JPH0579716A - 補助寒冷源を使用した極低温冷凍装置 - Google Patents
補助寒冷源を使用した極低温冷凍装置Info
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- JPH0579716A JPH0579716A JP24090891A JP24090891A JPH0579716A JP H0579716 A JPH0579716 A JP H0579716A JP 24090891 A JP24090891 A JP 24090891A JP 24090891 A JP24090891 A JP 24090891A JP H0579716 A JPH0579716 A JP H0579716A
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- Japan
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- temperature
- auxiliary cold
- heat exchanger
- helium
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Abstract
(57)【要約】
【目的】補助寒冷源熱交換器に過大な温度変動を与えな
いように補助寒冷源供給量制御を行なうことができる極
低温冷凍装置を提供することを目的とする。 【構成】補助寒冷源熱交換器に導入する主冷媒低圧ヘリ
ウム温度を補助寒冷源飽和温度より高く設定したプロセ
スを採用、制御応答性の良い補助寒冷源熱交換器の中圧
ヘリウム温度で補助寒冷源供給量制御を行なう。
いように補助寒冷源供給量制御を行なうことができる極
低温冷凍装置を提供することを目的とする。 【構成】補助寒冷源熱交換器に導入する主冷媒低圧ヘリ
ウム温度を補助寒冷源飽和温度より高く設定したプロセ
スを採用、制御応答性の良い補助寒冷源熱交換器の中圧
ヘリウム温度で補助寒冷源供給量制御を行なう。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、補助寒冷源を使用した
極低温冷凍装置の設計及び制御に関する。
極低温冷凍装置の設計及び制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の補助寒冷源を使用した極低温冷凍
装置では、補助寒冷源熱交換器を出た補助冷媒温度で補
助寒冷源の供給量を制御していた。なお、この種の極低
温冷凍装置としては、例えば、文献「第３２回低温工学
研究発表会（１９８４）予稿表Ｂ２−１０----ヘリウム
冷凍機の自動化」がある。
装置では、補助寒冷源熱交換器を出た補助冷媒温度で補
助寒冷源の供給量を制御していた。なお、この種の極低
温冷凍装置としては、例えば、文献「第３２回低温工学
研究発表会（１９８４）予稿表Ｂ２−１０----ヘリウム
冷凍機の自動化」がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】一般的に補助寒冷源は
補助寒冷源の貯槽から供給され、補助寒冷源の貯槽には
間欠的に補助寒冷源である液体窒素が補充される。液体
窒素補充は、大気圧近辺の飽和液体をポンプで０．３〜
０．５ＭＰａ程度に昇圧して行うため、過冷却の液体と
して貯槽に充填される。従って、充填初期は補助寒冷源
の貯槽の液高さが高く補助寒冷源供給弁に大きな差圧が
かかると共に、補助寒冷源の貯槽と補助寒冷源の供給弁
間の移送管での熱侵入を受けても過冷却液のためガス化
しにくい。これに対し、補助寒冷源の貯槽の液量が減少
してくると差圧が減少すると共に、移送管でガス化し易
くなる。このために、補助寒冷源の供給弁を適正に制御
しなければ補助寒冷源の熱交換器に過大な温度変動を与
える事になる。
補助寒冷源の貯槽から供給され、補助寒冷源の貯槽には
間欠的に補助寒冷源である液体窒素が補充される。液体
窒素補充は、大気圧近辺の飽和液体をポンプで０．３〜
０．５ＭＰａ程度に昇圧して行うため、過冷却の液体と
して貯槽に充填される。従って、充填初期は補助寒冷源
の貯槽の液高さが高く補助寒冷源供給弁に大きな差圧が
かかると共に、補助寒冷源の貯槽と補助寒冷源の供給弁
間の移送管での熱侵入を受けても過冷却液のためガス化
しにくい。これに対し、補助寒冷源の貯槽の液量が減少
してくると差圧が減少すると共に、移送管でガス化し易
くなる。このために、補助寒冷源の供給弁を適正に制御
しなければ補助寒冷源の熱交換器に過大な温度変動を与
える事になる。
【０００４】補助冷媒出口温度で制御する従来技術で
は、補助寒冷源の供給弁の開度を増大させても補助寒冷
源の熱交換器の有するバッファ機能によって補助冷媒出
口温度が低下するまで多くの時間を要し応答が遅い。補
助寒冷源の供給弁の開度を減少させた場合、補助寒冷源
の熱交換器の有するバッファー機能、及び補助冷媒出口
配管の有する熱容量によって応答が悪い。このために、
従来技術では全開，全閉を繰り返すオン−オフ制御にな
り易かった。
は、補助寒冷源の供給弁の開度を増大させても補助寒冷
源の熱交換器の有するバッファ機能によって補助冷媒出
口温度が低下するまで多くの時間を要し応答が遅い。補
助寒冷源の供給弁の開度を減少させた場合、補助寒冷源
の熱交換器の有するバッファー機能、及び補助冷媒出口
配管の有する熱容量によって応答が悪い。このために、
従来技術では全開，全閉を繰り返すオン−オフ制御にな
り易かった。
【０００５】本発明の目的は、補助寒冷源の熱交換器に
過大な温度変動を与えないように補助寒冷源の供給量制
御を行なうことができる補助寒冷源を使用した極低温冷
凍装置を提供することにある。
過大な温度変動を与えないように補助寒冷源の供給量制
御を行なうことができる補助寒冷源を使用した極低温冷
凍装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、補助寒冷源の熱交換器に導入される主冷媒低圧ライ
ンの冷媒温度を補助寒冷源の飽和温度より高くした極低
温冷凍機とし、補助寒冷源の熱交換器の主冷媒中圧（ヘ
リウムの）温度で補助寒冷源の供給量を制御したもので
ある。
に、補助寒冷源の熱交換器に導入される主冷媒低圧ライ
ンの冷媒温度を補助寒冷源の飽和温度より高くした極低
温冷凍機とし、補助寒冷源の熱交換器の主冷媒中圧（ヘ
リウムの）温度で補助寒冷源の供給量を制御したもので
ある。
【０００７】さらに、予冷運転等の非定常運転時には、
上記主冷媒中圧（ヘリウムの）温度設定値を時間と共に
適正に変えるようにしたものである。
上記主冷媒中圧（ヘリウムの）温度設定値を時間と共に
適正に変えるようにしたものである。
【０００８】
【作用】補助寒冷源の温度レベル以下の極低温冷凍機熱
バランスでは、中圧（ヘリウム）ライン供給温度と低圧
（ヘリウム）ライン戻り温度の温度差が主要な設計パラ
メータになり、この温度差が大きい場合は熱損失が増大
し、装置の効率が低下する。一般的には約３Ｋの温度差
に設定される。
バランスでは、中圧（ヘリウム）ライン供給温度と低圧
（ヘリウム）ライン戻り温度の温度差が主要な設計パラ
メータになり、この温度差が大きい場合は熱損失が増大
し、装置の効率が低下する。一般的には約３Ｋの温度差
に設定される。
【０００９】次に、従来の設計では、低圧（ヘリウム）
ライン戻り温度は、補助寒冷源飽和温度と同じに設定さ
れ、補助寒冷源熱交換器の寒冷側、即ち、低圧（ヘリウ
ム）ラインと補助寒冷ラインとを同一温度レベルとした
熱交換器の設計としてはリーズナブルな方式になってい
た。この従来設計では、補助寒冷源熱交換器を出た中圧
（ヘリウム）ラインの温度と補助寒冷源の温度差が非常
に小さく（約３Ｋ）、上記中圧（ヘリウム）ライン温度
で補助寒冷源供給量を制御する場合、制御上の線形領域
が非常に狭い範囲に限定されるため制御に実用できなか
った。本発明では、上記中圧（ヘリウム）ライン温度と
低圧（ヘリウム）ライン戻り温度との温度差は装置の効
率を低下させない適正な値に設定し、低圧（ヘリウム）
ライン戻り温度の設定を補助寒冷源飽和温度より高くし
た。これにより上記中圧（ヘリウム）ライン温度と補助
寒冷源飽和温度が拡大し、中圧（ヘリウム）ライン温度
での補助寒冷源供給量制御が適正に行なえるようにな
る。
ライン戻り温度は、補助寒冷源飽和温度と同じに設定さ
れ、補助寒冷源熱交換器の寒冷側、即ち、低圧（ヘリウ
ム）ラインと補助寒冷ラインとを同一温度レベルとした
熱交換器の設計としてはリーズナブルな方式になってい
た。この従来設計では、補助寒冷源熱交換器を出た中圧
（ヘリウム）ラインの温度と補助寒冷源の温度差が非常
に小さく（約３Ｋ）、上記中圧（ヘリウム）ライン温度
で補助寒冷源供給量を制御する場合、制御上の線形領域
が非常に狭い範囲に限定されるため制御に実用できなか
った。本発明では、上記中圧（ヘリウム）ライン温度と
低圧（ヘリウム）ライン戻り温度との温度差は装置の効
率を低下させない適正な値に設定し、低圧（ヘリウム）
ライン戻り温度の設定を補助寒冷源飽和温度より高くし
た。これにより上記中圧（ヘリウム）ライン温度と補助
寒冷源飽和温度が拡大し、中圧（ヘリウム）ライン温度
での補助寒冷源供給量制御が適正に行なえるようにな
る。
【００１０】
【実施例】以下、本発明の一実施例を補助寒冷源として
液体窒素を使用したヘリウム冷凍装置を例にとり図１に
より説明する。
液体窒素を使用したヘリウム冷凍装置を例にとり図１に
より説明する。
【００１１】図１において、ヘリウム圧縮機１で圧縮さ
れた中圧ヘリウムはヘリウム冷凍機（コールドボック
ス）１０に供給され、ガス窒素熱交換器１１で低温ヘリ
ウムとガス窒素とで熱交換により冷却され、液体窒素熱
交換器１２で約９０Ｋまで冷却されて、液体窒素温度レ
ベル以下で第３の熱交換器１３に供給される。この約９
０Ｋの中圧ヘリウムは、第３の熱交換器１３で冷却され
た後、寒冷を発生する膨張機ラインと液体ヘリウムを生
成する液化ラインに分流し、膨張機ラインのヘリウムは
膨張機入口弁１８を通り第１の膨張機１９で寒冷を発生
し、第５の熱交換器１５で冷却された後、第２の膨張機
２０で再び寒冷を発生し、低圧ラインに合流する。一
方、液化ラインのヘリウムは、第４の熱交換器〜第７の
熱交換器１４〜１７で順次冷却され、ジュール・トムソ
ン弁２１で断熱膨張して一部液化し、低温移送配管２２
ａを通り被冷却体３０に送られる。被冷却体３０で熱負
荷を吸収しガス化した極低温ヘリウムは、低温移送配管
２２ｂを通りコールドボックス１０に戻り、第７の熱交
換器〜第３の熱交換器１７〜１３で順次温度回復して、
第３の熱交換器１３の出口で約８７Ｋとなる。第３の熱
交換器１３を出た約８７Ｋの低圧ヘリウムは、ガス窒素
熱交換器１１で常温まで寒冷回収された後、ヘリウム圧
縮機１の吸入側に戻る。
れた中圧ヘリウムはヘリウム冷凍機（コールドボック
ス）１０に供給され、ガス窒素熱交換器１１で低温ヘリ
ウムとガス窒素とで熱交換により冷却され、液体窒素熱
交換器１２で約９０Ｋまで冷却されて、液体窒素温度レ
ベル以下で第３の熱交換器１３に供給される。この約９
０Ｋの中圧ヘリウムは、第３の熱交換器１３で冷却され
た後、寒冷を発生する膨張機ラインと液体ヘリウムを生
成する液化ラインに分流し、膨張機ラインのヘリウムは
膨張機入口弁１８を通り第１の膨張機１９で寒冷を発生
し、第５の熱交換器１５で冷却された後、第２の膨張機
２０で再び寒冷を発生し、低圧ラインに合流する。一
方、液化ラインのヘリウムは、第４の熱交換器〜第７の
熱交換器１４〜１７で順次冷却され、ジュール・トムソ
ン弁２１で断熱膨張して一部液化し、低温移送配管２２
ａを通り被冷却体３０に送られる。被冷却体３０で熱負
荷を吸収しガス化した極低温ヘリウムは、低温移送配管
２２ｂを通りコールドボックス１０に戻り、第７の熱交
換器〜第３の熱交換器１７〜１３で順次温度回復して、
第３の熱交換器１３の出口で約８７Ｋとなる。第３の熱
交換器１３を出た約８７Ｋの低圧ヘリウムは、ガス窒素
熱交換器１１で常温まで寒冷回収された後、ヘリウム圧
縮機１の吸入側に戻る。
【００１２】次に、窒素系について説明すると、液体窒
素は液体窒素貯槽４０に貯液されており、１日、または
数日に１回、間欠的に液体窒素の補充ライン４１よりタ
ンクローリーから補充される。液体窒素貯槽４０の内圧
は圧送可能なように０．３〜０．５ＭＰａ程度に保持さ
れている。液体窒素貯槽４０の液体窒素は、低温移送配
管４２を通り、液体窒素供給弁４３に送られる。尚、こ
の間低温移送配管４２の熱侵入を受け一部がガス化す
る。液体窒素供給弁４３を通った窒素は、液体窒素熱交
換器１２に送られ、中圧ヘリウムと熱交換し約７９Ｋの
ガス窒素となり、次にガス窒素熱交換器１１で寒冷回収
して大気、又は次工程に放出される。
素は液体窒素貯槽４０に貯液されており、１日、または
数日に１回、間欠的に液体窒素の補充ライン４１よりタ
ンクローリーから補充される。液体窒素貯槽４０の内圧
は圧送可能なように０．３〜０．５ＭＰａ程度に保持さ
れている。液体窒素貯槽４０の液体窒素は、低温移送配
管４２を通り、液体窒素供給弁４３に送られる。尚、こ
の間低温移送配管４２の熱侵入を受け一部がガス化す
る。液体窒素供給弁４３を通った窒素は、液体窒素熱交
換器１２に送られ、中圧ヘリウムと熱交換し約７９Ｋの
ガス窒素となり、次にガス窒素熱交換器１１で寒冷回収
して大気、又は次工程に放出される。
【００１３】液体窒素の供給量は、液体窒素熱交換器１
２の中圧ヘリウムの出口温度を約９０Ｋに保持するよう
に、制御装置４４を介して液体窒素供給弁４３で制御さ
れる。
２の中圧ヘリウムの出口温度を約９０Ｋに保持するよう
に、制御装置４４を介して液体窒素供給弁４３で制御さ
れる。
【００１４】上記の説明は、定常運転の場合であるが、
非定常運転、例えば常温からの起動運転時に中圧ヘリウ
ムの設定温度を９０Ｋに保持すると初期に大量の液体窒
素が導入され液体窒素熱交換器１２に急激な温度変化を
与えるため、中圧ヘリウムの設定温度を時間と共に変え
る（例えば、６０Ｋ／ｈで下げる）ことが有効である。
非定常運転、例えば常温からの起動運転時に中圧ヘリウ
ムの設定温度を９０Ｋに保持すると初期に大量の液体窒
素が導入され液体窒素熱交換器１２に急激な温度変化を
与えるため、中圧ヘリウムの設定温度を時間と共に変え
る（例えば、６０Ｋ／ｈで下げる）ことが有効である。
【００１５】又、上記説明では、液体窒素熱交換器１２
の中圧ヘリウムの出口温度を制御装置４４の制御量とし
ているが、窒素熱交換器１２の中間の中圧ヘリウム温
度、例えば図１でガス窒素熱交換器１１の中圧ヘリウム
の出口温度を制御装置４４の制御量としても、ほぼ同様
の効果が得られる。
の中圧ヘリウムの出口温度を制御装置４４の制御量とし
ているが、窒素熱交換器１２の中間の中圧ヘリウム温
度、例えば図１でガス窒素熱交換器１１の中圧ヘリウム
の出口温度を制御装置４４の制御量としても、ほぼ同様
の効果が得られる。
【００１６】本実施例によれば、補助寒冷源熱交換器に
導入する低圧ヘリウム温度を補助寒冷源飽和温度より高
くしたプロセス設計とし、制御応答性の良い中圧ヘリウ
ム温度を制御装置の制御量として補助寒冷源の供給量制
御をし、さらに又、非定常運転時には制御設定値を適正
に変えるようにしたため、補助寒冷源熱交換器に過大な
温度変動を与えることなく、安定した制御が可能となる
という効果がある。
導入する低圧ヘリウム温度を補助寒冷源飽和温度より高
くしたプロセス設計とし、制御応答性の良い中圧ヘリウ
ム温度を制御装置の制御量として補助寒冷源の供給量制
御をし、さらに又、非定常運転時には制御設定値を適正
に変えるようにしたため、補助寒冷源熱交換器に過大な
温度変動を与えることなく、安定した制御が可能となる
という効果がある。
【００１７】
【発明の効果】本発明によれば、補助寒冷源熱交換器に
導入する低圧ヘリウム温度を補助寒冷源飽和温度より高
くしたプロセス設計とし、制御応答性の良い中圧ヘリウ
ム温度を制御装置の制御量として補助寒冷源の供給量制
御をし、さらに又、非定常運転時には制御設定値を適正
に変えるようにしたため、補助寒冷源熱交換器に過大な
温度変動を与えることなく、安定した制御が可能となる
という効果がある。
導入する低圧ヘリウム温度を補助寒冷源飽和温度より高
くしたプロセス設計とし、制御応答性の良い中圧ヘリウ
ム温度を制御装置の制御量として補助寒冷源の供給量制
御をし、さらに又、非定常運転時には制御設定値を適正
に変えるようにしたため、補助寒冷源熱交換器に過大な
温度変動を与えることなく、安定した制御が可能となる
という効果がある。
【図１】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。
図である。
１…ヘリウム圧縮機、１０…コールドボックス、１１…
ガス窒素熱交換器、１２…液体窒素熱交換器、３０…被
冷却体、４０…液体窒素貯槽、４４…制御装置。
ガス窒素熱交換器、１２…液体窒素熱交換器、３０…被
冷却体、４０…液体窒素貯槽、４４…制御装置。
Claims (5)
- 【請求項１】補助寒冷源及び補助寒冷源熱交換器を使用
する極低温冷凍装置において、前記補助寒冷源熱交換器
に導入される主冷媒低圧ラインの冷媒温度を前記補助寒
冷源の飽和温度より高く設定し、制御するように構成し
たことを特徴とする補助寒冷源を使用した極低温冷凍装
置。 - 【請求項２】前記補助寒冷源の設定温度は、補助寒冷源
熱交換器で冷却された主冷媒中圧ヘリウムの出口温度で
補助寒冷源の供給量を制御するように構成したことを特
徴とする請求項１記載の補助寒冷源を使用した極低温冷
凍装置。 - 【請求項３】前記補助寒冷源の設定温度は、補助寒冷源
熱交換器の中間の主冷媒中圧ヘリウムの温度で補助寒冷
源の供給量を制御するように構成したことを特徴とする
請求項１記載の補助寒冷源を使用した極低温冷凍装置。 - 【請求項４】前記中圧ヘリウムの温度は、予冷運転等の
非定常運転時に、補助寒冷源熱交換器の主冷媒中圧ヘリ
ウムの温度の制御設定値を補助寒冷源熱交換器に急激な
温度変化を与えないように時間と共に変えるように構成
したことを特徴とする請求項２、又は請求項３記載の補
助寒冷源を使用した極低温冷凍装置。 - 【請求項５】前記補助寒冷源は、補助寒冷源として液体
窒素を使用し、補助寒冷源熱交換器で冷却された主冷媒
中圧ヘリウムの出口温度の制御設定値を約９０Ｋとした
ことを特徴とする請求項２記載の補助寒冷源を使用した
極低温冷凍装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24090891A JPH0579716A (ja) | 1991-09-20 | 1991-09-20 | 補助寒冷源を使用した極低温冷凍装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24090891A JPH0579716A (ja) | 1991-09-20 | 1991-09-20 | 補助寒冷源を使用した極低温冷凍装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0579716A true JPH0579716A (ja) | 1993-03-30 |
Family
ID=17066466
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24090891A Pending JPH0579716A (ja) | 1991-09-20 | 1991-09-20 | 補助寒冷源を使用した極低温冷凍装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0579716A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2020125866A (ja) * | 2019-02-04 | 2020-08-20 | 大陽日酸株式会社 | 極低温冷却装置及びその運転方法 |
-
1991
- 1991-09-20 JP JP24090891A patent/JPH0579716A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2020125866A (ja) * | 2019-02-04 | 2020-08-20 | 大陽日酸株式会社 | 極低温冷却装置及びその運転方法 |
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