CN114459166A - 超低温制冷机及超低温制冷机的启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明以低廉的价格提供检测初始冷却的完成的超低温制冷机。超低温制冷机(10)具备：膨胀机(14)，具有冷却台；排气温度传感器(48)，测定膨胀机(14)的排气温度，并输出表示测定排气温度的排气温度信号(T2)；及控制器(110)，在将冷却台从初始温度冷却至超低温的初始冷却的执行中，基于排气温度信号(T2)将测定排气温度与基准温度进行比较，在测定排气温度与基准温度之间的温度差在基准范围内时结束初始冷却。

Description

超低温制冷机及超低温制冷机的启动方法

本申请主张基于2020年11月9日申请的日本专利申请第2020-186513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中。

技术领域

本发明涉及一种超低温制冷机及超低温制冷机的启动方法。

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。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。这样的超低温制冷机的初始冷却还被称为降温。

专利文献1：日本特开2014-169813号公报

在典型的超低温制冷机中，为了知道初始冷却已完成，会在冷却至超低温的部位安装温度传感器，从而监视该温度传感器的测定温度。然而，能够测定超低温的温度传感器比较昂贵。

发明内容

本发明的一种实施方式的示例性目的之一在于，以低廉的价格提供检测初始冷却的完成的超低温制冷机。

根据本发明的一种实施方式，超低温制冷机具备：膨胀机，具有冷却台；排气温度传感器，测定膨胀机的排气温度，并输出表示测定排气温度的排气温度信号；及控制器，在将冷却台从初始温度冷却至超低温的初始冷却的执行中，基于排气温度信号将测定排气温度与基准温度进行比较，在测定排气温度与基准温度之间的温度差在基准范围内时结束初始冷却。

根据本发明的一种实施方式，超低温制冷机的启动方法具备以下步骤：执行将膨胀机的冷却台从初始温度冷却至超低温的初始冷却；在初始冷却的执行中，测定膨胀机的排气温度；及在初始冷却的执行中，将所测定的排气温度与基准温度进行比较，在所测定的排气温度与基准温度之间的温度差在基准范围内时结束初始冷却。

根据本发明的一种实施方式，超低温制冷机具备：膨胀机，具有冷却台；高压管路，与膨胀机连接，在高压管路中流过吸入至膨胀机的工作气体；低压管路，与膨胀机连接，在低压管路中流过从膨胀机排出的工作气体；及压力传感器，测定高压管路的压力或者低压管路的压力；及控制器，在将冷却台从初始温度冷却至超低温的初始冷却的执行中，基于由压力传感器测定的高压管路的压力或者低压管路的压力中的任一个压力来判定初始冷却是否完成。

根据本发明的一种实施方式，超低温制冷机的启动方法具备以下步骤：执行将膨胀机的冷却台从初始温度冷却至超低温的初始冷却；在初始冷却的执行中，测定吸入至膨胀机的工作气体的压力或者从膨胀机排出的工作气体的压力；及在初始冷却的执行中，基于所测定的吸入至膨胀机的工作气体的压力或者从膨胀机排出的工作气体的压力中的任一个压力来判定初始冷却是否完成。

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，能够以低廉的价格提供检测初始冷却的完成的超低温制冷机。

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是表示实施方式所涉及的超低温制冷机的初始冷却中的膨胀机的排气温度及吸气温度的变化的一例的图表。

图4是用于说明实施方式所涉及的超低温制冷机的启动方法的流程图。

图5是表示实施方式所涉及的超低温制冷机的初始冷却中的高压管路及低压管路的压力变化的一例的图表。

图6是用于说明实施方式所涉及的超低温制冷机的启动方法的流程图。

图中：10-超低温制冷机，14-膨胀机，46-吸气温度传感器，48-排气温度传感器，63-高压管路，64-低压管路，70-变频器，110-控制器，T1-吸气温度信号，T2-排气温度信号。

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。工作气体又被称为制冷剂气体，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。

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之间流动的工作气体导入到第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例如经由止转棒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(即，膨胀机马达42的运行频率)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与变频器70的电源。

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及压缩机框体58。高压气体出口50设置于压缩机框体58而作为压缩机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而作为压缩机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例如可以为涡漩式、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试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。并且，能够防止高压管路63的压力变得过大。

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。或者，控制装置100也可以以如下方式控制溢流阀60，即，根据第1测定压力信号P1将高压管路63的测定压力与上限压力进行比较，并在测定压力为上限压力以上时打开溢流阀60，在测定压力小于上限压力时关闭溢流阀60。作为另一例，溢流阀60也可以构成为作为所谓的安全阀额进行工作，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。因此，吸入至膨胀机14的工作气体在高压管路63中流动，从膨胀机14排出的工作气体在低压管路64中流动。

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设置在制冷机壳体20上而作为膨胀机14的工作气体吸入端口，低压气体出口24设置在制冷机壳体20上而作为膨胀机14的工作气体排出端口。如图1所示，在前端具有高压气体入口22的高压侧连接管25a及在前端具有低压气体出口24的低压侧连接管25b可以从制冷机壳体20延伸。高压侧连接管25a和低压侧连接管25b例如为刚性管，但也可以为挠性管。

膨胀机14的高压气体入口22通过高压配管65与压缩机12的高压气体出口50连接。膨胀机14的低压气体出口24通过低压配管66与压缩机12的低压气体入口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。高压配管65及低压配管66例如为挠性管，但也可以为刚性管。

另外，压缩机12内的旁通管路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。

在高压管路63的压力超过了上限压力时溢流阀60被打开，流过高压管路63的工作气体的一部分从高压流路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而回流至压缩机主体57，高压管路63的压力会下降。若高压管路63的压力变得低于上限压力，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。同样地，溢流阀60也可以调整高压管路63与低压管路64之间的压差不会超过设定压力。

并且，膨胀机14设置有吸气温度传感器46及排气温度传感器48。吸气温度传感器46构成为测定供给至膨胀机14的工作气体的温度(即，吸气温度)，并输出表示测定吸气温度的吸气温度信号T1。排气温度传感器48构成为测定从膨胀机14排出的工作气体的温度(即，排气温度)，并输出表示测定排气温度的排气温度信号T2。

吸气温度传感器46例如设置于膨胀机14的高压气体入口22上，排气温度传感器48例如设置于膨胀机14的低压气体出口24上。但是，吸气温度传感器46只要能够测定吸入至膨胀机14的工作气体的温度即可，其设置部位并不受限。例如，吸气温度传感器46可以设置于高压侧连接管25a的内部或者外表面、高压气体入口22与高压配管65之间、或者高压配管65的内侧或者外表面。同样地，排气温度传感器48只要能够测定从膨胀机14排出的工作气体的温度即可，其设置部位并不受限。例如，排气温度传感器48可以设置于低压侧连接管25b的内部或者外表面、低压气体出口24与低压配管66之间、或者低压配管66的内侧或者外表面。

如此，吸气温度传感器46与排气温度传感器48均设置于超低温制冷机10的非冷却部。这些温度传感器并不只限于设置在膨胀机14，也可以设置在气体管路62上。但是，为了避免受到周围环境温度变化(例如冷却)的影响并且为了准确地测定出吸入至膨胀机14的工作气体的温度及从膨胀机14排出的工作气体的温度，吸气温度传感器46与排气温度传感器48优选设置在膨胀机14或者其附近而不是设置在压缩机12。

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与吸气温度传感器46及排气温度传感器48电连接，从而获取吸气温度信号T1及排气温度信号T2。并且，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。

在图示的例中，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，在软件结构方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。若高压阀40a被关闭，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。若低压阀40b被关闭，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例如能够被冷却至第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时从初始温度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。初始温度可以为周围温度(例如，室温)。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、或者为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。如上所述，降温还可以称为初始冷却。

初始冷却只不过是利用超低温制冷机对对象物开始冷却的准备阶段，因此期望其所需时间尽可能短。因此，有时使用“加速冷却”。在加速冷却中，膨胀机马达42的运行频率被变频器70控制成例如比外部电源80的电源频率更高的频率。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。因此，通过加速冷却，能够缩短超低温制冷机10的降温时间。

乍一看，若使膨胀机马达42在初始冷却之后的稳态运行中也继续以高运行频率驱动，则超低温制冷机10可以持续发挥高制冷能力。然而，实际上并非如此。若使膨胀机马达42持续以高运行频率驱动，则制冷能力有时会反而下降而变得不够充分。

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，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，过剩的工作气体流量会变得越多，高压管路63与低压管路64之间的压差会变得越大。为了避免产生过大的压差，如上所述，工作气体可以通过旁通管路56回流。因此，在温度比稳态运行更高的初始冷却中(特别是初始冷却的最开始)，大量的过剩气体会通过旁通管路56回流从而会被浪费。在加速冷却中，通过增加膨胀机14中使用的工作气体的流量来减少回流的过剩气体，从而有效利用压缩机12的吐出流量。

因此，可以考虑在超低温制冷机上搭载自动控制功能，即，在超低温制冷机10的冷却台(例如第2冷却台35)上设置温度传感器，并利用该温度传感器来监视测定温度从而检测出初始冷却的完成，然后结束初始冷却(及加速冷却)并切换到稳态冷却。

然而，想要实现该功能，需要能够测定超低温的温度传感器，而这种温度传感器的价格比较昂贵。若为了避免成本的上升而未将超低温用的温度传感器搭载于超低温制冷机，则需要由超低温制冷机的使用者来判断初始冷却的完成并手动结束加速冷却，这会使得作业变得繁琐。或者，不得不放弃利用加速冷却，如此一来，降温时间的缩短会受到限制。

对此，本发明人发现了无需使用设置在超低温部的温度传感器即可检测出降温完成的其他简便且廉价的方法。在实施方式中，如后所述，控制器110构成为在将冷却台从初始温度冷却至超低温的初始冷却的执行中基于排气温度信号T2将测定排气温度与基准温度进行比较并在测定排气温度与基准温度之间的温度差在基准范围内时结束初始冷却。控制器110也可以构成为基于吸气温度信号T1将测定吸气温度用作基准温度。控制器110也可以构成为控制变频器70以使膨胀机马达42的运行频率在结束初始冷却时下降。

图3是表示实施方式所涉及的超低温制冷机的初始冷却中的膨胀机14的排气温度及吸气温度的变化的一例的图表。图3所示的温度变化是通过试验获取到的，在图3的上部显示了由排气温度传感器48和吸气温度传感器46测定的膨胀机14的排气温度和吸气温度。为了便于理解，还测定了第2冷却台35的冷却温度，并将其示于图3的下部。另外，此时，压缩机12的旁通管路56被控制成使高压管路63与低压管路64之间的压差恒定。

如图3所示，在启动超低温制冷机10的时刻(时刻0)，排气温度和吸气温度均为周围温度(例如，约25℃)。排气温度在开始初始冷却之后会上升到某一最高温度(例如，约42℃)，然后缓慢下降至周围温度。吸气温度在初始冷却期间与周围温度大致相等。如此，在周围温度不变的情况下，吸气温度也对应于周围温度而成为恒定。

从图表可知，排气温度与吸气温度之间的温度差在刚开始初始冷却之后会立即扩大，但随着对第2冷却台35进行冷却，温度差逐渐缩小。在第2冷却台35被冷却至上述的标准冷却温度(例如，约4K)的时刻A(在该例子中为约46分钟)，排气温度与吸气温度之间的温度差缩小至约7℃。随着时间的进一步推移，排气温度与吸气温度之间的温度差最终落入几摄氏度以内(例如，5℃以内或者3℃以内)。因此，可以视为初始冷却在时刻A、或者在排气温度与吸气温度之间的温度差进一步缩小的时刻B(在该例中，为温度差成为5℃以内的时刻)结束。

图4是用于说明实施方式所涉及的超低温制冷机10的启动方法的流程图。本方法在启动超低温制冷机10时由控制器110来执行。若启动超低温制冷机10，则开始初始冷却(S10)。此时，控制器110可以执行加速冷却，也可以控制变频器70以使膨胀机马达42的运行频率相比稳态运行中变高。初始冷却中的膨胀机马达42的运行频率可以高于从外部电源80流向变频器70的输入频率(例如，50Hz或者60Hz)。

测定膨胀机14的排气温度与吸气温度(S12)。如上所述，使用吸气温度传感器46和排气温度传感器48来进行测定。控制器110根据吸气温度信号T1获取膨胀机14的测定吸气温度，根据排气温度信号T2获取膨胀机14的测定排气温度。

将测定排气温度与基准温度进行比较(S14)。在该实施方式中，将测定吸气温度用作基准温度。控制器110判定测定排气温度与基准温度之间的温度差是否在基准范围内。若测定排气温度远远大于基准温度导致测定排气温度与基准温度之间的温度差超出了基准范围(S14的(i))，则继续进行初始冷却，之后再次测定膨胀机14的排气温度与吸气温度(S12)，并将测定排气温度与基准温度进行比较(S14)。

在此，基准范围例如可以为几摄氏度以内(例如，5℃以内)。基准范围可以根据设计者的经验或者由设计者进行的实验或模拟试验等适当地设定。基准范围由超低温制冷机10的使用者预先输入到控制器110或者预先设定于控制器110并保存在控制器110。

若测定排气温度与基准温度之间的温度差在基准范围内(S14的(ii))，则控制器110结束初始冷却并将超低温制冷机10切换到稳态运行(S16)。在执行加速冷却的情况下，控制器110控制变频器70以使膨胀机马达42的运行频率下降(S18)。即，控制器110控制变频器70以使膨胀机马达42的运行频率从初始冷却用的第1值变更为稳态运行用的第2值。稳态运行用的第2运行频率值小于初始冷却用的第1运行频率值，例如，等于或低于从外部电源80流向变频器70的输入频率(例如，50Hz或者60Hz)。

由此，超低温制冷机10结束初始冷却而开始稳态运行。能够将与第2冷却台35热连接的冷却对象物冷却至目标超低温度，从而在超低温下利用。

因此，根据实施方式所涉及的超低温制冷机10，在初始冷却的执行中，无需测定超低温冷却部(例如，第2冷却台35)的温度，根据膨胀机14的测定排气温度和测定吸气温度即可检测出初始冷却的完成。由于吸气温度传感器46和排气温度传感器48设置在超低温制冷机10的非冷却部，因此能够使用测定室温附近温度的通用的温度传感器。无需使用比这种温度传感器昂贵的超低温测定用的温度传感器。因此，能够以低廉的价格提供检测初始冷却的完成的超低温制冷机。

作为与测定排气温度进行比较的基准温度，使用测定吸气温度。假设超低温制冷机10的周围温度发生了变动，其影响会显现在排气温度和吸气温度这两者。根据实施方式，由于使用测定排气温度和测定吸气温度之间的温度差，因此能够抵消周围温度的变动带来的影响。

另外，并非一定要将测定吸气温度用作基准温度。在一种实施方式中，控制器110可以使用初始冷却开始时的测定排气温度作为基准温度。此时，超低温制冷机10可以不具备吸气温度传感器46，而且在步骤S12中，只需利用排气温度传感器48仅测定排气温度即可。并且，在能够获得周围温度的值的情况下，控制器110可以使用该周围温度值作为基准温度。控制器110也可以使用表示周围温度的温度值(可以是固定值)作为基准温度。

并且，根据实施方式，在结束初始冷却时使膨胀机马达42的运行频率下降，从而能够抑制稳态运行中的超低温制冷机10的制冷能力的下降。

在上述实施方式中，初始冷却中进行了加速冷却。然而，加速冷却并不是必须的。在一种实施方式中，初始冷却中的膨胀机马达42的运行频率可以与从外部电源80流向变频器70的输入频率(例如50Hz或者60Hz)相等，并在从初始冷却切换到稳态运行时，控制器110可以控制变频器70以使膨胀机马达42的运行频率下降。

另外，膨胀机马达42的运行频率也可以在初始冷却中或者稳态运行中进行调节。例如，控制器110可以在初始冷却中将膨胀机马达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。第1范围可以大于流向变频器70的输入频率，第2范围可以等于或低于流向变频器70的输入频率。

另外，也可以根据气体管路62的压力来检测出初始冷却的完成，从而代替胀机14的排气温度。接着，对这种实施方式进行说明。

图5是表示实施方式所涉及的超低温制冷机的初始冷却中的高压管路63及低压管路64的压力的变化的一例的图表。图5所示的压力变化是通过实验获取到的，在图4的上部显示了由第1压力传感器54和第2压力传感器55测定的高压管路63和低压管路64的压力。为了便于理解，还测定了第2冷却台35的冷却温度，并将其示于图5的下部。另外，此时，压缩机12的旁通管路56被控制成使高压管路63与低压管路64之间的压差恒定。

如图5所示，在启动超低温制冷机10的时刻(时刻0)，高压管路63的压力为约2.5MPa，低压管路64的压力为约0.7MPa。在初始冷却中，直到第2冷却台35被冷却至约20K为止，高压管路63和低压管路64的压力分别保持大致恒定。随着进一步冷却，第2冷却台35从约20K被冷却至约4K，与此大致同步地，高压管路63的压力从约2.5MPa下降到约2.3MPa，低压管路64的压力从约0.7MPa下降到约0.5MPa。

该压力下降基于用作工作气体的氦气的温度和密度之间的关系。氦气在20～30K左右的温度范围内时，与其他温度范围相比，密度显著提高。因此，在第2冷却台35被冷却至20～30K左右时，在膨胀机14的膨胀室中，氦气的密度增加，由此，氦气从气体管路62被膨胀室吸收。其结果，随着从高于该温度范围的高温朝向低温进行冷却，气体管路62的压力会下降。

因此，可以视为初始冷却在高压管路63的测定压力或者低压管路64的测定压力的变化量超过阈值而扩大的时刻C(在该例子中，压力下降量例如超过0.1MPa的时刻)结束。

图6是用于说明实施方式所涉及的超低温制冷机10的启动方法的流程图。本方法在启动超低温制冷机10时由控制器110来执行。若启动超低温制冷机10，则开始初始冷却(S10)。

测定高压管路63的压力或者低压管路64的压力(S22)。如上所述，使用第1压力传感器54或者第2压力传感器55来进行测定。控制器110可以根据第1测定压力信号P1获取高压管路63的压力，根据第2测定压力信号P2获取低压管路64的压力。

将测定压力的变化量与压力阈值进行比较(S24)。控制器110计算出测定压力的变化量，并将计算出的压力变化量与压力阈值进行比较。测定压力的变化量例如可以是当前的测定压力相对于初始冷却开始时刻获取到的测定压力的变化量。若测定压力的变动小且压力变化量低于压力阈值(S24的(i))，则继续进行初始冷却，然后再次测定压力(S22)，并将测定压力的变化量与压力阈值进行比较(S24)。

在此，控制器110可以计算出测定压力的移动平均，并计算出移动平均的变化量，将该压力变化量与压力阈值进行比较。压力阈值例如为0.1MPa左右。压力阈值可以根据设计者的经验或者由设计者进行的实验和模拟试验等适当地设定。

若测定压力的变化量高于压力阈值(S24的(ii))，则控制器110结束初始冷却并将超低温制冷机10切换到稳态运行(S16)。在执行加速冷却的情况下，控制器110控制变频器70以使膨胀机马达42的运行频率下降(S18)。如此，超低温制冷机10结束初始冷却而开始稳态运行。

如此，控制器110在初始冷却的执行中基于由压力传感器测定的高压管路63的压力或者低压管路64的压力中的任一个来判定初始冷却是否完成。因此，根据实施方式所涉及的超低温制冷机10，在初始冷却的执行中，无需测定超低温冷却部(例如第2冷却台35)的温度，根据高压管路63的压力或者低压管路64的压力即可检测出初始冷却的完成。

另外，控制器110可以基于高压管路63的压力判定初始冷却是否完成并且基于低压管路64的压力判定初始冷却是否完成。若基于高压管路63的压力的判定中及基于低压管路64的压力的判定中的至少一个判定中(优选为两者)表示初始冷却完成，则控制器110可以结束初始冷却并切换到稳态运行。

控制器110可以基于温度判定初始冷却是否完成并且基于压力判定初始冷却是否完成。基于温度的判定例如可以为参考图3及图4进行说明的基于测定排气温度与基准温度的比较的判定。基于压力的判定例如可以为参考图5及图6进行说明的基于测定压力的变化量与压力阈值的比较的判定。若基于温度的判定中及基于压力的判定中的至少一个判定中(优选为两者)表示初始冷却完成，则控制器110可以结束初始冷却并切换到稳态运行。

如上所述，若溢流阀60在控制装置100的控制下进行开闭，则在初始冷却与稳态运行中可以使用不同的设定压力。控制装置100可以以如下方式控制溢流阀60，即，在初始冷却中，将所测定的高压管路63和低压管路64之间的压差与初始冷却用的设定压力进行比较，若测定压差为该设定压力以上则打开溢流阀60，若测定压差小于该设定压力则关闭溢流阀60。并且，控制装置100也可以以如下方式控制溢流阀60，即，在稳态运行中，将所测定的高压管路63和低压管路64之间的压差与稳态运行用的设定压力进行比较，若测定压差为该设定压力以上则打开溢流阀60，若测定压差小于该设定压力则关闭溢流阀60。同样地，关于针对高压管路63确定的上限压力，也可以在初始冷却和稳态运行中使用不同的上限压力。

第1压力传感器54及第2压力传感器55等压力传感器无须一定要设置于压缩机12，也可以设置于能够测定压力的任意的部位(例如，气体管路62或膨胀机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，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 (7)

1.一种超低温制冷机，其特征在于，具备：

膨胀机，具有冷却台；

排气温度传感器，测定所述膨胀机的排气温度，并输出表示测定排气温度的排气温度信号；及

控制器，在将所述冷却台从初始温度冷却至超低温的初始冷却的执行中，基于所述排气温度信号将所述测定排气温度与基准温度进行比较，并在所述测定排气温度与所述基准温度之间的温度差在基准范围内时结束所述初始冷却。

2.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于，

还具备吸气温度传感器，所述吸气温度传感器测定所述膨胀机的吸气温度，并输出表示测定吸气温度的吸气温度信号，

所述控制器基于所述吸气温度信号将所述测定吸气温度用作所述基准温度。

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：

高压管路，与所述膨胀机连接，在所述高压管路中流过吸入至所述膨胀机的工作气体；

低压管路，与所述膨胀机连接，在所述低压管路中流过从所述膨胀机排出的工作气体；及

压力传感器，测定所述高压管路的压力或者所述低压管路的压力，

所述控制器在所述初始冷却的执行中基于由所述压力传感器测定的所述高压管路的压力或者所述低压管路的压力中的任一个压力来判定所述初始冷却是否完成。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，

还具备变频器，所述变频器控制驱动所述膨胀机的马达的运行频率，

所述控制器控制所述变频器以使所述马达的运行频率在结束所述初始冷却时下降。

5.一种超低温制冷机的启动方法，其特征在于，具备以下步骤：

执行将膨胀机的冷却台从初始温度冷却至超低温的初始冷却；

在所述初始冷却的执行中，测定所述膨胀机的排气温度；及

在所述初始冷却的执行中，将所测定的排气温度与基准温度进行比较，在所测定的排气温度与所述基准温度之间的温度差在基准范围内时结束所述初始冷却。

6.一种超低温制冷机，其特征在于，具备：

膨胀机，具有冷却台；

高压管路，与所述膨胀机连接，在所述高压管路中流过吸入至所述膨胀机的工作气体；

低压管路，与所述膨胀机连接，在所述低压管路中流过从所述膨胀机排出的工作气体；

压力传感器，测定所述高压管路的压力或者所述低压管路的压力；及

控制器，在将所述冷却台从初始温度冷却至超低温的初始冷却的执行中，基于由所述压力传感器测定的所述高压管路的压力或者所述低压管路的压力中的任一压力来判定所述初始冷却是否完成。

7.一种超低温制冷机的启动方法，其特征在于，具备以下步骤：

执行将膨胀机的冷却台从初始温度冷却至超低温的初始冷却；

在所述初始冷却的执行中，测定吸入至所述膨胀机的工作气体的压力或者从所述膨胀机排出的工作气体的压力；及

在所述初始冷却的执行中，基于所测定的吸入至所述膨胀机的工作气体的压力或者从所述膨胀机排出的工作气体的压力中的任一压力来判定所述初始冷却是否完成。

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