CN114279099A - 超低温制冷机及超低温制冷机的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于缩短超低温制冷机的降温时间。超低温制冷机(10)具备：压缩机(12)；膨胀机(14)，被膨胀机马达(42)驱动；变频器(70)，控制膨胀机马达(42)的运行频率；高压管路(63)，从压缩机(12)向膨胀机(14)供给高压的工作气体；低压管路(64)，从膨胀机(14)向压缩机(12)回收低压的工作气体；压力测定部，构成为测定高压管路(63)的压力及低压管路(64)的压力，或者测定高压管路(63)和低压管路(64)之间的压差；及控制器(110)，根据压力测定部的输出，将高压管路和低压管路之间的压差与目标压力进行比较，并在压差高于目标压力时控制变频器以使膨胀机马达的运行频率增加。

Description

超低温制冷机及超低温制冷机的控制方法

本申请主张基于2020年10月1日申请的日本专利申请第2020-167270号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考而援用于本说明书。

技术领域

本发明涉及一种超低温制冷机的及超低温制冷机的控制方法。

背景技术

超低温制冷机用于冷却在超低温环境下使用的超导设备、测定设备、试样等各种对象物。

专利文献1：日本特开平4-64869号公报

为了利用超低温制冷机冷却对象物，首先，需要启动超低温制冷机，并将超低温制冷机从室温等初始温度冷却至目标超低温温度。这还称为超低温制冷机的降温。由于降温只是用于开始冷却对象物的准备阶段，因此其所需时间越短越好。

发明内容

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制冷机的降温时间。

根据本发明的一种实施方式，超低温制冷机具备：压缩机；膨胀机，具有马达并被马达驱动；变频器，控制马达的运行频率；高压管路，连接压缩机与膨胀机以使高压的工作气体从压缩机供给至膨胀机；低压管路，连接压缩机与膨胀机以使低压的工作气体从膨胀机回收至压缩机；压力测定部，构成为测定高压管路的压力及低压管路的压力，或者测定高压管路与低压管路之间的压差；及控制器，根据压力测定部的输出，将高压管路和低压管路之间的压差与目标压力进行比较，并在压差高于目标压力时控制变频器以使马达的运行频率增加。

根据本发明的一种实施方式，提供一种超低温制冷机的控制方法。超低温制冷机具备：压缩机；膨胀机，具有马达并被马达驱动；变频器，控制马达的运行频率；高压管路，连接压缩机与膨胀机以使高压的工作气体从压缩机供给至膨胀机；低压管路，连接压缩机与膨胀机以使低压的工作气体从膨胀机回收至压缩机。本方法包括如下步骤：测定高压管路与低压管路之间的压差；将所测定的高压管路和低压管路之间的压差与目标压力进行比较；及在压差高于目标压力时，控制变频器以使马达的运行频率增加。

另外，以上构成要件的任意组合或在方法、装置及系统等之间相互替换本发明的构成要件和表述的方式也作为本发明的实施方式而有效。

根据本发明，能够缩短超低温制冷机的降温时间。

附图说明

图1是概略地表示实施方式所涉及的超低温制冷机的图。

图2是概略地表示实施方式所涉及的超低温制冷机的图。

图3是用于说明实施方式所涉及的超低温制冷机的控制方法的流程图。

图中：10-超低温制冷机，12-压缩机，14-膨胀机，56-旁通管路，60-溢流阀，63-高压管路，64-低压管路，70-变频器，110-控制器。

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，适当地设定了各部分的缩尺和形状，若无特别说明，其并不作限定性解释。实施方式为示例，其对本发明的范围并不作任何限定。实施方式中记载的所有特征或其组合并不一定是发明的本质。

图1及图2是概略地表示实施方式所涉及的超低温制冷机10的图。作为一例，超低温制冷机10为二级式的吉福德-麦克马洪(Gifford-McMahon；GM)制冷机。在图1中示意地示出了构成超低温制冷机10的压缩机12、膨胀机14以及控制装置100，在图2中示出了超低温制冷机10的膨胀机14的内部结构。

压缩机12构成为从膨胀机14回收超低温制冷机10的工作气体并将回收的工作气体升压后再次将工作气体供给至膨胀机14。由压缩机12和膨胀机14形成超低温制冷机10的制冷循环，由此超低温制冷机10能够提供所希望的超低温冷却。膨胀机14又被称为冷头。工作气体又称为制冷剂气体，其通常使用氦气，但也可以使用其他适当的气体。为了方便理解，在图1中用箭头表示了工作气体的流动方向。

另外，通常，从压缩机12供给至膨胀机14的工作气体的压力和从膨胀机14回收至压缩机12的工作气体的压力均远高于大气压，可以分别称为第1高压及第2高压。为了方便说明，将第1高压及第2高压分别简称为高压及低压。典型地，高压例如为2～3MPa。低压例如为0.5～1.5MPa，例如约为0.8MPa。为了方便理解，用箭头表示了工作气体的流动方向。

膨胀机14具备制冷机缸体16及置换器组件18。制冷机缸体16引导置换器组件18进行直线往复运动，并且在其与置换器组件18之间形成工作气体的膨胀室(32、34)。并且，膨胀机14具备压力切换阀40，其确定使工作气体流向膨胀室的吸气开始时刻及从膨胀室排出工作气体的排气开始时刻。

在本说明书中，为了便于说明超低温制冷机10的构成要件之间的位置关系，将靠近置换器的轴向往复移动的上止点的一侧标记为“上”、将靠近下止点的一侧标记为“下”。上止点是膨胀空间的容积变成最大时的置换器的位置，下止点是膨胀空间的容积变成最小时的置换器的位置。超低温制冷机10在运行时产生温度从轴向上的上方朝向下方下降的温度梯度，因此也能够将上侧称为高温侧，将下侧称为低温侧。

制冷机缸体16具有第1缸体16a及第2缸体16b。作为一例，第1缸体16a和第2缸体16b为圆筒状的部件，第2缸体16b的直径小于第1缸体16a的直径。第1缸体16a和第2缸体16b同轴配置，第1缸体16a的下端与第2缸体16b的上端刚性连结。

置换器组件18具备彼此连结在一起的第1置换器18a和第2置换器18b，它们一体地移动。作为一例，第1置换器18a和第2置换器18b为圆筒状的部件，第2置换器18b的直径小于第1置换器18a的直径。第1置换器18a与第2置换器18b同轴配置。

第1置换器18a容纳于第1缸体16a，第2置换器18b容纳于第2缸体16b。第1置换器18a能够沿着第1缸体16a沿轴向进行往复移动，第2置换器18b能够沿着第2缸体16b沿轴向进行往复移动。

如图2所示，第1置换器18a内容纳有第1蓄冷器26。第1蓄冷器26通过在第1置换器18a的筒状的主体部中填充例如铜等的金属丝网或者其他适当的第1蓄冷材料而形成。第1置换器18a的上盖部及下盖部可以是与第1置换器18a的主体部不同的部件，第1置换器18a的上盖部及下盖部可以通过紧固、焊接等适当的方法固定于主体，由此，第1蓄冷材料可以容纳于第1置换器18a中。

同样地，第2置换器18b内容纳有第2蓄冷器28。第2蓄冷器28通过在第2置换器18b的筒状的主体部中填充例如铋等非磁性蓄冷材料、HoCu₂等磁性蓄冷材料或者其他适当的第2蓄冷材料而形成。第2蓄冷材料可以为粒状。第2置换器18b的上盖部及下盖部可以是与第2置换器18b的主体部不同的部件，第2置换器18b的上盖部及下盖部可以通过紧固、焊接等适当的方法固定于主体，由此，第2蓄冷材料可以容纳于第2置换器18b。

置换器组件18在制冷机缸体16的内部形成室温室30、第1膨胀室32及第2膨胀室34。为了与应通过超低温制冷机10进行冷却的所希望的物体或者介质进行热交换，膨胀机14具备第1冷却台33和第2冷却台35。室温室30形成于第1置换器18a的上盖部和第1缸体16a的上部之间。第1膨胀室32形成于第1置换器18a的下盖部和第1冷却台33之间。第2膨胀室34形成于第2置换器18b的下盖部和第2冷却台35之间。第1冷却台33以包围第1膨胀室32的方式固定于第1缸体16a的下部，第2冷却台35以包围第2膨胀室34的方式固定于第2缸体16b的下部。

第1蓄冷器26通过形成于第1置换器18a的上盖部的工作气体流路36a与室温室30连通，并通过形成于第1置换器18a的下盖部的工作气体流路36b与第1膨胀室32连通。第2蓄冷器28通过从第1置换器18a的下盖部朝向第2置换器18b的上盖部形成的工作气体流路36c与第1蓄冷器26连通。并且，第2蓄冷器28通过形成于第2置换器18b的下盖部的工作气体流路36d与第2膨胀室34连通。

为了使在第1膨胀室32、第2膨胀室34和室温室30之间流动的工作气导入到第1蓄冷器26及第2蓄冷器28而不会导入到制冷机缸体16和置换器组件18之间的间隙，可以设置第1密封件38a及第2密封件38b。第1密封件38a可以以配置于第1置换器18a和第1缸体16a之间的方式安装于第1置换器18a的上盖部。第2密封件38b可以以配置于第2置换器18b和第2缸体16b之间的方式安装于第2置换器18b的上盖部。

如图1所示，膨胀机14具备容纳压力切换阀40的制冷机壳体20。制冷机壳体20与制冷机缸体16结合在一起，由此构成容纳压力切换阀40及置换器组件18的气密容器。

如图2所示，压力切换阀40构成为具备高压阀40a和低压阀40b并在制冷机缸体16内产生周期性的压力变动。压缩机12的工作气体吐出口经由高压阀40a与室温室30连通，压缩机12的工作气体吸入口经由低压阀40b与室温室30连通。高压阀40a和低压阀40b构成为选择性地且交替地进行开闭(即，其中一方打开时另一方关闭)。

压力切换阀40也可以采用回转阀的形式。即，压力切换阀40可以构成为通过阀盘相对于静止的阀主体的旋转滑动来交替开闭高压阀40a和低压阀40b。此时，膨胀机马达42可以连接于压力切换阀40以使压力切换阀40的阀盘旋转。例如，压力切换阀40以阀旋转轴与膨胀机马达42的旋转轴成为同轴的方式配置。

或者，高压阀40a和低压阀40b还可以是能够分别单独控制的阀，此时，压力切换阀40可以不与膨胀机马达42连结。

膨胀机马达42例如经由止转轭机构等运动转换机构43与置换器驱动轴44连结。膨胀机马达42安装于制冷机壳体20。与压力切换阀40同样地，运动转换机构43也容纳于制冷机壳体20内。运动转换机构43将膨胀机马达42所输出的旋转运动转换为置换器驱动轴44的直线往复运动。置换器驱动轴44从运动转换机构43朝向室温室30内延伸，并固定于第1置换器18a的上盖部。膨胀机马达42的旋转被运动转换机构43转换为置换器驱动轴44的轴向往复运动，置换器组件18在制冷机缸体16内沿轴向进行直线往复运动。

膨胀机马达42例如为由三相交流电驱动的永久磁铁式马达。膨胀机马达42的运行频率被变频器70控制。膨胀机马达42能够以与相当于变频器70的输出频率的膨胀机马达42的运行频率相应的转速进行动作。作为一例，变频器70的输出频率可以在30Hz至100Hz的范围内或者40Hz至70Hz的范围内进行变化。

膨胀机马达42及变频器70由商用电源(三相交流电源)等外部电源80进行供电。另外，膨胀机马达42及变频器70例如可以经由压缩机12与外部电源80连接从而得到供电，此时，可以将压缩机12视作膨胀机马达42和变频器70的电源。

并且，膨胀机14可以具备测定第2冷却台35(和/或第1冷却台33)的温度并输出表示测定温度的测定温度信号的温度传感器46。

压缩机12具备：高压气体出口50、低压气体入口51、高压流路52、低压流路53、第1压力传感器54、第2压力传感器55、旁通管路56、压缩机主体57及压缩机筐体58。高压气体出口50设置于压缩机框体58作为压缩机12的工作气体吐出端口，低压气体入口51设置于压缩机框体58作为压缩机12的工作气体吸入端口。高压流路52将压缩机主体57的吐出口连接于高压气体出口50，低压流路53将低压气体入口51连接于压缩机主体57的吸入口。压缩机框体58容纳高压流路52、低压流路53、第1压力传感器54、第2压力传感器55、旁通管路56及压缩机主体57。压缩机12还被称为压缩机单元。

压缩机主体57构成为在内部压缩从其吸入口吸入的工作气体并将其从吐出口吐出。压缩机主体57例如可以为涡旋式、回转式或使工作气体升压的其他泵。在该实施方式中，压缩机主体57构成为吐出固定且恒定的工作气体流量。或者，压缩机主体57也可以构成为能够改变吐出的工作气体流量。压缩机主体57还被称为压缩仓。

第1压力传感器54配置于高压流路52上从而测定流过高压流路52的工作气体的压力。第1压力传感器54构成为输出表示测出的压力的第1测定压力信号P1。第2压力传感器55配置于低压流路53上从而测定流过低压流路53的工作气体的压力。第2压力传感器55构成为输出表示测出的压力的第2测定压力信号P2。因此，还可以将第1压力传感器54及第2压力传感器55分别称为高压传感器及低压传感器。并且，在本说明书中，有时还将第1压力传感器54和第2压力传感器55中的任一个称为“压力传感器”，或将这两者统称为“压力传感器”。

旁通管路56将高压流路52连接于低压流路53以使工作气体迂回膨胀机14而从高压流路52朝向低压流路53回流。在旁通管路56上设置有溢流阀60，其用于开闭旁通管路56或者用于控制流过旁通管路56的工作气体的流量。溢流阀60构成为设定压力以上的压差作用于其出入口之间时被打开。溢流阀60可以为开闭阀或者流量控制阀，例如可以为电磁阀。设定压力可以根据设计者的经验或者设计者进行的实验或模拟试验等来适当进行设定。由此，能够防止高压管路63与低压管路64之间的压差超过该设定压力而变得过大。

作为一例，溢流阀60可以在控制装置100的控制下进行开闭。控制装置100可以以如下方式控制溢流阀60，即，将所测定的高压管路63和低压管路64之间的压差与设定压力进行比较，并在测定压差为设定压力以上时打开溢流阀60，在测定压差小于设定压力时关闭溢流阀60。控制装置100可以根据来自第1压力传感器54的第1测定压力信号P1和来自第2压力传感器55的第2测定压力信号P2来获取高压管路63和低压管路64之间的测定压差。作为另一例，溢流阀60也可以构成为作为所谓的安全阀而进行工作，即，设定压力以上的压差作用于其出入口之间时被机械性地开放。

另外，压缩机12还可以具有其他各种构成要件。例如，高压流路52上还可以设置有油分离器及吸附器等。低压流路53上还可以设置有储罐及其他构成要件。并且，压缩机12上还可以设置有利用油冷却压缩机主体57的油循环系统以及用于冷却油的冷却系统等。

并且，超低温制冷机10具备使工作气体在压缩机12与膨胀机14之间循环的气体管路62。气体管路62具备：高压管路63，将压缩机12连接于膨胀机14以使工作气体从压缩机12供给到膨胀机14；低压管路64，将压缩机12连接于膨胀机14以使工作气体从膨胀机14回收至压缩机12。在膨胀机14的制冷机壳体20上设置有高压气体入口22和低压气体出口24。高压气体入口22通过高压配管65与高压气体出口50连接，低压气体出口24通过低压配管66与低压气体入口51连接。高压管路63由高压配管65和高压流路52构成，低压管路64由低压配管66和低压流路53构成。旁通管路56也可以视作气体管路62的一部分。旁通管路56将高压管路63连接于低压管路64以使工作气体迂回膨胀机14而从高压管路63朝向低压管路64回流。

因此，从膨胀机14回收到压缩机12的工作气体从膨胀机14的低压气体出口24通过低压配管66进入压缩机12的低压气体入口51，进而经由低压流路53返回到压缩机主体57，并被压缩机主体57压缩而升压。从压缩机12供给至膨胀机14的工作气体从压缩机主体57通过高压流路52从压缩机12的高压气体出口50排出，进而经由高压配管65和膨胀机14的高压气体入口22供给至膨胀机14。

若高压管路63和低压管路64之间的压差变大而超过了溢流阀60的设定压力导致溢流阀60打开，则流过高压管路63的工作气体的一部分会从高压流路52朝向旁通管路56分流。旁通管路56与低压流路53合流，因此工作气体会迂回膨胀机14而回流到压缩机主体57，高压管路63和低压管路64之间的压差会变小。由此，若压差变得低于溢流阀60的设定压力，则溢流阀60被关闭，从高压管路63朝向低压管路64的通过旁通管路56的工作气体的流动会被切断。

如图1所示，控制超低温制冷机10的控制装置100具备控制变频器70的控制器110。控制器110与第1压力传感器54及第2压力传感器55电连接，从而获取第1测定压力信号P1及第2测定压力信号P2。并且，控制器110与温度传感器46电连接，从而获取来自温度传感器46的测定温度信号。

详细内容将在后面叙述，但控制器110以如下方式控制变频器70，即，根据第1测定压力信号P1及第2测定压力信号P2将高压管路63和低压管路64之间的压差与目标压力进行比较，并在压差高于目标压力时使膨胀机马达42的运行频率增加，在压差低于目标压力时使膨胀机马达42的运行频率减小。

在图示的例子中，控制装置100与压缩机12及膨胀机14分开设置并与它们连接，但并不只限于此。控制装置100也可以搭载于压缩机12。控制装置100还可以设置于膨胀机14(例如，搭载于膨胀机马达42等)。或者，控制器110与变频器70也可以分开设置，例如，将控制器110搭载于压缩机12并将变频器70搭载于膨胀机14等。

关于控制装置100，在硬件结构方面可以通过以计算机的CPU或存储器为代表的元件或电路来实现，在软件结构发面可以通过计算机程序等来实现，但是在图1中，适当地描绘成通过它们的协作来实现的功能框。本领域技术人员应当可以理解，这些功能框可以通过硬件和软件的组合以各种形式实现。

超低温制冷机10在压缩机12及膨胀机马达42运行时在第1膨胀室32及第2膨胀室34中产生周期性的容积变动及与其同步的工作气体的压力变动。典型地，在吸气工序中，通过使低压阀40b关闭且使高压阀40a打开，高压的工作气体从压缩机12通过高压阀40a流入室温室30，并通过第1蓄冷器26供给至第1膨胀室32，接着通过第2蓄冷器28供给至第2膨胀室34。由此，第1膨胀室32及第2膨胀室34从低压升至高压。此时，置换器组件18从下止点朝向上止点移动，第1膨胀室32与第2膨胀室34的容积增加。若使高压阀40a关闭，则吸气工序结束。

在排气工序中，通过使高压阀40a关闭且使低压阀40b打开，高压的第1膨胀室32及第2膨胀室34与压缩机12的低压的工作气体吸入口连通，因此工作气体在第1膨胀室32及第2膨胀室34内膨胀，其结果，变成低压的工作气体从第1膨胀室32及第2膨胀室34通过第1蓄冷器26及第2蓄冷器28朝向室温室30排出。此时，置换器组件18从上止点朝向下止点移动，第1膨胀室32与第2膨胀室34的容积减小。工作气体从膨胀机14通过低压阀40b后回收至压缩机12。若使低压阀40b关闭，则排气工序结束。

由此，形成制冷循环(例如，GM循环等)，第1冷却台33及第2冷却台35被冷却至所希望的超低温。第1冷却台33能够被冷却至第1冷却温度(例如，在约20K～约40K的范围内)。第2冷却台35能够被冷却至低于第1冷却温度的第2冷却温度(例如，约1K～约4K)。

超低温制冷机10能够执行稳态运行及稳态运行之前的降温运行。降温运行是在启动超低温制冷机10时从室温急剧冷却至超低温的运行模式，稳态运行是维持通过降温运行冷却至超低温的状态的超低温制冷机10的运行模式。超低温制冷机10通过降温运行被冷却至标准冷却温度，并在稳态运行中维持在包括该标准冷却温度的超低温的允许温度范围内。标准冷却温度根据超低温制冷机10的用途和设定而不同，例如在超导装置的冷却用途中，典型的标准冷却温度为约4.2K以下。在其他冷却用途中，标准冷却温度例如可以为约10K～20K、或者10K以下。从降温运行向稳态运行的切换可以被控制装置100控制。例如，控制装置100可以根据来自温度传感器46的测定温度信号将第2冷却台35(和/或第1冷却台33)的测定温度与上述标准冷却温度进行比较并在测定温度高于标准冷却温度时执行降温运行而在测定温度为标准冷却温度以下时将降温运行切换为稳态运行。

图3是用于说明实施方式所涉及的超低温制冷机10的控制方法的流程图。本控制方法在超低温制冷机10的运行中由控制器110以规定的周期反复执行。本控制方法也可以称作超低温制冷机10的加速冷却，该加速冷却至少在降温运行中执行。

因此，如图3所示，在本方法中，首先判定超低温制冷机10当前的运行模式是否为降温运行(S10)。控制器110根据表示超低温制冷机10当前的运行模式的信息来判定当前的运行模式是否为降温运行。表示当前的运行模式的信息可以以降温运行与稳态运行的切换处理结果的形式保存于控制器110。

若当前的运行模式为降温运行(S10的是)，则测定高压管路63和低压管路64之间的压差(S12)。该压差可以使用超低温制冷机10的压力测定部(例如，如上所述，使用第1压力传感器54及第2压力传感器55)进行测定。控制器110根据第1测定压力信号P1和第2测定压力信号P2来获取高压管路63与低压管路64之间的测定压差ΔPM

接着，将高压管路63和低压管路64之间的测定压差ΔPM与目标压力PT进行比较(S14)。目标压力PT的值设定成比使溢流阀60打开的上述设定压力小的压力值。但是，目标压力PT设定成尽量接近设定压力的压力值，例如，目标压力PT与设定压力之差可以在0.1MPa以内。目标压力PT可以比设定压力小例如0.03MPa至0.07MPa，例如可以小0.05MPa。在溢流阀60的设定压力例如为1.6MPa的情况下，目标压力PT例如可以小于1.6MPa且1.5MPa以上。目标压力PT例如可以在1.53MPa至1.57MPa的范围内，例如可以为1.55MPa。目标压力PT可以根据设计者的经验或者设计者进行的实验或模拟试验等而适当进行设定。目标压力PT由超低温制冷机10的使用者预先输入到控制器110，或者由控制器110自动设定并保存到控制器110。

控制器110将测定差压ΔPM与目标压力PT进行比较，并输出两者的大小关系作为比较结果。即，控制器110的比较结果表示如下三个状态中的任一个状态：(i)测定差压ΔPM大于目标压力PT、(ii)测定差压ΔPM小于目标压力PT、(iii)测定差压ΔPM与目标压力PT相等。

根据控制器110的比较结果来控制变频器70，并根据变频器70的输出频率来控制膨胀机马达42的运行频率。具体而言，(i)若测定压差ΔPM大于目标压力PT，则控制器110以使膨胀机马达42的运行频率增加的方式控制变频器70(S16)。(ii)若测定压差ΔPM小于目标压力PT，则控制器110以使膨胀机马达42的运行频率减小的方式控制变频器70(S18)。(iii)若测定压差ΔPM与目标压力PT相等，则无须使膨胀机马达42的运行频率增加或减小，因此控制器110以维持当前的运行频率的方式控制变频器70。另外，也可以将(iii)的情况包含于(i)或者(ii)的任一个中。

作为代替方案，也可以使目标压力PT在使膨胀机马达42的运行频率增加情况下和减小的情况下不同。例如，控制器110可以在测定压差ΔPM大于第1目标压力PT1时以使膨胀机马达42的运行频率增加的方式控制变频器70。控制器110可以在测定压差ΔPM小于第2目标压力PT2时以使膨胀机马达42的运行频率减小的方式控制变频器70。第2目标压力PT2可以小于第1目标压力PT1。若测定压差ΔPM在第1目标压力PT1与第2目标压力PT2之间，则控制器110可以以维持膨胀机马达42的当前的运行频率的方式控制变频器70。

在使膨胀机马达42的运行频率增加或者减小时，控制器110可以从膨胀机马达42的当前的运行频率的值增加或减小规定量的运行频率。但是，若在欲增加运行频率时当前的运行频率的值已经达到了上限值，则控制器110可以不增加运行频率而使其维持在该上限值。例如，若膨胀机马达42的运行频率的可采用的范围为30Hz～100Hz且当前的值已经为上限值100Hz，则控制器110不会使运行频率从100Hz进一步增加而是使其维持在100Hz。同样地，若在欲减小运行频率时当前的运行频率的值已经达到了下限值，则控制器110可以不减小运行频率而使其维持在该下限值。

或者，控制器110可以以(例如通过PID控制等反馈控制)调节膨胀机马达42的运行频率的方式控制变频器70，以使目标压力PT(也可以为第1目标压力PT1或者第2目标压力PT2)与测定压差ΔPM之间的偏差最小化。由此，控制器110可以以如下方式控制变频器70，即，将高压管路63和低压管路64之间的压差与目标压力进行比较，并在压差高于目标压力时使膨胀机马达42的运行频率增加，在压差低于目标压力时使膨胀机马达42的运行频率减小。

由此，在测定压差ΔPM高于目标压力PT时，膨胀机马达42的运行频率得到增加。若运行频率增加，则膨胀机14中用于冷却的工作气体流量会增加，因此，在压缩机12的吐出流量恒定(或者，即使吐出流量有变动但也微乎其微)的情况下，测定压差ΔPM会减小而接近目标压力PT，或者成为低于目标压力PT。并且，在测定压差ΔPM小于目标压力PT，膨胀机马达42的运行频率得到减小。由于膨胀机14中所使用的工作气体流量会减少，因此测定压差ΔPM会增加而接近目标压力PT，或者成为高于目标压力PT。

在该实施方式中，若当前的运行模式不是降温运行(当前的运行模式例如为稳态运行)(S10的否)，则控制器110不执行加速冷却。在当前的运行模式为稳态运行的情况下，膨胀机马达42的运行频率可以固定为恒定值，例如，从外部电源80输入到变频器70的输入频率或者低于该频率的值等。或者，在当前的运行模式为稳态运行的情况下，可以执行超低温制冷机10的调温控制，例如，可以根据来自温度传感器46的测定温度信号以(例如通过PID控制等反馈控制)调节膨胀机马达42的运行频率的方式控制变频器70，以使目标温度(例如上述的标准冷却温度)与测定温度的偏差最小化。

然而，在超低温制冷机10的运行中，假设测定压差ΔPM增加并超过了溢流阀60的设定压力，则溢流阀60被打开，多余的工作气体会通过旁通管路56进行回流，而该回流的工作气体对膨胀机14中的超低温冷却并不做贡献。为了使超低温制冷机10输出规定的制冷能力而膨胀机14所需的工作气体流量与依赖于冷却温度的工作气体的密度变化有关，因此温度越高，工作气体流量可以越少。因此，在压缩机12的吐出流量恒定的情况下，冷却温度越高，多余的工作气体流量就越多，测定压差ΔPM趋于变大。因此，尤其在启动超低温制冷机10时(即，在降温运行中)，大量的多余气体可能会通过旁通管路56回流而被浪费。

相对于此，根据实施方式所涉及的超低温制冷机10的加速冷却，能够在测定压差ΔPM高于目标压力PT时增加膨胀机马达42的运行频率，从而能够将多余的工作气体流量用在膨胀机14的超低温冷却。膨胀机马达42的运行频率的增加相当于每单位时间内的超低温制冷机10的制冷循环的次数的增加，因此能够使超低温制冷机10的制冷能力增加。由于在降温运行中多余的工作气体流量变多，因此该加速冷却适合在降温运行中提高超低温制冷机10的制冷能力。因此，根据实施方式，能够缩短超低温制冷机10的降温时间。

通常，超低温制冷机10的制冷能力与测定压差ΔPM成比例地变动，因此测定压差ΔPM下降会导致制冷能力的下降。然而，根据实施方式，在测定压差ΔPM低于目标压力PT时膨胀机马达42的运行频率得到减小。由此，膨胀机14中使用的工作气体流量减少，测定压差ΔPM得到恢复，因此能够防止或缓和制冷能力的下降。

并且，在该实施方式中，目标压力PT被设定为小于溢流阀60的设定压力的压力值。如此一来，在测定压差ΔPM增加时，在达到溢流阀60的设定压力之前会先达到目标压力PT，因此不用打开溢流阀60(即，不用使多余气体白白回流)，通过增加膨胀机马达42的运行频率能够提高超低温制冷机10的制冷能力。

并且，目标压力PT与设定压力之差在0.1MPa以内。如此一来，在关闭溢流阀60的状态下能够尽量将高压管路63与低压管路64之间的压差保持为较高，从而能够提高超低温制冷机10的制冷能力。

在上述的实施方式中，在降温运行中进行超低温制冷机10的加速冷却。然而，加速冷却不仅可以在降温运行中进行，也可以在稳态运行中进行。在稳态运行中进行加速冷却时，图3所示的流程中的步骤S10(即，判定超低温制冷机10的当前的运行模式的步骤)可以省略。

或者，控制器110也可以以如下方式控制变频器70，即，判定超低温制冷机10的当前的运行模式，并在超低温制冷机10处于降温运行的情况下，使膨胀机马达42的运行频率相比稳态运行中的运行频率变高。降温运行中的膨胀机马达42的运行频率可以高于从外部电源80输入到变频器70的输入频率(例如，50Hz或者60Hz)，稳态运行中的膨胀机马达42的运行频率可以低于或等于该输入频率。

例如，控制器110可以在降温运行中将膨胀机马达42的运行频率控制在第1范围内，在稳态运行中将膨胀机马达42的运行频率控制在第2范围内。第2范围可以为低于第1范围的运行频率。或者，控制器110可以在降温运行中从第1初始值开始控制膨胀机马达42的运行频率，在稳态运行中从第2初始值开始控制膨胀机马达42的运行频率。第2初始值可以为低于第1初始值的运行频率。第1范围(或者第1初始值)可以高于输入到变频器70的输入频率，第2范围(或者第2初始值)可以低于或等于输入到变频器70的输入频率。

在上述的实施方式中，作为用于测定高压管路63和低压管路64之间的压差的压力测定部，使用了第1压力传感器54和第2压力传感器55。然而，在一种实施方式中，作为压力测定部，例如也可以使用设置于旁通管路56或者溢流阀60上的压差传感器。

第1压力传感器54及第2压力传感器55等压力测定部无需一定要设置于压缩机12上，也可以设置于能够测定压力的任意部位(例如，气体管路62、膨胀机14等)上。例如，第1压力传感器54可以设置于高压管路63的任意部位上，第2压力传感器55可以设置于低压管路64的任意部位上。并且，同样地，旁通管路56和溢流阀60也无需一定要设置于压缩机12上，也可以配置于压缩机12的外部并且连接高压管路63和低压管路64。

在上述实施方式中，压缩机12构成为吐出固定且恒定的工作气体流量。然而，在一种实施方式中，压缩机12也可以构成为能够改变工作气体吐出流量。此时，控制器110可以在压缩机12被控制为吐出恒定的工作气体流量时执行上述的加速冷却。或者，控制器110可以以如下方式控制压缩机12，即，在测定压差ΔPM低于目标压力PT时维持膨胀机马达42的运行频率(或者使其增加)，并且使压缩机12的工作气体吐出流量增加。

在上述实施方式中，对超低温制冷机10为二级式的GM制冷机的例子进行了说明，但并不只限于此。超低温制冷机10也可以为单级式或者多级式的GM制冷机，而且也可以是其他类型的超低温制冷机，例如，具备驱动膨胀机的膨胀机马达的GM型脉管制冷机等。

以上，基于实施例对本发明进行了说明。本领域技术人员应当可以理解，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可以存在各种变形例，并且这种变形例也在本发明的范围内。

Claims (5)

1.一种超低温制冷机，其特征在于，具备：

压缩机；

膨胀机，具有马达并且被所述马达驱动；

变频器，控制所述马达的运行频率；

高压管路，连接所述压缩机与所述膨胀机以使高压的工作气体从所述压缩机供给到所述膨胀机；

低压管路，连接所述压缩机与所述膨胀机以使低压的工作气体从所述膨胀机回收至所述压缩机；

压力测定部，构成为测定所述高压管路的压力及所述低压管路的压力，或者测定所述高压管路与所述低压管路之间的压差；及

控制器，根据所述压力测定部的输出，将所述高压管路和所述低压管路之间的压差与目标压力进行比较，并在所述压差高于所述目标压力时控制所述变频器以使所述马达的运行频率增加。

2.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于，

在所述压差低于所述目标压力时，所述控制器控制所述变频器以使所述马达的运行频率减小。

3.根据权利要求1或2所述的超低温制冷机，其特征在于，还具备：

旁通管路，将所述高压管路连接于所述低压管路；及

溢流阀，设置于所述旁通管路上，并在设定压力以上的压差作用于其出入口之间时被打开，

所述目标压力设定为小于所述设定压力的压力值。

4.根据权利要求3所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述目标压力与所述设定压力之差在0.1MPa以内。

5.一种超低温制冷机的控制方法，其特征在于，

所述超低温制冷机具备：压缩机；膨胀机，具有马达并被所述马达驱动；变频器，控制所述马达的运行频率；高压管路，连接所述压缩机与所述膨胀机以使高压的工作气体从所述压缩机供给到所述膨胀机；及低压管路，连接所述压缩机与所述膨胀机以使低压的工作气体从所述膨胀机回收至所述压缩机，所述方法包括如下步骤：

测定所述高压管路与所述低压管路之间的压差；

将所测定的所述高压管路和所述低压管路之间的压差与目标压力进行比较；及

在所述压差高于所述目标压力时，控制所述变频器以使所述马达的运行频率增加。

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