JP2005083214A - 圧縮機ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 圧縮機の駆動エネルギーの無駄な消費を削減できて、エネルギー効率を向上できる圧縮機ユニットを提供すること。
【解決手段】 ヘリウム圧縮機１の吐出口と吸入口に夫々接続された高圧配管１１と低圧配管１２との間を、圧力調整弁１５が介設されたバイパス配管１３で接続する。バイパス配管１３に介設された流量センサ１６の検出値に基いて、周波数制御部２２によって、ヘリウム圧縮機１の可変速モータに電力を供給するインバータ本体２１を制御する。高圧配管１１のヘリウムガス圧力が所定値を越えて、圧力調整弁１５が開放されて、バイパス配管１３にヘリウムガスが流れると、周波数制御部２２がインバータ本体２１の出力周波数を低減して、ヘリウム圧縮機１の容量を低減する。これにより、高圧配管１１のヘリウムガス圧力が低減すると共に、バイパス配管１３のヘリウムガス流量が零になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば極低温冷凍装置などに用いられる圧縮機ユニットに関する。

従来、この種の圧縮機ユニットとしては、作動流体としてのヘリウムガスを圧縮する圧縮機と、この圧縮機の吐出口に接続された高圧配管と、上記圧縮機の吸入口に接続された低圧配管と、上記高圧配管と低圧配管との間を接続して流量制御弁が介設されたバイパス配管とを備えたものがある（特開２００１−７４３２６号公報：特許文献１参照）。上記圧縮機ユニットの圧縮機から吐出された高圧のヘリウムガスは、上記高圧配管を介して膨張式冷凍機に導かれ、この膨張式冷凍機から上記低圧配管を介して圧縮機に戻される。この圧縮機ユニットは、上記高圧配管のヘリウムの圧力が第１の閾値以上になった場合と、上記低圧配管のヘリウムの圧力が第２の閾値以下になった場合との両方の場合に、上記流量制御弁を開放する。これによって、上記圧縮機が吐出する高圧ヘリウムの一部を低圧側にバイパスして、この圧縮機を異常高圧や異常低圧から保護するようにしている。

また、他の圧縮機ユニットとしては、ヘリウムを圧縮する圧縮機の吐出口に接続された高圧配管と、上記圧縮機の吸入口に接続された低圧配管との間を、開閉弁が介設されたバイパス配管で接続したものがある（特開２００２−１０６９９１号公報：特許文献２参照）。この圧縮機ユニットは、上記高圧配管と低圧配管との間のヘリウムの圧力差が所定値を越えた場合、上記開閉弁を開放して、上記高圧配管のヘリウムの一部を低圧配管にバイパスして、上記圧縮機に過剰な負荷がかからないようにしている。

しかしながら、上記従来の圧縮機ユニットのいずれも、上記圧縮機からの高圧ヘリウムの一部を吸入側にバイパスさせることのみによって、上記高圧配管と低圧配管との間のヘリウムの圧力差を低減させるので、冷熱の生成に用いられなくて無駄に消費される高圧ヘリウムの量が比較的多い。したがって、上記圧縮機の駆動エネルギーの無駄な消費が比較的多くて、圧縮機ユニットのエネルギー効率が比較的悪いという問題がある。
特開２００１−７４３２６号公報 特開２００２−１０６９９１号公報

そこで、本発明の課題は、圧縮機の駆動エネルギーの無駄な消費を削減できて、エネルギー効率を向上できる圧縮機ユニットを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の圧縮機ユニットは、
モータで駆動されて、作動流体を圧縮する圧縮機と、
上記圧縮機のモータに電力を供給するスイッチング電源手段と、
上記圧縮機の吐出口に接続された高圧配管と、上記圧縮機の吸入口に接続された低圧配管との間を接続すると共に、弁が介設されたバイパス配管と、
上記バイパス配管の流量を検出する流量センサと、
上記流量センサの検出値に基いて、上記スイッチング電源手段から上記モータに供給される電力の周波数を制御する周波数制御部と
を備えることを特徴としている。

上記構成によれば、上記圧縮機によって圧縮された作動流体が、この圧縮機の吐出口に接続された高圧配管を介して、例えば膨張式冷凍機等に供給される。この膨張式冷凍機等からの作動流体が、上記低圧配管を介して、上記圧縮機の吸入口から吸入される。例えば、上記弁が圧力調整弁の場合、上記高圧配管の作動流体と、上記低圧配管の作動流体との間の圧力差が所定値以上になったとき、上記弁を作動流体が流れて、この弁が設けられたバイパス配管に作動流体が流れる。ここで、上記バイパス配管を流れる作動流体の流量が、上記流量センサによって検出される。この流量センサの検出値に基いて、上記周波数制御部によって、上記スイッチング電源手段から上記モータに供給される電力の周波数が制御される。これにより、上記圧縮機からの作動流体の吐出量が制御されて、上記高圧配管と低圧配管との間の作動流体の圧力差が調節される。したがって、上記高圧配管から低圧配管に作動流体の一部をバイパスすることのみによって圧力差を調節する従来の圧縮機ユニットよりも、作動流体のバイパス量が大幅に削減される。つまり、無駄に消費される高圧の作動流体の量が大幅に削減されるので、上記圧縮機の駆動エネルギーの無駄な消費が防止される。その結果、この圧縮機ユニットのエネルギー効率が向上する。

なお、上記弁は、流入側の圧力が所定の値を超えた場合に、流入側から流出側に流れを生じさせるチェック弁等であってもよい。また、単なる絞り弁であってもよい。

一実施の形態の圧縮機ユニットは、上記周波数制御部は、上記流量センサが検出する流量が零になるように、上記スイッチング電源手段から上記モータに供給される電力の周波数を制御することを特徴としている。

上記実施の形態によれば、上記周波数制御部によって、上記バイパス配管の流量が零になるように、上記スイッチング電源手段から上記モータに供給される電力の周波数が制御されるので、上記圧縮機からバイパス配管を介して吸入側に戻される作動流体の量が、確実に削減される。したがって、高圧の作動流体の無駄な消費量が削減されるので、上記圧縮機の駆動エネルギーの無駄な消費が防止されて、この圧縮機ユニットのエネルギー効率が向上する。

一実施の形態の圧縮機ユニットは、上記弁は圧力調整弁であることを特徴としている。

上記実施の形態によれば、上記圧力調整弁によって、上記高圧配管と低圧配管との間の作動流体の異常な圧力差や、上記高圧配管の異常高圧や、上記低圧配管の異常低圧を防止することにより、上記圧縮機への異常負荷が効果的に防止される。

一実施の形態の圧縮機ユニットは、
上記弁は流量制御弁であり、
上記高圧配管の圧力を検出する高圧圧力センサと、
上記低圧配管の圧力を検出する低圧圧力センサと、
上記高圧圧力センサの検出値と、上記低圧圧力センサの検出値とに基いて、上記流量制御弁の弁開度を制御する弁開度制御部と
を備えることを特徴としている。

上記実施の形態によれば、上記高圧圧力センサの検出値と、上記低圧圧力センサの検出値とに基いて、上記弁開度制御部によって、上記バイパス配管に介設された流量制御弁の弁開度が制御される。例えば、上記高圧圧力センサの検出値と、低圧圧力センサの検出値との差が比較的大きい場合、上記流量制御弁の弁開度が増大されて、上記バイパス配管に作動流体が流れる。そうすると、このバイパス配管の作動流体の流量が上記流量センサによって検出され、この流量センサの検出値に基いて、上記周波数制御部によって、上記スイッチング電源手段から上記モータに供給される電力の周波数が以下のように制御される。すなわち、上記圧縮機からの作動流体の吐出量が低減されて、上記高圧配管と低圧配管との間の作動流体の圧力差が減少する。この圧力差の減少により、上記弁開度制御部によって、上記流量制御弁の弁開度が減少されて、上記バイパス配管の流量が減少する。したがって、上記高圧配管から低圧配管に作動流体の一部をバイパスすることのみによって圧力差を調節する従来の圧縮機ユニットに比べて、上記作動流体のバイパス量が大幅に削減される。すなわち、高圧の作動流体の無駄な消費量が大幅に削減されるので、上記圧縮機の駆動エネルギーの無駄な消費が防止される。その結果、この圧縮機ユニットのエネルギー効率が向上する。

なお、上記弁開度制御部は、上記高圧圧力センサの検出値が所定値よりも増大したときに、上記流量制御弁の弁開度を増大してもよい。また、上記弁開度制御部は、上記低圧圧力センサの検出値が所定値よりも減少したときに、上記流量制御弁の弁開度を増大してもよい。

以上のように、本発明の圧縮機ユニットは、高圧配管と低圧配管とを接続するバイパス配管における作動流体の流量に基いて、上記圧縮機のモータへの供給電力の周波数を制御するので、上記圧縮機からの作動流体の吐出量を調節することによって、上記高圧配管と低圧配管との間の圧力差を効果的に調節できる。したがって、上記高圧配管から低圧配管に作動流体の一部をバイパスすることのみによって圧力差を調節する従来の圧縮機ユニットよりも、高圧の作動流体の無駄な消費量を大幅に削減できる。その結果、上記圧縮機の駆動エネルギーの無駄な消費を防止できて、この圧縮機ユニットのエネルギー効率を向上できる。

以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

（第１実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態の圧縮機ユニットを示す図である。この圧縮機ユニットは、作動流体としてのヘリウムガスを用いた極低温冷凍装置に用いられるものである。この圧縮機ユニットは、可変速モータで駆動されてヘリウムガスを圧縮するヘリウム圧縮機１を備え、このヘリウム圧縮機１の吐出口に接続された高圧配管１１に、油分離器２とアドソーバ３を介設している。上記油分離器２によって、上記ヘリウム圧縮機１からの高圧ヘリウムガスに混入した冷凍機油等を分離し、さらに、上記アドソーバ３によって、上記油分離器２からのヘリウムガスの残油を吸着する。そして、上記高圧配管１１の先端に接続した図示しない膨張式冷凍機に、高圧のヘリウムガスを供給するようになっている。

図示しない上記膨張式冷凍機と、上記圧縮機１の吸入口との間を、サージボトル４が介設された低圧配管１２で接続して、上記膨張式冷凍機からのヘリウムガスを、上記サージボトル４を介して圧縮機１に戻すようにしている。

上記高圧配管１１の油分離機２とアドソーバ３との間と、上記低圧配管１２のサージボトル４の上流側との間をバイパス配管１３で接続し、このバイパス配管１３に、弁としての圧力調整弁１５を介設している。この圧力調整弁１５はチェック弁で形成されており、上記バイパス配管１３の高圧側の圧力が所定値以上になると開放されるようになっている。また、上記バイパス配管１３に、ヘリウムガスの流量を検出する流量センサ１６を介設している。

上記ヘリウム圧縮機１は、スイッチング電源手段としてのインバータ本体２１に接続されており、このインバータ本体２１により、上記ヘリウム圧縮機１の可変速モータに供給する電力の周波数を変更して、このヘリウム圧縮機１の容量を変更するようになっている。

上記インバータ本体２１は、周波数制御部２２に接続されている。上記周波数制御部２２はマイクロコンピュータ等で構成され、上記流量センサ１６からの信号に基いて、上記インバータ本体２１のスイッチング周波数を制御するようになっている。

上記構成の圧縮機ユニットを備える極低温冷凍装置は、例えば起動時において、上記膨張式冷凍機等が比較的高温である場合、上記高圧配管１１のヘリウムガスの圧力が比較的高圧になり、この圧力が所定値を越えることがある。そうすると、上記圧力調整弁１５が開放され、上記バイパス配管１３にヘリウムガスが流れて、このヘリウムガスの流量が流量センサ１６によって検出される。上記周波数制御部２２は、上記流量センサ１６からの信号によって、上記バイパス配管１３にヘリウムガス流量が生じたことを検知すると、この流量に応じて上記インバータ本体２１からの出力電力の周波数を低減する。これによって、上記ヘリウム圧縮機１の可変速モータの回転数が低減され、このヘリウム圧縮機１からの高圧ヘリウムガスの吐出量が低減される。したがって、上記高圧配管１１の圧力が低減し、この圧力が所定値よりも小さくなって上記圧力調整弁１５が閉鎖されて、上記バイパス配管１３の流量が零になる。その結果、上記ヘリウム圧縮機１に対する過剰な負荷が防止される。

このように、上記高圧配管１１のヘリウムガス圧力が増大した場合、上記バイパス配管１３の流量が零になるようにヘリウム圧縮機１の容量を減少させて、上記高圧配管１１のヘリウムガスの圧力を低減させる。したがって、従来のように高圧配管から低圧配管に高圧ヘリウムガスの一部をバイパスすることのみによって高圧配管の圧力を低減するよりも、高圧ヘリウムガスの無駄な消費を大幅に削減できる。したがって、上記圧縮機１のモータの駆動エネルギーの無駄な消費を大幅に削減でき、その結果、この圧縮機ユニットのエネルギー効率を大幅に向上できる。

上記実施の形態において、上記圧力調整弁１５は、極低温冷凍装置の起動時以外に、例えば膨張式冷凍機の負荷の変化などによって高圧配管１１のヘリウムガス圧力が上昇した場合等に、この高圧配管１１の圧力に応じて開放されてもよい。

また、上記実施の形態において、上記流量センサ１６は、上記バイパス配管１３の圧力調整弁１５よりも高圧配管１１側に設けたが、上記バイパス配管１３の圧力調整弁１５よりも低圧配管側１２に設けてもよい。

また、上記実施の形態において、上記圧力調整弁１５は、上記高圧配管１１の圧力が所定圧力値以上になった場合に開放するものであったが、上記低圧配管１２の圧力が所定圧力値以下になった場合に開放する圧力調整弁であってもよい。

また、上記弁はチェック弁に限られず、単なる絞り弁であってもよい。この場合、高圧配管１１と低圧配管１２との間のヘリウムガスの圧力差の増大に応じてバイパス配管１３の流量が増大するが、このバイパス配管１３の流量の増大に応じてヘリウム圧縮機１の容量を減少する制御を行なうことにより、上記絞り弁の通過量を迅速に低減できる。その結果、上記高圧配管１１から低圧配管１２へのヘリウムガスのバイパス量を効果的に低減できて、圧縮機ユニットのエネルギー効率を向上できる。

また、上記周波数制御部２２は、上記流量センサ１６の検出値に基いて、上記バイパス配管１３の流量が零となるようにインバータ本体２１を制御したが、上記流量センサ１６の検出値に応じてバイパス配管１３の流量を所定流量だけ減少させるように、上記インバータ本体２１を制御してもよい。

（第２実施の形態）
図２は、本発明の第２実施の形態の圧縮機ユニットを示す図である。この圧縮機ユニットは、バイパス配管１３に、圧力調整弁１５に代えて流量制御弁２８を設け、この流量制御弁２８の開度を弁開度制御部２９によって高圧配管１１および低圧配管１２のヘリウムガスの圧力に基いて制御する点が、第１実施の形態の圧縮機ユニットと異なる。本実施の形態の圧縮機ユニットにおいて、第１実施の形態の圧縮機ユニットと同一の構成部分には同一の参照番号を付して、詳細な説明を省略する。

本実施の形態の圧縮機ユニットは、高圧配管１１のヘリウム圧縮機１と油分離器２との間に、ヘリウムガスの圧力を検出する高圧圧力センサ２５を備える。また、低圧配管１２のバイパス配管１３の接続部よりも上流に、ヘリウムガスの圧力を検出する低圧圧力センサ２６を備える。上記バイパス配管１３に介設された流量制御弁２８は、上記高圧圧力センサ２５および低圧圧力センサ２６の検出値に基いて、弁開度制御部２９によって弁開度が制御されるようになっている。

本実施の形態の圧縮機ユニットを備える極低温冷凍装置において、例えば膨張式冷凍機の負荷が減少した場合、上記高圧配管１１のヘリウムガスと低圧配管１２のヘリウムガスとの圧力差が増大する。上記高圧圧力センサ２５および低圧圧力センサ２６からの信号を受けた弁開度制御部２９は、上記ヘリウムガスの圧力差が増大し、予め定められた所定値を越えたことを検知すると、この圧力差に応じて流量制御弁２８を所定開度に開放する。これにより、上記高圧配管１１からの所定流量のヘリウムガスが、上記バイパス配管１３を流れて、上記低圧配管１２に流入する。ここで、上記バイパス配管１３に介設された流量センサ１６によって、上記バイパス配管１３のヘリウムガスの流量が検出され、この検出値が周波数制御部２２に受け取られる。そうすると、上記周波数制御部２２は、上記流量センサ１６の検出値に応じて、上記インバータ本体２１のスイッチング周波数を低減する。これによって、上記ヘリウム圧縮機１の可変速モータの回転数が低減され、このヘリウム圧縮機１からの高圧ヘリウムガスの吐出量が低減される。その結果、上記高圧配管１１と低圧配管１２との間のヘリウムガスの圧力差が縮小する。この圧力差の縮小を、高圧圧力センサ２５および低圧圧力センサ２６からの信号により検知した弁開度制御部２９は、上記流量制御弁２８を閉鎖する。これによって、上記バイパス配管１３の流量が零となる。

このように、上記高圧配管１１と低圧配管１２との間のヘリウムガスの圧力差が増大して、上記バイパス配管１３にヘリウムガスのバイパスが生じた場合、このバイパス配管１３の流量が零となるようにヘリウム圧縮機１の容量を減少させて、上記ヘリウムガスの圧力差を低減させる。したがって、従来のように高圧配管から低圧配管に高圧ヘリウムガスの一部をバイパスすることのみによって圧力差を低減するよりも、高圧ヘリウムガスの無駄な消費を大幅に削減できる。したがって、上記圧縮機１のモータの駆動エネルギーの無駄な消費を大幅に削減でき、その結果、この圧縮機ユニットのエネルギー効率を大幅に向上できる。

上記実施の形態において、上記弁開度制御部２９は、上記高圧配管１１と低圧配管１２との間のヘリウムガスの圧力差に基いて、上記流量制御弁２８の開度を制御したが、例えば高圧配管１１のヘリウムガス圧力の値のみに基いて流量制御弁２８の開度を制御してもよく、また、低圧配管１２のヘリウムガス圧力の値のみに基いて流量制御弁２８の開度を制御してもよい。

また、上記実施の形態において、上記流量センサ１６は、上記バイパス配管１３の流量制御弁２８よりも高圧配管１１側に設けたが、上記バイパス配管１３の流量制御弁２８よりも低圧配管側１２に設けてもよい。

また、上記周波数制御部２２は、上記流量センサ１６の検出値に基いて、上記バイパス配管１３の流量が零となるようにインバータ本体２１を制御したが、上記流量センサ１６の検出値に応じてバイパス配管１３の流量を所定流量だけ減少させるように、上記インバータ本体２１を制御してもよい。

また、第１および第２実施の形態において、上記圧縮機ユニットは、作動流体としてヘリウムガスを用いるものに限られず、また、膨張式冷凍機に作動流体を供給するものにも限られない。すなわち、本発明の圧縮機ユニットは、作動流体を圧縮して供給すべきあらゆる機器に用いることができる。

第１実施の形態の圧縮機ユニットを示す図である。 第２実施の形態の圧縮機ユニットを示す図である。

符号の説明

１ ヘリウム圧縮機
２ 油分離器
３ アドソーバ
４ サージボトル
１１ 高圧配管
１２ 低圧配管
１３ バイパス配管
１５ 圧力調整弁
１６ 流量センサ
２１ インバータ本体
２２ 周波数制御部

Claims (4)

1. モータで駆動されて、作動流体を圧縮する圧縮機（１）と、
   上記圧縮機（１）のモータに電力を供給するスイッチング電源手段（２１）と、
   上記圧縮機（１）の吐出口に接続された高圧配管（１１）と、上記圧縮機（１）の吸入口に接続された低圧配管（１２）との間を接続すると共に、弁（１５，２８）が介設されたバイパス配管（１３）と、
   上記バイパス配管（１３）の流量を検出する流量センサ（１６）と、
   上記流量センサ（１６）の検出値に基いて、上記スイッチング電源手段（２１）から上記モータに供給される電力の周波数を制御する周波数制御部（２２）と
   を備えることを特徴とする圧縮機ユニット。
2. 請求項１に記載の圧縮機ユニットにおいて、
   上記周波数制御部（２２）は、上記流量センサ（１６）が検出する流量が零になるように、上記スイッチング電源手段（２１）から上記モータに供給される電力の周波数を制御することを特徴とする圧縮機ユニット。
3. 請求項１または２に記載の圧縮機ユニットにおいて、
   上記弁は圧力調整弁（１５）であることを特徴とする圧縮機ユニット。
4. 請求項１または２に記載の圧縮機ユニットにおいて、
   上記弁は流量制御弁（２８）であり、
   上記高圧配管（１１）の圧力を検出する高圧圧力センサ（２５）と、
   上記低圧配管（１２）の圧力を検出する低圧圧力センサ（２６）と、
   上記高圧圧力センサ（２５）の検出値と、上記低圧圧力センサ（２６）の検出値とに基いて、上記流量制御弁（２８）の弁開度を制御する弁開度制御部（２９）と
   を備えることを特徴とする圧縮機ユニット。

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