JP2007303815A - 極低温冷凍機の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】個々の冷凍機ユニットの温度調節を可能として、冷凍機ユニット間のバラツキを解消すると共に、冷凍機システム（冷凍機−圧縮機全体）の効率化や省電力化を図る。
【解決手段】互いに独立した複数台の冷凍機ユニットと、１台もしくは複数台の圧縮機ユニットで構成される極低温冷凍機の運転方法において、圧縮機吐出口側の高圧と圧縮機吸入口側の低圧の圧力差が一定となるように、圧縮機の回転数を調整し、複数台の冷凍機のうち、熱負荷の小さい冷凍機は、その吸排気のサイクルタイムを長くし、熱負荷の大きい冷凍機は、そのサイクルタイムを短くして、求める温度に調整し、更に、その為に変化したガス流量に応じて変化する前記圧力差が一定となるように、圧縮機の回転数を再び調整する。
【選択図】図４

Description

本発明は、極低温冷凍機の運転方法に係り、特に、クライオポンプ、超伝導マグネット、極低温計測装置、簡易液化機等に用いるのに好適な、冷凍機システム（冷凍機−圧縮機全体）の効率化や省電力化を図ることが可能な極低温冷凍機の運転方法に関する。

極低温冷凍機は、一般に、蓄冷材を収納すると共に膨張室を内部に有する膨張式冷凍機ユニットと、圧縮機本体を収納した圧縮機ユニットとを備えており、前記冷凍機ユニットが極低温に冷却されるべき装置や容器などに取付けられる。そして、圧縮機ユニットによって高圧にした冷媒ガスを冷凍機ユニットに送り、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張させて更に冷却し、その低圧の冷媒ガスを圧縮機ユニット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。

このような冷凍機で温度調節を行なう場合、従来は、冷凍機ユニットに電気ヒータを配設することで、熱負荷を入れて温度を調節していた。

しかしながら、極低温の環境で使用することから、ヒータの信頼性が低く、度々絶縁不良や、これによる漏電のための緊急停止等の不具合を発生していた。

又、他の方法として、特開２０００−１２１１９２に記載されている如く、圧縮機本体の回転数をインバータで制御し、ガス量を調整して温度調整することも考えられるが、この方法は、１台の圧縮機ユニットで１台の冷凍機ユニットを運転する場合は有効であるが、１台もしくは複数台の圧縮機ユニットで複数台の冷凍機ユニットを運転する場合は、個々の冷凍機ユニットの温度調整を行なうことができないという問題点を有していた。

更に、１台もしくは複数台の圧縮機ユニットで複数台の冷凍機ユニットを運転する場合には、各冷凍機ユニットの起動時のバルブタイミングそのままであることから、各冷凍機ユニットに流れるガス流量にバラツキ（吸気タイミングが重なった場合に先に吸気される冷凍機ユニットに多く流れる）が発生し、冷凍機ユニット管の冷凍能力にバラツキが出るという問題点も有していた。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、個々の冷凍機ユニットの温度調節を可能として、冷凍機ユニット間のバラツキを解消すると共に、冷凍機システム（冷凍機−圧縮機全体）の効率化や省電力化を図ることを課題とする。

本発明は、互いに独立した複数台の冷凍機ユニットと、１台もしくは複数台の圧縮機ユニットで構成される極低温冷凍機の運転方法において、圧縮機吐出口側の高圧と圧縮機吸入口側の低圧の圧力差が一定となるように、圧縮機の回転数を調整し、複数台の冷凍機のうち、熱負荷の小さい冷凍機は、その吸排気のサイクルタイムを長くし、熱負荷の大きい冷凍機は、そのサイクルタイムを短くして、求める温度に調整し、更に、その為に変化したガス流量に応じて変化する前記圧力差が一定となるように、圧縮機の回転数を再び調整することにより、前記課題を解決したものである。

本発明によれば、個々の冷凍機ユニットの温度調節を可能として、冷凍機ユニット間のバラツキを解消すると共に、冷凍機システム（冷凍機−圧縮機全体）の効率化や省電力化を図ることが可能となる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の構成ユニットである冷凍機ユニットを、２段Ｇ−Ｍ（ギフォード・マクマホン）サイクル冷凍機の冷凍機ユニット１０の１段低温部１１の温度を調整する場合に適用したもので、電源２０と冷凍機ユニット１０の吸排気のサイクルタイムを司る吸排気バルブ駆動用モータ１４の間に設けられたインバータ２２と、冷凍機ユニット１０の熱負荷部である１段低温部１１の温度を検出する温度センサ２４と、該温度センサ２４の出力に応じて、前記インバータ２２の出力周波数をフィードバック制御するコントローラ２６とを備えている。図において、１２は、前記冷凍機ユニット１０の２段低温部である。

前記冷凍機ユニット１０において、インバータ２２の出力周波数は、温度センサ２４によって検出された１段低温部１１の温度に応じて、コントローラ２６によりフィードバック制御され、吸排気バルブ駆動用モータ１４により、冷凍機ユニット１０の吸排気のサイクルタイムが調整される。従って、１段低温部１１の温度が目標値より低い時は、冷凍機の吸排気のサイクルタイムを長くすることで、１段低温部１１の温度を上げることができる。逆に、１段低温部１１の温度が目標値より高い時は、冷凍機の吸排気のサイクルタイムを短くすることで、１段低温部１１の温度を下げることができる。

負荷を１５Ｗ、５Ｗ、０Ｗと変化させた場合の１段低温部の温度（１段温度と称する）の変化状態を図２に示す。従来のように冷凍機回転数を７２ｒｐｍに固定した場合には、１段温度が、破線で示す如く、負荷が減るに連れて１００．９Ｋから６５Ｋ、４５Ｋへと下がっていったのに対し、本発明の構成要素である冷凍機ユニット１０により、冷凍機回転数を負荷５Ｗの場合で４２ｒｐｍ、負荷０Ｗの場合で３０ｒｐｍに下げた場合には、実線で示す如く、１段温度をほぼ１００Ｋで一定に維持することができた。

次に、本発明の構成要素である冷凍機ユニット１０を通常の圧縮機ユニットに接続した比較例を説明する。

本比較例は、図３に示す如く、１台の通常の圧縮機ユニット３０で３台の２段Ｇ−Ｍサイクル冷凍機の冷凍機ユニット１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを運転する場合に本発明を適用したもので、各冷凍機ユニット１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃには、上述した冷凍機ユニット１０と同様にインバータ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、温度センサ２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、及び、コントローラ２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃが設けられている。

本比較例において、各冷凍機ユニットは、１段低温部の温度が目標値になるように吸排気のサイクルタイムをコントロールできるので、冷凍機ユニット間のばらつきを解消することができる。

以下、本発明の第１実施形態を説明する。

本実施形態は、図４に示す如く、１台の圧縮機ユニット３０で３台の２段Ｇ−Ｍサイクル冷凍機の冷凍機ユニット１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを運転する場合に本発明を適用したもので、各冷凍機ユニット１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃには、上述した冷凍機ユニット１０と同様にインバータ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、温度センサ２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、及び、コントローラ２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃが設けられている。

本実施形態においては、更に、電源２０と圧縮機ユニット３０の間に設けられた第２のインバータ４０と、圧縮機ユニット３０と冷凍機ユニット１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを繋ぐ作動ガス配管の高圧ガスライン３２及び低圧ガスライン３４にそれぞれ配設された圧力センサ４２、４４と、該圧力センサ４２、４４の出力信号に基づいて高圧ガスと低圧ガスの差圧を算出し、第２のインバータ４０の出力周波数を制御することで、圧縮機の回転数を調整し、差圧を調整する第２のコントローラ４６とを備えている。

本実施形態において、まず冷凍機の冷凍能力は、高圧ガスと低圧ガスの差圧で決まることから、圧力センサ４２、４４の出力により差圧を一定値に制御する。このとき、熱負荷が小さい冷凍機ユニットは、その吸排気のサイクルタイムをインバータ２２Ａ、２２Ｂ、又は２２Ｃで長くすることで、ガス流量を少なくし、求められる温度に調整できる。このとき、その冷凍機ユニットに流れるガス量が減ることで、差圧が上がろうとするが、差圧を一定にするようインバータ４０により圧縮機３０の回転数が下がるので、全体の消費電力を低減できる。

本実施形態によれば、各冷凍機ユニットに設けたインバータ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃによる各冷凍機毎の温度調節と、それぞれによる冷凍機ユニット間のバラツキ解消に加え、圧縮機ユニット３０に設けた第２のインバータ４０による消費電力低減の両立を図ることができる。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。

本実施形態は、図５に示す如く、１台の圧縮機ユニット３０で３台の２段Ｇ−Ｍサイクル冷凍機の冷凍機ユニット１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを運転する場合に本発明を適用したもので、各冷凍機ユニット１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃには、上述した冷凍機ユニット１０と同様にインバータ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、温度センサ２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、及び、コントローラ２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃが設けられている。

本実施形態においては、更に、電源２０と圧縮機ユニット３０の間に設けられた第２のインバータ４０と、圧縮機ユニット３０と冷凍機ユニット１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを繋ぐ作動ガス配管の高圧ガスライン３２及び低圧ガスライン３４に配設された差圧圧力センサ４８と、該差圧圧力センサ４８の出力信号に基づいて、第２のインバータ４０の出力周波数を制御することで、圧縮機ユニット３０の回転数を調整し、差圧を調整する第２のコントローラ４６とを備えている。

本実施形態において、まず冷凍機の冷凍能力は、高圧ガスと低圧ガスの差圧で決まることから、差圧圧力センサ４８の出力により差圧を一定値に制御する。このとき、熱負荷が小さい冷凍機ユニットは、その吸排気のサイクルタイムをインバータ２２Ａ、２２Ｂ、又は２２Ｃで長くすることで、ガス流量を少なくし、求められる温度に調整できる。このとき、冷凍機ユニットに流れるガス量が減ることで、差圧が上がろうとするが、差圧を一定にするようインバータ４０により圧縮機３０の回転数が下がるので、全体の消費電力を低減できる。

本実施形態によれば、各冷凍機ユニットに設けたインバータ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃによる各冷凍機毎の温度調節と、それによる冷凍機ユニット間のバラツキ解消に加え、圧縮機ユニット３０に設けた第２のインバータ４０による消費電力低減を図ることができる。

次に、本発明をクライオポンプに適用した第３実施形態を図６に示す。この図は、第１実施形態を適用したもので、図４に示したものと同様な構成、作用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。

本実施形態において、５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃは、冷凍機ユニット１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃが取り付けられたポンプ容器であり、５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃは例えば半導体製造装置において真空排気されるチャンバである。温度センサ２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃは、冷凍機ユニットの１段もしくは２段の熱負荷部に限らず、クライオポンプのクライオパネルの任意の位置に取り付けられる。

本実施形態によれば、第１実施形態にて説明した如く、各冷凍機ユニットに設けられたインバータ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃによる各冷凍機毎の温度調節と、それによる冷凍機ユニット間のバラツキ解消に加え、圧縮機ユニット３０に設けた第２のインバータ４０による消費電力低減を図ることができる。

なお、本実施形態では、クライオポンプと冷凍機ユニットは、１対１の組み合わせであるが、１台のクライオポンプに対し、複数台の冷凍機ユニットを使用したシステムでも適用できる。又、第２実施形態を適用することもできる。

次に、本発明を超伝導マグネットに適用した第４実施形態を図７に示す。この図は、第１実施形態を適用したもので、図４に示したものと同様な構成、作用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。

本実施形態において、６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃは、冷凍機ユニット１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃが取り付けられた超伝導マグネットであり、６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃは例えば核磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置である。温度センサ２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃは、冷凍機ユニットの１段もしくは２段の熱負荷部に限らず、超伝導マグネットの任意の位置に取り付けられる。

本実施形態によれば、第１実施形態にて説明した如く、各冷凍機ユニットに設けたインバータ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃによる各冷凍機毎の温度調節と、それによる冷凍機ユニット間のバラツキ解消に加え、圧縮機ユニット３０に設けた第２のインバータ４０による消費電力低減を図ることができる。

なお、本実施形態では、超伝導マグネットと冷凍機ユニットは、１対１の組み合わせであるが、１台の超伝導マグネットに対し、複数台の冷凍機ユニットを使用したシステムでも適用できる。又、第２実施形態を適用することもできる。

ここでは、医療の分野で使用されるＭＲＩ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（例えばＭＣＺ等）についても適用できる。

次に、本発明を極低温測定装置に適用した第５実施形態を図８に示す。この図は、第１実施形態を適用したもので、図４に示したものと同様な構成、作用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。

本実施形態において、７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃは、冷凍機ユニット１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃが取り付けられた極低温測定装置（例えばＸ線回折測定装置、光透過測定装置、フォトルミネッセンス測定装置、超伝導体測定装置、ホール効果測定装置等）である。温度センサ２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃは、冷凍機ユニットの１段もしくは２段の熱負荷部に限らず、極低温測定装置の任意の位置に取り付けられる。

本実施形態によれば、第１実施形態にて説明した如く、各冷凍機ユニットに設けたインバータ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃによる各冷凍機毎の温度調節と、それによる冷凍機ユニット間のバラツキ解消に加え、圧縮機ユニット３０に設けた第２のインバータ４０による消費電力低減を図ることができる。

なお、本実施形態では、超低温測定装置と冷凍機ユニットは、１対１の組み合わせであるが、１台の極低温測定装置に対し、複数台の冷凍機ユニットを使用したシステムでも適用できる。又、第２実施形態を適用することもできる。

次に、本発明を簡易液化機に適用した第６実施形態を図９に示す。この図は、第１実施形態を適用したもので、図４に示したものと同様な構成、作用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。

本実施形態において、８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃは、冷凍機ユニット１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃが取り付けられた液溜容器であり、８２Ａ、８２Ｂ、８２Ｃはガスラインである。温度センサ２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃは、冷凍機ユニットの１段もしくは２段の熱負荷部に限らず、簡易液化機の任意の位置に取り付けられる。

本実施形態によれば、第１実施形態にて説明した如く、各冷凍機ユニットに設けたインバータ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃによる各冷凍機毎の温度調節と、それによる冷凍機ユニット間のバラツキ解消に加え、圧縮機ユニット３０に設けた第２のインバータ４０による消費電力低減を図ることができる。

本実施形態において、温度センサ２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃの代わりに、図１０に示す第７実施形態のように、上記液溜容器８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃの内部に液面センサ２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃを取り付け、該液面センサの出力に応じた制御を行うことで第１実施形態と同様な効果を得ることができる。

なお、本実施形態では、簡易液化機と冷凍機ユニットは、１対１の組み合わせであるが、１台の簡易液化機に対し、複数台の冷凍機ユニットを使用したシステムでも適用できる。又、第２実施形態を適用することもできる。

前記実施形態においては、いずれも、２段Ｇ−Ｍサイクル冷凍機を制御するようにされていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、冷凍機一般（例えば、単段Ｇ−Ｍサイクル冷凍機、３段Ｇ−Ｍサイクル冷凍機、変形ソルベイサイクル冷凍機、パルス管式冷凍機等）の温度制御にも同様に適用できることは明らかである。又、吸排気のサイクルタイムを司る機構も吸排気バルブ駆動用モータに限定されない。

本発明の構成要素である冷凍機ユニットを示すブロック図 本発明の構成要素である冷凍機ユニットの効果を示す線図 本発明の構成要素である冷凍機ユニットを通常の圧縮機ユニットに接続した比較例の構成を示す管路図 本発明の第１実施形態の構成を示す管路図 本発明の第２実施形態の構成を示す管路図 本発明の第３実施形態であるクライオポンプの概略構成図 本発明の第４実施形態である超伝導マグネットの概略構成図 本発明の第５実施形態である極低温測定装置の概略構成図 本発明の第６実施形態である簡易液化機の概略構成図 本発明の第７実施形態である簡易液化機に液面計を使用した場合の概略構成図

符号の説明

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…２段Ｇ−Ｍサイクル冷凍機
１４、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ…吸排気バルブ駆動用モータ
２０…電源
２２、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、４０…インバータ
２４、２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ…温度センサ
２６、２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、４６…コントローラ
２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ…液面センサ
３０…圧縮機ユニット
３２…高圧ガスライン
３４…低圧ガスライン
４２、４４…圧力センサ
４８…差圧圧力センサ
５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ…ポンプ容器
５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ…チャンバ
６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ…超伝導マグネット
６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ…ＭＲＩ
７０Ａ、８０Ｂ、７０Ｃ…極低温測定装置
８０Ａ、８０Ｂ、７０Ｃ…液溜容器
８２Ａ、８２Ｂ、８２Ｃ…ガスライン

Claims (1)

1. 互いに独立した複数台の冷凍機ユニットと、１台もしくは複数台の圧縮機ユニットで構成される極低温冷凍機の運転方法において、
   圧縮機吐出口側の高圧と圧縮機吸入口側の低圧の圧力差が一定となるように、圧縮機の回転数を調整し、
   複数台の冷凍機のうち、熱負荷の小さい冷凍機は、その吸排気のサイクルタイムを長くし、熱負荷の大きい冷凍機は、そのサイクルタイムを短くして、求める温度に調整し、
   更に、その為に変化したガス流量に応じて変化する前記圧力差が一定となるように、圧縮機の回転数を再び調整することを特徴とする極低温冷凍機の運転方法。

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