JP5893510B2 - パルス管冷凍機 - Google Patents
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Description
これらの図において、101はパルス管、102は冷端熱交換器、103は蓄冷器、104は低圧ガス制御バルブ(LC)、105はガス圧縮機、106は高圧ガス制御バルブ(HC)、107は高圧バッファ制御バルブ(HB)、108は高圧バッファタンク、109は低圧バッファ制御バルブ(LB)、110は低圧バッファタンクである。
パルス管冷凍機はGM冷凍機等と同様に蓄冷器103を備えた冷凍機である。他の冷凍機と比べて特異な点は、冷凍部(膨張機)に動く固体部分がないことである。機械的可動部分は常温部のみであるため、伝導冷却で超電導コイルを冷却する場合、超電導コイル部分を昇温せずともメンテナンスが可能となる。パルス管冷凍機は、圧力振動源(ガス圧縮機)105と、膨張機(蓄冷器103、パルス管101で構成)、そして位相調節機構(種々の方式がある)からなっている。アクティブバッファ方式は位相調節方法の一つであり、現在もっとも優れた冷凍能力を達成できるものである。
〔1〕作動気体を吐出する高圧端と作動気体を吸入する低圧端とを有する圧縮機と、低温端および高温端を有する蓄冷器と、低温端および高温端を有するパルス管とを備えたパルス管冷凍機において、前記圧縮機の高圧端に接続された第1流路と、この第1流路に設けられた高圧ガス制御バルブと、前記圧縮機の低圧端に接続された第2流路と、この第2流路に設けられた低圧ガス制御バルブと、前記第1流路および前記第2流路に前記蓄冷器の高温端が接続され、前記蓄冷器の低温端に前記パルス管の低温端が接続され、前記パルス管の高温端に接続された第3流路および第4流路と、前記第3流路に接続された高圧バッファと、前記第4流路に接続された低圧バッファと、前記第3流路に設けられた高圧バッファ制御バルブと、前記第4流路に設けられた低圧バッファ制御バルブと、前記高圧ガス制御バルブより圧縮機側の第1流路と、前記高圧バッファ制御バルブより高圧バッファ側の第3流路もしくは高圧バッファとを接続する第5流路と、前記低圧ガス制御バルブより圧縮機側の第2流路と、前記低圧バッファ制御バルブより低圧バッファ側の第4流路もしくは低圧バッファとを接続する第6流路と、前記第5流路に設けられた高圧開閉バルブと、前記第6流路に設けられた低圧開閉バルブを具備することを特徴とする。
〔3〕上記〔1〕記載のパルス管冷凍機において、前記高圧ガス制御バルブ、前記低圧ガス制御バルブおよび前記低圧バッファ制御バルブが閉状態で前記高圧バッファ制御バルブが開状態の時の少なくとも一部の期間で前記低圧開閉バルブを開状態とし、前記高圧ガス制御バルブ、前記低圧ガス制御バルブおよび前記高圧バッファ制御バルブが閉状態で前記低圧バッファ制御バルブが開状態の時の少なくとも一部の期間で前記高圧開閉バルブを開状態とすることを特徴とする。
〔5〕上記〔1〕記載のパルス管冷凍機において、前記高圧ガス制御バルブが開状態の時の少なくとも一部の期間で前記高圧開閉バルブを開状態とし、前記低圧ガス制御バルブが開状態の時の少なくとも一部の期間で前記低圧開閉バルブを開状態とすることを特徴とする。
(1)高低圧開閉バルブを動作させることで、バッファタンクがガス圧縮機の高低圧バッファの役割を担い、圧縮機内のガス流が常時あるいは一時的に連続となることにより、圧力の脈動を緩衝し、ガス圧縮機の圧縮比を減少させることにより、運転負荷を少なくすることができ、COP(エネルギー消費効率)が大きくなる。
(2)バッファタンクの高低圧力差が圧縮機高低圧力差に近づくことにより、パルス管内のPV(圧力−容積)の仕事量が大きくなり、冷凍能力が大きくなる。
(3)以上により、冷凍機冷凍能力、COPの向上を図ることができる。
(4)請求項2および3の制御により、圧縮機の圧縮比を減らし、パルス管と蓄冷器による膨張の仕事量を増加させることで、冷凍機の効率の向上を図ることができる。
(5)請求項4〜6の制御により、パルス管内の最適なPV(圧力−容積)曲線を得ることができる。
(6)高低圧開閉制御バルブのCv値を調整(若しくは手動流量調整バルブやオリフィスなどの絞り機構を付設)することにより、ガス圧縮機性能に応じたパルス管内の最適なPV(圧力−容積)曲線を作ることができる。
図1は本発明の実施例を示すパルス管冷凍機システム構成図である。
本発明のパルス管冷凍機は、図1に示すように、作動気体を吐出する高圧端Pchと作動気体を吸入する低圧端Pclとを有する圧縮機5と、低温端Lrおよび高温端Prを有する蓄冷器3と、低温端Lpおよび高温端Ppを有するパルス管1とを備えており、蓄冷器3の低温端Lrにパルス管1の低温端Lpが接続されている。圧縮機5の高圧端Pchには第1流路21が接続され、この第1流路21に高圧ガス制御バルブ(HC)6が配置されている。圧縮機5の低圧端Pclには第2流路22が接続され、この第2流路22に低圧ガス制御バルブ(LC)4が接続されている。これら第1流路21および第2流路22は蓄冷器3の高温端Prに接続されている。また、パルス管1の高温端Ppには高圧バッファ8と接続する第3流路23、ならびに低圧バッファ10と接続する第4流路24が設けられている。第3流路23には高圧バッファ制御バルブ(HB)7が、第4流路24には低圧バッファ制御バルブ(LB)9がそれぞれ配置されている。さらに、高圧ガス制御バルブ(HC)6より圧縮機5側の第1流路21と、前記高圧バッファ制御バルブ(HB)7より高圧バッファ8側の第3流路23もしくは高圧バッファ8とを接続する第5流路25が設けられ、低圧ガス制御バルブ(LC)4より圧縮機5側の第2流路22と、前記低圧バッファ制御バルブ(LB)9より低圧バッファ10側の第4流路24もしくは低圧バッファ10とを接続する第6流路26が設けられる。第5流路25および第6流路26には高圧開閉バルブ(AHC)11、低圧開閉バルブ(ALC)12を配置するようにした。
〔A〕実施例1
図2は本発明の第1実施例を示すパルス管冷凍機システムのP−V(圧力−容積)曲線および制御バルブ開閉シーケンスを示す図である。なお、図2(a)において、点線は図5にも示した従来の方式でのP−V(圧力−容積)曲線であり、実線は本実施例により改善されたP−V(圧力−容積)曲線を示す。また、図2(b)において、実線部分は、バルブが開いている状態(開状態)を示している。また、破線部分は、その線の一部の期間でバルブが開いている状態を示している。
(1)図3に示すように、高圧バッファ制御バルブ(HB)7が開状態の時の少なくとも一部の期間で高圧開閉バルブ(AHC)11が開状態であり、低圧バッファ制御バルブ(LB)9が開状態の時の少なくとも一部の期間で低圧開閉バルブ(ALC)12が開状態であるように制御することで、PV(圧力−容積)曲線を改善するようにした。
さらに、上記(2)において、高圧ガス制御バルブ(HC)6が開くのと概略同時に高圧開閉バルブ(AHC)11が開き、高圧ガス制御バルブ(HC)6よりも早く高圧開閉バルブ(AHC)12が閉じ、低圧ガス制御バルブ(LC)4が開くのと概略同時に低圧開閉バルブ(ALC)12が開き、低圧ガス制御バルブ(LC)4よりも早く低圧開閉バルブ(ALC)12が閉じるように制御することで、PV(圧力−容積)曲線を改善するようにした。
さらに、このパルス管冷凍機において、上記した第5流路25および第6流路26には絞り機構、例えば、手動流量調整バルブ11′,12′又はオリフィスなどを付設することにより、開閉バルブのCv値を調整することで、ガス圧縮機性能に応じたパルス管内の最適なPV(圧力−容積)曲線を作ることができるようになり、なお良い。この実施例では、パルス管冷凍機の例としてエア・ウォーター株式会社製パルス管冷凍機システム、型番:GP1580Sを用いた。
(1)バッファタンクがガス圧縮機の高低圧バッファの役割を担い、圧縮比を減少させることにより、運転負荷を少なくすることができる。
(2)バッファタンクの高低圧力差が圧縮機高低圧力差に近づくことにより、パルス管内のPV(圧力−容積)の仕事量が大きくなり、冷凍能力が大きくなる。(3)以上により、冷凍機冷凍能力、COPの向上を図ることができる。
(4)請求項2および3の制御により、圧縮機の圧縮比を減らし、パルス管と蓄冷器による膨張の仕事量を増加させることで、冷凍機の効率の向上を図ることができる。
(5)請求項4〜6の制御により、パルス管内の最適なPV(圧力−容積)曲線を得ることができる。
(6)高低圧開閉制御バルブのCv値を調整(若しくは手動流量調整バルブやオリフィスなどの絞り機構を付設)することにより、ガス圧縮機性能に応じたパルス管内の最適なPV(圧力−容積)曲線を作ることができる。
2 冷端熱交換器
3 蓄冷器
4 低圧ガス制御バルブ(LC)
5 ガス圧縮機
6 高圧ガス制御バルブ(HC)
7 高圧バッファ制御バルブ(HB)
8 高圧バッファ
9 低圧バッファ制御バルブ(LB)
10 低圧バッファ
11 高圧開閉バルブ(AHC)
12 低圧開閉バルブ(ALC)
11′,12′ 手動流量調整バルブ
Claims (7)
- 作動気体を吐出する高圧端と作動気体を吸入する低圧端とを有する圧縮機と、低温端および高温端を有する蓄冷器と、低温端および高温端を有するパルス管とを備えたパルス管冷凍機において、
前記圧縮機の高圧端に接続された第1流路と、該第1流路に設けられた高圧ガス制御バルブと、前記圧縮機の低圧端に接続された第2流路と、該第2流路に設けられた低圧ガス制御バルブと、前記第1流路および前記第2流路に前記蓄冷器の高温端が接続され、前記蓄冷器の低温端に前記パルス管の低温端が接続され、前記パルス管の高温端に接続された第3流路および第4流路と、前記第3流路に接続された高圧バッファと、前記第4流路に接続された低圧バッファと、前記第3流路に設けられた高圧バッファ制御バルブと、前記第4流路に設けられた低圧バッファ制御バルブと、前記高圧ガス制御バルブより圧縮機側の第1流路と、前記高圧バッファ制御バルブより高圧バッファ側の第3流路もしくは高圧バッファとを接続する第5流路と、前記低圧ガス制御バルブより圧縮機側の第2流路と、前記低圧バッファ制御バルブより低圧バッファ側の第4流路もしくは低圧バッファとを接続する第6流路と、前記第5流路に設けられた高圧開閉バルブと、前記第6流路に設けられた低圧開閉バルブを具備することを特徴とするパルス管冷凍機。 - 請求項1記載のパルス管冷凍機において、前記高圧ガス制御バルブが閉状態の時の少なくとも一部の期間で前記高圧開閉バルブを開状態とし、前記低圧ガス制御バルブが閉状態の時の少なくとも一部の期間で前記低圧開閉バルブを開状態とすることを特徴とするパルス管冷凍機。
- 請求項1記載のパルス管冷凍機において、前記高圧ガス制御バルブ、前記低圧ガス制御バルブおよび前記低圧バッファ制御バルブが閉状態で前記高圧バッファ制御バルブが開状態の時の少なくとも一部の期間で前記低圧開閉バルブを開状態とし、前記高圧ガス制御バルブ、前記低圧ガス制御バルブおよび前記高圧バッファ制御バルブが閉状態で前記低圧バッファ制御バルブが開状態の時の少なくとも一部の期間で前記高圧開閉バルブを開状態とすることを特徴とするパルス管冷凍機。
- 請求項1記載のパルス管冷凍機において、前記高圧バッファ制御バルブが開状態の時の少なくとも一部の期間で前記高圧開閉バルブを開状態とし、前記低圧バッファ制御バルブが開状態の時の少なくとも一部の期間で前記低圧開閉バルブを開状態とすることを特徴とするパルス管冷凍機。
- 請求項1記載のパルス管冷凍機において、前記高圧ガス制御バルブが開状態の時の少なくとも一部の期間で前記高圧開閉バルブを開状態とし、前記低圧ガス制御バルブが開状態の時の少なくとも一部の期間で前記低圧開閉バルブを開状態とすることを特徴とするパルス管冷凍機。
- 請求項5記載のパルス管冷凍機において、前記高圧ガス制御バルブが開くのと概略同時に前記高圧開閉バルブを開き、前記高圧バッファ制御バルブよりも早く前記高圧開閉バルブを閉じ、前記低圧ガス制御バルブが開くのと概略同時に前記低圧開閉バルブが開き、前記低圧バッファ制御バルブよりも早く前記低圧開閉バルブを閉じるようにしたことを特徴とするパルス管冷凍機。
- 請求項1から6記載のパルス管冷凍機において、前記第5流路および第6流路には絞り機構を付設することを特徴とするパルス管冷凍機。
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