JP3847924B2 - ヘリウム冷凍液化機の運転制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘリウム冷凍液化機の運転制御装置に関し、詳しくは、プロセスヘリウムガスを冷却源とする輻射シールドと、該輻射シールドを通過する冷却用ヘリウムガスの量を制御するバイパス弁とを備えたヘリウム冷凍液化機の運転制御装置、特に、初期冷却運転を効率よく行うことができる運転制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超伝導マグネット等を低温に冷却する手段として、ヘリウムを冷媒として使用したクロードサイクル式のヘリウム冷凍液化機（以下、冷凍機ということがある）が用いられている。このような冷凍機では、液体ヘリウム温度レベルの侵入熱量を低減する輻射シールドを備えたものが多い。そして輻射シールドを冷却するための冷却源として、液体窒素等の系外からの冷媒を用いることもあるが、冷凍機自身のプロセスから抜き出した低温ヘリウムガスを用いる場合もある。
【０００３】
図６は、輻射シールド１の冷却源として、冷凍機自身のプロセスから抜き出した低温ヘリウムガスを用いた従来のヘリウム冷凍液化機の一例を示す系統図であって、冷媒ガスであるヘリウムを循環圧縮する循環圧縮機２、高圧ヘリウムガスと低圧ヘリウムガスとを熱交換させる熱交換器群３（第１〜第５熱交換器３ａ〜３ｅ）、寒冷を発生させる第一タービン４及び第二タービン５、生成した液化ヘリウムで超伝導マグネット等の被冷却体６を冷却する被冷却体冷却部７、該被冷却体冷却部７への熱侵入を防止する前記輻射シールド１、該輻射シールド１の冷却用ヘリウムガスの流量を制御するシールドガスバイパス弁８等を備えている。
【０００４】
循環圧縮機２で圧縮された高圧ヘリウムガスは、高圧流体経路２１を通り、熱交換器群３で後述の低圧流体経路２２を流れる低圧ヘリウムガスと向流熱交換して冷却された後、ＪＴ弁９で自由膨張し、一部が液体ヘリウムとなって被冷却体冷却部７に溜まる。被冷却体冷却部７で被冷却体６を冷却することによりガス化したヘリウムガスと、前記ＪＴ弁９で液化しなかったヘリウムガスは、前記低圧ヘリウムガスとなって低圧流体経路２２に導出され、熱交換器群３で前記高圧ヘリウムガスを冷却することによって昇温し、循環圧縮機２に吸入され、再び圧縮されて前記流体経路２１，２２を循環する。
【０００５】
また、前記高圧ヘリウムガスの一部は、前記熱交換器群３の第２熱交換器３ｂの温端側でタービン流体経路２３に分岐し、タービン入口弁１０，第一タービン４，シールドガスバイパス弁８，第３熱交換器３ｃ及び第二タービン５を通ることにより寒冷を発生し、第４熱交換器３ｄの冷端側で前記低圧流体経路２２の低圧ヘリウムガスと合流する。
【０００６】
さらに、第一タービン４を導出した低温ヘリウムガスの一部は、シールドガスバイパス弁８の前流側でタービン流体経路２３からシールドガス供給経路２４に分岐し、弁１１を通って輻射シールド１に冷却源として供給され、冷熱を与えることにより昇温してシールドガス戻り経路２５に導出し、弁１２を経て第２熱交換器３ｂで冷却された後、前記シールドガスバイパス弁８の後流側でタービン流体経路２３に合流して第二タービン５に導かれる。
【０００７】
このように構成されたヘリウム冷凍液化機は、輻射シールド１の圧力損失や熱負荷の変動により、輻射シールド１から第２熱交換器３ｂに戻されるガス（シールド戻りガス）の温度や第二タービン５に導入される圧力が変動し、熱交換器群３の温度バランスや第二タービン５の膨張比が崩れ、ヘリウム冷凍液化機全体の運転が不安定になり易い。定格運転時においては、これを防止して運転を安定化させるために、輻射シールド１から戻るシールドガス戻り経路２５に温度検出器３１を設け、該経路２５内のガスの温度を一定に保つように加熱ヒーター３２を制御する制御器３３による戻りガス温度制御と、シールド入出の差圧を一定に保つように、シールドガスバイパス弁８の前後に設けた圧力検出器３４，３５から得られた差圧によりシールドガスバイパス弁８の開度を制御する制御器３６による差圧制御とを行っている。
【０００８】
また、寒冷発生源である第一，第二タービン４，５は、通常、定格運転時における所要寒冷発生能力で設計されるので、定格運転時に比較して寒冷発生量を多く必要とする初期冷却時においては寒冷が不足する場合がある。このような場合は、冷却促進のため、タービン発生寒冷に加えて、図６に破線で示す経路１３及び熱交換器１４を設け、系外から液体窒素ＬＮを補助寒冷として導入することにより、高圧ヘリウムガスを冷却する方法が採用されている。
【０００９】
また、図７は、他の従来例を示す系統図であって、前記図６に示すヘリウム冷凍液化機との構成の相違は、輻射シールド１からの戻りガスを、熱交換器群３の第２熱交換器３ｂを通さずに、直接第二タービン５に戻している点である。その他の機器構成は、前記図６と略同じであり、同様に定格運転時には、戻りガス温度制御と差圧制御とを行っている。このプロセスは、前記図６の従来例における同一仕様の冷凍能力及び輻射シールド１を有するプロセスと比較した場合、輻射シールド１からの戻りガスが第２熱交換器３ｂを介することなく直接第二タービン５に導入されるため、第二タービン５の入口温度が、第２熱交換器３ｂでの温度低下分だけ低く設計することになり、プロセス効率の点で不利となるが、構成が簡略であるので採用されることがある。また、必要に応じて第４熱交換器３ｄの部分に第３タービン１５が設置される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前記図６に示した従来構成の冷凍機の常温からの起動は、循環圧縮機２を起動してヘリウム循環系統を確立した後、次いで第一，第二タービン４，５を起動することにより行われ、冷凍機各部は、常温から次第に定格運転時の温度に降温して最終的に収斂する。このような初期冷却運転時には、冷却を促進するために、冷凍機は最大負荷で運転することが要求されるので、輻射シールド１からの戻りガスも、ヒーター３２で昇温せずに輻射シールド１の出口温度のままでタービン流体経路２３に戻すことが望ましい。このため、初期冷却運転時においては、通常、戻りガス温度制御及び差圧制御の両方を行わないか、又は、差圧制御のみを行っている。したがって、このとき、輻射シールド１からの戻りガスの温度は成り行きとなる。
【００１１】
冷凍機各部の温度が常温から定格運転時の温度に収斂するまでのいわゆる初期冷却運転の所要時間は、輻射シールド１側の冷却負荷（熱容量）と、冷凍機本体側、すなわち、熱交換器群３や被冷却体冷却部７の冷却負荷（熱容量）及び冷凍機全体の寒冷発生量の割合により相違する。冷凍機本体側の冷却負荷（熱容量）が輻射シールド１側の冷却負荷に比較して大きい場合は、冷凍機全体の冷却時間が律速となる。また、この逆の場合は、輻射シールド１から戻る昇温したシールドガスにより、冷凍機本体側の冷却に多少なりとも影響を及ぼすが、冷凍機本体側の冷却は進行するため、冷凍機内部の温度は少なからず降下することになり、以下に述べる問題が発生する。
【００１２】
まず、輻射シールド１は、前記タービン４，５と同様に、定格運転時の温度や圧力条件を基準にして設計されるため、温度の高い初期冷却運転時には、弁１１を介して輻射シールド１に供給される冷却用ヘリウムガスが流れにくく、輻射シールド１への供給量が少ないので、輻射シールド１から戻るガスの温度が高くなり、その戻し位置に当たる第２熱交換器３ｂの温端における各流体経路間の温度差は、時間の経過とともに一旦増大し、さらに時間の経過とともに次第に定格運転時の温度差に収斂する。この現象は、外部からの液体窒素を補助寒冷として利用した場合も同様である。
【００１３】
通常、ヘリウム冷凍液化機に使用される熱交換器群３は、フィンとチューブプレートとを積層して流体の流路を形成したアルミプレートフィンタイプのものである。そしてこのフィンとチューブプレートとは蝋付けによって組み立てられており、構造上、各流体間の温度差や時間当たりの冷却速度が過大になると、構成部材の熱収縮量の違いから破壊を招くことになる。通常、この温度差の許容値は数十℃程度であり、温度差や冷却速度を許容値以内に保持する運転方法が要求される。
【００１４】
すなわち、図６に示した従来構成における初期冷却運転においては、冷凍機本体側と輻射シールド側との冷却速度のマッチングが十分でなく遅速が生じること、輻射シールド側の冷却時間が遅い場合は、熱交換器の温度差が過大となって熱交換器の破壊を招くおそれがあること、第二タービン５が過負荷運転になりやすいことなどの問題があった。
【００１５】
また、図７に示したものでは、輻射シールド１からの戻りガスが熱交換器群３に導入されないため、温度差による熱交換器群３の破壊の問題はないが、その他の問題は、前記図６のものと同様である。
【００１６】
そこで本発明は、初期冷却運転時における冷凍機本体側と輻射シールド側との冷却速度のマッチングを最適化することにより冷凍機全体の冷却時間を短縮でき、また、熱交換器における過大な温度差を防止でき、さらに、タービンの過負荷運転を防止できるヘリウム冷凍液化機の運転制御装置を提供することを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のヘリウム冷凍液化機の運転制御装置は、第１の構成として、高圧流体経路の高圧冷媒と低圧流体経路の低圧冷媒とを熱交換させる複数個の熱交換器と、前記高圧冷媒の一部を膨張させて寒冷を発生するタービンと、極低温レベルの侵入熱を遮断する輻射シールドと、前記高圧流体経路から分岐し、前記タービンを介して前記低圧流体経路に接続されたタービン流体経路と、前記タービン流体経路又は前記高圧流体経路から分岐して前記輻射シールドに接続されたシールドガス供給経路と、前記輻射シールドから前記タービン流体経路に接続されたシールドガス戻り経路と、前記タービン流体経路に設けられ、前記輻射シールドを通過するガスをバイパスさせるシールドガスバイパス弁とを備えたヘリウム冷凍液化機において、前記シールドガス戻り経路が接続される熱交換器の温端側の高圧流体経路及び低圧流体経路の少なくともいずれか一方の経路とシールドガス戻り経路とに設けられた温度検出器と、各温度検出器から入力される各検出温度の温度差を演算する温度差演算器と、該温度差演算器からの温度差信号と予め入力された温度差設定値とを比較して前記温度差が一定になるように前記シールドガスバイパス弁の開度を制御する温度差制御器とを備えたことを特徴とし、これに加えて、前記シールドガスバイパス弁の前流側経路及び前記シールドガス供給経路のいずれか一方の経路と前記シールドガスバイパス弁の後流側経路及び前記シールドガス戻り経路のいずれか一方の経路とにそれぞれ設けられた圧力検出器と、両圧力検出器から入力される双方の検出圧力により差圧を演算する差圧演算器と、該差圧演算器で演算された差圧と予め入力された差圧設定値とを比較して前記差圧が一定になるように前記シールドガスバイパス弁の開度を制御する差圧制御器とを備えたことを特徴としている。
【００１８】
また、本発明の第２の構成は、高圧流体経路の高圧冷媒と低圧流体経路の低圧冷媒とを熱交換させる複数個の熱交換器と、前記高圧冷媒の一部を膨張させて寒冷を発生するタービンと、極低温レベルの侵入熱を遮断する輻射シールドと、前記高圧流体経路から分岐し、前記タービンを介して前記低圧流体経路に接続されたタービン流体経路と、前記タービン流体経路又は前記高圧流体経路から分岐して前記輻射シールドに接続されたシールドガス供給経路と、前記輻射シールドから前記タービン流体経路に接続されたシールドガス戻り経路と、前記タービン流体経路に設けられ、前記輻射シールドを通過するガスをバイパスさせるシールドガスバイパス弁とを備えたヘリウム冷凍液化機において、前記シールドガスバイパス弁の前流側経路及び前記シールドガス供給経路のいずれか一方の経路と前記シールドガスバイパス弁の後流側経路及び前記シールドガス戻り経路のいずれか一方の経路とにそれぞれ設けられた圧力検出器と、両圧力検出器から入力される双方の検出圧力により差圧を演算する差圧演算器と、該差圧演算器で演算された差圧を入力値として受け入れ、該入力値に応じて前記シールドガスバイパス弁の開度を調節する制御信号を出力する差圧制御器と、前記シールドガス戻り経路に設けられた温度検出器と、該温度検出器で検出した検出温度に応じて前記差圧制御器に制御信号を出力する演算器とを備えたことを特徴としている。
【００１９】
また、前記圧力検出器及び前記差圧演算器に代えて、前記シールドガスバイパス弁の前流側経路及び前記シールドガス供給経路のいずれか一方の経路と、前記シールドガスバイパス弁の後流側経路及び前記シールドガス戻り経路のいずれか一方の経路との差圧を検出する差圧検出器を設けるようにしてもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の運転制御装置を備えたヘリウム冷凍液化機の第１形態例を示す系統図である。なお、以下の各形態例の説明において、前記従来例と同一要素のものには同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００２１】
このヘリウム冷凍液化機は、前記図６に示した従来の冷凍機と同様の循環圧縮機２、熱交換器群３、第一タービン４、第二タービン５、被冷却体冷却部７、輻射シールド１等から構成されている。また、輻射シールド１の冷却用ヘリウムガス入出をバイパスするシールドガスバイパス弁８が、前記第一タービン４の出口と第二タービン５の入口との中間位置のタービン流体経路２３に備えられている。
【００２２】
また、運転制御装置として、熱交換器群３の第２熱交換器３ｂの温端側において、低圧ヘリウムガスが流れる低圧流体経路２２，高圧ヘリウムガスが流れる高圧流体経路２１及びシールドガス戻り経路２５に、温度検出器４１，４２，４３がそれぞれ設けられ、さらに、前記各温度検出器４１，４２，４３からの検出温度を入力値として最大温度差を演算する温度差演算器４４と、該温度差演算器４４の最大温度差を入力値として受け入れるとともに、該入力値と予め入力された設定値（温度差の絶対値及び温度差の時間変化率）とを比較し、入力値に応じて前記シールドガスバイパス弁８の開度を調節するための制御信号を出力する温度差制御器４５が設けられている。
【００２３】
このように構成された運転制御装置を設けたヘリウム冷凍液化機の初期冷却運転について説明する。初期冷却を開始してタービン入口弁１０の開度を増していくと、高圧流体経路２１から分岐してタービン入口弁１０，第一タービン４，シールドガスバイパス弁８，第３熱交換器３ｃ及び第二タービン５を経由して低圧流体経路２２に接続されたタービン流体経路２３の処理量が増加して冷却が進行する。したがって、タービン流体経路２３を導出して低温化したヘリウムガスが通過する熱交換器群３の第２熱交換器３ｂの温端側に設けた温度検出器４１により検出される低圧流体経路２２の低圧ヘリウムガスの温度は次第に降下していく。
【００２４】
そして、熱交換器群３の第２熱交換器３ｂの温端側に設けた温度検出器４２により検出される高圧流体経路２１の高圧ヘリウムガスの温度及び温度検出器４３により検出されるシールドガス戻り経路２５のシールド戻りガスの温度も、前記低圧ヘリウムガスの温度降下に伴って降下するが、被冷却体冷却部７や輻射シールド１が定格運転時の温度に冷却されるまでは、低圧ヘリウムガスの温度降下に対して時間遅れを伴うので、冷却の進行とともに第２熱交換器３ｂにおける温度差が増大する。
【００２５】
そこで温度検出器４１及び／又は温度検出器４２と、温度検出器４３とで検出した各温度の温度差が開き、温度差の絶対値又は温度差の時間変化率が設定値を超えた場合、温度差制御器４５は、温度差演算器４４からの信号を受けてこの信号値に応じてシールドガスバイパス弁８に制御信号を送り、シールドガスバイパス弁８の開度を調節し、第２熱交換器３ｂの温端における温度差制御を開始する。このとき、輻射シールド入口弁１１及び出口弁１２は、特に操作せずにそのままの開度を維持すればよい。
【００２６】
温度差制御を開始すると、温度差制御器４５は、第２熱交換器３ｂの温端温度差が拡大することを抑制するように、シールドガスバイパス弁８を閉方向に動作させる。この動作により、シールドガス供給経路２４とシールドガス戻り経路２５との差圧が大きくなるので、輻射シールド１に供給される冷却用ヘリウムガスの流量が増加し、輻射シールド１の冷却が促進され、第２熱交換器３ｂの温端におけるシールドガス戻り経路２５のガス温度の降下が早まる。
【００２７】
一方、シールドガスバイパス弁８が閉方向に動作することにより、第一，第二タービン４，５は、膨張比が小さくなって発生寒冷量が減少する。この結果、ヘリウム冷凍液化機本体側の冷却の進行が抑制され、第２熱交換器３ｂの温端における低圧ヘリウムガスの温度降下が抑制され、前記シールドガス戻り経路２５との温度差は次第に減少する。
【００２８】
温度差制御器４５の動作によって第２熱交換器３ｂの温端温度差が縮小し、温度差の絶対値又は温度差の時間変化率が設定値以下になると、温度差制御器４５は、温度差演算器４４からの信号を受け、この信号値に応じてシールドガスバイパス弁８を開方向に動作させる。この動作により、輻射シールド側の冷却が抑制されるとともに、本体側の冷却が促進される。
【００２９】
このように、第２熱交換器３ｂの温端温度差により、タービン流体経路２３に設けられたシールドガスバイパス弁８の開度を調節する温度差制御を行うことにより、輻射シールド１への冷却用ヘリウムガスの供給量とタービン発生寒冷量とを同時に、かつ、効率よく制御することができるので、冷凍機全体の初期冷却時間を短縮することができる。また、熱交換器の破損を招きかねない温度差の増大を、効果的に、かつ、簡便な方法で制御することができるとともに、第二タービン５が過負荷運転になるような危険を回避することができる。
【００３０】
熱負荷変動の多い初期冷却段階を経過し、各部の温度や圧力，流量等が所定値となっていわゆる定格運転に移行した後は、熱負荷変動が少ないので、前述の従来例のように、シールドガスバイパス弁８の制御は、温度差制御からシールド入出の差圧制御に切り替えてもよい。また、例えば、定格運転時において、輻射シールド１の熱負荷変動が比較的大きい冷凍機の場合には、本形態例に示す温度差制御を定格運転移行後も続行することにより、シールド戻りガスをヒーターで加温する必要がないので、発生した寒冷を有効に利用することができる。
【００３１】
図２は、本発明の運転制御装置の第２形態例を示すヘリウム冷凍液化機の系統図である。このヘリウム冷凍液化機の運転制御装置は、前記図１に示した温度差制御に加え、輻射シールド１の入出経路であるシールドガス供給経路２４及びシールドガス戻り経路２５の流体圧力を検出するための圧力検出器４６，４７を、前記シールドガスバイパス弁８の前流側及び後流側の流体経路にそれぞれ設け、該圧力検出器４６，４７からの検出圧力を入力値として両者の差圧を演算する差圧演算器４８と、前記差圧演算器４８で演算された差圧を入力値として受け入れるとともに、該入力値に応じて前記シールドガスバイパス弁８の開度を調節する制御信号を出力する差圧制御器４９とを設け、さらに、該差圧制御器４９と前記温度差制御器４５とを接続し、差圧制御と温度差制御とをカスケード制御するように構成したものである。
【００３２】
このように構成された運転制御装置は、次のように機能する。すなわち、初期冷却段階で熱交換器群３の第２熱交換器３ｂの温端の温度検出器４１，４２の少なくともいずれか一方と温度検出器４３との間の温度差が開き、温度差の絶対値又は温度差の時間変化率が設定値を超えた場合、温度差制御器４５は、温度差演算器４４からの信号を受けて、この信号値に応じて差圧制御器４９の設定値を高くする信号を出力する。これによって差圧制御器４９は、シールドガスバイパス弁８を閉方向に動作させる信号を出力し、第一タービン４及び第二タービン５の全膨張比を小さくすることで寒冷発生量を抑制し、同時に輻射シールド１に供給される冷却用ヘリウムガスが増量するので、冷凍機本体側と輻射シールド側の冷却速度の差が緩和され、第２熱交換器３ｂの温端温度差が減少する。
【００３３】
この第２形態例における制御を適用した場合の制御結果の一例を図３に示す。図３において、曲線Ａは、制御を行わない場合の第２熱交換器３ｂの温端における低圧流体経路２２の低圧ヘリウムガスの温度（温度検出器４１）と、シールドガス戻り経路２５のシールド戻りガスの温度（温度検出器４３）との温度差をプロットしたものである。図に示すように、初期冷却運転の開始とともに温度差が拡大し、最大温度差は、約４３．５℃に達するが、冷却の進行に伴う輻射シールド１の構成材自身の比熱の低下や、輻射シールド１に導入される冷却用ヘリウムガスの温度低下による質量流量の増大によって輻射シールド１の冷却促進とともに温度差が次第に縮少し、最終的には、定格運転時の温度差（約２．５℃）に収束する。
【００３４】
一方、図３における曲線Ｂは、第２形態例に示した制御を適用した場合の第２熱交換器３ｂの温端における低圧ヘリウムガスの温度（温度検出器４１）と、シールド戻りガスの温度（温度検出器４３）との温度差をプロットしたものであって、温端温度差が３０℃を超えた時点で、温度差制御器４５から差圧制御器４９に対して差圧設定値を２．５ｂａｒから３．５ｂａｒにステップ的に高くする信号を出力させる制御を行った例を示している。図に示すように、温度差制御をしない曲線Ａと略同様な曲線になっているが、最大温度差は約３９℃に抑えられており、本制御方法による効果が確認できる。
【００３５】
本形態例に示すように、温度差制御と差圧制御とを併用することによって、より安定的で確実な制御が可能となる。すなわち、温度差制御のみでシールドガスバイパス弁８を制御する場合、例えば、温度差が大きい場合には、シールドガスバイパス弁８が閉方向に動作し、その結果シールド側の流量が増大して輻射シールド１で昇温したシールド戻りガスが第二タービン５に導入され、第二タービン５が過負荷運転になるおそれがあるが、このとき、本形態例のように、差圧制御を併用すれば、このような不都合を確実に防止することができる。
【００３６】
なお、本形態例では、輻射シールド１の入出差圧の検出を、各流路の圧力を検出する２個の圧力検出器４６，４７と、検出圧力から差圧を演算する差圧演算器４８とで構成した場合を示したが、これに代えて１個の差圧検出器を設け、この差圧検出器で検出した差圧を差圧制御器４９に入力するように形成しても同様の制御を行うことができる。また、圧力を検出する位置は、任意に設定できる。
【００３７】
図４は、本発明の運転制御装置の第３形態例を示すヘリウム冷凍液化機の系統図であって、輻射シールド１への冷却用ヘリウムガスを、熱交換器群３（本形態例では、第１〜第６熱交換器３ａ〜３ｆ）における第４熱交換器３ｄの温端側の高圧流体経路２１から経路（シールドガス供給経路）２６に分岐した高圧ヘリウムガスの一部とし、シールド戻りガスが流れる経路（シールドガス戻り経路）２７を第１タービン４の前流側のタービン流体経路２３に戻し、さらに、経路２７の接続部前流側に、シールドガスバイパス弁８ａを設けたものである。
【００３８】
この形態例は、輻射シールド１の冷却用ヘリウムガスの供給圧力として、より高い圧力が要求される場合の冷凍機の構成であり、高圧流体経路２１の高圧ヘリウムガスの一部を、タービンを介さずに直接シールドガスとすることにより、輻射シールド１に高圧のヘリウムガスを供給しているが、前記同様の温度差制御、あるいは、温度差制御と差圧制御との併用によってシールドガスバイパス弁８ａの開度を制御することにより、前記形態例と同様の制御性を得ることができる。
【００３９】
図５は、本発明の運転制御装置の第４形態例を示すヘリウム冷凍液化機の系統図であって、ヘリウム冷凍液化機の基本構成は、前記図７に示した従来の冷凍機と同じであり、運転制御装置として、前記第２形態例で示したものと同様の差圧制御と、シールド戻りガスの温度制御とをカスケード制御したものである。
【００４０】
すなわち、輻射シールド１の冷却用ガス入出経路であるシールドガス供給経路２４及びシールドガス戻り経路２５の圧力をそれぞれ検出する圧力検出器４６，４７を設け、該圧力検出器４６，４７からの検出圧力を入力値として両者の差圧を演算する差圧演算器４８と、前記差圧演算器４８で演算された差圧を入力値として受け入れるとともに、該入力値に応じて前記シールドガスバイパス弁８の開度を調節する制御信号を出力する差圧制御器４９と、シールドガス戻り経路２５のシールド戻りガスの温度を検出する温度検出器５０と、該温度検出器５０で検出した検出温度に応じて前記差圧制御器４９に制御信号を出力する演算器５１とを設け、差圧制御とシールド戻りガス温度制御とをカスケード制御するように形成したものである。
【００４１】
このように構成された冷凍機においては、輻射シールド１を冷却することにより昇温したシールド戻りガスは、熱交換器を介することなく直接第二タービン５に導入されるから、初期冷却運転の初期には第二タービン５が過負荷運転になり易い。一般的に第２タービン５は、第一タービン４に比較して小さなノズルであり、定格運転時の吸入温度に比べて高温のガスを導入すると、過負荷状態、即ち膨張比が増大して寒冷量が過大となり、制動機の能力限界の運転状態になり易い。このような限界域での運転は、故障や破壊の原因となるので回避する必要がある。
【００４２】
このため、本形態例における運転制御装置は、シールド戻りガス温度検出器５０の検出温度から輻射シールド１側や本体側の冷却進行状態を認識し、その冷却状態に応じて差圧制御器４９の設定値を演算器５１で求め、求められた設定値を差圧制御器４９に出力し、該出力に応じて差圧制御器４９がシールドガスバイパス弁８を制御するように形成されている。
【００４３】
例えば、冷却の初期時に輻射シールド１に冷却用ヘリウムガスがあまり流れず、第二タービン５が過負荷気味となるような場合には、差圧制御器４９の設定値を比較的小さな値にセットし、冷却の進行に合わせてこの設定値が大きくなるように、予め、演算器５１に設定を施しておけばよい。このような制御を行うことにより、第二タービン５の運転状態が制動機側能力の範囲内となるように、第一タービン４の出口温度と第二タービン５の入口温度との差をシールドガスバイパス弁８を操作端として制御することが可能となり、初期冷却時における第二タービン５の運転状態を適正な状態に保つことが可能となる。
【００４４】
なお、この形態例においても、前記図２で示した第２形態例と同様に、圧力検出器４６、４７及び差圧演算器４８に代えて差圧検出器を用いることができることは勿論である。
【００４５】
上記各形態例で示した冷凍機の構成は、ヘリウム冷凍液化機の構成の一例を示したものにすぎず、熱交換器群３の熱交換器の数、熱交換器群３と両タービン４，５との位置的な関係等は、これに限定されるものではない。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ヘリウム冷凍液化機の初期冷却運転時における冷凍機本体側と輻射シールド側との冷却速度のマッチングを最適化することができるので、冷凍機全体の冷却時間の短縮や、熱交換器における過大な温度差の発生を防止できるとともに、タービンの過負荷運転も防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の運転制御装置を備えたヘリウム冷凍液化機の第１形態例を示す系統図である。
【図２】 本発明の運転制御装置の第２形態例を示すヘリウム冷凍液化機の系統図である。
【図３】 第２形態例装置による制御を行った場合と行わなかった場合とにおける経過時間と温度差との関係を表す図である。
【図４】 本発明の運転制御装置の第３形態例を示すヘリウム冷凍液化機の系統図である。
【図５】 本発明の運転制御装置の第４形態例を示すヘリウム冷凍液化機の系統図である。
【図６】 従来のヘリウム冷凍液化機の一例を示す系統図である。
【図７】 従来のヘリウム冷凍液化機の他の例を示す系統図である。
【符号の説明】
１…輻射シールド、２…循環圧縮機、３…熱交換器群、４…第一タービン、５…第二タービン、６…被冷却体、７…被冷却体冷却部、８，８ａ…シールドガスバイパス弁、９…ＪＴ弁、１０…タービン入口弁、１１…輻射シールド入口弁、１２…輻射シールド出口弁、２１…高圧流体経路、２２…低圧流体経路、２３…タービン流体経路、２４，２６…シールドガス供給経路、２５，２７…シールドガス戻り経路、４１，４２，４３…温度検出器、４４…温度差演算器、４５…温度差制御器、４６，４７…圧力検出器、４８…差圧演算器、４９…差圧制御器、５０…温度検出器、５１…演算器
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘリウム冷凍液化機の運転制御装置に関し、詳しくは、プロセスヘリウムガスを冷却源とする輻射シールドと、該輻射シールドを通過する冷却用ヘリウムガスの量を制御するバイパス弁とを備えたヘリウム冷凍液化機の運転制御装置、特に、初期冷却運転を効率よく行うことができる運転制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超伝導マグネット等を低温に冷却する手段として、ヘリウムを冷媒として使用したクロードサイクル式のヘリウム冷凍液化機（以下、冷凍機ということがある）が用いられている。このような冷凍機では、液体ヘリウム温度レベルの侵入熱量を低減する輻射シールドを備えたものが多い。そして輻射シールドを冷却するための冷却源として、液体窒素等の系外からの冷媒を用いることもあるが、冷凍機自身のプロセスから抜き出した低温ヘリウムガスを用いる場合もある。
【０００３】
図６は、輻射シールド１の冷却源として、冷凍機自身のプロセスから抜き出した低温ヘリウムガスを用いた従来のヘリウム冷凍液化機の一例を示す系統図であって、冷媒ガスであるヘリウムを循環圧縮する循環圧縮機２、高圧ヘリウムガスと低圧ヘリウムガスとを熱交換させる熱交換器群３（第１〜第５熱交換器３ａ〜３ｅ）、寒冷を発生させる第一タービン４及び第二タービン５、生成した液化ヘリウムで超伝導マグネット等の被冷却体６を冷却する被冷却体冷却部７、該被冷却体冷却部７への熱侵入を防止する前記輻射シールド１、該輻射シールド１の冷却用ヘリウムガスの流量を制御するシールドガスバイパス弁８等を備えている。
【０００４】
循環圧縮機２で圧縮された高圧ヘリウムガスは、高圧流体経路２１を通り、熱交換器群３で後述の低圧流体経路２２を流れる低圧ヘリウムガスと向流熱交換して冷却された後、ＪＴ弁９で自由膨張し、一部が液体ヘリウムとなって被冷却体冷却部７に溜まる。被冷却体冷却部７で被冷却体６を冷却することによりガス化したヘリウムガスと、前記ＪＴ弁９で液化しなかったヘリウムガスは、前記低圧ヘリウムガスとなって低圧流体経路２２に導出され、熱交換器群３で前記高圧ヘリウムガスを冷却することによって昇温し、循環圧縮機２に吸入され、再び圧縮されて前記流体経路２１，２２を循環する。
【０００５】
また、前記高圧ヘリウムガスの一部は、前記熱交換器群３の第２熱交換器３ｂの温端側でタービン流体経路２３に分岐し、タービン入口弁１０，第一タービン４，シールドガスバイパス弁８，第３熱交換器３ｃ及び第二タービン５を通ることにより寒冷を発生し、第４熱交換器３ｄの冷端側で前記低圧流体経路２２の低圧ヘリウムガスと合流する。
【０００６】
さらに、第一タービン４を導出した低温ヘリウムガスの一部は、シールドガスバイパス弁８の前流側でタービン流体経路２３からシールドガス供給経路２４に分岐し、弁１１を通って輻射シールド１に冷却源として供給され、冷熱を与えることにより昇温してシールドガス戻り経路２５に導出し、弁１２を経て第２熱交換器３ｂで冷却された後、前記シールドガスバイパス弁８の後流側でタービン流体経路２３に合流して第二タービン５に導かれる。
【０００７】
このように構成されたヘリウム冷凍液化機は、輻射シールド１の圧力損失や熱負荷の変動により、輻射シールド１から第２熱交換器３ｂに戻されるガス（シールド戻りガス）の温度や第二タービン５に導入される圧力が変動し、熱交換器群３の温度バランスや第二タービン５の膨張比が崩れ、ヘリウム冷凍液化機全体の運転が不安定になり易い。定格運転時においては、これを防止して運転を安定化させるために、輻射シールド１から戻るシールドガス戻り経路２５に温度検出器３１を設け、該経路２５内のガスの温度を一定に保つように加熱ヒーター３２を制御する制御器３３による戻りガス温度制御と、シールド入出の差圧を一定に保つように、シールドガスバイパス弁８の前後に設けた圧力検出器３４，３５から得られた差圧によりシールドガスバイパス弁８の開度を制御する制御器３６による差圧制御とを行っている。
【０００８】
また、寒冷発生源である第一，第二タービン４，５は、通常、定格運転時における所要寒冷発生能力で設計されるので、定格運転時に比較して寒冷発生量を多く必要とする初期冷却時においては寒冷が不足する場合がある。このような場合は、冷却促進のため、タービン発生寒冷に加えて、図６に破線で示す経路１３及び熱交換器１４を設け、系外から液体窒素ＬＮを補助寒冷として導入することにより、高圧ヘリウムガスを冷却する方法が採用されている。
【０００９】
また、図７は、他の従来例を示す系統図であって、前記図６に示すヘリウム冷凍液化機との構成の相違は、輻射シールド１からの戻りガスを、熱交換器群３の第２熱交換器３ｂを通さずに、直接第二タービン５に戻している点である。その他の機器構成は、前記図６と略同じであり、同様に定格運転時には、戻りガス温度制御と差圧制御とを行っている。このプロセスは、前記図６の従来例における同一仕様の冷凍能力及び輻射シールド１を有するプロセスと比較した場合、輻射シールド１からの戻りガスが第２熱交換器３ｂを介することなく直接第二タービン５に導入されるため、第二タービン５の入口温度が、第２熱交換器３ｂでの温度低下分だけ低く設計することになり、プロセス効率の点で不利となるが、構成が簡略であるので採用されることがある。また、必要に応じて第４熱交換器３ｄの部分に第３タービン１５が設置される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前記図６に示した従来構成の冷凍機の常温からの起動は、循環圧縮機２を起動してヘリウム循環系統を確立した後、次いで第一，第二タービン４，５を起動することにより行われ、冷凍機各部は、常温から次第に定格運転時の温度に降温して最終的に収斂する。このような初期冷却運転時には、冷却を促進するために、冷凍機は最大負荷で運転することが要求されるので、輻射シールド１からの戻りガスも、ヒーター３２で昇温せずに輻射シールド１の出口温度のままでタービン流体経路２３に戻すことが望ましい。このため、初期冷却運転時においては、通常、戻りガス温度制御及び差圧制御の両方を行わないか、又は、差圧制御のみを行っている。したがって、このとき、輻射シールド１からの戻りガスの温度は成り行きとなる。
【００１１】
冷凍機各部の温度が常温から定格運転時の温度に収斂するまでのいわゆる初期冷却運転の所要時間は、輻射シールド１側の冷却負荷（熱容量）と、冷凍機本体側、すなわち、熱交換器群３や被冷却体冷却部７の冷却負荷（熱容量）及び冷凍機全体の寒冷発生量の割合により相違する。冷凍機本体側の冷却負荷（熱容量）が輻射シールド１側の冷却負荷に比較して大きい場合は、冷凍機全体の冷却時間が律速となる。また、この逆の場合は、輻射シールド１から戻る昇温したシールドガスにより、冷凍機本体側の冷却に多少なりとも影響を及ぼすが、冷凍機本体側の冷却は進行するため、冷凍機内部の温度は少なからず降下することになり、以下に述べる問題が発生する。
【００１２】
まず、輻射シールド１は、前記タービン４，５と同様に、定格運転時の温度や圧力条件を基準にして設計されるため、温度の高い初期冷却運転時には、弁１１を介して輻射シールド１に供給される冷却用ヘリウムガスが流れにくく、輻射シールド１への供給量が少ないので、輻射シールド１から戻るガスの温度が高くなり、その戻し位置に当たる第２熱交換器３ｂの温端における各流体経路間の温度差は、時間の経過とともに一旦増大し、さらに時間の経過とともに次第に定格運転時の温度差に収斂する。この現象は、外部からの液体窒素を補助寒冷として利用した場合も同様である。
【００１３】
通常、ヘリウム冷凍液化機に使用される熱交換器群３は、フィンとチューブプレートとを積層して流体の流路を形成したアルミプレートフィンタイプのものである。そしてこのフィンとチューブプレートとは蝋付けによって組み立てられており、構造上、各流体間の温度差や時間当たりの冷却速度が過大になると、構成部材の熱収縮量の違いから破壊を招くことになる。通常、この温度差の許容値は数十℃程度であり、温度差や冷却速度を許容値以内に保持する運転方法が要求される。
【００１４】
すなわち、図６に示した従来構成における初期冷却運転においては、冷凍機本体側と輻射シールド側との冷却速度のマッチングが十分でなく遅速が生じること、輻射シールド側の冷却時間が遅い場合は、熱交換器の温度差が過大となって熱交換器の破壊を招くおそれがあること、第二タービン５が過負荷運転になりやすいことなどの問題があった。
【００１５】
また、図７に示したものでは、輻射シールド１からの戻りガスが熱交換器群３に導入されないため、温度差による熱交換器群３の破壊の問題はないが、その他の問題は、前記図６のものと同様である。
【００１６】
そこで本発明は、初期冷却運転時における冷凍機本体側と輻射シールド側との冷却速度のマッチングを最適化することにより冷凍機全体の冷却時間を短縮でき、また、熱交換器における過大な温度差を防止でき、さらに、タービンの過負荷運転を防止できるヘリウム冷凍液化機の運転制御装置を提供することを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のヘリウム冷凍液化機の運転制御装置は、第１の構成として、高圧流体経路の高圧冷媒と低圧流体経路の低圧冷媒とを熱交換させる複数個の熱交換器と、前記高圧冷媒の一部を膨張させて寒冷を発生するタービンと、極低温レベルの侵入熱を遮断する輻射シールドと、前記高圧流体経路から分岐し、前記タービンを介して前記低圧流体経路に接続されたタービン流体経路と、前記タービン流体経路又は前記高圧流体経路から分岐して前記輻射シールドに接続されたシールドガス供給経路と、前記輻射シールドから前記タービン流体経路に接続されたシールドガス戻り経路と、前記タービン流体経路に設けられ、前記輻射シールドを通過するガスをバイパスさせるシールドガスバイパス弁とを備えたヘリウム冷凍液化機において、前記シールドガス戻り経路が接続される熱交換器の温端側の高圧流体経路及び低圧流体経路の少なくともいずれか一方の経路とシールドガス戻り経路とに設けられた温度検出器と、各温度検出器から入力される各検出温度の温度差を演算する温度差演算器と、該温度差演算器からの温度差信号と予め入力された温度差設定値とを比較して前記温度差が一定になるように前記シールドガスバイパス弁の開度を制御する温度差制御器とを備えたことを特徴とし、これに加えて、前記シールドガスバイパス弁の前流側経路及び前記シールドガス供給経路のいずれか一方の経路と前記シールドガスバイパス弁の後流側経路及び前記シールドガス戻り経路のいずれか一方の経路とにそれぞれ設けられた圧力検出器と、両圧力検出器から入力される双方の検出圧力により差圧を演算する差圧演算器と、該差圧演算器で演算された差圧と予め入力された差圧設定値とを比較して前記差圧が一定になるように前記シールドガスバイパス弁の開度を制御する差圧制御器とを備えたことを特徴としている。
【００１８】
また、本発明の第２の構成は、高圧流体経路の高圧冷媒と低圧流体経路の低圧冷媒とを熱交換させる複数個の熱交換器と、前記高圧冷媒の一部を膨張させて寒冷を発生するタービンと、極低温レベルの侵入熱を遮断する輻射シールドと、前記高圧流体経路から分岐し、前記タービンを介して前記低圧流体経路に接続されたタービン流体経路と、前記タービン流体経路又は前記高圧流体経路から分岐して前記輻射シールドに接続されたシールドガス供給経路と、前記輻射シールドから前記タービン流体経路に接続されたシールドガス戻り経路と、前記タービン流体経路に設けられ、前記輻射シールドを通過するガスをバイパスさせるシールドガスバイパス弁とを備えたヘリウム冷凍液化機において、前記シールドガスバイパス弁の前流側経路及び前記シールドガス供給経路のいずれか一方の経路と前記シールドガスバイパス弁の後流側経路及び前記シールドガス戻り経路のいずれか一方の経路とにそれぞれ設けられた圧力検出器と、両圧力検出器から入力される双方の検出圧力により差圧を演算する差圧演算器と、該差圧演算器で演算された差圧を入力値として受け入れ、該入力値に応じて前記シールドガスバイパス弁の開度を調節する制御信号を出力する差圧制御器と、前記シールドガス戻り経路に設けられた温度検出器と、該温度検出器で検出した検出温度に応じて前記差圧制御器に制御信号を出力する演算器とを備えたことを特徴としている。
【００１９】
また、前記圧力検出器及び前記差圧演算器に代えて、前記シールドガスバイパス弁の前流側経路及び前記シールドガス供給経路のいずれか一方の経路と、前記シールドガスバイパス弁の後流側経路及び前記シールドガス戻り経路のいずれか一方の経路との差圧を検出する差圧検出器を設けるようにしてもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の運転制御装置を備えたヘリウム冷凍液化機の第１形態例を示す系統図である。なお、以下の各形態例の説明において、前記従来例と同一要素のものには同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００２１】
このヘリウム冷凍液化機は、前記図６に示した従来の冷凍機と同様の循環圧縮機２、熱交換器群３、第一タービン４、第二タービン５、被冷却体冷却部７、輻射シールド１等から構成されている。また、輻射シールド１の冷却用ヘリウムガス入出をバイパスするシールドガスバイパス弁８が、前記第一タービン４の出口と第二タービン５の入口との中間位置のタービン流体経路２３に備えられている。
【００２２】
また、運転制御装置として、熱交換器群３の第２熱交換器３ｂの温端側において、低圧ヘリウムガスが流れる低圧流体経路２２，高圧ヘリウムガスが流れる高圧流体経路２１及びシールドガス戻り経路２５に、温度検出器４１，４２，４３がそれぞれ設けられ、さらに、前記各温度検出器４１，４２，４３からの検出温度を入力値として最大温度差を演算する温度差演算器４４と、該温度差演算器４４の最大温度差を入力値として受け入れるとともに、該入力値と予め入力された設定値（温度差の絶対値及び温度差の時間変化率）とを比較し、入力値に応じて前記シールドガスバイパス弁８の開度を調節するための制御信号を出力する温度差制御器４５が設けられている。
【００２３】
このように構成された運転制御装置を設けたヘリウム冷凍液化機の初期冷却運転について説明する。初期冷却を開始してタービン入口弁１０の開度を増していくと、高圧流体経路２１から分岐してタービン入口弁１０，第一タービン４，シールドガスバイパス弁８，第３熱交換器３ｃ及び第二タービン５を経由して低圧流体経路２２に接続されたタービン流体経路２３の処理量が増加して冷却が進行する。したがって、タービン流体経路２３を導出して低温化したヘリウムガスが通過する熱交換器群３の第２熱交換器３ｂの温端側に設けた温度検出器４１により検出される低圧流体経路２２の低圧ヘリウムガスの温度は次第に降下していく。
【００２４】
そして、熱交換器群３の第２熱交換器３ｂの温端側に設けた温度検出器４２により検出される高圧流体経路２１の高圧ヘリウムガスの温度及び温度検出器４３により検出されるシールドガス戻り経路２５のシールド戻りガスの温度も、前記低圧ヘリウムガスの温度降下に伴って降下するが、被冷却体冷却部７や輻射シールド１が定格運転時の温度に冷却されるまでは、低圧ヘリウムガスの温度降下に対して時間遅れを伴うので、冷却の進行とともに第２熱交換器３ｂにおける温度差が増大する。
【００２５】
そこで温度検出器４１及び／又は温度検出器４２と、温度検出器４３とで検出した各温度の温度差が開き、温度差の絶対値又は温度差の時間変化率が設定値を超えた場合、温度差制御器４５は、温度差演算器４４からの信号を受けてこの信号値に応じてシールドガスバイパス弁８に制御信号を送り、シールドガスバイパス弁８の開度を調節し、第２熱交換器３ｂの温端における温度差制御を開始する。このとき、輻射シールド入口弁１１及び出口弁１２は、特に操作せずにそのままの開度を維持すればよい。
【００２６】
温度差制御を開始すると、温度差制御器４５は、第２熱交換器３ｂの温端温度差が拡大することを抑制するように、シールドガスバイパス弁８を閉方向に動作させる。この動作により、シールドガス供給経路２４とシールドガス戻り経路２５との差圧が大きくなるので、輻射シールド１に供給される冷却用ヘリウムガスの流量が増加し、輻射シールド１の冷却が促進され、第２熱交換器３ｂの温端におけるシールドガス戻り経路２５のガス温度の降下が早まる。
【００２７】
一方、シールドガスバイパス弁８が閉方向に動作することにより、第一，第二タービン４，５は、膨張比が小さくなって発生寒冷量が減少する。この結果、ヘリウム冷凍液化機本体側の冷却の進行が抑制され、第２熱交換器３ｂの温端における低圧ヘリウムガスの温度降下が抑制され、前記シールドガス戻り経路２５との温度差は次第に減少する。
【００２８】
温度差制御器４５の動作によって第２熱交換器３ｂの温端温度差が縮小し、温度差の絶対値又は温度差の時間変化率が設定値以下になると、温度差制御器４５は、温度差演算器４４からの信号を受け、この信号値に応じてシールドガスバイパス弁８を開方向に動作させる。この動作により、輻射シールド側の冷却が抑制されるとともに、本体側の冷却が促進される。
【００２９】
このように、第２熱交換器３ｂの温端温度差により、タービン流体経路２３に設けられたシールドガスバイパス弁８の開度を調節する温度差制御を行うことにより、輻射シールド１への冷却用ヘリウムガスの供給量とタービン発生寒冷量とを同時に、かつ、効率よく制御することができるので、冷凍機全体の初期冷却時間を短縮することができる。また、熱交換器の破損を招きかねない温度差の増大を、効果的に、かつ、簡便な方法で制御することができるとともに、第二タービン５が過負荷運転になるような危険を回避することができる。
【００３０】
熱負荷変動の多い初期冷却段階を経過し、各部の温度や圧力，流量等が所定値となっていわゆる定格運転に移行した後は、熱負荷変動が少ないので、前述の従来例のように、シールドガスバイパス弁８の制御は、温度差制御からシールド入出の差圧制御に切り替えてもよい。また、例えば、定格運転時において、輻射シールド１の熱負荷変動が比較的大きい冷凍機の場合には、本形態例に示す温度差制御を定格運転移行後も続行することにより、シールド戻りガスをヒーターで加温する必要がないので、発生した寒冷を有効に利用することができる。
【００３１】
図２は、本発明の運転制御装置の第２形態例を示すヘリウム冷凍液化機の系統図である。このヘリウム冷凍液化機の運転制御装置は、前記図１に示した温度差制御に加え、輻射シールド１の入出経路であるシールドガス供給経路２４及びシールドガス戻り経路２５の流体圧力を検出するための圧力検出器４６，４７を、前記シールドガスバイパス弁８の前流側及び後流側の流体経路にそれぞれ設け、該圧力検出器４６，４７からの検出圧力を入力値として両者の差圧を演算する差圧演算器４８と、前記差圧演算器４８で演算された差圧を入力値として受け入れるとともに、該入力値に応じて前記シールドガスバイパス弁８の開度を調節する制御信号を出力する差圧制御器４９とを設け、さらに、該差圧制御器４９と前記温度差制御器４５とを接続し、差圧制御と温度差制御とをカスケード制御するように構成したものである。
【００３２】
このように構成された運転制御装置は、次のように機能する。すなわち、初期冷却段階で熱交換器群３の第２熱交換器３ｂの温端の温度検出器４１，４２の少なくともいずれか一方と温度検出器４３との間の温度差が開き、温度差の絶対値又は温度差の時間変化率が設定値を超えた場合、温度差制御器４５は、温度差演算器４４からの信号を受けて、この信号値に応じて差圧制御器４９の設定値を高くする信号を出力する。これによって差圧制御器４９は、シールドガスバイパス弁８を閉方向に動作させる信号を出力し、第一タービン４及び第二タービン５の全膨張比を小さくすることで寒冷発生量を抑制し、同時に輻射シールド１に供給される冷却用ヘリウムガスが増量するので、冷凍機本体側と輻射シールド側の冷却速度の差が緩和され、第２熱交換器３ｂの温端温度差が減少する。
【００３３】
この第２形態例における制御を適用した場合の制御結果の一例を図３に示す。図３において、曲線Ａは、制御を行わない場合の第２熱交換器３ｂの温端における低圧流体経路２２の低圧ヘリウムガスの温度（温度検出器４１）と、シールドガス戻り経路２５のシールド戻りガスの温度（温度検出器４３）との温度差をプロットしたものである。図に示すように、初期冷却運転の開始とともに温度差が拡大し、最大温度差は、約４３．５℃に達するが、冷却の進行に伴う輻射シールド１の構成材自身の比熱の低下や、輻射シールド１に導入される冷却用ヘリウムガスの温度低下による質量流量の増大によって輻射シールド１の冷却促進とともに温度差が次第に縮少し、最終的には、定格運転時の温度差（約２．５℃）に収束する。
【００３４】
一方、図３における曲線Ｂは、第２形態例に示した制御を適用した場合の第２熱交換器３ｂの温端における低圧ヘリウムガスの温度（温度検出器４１）と、シールド戻りガスの温度（温度検出器４３）との温度差をプロットしたものであって、温端温度差が３０℃を超えた時点で、温度差制御器４５から差圧制御器４９に対して差圧設定値を２．５ｂａｒから３．５ｂａｒにステップ的に高くする信号を出力させる制御を行った例を示している。図に示すように、温度差制御をしない曲線Ａと略同様な曲線になっているが、最大温度差は約３９℃に抑えられており、本制御方法による効果が確認できる。
【００３５】
本形態例に示すように、温度差制御と差圧制御とを併用することによって、より安定的で確実な制御が可能となる。すなわち、温度差制御のみでシールドガスバイパス弁８を制御する場合、例えば、温度差が大きい場合には、シールドガスバイパス弁８が閉方向に動作し、その結果シールド側の流量が増大して輻射シールド１で昇温したシールド戻りガスが第二タービン５に導入され、第二タービン５が過負荷運転になるおそれがあるが、このとき、本形態例のように、差圧制御を併用すれば、このような不都合を確実に防止することができる。
【００３６】
なお、本形態例では、輻射シールド１の入出差圧の検出を、各流路の圧力を検出する２個の圧力検出器４６，４７と、検出圧力から差圧を演算する差圧演算器４８とで構成した場合を示したが、これに代えて１個の差圧検出器を設け、この差圧検出器で検出した差圧を差圧制御器４９に入力するように形成しても同様の制御を行うことができる。また、圧力を検出する位置は、任意に設定できる。
【００３７】
図４は、本発明の運転制御装置の第３形態例を示すヘリウム冷凍液化機の系統図であって、輻射シールド１への冷却用ヘリウムガスを、熱交換器群３（本形態例では、第１〜第６熱交換器３ａ〜３ｆ）における第４熱交換器３ｄの温端側の高圧流体経路２１から経路（シールドガス供給経路）２６に分岐した高圧ヘリウムガスの一部とし、シールド戻りガスが流れる経路（シールドガス戻り経路）２７を第１タービン４の前流側のタービン流体経路２３に戻し、さらに、経路２７の接続部前流側に、シールドガスバイパス弁８ａを設けたものである。
【００３８】
この形態例は、輻射シールド１の冷却用ヘリウムガスの供給圧力として、より高い圧力が要求される場合の冷凍機の構成であり、高圧流体経路２１の高圧ヘリウムガスの一部を、タービンを介さずに直接シールドガスとすることにより、輻射シールド１に高圧のヘリウムガスを供給しているが、前記同様の温度差制御、あるいは、温度差制御と差圧制御との併用によってシールドガスバイパス弁８ａの開度を制御することにより、前記形態例と同様の制御性を得ることができる。
【００３９】
図５は、本発明の運転制御装置の第４形態例を示すヘリウム冷凍液化機の系統図であって、ヘリウム冷凍液化機の基本構成は、前記図７に示した従来の冷凍機と同じであり、運転制御装置として、前記第２形態例で示したものと同様の差圧制御と、シールド戻りガスの温度制御とをカスケード制御したものである。
【００４０】
すなわち、輻射シールド１の冷却用ガス入出経路であるシールドガス供給経路２４及びシールドガス戻り経路２５の圧力をそれぞれ検出する圧力検出器４６，４７を設け、該圧力検出器４６，４７からの検出圧力を入力値として両者の差圧を演算する差圧演算器４８と、前記差圧演算器４８で演算された差圧を入力値として受け入れるとともに、該入力値に応じて前記シールドガスバイパス弁８の開度を調節する制御信号を出力する差圧制御器４９と、シールドガス戻り経路２５のシールド戻りガスの温度を検出する温度検出器５０と、該温度検出器５０で検出した検出温度に応じて前記差圧制御器４９に制御信号を出力する演算器５１とを設け、差圧制御とシールド戻りガス温度制御とをカスケード制御するように形成したものである。
【００４１】
このように構成された冷凍機においては、輻射シールド１を冷却することにより昇温したシールド戻りガスは、熱交換器を介することなく直接第二タービン５に導入されるから、初期冷却運転の初期には第二タービン５が過負荷運転になり易い。一般的に第２タービン５は、第一タービン４に比較して小さなノズルであり、定格運転時の吸入温度に比べて高温のガスを導入すると、過負荷状態、即ち膨張比が増大して寒冷量が過大となり、制動機の能力限界の運転状態になり易い。このような限界域での運転は、故障や破壊の原因となるので回避する必要がある。
【００４２】
このため、本形態例における運転制御装置は、シールド戻りガス温度検出器５０の検出温度から輻射シールド１側や本体側の冷却進行状態を認識し、その冷却状態に応じて差圧制御器４９の設定値を演算器５１で求め、求められた設定値を差圧制御器４９に出力し、該出力に応じて差圧制御器４９がシールドガスバイパス弁８を制御するように形成されている。
【００４３】
例えば、冷却の初期時に輻射シールド１に冷却用ヘリウムガスがあまり流れず、第二タービン５が過負荷気味となるような場合には、差圧制御器４９の設定値を比較的小さな値にセットし、冷却の進行に合わせてこの設定値が大きくなるように、予め、演算器５１に設定を施しておけばよい。このような制御を行うことにより、第二タービン５の運転状態が制動機側能力の範囲内となるように、第一タービン４の出口温度と第二タービン５の入口温度との差をシールドガスバイパス弁８を操作端として制御することが可能となり、初期冷却時における第二タービン５の運転状態を適正な状態に保つことが可能となる。
【００４４】
なお、この形態例においても、前記図２で示した第２形態例と同様に、圧力検出器４６、４７及び差圧演算器４８に代えて差圧検出器を用いることができることは勿論である。
【００４５】
上記各形態例で示した冷凍機の構成は、ヘリウム冷凍液化機の構成の一例を示したものにすぎず、熱交換器群３の熱交換器の数、熱交換器群３と両タービン４，５との位置的な関係等は、これに限定されるものではない。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ヘリウム冷凍液化機の初期冷却運転時における冷凍機本体側と輻射シールド側との冷却速度のマッチングを最適化することができるので、冷凍機全体の冷却時間の短縮や、熱交換器における過大な温度差の発生を防止できるとともに、タービンの過負荷運転も防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の運転制御装置を備えたヘリウム冷凍液化機の第１形態例を示す系統図である。
【図２】 本発明の運転制御装置の第２形態例を示すヘリウム冷凍液化機の系統図である。
【図３】 第２形態例装置による制御を行った場合と行わなかった場合とにおける経過時間と温度差との関係を表す図である。
【図４】 本発明の運転制御装置の第３形態例を示すヘリウム冷凍液化機の系統図である。
【図５】 本発明の運転制御装置の第４形態例を示すヘリウム冷凍液化機の系統図である。
【図６】 従来のヘリウム冷凍液化機の一例を示す系統図である。
【図７】 従来のヘリウム冷凍液化機の他の例を示す系統図である。
【符号の説明】
１…輻射シールド、２…循環圧縮機、３…熱交換器群、４…第一タービン、５…第二タービン、６…被冷却体、７…被冷却体冷却部、８，８ａ…シールドガスバイパス弁、９…ＪＴ弁、１０…タービン入口弁、１１…輻射シールド入口弁、１２…輻射シールド出口弁、２１…高圧流体経路、２２…低圧流体経路、２３…タービン流体経路、２４，２６…シールドガス供給経路、２５，２７…シールドガス戻り経路、４１，４２，４３…温度検出器、４４…温度差演算器、４５…温度差制御器、４６，４７…圧力検出器、４８…差圧演算器、４９…差圧制御器、５０…温度検出器、５１…演算器
Claims (4)
- 高圧流体経路の高圧冷媒と低圧流体経路の低圧冷媒とを熱交換させる複数個の熱交換器と、前記高圧冷媒の一部を膨張させて寒冷を発生するタービンと、極低温レベルの侵入熱を遮断する輻射シールドと、前記高圧流体経路から分岐し、前記タービンを介して前記低圧流体経路に接続されたタービン流体経路と、前記タービン流体経路又は前記高圧流体経路から分岐して前記輻射シールドに接続されたシールドガス供給経路と、前記輻射シールドから前記タービン流体経路に接続されたシールドガス戻り経路と、前記タービン流体経路に設けられ、前記輻射シールドを通過するガスをバイパスさせるシールドガスバイパス弁とを備えたヘリウム冷凍液化機において、前記シールドガス戻り経路が接続される熱交換器の温端側の高圧流体経路及び低圧流体経路の少なくともいずれか一方の経路とシールドガス戻り経路とに設けられた温度検出器と、各温度検出器から入力される各検出温度の温度差を演算する温度差演算器と、該温度差演算器からの温度差信号と予め入力された温度差設定値とを比較して前記温度差が一定になるように前記シールドガスバイパス弁の開度を制御する温度差制御器とを備えたことを特徴とするヘリウム冷凍液化機の運転制御装置。
- 前記シールドガスバイパス弁の前流側経路及び前記シールドガス供給経路のいずれか一方の経路と前記シールドガスバイパス弁の後流側経路及び前記シールドガス戻り経路のいずれか一方の経路とにそれぞれ設けられた圧力検出器と、両圧力検出器から入力される双方の検出圧力により差圧を演算する差圧演算器と、該差圧演算器で演算された差圧と予め入力された差圧設定値とを比較して前記差圧が一定になるように前記シールドガスバイパス弁の開度を制御する差圧制御器とを備えたことを特徴とする請求項１記載のヘリウム冷凍液化機の運転制御装置。
- 高圧流体経路の高圧冷媒と低圧流体経路の低圧冷媒とを熱交換させる複数個の熱交換器と、前記高圧冷媒の一部を膨張させて寒冷を発生するタービンと、極低温レベルの侵入熱を遮断する輻射シールドと、前記高圧流体経路から分岐し、前記タービンを介して前記低圧流体経路に接続されたタービン流体経路と、前記タービン流体経路又は前記高圧流体経路から分岐して前記輻射シールドに接続されたシールドガス供給経路と、前記輻射シールドから前記タービン流体経路に接続されたシールドガス戻り経路と、前記タービン流体経路に設けられ、前記輻射シールドを通過するガスをバイパスさせるシールドガスバイパス弁とを備えたヘリウム冷凍液化機において、前記シールドガスバイパス弁の前流側経路及び前記シールドガス供給経路のいずれか一方の経路と前記シールドガスバイパス弁の後流側経路及び前記シールドガス戻り経路のいずれか一方の経路とにそれぞれ設けられた圧力検出器と、両圧力検出器から入力される双方の検出圧力により差圧を演算する差圧演算器と、該差圧演算器で演算された差圧を入力値として受け入れ、該入力値に応じて前記シールドガスバイパス弁の開度を調節する制御信号を出力する差圧制御器と、前記シールドガス戻り経路に設けられた温度検出器と、該温度検出器で検出した検出温度に応じて前記差圧制御器に制御信号を出力する演算器とを備えたことを特徴とするヘリウム冷凍液化機の運転制御装置。
- 前記圧力検出器及び前記差圧演算器に代えて、前記シールドガスバイパス弁の前流側経路及び前記シールドガス供給経路のいずれか一方の経路と、前記シールドガスバイパス弁の後流側経路及び前記シールドガス戻り経路のいずれか一方の経路との差圧を検出する差圧検出器を備えたことを特徴とする請求項２又は３記載のヘリウム冷凍液化機の運転制御装置。
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