JPH03286968A - 極低温冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的１ （産業上の利用分野） 本発明は、ターボ圧縮機とターボ膨張機とを備えた極低
温冷凍装置に関する。この極低温冷凍装置は、２００に
以下の低温において冷凍を発生し、窒素、水素、ヘリウ
ム等の気体の液化、超電動機器の冷却、赤外線検出器用
センサーの冷却、スーパーコンピュータの演算素子の冷
却、輻射熱シールドの冷却、クライオポンプなど極低温
の分野に利用される。

（従来の技術） 従来、極低温冷凍装置としてレシプロ式あるいはスクリ
ュー式の圧縮機と、ターボ膨張機とを備えたものが知ら
れている。この極低温冷凍装置は、圧縮機で圧縮された
ヘリウム等の極低温用の作動流体の熱を除熱し、その作
動流体をターボ膨張機で膨張させ、そのときの吸熱に伴
う冷凍を取出すものである。

しかし、従来、第５図に示すターボ圧縮機とターボ膨張
機とを備えた極低温冷凍装置は、予冷時において、ター
ボ圧縮機で圧縮された作動流体の全流量をターボ膨張機
に供給することが困難なため、実用化されていない。

その−例を比較例として第５図に基づいて説明する。前
記ターボ圧縮機１１４とターボ膨張機１１５を備えた極
低温冷凍機の運転に伴って、ターボ圧縮機１１４の超高
速モータ１０３に直結されたインペラ１０１．１０２が
駆動される。インペラ１０１で極低温用の作動流体（窒
素、ネオン、ヘリウム等）が圧縮され放熱器１０４に流
入する。

モして流路１１２を流れる冷却流体（水、空気等）によ
って作動流体の圧縮熱が取り除れる。さらにインペラ１
０２で作動流体が圧縮され放熱器１０５に流入する。そ
して流路１１２を流れる冷却流体（水、空気等）によっ
て作動流体の圧縮熱が取り除かれる。その後、作動流体
は、対向流熱交換器１０６に流入し、戻りの作動流体に
冷却されてタービン１０７に流入し、このタービン１０
７及び超高速発電機１０８を駆動ざぜることにより、作
動流体の圧カニネルキー、速度エネルギーか吸収される
ので、作動流体は膨張して温度が低下する。すなわち、
冷凍効果を発生する。そして冷凍効果を発生した作動流
体は、冷凍取出部１０９に流入して被冷却体１１０を冷
却する。その後、作動流体は対向流熱交換器１０６に流
入し、タービン１０７に流入する作動流体を冷しながら
、インペラ１０１に戻る。このサイ、クルが繰返されて
被冷却体１１０は極低温の温度（通常−７０℃から一２
７０℃）に冷却される。

Ｅ発明が解決しようとする課題］ （従来技術の欠点） 前記ターボ膨張機１１５のタービン１０７における作動
流体の質量流量と膨張圧力比の関係は第２図に示すよう
になる。すなわち、ターごン１０７では入口面積が決ま
っているので作動流体は、その温度に拘らず体積流量が
増加すると膨張圧力比も増加する。体積流量（ｆＪ１５
ｅＣ）の代わりに質量流量（ｇ１５ｅｃ）を用いても温
度が一定ならば質量流量の増加に伴い膨張圧力比も増加
する。また、極低温く例えば１００に＝−７３℃〉時の
質量流量と膨張圧力比の関係は、第２図の実線で示され
るように、定格点へにおける定格圧力比「１での質量流
量はｍｌとなる。

しかし、冷凍機の運転を開始したときには、タービン１
０７人口の作動流体の温度が室温（例えば３００に＝２
７℃）となっている。このとき作動流体の体積は絶対温
度に比例するので、同じ質量流量でも約３倍の体積流量
となり膨張圧力比「１−はｒｌよりかなり大きな値とな
る。またこれとは逆に、定格圧力比「１で流し得る室温
での質量流量ｍＱは、極低温での質量流量ｍ１に比へて
かなり小さくなる。

次に、作動流体をターボ圧縮機１１４のインペラ１０１
．１０２により２段階に圧縮した場合の質量流量と圧縮
比の関係は、第３図に示すようになる。この場合、放熱
器１０４．１０５、対向流熱交換器１０６での圧力損失
を無視すると、タービン１０７での定格の膨張圧力比と
インペラ１０１．１０２との総合の圧縮比は一致する。

また前記インペラ１０１．１０２の特性としては、第３
図の示すように、サージラインがあり、このサージライ
ンより上のサージ領域では作動流体の不安定振動が発生
し、運転が不可能となる。すなわち、ターボ圧縮機１１
４の定格点りにおける回転数Ｎ１では、質量流量ｍ１、
圧縮比ｒ１となる。そのため運転開始時にターボ圧縮機
１１４の質量ｍ１をすべてタービン１０７に供給しよう
とすると、圧縮比は第２図の０点での膨張圧力比ｒ１”
が必要となり、サージが発生する。また逆に、運転開始
時に定格膨張圧力比ｒ１でタービン１０７に流すことの
できる質量流量は、第２図のＢ点での値ｍＱとなる。そ
してターボ圧縮機１１４により供給する質量流量を抑え
てｍＯとするために、第３図に示すように回転数をＮｏ
まで落とし低下させると、サージを生ずる圧縮比も「２
にまで低下し、この状態で必要な圧縮比ｒ１まで高める
とサージ領域に到達しサージを発生する。

このように、第５図に示すターボ圧縮機とターボ膨張機
を備えた極低温冷凍機では、タービン］０７の入口の作
動流体の温度か極低温になっていれば運転できるが、運
転開始時にはターボ圧縮機１１４がサージを発生し実用
化することができなかった。

本発明は、上記した問題を解決し実用可能な極低温冷凍
装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の極低温冷凍装置は、極低温用の作動流体を圧縮
するターボ圧縮機と、 前記ターボ圧縮機で圧縮された作動流体の熱をとる放熱
器と、 前記放熱器を経た作動流体を膨張させるターボ膨張機と
、 前記放熱器から前記ターボ膨張機に流れる作動流体と前
記ターボ膨張機から前記ターボ圧縮機に流れる作動流体
との間の熱交換を行う熱交換器と、前記放熱器と前記熱
交換器との間に設けられ、前記熱交換器を経てターボ膨
張機に送出される前記作動流体の流量を制御する第１制
御部と、前記第１制御部の上流より前記熱交換器と前記
ターボ圧縮機との間に前記作動流体を戻すとともに、そ
の戻し流量を制御する第２制御部をもつバイパス通路を
設けたことを特徴とするものである。

ターボ圧縮機は、極低温用の作動流体を圧縮するもので
従来のターボ圧縮機を使用することかできる。

放熱器は、ターボ圧縮機で圧縮された作動流体の熱を除
去するもので、空気あるいは流体（水）を用いて前記作
動流体と熱交換をするものである。

ターボ膨張機は、放熱器を経た作動流体を膨張させ、よ
り低温状態とさせるものである。このターボ膨張機によ
り回転駆動力が取出される。このため取出された回転駆
動力を発電機等の駆動エネルキとして用いることができ
る。

第１制御部は、放熱器と熱交換器との間に設けられ熱交
換器を経てターボ膨張機に送出される作動流体の流量を
制御するものである。第１制御部は、例えば手動操作に
よる絞り弁や、あるいはマイクロコンピュータ等のコン
トローラにより電気的にコントロールされ、かつその電
気信号に基づいて絞り弁操作を行うことのできるアクチ
ュエタ付バルブを用いることができる。また第１制御部
は、マイクロコンピュータなどのコントローラにより電
気的にコントロールされ、かつその電気信号に基づいて
開閉操作を行なうことのできる開閉バルブの下流側に流
量抵抗を生ずる絞り部とを組合せたものを用いることが
できる。また前記第１制御部に電気的にコントロールし
て絞り操作または開閉のできる装置を用いる場合には、
ターボ膨張機に供給される作動流体の温度を検出する検
出部よりの検出信号を受け、予め設定され入力された値
と比較演算した結果に基づいて前記開閉バルブに指令を
与えるコントローラとを組合わせて用いることもてきる
。

バイパス通路は、第１制御部の上流より熱交換器とター
ボ圧縮機との間に前記作動流体を戻す働きをなすもので
ある。このバイパス通路は単数あるいは複数設置するこ
とができる。また各々のバイパス通路には少なくともひ
とつの第２制御部を設置することが好ましい。第２制御
部は前記第１制御部と同じものを用いることができる。

（作用〉 本発明の極低温冷凍装置は、その運転開始に伴い極低温
用の作動流体をターボ圧縮機により圧縮し、放熱器及び
熱交換器を介してターボ膨張機に送出する場合、作動流
体の温度に対応して、第１制御部及び第２制御部を作動
させる。そして第１制御部によりターボ膨張機に送出さ
れる流体の流量を制御するとともに、第２制御部により
第１制御部の上流よりバイパス通路を介して、熱交換器
とターボ圧縮機との間に戻される作動流体の戻し流量を
制御する。これによってターボ膨張機に送出される作動
流体は、その温度に見合う量の質は流量とすることがで
きる。

このように本発明の極低温冷凍装置では、作動流体の質
量流量を、作動流体の一温度か例えば室温から極低温に
冷却されるまでの範囲に応じてコントロールすることが
できる。

（実施例） （実施例１〉 本発明の極低温冷凍装置の実施例１を説明する。

本実施例１の極低温冷凍装置は、第１図に示すように極
低温用の作動流体を圧縮するターボ圧縮機１と、ターボ
圧縮機１で圧縮された作動流体の熱をとる第１放熱器２
及び第２放熱器３と、第１放熱器２及び第２放熱器３を
経た作動流体を膨張させるターボ膨張機４と、ターボ膨
張機４で膨張された作動流体の吸熱に伴う冷凍を取出す
冷凍取出部５と、冷凍取出部５に近設した被冷却体５０
と、第２放熱器３からターボ膨張機４に流れる作動流体
とターボ膨張機４からターボ圧縮機１に流れる作動流体
との間の熱交換を行う対向流熱交換器６と、これらをつ
なぐ流路７と、前記第２放熱器３と前記対向流熱交換器
６との間に設けられ、対向流熱交換器６を経てターボ膨
張機４に送出される前記作動流体の流量を制御する第１
制御部８と、第１制御部８の上流より対向流熱交換器６
とターボ圧縮機１との間に前記作動流体を戻すバイパス
通路７０及びバイパス通路７０に設けられた第２制御部
つとよりなる。

なお前記ターボ圧縮機１は、超高速電動モータ１０と、
この超高速電動モータ１０に連動する第１インペラ１１
及び第２インペラ１２よりなる。

第１放熱器２は、ターボ圧縮機１の第１インペラ１１と
第２インペラ１２との間の流路７に設置され、作動流体
の圧縮熱を取り除く冷却用の流路２０を備えている。

第２放熱器３は、ターボ圧縮機１の第２１インペラ１２
と対向流熱交換器６との間の流路７に設置され、作動流
体の圧縮熱を取り除く冷却用の流路３０を備えている。

ターボ膨張機４は、タービン４０と、このタビン４０に
連動し回転駆動される超高速発電機４１とよりなる。

第１制御部８及び第２制御部９は、手動操作で絞り、作
動流体の供給通路面積を減少させることができる絞り弁
が用いられている。

また、前記ターボ膨張機４と、冷凍取出部５及び被冷却
体５０と、対向流熱交換器６とは、断熱真空容器７１内
に収容されている。

本実施例１の極低温冷凍装置には、作動流体としてネオ
ンが封入されている。

まず、第１制御部８が流路７を全開し、第２制御部９が
バイパス通路７０を仝閉した状態で極低温冷凍装置が運
転され作動流体が循環する場合を説明する。

前記状態の極低温冷凍装置が運転されると作動流体は、
ターボ圧縮機１の超高速電動モータ１０に連動する第１
インペラ１１で圧縮され第１放熱器２に流入し流路２０
を流れる冷却流体（水、空気等）によって作動流体の圧
縮熱が取り除かれる。

その後、作動流体は、さらに第２インペラ１２で圧縮さ
れ、第２放熱器３に流入し流路３０を流れる冷却流体に
よって作動流体の圧縮熱が取り除かれる。その後、作動
流体は、対向流熱交換器６にその往路６０流入し、復路
６１を流通する戻りの作動流体に冷却されてターボ膨張
機４に流入する。

この作動流体は、ターボ膨張機４のタービン４０を回転
駆動させ超高速発電機４１を作動させることによって、
作動流体の圧力エネルギ、速度エネルギが吸収される。

かつ、このとき作動流体は、吸熱しつつ膨張して温度が
低下する。すなわち冷凍効果を発生する。そして冷凍効
果を発生した作動流体は、冷凍取出部５に流入して被冷
却体５０を冷却する。その後、作動流体は対向流熱交換
器６の復路６１に流入し、かつ対向流熱交換器６の往路
６０に流入しターボ膨張機４に流入する作動流体を冷や
しながらターボ圧縮機１に戻る。このサイクルが繰返さ
れて被冷却体５０は極低温の温度（通常−１７０℃〜−
２６９℃）に冷却される。

本実施例１の極低温冷凍装置によれば、ターボ膨張機４
に作動流体を供給するに当り、同じ質量流量であっても
体積流量が増加する運転開始時において、作動流体の温
度が室温（３００に＝２７℃〉に近い状態にあるとき、
第１制御部８及び第２制御部９を手動により操作し、か
つ第１制御部８により流路７の開口面積を絞りつつ第２
制御部９によりバイパス通路７０を開口するとともに、
その流量開口面積を開口するように調整する。これによ
ってターボ圧縮機１より送給された作動流体は、ターボ
膨張機４及びバイパス通路７０に分流し、かつその流量
を分配することができる。従ってターボ圧縮機１は、第
３図に示す定格点（質量流量ｍ１、圧縮比ｒｔ）で作動
させ得る。そして第１制御部８及び第２制御部９を調整
しつつ流路７に質量流量ｍ○が流れ、かつバイパス通路
７０に質量流量（ｍｘ−ｍＯ）が流れるようにコントロ
ールされる。

これによって第２図に示すように流路７からターボ膨張
機４に質量流量ｍｏが流れるとき、圧縮比は定格の「１
でよいものとなる。

従ってターボ圧縮機１とターボ膨張機４とを用いた極低
温冷凍装置において、ターボ圧縮機１は、サージ現象を
起さずに運転することができ、かつ実用化することがで
きる。

なお、ターボ膨張ｔａ４の入口の作動流体の温度が次第
に低下するに伴って同じ圧力比「１であっても質量流量
がｍｏからｍｌに増加場合には、これに対応して第１制
御部８及び第２制御部９を徐々に調整して流路７におけ
る作動流体の流量をｍＯからｍｌに、バイパス通路７０
における作動流体の戻し流量を（ｍｌ−ｍＯ）からＯに
なるように最終的に調整することによってターボ圧縮機
１を安定して運転することができる。

（実施例２） 本実施例２の極低温冷凍装置は、第４図に示すようにそ
れぞれ電磁作動弁を用いた第１制御部８ａ及び第２制御
部９ａと、ターボ膨張機４の入口に設置された作動流体
の温度を検出する温度検出部４５と、この温度検出部４
５により検出された温度より検出値に基づいて前記第１
制御部８ａ及び第２制御部９ａに作動指令を与えるコン
トローラ装置４６を用いた以外は、前記実施例１の構成
及び作用と同じである。なお、コントローラ装置４６は
、（マイクロコンピュータ〉が用いられる。

このコントローラ装置４６には、第１制御部８ａ及び第
２制御部９ａの作動時期及び作動量を前記温度検出部４
５よりの信号に基すいて演締するため予じめ設定された
データが入力されている。

本実施例２の極低温冷凍装置の場合には、ターボ膨張機
４に流入する作動流体の温度が温度検出部４５により検
出され、コントローラ４６に入力される。コントローラ
４６は、予め設定されたデータ及び前記温度検出部４５
からの信号に基づいて演算し、演算結果を電気信号に変
え前記第１制御部８ａ、及び第２制御部９ａに作動指令
を与える。

第１制御部８ａ及び第２制御部９ａは、前記作動指令に
基づいて流路７及びバイパス通路７０の開口面積を制御
酢る。そしてターボ膨張機４の入口の作動流体の温度が
低下していくにつれ、流路７の流量をｍｏからｍｌに、
バイパス通路７０の流量を（ｍｘ−ｍＯ〉からＯになる
ように自動的にコントロールすることができる。

［発明の効果］ 本発明のターボ圧縮機とターボ膨張機とを備えた極低温
冷凍装置では、ターボ圧縮機よりターボ膨張機に作動流
体を供給するにあたり同じ質量流量であっても、作動流
体の温度が高く、その体積流量が増加する運転開始時に
は、第１制御部によりターボ膨張機へ作動流体を送出す
る流路の面積を調整して作動流体の供給流量を制御する
とともに、第２制御部によりバイパスの開口面積を調整
してターボ圧縮機への作動流体の戻し量を制御すること
によって、ターボ圧縮機により圧縮されターボ膨張機に
供給される作動流体の流量を、作動流体の温度に対応し
たものとすることができる。

すなわち、ターボ膨張機の膨張圧力比を限界膨張圧力比
の値よりも小さく抑えつつ目的とする低温到達時と同じ
質量流量とすることができる。そのため室温から極低温
に冷却するまでのクールダウン時間を短縮することがで
きる。

このように本発明の極低温冷凍装置は、ターボ圧縮機と
、ターボ膨張機とを用いた構成であっても、その運転開
始時の作動流体の温度に見合うように前記第１制御部及
び第２制御部により、前記膨張圧力比を制御することが
できるため、作動流体の質量流量をターボ圧縮機がサー
ジ現象を発生させる領域外に調整することができ、かつ
従来のサージ現象を防止することができる。

従ってターボ圧縮機と、ターボ膨張機とを用いた極低温
冷凍装置を実用化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の極低温冷凍装置の実施例１を示す模式
構成図である。第２図はターボ膨張機の質量流量と膨張
圧力比との関係を示す説明図である。第３図はターボ圧
縮機の質量流量と圧縮比の関係を示す説明図である。第
４図は本発明の極低温冷凍装置の実施例２を示す模式構
成図である。 第５図は比較のために用いた極低温冷凍装置を示す模式
構成図である。 １・・・ターボ圧縮機 ３・・・第２放熱器 ５・・・冷凍取出部 ７・・・流路 ８．８ａ・・・第１制御部 ２・・・第１放熱器 ４・・・ターボ膨張機 ６・・・対向流熱交換器 ７０・・・バイパス通路 ９．９ａ・・・第２制御部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）極低温用の作動流体を圧縮するターボ圧縮機と、 前記ターボ圧縮機で圧縮された作動流体の熱をとる放熱
   器と、 前記放熱器を経た作動流体を膨張させるターボ膨張機と
   、 前記放熱器から前記ターボ膨張機に流れる作動流体と前
   記ターボ膨張機から前記ターボ圧縮機に流れる作動流体
   との間の熱交換を行う熱交換器と、前記放熱器と前記熱
   交換器との間に設けられ、前記熱交換器を経てターボ膨
   張機に送出される前記作動流体の流量を制御する第１制
   御部と、前記第１制御部の上流より前記熱交換器と前記
   ターボ圧縮機との間に前記作動流体を戻すとともに、そ
   の戻し流量を制御する第２制御部をもつバイパス通路を
   設けたことを特徴とする極低温冷凍装置。