筑波大学技術報告
29: 42-46, 2009

ヘリウム液化機と運転制御システム
宮内 幹雄 a)、近藤 裕 a)、敦賀 将太 a)、池田 博 b)a)

筑波大学研究基盤総合センター技術室（低温部門）、b)

筑波大学数理物質科学研究科物性・分子工学専攻（低温部門）〒305-8577 茨城県つくば市天王台 1-1-1から構成され装置は大型なもので取り扱いが不便だった。その後 Windows-PC からの設定が可能となり取り扱いが容易になり、2008 年 4 月には VME から省スペース型の EzMPICSⅡ (Easy Multi Performance
Integrated Control System) にシステムが更新された。
以下にヘリウム液化装置の運転制御システムについて説明する。

概要
ヘリウム液化機の制御システムには大陽日酸製デジタル計装システムを採用している。液化機の自動運転からヘリウム液化装置の監視画面の管理を行っている。またこのシステムは運転プログラム等の変更が可能である。本報告では筑波大学におけるヘリウム液化装置及び運転制御システムについて紹介する。

２．ヘリウム液化装置概要ヘリウム液化装置のフローを図 1 に示す。設備の概要は次の通りである。

キーワード：ヘリウム液化機

１．はじめに学内で実験に使用されたヘリウムガスは当センターのガスバックへ回収される。ガスバックの容量は60 ㎥である。回収されたガスは回収圧縮機で圧縮し高圧ドライヤーで水分除去した後カードルに充填しストックする。回収圧縮機の処理量は 80N ㎥/hr、カードルの最高充填圧力は 14.7 MPa、カードル貯蔵能力は 2880 N ㎥である。
液化は液化用圧縮機で圧縮したガスを液化機コールドボックスの液化系に送り込み液化する。液化用圧縮機は吐出圧力 1.6 MPa、処理量 1500 N ㎥/hr の油冷式スクリュー圧縮機である。液化のためのガスはカードルのガスを中圧乾燥器で 2.5 MPa に降圧し液化機コールドボックスの内部精製系へと送られる。
内部精製器において不純物を除去した精製ヘリウムガスは液化の原料ガスとして液化系に供給される。
ヘリウム液化機の液化能力は内部精製使用時で 150L/hr である。液化機コールドボックス内に製造された液体ヘリウムは三重管トランスファーチューブで内容量 4000Ｌのヘリウム貯槽に移送・貯蔵し供給に備える。

低温部門ではヘリウム液化機を運転し学内に低温物性実験等に使用する寒剤として液体ヘリウムの供給を行っている。原料ガスであるヘリウムガスはリサイクルシステムで賄っているため低温部門にはヘリウム液化機の他に回収システムを有している。それらを総じてヘリウム液化装置と呼ぶ。制御システ
ムでは液化機自動運転及びヘリウム液化装置の監視画面の管理を担う。
制御システムには大陽日酸株式会社が開発したデジタル計装システムを採用している。総合監視シス
テム及びヘリウム液化装置制御システムのプロセスコントローラーの機能を持つデジタル計装システム
ではヘリウム液化機の運転から全系の監視を一つのシステムで行うことが可能である。
1997 年にヘリウム液化装置の更新時に当システ
ムは導入された。当初のシステムはワークステーシ
ョンによる設定と VME (Versa Module Europe) 装置

液化機
コールドボックス
中圧乾燥器液化用圧縮機（内部精製器付きヘリウム液化機）

ﾄﾗﾝｽﾌｧｰﾁｭｰﾌﾞ
ＣＥタンク

回収カードル

高圧ドライヤー

ﾍﾘｳﾑ貯槽

ヘリウム
回収用圧縮機

ガスバック

図 1. ヘリウム液化装置フロー

42

実験室からの回収各入出力ボードは EzMPICSⅡに接続し、監視画面表示管理および液化機の運転制御プログラムの処理を行わせている。
EzMPICSⅡの端末にはデジタル計装のプログラ
ム設定用ＰＣ、液化機運転用ＰＣ、運転モニター用ＰＣ、監視モニター用ＰＣとして 4 台のパソコンをLAN で接続している。

なお、このヘリウム液化装置のガスバックを除く設備全体が高圧ガス製造設備である。高圧ガス保安法のもと茨城県へ許可申請を行い第一種製造事業所として許可を受けている。さらに毎年茨城県による立ち入り検査（保安検査）に合格することで液体ヘリウムの製造業務を継続することができる。

３．運転制御システムの基本構成
４．ヘリウム液化のしくみ

ヘリウム液化装置の制御システムの構成内容について説明する。図 2 はシステムの基本構成図である。
大きく分けるとヘリウム液化装置、液化機制御盤、端末のパソコンからなる。液化機制御盤には入出力ボードと EzMPICSⅡ (CPU) が収納されている。入出力ボードとはフィールドであるヘリウム液化装置間を結ぶアナログ入力（AI）、アナログ出力（AO）、デジタル入力（DI）、デジタル出力（DO）の４種の入出力機器のことである。ボードの入出力信号の仕様は以下の通りである。

液化機の運転プログラムの説明の前にヘリウム液化のしくみ、300 K のヘリウムガスが 4.2 K の液体ヘリウムになるまでの過程を簡単に説明する。図 3 は液化機を簡略化したものである。
圧縮機から吐出した 300 K、1.6 MPa のヘリウムはまず①77 K の液体窒素で冷却される。約 80 K まで冷却されたヘリウムは熱交換器を通り②タービンに送られる。毎秒 4400 回転するタービンでは断熱効果を効率的に行いタービン出口温度において約 12Ｋまで冷却される。最後に③J-T 弁のジュールトムソン効果により気液状態で液化される。気体部分は熱交換器を戻り再液化に回される。液化は各熱交換器を段階的な温度平衡を保ち冷却効果を上げ連続的に液化を行う。
また本来の液化機には内部精製が内蔵され回収ガスを精製し液化機へのヘリウムガスとして供給される。内部精製では低温凝縮精製に必要な寒冷を液化ラインから引き込み、精製－加温再生－再冷却の過程を繰り返し運転する。
以上の内容は液化機が定常液化運転における運転の過程である。通常の液化運転では各熱交換器の温度平衡に到達させるための予冷運転が必要となる。室温からの運転で約 4 時間、連続運転で 1 時間の予冷運転ののち定常状態になる。これら予冷運転から定常運転への運転制御をデジタル計装システ
ムで行う。次に制御プログラムについて述べる。

ＡＩ：入力レンジ４～20 ｍＡ／入力点数 28 点
接続機器：圧力・温度・回転数・液面計
ＡＯ：出力レンジ４～20ｍＡ／出力点数 16 点
接続機器：バルブ操作
ＤＩ：入力接点 DC24Ｖ／入力点数 24 点
接続機器：接点信号・機器運転状態
ＤＯ：出力接点オープンコレクタ／出力点数 17 点
接続機器：電磁弁・ランプ・緊急停止液化機運転用ＰＣ 運転モニター用ＰＣ

L A N ケー ブ ル

監視モニター用ＰＣ

スイッチングハブ

ＥｚMPICS設定用ＰＣ

ＥｚMPICSⅡ

ＡＩ
ヘリウム液化装置

ＡＯ
ＤＩ
ＤＯ
液化機制御盤

図 2. 制御システム構成図と制御盤

図 3. ヘリウム液化機43

図 5 は圧縮機起動のシーケンステーブルである。
図中にシーケンステーブルの各部名称を示す。テーブル上側 A が条件部、下側 B が操作部である｡ 条件と操作を個々に並べ条件の組み合わせでどの操作を行うかを記述している。D の条件部タグ名称欄に操作の条件となるタグを入力し、F の条件部ルール欄に 条 件を 設定 す る。 条件 と して 成立 す るも のには ”y”、否であるものには ”n” を入力､無関係のものは空白とする。操作部は E の操作部タグ名称欄に操作するタグを入力し､条件成立時に行う操作を Gの操作部ルール欄に設定する。操作部タグを ON する場合には ”y” を OFF する場合には ”n” を入力する。シーケンステーブルはルール番号順に順次実行する。実行周期は 1 秒である。
条件に使用するタグ名は､外部デジタル入出力の状態、内部デジタル信号の状態、タイマの状態、アナログ値の比較を条件式として登録したのちタグ名に識別子（＝・＜・＞）を設定し使用する。操作に使用するタグ名は外部デジタル入出力信号状態の操作、内部デジタル信号状態の操作、タイマ操作､アナログ値の操作を操作式として登録し使用する。現在、
条件式 132 項目、操作式 177 項目を登録し運転に使用している。
制御プログラムはシーケンス制御とともにフィードバック制御プログラムを使用する。フィードバック制御は、現在の状態を検出してから出力量を決定するという方法である。バルブの出力部に PID ユニット、入力レベル判定ユニットやランプ設定ユニット等のフィードバックプログラムを組み込み出力信号の制御を行う。このように､シーケンス制御機能とフィードバック制御機能とを連動させることにより、運転制御プログラムを動作させている。

５．運転制御プログラム
運転制御プログラムはシーケンス制御で行われデジタル計装ソフトのシーケンステーブルに記入し実行される。シーケンステーブルを作成するには初期条件として機器定義を行う。機器定義にはアナログ入出力、デジタル入出力および内部アナログ・デジタル信号をユーザタグとして定義する。ここで定義しない限りシーケンスプログラム等に使用することはできない。入出力設定は入出力ボードの各スロッ
ト番号にユーザタグ名を割り振り設定する。内部ア
ナログ信号（IA）の設定は変数として取り扱われ設定値の入力等に使用する。内部デジタル信号（ID）の設定は状態変化の on－off 信号として定義する。
表 1 はアナログ入力（AI）の設定の一部である。機
器名称については後述の監視画面系統図を参照のこと。

表 1. アナログ入力 (AI) 設定
No. ユーザタグ名

機器名称

0

TI回転数

SICA111

1SICA121

T2回転数

2

TIC10580K AD入口温度

3TI110

TI入口温度

4

TIA111

TIブレーキ温度

5

TIA121T2ブレーキ温度

6TIC130

T2出口温度

7TI170

LHe貯槽戻り温度8TI172

気液分離戻り温度

9T14051

ＩMPUカードル温度

10TIS402

精製He出口温度

シーケンステーブルは運転内容別に細分化している。図 4 は全自動運転(シーケンス名称：F1-1) と全自動停止 (F1-2) の構成図である。全自動運転の構成はスタート後、圧縮機起動 (F2-1) が動作する。
圧縮機運転が静定すると次に液化機運転 (F3-1) 及び内部精製器運転 (F4-1) が平行動作始め、最後に各運転状態が静定し液化機は定常運転へと入る。全
自動停止 (F1-2) の構成はスタート後液化機停止(F3-2) と内部精製器停止 (F4-2) のシーケンスが同時 に 動作 始め る 。各 運転 が 停止 後、 圧 縮機 停止(F2-2) のシーケンスにより圧縮機が停止して終了する。他にインターロックとして液化機緊急停止条件と圧縮機緊急停止条件のシーケンスが動作する。

Ｄ 条件部タグ名称欄
テーブル名称：コメント：演算周期：

Ａ 条件部

条件 タグ名
1 F2_1START
2 CMPRNG
3 1_2MPa_FLG
4 T2_1_1,ST
5 T2_1_1,UP
6 F2_1JC0000,LT
7 F2_1JC0001,GE
8 F2_1JC0002,GT
9 F2_1JC0003,LT
10 T2_1_2,ST
11 T2_1_2,UP
12 T2_1_3,ST
13 T2_1_3,UP
14 F2_1JC0004,GT
15 F2_1JC0005,GE
16 F2_1JC0006,GE
17 T2_1_4,ST
18 T2_1_4,UP
1920

Ｂ 操作部

操作
1 CMPON.P
2 F2_1AC0000
3 LPIC2052_CS.L
4 F2_1AC0001
5 F2_1AC0002
6 F2_1AC0003
7 MV2501A_UNT_AT.L
8 MV2501A_UNT.MV,ON
9 MV2501A.H
10 MV2501B_UNT_AT.L
11 MV2501B_UNT.MV,ON
12 MV2501B.H
13 LPIC2051_DV.L
14 F2_1AC0011
15 F2_1AC0004
16 T2_1_1,RN
17 LPIC2051_CS.L
18 F2_1AC0005
19 F2_1AC0006
20 F2_1AC0007
21 T2_1_2,RN
22 1_2MPa_FLG.H
23 T2_1_3,RN
24 LGIC2001_CS.L
25 F2_1AC0008
26 F2_1AC0009
27 CMPOK.H
28 T2_1_4,RN
29 CMPONAL.H
30 F2_1AC0010

F2-1
圧縮機起動
1sec

Ｃ ルール番号

ルールＮｏ． →コメント
実行許可フラグ
Ｈｅ圧縮機運転
１．２ＭＰａ静定フ
タイマ１ 停止状態
タイマ１ アップ状LPIC2052<0.2MPa
PSV2001=30%
LPIC2051.PV>1.19
LPIC2051.PV<1.21
タイマ２ 停止状態
タイマ２ アップ状
タイマ３ 停止状態
タイマ３ アップ状LGIC2001.PV>30%
GIC2001>=70%
PSV2001>=68%
タイマ４ 停止状態
タイマ４ アップ状

1 2 3 45 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17n yy yy yn nyyyyyny y yy y yn n ny yy yny yy yy yn
nyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyy

Ｆ 条件部ルール欄

yyyyyyyyYYyYYyyYy

ＬＯＡＤ弁用電磁弁n

Ｇ 操作部ルール欄

yyyyynN N yynyyyyyyynnyY

図 5. 液化機のシーケンステーブル

44y Y
n N YyＥ 操作部タグ名称欄

図 4. シーケンス構成図yyyy

Ｈｅ圧縮機起動指令
LPIC2502.MV=100%
吸入圧コントロー
LPIC2052.SV=LPIC20
RP_LPIC2052.SP=200
IA0004=0.165

ＵＮＬＯＡＤ弁用電
LPIC2051.S,DMV
RP2_LPIC2051.SP=1IA0003=50%
タイマ１ ＲＵＮ
LPIC2051 カスケー
LPIC2051.SV=LPIC20
RP_LPIC2051.SP=100
IA0002=1.2
タイマ２ ＲＵＮ
１．２ＭＰａ静定フ
タイマ３ ＲＵＮ
LGIC2001 カスケー
RP_LGIC2001.SP=400
IA0000=30
Ｈｅ圧縮機定格フラタイマ４ ＲＵＮ
起動渋滞
IA0000=70yyn Ny６．運転操作・監視端末
運転操作・監視用ＰＣのアプリケーションソフトには Labview を使用している。画面構成は運転画面、個別計器画面、アラームイベント画面、トレンド画面、系統図画面からなる。運転画面からはシーケンスを起動し全自動運転・停止から個別の運転操作を行う。個別計器画面では圧縮機、液化機１、液化機２、内部精製の 4 種類の画面に分けられ、必要なときマニュアルでバルブの操作や電磁弁の ON・OFFを行うことが可能である。アラームイベント画面は異常発生時の発生時間、異常発生ユーザタグ、異常内容について表示する。トレンド画面は圧縮機系、液化系、タービン系、内部精製系、回収ガス系の表示画面を持ち、温度、バルブ開度、液面、回転数等の時間変化をグラフ表示する。図 6 に液化系の運転トレンドを示す。図に示す通り A の予冷運転の時は大きく状態が変化し B の定常運転では安定状態のグラフになっていることがわかる。図 7 は内部精製系のトレンドである。C の予冷運転後、D：精製運転－E：加温再生－F：再冷却の状態が把握できる。我々はこれらトレンド画面を常に監視し予冷運転から定常運転へさらには定常運転において異常がないか見極めトラブルの早期発見へ繋げている。
最後に監視画面系統図を図 8 に示す。この画面によりヘリウム液化装置全体の情報を入手することができる。各部の説明と動きは次の通りである。
①ガスバックは回収量に合わせ表示が上下する。
②回収圧縮機運転、③高圧ドライヤー再生、④中圧乾燥器再生、⑥液化用圧縮機運転、⑩タービン回転
は状態を色識別する。彩色は運転中が緑、停止中が赤である。⑦のバルブは開閉状態及び開度、⑧の電磁弁は開閉状態を開のとき緑、閉止のとき白で表示する。⑤は回収カードルの圧力値で⑪はタービンの回転数を表示する。下部の⑫は内部精製の運転状態

液化運転
A： 予冷運転

B：定常運転図 6. 液化系予冷と定常状態のトレンド

内部精製運転
Ｆ：再冷却
Ｃ：予冷運転Ｅ：加温再生Ｄ：精製運転図 7. 内部精製系トレンドを点灯させる。またアナログ表示は表示点数が多いので、温度に対し黄、圧力に対し青、バルブの開度に対し白として色分別することで機器の状態把握を容易にしている。

⑦⑥⑧⑨⑩⑪
内部精製
液化系⑤④③⑫②①

図 8.

監視画面系統図45７．まとめ８．おわりにヘリウム液化装置の制御システムである大陽日酸開発のデジタル計装システムはオープンシステムである。ゆえに液化機の運転プログラムの変更が可能なことが特筆できる。これまでにシーケンス変更やフィードバックプログラムの改良を行い、また設定温度等の変更など様々な改善を行いヘリウム液化機の安定化を計ってきた。これは低温部門の役割である学内への液体ヘリウムの安定供給へと結び付いてきた。これからも運転制御システムを最大限に活用し安全且つ定常的な液体ヘリウムの供給に努めたい。

このシステムの監視画面は設備全体の状況の入手として高圧ガス設備の保安管理上便利であるが、この情報を過信することは禁物である。あくまでも監視画面は参考値であり基本的な状況は現場にあることを忘れてはいけない。バルブ操作においても同様に現場との連携のもと操作することが高圧ガス設備の安全確保の原則である。

Control system for helium liquefier
Mikio Miyauchia) , Yutaka Kondoa) , Shota Tsurugaa), Hiroshi Ikedab)a)

Cryogenics division, Technical Service Office of Research Facility Center for Science and Technology,
University of Tsukuba,
1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8577 Japanb)
Materials Science (Cryogenics division), University of Tsukuba,
1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8577 JapanThe cryogenics division, Research Facility Center for Science and Technology, supplies the liquid helium as liquid
refrigerant to the laboratories in the university we operate helium liquefier . The control system for the helium liquefiertakes liquefaction machine automatic driving and the management of the monitor of the helium liquefier. In this report
we introduce the control system for helium liquefier.

Keywords: helium liquefier46