JP2023183067A - 超伝導機器冷却装置、および超伝導機器冷却装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超伝導機器冷却装置におけるユーザビリティを向上する。【解決手段】超伝導機器冷却装置は、超伝導機器を冷却する極低温冷凍機１０と、ユーザーによる極低温冷凍機１０の複数の性能パラメータの選択を受け付け、選択された複数の性能パラメータを表す運転モード設定Ｓ１を生成するように構成されるインターフェイス１１０と、インターフェイス１１０から運転モード設定Ｓ１を受信し、選択された複数の性能パラメータに影響する極低温冷凍機１０の複数の運転パラメータを制御するように構成されるコントローラ１２０と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、超伝導機器冷却装置、および超伝導機器冷却装置の運転方法に関する。

超伝導コイルなどの超伝導機器は、超伝導を発現するために極低温に冷却される必要がある。超伝導機器の極低温冷却には、極低温冷凍機がよく用いられている。

特開２０１６－０５２２２５号公報

既存の超伝導機器冷却装置は、典型的には、その製造業者が定めた既定の運転条件で動作するように設計されている。そのため、超伝導機器のユーザーにとっては、自身の判断で超伝導機器冷却装置の運転条件を調整する余地があまりないのが実情である。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、超伝導機器冷却装置のユーザビリティを向上することにある。

本発明のある態様によると、超伝導機器冷却装置は、超伝導機器を冷却する極低温冷凍機と、ユーザーによる極低温冷凍機の複数の性能パラメータの選択を受け付け、選択された複数の性能パラメータを表す運転モード設定を生成するように構成されるインターフェイスと、インターフェイスから運転モード設定を受信し、選択された複数の性能パラメータに影響する極低温冷凍機の複数の運転パラメータを制御するように構成されるコントローラと、を備える。

本発明のある態様によると、超伝導機器冷却装置の運転方法が提供される。超伝導機器冷却装置は、超伝導機器を冷却する極低温冷凍機を備える。方法は、ユーザーによる極低温冷凍機の複数の性能パラメータの選択を受け付けることと、選択された複数の性能パラメータに影響する極低温冷凍機の複数の運転パラメータを制御することと、を備える。

本発明によれば、超伝導機器冷却装置におけるユーザビリティを向上することができる。

実施形態に係る超伝導磁石装置を概略的に示す図である。 実施形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。 実施形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。 実施形態に係る超伝導機器冷却装置の運転方法の一例を示すフローチャートである。 実施形態に係る超伝導機器冷却装置の運転方法に使用される制御アルゴリズムの一例を示すフローチャートである。 図６（ａ）および図６（ｂ）はそれぞれ、極低温冷凍機の１段温度および２段温度の運転周波数依存性を示すグラフである。

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は、実施形態に係る超伝導機器、たとえば超伝導磁石装置１００を概略的に示す図である。超伝導磁石装置１００は、例えば単結晶引き上げ装置、ＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance）システム、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）システム、サイクロトロンなどの加速器、核融合システムなどの高エネルギー物理システム、またはその他の高磁場利用機器（図示せず）の磁場源として高磁場利用機器に搭載され、その機器に必要とされる高磁場を発生させることができる。

超伝導磁石装置１００は、極低温冷凍機１０と、超伝導コイル１０２と、真空容器１０４と、輻射シールド１０６と、磁気シールド１０８とを備える。極低温冷凍機１０の例示的な構成については、図２および図３を参照して後述する。

超伝導コイル１０２は、真空容器１０４内に配置される。超伝導コイル１０２は、真空容器１０４に設置された極低温冷凍機１０と熱的に結合され、超伝導転移温度以下の極低温に冷却された状態で使用される。この実施形態では、超伝導磁石装置１００は、超伝導コイル１０２を極低温冷凍機１０によって直接冷却する、いわゆる伝導冷却式として構成される。

なお、他の実施形態では、超伝導磁石装置１００は、超伝導コイル１０２を液体ヘリウムなどの極低温液体冷媒に浸漬する浸漬冷却式で構成されてもよい。この場合、極低温冷凍機１０は、液体冷媒の冷却すなわち再凝縮に利用される。極低温冷凍機１０は、液体冷媒を介して超伝導コイル１０２を冷却することができる。

真空容器１０４は、超伝導コイル１０２を超伝導状態とするのに適する極低温真空環境を提供する断熱真空容器であり、クライオスタットとも呼ばれる。通例、真空容器１０４は、円柱状の形状、または中心部に中空部を有する円筒状の形状を有する。よって、真空容器１０４は、概ね平坦な円形状または円環状の天板１０４ａおよび底板１０４ｂと、これらを接続する円筒状の側壁（円筒状外周壁、または同軸配置された円筒状の外周壁および内周壁）とを有する。極低温冷凍機１０は真空容器１０４の天板１０４ａに設置されてもよい。真空容器１０４は、周囲圧力（たとえば大気圧）に耐えるように、例えばステンレス鋼などの金属材料またはその他の適する高強度材料で形成される。

輻射シールド１０６は、真空容器１０４内で超伝導コイル１０２を囲むように配置される。輻射シールド１０６は、真空容器１０４の天板１０４ａおよび底板１０４ｂそれぞれに対向する天板１０６ａおよび底板１０６ｂを有する。輻射シールド１０６の天板１０６ａおよび底板１０６ｂは、真空容器１０４と同様に、概ね平坦な円形状または円環状の形状をもつ。また輻射シールド１０６は、天板１０６ａと底板１０６ｂを接続する円筒状の側壁（円筒状外周壁、または同軸配置された円筒状の外周壁および内周壁）を有する。輻射シールド１０６は、例えば純銅（例えば、無酸素銅、タフピッチ銅など）、または他の高熱伝導金属で形成される。輻射シールド１０６は、真空容器１０４からの輻射熱を遮蔽し、輻射シールド１０６の内側に配置され輻射シールド１０６よりも低温に冷却される超伝導コイル１０２などの低温部を輻射熱から熱的に保護することができる。

磁気シールド１０８は、超伝導コイル１０２が発生させる磁場が外部に漏洩するのを抑制するために、真空容器１０４の天板１０４ａ、底板１０４ｂ、およびこれらを接続する円筒状の側壁（少なくとも外周壁）を覆っている。磁気シールド１０８は、例えば鉄などの磁性材料で形成される。この実施形態では、磁気シールド１０８は、真空容器１０４とは別の部材として設けられ、真空容器１０４の外側に固定されている。しかし、他の実施形態では、磁気シールド１０８の少なくとも一部が真空容器１０４と一体化されてもよい。例えば、真空容器１０４の天板１０４ａ、底板１０４ｂ、およびこれらを接続する側壁のうち少なくとも一部が、磁気シールド１０８として機能するように磁性材料で形成されてもよい。

極低温冷凍機１０の第１冷却ステージ３３が輻射シールド１０６の天板１０６ａと熱的に結合され、極低温冷凍機１０の第２冷却ステージ３５が輻射シールド１０６の内側で超伝導コイル１０２と熱的に結合される。超伝導磁石装置１００の運転中、輻射シールド１０６は、極低温冷凍機１０の第１冷却ステージ３３によって、第１冷却温度、例えば３０Ｋ～７０Ｋに冷却され、超伝導コイル１０２は、極低温冷凍機１０の第２冷却ステージ３５によって、第１冷却温度よりも低い第２冷却温度、例えば１０Ｋ未満の温度（例えば約１Ｋ～約４Ｋ）に冷却される。こうして極低温に冷却された超伝導コイル１０２は、真空容器１０４外に配置されたコイル電源（図示せず）から給電されることにより、所望の高磁場を発生させることができる。

図２および図３は、実施形態に係る極低温冷凍機１０を概略的に示す図である。図２には、極低温冷凍機１０の外観を示し、図３には、極低温冷凍機１０の内部構造を示す。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。

極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と膨張機１４とを備える。詳細は後述するが、図２に示されるように、インターフェイス１１０およびコントローラ１２０が設けられ、これらは極低温冷凍機１０とともに、実施形態に係る超伝導機器冷却装置を構成する。

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。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。

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。

圧縮機１２は、圧縮機本体２２と、圧縮機本体２２を収容する圧縮機筐体２３とを備える。圧縮機１２は、圧縮機ユニットとも称される。

圧縮機本体２２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２２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。圧縮機本体２２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てもよい。あるいは、圧縮機本体２２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２２は、圧縮カプセルと称されることもある。

また、圧縮機１２は、圧縮機モータ２４と、コントローラ１２０からの圧縮機制御信号Ｃ１に基づいて圧縮機モータ２４の運転周波数すなわち回転数を制御する圧縮機インバータ２５とを備える。圧縮機モータ２４は、圧縮機本体２２を駆動する駆動源であり、例えば、三相交流で駆動する電気モータである。圧縮機インバータ２５は、電源４６から圧縮機インバータ２５に入力される交流を、これと異なる周波数をもつ交流に変換し、変換された交流を圧縮機モータ２４に供給するように構成される。電源４６は、商用電源（三相交流電源）などの外部電源でありうる。圧縮機モータ２４の運転周波数は、圧縮機インバータ２５によって、３０Ｈｚから１００Ｈｚの範囲、または４０Ｈｚから７０Ｈｚの範囲で制御されてもよい。

圧縮機モータ２４の消費電力を計測するために第１計測器５０が設けられていてもよい。第１計測器５０は、圧縮機インバータ２５を圧縮機モータ２４に接続する給電配線に設置されていてもよい。一例として、第１計測器５０は、たとえば、二電力計法に基づく三相電力計を採用することができ、または、圧縮機モータ２４の消費電力を計測するその他の形式の電力センサであってもよい。第１計測器５０は、有線または無線によりコントローラ１２０に通信可能に接続されてもよい。第１計測器５０によって計測される圧縮機モータ２４の消費電力を示す圧縮機電力信号Ｅ１が、第１計測器５０からコントローラ１２０に入力されてもよい。

なお、コントローラ１２０は、圧縮機モータ２４の消費電力をその他の公知の手法により取得してもよく、この場合、極低温冷凍機１０は上述の第１計測器５０を備える必要はない。例えば、圧縮機インバータ２５は、圧縮機モータ２４に供給される電流および電圧から圧縮機モータ２４の消費電力を検出するように構成されてもよく、コントローラ１２０は、圧縮機モータ２４の消費電力を圧縮機インバータ２５から取得してもよい。あるいは、コントローラ１２０は、圧縮機モータ２４に供給される電流および電圧の大きさを示す信号を圧縮機インバータ２５から取得し、圧縮機モータ２４の消費電力を取得してもよい。

知られているように、圧縮機１２は、図示されないそのほか種々の構成要素を有しうる。例えば、吐出側の作動ガス流路には、オイルセパレータ、アドゾーバなどが設けられていてもよい。吸入側の作動ガス流路には、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２２をオイルで冷却するオイル循環系や、オイルを冷却水で冷却する冷却系などが設けられていてもよい。

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３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冷却ステージ３３および第２冷却ステージ３５は、例えば純銅（例えば、無酸素銅、タフピッチ銅など）、または他の高熱伝導金属で形成される。

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２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。冷凍機ハウジング２０および冷凍機シリンダ１６は、気密容器として内外の圧力差に耐えるように、例えばステンレス鋼などの金属材料またはその他の適する高強度材料で形成される。

圧力切替バルブ４０は、図３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１４は、膨張機モータ４２と運動変換機構４３とを備える。膨張機モータ４２は、膨張機１４を駆動する駆動源であり、例えば、三相交流で駆動する電気モータである。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。

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。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。

また、極低温冷凍機１０には、コントローラ１２０からの膨張機制御信号Ｃ２に基づいて膨張機モータ４２の運転周波数すなわち回転数を制御する膨張機インバータ４５が設けられている。膨張機インバータ４５は、この例では、圧縮機１２に搭載されているが、これに限られず、膨張機１４に搭載されてもよい。膨張機インバータ４５は、電源４６から膨張機インバータ４５に入力される交流を、これと異なる周波数をもつ交流に変換し、変換された交流を圧縮機モータ２４に供給するように構成される。膨張機モータ４２の運転周波数は、膨張機インバータ４５によって、３０Ｈｚから１００Ｈｚの範囲、または４０Ｈｚから７０Ｈｚの範囲で制御されてもよい。

膨張機モータ４２の消費電力を計測するために第２計測器５１が設けられていてもよい。第２計測器５１は、膨張機インバータ４５を膨張機モータ４２に接続する給電配線に設置されていてもよい。一例として、第２計測器５１は、たとえば、二電力計法に基づく三相電力計を採用することができ、または、膨張機モータ４２の消費電力を計測するその他の形式の電力センサであってもよい。第２計測器５１は、有線または無線によりコントローラ１２０に通信可能に接続されてもよい。第２計測器５１によって計測される膨張機モータ４２の消費電力を示す膨張機電力信号Ｅ２が、第２計測器５１からコントローラ１２０に入力されてもよい。

なお、コントローラ１２０は、膨張機モータ４２の消費電力をその他の公知の手法により取得してもよく、この場合、極低温冷凍機１０は上述の第２計測器５１を備える必要はない。例えば、膨張機インバータ４５は、膨張機モータ４２に供給される電流および電圧から膨張機モータ４２の消費電力を検出するように構成されてもよく、コントローラ１２０は、膨張機モータ４２の消費電力を膨張機インバータ４５から取得してもよい。あるいは、コントローラ１２０は、膨張機モータ４２に供給される電流および電圧の大きさを示す信号を膨張機インバータ４５から取得し、膨張機モータ４２の消費電力を取得してもよい。

また、第１冷却ステージ３３の温度を測定するための第１温度センサ５２および第２冷却ステージ３５の温度を測定するための第２温度センサ５３が設けられてもよい。第１温度センサ５２は、第１冷却ステージ３３に取り付けられてもよい。第２温度センサ５３は、第２冷却ステージ３５に取り付けられてもよい。第１温度センサ５２および第２温度センサ５３は、有線または無線によりコントローラ１２０に通信可能に接続されてもよい。第１温度センサ５２によって計測される第１冷却温度を示す１段温度信号Ｔ１が、第１温度センサ５２からコントローラ１２０に入力されてもよい。第２温度センサ５３によって計測される第２冷却温度を示す２段温度信号Ｔ２が、第２温度センサ５３からコントローラ１２０に入力されてもよい。

なお、極低温冷凍機１０が第１温度センサ５２および第２温度センサ５３を備えることは必須ではない。第１温度センサ５２と第２温度センサ５３がそれぞれ第１冷却ステージ３３と第２冷却ステージ３５に取り付けられる代わりに、超伝導磁石装置１００に第１温度センサ５２および第２温度センサ５３が設けられてもよい。この場合、第１温度センサ５２は、図１に示す輻射シールド１０６に取り付けられ、１段温度信号Ｔ１をコントローラ１２０に提供してもよい。第２温度センサ５３は、図１に示す超伝導コイル１０２に取り付けられ、２段温度信号Ｔ２をコントローラ１２０に提供してもよい。

この実施の形態では、ユーザーが極低温冷凍機１０の制御のための設定をコントローラ１２０に入力するためのインターフェイス１１０が設けられている。例示的な構成として、インターフェイス１１０は、圧縮機１２に搭載された操作パネルであってもよく、圧縮機筐体２３に取り付けられていてもよい。インターフェイス１１０には、ユーザーによる入力を受け付ける例えば操作ボタン、キーボード、タッチスクリーン等の入力手段が設けられている。ユーザーにより入力された設定を表すデータは、インターフェイス１１０からコントローラ１２０に送信される。また、インターフェイス１１０は、ユーザーにより入力された設定、または、極低温冷凍機１０に関連するそのほかの情報をユーザーに提示するための例えばディスプレイ、警告灯、スピーカーなどの通知手段を有してもよい。

後述のように、インターフェイス１１０は、ユーザーによる極低温冷凍機１０の複数の性能パラメータの選択を受け付け、選択された複数の性能パラメータを表す運転モード設定Ｓ１を生成するように構成されてもよい。

コントローラ１２０は、極低温冷凍機１０を制御するように構成される。この実施の形態では、後述のように、コントローラ１２０は、インターフェイス１１０から運転モード設定Ｓ１を受信し、選択された複数の性能パラメータに影響する極低温冷凍機１０の複数の運転パラメータを制御するように構成されてもよい。

コントローラ１２０の内部構成は、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。

たとえば、コントローラ１２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マイコンなどのプロセッサ（ハードウェア）と、プロセッサ（ハードウェア）が実行するソフトウェアプログラムの組み合わせで実装することができる。そうしたハードウェアプロセッサは、たとえば、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などのプログラマブルロジックデバイスで構成してもよいし、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）のような制御回路であってもよい。ソフトウェアプログラムは、極低温冷凍機１０の制御をコントローラ１２０に実行させるためのコンピュータプログラムであってもよい。

なお、インターフェイス１１０およびコントローラ１２０は、上述のように圧縮機１２に搭載されることは必須ではなく、他の配置もとりうる。例えば、インターフェイス１１０およびコントローラ１２０は、膨張機１４に搭載されてもよい。あるいは、インターフェイス１１０およびコントローラ１２０は、極低温冷凍機１０から遠隔に配置され、極低温冷凍機１０と通信可能に接続されてもよい。

以上の構成により、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３０Ｋ～約７０Ｋ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。したがって、超伝導コイル１０２を臨界温度以下に冷却することができ、超伝導磁石装置１００を動作させることができる。

図４は、実施形態に係る超伝導機器冷却装置の運転方法の一例を示すフローチャートである。この方法は、インターフェイス１１０が、ユーザーによる極低温冷凍機１０の複数の性能パラメータの選択を受け付けるステップ（Ｓ１０）と、コントローラ１２０が、選択された複数の性能パラメータに影響する極低温冷凍機１０の複数の運転パラメータを制御するステップ（Ｓ２０）と、を備える。

インターフェイス１１０は、極低温冷凍機１０のさまざまな性能パラメータを、選択の候補としてユーザーに提示するように構成されてもよい。例えば、インターフェイス１１０は、これら候補の性能パラメータをディスプレイに表示してもよい。ユーザーはこうした表示を参照して、自身が関心をもつ性能パラメータをインターフェイス１１０上で選択することで、性能パラメータの選択をインターフェイス１１０に入力することができる。

ユーザーに提示される極低温冷凍機１０の複数の性能パラメータは、極低温冷凍機１０の性能を表す少なくとも３つのパラメータであってもよい。この少なくとも３つのパラメータは、極低温冷凍機１０の１段温度、極低温冷凍機１０の２段温度、および極低温冷凍機１０の消費電力を含んでもよい。極低温冷凍機１０の１段温度、２段温度、消費電力は、極低温冷凍機１０によって冷却される超伝導機器の動作に影響するため、ユーザーにとって関心の高い極低温冷凍機１０の代表的な性能パラメータである。

インターフェイス１１０は、選択可能な性能パラメータの候補のうち、最大で２つの性能パラメータの選択を受け付けるように構成されてもよい。選択された性能パラメータは、極低温冷凍機１０の１段温度、極低温冷凍機１０の２段温度、および極低温冷凍機１０の消費電力のうち、１つまたは２つの性能パラメータであってもよい。

ユーザーによる極低温冷凍機１０の複数の性能パラメータの選択は、性能パラメータの優先順位付けを含んでもよい。よって、選択された複数の性能パラメータは、第１優先度をもつ第１性能パラメータおよび第２優先度をもつ第２性能パラメータを含みうる。第１優先度および第２優先度は、ユーザーによる優先順位付けに基づく。第１優先度は、第２優先度に比べて高い優先度を表す。コントローラ１２０は、第２性能パラメータに比べて第１性能パラメータを優先的に改善するように複数の運転パラメータを制御するように構成されてもよい。

最大で２つの性能パラメータが優先順位付けとともに選択される場合、インターフェイス１１０は、異なる９通りの運転モード設定Ｓ１を生成しうる。つまり、性能パラメータが１つだけ選択される場合が以下の３通り（運転モード１～３）、２つの性能パラメータが優先順位付けとともに選択される場合が以下の６通り（運転モード４～９）である。なお、運転モード４～９について以下では、優先順位の高い順、つまり、左から第１優先度をもつ第１性能パラメータ、第２優先度をもつ第２性能パラメータの順に記載している。
運転モード１：２段温度
運転モード２：１段温度
運転モード３：消費電力
運転モード４：２段温度、１段温度
運転モード５：１段温度、２段温度
運転モード６：２段温度、消費電力
運転モード７：消費電力、２段温度
運転モード８：１段温度、消費電力
運転モード９：消費電力、１段温度

性能パラメータ自体を選択の候補としてユーザーに提示することに代えて、インターフェイス１１０は、運転モード１から９のすべてまたはその一部を選択の候補としてユーザーに提示してもよい。

選択の利便性のために、これら運転モードに名称が予め付されてもよく、インターフェイス１１０は、そうした運転モード名を選択のために提示してもよい。たとえば、消費電力が優先される運転モード３、運転モード７、運転モード９はそれぞれ、消費電力モード１、消費電力モード２、消費電力モード３といった運転モード名が付けられてもよい（あるいは、超伝導磁石装置１００がＭＲＩ装置の場合、昼間に比べて夜間の運転ではユーザーにとって消費電力の低減が優先されうるので、夜間モード１、夜間モード２、夜間モード３と名付けられてもよい。）。

運転モード４は、標準運転モードと名付けられてもよい。運転モード１、運転モード６はそれぞれ、緊急モード１、緊急モード２と名付けられてもよい。運転モード１は、２段温度の維持のみが優先されるので、クエンチ（超伝導の消失）が起こりうる状況においてその発生をなるべく遅らせることに役立ちうる。運転モード６は、２段温度の維持が最も優先され、消費電力が副次的に優先されるので、停電対策の補助電源で超伝導機器を動作させる状況において補助電源を長持ちさせることに役立ちうる。１段温度の維持が優先される運転モード５は、経年劣化対策モードと名付けられてもよい。極低温冷凍機１０の経年劣化は１段温度の上昇に現れることがしばしばあるので、運転モード５は、経年劣化の影響を軽減することに役立ちうる。

インターフェイス１１０は、選択された性能パラメータについて、当該性能パラメータの目標値をユーザーから受け付けるように構成されてもよい。これにより、ユーザーは、性能パラメータを選択するだけでなく、その性能パラメータが満たすべき目標値を設定することができる。運転モード設定Ｓ１は、ユーザーにより設定される性能パラメータの目標値を含んでもよい。

図２に示されるように、インターフェイス１１０は、ユーザーによる極低温冷凍機１０の複数の性能パラメータの選択を受け付けると、選択された複数の性能パラメータを表す運転モード設定Ｓ１を生成し、コントローラ１２０に出力する。運転モード設定Ｓ１は、コントローラ１２０に格納される。

コントローラ１２０は、それぞれが、異なる運転モード設定Ｓ１に対応する複数の制御アルゴリズム１２２を備えてもよい（たとえば、コントローラ１２０は、運転モード１から９にそれぞれ対応する９個の制御アルゴリズム１２２を備えてもよい。）。各制御アルゴリズム１２２は、対応する運転モード設定Ｓ１において選択された複数の性能パラメータのうち少なくとも１つの性能パラメータを改善するように、極低温冷凍機１０の複数の運転パラメータを制御するように構成されてもよい。

したがって、コントローラ１２０は、インターフェイス１１０から運転モード設定Ｓ１を受け、複数の制御アルゴリズム１２２からこの運転モード設定Ｓ１に対応する制御アルゴリズム１２２を選択し、選択された制御アルゴリズム１２２に従って極低温冷凍機１０の複数の運転パラメータを制御するように構成されてもよい。

図５は、実施形態に係る超伝導機器冷却装置の運転方法に使用される制御アルゴリズム１２２の一例を示すフローチャートである。制御アルゴリズム１２２は、極低温冷凍機１０の複数の運転パラメータを制御するステップ（図４のＳ２０）において実行される。図示されるように、制御アルゴリズム１２２は、対応する運転モード設定Ｓ１において選択された性能パラメータの現在値を取得するステップ（Ｓ２１）と、取得された性能パラメータの現在値を目標値と比較するステップ（Ｓ２２）と、比較結果に基づいて極低温冷凍機１０の運転パラメータを制御するステップ（Ｓ２３）と、を備える。

選択された性能パラメータが、極低温冷凍機１０の１段温度である場合、コントローラ１２０は、第１温度センサ５２からの１段温度信号Ｔ１から、１段温度の現在値を取得することができる。同様に、選択された性能パラメータが、極低温冷凍機１０の２段温度である場合、コントローラ１２０は、第２温度センサ５３からの２段温度信号Ｔ２から、２段温度の現在値を取得することができる。

選択された性能パラメータが、極低温冷凍機１０の消費電力である場合、コントローラ１２０は、第１計測器５０からの圧縮機電力信号Ｅ１および第２計測器５１からの膨張機電力信号Ｅ２から、極低温冷凍機１０の消費電力の現在値を取得することができる。極低温冷凍機１０の消費電力は、圧縮機モータ２４の消費電力と膨張機モータ４２の消費電力の和として求めることができる。なお上述のように、コントローラ１２０は、圧縮機モータ２４および膨張機モータ４２それぞれに供給される電流および電圧を取得し、これらから極低温冷凍機１０の消費電力を演算してもよい。

取得された性能パラメータの現在値と比較される当該性能パラメータの目標値は、上述のように、ユーザーにより設定された値であってもよい。あるいは、目標値がユーザーにより設定されていない場合には、コントローラ１２０は、個々の性能パラメータについての既定の目標値、またはコントローラ１２０により設定された目標値を使用してもよい。

コントローラ１２０は、取得された性能パラメータの現在値を目標値と比較し、比較結果を生成する。比較結果は、現在値と目標値の大小関係により、以下の状態Ａから状態Ｃの３つの状態のうちいずれかをとりうる。
状態Ａ：現在値が目標値より小さい（低い）。
状態Ｂ：現在値が目標値に等しい。
状態Ｃ：現在値が目標値より大きい（高い）。

なお、状態Ｂの「現在値が目標値に等しい」とは、現在値が目標値に厳密に一致する場合のみを含むのではなく、現在値が目標値を含む許容範囲内にある場合を含んでもよい。この許容範囲は、目標値に対する所定比率または所定量の範囲（例えば、目標値から±５％以内など）であってもよい。状態Ａ（または状態Ｃ）は、現在値が許容範囲を超える（または許容範囲に満たない）ことを表してもよい。

選択された性能パラメータが、極低温冷凍機１０の１段温度、２段温度、または消費電力である場合、比較結果が状態Ａまたは状態Ｂであれば、その性能パラメータは目標値を満たすとみなすことができる。一方、比較結果が状態Ｃのとき、その性能パラメータは目標値を満たさないとみなされる。

コントローラ１２０は、性能パラメータが目標値を満たすことを示す情報をユーザーに提示するように、または、性能パラメータが目標値を満たさないことを示す情報（つまり警告）を提示するように、比較結果に基づいてインターフェイス１１０を動作させてもよい。例えば、コントローラ１２０は、ユーザーへの警告のために、インターフェイス１１０に設けられた警告灯を点灯させてもよい。

ユーザーへの情報の提示とともに、またはそれに代えて、コントローラ１２０は、取得された性能パラメータの現在値と目標値との偏差を小さくするように、極低温冷凍機１０の運転パラメータを制御してもよい。例えば、コントローラ１２０は、取得された性能パラメータの現在値が目標値を満たさない場合（つまり、比較結果が状態Ｃの場合）、目標値に向けて性能パラメータの値を変化させる（例えば、性能パラメータの値を小さくする）ように極低温冷凍機１０の運転パラメータを制御してもよい。

コントローラ１２０は、比較結果に基づいて、極低温冷凍機１０の複数の運転パラメータから少なくとも１つを選択し、選択された運転パラメータを制御してもよい。この場合、制御アルゴリズム１２２は、比較結果に応じて（すなわち、複数の状態それぞれについて）、どの運転パラメータを制御するかを予め定義していてもよい。したがって、コントローラ１２０は、比較結果を参照して、制御対象の運転パラメータを選択することができる。

コントローラ１２０は、制御対象の運転パラメータの値を決定するように構成されてもよい。コントローラ１２０は、運転パラメータの現在値にある変化量を加算して、運転パラメータの新たな値を決定してもよい。この変化量は、正または負の値であってもよく、それにより、運転パラメータの値は増加または減少されうる。変化量は、固定値であってもよいし、状況に応じて変更される可変値であってもよい。

極低温冷凍機１０の運転パラメータは、極低温冷凍機１０の性能パラメータに影響する操作可能なパラメータであり、例えば、圧縮機モータ２４の運転周波数または膨張機モータ４２の運転周波数であってもよい。

図６（ａ）には、圧縮機モータ２４の運転周波数が４０Ｈｚ、５０Ｈｚ、６０Ｈｚ、７０Ｈｚの４つの場合それぞれについて、１段温度と膨張機モータ４２の運転周波数との関係が示されている。極低温冷凍機１０の１段温度は、図６（ａ）に示されるように、圧縮機モータ２４の運転周波数が増加するにつれて単調に低下する傾向をもつ。よって、圧縮機モータ２４の運転周波数を変更（例えば増加）することによって、１段温度を調整（例えば低下）させることができる。

同様に、１段温度は、膨張機モータ４２の運転周波数が増加するにつれて単調に低下する傾向をもつ。膨張機モータ４２の運転周波数を変更（例えば増加）することによって、１段温度を調整（例えば低下）させることができる。

典型的には、膨張機モータ４２の運転周波数をある大きさだけ変更する場合に比べて、圧縮機モータ２４の運転周波数を同じ大きさだけ変更する場合のほうが、１段温度は、より大きく調整されうる。図６（ａ）から理解されるように、圧縮機モータ２４の運転周波数が６０Ｈｚ以下である場合に、そうした傾向は顕著である。したがって、運転モード設定Ｓ１において性能パラメータとして極低温冷凍機１０の１段温度が選択されている場合、運転パラメータとして圧縮機モータ２４の運転周波数を選択することが、より有効でありうる。

図６（ｂ）には、圧縮機モータ２４の運転周波数が４０Ｈｚ、５０Ｈｚ、６０Ｈｚ、７０Ｈｚの４つの場合それぞれについて、２段温度と膨張機モータ４２の運転周波数との関係が示されている。極低温冷凍機１０の２段温度は、図６（ｂ）に示されるように、圧縮機モータ２４の運転周波数が増加するにつれて単調に低下する傾向をもつ。よって、圧縮機モータ２４の運転周波数を変更（例えば増加）することによって、１段温度を調整（例えば低下）させることができる。

一方、２段温度は、膨張機モータ４２の運転周波数に対して、１段温度とは異なる傾向をもつ。具体的には、圧縮機モータ２４の運転周波数を一定として膨張機モータ４２の運転周波数を変化させると、２段温度は、膨張機モータ４２の運転周波数がある値をとるときに最低となる（例えば、図６（ｂ）に示されるように、圧縮機モータ２４の運転周波数が５０Ｈｚの場合、２段温度は、膨張機モータ４２の運転周波数が５０Ｈｚのとき最低となっている。）。言い換えれば、膨張機モータ４２の運転周波数がこの値より小さいときには、２段温度は、膨張機モータ４２の運転周波数が増加するにつれて低下する。しかし、膨張機モータ４２の運転周波数がこの値より大きいときには、２段温度は、膨張機モータ４２の運転周波数が増加するにつれて高まる。したがって、２段温度を低下させるために膨張機モータ４２の運転周波数の増加と減少のどちらが必要であるかは、一概に言えない。このような２段温度の運転周波数依存性は、２段温度が約４Ｋ以下にあるとき顕著に現れる。

したがって、運転モード設定Ｓ１において性能パラメータとして極低温冷凍機１０の２段温度が選択されている場合、２段温度をより低くするためには、運転パラメータとして圧縮機モータ２４の運転周波数および膨張機モータ４２の運転周波数の両方を制御することが望まれる。

極低温冷凍機１０の消費電力は、基本的に冷却温度とトレードオフの関係にある。消費電力は、圧縮機モータ２４の運転周波数が増加するにつれて単調に増加する傾向をもつ。よって、圧縮機モータ２４の運転周波数を変更（例えば低下）することによって、消費電力を調整（例えば低下）させることができる。また、消費電力は、膨張機モータ４２の運転周波数の変化により増減しうる。よって、膨張機モータ４２の運転周波数を変更することによって、消費電力を調整することができる。運転モード設定Ｓ１において性能パラメータとして極低温冷凍機１０の消費電力が選択されている場合、運転パラメータとして圧縮機モータ２４の運転周波数を選択することが、より有効でありうる。

圧縮機モータ２４の運転周波数が制御される場合、コントローラ１２０は、決定された圧縮機モータ２４の運転周波数の値を表す圧縮機制御信号Ｃ１を生成し、圧縮機制御信号Ｃ１を圧縮機インバータ２５に送信する。圧縮機インバータ２５は、圧縮機制御信号Ｃ１を受け、決定された運転周波数で圧縮機モータ２４を駆動するように動作する。

同様に、膨張機モータ４２の運転周波数が制御される場合、コントローラ１２０は、決定された膨張機モータ４２の運転周波数の値を表す膨張機制御信号Ｃ２を生成し、膨張機制御信号Ｃ２を膨張機インバータ４５に送信する。膨張機インバータ４５は、膨張機制御信号Ｃ２を受け、決定された運転周波数で膨張機モータ４２を駆動するように動作する。

運転パラメータ変更の影響が性能パラメータに現れるまでにいくらかの時間を要するので、コントローラ１２０は、運転パラメータを変更したら所定時間待機してもよい。コントローラ１２０は、この待機時間が経過したとき、制御アルゴリズム１２２（Ｓ２１～Ｓ２３）を再び実行してもよい。

運転モード設定Ｓ１において２つの性能パラメータが選択されている場合、コントローラ１２０は、第１性能パラメータの現在値および第２性能パラメータの現在値を取得し、第１性能パラメータの現在値を第１目標値と比較し、第２性能パラメータの現在値を第２目標値と比較する。第１目標値と第２目標値はそれぞれ、第１性能パラメータと第２性能パラメータの目標値である。運転モード設定Ｓ１に性能パラメータの優先順位付けが含まれる場合、上述のように、第１性能パラメータが第１優先度を有し、第２性能パラメータが第２優先度を有してもよい。比較結果は、以下の状態Ａａから状態Ｃｃの９つの状態のうちいずれかをとりうる。
状態Ａａ：第１性能パラメータの現在値が第１目標値より小さく、かつ第２性能パラメータの現在値が第２目標値より小さい。
状態Ａｂ：第１性能パラメータの現在値が第１目標値より小さく、かつ第２性能パラメータの現在値が第２目標値に等しい。
状態Ａｃ：第１性能パラメータの現在値が第１目標値より小さく、かつ第２性能パラメータの現在値が第２目標値より大きい。
状態Ｂａ：第１性能パラメータの現在値が第１目標値に等しく、かつ第２性能パラメータの現在値が第２目標値より小さい。
状態Ｂｂ：第１性能パラメータの現在値が第１目標値に等しく、かつ第２性能パラメータの現在値が第２目標値に等しい。
状態Ｂｃ：第１性能パラメータの現在値が第１目標値に等しく、かつ第２性能パラメータの現在値が第２目標値より大きい。
状態Ｃａ：第１性能パラメータの現在値が第１目標値より大きく、かつ第２性能パラメータの現在値が第２目標値より小さい。
状態Ｃｂ：第１性能パラメータの現在値が第１目標値より大きく、かつ第２性能パラメータの現在値が第２目標値に等しい。
状態Ｃｃ：第１性能パラメータの現在値が第１目標値より大きく、かつ第２性能パラメータの現在値が第２目標値より大きい。

コントローラ１２０は、性能パラメータが目標値を満たすか否かを表す情報をユーザーに提示するように、比較結果に基づいてインターフェイス１１０を動作させてもよい。たとえば、コントローラ１２０は、第１性能パラメータが第１目標値を満たさない場合、第２性能パラメータが第２目標値を満たすか否かにかかわらず、第１警告を発してもよい（状態Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ）。このようにすれば、第２性能パラメータに比べて優先順位の高い第１性能パラメータがその目標値を満たさないことをユーザーに確実に知らせることができる。コントローラ１２０は、第１性能パラメータが第１目標値を満たし、かつ第２性能パラメータが第２目標値を満たさない場合、第２警告を発してもよい（状態Ａｃ、Ｂｃ）。また、コントローラ１２０は、第１性能パラメータが第１目標値を満たし、かつ第２性能パラメータが第２目標値を満たす場合、正常通知を発してもよい。第１警告、第２警告、および正常通知は、インターフェイス１１０を介してユーザーに提示されてもよい。

ユーザーへの情報の提示とともに、またはそれに代えて、コントローラ１２０は、第２性能パラメータに比べて第１性能パラメータを優先的に改善するように極低温冷凍機１０の複数の運転パラメータを制御してもよい。この場合、コントローラ１２０は、第１性能パラメータが第１目標値を満たさない場合、第２性能パラメータが第２目標値を満たすか否かにかかわらず、複数の運転パラメータのうち第１性能パラメータに影響する第１運転パラメータを制御してもよい。第１性能パラメータの現在値と第１目標値との偏差を小さくするように、第１運転パラメータが制御されてもよい。

コントローラ１２０は、第１性能パラメータが第１目標値を満たし、かつ第２性能パラメータが第２目標値を満たさない場合、複数の運転パラメータのうち第２性能パラメータに影響する第２運転パラメータを制御してもよい。第２性能パラメータの現在値と第２目標値との偏差を小さくするように、第２運転パラメータが制御されてもよい。第２運転パラメータは、第１運転パラメータとは異なりうる。第１運転パラメータが圧縮機モータ２４の運転周波数（または膨張機モータ４２の運転周波数）であり、第２性運転パラメータが膨張機モータ４２の運転周波数（または圧縮機モータ２４の運転周波数）であってもよい。

制御アルゴリズム１２２の例をいくつか述べる。第１の例は、上述の運転モード４（第１性能パラメータが２段温度、第２性能パラメータが１段温度の場合）である。運転モード４に対応する制御アルゴリズム１２２の一例では、状態Ａａから状態Ｃｃの９つの状態それぞれについて、運転パラメータが以下のように制御される。
状態Ａａ：運転パラメータを維持する。
状態Ａｂ：運転パラメータを維持する。
状態Ａｃ：圧縮機モータ２４の運転周波数を増加させる。
状態Ｂａ：運転パラメータを維持する。
状態Ｂｂ：運転パラメータを維持する。
状態Ｂｃ：圧縮機モータ２４の運転周波数を増加させる。
状態Ｃａ：膨張機モータ４２の運転周波数を変化させる。
状態Ｃｂ：膨張機モータ４２の運転周波数を変化させる。
状態Ｃｃ：圧縮機モータ２４の運転周波数を増加させる。

状態Ａａから状態Ｂｃの６つの状態では、第１性能パラメータである２段温度はその目標値を満たしている。そのうち、状態Ａａ、Ａｂ、Ｂａ、Ｂｂでは第２性能パラメータである１段温度も目標値を満たしているから、運転パラメータを変更する必要が無く、維持される。

状態Ａｃ、Ｂｃでは、第１性能パラメータである２段温度については目標値を満たしながら、第２性能パラメータである１段温度が目標値を満たすように運転パラメータが制御される。状態Ａｃは、圧縮機モータ２４の運転周波数増加の結果として、１段温度（および２段温度）が下がり、状態Ａｂに遷移することが期待される。圧縮機モータ２４の運転周波数が調整可能範囲の最高値（例えば７０Ｈｚ）に既に達している場合には、圧縮機モータ２４の運転周波数増加に代えて、膨張機モータ４２の運転周波数が増加されてもよい（この場合、状態Ａｂまたは状態Ｂｂに遷移することが期待される。万が一、状態Ｃｂに遷移した場合には警告が発せられる。）。また、状態Ｂｃは、圧縮機モータ２４の運転周波数増加の結果として、１段温度（および２段温度）が下がり、状態Ａｂまたは状態Ａｃに遷移することが期待される。

状態ＣａからＣｃでは、第１性能パラメータである２段温度が目標値を満たすように運転パラメータが制御される。状態Ｃａ、Ｃｂは、膨張機モータ４２の運転周波数が増加（または低下）され、その結果として状態ＢａからＢｃのいずれかに遷移することが期待される。こうした膨張機モータ４２の運転周波数の最適化にもかかわらず、状態Ｃａが維持される場合、圧縮機モータ２４の運転周波数が増加されてもよい（この場合、状態ＢａからＢｃのいずれかに遷移することが期待される。万が一、状態Ｃａが依然として維持される場合には警告が発せられる。）。状態Ｃｃは、圧縮機モータ２４の運転周波数増加の結果として、状態ＢｃまたはＣｂに遷移することが期待される。それでも状態Ｃｃが維持される場合、膨張機モータ４２の運転周波数が低下されてもよい（この場合、状態Ｂｃに遷移することが期待される。万が一、状態Ｃｃが依然として維持される場合には警告が発せられる。）。

第２の例は、運転モード６（第１性能パラメータが２段温度、第２性能パラメータが消費電力の場合）である。運転モード６に対応する制御アルゴリズム１２２の一例では、状状態Ａａから状態Ｃｃの９つの状態それぞれについて、運転パラメータが以下のように制御される。
状態Ａａ：運転パラメータを維持する。
状態Ａｂ：運転パラメータを維持する。
状態Ａｃ：圧縮機モータ２４の運転周波数を低下させる。
状態Ｂａ：運転パラメータを維持する。
状態Ｂｂ：運転パラメータを維持する。
状態Ｂｃ：膨張機モータ４２の運転周波数を変化させる。
状態Ｃａ：圧縮機モータ２４の運転周波数を増加させる。
状態Ｃｂ：圧縮機モータ２４の運転周波数を増加させる。
状態Ｃｃ：圧縮機モータ２４の運転周波数を増加させる。

状態Ａａから状態Ｂｃの６つの状態では、第１性能パラメータである２段温度はその目標値を満たしている。そのうち、状態Ａａ、Ａｂ、Ｂａ、Ｂｂでは第２性能パラメータである消費電力も目標値を満たしているから、運転パラメータを変更する必要が無く、維持される。なお、状態Ａａ、Ａｂでは、圧縮機モータ２４の運転周波数を低下させることで更なる消費電力の低減を目指してもよい（この場合、状態Ｂａに遷移しうる。）。

状態Ａｃ、Ｂｃでは、第１性能パラメータである２段温度については目標値を満たしながら、第２性能パラメータである消費電力が目標値を満たすように運転パラメータが制御される。状態Ａｃは、圧縮機モータ２４の運転周波数低下の結果、状態ＡｂまたはＢｂに遷移することが期待される。状態Ｂｃは、膨張機モータ４２の運転周波数の変更の結果、状態ＡｂまたはＢｂに遷移することが期待される(万が一、状態Ｂｃが依然として維持される場合には警告が発せられる。）。

状態ＣａからＣｃでは、第１性能パラメータである２段温度が目標値を満たすように運転パラメータが制御される。状態Ｃａは、圧縮機モータ２４の運転周波数増加の結果、状態ＢａまたはＣｂに遷移しうる。状態Ｃｂは、圧縮機モータ２４の運転周波数増加の結果、状態ＢｃまたはＣｃに遷移しうる。状態Ｃｃは、圧縮機モータ２４の運転周波数増加の結果、状態Ｂｃに遷移しうる（遷移しない場合、膨張機モータ４２の運転周波数を変化させることで、状態Ｂｃに遷移させてもよい。万が一、状態Ｃｃが依然として維持される場合には警告が発せられる。）。

第３の例は、運転モード７（第１性能パラメータが消費電力、第２性能パラメータが２段温度の場合）である。運転モード７に対応する制御アルゴリズム１２２の一例では、状状態Ａａから状態Ｃｃの９つの状態それぞれについて、運転パラメータが以下のように制御される。
状態Ａａ：運転パラメータを維持する。
状態Ａｂ：運転パラメータを維持する。
状態Ａｃ：膨張機モータ４２の運転周波数を変化させる。
状態Ｂａ：運転パラメータを維持する。
状態Ｂｂ：運転パラメータを維持する。
状態Ｂｃ：膨張機モータ４２の運転周波数を変化させる。
状態Ｃａ：圧縮機モータ２４の運転周波数を低下させる。
状態Ｃｂ：圧縮機モータ２４の運転周波数を低下させる。
状態Ｃｃ：圧縮機モータ２４の運転周波数を低下させる。

状態Ａａから状態Ｂｃの６つの状態では、第１性能パラメータである消費電力はその目標値を満たしている。そのうち、状態Ａａ、Ａｂ、Ｂａ、Ｂｂでは第２性能パラメータである２段温度も目標値を満たしているから、運転パラメータを変更する必要が無く、維持される。なお、状態Ａａでは、圧縮機モータ２４の運転周波数を低下させることで更なる消費電力の低減を目指してもよい（この場合、状態Ａｂに遷移しうる。）。

状態Ａｃ、Ｂｃでは、第１性能パラメータである消費電力については目標値を満たしながら、第２性能パラメータである２段温度が目標値を満たすように運転パラメータが制御される。状態Ａｃは、膨張機モータ４２の運転周波数が増加（または低下）され、その結果として状態ＡｂまたはＢｃに遷移することが期待される。こうした膨張機モータ４２の運転周波数の最適化にもかかわらず、状態Ａｃが維持される場合、圧縮機モータ２４の運転周波数が増加され、状態ＡｂまたはＢｃに遷移されてもよい。状態Ｂｃは、膨張機モータ４２の運転周波数が増加（または低下）され、その結果として状態ＡｂまたはＢｂに遷移することが期待される（万が一、状態Ｂｃが依然として維持される場合には警告が発せられる。）。

状態ＣａからＣｃでは、第１性能パラメータである消費電力が目標値を満たすように運転パラメータが制御される。状態Ｃａは、圧縮機モータ２４の運転周波数低下の結果、状態ＢａまたはＣｂに遷移しうる。状態Ｃｂは、圧縮機モータ２４の運転周波数低下の結果、状態ＢｂまたはＢｃに遷移しうる。状態Ｃｃは、圧縮機モータ２４の運転周波数低下の結果、状態Ｂｃに遷移しうる。

本書の冒頭で述べたように、既存の超伝導機器冷却装置は、その製造業者が定めた既定の運転条件で運転されることが多い。たとえば、冷却装置は、冷凍能力に十分な余力をもたせて運転されうる。この場合、想定されるさまざまな緊急事態やそのほか不測の事態がたとえ起こったとしても超伝導機器の安定的な運転を可能にすることができ有利である。その反面、超伝導機器のユーザーにとって、たとえば省エネルギーなど別の観点から、自身の判断で冷却装置の運転条件を調整する余地は少ないのが実情である。

これに対して、実施形態に係る超伝導機器冷却装置によると、ユーザーが望ましいと考える運転状態を実現すべくユーザー自身が極低温冷凍機１０の性能パラメータを選択することができる。極低温冷凍機１０は、選択された性能パラメータが目標値を満たすように運転パラメータを制御し、それにより、ユーザーに望まれる運転状態を実現することができる。また、そうした望ましい運転状態が実現されない場合には、警告によりそれをユーザーに知らせることができる。したがって、超伝導機器冷却装置におけるユーザビリティを向上することができる。

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。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

上述の実施の形態では、極低温冷凍機１０の性能パラメータとして、１段温度、２段温度、消費電力が例示されているが、他の性能パラメータが使用されてもよい。例えば、超伝導磁石装置１００が浸漬冷却式である場合、真空容器１０４内の液体冷媒槽（例えば液体ヘリウム槽）の圧力が性能パラメータとして用いられてもよい。液体冷媒槽の液体冷媒は第２冷却ステージ３５で冷却されるので、液体冷媒槽の圧力は２段温度と相関する。よって、２段温度に代えて、液体冷媒槽の圧力を性能パラメータとして用いることもできる。

上述の実施の形態では、極低温冷凍機１０の運転パラメータとして、圧縮機モータ２４および膨張機モータ４２の運転周波数が例示されているが、他の運転パラメータが使用されてもよい。例えば、第１冷却ステージ３３を加熱する第１ヒータ及び／または第２冷却ステージ３５を加熱する第２ヒータが設けられている場合には、ヒータの出力が運転パラメータとして用いられてもよい。

上述の実施の形態では、二段式のＧＭ冷凍機を例として説明しているが、本発明はこれに限定されない。ある実施の形態においては、極低温冷凍機１０は、単段式のＧＭ冷凍機であってもよい。ある実施の形態においては、極低温冷凍機１０は、例えば、ソルベイ冷凍機、スターリング冷凍機、パルス管冷凍機など、他の形式の極低温冷凍機であってもよい。

上述の実施の形態では、極低温冷凍機１０が超伝導磁石装置１００を冷却する場合を例として説明しているが、本発明はこれに限定されない。ある実施の形態においては、極低温冷凍機１０は、超伝導を利用した送電のための機器、超伝導を利用したセンサ機器など、他の超伝導機器のための極低温冷却を提供してもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１０ 極低温冷凍機、 １２ 圧縮機、 １４ 膨張機、 ２４ 圧縮機モータ、 ２５ 圧縮機インバータ、 ４２ 膨張機モータ、 ４５ 膨張機インバータ、 ９０ インバータ、 １１０ インターフェイス、 １２０ コントローラ、 １２２ 制御アルゴリズム。

Claims (9)

1. 超伝導機器を冷却する極低温冷凍機と、
   ユーザーによる前記極低温冷凍機の複数の性能パラメータの選択を受け付け、選択された複数の性能パラメータを表す運転モード設定を生成するように構成されるインターフェイスと、
   前記インターフェイスから前記運転モード設定を受信し、前記選択された複数の性能パラメータに影響する前記極低温冷凍機の複数の運転パラメータを制御するように構成されるコントローラと、を備えることを特徴とする超伝導機器冷却装置。
2. 前記運転モード設定は、ユーザーによる前記極低温冷凍機の複数の性能パラメータの優先順位付けを含み、
   前記選択された複数の性能パラメータは、前記優先順位付けに基づく第１優先度をもつ第１性能パラメータおよび第２優先度をもつ第２性能パラメータを含み、前記第１優先度は、前記第２優先度に比べて高い優先度を表し、
   前記コントローラは、前記第２性能パラメータに比べて前記第１性能パラメータを優先的に改善するように前記複数の運転パラメータを制御するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の超伝導機器冷却装置。
3. 前記コントローラは、
   前記第１性能パラメータの現在値を第１目標値と比較し、
   前記第１性能パラメータが前記第１目標値を満たさない場合、前記第２性能パラメータが第２目標値を満たすか否かにかかわらず、前記複数の運転パラメータのうち前記第１性能パラメータに影響する第１運転パラメータを制御するように構成されることを特徴とする請求項２に記載の超伝導機器冷却装置。
4. 前記コントローラは、
   前記第２性能パラメータの現在値を前記第２目標値と比較し、
   前記第１性能パラメータが前記第１目標値を満たし、かつ前記第２性能パラメータが前記第２目標値を満たさない場合、前記複数の運転パラメータのうち前記第２性能パラメータに影響する第２運転パラメータを制御するように構成されることを特徴とする請求項３に記載の超伝導機器冷却装置。
5. 前記コントローラは、
   前記第１性能パラメータが前記第１目標値を満たさない場合、前記第２性能パラメータが第２目標値を満たすか否かにかかわらず、第１警告を発し、
   前記第１性能パラメータが前記第１目標値を満たし、かつ前記第２性能パラメータが前記第２目標値を満たさない場合、第２警告を発することを特徴とする請求項４に記載の超伝導機器冷却装置。
6. 前記コントローラは、それぞれが、異なる運転モード設定に対応する複数の制御アルゴリズムを備え、
   各制御アルゴリズムは、対応する運転モード設定において選択された前記複数の性能パラメータのうち少なくとも１つの性能パラメータを改善するように前記複数の運転パラメータを制御するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の超伝導機器冷却装置。
7. 前記選択された複数の性能パラメータは、前記極低温冷凍機の１段温度、前記極低温冷凍機の２段温度、および前記極低温冷凍機の消費電力のうち、２つの性能パラメータであることを特徴とする請求項１に記載の超伝導機器冷却装置。
8. 前記極低温冷凍機は、膨張機と、前記膨張機に冷媒ガスを供給する圧縮機とを備え、
   前記膨張機は、前記膨張機を駆動する膨張機モータと、前記膨張機モータの運転周波数を制御する膨張機インバータとを備え、
   前記圧縮機は、前記圧縮機を駆動する圧縮機モータと、前記圧縮機モータの運転周波数を制御する圧縮機インバータとを備え、
   前記複数の運転パラメータは、前記圧縮機モータの運転周波数および前記膨張機モータの運転周波数を含むことを特徴とする請求項１に記載の超伝導機器冷却装置。
9. 超伝導機器冷却装置の運転方法であって、前記超伝導機器冷却装置は、超伝導機器を冷却する極低温冷凍機を備え、前記方法は、
   ユーザーによる前記極低温冷凍機の複数の性能パラメータの選択を受け付けることと、
   選択された前記複数の性能パラメータに影響する前記極低温冷凍機の複数の運転パラメータを制御することと、を備えることを特徴とする方法。

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