JP2004125225A - Stirling cold heat supply system and its operation method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング冷凍機ユニットを用いて発生した冷熱を冷熱利用機器に供給できるようにしたスターリング冷熱供給システム及びその運転方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
スターリング冷凍機ユニットは、小型化が可能であり、成績係数や冷凍効率が高く、発生する温度域が低くできる特徴を持つと共に、近年の地球環境問題におけるフロン代替(ヘリウムが使用可能)が容易である特徴を持っている。
【0003】
このため冷凍庫、冷蔵庫、投げ込み式クーラー等の業務用又は家庭用の冷熱利用機器を始めとして、低温液循環器、低温恒温器、恒温槽、ヒートショック試験装置、凍結乾燥機、温度特性試験装置、血液・細胞保存装置、コールドクーラ、各種の計測装置等における冷熱供給源としての利用が検討されている。
【0004】
図11は、このようなスターリング冷熱供給システム100の概略構成を示す回路図で、スターリング冷凍機ユニット110、該スターリング冷凍機ユニット110の廃熱を処理する冷却水装置120、熱搬送装置130等を有している(特許文献1、2参照)。
【0005】
このようなスターリング冷凍機ユニット110は、図12に示すように、圧縮ピストン111が圧縮シリンダ112内を往復運動することにより、これらの間で形成される圧縮空間113内の作動ガス(ヘリウム)を圧縮する圧縮部114、膨張ピストン115が膨張シリンダ116内を往復運動することにより、これらの間で形成される膨張空間117内の作動ガスを膨張させる膨張部118、圧縮空間113と膨張空間117とを連通させるガス流路Sに設けられた蓄熱部119等を有している。
【0006】
そして、モータ109が駆動されてクランク機構108が回転動力を往復動力に変換し、この往復動力により圧縮ピストン111や膨張ピストン115が往復運動して、作動ガスを圧縮/膨張する。
【0007】
圧縮された作動ガスはガス流路Sを通り、蓄熱部119で蓄熱して膨張空間117に移動し、ここで膨張することにより冷熱(吸熱作用)が発生する。
【0008】
この冷熱により膨張部118の頭部に設けられたコールドヘッド131が冷却される。このコールドヘッド131には2次冷媒が循環しているので、この2次冷媒は冷却されて温度が下がる。
【0009】
膨張部118で膨張した作動ガスは、蓄熱部119を通り圧縮部114へと戻り、1サイクルが終了する。
【0010】
なお、膨張ピストン115は圧縮ピストン111に対して略90度位相が進んで運動する。
【0011】
熱搬送装置130は、2次冷媒がコールドヘッド131と冷熱利用機器101とを接続するように形成された2次冷媒回路を循環できるように圧送する2次冷媒ポンプ132等を有している。
【0012】
ところで、作動ガスが圧縮部114で圧縮されると温度上昇するが、そのまま蓄熱部119を介して膨張部118に移動する作動ガスの温度が上昇して冷熱発生効率が低下してしまう。
【0013】
そこで、当該圧縮部114から蓄熱部119に至る間のガス流路Sの周囲に冷却水装置120(座宇12では図示省略している)が設けられて、ここを流動する作動ガスを冷却するようになっている。
【0014】
この冷却水装置120は、図11に示すように作動ガスと冷却水とを熱交換させる図示しない作動ガス側熱交換器、冷却水と大気とを熱交換させるラジエタ121、作動ガス側熱交換器とラジエタ121との間で冷却水を循環させる冷却水ポンプ122を有している。
【0015】
これにより作動ガスが冷却され、その熱が大気に放熱されて、冷熱発生効率の向上が図られている。
【0016】
【特許文献1】
特開200−186618号公報
【特許文献2】
特開200−186619号公報
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成では、スターリング冷熱供給システム100を起動させて2次冷媒を所望の温度(例えば、−80℃)まで低下(以下、プルダウンと記載する)させるには、相応の時間を要する問題がある。
【0018】
即ち、スターリング冷凍機ユニット110は、通常の圧縮、凝縮、減圧、蒸発を繰返す冷凍サイクルと異なり、ヘリウム等の作動ガスを圧縮、放熱、膨張、吸熱させるサイクルであるため、極低温域までの冷熱発生能力を持つものの、単位時間的な意味合いで冷熱の温度低下速度が大きくなく2次冷媒の冷却負荷の大きさによって2次冷媒を所望温度に到達させる時間が長くなってしまう。
【0019】
従って、かかるスターリング冷凍機ユニット110、熱搬送装置130、冷熱利用機器101を所望の温度域までプルダウンするためには、相応の時間を要してしまう。
【0020】
無論、図13に示すように、複数台のスターリング冷凍機ユニット110を用いて、冷熱供給能力を高めることで、プルダウンに要する時間の短縮を図ることも可能であるが、かかる場合にはコストアップの要因になる問題がある。
【0021】
そこで、本発明は、簡単、かつ、安価な構成で、プルダウン時間の短縮を図ると共に、スターリング冷凍機ユニットの冷熱発生能力を高めることができるようにしたスターリング冷熱供給システム及びその運転方法を提供することを目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項1にかかる発明は、作動ガスを圧縮膨張させて冷熱を発生するスターリング冷凍機ユニットと、該スターリング冷凍機ユニットで発生した冷熱により2次冷媒を冷却し、この2次冷媒を冷熱利用機器に搬送する熱搬送装置とを備えたスターリング冷熱供給システムにおいて、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から吐出される冷媒を外気又は水と熱交換させて、この冷媒を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器からの冷媒を減圧する減圧装置と、該減圧装置で減圧された冷媒の蒸発作用で2次冷媒を冷却する蒸発器とを備えた冷媒チラーユニットを設けたことを特徴とする。
【0023】
請求項2にかかる発明は、スターリング冷凍機ユニットの作動ガスはヘリウムガスであり、冷媒チラーユニットの冷媒はR404Aであることを特徴とする。
【0024】
請求項3にかかる発明は、請求項1又は2記載のスターリング冷熱供給システムを運転開始する際には、冷媒チラーユニットを運転して所定温度まで2次冷媒を冷却した後、スターリング冷凍機ユニットを運転し、かつ、冷媒チラーユニットの運転を停止することを特徴とする。
【0025】
請求項4にかかる発明は、スターリング冷凍機ユニットと冷媒チラーユニットとを同時に運転させる期間を設けたことを特徴とする。
【0026】
請求項5にかかる発明は、請求項1又は2記載のスターリング冷熱供給システムの運転を開始する際には、冷媒チラーユニットを運転して所定温度まで同時運転して2次冷媒を冷却し、かつ、当該所定温度より適宜高い温度からスターリング冷凍機ユニットの運転を開始して、この温度範囲では冷媒チラーユニットとスターリング冷凍機ユニットとを同時運転し、所定温度に達すると冷媒チラーユニットの運転を停止してスターリング冷凍機ユニットのみを運転するように制御することを特徴とする。
【0027】
請求項6にかかる発明は、請求項1記載のスターリング冷熱供給システムを運転開始する際には、冷媒チラーユニット及びスターリング冷凍機ユニットを所定温度まで同時運転して2次冷媒を冷却し、当該所定温度に達すると冷媒チラーユニットの運転を停止してスターリング冷凍機ユニットのみを運転するように制御することを特徴とする。
【0028】
請求項7にかかる発明は、作動ガスを圧縮膨張させて冷熱を発生するスターリング冷凍機ユニットと、該スターリング冷凍機ユニットで発生した冷熱により2次冷媒を冷却し、この2次冷媒を冷熱利用機器に搬送する熱搬送装置とを備えたスターリング冷熱供給システムにおいて、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から吐出される冷媒を外気又は水と熱交換させて、この冷媒を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器からの冷媒を減圧する減圧装置と、該減圧装置で減圧された冷媒の蒸発作用で2次冷媒を冷却する蒸発器と、該減圧装置で減圧された冷媒を蒸発させてスターリング冷凍機ユニットからの放熱を吸収する第2の蒸発器と、凝縮器からの冷媒を蒸発器で有効に蒸発させるか又は、第2の蒸発器で有効に蒸発させるかを切換える切換弁とを備えたことを特徴とする。
【0029】
請求項8にかかる発明は、蒸発器用の減圧装置と第2の蒸発器用の減圧装置と異ならせることを特徴とする。
【0030】
請求項9にかかる発明は、請求項7又は請求項8記載のスターリング冷熱供給システムを運転開始する際には、凝縮器で凝縮された冷媒が蒸発器で有効に蒸発するように切換弁を切換えて冷媒チラーユニットを運転して、2次冷媒を所定温度まで冷却した後、凝縮器で凝縮された冷媒が第2の蒸発器で有効に蒸発するように切換弁を切換えることを特徴とするスターリング冷熱供給システムの運転方法。
【0031】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図を参照して説明する。図1は第1の実施の形態の説明に適用されるスターリング冷熱供給システム1の回路図であり、図2はそのスターリング冷凍機ユニットの構成を示す図である。
【0032】
このスターリング冷熱供給システム1は、冷熱を発生する1台のスターリング冷凍機ユニット4、該スターリング冷凍機ユニット4における作動ガスと熱交換して、その熱を放熱する冷却水装置5、2次冷媒(例えば、HFE:ハイドロフロロエーテル等の所望する2次冷媒の温度で十分に熱搬送がおこなえるものであればよい)をスターリング冷凍機ユニット4と冷熱利用機器3との間で循環させて、スターリング冷凍機ユニット4で発生した冷熱を冷熱利用機器3に供給する熱搬送装置6、冷熱利用機器3から要求される冷熱量が供給できるように、スターリング冷熱供給システム1全体を制御する制御装置7、プルダウン時間の短縮を図るために2次冷媒を冷却する冷媒チラーユニット8等を主要構成としている。
【0033】
図13に示すように、複数のスターリング冷凍機ユニット4を用いて冷熱供給能力を高め、これによりプルダウン時間の短縮を図ることは可能であるが、この場合には高価なスターリング冷凍機ユニット4を複数設けなければならないために、コストアップの要因となる。
【0034】
また、例えば半導体施設で利用される低温プローバのような冷熱利用機器3の場合には、使用時における冷熱量は余り多量に必要としないので、かかる冷熱利用機器3に対しては複数台のスターリング冷凍機ユニット4を用いてプルダウン時間の短縮を図ると、余剰能力が発生してしまい経済性が低下してしまうようになる。
【0035】
そこで、本発明では、後述するように、圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器等を有する冷媒チラーユニット8を設けて、プルダウン時間の短縮を図っている。
【0036】
スターリング冷凍機ユニット4は、図2に示すように、モータ11の回転動力を往復動力に変換するクランク部12、圧縮ピストン14が圧縮シリンダ15内を往復運動することによりこれらの間で形成される圧縮空間16内の作動ガスを圧縮する圧縮部17、膨張ピストン18が膨張シリンダ19内を往復運動することによりこれらの間で形成される膨張空間20内の作動ガスを膨張させる膨張部21、圧縮空間16と膨張空間20とを連通させるガス流路Sに設けられた金属メッシュシート等からなる蓄熱部22等を有している。
【0037】
スターリング冷凍機ユニット4における、クランク部12は内部がクランク室23をなすクランクハウジング24に収納され、モータ軸25と連結されたクランク26、一端がクランク26に連結されたコネクティングロッド27、該コネクティングロッド27の他端に連結されたクロスガイドヘッド28、該クロスガイドヘッド28の運動方向を1方向に規制するクロスガイドライナ29等により形成されている。
【0038】
これにより、モータ11の回転動力がクランク部12で往復動力に変換されて、圧縮ピストン14、膨張ピストン18が往復運動する。
【0039】
なお、膨張ピストン18は圧縮ピストン14に対して位相が略90度進んで運動する。
【0040】
また、圧縮ピストン14や膨張ピストン18は、ピストンロッド30を介してクロスガイドヘッド28と連結され、このピストンロッド30に一端が密着して固着されると共に、他端が固定プレート36に密着して固着されたオイルシールベローズ37が設けられている。
【0041】
このオイルシールベローズ37は、ピストンロッド30の往復運動に伴い伸縮する金属製のベローズで、圧縮ピストン14や膨張ピストン18側の空間とクロスガイドヘッド28側の空間とを気密に区画している。
【0042】
これにより、クロスガイドヘッド28等を潤滑するオイル38が圧縮ピストン14や膨張ピストン18に付着し、これが圧縮空間16や膨張空間20に侵入することによる冷凍効率の低下を防止している。
【0043】
また、このオイルシールベローズ37により、当該オイルシールベローズ37と圧縮ピストン14や膨張ピストン18とで挟まれる空間(以下、背圧室という)39は、気密状態になる。
【0044】
このため圧縮ピストン14や膨張ピストン18が往復運動すると、背圧室39の雰囲気が圧縮膨張するようになり、この圧縮膨張に要するエネルギーがモータ負荷となって、冷熱発生効率を低下させてしまう。
【0045】
そこで、背圧室39とクランク室23とをベローズ40を介して連結させたバッファタンク41が設けられている。
【0046】
また、圧縮空間16を覆うように、または圧縮空間16と蓄熱部22とを連通するガス流路Sを取巻くように作動ガス側熱交換器35が設けられて、冷却水が循環するようになっている。
【0047】
このような構成のスターリング冷凍機ユニット4において、圧縮ピストン14が下死点から上死点に移動すると、圧縮空間16内の作動ガスが圧縮される。この間、膨張ピストン18は上動して上死点に達した後、下動するようになる。
【0048】
圧縮ピストン14の上動に伴い圧縮された作動ガスは、ガス流路Sを流動して膨張部21側に送られ、膨張ピストン18が下動すると作動ガスは蓄熱部22を通過して膨張空間20に送られる。
【0049】
作動ガスが蓄熱部22を通過する際には、その熱がこの蓄熱部22に蓄熱される。
【0050】
膨張ピストン18が下死点に達するに従い、圧縮ピストン14は上死点から下死点に移動し、作動ガスは膨張する。
【0051】
このときの膨張過程は等温膨張過程であるため、膨張に伴う吸熱が膨張空間20の頂部に設けられたコールドヘッド45を介して行われ、この結果コールドヘッド45の温度が下がり冷熱が発生する。このコールドヘッド45には、後述するように2次冷媒が熱接触して循環しているので、発生した冷熱により2次冷媒が冷却されることになる。
【0052】
圧縮ピストン14が下死点に近づくに従い、膨張ピストン18は上動を始め、作動ガスはガス流路Sを経て蓄熱部22で熱交換して圧縮空間16に戻る。
【0053】
このようなサイクルを1サイクルとして運転されて、コールドヘッド45の冷熱は冷熱利用機器3に利用される。
【0054】
熱搬送装置6は、冷熱と2次冷媒とを熱交換させる冷熱源側熱交換器を備え、この冷熱源側熱交換器は上述したコールドヘッド45により形成されている。以下、コールドヘッド45を冷熱源側熱交換器45と記載する。
【0055】
また、熱搬送装置6は、2次冷媒を冷熱利用機器3に循環させる2次冷媒ポンプ46を主要構成としている。
【0056】
スターリング冷凍機ユニット4で作動ガスを圧縮すると、作動ガスは温度上昇し、この温度上昇した状態で蓄熱部22を介して膨張部21に送ると冷熱発生効率が低下する。このため作動ガスの熱を大気に放熱して膨張部21に移送すべく冷却水装置5が設けられている。
【0057】
この冷却水装置5は、スターリング冷凍機ユニット4における圧縮空間16と蓄熱部22との間のガス流路Sを取巻くようにして冷却水路が形成されて作動ガスと冷却水とを熱交換させる作動ガス側熱交換器35、該作動ガス側熱交換器35で熱交換した冷却水を大気と熱交換させる大気側熱交換器であるラジエタ65、このラジエタ65に大気を送風して冷却水と大気との熱交換効率を向上させる送風機66、冷却水を作動ガス側熱交換器35とラジエタ65との間を循環させる冷却水ポンプ67等により構成されている。
【0058】
冷媒チラーユニット8は、R404A等の低温用冷媒を圧縮する圧縮機71、該圧縮機71からの冷媒を外気と熱交換させて凝縮させる凝縮器72、該凝縮器72からの冷媒を減圧する減圧装置74、該減圧装置74で減圧された冷媒と2次冷媒とを熱交換させて、当該2次冷媒を冷却する蒸発器75、循環する冷媒量を調整するレシーバタンク73等を主要構成としている。
【0059】
なお、蒸発器75は、2重管構造の熱交換器やプレート式の2回路熱交換器で、冷媒と2次冷媒とが循環して、冷媒は2次冷媒から熱を吸収して蒸発し、これにより2次冷媒が冷却されるようになっている。
【0060】
制御装置7は、2次冷媒の検出する温度検出器76、検出した温度を格納するレジスタ77、予め設定された温度になるとスターリング冷凍機ユニット4や冷媒チラーユニット8を運転、停止させるための設定値が格納されたメモリ78、該メモリ78から設定値を読込み、レジスタ77の内容と比較してスターリング冷凍機ユニット4や冷媒チラーユニット8を運転、停止させる制御部79等を有している。
【0061】
そして、2次冷媒の温度検出は所定時間毎に行われ、複数の測定結果がレジスタ77に格納されるようになっている。
【0062】
次に、このような構成のスターリング冷熱供給システム1の動作及びその制御方法を説明する。
【0063】
図3は、スターリング冷凍機ユニット4におけるプルダウンにかかる特性(実線)(以下、プルダウン特性と記載する)及び冷媒チラーユニット8におけるプルダウン特性(一点鎖線)を模式的に示した図である。同図から分るように、起動時にはスターリング冷凍機ユニット4は冷媒チラーユニット8よりゆっくりと温度降下して、−80℃以下の温度まで下げることが可能である。
【0064】
一方、冷媒としてR404Aを用いた冷媒チラーユニット8では、起動時にはスターリング冷凍機ユニット4より速く温度降下するが、−40℃より低い温度まで下げることが困難である。
【0065】
そこで、本発明では、図4に示すように、起動時には冷媒チラーユニット8を運転させ(一点鎖線の領域)、当該冷媒チラーユニット8の温度降下速度が鈍る温度域(例えば−40℃)に達すると、スターリング冷凍機ユニット4の運転に切替えることにより、極低温までの冷熱供給能力を保持しながらプルダウン時間の短縮を図るようにしている。
【0066】
このような運転制御を図5に示すフローチャートに従い説明する。なお、制御の大きな流は、2次冷媒の温度をTとしたとき、▲1▼T≧−35℃の場合、▲2▼−35℃>T≧−40℃の場合、▲3▼−40℃>T≧−76℃の場合、▲4▼−76℃>T≧−80℃の場合、▲5▼T<−80℃の場合の処理に分けられる。
【0067】
なお、以下の説明では、−35℃、−40℃、−76℃、−80℃等の温度に基づき制御する場合を説明するが、かかる温度は下記に説明するように例示であることを敢て付言する。
【0068】
即ち、−40℃は、冷媒チラーユニット8による2次冷媒の到達温度の例示であり、−80℃は冷熱利用機器3で要求される温度の例示である。冷媒チラーユニット8における冷媒の種類やチラ−8の規模等を含めた構成により、当該冷媒チラーユニット8の到達温度が異なることもあり、また冷熱利用機器3で要求される温度も−80℃以外の時もある。
【0069】
また、−35℃は、冷媒チラーユニット8が到達温度に近づくと、そのプルダウン特性も鈍るので(温度下降率が小さくなる)、プルダウン特性の鈍りが顕著になり始める温度を例示したもので、到達温度の場合と同様に冷媒チラーユニット8における冷媒や構成により異なる。
【0070】
さらに−76℃は、スターリング冷凍機ユニット4は運転、停止を繰返すことにより一定温度範囲の冷熱を供給するため、この温度範囲の冷熱が供給できるようにスターリング冷凍機ユニット4の運転、停止条件としての温度で、当然のことながら冷熱利用機器3で要求される温度により決められる設定パラメータである。
【0071】
そして、システムが起動、即ち運転開始すると、先ず2次冷媒の温度が、▲1▼のT≧−35℃の温度範囲であるか否かの判断が行われ、当該温度温度範囲の時には冷媒チラーユニット8のみが運転される(ステップSA1→SA2の処理)。
【0072】
これにより2次冷媒は、蒸発器75で冷媒と熱交換して冷却されて温度が下がる。図3及び図4に示したように冷媒チラーユニット8の運転による2次冷媒の温度降下は、スターリング冷凍機ユニット4による2次冷媒の温度降下より速いため、プルダウン時間の短縮を図ることが可能になる。
【0073】
次に、2次冷媒の温度が、▲2▼の−35℃>T≧−40℃の温度範囲となっているか否かを判断し、この温度範囲の場合にはスターリング冷凍機ユニット4も運転されて、冷媒チラーユニット8との同時運転を行う(ステップSA1→SA3→SA4の処理)。
【0074】
先にも説明したように、冷媒チラーユニット8が到達温度に近づくに従い温度下降率が小さくなるため、−40℃の到達温度になるまで待っていたのでは、却ってプルダウン時間が長くなってしまう恐れがある。
【0075】
そこで、プルダウン特性の鈍りが顕著になり始めると、スターリング冷凍機ユニット4との同時運転を行い、これによりプルダウン時間をより短縮できるようにしている。
【0076】
このようにして、2次冷媒が−40℃以下になり、▲3▼の−40℃>T≧−76℃の温度範囲に入ると、冷媒チラーユニット8の運転を停止して、スターリング冷凍機ユニット4のみの運転に切替える(ステップSA1→SA3→SA5→SA6の処理)。
【0077】
冷媒チラーユニット8の到達温度が−40℃であることから、これ以上冷媒チラーユニット8を運転させても、2次冷媒を冷却することができず、却って2次冷媒により冷媒チラーユニット8の冷媒が冷却される事態が生じる。そこで、冷媒チラーユニット8の運転を停止し、スターリング冷凍機ユニット4の運転のみとする。
【0078】
スターリング冷凍機ユニット4が運転を開始して、2次冷媒の温度が▲4▼の−76℃>T≧−80℃に入ると、2次冷媒が温度降下が続いているか否かを判断する。
【0079】
この結果、2次冷媒の温度降下が続いている場合には、スターリング冷凍機ユニット4のみが運転されている現状状態を維持する(ステップSA1→SA3→SA5→SA8→SA9→SA6の処理)。
【0080】
一方、2次冷媒の温度降下が止っている場合には、2次冷媒は所望の温度に達したと判断してスターリング冷凍機ユニット4の運転も停止する(ステップSA1→SA3→SA5→SA8→SA9→SA10の処理)。
【0081】
なお、温度降下が継続しているか否かの判断は、レジスタ77に格納されている複数の2次冷媒の温度から求めた温度変化から判断する。
【0082】
最後に、2次冷媒の温度が、▲5▼のT<−80℃になった場合は、2次冷媒は所望の温度に達したのでスターリング冷凍機ユニット4の運転も停止する(ステップSA1→SA3→SA5→SA8→SA10の処理)。
【0083】
このように、スターリング冷熱供給システム1の運転を開始してプルダウンを行うときには、冷媒チラーユニット8のみを運転させて、プルダウン時間を短縮を図るようにしたので、速やかに冷熱利用機器3の利用が可能になって利便性が向上する。
【0084】
次に、本発明の第2の実施の形態を図を参照して説明する。なお、第1の実施の形態と同一構成に関しては説明を適宜省略する。
【0085】
第1の実施の形態においてはプルダウンの時間短縮を図るために、スターリング冷熱供給システム1の運転を開始した際には冷媒チラーユニット8のみを運転させ、当該冷媒チラーユニット8の到達温度になるとスターリング冷凍機ユニット4のみの運転に切替える制御を行った。
【0086】
これに対し、本実施の形態では、図6に示すように、起動時には冷媒チラーユニット8とスターリング冷凍機ユニット4とを同時運転させることにより、よりプルダウン時間の短縮を図るようにしたものである。
【0087】
なお、図6において2点鎖線は、冷媒チラーユニット8とスターリング冷凍機ユニット4との同時運転を行った時を示し、実線はスターリング冷凍機ユニット4のみを運転させたときのプルダウン特性を示している。そして、第1の実施の形態にかかる構成におけるプルダウン特性と相違を示すために、当該第1の実施の形態におけるプルダウン特性を点線で示している。
【0088】
図7は、このような場合の運転制御手順を示すフローチャートで、大きな制御の流として、▲1▼T≧−40℃の場合、▲2▼T<−40℃の場合、▲3▼−40℃>T>−76℃の場合、▲4▼T≦−80℃の場合の処理に分けられる。
【0089】
先ず、スターリング冷熱供給システム1が起動されると、2次冷媒の温度が▲1▼のT≧−40℃の温度範囲であるか否かを判断する。起動直後の2次冷媒の温度は、室温であることが多く、このような場合にはスターリング冷凍機ユニット4及び冷媒チラーユニット8が運転される(ステップSB1→SB2→SB3の処理)。
【0090】
本制御の場合、第1の実施の形態におけるように−35℃における判断処理は設けられていない。これは、上記説明からも明らかなように、起動直後からスターリング冷凍機ユニット4と冷媒チラーユニット8との同時運転が行われているため、冷媒チラーユニット8のプルダウン特性の鈍化を問題にする必要がないからである。
【0091】
スターリング冷凍機ユニット4及び冷媒チラーユニット8が同時運転されて、2次冷媒の温度が下がり、▲2▼のT<−40℃の温度範囲になると、これ以上冷媒チラーユニット8の運転を継続しても意味が無く、却って冷媒チラーユニット8が熱負荷となるため、当該冷媒チラーユニット8の運転を停止する(ステップSB1→SB2→SB4の処理)
【0092】
これ以降、2次冷媒の温度が、▲3▼の−40℃>T>−76℃の温度範囲の場合にはスターリング冷凍機ユニット4のみの運転となり、2次冷媒の温度変化を判断する。
【0093】
この結果、2次冷媒の温度降下が続いている場合には、スターリング冷凍機ユニット4のみが運転されている現状状態を維持する(ステップSB1→SB5→SB6→SB4の処理)。
【0094】
一方、2次冷媒の温度降下が止っている場合には、2次冷媒は所望の温度に達したと判断してスターリング冷凍機ユニット4の運転も停止する(ステップSB1→SB5→SB6→SB7の処理)。
【0095】
最後に、2次冷媒の温度が、▲4▼のT<−80℃になった場合は、2次冷媒は所望の温度に達したのでスターリング冷凍機ユニット4の運転も停止する(ステップSB1→SB5→SB7)。
【0096】
このように、起動直後は、スターリング冷凍機ユニット4と冷媒チラーユニット8とを同時運転させるので、プルダウン時間の大幅な短縮が図れるようになり、速やかに冷熱利用機器3の利用が可能になって利便性が向上する。
【0097】
次に、本発明の第3の実施の形態を図を参照して説明する。なお、これまで説明した構成と同一構成に関しては説明を適宜省略する。
【0098】
第1及び第2の実施の形態においては、スターリング冷熱供給システム1を起動した時のように、2次冷媒の温度が−40℃以上の時のみ冷媒チラーユニット8を運転することで、プルダウン時間の短縮を図った。
【0099】
このような構成の場合、利用時(冷熱利用機器3が要求する温度に達し、当該冷熱利用機器3の利用を開始した時)には、冷媒チラーユニット8は全く利用されなかった。
【0100】
これは、冷熱利用機器3が要求する温度が−80℃と極低温であり、冷媒チラーユニット8の到達温度が−40℃であるため、当該冷媒チラーユニット8を用いて2次冷媒の冷却を行うことができないことが原因であった。
【0101】
そこで、本実施の形態では、2次冷媒の温度が−40℃以上の場合には、冷媒チラーユニット8により当該2次冷媒を冷却し、2次冷媒の温度が−40℃以下になった場合には冷媒チラーユニット8によりスターリング冷凍機ユニット4の冷却水を冷却するようにしている。
【0102】
先に説明したように、スターリング冷凍機ユニット4では、冷熱発生効率を高めるために冷却水装置5における作動ガス側熱交換器35で、圧縮部で圧縮されて高温になった作動ガスと冷却水とを熱交換させている。
【0103】
このとき熱交換により作動ガスの熱は冷却水に吸熱され、当該冷却水がラジエタ65に循環して大気に放熱する構成であった。
【0104】
従って、大気より温度の低い冷媒チラーユニット8の蒸発器75での冷媒と冷却水とを熱交換器させることにより、当該冷却水はより低温になり、この結果作動ガスの温度も下げることが可能になる。
【0105】
作動ガスの温度が下がることにより、スターリング冷凍機ユニット4におけるサイクル効率が高くなって、冷熱発生効率が向上し、2次冷媒の温度降下を速くすることができると共に、当該スターリング冷凍の到達温度も改善されるようになる。
【0106】
このような効果により、図13に示すように、複数のスターリング冷凍機ユニット4を用いる場合に相当する冷熱が発生できるようになると共に、冷媒チラーユニット8を常時運転できるため、プルダウン時のみ運転する場合に比べ経済性が向上する。
【0107】
図8は、このような作用をなすスターリング冷熱供給システム1の構成を示す回路図で、図1に示す構成に対して、冷媒チラーユニット8及び冷却水装置5の構成が異なっている。
【0108】
即ち、冷媒チラーユニット8には、第2の蒸発器80、第2の減圧装置81が追設されて、3方弁(切換弁)82により冷媒の循環路が切替えられるようになっており、この第2の蒸発器80は、冷却水装置5のラジエタ65に代る物である。
【0109】
このような構成で、冷媒チラーユニット8によりを2次冷媒を冷却する場合は、3方弁82を切替えて冷媒が実線矢印に示す流路を循環するようにする。
【0110】
これにより、圧縮機71からの冷媒は凝縮器72で外気と熱交換して凝縮し、この冷媒がレシーバタンク73を介して適量が減圧装置74に供給される。その後、冷媒はこの減圧装置74で減圧されて蒸発器75で2次冷媒と熱交換する。
【0111】
この熱交換により2次冷媒は冷却され、冷媒は蒸発して蒸発器75を通り圧縮機71に戻る。
【0112】
一方、冷媒チラーユニット8により冷却水を冷却する場合は、3方弁82を切替えて冷媒が点線矢印に示す流路を循環するようにする。このとき、冷却水ポンプ67を動作させる。
【0113】
これにより、圧縮機71からの冷媒は凝縮器72で外気と熱交換して凝縮し、この冷媒がレシーバタンク73を介して適量が第2の減圧装置81に供給されて減圧される。その後、冷媒は第2の蒸発器80に供給されて、ここで冷却水と熱交換して蒸発して圧縮機71に戻る。冷却水は冷却される。
【0114】
図9は、このような構成におけるプルダウン特性を示した図で、一点鎖線は冷媒チラーユニット8で2次冷媒を冷却した際のプルダウン特性であり、実線は冷媒チラーユニット8で冷却水を冷却した際のプルダウン特性を示している。尚、図中の点線は、第1の実施の形態における場合のプルダウン特性を比較のために示している。
【0115】
この図からも明らかなように、冷媒チラーユニット8で冷却水を冷却すると、スターリング冷凍機ユニット4の冷熱発生能力が向上するので、プルダウン特性も改善されることが理解できる。なお、スターリング冷凍機ユニット4の冷熱発生能力が向上は、プルダウン特性の傾きの変化として現れている。
【0116】
図10は、このような構成のスターリング冷熱供給システム1の運転方法を示すフローチャートで、2次冷媒の温度Tが、▲1▼T≧−35℃の場合、▲2▼−35℃>T≧−40℃の場合、▲3▼T<−40℃の場合、▲4▼−76℃>T≧−80℃の場合、▲5▼T<−80℃の場合の処理に分けられる。
【0117】
なお、図10においてチラー(2次冷媒)は、冷媒チラーユニット8が2次冷媒を冷却するように動作していることを意味し、チラー(冷却水)は冷媒チラーユニット8が冷却水を冷却するように動作していることを意味している。
【0118】
先ず、スターリング冷熱供給システム1を起動させると、2次冷媒の温度が、▲1▼のT≧−35℃の範囲であるか否かの判断が行われ、この温度範囲の場合には、スターリング冷凍機ユニット4は運転せずに冷媒チラーユニット8のみを運転し、そのとき2次冷媒を冷却するように3方弁82を切替える(ステップSC1→SC2→SC3の処理)。
【0119】
なお、この場合にはスターリング冷凍機ユニット4の同時運転も考えられるが、本発明ではスターリング冷凍機ユニット4を停止させるようにしている。これは、冷媒チラーユニット8が2次冷媒の冷却に用いられているため冷却水の冷却が行われず、かかる状態ではスターリング冷凍機ユニット4は所定の冷熱発生能力を発揮できないためである。
【0120】
無論、蒸発器75で2次冷媒と熱交換した冷媒の温度は、冷却水の温度より低くなっている場合もあ利、この場合には少ないながらも冷却水を冷却できるので、スターリング冷凍機ユニット4は所定の冷熱発生能力を発揮できないながらも少しは冷熱を発生できる。
【0121】
このことから、スターリング冷凍機ユニット4と冷媒チラーユニット8との同時運転を行うことも可能である。
【0122】
2次冷媒の冷却が進み、▲2▼の−35℃>T≧−40℃の温度範囲に入ると、2次冷媒の温度変化を判断する。
【0123】
この結果、2次冷媒の温度が降下中の場合には、まだ冷媒チラーユニット8の到達温度まで2次冷媒がプルダウンしていないと判断して現在の状態を維持する(ステップSC1→SC2→SC4→SC5→SC6の処理)。
【0124】
一方、2次冷媒の温度降下が停止している場合には、2次冷媒は冷媒チラーユニット8の到達温度まで達したと判断して、3方弁82の切換を行う(ステップSC→SC2→SC4→SC5→SC7の処理)。
【0125】
この3方弁82の切換により、冷媒は図8に示す点線矢印の循環路を流動するようになって、冷却水を冷却するようになり、スターリング冷凍機ユニット4の冷熱発生能力が高められてプルダウン時間の短縮が可能になる。
【0126】
無論、プルダウンが完了して、使用状態に達すると、冷熱発生能力が高まった分だけ、熱利用機器での負荷変動に対して余裕が生れるため、システムとしての性能アップが可能になる。
【0127】
そして、2次冷媒の温度は、▲3▼のT<−40℃の温度範囲に入る。この状態は、通常▲2▼の状態を経るため既に3方弁82による流路切換が行われているので現状維持であるが、行われていない場合には▲2▼で述べた処理が行われる(ステップSC1→SC1→SC2→SC4→SC7の処理)。
【0128】
次に、2次冷媒の温度が、▲4▼の−76℃>T≧−80℃の温度範囲に入ると、2次冷媒が温度降下が続いているか否かを判断する。
【0129】
この結果、2次冷媒が温度降下中の場合には、現状状態が維持される(ステップSC1→SC8→SC10→SC7の処理)。
【0130】
一方、2次冷媒の温度が降下を停止している場合には、2次冷媒は所望の温度に達したと判断してスターリング冷凍機ユニット4の運転を停止する。このとき冷却水の冷却も不要になるので冷媒チラーユニット8も運転を停止する(ステップSC1→SC8→SC10→SC9の処理)。
【0131】
最後に、2次冷媒の温度が、▲5▼のT<−80℃になった場合は、2次冷媒は所望の温度に達したのでスターリング冷凍機ユニット4及び冷媒チラーユニット8の運転を停止する(ステップSC1→SC8→SC9の処理)。
【0132】
このように、2次冷媒の温度に応じて冷媒チラーユニット8を2次冷媒と冷却水との冷却に利用するようにしたので、プルダウン時間の短縮が図れると共に、スターリング冷凍機ユニット4の冷熱発生能力の向上が図れて、スターリング冷熱供給システム1の性能が向上する。
【0133】
【発明の効果】
以上説明したように請求項1にかかる発明によれば、作動ガスを圧縮膨張させて冷熱を発生するスターリング冷凍機ユニットと、該スターリング冷凍機ユニットで発生した冷熱により2次冷媒を冷却し、この2次冷媒を冷熱利用機器に搬送する熱搬送装置とを備えたスターリング冷熱供給システムにおいて、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から吐出される冷媒を外気又は水と熱交換させて、この冷媒を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器からの冷媒を減圧する減圧装置と、該減圧装置で減圧された冷媒の蒸発作用で2次冷媒を冷却する蒸発器とを備えた冷媒チラーユニットを設けたので、簡単、かつ、安価な構成で、プルダウン時間の短縮が図れるようになる。
【0134】
請求項2にかかる発明によれば、スターリング冷凍機ユニットの作動ガスはヘリウムガスであり、冷媒チラーユニットの冷媒はR404Aであるので、極低温までの要求に対応できるようになる。
【0135】
請求項3にかかる発明によれば、請求項1又は2記載のスターリング冷熱供給システムを運転開始する際には、冷媒チラーユニットを運転して所定温度まで2次冷媒を冷却した後、スターリング冷凍機ユニットを運転し、かつ、冷媒チラーユニットの運転を停止するようにしたので、プルダウン時間の短縮が図れる。
【0136】
請求項4にかかる発明によれば、スターリング冷凍機ユニットと冷媒チラーユニットとを同時に運転させる期間を設けので、プルダウン時間の短縮が図れる。
【0137】
請求項5にかかる発明によれば、請求項1又は2記載のスターリング冷熱供給システムの運転を開始する際には、冷媒チラーユニットを運転して所定温度まで同時運転して2次冷媒を冷却し、かつ、当該所定温度より適宜高い温度からスターリング冷凍機ユニットの運転を開始して、この温度範囲では
冷媒チラーユニットとスターリング冷凍機ユニットとを同時運転し、所定温度に達すると冷媒チラーユニットの運転を停止してスターリング冷凍機ユニットのみを運転するようにしたので、プルダウン時間の短縮が図れる。
【0138】
請求項6にかかる発明によれば、請求項1記載のスターリング冷熱供給システムを運転開始する際には、冷媒チラーユニット及びスターリング冷凍機ユニットを所定温度まで同時運転して2次冷媒を冷却し、当該所定温度に達すると冷媒チラーユニットの運転を停止してスターリング冷凍機ユニットのみを運転するようにしたので、プルダウン時間の短縮が図れる。
【0139】
請求項7にかかる発明によれば、作動ガスを圧縮膨張させて冷熱を発生するスターリング冷凍機ユニットと、該スターリング冷凍機ユニットで発生した冷熱により2次冷媒を冷却し、この2次冷媒を冷熱利用機器に搬送する熱搬送装置とを備えたスターリング冷熱供給システムにおいて、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から吐出される冷媒を外気又は水と熱交換させて、この冷媒を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器からの冷媒を減圧する減圧装置と、該減圧装置で減圧された冷媒の蒸発作用で2次冷媒を冷却する蒸発器と、該減圧装置で減圧された冷媒を蒸発させてスターリング冷凍機ユニットからの放熱を吸収する第2の蒸発器と、凝縮器からの冷媒を蒸発器で有効に蒸発させるか又は、第2の蒸発器で有効に蒸発させるかを切換える切換弁とを備えたので、簡単、かつ、安価な構成で、プルダウン時間の短縮を図ると共に、スターリング冷凍機ユニットの冷熱発生能力を高めることができるようになる。
【0140】
請求項8にかかる発明によれば、蒸発器用の減圧装置と第2の蒸発器用の減圧装置と異ならせるようにしたので、回路構成が簡単になり、制御が容易になる。
【0141】
請求項9にかかる発明によれば、請求項7又は請求項8記載のスターリング冷熱供給システムを運転開始する際には、凝縮器で凝縮された冷媒が蒸発器で有効に蒸発するように切換弁を切換えて冷媒チラーユニットを運転して、2次冷媒を所定温度まで冷却した後、凝縮器で凝縮された冷媒が第2の蒸発器で有効に蒸発するように切換弁を切換えるようにしたので、プルダウン時間の短縮が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1、第2の実施の形態に係るスターリング冷熱供給システムの回路図である。
【図2】各実施の形態の説明に適用されるスターリング冷凍機ユニットの構成図である。
【図3】冷媒チラーユニットとスターリング冷凍機ユニットとのプルダウン特性の模式図である。
【図4】第1の実施の形態に係るスターリング冷熱供給システムにおけるプルダウン特性の模式図である。
【図5】第1の実施の形態に係るスターリング冷熱供給システムにおける運転手順を示すフローチャートである。
【図6】第2の実施の形態に係るスターリング冷熱供給システムにおけるプルダウン特性の模式図である。
【図7】第2の実施の形態に係るスターリング冷熱供給システムにおける運転手順を示すフローチャートである。
【図8】第3の実施の形態に係るスターリング冷熱供給システムの回路図である。
【図9】第3の実施の形態に係るスターリング冷熱供給システムにおけるプルダウン特性の模式図である。
【図10】第3の実施の形態に係るスターリング冷熱供給システムにおける運転手順を示すフローチャートである。
【図11】従来の技術の説明に適用されるスターリング冷熱供給システムの回路図である。
【図12】従来の技術の説明に適用されるスターリング冷熱供給システムの回路図である。
【図13】従来の技術の説明に適用されるスターリング冷凍機ユニットの構成図である。
【符号の説明】
1 スターリング冷熱供給システム
3 冷熱利用機器
4 スターリング冷凍機ユニット
5 冷却水装置
6 熱搬送装置
7 制御装置
8 冷媒チラーユニット
35 作動ガス側熱交換器
45 コールドヘッド
71 圧縮機
72 凝縮器
74 減圧装置
75 蒸発器
76 温度検出器
77 レジスタ
78 メモリ
79 制御部
80 第2の蒸発器
81 第2の減圧装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a Stirling cold heat supply system capable of supplying cold generated by using a Stirling refrigerator unit to cold heat utilization equipment, and an operation method thereof.
[0002]
[Prior art]
The Stirling refrigerator unit has features that it can be miniaturized, has a high coefficient of performance and refrigeration efficiency, and can generate a low temperature range. In addition, it is easy to replace chlorofluorocarbon (helium can be used) in recent global environmental problems. It has certain features.
[0003]
For this reason, freezers, refrigerators, commercial or home-use cold energy utilization equipment such as throw-in type coolers, low-temperature liquid circulators, low-temperature thermostats, thermostats, heat shock test equipment, freeze dryers, temperature characteristic test equipment, Utilization as a cold heat source in blood / cell storage devices, cold coolers, various measurement devices, and the like is being studied.
[0004]
FIG. 11 is a circuit diagram showing a schematic configuration of such a Stirling
[0005]
As shown in FIG. 12, such a Stirling
[0006]
Then, the
[0007]
The compressed working gas passes through the gas flow path S, accumulates heat in the
[0008]
The cold heat cools the
[0009]
The working gas expanded in the
[0010]
The
[0011]
The
[0012]
By the way, when the working gas is compressed by the
[0013]
Therefore, a cooling water device 120 (not shown in the seat 12) is provided around the gas flow path S from the
[0014]
As shown in FIG. 11, the
[0015]
As a result, the working gas is cooled, and the heat is radiated to the atmosphere, thereby improving the cold heat generation efficiency.
[0016]
[Patent Document 1]
JP 200-186618 A
[Patent Document 2]
JP 200-186519 A
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above configuration has a problem that it takes a certain amount of time to activate the Stirling chilled
[0018]
That is, the Stirling
[0019]
Therefore, it takes a certain amount of time to pull down the Stirling
[0020]
Needless to say, as shown in FIG. 13, it is possible to shorten the time required for pull-down by increasing the cold-heat supply capacity by using a plurality of Stirling
[0021]
Therefore, the present invention provides a Stirling refrigeration supply system and a method for operating the sterling refrigeration unit, which have a simple and inexpensive configuration, can shorten the pull-down time, and can increase the refrigeration capacity of the Stirling refrigerator unit. The purpose is to:
[0022]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
[0023]
The invention according to claim 2 is characterized in that the working gas of the Stirling refrigerator unit is helium gas, and the refrigerant of the refrigerant chiller unit is R404A.
[0024]
According to a third aspect of the present invention, when starting the Stirling chilled heat supply system according to the first or second aspect, after operating the refrigerant chiller unit to cool the secondary refrigerant to a predetermined temperature, the Stirling refrigerator unit is operated. It is characterized by operating and stopping the operation of the refrigerant chiller unit.
[0025]
The invention according to claim 4 is characterized in that a period is provided for simultaneously operating the Stirling refrigerator unit and the refrigerant chiller unit.
[0026]
According to a fifth aspect of the present invention, when the operation of the Stirling cold heat supply system according to the first or second aspect is started, the secondary chiller unit is operated to simultaneously operate to a predetermined temperature to cool the secondary refrigerant, and Starting the operation of the Stirling refrigerator unit from a temperature appropriately higher than the predetermined temperature, simultaneously operating the refrigerant chiller unit and the Stirling refrigerator unit in this temperature range, and stopping the operation of the refrigerant chiller unit when the predetermined temperature is reached. And controlling only the Stirling refrigerator unit to operate.
[0027]
According to a sixth aspect of the present invention, when the Stirling chilled heat supply system according to the first aspect is started to operate, the refrigerant chiller unit and the Stirling refrigerator unit are simultaneously operated to a predetermined temperature to cool the secondary refrigerant, and When the temperature reaches the temperature, the operation of the refrigerant chiller unit is stopped, and control is performed such that only the Stirling refrigerator unit is operated.
[0028]
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a Stirling refrigerating unit that generates cold heat by compressing and expanding a working gas, and cools a secondary refrigerant by the cold generated by the Stirling refrigerating unit. In a Stirling cold heat supply system including a heat transfer device that conveys the refrigerant, a compressor that compresses the refrigerant, and a condenser that condenses the refrigerant by exchanging heat with the outside air or water of the refrigerant discharged from the compressor. A decompression device for decompressing the refrigerant from the condenser, an evaporator for cooling the secondary refrigerant by an evaporating action of the refrigerant decompressed by the decompression device, and a Stirling refrigeration by evaporating the refrigerant decompressed by the decompression device. A second evaporator for absorbing heat radiation from the heat exchanger unit, and a switching valve for switching whether the refrigerant from the condenser is effectively evaporated by the evaporator or effectively evaporated by the second evaporator. Characterized by comprising.
[0029]
The invention according to
[0030]
According to a ninth aspect of the present invention, when the Stirling cold heat supply system according to the seventh or eighth aspect is started to operate, the switching valve is switched so that the refrigerant condensed in the condenser is effectively evaporated in the evaporator. Operating the refrigerant chiller unit to cool the secondary refrigerant to a predetermined temperature, and then switching the switching valve so that the refrigerant condensed in the condenser is effectively evaporated in the second evaporator. How to operate the cold heat supply system.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram of a Stirling cooling /
[0032]
The Stirling cold
[0033]
As shown in FIG. 13, it is possible to increase the cold heat supply capacity by using a plurality of Stirling refrigerator units 4 and thereby shorten the pull-down time. In this case, however, an expensive Stirling refrigerator unit 4 is used. Since a plurality of such devices must be provided, the cost increases.
[0034]
Further, for example, in the case of a cold heat utilizing device 3 such as a low temperature prober used in a semiconductor facility, a large amount of cold heat during use is not required. If the pull-down time is shortened by using the refrigerator unit 4, surplus capacity is generated, and the economic efficiency is reduced.
[0035]
Therefore, in the present invention, as described later, a
[0036]
As shown in FIG. 2, the Stirling refrigerator unit 4 is formed between the
[0037]
In the Stirling refrigerator unit 4, the crank
[0038]
As a result, the rotational power of the
[0039]
The
[0040]
The
[0041]
The oil seal bellows 37 is a metal bellows that expands and contracts with the reciprocating movement of the
[0042]
As a result, the
[0043]
Further, the space (hereinafter, referred to as a back pressure chamber) 39 sandwiched between the oil seal bellows 37 and the
[0044]
Therefore, when the
[0045]
Therefore, a
[0046]
Further, a working gas
[0047]
In the Stirling refrigerator unit 4 having such a configuration, when the
[0048]
The working gas compressed with the upward movement of the
[0049]
When the working gas passes through the
[0050]
As the
[0051]
Since the expansion process at this time is an isothermal expansion process, heat absorption accompanying the expansion is performed via the
[0052]
As the
[0053]
By operating such a cycle as one cycle, the cold heat of the
[0054]
The heat transfer device 6 includes a cold heat source-side heat exchanger for exchanging heat between the cold and the secondary refrigerant, and the cold heat source-side heat exchanger is formed by the
[0055]
The heat transfer device 6 has a secondary
[0056]
When the Stirling refrigerator unit 4 compresses the working gas, the temperature of the working gas rises, and when the working gas is sent to the
[0057]
In the
[0058]
The
[0059]
The
[0060]
The
[0061]
The temperature of the secondary refrigerant is detected at predetermined time intervals, and a plurality of measurement results are stored in the
[0062]
Next, the operation of the Stirling cold
[0063]
FIG. 3 is a diagram schematically showing a pull-down characteristic (solid line) (hereinafter referred to as a pull-down characteristic) in the Stirling refrigerator unit 4 and a pull-down characteristic (dashed-dotted line) in the
[0064]
On the other hand, in the
[0065]
Therefore, in the present invention, as shown in FIG. 4, the
[0066]
Such operation control will be described with reference to the flowchart shown in FIG. In addition, when the temperature of the secondary refrigerant is T, (1) when T ≧ −35 ° C., when (2) −35 ° C.> T ≧ −40 ° C., (3) -40 In the case of ℃> T ≧ −76 ° C., the processing is performed in the case of (4) −76 ° C.> T ≧ −80 ° C. and in the case of (5) T <−− 80 ° C.
[0067]
In the following description, a case will be described in which control is performed based on temperatures such as −35 ° C., −40 ° C., −76 ° C., and −80 ° C., but such a temperature is merely an example as described below. I will add
[0068]
That is, −40 ° C. is an example of the reached temperature of the secondary refrigerant by the
[0069]
The temperature of -35 ° C. is an example of a temperature at which the pull-down characteristic begins to become noticeable because the pull-down characteristic of the
[0070]
Further, at −76 ° C., since the Stirling refrigerator unit 4 supplies cold heat in a certain temperature range by repeating the operation and the stop, the operating and stopping conditions of the Stirling refrigerator unit 4 are set so that the cooling heat in this temperature range can be supplied. Is a setting parameter determined by the temperature required of the cold heat utilization device 3 as a matter of course.
[0071]
Then, when the system is started, that is, when the operation is started, it is first determined whether or not the temperature of the secondary refrigerant is within a temperature range of T ≧ −35 ° C. in (1). Only the
[0072]
As a result, the secondary refrigerant exchanges heat with the refrigerant in the
[0073]
Next, it is determined whether or not the temperature of the secondary refrigerant is within the temperature range of -2 ° C.> − 35 ° C.> T ≧ −40 ° C. In this temperature range, the Stirling refrigerator unit 4 is also operated. Then, simultaneous operation with the
[0074]
As described above, since the temperature decrease rate decreases as the temperature of the
[0075]
Therefore, when the dulling of the pull-down characteristic starts to become remarkable, the simultaneous operation with the Stirling refrigerator unit 4 is performed, so that the pull-down time can be further reduced.
[0076]
In this way, when the temperature of the secondary refrigerant becomes −40 ° C. or less and enters the temperature range of −40 ° C.> T ≧ −76 ° C. in (3), the operation of the
[0077]
Since the ultimate temperature of the
[0078]
When the Stirling refrigerator unit 4 starts operating and the temperature of the secondary refrigerant falls within the range of −76 ° C.> T ≧ −80 ° C. in (4), it is determined whether or not the temperature of the secondary refrigerant continues to drop. .
[0079]
As a result, if the temperature of the secondary refrigerant continues to decrease, the current state in which only the Stirling refrigerator unit 4 is operated is maintained (the processing of steps SA1, SA3, SA5, SA8, SA9, and SA6).
[0080]
On the other hand, when the temperature of the secondary refrigerant has stopped decreasing, it is determined that the secondary refrigerant has reached the desired temperature, and the operation of the Stirling refrigerator unit 4 is also stopped (step SA1 → SA3 → SA5 → SA8 → SA9 → SA10).
[0081]
The determination as to whether or not the temperature drop is continued is made based on a temperature change obtained from the temperatures of the plurality of secondary refrigerants stored in the
[0082]
Finally, when the temperature of the secondary refrigerant reaches T <−80 ° C. in (5), the operation of the Stirling refrigerator unit 4 is stopped because the secondary refrigerant has reached the desired temperature (step SA1 → SA3 → SA5 → SA8 → SA10).
[0083]
As described above, when the operation of the Stirling chilled
[0084]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The description of the same configuration as in the first embodiment will be omitted as appropriate.
[0085]
In the first embodiment, in order to shorten the pull-down time, only the
[0086]
On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 6, the pull-down time is further reduced by simultaneously operating the
[0087]
In FIG. 6, a two-dot chain line indicates a case where the
[0088]
FIG. 7 is a flowchart showing the operation control procedure in such a case. As a large control flow, (1) T ≧ -40 ° C., (2) T <-40 ° C., (3) -40 In the case of ° C>T> -76 ° C, the process is divided into the case of (4) T ≦ -80 ° C.
[0089]
First, when the Stirling cold
[0090]
In the case of this control, the determination process at -35 ° C. is not provided as in the first embodiment. This is because, as is clear from the above description, since the simultaneous operation of the Stirling refrigerator unit 4 and the
[0091]
When the Stirling refrigerator unit 4 and the
[0092]
Thereafter, when the temperature of the secondary refrigerant is in the temperature range of −3 ° C.>T> −76 ° C. in (3), only the Stirling refrigerator unit 4 is operated, and the temperature change of the secondary refrigerant is determined.
[0093]
As a result, when the temperature of the secondary refrigerant continues to drop, the current state in which only the Stirling refrigerator unit 4 is operated is maintained (the processing of steps SB1, SB5, SB6, and SB4).
[0094]
On the other hand, when the temperature of the secondary refrigerant has stopped decreasing, it is determined that the secondary refrigerant has reached the desired temperature, and the operation of the Stirling refrigerator unit 4 is also stopped (step SB1 → SB5 → SB6 → SB7). processing).
[0095]
Finally, when the temperature of the secondary refrigerant becomes T <−− 80 ° C. in (4), the operation of the Stirling refrigerator unit 4 is stopped because the secondary refrigerant has reached the desired temperature (step SB1 → SB5 → SB7).
[0096]
As described above, immediately after the start, the Stirling refrigerator unit 4 and the
[0097]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The description of the same configuration as that described above will be appropriately omitted.
[0098]
In the first and second embodiments, the pull-down time is reduced by operating the
[0099]
In the case of such a configuration, the
[0100]
This is because the temperature required by the cold heat utilization device 3 is extremely low at −80 ° C. and the ultimate temperature of the
[0101]
Therefore, in the present embodiment, when the temperature of the secondary refrigerant is −40 ° C. or more, the secondary refrigerant is cooled by the
[0102]
As described above, in the Stirling refrigerating unit 4, in order to increase the efficiency of generating cold heat, the working gas on the working gas
[0103]
At this time, the heat of the working gas is absorbed by the cooling water due to the heat exchange, and the cooling water is circulated to the
[0104]
Therefore, by causing the heat exchange between the refrigerant and the cooling water in the
[0105]
By lowering the temperature of the working gas, the cycle efficiency in the Stirling refrigerator unit 4 is increased, the cooling heat generation efficiency is improved, the temperature drop of the secondary refrigerant can be increased, and the ultimate temperature of the Stirling refrigerator is also reduced. Be improved.
[0106]
With such an effect, as shown in FIG. 13, it is possible to generate cold heat corresponding to the case where a plurality of Stirling refrigerator units 4 are used, and to operate the
[0107]
FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of the Stirling cooling /
[0108]
That is, a
[0109]
In such a configuration, when the secondary refrigerant is cooled by the
[0110]
Thereby, the refrigerant from the
[0111]
The secondary refrigerant is cooled by this heat exchange, and the refrigerant evaporates and returns to the
[0112]
On the other hand, when cooling water is cooled by the
[0113]
Thereby, the refrigerant from the
[0114]
FIG. 9 is a diagram showing the pull-down characteristics in such a configuration. The one-dot chain line indicates the pull-down characteristics when the secondary refrigerant is cooled by the
[0115]
As is clear from this figure, it can be understood that when the cooling water is cooled by the
[0116]
FIG. 10 is a flowchart showing an operation method of the Stirling cold
[0117]
In FIG. 10, the chiller (secondary refrigerant) means that the
[0118]
First, when the Stirling cold
[0119]
In this case, simultaneous operation of the Stirling refrigerator unit 4 can be considered, but in the present invention, the Stirling refrigerator unit 4 is stopped. This is because the cooling water is not cooled because the
[0120]
Of course, the temperature of the refrigerant that has exchanged heat with the secondary refrigerant in the
[0121]
From this, simultaneous operation of the Stirling refrigerator unit 4 and the
[0122]
If the cooling of the secondary refrigerant proceeds and enters the temperature range of -35 ° C> T ≧ -40 ° C in (2), the temperature change of the secondary refrigerant is determined.
[0123]
As a result, if the temperature of the secondary refrigerant is falling, it is determined that the secondary refrigerant has not yet been pulled down to the temperature reached by the
[0124]
On the other hand, when the temperature drop of the secondary refrigerant is stopped, it is determined that the secondary refrigerant has reached the temperature reached by the
[0125]
By the switching of the three-
[0126]
Needless to say, when the pull-down is completed and the usage state is reached, there is a margin for a load change in the heat utilization device by an amount corresponding to the increase in the cooling heat generation capability, so that the performance as a system can be improved.
[0127]
Then, the temperature of the secondary refrigerant falls within the temperature range of T <−40 ° C. in (3). This state is normally maintained because the flow path switching by the three-
[0128]
Next, when the temperature of the secondary refrigerant falls within the temperature range of -76 ° C.> T ≧ −80 ° C. in (4), it is determined whether or not the temperature of the secondary refrigerant continues to drop.
[0129]
As a result, when the temperature of the secondary refrigerant is dropping, the current state is maintained (the processing of steps SC1, SC8, SC10, and SC7).
[0130]
On the other hand, if the temperature of the secondary refrigerant has stopped decreasing, it is determined that the secondary refrigerant has reached the desired temperature, and the operation of the Stirling refrigerator unit 4 is stopped. At this time, since the cooling of the cooling water is not required, the operation of the
[0131]
Finally, when the temperature of the secondary refrigerant reaches T <−80 ° C. in (5), the operation of the Stirling refrigerator unit 4 and the
[0132]
As described above, since the
[0133]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the invention, a Stirling refrigerator unit that compresses and expands the working gas to generate cold heat, and cools the secondary refrigerant by the cold generated by the Stirling refrigerator unit. In a Stirling cold heat supply system including a heat transfer device that transfers a secondary refrigerant to a cold heat utilization device, a compressor that compresses the refrigerant, and a refrigerant that is discharged from the compressor exchanges heat with the outside air or water. A refrigerant chiller unit including a condenser for condensing the refrigerant, a decompression device for decompressing the refrigerant from the condenser, and an evaporator for cooling a secondary refrigerant by an evaporating action of the refrigerant decompressed by the decompression device is provided. Therefore, the pull-down time can be reduced with a simple and inexpensive configuration.
[0134]
According to the second aspect of the present invention, the working gas of the Stirling refrigerator unit is helium gas, and the refrigerant of the refrigerant chiller unit is R404A.
[0135]
According to the third aspect of the present invention, when starting the Stirling chilled heat supply system according to the first or second aspect, after operating the refrigerant chiller unit to cool the secondary refrigerant to a predetermined temperature, the Stirling refrigerator Since the unit is operated and the operation of the refrigerant chiller unit is stopped, the pull-down time can be reduced.
[0136]
According to the fourth aspect of the present invention, the period in which the Stirling refrigerator unit and the refrigerant chiller unit are simultaneously operated is provided, so that the pull-down time can be reduced.
[0137]
According to the invention according to
Since the refrigerant chiller unit and the Stirling refrigerator unit are simultaneously operated, and when the temperature reaches a predetermined temperature, the operation of the refrigerant chiller unit is stopped and only the Stirling refrigerator unit is operated, so that the pull-down time can be reduced.
[0138]
According to the invention according to claim 6, when the Stirling chilled heat supply system according to
[0139]
According to the invention according to
[0140]
According to the invention according to
[0141]
According to the ninth aspect of the present invention, at the time of starting the operation of the Stirling chilled heat supply system according to the seventh or eighth aspect, the switching valve is configured so that the refrigerant condensed in the condenser is effectively evaporated in the evaporator. After switching the refrigerant chiller unit to cool the secondary refrigerant to a predetermined temperature, the switching valve is switched so that the refrigerant condensed in the condenser is effectively evaporated in the second evaporator. And the pull-down time can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of a Stirling cooling and heat supply system according to first and second embodiments.
FIG. 2 is a configuration diagram of a Stirling refrigerator unit applied to the description of each embodiment.
FIG. 3 is a schematic diagram of pull-down characteristics of a refrigerant chiller unit and a Stirling refrigerator unit.
FIG. 4 is a schematic diagram of a pull-down characteristic in the Stirling cold heat supply system according to the first embodiment.
FIG. 5 is a flowchart showing an operation procedure in the Stirling cooling and heat supply system according to the first embodiment.
FIG. 6 is a schematic diagram of a pull-down characteristic in the Stirling cooling / heating supply system according to the second embodiment.
FIG. 7 is a flowchart showing an operation procedure in the Stirling cooling and heat supply system according to the second embodiment.
FIG. 8 is a circuit diagram of a Stirling cooling / heating supply system according to a third embodiment.
FIG. 9 is a schematic diagram of a pull-down characteristic in the Stirling cooling / heating supply system according to the third embodiment.
FIG. 10 is a flowchart showing an operation procedure in the Stirling cooling / heating supply system according to the third embodiment.
And FIG. 11 is a circuit diagram of a Stirling cooling and heat supply system applied to the description of the related art.
FIG. 12 is a circuit diagram of a Stirling cooling / heating supply system applied to the description of the related art.
FIG. 13 is a configuration diagram of a Stirling refrigerator unit applied to the description of the related art.
[Explanation of symbols]
1 Stirling cold heat supply system
3 Cold heat utilization equipment
4 Stirling refrigerator unit
5 Cooling water equipment
6 Heat transfer device
7 Control device
8 Refrigerant chiller unit
35 Working gas side heat exchanger
45 Cold Head
71 Compressor
72 condenser
74 decompression device
75 Evaporator
76 Temperature detector
77 registers
78 memory
79 Control unit
80 Second evaporator
81 Second decompression device
Claims (9)
冷媒を圧縮する圧縮機と、
該圧縮機から吐出される冷媒を外気又は水と熱交換させて、この冷媒を凝縮させる凝縮器と、
該凝縮器からの冷媒を減圧する減圧装置と、
該減圧装置で減圧された冷媒の蒸発作用で前記2次冷媒を冷却する蒸発器とを備えた冷媒チラーユニットを設けたことを特徴とするスターリング冷熱供給システム。A Stirling refrigerator unit that generates cold heat by compressing and expanding the working gas, and a heat transfer device that cools the secondary refrigerant by the cold generated by the Stirling refrigerator unit and transfers the secondary refrigerant to the cold heat utilization device. In the Stirling cold and heat supply system with
A compressor for compressing the refrigerant,
A condenser that causes the refrigerant discharged from the compressor to exchange heat with outside air or water and condenses the refrigerant,
A decompression device for decompressing the refrigerant from the condenser,
A Stirling cold heat supply system, comprising: a refrigerant chiller unit including an evaporator for cooling the secondary refrigerant by an evaporating action of the refrigerant decompressed by the decompression device.
冷媒を圧縮する圧縮機と、
該圧縮機から吐出される冷媒を外気又は水と熱交換させて、この冷媒を凝縮させる凝縮器と、
該凝縮器からの冷媒を減圧する減圧装置と、
該減圧装置で減圧された冷媒の蒸発作用で前記2次冷媒を冷却する蒸発器と、
該減圧装置で減圧された冷媒を蒸発させて前記スターリング冷凍機ユニットからの放熱を吸収する第2の蒸発器と、
前記凝縮器からの冷媒を前記蒸発器で有効に蒸発させるか又は、前記第2の蒸発器で有効に蒸発させるかを切換える切換弁とを備えたことを特徴とするスターリング冷熱供給システム。A Stirling refrigerator unit that generates cold heat by compressing and expanding the working gas, and a heat transfer device that cools the secondary refrigerant by the cold generated by the Stirling refrigerator unit and transfers the secondary refrigerant to the cold heat utilization device. In the Stirling cold and heat supply system with
A compressor for compressing the refrigerant,
A condenser that causes the refrigerant discharged from the compressor to exchange heat with outside air or water and condenses the refrigerant,
A decompression device for decompressing the refrigerant from the condenser,
An evaporator for cooling the secondary refrigerant by an evaporating effect of the refrigerant decompressed by the decompression device,
A second evaporator that evaporates the refrigerant depressurized by the decompression device and absorbs heat radiation from the Stirling refrigerator unit;
A stirling cooling / heating supply system, comprising: a switching valve that switches whether the refrigerant from the condenser is effectively evaporated by the evaporator or is effectively evaporated by the second evaporator.
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