JP6727723B2

JP6727723B2 - 極低温冷凍機および極低温冷凍機の制御装置

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Publication number: JP6727723B2
Application number: JP2017005024A
Authority: JP
Inventors: 貴士平山
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2017-01-16
Filing date: 2017-01-16
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Description

本発明は、極低温冷凍機および極低温冷凍機の制御装置に関する。

パルス管冷凍機のバルブユニットのメンテナンスを行うに際してバルブユニットを取り外し可能としたパルス管冷凍機が知られている。

特開２００５−２４２３９号公報

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機のメンテナンスに際しての安全上のリスクを低減することにある。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、コールドヘッドと、前記コールドヘッド内の作動ガス圧力を第１高圧と前記第１高圧より低い第２高圧に周期的に切替可能なロータリーバルブと、前記ロータリーバルブを回転させるバルブモータと、を備え、前記ロータリーバルブが前記第２高圧の作動ガスを前記コールドヘッドに封じる回転角度範囲を有するバルブユニットと、前記バルブモータを制御する冷凍機制御部と、前記冷凍機制御部に冷凍機停止指示信号を出力する冷凍機停止指示部と、前記冷凍機停止指示信号に応じて、前記回転角度範囲で前記ロータリーバルブを停止させるよう前記バルブモータを制御するバルブ停止タイミング制御部と、を備える。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機の制御装置が提供される。前記極低温冷凍機は、コールドヘッドと、前記コールドヘッド内の作動ガス圧力を第１高圧と前記第１高圧より低い第２高圧に周期的に切替可能なロータリーバルブと、前記ロータリーバルブを回転させるバルブモータと、を備え、前記ロータリーバルブが前記第２高圧の作動ガスを前記コールドヘッドに封じる回転角度範囲を有するバルブユニットと、前記バルブモータを制御する冷凍機制御部と、前記冷凍機制御部に冷凍機停止指示信号を出力する冷凍機停止指示部と、を備える。前記制御装置は、前記冷凍機停止指示信号に応じて、前記回転角度範囲で前記ロータリーバルブを停止させるよう前記バルブモータを制御するバルブ停止タイミング制御部を備える。前記バルブ停止タイミング制御部は、前記バルブモータと前記冷凍機制御部との間に着脱可能に構成されている。

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、極低温冷凍機のメンテナンスに際しての安全上のリスクを低減することができる。

第１の実施の形態に係る極低温冷凍機の全体構成を概略的に示す図である。極低温冷凍機のバルブタイミングを例示する図である。第１の実施の形態に係る極低温冷凍機の制御方法を例示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の全体構成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制御方法を例示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。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。また、以下の説明において参照する図面において、各構成部材の大きさや厚みは説明の便宜上のものであり、必ずしも実際の寸法や比率を示すものではない。

図１は、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機の全体構成を概略的に示す図である。図２は、極低温冷凍機のバルブタイミングを例示する図である。

極低温冷凍機においては冷却運転中に、第１高圧を有する作動ガスが圧縮機からコールドヘッドに供給される。コールドヘッドにおける断熱膨張により、作動ガスは第１高圧からそれより低い第２高圧に減圧される。第２高圧を有する作動ガスは、コールドヘッドから圧縮機に回収される。圧縮機は、回収された第２高圧を有する作動ガスを圧縮する。作動ガスは再び第１高圧に昇圧される。こうして高圧の作動ガスが圧縮機とコールドヘッドを循環する。

一般に第１高圧及び第２高圧はともに大気圧よりかなり高い。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。通例、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。作動ガスは例えばヘリウムガスである。

極低温冷凍機には定期的にメンテナンスが行われる。メンテナンスに先立ち冷却運転は停止される。圧縮機の停止により、極低温冷凍機の内部の作動ガス圧力は、高圧と低圧の平均圧となる。平均圧は例えば約１．５ＭＰａである。また、運転停止時のコールドヘッド低温端の温度は、極低温冷凍機の通常冷却温度にある。この冷却温度は、例えば約４Ｋといった極低温である。

典型的なメンテナンスの手順においては、まずコールドヘッドが極低温から室温に加熱される。それからバルブユニットなど構成要素が取り外される。このような準備段階を経て、構成要素のメンテナンスが行われる。コールドヘッド内の高圧ガスは、極低温から室温への加熱により、さらに昇圧される。上述の例のようにコールドヘッド内圧が約１．５ＭＰａの平均圧で低温端温度が約４Ｋの場合、約３００Ｋの室温で約４ＭＰａの圧力にまでコールドヘッドは昇圧される。

構成要素の取り外しはコールドヘッドが極低温のままで行われることもある。この場合も、メンテナンス作業中にコールドヘッドが自然に昇温し、やはりコールドヘッド内のガス圧力は高まる。

想定されるこれらの高圧に耐えるようコールドヘッドは設計可能である。また、コールドヘッドに安全弁を設置するといった対策も可能である。しかしながら、メンテナンス中の安全上のリスクを低減する観点から、コールドヘッドの過剰な昇圧は避けることが望まれる。

そこで、実施の形態に係る極低温冷凍機は、以下に詳述するように、コールドヘッド内の作動ガス圧力が低圧であるときに冷却運転を停止するよう構成されている。言い換えると、極低温冷凍機は、冷却運転の停止を指示されたとき直ちには運転を停止しない。極低温冷凍機は、コールドヘッド内の作動ガス圧力が低圧となるタイミングまで運転を継続し、そのタイミングで運転を停止するよう構成されている。

上述の例のようにコールドヘッド内圧が約０．８ＭＰａの低圧で低温端温度が約４Ｋの場合、約３００Ｋの室温で約２ＭＰａの圧力にコールドヘッドは昇圧される。しかしこれは、コールドヘッド内圧が約１．５ＭＰａの平均圧にある場合に比べて、およそ半分の圧力に抑えられている。メンテナンス中のコールドヘッド内圧を比較的低い圧力、例えば安全弁の開弁圧力よりも低い圧力に保持することができる。

図１に示されるように、極低温冷凍機１０は、圧縮機１２、コールドヘッド１４、バルブユニット１６、高圧配管１８、低圧配管２０、および吸排気配管２２を備える。また極低温冷凍機１０は、冷凍機制御部２４、冷凍機停止指示部２６、バルブ停止タイミング制御部２８、および電源ライン３０を備える。

圧縮機１２は、圧縮機制御盤３２と、圧縮機制御盤３２によって制御される圧縮機本体３４と、圧縮機筐体３６とを備える。圧縮機本体３４は、圧縮カプセル３８、圧縮機モータ４０、高圧流路４２、低圧流路４４、第１圧力センサ４６、第２圧力センサ４８、バイパスバルブ５０、バイパス流路５２、高圧ガス出口５４、および低圧ガス入口５６を備える。

圧縮機筐体３６は、圧縮カプセル３８、圧縮機モータ４０、高圧流路４２、低圧流路４４、第１圧力センサ４６、第２圧力センサ４８、バイパスバルブ５０、およびバイパス流路５２を収容する。圧縮機筐体３６の外表面には、冷凍機停止指示部２６、高圧ガス出口５４、および低圧ガス入口５６が取り付けられている。圧縮機制御盤３２は、圧縮機筐体３６の外表面に取り付けられ、または圧縮機筐体３６に収容されている。

圧縮カプセル３８は、圧縮機モータ４０により駆動され、作動ガスを圧縮するよう構成されている。低圧ガス入口５６は低圧流路４４を介して圧縮カプセル３８の吸入口に接続され、高圧ガス出口５４は高圧流路４２を介して圧縮カプセル３８の吐出口に接続されている。第１圧力センサ４６は低圧作動ガスの圧力を測定するために低圧流路４４に設けられ、第２圧力センサ４８は高圧作動ガスの圧力を測定するために高圧流路４２に設けられている。

バイパスバルブ５０は、極低温冷凍機１０の冷却運転停止時の高圧側と低圧側との均圧のためにバイパス流路５２に設けられている。バイパスバルブ５０は、例えば常開型のソレノイドバルブであり、極低温冷凍機１０の冷却運転中は通電により閉じ、冷却運転停止時は開く。バイパス流路５２は、圧縮カプセル３８を迂回するよう高圧流路４２を低圧流路４４に接続する。

極低温冷凍機１０は、たとえばパルス管冷凍機であり、コールドヘッド１４は、パルス管１４ｂおよび蓄冷器１４ｃを備えるコールドヘッド本体１４ａと、コールドヘッド本体１４ａと一体にまたは別体に設けられコールドヘッド本体１４ａと流体的に連結されたバッファタンク１４ｄとを備える。また、コールドヘッド本体１４ａには、作動ガスの過剰な内圧を外部に逃がすための安全弁１５が設けられていてもよい。

バルブユニット１６は、ロータリーバルブ５８と、ロータリーバルブ５８を回転させるバルブモータ６０とを備える。バルブモータ６０は、自身の回転角度を測定するためのエンコーダなどの回転角度センサ６２を備えてもよい。バルブユニット１６は、バルブモータ６０の回転角度とロータリーバルブ５８の回転角度が一致するように構成されているから、回転角度センサ６２は、ロータリーバルブ５８の回転角度を測定するともみなされる。

圧縮機１２、コールドヘッド１４、およびバルブユニット１６は、互いに離れて配置され、圧縮機１２とコールドヘッド１４はバルブユニット１６を介して流体的に連結されている。圧縮機本体３４の高圧ガス出口５４とロータリーバルブ５８が高圧配管１８により接続され、圧縮機本体３４の低圧ガス入口５６とロータリーバルブ５８が低圧配管２０により接続されている。コールドヘッド本体１４ａとロータリーバルブ５８は吸排気配管２２により接続されている。高圧配管１８、低圧配管２０、および吸排気配管２２はいずれもフレキシブル管であるが、それらのうち少なくとも１つが剛性管であってもよい。

高圧配管１８、低圧配管２０、および吸排気配管２２それぞれの中途には、セルフシーリング・カップリングのような着脱自在な流体継手６４が設けられている。したがって、バルブユニット１６は、圧縮機１２から取り外し可能に接続され、コールドヘッド１４からも取り外し可能に接続されている。作業者は、バルブユニット１６を圧縮機１２およびコールドヘッド１４から取り外してメンテナンスを施すことができる。あるいは、作業者は、バルブユニット１６を圧縮機１２およびコールドヘッド１４から取り外して、新品のまたはメンテナンス済みの他のバルブユニットと交換することができる。

ロータリーバルブ５８は、コールドヘッド１４内の作動ガス圧力を第１高圧（高圧）と第２高圧（低圧）に周期的に切替可能に構成されている。ロータリーバルブ５８は、例えば、静止したバルブ本体とバルブモータ６０によってバルブ本体に対し回転するバルブディスクとを備え、バルブ本体に対するバルブディスクの回転によりコールドヘッド１４内の作動ガス圧力を周期的に切り替える。

図１に概略的に示されるように、ロータリーバルブ５８は、吸気バルブＶ１および排気バルブＶ２を備え、これら２つのバルブは選択的かつ交互に開閉される。ロータリーバルブ５８の回転角度に応じて、吸気バルブＶ１のみが開かれ、または排気バルブＶ２のみが開かれ、または吸気バルブＶ１および排気バルブＶ２の両方が閉じられる。吸気バルブＶ１と排気バルブＶ２は同時には開かない。

吸気バルブＶ１および排気バルブＶ２は、バルブユニット１６から吸排気配管２２を通じて蓄冷器１４ｃの高温端に接続されている。ロータリーバルブ５８は、種々の公知の構成を採用することができる。知られているように、ロータリーバルブ５８は、高圧バルブＶ３および低圧バルブＶ４（図示せず）をさらに備えてもよい。高圧バルブＶ３および低圧バルブＶ４は、吸排気配管２２と同様の一本の配管を通じてバルブユニット１６からパルス管１４ｂの高温端に接続される。ロータリーバルブ５８は、その他のバルブをさらに備えてもよい。

例えば、極低温冷凍機１０がパルス管冷凍機である場合、高圧バルブＶ３および低圧バルブＶ４は、パルス管１４ｂ内の気体変位と圧力振動との位相制御のために使用される。このようなパルス管冷凍機は、４バルブ型パルス管冷凍機とも呼ばれる。極低温冷凍機１０がガス駆動式のＧＭ冷凍機である場合、高圧バルブＶ３および低圧バルブＶ４は、ディスプレーサを駆動する駆動ピストンに作用するガス圧力を制御するために使用される。

図２には、ロータリーバルブ５８のバルブタイミングが例示されている。ロータリーバルブ５８の一回転すなわち極低温冷凍機１０の一周期の冷凍サイクルは、吸気工程Ａ１、第１待機期間Ｗ１、排気工程Ａ２、および第２待機期間Ｗ２に分けられる。図２では一周期の冷凍サイクルを３６０度に対応づけて表しているので、０度は周期の開始時点にあたり、３６０度は周期の終了時点にあたる。９０度、１８０度、２７０度はそれぞれ、１／４周期、半周期、３／４周期にあたる。

吸気工程Ａ１においては吸気バルブＶ１が開かれる。排気バルブＶ２は閉じている。高圧配管１８がロータリーバルブ５８を通じて吸排気配管２２と連絡され、圧縮機１２からコールドヘッド１４に高圧作動ガスが供給される。

第１待機期間Ｗ１は、吸気工程Ａ１の後かつ排気工程Ａ２の前にある。第１待機期間Ｗ１においては吸気バルブＶ１および排気バルブＶ２の両方が閉じられ、コールドヘッド１４は圧縮機１２から流体的に切り離される。第１高圧の作動ガスがロータリーバルブ５８によってコールドヘッド１４に封じられる。

排気工程Ａ２においては排気バルブＶ２が開かれる。吸気バルブＶ１は閉じている。低圧配管２０がロータリーバルブ５８を通じて吸排気配管２２と連絡され、コールドヘッド１４から圧縮機１２に作動ガスが回収されコールドヘッド１４は第２高圧へと降圧される。

第２待機期間Ｗ２は、排気工程Ａ２の後かつ（次回の冷凍サイクルの）吸気工程Ａ１の前にある。第２待機期間Ｗ２においては吸気バルブＶ１および排気バルブＶ２の両方が閉じられ、コールドヘッド１４は圧縮機１２から流体的に切り離される。第２待機期間Ｗ２の全体にわたり、第２高圧の作動ガスがロータリーバルブ５８によってコールドヘッド１４に封じられる。

ロータリーバルブ５８が他のバルブ（例えば高圧バルブＶ３および低圧バルブＶ４）を備える場合であっても、第２待機期間Ｗ２の少なくとも一部においてはすべてのバルブが閉じられ、コールドヘッド１４は圧縮機１２から流体的に切り離される。このようにして、第２高圧の作動ガスがロータリーバルブ５８によってコールドヘッド１４に封じられる期間を、以下では、低圧ガス封止期間Ｌともいう。すなわち、第２待機期間Ｗ２の少なくとも一部が低圧ガス封止期間Ｌにあたる。たいてい、低圧ガス封止期間Ｌは、第２待機期間Ｗ２の後半または終盤にある。低圧ガス封止期間Ｌは、吸気工程Ａ１の直前に終了する。

このように、バルブユニット１６は、ロータリーバルブ５８が第２高圧の作動ガスをコールドヘッド１４に封じる回転角度範囲を有する。後述するように、バルブ停止タイミング制御部２８は、回転角度センサ６２によって測定される回転角度に基づき、この回転角度範囲でロータリーバルブ５８が停止するようバルブモータ６０の停止タイミングを決定してもよい。あるいは、バルブ停止タイミング制御部２８は、圧力センサ（例えば第１圧力センサ４６及び／または第２圧力センサ４８）によって測定される圧力に基づき、この回転角度範囲でロータリーバルブ５８が停止するようバルブモータ６０の停止タイミングを決定してもよい。

冷凍機制御部２４およびバルブ停止タイミング制御部２８を含む極低温冷凍機１０の制御装置は、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。

冷凍機制御部２４は、圧縮機制御盤３２に設けられ、従って圧縮機１２に内蔵されている。しかし、冷凍機制御部２４は、圧縮機１２と別体に設けられていてもよい。冷凍機制御部２４は、極低温冷凍機１０、具体的には圧縮機本体３４およびバルブモータ６０を制御するよう構成されている。

冷凍機制御部２４は、圧縮機モータ４０およびバイパスバルブ５０を制御する圧縮機制御回路６６と、バルブモータ６０を制御するバルブモータ制御回路６８とを備える。冷凍機制御部２４、例えば圧縮機制御回路６６及び／またはバルブモータ制御回路６８は、バルブ停止タイミング制御部２８と通信可能に接続されている。また、冷凍機制御部２４は、冷凍機停止指示部２６、第１圧力センサ４６、第２圧力センサ４８、回転角度センサ６２、およびその他の機器から入力される信号を受信するようこれらの機器と電気的に接続されている。

冷凍機停止指示部２６は、圧縮機本体３４に設置された例えば停止ボタンまたはスイッチのような人手により操作可能な操作具を備え、操作されたとき冷凍機制御部２４に冷凍機停止指示信号Ｓ１を出力するよう構成されている。冷凍機制御部２４は、受信した冷凍機停止指示信号Ｓ１をバルブ停止タイミング制御部２８に送信するよう構成されている。

冷凍機制御部２４が電源ライン３０によりバルブモータ６０と電気的に接続されている。バルブモータ６０は電源ライン３０を通じて圧縮機１２から電力の供給を受ける。また電源ライン３０は冷凍機制御部２４とバルブモータ６０との間の通信を可能とするよう構成されていてもよく、冷凍機制御部２４によるバルブモータ６０の制御のための信号の送受信が電源ライン３０を通じてなされてもよい。

バルブ停止タイミング制御部２８は、バルブモータ６０と冷凍機制御部２４との間に着脱可能に構成されている。バルブ停止タイミング制御部２８は、例えば、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。バルブ停止タイミング制御部２８は、冷凍機制御部２４と接続可能な第１コネクタ７２と、バルブモータ６０と接続可能な第２コネクタ７４と、を備えてもよい。第１コネクタ７２は電源ライン３０を通じて冷凍機制御部２４に接続され、第２コネクタ７４は電源ライン３０を通じてバルブモータ６０に接続される。バルブ停止タイミング制御部２８は、例えばメンテナンスキットのような形で作業者が持ち運び可能であり、必要に応じて電源ライン３０の中途に接続されまたは取り外されることができる。

バルブ停止タイミング制御部２８は、第２待機期間Ｗ２（または低圧ガス封止期間Ｌ、以下同様とする）に相当するロータリーバルブ５８の回転角度範囲を表す情報Ｓ２を、予め格納する記憶部２９を備える。冷凍機制御部２４は、第２待機期間Ｗ２に相当するロータリーバルブ５８の回転角度範囲を表す情報を、予め格納する記憶部７０を備えてもよい。バルブ停止タイミング制御部２８は、記憶部２９及び／または記憶部７０に格納された情報を必要に応じて参照するよう構成されている。

図３は、第１の実施の形態に係る極低温冷凍機１０の制御方法を例示するフローチャートである。図３に示される制御ルーチンは、作業者による冷凍機停止指示部２６の操作を受けて開始される。冷凍機停止指示部２６から冷凍機停止指示信号Ｓ１が出力され、これが冷凍機制御部２４に入力される。バルブ停止タイミング制御部２８は、冷凍機停止指示信号Ｓ１を冷凍機制御部２４から電源ライン３０および第１コネクタ７２を通じて受信する。こうしてバルブ停止タイミング制御部２８は冷凍機停止指示信号Ｓ１を取得する（Ｓ１０）。

バルブ停止タイミング制御部２８は、モータ回転角度信号Ｓ３を回転角度センサ６２から電源ライン３０および第２コネクタ７４を通じて受信する。バルブ停止タイミング制御部２８は、受信したモータ回転角度信号Ｓ３から、バルブモータ６０の回転角度すなわちロータリーバルブ５８の回転角度を算出する。こうして、バルブ停止タイミング制御部２８は、現在のロータリーバルブ５８の回転角度を取得する（Ｓ１２）。

バルブ停止タイミング制御部２８は、第２待機期間Ｗ２に相当するロータリーバルブ５８の回転角度範囲を表す情報Ｓ２を記憶部２９または記憶部７０から参照する。バルブ停止タイミング制御部２８は、現在のロータリーバルブ５８の回転角度とこの情報Ｓ２から、第２待機期間Ｗ２の間にロータリーバルブ５８が停止するようバルブモータ６０の停止タイミングを決定する（Ｓ１４）。

例えば、バルブ停止タイミング制御部２８は、第２待機期間Ｗ２に相当するロータリーバルブ５８の回転角度範囲に達するまでに、現在のロータリーバルブ５８の回転角度から回転すべき回転角度を決定する。バルブ停止タイミング制御部２８は、この回転すべき回転角度だけ現在の回転角度からロータリーバルブ５８が回転する時点をバルブモータ６０の停止タイミングと決定する。

あるいは、バルブ停止タイミング制御部２８は、現在のロータリーバルブ５８の回転角度から、第２待機期間Ｗ２に相当するロータリーバルブ５８の回転角度範囲に達するまでの所要時間を決定する。バルブ停止タイミング制御部２８は、現時点からこの所要時間が経過する時点をバルブモータ６０の停止タイミングと決定する。

バルブ停止タイミング制御部２８は、決定した停止タイミングを表すバルブ停止タイミング信号Ｓ４を出力する。バルブ停止タイミング制御部２８は、バルブ停止タイミング信号Ｓ４を、冷凍機制御部２４、すなわち圧縮機制御回路６６およびバルブモータ制御回路６８に送信する（Ｓ１６）。こうして、バルブ停止タイミング制御部２８における本制御ルーチンは終了する。

圧縮機制御回路６６は、バルブ停止タイミング制御部２８から受信した停止タイミングに従って圧縮機モータ４０およびバイパスバルブ５０への給電を停止する。同様に、バルブモータ制御回路６８は、この停止タイミングに従ってバルブモータ６０への給電を停止する。こうして、圧縮機１２およびバルブユニット１６は停止され、極低温冷凍機１０の冷却運転が終了する。

圧縮機１２においては、圧縮カプセル３８は停止され、バイパスバルブ５０は開放される。高圧流路４２と低圧流路４４が連絡されるので、圧縮機１２の内部における作動ガス圧力は高圧と低圧の平均圧となる。一方、上述のように給電停止時にロータリーバルブ５８は第２待機期間Ｗ２にある。このとき吸気バルブＶ１および排気バルブＶ２はともに閉じられており、コールドヘッド１４の内部における作動ガス圧力は低圧となる。

このように、極低温冷凍機１０は、作業者から冷却運転の停止を指示されたとき直ちには運転を停止しない。極低温冷凍機１０は、コールドヘッド１４内の作動ガス圧力が低圧となるタイミングまで運転を継続し、そのタイミングで運転を停止する。

こうして、極低温冷凍機１０は、コールドヘッド１４内の作動ガス圧力が低圧であるときに冷却運転を停止することができる。これにより、コールドヘッド１４内の作動ガス圧力を圧縮機１２内の作動ガス圧力に比べてかなり低くすることができる。例えば、圧縮機１２の内圧は約１．５ＭＰａの平均圧となるのに対し、コールドヘッド１４の内圧は約０．８ＭＰａである。

このようにして、極低温冷凍機１０の冷却運転停止時に圧縮機１２からコールドヘッド１４を流体的に切り離すことができる。したがって、コールドヘッド１４が昇温したときの内部圧力の過剰な高まりを抑制することができ、極低温冷凍機１０の構成要素例えばバルブユニット１６およびコールドヘッド１４のメンテナンスにおける安全上のリスクが低減される。

なお、圧縮機１２は室温環境に設置されているので、コールドヘッド１４のような昇温および内圧の過剰な高まりは起こらない。

図４は、第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１０の全体構成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１０は、バルブ停止タイミング制御部２８が圧縮機制御盤３２に収められ、冷凍機制御部２４に設けられている点で、第１の実施の形態と異なる。また、第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１０においては、バルブ停止タイミング制御部２８が、圧力センサ（例えば第１圧力センサ４６及び／または第２圧力センサ４８）によって測定される圧力に基づき、バルブモータ６０の停止タイミングを決定する。以下では冗長を避けるため第１の実施の形態と同様の構成についての説明は適宜省略する。

上述のようにコールドヘッド１４内の作動ガス圧力はロータリーバルブ５８によって周期的に切り替えられるから、第１圧力センサ４６（または第２圧力センサ４８）によって測定される圧力も周期的に変動する。測定される圧力変動はロータリーバルブ５８の回転角度と相関をもつはずである。よって、第１圧力センサ４６（または第２圧力センサ４８）によって測定される圧力波形に基づいて、ロータリーバルブ５８の回転角度を特定することも可能である。

図４に示されるように、記憶部７０には、圧力波形情報Ｓ６が予め格納されている。圧力波形情報Ｓ６は、冷凍サイクルの一周期における圧力と時間との関係を表す。圧力波形情報Ｓ６を参照することにより、第１圧力センサ４６（または第２圧力センサ４８）によって測定される圧力が、現在の圧力値から第２待機期間Ｗ２（または低圧ガス封止期間Ｌ、以下同様とする）に相当する圧力範囲に達するまでの所要時間を特定することができる。

また冷凍機制御部２４は、電源ライン３０によりバルブモータ６０と電気的に接続されている。第１の実施の形態とは異なり、電源ライン３０にはバルブ停止タイミング制御部２８は設けられていない。バルブモータ６０は、回転角度センサ６２を備えなくてもよい。

図５は、第２の実施の形態に係る極低温冷凍機１０の制御方法を例示するフローチャートである。図５に示される制御ルーチンは、作業者による冷凍機停止指示部２６の操作を受けて開始される。冷凍機停止指示部２６から冷凍機停止指示信号Ｓ１が出力され、これが冷凍機制御部２４すなわちバルブ停止タイミング制御部２８に入力される。こうしてバルブ停止タイミング制御部２８は冷凍機停止指示信号Ｓ１を取得する（Ｓ１０）。

冷凍機制御部２４は、圧力測定信号Ｓ５を第１圧力センサ４６（または第２圧力センサ４８）から受信する。受信した圧力測定信号Ｓ５がバルブ停止タイミング制御部２８に入力される。こうしてバルブ停止タイミング制御部２８は、圧力測定信号Ｓ５を取得する（Ｓ１３）。圧力測定信号Ｓ５は、現在の圧力値を表す。

バルブ停止タイミング制御部２８は、圧力波形情報Ｓ６を記憶部７０から参照する。バルブ停止タイミング制御部２８は、現在の圧力値と圧力波形情報Ｓ６から、第２待機期間Ｗ２の間にロータリーバルブ５８が停止するようバルブモータ６０の停止タイミングを決定する（Ｓ１４）。例えば、バルブ停止タイミング制御部２８は、現在の圧力値が第２待機期間Ｗ２に相当する圧力範囲に達するまでの所要時間を決定する。バルブ停止タイミング制御部２８は、現時点からこの所要時間が経過する時点をバルブモータ６０の停止タイミングと決定する。

バルブ停止タイミング制御部２８は、決定した停止タイミングを表すバルブ停止タイミング信号Ｓ４を出力する。バルブ停止タイミング制御部２８は、バルブ停止タイミング信号Ｓ４を、圧縮機制御回路６６およびバルブモータ制御回路６８に送信する（Ｓ１６）。こうして、バルブ停止タイミング制御部２８における本制御ルーチンは終了する。

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、極低温冷凍機１０は、コールドヘッド１４内の作動ガス圧力が低圧となるタイミングまで運転を継続し、そのタイミングで運転を停止することができる。

また、第２の実施の形態によると、第１の実施の形態とは異なり、バルブモータ６０に回転角度センサを設ける必要が無い点で、バルブユニット１６の構成が簡素化されるという利点もある。ただし、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、回転角度センサによって測定される回転角度に基づき、バルブモータ６０の停止タイミングが決定されてもよい。

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、バルブ停止タイミング制御部２８は、圧力センサ（例えば第１圧力センサ４６及び／または第２圧力センサ４８）によって測定される圧力に基づき、バルブモータ６０の停止タイミングを決定してもよい。この場合、図１に示されるように、冷凍機制御部２４は、圧力測定信号Ｓ５を第１圧力センサ４６（または第２圧力センサ４８）から受信する。

圧力測定信号Ｓ５をバルブ停止タイミング制御部２８に出力する圧力センサは、圧縮機１２に設けられていなくてもよい。ある実施の形態においては、圧力センサは、バルブユニット１６に設けられていてもよい。あるいは、圧力センサは、コールドヘッド１４に設けられていてもよい。

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。

実施の形態に係る極低温冷凍機は、パルス管冷凍機には限られない。ある実施の形態においては、極低温冷凍機は、ガス駆動式のＧＭ（ギフォード・マクマホン、Gifford-McMahon）冷凍機であってもよい。この場合、コールドヘッドは、駆動ピストン、ディスプレーサおよび蓄冷器（図示せず）を備え、ディスプレーサは駆動ピストンに作用するガス圧力によって駆動される。

１０極低温冷凍機、１４コールドヘッド、１６バルブユニット、２４冷凍機制御部、２６冷凍機停止指示部、２８バルブ停止タイミング制御部、４６第１圧力センサ、４８第２圧力センサ、５８ロータリーバルブ、６０バルブモータ、６２回転角度センサ、Ｓ１冷凍機停止指示信号。

Claims

コールドヘッドと、
前記コールドヘッド内の作動ガス圧力を第１高圧と前記第１高圧より低い第２高圧に周期的に切替可能なロータリーバルブと、前記ロータリーバルブを回転させるバルブモータと、を備え、前記ロータリーバルブが前記第２高圧の作動ガスを前記コールドヘッドに封じる回転角度範囲を有するバルブユニットと、
前記バルブモータを制御する冷凍機制御部と、
前記冷凍機制御部に冷凍機停止指示信号を出力する冷凍機停止指示部と、
前記冷凍機停止指示信号に応じて、前記回転角度範囲で前記ロータリーバルブを停止させるよう前記バルブモータを制御するバルブ停止タイミング制御部と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。
前記ロータリーバルブの回転角度を測定する回転角度センサをさらに備え、
前記バルブ停止タイミング制御部は、前記回転角度センサによって測定される回転角度に基づき、前記回転角度範囲で前記ロータリーバルブが停止するよう前記バルブモータの停止タイミングを決定することを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
作動ガスの圧力を測定する圧力センサをさらに備え、
前記バルブ停止タイミング制御部は、前記圧力センサによって測定される圧力に基づき、前記回転角度範囲で前記ロータリーバルブが停止するよう前記バルブモータの停止タイミングを決定することを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
前記バルブ停止タイミング制御部は、前記バルブモータと前記冷凍機制御部との間に着脱可能に構成されてい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。
前記バルブ停止タイミング制御部は、前記冷凍機制御部に設けられてい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。
極低温冷凍機の制御装置であって、
前記極低温冷凍機は、
コールドヘッドと、
前記コールドヘッド内の作動ガス圧力を第１高圧と前記第１高圧より低い第２高圧に周期的に切替可能なロータリーバルブと、前記ロータリーバルブを回転させるバルブモータと、を備え、前記ロータリーバルブが前記第２高圧の作動ガスを前記コールドヘッドに封じる回転角度範囲を有するバルブユニットと、
前記バルブモータを制御する冷凍機制御部と、
前記冷凍機制御部に冷凍機停止指示信号を出力する冷凍機停止指示部と、を備え、
前記制御装置は、
前記冷凍機停止指示信号に応じて、前記回転角度範囲で前記ロータリーバルブを停止させるよう前記バルブモータを制御するバルブ停止タイミング制御部を備え、
前記バルブ停止タイミング制御部は、前記バルブモータと前記冷凍機制御部との間に着脱可能に構成されていることを特徴とする極低温冷凍機の制御装置。