JP6254943B2 - 極低温システムの制御装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、極低温冷却システム、特に、機械式冷凍機を駆動するために或る特定の形式のガス圧縮機が用いられる極低温冷却システムを制御する装置及び方法に関する。

低温特性、例えば超伝導性や超流動性は、今や、磁気共鳴画像化（ＭＲＩ）、超伝導磁石、センサを含む多種多様な用途及び基本的研究分野において広く利用されている。歴史的には、極低温液体、例えば窒素又はヘリウムの蒸発は、かかる用途に必要な低い温度に達するようにするために冷却機構として用いられている。極低温液体は、これらが完全装置、例えば「現場」液化装置又は貯蔵容器内の漏れに起因して「消費性」である場合が多いという点で関連の欠点を有する。さらに、極低温液体を貯蔵し又は違ったやり方で取り扱うかかる装置は、嵩張っていて且つ専用の取り扱い手順を必要とする場合が多い。

近年、別の冷凍機構を提供する際に極低温液体を交換するために閉サイクル冷凍機（ＣＣＲ）が用いられている。極低温液体の蒸発とは異なり、ＣＣＲは、冷却剤内の相変化を利用していない。確かに、ＣＣＲは、作業ガス冷却剤の圧縮及び膨張の仕事と関連した冷却を利用する原理で動作する。「機械式冷凍機」という用語は、本明細書においては、かかる装置を意味するために用いられており、但し、当業者であれば理解されるように、「クライオクーラ（cryocooler）」という用語は、この用語と同義である。

機械式冷凍機は、比較的適度の冷却動力で２〜３ケルビンの温度への冷却をもたらすために作業ガス、例えばヘリウムを用いている。機械式冷凍機は、これらが可動部品が僅かである閉鎖システムであり且つ作業ガスに関して本質的に損失がないので、極めて有利である。これらの理由で、機械式冷凍機は、技術的にも商業的にも魅力があり、したがって、かかる機械式冷凍機の性能を向上させるための技術的要望が進行中である。

機械式冷凍機と関連した技術における今日までの技術進歩にもかかわらず、かかる機械式冷凍機の性能の熱力学的係数（ＣＯＰ）及び関連の冷却効率は、依然としてかなり不満足なものである。一例を挙げると、４ケルビンの液体ヘリウム温度で約１ワットの冷却動力をもたらすためには数キロワットの入力電力が必要である。例えば超伝導磁石の冷却又は比較的高い熱質量の冷却のような多くの用途が存在し、これらの場合、室温から低い温度状態に冷却するのに必要な冷却時間は、重要なパラメータである。理解されるように、この冷却時間をできるだけ短い期間に短縮することが望ましい。本発明が利用されて新たな利点をもたらすのはこの関係においてである。

本発明の第１の観点によれば、極低温冷却システムを制御する装置であって、この制御装置は、使用時に圧縮機に結合されるようになった供給ガスライン及び戻りガスラインと、供給ガスライン及び戻りガスラインのうちの少なくとも一方の中の圧力をモニタするようになった圧力検出装置と、供給ガスライン及び戻りガスラインとガス連通状態にある結合要素とを有し、結合要素は、使用中、ガスを機械式冷凍機に供給するようになっており、供給ガスの圧力は、結合要素によって周期的に調節され、制御装置は、圧力検出装置によりモニタされる圧力に従って結合要素によって供給される周期的ガス圧力の周期数を調節するようになった制御システムを更に有することを特徴とする制御装置が提供される。

本発明者は、機械式冷凍機を作動させるのに用いられる周期的ガス圧力の周期数の注意深い制御によって機械式冷凍機の冷却効率を向上させることが可能であることを認識した。本発明者は又、作動圧縮機に連結されると、供給又は戻りガスラインのうちの一方又は各々の中の圧力を用いると、かかる冷凍機が冷凍サイクルを行っているときに変化するフィードバックを機械式冷凍機の作動状態に提供することができるということを認識した。機械式冷凍機の圧力応答が冷却サイクルの段階（例えば、機械式冷凍機の特定の段階内で達成される温度）に関する情報をどのように提供するかに関する知識により、圧力に関する情報を利用すると、周期的ガス圧力が加えられる周期数を調節することができる。機械式冷凍機が冷えているときに最適周期数が変化するので、かかる周期数を調節して冷却サイクル中、最適周期数に達し又はこれを得る（温度の関数として）ことが可能である。

ガスラインのうちの一方の中のモニタされた圧力を用いて冷却サイクル時に情報を提供することが極めて有利である。と言うのは、これにより、機械式冷凍機の１つ又は複数の冷却部分内の環境の直接的な検出の必要性がなくなるからである。
本発明は、機械式冷凍機を圧縮機に連結するために用いられる特定の結合要素によっては限定されない。かかる結合要素は、１つ又は２つ以上の弁から成るのが良い。種々の形式の弁を用いることができる。ただし、本願では、回転弁が特に有利である。結合要素は、代表的には、モータ、例えばステップモータ、３相非同期電気モータ又は可変ＤＣ電源によって駆動されるリニアＤＣモータによって駆動される。かかるモータ駆動装置の速度は、代表的には、制御システムによって制御される。

圧力検出装置は、供給ガスライン又は戻りガスラインのうちの少なくとも一方の中の圧力をモニタする圧力センサ、例えば圧力トランスデューサを更に含むのが良い。これらラインのうちの一方の中に設けた単一のセンサを用いることにより本発明を容易に実施することができる。ただし、いずれかのライン又は各ライン内に設けられた１つ又は２つ以上のセンサが想定可能である。問題の用途に必要な最小限の装置がガス供給周期数にわたり十分な制御をもたらすために機械式冷凍機の状態に関する十分な情報を提供するよう圧力検出装置内に設けられることが望ましい。

圧力に関する条件に加えて、システムは、機械式冷凍機の冷却領域内の温度をモニタする温度検出装置を更に含むのが良い。この場合、制御システムは、温度検出装置によってモニタされた温度に従って周期的ガス圧力の周期数を制御するようになっているのが良い。

本発明は、主として、極低温冷却システムを制御する装置に関するが、本発明は又、かかる装置を供給ガスライン及び戻りガスラインとガス連通状態にある圧縮機及び機械式冷凍機のうちの一方又は各々と一緒に含むのが良いことが理解されよう。

用途に応じて多種多様な形式の圧縮機を用いることができ、かかる圧縮機としては、スクロール圧縮機、回転スクリュー圧縮機、回転ベーン圧縮機、回転ルブ（lube）圧縮機又はダイヤフラム圧縮機が挙げられる。これら圧縮機の各々は、圧縮機ガスのための供給又は戻りラインの共通の特徴を共有する。供給ラインを本発明に用いられる比較的高い圧力のラインとして考えることができ、戻りラインを本発明に用いられる比較的低い圧力のラインとして考えることができる。

本発明を多種多様な形式の機械式冷凍機に利用することができ、これら機械式冷凍機としては、パルスチューブ冷凍機、ギフォード‐マクマホン冷凍機又はスターリング冷凍機が挙げられる。これらの各々は、供給ガスライン及び戻りガスラインを圧縮機によって駆動することができるようにするために供給ガスライン及び戻りガスラインを用いる。ここで、極低温冷却システムを制御する装置がこれを用いる圧縮機又は機械式冷凍機の各々とは別体であるのが良いことが注目される。しかしながら、かかる装置を機械式冷凍機又は場合によっては圧縮機の一体部分として含むことが有益な場合がある。

本発明の第２の観点によれば、極低温冷却システムを制御する方法であって、冷却システムは、圧縮機に結合可能な供給ガスライン及び戻りガスラインと、供給ガスライン及び戻りガスラインとガス連通状態にあり且つ使用にあたり、ガスを機械式冷凍機に供給するようになった結合要素とを含み、供給ガスの圧力は、結合要素によって周期的に調節され、この方法は、供給ガスライン及び戻りガスラインのうちの少なくとも一方の中の圧力をモニタするステップと、モニタされた圧力に従って結合要素によって供給される周期的ガス圧力の周期数を調節するステップとを含むことを特徴とする方法が提供される。したがって、代表的には、適当な制御システムの作動によってこの方法を実施することができる。この方法は、代表的には、本発明の第１の観点としての装置によって用いられる。理解されるように、制御システムの機能を発揮させるようにするために適当なコントローラを用いることができ、これは、制御システムを較正し、プログラムしそして作動させることができるハードウェアとソフトウェアの適当な組み合わせを含むのが良い。代表的には、周期的ガス圧力の調節の頻度は、所定の関係に従うよう設定される。かかる関係は、例えば線形関数又は多項式関数のような関数を含む場合がある。かかる関係は又、提供される圧力と周期数との段階的関係によって提供される場合がある。かかる関係は又、直接的な計算ではなくルックアップテーブルの使用によって影響を受ける場合がある。

一般に、結合要素は、回転的に動くことができ、かかる場合、問題の周期数は、結合要素を対応の回転速度で動かすことによって得られるのが良い。実際には、所望の周期数の提供は、結合要素がモータによって駆動される状況において所望のモータ電流又は速度によって行われる場合がある。

好ましくは、周期数は、所定の関係に従って調節される。かかる関係は、データに（例えば、ルックアップテーブルを表す）又は数学的関係を用いることによって具体化できる。各場合、この方法の実施中におけるこの関係の利用は、例えば適当なソフトウェアによって実行されるアルゴリズムに具体化されたループ多段プロセスによって達成できる。圧力データは、適当な周期数をアルゴリズムの各ループについて評価することができるようサンプリングされると共に処理されるのが良く、これにより、圧力の変化に対する即時「リアルタイム」応答が可能である。

周期数は、前記モニタされた圧力を所定の圧力範囲内に維持するよう調節されることが好ましい。かかる範囲は、狭いのが良く、例えば、機械式冷凍機の作動中、予想圧力変化の僅かな割合であるのが良い。かかる変化は、実際には単一の圧力値に向かう傾向があり得る。この範囲の広さは、装置のパラメータの数で決まる場合があり、かかるパラメータとしては機械式冷凍機が冷えるときの圧力にわたって達成可能な制御度が挙げられる。所定の圧力範囲は、代表的には、この装置の最大作動圧力に従って設定される。かかる最大圧力は、例えば機械式冷凍機又は圧縮機によって定められる場合がある。所定の圧力範囲は、安全パラメータの範囲内で実行可能な最大圧力に近い範囲に設定されるのが良い。

作動周期数範囲は又、代表的には、所定の関係に対する境界条件を提供するよう制御される。例えば、所定の関係に従って、周期数が最小しきい周期数を下回っている場合、周期数は、最小しきい周期数に設定される。これは、実際には、機械式冷凍機がベース温度よりも高い状態にある場合、機械式冷凍機をベース温度で作動させるのに最適な周期数がこの関係に従って達成されることが分かっている場合に起こるのが通例である。一例を挙げると、これは、ベース温度が約４Ｋである場合でも約６０Ｋの温度状態で達成できる。

同様に、所定の関係に従って、周期数が最大しきい周期数を上回っている場合、周期数は、最大しきい周期数に設定される。

好ましくは、この方法で用いられる作動周期数は、１〜５Ｈｚである。作動圧力は、代表的には、１〜４０ＭＰａである。

本発明は、任意特定の種類の冷却剤ガスには限定されない。ただし、冷却剤ガスがヘリウムであることが好ましい。ヘリウムは、機械式冷凍機によって約２〜４ケルビンという極めて低い温度が得られる極低温用途に好ましい冷却剤である。

この方法の主要な有用性は、機械式冷凍機の冷却サイクル中であるが、この方法は、通常、作動中の機械式冷凍機をベース温度から昇温している間に利用可能であることが理解されよう。

次に、テンプの図面を参照して、本発明の制御システム及び方法の一例を説明する。

従来型極低温冷却システムを示す図である。 本発明の例示の極低温冷却システムを示す図である。 本発明の実施形態としての流れ図である。

本発明の完全な理解を提供するため、先ず最初に、図１に記載された公知の閉サイクル冷凍機（ＣＣＲ）システムについて説明する。

システム１００は、スクロール圧縮機１及びパルスチューブ冷凍機（ＰＴＲ）２を含む。２つのガスライン３Ａ，３Ｂがスクロール圧縮機１をパルスチューブ冷凍機２に連結している。ガスライン３Ａ，３Ｂは、本質的には、高い圧力に耐えることができるガス管である。ガスライン３Ａは、使用時、冷却剤ガスを高圧で収容する供給ラインである。ライン３Ｂは、低圧ラインの形態をした戻りラインである。回転弁４の形態をした結合要素がＰＴＲ２の一体部分として示されている。回転弁４は、モータコントローラ５によって駆動され、モータの作動速度は、Ｆ_optimumによって与えられる回転弁の一定回転周期数を保証するために固定される。この周期数は、いったんその「低温」又は定常作動温度状態にあるときにＰＴＲの使用のための最適周期数であるよう設計されている。

オプションとして、圧力センサ６が高圧ライン３Ａ内の異常な圧力を検出するよう圧縮機内に設けられるのが良い。スクロール圧縮機１は又、バイパスシステム７を備え、このバイパスシステムは、高圧ライン内の圧力の限界値が検出されると作動するようになっている。公知のシステムでは、クールダウンプロセスの開始時には、高圧ライン３Ａ内の限界圧力に常時達し、この限界圧力は、クールダウンプロセスの比較的長い期間にわたってそのまま続く。機械式冷凍機の形式に応じて、かかる期間は、低い温度域に達するのに必要な全冷却時間の少なくとも１／３、最高１／２までであるのが良い。

圧力の限界値が存在するが、バイパス７は、開いたままであり、それにより、冷却剤ガスが高圧供給ラインと低圧戻りラインとの間を流れることができる。この場合、冷却剤ガスは、ヘリウムであり、バイパス７の作動により、外部雰囲気に失われるヘリウムがゼロであるようになる。これは、ヘリウムが高価なガスなので重要である。

上述の例は、機械式冷凍機（クライオクーラ）が圧縮機によって駆動される標準型の先行技術のＣＣＲシステムを表している。機械式冷凍機は、ＧＭ冷却器、スターリング冷却器、パルスチューブ冷凍機、コールドヘッド（cold head）及びクライオポンプ（cryopump）を含む種々の形態を取ることができる。ＣＣＲのこれら形式の各々に関し、回転弁又は他の結合要素が圧縮機と機械式冷凍機との間で移送される冷却剤ガスの質量流量を調節する。低温で利用可能な冷却動力を最大にするため、機械式冷凍機は、定常状態又は低温状態では、ＰＴＲ（又は等価）ヘリウム質量流量が圧縮機の最適作動点にマッチするよう設計されている。したがって、各機械式冷凍機では、冷却動力を最大にするために回転弁又は他形式の結合要素に関する最適周期数値Ｆ_optimumが存在する。

しかしながら、注目できることとして、ヘリウム及び事実上他のガスの重要な物理的性質は、ガスの密度が温度の減少につれて増大することにある。機械式冷凍機を含む極低温システムでは、室温と作動温度の温度差は、約２９０ケルビンであり、この温度は、極めて大きな温度差である。約２〜４ケルビンという作動温度では、ヘリウムガス冷却剤の密度は、室温の場合よりも著しく高い。数バールの作動圧力では、４ケルビンにおけるヘリウムの密度値は、室温（３００Ｋ）でのその等価密度の１００倍を超える。

上述の従来型ＣＣＲシステムでは、クールダウンプロセスの開始時に、圧縮機によって送り出された冷却剤ガスの質量流量を回転弁経由でＰＴＲに完全に移送することができない。これは、圧縮機の作動周期数が低すぎる（数ヘルツ）からである。その結果、圧力が圧縮機の高圧側で増大する場合がある。システムの初期重点圧力値に応じて、限界制限値を超える場合がある。代表的には、安全弁がこの圧力について限界値を下回ると動作するよう設定され、かかる安全弁は、高圧ライン内に配置される。過剰圧力を外部雰囲気に抜くか図１に示されているようにバイパスの形態の安全弁を提供し、この安全弁がヘリウムを圧縮機の低圧側に効果的に抜くようにすることが知られている。

高圧供給ライン３Ａ及び低圧戻りライン３Ｂの各々の中の冷却剤ガス圧力は、圧縮機モータ８からの動力によって提供される。したがって、バイパスは、過剰圧力弁の形態をしているのが良く、これは、ヘリウムを大気に逃がす弁と比較して望ましい。と言うのは、ヘリウムは、圧力の限界値に達した場合でもシステムから失われることがないからである。それにもかかわらず、初期クールダウン中、クールダウン手順の開始時に限界値に常時達する。

後において、低温定常域に近づいているとき、圧力が減少し、バイパスが閉じる。低い圧力が定常状態で作動圧力にいったん減少すると、回転弁の周期数及びこの回転弁が制御している圧力（Ｆ_optimumの周期数を有する）は、作動温度に関して最適状態を達成する。

次に、図２を参照して本発明のＣＣＲシステムの一例を説明する。図２では、この装置は、図１の特徴と類似した特徴を有し、これは、プライム記号（′）を付けた同じ参照符号で示されている。

図２では、本発明のＣＣＲシステムは、符号２００で示されている。スクロール圧縮機１′が高圧ライン（３Ａ′）及び低圧ライン（３Ｂ′）を介してＰＴＲ２′に連結されている。回転弁４′の形態をした結合要素は、この場合も又、ＰＴＲ２′を制御する。この例では、回転弁４′は、可変周期数Ｆで作動可能である。この場合、改造型モータコントローラ５′が圧力トランスデューサ６′から信号を受け取る。このトランスデューサは、トランスデューサにより検出される圧力の大きさに関連付け可能なモニタ用信号を提供する圧力センサである。この信号は、モータコントローラ５′に提供される。モータコントローラ５′は、プロセッサ及び関連のプログラム可能メモリを有している。このプロセッサは、圧力トランスデューサ６′からの信号をサンプリングし、そして適当なアルゴリズム又はルックアップテーブルを用いてこれら信号を適当な制御信号に変換し、この制御信号は、回転弁４′に出力される。これは、圧力トランスデューサ６′をモータコントローラ５′に結合し、モータコントローラ５′を回転弁４′に結合する線によって図２に示されている。したがって、モータコントローラ５′は、ＣＣＲ２００を作動させるための制御機構体となる。理解されるように、図２に示されたコンポーネントは、概略的に示されており、したがって、具体的には示されていない他の通常の機器、例えば安全弁、油分離器、フィルタ、熱交換器、センサ等は、図示されていないが存在する。

したがって、図２に示されているような例示としての装置は、ＰＴＲ２′の形態をした機械式冷凍機の定常状態における低温作動中、図１の装置と同じ利点を奏する。しかしながら、この例示の装置は又、クールダウン手順中、効率の向上を達成することができる。これは、回転弁機構体の周期数を変化させてＰＴＲ２′と圧縮機１′との間のヘリウム質量流量交換を動的に許容するようにすることによって達成される。高温、例えば室温に近い温度では、回転弁４′を最適設計周期数Ｆ_optimumよりも著しく高い対応の周期数域Ｆで作動させ、この最適設計周期数は、定常状態の低温時におけるＰＴＲ２′と関連している。高い周期数域Ｆに起因して、圧縮機の高圧側内部の圧力は、先行技術のシステムと比較して減少し、したがって、機械式冷凍機は、初期高温状態で効率を低下させることなく作動することができる。後において、ＰＴＲが冷えると、定常温度に達したときにＦ_optimumに近づき、そして次にこれを得るために周期数域を減少させるのが良い。

したがって、ＣＣＲ２００の全体的効率は、図１に示された例えば符号１００で示されている公知のシステムの全体的効率と比較してかなり向上する。この特定の例では、周期数Ｆは、モータコントローラ５′によって調節される自動フィードバック機構に従って圧力トランスデューサからの信号に従って電子的に制御される。用いられる温度センサはなく、或いは、この特定の場合、用いられる圧力トランスデューサ６′は１個以下であることが注目できる。重要なパラメータは、システムで許容される最大圧力である。と言うのは、これは、代表的には、圧縮機の設計限度であり、これが機械式冷凍機の可能冷却効率を定めるからである。

例示の装置の実用上の利点は、ＣＣＲシステム２００が図１に示された等価なＣＣＲ１００よりも迅速に低温度域に達することにある。高い温度における有効冷却動力も又、かなり高められ、その結果、少なくとも３５％のシステムの重要なパラメータの全体的向上が観察される。

次に図３を参照して図２に示されているシステムの作動について詳細に説明する。ステップ３００では、圧縮機１′を始動させ、圧縮機モータ８′を作動開始させる。ステップ３０１では、モータコントローラ５′は、問題のＰＴＲ２′にとって最大である速度（“ＳＬ”）で回転弁４′を回転させる。この値は、図３では“Ｑｍａｘ”で示されている。ステップ３０２では、圧力トランスデューサ６′からの信号をサンプリングし、そして“ルーチン１”で示されているアルゴリズムによって平均し、サンプリングは、数ミリ秒の速度である。ステップ３０３では、平均圧力信号を多くのカウントにより「Ｐａｃｔｕａｌ」で示された圧力の読みに変換することによって第１の圧力の読みの圧力を評価する。ステップ３０４では、Ｐａｃｔｕａｌを所定の設定値（“ＳＰＭａｘ”で示されている）と比較する。圧力ＰａｃｔｕａｌがＳＰＭａｘ（これは、典型的には、４１０ｐｓｉ又は２．８３ＭＰａである場合がある）よりも大きい場合、ステップ３０５において圧縮機を自動的に作動停止させ、異常コードを表示させる。かかる異常は、典型的には、高圧ラインが回転弁４′に接続されていないとき又は遮断されたときに起こる。

しかしながら、この圧力が４１０ｐｓｉ（２．８３ＭＰａ）の設定圧力よりも低い場合、ステップ３０６において、モータコントローラ５′が所定のサンプリング速度でのモニタされた圧力の読みを取ってモータコントローラ５′が動作開始する第２のアルゴリズム（“ルーチン２”）が用いられる。ルーチン２は、圧力トランスデューサ６′からの圧力値の移動平均値を変換し、評価した値をＰａｃｔｕａｌに割り当てる。

ステップ３０７では、Ｐａｃｔｕａｌを設定圧力ＳＰ１と比較する。ＳＰ１は、圧縮機設計により許容される最大圧力（ＳＰＭａｘ）よりも僅かに低い圧力値である（ＳＰ１は、例えば、４００ｐｓｉ、２．７６ＭＰａ）である。可能な場合ＰＴＲをＳＰ１と考えることができる最大安全圧力で作動させることが望ましく、これにより、ＰＴＲ２′の最大冷却動力の達成が可能である。ＰＴＲ２′が冷えると、ＳＰ１に近い高い圧力を維持するのに必要な回転弁４′の速度が次第に減少する。この理由で、回転弁４′の漸次減速が望ましい。これは、圧力Ｐａｃｔｕａｌをモニタすることによって達成される。

平均圧力Ｐａｃｔｕａｌが設定圧力（ＳＰ１）よりも低い場合に起こるステップ３０８では、回転弁４′の速度の減少が望ましい。ステップ３０８では、評価速度Ｅｖを計算する。これは、速度の小刻みな変化を表す量“ｆ”によって修正された現在の速度（ＳＬ）として計算される。ステップ３０９において、この評価速度を速度Ｑｍｉｎと比較する。Ｑｍｉｎは、ＰＴＲ２′にとっての「低温条件」における最適速度（即ち、ベース温度で用いられる速度）である。評価速度ＥｖがＱｍｉｎ以上である場合、ステップ３１０において、速度の減少を新たな速度ＳＬとして指定する。速度を減少させると、アルゴリズムは、ステップ３０３に戻り、そして繰り返す。

ステップ３０８における評価速度ＥｖがＱｍｉｎ未満である場合、ステップ３１１において、速度ＳＬをＱｍｉｎに設定し、アルゴリズムは、ステップ３０３にループバックする。

ステップ３０７における他の選択肢は、圧力ＰａｃｔｕａｌがＳＰ１以上であるということである。この場合、回転弁４′の速度を増大させることが望ましい。次に、ステップ３１２において、ステップ３０８で実施した計算と同様な計算を実施し、即ち、評価速度Ｅｖを計算する。次に、ステップ３１３において、評価した速度を速度Ｑｍａｘと比較する。Ｑｍａｘは、回転弁４′の最大作動速度であり、この最大作動速度は、ＰＴＲ２′の最大作動速度によって設定される。

ステップ３１４において、評価速度ＥｖがＱｍａｘ以下である場合、Ｅｖへの速度（ＳＬ）の増大を行う。すると、アルゴリズムは、ステップ３０３にループバックする。
評価速度ＥｖがＱｍａｘよりも高い場合、ステップ３１５において、速度ＳＬをＱｍａｘに設定し、アルゴリズムは、この場合も又、ステップ３０３にループバックする。

このプロセスは、ＰＴＲ２′の作動全体を通じ、特に冷却サイクル中、繰り返される。

この全体的作用効果は、Ｑｍｉｎに達するまで速度を減少させることによって実際の圧力ＰａｃｔｕａｌがＳＰ１の近くに保たれるということにある。

ＰＴＲ２′がベース温度に達する前にＱｍｉｎに達することがこのシステムの作動の性状である。Ｑｍｉｎにいったん実際に達すると、実際に、Ｐａｃｔｕａｌは、それ以上の冷却に起因して減少するが、速度ＳＬは、Ｑｍｉｎ値では不変のままである。

この例の関心の的は、閉サイクル冷凍機、例えばＰＴＲ２′の冷却サイクルにあるが、上述したかかるプロセスは、ベース温度からの警告手順の際にも役立つことがこれ又注目できる。

図３のプロセスを定めるアルゴリズムを具体化できる多種多様な実際的手段が存在する。図３では、“ｆ”に関する値を方程式ｆ＝ｃ（Ｐａｃｔｕａｌ−ＳＰ１）によって計算することができ、この場合、ｃは、定数である。これにより、各プロセスループ中に行われる場合のある速度の変化の大きさは、実際の圧力（Ｐａｃｔｕａｌ）と所望の圧力（ＳＰ１）との差に比例するようになる。

理解されるように、図３の例示をルックアップテーブルにより容易に実施することができる。当然のことながら、温度‐圧力方式の連続性を効果的に有するより新型のシステムを想定することができ、そして、ルックアップテーブル中の表項目の対応の数によるか或いは例えば線形近似又は多項式近似による計算かのいずれかによって実施することができる。これは、例えば振動を減少する際のシステムの性能を最適化するための追加の検討事項の使用を含む場合がある。

Claims (15)

1. 極低温冷却システムを制御する装置であって、
   使用時に圧縮機に結合されるようになった供給ガスライン及び戻りガスラインを有し、 前記供給ガスライン及び前記戻りガスラインのうちの一方のみの中の圧力をモニタするようになった圧力検出装置を有し、
   前記供給ガスライン及び前記戻りガスラインとガス連通状態にある回転弁を有し、前記回転弁は、使用中、ガスをパルスチューブ冷凍機に供給するようになっており、前記供給ガスの圧力は、前記回転弁によって周期的に調節され、
   極低温冷却システムのクールダウンプロセス中に前記回転弁によって供給される周期的ガス圧力の周期数を調節することによって前記極低温冷却システムのクールダウンプロセスを制御するようになった制御システムであって、前記周期数の調節が前記圧力検出装置によりモニタされる圧力に従う前記制御システムを有し、前記回転弁は、モータによって駆動され、前記制御システムは、前記モータの速度を制御するようになっている、装置。
2. 前記圧力検出装置は、前記供給ガスライン又は前記戻りガスラインのうちの一方のみの中の圧力をモニタする圧力センサを更に含む、請求項１記載の装置。
3. 極低温冷却システムであって、
   請求項１又は２に記載の装置と、
   前記供給ガスライン及び前記戻りガスラインとガス連通状態にある圧縮機及びパルスチューブ冷凍機のうちの一方又は各々とを含む、システム。
4. 前記圧縮機は、スクロール圧縮機、回転スクリュー圧縮機、回転ベーン圧縮機、回転ルブ（lube）圧縮機又はダイヤフラム圧縮機から成る群から選択される、請求項３記載のシステム。
5. 極低温冷却システムのクールダウンプロセスを制御する方法であって、前記冷却システムは、圧縮機に結合可能な供給ガスライン及び戻りガスラインと、前記供給ガスライン及び前記戻りガスラインとガス連通状態にあり且つ使用にあたり、ガスをパルスチューブ冷凍機に供給するようになった回転弁とを含み、前記供給ガスの圧力は、前記回転弁によって周期的に調節され、前記方法は、
   前記供給ガスライン及び前記戻りガスラインのうちの一方のみの中の圧力をモニタするステップと、
   前記クールダウンプロセス中に前記回転弁によって供給される周期的ガス圧力の周期数を調節するステップであって、前記周期数の調節が、前記モニタされた圧力に従う前記ステップとを含み、
   前記回転弁は、モータによって駆動され、前記方法は、前記モータの速度を制御して前記周期数を制御するステップを含む、方法。
6. 前記周期数は、前記回転弁を対応の回転速度で動かすことによって得られる、請求項５記載の方法。
7. 前記周期数は、所定の関係に従って調節される、請求項５又は６に記載の方法。
8. 前記周期数は、前記モニタされた圧力を所定の圧力範囲内に維持するよう調節される、請求項５〜７のうちいずれか一に記載の方法。
9. 前記所定の圧力範囲は、前記装置の最大作動圧力に従って設定される、請求項８記載の方法。
10. 前記所定の関係に従って、前記周期数が最小しきい周期数を下回っている場合、前記周期数は、前記最小しきい周期数に設定される、請求項９記載の方法。
11. 前記最小しきい周期数は、前記パルスチューブ冷凍機が約６０ケルビンまでいったん冷えると、達成される、請求項１０記載の方法。
12. 前記所定の関係に従って、前記周期数が最大しきい周期数を上回っている場合、前記周期数は、前記最大しきい周期数に設定される、請求項５〜１１のうちいずれか一に記載の方法。
13. 前記周期数は、１〜５Ｈｚである、請求項５〜１２のうちいずれか一に記載の方法。
14. 前記モニタされた圧力は、１〜４０ＭＰａである、請求項５〜１３のうちいずれか一に記載の方法。
15. 前記ガスは、ヘリウムである、請求項５〜１４のうちいずれか一に記載の方法。

Images