JP4145467B2 - 極低温冷凍装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮機ユニットおよびこれに接続されたＧＭ冷凍機、スターリング冷凍機或いはパルスチューブ冷凍機等を含む極低温冷凍装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ヘリウムガスを圧縮する圧縮機、空冷式の熱交換器、およびこの熱交換器の送風ファンを内蔵した室外設置の圧縮機ユニットと、室内設置の冷凍機とを有した極低温冷凍装置が知られている。
【０００３】
この種のものでは、圧縮機ユニットを室外設置した場合、空冷式熱交換器が外気温度の影響を直接受けることになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成では、外気温度が低い（例えば−１５℃）場合、圧縮機で圧縮されたヘリウムガスが空冷式の熱交換器で冷却されて、ヘリウムガスの温度が、例えば−５℃程度に低くなる。この冷却されたヘリウムガスは、室内側と室外側とを連通する配管を通じて室内側へ流入する。
【０００５】
この時、室内気温が、例えば２０℃、相対湿度５０％とすると、室内側に設置された配管、アドソーバ、冷凍機等が−５℃のヘリウムガスによって冷却されて、それらの外表面に結露が発生する。そして、結露した水滴が室内の床面を濡らしたり、電気部品等を濡らしたりして、トラブル発生の原因となる。結露する部分に断熱材を施工することが想到されるが、冷凍機に関しては、最低温度到達後の放熱作用を妨げるため好ましくない。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上述した従来技術が有する課題を解消し、結露等の発生を抑制できる極低温冷凍装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、ヘリウムガスを圧縮する圧縮機および熱交換器を内蔵した室外設置の圧縮機ユニットと、ヘリウムガスを膨張させて寒冷を発生させる室内設置の冷凍機とを備えた極低温冷凍装置において、上記圧縮機ユニットと上記冷凍機との間に室内ユニットを接続し、この室内ユニットには、上記圧縮機ユニットから上記冷凍機に供給するヘリウムガスと、上記冷凍機から上記圧縮機ユニットに戻るヘリウムガスとの間で熱交換するヘリウムガス熱交換器と、ヘリウムガス熱交換器を経て上記圧縮機ユニットから上記冷凍機に向かうヘリウムガスを供給する冷媒管に設けたアドソーバと、アドソーバ及びヘリウムガス熱交換器の間の冷媒管に設けたヒータと、ヒータ及びアドソーバの間の冷媒管に設けた温度センサとを備え、この温度センサの検出温度に応じて上記ヒータの加熱量を制御して上記圧縮機ユニットから上記冷凍機に供給されるヘリウムガスの加熱制御を行うことを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のものにおいて、上記圧縮機ユニットから上記冷凍機に供給するヘリウムガスを、上記ヘリウムガス熱交換器をバイパスさせるバイパス手段と、上記アドソーバ及びヘリウムガス熱交換器の間の冷媒管に設けたガス温度検出センサとを備え、このガス温度検出センサの検出温度が所定温度に到達した場合、上記バイパス手段を動作させて上記ヘリウムガス熱交換器をバイパスさせることを特徴とする。
【００１３】
本発明では、圧縮機ユニットを室外設置するため、室内空間を有効利用することができ、室内の発熱負荷を減少できる。また、ヘリウムガスの温度を上昇させる手段を有するため、低温となったヘリウムガスが室内側へ供給されることがなく、室内での結露が防止される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付の図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、極低温冷凍装置１を示している。この極低温冷凍装置１は、ヘリウムガスを圧縮する圧縮機および熱交換器等を内蔵した室外設置の圧縮機ユニット１００と、ヘリウムガスを膨張させて寒冷を発生させるＧＭ冷凍機、スターリング冷凍機、或いはパルスチューブ冷凍機等の室内設置の冷凍機２００と、上記圧縮機ユニット１００と上記冷凍機２００との間に接続された室内ユニット３００とを備えて構成されている。
【００１６】
この極低温冷凍装置１で冷却する対象は医療用核磁気共鳴診断装置のコイル、或いはコイル冷却のための液体ヘリウムの気化ヘリウムであり、この場合は再凝縮して液化することを目的としている。
【００１７】
上記圧縮機ユニット１００には、図２に示すように、ヘリウムガスを圧縮する圧縮機３と、空冷式の熱交換器５と、この熱交換器５に送風する送風ファン７と、オイルセパレータ９とが設けられる。
【００１８】
上記室内ユニット３００には、圧縮機ユニット１００から冷凍機２００に供給されるヘリウムガスＧ１と、冷凍機２００から圧縮機ユニット１００に戻されるヘリウムガスＧ２との間で熱交換するヘリウムガス熱交換器１１が設けられ、さらに、このヘリウムガス熱交換器１１の出口配管１２にはヘリウムガスを加熱する加熱器（電気ヒータ）１５が設けられる。
【００１９】
このヘリウムガス熱交換器１１は、銅板に高温管と低温管とをろう付けしたものを採用したが、２重管等であってもよい。また、加熱器１５は配管外側に電熱線を巻回したが、管路をほかの手段で加熱してもよい。
【００２０】
この加熱器１５の出口配管１６には温度センサ１７が取り付けられ、この温度センサ１７の検出温度が、所定温度となるように上記加熱器１５の加熱量を制御する制御手段１９が設けられる。
【００２１】
この加熱器１５の出口配管１６にはアドソーバ１３が接続され、このアドソーバ１３を経たヘリウムガスが、冷凍機２００に供給される。
【００２２】
つぎに、動作を説明する。
【００２３】
上記冷凍機２００で仕事したヘリウムガスは、図１に示す配管２０を介して、室内ユニット３００の戻り口Ａに戻されて、図２に実線矢印で示すように、配管２１Ａ、ヘリウムガス熱交換器１１、配管２１Ｂ、アキュームレータ２２を経て圧縮機３に戻される。そして、この圧縮機３で圧縮され、配管２３を経て熱交換器５に流入し、さらに配管２４を経てオイルセパレータ９に流入する。
【００２４】
このオイルセパレータ９ではヘリウムガスとオイルとに分離され、ヘリウムガスは、実線矢印で示すように、配管２５を経てヘリウムガス熱交換器１１、アドソーバ１３に至り、ここから圧縮機ユニット１の出口Ｂを経て、室内設置の冷凍機２００に供給される。また、オイルセパレータ９を経たヘリウムガスの一部は、配管２６、差圧弁２７、配管２８、アキュームレータ２２を経て圧縮機３に戻される。さらに、この圧縮機３と熱交換器５との間に連なる配管２９にはヘリウムガスが流れ、このヘリウムガスが冷却される。
【００２５】
上記オイルセパレータ９で分離されたオイルは、点線矢印で示すように、配管３１を経て圧縮機３に戻される。また、オイルは、この圧縮機３から配管３４を経て上記熱交換器５に流れ、このオイルは、配管３５を経て上記圧縮機３に戻され、この間にオイルが冷却される。
【００２６】
上記圧縮機ユニット１００は室外設置されるため、室内空間が有効利用され、室内の発熱負荷が減少される。しかし、その一方で、空冷式熱交換器５が外気温度の影響を直接受けることになる。
【００２７】
一般に、外気温度が低い（例えば−１５℃）場合、圧縮機３で圧縮されたヘリウムガスが空冷式の熱交換器５で冷却されて、ヘリウムガスの温度が、例えば−５℃程度に低くなる。この冷却されたヘリウムガスは、室内側と室外側とを連通する配管を通じて室内側へ流入する。
【００２８】
この時、室内気温が、例えば２０℃、相対湿度５０％とすると、室内側に設置された配管、アドソーバ１３、冷凍機２００等が−５℃のヘリウムガスによって冷却されて、それらの外表面に結露が発生する。
【００２９】
そして、結露した水滴が室内の床面を濡らしたり、電気部品等を濡らしたりして、トラブル発生の原因となる。
【００３０】
本実施形態では、外気温度が例えば−１５℃程度に低下したとしても、下記（１）〜（３）のように、上記トラブルを未然に防止できる。
【００３１】
上記構成では、ヘリウムガス熱交換器１１と、ヘリウムガスを加熱するための加熱器（電気ヒータ）１５とが設けられているが、これに限定されず、いずれか一方のみを設ける構成であってもよい。
【００３２】
（１）ヘリウムガス熱交換器１１が省略されて、加熱器１５のみが設けられる場合、温度センサ１７の検出温度が所定温度となるように、上記制御手段１９によって、加熱器１５の加熱量が制御される。
【００３３】
この時、室内気温が、例えば２０℃、相対湿度５０％とすると、その露点温度は１０℃である。従って、結露を防止するためには、ヘリウム供給管の表面温度を１０℃以上とすればよい。この時の加熱量は、ヘリウム供給管内のガス温度が−５℃、流量が２０００ｓｔＬ／ｍｉｎ、供給圧力が２ＭＰａとした場合、約５００Ｗに設定すればよい。
【００３４】
（２）加熱器１５が省略されて、ヘリウムガス熱交換器１１のみが設けられる場合、このヘリウム熱交換器１１の効率および供給ガスの温度条件によっては、この熱交換器１１を動作させるだけで、ヘリウム供給管の表面温度を露点温度以上にすることができ、結露を防止できる。
【００３５】
冷凍機２００から圧縮機ユニット１００に戻されるヘリウムガスＧ２の温度は例えば１５℃＋α（α＝冷凍機用モータの発熱量および冷凍機の熱損失分）程度であり、圧縮機ユニット１００から冷凍機２００に供給されるヘリウムガスＧ１の温度は例えば０℃程度である。
【００３６】
この条件で熱交換させた場合、室内側の冷凍機２００へ向かうヘリウムガスＧ１の温度は、１５℃程度に加熱されて供給されるため、ヘリウム供給管の表面温度が露点温度以上になり、結露が防止される。
【００３７】
（３）ヘリウムガス熱交換器１１および加熱器１５が共に設けられる場合、このヘリウムガス熱交換器１１の熱交換効率が９０％であるとすれば、加熱器１５の加熱量は、加熱器１５のみを動作させる場合に比べて、１０％の加熱量でよいことになる。上記（１）の場合が５００Ｗであれば、５００Ｗ×０．１＝５０Ｗとなり、電力消費量が低減される。
【００３８】
上記構成では、加熱器１５および／またはヘリウムガス熱交換器１１の下流側に、上記アドソーバ１３が接続される。加熱器１５および／またはヘリウムガス熱交換器１１によってヘリウムガスを加熱した後、このヘリウムガスをアドソーバ１３に供給するためである。これにより、アドソーバ１３の温度低下が防止されて、その外表面への結露が防止される。
【００３９】
図３は、別の実施形態を示す。
【００４０】
この実施形態では、冷凍機２００に向かうヘリウムガス熱交換器１１の出口のガス温度を検出するセンサ５１と、ヘリウムガス熱交換器１１をバイパスして、圧縮機ユニット１００から冷凍機２００にヘリウムガスを導くバイパス手段５５と、を備えて構成されている。
【００４１】
このバイパス手段５５は、ヘリウムガス熱交換器１１をバイパスするバイパス管５２と、このバイパス管５２に接続した開閉弁５３と、ヘリウムガス熱交換器１１の入口に接続された開閉弁５４とで構成される。そして、上記センサ５１の検出温度が所定温度に到達した場合、点線の矢印で示すように、ヘリウムガス熱交換器１１をバイパスして、圧縮機ユニット１００から冷凍機２００にヘリウムガスを導くために、開閉弁５３を開き、開閉弁５４を閉じる。この制御は、制御手段５７が司る。
【００４２】
圧縮機ユニット１００の設置された外気温度が高い場合、上記センサ５１の検出温度が所定温度に到達する。この温度に到達した場合には、サイクル全体的にヘリウムガスの温度が高いため、ヘリウムガス熱交換器１１をバイパスさせてヘリウムガスを流す。これによれば、サイクルとして全体的にガス温度を下げることができる。
【００４３】
以上、一実施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ないことは明らかである。
【００４４】
【発明の効果】
本発明では、圧縮機ユニットを室外設置するため、室内空間を有効利用することができ、室内の発熱負荷を減少できる。
【００４５】
また、ヘリウムガスの温度を上昇させる手段を有するため、低温となったヘリウムガスが室内側へ供給されることがなく、室内での結露が発生せず、医療用機器等の電子機器の誤作動が防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による極低温冷凍装置の一実施形態を示す回路図である。
【図２】圧縮機ユニットおよび室内ユニットの回路図である。
【図３】別の実施形態を示す回路図である。
【符号の説明】
１ 極低温冷凍装置
３ 圧縮機
５ 熱交換器
７ 送風ファン
９ オイルセパレータ
１１ ヘリウムガス熱交換器
１３ アドソーバ
１５ 加熱器（電気ヒータ）
１７ 温度センサ
１９ 制御手段
５１ センサ
５２ バイパス管
５３ 開閉弁
５４ 開閉弁
５５ バイパス手段
５７ 制御手段
１００ 圧縮機ユニット
２００ 冷凍機
３００ 室内ユニット

Claims (2)

1. ヘリウムガスを圧縮する圧縮機および熱交換器を内蔵した室外設置の圧縮機ユニットと、ヘリウムガスを膨張させて寒冷を発生させる室内設置の冷凍機とを備えた極低温冷凍装置において、
   上記圧縮機ユニットと上記冷凍機との間に室内ユニットを接続し、
   この室内ユニットには、上記圧縮機ユニットから上記冷凍機に供給するヘリウムガスと、上記冷凍機から上記圧縮機ユニットに戻るヘリウムガスとの間で熱交換するヘリウムガス熱交換器と、ヘリウムガス熱交換器を経て上記圧縮機ユニットから上記冷凍機に向かうヘリウムガスを供給する冷媒管に設けたアドソーバと、アドソーバ及びヘリウムガス熱交換器の間の冷媒管に設けたヒータと、ヒータ及びアドソーバの間の冷媒管に設けた温度センサとを備え、この温度センサの検出温度に応じて上記ヒータの加熱量を制御して上記圧縮機ユニットから上記冷凍機に供給されるヘリウムガスの加熱制御を行うことを特徴とする極低温冷凍装置。
2. 上記圧縮機ユニットから上記冷凍機に供給するヘリウムガスを、上記ヘリウムガス熱交換器をバイパスさせるバイパス手段と、上記アドソーバ及びヘリウムガス熱交換器の間の冷媒管に設けたガス温度検出センサとを備え、このガス温度検出センサの検出温度が所定温度に到達した場合、上記バイパス手段を動作させて上記ヘリウムガス熱交換器をバイパスさせることを特徴とする請求項１記載の極低温冷凍装置。

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