超低温制冷装置及超低温制冷装置的控制方法

摘要

本发明提供一种超低温制冷装置及超低温制冷装置的控制方法，该超低温制冷装置的控制方法在能够进行多种运行的超低温制冷装置中对多个制冷机的制冷能力分别进行调整。本发明的超低温制冷装置（10）具备：压缩机（12）；多个制冷机（14）；及气体管路（16），其将多个制冷机（14）并联连接于压缩机（12），以使工作气体在多个制冷机（14）中的每一个与压缩机（12）之间循环。气体管路（16）具备流量控制阀（54），该流量控制阀能够对多个制冷机（14）中相对应的制冷机（14）的工作气体流动的压力损失分别进行控制。流量控制阀（54）串联设置于所对应的制冷机（14）上。

说明书

本申请主张基于2013年3月4日申请的日本专利申请第2013-041438号 的优先权。该申请的所有内容通过参考援用于本说明书中。

技术领域

本发明涉及一种超低温制冷装置及超低温制冷装置的控制方法。

背景技术

已知有一种蓄冷式制冷裝置，其构成为向制冷机供给通过压缩机进行压缩 的高压氦气，且使在制冷机中膨胀且压力下降的低压氦气重新返回到压缩机， 其中，在制冷机侧设置温度传感器，并设置具备被基于该温度传感器产生的信 号所控制的流量控制阀的旁通通路，且通过控制工作气体的高压侧与低压侧之 间的压力差，从而能够控制制冷机的温度。

专利文献1：日本特开平11-281181号公报

上述制冷装置中相对于1台压缩机设置有1台制冷机。最近，为了节能及 降低成本，取而代之的有相对于1台压缩机设置有多台制冷机。多台制冷机例 如安装于一种大型装置的多处，或安装于多个同种装置中的每一个。这种超低 温制冷装置中，使用其共同的压缩机来同时运行多台制冷机，进行所谓多种运 行。

发明内容

本发明的一种方式的示例性目的之一在于，在能够进行多种运行的超低温 制冷装置中，对多个制冷机的制冷能力分别进行调整。

根据本发明的一种方式，提供一种超低温制冷装置，其中，具备：工作气 体源；多个制冷机；及气体管路，其将所述多个制冷机并联连接于所述工作气 体源，以使工作气体在所述多个制冷机中的每一个与所述工作气体源之间循 环，所述气体管路具备控制要件，该控制要件能够对所述多个制冷机中相对应 的制冷机的工作气体流动的压力损失分别进行控制，所述控制要件串联设置于 所述对应的制冷机上。

根据本发明的一种方式，提供一种超低温制冷装置的控制方法，其具备： 使用共同的工作气体源来同时运行多个制冷机，及对所述工作气体源与所述多 个制冷机之间的工作气体流动的压力损失分别进行控制。

另外，以上构成要件的任意组合和对本发明的构成要件及表现,在方法、 装置及系统等之间彼此替换也作为本发明的方式仍然有效。

发明效果

根据本发明，能够在可进行多种运行的超低温制冷装置中，对多个制冷机 的制冷能力分别进行调整。

附图说明

图1是概略地表示本发明的一实施方式所涉及的超低温制冷装置的整体结 构图。

图2是用于说明本发明的一实施方式所涉及的超低温制冷装置的控制方法 的流程图。

图中：10-超低温制冷装置，12-压缩机，14-制冷机，16-气体管路，42- 主高压配管，46-高压个别配管，48-主低压配管，52-低压个别配管，54-流量 控制阀，58-压缩机控制部，62-温度控制部。

具体实施方式

图1是概略地表示本发明的一实施方式所涉及的超低温制冷装置10的整 体结构图。该实施方式中，超低温制冷装置10例如设置于具备超导设备或其 他被冷却物1的装置2上。该装置2例如为核磁共振图像装置，此时被冷却物 1为超导磁体。装置2也可为低温泵，此时被冷却物1为低温板。

超低温制冷装置10具备具有压缩机12的工作气体源和多个制冷机14。并 且，超低温制冷装置10具备将多个制冷机14并联连接于压缩机12的气体管 路16。气体管路16构成为使工作气体在多个制冷机14的每一个与压缩机12 之间循环。工作气体例如为氦气。

压缩机12具备：吸入端口18，用于从气体管路16接收低压工作气体；及 吐出端口20，用于向气体管路16输出高压工作气体。压缩机12具备：压缩机 主体（未图示），用于压缩工作气体；及压缩机马达21，用于驱动压缩机主 体。压缩机12具备：第1压力传感器22，用于测定低压工作气体的压力；及 第2压力传感器24，用于测定高压工作气体。这些压力传感器也可设置于气体 管路16的适当的部位。

制冷机14例如为吉福德-麦克马洪式制冷机（所谓GM制冷机）或脉冲管 制冷机这种蓄冷式超低温制冷机。制冷机14具备：高压端口26，用于从气体 管路16接收高压工作气体；及低压端口28，用于向气体管路16输出低压工作 气体。制冷机14具备用于测定制冷机14的冷却温度的至少1个温度传感器。 制冷机14例如为二级式制冷机，此时制冷机14具备：第1温度传感器30，用 于测定第1级低温端的温度；及第2温度传感器32，用于测定第2级的低温端 的温度。

制冷机14具备工作气体的膨胀室34。膨胀室34中容纳有蓄冷器（未图 示）。制冷机14具备用于以某种频率进行热循环的驱动部36。驱动部36构成 为以恒定的热循环频率运行制冷机14。在该热循环中，高压的工作气体从高压 端口26经由蓄冷器而供给至膨胀室34，在膨胀室34中膨胀并冷却，其结果被 减压的工作气体从膨胀室34经由蓄冷器而向低压端口28排出。

制冷机14例如为GM制冷机时，驱动部36具备置换器机构、流路切换机 构及驱动源。置换器机构构成为使高压工作气体经由蓄冷器供给于膨胀室34， 且使低压工作气体经由蓄冷器从膨胀室34排出。蓄冷器安装于置换器机构。 流路切换机构构成为将膨胀室34的连接处在高压端口26和低压端口28切 换。为实现热循环（即GM循环），驱动源构成为同步驱动置换器机构及流路 切换机构。

气体管路16具备：高压管路38，用于从压缩机12向多个制冷机14供给 高压工作气体；及低压管路40，用于从多个制冷机14将低压工作气体回收到 压缩机12。高压管路38连接压缩机12的吐出端口20与制冷机14的高压端口 26。低压管路40连接压缩机12的吸入端口18与制冷机14的低压端口28。

高压管路38具备主高压配管42、高压分支部44及多个高压个别配管 46。主高压配管42将压缩机12的吐出端口20连接于高压分支部44。高压分 支部44将主高压配管42向多个高压个别配管46分支。多个高压个别配管46 的每一个将高压分支部44连接于所对应的制冷机14的高压端口26。

同样地，低压管路40具备主低压配管48、低压分支部50及多个低压个别 配管52。主低压配管48将压缩机12的吸入端口18连接于低压分支部50。低 压分支部50将主低压配管48向多个低压个别配管52分支。多个低压个别配 管52的每一个将低压分支部50连接于所对应的制冷机14的低压端口28。

如此，主高压配管42及主低压配管48构成气体管路16的主流路，且高 压个别配管46及低压个别配管52构成气体管路16的单个流路。主流路上配 置有压缩机12。多个单个流路上分别配置有所对应的制冷机14。制冷机14通 过各单个流路而连接于主流路。通过主流路及单个流路，形成压缩机12与各 制冷机14之间的工作气体的循环流路。

气体管路16具备多个制冷机14和相同数量的流量控制阀54。各流量控制 阀54分别串联设置于所对应的制冷机14。流量控制阀54配置于高压个别配管 46，且邻接于制冷机14的高压端口26的外侧。如此，多个流量控制阀54以 制冷机14和流量控制阀54一对一对应的方式配置在气体管路16。

流量控制阀54构成为调节其开度来调整高压个别配管46的压力损失Δ P1，且由此来控制高压个别配管46的工作气体流量。流量控制阀54例如进行 所谓Cv值控制。各流量控制阀54分别设置于气体管路16的单个流路，因此 能够对向所对应的制冷机14的供给气体流动的压力损失ΔP1分别进行控制。

将流量控制阀54设置在高压个别配管46上，可能比设置在低压个别配管 52上时更有利。压力损失ΔP1在制冷机14的高压侧产生，因此能够使制冷机 14的运行压力下降。其结果，能够减少制冷机14的内部的压力损失对制冷能 力的影响。

另外，流量控制阀54也可安装于制冷机14上而构成一体的制冷机单元。 或者，流量控制阀54也可以是通过配管连接于制冷机14的分体的压力损失控 制要件。

超低温制冷装置10具备压缩机单元56。压缩机单元56具备压缩机12和 用于控制压缩机12的压缩机控制部58。压缩机控制部58具备用于改变压缩机 马达21的运行频率的压缩机变频器60。压缩机控制部58构成为根据第1压力 传感器22和/或第2压力传感器24的测定压力来控制压缩机马达21的运行频 率。

压缩机控制部58例如将压缩机12的高压与低压的差压控制为目标压力。 以下将其称为差压恒定控制。压缩机控制部58为了差压恒定控制而控制压缩 机12的运行频率。另外，可根据需要在差压恒定控制的执行过程中改变差压 的目标值。

差压恒定控制中，压缩机控制部58求出第1压力传感器22的测定压力与 第2压力传感器24的测定压力的差压。压缩机控制部58决定压缩机马达21 的运行频率，以使该差压与目标值ΔP一致。压缩机控制部58控制压缩机变频 器60来实现其运行频率。

并且，超低温制冷装置10具备用于控制多个制冷机14的冷却温度的温度 控制部62。温度控制部62构成为根据多个制冷机14的第1温度传感器30和/ 或第2温度传感器32的测定温度，对多个流量控制阀54分别进行控制。

温度控制部62将制冷机14的第1级（或第2级）的冷却温度控制成目标 温度。温度控制部62以使其中某个制冷机14的第1温度传感器30的测定温 度与目标温度一致的方式，对与该制冷机14对应的流量控制阀54的开度进行 调节。目标温度可在制冷机14运行时恒定，也可改变。这种温度控制例如在 制冷机14的稳定的冷却运行中执行。

或者，温度控制部62也可以控制流量控制阀54，以使制冷机14的第1级 （或第2级）的冷却温度发生变化。温度控制部62也可根据其中某个制冷机 14的运行状态来控制与该制冷机14对应的流量控制阀54。例如，在制冷机14 启动运行时，流量控制阀54打开为某设定开度（例如全开），在启动运行后 续的稳定运行中，也可将流量控制阀54控制为比其小的开度。

对超低温制冷装置10的动作进行说明。通过压缩机12的运行，在气体管 路16的主高压配管42与主低压配管48之间施加有相当于目标差压ΔP的差 压。即，将压缩机12的吸入压力表示为P时，压缩机12的吐出压力表示为P+ ΔP。因此，具有压力P+ΔP的高压工作气体从压缩机12输出至高压管路38。 高压工作气体从压缩机12通过主高压配管42由高压分支部44分配至高压个 别配管46。制冷机14的膨胀室34连接于高压个别配管46时，高压工作气体 从高压管路38供给至膨胀室34。

此时，高压工作气体通过高压个别配管46的流量控制阀54而供给相对应 的制冷机14。流量控制阀54对高压个别配管46的工作气体流动施加压力损失 ΔP1。因此，制冷机14的膨胀室34中供给有具有压力P+ΔP-ΔP1的工作气 体。

膨胀室34连接于低压个别配管52时，在膨胀室34中高压工作气体膨胀 并进行PV做功，在制冷机14中产生冷能。工作气体从压力P+ΔP-ΔP1减压 至压力P。即膨胀室34的吸气压力与排气压力的差压为ΔP-ΔP1，这在以下表 示为ΔP2（即，ΔP2=ΔP-ΔP1）。

低压工作气体从膨胀室34向低压管路40排出。低压工作气体从制冷机14 通过低压个别配管52在低压分支部50合流。低压工作气体通过主低压配管48 返回到压缩机12。如此，具有压力P的低压工作气体从低压管路40回收到压 缩机12。压缩机12压缩回收的工作气体，且升压至压力P+ΔP。如此获得的 高压工作气体重新从压缩机12供给至制冷机14。

通常，制冷机的制冷能力与膨胀室的吸气压力与排气压力的差压和膨胀室 的容积之积，即PV做功有关（理想情形为相一致）。典型的制冷机中，能够 通过改变热循环频率来控制制冷能力并调节冷却温度。这在概念上相当于在制 冷机的PV做功中调整膨胀室容积V。

与此相对，本实施方式基于在制冷机14的PV做功中调整差压P的构思。 制冷机14的制冷能力与膨胀室34的吸气压力与排气压力的差压ΔP2和膨胀室 34的容积V之积ΔP2·V有关。膨胀室34的差压ΔP2如上述，根据压缩机12 的差压ΔP和流量控制阀54的压力损失ΔP1决定。因此，通过改变压力损失 ΔP1，能够控制制冷机14的制冷能力并调节冷却温度。

若减小某流量控制阀54的开度，则压力损失ΔP1变大。如此一来，与该 流量控制阀54对应的制冷机14的膨胀室34的差压ΔP2（=ΔP-ΔP1）以互补 方式变小，该制冷机14的PV做功减少。因此，制冷机14的制冷能力变小， 制冷机14升温。相反，若加大流量控制阀54的开度，则压力损失ΔP1变小。 如此一来，膨胀室34的差压ΔP2以互补方式变大，制冷机14的PV做功增 加。因此，制冷机14的制冷能力变大，制冷机14降温。

压缩机12为多个制冷机14中共同的气体源，因此压缩机12的差压ΔP在 多个制冷机14中也是共同的。因此，压缩机差压的调整并不会实现制冷机14 的个别的温度控制。但是，根据本实施方式，能够按每个制冷机14的流量控 制阀54的压力损失ΔP1，因此能够对多个制冷机14的制冷能力分别进行控 制。

根据本实施方式，能够提供一种新的温度调节控制方式来代替改变制冷机 的热循环频率这种现有的温度调节控制方式。该新方式能够以在气体管路16 上设置流量控制阀54这种简单的结构来实现，因此与现有的方式相比可能在 成本方面有利。

并且，根据本实施方式，无需改变制冷机14的热循环频率，因此能够提 供一种不具备变频器的制冷机14的超低温制冷装置10。制冷机14不具有变频 器，从而没有因变频器引起的噪声。因此，超低温制冷装置10适于要求降低 噪声的装置，例如核磁共振图像装置的冷却。

本实施方式中，将气体管路16的流量控制与压缩机的差压恒定控制配合 使用。这起到提高超低温制冷装置10的节能性能的作用。流量控制阀54的开 度较小时，工作气体变得难以流过气体管路16，因此压缩机12的差压增大。 如此一来，压缩机12的运行频率下降，以使差压返回目标值。如此能够降低 压缩机12的耗电。由此，为了降低制冷机14的剩余的制冷能力而减小流量控 制阀54时，能够抑制压缩机12的耗电。相反，根据需要打开流量控制阀54， 由此能够增强制冷机14的制冷能力，并且提高压缩机12的运行频率。与使压 缩机12以高频率稳定地运行时相比，能够降低压缩机12的耗电。

在压缩机的高压侧与低压侧之间设置旁通通道时，为了压缩流过旁通通道 的高压气体而消耗的能量并不会有助于制冷机的制冷能力。与此相对，根据本 实施方式，超低温制冷装置10不具有这种旁通通道，不存在由旁通通道产生 的能量消耗。这也有利于节能。

图2是用于说明本发明的一实施方式所涉及的超低温制冷装置10的控制 方法的流程图。该方法例如通过温度控制部62执行。如图示，开始超低温制 冷装置10的运行（S10）。使用共同的压缩机12，多个制冷机14同时运行。

该控制方法具备多个制冷机14的整体控制（S12）和制冷机14的个别控 制（S14）。整体控制包括分别监控多个制冷机14的冷却温度，同时从初始温 度（例如室温）向目标温度接近。整体控制中流量控制阀54均设定为某开度 （例如全开）。任一制冷机14达到目标温度时，温度控制部62结束整体控制 而转换为个别控制。个别控制包括对与多个制冷机14分别对应的单个流路的 压力损失分别进行控制。个别控制中流量控制阀54被控制。也就是说整体控 制为粗略的温度调整，个别控制为精密的温度调整。另外，温度控制部62也 可从开始运行超低温制冷装置10时执行个别控制。

例如，整体控制中多个制冷机14的任一个冷却至目标温度以下。最高温 的制冷机14冷却至目标温度时，温度控制部62结束整体控制而转换为个别控 制。此时，其他制冷机14被冷却得比目标温度更低温。在个别控制中，通过 减小流量控制阀54的开度，所对应的制冷机14的冷却温度升温至目标温度。 如此，能够将多个制冷机14分别冷却成目标温度。

因制冷机14的个体差异和压缩机12与制冷机14之间的位置关系等主要 原因，制冷机14的运行中有可能产生偏差。例如，有可能在制冷机14之间， 在冷却温度上产生差异。通过制冷机14的个别控制，能够减轻这种运行的偏 差。

以上，基于实施例对本发明进行了说明。但本发明并不限于上述实施方 式，能够进行各种设计改变，能够实施各种变形例，并且这样的变形例也属于 本发明的范围内，这对本领域技术人员来讲是可以理解的。

上述实施方式中，超低温制冷装置10具备1台压缩机12。然而，超低温 制冷装置10也可具备具有多个压缩机12的工作气体源。此时，多个压缩机12 也可相对于多个制冷机14并联连接。即，气体管路16也可构成为多个压缩机 12并联连接于多个制冷机14中任一制冷机。例如，气体管路16可以在每个压 缩机12中具备主高压配管42及主低压配管48，且主高压配管42及主低压配 管48分别与高压分支部44及低压分支部50连接。因此，气体管路16也可具 备多个主高压配管42及主低压配管48、高压分支部44及低压分支部50、及 多个高压个别配管46及低压个别配管52。

上述实施方式中，气体管路16为了控制工作气体流动的压力损失而具备 流量控制阀54。然而，工作气体流动的压力损失控制要件并不限定于流量控制 阀54。气体管路16也可具备用于控制工作气体流量的例如开闭阀或如可变节 流器这种流量控制机构，或者具备其他压力损失控制要件。可变节流器例如包 括流量控制阀54、可变节流孔。

这种压力损失控制要件也可设置于气体管路16的单个流路的任意部位 （例如低压个别配管52），也可设置于制冷机14中。多个压力损失控制要件 也可设置于1个制冷机中。例如，多个流量控制阀54或可变节流器也可串联 设置于高压个别配管46和/或低压个别配管52上。

压力损失控制要件可具备多个分支流路。例如，压力损失控制要件具备形 成气体管路16的单个流路的一部分的第1分支流路和并列设置于第1分支流 路上的第2分支流路。第1分支流路被开放，且第2分支流路上设置有流量控 制阀等可变节流器。如此一来，能够通过第1分支流路来确保单个流路中的流 动。能够根据需要改变第2分支流路的流量，且控制单个流路中的流量。

并且，超低温制冷装置10也可具备比制冷机14数量更少的压力损失控制 要件。此时，多个制冷机14中部分制冷机14也可一对一地与压力损失控制要 件对应。使用压力损失控制要件来控制这些部分制冷机14的制冷能力，其他 的制冷机14中不使用压力损失控制要件。这些其他的制冷机14中也可进行热 循环频率控制或其他制冷能力控制。

或者，也可将多个制冷机14区分为几个组，每一组中设置有1个压力损 失控制要件，使用该压力损失控制要件来控制相应组的制冷机14的制冷能 力。

上述实施方式中，制冷机14的驱动部36构成为以恒定的热循环频率运行 制冷机14。然而，驱动部36也可构成为能够改变热循环频率。通过配合使用 制冷机14的热循环频率控制和气体管路16的流量控制，从而能够扩大制冷机 14的制冷能力的控制范围。

制冷机14可具备加热器。此时，为了在个别控制中使制冷机14升温，也 可使用加热器。