CN111656108B - 超低温冷却系统 - Google Patents

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Abstract

超低温冷却系统(10)具备：气体循环源(12)；超低温制冷机(22)，冷却冷却气体；冷却气体流路(14)，使冷却气体从气体循环源(12)流向被冷却物(11)；及控制装置(40)，控制气体循环源(12)以按照规定的流量模式执行被冷却物(11)的从室温冷却至目标冷却温度的初始冷却。规定的流量模式预先设定成使冷却气体从初始冷却开始至过渡时刻为止以第1平均流量流过冷却气体流路(14)，使冷却气体从过渡时刻至初始冷却完成为止以第2平均流量流过冷却气体流路(14)。第2平均流量设为小于第1平均流量，使得超低温冷却系统(10)的冷却能力相比从过渡时刻至初始冷却完成为止维持第1平均流量的情况增加。

Description

超低温冷却系统
技术领域
本发明涉及一种超低温冷却系统。
背景技术
以往，已知有一种用利用冷却至超低温的气体来冷却例如超导电磁体等被冷却物的循环冷却系统。冷却气体的冷却通常使用GM(Gifford-McMahon，吉福德-麦克马洪)制冷机等超低温制冷机。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平1-14559号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
在超低温冷却系统中，在启动系统时进行将被冷却物从室温冷却至目标冷却温度的初始冷却。在完成初始冷却之后方可利用被冷却物。因此，期待尽量缩短初始冷却所需时间。
本发明的一种实施方式的示例性目的之一在于，缩短超低温冷却系统的初始冷却时间。
用于解决技术课题的手段
根据本发明的一种实施方式，超低温冷却系统具备：气体循环源，使冷却气体循环；超低温制冷机，具备冷却所述冷却气体的制冷机冷却台；冷却气体流路，使所述冷却气体从所述气体循环源经由所述制冷机冷却台和被冷却物流向所述气体循环源；及控制装置，控制所述气体循环源以按照规定的流量模式执行所述被冷却物的从室温冷却至目标冷却温度的初始冷却。所述规定的流量模式预先设定成使所述冷却气体从所述初始冷却开始至过渡时刻为止以第1平均流量流过所述冷却气体流路，使所述冷却气体从所述过渡时刻至所述初始冷却完成为止以第2平均流量流过所述冷却气体流路。所述第2平均流量设为小于所述第1平均流量，使得超低温冷却系统的冷却能力相比从所述过渡时刻至所述初始冷却完成为止维持所述第1平均流量的情况增加。
另外，以上构成要件的任意组合或在方法、装置、系统等之间相互替换本发明的构成要件和表述的实施方式也作为本发明的实施方式而有效。
发明效果
根据本发明，能够提供一种适于实用的超低温冷却系统。
附图说明
图1是概略地表示实施方式所涉及的超低温冷却系统的图。
图2中(a)及(b)是例示出能够在比较例所涉及的初始冷却中使用的冷却气体的流量模式的图。
图3中(a)至(d)是例示出能够在实施方式所涉及的初始冷却中使用的冷却气体的流量模式的图。
图4中(a)及(b)是表示多个冷却温度下的超低温冷却系统10的冷却能力曲线的图表。
图5是例示出实施方式所涉及的超低温冷却系统的初始冷却的控制方法的流程图。
图6中(a)表示超低温冷却系统的初始冷却中的温度变化，图6中(b)表示初始冷却中使用的流量模式。
图7是概略地表示实施方式所涉及的超低温冷却系统的另一例的图。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的实施方式进行详细说明。在以下说明及附图中，对相同或等同的构成要件、部件及处理标注相同符号，并适当省略重复说明。为了方便说明，在各附图中，适当地设定各部的缩尺和形状，只要没有无特别说明，其并不用于限定性解释。实施方式为示例，其并不对本发明的范围进行任何限定。实施方式中记载的所有特征或其组合并非一定是发明的本质性内容。
图1是概略地表示实施方式所涉及的超低温冷却系统10的图。超低温冷却系统10是构成为通过使冷却气体循环从而将被冷却物11冷却至目标温度的循环冷却系统。冷却气体例如通常使用氦气，但也可以使用与冷却温度相对应的适当的其他气体。
作为一例，被冷却物11为超导电磁体。超导电磁体例如搭载于在粒子线治疗装置或其他装置中使用的粒子加速器或其他超导装置。另外，理所当然，被冷却物11并不只限于超导电磁体。被冷却物11也可以为需要超低温冷却的其他设备或流体。
目标冷却温度为选自规定的下限温度至规定的上限温度为止的温度范围的期望的超低温。下限温度例如为由超低温冷却系统10能够冷却的最低温度，例如可以为4K。上限温度例如为选自超导临界温度以下的温度范围的期望的超低温。超导临界温度取决于所使用的超导材料，但例如设为液氮温度以下或30K以下或20K以下或10K以下的超低温。因此，目标冷却温度选自例如4K至30K的温度范围或例如10K至20K的温度范围。
超低温冷却系统10具备使冷却气体循环的气体循环源12和使冷却气体流过以便冷却被冷却物11的冷却气体流路14。气体循环源12构成为根据气体循环源控制信号S1控制所供给的冷却气体流量。作为一例，气体循环源12具备对所回收的冷却气体进行加压后输送的压缩机。冷却气体流路14具备气体供给管路16、被冷却物气体流路18及气体回收管路20。冷却气体的循环回路由气体循环源12和冷却气体流路14构成。在图1中，沿着冷却气体流路14描绘的若干个箭头表示冷却气体的流动方向。
气体循环源12与气体回收管路20连接以从气体回收管路20回收冷却气体，并且气体循环源12与气体供给管路16连接以向气体供给管路16供给升压后的冷却气体。并且，气体供给管路16与被冷却物气体流路18连接以向被冷却物气体流路18供给冷却气体，气体回收管路20与被冷却物气体流路18连接以从被冷却物气体流路18回收冷却气体。
气体供给管路16、被冷却物气体流路18和/或气体回收管路20可以为挠性管，或者也可以为刚性管。
超低温冷却系统10具备冷却超低温冷却系统10的冷却气体的超低温制冷机22。超低温制冷机22具备压缩机24和具备制冷机冷却台28的冷头26。
超低温制冷机22的压缩机24构成为从冷头26回收超低温制冷机22的工作气体后对所回收的工作气体进行加压并重新向冷头26供给工作气体。工作气体的循环回路(即，超低温制冷机22的制冷循环)由压缩机24和冷头26构成，从而冷却制冷机冷却台28。工作气体通常为氦气，但也可以使用适当的其他气体。作为一例，超低温制冷机22为吉福德-麦克马洪(Gifford-McMaho n；GM)制冷机，但也可以为脉管制冷机、斯特林制冷机或其他超低温制冷机。
超低温制冷机22的压缩机24与气体循环源12分体设置。超低温制冷机22的工作气体循环回路与超低温冷却系统10的冷却气体循环回路彼此流体隔离。
被冷却物气体流路18设置于被冷却物11的周围或内部，以使冷却气体流过。被冷却物气体流路18具备入口18a、出口18b及从入口18a延伸至出口18b的气体管18c。气体供给管路16与被冷却物气体流路18的入口18a连接，气体回收管路20与被冷却物气体流路18的出口18b连接。因此，冷却气体从气体供给管路16通过入口18a流入气体管18c，而且，从气体管18c通过出口18b向气体回收管路20流出。
气体管18c与被冷却物11物理接触且与被冷却物11热连接，以便通过流过气体管18c内的冷却气体与被冷却物11之间的热交换来冷却被冷却物11。作为一例，气体管18c为以盘绕于被冷却物11的周围的方式接触配置于被冷却物11的外表面上的线圈状的冷却气体配管。
在被冷却物气体流路18构成为与气体供给管路16不同的另一配管部件的情况下，入口18a可以是用于将气体供给管路16连接于被冷却物气体流路18而设置于气体管18c的一端的管接头。在被冷却物气体流路18构成为与气体供给管路16连续的一体的配管部件的情况下，入口18a可以指气体管18c开始与被冷却物11物理接触的部位，可以将该接触开始点视为被冷却物气体流路18的入口18a。并且，在被冷却物气体流路18通过被冷却物11的内部的情况下，如字面所示，入口18a可以是被冷却物气体流路18进入被冷却物11的部位。
同样地，在被冷却物气体流路18构成为与气体回收管路20不同的另一配管部件的情况下，出口18b可以是用于将气体回收管路20连接于被冷却物气体流路18而设置于气体管18c的另一端的管接头。在被冷却物气体流路18构成为与气体回收管路20连续的一体的配管部件的情况下，出口18b可以指气体管18c与被冷却物11的物理接触结束的部位，可以将该接触终止点视为被冷却物气体流路18的出口18b。并且，在被冷却物气体流路18通过被冷却物11的内部的情况下，如字面所示，出口18b可以是被冷却物气体流路18从被冷却物11出来的部位。
换言之，气体供给管路16与气体回收管路20均未与被冷却物11物理接触。气体供给管路16从被冷却物气体流路18的入口18a向远离被冷却物11的方向延伸，气体回收管路20从被冷却物气体流路18的出口18b向远离被冷却物11的方向延伸。超低温制冷机22及其制冷机冷却台28也配置在远离被冷却物11的位置。
气体供给管路16将气体循环源12连接于被冷却物气体流路18的入口18a，以使冷却气体从气体循环源12经由制冷机冷却台28后供给至被冷却物气体流路18。气体供给管路16与制冷机冷却台28物理接触且与制冷机冷却台28热连接，以便通过流过气体供给管路16的冷却气体与制冷机冷却台28之间的热交换来冷却冷却气体。因此，冷却气体从气体循环源12流入气体供给管路16，被制冷机冷却台28冷却后从气体供给管路16流向被冷却物气体流路18。
以下，为了方便说明，有时将气体供给管路16中气体循环源12至制冷机冷却台28为止的部分称为气体供给管路16的上游部16a，将气体供给管路16中制冷机冷却台28至被冷却物气体流路18的入口18a为止的部分称为气体供给管路16的下游部16b。即，气体供给管路16具备上游部16a和下游部16b。
并且，可以将气体供给管路16中配置于制冷机冷却台28的部分称为气体供给管路16的中间部16c。作为一例，气体供给管路16的中间部16c为以盘绕于制冷机冷却台28的周围的方式接触配置于制冷机冷却台28的外表面上的线圈状的冷却气体配管。
因此，冷却气体在气体供给管路16的中间部16c的出口(即下游部16b的入口)16d处成为冷却气体流路14中的最低到达温度。
气体回收管路20将被冷却物气体流路18的出口18b连接于气体循环源12，以使冷却气体从被冷却物气体流路18回收至气体循环源12。因此，冷却气体从被冷却物气体流路18流入气体回收管路20，并从气体回收管路20流向气体循环源12。
并且，超低温冷却系统10具备热交换器30。热交换器30构成为使分别流过气体供给管路16和气体回收管路20的冷却气体在这两个管路之间彼此进行热交换。热交换器30有助于提高超低温冷却系统10的冷却效率。
热交换器30在气体供给管路16(更具体而言为上游部16a)上具备高温入口30a和低温出口30b，在气体回收管路20上具备低温入口30c和高温出口30d。供给侧的冷却气体(即，从气体循环源12通过高温入口30a流入热交换器30的高温的冷却气体)在热交换器30中被气体回收管路20冷却，并通过低温出口30b流向制冷机冷却台28。伴随于此，回收侧的冷却气体(即，从被冷却物气体流路18通过低温入口30c流入热交换器30的低温的冷却气体)在热交换器30中被气体供给管路16加热，并通过高温出口30d流向气体循环源12。
超低温冷却系统10具备划定真空环境34的真空容器32。真空容器32构成为从周围环境36隔离真空环境34。真空容器32例如为低温恒温器等超低温真空容器。真空环境34例如为超低温真空环境，周围环境36例如为室温大气压环境。
被冷却物11配置于真空容器32内(即，真空环境34中)。超低温冷却系统10的主要构成要件中的被冷却物气体流路18、超低温制冷机22的制冷机冷却台28及热交换器30配置于真空环境34中。另一方面，气体循环源12和超低温制冷机22的压缩机24配置于真空容器32外(即，周围环境36中)。因此，气体供给管路16和气体回收管路20中的与气体循环源12连接的一端部配置于周围环境36中，剩余部分则配置于真空环境34中。
超低温冷却系统10具备设置于制冷机冷却台28的温度传感器38。在超低温冷却系统10的冷却气体流路14(具体而言，在气体供给管路16)上仅设置有1个温度传感器38。因此，温度传感器38既未设置于被冷却物气体流路18上，也未设置于被冷却物11上。温度传感器38也未设置于气体回收管路20上。
另外，温度传感器38的设置部位并不只限于制冷机冷却台28。温度传感器38也可以设置于包括被冷却物气体流路18在内的冷却气体流路14上的任意部位。并且，也可以在冷却气体流路14上的互不相同的部位设置多个温度传感器38。
超低温冷却系统10具备控制超低温冷却系统10的控制装置40。控制装置40具备气体流量控制部42。气体流量控制部42具备计时器44和初始冷却设定46。控制装置40配置于周围环境36中。控制装置40可以设置于气体循环源12(例如，压缩机)上。
超低温冷却系统10的控制装置40在硬件结构方面由以计算机的CPU及存储器为首的元件或电路实现，在软件结构方面由计算机程序等实现，但是在图1中，控制装置40适当地描绘成通过它们的协作来实现的功能块。本领域技术人员应当可以理解，这些功能块能够通过硬件及软件的组合以各种形式实现。
在此，超低温冷却系统10的初始冷却为将被冷却物11从室温快速冷却至目标冷却温度的超低温冷却系统10的控制处理，其在启动超低温冷却系统10时进行。通过初始冷却，被冷却物11从室温冷却至目标冷却温度。在初始冷却完成之后，超低温冷却系统10过渡到使被冷却物11维持在目标冷却温度的稳定冷却。初始冷却中的降温速度(例如，初始冷却中的被冷却物11的平均降温速度)大于稳定冷却中的降温速度。
控制装置40构成为与超低温冷却系统10的启动同步地开始被冷却物11的初始冷却。例如，控制装置40在超低温冷却系统10启动的同时或在超低温冷却系统10启动后经过了预先设定的延迟时间时开始被冷却物11的初始冷却。
典型地，超低温冷却系统10的启动意味着气体循环源12的启动或气体循环源12及超低温制冷机22的启动。因此，控制装置40可以构成为与气体循环源12的启动同步地开始被冷却物11的初始冷却。或者，控制装置40可以构成为与气体循环源12及超低温制冷机22的启动同步地开始初始冷却。
超低温冷却系统10具备主开关48。主开关48例如具备操作按钮或开关等能够手动操作的操作工具，且其构成为被操作就向控制装置40输出系统启动指示信号S2。若操作者操作主开关48，则超低温冷却系统10被启动从而开始运转。主开关48不仅可以作为超低温冷却系统10的启动开关而发挥功能，而且还可以兼作超低温冷却系统10的停止开关。
主开关48配置于周围环境36中。主开关48可以设置于控制装置40或其框体上。或者，主开关48也可以设置在气体循环源12所具备的压缩机上从而作为该压缩机的启动开关。主开关48也可以设置在超低温制冷机22(例如，压缩机24)上从而作为超低温制冷机22的启动开关。
或者，在除了控制装置40之外还设置有上级控制装置的情况下，可以构成为该上级控制装置向控制装置40输出系统启动指示信号S2。通常，被冷却物11为粒子加速器或其他上级装置或系统的一部分，这种上级系统具备上级控制装置。
控制装置40构成为根据接收到的系统启动指示信号S2来开始初始冷却。控制装置40构成为控制气体循环源12以执行被冷却物11的初始冷却。在初始冷却期间，控制装置40控制气体循环源12以使冷却气体按照规定的流量模式流过冷却气体流路14。控制装置40可以控制气体循环源12以在初始冷却之后或在其他适当的时刻执行被冷却物11的稳定冷却。
气体流量控制部42构成为根据初始冷却设定46和从初始冷却开始起的经过时间来确定目标冷却气体流量。气体流量控制部42构成为控制气体循环源12以使冷却气体以所确定的目标冷却气体流量流过冷却气体流路14。气体流量控制部42构成为生成使气体循环源12向冷却气体流路14输送目标冷却气体流量的冷却气体的气体循环源控制信号S1，，并向气体循环源12输出气体循环源控制信号S1。
计时器44构成为能够从任意时刻起测量经过时间。计时器44构成为对应于系统启动指示信号S2而测量经过时间。计时器44能够计算出从初始冷却开始起的经过时间。
初始冷却设定46根据规定的流量模式预先设定初始冷却开始至完成为止的各时刻的目标冷却气体流量。初始冷却设定46可以具有表示经过时间与目标冷却气体流量之间的对应关系的函数、查找表、映射图或其他形式。初始冷却设定46(例如由超低温冷却系统10的制造商)预先创建并保存于控制装置40中或该控制装置40附带的存储装置中。
目标冷却气体流量例如设定成提供超低温冷却系统10足以将被冷却物11冷却至目标温度的冷却能力。目标冷却气体流量可以根据设计者的经验知识或设计者进行的实验或模拟试验等适当地设定。
用质量流量表示冷却气体流量比较方便。众所周知，质量流量在冷却气体流路14的各部位是恒定的，因此从气体循环源12输送的冷却气体流量等于流过被冷却物气体流路18的冷却气体流量。但是，在能够适用的情况下，也可以将流量模式记载为体积流量或其他流量与时间之间的关系。
图2中(a)及(b)是例示出能够在比较例所涉及的初始冷却中使用的冷却气体的流量模式的图。图3中(a)至(d)是例示出能够在实施方式所涉及的初始冷却中使用的冷却气体的流量模式的图。这些流量模式表示冷却气体的目标质量流量与从初始冷却开始起的经过时间之间的关系。在各图中，将初始冷却开始时刻和完成时刻分别标为T0、Tc。
图2中(a)所示的流量模式固定在超低温冷却系统10的上限冷却气体流量。在此，上限冷却气体流量例如可以为超低温冷却系统10的最大额定流量m_max。
图2中(b)所示的流量模式固定在超低温冷却系统10的稳定冷却中使用的冷却气体流量。该固定的流量可以为使超低温冷却系统10的冷却能力在稳定冷却中的目标冷却温度(以下，还称为稳定运行冷却温度Tf)下最大化的冷却气体流量，可称为最佳流量m_opt。稳定运行冷却温度Tf通常与初始冷却的目标冷却温度一致。最佳流量m_opt小于最大额定流量m_max。
如后述，最佳流量m_opt根据冷却温度而成为不同的值。因此，冷却温度为Ta(K)时的最佳流量可以表示为温度Ta的函数，即，m_opt(Ta)。稳定运行冷却温度Tf下的最佳流量可以表示为m_opt(Tf)。
在比较例所涉及的流量模式中，流过冷却气体流路14的冷却气体的质量流量不会随着时间的经过而发生变化。相对于此，在实施方式所涉及的初始冷却中，流过冷却气体流路14的冷却气体的质量流量按照规定的流量模式随着时间的经过而发生变化。规定的流量模式设定成冷却气体的质量流量随着时间的经过而减少。
规定的流量模式预先设定成从初始冷却开始时刻T0至过渡时刻T为止使冷却气体以第1平均流量m1流过冷却气体流路14，从过渡时刻T至初始冷却完成时刻Tc为止使冷却气体以第2平均流量m2流过冷却气体流路14。第2平均流量m2设为小于第1平均流量m1，使得超低温冷却系统10的冷却能力相比从过渡时刻T至初始冷却完成时刻Tc为止维持第1平均流量m1的情况增加。
规定的流量模式预先设定成从初始冷却开始时刻T0至过渡时刻T为止的期间的至少一段时间使冷却气体以超低温冷却系统10的上限冷却气体流量流过冷却气体流路14。在此，上限冷却气体流量例如相当于超低温冷却系统10的最大额定流量m_max，但并不只限于此。
规定的流量模式预先设定成从过渡时刻T至初始冷却完成时刻Tc为止的期间的至少一段时间使冷却气体以使超低温冷却系统10的冷却能力在目标冷却温度下最大化的冷却气体流量(即，最佳流量m_opt(Tf))流过冷却气体流路14。
为了方便说明，以下，有时将初始冷却开始时刻T0至过渡时刻T为止的期间称为初始冷却的前半阶段，将过渡时刻T至初始冷却完成时刻Tc为止的期间称为初始冷却的后半阶段。
过渡时刻T预先设定在第1基准时刻T1之后且第2基准时刻T2之前。过渡时刻T选自第1基准时刻T1至第2基准时刻T2为止的期间。可以说，由第1基准时刻T1和第2基准时刻T2确定从初始冷却的前半阶段向后半阶段过渡的期间。第1基准时刻T1和第2基准时刻T2提供设定过渡时刻T的参考基准，对此将在后面叙述。
图3中(a)所示的规定的流量模式设定成冷却气体的质量流量从初始冷却开始时刻T0至完成时刻Tc为止以恒定的梯度减少。即，规定的流量模式从初始冷却开始时刻T0至完成时刻Tc为止具有恒定的质量流量减少速度。规定的流量模式在初始冷却开始时刻T0具有最大额定流量m_max，在初始冷却完成时刻Tc具有最佳流量m_opt。但是，流量模式的流量初始值和最终值并不只限于此。例如，流量初始值也可以小于最大额定流量m_max。
因此，图3中(a)所示的流量模式在初始冷却的前半阶段具有第1平均流量m1，在初始冷却的后半阶段具有第2平均流量m2。第2平均流量m2小于第1平均流量m1。第1平均流量m1小于最大额定流量m_max。第2平均流量m2大于初始冷却的目标冷却温度下的最佳流量m_opt。
图3中(b)所示的规定的流量模式设定成冷却气体的质量流量在初始冷却期间的至少一段时间以非恒定的梯度减少。规定的流量模式设定成冷却气体的质量流量在初始冷却的前半阶段固定为恒定值，在初始冷却的后半阶段则以随着时间的经过而减小的梯度减少。规定的流量模式在初始冷却的前半阶段具有最大额定流量m_max，在初始冷却完成时刻Tc具有初始冷却的目标冷却温度下的最佳流量m_opt。
规定的流量模式也可以预先设定成使冷却气体在初始冷却期间的至少一段时间以使超低温冷却系统10的冷却能力在各时刻的预测冷却温度下最大化的冷却气体流量流过冷却气体流路14。图3中(b)所示的规定的流量模式设定成冷却气体流量在初始冷却的后半阶段成为各时刻的预测冷却温度下的最佳冷却气体流量。
因此，图3中(b)所示的流量模式也在初始冷却的前半阶段具有第1平均流量m1，在初始冷却的后半阶段具有第2平均流量m2，第2平均流量m2小于第1平均流量m1。第1平均流量m1等于最大额定流量m_max。第2平均流量m2大于目标冷却温度下的最佳流量m_opt。
与上述流量模式相同地，图3中(c)所示的规定的流量模式也设定成冷却气体的质量流量随着时间的经过而减少。规定的流量模式在初始冷却的前半阶段的一段时间固定为第1恒定值，在初始冷却的后半阶段的一段时间固定为第2恒定值。第2恒定值小于第1恒定值。更具体而言，规定的流量模式从初始冷却开始时刻T0至第1基准时刻T1为止采用最大额定流量m_max作为第1恒定值，在第2基准时刻T2至初始冷却完成时刻Tc为止采用最佳流量m_opt作为第2恒定值的。规定的流量模式设定成冷却气体的质量流量从第1基准时刻T1至第2基准时刻T2为止以恒定(也可以为非恒定)的梯度减少。
因此，图3中(c)所示的流量模式也在初始冷却的前半阶段具有第1平均流量m1，在初始冷却的后半阶段具有第2平均流量m2，第2平均流量m2小于第1平均流量m1。
如图3中(d)所示，规定的流量模式也可以设定成冷却气体的质量流量从第1基准时刻T1至第2基准时刻T2为止固定为中间的恒定值。中间的恒定值m3小于第1恒定值(例如最大额定流量m_max)且大于第2恒定值(例如最佳流量m_opt)。同样地，图3中(d)所示的流量模式也在初始冷却的前半阶段具有第1平均流量m1，在初始冷却的后半阶段具有第2平均流量m2，第2平均流量m2小于第1平均流量m1。
在例示出的规定的流量模式中，冷却气体流量随着时间的经过而单调递减，但这并不是必需的。规定的流量模式也可以存在冷却气体流量在一段时间内增加的情况。
图4中(a)及(b)是表示多个冷却温度下的超低温冷却系统10的冷却能力曲线的图表。图4中(a)及(b)中示出了超低温冷却系统10的冷却能力相对于流过冷却气体流路14的冷却气体的质量流量的变化。这些冷却能力曲线为本发明人通过计算得出的计算结果。在图4中(a)中，标绘了从室温至初始冷却的目标冷却温度为止的整个温度范围中选择的若干个代表温度下的超低温冷却系统10的冷却能力。图4中(b)为图4中(a)的100K以下的温度范围的放大图，标绘了若干个代表温度下的超低温冷却系统10的冷却能力。
从图4可知，冷却能力曲线在某一特定的质量流量下变最大。使冷却能力最大化的最佳质量流量根据冷却温度而不同，具体而言，冷却温度越低，最佳质量流量也越小。另外，在某一冷却温度的冷却能力曲线中，在小于最佳质量流量的质量流量下冷却能力下降，这是因为，在这种小流量下冷却气体通过冷却气体与被冷却物11之间的热交换而从被冷却物11能够带走的热量减小。并且，在大于最佳质量流量的质量流量下冷却能力下降，这是因为，受制于超低温制冷机22的制冷能力。冷却气体流量越大，冷却气体与制冷机冷却台28之间的热交换变得越不充分，流向被冷却物11的冷却气体的温度有可能会变高。
图4中(a)中例示出了超低温冷却系统10的上限冷却气体流量(例如，最大额定流量m_max)。在室温下或比较高的温度范围(在图4中(a)中为290K至110K的范围)中，冷却系统的上限流量小于提供冷却能力的最大值的质量流量。因此，在该高温范围中，通过使冷却气体以上限冷却气体流量流过冷却气体流路14，超低温冷却系统10能够实现最大的冷却能力。
另一方面，在包括初始冷却的目标冷却温度在内的比较低的温度范围(在图4中(b)中为约100K以下)中，提供冷却能力的最大值的最佳质量流量小于超低温冷却系统10的上限流量。例如，冷却温度为70K、50K、30K、20K时的最佳质量流量(m_opt(70K)、m_opt(50K)、m_opt(30K)、m_opt(20K))均小于最大额定流量m_max。
因此，在该低温范围中，通过将冷却气体流量从上限冷却气体流量减少至最佳流量，超低温冷却系统10能够实现最大的冷却能力。在图4中(b)中，虚线表示连结多个冷却能力曲线中的最大值的线。通过根据冷却引起的温度降低以及该虚线来减少冷却气体的质量流量，超低温冷却系统10能够针对每一冷却温度实现最大的冷却能力。
在超低温冷却系统10中，按照某一流量模式执行初始冷却时的温度变化是可以预测的。例如，通过使用适当的热力学模型来进行模拟试验，能够计算出初始冷却中的各时刻的被冷却物11的温度。尤其，被冷却物11在初始冷却期间处于不使用状态或怠速状态，因此可以将被冷却物11的发热量视为恒定，能够比较简单地进行计算。这种热力学运算中可以使用各种公知的方法，因此在此不进行详细叙述。
作为计算结果，可以获得预测冷却温度的经时变化。通过参考上述冷却能力曲线，可以从预测冷却温度求出冷却气体的最佳流量。因此，可以从各时刻的预测冷却温度确定提供使超低温冷却系统10的冷却能力在各时刻最大化的冷却气体流量的流量模式。如此，能够预先设定出图3中(b)所例示的流量模式。
从图4中(a)可知的另一个重要内容是，在初始冷却的目标冷却温度附近的超低温范围(在图4中(a)及(b)中为约40K以下)中，即便使冷却气体以超低温冷却系统10的上限流量流过，也不会产生冷却能力(即，会产生加热)。因此，即使如图2中(a)所示的比较例所涉及的流量模式那样使冷却气体以上限流量持续流过，也无法将被冷却物11冷却至目标冷却温度(如上所述，例如30K以下)。如此一来，将无法完成超低温冷却系统10的初始冷却。
图5是例示出实施方式所涉及的超低温冷却系统10的初始冷却的控制方法的流程图。图5所示的控制程序由控制装置40在启动超低温冷却系统10时执行。
首先，判定主开关48是否被操作(S10)。控制装置40的气体流量控制部42判定系统启动指示信号S2是否从主开关48输入至气体流量控制部42。若系统启动指示信号S2未输入(S10的“否”)，则无需进行初始冷却，因此结束处理。
若系统启动指示信号S2输入(S10的“是”)，则开始超低温冷却系统10的初始冷却。此时，使用计时器44来测定从初始冷却开始起的经过时间(S12)。接着，使用在初始冷却设定46中规定的流量模式，从经过时间确定目标冷却气体流量(S14)。气体流量控制部42根据初始冷却设定46的流量模式确定与经过时间相对应的目标冷却气体流量。
气体流量控制部42控制气体循环源12以使冷却气体以所确定的目标冷却气体流量流过被冷却物气体流路18(S16)。气体流量控制部42根据所确定的目标冷却气体流量生成实现该目标流量的气体循环源控制信号S1。气体循环源控制信号S1表示确定气体循环源12向冷却气体流路14供给的冷却气体的流量的气体循环源12的运转参数。气体循环源控制信号S1例如也可以表示驱动气体循环源12的马达的转速。或者，气体循环源控制信号S1也可以为表示所确定的目标冷却气体流量的气体流量指示信号。此时，气体循环源12可以构成为根据气体流量指示信号控制所供给的冷却气体流量。
气体流量控制部42判定从初始冷却开始起的经过时间是否达到了初始冷却完成时间(Tc)(S18)。若未达到初始冷却完成时间(S18的“否”)，则气体流量控制部42持续初始冷却。即，气体流量控制部42重新执行上述S12至S18。若达到了初始冷却完成时间(S18的“是”)，则气体流量控制部42结束初始冷却。
由此，能够在启动超低温冷却系统10时自动执行初始冷却。气体流量控制部42根据系统启动指示信号S2开始超低温冷却系统10的初始冷却，并根据规定的流量模式生成气体循环源控制信号S1，并向气体循环源12输出气体循环源控制信号S1。气体循环源12按照气体循环源控制信号S1运转，由此能够使目标冷却气体流量流过被冷却物气体流路18。若完成初始冷却，则可以开始被冷却物11的稳定冷却。
另外，初始冷却设定46可以具备与能够使用的多个目标冷却温度分别对应的多个流量模式。初始冷却的目标冷却温度例如由超低温冷却系统10的使用者设定。气体流量控制部42可以选择与所设定的目标冷却温度相对应的流量模式。气体流量控制部42可以根据所选择的流量模式确定目标冷却气体流量。
并且，在上述控制处理中，操作主开关48的同时自动开始超低温冷却系统10的初始冷却，但这并不是必需的。例如，也可以通过超低温冷却系统10的使用者的手动设定而与主开关48的操作单独地开始初始冷却。或者，也可以基于上级控制装置的控制而自动开始初始冷却。
图6中(a)表示超低温冷却系统10的初始冷却中的温度变化，图6中(b)表示初始冷却中使用的流量模式。在图6中(a)及(b)中示出了两个比较例所涉及的温度变化及实施例所涉及的初始冷却的温度变化。这些温度变化图表是由本发明人通过计算得出的计算结果。另外，为了减小运算负荷且良好地模拟出实际产生的温度变化，在若干个假设(例如，将被冷却物11的材料的热容量设为与温度无关地恒定等)下获得了该结果。
与图3中(b)所示的流量模式相同地，在实施例中使用的流量模式中，在初始冷却的前半阶段冷却气体流量固定为最大额定流量m_max，在初始冷却的后半阶段冷却气体流量设定为基于预测冷却温度的最佳流量m_opt。与图2中(a)所示的流量模式相同地，在比较例1中使用的流量模式中，冷却气体流量始终固定为最大额定流量m_max。与图2中(b)所示的流量模式相同地，在比较例2中使用的流量模式中，冷却气体流量始终固定为稳定运行冷却温度Tf下的最佳流量m_opt(Tf)。
在比较例1中，由于冷却气体以较大的流量流过，因此高温范围中的降温速度比较快。然而，如上所述，大流量的冷却气体无法在低温范围中产生冷却能力，因此在比较例1中，无法将温度降低至稳定运行冷却温度Tf。无法完成初始冷却。
在比较例2中，由于冷却气体以较小的流量流过，因此高温范围中的降温速度也变慢。不同于比较例1，能够将温度降低至稳定运行冷却温度Tf，能够完成初始冷却。然而，高温范围中的降温速度较慢，因此完成初始冷却需要花费比较长的时间。
根据实施例，在初始冷却的前半阶段使冷却气体以大流量流过，因此能够加快高温范围中的降温速度。尤其，通过使冷却气体以最大额定流量m_max流过，能够使超低温冷却系统10发挥可利用的最大冷却能力。在初始冷却的后半阶段，冷却气体流量随着时间的经过以最佳流量发生变化。因此，在初始冷却的后半阶段也能够利用较大的冷却能力。因此，能够缩短初始冷却所需时间。如图6所示，与比较例2相比，实施例中的初始冷却所需时间缩短了ΔT。
如上所述，根据实施方式所涉及的超低温冷却系统10，初始冷却按照规定的流量模式执行。规定的流量模式预先设定成使冷却气体从初始冷却开始时刻T0至过渡时刻T为止以第1平均流量m1流过冷却气体流路14，使冷却气体从过渡时刻T至初始冷却完成时刻Tc为止以第2平均流量m2流过冷却气体流路14。第2平均流量m2设为小于第1平均流量m1，使得超低温冷却系统10的冷却能力相比从过渡时刻T至初始冷却完成时刻Tc为止维持第1平均流量m1的情况增加。
由此，能够在初始冷却的前半阶段和后半阶段这两个阶段均增加超低温冷却系统10的制冷能力，从而有效地冷却被冷却物11，因此能够缩短初始冷却所需时间。
并且，例如，在使用测定温度对冷却气体流量进行反馈控制的其他方法中，需要温度测定传感器和反馈控制系统，因此结构会变得复杂。相对于此，根据实施方式，以开环控制方式控制冷却气体流量而不使用反馈控制，因此能够采用比较简单的控制系统，具有减少故障风险和降低成本的优点。
并且，控制装置40与气体循环源12的启动或气体循环源12及超低温制冷机22的启动同步地开始初始冷却。由此，自动统一进行气体循环源12等超低温冷却系统10的构成要件的启动和初始冷却，因此与分别单独进行这些处理的情况相比，对工作人员来说，超低温冷却系统10的操作性得到改善。
规定的流量模式预先设定成使冷却气体在初始冷却的前半阶段的至少一段时间以超低温冷却系统10的上限冷却气体流量流过冷却气体流路14。由此，如上所述，能够提高初始冷却的前半阶段(即，超低温冷却系统10的温度比较高的状态下)的冷却能力，从而能够有效地冷却被冷却物11。
规定的流量模式预先设定成使冷却气体在初始冷却的后半阶段的至少一段时间以使超低温冷却系统10的冷却能力在目标冷却温度下最大化的冷却气体流量流过冷却气体流路14。由此，如上所述，能够提高初始冷却的后半阶段的冷却能力，从而能够有效地冷却被冷却物11。
假设过渡时刻T过晚，则像比较例1那样超低温范围中的冷却会受阻，初始冷却有可能需要较长时间。并且，假设过渡时刻T过早，则像比较例2那样高温范围中的降温速度变快，有可能需要延长初始冷却的所需时间。因此，期待适当地设定过渡时刻T。过渡时刻T可以根据设计者的经验知识或设计者进行的实验或模拟试验等适当地设定。过渡时刻T的参考基准还可以如下提供。
过渡时刻T预先设定在第1基准时刻T1之后且第2基准时刻T2之前。第1基准时刻T1可以表示为通过初始冷却应从被冷却物11移除的热量与第1代表温度Tr1下的超低温冷却系统10的冷却能力之比。第2基准时刻T2可以表示为通过初始冷却应从被冷却物11移除的热量与第2代表温度Tr2下的超低温冷却系统10的冷却能力之比。第1代表温度Tr1和第2代表温度Tr2可以选自室温至目标冷却温度为止的温度范围中，第2代表温度Tr2可以低于第1代表温度Tr1。
即，过渡时刻T设定为“第1基准时刻T1≤过渡时刻T≤第2基准时刻T2”，该不等式还可以记载为如下。
[数式1]
Figure BDA0002602667890000171
在此，TRT为室温，TL为目标温度，Mi为冷却对象构件(例如，被冷却物11)的质量，cpi为冷却对象构件的(定压)比热。i表示构件的种类。Qcryocooler(Tr1)表示第1代表温度Tr1下的超低温制冷机22的制冷能力，Qcryocooler(Tr2)表示第2代表温度Tr2下的超低温制冷机22的制冷能力。在第2代表温度Tr2低于第1代表温度Tr1的情况下，通常Qcryocooler(Tr1)＞Qcryocooler(Tr2)。
总而言之，第1基准时刻T1提供被冷却物11被冷却至第1代表温度Tr1为止的时间的参考基准。第2基准时刻T2提供被冷却物11被冷却至第2代表温度Tr2为止的时间的参考基准。例如，第1代表温度Tr1可以为液氮温度或其附近的温度。第2代表温度Tr2可以为在稳定冷却中被冷却物11应维持的温度范围的上限温度或其附近的温度。由此，容易准确地设定过渡时刻T。另外，上述不等式中的超低温制冷机22的制冷能力无需为某一代表温度下的值，可以为某一温度范围中的制冷能力的平均值。
图7是概略地表示实施方式所涉及的超低温冷却系统10的另一例的图。图示的超低温冷却系统10的冷却气体的流路结构不同于图1所示的超低温冷却系统10，其余部分则大致相同。以下，主要对不同的结构进行说明，关于相同结构则进行简单的说明或省略说明。
超低温冷却系统10具备气体循环源12和冷却气体流路14。冷却气体流路14具备气体供给管路16、被冷却物气体流路18及气体回收管路20。超低温冷却系统10还具备超低温制冷机22、热交换器30及划定真空环境34的真空容器32。超低温制冷机22具备具有制冷机冷却台28的冷头26。气体循环源12配置于周围环境36中。
如上所述，冷却气体和超低温制冷机22的工作气体可以均为氦气。如此，在冷却气体和工作气体为相同气体的情况下，可以在超低温冷却系统10中设置1个共用的压缩机。即，气体循环源12不仅使冷却气体流过冷却气体流路14，而且还作为使工作气体在超低温制冷机22中循环的压缩机而发挥功能。
此时，为了控制冷却气体的流量，气体循环源12可以具备流量控制阀50，该流量控制阀50构成为控制流过被冷却物气体流路18的冷却气体流量。流量控制阀50构成为根据气体循环源控制信号S1控制所供给的冷却气体流量。
超低温冷却系统10设置有用于从气体循环源12向超低温制冷机22供给工作气体的制冷机供给管路52，并且超低温冷却系统10设置有用于将工作气体从超低温制冷机22回收至气体循环源12的制冷机回收管路54。制冷机供给管路52在周围环境36中从气体供给管路16分支并与冷头26连接，制冷机回收管路54在周围环境36中从气体回收管路20分支并与冷头26连接。
流量控制阀50在周围环境36中设置于气体供给管路16上。或者，流量控制阀50也可以在周围环境36中设置于气体回收管路20上。由此，能够将通用的流量控制阀用作流量控制阀50，与将流量控制阀50设置于真空环境34中的情况相比，在制造成本方面更有利。但是，流量控制阀50也可以设置于真空环境34中。
并且，超低温冷却系统10还具备具有气体流量控制部42、计时器44及初始冷却设定46的控制装置40和主开关48。
与已经叙述的实施方式相同地，如此也能够增加超低温冷却系统10的制冷能力，从而能够有效地冷却被冷却物11，因此能够缩短初始冷却所需时间。由于以开环控制方式控制冷却气体流量而不使用反馈控制，因此能够采用比较简单的控制系统，具有减少故障风险和降低成本的优点。
在像图1所示的超低温冷却系统10那样气体循环源12和超低温制冷机22的压缩机24分别单独设置的情况下，超低温冷却系统10也可以在冷却气体流路14上具备流量控制阀50。流量控制阀50例如可以在周围环境36中配置于气体供给管路16上。
以上，根据实施例对本发明进行了说明。本领域技术人员应当理解，本发明并不只限于上述实施方式，可以进行各种设计变更且能够具有各种变形例，并且这种变形例也在本发明的范围内。
在一种实施方式中说明的各种特征也可以适用于其他实施方式。通过组合而产生的新的实施方式兼具所组合的各实施方式的效果。
符号说明
10-超低温冷却系统，11-被冷却物，12-气体循环源，14-冷却气体流路，22-超低温制冷机，28-制冷机冷却台，40-控制装置，42-气体流量控制部，46-初始冷却设定，m1-第1平均流量，m2-第2平均流量，T-过渡时刻，T1-第1基准时刻，T2-第2基准时刻。
产业上的可利用性
本发明能够用于超低温冷却系统的领域中。

Claims (6)

1.一种超低温冷却系统，其特征在于，具备：
气体循环源，使冷却气体循环；
超低温制冷机，具备冷却所述冷却气体的制冷机冷却台；
冷却气体流路，使所述冷却气体从所述气体循环源流经所述制冷机冷却台被冷却，并使被冷却的冷却气体经由被冷却物流向所述气体循环源；及
控制装置，控制所述气体循环源以按照规定的流量模式执行所述被冷却物的从室温冷却至目标冷却温度的初始冷却，
所述规定的流量模式预先设定成使所述冷却气体从所述初始冷却开始至过渡时刻为止以第1平均流量流过所述冷却气体流路，使所述冷却气体从所述过渡时刻至所述初始冷却完成为止以第2平均流量流过所述冷却气体流路，
所述第2平均流量设为小于所述第1平均流量，使得超低温冷却系统的冷却能力相比从所述过渡时刻至所述初始冷却完成为止维持所述第1平均流量的情况增加。
2.根据权利要求1所述的超低温冷却系统，其特征在于，
所述控制装置与所述气体循环源的启动或所述气体循环源及所述超低温制冷机的启动同步地开始所述初始冷却。
3.根据权利要求1或2所述的超低温冷却系统，其特征在于，
所述规定的流量模式预先设定成使所述冷却气体在所述初始冷却开始至所述过渡时刻为止的期间的至少一段时间以所述超低温冷却系统的上限冷却气体流量流过所述冷却气体流路。
4.根据权利要求1或2所述的超低温冷却系统，其特征在于，
所述规定的流量模式预先设定成使所述冷却气体在所述过渡时刻至所述初始冷却完成为止的期间的至少一段时间以使所述超低温冷却系统的冷却能力在所述目标冷却温度下最大化的冷却气体流量流过所述冷却气体流路。
5.根据权利要求1或2所述的超低温冷却系统，其特征在于，
所述过渡时刻预先设定在第1基准时刻之后且第2基准时刻之前，
所述第1基准时刻表示为通过所述初始冷却应从所述被冷却物中移除的热量与第1代表温度下的所述超低温冷却系统的冷却能力之比，所述第2基准时刻表示为通过所述初始冷却应从所述被冷却物中移除的热量与第2代表温度下的所述超低温冷却系统的冷却能力之比，
所述第1代表温度和所述第2代表温度选自所述室温至所述目标冷却温度为止的温度范围中，所述第2代表温度低于所述第1代表温度。
6.根据权利要求1或2所述的超低温冷却系统，其特征在于，
所述控制装置具备：
初始冷却设定，其根据所述规定的流量模式预先设定所述初始冷却开始至完成为止的各时刻的目标冷却气体流量；及
气体流量控制部，其根据所述初始冷却设定和从所述初始冷却开始起的经过时间来确定所述目标冷却气体流量，并控制所述气体循环源以使所述冷却气体以所述目标冷却气体流量流过所述冷却气体流路。
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