JPH01127862A - 極低温冷凍装置における膨張弁の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ヘリウム冷凍機などのような極低温冷凍装置
における膨張弁の制御方法に関するものである。

〔従来の技術〕

ヘリウム冷凍機などのように膨張機および膨張弁を有す
る極低温冷凍装置においては、定常運転時の膨張弁開度
によって装置の能力は大きく変動する。しかし、この膨
張弁を装置内の温度、圧力等を用いて一般的なＰＩＤ制
御をすることは、膨張弁開度の変化が装置内の温度、圧
力等にフィードバックされる時間が長いため非常に困難
である。

そのため、従来は最適な膨張弁開度を試運転により求め
、定常運転時はその弁開度を保持する制御方法が用いら
れていた。

なお、この種の装置として関連するものには、例えば、
特開昭６０−１８６６６４号、特開昭６１−２２３４５
５号等が挙げられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は運転モードが変化する場合については配
慮されておらず、実際の装置では、液化運転モードおよ
び冷凍運転モードにおける最適膨張弁開度が異なること
や、液化運転モードと冷凍運転モードの中間の運転をす
る場合などがあるため、自動化が困難であった。

本発明の目的は、液化運転および冷凍運転の各運転モー
ドの種類に無関係に、常に最適なｉ強弁開度に制御し、
装置の運転操作を自動化することのできる制御方法を提
供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、冷媒圧縮機で昇圧された高圧冷媒を熱交換
器を経て低圧戻りガスで冷却した後分岐し、その一方を
膨張機で膨張冷却して低圧戻りガスラインと合流させ、
温度回復後冷媒圧縮機に戻すとともに、分岐した他方の
高圧冷媒を膨張弁を通し液化させて被冷却体に送り、被
冷却体からの低圧戻りガスを前記熱交換器および減圧ポ
ンプを経て冷媒圧縮機に戻すようにした極低温冷凍装置
において、被冷却体からの低圧戻りガス流量によって膨
張弁開度を制御することにより、達成される。

〔作　　　用〕 被冷却体からの戻り冷媒流量を検出して運転モードを求
め、あらかじめ液化運転モードと冷凍運転モードで求め
ておいた最適膨張弁開度を用いて膨張弁開度を制御する
ことにより、常に運転モードに見合った最適な膨張弁開
度に制御できるので。

運転モードの種類に無関係に装置の運転操作を自動化で
きる。

〔実　施　例〕

以下、本発明の一実施例を図面により説明する。

主圧縮４１！１より出た高圧ガスはコールドボックス２
に入り、第１熱交換器３内で予冷ライン４および戻りガ
スで冷却された後タービンライン１６と液化ライン１７
に分かれる。タービンライン１６のガスは第１タービン
５．第３熱交換器６、第２タービン７で順次温度が下が
り低圧ライン１８に入る。液化ライン１７のガスは第２
熱交換器８、第３熱交換器６、第４熱交換器９、第５熱
交換器１０で順次冷却された後、膨張弁１１で一部液化
してデユワ−１２に入る。液化しなかったガスはコール
ドボックス２の低圧ライ・ン１８に入り、第２タービン
７の出口ガスと合流して常温まで温度回復した後、主圧
縮機１の吸入側に戻る。デユワ−１２内の液化ガスは必
要に応じて被冷却体１３に送られ、被冷却体１３を冷却
後コールドボックス２の減圧ライン１９に戻り、常温ま
で温度回復した後減圧ポンプ１４の吸入側に戻る。ここ
で、膨張弁１１の開度は減圧ポンプ１４の入口に設けら
れた流量計１５により制御される。

なお、ヘリウム冷凍機のような極低温冷凍装置では、液
化ガスを容器等に充填する液化運転モードと、液化ガス
等で被冷却体を冷却した後低温ガスを冷凍装置に回収し
てその寒冷を再利用する冷凍運転モードの２種の運転モ
ードがある。

理論液化サイクルにおける性能指数ＦＯＭＬは次式で表
わされる。

ＦＯＭＬ　＝ＷＬ　／ａＬＶ　−−−−−−−−−−−
（１）ただし　ＷＬ　：理論液化仕事　　　、（Ｗ）出
　：流量　　　　　　　（ｇ／５） Ｌｖ：液化ガスの蒸発潜熱（Ｊ　／　ｇ　）’〜とする
。

ＷＬ　＝出ＴＣ（Ｓｔ　−Ｓｌ　）　＋ホ（Ｈ２Ｈｔ）
−−一−−−−−−−（２）ただし　ＴＣ：原料ガスの
温度（Ｋ） Ｓｌ：原料ガスのエントロピ （Ｊ／ｇ−Ｋ） Ｓｌ：液化ガスのエントロピ （Ｊ／ｇ−Ｋ） Ｈｌ　：原料ガスのエンタルピ （Ｊ／ｇ） Ｈ２：液化ガスのエンタルピ ＣＪ／ｇ） とする。

一方、理論冷凍サイクルにおける性能指数ＦＯＭＲは次
式で表わされる。

ＦＯＭＲ＝　（ＴＣ−ＴＥ）／ＴＥ　−−−−−（３）
ただし　ＴＥ：冷凍温度（Ｋ）とする。

いま、ヘリウムの場合で、０．１ＭＰａ、３１３にの原
料ガスから０．１’２ＭＰａ飽和液体ヘリウムを作る場
合の理論液化サイクルにおける性能指数ＦＯＭＬと、０
．１２Ｍ−Ｐａにおける飽和温度の４．４にで冷凍する
場合の理論冷凍サイクルにおける性能指数ＦＯＭＲはそ
れぞれ次のようになる。

ＦＯＭＬ　＝　３７２　−−−−−−−ｍ−−−−−−
−−（４）ＦＯＭＲ＝　７０　、１　−−−−−−−−
−−−−−−　　（５）ここで、同じ動力を用いた場合
の液化量と、冷凍運転における冷媒流量の比ηＬＲは次
式で表わされる。

ηＬＲ＝　ＦＯＭＬ／ＦＯＭＲ−５，３−（６）式（６
）に示したように、冷凍運転モードの場合は液化運転モ
ードの場合の５．３倍の冷媒が流れることになり、膨張
弁開度もこれに合わせて大きくしてやる必要がある。

以上は理論液化と理論冷凍の場合であるが、実際の冷凍
装置では、液化運転モードと冷凍運転モードでタービン
効率、熱交換器使用条件等が異なるため、実際の冷媒流
量の比ηＬＦｌ’情理論冷情理最冷媒流量比若干異なる
。実際によると、ηＬＲ”＝４．８という値が得られて
おり、理論値ηＬＲ＝’５．３に近い値となっている。

以上のような液化運転モードと冷凍運転モードの冷媒流
量の差は、各装置についてほぼ一定であるといえる。

次に運転モードの検出は、被冷却体からの戻り冷媒流量
を検出することにより可能である。すなわち、被冷却体
から全量の冷媒が戻る場合が冷凍運転モードであり、冷
媒が全く戻ってこない場合が液化運転モードである０両
者の中間の場合も、戻り冷媒の流量で運転モードを検出
できる。

いま、本装置における液化運転モードおよび冷凍運転モ
ードでの膨張弁１１の最適ＣＶ値をＣｖＬおよびＣＶＲ
とし、冷凍運転モードにおける減圧ポンプ流量（被冷却
体１３からの戻り冷媒流量）をＧＲ，実際の運転時の流
量計１５による流量をＧとすると、膨張弁１１の最適Ｃ
Ｖ値ＣＶｉは次式で求められる。

ＣＶ　ｉ　−ＣＶＬ　＋　（ＣＶＲ−ＣＶＬ）−ｃ　７
　ｃ　Ｒ−−−−−−−−−−−−−−−−−（７）本
計算方法により膨張弁１１の開度を制御すれば、減圧ポ
ンプ流量と最適膨張弁開度が直線的に関係する場合、常
に最適な膨張弁開度とすることができる。

以上、木−実施例によれば、膨張弁開度を常に　４運転
モードに見合った最適な状態に制御できるので、運転モ
ードの種類に無関係に装置の運転操作を自動化できると
いう効果がある。

〔発明の効果〕

本発明は以上述べたように、冷媒圧縮機で昇圧された高
圧冷媒を熱交換器を経て低圧戻りガスで冷却した後分岐
し、その一方を膨張機で膨張冷却して低圧戻りガスライ
ンに合流させ、温度回復後冷媒圧縮機に戻すと共に、分
岐した他方の高圧冷媒を膨張弁を通し液化させて被冷却
体に送り、被冷却体からの低圧戻りガスを前記熱交換器
および減圧ポンプを経て冷媒圧縮機に戻すようにした極
低温冷凍装置において、被冷却体からの低圧戻りガス流
量により膨張弁開度を制御するようにしたものであるか
ら、外乱による影響を受けることなく、かつ、運転モー
ドに無関係に、常に最適膨張弁開度に安定して制御する
ことができ、極低温冷凍装置の運転操作が簡略化される
と共に自動化が容易になる等多大の効果がある。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示す極低温冷凍装置の系統図
である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、冷媒圧縮機で昇圧された高圧冷媒を熱交換器を経て
   低圧戻りガスで冷却した後分岐し、その一方を膨張機で
   膨張冷却して低圧戻りガスラインと合流させ、温度回復
   後冷媒圧縮機に戻すとともに、分岐した他方の高圧冷媒
   を膨張弁を通し液化させて被冷却体に送り、被冷却体か
   らの低圧戻りガスを前記熱交換器および減圧ポンプを経
   て冷媒圧縮機に戻すようにした極低温冷凍装置において
   、被冷却体からの低圧戻りガス流量により膨張弁開度を
   制御することを特徴とする極低温冷凍装置における膨張
   弁の制御方法。