JP2024055145A - 極低温冷凍機の運転方法および極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】極低温冷凍機の初期冷却時間を短縮する。【解決手段】極低温冷凍機１０の運転方法は、第２圧縮機８０を高圧ライン６３上または低圧ライン６４上で第１圧縮機１２と直列に接続することと、バッファ容積７０を、供給バルブ７２を介して低圧ライン６４に接続することと、膨張機１４を初期温度から極低温に冷却する初期冷却を、第２圧縮機８０とバッファ容積７０が極低温冷凍機１０に接続された状態で実行することと、初期冷却に後続して膨張機１４を極低温に維持する定常運転を実行することと、を備える。初期冷却を実行することは、第１圧縮機１２および第２圧縮機８０を使用して作動ガスを膨張機１４に供給することと、測定された高圧ライン６３の圧力に基づいて、高圧ライン６３の圧力を予め設定した適正圧力範囲に保つように供給バルブ７２を制御することと、を備える。【選択図】図１２

Description

本発明は、極低温冷凍機の運転方法および極低温冷凍機に関する。

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。

特開２０２０－１１２３１５号公報

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、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。初期冷却は対象物の冷却を始めるための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。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機の初期冷却時間を短縮することにある。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機の運転方法が提供される。極低温冷凍機は、第１圧縮機と、膨張機と、第１圧縮機を膨張機に接続する高圧ラインおよび低圧ラインとを備える。方法は、第２圧縮機を高圧ライン上または低圧ライン上で第１圧縮機と直列に接続することと、バッファ容積を、供給バルブを介して低圧ラインに接続することと、膨張機を初期温度から極低温に冷却する初期冷却を、第２圧縮機とバッファ容積が極低温冷凍機に接続された状態で実行することと、初期冷却に後続して膨張機を極低温に維持する定常運転を実行することと、を備える。初期冷却を実行することは、第１圧縮機および第２圧縮機を使用して作動ガスを膨張機に供給することと、測定された高圧ラインの圧力に基づいて、高圧ラインの圧力を予め設定した適正圧力範囲に保つように供給バルブを制御することと、を備える。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機の運転方法が提供される。極低温冷凍機は、第１圧縮機と、膨張機と、第１圧縮機を膨張機に接続する高圧ラインおよび低圧ラインとを備える。方法は、第２圧縮機を高圧ライン上または低圧ライン上で第１圧縮機と直列に接続することと、膨張機を初期温度から極低温に冷却する初期冷却を、第２圧縮機が極低温冷凍機に接続された状態で実行することと、初期冷却に後続して膨張機を極低温に維持する定常運転を実行することと、を備える。前記第１圧縮機または第２圧縮機は、運転周波数を可変とする圧縮機モータを有し、圧縮機モータによって駆動される。初期冷却を実行することは、第１圧縮機および第２圧縮機を使用して作動ガスを膨張機に供給することと、測定された高圧ラインの圧力に基づいて、高圧ラインの圧力を予め設定した適正圧力範囲に保つように圧縮機モータの運転周波数を制御することと、を備える。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、初期温度から極低温に冷却する初期冷却と、初期冷却に後続して極低温を維持する定常運転とを実行可能な膨張機と、膨張機に接続される高圧ラインおよび低圧ラインと、高圧ラインの圧力を測定する第１圧力センサと、低圧ラインの圧力を測定する第２圧力センサと、作動ガスを貯留するバッファ容積と、バッファ容積を低圧ラインに接続する供給バルブと、初期冷却の最中に、第１圧力センサによって測定された高圧ラインの圧力に基づいて、高圧ラインの圧力を予め設定した適正圧力範囲に保つように供給バルブを制御するように構成されるコントローラと、を備える。コントローラは、第２圧力センサによって測定された低圧ラインの圧力が予め設定した低圧しきい値を下回るとき、高圧ラインの圧力に基づく供給バルブの制御を中断し、第２圧力センサによって測定された低圧ラインの圧力に基づいて、低圧ラインの圧力を低圧しきい値に回復させるように供給バルブを制御するように構成される。

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、極低温冷凍機の初期冷却時間を短縮することができる。

第１の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。 第１の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。 第１の実施の形態に係る極低温冷凍機の制御方法を説明するフローチャートである。 第１の実施の形態に係る極低温冷凍機の制御方法を説明するフローチャートである。 第１の実施の形態に係り、極低温冷凍機の運転中の温度と圧力の変化の一例を示すグラフである。 図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、第１の実施の形態に係り、極低温冷凍機の運転中の圧力の変化の一例を示すグラフである。 第１の実施の形態に係り、極低温冷凍機の運転中の温度と圧力の変化の一例を示すグラフである。 第１の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。 第１の実施の形態に係る極低温冷凍機の制御方法を説明するフローチャートである。 第１の実施の形態に係る極低温冷凍機の制御方法を説明するフローチャートである。 第１の実施の形態に係る極低温冷凍機の制御方法を説明するフローチャートである。 第２の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。 第２の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。 第２の実施の形態に係る極低温冷凍機の運転方法を説明するフローチャートである。 第３の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。 第３の実施の形態に係る極低温冷凍機の運転方法を説明するフローチャートである。 第３の実施の形態に係る極低温冷凍機の運転方法を説明するフローチャートである。 第３の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。 第３の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。

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、第１の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。

また、膨張機１４は、第２冷却ステージ３５（及び／または第１冷却ステージ３３）の温度を測定し、測定温度を示す測定温度信号を出力する温度センサ４６を備えてもよい。

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ＰＨ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ＰＬ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。

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。あるいは、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ＰＨと第２圧力センサ５５からの第２測定圧信号ＰＬに基づいて取得してもよい。別の例として、制御装置１００は、第１測定圧信号ＰＨ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。

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。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、高圧配管６５によって高圧ガス出口５０に接続され、低圧ガス出口２４は、低圧配管６６によって低圧ガス入口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。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。

さらに、極低温冷凍機１０は、バッファ容積７０と、供給バルブ７２と、回収バルブ７４とを備える。バッファ容積７０は、作動ガスを貯留する容積であり、例えばバッファタンクであってもよい。供給バルブ７２は、バッファ容積７０を低圧ライン６４に接続し、回収バルブ７４は、バッファ容積７０を高圧ライン６３に接続する。供給バルブ７２と回収バルブ７４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。

バッファ容積７０の圧力は、極低温冷凍機１０が運転停止しているときには、極低温冷凍機１０への作動ガスの封入圧となる。極低温冷凍機１０が運転しているときには（例えば、初期冷却や定常運転の間）、バッファ容積７０の圧力は、高圧ライン６３の圧力と低圧ライン６４の圧力の中間の圧力（例えば、高圧と低圧の平均圧）となる。

したがって、極低温冷凍機１０の運転中、供給バルブ７２が開くと、バッファ容積７０から供給バルブ７２を通じて低圧ライン６４へと作動ガスが供給される。供給バルブ７２が閉じると、バッファ容積７０から低圧ライン６４への作動ガスの供給は停止される。また、回収バルブ７４が開くと、高圧ライン６３から回収バルブ７４を通じてバッファ容積７０に作動ガスが回収される。回収バルブ７４が閉じると、高圧ライン６３からバッファ容積７０への作動ガスの回収は停止される。このようにして、供給バルブ７２と回収バルブ７４を開閉することにより、ガスライン６２を循環する作動ガスの量を調整することができ、その結果として、高圧ライン６３と低圧ライン６４それぞれの圧力も制御されうる。

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、供給バルブ７２および回収バルブ７４を制御するコントローラ１１０を備える。コントローラ１１０は、第１測定圧信号ＰＨおよび第２測定圧信号ＰＬ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。後述のように、コントローラ１１０は、第１圧力センサ５４から第１測定圧信号ＰＨを受け、第１測定圧信号ＰＨが示す高圧ライン６３の測定圧力に基づいて供給バルブ７２および回収バルブ７４を開閉するように構成されている。また、コントローラ１１０は、温度センサ４６からの測定温度信号を取得するよう温度センサ４６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。コントローラ１１０は、供給バルブ７２に、または回収バルブ７４に、または供給バルブ７２と回収バルブ７４それぞれに設けられてもよい。

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、初期冷却と、初期冷却に後続する定常運転とを実行可能である。初期冷却は、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膨張機１４の運転モードであり、定常運転は、初期冷却によって極低温に冷却された状態を維持する膨張機１４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。また、初期冷却は、極低温冷凍機１０が搭載された極低温装置（例えばＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）システムなどの超伝導機器）のメンテナンス後に再稼働するときにも行われうる。メンテナンスの間、極低温装置内の被冷却物は周囲温度まで昇温されずに比較的低い温度（例えば２０～８０Ｋ）に保たれている場合がある。この場合、初期温度は、そうした低温であってもよい。

膨張機１４は、初期冷却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。初期冷却は、上述のように、クールダウンと呼ぶこともできる。

ところで、初期冷却の際、初期温度から極低温への降温につれて、膨張機１４内で作動ガスの密度が増加する。これに伴い、膨張機１４内に溜まる作動ガスの量が増え、いわば、作動ガスがガスライン６２から膨張機１４に吸収されていく。その結果、膨張機１４の冷却が進むとともに、ガスライン６２を循環する作動ガスの圧力が徐々に低下する。作動ガスの圧力低下は極低温冷凍機１０の冷凍能力の低下をもたらすから、初期冷却にかかる時間を長くする要因となることが懸念される。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。

このような問題に対処するために、この実施の形態では、コントローラ１１０は、初期冷却の最中に、第１圧力センサ５４によって測定された高圧ライン６３の圧力に基づいて、高圧ライン６３の圧力を予め設定した適正圧力範囲に保つように供給バルブ７２を制御する。より具体的には、コントローラ１１０は、初期冷却の最中に、測定された高圧ライン６３の圧力を適正圧力範囲の下限値Ｐｃと比較し、高圧ライン６３の圧力が下限値Ｐｃを下回らないように供給バルブ７２の開閉を繰り返すように供給バルブ７２を動作させてもよい。

また、この実施の形態では、コントローラ１１０は、初期冷却の最中に、第１圧力センサ５４によって測定された高圧ライン６３の圧力に基づいて、高圧ライン６３の圧力を適正圧力範囲に保つように回収バルブ７４を制御する。より具体的には、コントローラ１１０は、初期冷却の最中に、測定された高圧ライン６３の圧力を適正圧力範囲の上限値Ｐｄと比較し、高圧ライン６３の圧力が上限値Ｐｄを超えないように回収バルブ７４の開閉を繰り返すように回収バルブ７４を動作させてもよい。

図３は、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１０の制御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の初期冷却においてコントローラ１１０によって所定の周期で繰り返し実行される。なお本方法は、初期冷却の最中だけでなく、極低温冷凍機１０の定常運転においても継続して実行されてもよい。

まず、高圧ライン６３の圧力が測定される（Ｓ１０）。第１圧力センサ５４は、高圧ライン６３の圧力を測定し、測定された高圧ライン６３の圧力を表す第１測定圧信号ＰＨを出力する。コントローラ１１０は、第１測定圧信号ＰＨを受け、高圧ライン６３の測定圧力を取得する。

次に、測定された高圧ライン６３の圧力が、適正圧力範囲と比較される（Ｓ１２）。適正圧力範囲の下限値Ｐｃは、極低温冷凍機１０が十分な冷凍能力を提供するように設定される。適正圧力範囲の上限値Ｐｄは、高圧ライン６３に過剰な圧力を発生させないように設定される。適正圧力範囲の上限値Ｐｄは、リリーフバルブ６０が開く上述の設定圧よりも小さい圧力値に設定されてもよい。適正圧力範囲は、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。適正圧力範囲は、極低温冷凍機１０の初期設定としてコントローラ１１０に予め保存されていてもよく、または極低温冷凍機１０の運転前にユーザーによってコントローラ１１０に設定されてもよい。

一例として、適正圧力範囲の上限値Ｐｄと下限値Ｐｃは、例えば、２ＭＰａから３ＭＰａの範囲、または２．１ＭＰａから２．７ＭＰａの範囲から選択されてもよい。適正圧力範囲の幅、つまり適正圧力範囲の上限値Ｐｄと下限値Ｐｃの差は、例えば、０．５ＭＰａ以内、または０．３ＭＰａ以内、または０．１ＭＰａ以内のある値に設定されてもよい。例えば、適正圧力範囲は、２．４５±０．０５ＭＰａと設定されてもよく、この場合適正圧力範囲の幅が０．１ＭＰａ、上限値Ｐｄが２．５ＭＰａ、下限値Ｐｃが２．４ＭＰａとなる。

コントローラ１１０は、高圧ライン６３の測定圧力を適正圧力範囲の下限値Ｐｃと比較し、高圧ライン６３の測定圧力が下限値Ｐｃを下回る場合に（ＰＨ＜Ｐｃ）、供給バルブ７２を開く（Ｓ１４）。これにより、バッファ容積７０から供給バルブ７２を通じて低圧ライン６４へと作動ガスが供給される。ガスライン６２を循環する作動ガスの量が増えるので、高圧ライン６３の圧力が回復される。

コントローラ１１０は、高圧ライン６３の測定圧力が適正圧力範囲に回復したとき、供給バルブ７２を閉じる（Ｓ１６）。例えば、コントローラ１１０は、高圧ライン６３の測定圧力を適正圧力範囲の下限値Ｐｃと比較し、高圧ライン６３の測定圧力が下限値Ｐｃを上回る場合に（ＰＨ＞Ｐｃ、またはＰＨ≧Ｐｃ）、供給バルブ７２を閉じてもよい。供給バルブ７２が閉じると、バッファ容積７０から低圧ライン６４への作動ガスの供給は停止される。こうして、本方法は終了し、次回の制御周期で再び実行される。

なお、供給バルブ７２を閉じる圧力しきい値は、適正圧力範囲の下限値Ｐｃと異なってもよく、例えば、下限値Ｐｃより大きくてもよい。この圧力しきい値は、適正圧力範囲の上限値Ｐｄを超えないように設定されてもよい。例えば、圧力しきい値は、適正圧力範囲の幅（上限値Ｐｄ－下限値Ｐｃ）の所定割合を下限値Ｐｃに加えた値でもよい。所定割合は例えば５０％以下、３０％以下、または１０％以下の割合であってもよい。

図４は、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１０の制御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の初期冷却においてコントローラ１１０によって所定の周期で繰り返し実行される。本方法は、図３に示される方法と並行して実行されてもよい。なお本方法は、初期冷却の最中だけでなく、極低温冷凍機１０の定常運転においても継続して実行されてもよい。

まず、高圧ライン６３の圧力が第１圧力センサ５４を使用して測定される（Ｓ２０）。コントローラ１１０は、第１圧力センサ５４から第１測定圧信号ＰＨを受け、高圧ライン６３の測定圧力を取得する。

次に、測定された高圧ライン６３の圧力が、適正圧力範囲と比較される（Ｓ２２）。コントローラ１１０は、高圧ライン６３の測定圧力を適正圧力範囲の上限値Ｐｄと比較し、高圧ライン６３の測定圧力が上限値Ｐｄを上回る場合に（ＰＨ＞Ｐｄ）、回収バルブ７４を開く（Ｓ２４）。これにより、高圧ライン６３から回収バルブ７４を通じてバッファ容積７０に作動ガスが回収され、高圧ライン６３の圧力が低下する。

コントローラ１１０は、高圧ライン６３の測定圧力が適正圧力範囲に回復したとき、回収バルブ７４を閉じる（Ｓ２６）。例えば、コントローラ１１０は、高圧ライン６３の測定圧力を適正圧力範囲の上限値Ｐｄと比較し、高圧ライン６３の測定圧力が上限値Ｐｄを下回る場合に（ＰＨ＜Ｐｄ、またはＰＨ≦Ｐｄ）、回収バルブ７４を閉じてもよい。回収バルブ７４が閉じると、高圧ライン６３からバッファ容積７０への作動ガスの回収は停止される。こうして、本方法は終了し、次回の制御周期で再び実行される。

なお、回収バルブ７４を閉じる圧力しきい値は、適正圧力範囲の上限値Ｐｄと異なってもよく、例えば、上限値Ｐｄより小さくてもよい。この圧力しきい値は、適正圧力範囲から選択され、すなわち適正圧力範囲の下限値Ｐｃより大きくてもよい。

適正圧力範囲は、極低温冷凍機１０の運転中に変更されてもよい。例えば、初期冷却での適正圧力範囲は、定常運転での適正圧力範囲と異なってもよく、例えば、定常運転での適正圧力範囲より高くてもよい。例えば、初期冷却での下限値Ｐｃが定常運転での下限値Ｐｃより高く、及び／または、初期冷却での上限値Ｐｄが定常運転での上限値Ｐｄより高くてもよい。

この場合、初期冷却から定常運転への切替、および適正圧力範囲の変更は、制御装置１００によって制御されてもよい。例えば、制御装置１００は、温度センサ４６からの測定温度信号に基づいて、第２冷却ステージ３５（及び／または第１冷却ステージ３３）の測定温度を上述の標準冷却温度と比較し、測定温度が標準冷却温度より高い場合には初期冷却を実行し、測定温度が標準冷却温度以下の場合には初期冷却から定常運転に移行してもよい。初期冷却から定常運転への移行に伴って、コントローラ１１０が適正圧力範囲を変更してもよい。

また、図７および図８を参照して後述するように、初期冷却から定常運転への切替、および適正圧力範囲の変更は、バッファ容積７０の圧力に基づいて、または高圧ライン６３と低圧ライン６４の差圧に基づいて、行われてもよい。このようにすれば、制御装置１００は、温度センサ４６に依存せずに、極低温冷凍機１０の初期冷却を完了することができる。

ここで、バッファ容積７０からの作動ガス供給を確実にするために、バッファ容積７０に望まれる条件を考える。理想気体の状態方程式から、極低温冷凍機１０の運転停止中（つまり初期冷却前）には、
ＰＩ（ＶＨ＋ＶＬ＋ＶＢ）＝ｎＲＴ （１）
が成り立つ。ここで、ＰＩ（ＭＰａ）は、温度Ｔ（Ｋ）での極低温冷凍機１０の作動ガス封入圧、ＶＨ（Ｌ）は高圧ライン６３の容積、ＶＬ（Ｌ）は低圧ライン６４の容積、ＶＢ（Ｌ）はバッファ容積７０の容積、ｎ（ｍｏｌ）は極低温冷凍機１０内の作動ガス量、Ｒは気体定数を表す。

同様にして、極低温冷凍機１０の定常運転中には、
ＰＨＶＨ＋ＰＬＶＬ＋ＰＢＶＢ＝ｎＲＴ （２）
が成り立つ。ここで、ＰＨ（ＭＰａ）は温度Ｔでの定常運転における高圧ライン６３の圧力、ＰＬ（ＭＰａ）は温度Ｔでの定常運転での低圧ライン６４の圧力、ＰＢ（ＭＰａ）は温度Ｔでの定常運転でのバッファ容積７０の圧力を表す。

式（１）および（２）から、
ＰＩ（ＶＨ＋ＶＬ＋ＶＢ）＝ＰＨＶＨ＋ＰＬＶＬ＋ＰＢＶＢ （３）
となる。

極低温冷凍機１０の運転中の任意のタイミングでバッファ容積７０から低圧ライン６４に作動ガスを供給するには、極低温冷凍機１０の初期温度から極低温までの温度範囲における任意の温度Ｔについて、
ＰＬ≦ＰＢ （４）
を満たすべきである。

式（３）をＰＢについて解き、式（４）に代入すると、以下の関係が得られる。
ＶＢ≧ＶＨ（ＰＨ－ＰＩ）／（ＰＩ－ＰＬ）－ＶＬ （５）

したがって、バッファ容積７０から低圧ライン６４への作動ガス供給を確実にするには、初期温度から極低温までの温度範囲における任意の温度について、バッファ容積７０が式（５）を満たすことが好ましい。

同様にして、バッファ容積７０へのガス回収を確実にするために、バッファ容積７０に望まれる条件を考える。この場合、極低温冷凍機１０の運転中の任意のタイミングでバッファ容積７０から高圧ライン６３に作動ガスを供給するには、極低温冷凍機１０の初期温度から極低温までの温度範囲における任意の温度Ｔについて、
ＰＢ≦ＰＨ （６）
を満たすべきである。

式（３）をＰＢについて解き、式（６）に代入すると、以下の関係が得られる。
ＶＢ≧－ＶＨ＋ＶＬ（ＰＩ－ＰＬ）／（ＰＨ－ＰＩ） （７）

したがって、高圧ライン６３からバッファ容積７０への作動ガス回収を確実にするには、初期温度から極低温までの温度範囲における任意の温度について、バッファ容積７０が式（７）を満たすことが好ましい。

図５は、第１の実施の形態に係り、極低温冷凍機１０の運転中の温度と圧力の時間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５の上部には、第１圧力センサ５４によって測定された高圧ライン６３の圧力ＰＨと第２圧力センサ５５によって測定された低圧ライン６４の圧力ＰＬが示される。図５の下部には、第１冷却ステージ３３の温度Ｔ１と第２冷却ステージ３５の温度Ｔ２が示される。横軸は時間を示す。

極低温冷凍機１０の起動前（時刻０）では、高圧ライン６３の圧力ＰＨと低圧ライン６４の圧力ＰＬはともに封入圧ＰＩであり、第１冷却ステージ３３の温度Ｔ１と第２冷却ステージ３５の温度Ｔ２はともに室温（約３００Ｋ）である。極低温冷凍機１０が起動され、初期冷却が開始されると、圧縮機１２と膨張機１４が作動し、高圧ライン６３の圧力ＰＨは封入圧ＰＩから増加し、低圧ライン６４の圧力ＰＬは封入圧ＰＩから低下する。初期冷却により第１冷却ステージ３３の温度Ｔ１と第２冷却ステージ３５の温度Ｔ２は低下していく。第１冷却ステージ３３と第２冷却ステージ３５がそれぞれ上述の標準冷却温度まで冷却されると（例えば、Ｔ１≦３０Ｋ、Ｔ２≦４Ｋ）、初期冷却は完了し、定常運転に移行する。

図６（Ａ）は、図５に示されるＡ部を拡大して模式的に示し、図６（Ｂ）は、図５に示されるＢ部を拡大して模式的に示す。図６（Ａ）には、初期冷却の開始直後の高圧ライン６３の圧力ＰＨが回収バルブ７４の開閉状態とともに示され、図６（Ｂ）には、Ａ部より後の高圧ライン６３の圧力ＰＨが供給バルブ７２の開閉状態とともに示される。

図６（Ａ）に示されるように、高圧ライン６３の圧力ＰＨが適正圧力範囲の上限値Ｐｄを超えると、回収バルブ７４が開く。高圧ライン６３から回収バルブ７４を通じてバッファ容積７０に作動ガスが回収されるので、高圧ライン６３の圧力ＰＨは低下する。高圧ライン６３の圧力ＰＨが上限圧Ｐｄを下回ると、回収バルブ７４は閉じる。このようにして、高圧ライン６３の過剰な昇圧を避けることができる。過剰な昇圧による圧縮機１２の緊急停止のリスクは低減される。また、作動ガスの回収によりバッファ容積７０が昇圧されるので、バッファ容積７０から低圧ライン６４への作動ガス供給に有効利用できる。

図６（Ｂ）に示されるように、高圧ライン６３の圧力ＰＨが適正圧力範囲の下限値Ｐｃを下回ると、供給バルブ７２が開く。バッファ容積７０から供給バルブ７２を通じて低圧ライン６４へと作動ガスが供給される。ガスライン６２を循環する作動ガスの量が増えるので、高圧ライン６３の圧力が回復される。こうして高圧ライン６３の圧力ＰＨが下限値Ｐｃを超えると、供給バルブ７２は閉じる。

上述のように、初期冷却中の膨張機１４の温度低下により膨張機１４内で作動ガスの密度が増加し、これは高圧ライン６３の圧力ＰＨを低下させる効果をもたらす。そのため、高圧ライン６３の圧力ＰＨは一度回復しても、下限値Ｐｃを再び下回る。再び供給バルブ７２が開き、高圧ライン６３の圧力が回復され、供給バルブ７２は閉じる。このようにして、供給バルブ７２は、高圧ライン６３の圧力ＰＨを適正圧力範囲に維持するように開閉を繰り返すように動作する。

仮に、初期冷却の最中に作動ガスがガスライン６２に供給されなかったとしたら、膨張機１４の温度低下により高圧ライン６３の圧力ＰＨは顕著に低下しうる。極低温冷凍機１０の冷凍能力は高圧ライン６３の圧力ＰＨに相関するから、初期冷却が進むにつれて極低温冷凍機１０の冷凍能力が低下しうる。これは、初期冷却にかかる時間を長くする要因となりうる。

これに対して、実施の形態によると、初期冷却の最中に供給バルブ７２を制御することにより高圧ライン６３の圧力ＰＨを適正圧力範囲に維持することができる。よって、極低温冷凍機１０の冷凍能力を適正に保持することができ、初期冷却時間の増加を抑えることができる。また、高圧ライン６３の圧力ＰＨをおおむね一定に保つことにより、極低温冷凍機１０は、安定した冷凍能力を提供することができる。

高圧ライン６３の圧力ＰＨを適正圧力範囲に維持するために、低圧ライン６４の圧力に基づいて供給バルブ７２と回収バルブ７４を制御する方法も考えられる。低圧ライン６４の圧力は、膨張機１４の冷却温度の影響を受ける（冷却温度によって変動する）。そのため、低圧ライン６４の適正圧力範囲、すなわち供給バルブ７２と回収バルブ７４を開閉するための低圧ライン６４の圧力しきい値は、冷却温度に応じて異なる値に定めることが実用上必須となり、制御の設計が煩雑となる。また、低圧ライン６４が適正圧力範囲にあったとしても、冷却温度によっては、高圧ライン６３の圧力が過剰に高くなるケースもありうる。したがって、実施の形態のように高圧ライン６３の圧力に基づく方法は、このような不都合が緩和または防止される点で有利である。

図７は、第１の実施の形態に係り、極低温冷凍機１０の運転中の温度と圧力の変化の一例を示すグラフである。図８は、第１の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。

上述の実施の形態と同様に、極低温冷凍機１０は、圧縮機１２、膨張機１４、バッファ容積７０、および制御装置１００を備える。コントローラ１１０は、初期冷却の最中に、第１圧力センサ５４によって測定された高圧ライン６３の圧力に基づいて、高圧ライン６３の圧力を予め設定した適正圧力範囲に保つように供給バルブ７２を制御する。また、コントローラ１１０は、初期冷却の最中に、第１圧力センサ５４によって測定された高圧ライン６３の圧力に基づいて、高圧ライン６３の圧力を適正圧力範囲に保つように回収バルブ７４を制御する。

極低温冷凍機１０は、バッファ容積７０の圧力を測定するようバッファ容積７０に接続されたバッファ圧センサ７６を備える。バッファ圧センサ７６は、制御装置１００と電気的に接続され、測定された圧力を表す測定バッファ圧信号ＰＢを制御装置１００に出力するよう構成されている。

図７の上部には、図５に示される高圧ライン６３の圧力ＰＨおよび低圧ライン６４の圧力ＰＬに加えて、バッファ圧センサ７６によって測定されたバッファ容積７０の圧力ＰＢが示される。図７の下部には、第１冷却ステージ３３の温度Ｔ１と第２冷却ステージ３５の温度Ｔ２が示される。図７から理解されるように、初期冷却の完了により極低温冷凍機１０が充分に冷却され第１冷却ステージ３３と第２冷却ステージ３５の温度が安定すれば、高圧ライン６３の圧力ＰＨおよび低圧ライン６４の圧力ＰＬも安定する。このとき、供給バルブ７２と回収バルブ７４はともに閉鎖され、バッファ容積７０はガスライン６２から切り離される。そのため、バッファ容積７０の圧力ＰＢも一定となる（図７に示される最終バッファ圧ＰＦ）。

したがって、バッファ容積７０の圧力ＰＢの安定化を検出することによって、初期冷却の完了を判定することができる。極低温冷凍機１０の作動ガス封入圧ＰＩと運転条件（例えば、高圧ＰＨ、低圧ＰＬ、温度Ｔ１、Ｔ２など）が既知であれば、初期冷却完了時の最終的なバッファ容積７０の圧力を予測できる。この場合、コントローラ１１０は、最終バッファ圧の予測値と測定されるバッファ容積７０の圧力ＰＢを比較し、比較結果に基づいてバッファ容積７０の測定圧力ＰＢが最終バッファ圧の予測値に等しいか否かを判定してもよい。コントローラ１１０は、バッファ容積７０の測定圧力ＰＢが最終バッファ圧の予測値に等しい状態が所定時間（例えば数分）にわたり継続する場合に、初期冷却を完了してもよい。

あるいは、コントローラ１１０は、初期冷却の最中にバッファ容積７０の測定圧力ＰＢと参照圧力の差を算出し、算出された圧力差の安定化を検出することによって、初期冷却の完了を判定してもよい。参照圧力は、以前に測定されたバッファ容積７０の圧力であってもよく、例えば、初期冷却の最中に測定されたバッファ容積７０の圧力の最大値ＰＭであってもよい。バッファ容積７０の圧力は、初期冷却の開始直後に封入圧ＰＩから増加して最大値ＰＭをとることが図７から理解される。

コントローラ１１０は、算出された圧力差（すなわちバッファ容積７０の測定圧力ＰＢと参照圧力の差）と圧力差目標値を比較し、比較結果に基づいて、算出された圧力差が圧力差目標値に等しいか否かを判定してもよい。コントローラ１１０は、算出された圧力差が圧力差目標値に等しい状態が所定時間にわたり継続する場合に、初期冷却を完了してもよい。所定時間は、例えば１分以上１０分以下の範囲から選択されてもよい。算出された圧力差と圧力差目標値との差が所定値（例えば０．０５ＭＰａ）以内である場合、算出された圧力差が圧力差目標値に等しいとみなすことができる。この圧力差目標値は封入圧ＰＩに依存しないので、封入圧ＰＩが未知であっても初期冷却の完了を判定することができる。

参照圧力の他の一例として、バッファ容積７０の測定圧力ＰＢと同じタイミングで測定された高圧ライン６３の圧力ＰＨ（または低圧ライン６４の圧力ＰＬ）が使用されてもよい。コントローラ１１０は、バッファ容積７０の測定圧力ＰＢと高圧ライン６３の測定圧力ＰＨ（または低圧ライン６４の測定圧力ＰＬ）の差を算出し、算出された圧力差の安定化を検出することによって、初期冷却の完了を判定してもよい。コントローラ１１０は、上述の例と同様に、算出された圧力差と圧力差目標値を比較し、算出された圧力差が圧力差目標値に所定時間にわたり等しい場合に、初期冷却を完了してもよい。

更なる代替例として、コントローラ１１０は、高圧ライン６３の測定圧力ＰＨと低圧ライン６４の測定圧力ＰＬの差を算出し、算出された圧力差の安定化を検出することによって、初期冷却の完了を判定してもよい。

上述の実施の形態では、初期冷却の最中に、測定された高圧ライン６３の圧力に基づいて供給バルブ７２が制御され（これを以下、高圧優先制御ともいう）、高圧ライン６３の圧力が適正圧力範囲に保たれる。このとき、低圧ライン６４の圧力は管理されていないため、場合によっては、低圧ライン６４の圧力が低くなりすぎるといった望ましくない現象が発生する可能性がある。

このような問題に対処するために、コントローラ１１０は、第２圧力センサ５５によって測定された低圧ライン６４の圧力が予め設定した低圧しきい値を下回るとき、高圧ライン６３の圧力に基づく供給バルブ７２の制御（すなわち高圧優先制御）を中断するように構成されてもよい。コントローラ１１０は、第２圧力センサ５５によって測定された低圧ライン６４の圧力に基づいて、低圧ライン６４の圧力を低圧しきい値に回復させるように供給バルブ７２を制御するように構成されてもよい。低圧ライン６４の圧力に基づく供給バルブ７２の制御を以下では、低圧優先制御ともいう。このような高圧優先制御から低圧優先制御への切替処理の一例を、図９を参照して後述する。

図９は、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１０の制御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の初期冷却においてコントローラ１１０によって所定の周期で繰り返し実行される。なお本方法は、初期冷却の最中だけでなく、極低温冷凍機１０の定常運転においても継続して実行されてもよい。

まず、低圧ライン６４の圧力が測定される（Ｓ３０）。第２圧力センサ５５は、低圧ライン６４の圧力を測定し、測定された低圧ライン６４の圧力を表す第２測定圧信号ＰＬを出力する。コントローラ１１０は、第２測定圧信号ＰＬを受け、低圧ライン６４の測定圧力を取得する。

次に、測定された低圧ライン６４の圧力ＰＬが、低圧しきい値Ｐｅと比較される（Ｓ３２）。低圧しきい値Ｐｅは、例えば、圧縮機１２の安定した運転を保証する観点から、低圧ライン６４の圧力の下限値として定められてもよい。例えば、低圧しきい値Ｐｅは、０．２ＭＰａから０．４ＭＰａの範囲から選択されてもよい。低圧しきい値Ｐｅ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。低圧しきい値Ｐｅは、極低温冷凍機１０の初期設定としてコントローラ１１０に予め保存されていてもよく、または極低温冷凍機１０の運転前にユーザーによってコントローラ１１０に設定されてもよい。

コントローラ１１０は、低圧ライン６４の測定圧力を低圧しきい値Ｐｅと比較し、低圧ライン６４の測定圧力がこの低圧しきい値Ｐｅを上回る場合（ＰＬ＞Ｐｅ、またはＰＬ≧Ｐｅ）、高圧優先制御を選択する（Ｓ３４）。この場合、図３を参照して説明したように、コントローラ１１０は、測定された高圧ライン６３の圧力を適正圧力範囲の下限値Ｐｃと比較し、高圧ライン６３の圧力が下限値Ｐｃを下回らないように供給バルブ７２の開閉を繰り返すように供給バルブ７２を動作させる。このようにして、高圧優先制御が継続して実行される。

一方、低圧ライン６４の測定圧力が低圧しきい値Ｐｅを下回る場合（ＰＬ＜Ｐｅ）、コントローラ１１０は、低圧優先制御を選択する（Ｓ３６）。高圧優先制御は中断され、低圧優先制御が開始されることになる。低圧優先制御の一例は、図１０を参照して後述する。このようにして、高圧優先制御から低圧優先制御への切替処理は終了する。

低圧優先制御ではまず、図１０に示されるように、低圧ライン６４の圧力が測定される（Ｓ４０）。次に、測定された低圧ライン６４の圧力が低圧しきい値Ｐｅと比較される（Ｓ４２）。低圧ライン６４の測定圧力が低圧しきい値Ｐｅを下回る場合（ＰＬ＜Ｐｅ）、コントローラ１１０は、供給バルブ７２を開く（Ｓ４４）。これにより、バッファ容積７０から供給バルブ７２を通じて低圧ライン６４へと作動ガスが供給され、低圧ライン６４の圧力が回復される。

一方、低圧ライン６４の測定圧力が低圧しきい値Ｐｅを上回る場合（ＰＬ＞Ｐｅ、またはＰＬ≧Ｐｅ）、コントローラ１１０は、供給バルブ７２を閉じる（Ｓ４６）。バッファ容積７０から低圧ライン６４への作動ガスの供給は停止される。なお、供給バルブ７２を閉じる圧力しきい値は、低圧しきい値Ｐｅと異なってもよく、例えば、低圧しきい値Ｐｅよりいくらか大きくてもよい。こうして、本方法は終了し、次回の制御周期で再び実行される。

上述の低圧優先制御によれば、低圧ライン６４の圧力に基づいて供給バルブ７２が開閉され、低圧ライン６４の圧力を低圧しきい値Ｐｅに回復させることができる。しかしながら、低圧優先制御では、高圧ライン６３の圧力が管理されていない。そのため、低圧優先制御の最中に、今度は、高圧ライン６３の圧力が低くなりすぎるといった望ましくない現象が発生する可能性がある。

そこで、コントローラ１１０は、第１圧力センサ５４によって測定された高圧ライン６３の圧力が高圧しきい値を下回るとき、低圧ライン６４の圧力に基づく供給バルブ７２の制御を中断するように構成されてもよい。コントローラ１１０は、第１圧力センサ５４によって測定された高圧ライン６３の圧力に基づいて、高圧ライン６３の圧力を高圧しきい値に回復させるように供給バルブ７２を制御するように構成されてもよい。このような低圧優先制御から高圧優先制御への復帰処理の一例を、図１１を参照して後述する。

図１１は、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１０の制御方法を説明するフローチャートである。本方法は、上述の低圧優先制御の実行中、コントローラ１１０によって所定の周期で繰り返し実行される。

まず、高圧ライン６３の圧力が測定される（Ｓ５０）。次に、測定された高圧ライン６３の圧力が、高圧しきい値Ｐｆと比較される（Ｓ５２）。高圧しきい値Ｐｆは、例えば、適正圧力範囲の下限値Ｐｃであってもよい。高圧しきい値Ｐｆ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。高圧しきい値Ｐｆは、極低温冷凍機１０の初期設定としてコントローラ１１０に予め保存されていてもよく、または極低温冷凍機１０の運転前にユーザーによってコントローラ１１０に設定されてもよい。

コントローラ１１０は、高圧ライン６３の測定圧力を高圧しきい値Ｐｆと比較し、高圧ライン６３の測定圧力がこの高圧しきい値Ｐｆを上回る場合（ＰＨ＞Ｐｆ、またはＰＨ≧Ｐｆ）、低圧優先制御を選択する（Ｓ５４）。この場合、低圧優先制御が継続して実行される。

一方、高圧ライン６３の測定圧力が高圧しきい値Ｐｆを下回る場合（ＰＨ＜Ｐｆ）、コントローラ１１０は、高圧優先制御を選択する（Ｓ５６）。このようにして、低圧優先制御から高圧優先制御への切替処理は終了する。高圧優先制御に再び切り替わることにより、測定された高圧ライン６３の圧力に基づいて供給バルブ７２が制御され、高圧ライン６３の圧力が適正圧力範囲に保たれることになる。

ところで、極低温冷凍機１０の運転差圧（高圧ライン６３と低圧ライン６４の圧力差）を拡大し、それにより極低温冷凍機１０の冷凍能力を増加させることによって、初期冷却の所要時間を短くすることも可能である。しかしながら、上述の実施の形態では、高圧ライン６３と低圧ライン６４をバイパスするリリーフバルブ６０がその障害となりうる。リリーフバルブ６０がその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かれるタイプのものである場合、極低温冷凍機１０の運転差圧は、この設定圧に制限されうる。高圧ライン６３と低圧ライン６４の圧力差がリリーフバルブ６０の設定圧を超えると、リリーフバルブ６０が機械的に開き、リリーフバルブ６０を通じて高圧ライン６３から低圧ライン６４に作動ガスが流出し、その結果、極低温冷凍機１０の運転差圧の増加が妨げられうるからである。

これに対処するために、以下に説明するように、追加の圧縮機が初期冷却のために極低温冷凍機１０に一時的に設置されてもよい。説明の便宜上、以下では、極低温冷凍機１０のメインの圧縮機１２を第１圧縮機１２と呼び、追加されるサブの圧縮機を第２圧縮機８０と呼ぶことにする。

図１２および図１３は、第２の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。図１２には、初期冷却における極低温冷凍機１０のセッティングが示され、図１３には、初期冷却前、または初期冷却後の定常運転における極低温冷凍機１０の基本のセッティングが示される。図１４は、第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１０の運転方法を説明するフローチャートである。

第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１０およびその運転方法は、第２圧縮機８０を除いて、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１０およびその運転方法と同様でありうる。そこで、図１２および図１３では、第１の実施の形態と共通する構成に同じ参照符号を付し、その詳細な説明は冗長を避けるため適宜省略する。

極低温冷凍機１０は、初期冷却が行われる前、図１３に示されるように、第１圧縮機１２および膨張機１４を有する基本セッティングをとる。第１圧縮機１２と膨張機１４は、高圧ライン６３および低圧ライン６４により接続されている。第２圧縮機８０とバッファ容積７０は、極低温冷凍機１０に接続されていない。

第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１０の運転方法では、図１４に示されるように、初期冷却の前処理として、第２圧縮機８０とバッファ容積７０が極低温冷凍機１０に接続される（Ｓ６０、Ｓ６１）。第２圧縮機８０とバッファ容積７０の取付順序は問わない。

第２圧縮機８０は、高圧ライン６３上で第１圧縮機１２と直列に接続される。より具体的には、図１２に示されるように、第１圧縮機１２の高圧ガス出口５０が第２圧縮機８０の吸入口に接続され、第２圧縮機８０の吐出口が膨張機１４の高圧ガス入口２２に接続される。したがって、極低温冷凍機１０は、第１圧縮機１２と第２圧縮機８０からなる二段式の圧縮機構成を有する。

バッファ容積７０は、供給バルブ７２を介して低圧ライン６４に接続されるとともに、回収バルブ７４を介して高圧ライン６３に接続される。供給バルブ７２および回収バルブ７４は、バッファ容積７０とともに一つの筐体に収められ、バッファ容積ユニットを構成してもよい。バッファ容積ユニットと第２圧縮機８０は、極低温冷凍機１０が運転される現場に例えばサービスマンによって持ち込まれ、極低温冷凍機１０に接続されてもよい。

こうして第２圧縮機８０とバッファ容積７０が極低温冷凍機１０に接続されると、極低温冷凍機１０は起動され、初期冷却が開始される（Ｓ６２）。初期冷却は上述のように、極低温冷凍機１０の定常運転の準備として、極低温冷凍機１０を初期温度から目的の極低温まで冷却する工程である。初期温度は、周囲温度（例えば室温）であってもよいし、あるいは、周囲温度より低く目的の極低温よりも高い温度（例えば、２０Ｋから８０Ｋの範囲から選択される温度）であってもよい。初期冷却によって、膨張機１４の第１冷却ステージ３３は第１冷却温度に冷却され、第２冷却ステージ３５は第２冷却温度に冷却される。

初期冷却は、第２圧縮機８０とバッファ容積７０が極低温冷凍機１０に接続された状態で実行される。したがって、初期冷却においては、作動ガスは、第１圧縮機１２および第２圧縮機８０を使用して膨張機１４に供給される。第１圧縮機１２は、膨張機１４から低圧ライン６４を通じて回収される極低温冷凍機１０の作動ガスを昇圧し、昇圧された作動ガスを第２圧縮機８０に供給する。第２圧縮機８０は、第１圧縮機１２からの作動ガスをさらに昇圧して、これを再び膨張機１４に供給する。

また、初期冷却において、バッファ容積７０は、第１の実施の形態と同様に、高圧ライン６３の圧力を適正圧力範囲に保つために利用される。すなわち、供給バルブ７２は、初期冷却の最中に、第１圧力センサ５４によって測定された高圧ライン６３の圧力に基づいて、高圧ライン６３の圧力を適正圧力範囲に保つように制御される。

初期冷却が完了すると、第２圧縮機８０とバッファ容積７０は、極低温冷凍機１０から取り外される（Ｓ６３、Ｓ６４）。第２圧縮機８０とバッファ容積７０の取り外しの順序は問わない。極低温冷凍機１０は、図１４に示される基本セッティングに戻される。そして、極低温冷凍機１０の定常運転が行われる（Ｓ６５）。

第２の実施の形態によると、第２圧縮機８０を追加することにより、極低温冷凍機１０の運転差圧を拡大することができる。とくに、上述した第１圧縮機１２のリリーフバルブ６０の設定圧に起因する制限を超えて、極低温冷凍機１０の運転差圧を拡大することができる。運転差圧の拡大は極低温冷凍機１０の冷凍能力の増加をもたらし、初期冷却の所要時間を短縮することができる。

極低温冷凍機１０の運転差圧を拡大する別の方法として、第１圧縮機１２よりも高出力の大型圧縮機を外部から現場に持ち込んで、第１圧縮機１２と交換することも考えられる。しかし、このような大型圧縮機は一般に、サイズおよび重量ともに大きいため、持ち運びに不向きである。これに対して、第２圧縮機８０は、第１圧縮機１２と併用されるので、比較的小型でよく、持ち運び容易である。

上述の実施の形態では、二段式の圧縮機構成を作るために、第２圧縮機８０が第１圧縮機１２の吐出側（出口側）に接続されている。しかしながら、他の構成もありうる。例えば、第２圧縮機８０は、原理的には、第１圧縮機１２の吸入側（入口側）に接続されてもよい。すなわち、第２圧縮機８０は、低圧ライン６４上で第１圧縮機１２と直列に接続されてもよい。

なお、バッファ容積７０が取り外されることは必須ではない。第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、図１に示されるように、バッファ容積７０が極低温冷凍機１０に接続された状態で極低温冷凍機１０の定常運転が行われてもよい。あるいは、第１の実施の形態においても、第２の実施の形態と同様に、初期冷却の後、バッファ容積７０が極低温冷凍機１０から取り外されてもよい。

図１５は、第３の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。図１６および図１７は、第３の実施の形態に係る極低温冷凍機１０の運転方法を説明するフローチャートである。

第３の実施の形態に係る極低温冷凍機１０およびその運転方法は、第２圧縮機８０を除いて、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１０およびその運転方法と同様でありうる。そこで、図１５では、第１の実施の形態と共通する構成に同じ参照符号を付し、その詳細な説明は冗長を避けるため適宜省略する。

第３の実施の形態においても第２の実施の形態と同様に、極低温冷凍機１０は、初期冷却が行われる前、図１３に示されるように、第１圧縮機１２および膨張機１４を有する基本セッティングをとる。第１圧縮機１２と膨張機１４は、高圧ライン６３および低圧ライン６４により接続されている。第２圧縮機８０は、極低温冷凍機１０に接続されていない。

第３の実施の形態に係る極低温冷凍機１０の運転方法では、図１６に示されるように、初期冷却の前処理として、第２圧縮機８０が極低温冷凍機１０に接続される（Ｓ７０）。第２圧縮機８０は、高圧ライン６３上で第１圧縮機１２と直列に接続される。図１５に示されるように、第１圧縮機１２の高圧ガス出口５０が第２圧縮機８０の吸入口に接続され、第２圧縮機８０の吐出口が膨張機１４の高圧ガス入口２２に接続される。したがって、極低温冷凍機１０は、第１圧縮機１２と第２圧縮機８０からなる二段式の圧縮機構成を有する。第２圧縮機８０は、極低温冷凍機１０が運転される現場に例えばサービスマンによって持ち込まれ、極低温冷凍機１０に接続されてもよい。

第２圧縮機８０は、第１圧縮機１２と同様に、圧縮機本体５７を備える。また、第２圧縮機８０は、運転周波数（すなわち回転数）を可変とする圧縮機モータ８２を備え、圧縮機本体５７は圧縮機モータ８２によって駆動される。圧縮機モータ８２は、例えば電気モータであり、またはそのほか任意の適切な形式のモータであってもよい。圧縮機モータ８２の運転周波数を増加させることにより、圧縮機本体５７の吐出流量が増加され、その結果、高圧ライン６３の圧力が増加されうる。逆に、圧縮機モータ８２の運転周波数を減少させることにより、圧縮機本体５７の吐出流量が減少され、その結果、高圧ライン６３の圧力が減少されうる。

制御装置１００は、圧縮機モータ８２の運転周波数を制御するインバータ９０を備える。圧縮機モータ８２およびインバータ９０は、商用電源（三相交流電源）などの外部電源９２から給電される。インバータ９０は、後述のようにコントローラ１１０による制御のもとで、外部電源９２から入力される電力の周波数を調整し、任意の周波数で圧縮機モータ８２に出力するように構成される。圧縮機モータ８２の運転周波数は、インバータ９０の出力周波数に相当し、例えば、３０Ｈｚから１００Ｈｚの範囲、または４０Ｈｚから７０Ｈｚの範囲で調整可能である。

第２圧縮機８０が極低温冷凍機１０に接続された状態で、極低温冷凍機１０は起動され、初期冷却が行われる（Ｓ７２）。作動ガスは、第１圧縮機１２および第２圧縮機８０を使用して膨張機１４に供給される。第１圧縮機１２は、膨張機１４から低圧ライン６４を通じて回収される極低温冷凍機１０の作動ガスを昇圧し、昇圧された作動ガスを第２圧縮機８０に供給する。第２圧縮機８０は、第１圧縮機１２からの作動ガスをさらに昇圧して、これを再び膨張機１４に供給する。後述するように、第２圧縮機８０の圧縮機モータ８２の運転周波数は、測定された高圧ライン６３の圧力に基づいて、高圧ライン６３の圧力を適正圧力範囲に保つように制御される。

初期冷却が完了すると、第２圧縮機８０は、極低温冷凍機１０から取り外される（Ｓ７３）。極低温冷凍機１０は、図１３に示される基本セッティングに戻される。そして、極低温冷凍機１０の定常運転が行われる（Ｓ７５）。

図１７を参照して、測定された高圧ライン６３の圧力に基づく圧縮機モータ８２の運転周波数の制御処理の一例を説明する。この処理は、極低温冷凍機１０の初期冷却においてコントローラ１１０によって所定の周期で繰り返し実行される。

まず、高圧ライン６３の圧力が測定される（Ｓ８０）。次に、測定された高圧ライン６３の圧力が、高圧目標値Ｐｇと比較される（Ｓ８２）。高圧目標値Ｐｇは、例えば、適正圧力範囲の下限値Ｐｃであってもよい。高圧目標値Ｐｇ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。高圧目標値Ｐｇは、極低温冷凍機１０の初期設定としてコントローラ１１０に予め保存されていてもよく、または極低温冷凍機１０の運転前にユーザーによってコントローラ１１０に設定されてもよい。

コントローラ１１０は、高圧ライン６３の測定圧力ＰＨを高圧目標値Ｐｇと比較し、比較結果として両者の大小関係を出力する。すなわち、コントローラ１１０による比較結果は、次の３つの状態、（ｉ）測定圧力ＰＨが高圧目標値Ｐｇより小さい、（ｉｉ）測定圧力ＰＨが高圧目標値Ｐｇより大きい、（ｉｉｉ）測定圧力ＰＨが高圧目標値Ｐｇと等しい、のうちいずれかを表す。

コントローラ１１０による比較結果に基づいてインバータ９０が制御され、インバータ９０の出力周波数に従って圧縮機モータ８２の運転周波数が制御される。具体的には、（ｉ）測定圧力ＰＨが高圧目標値Ｐｇより小さい場合には、コントローラ１１０は、圧縮機モータ８２の運転周波数を増加させるようにインバータ９０を制御する（Ｓ８４）。これにより、高圧ライン６３の圧力は増加されうる。（ｉｉ）測定圧力ＰＨが高圧目標値Ｐｇより大きい場合には、コントローラ１１０は、圧縮機モータ８２の運転周波数を減少させるようにインバータ９０を制御する（Ｓ１８）。これにより、高圧ライン６３の圧力は減少されうる。（ｉｉｉ）測定圧力ＰＨが高圧目標値Ｐｇと等しい場合には、圧縮機モータ８２の運転周波数を増減させる必要が無いので、コントローラ１１０は、現在の運転周波数を維持するようにインバータ９０を制御する。なお、（ｉｉｉ）の場合を（ｉ）または（ｉｉ）のいずれかに含めてもよい。

圧縮機モータ８２の運転周波数を増加または減少させるとき、コントローラ１１０は、圧縮機モータ８２の現在の運転周波数の値から運転周波数を所定量増加または減少させてもよい。ただし、運転周波数を増加させようとするとき現在の運転周波数の値が既に上限値に達している場合には、コントローラ１１０は、運転周波数を増加させずに、その上限値に維持してもよい。例えば、圧縮機モータ８２の運転周波数のとりうる範囲が３０Ｈｚ～１００Ｈｚであって現在の値が既に上限値の１００Ｈｚである場合には、コントローラ１１０は、運転周波数を１００Ｈｚからさらに増加させるのではなく、１００Ｈｚを維持する。同様に、運転周波数を減少させようとするとき現在の運転周波数の値が既に下限値に達している場合には、コントローラ１１０は、運転周波数を減少させずに、その下限値に維持してもよい。

あるいは、コントローラ１１０は、高圧目標値Ｐｇからの測定圧力ＰＨの偏差を最小化するように（例えばＰＩＤ制御などフィードバック制御により）圧縮機モータ８２の運転周波数を調整するようにインバータ９０を制御してもよい。このようにして、コントローラ１１０は、高圧ライン６３の圧力を目標圧と比較し、高圧ライン６３の圧力が目標圧を上回る場合に圧縮機モータ８２の運転周波数を減少させ、高圧ライン６３の圧力が目標圧を下回る場合に圧縮機モータ８２の運転周波数を増加させるように、インバータ９０を制御してもよい。

第３の実施の形態によると、第２圧縮機８０を追加することにより、極低温冷凍機１０の運転差圧を拡大することができる。とくに、上述した第１圧縮機１２のリリーフバルブ６０の設定圧に起因する制限を超えて、極低温冷凍機１０の運転差圧を拡大することができる。運転差圧の拡大は極低温冷凍機１０の冷凍能力の増加をもたらし、初期冷却の所要時間を短縮することができる。また、第２圧縮機８０は、第１圧縮機１２と併用されるので、比較的小型でよく、持ち運び容易である。

第２の実施の形態と同様に、第３の実施の形態においても、図１８に示されるように、バッファ容積７０が供給バルブ７２および回収バルブ７４とともに、初期冷却のために極低温冷凍機１０に接続されてもよい。初期冷却の前処理として、バッファ容積７０は、供給バルブ７２を介して低圧ライン６４に接続されるとともに、回収バルブ７４を介して高圧ライン６３に接続される。初期冷却の実行中には、バッファ容積７０は、第１の実施の形態と同様に、高圧ライン６３の圧力を適正圧力範囲に保つために利用される。すなわち、供給バルブ７２は、初期冷却の最中に、第１圧力センサ５４によって測定された高圧ライン６３の圧力に基づいて、高圧ライン６３の圧力を適正圧力範囲に保つように制御される。初期冷却の後、バッファ容積７０は供給バルブ７２および回収バルブ７４とともに、極低温冷凍機１０から取り外されてもよい。このように、バッファ容積７０を初期冷却に利用することで、上述の実施の形態と同様に、初期冷却の所要時間を短縮することができる。

また、図１９に示されるように、二段式の圧縮機構成を形成するために、第２圧縮機８０は、第１圧縮機１２の吸入側（入口側）に接続されてもよい。すなわち、第２圧縮機８０は、低圧ライン６４上で第１圧縮機１２と直列に接続されてもよい。この場合、第１圧縮機１２の圧縮機本体５７を駆動する圧縮機モータ８２が運転周波数可変であってもよい。コントローラ１１０およびインバータ９０によって、圧縮機モータ８２の運転周波数は、測定された高圧ライン６３の圧力に基づいて、高圧ライン６３の圧力を適正圧力範囲に保つように制御されてもよい。これとともに、またはこれに代えて、図１５に示す実施の形態と同様に、第２圧縮機８０の圧縮機モータ８２の運転周波数がコントローラ１１０およびインバータ９０によって制御されてもよい。

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。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。

例えば、第１の実施の形態に関して説明した制御処理（例えば、バッファ圧に基づく初期冷却の完了処理、高圧優先制御から低圧優先制御への切替処理、低圧優先制御から高圧優先制御への切替処理）は、第２および第３の実施の形態に適用されてもよい。

上述の実施の形態では、膨張機モータ４２が一定の運転周波数（モータ回転数）で作動する場合（つまり、膨張機モータ４２が初期冷却と定常運転で同じ運転周波数で作動する場合）を例として説明しているが、本発明はこれに限られない。極低温冷凍機１０は、運転周波数を可変とする膨張機モータ４２を備えてもよく、初期冷却の最中に、膨張機モータ４２を定常運転に比べて高い運転周波数で作動させる、いわゆる加速冷却を実行してもよい。この場合、初期冷却（加速冷却）から定常運転への切替、および運転周波数の変更は、図７および図８を参照して上述したように、バッファ容積７０の圧力に基づいて、または高圧ライン６３と低圧ライン６４の差圧に基づいて、行われてもよい。加速冷却を実行することにより、初期冷却時間をさらに短縮することができる。

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。

上述の実施の形態では、供給バルブ７２と回収バルブ７４は別々のバルブとして用意され、それぞれがバッファ容積７０に接続されているが、本発明はこれに限られない。例えば、供給バルブ７２と回収バルブ７４は、一体化されていてもよく、例えば、バッファ容積７０に接続された三方弁であってもよい。三方弁を切り替えることにより、バッファ容積７０を低圧ライン６４に接続する供給状態とバッファ容積７０を高圧ライン６３に接続する回収状態が切り替えられてもよい。

上述の実施の形態では、バッファ容積７０は、単一のバッファタンクであるが、ある実施の形態では、バッファ容積７０は、複数のバッファタンクであってもよい。一つのバッファタンクが供給バルブ７２により低圧ライン６４に接続され、別のバッファタンクが回収バルブ７４により高圧ライン６３に接続されてもよい。また、上述の実施の形態では、バッファ容積７０は、圧縮機１２および膨張機１４の外に配置されているが、これに限られない。例えば、バッファ容積７０は、圧縮機１２の中に配置されてもよい。

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、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。

本発明の実施の形態は以下のように表現することもできる。
１．初期温度から極低温に冷却する初期冷却と、前記初期冷却に後続して前記極低温を維持する定常運転とを実行可能な膨張機と、
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を測定する第１圧力センサと、
作動ガスを貯留するバッファ容積と、
前記バッファ容積を前記低圧ラインに接続する供給バルブと、
前記初期冷却の最中に、前記第１圧力センサによって測定された前記高圧ラインの圧力に基づいて、前記高圧ラインの圧力を予め設定した適正圧力範囲に保つように前記供給バルブを制御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．前記コントローラは、前記初期冷却の最中に、測定された前記高圧ラインの圧力を前記適正圧力範囲の下限値と比較し、前記高圧ラインの圧力が前記下限値を下回らないように前記供給バルブの開閉を繰り返すように前記供給バルブを動作させることを特徴とする項１に記載の極低温冷凍機。
３．前記バッファ容積をＶＢ、前記高圧ラインの容積をＶＨ、前記低圧ラインの容積をＶＬ、ある温度での作動ガス封入圧をＰＩ、当該温度での前記定常運転における前記高圧ラインの圧力をＰＨ、当該温度での前記定常運転での前記低圧ラインの圧力をＰＬと表すとき、前記初期温度から前記極低温までの温度範囲における任意の温度について、前記バッファ容積が、ＶＢ≧ＶＨ（ＰＨ－ＰＩ）／（ＰＩ－ＰＬ）－ＶＬを満たすことを特徴とする項１または２に記載の極低温冷凍機。
４．前記バッファ容積を前記高圧ラインに接続する回収バルブをさらに備え、
前記コントローラは、前記高圧ラインの圧力を前記適正圧力範囲に保つように前記回収バルブを制御することを特徴とする項１から３のいずれかに記載の極低温冷凍機。
５．前記バッファ容積をＶＢ、前記高圧ラインの容積をＶＨ、前記低圧ラインの容積をＶＬ、ある温度での作動ガス封入圧をＰＩ、当該温度での前記定常運転における前記高圧ラインの圧力をＰＨ、当該温度での前記定常運転での前記低圧ラインの圧力をＰＬと表すとき、前記初期温度から前記極低温までの温度範囲における任意の温度について、前記バッファ容積が、ＶＢ≧－ＶＨ＋ＶＬ（ＰＩ－ＰＬ）／（ＰＨ－ＰＩ）を満たすことを特徴とする項４に記載の極低温冷凍機。
６．前記バッファ容積の圧力を測定するバッファ圧センサをさらに備え、
前記コントローラは、前記バッファ圧センサによって測定された前記バッファ容積の圧力に基づいて、前記初期冷却を完了することを特徴とする項１から５のいずれかに記載の極低温冷凍機。
７．前記低圧ラインの圧力を測定する第２圧力センサをさらに備え、
前記コントローラは、
前記第２圧力センサによって測定された前記低圧ラインの圧力が予め設定した低圧しきい値を下回るとき、前記高圧ラインの圧力に基づく前記供給バルブの制御を中断し、
前記第２圧力センサによって測定された前記低圧ラインの圧力に基づいて、前記低圧ラインの圧力を前記低圧しきい値に回復させるように前記供給バルブを制御するように構成されることを特徴とする項１から６のいずれかに記載の極低温冷凍機。
８．前記コントローラは、
前記第１圧力センサによって測定された前記高圧ラインの圧力が前記第１適正圧力範囲を下回るとき、前記低圧ラインの圧力に基づく前記圧縮機モータの運転周波数の制御を中断し、
前記第１圧力センサによって測定された前記高圧ラインの圧力に基づいて、前記高圧ラインの圧力を前記第１適正圧力範囲に復帰させるように前記圧縮機モータの運転周波数を制御するように構成されることを特徴とする項７に記載の極低温冷凍機。
９．前記高圧ラインおよび前記低圧ラインを通じて前記膨張機に接続される第１圧縮機と、
前記高圧ライン上または前記低圧ライン上で前記第１圧縮機と直列に接続される第２圧縮機と、をさらに備えることを特徴とする項１から８のいずれかに記載の極低温冷凍機。
１０．前記第１圧縮機または前記第２圧縮機は、運転周波数を可変とする圧縮機モータを有し、前記圧縮機モータによって駆動され、
前記コントローラは、前記初期冷却の最中に、前記第１圧力センサによって測定された前記高圧ラインの圧力に基づいて、前記高圧ラインの圧力を前記適正圧力範囲に保つように前記圧縮機モータの運転周波数を制御するように構成されることを特徴とする項９に記載の極低温冷凍機。
１１．極低温冷凍機の運転方法であって、前記極低温冷凍機は、第１圧縮機と、膨張機と、前記第１圧縮機を前記膨張機に接続する高圧ラインおよび低圧ラインとを備え、前記方法は、
第２圧縮機を前記高圧ライン上または前記低圧ライン上で前記第１圧縮機と直列に接続することと、
バッファ容積を、供給バルブを介して前記低圧ラインに接続することと、
前記膨張機を初期温度から極低温に冷却する初期冷却を、前記第２圧縮機と前記バッファ容積が前記極低温冷凍機に接続された状態で実行することと、
前記初期冷却に後続して前記膨張機を前記極低温に維持する定常運転を実行することと、を備え、
前記初期冷却を実行することは、
前記第１圧縮機および前記第２圧縮機を使用して作動ガスを前記膨張機に供給することと、
測定された前記高圧ラインの圧力に基づいて、前記高圧ラインの圧力を予め設定した適正圧力範囲に保つように前記供給バルブを制御することと、を備えることを特徴とする方法。
１２．前記初期冷却の後、前記第２圧縮機を取り外すことをさらに備えることを特徴とする項１１に記載の方法。
１３．前記初期冷却の後、前記バッファ容積を取り外すことをさらに備えることを特徴とする項１１または１２に記載の方法。
１４．前記初期冷却を実行することは、
測定された前記低圧ラインの圧力が予め設定した低圧しきい値を下回るとき、前記高圧ラインの圧力に基づく前記供給バルブの制御を中断することと、
測定された前記低圧ラインの圧力に基づいて、前記低圧ラインの圧力を前記低圧しきい値に回復させるように前記供給バルブを制御することと、を備えることを特徴とする項１１から１３のいずれかに記載の方法。
１５．前記初期冷却を実行することは、
測定された前記高圧ラインの圧力が高圧しきい値を下回るとき、前記低圧ラインの圧力に基づく前記供給バルブの制御を中断することと、
測定された前記高圧ラインの圧力に基づいて、前記高圧ラインの圧力を前記高圧しきい値に回復させるように前記供給バルブを制御することと、を備えることを特徴とする項１４に記載の方法。
１６．前記第１圧縮機または前記第２圧縮機は、運転周波数を可変とする圧縮機モータを有し、前記圧縮機モータによって駆動され、
前記初期冷却を実行することは、測定された前記高圧ラインの圧力に基づいて、前記高圧ラインの圧力を予め設定した適正圧力範囲に保つように前記圧縮機モータの運転周波数を制御することを備えることを特徴とする項１１から１５のいずれかに記載の方法。
１７．前記初期冷却を実行することは、
前記初期冷却の最中に、前記バッファ容積の圧力を測定することと、
測定された前記バッファ容積の圧力に基づいて前記初期冷却を完了することと、をさらに備えることを特徴とする項１１から１６のいずれかに記載の方法。
１８．極低温冷凍機の運転方法であって、前記極低温冷凍機は、第１圧縮機と、膨張機と、前記第１圧縮機を前記膨張機に接続する高圧ラインおよび低圧ラインとを備え、前記方法は、
第２圧縮機を前記高圧ライン上または前記低圧ライン上で前記第１圧縮機と直列に接続することと、
前記膨張機を初期温度から極低温に冷却する初期冷却を、前記第２圧縮機が前記極低温冷凍機に接続された状態で実行することと、
前記初期冷却に後続して前記膨張機を前記極低温に維持する定常運転を実行することと、を備え、
前記第１圧縮機または前記第２圧縮機は、運転周波数を可変とする圧縮機モータを有し、前記圧縮機モータによって駆動され、
前記初期冷却を実行することは、
前記第１圧縮機および前記第２圧縮機を使用して作動ガスを前記膨張機に供給することと、
測定された前記高圧ラインの圧力に基づいて、前記高圧ラインの圧力を予め設定した適正圧力範囲に保つように前記圧縮機モータの運転周波数を制御することと、を備えることを特徴とする方法。
１９．前記初期冷却の後、前記第２圧縮機を取り外すことをさらに備えることを特徴とする項１８に記載の方法。
２０．バッファ容積を、供給バルブを介して前記低圧ラインに接続することをさらに備え、
前記初期冷却を実行することは、測定された前記高圧ラインの圧力に基づいて、前記高圧ラインの圧力を予め設定した適正圧力範囲に保つように前記供給バルブを制御することを備えることを特徴とする項１８または１９に記載の方法。
２１．前記初期冷却の後、前記バッファ容積を取り外すことをさらに備えることを特徴とする項２０に記載の方法。
２２．前記初期冷却を実行することは、
前記初期冷却の最中に、前記バッファ容積の圧力を測定することと、
測定された前記バッファ容積の圧力に基づいて前記初期冷却を完了することと、をさらに備えることを特徴とする項２０または２１に記載の方法。

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、 １２ 圧縮機、 １４ 膨張機、 ５４ 第１圧力センサ、 ５５ 第２圧力センサ、 ６３ 高圧ライン、 ６４ 低圧ライン、 ７０ バッファ容積、 ７２ 供給バルブ、 ８０ 第２圧縮機、 ８２ 圧縮機モータ、 １１０ コントローラ。

Claims (12)

1. 極低温冷凍機の運転方法であって、前記極低温冷凍機は、第１圧縮機と、膨張機と、前記第１圧縮機を前記膨張機に接続する高圧ラインおよび低圧ラインとを備え、前記方法は、
   第２圧縮機を前記高圧ライン上または前記低圧ライン上で前記第１圧縮機と直列に接続することと、
   バッファ容積を、供給バルブを介して前記低圧ラインに接続することと、
   前記膨張機を初期温度から極低温に冷却する初期冷却を、前記第２圧縮機と前記バッファ容積が前記極低温冷凍機に接続された状態で実行することと、
   前記初期冷却に後続して前記膨張機を前記極低温に維持する定常運転を実行することと、を備え、
   前記初期冷却を実行することは、
   前記第１圧縮機および前記第２圧縮機を使用して作動ガスを前記膨張機に供給することと、
   測定された前記高圧ラインの圧力に基づいて、前記高圧ラインの圧力を予め設定した適正圧力範囲に保つように前記供給バルブを制御することと、を備えることを特徴とする方法。
2. 前記初期冷却の後、前記第２圧縮機を取り外すことをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記初期冷却の後、前記バッファ容積を取り外すことをさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記初期冷却を実行することは、
   測定された前記低圧ラインの圧力が予め設定した低圧しきい値を下回るとき、前記高圧ラインの圧力に基づく前記供給バルブの制御を中断することと、
   測定された前記低圧ラインの圧力に基づいて、前記低圧ラインの圧力を前記低圧しきい値に回復させるように前記供給バルブを制御することと、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
5. 前記初期冷却を実行することは、
   測定された前記高圧ラインの圧力が高圧しきい値を下回るとき、前記低圧ラインの圧力に基づく前記供給バルブの制御を中断することと、
   測定された前記高圧ラインの圧力に基づいて、前記高圧ラインの圧力を前記高圧しきい値に回復させるように前記供給バルブを制御することと、を備えることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 極低温冷凍機の運転方法であって、前記極低温冷凍機は、第１圧縮機と、膨張機と、前記第１圧縮機を前記膨張機に接続する高圧ラインおよび低圧ラインとを備え、前記方法は、
   第２圧縮機を前記高圧ライン上または前記低圧ライン上で前記第１圧縮機と直列に接続することと、
   前記膨張機を初期温度から極低温に冷却する初期冷却を、前記第２圧縮機が前記極低温冷凍機に接続された状態で実行することと、
   前記初期冷却に後続して前記膨張機を前記極低温に維持する定常運転を実行することと、を備え、
   前記第１圧縮機または前記第２圧縮機は、運転周波数を可変とする圧縮機モータを有し、前記圧縮機モータによって駆動され、
   前記初期冷却を実行することは、
   前記第１圧縮機および前記第２圧縮機を使用して作動ガスを前記膨張機に供給することと、
   測定された前記高圧ラインの圧力に基づいて、前記高圧ラインの圧力を予め設定した適正圧力範囲に保つように前記圧縮機モータの運転周波数を制御することと、を備えることを特徴とする方法。
7. 前記初期冷却の後、前記第２圧縮機を取り外すことをさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. バッファ容積を、供給バルブを介して前記低圧ラインに接続することをさらに備え、
   前記初期冷却を実行することは、測定された前記高圧ラインの圧力に基づいて、前記高圧ラインの圧力を予め設定した適正圧力範囲に保つように前記供給バルブを制御することを備えることを特徴とする請求項６または７に記載の方法。
9. 前記初期冷却の後、前記バッファ容積を取り外すことをさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 初期温度から極低温に冷却する初期冷却と、前記初期冷却に後続して前記極低温を維持する定常運転とを実行可能な膨張機と、
    前記膨張機に接続される高圧ラインおよび低圧ラインと、
    前記高圧ラインの圧力を測定する第１圧力センサと、
    前記低圧ラインの圧力を測定する第２圧力センサと、
    作動ガスを貯留するバッファ容積と、
    前記バッファ容積を前記低圧ラインに接続する供給バルブと、
    前記初期冷却の最中に、前記第１圧力センサによって測定された前記高圧ラインの圧力に基づいて、前記高圧ラインの圧力を予め設定した適正圧力範囲に保つように前記供給バルブを制御するように構成されるコントローラと、を備え、
    前記コントローラは、
    前記第２圧力センサによって測定された前記低圧ラインの圧力が予め設定した低圧しきい値を下回るとき、前記高圧ラインの圧力に基づく前記供給バルブの制御を中断し、
    前記第２圧力センサによって測定された前記低圧ラインの圧力に基づいて、前記低圧ラインの圧力を前記低圧しきい値に回復させるように前記供給バルブを制御するように構成されることを特徴とする極低温冷凍機。
11. 前記コントローラは、
    前記第１圧力センサによって測定された前記高圧ラインの圧力が高圧しきい値を下回るとき、前記低圧ラインの圧力に基づく前記供給バルブの制御を中断し、
    前記第１圧力センサによって測定された前記高圧ラインの圧力に基づいて、前記高圧ラインの圧力を前記高圧しきい値に回復させるように前記供給バルブを制御するように構成されることを特徴とする請求項１０に記載の極低温冷凍機。
12. 前記高圧ラインおよび前記低圧ラインを通じて前記膨張機に接続される第１圧縮機と、
    前記高圧ライン上または前記低圧ライン上で前記第１圧縮機と直列に接続される第２圧縮機と、をさらに備えることを特徴とする請求項１０または１１に記載の極低温冷凍機。

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