WO2019181595A1

WO2019181595A1 - 極低温冷凍機

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Publication number: WO2019181595A1
Application number: PCT/JP2019/009601
Authority: WO
Inventors: 秀司大山
Original assignee: 住友重機械工業株式会社
Priority date: 2018-03-23
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2019-09-26
Also published as: EP3770529B1; US20200400356A1; JP7282077B2; EP3770529A1; JPWO2019181595A1; CN111868459B; EP3770529A4; CN111868459A; US11649998B2

Abstract

極低温冷凍機１０は、コールドヘッド１４と、コールドヘッド１４に並列に接続された複数の圧縮機本体１６と、複数の圧縮機本体１６の各々に対応して設けられたの状態検出センサ２０であって、各状態検出センサ２０が、対応する圧縮機本体１６の状態を検出し、状態検出信号Ｓ１を出力する複数の状態検出センサ２０と、複数の状態検出センサ２０のうちいずれかの状態検出センサ２０からの状態検出信号Ｓ１が、対応する圧縮機本体１６の停止を表している場合には、他の圧縮機本体１６も停止させるように構成された圧縮機制御部４０と、を備える。

Description

極低温冷凍機

　本発明は、極低温冷凍機に関する。

　従来から、圧縮機と、コールドヘッドとも呼ばれる膨張機とを備える極低温冷凍機が知られている。圧縮機は、極低温冷凍機の作動ガスを高圧に圧縮して膨張機に供給する。作動ガスは膨張機で膨張し寒冷を発生する。膨張により作動ガスの圧力は低下する。低圧の作動ガスは圧縮機に回収され再び圧縮される。

特開２０１３－１３４０２０号公報

　本発明者は、一台のコールドヘッドに複数台の圧縮機が並列に接続された極低温冷凍機ついて鋭意研究を重ねた結果、以下の課題を認識するに至った。このような極低温冷凍機の設計は、複数台の圧縮機を同時に運転することにより大流量の作動ガスをコールドヘッドに供給することができるので、大きな冷凍能力を提供する大型のコールドヘッドを有する極低温冷凍機に適している。

　複数台の圧縮機のうち一台が何らかの理由により異常停止した状況を想定すると、このとき他の圧縮機は正常に稼動を続けているから、稼働中の圧縮機から停止した圧縮機に作動ガスが逆流しうる。逆流は、圧縮機の構成要素に悪影響を及ぼしうるので、望まれない。逆止弁などの逆流対策部品を圧縮機に追加することによって、逆流を防止または軽減することができる。しかしながら、こうした逆流対策は、作動ガスの順方向流れに圧力損失をもたらしうるので、極低温冷凍機の冷却性能を低下させうる。また、新たな部品の追加は製造コストの上昇を招く。

　本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、複数台の圧縮機を有する極低温冷凍機に関して製造コストの上昇を抑えつつ作動ガスの逆流対策を提供することにある。

　本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、コールドヘッドと、前記コールドヘッドに並列に接続された複数の圧縮機本体と、前記複数の圧縮機本体の各々に対応して設けられた複数の状態検出センサであって、各状態検出センサが、対応する圧縮機本体の状態を検出し、状態検出信号を出力する複数の状態検出センサと、前記複数の状態検出センサのうちいずれかの状態検出センサからの状態検出信号が、対応する圧縮機本体の停止を表している場合には、他の圧縮機本体も停止させるように構成された圧縮機制御部と、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、複数台の圧縮機を有する極低温冷凍機に関して製造コストの上昇を抑えつつ作動ガスの逆流対策を提供することができる。

ある実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。ある実施の形態に係る極低温冷凍機のための圧縮機停止処理の一例を説明するフローチャートである。ある実施の形態に係る極低温冷凍機に採用されうる圧縮機の構成の一例を示す概略図である。ある実施の形態に係る極低温冷凍機に採用されうる圧縮機の構成の他の一例を示す概略図である。ある実施の形態に係る極低温冷凍機に採用されうる圧縮機の構成の他の一例を示す概略図である。

　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、ある実施の形態に係る極低温冷凍機１０を概略的に示す図である。

　極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と、コールドヘッド１４とを備える。圧縮機１２は、極低温冷凍機１０の作動ガスをコールドヘッド１４から回収し、回収した作動ガスを昇圧して、再び作動ガスをコールドヘッド１４に供給するよう構成されている。コールドヘッド１４は、膨張機とも称され、室温部１４ａと、冷却ステージとも称される低温部１４ｂとを有する。圧縮機１２とコールドヘッド１４により極低温冷凍機１０の冷凍サイクルが構成され、それにより低温部１４ｂが所望の極低温に冷却される。作動ガスは、冷媒ガスとも称され、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。理解のために、作動ガスの流れる方向を図１に矢印で示す。

　極低温冷凍機１０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１４は、極低温冷凍機１０のタイプに応じて異なる構成を有するが、圧縮機１２は、極低温冷凍機１０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１２からコールドヘッド１４に供給される作動ガスの圧力と、コールドヘッド１４から圧縮機１２に回収される作動ガスの圧力は、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１２は、複数の圧縮機本体１６と、これら圧縮機本体１６を収容する共通の圧縮機筐体１８とを備える。複数の圧縮機本体１６は、圧縮機筐体１８の内部に配置され、コールドヘッド１４に並列に接続されている。圧縮機１２は、圧縮機ユニットとも称される。

　圧縮機本体１６は、その吸入口から吸入される作動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１６は、例えば、スクロール方式、ロータリ式、または作動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１６は、固定された一定の作動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１６は、吐出する作動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１６は、圧縮カプセルと称されることもある。

　図１に示される実施の形態においては、圧縮機１２は、二台の圧縮機本体１６を有するが、これに限られない。圧縮機１２は、コールドヘッド１４に並列に接続された三台またはそれより多数の圧縮機本体１６を有してもよい。

　複数の圧縮機本体１６が同時に運転されることにより、一台の圧縮機本体１６のみが運転される場合に比べて、コールドヘッド１４に作動ガス流量をより多く供給することができる。よって、極低温冷凍機１０は、より大きな冷凍能力を提供する大型のコールドヘッド１４を採用することができる。

　詳細は後述するが、圧縮機１２は、複数の圧縮機本体１６の各々に対応して設けられた複数の状態検出センサ２０を備える。各状態検出センサ２０が、対応する圧縮機本体１６の状態を検出し、状態検出信号Ｓ１を出力する。圧縮機１２は、複数の状態検出センサ２０のうちいずれかの状態検出センサ２０からの状態検出信号Ｓ１が、対応する圧縮機本体１６の停止を表している場合には、他の圧縮機本体１６も停止させるように構成されている。圧縮機１２は、状態検出信号Ｓ１に基づいて圧縮機本体１６に停止指令信号Ｓ２を出力するように構成されていてもよい。圧縮機本体１６は、停止指令信号Ｓ２に応じて停止されるように構成されている。圧縮機本体１６は、停止指令信号Ｓ２に応じてオンからオフに切り替えられる。

　また、圧縮機１２は、吐出ポート２２、吸入ポート２４、吐出流路２６、および吸入流路２８を備える。圧縮機筐体１８は、圧縮機本体１６に加えて、吐出流路２６および吸入流路２８を収容する。

　吐出ポート２２は、圧縮機本体１６により高圧に昇圧された作動ガスを圧縮機１２から送出するために圧縮機筐体１８に設置された作動ガスの出口であり、吸入ポート２４は、低圧の作動ガスを圧縮機１２に受け入れるために圧縮機筐体１８に設置された作動ガスの入口である。

　複数の圧縮機本体１６の吐出口が吐出流路２６により吐出ポート２２に接続され、吸入ポート２４が吸入流路２８により複数の圧縮機本体１６の吸入口に接続されている。よって、吐出流路２６は、複数の圧縮機本体１６から吐出ポート２２へと合流し、吸入流路２８は、吸入ポート２４から複数の圧縮機本体１６へと分流する。

　吐出流路２６は、逆流を許容するように構成されている。吐出流路２６には、逆止弁は設置されていない。圧縮機本体１６の吐出口と吐出ポート２２との間の圧力差に応じて、吐出流路２６の順方向または逆方向のいずれかに作動ガスが流れうる。図１に示される矢印は順方向を表す。複数の圧縮機本体１６が稼動している圧縮機１２の通常の運転状態では、圧縮機本体１６の吐出口から吐出ポート２２へと吐出流路２６の順方向に作動ガスが流れる。この場合、吐出流路２６の流路抵抗により吐出ポート２２での圧力が圧縮機本体１６の吐出口での圧力よりいくらか低くなる。また、一の圧縮機本体１６の吐出口と他の圧縮機本体１６の吐出口との間に圧力差は実質的に生じないから、複数の圧縮機本体１６間で相互に作動ガスが流れることはない。

　ところが、もし、吐出ポート２２での圧力が圧縮機本体１６の吐出口での圧力より高かったとすると、吐出ポート２２から圧縮機本体１６の吐出口へと吐出流路２６の逆方向に作動ガスが流れうる。また、一の圧縮機本体１６の吐出口と他の圧縮機本体１６の吐出口との間に圧力差が生じたとすると、圧力差に応じていずれかの方向に作動ガスが流れうる。何らかの理由により、一の圧縮機本体１６が運転を停止し他の圧縮機本体１６が運転を継続したとすると、一の圧縮機本体１６の吐出口は他の圧縮機本体１６の吐出口より圧力が低くなるから、一の圧縮機本体１６へと作動ガスが逆流しうる。

　同様に、吸入流路２８は、逆流を許容するように構成されている。吸入流路２８には、逆止弁は設置されていない。圧縮機本体１６の吸入口と吸入ポート２４との間の圧力差に応じて、吸入流路２８の順方向または逆方向のいずれかに作動ガスが流れうる。圧縮機１２の通常の運転状態では、吸入ポート２４から圧縮機本体１６の吸入口へと吸入流路２８の順方向に作動ガスが流れる。また、一の圧縮機本体１６の吸入口と他の圧縮機本体１６の吸入口との間に圧力差が生じたとすると、圧力差に応じていずれかの方向に作動ガスが流れうる。

　複数の圧縮機本体１６の各々は、圧縮機モータ３０と、状態検出センサ２０の一例としてのモータ電流センサとを備える。モータ電流センサは、圧縮機モータ３０に流れるモータ電流を検出するように圧縮機モータ３０に接続され、状態検出信号Ｓ１の一例としてのモータ電流信号を出力するように構成されている。モータ電流センサは、非接触式の電流センサ、例えばカレントトランス（ＣＴ）方式の電流センサであってもよい。

　状態検出信号Ｓ１は、対応する圧縮機本体１６がオン状態またはオフ状態のいずれであるのかを表す。状態検出センサ２０がモータ電流センサである場合、状態検出信号Ｓ１は、対応する圧縮機モータ３０に電流が流れているか否か、すなわち圧縮機モータ３０のオンオフを表す。圧縮機モータ３０がオンである場合、対応する圧縮機本体１６は運転している（すなわちオン状態である）。圧縮機モータ３０がオフである場合、対応する圧縮機本体１６は停止している（すなわちオフ状態である）。

　なお、状態検出センサ２０がモータ電流センサには限られない。状態検出センサ２０は、圧縮機モータ３０のオンオフを表す電圧、電流、またはそのほかの適切な電気信号を状態検出信号Ｓ１として出力するように圧縮機モータ３０に設置された任意の形式のセンサであってもよい。

　圧縮機モータ３０は、例えば電気モータであり、またはそのほか任意の適切な形式のモータであってもよい。圧縮機モータ３０は、例えばサーマルリレーなどのモータ保護回路３１を備えてもよい。モータ保護回路３１は、例えば、圧縮機モータ３０の温度が作動中に過剰に高まったとき圧縮機モータ３０への給電を強制的に遮断し、圧縮機モータ３０を停止させるように構成されていてもよい。

　また、極低温冷凍機１０は、圧縮機１２とコールドヘッド１４の間で作動ガスを循環させる作動ガスライン３２を備える。作動ガスライン３２は、圧縮機１２からコールドヘッド１４に作動ガスを供給する高圧ライン３３と、コールドヘッド１４から圧縮機１２に作動ガスを回収する低圧ライン３４とを備える。コールドヘッド１４の室温部１４ａは、高圧ポート３５と低圧ポート３６とを備える。高圧ポート３５は、高圧配管３７によって吐出ポート２２に接続され、低圧ポート３６は、低圧配管３８によって吸入ポート２４に接続されている。高圧ライン３３は、高圧配管３７と吐出流路２６を含み、低圧ライン３４は、低圧配管３８と吸入流路２８を含む。

　したがって、コールドヘッド１４から圧縮機１２に回収される作動ガスは、コールドヘッド１４の低圧ポート３６から低圧配管３８を通じて圧縮機１２の吸入ポート２４に入り、さらに吸入流路２８を経て複数の圧縮機本体１６に戻り、各圧縮機本体１６によって圧縮され昇圧される。圧縮機１２からコールドヘッド１４に供給される作動ガスは、複数の圧縮機本体１６から吐出流路２６を通じて圧縮機１２の吐出ポート２２から出て、さらに高圧配管３７とコールドヘッド１４の高圧ポート３５を経てコールドヘッド１４の内部に供給される。

　極低温冷凍機１０は、圧縮機１２を制御する圧縮機制御部４０を備える。圧縮機制御部４０は、圧縮機１２に物理的に搭載されていてもよく、例えば、圧縮機筐体１８の外表面に取り付けられ、または圧縮機筐体１８に収容されていてもよい。あるいは、圧縮機制御部４０は、圧縮機１２から物理的に離れて配置され、圧縮機１２との制御信号（例えば、状態検出信号Ｓ１、停止指令信号Ｓ２）の送受信のために信号配線により接続されていてもよい。

　圧縮機制御部４０は、複数の状態検出センサ２０のうちいずれかの状態検出センサ２０からの状態検出信号Ｓ１が、対応する圧縮機本体１６の停止を表している場合には、他の圧縮機本体１６も停止させるように構成されている。圧縮機制御部４０は、ある状態検出センサ２０からの状態検出信号Ｓ１が圧縮機本体１６の停止を表している場合には、すべての圧縮機本体１６（または、他のすべての圧縮機本体１６）に停止指令信号Ｓ２を出力するように構成されている。

　状態検出センサ２０がモータ電流センサである場合、圧縮機制御部４０は、いずれかのモータ電流センサからのモータ電流信号が、対応する圧縮機モータ３０の停止を表している場合には、他の圧縮機モータ３０も停止させるように構成されている。圧縮機制御部４０は、あるモータ電流センサからの状態検出信号Ｓ１が圧縮機モータ３０の停止を表している場合には、すべての圧縮機モータ３０（または、他のすべての圧縮機モータ３０）に停止指令信号Ｓ２を出力するように構成されている。

　圧縮機制御部４０は、複数の状態検出センサ２０の各々から状態検出信号Ｓ１を取得するように各状態検出センサ２０に電気的に接続されている。また、圧縮機制御部４０は、複数の圧縮機本体１６の各々に停止指令信号Ｓ２を供給するように各圧縮機本体１６（例えば、圧縮機モータ３０）に電気的に接続されている。

　圧縮機制御部４０は、状態判定部４２と、モータ制御部４４とを備えてもよい。

　状態判定部４２は、複数の圧縮機本体１６間に状態（すなわちオン状態とオフ状態）の不一致があるか否かを判定するように構成されている。状態判定部４２は、複数の圧縮機本体１６のうちいずれかの圧縮機本体１６のみがオフとなっているか否かを判定するように構成されている。状態判定部４２は、複数の状態検出センサ２０の各々から状態検出信号Ｓ１を定期的に受信し、少なくとも１つの状態検出センサ２０からの状態検出信号Ｓ１が圧縮機モータ３０の停止を表しているか否かを判定するように構成されている。状態判定部４２は、その判定結果をモータ制御部４４に提供するように構成されている。

　モータ制御部４４は、状態判定部４２の判定結果に従って複数の圧縮機モータ３０のオンオフを制御するように構成されている。モータ制御部４４は、少なくとも１つの圧縮機モータ３０が停止していると状態判定部４２によって判定される場合には、すべての圧縮機モータ３０を停止させるべく各圧縮機モータ３０に停止指令信号Ｓ２を送信するように構成されている。モータ制御部４４は、圧縮機モータ３０を制御するためのモータドライバまたはそのほか任意のモータ制御回路であってもよい。

　圧縮機制御部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１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。

　図２は、ある実施の形態に係る極低温冷凍機１０のための圧縮機停止処理の一例を説明するフローチャートである。以下に説明される圧縮機停止処理は、圧縮機制御部４０によって、極低温冷凍機１０の運転中に所定の周期で繰り返し実行される。圧縮機停止処理は、図１に示される極低温冷凍機１０のように、複数の圧縮機本体１６を有する極低温冷凍機１０に適用可能である。

　図２に示されるように、圧縮機制御部４０の状態判定部４２は、複数の圧縮機本体１６のうちいずれかの圧縮機本体１６がオフであるか否かを判定する（Ｓ１０）。具体的には、状態判定部４２は、複数の状態検出センサ２０のうちいずれかの状態検出センサ２０からの状態検出信号Ｓ１が対応する圧縮機モータ３０のオフを表しているか否かを判定する。

　どの圧縮機本体１６もオフではない場合、すなわち、すべての状態検出センサ２０からの状態検出信号Ｓ１が圧縮機モータ３０のオンを表している場合には（Ｓ１０のＮ）、状態判定部４２は、圧縮機１２の運転継続を許容する（Ｓ１２）。この場合、モータ制御部４４は、どの圧縮機モータ３０にも停止指令信号Ｓ２を出力せず、よって、すべての圧縮機モータ３０はオンに維持され、すべての圧縮機本体１６は作動ガスの圧縮運転を継続する。こうして、圧縮機制御部４０は、圧縮機停止処理を終了する。圧縮機停止処理は、上述のように所定の周期で再び実行される。

　一方、いずれかの圧縮機本体１６がオフの場合、すなわち、複数の状態検出センサ２０のうちいずれかの状態検出センサ２０からの状態検出信号Ｓ１が対応する圧縮機モータ３０のオフを表している場合には（Ｓ１０のＹ）、状態判定部４２は、圧縮機１２の運転を禁止する（Ｓ１４）。この場合、モータ制御部４４は、すべての圧縮機モータ３０に停止指令信号Ｓ２を出力する。よって、すべての圧縮機モータ３０はオフに切り替えられ、すべての圧縮機本体１６は作動ガスの圧縮運転を終了する。こうして、圧縮機制御部４０は、圧縮機停止処理を終了する。

　上述のように圧縮機モータ３０がモータ保護回路３１を内蔵している場合には、モータ保護回路３１が作動して、ある特定の圧縮機本体１６のみが停止しうる。典型的な構成においては、モータ保護回路３１は、圧縮機制御部４０による圧縮機本体１６の制御から独立して作動することができる（つまりモータ保護回路３１は、圧縮機制御部４０が圧縮機本体１６のオンを指令していたとしても、これを無視して圧縮機本体１６をオフに切り替えることができる）。また、たいていの場合、モータ保護回路３１はその仕様として、作動の有無を圧縮機制御部４０など外部に出力しないように構成されている。この場合、モータ保護回路３１の作動による圧縮機モータ３０すなわち圧縮機本体１６の運転停止は、圧縮機制御部４０に直接検知されない。

　あるいは、複数の圧縮機本体１６は、例えば、気温や湿度、気圧など圧縮機の設置環境の想定を超える過酷な変動や、冷却水など冷媒の異常な品質低下など圧縮機の冷却設備の不具合など、種々の要因により、個別に異常停止しうる。

　仮に、ある特定の圧縮機本体１６のみが何らかの理由により停止したとすると、このとき他の圧縮機本体１６は稼動しているから、稼働中の圧縮機本体１６の吐出口から停止した圧縮機本体１６の吐出口へと作動ガスが逆流しうる。あるいは、停止した圧縮機本体１６の吸入口から稼働中の圧縮機本体１６の吸入口へと作動ガスが逆流しうる。こうした作動ガスの逆流が連続的に生じると、例えば、停止した圧縮機本体１６の吐出口または吸入口から作動ガスとともに圧縮機本体１６の冷却または潤滑用のオイルが過剰に流出しうる等、不測の不都合が起こりうる。よって、作動ガスの逆流は、望まれない。

　逆止弁などの逆流対策部品を圧縮機１２に追加することによって、作動ガスの逆流は防止または軽減されうる。例えば、圧縮機本体１６ごとに吐出側と吸入側それぞれに逆止弁が配置されうる。しかし、逆止弁は、流路抵抗としても働くので、作動ガスの順方向流れに圧力損失をもたらし、極低温冷凍機１０の冷却性能を低下させうる。また、新たな部品の追加は製造コストの上昇を招く。

　実施の形態に係る極低温冷凍機１０によれば、圧縮機１２は、複数の状態検出センサ２０のうちいずれかの状態検出センサ２０からの状態検出信号Ｓ１が、対応する圧縮機本体１６の停止を表している場合には、他の圧縮機本体１６も停止させるように構成されている。このようにして、複数の圧縮機本体１６の各々に対応して設けられた複数の状態検出センサ２０を用いて、いずれかの圧縮機本体１６の異常停止の際に、他の圧縮機本体１６を同期して停止させることができる。

　したがって、ある圧縮機本体１６が異常停止したとしても、速やかに他の圧縮機本体１６も停止させることができる。一部の圧縮機本体１６が停止し残りの圧縮機本体１６が動作するという複数の圧縮機本体１６間のオンオフの不一致に起因して圧縮機１２内に生じうる作動ガスの逆流を軽減し、または防止することができる。たとえ逆流が起こったとしても、一時的または瞬間的に起こるにすぎず、逆流による影響は軽微である。そのため、逆止弁などの逆流対策部品を圧縮機１２に追加することを要しないので、追加した場合に想定される作動ガスの圧力損失およびそれに伴う冷却性能の低下は生じない。また、逆流対策部品の追加しないので、製造コストの上昇も抑えられる。

　また、状態検出センサ２０としてモータ電流センサが用いられている。このようにすれば、モータ電流の有無は圧縮機モータ３０すなわち圧縮機本体１６のオンオフを直接的に表すから、圧縮機本体１６のオンオフを確実に検知することができる。加えて、圧縮機本体１６は通例、圧縮機モータ３０とモータ電流センサを有している。こうした既存の構成要素を利用して複数の圧縮機本体１６の同時停止のための制御系を構成することは、製造コストの上昇を抑えるうえで有利であるとともに、実装も容易である。

　図３は、ある実施の形態に係る極低温冷凍機１０に採用されうる圧縮機１２の構成の一例を示す概略図である。図３に示される圧縮機１２は、図１に示される圧縮機１２と同様に、圧縮機１２は、複数の圧縮機本体１６と、これら圧縮機本体１６を収容する共通の圧縮機筐体１８とを備える。各圧縮機本体１６は、圧縮機モータ３０を備える。圧縮機モータ３０は、状態検出センサの一例としてのモータ電流センサ２０ａと、モータ保護回路３１とを備えてもよく、あるいは備えなくてもよい。また、圧縮機１２は、吐出ポート２２、吸入ポート２４、吐出流路２６、および吸入流路２８を備える。図１を参照して既に説明したこれらの構成要素については、図３においても同一の符号を付し、重複した説明は適宜省略する。

　なお、図３においては、理解の容易のために、作動ガスの流路を太線で示し、オイルの流路と冷媒の流路をそれぞれ細線で示す。

　図３に示される実施の形態においては、圧縮機１２は、複数の圧縮機本体１６の各々について、ストレージタンク４６、作動ガス冷却部４８、オイルセパレータ５０、バイパス流路５２、およびアドゾーバ５４を備える。作動ガス冷却部４８、オイルセパレータ５０、およびアドゾーバ５４は、吐出流路２６に配置され、ストレージタンク４６は、吸入流路２８に配置されている。

　ストレージタンク４６は、コールドヘッド１４から圧縮機１２へと戻る低圧の作動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。作動ガス冷却部４８は、圧縮機本体１６での作動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作動ガスを冷却するために設けられている。オイルセパレータ５０は、圧縮機本体１６を通ることによって作動ガスに混入するオイルを作動ガスから分離するために設けられている。アドゾーバ５４は、作動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作動ガスから吸着により除去するために設けられている。

　吸入ポート２４から圧縮機１２に流入する作動ガスは、吸入流路２８上のストレージタンク４６を経て、圧縮機本体１６の吸入口へと回収される。上述のようにストレージタンク４６は圧縮機本体１６ごとに設けられているので、吸入流路２８は、吸入ポート２４とストレージタンク４６との間で分岐している。

　圧縮機本体１６の吐出口から送出される作動ガスは、吐出流路２６上の作動ガス冷却部４８、オイルセパレータ５０、アドゾーバ５４を経て、吐出ポート２２から圧縮機１２を出る。吐出流路２６は、アドゾーバ５４と吐出ポート２２との間で合流している。

　バイパス流路５２は、対応する圧縮機本体１６を迂回するように吐出流路２６を吸入流路２８に接続する。一例として、バイパス流路５２は、オイルセパレータ５０をストレージタンク４６と圧縮機本体１６との間に接続する。バイパス流路５２には、バイパス流路５２には、少なくとも１つのバイパス弁５６が配置されている。バイパス弁５６は、バイパス流路５２の作動ガス流量制御のために、及び／または、圧縮機１２を停止する際の吐出流路２６と吸入流路２８との均圧化のために設けられている。

　圧縮機１２は、複数の圧縮機本体１６の各々について、オイルを循環させるオイルライン５８を備える。オイルライン５８を流れるオイルは、圧縮機本体１６の冷却及び／または潤滑に利用される。各圧縮機本体１６のオイルライン５８は、互いに分離されている。すなわち、オイルライン５８どうしの間でオイルは流通しない。

　オイルライン５８を圧縮機本体１６ごとに別々に設けることは、各オイルライン５８に適正なオイル量を保持するのに役立つ。もし、複数のオイルライン５８間でオイルが流通可能であったとすると、圧縮機１２の運転中にいずれかのオイルライン５８に他のオイルライン５８からオイルが流れ、複数のオイルライン５８間でオイル量にアンバランスが生じうる。ただし、こうしたオイル量のアンバランスが許容範囲に収まる場合には、複数のオイルライン５８が互いに接続されていてもよい。

　オイルライン５８は、オイル循環ライン６０と、オイル戻りライン６２とを備える。オイル循環ライン６０は、オイル冷却部６４を有する。オイル循環ライン６０は、圧縮機本体１６から流出するオイルがオイル冷却部６４により冷却され再び圧縮機本体１６に流入するように構成されている。オイル戻りライン６２は、オイルセパレータ５０で回収されたオイルを圧縮機本体１６に戻すために、オイルセパレータ５０を圧縮機本体１６に接続する。

　圧縮機１２は、例えば冷却水などの冷媒を用いて圧縮機本体１６を冷却する冷却系６６を備える。冷却系６６は、作動ガス冷却部４８とオイル冷却部６４とを備える。作動ガス冷却部４８は、圧縮機本体１６で圧縮された作動ガスと冷媒との熱交換により作動ガスを冷却する。また、オイル冷却部６４は、圧縮機本体１６から流出するオイルと冷媒との熱交換によりオイルを冷却する。

　冷却系６６は、圧縮機筐体１８に設置された冷媒入口ポート６８および冷媒出口ポート７０を有し、冷媒入口ポート６８から供給される冷媒は、作動ガス冷却部４８とオイル冷却部６４を経て、冷媒出口ポート７０から排出される。冷媒出口ポート７０から出る冷媒は、例えばチラー（図示せず）により冷却され、冷媒入口ポート６８に再び供給されてもよい。このようにして、圧縮機本体１６で生じる圧縮熱は、冷媒とともに圧縮機１２の外へと除去される。

　また、圧縮機１２は、複数の圧縮機本体１６の各々に対応して設けられた複数の状態検出センサとして使用されうるいくつかのセンサを備える。圧縮機１２は、複数の圧縮機本体１６の各々について、第１圧力センサ２０ｂ、第２圧力センサ２０ｃ、第１温度センサ２０ｄ、第２温度センサ２０ｅ、および第３温度センサ２０ｆを備える。

　第１圧力センサ２０ｂは、対応する圧縮機本体１６から吐出される作動ガスの圧力を検出し、状態検出信号としての第１圧力検出信号Ｐ１を出力するように構成されている。第１圧力センサ２０ｂは、アドゾーバ５４と吐出ポート２２との間で作動ガスの圧力を測定するように吐出流路２６に配置されている。第２圧力センサ２０ｃは、対応する圧縮機本体１６に吸入される作動ガスの圧力を検出し、状態検出信号としての第２圧力検出信号Ｐ２を出力するように構成されている。第２圧力センサ２０ｃは、ストレージタンク４６と圧縮機本体１６との間で作動ガスの圧力を測定するように吸入流路２８に配置されている。

　第１温度センサ２０ｄおよび第２温度センサ２０ｅは、対応する圧縮機本体１６から吐出される作動ガスの温度を検出し、状態検出信号としての温度検出信号（Ｔ１，Ｔ２）を出力するように構成されている。第１温度センサ２０ｄは、圧縮機本体１６と作動ガス冷却部４８との間で作動ガスの温度を測定するように吐出流路２６に配置され、第２温度センサ２０ｅは、作動ガス冷却部４８とオイルセパレータ５０との間で作動ガスの温度を測定するように吐出流路２６に配置されている。

　第３温度センサ２０ｆは、対応する圧縮機本体１６から吐出される作動ガスを冷却する冷媒の温度を検出し、状態検出信号としての温度検出信号Ｔ３を出力するように構成されている。第３温度センサ２０ｆは、一例として、オイル冷却部６４と冷媒出口ポート７０との間で冷媒の温度を測定するように冷却系６６に配置されている。

　第１圧力センサ２０ｂ、第２圧力センサ２０ｃ、第１温度センサ２０ｄ、第２温度センサ２０ｅ、および第３温度センサ２０ｆは、状態検出信号（Ｐ１，Ｐ２，Ｔ１～Ｔ３）を圧縮機制御部４０に出力するように接続されている。

　第１圧力センサ２０ｂからの第１圧力検出信号Ｐ１は、対応する圧縮機本体１６から吐出される作動ガスの圧力を示す。よって、当該圧縮機本体１６が停止しているとき、第１圧力検出信号Ｐ１は、当該圧縮機本体１６の運転中に比べて低い圧力を示す。第２圧力センサ２０ｃからの第２圧力検出信号Ｐ２は、対応する圧縮機本体１６から吐出される作動ガスの圧力を示す。よって、当該圧縮機本体１６が停止しているとき、第２圧力検出信号Ｐ２は、当該圧縮機本体１６の運転中に比べて高い圧力を示す。同様に、第１温度センサ２０ｄ、第２温度センサ２０ｅ、第３温度センサ２０ｆからの温度検出信号（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）も、対応する圧縮機本体１６が停止しているとき、当該圧縮機本体１６の運転中とは異なる温度を示す。

　圧縮機制御部４０は、複数の状態検出センサ（２０ａ～２０ｆ）のうちいずれかの状態検出センサ（２０ａ～２０ｆ）からの状態検出信号（Ｐ１，Ｐ２，Ｔ１～Ｔ３）が、対応する圧縮機本体１６の停止を表している場合には、他の圧縮機本体１６も停止させるように構成されている。圧縮機制御部４０は、ある状態検出センサ（２０ａ～２０ｆ）からの状態検出信号（Ｐ１，Ｐ２，Ｔ１～Ｔ３）が圧縮機本体１６の停止を表している場合には、すべての圧縮機本体１６（または、他のすべての圧縮機本体１６）に停止指令信号Ｓ２を出力するように構成されている。

　圧縮機制御部４０は、モータ電流センサ２０ａ、第１圧力センサ２０ｂ、第２圧力センサ２０ｃ、第１温度センサ２０ｄ、第２温度センサ２０ｅ、および第３温度センサ２０ｆのうち１種類のセンサからの状態検出信号から、対応する圧縮機本体１６の状態を判定するように構成されていてもよい。あるいは、圧縮機制御部４０は、モータ電流センサ２０ａ、第１圧力センサ２０ｂ、第２圧力センサ２０ｃ、第１温度センサ２０ｄ、第２温度センサ２０ｅ、および第３温度センサ２０ｆのうち複数種類のセンサからの状態検出信号から、対応する圧縮機本体１６の状態を判定するように構成されていてもよい。

　このようにして、圧縮機１２に搭載されている種々のセンサを利用して、いずれかの圧縮機本体１６の異常停止の際に、他の圧縮機本体１６を同期して停止させることもできる。複数の圧縮機本体１６間のオンオフの不一致に起因して圧縮機１２内に生じうる作動ガスの逆流を軽減し、または防止することができる。図３に示される実施の形態においても、図１に示される実施の形態と同様に、製造コストの上昇を抑えつつ作動ガスの逆流対策を提供する。

　また、圧縮機１２の一部の構成要素は、複数の圧縮機本体１６に共有されてもよい。そのようにすれば、部品点数が削減され、製造コストを抑えられる。

　図４は、ある実施の形態に係る極低温冷凍機１０に採用されうる圧縮機１２の構成の他の一例を示す概略図である。図４に示される実施の形態においては、吸入流路２８に設けられる一部の構成要素が複数の圧縮機本体１６に共有される。その余の構成については、既述の実施の形態と同様であり、図４においても同一の符号を付し、重複した説明は適宜省略する。

　圧縮機１２は、吸入流路２８において吸入ポート２４と複数の圧縮機本体１６への分流部７２との間に設置された共通のストレージタンク４６を備えてもよい。また、第１圧力センサ２０ｂ、第２圧力センサ２０ｃ、およびバイパス弁５６も、複数の圧縮機本体１６に共有されていてもよい。

　図５は、ある実施の形態に係る極低温冷凍機１０に採用されうる圧縮機１２の構成の他の一例を示す概略図である。図５に示される実施の形態においては、吐出流路２６に設けられる一部の構成要素が複数の圧縮機本体１６に共有される。その余の構成については、既述の実施の形態と同様であり、図５においても同一の符号を付し、重複した説明は適宜省略する。

　圧縮機１２は、吐出流路２６において複数の圧縮機本体１６からの合流部７４と吐出ポート２２との間に設置された共通のアドゾーバ５４を備えてもよい。

　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。

　上述の実施の形態においては、複数の圧縮機本体１６が単一の圧縮機筐体１８に収容されているが、これに限られない。各圧縮機本体１６が個別の圧縮機筐体に収容されていてもよい。よって、圧縮機１２は、コールドヘッド１４に並列に接続された複数の圧縮機本体１６と、各々がひとつの圧縮機本体１６を収容する複数の圧縮機筐体と、を備えてもよい。

　本発明は、極低温冷凍機の分野における利用が可能である。

　１０　極低温冷凍機、　１２　圧縮機、　１４　コールドヘッド、　１６　圧縮機本体、　１８　圧縮機筐体、　２０　状態検出センサ、　２０ａ　モータ電流センサ、　２２　吐出ポート、　２４　吸入ポート、　２６　吐出流路、　２８　吸入流路、　３０　圧縮機モータ、　４０　圧縮機制御部、　４６　ストレージタンク、　７２　分流部、　７４　合流部、　Ｓ１　状態検出信号。

Claims

　コールドヘッドと、
　前記コールドヘッドに並列に接続された複数の圧縮機本体と、
　前記複数の圧縮機本体の各々に対応して設けられた複数の状態検出センサであって、各状態検出センサが、対応する圧縮機本体の状態を検出し、状態検出信号を出力する複数の状態検出センサと、
　前記複数の状態検出センサのうちいずれかの状態検出センサからの状態検出信号が、対応する圧縮機本体の停止を表している場合には、他の圧縮機本体も停止させるように構成された圧縮機制御部と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。
　前記複数の圧縮機本体の各々は、
　圧縮機モータと、
　前記圧縮機モータに流れるモータ電流を検出し、モータ電流信号を出力する、前記状態検出センサとしてのモータ電流センサと、を備え、
　前記圧縮機制御部は、いずれかのモータ電流センサからのモータ電流信号が、対応する圧縮機モータの停止を表している場合には、他の圧縮機モータも停止させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
　前記状態検出センサは、対応する圧縮機本体から吐出されまたは吸入される作動ガスの圧力を検出し、前記状態検出信号としての圧力検出信号を出力する圧力センサを備え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。
　前記状態検出センサは、対応する圧縮機本体から吐出される作動ガスの温度、または、対応する圧縮機本体から吐出される作動ガスを冷却する冷媒の温度を検出し、前記状態検出信号としての温度検出信号を出力する温度センサ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。
　吐出ポートと吸入ポートとを有し、前記複数の圧縮機本体を収容する共通の圧縮機筐体と、
　前記複数の圧縮機本体から前記吐出ポートへと合流する吐出流路と、
　前記吸入ポートから前記複数の圧縮機本体へと分流する吸入流路と、をさらに備え、
　前記吐出流路と前記吸入流路はともに、逆流を許容するように構成されてい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。
　前記吸入流路は、前記吸入ポートと前記複数の圧縮機本体への分流部との間に設置された共通のストレージタンクを備えることを特徴とする請求項５に記載の極低温冷凍機。
　前記吐出流路は、前記複数の圧縮機本体からの合流部と前記吐出ポートとの間に設置された共通のアドゾーバを備えることを特徴とする請求項５または６に記載の極低温冷凍機。