JP2001304705A - 極低温冷却システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パルス管（１４）を有するスターリング型パ
ルス管冷凍機（Ｒ）により被冷却体（１）を極低温レベ
ルの設定温度に冷却するための極低温冷却システム
（Ｓ）に対し、その少なくとも圧縮機（４）を冷却ファ
ン（３３）により冷却する場合に、冷却ファン（３３）
の寿命を延ばして冷凍機（Ｒ）ないし冷却システム
（Ｓ）の信頼性を向上させる。 【解決手段】 冷却ファン（３３）を圧縮機（４）の表
面温度（Ｔ）に応じて、表面温度（Ｔ）がしきい値（Ｔ
Ｈ）以上のときには運転状態とし、表面温度（Ｔ）がし
きい値（ＴＨ）未満のときには運転停止状態とするよう
に切り換え、冷却ファン（３３）の累積運転時間を短く
してその寿命を延ばすようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、極低温冷凍機によ
り寒冷を発生させて被冷却体を冷却するための極低温冷
却システムに関し、特に、その信頼性を高めるための技
術分野に属する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種の極低温冷却システム
として、フリーディスプレーサ型スターリング冷凍機を
備えたものが知られている。このフリーディスプレーサ
型スターリング冷凍機は、極低温レベルの寒冷を発生さ
せる極低温冷凍機の一種であり、例えば特開平１０―３
３９５１０号公報等に示されているように、作動ガスを
圧縮する圧縮機と、この圧縮機から吐出された作動ガス
を膨張させる膨張機とを組み合わせてなる。圧縮機は、
密閉状のケーシング内に配置されたシリンダと、このシ
リンダ内に往復動可能に嵌挿され、シリンダ内空間に圧
縮空間を区画形成するピストンと、このピストンを往復
駆動する駆動源としてのリニアモータと、ピストンをケ
ーシングに往復動可能に弾性支持するピストンスプリン
グとを備え、リニアモータの駆動コイル（ドライブコイ
ル）に所定周波数の交流電流を通電することで、ピスト
ンをシリンダ内で往復移動させて圧縮空間で所定周期の
ガス圧を発生させる。

【０００３】一方、膨張機は、シリンダと、このシリン
ダ内に往復動可能に嵌挿され、シリンダ内空間を膨張空
間及び作動空間に区画するフリーディスプレーサと、こ
のフリーディスプレーサをシリンダに往復動可能に弾性
支持するディスプレーサスプリングとを備え、フリーデ
ィスプレーサ内には蓄冷材を充填してなる蓄冷器（再生
式熱交換器）が設けられ、作動空間は圧縮機の圧縮空間
に接続されており、圧縮機からの作動ガス圧によりフリ
ーディスプレーサを往復動させて作動ガスを膨張空間で
膨張させることにより、シリンダ先端のコールドヘッド
に寒冷を発生させ、この寒冷により被冷却体を極低温レ
ベルに冷却するようになっている。

【０００４】ところで、従来、極低温レベルの温度条件
下で正常に作動する超電導材料を用いた赤外線監視カメ
ラは知られており、この監視カメラについては、冷凍機
を備えた極低温冷却システムを用いて上記極低温レベル
に冷却保持する必要がある。

【０００５】このような赤外線監視カメラを屋外仕様と
して極低温冷却システムにより冷却する場合、筺体内に
赤外線監視カメラ、他の種々の電装部品、制御装置が冷
凍機及びその駆動用電源と共にオールインワンタイプに
収納される。さらに、雨や風の影響をなくして全天候に
適応するために、防水や防錆等の処理も必要であり、上
記筺体は完全密閉タイプのものが用いられる。

【０００６】しかし、このような極低温冷却システムに
おいては、冷凍機の長期間に亘る作動信頼性に難があっ
た。すなわち、冷却システムは赤外線監視カメラと共に
屋外で使用されるので、夏期や高温条件下では、冷却シ
ステムの環境温度が７０℃程度に上昇する一方、冬期や
寒冷地では−２０℃程度に低下する。上記の如く冷却シ
ステムの筺体は完全密閉されているので、その内部に収
納されている圧縮機や電装部品が発熱体となって、筺体
内部の温度が環境温度よりも＋２０〜＋３０℃は高くな
る。このため、冬期や寒冷地ではさほど問題はないが、
夏期や高温条件下では、圧縮機や電装部品が高い温度に
さらされ、それらの作動や寿命が大きな影響を受けて異
常状態に陥る虞れがある。

【０００７】そこで、従来、冷却ファンを設けて、その
ファンを連続運転させることで、筺体内で空気を循環さ
せて圧縮機等を強制的に冷却するようになされている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、その場合、
冷却ファンの軸受部等により決まる寿命は、その他の冷
凍機や電装部品等に比べて相対的に短く、この冷却ファ
ンの寿命により冷却システム全体の寿命が決定されてし
まい、そのために冷却システムを長期間に亘り高い信頼
性で作動させることは困難であった。

【０００９】本発明は斯かる点に鑑みてなされたもの
で、その主たる目的は、極低温冷凍機を用いた極低温冷
却システムに改良を加えることで、その冷却ファンの寿
命を延ばして、長期間に亘り冷凍機ないし冷却システム
の信頼性を向上させるようにすることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明では、冷却ファンを常に運転させる連続
運転ではなく、ＯＮ／ＯＦＦ切換えするか、或いはファ
ン回転数を可変制御することで、冷却ファンの運転時間
を少なくして、その寿命を延ばすようにした。

【００１１】具体的には、請求項１の発明では、作動ガ
スを圧縮する圧縮機（４）と、この圧縮機（４）により
圧縮された作動ガスを膨張させて極低温レベルの寒冷を
発生させる寒冷発生手段（８）とからなる極低温冷凍機
（Ｒ）を備えてなり、被冷却体（１）を極低温レベルの
設定温度に冷却するようにした極低温冷却システムとし
て、少なくとも上記圧縮機（４）を冷却する冷却ファン
（３３）と、上記冷却ファン（３３）の運転状態に関す
る所定の条件を検出する検出手段（３６）と、この検出
手段（３６）により検出された所定の条件に応じて上記
冷却ファン（３３）を運転状態又は運転停止状態に択一
的に切り換えるように制御する制御手段（３７）とを設
ける。

【００１２】上記の構成によると、冷却ファン（３３）
に運転により少なくとも圧縮機（４）が冷却される。そ
のとき、検出手段（３６）により冷却ファン（３３）の
運転状態に関する所定の条件が検出され、制御手段（３
７）により、上記冷却ファン（３３）が上記所定の条件
に応じて運転状態又は運転停止状態に択一的に切り換え
られる。このため、冷却ファン（３３）を連続運転する
場合に比べ、冷却ファン（３３）の累積運転時間が短く
なり、その分、冷却ファン（３３）の寿命を延ばすこと
ができ、冷却システムの信頼性を長期間に亘り維持する
ことができる。

【００１３】請求項２の発明では、上記請求項１の発明
と同様に、少なくとも圧縮機（４）を冷却する冷却ファ
ン（３３）と、冷却ファン（３３）の運転状態に関する
所定の条件を検出する検出手段（３６）とを設ける。そ
して、この検出手段（３６）により検出された所定の条
件に応じて上記冷却ファン（３３）の回転数を可変制御
する制御手段（３７）を設ける。

【００１４】このことで、制御手段（３７）により、冷
却ファン（３３）の回転数が所定の条件に応じて可変制
御される。この冷却ファン（３３）の回転数の可変制御
により回転数が低くなる状態が生じ、その分、冷却ファ
ン（３３）を連続運転する場合に比べて、冷却ファン
（３３）の寿命を延ばすことができ、冷却システムの信
頼性を長期間に亘り維持することができる。

【００１５】請求項３の発明では、請求項１の発明の極
低温冷却システムにおいて、制御手段（３７）は、冷却
ファン（３３）を運転状態に切り換えたときに該冷却フ
ァン（３３）の回転数を可変制御するように構成されて
いるものとする。こうすれば、冷却ファン（３３）の累
積運転時間が短くなるばかりでなく、その冷却ファン
（３３）の回転数の低下状態も得られ、冷却ファン（３
３）の寿命をさらに延ばして冷却システムの信頼性をよ
り一層長期間に亘り維持することができる。

【００１６】請求項４の発明では、少なくとも圧縮機
（４）を独立して冷却する複数の冷却ファン（３３
Ｍ），（３３Ｓ）を設け、そのうちのいずれか１つの冷
却ファン（３３Ｍ）の異常状態を検出する異常検出手段
（４０）を設ける。そして、制御手段（３７）は、上記
異常検出手段（４０）の検出対象である１つの冷却ファ
ン（３３Ｍ）の運転中に該冷却ファン（３３Ｍ）の異常
状態が異常検出手段（４０）により検出されたときに残
りの冷却ファン（３３Ｓ）を運転させるように切り換え
るものとする。

【００１７】このことで、冷却システムの運転初期には
いずれか１つの冷却ファン（３３Ｍ）が運転されて、少
なくとも圧縮機（４）が冷却される。そして、この冷却
ファン（３３Ｍ）の運転中にその異常状態の有無が異常
検出手段（４０）により検出され、異常状態となったと
きには、制御手段（３７）により、当該冷却ファン（３
３Ｍ）の運転が停止され、それに代えて残りの冷却ファ
ン（３３Ｓ）が運転される。こうすれば、複数の冷却フ
ァン（３３Ｍ），（３３Ｓ）の各々が異常状態になる
と、その都度、順に運転を切り換えることができるよう
になり、冷却ファン（３３Ｍ），（３３Ｓ）全体から見
た寿命をファン数だけ倍増させることができ、冷却シス
テムの信頼性をより一層長期間に亘り維持することがで
きる。

【００１８】請求項５の発明では、上記所定の条件は、
圧縮機（４）の表面温度（Ｔ）とする。また、請求項６
の発明では、所定の条件は、圧縮機（４）の入力値とす
る。さらに、請求項７の発明では、所定の条件は、冷凍
機の環境温度とする。これらの発明によると、望ましい
所定条件が得られる。

【００１９】請求項８の発明では、上記請求項１の発明
の対象と同様の極低温冷却システムであって、少なくと
も上記圧縮機（４）を独立して冷却する複数の冷却ファ
ン（３３Ｍ），（３３Ｓ）と、その少なくとも１つの冷
却ファン（３３Ｍ）の異常状態を検出する異常検出手段
（４０）と、この異常検出手段（４０）の検出対象であ
る１つの冷却ファン（３３Ｍ）の運転中に該冷却ファン
（３３Ｍ）の異常状態が異常検出手段（４０）により検
出されたときに残りの冷却ファン（３３Ｓ）を運転させ
るように切り換える制御手段（３７）とを設ける。この
発明によると、上記請求項４の発明と同様の作用効果が
得られる。

【００２０】

【発明の実施の形態】（実施形態１）図３は本発明の実
施形態１に係る極低温冷却システム（Ｓ）の全体構成を
示し、この冷却システム（Ｓ）は、例えば屋外仕様の赤
外線監視カメラのセンサ冷却用として用いられている。

【００２１】図３において、（１）は被冷却体であっ
て、この被冷却体（１）は極低温レベルの設定温度に冷
却保持された状態で正常に作動する、例えば高温超電導
材料を含む上記センサ等からなる。

【００２２】（Ｒ）は上記被冷却体（１）に対し寒冷を
付与して上記極低温レベルの設定温度に冷却保持するた
めのスターリング型パルス管冷凍機からなる極低温冷凍
機である。この冷凍機（Ｒ）の構成について図４により
説明すると、この冷凍機（Ｒ）は公知のダブルピストン
型圧縮機（４）を備えている。すなわち、この圧縮機
（４）は密閉状のケーシング（５）を有し、図示しない
が、このケーシング（５）内には円筒状のシリンダが配
置され、このシリンダ内には１対の対向するピストンが
往復動して互いに接離可能に嵌挿され、両ピストン間に
圧縮空間が区画されてヘリウム等の作動ガスが充填され
ている。各ピストンはケーシング（５）に対しピストン
スプリングを介して往復動可能に弾性支持され、各ピス
トンにはそれぞれリニアモータが駆動連結されており、
両リニアモータの駆動コイルに同期して交流を供給する
ことにより、両ピストンを所定の運転周波数で互いに接
離するように逆方向に同期して往復動させて、圧縮空間
に所定周期で変化するガス圧を発生させるようになされ
ている。（６）は圧縮機（４）のケーシング（５）にお
いて圧縮空間に対応する部分の周囲に突設された放熱フ
ィンで、上記圧縮空間で圧縮された作動ガスの放熱を行
うものである。

【００２３】上記圧縮機（４）の圧縮空間には連結管
（７）の一端が接続され、この連結管（７）の他端は寒
冷発生部（８）に接続されている。この寒冷発生部
（８）は、一端部（下端部）が上記連結管（７）の他端
に連結された蓄冷器（９）（再生式熱交換器）を備えて
いる。この蓄冷器（９）は、両端が開口された上下方向
に延びる筒体（１０）の内部に金属製メッシュ等からな
る蓄冷材（図示せず）を充填したもので、上記筒体（１
０）は円板からなる支持部（１２）上に筒体（１０）の
下端部を支持部（１２）上面に対し気密状に接合一体化
した状態で立設され、筒体（１０）の内部は支持部（１
２）に貫通形成した連通路（図示せず）を介して上記連
結管（７）に連通しており、圧縮機（４）の圧縮空間の
ガス圧の低下により後述のパルス管（１４）から作動ガ
スが圧縮空間に回収されるときに、その作動ガスの寒冷
を蓄冷器（９）の蓄冷材に熱交換により蓄冷する一方、
逆に圧縮空間のガス圧の増大により圧縮空間から作動ガ
スがパルス管（１４）に供給されるときにその作動ガス
に対し上記蓄冷材に蓄冷した寒冷を熱交換により与える
ようになっている。

【００２４】上記蓄冷器（９）の側方には、蓄冷器
（９）と平行に上下方向に延びるパルス管（１４）が配
置されている。このパルス管（１４）は、蓄冷器（９）
の筒体（１０）と略同じ長さで筒体（１０）よりも小径
の所定内径を有する管材からなり、その下端部を上記円
板状支持部（１２）上に対し気密状に接合一体化した状
態で立設されている。

【００２５】そして、上記蓄冷器（９）の筒体（１０）
上端部とパルス管（１４）の上端部との間には熱伝導率
の高い材料からなる極低温部としてのコールドヘッド
（１５）が掛け渡されていて、このコールドヘッド（１
５）により蓄冷器（９）及びパルス管（１４）の各上端
部同士が連結されて一体的に固定され、このコールドヘ
ッド（１５）に上記被冷却体（１）が伝熱するように接
触している。コールドヘッド（１５）内には、筒体（１
０）の内部とパルス管（１４）の内部とを連通する膨張
空間（図示せず）が貫通形成されている。

【００２６】上記パルス管（１４）下側の支持部（１
２）下面には所定の内径を有する細管からなるイナータ
ンス管（１７）の一端部が取付固定され、このイナータ
ンス管（１７）の内部はパルス管（１４）の下端部と支
持部（１２）に貫通形成した連通路（図示せず）を介し
て連通されている。そして、イナータンス管（１７）の
他端部はバッファ部（１９）内の密閉状のバッファ空間
（図示せず）に接続されており、イナータンス管（１
７）により作動ガス圧の位相を制御して、パルス管（１
４）内に作動ガスによる仮想的なピストンを形成し、こ
の仮想ピストンを圧縮機（４）からのガス圧によりパル
ス管（１４）内で往復動させて作動ガスをコールドヘッ
ド（１５）内の膨張空間で膨張させることにより、その
コールドヘッド（１５）に極低温レベルの寒冷を発生さ
せ、その寒冷により上記被冷却体（１）を同様の極低温
レベルの設定温度に冷却保持するようになされている。

【００２７】上記イナータンス管（１７）は、支持部
（１２）から垂下した後に圧縮機（４）の後側に延び
て、その大半部が圧縮機（４）の後側空間にまとめられ
て収容されている。一方、バッファ部（１９）は圧縮機
（４）の中央部の下側に配置されている。

【００２８】（２１）は上端が閉塞されかつ内部が真空
状態に保たれた有底円筒状の真空チャンバで、この真空
チャンバ（２１）内に上記蓄冷器（９）、パルス管（１
４）、コールドヘッド（１５）及び被冷却体（１）が下
端開口部から嵌挿されて真空断熱状態で収容されてお
り、その真空チャンバ（２１）の下端開口部を支持部
（１２）により気密状に閉塞することで、真空チャンバ
（２１）が密閉されている。

【００２９】また、上記圧縮機（４）におけるケーシン
グ（５）の左右中央部（放熱フィン（６），（６），
…）の前側には、圧縮機（４）を強制的に冷却する１つ
の冷却ファン（３３）が配設されており、この冷却ファ
ン（３３）の作動により空気を後方の圧縮機（４）側に
送って圧縮機（４）をイナータンス管（１７）及びバッ
ファ部（１９）と共に強制的に冷却するようにしてい
る。

【００３０】図２は上記冷却ファン（３３）を制御する
ための制御システムを示し、（３５）は冷却ファン（３
３）の運転を制御する制御装置で、この制御装置（３
５）には、上記圧縮機（４）の表面温度（Ｔ）（例えば
圧縮機（４）におけるケーシング（５）の表面温度）を
検出する温度センサ（３６）の出力信号が入力されてい
る。上記圧縮機（４）の表面温度（Ｔ）は本発明でいう
冷却ファン（３３）の運転状態に関する所定の条件であ
り、これを検出する温度センサ（３６）は検出手段を構
成している。

【００３１】上記制御装置（３５）において、冷却ファ
ン（３３）の運転制御のために行われる処理動作を図１
により説明すると、最初のステップＳ１で上記温度セン
サ（３６）により検出された圧縮機（４）の表面温度
（Ｔ）を読み込み、次のステップＳ２で該表面温度
（Ｔ）がしきい値（ＴＨ）以上かどうかを判定する。こ
の判定がＴ＜ＴＨのＮＯのときには、ステップＳ３に進
んで冷却ファン（３３）への電力供給をＯＦＦ状態にし
て該冷却ファン（３３）を運転停止状態にした後、終了
する。一方、ステップＳ２の判定がＴ≧ＴＨのＹＥＳの
ときには、ステップＳ４に進んで冷却ファン（３３）へ
の電力供給をＯＮ状態にして該冷却ファン（３３）を運
転状態にした後に終了する。以上により、この実施形態
では、ステップＳ２〜Ｓ４により、温度センサ（３６）
により検出された圧縮機（４）の表面温度（Ｔ）に応じ
て冷却ファン（３３）を運転状態又は運転停止状態に択
一的に切り換える制御手段（３７）が構成されている。

【００３２】次に、上記実施形態の極低温冷却システム
（Ｓ）の作動について説明する。その冷凍機（Ｒ）の運
転状態では、圧縮機（４）の両リニアモータの駆動コイ
ルに所定周波数の交流が同期して通電され、この通電に
伴い、両ピストンが各々の中立位置から互いに接離する
ように同期して逆向きに往復動し、両ピストンの接離に
より圧縮空間の容積が増減変化し、この圧縮空間内に所
定周期の圧力波が生じる。この圧縮空間は連結管
（７）、蓄冷器（９）及びコールドヘッド（１５）を介
してパルス管（１４）の一端部が接続され、このパルス
管（１４）の他端にはイナータンス管（１７）を介して
バッファ部（１９）が接続されているので、イナータン
ス管（１７）により作動ガス圧の位相が制御されて、パ
ルス管（１４）内に作動ガスによる仮想的なピストンが
形成され、この仮想ピストンが圧縮機（４）からのガス
圧によりパルス管（１４）内で圧縮空間（１１）の圧力
波と同じ周期で往復動して作動ガスがコールドヘッド
（１５）内の膨張空間で膨張し、この作動ガスの膨張に
より寒冷が生じてコールドヘッド（１５）が極低温レベ
ルに冷却され、そのコールドヘッド（１５）に伝熱可能
に配置された被冷却体（１）が同じ極低温レベルの設定
温度に保持される。

【００３３】そのとき、上記圧縮機（４）の表面温度
（Ｔ）が温度センサ（３６）により検出され、この圧縮
機（４）の表面温度（Ｔ）に応じて、圧縮機（４）の前
側に位置する冷却ファン（３３）が運転状態又は運転停
止状態に択一的に切り換えられる。すなわち、圧縮機
（４）の表面温度（Ｔ）がしきい値（ＴＨ）以上の高い
ときには、冷却ファン（３３）への電力供給がＯＮ状態
にされて冷却ファン（３３）が運転状態になり、この冷
却ファン（３３）の運転により空気が圧縮機（４）（そ
のケーシング（５）周りの放熱フィン（６），（６），
…）、イナータンス管（１７）及びバッファ部（１９）
に送られてそれらが冷却される。

【００３４】これに対し、圧縮機（４）の表面温度
（Ｔ）がしきい値（ＴＨ）未満の低いときには、冷却フ
ァン（３３）への電力供給がＯＦＦ状態にされて冷却フ
ァン（３３）が運転停止状態になり、上記圧縮機
（４）、イナータンス管（１７）及びバッファ部（１
９）に対する冷却は行われない。

【００３５】このように、冷却ファン（３３）が圧縮機
（４）の表面温度（Ｔ）に応じて運転状態又は運転停止
状態に択一的に切り換えられるので、冷却ファン（３
３）を常に最大出力で連続運転する場合に比べ、冷却フ
ァン（３３）の累積運転時間が短くなり、その分、冷却
ファン（３３）の寿命を延ばすことができ、冷却システ
ム（Ｓ）の信頼性を長期間に亘り維持することができ
る。

【００３６】また、上記極低温冷凍機（Ｒ）（パルス管
冷凍機）のイナータンス管（１７）及びバッファ部（１
９）についても、圧縮機（４）と共に冷却ファン（３
３）の送風空気により強制的に冷却されるので、そのイ
ナータンス管（１７）及びバッファ部（１９）を筺体
（１）の外側で効率よく冷却することができ、その分、
極低温冷凍機（Ｒ）の性能をさらに向上させて冷却シス
テム（Ｓ）の消費電力を低減すること等ができる。

【００３７】尚、上記実施形態では、圧縮機表面温度
（Ｔ）のしきい値（ＴＨ）を１つとしているが、高低２
つのしきい値を設け、表面温度（Ｔ）が高い側のしきい
値以上に上昇したときに冷却ファン（３３）を運転さ
せ、表面温度（Ｔ）が低い側のしきい値未満に下がった
ときに冷却ファン（３３）を運転停止させるようにして
もよく、冷却ファン（３３）の運転のハンチングを防止
することができる。

【００３８】（実施形態２）図５及び図６は本発明の実
施形態２を示し（尚、以下の各実施形態では、図１〜図
４と同じ部分については同じ符号を付してその詳細な説
明は省略する）、上記実施形態１では、冷却ファン（３
３）を運転状態又は運転停止状態に択一的に切り換える
ようにしているだけであるのに対し、その運転状態にあ
るときにファン（３３）の回転数を変えるようにしたも
のである。

【００３９】すなわち、この実施形態では、図５に示す
処理動作におけるステップＳ１〜Ｓ４は上記実施形態１
のものと同じであり（図１参照）、ステップＳ４の後は
ステップＳ５に進む。このステップＳ５では、予め設定
された圧縮機表面温度（Ｔ）と冷却ファン（３３）によ
る必要風量との関係から、温度センサ（３６）により検
出された表面温度（Ｔ）に対応する風量を算出し、その
風量になるように冷却ファン（３３）への供給電圧を制
御してその回転数を制御し、しかる後に終了する。

【００４０】上記圧縮機表面温度（Ｔ）と冷却ファン
（３３）による必要風量との関係は、図６に示すよう
に、例えば圧縮機（４）の表面温度（Ｔ）がしきい値
（ＴＨ）以上にあるときに、その温度が上昇するに連れ
てファンの風量が比例して増加し、予想される表面温度
（Ｔ）の最大値（Ｔｍａｘ）のときに風量が最大風量
（Ｑｍａｘ）になるように設定されている。その他の構
成は上記実施形態１と同様である。よって、この実施形
態では、制御手段（３７）は、温度センサ（３６）によ
り検出された圧縮機表面温度（Ｔ）に応じて冷却ファン
（３３）の回転数を可変制御するようになっている。

【００４１】したがって、この実施形態においては、制
御装置（３５）により、冷却ファン（３３）が運転状態
に切り換えられているとき、その回転数が圧縮機（４）
の表面温度（Ｔ）に応じて可変制御され、圧縮機表面温
度（Ｔ）が高くなるに連れてファン回転数が上昇するよ
うに制御される。このような冷却ファン（３３）の回転
数の可変制御により、回転数が低くなる状態が生じるた
め、冷却ファン（３３）の累積運転時間が短くなるのみ
ならず、その冷却ファン（３３）の運転状態での回転数
の低下状態も得られるようになり、冷却ファン（３３）
を連続運転する場合に比べて、冷却ファン（３３）の寿
命をさらに延ばして冷却システム（Ｓ）の信頼性をより
一層長期間に亘り維持することができる。

【００４２】尚、この実施形態２では、冷却ファン（３
３）が運転状態に切り換えられたときのみにその回転数
を可変制御するようにしているが、そうではなくて、冷
却ファン（３３）の運転状態又は運転停止状態の切換え
を行うことなく、直接に、冷却ファン（３３）の回転数
を圧縮機（４）の表面温度（Ｔ）に応じて可変制御する
ようにしてもよく、同様の作用効果を奏することができ
る。

【００４３】（実施形態３）図７及び図８は実施形態３
を示し、複数の冷却ファンを設けて、それらを切り換え
るようにしたものである。すなわち、この実施形態で
は、図８に示すように、圧縮機（４）の前側に、上記実
施形態１の冷却ファン（３３）（図３参照）と同様のメ
イン冷却ファン（３３Ｍ）と、このメイン冷却ファン
（３３Ｍ）の左右両側に位置する２つのサブ冷却ファン
（３３Ｓ），（３３Ｓ）とが配置されて、合計３つ（２
つ又は４つ以上でもよい）の冷却ファン（３３Ｍ），
（３３Ｓ），（３３Ｓ）が設けられている。

【００４４】また、図２に仮想線にて示すように、上記
複数の冷却ファン（３３Ｍ），（３３Ｓ），（３３Ｓ）
のうちのメイン冷却ファン（３３Ｍ）からのファン風量
を測定する風量センサ（３９）が設けられ、この風量セ
ンサ（３９）の出力信号は温度センサ（３６）の出力信
号と共に制御装置（３５）に入力されている。

【００４５】そして、制御装置（３５）で行われる処理
動作は図７に示すとおりであり、ステップＴ１で温度セ
ンサ（３６）により検出された圧縮機（４）の表面温度
（Ｔ）を読み込み、次のステップＴ２で該表面温度
（Ｔ）がしきい値（ＴＨ）以上かどうかを判定する。こ
の判定がＴ＜ＴＨのＮＯのときには、ステップＴ３に進
んでメイン冷却ファン（３３Ｍ）への電力供給をＯＦＦ
状態にして該メイン冷却ファン（３３Ｍ）を運転停止状
態にした後、終了する。

【００４６】一方、ステップＴ２の判定がＴ≧ＴＨのＹ
ＥＳのときには、ステップＴ４に進んでメイン冷却ファ
ン（３３Ｍ）への電力供給をＯＮ状態にして該メイン冷
却ファン（３３Ｍ）を運転状態にした後、ステップＴ５
に進む。このステップＴ５においては、上記風量センサ
（３９）の測定風量が最小風量（Ｑｍｉｎ）よりも大き
いか、つまりメイン冷却ファン（３３Ｍ）が正常で該メ
イン冷却ファン（３３Ｍ）から送風されているか否かを
判定し、この判定が風量＞ＱｍｉｎのＹＥＳのときに
は、ステップＴ６においてサブ冷却ファン（３３Ｓ），
（３３Ｓ）への電力供給をＯＦＦ状態にして該サブ冷却
ファン（３３Ｓ），（３３Ｓ）を運転停止状態にした
後、終了する。

【００４７】これに対し、ステップＴ５の判定が風量≦
ＱｍｉｎのＮＯのときには、メイン冷却ファン（３３
Ｍ）への電力供給のＯＮ状態にも拘わらず該メイン冷却
ファン（３３Ｍ）が送風していない異常状態と見倣し、
ステップＴ７に進んでサブ冷却ファン（３３Ｓ），（３
３Ｓ）への電力供給をＯＮ状態にして該サブ冷却ファン
（３３Ｓ），（３３Ｓ）を運転状態にしてから終了す
る。

【００４８】このことで、ステップＴ５により、風量セ
ンサ（３９）により測定されたメイン冷却ファン（３３
Ｍ）からのファン風量の有無に基づいて、そのメイン冷
却ファン（３３Ｍ）の故障等による異常状態を検出する
異常検出手段（４０）が構成されている。

【００４９】また、制御手段（３７）は、メイン冷却フ
ァン（３３Ｍ）の運転中に該メイン冷却ファン（３３
Ｍ）の異常状態が上記異常検出手段（４０）により検出
されたときに残りの２つのサブ冷却ファン（３３Ｓ），
（３３Ｓ）を運転させるように切り換えるものとされて
いる。

【００５０】したがって、この実施形態の場合、極低温
冷却システム（Ｓ）の運転初期には１つのメイン冷却フ
ァン（３３Ｍ）のみが圧縮機表面温度（Ｔ）に応じて運
転又は運転停止され、この運転状態で圧縮機（４）やイ
ナータンス管（１７）、バッファ部（１９）が冷却され
る。そして、このメイン冷却ファン（３３Ｍ）の運転中
に、そのメイン冷却ファン（３３Ｍ）からの風量が風量
センサ（３９）により測定され、メイン冷却ファン（３
３Ｍ）に異常状態が発生して所定風量が得られなくなる
と、即座に、メイン冷却ファン（３３Ｍ）への電力供給
がＯＦＦ状態に切り換えられてその運転が停止され、そ
れに代えて残りの２つのサブ冷却ファン（３３Ｓ），
（３３Ｓ）への電力供給がＯＦＦ状態からＯＮ状態に切
り換えられて、その両サブ冷却ファン（３３Ｓ），（３
３Ｓ）が運転される。このようにメイン冷却ファン（３
３Ｍ）が異常状態になると、引き続いてサブ冷却ファン
（３３Ｓ），（３３Ｓ）が運転されるので、２種類の冷
却ファン（３３Ｍ），（３３Ｓ）全体から見た寿命を２
倍に倍増させることができ、冷却システム（Ｓ）の信頼
性をより一層長期間に亘り維持することができる。

【００５１】（実施形態４）図９は実施形態４を示し、
上記実施形態３のようにメイン及びサブ冷却ファン（３
３Ｍ），（３３Ｓ）を備えた構成に対し、各ファン（３
３Ｍ），（３３Ｓ）の運転又は運転停止の切換えと、運
転状態での回転数の可変制御とを同時に行わせるように
したものである。

【００５２】すなわち、この実施形態では、最初のステ
ップＵ１において、温度センサ（３６）により検出され
た圧縮機（４）の表面温度（Ｔ）を読み込み、次のステ
ップＵ２で表面温度（Ｔ）がしきい値（ＴＨ）以上かど
うかを判定する。この判定がＴ＜ＴＨのＮＯのときに
は、ステップＵ３に進んでメイン冷却ファン（３３Ｍ）
への電力供給をＯＦＦ状態にして該メイン冷却ファン
（３３Ｍ）を運転停止状態にした後に終了する。また、
ステップＵ２の判定がＴ≧ＴＨのＹＥＳのときには、ス
テップＵ４に進んでメイン冷却ファン（３３Ｍ）への電
力供給をＯＮ状態にしてメイン冷却ファン（３３Ｍ）を
運転状態にした後、ステップＵ５に進む。このステップ
Ｕ５では、予め設定された圧縮機表面温度（Ｔ）とメイ
ン冷却ファン（３３Ｍ）による必要風量との関係から、
温度センサ（３６）により検出された表面温度（Ｔ）に
対応する風量を算出し、その風量になるようにメイン冷
却ファン（３３Ｍ）への供給電圧を制御してその回転数
を制御する。この後、ステップＵ６において風量センサ
（３９）の測定風量が最小風量（Ｑｍｉｎ）よりも大き
いか、つまりメイン冷却ファン（３３Ｍ）により正常に
送風されているか否かを判定し、この判定が風量＞Ｑｍ
ｉｎのＹＥＳのときには、ステップＵ７において２つの
サブ冷却ファン（３３Ｓ），（３３Ｓ）への電力供給を
ＯＦＦ状態にして該サブ冷却ファン（３３Ｓ），（３３
Ｓ）を運転停止状態にした後、終了する。

【００５３】これに対し、ステップＵ６の判定が風量≦
ＱｍｉｎのＮＯのときには、ステップＵ８に進んでサブ
冷却ファン（３３Ｓ），（３３Ｓ）への電力供給をＯＮ
状態にして該サブ冷却ファン（３３Ｓ），（３３Ｓ）を
運転状態にし、次のステップＵ９で予め設定された圧縮
機表面温度（Ｔ）とサブ冷却ファン（３３Ｓ），（３３
Ｓ）による必要風量との関係から、温度センサ（３６）
により検出された表面温度（Ｔ）に対応する風量を算出
し、その風量になるようにサブ冷却ファン（３３Ｓ），
（３３Ｓ）への供給電圧を制御してその回転数を制御
し、しかる後に終了する。上記圧縮機表面温度（Ｔ）と
サブ冷却ファン（３３Ｓ），（３３Ｓ）による必要風量
との関係は、圧縮機表面温度（Ｔ）とメイン冷却ファン
（３３Ｍ）による必要風量との関係と同じ（図６参照）
である。その他は上記実施形態３と同様である。

【００５４】したがって、この実施形態においても上記
各実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

【００５５】尚、上記実施形態３，４においては、２種
類の冷却ファン（３３Ｍ），（３３Ｓ）を設けて、その
一方であるメイン冷却ファン（３３Ｍ）のみの異常状態
を検出し、その異常検出時にサブ冷却ファン（３３
Ｓ），（３３Ｓ）を運転させるようにしているが、これ
らにさらに複数の冷却ファンを追加して設け、サブ冷却
ファン（３３Ｓ）の異常状態をも検出し、このサブ冷却
ファン（３３Ｓ）の異常状態の検出時に、サブ冷却ファ
ンから上記追加の冷却ファンに切り換えるようにするこ
ともでき、以上の如き冷却ファンの切換えをさらに続け
て繰り返してもよく、冷却ファンの寿命をさらに延ばす
ことができる。

【００５６】また、上記各実施形態では、圧縮機（４）
の表面温度（Ｔ）を検出し、その表面温度（Ｔ）としき
い値（ＴＨ）との比較に応じて冷却ファン（３３）を制
御するようにしているが、この圧縮機（４）の表面温度
（Ｔ）に代えて、圧縮機（４）に入力される入力電力
（入力値）を検出するか、或いは環境温度（外気温度）
を温度センサ（３６）により検出し、上記各実施形態と
同様にそれらを各々のしきい値と比較して冷却ファン
（３３）の運転又は運転停止の制御や回転数の制御を行
うようにしてもよく、同様の作用効果を奏することがで
きる。

【００５７】また、上記各実施形態では、極低温冷凍機
（Ｒ）としてパルス管冷凍機を用いているが、その他、
ディスプレーサ型膨張機を備えたスターリング冷凍機
や、ギフォード・マクマホンサイクルを有するＧＭ冷凍
機等を用いることもできる。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明で
は、圧縮機及び寒冷発生手段からなる極低温冷凍機によ
り被冷却体を極低温レベルの設定温度に冷却する極低温
冷却システムにおいて、少なくとも圧縮機を冷却する冷
却ファンを設け、この冷却ファンを冷凍機の運転状態に
関する所定の条件に応じて運転状態又は運転停止状態に
択一的に切り換えるようにした。また、請求項２の発明
では、冷却ファンの回転数を冷凍機の運転状態に関する
所定の条件に応じて可変制御するようにした。さらに、
請求項３の発明では、請求項１の発明において、請求項
２の発明と同様に、冷却ファンの運転状態への切換時に
冷却ファンの回転数を可変制御するようにした。従っ
て、これら発明によれば、冷却システムにおける冷却フ
ァンの寿命を延ばして、冷凍機及び冷却システムの信頼
性の向上を図ることができる。

【００５９】請求項４又は８の発明によると、冷却ファ
ンを複数設けて、そのうちのいずれか１つの冷却ファン
を運転させ、その運転中に異常状態が検出されたときに
は残りの冷却ファンを運転させるようにしたことによ
り、複数の冷却ファンを各々が異常状態になる毎に順に
運転させて、冷却ファン全体から見た寿命をファン数だ
け倍増させることができ、冷凍機及び冷却システムの信
頼性の向上を図ることができる。

【００６０】請求項５の発明では、所定の条件は圧縮機
の表面温度とした。また、請求項６の発明では、所定の
条件は圧縮機の入力値とした。さらに、請求項７の発明
では、所定の条件は冷凍機の環境温度とした。従って、
これらの発明によると、望ましい所定条件が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１において冷却ファンの運転
制御のために行われる処理動作を示すフローチャート図
である。

【図２】制御システムの構成を示すブロック図である。

【図３】本発明の実施形態１に係る極低温冷却システム
の構成を概略的に示す斜視図である。

【図４】冷凍機の構成を示す正面図である。

【図５】実施形態２を示す図１相当図である。

【図６】圧縮機の表面温度と冷却ファンによる必要風量
との関係を設定するための特性図である。

【図７】実施形態３を示す図１相当図である。

【図８】実施形態３を示す図３相当図である。

【図９】実施形態４を示す図１相当図である。

【符号の説明】

（Ｓ） 極低温冷却システム （Ｒ） 極低温冷凍機 （１） 被冷却体 （４） 圧縮機 （８） 寒冷発生部（寒冷発生手段） （９） 蓄冷器 （１２） 支持部 （１４） パルス管 （１５） コールドヘッド （１７） イナータンス管 （１９） バッファ部 （２１） 真空チャンバ （３３），（３３Ｍ），（３３Ｓ） 冷却ファン （３５） 制御装置 （３６） 温度センサ（検出手段） （３７） 制御手段 （４０） 異常検出手段 （Ｔ） 圧縮機表面温度

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡本 昌和 大阪府堺市金岡町1304番地 ダイキン工業 株式会社堺製作所金岡工場内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作動ガスを圧縮する圧縮機（４）と、該
   圧縮機（４）により圧縮された作動ガスを膨張させて極
   低温レベルの寒冷を発生させる寒冷発生手段（８）とか
   らなる極低温冷凍機（Ｒ）を備えてなり、被冷却体
   （１）を極低温レベルの設定温度に冷却するようにした
   極低温冷却システムであって、 少なくとも上記圧縮機（４）を冷却する冷却ファン（３
   ３）と、 上記冷却ファン（３３）の運転状態に関する所定の条件
   を検出する検出手段（３６）と、 上記検出手段（３６）により検出された所定の条件に応
   じて上記冷却ファン（３３）を運転状態又は運転停止状
   態に択一的に切り換えるように制御する制御手段（３
   ７）とを備えたことを特徴とする極低温冷却システム。
2. 【請求項２】 作動ガスを圧縮する圧縮機（４）と、該
   圧縮機（４）により圧縮された作動ガスを膨張させて極
   低温レベルの寒冷を発生させる寒冷発生手段（８）とか
   らなる極低温冷凍機（Ｒ）を備えてなり、被冷却体
   （１）を極低温レベルの設定温度に冷却するようにした
   極低温冷却システムであって、 少なくとも上記圧縮機（４）を冷却する冷却ファン（３
   ３）と、 上記冷却ファン（３３）の運転状態に関する所定の条件
   を検出する検出手段（３６）と、 上記検出手段（３６）により検出された所定の条件に応
   じて上記冷却ファン（３３）の回転数を可変制御する制
   御手段（３７）とを備えたことを特徴とする極低温冷却
   システム。
3. 【請求項３】 請求項１の極低温冷却システムにおい
   て、 制御手段（３７）は、冷却ファン（３３）を運転状態に
   切り換えたときに該冷却ファン（３３）の回転数を可変
   制御するように構成されていることを特徴とする極低温
   冷却システム。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか１つの極低温冷
   却システムにおいて、 少なくとも圧縮機（４）を独立して冷却する複数の冷却
   ファン（３３Ｍ），（３３Ｓ）と、 上記少なくとも１つの冷却ファン（３３Ｍ）の異常状態
   を検出する異常検出手段（４０）とが設けられ、 制御手段（３７）は、上記異常検出手段（４０）の検出
   対象である１つの冷却ファン（３３Ｍ）の運転中に該冷
   却ファン（３３Ｍ）の異常状態が異常検出手段（４０）
   により検出されたときに残りの冷却ファン（３３Ｓ）を
   運転させるように切り換えるものとされていることを特
   徴とする極低温冷却システム。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか１つの極低温冷
   却システムにおいて、 所定の条件は、圧縮機（４）の表面温度（Ｔ）であるこ
   とを特徴とする極低温冷却システム。
6. 【請求項６】 請求項１〜４のいずれか１つの極低温冷
   却システムにおいて、 所定の条件は、圧縮機（４）の入力値であることを特徴
   とする極低温冷却システム。
7. 【請求項７】 請求項１〜４のいずれか１つの極低温冷
   却システムにおいて、 所定の条件は、冷凍機の環境温度であることを特徴とす
   る極低温冷却システム。
8. 【請求項８】 作動ガスを圧縮する圧縮機（４）と、該
   圧縮機（４）により圧縮された作動ガスを膨張させて極
   低温レベルの寒冷を発生させる寒冷発生手段（８）とか
   らなる極低温冷凍機（Ｒ）を備えてなり、被冷却体
   （１）を極低温レベルの設定温度に冷却するようにした
   極低温冷却システムであって、 少なくとも上記圧縮機（４）を独立して冷却する複数の
   冷却ファン（３３Ｍ），（３３Ｓ）と、 上記少なくとも１つの冷却ファン（３３Ｍ）の異常状態
   を検出する異常検出手段（４０）と、 上記異常検出手段（４０）の検出対象である１つの冷却
   ファン（３３Ｍ）の運転中に該冷却ファン（３３Ｍ）の
   異常状態が異常検出手段（４０）により検出されたとき
   に残りの冷却ファン（３３Ｓ）を運転させるように切り
   換える制御手段（３７）とを備えたことを特徴とする極
   低温冷却システム。