特開 2024-180517 極低温冷凍機、極低温冷凍機の診断装置および診断方法

(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】P2024180517

(43)【公開日】2024-12-26

(54)【発明の名称】極低温冷凍機、極低温冷凍機の診断装置および診断方法

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/14 20060101AFI20241219BHJP

【ＦＩ】

F25B9/14 530Z

【審査請求】有

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024177983

(22)【出願日】2024-10-10

(62)【分割の表示】P 2021552309の分割

【原出願日】2020-10-01

(31)【優先権主張番号】P 2019188402

(32)【優先日】2019-10-15

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(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】森江 孝明

(57)【要約】

【課題】極低温冷凍機の運動変換機構の摩耗を検出する診断技術を提供する。
【解決手段】極低温冷凍機１０は、モータ４２が出力する回転運動をディスプレーサの直線往復運動に変換する運動変換機構４３と、モータ４２の消費電力またはモータ４２に流れる電流を示す時系列データを出力するようにモータ４２に接続された計測器５０と、時系列データのうち吸気開始タイミングまたは排気開始タイミングを含む区間データに基づいて、運動変換機構４３の第１部品と第２部品の摺動面の摩耗を検出する処理部１００と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

モータと、
ディスプレーサと、
前記ディスプレーサの直線往復運動をガイドするとともに、前記ディスプレーサとの間に作動ガスの膨張室を形成するシリンダと、
前記膨張室への作動ガスの吸気開始タイミングおよび前記膨張室からの作動ガスの排気開始タイミングを定める圧力切替バルブと、
前記モータが出力する回転運動を前記ディスプレーサの直線往復運動に変換する運動変換機構であって、互いに摺動可能に連結された第１部品と第２部品を備える運動変換機構と、
前記モータの消費電力または前記モータに流れる電流を示す時系列データを出力するように前記モータに接続された計測器と、
前記時系列データのうち前記吸気開始タイミングまたは前記排気開始タイミングを含む区間データに基づいて、前記運動変換機構の前記第１部品と前記第２部品の摺動面の摩耗を検出する処理部と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。

【請求項2】

前記処理部は、前記時系列データのうち前記ディスプレーサの直線往復運動の少なくとも一周期にわたる区間データに基づいて、前記運動変換機構の前記摺動面の摩耗を検出することを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。

【請求項3】

前記第１部品は、前記モータの出力軸に偏心して接続された連結軸を備え、前記第２部品は、軸孔が形成された転動体を備え、前記連結軸と前記転動体は、前記軸孔で前記摺動面を介して互いに摺動可能に連結されていることを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷凍機。

【請求項4】

前記処理部は、前記区間データに基づいて摺動面摩耗パラメータを演算し、前記摺動面摩耗パラメータとパラメータしきい値との比較に基づいて前記摺動面の摩耗を検出することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の極低温冷凍機。

【請求項5】

前記計測器は、前記モータの消費電力を示す時系列データを前記処理部に出力し、
前記処理部は、前記区間データに平滑化処理と時間微分を施すことによって、前記摺動面摩耗パラメータを演算することを特徴とする請求項４に記載の極低温冷凍機。

【請求項6】

前記計測器は、前記モータに流れる電流を示す時系列データを前記処理部に出力し、
前記処理部は、前記区間データに平滑化処理を施すことによって、前記摺動面摩耗パラメータを演算することを特徴とする請求項４に記載の極低温冷凍機。

【請求項7】

前記平滑化処理は、前記モータの電源周波数の周期に基づく時間枠で、前記区間データの移動平均をとる処理を含むことを特徴とする請求項５または６に記載の極低温冷凍機。

【請求項8】

前記モータの回転数を制御するインバータをさらに備え、
前記計測器は、前記モータに流れる電流を示す時系列データを前記処理部に出力し、
前記処理部は、前記区間データに平滑化処理を施すことによって、前記摺動面摩耗パラメータを演算し、
前記平滑化処理は、前記インバータの出力周波数の周期に基づく時間枠で、前記区間データの移動平均をとる処理を含むことを特徴とする請求項４に記載の極低温冷凍機。

【請求項9】

極低温冷凍機の診断装置であって、前記極低温冷凍機は、モータが出力する回転運動をディスプレーサの直線往復運動に変換する運動変換機構であって、互いに摺動可能に連結された第１部品と第２部品を備える運動変換機構を備え、前記診断装置は、
前記モータの消費電力または前記モータに流れる電流を示す時系列データを出力するように前記モータに接続された計測器と、
前記時系列データのうち前記極低温冷凍機の膨張室への吸気開始タイミングまたは前記膨張室からの排気開始タイミングを含む区間データに基づいて、前記運動変換機構の前記第１部品と前記第２部品の摺動面の摩耗を検出する処理部と、を備えることを特徴とする診断装置。

【請求項10】

極低温冷凍機の診断方法であって、前記極低温冷凍機は、モータが出力する回転運動をディスプレーサの直線往復運動に変換する運動変換機構であって、互いに摺動可能に連結された第１部品と第２部品を備える運動変換機構を備え、前記方法は、
前記モータの消費電力または前記モータに流れる電流を示す時系列データを取得することと、
前記時系列データのうち前記極低温冷凍機の膨張室への吸気開始タイミングまたは前記膨張室からの排気開始タイミングを含む区間データに基づいて、前記運動変換機構の前記第１部品と前記第２部品の摺動面の摩耗を検出することと、を備えることを特徴とする方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、極低温冷凍機、極低温冷凍機の診断装置および診断方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、膨張ピストンが、駆動モータとクランク機構を介して接続され、膨張シリンダ内で往復運動可能とされたギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平３－１５２３５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明者は、たとえばＧＭ冷凍機のように運動変換機構を内蔵した極低温冷凍機について検討したところ、以下の課題を認識するに至った。そうした極低温冷凍機においては、長期にわたり運転を続けるにつれて運動変換機構の可動構成部品の摩耗が進み、部品間の隙間が徐々に拡大しうる。これにより、冷凍機の運転中、運動変換機構から異音が発生しうる。この異音は、部品間のガタつきに起因して発生する部品どうしの衝突音である。摩耗が進むほど部品間の隙間も大きくなり、異音も顕著となりうる。これは冷凍機のユーザーにとってしばしば不快な騒音と感じられるので、望ましくない。摩耗がさらに進行すれば、最終的にはその部品を交換する必要がある。

【0005】

極低温冷凍機の累積の運転時間は、摩耗の程度を示す１つの指標となるかもしれない。たとえば、一定の運転時間が経過したら摩耗が発生したとみなされる。しかし、現実には、摩耗の進み具合は、冷凍機ごとの個体差、個々のユーザーによる冷凍機の使い方など、個別の事情に大きく影響される。そのため、運転時間の長さと摩耗の程度を直ちに対応づけられず、運動変換機構の部品の摩耗の進み具合を累積の運転時間から正確に把握することは困難である。

【0006】

結局のところ、極低温冷凍機に内蔵された運動変換機構の摩耗を自動的に検出する有効な手立ては、これまで無かった。

【0007】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機の運動変換機構の摩耗を検出する診断技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、モータと、ディスプレーサと、ディスプレーサの直線往復運動をガイドするとともに、ディスプレーサとの間に作動ガスの膨張室を形成するシリンダと、膨張室への作動ガスの吸気開始タイミングおよび膨張室からの作動ガスの排気開始タイミングを定める圧力切替バルブと、モータが出力する回転運動をディスプレーサの直線往復運動に変換する運動変換機構であって、互いに摺動可能に連結された第１部品と第２部品を備える運動変換機構と、モータの消費電力またはモータに流れる電流を示す時系列データを出力するようにモータに接続された計測器と、時系列データのうち吸気開始タイミングまたは排気開始タイミングを含む区間データに基づいて、運動変換機構の第１部品と第２部品の摺動面の摩耗を検出する処理部と、を備える。

【0009】

本発明のある態様によると、極低温冷凍機の診断装置が提供される。極低温冷凍機は、モータが出力する回転運動をディスプレーサの直線往復運動に変換する運動変換機構であって、互いに摺動可能に連結された第１部品と第２部品を備える運動変換機構を備える。診断装置は、モータの消費電力またはモータに流れる電流を示す時系列データを出力するようにモータに接続された計測器と、時系列データのうち極低温冷凍機の膨張室への吸気開始タイミングまたは膨張室からの排気開始タイミングを含む区間データに基づいて、運動変換機構の第１部品と第２部品の摺動面の摩耗を検出する処理部と、を備える。

【0010】

本発明のある態様によると、極低温冷凍機の診断方法が提供される。極低温冷凍機は、モータが出力する回転運動をディスプレーサの直線往復運動に変換する運動変換機構であって、互いに摺動可能に連結された第１部品と第２部品を備える運動変換機構を備える。この方法は、モータの消費電力またはモータに流れる電流を示す時系列データを取得することと、時系列データのうち極低温冷凍機の膨張室への吸気開始タイミングまたは膨張室からの排気開始タイミングを含む区間データに基づいて、運動変換機構の第１部品と第２部品の摺動面の摩耗を検出することと、を備える。

【0011】

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】

【0012】

本発明によれば、極低温冷凍機の運動変換機構の摩耗を検出する診断技術を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】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】実施の形態に係る極低温冷凍機に用いられる例示的なバルブタイミングを示す図である。

【図4】図４（ａ）は、例示的な運動変換機構を示す概略斜視図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の運動変換機構を概略的に示す分解斜視図である。

【図5】図５（ａ）および図５（ｂ）は、転動ブッシュを例示する概略図である。

【図6】図６（ａ）および図６（ｂ）は、極低温冷凍機における運動変換機構の動作を示す概略図である。

【図7】実施の形態に係る診断装置のブロック図である。

【図8】実施の形態に係る極低温冷凍機の診断方法を示すフローチャートである。

【図9】図９（ａ）から図９（ｆ）は、実施の形態に係り、モータの消費電力を示す時系列データが処理部に入力されるとき得られる波形データを示す図である。

【図10】実施の形態に係り、モータに流れる電流を示す時系列データが処理部に入力されるとき得られる波形データを示す図である。

【図11】実施の形態に係り、モータに流れる電流を示す時系列データが処理部に入力されるとき得られる波形データを示す図である。

【図12】実施の形態に係る診断装置のブロック図である。

【図13】実施の形態に係り、モータに流れる電流を示す時系列データが処理部に入力されるとき得られる波形データを示す図である。

【図14】実施の形態に係り、モータに流れる電流を示す時系列データが処理部に入力されるとき得られる波形データを示す図である。

【図15】実施の形態に係り、モータに流れる電流を示す時系列データが処理部に入力されるとき得られる波形データを示す図である。

【図16】例１から例４のそれぞれについて、摺動面摩耗パラメータＤ４の最大値をプロットしたグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

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。

【0015】

図１および図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。図３は、実施の形態に係る極低温冷凍機１０に用いられる例示的なバルブタイミングを示す図である。図１には、極低温冷凍機１０の外観を示し、図２には、極低温冷凍機１０の内部構造を示す。極低温冷凍機１０は、一例として、二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機である。

【0016】

極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と、膨張機１４とを備える。圧縮機１２は、計測器５０と、処理部１００とを備える。膨張機１４は、モータ４２と、運動変換機構４３とを備える。詳細は後述するが、モータ４２、計測器５０、処理部１００により、運動変換機構４３の診断装置が構成される。

【0017】

圧縮機１２は、極低温冷凍機１０の作動ガスを膨張機１４から回収し、回収した作動ガスを昇圧して、再び作動ガスを膨張機１４に供給するよう構成されている。作動ガスは、冷媒ガスとも称され、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。

【0018】

なお、一般に、圧縮機１２から膨張機１４に供給される作動ガスの圧力と、膨張機１４から圧縮機１２に回収される作動ガスの圧力は、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。理解のために、作動ガスの流れる方向を矢印で示す。

【0019】

圧縮機１２は、圧縮機本体２２と、圧縮機本体２２を収容する圧縮機筐体２３とを備える。圧縮機１２は、圧縮機ユニットとも称される。

【0020】

圧縮機本体２２は、その吸入口から吸入される作動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２２は、例えば、スクロール方式、ロータリ式、または作動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２２は、固定された一定の作動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２２は、吐出する作動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２２は、圧縮カプセルと称されることもある。

【0021】

圧縮機１２は、圧縮機１２を制御する圧縮機コントローラ２４を備えてもよい。圧縮機コントローラ２４は、圧縮機１２のみを制御するだけでなく、極低温冷凍機１０を統合的に制御してもよく、たとえば、膨張機１４（たとえばモータ４２）も制御してもよい。圧縮機コントローラ２４は、圧縮機１２に取り付けられていてもよく、例えば、圧縮機筐体２３の外表面に設置され、圧縮機筐体２３に収容されていてもよい。あるいは、圧縮機コントローラ２４は、圧縮機１２から離れて配置され、たとえば制御信号線により、圧縮機１２と接続されていてもよい。

【0022】

膨張機１４は、冷凍機シリンダ１６と、ディスプレーサ組立体１８とを備える。冷凍機シリンダ１６は、ディスプレーサ組立体１８の直線往復運動をガイドするとともに、ディスプレーサ組立体１８との間に作動ガスの膨張室（３２、３４）を形成する。また、膨張機１４は、膨張室への作動ガスの吸気開始タイミングおよび膨張室からの作動ガスの排気開始タイミングを定める圧力切替バルブ４０を備える。

【0023】

本書では、極低温冷凍機１０の構成要素間の位置関係を説明するために、便宜上、ディスプレーサの軸方向往復動の上死点に近い側を「上」、下死点に近い側を「下」と表記することとする。上死点は膨張空間の容積が最大となるディスプレーサの位置であり、下死点は膨張空間の容積が最小となるディスプレーサの位置である。極低温冷凍機１０の運転時には軸方向上方から下方へと温度が下がる温度勾配が生じるので、上側を高温側、下側を低温側と呼ぶこともできる。

【0024】

冷凍機シリンダ１６は、第１シリンダ１６ａ、第２シリンダ１６ｂを有する。第１シリンダ１６ａと第２シリンダ１６ｂは、一例として、円筒形状を有する部材であり、第２シリンダ１６ｂが第１シリンダ１６ａよりも小径である。第１シリンダ１６ａと第２シリンダ１６ｂは同軸に配置され、第１シリンダ１６ａの下端が第２シリンダ１６ｂの上端に剛に連結されている。

【0025】

ディスプレーサ組立体１８は、互いに連結された第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂを備え、これらは一体に移動する。第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂは、一例として、円筒形状を有する部材であり、第２ディスプレーサ１８ｂが第１ディスプレーサ１８ａよりも小径である。第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂは同軸に配置されている。

【0026】

第１ディスプレーサ１８ａは、第１シリンダ１６ａに収容され、第２ディスプレーサ１８ｂは、第２シリンダ１６ｂに収容されている。第１ディスプレーサ１８ａは、第１シリンダ１６ａに沿って軸方向に往復移動可能であり、第２ディスプレーサ１８ｂは、第２シリンダ１６ｂに沿って軸方向に往復移動可能である。

【0027】

図２に示されるように、第１ディスプレーサ１８ａは、第１蓄冷器２６を収容する。第１蓄冷器２６は、第１ディスプレーサ１８ａの筒状の本体部の中に、例えば銅などの金網またはその他適宜の第１蓄冷材を充填することによって形成されている。第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部および下蓋部は第１ディスプレーサ１８ａの本体部とは別の部材として提供されてもよく、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部および下蓋部は、締結、溶接など適宜の手段で本体に固定され、それにより第１蓄冷材が第１ディスプレーサ１８ａに収容されてもよい。

【0028】

同様に、第２ディスプレーサ１８ｂは、第２蓄冷器２８を収容する。第２蓄冷器２８は、第２ディスプレーサ１８ｂの筒状の本体部の中に、例えばビスマスなどの非磁性蓄冷材、ＨｏＣｕ_２などの磁性蓄冷材、またはその他適宜の第２蓄冷材を充填することによって形成されている。第２蓄冷材は粒状に成形されていてもよい。第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部および下蓋部は第２ディスプレーサ１８ｂの本体部とは別の部材として提供されてもよく、第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部の下蓋部は、締結、溶接など適宜の手段で本体に固定され、それにより第２蓄冷材が第２ディスプレーサ１８ｂに収容されてもよい。

【0029】

ディスプレーサ組立体１８は、室温室３０、第１膨張室３２、第２膨張室３４を冷凍機シリンダ１６の内部に形成する。極低温冷凍機１０によって冷却すべき所望の物体または媒体との熱交換のために、膨張機１４は、第１冷却ステージ３３と第２冷却ステージ３５を備える。室温室３０は、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部と第１シリンダ１６ａの上部との間に形成される。第１膨張室３２は、第１ディスプレーサ１８ａの下蓋部と第１冷却ステージ３３との間に形成される。第２膨張室３４は、第２ディスプレーサ１８ｂの下蓋部と第２冷却ステージ３５との間に形成される。第１冷却ステージ３３は、第１膨張室３２を取り囲むように第１シリンダ１６ａの下部に固着され、第２冷却ステージ３５は、第２膨張室３４を取り囲むように第２シリンダ１６ｂの下部に固着されている。

【0030】

第１蓄冷器２６は、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部に形成された作動ガス流路３６ａを通じて室温室３０に接続され、第１ディスプレーサ１８ａの下蓋部に形成された作動ガス流路３６ｂを通じて第１膨張室３２に接続されている。第２蓄冷器２８は、第１ディスプレーサ１８ａの下蓋部から第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部へと形成された作動ガス流路３６ｃを通じて第１蓄冷器２６に接続されている。また、第２蓄冷器２８は、第２ディスプレーサ１８ｂの下蓋部に形成された作動ガス流路３６ｄを通じて第２膨張室３４に接続されている。

【0031】

第１膨張室３２、第２膨張室３４と室温室３０との間の作動ガス流れが、冷凍機シリンダ１６とディスプレーサ組立体１８との間のクリアランスではなく、第１蓄冷器２６、第２蓄冷器２８に導かれるようにするために、第１シール３８ａ、第２シール３８ｂが設けられていてもよい。第１シール３８ａは、第１ディスプレーサ１８ａと第１シリンダ１６ａとの間に配置されるように第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部に装着されてもよい。第２シール３８ｂは、第２ディスプレーサ１８ｂと第２シリンダ１６ｂとの間に配置されるように第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部に装着されてもよい。

【0032】

図１に示されるように、膨張機１４は、圧力切替バルブ４０を収容する冷凍機ハウジング２０を備える。冷凍機ハウジング２０は、冷凍機シリンダ１６と結合され、それにより、圧力切替バルブ４０およびディスプレーサ組立体１８を収容する気密容器が構成される。

【0033】

圧力切替バルブ４０は、図２に示されるように、高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂを備え、冷凍機シリンダ１６内に周期的圧力変動を発生させるように構成されている。圧縮機１２の作動ガス吐出口が高圧バルブ４０ａを介して室温室３０に接続され、圧縮機１２の作動ガス吸入口が低圧バルブ４０ｂを介して室温室３０に接続されている。高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂは、選択的かつ交互に開閉するように（すなわち、一方が開いているとき他方が閉じるように）構成されている。

【0034】

図３には、圧力切替バルブ４０のバルブタイミングが例示されている。圧力切替バルブ４０の一回転すなわち極低温冷凍機１０の一周期の冷凍サイクルは、吸気工程Ａ１と排気工程Ａ２を含む。一周期の冷凍サイクルを３６０度に対応づけて図示しているので、０度は周期の開始時点にあたり、３６０度は周期の終了時点にあたる。９０度、１８０度、２７０度はそれぞれ、１／４周期、半周期、３／４周期にあたる。ここでは便宜上、限定しない例として、吸気工程Ａ１の開始を０度、排気工程Ａ２の開始を１８０度とする。

【0035】

高圧バルブ４０ａが吸気開始タイミングＴ１を定める。すなわち、高圧バルブ４０ａが開くことによって吸気工程Ａ１が始まる。吸気工程Ａ１においては低圧バルブ４０ｂは閉じている。高圧の作動ガスが圧縮機１２から高圧バルブ４０ａを通じて室温室３０に流入し、第１蓄冷器２６を通じて第１膨張室３２に供給され、第２蓄冷器２８を通じて第２膨張室３４に供給される。吸気開始タイミングＴ１とともに第１膨張室３２、第２膨張室３４の圧力は急速に高まる。高圧バルブ４０ａが閉じると吸気工程Ａ１は終了する。第１膨張室３２、第２膨張室３４は高圧に保たれる。

【0036】

低圧バルブ４０ｂが排気開始タイミングＴ２を定める。すなわち、低圧バルブ４０ｂが開くことによって排気工程Ａ２が始まる。排気工程Ａ２においては高圧バルブ４０ａは閉じている。排気開始タイミングＴ２とともに高圧の第１膨張室３２、第２膨張室３４が圧縮機１２の低圧の作動ガス吸入口に開放されるので、作動ガスが第１膨張室３２、第２膨張室３４で膨張し、その結果低圧となった作動ガスが第１膨張室３２、第２膨張室３４から第１蓄冷器２６、第２蓄冷器２８を通じて室温室３０へと排出される。排気開始タイミングＴ２とともに第１膨張室３２、第２膨張室３４の圧力は急速に低下する。作動ガスは膨張機１４から低圧バルブ４０ｂを通じて圧縮機１２に回収される。低圧バルブ４０ｂが閉じると排気工程Ａ２は終了する。第１膨張室３２、第２膨張室３４は低圧に保たれる。

【0037】

図示されるように、吸気工程Ａ１が終わってから排気工程Ａ２が始まるまで、高圧バルブ４０ａ、低圧バルブ４０ｂの両方が閉じている期間があってもよい。排気工程Ａ２が終わってから吸気工程Ａ１が始まるまで、高圧バルブ４０ａ、低圧バルブ４０ｂの両方が閉じている期間があってもよい。

【0038】

圧力切替バルブ４０は、ロータリーバルブの形式をとってもよい。すなわち、圧力切替バルブ４０は、静止したバルブ本体に対するバルブディスクの回転摺動によって高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂが交互に開閉されるように構成されていてもよい。その場合、モータ４２が圧力切替バルブ４０のバルブディスクを回転させるように圧力切替バルブ４０に連結されていてもよい。たとえば、圧力切替バルブ４０は、バルブ回転軸がモータ４２の回転軸と同軸となるように配置される。

【0039】

あるいは、高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂはそれぞれ個別に制御可能なバルブであってもよく、その場合、圧力切替バルブ４０は、モータ４２に連結されていなくてもよい。

【0040】

再び図１および図２を参照する。モータ４２は、冷凍機ハウジング２０に取り付けられている。運動変換機構４３は、圧力切替バルブ４０と同様に、冷凍機ハウジング２０に収容されている。

【0041】

モータ４２は、たとえばスコッチヨーク機構などの運動変換機構４３を介してディスプレーサ駆動軸４４に連結されている。運動変換機構４３は、モータ４２が出力する回転運動をディスプレーサ駆動軸４４の直線往復運動に変換する。ディスプレーサ駆動軸４４は、運動変換機構４３から室温室３０の中へと延び、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部に固定されている。モータ４２の回転は運動変換機構４３によってディスプレーサ駆動軸４４の軸方向往復動に変換され、ディスプレーサ組立体１８は冷凍機シリンダ１６内を軸方向に直線的に往復する。

【0042】

ところで、極低温冷凍機１０は、商用電源（三相交流電源）などの電源４６から給電される。電源４６は給電配線４８により圧縮機１２およびモータ４２に接続される。モータ４２は、圧縮機１２を介して電源４６に接続されているから、圧縮機１２をモータ４２の電源とみなすこともできる。なお、圧縮機１２とモータ４２はそれぞれ個別の電源に接続されてもよい。

【0043】

モータ４２は、たとえば三相モータである。モータ４２は、電源４６の周波数に基づく一定の回転数で動作する。

【0044】

計測器５０は、モータ４２の消費電力またはモータ４２に流れる電流を示す時系列データＤ１を出力するようにモータ４２に接続されている。よって、時系列データＤ１は、極低温冷凍機１０の運転中におけるモータ４２の消費電力またはモータ４２に流れる電流の時間変化を示す。計測器５０は、時系列データＤ１を取得すべく、給電配線４８に設置されている。

【0045】

例示的な構成として、計測器５０は、たとえば、二電力計法に基づく三相電力計を採用することができ、または、モータ４２の消費電力を計測するその他の形式の電力センサであってもよい。あるいは、計測器５０は、モータ４２に流れる三相電流を個別に同時に計測する三相電流計であってもよく、または、モータ４２に流れる電流を計測するその他の形式の電流センサであってもよい。

【0046】

計測器５０は、時系列データＤ１を処理部１００に出力する。計測器５０は、有線または無線により処理部１００に通信可能に接続されている。図示される例では、計測器５０は、圧縮機１２に内蔵されているが、その限りでない。計測器５０は、モータ４２に搭載される等、膨張機１４に設けられてもよく、または、給電配線４８上のその他の場所に設けられてもよい。

【0047】

処理部１００は、計測器５０から時系列データＤ１を受け、時系列データＤ１に基づいて運動変換機構４３を診断するように構成されている。処理部１００は、圧縮機１２に搭載され、圧縮機コントローラ２４の一部を構成するが、その限りでない。処理部１００は、圧縮機１２から離れて配置されてもよく、その場合、計測器５０と信号配線により接続されてもよい。処理部１００は、膨張機１４に搭載されてもよい。ただし、処理部１００は、冷凍機ハウジング２０など室温環境に配置される。処理部１００の詳細は後述する。

【0048】

極低温冷凍機１０は、圧縮機１２およびモータ４２が運転されるとき、第１膨張室３２および第２膨張室３４において周期的な容積変動とこれに同期した作動ガスの圧力変動を発生させる。典型的には、吸気工程Ａ１においてディスプレーサ組立体１８が下死点から上死点へと上動され第１膨張室３２と第２膨張室３４の容積が増加され、排気工程Ａ２においてディスプレーサ組立体１８が上死点から下死点へと下動され第１膨張室３２と第２膨張室３４の容積が減少される。

【0049】

このようにして、たとえばＧＭサイクルなどの冷凍サイクルが構成され、第１冷却ステージ３３および第２冷却ステージ３５が所望の極低温に冷却される。第１冷却ステージ３３は、例えば約２０Ｋ～約４０Ｋの範囲にある第１冷却温度に冷却されることができる。第２冷却ステージ３５は、第１冷却温度より低い第２冷却温度（例えば、約１Ｋ～約４Ｋ）に冷却されることができる。

【0050】

図４（ａ）は、例示的な運動変換機構４３を示す概略斜視図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の運動変換機構４３を概略的に示す分解斜視図である。図示される運動変換機構４３は、スコッチヨーク機構として構成される。運動変換機構４３は、クランク６０と、スコッチヨーク７０とを含む。クランク６０は、モータ４２の回転軸４２ａに固定される。スコッチヨーク７０は、クランク６０に対してモータ４２の回転軸４２ａとは反対側に配置される。クランク６０は、回転軸４２ａから偏心して接続された連結軸６２を有する。連結軸６２は、クランク６０からスコッチヨーク７０に向けて、回転軸４２ａに平行に延びている。回転軸４２ａと連結軸６２は、軸線Ｘに沿って延びている。

【0051】

スコッチヨーク７０は、ヨーク板７２と、転動体（以下、転動ブッシュともいう）７４とを含み、軸線Ｘに直交する軸方向（矢印Ｚで示す）に移動可能である。ヨーク板７２には上部軸４５とディスプレーサ駆動軸４４が固定されている。上部軸４５はヨーク板７２の上枠中央から上方に延出し、ディスプレーサ駆動軸４４はヨーク板７２の下枠中央から下方に延出する。上部軸４５とディスプレーサ駆動軸４４はそれぞれ、軸方向に摺動可能に冷凍機ハウジング２０（図１参照）に支持される。

【0052】

ヨーク板７２は、軸線Ｘおよび軸方向Ｚに直交する横方向（矢印Ｙで示す）に細長いヨーク窓７２ａを有する。ヨーク窓７２ａ内には転動ブッシュ７４が配置される。転動ブッシュ７４は中心に軸孔７４ａを有し、連結軸６２が軸孔７４ａを貫通する。連結軸６２は軸孔７４ａで転動ブッシュ７４とすべり接触をしており、連結軸６２と転動ブッシュ７４は、軸孔７４ａで互いに摺動可能に連結されている。転動ブッシュ７４は、連結軸６２を支持する無潤滑のすべり軸受として働く。また、転動ブッシュ７４はヨーク窓７２ａでヨーク板７２と転がり接触をしており、転動ブッシュ７４は、ヨーク窓７２ａでヨーク板７２に転がり摺動可能に連結されている。

【0053】

モータ４２の駆動により回転軸４２ａが回転すると、回転軸４２ａとともにクランク６０が回転し、連結軸６２およびこれに連結された転動ブッシュ７４が回転軸４２ａを中心として円を描くように回転する。このとき、連結軸６２は、軸孔７４ａで転動ブッシュ７４に対して回転しながら摺動する。転動ブッシュ７４は、ヨーク窓７２ａ内を転がりながら横方向Ｙに往復し、かつヨーク板７２とともに軸方向Ｚに往復する。ヨーク板７２の軸方向往復動により、ディスプレーサ駆動軸４４およびディスプレーサ組立体１８が軸方向に往復する。このようにして、モータ４２が出力する回転運動がディスプレーサの直線往復運動に変換される。

【0054】

連結軸６２は、軸孔７４ａを貫通してさらに延びていてもよい。圧力切替バルブ４０がロータリーバルブとして構成される場合には、連結軸６２の先端６２ａが圧力切替バルブ４０のバルブディスク４１ａに連結され、クランク６０の回転とともにバルブディスク４１ａが静止したバルブ本体４１ｂに対して回転される。よって、圧力切替バルブ４０は運動変換機構４３と同期して回転することができる。

【0055】

図５（ａ）および図５（ｂ）は、転動ブッシュ７４を例示する概略図である。図５（ａ）に示されるように、転動ブッシュ７４は、円形の軸孔７４ａを有する円板状の部材である。上述のように、軸孔７４ａは連結軸６２が摺動する摺動面となるので、転動ブッシュ７４は、たとえばフッ素樹脂などの耐摩耗性に優れる樹脂材料で形成される。この場合、ヨーク板７２に対する転がり摺動面となる転動ブッシュ７４の外周面７４ｂも、耐摩耗材料で形成される。摩耗に強い転動ブッシュ７４を提供することができる。

【0056】

転動ブッシュ７４は、図５（ｂ）に示されるように、円形の軸孔７４ａを有するブッシュ内輪７６と、外周面７４ｂを有するブッシュ外輪７８とを備えてもよい。ブッシュ内輪７６とブッシュ外輪７８は同軸に配置され、ブッシュ内輪７６はブッシュ外輪７８に固定されている。ブッシュ内輪７６は、たとえばフッ素樹脂などの耐摩耗性に優れる樹脂材料で形成される。ブッシュ外輪７８は、たとえば汎用樹脂材料など、ブッシュ内輪７６とは異なる材料で形成される。耐摩耗材料は比較的高価であるので、転動ブッシュ７４の一部のみを耐摩耗材料とすることにより、転動ブッシュ７４を安価にすることができる。

【0057】

図６（ａ）および図６（ｂ）は、極低温冷凍機１０における運動変換機構４３の動作を示す概略図である。新たに製造されたばかりの極低温冷凍機１０においては、運動変換機構４３の構成部品どうしは設計上の公差を有して互いに組み合わされており、部品間に不要なガタつきは無い。しかし、極低温冷凍機１０が長期にわたって運転されるにつれて、運動変換機構４３の可動構成部品の摩耗が進む。摩耗が生じやすいのは部品間の摺動面であり、従って、たとえば転動ブッシュ７４の軸孔７４ａが徐々に拡大し、転動ブッシュ７４と連結軸６２の間に隙間８０が生まれる。

【0058】

図６（ａ）には、排気工程Ａ２の終盤でスコッチヨーク７０が下死点に近づいている様子が示されている。連結軸６２は回転しながら転動ブッシュ７４およびヨーク板７２を下方に押しているので、隙間８０は軸孔７４ａにおいて連結軸６２の上側にある。このとき、膨張機１４の第１膨張室３２、第２膨張室３４は低圧の作動ガスで満たされている。

【0059】

この直後に吸気開始タイミングＴ１が到来し、吸気工程Ａ１が始まったとすると、上述のように、高圧バルブ４０ａから室温室３０に高圧の作動ガスが流入する。流入するガスが第１膨張室３２、第２膨張室３４へと流れ込むまでは、室温室３０とこれら膨張室との差圧がディスプレーサ組立体１８に下向きに働くことになる。スコッチヨーク７０はディスプレーサ組立体１８に固定されている。

【0060】

そのため、吸気開始タイミングＴ１においては、図６（ｂ）に示されるように、スコッチヨーク７０に過渡的に下向きの力８２が働く。これにより、隙間８０の分だけスコッチヨーク７０が連結軸６２に対して動かされる。軸孔７４ａにおいて連結軸６２が転動ブッシュ７４とぶつかり、異音が発生しうる。

【0061】

力の向きは上下逆転するが、同様の現象は、排気開始タイミングＴ２においても起こりうる。排気工程Ａ２が始まるとき、膨張機１４内でディスプレーサ組立体１８に過渡的な差圧が作用し、この力がスコッチヨーク７０に上向きに働き、隙間８０の分だけスコッチヨーク７０が連結軸６２に対して動かされうる。軸孔７４ａにおいて連結軸６２が転動ブッシュ７４とぶつかり、異音が発生するかもしれない。

【0062】

ただし、極低温冷凍機１０は通例、低温側を下向きとして設置されるので、スコッチヨーク７０に働く上向きの力の影響は、ディスプレーサ組立体１８に働く重力（すなわち下向きの力）によって緩和される。したがって、排気開始タイミングＴ２に比べて、吸気開始タイミングＴ１において、異音は大きくなるかもしれない。

【0063】

このようにして、極低温冷凍機１０の運転中、とくに作動ガスの吸気と排気の切り替え時に、運動変換機構４３に働くガス圧力の方向が反転することに伴って、運動変換機構４３から異音が発生しうる。運動変換機構４３の運動方向が反転するときにも異音が発生するかもしれない。摩耗が進むほど隙間８０も大きくなり、異音も顕著となりうる。典型的な極低温冷凍機１０の運転では、吸気開始タイミングＴ１は毎秒一回程度と高頻度である。このように頻繁に異音が発生すると、冷凍機のユーザーは不快に感じるかもしれない。また、極低温冷凍機１０が無人の環境で運転されるとしても、こうした部品どうしの衝突の頻発は、運動変換機構４３の寿命に悪影響を及ぼしうる。

【0064】

極低温冷凍機１０の累積の運転時間に基づいて摩耗の進行を推測する方法は、本書の冒頭で述べたように、摩耗の進み具合が個々の冷凍機によって異なるため、あまり実用的でない。

【0065】

また、典型的な極低温冷凍機には、モータに異常に大きな負荷が作用したときに起こりうるモータ電流の異常な増加を検知するために、モータ電流を計測する電流計が備わっていることがある。しかしながら、摩耗による隙間８０の拡大はモータ４２の負荷を増加させるものではないので、この方法でも運動変換機構４３の摩耗を効果的に検知することはできない。

【0066】

図７は、実施の形態に係る診断装置のブロック図である。運動変換機構４３の診断装置は、モータ４２、計測器５０、処理部１００を備える。処理部１００は、メモリ１０２、パラメータ演算部１０４、比較部１１０を備える。診断装置は、診断結果を示す情報を視覚的に通知する通知手段１２０を備えてもよく、通知手段１２０はたとえばディスプレイ１２２を含みうる。通知手段１２０は、スピーカーなど音声により診断結果を通知するものであってもよい。通知手段１２０は、インターネットなどネットワークを介して遠隔の機器に診断結果を送信してもよい。

【0067】

処理部１００は、時系列データＤ１のうち吸気開始タイミングＴ１または排気開始タイミングＴ２を含む区間データＤ２に基づいて、運動変換機構４３の第１部品と第２部品の摺動面の摩耗を検出する。この実施の形態においては、処理部１００は、時系列データＤ１のうちディスプレーサの直線往復運動の少なくとも一周期にわたる区間データＤ２に基づいて、運動変換機構４３の摺動面の摩耗を検出する。第１部品と第２部品は、たとえば、連結軸６２と転動ブッシュ７４である。処理部１００は、区間データＤ２に基づいて摺動面摩耗パラメータＤ４を演算し、摺動面摩耗パラメータＤ４とパラメータしきい値との比較に基づいて摺動面の摩耗を検出する。

【0068】

計測器５０は、モータ４２の消費電力またはモータ４２に流れる電流を示す時系列データＤ１をメモリ１０２に出力する。メモリ１０２は、時系列データＤ１を格納する。メモリ１０２は、時系列データＤ１のほかに、処理部１００が中間的または最終的に生成または出力する様々な出力データ、または極低温冷凍機１０に関連するデータを保存しまたは予め保持してもよい。

【0069】

パラメータ演算部１０４は、メモリ１０２から区間データＤ２を読み出し、区間データＤ２に基づいて摺動面摩耗パラメータＤ４を演算する。上述のように、区間データＤ２は、時系列データＤ１のうち、例えば、ディスプレーサの直線往復運動（すなわち冷凍サイクル）の一周期分の時間（典型的には例えば１秒程度）に計測されたデータにあたる。時系列データＤ１において吸気開始タイミングＴ１（または排気開始タイミングＴ２）を特定できる場合には、時系列データＤ１のうち吸気開始タイミングＴ１（または排気開始タイミングＴ２）を含む所定時間に計測されたデータが区間データＤ２として使用されてもよい。

【0070】

時系列データＤ１がモータ４２の消費電力を示す場合には、パラメータ演算部１０４は、区間データＤ２に平滑化処理と時間微分を施すことによって、摺動面摩耗パラメータＤ４を演算してもよい。そこで、パラメータ演算部１０４は、平滑化部１０６と、微分演算部１０８とを備えてもよい。平滑化部１０６は、区間データＤ２に平滑化処理を施し、平滑化された区間データＤ３を生成する。微分演算部１０８は、平滑化された区間データＤ３に時間微分（例えば一次微分）を施し、摺動面摩耗パラメータＤ４を演算する。

【0071】

平滑化処理は、モータ４２の電源周波数（例えば５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の周期に基づく時間枠で、区間データＤ２の移動平均をとる処理を含んでもよい。したがって、平滑化部１０６は、モータ４２の電源周波数の例えば１周期（またはその整数倍）の時間長さで区間データＤ２の移動平均をとり、平滑化された区間データＤ３を生成する。このようにすれば、区間データＤ２に含まれるモータ４２の電源周波数に応じたリップルを効果的に除去することができる。平滑化部１０６は、ノイズを除去するその他の適切な平滑化フィルタを備えてもよい。

【0072】

また、時間微分とは、微分演算部１０８に入力される波形データを、時間で、または時間に相当する変数で、微分する処理をいう。時間に相当する変数は、例えば、極低温冷凍機１０の運転角度であってもよい。運転角度は時間と完全に対応づけられる。例えば、図３を参照して述べたように、極低温冷凍機１０の一周期の冷凍サイクルは３６０度の運転角度に対応づけられる。

【0073】

時系列データＤ１、すなわち区間データＤ２は、離散的なデータであることが多い。その場合、微分演算部１０８は、平滑化された区間データＤ３に差分処理を施し、摺動面摩耗パラメータＤ４を演算する。例えば、モータ４２の消費電力の移動平均Ｐ_ａｖｅの時間微分ΔＰ_ａｖｅ／Δｔは、計測時刻ｔでの消費電力の計測値をＰ_ａｖｅ（ｔ）、次の計測時刻ｔ’での消費電力の計測値をＰ_ａｖｅ（ｔ’）とするとき、
ΔＰ_ａｖｅ／Δｔ＝（Ｐ_ａｖｅ（ｔ）－Ｐ_ａｖｅ（ｔ’））／（ｔ－ｔ’）
により計算される。こうして得られた時間微分ΔＰ_ａｖｅ／Δｔの値が摺動面摩耗パラメータＤ４として使用される。時間微分の絶対値｜ΔＰ_ａｖｅ／Δｔ｜を摺動面摩耗パラメータＤ４として使用してもよい。

【0074】

また、時系列データＤ１がモータ４２に流れる電流を示す場合には、パラメータ演算部１０４は、区間データＤ２に平滑化処理を施すことによって、摺動面摩耗パラメータＤ４を演算してもよい。平滑化部１０６は、区間データＤ２に平滑化処理を施し、平滑化された区間データＤ３を摺動面摩耗パラメータＤ４として出力する。処理部１００は、微分演算部１０８を備えなくてもよい。

【0075】

この場合、区間データＤ２として、計測された三相電流のうち一相のみが使用されてもよい。または、区間データＤ２として、二相または三相の電流が使用されてもよい。平滑化部１０６は、二相または三相の電流それぞれに平滑化処理を施し、平滑化された二相または三相の電流のいずれか一つ、または、それらの最大値または平均値を摺動面摩耗パラメータＤ４として出力してもよい。

【0076】

比較部１１０は、摺動面摩耗パラメータＤ４とパラメータしきい値との比較に基づいて摩耗診断データＤ５を生成する。摩耗診断データＤ５は、運動変換機構４３の第１部品と第２部品の摺動面に摩耗が検知されるか否かを示す。パラメータしきい値は、予め設定され、メモリ１０２に保存されている。パラメータしきい値は、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。

【0077】

摩耗診断データＤ５は、通知手段１２０に送られ、診断結果は、たとえばディスプレイ１２２に表示することによって、ユーザーに通知される。摩耗が検知される場合、通知手段１２０は、アラーム音でユーザーに通知してもよい。このように直ちに通知する代わりに（または、通知するとともに）、摩耗診断データＤ５は、必要に応じてユーザーに提示することができるように、メモリ１０２に蓄積されてもよい。

【0078】

処理部１００の内部構成は、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。

【0079】

たとえば、処理部１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マイコンなどのプロセッサ（ハードウェア）と、プロセッサ（ハードウェア）が実行するソフトウェアプログラムの組み合わせで実装することができる。そうしたハードウェアプロセッサは、たとえば、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などのプログラマブルロジックデバイスで構成してもよいし、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）のような制御回路であってもよい。ソフトウェアプログラムは、極低温冷凍機１０の診断を処理部１００に実行させるためのコンピュータプログラムであってもよい。

【0080】

図８は、実施の形態に係る極低温冷凍機１０の診断方法を示すフローチャートである。まず、図８に示されるように、極低温冷凍機１０の運転中に、モータ４２の消費電力またはモータに流れる電流を示す時系列データＤ１が取得される（Ｓ１０）。そして、区間データＤ２に基づいて運動変換機構４３の第１部品と第２部品の摺動面の摩耗が検出される（Ｓ２０）。

【0081】

Ｓ２０においては、区間データＤ２に基づいて摺動面摩耗パラメータＤ４が演算される（Ｓ２１）。演算された摺動面摩耗パラメータＤ４がパラメータしきい値Ｍと比較される（Ｓ２２）。摺動面摩耗パラメータＤ４がパラメータしきい値Ｍを超える場合（Ｓ２２のＹ）、比較部１１０は、摺動面に摩耗が生じていると判定し（Ｓ２３）、その旨を示す摩耗診断データＤ５を出力する。摺動面摩耗パラメータＤ４がパラメータしきい値Ｍ以下の場合（Ｓ２２のＮ）、比較部１１０は、摺動面に摩耗が生じていないと判定し（Ｓ２４）、それを示す摩耗診断データＤ５を出力する。こうして、診断処理は終了する。

【0082】

処理部１００は、このような診断処理を定期的に繰り返し実行する。運動変換機構４３の摺動面の摩耗は長いスパンで徐々に進む長期的な現象であるから、診断方法は、極低温冷凍機１０の運転中にときどき行われれば実用上十分である。あるいは、診断方法は、極低温冷凍機１０の運転中に常時行われてもよい。

【0083】

ノイズによる誤診断を避けるために、比較部１１０は、摺動面摩耗パラメータＤ４がパラメータしきい値Ｍをある一定期間連続して超える場合に、摺動面に摩耗が生じていると判定し、そうではない場合、摺動面に摩耗が生じていないと判定してもよい。比較部１１０は、複数（例えば１０以上または１００以上）の区間データＤ２について摺動面摩耗パラメータＤ４の最大値を演算し、それらの値がすべてしきい値を超える場合に、摺動面に摩耗が生じていると判定してもよい。複数の区間データＤ２は、それぞれが異なるタイミングで取得され、例えば、連続する複数回のディスプレーサ往復運動の間に取得されてもよい。各区間データＤ２は、吸気開始タイミングＴ１（または排気開始タイミングＴ２）を含む。

【0084】

図９（ａ）から図９（ｆ）は、実施の形態に係り、モータ４２の消費電力を示す時系列データＤ１が処理部１００に入力されるとき得られる波形データを示す図である。各図に示す信号波形は、計測器５０によって計測された一周期（すなわち３６０度）分のモータ４２の消費電力に基づく。吸気開始タイミングＴ１が約３００度に設定され、排気開始タイミングＴ２が約１２０度に設定されている。

【0085】

図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）はそれぞれ、区間データＤ２、平滑化された区間データＤ３、摺動面摩耗パラメータＤ４を示す。これらの信号波形は、正常に動作する（すなわち、運動変換機構４３には摩耗が無く、連結軸６２と転動ブッシュ７４の間に余計なガタつきも無い）極低温冷凍機１０について診断処理を行って得られたものである。

【0086】

時系列データＤ１から極低温冷凍機１０の冷凍サイクル一周期分の区間データＤ２が取得される。図９（ａ）に示されるように、区間データＤ２は、電源周波数に応じたリップルがのっているので、細かく振動している。リップルは平滑化処理によって除去され、図９（ｂ）に示されるように、平滑化された区間データＤ３が得られる。区間データＤ３は、モータ４２の電源周波数の１周期の時間長さで区間データＤ２の移動平均をとることによって平滑化されている。平滑化された区間データＤ３は、モータ４２の負荷など動作状態に応じた消費電力の変動を示している。平滑化された区間データＤ３に時間微分を施すことによって、図９（ｃ）に示される摺動面摩耗パラメータＤ４が得られる。

【0087】

摺動面摩耗パラメータＤ４は、正常な（摩耗の程度が十分に小さい）極低温冷凍機１０では、ゼロ付近でほぼ一定値をとることがわかる。この場合、摺動面摩耗パラメータＤ４は、パラメータしきい値Ｍを超えない。

【0088】

図９（ｄ）、図９（ｅ）、図９（ｆ）はそれぞれ、区間データＤ２、平滑化された区間データＤ３、摺動面摩耗パラメータＤ４を示す。ただし、これらは、運動変換機構４３の摺動面の摩耗が既に進行している極低温冷凍機１０について診断処理を行って得られたものである。この極低温冷凍機１０では、運転中に連結軸６２と転動ブッシュ７４の間のガタつきによりある程度の異音が発生している。

【0089】

正常な極低温冷凍機１０と同様に、図９（ｄ）に示される区間データＤ２は振動的であり、これに平滑化処理を施すことによって、図９（ｅ）に示される平滑化された区間データＤ３が得られる。平滑化された区間データＤ３に時間微分を施すことによって、図９（ｆ）に示される摺動面摩耗パラメータＤ４が得られる。

【0090】

図９（ｆ）に示されるように、吸気開始タイミングＴ１を除く期間では、正常な場合と同様に、摺動面摩耗パラメータＤ４は、ゼロ付近でほぼ一定値となっている。ところが、摺動面摩耗パラメータＤ４は、吸気開始タイミングＴ１で顕著に変動し、パラメータしきい値Ｍを超えている。この大きな変動は、極低温冷凍機１０での作動ガスの吸排気の切り替えと運動変換機構４３の部品間のガタつきに起因すると考えられる。したがって、吸気開始タイミングＴ１での摺動面摩耗パラメータＤ４に基づいて運動変換機構４３の摺動面の摩耗を検出することができる。

【0091】

図１０および図１１は、実施の形態に係り、モータ４２に流れる電流を示す時系列データＤ１が処理部に入力されるとき得られる波形データを示す図である。図１０は、正常な極低温冷凍機１０について摺動面摩耗パラメータＤ４を示し、図１１は、摩耗が進行した極低温冷凍機１０について摺動面摩耗パラメータＤ４を示す。

【0092】

計測器５０によって計測されたモータ４２の三相電流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の時系列データＤ１から、極低温冷凍機１０の冷凍サイクル一周期分の区間データＤ２が取得される。区間データＤ２は、例えばモータ４２の電源周波数の１周期の時間長さで移動平均をとることによって平滑化される。平滑化された区間データＤ３は、摺動面摩耗パラメータＤ４として使用される。

【0093】

図１０に示されるように、摺動面摩耗パラメータＤ４は、正常な極低温冷凍機１０では、ゼロ付近にある。摺動面摩耗パラメータＤ４は、パラメータしきい値Ｍを超えない。

【0094】

一方、図１１に示されるように、運動変換機構４３の摺動面に摩耗が生じている場合、摺動面摩耗パラメータＤ４は、吸気開始タイミングＴ１で顕著に変動し、パラメータしきい値Ｍを超える。吸気開始タイミングＴ１を除く期間では、摺動面摩耗パラメータＤ４は、正常な場合と同様に、ゼロ付近にとどまる。したがって、吸気開始タイミングＴ１での摺動面摩耗パラメータＤ４に基づいて運動変換機構４３の摺動面の摩耗を検出することができる。

【0095】

以上説明したように、実施の形態によると、極低温冷凍機１０は、吸気開始タイミングＴ１においてモータ４２の消費電力またはモータ４２に流れる電流を計測し、その計測結果に基づいて運動変換機構４３の摩耗を検出することができる。

【0096】

また、上述のように、排気開始タイミングＴ２においても作動ガスの圧力が運動変換機構４３に存在する部品間のガタつきに作用しうる。したがって、極低温冷凍機１０の仕様や運転条件によっては、排気開始タイミングＴ２での計測結果に基づいて運動変換機構４３の摩耗を検出することもできる。

【0097】

摺動部品の摩耗の進行を放置すれば最終的には極低温冷凍機１０は故障する可能性がある。もし故障すれば、極低温冷凍機の修理または新品との交換などメンテナンスが完了するまで、極低温冷凍機１０を利用する極低温システム（たとえば超伝導機器、またはＭＲＩシステムなど）の稼動は停止せざるを得ない。突然の故障の場合、復旧までにかかる時間は比較的長くなりがちである。

【0098】

しかし、実施の形態によると、極低温冷凍機１０の摺動部品を診断し、極低温冷凍機１０のユーザー、または、極低温冷凍機１０のメンテナンスを行うサービスマンに診断結果を知らせることができる。診断結果に基づいて、極低温システムの稼働への影響を最小にするように対処することが可能となる。

【0099】

図９（ｆ）、図１１に示す摺動面摩耗パラメータＤ４は、現実に異音が発生した極低温冷凍機１０についての実験結果を示す。しかし、異音が発生する前であっても、摺動面摩耗パラメータＤ４は、摩耗が進行するにつれて同様の変動をするようになると想定される。したがって、実施の形態によると、異音が発生する前に摩耗を検出することもできると期待される。その時点で極低温冷凍機１０のメンテナンスをすることにより、異音を未然に防ぐことができる。

【0100】

なお、実施の形態は、モータ４２それ自体の故障診断を意図するものではない。実施の形態によると、モータ４２およびモータ４２の動作をモニタする計測器５０を利用して、モータ４２ではなく、運動変換機構４３の構成部品を診断することができる。

【0101】

極低温冷凍機１０のモータ４２には、計測器５０のように、モータ４２の消費電力またはモータ４２に流れる電流を計測するセンサが備わっていることが多い。したがって、実施の形態は、新たなセンサを極低温冷凍機１０に追加することなく、運動変換機構４３を診断することができる点でも有利である。

【0102】

実施の形態によると、時系列データＤ１のうちディスプレーサの直線往復運動の少なくとも一周期にわたる区間データＤ２に基づいて、診断処理が行われる。このようにすれば、計測器５０による計測を行うとき（または、区間データＤ２を生成するとき）、吸気開始タイミングＴ１（または排気開始タイミングＴ２）を特定する必要がない。これら吸排気の切り替えタイミング（Ｔ１、Ｔ２）を検出するためには、例えば冷凍機シリンダ１６内の作動ガス圧力センサなどのタイミング検出センサが必要とされうるが、そうしたタイミング検出センサを極低温冷凍機１０に新たに設けなくてもよい点で、実施の形態は、有利である。なお、極低温冷凍機１０には、タイミング検出センサが設けられていてもよい。

【0103】

上述の実施の形態では、モータ４２の回転数が一定に保持されるものとして説明しているが、モータ４２の回転数は可変であってもよい。モータ回転数が変化すると、モータ４２の消費電力または電流も変わりうるから、その影響により摺動面摩耗パラメータＤ４も変動しうる。これは、運動変換機構４３の摩耗を検出するうえで誤差となりうる。そこで、そうした誤差を低減するために、処理部１００は、モータ４２の回転数をモニタしてもよい。例えば、処理部１００は、モータ４２の回転数が一定に保たれているときに、上述の診断処理を開始してもよい。あるいは、処理部１００は、診断処理の実行中、モータ４２の回転数が一定に保たれている場合（例えば回転数の変動がしきい値より小さい場合）、診断処理を継続し、モータ４２の回転数が変動した場合（例えば回転数の変動がしきい値より大きい場合）、診断処理を中止してもよい。

【0104】

図１２は、実施の形態に係る診断装置のブロック図である。この実施の形態では、極低温冷凍機１０が膨張機１４のモータ４２の回転数を制御するインバータ９０を備える点で、図１から図１１を参照して述べた上述の実施の形態の極低温冷凍機１０と異なる。インバータ９０は、モータ４２の電源としての圧縮機１２をモータ４２に接続する給電配線４８上に設置されている。モータ４２は、インバータ９０の出力周波数（極低温冷凍機１０の運転周波数とも呼ばれる）に応じた回転数で動作することができる。

【0105】

図１２に示される診断装置２００は、上述の実施の形態と同様に、運動変換機構４３の診断装置として構成され、モータ４２と診断ユニット２０２とを備える。診断ユニット２０２は、インバータ９０とともに、計測器５０および処理部１００を備える。処理部１００の内部構成は、例えば、図７に示される処理部１００と同様の構成を有してもよい。また、診断ユニット２０２は、診断結果を示す情報を（例えば視覚的に）通知する通知手段１２０を備えてもよい。

【0106】

計測器５０は、インバータ９０とモータ４２の間で給電配線４８上に設置され、モータ４２に流れる電流を示す時系列データＤ１を処理部１００に出力するように構成されている。例えば、計測器５０は、インバータ９０からモータ４２に出力される三相電流を個別に同時に計測し、時系列データＤ１として例えば、計測された三相の電流それぞれの大きさを示す電圧信号を処理部１００に出力するように構成されてもよい。

【0107】

また、インバータ９０は、インバータ９０の出力周波数を示す出力周波数情報Ｄ６を処理部１００に出力するように構成されている。なお、一例として、インバータ９０の出力周波数は、３０Ｈｚから１００Ｈｚの範囲で変化しうる。

【0108】

あるいは、処理部１００がインバータ９０から出力周波数情報Ｄ６を受け取ることに代えて、処理部１００は、計測器５０から入力される時系列データＤ１から出力周波数情報Ｄ６を演算してもよい。例えば、処理部１００は、モータ４２に流れる電流の波形から単位時間あたりの電流ピークの数をカウントすることによって、インバータ９０の出力周波数を演算してもよい。

【0109】

なお、インバータ９０が発生させうる高周波ノイズによるモータ４２への悪影響を軽減または防止するために、給電配線４８上（例えばインバータ９０と計測器５０との間）に、例えばフェライトコアなどのノイズ対策部品が設けられてもよい。また、インバータ９０が発生させうる高周波ノイズによる計測器５０への悪影響を軽減または防止するために、インバータ９０を少なくとも部分的に包囲する導電遮蔽板が診断ユニット２０２に設けられてもよい。

【0110】

図１３および図１４を参照して、図１２に示される診断装置２００の動作を説明する。図１３および図１４は、実施の形態に係り、モータ４２に流れる電流を示す時系列データＤ１が処理部１００に入力されるとき得られる波形データを示す図である。図１３および図１４はそれぞれ、区間データＤ２、平滑化された区間データＤ３を示す。

【0111】

ただし、これらのデータは、運動変換機構４３の摺動面の摩耗が既に進行している極低温冷凍機１０について診断処理を行って得られたものである。この極低温冷凍機１０では、運動変換機構４３の第１部品と第２部品（例えば、図４及び図６に示される連結軸６２と転動ブッシュ７４）の間のガタつきにより、ある程度の異音が運転中に発生している。

【0112】

計測器５０によって計測されたモータ４２の三相電流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の時系列データＤ１から、極低温冷凍機１０の冷凍サイクル一周期分の区間データＤ２が取得される。図１３に示されるように、区間データＤ２は、正常な極低温冷凍機１０と同様に、振動的である。一例として、図１３には、インバータ９０の出力周波数が６０Ｈｚであるときの１秒間分の三相実電流が示されている。

【0113】

ここで、処理部１００は、区間データＤ２の長さを出力周波数情報Ｄ６に基づいて決定してもよい。知られているように、インバータ９０の出力周波数はモータ４２の回転数に換算することができ、モータ４２の一回転が極低温冷凍機１０の冷凍サイクルの一周期に相当するから、処理部１００は、冷凍サイクルの一周期分の時間を出力周波数情報Ｄ６から決定し、この時間に計測された区間データＤ２を時系列データＤ１から切り出してもよい。このようにすれば、モータ４２の回転数が変動する場合であっても、区間データＤ２に吸気開始タイミングＴ１または排気開始タイミングＴ２を含むことが保証される。

【0114】

あるいは、代案として、インバータ９０の最低出力周波数（すなわち、モータ４２の取りうる最低の回転数）から、冷凍サイクルの一周期に要する最長の時間を予め求めることができるので、処理部１００は、この最長時間またはそれより長い時間に計測された区間データＤ２を時系列データＤ１から切り出し、この区間データＤ２を摺動面摩耗パラメータＤ４の演算に使用してもよい。この場合、区間データＤ２の長さはインバータ９０の出力周波数によらず固定される。

【0115】

次に、処理部１００は、インバータ９０の出力周波数の例えば１周期（またはその整数倍）の時間長さで区間データＤ２の移動平均をとり、平滑化された区間データＤ３を生成する。平滑化された区間データＤ３は、摺動面摩耗パラメータＤ４として使用される。平滑化された区間データＤ３の絶対値が、摺動面摩耗パラメータＤ４として使用されてもよい。また、処理部１００は、ノイズを除去するその他の適切な平滑化フィルタ（例えばローパスフィルタ）を備えてもよい。

【0116】

図１４に示されるように、運動変換機構４３の摺動面に摩耗が生じている場合、摺動面摩耗パラメータＤ４は、吸気開始タイミングＴ１で顕著に変動し、パラメータしきい値Ｍを超える。吸気開始タイミングＴ１を除く期間では、摺動面摩耗パラメータＤ４は、パラメータしきい値Ｍを超えない。なお、図１４では縦軸の数値が図１３に比べて１／１０となっていることを踏まえると、摺動面摩耗パラメータＤ４は、吸気開始タイミングＴ１を除く期間では事実上一定であるとみなされうる。これは、正常な極低温冷凍機１０での摺動面摩耗パラメータＤ４の挙動と同様である。パラメータしきい値Ｍは、上述の実施の形態と同様に、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。したがって、吸気開始タイミングＴ１での摺動面摩耗パラメータＤ４に基づいて運動変換機構４３の摺動面の摩耗を検出することができる。

【0117】

このようにして、上述の実施の形態と同様に、処理部１００は、時系列データＤ１のうち吸気開始タイミングＴ１または排気開始タイミングＴ２を含む区間データＤ２に基づいて、摺動面摩耗パラメータＤ４を演算する。このとき、処理部１００は、区間データＤ２に平滑化処理を施すことによって、摺動面摩耗パラメータＤ４を演算する。平滑化処理は、インバータ９０の出力周波数の周期に基づく時間枠で、区間データＤ２の移動平均をとる処理を含む。処理部１００は、摺動面摩耗パラメータＤ４とパラメータしきい値Ｍとの比較に基づいて摺動面の摩耗を検出する。こうして、運動変換機構４３の第１部品と第２部品（例えば、図４及び図６に示される連結軸６２と転動ブッシュ７４）の摺動面の摩耗を検出することができる。

【0118】

なお、図１４に示される摺動面摩耗パラメータＤ４は、定常偏差Ｘを有しうることがわかる（例えばＵ相）。定常偏差Ｘの大きさは必ずしも事前に知ることができるとは限らないので、これは、パラメータしきい値Ｍの適切な設定を難しくする一因となりうる。そこで、摺動面摩耗パラメータＤ４のこの定常偏差Ｘを低減または除去するために、摺動面摩耗パラメータＤ４は、上述の区間データＤ２の移動平均から、区間データＤ２の単純平均を減算することによって取得されてもよい。ここで、区間データＤ２の単純平均は、インバータ９０の出力周波数の例えば１周期の時間長さに比べて十分に長い時間（例えば冷凍サイクルの一周期に相当する時間）での区間データＤ２の平均値をいう。区間データＤ２の移動平均と区間データＤ２の単純平均との差の絶対値が、摺動面摩耗パラメータＤ４として使用されてもよい。

【0119】

図１５には、区間データＤ２の移動平均と区間データＤ２の単純平均との差により得られた摺動面摩耗パラメータＤ４が例示される。摺動面摩耗パラメータＤ４は、吸気開始タイミングＴ１を除く期間では、正常な場合と同様に、ゼロ付近でほぼ一定値となり、パラメータしきい値Ｍを超えていない。一方、摺動面摩耗パラメータＤ４は、吸気開始タイミングＴ１では顕著に変動し、パラメータしきい値Ｍを超えている。図示されるように、摺動面摩耗パラメータＤ４の定常偏差が除去されているので、パラメータしきい値Ｍをより小さい値に設定することができ、より良好な精度で摩耗を検出することが可能となる。

【0120】

図１６は、例１から例４のそれぞれについて、摺動面摩耗パラメータＤ４の最大値をプロットしたグラフである。例１のグラフは、正常な極低温冷凍機（すなわち、運動変換機構４３には摩耗が無いか十分に小さく、連結軸６２と転動ブッシュ７４の間に余計なガタつきが無い）について診断処理を行って得られたものである。例２から例４は、運動変換機構４３の摺動面の摩耗が既に進行している極低温冷凍機について診断処理を行って得られたものである。例２から例４の極低温冷凍機では、運転中に連結軸６２と転動ブッシュ７４の間のガタつきによりある程度の異音が発生している。例２、例３、例４の順に摩耗が進行しており、例３の極低温冷凍機におけるガタ（例えば図６に示される隙間８０）の大きさを１とするとき、例２と例４ではそれぞれガタの大きさが０．７５、１．２である。

【0121】

これらの例では、摺動面摩耗パラメータＤ４は、図１２から図１５を参照して説明したように、インバータ９０の出力周波数の周期に基づく時間枠で、モータ４２に流れる電流の移動平均をとることによって取得されたものである。図１６には、そのようにして得られた電流の移動平均の絶対値のピーク値が、異なる複数の出力周波数についてプロットされている。

【0122】

摩耗の無い正常な極低温冷凍機である例１では、摺動面摩耗パラメータＤ４の最大値は、インバータ９０の出力周波数によらずほぼ一定であり、最もゼロに近い。摩耗が進行している例２から例４では、摺動面摩耗パラメータＤ４の最大値は、インバータ９０の出力周波数が増加するにつれて大きくなっている。

【0123】

図１６において、丸で囲んだプロットは、異音をはっきりと聞き取ることができた運転モードを表す。例えば、例２については、７０Ｈｚのとき摺動面摩耗パラメータＤ４の最大値が約５０ｍＡを超え、このとき異音が聴取された。また、例２に比べて摩耗が進行している例３では、６０Ｈｚと７０Ｈｚのときの両方で異音が聴取された。さらに摩耗が進行している例４では、５０Ｈｚ、６０Ｈｚ、７０Ｈｚで異音が聴取された。このように、摩耗が進行するにつれて、より低い周波数から異音が聴取されるようになるとともに、摺動面摩耗パラメータＤ４の最大値も増加していく。図１６に示される例においては、摺動面摩耗パラメータＤ４の最大値が約２５ｍＡを超えると、異音が聴取されていることがわかる。

【0124】

図１６に示される結果によれば、摺動面摩耗パラメータＤ４の最大値が例えば約１０～２５ｍＡの範囲にあるときには、極低温冷凍機の運転中、はっきりとした異音は聴取されないが、例１の正常な極低温冷凍機に比べて運動変換機構４３の摩耗がいくらか生じていると考えられる。したがって、パラメータしきい値Ｍをこの範囲内に設定することによって、現実に異音が発生する前に摩耗を検出することができる。このとき極低温冷凍機１０のメンテナンスをすることにより、異音を未然に防ぐことができる。

【0125】

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。

【0126】

ある実施の形態においては、極低温冷凍機１０は、単段式のＧＭ冷凍機であってもよく、または、スコッチヨーク機構などの運動変換機構を備えるその他の形式の極低温冷凍機であってもよい。

【0127】

上述の実施の形態では、連結軸６２と転動ブッシュ７４が互いに摺動可能に連結されているが、連結軸６２は転動ブッシュ７４に固定されていてもよい。その場合、運動変換機構４３は、転動ブッシュ７４とヨーク板７２との間に摺動面を有するから、処理部１００は、同様の診断処理により、転動ブッシュ７４とヨーク板７２の摺動面の摩耗を検出してもよい。

【0128】

ある実施の形態においては、処理部１００は、極低温冷凍機１０の一部を構成するのではなく、極低温冷凍機１０を搭載した極低温システム（例えば超伝導機器、またはＭＲＩシステム）の一部であってもよい。

【0129】

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。

【産業上の利用可能性】

【0130】

本発明は、極低温冷凍機、極低温冷凍機の診断装置および診断方法の分野における利用が可能である。

【符号の説明】

【0131】

１０ 極低温冷凍機、 １６ 冷凍機シリンダ、 １８ ディスプレーサ組立体、 ４０ 圧力切替バルブ、 ４２ モータ、 ４３ 運動変換機構、 ４６ 電源、 ５０ 計測器、 ６２ 連結軸、 ７４ａ 軸孔、 １００ 処理部、 Ｔ１ 吸気開始タイミング、 Ｔ２ 排気開始タイミング、 Ｄ１ 時系列データ、 Ｄ２ 区間データ、 Ｄ４ 摺動面摩耗パラメータ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】