JP7201447B2 - 極低温冷凍機の起動方法 - Google Patents

Description

本発明は、極低温冷凍機の起動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電導機器、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。

特開平１１－２８１１８２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、室温など初期温度から目的の極低温まで極低温冷凍機を冷却しなければならない。これは、極低温冷凍機のクールダウンとも称される。クールダウン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、極低温冷凍機のクールダウン時間を短縮することにある。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機の起動方法が提供される。極低温冷凍機は、圧縮機と、コールドヘッドと、圧縮機からコールドヘッドに冷媒ガスを供給する高圧ラインと、コールドヘッドから圧縮機に冷媒ガスを回収する低圧ラインと、を備える。この方法は、コールドヘッドが室温にあるとき、高圧ラインの容積を増加させることと、高圧ラインの容積を増加させた後、高圧ラインの圧力または高圧ラインと低圧ラインの差圧に基づいて圧縮機の運転周波数を制御しながら、コールドヘッドを室温から極低温に冷却することと、コールドヘッドを極低温に冷却した後、高圧ラインの容積を減少させることと、高圧ラインの容積を減少させた後、コールドヘッドを極低温に維持することと、を備える。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、圧縮機と、コールドヘッドと、圧縮機からコールドヘッドに冷媒ガスを供給する高圧ラインと、コールドヘッドから圧縮機に冷媒ガスを回収する低圧ラインと、高圧ラインの圧力または高圧ラインと低圧ラインの差圧を測定する圧力センサと、圧力センサによって測定された圧力に基づいて圧縮機の運転周波数を制御する圧縮機コントローラと、コールドヘッドが室温から極低温に冷却されるとき高圧ラインに接続され、コールドヘッドが極低温に維持されるとき高圧ラインから切り離されるように構成されたバッファ容積と、を備える。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、圧縮機と、コールドヘッドと、圧縮機からコールドヘッドに冷媒ガスを供給する高圧ラインと、コールドヘッドから圧縮機に冷媒ガスを回収する低圧ラインと、高圧ラインの圧力または高圧ラインと低圧ラインの差圧を測定する圧力センサと、圧力センサによって測定された圧力に基づいて圧縮機の運転周波数を制御する圧縮機コントローラと、を備える。高圧ラインの容積が低圧ラインの容積より大きい。

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、極低温冷凍機のクールダウン時間を短縮することができる。

第１実施形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。 第１実施形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。 極低温冷凍機に関するブロック図である。 極低温冷凍機の圧力制御方法を説明するフローチャートである。 極低温冷凍機の起動方法を説明するフローチャートである。 起動方法の第２ステップの一例を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。 図８（ａ）および図８（ｂ）は、バッファ容積の他の例を示す。

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１には、極低温冷凍機１０のクールダウン運転が示され、図２には、極低温冷凍機１０の通常冷却運転が示されている。極低温冷凍機１０の高圧側の配管が取り替えられ、高圧側の冷媒ガス容積が異なっていることを除いて、図１および図２に示される極低温冷凍機１０は同じである。

クールダウン運転において、極低温冷凍機１０は、室温またはその付近の初期温度から目標冷却温度へと急速に冷却される。目標冷却温度は、超電導マグネットなどの超電導機器、またはその他の被冷却物を冷却するための所望の極低温から選択される。通常冷却運転は、極低温冷凍機１０を目標冷却温度に維持するようにクールダウン運転に続いて行われる。通常冷却運転が開始されると、被冷却物を稼動させることができる。その準備段階として、クールダウン運転は行われる。

詳細は後述するが、クールダウン運転における高圧側の冷媒ガス容積が、通常冷却運転に比べて増加されている。クールダウン運転においては、高圧側の冷媒ガス容積が低圧側に比べて増加されているとも言える。

極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と、コールドヘッド１４とを備える。圧縮機１２は、極低温冷凍機１０の作動ガスをコールドヘッド１４から回収し、回収した作動ガスを昇圧して、再び作動ガスをコールドヘッド１４に供給するよう構成されている。コールドヘッド１４は、膨張機とも称され、室温部１４ａと、冷却ステージとも称される低温部１４ｂとを有する。圧縮機１２とコールドヘッド１４により極低温冷凍機１０の冷凍サイクルが構成され、それにより低温部１４ｂが所望の極低温に冷却される。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。

極低温冷凍機１０は、一例として、単段式または二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機であるが、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。コールドヘッド１４は、極低温冷凍機１０のタイプに応じて異なる構成を有するが、圧縮機１２は、極低温冷凍機１０のタイプによらず、以下に説明する構成を用いることができる。

なお、一般に、圧縮機１２からコールドヘッド１４に供給される作動ガスの圧力と、コールドヘッド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。

圧縮機１２は、吐出ポート１８、吸入ポート１９、高圧流路２０、低圧流路２１、第１圧力センサ２２、第２圧力センサ２３、圧縮機本体２５、および圧縮機筐体２６を備える。吐出ポート１８は、圧縮機１２の作動ガス吐出ポートとして圧縮機筐体２６に設置され、吸入ポート１９は、圧縮機１２の作動ガス吸入ポートとして圧縮機筐体２６に設置されている。高圧流路２０は、圧縮機本体２５の吐出口を吐出ポート１８に接続し、低圧流路２１は、吸入ポート１９を圧縮機本体２５の吸入口に接続する。圧縮機筐体２６は、高圧流路２０、低圧流路２１、第１圧力センサ２２、第２圧力センサ２３、および圧縮機本体２５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２５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２５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２５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２５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２５は、圧縮カプセルと称されることもある。

第１圧力センサ２２は、高圧流路２０を流れる作動ガスの圧力を測定するよう高圧流路２０に配置されている。第１圧力センサ２２は、測定された圧力を表す第１測定圧信号Ｐ１を出力するよう構成されている。第２圧力センサ２３は、低圧流路２１を流れる作動ガスの圧力を測定するよう低圧流路２１に配置されている。第２圧力センサ２３は、測定された圧力を表す第２測定圧信号Ｐ２を出力するよう構成されている。よって第１圧力センサ２２、第２圧力センサ２３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２２と第２圧力センサ２３のいずれか指して、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。

なお、圧力センサは、差圧センサを含んでもよい。差圧センサは、たとえば、圧縮機本体２５を迂回するように高圧流路２０と低圧流路２１を接続するバイパスラインに設けられてもよい。差圧センサは、極低温冷凍機１０における作動ガスの高圧と低圧の差圧を測定し、測定された差圧を表す測定差圧信号を出力するよう構成されている。差圧センサは、高圧センサ、低圧センサに代えて、またはそれに加えて、設けられてもよい。

なお、圧縮機１２は、そのほか種々の構成要素を有しうる。例えば、高圧流路２０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２１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２５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。

極低温冷凍機１０は、メインスイッチ２８を備える。メインスイッチ２８は、例えば操作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、操作されたとき極低温冷凍機１０が起動され、その運転が開始される。メインスイッチ２８は、極低温冷凍機１０の起動スイッチとして機能するだけでなく、極低温冷凍機１０の停止スイッチを兼ねてもよい。メインスイッチ２８は、たとえば圧縮機筐体２６に設置されている。

コールドヘッド１４は、低温部１４ｂに取り付けられたコールドヘッド温度センサ３０を備える。コールドヘッド温度センサ３０は、低温部１４ｂの測定温度を表す測定温度信号Ｔ１を出力するよう構成されている。

また、極低温冷凍機１０は、圧縮機１２とコールドヘッド１４の間で作動ガスを循環させる配管システム３４を備える。配管システム３４は、圧縮機１２からコールドヘッド１４に作動ガスを供給する高圧ライン３５と、コールドヘッド１４から圧縮機１２に作動ガスを回収する低圧ライン３６とを備える。コールドヘッド１４の室温部１４ａは、高圧ポート３７と低圧ポート３８とを備える。

高圧ポート３７は、第１高圧配管３９ａまたは第２高圧配管３９ｂによって吐出ポート１８に接続されている。図１に示されるように、第１高圧配管３９ａは、クールダウン運転に使用される。図２に示されるように、第２高圧配管３９ｂは、通常冷却運転に使用される。以下、第１高圧配管３９ａと第２高圧配管３９ｂをまとめて高圧配管３９と称することがある。低圧ポート３８は、低圧配管４０によって吸入ポート１９に接続されている。

コールドヘッド１４から圧縮機１２に回収される作動ガスは、コールドヘッド１４の低圧ポート３８から低圧配管４０を通じて圧縮機１２の吸入ポート１９に入り、さらに低圧流路２１を経て圧縮機本体２５に戻り、圧縮機本体２５によって圧縮され昇圧される。圧縮機１２からコールドヘッド１４に供給される作動ガスは、圧縮機本体２５から高圧流路２０を通じて圧縮機１２の吐出ポート１８から出て、さらに高圧配管３９とコールドヘッド１４の高圧ポート３７を経てコールドヘッド１４に供給される。

一例として、高圧配管３９および低圧配管４０は、フレキシブル管により構成されるが、リジッド管で構成されてもよい。高圧配管３９および低圧配管４０の両端には脱着可能な継手が設けられている。吐出ポート１８および高圧ポート３７には高圧配管３９の両端の継手に脱着可能な継手が設けられ、吸入ポート１９および低圧ポート３８には低圧配管４０の両端の継手に脱着可能な継手が設けられている。脱着可能な継手は、例えば、セルフシーリング・カップリングである。よって、高圧配管３９および低圧配管４０は、圧縮機１２およびコールドヘッド１４に取り外し可能に取り付けられる。

図１と図２の対比から理解されるように、クールダウン運転における高圧ライン３５の容積が、通常冷却運転における高圧ライン３５の容積よりも大きくなっている。例示的な構成として、第１高圧配管３９ａの容積が第２高圧配管３９ｂの容積より大きい。第１高圧配管３９ａは第２高圧配管３９ｂよりも太い。第１高圧配管３９ａの呼び径Ｄ１が第２高圧配管３９ｂの呼び径Ｄ２より大きい。たとえば、第１高圧配管３９ａは、第２高圧配管３９ｂに対して、１つまたは２つ大きい呼び径の配管であってもよい。第１高圧配管３９ａがより太いことに代えて、またはそれに加えて、第１高圧配管３９ａは、第２高圧配管３９ｂより長くてもよい。図１および図２では、第１高圧配管３９ａの長さＬ１は、第２高圧配管３９ｂの長さＬ２と等しいが、たとえば、第１高圧配管３９ａの長さＬ１は、第２高圧配管３９ｂの長さＬ２の１～２倍の範囲にあってもよい。

また、図１に示されるように、クールダウン運転においては、高圧ライン３５の容積が低圧ライン３６の容積よりも大きくなっている。例示的な構成として、第１高圧配管３９ａの容積が低圧配管４０の容積より大きい。第１高圧配管３９ａは低圧配管４０よりも太い。第１高圧配管３９ａの呼び径Ｄ１が低圧配管４０の呼び径Ｄ３より大きい。たとえば、第１高圧配管３９ａは、低圧配管４０に対して、１つまたは２つ大きい呼び径の配管であってもよい。第１高圧配管３９ａがより太いことに代えて、またはそれに加えて、第１高圧配管３９ａは、低圧配管４０より長くてもよい。図１では、第１高圧配管３９ａと低圧配管４０は長さが等しいが、たとえば、第１高圧配管３９ａの長さＬ１は、低圧配管４０の長さＬ３の１～２倍の範囲にあってもよい。

図２に示されるように、通常冷却運転においては、高圧ライン３５および低圧ライン３６の容積は等しくなっている。第２高圧配管３９ｂは、低圧配管４０と同じ容積を有する。第２高圧配管３９ｂは、低圧配管４０と同じ太さ、同じ長さを有する。

しかしながら、ある実施形態においては、クールダウン運転だけでなく通常冷却運転においても、高圧ライン３５の容積が低圧ライン３６の容積よりも大きくてもよい。第１高圧配管３９ａが第２高圧配管３９ｂと交換されるのではなく、クールダウン運転と通常冷却運転の両方において第１高圧配管３９ａが使用されてもよい。

なお、典型的な極低温冷凍機においては、高圧ラインの容積が運転状態に応じて変更されることは無い。高圧ラインの容積は低圧ラインの容積と等しい。圧縮機とコールドヘッドを接続する高圧側の配管と低圧側の配管は、同じ寸法（太さ、長さなど）を有する。

本書では、高圧ライン３５の容積とは、吐出ポート１８から高圧ポート３７までの配管容積として定義されうる。圧縮機１２の内部にある高圧流路２０、およびコールドヘッド１４の内部流路は、高圧ライン３５に含めない。よって、高圧ライン３５の容積は、高圧配管３９（すなわち、第１高圧配管３９ａまたは第２高圧配管３９ｂのいずれか）の容積に実質的に相当しうる。同様に、低圧ライン３６の容積とは、吸入ポート１９から低圧ポート３８までの配管容積として定義されうる。圧縮機１２の内部にある低圧流路２１、およびコールドヘッド１４の内部流路は、低圧ライン３６に含めない。よって、低圧ライン３６の容積は、低圧配管４０の容積に実質的に相当しうる。

図３は、極低温冷凍機１０に関するブロック図である。極低温冷凍機１０は、極低温冷凍機１０を制御する制御装置５０を備える。制御装置５０は、圧縮機コントローラ６０と、圧縮機インバータ６２とを備える。制御装置５０は、圧縮機１２に搭載されていてもよい。圧縮機本体２５は、圧縮機本体２５を駆動する圧縮機モータ６４を備える。

第１圧力センサ２２および第２圧力センサ２３はそれぞれ、制御装置５０に通信可能に接続されており、第１測定圧信号Ｐ１および第２測定圧信号Ｐ２を制御装置５０に出力する。コールドヘッド温度センサ３０はそれぞれ、制御装置５０に通信可能に接続されており、測定温度信号Ｔ１を制御装置５０に出力する。

圧縮機コントローラ６０は、第１圧力センサ２２によって測定された圧力に基づいて、または第１圧力センサ２２および第２圧力センサ２３によって測定された差圧に基づいて、圧縮機１２の運転周波数を制御する。ここで、圧縮機１２の運転周波数とは例えば、圧縮機モータ６４に供給される電力の周波数に相当し、圧縮機モータ６４の運転周波数または回転数を指す。圧縮機コントローラ６０は、圧縮機１２の運転周波数を決定し、決定された圧縮機１２の運転周波数に応じたインバータ制御信号Ｓ１を生成する。圧縮機インバータ６２は、インバータ制御信号Ｓ１に従って、商用電源などの外部電源からの入力電力からモータ駆動信号Ｓ２を生成し、圧縮機モータ６４に出力する。圧縮機モータ６４は、モータ駆動信号Ｓ２によって駆動される。こうして圧縮機モータ６４は、圧縮機コントローラ６０によって決定された運転周波数で駆動される。

メインスイッチ２８は、操作されたとき制御装置５０に起動指令信号Ｓ３を出力するように構成されている。圧縮機コントローラ６０は、起動指令信号Ｓ３を受け、圧縮機１２の制御を開始する。

制御装置５０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３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。

図４は、極低温冷凍機１０の圧力制御方法を説明するフローチャートである。制御装置５０の圧縮機コントローラ６０は、以下に説明される、配管システム３４の圧力制御処理を実行するよう構成されている。配管システム３４の圧力制御は、極低温冷凍機１０の運転中に所定の周期で繰り返し実行される。

配管システム３４の圧力が測定される（Ｓ１０）。配管システム３４の圧力は、圧力センサを使用して測定される。圧縮機コントローラ６０は、第１測定圧信号Ｐ１及び／または第２測定圧信号Ｐ２から配管システム３４の測定圧ＰＭを取得する。

次に、配管システム３４の測定圧ＰＭが目標圧ＰＴと比較される（Ｓ１２）。配管システム３４の目標圧ＰＴは、極低温冷凍機１０の使用者によって制御装置５０に予め入力され、または制御装置５０によって自動的に設定され、制御装置５０に保存されている。圧縮機コントローラ６０は、測定圧ＰＭを目標圧ＰＴ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、圧縮機コントローラ６０による比較結果は、次の３つの状態、（ｉ）測定圧ＰＭが目標圧ＰＴより大きい、（ｉｉ）測定圧ＰＭが目標圧ＰＴより小さい、（ｉｉｉ）測定圧ＰＭが目標圧ＰＴと等しい、のうちいずれかを表す。

圧縮機コントローラ６０は、測定圧ＰＭと目標圧ＰＴの比較結果に基づいて圧縮機１２の運転周波数を決定する。上述のように、決定された運転周波数で圧縮機モータ６４が運転される。それにより、配管システム３４の測定圧ＰＭが目標圧ＰＴに近づくように変化する。このようにして、配管システム３４の圧力制御が提供され、配管システム３４の測定圧ＰＭを目標圧ＰＴに追従させることができる。

具体的には、（ｉ）測定圧ＰＭが目標圧ＰＴより大きい場合には、圧縮機コントローラ６０は、圧縮機１２の運転周波数を減少させる（Ｓ１４）。（ｉｉ）測定圧ＰＭが目標圧ＰＴより小さい場合には、圧縮機コントローラ６０は、圧縮機１２の運転周波数を増加させる（Ｓ１６）。（ｉｉｉ）測定圧ＰＭが目標圧ＰＴと等しい場合には、運転周波数を増減させる必要が無いので、運転周波数は維持される。

圧縮機１２の運転周波数の変化量（すなわち増加量または減少量）は、測定圧ＰＭと目標圧ＰＴの偏差に基づいて（たとえばＰＩＤ制御により）決定されてもよい。あるいは、圧縮機１２の運転周波数の変化量は、予め設定された大きさであってもよい。

配管システム３４の圧力制御の一例は、高圧ライン３５の作動ガス圧力を目標値に保つ高圧制御である。高圧制御が実行される場合、第１圧力センサ２２による測定値が測定圧ＰＭとして使用される。測定圧ＰＭが目標圧ＰＴより大きい（小さい）場合には、圧縮機１２の運転周波数を減少（増加）させることによって、測定圧ＰＭを小さく（大きく）して目標圧ＰＴに近づけることができる。

高圧制御に使用される目標圧ＰＴの値は、許容される圧力範囲において比較的大きい値であってもよい。そうした許容圧力範囲は典型的に、圧縮機１２の運転可能な圧力範囲であり、圧縮機１２の仕様として予め定められている。目標圧ＰＴの値は、たとえば、許容圧力範囲の上限値の８０％以上または９０％以上であってもよく、上限値に等しくてもよい。

配管システム３４の圧力制御の他の一例は、高圧ライン３５と低圧ライン３６との圧力差を目標値に保つ差圧制御である。差圧制御が実行される場合、第１圧力センサ２２の測定値から第２圧力センサ２３の測定値を引いて得られる差圧測定値が測定圧ＰＭとして使用される。測定圧ＰＭが目標圧ＰＴより大きい（小さい）場合には、圧縮機１２の運転周波数を減少（増加）させることによって、測定圧ＰＭを小さく（大きく）して目標圧ＰＴに近づけることができる。

図５は、極低温冷凍機１０の起動方法を説明するフローチャートである。この方法は、たとえば、メインスイッチ２８が操作されたとき制御装置５０によって実行される。

図５に示されるように、起動方法は、コールドヘッド１４が室温にあるとき、高圧ライン３５の容積を増加させることを備える（Ｓ２０、以下では第１ステップともいう）。第１ステップは、第１高圧配管３９ａで圧縮機１２をコールドヘッド１４に接続することを含む。図１に示されるように、第１高圧配管３９ａの一端が吐出ポート１８に接続され、他端が高圧ポート３７に接続される。こうして、高圧ライン３５の容積が増加される。なお、低圧配管４０は既に圧縮機１２とコールドヘッド１４に接続されている。

起動方法は、高圧ライン３５の容積を増加させた後、高圧ライン３５の圧力または高圧ライン３５と低圧ライン３６の差圧に基づいて圧縮機１２の運転周波数を制御しながら、コールドヘッド１４を室温から極低温に冷却することを備える（Ｓ２２、以下では第２ステップともいう）。第２ステップは、コールドヘッド１４を室温から極低温に冷却するとともに、高圧ライン３５の圧力を圧力目標値に追従させるように圧縮機１２の運転周波数を制御することを含む。

起動方法は、コールドヘッド１４を極低温に冷却した後、高圧ライン３５の容積を減少させることを備える（Ｓ２４、以下では第３ステップともいう）。第３ステップは、第２高圧配管３９ｂで圧縮機１２をコールドヘッド１４に接続することを含む。第１高圧配管３９ａが取り外され、代わりに第２高圧配管３９ｂが吐出ポート１８、高圧ポート３７に接続される。上述のように第１高圧配管３９ａの容積が第２高圧配管３９ｂの容積より大きいので、高圧ライン３５の容積が減少される。

起動方法は、高圧ライン３５の容積を減少させた後、コールドヘッド１４を極低温に維持することを備える（Ｓ２６、以下では第４ステップともいう）。第４ステップは、高圧ライン３５と低圧ライン３６の差圧を差圧目標値に追従させるように圧縮機１２の運転周波数を制御することを含む。第４ステップ以降は、極低温冷凍機１０の通常冷却運転となる。

第２ステップにおいては、コールドヘッド１４の低温部１４ｂの測定温度に基づいてクールダウン運転から通常冷却運転に自動的に移行することも可能である。このような実施例を述べる。

図６は、起動方法の第２ステップの一例を示すフローチャートである。図示されるように、圧縮機コントローラ６０は、コールドヘッド温度センサ３０からの測定温度信号Ｔ１に基づいて、低温部１４ｂの測定温度を温度しきい値と比較する（Ｓ３０）。温度しきい値はたとえば、コールドヘッド１４の目標冷却温度（たとえば、約４Ｋ～約５０Ｋ）である。

測定温度が温度しきい値を上回る場合には（Ｓ３０のＹ）、高圧制御が実行される（Ｓ３２）。圧縮機コントローラ６０は、コールドヘッド温度センサ３０によって測定された温度に基づいて、コールドヘッド１４が室温から極低温に冷却されるとき、圧力センサによって測定された高圧ライン３５の圧力を圧力目標値に追従させるように圧縮機１２の運転周波数を制御する。

測定温度が温度しきい値以下の場合には（Ｓ３０のＮ）、差圧制御が実行される（Ｓ３４）。圧縮機コントローラ６０は、コールドヘッド温度センサ３０によって測定された温度に基づいて、コールドヘッド１４が極低温に維持されるとき、圧力センサによって測定された高圧ライン３５と低圧ライン３６の差圧を差圧目標値に追従させるように圧縮機１２の運転周波数を制御する。

このようにして、クールダウン運転では高圧制御が実行され、通常冷却運転では差圧制御が実行される。通常冷却運転への移行後に第３ステップを行うことができる。あるいは、通常冷却運転への移行後に第３ステップを行わないことも可能である。

以上、実施形態に係る極低温冷凍機１０の構成を述べた。続いてその動作を説明する。メインスイッチ２８が操作されると、極低温冷凍機１０はクールダウン運転を開始する。このとき、圧縮機１２では高圧制御が行われる。高圧制御の圧力目標値は比較的大きい値に設定されているから、ふつう、高圧ライン３５の圧力は目標値に満たない。よって、高圧ライン３５の圧力が目標値へと昇圧されるように、圧縮機１２の運転周波数は増加され、圧縮機モータ６４の回転数が増える。加えて、高圧ライン３５の容積が増加されているので、高圧ライン３５は昇圧されにくくなっている。このことも、圧縮機１２の運転周波数を増加させるように働く。

そうすると、圧縮機１２から高圧ライン３５を通じてコールドヘッド１４に供給される作動ガス流量が増えるとともに、コールドヘッド１４から低圧ライン３６を通じて圧縮機１２に回収される作動ガス流量も増える。そのため、高圧ライン３５と低圧ライン３６の差圧が大きくなる。理論的に、極低温冷凍機１０の冷凍能力は差圧に比例する。よって、差圧が拡大すれば、極低温冷凍機１０の冷凍能力は高まる。コールドヘッド１４の冷却速度が増加される。

したがって、実施形態に係る極低温冷凍機１０によると、クールダウン時間を短縮することができる。

極低温冷凍機１０による超電導機器など被冷却物の冷却には、大きく２つの方式がある。すなわち、コールドヘッド１４の低温部１４ｂに被冷却物を接触させることにより被冷却物を直接冷却する、いわゆる伝導冷却方式と、低温部１４ｂで液体ヘリウムなどの冷媒を冷却し、冷媒を利用して被冷却物を冷却する方式である。冷媒方式では、冷媒が貯留されていれば、極低温冷凍機１０の非稼動時（たとえばメンテナンスなど）やクールダウン中においても被冷却物を冷却できる。しかし、伝導冷却方式では、極低温冷凍機１０の非稼動時やクールダウン中においては被冷却物を冷却できないか、冷却が不十分となる。したがって、実施形態に係る極低温冷凍機１０はクールダウン時間を短縮できる点で、とくに、伝導冷却方式の極低温システムに適する。

実施形態に係る極低温冷凍機１０によると、クールダウン運転に高圧制御が組み合わされている。高圧制御では高圧ライン３５の圧力目標値を許容圧力範囲の上限値またはそれに近い値に設定することにより、高圧ライン３５の圧力をそうした比較的大きい値に制御し、クールダウン運転における極低温冷凍機１０の冷凍能力を高いレベルに容易に維持することができる。

これに対して、クールダウン運転に差圧制御を組み合わせる場合には、極低温冷凍機１０の冷凍能力を高めるために、差圧目標値が増加されうる。この場合、結果として得られる高圧ライン３５の圧力が許容圧力範囲内に維持されるか自明ではない。低圧ライン３６の圧力についても同様である。もし、高圧ライン３５または低圧ライン３６のいずれかの圧力が許容圧力範囲から逸脱したとすると、圧縮機１２は、警告を出力し、または自動的に運転を停止しうる。圧縮機１２の再起動が必要になるかもしれない。クールダウン運転の所要時間が延びるとすれば、好ましくない。

また、実施形態に係る極低温冷凍機１０によると、通常冷却運転に差圧制御が組み合わされている。コールドヘッド１４の負荷に応じて圧縮機１２の運転周波数を適切に調整することができるので、差圧制御は極低温冷凍機１０の消費電力の低減に役立つ。

図７は、第２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。第２実施形態に係る極低温冷凍機１０は、高圧ライン３５の容積変更を可能とする構成に関して第１実施形態に係る極低温冷凍機１０と相違し、その余については概ね共通する。以下では、相違する構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。

配管システム３４は、コールドヘッド１４が室温から極低温に冷却されるとき高圧ライン３５に接続され、コールドヘッド１４が極低温に維持されるとき高圧ライン３５から切り離されるように構成されたバッファ容積７０を備える。図５に示される第１ステップは、高圧ライン３５にバッファ容積７０を接続することを含む。第３ステップは、高圧ライン３５からバッファ容積７０を切り離すことを含む。

バッファ容積７０は、バッファタンク７２と、バッファタンク７２を高圧ライン３５に連結する連結配管７４と、連結配管７４に設置されたバルブ７６とを備える。連結配管７４は、高圧配管３９から分岐している。

バルブ７６は、連結配管７４の作動ガス流れを制御するよう構成されている。バルブ７６は、制御装置５０から入力されるバルブ制御信号Ｖに従って制御される。つまりバルブ７６はバルブ制御信号Ｖに従って開閉され、または開度が調節される。バルブ７６は、バルブ制御信号Ｖを受信するよう制御装置５０と通信可能に接続されている。

バルブ７６が開放されるとバッファタンク７２は連結配管７４を通じて高圧ライン３５に連通され、バッファタンク７２と高圧ライン３５との間の作動ガス流れが許容される。こうして、高圧ライン３５の容積は増加される。バルブ７６が閉鎖されるとバッファタンク７２は高圧ライン３５から切断され、バッファタンク７２と高圧ライン３５との間の作動ガス流れが遮断される。こうして、高圧ライン３５の容積は減少される。

制御装置５０は、コールドヘッド温度センサ３０によって測定された温度に基づいて、バルブ７６を制御し、それにより高圧ライン３５の容積を変更する。

制御装置５０は、温度比較部８０と、バルブ制御部８２と、を備える。温度比較部８０は、測定温度信号Ｔ１に基づいて、低温部１４ｂの測定温度を温度しきい値Ｔ０と比較するよう構成されている。温度比較部８０は、温度比較の結果をバルブ制御部８２に出力するよう構成されている。バルブ制御部８２は、温度比較部８０からの入力に従ってバルブ制御信号Ｖを生成するよう構成されている。バルブ制御部８２は、測定温度が温度しきい値Ｔ０より高いときバルブ７６を開放し、測定温度が温度しきい値Ｔ０以下のときバルブ７６を閉鎖する。温度しきい値Ｔ０は、例えば、コールドヘッド１４の目標冷却温度であってもよく、たとえば約４Ｋ～約５０Ｋの温度範囲から予め定められてもよい。制御装置５０は、温度しきい値Ｔ０を記憶する記憶部８４を備えてもよい。

よって、クールダウン運転においてバルブ７６は開放され、通常冷却運転においてバルブ７６は閉鎖される。

第１実施形態と同様に、制御装置５０は、圧縮機コントローラ６０を備え、図６に示される制御処理を実行してもよい。よって、測定温度が温度しきい値Ｔ０より高ければ、バルブ７６が開放され高圧ライン３５の容積が増加されるとともに、高圧制御が実行される。測定温度が温度しきい値Ｔ０以下であれば、バルブ７６が閉鎖され高圧ライン３５の容積が減少されるとともに、差圧制御が実行される。

したがって、第２実施形態に係る極低温冷凍機１０によると、第１実施形態と同様に、クールダウン時間を短縮することができる。

図８（ａ）および図８（ｂ）は、バッファ容積７０の他の例を示す。図８（ａ）に示されるように、バッファタンク７２は、高圧ライン３５だけでなく、低圧ライン３６にも接続されていてもよい。バルブ７６は、バッファタンク７２を低圧ライン３６に接続する高圧側の連結配管７４に設けられている。もう１つのバルブ７８は、バッファタンク７２を低圧ライン３６に接続する低圧側の連結配管に設けられている。たとえば通常冷却運転において適時にバルブ７８を開くことによって、バッファタンク７２の圧力を初期圧に戻すことができ、便利である。

バッファ容積７０は、タンクの形をとることは必須でない。図８（ｂ）に示されるように、バッファ容積７０は、高圧ライン３５に並列接続されたバッファ配管９０と、バッファ配管９０の出入口に設けられたバルブ９２、９４とを備えてもよい。バッファ配管９０はバルブ９２、９４により高圧ライン３５に接続されている。バルブ９２、９４を開くことにより高圧ライン３５の容積が増加され、バルブ９２、９４を閉じることにより高圧ライン３５の容積が減少される。

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、クールダウン運転に高圧制御が組み合わされているが、事情が許すのであれば、実施形態に係る極低温冷凍機１０において、クールダウン運転に差圧制御が組み合わされてもよい。

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 コールドヘッド、 ３０ コールドヘッド温度センサ、 ３５ 高圧ライン、 ３６ 低圧ライン、 ３９ 高圧配管、 ３９ａ 第１高圧配管、 ３９ｂ 第２高圧配管、 ６０ 圧縮機コントローラ、 ７０ バッファ容積。

Claims (5)

1. 極低温冷凍機の起動方法であって、極低温冷凍機は、圧縮機と、コールドヘッドと、圧縮機からコールドヘッドに冷媒ガスを供給する高圧ラインと、コールドヘッドから圧縮機に冷媒ガスを回収する低圧ラインと、を備え、前記方法は、
   前記コールドヘッドが室温にあるとき、前記高圧ラインの容積を増加させることと、
   前記高圧ラインの容積を増加させた後、前記高圧ラインの圧力または前記高圧ラインと前記低圧ラインの差圧に基づいて前記圧縮機の運転周波数を制御しながら、前記コールドヘッドを室温から極低温に冷却することと、
   前記コールドヘッドを前記極低温に冷却した後、前記高圧ラインの容積を減少させることと、
   前記高圧ラインの容積を減少させた後、前記コールドヘッドを前記極低温に維持することと、を備えることを特徴とする方法。
2. 前記コールドヘッドを室温から極低温に冷却することは、前記高圧ラインの圧力を圧力目標値に追従させるように前記圧縮機の運転周波数を制御することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記コールドヘッドを極低温に維持することは、前記高圧ラインと前記低圧ラインの差圧を差圧目標値に追従させるように前記圧縮機の運転周波数を制御することを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記高圧ラインの容積を増加させることは、第１高圧配管で前記圧縮機を前記コールドヘッドに接続することを含み、
   前記高圧ラインの容積を減少させることは、第２高圧配管で前記圧縮機を前記コールドヘッドに接続することを含み、
   第１高圧配管の容積が第２高圧配管の容積より大きいことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 前記高圧ラインの容積を増加させることは、前記高圧ラインにバッファ容積を接続することを含み、
   前記高圧ラインの容積を減少させることは、前記高圧ラインから前記バッファ容積を切り離すことを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の方法。

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