(57)【要約】【課題】圧気を大気に放風したり圧縮機の回転数を調節させることなく圧縮機のサージングを防止する。【解決手段】圧縮機４に供給されるヘリウムガスの流量を検出する流量計７と、圧縮機４の停止信号を検知した時点若しくは流量計７の検出値が予め設定した値を下回った時点で制御信号を出力する制御装置８と、熱交換用貯槽３内に設置された加熱装置９と、制御装置８からの制御信号に基づいて加熱装置９を制御する加熱制御装置１０とを備える。制御装置８は、圧縮機４の停止信号を検知した時点若しくは流量計７の値が予め設定した値以下になった時点で、加熱制御装置１０を介して加熱装置９を作動させ、熱交換用貯槽３内の液体ヘリウムを強制的に気化させ、圧縮機４にヘリウムガスを補充する。その後、圧縮機４のモーター回転数が予め設定した値以下になった時点で、制御装置８は、加熱制御装置１０を介して加熱装置９を停止させる。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体ヘリウムを内部に保有する槽と、当該槽内で発生したヘリウムガスを圧縮する圧縮機とを備えたヘリウム液化冷凍装置において、
ヘリウムガスを当該圧縮機に補充する補充手段を備えることを特徴とするヘリウム液化冷凍装置。
【請求項２】
前記補充手段として、前記槽内の液体ヘリウムを強制的に気化させる加熱装置を備えることを特徴とする請求項１に記載のヘリウム液化冷凍装置。
【請求項３】
前記補充手段として、ヘリウムガスを前記圧縮機に補充するための予備タンクを備えることを特徴とする請求項１に記載のヘリウム液化冷凍装置。
【請求項４】
前記補充手段として、ヘリウムガスを前記圧縮機に補充するための別ラインからの管路を備えることを特徴とする請求項１に記載のヘリウム液化冷凍装置。
【請求項５】
ヘリウムガスの流量を検出する流量計と、当該流量計の検出値に応じて補充手段からのヘリウムガスの補充を制御する制御手段とを備えていて、当該制御手段は、圧縮機の停止信号を検知した時点若しくは圧縮機に供給されるヘリウムガスの流量が予め設定した値を下回った時点で、ヘリウムガスの補充を開始する信号を出力し、前記圧縮機のモーター回転数が予め設定した値以下になった時点で、ヘリウムガスの補充を停止する信号を出力す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ヘリウム液化冷凍装置。
【請求項６】
ヘリウムガスの流量を検出する流量計と、当該流量計の検出値に応じて補充手段からのヘリウムガスの補充を制御する制御手段とを備えていて、当該制御手段は、圧縮機の停止信号を検知した時点若しくは圧縮機に供給されるヘリウムガスの流量が予め設定した値を下回った時点で、ヘリウムガスの補充を開始する信号を出力し、一定時間経過後に、ヘリウムガスの補充を停止する信号を出力す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ヘリウム液化冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体ヘリウムを製造するためのヘリウム液化冷凍装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
核融合試験設備やリニアモータ等では、超電導コイルを極低温まで冷却させるために液体ヘリウムが用いられる。液体ヘリウムは実在気体のうちで最も低い沸点を有しており、液体ヘリウムを用いて対象物を冷却することにより、電気抵抗が零となる超電導現象が生じる。
この液体ヘリウムを冷媒として対象物を冷却させる装置がヘリウム液化冷凍装置であり、その主要部の概念図を図４に示す（特許文献１参照。）。当該ヘリウム液化冷凍装置では、熱交換用貯槽３内の熱交換器２で冷却された液体ヘリウムを被冷却体１内で循環させることにより強制冷却を行う。
一方、当該熱交換用貯槽３内で発生したヘリウムガスは、圧縮機４を介してクロードサイクル冷凍機５で冷却された後、ＪＴ膨張弁６で断熱膨張されて再び液化する。当該サイクルにおいて、圧縮機４は、熱交換用貯槽３内の飽和蒸気圧を下げることにより、液体ヘリウムの温度を下げる役目を担っている。
上記冷凍装置において、圧縮機を停止作動させた際に、圧縮機の運転状態がサージング領域に入る場合がある。サージングとは、管路系において、外部強制力的な要因が存在しないにもかかわらず発生する流動系の自励振動であり、圧縮機効率が急激に低下するとともに、振動や熱の発生により圧縮機のインペラ等が損傷する虞がある。
サージング現象は、圧縮機を高速高負荷運転中に急激に低速回転へ調速ハンドルを操作したときに発生しやすいといわれている。この現象を図５の圧縮機の性能マップを参照しながら説明する。当該図において、横軸は冷媒の流量、縦軸は圧縮機の吸入側と吐出側との圧力比を示している。斜線部がサージング領域であり、その境界はサージラインＳＬと呼ばれ、サージングが発生する起点を示している。また、Ｃｒ１乃至Ｃｒ３は圧縮機の回転数を表しており、Ｃｒ１からＣｒ３になるにしたがい回転数は上昇する。
圧縮機に停止信号が入力されると、熱交換用貯槽内は減圧されなくなるため、当該貯槽内の圧力が上昇する。当該貯槽内の圧力が上昇すると、貯槽内の温度も上昇し、飽和温度が高くなる。飽和温度が高くなると、熱的余裕ができるため、液体ヘリウムは気化しなくなる。そのため、蒸発ヘリウムガス流量は減少するが、圧縮機のモーターは、慣性により、まだ高速回転している。したがって、運転状態Ａにおいて圧縮機を停止作動させた場合、運転状態はＡからＢに移行し、サージラインＳＬに近づくこととなる。
【０００３】
上述したように、圧縮機がサージング領域に入ると、振動や熱の発生により圧縮機のインペラ等が損傷するため、何らかのサージング防止策を講じる必要がある。従来は、流量係数が圧縮機のサージング限界域における流量係数を下回ったときに、吐出管内の圧気を大気中に放風することにより、サージングの発生を防止するようにしている（特許文献２参照。）。また、特許文献３では、流体の単位時間当たりの供給量又は状態量に応じて、圧縮機の単位時間当たりの回転数を調整する回転数調整装置を備えることを特徴としている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−３２５６３０号公報（段落０００３、第２図）
【特許文献２】
特開昭５８−１８５９８号公報（第２頁）
【特許文献３】
特開２００２−３０３１５３号公報（段落０００９−００１４）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、吐出管内の圧気を大気中に放風する方法は、経済的ではないうえ、環境保全の面からも問題が生じる場合がある。また、圧縮機の回転数を調整する方法は、回転数を上下させることにより制御応答結果が振動するハンチングを起こす可能性がある。
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、経済的かつ効率的に、ヘリウム液化冷凍装置における圧縮機のサージングを防止することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、液体ヘリウムを内部に保有する槽と、当該槽内で発生したヘリウムガスを圧縮する圧縮機とを備えたヘリウム液化冷凍装置において、ヘリウムガスを当該圧縮機に補充する補充手段を備えることを特徴とする。
本発明によれば、圧縮機へのヘリウムガスの供給量が不足する場合には、ヘリウムガスを圧縮機に補充することができる。これにより、圧縮機の運転状態はサージラインから遠ざかるため、圧縮機のサージングは未然に防止される。
前記補充手段として、前記槽内の液体ヘリウムを強制的に気化させる加熱装置を備えていてもよい。ここで、加熱装置とは、ヒーターなどのように、液体に熱を加えて気化させることのできる装置をいう。
あるいは、前記補充手段として、ヘリウムガスを前記圧縮機に補充するための予備タンクを備えていてもよい。ここで、予備タンクとは、前記槽内で発生したヘリウムガスを非常時に前記圧縮機に補充できるように、予め、ヘリウムガスを備蓄しておくタンクをいう。
あるいは、前記補充手段として、ヘリウムガスを前記圧縮機に補充するための別ラインからの管路を備えていてもよい。ここで、別ラインとは、当該ヘリウム液化装置以外であって、ヘリウムガスを補充することのできる手段をいう。
加熱装置若しくは予備タンク若しくは別ラインのいずれかによるヘリウムガスの補充は、ヘリウムガスの流量を検出する流量計と、当該流量計の検出値に応じて当該補充手段からのヘリウムガスの補充を制御する制御手段とを用いて、フィードバック制御あるいはオープンループ制御により実現することができる。フィードバック制御による場合は、圧縮機の停止信号を検知した時点若しくは圧縮機に供給されるヘリウムガスの流量が予め設定した値を下回った時点で、当該手段を作動させ、圧縮機のモーター回転数が予め設定した値以下になった時点で当該手段を停止させるものである。一方、オープンループ制御による場合は、当該手段を作動させた後、一定時間経過後に自動的に当該手段を停止させればよい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第一実施形態を示すものである。この図に示すように、本実施形態によるヘリウム液化冷凍装置２０は、従来装置と同様に、液体ヘリウムを内部に保有する熱交換用貯槽３と、当該貯槽３内で気化したヘリウムガスを管路を介して吸入減圧する圧縮機４と、ヘリウムガスを熱交換により冷却するクロードサイクル冷凍機５と、ヘリウムガスを断熱膨張させるＪＴ膨張弁６とを備えている。加えて、本ヘリウム液化冷凍装置２０では、圧縮機４に供給されるヘリウムガスの流量を検出する流量計７と、圧縮機４の停止信号を検知した時点若しくは流量計７の検出値が予め設定した値を下回った時点で制御信号を出力する制御装置８と、熱交換用貯槽３内に設置された加熱装置９と、制御装置８からの制御信号に基づいて加熱装置９を制御する加熱制御装置１０とを備えている。本構成において、制御装置８は、圧縮機４の停止信号を検知した時点若しくは流量計７の検出値が予め設定した値を下回った時点で、加熱制御装置１０を介して加熱装置９を作動または停止させることにより、熱交換用貯槽３内の液体ヘリウムを強制的に気化させ、圧縮機４にヘリウムガスを補充する機能を有している。
次に、本実施形態によるヘリウム液化冷凍装置２０の作用について説明する。
圧縮機４に停止信号が入力されると、熱交換用貯槽３内は減圧されなくなるため、当該貯槽３内の圧力が上昇する。当該貯槽３内の圧力が上昇すると、貯槽３内の飽和温度も上昇し、液体ヘリウムは気化しなくなる。そのため、ヘリウムガス流量は減少するが、圧縮機４のモーターは、慣性により、まだ高速回転しており、圧縮機４の運転状態はサージラインに近づくこととなる。本実施形態では、制御装置８が圧縮機４の停止信号を検知すると、制御装置８は、加熱制御装置１０に加熱装置９を作動させるための信号を出力する。加熱装置９が作動し、熱交換用貯槽３内の液体ヘリウムは強制的に気化されて圧縮機４にヘリウムガスが補充される。そのため、本実施形態では、圧縮機４の運転状態を常にサージラインから遠い状態に維持することができる。
また、本実施形態では、何らかの原因により圧縮機４に供給されるヘリウムガスの流量が予め設定した値を下回った場合には、流量計７の検出値に基づき、制御装置８は、加熱制御装置１０を介して加熱装置９を作動させる。熱交換用貯槽３内の液体ヘリウムは強制的に気化されて圧縮機４にヘリウムガスが補充され、圧縮機４の運転状態は常にサージラインから遠い状態に維持される。
その後、圧縮機４のモーター回転数が予め設定した値以下になった場合には、制御装置８は、加熱制御装置１０に加熱停止信号を出力し、加熱制御装置１０は、加熱装置９を停止させる。
本実施形態によるヘリウム液化冷凍装置２０では、圧縮機４に供給されるヘリウムガスの流量が不足する場合には、熱交換用貯槽３内の液体ヘリウムを強制的に気化させることにより、圧縮機４にヘリウムガスを補充できるため、圧縮機４のサージングを防止することができる。
【０００８】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。なお、第一実施形態によるヘリウム液化冷凍装置と同一の構成要素には同一の符号を用いて説明を省略する。
図２は、本発明の第二実施形態を示すものであり、図１のヘリウム液化冷凍装置全体図において、熱交換用貯槽および圧縮機の部分のみを示したものであり、他の構成要素は第一実施形態と同一であるため省略している。本実施形態によるヘリウム液化冷凍装置２１では、圧縮機４の停止信号を検知した時点若しくは流量計７の検出値が予め設定した値を下回った時点で制御信号を出力する制御装置８と、熱交換用貯槽３内のヘリウムガスを備蓄する予備タンク１２と、当該予備タンク１２のヘリウムガスを流量計７の上流側の管路に補充する戻り管路１４と、当該戻り管路１４のヘリウムガス流量を調節する流量調節弁１１とを備えている。本構成において、制御装置８は、圧縮機４の停止信号を検知した時点若しくは流量計７の検出値が予め設定した値を下回った時点で、流量調節弁１１を開閉させ、予備タンク１２のヘリウムガスを圧縮機４に補充する機能を有している。
次に、本実施形態によるヘリウム液化冷凍装置２１は上述の構成を有しているから、先に説明したように、圧縮機４に停止信号が入力されると、液体ヘリウムは気化しなくなり、圧縮機４の運転状態はサージラインに近づくこととなるが、本実施形態では、制御装置８からの出力信号により流量調節弁１１が開かれ、予備タンク１２のヘリウムガスが戻り管路１４を介して圧縮機４に補充される。そのため、本実施形態においても第一実施形態と同様に、圧縮機４の運転状態を常にサージラインから遠い状態に維持することができる。なお、制御装置８によるヘリウムガスの補充停止動作は第一実施形態と同様である。
【０００９】
図３は、本発明の第三実施形態を示すものであり、図２と同様に、図１のヘリウム液化冷凍装置全体図において、熱交換用貯槽および圧縮機の部分のみを示したものである。本実施形態によるヘリウム液化冷凍装置２２では、圧縮機４の停止信号を検知した時点若しくは流量計７の検出値が予め設定した値を下回った時点で制御信号を出力する制御装置８と、別ラインのヘリウムガスを流量計７の上流側の管路に補充する管路１６と、別ラインのヘリウムガスを圧縮機４に補充する際の流量調節弁１５とを備えている。本構成において、制御装置８は、圧縮機４の停止信号を検知した時点若しくは流量計７の検出値が予め設定した値を下回った時点で、流量調節弁１５を開閉させることにより、別ラインのヘリウムガスを圧縮機４に補充する機能を有している。
次に、本実施形態によるヘリウム液化冷凍装置２２の作用について説明する。
圧縮機４に停止信号が入力されると、圧縮機４の運転状態はサージラインに近づくこととなるが、本実施形態では、制御装置８からの出力信号により流量調節弁１５を開き、別ラインのヘリウムガスを管路１６を介して圧縮機４に補充する。そのため、本実施形態においても第一実施形態と同様に、圧縮機４の運転状態を常にサージラインから遠い状態に維持することができる。なお、制御装置８によるヘリウムガスの補充停止動作は第一実施形態と同様である。
第二実施形態あるいは第三実施形態においても、圧縮機４に停止信号が入力された場合だけでなく、何らかの原因により圧縮機４に供給されるヘリウムガスの流量が予め設定した値を下回った場合においても、予備タンクあるいは別ラインのヘリウムガスを圧縮機に補充できるため、圧縮機４のサージングを防止することができる。
なお、上記各実施形態において、制御装置８によってヘリウムガスの補充を停止する場合、ヘリウムガスの補充開始から一定時間経過後に自動的にヘリウムガスの補充を停止させるオープンループ制御を行うことも可能である。
【００１０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるヘリウム液化冷凍装置は、ヘリウムガスを当該圧縮機に補充することにより、ヘリウム液化冷凍装置における圧縮機のサージングを経済的かつ効率的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の実施形態によるヘリウム液化冷凍装置のサージング防止手段である。
【図２】第二の実施形態によるヘリウム液化冷凍装置のサージング防止手段である。
【図３】第三の実施形態によるヘリウム液化冷凍装置のサージング防止手段である。
【図４】従来のヘリウム液化冷凍装置の概念図である。
【図５】圧縮機の性能マップ図であって、圧縮機の運転状態とサージング領域との関係を示すものである。
【符号の説明】
１……被冷却体
２……熱交換器
３……熱交換用貯槽
４……圧縮機
５……クロードサイクル冷凍機
６……ＪＴ膨張弁
７……流量計
８……制御装置
９……加熱装置
１０……加熱制御装置
１１……流量調節弁
１２……予備タンク
１４……戻り管路
１５……流量調節弁
１６……別ラインからの管路
ＳＬ……サージライン
Ｃｒ１，Ｃｒ２，Ｃｒ３……圧縮機モーター回転数
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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