JP2019505751A - デュアル・アフタークーラー付きヘリウムコンプレッサ - Google Patents

Abstract

本発明は、周囲温度が１５℃〜３０℃の範囲にある室内環境に設置されるオイル潤滑ヘリウムコンプレッサシステムを提供する。該システムは、コンプレッサと、該コンプレッサの内部または外部にあって、圧縮されたヘリウムおよびオイルの混合物を受け取り、該ヘリウムおよびオイルを個別のポートを通じて吐出する、セパレータと、前記ヘリウムおよびオイルを冷却する、水冷式アフタークーラーと、熱交換器およびファンを備え、前記水冷式アフタークーラーに対して直列に接続され、 前記ヘリウムおよびオイルを冷却する、空冷式アフタークーラーと、前記ヘリウムの吐出ポートから伸長し、前記水冷式アフタークーラーおよび前記空冷式アフタークーラーを通過し、前記ヘリウムが、前記水冷式アフタークーラーおよび前記空冷式アフタークーラーの一方または両方に冷却される、第１のラインと、および、前記オイルの吐出ポートから伸長し、前記水冷式アフタークーラーおよび前記空冷式アフタークーラーを通過し、前記オイルが、前記水冷式アフタークーラーおよび前記空冷式アフタークーラーの一方または両方に冷却される、第２のラインと、を備える。

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、水または空気の供給に障害が生じた場合に、水冷と空冷との間の冗長性を提供するデュアル・アフタークーラーに関する。

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を通して、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、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入力において良好に運転する。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。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、通常は室内に備えられ、コンプレッサは、通常は水により冷却される。水は、たいていの場合、冷水装置により循環される。室内に設けられる空冷式コンプレッサは、一般的には温１５℃〜３０℃の温度範囲に調節された空気により冷却される。

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、冷却される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。

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号には、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、その排気量の約２％をオイルを流すこと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向きに配置され、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向きに配置され、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。コープランド社製および日立製作所製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、ヘリウムおよびオイル用に、１つ以上のアフタークーラー内に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用の一般的な配置である。一部のヘリウムコンプレッサシステムでは、空冷式のアフタークーラーは室内に設置されるが、アフタークーラーが空調システムに追加的な熱負荷を与えるため、コンプレッサと一体の場合でも分離されている場合のいずれの場合において、空冷式のアフタークーラーを室外に設置することがより一般的である。米国特許第８，９７８，４００号は、空冷式オイルクーラーを室外に設置し、空冷あるいは水冷により冷却されたヘリウムを使用する他のすべての部品を室内に設置する、日立製作所のスクロールコンプレッサを用いた配置を開示している。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室温１５℃〜３０℃の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。

ドイツ国特許第３０２３９２５号は、水を冷却するための空冷式熱交換器と、水を循環させるポンプとを用いたオプションを有する水冷式アフタークーラーを備えた、ヘリウムコンプレッサシステムを開示している。この装置では、ヘリウム／オイル−水熱交換機と水−空気熱交換機との温度差が生じ、ヘリウムおよびオイルの温度がより高温となり、ヘリウムにより多くの汚染物質が放出される。

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 ドイツ国特許第３０２３９２５号

本発明の目的は、好ましくはＧＭサイクル膨張器である膨張器とともに作動し、極低温を生成するためのヘリウムコンプレッサ用のアフタークーラーに、冗長性を提供することにある。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。

水冷システムに欠陥が生じた場合に備え、本発明では、空冷式アフタークーラーを用いたバックアップ冷却が提供される。好ましいオプションでは、空冷式アフタークーラーが、
水冷式アフタークーラーと直列に配置され、第２のオプションでは、これらのアフタークーラーが平行に配置される。

図１は、水冷式アフタークーラーと直列に配置される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２は、水冷式アフタークーラーと平行に配置される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路図である。

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、水冷式アフタークーラーと直列に配置された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り、図２は、水冷式アフタークーラーと並行して配置された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。これらの図面は、日立製作所の縦置き型スクロールコンプレッサを示しているが、その概略構成は、コープランド社の横置き型スクロールコンプレッサでも同様である。

すべて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と内部リリーフバルブ３５、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３８である。吸着器のアウトレットガス継手３８から、高圧ヘリウムが、ライン４９を通じて膨張器１へ供給され、その後、ガスは、ライン５０、連結器３８、ライン１７を通じて低圧でコンプレッサに戻される。

図１に示したコンプレッサシステム１００は、空冷式アフタークーラー６と直列に配置された水冷式アフタークーラー５を備える。高圧ヘリウムは、コンプレッサ２から、アフタークーラー５および６を通じ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、アフタークーラー５および６を通じ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と向流熱伝達関係の状態でアフタークーラー５を通って、流動する。ファン２７は、ヘリウムおよびオイルと向流熱伝達関係の状態でアフタークーラー６を通るように、空気を流動させる。

このシステムは、一般的には、１０℃〜３０℃に冷却された水が利用可能なインドア用に適用され、水冷式アフタークーラー６が一次冷却器となっている。ヘリウムおよびオイルは、通常、アフタークーラー５から室温付近で流出するため、ファン２７は、膨大な熱量を空気にあるいは空気から移動させることなく、連続的に作動することが可能である。連続的に作動するファンを有することにより、何らの対応をしなくても、冷却水回路がブロックされた場合における、冗長性が提供される。他のオプションでは、水冷式アフタークーラー５から流出するヘリウムおよび／またはオイルの温度をセンシングして、その温度が所定温度を超過した場合にファン２７をオンにし、その温度が所定温度未満まで低下した場合にファン２７をオフにする制御回路が設置される。そのような温度センサは、センサ３０として図示したように、取り付けることが可能である。

図２は、コンプレッサシステム２００の概略構成図である。コンプレッサシステム２００は、水冷式アフタークーラー５と平行に配置された空冷式アフタークーラー６を有するオイル潤滑ヘリウムコンプレッサシステムからなる。ヘリウムは、高圧でコンプレッサ２からライン４０を通って三方バルブ２４まで流動する。三方バルブ２４は、ヘリウムが、ライン４１を通って水冷式アフタークーラー５を通過し、さらにライン４３を通ってオイルセパレータ７に達することを可能にする位置に設置されている。オイルは、高圧でコンプレッサ２からライン４５を通って三方バルブ２５まで流動する。三方バルブ２５は、オイルが、ライン４６を通って水冷式アフタークーラー５を通過し、さらにライン４８を通ってメインオイル制御リストリクタ２２に達することを可能にする位置に設置されている。ヘリウムおよびオイルが、アフタークーラー５を通じて空冷式アフタークーラー６へ流動するように切り替えるために、三方バルブ２４および２５は、反時計回りに９０度回転する。これらのバルブが切り替えられると、ヘリウムはライン４２を通って空冷式アフタークーラー６を通過し、ライン４３を通ってオイルセパレータ７へ流動する。オイルは、ライン４７を通って空冷式アフタークーラー６を通過し、ライン４８を通ってメインオイル制御リストリクタ２２へ流動する。バルブの切り替えは、手動あるいは自動で行われ、上述したように温度センサ３０に基づいて制御される。ファン２７は、ヘリウムおよびオイルが空冷式アフタークーラー６を通過する際にオンとなる。制御システムは、いずれのアフタークーラーを使用するか、欠陥が生じた場合の別のアフタークーラーへの切り替え時点、ファンのオンとオフの切り替え時点、および、給水バルブの開閉の切り替え時点などを決定する。制御システムは、コンプレッサシステムにその一部として含まれる、あるいは、外部制御システム内に配置される。

一般的には、水冷式アフタークーラーが一次冷却器として用いられるが、空冷式アフタークーラーを一次冷却器として用い、水冷式アフタークーラーをバックアップとして用いる場合もある。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。輸送時においては、冷水の使用はできないが電力は使用できるため、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、輸送中にも、ＭＲＩマグネットを低温に維持させることができる。

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 (10)

1. 周囲温度が１５℃〜３０℃の範囲にある室内環境に設置される、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、
   コンプレッサと、
   前記コンプレッサの内部または外部にあって、圧縮されたヘリウムおよびオイルの混合物を受け取り、該ヘリウムおよびオイルを個別のポートを通じて吐出する、セパレータと、
   前記ヘリウムおよびオイルを冷却する、水冷式アフタークーラーと、
   熱交換器およびファンを備え、前記水冷式アフタークーラーに対して直列に接続され、 前記ヘリウムおよびオイルを冷却する、空冷式アフタークーラーと、
   前記ヘリウムの吐出ポートから伸長し、前記水冷式アフタークーラーおよび前記空冷式アフタークーラーを通過し、前記ヘリウムが、前記水冷式アフタークーラーおよび前記空冷式アフタークーラーの一方または両方に冷却される、第１のラインと、および、
   前記オイルの吐出ポートから伸長し、前記水冷式アフタークーラーおよび前記空冷式アフタークーラーを通過し、前記オイルが、前記水冷式アフタークーラーおよび前記空冷式アフタークーラーの一方または両方に冷却される、第２のラインと、
   を備え、
   前記第１ラインおよび第２ラインは互いに独立している、
   コンプレッサシステム。
2. 第１ラインおよび第２ラインは、前記空冷式アフタークーラーを通過する前に、前記水冷式アフタークーラーを通過する、請求項１に記載のコンプレッサシステム。
3. コントローラに接続された１つ以上のセンサを有する、請求項１に記載のコンプレッサシステム。
4. 周囲温度が１５℃〜３０℃の範囲にある室内環境に設置される、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、
   コンプレッサと、
   前記コンプレッサの内部または外部にあって、圧縮されたヘリウムおよびオイルの混合物を受け取り、該ヘリウムおよびオイルを個別のポートを通じて吐出する、セパレータと、
   水冷式アフタークーラーと、
   空冷式アフタークーラーと、
   前記ヘリウムの吐出ポートから伸長し、三方バルブを通過して、前記水冷式アフタークーラーおよび前記空冷式アフタークーラーの一方を通過し、前記ヘリウムが、前記水冷式アフタークーラーおよび前記空冷式アフタークーラーの一方に冷却される、第１のラインと、および、
   前記オイルの吐出ポートから伸長し、三方バルブを通過して、前記水冷式アフタークーラーおよび前記空冷式アフタークーラーの一方を通過し、前記オイルが、前記水冷式アフタークーラーおよび前記空冷式アフタークーラーの一方に冷却される、第２のラインと、
   を備え、
   第１ラインおよび第２ラインは互いに独立している、
   コンプレッサシステム。
5. 前記オイルおよびヘリウムは、前記空冷式および水冷式アフタークーラーの一方を通過する、請求項４に記載のオイル潤滑ヘリウムコンプレッサシステム。
6. 周囲温度が１５℃〜３０℃の範囲にある室内環境に設置される、オイル潤滑ヘリウムコンプレッサシステムの操作方法であって、
   前記コンプレッサシステムは、
   コンプレッサと、
   前記コンプレッサの内部または外部にあって、圧縮されたヘリウムおよびオイルの混合物を受け取り、該ヘリウムおよびオイルを個別のポートを通じて吐出する、セパレータと、
   前記ヘリウムおよびオイルを冷却する、水冷式アフタークーラーと
   熱交換器およびファンを備え、前記水冷式アフタークーラーに対して直列に接続され、 前記ヘリウムおよびオイルを冷却する、空冷式アフタークーラーと、
   前記水冷式アフタークーラーにおける欠陥を検知するようプログラムされたコントローラに接続された、１つ以上のセンサと、
   前記ヘリウムの吐出ポートから伸長し、前記水冷式アフタークーラーおよび前記空冷式アフタークーラーを通過し、前記ヘリウムが、前記水冷式アフタークーラーおよび前記空冷式アフタークーラーの一方または両方に冷却される、第１のラインと、および、
   前記オイルの吐出ポートから伸長し、前記水冷式アフタークーラーおよび前記空冷式アフタークーラーを通過し、前記オイルが、前記水冷式アフタークーラーおよび前記空冷式アフタークーラーの一方または両方に冷却される、第２のラインと、
   を備え、
   第１ラインおよび第２ラインは互いに独立しており、
   該方法は、
   （ａ）水が、前記水冷式アフタークーラーを流動する状態で、前記コンプレッサを作動させる工程と、
   （ｂ）前記水冷式アフタークーラー内における欠陥を検知する工程と、
   （ｃ）前記ファンをオンにする工程と、
   を備える、
   オイル潤滑ヘリウムコンプレッサシステムの操作方法。
7. 前記ファンは、常にオン状態にある、請求項５に記載の方法。
8. 周囲温度が１５℃〜３０℃の範囲にある室内環境に設置される、オイル潤滑ヘリウムコンプレッサシステムの操作方法であって、
   前記コンプレッサシステムは、
   コンプレッサと、
   前記コンプレッサの内部または外部にあって、圧縮されたヘリウムおよびオイルの混合物を受け取り、該ヘリウムおよびオイルを個別のポートを通じて吐出する、セパレータと、
   水冷式アフタークーラーと、
   空冷式アフタークーラーと、
   前記水冷式アフタークーラーにおける欠陥を検知するようプログラムされたコントローラに接続された、１つ以上のセンサと、
   前記ヘリウムの吐出ポートから伸長し、三方バルブを通過して、前記水冷式アフタークーラーおよび前記空冷式アフタークーラーの一方を通過し、前記ヘリウムが、前記水冷式アフタークーラーおよび前記空冷式アフタークーラーの一方に冷却される、第１のラインと、および、
   前記オイルの吐出ポートから伸長し、三方バルブを通過して、前記水冷式アフタークーラーおよび前記空冷式アフタークーラーの一方を通過し、前記オイルが、前記水冷式アフタークーラーおよび前記空冷式アフタークーラーの一方に冷却される、第２のラインと、
   を備え、
   第１ラインおよび第２ラインは互いに独立しており、
   該方法は、
   （ａ）前記ヘリウムおよびオイルが、前記水冷式アフタークーラーにより冷却されている状態で、前記コンプレッサを作動させる工程と、
   （ｂ）前記水冷式アフタークーラー内における欠陥を検知する工程と、
   （ｃ）前記ヘリウムおよびオイルの流動を、前記水冷式アフタークーラーから前記空冷式アフタークーラーへと切り替える工程と、
   を備える、
   オイル潤滑ヘリウムコンプレッサシステムの操作方法。
9. 冷却システムが極低温で作動する、建物の内部を１５℃〜３０℃の温度範囲に維持する際の節電方法であって、
   前記システムは、
   ＧＭおよびブレイントンサイクル膨張器のうちの１つと、
   オイル潤滑ヘリウムコンプレッサと、
   前記ヘリウムおよびオイルを冷却する、水冷式アフタークーラーと、および、
   熱交換器およびファンを備え、前記水冷式アフタークーラーに対して直列に接続され、 前記ヘリウムおよびオイルを冷却する、空冷式アフタークーラーと、
   を備え、
   該方法は、
   前記建物外の気温が該建物内の室温よりも高い場合に、水が、前記水冷式アフタークーラー内を流動する状態で、該冷却システムを作動させ、および、前記空冷式アフタークーラーの前記ファンをオフにし、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、水が、前記水冷式アフタークーラー内を流動しない状態で、該冷却システムを作動させ、および、前記空冷式アフタークーラーの前記ファンをオンにする工程を備える、
   節電方法。
10. 建冷却システムが極低温で作動する、建物の内部を１５℃〜３０℃の温度範囲に維持する際の節電方法であって、
    前記システムは、
    ＧＭおよびブレイントンサイクル膨張器のうちの１つと、
    オイル潤滑ヘリウムコンプレッサと、
    前記ヘリウムおよびオイルを冷却する水冷式アフタークーラーと、および、
    熱交換器およびファンを備え、前記水冷式アフタークーラーに対して並列に接続され、 前記ヘリウムおよびオイルを冷却する、空冷式アフタークーラーと、
    を備え、
    前記方法は、
    前記建物外の気温が前記建物内の室温よりも高い場合に、前記ヘリウムおよびオイルが、前記水冷式アフタークーラーを通じる状態で、該冷却システムを作動させ、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、前記ヘリウムおよびオイルが、前記空冷式アフタークーラーを通じる状態で、該冷却システムを作動させる工程を備える、
    節電方法。

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