JP2019158160A - 極低温冷凍機および極低温冷凍機の配管システム - Google Patents

Abstract

【課題】極低温冷凍機の運転継続性をより確実にする。【解決手段】極低温冷凍機１０は、第１圧縮機１２と第２圧縮機１４から合流部２５を経てコールドヘッド１６の高圧ポート１６ａへと冷媒ガスが流れることができる高圧ライン２４と、コールドヘッド１６の低圧ポート１６ｂから分流部２７を経て第１圧縮機１２と第２圧縮機１４に冷媒ガスが流れることができる低圧ライン２６とを備える。高圧ライン２４は、第１圧縮機１２を合流部２５に接続し、第１逆止弁２８を有する第１高圧サブライン２４ｂと、第２圧縮機１４を合流部２５に接続し、第２逆止弁２９を有する第２高圧サブライン２４ｃとを備える。低圧ライン２６は、分流部２７を第１圧縮機１２に接続し、第３逆止弁３０を有する第１低圧サブライン２６ｂと、分流部２７を第２圧縮機１４に接続し、第４逆止弁３１を有する第２低圧サブライン２６ｃとを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、極低温冷凍機および極低温冷凍機の配管システムに関する。

典型的に、極低温冷凍機は、一台の冷凍機と、この冷凍機に冷媒ガスを供給する一台の圧縮機との組み合わせとして構成することができる。冷凍機は、コールドヘッドまたは膨張機とも称される。何らかの理由により稼働中の圧縮機が異常停止したとすると、それ以降冷凍機は所望の冷凍能力を提供し続けることが困難となる。圧縮機の異常停止の原因としては、例えば、停電そのほか圧縮機への給電系統の不調や、冷却水など冷媒の異常な品質低下など圧縮機の冷却設備の不具合、あるいは、気温や湿度、気圧など圧縮機の設置環境の想定を超える過酷な変動など、極低温冷凍機自体では制御不能または対処困難な種々の外部的要因がありうる。

そこで、一台の冷凍機について二台の圧縮機を設置し、一方を主たる圧縮機とし他方を予備の圧縮機とする構成が提案されている。主たる圧縮機が何らかの異常により停止した際には予備の圧縮機が起動される。一台の冷凍機から延びる冷媒ガスの配管が途中で分岐して二台の圧縮機それぞれに接続されている。冷媒ガス配管の分岐点には電気的に動作する３ポート切替弁が配置されている。３ポート切替弁は、通常は冷凍機を主たる圧縮機に接続するとともに予備の圧縮機を冷凍機から切り離す一方、主たる圧縮機の異常停止時には主たる圧縮機を冷凍機から切り離すとともに冷凍機を予備の圧縮機に接続するように、電気信号によって切り替えられる。

特開２０００−２９２０２４号公報

上述の構成においては、３ポート切替弁は、供給される電気信号に依存して作動する。そのため、３ポート切替弁への電気信号の供給系統における何らかの不具合または誤動作が生じる可能性もありうることを考慮すると、３ポート切替弁の切替動作が必要なタイミングで確実に行われることが保証されているとは言えない。もし必要な切替動作が行われなければ予備の圧縮機から冷凍機への冷媒ガス配管の接続は無いので、たとえ予備の圧縮機が動作していても予備の圧縮機から冷凍機に冷媒ガスは供給されず、冷凍機はやはり冷凍能力を提供し続け難い。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機の運転継続性をより確実に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、第１圧縮機と、第２圧縮機と、高圧ポートと低圧ポートとを有するコールドヘッドと、前記第１圧縮機と前記第２圧縮機から合流部を経て前記コールドヘッドの前記高圧ポートへと冷媒ガスが流れることができるように構成された高圧ラインであって、前記第１圧縮機を前記合流部に接続し、第１逆止弁を有する第１高圧サブラインと、前記第２圧縮機を前記合流部に接続し、第２逆止弁を有する第２高圧サブラインと、を備える高圧ラインと、前記コールドヘッドの前記低圧ポートから分流部を経て前記第１圧縮機と前記第２圧縮機に前記冷媒ガスが流れることができるように構成された低圧ラインであって、前記分流部を前記第１圧縮機に接続し、第３逆止弁を有する第１低圧サブラインと、前記分流部を前記第２圧縮機に接続し、第４逆止弁を有する第２低圧サブラインと、を備える低圧ラインと、を備える。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機の配管システムは、第１圧縮機と第２圧縮機から合流部を経てコールドヘッドの高圧ポートへと冷媒ガスが流れることができるように構成された高圧ラインであって、前記第１圧縮機を前記合流部に接続し、第１逆止弁を有する第１高圧サブラインと、前記第２圧縮機を前記合流部に接続し、第２逆止弁を有する第２高圧サブラインと、を備える高圧ラインと、前記コールドヘッドの低圧ポートから分流部を経て前記第１圧縮機と前記第２圧縮機に前記冷媒ガスが流れることができるように構成された低圧ラインであって、前記分流部を前記第１圧縮機に接続し、第３逆止弁を有する第１低圧サブラインと、前記分流部を前記第２圧縮機に接続し、第４逆止弁を有する第２低圧サブラインと、を備える低圧ラインと、を備える。

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、極低温冷凍機の運転継続性をより確実にする技術を提供することができる。

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実施形態に係る極低温冷凍機における冷媒ガスの流れを概略的に示す図である。 第１実施形態に係る極低温冷凍機における冷媒ガスの流れを概略的に示す図である。 第１実施形態に係る極低温冷凍機の他の例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の動作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の動作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、第１圧縮機１２と、第２圧縮機１４と、コールドヘッド１６とを備える。第１圧縮機１２は、極低温冷凍機１０の冷媒ガスをコールドヘッド１６から回収し、回収した冷媒ガスを昇圧して、再び冷媒ガスをコールドヘッド１６に供給するよう構成されている。同様に、第２圧縮機１４は、極低温冷凍機１０の冷媒ガスをコールドヘッド１６から回収し、回収した冷媒ガスを昇圧して、再び冷媒ガスをコールドヘッド１６に供給するよう構成されている。このように、一台のコールドヘッド１６に二台の圧縮機（１２，１４）が並列に設置されている。

後述するように、第１圧縮機１２は、極低温冷凍機１０において通常使用される主の圧縮機として極低温冷凍機１０に設けられている。第２圧縮機１４は、何らかの要因により第１圧縮機１２が停止したときに第１圧縮機１２の代替として使用される予備の圧縮機として極低温冷凍機１０に設けられている。第１圧縮機１２と第２圧縮機１４は、同時に運転されることも可能である。

コールドヘッド１６は、膨張機または冷凍機とも称され、室温部１８と、少なくとも１つの低温部２０とを有する。図示されるように、コールドヘッド１６が二段式の場合には、コールドヘッド１６は第１段と第２段にそれぞれ低温部２０を有する。低温部２０は、冷却ステージとも称される。

第１圧縮機１２（または第２圧縮機１４）とコールドヘッド１６との間の冷媒ガスの循環がコールドヘッド１６内での冷媒ガスの適切な圧力変動と容積変動の組み合わせをもって行われることにより、極低温冷凍機１０の冷凍サイクルが構成され、低温部２０が所望の極低温に冷却される。それにより、低温部２０に熱的に結合された例えば超伝導電磁石またはそのほか任意の被冷却物を目標冷却温度に冷却することができる。冷媒ガスは、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、冷媒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。コールドヘッド１６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。第１圧縮機１２および第２圧縮機１４は、極低温冷凍機１０のタイプによらず、同じ構成を用いることができる。一例として、第１圧縮機１２は、水冷式の圧縮機であり、第２圧縮機１４は、空冷式の圧縮機であってもよい。

なお、一般に、第１圧縮機１２、第２圧縮機１４からコールドヘッド１６に供給される冷媒ガスの圧力と、コールドヘッド１６から第１圧縮機１２、第２圧縮機１４に回収される冷媒ガスの圧力は、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、高圧は例えば約２〜３ＭＰａの範囲にあり、低圧は例えば約０．５〜１．５ＭＰａの範囲にある。

第１圧縮機１２は、第１吐出ポート１２ａと第１吸入ポート１２ｂとを有する。第１吐出ポート１２ａは、第１圧縮機１２により高圧に昇圧された冷媒ガスを第１圧縮機１２から送出するために第１圧縮機１２に設けられた冷媒ガスの出口であり、第１吸入ポート１２ｂは、低圧の冷媒ガスを第１圧縮機１２に受け入れるために第１圧縮機１２に設けられた冷媒ガスの入口である。同様に、第２圧縮機１４は、第２吐出ポート１４ａと第２吸入ポート１４ｂとを有する。

第１圧縮機１２は、冷媒ガスの圧縮運転の実行と停止（すなわちオンとオフ）を、例えば手動により、または電気的な制御により、切り替えられるように構成されている。同様に、第２圧縮機１４は、冷媒ガスの圧縮運転の実行と停止（すなわちオンとオフ）を、例えば手動により、または電気的な制御により、切り替えられるように構成されている。

コールドヘッド１６は、高圧ポート１６ａと低圧ポート１６ｂとを有する。高圧ポート１６ａは、コールドヘッド１６の低温部２０の内部に高圧の作動ガスを受け入れるためにコールドヘッド１６の室温部１８に設けられた冷媒ガスの入口である。低圧ポート１６ｂは、コールドヘッド１６の低温部２０の内部での冷媒ガスの膨張により減圧された低圧の冷媒ガスをコールドヘッド１６から排出するためにコールドヘッド１６の室温部１８に設けられた冷媒ガスの出口である。

また、極低温冷凍機１０は、第１圧縮機１２、第２圧縮機１４とコールドヘッド１６との間で冷媒ガスを循環させるべくこれらを接続する配管システム２２を備える。配管システム２２は、高圧ライン２４と低圧ライン２６とを備える。高圧ライン２４は、第１圧縮機１２と第２圧縮機１４から合流部２５を経てコールドヘッド１６の高圧ポート１６ａへと冷媒ガスが流れることができるように構成されている。低圧ライン２６は、コールドヘッド１６の低圧ポート１６ｂから分流部２７を経て第１圧縮機１２と第２圧縮機１４に冷媒ガスが流れることができるように構成されている。

高圧ライン２４は、高圧メインライン２４ａと、第１高圧サブライン２４ｂと、第２高圧サブライン２４ｃとを有する。高圧メインライン２４ａは、コールドヘッド１６の高圧ポート１６ａを合流部２５に接続する。第１高圧サブライン２４ｂは、合流部２５を第１圧縮機１２の第１吐出ポート１２ａに接続する。第２高圧サブライン２４ｃは、合流部２５を第２圧縮機１４の第２吐出ポート１４ａに接続する。

高圧ライン２４は第１圧縮機１２、第２圧縮機１４からコールドヘッド１６への冷媒ガスの流路であるから、第１圧縮機１２、第２圧縮機１４からコールドヘッド１６に向かう流れ方向を、高圧ライン２４の順方向と呼び、その反対方向を高圧ライン２４の逆方向と呼ぶことができる。順方向は、図示されている矢印の向きにあたる。

第１高圧サブライン２４ｂは、第１逆止弁２８を有し、第２高圧サブライン２４ｃは、第２逆止弁２９を有する。第１逆止弁２８は、順方向の冷媒ガス流れを許容し、逆方向の冷媒ガス流れを遮断するように、第１高圧サブライン２４ｂに配置されている。同様に、第２逆止弁２９は、順方向の冷媒ガス流れを許容し、逆方向の冷媒ガス流れを遮断するように、第２高圧サブライン２４ｃに配置されている。

また、低圧ライン２６は、低圧メインライン２６ａと、第１低圧サブライン２６ｂと、第２低圧サブライン２６ｃとを有する。低圧メインライン２６ａは、コールドヘッド１６の低圧ポート１６ｂを分流部２７に接続する。第１低圧サブライン２６ｂは、分流部２７を第１圧縮機１２の第１吸入ポート１２ｂに接続する。第２低圧サブライン２６ｃは、分流部２７を第２圧縮機１４の第２吸入ポート１４ｂに接続する。

低圧ライン２６は、コールドヘッド１６から第１圧縮機１２、第２圧縮機１４への冷媒ガスの流路であるから、コールドヘッド１６から第１圧縮機１２、第２圧縮機１４に向かう流れ方向を、低圧ライン２６の順方向と呼び、その反対方向を低圧ライン２６の逆方向と呼ぶことができる。

第１低圧サブライン２６ｂは、第３逆止弁３０を有し、第２低圧サブライン２６ｃは、第４逆止弁３１を有する。第３逆止弁３０は、順方向の冷媒ガス流れを許容し、逆方向の冷媒ガス流れを遮断するように、第１低圧サブライン２６ｂに配置されている。同様に、第４逆止弁３１は、順方向の冷媒ガス流れを許容し、逆方向の冷媒ガス流れを遮断するように、第２低圧サブライン２６ｃに配置されている。

第１逆止弁２８、第２逆止弁２９、第３逆止弁３０、第４逆止弁３１はいずれも、順方向上流側（すなわち逆止弁への入口側）での冷媒ガス圧力が順方向下流側（すなわち逆止弁の出口側）での冷媒ガス圧力を超える場合に開き、逆に順方向上流側での冷媒ガス圧力が順方向下流側での冷媒ガス圧力を超えない場合に閉じるように構成されている。言い換えれば、各逆止弁（２８〜３１）は、その逆止弁を流れる順方向の冷媒ガス流れがあるときには、逆止弁が順方向流れに生じさせる圧力損失によって自然に開く。一方、各逆止弁（２８〜３１）は、その逆止弁の出入口間に冷媒ガスの逆流を生み出しうる圧力差（すなわち出口圧が入口圧より高い）が発生すると、閉じる。このように上流側と下流側との間の差圧の作用により開閉する逆止弁は一般に入手可能であり、各逆止弁（２８〜３１）は、そうした汎用の逆止弁を適宜採用することができる。

また、一例として、高圧ライン２４、低圧ライン２６は、フレキシブル管により構成されるが、リジッド管で構成されてもよい。

なお、極低温冷凍機１０の給電系統は、種々の既知の構成を採用可能である。例えば、第１圧縮機１２、第２圧縮機１４、コールドヘッド１６は、共通電源２１に接続されていてもよい。共通電源２１は、商用電源などの主電源と、発電機及び／またはバッテリなどの予備電源とを必要に応じて自動的に切り替えるように構成されていてもよい。

図２および図３は、第１実施形態に係る極低温冷凍機１０における冷媒ガスの流れを概略的に示す図である。理解を助けるために、高圧ライン２４、低圧ライン２６において冷媒ガスが流れている部分を太線で示し、冷媒ガスが流れていない部分を細線で示す。

図２には、極低温冷凍機１０が正常に動作している通常時における冷媒ガスの流れを示す。上述のように、通常時には第１圧縮機１２が運転され、第２圧縮機１４は停止している。

第１圧縮機１２により圧縮された高圧の冷媒ガスは、第１圧縮機１２の第１吐出ポート１２ａから高圧ライン２４に送出される。冷媒ガスは、第１高圧サブライン２４ｂから合流部２５、高圧メインライン２４ａを経てコールドヘッド１６の高圧ポート１６ａに流入する。冷媒ガスは高圧ライン２４の順方向に流れているから、第１逆止弁２８を通じて流れることができる。第２圧縮機１４は停止しているから、第２圧縮機１４の第２吐出ポート１４ａから冷媒ガスは吐出されない。そのため、第２高圧サブライン２４ｃの第２逆止弁２９については、その順方向上流側での冷媒ガス圧力が順方向下流側での冷媒ガス圧力を下回り、第２逆止弁２９は閉鎖される。よって、第２逆止弁２９は、第１高圧サブライン２４ｂから第２高圧サブライン２４ｃへの冷媒ガスの逆流を遮断する。

このようにして、高圧ライン２４を通じて第１圧縮機１２からコールドヘッド１６へと高圧の冷媒ガスを供給することができる。また、第１圧縮機１２から第２圧縮機１４への高圧ライン２４を通じた逆流が防止される。

コールドヘッド１６から排出される低圧の冷媒ガスは、コールドヘッド１６の低圧ポート１６ｂから低圧ライン２６に送出される。冷媒ガスは、低圧メインライン２６ａから分流部２７、第１低圧サブライン２６ｂを経て第１圧縮機１２の第１吸入ポート１２ｂに流入する。冷媒ガスは低圧ライン２６の順方向に流れているから、第３逆止弁３０を通じて流れることができる。第２圧縮機１４は停止しているから、第２圧縮機１４の第２吸入ポート１４ｂから冷媒ガスは吸入されない。そのため、第２低圧サブライン２６ｃの第４逆止弁３１については、その順方向下流側で順方向上流側よりも圧力が高くなり、第４逆止弁３１は閉鎖される。よって、第４逆止弁３１は、第２低圧サブライン２６ｃから第１低圧サブライン２６ｂへの冷媒ガスの逆流を遮断する。

このようにして、低圧ライン２６を通じてコールドヘッド１６から第１圧縮機１２へと低圧の冷媒ガスを回収することができる。また、第２圧縮機１４から第１圧縮機１２への低圧ライン２６を通じた逆流が防止される。

なお、第２圧縮機１４においては、通例、停止しているとき第２吐出ポート１４ａと第２吸入ポート１４ｂは均圧化されている。すなわち、第２吐出ポート１４ａと第２吸入ポート１４ｂはともに高圧と低圧の平均圧となっている（例えば高圧が２ＭＰａで低圧が０．６ＭＰａであれば平均圧は１．３ＭＰａである）。よって、第２逆止弁２９と第４逆止弁３１はともに、出口圧が入口圧よりも顕著に高くなり、この圧力差によって確実に閉鎖される。

図３には、何らかの要因により第１圧縮機１２が停止した異常時における冷媒ガスの流れを示す。第１圧縮機１２は停止し、予備の圧縮機としての第２圧縮機１４が運転されている。前述のように、第１圧縮機１２は、停電、冷却設備の不具合、あるいは、気温や湿度、気圧など周囲環境の異常変動など、極低温冷凍機１０自体では制御不能または対処困難な種々の外部的要因により異常停止しうる。

第２圧縮機１４により圧縮された高圧の冷媒ガスは、第２圧縮機１４の第２吐出ポート１４ａから高圧ライン２４に送出される。冷媒ガスは、第２高圧サブライン２４ｃから合流部２５、高圧メインライン２４ａを経てコールドヘッド１６の高圧ポート１６ａに流入する。冷媒ガスは高圧ライン２４の順方向に流れているから、第２逆止弁２９を通じて流れることができる。第１圧縮機１２は停止しているから、第１圧縮機１２の第１吐出ポート１２ａから冷媒ガスは吐出されない。そのため、第１高圧サブライン２４ｂの第１逆止弁２８については、その順方向上流側での冷媒ガス圧力が順方向下流側での冷媒ガス圧力を下回り、第１逆止弁２８は閉鎖される。よって、第１逆止弁２８は、第２高圧サブライン２４ｃから第１高圧サブライン２４ｂへの冷媒ガスの逆流を遮断する。

このようにして、高圧ライン２４を通じて第２圧縮機１４からコールドヘッド１６へと高圧の冷媒ガスを供給することができる。また、第１圧縮機１２から第２圧縮機１４への高圧ライン２４を通じた逆流が防止される。

コールドヘッド１６から排出される低圧の冷媒ガスは、コールドヘッド１６の低圧ポート１６ｂから低圧ライン２６に送出される。冷媒ガスは、低圧メインライン２６ａから分流部２７、第２低圧サブライン２６ｃを経て第２圧縮機１４の第２吸入ポート１４ｂに流入する。冷媒ガスは低圧ライン２６の順方向に流れているから、第４逆止弁３１を通じて流れることができる。第１圧縮機１２は停止しているから、第１圧縮機１２の第１吸入ポート１２ｂから冷媒ガスは吸入されない。そのため、第１低圧サブライン２６ｂの第３逆止弁３０については、その順方向下流側で順方向上流側よりも圧力が高くなり、第３逆止弁３０は閉鎖される。よって、第３逆止弁３０は、第１低圧サブライン２６ｂから第２低圧サブライン２６ｃへの冷媒ガスの逆流を遮断する。

このようにして、低圧ライン２６を通じてコールドヘッド１６から第２圧縮機１４へと低圧の冷媒ガスを回収することができる。また、第１圧縮機１２から第２圧縮機１４への低圧ライン２６を通じた逆流が防止される。

第１圧縮機１２においても第２圧縮機１４と同様に、停止しているとき第１吐出ポート１２ａと第１吸入ポート１２ｂは通例、均圧化されている。よって、第１逆止弁２８と第３逆止弁３０はともに、出口圧が入口圧よりも顕著に高くなり、この圧力差によって確実に閉鎖され、逆流が防止される。

したがって、第１実施形態に係る極低温冷凍機１０によると、通常時には、第１圧縮機１２を使用してコールドヘッド１６を冷却することができる。配管システム２２はサブライン（２４ｂ、２４ｃ、２６ｂ、２６ｃ）それぞれに逆止弁（２８〜３１）を有する。そのため、図２に示されるように、第２圧縮機１４がコールドヘッド１６から切り離された状態を、電気的な制御を要することなく冷媒ガス流れに伴う差圧の作用によって自然に実現することができる。

一方、極低温冷凍機１０は、第１圧縮機１２の異常停止時には、第２圧縮機１４を使用してコールドヘッド１６を冷却することができる。また、図３に示されるように、第１圧縮機１２がコールドヘッド１６から切り離された状態を、電気的な制御を要することなく自然に実現することができる。

こうして、第１実施形態に係る極低温冷凍機１０は、稼動する圧縮機を第１圧縮機１２から第２圧縮機１４へと切り替えて、コールドヘッド１６の冷却運転を継続することができる。第１実施形態に係る極低温冷凍機１０によれば、電気的に切替が制御される３ポート切替弁を有する従来構成に比べて、より確実に極低温冷凍機１０の運転を継続することがことができる。

本発明者の試作によれば、第１実施形態に係る極低温冷凍機１０においては、二台の圧縮機（１２，１４）間の運転切替の直後には、ある程度の冷媒ガスの圧力変動とコールドヘッド１６の低温部２０の冷却温度変化が見られた。しかし、そうした変化は許容時間内に速やかに収束し、それ以降は圧縮機の運転切替前と同様に、コールドヘッド１６を所望の目標冷却温度に維持することができることが確認されている。

また、本発明者の考察によれば、電気的に制御される３ポート切替弁を採用する場合、切替弁には二台の圧縮機からの冷媒ガスが集まり、切替弁を通じて流れる冷媒ガス流量が比較的大きくなることから、大型で高価な３ポート切替弁が必要とされうる。これは、極低温冷凍機の製造コストの低減という観点から不利である。これに対して、第１実施形態に係る極低温冷凍機１０によれば、差圧で動作する汎用の逆止弁を採用でき、こうした逆止弁は比較的単純な構成を有し安価であるので、製造コストの低減にも役立つ。

加えて、極低温冷凍機１０は、第１圧縮機１２と第２圧縮機１４を同時に運転することも可能である。

この場合、図１に示されるように、第１圧縮機１２により圧縮された高圧の冷媒ガスは、第１圧縮機１２の第１吐出ポート１２ａから第１高圧サブライン２４ｂに送出される。冷媒ガスは高圧ライン２４の順方向に流れているから、第１逆止弁２８を通じて流れることができる。同様に、第２圧縮機１４により圧縮された高圧の冷媒ガスは、第２圧縮機１４の第２吐出ポート１４ａから第２高圧サブライン２４ｃに送出される。冷媒ガスは高圧ライン２４の順方向に流れているから、第２逆止弁２９を通じて流れることができる。２つの冷媒ガス流れは合流部２５にて合流し、高圧メインライン２４ａを経てコールドヘッド１６の高圧ポート１６ａへと流れる。こうして、第１圧縮機１２と第２圧縮機１４から高圧ライン２４を通じてコールドヘッド１６へと高圧の冷媒ガスを供給することができる。

コールドヘッド１６から排出される低圧の冷媒ガスは、コールドヘッド１６の低圧ポート１６ｂから低圧メインライン２６ａに送出され、分流部２７で第１低圧サブライン２６ｂと第２低圧サブライン２６ｃに分流される。冷媒ガスは低圧ライン２６の順方向に流れているから、第３逆止弁３０、第４逆止弁３１それぞれを通じて第１圧縮機１２の第１吸入ポート１２ｂ、第２圧縮機１４の第２吸入ポート１４ｂへと流れることができる。こうして、コールドヘッド１６から低圧ライン２６を通じて第１圧縮機１２と第２圧縮機１４に低圧の冷媒ガスを回収することができる。

このように、二台の圧縮機（１２，１４）を同時に運転することにより、一台の圧縮機からコールドヘッド１６に供給可能な冷媒ガス流量よりも多くの冷媒ガスをコールドヘッド１６に供給することができる。よって、二台の圧縮機の同時運転により、極低温冷凍機１０は、より高い冷凍能力を提供することができる。

所望される冷凍能力に応じて二台の圧縮機（１２，１４）の同時運転と一台の圧縮機のみの運転とを使い分けることは、極低温冷凍機１０の消費電力の低減に役立つ。例えば、高い冷凍能力が望まれる特別な状況で圧縮機の同時運転を行い、それほど高い冷凍能力は必要とされない定常的な状況では一台の圧縮機のみを運転することにより、常に圧縮機の同時運転をする場合に比べて、極低温冷凍機１０の消費電力は低減されうる。

また、両方の圧縮機からコールドヘッド１６に冷媒ガスを供給する配管システム２２の構成と、一方の圧縮機のみからコールドヘッド１６に冷媒ガスを供給し他方の圧縮機をコールドヘッド１６から切り離した配管システム２２の構成とを、電気的な制御を要することなく、個々の圧縮機のオンオフのみによって簡単に切り替えることができる。

上述の実施形態においては、４つの逆止弁それぞれが個別の部品として用意され、フレキシブル管などの連結配管を用いて配管システム２２に個別的に組み込まれているが、これは必須ではない。ある実施形態においては、図４を参照して以下に言及するように、配管システム２２は、４つの逆止弁をまとめた単一部品を有してもよい。

図４は、第１実施形態に係る極低温冷凍機１０の他の例を概略的に示す図である。極低温冷凍機１０の配管システム２２は、高圧ライン２４と低圧ライン２６それぞれの一部を構成するマニホールド３２を備える。マニホールド３２は、合流部２５と分流部２７を有し、第１逆止弁２８、第２逆止弁２９、第３逆止弁３０、および第４逆止弁３１を内蔵している。図４に示される極低温冷凍機１０のそのほかの部分の構成は、図１から図３を参照して説明した実施形態と共通するので、同様の構成要素については同一の符号を付し、重複した説明は適宜省略する。

マニホールド３２は、例えば直方体状またはそのほか適切な立体的な外形を有し、その内部にいくつかの内部流路が形成されたマニホールドブロック３２ａを備える。図４においては、内部流路の理解を容易にするために、それら内部流路を含むマニホールドブロック３２ａの断面が概略的に示されている。

マニホールドブロック３２ａには、第１高圧流路３３および第２高圧流路３４が形成され、これらは合流部２５へと合流している。第１高圧流路３３および第２高圧流路３４それぞれの入口端（すなわち合流部２５とは反対側の端）には、第１逆止弁２８および第２逆止弁２９が配置されている。合流部２５は、マニホールドブロック３２ａの一つの壁面３２ｂに高圧出口３７を形成し、高圧出口３７は高圧メインライン２４ａによってコールドヘッド１６の高圧ポート１６ａに接続されている。

マニホールドブロック３２ａには、第１低圧流路３５および第２低圧流路３６が形成され、これらは分流部２７から分岐している。第１低圧流路３５および第２低圧流路３６それぞれの出口端（すなわち分流部２７とは反対側の端）には、第３逆止弁３０および第４逆止弁３１が配置されている。分流部２７は、高圧出口３７と同じマニホールドブロック３２ａの壁面３２ｂに低圧入口３８を形成し、低圧入口３８は低圧メインライン２６ａによってコールドヘッド１６の低圧ポート１６ｂに接続されている。

第１逆止弁２８と第３逆止弁３０は、高圧出口３７および低圧入口３８とは別のマニホールドブロック３２ａの一つの壁面３２ｃに設置されている。これら２つの壁面３２ｂ，３２ｃは互いに隣り合う面である。また、第２逆止弁２９と第４逆止弁３１は、高圧出口３７と低圧入口３８が設けられている壁面３２ｂに設置されている。

このような高圧出口３７、低圧入口３８、および逆止弁（２８〜３１）の配置によれば、マニホールド３２の内部流路（３３〜３６）をマニホールドブロック３２ａの壁面３２ｂ，３２ｃからの穴開け加工によって製作することができる。製作容易であり、有利である。

ただし、このような高圧出口３７、低圧入口３８、および逆止弁（２８〜３１）の配置は一例であり、他の壁面への設置も様々に可能であることは容易に理解されよう。例えば、高圧出口３７と低圧入口３８をマニホールドブロック３２ａの一面（例えば壁面３２ｂ）に設置し、第１逆止弁２８と第３逆止弁３０をこれと隣り合う面（例えば壁面３２ｃ）または反対側の面に設置し、第２逆止弁２９と第４逆止弁３１をこれら二面に隣り合う面（例えばマニホールドブロック３２ａの上面または下面）に設置するといった配置も可能である。

高圧の冷媒ガスは、第１圧縮機１２から第１高圧サブライン２４ｂ、第１逆止弁２８を通じてマニホールド３２に流入することができる。冷媒ガスは、第１高圧流路３３、合流部２５、高圧出口３７を通ってマニホールド３２から高圧メインライン２４ａに流出し、コールドヘッド１６へと供給される。同様に、高圧の冷媒ガスは、第２圧縮機１４から、第２高圧サブライン２４ｃ、第２逆止弁２９を通じてマニホールド３２に流入することができる。冷媒ガスは、第２高圧流路３４、合流部２５、高圧出口３７を通ってマニホールド３２から高圧メインライン２４ａに流出し、コールドヘッド１６へと供給される。

また、コールドヘッド１６から排出される低圧の冷媒ガスは、低圧メインライン２６ａを通じて低圧入口３８からマニホールド３２に流入する。冷媒ガスは、分流部２７、第１低圧流路３５、第３逆止弁３０を通ってマニホールド３２から第１低圧サブライン２６ｂに流出し、第１圧縮機１２へと回収される。あるいは、冷媒ガスは、分流部２７、第２低圧流路３６、第４逆止弁３１を通ってマニホールド３２から第２低圧サブライン２６ｃに流出し、第２圧縮機１４へと回収される。

このように、第１高圧流路３３、第２高圧流路３４、合流部２５、高圧出口３７は、マニホールドブロック３２ａ内に高圧領域３９を形成し、第１低圧流路３５、第２低圧流路３６、分流部２７、低圧入口３８は、マニホールドブロック３２ａ内に低圧領域４０を形成する。マニホールド３２は、高圧領域３９と低圧領域４０を互いに分離するように構成されている。

マニホールド３２は、４つの逆止弁（２８〜３１）を組み込んだ単一部品として構成されている。このようにすれば、４つの逆止弁が個別部品として用意される場合に比べて、極低温冷凍機１０が使用される現場での配管接続作業を容易にすることができる。

図５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、既述の各実施形態にも適用可能な有用な給電構成をさらに備える。第２実施形態に係る極低温冷凍機１０の配管システム２２は、既述の実施形態のものと共通するので、同様の構成要素については同一の符号を付し、重複した説明は適宜省略する。

第２実施形態においても第１実施形態と同様に、第１圧縮機１２は、極低温冷凍機１０において通常使用される主の圧縮機として極低温冷凍機１０に設けられている。第２圧縮機１４は、何らかの要因により第１圧縮機１２が停止したときに第１圧縮機１２の代替として使用される予備の圧縮機として極低温冷凍機１０に設けられている。第１圧縮機１２と第２圧縮機１４は、同時に運転されることも可能である。

第１圧縮機１２は、コールドヘッド１６の主電源としてコールドヘッド１６に電気的に接続され、第２圧縮機１４は、コールドヘッド１６の予備電源としてコールドヘッド１６に電気的に接続されている。極低温冷凍機１０は、第１圧縮機１２の運転状態に応じてコールドヘッド１６への電源供給を第１圧縮機１２と第２圧縮機１４との間で切り替えるように構成された切替装置４２をさらに備える。

第１圧縮機１２は、第１圧縮機１２の運転状態を表す第１圧縮機信号Ｓ１を切替装置４２に出力するように構成されている。第１圧縮機信号Ｓ１は、第１圧縮機１２の運転状態として例えば、第１圧縮機１２のオンまたはオフのいずれかを表す信号である。切替装置４２は、コールドヘッド１６への電源供給を第１圧縮機１２と第２圧縮機１４との間で切り替えるスイッチ４４と、第１圧縮機信号Ｓ１に基づいて第２圧縮機１４の起動タイミングとスイッチ４４を制御するスイッチ制御部４６と、を備える。

スイッチ制御部４６は、第１圧縮機信号Ｓ１に基づいて第２圧縮機１４の起動指令信号Ｓ２を第２圧縮機１４に出力するように構成されている。第２圧縮機１４は、起動指令信号Ｓ２に応じて起動するように構成されている。すなわち、第２圧縮機１４は、起動指令信号Ｓ２を受信するとオフからオンに切り替わる。

なお、切替装置４２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５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。

スイッチ４４は、例えば、機械的スイッチ、半導体スイッチングデバイス、または、電気接続を切替可能なそのほか任意の形式のスイッチであってもよい。スイッチ制御部４６は、スイッチ４４をオンオフを制御するように構成された、例えばリレーまたはそのほか任意の形式のスイッチ制御回路であってもよい。

第１圧縮機１２は、商用電源などの主電源４８から給電され、第２圧縮機１４は、例えばバッテリ、発電機などの予備電源５０から給電される。切替装置４２は、切替装置電源５２から給電される。切替装置電源５２は、予備電源５０であってもよいし、あるいは予備電源５０とは別の予備電源であってもよい。

第１圧縮機１２と切替装置４２は、第１給電線５４で接続され、第２圧縮機１４と切替装置４２は、第２給電線５６で接続されている。また、コールドヘッド１６の室温部１８と切替装置４２は、コールドヘッドケーブル５８で接続されている。スイッチ４４は、スイッチ制御部４６の制御のもとで、第１給電線５４または第２給電線５６のいずれかをコールドヘッドケーブル５８に接続する。コールドヘッドケーブル５８は、給電線と信号線のいずれかまたは両方を含む。一例として、第１給電線５４、第２給電線５６、およびコールドヘッドケーブル５８の給電線は、ＡＣ２００Ｖの給電線である。

また、第１圧縮機１２と切替装置４２は、第１信号線６０で接続され、第２圧縮機１４と切替装置４２は、第２信号線６２で接続されている。第１信号線６０は、第１圧縮機信号Ｓ１を第１圧縮機１２からスイッチ制御部４６に伝達し、第２信号線６２は、起動指令信号Ｓ２をスイッチ制御部４６から第２圧縮機１４に伝達する。一例として、第１信号線６０および第２信号線６２は、ＤＣ２４Ｖの信号線である。

第１圧縮機１２は、稼動しているとき第１圧縮機信号Ｓ１を切替装置４２のスイッチ制御部４６に出力し、停止しているとき第１圧縮機信号Ｓ１を出力しないように構成されている。第１圧縮機１２の運転状態が第１圧縮機信号Ｓ１の有無によって表される。一例として、第１圧縮機信号Ｓ１は、例えばＤＣ２４Ｖまたはその他の定電圧信号であり、第１圧縮機１２の稼働中は常時出力され、異常停止など停止中は出力されない。

あるいは、第１圧縮機１２は、稼動中には稼動状態（オン）を表す第１圧縮機信号Ｓ１を切替装置４２のスイッチ制御部４６に出力し、停止する際に停止状態（オフ）を表す第１圧縮機信号Ｓ１を出力するように構成されていてもよい。第１圧縮機１２は、少なくともオンからオフに切り替わるタイミングで第１圧縮機１２のオフを表す第１圧縮機信号Ｓ１を切替装置４２のスイッチ制御部４６に出力するように構成されていてもよい。第１圧縮機信号Ｓ１は、電圧、電流、またはそのほかの適切な電気的出力の二値的な高低によって、第１圧縮機１２が稼動しているか、または停止しているかを表してもよい。第１圧縮機信号Ｓ１は、第１圧縮機１２の運転状態を表す任意の電気信号または制御信号であってもよい。

スイッチ制御部４６は、第１圧縮機信号Ｓ１から定まる第２圧縮機１４の起動タイミングにて起動指令信号Ｓ２を出力するように構成されている。起動指令信号Ｓ２の有無によって第２圧縮機１４の起動タイミングが表される。一例として、起動指令信号Ｓ２は、例えばＤＣ２４Ｖまたはその他の定電圧信号であり、第２圧縮機１４の起動タイミングに限って出力される。起動指令信号Ｓ２は、電圧、電流、またはそのほかの適切な電気信号または制御信号であってもよい。

図６および図７は、第２実施形態に係る極低温冷凍機１０の動作を概略的に示す図である。図６には、極低温冷凍機１０が正常に動作している通常時における冷媒ガスの流れと切替装置４２の状態を示す。図７には、何らかの要因により第１圧縮機１２が停止した異常時における冷媒ガスの流れと切替装置４２の状態を示す。理解を助けるために、高圧ライン２４、低圧ライン２６において冷媒ガスが流れている部分を太線で示し、冷媒ガスが流れていない部分を細線で示す。

図６に示されるように、通常時には第１圧縮機１２が稼動しているから、切替装置４２に入力される第１圧縮機信号Ｓ１は第１圧縮機信号Ｓ１がオンであることを表す。このように、第１圧縮機信号Ｓ１がオンを表す場合には、スイッチ制御部４６は、スイッチ４４を第１給電線５４に接続する。よって、第１圧縮機１２がコールドヘッド１６に電力を供給することになる。

この場合、スイッチ制御部４６は、第２圧縮機１４を起動せずオフのままとする。すなわち、スイッチ制御部４６は、起動指令信号Ｓ２を出力しないか、またはオフを指示する信号を第２信号線６２を通じて第２圧縮機１４に出力する。

図６に示される配管システム２２における冷媒ガス流れは、図２に示されるものと同様である。第１圧縮機１２が運転され、第２圧縮機１４は停止しているので、高圧ライン２４を通じて第１圧縮機１２からコールドヘッド１６へと高圧の冷媒ガスが供給され、低圧ライン２６を通じてコールドヘッド１６から第１圧縮機１２へと低圧の冷媒ガスが回収される。第２逆止弁２９により第１圧縮機１２から第２圧縮機１４への高圧ライン２４を通じた逆流は防止され、第４逆止弁３１により第２圧縮機１４からの低圧ライン２６を通じた逆流も防止される。

図７に示されるように、スイッチ制御部４６は、第１圧縮機信号Ｓ１がオフを表す場合には、スイッチ４４を第２給電線５６に接続する。第１圧縮機信号Ｓ１がオンからオフに切り替わると同時に、スイッチ４４も第１給電線５４から第２給電線５６に切り替わる。それと同時に、スイッチ制御部４６は、第２圧縮機１４に起動指令信号Ｓ２を第２圧縮機１４に出力する。こうして、第２圧縮機１４はオフからオンに切り替わり、第２圧縮機１４の運転が開始される。第１圧縮機１２が停止しても、第２圧縮機１４が継続してコールドヘッド１６に電力を供給する。

図７に示される配管システム２２における冷媒ガス流れは、図３に示されるものと同様である。第２圧縮機１４が運転され、第１圧縮機１２は停止しているので、高圧ライン２４を通じて第２圧縮機１４からコールドヘッド１６へと高圧の冷媒ガスが供給され、低圧ライン２６を通じてコールドヘッド１６から第２圧縮機１４へと低圧の冷媒ガスが回収される。第１逆止弁２８により第２圧縮機１４から第１圧縮機１２への高圧ライン２４を通じた逆流は防止され、第３逆止弁３０により第１圧縮機１２からの低圧ライン２６を通じた逆流も防止される。

このようにして、第２実施形態に係る極低温冷凍機１０は、第１圧縮機１２をコールドヘッド１６の主電源とし第２圧縮機１４をコールドヘッド１６の予備電源とする給電系統を有する。この給電系統は、第１圧縮機１２がオンであるときは第１圧縮機１２を利用する一方、第１圧縮機１２がオフであるときは第２圧縮機１４を利用するように、第１圧縮機１２の運転状態に応じて切り替わる。したがって、コールドヘッド１６への給電は第１圧縮機１２の運転状態によらず継続される。

また、第１圧縮機１２は第１圧縮機信号Ｓ１を切替装置４２に出力し、切替装置４２はスイッチ４４とスイッチ制御部４６とを備える。これにより、上述のように、第１圧縮機１２の異常停止に際して、コールドヘッド１６の電源と冷媒ガス源を第２圧縮機１４にまとめて迅速に切り替えることができる。例えば、極低温冷凍機１０は、第１圧縮機１２が停止した直後に、例えば約３０秒以内または約１分以内に、コールドヘッド１６の電源と冷媒ガス源を第２圧縮機１４に自動的に切り替えられる。こうして、極低温冷凍機１０は、低温部２０の冷却を維持することができる。

なお、同様にして、切替装置４２は、第２圧縮機１４が停止するとき第１圧縮機１２を起動するように構成されていてもよい。この場合、第２圧縮機１４は、第２圧縮機１４の運転状態を表す第２圧縮機信号を切替装置４２に出力するように構成されていてもよい。第２圧縮機信号は、第１圧縮機信号Ｓ１と同様に例えばＤＣ２４Ｖの定電圧信号またはそのほかの電気信号であってもよい。スイッチ制御部４６は、第２圧縮機信号に基づいて第１圧縮機１２の起動タイミングとスイッチ４４を制御してもよい。

このようにすれば、第１圧縮機１２の異常停止後に第１圧縮機１２の修理または交換を完了したとき、第１圧縮機１２を極低温冷凍機１０に復帰させる作業が容易になる。第２圧縮機１４をオンからオフに切り替えることによって、自動的に第１圧縮機１２を再び稼動させることができる。

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。

上述の実施の形態においては、極低温冷凍機１０は、一台のコールドヘッド１６と二台の圧縮機（１２，１４）を有するが、このような組み合わせには限られない。例えば、極低温冷凍機１０は、一台のコールドヘッド１６と三台またはそれより多数の圧縮機を有してもよい。

１０ 極低温冷凍機、 １２ 第１圧縮機、 １４ 第２圧縮機、 １６ コールドヘッド、 １６ａ 高圧ポート、 １６ｂ 低圧ポート、 ２２ 配管システム、 ２４ 高圧ライン、 ２４ｂ 第１高圧サブライン、 ２４ｃ 第２高圧サブライン、 ２５ 合流部、 ２６ 低圧ライン、 ２６ｂ 第１低圧サブライン、 ２６ｃ 第２低圧サブライン、 ２７ 分流部、 ２８ 第１逆止弁、 ２９ 第２逆止弁、 ３０ 第３逆止弁、 ３１ 第４逆止弁、 ３２ マニホールド、 ４２ 切替装置、 ４４ スイッチ、 ４６ スイッチ制御部、 Ｓ１ 第１圧縮機信号。

Claims (5)

1. 第１圧縮機と、
   第２圧縮機と、
   高圧ポートと低圧ポートとを有するコールドヘッドと、
   前記第１圧縮機と前記第２圧縮機から合流部を経て前記コールドヘッドの前記高圧ポートへと冷媒ガスが流れることができるように構成された高圧ラインであって、
   前記第１圧縮機を前記合流部に接続し、第１逆止弁を有する第１高圧サブラインと、
   前記第２圧縮機を前記合流部に接続し、第２逆止弁を有する第２高圧サブラインと、を備える高圧ラインと、
   前記コールドヘッドの前記低圧ポートから分流部を経て前記第１圧縮機と前記第２圧縮機に前記冷媒ガスが流れることができるように構成された低圧ラインであって、
   前記分流部を前記第１圧縮機に接続し、第３逆止弁を有する第１低圧サブラインと、
   前記分流部を前記第２圧縮機に接続し、第４逆止弁を有する第２低圧サブラインと、を備える低圧ラインと、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。
2. 前記第１圧縮機は、前記コールドヘッドの主電源として前記コールドヘッドに電気的に接続され、
   前記第２圧縮機は、前記コールドヘッドの予備電源として前記コールドヘッドに電気的に接続され、
   前記極低温冷凍機は、前記第１圧縮機の運転状態に応じて前記コールドヘッドへの電源供給を前記第１圧縮機と前記第２圧縮機との間で切り替えるように構成された切替装置をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
3. 前記第１圧縮機は、前記第１圧縮機の運転状態を表す第１圧縮機信号を前記切替装置に出力するように構成され、
   前記切替装置は、
   前記コールドヘッドへの電源供給を前記第１圧縮機と前記第２圧縮機との間で切り替えるスイッチと、
   前記第１圧縮機信号に基づいて前記第２圧縮機の起動タイミングと前記スイッチを制御するスイッチ制御部と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機。
4. 前記合流部と前記分流部を有し、前記第１逆止弁、前記第２逆止弁、前記第３逆止弁、および前記第４逆止弁を内蔵したマニホールドを備え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。
5. 第１圧縮機と第２圧縮機から合流部を経てコールドヘッドの高圧ポートへと冷媒ガスが流れることができるように構成された高圧ラインであって、
   前記第１圧縮機を前記合流部に接続し、第１逆止弁を有する第１高圧サブラインと、
   前記第２圧縮機を前記合流部に接続し、第２逆止弁を有する第２高圧サブラインと、を備える高圧ラインと、
   前記コールドヘッドの低圧ポートから分流部を経て前記第１圧縮機と前記第２圧縮機に前記冷媒ガスが流れることができるように構成された低圧ラインであって、
   前記分流部を前記第１圧縮機に接続し、第３逆止弁を有する第１低圧サブラインと、
   前記分流部を前記第２圧縮機に接続し、第４逆止弁を有する第２低圧サブラインと、を備える低圧ラインと、を備えることを特徴とする極低温冷凍機の配管システム。

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