JPH11148735A - ヘリウム冷凍液化機の運転制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 初期冷却運転を効率よく安全に行うことがで
きるヘリウム冷凍液化機の運転制御装置を提供する。 【解決手段】 高圧冷媒と低圧冷媒とを熱交換させる熱
交換器群３と、高圧冷媒の一部を膨張させて寒冷を発生
するタービン４，５と、侵入熱を遮断する輻射シールド
１と、輻射シールド１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８とを備えるとともに、熱交換
器の温端側のシールド戻りガスの温度と高圧冷媒及び／
又は低圧冷媒の温度との差からシールドガスバイパス弁
の開度を制御する。さらに、シールドガスバイパス弁の
前後の差圧も含めてシールドガスバイパス弁の開度を制
御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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〜３
ｅ）、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２
４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３
４，３５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４
５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４
４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４
５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２
４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４
９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３
９℃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４
６，４７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)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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。
2. 【請求項２】 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。
3. 【請求項３】 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。
4. 【請求項４】 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。