(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却対象を冷却するための冷凍設備であって、
寒冷循環路が設けられており、
寒冷循環路内を循環する寒剤を圧縮するために働く少なくとも１つの圧縮機が設けられており、
第１〜第６の熱交換器（ＨＸ１，ＨＸ２，ＨＸ３，ＨＸ４，ＨＸ５，ＨＸ６）が設けられており、該熱交換器内で寒剤が、該寒剤自体に対して冷却されるようになっており、
互いに異なる温度レベルで作動する第１及び第２の膨張装置（ＴＵ１，ＴＵ２）が設けられており、該膨張装置内で少なくとも一時的に寒剤の少なくとも一部分流が膨張されて寒冷を発生させるようになっている、
形式の冷凍設備において、
第３の膨張装置（ＴＵ３）が設けられており、該第３の膨張装置（ＴＵ３）は、寒冷循環路内を循環する寒剤が冷却対象の冷却後に少なくとも一時的に少なくとも部分的に前記第３の膨張装置（ＴＵ３）内で膨張されて寒冷を発生させるように寒冷循環路内に組み込まれており、
前記第１〜第３の膨脹装置（ＴＵＩ，ＴＵ２，ＴＵ３）において膨脹され寒冷を発生させられた寒剤が、冷却対象から引き出された寒剤流に混加されるように、前記第１〜第３の膨脹装置が寒冷循環路内に組み込まれていることを特徴とする、冷却対象を冷却するための冷凍設備。
【請求項２】
請求項１に記載の冷凍設備を運転するための方法において、
冷却過程の開始時に、冷却対象により加熱された寒剤を、第２の熱交換器（ＨＸ２）における冷却後に前記第３の膨張装置（ＴＵ３）に供給し、該第３の膨張装置（ＴＵ３）において膨張させ寒冷を発生させ、膨張された寒剤部分流を、第４の熱交換器（ＨＸ４）と第３の熱交換器（ＨＸ３）と第２の熱交換器（ＨＸ２）と第１の熱交換器（ＨＸ１）とを通過させた後に前記圧縮機の上流側に案内し、
冷却対象に供給する寒剤の部分流を、前記第２の膨張装置（ＴＵ２）に供給し、該第２の膨張装置（ＴＵ２）において膨張させ寒冷を発生させ、冷却対象から引き出された寒剤流に混加させ、
圧縮された寒剤流の一部を前記第１の膨張装置（ＴＵ１）に供給し、膨張が行われた後に、前記第３の膨張装置（ＴＵ３）に供給された寒剤流に混加させ、
冷却過程の次の段階では、冷却対象に供給される寒剤を２つの部分流に分割し、第１の寒剤部分流は、前記第１の膨張装置（ＴＵ１）を介して冷却対象に供給し、第２の寒剤部分流は、前記第２の膨張装置（ＴＵ２）を介して冷却対象に供給し、この冷却過程の間、前記第３の膨張装置（ＴＵ３）に供給する寒剤流を徐々に減じ、
冷却過程の最後の段階では、前記第３の膨張装置（ＴＵ３）を停止し、圧縮された寒剤流を、並列に、ただし互いに異なる温度レベルで作業する前記第１及び第２の膨張装置（ＴＵ１，ＴＵ２）を介してのみ、冷却対象へ流す
ことを特徴とする、冷凍設備を運転するための方法。
【請求項３】
請求項１に記載の冷凍設備の使用において、当該冷凍設備が、極低温冷却対象の冷却のために働くことを特徴とする、冷凍設備の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却対象を冷却するための冷凍設備であって、
−  寒冷循環路が設けられており、
−  寒冷循環路内を循環する寒剤を圧縮するために働く少なくとも１つの圧縮機が設けられており、
−  複数の熱交換器が設けられており、該熱交換器内で寒剤が、該寒剤自体に対して冷却されるようになっており、
−  互いに異なる温度レベルで作動する少なくとも２つの膨張装置が設けられており、該膨張装置内で少なくとも一時的に寒剤の少なくとも一部分流が膨張されて寒冷を発生させるようになっている、
形式の冷凍設備に関する。
【０００２】
さらに本発明は、冷凍設備を運転するための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
冒頭で述べた形式の冷凍設備ならびに冒頭で述べた、冷凍設備を運転するための方法は、たとえば未公開のドイツ連邦共和国特許出願第１０２０１１００９９６５号明細書に基づき公知である。
【０００４】
このような形式の冷凍設備は通常、冷却対象である極低温負荷（kryogen. Last）、たとえば超伝導電磁石の冷却もしくは加熱のために使用される。このためには、クロードプロセス（Claude-Prozess）が使用される。冷却はたいていの場合、周辺温度から５Ｋの温度にまで行われる。クロードプロセスは規定された冷却温度に合わせて設計されている。たとえば超伝導電磁石のコントロールされた冷却または加熱の際のように、別の温度レベルにおける冷却が必要とされる場合、特に寒冷を発生させる膨張段の内部には流れ横断面が十分に与えられている。このことは、存在する圧縮機質量流がこれらの膨張段において部分的にしか利用され得なくなるという結果を招く。すなわち、設備駆動出力はこのような時間の間、制限された規模でしか寒冷発生のために提供されていない。
【０００５】
この問題を回避するために、既に実現されている解決手段では、利用不可能な圧縮機質量流が冷却対象の冷却を補助する前に、この圧縮機質量流が補助寒剤（通常は液体窒素）によって付加的な熱交換器を介して冷却され、かつ混合区間にわたり温度調節される。しかしこの場合に不都合となるのは、全圧縮機質量流の利用が、付加的な補助寒剤消費によってしか可能とならないことである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ドイツ連邦共和国特許出願第１０２０１１００９９６５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、冒頭で述べた形式の冷凍設備を改良して、補助寒剤が使用されなければならない必要なしに、ほぼあらゆる温度レベルにおいても全圧縮機質量流の利用が可能となるような冷凍設備を提供することである。
【０００８】
さらに本発明の課題は、このような冷凍設備を運転するための方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題を解決するために本発明の冷凍設備の構成では、少なくとも１つの別の膨張装置（第３の膨張装置）が設けられており、該別の膨張装置は、寒冷循環路内を循環する寒剤が冷却対象の冷却後に少なくとも一時的に少なくとも部分的に前記別の膨張装置内で膨張されて寒冷を発生させるように寒冷循環路内に組み込まれているようにした。
【００１０】
さらに上記課題を解決するために本発明の冷凍設備を運転するための方法では、圧縮機質量流を冷却過程および／または加熱過程の間、実質的にいかなる時点でも全圧縮機質量流が、冷却したい冷却対象の冷却のために働くように前記３つの膨張装置に分配するようにした。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による冷凍設備では、補助寒剤が使用されなければならない必要なしに、ほぼあらゆる温度レベルにおいても全圧縮機質量流の利用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による冷凍設備の１実施形態を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。
【００１４】
図１に示した冷凍設備は、複数の熱交換、つまり第１〜第６の熱交換器ＨＸ１，ＨＸ２，ＨＸ３，ＨＸ４，ＨＸ５，ＨＸ６と、分離器Ｄと、複数の制御弁、つまり第１〜第９の制御弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ９と、３つの膨張装置、つまり３つの膨張装置ＴＵ１，ＴＵ２，ＴＵ３とを有している。以下に、本発明による冷凍設備によって冷却したい極低温の冷却対象の冷却過程ならびに加熱過程について詳しく説明する。
【００１５】
冷却過程の開始時に、冷却したい極低温冷却対象の温度は約３００Ｋである。管路１を介して、図示されていない圧縮機によって所望の循環圧にまで圧縮された寒剤が第１の熱交換器ＨＸ１に供給される。第７の制御弁Ｖ７が開放された状態で、寒剤の部分流が管路区分１，２，３を介して、冷却したい冷却対象（負荷）に供給される。加熱された寒剤は、第９の制御弁Ｖ９が開放された状態において、冷却対象から管路４を介して引き出されて、第２の熱交換器ＨＸ２における冷却後に管路区分４´，２０，２１を介して第３の膨張装置ＴＵ３に供給され、この第３の膨張装置ＴＵ３において膨張されて寒冷を発生させる。
【００１６】
引き続き、膨張された寒剤部分流は管路区分２２，２３，６を介して第４の熱交換器ＨＸ４と第３の熱交換器ＨＸ３と第２の熱交換器ＨＸ２と第１の熱交換器ＨＸ１とを通過した後に再び本発明による冷凍設備の圧縮機もしくは圧縮ユニットの手前（上流側）に案内される。
【００１７】
冷却対象に供給された寒剤の部分流は、第２の制御弁Ｖ２が開放されている状態で管路１３を介して第２の膨張装置ＴＵ２に供給され、この第２の膨張装置ＴＵ２において膨張されて寒冷を発生させ、そして引き続き管路区分１４，１５を介して、管路区分４´内の、冷却対象から引き出された寒剤流に混加される。第３の熱交換器ＨＸ３はバイパス管路１２を有しており、このバイパス管路１２には第４の制御弁Ｖ４が配置されている。第２第４の両制御弁Ｖ２，Ｖ４によって、第２の膨張装置ＴＵ２の入口温度を閉ループ式に制御することができる。
【００１８】
第３の膨張装置ＴＵ３に供給されなかった寒剤流は、第５の制御弁Ｖ５が配置されている管路５を介して低圧へ膨張されるか、もしくは管路６内の寒剤流に混加される。戻し温度が低下するにつれて、第５の制御弁Ｖ５を経由する通流量は徐々に減少し、最終的には完全に減少する。
【００１９】
それと同時に、第１の膨張装置ＴＵ１が接続され、この第１の膨張装置ＴＵ１は、戻し温度が低下するにつれて増幅されて出力負荷される。このためには、第１の制御弁Ｖ１が配置されている管路１０を介して、圧縮された寒剤流の一部が第１の膨張装置ＴＵ１に供給され、膨張が行われた後に、管路１１を介して、第３の膨張装置ＴＵ３に供給された寒剤流に混加される。
【００２０】
この冷却段階の間、永続的に小量の寒剤部分流が、僅かに開放された第６の制御弁Ｖ６と第８の制御弁Ｖ８とを介して、第６の熱交換器ＨＸ６と第５のＨＸ５とに供給され、これにより第６の熱交換器ＨＸ６と第５の熱交換器ＨＸ５とが同時に一緒に冷却される。
【００２１】
前で説明したプロセスもしくは過程によって、冷却対象を約１００Ｋの温度に冷却することができる。引き続き約３０Ｋの温度への冷却を達成するためには、第７の制御弁Ｖ７と第９の制御弁Ｖ９とが閉鎖され、第６の制御弁Ｖ６と第８の制御弁Ｖ８とがさらに開放される。
【００２２】
次いで、冷却対象に供給される寒剤は、２つの部分流に分割される。第１の寒剤部分流は第１の膨張装置ＴＵ１を介して案内され、ひいては管路区分１０，１１，２０，１５，４０を介して、冷却対象に供給され、それに対して第２の寒剤部分流は、第２の膨張装置ＴＵ２を介して、ひいては管路区分２，１３，１４，４０を介して、冷却対象に供給される。冷却過程の間、第３の膨張装置ＴＵ３に供給される質量流は徐々に減じられ、最終的に第３の膨張装置ＴＵ３には、この第３の膨張装置ＴＵ３の上流側に接続された第１の膨張装置ＴＵ１からのみ質量流が供給される。
【００２３】
冷却過程の最後の段階（この場合には約５Ｋの温度への冷却対象の冷却が行われる）を実現するために、第３の膨張装置ＴＵ３は戻し温度が低下するにつれてますます強く絞られてゆき、最後には停止させられる。圧縮機質量流は、この場合に並列に、ただし互いに異なる温度レベルで作業する第１第２の両膨張装置ＴＵ１，ＴＵ２を介してのみ、冷却対象へ流れる。冷却対象から戻る寒剤流は、第８の制御弁Ｖ８を介して相分離器Ｄ内へ放出される。この温度で生じるジュール・トムソン効果（Joule-Thomson-Effekt）により、この寒剤流はもう一度冷却され、かつ部分的に液化する。液化された寒剤は管路区分３２を介して第６の熱交換器ＨＸ６を通って案内され、向流の形で蒸発され、相分離器Ｄからの蒸気成分は管路区分３１を介して直接に第５の熱交換器ＨＸ５に案内される。
【００２４】
加熱過程の間は、前で説明した方法シーケンスが逆の順序で実施される。
【００２５】
前で説明した方法実施から判るように、全圧縮機質量流は冷却過程および加熱過程のいずれの段階においても完全に冷却のために提供されている。
【００２６】
たとえば冒頭で挙げたドイツ連邦共和国特許出願第１０２０１１００９９６５号明細書に記載されているような冷凍設備に比べて、本発明による冷凍設備は、所属の弁を含めて少なくとも３つの付加的なプロセス管路を有している。これにより、残った圧縮機質量流の分配が可能となる。この分配は、いかなる時点でも全圧縮機質量流を極低温冷却対象の冷却のために利用することを可能にする。
【００２７】
本発明による冷凍設備を用いると、もしくは本発明による冷凍設備により実現可能となる方法を用いると、全圧縮機質量流を寒冷発生のために利用することができる。これによって、本発明による冷凍設備は運転時に、つまり極低温冷却対象の冷却過程ならびに加熱過程の間、最大効率を達成する。これにより、これまで必要とされていた付加的な補助寒剤の使用を不要にすることができる。
【符号の説明】
【００２８】
ＨＸ１，ＨＸ２，ＨＸ３，ＨＸ４，ＨＸ５，ＨＸ６  熱交換器
Ｄ  分離器
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ９  制御弁
ＴＵ１，ＴＵ２，ＴＵ３  膨張装置
【図１】
0006032905.tif 000002