WO2020149214A1 - 極低温冷凍機の起動方法、極低温冷凍機 - Google Patents

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秀司 大山
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住友重機械工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a method for starting a cryogenic refrigerator and a cryogenic refrigerator.
  • ⁇ Cryogenic refrigerators are used to cool various objects such as superconducting devices, measuring instruments, and samples used in cryogenic environments.
  • cryogenic refrigerator In order to cool an object with a cryogenic refrigerator, first, the cryogenic refrigerator must be started and the cryogenic refrigerator must be cooled from the initial temperature such as room temperature to the target cryogenic temperature. This is also referred to as cryogenic cooldown. Since the cooldown is just a preparation for starting the cooling of the object, it is desirable that the time required is as short as possible.
  • One of the exemplary purposes of an aspect of the present invention is to shorten the cooldown time of a cryogenic refrigerator.
  • a method for starting a cryogenic refrigerator includes a compressor, a cold head, a high pressure line that supplies a refrigerant gas from the compressor to the cold head, and a low pressure line that recovers the refrigerant gas from the cold head to the compressor.
  • This method involves increasing the volume of the high pressure line when the cold head is at room temperature, and after increasing the volume of the high pressure line, based on the pressure of the high pressure line or the differential pressure between the high pressure line and the low pressure line.
  • a cryogenic refrigerator includes a compressor, a cold head, a high pressure line for supplying a refrigerant gas from the compressor to the cold head, and a low pressure line for collecting the refrigerant gas from the cold head to the compressor. And a pressure sensor that measures the pressure in the high pressure line or the differential pressure between the high pressure line and the low pressure line, the compressor controller that controls the operating frequency of the compressor based on the pressure measured by the pressure sensor, and the cold head from room temperature.
  • a buffer volume connected to the high pressure line when cooled to a cryogenic temperature and disconnected from the high pressure line when the cold head is maintained at a cryogenic temperature.
  • a cryogenic refrigerator includes a compressor, a cold head, a high pressure line for supplying a refrigerant gas from the compressor to the cold head, and a low pressure line for collecting the refrigerant gas from the cold head to the compressor. And a pressure sensor for measuring the pressure of the high-pressure line or the differential pressure between the high-pressure line and the low-pressure line, and a compressor controller for controlling the operating frequency of the compressor based on the pressure measured by the pressure sensor.
  • the volume of the high pressure line is larger than the volume of the low pressure line.
  • the cool down time of the cryogenic refrigerator can be shortened.
  • FIGS. 1 and 2 are diagrams schematically showing a cryogenic refrigerator 10 according to the first embodiment.
  • FIG. 1 shows the cool-down operation of the cryogenic refrigerator 10
  • FIG. 2 shows the normal cooling operation of the cryogenic refrigerator 10.
  • the cryogenic refrigerator 10 shown in FIGS. 1 and 2 is the same, except that the high pressure side pipe of the cryogenic refrigerator 10 is replaced and the refrigerant gas volume on the high pressure side is different.
  • the cryogenic refrigerator 10 is rapidly cooled from the initial temperature at or near room temperature to the target cooling temperature.
  • the target cooling temperature is selected from a superconducting device such as a superconducting magnet or a desired cryogenic temperature for cooling other objects to be cooled.
  • the normal cooling operation is performed following the cool down operation so as to maintain the cryogenic refrigerator 10 at the target cooling temperature.
  • the object to be cooled can be operated.
  • cooldown operation is performed.
  • the refrigerant gas volume on the high pressure side in the cool-down operation is increased compared to the normal cooling operation.
  • the refrigerant gas volume on the high pressure side is increased as compared with that on the low pressure side.
  • the cryogenic refrigerator 10 includes a compressor 12 and a cold head 14.
  • the compressor 12 is configured to collect the working gas of the cryogenic refrigerator 10 from the cold head 14, pressurize the collected working gas, and supply the working gas to the cold head 14 again.
  • the cold head 14 is also called an expander, and has a room temperature part 14a and a low temperature part 14b also called a cooling stage.
  • the compressor 12 and the cold head 14 constitute a refrigeration cycle of the cryogenic refrigerator 10, whereby the low temperature portion 14b is cooled to a desired cryogenic temperature.
  • the working gas also referred to as the refrigerant gas, is typically helium gas, but any other suitable gas may be used. For the sake of understanding, the flow direction of the working gas is shown by an arrow in FIG.
  • the cryogenic refrigerator 10 is, for example, a single-stage or two-stage Gifford-McMahon (GM) refrigerator, but a pulse tube refrigerator, a Stirling refrigerator, or another type of cryogenic refrigerator. It may be a refrigerator.
  • the cold head 14 has different configurations depending on the type of the cryogenic refrigerator 10, but the compressor 12 can use the configuration described below regardless of the type of the cryogenic refrigerator 10.
  • the pressure of the working gas supplied from the compressor 12 to the cold head 14 and the pressure of the working gas recovered from the cold head 14 to the compressor 12 are both considerably higher than the atmospheric pressure, and the first high pressure and the high pressure, respectively. It can be called the second high pressure.
  • the first high pressure and the second high pressure are also simply referred to as high pressure and low pressure, respectively.
  • the high pressure is, for example, 2-3 MPa.
  • the low pressure is, for example, 0.5 to 1.5 MPa, and is, for example, about 0.8 MPa.
  • the compressor 12 includes a discharge port 18, a suction port 19, a high pressure passage 20, a low pressure passage 21, a first pressure sensor 22, a second pressure sensor 23, a compressor body 25, and a compressor housing 26.
  • the discharge port 18 is installed in the compressor housing 26 as a working gas discharge port of the compressor 12
  • the suction port 19 is installed in the compressor housing 26 as a working gas suction port of the compressor 12.
  • the high-pressure flow passage 20 connects the discharge port of the compressor body 25 to the discharge port 18, and the low-pressure flow passage 21 connects the suction port 19 to the suction port of the compressor body 25.
  • the compressor housing 26 houses the high pressure flow path 20, the low pressure flow path 21, the first pressure sensor 22, the second pressure sensor 23, and the compressor body 25.
  • the compressor 12 is also called a compressor unit.
  • the compressor body 25 is configured to internally compress the working gas sucked from its suction port and discharge it from the discharge port.
  • the compressor body 25 may be, for example, a scroll type, a rotary type, or another pump that pressurizes the working gas.
  • the compressor body 25 may be configured to discharge a fixed and constant working gas flow rate. Alternatively, the compressor body 25 may be configured to change the flow rate of the working gas to be discharged.
  • the compressor body 25 may be referred to as a compression capsule.
  • the first pressure sensor 22 is arranged in the high pressure flow passage 20 so as to measure the pressure of the working gas flowing in the high pressure flow passage 20.
  • the first pressure sensor 22 is configured to output a first measured pressure signal P1 representing the measured pressure.
  • the second pressure sensor 23 is arranged in the low pressure passage 21 so as to measure the pressure of the working gas flowing in the low pressure passage 21.
  • the second pressure sensor 23 is configured to output a second measured pressure signal P2 representing the measured pressure. Therefore, the first pressure sensor 22 and the second pressure sensor 23 can also be called a high pressure sensor and a low pressure sensor, respectively. Further, in this document, either the first pressure sensor 22 or the second pressure sensor 23, or both of them may be collectively referred to as “pressure sensor”.
  • the pressure sensor may include a differential pressure sensor.
  • the differential pressure sensor may be provided, for example, in a bypass line that connects the high-pressure flow passage 20 and the low-pressure flow passage 21 so as to bypass the compressor body 25.
  • the differential pressure sensor is configured to measure a high pressure and a low pressure differential of the working gas in the cryogenic refrigerator 10 and output a measured differential pressure signal representing the measured differential pressure.
  • the differential pressure sensor may be provided instead of or in addition to the high pressure sensor and the low pressure sensor.
  • the compressor 12 may have various other constituent elements.
  • the high pressure flow path 20 may be provided with an oil separator, an adsorber, or the like.
  • the low pressure flow path 21 may be provided with a storage tank and other components.
  • the compressor 12 may be provided with an oil circulation system for cooling the compressor body 25 with oil, a cooling system for cooling the oil, and the like.
  • the cryogenic refrigerator 10 includes a main switch 28.
  • the main switch 28 is provided with an operation tool such as an operation button or a switch that can be manually operated, and when operated, the cryogenic refrigerator 10 is started and its operation is started.
  • the main switch 28 may function not only as a start switch of the cryogenic refrigerator 10 but also as a stop switch of the cryogenic refrigerator 10.
  • the main switch 28 is installed in the compressor housing 26, for example.
  • the cold head 14 includes a cold head temperature sensor 30 attached to the low temperature part 14b.
  • the cold head temperature sensor 30 is configured to output a measured temperature signal T1 representing the measured temperature of the low temperature portion 14b.
  • the cryogenic refrigerator 10 also includes a piping system 34 that circulates a working gas between the compressor 12 and the cold head 14.
  • the piping system 34 includes a high pressure line 35 that supplies the working gas from the compressor 12 to the cold head 14, and a low pressure line 36 that recovers the working gas from the cold head 14 to the compressor 12.
  • the room temperature portion 14 a of the cold head 14 includes a high pressure port 37 and a low pressure port 38.
  • the high pressure port 37 is connected to the discharge port 18 by a first high pressure pipe 39a or a second high pressure pipe 39b.
  • the first high-pressure pipe 39a is used for cooldown operation.
  • the second high-pressure pipe 39b is used for normal cooling operation.
  • the first high-pressure pipe 39a and the second high-pressure pipe 39b may be collectively referred to as the high-pressure pipe 39.
  • the low pressure port 38 is connected to the suction port 19 by a low pressure pipe 40.
  • the working gas collected from the cold head 14 to the compressor 12 enters the suction port 19 of the compressor 12 from the low pressure port 38 of the cold head 14 through the low pressure pipe 40, and further returns to the compressor body 25 via the low pressure flow passage 21.
  • the compressor body 25 compresses and raises the pressure.
  • the working gas supplied from the compressor 12 to the cold head 14 exits from the discharge port 18 of the compressor 12 through the high pressure passage 20 from the compressor body 25, and further passes through the high pressure pipe 39 and the high pressure port 37 of the cold head 14. It is supplied to the cold head 14.
  • the high-pressure pipe 39 and the low-pressure pipe 40 are flexible pipes, but may be rigid pipes.
  • Detachable joints are provided at both ends of the high-pressure pipe 39 and the low-pressure pipe 40.
  • the discharge port 18 and the high pressure port 37 are provided with detachable joints at both ends of the high pressure pipe 39, and the suction port 19 and the low pressure port 38 are provided with detachable joints at both ends of the low pressure pipe 40.
  • the removable joint is, for example, a self-sealing coupling. Therefore, the high-pressure pipe 39 and the low-pressure pipe 40 are detachably attached to the compressor 12 and the cold head 14.
  • the volume of the high pressure line 35 in the cool down operation is larger than the volume of the high pressure line 35 in the normal cooling operation.
  • the volume of the first high-pressure pipe 39a is larger than the volume of the second high-pressure pipe 39b.
  • the first high pressure pipe 39a is thicker than the second high pressure pipe 39b.
  • the nominal diameter D1 of the first high-pressure pipe 39a is larger than the nominal diameter D2 of the second high-pressure pipe 39b.
  • the first high-pressure pipe 39a may be a pipe having a nominal diameter one or two larger than that of the second high-pressure pipe 39b.
  • the first high-pressure pipe 39a may be longer than the second high-pressure pipe 39b. 1 and 2, the length L1 of the first high-pressure pipe 39a is equal to the length L2 of the second high-pressure pipe 39b, but for example, the length L1 of the first high-pressure pipe 39a is equal to that of the second high-pressure pipe 39b. It may be in the range of 1 to 2 times the length L2.
  • the volume of the high pressure line 35 is larger than that of the low pressure line 36.
  • the volume of the first high-pressure pipe 39a is larger than the volume of the low-pressure pipe 40.
  • the first high-pressure pipe 39a is thicker than the low-pressure pipe 40.
  • the nominal diameter D1 of the first high-pressure pipe 39a is larger than the nominal diameter D3 of the low-pressure pipe 40.
  • the first high-pressure pipe 39a may be a pipe having a nominal diameter one or two larger than that of the low-pressure pipe 40.
  • the first high-pressure pipe 39a may be longer than the low-pressure pipe 40.
  • the first high-pressure pipe 39a and the low-pressure pipe 40 have the same length.
  • the length L1 of the first high-pressure pipe 39a is in the range of 1 to 2 times the length L3 of the low-pressure pipe 40. Good.
  • the high pressure line 35 and the low pressure line 36 have the same volume.
  • the second high-pressure pipe 39b has the same volume as the low-pressure pipe 40.
  • the second high-pressure pipe 39b has the same thickness and the same length as the low-pressure pipe 40.
  • the volume of the high pressure line 35 may be larger than the volume of the low pressure line 36 not only in the cool down operation but also in the normal cooling operation.
  • the first high-pressure pipe 39a may be used in both the cooldown operation and the normal cooling operation.
  • the volume of the high pressure line does not change according to the operating conditions.
  • the volume of the high pressure line is equal to the volume of the low pressure line.
  • the high-pressure side pipe and the low-pressure side pipe that connect the compressor and the cold head have the same dimensions (thickness, length, etc.).
  • the volume of the high pressure line 35 can be defined as the volume of piping from the discharge port 18 to the high pressure port 37.
  • the high-pressure flow passage 20 inside the compressor 12 and the internal flow passage of the cold head 14 are not included in the high-pressure line 35. Therefore, the volume of the high-pressure line 35 can substantially correspond to the volume of the high-pressure pipe 39 (that is, either the first high-pressure pipe 39a or the second high-pressure pipe 39b).
  • the volume of the low pressure line 36 can be defined as the piping volume from the suction port 19 to the low pressure port 38.
  • the low-pressure flow passage 21 inside the compressor 12 and the internal flow passage of the cold head 14 are not included in the low-pressure line 36. Therefore, the volume of the low-pressure line 36 can substantially correspond to the volume of the low-pressure pipe 40.
  • FIG. 3 is a block diagram of the cryogenic refrigerator 10.
  • the cryogenic refrigerator 10 includes a control device 50 that controls the cryogenic refrigerator 10.
  • the control device 50 includes a compressor controller 60 and a compressor inverter 62.
  • the control device 50 may be mounted on the compressor 12.
  • the compressor body 25 includes a compressor motor 64 that drives the compressor body 25.
  • the first pressure sensor 22 and the second pressure sensor 23 are communicatively connected to the control device 50, and output the first measurement pressure signal P1 and the second measurement pressure signal P2 to the control device 50.
  • Each cold head temperature sensor 30 is communicatively connected to the controller 50 and outputs a measured temperature signal T1 to the controller 50.
  • the compressor controller 60 controls the operating frequency of the compressor 12 based on the pressure measured by the first pressure sensor 22 or the differential pressure measured by the first pressure sensor 22 and the second pressure sensor 23.
  • the operating frequency of the compressor 12 corresponds to, for example, the frequency of the electric power supplied to the compressor motor 64, and indicates the operating frequency or the rotation speed of the compressor motor 64.
  • the compressor controller 60 determines the operating frequency of the compressor 12, and generates the inverter control signal S1 according to the determined operating frequency of the compressor 12.
  • the compressor inverter 62 generates a motor drive signal S2 from input power from an external power supply such as a commercial power supply according to the inverter control signal S1, and outputs the motor drive signal S2 to the compressor motor 64.
  • the compressor motor 64 is driven by the motor drive signal S2.
  • the compressor motor 64 is driven at the operating frequency determined by the compressor controller 60.
  • the main switch 28 is configured to output a start command signal S3 to the control device 50 when operated.
  • the compressor controller 60 receives the start command signal S3 and starts controlling the compressor 12.
  • the control device 50 is realized by an element or a circuit such as a CPU and a memory of a computer as a hardware configuration, and is realized by a computer program or the like as a software configuration.
  • FIG. It is drawn as a functional block. Those skilled in the art will understand that these functional blocks can be realized in various ways by combining hardware and software.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a pressure control method for the cryogenic refrigerator 10.
  • the compressor controller 60 of the controller 50 is configured to perform the pressure control process of the piping system 34 described below.
  • the pressure control of the piping system 34 is repeatedly executed at a predetermined cycle during the operation of the cryogenic refrigerator 10.
  • the pressure of the piping system 34 is measured (S10).
  • the pressure in the piping system 34 is measured using a pressure sensor.
  • the compressor controller 60 acquires the measurement pressure PM of the piping system 34 from the first measurement pressure signal P1 and/or the second measurement pressure signal P2.
  • the measured pressure PM of the piping system 34 is compared with the target pressure PT (S12).
  • the target pressure PT of the piping system 34 is previously input to the control device 50 by the user of the cryogenic refrigerator 10 or is automatically set by the control device 50 and stored in the control device 50.
  • the compressor controller 60 compares the measured pressure PM with the target pressure PT, and outputs the magnitude relationship between the two as a comparison result. That is, the comparison result by the compressor controller 60 is as follows: (i) the measured pressure PM is larger than the target pressure PT, (ii) the measured pressure PM is smaller than the target pressure PT, and (iii) the measured pressure PM is Indicates one of the values equal to the target pressure PT.
  • the compressor controller 60 determines the operating frequency of the compressor 12 based on the comparison result of the measured pressure PM and the target pressure PT. As described above, the compressor motor 64 is operated at the determined operating frequency. As a result, the measured pressure PM of the piping system 34 changes so as to approach the target pressure PT. In this way, pressure control of the piping system 34 is provided and the measured pressure PM of the piping system 34 can be made to follow the target pressure PT.
  • the compressor controller 60 reduces the operating frequency of the compressor 12 (S14).
  • the compressor controller 60 increases the operating frequency of the compressor 12 (S16).
  • the measured pressure PM is equal to the target pressure PT, there is no need to increase or decrease the operating frequency, so the operating frequency is maintained.
  • the amount of change in the operating frequency of the compressor 12 may be determined (for example, by PID control) based on the deviation between the measured pressure PM and the target pressure PT.
  • the amount of change in the operating frequency of the compressor 12 may be a preset magnitude.
  • An example of pressure control of the piping system 34 is high pressure control that maintains the working gas pressure of the high pressure line 35 at a target value.
  • the measurement value of the first pressure sensor 22 is used as the measurement pressure PM.
  • the operating frequency of the compressor 12 is reduced (increased) to make the measured pressure PM smaller (larger) closer to the target pressure PT.
  • the value of the target pressure PT used for high pressure control may be a relatively large value in the allowable pressure range.
  • Such an allowable pressure range is typically a pressure range in which the compressor 12 can be operated, and is predetermined as a specification of the compressor 12.
  • the value of the target pressure PT may be, for example, 80% or more or 90% or more of the upper limit value of the allowable pressure range, and may be equal to the upper limit value.
  • differential pressure control of the piping system 34 is differential pressure control that maintains the pressure difference between the high pressure line 35 and the low pressure line 36 at a target value.
  • the differential pressure control is executed, the differential pressure measurement value obtained by subtracting the measurement value of the second pressure sensor 23 from the measurement value of the first pressure sensor 22 is used as the measurement pressure PM.
  • the operating frequency of the compressor 12 is reduced (increased) to make the measured pressure PM smaller (larger) closer to the target pressure PT.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a method of starting the cryogenic refrigerator 10. This method is executed by the control device 50, for example, when the main switch 28 is operated.
  • the activation method comprises increasing the volume of the high pressure line 35 when the cold head 14 is at room temperature (S20, hereinafter also referred to as the first step).
  • the first step involves connecting the compressor 12 to the cold head 14 with a first high pressure line 39a.
  • one end of the first high-pressure pipe 39 a is connected to the discharge port 18 and the other end is connected to the high-pressure port 37. In this way, the volume of the high pressure line 35 is increased.
  • the low-pressure pipe 40 is already connected to the compressor 12 and the cold head 14.
  • the starting method is to increase the volume of the high pressure line 35, and then control the operating frequency of the compressor 12 based on the pressure of the high pressure line 35 or the differential pressure between the high pressure line 35 and the low pressure line 36, while keeping the cold head 14 at room temperature.
  • To cool to extremely low temperature S22, hereinafter also referred to as the second step).
  • the second step includes cooling the cold head 14 from room temperature to a cryogenic temperature and controlling the operating frequency of the compressor 12 so that the pressure in the high pressure line 35 follows the target pressure value.
  • the starting method includes cooling the cold head 14 to an extremely low temperature and then reducing the volume of the high-pressure line 35 (S24, hereinafter also referred to as a third step).
  • the third step involves connecting the compressor 12 to the cold head 14 with the second high pressure line 39b.
  • the first high-pressure pipe 39a is removed, and the second high-pressure pipe 39b is connected to the discharge port 18 and the high-pressure port 37 instead. Since the volume of the first high-pressure pipe 39a is larger than that of the second high-pressure pipe 39b as described above, the volume of the high-pressure line 35 is reduced.
  • the starting method includes maintaining the cold head 14 at an extremely low temperature after reducing the volume of the high-pressure line 35 (S26, hereinafter also referred to as the fourth step).
  • the fourth step includes controlling the operating frequency of the compressor 12 so that the differential pressure between the high pressure line 35 and the low pressure line 36 follows the differential pressure target value. After the fourth step, the normal cooling operation of the cryogenic refrigerator 10 is performed.
  • FIG. 6 is a flowchart showing an example of the second step of the activation method.
  • the compressor controller 60 compares the measured temperature of the low temperature portion 14b with the temperature threshold value based on the measured temperature signal T1 from the cold head temperature sensor 30 (S30).
  • the temperature threshold value is, for example, a target cooling temperature of the cold head 14 (eg, about 4K to about 50K).
  • high pressure control is executed (S32).
  • the compressor controller 60 sets the pressure of the high pressure line 35 measured by the pressure sensor to a pressure target value when the cold head 14 is cooled from room temperature to a very low temperature.
  • the operating frequency of the compressor 12 is controlled so as to follow it.
  • differential pressure control is executed (S34). Based on the temperature measured by the cold head temperature sensor 30, the compressor controller 60 makes a difference between the high pressure line 35 and the low pressure line 36 measured by the pressure sensor when the cold head 14 is maintained at an extremely low temperature. The operating frequency of the compressor 12 is controlled so as to follow the target pressure value.
  • the high pressure control is executed in the cool down operation and the differential pressure control is executed in the normal cooling operation.
  • the third step can be performed after shifting to the normal cooling operation. Alternatively, the third step may not be performed after shifting to the normal cooling operation.
  • the cryogenic refrigerator 10 starts the cool down operation.
  • high pressure control is performed in the compressor 12. Since the target pressure value for high pressure control is set to a relatively large value, the pressure in the high pressure line 35 is usually less than the target value. Therefore, the operating frequency of the compressor 12 is increased and the rotation speed of the compressor motor 64 is increased so that the pressure of the high-pressure line 35 is increased to the target value. In addition, since the volume of the high pressure line 35 is increased, it is difficult for the high pressure line 35 to be boosted. This also works to increase the operating frequency of the compressor 12.
  • the flow rate of the working gas supplied from the compressor 12 to the cold head 14 through the high pressure line 35 increases, and the flow rate of the working gas recovered from the cold head 14 to the compressor 12 through the low pressure line 36 also increases. Therefore, the differential pressure between the high pressure line 35 and the low pressure line 36 becomes large.
  • the refrigerating capacity of the cryogenic refrigerator 10 is proportional to the differential pressure. Therefore, if the differential pressure increases, the refrigerating capacity of the cryogenic refrigerator 10 increases. The cooling rate of the cold head 14 is increased.
  • the cooldown time can be shortened.
  • the cryogenic refrigerator 10 is particularly suitable for the conduction cooling type cryogenic system in that the cooldown time can be shortened.
  • the high pressure control is combined with the cool down operation.
  • the pressure target value of the high pressure line 35 is set to the upper limit value of the allowable pressure range or a value close to the upper limit value to control the pressure of the high pressure line 35 to such a relatively large value, and the cryogenic refrigerator in the cool down operation.
  • the refrigerating capacity of 10 can be easily maintained at a high level.
  • the differential pressure target value may be increased in order to enhance the refrigerating capacity of the cryogenic refrigerator 10.
  • the resulting pressure in the high pressure line 35 will be maintained within the allowable pressure range.
  • the compressor 12 may output a warning or shut down automatically. It may be necessary to restart the compressor 12. If the time required for the cool down operation is extended, it is not preferable.
  • the differential pressure control is combined with the normal cooling operation. Since the operating frequency of the compressor 12 can be appropriately adjusted according to the load of the cold head 14, the differential pressure control is useful for reducing the power consumption of the cryogenic refrigerator 10.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing the cryogenic refrigerator 10 according to the second embodiment.
  • the cryogenic refrigerator 10 according to the second embodiment is different from the cryogenic refrigerator 10 according to the first embodiment with respect to the configuration capable of changing the volume of the high-pressure line 35, and the rest is generally common.
  • different configurations will be mainly described, and common configurations will be briefly described or description thereof will be omitted.
  • the piping system 34 is connected to the high pressure line 35 when the cold head 14 is cooled from room temperature to cryogenic temperature, and is disconnected from the high pressure line 35 when the cold head 14 is maintained at cryogenic temperature. Equipped with.
  • the first step shown in FIG. 5, involves connecting the buffer volume 70 to the high pressure line 35.
  • the third step involves disconnecting the buffer volume 70 from the high pressure line 35.
  • the buffer volume 70 includes a buffer tank 72, a connecting pipe 74 connecting the buffer tank 72 to the high pressure line 35, and a valve 76 installed in the connecting pipe 74.
  • the connection pipe 74 is branched from the high pressure pipe 39.
  • the valve 76 is configured to control the flow of working gas in the connecting pipe 74.
  • the valve 76 is controlled according to the valve control signal V input from the control device 50. That is, the valve 76 is opened/closed or its opening is adjusted according to the valve control signal V.
  • the valve 76 is communicatively coupled to the controller 50 to receive the valve control signal V.
  • the buffer tank 72 When the valve 76 is opened, the buffer tank 72 is connected to the high pressure line 35 through the connecting pipe 74, and the working gas flow between the buffer tank 72 and the high pressure line 35 is allowed. Thus, the volume of the high pressure line 35 is increased.
  • the valve 76 When the valve 76 is closed, the buffer tank 72 is disconnected from the high pressure line 35, and the working gas flow between the buffer tank 72 and the high pressure line 35 is shut off. In this way, the volume of the high pressure line 35 is reduced.
  • the control device 50 controls the valve 76 based on the temperature measured by the cold head temperature sensor 30, thereby changing the volume of the high pressure line 35.
  • the control device 50 includes a temperature comparison unit 80 and a valve control unit 82.
  • the temperature comparison section 80 is configured to compare the measured temperature of the low temperature section 14b with the temperature threshold value T0 based on the measured temperature signal T1.
  • the temperature comparison unit 80 is configured to output the result of temperature comparison to the valve control unit 82.
  • the valve control unit 82 is configured to generate the valve control signal V according to the input from the temperature comparison unit 80.
  • the valve control unit 82 opens the valve 76 when the measured temperature is higher than the temperature threshold value T0, and closes the valve 76 when the measured temperature is equal to or lower than the temperature threshold value T0.
  • the temperature threshold T0 may be, for example, a target cooling temperature of the cold head 14, and may be predetermined from a temperature range of, for example, about 4K to about 50K.
  • the control device 50 may include a storage unit 84 that stores the temperature threshold value T0.
  • valve 76 is opened in the cool down operation, and the valve 76 is closed in the normal cooling operation.
  • control device 50 may include the compressor controller 60 and execute the control process shown in FIG. 6. Therefore, when the measured temperature is higher than the temperature threshold value T0, the valve 76 is opened, the volume of the high pressure line 35 is increased, and the high pressure control is executed. When the measured temperature is equal to or lower than the temperature threshold value T0, the valve 76 is closed, the volume of the high pressure line 35 is reduced, and the differential pressure control is executed.
  • the cooldown time can be shortened as in the first embodiment.
  • FIG. 8A and FIG. 8B show another example of the buffer volume 70.
  • the buffer tank 72 may be connected not only to the high pressure line 35 but also to the low pressure line 36.
  • the valve 76 is provided in the high pressure side connection pipe 74 that connects the buffer tank 72 to the low pressure line 36.
  • the other valve 78 is provided in the low pressure side connecting pipe that connects the buffer tank 72 to the low pressure line 36.
  • the pressure in the buffer tank 72 can be returned to the initial pressure by opening the valve 78 at an appropriate time during the normal cooling operation, which is convenient.
  • the buffer volume 70 does not have to take the form of a tank.
  • the buffer volume 70 may include a buffer pipe 90 connected in parallel to the high-pressure line 35, and valves 92 and 94 provided at the inlet and outlet of the buffer pipe 90.
  • the buffer pipe 90 is connected to the high pressure line 35 by valves 92 and 94.
  • the volume of the high pressure line 35 is increased by opening the valves 92 and 94, and the volume of the high pressure line 35 is decreased by closing the valves 92 and 94.
  • the cool down operation is combined with the high pressure control, but if the circumstances permit, in the cryogenic refrigerator 10 according to the embodiment, even if the cool down operation is combined with the differential pressure control. Good.
  • the present invention can be used in the field of cryogenic refrigerator start-up methods and cryogenic refrigerators.
  • cryogenic refrigerator 10 cryogenic refrigerator, 12 compressor, 14 cold head, 30 cold head temperature sensor, 35 high pressure line, 36 low pressure line, 39 high pressure pipe, 39a 1st high pressure pipe, 39b 2nd high pressure pipe, 60 compressor controller, 70 Buffer volume.

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Abstract

極低温冷凍機（１０）の起動方法は、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と、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と、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と、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と、を備える。

Description

極低温冷凍機の起動方法、極低温冷凍機
　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。
　本発明は、極低温冷凍機の起動方法および極低温冷凍機の分野における利用が可能である。
　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 (9)

  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。
  6. 　圧縮機と、
    　コールドヘッドと、
    　前記圧縮機から前記コールドヘッドに冷媒ガスを供給する高圧ラインと、
    　前記コールドヘッドから前記圧縮機に前記冷媒ガスを回収する低圧ラインと、
    　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を測定する圧力センサと、
    　前記圧力センサによって測定された圧力に基づいて前記圧縮機の運転周波数を制御する圧縮機コントローラと、
    　前記コールドヘッドが室温から極低温に冷却されるとき前記高圧ラインに接続され、前記コールドヘッドが前記極低温に維持されるとき前記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、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。
  7. 　圧縮機と、
    　コールドヘッドと、
    　前記圧縮機から前記コールドヘッドに冷媒ガスを供給する高圧ラインと、
    　前記コールドヘッドから前記圧縮機に前記冷媒ガスを回収する低圧ラインと、
    　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を測定する圧力センサと、
    　前記圧力センサによって測定された圧力に基づいて前記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、
    　前記高圧ラインの容積が前記低圧ラインの容積より大きいことを特徴とする極低温冷凍機。
  8. 　前記圧縮機コントローラは、前記コールドヘッドが室温から極低温に冷却されるとき、前記圧力センサによって測定された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特徴とする請求項６または７に記載の極低温冷凍機。
  9. 　前記圧縮機コントローラは、前記コールドヘッドが前記極低温に維持されるとき、前記圧力センサによって測定された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特徴とする請求項８に記載の極低温冷凍機。
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