JP2006266603A - 分離型二段パルス管冷凍機の駆動方法 - Google Patents

分離型二段パルス管冷凍機の駆動方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 分離型二段パルス管冷凍機での第二段側パルス管冷凍機を選択的に運転制御できる運転方法を提供する。
【解決手段】 第一段側パルス管冷凍機(１)の蓄冷器(３)と第二段側パルス管冷凍機(２)の蓄冷器(４)とを並列に配置し、第一段側蓄冷器(３)の低温端と第二段側蓄冷器(４)の中間部とを熱的に接続し、している分離型二段パルス管冷凍機である。第一段側蓄冷器(３)と第二段側蓄冷器(４)とを共通の圧縮機ユニット(５)に流路切換弁(６)を介して連通接続する。第二段側蓄冷器(４)と流路切換弁(６)との間のガス給排路(17)に流路開閉弁(18)を配置する。この流路開閉弁(18)の開閉制御で、第二段側パルス管冷凍機(２)の運転を選択的に停止できるように構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明はパルス管冷凍機の駆動方法に関し、特に、到達温度が液体ヘリウム温度域程度の極低温となる分離型二段パルス管冷凍機の駆動方法に関する。
従来から構成が比較的簡単で、到達温度の低い冷凍機として、パルス管冷凍機が知られている。そして、近年、より低い到達温度を得るものとして、第一段側蓄冷器の低温端と第一段側パルス管の低温端とを連通接続しているコールドプレートに第二段側蓄冷器の高温端を熱的に接続し、第二段側蓄冷器の低温端と第二段側パルス管の低温端とを第二段側コールドプレートで連通接続するようにした直列式の二段パルス管冷凍機(特許文献１)や、第一段側パルス杆冷凍機の蓄冷器と、第二段側パルス管冷凍機の蓄冷器とを並列に配置し、第一段側蓄冷器の低温端を第一段側パルス管と第二段側蓄冷器の中間部とに熱的に接続し、第二段側蓄冷器の低温端と第二段側パルス管の低温端とを第二段側コールドプレートで連通接続するようにした分離型二段パルス管冷凍機などの、いわゆる多段式パルス管冷凍機が提案されている。
特開平９−３３１２４号
従来の多段パルス管冷凍機では、第一段側パルス管冷凍機と第二段側パルス管冷凍機とをそれぞれ独立した圧縮機ユニットで駆動するようにしたり、第一段側パルス管冷凍機と第二段側パルス管冷凍機とを共通の圧縮機ユニットで駆動したりしている。
複数のパルス管冷凍機を独立した圧縮機ユニットでそれぞれ駆動制御するものにあっては、圧縮機ユニットが２組以上必要となり、構成が煩雑となるうえ初期費用やランニングコストの面で費用がかかる。
一方、複数のパルス管冷凍機を共通の圧縮機ユニットで駆動する場合には、同時に二組の冷凍機にガス供給又はガス排出を行わなければならないことから、大きな能力の圧縮機が必要になる。
また、例えば、低温液化ガス貯蔵槽の周囲をシールド板や沸点の高い冷却用液化ガス等の熱シールドで囲撓して、低温液化ガス貯蔵槽内の液化ガスの気化を抑制するようにしている場合、シールドは常時運転して冷却する必要があるのに対し、低温液化ガス貯蔵槽は、その液取り出し時には、昇温・加圧するために、冷却を停止することが好ましことから、個別に運転制御を行いたいという要求も生じるが、共通の圧縮機ユニットからの圧縮ガスを各パルス管冷凍機に同時に供給するようにしている従来の分離型二段パルス管冷凍機では個別の運転制御はできないという問題もあった。このため、液取り出し時には、シールド部分の冷却も停止されることになることから、再起動時にシールドが冷えるまで時間がかかり、その間性能が低下したままになるという問題があった。
本発明は、分離型二段パルス管冷凍機での第二段側パルス管冷凍機を選択的に運転制御できる運転方法を提供することを目的とする。
上述の目的を達成するために請求項１に記載の発明は、第一段側蓄冷器と第二段側蓄冷器とを共通の圧縮機ユニットに流路切換弁を介して連通接続し、第二段側蓄冷器と流路切換弁との間のガス給排路に流路開閉弁を配置し、この流路開閉弁の開閉制御で、第二段側パルス管冷凍機の運転を選択的に停止できるように構成したことを特徴としている。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成に加えて第一段側蓄冷器及び第二段側蓄冷器と圧縮機ユニットとを連通しているガス流路に配置した流路切換弁を圧縮機ユニットの高圧流路が第一段側蓄冷器と第二段側蓄冷器とのいずれか一方に接続しているときに、圧縮機ユニットの低圧流路が第一段側蓄冷器と第二段側蓄冷器との他方に接続するように制御することにより圧縮機ユニットからの高圧ガスを第一段側蓄冷器と第二段側蓄冷器に択一的に供給するように構成したことを特徴としている。
請求項３に記載の発明は、請求項１或いは請求項２の構成に加えて、第二段側パルス管冷凍機の低温端と液化ガス貯蔵槽とを熱的に接続するとともに、第一段側パルス管冷凍機の低温端と液化ガス貯蔵槽を囲撓しているシールドとを熱的に接続したことを特徴としている。
本発明では、第一段パルス管冷凍機と第二段パルス管冷凍機とをその蓄冷器部分が平行になる状態で配置し、第一段パルス管冷凍機の蓄冷器の低温端部と第二段パルス管冷凍機の蓄冷器とを熱的に接続するようにしていることから、第二段パルス管冷凍機の低温端での到達温度を下げることができる。また、第二段パルス管冷凍機の蓄冷器へのガス給排路に流路開閉弁を配置して、第二段パルス管冷凍機へのガス給排を制御するようにしているので、第二段パルス管冷凍機を停止した状態で第一段パルス管冷凍機のみを作動させることができる。
図は本発明方法の実施形態を示し、図１は本発明方法を適用する分離型二段パルス管冷凍機の一例を示す概略構成図、図２は分離型二段パルス管冷凍機の使用例を示す概略構成図である。
この二段式パルス管冷凍機は、第一段側パルス管冷凍機(１)と第二段側パルス管冷凍機(２)とを並列に配置し、第一段側パルス管冷凍機(１)と第二段側パルス管冷凍機(２)の各蓄冷器(３)(４)と共通の圧縮機ユニット(５)とをロータリー弁で構成した流路切換弁(６)を介して連通接続してある。
第一段側パルス管冷凍機(１)は、第一段側蓄冷器(３)の低温端と第一段側パルス管(７)の低温端とを吸熱用連結路(８)を有する第一段側コールドエンドプレート(９)で連通接続するとともに、第一段側パルス管(７)の高温端に第一段側バツファタンク(10)を連通接続して構成してある。
第二段側パルス管冷凍機(２)は、第二段側蓄冷器(４)の低温端と第二段側パルス管(11)の低温端とを、第二段側吸熱用連結路(12)を有する第二段側コールドエンドプレート(13)で連通接続するとともに、第二段側パルス管(11)の高温端に第二段側バツファタンク(14)が連通接続してある。また、この第二段側蓄冷器(４)の中間部に第一段側コールドエンドプレート(９)の延長部分が熱的に接続してある。
このような構成からなる二段式パルス管冷凍機においては、流路切換弁(６)の作動により、第一段側蓄冷器(３)が圧縮機ユニット(５)の高圧流路(15)に連通している際には、第二段側蓄冷器(４)が圧縮機ユニット(５)の低圧流路(16)に連通し、第二段側蓄冷器(４)が圧縮機ユニット(５)の高圧流路(15)に連通している際には、第一段側蓄冷器(３)が圧縮機ユニット(５)の低圧流路(16)に連通するようにしてある。そして、この場合、第一側段パルス管冷凍機(１)でも第二段側パルス管冷凍機(２)でも高圧流路(15)と連通する時間は、低圧流路(16)と連通する時間よりも短く設定してある。
そして、流路切換弁(６)と第二段側パルス管冷凍機(２)の第二段側蓄冷器(４)との間のガス給排路(17)に流路開閉弁(18)が配置してあり、この流路開閉弁(18)の開閉作動により、第二段側パルス管冷凍機(２)を運転状態と、運転停止状態とに切換制御できるようにしてある。
このように第一段側パルス管冷凍機(１)と第二段側パルス管冷凍機(２)とを共通の圧縮機ユニット(５)で駆動させるように構成し、第二段側パルス管冷凍機(２)を独立して運転制御できるようにすると、第一段側に大出力が必要であるが第二段側は停止してよい場合と、第一段側と第二段側の両方で冷凍が必要な場合とを切り替えて使用することができる。
図２は、本願発明方法を適用した分離型２段パルス管冷凍機を液化ガス貯容器の冷却に使用する場合の概略構成図である。この液化ガス貯蔵容器(20)は、断熱二重槽で構成してあり、その内槽に液体水素や液体ヘリウム等の低温液化ガスを貯蔵して液化ガス貯蔵槽(21)とするとともに、この液化ガス貯蔵槽(21)の外面と、外槽(22)の内周面との間の空間にシールド板(23)を配置することにより外部からの熱が液化ガス貯蔵槽(21)に伝達されにくくなるように構成してある。
そして、この液化ガス貯容器(20)の内外槽間の空間に第一段側パルス管冷凍機(１)及び第二段側パルス管冷凍機(２)のコールドエンドプレート(９)(13)が突入する状態に分離型二段パルス管冷凍機を配置し、第一段側パルス管冷凍機(１)のコールドエンドプレート(９)をシールド板(23)に熱的に接続するとともに、第二段側パルス管冷凍機(２)のコールドエンドプレート(13)を液化ガス貯蔵槽(21)に熱的に接続している。
したがって、内部に気化しやすい低温液化ガスを貯蔵している液化ガス貯蔵容器(20)を１基の分離型パルス管冷凍機で冷却することができる。しかも、共通の圧縮機ユニット(５)で第一段側パルス管冷凍機(１)及び第二段側パルス管冷凍機(２)を運転するものでありながら、第二段側パルス管冷凍機(２)の運転を任意に制御することができることから、低温液化ガスを取り出す際にシールド側の冷却を維持したまま、低温液化ガス貯蔵槽の冷却のみを停止させて、円滑に液の取り出しを行うことができことから、性能定期を防止することができる。
なお、上述した実施形態では、低温液化ガス貯蔵槽の外周をシールド板で囲撓した物ものについて説明したが、低温液化ガス貯蔵槽の外周を取り囲む状態で冷却冷媒貯蔵槽を配置してこの冷却冷媒貯蔵槽を第一段側パルス管冷凍機で冷却するようにしても良い。
本発明は、異なる２種類の冷却出力を必要とし、特により低温出力を必要とする第二段側の冷却出力を必要に応じて休止させるようなもの、例えば低温液化ガスの貯蔵に利用することができる。
本発明方法を適用する分離型二段パルス管冷凍機の一例を示す概略構成図である。 分離型二段パルス管冷凍機の使用例を示す概略構成図である。
符号の説明
１…第一段側パルス管冷凍機、２…第二段側パルス管冷凍機、３…第一段側パルス管冷凍機の蓄冷器、４…第二段側パルス管冷凍機の蓄冷器、５…圧縮機ユニット、６…流路切換弁、７…第一段側パルス管、８…吸熱用連結路、11…第二段側パルス管、12…第二吸熱用連結路、17…ガス給排路、18…流路開閉弁、15…高圧流路、16…低圧流路、21…液化ガス貯蔵槽、23…シールド。


Claims (3)

  1. 第一段側パルス管冷凍機(１)の蓄冷器(３)と第二段側パルス管冷凍機(２)の蓄冷器(４)とを並列に配置し、第一段側蓄冷器(３)の低温端と第一段側パルス管(７)の低温端とを吸熱用連結路(８)で連通するとともに、第一段側蓄冷器(３)の低温端と第二段側蓄冷器(４)の中間部とを熱的に接続し、第二段側蓄冷器(４)の低温端と第二段側パルス管(11)の低温端とを第二吸熱用連結路(12)で連通接続している分離型二段パルス管冷凍機において、
    第一段側蓄冷器(３)と第二段側蓄冷器(４)とを共通の圧縮機ユニット(５)に流路切換弁(６)を介して連通接続し、第二段側蓄冷器(４)と流路切換弁(６)との間のガス給排路(17)に流路開閉弁(18)を配置し、この流路開閉弁(18)の開閉制御で、第二段側パルス管冷凍機(２)の運転を選択的に停止できるように構成したことを特徴とする分離型二段パルス管冷凍機の駆動方法。
  2. 第一段側蓄冷器(３)と第二段側蓄冷器(４)とを共通の圧縮機ユニット(５)に流路切換弁(６)を介して連通接続し、この流路切換弁(６)を圧縮機ユニット(５)の高圧流路(15)が第一段側蓄冷器(３)と第二段側蓄冷器(４)とのいずれか一方に接続しているときに、圧縮機ユニット(５)の低圧流路(16)が第一段側蓄冷器(３)と第二段側蓄冷器(４)との他方に接続するように制御することにより圧縮機ユニット(５)からの高圧ガスを第一段側蓄冷器(３)と第二段側蓄冷器(４)に択一的に供給するように構成した請求項１に記載の分離型二段パルス管冷凍機の駆動方法。
  3. 第二段側パルス管冷凍機(２)の低温端と液化ガス貯蔵槽(21)とを熱的に接続するとともに、第一段側パルス管冷凍機(２)の低温端と前記液化ガス貯蔵槽(21)を囲撓しているシールド(23)とを熱的に接続した請求項１又は２に記載の分離型二段パルス管冷凍機の駆動方法。

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