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発明の名称 極低温冷凍装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平7−4761
公開日 平成7年(1995)1月10日
出願番号 特願平5−146296
出願日 平成5年(1993)6月17日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】西野 卓嗣
発明者 村山 茂 / 西場 徳二
要約 目的
気温が大幅に低下した時にも、圧縮機の圧縮部においてオイル不足を来さないようにする。

構成
温度センサ52が計測する冷却用空気の温度が所定温度(例えば0℃)以下になると、ファンモータ16Mに供給する電力の周波数を減らして、冷却ファン16の回転数が減少するように設けてあるので、気温が大きく下がった時には、オイル熱交換器12Aにおける冷却作用が自動的に低下し、側路管36を流れるオイルの温度は所定温度を下回ることがない。このため、寒冷地の冬期などに気温が大きく下がることがあっても、オイルの粘性が増加して流量不足になることがないので、圧縮機11には常に十分な量のオイルが供給され、年間を通して正常な状態で運転されることから、極低温冷却器23では常に正常な状態の冷却作用がなされる。
特許請求の範囲
【請求項1】 オイルを介在させて冷媒体を加圧する圧縮部を備え、この圧縮部で加圧した冷媒体を極低温冷却部に供給して所要の極低温冷却を行う極低温冷凍装置であって、前記圧縮部に、オイルを空冷するための冷却ファンと熱交換器、および冷媒体を空冷するための冷却ファンと熱交換器を設け、前記オイル用冷却ファンの回転数を、このファンが送風する空気の温度に基づいて制御する制御機構を設けたことを特徴とする極低温冷凍装置。
【請求項2】 オイルを介在させて冷媒体を加圧する圧縮部を備え、この圧縮部で加圧した冷媒体を極低温冷却部に供給して所要の極低温冷却を行う極低温冷凍装置であって、前記圧縮部に、オイルを空冷するための冷却ファンと熱交換器、および冷媒体を空冷するための冷却ファンと熱交換器を設け、前記オイル用の熱交換器出口部におけるオイル温度を検出し、この温度が所定温度以下になった時、前記オイル用冷却ファンの回転数を下げる制御機構を設けたことを特徴とする極低温冷凍装置。
【請求項3】 オイルを介在させて冷媒体を加圧する圧縮部を備え、この圧縮部で加圧した冷媒体を極低温冷却部に供給して所要の極低温冷却を行う極低温冷凍装置であって、前記圧縮部に、オイルを空冷するための冷却ファンと熱交換器、および冷媒体を空冷するための冷却ファンと熱交換器を設け、前記オイル用冷却ファンの回転数を、このファンが送風する空気の温度または前記オイル用の熱交換器出口部におけるオイル温度に基づいて、所定温度範囲内で段階的または連続的に変化させる制御機構を設けたことを特徴とする極低温冷凍装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、加圧ガス体を冷却媒体として膨張冷却を行う極低温冷凍装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】この種の装置は、図4に例示した極低温冷凍装置500のように、圧縮部100で加圧した冷媒体、例えばヘリウムを極低温冷却部200に送って所要の冷却を行った後、圧縮部100に戻し、再び加圧して極低温冷却部200に送ると云う循環を行うと共に、圧縮部100における種々の動作を円滑安定に行うための調整部300を設けた構成になっている。
【0003】具体的に説明すると、圧縮機11により所定のガス体、例えばヘリウムガスを冷媒体として用いて加圧し、第2熱交換器12Bで圧縮による温度上昇分を冷却した後、オイルセパレータ13に与えて加圧の際に用いたオイル分を分流し、オイル分は後記する経路を介して圧縮機11に戻し、冷却後の冷媒体をアドソーバ14に与える。アドソーバ14は、内部に活性炭などの吸収剤を収納したものであり、オイルセパレータ13で分流しきれなかった細かいオイル分を吸収分離して、冷媒体のみを往路管21に送出する。
【0004】冷媒体は、供給弁22を介してクライオポンプなどからなる極低温冷却機23で所要の冷却作用を果した後、排出弁24・復路管25を経由してアキュムレータ15に流入し、ここに一時的に貯溜されて、再び圧縮機11で加圧されると云う循環経路を辿る。
【0005】圧縮機11内での圧縮時に、オイルと冷媒体の混合流体に生ずる発熱分を、第1熱交換器12Cにおいて冷却する。
【0006】調整部300は、オイルセパレータ13のオイル出口側と復路管25との間を側路する側路管31の途中に設けた差圧弁32と均圧弁33とによって所要の圧力調節を行うことにより、極低温冷却機23または圧縮機11に対する不要な高圧などを側路して極低温冷却機23と圧縮機11との異常運転を防止する調整動作と、オイルセパレータ13で分離したオイル分を圧縮機11に戻す側路管34に、キャピラリーチューブなどからなる減圧器35を設けて減圧する調整動作と、圧縮機11内のオイルをオイル熱交換器12Aで冷却して再び圧縮機11に戻すための側路管36に、キャピラリーチューブなどからなる減圧器37を設けて減圧する調整動作と、を行うものである。
【0007】なお、第1熱交換器12Cは前記したように冷媒体とオイルとの混合流体を冷却するための熱交換器であり、冷媒体の圧縮熱の大半を冷却する。また、第2熱交換器12Bは主として冷媒体を冷却するための熱交換器であり、圧縮機11の動作部分、例えばモータ部の発熱と、圧縮熱の熱伝導部分とを冷却する。また、オイル熱交換器12Aは主にオイルを冷却するための熱交換器であり、圧縮機11内のオイルを冷却し、冷媒体の圧縮過程における発熱を抑えるものである。
【0008】そして、これら第1熱交換器12C・第2熱交換器12B・オイル熱交換器12Aに、冷却ファン16を用いて相対的に冷たい空気(外気)を冷却用空気として送風し、熱交換効率の改善を図っている。
【0009】しかし、上記構成の極低温冷凍装置500は、しばしば空気の清浄な高地に建てられた例えば天文台の観測機器に設けられることがあり、そのような高緯度の寒冷地に設置する場合には、冬期に氷点下になることも珍しいことではない。
【0010】したがって、特開平3−217763号公報などに開示されている、オイル熱交換器12Aを水冷する方式の極低温冷凍装置が、冷却水の凝固により使用できないのはもちろん、図4に示したオイル熱交換器12Aを空冷する極低温冷凍装置500であっても、気温が低くなると、冷却ファン16で冷却したオイルの温度が低下し過ぎて粘性が増し、これによりオイル循環に支障を来し、正常な運転が出来なくなると云った問題点があった。
【0011】このため、例えば図5に例示したように、圧縮機11の外表面に加熱手段としての電熱ヒータ41を設置すると共に、温度センサ51を設けて圧縮機11の温度を計測し、コントローラ61によって電熱ヒータ41への通電を制御し、圧縮機11の温度が所定温度(例えば、0℃)以下に低下しないように工夫した、極低温冷凍装置500Bがある。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記構成の極低温冷凍装置500Bにおいては、電熱ヒータ41が折角暖めた圧縮機11のオイルは、冷却ファン16が送風して冷却するオイル熱交換器12Aにおいて冷却されるので、オイル熱交換器12A出口部の温度は外気の温度によって大きく左右される。このため、例えば寒冷地における冬期などで気温が低くなり過ぎると、オイル熱交換器12A・側路管36においてオイルの温度が下がり過ぎ、粘性が増して循環量不足を来し、圧縮機11の安定した運転を継続することができなくなることがあった。
【0013】また、気温がそれほど低下していない時にも、メンテナンスを行う時などでは長時間に渡って運転を停止させることになり、これにより圧縮機11・オイル熱交換器12A・側路管36などの温度が下がってしまうため、再起動するためのウォーミングアップに長時間を要するようになり、再起動した後もオイル熱交換器12A・側路管36が十分暖められるまではオイル温度が低く、十分な量のオイル循環が確保されないことから、圧縮機11が苛酷な条件下で運転され、装置寿命を縮めると云った問題点もあり、この点の解決が課題となっていた。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記従来技術の課題を解決するため、オイルを介在させて冷媒体を加圧する圧縮部を備え、この圧縮部で加圧した冷媒体を極低温冷却部に供給して所要の極低温冷却を行う極低温冷凍装置において、前記圧縮部に、オイルを空冷するための冷却ファンと熱交換器、および冷媒体を空冷するための冷却ファンと熱交換器を設け、前記オイル用冷却ファンの回転数を、このファンが送風する空気の温度に基づいて制御する制御機構を設けたものであり、【0015】前記圧縮部に、オイルを空冷するための冷却ファンと熱交換器、および冷媒体を空冷するための冷却ファンと熱交換器を設け、前記オイル用の熱交換器出口部におけるオイル温度を検出し、この温度が所定温度以下になった時、前記オイル用冷却ファンの回転数を下げる制御機構を設けたものであり、【0016】前記圧縮部に、オイルを空冷するための冷却ファンと熱交換器、および冷媒体を空冷するための冷却ファンと熱交換器を設け、前記オイル用冷却ファンの回転数を、このファンが送風する空気の温度または前記オイル用の熱交換器出口部におけるオイル温度に基づいて、所定温度範囲内で段階的または連続的に変化させる制御機構を設けたものである。
【0017】
【作用】オイル用冷却ファンが送風する冷却用空気(外気)が所定の温度以下に下がった時、あるいはオイル用熱交換器を流れるオイルの出口温度が所定温度にまで低下した時には、前記冷却ファンの回転数を減らして空冷式オイル熱交換器に送る冷却用空気の量を減少させ、空冷式オイル熱交換器におけるオイルの冷却作用を減じる。このため、オイル熱交換器でオイルが過度に冷却されることが回避でき、温度低下に起因するオイルの粘性増加がないから、寒冷地における冬期などで気温が大きく低下することがあっても、オイルの循環量が大きく減少して装置の正常な運転ができなくなると云った懸念がない。
【0018】
【実施例】以下、本発明になる極低温冷凍装置500Aを、図1〜図3に基づいてさらに詳細に説明する。なお、これらの図において、図4・図5における符号と同一の符号で示した部分は、図4・図5により説明した部分と同一の機能を持つ部分であり、本発明の理解を損なわない範囲で説明を省略した。
【0019】図1において、符号52は、冷却ファン16Aが空冷式のオイル熱交換器12Aに吹き付けている冷却用空気(外気)の温度を計測するための温度センサ、符号62は、冷却ファン16Aの回転数を制御するためのコントローラである。
【0020】前記コントローラ62は、ファンモータ16Mに供給する電力の周波数を変換制御するインバータ62Aを備えており、温度センサ52が計測した温度データに基づいてインバータ62Aがファンモータ16Mに供給する電力の周波数を制御し、冷却用ファン16Aの回転数を制御するようになっている。
【0021】具体的には、前記コントローラ62は、図示しないメモリー部に、例えば図2に実線で示したような気温−周波数の変換プログラムを記憶内蔵しており、このため温度センサ52が計測する気温が0℃以上であれば、ファンモータ16Mには定格の周波数、例えば50Hzの電力が供給されて、冷却ファン16Aは最大の回転数で回転し、前記温度が−10℃未満であればファンモータ16Mに供給される周波数は0Hzになるので冷却ファン16Aの回転は停止し、前記温度が0℃〜−10℃の間では、2.5Hz/℃の割合で周波数が減少するので、気温が下がるにつれて冷却ファン16Aの回転数が自動的に減少し、オイル熱交換器12Aにおける冷却作用が低下する。
【0022】一方、第2熱交換器12Bに冷却用の空気を送風するための冷却ファン16Bは、圧縮機11が起動している間は休むことなく運転され、圧縮機11で圧縮されて極低温冷却機23に供給されている加圧冷媒体を冷却する機能を果たす。
【0023】したがって、上記構成の極低温冷凍装置500Aにおいては、温度センサ52が計測している気温が大きく下がることがあっても、電熱ヒータ41によって加熱されたオイルは、オイル熱交換器12Aを通過した後も必要以上に温度が低下する懸念がないから、寒冷地の冬期などでも温度低下に起因するオイルの粘性増加がなく、圧縮機11には常に十分な量のオイルが流入して、圧縮機11は四季を問わず常に正常な状態で運転される。
【0024】なお、温度センサ52が計測する気温が0℃〜−10℃の間にある時に、例えば図2の破線で示したように定格周波数の1/2、すなわち30Hzの電力がファンモータ16Mに供給されるように設けることも可能である。また、例えば図2の一点鎖線で示したように、温度センサ52の計測する気温が0℃〜−8℃にある時に、2℃毎に周波数を5Hz変化させるようにして、段階的に周波数を変化させることも可能である。
【0025】また、温度センサ52に代えて温度センサ53を、側路管36のオイル熱交換器12A出口側の管内に挿入設置し、管内を流れているオイルの温度を直接計測したり、管外に貼り付け設置して管壁を介して管内を流れているオイルの温度を計測したり、あるいは管壁内に埋め込み設置し、管内を流れているオイル温度を計測するなどして、オイル熱交換器12Aで熱交換したオイルの温度に基づき、例えば前記図2の横軸をオイルの温度に置き換えるなどして、冷却ファン16Aの回転数を制御することもできる。
【0026】なお、本発明は上記実施例に限定されるものではないので、特許請求の範囲に記載の趣旨から逸脱しない範囲で各種の変形実施が可能である。例えば、冷却ファン16Aの回転数を低下させる手段、低下させ始める時の温度などは適宜変更可能である。
【0027】また、図3に示したように、オイル熱交換器12Aと第2熱交換器12Bとを外観上1基の熱交換器のように併設することも可能である。
【0028】
【発明の効果】以上説明したように本発明の極低温冷凍装置は、オイルを介在させて冷媒体を加圧する圧縮部を備え、この圧縮部で加圧した冷媒体を極低温冷却部に供給して所要の極低温冷却を行う極低温冷凍装置において、前記圧縮部に、オイルを空冷するための冷却ファンと熱交換器、および冷媒体を空冷するための冷却ファンと熱交換器を設け、前記オイル用冷却ファンの回転数を、このファンが送風する空気の温度に基づいて制御する制御機構を設けたものであり、【0029】前記圧縮部に、オイルを空冷するための冷却ファンと熱交換器、および冷媒体を空冷するための冷却ファンと熱交換器を設け、前記オイル用の熱交換器出口部におけるオイル温度を検出し、この温度が所定温度以下になった時、前記オイル用冷却ファンの回転数を下げる制御機構を設けたものであり、【0030】前記圧縮部に、オイルを空冷するための冷却ファンと熱交換器、および冷媒体を空冷するための冷却ファンと熱交換器を設け、前記オイル用冷却ファンの回転数を、このファンが送風する空気の温度または前記オイル用の熱交換器出口部におけるオイル温度に基づいて、所定温度範囲内で段階的または連続的に変化させる制御機構を設けたものであるから、【0031】オイル用冷却ファンが送風する冷却用空気(外気)が所定温度以下に下がった時、あるいはオイル用の熱交換器を流れるオイルの温度が所定温度にまで低下した時には、前記ファンの回転数を減らしてオイル用熱交換器に送る空気の量を減少させ、オイル用熱交換器の過度の温度低下を防ぐことができる。このため、冬期などに気温が大きく低下することがあっても、オイル用熱交換器を通過したオイルの温度を所定温度以上に維持し、必要なオイル循環量を確保することが可能である。
【0032】これにより、気温が冬期などに大きく低下することがあっても、圧縮機を正常な状態で運転することができるので、極低温冷凍装置を例えば寒冷地に設置する天文台の電波望遠鏡の観測機器などを冷却する装置として使用する時にも、全く問題なく冷凍作用を発揮することが可能になるなど、顕著な効果を奏するものである。




 

 


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