JP6975066B2

JP6975066B2 - 極低温冷凍機

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Publication number: JP6975066B2
Application number: JP2018028031A
Authority: JP
Inventors: 秀司大山
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2018-02-20
Filing date: 2018-02-20
Publication date: 2021-12-01
Anticipated expiration: 2038-02-20
Also published as: US11333405B2; CN111712678B; CN111712678A; JP2019143867A; WO2019163742A1; US20200378653A1

Description

本発明は、極低温冷凍機に関する。

従来から、圧縮機と、コールドヘッドとも呼ばれる膨張機とを備える極低温冷凍機が知られている。圧縮機は、極低温冷凍機の作動ガスを高圧に圧縮して膨張機に供給する。作動ガスは膨張機で膨張し寒冷を発生する。膨張により作動ガスの圧力は低下する。低圧の作動ガスは圧縮機に回収され再び圧縮される。

特開２０１３−１３４０２０号公報

圧縮機から膨張機に供給される作動ガスの圧力、あるいは、この高圧の作動ガスと膨張機から圧縮機に回収される低圧の作動ガスとの差圧は、極低温冷凍機の冷凍能力に影響する。そこで、極低温冷凍機は、高圧または差圧を適正な値に維持し、または所望の値に制御するなど、適切な圧力制御を行うための流量調整機器を有してもよい。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、比較的大型の極低温冷凍機に用いられうる流量調整機器について、その大型化を抑制する技術を提供することにある。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、圧縮機と、膨張機と、前記圧縮機と前記膨張機の間で作動ガスを循環させるガスラインであって、前記圧縮機から前記膨張機に作動ガスを供給する高圧ラインと、前記膨張機から前記圧縮機に作動ガスを回収する低圧ラインとを備えるガスラインと、前記膨張機を迂回して前記高圧ラインから前記低圧ラインに作動ガスを還流させるように前記高圧ラインを前記低圧ラインに接続するバイパスラインと、前記ガスラインの圧力制御を提供するように、前記バイパスラインを流れる作動ガス流量を制御するバイパス流量制御部と、を備える。前記バイパスラインは、流量制御弁を備え、前記高圧ラインを前記低圧ラインに接続する可変流量バイパスと、オンオフ弁を備え、前記可変流量バイパスと並列に前記高圧ラインを前記低圧ラインに接続する固定流量バイパスと、を備える。前記バイパス流量制御部は、前記流量制御弁の開度調節と前記オンオフ弁の切り替えとを組み合わせて前記バイパスラインを流れる作動ガス流量を制御する。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、比較的大型の極低温冷凍機に用いられうる流量調整機器の大型化を抑制することができる。

第１実施形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。第１実施形態に係るバイパスラインでの流量配分を説明するための概念図である。第１実施形態に係る極低温冷凍機の圧力制御方法を説明するフローチャートである。第１実施形態に係り、図３に示されるバイパス流量増加処理を説明するフローチャートである。第１実施形態に係り、図３に示されるバイパス流量減少処理を説明するフローチャートである。図３に示されるバイパス流量増加処理の他の例を説明するフローチャートである。第２実施形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。第２実施形態に係るバイパスラインでの流量配分を説明するための概念図である。第２実施形態に係るバイパス流量増加処理を説明するフローチャートである。第２実施形態に係るバイパス流量減少処理を説明するフローチャートである。第３実施形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、第１実施形態に係る極低温冷凍機１０を概略的に示す図である。

極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と、膨張機１４とを備える。圧縮機１２は、極低温冷凍機１０の作動ガスを膨張機１４から回収し、回収した作動ガスを昇圧して、再び作動ガスを膨張機１４に供給するよう構成されている。膨張機１４は、コールドヘッドとも称され、室温部１４ａと、冷却ステージとも称される低温部１４ｂとを有する。圧縮機１２と膨張機１４により極低温冷凍機１０の冷凍サイクルが構成され、それにより低温部１４ｂが所望の極低温に冷却される。作動ガスは、冷媒ガスとも称され、通例はヘリウムガスであるが、適切な他のガスが用いられてもよい。理解のために、作動ガスの流れる方向を図１に矢印で示す。

極低温冷凍機１０は、一例として、単段式または二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機であるが、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。膨張機１４は、極低温冷凍機１０のタイプに応じて異なる構成を有するが、圧縮機１２は、極低温冷凍機１０のタイプによらず、以下に説明する構成を用いることができる。

なお、一般に、圧縮機１２から膨張機１４に供給される作動ガスの圧力と、膨張機１４から圧縮機１２に回収される作動ガスの圧力は、ともに大気圧よりかなり高く、それぞれ第１高圧及び第２高圧と呼ぶことができる。説明の便宜上、第１高圧及び第２高圧はそれぞれ単に高圧及び低圧とも呼ばれる。典型的には、高圧は例えば２〜３ＭＰａである。低圧は例えば０．５〜１．５ＭＰａであり、例えば約０．８ＭＰａである。

圧縮機１２は、高圧ガス出口１８、低圧ガス入口１９、高圧流路２０、低圧流路２１、第１圧力センサ２２、第２圧力センサ２３、バイパスライン２４、圧縮機本体２５、および圧縮機筐体２６を備える。高圧ガス出口１８は、圧縮機１２の作動ガス吐出ポートとして圧縮機筐体２６に設置され、低圧ガス入口１９は、圧縮機１２の作動ガス吸入ポートとして圧縮機筐体２６に設置されている。高圧流路２０は、圧縮機本体２５の吐出口を高圧ガス出口１８に接続し、低圧流路２１は、低圧ガス入口１９を圧縮機本体２５の吸入口に接続する。圧縮機筐体２６は、高圧流路２０、低圧流路２１、第１圧力センサ２２、第２圧力センサ２３、バイパスライン２４、および圧縮機本体２５を収容する。圧縮機１２は、圧縮機ユニットとも称される。

圧縮機本体２５は、その吸入口から吸入される作動ガスを内部で圧縮して吐出口から吐出するよう構成されている。圧縮機本体２５は、例えば、スクロール方式、ロータリ式、または作動ガスを昇圧するそのほかのポンプであってもよい。圧縮機本体２５は、固定された一定の作動ガス流量を吐出するよう構成されていてもよい。あるいは、圧縮機本体２５は、吐出する作動ガス流量を可変とするよう構成されていてもよい。圧縮機本体２５は、圧縮カプセルと称されることもある。

第１圧力センサ２２は、高圧流路２０を流れる作動ガスの圧力を測定するよう高圧流路２０に配置されている。第１圧力センサ２２は、測定された圧力を表す第１測定圧信号Ｐ１を出力するよう構成されている。第２圧力センサ２３は、低圧流路２１を流れる作動ガスの圧力を測定するよう低圧流路２１に配置されている。第２圧力センサ２３は、測定された圧力を表す第２測定圧信号Ｐ２を出力するよう構成されている。よって第１圧力センサ２２、第２圧力センサ２３はそれぞれ、高圧センサ、低圧センサと呼ぶこともできる。また本書では、第１圧力センサ２２と第２圧力センサ２３のいずれか指して、または両方を総称して、単に「圧力センサ」と表記することもある。

バイパスライン２４は、膨張機１４を迂回して高圧流路２０から低圧流路２１に作動ガスを還流させるように高圧流路２０を低圧流路２１に接続する。バイパスライン２４は、高圧流路２０を低圧流路２１に接続する可変流量バイパス２７と、可変流量バイパス２７と並列に高圧流路２０を低圧流路２１に接続する固定流量バイパス２８と、を備える。

可変流量バイパス２７は、流量調整機器の一例としての流量制御弁３０を備える。流量制御弁３０は、可変流量バイパス２７を流れる作動ガスの流量を制御するよう可変流量バイパス２７に配置されている。流量制御弁３０は、開度指令信号Ｓ１に従って動作するよう構成されている。開度指令信号Ｓ１は、流量制御弁３０がとるべき開度（％）を表す制御信号またはそのほかの電気信号である。流量制御弁３０の開度が大きくなるとき可変流量バイパス２７の作動ガス流量は増え、流量制御弁３０の開度が小さくなるとき可変流量バイパス２７の作動ガス流量は減る。流量制御弁３０が１００％の開度をとるとき流量制御弁３０は全開となり、可変流量バイパス２７には最大流量で作動ガスが流れる。流量制御弁３０が０％の開度をとるとき流量制御弁３０は全閉となり、可変流量バイパス２７に作動ガスは流れない。流量制御弁３０の開度を変化させることによって、可変流量バイパス２７を流れる作動ガスの流量を連続的または段階的に制御することができる。

流量制御弁３０は、例えば電動弁、すなわち電気モータで駆動される弁である。電動弁は開度指令信号Ｓ１に従って開度を制御することができるように構成されている。開度指令信号Ｓ１は、電動弁の開度を制御するよう電動弁（電気モータ）に入力される駆動電流または駆動電圧であってもよい。

固定流量バイパス２８は、流量調整機器の一例としてのオンオフ弁３２を備える。オンオフ弁３２は、固定流量バイパス２８を流れる作動ガスの流量を制御するよう固定流量バイパス２８に配置されている。オンオフ弁３２は、オンオフ指令信号Ｓ２に従って動作するよう構成されている。オンオフ指令信号Ｓ２は、オンオフ弁３２がとるべきオンオフ状態（すなわち開閉状態）を表す制御信号またはそのほかの電気信号である。オンオフ弁３２がオンのときオンオフ弁３２は開き、固定流量バイパス２８に作動ガスが流れる。オンオフ弁３２がオフのときオンオフ弁３２は閉じ、固定流量バイパス２８に作動ガスが流れない。オンオフ弁３２のオンオフ状態を変更することによって、固定流量バイパス２８を流れる作動ガスの流量を二値的に制御することができる。

オンオフ弁３２は、例えば電磁弁、いわゆるソレノイドバルブである。電磁弁はオンオフ指令信号Ｓ２に従ってオンオフを制御することができるように構成されている。オンオフ指令信号Ｓ２は、電磁弁のオンオフを制御するよう電磁弁に入力される駆動電流または駆動電圧であってもよい。

したがって、流量制御弁３０の開度調節とオンオフ弁３２の切り替えとを組み合わせてバイパスライン２４を流れる作動ガス流量を制御することができる。流量制御弁３０とオンオフ弁３２は並列に設置されているので、いずれか１つの弁だけがバイパスライン２４に設けられている場合に比べて、バイパスライン２４の総流量を大きくすることができる。言い換えれば、バイパスライン２４の制御可能な流量範囲を広くすることができる。また、流量制御弁３０は、バイパスライン２４の精密な流量制御を担い、オンオフ弁３２は、バイパスライン２４の粗い流量制御を担っているとも言える。

なお、圧縮機１２は、そのほか種々の構成要素を有しうる。例えば、高圧流路２０には、オイルセパレータ、アドソーバなどが設けられていてもよい。低圧流路２１には、ストレージタンクそのほかの構成要素が設けられていてもよい。また、圧縮機１２には、圧縮機本体２５をオイルで冷却するオイル循環系や、オイルを冷却する冷却系などが設けられていてもよい。

また、極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と膨張機１４の間で作動ガスを循環させるガスライン３４を備える。ガスライン３４は、圧縮機１２から膨張機１４に作動ガスを供給する高圧ライン３５と、膨張機１４から圧縮機１２に作動ガスを回収する低圧ライン３６とを備える。膨張機１４の室温部１４ａは、高圧ガス入口３７と低圧ガス出口３８とを備える。高圧ガス入口３７は、高圧配管３９によって高圧ガス出口１８に接続され、低圧ガス出口３８は、低圧配管４０によって低圧ガス入口１９に接続されている。高圧ライン３５は、高圧配管３９と高圧流路２０からなり、低圧ライン３６は、低圧配管４０と低圧流路２１からなる。

バイパスライン２４は、膨張機１４を迂回して高圧ライン３５から低圧ライン３６に作動ガスを還流させるように高圧ライン３５を低圧ライン３６に流体的に接続する。可変流量バイパス２７は、高圧ライン３５を低圧ライン３６に流体的に接続し、固定流量バイパス２８は、可変流量バイパス２７と並列に高圧ライン３５を低圧ライン３６に流体的に接続する。

したがって、膨張機１４から圧縮機１２に回収される作動ガスは、膨張機１４の低圧ガス出口３８から低圧配管４０を通じて圧縮機１２の低圧ガス入口１９に入り、さらに低圧流路２１を経て圧縮機本体２５に戻り、圧縮機本体２５によって圧縮され昇圧される。圧縮機１２から膨張機１４に供給される作動ガスは、圧縮機本体２５から高圧流路２０を通じて圧縮機１２の高圧ガス出口１８から出て、さらに高圧配管３９と膨張機１４の高圧ガス入口３７を経て膨張機１４に供給される。

高圧流路２０はバイパスライン２４に分岐しているので、高圧流路２０を流れる作動ガスの一部は、高圧流路２０からバイパスライン２４へと分流される。バイパスライン２４、具体的には可変流量バイパス２７と固定流量バイパス２８には、流量制御弁３０の開度とオンオフ弁３２のオンオフに応じた流量で作動ガスが流れる。バイパスライン２４は低圧流路２１に合流しているので、作動ガスは膨張機１４を迂回して圧縮機本体２５に還流する。

極低温冷凍機１０は、極低温冷凍機１０を制御する制御装置５０を備える。制御装置５０は、バイパスライン２４を流れる作動ガス流量を制御するよう構成されたバイパス流量制御部５２を備える。バイパス流量制御部５２は、バイパスライン２４の作動ガス流量を制御することによって、ガスライン３４の圧力制御を提供するよう構成されている。バイパス流量制御部５２は、流量制御弁３０の開度調節とオンオフ弁３２の切り替えとを組み合わせてバイパスライン２４を流れる作動ガス流量を制御するよう構成されている。

バイパス流量制御部５２は、圧力比較部５４と、弁制御部５６とを備える。圧力比較部５４は、ガスライン３４の測定圧を目標圧と比較するよう構成されている。弁制御部５６は、圧力比較部５４による比較結果と、流量制御弁３０の開度と、オンオフ弁３２のオンオフとに基づいて流量制御弁３０およびオンオフ弁３２を制御するよう構成されている。

制御装置５０は、第１測定圧信号Ｐ１および第２測定圧信号Ｐ２を取得するよう第１圧力センサ２２および第２圧力センサ２３と電気的に接続されている。また、制御装置５０は、開度指令信号Ｓ１を供給するよう流量制御弁３０と電気的に接続され、オンオフ指令信号Ｓ２を供給するようオンオフ弁３２と電気的に接続されている。

制御装置５０は、ハードウェア構成としてはコンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現されるが、図１では適宜、それらの連携によって実現される機能ブロックとして描いている。これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

図２は、第１実施形態に係るバイパスライン２４での流量配分を説明するための概念図である。所望されるバイパス流量が小さい場合には（低流量範囲Ｃ１）、オンオフ弁３２はオフとされ、所望されるバイパス流量が大きい場合には（高流量範囲Ｃ２）、オンオフ弁３２はオンとされる。流量制御弁３０は、所望されるバイパス流量の大きさにかかわらず、所望のバイパス流量に応じて開度が制御される。

図２に例示されるように、低流量範囲Ｃ１に含まれるバイパス流量Ｂ１が望まれる場合には、流量制御弁３０の開度調節のみによって所望のバイパス流量Ｂ１を実現することができる。この場合、可変流量バイパス２７のみが利用され、固定流量バイパス２８は利用されない。

低流量範囲Ｃ１と高流量範囲Ｃ２の境界となるバイパス流量Ｂ２が望まれる場合には、オンオフ弁３２の開放または流量制御弁３０の開度調節のいずれかによって所望のバイパス流量Ｂ２を実現することができる。説明の便宜上、バイパス流量Ｂ２を実現する流量制御弁３０の開度を「特定開度」と称する。

バイパスライン２４は、流量制御弁３０を特定開度に開いた状態で可変流量バイパス２７に流れる作動ガス流量が、オンオフ弁３２のオン状態で固定流量バイパス２８に流れる作動ガス流量に等しくなるように構成されている。

高流量範囲Ｃ２に含まれるバイパス流量Ｂ３が望まれる場合には、オンオフ弁３２の開放と同時に流量制御弁３０の開度調節がなされて、所望のバイパス流量Ｂ３を実現することができる。この場合、可変流量バイパス２７と固定流量バイパス２８が併用される。可変流量バイパス２７に流れる作動ガス流量と、固定流量バイパス２８に流れる作動ガス流量の合計により、所望のバイパス流量Ｂ３を得ることができる。

図３は、第１実施形態に係る極低温冷凍機１０の圧力制御方法を説明するフローチャートである。制御装置５０のバイパス流量制御部５２は、以下に説明される、ガスライン３４の圧力制御処理を実行するよう構成されている。ガスライン３４の圧力制御は、極低温冷凍機１０の運転中に所定の周期で繰り返し実行される。

ガスライン３４の圧力が測定される（Ｓ１０）。ガスライン３４の圧力は、圧力センサを使用して測定される。バイパス流量制御部５２は、第１測定圧信号Ｐ１及び／または第２測定圧信号Ｐ２からガスライン３４の測定圧ＰＭを取得する。

次に、ガスライン３４の測定圧ＰＭが目標圧ＰＴと比較される（Ｓ１２）。ガスライン３４の目標圧ＰＴは、極低温冷凍機１０の使用者によって制御装置５０に予め入力され、または制御装置５０によって自動的に設定され、制御装置５０に保存されている。圧力比較部５４は、測定圧ＰＭを目標圧ＰＴと比較し、比較結果として両者の大小関係を出力する。すなわち、圧力比較部５４による比較結果は、次の３つの状態、（ｉ）測定圧ＰＭが目標圧ＰＴより大きい、（ｉｉ）測定圧ＰＭが目標圧ＰＴより小さい、（ｉｉｉ）測定圧ＰＭが目標圧ＰＴと等しい、のうちいずれかを表す。

圧力比較部５４による比較結果に基づいてバイパス流量増加処理（Ｓ１４）またはバイパス流量減少処理（Ｓ１６）が選択され、選択されたバイパス流量制御が実行される。バイパス流量制御の結果として開度指令信号Ｓ１とオンオフ指令信号Ｓ２が生成され、バイパス流量制御部５２は、それらを流量制御弁３０とオンオフ弁３２に出力する。それにより、ガスライン３４の測定圧ＰＭが目標圧ＰＴに近づくように変化する。このようにして、ガスライン３４の圧力制御が提供され、ガスライン３４の測定圧ＰＭを目標圧ＰＴに追従させることができる。

具体的には、（ｉ）測定圧ＰＭが目標圧ＰＴより大きい場合には、弁制御部５６は、バイパス流量増加処理を実行する（Ｓ１４）。（ｉｉ）測定圧ＰＭが目標圧ＰＴより小さい場合には、弁制御部５６は、バイパス流量減少処理を実行する（Ｓ１６）。（ｉｉｉ）測定圧ＰＭが目標圧ＰＴと等しい場合には、バイパス流量を増減させる必要が無いので、バイパス流量増加処理もバイパス流量減少処理も行われない。流量制御弁３０の開度とオンオフ弁３２のオンオフは変更されず、バイパス流量は維持される。

ガスライン３４の圧力制御の一例は、高圧ライン３５の作動ガス圧力を目標値に保つ高圧制御である。高圧制御が実行される場合、第１圧力センサ２２による測定値が測定圧ＰＭとして使用される。測定圧ＰＭが目標圧ＰＴより大きい（小さい）場合には、バイパス流量を増加（減少）させることによって、測定圧ＰＭを小さく（大きく）して目標圧ＰＴに近づけることができる。

ガスライン３４の圧力制御の他の一例は、高圧ライン３５と低圧ライン３６との圧力差を目標値に保つ差圧制御である。差圧制御が実行される場合、第１圧力センサ２２の測定値から第２圧力センサ２３の測定値を引いて得られる差圧測定値が測定圧ＰＭとして使用される。測定圧ＰＭが目標圧ＰＴより大きい（小さい）場合には、バイパス流量を増加（減少）させることによって、測定圧ＰＭを小さく（大きく）して目標圧ＰＴに近づけることができる。

なお、ガスライン３４の圧力制御として、低圧ライン３６の作動ガス圧力を目標値に保つ低圧制御が実行されることも可能である。第２圧力センサ２３による測定値が測定圧ＰＭとして使用される。ただし、高圧制御とは逆に、測定圧ＰＭが目標圧ＰＴより大きい場合にバイパス流量減少処理が行われ、測定圧ＰＭが目標圧ＰＴより小さい場合にバイパス流量増加処理が行われる。

圧縮機本体２５が固定された一定の作動ガス流量を吐出するよう構成されている実施形態においては、図３に示されるバイパス流量制御を用いる圧力制御方法は極低温冷凍機１０の運転中に常時実行されてもよい。

圧縮機本体２５が作動ガス吐出流量を可変とするよう構成されている実施形態においては、圧縮機本体２５が最小の吐出流量で運転しているときに限り、図３に示されるバイパス流量制御を用いる圧力制御方法が実行されてもよい。圧縮機１２から膨張機１４に供給される作動ガス流量を、圧縮機本体２５の最小吐出流量よりもさらに小さくするよう制御することができる。

図４は、第１実施形態に係り、図３に示されるバイパス流量増加処理（Ｓ１４）を説明するフローチャートである。まず、弁制御部５６は、流量制御弁３０の現在の開度Ａが特定開度Ａ０より小さいか否かを判定する（Ｓ２０）。ここで、特定開度Ａ０は、１００％の開度に設定されている。そのため、現在の開度Ａが特定開度Ａ０を超える場合を考える必要はない。

流量制御弁３０の現在の開度Ａが特定開度Ａ０より小さい場合には（Ｓ２０の「Ａ＜Ａ０」）、弁制御部５６は、流量制御弁３０の開度を大きくする（Ｓ２２）。開度変化量ΔＡは、予め設定されている。バイパス流量を精密に制御するには、開度変化量ΔＡはなるべく小さいことが望ましい。そこで、開度変化量ΔＡは例えば１％に設定される。弁制御部５６は、オンオフ弁３２のオンオフは変更しない。したがって、弁制御部５６は、流量制御弁３０の開度を現在の開度Ａに開度変化量ΔＡを加えるように開度指令信号Ｓ１を決定するとともに、オンオフ弁３２の現在のオンオフ状態を保持するようにオンオフ指令信号Ｓ２を決定する。

流量制御弁３０の現在の開度Ａが特定開度Ａ０に等しい場合には（Ｓ２０の「Ａ＝Ａ０」）、弁制御部５６はさらに、オンオフ弁３２の現在のオンオフ状態を判定する（Ｓ２４）。オンオフ弁３２がオフの場合（Ｓ２４のオフ）、弁制御部５６は、流量制御弁３０の開度を０％に変更するように開度指令信号Ｓ１を決定するとともに、オンオフ弁３２をオンに切り替えるようにオンオフ指令信号Ｓ２を決定する（Ｓ２６）。上述のように、流量制御弁３０を特定開度に開いた状態で可変流量バイパス２７に流れる作動ガス流量は、オンオフ弁３２のオン状態で固定流量バイパス２８に流れる作動ガス流量に等しいから、バイパス流量は変化しない。こうして、図２に示される低流量範囲Ｃ１から高流量範囲Ｃ２に切り替えることができる。

流量制御弁３０の現在の開度Ａが特定開度Ａ０（＝１００％）に等しくかつオンオフ弁３２がオンの場合には（Ｓ２４のオン）、流量制御弁３０とオンオフ弁３２はともに完全に開かれ、バイパス流量をこれ以上増加させることはできない。よって、弁制御部５６は、流量制御弁３０とオンオフ弁３２をそれぞれ現在の状態に保持する。

このようにして、バイパス流量制御部５２は、図２に示される流量配分に従ってバイパス流量を増加させることができる。

図５は、第１実施形態に係り、図３に示されるバイパス流量減少処理（Ｓ１６）を説明するフローチャートである。まず、弁制御部５６は、流量制御弁３０の現在の開度Ａが０％より大きいか否かを判定する（Ｓ３０）。流量制御弁３０の現在の開度Ａが０％より大きい場合には（Ｓ３０の「Ａ＞０％」）、弁制御部５６は、流量制御弁３０の開度を開度変化量ΔＡだけ小さくする（Ｓ３２）。弁制御部５６は、オンオフ弁３２のオンオフは変更しない。弁制御部５６は、流量制御弁３０の開度を現在の開度Ａから開度変化量ΔＡを差し引くように開度指令信号Ｓ１を決定するとともに、オンオフ弁３２の現在のオンオフ状態を保持するようにオンオフ指令信号Ｓ２を決定する。

流量制御弁３０の現在の開度Ａが０％である場合には（Ｓ３０の「Ａ＝０％」）、弁制御部５６はさらに、オンオフ弁３２の現在のオンオフ状態を判定する（Ｓ３４）。オンオフ弁３２がオンの場合（Ｓ３４のオン）、弁制御部５６は、流量制御弁３０の開度を特定開度Ａ０に変更するように開度指令信号Ｓ１を決定するとともに、オンオフ弁３２をオフに切り替えるようにオンオフ指令信号Ｓ２を決定する（Ｓ３６）。こうして、図２に示される高流量範囲Ｃ２から低流量範囲Ｃ１に切り替わる。

流量制御弁３０の現在の開度Ａが０％でありかつオンオフ弁３２がオフの場合には（Ｓ３４のオフ）、流量制御弁３０とオンオフ弁３２はともに完全に閉じている。バイパスライン２４に作動ガスは流れていない。弁制御部５６は、流量制御弁３０とオンオフ弁３２をそれぞれ現在の状態に保持する。

このようにして、バイパス流量制御部５２は、図２に示される流量配分に従ってバイパス流量を減少させることができる。

ところで、ガスライン３４を循環する作動ガス流量は、極低温冷凍機１０の冷凍能力に応じて異なる。大きな冷凍能力を実現するように設計された極低温冷凍機１０では圧縮機１２と膨張機１４を循環する作動ガス流量は増え、よって圧力制御に要するバイパスライン２４の作動ガス流量も増える。大型の流量調整機器が必要となりうる。

比較例として、バイパスラインの流量調整機器として単一の電動弁を有する（すなわち、並列の電磁弁は有しない）大型極低温冷凍機の設計を考える。本発明者の検討によれば、所望される大きな冷凍能力に見合う流量制御を実現する電動弁は、かなり大きな駆動電流を要する。これは消費電力の増大を招く。それだけでなく、駆動電流の増加に伴って、電動弁に付随する電装品に高い要求仕様が求められ、その結果、電動弁と電装品を合わせた電動弁装置全体として顕著な大型化を避けがたいことが判明した。

第１実施形態に係る極低温冷凍機１０によれば、バイパス流量制御部５２は、流量制御弁３０の開度調節とオンオフ弁３２の切り替えとを組み合わせてバイパスライン２４を流れる作動ガス流量を制御する。

これにより、比較例における不都合を克服することができる。バイパス流量が複数の流量調整機器に配分されるので、個々の機器の流量は少なくて済む。よって、比較的小型の機器を採用することができる。本発明者の検討によれば、小型極低温冷凍機での圧力制御に適合する小型の流量制御弁３０と小型のオンオフ弁３２との並列配置により、大型極低温冷凍機のバイパスライン２４を設計することができる。こうした流量制御弁３０とオンオフ弁３２の組み合わせは、比較例において想定される大型の電動弁装置に比べて、コンパクトなサイズにまとめることが可能である。したがって、比較的大型の極低温冷凍機１０に用いられうる流量調整機器について、その大型化を抑制することができる。

また、第１実施形態に係る極低温冷凍機１０によれば、バイパス流量制御部５２は、ガスライン３４の測定圧を目標圧と比較する圧力比較部５４と、圧力比較部５４による比較結果と、流量制御弁３０の開度と、オンオフ弁３２のオンオフとに基づいて流量制御弁３０およびオンオフ弁３２を制御する弁制御部５６と、を備える。このようにすれば、比較的簡単な制御処理でガスライン３４の圧力制御を提供することができ、実装が容易となる。

バイパスライン２４は、流量制御弁３０を特定開度に開いた状態で可変流量バイパス２７に流れる作動ガス流量が、オンオフ弁３２のオン状態で固定流量バイパス２８に流れる作動ガス流量に等しくなるように構成されている。弁制御部５６は、次の（ａ）から（ｄ）に従って流量制御弁３０とオンオフ弁３２を制御する。

弁制御部５６は、（ａ）ガスライン３４の測定圧が目標圧より大きい場合において、流量制御弁３０の開度が特定開度より小さいときは、オンオフ弁３２のオンオフを切り替えることなく流量制御弁３０の開度を特定開度を上限として所定量大きくするように、流量制御弁３０の開度およびオンオフ弁３２のオンオフを決定する。

弁制御部５６は、（ｂ）ガスライン３４の測定圧が目標圧より大きい場合において、流量制御弁３０が特定開度で開かれかつオンオフ弁３２がオフとされているときは、オンオフ弁３２をオンに切り替えるとともに流量制御弁３０の開度を０％とするように、流量制御弁３０の開度およびオンオフ弁３２のオンオフを決定する。

弁制御部５６は、（ｃ）ガスライン３４の測定圧が目標圧より小さい場合において、流量制御弁３０の開度が０％より大きいときは、オンオフ弁３２のオンオフを切り替えることなく流量制御弁３０の開度を所定量小さくするように、流量制御弁３０の開度およびオンオフ弁３２のオンオフを決定する。

弁制御部５６は、（ｄ）ガスライン３４の測定圧が目標圧より小さい場合において、流量制御弁３０の開度が０％でありかつオンオフ弁３２がオンとされているときは、オンオフ弁３２をオフに切り替えるとともに流量制御弁３０を特定開度に開くように、流量制御弁３０の開度およびオンオフ弁３２のオンオフを決定する。

このようにすれば、バイパス流量を精密に調整するとともに、低流量範囲Ｃ１と高流量範囲Ｃ２を滑らかに切り替えることができる。それにより、実用に適するガスライン３４の圧力制御を提供することができる。

特定開度は、１００％の開度である。このようにすれば、流量制御弁３０が全開のときの可変流量バイパス２７の流量と、オンオフ弁３２が開いているときの固定流量バイパス２８の流量が等しくなる。これも制御構成を簡単にするのに役立つ。

圧力比較部５４は、高圧ライン３５の測定圧を目標圧と比較してもよい。このようにすれば、ガスライン３４の高圧制御を提供することができる。圧力比較部５４は、高圧ライン３５と低圧ライン３６の測定差圧を目標圧と比較してもよい。このようにすれば、ガスライン３４の差圧制御を提供することができる。

流量制御弁３０は、電動弁である。オンオフ弁３２は、電磁弁である。こうした汎用の製品を利用することにより、バイパスライン２４を低コストに構成することができる。なお、バイパスライン２４に設置される流量調整機器は、これに限られず、電気的に駆動される弁、または、その他の駆動方式で流量調整を可能とする弁であってもよい。

図６を参照して説明するように、特定開度が１００％であることは必須ではない。特定開度は、１００％未満の任意に選択された開度であってもよい。

図６は、図３に示されるバイパス流量増加処理（Ｓ１４）の他の例を説明するフローチャートである。図６に示されるバイパス流量制御処理は特定開度Ａ０が１００％未満である点で、図４に示されるバイパス流量制御処理と異なり、その余は共通である。具体的には、図６に示される処理は、「Ｓ２４のオン」を除いて、図６に示される処理と同一である。よって、共通する処理の説明は省略される。

例えば特定開度Ａ０が７０％の場合を考える。バイパス流量増加処理においては、低流量範囲Ｃ１では流量制御弁３０の開度が０％から７０％へと増加される。流量制御弁３０の開度が７０％に達すると（Ｓ２０の「Ａ＝Ａ０」）、流量制御弁３０が閉じられるとともにオンオフ弁３２がオフからオンに切り替えられ（Ｓ２６）、低流量範囲Ｃ１から高流量範囲Ｃ２に移行する。

図６に示されるように、弁制御部５６は、ガスライン３４の測定圧が目標圧より大きい場合において、流量制御弁３０が特定開度Ａ０で開かれかつオンオフ弁３２がオンとされているときは（Ｓ２４のオン）、オンオフ弁３２のオンオフを切り替えることなく流量制御弁３０の開度Ａを所定量（すなわち開度変化量ΔＡ）大きくするように流量制御弁３０の開度およびオンオフ弁３２のオンオフを決定する（Ｓ２８）。また、流量制御弁３０の開度が特定開度Ａ０を超える場合には（Ｓ２０の「Ａ＞Ａ０」）、オンオフ弁３２のオンオフを切り替えることなく流量制御弁３０の開度Ａを所定量（すなわち開度変化量ΔＡ）大きくすればよい（Ｓ２８）。高流量範囲Ｃ２では、既にオンオフ弁３２が開いているので流量制御弁３０の開度を７０％以下に制限する必要が無い。より大きなバイパス流量が望まれる局面では、流量制御弁３０は７０％を超える開度に調整されてもよい。このようにして、バイパス流量の制御範囲を大きくすることができる。

図７は、第２実施形態に係る極低温冷凍機１０を概略的に示す図である。第２実施形態に係る極低温冷凍機１０は、複数のオンオフ弁を並列に有することを除いて、第１実施形態に係る極低温冷凍機１０と共通する。以下では、両者の異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。

固定流量バイパス２８は、可変流量バイパス２７と並列に高圧ライン３５を低圧ライン３６に接続する複数のサブバイパスを備える。一例として、固定流量バイパス２８は、第１サブバイパス２８ａと、第２サブバイパス２８ｂとを有する。サブバイパスの数はとくに限定されず、３つ以上設けられていてもよい。複数のサブバイパスの各々がオンオフ弁を備える。よって、第１サブバイパス２８ａには第１オンオフ弁３２ａが配置され、第２サブバイパス２８ｂには第２オンオフ弁３２ｂが配置されている。

図８は、第２実施形態に係るバイパスライン２４での流量配分を説明するための概念図である。所望されるバイパス流量が小さい場合には、第１オンオフ弁３２ａと第２オンオフ弁３２ｂはともにオフとされ、所望されるバイパス流量が大きい場合には、第１オンオフ弁３２ａはオンとされ、第２オンオフ弁３２ｂはオフとされる。所望されるバイパス流量がさらに大きい場合には、第１オンオフ弁３２ａと第２オンオフ弁３２ｂがともにオンとされる。流量制御弁３０は、所望されるバイパス流量の大きさにかかわらず、所望のバイパス流量に応じて開度が制御される。

第２実施形態に係る極低温冷凍機１０にも、第１実施形態と同様に、図３に示される圧力制御方法が適用されうる。

図９は、第２実施形態に係り、図３に示されるバイパス流量増加処理（Ｓ１４）を説明するフローチャートである。弁制御部５６は、流量制御弁３０の現在の開度Ａが特定開度Ａ０より小さいか否かを判定する（Ｓ２０）。流量制御弁３０の現在の開度Ａが特定開度Ａ０より小さい場合には（Ｓ２０の「Ａ＜Ａ０」）、弁制御部５６は、流量制御弁３０の開度を開度変化量ΔＡだけ大きくする（Ｓ２２）。弁制御部５６は、第１オンオフ弁３２ａ、第２オンオフ弁３２ｂのオンオフを変更しない。

流量制御弁３０の現在の開度Ａが特定開度Ａ０に等しい場合には（Ｓ２０の「Ａ＝Ａ０」）、弁制御部５６は、第１オンオフ弁３２ａの現在のオンオフ状態を判定する（Ｓ２４）。第１オンオフ弁３２ａがオフの場合（Ｓ２４のオフ）、弁制御部５６は、流量制御弁３０の開度を０％に変更するとともに、第１オンオフ弁３２ａをオンに切り替える（Ｓ２６）。第２オンオフ弁３２ｂはオフのままとされる。

第１オンオフ弁３２ａがオンの場合（Ｓ２４のオン）、弁制御部５６はさらに、第２オンオフ弁３２ｂの現在のオンオフ状態を判定する（Ｓ４０）。第２オンオフ弁３２ｂがオフの場合（Ｓ４０のオフ）、弁制御部５６は、流量制御弁３０の開度を０％に変更するとともに、第２オンオフ弁３２ｂをオンに切り替える（Ｓ４２）。第１オンオフ弁３２ａはオンのままとされる。第１オンオフ弁３２ａと第２オンオフ弁３２ｂがともにオンの場合（Ｓ４０のオン）、弁制御部５６は、流量制御弁３０、第１オンオフ弁３２ａ、および第２オンオフ弁３２ｂをそれぞれ現在の状態に保持する。

図１０は、第２実施形態に係り、図３に示されるバイパス流量減少処理（Ｓ１６）を説明するフローチャートである。弁制御部５６は、流量制御弁３０の現在の開度Ａが０％より大きいか否かを判定する（Ｓ３０）。流量制御弁３０の現在の開度Ａが０％より大きい場合には（Ｓ３０の「Ａ＞０％」）、弁制御部５６は、流量制御弁３０の開度を開度変化量ΔＡだけ小さくする（Ｓ３２）。弁制御部５６は、第１オンオフ弁３２ａ、第２オンオフ弁３２ｂのオンオフを変更しない。

流量制御弁３０の現在の開度Ａが０％である場合には（Ｓ３０の「Ａ＝０％」）、弁制御部５６は、第２オンオフ弁３２ｂの現在のオンオフ状態を判定する（Ｓ３４）。第２オンオフ弁３２ｂがオンの場合（Ｓ３４のオン）、弁制御部５６は、流量制御弁３０の開度を特定開度Ａ０に変更するとともに、第２オンオフ弁３２ｂをオフに切り替える（Ｓ３６）。第１オンオフ弁３２ａはオンのままとされる。

第２オンオフ弁３２ｂがオフの場合（Ｓ３４のオフ）、弁制御部５６はさらに、第１オンオフ弁３２ａの現在のオンオフ状態を判定する（Ｓ５０）。第１オンオフ弁３２ａがオンの場合（Ｓ５０のオン）、弁制御部５６は、流量制御弁３０の開度を特定開度Ａ０に変更するとともに、第１オンオフ弁３２ａをオフに切り替える（Ｓ５２）。第２オンオフ弁３２ｂはオフのままとされる。第１オンオフ弁３２ａと第２オンオフ弁３２ｂがともにオフの場合（Ｓ５０のオフ）、弁制御部５６は、流量制御弁３０、第１オンオフ弁３２ａ、および第２オンオフ弁３２ｂをそれぞれ現在の状態に保持する。

このようにして、バイパス流量制御部５２は、図８に示される流量配分に従ってバイパス流量を増減させることができる。第２実施形態に係る極低温冷凍機１０によれば、バイパス流量の制御範囲をより大きくすることができる。

また、単一の固定流量バイパス２８を有する第１実施形態と異なり、第２実施形態に係る極低温冷凍機１０によれば、固定流量バイパス２８が複数のサブバイパスを有し、各々がオンオフ弁を備える。より多数のバイパス弁が並列に設置されているので、個々の弁を通る作動ガス流量をより小さくすることができる。よって、より小型の流量調整機器を採用することができる。

第１実施形態と同様に、第２実施形態においても、特定開度は１００％に限定されず、任意に選択された開度であってよい。

図１１は、第３実施形態に係る極低温冷凍機１０を概略的に示す図である。第３実施形態に係る極低温冷凍機１０は、バイパスライン２４の配置を除いて、第１実施形態に係る極低温冷凍機１０と共通する。以下では、両者の異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。

図１１に示されるように、バイパスライン２４は、圧縮機１２の外に配置されてもよい。バイパスライン２４は、膨張機１４を迂回して高圧配管３９から低圧配管４０に作動ガスを還流させるように高圧配管３９を低圧配管４０に接続する。可変流量バイパス２７は、流量制御弁３０を備え、高圧配管３９を低圧配管４０に接続する。固定流量バイパス２８は、オンオフ弁３２を備え、可変流量バイパス２７と並列に高圧配管３９を低圧配管４０に接続する。

このようにしても、既述の実施形態と同様に、極低温冷凍機１０を構成することができる。

第３実施形態においても、オンオフ弁３２は複数設けられ、並列に配置されてもよい。第１圧力センサ２２および第２圧力センサ２３も、圧縮機１２の外に配置されてもよい。第１圧力センサ２２は、高圧配管３９の圧力を測定するよう高圧配管３９に配置されてもよい。第２圧力センサ２３は、低圧配管４０の圧力を測定するよう低圧配管４０に配置されてもよい。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

１０極低温冷凍機、１２圧縮機、１４膨張機、２４バイパスライン、２７可変流量バイパス、２８固定流量バイパス、２８ａ第１サブバイパス、２８ｂ第２サブバイパス、３０流量制御弁、３２オンオフ弁、３２ａ第１オンオフ弁、３２ｂ第２オンオフ弁、３４ガスライン、３５高圧ライン、３６低圧ライン、５２バイパス流量制御部、５４圧力比較部、５６弁制御部。

Claims

圧縮機と、
膨張機と、
前記圧縮機と前記膨張機の間で作動ガスを循環させるガスラインであって、前記圧縮機から前記膨張機に作動ガスを供給する高圧ラインと、前記膨張機から前記圧縮機に作動ガスを回収する低圧ラインとを備えるガスラインと、
前記膨張機を迂回して前記高圧ラインから前記低圧ラインに作動ガスを還流させるように前記高圧ラインを前記低圧ラインに接続するバイパスラインと、
前記ガスラインの圧力制御を提供するように、前記バイパスラインを流れる作動ガス流量を制御するバイパス流量制御部と、を備え、
前記バイパスラインは、
流量制御弁を備え、前記高圧ラインを前記低圧ラインに接続する可変流量バイパスと、
オンオフ弁を備え、前記可変流量バイパスと並列に前記高圧ラインを前記低圧ラインに接続する固定流量バイパスと、を備え、
前記バイパス流量制御部は、前記流量制御弁の開度調節と前記オンオフ弁の切り替えとを組み合わせて前記バイパスラインを流れる作動ガス流量を制御し、
前記バイパス流量制御部は、前記ガスラインの測定圧を目標圧と比較する圧力比較部と、前記圧力比較部による比較結果と、前記流量制御弁の開度と、前記オンオフ弁のオンオフとに基づいて前記流量制御弁および前記オンオフ弁を制御する弁制御部と、を備え、
前記バイパスラインは、前記流量制御弁を特定開度に開いた状態で前記可変流量バイパスに流れる作動ガス流量が、前記オンオフ弁のオン状態で前記固定流量バイパスに流れる作動ガス流量に等しくなるように構成され、
前記弁制御部は、
− 前記ガスラインの測定圧が前記目標圧より大きい場合において、前記流量制御弁の開度が前記特定開度より小さいときは、前記オンオフ弁のオンオフを切り替えることなく前記流量制御弁の開度を前記特定開度を上限として所定量大きくし、
− 前記ガスラインの測定圧が前記目標圧より大きい場合において、前記流量制御弁が前記特定開度で開かれかつ前記オンオフ弁がオフとされているときは、前記オンオフ弁をオンに切り替えるとともに前記流量制御弁の開度を０％とし、
− 前記ガスラインの測定圧が前記目標圧より小さい場合において、前記流量制御弁の開度が０％より大きいときは、前記オンオフ弁のオンオフを切り替えることなく前記流量制御弁の開度を所定量小さくし、
− 前記ガスラインの測定圧が前記目標圧より小さい場合において、前記流量制御弁の開度が０％でありかつ前記オンオフ弁がオンとされているときは、前記オンオフ弁をオフに切り替えるとともに前記流量制御弁を前記特定開度に開くように前記流量制御弁の開度および前記オンオフ弁のオンオフを決定することを特徴とする極低温冷凍機。
前記特定開度は、１００％の開度であることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
前記特定開度は、１００％未満の開度であり、
前記弁制御部は、前記ガスラインの測定圧が前記目標圧より大きい場合において、前記流量制御弁が前記特定開度で開かれかつ前記オンオフ弁がオンとされているときは、前記オンオフ弁のオンオフを切り替えることなく前記流量制御弁の開度を所定量大きくするように前記流量制御弁の開度および前記オンオフ弁のオンオフを決定することを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
前記圧力比較部は、前記高圧ラインの測定圧を前記目標圧と比較することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の極低温冷凍機。
前記圧力比較部は、前記高圧ラインと前記低圧ラインの測定差圧を前記目標圧と比較することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の極低温冷凍機。
前記固定流量バイパスは、各々が前記オンオフ弁を備え、前記可変流量バイパスと並列に前記高圧ラインを前記低圧ラインに接続する複数のサブバイパスを備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の極低温冷凍機。
前記流量制御弁は、電動弁であり、前記オンオフ弁は、電磁弁であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の極低温冷凍機。
圧縮機と、
膨張機と、
前記圧縮機と前記膨張機の間で作動ガスを循環させるガスラインであって、前記圧縮機から前記膨張機に作動ガスを供給する高圧ラインと、前記膨張機から前記圧縮機に作動ガスを回収する低圧ラインとを備えるガスラインと、
前記膨張機を迂回して前記高圧ラインから前記低圧ラインに作動ガスを還流させるように前記高圧ラインを前記低圧ラインに接続するバイパスラインと、
前記ガスラインの圧力制御を提供するように、前記バイパスラインを流れる作動ガス流量を制御するバイパス流量制御部と、を備え、
前記バイパスラインは、
流量制御弁を備え、前記高圧ラインを前記低圧ラインに接続する可変流量バイパスと、
オンオフ弁を備え、前記可変流量バイパスと並列に前記高圧ラインを前記低圧ラインに接続する固定流量バイパスと、を備え、
前記バイパス流量制御部は、前記流量制御弁の開度調節と前記オンオフ弁の切り替えとを組み合わせて前記バイパスラインを流れる作動ガス流量を制御し、
前記バイパス流量制御部は、前記ガスラインの測定圧を目標圧と比較する圧力比較部と、前記圧力比較部による比較結果と、前記流量制御弁の開度と、前記オンオフ弁のオンオフとに基づいて前記流量制御弁および前記オンオフ弁を制御する弁制御部と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。