極低温冷凍装置及びその運転方法
【課題】冷媒ガスの使用量を低減しつつ、閉ループ内の冷媒ガスの圧力の調整が可能な極低温冷凍装置及びその運転方法を提供する。
【解決手段】冷媒ガスを圧縮、循環させる主圧縮機２と、圧縮した冷媒ガスを戻りの冷媒ガスとの熱交換により冷却する主熱交換器３と、冷却した冷媒ガスを断熱膨張させる膨張タービン４と、膨張タービン４を出た極低温の冷媒ガスと冷却液とを熱交換させる副熱交換器５と、が設けられ、副熱交換器５で熱交換した後の冷媒ガスを、主熱交換器３を介して主圧縮機２に循環させる循環経路からなる閉ループＬ１を備えた極低温冷凍装置であって、主圧縮機２の入口側２ａで閉ループＬ１と連通するバッファータンク６と、主圧縮機２の入口側２ａの閉ループＬ１内の圧力とバッファータンク６内の圧力とを比較して、圧力の低い側から高い側へ冷媒ガスを圧送する副圧縮機７と、を備えることを特徴とする極低温冷凍装置１である。
【解決手段】冷媒ガスを圧縮、循環させる主圧縮機２と、圧縮した冷媒ガスを戻りの冷媒ガスとの熱交換により冷却する主熱交換器３と、冷却した冷媒ガスを断熱膨張させる膨張タービン４と、膨張タービン４を出た極低温の冷媒ガスと冷却液とを熱交換させる副熱交換器５と、が設けられ、副熱交換器５で熱交換した後の冷媒ガスを、主熱交換器３を介して主圧縮機２に循環させる循環経路からなる閉ループＬ１を備えた極低温冷凍装置であって、主圧縮機２の入口側２ａで閉ループＬ１と連通するバッファータンク６と、主圧縮機２の入口側２ａの閉ループＬ１内の圧力とバッファータンク６内の圧力とを比較して、圧力の低い側から高い側へ冷媒ガスを圧送する副圧縮機７と、を備えることを特徴とする極低温冷凍装置１である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒ガスを極低温まで冷却する極低温冷凍装置及びその運転方法に関し、詳しくは、冷媒ガスの補充と回収を効率よく行なう系統を備えた極低温冷凍装置及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温超電導機器（例えば、超電導送電ケーブル、超電導変圧器、超電導モーター、超電導限流器、超電導電力貯蔵器等）を冷却するためには、極低温冷凍装置（例えば、ＧＭ冷凍機、パルス冷凍機、スターリング冷凍機、ブレイトンサイクル冷凍機等）が用いられる。そして、高温超電導機器を冷却する場合、超電導線材の種類や用途によって冷却する温度は異なるが、その冷却温度は、大気圧の液体窒素温度（７７Ｋ）よりも低い温度（例えば、７０Ｋ、６５Ｋ、４０Ｋ）が用いられる。このような極低温の冷却には、冷媒ガスとしてヘリウム、ネオン、水素及びこれらの混合ガス等が用いられる。
【０００３】
ところで、極低温冷凍装置としては、特許文献１及び特許文献２が知られている。具体的には、特許文献１に記載された極低温冷凍装置は、図３に示すように圧縮機１０２と第１中間熱交換器１０３、膨張タービン１０４、極低温熱交換器１０５を備えたブレイトンサイクル冷凍機である。また、極低温冷凍装置１０１は、高圧部と低圧部を連通するバイパスラインＬ１０６と、該バイパスラインＬ１０６の中間に位置し、高圧側と低圧側にそれぞれ圧力調整弁１０６ａ，１０６ｂを有する貯気タンク１０６と、該各圧力調整弁１０６ａ，１０６ｂを制御する圧力制御装置１２６とをさらに備えている。そして、該圧力制御装置１２６は、貯気タンク１０６の圧力が、常温かつ停止時に閉ループＬ１０１と同一とするため弁開度が開放となり、極低温を発生する運転時に高圧部の圧力が所定の圧力となるように前記各圧力調整弁１０６ａ，１０６ｂを制御することを特徴としている。
【０００４】
また、特許文献２に記載された従来技術である冷凍装置では、循環圧縮機の吐出側及び吸入側にそれぞれ循環量調整弁を有する経路を介して接続するバッファータンクと、循環圧縮機の吐出圧力を測定して前記循環量調整弁を開閉する圧力調整器とが設けられている。そして、上記循環圧縮機の吸入圧力を一定に保つための経路として、バイパス弁を介して循環圧縮機の吐出側及び吸入側を接続する経路と、循環圧縮機の吸入圧力を測定して前記バイパス弁の開度を調節する圧力調整器とが設けられていることを特徴としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１２１７８６号公報
【特許文献２】特開平５−２２３３７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような構成の極低温冷凍装置においては、装置の運転により冷凍装置内が極低温になると、冷媒ガスの比容積が小さくなり、冷凍装置内の圧力を所定の圧力に保持することができなくなる。このため、バッファータンク（または貯気タンク）から冷媒ガスを冷凍装置内に補充する必要がある。また、極低温冷凍装置が常温かつ停止状態にある際の、閉ループに充填された冷媒ガスの圧力は、一般に大気圧力よりも高く設定されている。これは、冷媒ガスの圧力を高めることで比容積を小さくし、冷媒ガスの循環流量を増やして冷凍機の冷凍能力を増大するとともに、装置全体の小型化を図るためである。例えば、特許文献１に記載された極低温冷凍装置では、低圧側の圧力が０．５〜０．６ＭＰａであり、高圧側の圧力が１．０〜１．２ＭＰａとなっている。
【０００７】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２に示された極低温冷凍装置では、バッファータンク（あるいは貯気タンク）内に貯蔵された冷媒ガスを閉ループの低圧側に供給する際、バッファータンク内の圧力が閉ループの低圧側よりも高い圧力の場合は問題ないが、バッファータンク内の圧力が閉ループの低圧側と同じ圧力になると、それ以上、冷媒ガスを補充することができなくなるという問題があった。すなわち、前述した構成の極低温冷凍装置では、冷媒ガスとして使用している高価で希少なへリウムやネオンを大気圧力まで利用できないまま、バッファータンク内に無駄に貯蔵することになるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、冷媒ガスの使用量を低減しつつ、閉ループ内の冷媒ガスの圧力の調整が可能な極低温冷凍装置及びその運転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】
【０００９】
かかる課題を解決するため、
請求項１に記載の発明は、冷媒ガスを圧縮、循環させる主圧縮機と、
圧縮した冷媒ガスを戻りの冷媒ガスとの熱交換により冷却する主熱交換器と、
冷却した冷媒ガスを断熱膨張させる膨張タービンと、
前記膨張タービンを出た極低温の冷媒ガスと冷却液とを熱交換させる副熱交換器と、が設けられ、
前記副熱交換器で熱交換した後の冷媒ガスを、前記主熱交換器を介して前記主圧縮機に循環させる循環経路からなる閉ループを備えた極低温冷凍装置であって、
前記主圧縮機の入口側で前記閉ループと弁を介して連通するバッファータンクと、
前記主圧縮機の入口側の前記閉ループ内の圧力と前記バッファータンク内の圧力とを比較して、圧力の低い側から高い側へ冷媒ガスを圧送する副圧縮機と、を備えることを特徴とする極低温冷凍装置である。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、前記バッファータンクから前記閉ループの前記主圧縮機の入口側に前記副圧縮機を介して接続する補充経路と、
前記閉ループの前記主圧縮機の入口側から前記バッファータンクに前記副圧縮機を介して接続する回収経路と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍装置である。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、前記閉ループの前記主圧縮機の入口側と前記バッファータンクとを前記副圧縮機を介さずに接続する補充・回収経路を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の極低温冷凍装置である。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、前記閉ループ内で、前記主圧縮機の入口側と出口側とを連通するバイパス経路を備え、
前記バイパス経路が当該バイパス経路の中間部にバイパス弁を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置である。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、前記副圧縮機の入口側に、減圧弁が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の極低温冷凍装置である。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、前記副圧縮機は、前記主圧縮機より処理量が小さいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置である。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、前記主圧縮機が、インバーターによって駆動されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置である。
【００１６】
請求項８に記載の発明は、前記主圧縮機の出口側に設けられたアフタークーラーと、
前記アフタークーラーの出口側又は前記主圧縮機と前記アフタークーラーとの間に設けられた逆止弁と、を備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置である。
【００１７】
請求項９に記載の発明は、被冷却体と前記冷却液とを収納する断熱容器と、
前記冷却液を前記副熱交換器に循環させる循環ポンプと、をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置である。
【００１８】
請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法であって、
前記閉ループ内の冷媒ガスの、前記主圧縮機の入口側の圧力が所定の圧力以下であり、前記バッファータンク内の冷媒ガスの圧力が前記主圧縮機の入口側の前記閉ループ内の圧力よりも低い場合に、前記バッファータンクから前記副圧縮機に冷媒ガスを導入し、当該副圧縮機によって圧送された冷媒ガスを前記閉ループ内に補充し、
前記閉ループ内の冷媒ガスの、前記主圧縮機の入口側及び出口側の少なくともいずれか一方の圧力が所定の圧力以上であり、前記バッファータンク内の冷媒ガスの圧力が前記主圧縮機の入口側の前記閉ループ内の圧力よりも高い場合に、前記閉ループから前記副圧縮機に冷媒ガスを導入し、当該副圧縮機によって圧送された冷媒ガスを前記バッファータンク内に回収することを特徴とする極低温冷凍装置の運転方法である。
【００１９】
請求項１１に記載の発明は、前記閉ループ内の冷媒ガスを副圧縮機により圧送してバッファータンク内に回収することにより、閉ループ内の冷媒ガスの圧力を大気圧にすることを特徴とする請求項１０に記載の極低温冷凍装置の運転方法である。
【００２０】
請求項１２に記載の発明は、請求項４乃至９のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法であって、
主圧縮機の運転停止時にバイパス弁を開放することを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の極低温冷凍装置の運転方法である。
【００２１】
請求項１３に記載の発明は、請求項５乃至９のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法であって、
前記副圧縮機に冷媒ガスを導入する前に、冷媒ガスの圧力をほぼ大気圧まで減圧することを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法である。
【００２２】
請求項１４に記載の発明は、請求項７乃至９のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法であって、
前記閉ループ内の冷媒ガスの、前記主圧縮機の出口側の圧力が所定の圧力よりも高くなった場合に、前記インバーターの出力周波数を変更して前記主圧縮機の運転回転数を降下させることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の極低温冷凍装置及びその運転方法によれば、主圧縮機の入口側で閉ループと弁を介して連通するバッファータンクと、主圧縮機の入口側の閉ループ内の圧力とバッファータンク内の圧力とを比較して、圧力の低い側から高い側へ冷媒ガスを圧送する副圧縮機と、を備えている。これにより、閉ループ内の主圧縮機の入口側の圧力が所定の圧力以下であって、バッファータンク内の冷媒ガスの圧力が閉ループ内の主圧縮機の入口側の圧力よりも高い場合は、バッファータンクから閉ループ内に直接冷媒ガスを補充し、バッファータンク内の冷媒ガスの圧力が閉ループ内の主圧縮機の入口側の圧力よりも低い場合は、バッファータンク内の冷媒ガスを副圧縮機により圧送して閉ループ内に補充することができる。また、閉ループ内の主圧縮機の入口側及び出口側の少なくともいずれか一方の圧力が所定の圧力以上であって、バッファータンク内の冷媒ガスの圧力が閉ループ内の主圧縮機の入口側の圧力よりも高い場合は、閉ループ内の冷媒ガスを副圧縮機により圧送してバッファータンク内に回収することができる。このように、バッファータンク内に貯蔵された冷媒ガスを副圧縮機により昇圧して閉ループ内に送り出すことができるため、バッファータンク内の圧力が大気圧となるまで冷媒ガスを有効利用して閉ループ内に補充することができる。このため、高価で希少な冷媒ガスを利用できないまま、バッファータンク内に無駄に貯蔵されることがない。したがって、冷媒ガスの使用量を低減しつつ、閉ループ内の冷媒ガスの圧力の調整をすることができる。また、バッファータンクの容積を減らして設置スペースの縮小を図ることができる。
【００２４】
また、本発明の極低温冷凍装置の運転方法によれば、閉ループ内の冷媒ガスを副圧縮機によりバッファータンク内へ圧送することにより、閉ループ内の冷媒ガスの圧力が大気圧となるまで冷媒ガスをバッファータンク内に回収することができる。これにより、メンテナンス時や装置の故障時に構成機器を開放点検する際、大気中に放出される冷媒ガスの損失量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の極低温冷凍装置の一形態例を示す系統図である。
【図２】図１の構成機器の容積と圧力、温度から冷媒ガスの充填量を説明するための系統図である。
【図３】従来の極低温冷凍装置の一例を示す系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を適用した一実施形態である極低温冷凍装置について、運転方法とともに図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００２７】
図１は、本発明を適用した一実施形態である極低温冷凍装置示す図である。図１に示すように、本実施形態の極低温冷凍装置１は、主圧縮機２、主熱交換器３、膨張タービン４、副熱交換器５が設けられた循環経路からなる閉ループＬ１と、閉ループＬ１と連通するバッファータンク６と、閉ループＬ１と上記バッファータンク６との間で冷媒ガスを圧送する副圧縮機７と、を備えて概略構成されている。より具体的には、極低温冷凍装置１は、被冷却体８ａと冷媒液８ｂとを収納する断熱容器８と、上記冷媒液８ｂを副熱交換器５に循環させる循環ポンプ９と、を備えている。
【００２８】
また、本実施形態の極低温冷凍装置１は、図１に示すように、主圧縮機２で冷媒ガスを圧縮し、主熱交換器３において高圧側の冷媒ガスを低圧側の戻りの冷媒ガスと熱交換することによって冷却し、冷却した冷媒ガスを膨張タービン４で断熱膨張させることにより極低温を発生させ、副熱交換器５において極低温の冷媒ガスによって循環ポンプ９から送液された液体窒素等の冷媒液（冷却液）８ｂを冷却し、この冷媒液８ｂで被冷却体８ａを冷却するものである。
本実施形態の冷媒ガスとしては、窒素よりも沸点が低いヘリウム、ネオン又は水素及びそれらの混合ガス、あるいは僅かに窒素やアルゴン等の不活性ガスを混合させた混合ガスを用いる。
【００２９】
閉ループＬ１は、冷媒ガスを圧縮、循環させる主圧縮機２と、圧縮した冷媒ガスを戻りの冷媒ガスとの熱交換により冷却する主熱交換器３と、冷却した冷媒ガスを断熱膨張させる膨張タービン４と、上記膨張タービン４を出た極低温の冷媒ガスと冷却液とを熱交換させる副熱交換器５と、が設けられており、上記副熱交換器５で熱交換した後の冷媒ガスを、主熱交換器３を介して主圧縮機２に循環させる循環経路である。
【００３０】
主圧縮機２は、冷媒ガスを圧縮、循環させるために閉ループＬ１に設けられたターボ圧縮機である。本実施形態では、図１に示すように、主圧縮機２として１段式のターボ圧縮機を例示しているがこれに限定されるものではなく、１段式のターボ圧縮機に替えてインタークーラーを備えた２段式のターボ圧縮機としても良い。
【００３１】
閉ループＬ１内における主圧縮機２の入口側２ａの圧力は、例えば０．５〜１ＭＰａとすることが好ましい。また、閉ループＬ１内における主圧縮機２の出口側２ｂの圧力は１〜２ＭＰａとすることが好ましい。そして、冷却温度域と冷凍装置のエネルギー効率との点から、主圧縮機２の圧縮比は、１．６〜３程度とすることが好ましい。
【００３２】
また、主圧縮機２は、インバーターによって駆動されるものを用いてもよい。主圧縮機２がインバーター制御される場合には、主圧縮機２の出口側２ｂの圧力が規定値よりも高くなった際に、インバーターの出力周波数を変更して主圧縮機２の運転回転数を降下させることができるため、主圧縮機２の出口側２ｂの圧力を規定値以下に保持することが可能となる。これにより、閉ループＬ１内の最高圧力を、極低温冷凍装置１を構成する圧力容器の耐圧強度以下に保持することができる。
【００３３】
また、主圧縮機２の出口側（二次側）２ｂには、図１に示すように、例えば、水冷式のアフタークーラー１０を設置することが好ましい。このアフタークーラー１０には、図示されない外部のクーリングタワーから冷却水が供給されており、高温の冷媒ガスを大気温度近くまで冷却することができる。
【００３４】
さらに、アフタークーラー１０の出口側に、逆止弁（チェックバルブ）１１を設けてもよい。これにより、極低温冷凍装置１の通常運転停止時や緊急停止時に、圧縮された冷却ガスが主圧縮機２に逆流して逆回転することを防止することができる。なお、逆止弁１１は、主圧縮機２とアフタークーラー１０との中間位置に設けてもよい。
【００３５】
主熱交換器３は、図１に示すように、閉ループＬ１において主圧縮機２と膨張タービン４との中間に配置されており、主圧縮機２により圧縮された冷媒ガスと副熱交換器５からの戻りの冷媒ガスとを熱交換することにより、上記圧縮された冷媒ガスを冷却するものである。
膨張タービン４は、図１に示すように、閉ループＬ１において主熱交換器３の二次側に設置されており、上記主熱交換器３により冷却された冷媒ガスを断熱膨張させて極低温の冷媒ガスとするものである。また、膨張タービン４は、主圧縮機２と同軸上に取り付けられて一体構造となっていてもよい。
【００３６】
副熱交換器５は、図１に示すように、閉ループＬ１において膨張タービン４の二次側に設置されており、上記膨張タービン４によって極低温とされた冷媒ガスと被熱交換体である冷媒液８ｂとを熱交換することにより、上記冷媒液８ｂを冷却するものである。
極低温まで冷却された冷媒ガスは、この冷媒液８ｂにより、断熱容器８に収納された被冷却体８ａを間接的に冷却する。
ここで、本実施形態における被冷却体８ａは、例えば、超電導送電ケーブル、超電導変圧器、超電導モーター、超電導限流器、超電導電力貯蔵器等の高温超電導機器である。
【００３７】
バッファータンク６は、冷媒ガスを貯留するための貯留槽であり、図１に示すように、補充・回収経路Ｌ２によって、主圧縮機２の入口側２ａで閉ループＬ１と接続されている。このバッファータンク６は、補充・回収経路Ｌ２に設けられた開閉弁（弁）１２を介して閉ループＬ１と連通されている。ここで、補充・回収経路Ｌ２は、閉ループＬ１の主圧縮機２の入口側２ａとバッファータンク６とを副圧縮機７を介さずに接続する経路である。また、バッファータンク６には、開閉弁１３が設けられた経路Ｌ３が接続されており、この経路Ｌ３から冷媒ガスをバッファータンク６内に供給可能とされている。
【００３８】
副圧縮機７は、主圧縮機２の入口側２ａの閉ループＬ１内の圧力と、バッファータンク６内の圧力と、を比較して、圧力の低い側から高い側へ冷媒ガスを圧送するために設けられている。
本実施形態の副圧縮機７は、主圧縮機２よりも処理量が小さいものでよく、例えば、オイルフリーのダイヤフラム式やレシプロ式、スクロール式など安価で容易に入手できる小型圧縮機を使用することができる。
【００３９】
ところで、一般的に安価で容易に入手できる上述したような小型圧縮機は、大気圧で吸入するタイプが大多数を占めている。そのような小型圧縮機を副圧縮機７として用いた場合、吸入側に圧力の高い冷媒ガスが入ると、小型圧縮機の負荷が急激に増大するだけでなく、耐圧強度上の問題がある。したがって、副圧縮機７の吸入側（入口側）に減圧弁１４を設けることが好ましい。この減圧弁１４により、副圧縮機７の吸入側の冷媒ガスの圧力を大気圧付近まで減圧することができるため、市販の安価な小型圧縮機を副圧縮機７として利用することが可能となる。
また、副圧縮機７の吐出側（出口側）には、逆止弁１５が設けられている。
さらに、上記減圧弁１４と副圧縮機７との間に、小容量、例えば数リットルのバッファータンク（図示せず）を設けることが好ましい。これにより、副圧縮機７の吸入圧力の脈動を防止することができる。
【００４０】
本実施形態の極低温冷凍装置１は、バッファータンク６から閉ループＬ１の主圧縮機２の入口側２ａに副圧縮機７を介して接続する補充経路Ｌ４と、閉ループＬ１の主圧縮機２の入口側２ａからバッファータンク６に副圧縮機７を介して接続する回収経路Ｌ５と、閉ループＬ１内において主圧縮機２の入口側２ａと出口側２ｂとを連通するバイパス経路Ｌ６と、を備えている。
【００４１】
ここで、補充経路Ｌ４には、バッファータンク６との接続側に開閉弁１６が、閉ループＬ１との接続側に開閉弁１７が、それぞれ設けられている。
また、回収経路Ｌ５には、閉ループＬ１との接続側に開閉弁１８が、バッファータンク６との接続側に開閉弁１９が、それぞれ設けられている。
さらに、バイパス経路Ｌ６には、開閉バルブからなるバイパス弁２０が設けられている。
【００４２】
すなわち、副圧縮機７の吸入側は、主圧縮機２の入口側２ａにおいて閉ループＬ１と開閉弁１８を介して連通されると同時に、バッファータンク６と開閉弁１６を介して連通されている。
一方、副圧縮機７の吐出側は、バッファータンク６と開閉弁１９を介して連通されると同時に、主圧縮機２の入口側２ａにおいて閉ループＬ１と開閉弁１７を介して連通されている。
【００４３】
次に、本実施形態の極低温冷凍装置１の運転方法について説明する。
先ず、極低温冷凍装置１の閉ループＬ１において、主圧縮機２によって冷媒ガスが圧縮する。主圧縮機２で圧縮された冷媒ガスは高温となるため、主圧縮機２の出口側（下流側）に設置されたアフタークーラー１０により、高温の冷媒ガスは大気温度近くまで冷却する。
【００４４】
次に、アフタークーラー１０を経た冷媒ガスをコールドボックス内に収納された主熱交換器３に導入し、副熱交換器５からの戻りの冷媒ガスと熱交換する。これにより、冷媒ガスを６５〜７５Ｋの温度まで冷却し、膨張タービン４に導入する。そして、膨張タービン４において、冷媒ガスを高圧側の圧力（１〜２ＭＰａ）から低圧側の圧力（０．５〜１ＭＰａ）まで断熱膨張することにより、冷媒ガスの温度を５５〜６５Ｋまで降下させる。
【００４５】
次に、膨張タービン４により５５〜６５Ｋまで温度を降下させた冷媒ガスを、副熱交換器５に導入する。そして、副熱交換器５において、極低温の冷媒ガスと液体窒素等の冷媒液８ｂとを熱交換することにより、冷媒液８ｂをサブクール状態（液体がその飽和温度よりも低い状態をいい、ここでは液体窒素の沸点（約７７Ｋ）から凝固点（約６３Ｋ）までの温度をいう）の約６５Ｋまで冷却する。この際、冷媒液８ｂとの熱交換後の冷媒ガスは、６０〜７０Ｋまで温度上昇する。副熱交換器５を経た冷媒ガスは、その後、主熱交換器３に戻る。ここで、主熱交換器３に戻った低圧側の戻り冷媒ガスの温度は、高圧側の冷媒ガスと熱交換することにより、主熱交換器３を出る際にはほぼ常温まで温度上昇する。そして、主熱交換器３を経てほぼ常温となった冷媒ガスは、主圧縮機２の入口側２ａに戻る。本実施形態の極冷凍装置１における閉ループＬ１では、以上のように冷媒ガスが循環する構成となっている。
【００４６】
なお、上記の副熱交換器５での熱交換によって、被冷却体８ａを冷却する断熱容器８内の冷媒液８ｂは、約７０Ｋに保持される。
【００４７】
ここで、閉ループＬ１内の冷媒ガスの、主圧縮機２の入口側２ａの圧力が所定の圧力以下となった場合であって、バッファータンク６内の冷媒ガスの圧力が主圧縮機２の入口側２ａの圧力よりも高い場合は、補充・回収経路Ｌ２に設けられた開閉弁１２を開放してバッファータンク６から閉ループＬ１内に冷媒ガスを補充する。
【００４８】
これに対して、バッファータンク６内の冷媒ガスの圧力が、主圧縮機２の入口側２ａの閉ループＬ１内の圧力よりも低い場合には、補充経路Ｌ４に設けられた開閉弁１６を開放してバッファータンク６から副圧縮機７に冷媒ガスを導入する。そして、副圧縮機７によって冷媒ガスを閉ループＬ１内における主圧縮機２の入口側２ａの圧力（冷媒ガスの補充に必要最低限の圧力のことを意味しており、主圧縮機２の入口側２ａの圧力よりもわずかに高い圧力）まで昇圧し、補充経路Ｌ４に設けられた開閉弁１７を開放して閉ループＬ１内に冷媒ガスを補充する。このように、副圧縮機７によって圧送された冷媒ガスを閉ループＬ１内に補充することにより、閉ループＬ１における主圧縮機２の入口側２ａの圧力を一定に保持することができる。
【００４９】
一方、閉ループＬ１内の主圧縮機２の入口側２ａ及び出口側２ｂの少なくともいずれか一方の圧力が所定の圧力以上であって、バッファータンク６内の冷媒ガスの圧力が閉ループＬ１内の主圧縮機２の入口側２ａの圧力よりも高い場合は、閉ループＬ１内の冷媒ガスを副圧縮機７により圧送してバッファータンク６内に回収することができる。また、閉ループＬ１内の冷媒ガスの、主圧縮機２の出口側２ｂの圧力が所定の圧力以上となった場合であって、バッファータンク６内の冷媒ガスの圧力が主圧縮機２の入口側の圧力よりも低い場合は、主圧縮機２の出口側２ｂ（高圧側）と入口側２ａ（低圧側）とを連通するバイパス経路Ｌ６に設けられたバイパス弁２０を開放することにより、主圧縮機２の入口側（低圧側）２ｂに冷媒ガスが戻されて、閉ループＬ１における主圧縮機２の入口側２ａの圧力が規定値よりも高くなるため、補充・回収経路Ｌ２に設けられた開閉弁１２を開放して閉ループＬ１内からバッファータンク６内に冷媒ガスを回収できる。
【００５０】
これに対して、バッファータンク６内の冷媒ガスの圧力が、主圧縮機２の入口側２ａの閉ループＬ１内の圧力よりも高い場合には、回収経路Ｌ５に設けられた開閉弁１８を解放して閉ループＬ１内から副圧縮機７に冷媒ガスを導入する。そして、副圧縮機７によって冷媒ガスをバッファータンク６内の圧力（冷媒ガスの回収に必要最低限の圧力のことを意味しており、バッファータンク６内の圧力よりもわずかに高い圧力）まで昇圧した後、回収経路Ｌ５に設けられた開閉弁１９を開放してバッファータンク６内に冷媒ガスを回収する。このように、副圧縮機７によって圧送された冷媒ガスをバッファータンク６内に回収することにより、閉ループＬ１における主圧縮機２の入口側２ａの圧力を一定に保持することができる。
【００５１】
また、極低温冷凍装置１の停止時には主圧縮機２を定常運転から停止させるが、主圧縮機２の異常振動を防止するため、装置の停止信号を受けてから主圧縮機２が停止動作に至る間にバイパス弁２０を解放して主圧縮機２の高圧側（出口側２ｂ）から低圧側（入口側２ａ）に冷媒ガスを戻すことにより、主圧縮機２の高圧側の圧力を低下させて閉ループＬ１内の圧力を均圧化する。この動作によって主圧縮機２の低圧側（入口側２ａ）の圧力が規定値よりも高くなるため、補充・回収経路Ｌ２に設けられた開閉弁１２を開放して閉ループＬ１内の冷媒ガスをバッファータンク６内に回収する。
【００５２】
さらに、極低温冷凍装置１のメンテナンスの際や故障の際には、各構成機器を開放点検する必要がある。この場合には、回収経路Ｌ５に設けられた開閉弁１８を開放し、閉ループＬ１内の冷媒ガスを副圧縮機７により圧送してバッファータンク６内に回収する。これにより、閉ループＬ１内の冷媒ガスの圧力を大気圧近くまで回収にすることができる。
【００５３】
次に、本実施形態の極低温冷凍装置１の常温停止状態から常温で起動した状態、および冷凍運転時の圧力、温度変化からバッファータンク６からの冷媒ガス補充量がどれくらい必要となるかについて、図２を用いて説明する。
【００５４】
図２に示すように、極低温冷凍装置１の閉ループＬ１内の容積を（Ａ）〜（Ｅ）に区分し、バッファータンク６の容積を（Ｆ）とする。ここで、簡単のために（Ａ）〜（Ｅ）の容積はすべて等しく、大気圧（０．１ＭＰａ）、常温状態（３００Ｋ）で（Ａ）〜（Ｅ）の各容積を占める冷媒ガスの量（質量）を「Ｗｔ」とする。
【００５５】
また、極低温冷凍装置１が常温停止状態である時の閉ループＬ１内（（Ａ）〜（Ｅ））の圧力と温度はすべて等しく、０．７ＭＰａ、３００Ｋとする。この時の（Ａ）〜（Ｅ）までの各容積の冷媒ガス量はそれぞれ、７（Ｗｔ）となる。したがって、閉ループＬ１内の全冷媒ガス量は５×７（Ｗｔ）＝３５（Ｗｔ）となる。
【００５６】
主圧縮機２を常温停止状態から起動すると、主圧縮機２から膨張タービン４までの（Ｂ）、（Ｃ）の高圧側は１．０ＭＰａ、膨張タービン４から主圧縮機２までの（Ｄ）、（Ｅ）、（Ａ）の低圧側は０．５ＭＰａとなる。起動直後では、（Ａ）〜（Ｅ）の温度がすべて３００Ｋであるから、この時の（Ａ）〜（Ｅ）の冷媒ガス量は圧力の増減によって、（Ｂ）と（Ｃ）はそれぞれ１０（Ｗｔ）、（Ｄ）、（Ｅ）、（Ａ）はそれぞれ５（Ｗｔ）となり、合計すると全体では２×１０（Ｗｔ）＋３×５（Ｗｔ）＝３５（Ｗｔ）となる。
【００５７】
極低温冷凍装置１の運転を継続すると、膨張タービン４での断熱膨張によって（Ｃ）〜（Ｅ）の温度は降下し、最終的には、（Ｄ）の副熱交換器５の温度は６０Ｋとなる。一方、主熱交換器２の高圧側の入口および低圧側の出口は常温のままであるから、（Ｃ）と（Ｅ）の温度は３００Ｋと６０Ｋの単純平均とし、（３００＋６０）／２＝１８０Ｋとする。
【００５８】
最終的な閉ループＬ１内の冷媒ガス量は、（Ａ）が５（Ｗｔ）、（Ｂ）が１０（Ｗｔ）、（Ｃ）は温度が低下した分、冷媒ガスが増加するため、１０（Ｗｔ）×３００／１８０＝１６．６７（Ｗｔ）となる。（Ｄ）は５（Ｗｔ）×３００／６０＝２５（Ｗｔ）、（Ｅ）は５（Ｗｔ）×３００／１８０＝８．３３（Ｗｔ）となる。
【００５９】
したがって、（Ａ）〜（Ｅ）を合計すると全体では５（Ｗｔ）＋１０（Ｗｔ）＋１６．６７（Ｗｔ）＋２５（Ｗｔ）＋８．３３（Ｗｔ）＝６５（Ｗｔ）となる。極低温冷凍装置１の運転開始前の閉ループＬ１内の冷媒ガス量は３５（Ｗｔ）であるから、運転と冷却の進行によって３０（Ｗｔ）の冷媒ガスをバッファータンク６から閉ループＬ１内に補充しなければならないことになる。
【００６０】
ここで、バッファータンク６の常温停止時の圧力を０．７ＭＰａとし、その容積（Ｆ）を（Ａ）〜（Ｅ）の容積の５倍と仮定すると、バッファータンク６には、大気圧、常温で５（Ｗｔ）だけ冷媒ガスを収納することができ、０．７ＭＰａの時は７×５（Ｗｔ）＝３５（Ｗｔ）となる。本発明に基づきバッファータンク６から副圧縮機７（図２中では省略）を用いて冷媒ガスを昇圧して閉ループＬ１内に３０（Ｗｔ）だけ補充すると、バッファータンク６内の冷媒ガス残量は５（Ｗｔ）となる。すなわち、バッファータンク６の圧力はほぼ大気圧となり、バッファータンク６内の冷媒ガスを有効活用できることになる。
【００６１】
本発明によれば、副圧縮機７を設けることにより、バッファータンク６内の冷媒ガスをほぼ大気圧まで閉ループＬ１内に補充できるが、従来技術ではバッファータンク内の冷媒ガスは閉ループの最低圧力（上記特許文献１の例では０．５ＭＰａ）までしか補充できない。
【００６２】
すなわち、従来技術の極低温冷凍装置において冷媒ガス３０（Ｗｔ）分をバッファータンクから閉ループ内に補充するためには、補充のために使用できる量は０．７ＭＰａから０．５ＭＰａまでであるから、バッファータンクの必要容積は、３０（Ｗｔ）÷（７−５）＝１５（Ｗｔ）となり、大気圧、常温で１５（Ｗｔ）の冷媒ガスを収納する容積が必要となる。
【００６３】
したがって、従来技術に対して本発明では、バッファータンク６の容積は１／３で済み、装置全体の占有スペースが小さくなる。また、バッファータンク６内に貯蔵する冷媒ガス量は、従来技術では７×１５（Ｗｔ）＝１０５（Ｗｔ）となり、本発明では１０５（Ｗｔ）から３５（Ｗｔ）に減少するから、高価で希少な冷媒ガス量も１／３で済む。すなわち、使用されないままバッファータンクに貯蔵される冷媒ガス量は従来と比較して２／３程度削減することができる。
【００６４】
以上説明したように、本実施形態の極低温冷凍装置１及びその運転方法によれば、主圧縮機２の入口側２ａで閉ループＬ１と弁を介して連通するバッファータンク６と、主圧縮機２の入口側２ａの閉ループＬ１内の圧力とバッファータンク６内の圧力とを比較して、圧力の低い側から高い側へ冷媒ガスを圧送する副圧縮機７と、を備えている。これにより、閉ループＬ１内の主圧縮機２の入口側２ａの圧力が所定の圧力以下であって、バッファータンク６内の冷媒ガスの圧力が閉ループＬ１内の主圧縮機２の入口側２ａの圧力よりも高い場合は、バッファータンク６から閉ループＬ１内に直接冷媒ガスを補充し、バッファータンク６内の冷媒ガスの圧力が閉ループＬ１内の主圧縮機２の入口側２ａの圧力よりも低い場合は、バッファータンク６内の冷媒ガスを副圧縮機７により圧送して閉ループＬ１内に補充することができる。また、閉ループＬ１内の主圧縮機２の入口側２ａ及び出口側２ｂの少なくともいずれか一方の圧力が所定の圧力以上であって、バッファータンク６内の冷媒ガスの圧力が閉ループＬ１内の主圧縮機２の入口側２ａの圧力よりも高い場合は、閉ループＬ１内の冷媒ガスを副圧縮機７により圧送してバッファータンク６内に回収することができる。このように、バッファータンク６内に貯蔵された冷媒ガスを副圧縮機７により昇圧して閉ループＬ１内に送り出すことができるため、バッファータンク６内の圧力が大気圧となるまで冷媒ガスを有効利用して閉ループＬ１内に補充することができる。このため、高価で希少な冷媒ガスを利用できないまま、バッファータンク６内に無駄に貯蔵されることがない。したがって、冷媒ガスの使用量を低減しつつ、閉ループＬ１内の冷媒ガスの圧力の調整をすることができる。また、バッファータンク６の容積を減らして設置スペースの縮小を図ることができる。
【００６５】
また、本実施形態の極低温冷凍装置１の運転方法によれば、閉ループＬ１内の冷媒ガスを副圧縮機７によりバッファータンク６内へ圧送することにより、閉ループＬ１内の冷媒ガスの圧力が大気圧となるまで冷媒ガスをバッファータンク６内に回収することができる。これにより、メンテナンス時や装置の故障時に構成機器を開放点検する際、大気中に放出される冷媒ガスの損失量を低減することができる。
【００６６】
さらに、主圧縮機２の出口側（高圧側）２ｂと入口側（低圧側）２ａとを連通するバイパス経路Ｌ６と、該経路Ｌ６の中間部にバイパス弁２０を設け、主圧縮機２の出口側２ｂの圧力が規定値よりも高くなった場合に、バイパス弁２０を開くことで主圧縮機２の出口側２ｂの圧力を規定値以下に保持することができる。これにより、閉ループＬ１内の最高圧力を、極低温冷凍装置１を構成する圧力容器の耐圧強度以下に保持することができる。
【００６７】
また、主圧縮機２をインバーターによって駆動し、主圧縮機２の出口側２ｂの圧力が規定値よりも高くなった場合に、インバーターの出力周波数を変更することで主圧縮機２の運転回転数を降下させ、主圧縮機２の出口側の圧力を規定値以下に保持することができる。これにより、閉ループＬ１内の最高圧力を、極低温冷凍装置１を構成する圧力容器の耐圧強度以下に保持することができる。
【００６８】
また、主圧縮機２の二次側（出口側）に設置されたアフタークーラー１０の出口、あるいは主圧縮機２とアフタークーラー１０との中間位置に逆止弁（チェックバルブ）１１を設置することにより、極低温冷凍装置１の通常運転停止時あるいは緊急停止時に圧縮された冷却ガスが主圧縮機２に逆流して逆回転することを防止することができる。
【００６９】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、本実施形態では、主圧縮機２をターボ圧縮機としたが、レシプロ圧縮機やスクリュー圧縮機としてもよく、また主圧縮機２の出口側２ｂおよび入口側２ａにそれぞれ圧力調節弁を有する経路を設けて、バッファータンク６に接続してもよい。
【００７０】
また、本実施形態の極低温冷凍装置１では、副熱交換器５で熱交換（冷却）する被熱交換体として被冷却体８ａを冷却するための冷媒液８ｂを用いている構成としているが、副熱交換器５や循環ポンプ９を設置することなく、極低温冷凍装置１により極低温に冷却された冷媒ガスを断熱容器８内に導入し、冷媒液８ｂを冷却する、或いは被冷却体８ａに供給することにより被冷却体８ａを直接冷却する構成としても良い。
【符号の説明】
【００７１】
１…極低温冷凍装置
２…主圧縮機
２ａ…入口側
２ｂ…出口側
３…主熱交換器
４…膨張タービン
５…副熱交換器
６…バッファータンク
７…副圧縮機
８…断熱容器
８ａ…被冷却体
８ｂ…冷媒液（冷却液）
９…循環ポンプ
１０…アフタークーラー
１１…逆止弁（チェックバルブ）
１２，１３，１６，１７，１８，１９…開閉弁（弁）
１４…減圧弁
１５…逆止弁
２０…バイパス弁
Ｌ１…閉ループ
Ｌ２…補充・回収経路
Ｌ３…経路
Ｌ４…補充経路
Ｌ５…回収経路
Ｌ６…バイパス経路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒ガスを極低温まで冷却する極低温冷凍装置及びその運転方法に関し、詳しくは、冷媒ガスの補充と回収を効率よく行なう系統を備えた極低温冷凍装置及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温超電導機器（例えば、超電導送電ケーブル、超電導変圧器、超電導モーター、超電導限流器、超電導電力貯蔵器等）を冷却するためには、極低温冷凍装置（例えば、ＧＭ冷凍機、パルス冷凍機、スターリング冷凍機、ブレイトンサイクル冷凍機等）が用いられる。そして、高温超電導機器を冷却する場合、超電導線材の種類や用途によって冷却する温度は異なるが、その冷却温度は、大気圧の液体窒素温度（７７Ｋ）よりも低い温度（例えば、７０Ｋ、６５Ｋ、４０Ｋ）が用いられる。このような極低温の冷却には、冷媒ガスとしてヘリウム、ネオン、水素及びこれらの混合ガス等が用いられる。
【０００３】
ところで、極低温冷凍装置としては、特許文献１及び特許文献２が知られている。具体的には、特許文献１に記載された極低温冷凍装置は、図３に示すように圧縮機１０２と第１中間熱交換器１０３、膨張タービン１０４、極低温熱交換器１０５を備えたブレイトンサイクル冷凍機である。また、極低温冷凍装置１０１は、高圧部と低圧部を連通するバイパスラインＬ１０６と、該バイパスラインＬ１０６の中間に位置し、高圧側と低圧側にそれぞれ圧力調整弁１０６ａ，１０６ｂを有する貯気タンク１０６と、該各圧力調整弁１０６ａ，１０６ｂを制御する圧力制御装置１２６とをさらに備えている。そして、該圧力制御装置１２６は、貯気タンク１０６の圧力が、常温かつ停止時に閉ループＬ１０１と同一とするため弁開度が開放となり、極低温を発生する運転時に高圧部の圧力が所定の圧力となるように前記各圧力調整弁１０６ａ，１０６ｂを制御することを特徴としている。
【０００４】
また、特許文献２に記載された従来技術である冷凍装置では、循環圧縮機の吐出側及び吸入側にそれぞれ循環量調整弁を有する経路を介して接続するバッファータンクと、循環圧縮機の吐出圧力を測定して前記循環量調整弁を開閉する圧力調整器とが設けられている。そして、上記循環圧縮機の吸入圧力を一定に保つための経路として、バイパス弁を介して循環圧縮機の吐出側及び吸入側を接続する経路と、循環圧縮機の吸入圧力を測定して前記バイパス弁の開度を調節する圧力調整器とが設けられていることを特徴としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１２１７８６号公報
【特許文献２】特開平５−２２３３７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような構成の極低温冷凍装置においては、装置の運転により冷凍装置内が極低温になると、冷媒ガスの比容積が小さくなり、冷凍装置内の圧力を所定の圧力に保持することができなくなる。このため、バッファータンク（または貯気タンク）から冷媒ガスを冷凍装置内に補充する必要がある。また、極低温冷凍装置が常温かつ停止状態にある際の、閉ループに充填された冷媒ガスの圧力は、一般に大気圧力よりも高く設定されている。これは、冷媒ガスの圧力を高めることで比容積を小さくし、冷媒ガスの循環流量を増やして冷凍機の冷凍能力を増大するとともに、装置全体の小型化を図るためである。例えば、特許文献１に記載された極低温冷凍装置では、低圧側の圧力が０．５〜０．６ＭＰａであり、高圧側の圧力が１．０〜１．２ＭＰａとなっている。
【０００７】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２に示された極低温冷凍装置では、バッファータンク（あるいは貯気タンク）内に貯蔵された冷媒ガスを閉ループの低圧側に供給する際、バッファータンク内の圧力が閉ループの低圧側よりも高い圧力の場合は問題ないが、バッファータンク内の圧力が閉ループの低圧側と同じ圧力になると、それ以上、冷媒ガスを補充することができなくなるという問題があった。すなわち、前述した構成の極低温冷凍装置では、冷媒ガスとして使用している高価で希少なへリウムやネオンを大気圧力まで利用できないまま、バッファータンク内に無駄に貯蔵することになるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、冷媒ガスの使用量を低減しつつ、閉ループ内の冷媒ガスの圧力の調整が可能な極低温冷凍装置及びその運転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】
【０００９】
かかる課題を解決するため、
請求項１に記載の発明は、冷媒ガスを圧縮、循環させる主圧縮機と、
圧縮した冷媒ガスを戻りの冷媒ガスとの熱交換により冷却する主熱交換器と、
冷却した冷媒ガスを断熱膨張させる膨張タービンと、
前記膨張タービンを出た極低温の冷媒ガスと冷却液とを熱交換させる副熱交換器と、が設けられ、
前記副熱交換器で熱交換した後の冷媒ガスを、前記主熱交換器を介して前記主圧縮機に循環させる循環経路からなる閉ループを備えた極低温冷凍装置であって、
前記主圧縮機の入口側で前記閉ループと弁を介して連通するバッファータンクと、
前記主圧縮機の入口側の前記閉ループ内の圧力と前記バッファータンク内の圧力とを比較して、圧力の低い側から高い側へ冷媒ガスを圧送する副圧縮機と、を備えることを特徴とする極低温冷凍装置である。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、前記バッファータンクから前記閉ループの前記主圧縮機の入口側に前記副圧縮機を介して接続する補充経路と、
前記閉ループの前記主圧縮機の入口側から前記バッファータンクに前記副圧縮機を介して接続する回収経路と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍装置である。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、前記閉ループの前記主圧縮機の入口側と前記バッファータンクとを前記副圧縮機を介さずに接続する補充・回収経路を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の極低温冷凍装置である。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、前記閉ループ内で、前記主圧縮機の入口側と出口側とを連通するバイパス経路を備え、
前記バイパス経路が当該バイパス経路の中間部にバイパス弁を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置である。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、前記副圧縮機の入口側に、減圧弁が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の極低温冷凍装置である。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、前記副圧縮機は、前記主圧縮機より処理量が小さいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置である。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、前記主圧縮機が、インバーターによって駆動されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置である。
【００１６】
請求項８に記載の発明は、前記主圧縮機の出口側に設けられたアフタークーラーと、
前記アフタークーラーの出口側又は前記主圧縮機と前記アフタークーラーとの間に設けられた逆止弁と、を備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置である。
【００１７】
請求項９に記載の発明は、被冷却体と前記冷却液とを収納する断熱容器と、
前記冷却液を前記副熱交換器に循環させる循環ポンプと、をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置である。
【００１８】
請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法であって、
前記閉ループ内の冷媒ガスの、前記主圧縮機の入口側の圧力が所定の圧力以下であり、前記バッファータンク内の冷媒ガスの圧力が前記主圧縮機の入口側の前記閉ループ内の圧力よりも低い場合に、前記バッファータンクから前記副圧縮機に冷媒ガスを導入し、当該副圧縮機によって圧送された冷媒ガスを前記閉ループ内に補充し、
前記閉ループ内の冷媒ガスの、前記主圧縮機の入口側及び出口側の少なくともいずれか一方の圧力が所定の圧力以上であり、前記バッファータンク内の冷媒ガスの圧力が前記主圧縮機の入口側の前記閉ループ内の圧力よりも高い場合に、前記閉ループから前記副圧縮機に冷媒ガスを導入し、当該副圧縮機によって圧送された冷媒ガスを前記バッファータンク内に回収することを特徴とする極低温冷凍装置の運転方法である。
【００１９】
請求項１１に記載の発明は、前記閉ループ内の冷媒ガスを副圧縮機により圧送してバッファータンク内に回収することにより、閉ループ内の冷媒ガスの圧力を大気圧にすることを特徴とする請求項１０に記載の極低温冷凍装置の運転方法である。
【００２０】
請求項１２に記載の発明は、請求項４乃至９のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法であって、
主圧縮機の運転停止時にバイパス弁を開放することを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の極低温冷凍装置の運転方法である。
【００２１】
請求項１３に記載の発明は、請求項５乃至９のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法であって、
前記副圧縮機に冷媒ガスを導入する前に、冷媒ガスの圧力をほぼ大気圧まで減圧することを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法である。
【００２２】
請求項１４に記載の発明は、請求項７乃至９のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法であって、
前記閉ループ内の冷媒ガスの、前記主圧縮機の出口側の圧力が所定の圧力よりも高くなった場合に、前記インバーターの出力周波数を変更して前記主圧縮機の運転回転数を降下させることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の極低温冷凍装置及びその運転方法によれば、主圧縮機の入口側で閉ループと弁を介して連通するバッファータンクと、主圧縮機の入口側の閉ループ内の圧力とバッファータンク内の圧力とを比較して、圧力の低い側から高い側へ冷媒ガスを圧送する副圧縮機と、を備えている。これにより、閉ループ内の主圧縮機の入口側の圧力が所定の圧力以下であって、バッファータンク内の冷媒ガスの圧力が閉ループ内の主圧縮機の入口側の圧力よりも高い場合は、バッファータンクから閉ループ内に直接冷媒ガスを補充し、バッファータンク内の冷媒ガスの圧力が閉ループ内の主圧縮機の入口側の圧力よりも低い場合は、バッファータンク内の冷媒ガスを副圧縮機により圧送して閉ループ内に補充することができる。また、閉ループ内の主圧縮機の入口側及び出口側の少なくともいずれか一方の圧力が所定の圧力以上であって、バッファータンク内の冷媒ガスの圧力が閉ループ内の主圧縮機の入口側の圧力よりも高い場合は、閉ループ内の冷媒ガスを副圧縮機により圧送してバッファータンク内に回収することができる。このように、バッファータンク内に貯蔵された冷媒ガスを副圧縮機により昇圧して閉ループ内に送り出すことができるため、バッファータンク内の圧力が大気圧となるまで冷媒ガスを有効利用して閉ループ内に補充することができる。このため、高価で希少な冷媒ガスを利用できないまま、バッファータンク内に無駄に貯蔵されることがない。したがって、冷媒ガスの使用量を低減しつつ、閉ループ内の冷媒ガスの圧力の調整をすることができる。また、バッファータンクの容積を減らして設置スペースの縮小を図ることができる。
【００２４】
また、本発明の極低温冷凍装置の運転方法によれば、閉ループ内の冷媒ガスを副圧縮機によりバッファータンク内へ圧送することにより、閉ループ内の冷媒ガスの圧力が大気圧となるまで冷媒ガスをバッファータンク内に回収することができる。これにより、メンテナンス時や装置の故障時に構成機器を開放点検する際、大気中に放出される冷媒ガスの損失量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の極低温冷凍装置の一形態例を示す系統図である。
【図２】図１の構成機器の容積と圧力、温度から冷媒ガスの充填量を説明するための系統図である。
【図３】従来の極低温冷凍装置の一例を示す系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を適用した一実施形態である極低温冷凍装置について、運転方法とともに図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００２７】
図１は、本発明を適用した一実施形態である極低温冷凍装置示す図である。図１に示すように、本実施形態の極低温冷凍装置１は、主圧縮機２、主熱交換器３、膨張タービン４、副熱交換器５が設けられた循環経路からなる閉ループＬ１と、閉ループＬ１と連通するバッファータンク６と、閉ループＬ１と上記バッファータンク６との間で冷媒ガスを圧送する副圧縮機７と、を備えて概略構成されている。より具体的には、極低温冷凍装置１は、被冷却体８ａと冷媒液８ｂとを収納する断熱容器８と、上記冷媒液８ｂを副熱交換器５に循環させる循環ポンプ９と、を備えている。
【００２８】
また、本実施形態の極低温冷凍装置１は、図１に示すように、主圧縮機２で冷媒ガスを圧縮し、主熱交換器３において高圧側の冷媒ガスを低圧側の戻りの冷媒ガスと熱交換することによって冷却し、冷却した冷媒ガスを膨張タービン４で断熱膨張させることにより極低温を発生させ、副熱交換器５において極低温の冷媒ガスによって循環ポンプ９から送液された液体窒素等の冷媒液（冷却液）８ｂを冷却し、この冷媒液８ｂで被冷却体８ａを冷却するものである。
本実施形態の冷媒ガスとしては、窒素よりも沸点が低いヘリウム、ネオン又は水素及びそれらの混合ガス、あるいは僅かに窒素やアルゴン等の不活性ガスを混合させた混合ガスを用いる。
【００２９】
閉ループＬ１は、冷媒ガスを圧縮、循環させる主圧縮機２と、圧縮した冷媒ガスを戻りの冷媒ガスとの熱交換により冷却する主熱交換器３と、冷却した冷媒ガスを断熱膨張させる膨張タービン４と、上記膨張タービン４を出た極低温の冷媒ガスと冷却液とを熱交換させる副熱交換器５と、が設けられており、上記副熱交換器５で熱交換した後の冷媒ガスを、主熱交換器３を介して主圧縮機２に循環させる循環経路である。
【００３０】
主圧縮機２は、冷媒ガスを圧縮、循環させるために閉ループＬ１に設けられたターボ圧縮機である。本実施形態では、図１に示すように、主圧縮機２として１段式のターボ圧縮機を例示しているがこれに限定されるものではなく、１段式のターボ圧縮機に替えてインタークーラーを備えた２段式のターボ圧縮機としても良い。
【００３１】
閉ループＬ１内における主圧縮機２の入口側２ａの圧力は、例えば０．５〜１ＭＰａとすることが好ましい。また、閉ループＬ１内における主圧縮機２の出口側２ｂの圧力は１〜２ＭＰａとすることが好ましい。そして、冷却温度域と冷凍装置のエネルギー効率との点から、主圧縮機２の圧縮比は、１．６〜３程度とすることが好ましい。
【００３２】
また、主圧縮機２は、インバーターによって駆動されるものを用いてもよい。主圧縮機２がインバーター制御される場合には、主圧縮機２の出口側２ｂの圧力が規定値よりも高くなった際に、インバーターの出力周波数を変更して主圧縮機２の運転回転数を降下させることができるため、主圧縮機２の出口側２ｂの圧力を規定値以下に保持することが可能となる。これにより、閉ループＬ１内の最高圧力を、極低温冷凍装置１を構成する圧力容器の耐圧強度以下に保持することができる。
【００３３】
また、主圧縮機２の出口側（二次側）２ｂには、図１に示すように、例えば、水冷式のアフタークーラー１０を設置することが好ましい。このアフタークーラー１０には、図示されない外部のクーリングタワーから冷却水が供給されており、高温の冷媒ガスを大気温度近くまで冷却することができる。
【００３４】
さらに、アフタークーラー１０の出口側に、逆止弁（チェックバルブ）１１を設けてもよい。これにより、極低温冷凍装置１の通常運転停止時や緊急停止時に、圧縮された冷却ガスが主圧縮機２に逆流して逆回転することを防止することができる。なお、逆止弁１１は、主圧縮機２とアフタークーラー１０との中間位置に設けてもよい。
【００３５】
主熱交換器３は、図１に示すように、閉ループＬ１において主圧縮機２と膨張タービン４との中間に配置されており、主圧縮機２により圧縮された冷媒ガスと副熱交換器５からの戻りの冷媒ガスとを熱交換することにより、上記圧縮された冷媒ガスを冷却するものである。
膨張タービン４は、図１に示すように、閉ループＬ１において主熱交換器３の二次側に設置されており、上記主熱交換器３により冷却された冷媒ガスを断熱膨張させて極低温の冷媒ガスとするものである。また、膨張タービン４は、主圧縮機２と同軸上に取り付けられて一体構造となっていてもよい。
【００３６】
副熱交換器５は、図１に示すように、閉ループＬ１において膨張タービン４の二次側に設置されており、上記膨張タービン４によって極低温とされた冷媒ガスと被熱交換体である冷媒液８ｂとを熱交換することにより、上記冷媒液８ｂを冷却するものである。
極低温まで冷却された冷媒ガスは、この冷媒液８ｂにより、断熱容器８に収納された被冷却体８ａを間接的に冷却する。
ここで、本実施形態における被冷却体８ａは、例えば、超電導送電ケーブル、超電導変圧器、超電導モーター、超電導限流器、超電導電力貯蔵器等の高温超電導機器である。
【００３７】
バッファータンク６は、冷媒ガスを貯留するための貯留槽であり、図１に示すように、補充・回収経路Ｌ２によって、主圧縮機２の入口側２ａで閉ループＬ１と接続されている。このバッファータンク６は、補充・回収経路Ｌ２に設けられた開閉弁（弁）１２を介して閉ループＬ１と連通されている。ここで、補充・回収経路Ｌ２は、閉ループＬ１の主圧縮機２の入口側２ａとバッファータンク６とを副圧縮機７を介さずに接続する経路である。また、バッファータンク６には、開閉弁１３が設けられた経路Ｌ３が接続されており、この経路Ｌ３から冷媒ガスをバッファータンク６内に供給可能とされている。
【００３８】
副圧縮機７は、主圧縮機２の入口側２ａの閉ループＬ１内の圧力と、バッファータンク６内の圧力と、を比較して、圧力の低い側から高い側へ冷媒ガスを圧送するために設けられている。
本実施形態の副圧縮機７は、主圧縮機２よりも処理量が小さいものでよく、例えば、オイルフリーのダイヤフラム式やレシプロ式、スクロール式など安価で容易に入手できる小型圧縮機を使用することができる。
【００３９】
ところで、一般的に安価で容易に入手できる上述したような小型圧縮機は、大気圧で吸入するタイプが大多数を占めている。そのような小型圧縮機を副圧縮機７として用いた場合、吸入側に圧力の高い冷媒ガスが入ると、小型圧縮機の負荷が急激に増大するだけでなく、耐圧強度上の問題がある。したがって、副圧縮機７の吸入側（入口側）に減圧弁１４を設けることが好ましい。この減圧弁１４により、副圧縮機７の吸入側の冷媒ガスの圧力を大気圧付近まで減圧することができるため、市販の安価な小型圧縮機を副圧縮機７として利用することが可能となる。
また、副圧縮機７の吐出側（出口側）には、逆止弁１５が設けられている。
さらに、上記減圧弁１４と副圧縮機７との間に、小容量、例えば数リットルのバッファータンク（図示せず）を設けることが好ましい。これにより、副圧縮機７の吸入圧力の脈動を防止することができる。
【００４０】
本実施形態の極低温冷凍装置１は、バッファータンク６から閉ループＬ１の主圧縮機２の入口側２ａに副圧縮機７を介して接続する補充経路Ｌ４と、閉ループＬ１の主圧縮機２の入口側２ａからバッファータンク６に副圧縮機７を介して接続する回収経路Ｌ５と、閉ループＬ１内において主圧縮機２の入口側２ａと出口側２ｂとを連通するバイパス経路Ｌ６と、を備えている。
【００４１】
ここで、補充経路Ｌ４には、バッファータンク６との接続側に開閉弁１６が、閉ループＬ１との接続側に開閉弁１７が、それぞれ設けられている。
また、回収経路Ｌ５には、閉ループＬ１との接続側に開閉弁１８が、バッファータンク６との接続側に開閉弁１９が、それぞれ設けられている。
さらに、バイパス経路Ｌ６には、開閉バルブからなるバイパス弁２０が設けられている。
【００４２】
すなわち、副圧縮機７の吸入側は、主圧縮機２の入口側２ａにおいて閉ループＬ１と開閉弁１８を介して連通されると同時に、バッファータンク６と開閉弁１６を介して連通されている。
一方、副圧縮機７の吐出側は、バッファータンク６と開閉弁１９を介して連通されると同時に、主圧縮機２の入口側２ａにおいて閉ループＬ１と開閉弁１７を介して連通されている。
【００４３】
次に、本実施形態の極低温冷凍装置１の運転方法について説明する。
先ず、極低温冷凍装置１の閉ループＬ１において、主圧縮機２によって冷媒ガスが圧縮する。主圧縮機２で圧縮された冷媒ガスは高温となるため、主圧縮機２の出口側（下流側）に設置されたアフタークーラー１０により、高温の冷媒ガスは大気温度近くまで冷却する。
【００４４】
次に、アフタークーラー１０を経た冷媒ガスをコールドボックス内に収納された主熱交換器３に導入し、副熱交換器５からの戻りの冷媒ガスと熱交換する。これにより、冷媒ガスを６５〜７５Ｋの温度まで冷却し、膨張タービン４に導入する。そして、膨張タービン４において、冷媒ガスを高圧側の圧力（１〜２ＭＰａ）から低圧側の圧力（０．５〜１ＭＰａ）まで断熱膨張することにより、冷媒ガスの温度を５５〜６５Ｋまで降下させる。
【００４５】
次に、膨張タービン４により５５〜６５Ｋまで温度を降下させた冷媒ガスを、副熱交換器５に導入する。そして、副熱交換器５において、極低温の冷媒ガスと液体窒素等の冷媒液８ｂとを熱交換することにより、冷媒液８ｂをサブクール状態（液体がその飽和温度よりも低い状態をいい、ここでは液体窒素の沸点（約７７Ｋ）から凝固点（約６３Ｋ）までの温度をいう）の約６５Ｋまで冷却する。この際、冷媒液８ｂとの熱交換後の冷媒ガスは、６０〜７０Ｋまで温度上昇する。副熱交換器５を経た冷媒ガスは、その後、主熱交換器３に戻る。ここで、主熱交換器３に戻った低圧側の戻り冷媒ガスの温度は、高圧側の冷媒ガスと熱交換することにより、主熱交換器３を出る際にはほぼ常温まで温度上昇する。そして、主熱交換器３を経てほぼ常温となった冷媒ガスは、主圧縮機２の入口側２ａに戻る。本実施形態の極冷凍装置１における閉ループＬ１では、以上のように冷媒ガスが循環する構成となっている。
【００４６】
なお、上記の副熱交換器５での熱交換によって、被冷却体８ａを冷却する断熱容器８内の冷媒液８ｂは、約７０Ｋに保持される。
【００４７】
ここで、閉ループＬ１内の冷媒ガスの、主圧縮機２の入口側２ａの圧力が所定の圧力以下となった場合であって、バッファータンク６内の冷媒ガスの圧力が主圧縮機２の入口側２ａの圧力よりも高い場合は、補充・回収経路Ｌ２に設けられた開閉弁１２を開放してバッファータンク６から閉ループＬ１内に冷媒ガスを補充する。
【００４８】
これに対して、バッファータンク６内の冷媒ガスの圧力が、主圧縮機２の入口側２ａの閉ループＬ１内の圧力よりも低い場合には、補充経路Ｌ４に設けられた開閉弁１６を開放してバッファータンク６から副圧縮機７に冷媒ガスを導入する。そして、副圧縮機７によって冷媒ガスを閉ループＬ１内における主圧縮機２の入口側２ａの圧力（冷媒ガスの補充に必要最低限の圧力のことを意味しており、主圧縮機２の入口側２ａの圧力よりもわずかに高い圧力）まで昇圧し、補充経路Ｌ４に設けられた開閉弁１７を開放して閉ループＬ１内に冷媒ガスを補充する。このように、副圧縮機７によって圧送された冷媒ガスを閉ループＬ１内に補充することにより、閉ループＬ１における主圧縮機２の入口側２ａの圧力を一定に保持することができる。
【００４９】
一方、閉ループＬ１内の主圧縮機２の入口側２ａ及び出口側２ｂの少なくともいずれか一方の圧力が所定の圧力以上であって、バッファータンク６内の冷媒ガスの圧力が閉ループＬ１内の主圧縮機２の入口側２ａの圧力よりも高い場合は、閉ループＬ１内の冷媒ガスを副圧縮機７により圧送してバッファータンク６内に回収することができる。また、閉ループＬ１内の冷媒ガスの、主圧縮機２の出口側２ｂの圧力が所定の圧力以上となった場合であって、バッファータンク６内の冷媒ガスの圧力が主圧縮機２の入口側の圧力よりも低い場合は、主圧縮機２の出口側２ｂ（高圧側）と入口側２ａ（低圧側）とを連通するバイパス経路Ｌ６に設けられたバイパス弁２０を開放することにより、主圧縮機２の入口側（低圧側）２ｂに冷媒ガスが戻されて、閉ループＬ１における主圧縮機２の入口側２ａの圧力が規定値よりも高くなるため、補充・回収経路Ｌ２に設けられた開閉弁１２を開放して閉ループＬ１内からバッファータンク６内に冷媒ガスを回収できる。
【００５０】
これに対して、バッファータンク６内の冷媒ガスの圧力が、主圧縮機２の入口側２ａの閉ループＬ１内の圧力よりも高い場合には、回収経路Ｌ５に設けられた開閉弁１８を解放して閉ループＬ１内から副圧縮機７に冷媒ガスを導入する。そして、副圧縮機７によって冷媒ガスをバッファータンク６内の圧力（冷媒ガスの回収に必要最低限の圧力のことを意味しており、バッファータンク６内の圧力よりもわずかに高い圧力）まで昇圧した後、回収経路Ｌ５に設けられた開閉弁１９を開放してバッファータンク６内に冷媒ガスを回収する。このように、副圧縮機７によって圧送された冷媒ガスをバッファータンク６内に回収することにより、閉ループＬ１における主圧縮機２の入口側２ａの圧力を一定に保持することができる。
【００５１】
また、極低温冷凍装置１の停止時には主圧縮機２を定常運転から停止させるが、主圧縮機２の異常振動を防止するため、装置の停止信号を受けてから主圧縮機２が停止動作に至る間にバイパス弁２０を解放して主圧縮機２の高圧側（出口側２ｂ）から低圧側（入口側２ａ）に冷媒ガスを戻すことにより、主圧縮機２の高圧側の圧力を低下させて閉ループＬ１内の圧力を均圧化する。この動作によって主圧縮機２の低圧側（入口側２ａ）の圧力が規定値よりも高くなるため、補充・回収経路Ｌ２に設けられた開閉弁１２を開放して閉ループＬ１内の冷媒ガスをバッファータンク６内に回収する。
【００５２】
さらに、極低温冷凍装置１のメンテナンスの際や故障の際には、各構成機器を開放点検する必要がある。この場合には、回収経路Ｌ５に設けられた開閉弁１８を開放し、閉ループＬ１内の冷媒ガスを副圧縮機７により圧送してバッファータンク６内に回収する。これにより、閉ループＬ１内の冷媒ガスの圧力を大気圧近くまで回収にすることができる。
【００５３】
次に、本実施形態の極低温冷凍装置１の常温停止状態から常温で起動した状態、および冷凍運転時の圧力、温度変化からバッファータンク６からの冷媒ガス補充量がどれくらい必要となるかについて、図２を用いて説明する。
【００５４】
図２に示すように、極低温冷凍装置１の閉ループＬ１内の容積を（Ａ）〜（Ｅ）に区分し、バッファータンク６の容積を（Ｆ）とする。ここで、簡単のために（Ａ）〜（Ｅ）の容積はすべて等しく、大気圧（０．１ＭＰａ）、常温状態（３００Ｋ）で（Ａ）〜（Ｅ）の各容積を占める冷媒ガスの量（質量）を「Ｗｔ」とする。
【００５５】
また、極低温冷凍装置１が常温停止状態である時の閉ループＬ１内（（Ａ）〜（Ｅ））の圧力と温度はすべて等しく、０．７ＭＰａ、３００Ｋとする。この時の（Ａ）〜（Ｅ）までの各容積の冷媒ガス量はそれぞれ、７（Ｗｔ）となる。したがって、閉ループＬ１内の全冷媒ガス量は５×７（Ｗｔ）＝３５（Ｗｔ）となる。
【００５６】
主圧縮機２を常温停止状態から起動すると、主圧縮機２から膨張タービン４までの（Ｂ）、（Ｃ）の高圧側は１．０ＭＰａ、膨張タービン４から主圧縮機２までの（Ｄ）、（Ｅ）、（Ａ）の低圧側は０．５ＭＰａとなる。起動直後では、（Ａ）〜（Ｅ）の温度がすべて３００Ｋであるから、この時の（Ａ）〜（Ｅ）の冷媒ガス量は圧力の増減によって、（Ｂ）と（Ｃ）はそれぞれ１０（Ｗｔ）、（Ｄ）、（Ｅ）、（Ａ）はそれぞれ５（Ｗｔ）となり、合計すると全体では２×１０（Ｗｔ）＋３×５（Ｗｔ）＝３５（Ｗｔ）となる。
【００５７】
極低温冷凍装置１の運転を継続すると、膨張タービン４での断熱膨張によって（Ｃ）〜（Ｅ）の温度は降下し、最終的には、（Ｄ）の副熱交換器５の温度は６０Ｋとなる。一方、主熱交換器２の高圧側の入口および低圧側の出口は常温のままであるから、（Ｃ）と（Ｅ）の温度は３００Ｋと６０Ｋの単純平均とし、（３００＋６０）／２＝１８０Ｋとする。
【００５８】
最終的な閉ループＬ１内の冷媒ガス量は、（Ａ）が５（Ｗｔ）、（Ｂ）が１０（Ｗｔ）、（Ｃ）は温度が低下した分、冷媒ガスが増加するため、１０（Ｗｔ）×３００／１８０＝１６．６７（Ｗｔ）となる。（Ｄ）は５（Ｗｔ）×３００／６０＝２５（Ｗｔ）、（Ｅ）は５（Ｗｔ）×３００／１８０＝８．３３（Ｗｔ）となる。
【００５９】
したがって、（Ａ）〜（Ｅ）を合計すると全体では５（Ｗｔ）＋１０（Ｗｔ）＋１６．６７（Ｗｔ）＋２５（Ｗｔ）＋８．３３（Ｗｔ）＝６５（Ｗｔ）となる。極低温冷凍装置１の運転開始前の閉ループＬ１内の冷媒ガス量は３５（Ｗｔ）であるから、運転と冷却の進行によって３０（Ｗｔ）の冷媒ガスをバッファータンク６から閉ループＬ１内に補充しなければならないことになる。
【００６０】
ここで、バッファータンク６の常温停止時の圧力を０．７ＭＰａとし、その容積（Ｆ）を（Ａ）〜（Ｅ）の容積の５倍と仮定すると、バッファータンク６には、大気圧、常温で５（Ｗｔ）だけ冷媒ガスを収納することができ、０．７ＭＰａの時は７×５（Ｗｔ）＝３５（Ｗｔ）となる。本発明に基づきバッファータンク６から副圧縮機７（図２中では省略）を用いて冷媒ガスを昇圧して閉ループＬ１内に３０（Ｗｔ）だけ補充すると、バッファータンク６内の冷媒ガス残量は５（Ｗｔ）となる。すなわち、バッファータンク６の圧力はほぼ大気圧となり、バッファータンク６内の冷媒ガスを有効活用できることになる。
【００６１】
本発明によれば、副圧縮機７を設けることにより、バッファータンク６内の冷媒ガスをほぼ大気圧まで閉ループＬ１内に補充できるが、従来技術ではバッファータンク内の冷媒ガスは閉ループの最低圧力（上記特許文献１の例では０．５ＭＰａ）までしか補充できない。
【００６２】
すなわち、従来技術の極低温冷凍装置において冷媒ガス３０（Ｗｔ）分をバッファータンクから閉ループ内に補充するためには、補充のために使用できる量は０．７ＭＰａから０．５ＭＰａまでであるから、バッファータンクの必要容積は、３０（Ｗｔ）÷（７−５）＝１５（Ｗｔ）となり、大気圧、常温で１５（Ｗｔ）の冷媒ガスを収納する容積が必要となる。
【００６３】
したがって、従来技術に対して本発明では、バッファータンク６の容積は１／３で済み、装置全体の占有スペースが小さくなる。また、バッファータンク６内に貯蔵する冷媒ガス量は、従来技術では７×１５（Ｗｔ）＝１０５（Ｗｔ）となり、本発明では１０５（Ｗｔ）から３５（Ｗｔ）に減少するから、高価で希少な冷媒ガス量も１／３で済む。すなわち、使用されないままバッファータンクに貯蔵される冷媒ガス量は従来と比較して２／３程度削減することができる。
【００６４】
以上説明したように、本実施形態の極低温冷凍装置１及びその運転方法によれば、主圧縮機２の入口側２ａで閉ループＬ１と弁を介して連通するバッファータンク６と、主圧縮機２の入口側２ａの閉ループＬ１内の圧力とバッファータンク６内の圧力とを比較して、圧力の低い側から高い側へ冷媒ガスを圧送する副圧縮機７と、を備えている。これにより、閉ループＬ１内の主圧縮機２の入口側２ａの圧力が所定の圧力以下であって、バッファータンク６内の冷媒ガスの圧力が閉ループＬ１内の主圧縮機２の入口側２ａの圧力よりも高い場合は、バッファータンク６から閉ループＬ１内に直接冷媒ガスを補充し、バッファータンク６内の冷媒ガスの圧力が閉ループＬ１内の主圧縮機２の入口側２ａの圧力よりも低い場合は、バッファータンク６内の冷媒ガスを副圧縮機７により圧送して閉ループＬ１内に補充することができる。また、閉ループＬ１内の主圧縮機２の入口側２ａ及び出口側２ｂの少なくともいずれか一方の圧力が所定の圧力以上であって、バッファータンク６内の冷媒ガスの圧力が閉ループＬ１内の主圧縮機２の入口側２ａの圧力よりも高い場合は、閉ループＬ１内の冷媒ガスを副圧縮機７により圧送してバッファータンク６内に回収することができる。このように、バッファータンク６内に貯蔵された冷媒ガスを副圧縮機７により昇圧して閉ループＬ１内に送り出すことができるため、バッファータンク６内の圧力が大気圧となるまで冷媒ガスを有効利用して閉ループＬ１内に補充することができる。このため、高価で希少な冷媒ガスを利用できないまま、バッファータンク６内に無駄に貯蔵されることがない。したがって、冷媒ガスの使用量を低減しつつ、閉ループＬ１内の冷媒ガスの圧力の調整をすることができる。また、バッファータンク６の容積を減らして設置スペースの縮小を図ることができる。
【００６５】
また、本実施形態の極低温冷凍装置１の運転方法によれば、閉ループＬ１内の冷媒ガスを副圧縮機７によりバッファータンク６内へ圧送することにより、閉ループＬ１内の冷媒ガスの圧力が大気圧となるまで冷媒ガスをバッファータンク６内に回収することができる。これにより、メンテナンス時や装置の故障時に構成機器を開放点検する際、大気中に放出される冷媒ガスの損失量を低減することができる。
【００６６】
さらに、主圧縮機２の出口側（高圧側）２ｂと入口側（低圧側）２ａとを連通するバイパス経路Ｌ６と、該経路Ｌ６の中間部にバイパス弁２０を設け、主圧縮機２の出口側２ｂの圧力が規定値よりも高くなった場合に、バイパス弁２０を開くことで主圧縮機２の出口側２ｂの圧力を規定値以下に保持することができる。これにより、閉ループＬ１内の最高圧力を、極低温冷凍装置１を構成する圧力容器の耐圧強度以下に保持することができる。
【００６７】
また、主圧縮機２をインバーターによって駆動し、主圧縮機２の出口側２ｂの圧力が規定値よりも高くなった場合に、インバーターの出力周波数を変更することで主圧縮機２の運転回転数を降下させ、主圧縮機２の出口側の圧力を規定値以下に保持することができる。これにより、閉ループＬ１内の最高圧力を、極低温冷凍装置１を構成する圧力容器の耐圧強度以下に保持することができる。
【００６８】
また、主圧縮機２の二次側（出口側）に設置されたアフタークーラー１０の出口、あるいは主圧縮機２とアフタークーラー１０との中間位置に逆止弁（チェックバルブ）１１を設置することにより、極低温冷凍装置１の通常運転停止時あるいは緊急停止時に圧縮された冷却ガスが主圧縮機２に逆流して逆回転することを防止することができる。
【００６９】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、本実施形態では、主圧縮機２をターボ圧縮機としたが、レシプロ圧縮機やスクリュー圧縮機としてもよく、また主圧縮機２の出口側２ｂおよび入口側２ａにそれぞれ圧力調節弁を有する経路を設けて、バッファータンク６に接続してもよい。
【００７０】
また、本実施形態の極低温冷凍装置１では、副熱交換器５で熱交換（冷却）する被熱交換体として被冷却体８ａを冷却するための冷媒液８ｂを用いている構成としているが、副熱交換器５や循環ポンプ９を設置することなく、極低温冷凍装置１により極低温に冷却された冷媒ガスを断熱容器８内に導入し、冷媒液８ｂを冷却する、或いは被冷却体８ａに供給することにより被冷却体８ａを直接冷却する構成としても良い。
【符号の説明】
【００７１】
１…極低温冷凍装置
２…主圧縮機
２ａ…入口側
２ｂ…出口側
３…主熱交換器
４…膨張タービン
５…副熱交換器
６…バッファータンク
７…副圧縮機
８…断熱容器
８ａ…被冷却体
８ｂ…冷媒液（冷却液）
９…循環ポンプ
１０…アフタークーラー
１１…逆止弁（チェックバルブ）
１２，１３，１６，１７，１８，１９…開閉弁（弁）
１４…減圧弁
１５…逆止弁
２０…バイパス弁
Ｌ１…閉ループ
Ｌ２…補充・回収経路
Ｌ３…経路
Ｌ４…補充経路
Ｌ５…回収経路
Ｌ６…バイパス経路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒ガスを圧縮、循環させる主圧縮機と、
圧縮した冷媒ガスを戻りの冷媒ガスとの熱交換により冷却する主熱交換器と、
冷却した冷媒ガスを断熱膨張させる膨張タービンと、
前記膨張タービンを出た極低温の冷媒ガスと冷却液とを熱交換させる副熱交換器と、が設けられ、
前記副熱交換器で熱交換した後の冷媒ガスを、前記主熱交換器を介して前記主圧縮機に循環させる循環経路からなる閉ループを備えた極低温冷凍装置であって、
前記主圧縮機の入口側で前記閉ループと弁を介して連通するバッファータンクと、
前記主圧縮機の入口側の前記閉ループ内の圧力と前記バッファータンク内の圧力とを比較して、圧力の低い側から高い側へ冷媒ガスを圧送する副圧縮機と、を備えることを特徴とする極低温冷凍装置。
【請求項２】
前記バッファータンクから前記閉ループの前記主圧縮機の入口側に前記副圧縮機を介して接続する補充経路と、
前記閉ループの前記主圧縮機の入口側から前記バッファータンクに前記副圧縮機を介して接続する回収経路と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍装置。
【請求項３】
前記閉ループの前記主圧縮機の入口側と前記バッファータンクとを前記副圧縮機を介さずに接続する補充・回収経路を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の極低温冷凍装置。
【請求項４】
前記閉ループ内で、前記主圧縮機の入口側と出口側とを連通するバイパス経路を備え、
前記バイパス経路が当該バイパス経路の中間部にバイパス弁を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置。
【請求項５】
前記副圧縮機の入口側に、減圧弁が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の極低温冷凍装置。
【請求項６】
前記副圧縮機は、前記主圧縮機より処理量が小さいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置。
【請求項７】
前記主圧縮機が、インバーターによって駆動されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置。
【請求項８】
前記主圧縮機の出口側に設けられたアフタークーラーと、
前記アフタークーラーの出口側又は前記主圧縮機と前記アフタークーラーとの間に設けられた逆止弁と、を備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置。
【請求項９】
被冷却体と前記冷却液とを収納する断熱容器と、
前記冷却液を前記副熱交換器に循環させる循環ポンプと、をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法であって、
前記閉ループ内の冷媒ガスの、前記主圧縮機の入口側の圧力が所定の圧力以下であり、前記バッファータンク内の冷媒ガスの圧力が前記主圧縮機の入口側の前記閉ループ内の圧力よりも低い場合に、前記バッファータンクから前記副圧縮機に冷媒ガスを導入し、当該副圧縮機によって圧送された冷媒ガスを前記閉ループ内に補充し、
前記閉ループ内の冷媒ガスの、前記主圧縮機の入口側及び出口側の少なくともいずれか一方の圧力が所定の圧力以上であり、前記バッファータンク内の冷媒ガスの圧力が前記主圧縮機の入口側の前記閉ループ内の圧力よりも高い場合に、前記閉ループから前記副圧縮機に冷媒ガスを導入し、当該副圧縮機によって圧送された冷媒ガスを前記バッファータンク内に回収することを特徴とする極低温冷凍装置の運転方法。
【請求項１１】
前記閉ループ内の冷媒ガスを副圧縮機により圧送してバッファータンク内に回収することにより、閉ループ内の冷媒ガスの圧力を大気圧にすることを特徴とする請求項１０に記載の極低温冷凍装置の運転方法。
【請求項１２】
請求項４乃至９のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法であって、
主圧縮機の運転停止時にバイパス弁を開放することを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の極低温冷凍装置の運転方法。
【請求項１３】
請求項５乃至９のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法であって、
前記副圧縮機に冷媒ガスを導入する前に、冷媒ガスの圧力をほぼ大気圧まで減圧することを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法。
【請求項１４】
請求項７乃至９のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法であって、
前記閉ループ内の冷媒ガスの、前記主圧縮機の出口側の圧力が所定の圧力よりも高くなった場合に、前記インバーターの出力周波数を変更して前記主圧縮機の運転回転数を降下させることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法。
【請求項１】
冷媒ガスを圧縮、循環させる主圧縮機と、
圧縮した冷媒ガスを戻りの冷媒ガスとの熱交換により冷却する主熱交換器と、
冷却した冷媒ガスを断熱膨張させる膨張タービンと、
前記膨張タービンを出た極低温の冷媒ガスと冷却液とを熱交換させる副熱交換器と、が設けられ、
前記副熱交換器で熱交換した後の冷媒ガスを、前記主熱交換器を介して前記主圧縮機に循環させる循環経路からなる閉ループを備えた極低温冷凍装置であって、
前記主圧縮機の入口側で前記閉ループと弁を介して連通するバッファータンクと、
前記主圧縮機の入口側の前記閉ループ内の圧力と前記バッファータンク内の圧力とを比較して、圧力の低い側から高い側へ冷媒ガスを圧送する副圧縮機と、を備えることを特徴とする極低温冷凍装置。
【請求項２】
前記バッファータンクから前記閉ループの前記主圧縮機の入口側に前記副圧縮機を介して接続する補充経路と、
前記閉ループの前記主圧縮機の入口側から前記バッファータンクに前記副圧縮機を介して接続する回収経路と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍装置。
【請求項３】
前記閉ループの前記主圧縮機の入口側と前記バッファータンクとを前記副圧縮機を介さずに接続する補充・回収経路を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の極低温冷凍装置。
【請求項４】
前記閉ループ内で、前記主圧縮機の入口側と出口側とを連通するバイパス経路を備え、
前記バイパス経路が当該バイパス経路の中間部にバイパス弁を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置。
【請求項５】
前記副圧縮機の入口側に、減圧弁が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の極低温冷凍装置。
【請求項６】
前記副圧縮機は、前記主圧縮機より処理量が小さいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置。
【請求項７】
前記主圧縮機が、インバーターによって駆動されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置。
【請求項８】
前記主圧縮機の出口側に設けられたアフタークーラーと、
前記アフタークーラーの出口側又は前記主圧縮機と前記アフタークーラーとの間に設けられた逆止弁と、を備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置。
【請求項９】
被冷却体と前記冷却液とを収納する断熱容器と、
前記冷却液を前記副熱交換器に循環させる循環ポンプと、をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法であって、
前記閉ループ内の冷媒ガスの、前記主圧縮機の入口側の圧力が所定の圧力以下であり、前記バッファータンク内の冷媒ガスの圧力が前記主圧縮機の入口側の前記閉ループ内の圧力よりも低い場合に、前記バッファータンクから前記副圧縮機に冷媒ガスを導入し、当該副圧縮機によって圧送された冷媒ガスを前記閉ループ内に補充し、
前記閉ループ内の冷媒ガスの、前記主圧縮機の入口側及び出口側の少なくともいずれか一方の圧力が所定の圧力以上であり、前記バッファータンク内の冷媒ガスの圧力が前記主圧縮機の入口側の前記閉ループ内の圧力よりも高い場合に、前記閉ループから前記副圧縮機に冷媒ガスを導入し、当該副圧縮機によって圧送された冷媒ガスを前記バッファータンク内に回収することを特徴とする極低温冷凍装置の運転方法。
【請求項１１】
前記閉ループ内の冷媒ガスを副圧縮機により圧送してバッファータンク内に回収することにより、閉ループ内の冷媒ガスの圧力を大気圧にすることを特徴とする請求項１０に記載の極低温冷凍装置の運転方法。
【請求項１２】
請求項４乃至９のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法であって、
主圧縮機の運転停止時にバイパス弁を開放することを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の極低温冷凍装置の運転方法。
【請求項１３】
請求項５乃至９のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法であって、
前記副圧縮機に冷媒ガスを導入する前に、冷媒ガスの圧力をほぼ大気圧まで減圧することを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法。
【請求項１４】
請求項７乃至９のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法であって、
前記閉ループ内の冷媒ガスの、前記主圧縮機の出口側の圧力が所定の圧力よりも高くなった場合に、前記インバーターの出力周波数を変更して前記主圧縮機の運転回転数を降下させることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載の極低温冷凍装置の運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−１０６７５５（Ｐ２０１１−１０６７５５Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６２８９６（Ｐ２００９−２６２８９６）
【出願日】平成２１年１１月１８日（２００９．１１．１８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２１年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「イットリウム系超電導電力機器技術開発」に関する委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１８日（２００９．１１．１８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２１年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「イットリウム系超電導電力機器技術開発」に関する委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
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