超低溫製冷裝置及超低溫製冷裝置的控制方法
2023-05-17 05:02:46 3
超低溫製冷裝置及超低溫製冷裝置的控制方法
【專利摘要】本發明提供一種超低溫製冷裝置及超低溫製冷裝置的控制方法，該超低溫製冷裝置的控制方法在能夠進行多種運行的超低溫製冷裝置中對多個制冷機的製冷能力分別進行調整。本發明的超低溫製冷裝置（10）具備：壓縮機（12）；多個制冷機（14）；及氣體管路（16），其將多個制冷機（14）並聯連接於壓縮機（12），以使工作氣體在多個制冷機（14）中的每一個與壓縮機（12）之間循環。氣體管路（16）具備流量控制閥（54），該流量控制閥能夠對多個制冷機（14）中相對應的制冷機（14）的工作氣體流動的壓力損失分別進行控制。流量控制閥（54）串聯設置於所對應的制冷機（14）上。
【專利說明】超低溫製冷裝置及超低溫製冷裝置的控制方法
[0001]本申請主張基於2013年3月4日申請的日本專利申請第2013-041438號的優先權。該申請的所有內容通過參考援用於本說明書中。
【技術領域】
[0002]本發明涉及一種超低溫製冷裝置及超低溫製冷裝置的控制方法。
【背景技術】
[0003]已知有一種蓄冷式製冷裝置，其構成為向制冷機供給通過壓縮機進行壓縮的高壓氦氣，且使在制冷機中膨脹且壓力下降的低壓氦氣重新返回到壓縮機，其中，在制冷機側設置溫度傳感器，並設置具備被基於該溫度傳感器產生的信號所控制的流量控制閥的旁通通路，且通過控制工作氣體的高壓側與低壓側之間的壓力差，從而能夠控制制冷機的溫度。
[0004]專利文獻1:日本特開平11-281181號公報
[0005]上述製冷裝置中相對於I臺壓縮機設置有I臺制冷機。最近，為了節能及降低成本，取而代之的有相對於I臺壓縮機設置有多臺制冷機。多臺制冷機例如安裝於一種大型裝置的多處，或安裝於多個同種裝置中的每一個。這種超低溫製冷裝置中，使用其共同的壓縮機來同時運行多臺制冷機，進行所謂多種運行。
【發明內容】
[0006]本發明的一種方式的示例性目的之一在於，在能夠進行多種運行的超低溫製冷裝置中，對多個制冷機的製冷能力分別進行調整。
[0007]根據本發明的一種方式，提供一種超低溫製冷裝置，其中，具備:工作氣體源；多個制冷機；及氣體管路，其將所述多個制冷機並聯連接於所述工作氣體源，以使工作氣體在所述多個制冷機中的每一個與所述工作氣體源之間循環，所述氣體管路具備控制要件，該控制要件能夠對所述多個制冷機中相對應的制冷機的工作氣體流動的壓力損失分別進行控制，所述控制要件串聯設置於所述對應的制冷機上。
[0008]根據本發明的一種方式，提供一種超低溫製冷裝置的控制方法，其具備:使用共同的工作氣體源來同時運行多個制冷機，及對所述工作氣體源與所述多個制冷機之間的工作氣體流動的壓力損失分別進行控制。
[0009]另外，以上構成要件的任意組合和對本發明的構成要件及表現，在方法、裝置及系統等之間彼此替換也作為本發明的方式仍然有效。
[0010]發明效果
[0011]根據本發明，能夠在可進行多種運行的超低溫製冷裝置中，對多個制冷機的製冷能力分別進行調整。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1是概略地表示本發明的一實施方式所涉及的超低溫製冷裝置的整體結構圖。[0013]圖2是用於說明本發明的一實施方式所涉及的超低溫製冷裝置的控制方法的流程圖。
[0014]圖中:10_超低溫製冷裝置，12-壓縮機，14-制冷機，16-氣體管路，42-主高壓配管，46-高壓個別配管，48-主低壓配管，52-低壓個別配管，54-流量控制閥，58-壓縮機控制部，62-溫度控制部。
【具體實施方式】
[0015]圖1是概略地表示本發明的一實施方式所涉及的超低溫製冷裝置10的整體結構圖。該實施方式中，超低溫製冷裝置10例如設置於具備超導設備或其他被冷卻物I的裝置2上。該裝置2例如為核磁共振圖像裝置，此時被冷卻物I為超導磁體。裝置2也可為低溫泵，此時被冷卻物I為低溫板。
[0016]超低溫製冷裝置10具備具有壓縮機12的工作氣體源和多個制冷機14。並且，超低溫製冷裝置10具備將多個制冷機14並聯連接於壓縮機12的氣體管路16。氣體管路16構成為使工作氣體在多個制冷機14的每一個與壓縮機12之間循環。工作氣體例如為氦氣。
[0017]壓縮機12具備:吸入埠 18，用於從氣體管路16接收低壓工作氣體；及吐出埠20，用於向氣體管路16輸出高壓工作氣體。壓縮機12具備:壓縮機主體(未圖示)，用於壓縮工作氣體；及壓縮機馬達21，用於驅動壓縮機主體。壓縮機12具備:第I壓力傳感器22，用於測定低壓工作氣體的壓力；及第2壓力傳感器24，用於測定高壓工作氣體。這些壓力傳感器也可設置於氣體管路16的適當的部位。
[0018]制冷機14例如為吉福德-麥克馬洪式制冷機(所謂GM制冷機)或脈衝管制冷機這種蓄冷式超低溫制冷機。制冷機14具備:高壓埠 26，用於從氣體管路16接收高壓工作氣體；及低壓埠 28，用於向氣體管路16輸出低壓工作氣體。制冷機14具備用於測定製冷機14的冷卻溫度的至少I個溫度傳感器。制冷機14例如為二級式制冷機，此時制冷機14具備:第I溫度傳感器30，用於測定第I級低溫端的溫度；及第2溫度傳感器32，用於測定第2級的低溫端的溫度。
[0019]制冷機14具備工作氣體的膨脹室34。膨脹室34中容納有蓄冷器(未圖示)。制冷機14具備用於以某種頻率進行熱循環的驅動部36。驅動部36構成為以恆定的熱循環頻率運行制冷機14。在該熱循環中，高壓的工作氣體從高壓埠 26經由蓄冷器而供給至膨脹室34，在膨脹室34中膨脹並冷卻，其結果被減壓的工作氣體從膨脹室34經由蓄冷器而向低壓埠 28排出。
[0020]制冷機14例如為GM制冷機時，驅動部36具備置換器機構、流路切換機構及驅動源。置換器機構構成為使高壓工作氣體經由蓄冷器供給於膨脹室34，且使低壓工作氣體經由蓄冷器從膨脹室34排出。蓄冷器安裝於置換器機構。流路切換機構構成為將膨脹室34的連接處在高壓埠 26和低壓埠 28切換。為實現熱循環(即GM循環)，驅動源構成為同步驅動置換器機構及流路切換機構。
[0021]氣體管路16具備:高壓管路38，用於從壓縮機12向多個制冷機14供給高壓工作氣體；及低壓管路40，用於從多個制冷機14將低壓工作氣體回收到壓縮機12。高壓管路38連接壓縮機12的吐出埠 20與制冷機14的高壓埠 26。低壓管路40連接壓縮機12的吸入埠 18與制冷機14的低壓埠 28。[0022]高壓管路38具備主高壓配管42、高壓分支部44及多個高壓個別配管46。主高壓配管42將壓縮機12的吐出埠 20連接於高壓分支部44。高壓分支部44將主高壓配管42向多個高壓個別配管46分支。多個高壓個別配管46的每一個將高壓分支部44連接於所對應的制冷機14的高壓埠 26。
[0023]同樣地，低壓管路40具備主低壓配管48、低壓分支部50及多個低壓個別配管52。主低壓配管48將壓縮機12的吸入埠 18連接於低壓分支部50。低壓分支部50將主低壓配管48向多個低壓個別配管52分支。多個低壓個別配管52的每一個將低壓分支部50連接於所對應的制冷機14的低壓埠 28。
[0024]如此，主高壓配管42及主低壓配管48構成氣體管路16的主流路，且高壓個別配管46及低壓個別配管52構成氣體管路16的單個流路。主流路上配置有壓縮機12。多個單個流路上分別配置有所對應的制冷機14。制冷機14通過各單個流路而連接於主流路。通過主流路及單個流路，形成壓縮機12與各制冷機14之間的工作氣體的循環流路。
[0025]氣體管路16具備多個制冷機14和相同數量的流量控制閥54。各流量控制閥54分別串聯設置於所對應的制冷機14。流量控制閥54配置於高壓個別配管46，且鄰接於制冷機14的高壓埠 26的外側。如此，多個流量控制閥54以制冷機14和流量控制閥54 —對一對應的方式配置在氣體管路16。
[0026]流量控制閥54構成為調節其開度來調整高壓個別配管46的壓力損失ΛΡ1，且由此來控制高壓個別配管46的工作氣體流量。流量控制閥54例如進行所謂Cv值控制。各流量控制閥54分別設置於氣體管路16的單個流路，因此能夠對向所對應的制冷機14的供給氣體流動的壓力損失ΛΡ1分別進行控制。
[0027]將流量控制閥54設置在高壓個別配管46上，可能比設置在低壓個別配管52上時更有利。壓力損失ΛΡ1在制冷機14的高壓側產生，因此能夠使制冷機14的運行壓力下降。其結果，能夠減少制冷機14的內部的壓力損失對製冷能力的影響。
[0028]另外，流量控制閥54也可安裝於制冷機14上而構成一體的制冷機單元。或者，流量控制閥54也可以是通過配管連接於制冷機14的分體的壓力損失控制要件。
[0029]超低溫製冷裝置10具備壓縮機單元56。壓縮機單元56具備壓縮機12和用於控制壓縮機12的壓縮機控制部58。壓縮機控制部58具備用於改變壓縮機馬達21的運行頻率的壓縮機變頻器60。壓縮機控制部58構成為根據第I壓力傳感器22和/或第2壓力傳感器24的測定壓力來控制壓縮機馬達21的運行頻率。
[0030]壓縮機控制部58例如將壓縮機12的高壓與低壓的差壓控制為目標壓力。以下將其稱為差壓恆定控制。壓縮機控制部58為了差壓恆定控制而控制壓縮機12的運行頻率。另外，可根據需要在差壓恆定控制的執行過程中改變差壓的目標值。
[0031]差壓恆定控制中，壓縮機控制部58求出第I壓力傳感器22的測定壓力與第2壓力傳感器24的測定壓力的差壓。壓縮機控制部58決定壓縮機馬達21的運行頻率，以使該差壓與目標值ΛΡ—致。壓縮機控制部58控制壓縮機變頻器60來實現其運行頻率。
[0032]並且，超低溫製冷裝置10具備用於控制多個制冷機14的冷卻溫度的溫度控制部62。溫度控制部62構成為根據多個制冷機14的第I溫度傳感器30和/或第2溫度傳感器32的測定溫度，對多個流量控制閥54分別進行控制。
[0033]溫度控制部62將制冷機14的第I級(或第2級)的冷卻溫度控制成目標溫度。溫度控制部62以使其中某個制冷機14的第I溫度傳感器30的測定溫度與目標溫度一致的方式，對與該制冷機14對應的流量控制閥54的開度進行調節。目標溫度可在制冷機14運行時恆定，也可改變。這種溫度控制例如在制冷機14的穩定的冷卻運行中執行。
[0034]或者，溫度控制部62也可以控制流量控制閥54，以使制冷機14的第I級(或第2級)的冷卻溫度發生變化。溫度控制部62也可根據其中某個制冷機14的運行狀態來控制與該制冷機14對應的流量控制閥54。例如，在制冷機14啟動運行時，流量控制閥54打開為某設定開度(例如全開)，在啟動運行後續的穩定運行中，也可將流量控制閥54控制為比其小的開度。
[0035]對超低溫製冷裝置10的動作進行說明。通過壓縮機12的運行，在氣體管路16的主高壓配管42與主低壓配管48之間施加有相當於目標差壓ΛΡ的差壓。S卩，將壓縮機12的吸入壓力表示為P時，壓縮機12的吐出壓力表示為P+ Λ P。因此，具有壓力P+ Λ P的高壓工作氣體從壓縮機12輸出至高壓管路38。高壓工作氣體從壓縮機12通過主高壓配管42由高壓分支部44分配至高壓個別配管46。制冷機14的膨脹室34連接於高壓個別配管46時，高壓工作氣體從高壓管路38供給至膨脹室34。
[0036]此時，高壓工作氣體通過高壓個別配管46的流量控制閥54而供給相對應的制冷機14。流量控制閥54對高壓個別配管46的工作氣體流動施加壓力損失ΛΡ1。因此，制冷機14的膨脹室34中供給有具有壓力P+Λ P-Λ Pl的工作氣體。
[0037]膨脹室34連接於低壓個別配管52時，在膨脹室34中高壓工作氣體膨脹並進行PV做功，在制冷機14中產生冷能。工作氣體從壓力P+Λ P-Λ Pl減壓至壓力P。即膨脹室34的吸氣壓力與排氣壓力的差壓為ΛΡ-ΛΡ1，這在以下表示為ΛΡ2 (S卩，ΔΡ2=ΔΡ-ΔΡ1)0
[0038]低壓工作氣體從膨脹室34向低壓管路40排出。低壓工作氣體從制冷機14通過低壓個別配管52在低壓分支部50合流。低壓工作氣體通過主低壓配管48返回到壓縮機
12。如此，具有壓力P的低壓工作氣體從低壓管路40回收到壓縮機12。壓縮機12壓縮回收的工作氣體，且升壓至壓力P+Λ P。如此獲得的高壓工作氣體重新從壓縮機12供給至制冷機14。
[0039]通常，制冷機的製冷能力與膨脹室的吸氣壓力與排氣壓力的差壓和膨脹室的容積之積，即PV做功有關(理想情形為相一致)。典型的制冷機中，能夠通過改變熱循環頻率來控制製冷能力並調節冷卻溫度。這在概念上相當於在制冷機的PV做功中調整膨脹室容積V。
[0040]與此相對，本實施方式基於在制冷機14的PV做功中調整差壓P的構思。制冷機14的製冷能力與膨脹室34的吸氣壓力與排氣壓力的差壓ΛΡ2和膨脹室34的容積V之積ΛΡ2.ν有關。膨脹室34的差壓Λ Ρ2如上述，根據壓縮機12的差壓ΛΡ和流量控制閥54的壓力損失ΛΡ1決定。因此，通過改變壓力損失ΛΡ1，能夠控制制冷機14的製冷能力並調節冷卻溫度。
[0041]若減小某流量控制閥54的開度，則壓力損失Λ Pl變大。如此一來，與該流量控制閥54對應的制冷機14的膨脹室34的差壓ΛΡ2 ( = ΔΡ-ΔΡ1)以互補方式變小，該制冷機14的PV做功減少。因此，制冷機14的製冷能力變小，制冷機14升溫。相反，若加大流量控制閥54的開度，則壓力損失ΛΡ1變小。如此一來，膨脹室34的差壓ΛΡ2以互補方式變大，制冷機14的PV做功增加。因此，制冷機14的製冷能力變大，制冷機14降溫。[0042]壓縮機12為多個制冷機14中共同的氣體源，因此壓縮機12的差壓Λ P在多個制冷機14中也是共同的。因此，壓縮機差壓的調整並不會實現制冷機14的個別的溫度控制。但是，根據本實施方式，能夠按每個制冷機14的流量控制閥54的壓力損失ΛΡ1，因此能夠對多個制冷機14的製冷能力分別進行控制。
[0043]根據本實施方式，能夠提供一種新的溫度調節控制方式來代替改變制冷機的熱循環頻率這種現有的溫度調節控制方式。該新方式能夠以在氣體管路16上設置流量控制閥54這種簡單的結構來實現，因此與現有的方式相比可能在成本方面有利。
[0044]並且，根據本實施方式，無需改變制冷機14的熱循環頻率，因此能夠提供一種不具備變頻器的制冷機14的超低溫製冷裝置10。制冷機14不具有變頻器，從而沒有因變頻器引起的噪聲。因此，超低溫製冷裝置10適於要求降低噪聲的裝置，例如核磁共振圖像裝置的冷卻。
[0045]本實施方式中，將氣體管路16的流量控制與壓縮機的差壓恆定控制配合使用。這起到提高超低溫製冷裝置10的節能性能的作用。流量控制閥54的開度較小時，工作氣體變得難以流過氣體管路16，因此壓縮機12的差壓增大。如此一來，壓縮機12的運行頻率下降，以使差壓返回目標值。如此能夠降低壓縮機12的耗電。由此，為了降低制冷機14的剩餘的製冷能力而減小流量控制閥54時，能夠抑制壓縮機12的耗電。相反，根據需要打開流量控制閥54，由此能夠增強制冷機14的製冷能力，並且提高壓縮機12的運行頻率。與使壓縮機12以高頻率穩定地運行時相比，能夠降低壓縮機12的耗電。
[0046]在壓縮機的高壓側與低壓側之間設置旁通通道時，為了壓縮流過旁通通道的高壓氣體而消耗的能量並不會有助於制冷機的製冷能力。與此相對，根據本實施方式，超低溫製冷裝置10不具有這種旁通通道，不存在由旁通通道產生的能量消耗。這也有利於節能。
[0047]圖2是用於說明本發明的一實施方式所涉及的超低溫製冷裝置10的控制方法的流程圖。該方法例如通過溫度控制部62執行。如圖示，開始超低溫製冷裝置10的運行(SlO)0使用共同的壓縮機12，多個制冷機14同時運行。
[0048]該控制方法具備多個制冷機14的整體控制(S12)和制冷機14的個別控制(S14)。整體控制包括分別監控多個制冷機14的冷卻溫度，同時從初始溫度(例如室溫)向目標溫度接近。整體控制中流量控制閥54均設定為某開度(例如全開)。任一制冷機14達到目標溫度時，溫度控制部62結束整體控制而轉換為個別控制。個別控制包括對與多個制冷機14分別對應的單個流路的壓力損失分別進行控制。個別控制中流量控制閥54被控制。也就是說整體控制為粗略的溫度調整，個別控制為精密的溫度調整。另外，溫度控制部62也可從開始運行超低溫製冷裝置10時執行個別控制。
[0049]例如，整體控制中多個制冷機14的任一個冷卻至目標溫度以下。最高溫的制冷機14冷卻至目標溫度時，溫度控制部62結束整體控制而轉換為個別控制。此時，其他制冷機14被冷卻得比目標溫度更低溫。在個別控制中，通過減小流量控制閥54的開度，所對應的制冷機14的冷卻溫度升溫至目標溫度。如此，能夠將多個制冷機14分別冷卻成目標溫度。
[0050]因制冷機14的個體差異和壓縮機12與制冷機14之間的位置關係等主要原因，制冷機14的運行中有可能產生偏差。例如，有可能在制冷機14之間，在冷卻溫度上產生差異。通過制冷機14的個別控制，能夠減輕這種運行的偏差。
[0051]以上，基於實施例對本發明進行了說明。但本發明並不限於上述實施方式，能夠進行各種設計改變，能夠實施各種變形例，並且這樣的變形例也屬於本發明的範圍內，這對本領域技術人員來講是可以理解的。
[0052]上述實施方式中，超低溫製冷裝置10具備I臺壓縮機12。然而，超低溫製冷裝置10也可具備具有多個壓縮機12的工作氣體源。此時，多個壓縮機12也可相對於多個制冷機14並聯連接。S卩，氣體管路16也可構成為多個壓縮機12並聯連接於多個制冷機14中任一制冷機。例如，氣體管路16可以在每個壓縮機12中具備主高壓配管42及主低壓配管48，且主高壓配管42及主低壓配管48分別與高壓分支部44及低壓分支部50連接。因此，氣體管路16也可具備多個主高壓配管42及主低壓配管48、高壓分支部44及低壓分支部50、及多個高壓個別配管46及低壓個別配管52。
[0053]上述實施方式中，氣體管路16為了控制工作氣體流動的壓力損失而具備流量控制閥54。然而，工作氣體流動的壓力損失控制要件並不限定於流量控制閥54。氣體管路16也可具備用於控制工作氣體流量的例如開閉閥或如可變節流器這種流量控制機構，或者具備其他壓力損失控制要件。可變節流器例如包括流量控制閥54、可變節流孔。
[0054]這種壓力損失控制要件也可設置於氣體管路16的單個流路的任意部位(例如低壓個別配管52)，也可設置於制冷機14中。多個壓力損失控制要件也可設置於I個制冷機中。例如，多個流量控制閥54或可變節流器也可串聯設置於高壓個別配管46和/或低壓個別配管52上。
[0055]壓力損失控制要件可具備多個分支流路。例如，壓力損失控制要件具備形成氣體管路16的單個流路的一部分的第I分支流路和並列設置於第I分支流路上的第2分支流路。第I分支流路被開放，且第2分支流路上設置有流量控制閥等可變節流器。如此一來，能夠通過第I分支流路來確保單個流路中的流動。能夠根據需要改變第2分支流路的流量，且控制單個流路中的流量。
[0056]並且，超低溫製冷裝置10也可具備比制冷機14數量更少的壓力損失控制要件。此時，多個制冷機14中部分制冷機14也可一對一地與壓力損失控制要件對應。使用壓力損失控制要件來控制這些部分制冷機14的製冷能力，其他的制冷機14中不使用壓力損失控制要件。這些其他的制冷機14中也可進行熱循環頻率控制或其他製冷能力控制。
[0057]或者，也可將多個制冷機14區分為幾個組，每一組中設置有I個壓力損失控制要件，使用該壓力損失控制要件來控制相應組的制冷機14的製冷能力。
[0058]上述實施方式中，制冷機14的驅動部36構成為以恆定的熱循環頻率運行制冷機14。然而，驅動部36也可構成為能夠改變熱循環頻率。通過配合使用制冷機14的熱循環頻率控制和氣體管路16的流量控制，從而能夠擴大制冷機14的製冷能力的控制範圍。
[0059]制冷機14可具備加熱器。此時，為了在個別控制中使制冷機14升溫，也可使用加熱器。
【權利要求】
1.一種超低溫製冷裝置，其特徵在於，具備: 工作氣體源； 多個制冷機；及 氣體管路，其將所述多個制冷機並聯連接於所述工作氣體源，以使工作氣體在所述多個制冷機中的每一個與所述工作氣體源之間循環， 所述氣體管路具備控制要件，該控制要件能夠對所述多個制冷機中相對應的制冷機的工作氣體流動的壓力損失分別進行控制， 所述控制要件串聯設置於所述對應的制冷機上。
2.根據權利要求1所述的超低溫製冷裝置，其特徵在於， 所述工作氣體源具備至少I個壓縮機， 所述超低溫製冷裝置還具備壓縮機控制部，該壓縮機控制部用於控制所述壓縮機的運行頻率，以便將所述壓縮機的高壓與低壓的差壓控制為目標壓力。
3.根據權利要求1或2所述的超低溫製冷裝置，其特徵在於， 所述超低溫製冷裝置還具備溫度控制部，該溫度控制部用於控制所述控制要件，以便將所述對應的制冷機的冷卻溫度控制為目標溫度。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的超低溫製冷裝置，其特徵在於， 所述氣體管路具備連接於所述工作氣體源的主流路，及用於將所述對應的制冷機連接於所述主流路的單個流路， 所述控制要件具備設置於所述單個流路的可變節流器。
5.—種低溫泵,其特徵在於， 所述低溫泵具備權利要求1至4中任一項所述的超低溫製冷裝置。
6.一種核磁共振圖像裝置，其特徵在於， 所述核磁共振圖像裝置具備權利要求1至4中任一項所述的超低溫製冷裝置。
7.一種超低溫製冷裝置的控制方法，其特徵在於，具備: 使用共同的工作氣體源來同時運行多個制冷機，及 對所述工作氣體源與所述多個制冷機之間的工作氣體流動的壓力損失分別進行控制。
【文檔編號】F25B49/02GK104034078SQ201410067853
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年2月26日 優先權日:2013年3月4日
【發明者】高橋走, 松井孝聰 申請人:住友重機械工業株式會社