(57)【要約】【課題】作動流体の汚染のおそれを無くすと共に、必要な圧力まで作動流体を昇圧して冷凍機に封入する。【解決手段】メタルべローズポンプ４を用いて作動流体を昇圧して循環流路３で循環させながら、精製部５で作動流体を精製する。また、精製部５で精製された作動流体を、冷却部２０で冷却した後、昇温して圧力を上昇させる。これにより、必要な圧力まで作動流体を昇圧して、冷凍機に作動流体を封入させることができる。また、樹脂が使用されていないメタルべローズポンプを用いて作動流体を循環さえることができるので、アウトガスの発生がほとんどなく、作動流体が汚染されることを抑制できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍機に作動流体を封入する冷凍機用作動流体封入装置であって、
金属材料によって形成された流路を有し前記作動流体を昇圧するメタルべローズポンプ、及び前記作動流体を精製する精製部を経由する循環流路と、
前記循環流路に接続され、前記精製部で精製された前記作動流体を冷却する冷却部と、
前記冷却部で冷却した後に昇温された前記作動流体を前記冷凍機に導入するための作動流体導入流路と、を備えることを特徴とする冷凍機用作動流体封入装置。
【請求項２】
前記メタルべローズポンプと前記冷却部との間に、前記作動流体導入流路への接続部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機用作動流体封入装置。
【請求項３】
前記循環流路には、前記メタルべローズポンプの下流であり、前記作動流体導入流路への接続部の上流に、前記作動流体の流れを止める閉止弁が接続されていることを特徴とする請求項２に記載の冷凍機用作動流体封入装置。
【請求項４】
冷凍機に作動流体を封入する方法であって、
メタルべローズポンプを用いて循環流路内で前記作動流体を循環させながら、前記作動流体を精製する精製工程と、
前記精製工程で精製された前記作動流体を冷却する冷却工程と、
前記冷却工程で冷却された前記作動流体を昇温する昇温工程と、
前記昇温工程で昇温された前記作動流体を前記冷凍機に導入する導入工程と、を備えることを特徴とする冷凍機への作動流体封入方法。
【請求項５】
前記冷却工程では、前記作動流体を冷却しながら貯留することを特徴とする請求項４に記載の冷凍機への作動流体封入方法。
【請求項６】
前記導入工程では、前記作動流体を冷却する冷却部と前記メタルべローズポンプとの間に配置された閉止弁を閉じて、前記メタルべローズポンプへの前記作動流体の流入を防止して、前記冷却部から前記冷凍機に前記作動流体を導入することを特徴とする請求項４又は５に記載の冷凍機への作動流体封入方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍機に作動流体を封入する冷凍機用作動流体封入装置、及び冷凍機への作動流体封入方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
作動流体（冷媒）を圧縮し膨張させ、作動流体と対象物との熱交換を行って対象物の温度を下げる冷凍機として、例えばＪＴ（Ｊｏｕｌｅ−Ｔｈｏｍｓｏｎ）冷凍機、スターリング冷凍機及びＧＭ（Ｇｉｆｆｏｒｄ−Ｍｃｍａｈｏｎ）冷凍機などが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３４３０７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような冷凍機を使用するには、冷凍機に作動流体を封入する必要があり、作動流体を封入する際にはべローズポンプが使用されていた。作動流体が流れる流路を形成する材料に、樹脂が使用されている場合には、真空環境下において樹脂（有機材料）からアウトガスが発生し、作動流体が汚染されるおそれがある。そのため、作動流体に触れる部分が全て金属材料によって形成されたメタルべローズポンプを使用することが検討されている。メタルべローズポンプでは、作動流体にふれる部分に樹脂が使用されていないのでアウトガスはほぼ発生しない。しかしながら、メタルべローズポンプを使用した場合には、吐出圧が低く冷凍機に作動流体を封入するために必要な圧力を得ることが困難であった。
【０００５】
本発明は、作動流体の汚染のおそれを無くすと共に、必要な圧力まで作動流体を昇圧して冷凍機に封入することが可能な冷凍機用作動流体封入装置、及び冷凍機への作動流体封入方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、冷凍機に作動流体を封入する冷凍機用作動流体封入装置であって、金属材料によって形成された流路を有し作動流体を昇圧するメタルべローズポンプ、及び作動流体を精製する精製部を経由する循環流路と、循環流路に接続され、精製部で精製された作動流体を冷却する冷却部と、冷却部で冷却した後に昇温された作動流体を冷凍機に導入するための作動流体導入流路と、を備えることを特徴としている。
【０００７】
この冷凍機用作動流体封入装置では、メタルべローズポンプを用いて作動流体を昇圧して循環流路で循環させながら、精製部で作動流体を精製することができる。冷凍機用作動流体封入装置によれば、樹脂が使用されていないメタルべローズポンプを用いて作動流体を昇圧することができるので、アウトガスの発生がほとんどなく、作動流体が汚染されることを抑制できる。また、精製部で精製された作動流体は、冷却部で冷却された後、昇温するので圧力が上昇する。これにより、必要な圧力まで作動流体を昇圧して、冷凍機に作動流体を封入させることができる。
【０００８】
冷凍機用作動流体封入装置は、メタルべローズポンプと冷却部との間に、作動流体導入流路への接続部が設けられている構成であることが好ましい。これにより、必要な圧力まで昇圧された作動流体は、冷却部とメタルべローズポンプとの間に設けられた接続部を経由して、作動流体導入流路内を流れて冷凍機に導入されることになる。
【０００９】
また、循環流路には、メタルべローズポンプの下流であり、作動流体導入流路への接続部の上流に、作動流体の流れを止める閉止弁が接続されていることが好ましい。これにより、冷却部からメタルべローズポンプへの作動流体の流れが閉止弁によって閉止されるので、必要な圧力まで昇圧された作動流体はメタルべローズポンプに流入しない。そのため、昇圧された作動流体によってメタルべローズポンプが破壊されるおそれがない。
【００１０】
また、本発明は、冷凍機に作動流体を封入する方法であって、メタルべローズポンプを用いて循環流路内で作動流体を循環させながら、作動流体を精製する精製工程と、精製工程で精製された作動流体を冷却する冷却工程と、冷却工程で冷却された作動流体を昇温する昇温工程と、昇温工程で昇温された作動流体を冷凍機に導入する導入工程と、を備えることを特徴としている。
【００１１】
冷凍機に作動流体を封入する方法によれば、メタルべローズポンプを用いて循環流路内で作動流体を循環させながら、作動流体を精製する。この方法によれば、樹脂が使用されていないメタルべローズポンプを用いて作動流体を昇圧するので、アウトガスの発生がほとんどなく、作動流体が汚染されることを抑制できる。また、精製された作動流体は、冷却された後、昇温されるので圧力が上昇する。これにより、必要な圧力まで作動流体を昇圧して冷凍機に封入することができる。
【００１２】
冷却工程では、作動流体を冷却しながら貯留してもよい。これにより、冷凍機に封入される作動流体を貯留し、必要量の作動流体を確保することができる。貯留された必要量の作動流体を一度に昇温して冷凍機に導入することができる。
【００１３】
導入工程では、作動流体を冷却する冷却部とメタルべローズポンプとの間に配置された閉止弁を閉じて、メタルべローズポンプへの作動流体の流入を防止して、冷却部から冷凍機に前記作動流体を導入してもよい。これにより、必要な圧力まで昇圧された作動流体は、閉止弁によって流れが止められので、メタルべローズポンプに流入することがない。そのため、必要な圧力まで昇圧された作動流体によってメタルべローズポンプが破壊されるおそれがない。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、作動流体の汚染のおそれを無くすと共に、必要な圧力まで作動流体を昇圧して冷凍機に封入することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態の冷凍機用作動流体封入装置の概略図である。
【図２】メタルベローズポンプの断面図である。
【図３】冷却工程における閉止弁の開閉状態を示す概略図である。
【図４】導入工程における閉止弁の開閉状態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る冷凍機用作動流体封入装置及び冷凍機への作動流体の封入方法の実施形態について詳細に説明する。
【００１７】
図１に示されるように冷凍機用作動流体封入装置（以下、「封入装置」という。）１は、冷凍機２に作動流体を封入するものである。作動流体は冷凍機２で使用される冷媒であり、例えばヘリウム、アンモニアなどが挙げられる。冷凍機２は冷媒を使用するものであればよく、ＪＴ冷凍機、スターリング冷凍機などがある。冷凍機２は例えば人工衛星に搭載されたものであり、封入装置１は人工衛星の発射前の地上における準備作業として冷凍機２に作動流体を封入する。
【００１８】
封入装置１は作動流体を循環させるための循環流路３を有する。循環流路３はメタルべローズポンプ４及び精製部５を循環する流路である。また、封入装置１はメタルベローズポンプ４に供給される作動流体を貯留する第１の貯留槽である第１バッファータンク６と、精製部５で精製された作動流体を貯留する第２の貯留槽である第２バッファータンク７とを備えている。
【００１９】
循環流路３は、メタルベローズポンプ４の入口４ａに接続されメタルベローズポンプ４に作動流体を供給する配管Ｌ１と、メタルベローズポンプ４の出口４ｂと精製部５の入口５ａとを接続する配管Ｌ２と、精製部５の出口５ｂに接続された配管Ｌ３，Ｌ４と、配管Ｌ４及び配管Ｌ１を接続する配管Ｌ５とを有する。これらの配管Ｌ１〜Ｌ５は金属材料から形成され、作動流体が触れる部分にはアウトガスを発生するような樹脂は使用されていない。
【００２０】
また、循環流路３は、配管Ｌ５と第１バッファータンク６の入口６ａとを接続する配管Ｌ６と、第１バッファータンク６の出口６ｂと配管Ｌ１とを接続する配管Ｌ７とを有する。配管Ｌ６には閉止弁Ｖ１が設けられ、配管Ｌ７には閉止弁Ｖ２が設けられている。
【００２１】
また、配管Ｌ５と配管Ｌ１とは、閉止弁Ｖ３を介して接続されている。第１バッファータンク６をバイパスして作動流体を循環させる場合には、閉止弁Ｖ１，Ｖ２を閉じて、閉止弁Ｖ３を開く。第１バッファータンク６を通過させて作動流体を循環させる場合には、閉止弁Ｖ１，Ｖ２を開いて、閉止弁Ｖ３を閉じる。なお、各図において閉止弁を閉じている状態を黒塗りで示し、閉止弁を開いている状態を白ぬきで図示している。図１では、閉止弁Ｖ１，Ｖ２は開いている状態であり、閉止弁Ｖ３は閉じている状態を示している。
【００２２】
また、精製部５の入口５ａに接続された配管Ｌ２には閉止弁Ｖ４が設けられ、精製部５の出口５ｂに接続された配管Ｌ３には閉止弁Ｖ５が設けられている。配管Ｌ２と配管Ｌ３は精製部５をバイパスする配管Ｌ８に接続され、配管Ｌ８には閉止弁Ｖ６が設けられている。
【００２３】
また、配管Ｌ３及び配管Ｌ４は閉止弁Ｖ７を介して接続されている。配管Ｌ３には、冷凍機２に通じる配管Ｌ９が接続され、配管Ｌ９には閉止弁Ｖ８が設けられている。配管Ｌ４には、冷凍機２に通じる配管（作動流体導入流路）Ｌ１０が接続され、配管Ｌ１０には閉止弁Ｖ９が設けられている。配管Ｌ４には、配管Ｌ１０への接続部１９が配置されている。
【００２４】
循環流路３において作動流体を循環させる場合には閉止弁Ｖ８，Ｖ９は閉じられ、作動流体の冷凍機２への流入が防止される。また、配管Ｌ１０には、冷凍機２内を真空状態とするための真空ポンプ１８に通じる配管Ｌ１３が接続されている。真空ポンプ１８としては例えばターボ分子ポンプを用いることができる。配管Ｌ１３には閉止弁Ｖ１３が設けられている。
【００２５】
また、配管Ｌ４には、第２バッファータンク７の入口７ａに通じる配管Ｌ１１が接続されている。配管Ｌ５には、第２バッファータンク７の出口７ｂに通じる配管Ｌ１２が接続されている。配管Ｌ１１には閉止弁Ｖ１０が設けられ、配管Ｌ１２には閉止弁Ｖ１１が設けられている。また、配管Ｌ４と配管Ｌ５とは閉止弁Ｖ１２を介して接続されている。
【００２６】
第１バッファータンク６は、例えば作動流体を貯留するガスボンベに接続されて、作動流体が導入され、作動流体を貯留する。第１バッファータンク６に貯留された作動流体は、出口６ｂから排出され、配管Ｌ７、閉止弁Ｖ２、配管Ｌ１を通りメタルベローズポンプ４に供給される。
【００２７】
メタルベローズポンプ４は作動流体を昇圧するものであり、作動流体が触れる部分には金属材料が使用されている。例えば、ガスケットなどのシール部材も金属材料が使用されている。図２は、メタルベローズポンプ４の断面図である。メタルベローズポンプ４は、伸縮自在のべローズ８を有し、べローズ８の容積を可変させて作動流体を吸い込み吐き出すことで作動流体を昇圧する容積式ポンプである。メタルベローズポンプ４の最大吐出圧は例えば０．６９ＭＰａである。
【００２８】
べローズ８の一端側には作動流体の吸い込みまたは吐き出しに応じて吸い込み口９ａ及び吐き出し口９ｂを開閉するバルブターミナル９が設けられている。バルブターミナル９は入口４ａ及び出口４ｂが形成された台座１０に固定されている。
【００２９】
べローズ８の他端側にはべローズ８を引張り、圧縮する駆動棒１１が連結されている。駆動棒１１のべローズ８とは反対側の端部には、ボールベアリング１２が設けられ、ボールベアリング１２は偏心カム１３の偏心軸１３ａを支持している。偏心カム１３は電動モーターの出力軸１４に接続されている。出力軸１４の回転に伴って偏心カム１３は出力軸１４を中心として回転し、偏心カム１３の偏心軸１３ａは変位し、この変位に連動して駆動棒１１が移動してべローズ８を伸縮させる。これにより、メタルベローズポンプ４は、べローズ８の容積を変化させて、作動流体を吸い込み、昇圧して吐出する。メタルベローズポンプ４で昇圧された作動流体は、出口４ｂから排出され、配管Ｌ２、閉止弁Ｖ４を通り、精製部５に導入される。
【００３０】
精製部５は、冷却したフィルタに作動流体を通すことで作動流体中の不純物を取り除き、不純物の純度を上げる。精製部５では例えばＧＭ冷凍機を用いている。ＧＭ冷凍機の極低温部にはフィルタが取り付けられている。フィルタは例えば３０Ｋに冷却されている。精製部５は、作動流体中の不純物をフィルタに吸着させて、作動流体中の不純物を取り除くことで作動流体を精製する。精製部５で精製された作動流体は、出口５ｂから排出され、閉止弁Ｖ５、配管Ｌ３、閉止弁Ｖ７、配管Ｌ４、閉止弁Ｖ１２、配管Ｌ５、閉止弁Ｖ１、配管Ｌ６を通り第１バッファータンク６に戻される。
【００３１】
作動流体は、上述したように、第１バッファータンク６、配管Ｌ７、配管Ｌ１、メタルベローズポンプ４、配管Ｌ２、精製部５、配管Ｌ３、配管Ｌ４、配管Ｌ５及び配管Ｌ６を通り、第１バッファータンク６に戻る循環流路３を循環する。作動流体は目的の純度になるまで循環流路３を循環しながら精製部５によって精製される。
【００３２】
第２バッファータンク７は、循環流路３に接続され、精製部５で精製された作動流体を貯留する。第２バッファータンク７の入口７ａに接続された配管Ｌ１１は配管Ｌ４に接続され、第２バッファータンク７の出口７ｂに接続された配管Ｌ１２は配管Ｌ５に接続されている。
【００３３】
ここで、封入装置１は、精製された作動流体を昇圧するための昇圧部（冷却部及び昇温部）２０を備えている。昇圧部２０は、上記の第２バッファータンク７と、第２バッファータンク７内の作動流体を冷却するための冷却槽２１とを有する。冷却槽２１は、第２バッファータンク７を収容すると共に、第２バッファータンク７を冷却するための冷却用媒体を貯留する。冷却槽２１に貯留される冷却用媒体としては液体窒素を用いることができる。液体窒素は冷却槽２１に貯留されて第２バッファータンク７に接し、第２バッファータンク７を冷却し第２バッファータンク７内の作動流体を冷却する。
【００３４】
昇圧部２０では、作動流体を冷却した後に昇温することで、作動流体を必要な圧力まで昇圧する。昇圧部２０では冷却槽２１に貯留された液体窒素を取り除き、作動流体を常温に戻すことで昇温する。これにより、必要な圧力まで作動流体を昇圧する。必要な作動流体の圧力は、ＪＴ冷凍機の場合には０．５ＭＰａ〜１Ｍｐａであり、スターリング冷凍機の場合には１ＭＰａ〜２ＭＰａである。
【００３５】
例えば、０．６９ＭＰａの作動流体を７７Ｋまで冷却して、常温（２９３Ｋ）まで昇温すると、下記式（１）に示すように、最大２．６ＭＰａまで昇圧することができる。
【数１】
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ここで、Ｔ１は昇圧前の作動流体の温度、Ｐ１は昇圧前の作動流体の圧力、Ｔ２は昇圧後の作動流体の温度、Ｐ２は昇圧後の作動流体の圧力である。
【００３６】
必要な圧力まで昇圧された作動流体は、第２バッファータンク７の出口７ｂから排出され、配管Ｌ１１、閉止弁Ｖ１０、配管Ｌ４、配管Ｌ１０、閉止弁Ｖ９を通り冷凍機２に導入される。
【００３７】
次に、冷凍機２への作動流体の封入方法について説明する。まず、冷凍機２内の冷媒が流れる流路に対して真空排気を行う真空排気工程を実行する。真空排気工程では、図１に示されるように、閉止弁Ｖ８，Ｖ９を閉じて冷凍機２と循環流路３とが連通していない状態とすると共に、閉止弁Ｖ１３を開いて冷凍機２と真空ポンプ１８とを連通させる。真空排気工程では、真空ポンプ１８を用いて冷凍機２を真空排気して、冷凍機２内の冷媒が流通する流路を真空状態にする。
【００３８】
冷凍機２への作動流体の封入方法では、真空排気工程を継続しながら、精製工程を行う。精製工程では、図１に示されるように、閉止弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ７、Ｖ１２を開いて、閉止弁Ｖ３、Ｖ６、Ｖ１０、Ｖ１１を閉じる。これにより、第１バッファータンク６、配管Ｌ７、配管Ｌ１、メタルベローズポンプ４、配管Ｌ２、精製部５、配管Ｌ３、配管Ｌ４、配管Ｌ５、配管Ｌ６を連通させて、循環流路３を連通させる。
【００３９】
精製工程では、メタルベローズポンプ４を駆動して、作動流体を循環させながら、精製部５で作動流体を精製する。精製部５のフィルタを用いて作動流体中の不純物を吸着して作動流体の純度を上げる。目的の純度となるまで作動流体を循環させながら精製する。目的の純度まで精製されたら精製工程を終了する。
【００４０】
次に、精製工程で精製された作動流体を冷却する冷却工程を実行する。冷却工程では、図３に示されるように、閉止弁Ｖ２、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ１０を開いて、閉止弁Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ８、Ｖ９、Ｖ１１、Ｖ１２を閉じる。これにより、第１バッファータンク６、配管Ｌ７、配管Ｌ１、メタルベローズポンプ４、配管Ｌ２、配管Ｌ３、配管Ｌ４、配管Ｌ１１、第２バッファータンク７を連通させる。冷却工程では、冷却槽２１に液体窒素を充填して、第２バッファータンク７を冷却しながら、メタルベローズポンプ４を用いて作動流体を第２バッファータンク７に貯留する。冷凍機２に封入するために必要な量を確保したら、閉止弁Ｖ１０を閉じる。
【００４１】
次に、真空排気工程を終了して、昇温工程を実行する。ここでは、閉止弁Ｖ１３を閉じる共に真空ポンプ１８を停止させて真空排気工程を終了する。次に、閉止弁Ｖ１０，Ｖ１１を閉じた状態として、第２バッファータンク７が循環流路３と連通していない状態とする。第２バッファータンク７を密封状態として、冷却槽２１の液体窒素を取り除いて第２バッファータンク７内の作動流体を昇温する。作動流体は、例えば７７Ｋから２９３Ｋに昇温されて、０．６９Ｍｐａから最大２．６ＭＰａまで圧力が上昇する。冷凍機２に作動流体を充填する際に必要な作動流体の圧力は、ＪＴ冷凍機の場合には０．５ＭＰａ〜１Ｍｐａであり、スターリング冷凍機の場合には１ＭＰａ〜２ＭＰａである。
【００４２】
第２バッファータンク７内の作動流体を昇温して昇圧した後に、作動流体を冷凍機２に導入する導入工程を実行する。ここでは、図４に示されるように、閉止弁Ｖ７、Ｖ８、Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ１３を閉じた状態として、閉止弁Ｖ１０、Ｖ９を開いて、第２バッファータンク７、配管Ｌ１０、Ｌ４、Ｌ１０及び冷凍機２を連通して、第２バッファータンク７内の作動流体を冷凍機２に導入する。
【００４３】
本実施形態の封入装置１及び冷凍機２への作動流体封入方法によれば、メタルべローズポンプ４を用いて作動流体を昇圧して循環流路３で循環させながら、精製部５で作動流体を精製することができる。封入装置１及び作動流体封入方法によれば、樹脂が使用されていないメタルべローズポンプ４を用いて作動流体を昇圧することができるので、アウトガスの発生がほとんどなく、作動流体が汚染されることを抑制できる。また、精製部５で精製された作動流体は、第２バッファータンク７で液体窒素を用いて冷却した後、液体窒素取り除いて昇温するので圧力を上昇させることができる。これにより、必要な圧力まで作動流体を昇圧して、冷凍機２に作動流体を封入させることができる。
【００４４】
循環流路３には、メタルべローズポンプ４の下流であり、配管Ｌ１０（作動流体導入流路）への接続部１９の上流に、作動流体の流れを止める閉止弁Ｖ７が接続されている。これにより、第２バッファータンク７からメタルべローズポンプ４への作動流体の流れが閉止弁Ｖ７によって閉止されるので、必要な圧力まで昇圧された作動流体はメタルべローズポンプ４に流入しない。そのため、メタルベローズポンプ４の設計圧以上に昇圧された作動流体によって、メタルべローズポンプ４が破壊されるおそれがない。
【００４５】
本発明は、前述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で下記のような種々の変形が可能である。
【００４６】
上記実施形態では、冷凍機２は人工衛星に搭載される冷凍機としているが、冷凍機２の用途は限定されない。閉止弁の開閉は手動で行ってもよく、自動で実行してもよい。
【００４７】
上記実施形態では、液体窒素を用いて第２バッファータンク７を外面から冷却することで、第２バッファータンク７内の作動流体を冷却しているが、第２バッファータンク７内に液体窒素が流れる冷却管を配置して、作動流体を冷却してもよい。また、その他の方法により、作動流体を冷却してもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１…冷凍機用作動流体封入装置、２…冷凍機、３…循環流路、４…メタルベローズポンプ、５…精製部、２０…昇圧部、２１…冷却槽。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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