CN117222854A - 超低温制冷机及超低温制冷机的运行方法 - Google Patents

Abstract

超低温制冷机(10)具备：膨胀机(14)，能够执行从初始温度冷却至超低温的初期冷却和在初期冷却之后接着进行的维持超低温的稳态运行；高压管路(63)，与膨胀机(14)连接且供被膨胀机(14)吸入的工作气体流过；低压管路(64)，与膨胀机(14)连接且供从膨胀机(14)排出的工作气体流过；第1压力传感器(54)，测量高压管路(63)的压力；缓冲容积(70)，储存工作气体；供给阀(72)，将缓冲容积(70)连接于低压管路(64)；及控制器(110)，在初期冷却期间根据由第1压力传感器(54)测量到的高压管路(63)的压力来控制供给阀(72)，以使高压管路(63)的压力保持在预先设定的适当压力范围内。

Description

超低温制冷机及超低温制冷机的运行方法

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运行方法。

背景技术

超低温制冷机用于冷却在超低温环境中使用的超导设备、测量设备、试样等各种对象物。使用超低温制冷机冷却对象物时，首先必须启动超低温制冷机从而将超低温制冷机从室温等初始温度冷却至目标超低温。这样的超低温制冷机的初期冷却还被称为降温。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平11-257768号公报

发明内容

发明要解决的技术课题

使用超低温制冷机冷却对象物时，首先必须启动超低温制冷机从而将超低温制冷机从室温等初始温度冷却至目标超低温。这样的超低温制冷机的初期冷却还被称为降温。初期冷却只不过是用于开始冷却对象物的准备工作，因此，期待其所需时间尽可能短。

本发明的一种实施方式的示例性的目的之一在于缩短超低温制冷机的初期冷却时间。

用于解决技术课题的手段

根据本发明的一种实施方式，提供一种超低温制冷机，其具备：膨胀机，能够执行从初始温度冷却至超低温的初期冷却和在初期冷却之后接着进行的维持超低温的稳态运行；高压管路，与膨胀机连接且供被膨胀机吸入的工作气体流过；低压管路，与膨胀机连接且供从膨胀机排出的工作气体流过；压力传感器，测量高压管路的压力；缓冲容积，储存工作气体；供给阀，将缓冲容积连接于低压管路；及控制器，在初期冷却期间根据由压力传感器测量到的高压管路的压力来控制供给阀，以使高压管路的压力保持在预先设定的适当压力范围内。

根据本发明的一种实施方式，提供一种超低温制冷机的运行方法。超低温制冷机具备：膨胀机；高压管路，与膨胀机连接且供被膨胀机吸入的工作气体流入；低压管路，与膨胀机连接且供从膨胀机排出的工作气体流入；压力传感器，测量高压管路的压力；缓冲容积，储存工作气体；及供给阀，将缓冲容积连接于低压管路。本方法包括如下工序：执行将膨胀机从初始温度冷却至超低温的初期冷却；在初期冷却之后接着执行将膨胀机维持在超低温的稳态运行。在初期冷却期间，根据由压力传感器测量到的高压管路的压力来控制供给阀，以使高压管路的压力保持在预先设定的适当压力范围内。

另外，以上的构成要件的任意组合或将本发明的构成要件或表述在方法、装置、系统等之间互相替换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，能够缩短超低温制冷机的初期冷却时间。

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4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5是表示实施方式所涉及的超低温制冷机的运行中的温度和压力变化的一例的图表。

图6中(A)及(B)是表示实施方式所涉及的超低温制冷机的运行中的压力变化的一例的图表。

图7是表示实施方式所涉及的超低温制冷机的运行中的温度和压力变化的一例的图表。

图8是概略地表示实施方式所涉及的超低温制冷机的图。

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的符号，并适当省略重复说明。为了便于说明，在各附图中，适当设定各部的缩尺或形状，除非另有特别说明，否则其并不作限定性解释。实施方式是例示，其并不对本发明的范围作任何限定。实施方式中所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。图1中示意地示出了制装置100及构成超低温制冷机10的压缩机12及膨胀机14，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，并使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构成超低温制冷机10的制冷循环，从而超低温制冷机10能够提供所期望的超低温冷却。膨胀机14还被称为冷头。工作气体又被称为制冷剂气体，通常为氦气，但也可以使用其他适当的气体。为了便于理解，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比大气压高很多，可以分别称为第1高压及第2高压。为了便于说明，还将第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。为了便于理解，利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和置换器组件18。制冷机缸体16引导置换器组件18进行直线往复运动，并且在制冷剂缸体16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，所述压力切换阀40确定朝向膨胀室供给工作气体的进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，为了说明超低温制冷机10的构成要件之间的位置关系，为了方便起见，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”。上止点为膨胀空间的容积成为最大的置换器的位置，下止点为膨胀空间的容积成为最小的置换器的位置。在超低温制冷机10运行时，产生温度从轴向上方朝向下方下降的温度梯度，因此也可以将上侧称为高温侧，将下侧称为低温侧。

制冷机缸体16具有第1缸体16a和第2缸体16b。作为一例，第1缸体16a和第2缸体16b为具有圆筒形状的部件，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的上端刚性地连结在一起。

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为具有圆筒形状的部件，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和第2置换器18b同轴配置。

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

如图2所示，第1置换器18a容纳第1蓄冷器26。在第1置换器18a的筒状的主体部内填充例如铜等的金属丝网或其他适当的第1蓄冷材料而形成第1蓄冷器26。第1置换器18a的上盖部及下盖部可以为与第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蓄冷材料容纳于第1置换器18a内。

同样地，第2置换器18b容纳第2蓄冷器28。在第2置换器18b的筒状的主体部内例如填充铋等非磁性蓄冷材料、HoCu₂等磁性蓄冷材料或其他适当的第2蓄冷材料而形成第2蓄冷器28。第2蓄冷材料可以形成为粒状。第2置换器18b的上盖部及下盖部可以为与第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蓄冷材料容纳于第2置换器18b内。

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冷却的所期望的物体或介质进行热交换，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的上盖部与第1缸体16a的上部之间。第1膨胀室32形成于第1置换器18a的下盖部与第1冷却台33之间。第2膨胀室34形成于第2置换器18b的下盖部与第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，并且通过形成于第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。

为了不让第1膨胀室32、第2膨胀室34与室温室30之间的工作气流导入到制冷机缸体16与置换器组件18之间的间隙而导入到第1蓄冷器26及第2蓄冷器28，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与第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与第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并且在制冷机缸体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连接，压缩机12的工作气体吸入口经由低压阀40b与室温室30连接。高压阀40a和低压阀40b构成为选择性地交替开闭(即，在其中一个阀打开的期间，另一个阀处于关闭状态)。

压力切换阀40也可以采用回转阀的形式。即，压力切换阀40也可以构成为通过使阀盘相对于静止的阀主体进行旋转滑动来交替地开闭高压阀40a和低压阀40b。此时，膨胀机马达42可以以使压力切换阀40的阀盘进行旋转的方式连结于压力切换阀40。例如，压力切换阀40配置成阀旋转轴与膨胀机马达42的旋转轴同轴配置。

或者，高压阀40a和低压阀40b也可以为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连结再看一起。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，由此置换器组件18在制冷机缸体16内沿轴向进行直线往复运动。

并且，膨胀机14也可以具备温度传感器46，所述温度传感器46测量第2冷却台35(和/或第1冷却台33)的温度并输出表示测量温度的测量温度信号。

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作为压缩机12的工作气体吐出端口而设置于压缩机框体58，低压气体入口51作为压缩机12的工作气体吸入端口而设置于压缩机框体58。高压流路52连接压缩机主体57的吐出口与高压气体出口50，低压流路53连接低压气体入口51与压缩机主体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例如可以为涡旋式泵、回转式泵或使工作气体升压的其他泵。在本实施方式中，压缩机主体57构成为吐出恒定的工作气体流量。或者，压缩机主体57也可以构成为使吐出的工作气体流量可变。压缩机主体57有时还被称为压缩仓。

第1压力传感器54配置于高压流路52上以测量流过高压流路52的工作气体的压力。第1压力传感器54构成为输出表示测量到的压力的第1测量压力信号PH。第2压力传感器55配置于低压流路53上以测量流经低压流路53的工作气体的压力。第2压力传感器55构成为输出表示测量到的压力的第2测量压力信号PL。因此，也可以将第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中的任一个或将两者统称为“压力传感器”。

旁通管路56连接高压流路52与低压流路53以使工作气体迂回膨胀机14而从高压流路52回流到低压流路53。在旁通管路56上设置有用于开闭旁通管路56或控制流过旁通管路56的工作气体的流量的安全阀60。安全阀60构成为设定压力以上的压差作用于其出入口之间时打开。安全阀60可以是开闭阀或流量控制阀，例如还可以是电磁阀。设定压力可以根据设计者的经验或设计者的实验或模拟试验等而适当设定。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。

安全阀60可以构成为作为所谓的安全阀而动作，即，可以在设定压力以上的压差作用于出入口之间时机械性地开放。或者，安全阀60也可以在控制装置100的控制下进行开闭。控制装置100可以以如下方式控制安全阀60：将所测量到的高压管路63与低压管路64之间的压差和设定压力进行比较，并在测量压差为设定压力以上时打开安全阀60，在测量压差低于设定压力时关闭安全阀60。控制装置100可以根据来自第1压力传感器54的第1测量压力信号PH和来自第2压力传感器55的第2测量压力信号PL来获取高压管路63与低压管路64之间的测量压差。作为另一例，控制装置100还可以以如下方式控制安全阀60：根据第1测量压力信号PH将高压管路63的测量压力与上限压力进行比较，在测量压力为上限压力以上时打开安全阀60，在测量压力低于上限压力时关闭安全阀60。

另外，压缩机12可以具有除此以外的各种构成要件。例如，可以在高压流路52上设置油分离器、吸附器等。可以在低压流路53上设置储罐及其他构成要件。并且，可以在压缩机12上设置使用油来冷却压缩机主体57的油循环系统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具备以从压缩机12向膨胀机14供给工作气体的方式连接压缩机12与膨胀机14的高压管路63、及以将工作气体从膨胀机14回收至压缩机12的方式连接压缩机12与膨胀机14的低压管路64。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可视为气体管路62的一部分。旁通管路56连接高压管路63与低压管路64以使工作气体迂回膨胀机14而从高压管路63回流到低压管路64。

因此，从膨胀机14回收至压缩机12的工作气体从膨胀机14的低压气体出口24经过低压配管66后进入压缩机12的低压气体入口51，之后进一步经由低压流路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经过高压流路52后从压缩机12的高压气体出口50排出，之后进一步经由高压配管65和膨胀机14的高压气体入口22供给至膨胀机14。

而且，超低温制冷机10具备缓冲容积70、供给阀72及回收阀74。缓冲容积70是用于储存工作气体的容积，例如，可以是缓冲罐。供给阀72将缓冲容积70连接于低压管路64，回收阀74将缓冲容积70连接于高压管路63。供给阀72和回收阀74可以是开闭阀或流量控制阀，例如，可以是电磁阀。

在超低温制冷机10停止运行的期间，缓冲容积70的压力成为封入于超低温制冷机10的工作气体的封入压力。在超低温制冷机10运行的期间(例如，初期冷却或稳态运行期间)，缓冲容积70的压力成为高压管路63的压力与低压管路64的压力之间的中间压力(例如，高压与低压的平均压力)。

因此，在超低温制冷机10的运行中，若使供给阀72打开，则工作气体从缓冲容积70经过供给阀72后供给至低压管路64。若使供给阀72关闭，则工作气体从缓冲容积70向低压管路64的供给被停止。并且，若使回收阀74打开，则工作气体从高压管路63经过回收阀74后回收至缓冲容积70。若使回收阀74关闭，则工作气体从高压管路63向缓冲容积70的回收被停止。由此，通过开闭供给阀72和回收阀74，能够调整在气体管路62内循环的工作气体的量，其结果，还能够控制高压管路63和低压管路64各自的压力。

如图1所示，控制超低温制冷机10的控制装置100具备控制供给阀72及回收阀74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电连接以获取第1测量压力信号PH及第2测量压力信号PL。如在后面所说明，控制器110构成为如下：从第1压力传感器54接收第1测量压力信号PH，并根据第1测量压力信号PH所表示的高压管路63的测量压力来开闭供给阀72及回收阀74。并且，控制器110与温度传感器46电连接以获取来自温度传感器46的测量温度信号。

在图示的例子中，控制装置100与压缩机12及膨胀机14分体设置并且与它们连接，但并不只限于此。控制装置100也可以搭载于压缩机12上。控制装置100还可以搭载于膨胀机马达42等上(即，设置于膨胀机14上)。控制器110也可以设置于供给阀72或回收阀74上或者还可以分别设置于供给阀72和回收阀74上。

控制装置100在硬件结构方面通过以计算机的CPU或存储器为代表的元件或电路来实现，在软件结构方面则通过计算机程序等来实现，但在图1中，适当地描绘了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，这些功能框能够通过硬件及软件的组合以各种形式实现。

在压缩机12及膨胀机马达42运行时，超低温制冷机10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，在进气工序中，通过使低压阀40b关闭且使高压阀40a打开，使高压的工作气体从压缩机12经过高压阀40a而流入室温室30，并且经过第1蓄冷器26供给至第1膨胀室32，接着经过第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从低压升压至高压。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及第2膨胀室34的容积增大。若使高压阀40a关闭，则进气工序结束。

在排气工序中，通过使高压阀40a关闭且使低压阀40b打开，使高压的第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中膨胀，其结果变为低压的工作气体从第1膨胀室32及第2膨胀室34经过第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及第2膨胀室34的容积减小。工作气体从膨胀机14经过低压阀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被冷却至所期望的超低温。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能够执行初期冷却和在初期冷却之后进行的稳态运行。初期冷却是在启动了超低温制冷机10时迅速从初始温度冷却至超低温的膨胀机14的运行模式，稳态运行是维持通过初期冷却而冷却至超低温的状态的膨胀机14的运行模式。初始温度可以为周围温度(例如室温)。膨胀机14基于初期冷却而被冷却至标准冷却温度，并在稳态运行中维持在包含该标准冷却温度的超低温的容许温度范围内。标准冷却温度根据超低温制冷机10的用途及设定而不同，例如在超导装置的冷却用途中，典型的标准冷却温度是约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10K以下。如上所述，初期冷却也可以被称为降温。

然而，进行初期冷却时，随着从初始温度降温至超低温，膨胀机14内的工作气体的密度会增加。随之，贮留在膨胀机14内的工作气体的量会增加，可以说工作气体从气体管路62被吸收到膨胀机14。其结果，随着膨胀机14得到冷却，在气体管路62内循环的工作气体的压力会逐渐降低。工作气体的压降会导致超低温制冷机10的制冷能力的降低，因此，可能会成为初期冷却所需时间变长的原因。初期冷却只不过是使用超低温制冷机开始冷却对象物的准备，因此，期待所需时间尽可能短。

为了应对这样的问题，在本实施方式中，控制器110在初期冷却期间根据由第1压力传感器54测量到的高压管路63的压力来控制供给阀72，以使高压管路63的压力保持在预先设定的适当压力范围内。更具体而言，控制器110可以在初期冷却期间将测量到的高压管路63的压力与适当压力范围的下限值Pc进行比较并使供给阀72动作以使其反复开闭，以免高压管路63的压力变得低于下限值Pc。

并且，在本实施方式中，控制器110在初期冷却期间根据由第1压力传感器54测量到的高压管路63的压力来控制回收阀74，以使高压管路63的压力保持在适当压力范围内。更具体而言，控制器110可以在初期冷却期间将测量到的高压管路63的压力与适当压力范围的上限值Pd进行比较并使回收阀74动作以使其反复开闭，以免高压管路63的压力超过上限值Pd。

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。在超低温制冷机10的初期冷却中，控制器110按照规定周期反复执行本方法。另外，本方法不仅可以在初期冷却期间执行，也可以继续在超低温制冷机10的稳态运行中执行。

首先，测量高压管路63的压力(S10)。第1压力传感器54测量高压管路63的压力并输出表示测量到的高压管路63的压力的第1测量压力信号PH。控制器110接收第1测量压力信号PH并获取高压管路的测量压力。

接着，将测量到的高压管路63的压力与适当压力范围进行比较(S12)。适当压力范围的下限值Pc设定成使超低温制冷机10提供充分的制冷能力。适当压力范围的上限值Pd设定成不会在高压管路63上产生过大的压力。适当压力范围的上限值Pd可以设定为比使安全阀60打开的上述设定压力小的压力值。适当压力范围可以根据设计者的经验或设计者的实验或模拟试验等而适当设定。适当压力范围可以作为超低温制冷机10的初始设定而预先保存在控制器110，或者也可以由使用者在超低温制冷机10的运行前在控制器110中设定。

作为一例，适当压力范围的上限值Pd和下限值Pc例如可以选自2MPa～3MPa的范围或2.1MPa～2.7MPa的范围。适当压力范围的幅度(即，适当压力范围的上限值Pd与下限值Pc之差)例如可以设定为0.5MPa以内、或0.3MPa以内、或0.1MPa以内的某一值。例如，适当压力范围可以设定为2.45±0.05MPa，此时适当压力范围的幅度为0.1MPa，上限值Pd为2.5MPa，下限值Pc为2.4MPa。

控制器110将高压管路63的测量压力与适当压力范围的下限值Pc进行比较，并且在高压管路63的测量压力低于下限值Pc时(PH＜Pc)，打开供给阀72(S14)。由此，工作气体从缓冲容积70经过供给阀72后供给至低压管路64。由于在气体管路62内循环的工作气体的量增加，因而高压管路63的压力得到恢复。

控制器110在高压管路63的测量压力恢复到了适当压力范围内时关闭供给阀72(S16)。例如，控制器110可以将高压管路63的测量压力与适当压力范围的下限值Pc进行比较，并且在高压管路63的测量压力变得下限值Pc以上时(PH＞Pc或Ph≥Pc)，关闭供给阀72。若使供给阀72关闭，则工作气体从缓冲容积70向低压管路64的供给被停止。由此，结束本方法并在下一个控制周期中再次执行本方法。

另外，关闭供给阀72的压力阈值可以与适当压力范围的下限值Pc不同，例如，可以大于下限值Pc。该压力阈值可以设定为不超过适当压力范围的上限值Pd。例如，压力阈值也可以是将适当压力范围的幅度(上限值Pd-下限值Pc)的规定比例相加于下限值Pc而得的值。规定比例例如可以是50％以下、30％以下、或10％以下的比例。

图4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。在超低温制冷机10的初期冷却中，控制器110按照规定周期反复执行本方法。本方法可以与图3所示的方法一同执行。另外，本方法不仅可以在初期冷却期间执行，也可以继续在超低温制冷机10的稳态运行中执行。

首先，使用第1压力传感器54来测量高压管路63的压力(S20)。控制器110从第1压力传感器54接收第1测量压力信号PH并获取高压管路的测量压力。

接着，将测量到的高压管路63的压力与适当压力范围进行比较(S22)。控制器110将高压管路63的测量压力与适当压力范围的上限值Pd进行比较，并且在高压管路63的测量压力大于上限值Pd时(PH＞Pd)，打开回收阀74(S24)。由此，工作气体从高压管路63经过回收阀74后回收至缓冲容积70中，高压管路63的压力下降。

控制器110在高压管路63的测量压力恢复到了适当压力范围内时，关闭回收阀74(S26)。例如，控制器110可以将高压管路63的测量压力与适当压力范围的上限值Pd进行比较，并在高压管路63的测量压力变为上限值Pd以下时(PH＜Pd或PH≤Pd)，关闭回收阀74。若使回收阀74关闭，则工作气体从高压管路63向缓冲容积70的回收被停止。由此，结束本方法并在下一个控制周期中再次执行本方法。

另外，关闭回收阀74的压力阈值可以与适当压力范围的上限值Pd不同，例如，可以小于上限值Pd。该压力阈值可以选自适当压力范围，即，可以大于适当压力范围的下限值Pc。

在超低温制冷机10的运行中，可以改变适当压力范围。例如，初期冷却中的适当压力范围可以与稳态运行中的适当压力范围不同，例如，可以高于稳态运行中的适当压力范围。例如，初期冷却中的下限值Pc可以高于稳态运行中的下限值Pc，和/或，初期冷却中的上限值Pd可以高于稳态运行中的上限值Pd。

此时，从初期冷却向稳态运行的切换及适当压力范围的变更可以通过控制装置100进行控制。例如，控制装置100可以根据来自温度传感器46的测量温度信号将第2冷却台35(和/或第1冷却台33)的测量温度与上述的标准冷却温度进行比较，并在测量温度高于标准冷却温度时执行初期冷却，而在测量温度为标准冷却温度以下时可以将初期冷却切换为稳态运行。控制器110也可以伴随从初期冷却向稳态运行的切换而改变适当压力范围。

并且，如参考图7及图8在后面进行说明那样，从初期冷却向稳态运行的切换及适当压力范围的变更也可以根据缓冲容积70的压力或高压管路63与低压管路64之间的压差来进行。如此一来，控制装置100无需依赖于温度传感器46即可完成超低温制冷机10的初期冷却。

在此，为了可靠地进行来自缓冲容积70的工作气体的供给，考虑缓冲容积70需要具备的条件。根据理想气体的状态方程，在超低温制冷机10停止运行的期间(即，初期冷却之前)，以下式成立。

PI(VH+VL+VB)＝nRT(1)

在此，PI(MPa)表示温度T(K)下的超低温制冷机10的工作气体封入压力，VH(L)表示高压管路63的容积，VL(L)表示低压管路64的容积，VB(L)表示缓冲容积70的容积，n(mol)表示超低温制冷机10内的工作气体量，R表示气体常数。

同样地，在超低温制冷机10的稳态运行中，以下式成立。

PHVH+PLVL+PBVB＝nRT(2)

在此，PH(MPa)表示温度T下的稳态运行中的高压管路63的压力，PL(MPa)表示温度T下的稳态运行中的低压管路64的压力，PB(MPa)表示温度T下的稳态运行中的缓冲容积70的压力。

根据式(1)及式(2)，得出PI(VH+VL+VB)＝PHVH+PLVL+PBVB(3)。

为了在超低温制冷机10的运行中的任意时刻从缓冲容积70向低压管路64供给工作气体，应在超低温制冷机10的从初始温度到超低温为止的温度范围内的任意温度T下满足以下式。

PL≤PB(4)

若解式(3)得出PB并代入式(4)，则可获得以下关系。

VB≥VH(PH-PI)/(PI-PL)-VL(5)

因此，为了可靠地从缓冲容积70向低压管路64供给工作气体，优选缓冲容积70在从初始温度到超低温为止的温度范围内的任意温度下满足式(5)。

同样地，为了可靠地向缓冲容积70回收气体，考虑缓冲容积70需要具备的条件。此时，为了在超低温制冷机10的运行中的任意时刻从缓冲容积70向高压管路63供给工作气体，应在超低温制冷机10的从初始温度到超低温为止的温度范围内的任意温度T下满足以下式。

PB≤PH(6)

若解式(3)得出PB并代入式(6)，则可获得以下关系。

VB≥-VH+VL(PI-PL)/(PH-PI) (7)

因此，为了可靠地从高压管路63向缓冲容积70回收工作气体，优选缓冲容积70在从初始温度到超低温为止的温度范围内的任意温度下满足式(7)。

图5是表示实施方式所涉及的超低温制冷机10的运行中的温度和压力的时间变化的一例的图表。图示的压力变化是通过实验获取的，在图5的上部示出了由第1压力传感器54测量到的高压管路63的压力PH和由第2压力传感器55测量到的低压管路64的压力PL。在图5的下部示出了第1冷却台33的温度T1和第2冷却台35的温度T2。横轴表示时间。

在启动超低温制冷机10之前(时刻0)，高压管路63的压力PH和低压管路64的压力PL均为封入压力PI，第1冷却台33的温度T1和第2冷却台35的温度T2均为室温(约300K)。若启动超低温制冷机10而开始初期冷却，则压缩机12和膨胀机14开始动作，高压管路63的压力PH从封入压力PI增加，低压管路64的压力PL从封入压力PI下降。通过初期冷却，第1冷却台33的温度T1和第2冷却台35的温度T2持续下降。若第1冷却台33和第2冷却台35分别被冷却至上述的标准冷却温度(例如，T1≤30K、T2≤4K)，则结束初期冷却并切换为稳态运行。

图6中(A)中放大地表示了图5所示的A部，图6中(B)中放大地表示了图5所示的B部。在图6中(A)中，与回收阀74的开闭状态一同示出了该开始初期冷却后的高压管路63的压力PH，在图6中(B)中，与供给阀72的开闭状态一同示出了比A部更延后的高压管路63的压力PH。

如图6中(A)所示，若高压管路63的压力PH超过了适当压力范围的上限值Pd，则打开回收阀74。工作气体从高压管路63经过回收阀74后回收至缓冲容积70中，因此高压管路63的压力PH会下降。若高压管路63的压力PH变得低于上限压力Pd，则关闭回收阀74。由此，能够避免高压管路63的过度升压。过度升压引起压缩机12紧急停止的风险得到降低。并且，缓冲容积70通过工作气体的回收而升压，因此能够有效地用于从缓冲容积70向低压管路64的工作气体的供给。

如图6中(B)所示，若高压管路63的压力PH变得低于适当压力范围的下限值Pc，则打开供给阀72。工作气体从缓冲容积70经过供给阀72供给至低压管路64。由于在气体管路62内循环的工作气体的量增加，因而高压管路63的压力得到恢复。若高压管路63的压力PH变得超过了下限值Pc，则关闭供给阀72。

如上所述，由于初期冷却中的膨胀机14的温度下降，因而膨胀机14内的工作气体的密度会增加，这会起到使高压管路63的压力PH下降的效果。因此，即便高压管路63的压力PH一时恢复，也会再次变得低于下限值Pc。此时，在此打开供给阀72，若高压管路63的压力恢复，则关闭供给阀72。由此，供给阀72以反复开闭的方式动作，以使高压管路63的压力PH维持在适当压力范围内。

假设初期冷却期间工作气体未供给至气体管路62，则高压管路63的压力PH可能会因膨胀机14的温度下降而显著下降。超低温制冷机10的制冷能力与高压管路63的压力PH有关，因此，随着初期冷却的进行，超低温制冷机10的制冷能力可能会降低。这会成为初期冷却所需时间变长的原因。

相对于此，根据实施方式，通过在初期冷却期间控制供给阀72，能够将高压管路63的压力PH维持在适当压力范围内。因此，能够可靠地保持超低温制冷机10的制冷能力，并能够抑制初期冷却时间的增加。并且，通过将高压管路63的压力PH保持为基本恒定，超低温制冷机10能够提供稳定的制冷能力。

在本实施方式中，由于设置有旁通管路56及安全阀60，因而在高压管路63的压力PH增加时能够使工作气体经过旁通管路56从高压管路63释放至低压管路64，从而能够抑制过度升压。然而，这种旁通流会减少从压缩机12供给至膨胀机14的工作气体的流量，因此可能会降低超低温制冷机10的制冷能力。然而，在本实施方式中，能够利用缓冲容积70将高压管路63的压力PH维持在适当压力范围内，因此无需依赖旁通流，因而有利。

为了将高压管路63的压力PH维持在适当压力范围，还可以考虑根据低压管路64的压力来控制供给阀72和回收阀74的方法。低压管路64的压力受到膨胀机14的冷却温度的影响(根据冷却温度而发生变动)。因此，在实际应用中，必须将低压管路64的适当压力范围(即，用于开闭供给阀72和回收阀74的低压管路64的压力阈值)设定为根据冷却温度而不同的值，因而控制的设计变得复杂。并且，即便低压管路64处于适当压力范围内，也有可能存在高压管路63的压力根据冷却温度而变得过高的现象。因此，像实施方式那样基于高压管路63的压力的方法在缓解或防止这样的不良情况方面有利。

图7是表示实施方式所涉及的超低温制冷机10的运行中的温度和压力的时间变化的一例的图表。图8是概略地表示实施方式所涉及的超低温制冷机10的图。

与上述的实施方式同样地，超低温制冷机10具备压缩机12、膨胀机14、缓冲容积70及控制装置100。控制器110在初期冷却期间根据由第1压力传感器54测量到的高压管路63的压力控制供给阀72，以使高压管路63的压力保持在预先设定的适当压力范围内。并且，控制器110在初期冷却期间根据由第1压力传感器54测量到的高压管路63的压力控制回收阀74，以使高压管路63的压力保持在适当压力范围内。

超低温制冷机10具备与缓冲容积70连接的缓冲压力传感器76以测量缓冲容积70的压力。缓冲压力传感器76构成为与控制装置100电连接并且将表示测量到的压力的测量缓冲压力信号PB输出到控制装置100。

在图7的上部示出了图5所示的高压管路63的压力PH及低压管路64的压力PL，并且还示出了由缓冲压力传感器76测量到的缓冲容积70的压力PB。在图7的下部示出了第1冷却台33的温度T1和第2冷却台35的温度T2。从图7可以看出，若初期冷却的结束后超低温制冷机10充分被冷却且第1冷却台33和第2冷却台35的温度变得稳定，则高压管路63的压力PH及低压管路64的压力PL也会变得稳定。此时，供给阀72和回收阀74均被关闭，缓冲容积70与气体管路62之间被断开。因此，缓冲容积70的压力PB也会变得恒定(图7所示的最终缓冲压力PF)。

因此，通过检测缓冲容积70的压力PB变得稳定的情况，能够判定初期冷却的结束。若已知超低温制冷机10的工作气体封入压力PI和运行条件(例如，高压PH、低压PL、温度T1、T2等)，则能够预测出初期冷却结束时的最终的缓冲容积70的压力。此时，控制器110也可以将最终缓冲压力的预测值与所测量到的缓冲容积70的压力PB进行比较，并且根据比较结果来判定缓冲容积70的测量压力PB是否等同于最终缓冲压力的预测值。控制器110还可以在缓冲容积70的测量压力PB等同于最终缓冲压力的预测值的状态持续了规定时间(例如数分钟)时结束初期冷却。

或者，控制器110也可以在初期冷却期间计算出缓冲容积70的测量压力PB与参考压力之差并检测计算出的压力差变得稳定的情况来判定初期冷却的结束。参考压力可以是之前测量出的缓冲容积70的压力，例如，也可以是在初期冷却期间测量出的缓冲容积70的压力的最大值PM。从图7可以看出，缓冲容积70的压力在刚开始初期冷却后从封入压力PI增加并达到最大值PM。

控制器110可以将计算出的压力差(即，缓冲容积70的测量压力PB与参考压力之差)与压力差目标值进行比较并根据比较结果来判定计算出的压力差是否等同于压力差目标值。控制器110可以在计算出的压力差等同于压力差目标值的状态持续了规定时间时结束初期冷却。规定时间例如可以选自1分钟以上且10分钟以下的范围。若计算出的压力差与压力差目标值之差在规定值(例如0.05MPa)以内，则能够视为计算出的压力差等同于压力差目标值。该压力差目标值不依赖于封入压力PI，因此，即便封入压力PI未知，也能够判定初期冷却的结束。

作为参考压力的另一例，也可以使用在测量缓冲容积70的测量压力PB的同时测量到的高压管路63的压力PH(或低压管路64的压力PL)。控制器110也可以计算出缓冲容积70的测量压力PB与高压管路63的测量压力PH(或低压管路64的测量压力PL)之差并检测计算出的压力差变得稳定的情况来判定初期冷却的结束。与上述例子同样地，控制器110可以将计算出的压力差与压力差目标值进行比较并在计算出的压力差等同于压力差目标值且维持了规定时间时结束初期冷却。

作为进一步的代替例，控制器110还可以计算出高压管路63的测量压力PH与低压管路64的测量压力PL之差并检测计算出的压力差变得稳定的情况来判定初期冷却的结束。

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，可以存在各种变形例，并且这样的变形例也在本发明的范围内。在一种实施方式中进行说明的各种特征也能够应用于另一实施方式中。通过组合而产生的新的实施方式兼具所组合的实施方式各自的效果。

在上述实施方式中，以膨胀机马达42以恒定的运行频率(马达转速)运转的情况(即，膨胀机马达42在初期冷却和稳态运行中以相同的运行频率运转的情况)为例进行了说明，但本发明并不只限于此。超低温制冷机10也可以具备运行频率可变的膨胀机马达42，可以在初期冷却期间执行使膨胀机马达42以高于稳态运行时的运行频率运转的所谓的加速冷却。此时，如上述的参考图7及图8进行说明的那样，从初期冷却(加速冷却)向稳态运行的切换及运行频率的变更可以根据缓冲容积70的压力或高压管路63与低压管路64之间的压差来进行。通过执行加速冷却，能够进一步缩短初期冷却时间。

第1压力传感器54及第2压力传感器55等压力传感器并非一定要设置于压缩机12上，也可以设置于气体管路62或膨胀机14等能够测量压力的任意部位。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，第2压力传感器55可以设置于低压管路64的任意部位。

在上述实施方式中，供给阀72和回收阀74分别准备了单独的阀并将其分别连接于缓冲容积70，但本发明并不只限于此。例如，供给阀72和回收阀74可以被一体化，例如可以是与缓冲容积70连接的三通阀。可以通过切换三通阀来切换将缓冲容积70连接于低压管路64的供给状态与将缓冲容积70连接于高压管路63的回收状态。

在上述实施方式中，缓冲容积70是单个缓冲罐，但在一种实施方式中，缓冲容积70也可以是多个缓冲罐。可以将一个缓冲罐经由供给阀72连接于低压管路64，将其他缓冲罐经由回收阀74连接于高压管路63。并且，在上述实施方式中，缓冲容积70配置于压缩机12及膨胀机14的外部，但并不只限于此。例如，缓冲容积70也可以配置于压缩机12内。

在上述实施方式中，以超低温制冷机10为二级式GM制冷机的情况为例进行了说明，但并不只限于此。超低温制冷机10也可以是单级式或多级式的GM制冷机，而且，还可以是脉管制冷机等其他类型的超低温制冷机。

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，可以存在各种变形例，并且这样的变形例也在本发明的范围内。

产业上的可利用性

本发明能够利用于超低温制冷机及超低温制冷机的运行方法的领域中。

符号说明

10-超低温制冷机，14-膨胀机，63-高压管路，64-低压管路，70-缓冲容积，72-供给阀，74-回收阀，76-缓冲压力传感器，110-控制器。

Claims (8)

1.一种超低温制冷机，其特征在于，具备：

膨胀机，能够执行从初始温度冷却至超低温的初期冷却和在所述初期冷却之后接着进行的维持所述超低温的稳态运行；

高压管路，与所述膨胀机连接且供被所述膨胀机吸入的工作气体流过；

低压管路，与所述膨胀机连接且供从所述膨胀机排出的工作气体流过；

压力传感器，测量所述高压管路的压力；

缓冲容积，储存工作气体；

供给阀，将所述缓冲容积连接于所述低压管路；及

控制器，在所述初期冷却期间根据由所述压力传感器测量到的所述高压管路的压力来控制所述供给阀，以使所述高压管路的压力保持在预先设定的适当压力范围内。

2.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述控制器在所述初期冷却期间将测量到的所述高压管路的压力与所述适当压力范围的下限值进行比较并使所述供给阀以反复开闭的方式进行动作，以免所述高压管路的压力变得低于所述下限值。

3.根据权利要求1或2所述的超低温制冷机，其特征在于，

在将所述缓冲容积表示为VB、将所述高压管路的容积表示为VH、将所述低压管路的容积表示为VL、将某一温度下的工作气体封入压力表示为PI、将在该温度下的所述稳态运行中的所述高压管路的压力表示为PH、将在该温度下的所述稳态运行中的所述低压管路的压力表示为PL时，在从所述初始温度到所述超低温为止的温度范围内的任意温度下，所述缓冲容积满足VB≥VH(PH-PI)/(PI-PL)-VL。

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，

还具备回收阀，所述回收阀将所述缓冲容积连接于所述高压管路，

所述控制器以使所述高压管路的压力保持在所述适当压力范围内的方式控制所述回收阀。

5.根据权利要求4所述的超低温制冷机，其特征在于，

在将所述缓冲容积表示为VB、将所述高压管路的容积表示为VH、将所述低压管路的容积表示为VL、将某一温度下的工作气体封入压力表示为PI、将在该温度下的所述稳态运行中的所述高压管路的压力表示为PH、将在该温度下的所述稳态运行中的所述低压管路的压力表示为PL时，在从所述初始温度到所述超低温为止的温度范围内的任意温度下，所述缓冲容积满足VB≥-VH+VL(PI-PL)/(PH-PI)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，

还具备缓冲压力传感器，所述缓冲压力传感器测量所述缓冲容积的压力，

所述控制器根据由所述缓冲压力传感器测量到的所述缓冲容积的压力来结束所述初期冷却。

7.一种超低温制冷机的运行方法，所述超低温制冷机具备：膨胀机；高压管路，与所述膨胀机连接且供被所述膨胀机吸入的工作气体流过；低压管路，与所述膨胀机连接且供从所述膨胀机排出的工作气体流过；压力传感器，测量所述高压管路的压力；缓冲容积；及供给阀，将所述缓冲容积连接于所述低压管路，所述方法的特征在于，

所述方法包括如下工序：

执行将所述膨胀机从初始温度冷却至超低温的初期冷却；

在所述初期冷却之后接着执行将所述膨胀机维持在所述超低温的稳态运行，

在所述初期冷却期间根据由所述压力传感器测量到的所述高压管路的压力来控制所述供给阀，以使所述高压管路的压力保持在预先设定的适当压力范围内。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括如下工序：

在所述初期冷却期间测量所述缓冲容积的压力；及

根据测量到的所述缓冲容积的压力来结束所述初期冷却。