TW201435285A - 極低溫冷凍裝置、及極低溫冷凍裝置的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種極低溫冷凍裝置、及極低溫冷凍裝置的控制方法，其係在能夠進行複數種運轉之極低溫冷凍裝置中對複數個冷凍機的冷凍能力分別進行調整。本發明的極低溫冷凍裝置(10)具備：壓縮機(12)；複數個冷凍機(14)；及氣體管路(16)，其將複數個冷凍機(14)並聯連接於壓縮機(12)，以使作動氣體在複數個冷凍機(14)中的每一個與壓縮機(12)之間循環。氣體管路(16)具備流量控制閥(54)，該流量控制閥能夠對複數個冷凍機(14)中相對應之冷凍機(14)的作動氣體流動的壓力損失分別進行控制。流量控制閥(54)串聯設置於所對應之冷凍機(14)上。

Description

極低溫冷凍裝置、及極低溫冷凍裝置的控制方法
本發明係有關一種極低溫冷凍裝置、及極低溫冷凍裝置的控制方法。
已知有一種蓄冷式冷凍裝置，其構成為向冷凍機供給藉由壓縮機壓縮後之高壓氦氣，使在冷凍機中膨脹且壓力下降之低壓氦氣重新返回壓縮機，其中，藉由在冷凍機側設置溫度感測器，並設置具備藉由該溫度感測器產生之訊號所控制之流量控制閥之旁通通路，並且控制作動氣體的高壓側與低壓側之間的壓力差，能夠控制冷凍機的溫度。
(先前技術文獻) (專利文獻)
專利文獻1：日本特開平11-281181號公報
上述冷凍裝置中相對於1台壓縮機設置有1台冷凍 機。最近，為了節能及降低成本，取而代之的有相對於1台壓縮機設置有複數台冷凍機。複數台冷凍機例如安裝於某大型裝置的複數個部位，或安裝於複數個同種裝置的每一個。該種極低溫冷凍裝置中可進行使用其通用的壓縮機來同時運轉複數台冷凍機，即所謂的複數種運轉。
本發明的一種形態的例示性目的之一為，在能夠進行複數種運轉之極低溫冷凍裝置中，對複數個冷凍機的冷凍能力分別進行調整。
依本發明的一形態，提供一種極低溫冷凍裝置，其特徵為具備：作動氣體源；複數個冷凍機；及氣體管路，其將前述複數個冷凍機並聯連接於前述作動氣體源，以使作動氣體在前述複數個冷凍機中的每一個與前述作動氣體源之間循環，前述氣體管路具備控制要件，該控制要件能夠對前述複數個冷凍機中相對應之冷凍機的作動氣體流動的壓力損失分別進行控制，前述控制要件串聯設置於前述對應之冷凍機上。
依本發明的一形態，提供一種極低溫冷凍裝置的控制方法，其特徵為具備：使用通用的作動氣體源來同時運轉複數個冷凍機之步驟；及對前述作動氣體源與前述複數個冷凍機之間的作動氣體流動的壓力損失分別進行控制之步驟。
另外，以上構成要件的任意組合和對本發明的構成要 件及表現在方法、裝置及系統等之間彼此替換之技術作為本發明的形態仍然有效。
依本發明，能夠在可進行複數種運轉之極低溫冷凍裝置中，對複數個冷凍機的冷凍能力分別進行調整。
10‧‧‧極低溫冷凍裝置
12‧‧‧壓縮機
14‧‧‧冷凍機
16‧‧‧氣體管路
42‧‧‧主高壓配管
46‧‧‧高壓個別配管
48‧‧‧主低壓配管
52‧‧‧低壓個別配管
54‧‧‧流量控制閥
58‧‧‧壓縮機控制部
62‧‧‧溫度控制部
第1圖係概略表示本發明的一實施形態之極低溫冷凍裝置的整體結構之圖。
第2圖係用於說明本發明的一實施形態之極低溫冷凍裝置的控制方法之流程圖。
第1圖係概略表示本發明的一實施形態之極低溫冷凍裝置10的整體結構之圖。該實施形態中，極低溫冷凍裝置10例如設置於具備超導設備或其他被冷卻物1之裝置2上。該裝置2例如為核磁共振圖像裝置，此時被冷卻物1為超導磁體。裝置2亦可為低溫泵，此時被冷卻物1為低溫板。
極低溫冷凍裝置10具備：具有壓縮機12之作動氣體源和複數個冷凍機14。並且，極低溫冷凍裝置10具備將複數個冷凍機14並聯連接於壓縮機12之氣體管路16。氣體管路16構成為使作動氣體在複數個冷凍機14的每一 個與壓縮機12之間循環。作動氣體例如為氦氣。
壓縮機12具備：吸入端口18，用於從氣體管路16接收低壓作動氣體；及吐出端口20，用於向氣體管路16輸出高壓作動氣體。壓縮機12具備：壓縮機主體(未圖示)，用於壓縮作動氣體；及壓縮機馬達21，用於驅動壓縮機主體。壓縮機12具備：第1壓力感測器22，用於測定低壓作動氣體的壓力；及第2壓力感測器24，用於測定高壓作動氣體。這些壓力感測器亦可設置於氣體管路16的適當的部位。
冷凍機14例如為吉福德-麥克馬洪式冷凍機(所謂GM冷凍機)或脈衝管冷凍機這種蓄冷式極低溫冷凍機。冷凍機14具備：高壓端口26，用於從氣體管路16接收高壓作動氣體；及低壓端口28，用於向氣體管路16輸出低壓作動氣體。冷凍機14具備用於測定冷凍機14的冷卻溫度之至少1個溫度感測器。冷凍機14例如為兩段式冷凍機，此時冷凍機14具備：第1溫度感測器30，用於測定第1段低溫端的溫度；及第2溫度感測器32，用於測定第2段低溫端的溫度。
冷凍機14具備作動氣體的膨脹室34。膨脹室34中容納有蓄冷器(未圖示)。冷凍機14具備用於以某種頻率進行熱循環之驅動部36。驅動部36構成為以恆定的熱循環頻率運轉冷凍機14。在該熱循環中，高壓的作動氣體從高壓端口26經由蓄冷器而供給於膨脹室34，在膨脹室34中膨脹並冷卻，其結果被減壓之作動氣體從膨脹室 34經由蓄冷器而向低壓端口28排出。
冷凍機14例如為GM冷凍機時，驅動部36具備置換器機構、流路切換機構及驅動源。置換器機構構成為使高壓作動氣體經由蓄冷器供給於膨脹室34，且使低壓作動氣體經由蓄冷器從膨脹室34排出。蓄冷器安裝於置換器機構中。流路切換機構構成為藉由高壓端口26和低壓端口28來切換膨脹室34的連接處。為實現熱循環(亦即GM循環)，驅動源構成為同步驅動置換器機構及流路切換機構。
氣體流路16具備：高壓管路38，用於從壓縮機12向複數個冷凍機14供給高壓作動氣體；及低壓管路40，用於從複數個冷凍機14將低壓作動氣體回收到壓縮機12。高壓管路38連接壓縮機12的吐出端口20與冷凍機14的高壓端口26。低壓管路40連接壓縮機12的吸入端口18與冷凍機14的低壓端口28。
高壓管路38具備主高壓配管42、高壓分支部44及複數個高壓個別配管46。主高壓配管42將壓縮機12的吐出端口20連接於高壓分支部44。高壓分支部44將主高壓配管42向複數個高壓個別配管46分叉。複數個高壓個別配管46的每一個將高壓分支部44連接於所對應之冷凍機14的高壓端口26。
同樣地，低壓管路40具備主低壓配管48、低壓分支部50及複數個低壓個別配管52。主低壓配管48將壓縮機12的吸入端口18連接於低壓分支部50。低壓分支部 50將主低壓配管48向複數個低壓個別配管52分叉。複數個低壓個別配管52的每一個將低壓分支部50連接於所對應之冷凍機14的低壓端口28。
如此，主高壓配管42及主低壓配管48構成氣體管路16的主流路，且高壓個別配管46及低壓個別配管52構成氣體管路16的個別流路。主流路上配置有壓縮機12。複數個個別流路上分別配置有所對應之冷凍機14。冷凍機14通過各個別流路而連接於主流路。藉由主流路及個別流路，形成壓縮機12與各冷凍機14之間的作動氣體的循環流路。
氣體管路16具備與複數個冷凍機14相同數量的流量控制閥54。各流量控制閥54分別串聯設置於所對應之冷凍機14上。流量控制閥54配置於高壓個別配管46上，且與冷凍機14的高壓端口26的外側相鄰。如此複數個流量控制閥54以冷凍機14和流量控制閥54一對一對應之方式配置在氣體管路16上。
流量控制閥54構成為調節其開度來調整高壓個別配管46的壓力損失△P1，藉此來控制高壓個別配管46的作動氣體流量。流量控制閥54例如進行所謂Cv值控制。各流量控制閥54分別設置於氣體管路16的個別流路上，因此能夠對向所對應之冷凍機14的供給氣體流動的壓力損失△P1分別進行控制。
將流量控制閥54設置在高壓個別配管46上，可能比設置在低壓個別配管52上時更有利。壓力損失△P1在冷 凍機14的高壓側產生，因此能夠使冷凍機14的運轉壓力下降。其結果，能夠減少冷凍機14的內部之壓力損失對冷凍能力之影響。
另外，流量控制閥54亦可安裝於冷凍機14上而構成一體的冷凍機單元。或者，流量控制閥54亦可以是藉由配管連接於冷凍機14之分體的壓力損失控制要件。
極低溫冷凍裝置10具備壓縮機單元56。壓縮機單元56具備壓縮機12和用於控制壓縮機12之壓縮機控制部58。壓縮機控制部58具備用於變更壓縮機馬達21的運轉頻率之壓縮機變頻器60。壓縮機控制部58構成為依據第1壓力感測器22和/或第2壓力感測器24的測定壓力來控制壓縮機馬達21的運轉頻率。
壓縮機控制部58例如將壓縮機12的高壓與低壓的差壓控制為目標壓力。以下將其稱為差壓恆定控制。壓縮機控制部58為了差壓恆定控制而控制壓縮機12的運轉頻率。另外，可依需要在執行差壓恆定控制之途中變更差壓的目標值。
差壓恆定控制中，壓縮機控制部58求出第1壓力感測器22的測定壓力與第2壓力感測器24的測定壓力的差壓。壓縮機控制部58決定壓縮機馬達21的運轉頻率，以使其差壓與目標值△P一致。壓縮機控制部58控制壓縮機變頻器60，以實現該運轉頻率。
並且，極低溫冷凍裝置10具備用於控制複數個冷凍機14的冷卻溫度之溫度控制部62。溫度控制部62構成 為依據複數個冷凍機14的第1溫度感測器30和/或第2溫度感測器32的測定溫度，對複數個流量控制閥54分別進行控制。
溫度控制部62將冷凍機14的第1段(或第2段)的冷卻溫度控制成目標溫度。溫度控制部62以使某冷凍機14的第1溫度感測器30的測定溫度與目標溫度一致之方式，對與該冷凍機14對應之流量控制閥54的開度進行調節。目標溫度可在冷凍機14運轉時恆定，亦可變更。該種溫度控制例如在冷凍機14的穩定的冷卻運轉中執行。
或者，溫度控制部62亦可控制流量控制閥54，以使冷凍機14的第1段(或第2段)的冷卻溫度發生變化。溫度控制部62亦可依據某冷凍機14的運轉狀態來控制與該冷凍機14對應之流量控制閥54。例如，在冷凍機14啟動運轉時，流量控制閥54打開為某設定開度(例如全開)，後續啟動運轉之穩定運轉中，亦可將流量控制閥54控制為比其小的開度。
對極低溫冷凍裝置10的動作進行說明。藉由壓縮機12的運轉，氣體管路16的主高壓配管42與主低壓配管48之間施加有相當於目標差壓△P之差壓。亦即，將壓縮機12的吸入壓力表示為P時，壓縮機12的吐出壓力表示為P+△P。因此，具有壓力P+△P之高壓作動氣體從壓縮機12輸出至高壓管路38。高壓作動氣體從壓縮機12通過主高壓配管42由高壓分支部44分配至高壓個別配管46。冷凍機14的膨脹室34連接於高壓個別配管46時， 高壓作動氣體從高壓管路38供給至膨脹室34。
此時，高壓作動氣體通過高壓個別配管46的流量控制閥54而供給至相對應之冷凍機14。流量控制閥54對高壓個別配管46的作動氣體流動施加壓力損失△P1。因此，冷凍機14的膨脹室34中供給有具有壓力P+△P-△P1之作動氣體。
膨脹室34連接於低壓個別配管52時，在膨脹室34中高壓作動氣體膨脹並進行PV工作，在冷凍機14中產生冷能。作動氣體從壓力P+△P-△P1減壓至壓力P。亦即膨脹室34的吸氣壓力與排氣壓力的差壓為△P-△P1，這在以下表示為△P2(亦即，△P2=△P-△P1)。
低壓作動氣體從膨脹室34向低壓管路40排出。低壓作動氣體從冷凍機14通過低壓個別配管52在低壓分支部50合流。低壓作動氣體通過主低壓配管48返回至壓縮機12。如此，具有壓力P之低壓作動氣體從低壓管路40回收到壓縮機12。壓縮機12壓縮回收之作動氣體，且升壓至壓力P+△P。如此獲得之高壓作動氣體重新從壓縮機12供給至冷凍機14。
通常，冷凍機的冷凍能力與膨脹室的吸氣壓力與排氣壓力的差壓和膨脹室的容積之積，亦即PV工作有關(理想為一致)。典型的冷凍機中，能夠藉由改變熱循環頻率來控制冷凍能力並調節冷卻溫度。這在概念上相當於在冷凍機的PV工作中調整膨脹室容積V。
與此相對，本實施形態依據在冷凍機14的PV工作 中調整差壓P之構思。冷凍機14的冷凍能力與膨脹室34的吸氣壓力與排氣壓力的差壓△P2和膨脹室34的容積V之積△P2．V有關。膨脹室34的差壓△P2如上述，依據壓縮機12的差壓△P和流量控制閥54的壓力損失△P1決定。因此，藉由改變壓力損失△P1，能夠控制冷凍機14的冷凍能力並調節冷卻溫度。
若減小某流量控制閥54的開度，則壓力損失△P1變大。如此一來，與該流量控制閥54對應之冷凍機14的膨脹室34的差壓△P2(=△P-△P1)以互補方式變小，該冷凍機14的PV工作減少。因此，冷凍機14的冷凍能力變小，冷凍機14升溫。相反，若加大流量控制閥54的開度，則壓力損失△P1變小。如此一來，膨脹室34的差壓△P2以互補方式變大，冷凍機14的PV工作增加。因此，冷凍機14的冷凍能力變大，冷凍機14降溫。
壓縮機12為複數個冷凍機14中通用的氣體源，因此壓縮機12的差壓△P亦在複數個冷凍機14中通用。因此，調整壓縮機差壓，並不會實現冷凍機14的個別的溫度控制。但是，依本實施形態，能夠按冷凍機14控制流量控制閥54的壓力損失△P1，因此能夠對複數個冷凍機14的冷凍能力分別進行控制。
依本實施形態，能夠提供一種新的溫度調節控制方式來代替改變冷凍機的熱循環頻率這種現有的溫度調節控制方式。該新方式能夠以在氣體管路16上設置流量控制閥54這種簡單的結構來實現，因此與現有的方式相比可能 在成本方面更有利。
並且，依本實施形態，無需改變冷凍機14的熱循環頻率，因此能夠提供一種具備無變頻器的冷凍機14之極低溫冷凍裝置10。冷凍機14不具有變頻器，從而因變頻器引起之噪聲消失。因此，極低溫冷凍裝置10適於要求降低噪聲之裝置，例如核磁共振圖像裝置的冷卻。
本實施形態中，將氣體管路16的流量控制與壓縮機的差壓恆定控制配合使用。這對提高極低溫冷凍裝置10的節能性能有所幫助。流量控制閥54的開度較小時，作動氣體變得難以流過氣體管路16，因此壓縮機12的差壓擴大。如此一來，壓縮機12的運轉頻率下降，以使差壓返回目標值。如此能夠降低壓縮機12的耗電。藉此，為了降低冷凍機14剩餘的冷凍能力而關閉流量控制閥54時，也能夠抑制壓縮機12的耗電。相反，依需要打開流量控制閥54，藉此能夠增強冷凍機14的冷凍能力，並且提高壓縮機12的運轉頻率。與使壓縮機12以高頻率穩定地運轉時相比，更能夠降低壓縮機12的耗電。
在壓縮機的高壓側與低壓側之間設置旁通通路時，為了壓縮流過旁通通路之高壓氣體而消耗之能量並不會有助於冷凍機的冷凍能力。與此相對，依本實施形態，極低溫冷凍裝置10不具有該種旁通通路，因而不存在由於旁通通路產生之能量消耗。這亦有利於節能。
第2圖係用於說明本發明的一實施形態之極低溫冷凍裝置10的控制方法之流程圖。該方法例如藉由溫度控制 部62執行。如圖示，開始極低溫冷凍裝置10的運轉(S10)。使用通用的壓縮機12，複數個冷凍機14同時運轉。
該控制方法具備複數個冷凍機14的整體控制(S12)和冷凍機14的個別控制(S14)。整體控制包括一邊分別監控複數個冷凍機14的冷卻溫度，一邊使其從初始溫度(例如室溫)向目標溫度接近之步驟。整體控制中流量控制閥54均設定為一定的開度(例如全開)。任一冷凍機14達到目標溫度時，溫度控制部62結束整體控制而過渡到個別控制。個別控制包括對與複數個冷凍機14分別對應之個別流路的壓力損失分別進行控制之步驟。個別控制中流量控制閥54被控制。可以說整體控制為粗略的溫度調整，個別控制為精密的溫度調整。另外，溫度控制部62亦可從開始運轉極低溫冷凍裝置10時執行個別控制。
例如，整體控制中複數個冷凍機14均冷卻至目標溫度以下。最高溫的冷凍機14冷卻至目標溫度時，溫度控制部62結束整體控制而過渡到個別控制。此時，其他冷凍機14被冷卻得比目標溫度更低溫。在個別控制中，藉由減小流量控制閥54的開度，所對應之冷凍機14的冷卻溫度升溫至目標溫度。如此，能夠將複數個冷凍機14分別冷卻成目標溫度。
因冷凍機14的個體差和壓縮機12與冷凍機14之間的位置關係等主要原因，冷凍機14的運動中有可能產生偏差。例如，有可能在冷凍機14之間，在冷卻溫度上產 生差異。藉由冷凍機14的個別控制，能夠減輕這種運動的偏差。
以上，依據實施例對本發明進行了說明。但本領域技術人員應可理解本發明並不限於上述實施形態，能夠進行各種設計變更，能夠實施各種變形例，並且該種變形例亦屬於本發明的範圍內。
上述實施形態中，極低溫冷凍裝置10具備1台壓縮機12。然而，極低溫冷凍裝置10亦可具備具有複數個壓縮機12之作動氣體源。此時，複數個壓縮機12亦可相對於複數個冷凍機14並聯連接。亦即，氣體管路16亦可構成為複數個壓縮機12並聯連接於複數個冷凍機14中任一冷凍機。例如，氣體管路16在每個壓縮機12中具備主高壓配管42及主低壓配管48，主高壓配管42及主低壓配管48分別與高壓分支部44及低壓分支部50連接。因此，氣體管路16亦可具備複數個主高壓配管42及主低壓配管48、高壓分支部44及低壓分支部50、及複數個高壓個別配管46及低壓個別配管52。
上述實施形態中，氣體管路16為了控制作動氣體流動的壓力損失而具備流量控制閥54。然而，作動氣體流動的壓力損失控制要件並不限定於流量控制閥54。氣體管路16亦可具備用於控制作動氣體流量之例如開閉閥和如可變節流器這種流量控制機構，或者其他壓力損失控制要件。可變節流器例如包括流量控制閥54、可變節流孔。
該種壓力損失控制要件亦可設置於氣體管路16的個別流路的任意部位(例如低壓個別配管52)，亦可設置於冷凍機14中。複數個壓力損失控制要件亦可設置於1個冷凍機中。例如，複數個流量控制閥54或可變節流器亦可串聯設置於高壓個別配管46和/或低壓個別配管52上。
壓力損失控制要件可具備複數個分支流路。例如，壓力損失控制要件具備形成氣體管路16的個別流路的一部份之第1分支流路和並列設置於第1分支流路上之第2分支流路。第1分支流路被開放，且第2分支流路上設置有流量控制閥等可變節流器。如此一來，能夠藉由第1分支流路來確保個別流路中的流動。能夠依據需要改變第2分支流路的流量，且控制個別流路中的流量。
並且，極低溫冷凍裝置10亦可具備比冷凍機14少數的壓力損失控制要件。此時，複數個冷凍機14中部份冷凍機14亦可一對一地與壓力損失控制要件對應。使用壓力損失控制要件來控制它們中部份冷凍機14的冷凍能力，其他冷凍機14中不使用壓力損失控制要件。這些其他的冷凍機14中亦可進行熱循環頻率控制或其他冷凍能力控制。
或者，複數個冷凍機14被區分為幾個組，每一組中設置有1個壓力損失控制要件，亦可使用該壓力損失控制要件來控制相應組的冷凍機14的冷凍能力。
上述實施形態中，冷凍機14的驅動部36構成為以恆 定的熱循環頻率運轉冷凍機14。然而，驅動部36亦可構成為能夠變更熱循環頻率。藉由配合使用冷凍機14的熱循環頻率控制和氣體管路16的流量控制，能夠擴大冷凍機14的冷凍能力的控制範圍。
冷凍機14可具備加熱器。此時，為了在個別控制中使冷凍機14升溫，亦可使用加熱器。
1‧‧‧被冷却物
2‧‧‧裝置
10‧‧‧極低溫冷凍裝置
12‧‧‧壓縮機
14‧‧‧冷凍機
16‧‧‧氣體管路
18‧‧‧吸入端口
20‧‧‧吐出端口
21‧‧‧壓縮機馬達
22‧‧‧第1壓力感測器
24‧‧‧第2壓力感測器
26‧‧‧高壓端口
28‧‧‧低壓端口
30‧‧‧第1溫度感測器
32‧‧‧第2溫度感測器
34‧‧‧膨脹室
36‧‧‧驅動部
38‧‧‧高壓管路
40‧‧‧低壓管路
42‧‧‧主高壓配管
44‧‧‧高壓分支部
46‧‧‧高壓個別配管
48‧‧‧主低壓配管
50‧‧‧低壓分支部
52‧‧‧低壓個別配管
54‧‧‧流量控制閥
56‧‧‧壓縮機單元
58‧‧‧壓縮機控制部
60‧‧‧壓縮機變頻器
62‧‧‧溫度控制部

Claims (7)

  1. 一種極低溫冷凍裝置，其特徵為，具備：作動氣體源；複數個冷凍機；及氣體管路，其將前述複數個冷凍機並聯連接於前述作動氣體源，以使作動氣體在前述複數個冷凍機中的每一個與前述作動氣體源之間循環，前述氣體管路具備控制要件，該控制要件能夠對前述複數個冷凍機中相對應之冷凍機的作動氣體流動的壓力損失分別進行控制，前述控制要件串聯設置於前述對應之冷凍機上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之極低溫冷凍裝置，其中，前述作動氣體源具備至少1個壓縮機，前述極低溫冷凍裝置還具備壓縮機控制部，該壓縮機控制部用於控制前述壓縮機的運轉頻率，以便將前述壓縮機的高壓與低壓的差壓控制為目標壓力。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之極低溫冷凍裝置，其中，前述極低溫冷凍裝置還具備溫度控制部，該溫度控制部用於控制前述控制要件，以便將前述對應之冷凍機的冷卻溫度控制為目標溫度。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之極低溫冷凍裝置，其中， 前述氣體管路具備連接於前述作動氣體源之主流路，及用於將前述對應之冷凍機連接於前述主流路之個別流路，前述控制要件具備設置於前述個別流路之可變節流器。
  5. 一種低溫泵，其特徵為：該低溫泵具備申請專利範圍第1至4項中任一項所述之極低溫冷凍裝置。
  6. 一種核磁共振圖像裝置，其特徵為：該核磁共振圖像裝置具備申請專利範圍第1至4中任一項所述之極低溫冷凍裝置。
  7. 一種極低溫冷凍裝置的控制方法，其特徵為，具備：使用通用的作動氣體源來同時運轉複數個冷凍機之步驟，及對前述作動氣體源與前述複數個冷凍機之間的作動氣體流動的壓力損失分別進行控制之步驟。
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