JP3670536B2 - 極低温冷却装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１台の圧縮機に対して複数台の冷凍機が接続され、且つ、各冷凍機の冷凍能力を可変できる極低温冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
リニアモータカーに搭載される超伝導磁石装置に対する冷却は極低温冷却装置により行われるが、この極低温冷却装置の構成としては、１台の圧縮機に対して複数台の冷凍機を接続し、ヘリウムガスを冷媒としてマルチ運転を行うと共に、超電導コイルの冷却タンク周辺を、窒素ガスを自然循環させる方式が多く採用されている。図１２は、このような方式で冷却を行う従来の極低温冷却装置の構成図である（例えば、特開平９−２２９５０３号公報参照）。
【０００３】
図１２において、圧縮機ユニット１は、低段圧縮機２及び高段圧縮機３と、第１開閉弁５、第１流量調整弁６、第２開閉弁７、第２流量調整弁８により構成されるＪＴ高圧調整機構４と、低圧制御弁９及び高圧制御弁１０とを有している。また、圧縮機ユニット１には、バッファ用給排口１１、低圧ガス吸入口１２、ＪＴ用高圧ガス吐出口１３、中間圧ガス吸入口１４、及び高圧ガス吐出口１５が設けられている。
【０００４】
低段圧縮機２及び高段圧縮機３は、制御装置１６によりインバータ運転され、その運転周波数が可変されるようになっている。バッファ用給排口１１には、ヘリウムガスが入っているバッファタンク１７が接続されており、このバッファタンク１７は、低圧制御弁９を介して低段圧縮機２の吸入側に連通すると共に、高圧制御弁１０を介して高段圧縮機３の吐出側に連通している。そして、低段圧縮機２の吸入側圧力が所定レベル以下に低下すると、低圧制御弁９が開放してバッファタンク１７内のヘリウムガスが低段圧縮機２に供給されるようになっており、一方、高段圧縮機３の吐出側圧力が所定レベル以上に上昇すると、高圧制御弁１０が開放して高段圧縮機３からのヘリウムガスがバッファタンク１７に戻されるようになっている。
【０００５】
圧縮機ユニット１からの高圧ガスは、ＪＴ冷凍機１８、予冷冷凍機１９、及びシールド冷凍機２０に送出されるようになっている。すなわち、高段圧縮機３からの高圧ヘリウムガスの一部は、ＪＴ高圧調整機構４で流量が調整された後、ＪＴ用高圧ガス吐出口１３を通ってＪＴ冷凍機１８に送られ、また、残りの高圧ヘリウムガスは、高圧ガス吐出口１５を通って予冷冷凍機１９及びシールド冷凍機２０に送られるようになっている。
【０００６】
ＪＴ冷凍機１８は、第１熱交換器２１、第２熱交換器２２、第３熱交換器２３、第１予冷器２４、第２予冷器２５、及びＪＴ弁２６により構成されている。
【０００７】
予冷冷凍機１９は、モータヘッド部２７、シリンダ部２８、第１ヒートステーション２９、及び第２ヒートステーション３０により構成されており、モータヘッド部２７には高圧ガス入口３１及び低圧ガス出口３２が設けられている。予冷冷凍機１９の構造についての詳しい説明は省略するが、シリンダ部２８にはその膨張空間内に往復動可能にディスプレーサが配設されると共に、モータヘッド部２７には、制御装置１６により制御されるバルブ駆動モータが配設されており、さらに、このバルブ駆動モータの回転軸に取り付けられたロータリバルブによって中間圧力が生成される中間圧室が形成されている。そして、ロータリバルブの回転によってこの中間圧室と膨張空間との間に圧力差が生じ、シリンダ部２８内のディスプレーサが往復動するようになっている。これにより、高圧ガス入口３１からの高圧ヘリウムガスは、この膨張空間内でサイモン膨張を行い、第１ヒートステーション２９及び第２ヒートステーション３０の温度が極低温レベルまで低下する。したがって、ＪＴ冷凍機１８の第１予冷器２４及び第２予冷器２５は、この第１ヒートステーション２９及び第２ヒートステーション３０により予冷される。膨張した低圧ヘリウムガスは、低圧ガス出口３２から中間圧ガス吸入口１４を通って高段圧縮機３の吸入側に戻されるようになっている。
【０００８】
シールド冷凍機２０は、モータヘッド部３３、シリンダ部３４、及びヒートステーション３５により構成されており、モータヘッド部３３には高圧ガス入口３６及び低圧ガス出口３７が設けられている。このシールド冷凍機２０の構造は、予冷冷凍機１９と略同様のものである。
【０００９】
ＪＴ冷凍機１８と、予冷冷凍機１９及びシールド冷凍機２０の一部とは真空デュワー３８の内部に配置されている。そして、真空デュワー３８の下方には、熱シールド板３９が配設され、この熱シールド板３９の内部に、第２熱交換器２２、第３熱交換器２３、第２予冷器２５、ＪＴ弁２６、及び第２ヒートステーション３０が配置されている。
【００１０】
熱シールド板３９の内部には、更に、液化ヘリウム４１を貯溜する冷却タンク４０が配設されており、この液化ヘリウム４１中に超電導コイル４２が浸漬されている。この冷却タンク４０の内部には、ＪＴ弁２６が取り付けられている液化ヘリウム戻し配管の端部と、その下方に位置し第３熱交換器２３の２次側と連通するヘリウムガス吸入配管の端部とが配設されている。そして、この戻し配管の端部からはＪＴ弁２６を通過して液化された液化ヘリウムが冷却タンク４０内に注がれ、一方、冷却タンク４０内で液化ヘリウム４１の気化により発生したヘリウムガスが吸入配管の端部から吸入され、ＪＴ冷凍機１８及び低圧ガス吸入口１２を経由して低段圧縮機２の吸入側に送出されるようになっている。
【００１１】
真空デュワー３８の内部であって熱シールド板３９の上方の位置には、液化窒素４４を貯溜する冷却タンク４３が配設されている。冷却タンク４３の底部には冷却配管４５の一端部４５ａが接続され、また、冷却タンク４３の側部であって液化窒素４４の液面４４ａより上方の位置には冷却配管４５の他端部４５ｂが接続されている。そして、冷却配管４５の途中には熱交換器４６が設けられている。すなわち、冷却配管４５の一端部４５ａから熱交換器４６に落下した液化窒素４４は、ここで熱交換作用を行って熱シールド板３９の冷却を行い、気化した窒素ガスが他端部４５ｂから冷却タンク４３内へ戻されるようになっている。なお、このように、圧縮機等の動力を用いることなく液化窒素４４及び窒素ガスを循環させる方式は自然循環方式と呼ばれている。
【００１２】
シールド冷凍機２０のシリンダ部３４及びヒートステーション３５は、冷却タンク４３内であって液面４４ａの上方に位置するように配設されている。そして、ヒートステーション３５は、液面４４ａから気化される窒素ガス、及び冷却タンク４３の他端部４５ｂから戻される窒素ガスに対する冷却を行い、この窒素ガスを液化するようになっている。冷却タンク４３には、また、閉切り弁４８が取り付けられた冷媒液供給管４７と、大気開放弁５０が取り付けられた排気管４９とが配設されている。冷媒液供給管４７は、冷却タンク４３内の液化窒素４４が不足状態にある場合、あるいはメインテナンス時に液化窒素４４の入れ換えを行う場合等に閉切り弁４８を開いて図示を省略してある液化器から液化窒素４４を供給するためのものである。また、排気管４９は、冷却タンク４３内の圧力が一定以上上昇した場合等に、大気開放弁５０を開いてタンク内圧力を減圧させるためのものである。
【００１３】
次に、図１２の動作につき説明する。圧縮機ユニット１の低段圧縮機２は、低圧ガス吸入口１２からの定圧ヘリウムガスを圧縮し、高段圧縮機３はこの低段圧縮機２から送り出されてきたヘリウムガスを更に高圧に圧縮する。高段圧縮機３から吐出されたヘリウムガスは、その一部が高圧ガス吐出口１５を介してシールド冷凍機２０及び予冷冷凍機１９に送出され、また、残りのヘリウムガスはＪＴ高圧調整機構４及びＪＴ用高圧ガス吐出口１３を介してＪＴ冷凍機１８に送出される。
【００１４】
シールド冷凍機２０では、送り込まれてきた高圧ヘリウムガスが膨張空間でサイモン膨張することによりヒートステーション３５に極低温が発生する。このヒートステーション３５によって、冷却タンク４３内の窒素ガスが冷却され液化される。そして、熱交換器４６を通過する液化窒素４４の熱交換作用により熱シールド板３９が冷却され、熱シールド板３９の内部が外部から熱シールドされる。なお、シールド冷凍機２０で膨張したヘリウムガスは、中間圧ガス吸入口１４を通って高段圧縮機３の吸入側に戻される。
【００１５】
同様に、予冷冷凍機１９でも、送り込まれてきた高圧ヘリウムガスが膨張空間でサイモン膨張することにより第１ヒートステーション２９及び第２ヒートステーション３０に極低温が発生する。また、予冷冷凍機１９で膨張したヘリウムガスは、中間圧ガス吸入口１４を通って高段圧縮機３の吸入側に戻される。
【００１６】
ＪＴ冷凍機１８では、ＪＴ用高圧ガス吐出口１３からの高圧ヘリウムガスが、第１熱交換器２１の１次側、第１予冷器２４、第２熱交換器２２の１次側、第２予冷器２５、第３熱交換器２３の１次側においてそれぞれ順次冷却される。このとき、第１熱交換器２１、第２熱交換器２２、及び第３熱交換器２３の各１次側を通過するヘリウムガスは、それぞれの２次側を通過し低圧ガス吸入口１２に向かうヘリウムガスによって冷却され、また、第１予冷器２４及び第２予冷器２５はそれぞれ第１ヒートステーション２９及び第２ヒートステーション３０によって冷却される。
【００１７】
第３熱交換器２３の１次側を通過したヘリウムガスはＪＴ弁２６に送られ、ここでジュールトムソン膨張を行って液化し、液化ヘリウム戻し配管の端部から液化ヘリウム４１となって冷却タンク４０内に貯溜される。超電導コイル４２は、この液化ヘリウム４１中に浸漬されて臨界温度以下に冷却される。また、液化ヘリウム４１の液面から気化したヘリウムガスはヘリウムガス吸入配管の端部から吸入され、第３熱交換器２３、第２熱交換器２２、及び第１熱交換器２１の各２次側を通って低段圧縮機２の吸入側に送出される。
【００１８】
そして、制御装置１６は、低段圧縮機２及び高段圧縮機３の運転周波数を可変制御することが可能であるが、更に、予冷冷凍機１９及びシールド冷凍機２０内のバルブ駆動モータの運転周波数をも可変するようになっている。これら予冷冷凍機１９及びシールド冷凍機２０の各バルブ駆動モータの運転周波数を可変制御することにより、各ディスプレーサの往復動周波数を制御することができ、したがって、それぞれの冷凍機の冷凍能力を可変することが可能になる。
【００１９】
ところで、液化窒素４４が貯溜されている冷却タンク４３において、冷却配管４５の一端部４５ａから熱交換器４６及び冷却配管４５の他端部４５ｂに至る循環回路は、圧縮機等の動力を用いていないので前述したように自然循環方式と呼ばれている。このような自然循環方式の冷媒回路においては、冷媒の循環を極力円滑に行わせるために液化窒素４４の液面４４ａを極力一定に維持することが要求されるが、液面４４ａを一定に維持するために、冷却タンク４３内部の状態に応じてシールド冷凍機２０の冷凍能力を変化させることがある。そして、制御装置１６によりモータヘッド部３３内のバルブ駆動モータの運転周波数を変化させることにより、このシールド冷凍機２０の冷凍能力を変化させることができる。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、予冷冷凍機１９及びシールド冷凍機２０の各冷凍能力は、制御装置１６が各バルブモータの運転周波数を制御することにより調整することができる。しかし、一般に、図１２のように、１台の圧縮機（図１２の場合は、低段圧縮機２及び高段圧縮機３の合計２台の圧縮機が用いられているが、これらは直列接続されているものであり概念的には１台と考えるべきものである。）に対し複数台の冷凍機が並列接続されている構成においては、或る冷凍機の冷凍能力を変化させた場合には、その冷凍能力の変化が他の冷凍機に対して干渉するのを避けることが困難である。したがって、シールド冷凍機２０の冷凍能力を変化させようとする場合には、予冷冷凍機１９及びＪＴ冷凍機１８の冷凍能力についても変化させる必要があり、場合によっては、低段圧縮機２及び高段圧縮機３の運転周波数をも可変しなければならない。
【００２１】
しかし、冷媒回路の一部を共用する各冷凍機１８，１９，２０に対して、上記のような干渉を考慮しながら行う各バルブモータ及び各圧縮機２，３の運転周波数の制御は非常に複雑なものとなり、また実際には、ある程度の干渉が生じるのを避けることができず所望の冷凍能力を正確に得るのは困難である。
【００２２】
さらに、バルブモータの運転周波数の制御によりシールド冷凍機２０の冷凍能力を変化させる場合は、冷凍システムにおける温度バランスのための時間が必要なために、冷凍能力変動制御の応答が遅くなる。そのため、シールド冷凍機２０の冷凍負荷が大きな場合には、冷却タンク４３内の液化窒素４４の液面４４ａを一定に保つことが困難となり、自然循環方式の冷媒回路における冷媒の円滑な循環が困難となる。
【００２３】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、各冷却タンク内の被冷却対象物を冷却する複数台の冷凍機が１台の圧縮機に対して並列接続されている極低温冷却装置において、或る冷凍機の冷凍能力を他の冷凍機に対する干渉を生じることなく迅速に変化させたのと同様の効果を得ることができる極低温冷却装置を提供することを目的としている。
【００３４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段として、請求項１記載の発明は、冷媒ガスを圧縮する少なくとも１台の圧縮機と、前記少なくとも１台の圧縮機に対して並列接続され、前記圧縮機からの冷媒ガスを膨張させることにより極低温状態を発生させる複数台の冷凍機と、前記複数台の各冷凍機により冷却される各被冷却対象物が収容される複数個の冷却タンクと、前記複数個の冷却タンクのうちの１個又は複数個に取り付けられ、この冷却タンクの内部に対して熱量を与える熱量付与手段と、前記冷却タンク内の所定の状態量を検出する状態量検出手段と、前記状態量検出手段の検出に基づいて前記熱量付与手段の熱量付与動作を制御することにより、前記冷凍機の冷凍負荷を調整する冷凍負荷調整手段と、を備え、前記冷却タンク内に収容される被冷却対象物が、前記圧縮機及び前記冷凍機の冷媒回路を循環する冷媒の冷媒ガス、又はこの冷媒回路とは独立の他の冷媒回路を循環する冷媒の冷媒ガスであってタンク内に貯溜された冷媒液が気化したものである、極低温冷却装置において、前記熱量付与手段が、前記冷却タンクの外部に取り付けられたヒートパイプと、このヒートパイプに対する加熱を行うヒータとにより構成されるものである、ことを特徴とする。
【００３５】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記ヒートパイプ及びヒータに代え、前記熱量付与手段が、前記冷却タンクの外部に固着された良熱伝導ブロック受座と、この良熱伝導ブロック受座に対して接離可能に配設された可動良熱伝導ブロックとから構成され、常温雰囲気部からの熱量をこれら可動良熱伝導ブロック及び良熱伝導ブロック受座を介して前記冷却タンクの内部に与えるものである、ことを特徴とする。
【００３６】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記冷却タンク内に貯溜される冷媒液の液面高さが所定レベルより上昇した場合に、この冷却タンク内への冷媒液の供給を停止させる制御装置を備えた、ことを特徴とする。
【００３７】
請求項４記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記冷却タンクには、タンク内に貯溜される冷媒液の液面高さが所定レベルより上昇した場合に、この冷媒液をタンク外に放出するオーバーフロー管が配設されている、ことを特徴とする。
【００３８】
請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記冷却タンク内の圧力が所定レベルより上昇した場合に、この冷却タンクに配設されている大気開放バルブを開放することによりタンク内が過圧状態になるのを防止する制御装置を備えた、ことを特徴とする。
【００３９】
請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明において、前記冷却タンク内の圧力が所定レベルより低下した場合に、前記冷凍機の運転を停止させることによりタンク内が負圧状態になるのを防止する制御装置を備えた、ことを特徴とする。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の参考例及び実施形態を図に基づき説明する。但し、図１２と同様の構成要素には同一符号を付して重複した説明を省略する。また、以下の図１乃至図１１においては、冷却タンク４３回りの構成のみを図示する。その他の構成は図１２と同様である。
【００４１】
図１は、本発明の第１の参考例の要部構成図である。この図において、冷却タンク４３内の底部に熱量付与手段としてのヒータ５１が液化窒素４４中に浸漬された状態で配設されている。このヒータ５１は、低温の液体中に浸漬された状態でも支障がないように、抵抗体が適当な絶縁材により被覆されている。
【００４２】
また、冷却タンク４３内の圧力は状態量検出手段としての圧力検出器５２により検出されるようになっている。冷却タンク４３内の圧力は液化窒素４４の温度にほぼ比例する特性を有することから、この圧力を検出することによりシールド冷凍機２０の冷凍能力と冷凍負荷との間のバランスがどのような状態になっているかを検知することができる。
【００４３】
圧力検出器５２からの検出信号は制御装置１６内に設けられている冷凍負荷調整手段５３に送られるようになっており、冷凍負荷調整手段５３は、入力した圧力検出信号に基づきヒータ５１のオンオフを制御するようになっている。
【００４４】
次に、図１の動作につき説明する。図１２において説明したように、シールド冷凍機２０のモータヘッド部３３に送り込まれてきた高圧ヘリウムガスはシリンダ部３４内の膨張空間でサイモン膨張することによりヒートステーション３５に極低温が発生する。このヒートステーション３５によって冷却タンク４３内に存在する窒素ガスが冷却されて液化され液化窒素４４に戻される。
【００４５】
このとき、シールド冷凍機２０の冷凍能力が冷凍負荷を上回っていれば、液化量が増加するため液面４４ａは次第に上昇し、タンク内圧力は低下する。そして、冷凍負荷調整手段５３は、圧力検出器５２が検出した圧力値が予め設定してある下限値まで低下した時点でヒータ５１の通電をオンにする。これにより、液面４４ａから気化される窒素ガス量が増加するためシールド冷凍機２０の冷凍負荷が増大する。したがって、液面４４ａの上昇は停止し今度は下降することになるが、しばらくするとシールド冷凍機２０の冷凍負荷が冷凍能力を上回る状態となる。そして、冷凍負荷調整手段５３は、圧力検出器５２が検出した圧力値が予め設定してある上限値まで上昇した時点でヒータ５１の通電をオフにして冷凍負荷の増大を停止し、液面４４ａの下降を停止させる。
【００４６】
上記のように、冷凍負荷調整手段５３が圧力検出器５２からの検出信号に基づきヒータ５１をオンオフ制御することにより、冷却タンク４３内の液化窒素４４の液面４４ａをほぼ一定に制御することができる。この制御は、シールド冷凍機２０の冷凍能力を変化させているわけではなく、冷凍負荷を変化させているだけなので、ＪＴ冷凍機１８及び予冷冷凍機１９（図１２参照）側への干渉を生ずることはなく、これらの冷凍能力の変動をもたらすことはない。
【００４７】
すなわち、従来は、シールド冷凍機２０の冷凍能力を変化させることにより液面４４ａの一定制御を行うようにしていたため、この冷凍能力の変動が予冷冷凍機１９やＪＴ冷凍機１８に影響を及ぼすことのないように、予冷冷凍機１９の運転周波数や低段圧縮機２及び高段圧縮機３の運転周波数までも調整しなければならず複雑な制御となっていた。しかし、上記の制御を行う場合は、シールド冷凍機２０単独の問題として考えればよく、しかも制御の内容もヒータ５１をオンオフするだけの簡単なものとなっている。
【００４８】
また、従来は、冷凍システムにおける温度バランスのための時間が必要なため、冷凍能力変動制御の応答が遅くなり、液面４４ａの一定制御が間に合わない事態が生じる虞があったが、上記の制御では冷凍負荷を迅速に変化させることができ、そのような事態が生じる虞はなくなる。
【００４９】
図２は、本発明の第２の参考例の要部構成図である。図２が図１と異なる点は、状態量検出手段として、圧力検出器５２の代わりに温度検出器５４を設けて液化窒素４４の温度を直接検出するようにした点である。このような構成によっても図１と同様の効果を得ることができる。この第２の実施形態の動作の説明は第１の実施形態と同様であるためその記載を省略することとする。
【００５０】
図３は、本発明の第３の参考例の要部構成図である。図３が図１と異なる点は、状態量検出手段として、圧力検出器５２の代わりに液面計５５を設けて液化窒素４４の液面４４ａを直接検出するようにした点である。このような構成によっても図１と同様の効果を得ることができる。
【００５１】
図４は、本発明の第４の参考例の要部構成図である。図４が図１と異なる点は、熱量付与手段としてのヒータ５６が、冷却タンク４３底部の内面側ではなく外面側に取り付けられている点である。図１におけるヒータ５１の場合は、低温の液体中に浸漬された状態でも支障がないように抵抗体が適当な絶縁材により被覆されたものに限定される。しかし、この実施形態におけるヒータ５６は、冷却タンク４３の外側に取り付けられるものであるため、このようなものに限定されることはなく、より幅広い種類のヒータを用いることが可能である。
【００５２】
図５は、本発明の第５の参考例の要部構成図である。図５が図１と異なる点は、熱量付与手段としてヒータ５１の代わりに、誘導加熱コイル５７を冷却タンク４３底部の外面に対向して配設した点である。冷凍負荷調整手段５３は、この誘導加熱コイル５７に高周波電流を流すことにより、冷却タンク４３（ステンレス等の金属により形成されている）のコイル対向面に誘導電流を誘起し発熱を生じさせることができる。このような構成によっても図１と同様の効果を得ることができる。
【００５３】
図６は、本発明の第１の実施形態の要部構成図である。図６が図１と異なる点は、熱量付与手段を、冷却タンク４３底部の外面に一端側が接触するヒートパイプ５９と、このヒートパイプ５９の他端側を加熱するヒータ５８とで構成するようにした点である。この実施形態では、ヒータ５８からの熱量がヒートパイプ５９を介して冷却タンク４３内部に伝導されるので、液化窒素４４の温度変化すなわち冷凍負荷の変化が滑らかなものとなる。また、この実施形態によれば、ヒータ５８の通電がオフされている間も、真空デュワー３８の外部すなわち常温部からの熱量がヒータ５８及びヒートパイプ５９を介してある程度液化窒素４４側に伝達されるのを期待することができる。
【００５４】
図７は、本発明の第２の実施形態の要部構成図である。図７が図１と異なる点は、熱量付与手段が、良熱伝導ブロック受座６０、可動良熱伝導ブロック６１、及び伸縮駆動部材（これも熱伝導性の良好な部材）６２により構成されている点である。良熱伝導ブロック受座６０は、冷却タンク４３底部の外面に固着されており、この良熱伝導ブロック受座６０に対向するように可動良熱伝導ブロック６１が伸縮駆動部材６２に支持された状態で配設されている。
【００５５】
冷凍負荷調整手段５３は、駆動機構（図示せず）を介して可動良熱伝導ブロック６１を良熱伝導ブロック受座６０に対して進退動させ、それぞれの接触面６０ａ，６１ａを互いに接触した状態、あるいは離間した状態とすることができる。そして、接触面６０ａ，６１ａを互いに接触した状態では常温部からの熱量が、伸縮駆動部材６２、可動良熱伝導ブロック６１、及び良熱伝導ブロック受座６０を介して液化窒素４４側に伝達され、接触面６０ａ，６１ａを離間した状態とすればその熱量の伝達を遮断することができる。すなわち、接触面６０ａ，６１ａの接離を制御することによりシールド冷凍機２０の冷凍負荷を調整することができる。
【００５６】
図８は、本発明の第３の実施形態の要部構成図である。図８が図１と異なる点は、冷却タンク４３内に液面検知器６３（ポイントセンサ）が設けられており、制御装置１６がこの液面検知器６３からの検知信号を入力して、液面４４ａがヒートステーション３５の高さまで上昇しないよう制御できるようにしている点である。
【００５７】
すなわち、冷却タンク４３内に液化窒素４４を追加注液する場合、制御装置１６は冷媒液供給管４７に取り付けられた閉切り弁４８を開放して液化器（図示せず）から供給される液化窒素を冷却タンク４３内に流し込む。このとき、液化窒素の供給量が多すぎるとヒートステーション３５の一部又は全部が液化窒素４４中に浸ってしまい、窒素ガスを気化させることができなくなるため、安定した冷凍能力を維持することができなくなる。そこで、本実施形態では、ヒートステーション３５のやや下方の所定位置に液面検知器６３を配置し、この液面検知器６３が液面４４ａを検知したら液化窒素４４の追加注液を停止できるようにしている。この追加注液の停止は、手動により閉切り弁４８を閉じるようにしてもよく、あるいは、閉切り弁４８に弁機構を取り付けて制御装置１６が自動的に閉切り弁４８を閉じるようにしてもよい。
【００５８】
図９は、本発明の第４の実施形態の要部構成図である。図９が図１と異なる点は、排気管４９から冷却タンク４３の内部へ延びるオーバーフロー管４９ａが分岐している点である。図８の構成は、追加注液を行う際に、液面４４ａが所定の高さになったときに注液を停止するものであるが、この図９の構成によれば、追加注液中に液面４４ａが所定高さを超えようとする場合に、大気開放弁５０を開放することにより、オーバーフロー管４９ａから過剰な液化窒素４４を冷却タンク４３外へオーバーフローさせることができる。
【００５９】
図１０は、本発明の第５の実施形態の要部構成図である。図１０が図１と異なる点は、大気開放弁５０に弁機構６４が取り付けられ、制御装置１６がこの弁機構６４を制御して大気開放弁５０の開閉を自動的に行えるようにしたものである。すなわち、シールド冷凍機２０の冷凍能力が極度に低下した場合、冷却タンク４３内の圧力は異常レベルにまで上昇するが、このとき制御装置１６は圧力検出器５２からの信号に基づきこの圧力上昇を検出して弁機構６４を動作させる。これにより、大気開放弁５０が開放され、冷却タンク４３内の圧力の異常上昇が防止される。
【００６０】
図１１は、本発明の第６の実施形態の要部構成図である。図１１は図１とほぼ同じ構成であり、制御装置１６からシールド冷凍機２０に対して運転停止信号Ｓが出力されるようになっている点のみが異なっている。図１では、圧力検出器５２からの検出信号は冷凍負荷調整手段５３による液面４４ａの一定制御に用いられていたが、この実施形態では、シールド冷凍機２０の冷凍能力が冷凍負荷を大きく上回り、圧力検出器５２の検出値が所定値以下になった場合に、制御装置１６が運転停止信号Ｓを出力してシールド冷凍機２０の運転を停止させるようにし、所定値まで復帰した時点で再度シールド冷凍機２０の運転を再開させるようにしている。この場合、上記の所定値をゼロに設定しておけば、冷却タンク４３内が圧力が負圧になるまで低下するのを防止することができる。したがって、本実施形態によれば、冷却タンク４３内が負圧になった場合の外気吸い込みに起因する冷却回路の詰まり事故の発生を未然に防止することができる。
【００６１】
上述した各実施形態では、熱量付与手段、状態量検出手段、及び冷凍負荷調整手段をシールド冷凍機２０の冷凍負荷を制御するためのものとして説明したが、これら各手段はシールド冷凍機２０の冷凍負荷のみに限定される理由はなく、予冷冷凍機１９側にも同様に各手段を設けることが可能である。
【００６２】
さらに、本発明の技術は、上記のようなリニアモータカーに搭載される超電導磁石装置に対して冷却を極低温冷却装置に限定される理由はなく、少なくとも１台の圧縮機に対して複数台の冷凍機を並列接続してマルチ運転を行うような極低温冷却装置について広く適用することが可能である。
【００６３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、複数個の冷却タンクのうちの１個又は複数個に熱量付与手段を取り付けて、この冷却タンクの内部に対して熱量を与え、この冷却タンク内の所定の状態量を状態量検出手段により検出し、この状態量検出手段の検出に基づいて冷凍負荷調整手段が熱量付与手段の熱量付与動作を制御して冷凍機の冷凍負荷の調整を行う構成としたので、実質的に各冷凍機の冷凍能力を他の冷凍機に影響を及ぼすことなく独立に且つ迅速に変化させたのと同様の効果を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の参考例の要部構成図。
【図２】 本発明の第２の参考例の要部構成図。
【図３】 本発明の第３の参考例の要部構成図。
【図４】 本発明の第４の参考例の要部構成図。
【図５】 本発明の第５の参考例の要部構成図。
【図６】 本発明の第１の実施形態の要部構成図。
【図７】 本発明の第２の実施形態の要部構成図。
【図８】 本発明の第３の実施形態の要部構成図。
【図９】 本発明の第４の実施形態の要部構成図。
【図１０】 本発明の第５の実施形態の要部構成図。
【図１１】 本発明の第６の実施形態の要部構成図。
【図１２】 従来の極低温冷却装置の構成図。
【符号の説明】
１ 圧縮機ユニット
２ 低段圧縮機
３ 高段圧縮機
４ ＪＴ高圧調整機構
５ 第１開閉弁
６ 第１流量調整弁
７ 第２開閉弁
８ 第２流量調整弁
９ 低圧制御弁
１０ 高圧制御弁
１１ バッファ用給排口
１２ 低圧ガス吸入口
１３ ＪＴ用高圧ガス吐出口
１４ 中間圧ガス吸入口
１５ 高圧ガス吐出口
１６ 制御装置
１７ バッファタンク
１８ ＪＴ冷凍機
１９予冷冷凍機
２０ シールド冷凍機
２１ 第１熱交換器
２２ 第２熱交換器
２３ 第３熱交換器
２４ 第１予冷器
２５ 第２予冷器
２６ ＪＴ弁
２７ モータヘッド部
２８ シリンダ部
２９ 第１ヒートステーション
３０ 第２ヒートステーション
３１ 高圧ガス入口
３２ 低圧ガス出口
３３ モータヘッド部
３４ シリンダ部
３５ ヒートステーション
３６ 高圧ガス入口
３７ 低圧ガス出口
３８ 真空デュワー
３９ 熱シールド板
４０ 冷却タンク
４１ 液化ヘリウム
４２ 超電導コイル
４３ 冷却タンク
４４ 液化窒素
４４ａ 液面
４５ 配管
４５ａ 一端部
４５ｂ 他端部
４６ 熱交換器
４７ 冷媒液供給管
４８ 閉切り弁
４９ 排気管
４９ａ オーバーフロー管
５０ 大気開放弁
５１ ヒータ
５２ 圧力検出器
５３ 冷凍負荷調整手段
５８ ヒータ
５９ ヒートパイプ
６０ 良熱伝導ブロック受座
６１ 可動良熱伝導ブロック
６２ 伸縮駆動部材
６３ 液面検知器
６４ 弁機構
Ｓ 運転停止信号
【発明の属する技術分野】
本発明は、１台の圧縮機に対して複数台の冷凍機が接続され、且つ、各冷凍機の冷凍能力を可変できる極低温冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
リニアモータカーに搭載される超伝導磁石装置に対する冷却は極低温冷却装置により行われるが、この極低温冷却装置の構成としては、１台の圧縮機に対して複数台の冷凍機を接続し、ヘリウムガスを冷媒としてマルチ運転を行うと共に、超電導コイルの冷却タンク周辺を、窒素ガスを自然循環させる方式が多く採用されている。図１２は、このような方式で冷却を行う従来の極低温冷却装置の構成図である（例えば、特開平９−２２９５０３号公報参照）。
【０００３】
図１２において、圧縮機ユニット１は、低段圧縮機２及び高段圧縮機３と、第１開閉弁５、第１流量調整弁６、第２開閉弁７、第２流量調整弁８により構成されるＪＴ高圧調整機構４と、低圧制御弁９及び高圧制御弁１０とを有している。また、圧縮機ユニット１には、バッファ用給排口１１、低圧ガス吸入口１２、ＪＴ用高圧ガス吐出口１３、中間圧ガス吸入口１４、及び高圧ガス吐出口１５が設けられている。
【０００４】
低段圧縮機２及び高段圧縮機３は、制御装置１６によりインバータ運転され、その運転周波数が可変されるようになっている。バッファ用給排口１１には、ヘリウムガスが入っているバッファタンク１７が接続されており、このバッファタンク１７は、低圧制御弁９を介して低段圧縮機２の吸入側に連通すると共に、高圧制御弁１０を介して高段圧縮機３の吐出側に連通している。そして、低段圧縮機２の吸入側圧力が所定レベル以下に低下すると、低圧制御弁９が開放してバッファタンク１７内のヘリウムガスが低段圧縮機２に供給されるようになっており、一方、高段圧縮機３の吐出側圧力が所定レベル以上に上昇すると、高圧制御弁１０が開放して高段圧縮機３からのヘリウムガスがバッファタンク１７に戻されるようになっている。
【０００５】
圧縮機ユニット１からの高圧ガスは、ＪＴ冷凍機１８、予冷冷凍機１９、及びシールド冷凍機２０に送出されるようになっている。すなわち、高段圧縮機３からの高圧ヘリウムガスの一部は、ＪＴ高圧調整機構４で流量が調整された後、ＪＴ用高圧ガス吐出口１３を通ってＪＴ冷凍機１８に送られ、また、残りの高圧ヘリウムガスは、高圧ガス吐出口１５を通って予冷冷凍機１９及びシールド冷凍機２０に送られるようになっている。
【０００６】
ＪＴ冷凍機１８は、第１熱交換器２１、第２熱交換器２２、第３熱交換器２３、第１予冷器２４、第２予冷器２５、及びＪＴ弁２６により構成されている。
【０００７】
予冷冷凍機１９は、モータヘッド部２７、シリンダ部２８、第１ヒートステーション２９、及び第２ヒートステーション３０により構成されており、モータヘッド部２７には高圧ガス入口３１及び低圧ガス出口３２が設けられている。予冷冷凍機１９の構造についての詳しい説明は省略するが、シリンダ部２８にはその膨張空間内に往復動可能にディスプレーサが配設されると共に、モータヘッド部２７には、制御装置１６により制御されるバルブ駆動モータが配設されており、さらに、このバルブ駆動モータの回転軸に取り付けられたロータリバルブによって中間圧力が生成される中間圧室が形成されている。そして、ロータリバルブの回転によってこの中間圧室と膨張空間との間に圧力差が生じ、シリンダ部２８内のディスプレーサが往復動するようになっている。これにより、高圧ガス入口３１からの高圧ヘリウムガスは、この膨張空間内でサイモン膨張を行い、第１ヒートステーション２９及び第２ヒートステーション３０の温度が極低温レベルまで低下する。したがって、ＪＴ冷凍機１８の第１予冷器２４及び第２予冷器２５は、この第１ヒートステーション２９及び第２ヒートステーション３０により予冷される。膨張した低圧ヘリウムガスは、低圧ガス出口３２から中間圧ガス吸入口１４を通って高段圧縮機３の吸入側に戻されるようになっている。
【０００８】
シールド冷凍機２０は、モータヘッド部３３、シリンダ部３４、及びヒートステーション３５により構成されており、モータヘッド部３３には高圧ガス入口３６及び低圧ガス出口３７が設けられている。このシールド冷凍機２０の構造は、予冷冷凍機１９と略同様のものである。
【０００９】
ＪＴ冷凍機１８と、予冷冷凍機１９及びシールド冷凍機２０の一部とは真空デュワー３８の内部に配置されている。そして、真空デュワー３８の下方には、熱シールド板３９が配設され、この熱シールド板３９の内部に、第２熱交換器２２、第３熱交換器２３、第２予冷器２５、ＪＴ弁２６、及び第２ヒートステーション３０が配置されている。
【００１０】
熱シールド板３９の内部には、更に、液化ヘリウム４１を貯溜する冷却タンク４０が配設されており、この液化ヘリウム４１中に超電導コイル４２が浸漬されている。この冷却タンク４０の内部には、ＪＴ弁２６が取り付けられている液化ヘリウム戻し配管の端部と、その下方に位置し第３熱交換器２３の２次側と連通するヘリウムガス吸入配管の端部とが配設されている。そして、この戻し配管の端部からはＪＴ弁２６を通過して液化された液化ヘリウムが冷却タンク４０内に注がれ、一方、冷却タンク４０内で液化ヘリウム４１の気化により発生したヘリウムガスが吸入配管の端部から吸入され、ＪＴ冷凍機１８及び低圧ガス吸入口１２を経由して低段圧縮機２の吸入側に送出されるようになっている。
【００１１】
真空デュワー３８の内部であって熱シールド板３９の上方の位置には、液化窒素４４を貯溜する冷却タンク４３が配設されている。冷却タンク４３の底部には冷却配管４５の一端部４５ａが接続され、また、冷却タンク４３の側部であって液化窒素４４の液面４４ａより上方の位置には冷却配管４５の他端部４５ｂが接続されている。そして、冷却配管４５の途中には熱交換器４６が設けられている。すなわち、冷却配管４５の一端部４５ａから熱交換器４６に落下した液化窒素４４は、ここで熱交換作用を行って熱シールド板３９の冷却を行い、気化した窒素ガスが他端部４５ｂから冷却タンク４３内へ戻されるようになっている。なお、このように、圧縮機等の動力を用いることなく液化窒素４４及び窒素ガスを循環させる方式は自然循環方式と呼ばれている。
【００１２】
シールド冷凍機２０のシリンダ部３４及びヒートステーション３５は、冷却タンク４３内であって液面４４ａの上方に位置するように配設されている。そして、ヒートステーション３５は、液面４４ａから気化される窒素ガス、及び冷却タンク４３の他端部４５ｂから戻される窒素ガスに対する冷却を行い、この窒素ガスを液化するようになっている。冷却タンク４３には、また、閉切り弁４８が取り付けられた冷媒液供給管４７と、大気開放弁５０が取り付けられた排気管４９とが配設されている。冷媒液供給管４７は、冷却タンク４３内の液化窒素４４が不足状態にある場合、あるいはメインテナンス時に液化窒素４４の入れ換えを行う場合等に閉切り弁４８を開いて図示を省略してある液化器から液化窒素４４を供給するためのものである。また、排気管４９は、冷却タンク４３内の圧力が一定以上上昇した場合等に、大気開放弁５０を開いてタンク内圧力を減圧させるためのものである。
【００１３】
次に、図１２の動作につき説明する。圧縮機ユニット１の低段圧縮機２は、低圧ガス吸入口１２からの定圧ヘリウムガスを圧縮し、高段圧縮機３はこの低段圧縮機２から送り出されてきたヘリウムガスを更に高圧に圧縮する。高段圧縮機３から吐出されたヘリウムガスは、その一部が高圧ガス吐出口１５を介してシールド冷凍機２０及び予冷冷凍機１９に送出され、また、残りのヘリウムガスはＪＴ高圧調整機構４及びＪＴ用高圧ガス吐出口１３を介してＪＴ冷凍機１８に送出される。
【００１４】
シールド冷凍機２０では、送り込まれてきた高圧ヘリウムガスが膨張空間でサイモン膨張することによりヒートステーション３５に極低温が発生する。このヒートステーション３５によって、冷却タンク４３内の窒素ガスが冷却され液化される。そして、熱交換器４６を通過する液化窒素４４の熱交換作用により熱シールド板３９が冷却され、熱シールド板３９の内部が外部から熱シールドされる。なお、シールド冷凍機２０で膨張したヘリウムガスは、中間圧ガス吸入口１４を通って高段圧縮機３の吸入側に戻される。
【００１５】
同様に、予冷冷凍機１９でも、送り込まれてきた高圧ヘリウムガスが膨張空間でサイモン膨張することにより第１ヒートステーション２９及び第２ヒートステーション３０に極低温が発生する。また、予冷冷凍機１９で膨張したヘリウムガスは、中間圧ガス吸入口１４を通って高段圧縮機３の吸入側に戻される。
【００１６】
ＪＴ冷凍機１８では、ＪＴ用高圧ガス吐出口１３からの高圧ヘリウムガスが、第１熱交換器２１の１次側、第１予冷器２４、第２熱交換器２２の１次側、第２予冷器２５、第３熱交換器２３の１次側においてそれぞれ順次冷却される。このとき、第１熱交換器２１、第２熱交換器２２、及び第３熱交換器２３の各１次側を通過するヘリウムガスは、それぞれの２次側を通過し低圧ガス吸入口１２に向かうヘリウムガスによって冷却され、また、第１予冷器２４及び第２予冷器２５はそれぞれ第１ヒートステーション２９及び第２ヒートステーション３０によって冷却される。
【００１７】
第３熱交換器２３の１次側を通過したヘリウムガスはＪＴ弁２６に送られ、ここでジュールトムソン膨張を行って液化し、液化ヘリウム戻し配管の端部から液化ヘリウム４１となって冷却タンク４０内に貯溜される。超電導コイル４２は、この液化ヘリウム４１中に浸漬されて臨界温度以下に冷却される。また、液化ヘリウム４１の液面から気化したヘリウムガスはヘリウムガス吸入配管の端部から吸入され、第３熱交換器２３、第２熱交換器２２、及び第１熱交換器２１の各２次側を通って低段圧縮機２の吸入側に送出される。
【００１８】
そして、制御装置１６は、低段圧縮機２及び高段圧縮機３の運転周波数を可変制御することが可能であるが、更に、予冷冷凍機１９及びシールド冷凍機２０内のバルブ駆動モータの運転周波数をも可変するようになっている。これら予冷冷凍機１９及びシールド冷凍機２０の各バルブ駆動モータの運転周波数を可変制御することにより、各ディスプレーサの往復動周波数を制御することができ、したがって、それぞれの冷凍機の冷凍能力を可変することが可能になる。
【００１９】
ところで、液化窒素４４が貯溜されている冷却タンク４３において、冷却配管４５の一端部４５ａから熱交換器４６及び冷却配管４５の他端部４５ｂに至る循環回路は、圧縮機等の動力を用いていないので前述したように自然循環方式と呼ばれている。このような自然循環方式の冷媒回路においては、冷媒の循環を極力円滑に行わせるために液化窒素４４の液面４４ａを極力一定に維持することが要求されるが、液面４４ａを一定に維持するために、冷却タンク４３内部の状態に応じてシールド冷凍機２０の冷凍能力を変化させることがある。そして、制御装置１６によりモータヘッド部３３内のバルブ駆動モータの運転周波数を変化させることにより、このシールド冷凍機２０の冷凍能力を変化させることができる。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、予冷冷凍機１９及びシールド冷凍機２０の各冷凍能力は、制御装置１６が各バルブモータの運転周波数を制御することにより調整することができる。しかし、一般に、図１２のように、１台の圧縮機（図１２の場合は、低段圧縮機２及び高段圧縮機３の合計２台の圧縮機が用いられているが、これらは直列接続されているものであり概念的には１台と考えるべきものである。）に対し複数台の冷凍機が並列接続されている構成においては、或る冷凍機の冷凍能力を変化させた場合には、その冷凍能力の変化が他の冷凍機に対して干渉するのを避けることが困難である。したがって、シールド冷凍機２０の冷凍能力を変化させようとする場合には、予冷冷凍機１９及びＪＴ冷凍機１８の冷凍能力についても変化させる必要があり、場合によっては、低段圧縮機２及び高段圧縮機３の運転周波数をも可変しなければならない。
【００２１】
しかし、冷媒回路の一部を共用する各冷凍機１８，１９，２０に対して、上記のような干渉を考慮しながら行う各バルブモータ及び各圧縮機２，３の運転周波数の制御は非常に複雑なものとなり、また実際には、ある程度の干渉が生じるのを避けることができず所望の冷凍能力を正確に得るのは困難である。
【００２２】
さらに、バルブモータの運転周波数の制御によりシールド冷凍機２０の冷凍能力を変化させる場合は、冷凍システムにおける温度バランスのための時間が必要なために、冷凍能力変動制御の応答が遅くなる。そのため、シールド冷凍機２０の冷凍負荷が大きな場合には、冷却タンク４３内の液化窒素４４の液面４４ａを一定に保つことが困難となり、自然循環方式の冷媒回路における冷媒の円滑な循環が困難となる。
【００２３】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、各冷却タンク内の被冷却対象物を冷却する複数台の冷凍機が１台の圧縮機に対して並列接続されている極低温冷却装置において、或る冷凍機の冷凍能力を他の冷凍機に対する干渉を生じることなく迅速に変化させたのと同様の効果を得ることができる極低温冷却装置を提供することを目的としている。
【００３４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段として、請求項１記載の発明は、冷媒ガスを圧縮する少なくとも１台の圧縮機と、前記少なくとも１台の圧縮機に対して並列接続され、前記圧縮機からの冷媒ガスを膨張させることにより極低温状態を発生させる複数台の冷凍機と、前記複数台の各冷凍機により冷却される各被冷却対象物が収容される複数個の冷却タンクと、前記複数個の冷却タンクのうちの１個又は複数個に取り付けられ、この冷却タンクの内部に対して熱量を与える熱量付与手段と、前記冷却タンク内の所定の状態量を検出する状態量検出手段と、前記状態量検出手段の検出に基づいて前記熱量付与手段の熱量付与動作を制御することにより、前記冷凍機の冷凍負荷を調整する冷凍負荷調整手段と、を備え、前記冷却タンク内に収容される被冷却対象物が、前記圧縮機及び前記冷凍機の冷媒回路を循環する冷媒の冷媒ガス、又はこの冷媒回路とは独立の他の冷媒回路を循環する冷媒の冷媒ガスであってタンク内に貯溜された冷媒液が気化したものである、極低温冷却装置において、前記熱量付与手段が、前記冷却タンクの外部に取り付けられたヒートパイプと、このヒートパイプに対する加熱を行うヒータとにより構成されるものである、ことを特徴とする。
【００３５】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記ヒートパイプ及びヒータに代え、前記熱量付与手段が、前記冷却タンクの外部に固着された良熱伝導ブロック受座と、この良熱伝導ブロック受座に対して接離可能に配設された可動良熱伝導ブロックとから構成され、常温雰囲気部からの熱量をこれら可動良熱伝導ブロック及び良熱伝導ブロック受座を介して前記冷却タンクの内部に与えるものである、ことを特徴とする。
【００３６】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記冷却タンク内に貯溜される冷媒液の液面高さが所定レベルより上昇した場合に、この冷却タンク内への冷媒液の供給を停止させる制御装置を備えた、ことを特徴とする。
【００３７】
請求項４記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記冷却タンクには、タンク内に貯溜される冷媒液の液面高さが所定レベルより上昇した場合に、この冷媒液をタンク外に放出するオーバーフロー管が配設されている、ことを特徴とする。
【００３８】
請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記冷却タンク内の圧力が所定レベルより上昇した場合に、この冷却タンクに配設されている大気開放バルブを開放することによりタンク内が過圧状態になるのを防止する制御装置を備えた、ことを特徴とする。
【００３９】
請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明において、前記冷却タンク内の圧力が所定レベルより低下した場合に、前記冷凍機の運転を停止させることによりタンク内が負圧状態になるのを防止する制御装置を備えた、ことを特徴とする。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の参考例及び実施形態を図に基づき説明する。但し、図１２と同様の構成要素には同一符号を付して重複した説明を省略する。また、以下の図１乃至図１１においては、冷却タンク４３回りの構成のみを図示する。その他の構成は図１２と同様である。
【００４１】
図１は、本発明の第１の参考例の要部構成図である。この図において、冷却タンク４３内の底部に熱量付与手段としてのヒータ５１が液化窒素４４中に浸漬された状態で配設されている。このヒータ５１は、低温の液体中に浸漬された状態でも支障がないように、抵抗体が適当な絶縁材により被覆されている。
【００４２】
また、冷却タンク４３内の圧力は状態量検出手段としての圧力検出器５２により検出されるようになっている。冷却タンク４３内の圧力は液化窒素４４の温度にほぼ比例する特性を有することから、この圧力を検出することによりシールド冷凍機２０の冷凍能力と冷凍負荷との間のバランスがどのような状態になっているかを検知することができる。
【００４３】
圧力検出器５２からの検出信号は制御装置１６内に設けられている冷凍負荷調整手段５３に送られるようになっており、冷凍負荷調整手段５３は、入力した圧力検出信号に基づきヒータ５１のオンオフを制御するようになっている。
【００４４】
次に、図１の動作につき説明する。図１２において説明したように、シールド冷凍機２０のモータヘッド部３３に送り込まれてきた高圧ヘリウムガスはシリンダ部３４内の膨張空間でサイモン膨張することによりヒートステーション３５に極低温が発生する。このヒートステーション３５によって冷却タンク４３内に存在する窒素ガスが冷却されて液化され液化窒素４４に戻される。
【００４５】
このとき、シールド冷凍機２０の冷凍能力が冷凍負荷を上回っていれば、液化量が増加するため液面４４ａは次第に上昇し、タンク内圧力は低下する。そして、冷凍負荷調整手段５３は、圧力検出器５２が検出した圧力値が予め設定してある下限値まで低下した時点でヒータ５１の通電をオンにする。これにより、液面４４ａから気化される窒素ガス量が増加するためシールド冷凍機２０の冷凍負荷が増大する。したがって、液面４４ａの上昇は停止し今度は下降することになるが、しばらくするとシールド冷凍機２０の冷凍負荷が冷凍能力を上回る状態となる。そして、冷凍負荷調整手段５３は、圧力検出器５２が検出した圧力値が予め設定してある上限値まで上昇した時点でヒータ５１の通電をオフにして冷凍負荷の増大を停止し、液面４４ａの下降を停止させる。
【００４６】
上記のように、冷凍負荷調整手段５３が圧力検出器５２からの検出信号に基づきヒータ５１をオンオフ制御することにより、冷却タンク４３内の液化窒素４４の液面４４ａをほぼ一定に制御することができる。この制御は、シールド冷凍機２０の冷凍能力を変化させているわけではなく、冷凍負荷を変化させているだけなので、ＪＴ冷凍機１８及び予冷冷凍機１９（図１２参照）側への干渉を生ずることはなく、これらの冷凍能力の変動をもたらすことはない。
【００４７】
すなわち、従来は、シールド冷凍機２０の冷凍能力を変化させることにより液面４４ａの一定制御を行うようにしていたため、この冷凍能力の変動が予冷冷凍機１９やＪＴ冷凍機１８に影響を及ぼすことのないように、予冷冷凍機１９の運転周波数や低段圧縮機２及び高段圧縮機３の運転周波数までも調整しなければならず複雑な制御となっていた。しかし、上記の制御を行う場合は、シールド冷凍機２０単独の問題として考えればよく、しかも制御の内容もヒータ５１をオンオフするだけの簡単なものとなっている。
【００４８】
また、従来は、冷凍システムにおける温度バランスのための時間が必要なため、冷凍能力変動制御の応答が遅くなり、液面４４ａの一定制御が間に合わない事態が生じる虞があったが、上記の制御では冷凍負荷を迅速に変化させることができ、そのような事態が生じる虞はなくなる。
【００４９】
図２は、本発明の第２の参考例の要部構成図である。図２が図１と異なる点は、状態量検出手段として、圧力検出器５２の代わりに温度検出器５４を設けて液化窒素４４の温度を直接検出するようにした点である。このような構成によっても図１と同様の効果を得ることができる。この第２の実施形態の動作の説明は第１の実施形態と同様であるためその記載を省略することとする。
【００５０】
図３は、本発明の第３の参考例の要部構成図である。図３が図１と異なる点は、状態量検出手段として、圧力検出器５２の代わりに液面計５５を設けて液化窒素４４の液面４４ａを直接検出するようにした点である。このような構成によっても図１と同様の効果を得ることができる。
【００５１】
図４は、本発明の第４の参考例の要部構成図である。図４が図１と異なる点は、熱量付与手段としてのヒータ５６が、冷却タンク４３底部の内面側ではなく外面側に取り付けられている点である。図１におけるヒータ５１の場合は、低温の液体中に浸漬された状態でも支障がないように抵抗体が適当な絶縁材により被覆されたものに限定される。しかし、この実施形態におけるヒータ５６は、冷却タンク４３の外側に取り付けられるものであるため、このようなものに限定されることはなく、より幅広い種類のヒータを用いることが可能である。
【００５２】
図５は、本発明の第５の参考例の要部構成図である。図５が図１と異なる点は、熱量付与手段としてヒータ５１の代わりに、誘導加熱コイル５７を冷却タンク４３底部の外面に対向して配設した点である。冷凍負荷調整手段５３は、この誘導加熱コイル５７に高周波電流を流すことにより、冷却タンク４３（ステンレス等の金属により形成されている）のコイル対向面に誘導電流を誘起し発熱を生じさせることができる。このような構成によっても図１と同様の効果を得ることができる。
【００５３】
図６は、本発明の第１の実施形態の要部構成図である。図６が図１と異なる点は、熱量付与手段を、冷却タンク４３底部の外面に一端側が接触するヒートパイプ５９と、このヒートパイプ５９の他端側を加熱するヒータ５８とで構成するようにした点である。この実施形態では、ヒータ５８からの熱量がヒートパイプ５９を介して冷却タンク４３内部に伝導されるので、液化窒素４４の温度変化すなわち冷凍負荷の変化が滑らかなものとなる。また、この実施形態によれば、ヒータ５８の通電がオフされている間も、真空デュワー３８の外部すなわち常温部からの熱量がヒータ５８及びヒートパイプ５９を介してある程度液化窒素４４側に伝達されるのを期待することができる。
【００５４】
図７は、本発明の第２の実施形態の要部構成図である。図７が図１と異なる点は、熱量付与手段が、良熱伝導ブロック受座６０、可動良熱伝導ブロック６１、及び伸縮駆動部材（これも熱伝導性の良好な部材）６２により構成されている点である。良熱伝導ブロック受座６０は、冷却タンク４３底部の外面に固着されており、この良熱伝導ブロック受座６０に対向するように可動良熱伝導ブロック６１が伸縮駆動部材６２に支持された状態で配設されている。
【００５５】
冷凍負荷調整手段５３は、駆動機構（図示せず）を介して可動良熱伝導ブロック６１を良熱伝導ブロック受座６０に対して進退動させ、それぞれの接触面６０ａ，６１ａを互いに接触した状態、あるいは離間した状態とすることができる。そして、接触面６０ａ，６１ａを互いに接触した状態では常温部からの熱量が、伸縮駆動部材６２、可動良熱伝導ブロック６１、及び良熱伝導ブロック受座６０を介して液化窒素４４側に伝達され、接触面６０ａ，６１ａを離間した状態とすればその熱量の伝達を遮断することができる。すなわち、接触面６０ａ，６１ａの接離を制御することによりシールド冷凍機２０の冷凍負荷を調整することができる。
【００５６】
図８は、本発明の第３の実施形態の要部構成図である。図８が図１と異なる点は、冷却タンク４３内に液面検知器６３（ポイントセンサ）が設けられており、制御装置１６がこの液面検知器６３からの検知信号を入力して、液面４４ａがヒートステーション３５の高さまで上昇しないよう制御できるようにしている点である。
【００５７】
すなわち、冷却タンク４３内に液化窒素４４を追加注液する場合、制御装置１６は冷媒液供給管４７に取り付けられた閉切り弁４８を開放して液化器（図示せず）から供給される液化窒素を冷却タンク４３内に流し込む。このとき、液化窒素の供給量が多すぎるとヒートステーション３５の一部又は全部が液化窒素４４中に浸ってしまい、窒素ガスを気化させることができなくなるため、安定した冷凍能力を維持することができなくなる。そこで、本実施形態では、ヒートステーション３５のやや下方の所定位置に液面検知器６３を配置し、この液面検知器６３が液面４４ａを検知したら液化窒素４４の追加注液を停止できるようにしている。この追加注液の停止は、手動により閉切り弁４８を閉じるようにしてもよく、あるいは、閉切り弁４８に弁機構を取り付けて制御装置１６が自動的に閉切り弁４８を閉じるようにしてもよい。
【００５８】
図９は、本発明の第４の実施形態の要部構成図である。図９が図１と異なる点は、排気管４９から冷却タンク４３の内部へ延びるオーバーフロー管４９ａが分岐している点である。図８の構成は、追加注液を行う際に、液面４４ａが所定の高さになったときに注液を停止するものであるが、この図９の構成によれば、追加注液中に液面４４ａが所定高さを超えようとする場合に、大気開放弁５０を開放することにより、オーバーフロー管４９ａから過剰な液化窒素４４を冷却タンク４３外へオーバーフローさせることができる。
【００５９】
図１０は、本発明の第５の実施形態の要部構成図である。図１０が図１と異なる点は、大気開放弁５０に弁機構６４が取り付けられ、制御装置１６がこの弁機構６４を制御して大気開放弁５０の開閉を自動的に行えるようにしたものである。すなわち、シールド冷凍機２０の冷凍能力が極度に低下した場合、冷却タンク４３内の圧力は異常レベルにまで上昇するが、このとき制御装置１６は圧力検出器５２からの信号に基づきこの圧力上昇を検出して弁機構６４を動作させる。これにより、大気開放弁５０が開放され、冷却タンク４３内の圧力の異常上昇が防止される。
【００６０】
図１１は、本発明の第６の実施形態の要部構成図である。図１１は図１とほぼ同じ構成であり、制御装置１６からシールド冷凍機２０に対して運転停止信号Ｓが出力されるようになっている点のみが異なっている。図１では、圧力検出器５２からの検出信号は冷凍負荷調整手段５３による液面４４ａの一定制御に用いられていたが、この実施形態では、シールド冷凍機２０の冷凍能力が冷凍負荷を大きく上回り、圧力検出器５２の検出値が所定値以下になった場合に、制御装置１６が運転停止信号Ｓを出力してシールド冷凍機２０の運転を停止させるようにし、所定値まで復帰した時点で再度シールド冷凍機２０の運転を再開させるようにしている。この場合、上記の所定値をゼロに設定しておけば、冷却タンク４３内が圧力が負圧になるまで低下するのを防止することができる。したがって、本実施形態によれば、冷却タンク４３内が負圧になった場合の外気吸い込みに起因する冷却回路の詰まり事故の発生を未然に防止することができる。
【００６１】
上述した各実施形態では、熱量付与手段、状態量検出手段、及び冷凍負荷調整手段をシールド冷凍機２０の冷凍負荷を制御するためのものとして説明したが、これら各手段はシールド冷凍機２０の冷凍負荷のみに限定される理由はなく、予冷冷凍機１９側にも同様に各手段を設けることが可能である。
【００６２】
さらに、本発明の技術は、上記のようなリニアモータカーに搭載される超電導磁石装置に対して冷却を極低温冷却装置に限定される理由はなく、少なくとも１台の圧縮機に対して複数台の冷凍機を並列接続してマルチ運転を行うような極低温冷却装置について広く適用することが可能である。
【００６３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、複数個の冷却タンクのうちの１個又は複数個に熱量付与手段を取り付けて、この冷却タンクの内部に対して熱量を与え、この冷却タンク内の所定の状態量を状態量検出手段により検出し、この状態量検出手段の検出に基づいて冷凍負荷調整手段が熱量付与手段の熱量付与動作を制御して冷凍機の冷凍負荷の調整を行う構成としたので、実質的に各冷凍機の冷凍能力を他の冷凍機に影響を及ぼすことなく独立に且つ迅速に変化させたのと同様の効果を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の参考例の要部構成図。
【図２】 本発明の第２の参考例の要部構成図。
【図３】 本発明の第３の参考例の要部構成図。
【図４】 本発明の第４の参考例の要部構成図。
【図５】 本発明の第５の参考例の要部構成図。
【図６】 本発明の第１の実施形態の要部構成図。
【図７】 本発明の第２の実施形態の要部構成図。
【図８】 本発明の第３の実施形態の要部構成図。
【図９】 本発明の第４の実施形態の要部構成図。
【図１０】 本発明の第５の実施形態の要部構成図。
【図１１】 本発明の第６の実施形態の要部構成図。
【図１２】 従来の極低温冷却装置の構成図。
【符号の説明】
１ 圧縮機ユニット
２ 低段圧縮機
３ 高段圧縮機
４ ＪＴ高圧調整機構
５ 第１開閉弁
６ 第１流量調整弁
７ 第２開閉弁
８ 第２流量調整弁
９ 低圧制御弁
１０ 高圧制御弁
１１ バッファ用給排口
１２ 低圧ガス吸入口
１３ ＪＴ用高圧ガス吐出口
１４ 中間圧ガス吸入口
１５ 高圧ガス吐出口
１６ 制御装置
１７ バッファタンク
１８ ＪＴ冷凍機
１９予冷冷凍機
２０ シールド冷凍機
２１ 第１熱交換器
２２ 第２熱交換器
２３ 第３熱交換器
２４ 第１予冷器
２５ 第２予冷器
２６ ＪＴ弁
２７ モータヘッド部
２８ シリンダ部
２９ 第１ヒートステーション
３０ 第２ヒートステーション
３１ 高圧ガス入口
３２ 低圧ガス出口
３３ モータヘッド部
３４ シリンダ部
３５ ヒートステーション
３６ 高圧ガス入口
３７ 低圧ガス出口
３８ 真空デュワー
３９ 熱シールド板
４０ 冷却タンク
４１ 液化ヘリウム
４２ 超電導コイル
４３ 冷却タンク
４４ 液化窒素
４４ａ 液面
４５ 配管
４５ａ 一端部
４５ｂ 他端部
４６ 熱交換器
４７ 冷媒液供給管
４８ 閉切り弁
４９ 排気管
４９ａ オーバーフロー管
５０ 大気開放弁
５１ ヒータ
５２ 圧力検出器
５３ 冷凍負荷調整手段
５８ ヒータ
５９ ヒートパイプ
６０ 良熱伝導ブロック受座
６１ 可動良熱伝導ブロック
６２ 伸縮駆動部材
６３ 液面検知器
６４ 弁機構
Ｓ 運転停止信号
Claims (6)
- 冷媒ガスを圧縮する少なくとも１台の圧縮機と、
前記少なくとも１台の圧縮機に対して並列接続され、前記圧縮機からの冷媒ガスを膨張させることにより極低温状態を発生させる複数台の冷凍機と、
前記複数台の各冷凍機により冷却される各被冷却対象物が収容される複数個の冷却タンクと、
前記複数個の冷却タンクのうちの１個又は複数個に取り付けられ、この冷却タンクの内部に対して熱量を与える熱量付与手段と、
前記冷却タンク内の所定の状態量を検出する状態量検出手段と、
前記状態量検出手段の検出に基づいて前記熱量付与手段の熱量付与動作を制御することにより、前記冷凍機の冷凍負荷を調整する冷凍負荷調整手段と、
を備え、
前記冷却タンク内に収容される被冷却対象物が、前記圧縮機及び前記冷凍機の冷媒回路を循環する冷媒の冷媒ガス、又はこの冷媒回路とは独立の他の冷媒回路を循環する冷媒の冷媒ガスであってタンク内に貯溜された冷媒液が気化したものである、
極低温冷却装置において、
前記熱量付与手段が、前記冷却タンクの外部に取り付けられたヒートパイプと、このヒートパイプに対する加熱を行うヒータとにより構成されるものである、
ことを特徴とする極低温冷却装置。 - 前記ヒートパイプ及びヒータに代え、前記熱量付与手段が、前記冷却タンクの外部に固着された良熱伝導ブロック受座と、この良熱伝導ブロック受座に対して接離可能に配設された可動良熱伝導ブロックとから構成され、常温雰囲気部からの熱量をこれら可動良熱伝導ブロック及び良熱伝導ブロック受座を介して前記冷却タンクの内部に与えるものである、
ことを特徴とする請求項１記載の極低温冷却装置。 - 前記冷却タンク内に貯溜される冷媒液の液面高さが所定レベルより上昇した場合に、この冷却タンク内への冷媒液の供給を停止させる制御装置を備えた、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の極低温冷却装置。 - 前記冷却タンクには、タンク内に貯溜される冷媒液の液面高さが所定レベルより上昇した場合に、この冷媒液をタンク外に放出するオーバーフロー管が配設されている、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の極低温冷却装置。 - 前記冷却タンク内の圧力が所定レベルより上昇した場合に、この冷却タンクに配設されている大気開放バルブを開放することによりタンク内が過圧状態になるのを防止する制御装置を備えた、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の極低温冷却装置。 - 前記冷却タンク内の圧力が所定レベルより低下した場合に、前記冷凍機の運転を停止させることによりタンク内が負圧状態になるのを防止する制御装置を備えた、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の極低温冷却装置。
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