| 【発明の名称】 |
極低温冷凍装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】藤原 健治
|
| 【要約】 |
【課題】冷凍機が取り付けられる被冷却装置の状況に応じて運転制御を行なえ、運転開始時等において所望の極低温を従来よりも短時間で得ることのできる省エネルギタイプの極低温冷凍装置を提供する。
【解決手段】超伝導マグネット２を冷却するための極低温冷凍装置において、電源１３と圧縮機ユニット９の間にインバータ１４を設ける。冷凍機５に温度センサ６を取り付け、超伝導マグネット２の温度としてシールド３内部の温度を検出する。温度センサ６の出力信号を、インバータ１４の制御を行なうコントローラ７に入力する。コントローラ７は、温度センサ６の出力信号に基づいてインバータ１４を制御する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 被冷却装置（２,２０,３０,４０）に直接あるいは間接に取り付けられる冷凍機（５）と、配管（１１,１２; １１ａ,１１ｂ,１２ａ,１２ｂ）を介して上記冷凍機（５）に接続され、高圧の冷媒ガスを上記冷凍機（５）に供給すると共に、低圧の冷媒ガスが上記冷凍機（５）から戻される圧縮機（９）とを備えて、上記被冷却装置（２,２０,３０,４０）を極低温に冷却する極低温冷凍装置において、上記被冷却装置は超伝導マグネット（２）であり、変換した周波数の信号を上記圧縮機（９）のモータに出力する周波数変換手段（１４）と、上記超伝導マグネット（２）の状況に応じて上記周波数変換手段（１４）を制御するコントローラ（７）とを備えたことを特徴とする極低温冷凍装置。
【請求項２】 被冷却装置（２,２０,３０,４０）に直接あるいは間接に取り付けられる冷凍機（５）と、配管（１１,１２; １１ａ,１１ｂ,１２ａ,１２ｂ）を介して上記冷凍機（５）に接続され、高圧の冷媒ガスを上記冷凍機（５）に供給すると共に、低圧の冷媒ガスが上記冷凍機（５）から戻される圧縮機（９）とを備えて、上記被冷却装置（２,２０,３０,４０）を極低温に冷却する極低温冷凍装置において、上記被冷却装置は容器（２０）であり、変換した周波数の信号を上記圧縮機（９）のモータに出力する周波数変換手段（１４）と、上記容器（２０）の状況に応じて上記周波数変換手段（１４）を制御するコントローラ（７）とを備えたことを特徴とする各種の極低温実験のために使用される極低温冷凍装置。
【請求項３】 被冷却装置（２,２０,３０,４０）に直接あるいは間接に取り付けられる冷凍機（５）と、配管（１１,１２; １１ａ,１１ｂ,１２ａ,１２ｂ）を介して上記冷凍機（５）に接続され、高圧の冷媒ガスを上記冷凍機（５）に供給すると共に、低圧の冷媒ガスが上記冷凍機（５）から戻される圧縮機（９）とを備えて、上記被冷却装置（２,２０,３０,４０）を極低温に冷却する極低温冷凍装置において、上記被冷却装置はチャンバ（３１）内を真空排気するためのポンプ容器（３０）であり、変換した周波数の信号を上記圧縮機（９）のモータに出力する周波数変換手段（１４）と、上記ポンプ容器（３０）の状況に応じて上記周波数変換手段（１４）を制御するコントローラ（７）とを備えたことを特徴とするクライオポンプとして使用される極低温冷凍装置。
【請求項４】 被冷却装置（２,２０,３０,４０）に直接あるいは間接に取り付けられる冷凍機（５）と、配管（１１,１２; １１ａ,１１ｂ,１２ａ,１２ｂ）を介して上記冷凍機（５）に接続され、高圧の冷媒ガスを上記冷凍機（５）に供給すると共に、低圧の冷媒ガスが上記冷凍機（５）から戻される圧縮機（９）とを備えて、上記被冷却装置（２,２０,３０,４０）を極低温に冷却する極低温冷凍装置において、上記被冷却装置は液溜容器（４０）であり、変換した周波数の信号を上記圧縮機（９）のモータに出力する周波数変換手段（１４）と、上記液溜容器内（４０）部の状況に応じて上記周波数変換手段（１４）を制御するコントローラ（７）とを備えたことを特徴とする簡易液化機として使用される極低温冷凍装置。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれか１つに記載の極低温冷凍装置において、上記被冷却装置（２,２０,３０,４０）の温度を検出する温度検出手段（６）をさらに備え、上記コントローラ（７）は、上記温度検出手段（６）からの信号に基づき、上記被冷却装置（２,２０,３０,４０）の温度が所定温度よりも高いときには、増加した周波数の信号を上記周波数変換手段（１４）が出力するように、上記被冷却装置（２,２０,３０,４０）が上記所定温度まで冷却された後は、減少した周波数の信号を上記周波数変換手段（１４）が出力するように、上記周波数変換手段（１４）を制御することを特徴とする極低温冷凍装置。
【請求項６】請求項１乃至５のいずれか１つに記載の極低温冷凍装置において、上記コントローラ（７）は、装置起動時、増加した周波数の信号を上記周波数変換手段（１４）が出力するように上記周波数変換手段（１４）を制御することを特徴とする極低温冷凍装置。
【請求項７】請求項３，５または６に記載の極低温冷凍装置において、上記コントローラ（７）は、再生プロセス中は、減少した周波数の信号を上記周波数変換手段（１４）が出力するように、上記再生プロセスの終了後には、増加した周波数の信号を上記周波数変換手段（１４）が出力するように、上記周波数変換手段（１４）を制御することを特徴とする極低温冷凍装置。
【請求項８】請求項３，５，６または７に記載の極低温冷凍装置において、上記コントローラ（７）は、上記チャンバ（３１）の排気時に、増加した周波数の信号を上記周波数変換手段（１４）が出力するように、上記周波数変換手段（１４）を制御することを特徴とする極低温冷凍装置。
【請求項９】請求項４，５または６に記載の極低温冷凍装置において、上記液溜容器（４０）内部の液面を検出する液面検出手段（４２,４３）を備え、上記コントローラ（７）は、上記液面検出手段（４２,４３）からの信号に基づいて、上記液溜容器（４０）内部の液面が所定の高レベルよりも低いときには、増加した周波数の信号を上記周波数変換手段（１４）が出力するように、上記液溜容器（４０）内部の液面が上記所定の高レベルに達した後には、減少した周波数の信号を上記周波数変換手段（１４）が出力するように、上記周波数変換手段（１４）を制御することを特徴とする極低温冷凍装置。
【請求項１０】 請求項１乃至９のいずれか１つに記載の極低温冷凍装置において、上記圧縮機（９）は第１の熱交換器と共にハウジング内に収容されて屋外設置型の圧縮機ユニット（２１）を構成しており、この圧縮機ユニット（２１）と上記冷凍機（５）との間に第２の熱交換器を備えた室内設置型の中間ユニット（２３）を介在させていることを特徴とする極低温冷凍装置。
|
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はＭＲＩ（磁気共鳴映像法）などのための超伝導マグネット冷却装置、真空を得るためのクライオポンプ、あるいは簡易液化装置等として使用される極低温冷凍装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】極低温冷凍装置は、一般に、蓄冷材を収納すると共に膨脹室を内部に有する膨脹式冷凍機と、圧縮機を収納した圧縮機ユニットとを備えており、上記冷凍機が極低温に冷却されるべき装置や容器等（以下、これらをまとめて単に被冷却装置という。）に取り付けられる。そして、圧縮機によって高圧にした冷媒ガスを冷凍機に送り、ここでその高圧の冷媒ガスを蓄冷材によって冷却してから膨脹させてさらに冷却し、その低圧の冷媒ガスを圧縮機に戻すという冷凍サイクルを繰り返すことによって、極低温を得ている。
【０００３】このような極低温冷凍装置は、従来、商用電源を用いて動作するように設計されている。そして、その運転は基本的にはON/OFF制御のみを行なうものであり、冷凍機が取り付けられる被冷却装置の使用状況に拘わらず、消費電力一定の運転がなされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、最近では、環境意識の高まりや経費節減の観点から、分野を問わず省エネルギの要求が強く、その達成が１つの重要な課題となっている。これは極低温冷凍装置の分野においても例外ではない。特に、非常に多くの台数のクライオポンプが使用される工場、たとえば半導体工場等において省エネルギ化が達成できれば、消費電力の節約量は莫大な量となり、省エネルギ化の意義は大きい。
【０００５】また、従来の極低温装置は、運転開始時等において、冷却すべき容器や装置等を室温から所望の極低温にまで冷却するのに比較的長い時間を必要としていた。
【０００６】そこで，本発明の目的は、冷凍機が取り付けられる被冷却装置の状況に応じて運転制御を行なえ、運転開始時等において所望の極低温を従来よりも短時間で得ることのできる省エネルギタイプの極低温冷凍装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、本発明は、被冷却装置に直接あるいは間接に取り付けられる冷凍機と、配管を介して上記冷凍機に接続され、高圧の冷媒ガスを上記冷凍機に供給すると共に、低圧の冷媒ガスが上記冷凍機から戻される圧縮機とを備えて、上記被冷却装置を極低温に冷却する極低温冷凍装置において、以下に記載の構成を特徴としている。
【０００８】請求項１の発明は、上記被冷却装置が超伝導マグネットであり、変換した周波数の信号を上記圧縮機のモータに出力する周波数変換手段と、上記超伝導マグネットの状況に応じて上記周波数変換手段を制御するコントローラとを備えたことを特徴としている。
【０００９】請求項２の発明は各種の極低温実験のために使用される極低温冷凍装置を提供するものであり、上記被冷却装置は容器であり、変換した周波数の信号を上記圧縮機のモータに出力する周波数変換手段と、上記容器の状況に応じて上記周波数変換手段を制御するコントローラとを備えたことを特徴としている。
【００１０】また、請求項３の発明はクライオポンプとして使用される極低温冷凍装置を提供するものであり、上記被冷却装置はチャンバ内を真空排気するためのポンプ容器であり、変換した周波数の信号を上記圧縮機のモータに出力する周波数変換手段と、上記ポンプ容器の状況に応じて上記周波数変換手段を制御するコントローラとを備えたことを特徴としている。
【００１１】請求項４の発明は簡易液化器として使用される極低温冷凍装置を提供するものであり、上記被冷却装置は液溜容器であり、変換した周波数の信号を上記圧縮機のモータに出力する周波数変換手段と、上記液溜容器の状況に応じて上記周波数変換手段を制御するコントローラとを備えたことを特徴としている。
【００１２】上記請求項１乃至４のいずれの極低温冷凍装置においても、被冷却装置（超伝導マグネット、容器、ポンプ容器、液溜容器）が所望の極低温にまで冷却されねばならない状況にあるときなどには、上記コントローラと周波数変換手段の働きによって、冷凍能力を高めるべく圧縮機のモータを増速させる制御が可能となる。したがって、このような制御の下では、被冷却装置は短時間で所望の極低温に冷却される。
【００１３】一方、被冷却装置がすでに所望の極低温状態にあるときや、温度を上げなければならない状況にあるとき、上記コントローラと周波数変換手段の働きによって、冷凍能力を低下させるべく圧縮機のモータを減速させる制御が可能となる。したがって、このような制御の下では、省電力運転が行なわれる。ところで、一般に、極低温冷凍装置は、断熱性に非常に優れている。したがって、上記請求項１乃至４のいずれの極低温冷凍装置においても、被冷却装置（超伝導マグネット、容器、ポンプ容器、液溜容器）を一旦所望の温度にまで冷却してしまえば、省エネルギーのため圧縮機の働きをある程度低下させて冷凍能力を落としても被冷却装置の温度は上昇しにくく、問題はない。
【００１４】請求項５の発明は、上述の各極低温冷凍装置が上記被冷却装置の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、上記コントローラは、上記温度検出手段からの信号に基づき、上記被冷却装置の温度が所定温度よりも高いときには、増加した周波数の信号を上記周波数変換手段が出力するように、上記被冷却装置が上記所定温度まで冷却された後は、減少した周波数の信号を上記周波数変換手段が出力するように、上記周波数変換手段を制御することを特徴としている。
【００１５】この構成によれば、被冷却装置の温度変化に応じてきめ細かな運転制御が行なわれる。
【００１６】請求項６の発明は、上述の各極低温冷凍装置において、上記コントローラが、装置起動時、増加した周波数の信号を上記周波数変換手段が出力するように、上記周波数変換手段を制御することを特徴としている。
【００１７】この構成によれば、起動時に被冷却装置は急速に冷却されるので、短時間で目的とする使用可能状態となる。
【００１８】請求項７の発明は、クライオポンプとして使用される上記各極低温冷凍装置において、上記コントローラが、再生プロセス中は、減少した周波数の信号を上記周波数変換手段が出力するように、上記再生プロセスの終了後には、増加した周波数の信号を上記周波数変換手段が出力するように、上記周波数変換手段を制御することを特徴としている。
【００１９】この構成によれば、再生プロセス中には低能力運転が行なわれる。また、再生プロセス後はポンプ容器が急速に冷却され、短時間で次のチャンバ排気プロセスに移行できる。
【００２０】請求項８の発明は、クライオポンプとして使用される上記各極低温冷凍装置において、上記コントローラが、上記チャンバの排気時に、増加した周波数の信号を上記周波数変換手段が出力するように、上記周波数変換手段を制御することを特徴としている。
【００２１】この構成によれば、熱負荷が増加する排気時に冷凍能力を高めるよう制御が行なわれるので、チャンバ内の排気が良好に行なわれる。
【００２２】請求項９の発明は、簡易液化機として使用される上記極低温冷凍装置が上記液溜容器内部の液面を検出する液面検出手段を備え、上記コントローラが、上記液面検出手段からの信号に基づいて、上記液溜容器内部の液面が所定の高レベルよりも低いときには、増加した周波数の信号を上記周波数変換手段が出力するように、上記液溜容器内部の液面が上記所定の高レベルに達した後には、減少した周波数の信号を上記周波数変換手段が出力するように、上記周波数変換手段を制御することを特徴としている。
【００２３】この構成によれば、液化中には冷凍能力を高め、液化完了後には省電力運転を行なうことが可能となる。
【００２４】請求項１０の発明は、上述の各極低温冷凍装置において、上記圧縮機が第１の熱交換器と共にハウジング内に収容されて屋外設置型の圧縮機ユニットを構成しており、この圧縮機ユニットと上記冷凍機との間に第２の熱交換器を備えた室内設置型の中間ユニットを介在させていることを特徴としている。
【００２５】この構成によれば、運転騒音の大きい圧縮機ユニットは屋外に設置されるため、被冷却装置が設置されている室内が静かになる。また、第１の熱交換器と第２の熱交換器とによる２段階冷却によって、室外温度が上がっても、圧縮機によって圧縮された高圧の冷媒ガスは確実に冷却される。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２７】（第１の実施の形態）図１に本発明の第１の実施の形態である超伝導マグネット冷却装置の構成を示す。この超伝導マグネット冷却装置はＭＲＩのためのものであり、図１において、１は中央部分に患者を収容するための空洞部分１aと、上記空洞部分１ａを取り巻く筒状空間１ｂとを有する容器で、上記筒状空間１ｂには超伝導マグネット（以下、マグネット）２がシールド３内に封入された状態で設置されている。この冷却装置は冷凍機５でマグネット２を直接冷却する直冷方式であり、冷凍機５はその第１のヒートステーション５ａがマグネット２に、そして第２のヒートステーション５ｂがシールド３に接触した状態で容器１に取り付けられている。図示の冷凍機５は公知の膨脹式冷凍機であるが、それ以外のタイプの冷凍機を使用してもよい。
【００２８】上記冷凍機５には温度センサ６を取り付け、マグネット２の温度としてシールド３内部の温度を検出するようにしている。温度センサ６の出力信号はコントローラ７に送られる。上記コントローラ７には、温度センサ６からの出力信号のほか、図示してはいないが、電源スイッチやスタートボタン、運転停止ボタン、あるいは励磁指示ボタンといった運転制御手段からの信号も入力されるようになっている。コントローラ７は温度センサ６によって検出された温度はもちろんのこと、上記したような運転制御手段からの信号に応じて、制御信号を生成する。
【００２９】上記冷凍機５には室内設置型の圧縮機ユニット８が接続されている。圧縮機ユニット８は圧縮機９を内蔵しており、圧縮機９で圧縮されたヘリウム等の高圧冷媒ガスを配管１１を通して冷凍機５に供給する一方、冷凍機５から排出された低圧冷媒ガスを配管１２を通して圧縮機５に戻す。一方、圧縮機ユニット８と商用電源１３との間には周波数変換手段としてインバータ１４が設けられており、このインバータ１４からの出力信号が圧縮機９のモータに供給される。インバータ１４は上記コントローラ７によって制御され、コントローラ７からの制御信号に応じて周波数を変化させる。上記インバータ１４の種類にはＣＶＣＦ(controlled voltage controlled frequency )も含まれる。
【００３０】コントローラ７は、温度センサ６によって検出された温度が所定の設定温度（たとえば１０Ｋ）よりも高いか、又はそれ以下であるかを判定して、設定温度よりも高ければ、インバータ１４が生成信号の周波数を上げるように、設定温度以下であれば、周波数を下げるように、インバータ１４を制御する。
【００３１】コントローラ７によるこのような制御の下で、シールド３内部の温度したがってマグネット２の温度が室温となっている装置起動時（初めての使用時やメンテナンス後の使用時を含む）や、励磁のときには、インバータ１４は周波数を所定の値（たとえば６０Ｈｚ）よりも増大（たとえば７０Ｈｚ）させた信号を生成し、その信号を圧縮機９のモータに出力する。この結果、モータの回転速度が上がり、冷媒ガスの循環量が増加するので、冷凍能力が高まり、マグネット２は所望の極低温にまで急速に、従って従来よりも短い時間で冷却される。たとえば、従来では４０分かかっていた冷却時間を、この実施形態では２０分程度まで短くすることが可能である。
【００３２】マグネット２の温度が設定温度に達すると、直ちにあるいは一定時間経過後に、インバータ１４がコントローラ７の制御の下、周波数を所定値以下に減らした信号をモータに出力する。こうして省電力運転が行なわれる。このとき、極低温冷凍装置は断熱性が非常によいことから、モータを少々減速させて冷凍能力を低下させても温度は上がりにくい。つまり極低温を維持できる。
【００３３】なお、ここでは医療の分野で使用される超伝導マグネット冷却装置について説明したが、本発明はそれ以外の分野で使用される超伝導マグネット冷却装置についても適用できる。
【００３４】また、ここで説明した超伝導マグネット冷却装置は直冷式のものであったが、間接冷凍式、すなわち、冷凍機５をマグネット２に直接取り付けるのではなく、マグネット２を収容した容器に冷凍機５をつなぎ、その容器の中に液体ヘリウムを入れることによってマグネット２を冷却する方式としてもよい。この場合には、容器に液体ヘリウムを入れ始めるときに周波数を上げ、完全に液体ヘリウムを容器に入れてしまったら、周波数を下げて消費電力を減らすようにすればよい。
【００３５】図１に示した冷却装置では、インバータ１４やコントローラ７を圧縮ユニット９の外部に設置しているが、圧縮機ユニット９に組み込んでもよい。
【００３６】また、上記温度センサ６に代えて、あるいは温度センサ６に加えて、圧力センサ等、別の種類のセンサを用いてもよい。
【００３７】（第２の実施の形態）第２の実施の形態を図２に示す。この図において、図１に示したものと同じ構成、働きを有する部分は同じ符号で表し、その部分についての説明は省略する。
【００３８】この第２の実施の形態である極低温冷凍装置は主として研究目的に用いることを意図したものであり、冷凍機５は実験サンプルを収容したりする容器２０に取り付けられる。この場合、実験内容（アプリケーション）に応じて冷却目標温度が異なるため、コントローラ７における設定温度は実験内容に応じて変更される。
【００３９】この実施形態においても、装置起動時は容器２０内部は室温となっているため、コントローラ７の制御の下で、インバータ１４は周波数を所定値（たとえば６０Ｈｚ）よりも増大させた信号をモータに出力し、モータを増速させる。この結果、冷却能力が向上し、容器２０内部は短時間で設定温度にまで冷却される。一旦容器２０の内部が設定温度まで冷却されると、今度は周波数を所定値以下にして省電力運転を行なう。
【００４０】第１の実施の形態について説明した種々の変形の幾つかは本実施の形態にも当てはまることは言うまでもない。
【００４１】（第３の実施の形態）本発明をクライオポンプに適用した実施の形態を図３に示す。この図において、図１に示したものと同様な構成、働きを有する部分は同じ符号で表し、その部分についての説明は省略する。
【００４２】図３において、３０は冷凍機５が取り付けられたポンプ容器、３１はたとえば半導体装置を製造するための真空排気されるチャンバ３１である。温度センサ６はポンプ容器３０内の適当な箇所（たとえば、図示しないクライオパネル）に取り付けられる。この実施の形態では、ポンプの処理工程と温度センサ６からの出力信号とに応じて次のような運転制御が行なわれる。
【００４３】まず、装置起動時には前述の実施の形態同様、ポンプ容器３０内は室温状態なので、周波数を所定値（たとえば６０Ｈｚ）よりも上げて、ポンプ容器３０内を所定の設定温度まで急速に冷却する。この設定温度は排気すべきガスの種類に応じて決定すればよい。そして、一旦設定温度まで冷却してしまうと、周波数を所定値まで下げる。
【００４４】次に、チャンバ３１とポンプ容器３０との間のシャッタが開けられてチャンバ３１の排気処理が開始されると、冷凍機の熱負荷が増大するため、ポンプ容器３０内の温度が上昇する。したがって、周波数を再び上げて冷凍能力を高め、ポンプ容器３０内部を設定温度まで急速に冷却する。そして、設定温度に達すると、周波数を所定値以下に下げて、省電力運転を行なう。なお、排気処理時の周波数増加タイミングは、温度センサ６による検出温度の変化に従ってもよいし、あるいは、排気処理の開始を知らせる信号をコントローラ７に入力するようにしておき、その信号の入力タイミングに従うようにしてもよい。
【００４５】再生プロセス時には、ポンプ容器３０内に凍結捕集あるいは吸着されたガス分子を蒸発させるために、ポンプ容器３０内の温度を上げる必要がある。したがって、このときには、低能力運転モードとなり、周波数を減少させて冷凍能力を落とす。
【００４６】再生プロセスが終了すると、ポンプ容器３０内の温度が所定温度よりも高くなってしまっているため、次のチャンバ内排気処理のために、周波数を所定値よりも大きくして冷凍能力を高め、ポンプ容器３０内を急速に冷却する。したがって、再生プロセス終了後、短時間で次の排気処理を行なうことができる。
【００４７】なお、コントローラ７には、温度センサ６からの出力信号のほか、再生プロセスの開始、終了を制御する手段（図示せず）からの出力信号も入力されており、これによって、コントローラ７はクライオポンプが再生プロセス中であるかどうかを知ることができる。
【００４８】なお、ここでは、説明を簡単にするために１つの設定温度のみを用いた例を用いたが、細かい制御を行なうためには２つ以上の設定温度を用いるのが望ましい。たとえば、再生プロセス時の運転制御のために、チャンバ内排気時の運転制御に使用される設定温度よりも高い温度を第２の設定温度として使用することができる。
【００４９】第１の実施の形態について説明した種々の変形の幾つかは本実施の形態にも当てはまることは言うまでもない。
【００５０】（第４の実施の形態）図４は本発明を窒素ガス等のガスを液化するための簡易液化機に適用した第４の実施の形態である。この図において、図１に示したものと同様な構成、働きを有する部分は同じ符号で表し、その部分についての説明は省略する。
【００５１】図４において、４０は冷凍機５が取り付けられた液溜容器、４１はガスラインである。コントローラ７には上記ガスライン４１に設けられたバルブの開閉を制御する手段(図示せず）からの信号も入力されるようになっている。
【００５２】この簡易液化機では、上述の各実施の形態と同じく、装置起動時で液溜容器が室温にあるときには、周波数を増加させて液溜容器４０内部を設定温度まで急速に冷却する。また、その後の液溜容器４０内にガスを導入して液化処理を行なうときにも、導入されるガスによって液溜容器４０内の温度が上昇するため、周波数を増加させて冷凍能力を高める運転制御が行なわれる。液溜容器４０内の温度が設定温度にまで冷却されると、周波数を減少させる。
【００５３】温度センサ６の代りに、図５に示すように、上記液溜容器４０内の上側位置と下側位置にオン／オフ式の液面センサ４２，４３を取り付け、これらのセンサからのオン信号あるいはオフ信号をコントローラ７に入力することによって、液溜容器内の液量に基づいた制御を行なうこともできる。この場合、コントローラ７はたとえば、次のような制御を行なうことができる。
【００５４】ガス導入開始後に下側液面センサ４３がオンした後、上側液面センサ４２がオンするまでの間は、液化中だと判断して、周波数を上げるようにインバータ１４を制御する。また、上側液面センサ４２がオンすると、液化が完了したと判断して、周波数を所定値まで下げるようにインバータ１４を制御する。液化が完了し、液を図示しない配管を通して排出すると、先ず、上側液面センサ４２がオフし、続いて、下側液面センサ４３がオフする。このとき、コントローラ７は液量が少量になったと判断して、省電力モードに入り、周波数を所定値以下に下げるようインバータを制御する。
【００５５】これらの液面センサ４２，４３は、その少なくとも一方を温度センサ６と同時に使用することもできる。この場合には、より細かい運転制御を行なうことができる。
【００５６】この簡易液化機でも、装置起動時には周波数を増大させるので短時間にガス導入前の準備を行なうことができ、また、ガス導入中も周波数を増大させて冷凍能力を高めているので液化を迅速に行うことができる。一方、所望の温度にまで冷却した後あるいは少量の液しか液溜容器４０に入っていないときには周波数を減少させるので、電力消費を低減できる。
【００５７】第１の実施の形態について説明した種々の変形の幾つかは本実施の形態にも当てはまることは言うまでもない。
【００５８】（第５の実施の形態）上記第１〜第４実施の形態において使用した圧縮機ユニット８は室内設置型のものであったが、これらいずれの実施形態においても屋外設置型の圧縮機ユニットを使用することができる。図６は、一例として、図２に示した実施の形態における圧縮機ユニット８を屋外設置型の圧縮機ユニット２１に置き換えたものを示している。図６において、図２に示したものと同様な構成、働きを有する部分は同じ符号で表し、その部分についての説明は省略する。
【００５９】屋外設置型の圧縮機ユニット２１としては、たとえば国際公開番号ＷＯ９７／０４２７７に開示された公知のものを使用でき、図示はしないが、圧縮機のほか、圧縮機の吐出側配管に介設された第１空冷熱交換器を内蔵している。圧縮機ユニット２１内の圧縮機のモータには、インバータ１４の出力信号が入力される。
【００６０】圧縮機ユニット２１と冷凍機５との間には室内に設置される中間ユニット２３が設けられる。中間ユニット２３は第２空冷熱交換器（図示せず）を内蔵している。この中間ユニット２３についても、たとえば前述の国際公開番号ＷＯ９７／０４２７７に開示された公知のものを使用できる。
【００６１】この装置では、第１空冷熱交換器において外気と熱交換させて冷却したヘリウム等の高圧冷媒ガスを、配管１１ａを介して中間ユニット２３内の第２空冷熱交換器に送り、ここで室内空気と熱交換させてさらに冷却した後、配管１１ｂを介して冷凍機５に供給する。そして、冷凍機５から排出された低圧冷媒ガスを配管１２ｂ、中間ユニット内の図示しない戻り管、そして配管１２ａを通して圧縮機５に戻す。
【００６２】上の説明からもわかるように、第２空冷熱交換器を有する中間ユニット２３を屋外の圧縮ユニット２１と冷凍機５との間に設置する理由は、高い室外温度による冷媒ガスへの影響をなくすためである。つまり、室外温度が高い場合には、冷媒ガスの温度も上昇してしまうため、この上昇した温度を下げるために、室内に設置した第２空冷熱交換器によって冷媒ガスを冷却しているのである。
【００６３】圧縮機ユニット２１には室外温度を検出するための室外温度センサ２２が設けられており、この室外温度センサ２２の出力信号もコントローラ７に入力されるようになっている。
【００６４】この装置においては、コントローラ７は温度センサ６による検出温度や、各種のスイッチ等から送られる情報に基づき、第２の実施の形態に関連して説明したのと同様の制御を行なう。さらに、室外温度に拘わらず高圧冷媒ガスの２段階熱交換後の温度を略一定に保つべく、室外温度センサ２２の出力信号に基づいて、次のような制御を行なう。つまり、室外温度が所定の高温度（たとえば３２℃）よりも高い場合にはインバータ１４から出力される信号の周波数を下げて圧縮能力を落とし、圧縮後の高圧冷媒ガスの温度を余り上げないようにすることによって、２段階の空冷熱交換を通じて高圧冷媒ガスを所定温度まで冷却する。一方、室外温度が所定の低温度（たとえば１２℃）よりも低い場合には、インバータ１４から出力される信号の周波数を上げて圧縮能力を高めることによって、圧縮後の高圧冷媒ガスの温度を上げ、２段階の空冷熱交換を経ても高圧冷媒ガスが冷却され過ぎることのないようにするのである。こうして、外気温の変化に拘わらず、２段階の空冷熱交換後の高圧冷媒ガスの温度を常にほほ一定に保つことができる。
【００６５】以上、被冷却装置の種々の状況に応じた周波数制御を説明したが、上記以外の周波数制御ももちろん可能である。
【００６６】
【発明の効果】以上の説明より明らかなように、請求項１の極低温冷凍装置は超伝導マグネット冷却装置として使用されるものであり、請求項２の極低温冷凍装置は研究，評価用に使用されるものであり、請求項３の極低温冷凍装置はクライオポンプとして使用されるものであり、請求項４の極低温冷凍装置は簡易液化機として使用されるものであるが、そのいずれにおいても、変換した周波数の信号を圧縮機のモータに出力する周波数変換手段と、被冷却装置（請求項１においては超伝導マグネット、請求項２においては容器、請求項３においてはポンプ容器，請求項４においては液溜容器）の状況に応じて上記周波数変換手段を制御するコントローラとを備えているので、それぞれの被冷却装置が所望の極低温にまで冷却されねばならない状況にあるときなどには、上記コントローラと周波数変換手段の働きによって、冷凍能力を高めるべく圧縮機のモータを増速させる制御を行なって冷凍能力を高めることができる。したがって、被冷却装置を短時間で所望の極低温に冷却することができる。一方、被冷却装置がすでに所望の極低温状態にあるときや、温度を上げなければならない状況にあるときには、上記コントローラと周波数変換手段の働きによって、省電力運転を行なうことができる。
【００６７】請求項５の発明によれば、上述の各極低温冷凍装置において、上記コントローラが、温度検出手段からの信号に基づき上記周波数変換手段を制御するので、被冷却装置の温度変化に応じたきめ細かな運転制御を行なうことができる。
【００６８】請求項６の発明によれば、上述の各極低温冷凍装置において、上記コントローラが、装置起動時、上記周波数変換手段を、出力信号の周波数を増加するように制御するので、装置起動時に被冷却装置を所望の極低温にまで急速に、したがって従来よりも短時間で冷却することができる。
【００６９】請求項７の発明によれば、クライオポンプとして使用される上記各極低温冷凍装置において、再生プロセス中には、上記コントローラが上記周波数変換手段を出力信号の周波数を減少させるように制御するので、省電力運転を行なうことができる。一方、再生プロセスの終了後には、上記コントローラが上記周波数変換手段を、増加した周波数の信号を出力するように制御するので、加温されたポンプ容器を急速に冷却でき、短時間で次のチャンバ排気プロセスに移行できる。
【００７０】請求項８の発明によれば、クライオポンプとして使用される上記各極低温冷凍装置において、上記チャンバの排気時には、上記コントローラが、増加した周波数の信号を出力するように上記周波数変換手段を制御するので、熱負荷が増加する排気時にあっても、ポンプ容器内を所望の極低温状態に保つことができ、チャンバ内の排気を良好に行なうことができる。
【００７１】請求項９の発明によれば、簡易液化機として使用される上記極低温冷凍装置において、上記コントローラは、液溜容器内部の液面を検出する液面検出手段からの信号に基づいて、上記液溜容器内部の液面が所定の高レベルよりも低いときには、増加した周波数の信号を出力するように、上記液溜容器内部の液面が上記所定の高レベルに達した後には、減少した周波数の信号を出力するように上記周波数変換手段を制御するので、液化中には冷凍能力を高め、液化完了後には省電力運転を行なうことができる。
【００７２】請求項１０の発明によれば、運転騒音の大きい圧縮機ユニットは屋外に設置されるため、被冷却装置が設置されている室内が静かになる。また、第２の熱交換器を有する室内設置型の中間ユニットを圧縮機ユニットと冷凍機との間に設けているので、第１の熱交換器と第２の熱交換器とによる２段階冷却によって、室外温度が上昇しても、高圧冷媒ガスを所定の温度まで冷却することができ、室外温度の上昇による冷凍能力の低下を防止することができる。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】０００００２８５３
【氏名又は名称】ダイキン工業株式会社
|
| 【出願日】 |
平成１０年１０月２１日（１９９８．１０．２１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６２１４４
【弁理士】
【氏名又は名称】青山 葆 （外１名）
|
| 【公開番号】 |
特開２０００−１２１１９２（Ｐ２０００−１２１１９２Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年４月２８日（２０００．４．２８） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−２９９５０８ |
|