而求得的值。

8.根据权利要求7所述的原料气体液化装置的控制方法，其特征在于，

以当所述制冷剂贮槽液位在包含于所述规定的容许范围内的规定的适当范围时为零，当所述制冷剂贮槽液位在低于所述适当范围时为负值，当所述制冷剂贮槽液位超过所述适当范围时为正值的形式，设定温度修正量与所述制冷剂贮槽液位相关联；

所述温度设定值以基于所述制冷剂贮槽液位而求得的所述设定温度修正量来修正。

9.根据权利要求6所述的原料气体液化装置的控制方法，其特征在于，

负荷率的变动在规定范围内时，固定所述循环系焦耳-汤姆逊阀的开度，所述负荷率的变动在规定范围外时，以向所述冷热生成路径分岔后的所述制冷剂的流量相对于向所述冷热生成路径分岔前的所述制冷剂的流量的比例为规定的值的形式操作所述循环系焦耳-汤姆逊阀的开度，从而控制流向所述冷热生成路径的所述制冷剂的流量。

10.根据权利要求9所述的原料气体液化装置的控制方法，其特征在于，

以所述负荷率与向所述膨胀机流入的制冷剂压力成比例的形式，所述负荷率与向所述膨胀机流入的制冷剂压力相关联；

所述负荷率为基于向所述膨胀机流入的制冷剂压力而求得的值。

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