JPS60186664A - 極低温冷凍装置の運転制御方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、■御低温冷凍装置の運転制御方法Ｖこ係り、
特に昇圧された冷媒を少なくとも膨張機欠び膨張弁ｔこ
分配して供給する極低温冷凍装置の運転制御り法に関す
るものである。

〔発明の背景〕

ヘリウム冷凍機等の昇圧された冷媒を少なくとも膨張機
玖び膨張弁、例えば、ジュールトムソン弁（以Ｆ、ＪＴ
弁と略）Ｖこ分配して供給する極低温冷凍装置の装置能
力、例えば、被冷却体又は貯蔵への液化冷媒供給歇や寒
冷供給量はＪＴ弁の開度ｔこより大きく変動する。しか
し、ＪＴ弁の開度を制御するためのプロセス歓の選定が
困雌であり、従来ｔこおいては、次のようなり法Ｖこよ
りＪＴ弁の開度が制御されていた。

（１）　極低温冷凍装置の試運転ｔこより最適なＪＴ弁
の開度をめ、このめられたＪ　Ｔ弁の開度を極低温冷凍
装置の運転中に一定保持する。

し）　極低温冷凍装置の構成要素である熱交換器の差圧
等ｔこよりＪＴ弁を通過する冷媒流址が一定になるよう
に制御する。

（３）極低温冷凍装置から被冷却体等へ供給される冷媒
の温度、被冷却体等から極低温冷凍装置へ戻される冷媒
の温度から冷凍負荷をめ、この冷凍負荷ｔこ応じてＪＴ
弁の開度を制御する。

このような極低温冷凍装置の運転には、定常運転と予冷
運転等があり、又、定常運転の運転モードとしては、被
冷却体等からの戻り冷媒を全て極低温冷凍鱗！参〇戻す
冷凍運転モードと、冷媒な極低温冷凍装置に戻さない液
化運転モードと、冷凍運転モードと液化運転モードとの
中間の混合運転モードがある。

例えば、定常運転の冷凍運転モードでの装置能力が最大
となるＪＴ弁の開度と、液化運転モードでの装置能力が
最大となるＪＴ弁の開度とは異なるという様に、各運転
モードにより装置能力を最大限に発揮させることができ
るＪＴ弁の最適開度が異なっている。従って、上記した
（１）の方法では、運転モードの変化にＪＴ弁の開度が
対応しないという問題があり、上記した（２）の方法で
は、運転モードの変化に対応してＪＴ弁の開度を最適開
度に制御できないという問題があり、又、上記した（３
）の方法では、冷凍負荷に応じてＪＴ弁の開度を制御す
るため、液化運転モード及び混合運転モードの場合には
、適用できないという問題がある。

（発明の目的） 本発明の目的は、極低温冷凍装置の運転の違いに無関係
に膨張弁を最適開度に制御でき、装置能力を最大限に発
揮させることができる極低温冷凍（発明の概要） 本発明は、昇圧された冷媒を少なくとも膨張機及び膨張
弁に分配して供給する極低温冷凍装置の装置能力を、少
なくとも膨張弁に供給される冷媒温度と該膨張弁の開度
とを用いて算出し、該算出した装置能力が最大となるよ
うに膨張弁の開度を制御することを特徴とするもので、
極低温冷凍装置の運転の違いに無関係に膨張弁を最適開
度に制御し装置能力を最大限に発揮させようとするもの
である。

（発明の実施例） 本発明の一実施例を図面により説明する。

図面は、クロードサイクルを用いたヘリウム冷凍機で、
例えば、定常運転で運転モードが冷凍運転モードの場合
、圧縮機１で昇圧され吐出された冷媒であるヘリウムガ
ス（以下、ＧＨｅと略）はコールドボックス２に入り第
１熱交換器３で低圧ライン４を流通する戻りのＧＨｅ及
び液体窒素（ＬＮ２）により冷却された後に膨張機ライ
ン５と膨張ライン６とに分配される。膨張機ライン５に
分配されたＧＨｅは、第１膨張機７及び第２膨張機８で
断熱膨張して自身の温度を降下させた後に、低圧ライン
４を流通する戻りのＧＨｅに合流させられる。一方、膨
張弁ライン６に分配されたＧＨｅは、第２熱交換器９〜
第５熱交換器１２で、低圧ライン４を流通する戻りのＧ
Ｈｅにより冷却された後に、膨張弁であるＪＴ弁１３で
断熱膨張して一部液化される。その後、例えば、被冷却
体１４を冷却して第５熱交換器１２に戻り低圧ライン４
を流通し膨張弁ライン６を流通するＧＨｅを冷却して自
身の温度を上昇させ常温になった後に圧縮機１の吸入側
に導かれる。

又、液化運転モードの場合には、被冷却体１４を冷却し
た後のＧＨｅは、加温器１５を通り、コールドボックス
２をバイパスして圧縮機１の吸入側へ戻るライン１６に
も一部流通する。尚、混合運転モードの場合は、上記し
た冷凍運転モードと液化運転モードとの中間の運転とな
る。

このような定常運転の場合は、ＪＴ弁１３の入口に設け
られた温度計１７によりＪＴ弁１３に供給されるＧＨｅ
の温度を、まず、測定する。測定されたＧＨｅの温度を
Ｔ（℃）とすれば、液化率η（％）は式（１）にて表わ
され、式（１）の相関々数ｆはＮＢＳ等のデータを用い
て制御精度に応じた乗数のべき乗関数に近似する。

η＝ｆ（Ｔ）・・・・・・・・・・・・・・・・・（１
）又、被冷却体１４に気液混相で供給されるヘリウム流
量Ｇは、式（２）で表わされる。

Ｇ＝Ｋ・Ｐ１／√Ｔ・・・・・・・・・・・・・・（２
）ここに、Ｇ＝気液混相ヘリウム流量（ｇ／ｓｅｃ）Ｋ
＝比例定数 Ｐ＝ＪＴ弁に供給されるＧＨｅの圧 力（ａｔｍ） Ｔ＝ＪＴ弁に供給されるＧＨｅの温 度（℃） ただし （Ｐ１−Ｐ２）≧Ｐ１／２ Ｐ１＝ＪＴ弁出口の気液混相ヘリウム の圧力（ａｔｍ） 式（２）で、比例定数Ｋは、ＪＴ弁１３の非口径（ＣＶ
値）及び弁開度Ｌ（％）により決定され、Ｐ１Ｐ２はほ
ぼ一定であるので、 Ｇ＝ｇ（Ｌ）・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
′とすることができる。

従って、式（２）′より、被冷却体１４への液体ヘリウ
ム（以下、ＬＨｅと略）の供給量ＧＬ（ｇ／ｓｅｃ）は
式（３）で表わされる。

ＧＬ＝η：Ｇ＝ｇ（Ｔ）ｇ（Ｌ）・・・・・・・（３）
被冷却体１４へのＬＨｅ供給量を最大にすることが装置
能力である液化冷媒供給量を最大にすることであり、式
（３）に示したようにＪＴ弁１３に供給されるＧＨｅ温
度Ｔ及びＪＴ弁１３の開度Ｌを用いて被冷却体１４への
ＬＨｅ供給量ＣＬを算出し、このＣｌが最大となるよう
にＪＴ弁１３の開度を制御すれば良い。

一方、予冷却運転の場合は、ＪＴ弁１３の入口に設けら
れた温度計１７によりＪＴ弁１３に供給されるＧＨｅの
温度Ｔ（Ｃ）を測定し、この温度Ｔから定常運転での液
化率ηの代わりにＪＴ弁１３の出口エンタルピＨ（Ｊ／
ｇ）を算出し、式（４）で表わされる被冷却体１４への
寒冷供給量Ｑが最大となるようにＪＴ弁１３の開度を制
御すれば良い。

Ｑ＝（Ｈｏ−Ｈ）・Ｏ・・・・・・・・・・・・・・・
（１）（Ｈｏ＝Ｈｏ≧Ｈの定数（Ｊ／ｇ） 本実施例のような運転制御方法では、定常運転での酸化
冷媒供給量や予冷運転での寒冷供給量を最大にでき、装
置能力を最大限に発揮させることができる。

尚、他の冷媒の場合には、その冷媒の物性に応じた関数
　、ｇをめれば良い。又、膨張弁に供給される冷媒の圧
力若しくは膨張弁出口での冷媒の圧力が大きく変動する
場合には、それらの圧力を測定して補正するようにすれ
ば良い。又、極低温状態では、冷媒の温度測定精度が問
題となるが、試運転により各関数を補正してやれば、温
度計の再現性のみの問題となり運転制御上の問題ではな
くなる。

（発明の効果） 本発明は、以上説明したように、昇圧された冷媒を少な
くとも膨張機及び膨張弁に分配して供給する極低温冷凍
装置の装置能力を、少なくとも膨張弁に供給される冷媒
温度と該膨張弁の開度とを用いて算出し、該算出した装
置能力が最大となるように膨張弁の開度を制御すること
で、極低温冷凍装置の運転の違いに無関係に膨張弁を最
適開度に制御でき、装置能力を最大限に発揮させること
ができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明を実施したヘリウム冷凍機の構成の一例
を示すフローシートである。 １・・・・・・圧縮機、７・・・・・・第１膨張機、８
・・・・・・第２膨張機、１３・・・・・・ＪＴ弁、１
４・・・・・・被冷却体、１７・・・温度計 代理人　弁理士　高橋　明夫

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、　昇圧された冷媒を少なくとも膨張機反び膨張弁管
   こ分配して供給する極低温冷凍装置の装置能力を、少な
   くとも前記膨張弁ｅこ供給される冷媒温度と該膨張弁の
   開度とを用いて算出し、該算出した装置能力が最大とな
   るようＶこＯ「記膨張弁の開度を制御することを特徴と
   する極低温冷凍装置の運転制御方法。