布雷顿循环冷冻机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及对于冷却对象的热负荷变化，能够控制冷却能力的布雷顿循环冷冻机的技术领域。
[0002]另外，相对于作为热力发动机所使用的布雷顿循环，用于冷冻机的布雷顿循环被称为“逆布雷顿循环”，本说明书简称为“布雷顿循环”(参照《超导.低温工程手册》19930HMSHA出版社(「超電導.低温工学/、> Κ7'' v夕」1993才一Λ社)(社团法人低温工程协会编))。
【背景技术】
[0003]作为使用如压缩机或膨胀机这样的旋转机的冷冻循环的一种，已知有利用布雷顿循环的冷冻机。在这种冷冻循环中，例如专利文献1或专利文献2那样，通过在冷媒流动的循环路径上在多段上串联配置压缩机或膨胀机，来能够提高冷却能力。
[0004]现有技术文献
[0005]专利文献
[0006]专利文献1:日本专利公开2003-148824号公报
[0007]专利文献2:日本专利公开平成9-329034号公报
【发明内容】
[0008](一 )要解决的技术问题
[0009]在这种冷冻机中，当冷却对象的热负荷变化的情况下，通过控制压缩机或膨胀机的转速，从而根据热负荷对冷冻能力进行调整。然而，在通过控制转速来控制冷冻能力的情况下，随着转速的变化，造成如冷媒的流量、压力比、温度等其他控制参数也随之变化。因此，有需要直至使冷冻能力收敛至与热负荷对应的规定目标值的时间的情况，存在难以得到良好响应性的问题。
[0010]尤其是如上述专利文献中那样，在使用多段式旋转机的情况下，若要控制每个压缩机的转速，则随之变化的控制参数的数量增多，从而上述的问题点变得更加显着。
[0011]在通过转速控制来调整冷冻能力的情况下，由于膨胀机的膨胀比及绝热效率降低，从而也存在冷冻机的性能系数(C0P)变差的问题。根据本发明人的验证，发现若使转速变化约10 %，则C0P降低约30 %。
[0012]本发明是鉴于上述的问题而完成的，其目的在于，提供一种布雷顿循环冷冻机，其是在对使用了多段式压缩机并利用布雷顿循环进行利用的冷冻机中，不会对于冷却对象的热负荷变化而随之效率降低，并具有良好响应性。
[0013](二)技术方案
[0014]为了解决上述问题，本发明的布雷顿循环冷冻机的特征在于，通过使用由在冷媒管线上的串联连接的多段式压缩机所压缩的冷媒而产生冷热的布雷顿循环来冷却冷媒，所述布雷顿循环冷冻机具备热负荷检测装置、缓冲罐、第一阀、第二阀及控制装置，所述热负荷检测装置检测冷却对象的热负荷；所述缓冲罐设置在被所述压缩机压缩前的冷媒所流通的低压管线与被所述压缩机压缩后的冷媒所流通的高压管线之间；所述第一阀设置在所述缓冲罐的入口侧，从而能够控制流向所述缓冲罐的冷媒流入量；所述第二阀设置在所述缓冲罐出口侧，从而能够控制来自所述缓冲罐的冷媒流出量；所述控制装置控制所述第一阀及所述第二阀的开度；所述控制装置在通过所述热负荷检测装置检测出所述冷却对象中热负荷变化时，通过调整所述第一阀及所述第二阀的开度，使在所述布雷顿循环中流动的冷媒流量变化。
[0015]根据本发明，在检测出冷却对象中热负荷变化时，通过调整第一阀及第二阀的开度，来进行在布雷顿循环中流动的冷媒流量的控制，由此能够调整冷冻能力。在这种冷媒流量控制中，由于在使冷媒的体积流量一定的同时使质量流量变化，因此不会伴随发生如压力比或温度这样的其他参数的变化，而对于热负荷变化能够得到良好的响应性。此外，由于在冷媒的流量控制中，不会造成以往的转速控制中有可能发生的膨胀机的绝热效率降低，因此能够防止性能系数变差。
[0016]此外，由于缓冲罐设置于具有压力差的低压管线与高压管线之间，因此通过对设置于高压管线上的第一阀进行开闭，能够基于缓冲罐与高压管线的压力差，向缓冲罐导入冷媒。另一方面，通过对设置于低压管线上的第二阀进行开闭，能够基于缓冲罐与低压管线的压力差，能够将来自于缓冲罐的冷媒排出。这样，由于使用了缓冲罐的流量控制不需要来自外部的动力供给，因此能效也十分优异。
[0017]在本发明的一种方式中，也可以是所述高压管线为从配置于最下游侧的所述压缩机排出冷媒的管线，所述低压管线为向配置于最上游侧的所述压缩机供给冷媒的管线。
[0018]根据这种方式，由于能够较大地确保高压管线与低压管线之间的压力差，因此通过第一阀及第二阀的开闭控制，能够容易地进行向缓冲罐导入/排出冷媒的流量控制。
[0019]在这种情况下，也可以是具备冷热回收热交换器，其对由所述压缩机压缩的冷媒与将冷却对象冷却后的冷媒进行热交换，所述高压管线在所述压缩机与所述冷热回收热交换器之间分支。
[0020]根据这种方式，通过在冷热回收热交换器中使用对冷却对象冷却后的冷媒中残留的冷热，对供给至膨胀机的高温冷媒进行预冷，能够提高冷冻能力。在向缓冲罐导入冷媒并控制流量的情况下，通过从冷热回收热交换器的上游侧分支并将冷媒导入缓冲罐，从而向冷热回收热交换器供给的冷媒流量变少，因此能够更有效地发挥通过冷热回收热交换器进行的冷媒的冷却。
[0021]此外，在其他方式中，也可以为，所述控制装置在由所述热负荷检测装置检测出的热负荷变化率大于预先设定的规定值的情况下，在控制所述压缩机及膨胀机的转速之后，调整所述第一阀及所述第二阀的开度。
[0022]根据该方式，在冷却对象中发生急剧的热负荷变化时，根据由上述阀门的开度调整所进行的冷媒的流量控制，来控制压缩机及膨胀机的转速，由此即使对于热负荷变化大，能够得到良好的响应特性。
[0023]此外在其他方式中，也可以为，所述布雷顿循环的冷却部通过热交换器对在冷却对象循环的二次冷媒进行冷却，所述热负荷检测装置是设置在所述二次冷媒流动的管线上的温度传感器。
[0024]根据该方式，通过将用于检测冷却对象的热负荷变化的热负荷检测装置设为设置在二次冷媒流动的管线上的温度传感器，能够迅速检测冷却对象的热负荷变化，因此能够实现响应性优异的布雷顿循环冷冻机。
[0025]此外在其他方式中，也可以为，所述多段式的压缩机是从上游侧依次串联连接第一压缩机、第二压缩机及第三压缩机来构成的，所述第一压缩机及所述第二压缩机连接到第一电动马达的输出轴上，所述第三压缩机及所述膨胀机连接到第二电动马达的输出轴上。
[0026]根据该方式，通过将第一压缩机至第三压缩机分别串联设置在循环路径上，从而能够形成多段压缩。尤其是通过将第一压缩机与第二压缩机都连接到第一电动马达的输出轴上，相较于对每个压缩机均设置动力源的情况，能够简化结构。不但通过将第三压缩机与膨胀机共同连接到第二电动马达的输出轴上而能够简化结构，而且通过膨胀机回收的动力有助于第三压缩机的压缩动力，由此能够实现高效化。
[0027](三)有益效果
[0028]根据本发明，在冷却对象上检测出热负荷变化时，通过调整第一阀及第二阀的开度，来控制布雷顿循环中流动的冷媒流量，由此能够调整冷冻能力。在这种冷媒的流量控制中，由于在使冷媒的体积流量一定的同时使质量流量变化，因此不会伴随发生如压力比或温度这样的其他参数的变化，而相对于热负荷变化能够得到良好的响应性。此外，由于在冷媒的流量控制中，不会造成因以往的转速