CN104343664A - 压缩机及冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够抑制被搭载的热交换器的热交换能力随时间降低的压缩机及具备该压缩机的冷却系统。本发明的压缩机(10)具备：热交换器，用于将压缩时产生的热量向压缩机的外部释放；冷却水流入端口(10c)，供从压缩机的外部向压缩机流入的冷却水通过；及冷却水流出端口(10d)，供从压缩机向压缩机的外部流出的冷却水通过。压缩机构成为能够在第1模式与第2模式之间切换工作模式，所述第1模式为通过冷却水流入端口(10c)的冷却水向预定的第1方向流经热交换器而通过冷却水流出端口(10d)，所述第2模式为通过冷却水流入端口(10c)的冷却水向与第1方向相反的第2方向流经热交换器而通过冷却水流出端口(10d)。

Description

压缩机及冷却系统

本申请主张基于2013年7月23日申请的日本专利申请2013-152899号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

技术领域

本发明涉及一种对从制冷机返回的气体进行压缩并供给至该制冷机的压缩机及具备这种压缩机的冷却系统。

背景技术

吉福德-麦克马洪式(GM)制冷机、脉冲管制冷机、斯特林制冷机及索尔凡制冷机等制冷机能够将冷却对象物冷却至从100K(开尔文)左右的低温至4K的超低温为止的范围。这种制冷机用于超导磁体或检测器等的冷却、用于低温泵等。

制冷机中附设有用于压缩在制冷机中用作工作气体的氦气的压缩机。该压缩机中作为用于去除压缩热的制冷剂，使用从外部的制冷剂设备供给的冷却水或防冻液。

在专利文献1中记载有对于快速过滤器实施反冲洗的内容。

专利文献1：日本特开2009-79862号公报

压缩机的热交换器的制冷剂管路中有时会因来自制冷剂设备的制冷剂的水质而发生堵塞(闭塞)。若发生堵塞，则由于热交换不良而使压缩机的温度上升，若超过规定温度，则压缩机会异常停止。如此，制冷机也会停止，因此有可能妨碍包括制冷机的系统的运行计划。

为了避免这种故障，劝导系统的用户定期对制冷剂管路进行冲洗和维护，但实际上通常忽视这种问题而运行直到发生制冷剂管路的闭塞为止，在发生故障之后才发现堵塞。

发明内容

本发明是鉴于这种状况而完成的，其目的在于提供一种能够抑制被搭载的热交换器的热交换能力随时间降低的压缩机及具备该压缩机的冷却系统。

本发明的一种实施方式涉及压缩机。该压缩机为对从制冷机返回的气体进行压缩并供给至该制冷机的压缩机，所述压缩机具备：热交换器，用于将压缩时产生的热量向所述压缩机的外部释放；冷却液体流入端口，供从所述压缩机的外部向所述压缩机流入的冷却液体通过；及冷却液体流出端口，供从所述压缩机向所述压缩机的外部流出的冷却液体通过。所述压缩机构成为能够在第1模式与第2模式之间切换工作模式，所述第1模式为通过冷却液体流入端口的冷却液体向预定的第1方向流经热交换器而通过冷却液体流出端口，所述第2模式为通过冷却液体流入端口的冷却液体向与第1方向相反的第2方向流经热交换器而通过冷却液体流出端口。

本发明的另一种实施方式为冷却系统。该冷却系统具备：使用气体的制冷机；压缩机，对从制冷机返回的气体进行压缩并供给至制冷机。压缩机包括：热交换器，用于将压缩时产生的热量向压缩机的外部释放；冷却液体流入端口，供从压缩机的外部向压缩机流入的冷却液体通过；及冷却液体流出端口，供从压缩机向压缩机的外部流出的冷却液体通过。压缩机构成为能够在第1模式与第2模式之间切换工作模式，所述第1模式为通过冷却液体流入端口的冷却液体向预定的第1方向流经热交换器而通过冷却液体流出端口，所述第2模式为通过冷却液体流入端口的冷却液体向与第1方向相反的第2方向流经热交换器而通过冷却液体流出端口。

另外，将以上构成要件的任意组合或本发明的构成要件或表现在装置、方法、系统等之间彼此替换，也作为本发明的方式有效。

根据本发明，能够提供一种抑制被搭载的热交换器的热交换能力随时间降低的压缩机及具备该压缩机的冷却系统。

附图说明

图1是在管内表面附着有水垢的配管的示意剖视图。

图2是表示具备实施方式所涉及的压缩机的制冷机系统的结构的示意图。

图3是图2的压缩机的结构图。

图中：1-水垢，2-制冷机系统，4-GM制冷机，10-压缩机。

具体实施方式

以下，对各附图所示的相同或等同的构成要件、部件标注相同符号，并适当省略重复说明。并且，为了便于理解，适当放大、缩小显示各附图的部件的尺寸。并且，在各附图中，省略显示实施方式的说明中并不重要的部件的一部分。

在冷却水流通的配管内，尤其在冷却水的水质较差时，会堆积被称为水垢的异物。水垢不断成长而变大，最终有可能成为配管堵塞的原因。

图1是在管内表面附着有水垢1的配管的示意剖视图。粗的箭头表示正常水流的方向。水垢1主要由冷却水中包含的锈或凝胶状物质或有机物质等堆积而形成。水垢1中与冷却水的流向对置的面1A会变得较硬。因此，即使加强水流也难以去除水垢1。

与此相反，若使水流反向，则可从较柔软的面1B刮除水垢1，因此水垢1会变得容易剥落。在实施方式中，应用该现象在搭载有水冷式热交换器的压缩机中自动改变冷却水的流向，从而减少或去除在热交换器的冷却水配管内堆积的水垢。由此，能够在设计上避免因冷却水配管的堵塞而使整个系统突然停止的故障。并且，无需特别麻烦用户，就能够抑制或防止冷却水配管的堵塞和热交换效率的下降。

图2是表示具备实施方式所涉及的压缩机10的制冷机系统2的结构的示意图。制冷机系统2具备：对对象物进行冷却的GM制冷机4、通过2根软性配管8、9与GM制冷机4连接的压缩机10。GM制冷机4、压缩机10及2根软性配管8、9构成对冷却对象进行冷却的冷却系统。

GM制冷机4是公知的2级式GM制冷机，例如可使用本申请人之前申请的日本特开2011-190953号公报中记载的技术来构成。GM制冷机4的冷头的第1级冷却台4a可与对象物的热屏蔽件机械结合。在热屏蔽件中可形成液体氦槽。第2级冷却台4b可配置成露出于液体氦槽中比液体氦的液面更靠上方的部分即气体侧。

在制冷机系统2的运行状态下，热屏蔽件的温度通过GM制冷机4的冷却作用维持在40K～50K。第2级冷却台4b通过再冷凝(液化)已蒸发的氦，将液体氦槽的压力维持在既定值以下。

高压软性配管8从压缩机10向GM制冷机4供给高压工作气体，例如氦气。低压软性配管9从GM制冷机4向压缩机10供给低压氦气。

压缩机10对从GM制冷机4通过低压软性配管9返回的氦气进行压缩，并通过高压软性配管8向GM制冷机4供给已压缩的氦气。压缩机10具备：高压端口10a，连接有高压软性配管8；低压端口10b，连接有低压软性配管9；冷却水流入端口10c，用于从压缩机10外部的冷却水循环装置(未图示)接收冷却水或防冻液等冷却液体；及冷却水流出端口10d，用于从压缩机10排出冷却水。各端口安装于压缩机10的筐体。

冷却水流入端口10c上连接有冷却水供给配管5a。低温高压的冷却水在冷却水供给配管5a内从冷却水循环装置朝向压缩机10流动，通过冷却水流入端口10c流入压缩机10内部。冷却水流出端口10d上连接有冷却水返回配管5b。高温低压的冷却水在冷却水返回配管5b内从压缩机10内部通过冷却水流出端口10d向冷却水循环装置流动。

图3是实施方式所涉及的压缩机10的结构图。压缩机10包括：压缩室11、水冷式热交换器12、高压侧配管13、低压侧配管14、油分离器15、吸附器16、储罐17、及旁通机构18。压缩机10在压缩室11中对从GM制冷机4经低压软性配管9返回的低压氦气进行增压，并经高压软性配管8再次供给至GM制冷机4。

从GM制冷机4返回的氦气经低压软性配管9首先流入储罐17。储罐17去除返回的氦气所包含的脉动。由于储罐17具有比较大的容量，因此通过将氦气导入储罐17内能够减轻或去除脉动。

在储罐17中减轻或去除脉动的氦气向低压侧配管14导出。低压侧配管14连接于压缩室11，由此在储罐17中减轻或去除脉动的氦气供给至压缩室11。

压缩室11例如为涡旋式或旋转式泵，压缩低压侧配管14的氦气而使其增压。压缩室11将已增压的氦气送向高压侧配管13A(13)。氦气在压缩室11中增压时稍微混入有压缩室11内的油，并以该状态送向高压侧配管13A(13)。

压缩室11为利用油进行冷却的结构。因此，使油循环的油冷却配管33连接于水冷式热交换器12所包含的油热交换部26。并且，油冷却配管33上设置有控制在内部流通的油流量的节流孔32。

水冷式热交换器12实现用于向压缩机10的外部释放在压缩室11中压缩氦气时产生的热量(以下，称为压缩热)的热交换。水冷式热交换器12具有：油热交换部26，对流经油冷却配管33的油进行冷却处理；及气体热交换部27，冷却已增压的氦气。

油热交换部26构成为具有流通油的油冷却配管33的一部分26A及流通冷却水的第1冷却水配管34，并在这些配管之间进行热交换。从压缩室11向油冷却配管33排出的油通过压缩热变成高温。若这种高温油通过油热交换部26，则通过热交换，油的热量移送至冷却水，离开油热交换部26的油的温度低于进入油热交换部26的油的温度。即，压缩热由流经油冷却配管33的油移送至冷却水并向外部排出。

气体热交换部27具有流通高压氦气的高压侧配管13A的一部分27A及流通冷却水的第2冷却水配管36。与油热交换部26相同，气体热交换部27中压缩热通过流经高压侧配管13A(13)内的氦气移送至冷却水并向外部排出。

第1冷却水配管34与第2冷却水配管36串联连接。第1冷却水配管34的一端作为水冷式热交换器12的冷却水接收端口12A发挥作用。第1冷却水配管34的另一端与第2冷却水配管36的一端连接。第2冷却水配管36的另一端作为水冷式热交换器12的冷却水排出端口12B发挥作用。

压缩机10构成为能够在通常模式与反冲洗模式之间切换工作模式，所述通常模式为通过冷却水流入端口10c的冷却水向预定的第1方向38流经水冷式热交换器12并通过冷却水流出端口10d，所述反冲洗模式为通过冷却水流入端口10c的冷却水向与第1方向38相反的第2方向40流经水冷式热交换器12并通过冷却水流出端口10d。

水冷式热交换器12构成为水冷式热交换器12的热交换效率根据冷却水的流动方向而不同。尤其是，冷却水向第1方向38流动时的热交换效率高于向第2方向40流动时的热交换效率。换言之，反冲洗模式下的水冷式热交换器12的热交换效率低于通常模式下的水冷式热交换器12的热交换效率。

压缩机10具备：第1配管42，连接冷却水流入端口10c与冷却水接收端口12A；第2配管44，连接冷却水流出端口10d与冷却水排出端口12B；第1阀46，安装于所述第1配管42，调节通过第1配管42的冷却水的流量；第2阀48，安装于第2配管44，调节通过第2配管44的冷却水的流量；第3配管50，连接第1阀46的冷却水流入端口10c侧与第2阀48的冷却水排出端口12B侧；第4配管52，连接第1阀46的冷却水接收端口12A侧与第2阀48的冷却水流出端口10d侧；第3阀54，安装于第3配管50，调节通过第3配管50的冷却水的流量；第4阀56，安装于第4配管52，调节通过第4配管52的冷却水的流量；控制部58；及测量单元60。

上述各阀可以是根据控制信号打开或关闭的电磁阀等自动开闭阀。

测量单元60设置于第2配管44中的第2阀48与冷却水流出端口10d之间。测量单元60测量从冷却水流出端口10d流出的冷却水的流量及温度，并向控制部58报告。

第1方向38是从冷却水接收端口12A朝向冷却水排出端口12B的方向，第2方向40是从冷却水排出端口12B朝向冷却水接收端口12A的方向。

控制部58生成用于控制第1阀46、第2阀48、第3阀54、第4阀56的开闭的控制信号，并输出至各阀。控制部58在通常模式下将各阀控制成第1阀46及第2阀48成为打开状态，并且第3阀54及第4阀56成为关闭状态。控制部58在反冲洗模式下将各阀控制成第3阀54及第4阀56成为打开状态，并且第1阀46及第2阀48成为关闭状态。

其结果，在通常模式下冷却水依次流经冷却水流入端口10c、冷却水接收端口12A、冷却水排出端口12B、冷却水流出端口10d，在反冲洗模式下冷却水依次流经冷却水流入端口10c、冷却水排出端口12B、冷却水接收端口12A、冷却水流出端口10d。

控制部58在压缩机10的运行中，根据测量单元60所测的冷却水的流量或温度或者这两者的测定结果进行用于在通常模式与反冲洗模式之间切换工作模式的控制。尤其，当所测定出的冷却水的流量低于预定的第1阈值时，控制部58进行用于将工作模式从通常模式切换为反冲洗模式的控制。当反冲洗模式下测定出的冷却水的流量高于预定的第2阈值时，控制部58进行用于将工作模式从反冲洗模式切换为通常模式的控制。

另外，作为根据测定结果数据的切换控制的替代方式或除此之外，控制部58还可周期性地(例如，以设定的时间或定期)进行用于在通常模式与反冲洗模式之间切换工作模式的控制。

电磁阀有常开阀(Normally open)与常闭阀(Normally closed)。第1阀46及第2阀48采用常闭电磁阀，第3阀54及第4阀56采用常开电磁阀。当压缩机10的主电源被关闭导致压缩机10成为停止状态时，各阀的电力供给也停止。因此，在这种停止状态下第1阀46及第2阀48成为关闭状态，第3阀54及第4阀56成为打开状态，即成为反冲洗模式。

在压缩室11中增压并在气体热交换部27中冷却的氦气经高压侧配管13A(13)供给至油分离器15。在油分离器15中分离氦气中包含的油，并且还去除油中包含的杂质和灰尘。

已在油分离器15中去除油的氦气经高压侧配管13B(13)送至吸附器16。吸附器16用于去除氦气中包含的尤其是已气化的油成分。而且，若在吸附器16中去除了已气化的油成分，则氦气导出至高压软性配管8，由此供给至GM制冷机4。

旁通机构18具有：旁通配管19、高压侧压力检测装置20及旁通阀21。旁通配管19是连通高压侧配管13B与低压侧配管14的配管。高压侧压力检测装置20检测高压侧配管13B内的氦气压力。旁通阀21是打开或关闭旁通配管19的电动阀装置。并且，旁通阀21为常闭阀，但构成为通过高压侧压力检测装置20驱动控制。

具体而言构成为，高压侧压力检测装置20检测出从油分离器15到达吸附器16之间的氦气的压力(即，高压侧配管13B内的压力)为既定压力以上时，旁通阀21被高压侧压力检测装置20驱动而开阀。由此，降低既定压力以上的供给气体供给至GM制冷机4的可能性。

回油配管24的高压侧连接于油分离器15，低压侧连接于低压侧配管14。并且，在回油配管24的途中设置有：过滤器28，去除在油分离器15中分离的油中包含的灰尘；及节流孔29，控制回油量。

对如上述构成的压缩机10的动作进行说明。

压缩机10的运行中，在通常模式下测量单元60监视冷却水的流量。当冷却水的流量低于第1阈值时，控制部58将第1阀46及第2阀48从打开状态切换成关闭状态，并将第3阀54及第4阀56从关闭状态切换成打开状态。由此，工作模式从通常模式切换为反冲洗模式。

在反冲洗模式下，测量单元60监视冷却水的流量。当冷却水的流量高于第2阈值时，控制部58将第1阀46及第2阀48从关闭状态切换成打开状态，并将第3阀54及第4阀56从打开状态切换成关闭状态。由此，工作模式从反冲洗模式切换为通常模式。

根据本实施方式所涉及的压缩机10，流经水冷式热交换器12的第1冷却水配管34、第2冷却水配管36的冷却水的流向自动变为反向。因此，无需特别麻烦制冷机系统2的用户，就能够有效地将堆积在第1冷却水配管34和第2冷却水配管36内的水垢排出至外部。其结果，能够抑制第1冷却水配管34和第2冷却水配管36的堵塞，并能够维持通常模式下的水冷式热交换器12的热交换效率。

由此，能够降低压缩机10因源于冷却水的故障而异常停止的可能性，因此能够降低妨碍制冷机系统2的运行计划的可能性，并能够稳定地持续制冷机系统2的运行。并且，即使压缩机10因冷却水配管的堵塞而停止也会自动恢复，因此能够抑制对制冷机系统2的运行带来不良影响。

并且，本实施方式所涉及的压缩机10中，基于测定出的冷却水的流量进行工作模式的切换。因此，由于自动进行当怀疑发生堵塞时执行反冲洗而堵塞消除后返回通常模式的处理，因此能够更有效地防止堵塞的发生。即，在必要时能够自动进行必要的措施。

并且，本实施方式所涉及的压缩机10中，能够在压缩机10的工作中进行工作模式的切换。因此，无需为了去除或预防冷却水配管的堵塞而停止压缩机10，能够降低压缩机10的停机时间(即，制冷机系统2的停机时间)。

并且，在本实施方式所涉及的压缩机10中，如果周期性地进行工作模式的切换，则能够期待预防堵塞的效果。

并且，本实施方式所涉及的压缩机10中，在压缩机10的停止状态下实现反冲洗模式。在压缩机10不工作时热交换效率并不重要，而恰恰在这种情况下通过反冲洗来去除水垢，因此效率高。

以上，对实施方式所涉及的压缩机10及具备该压缩机10的制冷机系统2进行了说明。该实施方式为例示，本技术领域人员应可理解其各构成要件的组合中可存在各种变形例，并且这种变形例也在本发明范围内。

实施方式中，以GM制冷机4为例进行了说明，但并不限定于此，也可在对制冷机供给工作气体的压缩机上应用本实施方式所涉及的技术理念。这种制冷机可以是例如GM型或斯特林型脉冲管制冷机、或斯特林制冷机、或索尔凡制冷机。

在实施方式中说明的制冷机系统2例如可以用作MRI系统、超导磁体、低温泵、X射线检测器、红外线传感器、量子光子检测器、半导体检测器、稀释制冷机、He3制冷机、绝热去磁制冷机、氦液化器、低温恒温器等的冷却机构或液化机构。

实施方式中，对基于测量单元60所测定出的流量切换工作模式的情况进行了说明，但并不限定于此。例如，代替流量或除此之外，还可基于测量单元60所测定出的温度切换工作模式。水垢以层状紧紧附着在冷却水配管的管壁时，虽然流量的下降并没有多少，但可能会导致热交换效率大幅下降的状况。热交换效率的下降表现为排出冷却水温度的上升。因此，通过监视排出冷却水的温度，并根据该温度切换工作模式，能够有效地去除水垢。

实施方式中，对在压缩机10的运行中切换工作模式的情况进行了说明，但并不限定于此。例如，可在压缩机10停止之后进行工作模式的切换。

实施方式中，对测定出的冷却水的流量超过阈值时切换工作模式的情况进行了说明，但并不限定于此，例如，可对阈值判定赋予持续时间。尤其，可在流量超过阈值且持续预定期间之后切换工作模式。

Claims (9)

1.一种压缩机，对从制冷机返回的气体进行压缩并供给至该制冷机，其特征在于，所述压缩机具备：

热交换器，用于将压缩时产生的热量向所述压缩机的外部释放；

冷却液体流入端口，供从所述压缩机的外部向所述压缩机流入的冷却液体通过；

及冷却液体流出端口，供从所述压缩机向所述压缩机的外部流出的冷却液体通过，

所述压缩机构成为能够在第1模式与第2模式之间切换工作模式，所述第1模式为通过所述冷却液体流入端口的冷却液体向预定的第1方向流经热交换器而通过所述冷却水流出端口，所述第2模式为通过所述冷却液体流入端口的冷却液体向与所述第1方向相反的第2方向流经热交换器而通过所述冷却液体流出端口。

2.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，

在所述第2模式中的所述热交换器的热交换效率低于所述第1模式中的所述热交换器的热交换效率。

3.根据权利要求2所述的压缩机，其特征在于，

还具备控制部，该控制部根据冷却液体的流量或温度或者这两者的测定结果，进行用于在所述第1模式与所述第2模式之间切换工作模式的控制。

4.根据权利要求3所述的压缩机，其特征在于，

所述控制部进行如下控制：当所测定出的冷却液体的流量低于预定的第1阈值时，将工作模式从所述第1模式切换为所述第2模式，当所测定出的冷却液体的流量高于预定的第2阈值时，将工作模式从所述第2模式切换为所述第1模式。

5.根据权利要求3或4所述的压缩机，其特征在于，

所述控制部在所述压缩机的运行中进行用于在所述第1模式与所述第2模式之间切换工作模式的控制。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的压缩机，其特征在于，

所述控制部周期性地进行用于在所述第1模式与所述第2模式之间切换工作模式的控制。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的压缩机，其特征在于，

所述压缩机构成为所述压缩机的停止状态下处于所述第2模式。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的压缩机，其特征在于，

所述压缩机还具备：

第1配管，连接所述冷却液体流入端口与所述热交换器的冷却液体接收端口；

第2配管，连接所述冷却液体流出端口与所述热交换器的冷却液体排出端口；

第1阀，安装于所述第1配管，调节通过所述第1配管的冷却液体的流量；

第2阀，安装于所述第2配管，调节通过所述第2配管的冷却液体的流量；

第3配管，连接所述第1阀的所述冷却液体流入端口侧与所述第2阀的所述冷却液体排出端口侧；

第4配管，连接所述第1阀的所述冷却液体接收端口侧与所述第2阀的所述冷却液体流出端口侧；

第3阀，安装于所述第3配管，调节通过所述第3配管的冷却液体的流量；及

第4阀，安装于所述第4配管，调节通过所述第4配管的冷却液体的流量，

在所述第1模式中，所述第1阀及所述第2阀使冷却液体通过，所述第3阀及所述第4阀限制冷却液体流过，在所述第2模式中，所述第3阀及所述第4阀使冷却液体通过，所述第1阀及所述第2阀限制冷却液体流过。

9.一种冷却系统，其特征在于，具备：

使用气体的制冷机；

压缩机，对从所述制冷机返回的气体进行压缩并供给至所述制冷机，

所述压缩机包括：

热交换器，用于将压缩时产生的热量向所述压缩机的外部释放；

冷却液体流入端口，供从所述压缩机的外部向所述压缩机流入的冷却液体通过；及

冷却液体流出端口，供从所述压缩机向所述压缩机的外部流出的冷却液体通过，

所述压缩机构成为能够在第1模式与第2模式之间切换工作模式，所述第1模式为通过所述冷却液体流入端口的冷却液体向预定的第1方向流经所述热交换器而通过所述冷却液体流出端口，所述第2模式为通过所述冷却液体流入端口的冷却液体向与所述第1方向相反的第2方向流经所述热交换器而通过所述冷却液体流出端口。