JP2574823B2 - 極低温液化冷凍装置の運転制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、極低温液化冷凍装置の運転制御方法に係
り、特に冷凍負荷，液化負荷，冷凍負荷＋液化負荷等多
様な負荷条件を有する被冷却体を冷却する極低温液化冷
凍装置の運転制御方法に関するものである。

〔従来の技術〕

極低温液化冷凍装置は、ガスを圧縮する圧縮機と、該
圧縮機で圧縮されることで高圧となったガスを逆転温度
以下の温度に冷却する熱交換器と、該熱交換器で逆転温
度以下の温度に冷却された高圧ガスを膨張させて液化ガ
スを生成するジュール・トムソン弁と、該ジュール・ト
ムソン弁を流れる高圧ガスを冷却するために必要な寒冷
を生成する膨張機と、該膨張機に流すガス流の制御を行
う膨張機入口弁とで構成されている。

このような極低温液化冷凍装置の運転制御としては、
例えば、特開昭57−1085557号公報に記載のような、例
えば、冷凍負荷に対応して圧縮機から吐出されるガス量
を調節するようなものが知られている。

なお、一般的に、極低温液化冷凍装置の負荷は、冷凍
負荷と液化負荷とに分けられる。被冷却体に対して供給
した極低温冷媒が寒冷回収できる低温状態で戻る場合が
冷凍負荷であり、その他の場合、例えば寒冷回収ができ
ない常温近辺で戻る場合、冷媒を貯液する場合等が液化
負荷である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、極低温液化冷凍装置のこのような運転制御技
術では、被冷却体が、冷凍負荷，液化負荷，冷凍負荷＋
液化負荷等多様な負荷条件を有する場合、適切な対応が
不可能であり、このような被冷却体を冷却する極低温冷
凍装置を効率的に運転するのには、問題がある。

本発明の目的は、被冷却体の多様な負荷条件に対応し
適正な運転条件に容易に保持することで、装置の運転効
率を向上できる極低温液化冷凍装置の運転制御方法を提
供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明では、ガスを圧縮す
る圧縮機と、圧縮された高圧ガスを逆転温度以下に冷却
する熱交換器と、この逆転温度以下に冷却された高圧ガ
スを膨張させて液化ガスを生成するジュール・トムソン
弁と、該ジュール・トムソン弁を流れる前記高圧ガスを
冷却するための寒冷を生成する膨張機と、該膨張機に流
れるガス量を制御する膨張機入口弁とを備えた極低温液
化冷凍装置により、冷凍負荷と液化負荷との種々の組み
合わせとなる負荷条件で被冷却体を冷却するに際し、上
記冷凍負荷に応じて上記ジュール・トムソン弁の弁開度
を設定し、上記ジュール・トムソン弁の設定された弁開
度において液化能力を最大とする弁開度に上記膨張機入
口弁を設定し、これにより、液化負荷がない場合に最大
冷凍能力を発揮する動作点と冷凍負荷がない場合に最大
液化能力を発揮する動作点とを結ぶ動作特性曲線上の動
作点で装置運転が行われる。

〔作用〕

被冷却体の負荷条件に対応した冷凍能力若しくは液化
能力を発生せしめると同時に最大の液化能力若しくは冷
凍能力を発生可能に膨張機入口弁並びにジュール・トム
ソン弁の弁開度を調節するので、被冷却体の多様な負荷
条件に対応し適正な運転条件に容易に保持しようとする
ものである。

〔実 施 例〕

極低温液化冷凍装置では、圧縮機で圧縮された高圧ガ
スをジュール・トムソン弁と膨張機入口弁によって高圧
に分配制御することで、被冷却体の負荷条件に対応した
最大の装置能力（液化能力，冷凍能力）を発揮すること
ができる。被冷却体の負荷条件には、液化負荷，冷凍負
荷，液化負荷＋冷凍負荷が存在するが、それぞれの負荷
条件で装置としての最大能力を発揮するためのジュール
・トムソン弁と膨張機入口弁との適正な弁開度は異な
る。

第２図は極低温液化冷凍装置の特性図の一例である。
第２図において、A₀はジュール・トムソン弁と膨張機入
口弁を適正に調節した場合の装置能力であり、A₁は液化
負荷が無いとき最大の冷凍能力を発揮できる弁開度にジ
ュール・トムソン弁と膨張機入口弁を固定した場合の特
性曲線であり、A₂は冷凍負荷が無いとき最大の液化能力
を発生できる弁開度にジュール・トムソン弁と膨張機入
口弁を固定した場合の特性曲線である。すなわち、特性
曲線A₀は、液化負荷がない場合に最大冷凍能力を発揮す
る動作点と冷凍負荷がない場合に最大液化能力を発揮す
る動作点とを結ぶ動作特性曲線であり、動作点がこの曲
線A₀上にあることは、冷凍負荷に合うようにジュール・
トムソン弁の弁開度が調整されたときはこのジュール・
トムソン弁の調整された弁開度において冷凍能力は最大
発揮状態であることを意味し、また逆に液化負荷に合う
ように膨張機入口弁の弁開度が調整されたときはこの膨
張機入口弁の調整された弁開度において冷凍能力は最大
発揮状態であることを意味する。

第２図に示すように被冷却体の負荷条件に対応し、適
正に運転制御を行うためにはジュール・トムソン弁と膨
張機入口弁とを操作する必要があることは明らかであ
る。

次に、被冷却体の負荷条件に対応した具体的な制御法
であるが、冷凍負荷と液化負荷の両負荷に対応した制御
を行うためには冷凍負荷，液化負荷の両負荷の測定が必
要であると共に、組み合せが非常に複雑になると共に、
液化負荷の直接的測定は比較的困難であること、および
制御上の能力的余裕をどの程度考慮すべきかなど実用上
は多くの問題が残る。

以上のような問題を解決し、負荷条件に対応して、極
低温液化冷凍装置を適正に制御し運転を容易にするため
には、被冷却体の冷凍負荷（又は液化負荷）に対応する
装置の冷凍能力（又は液化能力）を発生すると共に、残
りの装置能力としては最大の液化能力（又は冷凍能力）
を発揮できるようにジュール・トムソン弁および膨張機
入口弁を制御すれば良い。具体的制御法の一例として冷
凍負荷（又は液化負荷）をパラメータとし、予めジュー
ル・トムソン弁と膨張機入口弁開度をプログラム設定し
ておくことが考えられる。

なお、以上のような制御方法では、液化能力（又は冷
凍能力）と液化負荷（又は冷凍負荷）とは一致しないこ
とになるが、この場合の調整はヒータで行うなどの方法
が実用的である。

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。第
１図における１は圧縮機、２は中圧タンク、３は高圧ガ
ス圧力調整弁、４は低圧ガス圧力調整弁、10はコールド
ボックス、11a〜11eは熱交換機、12は膨張機入口弁、13
はジュール・トムソン弁（以下、JT弁と略称する）、14
aおよび14bは膨張機、15は気液分離器、16は液化ガス移
送管、17は低温ガス戻り管、18は補助寒冷源である液体
窒素供給管、20a〜20nは被冷却体、21は常温ガス戻り
管、30は設定器、31は制御器、32は冷凍負荷信号、33お
よび34は弁の調節信号である。

次に、上記のように構成された本発明を実施した極低
温液化冷凍装置の動作について説明する。圧縮機１で圧
縮された高圧ガスの大部分はコールドボックス10に導入
され、第１の熱交換器11aで液体窒素、および低圧ガス
と熱交換して冷却された後、液化ラインと膨張機ライン
に分岐する。膨張機ラインに分岐した高圧ガスは膨張機
入口弁12を通り第１の膨張機14aで断熱膨張仕事を行う
ことにより寒冷を発生した後、第３の熱交換器11cで低
圧ガスと熱交換し更に温度降下した後、第２の膨張機14
bで再び断熱膨張仕事を行い寒冷を発生して低圧ガスラ
インに合流する。一方、第１の熱交換器11aで冷却され
た後、液化ラインに分岐した高圧ガスは、第２〜第５の
熱交換器11b〜11eで低圧ガスと熱交換し、最終的に逆転
温度以下に冷却された後、JT弁13で膨張し一部液化ガス
を生成して気液分離器15に入る。気液分離器15で気液分
離された液化ガスは液化ガス移送管16で被冷却体20a〜2
0nに供給され、熱負荷を吸収してガス化し低温ガス戻り
管17を通りコールドボックス10に戻り、気液分離器15で
分離された低温ガスと合流し、熱交換器11e〜11aで熱交
換することにより寒冷回収された後、圧縮機１の吸入側
に戻る。一方、被冷却体20a〜20nでガス化した低温ガス
の一部は顕熱によって被冷却体20a〜20nを冷却し常温ガ
ス戻り管21を通り圧縮機１の吸入側に戻る。

以上のような極低温液化冷凍装置において、低温ガス
戻り管17を戻る低温ガスは被冷却体20a〜20nの冷凍負荷
に対応し、常温ガス戻り管21を戻る常温ガスは被冷却体
20a〜20nの液化負荷に対応する。

次に、以上のような構成，動作の極低温液化冷凍装置
の運転制御方法について説明する。被冷却体20a〜20nの
冷凍負荷の検知法としては、例えば、被冷却体20a〜20n
から低温ガス戻り管17を経てコールドボックス10に戻る
低温ガス流量に液化ガス潜熱を乗ずることによって可能
であり、冷凍負荷信号32として制御器31に取り込む。制
御器31は冷凍負荷信号32によって、設定器30で設定され
ている冷凍負荷に対応した弁開度に膨張機入口弁12およ
びJT弁13を調節信号33および34で調節する。以上の制御
方法を第２図によって説明すると、例えば、ａに対応す
る冷凍負荷を受けた場合には、ｂに対応する液化能力も
発揮できるように膨張機入口弁12およびJT弁13を調節す
ることになる。すなわち、極低温液化冷凍装置の動作点
が動作特性曲線A₀上にあるように制御される。

以上の説明では、冷凍負荷によって制御する場合につ
いて述べたが、直接的な制御としては低温戻りガス流量
で行うことも可能であることは明らかである。また、液
化負荷によって制御を行うことも本発明の範囲内であ
る。さらに、被冷却体20a〜20nの負荷条件と極低温液化
冷凍装置の能力との関係で、一定の冷凍負荷に対し、明
らかに最大の液化能力を発揮する必要の無い場合には、
第２図において、ｂでなく、例えばｂ′の条件に設定を
変えることは、装置としての消費動力を低減し、効率的
な運転を行う上で望ましいことである。

以上、詳述したように、本実施例によれば、被冷却体
の各種負荷条件に対応し、極低温液化冷凍装置を適正な
運転条件に容易に保持でき、効率的な運転制御ができ
る。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように、被冷却体の負荷条件
に対応した冷凍能力若しくは液化能力を発生せしめると
同時に最大の液化能力若しくは冷凍能力を発生可能に膨
張機入口弁並びにJT弁の弁開度を調節することで、被冷
却体の多様な負荷条件に対応し極低温液化冷凍装置を適
正な運転条件に容易に保持できるので、装置の運転効率
を向上できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施した極低温液化冷凍装置の一例を
示す系統図、第２図は極低温液化冷凍装置の特性の一例
を示す特性図である。 12……膨張機入口弁、13……JT弁、20aないし20n……被
冷却体、30……設定器、31……制御器

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガスを圧縮する圧縮機と、圧縮された高圧
   ガスを逆転温度以下に冷却する熱交換器と、この逆転温
   度以下に冷却された高圧ガスを膨張させて液化ガスを生
   成するジュール・トムソン弁と、該ジュール・トムソン
   弁を流れる前記高圧ガスを冷却するための寒冷を生成す
   る膨張機と、該膨張機に流れるガス量を制御する膨張機
   入口弁とを備えた極低温液化冷凍装置により、冷凍負荷
   と液化負荷との種々の組み合わせとなる負荷条件で被冷
   却体を冷却するに際し、 上記冷凍負荷に応じて上記ジュール・トムソン弁の弁開
   度を設定し、上記ジュール・トムソン弁の設定された弁
   開度において液化能力を最大とする弁開度に上記膨張機
   入口弁を設定し、これにより、液化負荷がない場合に最
   大冷凍能力を発揮する動作点と冷凍負荷がない場合に最
   大液化能力を発揮する動作点とを結ぶ動作特性曲線上の
   動作点で装置運転を行うことを特徴とする極低温液化冷
   凍装置の運転制御方法。