JP2001511243A

JP2001511243A - 極低温冷凍機の圧力低下検出器

Info

Publication number: JP2001511243A
Application number: JP53004798A
Authority: JP
Inventors: スタイン・マーティン・エル; ケデリアン・ロバート・イー; ウェルチ・ロバート・ディー
Original assignee: ヘリックス・テクノロジー・コーポレーション
Priority date: 1996-12-31
Filing date: 1997-12-12
Publication date: 2001-08-07
Also published as: US5765378A; GB2336892B; GB2336892A; GB9915070D0; DE19782208T1; FR2757934B1; FR2757934A1; WO1998029700A1

Abstract

(57)【要約】極低温冷凍機１２の入出口間に圧力差のないことを検出する方法に関するものである。冷凍サイクルの温行程と冷行程の両方中に冷凍機１２の負荷の少なくとも一つずつの測定値をとる。次いでこれらの測定値を比較して極低温冷凍機１２越しの負荷の差がなくなっているかどうかを判定する。この方法を実施する装置は極低温冷凍機１２を通ってルート付けされた圧縮ガス管路に圧縮ガスを循環させる圧縮機１４を含む。冷凍機１２内で、ディスプレーサ２０７、２０９をモータ２１８によって駆動して冷凍サイクルを行わせる。モータ２１８の負荷を測定する手段を設け、電子モジュール２０が負荷測定値をモニターし、温行程中のモータ２１８の負荷と冷行程中のモータ２１８の負荷を比較することにより、冷凍機１２越しの差圧の低下を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】極低温冷凍機の圧力低下検出器発明の背景各種の極低温冷凍機または極低温真空ポンプ（クライオポンプ）では、ヘリウムのような作動ガスをシリンダに導入する。次いでピストン状のディスプレーサの一端でこのガスを膨張させてシリンダを冷却する。例えばギフォード―マクマホン(Gifford-McMahan)冷凍サイクルを利用する冷凍機においては、高圧の作動ガスをシリンダの温端に弁を通して導入する。次いで、このガスは、作動ガスの供給と排気の間の圧力差およびディスプレーサの運動によって再生式熱交換器マトリックス（再生器）へ押し通される。再生器によって冷却されたこのガスは次いでディスプレーサの冷端で膨張する。ディスプレーサの運動は、ロータリー／リニア・クロスヘッドを通してディスプレーサを駆動するロータリーモータのような機械式駆動装置によって制御される。前記クロスヘッドはモータの回転駆動を直線往復動運動に変換して、ディスプレーサをシリンダの端から端へ駆動する。ディスプレーサを各冷凍サイクルの間駆動するには、ロータリーモータは十分な機械的トルクを発生しなければなければならない。また、ディスプレーサをリニアモータによって直接駆動して、この移動サイクルを行わせることもできる。極低温冷凍機は一般に圧縮機から供給管路を通して作動ガスを受ける。冷凍機が冷凍サイクルを行っている間に圧縮ガスを処理し、その後、使用済みガスが冷凍機から排気管路を通って圧縮機に戻される。適正な動作においては、排気管路は供給管路よりも低いガス圧に保たれ、それにより極低温冷凍機の入出口間の圧力差が生じ、作動ガスの冷凍機に対する入出および再生器を通っての流れが容易になる。発明の開示上述の極低温冷凍機は冷凍機入出口間の圧力差がなくなると所望の動作をしなくなる。この圧力低下は種々のファクタによって起る。極低温冷凍または極低温真空ポンプの応用においては、圧縮機は冷凍機から離れた所に置かれることが多い。例えば、半導体製造設備では圧縮機が極低温真空ポンプと同じクリーンルーム環境に置かれないことがある。管路沿いの種々の点で、圧縮機を冷凍機につなぐ圧縮ガス管路が挟みつぶされたり破裂したりして作動ガスが流れず、圧力差が維持されなくなることがある。圧力差の低下する他の状況には、圧縮機の故障、圧縮機の出力低下、シール漏れや管路外れがある。これらの状況は容易に検出されず、このような状況で装置を使い続けると、一般に生産性が低下し、生産活動に障害となり、装置を損傷することになる。本発明の方法は極低温冷凍機入出口間の圧力差、すなわち、極低温冷凍機に流入する供給圧縮ガスと流出する排気ガスの間に圧力差があるか否かをモニターするものである。圧縮ガスが冷凍機を通り十分に流れるようにするには、この圧力差を維持することが必要である。モータは、温行程と冷行程を含む冷凍サイクル中、極低温冷凍機を駆動する。これらの行程中の各々におけるモータの負荷を測定し、温行程での少なくとも一つの測定値を冷行程での少なくとも一つの測定値と比較して冷凍機入出口間の圧力の差が低下しているかどうかを判定する。本発明の一構成では、冷凍は、モータ駆動往復動ディスプレーサがヘリウムを作動ガスとしてギフォード―マクマホン冷凍サイクルを行うことによって行われる。ディスプレーサは、冷行程では冷凍シリンダの冷端の方向へ、温行程では温端の方向へ駆動される。この方法の好ましい実施形態においては、冷行程と温行程の両方で多数の負荷測定がなされる。ついで、各行程でのこれらの多数の測定値を比較して、流入と排出の間の圧力の差が低下しているかどうかを判定する。この比較には、各行程について、その行程中に測定した負荷の平均値をとるのが望ましい。次いで、平均温行程負荷と平均冷行程負荷の比を計算して、それを制御値と比較する。この制御値は予め決めた定数とするか、運転中にモニターした装置の負荷の基本測定値からとった比の関数としてもよい。好ましい実施形態においては、圧縮機と別個に給電される電子モジュールによって計算を行い、圧縮機の出力低下が電子モジュールの出力低下と重なって検出ミスされることがないようにしている。本発明の装置の一実施形態は、圧縮機を含む装置であり、この圧縮機が、極低温冷凍機を通るルートに置いた圧縮ガス管路に圧縮ガスを循環させる。冷凍機内で、ディスプレーサが、モータによって、冷凍サイクルの間、駆動される。モータの負荷を測定する手段が設けられ、電子モジュールが負荷測定値をモニターして、温行程中のモータの負荷を冷行程中のモータの負荷と比較して、冷凍機入出口間の差圧の低下を検出する。図面の簡単な説明本発明の上記目的およびその他の目的、特徴および利点は、添付の図面に示した本発明の好ましい実施形態の記述から明らかとなるであろう。これらの図において、同一の符号は同一部分を示す。図の尺度は必ずしも正確に描かれておらず、本発明の原理を例示することに重点が置かれている。図１は圧力差の低下を検出するのに電子モジュールを利用する極低温冷凍装置の概略図である。図２は極低温冷凍機とモータアセンブリの横断面図である。図３は１機械サイクルの過程における冷凍シリンダの第二端に対するディスプレーサの位置をグラフの形にプロットしたものである。図４は１機械サイクルの過程における流入／排出弁両方の開閉のシーケンスを示すグラフである。図５Ａは冷凍シリンダに圧力差のない時の、１機械サイクルに渡りモータが発生するトルクを表示するグラフである。図５Ｂは冷凍シリンダに作動ガスを供給し、圧力差のある時の、１機械サイクルに渡りモータが発生するトルクを表示するグラフである。図６Ａは冷凍シリンダに圧力差のない時の、１機械サイクルに渡りモータが消費する電力を表示するものである。図６Ｂは冷凍シリンダに作動ガスを供給し、圧力差のある時の１機械サイクルに渡りモータが消費する電力を表示するものである。好ましい実施形態の詳細な説明一般的なクライオポンプの冷凍機においては、作動流体が圧縮され、空冷熱交換器によって圧縮熱が除去される。この流体はディスプレーサ内の再生型熱交換マトリックスを通る時にさらに冷却され、次いでガスが膨張して周囲温度より低く冷却される。クライオポンプは一般に２０Ｋより低い温度で作動して作動室から気体分子を除去する。この極低温を達成するには、極めて効率的な熱交換器と、絶対零度に近い温度で流体状態を保つ作動流体、例えばヘリウムガスとを用いる必要がある。図１は、装置の運転を制御するほかに、差圧の低下も検出することのできる電子モジュール２０を備える極低温冷凍装置１０の一実施形態を示している。電子モジュール２０は、ここに参照として取り入れた米国特許第5,343,708号に開示されたものと同様なものとすることができる。圧縮ガスは、圧縮機１４によって駆動され、圧縮ガス管路１３を通って極低温冷凍機１２へ供給され、排気管路１５を通って圧縮機へ戻される。極低温冷凍機１２は、軸１７を介してモータ１６により駆動されて、冷凍サイクルを行う。モータ１６が冷凍サイクルを駆動する時に発生するトルクは、電子モジュール２０によってモニターされる。電子モジュール２０はトルク測定値をモニターして、極低温冷凍機１２に流入排出されるガスの間に圧力差があるかどうかを判定する。冷凍サイクルに対応する機械サイクルの過程でモータが発生するトルクを示す波形パターンを評価することによって、差圧の低下を検出する。電子モジュール２０は圧縮機１４と別個の電源によって給電される。そのような電源の一例は直流２２０ボルト電源である。このように構成すると、圧縮機１４の出力低下と電子モジュール２０の出力低下が同時に起こる可能性が減少する。従って、これにより電子モジュール２０は、圧縮機１４の出力低下によって生じる圧力差の低下を検出することができる。なぜなら、電源が別個であるため、圧縮機１４が故障しても電子モジュール２０が機能し続けることができるからである。ギフォード―マクマホン冷却プロセスを利用する極低温冷凍機中の圧縮ガスの流れは、周期的に繰り返される。図２は二段極低温冷凍機とそれの駆動モータを示している。しかし、本発明による方法は、一段冷凍機についても有効である。圧縮ガスは圧縮機から流入弁Ａを通って冷凍シリンダ２０１の第一端２０３に流入する。このガスは冷凍シリンダ２０１の第一端２０３から排気弁Ｂ、駆動室２２３および戻り管路１５を通って圧縮機の低圧側へ排出される。駆動室２２３が圧縮機の低圧側に連結されているので、圧縮機は駆動室を一様に低圧に保つ。排出弁Ｂが開いている時、冷凍シリンダ２０１から引き出したガスを駆動室２２３に抜き取ってシリンダ２０１も排気する。冷凍機の各段階においてディスプレーサ２０７／２０９は往復動する。ディスプレーサ２０７、２０９はそれぞれ、再生器２１１、２１３を含んでいる。ディスプレーサの往復動とそれに同期した弁開閉によってヘリウムガスが冷却され、このガスが第一段熱負荷２１５と第二段熱負荷２１７から熱を奪う。ここに参照して取り入れた米国特許第5,156,007号に開示されたような一般的クライオポンプにおいては、第一段熱負荷２１５は輻射シールドと前面アレイを含むものである。第二段熱負荷２１７は一般に低温アレイで、これは低沸点ガスの凝縮用一次ポンプ面として作用する。再生器は逆流熱交換器で、そこを圧縮ガスがいずれかの方向に交互に通る。再生器は表面積、比熱が大で、熱伝導度の低い材料で出来ている。再生は、これはヘリウムの温度が高い時はヘリウムから熱を奪い、ヘリウムの温度が低い時はヘリウムに熱を放出する。再生器は、温端へ向かう温工程中は流入するヘリウムから熱を奪い、その熱を蓄え、次いで冷行程中は冷却された排気流へそれを放出する。冷凍機が運転している間、ディスプレーサ２０７、２０９がシリンダ２０１内で直線的に往復動し、同時に流入弁Ａ／排気弁Ｂ弁が周期的に調節される。第二段ディスプレーサ２０９がシリンダ２０１の第二端２０５にあり、排気弁が閉じ流入弁Ａが開いていると、シリンダに圧縮ガスが満たされる。流入弁Ａを開いた状態で、温行程が開始されると、その間にモータ２１８がディスプレーサを温端である第一端２０３の方へ駆動する。温行程中、圧縮ガスが再生器２１１、２１３に押し通され、そこで流入ガスから熱が奪われる。温行程の次が冷行程である。排気弁Ｂを開、流入弁Ａを閉とし、モータ２１８がディスプレーサを冷端である第二端２０５の方へ戻し、膨張するガスを再生器２１１、２１３を通して戻す。排気ガスは膨張すると、熱負荷２１５、２１７から熱を奪い冷却を行う。冷凍シリンダに作動ガスを出し入れするとともにその作動ガスを再生器２１１、２１３を通して移動させるには、圧力差のあることが必要である。ディスプレーサ駆動モータ２１８は低圧駆動室２２３内に収納されている。室２２３内のガスは、シール２２５によって冷凍シリンダ内のガスから隔離されている。モータ２１８はロータ２１９を介して駆動力を供給する。ロータ２１９の回転が、クロスヘッド２２１によって、ディスプレーサ２０７、２０９を駆動する軸方向往復運動に変換される。図３、４はガス流とディスプレーサの運動の連続的な様態を図示している。図３は冷凍シリンダ内のディスプレーサの位置をグラフで示している。一方、図４は同じサイクルにおいて冷凍シリンダへガスを供給／排出する弁の順次動作を示している。熱負荷から熱を奪う冷行程は点２１（０℃ ）から始まる。シリンダの第一端にあるディスプレーサが第二端に向かって動き初め、排気弁がいっぱいに開かれる。その結果、極低温のガスが再生器を通って移動し、再生器が冷される。点２２で排気弁が閉じ始める。点２３では排気弁が完全に閉じられる。流入弁は、短時間そのままの状態を保った後、点２４で流入弁が開き始め、点２５（１８０°）で完全開位置となる。この時、ディスプレーサはシリンダの第二端に到達する。それに続く１８０°から３６０°までのシーケンスは温行程と言われるが、その間、比較的温かい流入ガスが再生器内に移動して冷却される。流入弁が開の状態で、点２５でディスプレーサは第一端に向かって戻り始める。点２６で、流入弁が閉じ始めて、点２７で完全閉になる。再度短時間そのままの状態を保った後、動作は再び排気弁に移り、点２８で開き始める。排気弁が開の状態で、第二端の予冷ガスは膨張し、さらに冷えて負荷から熱を奪う。このサイクルは、点２１（３６０°または０°）で排気弁が全開位置になり、ディスプレーサが第一端に戻った時に完了する。モータがシリンダ内でこの往復動サイクルに渡ってディスプレーサを駆動する時には、モータはトルクを発生している。このサイクルの過程でモータが発生するトルクの大きさは、０〜３６０°でプロットすると、ほぼ正弦曲線の絶対値に近いものになる。図５Ａは圧力差のない時のサイクルの過程におけるギフォード ―マクマホン駆動モータのトルク特性を例示している。図に示されたようにピークはほぼ対称的で、温行程中は約0.6秒、冷行程中は約0.2秒の時であるが、前者は後者よりわずかに高いレベルである。温行程中に発生する平均トルク（計算値 73.89オンス・インチ、測定時間約0.4〜0.8秒の間）も冷行程中に発生する平均トルク（計算値66.59オンス・インチ、測定時間約0〜0.4秒の間）よりも高い。ディスプレーサ速度とポンプの方向を種々変えても同様な結果が得られている。モータが発生するトルクはディスプレーサ速度と密接な関係がある。各行程内で冷凍シリンダの第一、第二端の間のディスプレーサの通路のほぼ中間点でトルクが最大となる。この中間点で、機械サイクルのモーメントアームが最大値となる。対照的に、シリンダのどちらの端でもディスプレーサの往復動の終点でモーメントアーム（従ってトルク）が零に近づく。より具体的には、トルクはディスプレーサの慣性、ディスプレーサを通るガスの推進流に由来する流体摩擦、冷却シリンダと駆動室の間の圧力差（流入／流出弁の間の圧力差と区別して）、ディスプレーサに作用するシールによって起るクーロン摩擦、および重力を含む数種の反作用的諸力によって生ずる。慣性力は比較的小さく、冷凍シリンダと駆動室の間の圧力差は一定であり、流入／流出弁間の圧力差によって変化しない。一方、ディスプレーサが上昇する時には重力でトルクが少し増し、ディスプレーサが下降する時にはトルクが少し減る。従って、残りの力、すなわち主として流体抵抗とクーロン摩擦によってほぼ正弦波形のトルクパターンが生じる。圧力差のない時にはほぼ正弦曲線となるのに比較して、図５Ｂに示すように、圧力差のある正常運転中得られるトルク特性曲線はかなり異なった形となる。図５Ｂは、温行程中に発生する平均トルク、18.87オンス・インチ（約0.33秒〜約0 .75秒に測定）が、冷行程中に発生する平均トルク、99.01オンス・インチよりもかなり小さいことを実証している。図５Ａ、５Ｂを比較すると、二つの行程に圧力差が生じると、冷行程中に発生するピークと平均のトルクと比較して、温行程中に発生するピークと平均のトルクが大きく低下している。平均トルクは一行程内のトルク測定値をすべて加算したものを測定数で除して計算する。入出口間に圧力差がある時のトルク特性曲線が圧力差のない時に比べて変化するのは、主として駆動室と冷凍シリンダの圧力差の変動に起因する。この圧力変動は、図４に例示するように、流入出弁の開閉のパターンとそれが冷凍シリンダ内の圧力へ与える影響が原因している。例えば、温行程の大部分の間、流入弁は開で、冷凍シリンダ内は圧力が高くなる。しかし、モータの周囲の駆動室内は低圧排気管路と接続されているので圧力は低いままである。低圧駆動室と高圧冷凍シリンダの圧力が異なるとディスプレーサを冷凍シリンダから駆動室へ押しもどす力が生じ、ディスプレーサをシリンダの温端の方へ引っ張るのに要するモータのトルク量が減少する。冷行程の大部分の間、排気弁は開である。その結果、駆動室と冷凍シリンダの圧力はともに低圧排気管路圧に近くなる。しかしシリンダから流出するガスの前進抵抗がディスプレーサの運動に対抗するため、モータの駆動負荷が増す。その結果、温行程中のモータ負荷は、差圧がある時の方がない時よりも一般に大きくなる。図５Ｂに示す試験結果に見られるように、圧力差のある時に発生する特有のトルク特性を考慮して、温行程中に発生する平均トルクと冷行程中に発生する平均トルクの比の変化をモニターするために、一種のアルゴリズムを用いることができる。ディスプレーサの速度とポンプの向きを種々変化させてこの比の同様な変化が検出された。それ故、各行程における平均トルク値の比の変化をモニターすることによって、圧力差の低下を検出することができる。図５Ａ、５Ｂに示すトルク特性は、冷端を上向き、温端を下向きにした冷凍機に一般的な特性である。この向きは、通常クライオポンプを作動室の底に取り付ける時の向きである。このような状態では、単に温行程中発生する平均トルクが、冷行程中に発生する平均トルクを越えるかどうかをモニターすることによって冷凍シリンダの流入出の圧力差の低下を検出することができる。そうであれば、差圧が低下した時に、適切な応答を速やかに取ることができる。電力の瞬時的低下が圧縮機が及ぼす影響を除去するために、圧力差低下の判断基準は数行程サイクルに渡ってモニターされる。これとは逆に、冷凍機が反対方向に向いていて、冷端が底にあると、重力が前の例と反対方向に加わり、トルク特性曲線が変化する。この場合は冷行程トルクが増加し、温行程トルクが減少する。この結果、圧力差のない時に冷行程中に発生するトルクが、温行程中に発生するトルクを僅かに越える。それでも、トルク特性の変化によって、平均トルク値の比には、圧力の低下を検出するのに十分な変化が生じる。従って、冷凍機の向きを反対にする時には、差圧を検出するアルゴリズムを変更して、平均温行程トルクと平均冷行程トルクとの比を比較する値を下げればよい。例えば、この値は0.5に設定してもよい。冷凍機の向きと特異な状況でのあらゆる場合を考慮して、制御値を個々に選択し、特定の冷凍機における平均温行程トルクと平均冷行程トルクの比を比較して、その冷凍機の差圧が低下していないかどうか判定することができる。気体状流体の差圧の低下を検出するもう一つの方法は、電力に基づくアルゴリズムを用いるものである。電力は次のように計算することができる。電力＝速度×トルク／１３５２但し、速度はｒｐｍで表したモータ速度、トルクはオンス・インチで表したモータトルクである。速度が一定の場合は、トルクと動力は線形の関係になり、差圧の低下についてトルクをモニターするのに用いたものと同じアルゴリズムを、同じように電力をモニターするのにも用いることができる。作動ガスに圧力差のない時とある時にも冷凍サイクルの過程でモータが発生する電力（パワー）を、それぞれ図６Ａ、６Ｂに例示している。両方の試験は共に、冷凍機の向きを、温端を底にした状態で実施したものである。図６Ａに示すように、圧力差のない時には温行程中に計測された平均電力は3.451ワットであったが、冷行程中に計測された平均電力は3.809ワットであった。図６Ｂに示すように、圧力差を与えた時には温行程中に計測した平均電力は4.996ワットであったが、冷行程中に計測した平均電力は0.5563ワットであった。電力はトルクと線形の関係にあるので、これらの特性図は図５Ａ、５Ｂに示すトルク特性図とぴったり一致する。同様に、どちらの測定もモータの負荷を判定する手段となる。クライオポンプの駆動モータとしてはブラシレス、三相モータが一般に用いられる。このモータを運転する時には、トルク、電力とも電流センサと位置センサによる測定値を用いて求める。電流センサと位置センサは一般的な従来の装置に固有のものであり、モータの速度を一定にするためにセンサを使って閉ループフィードバックを構成するのと同様のものである。それ故、トルクと電力を測定するのに、既に用いられているセンサ以外は導入しなくてもよい。閉ループフィードバック系では、負荷が変動する時に、トルク応答を速くするために電流センサが必要である。一方、位置センサは、モータの三相の整流を適正にできるようにするとともに閉ループ速度制御に必要な速度信号を判定するのに必要である。ブラシレス直流モータについては、ロータの位置と、三相のうち二相の電流測定値とが分かっておれば、電流のトルク発生成分を数学的に算出することができる。トルク発生電流Ｉｑを計算すれば、ブラシレス三相モータのモータトルクが次のように計算される。トルク＝Ｋ×Ｎ×Ｉｑ但し、Ｋはｄ−ｑロータフレーム基準のトルク定数である。Ｎは極対の数であり、Ｉｑはｄ−ｑロータ基準フレームにおける電流のトルク発生成分である。他方、電力（パワー）は次のように計算される。電力＝速度×トルク／１３５２但し、速度はｒｐｍで表した速度であり、トルクはオンス・インチで表したモータトルクである。トルクは上述のように計算される。一方、速度は位置センサによって計測されるロータの位置を時間に関して微分することによって簡単に計算される。これらの方法を用いて、圧力差の低下を検出する試験に成功し、速度が0.25Hz 〜4.8Hzの範囲で、第二段の温度が１０〜３００Ｋの範囲について確認した。これらの検出方法は、クライオポンプとして構成されたサイズの違う冷凍機を用いた試験でも成功している。この方法を用いて作動ガスの圧力差の低下を検出して「圧縮機ガスの低下」として運転制御盤に表示した。圧力差が元に戻ると、このメッセージは消えた。上述のアルゴリズムを用いる代りに、平均冷行程負荷と平均温行程負荷の比を、モニターしている極低温冷凍機の運転に特化した制御値と比較してもよい。この制御値は冷凍機が冷運転温度になる再生工程の終りにおけるようなある指定時に、平均冷行程負荷と平均温行程負荷の比に基づいて計算することができる。再生工程の間、クライオポンプは運転温度からそのクライオポンプに凝縮したガスの大部分を昇華させるのに十分な高い温度に加熱する。次いでクライオポンプを運転温度に再冷却する。再生を完了すれば平均冷行程負荷と平均温行程負荷の比を計算し、テンプレート比として記録する。好ましくは、テンプレート比を計算するのに用いる測定値は、実行中のプロセスの最大使用速度で冷凍機を運転して測定する。次いで制御値をテンプレート値の0.9倍に設定する。冷凍機の運転を続行して、その後の測定値をとりモニターする。その後の測定比がこの制御値より低くなれば、差圧の低下を信号で知らせる。この方法でモニターしている冷凍機に特有の状態、特異性および向きに適合した制御値が得られる。さらに、新しいテンプレート比は、クライオポンプのすべての再生工程完了時または一定時間経過のような所定時点にとるので、このアルゴリズムはポンプ性能の経時的変化に適応する。ディスプレーサ駆動機構内の汚れや機械的疲労（全くの故障ではない）のような他のファクタも、モータによって発生するトルクに影響することがある。しかし圧力差の低下とは違い、これらのファクタはサイクルの各行程中に発生するトルクをほぼ同等に増す。圧力差はトルク特性曲線の形を著るしく変形させるが、機械的疲労や汚れは、通常、トルク曲線を上方に移動させても、その全体形状を大きく変化させない。それ故、機械的疲労汚れは一般に二つのトルクの２つのピーク間の差を大きく変化させず、またトルク平均値の比が圧力差の低下の検出を間違ってトリガする程には変わらない。さらに、電子モジュールは圧力差の低下に伴う曲線のはっきりした変化と、汚れや機械的疲労に伴うトルク値の均等な移動とを区別するようにプログラムすることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ケデリアン・ロバート・イーアメリカ合衆国，マサチューセッツ州 02021，キャントン，ショーファームロード 12 (72)発明者ウェルチ・ロバート・ディーアメリカ合衆国，マサチューセッツ州 02048，マンスフィールド，エセックスストリート 89

Claims

【特許請求の範囲】１．モータが温行程と冷行程を含む冷凍サイクルの間極低温冷凍機を駆動する極低温冷凍機において極低温冷凍機の入出口間に差圧のないことを検出する方法であって、冷凍サイクルの温行程中にモータの負荷の少なくとも一つの測定値をとり、冷凍サイクルの冷行程中にモータの負荷の少なくとも一つの測定値をとり、極低温冷凍機越しの差圧が低下しているかどうかの指標として、温行程からの少なくとも一つの測定値を冷行程からの少なくとも一つの測定値と比較するステップを備えた方法。２．請求項１において、前記温行程と冷行程各々からの負荷の測定値が、それぞれ温行程と冷行程の各々からの複数の測定値である方法。３．請求項２において、前記温行程測定値と冷行程測定値との比較を、温行程測定値の平均値を計算し、冷行程測定値の平均値を計算し、温行程測定値の平均値と冷行程測定値の平均値の比が制御値よりも大きいかどうかを判定することにより行う方法。４．請求項３において、前記制御値がテンプレート比の関数で、テンプレート比が事前の冷行程測定値と事前の温行程測定値との比であり、テンプレート比を計算するのに用いる事前の測定値を、冷凍機越しに圧力差のある時に冷凍機を運転して測定する方法。５．請求項４において前記制御値がテンプレート比と約0.5〜0.9の範囲の定数との積である方法。６．請求項２において、前記温行程測定値と冷行程測定値との比較を、温行程測定値の平均値を計算し、冷行程測定値の平均値を計算し、温行程測定値の平均値と冷行程測定値の平均値との差を計算し、温行程測定値の平均値と冷行程測定値の平均値の差が制御値よりも大きいかどうかを判定することにより行う方法。７．請求項２において、モータが冷凍サイクルを駆動する時に発生するトルクを測定することによって負荷測定を行う方法。８．請求項７において、極低温冷凍機がモータで駆動されて、圧縮ガスを冷凍サイクルに通すように流すディスプレーサを含むものである方法。９．請求項８において、前記温行程と冷行程の単一シーケンス中に両方の複数のトルク測定値をとる方法。１０．請求項９において、極低温冷凍機が冷凍を行うのにギフォード―マクマホン冷凍サイクルを利用する方法。１１．請求項１０において、圧縮機によって圧縮ガスを循環させ、圧縮機と別個に給電される電子モジュールによって計算を行う方法。１２．請求項１１において、圧縮ガスが圧縮ヘリウムである方法。１３．極低温冷凍機越しに差圧のないことを検出する方法であって、圧縮ガスを供給管路により極低温冷凍機へ供給し、モータを用いて冷凍機内で圧縮ガスを移動させて冷凍サイクルを行うディスプレーサを駆動し、この冷凍サイクルは温行程と冷行程を含み、ディスプレーサの駆動によってモータに負荷がかかるものであり、冷凍サイクルの温行程中にモータの負荷の複数の測定値をとり、圧縮ガスを極低温冷凍機から戻り管路を通して圧縮機へ戻し、冷凍サイクルの冷行程中にモータの負荷の複数の測定値をとり、温行程からの複数の測定値を冷行程からの複数の測定値と比較して冷行程測定値と温行程測定値の比が供給／戻り管路のガスの間に圧力の差がないことを示すある大きさになっているか否かを判定する方法。１４．極低温冷凍機の入出口間に差圧のないことを検出する方法であって、ヘリウムガスを圧縮し、この圧縮ヘリウムガスを圧縮機から供給管路を通して極低温冷凍機内の冷凍シリンダへ供給し、モータを用いてディスプレーサを駆動して温行程と冷行程を含むサイクルを行わせ、前記ディスプレーサの駆動によりモータに負荷がかかるものであり、ヘリウムガスを極低温冷凍機から圧縮機へ戻し、温行程中にモータの負荷の複数の測定値をとり、冷行程中にモータの負荷の複数の測定値をとり、一サイクルの温行程中にとった負荷測定値を加算し、その行程中にとった測定値の数で除して平均温行程負荷を計算し、一サイクルの冷行程中にとった負荷測定値を加算し、その行程中にとった測定値の数で除して平均冷行程負荷を計算し、平均冷行程負荷を平均温行程負荷と比較して差圧の低下が起こったか否かを判定する方法。１５．請求項１４において、前記平均温行程負荷と平均冷行程負荷の比較を、平均冷行程負荷と平均温行程負荷の比がある制御値より大きいかどうかを判定して行う方法。１６．第一端と第二端を有する冷凍シリンダを含む極低温冷凍機であって、極低温冷凍機が極低温冷凍機内の冷凍シリンダ内で温行程と冷行程を含む冷凍サイクルの行程を行う極低温冷凍機と、シリンダ内でディスプレーサに機械的に連結されたモータであって、ディスプレーサがシリンダ内で軸方向運動するように配置されており、前記ディスプレーサは、モ−タによって発生するトルクによって駆動される時シリンダ内で軸方向に往復動し、シリンダの第一端の方へ動く時温行程を行い、第二端の方へ動く時に冷行程を行うようになっているモータと、圧縮機と、前記圧縮機からシリンダを通り、そこで圧縮ガスが冷凍サイクルを通る方向に向けられたのち、圧縮機へ戻る圧縮ガス管通路と、モータの負荷を測定する手段と、温行程中の負荷を冷行程中の負荷と比較して差圧の低下が発生したか否かを判定するプログラムされた電子機器を含む電子モジュールとを備えた極低温冷凍機システム。１７．請求項１６において、電子モジュールが圧縮機と別個に給電されるシステム。１８．請求項１７において、プログラムされた電子回路が、温行程負荷測定値の平均値と冷行程負荷測定値の平均値との比を計算する手段、およびその比を制御値と比較する手段を備えたシステム。１９．シリンダ内で往復動運動をするように配置されたディスプレーサを含む冷凍シリンダと、ディスプレーサを駆動して往復動運動させるモータであって、その往復動運動によって温行程と冷行程を含む冷凍プロセスによる冷却を行うモータと、極低温冷凍機で負荷を測定する手段と、温行程中の負荷を冷行程中の負荷と比較して差圧の低下が発生したか否かを判定するプログラムされた電子回路を含む電子モジュールとを備えた極低温冷凍機。２０．請求項１９において、前記温行程負荷と冷行程負荷の比較を温行程からの複数のトルク測定値と冷行程からの測定値の比較によって行う極低温冷凍機。２１．冷凍サイクルの温行程と冷行程の両方中にモータの負荷を測定して、モータによって駆動される極低温冷凍機に流入出するガスに圧力差がないことを検出する電子モジュールであって、モータの負荷の測定値を受ける手段と、温行程中の負荷を冷行程中の負荷と比較して差圧の低下が発生したか否かを判定するプログラムされた電子回路とを備えた電子モジュール。２２．請求項２１において、前記温行程負荷と冷行程負荷の比較を温行程からの複数の負荷測定値と冷行程からの複数の負荷測定値との比較によって行う電子モジュール。