JP7414586B2 - 極低温冷凍機用圧縮機システムおよび補助冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、極低温冷凍機用圧縮機システムおよび補助冷却装置に関する。

デュアル・アフタークーラー付きのオイル潤滑ヘリウム圧縮機が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この圧縮機には、ヘリウムおよびオイルを冷却する２つのアフタークーラー、すなわち水冷式アフタークーラーと空冷式アフタークーラーが内蔵される。空冷式アフタークーラーは、水冷式アフタークーラーと直列または並列に配置される。空冷式アフタークーラーのファンを作動させることにより、水冷式アフタークーラーの冷却水回路がブロックされた場合における冗長性が提供される。

特開２０１９－５０５７５１号公報

本発明者は、上述の圧縮機について検討し、以下の課題を認識した。実際のところ、冷却ファンを動作させるべき緊急事態はめったに起こらないのがふつうである。動作頻度が極めて低い場合、冷却ファンに固着が起こるリスクが高まりうる。固着すればファンは送風できない。そのため、冷却ファンを使用した冗長性には、信頼性に懸念がある。また、空冷式アフタークーラーは相応のサイズを有する。空冷式アフタークーラーを内蔵すれば、圧縮機は大型化し、製造コストも高まりうる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機用圧縮機システムの冷却に冗長性を提供することにある。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機用圧縮機システムは、極低温冷凍機の冷媒ガスを圧縮する圧縮機本体と、圧縮機本体によって圧縮された冷媒ガスおよび圧縮機本体を潤滑するオイルのうち少なくとも一方を冷却液との熱交換により冷却する液冷式熱交換器と、を備える圧縮機ユニットと、メインチラーから液冷式熱交換器に冷却液を供給する供給ラインと、液冷式熱交換器からメインチラーに冷却液を回収する回収ラインと、圧縮機ユニットの外部に設置され、メインチラーに代替してまたはメインチラーとともに液冷式熱交換器に冷却液を循環させるバックアップチラーであって、循環ポンプと、循環ポンプの入口側または出口側で冷却液を冷却する冷却器と、を備えるバックアップチラーと、を備える。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機用の圧縮機ユニットのための補助冷却装置は、メインチラーから、圧縮機ユニットに内蔵された液冷式熱交換器に冷却液を供給する供給ラインと、液冷式熱交換器からメインチラーに冷却液を回収する回収ラインと、圧縮機ユニットの外部に設置され、メインチラーに代替してまたはメインチラーとともに液冷式熱交換器に冷却液を循環させるバックアップチラーであって、循環ポンプと、循環ポンプの入口側または出口側で冷却液を冷却する冷却器と、を備えるバックアップチラーと、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、極低温冷凍機用圧縮機システムの冷却に冗長性を提供することができる。

実施の形態に係る極低温冷凍機用圧縮機システムを概略的に示す図である。 実施の形態に係る極低温冷凍機用圧縮機システムの変形例を概略的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係る極低温冷凍機用圧縮機システムを概略的に示す図である。圧縮機システム１００は、圧縮機ユニット１０２と、補助冷却装置１０とを備える。圧縮機システム１００は、コールドヘッド１０４とともに極低温冷凍機１０６を構成する。また、圧縮機ユニット１０２を冷却するために、メインチラー７０が設けられている。メインチラー７０と補助冷却装置１０により、圧縮機ユニット１０２の冷却システムが構成される。

圧縮機ユニット１０２は、極低温冷凍機１０６の冷媒ガスをコールドヘッド１０４から回収し、回収した冷媒ガスを昇圧して、再び冷媒ガスをコールドヘッド１０４に供給するよう構成されている。コールドヘッド１０４は、膨張機とも称され、室温部１０４ａと、冷却ステージとも称される低温部１０４ｂとを有する。圧縮機ユニット１０２とコールドヘッド１０４により極低温冷凍機１０６の冷凍サイクルが構成され、それにより低温部１０４ｂが所望の極低温に冷却される。冷媒ガスは、作動ガスとも称され、通例はヘリウムガスであるが、適切な他のガスが用いられてもよい。

極低温冷凍機１０６は、一例として、単段式または二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機であるが、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。コールドヘッド１０４は、極低温冷凍機１０６のタイプに応じて異なる構成を有するが、圧縮機ユニット１０２は、極低温冷凍機１０６のタイプによらず、以下に説明する構成を用いることができる。

なお、一般に、圧縮機ユニット１０２からコールドヘッド１０４に供給される冷媒ガスの圧力と、コールドヘッド１０４から圧縮機ユニット１０２に回収される冷媒ガスの圧力は、ともに大気圧よりかなり高く、それぞれ第１高圧及び第２高圧と呼ぶことができる。説明の便宜上、第１高圧及び第２高圧はそれぞれ単に高圧及び低圧とも呼ばれる。典型的には、高圧は例えば２～３ＭＰａである。低圧は例えば０．５～１．５ＭＰａであり、例えば約０．８ＭＰａである。

圧縮機ユニット１０２は、圧縮機本体１１０、オイルライン１１２、オイルセパレータ１１４、アドゾーバ１１６を備える。また、圧縮機ユニット１０２は、吐出ポート１１８、吸入ポート１２０、吐出流路１２２、吸入流路１２４、ストレージタンク１２６、バイパス弁１２８、液冷式熱交換器１３０を備える。液冷式熱交換器１３０は、冷媒ガス冷却部１３０ａとオイル冷却部１３０ｂを備える。さらに、圧縮機ユニット１０２は、圧縮機本体１１０やオイルセパレータ１１４、液冷式熱交換器１３０など圧縮機ユニット１０２の各構成要素を収容する圧縮機筐体１３２を備える。

圧縮機本体１１０は、その吸入口から吸入される冷媒ガスを内部で圧縮して吐出口から吐出するよう構成されている。圧縮機本体１１０は、例えば、スクロール方式、ロータリ式、または冷媒ガスを昇圧するそのほかのポンプであってもよい。圧縮機本体１１０は、固定された一定の冷媒ガス流量を吐出するよう構成されていてもよい。あるいは、圧縮機本体１１０は、吐出する冷媒ガス流量を可変とするよう構成されていてもよい。圧縮機本体１１０は、圧縮カプセルと称されることもある。

圧縮機本体１１０では冷却と潤滑のためにオイルが使用され、吸入された冷媒ガスは圧縮機本体１１０内でこのオイルに直接さらされる。よって、冷媒ガスは、オイルが若干混入した状態で吐出口から送出される。

オイルライン１１２は、オイル循環ライン１１２ａと、オイル戻りライン１１２ｂとを備える。オイル循環ライン１１２ａは、圧縮機本体１１０から流出するオイルがオイル冷却部１３０ｂを通って再び圧縮機本体１１０に流入するように構成されている。オイル循環ライン１１２ａには、内部を流れるオイル流量を制御するオリフィスが設けられている。また、オイル循環ライン１１２ａには、オイルに含まれる塵埃を除去するフィルターが設けられてもよい。オイル戻りライン１１２ｂは、オイルセパレータ１１４で回収されたオイルを圧縮機本体１１０に戻すために、オイルセパレータ１１４を圧縮機本体１１０に接続する。オイル戻りライン１１２ｂの途中には、オイルセパレータ１１４で分離されたオイルに含まれる塵埃を除去するフィルターと、圧縮機本体１１０へのオイルの戻り量を制御するオリフィスが設けられてもよい。

オイルセパレータ１１４は、圧縮機本体１１０を通ることによって冷媒ガスに混入するオイルを冷媒ガスから分離するために設けられている。アドゾーバ１１６は、冷媒ガスに残留している例えば気化したオイルそのほかの汚染成分を冷媒ガスから吸着により除去するために設けられている。オイルセパレータ１１４とアドゾーバ１１６は、直列に接続されている。吐出流路１２２において、オイルセパレータ１１４が圧縮機本体１１０側に配置され、アドゾーバ１１６が吐出ポート１１８側に配置されている。

吐出ポート１１８は、圧縮機本体１１０により高圧に昇圧された冷媒ガスを圧縮機ユニット１０２から送出するために圧縮機筐体１３２に設置された冷媒ガスの出口であり、吸入ポート１２０は、低圧の冷媒ガスを圧縮機ユニット１０２に受け入れるために圧縮機筐体１３２に設置された冷媒ガスの入口である。吐出ポート１１８および吸入ポート１２０はそれぞれ、コールドヘッド１０４の高圧ポート１０８ａと低圧ポート１０８ｂに冷媒ガス配管により接続されている。高圧ポート１０８ａと低圧ポート１０８ｂは、コールドヘッド１０４の室温部１０４ａに設けられている。圧縮機ユニット１０２内においては、圧縮機本体１１０のガス吐出口が吐出流路１２２により吐出ポート１１８に接続され、吸入ポート１２０が吸入流路１２４により圧縮機本体１１０のガス吸入口に接続されている。

ストレージタンク１２６は、コールドヘッド１０４から圧縮機ユニット１０２へと戻る低圧の冷媒ガスに含まれる脈動を除去するための容積として設けられている。ストレージタンク１２６は、吸入流路１２４に配置されている。

バイパス弁１２８は、圧縮機本体１１０を迂回するように吐出流路１２２を吸入流路１２４に接続する。一例として、バイパス弁１２８は、オイルセパレータ１１４とアドゾーバ１１６の間で吐出流路１２２から分岐し、圧縮機本体１１０とストレージタンク１２６の間で吸入流路１２４に接続される。バイパス弁１２８は、冷媒ガス流量制御のために、及び／または、圧縮機ユニット１０２を停止する際の吐出流路１２２と吸入流路１２４との均圧化のために設けられている。

したがって、コールドヘッド１０４から圧縮機ユニット１０２に回収される冷媒ガスは、低圧ポート１０８ｂから圧縮機ユニット１０２の吸入ポート１２０に流入する。冷媒ガスは、吸入流路１２４上のストレージタンク１２６を経て、圧縮機本体１１０のガス吸入口へと回収される。冷媒ガスは、圧縮機本体１１０によって圧縮され昇圧される。圧縮機本体１１０の吐出口から送出される冷媒ガスは、吐出流路１２２上の冷媒ガス冷却部１３０ａ、オイルセパレータ１１４、アドゾーバ１１６を経て、吐出ポート１１８から圧縮機ユニット１０２を出る。冷媒ガスは、高圧ポート１０８ａからコールドヘッド１０４の内部に供給される。

液冷式熱交換器１３０は、圧縮機ユニット１０２の主冷却装置として、圧縮機ユニット１０２に内蔵されている。液冷式熱交換器１３０は、圧縮機本体１１０によって圧縮された冷媒ガスおよび圧縮機本体１１０を潤滑するオイルを冷却液または冷却流体との熱交換により冷却するように構成される。典型的に、冷却液は、たとえば、水道水、工業用水などの冷却水である。

冷媒ガス冷却部１３０ａは、圧縮機本体１１０での冷媒ガスの圧縮に伴って生じる圧縮熱により加熱された高圧の冷媒ガスを冷却するために、吐出流路１２２に配置される。この実施形態では、冷媒ガス冷却部１３０ａは、吐出流路１２２において圧縮機本体１１０のガス吐出口とオイルセパレータ１１４の間に配置される。オイル冷却部１３０ｂは、オイル循環ライン１１２ａを流れるオイルを冷却するために、オイル循環ライン１１２ａに配置される。

圧縮機筐体１３２には、冷却液入口ポート１３４および冷却液出口ポート１３６が設けられている。液冷式熱交換器１３０の入口側が冷却液入口ポート１３４に接続され、液冷式熱交換器１３０の出口側が冷却液出口ポート１３６に接続され、圧縮機ユニット１０２の内部冷却液流路が形成される。冷却液は、冷却液入口ポート１３４から圧縮機ユニット１０２に流入し、液冷式熱交換器１３０に供給される。液冷式熱交換器１３０において冷媒ガスとオイルの冷却に使用された冷却液は、液冷式熱交換器１３０から冷却液出口ポート１３６を通じて圧縮機ユニット１０２外に排出される。冷媒ガス冷却部１３０ａとオイル冷却部１３０ｂは、直列に接続されている。圧縮機ユニット１０２の内部冷却液流路において、冷媒ガス冷却部１３０ａが冷却液入口ポート１３４側に配置され、オイル冷却部１３０ｂが冷却液出口ポート１３６側に配置されている。

この実施形態では、液冷式熱交換器１３０は、冷媒ガスとオイルの両方を冷却するように構成されているが、これに限定されない。液冷式熱交換器１３０は、冷媒ガスまたはオイルのうちいずれかのみを冷却するように構成されてもよい。この場合、例えば、圧縮機ユニット１０２は、２つの液冷式熱交換器を有してもよく、すなわち、冷媒ガスを冷却する熱交換器と、オイルを冷却する熱交換器とを個別に有してもよい。

圧縮機ユニット１０２には、冷却液がメインチラー７０から冷却液入口ポート１３４を通じて供給される。冷却に使用された冷却液は、圧縮機ユニット１０２から冷却液出口ポート１３６を通じてメインチラー７０に回収される。

メインチラー７０は、冷却液を温調するとともに循環させるように構成されている。冷却液は、メインチラー７０によって、例えば、室温より低く、冷却液の凝固点（水の場合０℃）より高い温度に冷却される。メインチラー７０は、たとえば公知の水チラーであってもよい。メインチラー７０は、圧縮機ユニット１０２に専用の冷却液源として設けられる必要はなく、むしろ、一般的には、冷却液を必要とする複数の機器に共用されうる。よって、メインチラー７０は、極低温冷凍機１０６が設置され使用される工場、病院、またはその他の場所で使用される様々な機器に冷却液を提供するようにそれら機器に接続されていてもよい。

補助冷却装置１０は、メインチラー７０から液冷式熱交換器１３０に冷却液を供給する供給ライン１２と、液冷式熱交換器１３０からメインチラー７０に冷却液を回収する回収ライン１４と、を備える。供給ライン１２は、メインチラー７０の冷却液供給ポート７１を圧縮機ユニット１０２の冷却液入口ポート１３４に接続し、回収ライン１４は、メインチラー７０の冷却液回収ポート７２を圧縮機ユニット１０２の冷却液出口ポート１３６に接続する。

供給ライン１２および回収ライン１４はそれぞれ、たとえばフレキシブル管またはリジッド管など、冷却液の搬送に適する適宜の配管または流路であってもよい。供給ライン１２と回収ライン１４それぞれの末端は、たとえばセルフシーリング・カップリングのような着脱可能な継手であってもよく、その場合、補助冷却装置１０をメインチラー７０および圧縮機ユニット１０２と着脱しやすく便利である。

補助冷却装置１０は、圧縮機ユニット１０２の外部に設置され、メインチラー７０に代替してまたはメインチラー７０とともに液冷式熱交換器１３０に冷却液を循環させるバックアップチラー２０を備える。

バックアップチラー２０は、循環ポンプ２２と、循環ポンプ２２に直列に接続された冷却器２４とを備える。この実施形態では、冷却器２４は、循環ポンプ２２の入口側で冷却液を冷却する。ただし、これには限られず、冷却器２４は、循環ポンプ２２の出口側で冷却液を冷却してもよい。

バックアップチラー２０は、圧縮機ユニット１０２に対してメインチラー７０と並列に設けられている。バックアップチラー２０は、供給ライン１２と回収ライン１４をつなぐ接続ライン１６を備え、循環ポンプ２２と冷却器２４は、接続ライン１６に設置されている。

循環ポンプ２２は、回収ライン１４から供給ライン１２へと冷却液を循環させる。循環ポンプ２２は、供給ライン１２に対する回収ライン１４の圧力損失を回復するポンプ能力を有するとともに、冷却液の種類や組成など冷却液の性質に適合するものであれば、公知のポンプを適宜用いることができる。

冷却器２４は、一例として、液冷式熱交換器である。よって、圧縮機ユニット１０２の液冷式熱交換器１３０を第１の液冷式熱交換器と呼び、冷却器２４を第２の液冷式熱交換器と呼ぶこともできる。冷却器２４は、液冷式熱交換器１３０から回収された第１の冷却液と、第２の冷却液ライン２６を流れる第２の冷却液との熱交換により、第１の冷却液を冷却するように構成される。

第２の冷却液ライン２６は、冷却に使用した冷却液を外部（たとえば下水）に排出する非循環式であってもよく、第２の冷却液は、たとえば、水道水、工業用水などの冷却水であってもよい。あるいは、第２の冷却液ライン２６は、循環式であってもよく、メインチラー７０によって冷却水を循環させるようにメインチラー７０に接続されてもよい。第２の冷却液ライン２６は、メインチラー７０とは別に設けられた第２の水チラーであってもよい。あるいは、第２の冷却液ライン２６は、たとえば冷却オイルなど、その他の冷却液または冷却流体を循環させるように構成されてもよい。

供給ライン１２と回収ライン１４はそれぞれ、接続ライン１６に対してメインチラー７０側で切り離し可能にメインチラー７０に接続されている。後述するバルブの閉鎖により供給ライン１２と回収ライン１４がメインチラー７０から切り離されてもよい。あるいは、供給ライン１２と回収ライン１４をそれぞれ冷却液供給ポート７１と冷却液回収ポート７２から取り外すことによって、供給ライン１２と回収ライン１４がメインチラー７０から切り離されてもよい。

バックアップチラー２０は、一組の第１バルブ２８と、一組の第２バルブ３０とを備える。第１バルブ２８と第２バルブ３０はいずれも、たとえばオンオフバルブである。なお、第１バルブ２８と第２バルブ３０の組み合わせに代えて、三方弁が設けられてもよい。

一組の第１バルブ２８は、接続ライン１６において、一方が供給ライン１２側に、他方が回収ライン１４側に設けられ、これら２つの第１バルブ２８の間に循環ポンプ２２と冷却器２４が配置される。第１バルブ２８は互いに同期して開閉される。両方の第１バルブ２８が開くとき、バックアップチラー２０が液冷式熱交換器１３０に接続され、両方の第１バルブ２８が閉じるとき、バックアップチラー２０が液冷式熱交換器１３０から切り離される。

一組の第２バルブ３０は、一方が供給ライン１２に、他方が回収ライン１４に設けられる。これら２つの第２バルブ３０はともに、接続ライン１６に対してメインチラー７０側に配置される。第２バルブ３０も互いに同期して開閉される。両方の第２バルブ３０が開くとき、メインチラー７０が液冷式熱交換器１３０に接続され、両方の第２バルブ３０が閉じるとき、メインチラー７０が液冷式熱交換器１３０から切り離される。あるいは、第２バルブ３０は、供給ライン１２と回収ライン１４それぞれにおいて逆流を防ぐように配置された逆止弁でもよい。

補助冷却装置１０は、接続ライン１６に対してメインチラー７０側で供給ライン１２と回収ライン１４をつなぐバイパスライン１８を備えてもよい。バイパスライン１８は、液冷式熱交換器１３０およびバックアップチラー２０をバイパスしてメインチラー７０に冷却液を循環させる流路の一部となる。

バイパスライン１８には、第３バルブ３２が設けられている。第３バルブ３２は、たとえばオンオフバルブである。第３バルブ３２が開くとき、回収ライン１４から供給ライン１２へのバイパスライン１８を通じた冷却液の流れが許容され、第３バルブ３２が閉じるときバイパスライン１８を通じた冷却液の流れが遮断される。第３バルブ３２は、回収ライン１４から供給ライン１２への流れを許容し、逆の流れを遮断する逆止弁でもよい。

バイパスライン１８が補助冷却装置１０に設けられている場合、第２バルブ３０は、バイパスライン１８に対してバックアップチラー２０側に配置される。したがって、第２バルブ３０を閉じ第３バルブ３２を開くとき、メインチラー７０の冷却液供給ポート７１からバイパスライン１８を通って冷却液回収ポート７２に至る冷却液の流路が形成される。すなわち、バイパスライン１８によって、圧縮機ユニット１０２の液冷式熱交換器１３０を経由しないメインチラー７０のための冷却液循環経路が形成される。

接続ライン１６とバイパスライン１８はそれぞれ、供給ライン１２と回収ライン１４に着脱可能であってもよい。また、接続ライン１６とバイパスライン１８はそれぞれ、たとえばフレキシブル管またはリジッド管など、冷却液の搬送に適する適宜の配管または流路であってもよい。

バックアップチラー２０、バイパスライン１８など補助冷却装置１０の構成要素は、圧縮機ユニット１０２のように、筐体に収められ、一つのユニットとして提供されてもよい。部品を個別に用意する場合に比べて、圧縮機ユニット１０２、メインチラー７０への補助冷却装置１０の取付作業が容易になる。

圧縮機システム１００には、各種のセンサが設けられている。たとえば、圧縮機ユニット１０２は、冷却液の温度を測定する第１温度センサ１３８を備える。第１温度センサ１３８は、たとえば、液冷式熱交換器１３０の出口側、つまり圧縮機ユニット１０２の内部冷却液流路上で液冷式熱交換器１３０と冷却液出口ポート１３６との間に設けられる。これに加えて、またはこれに代えて、冷却液の温度を測定するもう１つの冷却液温度センサが液冷式熱交換器１３０の入口側に設けられてもよい。

また、圧縮機ユニット１０２は、冷媒ガスの温度を測定する第２温度センサ１４０を備えてもよい。第２温度センサ１４０は、吐出流路１２２上、たとえば冷媒ガス冷却部１３０ａとオイルセパレータ１１４との間に設けられてもよい。これとともに、またはこれに代えて、冷媒ガスの温度を測定するもう１つの冷媒ガス温度センサが圧縮機本体１１０の吐出口と冷媒ガス冷却部１３０ａとの間に設けられてもよい。圧縮機ユニット１０２は、オイルの温度を測定する第３温度センサ１４２を備えてもよい。第３温度センサ１４２は、オイル循環ライン１１２ａ上で圧縮機本体１１０のオイル流入口とオイル冷却部１３０ｂとの間に設けられてもよい。

バックアップチラー２０は、冷却液の温度を測定するセンサ３４を備える。センサ３４は、供給ライン１２に配置される。センサ３４は、接続ライン１６に対して圧縮機ユニット１０２側に配置され、それにより、バックアップチラー２０から圧縮機ユニット１０２に供給される冷却液だけでなく、メインチラー７０から供給される冷却液も測定することができる。センサ３４は、冷却液の温度に代えて、またはそれに加えて、冷却液の流量または圧力を測定してもよい。言い換えれば、センサ３４は、１つ又は複数の異なるセンサで構成されてもよく、たとえば、温度センサ、流量センサ、および圧力センサのうち少なくとも１つを含みうる。センサ３４に加えて、またはセンサ３４に代えて、冷却液の温度、流量、または圧力を測定するもう１つのセンサが回収ライン１４に設けられてもよい。

バックアップチラー２０には、バックアップチラー２０を起動するコントローラ４０が設けられている。コントローラ４０は、少なくとも１つのセンサから当該センサの測定結果を示すセンサ信号を受け、測定結果に基づいてバックアップチラー２０を起動するように構成される。コントローラ４０は、循環ポンプ２２のオンオフ、第１バルブ２８の開閉など、バックアップチラー２０の構成要素を制御するように構成される。

たとえば、コントローラ４０は、第１温度センサ１３８によって測定された冷却液の温度に基づいてバックアップチラー２０を起動してもよい。この場合、コントローラ４０は、冷却液の測定温度を示す第１温度センサ信号を第１温度センサ１３８から受け、この測定温度を温度しきい値と比較する。この温度しきい値は、冷却液温度がこのしきい値よりも高い場合、冷却液が過剰に高温であると評価される値に設定される。

第１温度センサ１３８が測定する冷却液温度が温度しきい値を超えるひとつの原因として、たとえば、メインチラー７０から圧縮機ユニット１０２に供給される冷却液の温度が高すぎる場合（すなわちメインチラー７０の冷却不良や故障）が想定される。

そこで、コントローラ４０は、測定温度が温度しきい値を超える場合にバックアップチラー２０を起動する。一方、コントローラ４０は、測定温度が温度しきい値を超えない場合には、バックアップチラー２０を起動しない。

バックアップチラー２０を起動するために、コントローラ４０は、循環ポンプ２２をオフからオンに切り替えて循環ポンプ２２の冷却液送出動作を開始するとともに、第１バルブ２８を開く。第２の冷却液ライン２６も循環式である場合には、コントローラ４０は、第２の冷却液ライン２６の循環ポンプもオフからオンに切り替えてもよい。なお、バックアップチラー２０の動作を停止するときは、コントローラ４０は、循環ポンプ２２をオフに切り替え、第１バルブ２８を閉じる。

このとき、コントローラ４０は、第２バルブ３０を閉じ、メインチラー７０を圧縮機ユニット１０２から切り離してもよい。それとともに、コントローラ４０は、第３バルブ３２を開いてもよい。このようにして、メインチラー７０の冷却液の流れを妨げることなくメインチラー７０を圧縮機ユニット１０２から切り離し、メインチラー７０の代替としてバックアップチラー２０を使用することができる。メインチラー７０が圧縮機ユニット１０２から切り離されているとき、メインチラー７０の点検、修理が行われてもよい。

コントローラ４０は、バックアップチラー２０を起動するために、他のセンサを使用してもよい。圧縮機ユニット１０２における冷媒ガスまたはオイルの温度は、液冷式熱交換器１３０から回収されまたは液冷式熱交換器１３０に供給される冷却液の温度と相関をもつと考えられる。たとえば、メインチラー７０の冷却不良の結果として液冷式熱交換器１３０の冷却能力が不足し、冷媒ガスまたはオイルの温度が高まることが考えられる。したがって、コントローラ４０は、第２温度センサ１４０によって測定された冷媒ガスの温度に基づいてバックアップチラー２０を起動してもよい。コントローラ４０は、第３温度センサ１４２によって測定されたオイルの温度に基づいてバックアップチラー２０を起動してもよい。コントローラ４０は、第１温度センサ１３８、第２温度センサ１４０、および第３温度センサ１４２のうち少なくとも１つの温度センサの測定温度に基づいてバックアップチラー２０を起動してもよい。

また、コントローラ４０は、バックアップチラー２０を起動するために、圧縮機ユニット１０２外に配置されたセンサ３４を使用してもよい。センサ３４は、上述のように、冷却液の温度を測定してもよく、コントローラ４０は、センサ３４によって測定された冷却液の温度に基づいてバックアップチラー２０を起動してもよい。

あるいは、センサ３４は、冷却液の流量または圧力を測定してもよい。冷却液の流量または圧力が流量または圧力のしきい値を下回る場合、その原因の一つとして、メインチラー７０からの冷却液の供給が不十分であることが考えられる。このしきい値は、メインチラー７０から冷却液が正常に供給されているときの供給ライン１２（または回収ライン１４）における流量または圧力よりも小さい値に設定される。よって、コントローラ４０は、センサ３４によって測定された冷却液の流量または圧力に基づいてバックアップチラー２０を起動してもよい。コントローラ４０は、センサ３４によって測定された冷却液の流量または圧力を流量または圧力のしきい値と比較し、測定値がしきい値を下回る場合にバックアップチラー２０を起動してもよい。一方、コントローラ４０は、測定値がしきい値を超える場合には、バックアップチラー２０を起動しない。

メインチラー７０の冷却不良や故障など緊急時にのみバックアップチラー２０を起動する場合、そうした事態の発生頻度はふつう、かなり低いものと想定される。バックアップチラー２０は、長期にわたって動作を停止したいわば休眠期間を経て、起動されるケースが多くなる。

そこで、コントローラ４０は、任意のタイミングで（たとえば定期的に）、バックアップチラー２０を起動してもよい。このように、コントローラ４０によるバックアップチラー２０の起動は、圧縮機ユニット１０２の内部または外部に設けられた少なくとも１つのセンサの測定結果に基づいて行うものには限られない。

コントローラ４０は、少なくとも１つのセンサから当該センサの測定結果を示すセンサ信号を受け、測定結果に基づいてバックアップチラー２０を監視してもよい。たとえば、コントローラ４０は、第１温度センサ１３８によって測定された冷却液温度を温度しきい値と比較する。コントローラ４０は、測定温度が温度しきい値を超えない場合、バックアップチラー２０が正常であると判定する。コントローラ４０は、測定温度が温度しきい値を超える場合、バックアップチラー２０が不良であると判定する。このようにして、バックアップチラー２０が正常に動作することを確認することができる。長期の動作停止期間に故障していることを見逃した結果、バックアップチラー２０がメインチラー７０に代替して動作すべき状況で動作できない、といった不測の事態を避けることができる。

バックアップチラー２０の動作確認のために、コントローラ４０は、バックアップチラー２０を起動するとともに、第２バルブ３０を閉じ、メインチラー７０を圧縮機ユニット１０２から切り離してもよい。それとともに、コントローラ４０は、第３バルブ３２を開いてもよい。メインチラー７０の冷却液の流れを妨げることなくメインチラー７０を圧縮機ユニット１０２から切り離して、バックアップチラー２０の動作確認を行うことができる。もし、バックアップチラー２０に動作不良が生じている場合には、メインチラー７０による冷却を続けながら（すなわち圧縮機ユニット１０２、極低温冷凍機１０６の動作を継続しながら）、バックアップチラー２０を単独で修理または交換することができる。これは、圧縮機システム１００の信頼性向上につながる。

コントローラ４０がたとえば第１温度センサ１３８などの圧縮機ユニット１０２内に設けられたセンサの測定結果に基づいてバックアップチラー２０を起動するように構成される場合には、コントローラ４０は、圧縮機システム１００の動作を統括的に制御する圧縮機コントローラの一部を構成してもよい。あるいは、コントローラ４０がセンサ３４のように圧縮機ユニット１０２の外部に設けられたセンサの測定結果に基づいてバックアップチラー２０を起動するように構成される場合には、コントローラ４０は、圧縮機コントローラとは別個に設けられてもよい。

コントローラ４０は、ハードウェア構成としてはコンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現されるが、図では適宜、それらの連携によって実現される機能ブロックとして描いている。これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

なお、バックアップチラー２０の起動はコントローラ４０の制御により自動的に行われることは必須ではない。圧縮機システム１００のオペレータが、手動により循環ポンプ２２を作動させ、バルブを切り替えて、バックアップチラー２０を起動してもよい。

バックアップチラー２０は、メインチラー７０の代替として使用されるだけでなく、メインチラー７０とともに（同時に）動作させてもよい。こうしたメインチラー７０とバックアップチラー２０の併用は、メインチラー７０の冷却不良が発生したときだけでなく、メインチラー７０が正常に動作しているときにも行われてもよい。メインチラー７０の冷却能力にバックアップチラー２０の冷却能力が追加され、圧縮機システム１００の冷却能力を一時的に増強することができる。

以上説明したように、実施の形態によれば、圧縮機ユニット１０２の液冷式熱交換器１３０に冷却液を循環させるために、バックアップチラー２０をメインチラー７０に代替してまたはメインチラー７０とともに使用することにより、圧縮機ユニット１０２の冷却に冗長性がもたらされる。バックアップチラー２０を動作させることによって、メインチラー７０の経年劣化や故障による冷却能力の低下や喪失に対処することができる。あるいは、メインチラー７０とバックアップチラー２０の同時運転により、圧縮機システム１００の冷却能力を一時的に増強することができる。このようにして、圧縮機ユニット１０２の冷却機能が安定化され、圧縮機ユニット１０２ひいては極低温冷凍機１０６の運転継続性および信頼性が向上される。

また、従来構成では、水冷式と空冷式の２つのアフタークーラーを圧縮機に内蔵されるのに対し、実施の形態に係る圧縮機システム１００においては、液冷式熱交換器１３０は圧縮機ユニット１０２内に配置され、バックアップチラー２０は圧縮機ユニット１０２の外部に設置される。そのため、標準装備としては液冷式熱交換器１３０のみを備え、バックアップチラー２０を含まない形で、圧縮機ユニット１０２を設計することができる。圧縮機ユニット１０２は構造がシンプルになり、コストダウンにつながる。バックアップチラー２０は、オプションとして、必要に応じて後付けできる。

バックアップチラー２０は圧縮機ユニット１０２の外に設置されるので、配置場所の選択の自由度が増す。メインチラー７０はしばしば圧縮機ユニット１０２から遠隔の場所（たとえば別の部屋）に置かれ、メインチラー７０と圧縮機ユニット１０２は比較的長い冷却液配管で接続される。冷却液配管のルート上から、たとえば空きスペースなど他の機器類と干渉しない場所を適宜選んでバックアップチラー２０を配置することができる。

この実施形態では、バックアップチラー２０は、液冷式である。よって、たとえば冷却ファンの固着など、空冷式の冷却器に特有の問題は起こらない。

図２は、実施の形態に係る極低温冷凍機用圧縮機システムの変形例を概略的に示す図である。図２に示される実施形態においても、図１に示されるものと同様に、圧縮機システム１００は、圧縮機ユニット１０２の外部に設置され、メインチラー７０に代替してまたはメインチラー７０とともに圧縮機ユニット１０２に冷却液を循環させるバックアップチラー２０を備える。バックアップチラー２０は、循環ポンプ２２と、冷却器２４と、を備える。ただし、冷却器２４は、空冷式であり、接続ライン１６を流れる冷却液を冷却するために接続ライン１６に送風するように配置された冷却ファンを有する。

バックアップチラー２０の動作確認のために、コントローラ４０は、センサ３４に代えて、またはセンサ３４とともに、冷却ファンのモータ電圧または電流に基づいてバックアップチラー２０を監視してもよい。また、冷却ファンは、正回転または逆回転を切替可能であってもよく、その場合、コントローラ４０は、バックアップチラー２０が不良であると判定した場合、冷却ファンの回転を逆転させてもよい。仮に冷却ファンに固着が発生していたり、塵が詰まっていたとしても、ファンを逆回転させることにより、解消または緩和される可能性がある。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

上述の実施の形態では、圧縮機ユニット１０２の液冷式熱交換器１３０に対してバックアップチラー２０とメインチラー７０が並列に接続されているが、本発明はこれに限られない。ある実施形態においては、バックアップチラー２０とメインチラー７０が直列に接続されてもよい。この場合、バックアップチラー２０は、供給ライン１２（または回収ライン１４）上に設置されてもよい。

バックアップチラー２０の冷却器２４は、上述の液冷式または空冷式の冷却器には限られず、たとえば、冷却液を冷却素子（たとえばペルチエ素子）で冷却する等、その他の形式の冷却器であってもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１０ 補助冷却装置、 １２ 供給ライン、 １４ 回収ライン、 １６ 接続ライン、 １８ バイパスライン、 ２０ バックアップチラー、 ２２ 循環ポンプ、 ２４ 冷却器、 ３４ センサ、 ４０ コントローラ、 ７０ メインチラー、 １００ 圧縮機システム、 １０２ 圧縮機ユニット、 １０６ 極低温冷凍機、 １１０ 圧縮機本体、 １３０ 液冷式熱交換器。

Claims (6)

1. 極低温冷凍機の冷媒ガスを圧縮する圧縮機本体と、前記圧縮機本体によって圧縮された冷媒ガスおよび前記圧縮機本体を潤滑するオイルのうち少なくとも一方を冷却液との熱交換により冷却する液冷式熱交換器と、を備える圧縮機ユニットと、
   メインチラーから前記液冷式熱交換器に前記冷却液を供給する供給ラインと、
   前記液冷式熱交換器から前記メインチラーに前記冷却液を回収する回収ラインと、
   前記圧縮機ユニットの外部に設置され、前記メインチラーに代替してまたは前記メインチラーとともに前記液冷式熱交換器に前記冷却液を循環させるバックアップチラーであって、循環ポンプと、前記循環ポンプの入口側または出口側で前記冷却液を冷却する冷却器と、を備えるバックアップチラーと、を備え、
   前記バックアップチラーは、前記供給ラインと前記回収ラインをつなぐ接続ラインを備え、前記循環ポンプと前記冷却器は、前記接続ラインに設置されていることを特徴とする極低温冷凍機用圧縮機システム。
2. 前記接続ラインに対して前記メインチラー側で前記供給ラインと前記回収ラインをつなぎ、前記液冷式熱交換器および前記バックアップチラーをバイパスして前記メインチラーに前記冷却液を循環させる流路の一部となるバイパスラインをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機用圧縮機システム。
3. 前記供給ラインと前記回収ラインはそれぞれ、前記接続ラインに対して前記メインチラー側で切り離し可能に前記メインチラーに接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷凍機用圧縮機システム。
4. 前記圧縮機ユニットは、前記冷却液、前記冷媒ガス、または前記オイルの温度を測定する温度センサを備え、
   前記バックアップチラーは、前記温度センサによって測定された前記冷却液、前記冷媒ガス、または前記オイルの温度に基づいて前記バックアップチラーを起動するコントローラを備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の極低温冷凍機用圧縮機システム。
5. 前記バックアップチラーは、前記冷却液の温度、流量、または圧力を測定するセンサと、前記センサによって測定された前記冷却液の温度、流量、または圧力に基づいて前記バックアップチラーを起動するコントローラと、を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の極低温冷凍機用圧縮機システム。
6. 極低温冷凍機用の圧縮機ユニットのための補助冷却装置であって、
   メインチラーから、前記圧縮機ユニットに内蔵された液冷式熱交換器に冷却液を供給する供給ラインと、
   前記液冷式熱交換器から前記メインチラーに前記冷却液を回収する回収ラインと、
   前記圧縮機ユニットの外部に設置され、前記メインチラーに代替してまたは前記メインチラーとともに前記液冷式熱交換器に前記冷却液を循環させるバックアップチラーであって、循環ポンプと、前記循環ポンプの入口側または出口側で前記冷却液を冷却する冷却器と、を備えるバックアップチラーと、を備え、
   前記バックアップチラーは、前記供給ラインと前記回収ラインをつなぐ接続ラインを備え、前記循環ポンプと前記冷却器は、前記接続ラインに設置されていることを特徴とする補助冷却装置。

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