特許 7233955 極低温冷凍機、極低温冷凍機診断装置および極低温冷凍機診断方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-02-27

(45)【発行日】2023-03-07

(54)【発明の名称】極低温冷凍機、極低温冷凍機診断装置および極低温冷凍機診断方法

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/06 20060101AFI20230228BHJP

   G01M 99/00 20110101ALI20230228BHJP

   F25B 9/14 20060101ALI20230228BHJP

【ＦＩ】

F25B9/06 A

G01M99/00 Z

F25B9/14 530Z

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2019027744

(22)【出願日】2019-02-19

(65)【公開番号】P2020134007

(43)【公開日】2020-08-31

【審査請求日】2022-01-19

(73)【特許権者】

【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】水野 陽治

(72)【発明者】

【氏名】篠原 広平

【審査官】笹木 俊男

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－１７８９１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－３２９３２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０４０３８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２４２１１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－０１８１１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－３４０２９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】欧州特許出願公開第００７２０００６（ＥＰ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２５Ｂ ９／００ ～ ９／１４

Ｇ０１Ｍ ９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷凍機シリンダと、
前記冷凍機シリンダ内に周期的圧力変動を発生させる圧力切替バルブと、
前記冷凍機シリンダ内の周期的圧力変動に起因する前記冷凍機シリンダの周期的変形を測定するセンサと、を備える極低温冷凍機。

【請求項2】

前記センサは、前記冷凍機シリンダの軸方向中間部で前記冷凍機シリンダの周期的変形を測定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】

前記冷凍機シリンダの軸方向中間部は、前記冷凍機シリンダの軸方向端部に比べて厚さが小さいことを特徴とする請求項２に記載の極低温冷凍機。

【請求項4】

前記センサは、前記冷凍機シリンダの周方向ひずみを測定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】

極低温冷凍機の冷凍機シリンダ内の周期的圧力変動に起因する前記冷凍機シリンダの周期的変形を測定し、前記周期的変形を示す測定波形データを出力するセンサと、
前記測定波形データに基づいて、前記極低温冷凍機が劣化したか否かを判定する処理部と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機診断装置。

【請求項6】

極低温冷凍機の冷凍機シリンダ内の周期的圧力変動に起因する前記冷凍機シリンダの周期的変形、または前記冷凍機シリンダ内の周期的圧力変動を測定し、前記周期的変形または前記周期的圧力変動を示す測定波形データを出力するセンサと、
前記測定波形データに基づいて、前記極低温冷凍機が劣化したか否かを判定する処理部と、を備え、
前記処理部は、基準ピーク値からの前記測定波形データのピーク値の低下量を算出し、前記低下量に基づいて、前記極低温冷凍機が劣化したか否かを判定することを特徴とする極低温冷凍機診断装置。

【請求項7】

極低温冷凍機の冷凍機シリンダ内の周期的圧力変動に起因するシリンダの周期的変形を測定し、前記周期的変形を示す測定波形データを取得することと、
前記測定波形データに基づいて、前記極低温冷凍機が劣化したか否かを判定することと、を備えることを特徴とする極低温冷凍機診断方法。

【請求項8】

極低温冷凍機の冷凍機シリンダ内の周期的圧力変動に起因するシリンダの周期的変形、または前記冷凍機シリンダ内の周期的圧力変動を測定し、前記周期的変形または前記周期的圧力変動を示す測定波形データを取得することと、
基準ピーク値からの前記測定波形データのピーク値の低下量を算出し、前記低下量に基づいて、前記極低温冷凍機が劣化したか否かを判定することと、を備えることを特徴とする極低温冷凍機診断方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、極低温冷凍機、極低温冷凍機診断装置および極低温冷凍機診断方法に関する。

【背景技術】

【0002】

極低温環境を提供するために、たとえばギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機、パルス管冷凍機などの極低温冷凍機が利用されている。極低温冷凍機の主な用途の一つとして、たとえば、超伝導コイルが搭載された磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムがある。超伝導コイルは液体ヘリウムなどの極低温冷媒に浸されることによって冷却され、気化した冷媒を再凝縮するために極低温冷凍機が使用される。あるいは、冷媒を用いるのではなく、超伝導コイルは極低温冷凍機で直接冷却される方式もある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平６－２２１７０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

極低温冷凍機が現場で使用されるなかで、摺動部品の摩耗や消耗部品の寿命、その他の理由により、冷凍性能低下など故障が発生しうる。故障した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、極低温システム（たとえば超伝導機器、またはＭＲＩシステム）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。しかし、もし、故障を予知し計画的にあらかじめ対処できたとすれば、システムの稼働への影響を最小にすることができる。

【0005】

極低温冷凍機の冷却温度をモニタすることによって極低温冷凍機の故障を予知する試みがある。これは、極低温冷凍機が長期の使用につれてだんだんと冷えにくくなり、冷却温度が長期的に少しずつ高まりうることに基づく。しかしながら、冷却温度は、累積の運転時間だけでなく、極低温部への入熱など極低温冷凍機の運転条件にも依存する。また、冷却温度は、累積の運転時間に応じて線形に変化するとは限らない。したがって、現実には、冷却温度に基づく故障予知がうまく機能する場面は限定的である。

【0006】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機の診断に使用しうる測定データを取得可能な極低温冷凍機、および、そうした測定データに基づく極低温冷凍機の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】

【0007】

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、冷凍機シリンダと、冷凍機シリンダ内に周期的圧力変動を発生させる圧力切替バルブと、冷凍機シリンダ内の周期的圧力変動に起因する冷凍機シリンダの周期的変形を測定するセンサと、を備える。

【0008】

本発明のある態様によると、極低温冷凍機診断装置は、極低温冷凍機の冷凍機シリンダ内の周期的圧力変動に起因する冷凍機シリンダの周期的変形、または冷凍機シリンダ内の周期的圧力変動を測定し、周期的変形または前記周期的圧力変動を示す測定波形データを出力するセンサと、測定波形データに基づいて、極低温冷凍機が劣化したか否かを判定する処理部と、を備える。

【0009】

本発明のある態様によると、極低温冷凍機診断方法は、極低温冷凍機の冷凍機シリンダ内の周期的圧力変動に起因するシリンダの周期的変形、または冷凍機シリンダ内の周期的圧力変動を測定し、周期的変形または周期的圧力変動を示す測定波形データを取得することと、測定波形データに基づいて、極低温冷凍機が劣化したか否かを判定することと、を備える。

【0010】

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】

【0011】

本発明によれば、極低温冷凍機の診断に使用しうる測定データを取得可能な極低温冷凍機、および、そうした測定データに基づく極低温冷凍機の診断技術を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【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診断の原理を説明するための図である。

【図4】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5】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6】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7】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。

【発明を実施するための形態】

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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、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。

【0016】

膨張機１４は、冷凍機シリンダ１６と、圧力切替バルブ４０と、センサ５０とを備える。また、極低温冷凍機１０は、処理部６０を備える。詳細は後述するが、センサ５０と処理部６０により、極低温冷凍機１０の診断装置が構成される。

【0017】

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。

【0018】

また、膨張機１４は、第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂとを有するディスプレーサ組立体１８を備える。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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。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を通じて膨張機１４に供給され、低圧（例えば０．５～１．５ＭＰａ）の作動ガスが膨張機１４から低圧バルブ４０ｂを通じて圧縮機１２に回収される。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。

【0028】

また、膨張機１４は、ディスプレーサ組立体１８の往復動を駆動する駆動モータ４２を備える。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。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。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これらバルブに連結されている。

【0029】

極低温冷凍機１０は、圧縮機１２および駆動モータ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、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】

センサ５０は、冷凍機シリンダ１６内の周期的圧力変動に起因する冷凍機シリンダ１６の周期的変形を測定し、周期的変形を示す測定波形データＳ１を出力する。測定波形データＳ１は、極低温冷凍機１０の運転中におけるセンサ５０の測定値の時間変化を示す。センサ５０は、有線または無線により処理部６０に通信可能に接続されている。例示的な構成として、センサ５０は、接触式の変位センサであり、例えば、冷凍機シリンダ１６の側面の外表面に取り付けられ、冷凍機シリンダ１６の軸方向、径方向、及び／または周方向の周期的変形を測定する。

【0031】

センサ５０は、冷凍機シリンダ１６の第１シリンダ１６ａの軸方向中間部に取り付けられてもよく、第１シリンダ１６ａの軸方向中間部で冷凍機シリンダ１６の周期的変形を測定する。センサ５０は、例えば、第１シリンダ１６ａの周方向の変形を測定する。センサ５０は、ひずみセンサであってもよい。ひずみセンサは、第１シリンダ１６ａの周方向ひずみを測定してもよい。

【0032】

測定波形データＳ１は、処理部６０に入力される。処理部６０は、センサ５０から測定波形データＳ１を受け、測定波形データＳ１に基づいて、極低温冷凍機１０が劣化したか否かを判定するように構成されている。処理部６０は、冷凍機ハウジング２０および駆動モータ４２と同様に、室温部に配置される。

【0033】

処理部６０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。

【0034】

たとえば、処理部６０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６０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。

【0035】

図３は、実施の形態に係る極低温冷凍機１０の診断の原理を説明するための図である。図３には、センサ５０の出力、すなわち測定波形データＳ１が示されている。測定波形データＳ１は、例えば、冷凍機シリンダ１６の第１シリンダ１６ａの周方向ひずみを示す。破線で示される測定波形データＳ１は、極低温冷凍機１０が正常に運転されているとき（例えば、新品の極低温冷凍機が現場に設置されたとき）に測定された値を示す。実線で示される測定波形データＳ１は、極低温冷凍機１０がある長い期間にわたって運転され、内部のシール部品が劣化したときに測定された値を示す。

【0036】

上述のように、極低温冷凍機１０の運転中、圧力切替バルブ４０の動作により、冷凍機シリンダ１６の内部圧力は高圧と低圧に交互に切り替えられる。典型的に、この高圧と低圧はともに周囲圧力（例えば大気圧）より高い。冷凍機シリンダ１６内が高圧となるとき、冷凍機シリンダ１６は外側に膨らむように変形する。冷凍機シリンダ１６内が低圧となるときにも、冷凍機シリンダ１６は外側に膨らむように変形する。ただし、高圧でのシリンダ膨張量のほうが低圧でのシリンダ膨張量より大きい。なお、冷凍機シリンダ１６の膨張の大きさは、冷凍機シリンダ１６の（例えば軸方向中間部での）外径の変化として、例えば１０～２０μｍ程度である。

【0037】

冷凍機シリンダ１６の内部圧力が高圧となるたびに、測定波形データＳ１は、ピーク値をとり、冷凍機シリンダ１６の内部圧力が低圧となるたびに、測定波形データＳ１は、谷値をとる。極低温冷凍機１０が正常に運転されているとき（図３の破線）に比べて、極低温冷凍機１０が長期間運転され劣化したとき（図３の実線）のほうが、ピーク値が低下することがわかる。なお、ピーク値は低下する一方、谷値はあまり変化していない。

【0038】

冷凍機シリンダ１６内に高圧の作動ガスが供給されたとき、例えば、一部の作動ガスが冷凍機シリンダ１６から冷凍機ハウジング２０へと作動ガスが漏れたとすると、冷凍機シリンダ１６内の圧力ピークが低下し、それに伴って、測定波形データＳ１のピーク値も低下することになる。また、蓄冷器など作動ガス流路における摩耗粉の蓄積による圧力損失の増加も、ピーク値を低下させる原因となりうる。このように、膨張機１４の内部部品の摩耗や経年劣化によって、内部リークが増加し、それにより、ピーク値の低下が起こると考えられる。

【0039】

ピーク値の低下量ΔＳは、極低温冷凍機１０の累積の運転時間が長くなるほど拡大する。低下量ΔＳの拡大（すなわち内部リークの増加）は極低温冷凍機１０の冷凍性能の低下を招く。したがって、ピーク値の低下量ΔＳに基づいて、極低温冷凍機１０が劣化したか否かを判定することができる。

【0040】

図４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、センサ５０による測定が行われる（Ｓ１０）。センサ５０は、測定波形データＳ１を取得し、処理部６０に出力する。上述のように、センサ５０がひずみセンサである場合、測定波形データＳ１は、冷凍機シリンダ１６内の周期的圧力変動に起因する冷凍機シリンダ１６のひずみ（例えば周方向ひずみ）を示す。センサ５０が圧力センサである場合には、測定波形データＳ１は、冷凍機シリンダ１６内の周期的圧力変動を示す。

【0041】

測定波形データＳ１のピーク値の低下量ΔＳが算出される（Ｓ１２）。処理部６０は、基準ピーク値と測定波形データＳ１のピーク値との差を求める。それにより、ピーク値の低下量ΔＳが求まる。

【0042】

基準ピーク値は、予め設定され、処理部６０に保存されている。基準ピーク値は、極低温冷凍機１０が正常に運転されているときに測定された測定波形データＳ１のピーク値であってもよい。基準ピーク値は、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も可能である。

【0043】

算出された測定波形データＳ１のピーク値の低下量ΔＳが低下量しきい値と比較される（Ｓ１４）。低下量しきい値は、予め設定され、処理部６０に保存されている。低下量しきい値は、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。

【0044】

処理部６０は、算出した低下量ΔＳを低下量しきい値と比較し、低下量ΔＳが低下量しきい値より大きい場合（Ｓ１４のＹ）、極低温冷凍機１０が劣化したと判定する（Ｓ１６）。処理部６０は、低下量ΔＳが低下量しきい値より小さい場合（Ｓ１４のＮ）、極低温冷凍機１０は正常であると判定する（Ｓ１８）。処理部６０は、判定結果を保存し、必要に応じて出力する。

【0045】

処理部６０は、このような診断処理を定期的に繰り返し実行する。

【0046】

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、冷凍機シリンダ１６内の周期的圧力変動に起因する冷凍機シリンダ１６の周期的変形を測定するセンサ５０を備える。したがって、極低温冷凍機１０は、測定波形データＳ１を取得することができる。測定波形データＳ１は、極低温冷凍機１０の診断に使用することができる。

【0047】

センサ５０は、冷凍機シリンダ１６の軸方向中間部で冷凍機シリンダ１６の周期的変形を測定する。冷凍機シリンダ１６の周期的変形は、軸方向端部に比べて軸方向中間部で大きくなるから、軸方向中間部で変形を測定することにより、より精確な測定波形データＳ１を取得することができる。

【0048】

センサ５０は、冷凍機シリンダの周方向ひずみを測定する。周方向ひずみは、他の方向（例えば、軸方向、径方向）のひずみに比べて大きくなるから、周方向ひずみを測定することにより、より精確な測定波形データＳ１を取得することができる。

【0049】

処理部６０は、測定波形データＳ１に基づいて、極低温冷凍機１０が劣化したか否かを判定する。このようにして、冷却温度に基づく診断よりも精確に極低温冷凍機１０を診断することができる。

【0050】

仮に、極低温冷凍機が突然故障した場合、復旧までにかかる時間は比較的長くなりがちである。例えば、極低温冷凍機の修理サービスが混雑していれば、修理完了まで数日以上待たなければならないかもしれない。予定どおりにシステムを稼動させることができなくなるかもしれず、問題である。また、液体ヘリウムなどの極低温冷媒が冷却に使用されるシステムでは、極低温冷凍機が停止している間、冷媒を再凝縮することができない。極低温冷凍機の停止期間が延びるほど、蒸発して失われる冷媒の量も増え、冷媒を多量に補充しなければならないかもしれない。とくに、冷媒が液体ヘリウムの場合には、近年液体ヘリウムは高価であるので、ユーザの経済的な負担が大きくなる。

【0051】

ところが、実施の形態によれば、極低温冷凍機１０の劣化が検知されるので、これを利用して、極低温冷凍機１０または極低温冷凍機１０を搭載したシステム（例えばＭＲＩシステム）のユーザは、修理または新品との交換などメンテナンスを予め計画することができる。都合のよいタイミングにメンテナンスを設定することにより、システムの稼働への影響を最小にすることができる。蒸発による冷媒の損失も低減され、システムの運転コストも抑制できる。

【0052】

また、処理部６０は、基準ピーク値からの測定波形データＳ１のピーク値の低下量ΔＳを算出し、低下量ΔＳに基づいて、極低温冷凍機１０が劣化したか否かを判定する。ピーク値以外の値（例えば谷値）の低下量に基づいて判定する場合に比べて、より精確に極低温冷凍機１０を診断することができる。

【0053】

実施の形態に係る極低温冷凍機１０および診断装置におけるセンサ５０の配置、種類については、他の構成も可能である。そうした実施例を図５から図７を参照して以下に述べる。

【0054】

図５に示されるように、センサ５０は、冷凍機シリンダ１６の第１シリンダ１６ａの軸方向中間部７０に取り付けられ、第１シリンダ１６ａの軸方向中間部７０で第１シリンダ１６ａの周期的変形を測定する。

【0055】

第１シリンダ１６ａの軸方向中間部７０は、第１シリンダ１６ａの軸方向端部７２に比べて厚さが小さくなっている。第１シリンダ１６ａの軸方向中間部７０の肉厚Ｄ１は、第１シリンダ１６ａの軸方向端部７２の肉厚Ｄ２より小さい。第１シリンダ１６ａの内径は軸方向に一定とされ、そのため、外から見て第１シリンダ１６ａの軸方向中間部７０は軸方向端部７２に比べて凹んでいる。

【0056】

このようにすれば、冷凍機シリンダ１６の周期的変形は、軸方向端部７２に比べて軸方向中間部７０でさらに大きくなるから、軸方向中間部７０で変形を測定することにより、より精確な測定波形データＳ１を取得することができる。処理部６０は、より精確に極低温冷凍機１０を診断することができる。

【0057】

また、第１シリンダ１６ａの軸方向中間部７０が軸方向端部７２に比べて厚さが小さいことは、冷凍機ハウジング２０など室温部から第１冷却ステージ３３など低温部への第１シリンダ１６ａを通じた入熱を低減できる点でも有利である。

【0058】

図６に示されるように、センサ５０は、レーザ変位計のような非接触式のセンサであってもよい。レーザ変位計の場合、冷凍機シリンダ１６の径方向の変形量が測定される。センサ５０は、冷凍機シリンダ１６の周囲に配置され、冷凍機シリンダ１６の周期的変形を測定する。例えば、センサ５０は、第１シリンダ１６ａの軸方向中間部で第１シリンダ１６ａの周期的変形を測定する。このようにしても、測定波形データＳ１を取得し、極低温冷凍機１０の診断に使用することができる。

【0059】

図７に示されるように、センサ５０は、冷凍機シリンダ１６内の周期的圧力変動を測定し、周期的圧力変動を示す測定波形データＳ１を出力する圧力センサであってもよい。センサ５０は、たとえば、圧力切替バルブ４０と室温室３０をつなぐ作動ガス流路３６ｅに設置される。センサ５０は室温室３０に設置されてもよい。あるいは、センサ５０は、第１膨張室３２または第２膨張室３４に設置されてもよい。このようにしても、測定波形データＳ１を取得し、極低温冷凍機１０の診断に使用することができる。

【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】

ある実施の形態においては、センサ５０は、冷凍機シリンダ１６の第２シリンダ１６ｂの周期的変形を測定してもよい。センサ５０は、第２シリンダ１６ｂの軸方向中間部に取り付けられてもよく、第２シリンダ１６ｂの軸方向中間部で冷凍機シリンダ１６の周期的変形を測定してもよい。第２シリンダ１６ｂの軸方向中間部は、第２シリンダ１６ｂの軸方向端部に比べて厚さが小さくてもよい。ただし、第２シリンダ１６ｂは第１シリンダ１６ａより低温に冷却され、また、第２シリンダ１６ｂは典型的に第１シリンダ１６ａより厚いことから、センサ５０は第１シリンダ１６ａに取り付けるほうが実装が容易であり、有利である。

【0062】

ある実施の形態においては、処理部６０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。

【0063】

極低温冷凍機１０は、単段式のＧＭ冷凍機であってもよい。

【0064】

上述の実施の形態では、ＧＭ冷凍機を例として説明しているが、本発明はこれに限定されない。ある実施の形態においては、極低温冷凍機１０は、パルス管冷凍機、例えば、ＧＭ方式のパルス管冷凍機であってもよい。その場合、上述の「冷凍機シリンダ」は、パルス管冷凍機のパルス管であってもよい。極低温冷凍機１０は、パルス管内に周期的圧力変動を発生させる圧力切替バルブと、パルス管内の周期的圧力変動に起因するパルス管の周期的変形を測定するセンサ５０とを備えてもよい。あるいは、「冷凍機シリンダ」は、パルス管冷凍機の蓄冷管であってもよい。センサ５０は、パルス管または蓄冷管に取り付けられてもよい。

【0065】

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】

【0066】

１０ 極低温冷凍機、 １６ 冷凍機シリンダ、 ４０ 圧力切替バルブ、 ５０ センサ、 ６０ 処理部、 ７０ 軸方向中間部、 ７２ 軸方向端部、 Ｓ１ 測定波形データ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】