JP6368973B2 - Circulating helium recondensing device and circulating helium recondensing method - Google Patents
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Description
本発明は、ヘリウムガスを液体ヘリウムに再凝縮させる循環式ヘリウム再凝縮装置、及び循環式ヘリウム再凝縮方法に関する。 The present invention relates to a circulating helium recondensing apparatus for recondensing helium gas into liquid helium, and a circulating helium recondensing method.
従来、液体ヘリウムを利用した冷却装置は、医療や研究等の幅広い分野でよく利用されている。しかしながら、液体ヘリウムは、沸点が４．２Ｋと物質の中で最も低く、完全に断熱することが困難であるため、徐々に蒸発してしまう。
また、ヘリウムは、現在１００％外国からの輸入に頼らざるを得ない希少な物質であり、供給制限が頻繁に発生している。
そこで、近年、ヘリウム再凝縮装置を用いて、蒸発したヘリウムガスを再凝縮させて、液体ヘリウムとして再利用することが広まりつつある（例えば、特許文献１参照。）。
Conventionally, cooling devices using liquid helium are often used in a wide range of fields such as medicine and research. However, liquid helium has the lowest boiling point of 4.2K among substances and is difficult to completely insulate, so it gradually evaporates.
In addition, helium is a rare substance that must be relied upon for 100% import from foreign countries, and supply restrictions frequently occur.
Thus, in recent years, it has become widespread to recondense evaporated helium gas using a helium recondensing device and reuse it as liquid helium (see, for example, Patent Document 1).
一般的に、消費装置や容器等の外に設けられた冷媒を再凝縮させる冷凍部に、配管で蒸発ガスを供給し、再凝縮後、再び消費装置や容器等に配管で液体を戻す方式のヘリウム再凝縮装置（特許文献１に開示されたヘリウム再凝縮装置）を、循環式ヘリウム再凝縮装置という。 Generally, evaporative gas is supplied by piping to a refrigeration unit that recondenses the refrigerant provided outside the consuming device or container, and after recondensing, the liquid is returned to the consuming device or container again by piping. The helium recondenser (the helium recondenser disclosed in Patent Document 1) is referred to as a circulating helium recondenser.
ところで、特許文献１に開示されるようなヘリウム再凝縮装置において、ヘリウムガスを安定して再凝縮させるためには、冷凍部に供給するヘリウムガスの流量に急激な変化等がなく、常に安定していることが好ましい。
冷凍部に供給するヘリウムガスの流量を安定させるための１つの手法として、ヘリウムガスの圧力は、常に逆流を防ぐ為の正圧であり、予め定められた上限圧力値以下にすることが挙げられる。
また、冷凍部に供給するヘリウムガスの流量を安定させるための他の手法として、ヘリウムガスの流量値が、常に、冷凍部の再凝縮の能力上限以下にすることが挙げられる。
By the way, in the helium recondensing apparatus as disclosed in Patent Document 1, in order to stably recondense helium gas, the flow rate of helium gas supplied to the refrigeration unit does not change suddenly and is always stable. It is preferable.
As one method for stabilizing the flow rate of the helium gas supplied to the freezing unit, the pressure of the helium gas is always a positive pressure for preventing a backflow, and may be set to a predetermined upper limit pressure value or less. .
Another method for stabilizing the flow rate of helium gas supplied to the refrigeration unit is that the flow rate value of the helium gas is always less than or equal to the upper limit of recondensing capability of the refrigeration unit.
一般的に、自動コントロール弁の開度を制御することで、安定してガスを供給する場合、ガスの圧力が最適値で安定するように自動コントロール弁を制御する方法、或いはガスの流量が最適値で安定するように自動コントロール弁を制御する方法が用いられる。
従来のヘリウム再凝縮装置においても、上記のどちらかの制御方法が行われていた。
Generally, when supplying gas stably by controlling the opening of the automatic control valve, the method of controlling the automatic control valve so that the gas pressure is stabilized at the optimum value, or the gas flow rate is optimal. A method is used in which the automatic control valve is controlled so as to stabilize at the value.
In the conventional helium recondenser, either of the above control methods has been performed.
しかしながら、液体ヘリウムが非常に蒸発しやすい性質であるため、消費装置において冷却等に使用された場合の突発的な蒸発や、配管部等からの入熱による蒸発、ヘリウムガスの再凝縮に伴う配管内の圧力の低下等、圧力変動や流量変動の要因が多く存在していた。
このため、上述した従来の自動コントロール弁を制御する方法では、圧力値と流量値について、制御の基準とする一方の数値は望ましい範囲に制御できても、もう一方の数値を望ましい範囲内に保つことは困難であり、ヘリウムガスを安定して再凝縮させることが困難であった。
However, since liquid helium is very easy to evaporate, piping accompanying sudden evaporation when used for cooling in a consuming device, evaporation due to heat input from piping, etc., and recondensation of helium gas There were many causes of pressure fluctuations and flow fluctuations, such as a decrease in the internal pressure.
For this reason, in the above-described conventional method for controlling an automatic control valve, the pressure value and the flow rate value can be controlled within a desired range, while the other numerical value is maintained within the desired range. It was difficult to stably recondense helium gas.
そこで、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、ヘリウムガスを安定して再凝縮することの可能な循環式ヘリウム再凝縮装置、及び循環式ヘリウム再凝縮方法を提供することを課題とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a circulating helium recondensing device and a circulating helium recondensing method capable of stably recondensing helium gas. And
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明によれば、ヘリウムガスが循環する循環ラインと、前記循環ラインに設けられ、前記ヘリウムガスを冷却により凝縮させることで、液体ヘリウムを再凝縮させる冷凍部と、前記冷凍部の前段に位置する前記循環ラインに設けられ、該循環ラインを流れる前記ヘリウムガスの流量値を測定する流量測定部と、前記冷凍部の前段に位置する前記循環ラインに設けられ、開度が調節可能な自動コントロール弁と、前記冷凍部の前段に位置する前記循環ラインに設けられ、該循環ライン内の圧力値を測定する圧力測定部と、前記流量測定部、前記自動コントロール弁、及び圧力測定部と電気的に接続され、前記圧力測定部が測定する圧力値が予め設定された目標圧力値で安定するように、前記自動コントロール弁の開度をＰＩＤ制御するために必要な第１の制御信号を算出するとともに、前記流量測定部が測定する流量値が予め設定された目標流量値に安定するように、前記自動コントロール弁の開度をＰＩＤ制御するために必要な第２の制御信号を算出する制御部と、を有し、前記制御部は、前記第１の制御信号による前記自動コントロール弁の第１の開度と、前記第２の制御信号による前記自動コントロール弁の第２の開度と、の大きさを常に比較して、前記第１及び第２の開度のうち、小さい方の開度を選択し、前記第１及び第２の制御信号のうち、選択された該開度に対応する制御信号を用いて、前記自動コントロール弁の開度を制御することを特徴とする循環式ヘリウム再凝縮装置が提供される。 In order to solve the above-described problem, according to the first aspect of the present invention, the helium gas circulates, and the helium gas is recondensed by cooling and condensing the helium gas by cooling. A refrigeration unit, a flow rate measurement unit that is provided in the circulation line located in the preceding stage of the refrigeration unit, measures the flow value of the helium gas flowing through the circulation line, and the circulation line that is located in the preceding stage of the refrigeration unit An automatic control valve having an adjustable opening, a pressure measuring unit that is provided in the circulation line that is positioned upstream of the refrigeration unit, and that measures a pressure value in the circulation line, the flow rate measuring unit, The automatic control valve and the pressure measurement unit are electrically connected, and the automatic control is performed so that the pressure value measured by the pressure measurement unit is stabilized at a preset target pressure value. The first control signal required for PID control of the opening of the control valve is calculated, and the automatic control is performed so that the flow rate value measured by the flow rate measuring unit is stabilized at a preset target flow rate value. A control unit that calculates a second control signal necessary for performing PID control of the opening of the valve, and the control unit uses a first opening of the automatic control valve according to the first control signal. And the second opening of the automatic control valve according to the second control signal are always compared, and the smaller opening of the first and second opening is selected. A circulating helium recondensing device that controls the opening degree of the automatic control valve using a control signal corresponding to the opening degree selected from the first and second control signals. Provided.
また、請求項２に係る発明によれば、前記流量測定部は、前記循環ラインのうち、前記自動コントロール弁と前記冷凍部との間に位置する部分に配置し、前記圧力測定部は、前記循環ラインのうち、前記自動コントロール弁の前段に位置する部分に配置することを特徴とする請求項１記載の循環式ヘリウム再凝縮装置が提供される。 Moreover, according to the invention which concerns on Claim 2, the said flow measurement part is arrange | positioned in the part located between the said automatic control valve and the said freezing part among the said circulation lines, The said pressure measurement part is the said The circulating helium recondensing device according to claim 1, wherein the circulating helium recondensing device is provided in a portion of the circulation line that is positioned in front of the automatic control valve.
また、請求項３に係る発明によれば、ヘリウムガスが循環する循環ラインに設けられた冷凍部と、該冷凍部の前段に位置する前記循環ラインに設けられた流量測定部、自動コントロール弁、圧力測定部と、前記流量測定部、前記自動コントロール弁、及び圧力測定部と電気的に接続された制御部と、を含む循環式ヘリウム再凝縮装置を用いて、前記冷凍部により前記ヘリウムガスを再凝縮させる循環式ヘリウム再凝縮方法であって、前記圧力測定部が測定する圧力値が予め設定された目標圧力値で安定するように、前記制御部により、前記自動コントロール弁の開度をＰＩＤ制御するために必要な第１の制御信号を算出する第１の制御信号算出工程と、前記流量測定部が測定する流量値が予め設定された目標流量値で安定するように、前記制御部により、前記自動コントロール弁の開度をＰＩＤ制御するために必要な第２の制御信号を算出する第２の制御信号算出工程と、前記制御部により、前記第１の制御信号による前記自動コントロール弁の第１の開度と、前記第２の制御信号による前記自動コントロール弁の第２の開度と、の大きさを常に比較して、前記第１及び第２の開度のうち、小さい方の開度を選択し、前記第１及び第２の制御信号のうち、選択された該開度に対応する制御信号を用いて、前記自動コントロール弁の開度を制御する自動コントロール弁制御工程と、を有し、前記自動コントロール弁制御工程では、前記循環式ヘリウム再凝縮装置の稼働期間中において、前記第１及び第２の開度のうち、小さい方の開度を選択し、前記第１及び第２の制御信号のうち、選択された該開度に対応する制御信号を用いた前記自動コントロール弁の開度の制御を繰り返し行うことを特徴とする循環式ヘリウム再凝縮方法が提供される。 Further, according to the invention according to claim 3, a refrigeration unit provided in a circulation line through which helium gas circulates, a flow rate measurement unit provided in the circulation line located in front of the refrigeration unit, an automatic control valve, Using the circulating helium recondensing device including a pressure measurement unit, a flow rate measurement unit, the automatic control valve, and a control unit electrically connected to the pressure measurement unit, the refrigeration unit supplies the helium gas. A recirculating helium recondensation method in which recondensation is performed, and the opening of the automatic control valve is set to PID by the control unit so that the pressure value measured by the pressure measurement unit is stabilized at a preset target pressure value. A first control signal calculating step for calculating a first control signal necessary for control, and the control so that the flow rate value measured by the flow rate measuring unit is stabilized at a preset target flow rate value. A second control signal calculating step for calculating a second control signal necessary for performing PID control of the opening degree of the automatic control valve by the unit, and the automatic control by the first control signal by the control unit The first opening degree of the valve is always compared with the second opening degree of the automatic control valve based on the second control signal, and the first opening degree is smaller than the first opening degree. Automatic control valve control step of controlling the opening of the automatic control valve using a control signal corresponding to the selected opening of the first and second control signals. In the automatic control valve control step, during the operation period of the circulating helium recondenser, the smaller one of the first and second openings is selected, and the first Of the first and second control signals, Circulating helium recondensation method characterized by repeatedly performing control of the opening degree of the automatic control valve using a control signal corresponding to the-option has been the open degree is provided.
本発明によれば、圧力値と流量値との両方を常時監視しつつ、ヘリウムガスの供給を制御できることから、ヘリウムガスを安定して再凝縮することができる。 According to the present invention, since the supply of helium gas can be controlled while constantly monitoring both the pressure value and the flow rate value, helium gas can be stably recondensed.
以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施の形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の循環式ヘリウム再凝縮装置の寸法関係とは異なる場合がある。 Embodiments to which the present invention is applied will be described below in detail with reference to the drawings. The drawings used in the following description are for explaining the configuration of the embodiment of the present invention, and the size, thickness, dimensions, etc. of each part shown in the figure are the dimensions of an actual circulating helium recondenser. The relationship may be different.
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る循環式ヘリウム再凝縮装置の概略構成を示す図である。なお、図１では、説明の便宜上、本実施の形態の循環式ヘリウム再凝縮装置１０の構成要素以外の構成も図示する。また、図１に示す矢印は、ヘリウムガスまたは液化ヘリウムの移動方向を示している。
(Embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a circulating helium recondensing device according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, for the convenience of explanation, the configuration other than the components of the circulating
初めに、図１を参照して、本実施の形態の循環式ヘリウム再凝縮装置１０の構成要素ではない構成について説明する。
液体ヘリウム用容器１１は、容器本体１１−１と、蓋体１１−２と、を有する。容器本体１１−１内には、その下部に液体ヘリウムが収容されており、該液体ヘリウムにより液相部１３が形成されている。容器本体１１−１内に形成された液相部１３の上方には、ヘリウムガスにより気相部１４が形成されている。
First, a configuration that is not a component of the circulating
The
蓋体１１−２は、液体ヘリウム用容器１１の上端（開放端）を塞ぐように、液体ヘリウム用容器１１上に固定されている。
蓋体１１−２には、液体ヘリウム供給ライン１６、並びに循環ライン２１を構成するヘリウムガス供給ライン２１−１及び液体ヘリウム供給ライン２１−２の一部を液体ヘリウム用容器１１内に配置させるための貫通穴（図示せず）が設けられている。
上記容器本体１１−１及び蓋体１１−２の構造は、例えば、真空断熱構造とすることができる。
The lid 11-2 is fixed on the
In the lid 11-2, the liquid
The structures of the container body 11-1 and the lid body 11-2 can be, for example, a vacuum heat insulating structure.
液体ヘリウム消費装置１５は、液体ヘリウム供給ライン１６の一端、及び消費ヘリウムガス供給ライン１７の一端と接続されている。
液体ヘリウム消費装置１５は、液体ヘリウム供給ライン１６を介して供給される液体ヘリウムを消費し、消費した液体ヘリウムを消費ヘリウムガス（ヘリウムガス）として、消費ヘリウムガス供給ライン１７に導出する装置である。
液体ヘリウム消費装置１５としては、例えば、ＮＭＲ装置や希釈冷凍機等が挙げられる。
The liquid
The liquid
Examples of the liquid
液体ヘリウム供給ライン１６の他端は、液相部１３内に配置されている。液体ヘリウム供給ライン１６は、液相部１３を構成する液体ヘリウムを液体ヘリウム消費装置１５に供給する。
消費ヘリウムガス供給ライン１７の他端は、ヘリウムガス供給ライン２１−１のうち、液体ヘリウム用容器１１の外側に位置する部分と接続されている。
消費ヘリウムガス供給ライン１７は、液体ヘリウム消費装置１５内で発生したヘリウムガスをヘリウムガス供給ライン２１−１に供給するためのラインである。
The other end of the liquid
The other end of the consumed helium
The consumption helium
次に、図１を参照して、本実施の形態に係る循環式ヘリウム再凝縮装置１０について説明する。
循環式ヘリウム再凝縮装置１０は、循環ライン２１と、冷凍部２３と、ポンプ２５と、流量測定部２７と、圧力測定部２９と、自動コントロール弁３１と、制御部３３と、を有する。
循環ライン２１は、ヘリウムガス供給ライン２１−１と、液体ヘリウム供給ライン２１−２と、を有する。
Next, a circulating helium recondensing
The circulation type
The
ヘリウムガス供給ライン２１−１は、その一端が液体ヘリウム用容器１１内の気相部１４に配置されており、他端が冷凍部２３と接続されている。ヘリウムガス供給ライン２１−１は、液体ヘリウム用容器１１の外部に、気相部１４に含まれるヘリウムガスを導出させるためのラインである。
ヘリウムガス供給ライン２１−１のサイズは、例えば、外径が６．３５〜９．５３ｍｍ、内径が４．３５〜７．５３ｍｍとすることができる。
ヘリウムガス供給ライン２１−１の材質は、特に限定されるものではないが、ライン内が超低温に対する耐性や、気密性が必要なことから、例えば、金属製であることが望ましい。このような材質のヘリウムガス供給ライン２１−１の具体例としては、例えば、ステンレス製の鋼管を例示することができる。
One end of the helium gas supply line 21-1 is arranged in the
As for the size of the helium gas supply line 21-1, for example, the outer diameter can be 6.35 to 9.53 mm, and the inner diameter can be 4.35 to 7.53 mm.
The material of the helium gas supply line 21-1 is not particularly limited. However, since the inside of the line needs to be resistant to ultra-low temperatures and airtight, it is desirable that the material is made of metal, for example. As a specific example of the helium gas supply line 21-1 made of such a material, for example, a stainless steel pipe can be exemplified.
液体ヘリウム供給ライン２１−２は、その一端が冷凍部２３と接続されており、他端が液体ヘリウム用容器１１内の気相部１４に配置されている。液体ヘリウム供給ライン２１−２は、再凝縮によりヘリウムガスを液化させることで生成される液体ヘリウムを、気相部１４を介して、液相部１３に供給する機能を有する。
液体ヘリウム供給ライン２１−２のサイズは、例えば、外径が６．３５〜９．５３ｍｍ、内径が４．３５〜７．５３ｍｍとすることができる。
液体ヘリウム供給ライン２１−２の材質は、特に限定されるものではないが、ライン内が超低温となることや、気密性が求められることから、例えば、金属製であることが望ましい。このような材質の液体ヘリウム供給ライン２１−２の具体例としては、例えば、ステンレス製の鋼管やフレキシブル管等を例示することができる。
One end of the liquid helium supply line 21-2 is connected to the freezing
As for the size of the liquid helium supply line 21-2, for example, the outer diameter can be 6.35 to 9.53 mm, and the inner diameter can be 4.35 to 7.53 mm.
The material of the liquid helium supply line 21-2 is not particularly limited. However, it is desirable that the liquid helium supply line 21-2 be made of metal, for example, because the inside of the line has an extremely low temperature and airtightness is required. As a specific example of the liquid helium supply line 21-2 of such a material, a stainless steel pipe, a flexible pipe, etc. can be illustrated, for example.
冷凍部２３は、ヘリウムガス供給ライン２１−１を介して供給されたヘリウムガスを、冷却により再凝縮させることで、液体ヘリウム（再液化ヘリウム）を生成する。生成された液体ヘリウムは、液体ヘリウム供給ライン２１−２を介して、液体ヘリウム用容器１１内に供給される。
冷凍部２３としては、例えば、ＧＭ冷凍機を用いることが可能であるが、これに限定されない。
The
For example, a GM refrigerator can be used as the
ポンプ２５は、ヘリウムガス供給ライン２１−１のうち、消費ヘリウムガス供給ライン１７の接続位置と冷凍部２３との間に位置する部分に設けられている。
ポンプ２５は、液体ヘリウム用容器１１内の気相部１４から抜き出したヘリウムガスを冷凍部２３に輸送する機能を有する。ヘリウムガスの再凝縮中において、ポンプ２５は、例えば、常に定格で動作させることができる。
なお、ポンプ２５の動作は、定格での動作に限定されることなく、ポンプ２５の能力をインバータ制御等によって制御してもよい。
The
The
The operation of the
流量測定部２７は、ポンプ２５と冷凍部２３との間に位置するヘリウムガス供給ライン２１−１（つまり、冷凍部２３の前段に位置するヘリウムガス供給ライン２１−１）に設けられている。流量測定部２７は、制御部３３と電気的に接続されている。
流量測定部２７は、ヘリウムガス供給ライン２１−１を流れるヘリウムガスの流量値を測定し、制御部３３に対して、測定した流量値をリアルタイムで送信する。
流量測定部２７としては、例えば、ガス用の流量計を用いることができる。
The flow
The flow
As the flow
圧力測定部２９は、ヘリウムガス供給ライン２１−１のうち、消費ヘリウムガス供給ライン１７の接続位置とポンプ２５との間に位置する部分に設けられている。言い換えれば、圧力測定部２９は、ヘリウムガス供給ライン２１−１のうち、自動コントロール弁３１の前段に位置する部分に配置されている。圧力測定部２９は、制御部３３と電気的に接続されている。
圧力測定部２９は、ヘリウムガス供給ライン２１−１内の圧力を測定し、制御部３３に対して、測定した圧力値をリアルタイムで送信する。圧力測定部２９としては、例えば、圧力計を用いることができる。
The
The
自動コントロール弁３１は、ポンプ２５と流量測定部２７との間に位置するヘリウムガス供給ライン２１−１に設けられている。自動コントロール弁３１は、冷凍部２３へのヘリウムガスの供給量を制御するための弁である。自動コントロール弁３１は、制御部３３と電気的に接続されている。
自動コントロール弁３１の弁本体部は、ニードル弁となっており、信号線で接続された制御部３３からの信号を受けて、弁の開度を高い精度で調整することができる。
The
The valve main body of the
上述したように、ヘリウムガス供給ライン２１−１のうち、自動コントロール弁３１と冷凍部２３との間に位置する部分に流量測定部２７を配置し、ヘリウムガス供給ライン２１−１のうち、自動コントロール弁３１の前段に位置する部分に圧力測定部２９を配置することで、より安定したヘリウムガスの供給を実現できる。
As described above, the flow
制御部３３は、圧力測定部２９が測定する圧力値が予め設定された目標圧力値（制御部３３の記憶部（図示せず）に格納された値）で安定するように、自動コントロール弁３１の開度をＰＩＤ制御するために必要な第１の制御信号（以下、「第１の制御信号Ｓ１」という）を算出するとともに、流量測定部２７が測定する流量値が予め設定された目標流量値（制御部３３の記憶部（図示せず）に格納された値）で安定するように、自動コントロール弁３１の開度をＰＩＤ制御するために必要な第２の制御信号（以下、「第２の制御信号Ｓ２」という）を算出する。
The control unit 33 stabilizes the pressure value measured by the
なお、上記「目標圧力値」とは、冷凍部２３によるヘリウムガスの再凝縮を最も効率良く行うことができるヘリウムガス供給ライン２１−１内の最適な圧力値のことをいう。
また、上記「目標流量値」とは、冷凍部２３によるヘリウムガスの再凝縮を最も効率良く行うことができるヘリウムガスの最適な流量値のことをいう。
The “target pressure value” refers to an optimum pressure value in the helium gas supply line 21-1 where the recondensation of helium gas by the
The “target flow rate value” refers to an optimum flow rate value of helium gas that can most efficiently recondense the helium gas by the
また、制御部３３は、第１の制御信号Ｓ１による自動コントロール弁３１の第１の開度と、第２の制御信号Ｓ２による自動コントロール弁３１の第２の開度と、の大きさを常に比較して、第１及び第２の開度のうち、小さい方の開度を選択し、第１及び第２の制御信号Ｓ１，Ｓ２のうち、選択された該開度に対応する制御信号を用いて、自動コントロール弁３１の開度を制御する。
上記「第１の開度」、及び「第２の開度」は、自動コントロール弁３１が全開の時を１００％、自動コントロール弁３１が全閉の時を０％としたときの開度であり、パーセント（％）で示される。
上述した制御部としては、例えば、パーソナルコンピュータを用いることができる。
The control unit 33 always sets the magnitudes of the first opening of the
The “first opening” and the “second opening” are the opening when the
As the control unit described above, for example, a personal computer can be used.
本実施の形態の循環式ヘリウム再凝縮装置１０によれば、上述した冷凍部２３、ポンプ２５、流量測定部２７、圧力測定部２９、自動コントロール弁３１、及び制御部３３を有することで、制御部３３により、第１の制御信号Ｓ１による自動コントロール弁３１の第１の開度と、第２の制御信号Ｓ２による第２の開度と、の大きさを常に比較して、第１及び第２の開度のうち、小さい方の開度を選択し、第１及び第２の制御信号Ｓ１，Ｓ２のうち、選択された該開度に対応する制御信号を用いて、自動コントロール弁３１の開度を繰り返し制御することで、ヘリウムガス供給ライン２１−１内の圧力値を目標圧力値で安定させ、かつヘリウムガス供給ライン２１−１内を流れるヘリウムガスの流量値を目標流量値で安定させることが可能となる。
これにより、冷凍部２３が安定した性能で、安定稼働するため、ヘリウムガスを安定して再凝縮することができる。
According to the circulatory
Thereby, since the freezing
なお、一般的に、循環式ヘリウム再凝縮装置１０において、運転状態に最も影響を及ぼす要因は、液体ヘリウム消費装置１５からのヘリウムガスの増減である。これにより、ヘリウムガス供給ライン２１−１内の圧力、及びヘリウムガス供給ライン２１−１内を流れるヘリウムガスの流量が変動する。
In general, in the circulation type
また、本実施の形態では、ヘリウムガス供給ライン２１−１のうち、自動コントロール弁３１と冷凍部２３との間に位置する部分に流量測定部２７を配置し、ヘリウムガス供給ライン２１−１のうち、自動コントロール弁３１の前段に位置する部分に圧力測定部２９を配置した場合を例に挙げて説明したが、ポンプ２５、流量測定部２７、圧力測定部２９、及び自動コントロール弁３１の配設位置は、これに限定されない。
Moreover, in this Embodiment, the flow
本実施の形態では、１つの制御部３３のみで全ての制御を行った場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。
例えば、圧力測定部２９が測定する圧力値に基づいた第１の制御信号Ｓ１を生成する第１の制御部と、流量測定部２７が測定するヘリウムガスの流量値に基づいた第２の制御信号Ｓ２を生成する第２の制御部と、を設けてもよい。
また、第１及び第２の開度のうち、小さい方の開度を選択する機構を別に設けてもよい。
さらに、自動コントロール弁３１のみを制御する弁制御部（図示せず）を別に設けてもよい。
In the present embodiment, the case where all controls are performed by only one control unit 33 has been described as an example, but the present invention is not limited to this.
For example, the first control unit that generates the first control signal S1 based on the pressure value measured by the
Moreover, you may provide the mechanism which selects the smaller opening degree among the 1st and 2nd opening degree.
Furthermore, you may provide the valve control part (not shown) which controls only the
次に、図１を参照して、図１に示す循環式ヘリウム再凝縮装置１０を用いた本実施の形態の循環式ヘリウム再凝縮方法について説明する。
本実施の形態の循環式ヘリウム再凝縮方法は、第１の制御信号算出工程と、第２の制御信号算出工程と、自動コントロール弁制御工程と、を有する。
Next, the circulating helium recondensing method of the present embodiment using the circulating
The circulating helium recondensation method of the present embodiment includes a first control signal calculation step, a second control signal calculation step, and an automatic control valve control step.
第１の制御信号生成工程では、圧力測定部２９が測定する圧力値が予め設定された目標圧力値で安定するように、制御部３３により、自動コントロール弁３１の開度をＰＩＤ制御するために必要な第１の制御信号Ｓ１が算出される。
第２の制御信号生成工程では、流量測定部２７が測定する流量値が予め設定された目標流量値で安定するように、制御部３３により、自動コントロール弁３１の開度をＰＩＤ制御するために必要な第２の制御信号Ｓ２が算出される。
なお、第１の制御信号生成工程と、第２の制御信号生成工程と、を同時に行ってもよい。
In the first control signal generation step, the controller 33 performs PID control on the opening degree of the
In the second control signal generation step, the control unit 33 performs PID control on the opening of the
Note that the first control signal generation step and the second control signal generation step may be performed simultaneously.
その後、自動コントロール弁制御工程では、制御部３３により、第１の制御信号Ｓ１による自動コントロール弁３１の第１の開度と、第２の制御信号Ｓ２による第２の開度と、の大きさを常に比較して、第１及び第２の開度のうち、小さい方の開度を選択し、第１及び第２の制御信号Ｓ１，Ｓ２のうち、選択された該開度に対応する制御信号を用いて、自動コントロール弁３１の開度の制御を繰り返し行う。
Thereafter, in the automatic control valve control step, the controller 33 controls the magnitudes of the first opening degree of the
次に、具体的な数値の例を挙げながら、一例として、圧力測定部２９が測定する圧力値が目標圧力値で安定するように、自動コントロール弁３１の開度をＰＩＤ制御する場合について説明する。
なお、ここでは、一例として、下記条件の場合を例に挙げて説明する。
循環式ヘリウム再凝縮装置１０の動作に適した（言い換えれば、冷凍部２３の動作に適した）圧力の範囲を０ｋＰａＧ〜１０ｋＰａＧ、目標圧力値を５ｋＰａＧとする。さらに、制御方法については、目標圧力値の状態において、自動コントロール弁３１の開度が５０％となるように予め調整する。
但し、上記圧力の範囲や目標圧力値、及び目標圧力値のときの自動コントロール弁３１の開度は、一例であって、上記数値に限定されることなく、適した圧力値や開度に調整することができる。
Next, as an example, a case where the opening degree of the
Here, as an example, the case of the following conditions will be described as an example.
The pressure range suitable for the operation of the circulating helium recondensing device 10 (in other words, suitable for the operation of the refrigeration unit 23) is set to 0 kPaG to 10 kPaG, and the target pressure value is set to 5 kPaG. Further, the control method is adjusted in advance so that the opening degree of the
However, the range of the pressure, the target pressure value, and the opening degree of the
ヘリウムガス供給ライン２１−１内の圧力値が５ｋＰａＧ（目標圧力値）よりも低下した場合には、圧力測定部２９が測定する圧力値を５ｋＰａＧに復元するために、制御部３３は、自動コントロール弁３１をより閉める信号である第１の制御信号Ｓ１を算出する。
一方、ヘリウムガス供給ライン２１−１内の圧力値が５ｋＰａＧ（目標圧力値）よりも増加した場合には、圧力測定部２９が測定する圧力値を５ｋＰａＧに復元するために、制御部３３は、自動コントロール弁３１をより開ける信号である第１の制御信号Ｓ１を算出する。
When the pressure value in the helium gas supply line 21-1 falls below 5 kPaG (target pressure value), the control unit 33 performs automatic control to restore the pressure value measured by the
On the other hand, when the pressure value in the helium gas supply line 21-1 increases from 5 kPaG (target pressure value), in order to restore the pressure value measured by the
次に、流量測定部２７が測定するヘリウムガスの流量値が目標流量値で安定するように、自動コントロール弁３１の開度をＰＩＤ制御する場合について説明する。
なお、ここでは、一例として、下記条件の場合を例に挙げて説明する。
循環式ヘリウム再凝縮装置１０の動作に適した（言い換えれば、冷凍部２３の動作に適した）ヘリウムガスの流量の範囲を０Ｌ／ｍｉｎ〜１４Ｌ／ｍｉｎ（冷凍部２３の再凝縮の能力上限値）、目標流量値を７Ｌ／ｍｉｎとする。さらに、制御方法については、目標流量値の状態において、自動コントロール弁３１の開度が５５％となるように予め調整する。
但し、上記流量の範囲や上記目標流量値、及び目標流量値ときの自動コントロール弁３１の開度は、一例であって、上記数値に限定されることなく、適した流量値や開度に調整することができる。
Next, the case where the opening degree of the
Here, as an example, the case of the following conditions will be described as an example.
The range of helium gas flow rate suitable for the operation of the circulation type helium recondensing apparatus 10 (in other words, suitable for the operation of the refrigeration unit 23) is 0 L / min to 14 L / min (the recondensation capability upper limit value of the refrigeration unit 23). ), The target flow rate value is 7 L / min . Further, the control method is adjusted in advance so that the opening degree of the
However, the range of the flow rate, the target flow rate value, and the opening degree of the
ヘリウムガス供給ライン２１−１内のヘリウムガスの流量が７Ｌ／ｍｉｎ（目標流量値）から減少した場合には、流量測定部２７が測定するヘリウムガスの流量を７Ｌ／ｍｉｎに復元するため、制御部３３は、自動コントロール弁３１をより開ける信号である第２の制御信号Ｓ２を算出する。
一方、ヘリウムガス供給ライン２１−１内のヘリウムガスの流量が７Ｌ／ｍｉｎ（目標流量値）から増加した場合には、流量測定部２７が測定するヘリウムガスの流量を７Ｌ／ｍｉｎに復元するため、自動コントロール弁３１をより閉じる信号である第２の制御信号Ｓ２を算出する。
When the flow rate of helium gas in the helium gas supply line 21-1 is reduced from 7 L / min (target flow rate value), the flow rate of the helium gas measured by the flow
On the other hand, when the flow rate of helium gas in the helium gas supply line 21-1 increases from 7 L / min (target flow rate value), the flow rate of the helium gas measured by the flow
その後、制御部３３は、第１の制御信号Ｓ１による自動コントロール弁３１の第１の開度と、第２の制御信号Ｓ２による第２の開度と、の大きさを比較して、第１及び第２の開度のうち、小さい方の開度を選択し、第１及び第２の制御信号Ｓ１，Ｓ２のうち、選択された該開度に対応する制御信号を用いて、自動コントロール弁３１の開度を制御する。
つまり上記条件では、小さい開度信号を出力している圧力計もしくは流量計の信号により、コントロールされている状態となる。
Thereafter, the control unit 33 compares the first opening degree of the
In other words, under the above conditions, the pressure is controlled by the signal from the pressure gauge or flow meter outputting a small opening signal.
本実施の形態の循環式ヘリウム再凝縮方法によれば、制御部３３により、第１の制御信号Ｓ１による自動コントロール弁３１の第１の開度と、第２の制御信号Ｓ２による第２の開度と、の大きさを常に比較して、第１及び第２の開度のうち、小さい方の開度を選択し、第１及び第２の制御信号Ｓ１，Ｓ２のうち、選択された該開度に対応する制御信号を用いて、自動コントロールする。このように、第１及び第２の制御信号Ｓ１，Ｓ２のうち、選択された該開度に対応する制御信号を用いた自動コントロール弁３１の開度の制御を繰り返し行うことで、ヘリウムガス供給ライン２１−１内におけるヘリウムガスの流量値及び圧力値の両方を目標流量値及び目標圧力値で安定させることが可能となる。
これにより、冷凍部２３が安定した性能で、安定稼働するため、ヘリウムガスを安定して再凝縮することができる。
According to the circulating helium recondensing method of the present embodiment, the control unit 33 causes the first opening degree of the
Thereby, since the freezing
次に、図１を参照して、より具体的な循環式ヘリウム再凝縮方法について説明する。
最初に、ヘリウムガス供給ライン２１−１内の圧力、及びヘリウムガス供給ライン２１−１内を流れるヘリウムガスの流量が安定した安定状態について説明する。
安定状態では、圧力測定部２９が測定する圧力値は、目標圧力値の５ｋＰａＧであり、このときの第１の制御信号Ｓ１による自動コントロール弁３１の開度は、５０％となる。
Next, a more specific circulating helium recondensing method will be described with reference to FIG.
First, a stable state in which the pressure in the helium gas supply line 21-1 and the flow rate of the helium gas flowing in the helium gas supply line 21-1 are stable will be described.
In the stable state, the pressure value measured by the
一方、自動コントロール弁３１の開度が５０％の安定状態では、流量測定部２７が測定するヘリウムガスの流量値は、目標流量値である７Ｌ／ｍｉｎよりもやや少ない値となり、自動コントロール弁をより開けようとする。よって、このときの第２の制御信号Ｓ２による自動コントロール弁３１の開度は、９０％となる。
したがって、制御部３３は、第１及び第２の制御信号Ｓ１，Ｓ２による自動コントロール弁３１の開度を比較して、開度の小さい第１の制御信号Ｓ１を、自動コントロール弁３１を制御する制御信号として選択する。
On the other hand, in the stable state where the opening degree of the
Therefore, the control unit 33 compares the opening degree of the
次に、上記安定状態から、液体ヘリウム消費装置１５におけるヘリウムガスの蒸発量が増加した場合について説明する。
この場合、ヘリウムガス供給ライン２１−１内の圧力値及びヘリウムガスの流量値は、ともに上昇する。
そして、ヘリウムガス供給ライン２１−１内の圧力値が上昇すると、目標圧力値である５ｋＰａＧを上回ると、自動コントロール弁３１をより開けようとして、第１の制御信号Ｓ１による自動コントロール弁３１の開度は、５０％→６０％→７０％→８０％と増加する。
Next, a case where the evaporation amount of helium gas in the liquid
In this case, both the pressure value in the helium gas supply line 21-1 and the flow rate value of the helium gas rise.
When the pressure value in the helium gas supply line 21-1 rises, when the target pressure value exceeds 5 kPaG, the
一方、ヘリウムガス供給ライン２１−１内を流れるヘリウムガスの流量値も上昇し、該流量値が目標流量値である７Ｌ／ｍｉｎを上回ると、自動コントロール弁３１をより閉じようとして、第２の制御信号による自動コントロール弁３１の開度は、９０％→８５％→８０％→７５％と減少する。
On the other hand, when the flow rate value of the helium gas flowing in the helium gas supply line 21-1 also rises and the flow rate value exceeds 7 L / min, which is the target flow rate value, the
前述したように、第１の制御信号Ｓ１による自動コントロール弁３１の第１の開度と、第２の制御信号Ｓ２による自動コントロール弁３１の第２の開度と、を比較し、開度が小さい方の制御信号を用いて、自動コントロール弁３１の開度を制御する。
したがって、この場合、自動コントロール弁３１の制御開始直後は、第１の制御信号Ｓ１を制御信号として用いて制御が行われる。この段階では、自動コントロール弁３１の開度は、５０％を超えた状態にある。
As described above, the first opening degree of the
Therefore, in this case, immediately after the control of the
その後、第２の制御信号Ｓ２による自動コントロール弁３１の開度が、第１の制御信号Ｓ１による自動コントロール弁３１の開度よりも小さくなった瞬間に、第２の制御信号Ｓ２が選択され、制御信号が切り替わる。
さらに時間が経過し、圧力値が減少に転じて、第１の制御信号Ｓ１による自動コントロール弁３１の第１の開度が、第２の制御信号Ｓ２による自動コントロール弁３１の第２の開度よりも小さくなった瞬間に、再び、制御信号が第１の制御信号Ｓ１に切り替わり、徐々に安定状態に近づく。そして、最終的に安定状態となる。
Thereafter, the second control signal S2 is selected at the moment when the opening degree of the
As time elapses and the pressure value starts decreasing, the first opening degree of the
次に、安定状態から、液体ヘリウム消費装置１５におけるヘリウムガスの蒸発量が減少した場合について考える。
この場合、ヘリウムガス供給ライン２１−１内の圧力値及びヘリウムガスの流量値は、ともに減少する。
ヘリウムガス供給ライン２１−１内の圧力値が減少して、目標圧力値である５ｋＰａＧを下回ると、現段階の開度から自動コントロール弁を閉じようとして、第１の制御信号Ｓ１による自動コントロール弁３１の開度は、５０％→４０％→３０％→２０％と減少する。
Next, consider a case where the evaporation amount of helium gas in the liquid
In this case, both the pressure value in the helium gas supply line 21-1 and the flow rate value of the helium gas decrease.
When the pressure value in the helium gas supply line 21-1 decreases and falls below the target pressure value of 5 kPaG, the automatic control valve according to the first control signal S1 tries to close the automatic control valve from the current opening degree. The opening degree of 31 decreases from 50% → 40% → 30% → 20%.
一方、ヘリウムガス供給ライン２１−１内を流れるヘリウムガスの流量値も減少して、目標流量値である７Ｌ／ｍｉｎをさらに下回ると、第２の制御信号Ｓ２による自動コントロール弁３１の開度は、９０％→１００％→１００％→１００％と増加する。
この場合、第１の制御信号による第１の開度が第２の制御信号Ｓ２による第２の開度よりも小さいことから、制御信号としては、第１の制御信号Ｓ１が選択される。
その後、ヘリウムガス供給ライン２１−１内の圧力値及びヘリウムガスの流量値が増加に転じて、徐々に安定状態に近づく。そして、最終的に安定状態となる。
On the other hand, when the flow rate value of the helium gas flowing in the helium gas supply line 21-1 also decreases and falls below the target flow rate value of 7 L / min, the opening degree of the
In this case, since the first opening degree by the first control signal is smaller than the second opening degree by the second control signal S2, the first control signal S1 is selected as the control signal.
Thereafter, the pressure value in the helium gas supply line 21-1 and the flow rate value of the helium gas start to increase, and gradually approach a stable state. And finally it will be in a stable state.
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, but the present invention is not limited to such specific embodiments, and within the scope of the present invention described in the claims, Various modifications and changes are possible.
本発明は、ヘリウムガスを液体ヘリウムに再凝縮させる循環式ヘリウム再凝縮装置、及び循環式ヘリウム再凝縮方法に適用可能である。 The present invention can be applied to a circulating helium recondensing apparatus for recondensing helium gas into liquid helium and a circulating helium recondensing method.
１０…循環式ヘリウム再凝縮装置、１１…液体ヘリウム用容器、１１−１…容器本体、１１−２…蓋体、１３…液相部、１４…気相部、１５…液体ヘリウム消費装置、１６…液体ヘリウム供給ライン、１７…消費ヘリウムガス供給ライン、２１…循環ライン、２１−１…ヘリウムガス供給ライン、２１−２…液体ヘリウム供給ライン、２３…冷凍機、２５…ポンプ、２７…流量測定部、２９…圧力測定部、３１…自動コントロール弁、３３…制御部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記循環ラインに設けられ、前記ヘリウムガスを冷却により凝縮させることで、液体ヘリウムを再凝縮させる冷凍部と、
前記冷凍部の前段に位置する前記循環ラインに設けられ、該循環ラインを流れる前記ヘリウムガスの流量値を測定する流量測定部と、
前記冷凍部の前段に位置する前記循環ラインに設けられ、開度が調節可能な自動コントロール弁と、
前記冷凍部の前段に位置する前記循環ラインに設けられ、該循環ライン内の圧力値を測定する圧力測定部と、
前記流量測定部、前記自動コントロール弁、及び圧力測定部と電気的に接続され、前記圧力測定部が測定する圧力値が予め設定された目標圧力値で安定するように、前記自動コントロール弁の開度をＰＩＤ制御するために必要な第１の制御信号を算出するとともに、前記流量測定部が測定する流量値が予め設定された目標流量値で安定するように、前記自動コントロール弁の開度をＰＩＤ制御するために必要な第２の制御信号を算出する制御部と、
を有し、
前記制御部は、前記第１の制御信号による前記自動コントロール弁の第１の開度と、前記第２の制御信号による前記自動コントロール弁の第２の開度と、の大きさを常に比較して、前記第１及び第２の開度のうち、小さい方の開度を選択し、前記第１及び第２の制御信号のうち、選択された該開度に対応する制御信号を用いて、前記自動コントロール弁の開度を制御することを特徴とする循環式ヘリウム再凝縮装置。 A circulation line through which helium gas circulates;
A refrigeration unit provided in the circulation line and recondensing liquid helium by condensing the helium gas by cooling;
A flow rate measurement unit that is provided in the circulation line located in the front stage of the refrigeration unit and measures a flow rate value of the helium gas flowing through the circulation line;
An automatic control valve provided in the circulation line located in the front stage of the refrigeration unit and having an adjustable opening;
A pressure measuring unit that is provided in the circulation line located in the front stage of the refrigeration unit and measures a pressure value in the circulation line;
The automatic control valve is electrically connected to the flow rate measurement unit, the automatic control valve, and the pressure measurement unit so that the pressure value measured by the pressure measurement unit is stabilized at a preset target pressure value. The first control signal necessary for PID control of the degree of flow is calculated, and the opening of the automatic control valve is adjusted so that the flow rate value measured by the flow rate measurement unit is stabilized at a preset target flow rate value. A control unit for calculating a second control signal necessary for PID control;
Have
The control unit always compares the first opening of the automatic control valve according to the first control signal and the second opening of the automatic control valve according to the second control signal. Then, the smaller one of the first and second openings is selected, and a control signal corresponding to the selected opening is used among the first and second control signals, A circulating helium re-condensing device that controls the opening degree of the automatic control valve.
前記圧力測定部は、前記循環ラインのうち、前記自動コントロール弁の前段に位置する部分に配置することを特徴とする請求項１記載の循環式ヘリウム再凝縮装置。 The flow rate measurement unit is arranged in a portion of the circulation line located between the automatic control valve and the freezing unit,
The circulating helium re-condensing device according to claim 1, wherein the pressure measuring unit is disposed in a portion of the circulation line that is positioned in front of the automatic control valve.
前記圧力測定部が測定する圧力値が予め設定された目標圧力値で安定するように、前記制御部により、前記自動コントロール弁の開度をＰＩＤ制御するために必要な第１の制御信号を算出する第１の制御信号算出工程と、
前記流量測定部が測定する流量値が予め設定された目標流量値で安定するように、前記制御部により、前記自動コントロール弁の開度をＰＩＤ制御するために必要な第２の制御信号を算出する第２の制御信号算出工程と、
前記制御部により、前記第１の制御信号による前記自動コントロール弁の第１の開度と、前記第２の制御信号による前記自動コントロール弁の第２の開度と、の大きさを常に比較して、前記第１及び第２の開度のうち、小さい方の開度を選択し、前記第１及び第２の制御信号のうち、選択された該開度に対応する制御信号を用いて、前記自動コントロール弁の開度を制御する自動コントロール弁制御工程と、
を有し、
前記自動コントロール弁制御工程では、前記循環式ヘリウム再凝縮装置の稼働期間中において、前記第１及び第２の開度のうち、小さい方の開度を選択し、前記第１及び第２の制御信号のうち、選択された該開度に対応する制御信号を用いた前記自動コントロール弁の開度の制御を繰り返し行うことを特徴とする循環式ヘリウム再凝縮方法。 A refrigeration unit provided in a circulation line through which helium gas circulates, a flow rate measurement unit, an automatic control valve, a pressure measurement unit, and a flow measurement unit provided in the circulation line located in front of the refrigeration unit A recirculating helium recondensing method in which the helium gas is recondensed by the refrigerating unit using a recirculating helium recondensing device including a control valve and a control unit electrically connected to the pressure measuring unit. ,
The control unit calculates a first control signal necessary for PID control of the opening degree of the automatic control valve so that the pressure value measured by the pressure measurement unit is stabilized at a preset target pressure value. A first control signal calculating step to:
The control unit calculates a second control signal necessary for PID control of the opening of the automatic control valve so that the flow rate value measured by the flow rate measurement unit is stabilized at a preset target flow rate value. A second control signal calculation step of:
The control unit constantly compares the magnitudes of the first opening of the automatic control valve according to the first control signal and the second opening of the automatic control valve according to the second control signal. Then, the smaller one of the first and second openings is selected, and a control signal corresponding to the selected opening is used among the first and second control signals, An automatic control valve control step for controlling the opening of the automatic control valve;
Have
In the automatic control valve control step, during the operation period of the circulating helium recondenser, the smaller one of the first and second openings is selected, and the first and second controls are selected. A recirculating helium recondensing method characterized by repeatedly controlling the opening of the automatic control valve using a control signal corresponding to the selected opening of the signals.
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