JP2019505710A - デュアル・ヘリウムコンプレッサ - Google Patents

Abstract

本発明は、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）サイクルまたはブレイトンサイクルで運転する極低温冷却システムに用いられるオイル潤滑ヘリウムコンプレッサ装置に関する。本発明は、水冷式コンプレッサに、空冷式コンプレッサおよび血管を検出するためのセンサを追加することにより、冗長性を提供し、水または空気の供給に欠陥が生じた場合でも、膨張器の運転を継続可能とする。

Description

本発明は、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）サイクルおよびブレイトンサイクルで運転する極低温冷却システムに用いられるオイル潤滑ヘリウムコンプレッサ装置に関する。より具体的には、本発明は、水冷または空冷に支障が生じた場合、あるいは、水冷または空冷または両方で運転することにシステム上の利点がある場合に、水冷と空冷との間に冗長性を提供するデュアルコンプレッサに関する。

ＧＭサイクル冷却器の運転の基本原理は、ＭｃＭａｈｏｎらの米国特許第２，９０６，１０１号に開示されている。ＧＭサイクル冷却器は、ガスを吐出圧力で吸気バルブへ供給するコンプレッサを備え、再生器を通して膨張空間へとガスを送り、冷却する物体から熱を受け取る低温側熱交換器内においてガスを断熱膨張させ、その後、このガスを再生器および排気バルブに通してコンプレッサに戻すように構成される。ＧＭサイクルは、量産性のあるオイル潤滑空調コンプレッサを利用でき、信頼性があり、長寿命の冷却器を最小限のコストで作製することができることから、主に小規模な商用冷却器において極低温を生成する最も有力な手段となっている。ＧＭサイクル冷却器は、設計冷媒に代替してヘリウムを用いた場合であっても、冷媒空調コンプレッサの設計限度内における圧力および電力で良好に運転する。一般的には、ＧＭ冷却器は、約２ＭＰａの高圧、約０．８ＭＰａの低圧で運転する。

ブレイトンサイクルで運転し冷却を提供するシステムは、熱交換機に吐出圧力でガスを供給するコンプレッサを備え、吸気バルブを通して膨張空間へとガスを送り、ガスを断熱膨張させ、排気バルブを通して膨張したガス（より低温である）を排出し、冷却された負荷を通して低温ガスを循環させ、その後、熱交換機を通して低圧でコンプレッサに戻すように構成される。極低温で運転するブレイトンサイクル冷却器は、ＧＭサイクル冷却器に用いられるコンプレッサと同一のコンプレッサを用いて運転するように設計することも可能である。

ＧＭ冷却器内の低温膨張器は、一般的には、長さ５ｍ〜２０ｍのガスラインによってコンプレッサから離間されている。膨張器およびコンプレッサは、通常は室内に設置され、コンプレッサは、通常は水により冷却される。水は、ほとんどの場合において、冷水装置により、コンプレッサ用の設計温度である１０℃〜４０℃の範囲の温度のミッドレンジにある温度で、循環される。室内に設けられる空冷式コンプレッサは、一般的には、１５℃〜３０℃の温度範囲に調節された空気により冷却される。

ヘリウムを含む単原子ガスは、圧縮時に、通常の冷媒に比べて非常に熱くなるため、空調サービス用に設計されたコンプレッサは、ヘリウムを圧縮する際に追加的な冷却を必要とする。米国特許第７，６７４，０９９号は、コープランド（Ｃｏｐｅｌａｎｄ）社製のスクロールコンプレッサを、ヘリウムとともにオイルをそのスクロールに注入できるようにして、その吐出量の約２％をオイルに用いる手段が開示されている。圧縮熱の約７０％が高熱オイルとしてコンプレッサから排出され、残余が高温ヘリウムとしてコンプレッサから排出される。

コープランド社製のコンプレッサは横置きに配置され、ヘリウムからオイルの大半を除去するための外部バルクオイルセパレータを必要とする。ヘリウムの圧縮に広く使われている他のスクロールコンプレッサとして、株式会社日立製作所製のコンプレッサがある。日立製作所製のコンプレッサは縦置きに配置され、ヘリウムおよびオイルは、コンプレッサ頂部に設けられた個別のポートを通してスクロールへ直接導入され、コンプレッサのシェル内部に吐出される。オイルの大半は、シェル内でヘリウムから分離され、底部近傍でシェルから流出する一方、ヘリウムは頂部近傍にてシェルから流出する。

コープランド社製のスクロールコンプレッサあるいは日立製作所製のスクロールコンプレッサを用いるヘリウムコンプレッサシステムは、１つ以上のアフタークーラー内に、ヘリウム用およびオイル用の個別のチャネルを有する。熱は、オイルおよびヘリウムから、空気または水へと移動される。冷却されたオイルはコンプレッサに戻され、冷却されたヘリウムは、膨張器へ流動する前に、第２オイルセパレータおよび吸着器を通過する。米国特許第７，６７４，０９９号は、水によって冷却される単一の熱交換器としてのアフタークーラー８を開示している。これは、冷水が利用可能な室内で運転するヘリウムコンプレッサシステムの一般的な配置である。空冷式コンプレッサは、室内あるいは室外のいずれかで作動できるように設計される。

米国特許第８，９７８，４００号の図３Ａおよび３Ｂは、２つの空冷式オイル冷却器を備える配置を示しており、冷却器の１つは室内に、他方は室外に、常に空冷されているヘリウムを用いる、その他のすべての部品は室内にある。米国特許第８，９７８，４００号において説明されているように、ヘリウムを内部に有するすべての部品を空調の効いた１５℃〜３０℃の範囲の温度にある室内に保持することにより、高温オイルから生じる汚染物質が最小限に抑えられるとともに、最後の吸着器の寿命を延長させることができる。

夏季に熱を外部に部分的またはすべて排出することにより、空調システムへの負荷を軽減でき、冬季に熱を室内空気へ移すことにより、ヒーティングシステムへの負荷を軽減することができる。２つのコンプレッサのうち、一方のコンプレッサを空冷式として室内または室外で運転し、他方のコンプレッサを水冷式として室内で運転することにより、一方の運転に支障が生じた場合でも冗長性が提供され、それぞれが年間の大半を運転する場合でも、サービス間の時間を延長することが可能となる。

米国特許第２，９０６，１０１号 米国特許第７，６７４，０９９号 米国特許第８，９７８，４００号

本発明の目的は、ＧＭサイクル膨張器とともに運転するヘリウムコンプレッサにおいて、極低温の冷却を提供するために、冗長性を提供することである。

重要な応用としては、４Ｋ付近の温度で稼働し、非常に信頼性の高い運転が要求される超伝導ＭＲＩマグネットの冷却がある。ＭＲＩシステムの大半は病院に設置され、冷却水が利用可能であるため、ヘリウムコンプレッサ内の主要なアフタークーラーは、水冷式である。本発明は、水冷システムまたは水冷式コンプレッサに支障が生じた場合に、共通マニホールドに接続された、バックアップの空冷式ヘリウムコンプレッサを提供するが、１つのコンプレッサから他方のコンプレッサへの切り替えが膨張器の運転に影響を与えないようにする。

図１は、供給マニホールドおよび戻りマニホールドに接続された、コンプレッサの概略図である。 図２は、空冷式アフタークーラーを有するオイル潤滑ヘリウムコンプレッサシステムの概略構成図である。 図３は、水冷式アフタークーラーを有するオイル潤滑ヘリウムコンプレッサシステムの概略構成図である。

同一または類似する部位についは、図面においては同一の符号を付し、明細書においては繰り返しの説明は省略される。

図１は、ＧＭ膨張器にガスを供給可能とするための、空冷式オイル潤滑ヘリウムコンプレッサ１００と水冷式オイル潤滑ヘリウムコンプレッサ２００との連結を示す概略図である。膨張器から戻るガスは、カップリング５２を通って、低圧マニホールド５０に流入し、チェックバルブ１０を通って、空冷式コンプレッサ１００に流入する、あるいは、チェックバルブ１１を通って、水冷式コンプレッサ２００に流入する。いずれのコンプレッサも、カップリング５３を介して、高圧マニホールド５１およびＧＭ膨張器に接続される。チェックバルブ１０および１１は、コンプレッサがオフ状態となった場合に、ガスが戻りガスマニホールド５０に流入することを防ぐ。両方のコンプレッサを高圧マニホールド５１に直接接続することにより、高圧でオフ状態とすることができ、かつ、オフ状態のコンプレッサからオン状態のコンプレッサにオイルが移動してしまうことが防止される。単一のオイル潤滑コンプレッサを備えるＧＭ冷却器がシャットダウンした場合は、たとえば、オイルセパレータおよび吸着器において、通常、多くの容量が高圧にあるため、平衡圧力は低圧よりも高圧に近い。２つのコンプレッサが並列に接続され、１つだけが稼働して他方が高圧である場合、両方のコンプレッサをオフ状態とする場合に要する平衡圧力は、両方のコンプレッサが別々に膨張器に接続される場合よりも、高くなる。

図２は、空冷式アフタークーラーを有するオイル潤滑ヘリウムコンプレッサシステム１００の概略構成図であり、図３は、水冷式アフタークーラーを有するオイル潤滑ヘリウムコンプレッサシステム２００の概略構成図である。本発明の譲受人により現在製造されている標準的なコンプレッサシステムは、本質的にはこれらの図に示したものと同一である。これらの図は、日立製作所製の縦置きスクロールコンプレッサを示すが、コープランド社製の横置きコンプレッサを適用した場合の構成も同様となる。

両方の図面に共通するコンプレッサシステムの部品は、コンプレッサシェル２、シェル内の高圧容積部４、コンプレッサスクロール１３、ドライブシャフト１４、モータ１５、オイルポンプ１８、コンプレッサの底部にあるオイル２６、オイルリターンライン１６、ヘリウムリターンライン１７、スクロールからのヘリウム／オイル混合物吐出１９、オイルセパレータ７、吸着器８、メインオイルフロー制御オリフィス２２、オイルセパレータからのオイルの流量を制御するオリフィス２３、オイルセパレータ７から吸着器８へのガスライン３３、内部リリーフバルブ３５、均圧ソレノイドバルブ３９、内部リリーフバルブ３５からヘリウムリターンライン１７への、および、均圧ソレノイドバルブ３９からヘリウムリターンライン１７へのガスライン３４、吸着器のインレットガス継手３６、吸着器のアウトレットガス継手３７である。吸着器のアウトレットガス継手３７から、高圧ヘリウムが膨張器１へ供給され、その後、ガスは、膨張機からカップリング３８を介して低圧で戻される。

図２に示した空冷式コンプレッサシステム１００では、高圧ヘリウムは、コンプレッサ２から空冷式アフタークーラー６を介してオイルセパレータ７まで伸長するライン２０を通って流動する。高圧オイルは、コンプレッサ２から空冷式アフタークーラー６を介してメインオイル制御オリフィス２２まで伸長するライン２１を通って流動する。ファン２７は、ヘリウムおよびオイルに対して向流熱伝達関係の状態でアフタークーラー６を通じる空気を流動させる。

図３に示した水冷式コンプレッサシステム２００では、高圧ヘリウムは、コンプレッサ２から水冷式アフタークーラー５を介してオイルセパレータ７まで伸長するライン２０を通って流動する。高圧オイルは、コンプレッサ２から水冷式アフタークーラー５を介してメインオイル制御オリフィス２２まで伸長するライン２１を通って流動する。冷却水９は、ヘリウムおよびオイルに対して向流熱伝達関係の状態でアフタークーラー６内を流動する。

空調冷媒用に設計されたオイル潤滑コンプレッサを用いる際の最も重要な問題は、オイルの管理である。ヘリウムを冷却するためにガスとともに大量のオイルが圧縮されるが、極低温膨張器は、オイルへの耐性がないため、大規模なオイル除去システムが必要とされる。また、スタートおよびシャットダウンの際にオイルが移動する懸念もある。均圧ソレノイドバルブ３９は、コンプレッサがオフ状態の場合に開口して、コンプレッサ２内の高圧ガスが、オイルを戻りライン１７を逆流させて、オイルが膨張器まで移動してしまうことを防止する。

水冷式アフタークーラーを一次冷却器として用いることは一般的であるが、空冷式アフタークーラーが一次冷却器で、水冷式アフタークーラーがバックアップとして用いられる場合もある。輸送時には、電力の利用は可能であるが、冷却水の利用はできないため、空冷式コンプレッサを用いて冷却器を作動させることにより、輸送時にも、ＭＲＩマグネットを低温に保持することができる。また、空冷式アフタークーラーを冬期に建物を暖めるために用い、水冷式アフタークーラーを夏期にエアコンの負荷を最小限に抑えるために用いることも可能である。

水冷式アフタークーラーにおける支障ないしは欠陥の主たる原因は、熱交換機の汚れ、冷却水が低流量となること、および、流入水が高温であることである。空冷式アフタークーラーにおける支障ないし欠陥の主たる原因は、気流の閉塞、ファンの欠陥、空気の温度が高温であることである。冷却システムの運転を監視するために、温度センサおよび圧力センサが使用される。欠陥の検出に不可欠である温度センサは、水冷式アフタークーラー５から出たオイルの温度、空冷式アフタークーラー６から出たオイルの温度、コンプレッサ２からライン２０に吐出されたヘリウムの温度、コンプレッサ２からライン２１に吐出されたオイルの温度、水冷式アフタークーラー５に出入りする水ライン９の水の温度、室内温度および室外温度などのパラメータのうちの１つ以上を測定可能なライン上に設置される。冷却水流量センサなどの、他の障害センサも使用することができる。

ＭＲＩマグネットなど、冷却されるシステムは、通常、２つのコンプレッサのどちらが作動しているか判断する制御システムを有する。それぞれのコンプレッサにおける、いずれのセンサが、１つのコンプレッサから他方のコンプレッサにいつ切り替えるかを決定するために用いられる重要な信号を提供するかについて、設計段階で決定される。他方のコンプレッサをオンにする前に運転中のコンプレッサをオフ状態にして切り替えを行うことが可能であるが、コンプレッサをオフにする前に、オフ状態であったコンプレッサをオンにすることが好ましい。同時に両方のコンプレッサを作動させる場合には、内部リリーフバルブ３５を通してガスをバイパスさせることになる。制御システムは、少なくとも１つのコンプレッサがオン状態である場合に、膨張器を運転状態に維持する。

本発明について、ＭＲＩマグネットを４Ｋで冷却するＧＭサイクル冷却器を用いて詳細に説明したが、本発明をブレイトンサイクル冷却器に適用することや、クライオポンプパネルを１５０Ｋで冷却することへの応用も可能である。また、本発明は、本発明の主題に従うかぎり、さらなる修正、使用および／または適合を行うことが可能であり、公知または本発明の属する技術分野における慣行による、本開示の内容からのそのような離脱も、も、本明細書に記載した本質的特徴が適用され、本発明の範囲内または添付した特許請求の範囲の限定範囲内であると理解される。さらに、本明細書中および要約において用いた語法および用語は、説明の目的で使用されたものであり、本発明を限定するものではない。

また、特許請求の範囲は、本明細書で説明した発明の一般的かつ具体的特徴のすべてを包含するものである。

Claims (8)

1. 極低温で運転する膨張器にガスを提供する、オイル潤滑ヘリウムコンプレッサシステムであって、
   該コンプレッサシステムは、
   第１供給サイドおよび第１戻りサイドを有する、空冷式コンプレッサと、
   第２供給サイドおよび第２戻りサイドを有する、水冷式コンプレッサと、
   前記空冷式コンプレッサの第１供給サイドおよび前記水冷式コンプレッサの第２供給サイドと、膨張器の高圧側とに接続された、ガス供給マニホールドと、
   前記空冷式コンプレッサの第１戻りサイドおよび前記水冷式コンプレッサの第２戻りサイドと、前記膨張器の低圧側とに接続された、ガス戻りマニホールドと、
   前記空冷式コンプレッサおよび前記水冷式コンプレッサのいずれかから、前記ガス戻りマニホールドに前記ガスが流動することを防ぐ、チェックバルブと、
   コントローラに接続され、運転パラメータを検出するための、複数のセンサと、
   を備え、
   前記コントローラにより、前記膨張器の運転に影響しないように、前記空冷式コンプレッサおよび前記水冷式コンプレッサの一方から、前記空冷式コンプレッサおよび前記水冷式コンプレッサの他方への運転の切り替えが制御される、
   コンプレッサシステム。
2. 前記水冷式コンプレッサおよび前記空冷式コンプレッサは、室内環境に設置される、請求項１に記載のオイル潤滑ヘリウムコンプレッサシステム。
3. 前記水冷式コンプレッサおよび前記空冷式コンプレッサは、室外環境に設置される、請求項１に記載のオイル潤滑ヘリウムコンプレッサシステム。
4. 前記膨張器は、前記水冷式コンプレッサおよび前記空冷式コンプレッサのうちの少なくとも１つがオン状態である場合に運転する、請求項１に記載のオイル潤滑ヘリウムコンプレッサシステム。
5. 前記膨張器は、ＧＭタイプおよびブレイトンタイプのいずれかである、請求項１に記載のオイル潤滑ヘリウムコンプレッサシステム。
6. 極低温で運転する、膨張器と、
   第１供給サイドおよび第１戻りサイドを有する、空冷式コンプレッサと、
   第２供給サイドおよび第２戻りサイドを有する、水冷式コンプレッサと、
   前記空冷式コンプレッサの第１供給サイドおよび前記水冷式コンプレッサの第２供給サイドと、膨張器の高圧側とに接続された、ガス供給マニホールドと、
   前記空冷式コンプレッサの第１戻りサイドおよび前記水冷式コンプレッサの第２戻りサイドと、前記膨張器の低圧側とに接続された、ガス戻りマニホールドと、
   コントローラと、
   前記空冷式コンプレッサおよび前記水冷式コンプレッサのいずれかから、前記ガス戻りマニホールドに前記ガスが流動することを防ぐ、チェックバルブと、
   コントローラに接続され、運転パラメータを検出するための、複数のセンサと、
   を備えるシステムを用いて、前記膨張器の運転を維持する方法であって、
   該方法は、
   （ａ）前記空冷式コンプレッサおよび前記水冷式コンプレッサのうちの、運転中のコンプレッサの冷却手段に障害が生じていることを決定するように、前記コントローラをプログラムし、および、
   （ｂ）前記空冷式コンプレッサおよび前記水冷式コンプレッサのうちの、オフ状態にあるコンプレッサをオンにする信号を、前記コントローラから該コンプレッサに送信し、その後、前記空冷式コンプレッサおよび前記水冷式コンプレッサのうちの、障害の生じているコンプレッサをオフにするための信号を、前記コントローラから該コンプレッサに送信する、
   工程を備え、
   前記空冷式コンプレッサおよび前記水冷式コンプレッサのうちのいずれかによる冷却に障害が生じている際にも、前記膨張機の運転を維持させる、方法。
7. 空冷式コンプレッサと、
   水冷式コンプレッサと、
   前記空冷式コンプレッサの供給サイドおよび前記水冷式コンプレッサの供給サイドと、膨張器の高圧側とに接続された、ガス供給マニホールドと、
   前記空冷式コンプレッサの戻りサイドおよび前記水冷式コンプレッサの戻りサイドと、前記膨張器の低圧側とに接続された、ガス戻りマニホールドと、
   前記空冷式コンプレッサおよび前記水冷式コンプレッサのうちのいずれかから、前記戻りマニホールドへガスが流動することを防ぐ手段と、
   を備える、冷却システムを用い、
   前記空冷式コンプレッサおよび前記水冷式コンプレッサの両方を、１５℃〜３０℃の温度範囲に維持された建物内部に設置し、
   前記空冷式コンプレッサおよび前記水冷式コンプレッサのいずれかを用いて、極低温で運転する前記膨張機を作動させ、
   前記建物外の気温が該建物内の室温よりも高い場合に、前記水冷式コンプレッサを作動させ、かつ、前記建物外の気温が前記建物内の室温よりも低い場合には、前記空冷式コンプレッサを作動させて、
   前記建物内部の温度を１５℃〜３０℃の温度範囲に維持するためのエネルギーの消費を抑える方法。
8. 前記水冷式コンプレッサおよび前記空冷式コンプレッサのうちの一方は、一方のコンプレッサがオン状態であり、他方のコンプレッサがオフ状態である期間に運転するように構成されている、請求項１に記載のオイル潤滑ヘリウムコンプレッサシステム。
   

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