JP5356983B2 - 極低温冷凍装置及びその運転方法 - Google Patents
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Description
請求項1に記載の発明は、冷媒ガスを圧縮、循環させる主圧縮機と、
圧縮した冷媒ガスを戻りの冷媒ガスとの熱交換により冷却する主熱交換器と、
冷却した冷媒ガスを断熱膨張させる膨張タービンと、
前記膨張タービンを出た極低温の冷媒ガスと冷却液とを熱交換させる副熱交換器と、が設けられ、
前記副熱交換器で熱交換した後の冷媒ガスを、前記主熱交換器を介して前記主圧縮機に循環させる循環経路からなる閉ループを備えた極低温冷凍装置であって、
前記主圧縮機の入口側で前記閉ループと弁を介して連通するバッファータンクと、
前記主圧縮機の入口側の前記閉ループ内の圧力と前記バッファータンク内の圧力とを比較して、圧力の低い側から高い側へ冷媒ガスを圧送する副圧縮機と、を備えることを特徴とする極低温冷凍装置である。
前記閉ループの前記主圧縮機の入口側から前記バッファータンクに前記副圧縮機を介して接続する回収経路と、を備えることを特徴とする請求項1に記載の極低温冷凍装置である。
前記バイパス経路が当該バイパス経路の中間部にバイパス弁を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置である。
前記アフタークーラーの出口側又は前記主圧縮機と前記アフタークーラーとの間に設けられた逆止弁と、を備えることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置である。
前記冷却液を前記副熱交換器に循環させる循環ポンプと、をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置である。
前記閉ループ内の冷媒ガスの、前記主圧縮機の入口側の圧力が所定の圧力以下であり、前記バッファータンク内の冷媒ガスの圧力が前記主圧縮機の入口側の前記閉ループ内の圧力よりも低い場合に、前記バッファータンクから前記副圧縮機に冷媒ガスを導入し、当該副圧縮機によって圧送された冷媒ガスを前記閉ループ内に補充し、
前記閉ループ内の冷媒ガスの、前記主圧縮機の入口側及び出口側の少なくともいずれか一方の圧力が所定の圧力以上であり、前記バッファータンク内の冷媒ガスの圧力が前記主圧縮機の入口側の前記閉ループ内の圧力よりも高い場合に、前記閉ループから前記副圧縮機に冷媒ガスを導入し、当該副圧縮機によって圧送された冷媒ガスを前記バッファータンク内に回収することを特徴とする極低温冷凍装置の運転方法である。
主圧縮機の運転停止時にバイパス弁を開放することを特徴とする請求項10又は請求項11に記載の極低温冷凍装置の運転方法である。
前記副圧縮機に冷媒ガスを導入する前に、冷媒ガスの圧力をほぼ大気圧まで減圧することを特徴とする請求項10乃至12のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法である。
前記閉ループ内の冷媒ガスの、前記主圧縮機の出口側の圧力が所定の圧力よりも高くなった場合に、前記インバーターの出力周波数を変更して前記主圧縮機の運転回転数を降下させることを特徴とする請求項10乃至13のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法である。
本実施形態の冷媒ガスとしては、窒素よりも沸点が低いヘリウム、ネオン又は水素及びそれらの混合ガス、あるいは僅かに窒素やアルゴン等の不活性ガスを混合させた混合ガスを用いる。
膨張タービン4は、図1に示すように、閉ループL1において主熱交換器3の二次側に設置されており、上記主熱交換器3により冷却された冷媒ガスを断熱膨張させて極低温の冷媒ガスとするものである。また、膨張タービン4は、主圧縮機2と同軸上に取り付けられて一体構造となっていてもよい。
極低温まで冷却された冷媒ガスは、この冷媒液8bにより、断熱容器8に収納された被冷却体8aを間接的に冷却する。
ここで、本実施形態における被冷却体8aは、例えば、超電導送電ケーブル、超電導変圧器、超電導モーター、超電導限流器、超電導電力貯蔵器等の高温超電導機器である。
本実施形態の副圧縮機7は、主圧縮機2よりも処理量が小さいものでよく、例えば、オイルフリーのダイヤフラム式やレシプロ式、スクロール式など安価で容易に入手できる小型圧縮機を使用することができる。
また、副圧縮機7の吐出側(出口側)には、逆止弁15が設けられている。
さらに、上記減圧弁14と副圧縮機7との間に、小容量、例えば数リットルのバッファータンク(図示せず)を設けることが好ましい。これにより、副圧縮機7の吸入圧力の脈動を防止することができる。
また、回収経路L5には、閉ループL1との接続側に開閉弁18が、バッファータンク6との接続側に開閉弁19が、それぞれ設けられている。
さらに、バイパス経路L6には、開閉バルブからなるバイパス弁20が設けられている。
一方、副圧縮機7の吐出側は、バッファータンク6と開閉弁19を介して連通されると同時に、主圧縮機2の入口側2aにおいて閉ループL1と開閉弁17を介して連通されている。
先ず、極低温冷凍装置1の閉ループL1において、主圧縮機2によって冷媒ガスが圧縮する。主圧縮機2で圧縮された冷媒ガスは高温となるため、主圧縮機2の出口側(下流側)に設置されたアフタークーラー10により、高温の冷媒ガスは大気温度近くまで冷却する。
2…主圧縮機
2a…入口側
2b…出口側
3…主熱交換器
4…膨張タービン
5…副熱交換器
6…バッファータンク
7…副圧縮機
8…断熱容器
8a…被冷却体
8b…冷媒液(冷却液)
9…循環ポンプ
10…アフタークーラー
11…逆止弁(チェックバルブ)
12,13,16,17,18,19…開閉弁(弁)
14…減圧弁
15…逆止弁
20…バイパス弁
L1…閉ループ
L2…補充・回収経路
L3…経路
L4…補充経路
L5…回収経路
L6…バイパス経路
Claims (14)
- 冷媒ガスを圧縮、循環させる主圧縮機と、
圧縮した冷媒ガスを戻りの冷媒ガスとの熱交換により冷却する主熱交換器と、
冷却した冷媒ガスを断熱膨張させる膨張タービンと、
前記膨張タービンを出た極低温の冷媒ガスと冷却液とを熱交換させる副熱交換器と、が設けられ、
前記副熱交換器で熱交換した後の冷媒ガスを、前記主熱交換器を介して前記主圧縮機に循環させる循環経路からなる閉ループを備えた極低温冷凍装置であって、
前記主圧縮機の入口側で前記閉ループと弁を介して連通するバッファータンクと、
前記主圧縮機の入口側の前記閉ループ内の圧力と前記バッファータンク内の圧力とを比較して、圧力の低い側から高い側へ冷媒ガスを圧送する副圧縮機と、を備えることを特徴とする極低温冷凍装置。 - 前記バッファータンクから前記閉ループの前記主圧縮機の入口側に前記副圧縮機を介して接続する補充経路と、
前記閉ループの前記主圧縮機の入口側から前記バッファータンクに前記副圧縮機を介して接続する回収経路と、を備えることを特徴とする請求項1に記載の極低温冷凍装置。 - 前記閉ループの前記主圧縮機の入口側と前記バッファータンクとを前記副圧縮機を介さずに接続する補充・回収経路を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の極低温冷凍装置。
- 前記閉ループ内で、前記主圧縮機の入口側と出口側とを連通するバイパス経路を備え、
前記バイパス経路が当該バイパス経路の中間部にバイパス弁を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置。 - 前記副圧縮機の入口側に、減圧弁が設けられている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凍装置。
- 前記副圧縮機は、前記主圧縮機より処理量が小さいことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置。
- 前記主圧縮機が、インバーターによって駆動されることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置。
- 前記主圧縮機の出口側に設けられたアフタークーラーと、
前記アフタークーラーの出口側又は前記主圧縮機と前記アフタークーラーとの間に設けられた逆止弁と、を備えることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置。 - 被冷却体と前記冷却液とを収納する断熱容器と、
前記冷却液を前記副熱交換器に循環させる循環ポンプと、をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置。 - 請求項1乃至9のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法であって、
前記閉ループ内の冷媒ガスの、前記主圧縮機の入口側の圧力が所定の圧力以下であり、前記バッファータンク内の冷媒ガスの圧力が前記主圧縮機の入口側の前記閉ループ内の圧力よりも低い場合に、前記バッファータンクから前記副圧縮機に冷媒ガスを導入し、当該副圧縮機によって圧送された冷媒ガスを前記閉ループ内に補充し、
前記閉ループ内の冷媒ガスの、前記主圧縮機の入口側及び出口側の少なくともいずれか一方の圧力が所定の圧力以上であり、前記バッファータンク内の冷媒ガスの圧力が前記主圧縮機の入口側の前記閉ループ内の圧力よりも高い場合に、前記閉ループから前記副圧縮機に冷媒ガスを導入し、当該副圧縮機によって圧送された冷媒ガスを前記バッファータンク内に回収することを特徴とする極低温冷凍装置の運転方法。 - 前記閉ループ内の冷媒ガスを副圧縮機により圧送してバッファータンク内に回収することにより、閉ループ内の冷媒ガスの圧力を大気圧にすることを特徴とする請求項10に記載の極低温冷凍装置の運転方法。
- 請求項4乃至9のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法であって、
主圧縮機の運転停止時にバイパス弁を開放することを特徴とする請求項10又は請求項11に記載の極低温冷凍装置の運転方法。 - 請求項5乃至9のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法であって、
前記副圧縮機に冷媒ガスを導入する前に、冷媒ガスの圧力をほぼ大気圧まで減圧することを特徴とする請求項10乃至12のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法。 - 請求項7乃至9のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法であって、
前記閉ループ内の冷媒ガスの、前記主圧縮機の出口側の圧力が所定の圧力よりも高くなった場合に、前記インバーターの出力周波数を変更して前記主圧縮機の運転回転数を降下させることを特徴とする請求項10乃至13のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法。
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