JP2022076206A - 極低温冷凍機および極低温冷凍機の起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】初期冷却の完了を検知する極低温冷凍機を安価に提供する。【解決手段】極低温冷凍機１０は、冷却ステージを有する膨張機１４と、膨張機１４の排気温度を測定し、測定排気温度を示す排気温度信号Ｔ２を出力する排気温度センサ４８と、冷却ステージを初期温度から極低温に冷却する初期冷却の実行中、排気温度信号Ｔ２に基づいて測定排気温度を基準温度と比較し、測定排気温度と基準温度の温度差が基準範囲内である場合に初期冷却を完了するコントローラ１１０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、極低温冷凍機および極低温冷凍機の起動方法に関する。

極低温冷凍機は、極低温環境で使用される超伝導機器、測定機器、試料など様々な対象物を冷却するために利用されている。極低温冷凍機で対象物を冷却するには、まず、極低温冷凍機を起動し、室温など初期温度から目的の極低温まで極低温冷凍機を冷却しなければならない。このような極低温冷凍機の初期冷却はクールダウンとも称される。

特開２０１４－１６９８１３号公報

典型的な極低温冷凍機では、初期冷却が完了したことを知るために、極低温に冷却される部位に温度センサが取り付けられ、この温度センサの測定温度が監視されることがある。しかし、極低温を測定可能な温度センサは比較的高価である。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、初期冷却の完了を検知する極低温冷凍機を安価に提供することにある。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、冷却ステージを有する膨張機と、膨張機の排気温度を測定し、測定排気温度を示す排気温度信号を出力する排気温度センサと、冷却ステージを初期温度から極低温に冷却する初期冷却の実行中、排気温度信号に基づいて測定排気温度を基準温度と比較し、測定排気温度と基準温度の温度差が基準範囲内である場合に初期冷却を完了するコントローラと、を備える。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機の起動方法は、膨張機の冷却ステージを初期温度から極低温に冷却する初期冷却を実行することと、初期冷却の実行中、膨張機の排気温度を測定することと、初期冷却の実行中、測定された排気温度を基準温度と比較し、測定された排気温度と基準温度の温度差が基準範囲内である場合に初期冷却を完了することと、を備える。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、冷却ステージを有する膨張機と、膨張機に接続され、膨張機に吸気される作動ガスが流れる高圧ラインと、膨張機に接続され、膨張機から排気される作動ガスが流れる低圧ラインと、高圧ラインの圧力または低圧ラインの圧力を測定する圧力センサと、冷却ステージを初期温度から極低温に冷却する初期冷却の実行中、圧力センサによって測定された高圧ラインの圧力または低圧ラインの圧力のいずれか一方に基づいて初期冷却が完了したか否かを判定するコントローラと、を備える。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機の起動方法は、膨張機の冷却ステージを初期温度から極低温に冷却する初期冷却を実行することと、初期冷却の実行中、膨張機に吸気される作動ガスの圧力または膨張機から排気される作動ガスの圧力を測定することと、初期冷却の実行中、測定された膨張機に吸気される作動ガスの圧力または膨張機から排気される作動ガスの圧力のいずれか一方に基づいて初期冷却が完了したか否かを判定することと、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、初期冷却の完了を検知する極低温冷凍機を安価に提供することができる。

実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。 実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。 実施の形態に係り、初期冷却における膨張機の排気温度と吸気温度の変化の一例を示すグラフである。 実施の形態に係る極低温冷凍機の起動方法を説明するフローチャートである。 実施の形態に係り、初期冷却における高圧ラインと低圧ラインの圧力の変化の一例を示すグラフである。 実施の形態に係る極低温冷凍機の起動方法を説明するフローチャートである。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１および図２は、実施の形態に係る極低温冷凍機１０を概略的に示す図である。極低温冷凍機１０は、一例として、二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機である。図１には、極低温冷凍機１０を構成する圧縮機１２と膨張機１４が制御装置１００とともに模式的に示され、図２には、極低温冷凍機１０の膨張機１４の内部構造が示される。

圧縮機１２は、極低温冷凍機１０の作動ガスを膨張機１４から回収し、回収した作動ガスを昇圧して、再び作動ガスを膨張機１４に供給するよう構成されている。圧縮機１２と膨張機１４により極低温冷凍機１０の冷凍サイクルが構成され、それにより極低温冷凍機１０は所望の極低温冷却を提供することができる。膨張機１４は、コールドヘッドとも称される。作動ガスは、冷媒ガスとも称され、通例はヘリウムガスであるが、適切な他のガスが用いられてもよい。理解のために、作動ガスの流れる方向を図１に矢印で示す。

なお、一般に、圧縮機１２から膨張機１４に供給される作動ガスの圧力と、膨張機１４から圧縮機１２に回収される作動ガスの圧力は、ともに大気圧よりかなり高く、それぞれ第１高圧及び第２高圧と呼ぶことができる。説明の便宜上、第１高圧及び第２高圧はそれぞれ単に高圧及び低圧とも呼ばれる。典型的には、高圧は例えば２～３ＭＰａである。低圧は例えば０．５～１．５ＭＰａであり、例えば約０．８ＭＰａである。理解のために、作動ガスの流れる方向を矢印で示す。

膨張機１４は、冷凍機シリンダ１６と、ディスプレーサ組立体１８とを備える。冷凍機シリンダ１６は、ディスプレーサ組立体１８の直線往復運動をガイドするとともに、ディスプレーサ組立体１８との間に作動ガスの膨張室（３２、３４）を形成する。また、膨張機１４は、膨張室への作動ガスの吸気開始タイミングおよび膨張室からの作動ガスの排気開始タイミングを定める圧力切替バルブ４０を備える。

本書では、極低温冷凍機１０の構成要素間の位置関係を説明するために、便宜上、ディスプレーサの軸方向往復動の上死点に近い側を「上」、下死点に近い側を「下」と表記することとする。上死点は膨張空間の容積が最大となるディスプレーサの位置であり、下死点は膨張空間の容積が最小となるディスプレーサの位置である。極低温冷凍機１０の運転時には軸方向上方から下方へと温度が下がる温度勾配が生じるので、上側を高温側、下側を低温側と呼ぶこともできる。

冷凍機シリンダ１６は、第１シリンダ１６ａ、第２シリンダ１６ｂを有する。第１シリンダ１６ａと第２シリンダ１６ｂは、一例として、円筒形状を有する部材であり、第２シリンダ１６ｂが第１シリンダ１６ａよりも小径である。第１シリンダ１６ａと第２シリンダ１６ｂは同軸に配置され、第１シリンダ１６ａの下端が第２シリンダ１６ｂの上端に剛に連結されている。

ディスプレーサ組立体１８は、互いに連結された第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂを備え、これらは一体に移動する。第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂは、一例として、円筒形状を有する部材であり、第２ディスプレーサ１８ｂが第１ディスプレーサ１８ａよりも小径である。第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂは同軸に配置されている。

第１ディスプレーサ１８ａは、第１シリンダ１６ａに収容され、第２ディスプレーサ１８ｂは、第２シリンダ１６ｂに収容されている。第１ディスプレーサ１８ａは、第１シリンダ１６ａに沿って軸方向に往復移動可能であり、第２ディスプレーサ１８ｂは、第２シリンダ１６ｂに沿って軸方向に往復移動可能である。

図２に示されるように、第１ディスプレーサ１８ａは、第１蓄冷器２６を収容する。第１蓄冷器２６は、第１ディスプレーサ１８ａの筒状の本体部の中に、例えば銅などの金網またはその他適宜の第１蓄冷材を充填することによって形成されている。第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部および下蓋部は第１ディスプレーサ１８ａの本体部とは別の部材として提供されてもよく、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部および下蓋部は、締結、溶接など適宜の手段で本体に固定され、それにより第１蓄冷材が第１ディスプレーサ１８ａに収容されてもよい。

同様に、第２ディスプレーサ１８ｂは、第２蓄冷器２８を収容する。第２蓄冷器２８は、第２ディスプレーサ１８ｂの筒状の本体部の中に、例えばビスマスなどの非磁性蓄冷材、ＨｏＣｕ_２などの磁性蓄冷材、またはその他適宜の第２蓄冷材を充填することによって形成されている。第２蓄冷材は粒状に成形されていてもよい。第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部および下蓋部は第２ディスプレーサ１８ｂの本体部とは別の部材として提供されてもよく、第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部の下蓋部は、締結、溶接など適宜の手段で本体に固定され、それにより第２蓄冷材が第２ディスプレーサ１８ｂに収容されてもよい。

ディスプレーサ組立体１８は、室温室３０、第１膨張室３２、第２膨張室３４を冷凍機シリンダ１６の内部に形成する。極低温冷凍機１０によって冷却すべき所望の物体または媒体との熱交換のために、膨張機１４は、第１冷却ステージ３３と第２冷却ステージ３５を備える。室温室３０は、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部と第１シリンダ１６ａの上部との間に形成される。第１膨張室３２は、第１ディスプレーサ１８ａの下蓋部と第１冷却ステージ３３との間に形成される。第２膨張室３４は、第２ディスプレーサ１８ｂの下蓋部と第２冷却ステージ３５との間に形成される。第１冷却ステージ３３は、第１膨張室３２を取り囲むように第１シリンダ１６ａの下部に固着され、第２冷却ステージ３５は、第２膨張室３４を取り囲むように第２シリンダ１６ｂの下部に固着されている。

第１蓄冷器２６は、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部に形成された作動ガス流路３６ａを通じて室温室３０に接続され、第１ディスプレーサ１８ａの下蓋部に形成された作動ガス流路３６ｂを通じて第１膨張室３２に接続されている。第２蓄冷器２８は、第１ディスプレーサ１８ａの下蓋部から第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部へと形成された作動ガス流路３６ｃを通じて第１蓄冷器２６に接続されている。また、第２蓄冷器２８は、第２ディスプレーサ１８ｂの下蓋部に形成された作動ガス流路３６ｄを通じて第２膨張室３４に接続されている。

第１膨張室３２、第２膨張室３４と室温室３０との間の作動ガス流れが、冷凍機シリンダ１６とディスプレーサ組立体１８との間のクリアランスではなく、第１蓄冷器２６、第２蓄冷器２８に導かれるようにするために、第１シール３８ａ、第２シール３８ｂが設けられていてもよい。第１シール３８ａは、第１ディスプレーサ１８ａと第１シリンダ１６ａとの間に配置されるように第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部に装着されてもよい。第２シール３８ｂは、第２ディスプレーサ１８ｂと第２シリンダ１６ｂとの間に配置されるように第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部に装着されてもよい。

図１に示されるように、膨張機１４は、圧力切替バルブ４０を収容する冷凍機ハウジング２０を備える。冷凍機ハウジング２０は、冷凍機シリンダ１６と結合され、それにより、圧力切替バルブ４０およびディスプレーサ組立体１８を収容する気密容器が構成される。

圧力切替バルブ４０は、図２に示されるように、高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂを備え、冷凍機シリンダ１６内に周期的圧力変動を発生させるように構成されている。圧縮機１２の作動ガス吐出口が高圧バルブ４０ａを介して室温室３０に接続され、圧縮機１２の作動ガス吸入口が低圧バルブ４０ｂを介して室温室３０に接続されている。高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂは、選択的かつ交互に開閉するように（すなわち、一方が開いているとき他方が閉じるように）構成されている。

圧力切替バルブ４０は、ロータリーバルブの形式をとってもよい。すなわち、圧力切替バルブ４０は、静止したバルブ本体に対するバルブディスクの回転摺動によって高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂが交互に開閉されるように構成されていてもよい。その場合、膨張機モータ４２が圧力切替バルブ４０のバルブディスクを回転させるように圧力切替バルブ４０に連結されていてもよい。たとえば、圧力切替バルブ４０は、バルブ回転軸が膨張機モータ４２の回転軸と同軸となるように配置される。

あるいは、高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂはそれぞれ個別に制御可能なバルブであってもよく、その場合、圧力切替バルブ４０は、膨張機モータ４２に連結されていなくてもよい。

膨張機モータ４２は、たとえばスコッチヨーク機構などの運動変換機構４３を介してディスプレーサ駆動軸４４に連結されている。膨張機モータ４２は、冷凍機ハウジング２０に取り付けられている。運動変換機構４３は、圧力切替バルブ４０と同様に、冷凍機ハウジング２０に収容されている。運動変換機構４３は、膨張機モータ４２が出力する回転運動をディスプレーサ駆動軸４４の直線往復運動に変換する。ディスプレーサ駆動軸４４は、運動変換機構４３から室温室３０の中へと延び、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部に固定されている。膨張機モータ４２の回転は運動変換機構４３によってディスプレーサ駆動軸４４の軸方向往復動に変換され、ディスプレーサ組立体１８は冷凍機シリンダ１６内を軸方向に直線的に往復する。

膨張機モータ４２は、たとえば、三相交流で駆動する永久磁石型モータである。膨張機モータ４２の運転周波数は、インバータ７０によって制御される。膨張機モータ４２は、膨張機モータ４２の運転周波数に応じた回転数で動作することができる。一例として、インバータ７０の出力周波数（すなわち膨張機モータ４２の運転周波数）は、３０Ｈｚから１００Ｈｚの範囲、または４０Ｈｚから７０Ｈｚの範囲で変化しうる。

膨張機モータ４２およびインバータ７０は、商用電源（三相交流電源）などの外部電源８０から給電される。なお、膨張機モータ４２およびインバータ７０は、例えば、圧縮機１２を介して外部電源８０に接続され給電されてもよく、この場合には、圧縮機１２が膨張機モータ４２とインバータ７０の電源とみなされてもよい。

圧縮機１２は、高圧ガス出口５０、低圧ガス入口５１、高圧流路５２、低圧流路５３、第１圧力センサ５４、第２圧力センサ５５、バイパスライン５６、圧縮機本体５７、および圧縮機筐体５８を備える。高圧ガス出口５０は、圧縮機１２の作動ガス吐出ポートとして圧縮機筐体５８に設置され、低圧ガス入口５１は、圧縮機１２の作動ガス吸入ポートとして圧縮機筐体５８に設置されている。高圧流路５２は、圧縮機本体５７の吐出口を高圧ガス出口５０に接続し、低圧流路５３は、低圧ガス入口５１を圧縮機本体５７の吸入口に接続する。圧縮機筐体５８は、高圧流路５２、低圧流路５３、第１圧力センサ５４、第２圧力センサ５５、バイパスライン５６、および圧縮機本体５７を収容する。圧縮機１２は、圧縮機ユニットとも称される。

圧縮機本体５７は、その吸入口から吸入される作動ガスを内部で圧縮して吐出口から吐出するよう構成されている。圧縮機本体５７は、例えば、スクロール方式、ロータリ式、または作動ガスを昇圧するそのほかのポンプであってもよい。この実施の形態では、圧縮機本体５７は、固定された一定の作動ガス流量を吐出するよう構成されている。あるいは、圧縮機本体５７は、吐出する作動ガス流量を可変とするよう構成されていてもよい。圧縮機本体５７は、圧縮カプセルと称されることもある。

第１圧力センサ５４は、高圧流路５２を流れる作動ガスの圧力を測定するよう高圧流路５２に配置されている。第１圧力センサ５４は、測定された圧力を表す第１測定圧信号Ｐ１を出力するよう構成されている。第２圧力センサ５５は、低圧流路５３を流れる作動ガスの圧力を測定するよう低圧流路５３に配置されている。第２圧力センサ５５は、測定された圧力を表す第２測定圧信号Ｐ２を出力するよう構成されている。よって第１圧力センサ５４、第２圧力センサ５５はそれぞれ、高圧センサ、低圧センサと呼ぶこともできる。また本書では、第１圧力センサ５４と第２圧力センサ５５のいずれかを指して、または両方を総称して、単に「圧力センサ」と表記することもある。

バイパスライン５６は、膨張機１４を迂回して高圧流路５２から低圧流路５３に作動ガスを還流させるように高圧流路５２を低圧流路５３に接続する。バイパスライン５６には、バイパスライン５６を開閉し、またはバイパスライン５６を流れる作動ガスの流量を制御するためのリリーフバルブ６０が設けられている。リリーフバルブ６０は、その出入口間に設定圧以上の差圧が作用するとき開くように構成されている。リリーフバルブ６０は、オンオフ弁または流量制御弁であってもよく、例えば電磁弁でもよい。設定圧は、設計者の経験的知見または設計者による実験やシミュレーション等に基づき適宜設定することが可能である。これにより、高圧ライン６３と低圧ライン６４の差圧がこの設定圧を超えて過大となることを防ぐことができる。また、高圧ライン６３の圧力が過大となることを防ぐことができる。

一例として、リリーフバルブ６０は、制御装置１００による制御によって開閉されてもよい。制御装置１００は、測定される高圧ライン６３と低圧ライン６４の差圧を設定圧と比較し、測定差圧が設定圧以上の場合にリリーフバルブ６０を開き、測定差圧が設定差圧未満の場合にリリーフバルブ６０を閉じるようにリリーフバルブ６０を制御してもよい。制御装置１００は、高圧ライン６３と低圧ライン６４の測定差圧を、第１圧力センサ５４からの第１測定圧信号Ｐ１と第２圧力センサ５５からの第２測定圧信号Ｐ２に基づいて取得してもよい。あるいは、制御装置１００は、第１測定圧信号Ｐ１に基づいて高圧ライン６３の測定圧力を上限圧と比較し、測定圧力が上限圧以上の場合にリリーフバルブ６０を開き、測定圧力が上限圧未満の場合にリリーフバルブ６０を閉じるようにリリーフバルブ６０を制御してもよい。別の例として、リリーフバルブ６０は、いわゆる安全弁として作動するように構成されていてもよく、すなわち、出入口間に設定圧以上の差圧が作用するとき機械的に開放されてもよい。

なお、圧縮機１２は、そのほか種々の構成要素を有しうる。例えば、高圧流路５２には、オイルセパレータ、アドソーバなどが設けられていてもよい。低圧流路５３には、ストレージタンクそのほかの構成要素が設けられていてもよい。また、圧縮機１２には、圧縮機本体５７をオイルで冷却するオイル循環系や、オイルを冷却する冷却系などが設けられていてもよい。

また、極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と膨張機１４の間で作動ガスを循環させるガスライン６２を備える。ガスライン６２は、圧縮機１２から膨張機１４に作動ガスを供給するように圧縮機１２を膨張機１４に接続する高圧ライン６３と、膨張機１４から圧縮機１２に作動ガスを回収するように圧縮機１２を膨張機１４に接続する低圧ライン６４とを備える。よって、高圧ライン６３には膨張機１４に吸気される作動ガスが流れ、低圧ライン６４には膨張機１４から排気される作動ガスが流れる。

膨張機１４の冷凍機ハウジング２０には高圧ガス入口２２と低圧ガス出口２４が設けられている。高圧ガス入口２２は、膨張機１４の作動ガス吸気ポートとして冷凍機ハウジング２０に設置され、低圧ガス出口２４は、膨張機１４の作動ガス排気ポートとして冷凍機ハウジング２０に設置されている。図示されるように、高圧ガス入口２２を先端に有する高圧側接続管２５ａと、低圧ガス出口２４を先端に有する低圧側接続管２５ｂが、冷凍機ハウジング２０から延びていてもよい。高圧側接続管２５ａと低圧側接続管２５ｂは例えばリジッド管であるが、フレキシブル管であってもよい。

膨張機１４の高圧ガス入口２２は、高圧配管６５によって圧縮機１２の高圧ガス出口５０に接続されている。膨張機１４の低圧ガス出口２４は、低圧配管６６によって圧縮機１２の低圧ガス入口５１に接続されている。高圧ライン６３は、高圧配管６５と高圧流路５２からなり、低圧ライン６４は、低圧配管６６と低圧流路５３からなる。高圧配管６５、低圧配管６６は例えばフレキシブル管であるが、リジッド管であってもよい。

なお、圧縮機１２内のバイパスライン５６は、ガスライン６２の一部であるとみなされてもよい。バイパスライン５６は、膨張機１４を迂回して高圧ライン６３から低圧ライン６４に作動ガスを還流させるように高圧ライン６３を低圧ライン６４に接続する。

したがって、膨張機１４から圧縮機１２に回収される作動ガスは、膨張機１４の低圧ガス出口２４から低圧配管６６を通じて圧縮機１２の低圧ガス入口５１に入り、さらに低圧流路５３を経て圧縮機本体５７に戻り、圧縮機本体５７によって圧縮され昇圧される。圧縮機１２から膨張機１４に供給される作動ガスは、圧縮機本体５７から高圧流路５２を通じて圧縮機１２の高圧ガス出口５０から出て、さらに高圧配管６５と膨張機１４の高圧ガス入口２２を経て膨張機１４に供給される。

高圧ライン６３の圧力が上限圧を超えるときリリーフバルブ６０が開き、高圧ライン６３を流れる作動ガスの一部は、高圧流路５２からバイパスライン５６へと分流される。バイパスライン５６は低圧流路５３に合流しているので、作動ガスは膨張機１４を迂回して圧縮機本体５７に還流し、高圧ライン６３の圧力は低下する。高圧ライン６３の圧力が上限圧を下回ればリリーフバルブ６０は閉じ、高圧ライン６３から低圧ライン６４へのバイパスライン５６を通じた作動ガス流れは遮断される。同様にして、高圧ライン６３と低圧ライン６４の差圧も、設定圧を超えないようにリリーフバルブ６０を通じて調整されうる。

また、膨張機１４には、吸気温度センサ４６と排気温度センサ４８が設けられている。吸気温度センサ４６は、膨張機１４の吸気温度を測定し、測定吸気温度を示す吸気温度信号Ｔ１を出力するよう構成されている。排気温度センサ４８は、膨張機１４の排気温度を測定し、測定排気温度を示す排気温度信号Ｔ２を出力するよう構成されている。

吸気温度センサ４６は、例えば膨張機１４の高圧ガス入口２２に設けられ、排気温度センサ４８は、例えば膨張機１４の低圧ガス出口２４に設けられている。ただし、吸気温度センサ４６は、膨張機１４に吸気される作動ガスの温度を測定できる限り、その設置場所は問わない。例えば、吸気温度センサ４６は、高圧側接続管２５ａの内部または外面に設けられてもよく、または高圧ガス入口２２と高圧配管６５との間に、または高圧配管６５の内側または外面に設けられてもよい。同様に、排気温度センサ４８は、膨張機１４から排気される作動ガスの温度を測定できる限り、その設置場所は問わない。例えば、排気温度センサ４８は、低圧側接続管２５ｂの内部または外面に設けられてもよく、または低圧ガス出口２４と低圧配管６６との間に、または低圧配管６６の内側または外面に設けられてもよい。

このように、吸気温度センサ４６と排気温度センサ４８は、極低温冷凍機１０の非冷却部に設けられている。これら温度センサは、膨張機１４に限られず、ガスライン６２に設けられてもよい。ただし、周囲環境による温度変化（例えば冷却）の影響を避け、膨張機１４に吸排気される作動ガスの温度を正確に測るために、吸気温度センサ４６と排気温度センサ４８は、圧縮機１２に設けるのではなく、膨張機１４またはその近傍に設けることが好ましい。

図１に示されるように、極低温冷凍機１０を制御する制御装置１００は、インバータ７０を制御するコントローラ１１０を備える。コントローラ１１０は、吸気温度信号Ｔ１および排気温度信号Ｔ２を取得するよう吸気温度センサ４６および排気温度センサ４８と電気的に接続されている。また、コントローラ１１０は、第１測定圧信号Ｐ１および第２測定圧信号Ｐ２を取得するよう第１圧力センサ５４および第２圧力センサ５５と電気的に接続されている。

図示される例では、制御装置１００は、圧縮機１２および膨張機１４とは別に設けられこれらと接続されているが、その限りでない。制御装置１００は、圧縮機１２に搭載されてもよい。制御装置１００は、膨張機モータ４２に搭載される等、膨張機１４に設けられてもよい。あるいは、コントローラ１１０が圧縮機１２に搭載され、インバータ７０が膨張機１４に搭載される等、コントローラ１１０とインバータ７０が別々に設置されてもよい。

制御装置１００は、ハードウェア構成としてはコンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現されるが、図１では適宜、それらの連携によって実現される機能ブロックとして描いている。これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

極低温冷凍機１０は、圧縮機１２および膨張機モータ４２が運転されるとき、第１膨張室３２および第２膨張室３４において周期的な容積変動とこれに同期した作動ガスの圧力変動を発生させる。典型的には、吸気工程においては、低圧バルブ４０ｂが閉じ高圧バルブ４０ａが開くことによって、高圧の作動ガスが圧縮機１２から高圧バルブ４０ａを通じて室温室３０に流入し、第１蓄冷器２６を通じて第１膨張室３２に供給され、第２蓄冷器２８を通じて第２膨張室３４に供給される。こうして、第１膨張室３２、第２膨張室３４は低圧から高圧へと昇圧される。このとき、ディスプレーサ組立体１８が下死点から上死点へと上動され第１膨張室３２と第２膨張室３４の容積が増加される。高圧バルブ４０ａが閉じると吸気工程は終了する。

排気工程においては、高圧バルブ４０ａが閉じ低圧バルブ４０ｂが開くことによって、高圧の第１膨張室３２、第２膨張室３４が圧縮機１２の低圧の作動ガス吸入口に開放されるので、作動ガスが第１膨張室３２、第２膨張室３４で膨張し、その結果低圧となった作動ガスが第１膨張室３２、第２膨張室３４から第１蓄冷器２６、第２蓄冷器２８を通じて室温室３０へと排出される。このとき、ディスプレーサ組立体１８が上死点から下死点へと下動され第１膨張室３２と第２膨張室３４の容積が減少される。作動ガスは膨張機１４から低圧バルブ４０ｂを通じて圧縮機１２に回収される。低圧バルブ４０ｂが閉じると排気工程は終了する。

このようにして、たとえばＧＭサイクルなどの冷凍サイクルが構成され、第１冷却ステージ３３および第２冷却ステージ３５が所望の極低温に冷却される。第１冷却ステージ３３は、例えば約２０Ｋ～約４０Ｋの範囲にある第１冷却温度に冷却されることができる。第２冷却ステージ３５は、第１冷却温度より低い第２冷却温度（例えば、約１Ｋ～約４Ｋ）に冷却されることができる。

極低温冷凍機１０は、定常運転と、定常運転に先行してクールダウン運転とを実行可能である。クールダウン運転は、極低温冷凍機１０の起動時に、初期温度から極低温に急速に冷却する運転モードであり、定常運転は、クールダウン運転によって極低温に冷却された状態を維持する極低温冷凍機１０の運転モードである。初期温度は、周囲温度（例えば室温）であってもよい。極低温冷凍機１０は、クールダウン運転によって標準冷却温度に冷却され、定常運転ではこの標準冷却温度を含む極低温の許容温度範囲内に維持される。標準冷却温度は、極低温冷凍機１０の用途と設定に応じて異なるが、例えば超伝導装置の冷却用途では典型的に、約４．２Ｋ以下である。ある他の冷却用途では、標準冷却温度は、例えば約１０Ｋ～２０Ｋ、または１０Ｋ以下であってもよい。クールダウン運転から定常運転への切替は、制御装置１００によって制御されてもよい。クールダウンは、上述のように、初期冷却と呼ぶこともできる。

初期冷却は極低温冷凍機によって対象物の冷却を始めるため準備にすぎないから、その所要時間はなるべく短いことが望まれる。そこで、「加速冷却」が使用されることがある。加速冷却では、膨張機モータ４２の運転周波数が、インバータ７０によって例えば外部電源８０の電源周波数よりも高い周波数に制御される。膨張機モータ４２の運転周波数の増加はすなわち極低温冷凍機１０の冷凍サイクルの単位時間あたりの回数増加に相当するから、極低温冷凍機１０の冷凍能力を増加させることができる。したがって、加速冷却により、極低温冷凍機１０のクールダウン時間を短縮することができる。

一見すると、初期冷却中だけでなく定常運転でも引き続き高い運転周波数で膨張機モータ４２を駆動すれば、極低温冷凍機１０は高い冷凍能力を発揮し続けられるようにみえる。しかし、実際にはそうとは言えない。高い運転周波数で膨張機モータ４２を駆動し続けると、却って冷凍能力が低下し不十分となることがある。

極低温冷凍機１０が所定の冷凍能力を出力するために膨張機１４に必要とされる作動ガス流量は、冷却温度に依存した作動ガスの密度変化に相関するため、温度が高いほど少なくてよい。そのため、圧縮機１２の吐出流量が一定であるとすると、冷却温度が高いほど余剰の作動ガス流量が多くなり、高圧ライン６３と低圧ライン６４の差圧が大きくなりがちである。過剰な差圧が生じるのを避けるために、上述のように、作動ガスがバイパスライン５６を通じて還流されうる。よって、定常運転に比べて温度が高い初期冷却中（とくに初期冷却の開始当初）には、多量の余剰ガスがバイパスライン５６を通じて還流し無駄となりうる。加速冷却は、膨張機１４で使用する作動ガスの流量を増やすことによって、還流する余剰ガスを減らし、圧縮機１２の吐出流量を有効に利用するものである。

したがって、極低温冷凍機１０の冷却ステージ（例えば第２冷却ステージ３５）に温度センサを設置し、測定温度を監視することで初期冷却の完了を検知し、初期冷却（および加速冷却）を終了させ、定常冷却に移行するという自動制御機能を極低温冷凍機に搭載することが考えられる。

しかし、これを実現するには、極低温を測定できる温度センサが必要であり、そうした温度センサは比較的高価である。コストアップを避けるために極低温用の温度センサが極低温冷凍機に搭載されない場合、極低温冷凍機の使用者が初期冷却の完了を判断して手作業で加速冷却を終了させることになり、作業が煩雑となる。あるいは、加速冷却を利用しないこととなり、クールダウン時間の短縮が制限される。

そこで、本発明者は、極低温部に設けた温度センサを使用するのではなく、クールダウン完了を検知する別の簡便で安価な手法を見出した。実施の形態では、後述のように、コントローラ１１０は、冷却ステージを初期温度から極低温に冷却する初期冷却の実行中、排気温度信号Ｔ２に基づいて測定排気温度を基準温度と比較し、測定排気温度と基準温度の温度差が基準範囲内である場合に初期冷却を完了するように構成される。コントローラ１１０は、吸気温度信号Ｔ１に基づいて測定吸気温度を基準温度として使用するように構成されてもよい。コントローラ１１０は、初期冷却を完了するとき膨張機モータ４２の運転周波数を低下させるようにインバータ７０を制御するように構成されてもよい。

図３は、実施の形態に係り、初期冷却における膨張機１４の排気温度と吸気温度の変化の一例を示すグラフである。図示される温度変化は、実験により取得したものであり、図３の上部には、排気温度センサ４８と吸気温度センサ４６によって測定された膨張機１４の排気温度と吸気温度が示される。検討のために、第２冷却ステージ３５の冷却温度も測定され、これは図３の下部に示される。なおこのとき圧縮機１２のバイパスライン５６は、高圧ライン６３と低圧ライン６４の差圧を一定とするように制御されている。

図３に示されるように、極低温冷凍機１０の起動時点（時刻０）では、排気温度も吸気温度も周囲温度（例えば約２５℃）にある。排気温度は、初期冷却の開始後、ある最高温度（例えば約４２℃）まで高まり、その後徐々に再び周囲温度に向けて低下している。吸気温度は、初期冷却の間、周囲温度に概ね等しくなっている。このように、周囲温度が変動しない場合、吸気温度も周囲温度に応じて一定となる。

排気温度と吸気温度の温度差は初期冷却開始直後に広がるが、第２冷却ステージ３５の冷却が進むにつれて温度差が縮小していくことがグラフからわかる。第２冷却ステージ３５が上述の標準冷却温度（例えば約４Ｋ）に冷却された時点Ａで（この例では約４６分）、排気温度と吸気温度の温度差は約７℃に縮小している。さらに時間が経つと、排気温度と吸気温度の温度差は最終的に数℃（例えば５℃以内または３℃以内）に収まる。したがって、時点Ａで、または、排気温度と吸気温度の温度差がさらに小さくなる時点Ｂで（この例では温度差が５℃以内となる時点で）、初期冷却が完了したものとみなすことができる。

図４は、実施の形態に係る極低温冷凍機１０の起動方法を説明するフローチャートである。本方法は、極低温冷凍機１０の起動時にコントローラ１１０によって実行される。極低温冷凍機１０が起動されると、初期冷却が開始される（Ｓ１０）。このときコントローラ１１０は加速冷却を実行してもよく、定常運転中である場合に比べて膨張機モータ４２の運転周波数が高くなるようにインバータ７０を制御してもよい。初期冷却における膨張機モータ４２の運転周波数は、外部電源８０からインバータ７０への入力周波数（例えば５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）よりも高くてもよい。

膨張機１４の排気温度と吸気温度が測定される（Ｓ１２）。これらは上述のように、吸気温度センサ４６と排気温度センサ４８を使用して測定される。コントローラ１１０は、吸気温度信号Ｔ１から膨張機１４の測定吸気温度を取得し、排気温度信号Ｔ２から膨張機１４の測定排気温度を取得する。

測定排気温度が基準温度と比較される（Ｓ１４）。この実施の形態では、測定吸気温度が基準温度として使用される。コントローラ１１０は、測定排気温度と基準温度の温度差が基準範囲内であるか否かを判定する。測定排気温度が基準温度よりもかなり大きく、測定排気温度と基準温度の温度差が基準範囲外である場合には（Ｓ１４の（ｉ））、初期冷却が継続され、以降に膨張機１４の排気温度と吸気温度が再び測定され（Ｓ１２）、測定排気温度が基準温度と比較される（Ｓ１４）。

ここで、基準範囲は、例えば数℃以内（例えば５℃以内）であってもよい。基準範囲は、設計者の経験的知見または設計者による実験やシミュレーション等に基づき適宜設定することが可能である。基準範囲は、極低温冷凍機１０の使用者によってコントローラ１１０に予め入力され、またはコントローラ１１０に予め設定され、コントローラ１１０に保存されている。

測定排気温度と基準温度の温度差が基準範囲内である場合には（Ｓ１４の（ｉｉ））、コントローラ１１０は、初期冷却を終了し、極低温冷凍機１０の定常運転に移行する（Ｓ１６）。加速冷却が実行されている場合、コントローラ１１０は、膨張機モータ４２の運転周波数を低下させるようにインバータ７０を制御する（Ｓ１８）。すなわち、コントローラ１１０は、膨張機モータ４２の運転周波数を初期冷却用の第１の値から定常運転用の第２の値に変更するようにインバータ７０を制御する。定常運転用の第２の運転周波数値は、初期冷却用の第１の運転周波数値より小さく、例えば、外部電源８０からインバータ７０への入力周波数（例えば５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）に等しいかそれより低くてもよい。

このようにして、極低温冷凍機１０の初期冷却は完了し、定常運転が開始される。第２冷却ステージ３５に熱的に結合されている冷却対象物を目的の極低温に冷却し、極低温下で利用することができる。

したがって、実施の形態に係る極低温冷凍機１０によると、初期冷却の実行中に、極低温冷却部（例えば第２冷却ステージ３５）の温度を測定することなく、膨張機１４の測定排気温度と測定吸気温度から初期冷却の完了を検知することができる。吸気温度センサ４６と排気温度センサ４８が極低温冷凍機１０の非冷却部に設けられているので、室温付近を測定する汎用の温度センサを利用できる。こうした温度センサよりも高価な極低温測定用の温度センサを要しない。よって、初期冷却の完了を検知する極低温冷凍機を安価に提供することができる。

測定排気温度と比較される基準温度として、測定吸気温度が使用される。仮に、極低温冷凍機１０の周囲温度が変動した場合、その影響は排気温度と吸気温度の両方に現れると考えられる。実施の形態によれば、測定排気温度と測定吸気温度の温度差を使用するので、周囲温度の変動の影響を相殺することができる。

なお、基準温度として測定吸気温度を使用することは、必須ではない。ある実施の形態では、コントローラ１１０は、基準温度として、初期冷却開始時の測定排気温度を使用してもよい。この場合、極低温冷凍機１０は、吸気温度センサ４６を備えなくてもよく、ステップＳ１２では排気温度センサ４８によって排気温度のみが測定されてもよい。また、周囲温度の値を入手可能である場合には、コントローラ１１０は、基準温度として、その周囲温度値を使用してもよい。コントローラ１１０は、基準温度として、周囲温度を表す温度値（固定値でもよい）を使用してもよい。

また、実施の形態によると、初期冷却を完了するとき膨張機モータ４２の運転周波数を低下させることにより、定常運転での極低温冷凍機１０の冷凍能力の低下を抑制することができる。

上述の実施の形態では、初期冷却中に加速冷却が行われている。しかし、加速冷却は必須ではない。ある実施の形態では、初期冷却中、膨張機モータ４２の運転周波数は、外部電源８０からインバータ７０への入力周波数（例えば５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）に等しくてもよく、初期冷却から定常運転に移行するとき、コントローラ１１０は、膨張機モータ４２の運転周波数を低下させるようにインバータ７０を制御してもよい。

なお、膨張機モータ４２の運転周波数は、初期冷却中または定常運転中に調整されてもよい。例えば、コントローラ１１０は、初期冷却において膨張機モータ４２の運転周波数を第１の範囲内で制御し、定常運転において膨張機モータ４２の運転周波数を第２の範囲内で制御してもよい。第２の範囲は第１の範囲よりも低い運転周波数であってもよい。第１の範囲は、インバータ７０への入力周波数よりも高くてもよく、第２の範囲は、インバータ７０への入力周波数に等しいかそれより低くてもよい。

膨張機１４の排気温度に代えて、初期冷却の完了をガスライン６２の圧力から検知することも可能である。そのような実施の形態を次に説明する。

図５は、実施の形態に係り、初期冷却における高圧ライン６３と低圧ライン６４の圧力の変化の一例を示すグラフである。図示される圧力変化は、実験により取得したものであり、図４の上部には、第１圧力センサ５４と第２圧力センサ５５によって測定された高圧ライン６３と低圧ライン６４の圧力が示される。検討のために、第２冷却ステージ３５の冷却温度も測定され、これは図４の下部に示される。なおこのとき圧縮機１２のバイパスライン５６は、高圧ライン６３と低圧ライン６４の差圧を一定とするように制御されている。

図５に示されるように、極低温冷凍機１０の起動時点（時刻０）では、高圧ライン６３の圧力は約２．５ＭＰａであり、低圧ライン６４の圧力は約０．７ＭＰａである。初期冷却中、第２冷却ステージ３５が約２０Ｋに冷却されるまで、高圧ライン６３と低圧ライン６４の圧力はそれぞれ概ね一定に保たれる。さらに冷却が進み、第２冷却ステージ３５が約２０Ｋから約４Ｋまで冷却されるのと概ね同期して、高圧ライン６３の圧力が約２．５ＭＰａから約２．３ＭＰａに低下し、低圧ライン６４の圧力が約０．７ＭＰａから約０．５ＭＰａに低下している。

この圧力低下は、作動ガスとして使用されるヘリウムガスの温度と密度の関係に基づく。ヘリウムガスは、２０～３０Ｋ程度の温度帯で他の温度帯に比べて密度が顕著に高まる。そのため、第２冷却ステージ３５が２０～３０Ｋ程度に冷却されるとき膨張機１４の膨張室でヘリウムガスの密度が増加され、それにより、ガスライン６２からヘリウムガスが膨張室に吸収されることになる。その結果、この温度帯よりも高温から低温へと冷却されるにつれて、ガスライン６２の圧力が低下する。

したがって、高圧ライン６３の測定圧力または低圧ライン６４の測定圧力の変化量がしきい値を超えて拡大する時点Ｃで（この例では圧力低下量が例えば０．１ＭＰａを超える時点で）、初期冷却が完了したものとみなすことができる。

図６は、実施の形態に係る極低温冷凍機１０の起動方法を説明するフローチャートである。本方法は、極低温冷凍機１０の起動時にコントローラ１１０によって実行される。極低温冷凍機１０が起動されると、初期冷却が開始される（Ｓ１０）。

高圧ライン６３の圧力または低圧ライン６４の圧力が測定される（Ｓ２２）。これらは上述のように、第１圧力センサ５４または第２圧力センサ５５を使用して測定される。コントローラ１１０は、第１測定圧信号Ｐ１から高圧ライン６３の圧力を取得し、第２測定圧信号Ｐ２から低圧ライン６４の圧力を取得することができる。

測定圧力の変化量が圧力しきい値と比較される（Ｓ２４）。コントローラ１１０は、測定圧力の変化量を算出し、算出された圧力変化量を圧力しきい値と比較する。測定圧力の変化量は例えば、初期冷却の開始時点に取得された測定圧力に対する現在の測定圧力の変化量であってもよい。測定圧力の変動が小さく、圧力変化量が圧力しきい値を下回る場合には（Ｓ２４の（ｉ））、初期冷却が継続され、以降に再び圧力が測定され（Ｓ２２）、測定圧力の変化量が圧力しきい値と比較される（Ｓ２４）。

ここで、コントローラ１１０は、測定圧力の移動平均を算出し、移動平均の変化量を算出し、この圧力変化量を圧力しきい値と比較してもよい。圧力しきい値は、例えば０．１ＭＰａ程度であってもよい。圧力しきい値は、設計者の経験的知見または設計者による実験やシミュレーション等に基づき適宜設定することが可能である。

測定圧力の変化量が圧力しきい値を上回る場合には（Ｓ２４の（ｉｉ））、コントローラ１１０は、初期冷却を終了し、極低温冷凍機１０の定常運転に移行する（Ｓ１６）。加速冷却が実行されている場合、コントローラ１１０は、膨張機モータ４２の運転周波数を低下させるようにインバータ７０を制御する（Ｓ１８）。このようにして、極低温冷凍機１０の初期冷却は完了し、定常運転が開始される。

このように、コントローラ１１０は、初期冷却の実行中、圧力センサによって測定された高圧ライン６３の圧力または低圧ライン６４の圧力のいずれか一方に基づいて初期冷却が完了したか否かを判定する。したがって、実施の形態に係る極低温冷凍機１０によると、初期冷却の実行中に、極低温冷却部（例えば第２冷却ステージ３５）の温度を測定することなく、高圧ライン６３の圧力または低圧ライン６４の圧力から初期冷却の完了を検知することができる。

なお、コントローラ１１０は、高圧ライン６３の圧力に基づいて初期冷却が完了したか否かを判定するとともに、低圧ライン６４の圧力に基づいて初期冷却が完了したか否かを判定してもよい。コントローラ１１０は、高圧ライン６３の圧力に基づく判定と低圧ライン６４の圧力に基づく判定の少なくとも一方（好ましくは両方）が初期冷却の完了を示す場合に、初期冷却を終了し定常運転に移行してもよい。

コントローラ１１０は、温度に基づいて初期冷却が完了したか否かを判定するとともに、圧力に基づいて初期冷却が完了したか否かを判定してもよい。温度に基づく判定は例えば、図３および図４を参照して説明した測定排気温度と基準温度の比較に基づく判定であってもよい。圧力に基づく判定は例えば、図５および図６を参照して説明した測定圧力の変化量と圧力しきい値の比較に基づく判定であってもよい。コントローラ１１０は、温度に基づく判定と圧力に基づく判定の少なくとも一方（好ましくは両方）が初期冷却の完了を示す場合に、初期冷却を終了し定常運転に移行してもよい。

上述のように、リリーフバルブ６０が制御装置１００による制御によって開閉される場合、初期冷却と定常運転で異なる設定圧が使用されてもよい。制御装置１００は、初期冷却中においては、測定される高圧ライン６３と低圧ライン６４の差圧を初期冷却用の設定圧と比較し、測定差圧がこの設定圧以上の場合にリリーフバルブ６０を開き、測定差圧が設定差圧未満の場合にリリーフバルブ６０を閉じるようにリリーフバルブ６０を制御してもよい。また、制御装置１００は、定常運転中においては、測定される高圧ライン６３と低圧ライン６４の差圧を定常運転用の設定圧と比較し、測定差圧がこの設定圧以上の場合にリリーフバルブ６０を開き、測定差圧が設定差圧未満の場合にリリーフバルブ６０を閉じるようにリリーフバルブ６０を制御してもよい。同様にして、高圧ライン６３について定められる上限圧も、初期冷却と定常運転で異なる上限圧が使用されてもよい。

第１圧力センサ５４、第２圧力センサ５５等の圧力センサは、圧縮機１２に設けられることは必須ではなく、ガスライン６２、膨張機１４など圧力を測定可能な任意の場所に設けられてもよい。例えば、第１圧力センサ５４は高圧ライン６３の任意の場所に設けられてもよく、第２圧力センサ５５は低圧ライン６４の任意の場所に設けられてもよい。また、同様に、バイパスライン５６とリリーフバルブ６０も圧縮機１２に設けられることは必須ではなく、圧縮機１２の外に配置され高圧ライン６３と低圧ライン６４を接続してもよい。

上述の実施の形態は、極低温冷凍機１０が二段式のＧＭ冷凍機である場合を例として説明しているが、これに限られない。極低温冷凍機１０は、単段式または多段式のＧＭ冷凍機であってもよく、さらには、膨張機を駆動する膨張機モータを備える例えばＧＭ型パルス管冷凍機などその他のタイプの極低温冷凍機であってもよい。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

１０ 極低温冷凍機、 １４ 膨張機、 ４６ 吸気温度センサ、 ４８ 排気温度センサ、 ６３ 高圧ライン、 ６４ 低圧ライン、 ７０ インバータ、 １１０ コントローラ、 Ｔ１ 吸気温度信号、 Ｔ２ 排気温度信号。

Claims (7)

1. 冷却ステージを有する膨張機と、
   前記膨張機の排気温度を測定し、測定排気温度を示す排気温度信号を出力する排気温度センサと、
   前記冷却ステージを初期温度から極低温に冷却する初期冷却の実行中、前記排気温度信号に基づいて前記測定排気温度を基準温度と比較し、前記測定排気温度と前記基準温度の温度差が基準範囲内である場合に前記初期冷却を完了するコントローラと、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。
2. 前記膨張機の吸気温度を測定し、測定吸気温度を示す吸気温度信号を出力する吸気温度センサをさらに備え、
   前記コントローラは、前記吸気温度信号に基づいて前記測定吸気温度を前記基準温度として使用することを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
3. 前記膨張機に接続され、前記膨張機に吸気される作動ガスが流れる高圧ラインと、
   前記膨張機に接続され、前記膨張機から排気される作動ガスが流れる低圧ラインと、
   前記高圧ラインの圧力または前記低圧ラインの圧力を測定する圧力センサと、をさらに備え、
   前記コントローラは、前記初期冷却の実行中、前記圧力センサによって測定された前記高圧ラインの圧力または前記低圧ラインの圧力のいずれか一方に基づいて前記初期冷却が完了したか否かを判定することを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷凍機。
4. 前記膨張機を駆動するモータの運転周波数を制御するインバータをさらに備え、
   前記コントローラは、前記初期冷却を完了するとき前記モータの運転周波数を低下させるように前記インバータを制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の極低温冷凍機。
5. 膨張機の冷却ステージを初期温度から極低温に冷却する初期冷却を実行することと、
   前記初期冷却の実行中、前記膨張機の排気温度を測定することと、
   前記初期冷却の実行中、測定された排気温度を基準温度と比較し、前記測定された排気温度と前記基準温度の温度差が基準範囲内である場合に前記初期冷却を完了することと、を備えることを特徴とする極低温冷凍機の起動方法。
6. 冷却ステージを有する膨張機と、
   前記膨張機に接続され、前記膨張機に吸気される作動ガスが流れる高圧ラインと、
   前記膨張機に接続され、前記膨張機から排気される作動ガスが流れる低圧ラインと、
   前記高圧ラインの圧力または前記低圧ラインの圧力を測定する圧力センサと、
   前記冷却ステージを初期温度から極低温に冷却する初期冷却の実行中、前記圧力センサによって測定された前記高圧ラインの圧力または前記低圧ラインの圧力のいずれか一方に基づいて前記初期冷却が完了したか否かを判定するコントローラと、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。
7. 膨張機の冷却ステージを初期温度から極低温に冷却する初期冷却を実行することと、
   前記初期冷却の実行中、前記膨張機に吸気される作動ガスの圧力または前記膨張機から排気される作動ガスの圧力を測定することと、
   前記初期冷却の実行中、測定された前記膨張機に吸気される作動ガスの圧力または前記膨張機から排気される作動ガスの圧力のいずれか一方に基づいて前記初期冷却が完了したか否かを判定することと、を備えることを特徴とする極低温冷凍機の起動方法。

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