JP3670536B2 - Cryogenic cooling device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、1台の圧縮機に対して複数台の冷凍機が接続され、且つ、各冷凍機の冷凍能力を可変できる極低温冷却装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
リニアモータカーに搭載される超伝導磁石装置に対する冷却は極低温冷却装置により行われるが、この極低温冷却装置の構成としては、1台の圧縮機に対して複数台の冷凍機を接続し、ヘリウムガスを冷媒としてマルチ運転を行うと共に、超電導コイルの冷却タンク周辺を、窒素ガスを自然循環させる方式が多く採用されている。図12は、このような方式で冷却を行う従来の極低温冷却装置の構成図である(例えば、特開平9−229503号公報参照)。
【0003】
図12において、圧縮機ユニット1は、低段圧縮機2及び高段圧縮機3と、第1開閉弁5、第1流量調整弁6、第2開閉弁7、第2流量調整弁8により構成されるJT高圧調整機構4と、低圧制御弁9及び高圧制御弁10とを有している。また、圧縮機ユニット1には、バッファ用給排口11、低圧ガス吸入口12、JT用高圧ガス吐出口13、中間圧ガス吸入口14、及び高圧ガス吐出口15が設けられている。
【0004】
低段圧縮機2及び高段圧縮機3は、制御装置16によりインバータ運転され、その運転周波数が可変されるようになっている。バッファ用給排口11には、ヘリウムガスが入っているバッファタンク17が接続されており、このバッファタンク17は、低圧制御弁9を介して低段圧縮機2の吸入側に連通すると共に、高圧制御弁10を介して高段圧縮機3の吐出側に連通している。そして、低段圧縮機2の吸入側圧力が所定レベル以下に低下すると、低圧制御弁9が開放してバッファタンク17内のヘリウムガスが低段圧縮機2に供給されるようになっており、一方、高段圧縮機3の吐出側圧力が所定レベル以上に上昇すると、高圧制御弁10が開放して高段圧縮機3からのヘリウムガスがバッファタンク17に戻されるようになっている。
【0005】
圧縮機ユニット1からの高圧ガスは、JT冷凍機18、予冷冷凍機19、及びシールド冷凍機20に送出されるようになっている。すなわち、高段圧縮機3からの高圧ヘリウムガスの一部は、JT高圧調整機構4で流量が調整された後、JT用高圧ガス吐出口13を通ってJT冷凍機18に送られ、また、残りの高圧ヘリウムガスは、高圧ガス吐出口15を通って予冷冷凍機19及びシールド冷凍機20に送られるようになっている。
【0006】
JT冷凍機18は、第1熱交換器21、第2熱交換器22、第3熱交換器23、第1予冷器24、第2予冷器25、及びJT弁26により構成されている。
【0007】
予冷冷凍機19は、モータヘッド部27、シリンダ部28、第1ヒートステーション29、及び第2ヒートステーション30により構成されており、モータヘッド部27には高圧ガス入口31及び低圧ガス出口32が設けられている。予冷冷凍機19の構造についての詳しい説明は省略するが、シリンダ部28にはその膨張空間内に往復動可能にディスプレーサが配設されると共に、モータヘッド部27には、制御装置16により制御されるバルブ駆動モータが配設されており、さらに、このバルブ駆動モータの回転軸に取り付けられたロータリバルブによって中間圧力が生成される中間圧室が形成されている。そして、ロータリバルブの回転によってこの中間圧室と膨張空間との間に圧力差が生じ、シリンダ部28内のディスプレーサが往復動するようになっている。これにより、高圧ガス入口31からの高圧ヘリウムガスは、この膨張空間内でサイモン膨張を行い、第1ヒートステーション29及び第2ヒートステーション30の温度が極低温レベルまで低下する。したがって、JT冷凍機18の第1予冷器24及び第2予冷器25は、この第1ヒートステーション29及び第2ヒートステーション30により予冷される。膨張した低圧ヘリウムガスは、低圧ガス出口32から中間圧ガス吸入口14を通って高段圧縮機3の吸入側に戻されるようになっている。
【0008】
シールド冷凍機20は、モータヘッド部33、シリンダ部34、及びヒートステーション35により構成されており、モータヘッド部33には高圧ガス入口36及び低圧ガス出口37が設けられている。このシールド冷凍機20の構造は、予冷冷凍機19と略同様のものである。
【0009】
JT冷凍機18と、予冷冷凍機19及びシールド冷凍機20の一部とは真空デュワー38の内部に配置されている。そして、真空デュワー38の下方には、熱シールド板39が配設され、この熱シールド板39の内部に、第2熱交換器22、第3熱交換器23、第2予冷器25、JT弁26、及び第2ヒートステーション30が配置されている。
【0010】
熱シールド板39の内部には、更に、液化ヘリウム41を貯溜する冷却タンク40が配設されており、この液化ヘリウム41中に超電導コイル42が浸漬されている。この冷却タンク40の内部には、JT弁26が取り付けられている液化ヘリウム戻し配管の端部と、その下方に位置し第3熱交換器23の2次側と連通するヘリウムガス吸入配管の端部とが配設されている。そして、この戻し配管の端部からはJT弁26を通過して液化された液化ヘリウムが冷却タンク40内に注がれ、一方、冷却タンク40内で液化ヘリウム41の気化により発生したヘリウムガスが吸入配管の端部から吸入され、JT冷凍機18及び低圧ガス吸入口12を経由して低段圧縮機2の吸入側に送出されるようになっている。
【0011】
真空デュワー38の内部であって熱シールド板39の上方の位置には、液化窒素44を貯溜する冷却タンク43が配設されている。冷却タンク43の底部には冷却配管45の一端部45aが接続され、また、冷却タンク43の側部であって液化窒素44の液面44aより上方の位置には冷却配管45の他端部45bが接続されている。そして、冷却配管45の途中には熱交換器46が設けられている。すなわち、冷却配管45の一端部45aから熱交換器46に落下した液化窒素44は、ここで熱交換作用を行って熱シールド板39の冷却を行い、気化した窒素ガスが他端部45bから冷却タンク43内へ戻されるようになっている。なお、このように、圧縮機等の動力を用いることなく液化窒素44及び窒素ガスを循環させる方式は自然循環方式と呼ばれている。
【0012】
シールド冷凍機20のシリンダ部34及びヒートステーション35は、冷却タンク43内であって液面44aの上方に位置するように配設されている。そして、ヒートステーション35は、液面44aから気化される窒素ガス、及び冷却タンク43の他端部45bから戻される窒素ガスに対する冷却を行い、この窒素ガスを液化するようになっている。冷却タンク43には、また、閉切り弁48が取り付けられた冷媒液供給管47と、大気開放弁50が取り付けられた排気管49とが配設されている。冷媒液供給管47は、冷却タンク43内の液化窒素44が不足状態にある場合、あるいはメインテナンス時に液化窒素44の入れ換えを行う場合等に閉切り弁48を開いて図示を省略してある液化器から液化窒素44を供給するためのものである。また、排気管49は、冷却タンク43内の圧力が一定以上上昇した場合等に、大気開放弁50を開いてタンク内圧力を減圧させるためのものである。
【0013】
次に、図12の動作につき説明する。圧縮機ユニット1の低段圧縮機2は、低圧ガス吸入口12からの定圧ヘリウムガスを圧縮し、高段圧縮機3はこの低段圧縮機2から送り出されてきたヘリウムガスを更に高圧に圧縮する。高段圧縮機3から吐出されたヘリウムガスは、その一部が高圧ガス吐出口15を介してシールド冷凍機20及び予冷冷凍機19に送出され、また、残りのヘリウムガスはJT高圧調整機構4及びJT用高圧ガス吐出口13を介してJT冷凍機18に送出される。
【0014】
シールド冷凍機20では、送り込まれてきた高圧ヘリウムガスが膨張空間でサイモン膨張することによりヒートステーション35に極低温が発生する。このヒートステーション35によって、冷却タンク43内の窒素ガスが冷却され液化される。そして、熱交換器46を通過する液化窒素44の熱交換作用により熱シールド板39が冷却され、熱シールド板39の内部が外部から熱シールドされる。なお、シールド冷凍機20で膨張したヘリウムガスは、中間圧ガス吸入口14を通って高段圧縮機3の吸入側に戻される。
【0015】
同様に、予冷冷凍機19でも、送り込まれてきた高圧ヘリウムガスが膨張空間でサイモン膨張することにより第1ヒートステーション29及び第2ヒートステーション30に極低温が発生する。また、予冷冷凍機19で膨張したヘリウムガスは、中間圧ガス吸入口14を通って高段圧縮機3の吸入側に戻される。
【0016】
JT冷凍機18では、JT用高圧ガス吐出口13からの高圧ヘリウムガスが、第1熱交換器21の1次側、第1予冷器24、第2熱交換器22の1次側、第2予冷器25、第3熱交換器23の1次側においてそれぞれ順次冷却される。このとき、第1熱交換器21、第2熱交換器22、及び第3熱交換器23の各1次側を通過するヘリウムガスは、それぞれの2次側を通過し低圧ガス吸入口12に向かうヘリウムガスによって冷却され、また、第1予冷器24及び第2予冷器25はそれぞれ第1ヒートステーション29及び第2ヒートステーション30によって冷却される。
【0017】
第3熱交換器23の1次側を通過したヘリウムガスはJT弁26に送られ、ここでジュールトムソン膨張を行って液化し、液化ヘリウム戻し配管の端部から液化ヘリウム41となって冷却タンク40内に貯溜される。超電導コイル42は、この液化ヘリウム41中に浸漬されて臨界温度以下に冷却される。また、液化ヘリウム41の液面から気化したヘリウムガスはヘリウムガス吸入配管の端部から吸入され、第3熱交換器23、第2熱交換器22、及び第1熱交換器21の各2次側を通って低段圧縮機2の吸入側に送出される。
【0018】
そして、制御装置16は、低段圧縮機2及び高段圧縮機3の運転周波数を可変制御することが可能であるが、更に、予冷冷凍機19及びシールド冷凍機20内のバルブ駆動モータの運転周波数をも可変するようになっている。これら予冷冷凍機19及びシールド冷凍機20の各バルブ駆動モータの運転周波数を可変制御することにより、各ディスプレーサの往復動周波数を制御することができ、したがって、それぞれの冷凍機の冷凍能力を可変することが可能になる。
【0019】
ところで、液化窒素44が貯溜されている冷却タンク43において、冷却配管45の一端部45aから熱交換器46及び冷却配管45の他端部45bに至る循環回路は、圧縮機等の動力を用いていないので前述したように自然循環方式と呼ばれている。このような自然循環方式の冷媒回路においては、冷媒の循環を極力円滑に行わせるために液化窒素44の液面44aを極力一定に維持することが要求されるが、液面44aを一定に維持するために、冷却タンク43内部の状態に応じてシールド冷凍機20の冷凍能力を変化させることがある。そして、制御装置16によりモータヘッド部33内のバルブ駆動モータの運転周波数を変化させることにより、このシールド冷凍機20の冷凍能力を変化させることができる。
【0020】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、予冷冷凍機19及びシールド冷凍機20の各冷凍能力は、制御装置16が各バルブモータの運転周波数を制御することにより調整することができる。しかし、一般に、図12のように、1台の圧縮機(図12の場合は、低段圧縮機2及び高段圧縮機3の合計2台の圧縮機が用いられているが、これらは直列接続されているものであり概念的には1台と考えるべきものである。)に対し複数台の冷凍機が並列接続されている構成においては、或る冷凍機の冷凍能力を変化させた場合には、その冷凍能力の変化が他の冷凍機に対して干渉するのを避けることが困難である。したがって、シールド冷凍機20の冷凍能力を変化させようとする場合には、予冷冷凍機19及びJT冷凍機18の冷凍能力についても変化させる必要があり、場合によっては、低段圧縮機2及び高段圧縮機3の運転周波数をも可変しなければならない。
【0021】
しかし、冷媒回路の一部を共用する各冷凍機18,19,20に対して、上記のような干渉を考慮しながら行う各バルブモータ及び各圧縮機2,3の運転周波数の制御は非常に複雑なものとなり、また実際には、ある程度の干渉が生じるのを避けることができず所望の冷凍能力を正確に得るのは困難である。
【0022】
さらに、バルブモータの運転周波数の制御によりシールド冷凍機20の冷凍能力を変化させる場合は、冷凍システムにおける温度バランスのための時間が必要なために、冷凍能力変動制御の応答が遅くなる。そのため、シールド冷凍機20の冷凍負荷が大きな場合には、冷却タンク43内の液化窒素44の液面44aを一定に保つことが困難となり、自然循環方式の冷媒回路における冷媒の円滑な循環が困難となる。
【0023】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、各冷却タンク内の被冷却対象物を冷却する複数台の冷凍機が1台の圧縮機に対して並列接続されている極低温冷却装置において、或る冷凍機の冷凍能力を他の冷凍機に対する干渉を生じることなく迅速に変化させたのと同様の効果を得ることができる極低温冷却装置を提供することを目的としている。
【0034】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段として、請求項1記載の発明は、冷媒ガスを圧縮する少なくとも1台の圧縮機と、前記少なくとも1台の圧縮機に対して並列接続され、前記圧縮機からの冷媒ガスを膨張させることにより極低温状態を発生させる複数台の冷凍機と、前記複数台の各冷凍機により冷却される各被冷却対象物が収容される複数個の冷却タンクと、前記複数個の冷却タンクのうちの1個又は複数個に取り付けられ、この冷却タンクの内部に対して熱量を与える熱量付与手段と、前記冷却タンク内の所定の状態量を検出する状態量検出手段と、前記状態量検出手段の検出に基づいて前記熱量付与手段の熱量付与動作を制御することにより、前記冷凍機の冷凍負荷を調整する冷凍負荷調整手段と、を備え、前記冷却タンク内に収容される被冷却対象物が、前記圧縮機及び前記冷凍機の冷媒回路を循環する冷媒の冷媒ガス、又はこの冷媒回路とは独立の他の冷媒回路を循環する冷媒の冷媒ガスであってタンク内に貯溜された冷媒液が気化したものである、極低温冷却装置において、前記熱量付与手段が、前記冷却タンクの外部に取り付けられたヒートパイプと、このヒートパイプに対する加熱を行うヒータとにより構成されるものである、ことを特徴とする。
【0035】
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記ヒートパイプ及びヒータに代え、前記熱量付与手段が、前記冷却タンクの外部に固着された良熱伝導ブロック受座と、この良熱伝導ブロック受座に対して接離可能に配設された可動良熱伝導ブロックとから構成され、常温雰囲気部からの熱量をこれら可動良熱伝導ブロック及び良熱伝導ブロック受座を介して前記冷却タンクの内部に与えるものである、ことを特徴とする。
【0036】
請求項3記載の発明は、請求項1又は2記載の発明において、前記冷却タンク内に貯溜される冷媒液の液面高さが所定レベルより上昇した場合に、この冷却タンク内への冷媒液の供給を停止させる制御装置を備えた、ことを特徴とする。
【0037】
請求項4記載の発明は、請求項1又は2記載の発明において、前記冷却タンクには、タンク内に貯溜される冷媒液の液面高さが所定レベルより上昇した場合に、この冷媒液をタンク外に放出するオーバーフロー管が配設されている、ことを特徴とする。
【0038】
請求項5記載の発明は、請求項1乃至4のいずれかに記載の発明において、前記冷却タンク内の圧力が所定レベルより上昇した場合に、この冷却タンクに配設されている大気開放バルブを開放することによりタンク内が過圧状態になるのを防止する制御装置を備えた、ことを特徴とする。
【0039】
請求項6記載の発明は、請求項1乃至5のいずれかに記載の発明において、前記冷却タンク内の圧力が所定レベルより低下した場合に、前記冷凍機の運転を停止させることによりタンク内が負圧状態になるのを防止する制御装置を備えた、ことを特徴とする。
【0040】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の参考例及び実施形態を図に基づき説明する。但し、図12と同様の構成要素には同一符号を付して重複した説明を省略する。また、以下の図1乃至図11においては、冷却タンク43回りの構成のみを図示する。その他の構成は図12と同様である。
【0041】
図1は、本発明の第1の参考例の要部構成図である。この図において、冷却タンク43内の底部に熱量付与手段としてのヒータ51が液化窒素44中に浸漬された状態で配設されている。このヒータ51は、低温の液体中に浸漬された状態でも支障がないように、抵抗体が適当な絶縁材により被覆されている。
【0042】
また、冷却タンク43内の圧力は状態量検出手段としての圧力検出器52により検出されるようになっている。冷却タンク43内の圧力は液化窒素44の温度にほぼ比例する特性を有することから、この圧力を検出することによりシールド冷凍機20の冷凍能力と冷凍負荷との間のバランスがどのような状態になっているかを検知することができる。
【0043】
圧力検出器52からの検出信号は制御装置16内に設けられている冷凍負荷調整手段53に送られるようになっており、冷凍負荷調整手段53は、入力した圧力検出信号に基づきヒータ51のオンオフを制御するようになっている。
【0044】
次に、図1の動作につき説明する。図12において説明したように、シールド冷凍機20のモータヘッド部33に送り込まれてきた高圧ヘリウムガスはシリンダ部34内の膨張空間でサイモン膨張することによりヒートステーション35に極低温が発生する。このヒートステーション35によって冷却タンク43内に存在する窒素ガスが冷却されて液化され液化窒素44に戻される。
【0045】
このとき、シールド冷凍機20の冷凍能力が冷凍負荷を上回っていれば、液化量が増加するため液面44aは次第に上昇し、タンク内圧力は低下する。そして、冷凍負荷調整手段53は、圧力検出器52が検出した圧力値が予め設定してある下限値まで低下した時点でヒータ51の通電をオンにする。これにより、液面44aから気化される窒素ガス量が増加するためシールド冷凍機20の冷凍負荷が増大する。したがって、液面44aの上昇は停止し今度は下降することになるが、しばらくするとシールド冷凍機20の冷凍負荷が冷凍能力を上回る状態となる。そして、冷凍負荷調整手段53は、圧力検出器52が検出した圧力値が予め設定してある上限値まで上昇した時点でヒータ51の通電をオフにして冷凍負荷の増大を停止し、液面44aの下降を停止させる。
【0046】
上記のように、冷凍負荷調整手段53が圧力検出器52からの検出信号に基づきヒータ51をオンオフ制御することにより、冷却タンク43内の液化窒素44の液面44aをほぼ一定に制御することができる。この制御は、シールド冷凍機20の冷凍能力を変化させているわけではなく、冷凍負荷を変化させているだけなので、JT冷凍機18及び予冷冷凍機19(図12参照)側への干渉を生ずることはなく、これらの冷凍能力の変動をもたらすことはない。
【0047】
すなわち、従来は、シールド冷凍機20の冷凍能力を変化させることにより液面44aの一定制御を行うようにしていたため、この冷凍能力の変動が予冷冷凍機19やJT冷凍機18に影響を及ぼすことのないように、予冷冷凍機19の運転周波数や低段圧縮機2及び高段圧縮機3の運転周波数までも調整しなければならず複雑な制御となっていた。しかし、上記の制御を行う場合は、シールド冷凍機20単独の問題として考えればよく、しかも制御の内容もヒータ51をオンオフするだけの簡単なものとなっている。
【0048】
また、従来は、冷凍システムにおける温度バランスのための時間が必要なため、冷凍能力変動制御の応答が遅くなり、液面44aの一定制御が間に合わない事態が生じる虞があったが、上記の制御では冷凍負荷を迅速に変化させることができ、そのような事態が生じる虞はなくなる。
【0049】
図2は、本発明の第2の参考例の要部構成図である。図2が図1と異なる点は、状態量検出手段として、圧力検出器52の代わりに温度検出器54を設けて液化窒素44の温度を直接検出するようにした点である。このような構成によっても図1と同様の効果を得ることができる。この第2の実施形態の動作の説明は第1の実施形態と同様であるためその記載を省略することとする。
【0050】
図3は、本発明の第3の参考例の要部構成図である。図3が図1と異なる点は、状態量検出手段として、圧力検出器52の代わりに液面計55を設けて液化窒素44の液面44aを直接検出するようにした点である。このような構成によっても図1と同様の効果を得ることができる。
【0051】
図4は、本発明の第4の参考例の要部構成図である。図4が図1と異なる点は、熱量付与手段としてのヒータ56が、冷却タンク43底部の内面側ではなく外面側に取り付けられている点である。図1におけるヒータ51の場合は、低温の液体中に浸漬された状態でも支障がないように抵抗体が適当な絶縁材により被覆されたものに限定される。しかし、この実施形態におけるヒータ56は、冷却タンク43の外側に取り付けられるものであるため、このようなものに限定されることはなく、より幅広い種類のヒータを用いることが可能である。
【0052】
図5は、本発明の第5の参考例の要部構成図である。図5が図1と異なる点は、熱量付与手段としてヒータ51の代わりに、誘導加熱コイル57を冷却タンク43底部の外面に対向して配設した点である。冷凍負荷調整手段53は、この誘導加熱コイル57に高周波電流を流すことにより、冷却タンク43(ステンレス等の金属により形成されている)のコイル対向面に誘導電流を誘起し発熱を生じさせることができる。このような構成によっても図1と同様の効果を得ることができる。
【0053】
図6は、本発明の第1の実施形態の要部構成図である。図6が図1と異なる点は、熱量付与手段を、冷却タンク43底部の外面に一端側が接触するヒートパイプ59と、このヒートパイプ59の他端側を加熱するヒータ58とで構成するようにした点である。この実施形態では、ヒータ58からの熱量がヒートパイプ59を介して冷却タンク43内部に伝導されるので、液化窒素44の温度変化すなわち冷凍負荷の変化が滑らかなものとなる。また、この実施形態によれば、ヒータ58の通電がオフされている間も、真空デュワー38の外部すなわち常温部からの熱量がヒータ58及びヒートパイプ59を介してある程度液化窒素44側に伝達されるのを期待することができる。
【0054】
図7は、本発明の第2の実施形態の要部構成図である。図7が図1と異なる点は、熱量付与手段が、良熱伝導ブロック受座60、可動良熱伝導ブロック61、及び伸縮駆動部材(これも熱伝導性の良好な部材)62により構成されている点である。良熱伝導ブロック受座60は、冷却タンク43底部の外面に固着されており、この良熱伝導ブロック受座60に対向するように可動良熱伝導ブロック61が伸縮駆動部材62に支持された状態で配設されている。
【0055】
冷凍負荷調整手段53は、駆動機構(図示せず)を介して可動良熱伝導ブロック61を良熱伝導ブロック受座60に対して進退動させ、それぞれの接触面60a,61aを互いに接触した状態、あるいは離間した状態とすることができる。そして、接触面60a,61aを互いに接触した状態では常温部からの熱量が、伸縮駆動部材62、可動良熱伝導ブロック61、及び良熱伝導ブロック受座60を介して液化窒素44側に伝達され、接触面60a,61aを離間した状態とすればその熱量の伝達を遮断することができる。すなわち、接触面60a,61aの接離を制御することによりシールド冷凍機20の冷凍負荷を調整することができる。
【0056】
図8は、本発明の第3の実施形態の要部構成図である。図8が図1と異なる点は、冷却タンク43内に液面検知器63(ポイントセンサ)が設けられており、制御装置16がこの液面検知器63からの検知信号を入力して、液面44aがヒートステーション35の高さまで上昇しないよう制御できるようにしている点である。
【0057】
すなわち、冷却タンク43内に液化窒素44を追加注液する場合、制御装置16は冷媒液供給管47に取り付けられた閉切り弁48を開放して液化器(図示せず)から供給される液化窒素を冷却タンク43内に流し込む。このとき、液化窒素の供給量が多すぎるとヒートステーション35の一部又は全部が液化窒素44中に浸ってしまい、窒素ガスを気化させることができなくなるため、安定した冷凍能力を維持することができなくなる。そこで、本実施形態では、ヒートステーション35のやや下方の所定位置に液面検知器63を配置し、この液面検知器63が液面44aを検知したら液化窒素44の追加注液を停止できるようにしている。この追加注液の停止は、手動により閉切り弁48を閉じるようにしてもよく、あるいは、閉切り弁48に弁機構を取り付けて制御装置16が自動的に閉切り弁48を閉じるようにしてもよい。
【0058】
図9は、本発明の第4の実施形態の要部構成図である。図9が図1と異なる点は、排気管49から冷却タンク43の内部へ延びるオーバーフロー管49aが分岐している点である。図8の構成は、追加注液を行う際に、液面44aが所定の高さになったときに注液を停止するものであるが、この図9の構成によれば、追加注液中に液面44aが所定高さを超えようとする場合に、大気開放弁50を開放することにより、オーバーフロー管49aから過剰な液化窒素44を冷却タンク43外へオーバーフローさせることができる。
【0059】
図10は、本発明の第5の実施形態の要部構成図である。図10が図1と異なる点は、大気開放弁50に弁機構64が取り付けられ、制御装置16がこの弁機構64を制御して大気開放弁50の開閉を自動的に行えるようにしたものである。すなわち、シールド冷凍機20の冷凍能力が極度に低下した場合、冷却タンク43内の圧力は異常レベルにまで上昇するが、このとき制御装置16は圧力検出器52からの信号に基づきこの圧力上昇を検出して弁機構64を動作させる。これにより、大気開放弁50が開放され、冷却タンク43内の圧力の異常上昇が防止される。
【0060】
図11は、本発明の第6の実施形態の要部構成図である。図11は図1とほぼ同じ構成であり、制御装置16からシールド冷凍機20に対して運転停止信号Sが出力されるようになっている点のみが異なっている。図1では、圧力検出器52からの検出信号は冷凍負荷調整手段53による液面44aの一定制御に用いられていたが、この実施形態では、シールド冷凍機20の冷凍能力が冷凍負荷を大きく上回り、圧力検出器52の検出値が所定値以下になった場合に、制御装置16が運転停止信号Sを出力してシールド冷凍機20の運転を停止させるようにし、所定値まで復帰した時点で再度シールド冷凍機20の運転を再開させるようにしている。この場合、上記の所定値をゼロに設定しておけば、冷却タンク43内が圧力が負圧になるまで低下するのを防止することができる。したがって、本実施形態によれば、冷却タンク43内が負圧になった場合の外気吸い込みに起因する冷却回路の詰まり事故の発生を未然に防止することができる。
【0061】
上述した各実施形態では、熱量付与手段、状態量検出手段、及び冷凍負荷調整手段をシールド冷凍機20の冷凍負荷を制御するためのものとして説明したが、これら各手段はシールド冷凍機20の冷凍負荷のみに限定される理由はなく、予冷冷凍機19側にも同様に各手段を設けることが可能である。
【0062】
さらに、本発明の技術は、上記のようなリニアモータカーに搭載される超電導磁石装置に対して冷却を極低温冷却装置に限定される理由はなく、少なくとも1台の圧縮機に対して複数台の冷凍機を並列接続してマルチ運転を行うような極低温冷却装置について広く適用することが可能である。
【0063】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、複数個の冷却タンクのうちの1個又は複数個に熱量付与手段を取り付けて、この冷却タンクの内部に対して熱量を与え、この冷却タンク内の所定の状態量を状態量検出手段により検出し、この状態量検出手段の検出に基づいて冷凍負荷調整手段が熱量付与手段の熱量付与動作を制御して冷凍機の冷凍負荷の調整を行う構成としたので、実質的に各冷凍機の冷凍能力を他の冷凍機に影響を及ぼすことなく独立に且つ迅速に変化させたのと同様の効果を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の参考例の要部構成図。
【図2】 本発明の第2の参考例の要部構成図。
【図3】 本発明の第3の参考例の要部構成図。
【図4】 本発明の第4の参考例の要部構成図。
【図5】 本発明の第5の参考例の要部構成図。
【図6】 本発明の第1の実施形態の要部構成図。
【図7】 本発明の第2の実施形態の要部構成図。
【図8】 本発明の第3の実施形態の要部構成図。
【図9】 本発明の第4の実施形態の要部構成図。
【図10】 本発明の第5の実施形態の要部構成図。
【図11】 本発明の第6の実施形態の要部構成図。
【図12】 従来の極低温冷却装置の構成図。
【符号の説明】
1 圧縮機ユニット
2 低段圧縮機
3 高段圧縮機
4 JT高圧調整機構
5 第1開閉弁
6 第1流量調整弁
7 第2開閉弁
8 第2流量調整弁
9 低圧制御弁
10 高圧制御弁
11 バッファ用給排口
12 低圧ガス吸入口
13 JT用高圧ガス吐出口
14 中間圧ガス吸入口
15 高圧ガス吐出口
16 制御装置
17 バッファタンク
18 JT冷凍機
19予冷冷凍機
20 シールド冷凍機
21 第1熱交換器
22 第2熱交換器
23 第3熱交換器
24 第1予冷器
25 第2予冷器
26 JT弁
27 モータヘッド部
28 シリンダ部
29 第1ヒートステーション
30 第2ヒートステーション
31 高圧ガス入口
32 低圧ガス出口
33 モータヘッド部
34 シリンダ部
35 ヒートステーション
36 高圧ガス入口
37 低圧ガス出口
38 真空デュワー
39 熱シールド板
40 冷却タンク
41 液化ヘリウム
42 超電導コイル
43 冷却タンク
44 液化窒素
44a 液面
45 配管
45a 一端部
45b 他端部
46 熱交換器
47 冷媒液供給管
48 閉切り弁
49 排気管
49a オーバーフロー管
50 大気開放弁
51 ヒータ
52 圧力検出器
53 冷凍負荷調整手段
58 ヒータ
59 ヒートパイプ
60 良熱伝導ブロック受座
61 可動良熱伝導ブロック
62 伸縮駆動部材
63 液面検知器
64 弁機構
S 運転停止信号[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a cryogenic cooling device in which a plurality of refrigerators are connected to one compressor and the refrigeration capacity of each refrigerator can be varied.
[0002]
[Prior art]
The superconducting magnet device mounted on the linear motor car is cooled by a cryogenic cooling device. The cryogenic cooling device has a structure in which a plurality of refrigerators are connected to one compressor and helium is helium. There are many systems that perform multi-operation using gas as a refrigerant and naturally circulate nitrogen gas around the cooling tank of the superconducting coil. FIG. 12 is a block diagram of a conventional cryogenic cooling device that performs cooling in this manner (see, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 9-229503).
[0003]
In FIG. 12, the compressor unit 1 includes a low-stage compressor 2 and a high-
[0004]
The low-stage compressor 2 and the high-
[0005]
The high pressure gas from the compressor unit 1 is sent to the
[0006]
The
[0007]
The
[0008]
The
[0009]
The
[0010]
A cooling tank 40 for storing liquefied helium 41 is further provided inside the heat shield plate 39, and a superconducting coil 42 is immersed in the liquefied helium 41. Inside the cooling tank 40 is an end of a liquefied helium return pipe to which a
[0011]
A cooling tank 43 for storing liquefied nitrogen 44 is disposed inside the vacuum dewar 38 and above the heat shield plate 39. One
[0012]
The
[0013]
Next, the operation of FIG. 12 will be described. The low-stage compressor 2 of the compressor unit 1 compresses the constant pressure helium gas from the low-
[0014]
In the
[0015]
Similarly, in the
[0016]
In the
[0017]
The helium gas that has passed through the primary side of the
[0018]
The
[0019]
By the way, in the cooling tank 43 in which the liquefied nitrogen 44 is stored, the circulation circuit from the one
[0020]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the refrigeration capacities of the
[0021]
However, the control of the operating frequency of each valve motor and each
[0022]
Furthermore, when the refrigeration capacity of the
[0023]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and in a cryogenic cooling apparatus in which a plurality of refrigerators for cooling an object to be cooled in each cooling tank are connected in parallel to one compressor. An object of the present invention is to provide a cryogenic cooling device capable of obtaining the same effect as that of rapidly changing the refrigeration capacity of a certain refrigerator without causing interference with other refrigerators.
[0034]
[Means for Solving the Problems]
As means for solving the above-mentioned problems, the invention according to claim 1 is characterized in that at least one compressor for compressing refrigerant gas and the at least one compressor are connected in parallel, and A plurality of refrigerators for generating a cryogenic state by expanding a refrigerant gas; a plurality of cooling tanks for storing objects to be cooled which are cooled by the plurality of refrigerators; A heat quantity applying means attached to one or a plurality of the cooling tanks for applying heat to the inside of the cooling tank, a state quantity detecting means for detecting a predetermined state quantity in the cooling tank, and Refrigeration load adjustment means for adjusting the refrigeration load of the refrigerator by controlling the heat amount application operation of the heat amount application means based on the detection of the state quantity detection means, and is housed in the cooling tank The object to be cooled is refrigerant gas of refrigerant circulating in the refrigerant circuit of the compressor and the refrigerator, or refrigerant gas of refrigerant circulating in another refrigerant circuit independent of the refrigerant circuit, and is stored in the tank. In the cryogenic cooling device, which is a vaporized refrigerant liquid,The heat quantity applying means includes a heat pipe attached to the outside of the cooling tank and a heater for heating the heat pipe.
[0035]
Invention of Claim 2 is replaced with the said heat pipe and heater in the invention of Claim 1,The heat quantity applying means is composed of a good heat conduction block seat fixed to the outside of the cooling tank, and a movable good heat conduction block disposed so as to be able to contact and separate from the good heat conduction block seat. The amount of heat from the ambient temperature atmosphere portion is given to the inside of the cooling tank through the movable good heat conduction block and the good heat conduction block seat.
[0036]
The invention according to
[0037]
The invention according to claim 4 is the invention according to claim 1 or 2,The cooling tank is provided with an overflow pipe for discharging the refrigerant liquid out of the tank when the liquid level of the refrigerant liquid stored in the tank rises above a predetermined level. To do.
[0038]
The invention according to claim 5 is the invention according to any one of claims 1 to 4,When the pressure in the cooling tank rises above a predetermined level, a control device is provided to prevent the tank from becoming an overpressure state by opening an air release valve disposed in the cooling tank. It is characterized by that.
[0039]
The invention according to claim 6 is the invention according to any one of claims 1 to 5,When the pressure in the cooling tank falls below a predetermined level, a control device is provided to prevent the tank from becoming negative pressure by stopping the operation of the refrigerator.
[0040]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present inventionReference examples andEmbodiments will be described with reference to the drawings. However, the same components as those in FIG. Further, in the following FIGS. 1 to 11, only the configuration around the cooling tank 43 is shown. Other configurations are the same as those in FIG.
[0041]
FIG. 1 shows the first aspect of the present invention.Reference exampleFIG. In this figure, a
[0042]
The pressure in the cooling tank 43 is detected by a pressure detector 52 as state quantity detection means. Since the pressure in the cooling tank 43 has a characteristic that is approximately proportional to the temperature of the liquefied nitrogen 44, by detecting this pressure, the balance between the refrigeration capacity of the
[0043]
A detection signal from the pressure detector 52 is sent to a refrigeration load adjusting means 53 provided in the
[0044]
Next, the operation of FIG. 1 will be described. As described with reference to FIG. 12, the high-pressure helium gas sent to the
[0045]
At this time, if the refrigeration capacity of the
[0046]
As described above, the refrigeration load adjusting means 53 performs on / off control of the
[0047]
That is, in the past, the
[0048]
Further, conventionally, since a time for temperature balance in the refrigeration system is required, the response of the refrigeration capacity fluctuation control is delayed, and there is a possibility that the constant control of the
[0049]
FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention.Reference exampleFIG. 2 differs from FIG. 1 in that a
[0050]
FIG. 3 illustrates the third aspect of the present invention.Reference exampleFIG. 3 differs from FIG. 1 in that a liquid level gauge 55 is provided in place of the pressure detector 52 as state quantity detection means so that the
[0051]
FIG. 4 shows the fourth aspect of the present invention.Reference exampleFIG. FIG. 4 differs from FIG. 1 in that a
[0052]
FIG. 5 shows the fifth aspect of the present invention.Reference exampleFIG. FIG. 5 is different from FIG. 1 in that an
[0053]
FIG. 6 illustrates the present invention.FirstIt is a principal part block diagram of embodiment. 6 differs from FIG. 1 in that the heat quantity applying means includes a
[0054]
FIG. 7 illustrates the present invention.SecondIt is a principal part block diagram of embodiment. FIG. 7 differs from FIG. 1 in that the heat application means is constituted by a good heat
[0055]
The refrigeration load adjusting means 53 moves the movable good
[0056]
FIG. 8 illustrates the present invention.ThirdIt is a principal part block diagram of embodiment. 8 is different from FIG. 1 in that a liquid level detector 63 (point sensor) is provided in the cooling tank 43, and the
[0057]
That is, when the liquefied nitrogen 44 is additionally injected into the cooling tank 43, the
[0058]
FIG. 9 illustrates the present invention.4thIt is a principal part block diagram of embodiment. 9 differs from FIG. 1 in that an overflow pipe 49a extending from the
[0059]
FIG. 10 illustrates the present invention.5thIt is a principal part block diagram of embodiment. FIG. 10 differs from FIG. 1 in that a valve mechanism 64 is attached to the
[0060]
FIG. 11 shows the present invention.6thIt is a principal part block diagram of embodiment. FIG. 11 has substantially the same configuration as that of FIG. 1 except that an operation stop signal S is output from the
[0061]
In each of the above-described embodiments, the heat amount application unit, the state amount detection unit, and the refrigeration load adjustment unit are described as those for controlling the refrigeration load of the
[0062]
Furthermore, in the technology of the present invention, there is no reason that cooling is limited to the cryogenic cooling device for the superconducting magnet device mounted on the linear motor car as described above, and a plurality of units are provided for at least one compressor. The present invention can be widely applied to a cryogenic cooling device that performs multi-operation by connecting refrigerators in parallel.
[0063]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, one or a plurality of cooling tanks are provided with a calorie imparting means to impart heat to the inside of the cooling tank, and a predetermined amount in the cooling tank is provided. The state quantity is detected by the state quantity detection means, and the refrigeration load adjustment means controls the heat quantity application operation of the heat quantity application means based on the detection of the state quantity detection means to adjust the refrigeration load of the refrigerator. Therefore, it is possible to obtain the same effect as when the refrigeration capacity of each refrigerator is changed independently and quickly without affecting other refrigerators.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows the first of the present invention.Reference exampleFIG.
FIG. 2 shows the second of the present invention.Reference exampleFIG.
FIG. 3 shows a third embodiment of the present invention.Reference exampleFIG.
FIG. 4 shows the fourth aspect of the present invention.Reference exampleFIG.
FIG. 5 shows the fifth aspect of the present invention.Reference exampleFIG.
FIG. 6 of the present inventionFirstThe principal part block diagram of embodiment.
[Fig. 7] of the present invention.SecondThe principal part block diagram of embodiment.
[Fig. 8] of the present inventionThirdThe principal part block diagram of embodiment.
FIG. 9 shows the present invention.4thThe principal part block diagram of embodiment.
FIG. 10 shows the present invention.5thThe principal part block diagram of embodiment.
FIG. 11 shows the present invention.6thThe principal part block diagram of embodiment.
FIG. 12 is a configuration diagram of a conventional cryogenic cooling device.
[Explanation of symbols]
1 Compressor unit
2 Low stage compressor
3 High stage compressor
4 JT high pressure adjustment mechanism
5 First on-off valve
6 First flow adjustment valve
7 Second on-off valve
8 Second flow adjustment valve
9 Low pressure control valve
10 High pressure control valve
11 Buffer outlet
12 Low pressure gas inlet
13 High-pressure gas outlet for JT
14 Intermediate pressure gas inlet
15 High pressure gas outlet
16 Control device
17 Buffer tank
18 JT refrigerator
19 precooling refrigerator
20 Shield refrigerator
21 1st heat exchanger
22 Second heat exchanger
23 Third heat exchanger
24 First precooler
25 Second precooler
26 JT valve
27 Motor head
28 Cylinder
29 1st Heat Station
30 Second Heat Station
31 High pressure gas inlet
32 Low pressure gas outlet
33 Motor head
34 Cylinder
35 Heat Station
36 High pressure gas inlet
37 Low pressure gas outlet
38 vacuum dewar
39 Heat shield plate
40 Cooling tank
41 Liquefied helium
42 Superconducting coil
43 Cooling tank
44 Liquid nitrogen
44a Liquid level
45 Piping
45a one end
45b The other end
46 heat exchanger
47 Refrigerant liquid supply pipe
48 Close valve
49 Exhaust pipe
49a overflow pipe
50 Air release valve
51 Heater
52 Pressure detector
53 Refrigeration load adjustment means
58 Heater
59 Heat pipe
60 Good heat conduction block seat
61 Movable heat transfer block
62 Telescopic drive member
63 Liquid level detector
64 Valve mechanism
S Operation stop signal
Claims (6)
前記少なくとも1台の圧縮機に対して並列接続され、前記圧縮機からの冷媒ガスを膨張させることにより極低温状態を発生させる複数台の冷凍機と、
前記複数台の各冷凍機により冷却される各被冷却対象物が収容される複数個の冷却タンクと、
前記複数個の冷却タンクのうちの1個又は複数個に取り付けられ、この冷却タンクの内部に対して熱量を与える熱量付与手段と、
前記冷却タンク内の所定の状態量を検出する状態量検出手段と、
前記状態量検出手段の検出に基づいて前記熱量付与手段の熱量付与動作を制御することにより、前記冷凍機の冷凍負荷を調整する冷凍負荷調整手段と、
を備え、
前記冷却タンク内に収容される被冷却対象物が、前記圧縮機及び前記冷凍機の冷媒回路を循環する冷媒の冷媒ガス、又はこの冷媒回路とは独立の他の冷媒回路を循環する冷媒の冷媒ガスであってタンク内に貯溜された冷媒液が気化したものである、
極低温冷却装置において、
前記熱量付与手段が、前記冷却タンクの外部に取り付けられたヒートパイプと、このヒートパイプに対する加熱を行うヒータとにより構成されるものである、
ことを特徴とする極低温冷却装置。At least one compressor for compressing the refrigerant gas;
A plurality of refrigerators connected in parallel to the at least one compressor and generating a cryogenic state by expanding a refrigerant gas from the compressor;
A plurality of cooling tanks in which each object to be cooled cooled by each of the plurality of refrigerators is stored ;
A calorie imparting means attached to one or plural of the plurality of cooling tanks and imparting a calorie to the inside of the cooling tank;
State quantity detection means for detecting a predetermined state quantity in the cooling tank;
Refrigeration load adjustment means for adjusting the refrigeration load of the refrigerator by controlling the heat amount application operation of the heat amount application means based on the detection of the state quantity detection means;
With
The object to be cooled contained in the cooling tank is a refrigerant gas of a refrigerant that circulates through the refrigerant circuit of the compressor and the refrigerator, or a refrigerant of a refrigerant that circulates through another refrigerant circuit independent of the refrigerant circuit. A gas that is a vaporized refrigerant liquid stored in the tank.
In the cryogenic cooling device,
The calorie imparting means is constituted by a heat pipe attached outside the cooling tank and a heater for heating the heat pipe.
A cryogenic cooling device characterized by that.
ことを特徴とする請求項1記載の極低温冷却装置。Instead of the heat pipe and the heater, the heat quantity applying means is a good heat conduction block seat fixed to the outside of the cooling tank, and a movable member disposed so as to be able to contact and separate from the good heat conduction block seat. It is composed of a good heat conduction block, and gives the amount of heat from the ambient temperature atmosphere part to the inside of the cooling tank through the movable good heat conduction block and the good heat conduction block seat,
The cryogenic cooling device according to claim 1 .
ことを特徴とする請求項1又は2記載の極低温冷却装置。Provided with a control device for stopping the supply of the refrigerant liquid into the cooling tank when the liquid level of the refrigerant liquid stored in the cooling tank rises above a predetermined level;
The cryogenic cooling device according to claim 1 or 2 , characterized in that.
ことを特徴とする請求項1又は2記載の極低温冷却装置。The cooling tank is provided with an overflow pipe for discharging the refrigerant liquid out of the tank when the liquid level of the refrigerant liquid stored in the tank rises above a predetermined level.
The cryogenic cooling device according to claim 1 or 2 , characterized in that.
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の極低温冷却装置。When the pressure in the cooling tank rises above a predetermined level, a control device is provided to prevent the tank from becoming an overpressure state by opening an air release valve disposed in the cooling tank.
The cryogenic cooling device according to any one of claims 1 to 4, wherein
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の極低温冷却装置。When the pressure in the cooling tank drops below a predetermined level, the controller includes a control device that prevents the tank from becoming a negative pressure state by stopping the operation of the refrigerator.
The cryogenic cooling device according to any one of claims 1 to 5, wherein
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