| 【発明の名称】 |
極低温冷凍装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】田村 智徳
【氏名】西場 徳二
|
| 【要約】 |
【課題】圧縮ユニットから冷凍機へ供給する冷媒の流量を広範囲に確保できるようにすること。
【解決手段】冷媒を圧縮して加圧する圧縮機１１を備えた圧縮ユニット１２と、この圧縮ユニットからの加圧冷媒により極低温を実現する冷凍機１３と、を有する極低温冷凍装置１０において、圧縮ユニットの高圧側経路１５Ａと低圧側経路１５Ｂとが、メイン圧力調整弁２３を備えたメインバイパス配管２４により連結され、上記メイン圧力調整弁は低圧側経路の圧力が所定圧力Ａ以下となったときに開弁して、高圧側経路から低圧側経路へ冷媒をバイパスするよう構成されたものである。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 冷媒を圧縮して加圧する圧縮機を備えた圧縮ユニットと、この圧縮ユニットからの加圧冷媒により極低温を実現する冷凍機と、を有する極低温冷凍装置において、上記圧縮機ユニットの高圧側経路と低圧側経路とが、圧力調整弁を備えたバイパス経路により連結され、上記圧力調整弁は、低圧側経路の圧力が所定圧力Ａ以下となったときに開弁して、上記高圧側経路から上記低圧側経路へ冷媒をバイパスするよう構成されたことを特徴とする極低温冷凍装置。
【請求項２】 上記圧縮ユニットの高圧側経路には、この高圧側経路の圧力を検出する圧力センサが設置され、また、上記高圧側経路と低圧側経路とが、開閉弁を備えたサブバイパス経路にて連結され、上記開閉弁は、上記圧力センサにて検出された圧力が所定圧力Ｂ以上となったときに開弁して、上記高圧側経路の冷媒を上記低圧側経路へバイパスするよう構成されたことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍装置。
【請求項３】 上記圧縮ユニットにおける高圧側経路と低圧側経路とが、サブ圧力調整弁を備えたサブバイパス経路にて連結され、上記サブ圧力調整弁は、上記高圧側経路の圧力が所定圧力Ｂ以上となったときに開弁して、上記高圧側経路の冷媒を上記低圧側経路へバイパスするよう構成されたことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍装置。
|
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超電導マグネットや半導体素子等の冷却装置、極低温における物性テスト装置の冷却装置、液体ヘリウムを凝縮するための冷却装置又はクライオポンプなどに利用される極低温冷凍装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、極低温冷凍装置は、極低温に冷却されたパネルに気体分子を凝縮又は吸着して高真空圧を発生させるクライオポンプに利用されて、上述のようにパネルを極低温(例えば１０〜２０Ｋ)に冷却したり、超電導マグネットや物性テスト装置等の冷却装置に利用されて、超電導マグネットや試料を極低温(例えば４Ｋ)まで冷却させるものである。
【０００３】このような極低温冷凍装置１０１は、図５に示すように、圧縮機１０２を備えた圧縮ユニット１０３と冷凍機１０４とが連結配管１０５Ａ、１０５Ｂにて接続されて構成される。圧縮ユニット１０３における冷媒配管１００には、圧縮機１０２の吐出側に熱交換器１０６が配設されて、圧縮機１０２にて加圧された高温高圧の冷媒（Ｈｅガス）が常温の高圧ガスに熱交換される。この高圧ガスが冷凍機１０４へ供給されて断熱膨張され、冷凍機１０４の低温端部１０４Ａが極低温に冷却される。
【０００４】上記圧縮ユニット１０３の冷媒配管１００は、圧縮機１０２の吐出側が高圧側経路１００Ａとされ、圧縮機１０２の吸込側が低圧側経路１００Ｂとされる。高圧側経路１００Ａに熱交換器１０６（前述）、オイルセパレータ１０７及びアドソーバ１０８が順次配設される。この高圧側経路１００Ａから連結配管１０５Ａを介して冷凍機１０４へ、上述の如く冷媒が供給される。また、低圧側経路１００Ｂにバッファタンク１０９が配設される。冷凍機１０４からの減圧された冷媒は、連結配管１０５Ｂを介して低圧側経路１００Ｂへ導入され、圧縮機１０２に戻される。
【０００５】上記圧縮ユニット１０３は、台数も含め様々な能力の冷凍機１０４に対応できることが望ましく、そのためには、冷凍機１０４へ供給する冷媒の流量が広範囲に確保される必要がある。
【０００６】ところで、冷凍機１０４が、圧縮ユニット１０３の圧縮機１０２から吐出されるほどの冷媒の流量を必要としない場合、または、圧縮ユニット１０３に冷凍機１０４が接続されていない場合には、圧縮ユニット１０３の高圧側経路１００Ａにおいて圧力が上昇してしまう。そこで、従来の極低温冷凍装置１０１では、高圧側経路１００Ａと低圧側経路１００Ｂとを、差圧弁１１０を備えたバイパス配管１１１で連結し、上記高圧側経路１００Ａと低圧側経路１００Ｂとの差圧が差圧弁１１０の設定値以上となったときに、この高圧側経路１００Ａ内の高圧冷媒を低圧側経路１００Ｂへバイパスして、高圧側経路１００Ａを高圧から保護している。
【０００７】例えば、高圧側経路１００Ａを２０ｋｇ／ｃｍ2とし、低圧側経路１００Ｂを７ｋｇ／ｃｍ2とする冷凍機１０４を圧縮ユニット１０３に接続し、上記差圧弁１１０の設定値を１５ｋｇ／ｃｍ2としたとき、圧縮ユニット１０３の高圧側経路１００Ａにおける圧力が何らかの原因で上昇し、２２ｋｇ／ｃｍ2を越えると差圧弁１１０が開弁する。これにより、高圧側経路１００Ａ内の高圧冷媒が低圧側経路１００Ｂへバイパスされて、高圧側経路１００Ａ内の圧力は２２ｋｇ／ｃｍ2に維持される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の一例においては、図６に示すように、低圧側経路１００Ｂの圧力が約７ｋｇ／ｃｍ2付近まで低下したときに、圧縮ユニット１０３の圧縮機１０２にて圧縮された冷媒が高圧側経路１００Ａから低圧側経路１００Ｂへバイパスされて、冷凍機１０４へ供給される流量が急激に減少する。このように、圧縮ユニット１０３から冷凍機１０４へ供給できる冷媒流量の下限値が差圧弁１１０に支配されてしまうため、圧縮機１０２が本来有する能力を生かすことができない場合がある。従って、圧縮ユニット１０３が冷凍機１０４へ供給する冷媒の流量を広範囲に確保することができない。
【０００９】また、例えば、差圧弁１１０の設定値が前述と同様に１５ｋｇ／ｃｍ2である場合、高圧側経路１００Ａを２１ｋｇ／ｃｍ2とし、低圧側経路１００Ｂを５ｋｇ／ｃｍ2とする冷凍機１０４を圧縮ユニット１０３に接続したときには、差圧弁１１０が常に開弁して、高圧側経路１００Ａの高圧冷媒が低圧側経路１００Ｂへバイパスされてしまう。このため、圧縮ユニット１０３の高圧側経路１００Ａは最高でも２０ｋｇ／ｃｍ2にしかならず、この結果、冷凍機１０４の能力を最大限に発揮させることができない。
【００１０】本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、圧縮ユニットから冷凍機へ供給する冷媒の流量を広範囲に確保できる極低温冷凍装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明は、冷媒を圧縮して加圧する圧縮機を備えた圧縮ユニットと、この圧縮ユニットからの加圧冷媒により極低温を実現する冷凍機と、を有する極低温冷凍装置において、上記圧縮機ユニットの高圧側経路と低圧側経路とが、圧力調整弁を備えたバイパス経路により連結され、上記圧力調整弁は、低圧側経路の圧力が所定圧力Ａ以下となったときに開弁して、上記高圧側経路から上記低圧側経路へ冷媒をバイパスするよう構成されたことを特徴とするものである。
【００１２】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記圧縮ユニットの高圧側経路には、この高圧側経路の圧力を検出する圧力センサが設置され、また、上記高圧側経路と低圧側経路とが、開閉弁を備えたサブバイパス経路にて連結され、上記開閉弁は、上記圧力センサにて検出された圧力が所定圧力Ｂ以上となったときに開弁して、上記高圧側経路の冷媒を上記低圧側経路へバイパスするよう構成されたことを特徴とするものである。
【００１３】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記圧縮ユニットにおける高圧側経路と低圧側経路とが、サブ圧力調整弁を備えたサブバイパス経路にて連結され、上記サブ圧力調整弁は、上記高圧側経路の圧力が所定圧力Ｂ以上となったときに開弁して、上記高圧側経路の冷媒を上記低圧側経路へバイパスするよう構成されたことを特徴とするものである。
【００１４】請求項１に記載の発明には、次の作用がある。
【００１５】圧縮機ユニットの高圧側経路と低圧側経路とを連結するバイパス経路に設けられた圧力調整弁は、低圧側経路の圧力が所定圧力Ａ以下となったときに開弁されて、高圧側経路から低圧側経路へ冷媒をバイパスすることから、低圧側経路と高圧側経路との圧力差に関係なく、低圧側経路の圧力が所定圧力Ａに低下するまでは、高圧側経路の冷媒が低圧側経路へバイパスされず、圧縮機にて圧縮された全ての冷媒が冷凍機へ供給されるので、圧縮機単体が有する能力を充分に生かすことができ、この結果、圧縮機ユニットから冷凍機へ供給する冷媒の流量を広範囲に確保できる。
【００１６】請求項２に記載の発明には、次の作用がある。
【００１７】圧縮機ユニットの高圧側経路と低圧側経路とが、開閉弁を備えたサブバイパス経路にて連結され、この開閉弁は、高圧側経路に設置された圧力センサの検出圧力が所定圧力Ｂ以上となったときに開弁して、高圧側経路の冷媒を低圧側経路へバイパスするよう構成されたことから、高圧側経路の圧力が所定圧力Ｂ以上に上昇したときに、高圧側経路から低圧側経路へ冷媒がバイパスされるので、圧縮ユニットを停止することなく、この圧縮ユニットの高圧側経路を高圧から保護できる。
【００１８】請求項３に記載の発明には、次の作用がある。
【００１９】圧縮ユニットにおける高圧側経路と低圧側経路とを連結するサブバイパス経路に設置されたサブ圧力調整弁は、高圧側経路の圧力が所定圧力Ｂ以上となったときに開弁して、高圧側経路の冷媒を低圧側経路へバイパスするよう構成されたことから、高圧側経路内の圧力が所定圧力Ｂ以上に上昇したときに、高圧側経路から低圧側経路へ冷媒がバイパスされるので、圧縮ユニットを停止することなく、この圧縮ユニットの高圧側経路を高圧から保護できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
【００２１】［Ａ］第一の実施の形態（図１、図２）
図１は、本発明に係る極低温冷凍装置の一実施の形態における冷媒回路を示す回路図である。この実施の形態における極低温冷凍装置１０は、パネルに気体分子を凝縮または吸着して高真空圧を発生させるクライオポンプに適用され、上記パネルを極低温（例えば１０〜２０Ｋ）まで冷却するものであり、圧縮機１１を備えた圧縮ユニット１２と、冷凍機１３とを有して構成される。
【００２２】圧縮ユニット１２は、圧縮機１１を配設した冷媒配管１５の吸込側（即ち低圧側経路１５Ｂ）にバッファタンク１６が、吐出側（即ち高圧側経路１５Ａ）に熱交換器１７、オイルセパレータ１８及びアドソーバ１９が順次配設されたものであり、圧縮機１１が、冷媒（例えばＨｅガス）を圧縮して高温高圧の加圧冷媒とする。
【００２３】熱交換器１７は、圧縮機１１からの高温高圧冷媒を水または空気と熱交換して、常温の高圧冷媒（例えば約２０ｋｇ／ｃｍ２程度）とする。オイルセパレータ１８は、圧縮機１１内で潤滑・冷却用に使用された冷媒中のオイルを分離し、オイル戻し管２１を経て圧縮機１１へ戻す。更に、アドソーバ１９は、オイルセパレータ１８にて除去しきれなかった上記オイルや、このオイル中の揮発成分を活性炭を用いて吸着し、純度の高い冷媒を冷凍機１３へ供給する。また、バッファタンク１６は、冷凍機１３による冷媒の吸込、排出によって発生する冷媒の圧力脈動を吸収して圧縮機１１へ導くものである。
【００２４】上記冷凍機１３は、圧縮ユニット１２におけるアドソーバ１９からの常温高圧冷媒（たとえば約２０ｋｇ／ｃｍ２程度）を導入して断熱膨張を繰り返し、低温端部２０を極低温（たとえば約１０〜２０Ｋ）に冷却する。この低温端部２０により、クライオポンプの凝縮または吸着用のパネルを冷却する。
【００２５】この冷凍機１３は、連結配管２２Ａを介して圧縮ユニット１２の冷媒配管１５における高圧側経路１５Ａに接続され、高圧側経路１５Ａからの上記高圧冷媒が冷凍機１３内へ導入される。また、冷凍機１３は、連結配管２２Ｂを介して圧縮ユニット１２の冷媒配管１５における低圧側経路１５Ｂに接続され、冷凍機１３にて膨張した低圧冷媒（５〜１０ｋｇ／ｃｍ2程度）が低圧側経路１５Ｂへ導入され、圧縮機１１に戻される。
【００２６】高圧側経路１５Ａ、低圧側経路１５Ｂの内部圧力は、冷凍機１３の容量及び冷凍機１３の台数によって決定される。また、これらの高圧側経路１５Ａと低圧側経路１５Ｂとは、圧力調整弁としてのメイン圧力調整弁２３を備えた、バイパス経路としてのメインバイパス配管２４により連結される。上記メイン圧力調整弁２３は、低圧側経路１５Ｂ内の圧力が所定圧力Ａ（例えば４ｋｇ／ｃｍ2）以下となったときに開弁して、高圧側経路１５Ａ内の冷媒を低圧側経路１５Ｂ内へバイパス可能に構成される。
【００２７】例えば、圧縮ユニット１２における高圧側経路１５Ａを２１ｋｇ／ｃｍ2とし、低圧側経路１５Ｂを５ｋｇ／ｃｍ2とする冷凍機１３を圧縮ユニット１２に接続し、メイン圧力調整弁２３の設定圧力Ａを４ｋｇ／ｃｍ2に設定したとする。この時には、圧縮ユニット１２の低圧側経路１５Ｂがメイン圧力調整弁２３の設定圧力Ａよりも高いので、メイン圧力調整弁２３が開弁せず、圧縮機１１にて圧縮された全ての冷媒は冷凍機１３へ供給される。
【００２８】この極低温冷凍装置１０において、冷媒がリークしたり、容量の小さな冷凍機１３が圧縮ユニット１２に接続されたときには、圧縮ユニット１２の低圧側経路１５Ｂの圧力が圧縮ユニット１２の耐久性上、常用を避けたい圧力（例えば３ｋｇ／ｃｍ2）になる場合がある。この時には、圧縮ユニット１２の低圧側経路１５Ｂの圧力がメイン圧力調整弁２３の設定圧力Ａ（例えば４ｋｇ／ｃｍ2）よりも低い圧力になるので、メイン圧力調整弁２３が開弁し、高圧側経路１５Ａから低圧側経路１５Ｂへ冷媒が流れて、低圧側経路１５Ｂが約４ｋｇ／ｃｍ2に維持される。ここで、図１中の符号２５は安全弁である。
【００２９】従って、上記実施の形態の極低温冷凍装置１０によれば、次の効果■を奏する。
【００３０】■圧縮ユニット１２の高圧側経路１５Ａと低圧側経路１５Ｂとを連結するメインバイパス配管２４に設けられたメイン圧力調整弁２３は、低圧側経路１５Ｂの圧力が所定圧力Ａ以下となったときに開弁されて、高圧側経路１５Ａから低圧側経路１５Ｂへ冷媒をバイパスすることから、低圧側経路１５Ｂと高圧側経路１５Ａとの圧力差に関係なく、低圧側経路１５Ｂの圧力が所定圧力Ａに低下するまでは、高圧側経路１５Ａの冷媒が低圧側経路１５Ｂへバイパスされず、圧縮機１１にて圧縮された全ての冷媒が冷凍機１３へ供給されるので、冷凍機１３単体が有する能力を十分に生かすことができる。この結果、図２に示すように、低圧側経路１５Ｂ内の圧力に対し、圧縮ユニット１２から冷凍機１３へ供給する冷媒の流量を、従来例に比べ広範囲に確保でき、従って、冷凍機１３の能力を最大限に発揮させることができる。
【００３１】なお、上記実施の形態において、圧縮ユニット１２における冷媒配管１５の高圧側経路１５Ａに図示しない圧力センサを設置し、冷媒のオーバーチャージなどが原因で高圧側経路１５Ａ内の圧力が上昇したとき、この圧力を上記圧力センサが検出して圧縮ユニット１２を停止し、圧縮ユニット１２の高圧側経路１５Ａを高圧から保護してもよい。
【００３２】［Ｂ］第二の実施の形態（図３）
図３は、本発明に係る極低温冷凍装置の第二の実施の形態を示す冷媒回路図である。この第二の実施の形態において、前記第一の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００３３】この第二の実施の形態の極低温冷凍装置３０は、前述の極低温冷凍装置１０の構成に加え、圧縮ユニット３４の高圧側経路１５Ａに、この高圧側経路１５Ａ内の圧力を検出する圧力センサ３１が設置され、さらに、高圧側経路１５Ａと低圧側経路１５Ｂとが、開閉弁としての電磁弁３２を備えたサブバイパス配管３３によって連結されたものである。
【００３４】電磁弁３２は、圧力センサ３１にて検出された高圧側経路１５Ａ内の圧力が所定圧力Ｂ以上となったときに開弁して、高圧側経路１５Ａ内の冷媒を低圧側経路１５Ｂへバイパスするよう構成される。
【００３５】従って、この極低温冷凍装置３０によれば、極低温冷凍装置１０の効果■に加え、次の効果■を奏する。
【００３６】■圧縮ユニット３４の高圧側経路１５Ａと低圧側経路１５Ｂとが、電磁弁３２を備えたサブバイパス配管３３にて連結され、このサブバイパス配管３３は、高圧側経路１５Ａに設置された圧力センサ３１の検出圧力が所定圧力Ｂ以上となったときに開弁して、高圧側経路１５Ａの冷媒を低圧側経路１５Ｂへバイパスするよう構成されたことから、高圧側経路１５Ａの圧力が所定圧力Ｂ以上に上昇したときに、高圧側経路１５Ａから低圧側経路１５Ｂへ冷媒がバイパスされるので、圧縮ユニット３４を停止することなく、この圧縮ユニット３４の高圧側経路１５Ａを高圧から保護できる。
【００３７】［Ｃ］第三の実施の形態（図４）
図４は、本発明に係る極低温冷凍装置の第三の実施の形態を示す冷媒回路図である。この第三の実施の形態において、前記第一の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００３８】この第三の実施の形態の極低温冷凍装置４０は、極低温冷凍装置１０の構成に加え、圧縮ユニット４３における高圧側経路１５Ａと低圧側経路１５Ｂとが、サブ圧力調整弁４１を備えたサブバイパス配管４２にて接続されたものである。
【００３９】このサブ圧力調整弁４１は、圧縮ユニット４３における高圧側経路１５Ａが所定圧力Ｂ以上となったときに開弁して、高圧側経路１５Ａ内の冷媒を低圧側経路１５Ｂ内へバイパスするよう構成される。
【００４０】従って、この実施の形態の極低温冷凍装置４０においても、前記第一の実施の形態の極低温冷凍装置１０の効果■を奏するほか、次の効果■を奏する。
【００４１】■圧縮ユニット４３における高圧側経路１５Ａと低圧側経路１５Ｂとを連結するサブバイパス配管４２に設置されたサブ圧力調整弁４１は、高圧側経路１５Ａの圧力が所定圧力Ｂ以上となったときに開弁して、高圧側経路１５Ａの冷媒を低圧側経路１５Ｂへバイパスするよう構成されたことから、高圧側経路１５Ａ内の圧力が所定圧力Ｂ以上に上昇したときに、高圧側経路１５Ａから低圧側経路１５Ｂへ冷媒がバイパスされるので、圧縮ユニット４３を停止することなく、この圧縮ユニット４３の高圧側経路１５Ａを高圧から保護できる。
【００４２】以上、本発明を上記実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４３】
【発明の効果】以上のように、本発明に係る極低温冷凍装置によれば、圧縮機ユニットの高圧側経路と低圧側経路とが、圧力調整弁を備えたバイパス経路により連結され、上記圧力調整弁は、低圧側経路の圧力が所定圧力以下となったときに開弁して、高圧側経路から低圧側経路へ冷媒をバイパスするよう構成されたことから、圧縮ユニットから冷凍機へ供給する冷媒の流量を広範囲に確保できる。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】０００００１８８９
【氏名又は名称】三洋電機株式会社
|
| 【出願日】 |
平成１１年３月１５日（１９９９．３．１５） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１１１３８３
【弁理士】
【氏名又は名称】芝野 正雅
|
| 【公開番号】 |
特開２０００−２６６４１６（Ｐ２０００−２６６４１６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年９月２９日（２０００．９．２９） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−６８７２３ |
|