極低溫冷凍裝置的製作方法
2023-04-30 05:08:36 5
專利名稱：極低溫冷凍裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種極低溫冷凍裝置，特別涉及一種對於裝置內不純物的對策。
背景技術：
原來，例如如日本特開平9-229503號公報所公開的那樣，作為極低溫冷凍裝置，人們知道的有組合了JT冷凍機和預冷冷凍機的極低溫冷凍裝置。預冷冷凍機使用GM冷凍機等。
上述JT冷凍機是通過由JT閥使來自壓縮機的高壓氦氣焦耳—湯姆遜膨脹而產生極低溫水平的寒冷的冷凍機。另外，GM冷凍機是由排出器的往復運動使來自壓縮機的高壓氦氣膨脹，而使其產生寒冷的冷凍機。作為預冷冷凍機的GM冷凍機由該寒冷預冷焦耳—湯姆遜膨脹前的JT冷凍機的氦氣。
在具有JT冷凍機和預冷冷凍機的極低溫冷凍裝置中，有具有使裝置內的高壓氦和低壓氦熱交換的回收熱用的熱交換器。
在這樣的極低溫冷凍裝置中，通過在裝置內進行熱回收，其運轉效率提高。
但是，當在作為製冷劑的氦中混入作為不純物的水分時，水分在回收熱用的熱交換器的內部或其前後的配管內凍結，有閉塞流路的情況。因此，提出了附加用於消除流路閉塞的以下那樣的裝置(參照特開2001-108320號公報)。
如圖9所示，上述極低溫冷凍裝置(100)具有壓縮機單元(101)和冷凍機單元(102)。在壓縮機單元(101)中設有低段側壓縮機(103)和高段側壓縮機(104)。在冷凍單元(102)中設有具有第一熱站(113)和第二熱站(114)的GM冷凍機(112)和具有JT閥(116)的JT冷凍機(111)。
在壓縮機單元(101)中，在高段側壓縮機(104)的排出側連接排出配管(105)，在低段側壓縮機(103)的吸入側連接吸入配管(109)。在排出配管(105)設置油分離器(106)和吸附器(107)。排出配管(105)分支為兩根高壓配管(108、110)，第一高壓配管(108)連接在JT冷凍機(111)上，第二高壓配管(110)連接在GM冷凍機(102)上。在第一高壓配管(108)上設有流量控制閥(135)和開閉閥(134)，該開閉閥(134)用於防止在裝置停止運轉時常溫的製冷劑流入到冷凍機單元(102)。另外，在吸入配管(109)上設置單向閥(126)，該單向閥(126)用於防止在裝置停止運轉時常溫的製冷劑流入到冷凍機單元(102)。
冷凍機單元(102)中的JT迴路(115)由高壓線路(117)和低壓線路(118)組成，JT閥(116)設在高壓線路(117)。在高壓線路(117)上設置第一預冷部(119)和第二預冷部(120)。該第一預冷部(119)配置在第一熱站(113)上，該第二預冷部(120)配置在第二熱站(114)上。另外，在JT迴路(115)中設置第一至第三回收熱用熱交換器(121～123)，該第一至第三回收熱用熱交換器(121～123)使在高壓線路(117)中流動的高壓氦氣和在低壓線路(118)中流動的低壓氦氣進行熱交換。
而且，該極低溫冷凍裝置具有供給管(124)和回收管(125)，該供給管(124)作為在第一熱交換器(121)的流路被閉塞了時消除其閉塞的消除閉塞裝置將來自壓縮機(103、104)的排出氣體供給到第一熱交換器(121)的高壓側流路的出口側，該回收管(125)將流過第一熱交換器(121)的高壓側流路後的上述排出氣體回收到壓縮機(103、104)的吸入配管(109)。為了在通常的冷卻運轉時不使製冷劑流入到供給管(124)及回收管(125)中，在供給管(124)上設置開閉閥(127)，在回收管(125)上設置開閉閥(129)。相反，為了在解除閉塞運轉時適當地使製冷劑流通到供給管(124)及回收管(125)中，在第一高壓配管(108)上設置開閉閥(128)，在吸入配管(127)上設置開閉閥(130)。另外，也可以在回收管(125)上設置吸附器(131)和開閉閥(132)，開閉閥(132)用於防止來自冷卻運轉時的吸附器(131)的水分的逆流。另外，也可以在回收管(125)上設置流量控制閥(133)。
在冷卻運轉時，開閉閥(128)及開閉閥(130)被打開，同時，開閉閥(127)及開閉閥(129)被關閉，從壓縮機(103、104)排出的高壓氦氣按照第一熱交換器(121)→第一預冷部(119)→第二熱交換器(122)→第二預冷部(120)→第三熱交換器(123)的順序被冷卻後，在JT閥(116)中膨脹，成為極低溫水平的液體氦流入氦罐(136)中。在氦罐(136)內蒸發了的氦氣通過低壓線路(118)流入到壓縮機(103、104)的吸入配管(109)，由壓縮機(103、104)壓縮後再反覆進行上述循環動作。
在消除閉塞運轉時，開閉閥(128)及開閉閥(130)被關閉，同時，開閉閥(127)及開閉閥(129)被打開，從壓縮機(103、104)排出的高壓氦氣通過供給管(124)供給到第一熱交換器(121)的高壓側流路的出口側，在該高壓側流路中逆流。高壓氦氣由於溫度比較高，即使在第一熱交換器(121)內水分凍結著，凍結的冰也由高壓氦氣熔解。而且，上述高壓氦氣與第一熱交換器(121)內的不純物一起在回收管(125)中流動，流入壓縮機(103、104)的吸入配管(109)。如以上所述那樣，第一熱交換器(121)的閉塞被消除，不純物被除去。
但是，在上述極低溫冷凍裝置(100)中，在第一熱交換器(121)的高壓側流路的下遊側部分、例如第二熱交換器(122)或第三熱交換器(123)中產生了閉塞時，不能消除其閉塞。
另外，由於在消除閉塞運轉時，需要暫時使JT冷凍機(111)的運轉停止，氦罐(136)內的液體氦容易蒸發，其結果，氦罐(136)的壓力上升。因此，在原來的極低溫冷凍裝置中，當氦罐(136)的壓力過度地上升時，設在氦罐(136)上的未圖示的開放閥打開，通過將氦氣排放到大氣中，使壓力降低。但是，在此，在結束了解除閉塞運轉後到再開始冷卻運轉之間必須在裝置內補充相當量的氦，因此，不能避免裝置的運轉成本的上升。
本發明是鑑於該點而做出的，其目的是提供一種在極低溫冷凍裝置中可以消除更廣範圍區域的閉塞、而且可以有助於運轉成本降低的新技術。
發明內容
本發明的第一極低溫冷凍裝置，具有壓縮機、JT冷凍機、第一熱交換器、預冷冷凍機、氣體製冷劑回收管；上述JT冷凍機具有使從上述壓縮機排出的高壓製冷劑氣體焦耳—湯姆遜膨脹的JT閥及儲存由焦耳—湯姆遜膨脹液化了的製冷劑的製冷劑罐；上述第一熱交換器具有使從上述壓縮機排出的高壓製冷劑氣體流通的高壓側流路和使來自上述製冷劑罐的低壓製冷劑氣體流通的低壓側流路，使該高壓側流路的高壓製冷劑氣體與該低壓側流路的低壓製冷劑氣體進行熱交換；上述預冷冷凍機在由上述JT閥進行的膨脹前預冷用上述第一熱交換器冷卻的高壓製冷劑氣體；上述第一開閉閥設置在上述第一熱交換器的低壓側流路的出口側；上述氣體製冷劑回收管具有第二開閉閥，用於連接上述製冷劑罐和上述壓縮機的吸入側的配管；實行與打開上述JT閥的同時關閉上述第一開閉閥、且打開上述第二開閉閥，一方面使從上述壓縮機排出的製冷劑至少在上述第一熱交換器的高壓側流路及在上述JT閥中流通並導入上述製冷劑罐、一方面使上述製冷劑罐的製冷劑氣體通過上述氣體製冷劑回收管進行回收的消除閉塞運轉。
第二極低溫冷凍裝置，在上述第一極低溫冷凍裝置中，在上述第一熱交換器的高壓側流路的下遊側還設置使高壓製冷劑氣體和低壓製冷劑氣體熱交換的一個或二個以上的熱交換器。
第三極低溫冷凍裝置，在上述第一極低溫冷凍裝置中，在上述第一熱交換器的高壓側流路的下遊側還設置使高壓製冷劑氣體和低壓製冷劑氣體熱交換的第二及第三熱交換器，另外，還具有旁管和開閉閥，該旁管其一端連接在上述第一熱交換器的高壓側流路與上述第二熱交換器的高壓側流路之間，另一端被連接在上述第三熱交換器的高壓側流路與JT閥之間，上述開閉閥設置在上述旁管上，在進行消除閉塞運轉時，打開上述旁管的開閉閥，將從壓縮機排出的製冷劑經上述第一熱交換器的高壓側流路、上述旁管及上述JT閥導入到上述製冷劑罐。
上述第四極低溫冷凍裝置，在上述第一極低溫冷凍裝置中，在上述第一熱交換器的高壓側流路的下遊側還設置使高壓製冷劑氣體和低壓製冷劑氣體熱交換的第二及第三熱交換器，另外，具有旁管和開閉閥，該旁管其一端連接在上述第二熱交換器的高壓側流路與上述第三熱交換器的高壓側流路之間，另一端被連接在上述第三熱交換器的高壓側流路與JT閥之間，上述開閉閥設置在上述旁管上；在進行消除閉塞運轉時，打開上述旁管的開閉閥，將從壓縮機排出的製冷劑經上述第一熱交換器的高壓側流路、上述第二熱交換器的高壓側流路、上述旁管及上述JT閥導入到上述製冷劑罐。
第五極低溫冷凍裝置，在上述第一極低溫冷凍裝置中，在上述氣體製冷劑回收管上設置吸附器。
第六極低溫冷凍裝置，在上述第五極低溫冷凍裝置中，在上述氣體製冷劑回收管的吸附器與製冷劑罐之間設置第三開閉閥，該第三開閉閥在消除閉塞運轉時被打開、且在非消除閉塞運轉時被關閉。
第七極低溫冷凍裝置，在上述第一極低溫冷凍裝置中，在上述JT閥的上遊側設置吸附器。
第八極低溫冷凍裝置，具有壓縮機、JT冷凍機、第一熱交換器、預冷冷凍機、第一開閉閥、氣體製冷劑回收管、第二及第三熱交換器、旁管；上述JT冷凍機具有使從上述壓縮機排出的高壓製冷劑氣體焦耳—湯姆遜膨脹的JT閥和儲存由焦耳—湯姆遜膨脹液化了的製冷劑的製冷劑罐；上述第一熱交換器具有使從上述壓縮機排出的高壓製冷劑氣體流通的高壓側流路和使來自上述製冷劑罐的低壓製冷劑氣體流通的低壓側流路，使該高壓側流路的高壓製冷劑氣體與該低壓側流路的低壓製冷劑氣體進行熱交換；上述預冷冷凍機在由上述JT閥產生的膨脹前預凍用上述第一熱交換器冷卻了的高壓製冷劑；上述第一開閉閥設置在上述第一熱交換器的低壓側流路的出口側；上述氣體製冷劑回收管具有第二開閉閥，連接上述製冷劑罐和上述壓縮機的吸入側的配管；上述第二、第三熱交換器設置在上述第一熱交換器的高壓側流路的下遊側，使高壓製冷劑氣體和低壓製冷劑氣體進行熱交換；上述旁管具有開閉閥，其一端連接在上述第一熱交換器的高壓側流路與上述第二熱交換器的高壓側流路之間，其另一端連接在上述JT閥與上述製冷劑罐之間；實行與打開上述JT閥的同時關閉上述第一開閉閥、且打開上述第二開閉閥及上述旁管的開閉閥，一方面使從上述壓縮機排出的製冷劑流通上述第一熱交換器的高壓側流路並導入上述製冷劑罐、一方面使上述製冷劑罐的製冷劑氣體通過上述氣體製冷劑回收管進行回收的消除閉塞運轉。
第九極低溫冷凍裝置，在上述第八極低溫冷凍裝置中，在上述氣體製冷劑回收管上設置吸附器。
第十極低溫冷凍裝置，在上述第九極低溫冷凍裝置中，在上述氣體製冷劑回收管的吸附器與製冷劑罐之間設置第三開閉閥，該第三開閉閥在消除閉塞運轉時被打開、且在非消除閉塞運轉時被關閉。
第十一極低溫冷凍裝置，在上述第八極低溫冷凍裝置中，在上述JT閥的上遊側設置吸附器。
第十二極低溫冷凍裝置，具有壓縮機、JT冷凍機、第一熱交換器、預冷冷凍機、第一開閉閥、氣體製冷劑回收管、第二及第三熱交換器、旁管；上述JT冷凍機具有使從上述壓縮機排出的高壓製冷劑氣體焦耳—湯姆遜膨脹的JT閥和儲存由焦耳—湯姆遜膨脹液化了的製冷劑的製冷劑罐；上述第一熱交換器具有使從上述壓縮機排出的高壓製冷劑氣體流通的高壓側流路和使來自上述製冷劑罐的低壓製冷劑氣體流通的低壓側流路，使該高壓側流路的高壓製冷劑氣體與該低壓側流路的低壓製冷劑氣體熱交換；上述預冷冷凍機在由上述JT閥進行的膨脹前預冷用上述第1熱交換器冷卻的高壓製冷劑氣體；上述第一開閉閥設置在上述第一熱交換器的低壓側流路的出口側；上述氣體製冷劑回收管具有第二開閉閥，連接上述製冷劑罐和上述壓縮機的吸入側的配管；上述第二、第三熱交換器設置在上述第一熱交換器的高壓側流路的下遊側，使高壓製冷劑氣體和低壓製冷劑氣體進行熱交換；上述旁管具有開閉閥，其一端連接在上述第二熱交換器的高壓側流路與上述第三熱交換器的高壓側流路之間，其另一端連接在上述JT閥與上述製冷劑罐之間；實行與打開上述JT閥的同時關閉上述第一開閉閥、且打開上述第二開閉閥及上述旁管的開閉閥，一方面使從上述壓縮機排出的製冷劑流通上述第一熱交換器的高壓側流路及上述第二熱交換器的高壓側流路並導入上述製冷劑罐、一方面使上述製冷劑罐的製冷劑氣體通過上述氣體製冷劑回收管進行回收的消除閉塞運轉。
第十三極低溫冷凍裝置，在上述第十二極低溫冷凍裝置中，在上述氣體製冷劑回收管上設置吸附器。
第十四極低溫冷凍裝置，在上述第十三極低溫冷凍裝置中，在上述氣體製冷劑回收管的吸附器與製冷劑罐之間設置第三開閉閥，該第三開閉閥在消除閉塞運轉時被打開、且在非消除閉塞運轉時被關閉。
第十五極低溫冷凍裝置，在上述第十二極低溫冷凍裝置中，在上述JT閥的上遊側設置吸附器。
在第一極低溫冷凍裝置中，在通常的冷卻運轉時，從壓縮機排出的高壓製冷劑在第一熱交換器中被冷卻，由預冷冷凍機進一步冷卻，由JT閥焦耳一湯姆遜膨脹液化了後，被導入製冷劑罐。另外，在進行消除閉塞運轉時，從壓縮機排出的高壓製冷劑流通第一熱交換器的高壓側流路、再通過JT閥流入製冷罐。因此，不僅滯留在第一熱交換器的高壓側流路中的不純物被高壓製冷劑除去，而且滯留在該高壓側流路的下遊側的不純物也被高壓製冷劑除去。製冷劑罐內的氣體製冷劑的至少一部分不放出到大氣中而通過氣體製冷劑回收管導入到壓縮機的吸入側配管中。因此，氣體製冷劑的至少一部分不放出到大氣中，被再次利用於冷卻運轉，因此，裝置的運轉成本被降低。
在第二極低溫冷卻裝置中，具有相互串聯被連接的多個熱交換器，不僅解除了位於最上遊側的第一熱交換器的流路的閉塞，而且，也解除了其下遊側的熱交換器中的流路的閉塞。
在第三及第八極低溫冷卻裝置中，可以只解除第一熱交換器的閉塞。
在第四及第十二極低溫冷卻裝置中，可以只解除第一熱交換器及第二熱交換器的閉塞。
在第五、第九及第十三各極低溫冷卻裝置中，由於在氣體製冷劑回收管上設置吸附器，因此，在流入到製冷劑罐中的不純物在製冷劑罐內的氣體製冷劑通過氣體製冷劑回管被回收時被上述吸附器除去。
在第六、第十及第十四各極低溫冷卻裝置中，在冷卻運轉時，由於第三開閉閥被關閉，氣體製冷劑回收管的吸附器上遊側被關閉。因此，防止了在消除閉塞運轉時被吸附的不純物在冷卻運轉時逆流而返回製冷劑罐。
在第七、第十一及第十五各極低溫冷卻裝置中，由於在JT閥的上遊側設置吸附器，滯留在熱交換器的高壓側流路的下遊側的不純物被該吸附器吸附，被除去。
根據本發明，在消除閉塞運轉時，由於將從壓縮機排出的高壓製冷劑供給到第一熱交換器的高壓側流路，而且，也供給到該高壓側流路的下遊側，因此，不僅可以解除第一熱交換器的閉塞，而且也可以解除其下遊側部分的流路的閉塞。在消除閉塞運轉時，由於將製冷劑罐的氣體製冷劑通過製冷劑回收管進行回收，因此，可以抑制製冷劑罐的壓力上升。而且，可以在冷卻運轉時再次利用回收的製冷劑，可以降低運轉成本。
圖1是實施例1的極低溫冷凍裝置的製冷劑迴路圖。
圖2是第一熱交換器的縱斷面圖。
圖3是用於說明冷卻運轉時的製冷劑循環的製冷劑迴路圖。
圖4是用於說明消除閉塞運轉時的製冷劑循環的製冷劑迴路圖。
圖5是實施例2的極低溫冷凍裝置的製冷劑迴路圖。
圖6是實施例2的變形例的極低溫冷凍裝置的製冷劑迴路圖。
圖7是實施例3的極低溫冷凍裝置的製冷劑迴路圖。
圖8是實施例3的變形例的極低溫冷凍裝置的製冷劑迴路圖。
圖9是現有技術的低溫冷凍裝置的製冷劑迴路圖。
具體實施例方式
以下，根據
本發明的實施例。
實施例1
本實施例的極低溫冷凍裝置搭載在超導線性電動機車上(未圖示)，將超導線圈(未圖示)冷卻到極低溫水平。
-極低溫冷凍裝置的構成-如圖1所示，極低溫冷凍裝置10具有儲存液體氦的氦罐11，上述超導線圈用氦罐11內的液體氦冷卻到臨界溫度以下。
極低溫冷凍裝置10具有JT冷凍機20和預冷冷凍機30。作為JT冷凍機20的製冷劑迴路的JT迴路2A和作為預冷冷凍機30的製冷劑迴路的預冷迴路3A沿壓縮機單元1A及製冷劑單元1B配設。JT迴路2A由設在冷凍機單元1B中的低溫部2D和設在壓縮機單元1A中的常溫部2G構成。
壓縮機單元1A兼用作JT迴路2A的壓縮機單元和預冷迴路3A的壓縮機單元。該壓縮機單元1A中設置低段側壓縮機21和高段側壓縮機22，以便兩級壓縮氦氣。
在高段側壓縮機22的排出側連接著高壓配管23。在低段側壓縮機21的吸入側連接著低壓配管24。高壓配管23上從高段側壓縮機22的排出側順序地設置著兩個油分離器2a、2b和吸附器2c。高壓配管23分支為JT迴路2A用的高壓配管77和預冷迴路3A用的高壓配管31。在JT迴路2A的高壓配管77上從高段側壓縮機22的排出側順次地設置著開閉閥V1和流量控制閥V2。在低壓配管24上從壓縮機單元1A側朝向冷凍機單元1B側順次地設置著只允許朝向低段側壓縮機21的方向的流動製冷劑的單向閥79和第一開閉閥81。另外，單向閥79是用於防止在壓縮機21、22的運轉停止中從JT迴路2A的常溫部2G朝向低溫部2D流入常溫的氦氣的閥。
在低段側壓縮機21的排出側和高段側壓縮機22的吸入側之間連接著預冷迴路3A的中間壓配管32。通過採用這樣的構成，高段側壓縮機22兼作JT迴路2A及預冷迴路3A雙方的壓縮機。
在低段側壓縮機21的吸入側通過氣體配管13連接著緩衝罐12。在該氣體配管13上設置低壓控制閥V4。低壓控制閥V4構成為當低壓配管24的壓力(低壓側壓力)成為規定值以下時，自動被打開的構造。當該低壓控制閥V4被打開時，緩衝罐12的氦氣補給到JT迴路2A。
在氣體配管13上連接著從高壓配管23分支的剩餘氣體回收配管14。即剩餘氣體回收配管14的一端連接在高壓配管23中的吸附器2c與分支部(兩高壓配管31、77的分支部)之間，其另一端與氣體配管13連接。在剩餘氣體回收配管14上設置高壓控制閥V3。高壓控制閥V3構成為當高壓配管23的壓力(高壓側壓力)成為規定值以上時被自動地打開的構造。當該高壓控制閥V3被打開時，高壓氦氣被回收到緩衝罐12中。
接著，對冷凍機單元1B進行說明。冷凍機單元1B由預冷冷凍機30和JT迴路2A的低溫部2D構成。
預冷冷凍機30是為了預冷作為JT冷凍機20的製冷劑的氦氣而設置的，由用氦氣的壓力使置換器(デイスプレ一サ)往復運動的氣體壓驅動形的G-M(ギフオ一ド·マクマホン)循環冷凍機構成。該預冷冷凍機30具有電動機頭34和與該電動機頭34連接的兩階段構造的氣缸35。在電動機頭34上連接著高壓配管31和中間壓配管32。在氣缸35的大徑部的前端側設置被冷卻保持到規定溫度水平的第一熱站36。另外，在氣缸35的小徑部的前端側設置被冷卻保持為比第一熱站36低的溫度水平的第二熱站37。
在氣缸35的內部往復自由運動地收納著自由式的兩個置換器(未圖示)。各置換器在與各熱站36、37對應的位置分別劃分形成膨脹空間。
在電動機頭34上收容著轉子閥和驅動轉子閥的閥電動機。該轉子閥交替地切換將高壓配管31的高壓氦氣供給到氣缸35的各膨脹空間的供給狀態和將在各膨脹空間膨脹了的低壓氦氣排出到中間壓配管32的排出狀態。
在電動機頭34上設置通過小孔與氣缸35的膨脹空間連通的中間壓室。在該中間壓室和膨脹空間之間由於轉子閥的切換而產生壓力差，該壓力差成為驅動力，置換器進行往復運動。而且，高壓氦氣隨著上述轉子閥的開閉而在氣缸35的各膨脹空間中進行西蒙(simon)膨脹。由於該氦氣的膨脹而產生極低溫水平的寒冷。寒冷被保持在第一及第二熱站(36、37)中，被使用於JT冷凍機20的高壓氦氣的預冷。
JT迴路2A是通過使氦氣焦耳—湯姆遜膨脹而產生約4K水平的寒冷。JT迴路2A的低溫部2D具有第一熱交換器40、第二熱交換器50、第三熱交換器60、JT閥25以及氦罐11。這些熱交換器40、50、60用於使高壓氦氣和膨脹後的低壓氦氣進行熱交換，熱交換溫度按照第一熱交換器40、第二熱交換器50、第三熱交換器60的順序變低。
第一熱交換器40的高壓側流路41的入口側與高壓配管77連接。在第一熱交換器40的高壓側流路41的出口側配管與第二熱交換器50的高壓側流路51的入口側之間設置第一預冷部27。第一預冷部27配置在預冷冷凍機30的第一熱站36的外周部。在第二熱交換器50的高壓側流路51的出口側與第三熱交換器60的高壓側流路61的入口側之間設置第二預冷部28。第二預冷部28配置在預冷冷凍機30的第二熱站37的外周部。在第三熱交換器60的高壓側流路61的出口處與氦罐11之間設置JT閥25。另外，在第三熱交換器60的高壓側流路61與JT閥25之間設置吸附器87。
在JT閥25上連接著調節閥開度的操作杆2d。JT閥25構成為由控制器80控制開度，在後述的消除閉塞運轉時被設定為全開狀態。
這樣，從高段側壓縮機22到高壓配管23、高壓配管77、熱交換器40、50、60的高壓側流路41、51、61、預冷部27、28以及JT閥25的線路成為高壓氦氣流通的高壓線路2H。
第三熱交換器60的低壓側流路62、第二熱交換器50的低壓側流路52、第一熱交換器40的低壓側流路42由製冷劑配管26順序地連接著。第三熱交換器60的低壓側流路62通過製冷劑配管26連接在氦罐11上。第一熱交換器40的低壓側流路42與低壓配管24連接。這樣，從氦罐11經過熱交換器60、50、40的低壓側流路62、52、42到達低段側壓縮機21的線路成為低壓的氦氣流通的低壓線路2L。
氦罐11和低壓配管24由PL配管83連接著，PL配管83的一端與氦罐11連接，其另一端連接在低壓配管24的第一開閉閥81與單向閥79之間。在該PL配管83上從一端朝向另一端順序地設置著第三開閉閥86、吸附閥84、流量控制閥85及第二開閉閥82。第一開閉閥81、第二開閉閥82及第三開閉閥86都由電磁閥構成。第二開閉閥82和第三開閉閥86被設定為相互同步地動作。
另外，在氦罐11上連接著用於將罐內的氦氣放出的大氣中的放出管88。在放出管88上設置著由電磁閥構成的開閉閥89，該開閉閥89當氦罐11的內部壓力過高時自動地被打開。
第一熱交換器40和第二熱交換器50和第三熱交換器60相互具有相同的構成。在此，參照圖2隻對第一熱交換器40的構成進行說明，省略第二熱交換器50及第三熱交換器60的說明。
如圖2所示，第一熱交換器40具有管43、收容在管43中的心軸44、高壓管45。高壓管45是帶有翅的傳熱管，螺旋狀地繞在心軸44的外周上。該高壓管45的內部成為高壓氦氣流動的高壓側流路41。另外，管43與心軸44之間成為低壓氦氣流動的低壓側流路42。因此，高壓側流路41的高壓氦氣與低壓側流路42的低壓氦氣通過高壓管45進行熱交換。
如圖1所示，預冷冷凍機30的高壓配管31與中間壓配管32之間設置旁管75。該旁配管75上設置差壓閥76。由該差壓閥76的作用，當在消除閉塞運轉時使預冷冷凍機30的閥電動機停止時，高壓的氦氣朝向中間壓配管32分流。
在極低溫冷凍裝置中，有時混入作為不純物的空氣等的不純氣體(氦以外的氣體)和水分等。特別是本實施例的極低溫冷凍裝置採用了用於冷卻超導線圈的液體氦和作為製冷劑的氦氣在開放類的迴路中流動的構成(開式循環的構成)，需要添加充填液體氦的注入液和氦氣，因此，與採用封閉類的循環的裝置相比，混入不純物的可能性高。但是，當混入作為不純物的水分時，由於該水分被冷卻而凍結，有閉塞流路的危險。因此，本極低溫冷凍裝置10構成為除了冷卻超導線圈的冷卻運轉之外，還進行用於消除流路的消除閉塞運轉。
以下，對各運轉動作進行說明。
—冷卻運轉—冷卻運轉是由氦罐11的液化氦將超導線圈冷卻保持在臨界溫度以下的運轉。在本運轉中，冷卻超導線圈後蒸發了的氦氣從氦罐11流出而在JT迴路2A的低壓線路2L中流動，在壓縮機21、22產生的壓縮及JT閥25產生的膨脹的作用下再次被液化後返回到氦罐11。由該循環動作，使得在氦罐11中經常地儲存著規定量的液體氦，超導線圈被穩定地冷卻。
在冷卻運轉時，JT迴路2A及預冷迴路3A的氦如圖3中用實線箭頭所示那樣地進行循環。即，在冷卻運轉中，JT迴路2A的低壓線路2L的第一開閉閥81被打開，PL配管83的第二開閉閥82及第三開閉閥86被關閉。JT閥25被調整為規定開度，預冷冷凍機30的閥電動機進行驅動。
在該狀態下，從高段側壓縮機22排出的高壓氦氣的一部分通過高壓配管31流入到預冷冷凍機30。該高壓氦氣在預冷凍機30的氣缸35的各膨脹空間內進行膨脹，由該膨脹使氦氣的溫度降低，各熱站36、37分別被冷卻到規定的溫度水平。膨脹後的氦氣通過中間壓配管32返回到高段側壓縮機22。在預冷迴路3A中進行以上那樣的進行製冷劑循環動作。
另外，JT迴路2A中，氦氣以下那樣地進行循環。即，從高段側壓縮機22排出的高壓氦氣的剩餘部分通過高壓配管77流入到JT迴路2A的低溫部2D。流入到低溫部2D的高壓氦氣首先流過第一熱交換器40的高壓側流路41。那時，流過高壓側流路41的高壓氦氣與流過低壓側流路42的低壓氦氣進行熱交換器而被冷卻。例如，高壓氦氣在第一熱交換器40中從作為常溫的300K被冷卻到約50K。然後，高壓氦氣在第一預冷部27中流動被預冷冷凍機30的第一熱站36冷卻。
接著，高壓氦氣通過第二熱交換器50的高壓側流路51，與流通低壓側流路52的低壓氦氣進行熱交換而被冷卻。例如，在流通第二熱交換器50的高壓側流路51時，高壓氦氣被冷卻到約15K。然後，高壓氦氣在第二預冷部28中流動，被預冷冷凍機30的第二熱站37冷卻。接著，高壓氦氣通過第三熱交換器60的高壓側流路61。那時，高壓氦氣與流通低壓側流路62的低壓氦氣進行熱交換而被冷卻。
然後，高壓氦氣在JT閥25中進行焦耳—湯姆遜膨脹，成為約4K的液體氦。然後，該液體氦流入到氦罐11中。
另外，在氦罐11內蒸發的低壓氦氣順序地流過第三熱交換器60的低壓側流路62、第二熱交換器50的低壓側流路52、第三熱交換器40的低壓側流路42而經由低壓配管24返回到低段側壓縮機21。
在上述冷卻運轉時，當熱交換器40、50、60的高壓側流路41、51、61或其前後的配管的流路由不純物(水分等)閉塞時，進行以下的消除閉塞運轉，流路的閉塞的有無可以根據例如流路內的氦氣的壓力損失等進行判斷。另外，也可以不管閉塞的有無在進行了一定時間的冷卻運轉後進行消除閉塞運轉。接著，參照圖4對消除閉塞運轉進行說明。
—消除閉塞運轉—在消除閉塞運轉中，氦氣如圖4中由實線箭頭所示那樣地進行循環。JT迴路(2A)的低壓線路(2L)的第一開閉閥(81)被關閉，PL配管83的第二開閉閥82及第三開閉閥86被打開。JT閥25被設定為全開狀態。預冷冷凍機30的運轉被停止。
在該狀態中，從高段側壓縮機22排出的高壓氦氣的一部分按照第一熱交換器40的高壓側流路41、第一預冷部27、第二熱交換器50的高壓側流路51、第二預冷部28、第三熱交換器60的高壓側流路61、JT閥25的順序沿高壓線路2H流動。由於低壓線路2L的第一開閉閥21被關閉著，在低壓線路2L中不流通氦氣。因此，高壓氦氣在熱交換器40、50、60及預冷部27、28中不被冷卻，以常溫的溫度水平的狀態流通高壓線路2H。其結果，在高壓線路2H的流路內即使水分被凍結，該水分也由高壓氦氣熔解而與高壓氦氣一起經過高壓線路(2H)朝向氦罐11流去。
由於在高壓線路2H上設置吸附器87，因此，含在高壓氦中的水分等的不純物被吸附器87除去。
由於在氦罐11中流入了常溫的氦氣，罐內的溫度上升。其結果，氦罐11內的液體氦蒸發而成為氦氣。該氦氣通過PL配管83被導入低壓配管24。這時，含在氦氣中的不純物由吸附器84吸附、除去。被導入低壓配管24的氦氣由壓縮機21、22壓縮，被回收到緩衝罐12中。在具有沒有被回收完的氦氣時，可以通過放出管88放出到大氣中或另外設置緩衝罐回收到其罐中。
如以上所述那樣，JT迴路2A的流路的閉塞被消除，不純物被除去。在結束了消除閉塞運轉後，緩衝罐12內的氦返回到JT迴路2A，再開始冷卻運轉。
—實施例的效果—因此，若採用本實施例，不僅可以消除第一熱交換器40的高壓側流路41中的閉塞，而且還可以消除其下遊側的流路的閉塞。另外，在消除閉塞運轉時，由於將氦罐11內的氦氣至少一部分通過PL配管83回收到緩衝罐12中，因此再開始冷卻運轉時可以不需要補充氦、或可以減少補充量。因此，可以降低運轉成本。
在對超導線圈通電時，在氦罐11內多數的氦進行蒸發，為了回收其蒸發了的氦氣多預先設置PL配管83。在那樣的情況下，由於可以原樣不變地挪用已設置的PL配管83，因此，在進行消除閉塞運轉時不必另外新設置用於回收氦罐11的氦氣的專用的配管。因此，可以減少為了進行消除閉塞運轉而附加的零件的數量。
由於在PL配管83的吸附器84的上遊側設置在冷卻運轉時被關閉的第三開閉閥86，因此，可以防止在消除閉塞運轉時吸附的不純物在冷卻運轉時從吸附器84逆流到氦罐11中。
—變型例—
在上述實施例中，第一開閉閥81、第二開閉閥82及第三開閉閥86由控制器80自動控制著，但是，當然也可以由手動控制這些。
在不特別需要除去PL配管83中的不純物時，也可以省略掉PL配管83的吸附器84及第三開閉閥86。
實施例2
實施例2是通過對實施例1加以更換而可以只進行第一熱交換40的閉塞消除的實施例。
如圖5所示，實施例2的極低溫冷凍裝置10設置有旁管91，該旁管91其一端連接在預冷冷凍機30的第一預冷部27與第二熱交換器50的高壓側流路51之間，其另一端連接在第三熱交換器60的高壓側流路61與吸附器81之間。在旁管91上設置在冷卻運轉時被關閉的開閉閥92。
在本實施例中，除了實施例的消除閉塞運轉之外，還可以進行以下那樣的消除閉塞運轉。即，在本消除閉塞運轉中，JT迴路2A的低壓線路2L的第一開閉閥81被關閉，PL配管83的第二開閉閥82及第三開閉閥86被打開。JT閥25被設定為全開狀態，預冷冷凍機30的運轉被停止。而且，旁管91的開閉閥92被打開。
氦氣如圖5中用實線箭頭所示那樣地進行循環。即，從高段側壓縮機22排出的高壓氦氣的一部分按照第一熱交換器40的高壓側流路41、第一預冷部27、旁管91、JT閥25的順序沿高壓路線2H流動，流入氦罐11。然後，與實施例1的閉塞解除運轉同樣，氦氣從氦罐11通過PL配管83被導入低壓配管24。
因此，根據本實施例，由於只可以進行第一熱交換器40的閉塞解除，因此，在僅第一熱交換器40閉塞著時，可以有效地解除其閉塞。另外，由於不會導致第二熱交換器50及第三熱交換器60的溫度上升，因此在結束了解除閉塞運轉後，可以迅速地再開始冷卻運轉。
另外，旁管91的上遊端也可以連接於第一熱交換器40的高壓側流路41與第一預冷部27之間。另外，如圖6所示，旁管91的下遊端也可以連接在JT閥25與氦罐11之間。即使在這樣的情況下也可以進行上述解除閉塞運轉。
實施例3
實施例3是通過對實施例1施加變更，從而可以只進行第一熱交換器40及第二熱交換器50的閉塞解除的實施例。
如圖7所示，實施例3的極低溫冷凍裝置10設置有旁管93，該旁管93其一端被連接在預冷冷凍機30的第二預冷部28與第三熱交換器60的高壓流路61之間，其另一端被連接在第三熱交換器60的高壓側流路61與吸附器87之間。在旁管93上設置在冷卻運轉時被關閉的開閉閥94。
在本實施例中，除了實施例1的解除閉塞運轉之外、還可以進行以下那樣的解除閉塞運轉。即，在本解除閉塞運轉中，JT迴路2A的低壓線路2L的第一開閉閥81被關閉，PL配管83的第二開閉閥82及第三開閉閥86被打開。JT閥25被設定為為全開狀態，預冷冷凍機30的運轉被停止。而且，旁管93的開閉閥94被打開。
氦氣如圖7中用實線箭頭所示那樣地進行循環，即從高段側壓縮機22排出的高壓氦氣的一部分按照第一熱交換器40的高壓側流路41、第一預冷部27、第二熱交換器50的高壓側流路51、第二預冷部28、旁管93、JT閥25的順序沿高壓線路2H流動，流入氦罐11。然後，與第一實施例的解除閉塞運轉同樣，氦氣從氦罐11通過PL配管83被導入低壓配管24。
因此，根據本實施例，由於只可以進行第一熱交換器40及第二熱交換器50的閉塞解除，因此，在僅第一熱交換器40和第二熱交換器50閉塞著時，可以有效地解除其閉塞。另外，由於不會導致第三熱交換器60的溫度上升，因此在結束了解除閉塞運轉後，可以迅速地再開始冷卻運轉。
另外，旁管93的上遊端也可以連接於第二熱交換器50的高壓側流路51與第二預冷部28之間。另外，如圖8所示，旁管93的下遊端也可以連接在JT閥25與氦罐11之間。即使在這樣的情況下也可以進行上述解除閉塞運轉。
本發明不限定於上述第一及第三實施例，在不脫離其精神或主要的特徵的情況下可以以其它的各種各樣的形式進行實施。
這樣，上述的實施例在所有的點中只不過是例示，不能進行限定性的解釋。本發明的保護範圍是由權利要求表示的，不被說明書進行任何約束。另外，屬於權利要求的均等範圍的變型或變更都包括在本
權利要求
1.極低溫冷凍裝置，具有壓縮機、JT冷凍機、第一熱交換器、預冷冷凍機、第1開閉閥、氣體製冷劑回收管；上述JT冷凍機具有使從上述壓縮機排出的高壓製冷劑氣體焦耳—湯姆遜膨脹的JT閥和儲存由焦耳—湯姆遜膨脹液化了的製冷劑的製冷劑罐；上述第一熱交換器具有使從上述壓縮機排出的高壓製冷劑氣體流通的高壓側流路和使來自上述製冷劑罐的低壓製冷劑氣體流通的低壓側流路，使該高壓側流路的高壓製冷劑氣體與該低壓側流路的低壓製冷劑氣體熱交換；上述預冷冷凍機在由上述JT閥進行的膨脹前預冷由上述第1熱交換器冷卻的高壓製冷劑氣體；第一開閉閥設置在上述第一熱交換器的低壓側流路的出口側；上述氣體製冷劑回收管具有第二開閉閥，連接上述製冷劑罐和上述壓縮機的吸入側的配管；實行與打開上述JT閥的同時關閉上述第一開閉閥、且打開上述第二開閉閥，一方面使從上述壓縮機排出的製冷劑至少在上述第一熱交換器的高壓側流路及上述JT閥中流通並導入上述製冷劑罐、一方面使上述製冷劑罐的製冷劑氣體通過上述氣體製冷劑回收管進行回收的消除閉塞運轉。
2.如權利要求1所述的極低溫冷凍裝置，其特徵在於，在上述第一熱交換器的高壓側流路的下遊側還設置使高壓製冷劑氣體和低壓製冷劑氣體熱交換的一個或二個以上的熱交換器。
3.如權利要求1所述的極低溫冷凍裝置，其特徵在於，在上述第一熱交換器的高壓側流路的下遊側還設置使高壓製冷劑氣體和低壓製冷劑氣體熱交換的第二及第三熱交換器，另外，還具有旁管和開閉閥，該旁管其一端連接在上述第一熱交換器的高壓側流路與上述第二熱交換器的高壓側流路之間，另一端被連接在上述第三熱交換器的高壓側流路與JT閥之間，上述開閉閥設置在上述旁管上，在進行消除閉塞運轉時，打開上述旁管的開閉閥，將從壓縮機排出的製冷劑經上述第一熱交換器的高壓側流路、上述旁管及上述JT閥導入到上述製冷劑罐。
4.如權利要求1所述的極低溫冷凍裝置，其特徵在於，上述第一熱交換器的高壓側流路的下遊側還設置使高壓製冷劑氣體和低壓製冷劑氣體熱交換的第二及第三熱交換器，另外，具有旁管和開閉閥，該旁管其一端連接在上述第二熱交換器的高壓側流路與上述第三熱交換器的高壓側流路之間，另一端被連接在上述第三熱交換器的高壓側流路與JT閥之間，上述開閉閥設置在上述旁管上；在進行消除閉塞運轉時，打開上述旁管的開閉閥，將從壓縮機排出的製冷劑經上述第一熱交換器的高壓側流路、上述第二熱交換器的高壓側流路、上述旁管及上述JT閥導入到上述製冷劑罐。
5.如權利要求1所述的極低溫冷凍裝置，其特徵在於，在上述氣體製冷劑回收管上設置吸附器。
6.如權利要求5所述的極低溫冷凍裝置，其特徵在於，在上述氣體製冷劑回收管的吸附器與製冷劑罐之間設置第三開閉閥，該第三開閉閥在消除閉塞運轉時被打開且在非消除閉塞運轉時被關閉。
7.如權利要求1所述的極低溫冷凍裝置，其特徵在於，在上述JT閥的上遊側設置吸附器。
8.極低溫冷凍裝置，具有壓縮機、JT冷凍機、第一熱交換器、預冷冷凍機、第一開閉閥、氣體製冷劑回收管、第二及第三熱交換器、旁管；上述JT冷凍機具有使從上述壓縮機排出的高壓製冷劑氣體焦耳—湯姆遜膨脹的JT閥和儲存由焦耳—湯姆遜膨脹液化了的製冷劑的製冷劑罐；上述第一熱交換器具有使從上述壓縮機排出的高壓製冷劑氣體流通的高壓側流路和使來自上述製冷劑罐的低壓製冷劑氣體流通的低壓側流路，使該高壓側流路的高壓製冷劑氣體與該低壓側流路的低壓製冷劑氣體進行熱交換；上述預冷冷凍機在由上述JT閥產生膨脹前預冷由上述第一熱交換器冷卻的高壓製冷劑氣體；上述第一開閉閥設置在上述第一熱交換器的低壓側流路的出口側；上述氣體製冷劑回收管具有第二開閉閥，連接上述製冷劑罐和上述壓縮機的吸入側的配管；上述第二、第三熱交換器設置在上述第一熱交換器的高壓側流路的下遊側，使高壓製冷劑氣體和低壓製劑氣體進行熱交換；上述旁管具有開閉閥，其一端連接在上述第一熱交換器的高壓側流路與上述第二熱交換器的高壓側流路之間，其另一端連接在上述JT閥與上述製冷劑罐之間；實行與打開上述JT閥的同時關閉上述第一開閉閥、且打開上述第二開閉閥及上述旁管的開閉閥，一方面使從上述壓縮機排出的製冷劑流通上述第一熱交換器的高壓側流路並導入上述製冷劑罐、一方面使該製冷劑罐的製冷劑氣體通過上述氣體製冷劑回收管進行回收的消除閉塞運轉。
9.如權利要求8所述的極低溫冷凍裝置，其特徵在於，在上述氣體製冷劑回收管上設置吸附器。
10.如權利要求9所述的極低溫冷凍裝置，其特徵在於，在上述氣體製冷劑回收管的吸附器與製冷劑罐之間設置第三開閉閥，該第三開閉閥在消除閉塞運轉時被打開、且在非消除閉塞運轉時被關閉。
11.如權利要求8所述的極低溫冷凍裝置，其特徵在於，在上述JT閥的上遊側設置吸附器。
12.極低溫冷凍裝置，具有壓縮機、JT冷凍機、第一熱交換器、預冷冷凍機、第一開閉閥、氣體製冷劑回收管、第二及第三熱交換器、旁管；上述JT冷凍機具有使從上述壓縮機排出的高壓製冷劑氣體焦耳—湯姆遜膨脹的JT閥和儲存由焦耳—湯姆遜膨脹液化了的製冷劑的製冷劑罐；上述第一熱交換器具有使從上述壓縮機排出的高壓製冷劑氣體流通的高壓側流路和使來自上述製冷劑罐的低壓製冷劑氣體流通的低壓側流路，使該高壓側流路的高壓製冷劑氣體與該低壓側流路的低壓製冷劑氣體熱交換；上述預冷冷凍機在由上述JT閥膨脹前預冷用上述第一熱交器冷卻的高壓製冷劑氣體；上述第一開閉閥設置在上述第一熱交換器的低壓側流路的出口側；上述氣體製冷劑回收管具有第二開閉閥，連接上述製冷劑罐和上述壓縮機的吸入側的配管；上述第二、第三熱交換器設置在上述第一熱交換器的高壓側流路的下遊側，使高壓製冷劑氣體和低壓製劑氣體進行熱交換；上述旁管具有開閉閥，其一端連接在上述第二熱交換器的高壓側流路與上述第三熱交換器的高壓側流路之間，其另一端連接在上述JT閥與上述製冷劑罐之間；實行與打開上述JT閥的同時關閉上述第一開閉閥、且打開上述第二開閉閥及上述旁管的開閉閥，一方面使從上述壓縮機排出的製冷劑流通上述第一熱交換器的高壓側流路及上述第二熱交換器的高壓側流路並導入上述製冷劑罐、一方面使該製冷劑罐的製冷劑氣體通過上述氣體製冷劑回收管進行回收的消除閉塞運轉。
13.如權利要求12所述的極低溫冷凍裝置，其特徵在於，在上述氣體製冷劑回收管上設置吸附器。
14.如權利要求13所述的極低溫冷凍裝置，其特徵在於，在上述氣體製冷劑回收管的吸附器與製冷劑罐之間設置第三開閉閥，該第三開閉閥在消除閉塞運轉時被打開、且在非消除閉塞運轉時被關閉。
15.如權利要求12所述的極低溫冷凍裝置，其特徵在於，在上述JT閥的上遊側設置吸附器。
全文摘要
極低溫冷凍裝置，具有JT冷凍機和預冷冷凍機。JT冷凍機具有JT閥和第一開閉閥，該JT閥在解除閉塞運轉時被全開，該第一開閉閥設在JT迴路的低壓路線上，並且在解除閉塞運轉時被關閉。極低溫冷凍裝置具有將氦罐內的氦氣回收到緩衝罐中的PL配管。PL配管具有在解除閉塞運轉時被打開的第二開閉閥和第三開閉閥。
文檔編號F25B9/02GK1459356SQ03103750
公開日2003年12月3日 申請日期2003年2月18日 優先權日2002年5月20日
發明者草田榮久, 本吉智行, 真田芳直, 富岡計次 申請人:東海旅客鐵道株式會社, 大金工業株式會社