JPH0420754A - 冷凍機及びその冷凍能力の調整方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ブライトンサイクルまたはクロードサイクル
を使用した冷凍機及びその冷凍能力の調整方法に関し、
詳しくは冷凍サイクル内に膨張機、例えば膨張タービン
を備えた冷凍機において、その冷凍能力の調整を効率よ
く行うことのできる冷凍機及び冷凍サイクル内に膨張機
を備えた冷凍機の冷凍能力の調整を効率よく行う方法に
関する。

〔従来の技術〕

温度を数に乃至数十Ｋに保つ極低温装置の冷却用として
、ヘリウムを冷媒としたブライトンサイクルからなる冷
凍機及びクロードサイクルからなる冷凍機が知られてい
る。前記ブライトンサイクルは、圧縮機で昇圧した冷媒
ガス（ヘリウム）を、必要に応じて液体窒素等の補助寒
冷と熱交換させた後に、膨張タービンで断熱膨張して寒
冷を発生した帰還冷媒ガスと熱交換させて冷却し、冷却
器、例えばクライオポンプにおけるクライオパネルに導
入して被冷却物を冷却するものである。冷却器導出後の
冷媒ガスは、帰還冷媒として膨張タービンに導入されて
断熱膨張し、寒冷を発生した後に前記昇圧後の冷媒ガス
の冷却源となり、前記圧縮機に帰還する。即ち、このブ
ライトンサイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮後
の冷媒を帰還冷媒により冷却する熱交換器と、冷却後の
冷媒を導入して被冷却物の冷却を行う冷却器と、冷却器
導出後の冷媒を断熱膨張させる膨張機とを備え、該膨張
後の冷媒を前記帰還冷媒として前記熱交換器に導入し、
熱交換器導出後の帰還冷媒を前記圧縮機に帰還吸入させ
る冷凍サイクルから構成されている。

尚、冷凍サイクル内における膨張機の位置は、被冷却物
を冷却する冷却器の後に設ける場合の他に、該冷却器の
前に設ける場合、冷却器の前と後の両方に設ける場合、
さらに冷却器の前に複数基設ける場合等、条件に応じて
種々である。また、冷凍サイクルは、前記ブライトンサ
イクルのみならず、サイクル系内にジュールトムソン（
Ｊ−Ｔ）弁を設けて断熱自由膨張による温度降下をも併
せて行うクロードサイクルも極低温発生用の冷凍機に用
いられている。

一方、極低温に保持された定常運転時における熱損失が
極小となるように設計されている極低温装置においては
、定常時の冷却能力はそれほど必要としないが、該装置
を所定の極低温まで冷却する予冷時の冷却能力は、予冷
時間の短縮の観点からできるだけ大きいものが要求され
、著しい場合には、予冷時冷却能力が定常時冷却能力の
２倍以上の冷凍機を必要としていた。そのため極低温装
置に用いる冷凍機では、該極低温装置を所定温度まで冷
却するための予冷時の冷却能力を目標として設計する必
要があった。

従って、極低温装置の定常運転時に余剰となる冷凍機の
冷凍能力を調整する必要があるが、従来は以下に示す方
法により行われていた。

（１）冷凍機に付設した内部ヒーターにより余剰寒冷分
を消費する。

（２）膨張タービン人口弁の開度を絞って寒冷発生量を
減少させる。

（３）液化窒素等の補助寒冷量を絞って寒冷発生量を減
少させる。

（４）圧縮機の吐出圧力を下げて膨張タービンの膨張比
を下げる。

（５）圧縮機の内部バイパス等による風量調整により冷
媒流量を減少させる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述の（１）〜（３）の方法では、圧縮
機の運転状態が予冷時と定常時とて同一であるため、圧
縮機動力は余剰冷凍能力分浪費されることになる。また
、上記（４）の方法では、膨張タビンの膨張比あるいは
膨張タービンの出入口の温度が予冷時と定常時とで異な
るため、膨張タービンを最適設計点で運転することがで
きず、効率が低下して圧縮機動力に無駄を生じることに
なる。

また、上記（５）の方法においても、膨張タービンの特
性により、圧縮機の吐出圧力が一定のままであれば、該
膨張タービンにおける風量が一定となるため、該風量を
減少させるためには膨張タービンの入口圧力を下げざる
を得ず、前記（４）の方法と同様に効率が低下し、動力
の浪費となる。

また、一方では、従来の極低温装置が比較的小型の実験
装置であり、定常時の運転時間も比較的短かったため、
上記のような圧縮機動力費の浪費もそれほど問題とされ
ていなかったが、人工衛星やその他の設備を宇宙環境下
で試験するための試験設備（スペースチェンバ）では、
試験体を収容する空間が大きくなるとともに、その試験
時間も長くなるため、上記定常時の動力費の浪費も大き
な問題となる。

また、ガスの液化装置等において、例えば２基の液化装
置に対して１基の冷凍機を配設した場合は、１基の液化
装置の運転停止時には冷凍機の必要冷凍能力が半分とな
るが、従来は上記同様に冷凍能力を調整していたため、
同様の動力費の無駄を生じていた。

そこで、本発明は、冷凍機の最大の冷凍能力を効率よく
得られるとともに、冷凍能力の調整も動力費の無駄を生
じることなく効率よく行うことのできる冷凍機及びその
冷凍能力の調整方法を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕 上記した目的を達成するために、本発明の冷凍機は、第
１の構成として、ブライトンサイクルまたはクロードサ
イクルを使用した冷凍機において、該サイクル内の冷媒
量を制御するとともに、該サイクル内に設けた冷媒用圧
縮機の圧縮比を一定もしくは略一定に保った状態で圧力
レベルを変更し得る圧縮機の吸入圧力、吐出圧力制御手
段を設けたことを特徴とし、第２の構成として、冷媒用
タンクを設けるとともに、冷媒用圧縮機の冷媒導入経路
及び冷媒導出経路を、それぞれ冷媒自動導入弁及び冷媒
自動導出弁を介して前記冷媒用タンクに接続し、かつ前
記冷媒導入経路と冷媒導出経路とを結ぶバイパス経路を
自動バイパス弁を介して設け、前記冷媒用圧縮機の吐出
圧力を検出し、該検出圧力により前記冷媒自動導入弁及
び冷媒自動導出弁を制御する冷媒用圧縮機吐出圧力検出
制御設定器と、該冷媒用圧縮機の吸入圧力を検出し、該
検出圧力により前記自動バイパス弁を制御する冷媒用圧
縮機吸入圧力検出制御設定器とを設け、該冷媒用圧縮機
吐出圧力検出制御設定器と冷媒用圧縮機吸入圧力検出制
御設定器とを連動させるカスケード制御器を設けたこと
を特徴としている。

また、本発明の冷凍機の冷凍能力の調整方法は、第１の
構成として、ブライトンサイクルまたはクロードサイク
ルを使用した冷凍機の冷凍能力を調整する方法において
、該サイクル内の冷媒用圧縮機の冷媒導出経路に設けた
冷媒自動導出弁と、該圧縮機の冷媒導入経路に設けた冷
媒自動導入弁とにより冷媒吐出圧力を制御するとともに
、冷媒導出経路と冷媒導入経路とを結ぶバイパス経路に
設けた自動バイパス弁により、前記冷媒用圧縮機の冷媒
吸入圧力を制御し、前配圧縮機の圧縮比を略一定に維持
しつつ圧力レベルを変更することを特徴とし、第２の構
成として、被冷却物または冷却器出口の温度を検出し、
該検出温度により冷媒用圧縮機における冷媒循環量を調
節し、該冷凍機の寒冷発生量を調節することを特徴とし
、第３の構成として、被冷却物または冷却器出口の温度
を検出し、該検出温度により冷媒用圧縮機の圧縮比を略
一定に維持しつつ圧力レベルを変更し、該冷凍機の寒冷
発生量を調節することを特徴としている。

〔作　用〕

上記のように、圧縮機の吸入圧力と吐出圧力の比を同一
もしくは路間−とすることにより、膨張機（膨張タービ
ン等）における膨張比も同一もしくは路間−にてき、膨
張機の効率低下を避けることができる。また、圧力レベ
ルを下げることにより圧縮機の動力費を低減できる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて、さらに詳
細に説明する。

第１図は本発明を適用したブライトンサイクル冷凍機の
一実施例を示している。この冷凍機１は、極低温及び高
真空を得るためのもので、圧縮比を一定もしくは略一定
に保った状態で圧力レベルを変えることのできる型式の
圧縮機２と、液体窒素タンク３からの液体窒素等の補助
寒冷及び帰還ヘリウムにより、前記昇圧後のヘリウムを
冷却する第１熱交換器４と、該ヘリウムを帰還ヘリウム
により所定温度にまで冷却する第２熱交換器５と、該第
２熱交換器５で冷却された極低温のヘリウムを導入して
被冷却物Ａの冷却と同時に、例えばスペースチェンバー
等において高真空を形成するクライオパネル等の冷却器
６と、該冷却器６を導出した後のヘリウムを断熱膨張さ
せる膨張タービン７と、該膨張タービン７の前段に配設
された内部ヒーター８とを備えた冷凍サイクルからなる
主回路９と、ヘリウムタンク１０及び該ヘリウムタンク
１０から前記圧縮機２の両日にそれぞれ接続されたヘリ
ウム導入経路１１とヘリウム導出経路１２と、この両経
路１１．１２中に設けられた冷媒自動導入弁１１ａ及び
冷媒自動導出弁１２ａと吐出圧力検出制御設定器１３と
を有する吐出圧力制御手段（冷媒量制御手段）１４と、
必要な冷却能力に応じて設定され、圧縮機２の吸入圧力
を制御する自動バイパス弁１５ａを有するバイパス経路
１５、及び吸入圧力を検出し、設定値に応じて制御する
吸入圧力検出制御設定器１６からなる吸入圧力制御手段
１７と、起動、停止時のためのタービン人口弁１８と、
そしてこれらを統一制御するカスケード制御器１９とか
ら構成されている。

この冷凍機１において、まず被冷却物Ａを常温から冷却
（予冷）する時には、吐出圧力検出制御設定器１３及び
吸入圧力検出制御設定器１６の設定値を可能な限り上げ
て膨張タービン７の最大処理運転を行う。そして被冷却
物Ａが最終冷却温度に達した後は、定常時の被冷却物Ａ
の減少熱負荷に合わせて吐出圧力検出制御設定器１３の
設定値を下げると同時に、前記予冷時の圧縮機吐出圧力
と吸入圧力との設定値比率（圧縮比）を一定に保つよう
に吸入圧力検出制御設定器１６の設定値も下げる。

一般に、膨張タービン処理量は、膨張タービン入口温度
が一定の場合には、膨張タービン入口圧力、即ち圧縮機
吐出圧力に比例するとともに、圧縮機処理風量は、吸入
圧力に比例する。従って、圧縮機２の圧縮比を一定とす
れば、吸入圧力減少時の圧縮機処理風量と吐出圧力減少
時の膨張タビン処理量とを合致させることが可能であり
、定常時の必要冷凍負荷減少時も、それに応した圧縮機
動力及び寒冷を得ることができる。

即ち、予冷時にはヘリウム導入回路１１の弁１１ａが開
となり、主回路９内にタンク１０よりヘリウムを導入し
て吐出圧力を上げ、該主回路９の圧力レベルを上げるこ
とにより、主回路９内を流れるヘリウム量を可能な限り
増量し、圧縮機２や膨張タービン７、その他の設備の最
大能力での運転を行い、該冷凍機１における冷却能力を
最大に引出して予冷時間の短縮を図る。この時、吸入圧
力検出制御設定器１６により自動バイパス弁１５ａの開
度をＪｉｌ！ｒ１シて圧縮機２における圧縮比を一定に
保つように吸入圧力を調節する。

そして定常時には、冷媒導入自動弁１１ａを閉とし、ヘ
リウム導出回路１２の冷媒導出自動弁１２ａを開いて主
回路９内を流れるヘリウムをヘリウムタンク１０に回収
し、該主回路９内のヘリウム量を減らして吐出圧力を下
げる。この時、吸入圧力検出制御設定器１６により自動
バイパス弁１５ａの開度を調節して圧縮機２における圧
縮比を一定に保つように吸入圧力を下げながら主回路９
の圧力レベルを下げることにより、圧縮機吐出圧力に依
存する膨張タービン入口圧力と、圧縮機吸入圧力に依存
する膨張タービン出口圧力との比（膨張比）を略一定に
保つことができ、該膨張タビン７の能力を最大に生かし
た運転を続けることができる。

また、圧縮比を一定もしくは略一定に保った状態で圧力
レベルを変えることのできる型式の圧縮機２として、例
えばスクリュー式、ルーツ式、可動翼式、往復動式等の
体積型圧縮機を用いることにより、予冷時と定常時のヘ
リウム流量（風量）の差を、圧縮機吸入圧力を制御する
ことにより調整できる。これにより、圧縮機本体は、予
冷時の吸入圧力が高くなるので、予冷時、定常時共に同
一サイズでよくなり、従来法のように予冷時の冷凍能力
を満足させるために大きなサイズの圧縮機を選定する必
要がなくなる。

また、内部ヒーター８は、定常時の冷凍能力の微調整用
として用いるものであり、補助寒冷量の調整弁３ａも同
様に補助調整用として設けられている。従ってこれらの
内部ヒーター８や補助寒冷剤を省略しても本発明の冷凍
機を構成することができ、本発明方法を実施することは
可能である。

また、前述の吸入圧力検出制御設定器１６．吐出圧力検
出制御設定器１３．冷却器導出後のヘリウム温度を測定
する温度計２０等をカスケード制御器１９と連結し、該
温度計２０の検出温度または被冷却物Ａの温度によって
系全体をカスケード制御することにより、予冷から定常
運転までの全自動運転が可能である。

次に実験例を説明する。

上記第１図と同様の構成の冷凍機を、窒素を２０に以下
で凝縮させてスペースチェンバ内を高真空度とするため
のクライオパネル冷却用冷凍機に用いた。予冷時と定常
時の冷凍機の状態を第１表に示す。

次に、第２図に基づいて、本発明をクロードサイクルを
使用した冷凍機３０に適用した一実施例を説明する。

上記クロードサイクルの基本構成は、極低温発生部にＪ
−Ｔ膨張弁３１が設けられていて、該膨張弁３１による
冷媒のＪ−Ｔ膨張によって膨張タービンの出口温度より
もさらに低い温度まで、即ち冷媒の液化領域の低温まで
の極低温を得るようにした点が異なるのみで、他は前記
ブライトンサイクルと路間−である。従って、本実施例
における冷凍能力の調整方法も、前記ブライトンサイク
ルを使用した冷凍機の冷凍能力の調整方法と同様であり
、装置構成も上記冷凍サイクルの基本構成の相違部分を
除き、他は同一に構成できる。

第２図において、冷媒用圧縮機２よりカスケード制御器
１９まては、前記ブライトンサイクル冷凍機の場合と同
様であるため、対応部分に同一符号を付してその詳細な
説明は省略する。膨張タービン３２に導入する冷媒ヘリ
ウムは、主回路９の途中から分岐して分岐流３３を形成
し、膨張タービン３２て膨張して発生した寒冷は、ター
ビン熱交換器３４で主流れ３５を冷却して帰還流となる
。

冷媒ヘリウムの主流れ３５は、さらにＪ−Ｔ熱交換器３
６てＪ−Ｔ膨張後冷却器６から帰還する帰還冷媒ヘリウ
ムと熱交換して降温した後、Ｊ−Ｔ膨張弁３１で膨張降
温して冷却器６に入り、被冷却物を冷却し、前記Ｊ−Ｔ
熱交換器３６．タービン熱交換器３４．第２熱交換器５
．第１熱交換器４を経て圧縮機２へ帰還する。また、図
中、３７は冷却器の温度を検出する温度計、３８．３９
は起動時の予冷用バイパス回路、３８ａ、３９ａは予冷
用バイパス弁、４０は流量調節弁である。

また、第３図は、前記冷却器がクライオパネルや熱交換
器ではなく、槽または容器４０内の被冷却物４１が冷媒
液中に浸漬状態にある場合を示している。この場合は、
例えば超電導マグネットの冷却等の場合であって、容器
４０内は略大気圧付近であり、主回路９内の冷媒は経路
９ａから導入され、経路９ｂから帰還する。また４２は
被冷却物４１の温度を検出する温度計である。

このような構成のクロードサイクル冷凍機においても、
前記第１図に示したブライトンサイクル冷凍機と同様に
して冷凍能力を調整することができ、同様の効果を得る
ことができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、冷凍サイクル内
に膨張機を備えた冷凍機における圧縮機の圧縮比を、一
定乃至略一定に保ちながらサイクル内の圧力レベルを制
御して冷凍サイクル内の冷媒量を調整し、これによって
冷凍機冷凍能力の調整を行うようにしたので、冷凍能力
を変化させても膨張機の膨張比を略一定に維持すること
ができ、膨張機を最も好ましい状態で運転できる。これ
により効率よく寒冷を発生させることができ、寒冷損失
の低減を図れるとともに、必要寒冷減少時は、圧縮機の
圧力レベルを下げることにより圧縮機の動力費の低減も
図れる。

また、上記機能を備えた冷凍機において、各部の弁に自
動弁、圧力検出制御設定器を用いて上記操作を自動制御
とし、ざらにカスケード制御器を用いて冷却器出口温度
または被冷却物温度を検出し、これによってカスケード
制御を行い、全自動運転とすることができる。

また、圧縮機本体も、予冷時吸入圧力を高くすることて
、従来法に用いるものより大きなサイズのものを選定す
る必要がない。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明を適用したブライトンサイクル冷凍機の
一実施例を示す系統図、第２図は本発明を適用したクロ
ードサイクル冷凍機の一実施例を示す系統図、第３図は
被冷却物の他の実施例を示す説明図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ブライトンサイクルまたはクロードサイクルを使用
   した冷凍機において、該サイクル内の冷媒量を制御する
   とともに、該サイクル内に設けた冷媒用圧縮機の圧縮比
   を一定もしくは略一定に保った状態で圧力レベルを変更
   し得る圧縮機の吸入圧力、吐出圧力制御手段を設けたこ
   とを特徴とする冷凍機。 ２、ブライトンサイクルまたはクロードサイクルを使用
   した冷凍機において、冷媒用タンクを設けるとともに、
   冷媒用圧縮機の冷媒導入経路及び冷媒導出経路を、それ
   ぞれ冷媒自動導入弁及び冷媒自動導出弁を介して前記冷
   媒用タンクに接続し、かつ前記冷媒導入経路と冷媒導出
   経路とを結ぶバイパス経路を自動バイパス弁を介して設
   け、前記冷媒用圧縮機の吐出圧力を検出し、該検出圧力
   により前記冷媒自動導入弁及び冷媒自動導出弁を制御す
   る冷媒用圧縮機吐出圧力検出制御設定器と、該冷媒用圧
   縮機の吸入圧力を検出し、該検出圧力により前記自動バ
   イパス弁を制御する冷媒用圧縮機吸入圧力検出制御設定
   器とを設け、該冷媒用圧縮機吐出圧力検出制御設定器と
   冷媒用圧縮機吸入圧力検出制御設定器とを連動させるカ
   スケード制御器を設けたことを特徴とする冷凍機。 ３、前記冷媒用圧縮機が体積型圧縮機であることを特徴
   とする請求項１または２記載の冷凍機。 ４、ブライトンサイクルまたはクロードサイクルを使用
   した冷凍機の冷凍能力を調整する方法において、該サイ
   クル内の冷媒用圧縮機の冷媒導出経路に設けた冷媒自動
   導出弁と、該圧縮機の冷媒導入経路に設けた冷媒自動導
   入弁とにより冷媒吐出圧力を制御するとともに、冷媒導
   出経路と冷媒導入経路とを結ぶバイパス経路に設けた自
   動バイパス弁により、前記冷媒用圧縮機の冷媒吸入圧力
   を制御し、前記圧縮機の圧縮比を略一定に維持しつつ圧
   力レベルを変更することを特徴とする冷凍機の冷凍能力
   の調整方法。 ５、前記冷媒自動導出弁及び冷媒自動導入弁の調節を、
   冷媒圧縮機吐出圧力を検出して、この検出圧力により行
   い、かつ自動バイパス弁の制御を、冷媒用圧縮機の吸入
   圧力を検出して、この検出圧力により行うことにより、
   前記冷媒用圧縮機における冷媒循環量を制御して、該圧
   縮機の圧縮比を略一定に維持しつつ圧力レベルを変更す
   ることを特徴とする請求項４記載の冷凍機の冷凍能力の
   調整方法。 ６、ブライトンサイクルまたはクロードサイクルを使用
   した冷凍機の冷凍能力を調整する方法において、被冷却
   物または冷却器出口の温度を検出し、該検出温度により
   冷媒用圧縮機における冷媒循環量を調節し、該冷凍機の
   寒冷発生量を調節することを特徴とする冷凍機の冷凍能
   力の調整方法。 ７、ブライトンサイクルまたはクロードサイクルを使用
   した冷凍機の冷凍能力を調整する方法において、被冷却
   物または冷却器出口の温度を検出し、該検出温度により
   冷媒用圧縮機の圧縮比を略一定に維持しつつ圧力レベル
   を変更し、該冷凍機の寒冷発生量を調節することを特徴
   とする冷凍機の冷凍能力の調整方法。 ８、前記冷媒用圧縮機が体積型圧縮機であることを特徴
   とする請求項４乃至７いずれかに記載の冷凍機の冷凍能
   力の調整方法。