JP3789634B2 - 極低温冷凍装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導マグネット等の冷却装置、極低温における物性テスト装置又はクライオポンプなどに利用される極低温冷凍装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、極低温冷凍装置は、極低温に冷却されたパネルに気体分子を凝縮又は吸着して高真空圧を発生させるクライオポンプに利用されて、上記パネルを極低温(例えば１０〜２０Ｋ)に冷却したり、超電導マグネットや物性テスト装置の冷却装置に利用されて、超電導マグネットや試料を極低温(例えば４Ｋ)まで冷却させるものである。
【０００３】
このような極低温冷凍装置１は、図４に示すように、圧縮機２を備えた圧縮ユニット３と冷凍機４とが冷媒配管５にて接続されて構成される。圧縮ユニット３における冷媒配管５には、圧縮機２の吐出側に熱交換器６が配設されて、圧縮機２にて加圧された高温高圧の冷媒（Ｈｅガス）が常温の高圧ガスに熱交換される。この高圧ガスが冷凍機４へ供給されて断熱膨張され、冷凍機４の低温端部４Ａが極低温に冷却される。
【０００４】
なお、図４中の符号７はオイルセパレータ、符号８はアドソーバ、符号９はバッファタンクである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような極低温冷凍装置１では、冷凍機４の低温端部４Ａが極低温になったときに、この冷凍機４近傍の冷媒の密度が高くなって、冷凍機４近傍に冷媒が偏在してしまう。このため、運転開始直後に冷媒量が適切であっても、冷凍機４の低温端部４Ａが極低温になると極低温冷凍装置１の全体としての冷媒量が不足して、極低温冷凍装置１の冷媒圧力が変動し、冷凍機４が冷凍能力を十分発揮できないことがある。
【０００６】
逆に、冷凍機４の低温端部４Ａが極低温になったときに適正量となるように冷媒を封入しておくと、極低温冷凍装置１の運転開始直後には冷媒量が過大となって圧縮機２が過酷な運転を要求され、圧縮機２の耐久性及び安全性に支障を生ずる虞がある。
【０００７】
本発明の課題は、上述の事情を考慮してなされたものであり、装置内を循環する冷媒量を常に最適化できる極低温冷凍装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１では、冷媒を圧縮して加圧する圧縮機を備えた圧縮ユニットと、この圧縮ユニットからの加圧冷媒により極低温を実現する低温端部を有する冷凍機とからなる極低温冷凍装置において、上記圧縮ユニットと上記冷凍機との間で冷媒が循環する循環経路に、上記冷媒を貯留可能とするサージタンクがバルブを介して圧縮機の吸込側に接続され、上記低温端部には、この低温端部の温度を検出する温度センサが設置され、この極低温冷凍装置の運転中に上記温度センサによる検出温度が所定温度Ｔ以下に低下したときに前記バルブを開作動させる制御装置を備えたものである。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記循環経路における圧縮機の吸込側には、この吸込側における冷媒の低圧圧力を検出する低圧圧力センサが設置され、また、上記循環経路における圧縮機の吐出側には、この吐出側における冷媒の高圧圧力を検出する高圧圧力センサが設置され、制御装置は、装置の運転中に、上記低圧圧力センサにより検出された低圧圧力と、上記高圧圧力センサにより検出された高圧圧力との圧力差が所定圧Ｐｏ以下に低下したときに、バルブを開作動させるものである。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記循環経路における圧縮機の吐出側には、この吐出側における冷媒の高圧圧力を検出する高圧圧力センサが設置され、制御装置は、装置の運転中に、上記高圧圧力センサにより検出される高圧圧力が所定圧Ｐｂ以下に低下したときに、バルブを開作動させるものである。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記循環経路における圧縮機の吸込側には、この吸込側における冷媒の低圧圧力を検出する低圧圧力センサが設置され、制御装置は、装置の運転中に、上記低圧圧力センサにより検出される低圧圧力の振れ幅が所定振れ幅Ａ以上に増大したときに、バルブを開作動させるものである。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記循環経路における圧縮機の吐出側には、この吐出側における冷媒の高圧圧力を検出する高圧圧力センサが設置され、制御装置は、装置の運転中に、上記高圧圧力センサにより検出される高圧圧力の振れ幅が所定振れ幅Ｂ以上に増大したときに、バルブを開作動させるものである。
【００１６】
請求項１乃至５に記載の発明には、次の作用（１）、（２）がある。
【００１７】
（１）装置の運転中に、冷凍機の低温端部の温度が所定温度Ｔまで低下すると、圧縮ユニット、冷凍機及び循環経路内の冷媒は、冷凍機及びその近傍において密度が高くなり、それらの個所に偏在して、装置全体として不足してしまう。この時には、冷凍機の冷媒に対する抵抗がみかけ上小さくなるので、圧縮機の吸込側における冷媒の低圧圧力が上昇し、圧縮機の吐出側における冷媒の高圧圧力が低下し、上記低圧圧力及び上記高圧圧力の両振れ幅が共に増大してしまう。
【００１８】
そこで、制御装置は、▲１▼冷凍機の低温端部の温度が所定温度Ｔ以下となったときに、▲２▼冷媒の低圧圧力と高圧圧力との圧力差が所定圧Ｐｏ以下に低下したときに、▲３▼冷媒の低圧圧力が所定圧力Ｐａ以上まで上昇したときに、▲４▼冷媒の高圧圧力が所定圧力Ｐｂ以下まで低下したときに、▲５▼冷媒の低圧圧力の振れ幅が所定振れ幅Ａまで増大したときに、又は▲６▼冷媒の高圧圧力の振れ幅が所定振れ幅Ｂまで増体したときに、バルブを開作動させて、サージタンク内の冷媒を循環経路内へ補給する。これにより、装置内において循環する冷媒量を常に最適化でき、従って、高圧圧力が上昇して、この高圧圧力と低圧圧力との圧力差を適切に設定でき、冷凍機の冷凍能力の低下を改善できる。
【００１９】
（２）装置の停止時にもバルブを開状態に維持すれば、圧縮ユニット、冷凍機、循環経路及びサージタンク内で冷媒圧力を均一化でき、冷媒温度の上昇により、圧縮ユニット、冷凍機及び循環経路内で過剰となった冷媒をサージタンク内に自然回収できる。
【００２０】
特に請求項１に記載の発明には、次の作用（３）、（４）がある。
【００２１】
（３）サージタンクが循環経路において圧縮機の吸込側に接続されたことから、装置の運転中には、サージタンク内の冷媒圧力が圧縮機の吸込側の循環経路内での冷媒圧力よりも常に大きいので、装置の運転中にバルブを開作動することのみによって、サージタンク内の冷媒を循環経路内へ供給できる。
【００２２】
（４）サージタンクが循環経路において圧縮機の吸込側に接続されたので、バルブの開作動時にはサージタンクがバッファ空間となり、冷凍機にて冷媒に発生する圧力脈動を有効に吸収できる。
【００２３】
特に、請求項２乃至５に記載の発明には、次の作用（５）がある。
【００２４】
（５）循環経路において圧縮機の吸込側、吐出側にそれぞれ設置された低圧圧力センサ、高圧圧力センサは、冷凍機の低温端部に設置された温度センサに比べ制御装置に近い位置に設置できるので、各圧力センサと制御装置とを接続する信号線の長さを、冷凍機の低温端部と制御装置とを接続する信号線に比べ短くでき、装置の構造を簡素化できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２６】
［Ａ］第一の実施の形態
図１は、本発明に係る極低温冷凍装置の一実施の形態における冷媒回路を示す回路図である。この実施の形態における極低温冷凍装置１０は、不図示の超電導マグネットを極低温（約４Ｋ）まで冷却するものであり、圧縮機１１を備えた圧縮ユニット１２と、冷凍機１３とを有して構成される。
【００２７】
圧縮ユニット１２は、圧縮機１１を配設した冷媒配管１５の吸込側にバッファタンク１６が、吐出側に熱交換器１７、オイルセパレータ１８及びアドソーバ１９が順次配設されたものであり、圧縮機１１が、冷媒（例えばＨｅガス）を圧縮して高温高圧の加圧冷媒とする。
【００２８】
熱交換器１７は、圧縮機１１からの高温高圧冷媒を熱交換して、常温の高圧冷媒（たとえば約２０〜２１ｋｇ／ｃｍ２）とする。オイルセパレータ１８は、圧縮機１１内で潤滑・冷却用に使用された冷媒中のオイルを分離する。更に、アドソーバ１９は、オイルセパレータ１８にて除去しきれなかった上記オイルや、このオイル中の揮発成分を活性炭を用いて吸着する。また、バッファタンク１６は、後述するように、冷凍機１３による冷媒の吸込、排出によって発生する冷媒の圧力脈動を吸収して圧縮機１１へ導くものである。
【００２９】
上記冷凍機１３は、圧縮ユニット１２におけるアドソーバ１９からの常温高圧冷媒（たとえば約２０〜２１ｋｇ／ｃｍ２）を導入して断熱膨張を繰り返し、低温端部２０を極低温（たとえば約４Ｋ）に冷却する。この低温端部２０により、超電導マグネットを冷却する。
【００３０】
この冷凍機１３には吸込側冷媒配管２１及び排出側冷媒配管２２が設けられる。吸込側冷媒配管２１は、往き側冷媒配管２３を介して、圧縮ユニット１２における冷媒配管１５のアドソーバ１９側端部に接続される。これらの往き側冷媒配管２３及び吸込側冷媒配管２１により、上述のように、圧縮ユニット１２の圧縮機１１からの高圧冷媒が冷凍機１３内へ導入される。また、排出側冷媒配管２２は、戻り側冷媒配管２４を介して、圧縮ユニット１２における冷媒配管１５のバッファタンク１６側端部に接続される。これらの排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４により、冷凍機１３にて膨張した低圧冷媒（たとえば約４ｋｇ／ｃｍ２）が圧縮ユニット１２の圧縮機１１へ戻される。
【００３１】
ここで、圧縮ユニット１２の冷媒配管１５、冷凍機１３の吸込側冷媒配管２１及び排出側冷媒配管２２、並びに往き側冷媒配管２３及び戻り側冷媒配管２４が、冷媒を圧縮ユニット１２と冷凍機１３との間で循環させる循環経路を構成する。
【００３２】
さて、上記極低温冷凍装置１０は、上述の圧縮ユニット１２及び冷凍機１３のほかに、サージタンク２５、バルブ２６、制御装置２７及び温度センサ２８を有する。
【００３３】
サージタンク２５は、圧縮ユニット１２の冷媒配管１５において圧縮機１１の吸込側（つまり冷凍機１３からの冷媒の戻り側）で、バッファタンク１６の上流側に、連通配管２９を介して接続される。このサージタンク２５は、冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４内の冷媒を一時貯留可能とする。バルブ２６は上記連通配管２９に配設され、制御装置２７による後述の制御によって開閉作動させる。
【００３４】
上記温度センサ２８は、冷凍機１３の低温端部２０に設置されて、この低温端部２０の温度を検出し、検出温度を制御装置２７へ送信する。
【００３５】
冷凍機１３の低温端部２０の温度αは、図２に示すように、極低温冷凍装置１０の運転開始直後にはたとえば約２８０Ｋであるが、運転時間の経過と共に低下する。低温端部２０の温度低下により、極低温冷凍装置１０の冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４を流れる冷媒は冷凍機１３及びこの冷凍機１３近傍において密度が高まり、これらの個所に冷媒が偏在して、上述の冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４の全体としては冷媒が不足する状況となる。この状況下では、冷媒に対する冷凍機１３の抵抗がみかけ上小さくなって、冷凍機１３から圧縮ユニット１２の圧縮機１１へ戻る冷媒の圧力（低圧圧力β）が徐々に上昇し、又、圧縮ユニット１２の圧縮機１１から冷凍機１３へ導かれる冷媒の圧力（高圧圧力γ）が徐々に下降して、これらの低圧圧力βと高圧圧力γとの圧力差ΔＰが減少し、この結果、冷凍機１３の冷凍能力が低下してしまう。尚、図２中の低圧圧力β、高圧圧力γは、それぞれ、低圧圧力の平均値、高圧圧力の平均値を示す。
【００３６】
そこで、制御装置２７は、極低温冷凍装置１０の運転開始と同時又は圧縮機１１の起動直前にバルブ２６を閉作動させた後、温度センサ２８にて検出された冷凍機１３の低温端部２０の温度αが所定温度Ｔ（例えばＴ≒６Ｋ）以下に至ったときにバルブ２６を開作動させる。
【００３７】
バルブ２６は、制御装置２７により極低温冷凍装置１０の運転停止時にも開作動された状態にあり、この時、冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２、戻り側冷媒配管２４及びサージタンク２５内は均一圧力となる。極低温冷凍装置１０の運転停止時間の経過により冷凍機１３の低温端部２０の温度αが上昇すると、上述の冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、戻り側冷媒配管２４及びサージタンク２５内の圧力は徐々に上昇し、冷凍機１３の低温端部２０の温度αが常温となったときには、前記高圧圧力γと低圧圧力βとの間の値の圧力（中間圧力）となる（例えば１９ｋｇ／ｃｍ２）。
【００３８】
従って、極低温冷凍装置１０の運転中において、冷凍機１３の低温端部２０の温度αが所定温度Ｔ以下になったときに制御装置２７がバルブ２６を開作動させると、サージタンク２５内の冷媒圧力が冷媒配管１５において圧縮機１１の吸込側の冷媒圧力よりも高いので、サージタンク２５内の冷媒は、冷媒配管１５の圧縮機１１吸込側へ補給される。これにより、冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４内の冷媒量が適正量となり、冷媒配管１５の圧縮機１１吐出側、往き側冷媒配管２３及び吸込側冷媒配管２１内の冷媒の高圧圧力γが上昇し、低圧圧力βと高圧圧力γとの圧力差ΔＰが増大して、冷凍機１３の冷凍能力の低下を改善できる。
【００３９】
従って、上記実施の形態の極低温冷凍装置１０によれば、次の効果（１）〜（４）を奏する。
【００４０】
（１）極低温冷凍装置１０の運転中に、冷凍機１３の低温端部２０の温度αが所定温度Ｔまで低下すると、冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４内の冷媒は、冷凍機１３及びその近傍において密度が高くなり、それらの個所に偏在して、全体として不足してしまう。そこで、制御装置２７が、冷凍機１３の低温端部２０における温度αが所定温度Ｔ以下となったときにバルブ２６を開作動させて、サージタンク２５内の冷媒を冷媒配管１５における圧縮機１１の吸込側へ補給することにより、冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４を循環する冷媒量を常に最適化できる。従って、冷凍機１３へ供給される冷媒の高圧圧力γが上昇して、この低圧圧力βと高圧圧力γとの圧力差ΔＰを適切に設定でき、冷凍機１３の冷凍能力の低下を改善できる。
【００４１】
（２）極低温冷凍装置１０の停止時にもバルブ２６を開状態に維持することから、冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４内で冷媒圧力を均一化でき、極低温冷凍装置１０の停止による冷媒温度の上昇によって、冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４内で過剰となった冷媒をサージタンク２５内に自然回収できる。
【００４２】
（３）サージタンク２５が、圧縮ユニット１２における冷媒配管１５の圧縮機１１吸込側に接続されたことから、極低温冷凍装置１０の運転中には、サージタンク２５内の冷媒圧力が圧縮機１１の吸込側の冷媒配管１５にける冷媒圧力よりも常に大きいので、極低温冷凍装置１０の運転中にバルブ２６を開作動することのみによって、サージタンク２５内の冷媒を冷媒配管１５における圧縮機１１の吸込側へ供給することができる。
【００４３】
（４）サージタンク２５が冷媒配管１５における圧縮機１１の吸込側に接続されたので、バルブ２６の開作動時にはサージタンク２５がバッファ空間となり、冷凍機１３にて冷媒に発生する圧力脈動を、バッファタンク１６のみならずサージタンク２５にても吸収できる。
【００４４】
[Ｂ]第二の実施の形態
図３は、本発明に係る極低温冷凍装置の第二の実施の形態における冷媒回路を示す回路図である。この第二の実施の形態において、前記第一の実施の形態と同一な部分は、同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００４５】
この第二の実施の形態の極低温冷凍装置４０では、冷凍機１３の低温端部２０に温度センサ２８が設置されず、低圧圧力センサ４１及び高圧圧力センサ４２が設置されている。
【００４６】
上記低圧圧力センサ４１は、圧縮ユニット１２の冷媒配管１５において、圧縮機１１の吸込側であって連通配管２９の接続点の上流側に設置される。この低圧圧力センサ４１は、冷凍機１３から排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４を経て圧縮機１１の吸込側の冷媒配管１５内へ戻される冷媒の圧力（低圧圧力β）を検出し、この検出値を制御装置２７へ送信する。
【００４７】
上記高圧圧力センサ４２は、圧縮ユニット１２の冷媒配管１５において、圧縮機１１の吐出側であってアドソーバ１９の下流側に設置される。この高圧圧力センサ４２は、圧縮ユニット１２の圧縮機１１から熱交換器１７、オイルセパレータ１８及びアドソーバ１９を経て冷凍機１３へ供給される冷媒の圧力（高圧圧力γ）を検出し、この検出値を制御装置２７へ送信する。
【００４８】
ここで、低圧圧力センサ４１、高圧圧力センサ４２にてそれぞれ検出される低圧圧力β、高圧圧力γは、冷凍機１３が冷媒を吸込み、排出させるサイクルを繰り返すことから、たとえば図２に示すように振動する。極低温冷凍装置４０（極低温冷凍装置１０も同様）の運転開始直後において、冷凍機１３の１サイクルあたりの低圧圧力βの振れ幅Ｗは約１．５ｋｇ／ｃｍ２）であり、低圧圧力βの平均値Ｑａは約４．５ｋｇ／ｃｍ２である。また、極低温冷凍装置４０（極低温冷凍装置１０も同様）の運転開始直後において、冷凍機１３の１サイクルあたりの高圧圧力γの振れ幅Ｘは約１．０ｋｇ／ｃｍ２であり、高圧圧力γの平均値Ｑｂは約２０ｋｇ／ｃｍ２である。
【００４９】
制御装置２７は、極低温冷凍装置４０の運転開始と同時にバルブ２６を閉作動させた後、低圧圧力センサ４１にて検出された低圧圧力βの平均値と、高圧圧力センサ４２にて検出された高圧圧力γの平均値との圧力差ΔＰが所定圧Ｐｏ（たとえばＰｏ≒１７．１−５．５≒１１．６Ｋｇ／ｃｍ２ ）以下となった時にバルブ２６を開作動させ、サージタンク２５内の冷媒を、圧縮ユニット１２における冷媒配管１５の圧縮機１１吸込側へ補給する。
【００５０】
この場合も、バルブ２６が極低温冷凍装置４０の運転停止時に開作動状態に維持されているので、サージタンク２５内の冷媒圧力は、バルブ２６が閉作動状態にある極低温冷凍装置４０の運転時には、冷媒配管１５の圧縮機１１吸込側の低圧圧力よりも低い。このため、バルブ２６を開作動させるだけで、サージタンク２５内の冷媒を冷媒配管１５の圧縮機１１吸込側へ供給できる。
【００５１】
また、サージタンク２５内の冷媒を冷媒配管１５の圧縮機１１吸込側へ補給することにより、冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４内の冷媒量が適正量となり、冷媒配管１５の圧縮機１１吐出側、往き側冷媒配管２３及び吸込側冷媒配管２１内の冷媒の高圧圧力γが上昇して、低圧圧力βと高圧圧力γとの上記圧力差ΔＰが増大し、冷凍機１３の冷凍能力を改善できる。
【００５２】
従って、この第二の実施の形態の極低温冷凍装置４０の場合にも、上記極低温冷凍装置１０の効果（１）乃至（４）と同様な効果を奏するほか、更に次の効果（５）も奏する。
【００５３】
（５）圧縮ユニット１２の冷媒配管１５における圧縮機１１の吸込側、吐出側にそれぞれ取り付けられた低圧圧力センサ４１、高圧圧力センサ４２は、冷凍機１３の低温端部２０に設置された温度センサ２８に比べ制御装置２７に近い位置に設置できるので（圧縮ユニット１２と冷凍機１３とはかなりの距離離れて設置される場合が多い。）、低圧圧力センサ４１、高圧圧力センサ４２と制御装置２７とを接続する信号線の長さを、冷凍機１３の低温端部２０と制御装置２７とを接続する信号線に比べて短くでき、極低温冷凍装置１０に比べ極低温冷凍装置４０の構造を簡素化できる。
【００５４】
[Ｃ]第三の実施の形態
この第三の実施の形態の極低温冷凍装置５０は、図３に示す極低温冷凍装置４０において高圧圧力センサ４２を削除し、低圧圧力センサ４１のみとしたものである。
【００５５】
この場合、制御装置２７は、極低温冷凍装置５０の運転開始と同時にバルブ２６を閉作動させた後、低圧圧力センサ４１にて検出された低圧圧力βの平均値が所定圧Ｐａ（例えばＰａ≒５．５Ｋｇ／ｃｍ２ ）以上に上昇した時にバルブ２６を開作動させ、サージタンク２５内の冷媒を圧縮ユニット１２における冷媒配管１５の圧縮機１１吸込側へ補給して、冷媒配管15、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４内の冷媒量を適正化する。
【００５６】
従って、この第三の実施の形態における極低温冷凍装置５０においても、第二の実施の形態の極低温冷凍装置４０と同様な効果（１）乃至（５）を奏する。
【００５７】
[Ｄ]第四の実施の形態
この第四の実施の形態の極低温冷凍装置６０は、図３に示す極低温冷凍装置４０において低圧圧力センサ４１を削除し、高圧圧力センサ４２のみとしたものである。
【００５８】
この場合、制御装置２７は、極低温冷凍装置６０の運転開始と同時にバルブ２６を閉作動させた後、高圧圧力センサ４２にて検出された高圧圧力γの平均値が所定圧Ｐｂ（例えばＰｂ≒１７．１Ｋｇ／ｃｍ２ ）以下に低下した時に、バルブ２６を開作動させ、サージタンク２５内の冷媒を圧縮ユニット１２における冷媒配管１５の圧縮機１１吸込側へ補給して、冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４内の冷媒量を適正化する。
【００５９】
従って、この第四の実施の形態の極低温冷凍装置６０においても、第二の実施の形態の極低温冷凍装置４０と同様な効果（１）乃至（５）を奏する。
【００６０】
[Ｅ]第五の実施の形態
この第五の実施の形態の極低温冷凍装置７０は、図３に示す極低温冷凍装置４０において高圧圧力センサ４２を削除し、低圧圧力センサ４１のみとしたものである。
【００６１】
この場合、制御装置２７は、極低温冷凍装置７０の運転開始と同時にバルブ２６を閉作動させた後、低圧圧力センサ４１にて検出された低圧圧力βにおける冷凍機１３の一サイクル当たりの振れ幅が所定振れ幅Ａ（例えばＡ≒２．５Ｋｇ／ｃｍ２ ）以上となった時にバルブ２６を開作動させ、サージタンク２５内の冷媒を圧縮ユニット１２における冷媒配管１５の圧縮機１１吸込側へ補給して、冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４内の冷媒量を適正化する。
【００６２】
従って、この第五の実施の形態の極低温冷凍装置７０においても、第二の実施の形態極低温冷凍装置４０と同様の効果（１）乃至（５）を奏する。
【００６３】
[Ｆ]第六の実施の形態
この第六の実施の形態の極低温冷凍装置８０は、図３に示す極低温冷凍装置４０において低圧圧力センサ４１を削除し、高圧圧力センサ42のみとしたものである。
【００６４】
この場合、制御装置２７は、極低温冷凍装置８０の運転開始と同時にバルブ２６を閉作動させた後、高圧圧力センサ42にて検出された高圧圧力γにおける冷凍機１３の一サイクル当たりの振れ幅が所定振れ幅Ｂ（例えばＢ≒１．２５Ｋｇ／ｃｍ２ ）以上となった時にバルブ２６を開作動させ、サージタンク２５内の冷媒を圧縮ユニット１２における冷媒配管１５の圧縮機１１吸込側へ補給して、
冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４内の冷媒量を適正化する。
【００６５】
従って、この第六の実施の形態の極低温冷凍装置８０においても、第二の実施の形態極低温冷凍装置４０と同様の効果（１）乃至（５）を奏する。
【００６６】
以上、一実施の形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００６７】
例えば、サージタンク２５は、圧縮ユニット１２の冷媒配管１５における圧縮機１１の吸込側に接続されるものを述べたが、冷媒配管１５における圧縮機１１の吐出側に接続させ、サージタンク２５内の冷媒をポンプ等の昇圧装置により上記冷媒配管１５における圧縮機１１の吐出側へ供給してもよい。
【００６８】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る極低温冷凍装置によれば、圧縮機を備えた圧縮ユニットと冷凍機との間で冷媒が循環する循環経路に、冷媒を貯留可能とするサージタンクがバルブを介して接続され、このバルブが制御装置により開閉作動されることから、冷凍機の作用により冷凍機近傍の冷媒温度が低下して冷媒が高密度化し、冷媒経路において冷媒が偏在しても、バルブの開作動によりサージタンク内の冷媒が循環経路内へ補給されて、装置内を循環する冷媒量を常に最適化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る極低温冷凍装置における第一の実施の形態の冷媒回路を示す回路図である。
【図２】図１の冷媒回路の低圧圧力、高圧圧力、冷凍機の低温端部温度と時間との関係を示すグラフである。
【図３】本発明に係る極低温冷凍装置における第二の実施の形態の冷媒回路を示す回路図である。
【図４】従来の極低温冷凍装置における冷媒回路を示す回路図である。
【符号の説明】
１０ 極低温冷凍装置
１１ 圧縮機
１２ 圧縮ユニット
１３ 冷凍機
１５ 冷媒配管
２０ 低温端部
２１ 吸込側冷媒配管
２２ 排出側冷媒配管
２３ 往き側冷媒配管
２４ 戻り側冷媒配管
２５ サージタンク
２６ バルブ
２７ 制御装置
２８ 温度センサ
４０ 極低温冷凍装置
４１ 低圧圧力センサ
４２ 高圧圧力センサ
５０ 極低温冷凍装置
６０ 極低温冷凍装置
７０ 極低温冷凍装置
８０ 極低温冷凍装置
α 温度
β 低圧圧力
γ 高圧圧力
ΔＰ 圧力差
Ｐｏ 所定圧
Ｐａ 所定圧
Ｐｂ 所定圧
Ａ 所定振れ幅
Ｂ 所定振れ幅
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導マグネット等の冷却装置、極低温における物性テスト装置又はクライオポンプなどに利用される極低温冷凍装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、極低温冷凍装置は、極低温に冷却されたパネルに気体分子を凝縮又は吸着して高真空圧を発生させるクライオポンプに利用されて、上記パネルを極低温(例えば１０〜２０Ｋ)に冷却したり、超電導マグネットや物性テスト装置の冷却装置に利用されて、超電導マグネットや試料を極低温(例えば４Ｋ)まで冷却させるものである。
【０００３】
このような極低温冷凍装置１は、図４に示すように、圧縮機２を備えた圧縮ユニット３と冷凍機４とが冷媒配管５にて接続されて構成される。圧縮ユニット３における冷媒配管５には、圧縮機２の吐出側に熱交換器６が配設されて、圧縮機２にて加圧された高温高圧の冷媒（Ｈｅガス）が常温の高圧ガスに熱交換される。この高圧ガスが冷凍機４へ供給されて断熱膨張され、冷凍機４の低温端部４Ａが極低温に冷却される。
【０００４】
なお、図４中の符号７はオイルセパレータ、符号８はアドソーバ、符号９はバッファタンクである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような極低温冷凍装置１では、冷凍機４の低温端部４Ａが極低温になったときに、この冷凍機４近傍の冷媒の密度が高くなって、冷凍機４近傍に冷媒が偏在してしまう。このため、運転開始直後に冷媒量が適切であっても、冷凍機４の低温端部４Ａが極低温になると極低温冷凍装置１の全体としての冷媒量が不足して、極低温冷凍装置１の冷媒圧力が変動し、冷凍機４が冷凍能力を十分発揮できないことがある。
【０００６】
逆に、冷凍機４の低温端部４Ａが極低温になったときに適正量となるように冷媒を封入しておくと、極低温冷凍装置１の運転開始直後には冷媒量が過大となって圧縮機２が過酷な運転を要求され、圧縮機２の耐久性及び安全性に支障を生ずる虞がある。
【０００７】
本発明の課題は、上述の事情を考慮してなされたものであり、装置内を循環する冷媒量を常に最適化できる極低温冷凍装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１では、冷媒を圧縮して加圧する圧縮機を備えた圧縮ユニットと、この圧縮ユニットからの加圧冷媒により極低温を実現する低温端部を有する冷凍機とからなる極低温冷凍装置において、上記圧縮ユニットと上記冷凍機との間で冷媒が循環する循環経路に、上記冷媒を貯留可能とするサージタンクがバルブを介して圧縮機の吸込側に接続され、上記低温端部には、この低温端部の温度を検出する温度センサが設置され、この極低温冷凍装置の運転中に上記温度センサによる検出温度が所定温度Ｔ以下に低下したときに前記バルブを開作動させる制御装置を備えたものである。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記循環経路における圧縮機の吸込側には、この吸込側における冷媒の低圧圧力を検出する低圧圧力センサが設置され、また、上記循環経路における圧縮機の吐出側には、この吐出側における冷媒の高圧圧力を検出する高圧圧力センサが設置され、制御装置は、装置の運転中に、上記低圧圧力センサにより検出された低圧圧力と、上記高圧圧力センサにより検出された高圧圧力との圧力差が所定圧Ｐｏ以下に低下したときに、バルブを開作動させるものである。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記循環経路における圧縮機の吐出側には、この吐出側における冷媒の高圧圧力を検出する高圧圧力センサが設置され、制御装置は、装置の運転中に、上記高圧圧力センサにより検出される高圧圧力が所定圧Ｐｂ以下に低下したときに、バルブを開作動させるものである。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記循環経路における圧縮機の吸込側には、この吸込側における冷媒の低圧圧力を検出する低圧圧力センサが設置され、制御装置は、装置の運転中に、上記低圧圧力センサにより検出される低圧圧力の振れ幅が所定振れ幅Ａ以上に増大したときに、バルブを開作動させるものである。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記循環経路における圧縮機の吐出側には、この吐出側における冷媒の高圧圧力を検出する高圧圧力センサが設置され、制御装置は、装置の運転中に、上記高圧圧力センサにより検出される高圧圧力の振れ幅が所定振れ幅Ｂ以上に増大したときに、バルブを開作動させるものである。
【００１６】
請求項１乃至５に記載の発明には、次の作用（１）、（２）がある。
【００１７】
（１）装置の運転中に、冷凍機の低温端部の温度が所定温度Ｔまで低下すると、圧縮ユニット、冷凍機及び循環経路内の冷媒は、冷凍機及びその近傍において密度が高くなり、それらの個所に偏在して、装置全体として不足してしまう。この時には、冷凍機の冷媒に対する抵抗がみかけ上小さくなるので、圧縮機の吸込側における冷媒の低圧圧力が上昇し、圧縮機の吐出側における冷媒の高圧圧力が低下し、上記低圧圧力及び上記高圧圧力の両振れ幅が共に増大してしまう。
【００１８】
そこで、制御装置は、▲１▼冷凍機の低温端部の温度が所定温度Ｔ以下となったときに、▲２▼冷媒の低圧圧力と高圧圧力との圧力差が所定圧Ｐｏ以下に低下したときに、▲３▼冷媒の低圧圧力が所定圧力Ｐａ以上まで上昇したときに、▲４▼冷媒の高圧圧力が所定圧力Ｐｂ以下まで低下したときに、▲５▼冷媒の低圧圧力の振れ幅が所定振れ幅Ａまで増大したときに、又は▲６▼冷媒の高圧圧力の振れ幅が所定振れ幅Ｂまで増体したときに、バルブを開作動させて、サージタンク内の冷媒を循環経路内へ補給する。これにより、装置内において循環する冷媒量を常に最適化でき、従って、高圧圧力が上昇して、この高圧圧力と低圧圧力との圧力差を適切に設定でき、冷凍機の冷凍能力の低下を改善できる。
【００１９】
（２）装置の停止時にもバルブを開状態に維持すれば、圧縮ユニット、冷凍機、循環経路及びサージタンク内で冷媒圧力を均一化でき、冷媒温度の上昇により、圧縮ユニット、冷凍機及び循環経路内で過剰となった冷媒をサージタンク内に自然回収できる。
【００２０】
特に請求項１に記載の発明には、次の作用（３）、（４）がある。
【００２１】
（３）サージタンクが循環経路において圧縮機の吸込側に接続されたことから、装置の運転中には、サージタンク内の冷媒圧力が圧縮機の吸込側の循環経路内での冷媒圧力よりも常に大きいので、装置の運転中にバルブを開作動することのみによって、サージタンク内の冷媒を循環経路内へ供給できる。
【００２２】
（４）サージタンクが循環経路において圧縮機の吸込側に接続されたので、バルブの開作動時にはサージタンクがバッファ空間となり、冷凍機にて冷媒に発生する圧力脈動を有効に吸収できる。
【００２３】
特に、請求項２乃至５に記載の発明には、次の作用（５）がある。
【００２４】
（５）循環経路において圧縮機の吸込側、吐出側にそれぞれ設置された低圧圧力センサ、高圧圧力センサは、冷凍機の低温端部に設置された温度センサに比べ制御装置に近い位置に設置できるので、各圧力センサと制御装置とを接続する信号線の長さを、冷凍機の低温端部と制御装置とを接続する信号線に比べ短くでき、装置の構造を簡素化できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２６】
［Ａ］第一の実施の形態
図１は、本発明に係る極低温冷凍装置の一実施の形態における冷媒回路を示す回路図である。この実施の形態における極低温冷凍装置１０は、不図示の超電導マグネットを極低温（約４Ｋ）まで冷却するものであり、圧縮機１１を備えた圧縮ユニット１２と、冷凍機１３とを有して構成される。
【００２７】
圧縮ユニット１２は、圧縮機１１を配設した冷媒配管１５の吸込側にバッファタンク１６が、吐出側に熱交換器１７、オイルセパレータ１８及びアドソーバ１９が順次配設されたものであり、圧縮機１１が、冷媒（例えばＨｅガス）を圧縮して高温高圧の加圧冷媒とする。
【００２８】
熱交換器１７は、圧縮機１１からの高温高圧冷媒を熱交換して、常温の高圧冷媒（たとえば約２０〜２１ｋｇ／ｃｍ２）とする。オイルセパレータ１８は、圧縮機１１内で潤滑・冷却用に使用された冷媒中のオイルを分離する。更に、アドソーバ１９は、オイルセパレータ１８にて除去しきれなかった上記オイルや、このオイル中の揮発成分を活性炭を用いて吸着する。また、バッファタンク１６は、後述するように、冷凍機１３による冷媒の吸込、排出によって発生する冷媒の圧力脈動を吸収して圧縮機１１へ導くものである。
【００２９】
上記冷凍機１３は、圧縮ユニット１２におけるアドソーバ１９からの常温高圧冷媒（たとえば約２０〜２１ｋｇ／ｃｍ２）を導入して断熱膨張を繰り返し、低温端部２０を極低温（たとえば約４Ｋ）に冷却する。この低温端部２０により、超電導マグネットを冷却する。
【００３０】
この冷凍機１３には吸込側冷媒配管２１及び排出側冷媒配管２２が設けられる。吸込側冷媒配管２１は、往き側冷媒配管２３を介して、圧縮ユニット１２における冷媒配管１５のアドソーバ１９側端部に接続される。これらの往き側冷媒配管２３及び吸込側冷媒配管２１により、上述のように、圧縮ユニット１２の圧縮機１１からの高圧冷媒が冷凍機１３内へ導入される。また、排出側冷媒配管２２は、戻り側冷媒配管２４を介して、圧縮ユニット１２における冷媒配管１５のバッファタンク１６側端部に接続される。これらの排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４により、冷凍機１３にて膨張した低圧冷媒（たとえば約４ｋｇ／ｃｍ２）が圧縮ユニット１２の圧縮機１１へ戻される。
【００３１】
ここで、圧縮ユニット１２の冷媒配管１５、冷凍機１３の吸込側冷媒配管２１及び排出側冷媒配管２２、並びに往き側冷媒配管２３及び戻り側冷媒配管２４が、冷媒を圧縮ユニット１２と冷凍機１３との間で循環させる循環経路を構成する。
【００３２】
さて、上記極低温冷凍装置１０は、上述の圧縮ユニット１２及び冷凍機１３のほかに、サージタンク２５、バルブ２６、制御装置２７及び温度センサ２８を有する。
【００３３】
サージタンク２５は、圧縮ユニット１２の冷媒配管１５において圧縮機１１の吸込側（つまり冷凍機１３からの冷媒の戻り側）で、バッファタンク１６の上流側に、連通配管２９を介して接続される。このサージタンク２５は、冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４内の冷媒を一時貯留可能とする。バルブ２６は上記連通配管２９に配設され、制御装置２７による後述の制御によって開閉作動させる。
【００３４】
上記温度センサ２８は、冷凍機１３の低温端部２０に設置されて、この低温端部２０の温度を検出し、検出温度を制御装置２７へ送信する。
【００３５】
冷凍機１３の低温端部２０の温度αは、図２に示すように、極低温冷凍装置１０の運転開始直後にはたとえば約２８０Ｋであるが、運転時間の経過と共に低下する。低温端部２０の温度低下により、極低温冷凍装置１０の冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４を流れる冷媒は冷凍機１３及びこの冷凍機１３近傍において密度が高まり、これらの個所に冷媒が偏在して、上述の冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４の全体としては冷媒が不足する状況となる。この状況下では、冷媒に対する冷凍機１３の抵抗がみかけ上小さくなって、冷凍機１３から圧縮ユニット１２の圧縮機１１へ戻る冷媒の圧力（低圧圧力β）が徐々に上昇し、又、圧縮ユニット１２の圧縮機１１から冷凍機１３へ導かれる冷媒の圧力（高圧圧力γ）が徐々に下降して、これらの低圧圧力βと高圧圧力γとの圧力差ΔＰが減少し、この結果、冷凍機１３の冷凍能力が低下してしまう。尚、図２中の低圧圧力β、高圧圧力γは、それぞれ、低圧圧力の平均値、高圧圧力の平均値を示す。
【００３６】
そこで、制御装置２７は、極低温冷凍装置１０の運転開始と同時又は圧縮機１１の起動直前にバルブ２６を閉作動させた後、温度センサ２８にて検出された冷凍機１３の低温端部２０の温度αが所定温度Ｔ（例えばＴ≒６Ｋ）以下に至ったときにバルブ２６を開作動させる。
【００３７】
バルブ２６は、制御装置２７により極低温冷凍装置１０の運転停止時にも開作動された状態にあり、この時、冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２、戻り側冷媒配管２４及びサージタンク２５内は均一圧力となる。極低温冷凍装置１０の運転停止時間の経過により冷凍機１３の低温端部２０の温度αが上昇すると、上述の冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、戻り側冷媒配管２４及びサージタンク２５内の圧力は徐々に上昇し、冷凍機１３の低温端部２０の温度αが常温となったときには、前記高圧圧力γと低圧圧力βとの間の値の圧力（中間圧力）となる（例えば１９ｋｇ／ｃｍ２）。
【００３８】
従って、極低温冷凍装置１０の運転中において、冷凍機１３の低温端部２０の温度αが所定温度Ｔ以下になったときに制御装置２７がバルブ２６を開作動させると、サージタンク２５内の冷媒圧力が冷媒配管１５において圧縮機１１の吸込側の冷媒圧力よりも高いので、サージタンク２５内の冷媒は、冷媒配管１５の圧縮機１１吸込側へ補給される。これにより、冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４内の冷媒量が適正量となり、冷媒配管１５の圧縮機１１吐出側、往き側冷媒配管２３及び吸込側冷媒配管２１内の冷媒の高圧圧力γが上昇し、低圧圧力βと高圧圧力γとの圧力差ΔＰが増大して、冷凍機１３の冷凍能力の低下を改善できる。
【００３９】
従って、上記実施の形態の極低温冷凍装置１０によれば、次の効果（１）〜（４）を奏する。
【００４０】
（１）極低温冷凍装置１０の運転中に、冷凍機１３の低温端部２０の温度αが所定温度Ｔまで低下すると、冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４内の冷媒は、冷凍機１３及びその近傍において密度が高くなり、それらの個所に偏在して、全体として不足してしまう。そこで、制御装置２７が、冷凍機１３の低温端部２０における温度αが所定温度Ｔ以下となったときにバルブ２６を開作動させて、サージタンク２５内の冷媒を冷媒配管１５における圧縮機１１の吸込側へ補給することにより、冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４を循環する冷媒量を常に最適化できる。従って、冷凍機１３へ供給される冷媒の高圧圧力γが上昇して、この低圧圧力βと高圧圧力γとの圧力差ΔＰを適切に設定でき、冷凍機１３の冷凍能力の低下を改善できる。
【００４１】
（２）極低温冷凍装置１０の停止時にもバルブ２６を開状態に維持することから、冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４内で冷媒圧力を均一化でき、極低温冷凍装置１０の停止による冷媒温度の上昇によって、冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４内で過剰となった冷媒をサージタンク２５内に自然回収できる。
【００４２】
（３）サージタンク２５が、圧縮ユニット１２における冷媒配管１５の圧縮機１１吸込側に接続されたことから、極低温冷凍装置１０の運転中には、サージタンク２５内の冷媒圧力が圧縮機１１の吸込側の冷媒配管１５にける冷媒圧力よりも常に大きいので、極低温冷凍装置１０の運転中にバルブ２６を開作動することのみによって、サージタンク２５内の冷媒を冷媒配管１５における圧縮機１１の吸込側へ供給することができる。
【００４３】
（４）サージタンク２５が冷媒配管１５における圧縮機１１の吸込側に接続されたので、バルブ２６の開作動時にはサージタンク２５がバッファ空間となり、冷凍機１３にて冷媒に発生する圧力脈動を、バッファタンク１６のみならずサージタンク２５にても吸収できる。
【００４４】
[Ｂ]第二の実施の形態
図３は、本発明に係る極低温冷凍装置の第二の実施の形態における冷媒回路を示す回路図である。この第二の実施の形態において、前記第一の実施の形態と同一な部分は、同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００４５】
この第二の実施の形態の極低温冷凍装置４０では、冷凍機１３の低温端部２０に温度センサ２８が設置されず、低圧圧力センサ４１及び高圧圧力センサ４２が設置されている。
【００４６】
上記低圧圧力センサ４１は、圧縮ユニット１２の冷媒配管１５において、圧縮機１１の吸込側であって連通配管２９の接続点の上流側に設置される。この低圧圧力センサ４１は、冷凍機１３から排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４を経て圧縮機１１の吸込側の冷媒配管１５内へ戻される冷媒の圧力（低圧圧力β）を検出し、この検出値を制御装置２７へ送信する。
【００４７】
上記高圧圧力センサ４２は、圧縮ユニット１２の冷媒配管１５において、圧縮機１１の吐出側であってアドソーバ１９の下流側に設置される。この高圧圧力センサ４２は、圧縮ユニット１２の圧縮機１１から熱交換器１７、オイルセパレータ１８及びアドソーバ１９を経て冷凍機１３へ供給される冷媒の圧力（高圧圧力γ）を検出し、この検出値を制御装置２７へ送信する。
【００４８】
ここで、低圧圧力センサ４１、高圧圧力センサ４２にてそれぞれ検出される低圧圧力β、高圧圧力γは、冷凍機１３が冷媒を吸込み、排出させるサイクルを繰り返すことから、たとえば図２に示すように振動する。極低温冷凍装置４０（極低温冷凍装置１０も同様）の運転開始直後において、冷凍機１３の１サイクルあたりの低圧圧力βの振れ幅Ｗは約１．５ｋｇ／ｃｍ２）であり、低圧圧力βの平均値Ｑａは約４．５ｋｇ／ｃｍ２である。また、極低温冷凍装置４０（極低温冷凍装置１０も同様）の運転開始直後において、冷凍機１３の１サイクルあたりの高圧圧力γの振れ幅Ｘは約１．０ｋｇ／ｃｍ２であり、高圧圧力γの平均値Ｑｂは約２０ｋｇ／ｃｍ２である。
【００４９】
制御装置２７は、極低温冷凍装置４０の運転開始と同時にバルブ２６を閉作動させた後、低圧圧力センサ４１にて検出された低圧圧力βの平均値と、高圧圧力センサ４２にて検出された高圧圧力γの平均値との圧力差ΔＰが所定圧Ｐｏ（たとえばＰｏ≒１７．１−５．５≒１１．６Ｋｇ／ｃｍ２ ）以下となった時にバルブ２６を開作動させ、サージタンク２５内の冷媒を、圧縮ユニット１２における冷媒配管１５の圧縮機１１吸込側へ補給する。
【００５０】
この場合も、バルブ２６が極低温冷凍装置４０の運転停止時に開作動状態に維持されているので、サージタンク２５内の冷媒圧力は、バルブ２６が閉作動状態にある極低温冷凍装置４０の運転時には、冷媒配管１５の圧縮機１１吸込側の低圧圧力よりも低い。このため、バルブ２６を開作動させるだけで、サージタンク２５内の冷媒を冷媒配管１５の圧縮機１１吸込側へ供給できる。
【００５１】
また、サージタンク２５内の冷媒を冷媒配管１５の圧縮機１１吸込側へ補給することにより、冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４内の冷媒量が適正量となり、冷媒配管１５の圧縮機１１吐出側、往き側冷媒配管２３及び吸込側冷媒配管２１内の冷媒の高圧圧力γが上昇して、低圧圧力βと高圧圧力γとの上記圧力差ΔＰが増大し、冷凍機１３の冷凍能力を改善できる。
【００５２】
従って、この第二の実施の形態の極低温冷凍装置４０の場合にも、上記極低温冷凍装置１０の効果（１）乃至（４）と同様な効果を奏するほか、更に次の効果（５）も奏する。
【００５３】
（５）圧縮ユニット１２の冷媒配管１５における圧縮機１１の吸込側、吐出側にそれぞれ取り付けられた低圧圧力センサ４１、高圧圧力センサ４２は、冷凍機１３の低温端部２０に設置された温度センサ２８に比べ制御装置２７に近い位置に設置できるので（圧縮ユニット１２と冷凍機１３とはかなりの距離離れて設置される場合が多い。）、低圧圧力センサ４１、高圧圧力センサ４２と制御装置２７とを接続する信号線の長さを、冷凍機１３の低温端部２０と制御装置２７とを接続する信号線に比べて短くでき、極低温冷凍装置１０に比べ極低温冷凍装置４０の構造を簡素化できる。
【００５４】
[Ｃ]第三の実施の形態
この第三の実施の形態の極低温冷凍装置５０は、図３に示す極低温冷凍装置４０において高圧圧力センサ４２を削除し、低圧圧力センサ４１のみとしたものである。
【００５５】
この場合、制御装置２７は、極低温冷凍装置５０の運転開始と同時にバルブ２６を閉作動させた後、低圧圧力センサ４１にて検出された低圧圧力βの平均値が所定圧Ｐａ（例えばＰａ≒５．５Ｋｇ／ｃｍ２ ）以上に上昇した時にバルブ２６を開作動させ、サージタンク２５内の冷媒を圧縮ユニット１２における冷媒配管１５の圧縮機１１吸込側へ補給して、冷媒配管15、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４内の冷媒量を適正化する。
【００５６】
従って、この第三の実施の形態における極低温冷凍装置５０においても、第二の実施の形態の極低温冷凍装置４０と同様な効果（１）乃至（５）を奏する。
【００５７】
[Ｄ]第四の実施の形態
この第四の実施の形態の極低温冷凍装置６０は、図３に示す極低温冷凍装置４０において低圧圧力センサ４１を削除し、高圧圧力センサ４２のみとしたものである。
【００５８】
この場合、制御装置２７は、極低温冷凍装置６０の運転開始と同時にバルブ２６を閉作動させた後、高圧圧力センサ４２にて検出された高圧圧力γの平均値が所定圧Ｐｂ（例えばＰｂ≒１７．１Ｋｇ／ｃｍ２ ）以下に低下した時に、バルブ２６を開作動させ、サージタンク２５内の冷媒を圧縮ユニット１２における冷媒配管１５の圧縮機１１吸込側へ補給して、冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４内の冷媒量を適正化する。
【００５９】
従って、この第四の実施の形態の極低温冷凍装置６０においても、第二の実施の形態の極低温冷凍装置４０と同様な効果（１）乃至（５）を奏する。
【００６０】
[Ｅ]第五の実施の形態
この第五の実施の形態の極低温冷凍装置７０は、図３に示す極低温冷凍装置４０において高圧圧力センサ４２を削除し、低圧圧力センサ４１のみとしたものである。
【００６１】
この場合、制御装置２７は、極低温冷凍装置７０の運転開始と同時にバルブ２６を閉作動させた後、低圧圧力センサ４１にて検出された低圧圧力βにおける冷凍機１３の一サイクル当たりの振れ幅が所定振れ幅Ａ（例えばＡ≒２．５Ｋｇ／ｃｍ２ ）以上となった時にバルブ２６を開作動させ、サージタンク２５内の冷媒を圧縮ユニット１２における冷媒配管１５の圧縮機１１吸込側へ補給して、冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４内の冷媒量を適正化する。
【００６２】
従って、この第五の実施の形態の極低温冷凍装置７０においても、第二の実施の形態極低温冷凍装置４０と同様の効果（１）乃至（５）を奏する。
【００６３】
[Ｆ]第六の実施の形態
この第六の実施の形態の極低温冷凍装置８０は、図３に示す極低温冷凍装置４０において低圧圧力センサ４１を削除し、高圧圧力センサ42のみとしたものである。
【００６４】
この場合、制御装置２７は、極低温冷凍装置８０の運転開始と同時にバルブ２６を閉作動させた後、高圧圧力センサ42にて検出された高圧圧力γにおける冷凍機１３の一サイクル当たりの振れ幅が所定振れ幅Ｂ（例えばＢ≒１．２５Ｋｇ／ｃｍ２ ）以上となった時にバルブ２６を開作動させ、サージタンク２５内の冷媒を圧縮ユニット１２における冷媒配管１５の圧縮機１１吸込側へ補給して、
冷媒配管１５、往き側冷媒配管２３、吸込側冷媒配管２１、冷凍機１３、排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４内の冷媒量を適正化する。
【００６５】
従って、この第六の実施の形態の極低温冷凍装置８０においても、第二の実施の形態極低温冷凍装置４０と同様の効果（１）乃至（５）を奏する。
【００６６】
以上、一実施の形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００６７】
例えば、サージタンク２５は、圧縮ユニット１２の冷媒配管１５における圧縮機１１の吸込側に接続されるものを述べたが、冷媒配管１５における圧縮機１１の吐出側に接続させ、サージタンク２５内の冷媒をポンプ等の昇圧装置により上記冷媒配管１５における圧縮機１１の吐出側へ供給してもよい。
【００６８】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る極低温冷凍装置によれば、圧縮機を備えた圧縮ユニットと冷凍機との間で冷媒が循環する循環経路に、冷媒を貯留可能とするサージタンクがバルブを介して接続され、このバルブが制御装置により開閉作動されることから、冷凍機の作用により冷凍機近傍の冷媒温度が低下して冷媒が高密度化し、冷媒経路において冷媒が偏在しても、バルブの開作動によりサージタンク内の冷媒が循環経路内へ補給されて、装置内を循環する冷媒量を常に最適化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る極低温冷凍装置における第一の実施の形態の冷媒回路を示す回路図である。
【図２】図１の冷媒回路の低圧圧力、高圧圧力、冷凍機の低温端部温度と時間との関係を示すグラフである。
【図３】本発明に係る極低温冷凍装置における第二の実施の形態の冷媒回路を示す回路図である。
【図４】従来の極低温冷凍装置における冷媒回路を示す回路図である。
【符号の説明】
１０ 極低温冷凍装置
１１ 圧縮機
１２ 圧縮ユニット
１３ 冷凍機
１５ 冷媒配管
２０ 低温端部
２１ 吸込側冷媒配管
２２ 排出側冷媒配管
２３ 往き側冷媒配管
２４ 戻り側冷媒配管
２５ サージタンク
２６ バルブ
２７ 制御装置
２８ 温度センサ
４０ 極低温冷凍装置
４１ 低圧圧力センサ
４２ 高圧圧力センサ
５０ 極低温冷凍装置
６０ 極低温冷凍装置
７０ 極低温冷凍装置
８０ 極低温冷凍装置
α 温度
β 低圧圧力
γ 高圧圧力
ΔＰ 圧力差
Ｐｏ 所定圧
Ｐａ 所定圧
Ｐｂ 所定圧
Ａ 所定振れ幅
Ｂ 所定振れ幅
Claims (5)
- 冷媒を圧縮して加圧する圧縮機を備えた圧縮ユニットと、この圧縮ユニットからの加圧冷媒により極低温を実現する低温端部を有する冷凍機とからなる極低温冷凍装置において、上記圧縮ユニットと上記冷凍機との間で冷媒が循環する循環経路に、上記冷媒を貯留可能とするサージタンクがバルブを介して圧縮機の吸込側に接続され、上記低温端部には、この低温端部の温度を検出する温度センサが設置され、この極低温冷凍装置の運転中に上記温度センサによる検出温度が所定温度Ｔ以下に低下したときに前記バルブを開作動させる制御装置を備えたことを特徴とする極低温冷凍装置。
- 上記循環経路における圧縮機の吸込側には、この吸込側における冷媒の低圧圧力を検出する低圧圧力センサが設置され、また、上記循環経路における圧縮機の吐出側には、この吐出側における冷媒の高圧圧力を検出する高圧圧力センサが設置され、制御装置は、装置の運転中に、上記低圧圧力センサにより検出された低圧圧力と、上記高圧圧力センサにより検出された高圧圧力との圧力差が所定圧Ｐｏ以下に低下したときに、バルブを開作動させることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍装置。
- 上記循環経路における圧縮機の吐出側には、この吐出側における冷媒の高圧圧力を検出する高圧圧力センサが設置され、制御装置は、装置の運転中に、上記高圧圧力センサにより検出される高圧圧力が所定圧Ｐｂ以下に低下したときに、バルブを開作動させることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍装置。
- 上記循環経路における圧縮機の吸込側には、この吸込側における冷媒の低圧圧力を検出する低圧圧力センサが設置され、制御装置は、装置の運転中に、上記低圧圧力センサにより検出される低圧圧力の振れ幅が所定振れ幅Ａ以上に増大したときに、バルブを開作動させることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍装置。
- 上記循環経路における圧縮機の吐出側には、この吐出側における冷媒の高圧圧力を検出する高圧圧力センサが設置され、制御装置は、装置の運転中に、上記高圧圧力センサにより検出される高圧圧力の振れ幅が所定振れ幅Ｂ以上に増大したときに、バルブを開作動させることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍装置。
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