JP2020125866A - 極低温冷却装置及びその運転方法 - Google Patents
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また、ヘリウム液化機/冷凍機に、ネオンガスを冷媒とするネオン冷凍機を組み合わせて、ネオン冷凍機で発生させた低温のネオンガスでヘリウムガスを予冷することでヘリウム液化機/冷凍機の能力を増加させるカスケードターボヘリウム冷凍液化装置が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
さらに、超電導ケーブルの予冷処理時に発生する低温の気化冷媒を有効活用することで、冷凍機の冷媒ガスをサブクール温度まで短時間で冷却することが可能な超電導ケーブル冷却装置が提案されている(例えば、特許文献3参照)。
[1] 第1液化冷媒を貯留する第1貯槽と、
前記第1貯槽と被冷却体との間にわたり、前記第1液化冷媒が循環する第1閉流路と、
前記第1閉流路に位置し、前記第1流路に前記第1液化冷媒を循環させる循環ポンプと、
第2液化冷媒を貯留する第2貯槽と、
前記第2貯槽の液相側に一端が接続し、前記第2液化冷媒が流通する第1供給経路と、
冷媒ガスが循環する第2閉流路と、前記第2閉流路に位置し、前記冷媒ガスを圧縮して循環させる圧縮機と、前記圧縮機の二次側の前記第2閉流路に位置し、前記冷媒ガスを断熱膨張させる膨張タービンと、前記膨張タービンの二次側の前記第2閉流路と前記第1閉流路とに位置する第1熱交換器と、前記圧縮機の二次側かつ前記膨張タービンの一次側の前記第2閉流路、前記第1熱交換器の二次側かつ前記圧縮機の一次側の前記第2閉流路、及び前記第1供給経路に位置する第2熱交換器と、を有する冷凍機と、
前記第1熱交換器の二次側の前記第1閉流路に位置する第1温度測定手段と、
前記第2熱交換器の一次側の前記第1供給経路に位置する第1開閉バルブと、
前記圧縮機、前記第1温度測定手段、及び前記第1開閉バルブとの間で電気信号の送信及び受信の少なくとも一方を行う制御手段と、を備える極低温冷却装置。
[2] 前記第2熱交換器の二次側かつ前記圧縮機の一次側の前記第2閉流路に位置し、前記制御手段との間で電気信号の送信及び受信の少なくとも一方を行う第2温度測定手段をさらに備える、[1]に記載の極低温冷却装置。
[3] 第1液化冷媒を貯留する第1貯槽と、
前記第1貯槽と被冷却体との間にわたり、前記第1液化冷媒が循環する第1閉流路と、
前記第1閉流路に位置し、前記第1流路に前記第1液化冷媒を循環させる循環ポンプと、
第2液化冷媒を貯留する第2貯槽と、
前記第2貯槽の液相側に一端が接続し、前記第2液化冷媒が流通する第1供給経路と、
冷媒ガスが循環する第2閉流路と、前記第2閉流路に位置し、前記冷媒ガスを圧縮して循環させる圧縮機と、前記圧縮機の二次側の前記第2閉流路に位置し、前記冷媒ガスを断熱膨張させる膨張タービンと、前記膨張タービンの二次側の前記第2閉流路と前記第1閉流路とに位置する第1熱交換器と、前記圧縮機の二次側かつ前記膨張タービンの一次側の前記第2閉流路、前記第1熱交換器の二次側かつ前記圧縮機の一次側の前記第2閉流路、及び前記第1供給経路に位置する第2熱交換器と、を有する冷凍機と、
前記第1熱交換器の二次側かつ前記第2熱交換器の一次側の前記第2閉流路に位置する第3温度測定手段と、
前記第2熱交換器の一次側の前記第1供給経路に位置する第1開閉バルブと、
前記圧縮機、前記第3温度測定手段、及び前記第1開閉バルブとの間で電気信号の送信及び受信の少なくとも一方を行う制御手段と、を備える極低温冷却装置。
[4] 前記第2貯槽の気相側に一端が接続し、前記第2熱交換器の二次側の前記第1供給経路に他端が接続する第2供給経路と、
前記第2供給経路に位置し、前記制御手段との間で電気信号の送信及び受信の少なくとも一方を行う第2開閉バルブと、をさらに備える、[1]乃至[3]のいずれかに記載の極低温冷却装置。
[5] 前記第2貯槽の液相側に一端が接続し、前記被冷却体の二次側かつ前記第1貯槽の一次側の前記第1閉流路に他端が接続する第3供給経路と、
前記第3供給経路に位置し、前記制御手段との間で電気信号の送信及び受信の少なくとも一方を行う第3開閉バルブと、をさらに備える、[1]乃至[4]のいずれかに記載の極低温冷却装置。
[6] 前記第1液化冷媒と前記第2液化冷媒とが、液体窒素である、[1]乃至[5]のいずれかに記載の極低温冷却装置。
[7] [1]乃至[3]のいずれかに記載の極低温冷却装置の運転方法であって、
前記圧縮機の、回転数、電力値及び電流値のうち、少なくとも1以上の情報と、
前記第1温度測定手段による、前記第1熱交換器の二次側の前記第1閉流路内の前記第1液化冷媒の温度情報と、を電気信号として連続的又は間欠的に前記制御手段に送信し、
前記制御手段から、前記第1開閉バルブの開度の制御信号を連続的又は間欠的に前記第1開閉バルブに送信して、
前記第1供給経路内の前記第2液化冷媒の導入量を制御する、極低温冷却装置の運転方法。
[8] 前記圧縮機の、回転数、電力値及び電流値のうち、1以上の情報と、
前記第1温度測定手段による、前記第1熱交換器の二次側の前記第1閉流路内の前記第1液化冷媒の温度情報と、
前記第2温度測定手段による、前記第2熱交換器の二次側かつ前記圧縮機の一次側の前記第2閉流路内の前記冷媒ガスの温度情報と、を電気信号として連続的又は間欠的に前記制御手段に送信し、
前記制御手段から、前記第1開閉バルブの開度の制御信号を連続的又は間欠的に前記第1開閉バルブに送信して、
前記第1供給経路内の前記第2液化冷媒の導入量を制御する、[7]に記載の極低温冷却装置の運転方法。
[9] [3]に記載の極低温冷却装置の運転方法であって、
前記圧縮機の、回転数、電力値及び電流値のうち、1以上の情報と、
前記第3温度測定手段による、前記第1熱交換器の二次側かつ前記第2熱交換器の一次側の前記第2閉流路内の前記冷媒ガスの温度情報と、を電気信号として連続的又は間欠的に前記制御手段に送信し、
前記制御手段から、前記第1開閉バルブの開度の制御信号を連続的又は間欠的に前記第1開閉バルブに送信して、
前記第1供給経路内の前記第2液化冷媒の導入量を制御する、極低温冷却装置の運転方法。
先ず、本発明を適用した第1の実施形態である極低温冷却装置の構成について、説明する。
図1は、本発明を適用した第1の実施形態である極低温冷却装置の構成の一例を示す系統図である。図1に示すように、本実施形態の極低温冷却装置1は、第1貯槽2と、第1閉流路CL1と、循環ポンプ3と、冷凍機4の第1熱交換器10と、第2貯槽5と、第1供給経路L1と、第1開閉バルブV1と、第2供給経路L2と、第2開閉バルブV2と、第1温度測定装置(第1温度測定手段)T1と、第2温度測定装置(第2温度測定手段)T2と、第3温度測定装置(第3温度測定手段)T3と、制御装置(制御手段)6と、を備える。
第1液化冷媒として液化窒素を用いる場合、循環ポンプ3としては、30L/min〜100L/minの範囲で液化窒素を圧送可能なものを用いるとよい。
記憶部は、少なくとも第1開閉バルブV1及び第2開閉バルブV2を含む開閉バルブの制御全般に関するプログラムを格納する。
また、記憶部は、圧縮機7の最大回転数、最大電力値及び最大電流値のうち、冷凍機4の最大冷凍能力の指標となる1以上の情報と、第1温度測定装置T1で検出する、第1熱交換器10を通過した後の第1閉流路CL1内の第1液化冷媒の温度の上下限の閾値を含む温度範囲の情報と、第2温度測定装置T2で検出する、第2熱交換器11を通過した後の、戻り側の第2閉流路CL2内の冷媒ガスの温度の上下限の閾値を含む温度範囲の情報と、第3温度測定装置T3で検出する、第1熱交換器10を通過した後の、戻り側の第2閉流路CL2内の冷媒ガスの温度の上下限の閾値を含む温度範囲の情報と、を記憶する。
さらに、記憶部は、圧縮機7、第1温度測定装置T1、第2温度測定装置T2、第3温度測定装置T3を識別する識別情報と、これらから送信される実測値を連続的あるいは間欠的に記憶する。
また、演算部は、圧縮機7、第1温度測定装置T1、第2温度測定装置T2、及び第3温度測定装置T3が出力した検出結果を取得し、取得した検出結果に基づいて、第2供給経路L2への第2液化冷媒の供給量を決定する。
演算部は、第1供給経路L1への第2液化冷媒の供給量、及び第2供給経路L2への第2液化冷媒の供給量に基づいて、第1開閉バルブV1及び第2開閉バルブV2の開度指示を生成し、生成した開度指示をバルブ制御部に出力する。
初めに、被冷却体Sを本冷却する前の段階として、被冷却体Sを予冷処理する。具体的には、冷凍機4を介することなく、第1貯槽2からリザーバータンクと被冷却体Sの間の経路に、所定流量の第1液化冷媒を被冷却体Sに供給して、ゆっくりと被冷却体Sの冷却を開始する。
ここでは、冷凍機4を比較的長い時間放置してから起動する場合(第1熱交換器10及び第2熱交換器11の温度が150〜300K)について、以下の説明を行う。
なお、冷凍機4のクールダウン時間を短縮する際、圧縮機7の回転数は最大回転数(最大冷凍能力)の場合に限らず、それ以下であってもよい。
冷凍機4を起動し、冷媒ガスのクールダウンが完了した後、極低温冷却装置1は通常運転を行う。
具体的には、圧縮機7は冷媒ガスを断熱圧縮する。断熱圧縮後の冷媒ガスの圧力は、例えば、1〜2MPa程度である。断熱圧縮により高温になった冷媒ガスは、水冷装置8によって常温まで冷却された後、第2熱交換器11を通過する。第2熱交換器11では、圧縮機7により圧縮された冷媒ガス(行き側)と、第1熱交換器10を通過後の低温の冷媒ガス(戻り側)とが熱交換することで、圧縮された冷媒ガスが冷却される。
極低温冷却装置1の運転中に何らかの要因で停電が発生し、冷凍機4が短時間(例えば、1〜6時間)停止した場合、あるいは何らかの異常を検知してインターロックによって冷凍機4が停止した後に冷凍機4を再起動した場合、冷凍機4の真空断熱容器(コールドボックス)内に収納された第1熱交換器10及び第2熱交換器11の温度は100〜150Kまで温度が上昇する。
本実施形態の極低温冷却装置1の運転方法によれば、上述した極低温冷却装置1の運転開始時と同様の制御を行うことで、第2液化冷媒を過剰に消費することなく、冷凍機4のクールダウン時間を短縮できる。
第2貯槽5内の第2液化冷媒を冷凍機4の第2熱交換器11に導入しないとき、あるいは冷凍機4の運転停止中にあっては、第2貯槽5内の上部空間に存在するガス状の第2液化冷媒(以下、第2液化冷媒ガスという)を第2供給経路L2を介して第1供給経路L1に供給する。具体的には、制御装置6により第2開閉バルブV2を開き、第2貯槽5の気相部分から第2液化冷媒ガスを第2供給経路L2に導入し、合流点bから第1供給経路L1に供給する。これにより、第1供給経路L1の第1開閉バルブV1と逆止弁12との間の流路内が第2液化冷媒ガスによってパージされ、外部からの水分の侵入を防止できる。
次に、本発明を適用した第2の実施形態である極低温冷却装置およびその運転方法について、説明する。
図2は、本発明を適用した第2の実施形態である極低温冷却装置の構成の一例を示す系統図である。図2に示すように、本実施形態の極低温冷却装置21は、第3温度測定装置(第3温度測定手段)T3を有しない点で、上述した第1実施形態の極低温冷却装置1とは構成が異なる。したがって、第2実施形態の極低温冷却装置21の構成については、上述した第1実施形態の極低温冷却装置1と同一の構成部分について同じ符号を付すると共に説明を省略する。
次に、本発明を適用した第3の実施形態である極低温冷却装置およびその運転方法について、説明する。
図3は、本発明を適用した第3の実施形態である極低温冷却装置の構成の一例を示す系統図である。図3に示すように、本実施形態の極低温冷却装置31は、第1温度測定装置(第1温度測定手段)T1及び第2温度測定装置(第2温度測定手段)T2を有しない点で、上述した第1実施形態の極低温冷却装置1とは構成が異なる。したがって、第3実施形態の極低温冷却装置31の構成については、上述した第1実施形態の極低温冷却装置1と同一の構成部分について同じ符号を付すると共に説明を省略する。
次に、本発明を適用した第4の実施形態である極低温冷却装置およびその運転方法について、説明する。
図4は、本発明を適用した第4の実施形態である極低温冷却装置の構成の一例に示す系統図である。図4に示すように、本実施形態の極低温冷却装置41は、上述した第1実施形態の極低温冷却装置1の構成に加えて、さらに、第1閉流路CL1に液化冷媒を供給するための貯槽を第2貯槽5と共通化し、第2貯槽5から第1閉流路CL1に液化冷媒を供給するためのバイパス経路(第3供給経路)L4および第4開閉バルブV4を備える。第1貯槽2を第2貯槽5と共通にすることにより、装置のコンパクト化、及びコスト削減することができる。
なお、本実施形態の極低温冷却装置41は、第1貯槽2内の第1液化冷媒と、第2貯槽5内の第2液化冷媒とが、同一の場合(例えば、いずれも液化窒素の場合)に適用できる。
2…第1貯槽
3…循環ポンプ
4…冷凍機
5…第2貯槽
6…制御装置(制御手段)
7…圧縮機
8…水冷装置
9…膨張タービン
10…第1熱交換器
11…第2熱交換器
12…逆止弁
13…リザーバータンク
CL1…第1閉流路
CL2…第2閉流路
L1…第1供給経路
L2…第2供給経路
L3…排気ライン
L4…バイパス経路(第3供給経路)
S…超電導電力機器(被冷却体)
T1…第1温度測定装置(第1温度測定手段)
T2…第2温度測定装置(第2温度測定手段)
T3…第3温度測定装置(第3温度測定手段)
V1…第1開閉バルブ
V2…第2開閉バルブ
V3…第3開閉バルブ
V4…第4開閉バルブ
Claims (9)
- 第1液化冷媒を貯留する第1貯槽と、
前記第1貯槽と被冷却体との間にわたり、前記第1液化冷媒が循環する第1閉流路と、
前記第1閉流路に位置し、前記第1流路に前記第1液化冷媒を循環させる循環ポンプと、
第2液化冷媒を貯留する第2貯槽と、
前記第2貯槽の液相側に一端が接続し、前記第2液化冷媒が流通する第1供給経路と、
冷媒ガスが循環する第2閉流路と、前記第2閉流路に位置し、前記冷媒ガスを圧縮して循環させる圧縮機と、前記圧縮機の二次側の前記第2閉流路に位置し、前記冷媒ガスを断熱膨張させる膨張タービンと、前記膨張タービンの二次側の前記第2閉流路と前記第1閉流路とに位置する第1熱交換器と、前記圧縮機の二次側かつ前記膨張タービンの一次側の前記第2閉流路、前記第1熱交換器の二次側かつ前記圧縮機の一次側の前記第2閉流路、及び前記第1供給経路に位置する第2熱交換器と、を有する冷凍機と、
前記第1熱交換器の二次側の前記第1閉流路に位置する第1温度測定手段と、
前記第2熱交換器の一次側の前記第1供給経路に位置する第1開閉バルブと、
前記圧縮機、前記第1温度測定手段、及び前記第1開閉バルブとの間で電気信号の送信及び受信の少なくとも一方を行う制御手段と、を備える極低温冷却装置。 - 前記第2熱交換器の二次側かつ前記圧縮機の一次側の前記第2閉流路に位置し、前記制御手段との間で電気信号の送信及び受信の少なくとも一方を行う第2温度測定手段をさらに備える、請求項1に記載の極低温冷却装置。
- 第1液化冷媒を貯留する第1貯槽と、
前記第1貯槽と被冷却体との間にわたり、前記第1液化冷媒が循環する第1閉流路と、
前記第1閉流路に位置し、前記第1流路に前記第1液化冷媒を循環させる循環ポンプと、
第2液化冷媒を貯留する第2貯槽と、
前記第2貯槽の液相側に一端が接続し、前記第2液化冷媒が流通する第1供給経路と、
冷媒ガスが循環する第2閉流路と、前記第2閉流路に位置し、前記冷媒ガスを圧縮して循環させる圧縮機と、前記圧縮機の二次側の前記第2閉流路に位置し、前記冷媒ガスを断熱膨張させる膨張タービンと、前記膨張タービンの二次側の前記第2閉流路と前記第1閉流路とに位置する第1熱交換器と、前記圧縮機の二次側かつ前記膨張タービンの一次側の前記第2閉流路、前記第1熱交換器の二次側かつ前記圧縮機の一次側の前記第2閉流路、及び前記第1供給経路に位置する第2熱交換器と、を有する冷凍機と、
前記第1熱交換器の二次側かつ前記第2熱交換器の一次側の前記第2閉流路に位置する第3温度測定手段と、
前記第2熱交換器の一次側の前記第1供給経路に位置する第1開閉バルブと、
前記圧縮機、前記第3温度測定手段、及び前記第1開閉バルブとの間で電気信号の送信及び受信の少なくとも一方を行う制御手段と、を備える極低温冷却装置。 - 前記第2貯槽の気相側に一端が接続し、前記第2熱交換器の二次側の前記第1供給経路に他端が接続する第2供給経路と、
前記第2供給経路に位置し、前記制御手段との間で電気信号の送信及び受信の少なくとも一方を行う第2開閉バルブと、をさらに備える、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の極低温冷却装置。 - 前記第2貯槽の液相側に一端が接続し、前記被冷却体の二次側かつ前記第1貯槽の一次側の前記第1閉流路に他端が接続する第3供給経路と、
前記第3供給経路に位置し、前記制御手段との間で電気信号の送信及び受信の少なくとも一方を行う第3開閉バルブと、をさらに備える、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の極低温冷却装置。 - 前記第1液化冷媒と前記第2液化冷媒とが、液体窒素である、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の極低温冷却装置。
- 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の極低温冷却装置の運転方法であって、
前記圧縮機の、回転数、電力値及び電流値のうち、1以上の情報と、
前記第1温度測定手段による、前記第1熱交換器の二次側の前記第1閉流路内の前記第1液化冷媒の温度情報と、を電気信号として連続的又は間欠的に前記制御手段に送信し、
前記制御手段から、前記第1開閉バルブの開度の制御信号を連続的又は間欠的に前記第1開閉バルブに送信して、
前記第1供給経路内の前記第2液化冷媒の導入量を制御する、極低温冷却装置の運転方法。 - 前記圧縮機の、回転数、電力値及び電流値のうち、1以上の情報と、
前記第1温度測定手段による、前記第1熱交換器の二次側の前記第1閉流路内の前記第1液化冷媒の温度情報と、
前記第2温度測定手段による、前記第2熱交換器の二次側かつ前記圧縮機の一次側の前記第2閉流路内の前記冷媒ガスの温度情報と、を電気信号として連続的又は間欠的に前記制御手段に送信し、
前記制御手段から、前記第1開閉バルブの開度の制御信号を連続的又は間欠的に前記第1開閉バルブに送信して、
前記第1供給経路内の前記第2液化冷媒の導入量を制御する、請求項7に記載の極低温冷却装置の運転方法。 - 請求項3に記載の極低温冷却装置の運転方法であって、
前記圧縮機の、回転数、電力値及び電流値のうち、1以上の情報と、
前記第3温度測定手段による、前記第1熱交換器の二次側かつ前記第2熱交換器の一次側の前記第2閉流路内の前記冷媒ガスの温度情報と、を電気信号として連続的又は間欠的に前記制御手段に送信し、
前記制御手段から、前記第1開閉バルブの開度の制御信号を連続的又は間欠的に前記第1開閉バルブに送信して、
前記第1供給経路内の前記第2液化冷媒の導入量を制御する、極低温冷却装置の運転方法。
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