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公開番号2025102529
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-08
出願番号2023220036
出願日2023-12-26
発明の名称ヘリウム液化装置及びヘリウム液化装置の制御方法
出願人大陽日酸株式会社
代理人個人,個人
主分類F25J 1/00 20060101AFI20250701BHJP(冷凍または冷却;加熱と冷凍との組み合わせシステム;ヒートポンプシステム;氷の製造または貯蔵;気体の液化または固体化)
要約【課題】液体ヘリウム貯槽内の圧力が変動しても、安定した運転状態が得られるヘリウム液化装置及びその制御方法を提供す。
【解決手段】ヘリウム液化装置100は、圧縮機10、熱交換器群20、膨張タービン30,31、エジェクタ40、気液分離器50、液体ヘリウム貯槽60とを備え、エジェクタを介して気液分離器に供給される高圧ラインL1と、気液分離器の気相部分から導出されたヘリウムガスを圧縮機10に戻す低圧ラインL2とによってヘリウムガスが循環され、熱交換器群20で熱交換され、気液分離器50の液相部分から液体ヘリウムが液体ヘリウム貯槽60に導出され、液体ヘリウム貯槽内のヘリウムガスは、エジェクタ40の吸引ガスとして吸引される。低圧ライン上であって、ヘリウムの温度が臨界温度より高温となる部分に保圧弁を設け、保圧弁の開度をカスケード制御により調整し、液体ヘリウム貯槽60の圧力を一定にしている。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
ヘリウムガスを圧縮循環する圧縮機と、複数の熱交換器を組合わせた熱交換器群と、膨張タービンと、エジェクタと、気液分離器と、液体ヘリウム貯槽とを備え、
前記圧縮機で昇圧されたヘリウムガスが前記エジェクタを介して気液分離器に供給される高圧ラインと、前記気液分離器の気相部分から導出されたヘリウムガスを前記圧縮機に戻す低圧ラインとによってヘリウムガスが循環され、
前記熱交換器群で、前記高圧ラインと前記低圧ラインのヘリウムガスが熱交換され、
前記気液分離器の液相部分から液体ヘリウムが前記液体ヘリウム貯槽に導出され、
前記液体ヘリウム貯槽内のヘリウムガスは、前記エジェクタの吸引ガスとして吸引され、
前記高圧ラインのヘリウムガスの一部は、前記膨張タービンに導入され、装置に必要な寒冷を発生した後、前記低圧ラインに導入される
ヘリウム液化装置において、
前記低圧ライン上であって、ヘリウムの温度が臨界温度より高温となる部分に保圧弁を設け、前記保圧弁は気液分離器の圧力に基づいて開度が調整されることを特徴とするヘリウム液化装置。
続きを表示（約 190 文字）【請求項２】
請求項１記載のヘリウム液化装置の制御方法であって、１次圧力指示調整器が前記液体ヘリウム貯槽の圧力を測定し、前記液体ヘリウム貯槽が設定圧力となるような前記気液分離器の圧力値を出力し、２次圧力指示調整器の設定目標値とし、前記２次圧力指示調整器は、前記気液分離器の圧力が前記設定目標値となるように、前記保圧弁の開度を調整することを特徴とするヘリウム液化装置の制御方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘリウム液化装置及びその制御方法に関し、詳しくは、液体ヘリウム貯槽内の圧力が変動しても、安定した運転状態が得られるヘリウム液化装置及びその制御方法に関する。
続きを表示（約 1,700 文字）【背景技術】
【０００２】
ヘリウム液化装置は、ヘリウムガスを液化する装置であって、一般に、圧縮機、熱交換器、膨張タービン、ＪＴ弁、液体ヘリウム貯槽などを備えており、圧縮機で高圧に圧縮したヘリウムを熱交換器で約６Ｋまで冷却した後、ＪＴ弁でＪＴ膨張（ジュールトムソン膨張）させることによりヘリウムの一部を液化し、液化した液体ヘリウムを液体ヘリウム貯槽内に貯留する装置である。
【０００３】
特許文献１に示されるような典型的なエジェクタサイクルを採用したヘリウム液化装置の構成例を図２に示す。なお、特許文献１では、被冷却体(４)が設けられているが、液体ヘリウムを貯留している点で同じ機能を有する液体ヘリウム貯槽として、図２では説明している。
【０００４】
図２に示されるヘリウム液化装置１は、圧縮機１０、複数の熱交換器２０ａ～ｅを組合わせた熱交換器群２０、膨張タービン３０，３１、エジェクタ４０、気液分離器５０、液体ヘリウム貯槽６０で構成されている。圧縮機１０で昇圧されたヘリウムガスがエジェクタを介して気液分離器５０に供給される高圧ラインＬ１と、気液分離器５０で気相部分から導出されたヘリウムガスを圧縮機１０に戻す低圧ラインＬ２とによって、ヘリウムが循環されている。
【０００５】
圧縮機１０で昇圧されたヘリウムガスは、高圧ラインＬ１を通り、後述する膨張タービン３０，３１により外部に仕事をすることによって生成された低温ガスと熱交換器２０ａを介して予冷され、さらに、熱交換器２０ｂ～ｄ及びＪＴ熱交換器２０ｅへ導入される。このヘリウムガスはＪＴ熱交換器２０ｅにて、気液分離器５０から低圧ラインＬ２に導入された１２０～１３０ｋＰａ（ａｂｓ）程度の飽和ヘリウムガスと熱交換することによって６～８Ｋの低温ガスとなり、エジェクタ入口弁７０を経由してエジェクタ４０へ流入する。
【０００６】
エジェクタ４０へ流入した低温ヘリウムガスは、エジェクタ４０内部でのジュールトムソン膨張により気液二相状態で気液分離器５０へ流入する。気液分離器５０内部の液体ヘリウムは、液面指示調節計ＬＩＣによって、気液分離器５０下部と連通した送液弁７１を開閉し、液面高さが一定となるよう制御される。送液弁７１を通過した液体ヘリウムは液体ヘリウム貯槽６０に貯留される。液体ヘリウム貯槽６０内の気相ヘリウムは、弁７２を介して、吸引ラインＬ３からエジェクタ４０によって吸引されて気液分離器５０へと流入して、液化サイクルを構成する（エジェクタサイクル）。
【０００７】
また、高圧ラインＬ１で熱交換器２０ａを介して予冷されたヘリウムガスの一部は、分岐ラインＬ４に分岐し第１膨張タービン３０、熱交換器２０ｃ、第２膨張タービン３１に導入される。第１膨張タービン３０、第２膨張タービン３１においてヘリウムガスは等エントロピ膨張により、プロセスに必要な寒冷が発生し、ヘリウムガス自体の温度が低下する。このヘリウムガスは、気液分離器５０の気相部分から低圧ラインＬ２に導出されて熱交換器(２０ｅ)を通過したヘリウムガスと合流した後、圧縮機１０で昇圧されたヘリウムガスと、熱交換器２０ａ～ｄにおいて熱交換する。熱交換によって常温となったヘリウムガスは、圧縮機１０に導入される。
【０００８】
液体ヘリウム貯槽６０内の液体ヘリウムはポンプ等(図示せず)で吸引され、製品液体ヘリウムとして利用される。
【０００９】
このヘリウム液化装置１の制御方法としては、第２膨張タービン３１出口温度が一定の温度となる様に、温度指示調節計ＴＩＣでエジェクタ入口弁７０の開度を調整して、第２膨張タービン３１の処理量を調整する方法が知られている。
【００１０】
また、このヘリウム液化装置１では、図２に示したシステムにおいては、圧縮機１０の吸入圧力が大気圧１０１．３ｋＰａ（ａｂｓ）程度で運用され、気液分離器の運転圧力はそれよりも高い１２０～１３０ｋＰａ（ａｂｓ）程度で運用されることが多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
（【００１１】以降は省略されています）

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