JP3159553B2 - 極低温冷凍機の運転制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、極低温冷却を要する機
器に供給される液体冷媒が収容された液体冷媒タンク内
で蒸発した冷媒ガスを再凝縮するための極低温冷凍機の
運転制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、この種の極低温冷凍機として
は、ヘリウム等の冷媒ガスを液体状態として貯溜する液
体冷媒タンクに付設され、ジュールトムソン冷凍回路を
有し、該タンク内に蒸発して溜まった冷媒ガスを再凝縮
する機能を持つものが知られている。そして、この極低
温冷凍機が、例えば、リニアモータカー等の車載用の場
合、該タンク内の液体冷媒は、極低温冷却を要する機
器、例えば、超電導コイルに供給されて蒸発し、該タン
ク内に冷媒ガスとなって溜まる。こうして該タンク内に
溜まる冷媒ガスは、該機器の負荷状態によって変動し、
負荷が大きい時は極低温冷凍機の再凝縮能力が不足ぎみ
になる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この超電導
コイル等の機器は、コイルの励磁・消磁時に負荷が一時
的に増大する。該機器の負荷が大きい時は、該タンク内
の圧力が上昇し、このため、該タンク内の冷媒ガスを吸
引し再凝縮して該タンク内に戻す極低温冷凍機のジュー
ルトムソン冷凍回路の運転効率は一層、低下する傾向に
あり、また、同冷凍回路のバッファタンクの圧力も必要
十分に上昇せず、極低温冷凍機の運転が安定しなくなる
といった問題がある。

【０００４】本発明は、上述した問題点を解決するもの
で、極低温冷却を要する機器の高負荷時に、ジュールト
ムソン冷凍回路の高圧回路に流れる冷媒流量を制限する
ことで、冷凍機の運転効率を上げ、安定した運転を可能
とする極低温冷凍機の運転制御方法を提供することを目
的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１の発明は、極低温冷却を要する機器に供給さ
れる液体冷媒が収容された液体冷媒タンクに付設され、
該タンク内で蒸発した冷媒ガスを再凝縮するためのジュ
ールトムソン冷凍回路を有してなる極低温冷凍機の運転
制御方法において、前記機器が高負荷運転に入った時
に、前記ジュールトムソン冷凍回路の高圧回路に流れる
冷媒の流量を所定時間制限するようにしたものである。
請求項２の発明は、上記方法において、該機器が高負荷
運転に入った時に、ジュールトムソン冷凍回路の高圧回
路を所定時間閉止する。請求項３の発明は、上記方法に
おいて、該機器が高負荷運転に入った時に、ジュールト
ムソン冷凍回路の高圧回路に流れる冷媒流量を少なくす
る。請求項４の発明は、上記方法において、液体冷媒タ
ンクの内圧をモニタし、該内圧が一定値以上の時にジュ
ールトムソン冷凍回路の高圧回路に流れる冷媒の流量を
制限するようにする。請求項５の発明は、上記方法にお
いて、該機器が高負荷運転に入った時に、ジュールトム
ソン冷凍回路の圧縮機を高速運転し、同回路の低圧側で
の冷媒ガスの吸い込み量を多くするものである。

【０００６】

【作用】上記の運転制御方法によれば、液体冷媒タンク
内の液体冷媒は極低温冷却を要する機器に供給され、冷
却に供されて蒸発して冷媒ガスとなり該タンク内に溜ま
り、この冷媒ガスは極低温冷凍機のジュールトムソン冷
凍回路により再凝縮される。そして、前記機器が高負荷
運転に入ると、冷媒ガス量が増え該タンク内の圧力が高
くなるが、機器の運転と関連をもって同冷凍回路の高圧
回路に流れる冷媒の流量が制限されることにより、該タ
ンク内に吐出される液体冷媒の量よりも該タンクより吸
引される冷媒ガスの方が多くなり、該タンク内の圧力上
昇は効果的に抑えられる。

【０００７】

【実施例】本発明の一実施例による車載用の極低温冷凍
機を図面を参照して説明する。図１は本冷凍機の全体構
成を示す。本冷凍機は、液体ヘリウムタンク１内で蒸発
したヘリウムガスを再凝縮するためのもので、液体ヘリ
ウムタンク１にプラグインにより付設される冷凍機本体
３と、ジュールトムソン（ＪＴという）側の圧縮機ユニ
ット８及び予冷側圧縮機ユニット９とで構成される。Ｊ
Ｔ側圧縮機ユニット８は、極低温を発生すべくヘリウム
ガスをジュールトムソン膨脹させるＪＴ回路１０により
冷凍機本体３と連結され、予冷側圧縮機ユニット９は、
ヘリウムガスを予冷するための予冷冷凍回路１１により
冷凍機本体３と連結されている。また、ＪＴ側圧縮機ユ
ニット８は、２段圧縮サイクルのヘリウム冷凍圧縮機１
２，１３と、油分離器１４、吸着器１５、バイパス回路
１６、バッファタンク１７等を備え、予冷側圧縮機ユニ
ット９は、圧縮機１８、油分離器１９、吸着器２０、サ
ージボトル２１等を備えている。

【０００８】冷凍機本体３は、ＪＴ回路１０を構成する
第１、第２、第３のＪＴ熱交換器３１，３２，３３と、
予冷冷凍回路１１側の予冷機３４と、その第１、第２の
予冷熱交換器３５，３６と、吸着器３７、ＪＴ弁３８等
を備えている。そして、ＪＴ回路１０は、高圧回路とな
る１次側（往路）が第１ＪＴ熱交換器３１、第１予冷熱
交換器３５、第２ＪＴ熱交換器３２、第２予冷熱交換器
３６、第３ＪＴ熱交換器３３の直列回路を介し、さらに
吸着器３７、ＪＴ弁３８を経て冷媒配管４に至る。ま
た、低圧回路となる２次側（復路）が冷媒配管５より第
３ＪＴ熱交換器３３、第２ＪＴ熱交換器３２、第１ＪＴ
熱交換器３１の直列回路により構成されている。また、
冷凍機本体３には、冷媒配管４，５が挿通するプラグイ
ン部６が構成され、液体ヘリウムタンク１には、上記プ
ラグイン部６が挿し込まれる導入管２が形成されてお
り、冷凍機本体３はタンク１にプラグイン構造にて着脱
自在に結合される。

【０００９】上記システムにおける冷凍機本体３と液体
ヘリウムタンク１の取付け構造を図２に示している。液
体ヘリウムタンク１は真空断熱層を形成する外壁１ａと
内壁１ｂにより周囲壁が構成され、この壁部材を貫通し
て導入管２が形成されている。この導入管２に、冷凍機
本体１のプラグイン部６を挿し込み、冷凍機本体３側の
フランジ部を該タンク１の外壁１ａに固定することによ
り、冷凍機本体３はタンク１に取付けられる。この取付
け状態にて、プラグイン部６を挿通した冷媒配管４，５
が液体ヘリウムタンク１内に臨むことになる。また、液
体ヘリウムタンク１内の液体ヘリウムは、図示しない極
低温冷却を要する機器、例えば、超電導コイルの冷却の
ために供給され、冷却に供して蒸発し、該タンク１内に
冷媒ガスとなって溜まる。冷凍機１のＪＴ回路１０は、
このタンク１内に溜まったヘリウムガスを、低圧回路側
から吸引し、再凝縮して高圧回路側から液体ヘリウムと
して吐出する。なお、ＪＴ回路１０と予冷冷凍回路１１
の構成及び通常の動作は既に知られており、また、本発
明の要旨とするところでないので詳細説明は省略する。

【００１０】本実施例での冷凍機の運転制御は、図示し
ない極低温冷却を要する機器が高負荷運転に入った時
に、ＪＴ回路１０の高圧回路に流れる冷媒の流量を所定
時間制限するものである。その各種の制御態様につい
て、以下、説明する。該機器が超電導コイルである場
合、励磁・消磁時に負荷が大きく増大する。そこで、こ
の励磁と同時にＪＴ回路１０の高圧回路を閉鎖し、不図
示のタイマ及び制御手段を用いて消磁後３０秒から１分
３０秒の間に高圧回路を開くように制御する。この高圧
回路の閉鎖中は、液体ヘリウムタンク１からは低圧回路
よりヘリウムガスを吸引するのみとなる。

【００１１】図３は、上記のように超電導コイルの負荷
状態に応じて冷凍機のＪＴ回路１０の運転制御をした場
合と、しない場合とで、液体ヘリウムタンク１及びバッ
ファタンク１７の内圧がどのように変化するかを対比し
て示している。ここでは、高圧回路の閉鎖・開路をＪＴ
弁３８のＯＦＦ・ＯＮにより行っている。図３のＪＴ−
ＯＦＦはＪＴ弁３８の閉鎖のタイミングを、ＪＴ−ＯＮ
はＪＴ弁３８の開路のタイミングを示す。図３から分か
るように、ＪＴ弁制御を行った場合は、行わなかった場
合に比べ、液体ヘリウムタンク１の内圧上昇を抑制でき
る。これにより、蒸発したヘリウムガスの再凝縮を能率
良く行うことができることになる。また、バッファタン
ク１７の内圧を能率よく上昇させることができる。これ
により、冷凍機は能力に余裕ができ、運転が安定するこ
とになる。

【００１２】また、上記では、ＪＴ弁３８を所定時間閉
鎖し全流量をカットしてしまう例を示したが、負荷状態
によっては一部を流すようにしてもよい。さらには、時
間制御でＪＴ弁３８を開くのでなく、液体ヘリウムタン
ク１の内圧を圧力センサ等によりモニタし、該内圧が一
定値以下になった時に開けるようにしてもよい。また、
液体ヘリウムタンク１の内圧が一定値以下に安定しない
場合、上記の制御に加えて、超電導コイルの励磁から消
磁までの時間の間のみヘリウム冷凍圧縮機１２，１３を
高速運転し、ヘリウムガスの吸い込み量を多くするよう
にしてもよい。なお、本発明は上記実施例構成に限られ
ず、種々の変形が可能である。例えば、上記では、ＪＴ
回路１０の高圧回路における冷媒の流量制限をＪＴ弁３
８を用いて行うものを示したが、これに限られずその他
の絞り機構等を用いてもよい。

【００１３】

【発明の効果】以上のように本発明の運転制御方法によ
れば、液体冷媒タンク内に溜まった冷媒ガスを極低温冷
凍機のジュールトムソン冷凍回路により再凝縮するに際
して、液体冷媒により超低温冷却を要する機器の高負荷
運転と所定の関連をもって、同冷凍回路の高圧回路に流
れる冷媒の流量を制限するので、該タンクより冷媒ガス
を多く吸引することができ、該タンク内の圧力上昇を効
果的に抑えることができ、かつ、冷凍回路のバッファタ
ンクの圧力上昇が図れる。その結果、超低温冷却機器の
高負荷時における冷凍機の運転効率を高めることができ
るとともに、安定した運転が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による車載用極低温冷凍機の
全体構成図である。

【図２】本冷凍機と液体冷媒タンクとの関係図である。

【図３】本実施例による冷凍機の運転制御を行った時と
行わなかった時のヘリウムタンクとバッファタンクの内
圧変化を示す図である。

【符号の説明】

１ 液体ヘリウムタンク（液体冷媒タンク） ３ 極低温冷凍機 １０ ＪＴ回路 １２，１３ ヘリウム冷凍圧縮機 ３８ ＪＴ弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三浦 秋彦 愛知県名古屋市中村区名駅一丁目１番４ 号 東海旅客鉄道株式会社内 (72)発明者 寺井 元昭 愛知県名古屋市中村区名駅一丁目１番４ 号 東海旅客鉄道株式会社内 (72)発明者 山根 達視 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東 芝 府中工場内 (72)発明者 藤本 悟 大阪府堺市金岡町1304番地 ダイキン工 業株式会社 堺製作所内 (56)参考文献 特開 昭60−50354（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−210360（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−147974（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−97047（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 9/02

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 極低温冷却を要する機器に供給される液
   体冷媒が収容された液体冷媒タンクに付設され、該タン
   ク内で蒸発した冷媒ガスを再凝縮するためのジュールト
   ムソン冷凍回路を有してなる極低温冷凍機の運転制御方
   法において、 前記機器が高負荷運転に入った時に、前記ジュールトム
   ソン冷凍回路の高圧回路に流れる冷媒の流量を所定時間
   制限するようにしたことを特徴とする極低温冷凍機の運
   転制御方法。
2. 【請求項２】 前記機器が高負荷運転に入った時に、ジ
   ュールトムソン冷凍回路の高圧回路を所定時間閉止する
   ことを特徴とする請求項１記載の極低温冷凍機の運転制
   御方法。
3. 【請求項３】 前記機器が高負荷運転に入った時に、ジ
   ュールトムソン冷凍回路の高圧回路に流れる冷媒流量を
   少なくすることを特徴とする請求項１記載の極低温冷凍
   機の運転制御方法。
4. 【請求項４】 液体冷媒タンクの内圧をモニタし、該内
   圧が一定値以上の時にジュールトムソン冷凍回路の高圧
   回路に流れる冷媒の流量を制限することを特徴とする請
   求項１乃至３記載の極低温冷凍機の運転制御方法。
5. 【請求項５】 前記機器が高負荷運転に入った時に、ジ
   ュールトムソン冷凍回路の圧縮機を高速運転し、同回路
   の低圧側での冷媒ガスの吸い込み量を多くすることを特
   徴とする請求項１乃至４記載の極低温冷凍機の運転制御
   方法。