特開 2024-64034 極低温冷凍機および極低温冷凍機の運転方法

(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】P2024064034

(43)【公開日】2024-05-14

(54)【発明の名称】極低温冷凍機および極低温冷凍機の運転方法

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20240507BHJP

【ＦＩ】

F25B9/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022172326

(22)【出願日】2022-10-27

(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】大山 秀司

(57)【要約】

【課題】複数のコールドヘッドを非同期に同時運転することを可能にする新たな技術を提供する。
【解決手段】極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と、圧縮機１２に並列接続された複数のコールドヘッド１４と、作動ガスの圧力を圧縮機１２から複数のコールドヘッド１４への供給側または複数のコールドヘッド１４から圧縮機１２への回収側で測定する圧力センサ４８と、複数のコールドヘッド１４の各々についてコールドヘッド１４が個別運転されるとき圧力センサ４８によって測定される個別圧力波形データを取得し、個別圧力波形データに基づいて複数のコールドヘッド１４を非同期に同時運転するように構成されるコントローラ５０と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧縮機と、
前記圧縮機に並列接続された複数のコールドヘッドと、
作動ガスの圧力を前記圧縮機から前記複数のコールドヘッドへの供給側または前記複数のコールドヘッドから前記圧縮機への回収側で測定する圧力センサと、
前記複数のコールドヘッドの各々についてコールドヘッドが個別運転されるとき前記圧力センサによって測定される個別圧力波形データを取得し、前記個別圧力波形データに基づいて前記複数のコールドヘッドを非同期に同時運転するように構成されるコントローラと、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。

【請求項2】

前記コントローラは、前記個別圧力波形データどうしの比較に基づいて前記複数のコールドヘッドを非同期に同時運転するように構成され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】

前記コントローラは、
前記複数のコールドヘッドが同時運転されるとき前記圧力センサによって測定される総合圧力波形データを取得し、
前記総合圧力波形データから総合圧力振幅を取得し、
前記複数のコールドヘッドの前記個別圧力波形データから個別圧力振幅の総和を取得し、
前記総合圧力振幅と前記個別圧力振幅の総和との比較に基づいて前記複数のコールドヘッドを非同期に同時運転するように構成され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4】

極低温冷凍機の運転方法であって、前記極低温冷凍機は、圧縮機と、前記圧縮機に並列接続された複数のコールドヘッドとを備え、前記方法は、
前記複数のコールドヘッドの各々についてコールドヘッドの個別運転中に、作動ガスの圧力を前記圧縮機から前記複数のコールドヘッドへの供給側または前記複数のコールドヘッドから前記圧縮機への回収側で測定することと、
測定により得られた圧力波形に基づいて、前記複数のコールドヘッドを非同期に同時運転することと、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、極低温冷凍機および極低温冷凍機の運転方法に関する。

【背景技術】

【0002】

複数の冷凍機を備えるマルチシステム冷凍機において、これら冷凍機が同時運転されるとき各冷凍機の圧力切替バルブの開閉タイミングが一致すると、冷凍性能が低下しうる。従来、これを避けるために、各冷凍機に設けられたインバータを利用して冷凍機の運転周波数を異ならせ、バルブタイミングを非同期とすることが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００３－４９７７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述の手法は、インバータを搭載しない極低温冷凍機には適用することができない。

【0005】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、複数のコールドヘッドを非同期に同時運転することを可能にする新たな技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、圧縮機と、圧縮機に並列接続された複数のコールドヘッドと、作動ガスの圧力を圧縮機から複数のコールドヘッドへの供給側または複数のコールドヘッドから圧縮機への回収側で測定する圧力センサと、複数のコールドヘッドの各々についてコールドヘッドが個別運転されるとき圧力センサによって測定される個別圧力波形データを取得し、個別圧力波形データに基づいて複数のコールドヘッドを非同期に同時運転するように構成されるコントローラと、を備える。

【0007】

本発明のある態様によると、極低温冷凍機の運転方法が提供される。極低温冷凍機は、圧縮機と、圧縮機に並列接続された複数のコールドヘッドとを備える。方法は、複数のコールドヘッドの各々についてコールドヘッドの個別運転中に、作動ガスの圧力を圧縮機から複数のコールドヘッドへの供給側または複数のコールドヘッドから圧縮機への回収側で測定することと、測定により得られた圧力波形に基づいて、複数のコールドヘッドを非同期に同時運転することと、を備える。

【0008】

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】

【0009】

本発明によれば、複数のコールドヘッドを非同期に同時運転することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【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の運転方法の一例を示すフローチャートである。

【図4】実施の形態に係る極低温冷凍機の運転方法の他の一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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。

【0012】

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。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。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。

【0013】

極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と、圧縮機１２に並列接続された複数のコールドヘッド１４とを備える。圧縮機１２は、極低温冷凍機１０の作動ガスをコールドヘッド１４から回収し、回収した作動ガスを昇圧して、再び作動ガスをコールドヘッド１４に供給するよう構成されている。複数のコールドヘッド１４は、少なくとも２つのコールドヘッド１４、すなわち第１コールドヘッド１４ａと第２コールドヘッド１４ｂを含みうる。コールドヘッド１４は、膨張機とも呼ばれる。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。

【0014】

コールドヘッド１４は、冷凍機シリンダ１６と、ディスプレーサ組立体１８と、冷凍機ハウジング２０とを備える。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、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。なお、冷凍機ハウジング２０の内部容積は圧縮機１２の低圧側に接続され、低圧に維持されてもよい。

【0015】

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。

【0016】

ディスプレーサ組立体１８は、第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂとを有する。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。

【0017】

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。第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂは互いに連結され、一体に移動する。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

ディスプレーサ組立体１８は、上部室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、コールドヘッド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。上部室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。

【0022】

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を通じて上部室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。

【0023】

第１膨張室３２、第２膨張室３４と上部室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。

【0024】

また、コールドヘッド１４は、圧力切替バルブ４０と、駆動モータ４２とを備える。圧力切替バルブ４０は、冷凍機ハウジング２０に収容され、駆動モータ４２は、冷凍機ハウジング２０に取り付けられている。

【0025】

図２に示されるように、圧力切替バルブ４０は、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を介して上部室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を介して上部室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。高圧（例えば２～３ＭＰａ）の作動ガスが圧縮機１２から高圧バルブ４０ａを通じてコールドヘッド１４に供給され、低圧（例えば０．５～１．５ＭＰａ）の作動ガスがコールドヘッド１４から低圧バルブ４０ｂを通じて圧縮機１２に回収される。理解のために、作動ガスの流れる方向を図２に矢印で示す。

【0026】

駆動モータ４２は、ディスプレーサ組立体１８の往復動を駆動するために設けられている。駆動モータ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、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。ディスプレーサ駆動軸４４は、運動変換機構４３から冷凍機ハウジング２０を貫通して上部室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。上部室３０から冷凍機ハウジング２０（上述のように低圧に維持されている場合がある）への作動ガスのリークを防ぐために、第３シール３８ｃが設けられている。第３シール３８ｃは、冷凍機ハウジング２０とディスプレーサ駆動軸４４との間に配置されるように冷凍機ハウジング２０に装着されてもよい。

【0027】

駆動モータ４２が駆動されるとき、駆動モータ４２の回転出力は運動変換機構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内を軸方向に往復する。また、駆動モータ４２は、高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂを選択的かつ交互に開閉するように圧力切替バルブ４０に連結されている。

【0028】

また、極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と複数のコールドヘッド１４を接続する作動ガスライン４６を備える。作動ガスライン４６は、圧縮機１２から複数のコールドヘッド１４に高圧作動ガスを供給するための高圧ライン４６ａと、複数のコールドヘッド１４から圧縮機１２に低圧作動ガスを回収するための低圧ライン４６ｂと、を備える。高圧ライン４６ａは、圧縮機１２の作動ガス吐出口から延び、途中で分岐して、各コールドヘッド１４の圧力切替バルブ４０に接続される。低圧ライン４６ｂは、圧縮機１２の作動ガス吸入口から延び、途中で分岐して、各コールドヘッド１４の圧力切替バルブ４０に接続される。このようにして、上述のように、圧縮機１２の作動ガス吐出口が各コールドヘッド１４の高圧バルブ４０ａに接続され、圧縮機１２の作動ガス吸入口が各コールドヘッド１４の低圧バルブ４０ｂに接続される。

【0029】

上述の構成により、極低温冷凍機１０は、圧縮機１２および駆動モータ４２が駆動されディスプレーサ組立体１８および圧力切替バルブ４０が動作するとき、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、それにより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。

【0030】

また、極低温冷凍機１０は、第１圧力センサ４８ａ、第２圧力センサ４８ｂ、およびコントローラ５０を備える。第１圧力センサ４８ａは、圧縮機１２から複数のコールドヘッド１４への供給側、すなわち高圧ライン４６ａで、作動ガスの圧力を測定する。第２圧力センサ４８ｂは、複数のコールドヘッド１４から圧縮機１２への回収側、すなわち低圧ライン４６ｂで、作動ガスの圧力を測定する。以下では説明の便宜上、第１圧力センサ４８ａおよび第２圧力センサ４８ｂを圧力センサ４８と総称することがある。圧力センサ４８は、有線または無線によりコントローラ５０に通信可能に接続されており、測定される圧力波形データをコントローラ５０に伝送することができる。

【0031】

第１圧力センサ４８ａは、高圧ライン４６ａ上の任意の場所に設置されうる。例えば、第１圧力センサ４８ａは、圧縮機１２の筐体内に配置され、圧縮機１２内で高圧ライン４６ａの圧力を測定してもよい。あるいは、第１圧力センサ４８ａは、高圧ライン４６ａとして圧縮機１２とコールドヘッド１４を接続する作動ガス配管に設置されてもよい。同様に、第２圧力センサ４８ｂは、低圧ライン４６ｂ上の任意の場所に設置されうる。

【0032】

圧力切替バルブ４０の周期的な動作（すなわち高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂの周期的な交互の開閉）は、作動ガスライン４６に周期的な圧力の変動（脈動）をもたらしうる。例えば、高圧ライン４６ａでは、高圧バルブ４０ａが開くとき高圧ライン４６ａからコールドヘッド１４に作動ガスが流入するため高圧ライン４６ａの圧力はいくらか低下しうる。この圧力低下はその後高圧バルブ４０ａが閉じると圧縮機１２から高圧ライン４６ａへの作動ガス供給により回復する。高圧ライン４６ａでのこのような圧力変動は、第１圧力センサ４８ａによって検出されうる。すなわち、第１圧力センサ４８ａによって測定される圧力波形データには、周期的な圧力変動が現れうる。同様に、第２圧力センサ４８ｂによって測定される圧力波形データには、低圧バルブ４０ｂの周期的な開閉に起因して低圧ライン４６ｂに発生しうる周期的な圧力変動が現れうる。

【0033】

こうした周期的圧力変動は、圧力切替バルブ４０のバルブタイミング、ひいてはコールドヘッド１４の冷凍サイクルの位相を反映している。したがって、圧力センサ４８（第１圧力センサ４８ａおよび第２圧力センサ４８ｂのうち少なくとも一方）を使用して作動ガスライン４６（高圧ライン４６ａおよび低圧ライン４６ｂのうち少なくとも一方）の圧力波形を監視することにより、圧力切替バルブ４０のバルブタイミングを把握することができる。個々のコールドヘッド１４について圧力切替バルブ４０のバルブタイミングを取得し、これらバルブタイミングが同期しないように各コールドヘッド１４を起動することで、複数のコールドヘッド１４を非同期に同時運転することが可能になる。

【0034】

そこで、この実施の形態では、コントローラ５０は、複数のコールドヘッド１４の各々についてコールドヘッド１４が個別運転されるとき圧力センサ４８によって測定される個別圧力波形データを取得し、個別圧力波形データに基づいて複数のコールドヘッド１４を非同期に同時運転するように構成される。

【0035】

コントローラ５０は、ハードウェア構成としてはコンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit）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。

【0036】

図３は、実施の形態に係る極低温冷凍機１０の運転方法の一例を示すフローチャートである。図３に例示される処理は、複数のコールドヘッド１４が同時に運転される極低温冷凍機１０の通常運転に先行して、この通常運転の準備として、コントローラ５０によって実行される。以下に述べるように、コントローラ５０は、個別圧力波形データどうしの比較に基づいて複数のコールドヘッド１４を非同期に同時運転するように構成されてもよい。

【0037】

図３に示されるように、第１コールドヘッド１４ａが起動される（Ｓ１０）。コントローラ５０は、第１コールドヘッド１４ａの駆動モータ４２をオンにすることにより、第１コールドヘッド１４ａの運転を開始する。このとき、第１コールドヘッド１４ａが個別に運転される。すなわち、第１コールドヘッド１４ａのみが運転され、第２コールドヘッド１４ｂを含む他のコールドヘッド１４は、運転停止されている。

【0038】

コントローラ５０は、第１コールドヘッド１４ａの個別運転中に、第１コールドヘッド１４ａについて圧力センサ４８によって測定される個別圧力波形データを取得する（Ｓ１１）。個別圧力波形データは、少なくとも１回または複数回のコールドヘッド１４の冷凍サイクルにわたって取得される。個別圧力波形データは、第１圧力センサ４８ａによって測定される高圧ライン４６ａの圧力波形データであってもよいし、あるいは、第２圧力センサ４８ｂによって測定される低圧ライン４６ｂの圧力波形データであってもよい。

【0039】

第１コールドヘッド１４ａについて個別圧力波形データが取得されると、第１コールドヘッド１４ａは停止される（Ｓ１２）。コントローラ５０は、第１コールドヘッド１４ａの駆動モータ４２をオフにすることにより、第１コールドヘッド１４ａの運転を終了する。

【0040】

続いて、同様にして、第２コールドヘッド１４ｂが起動され（Ｓ１３）、第２コールドヘッド１４ｂの個別運転中に第２コールドヘッド１４ｂについて個別圧力波形データが取得され（Ｓ１４）、その後第２コールドヘッド１４ｂが停止される（Ｓ１５）。

【0041】

次に、取得された個別圧力波形データどうしが比較される（Ｓ１６）。コントローラ５０は、第１コールドヘッド１４ａの個別圧力波形データと第２コールドヘッド１４ｂの個別圧力波形データを比較し、これら２つの圧力波形の位相差を決定する。コントローラ５０は、第１コールドヘッド１４ａおよび第２コールドヘッド１４ｂの個別圧力波形データから同じ特定のバルブタイミングに起因する圧力変動の発生タイミングを決定し、これらの時間差から２つの圧力波形の位相差を決定する。例えば、個別圧力波形データが第１圧力センサ４８ａによって測定された場合、コントローラ５０は、第１コールドヘッド１４ａおよび第２コールドヘッド１４ｂの個別圧力波形データそれぞれから、高圧バルブ４０ａの開タイミングに相当する高圧ライン４６ａの圧力低下の発生タイミングを検出し、これらから２つの圧力波形の位相差を決定することができる。

【0042】

そして、極低温冷凍機１０の通常運転が開始される（Ｓ１７）。コントローラ５０は、個別圧力波形データどうしの比較に基づいて複数のコールドヘッド１４を非同期に同時運転する。

【0043】

例えば、コントローラ５０は、決定された圧力波形の位相差が非ゼロか否かを判定する。決定された位相差が非ゼロである場合、コントローラ５０は、第１コールドヘッド１４ａと第２コールドヘッド１４ｂを同時に起動する。このようにすれば、第１コールドヘッド１４ａと第２コールドヘッド１４ｂの圧力波形の位相差が保たれたままこれらコールドヘッドが運転開始される。よって、２つのコールドヘッドのバルブタイミングを非同期とすることができる。

【0044】

一方、決定された位相差がゼロである場合、コントローラ５０は、第１コールドヘッド１４ａと第２コールドヘッド１４ｂを時間差をもって起動する。すなわち、一方のコールドヘッドがまず起動され、他方のコールドヘッドが遅れて起動される。この遅延時間は、コールドヘッド１４の冷凍サイクルの一回分（すなわち圧力波形の一周期分）の非整数倍であればよい。このようにすれば、遅延時間に相当する位相差で２つのコールドヘッドが運転開始される。よって、２つのコールドヘッドのバルブタイミングを非同期とすることができる。

【0045】

極低温冷凍機１０が３台以上のコールドヘッド１４を有する場合、コントローラ５０は、同様の処理を繰り返すことによって、複数のコールドヘッド１４の各々についてコールドヘッド１４が個別運転されるとき圧力センサ４８によって測定される個別圧力波形データを取得し、個別圧力波形データどうしの比較に基づいて複数のコールドヘッド１４を非同期に同時運転することができる。

【0046】

したがって、実施の形態によると、複数のコールドヘッド１４を非同期に同時運転され極低温冷凍機１０を提供することができる。とくに、各コールドヘッド１４がインバータを搭載せず駆動モータ４２が固定された運転周波数で運転される極低温冷凍機１０であっても、複数のコールドヘッド１４を非同期に同時運転することができる。

【0047】

図４は、実施の形態に係る極低温冷凍機１０の運転方法の他の一例を示すフローチャートである。図４に例示される処理は、図３の処理と同様に、複数のコールドヘッド１４が同時に運転される極低温冷凍機１０の通常運転に先行して、この通常運転の準備として、コントローラ５０によって実行される。

【0048】

以下に述べるように、コントローラ５０は、複数のコールドヘッド１４が同時運転されるとき圧力センサ４８によって測定される総合圧力波形データを取得し、総合圧力波形データから総合圧力振幅を取得し、複数のコールドヘッド１４の個別圧力波形データから個別圧力振幅の総和を取得し、総合圧力振幅と個別圧力振幅の総和との比較に基づいて複数のコールドヘッド１４を非同期に同時運転するように構成されてもよい。

【0049】

図４に示されるように、第１コールドヘッド１４ａが起動され（Ｓ１０）、第１コールドヘッド１４ａの個別運転中に第１コールドヘッド１４ａについて個別圧力波形データが取得され（Ｓ１１）、その後第１コールドヘッド１４ａが停止される（Ｓ１２）。また、第２コールドヘッド１４ｂが起動され（Ｓ１３）、第２コールドヘッド１４ｂの個別運転中に第２コールドヘッド１４ｂについて個別圧力波形データが取得される（Ｓ１４）。極低温冷凍機１０が３台以上のコールドヘッド１４を有する場合、同様にして、それらコールドヘッド１４について個別圧力波形データが取得される。こうした個別圧力波形データの取得は、図３の処理と同様に実行することができる。

【0050】

続いて、複数のコールドヘッド１４が同時に運転される（Ｓ２０）。例えば、極低温冷凍機１０が２台のコールドヘッド１４を有する場合、第２コールドヘッド１４ｂの個別圧力波形データの取得後に第１コールドヘッド１４ａが再び起動される。第１コールドヘッド１４ａと第２コールドヘッド１４ｂが同時に運転されることになる。極低温冷凍機１０が３台以上のコールドヘッド１４を有する場合、停止しているコールドヘッド１４が再び起動され、すべてのコールドヘッド１４が同時に運転される。

【0051】

コントローラ５０は、複数のコールドヘッド１４の同時運転中に圧力センサ４８によって測定される総合圧力波形データを取得する（Ｓ２１）。総合圧力波形データは、少なくとも１回または複数回のコールドヘッド１４の冷凍サイクルにわたって取得される。総合圧力波形データは、第１圧力センサ４８ａによって測定される高圧ライン４６ａの圧力波形データであってもよいし、あるいは、第２圧力センサ４８ｂによって測定される低圧ライン４６ｂの圧力波形データであってもよい。

【0052】

コントローラ５０は、取得された総合圧力波形データからその圧力振幅（これを本書では、総合圧力振幅ともいう）を取得する（Ｓ２２）。また、コントローラ５０は、複数のコールドヘッド１４の個別圧力波形データからその圧力振幅（これを本書では、個別圧力振幅ともいう）を取得し、個別圧力振幅の総和を算出する（Ｓ２３）。

【0053】

次に、総合圧力振幅と個別圧力振幅の総和とが比較される（Ｓ２４）。コントローラ５０は、総合圧力振幅と個別圧力振幅の総和とを比較し、両者の大小関係を決定する。複数のコールドヘッド１４のバルブタイミングが同期している場合、総合圧力振幅が個別圧力振幅の総和に等しくなり、逆に複数のコールドヘッド１４のバルブタイミングが非同期の場合、総合圧力振幅が個別圧力振幅の総和よりも小さくなると考えられる。

【0054】

例えば、極低温冷凍機１０が２台のコールドヘッド１４を有する場合を考える。第１コールドヘッド１４ａの個別圧力振幅をＡ、第２コールドヘッド１４ｂの個別圧力振幅をＢ、これら２台のコールドヘッド１４が同時運転されるときの総合圧力振幅をＣと表すことにする。２台のコールドヘッド１４のバルブタイミングが同期している場合には、Ｃ＝Ａ＋Ｂが成立する一方、２台のコールドヘッド１４のバルブタイミングが非同期の場合には、Ｃ＜Ａ＋Ｂが成立するはずである。

【0055】

なお、複数のコールドヘッド１４が同じ個別圧力振幅をもつと想定される場合（例えば、複数のコールドヘッド１４が同じ仕様のコールドヘッドである場合）、あるコールドヘッドについての個別圧力振幅を他のコールドヘッドにも使用できるので、コールドヘッドごとに個別圧力振幅を取得することは必須ではない。例えば、２台のコールドヘッド１４の個別圧力振幅が等しい場合を考えると、２台のコールドヘッド１４のバルブタイミングが同期していれば、Ｃ＝２Ａが成立し、２台のコールドヘッド１４のバルブタイミングが非同期であれば、Ｃ＜２Ａが成立するはずである。

【0056】

したがって、総合圧力振幅が個別圧力振幅の総和よりも小さい場合（例えば、Ｃ＜Ａ＋Ｂ、またはＣ＜２Ａ）、コントローラ５０は、複数のコールドヘッド１４の同時運転を継続する（Ｓ２５）。この場合、複数のコールドヘッド１４のコールドヘッドのバルブタイミングを非同期となっている。

【0057】

一方、総合圧力振幅が個別圧力振幅の総和に等しい場合（例えば、Ｃ＝Ａ＋Ｂ、またはＣ＝２Ａ）、コントローラ５０は、一方のコールドヘッド１４（例えば第２コールドヘッド１４ｂ）を一度停止し、待機時間の経過後に再び起動する（Ｓ２６）。この待機時間は、コールドヘッド１４の冷凍サイクルの一回分（すなわち圧力波形の一周期分）の非整数倍であればよい。このようにすれば、待機時間に相当する位相差で２つのコールドヘッドが運転される。よって、２つのコールドヘッドのバルブタイミングを非同期とすることができる。

【0058】

極低温冷凍機１０が３台以上のコールドヘッド１４を有する場合には、コントローラ５０は、同様の処理によって、総合圧力振幅と個別圧力振幅の総和との比較に基づいて複数のコールドヘッド１４を非同期に同時運転することができる。

【0059】

実施の形態によると、複数のコールドヘッド１４を非同期に同時運転され極低温冷凍機１０を提供することができる。とくに、各コールドヘッド１４がインバータを搭載せず駆動モータ４２が固定された運転周波数で運転される極低温冷凍機１０であっても、複数のコールドヘッド１４を非同期に同時運転することができる。

【0060】

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。

【0061】

上述の実施の形態では、極低温冷凍機１０が１台の圧縮機１２を有する場合を例として説明しているが、極低温冷凍機１０は、複数（例えば２台）の圧縮機１２を備えてもよい。

【0062】

上述の実施の形態では、極低温冷凍機１０が二段式のＧＭ冷凍機である場合を例として説明しているが、これに限られない。極低温冷凍機１０は、単段式または多段式のＧＭ冷凍機であってもよく、さらには、パルス管冷凍機などその他のタイプの極低温冷凍機であってもよい。

【0063】

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。

【符号の説明】

【0064】

１０ 極低温冷凍機、 １２ 圧縮機、 １４ コールドヘッド、 １４ａ 第１コールドヘッド、 １４ｂ 第２コールドヘッド、 ４６ 作動ガスライン、 ４６ａ 高圧ライン、 ４６ｂ 低圧ライン、 ４８ 圧力センサ、 ４８ａ 第１圧力センサ、 ４８ｂ 第２圧力センサ、 ５０ コントローラ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】