特開 2024-59364 オイル潤滑式の極低温冷凍機用圧縮機およびその運転方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024059364

(43)【公開日】2024-05-01

(54)【発明の名称】オイル潤滑式の極低温冷凍機用圧縮機およびその運転方法

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20240423BHJP

   F25B 9/14 20060101ALI20240423BHJP

【ＦＩ】

F25B9/00 A

F25B9/14 530Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022167002

(22)【出願日】2022-10-18

(71)【出願人】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100116274

【弁理士】

【氏名又は名称】富所 輝観夫

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 翔

(57)【要約】

【課題】冷却器の負荷低減を可能にする極低温冷凍機用圧縮機を提供する。
【解決手段】極低温冷凍機１０の冷媒ガスを圧縮するオイル潤滑式の極低温冷凍機用の圧縮機１２が提供される。圧縮機１２は、冷媒ガス及び／またはオイルを冷却液との熱交換により冷却する液冷熱交換器２４と、液冷熱交換器２４に供給される冷却液の供給温度を取得し、取得された冷却液の供給温度に基づいて、液冷熱交換器２４の冷却液流量及び／または圧縮機１２の排熱量を制御するように構成された冷却コントローラ７０と、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

極低温冷凍機の冷媒ガスを圧縮するオイル潤滑式の極低温冷凍機用圧縮機であって、
冷媒ガス及び／またはオイルを冷却液との熱交換により冷却する液冷熱交換器と、
前記液冷熱交換器に供給される冷却液の供給温度を取得し、取得された冷却液の供給温度に基づいて、前記液冷熱交換器の冷却液流量及び／または前記極低温冷凍機用圧縮機の排熱量を制御するように構成された冷却コントローラと、を備えることを特徴とする極低温冷凍機用圧縮機。

【請求項2】

前記冷却コントローラは、取得された冷却液の供給温度を温度しきい値と比較し、前記供給温度が前記温度しきい値を超える場合、前記液冷熱交換器の冷却液流量を制限するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機用圧縮機。

【請求項3】

前記冷却コントローラは、
前記液冷熱交換器と直列に接続された制御弁と、
前記冷却液の供給温度が前記温度しきい値を超える場合、前記制御弁を閉じまたは前記制御弁の開度を小さくするように構成されたバルブコントローラと、を備えることを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機用圧縮機。

【請求項4】

前記冷却コントローラは、
前記液冷熱交換器と並列に接続されたバイパス弁と、
前記冷却液の供給温度が前記温度しきい値を超える場合、前記バイパス弁を開きまたは前記バイパス弁の開度を大きくするように構成されたバルブコントローラと、を備えることを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機用圧縮機。

【請求項5】

前記冷媒ガス及び／または前記オイルを冷却する空冷熱交換器をさらに備え、
前記冷却コントローラは、前記供給温度が前記温度しきい値を超える場合、前記空冷熱交換器を作動させるように構成されていることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の極低温冷凍機用圧縮機。

【請求項6】

前記冷却コントローラは、周囲温度を取得し、取得された周囲温度に基づいて前記空冷熱交換器を停止し及び／または前記冷却液流量の制限を解除するように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の極低温冷凍機用圧縮機。

【請求項7】

前記冷却コントローラは、
前記液冷熱交換器から排出される冷却液の排出温度および前記液冷熱交換器の冷却液流量を取得し、
取得された供給温度、排出温度および冷却液流量に基づいて前記液冷熱交換器への放熱量を演算し、
演算された放熱量が許容放熱量以下となるように前記液冷熱交換器の冷却液流量を制限するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機用圧縮機。

【請求項8】

前記冷媒ガスを圧縮する圧縮機本体と、前記圧縮機本体を駆動する、運転周波数を可変とする圧縮機モータと、をさらに備え、
前記冷却コントローラは、取得された冷却液の供給温度を温度しきい値と比較し、前記供給温度が前記温度しきい値を超える場合、前記圧縮機モータの運転周波数を制限するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機用圧縮機。

【請求項9】

極低温冷凍機の冷媒ガスを圧縮するオイル潤滑式の極低温冷凍機用圧縮機の運転方法であって、前記極低温冷凍機用圧縮機は、冷媒ガス及び／またはオイルを冷却液との熱交換により冷却する液冷熱交換器を備えており、前記方法は、
前記液冷熱交換器に供給される冷却液の供給温度を取得することと、
取得された冷却液の供給温度に基づいて、前記液冷熱交換器の冷却液流量及び／または前記極低温冷凍機用圧縮機の排熱量を制御することと、を備えることを特徴とする極低温冷凍機用圧縮機の運転方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、オイル潤滑式の極低温冷凍機用圧縮機およびその運転方法に関する。

【背景技術】

【0002】

デュアル・アフタークーラー付きのオイル潤滑ヘリウム圧縮機が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この圧縮機には、ヘリウムおよびオイルを冷却する２つのアフタークーラー、すなわち水冷式アフタークーラーと空冷式アフタークーラーが内蔵される。空冷式アフタークーラーは、水冷式アフタークーラーと直列または並列に配置される。空冷式アフタークーラーのファンを作動させることにより、水冷式アフタークーラーの冷却水回路がブロックされた場合における冗長性が提供される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－５０５７５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

極低温冷凍機は、例えば超伝導磁石など極低温下で動作する極低温装置のための極低温冷却によく用いられている。極低温装置は、極低温冷凍機の圧縮機のように、発熱するさまざまな機器を含みうる。そうした発熱機器はしばしば、極低温装置に付設された共通の冷却器によって冷却される。冷却器は典型的には、例えば空冷チラーなど、各発熱機器に冷却液を供給する形式をとりうる。

【0005】

冷却器の冷却能力は、環境温度など外部要因に影響されうる。例えば夏期など環境温度が高い場合、冬期など温度が低い場合に比べて冷却能力が大きく低下しうる（例えば空冷チラーの場合数十％の低下に達することもある）。このような外部要因、あるいは極低温装置の運転状況に起因する発熱増加など諸要因により、冷却器の冷却能力が逼迫し又は不足するリスクが懸念される。冷却能力不足により発熱機器の温度が過剰に高まった場合には、その機器の性能低下や異常動作が起きることが懸念される。これは望ましくないことに、極低温装置の稼働の妨げとなりうる。

【0006】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、冷却器の負荷低減を可能にする極低温冷凍機用圧縮機を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明のある態様によると、極低温冷凍機の冷媒ガスを圧縮するオイル潤滑式の極低温冷凍機用圧縮機が提供される。極低温冷凍機用圧縮機は、冷媒ガス及び／またはオイルを冷却液との熱交換により冷却する液冷熱交換器と、液冷熱交換器に供給される冷却液の供給温度を取得し、取得された冷却液の供給温度に基づいて、液冷熱交換器の冷却液流量及び／または極低温冷凍機用圧縮機の排熱量を制御するように構成された冷却コントローラと、を備える。

【0008】

本発明のある態様によると、極低温冷凍機の冷媒ガスを圧縮するオイル潤滑式の極低温冷凍機用圧縮機の運転方法が提供される。極低温冷凍機用圧縮機は、冷媒ガス及び／またはオイルを冷却液との熱交換により冷却する液冷熱交換器を備える。方法は、液冷熱交換器に供給される冷却液の供給温度を取得することと、取得された冷却液の供給温度に基づいて、液冷熱交換器の冷却液流量及び／または極低温冷凍機用圧縮機の排熱量を制御することと、を備える。

【0009】

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、冷却器の負荷低減を可能にする極低温冷凍機用圧縮機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施の形態に係る極低温装置を概略的に示す図である。

【図2】実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。

【図3】実施の形態に係る冷却コントローラの他の一例を概略的に示す図である。

【図4】実施の形態に係る冷却コントローラの他の一例を概略的に示す図である。

【図5】実施の形態に係る冷却コントローラの他の一例を概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

【0013】

図１は、実施の形態に係る極低温装置１００を概略的に示す図である。極低温装置１００は、例えば超伝導磁石装置であってもよい。超伝導磁石装置は、例えば単結晶引き上げ装置、ＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance）システム、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）システム、サイクロトロンなどの加速器、核融合システムなどの高エネルギー物理システム、またはその他の高磁場利用機器（図示せず）の磁場源として高磁場利用機器に搭載され、その機器に必要とされる高磁場を発生させることができる。

【0014】

極低温装置１００は、超伝導磁石の極低温冷却のために、極低温冷凍機１０を備える。極低温冷凍機１０は、オイル潤滑式の極低温冷凍機用圧縮機（以下、単に圧縮機ともいう）１２と、コールドヘッド１４とを備える。

【0015】

圧縮機１２は、冷媒ガスを圧縮する際に圧縮熱を発生する。また、極低温装置１００は、圧縮機１２のほかにも、発熱しうる少なくとも１つの機器１０２＿１～１０２＿ｎを含みうる。例えば、極低温装置１００がＭＲＩシステム（またはその一部）である場合、機器１０２には、勾配磁場コイル、勾配磁場増幅器、ＲＦ増幅器などが含まれうる。

【0016】

圧縮機１２をはじめ、これらの発熱しうる機器１０２を冷却するために、極低温装置１００には、冷却液を温調するとともに循環させるように構成された冷却器１１０が設けられている。冷却器１１０は、圧縮機１２および機器１０２に共用されている。冷却器１１０は、例えばチラーであり、例えば空冷式、またはその他の冷却方式のチラーであってもよい。例示的な構成として、冷却器１１０は、極低温装置１００に設けられた熱交換器１０４に冷却液（例えば冷却水）を供給するように構成される。また、冷却器１１０は、冷却に使用された冷却液を熱交換器１０４から回収し、再び冷却するように構成される。

【0017】

熱交換器１０４には、圧縮機１２および機器１０２の各々への冷却液ライン１０６が接続されている。冷却器１１０から供給される冷却された冷却液と冷却液ライン１０６の冷却液との熱交換が熱交換器１０４にて行われ、それにより冷却液ライン１０６の冷却液が冷却される。冷却液は圧縮機１２および機器１０２に供給され、これらを冷却する。冷却に使用された冷却液は冷却液ライン１０６を通じて熱交換器１０４に回収され、再び冷却される。

【0018】

図２は、実施の形態に係る極低温冷凍機１０を概略的に示す図である。

【0019】

圧縮機１２は、極低温冷凍機１０の冷媒ガスをコールドヘッド１４から回収し、回収した冷媒ガスを昇圧して、再び冷媒ガスをコールドヘッド１４に供給するよう構成されている。圧縮機１２は、圧縮機ユニットとも称される。コールドヘッド１４は、膨張機とも称され、室温部１４ａと、冷却ステージとも称される低温部１４ｂとを有する。冷媒ガスは、作動ガスとも称され、通例はヘリウムガスであるが、適切な他のガスが用いられてもよい。圧縮機１２とコールドヘッド１４により極低温冷凍機１０の冷凍サイクルが構成され、それにより低温部１４ｂが所望の極低温に冷却される。低温部１４ｂは例えば超伝導磁石など被冷却物を冷却することができる。

【0020】

極低温冷凍機１０は、一例として、単段式または二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機であるが、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。コールドヘッド１４は、極低温冷凍機１０のタイプに応じて異なる構成を有するが、圧縮機１２は、極低温冷凍機１０のタイプによらず、以下に説明する構成を用いることができる。

【0021】

なお、一般に、圧縮機１２からコールドヘッド１４に供給される冷媒ガスの圧力と、コールドヘッド１４から圧縮機１２に回収される冷媒ガスの圧力は、ともに大気圧よりかなり高く、それぞれ第１高圧及び第２高圧と呼ぶことができる。説明の便宜上、第１高圧及び第２高圧はそれぞれ単に高圧及び低圧とも呼ばれる。典型的には、高圧は例えば２～３ＭＰａである。低圧は例えば０．５～１．５ＭＰａであり、例えば約０．８ＭＰａである。

【0022】

圧縮機１２は、圧縮機本体１６、冷媒ガスライン１８、オイル循環ライン２０、圧縮機冷却系２２を備える。図２では、理解を容易にするために、冷媒ガスライン１８を実線で示し、オイル循環ライン２０を破線で示している。詳細は後述するが、圧縮機冷却系２２は、液冷熱交換器２４および空冷熱交換器２６を備え、冷媒ガスライン１８およびオイル循環ライン２０を冷却するように構成されている。また、圧縮機１２は、圧縮機本体１６、冷媒ガスライン１８、オイル循環ライン２０、圧縮機冷却系２２など、圧縮機１２の各構成要素を収容する圧縮機筐体２８を備える。

【0023】

圧縮機本体１６は、その吸入口から吸入される冷媒ガスを内部で圧縮して吐出口から吐出するよう構成されている。圧縮機本体１６では冷却と潤滑のためにオイルが使用され、吸入された冷媒ガスは圧縮機本体１６内でこのオイルに直接さらされる。よって、冷媒ガスは、オイルが若干混入した状態で吐出口から送出される。

【0024】

圧縮機本体１６は、例えば、スクロール方式、ロータリ式、または冷媒ガスを昇圧するそのほかのポンプであってもよい。圧縮機本体１６は、固定された一定の冷媒ガス流量を吐出するよう構成されていてもよい。あるいは、圧縮機本体１６は、吐出する冷媒ガス流量を可変とするよう構成されていてもよい。圧縮機本体１６は、圧縮カプセルと称されることもある。

【0025】

冷媒ガスライン１８は、吐出ポート３０、吸入ポート３１、吐出流路３２、吸入流路３３を備える。吐出ポート３０は、圧縮機本体１６により高圧に昇圧された冷媒ガスを圧縮機１２から送出するために圧縮機筐体２８に設置された冷媒ガスの出口であり、吸入ポート３１は、低圧の冷媒ガスを圧縮機１２に受け入れるために圧縮機筐体２８に設置された冷媒ガスの入口である。吐出流路３２および吸入流路３３は、圧縮機筐体２８に収容されている。圧縮機本体１６の吐出口が吐出流路３２により吐出ポート３０に接続され、吸入ポート３１が吸入流路３３により圧縮機本体１６の吸入口に接続されている。

【0026】

吐出流路３２には、圧縮機冷却系２２を構成する液冷熱交換器２４および空冷熱交換器２６が設けられている。加えて、吐出流路３２には、圧縮機冷却系２２の下流にオイルセパレータ３４およびアドゾーバ３５が設けられている。

【0027】

オイルセパレータ３４は、圧縮機本体１６を通ることによって冷媒ガスに混入するオイルを冷媒ガスから分離するために設けられている。アドゾーバ３５は、冷媒ガスに残留している例えば気化したオイルそのほかの汚染成分を冷媒ガスから吸着により除去するために設けられている。オイルセパレータ３４とアドゾーバ３５は、直列に接続されている。吐出流路３２において、オイルセパレータ３４が圧縮機本体１６側に配置され、アドゾーバ３５が吐出ポート３０側に配置されている。

【0028】

オイルセパレータ３４を圧縮機本体１６に接続するオイル戻りライン２１が設けられている。オイル戻りライン２１を通じて、オイルセパレータ３４で回収されたオイルを圧縮機本体１６に戻すことができる。オイル戻りライン２１の途中には、オイルセパレータ３４で分離されたオイルに含まれる塵埃を除去するフィルターと、圧縮機本体１６へのオイルの戻り量を制御するオリフィスが設けられてもよい。

【0029】

一方、吸入流路３３には、ストレージタンク３６が設けられている。ストレージタンク３６は、コールドヘッド１４から圧縮機１２へと戻る低圧の冷媒ガスに含まれる脈動を除去するための容積として設けられている。

【0030】

また、冷媒ガスライン１８には、圧縮機本体１６を迂回するように吐出流路３２を吸入流路３３に接続する冷媒ガスバイパス弁３８が設けられている。一例として、冷媒ガスバイパス弁３８は、オイルセパレータ３４とアドゾーバ３５の間で吐出流路３２から分岐し、圧縮機本体１６とストレージタンク３６の間で吸入流路３３に接続される。冷媒ガスバイパス弁３８は、冷媒ガス流量制御のために、及び／または、圧縮機１２を停止する際の吐出流路３２と吸入流路３３との均圧化のために設けられている。

【0031】

圧縮機１２の冷媒ガスライン１８は、コールドヘッド１４に接続される。コールドヘッド１４の室温部１４ａには、高圧ポート４０および低圧ポート４１が設けられている。高圧ポート４０は、高圧配管４２によって吐出ポート３０に接続され、低圧ポート４１は、低圧配管４３によって吸入ポート３１に接続されている。

【0032】

オイル循環ライン２０は、圧縮機冷却系２２（すなわち液冷熱交換器２４および空冷熱交換器２６）を経由するように、圧縮機本体１６のオイル出口をオイル入口に接続する。よって、圧縮機本体１６から流出するオイルが圧縮機冷却系２２により冷却され再び圧縮機本体１６に流入することができる。

【0033】

この実施の形態では、オイル循環ライン２０は、後述のように、圧縮機冷却系２２において複数（この例では２つ）のオイル流路に分岐している。これら分岐したオイル流路は、圧縮機冷却系２２と圧縮機本体１６のオイル入口との間で再び合流している。

【0034】

オイル循環ライン２０には、内部を流れるオイル流量を制御するオリフィスが設けられていてもよい。また、オイル循環ライン２０には、オイルに含まれる塵埃を除去するフィルターが設けられてもよい。こうしたオリフィスとフィルターは、例えば、オイル循環ライン２０の下流側、つまり圧縮機冷却系２２と圧縮機本体１６のオイル入口との間に設けられてもよい。

【0035】

圧縮機冷却系２２は上述のように、液冷熱交換器２４および空冷熱交換器２６を備える。液冷熱交換器２４と空冷熱交換器２６は直列に接続され、液冷熱交換器２４が空冷熱交換器２６の上流に設けられている。よって、圧縮機本体１６での冷媒ガスの圧縮に伴って生じる圧縮熱により加熱されたオイルおよび高圧の冷媒ガスは、圧縮機本体１６から最初に液冷熱交換器２４に流入して冷却され、次に空冷熱交換器２６に流入する。

【0036】

この実施の形態では、液冷熱交換器２４は、圧縮機１２の主冷却装置として圧縮機１２に搭載され、空冷熱交換器２６は、圧縮機１２の予備冷却装置として圧縮機１２に搭載されている。よって、液冷熱交換器２４は、圧縮機１２の運転中常時作動し、空冷熱交換器２６は、液冷熱交換器２４が正常に作動しているときには作動せず、液冷熱交換器２４が故障等により作動しないときまたはその冷却能力が低下したとき作動してもよい。そこで、空冷熱交換器２６は、オイルまたは冷媒ガスの温度センサなど圧縮機１２に設けられたセンサの出力に基づいて自身のオンオフを切り替えるように構成されてもよい。

【0037】

液冷熱交換器２４は、冷媒ガスと冷却液との熱交換により冷媒ガスを冷却する第１部分２４ａと、オイルと冷却液との熱交換によりオイルを冷却する第２部分２４ｂとを備える。第１部分２４ａは、吐出流路３２において圧縮機本体１６とオイルセパレータ３４の間、より具体的には、圧縮機本体１６の吐出口と空冷熱交換器２６の間に配置され、吐出流路３２を流れる冷媒ガスを冷却する。第２部分２４ｂは、オイル循環ライン２０において圧縮機本体１６のオイル出口と空冷熱交換器２６の間に配置され、オイル循環ライン２０を流れるオイルを冷却する。

【0038】

冷却液としては典型的に、水（例えば、水道水、工業用水など）が使用されるが、適切な他の冷却液が使用されてもよい。冷却液ライン１０６の供給側が圧縮機１２の冷却液入口ポート６０に接続され、冷却液ライン１０６の回収側が圧縮機１２の冷却液出口ポート６１に接続されている。よって、冷却液は、冷却液ライン１０６の供給側から冷却液入口ポート６０を通じて圧縮機１２に供給される。冷却液入口ポート６０からの冷却液は、液冷熱交換器２４の第１部分２４ａおよび第２部分２４ｂに冷媒ガスおよびオイルの冷却のために供給される。液冷熱交換器２４で冷却に使用された冷却液は、冷却液出口ポート６１を通じて圧縮機１２から冷却液ライン１０６の回収側に排出される。このようにして、圧縮機本体１６で生じる圧縮熱は、冷却液とともに圧縮機１２の外へと除去される。冷却液は、例えば公知の水チラーなどの冷却液循環装置（例えば図１に示される冷却器１１０）により冷却され、冷却液ライン１０６を通じて再び圧縮機１２に供給されてもよい。

【0039】

また、空冷熱交換器２６は、冷却ファン５０と、冷却ファン５０によって強制冷却されるように配置された第１オイルライン４６と、第１オイルライン４６をバイパスし、冷却ファン５０によって強制冷却されるように配置された第２オイルライン４８とを備える。

【0040】

第１オイルライン４６と第２オイルライン４８は空冷熱交換器２６内に配置されたオイル循環ライン２０の一部分である。第２オイルライン４８は、空冷熱交換器２６の上流、つまり液冷熱交換器２４と空冷熱交換器２６との間で、オイル循環ライン２０から分岐し、空冷熱交換器２６の下流、つまり空冷熱交換器２６と圧縮機本体１６のオイル入口との間で、第１オイルライン４６と再び合流する。

【0041】

例示的な構成として、冷却ファン５０は、その作動により、空冷熱交換器２６から外部へと空気を排出するように圧縮機筐体２８に設置されている。圧縮機筐体２８のうち空冷熱交換器２６を囲む部分には、２つの空気取入口５２が設けられており、冷却ファン５０の作動により、外部からこれら空気取入口５２を通じて空冷熱交換器２６に空気が取り込まれる。一方の空気取入口５２から空冷熱交換器２６内に吹き込む空気流れは、冷媒ガスライン１８と第１オイルライン４６の強制空冷に使用され、他方の空気取入口５２から空冷熱交換器２６内に吹き込むもう一つの空気流れは、第２オイルライン４８の強制空冷に使用される。図２では、理解のために、これら空気流れを太い矢印で模式的に示している。

【0042】

なお、空冷熱交換器２６の冷却ファン５０は、上述の例とは冷却ファンは逆向きの空気流れを生成してもよく、外部から空冷熱交換器２６内へと送風するように構成されてもよい。冷却ファン５０は、冷媒ガスライン１８、第１オイルライン４６、第２オイルライン４８に空気を吹き付けるように構成されてもよい。

【0043】

極低温冷凍機１０の運転中、コールドヘッド１４から圧縮機１２に回収される冷媒ガスは、低圧ポート４１から低圧配管４３を通じて圧縮機１２の吸入ポート３１に流入する。冷媒ガスは、吸入流路３３上のストレージタンク３６を経て、圧縮機本体１６の吸入口へと回収される。冷媒ガスは、圧縮機本体１６によって圧縮され昇圧される。圧縮機本体１６の吐出口から送出される冷媒ガスは、液冷熱交換器２４および空冷熱交換器２６で冷却され、さらに、オイルセパレータ３４、アドゾーバ３５を経て、吐出ポート３０から圧縮機１２を出る。冷媒ガスは、高圧配管４２と高圧ポート４０を経てコールドヘッド１４の内部に供給される。

【0044】

圧縮機本体１６のオイル出口から流出するオイルは、オイル循環ライン２０を通じて液冷熱交換器２４に流入し、液冷熱交換器２４でオイルと冷却液との熱交換により冷却される。冷却されたオイルは液冷熱交換器２４から空冷熱交換器２６に流入する。オイルは、空冷熱交換器２６内で第１オイルライン４６と第２オイルライン４８に分岐して流れる。冷却ファン５０が作動している場合、オイルは第１オイルライン４６と第２オイルライン４８を流れるとき空気で冷却される。空冷熱交換器２６から流出するオイルは、オイル循環ライン２０を通じて圧縮機本体１６のオイル入口へと戻される。

【0045】

この実施の形態では、圧縮機１２は、液冷熱交換器２４に供給される冷却液の供給温度を取得し、取得された冷却液の供給温度に基づいて、液冷熱交換器２４の冷却液流量を制御するように構成された冷却コントローラ７０を備える。冷却コントローラ７０は、取得された冷却液の供給温度を温度しきい値と比較し、供給温度が温度しきい値を超える場合、液冷熱交換器２４の冷却液流量を制限するように構成されている。

【0046】

冷却コントローラ７０は、液冷熱交換器２４に供給される冷却液の供給温度を測定する温度センサ７２を備える。温度センサ７２は、冷却液ライン１０６の供給側、この例では、圧縮機１２内で冷却液入口ポート６０と液冷熱交換器２４との間に設けられている。温度センサ７２は、冷却液入口ポート６０に設けられてもよい。温度センサは、例えばサーミスタであってもよい。

【0047】

加えて、冷却コントローラ７０は、液冷熱交換器２４と並列に接続された冷却液バイパス弁７４と、冷却液の供給温度が温度しきい値を超える場合、冷却液バイパス弁７４を開きまたはその開度を大きくするように構成されたバルブコントローラ７６とを備える。

【0048】

冷却コントローラ７０及び／またはバルブコントローラ７６は、ハードウェア構成としてはコンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現されるが、図では適宜、それらの連携によって実現される機能ブロックとして描いている。これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

【0049】

バルブコントローラ７６は、バルブ駆動回路（バルブドライバ）であってもよく、冷却液バイパス弁７４またはその他のバルブに内蔵されてもよい。あるいは、バルブコントローラ７６は、バルブの外に設置され、バルブと接続されてもよい。

【0050】

冷却コントローラ７０は、例えば以下のように動作する。まず、液冷熱交換器２４に供給される冷却液の供給温度が取得される。この冷却液温度は、温度センサ７２によって測定される。測定温度を示す信号が温度センサ７２から出力され、バルブコントローラ７６に伝送される。バルブコントローラ７６は、温度センサ７２からの測定温度信号を受信する。こうして、バルブコントローラ７６は、液冷熱交換器２４に供給される冷却液の供給温度を取得することができる。

【0051】

バルブコントローラ７６は、取得された冷却液の供給温度に基づいて、液冷熱交換器２４の冷却液流量を制御する。具体的には例えば、バルブコントローラ７６は、取得された冷却液の供給温度を温度しきい値と比較する。冷却液バイパス弁７４は、オンオフ弁であってもよい。この場合、バルブコントローラ７６は、比較結果に基づいて冷却液バイパス弁７４を開閉する。あるいは、冷却液バイパス弁７４は、流量制御弁であってもよい。この場合、バルブコントローラ７６は、比較結果に基づいて冷却液バイパス弁７４を開閉し、またはその開度を調整してもよい。

【0052】

温度しきい値は、冷却器１１０が供給する冷却液温度の仕様上の上限温度（例えば３０℃程度）に基づいて設定されてもよく、例えばこの上限温度に等しくてもよい。温度しきい値は、設計者の経験的知見または設計者による実験やシミュレーション等に基づき適宜設定することが可能である。温度しきい値は、あらかじめ設定され、バルブコントローラ７６に格納されていてもよい。

【0053】

冷却液の供給温度が温度しきい値を下回るとき、バルブコントローラ７６は、冷却液バイパス弁７４を閉じる。この場合、冷却液ライン１０６から供給される冷却液は、液冷熱交換器２４に流入する。よって、冷却液は、液冷熱交換器２４での冷媒ガスおよびオイルの冷却に利用される。

【0054】

一方、冷却液の供給温度が温度しきい値を超えるとき、バルブコントローラ７６は、冷却液バイパス弁７４を開く。この場合、冷却液ライン１０６から供給される冷却液は、冷却液バイパス弁７４と液冷熱交換器２４の両方に流れうる。しかし、一般に液冷熱交換器２４の流路抵抗は大きいので、実際には、冷却液の大半または実質的に全量が液冷熱交換器２４ではなく冷却液バイパス弁７４に流れることになる。

【0055】

なお、冷却液バイパス弁７４が開度を制御可能なタイプである場合には、冷却液の供給温度が温度しきい値を超えるとき、バルブコントローラ７６は、冷却液バイパス弁７４の開度を増加させてもよい。冷却液の供給温度が温度しきい値を下回るとき、バルブコントローラ７６は、冷却液バイパス弁７４の開度を減少させてもよい。このようにしても、液冷熱交換器２４に供給される冷却液の温度が高いとき、液冷熱交換器２４の冷却を制限することができる。また、冷却液温度が低下すればその制限を緩和または解除することができる。

【0056】

上述のように、環境温度などの外部要因またはその他の要因により冷却器１１０の冷却能力が不足し、冷却器１１０から圧縮機１２への冷却液の供給温度が高まる事態が起こりうる。実施の形態によると、冷却コントローラ７０は、冷却液バイパス弁７４を利用して、液冷熱交換器２４の冷却液流量を制限することができる。冷却液は冷却液バイパス弁７４を通じて液冷熱交換器２４をバイパスし、その結果、液冷熱交換器２４に冷却液はほとんど（またはまったく）供給されず、液冷熱交換器２４の冷却作用は限定的となるか、または事実上無くなる。圧縮機１２は、冷却器１１０への放熱量を減らすことができ、すなわち冷却器１１０の負荷を低減することができる。

【0057】

こうして生み出された冷却器１１０の余力は、放熱が必要な極低温装置１００内の他の機器１０２の冷却に利用できる。このようにして、冷却器１１０に起こりうる冷却能力不足およびこれに起因する問題に対処し、極低温装置１００の運転を継続することができる。

【0058】

さらに、冷却コントローラ７０は、液冷熱交換器２４に供給される冷却液の供給温度が温度しきい値を超える場合、空冷熱交換器２６を作動させるように構成されていてもよい。このようにすれば、上述の液冷熱交換器２４への冷却液の供給制限にもかかわらず、圧縮機１２は、空冷熱交換器２６を使用して、または液冷熱交換器２４と空冷熱交換器２６を併用して、冷却を維持できる。

【0059】

この場合、例えば、バルブコントローラ７６が、冷却液バイパス弁７４だけでなく冷却ファン５０も制御するように構成されてもよい。バルブコントローラ７６は、冷却液の供給温度に基づく上述の冷却液バイパス弁７４の動作に連動させて冷却ファン５０を作動させてもよい。

【0060】

すなわち、冷却液の供給温度が温度しきい値を超えるとき、バルブコントローラ７６は、冷却液バイパス弁７４を開くとともに、空冷熱交換器２６を作動させる（冷却ファン５０をオンにする）。一方、冷却液の供給温度が温度しきい値を下回るとき、バルブコントローラ７６は、冷却液バイパス弁７４を閉じるとともに、空冷熱交換器２６を作動させない（冷却ファン５０をオフにする）。この温度しきい値は、冷却液バイパス弁７４を開閉するために使用される上述の温度しきい値と同じ値であってもよい。

【0061】

空冷熱交換器２６を作動させることにより、圧縮機１２が発する熱は空冷熱交換器２６の空気流とともに圧縮機１２の周囲に放出されることになる。場合によっては、これが周囲温度の過剰な上昇をもたらし、周囲の機器に悪影響を及ぼすことも懸念される。

【0062】

これに対処すべく、冷却コントローラ７０は、周囲温度を取得し、取得された周囲温度に基づいて空冷熱交換器２６を停止するように構成されていてもよい。それとともに、またはそれに代えて、冷却コントローラ７０は、周囲温度を取得し、取得された周囲温度に基づいて液冷熱交換器２４の冷却液流量の制限を解除するように構成されていてもよい。

【0063】

周囲温度を取得するために、冷却コントローラ７０は、周囲温度を測定する周囲温度センサ５４を備えてもよい。周囲温度センサ５４は、例えば、空冷熱交換器２６の近傍で圧縮機筐体２８に配置されてもよい。周囲温度センサ５４は、冷却ファン５０に設置されてもよい。

【0064】

例えば、冷却コントローラ７０（例えばバルブコントローラ７６）は、周囲温度センサ５４によって測定された周囲温度を取得し、この周囲温度を所定の周囲温度しきい値と比較する。周囲温度が周囲温度しきい値を下回るとき、冷却コントローラ７０は、空冷熱交換器２６を作動させる。それとともに、またはそれに代えて、冷却コントローラ７０は、液冷熱交換器２４の冷却液流量を上述のように制限する（例えば、冷却液バイパス弁７４を開く）。一方、周囲温度が周囲温度しきい値を超えるとき、冷却コントローラ７０は、空冷熱交換器２６を作動させない。それとともに、またはそれに代えて、冷却コントローラ７０は、液冷熱交換器２４の冷却液流量の制限を解除する（例えば、冷却液バイパス弁７４を閉じる）。

【0065】

図３は、実施の形態に係る冷却コントローラ７０の他の一例を概略的に示す図である。上述の温度センサ７２およびバルブコントローラ７６に加えて、冷却コントローラ７０は、液冷熱交換器２４と直列に接続された制御弁７５を備えてもよい。制御弁７５は、オンオフ弁であってもよい。あるいは、冷却液バイパス弁７４は、流量制御弁であってもよい。冷却コントローラ７０は、温度センサ７２から取得された冷却液の供給温度に基づいて、制御弁７５を開閉しまたはその開度を調整し、それにより液冷熱交換器２４の冷却液流量を制御するように構成されてもよい。

【0066】

例えば、バルブコントローラ７６は、温度センサ７２から取得された冷却液の供給温度を温度しきい値と比較する。冷却液の供給温度が温度しきい値を下回るとき、バルブコントローラ７６は、制御弁７５を開く。この場合、冷却液ライン１０６から供給される冷却液は、液冷熱交換器２４に流入する。よって、冷却液は、液冷熱交換器２４での冷媒ガスおよびオイルの冷却に利用される。一方、冷却液の供給温度が温度しきい値を超えるとき、バルブコントローラ７６は、制御弁７５を閉じる。この場合、冷却液ライン１０６から供給される冷却液は遮断される。よって、冷却液は、液冷熱交換器２４での冷却に利用されない。

【0067】

このようにしても、圧縮機１２は、冷却液の温度上昇への対処として冷却器１１０への放熱量を減らし、冷却器１１０の負荷を低減することができる。

【0068】

なお、制御弁７５が開度を制御可能なタイプである場合には、冷却液の供給温度が温度しきい値を超えるとき、バルブコントローラ７６は、制御弁７５の開度を減少させてもよい。冷却液の供給温度が温度しきい値を下回るとき、バルブコントローラ７６は、制御弁７５の開度を増加させてもよい。このようにしても、液冷熱交換器２４に供給される冷却液の温度が高いとき、液冷熱交換器２４の冷却を制限することができる。また、冷却液温度が低下すればその制限を緩和または解除することができる。

【0069】

また、図３に破線で示されるように、上述の冷却液バイパス弁７４が制御弁７５と併用されてもよい。冷却コントローラ７０は、冷却液の供給温度に基づいて冷却液バイパス弁７４と制御弁７５を連動させるように構成されてもよい。例えば、バルブコントローラ７６が、冷却液バイパス弁７４と制御弁７５の両方を制御してもよい。バルブコントローラ７６は、冷却液の供給温度に基づく上述の冷却液バイパス弁７４の動作に連動させて制御弁７５を制御してもよい。すなわち、冷却液の供給温度が温度しきい値を超えるとき、バルブコントローラ７６は、冷却液バイパス弁７４を開きかつ制御弁７５を閉じてもよい。一方、冷却液の供給温度が温度しきい値を下回るとき、バルブコントローラ７６は、冷却液バイパス弁７４を閉じかつ制御弁７５を開いてもよい。

【0070】

図４は、実施の形態に係る冷却コントローラ７０の他の一例を概略的に示す図である。冷却コントローラ７０は、供給側の第１温度センサ７２に加えて、回収側の第２温度センサ７３と流量センサ７８とを備える。第２温度センサ７３は、液冷熱交換器２４から排出される冷却液の排出温度を測定する。第２温度センサ７３は、冷却液出口ポート６１と液冷熱交換器２４との間に、または冷却液出口ポート６１に設けられてもよい。流量センサ７８は、液冷熱交換器２４の冷却液流量を測定する。流量センサ７８は、冷却液ライン１０６の供給側、この例では、第１温度センサ７２と制御弁７５との間に設けられている。

【0071】

冷却コントローラ７０は、以下に述べるように、液冷熱交換器２４に供給される冷却液の供給温度、液冷熱交換器２４から排出される冷却液の排出温度および液冷熱交換器２４の冷却液流量を取得し、取得された供給温度、排出温度および冷却液流量に基づいて液冷熱交換器２４への放熱量を演算し、演算された放熱量が許容放熱量以下となるように液冷熱交換器２４の冷却液流量を制限するように構成されていてもよい。

【0072】

例えば、バルブコントローラ７６は、まず、液冷熱交換器２４に供給される冷却液の供給温度を第１温度センサ７２から取得し、液冷熱交換器２４から排出される冷却液の排出温度を第２温度センサ７３から取得し、液冷熱交換器２４の冷却液流量を流量センサ７８から取得する。

【0073】

続いて、バルブコントローラ７６は、取得された供給温度、排出温度および冷却液流量に基づいて液冷熱交換器２４への放熱量を演算する。圧縮機１２から液冷熱交換器２４への放熱量は、液冷熱交換器２４の出入口間の温度差と液冷熱交換器２４を流れる冷却液流量とから公知の手法により演算することができる。

【0074】

そして、バルブコントローラ７６は、演算された放熱量が許容放熱量以下となるように液冷熱交換器２４の冷却液流量を制限する。許容放熱量は、圧縮機１２から液冷熱交換器２４により冷却器１１０に放熱することが許容される放熱量であり、例えば、冷却液の供給温度に相関する値であってもよいし、一定値であってもよい。許容放熱量は、設計者の経験的知見または設計者による実験やシミュレーション等に基づき適宜設定することが可能である。

【0075】

バルブコントローラ７６は、演算された放熱量をこの許容放熱量と比較する。演算された放熱量が許容放熱量を下回るとき、バルブコントローラ７６は、制御弁７５を開く。この場合、冷却液ライン１０６から供給される冷却液は、液冷熱交換器２４に流入する。よって、冷却液は、液冷熱交換器２４での冷媒ガスおよびオイルの冷却に利用される。一方、演算された放熱量が許容放熱量を超えるとき、バルブコントローラ７６は、制御弁７５を閉じる。この場合、冷却液ライン１０６から供給される冷却液は遮断される。よって、冷却液は、液冷熱交換器２４での冷却に利用されない。

【0076】

このようにしても、圧縮機１２は、冷却器１１０への放熱量を減らし、冷却器１１０の負荷を低減することができる。

【0077】

なお、制御弁７５が開度を制御可能なタイプである場合には、演算された放熱量が許容放熱量を超えるとき、バルブコントローラ７６は、制御弁７５の開度を減少させてもよい。演算された放熱量が許容放熱量を下回るとき、バルブコントローラ７６は、制御弁７５の開度を増加させてもよい。このようにしても、圧縮機１２から液冷熱交換器２４への放熱量が大きいとき、液冷熱交換器２４による冷却を制限することができる。また、放熱量が低下すればその制限を緩和または解除することができる。

【0078】

また、図４の実施の形態においても、図３の実施の形態と同様に、上述の冷却液バイパス弁７４が制御弁７５と併用されてもよい。冷却コントローラ７０は、演算された放熱量に基づいて冷却液バイパス弁７４と制御弁７５を連動させるように構成されてもよい。例えば、バルブコントローラ７６が、冷却液バイパス弁７４と制御弁７５の両方を制御してもよい。バルブコントローラ７６は、演算された放熱量に基づく上述の制御弁７５の動作に連動させて冷却液バイパス弁７４を制御してもよい。すなわち、演算された放熱量が許容放熱量を超えるとき、バルブコントローラ７６は、冷却液バイパス弁７４を開きかつ制御弁７５を閉じてもよい。一方、演算された放熱量が許容放熱量を下回るとき、バルブコントローラ７６は、冷却液バイパス弁７４を閉じかつ制御弁７５を開いてもよい。

【0079】

図５は、実施の形態に係る冷却コントローラ７０の他の一例を概略的に示す図である。圧縮機１２は、運転周波数（すなわち回転数）を可変とする圧縮機モータ８０を備え、圧縮機本体１６は圧縮機モータ８０によって駆動される。圧縮機モータ８０は、例えば電気モータであり、またはそのほか任意の適切な形式のモータであってもよい。圧縮機モータ８０の運転周波数を増加させることにより、圧縮機本体１６の吐出流量が増加される。このとき、圧縮機１２の排熱量も増加する。逆に、圧縮機モータ８０の運転周波数を減少させることにより、圧縮機本体１６の吐出流量が減少される。このとき、圧縮機１２の排熱量も減少する。

【0080】

冷却コントローラ７０は、圧縮機モータ８０の運転周波数を制御するインバータ８２を備える。圧縮機モータ８０およびインバータ８２は、商用電源（三相交流電源）などの外部電源から給電される。インバータ８２は、後述のように冷却コントローラ７０による制御のもとで、外部電源から入力される電力の周波数を調整し、任意の周波数で圧縮機モータ８０に出力するように構成される。圧縮機モータ８０の運転周波数は、インバータ８２の出力周波数に相当し、例えば、３０Ｈｚから１００Ｈｚの範囲、または４０Ｈｚから７０Ｈｚの範囲で調整可能である。

【0081】

冷却コントローラ７０は、液冷熱交換器２４に供給される冷却液の供給温度を取得し、取得された冷却液の供給温度に基づいて、圧縮機１２の排熱量を制御するように構成されている。冷却コントローラ７０は、取得された冷却液の供給温度を温度しきい値と比較し、供給温度が温度しきい値を超える場合、圧縮機モータ８０の運転周波数を制限するように構成されている。

【0082】

例えば、冷却コントローラ７０は、温度センサ７２から取得された冷却液の供給温度を温度しきい値と比較する。冷却液の供給温度が温度しきい値を下回るとき、冷却コントローラ７０は、圧縮機モータ８０の運転周波数を維持する。または、冷却コントローラ７０は、圧縮機モータ８０の運転周波数の増加を許容する。すなわち、圧縮機１２の排熱量を増加することが許容される。

【0083】

一方、冷却液の供給温度が温度しきい値を超えるとき、冷却コントローラ７０は、圧縮機モータ８０の運転周波数を減少させる。運転周波数の減少量は、一定値であってもよいし、冷却液の供給温度と温度しきい値の差に応じて決定されてもよい。この場合、圧縮機１２の排熱量を減少させることができる。

【0084】

このようにしても、圧縮機１２は、自身が発する熱を少なくすることができ、冷却器１１０の負荷を低減することができる。

【0085】

圧縮機モータの運転周波数を制限する上述の実施の形態は、図１から図４を参照して説明した液冷熱交換器２４の冷却液流量を制限する実施の形態と併用されてもよい。

【0086】

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

【0087】

上述の実施の形態では、圧縮機冷却系２２において液冷熱交換器２４と空冷熱交換器２６が直列接続され、液冷熱交換器２４が空冷熱交換器２６の上流に設けられている。しかし、圧縮機冷却系２２は、他の構成もとりうる。例えば、液冷熱交換器２４と空冷熱交換器２６が直列接続され、空冷熱交換器２６が液冷熱交換器２４の上流に設けられてもよい。あるいは、液冷熱交換器２４と空冷熱交換器２６が並列接続されてもよい。

【0088】

また、液冷熱交換器２４は、冷媒ガスとオイルのうち一方のみを冷却するように構成されてもよい。あるいは、液冷熱交換器２４は、冷媒ガスを冷却する第１液冷熱交換器と、オイルを冷却する第２液冷熱交換器とを備えてもよい。同様に、空冷熱交換器２６は、冷媒ガスとオイルのうち一方のみを冷却するように構成されてもよい。あるいは、空冷熱交換器２６は、冷媒ガスを冷却する第１空冷熱交換器と、オイルを冷却する第２空冷熱交換器とを備えてもよい。

【0089】

上述の実施の形態では、冷却コントローラ７０は、圧縮機１２内、すなわち圧縮機１２の圧縮機筐体２８内に設けられている。これに代えて、冷却コントローラ７０は、圧縮機１２の外に設けられてもよい。例えば、冷却コントローラ７０は、圧縮機筐体２８とは別の筐体に収容されてもよく、圧縮機筐体２８に隣接または近接して、あるいは圧縮機１２から離れて配置されてもよい。

【0090】

冷却液の供給温度を測定するための温度センサ７２は、圧縮機１２とは別の場所に配置されてもよい。例えば、温度センサ７２は、冷却器１１０に設けられてもよい。あるいは、温度センサ７２は、他の機器１０２への冷却液ラインに設けられてもよい。冷却コントローラ７０は、冷却器１１０及び／または他の機器１０２に設けられた温度センサ７２から冷却液の供給温度を取得してもよい。

【0091】

冷却液バイパス弁７４及び／または制御弁７５の動作に伴って液冷熱交換器２４の冷却液流量の急変を緩和または防止するために、冷却コントローラ７０は、冷却液バイパス弁７４と直列に、及び／または、制御弁７５と直列に設けられたオリフィスまたは定流量弁を備えてもよい。

【0092】

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

【符号の説明】

【0093】

１０ 極低温冷凍機、 １２ 圧縮機、 １６ 圧縮機本体、 ２４ 液冷熱交換器、 ２６ 空冷熱交換器、 ７０ 冷却コントローラ、 ７５ 制御弁、 ７６ バルブコントローラ、 ８０ 圧縮機モータ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】