特許 7630946 極低温冷凍機および極低温冷凍機の制御方法

(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】2025-02-07

(45)【発行日】2025-02-18

(54)【発明の名称】極低温冷凍機および極低温冷凍機の制御方法

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20250210BHJP

   F25B 9/06 20060101ALI20250210BHJP

【ＦＩ】

F25B9/00 A

F25B9/06 Z

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020167270

(22)【出願日】2020-10-01

(65)【公開番号】P2022059486

(43)【公開日】2022-04-13

【審査請求日】2023-09-12

(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】劉 暢恒

【審査官】庭月野 恭

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－１１３７７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１４１０７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－０８５０４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６０－１７１３５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／００８５１２１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２５Ｂ ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

起動時に室温から極低温に急速に冷却するクールダウン運転と、クールダウン運転によって極低温に冷却された状態を維持する定常運転とを実行可能な極低温冷凍機であって、
圧縮機と、
モータを有し、前記モータによって駆動される膨張機と、
前記モータの運転周波数を制御するインバータと、
前記圧縮機から前記膨張機に高圧の作動ガスを供給するように前記圧縮機を前記膨張機に接続する高圧ラインと、
前記膨張機から前記圧縮機に低圧の作動ガスを回収するように前記圧縮機を前記膨張機に接続する低圧ラインと、
前記高圧ラインの圧力および前記低圧ラインの圧力を測定し、または前記高圧ラインと前記低圧ラインの差圧を測定するように構成されている圧力測定部と、
少なくとも前記クールダウン運転において、前記圧力測定部の出力に基づいて前記高圧ラインと前記低圧ラインの差圧を目標圧と比較し、前記差圧が前記目標圧を上回る場合に前記モータの運転周波数を増加させるように前記インバータを制御する加速冷却を実行するコントローラと、
前記高圧ラインを前記低圧ラインに接続するバイパスラインと、
前記バイパスラインに設けられ、出入口間に設定圧以上の差圧が作用するとき開くリリーフバルブと、を備え、
前記目標圧は、前記設定圧よりも小さい圧力値に設定され、前記目標圧と前記設定圧の差は、０．１ＭＰａ以内であ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、前記差圧が前記目標圧を下回る場合に前記モータの運転周波数を減少させるように前記インバータを制御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】

前記目標圧と前記設定圧の差は、０．０３ＭＰａから０．０７ＭＰａの範囲にあ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】

前記コントローラは、前記クールダウン運転において前記加速冷却を実行し、前記定常運転において前記加速冷却を実行しない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】

前記コントローラは、前記クールダウン運転において前記定常運転に比べて前記モータの運転周波数を高くするように前記インバータを制御することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の極低温冷凍機。

【請求項6】

極低温冷凍機の制御方法であって、前記極低温冷凍機は、起動時に室温から極低温に急速に冷却するクールダウン運転と、クールダウン運転によって極低温に冷却された状態を維持する定常運転とを実行可能であり、圧縮機と、モータを有し、前記モータによって駆動される膨張機と、前記モータの運転周波数を制御するインバータと、前記圧縮機から前記膨張機に高圧の作動ガスを供給するように前記圧縮機を前記膨張機に接続する高圧ラインと、前記膨張機から前記圧縮機に低圧の作動ガスを回収するように前記圧縮機を前記膨張機に接続する低圧ラインと、前記高圧ラインを前記低圧ラインに接続するバイパスラインと、前記バイパスラインに設けられたリリーフバルブと、を備え、前記方法は、少なくとも前記クールダウン運転において、
前記高圧ラインと前記低圧ラインの差圧を測定することと、
測定された前記高圧ラインと前記低圧ラインの差圧を目標圧と比較することと、
前記差圧が前記目標圧を上回る場合に前記モータの運転周波数を増加させるように前記インバータを制御することと、を備え、
前記リリーフバルブは、出入口間に設定圧以上の差圧が作用するとき開き、
前記目標圧は、前記設定圧よりも小さい圧力値に設定され、前記目標圧と前記設定圧の差は、０．１ＭＰａ以内であ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制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

極低温冷凍機は、極低温環境で使用される超伝導機器、測定機器、試料など様々な対象物を冷却するために利用されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平４－６４８６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

極低温冷凍機で対象物を冷却するには、まず、極低温冷凍機を起動し、室温など初期温度から目的の極低温まで極低温冷凍機を冷却しなければならない。これは、極低温冷凍機のクールダウンとも称される。クールダウンは対象物の冷却を始めるための準備にすぎないから、その所要時間はなるべく短いことが望まれる。

【0005】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機のクールダウン時間を短縮することにある。

【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、モータを有し、モータによって駆動される膨張機と、モータの運転周波数を制御するインバータと、圧縮機から膨張機に高圧の作動ガスを供給するように圧縮機を膨張機に接続する高圧ラインと、膨張機から圧縮機に低圧の作動ガスを回収するように圧縮機を膨張機に接続する低圧ラインと、高圧ラインの圧力および低圧ラインの圧力を測定し、または高圧ラインと低圧ラインの差圧を測定するように構成されている圧力測定部と、圧力測定部の出力に基づいて高圧ラインと低圧ラインの差圧を目標圧と比較し、差圧が目標圧を上回る場合にモータの運転周波数を増加させるようにインバータを制御するコントローラと、を備える。

【0007】

本発明のある態様によると、極低温冷凍機の制御方法が提供される。極低温冷凍機は、圧縮機と、モータを有し、モータによって駆動される膨張機と、モータの運転周波数を制御するインバータと、圧縮機から膨張機に高圧の作動ガスを供給するように圧縮機を膨張機に接続する高圧ラインと、膨張機から圧縮機に低圧の作動ガスを回収するように圧縮機を膨張機に接続する低圧ラインと、を備える。本方法は、高圧ラインと低圧ラインの差圧を測定することと、測定された高圧ラインと低圧ラインの差圧を目標圧と比較することと、差圧が目標圧を上回る場合にモータの運転周波数を増加させるようにインバータを制御することと、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、極低温冷凍機のクールダウン時間を短縮することができる。

【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制御方法を説明する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を構成する圧縮機１２と膨張機１４が制御装置１００とともに模式的に示され、図２には、極低温冷凍機１０の膨張機１４の内部構造が示される。

【0013】

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。圧縮機１２と膨張機１４により極低温冷凍機１０の冷凍サイクルが構成され、それにより極低温冷凍機１０は所望の極低温冷却を提供することができる。膨張機１４は、コールドヘッドとも称される。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。理解のために、作動ガスの流れる方向を図１に矢印で示す。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【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】

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。

【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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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、膨張機モータ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、バルブ回転軸が膨張機モータ４２の回転軸と同軸となるように配置される。

【0028】

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、膨張機モータ４２に連結されていなくてもよい。

【0029】

膨張機モータ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。膨張機モータ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。運動変換機構４３は、膨張機モータ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。膨張機モータ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。

【0030】

膨張機モータ４２は、たとえば、三相交流で駆動する永久磁石型モータである。膨張機モータ４２の運転周波数は、インバータ７０によって制御される。膨張機モータ４２は、インバータ７０の出力周波数に相当する膨張機モータ４２の運転周波数に応じた回転数で動作することができる。一例として、インバータ７０の出力周波数は、３０Ｈｚから１００Ｈｚの範囲、または４０Ｈｚから７０Ｈｚの範囲で変化しうる。

【0031】

膨張機モータ４２およびインバータ７０は、商用電源（三相交流電源）などの外部電源８０から給電される。なお、膨張機モータ４２およびインバータ７０は、例えば、圧縮機１２を介して外部電源８０に接続され給電されてもよく、この場合、圧縮機１２が膨張機モータ４２とインバータ７０の電源とみなされてもよい。

【0032】

また、膨張機１４は、第２冷却ステージ３５（及び／または第１冷却ステージ３３）の温度を測定し、測定温度を示す測定温度信号を出力する温度センサ４６を備えてもよい。

【0033】

圧縮機１２は、高圧ガス出口５０、低圧ガス入口５１、高圧流路５２、低圧流路５３、第１圧力センサ５４、第２圧力センサ５５、バイパスライン５６、圧縮機本体５７、および圧縮機筐体５８を備える。高圧ガス出口５０は、圧縮機１２の作動ガス吐出ポートとして圧縮機筐体５８に設置され、低圧ガス入口５１は、圧縮機１２の作動ガス吸入ポートとして圧縮機筐体５８に設置されている。高圧流路５２は、圧縮機本体５７の吐出口を高圧ガス出口５０に接続し、低圧流路５３は、低圧ガス入口５１を圧縮機本体５７の吸入口に接続する。圧縮機筐体５８は、高圧流路５２、低圧流路５３、第１圧力センサ５４、第２圧力センサ５５、バイパスライン５６、および圧縮機本体５７を収容する。圧縮機１２は、圧縮機ユニットとも称される。

【0034】

圧縮機本体５７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５７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。この実施の形態では、圧縮機本体５７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る。あるいは、圧縮機本体５７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５７は、圧縮カプセルと称されることもある。

【0035】

第１圧力センサ５４は、高圧流路５２を流れる作動ガスの圧力を測定するよう高圧流路５２に配置されている。第１圧力センサ５４は、測定された圧力を表す第１測定圧信号Ｐ１を出力するよう構成されている。第２圧力センサ５５は、低圧流路５３を流れる作動ガスの圧力を測定するよう低圧流路５３に配置されている。第２圧力センサ５５は、測定された圧力を表す第２測定圧信号Ｐ２を出力するよう構成されている。よって第１圧力センサ５４、第２圧力センサ５５はそれぞれ、高圧センサ、低圧センサと呼ぶこともできる。また本書では、第１圧力センサ５４と第２圧力センサ５５のいずれか指して、または両方を総称して、単に「圧力センサ」と表記することもある。

【0036】

バイパスライン５６は、膨張機１４を迂回して高圧流路５２から低圧流路５３に作動ガスを還流させるように高圧流路５２を低圧流路５３に接続する。バイパスライン５６には、バイパスライン５６を開閉し、またはバイパスライン５６を流れる作動ガスの流量を制御するためのリリーフバルブ６０が設けられている。リリーフバルブ６０は、その出入口間に設定圧以上の差圧が作用するとき開くように構成されている。リリーフバルブ６０は、オンオフ弁または流量制御弁であってもよく、例えば電磁弁でもよい。設定圧は、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。これにより、高圧ライン６３と低圧ライン６４の差圧がこの設定圧を超えて過大となることを防ぐことができる。

【0037】

一例として、リリーフバルブ６０は、制御装置１００による制御によって開閉されてもよい。制御装置１００は、測定される高圧ライン６３と低圧ライン６４の差圧を設定圧と比較し、測定差圧が設定圧以上の場合にリリーフバルブ６０を開き、測定差圧が設定差圧未満の場合にリリーフバルブ６０を閉じるようにリリーフバルブ６０を制御してもよい。制御装置１００は、高圧ライン６３と低圧ライン６４の測定差圧を、第１圧力センサ５４からの第１測定圧信号Ｐ１と第２圧力センサ５５からの第２測定圧信号Ｐ２に基づいて取得してもよい。別の例として、リリーフバルブ６０は、いわゆる安全弁として作動するように構成されていてもよく、すなわち、出入口間に設定圧以上の差圧が作用するとき機械的に開放されてもよい。

【0038】

なお、圧縮機１２は、そのほか種々の構成要素を有しうる。例えば、高圧流路５２には、オイルセパレータ、アドソーバなどが設けられていてもよい。低圧流路５３には、ストレージタンクそのほかの構成要素が設けられていてもよい。また、圧縮機１２には、圧縮機本体５７をオイルで冷却するオイル循環系や、オイルを冷却する冷却系などが設けられていてもよい。

【0039】

また、極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と膨張機１４の間で作動ガスを循環させるガスライン６２を備える。ガスライン６２は、圧縮機１２から膨張機１４に作動ガスを供給するように圧縮機１２を膨張機１４に接続する高圧ライン６３と、膨張機１４から圧縮機１２に作動ガスを回収するように圧縮機１２を膨張機１４に接続する低圧ライン６４とを備える。膨張機１４の冷凍機ハウジング２０には高圧ガス入口２２と低圧ガス出口２４が設けられている。高圧ガス入口２２は、高圧配管６５によって高圧ガス出口５０に接続され、低圧ガス出口２４は、低圧配管６６によって低圧ガス入口５１に接続されている。高圧ライン６３は、高圧配管６５と高圧流路５２からなり、低圧ライン６４は、低圧配管６６と低圧流路５３からなる。バイパスライン５６は、ガスライン６２の一部であるとみなされてもよい。バイパスライン５６は、膨張機１４を迂回して高圧ライン６３から低圧ライン６４に作動ガスを還流させるように高圧ライン６３を低圧ライン６４に接続する。

【0040】

したがって、膨張機１４から圧縮機１２に回収される作動ガスは、膨張機１４の低圧ガス出口２４から低圧配管６６を通じて圧縮機１２の低圧ガス入口５１に入り、さらに低圧流路５３を経て圧縮機本体５７に戻り、圧縮機本体５７によって圧縮され昇圧される。圧縮機１２から膨張機１４に供給される作動ガスは、圧縮機本体５７から高圧流路５２を通じて圧縮機１２の高圧ガス出口５０から出て、さらに高圧配管６５と膨張機１４の高圧ガス入口２２を経て膨張機１４に供給される。

【0041】

高圧ライン６３と低圧ライン６４の差圧がリリーフバルブ６０の設定圧を超えて大きくなり、リリーフバルブ６０が開いているときには、高圧ライン６３を流れる作動ガスの一部は、高圧流路５２からバイパスライン５６へと分流される。バイパスライン５６は低圧流路５３に合流しているので、作動ガスは膨張機１４を迂回して圧縮機本体５７に還流し、高圧ライン６３と低圧ライン６４の差圧は小さくなる。それにより差圧がリリーフバルブ６０の設定圧を下回ればリリーフバルブ６０は閉じ、高圧ライン６３から低圧ライン６４へのバイパスライン５６を通じた作動ガス流れは遮断される。

【0042】

図１に示されるように、極低温冷凍機１０を制御する制御装置１００は、インバータ７０を制御するコントローラ１１０を備える。コントローラ１１０は、第１測定圧信号Ｐ１および第２測定圧信号Ｐ２を取得するよう第１圧力センサ５４および第２圧力センサ５５と電気的に接続されている。また、コントローラ１１０は、温度センサ４６からの測定温度信号を取得するよう温度センサ４６と電気的に接続されている。

【0043】

詳細は後述するが、コントローラ１１０は、第１測定圧信号Ｐ１および第２測定圧信号Ｐ２に基づいて、高圧ライン６３と低圧ライン６４の差圧を目標圧と比較し、差圧が目標圧を上回る場合に膨張機モータ４２の運転周波数を増加させ、差圧が目標圧を下回る場合に膨張機モータ４２の運転周波数を減少させるように、インバータ７０を制御する。

【0044】

図示される例では、制御装置１００は、圧縮機１２および膨張機１４とは別に設けられこれらと接続されているが、その限りでない。制御装置１００は、圧縮機１２に搭載されてもよい。制御装置１００は、膨張機モータ４２に搭載される等、膨張機１４に設けられてもよい。あるいは、コントローラ１１０が圧縮機１２に搭載され、インバータ７０が膨張機１４に搭載される等、コントローラ１１０とインバータ７０が別々に設置されてもよい。

【0045】

制御装置１００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１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。

【0046】

極低温冷凍機１０は、圧縮機１２および膨張機モータ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、吸気工程においては、低圧バルブ４０ｂが閉じ高圧バルブ４０ａが開くことによって、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。こうして、第１膨張室３２、第２膨張室３４は低圧から高圧へと昇圧される。このとき、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の容積が増加される。高圧バルブ４０ａが閉じると吸気工程は終了する。

【0047】

排気工程においては、高圧バルブ４０ａが閉じ低圧バルブ４０ｂが開くことによって、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。このとき、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。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は終了する。

【0048】

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。

【0049】

極低温冷凍機１０は、定常運転と、定常運転に先行してクールダウン運転とを実行可能である。クールダウン運転は、極低温冷凍機１０の起動時に室温から極低温に急速に冷却する運転モードであり、定常運転は、クールダウン運転によって極低温に冷却された状態を維持する極低温冷凍機１０の運転モードである。極低温冷凍機１０は、クールダウン運転によって標準冷却温度に冷却され、定常運転ではこの標準冷却温度を含む極低温の許容温度範囲内に維持される。標準冷却温度は、極低温冷凍機１０の用途と設定に応じて異なるが、例えば超伝導装置の冷却用途では典型的に、約４．２Ｋ以下である。ある他の冷却用途では、標準冷却温度は、例えば約１０Ｋ～２０Ｋ、または１０Ｋ以下であってもよい。クールダウン運転から定常運転への切替は、制御装置１００によって制御されてもよい。例えば、制御装置１００は、温度センサ４６からの測定温度信号に基づいて、第２冷却ステージ３５（及び／または第１冷却ステージ３３）の測定温度を上述の標準冷却温度と比較し、測定温度が標準冷却温度より高い場合にはクールダウン運転を実行し、測定温度が標準冷却温度以下の場合にはクールダウン運転から定常運転に移行してもよい。

【0050】

図３は、実施の形態に係る極低温冷凍機１０の制御方法を説明するフローチャートである。本方法は、極低温冷凍機１０の運転中にコントローラ１１０によって所定の周期で繰り返し実行される。極低温冷凍機１０の加速冷却と呼ぶこともでき、この加速冷却は少なくともクールダウン運転において実行される。

【0051】

そこで、図３に示されるように、本方法ではまず、極低温冷凍機１０の現在の運転モードがクールダウン運転であるか否かが判定される（Ｓ１０）。コントローラ１１０は、極低温冷凍機１０の現在の運転モードを示す情報に基づいて、現在の運転モードがクールダウン運転であるか否かを判定してもよい。現在の運転モードを示す情報は、クールダウン運転と定常運転の切替処理の結果として、コントローラ１１０に保存されていてもよい。

【0052】

現在の運転モードがクールダウン運転である場合には（Ｓ１０のＹ）、高圧ライン６３と低圧ライン６４の差圧が測定される（Ｓ１２）。この差圧は、極低温冷凍機１０の圧力測定部、例えば上述のように第１圧力センサ５４および第２圧力センサ５５を使用して測定される。コントローラ１１０は、第１測定圧信号Ｐ１と第２測定圧信号Ｐ２から高圧ライン６３と低圧ライン６４の測定差圧ΔＰＭを取得する。

【0053】

次に、高圧ライン６３と低圧ライン６４の測定差圧ΔＰＭが目標圧ＰＴと比較される（Ｓ１４）。目標圧ＰＴの値は、リリーフバルブ６０が開く上述の設定圧よりも小さい圧力値に設定されている。ただし、目標圧ＰＴは、設定圧になるべく近い圧力値に設定され、例えば、目標圧ＰＴと設定圧の差は、０．１ＭＰａ以内であってもよい。目標圧ＰＴは、設定圧よりも例えば０．０３ＭＰａから０．０７ＭＰａ小さくてもよく、例えば０．０５ＭＰａ小さくてもよい。リリーフバルブ６０の設定圧が例えば１．６ＭＰａである場合には、目標圧ＰＴは、例えば１．６ＭＰａより小さく、１．５ＭＰａ以上であってもよい。目標圧ＰＴは、例えば１．５３ＭＰａから１．５７ＭＰａの範囲にあってもよく、例えば１．５５ＭＰａであってもよい。目標圧ＰＴ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。目標圧ＰＴは、極低温冷凍機１０の使用者によってコントローラ１１０に予め入力され、またはコントローラ１１０によって自動的に設定され、コントローラ１１０に保存されている。

【0054】

コントローラ１１０は、測定差圧ΔＰＭを目標圧ＰＴと比較し、比較結果として両者の大小関係を出力する。すなわち、コントローラ１１０による比較結果は、次の３つの状態、（ｉ）測定差圧ΔＰＭが目標圧ＰＴより大きい、（ｉｉ）測定差圧ΔＰＭが目標圧ＰＴより小さい、（ｉｉｉ）測定差圧ΔＰＭが目標圧ＰＴと等しい、のうちいずれかを表す。

【0055】

コントローラ１１０による比較結果に基づいてインバータ７０が制御され、インバータ７０の出力周波数に従って膨張機モータ４２の運転周波数が制御される。具体的には、（ｉ）測定差圧ΔＰＭが目標圧ＰＴより大きい場合には、コントローラ１１０は、膨張機モータ４２の運転周波数を増加させるようにインバータ７０を制御する（Ｓ１６）。（ｉｉ）測定差圧ΔＰＭが目標圧ＰＴより小さい場合には、コントローラ１１０は、膨張機モータ４２の運転周波数を減少させるようにインバータ７０を制御する（Ｓ１８）。（ｉｉｉ）測定差圧ΔＰＭが目標圧ＰＴと等しい場合には、膨張機モータ４２の運転周波数を増減させる必要が無いので、コントローラ１１０は、現在の運転周波数を維持するようにインバータ７０を制御する。なお、（ｉｉｉ）の場合を（ｉ）または（ｉｉ）のいずれかに含めてもよい。

【0056】

代案として、膨張機モータ４２の運転周波数を増加させる場合と減少させる場合とで目標圧ＰＴが異なっていてもよい。例えば、測定差圧ΔＰＭが第１目標圧ＰＴ１より大きい場合に、コントローラ１１０は、膨張機モータ４２の運転周波数を増加させるようにインバータ７０を制御してもよい。測定差圧ΔＰＭが第２目標圧ＰＴ２より小さい場合に、コントローラ１１０は、膨張機モータ４２の運転周波数を減少させるようにインバータ７０を制御してもよい。第２目標圧ＰＴ２は第１目標圧ＰＴ１よりも小さくてもよい。測定差圧ΔＰＭが第１目標圧ＰＴ１と第２目標圧ＰＴ２の間にある場合に、コントローラ１１０は、膨張機モータ４２の現在の運転周波数を維持するようにインバータ７０を制御してもよい。

【0057】

膨張機モータ４２の運転周波数を増加または減少させるとき、コントローラ１１０は、膨張機モータ４２の現在の運転周波数の値から運転周波数を所定量増加または減少させてもよい。ただし、運転周波数を増加させようとするとき現在の運転周波数の値が既に上限値に達している場合には、コントローラ１１０は、運転周波数を増加させずに、その上限値に維持してもよい。例えば、膨張機モータ４２の運転周波数のとりうる範囲が３０Ｈｚ～１００Ｈｚであって現在の値が既に上限値の１００Ｈｚである場合には、コントローラ１１０は、運転周波数を１００Ｈｚからさらに増加させるのではなく、１００Ｈｚを維持する。同様に、運転周波数を減少させようとするとき現在の運転周波数の値が既に下限値に達している場合には、コントローラ１１０は、運転周波数を減少させずに、その下限値に維持してもよい。

【0058】

あるいは、コントローラ１１０は、目標圧ＰＴ（第１目標圧ＰＴ１または第２目標圧ＰＴ２でもよい）からの測定差圧ΔＰＭの偏差を最小化するように（例えばＰＩＤ制御などフィードバック制御により）膨張機モータ４２の運転周波数を調整するようにインバータ７０を制御してもよい。このようにして、コントローラ１１０は、高圧ライン６３と低圧ライン６４の差圧を目標圧と比較し、差圧が目標圧を上回る場合に膨張機モータ４２の運転周波数を増加させ、差圧が目標圧を下回る場合に膨張機モータ４２の運転周波数を減少させるように、インバータ７０を制御してもよい。

【0059】

このようにして、測定差圧ΔＰＭが目標圧ＰＴを上回る場合に膨張機モータ４２の運転周波数が増加される。運転周波数が増加するとき膨張機１４で冷却に使用される作動ガス流量が増えるので、圧縮機１２の吐出流量が一定である（または変動したとしても十分に小さい）とすると、測定差圧ΔＰＭは減少して目標圧ＰＴに近づき、または目標圧ＰＴを下回ることになる。また、測定差圧ΔＰＭが目標圧ＰＴを下回る場合に膨張機モータ４２の運転周波数が減少される。膨張機１４で使用される作動ガス流量が減るので、測定差圧ΔＰＭは増加して目標圧ＰＴに近づき、または目標圧ＰＴを上回ることになる。

【0060】

この実施の形態では、現在の運転モードがクールダウン運転ではない（現在の運転モードが例えば定常運転である）場合には（Ｓ１０のＮ）、コントローラ１１０は、加速冷却を実行しない。現在の運転モードが定常運転である場合には、膨張機モータ４２の運転周波数は、例えば、外部電源８０からインバータ７０への入力周波数またはこれより低い値など、一定値に固定されてもよい。あるいは、現在の運転モードが定常運転である場合には、極低温冷凍機１０の温調制御が実行されてもよく、例えば、温度センサ４６からの測定温度信号に基づいて、目標温度（例えば上述の標準冷却温度）からの測定温度の偏差を最小化するように（例えばＰＩＤ制御などフィードバック制御により）膨張機モータ４２の運転周波数を調整するようにインバータ７０を制御してもよい。

【0061】

ところで、極低温冷凍機１０の運転中、仮に、測定差圧ΔＰＭが増加してリリーフバルブ６０の設定圧を超えた場合には、リリーフバルブ６０が開きバイパスライン５６を通じて余剰の作動ガスが還流し、この還流する作動ガスは膨張機１４での極低温冷却に寄与しない。極低温冷凍機１０が所定の冷凍能力を出力するために膨張機１４に必要とされる作動ガス流量は、冷却温度に依存した作動ガスの密度変化に相関するため、温度が高いほど少なくてよい。そのため、圧縮機１２の吐出流量が一定であるとすると、冷却温度が高いほど余剰の作動ガス流量が多くなり、測定差圧ΔＰＭが大きくなりがちである。したがって、とくに、極低温冷凍機１０の起動時、つまりクールダウン運転において、多量の余剰ガスがバイパスライン５６を通じて還流し無駄となりうる。

【0062】

これに対して、実施の形態に係る極低温冷凍機１０の加速冷却によると、測定差圧ΔＰＭが目標圧ＰＴを上回る場合に膨張機モータ４２の運転周波数を増加して、余剰の作動ガス流量を膨張機１４での極低温冷却に利用することができる。膨張機モータ４２の運転周波数の増加はすなわち極低温冷凍機１０の冷凍サイクルの単位時間あたりの回数増加に相当するから、極低温冷凍機１０の冷凍能力を増加させることができる。クールダウン運転で余剰の作動ガス流量は多くなるから、この加速冷却は、クールダウン運転において極低温冷凍機１０の冷凍能力を高めることに適する。したがって、実施の形態によると、極低温冷凍機１０のクールダウン時間を短縮することができる。

【0063】

一般に極低温冷凍機１０の冷凍能力は測定差圧ΔＰＭに比例的に変動しうるから、測定差圧ΔＰＭの低下は冷凍能力の低下をもたらしうる。しかしながら、実施の形態によると、測定差圧ΔＰＭが目標圧ＰＴを下回る場合には膨張機モータ４２の運転周波数が減少される。これにより、膨張機１４で使用される作動ガス流量が減り、測定差圧ΔＰＭが回復されるので、冷凍能力の低下を防止しまたは緩和することができる。

【0064】

また、この実施の形態では、目標圧ＰＴがリリーフバルブ６０の設定圧よりも小さい圧力値に設定されている。このようにすれば、測定差圧ΔＰＭが増加するときリリーフバルブ６０の設定圧に達する前に目標圧ＰＴに達するから、リリーフバルブ６０を開くことなく（つまり余剰ガスを無駄に還流させることなく）、膨張機モータ４２の運転周波数を増加して極低温冷凍機１０の冷凍能力を高めることができる。

【0065】

さらに、目標圧ＰＴと設定圧の差は、０．１ＭＰａ以内である。このようにすれば、リリーフバルブ６０を閉鎖した状態で、高圧ライン６３と低圧ライン６４の差圧をなるべく高く保つことができ、極低温冷凍機１０の冷凍能力を高めることができる。

【0066】

上述の実施の形態では、極低温冷凍機１０の加速冷却は、クールダウン運転において行われている。しかし、加速冷却は、クールダウン運転で行うだけでなく、定常運転でも行われてもよい。定常運転中に加速冷却をする場合には、図３に示すフローにおけるステップＳ１０、すなわち、極低温冷凍機１０の現在の運転モードを判定するステップは省略されてもよい。

【0067】

あるいは、コントローラ１１０は、極低温冷凍機１０の現在の運転モードを判定し、極低温冷凍機１０がクールダウン運転にある場合には、定常運転中である場合に比べて膨張機モータ４２の運転周波数が高くなるようにインバータ７０を制御してもよい。クールダウン運転における膨張機モータ４２の運転周波数は、外部電源８０からインバータ７０への入力周波数（例えば５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）よりも高くてもよく、定常運転における膨張機モータ４２の運転周波数は、この入力周波数に等しいかそれより低くてもよい。

【0068】

例えば、コントローラ１１０は、クールダウン運転において膨張機モータ４２の運転周波数を第１の範囲内で制御し、定常運転において膨張機モータ４２の運転周波数を第２の範囲内で制御してもよい。第２の範囲は第１の範囲よりも低い運転周波数であってもよい。または、コントローラ１１０は、クールダウン運転において膨張機モータ４２の運転周波数を第１の初期値から制御し、定常運転において膨張機モータ４２の運転周波数を第２の初期値から制御してもよい。第２の初期値は第１の初期値よりも低い運転周波数であってもよい。第１の範囲（または第１の初期値）は、インバータ７０への入力周波数よりも高くてもよく、第２の範囲（または第２の初期値）は、インバータ７０への入力周波数に等しいかそれより低くてもよい。

【0069】

上述の実施の形態では、高圧ライン６３と低圧ライン６４の差圧を測定するための圧力測定部として第１圧力センサ５４と第２圧力センサ５５が使用されている。しかし、ある実施の形態では、圧力測定部として、例えばバイパスライン５６またはリリーフバルブ６０に設けられた差圧センサが使用されてもよい。

【0070】

第１圧力センサ５４、第２圧力センサ５５等の圧力測定部は、圧縮機１２に設けられることは必須ではなく、ガスライン６２、膨張機１４など圧力を測定可能な任意の場所に設けられてもよい。例えば、第１圧力センサ５４は高圧ライン６３の任意の場所に設けられてもよく、第２圧力センサ５５は低圧ライン６４の任意の場所に設けられてもよい。また、同様に、バイパスライン５６とリリーフバルブ６０も圧縮機１２に設けられることは必須ではなく、圧縮機１２の外に配置され高圧ライン６３と低圧ライン６４を接続してもよい。

【0071】

上述の実施の形態では、圧縮機１２が固定された一定の作動ガス流量を吐出するように構成されている。しかし、ある実施の形態では、圧縮機１２は、作動ガス吐出流量を可変とするように構成されていてもよい。この場合、コントローラ１１０は、圧縮機１２が一定の作動ガス流量を吐出するように制御されているときに上述の加速冷却を実行してもよい。あるいは、コントローラ１１０は、測定差圧ΔＰＭが目標圧ＰＴを下回る場合に膨張機モータ４２の運転周波数を維持し（または増加させ）、それとともに圧縮機１２の作動ガス吐出流量を増加するように圧縮機１２を制御してもよい。

【0072】

上述の実施の形態は、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、膨張機を駆動する膨張機モータを備える例えばＧＭ型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。

【0073】

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】

【0074】

１０ 極低温冷凍機、 １２ 圧縮機、 １４ 膨張機、 ５６ バイパスライン、 ６０ リリーフバルブ、 ６３ 高圧ライン、 ６４ 低圧ライン、 ７０ インバータ、 １１０ コントローラ。

【図1】

【図2】

【図3】