WO2022064989A1 - 極低温冷凍機、および極低温冷凍機の監視方法 - Google Patents

Abstract

極低温冷凍機１０は、定常運転と、定常運転に先行してクールダウン運転とを実行可能である。極低温冷凍機１０は、極低温冷凍機１０の膨張機１４を作動させる膨張機モータ４２と、膨張機モータ４２の運転周波数を制御するよう構成され、定常運転においてクールダウン運転に比べて低い運転周波数で膨張機モータ４２を駆動するよう動作可能なインバータ９０と、インバータ９０から膨張機モータ４２に供給される電流を測定し、電流を示すモータ電流信号を出力する電流センサ５０と、少なくとも定常運転におけるモータ電流信号に基づいて膨張機モータ４２を監視する処理部１００と、を備える。

Description

極低温冷凍機、および極低温冷凍機の監視方法

　本発明は、極低温冷凍機、および極低温冷凍機の監視方法に関する。

　従来、極低温冷凍機の起動時に冷却降下時間を短縮するために、膨張機の駆動モータの回転数をインバータによって増加させることが知られている。この起動運転ではモータ電流に異常変動が検出された場合にモータ回転数が低下され、駆動モータが保護される。

特開平３－１５２３５３号公報

　極低温冷凍機を長期にわたって運転するなかで、膨張機の駆動モータにかかる負荷は徐々に増加していく傾向にある。モータの仕様上の限界を超える負荷は、モータの脱調など異常動作や故障を生じさせ、極低温冷凍機に異音を発生させたり、極低温冷凍機の正常な運転を妨げたりする原因となりうる。

　本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、長期運転による膨張機モータの異常動作や故障を予測し又は未然に防ぐことに役立つ極低温冷凍機及びその監視方法を提供することにある。

　本発明のある態様によると、定常運転と、定常運転に先行してクールダウン運転とを実行可能な極低温冷凍機が提供される。極低温冷凍機は、極低温冷凍機の膨張機を作動させる膨張機モータと、膨張機モータの運転周波数を制御するよう構成され、定常運転においてクールダウン運転に比べて低い運転周波数で膨張機モータを駆動するよう動作可能なインバータと、インバータから膨張機モータに供給される電流を測定し、電流を示すモータ電流信号を出力する電流センサと、少なくとも定常運転におけるモータ電流信号に基づいて膨張機モータを監視する処理部と、を備える。

　本発明のある態様によると、極低温冷凍機の監視方法が提供される。極低温冷凍機は、定常運転と、定常運転に先行してクールダウン運転とを実行可能であり、極低温冷凍機の膨張機を作動させる膨張機モータと、膨張機モータの運転周波数を制御するよう構成され、定常運転においてクールダウン運転に比べて低い運転周波数で膨張機モータを駆動するよう動作可能なインバータとを備える。この方法は、インバータから膨張機モータに供給される電流を測定することと、少なくとも定常運転における膨張機モータの電流に基づいて膨張機モータを監視することと、を備える。

　本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、極低温冷凍機の膨張機を作動させる膨張機モータと、膨張機モータの運転周波数を制御するよう構成されるインバータと、インバータまたは膨張機モータの消費電力を示す消費電力信号に基づいて膨張機モータを監視する処理部と、を備える。

　本発明のある態様によると、極低温冷凍機の監視方法が提供される。極低温冷凍機は、極低温冷凍機の膨張機を作動させる膨張機モータと、膨張機モータの運転周波数を制御するよう構成されるインバータとを備える。この方法は、インバータまたは膨張機モータの消費電力を取得することと、取得された消費電力に基づいて膨張機モータを監視することと、を備える。

　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、長期運転による膨張機モータの異常動作や故障を予測し又は未然に防ぐことに役立つ極低温冷凍機及びその監視方法を提供することができる。

実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。 実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。 膨張機モータに流れる電流の実効値と負荷デューティの関係を複数の運転周波数の値について測定した結果を示すグラフである。 実施の形態に係る膨張機モータの運転周波数と電流しきい値の関係の一例を示す。 実施の形態に係るモータ監視装置のブロック図である。 実施の形態に係る極低温冷凍機の監視方法を示すフローチャートである。 実施の形態に係るモータ監視装置のブロック図である。 インバータの消費電力と負荷デューティの関係を複数の運転周波数の値について示すグラフである。 他の実施の形態に係るモータ監視装置のブロック図である。 他の実施の形態に係る極低温冷凍機の監視方法を示す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。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、実施の形態に係る極低温冷凍機１０を概略的に示す図である。図１には、極低温冷凍機１０の外観を示し、図２には、極低温冷凍機１０の内部構造を示す。極低温冷凍機１０は、一例として、二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機である。

　極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と膨張機１４とを備える。詳細は後述するが、極低温冷凍機１０は、膨張機１４を作動させる膨張機モータ４２を監視する監視装置を備え、この監視装置は、電流センサ５０と処理部１００とを備える。

　圧縮機１２は、極低温冷凍機１０の作動ガスを膨張機１４から回収し、回収した作動ガスを昇圧して、再び作動ガスを膨張機１４に供給するよう構成されている。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。

　なお、一般に、圧縮機１２から膨張機１４に供給される作動ガスの圧力と、膨張機１４から圧縮機１２に回収される作動ガスの圧力は、ともに大気圧よりかなり高く、それぞれ第１高圧及び第２高圧と呼ぶことができる。説明の便宜上、第１高圧及び第２高圧はそれぞれ単に高圧及び低圧とも呼ばれる。典型的には、高圧は例えば２～３ＭＰａである。低圧は例えば０．５～１．５ＭＰａであり、例えば約０．８ＭＰａである。理解のために、作動ガスの流れる方向を矢印で示す。

　圧縮機１２は、圧縮機本体２２と、圧縮機本体２２を収容する圧縮機筐体２３とを備える。圧縮機１２は、圧縮機ユニットとも称される。

　圧縮機本体２２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２２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２２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２２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２２は、圧縮カプセルと称されることもある。

　圧縮機１２は、圧縮機１２を制御する圧縮機コントローラ２４を備えてもよい。圧縮機コントローラ２４は、圧縮機１２のみを制御するだけでなく、極低温冷凍機１０を統合的に制御してもよく、たとえば、膨張機１４（たとえば膨張機モータ４２）も制御してもよい。圧縮機コントローラ２４は、圧縮機１２に取り付けられていてもよく、例えば、圧縮機筐体２３の外表面に設置され、圧縮機筐体２３に収容されていてもよい。あるいは、圧縮機コントローラ２４は、圧縮機１２から離れて配置され、たとえば制御信号線により、圧縮機１２と接続されていてもよい。

　膨張機１４は、冷凍機シリンダ１６と、ディスプレーサ組立体１８とを備える。冷凍機シリンダ１６は、ディスプレーサ組立体１８の直線往復運動をガイドするとともに、ディスプレーサ組立体１８との間に作動ガスの膨張室（３２、３４）を形成する。また、膨張機１４は、膨張室への作動ガスの吸気開始タイミングおよび膨張室からの作動ガスの排気開始タイミングを定める圧力切替バルブ４０を備える。

　本書では、極低温冷凍機１０の構成要素間の位置関係を説明するために、便宜上、ディスプレーサの軸方向往復動の上死点に近い側を「上」、下死点に近い側を「下」と表記することとする。上死点は膨張空間の容積が最大となるディスプレーサの位置であり、下死点は膨張空間の容積が最小となるディスプレーサの位置である。極低温冷凍機１０の運転時には軸方向上方から下方へと温度が下がる温度勾配が生じるので、上側を高温側、下側を低温側と呼ぶこともできる。

　冷凍機シリンダ１６は、第１シリンダ１６ａ、第２シリンダ１６ｂを有する。第１シリンダ１６ａと第２シリンダ１６ｂは、一例として、円筒形状を有する部材であり、第２シリンダ１６ｂが第１シリンダ１６ａよりも小径である。第１シリンダ１６ａと第２シリンダ１６ｂは同軸に配置され、第１シリンダ１６ａの下端が第２シリンダ１６ｂの上端に剛に連結されている。

　ディスプレーサ組立体１８は、互いに連結された第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂを備え、これらは一体に移動する。第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂは、一例として、円筒形状を有する部材であり、第２ディスプレーサ１８ｂが第１ディスプレーサ１８ａよりも小径である。第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂは同軸に配置されている。

　第１ディスプレーサ１８ａは、第１シリンダ１６ａに収容され、第２ディスプレーサ１８ｂは、第２シリンダ１６ｂに収容されている。第１ディスプレーサ１８ａは、第１シリンダ１６ａに沿って軸方向に往復移動可能であり、第２ディスプレーサ１８ｂは、第２シリンダ１６ｂに沿って軸方向に往復移動可能である。

　図２に示されるように、第１ディスプレーサ１８ａは、第１蓄冷器２６を収容する。第１蓄冷器２６は、第１ディスプレーサ１８ａの筒状の本体部の中に、例えば銅などの金網またはその他適宜の第１蓄冷材を充填することによって形成されている。第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部および下蓋部は第１ディスプレーサ１８ａの本体部とは別の部材として提供されてもよく、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部および下蓋部は、締結、溶接など適宜の手段で本体に固定され、それにより第１蓄冷材が第１ディスプレーサ１８ａに収容されてもよい。

　同様に、第２ディスプレーサ１８ｂは、第２蓄冷器２８を収容する。第２蓄冷器２８は、第２ディスプレーサ１８ｂの筒状の本体部の中に、例えばビスマスなどの非磁性蓄冷材、ＨｏＣｕ_２などの磁性蓄冷材、またはその他適宜の第２蓄冷材を充填することによって形成されている。第２蓄冷材は粒状に成形されていてもよい。第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部および下蓋部は第２ディスプレーサ１８ｂの本体部とは別の部材として提供されてもよく、第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部の下蓋部は、締結、溶接など適宜の手段で本体に固定され、それにより第２蓄冷材が第２ディスプレーサ１８ｂに収容されてもよい。

　ディスプレーサ組立体１８は、室温室３０、第１膨張室３２、第２膨張室３４を冷凍機シリンダ１６の内部に形成する。極低温冷凍機１０によって冷却すべき所望の物体または媒体との熱交換のために、膨張機１４は、第１冷却ステージ３３と第２冷却ステージ３５を備える。室温室３０は、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部と第１シリンダ１６ａの上部との間に形成される。第１膨張室３２は、第１ディスプレーサ１８ａの下蓋部と第１冷却ステージ３３との間に形成される。第２膨張室３４は、第２ディスプレーサ１８ｂの下蓋部と第２冷却ステージ３５との間に形成される。第１冷却ステージ３３は、第１膨張室３２を取り囲むように第１シリンダ１６ａの下部に固着され、第２冷却ステージ３５は、第２膨張室３４を取り囲むように第２シリンダ１６ｂの下部に固着されている。

　第１蓄冷器２６は、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部に形成された作動ガス流路３６ａを通じて室温室３０に接続され、第１ディスプレーサ１８ａの下蓋部に形成された作動ガス流路３６ｂを通じて第１膨張室３２に接続されている。第２蓄冷器２８は、第１ディスプレーサ１８ａの下蓋部から第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部へと形成された作動ガス流路３６ｃを通じて第１蓄冷器２６に接続されている。また、第２蓄冷器２８は、第２ディスプレーサ１８ｂの下蓋部に形成された作動ガス流路３６ｄを通じて第２膨張室３４に接続されている。

　第１膨張室３２、第２膨張室３４と室温室３０との間の作動ガス流れが、冷凍機シリンダ１６とディスプレーサ組立体１８との間のクリアランスではなく、第１蓄冷器２６、第２蓄冷器２８に導かれるようにするために、第１シール３８ａ、第２シール３８ｂが設けられていてもよい。第１シール３８ａは、第１ディスプレーサ１８ａと第１シリンダ１６ａとの間に配置されるように第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部に装着されてもよい。第２シール３８ｂは、第２ディスプレーサ１８ｂと第２シリンダ１６ｂとの間に配置されるように第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部に装着されてもよい。

　図１に示されるように、膨張機１４は、圧力切替バルブ４０を収容する冷凍機ハウジング２０を備える。冷凍機ハウジング２０は、冷凍機シリンダ１６と結合され、それにより、圧力切替バルブ４０およびディスプレーサ組立体１８を収容する気密容器が構成される。

　圧力切替バルブ４０は、図２に示されるように、高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂを備え、冷凍機シリンダ１６内に周期的圧力変動を発生させるように構成されている。圧縮機１２の作動ガス吐出口が高圧バルブ４０ａを介して室温室３０に接続され、圧縮機１２の作動ガス吸入口が低圧バルブ４０ｂを介して室温室３０に接続されている。高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂは、選択的かつ交互に開閉するように（すなわち、一方が開いているとき他方が閉じるように）構成されている。

　圧力切替バルブ４０は、ロータリーバルブの形式をとってもよい。すなわち、圧力切替バルブ４０は、静止したバルブ本体に対するバルブディスクの回転摺動によって高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂが交互に開閉されるように構成されていてもよい。その場合、膨張機モータ４２が圧力切替バルブ４０のバルブディスクを回転させるように圧力切替バルブ４０に連結されていてもよい。たとえば、圧力切替バルブ４０は、バルブ回転軸が膨張機モータ４２の回転軸と同軸となるように配置される。

　あるいは、高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂはそれぞれ個別に制御可能なバルブであってもよく、その場合、圧力切替バルブ４０は、膨張機モータ４２に連結されていなくてもよい。

　膨張機１４は、膨張機モータ４２と運動変換機構４３とを備える。膨張機モータ４２は、冷凍機ハウジング２０に取り付けられている。運動変換機構４３は、圧力切替バルブ４０と同様に、冷凍機ハウジング２０に収容されている。

　膨張機モータ４２は、たとえばスコッチヨーク機構などの運動変換機構４３を介してディスプレーサ駆動軸４４に連結されている。運動変換機構４３は、膨張機モータ４２が出力する回転運動をディスプレーサ駆動軸４４の直線往復運動に変換する。ディスプレーサ駆動軸４４は、運動変換機構４３から室温室３０の中へと延び、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部に固定されている。膨張機モータ４２の回転は運動変換機構４３によってディスプレーサ駆動軸４４の軸方向往復動に変換され、ディスプレーサ組立体１８は冷凍機シリンダ１６内を軸方向に直線的に往復する。

　ところで、極低温冷凍機１０は、商用電源（三相交流電源）などの電源４６から給電される。電源４６は給電配線４８により圧縮機１２および膨張機モータ４２に接続される。膨張機モータ４２は、圧縮機１２を介して電源４６に接続されているから、圧縮機１２を膨張機モータ４２の電源とみなすこともできる。なお、圧縮機１２と膨張機モータ４２はそれぞれ個別の電源に接続されてもよい。

　膨張機モータ４２は、たとえば、三相交流で駆動する永久磁石型モータである。膨張機モータ４２の運転周波数は、インバータ９０によって制御される。インバータ９０は、給電配線４８上に設置されている。膨張機モータ４２は、インバータ９０の出力周波数に等しい膨張機モータ４２の運転周波数に応じた回転数で動作することができる。一例として、インバータ９０の出力周波数は、３０Ｈｚから１００Ｈｚの範囲、または４０Ｈｚから７０Ｈｚの範囲で変化しうる。

　電流センサ５０は、極低温冷凍機１０の少なくとも定常運転においてインバータ９０から膨張機モータ４２に供給される電流を測定するように膨張機モータ４２に接続されている。電流センサ５０は、インバータ９０と膨張機モータ４２の間で給電配線４８上に設置されている。

　また、電流センサ５０は、測定した電流を示すモータ電流信号Ｓ１を処理部１００に出力するように構成されている。モータ電流信号Ｓ１は、膨張機モータ４２に供給される電流の実効値を表すものであってもよい。電流センサ５０は、有線または無線により処理部１００に通信可能に接続されている。電流センサ５０は、膨張機モータ４２に流れる三相電流を個別に同時に計測する三相電流計であってもよく、または、膨張機モータ４２に流れる電流を計測するその他の形式の電流センサであってもよい。例えば、電流センサ５０は、インバータ９０から膨張機モータ４２に出力される三相電流を個別に同時に計測し、モータ電流信号Ｓ１として例えば、計測された三相の電流それぞれの大きさを示す電圧信号を処理部１００に出力するように構成されてもよい。モータ電流信号Ｓ１は、極低温冷凍機１０の運転中に膨張機モータ４２に流れる電流の時間変化を示す電流波形データであってもよい。

　インバータ９０は、インバータ９０の出力周波数（すなわち膨張機モータ４２の運転周波数）を示す出力周波数情報Ｓ２を処理部１００に出力するように構成されている。あるいは、処理部１００がインバータ９０から出力周波数情報Ｓ２を受け取ることに代えて、処理部１００は、電流センサ５０から入力されるモータ電流信号Ｓ１から出力周波数情報Ｓ２を演算してもよい。例えば、処理部１００は、膨張機モータ４２に流れる電流の波形から単位時間あたりの電流ピークの数をカウントすることによって、膨張機モータ４２の運転周波数を演算してもよい。あるいは、インバータ９０が電流センサ５０を備えてもよく（インバータ９０が出力電流を測定する機能を有してもよく）、処理部１００は、インバータ９０からモータ電流信号Ｓ１を取得してもよい。モータ電流信号Ｓ１としては、膨張機モータ４２を制御するためにインバータ９０が出力する電流の実効値の信号が使用されてもよい。

　処理部１００は、電流センサ５０（またはインバータ９０）からモータ電流信号Ｓ１を受け、極低温冷凍機１０の少なくとも定常運転におけるモータ電流信号Ｓ１に基づいて膨張機モータ４２を監視するように構成されている。処理部１００の詳細は後述する。

　図示される例では、電流センサ５０、インバータ９０および処理部１００は、圧縮機コントローラ２４に内蔵され、圧縮機１２に設けられているが、その限りでない。電流センサ５０、インバータ９０および処理部１００は、膨張機モータ４２に搭載される等、膨張機１４に設けられてもよく、または、給電配線４８上のその他の場所に設けられてもよい。

　極低温冷凍機１０は、圧縮機１２および膨張機モータ４２が運転されるとき、第１膨張室３２および第２膨張室３４において周期的な容積変動とこれに同期した作動ガスの圧力変動を発生させる。典型的には、吸気工程においては、低圧バルブ４０ｂが閉じ高圧バルブ４０ａが開くことによって、高圧の作動ガスが圧縮機１２から高圧バルブ４０ａを通じて室温室３０に流入し、第１蓄冷器２６を通じて第１膨張室３２に供給され、第２蓄冷器２８を通じて第２膨張室３４に供給される。こうして、第１膨張室３２、第２膨張室３４は低圧から高圧へと昇圧される。このとき、ディスプレーサ組立体１８が下死点から上死点へと上動され第１膨張室３２と第２膨張室３４の容積が増加される。高圧バルブ４０ａが閉じると吸気工程は終了する。

　排気工程においては、高圧バルブ４０ａが閉じ低圧バルブ４０ｂが開くことによって、高圧の第１膨張室３２、第２膨張室３４が圧縮機１２の低圧の作動ガス吸入口に開放されるので、作動ガスが第１膨張室３２、第２膨張室３４で膨張し、その結果低圧となった作動ガスが第１膨張室３２、第２膨張室３４から第１蓄冷器２６、第２蓄冷器２８を通じて室温室３０へと排出される。このとき、ディスプレーサ組立体１８が上死点から下死点へと下動され第１膨張室３２と第２膨張室３４の容積が減少される。作動ガスは膨張機１４から低圧バルブ４０ｂを通じて圧縮機１２に回収される。低圧バルブ４０ｂが閉じると排気工程は終了する。

　このようにして、たとえばＧＭサイクルなどの冷凍サイクルが構成され、第１冷却ステージ３３および第２冷却ステージ３５が所望の極低温に冷却される。第１冷却ステージ３３は、例えば約２０Ｋ～約４０Ｋの範囲にある第１冷却温度に冷却されることができる。第２冷却ステージ３５は、第１冷却温度より低い第２冷却温度（例えば、約１Ｋ～約４Ｋ）に冷却されることができる。

　極低温冷凍機１０は、定常運転と、定常運転に先行してクールダウン運転とを実行可能である。クールダウン運転は、極低温冷凍機１０の起動時に室温から極低温に急速に冷却する運転モードであり、定常運転は、クールダウン運転によって極低温に冷却された状態を維持する極低温冷凍機１０の運転モードである。極低温冷凍機１０は、クールダウン運転によって標準冷却温度に冷却され、定常運転ではこの標準冷却温度を含む極低温の許容温度範囲内に維持される。標準冷却温度は、極低温冷凍機１０の用途と設定に応じて異なるが、例えば超伝導装置の冷却用途では典型的に、約４．２Ｋ以下である。ある他の冷却用途では、標準冷却温度は、例えば約１０Ｋ～２０Ｋ、または１０Ｋ以下であってもよい。

　クールダウン運転から定常運転への切替は、極低温冷凍機１０を制御するコントローラ（例えば圧縮機コントローラ２４）によって制御される。極低温冷凍機１０は、第２冷却ステージ３５（及び／または第１冷却ステージ３３）の温度を測定し、測定温度を示す測定温度信号を出力する温度センサ５２を備えてもよい。圧縮機コントローラ２４は、温度センサ５２からの測定温度信号に基づいて、第２冷却ステージ３５の測定温度を標準冷却温度（または上述の許容温度範囲）と比較し、測定温度が標準冷却温度より高い場合にはクールダウン運転を実行し、測定温度が標準冷却温度以下の場合にはクールダウン運転から定常運転に移行してもよい。

　インバータ９０は、定常運転においてクールダウン運転に比べて低い運転周波数で膨張機モータ４２を駆動するよう動作可能である。例えば、インバータ９０は、コントローラ（例えば圧縮機コントローラ２４）による制御のもとで、クールダウン運転では予め定められた第１運転周波数で膨張機モータ４２を駆動し、定常運転では予め定められた第２運転周波数で膨張機モータ４２を駆動してもよい。ただし、第２運転周波数は、第１運転周波数より低い。コントローラは、温度センサ５２からの測定温度信号と予め定められた運転周波数プロファイルに基づいて膨張機モータ４２を制御してもよく、運転周波数プロファイルは、測定温度が高いほど高い運転周波数を与えるように定められていてもよい。

　あるいは、コントローラ（例えば圧縮機コントローラ２４）は、温度センサ５２からの測定温度信号に基づいて、標準冷却温度からの測定温度の偏差を最小化するように（例えばＰＩＤ制御などフィードバック制御により）インバータ９０の出力周波数を制御してもよい。したがって、温度センサ５２の測定温度が標準冷却温度よりも高い場合には膨張機モータ４２の運転周波数が増加され、温度センサ５２の測定温度が標準冷却温度よりも低い場合には膨張機モータ４２の運転周波数が減少される。よって、クールダウン運転においては、当初の測定温度は室温であり、このとき膨張機モータ４２の運転周波数はかなり高く、それにより急速な冷却が可能になる。標準冷却温度に向けて降温するにつれて運転周波数は低下していく。定常運転においては、例えば周囲からの熱侵入など外乱により測定温度が標準冷却温度よりも高まったときには膨張機モータ４２の運転周波数が増加されて標準冷却温度へと再び冷却される。逆に、例えば熱負荷の減少などに伴って測定温度が標準冷却温度よりも低くなったときには膨張機モータ４２の運転周波数が減少されて標準冷却温度に戻される。過剰な冷却を避け、標準冷却温度を維持することができる。

　ところで、極低温冷凍機１０を長期にわたって運転するなかで、膨張機モータ４２にかかる負荷は徐々に増加していく傾向にある。その要因としては、例えば、圧縮機１２内の潤滑油や蓄冷材などに由来する様々な微粒子が膨張機１４内に蓄積され、それにより膨張機１４内の圧力損失が高まり、作動ガスの膨張室への流出入により膨張機モータ４２にかかる負荷が長期的に徐々に増加することが挙げられる。そのほかに、膨張機１４内のディスプレーサに水分が吸収され、それによりディスプレーサが膨張機１４内でわずかに膨張してシリンダとのクリアランスが小さくなり、ディスプレーサの摺動抵抗が高まることも挙げられる。

　膨張機モータ４２の駆動負荷がこのように高まることによって、モータの仕様上の限界（例えば瞬時最大トルクまたはその他の定格トルク）を超える負荷トルクが膨張機モータ４２にかかるリスクが高まる。膨張機モータ４２の仕様上の限界を超える負荷は、膨張機モータ４２の脱調など異常動作や故障を生じさせ、膨張機１４に異音を発生させたり、膨張機１４の正常な運転を妨げたりする原因となりうる。

　膨張機モータ４２に流れる電流を監視し、膨張機モータ４２の異常に伴う電流の異常変動を検出することによって、膨張機モータ４２の異常発生を把握することができる。しかし、インバータ９０によって膨張機モータ４２の運転周波数（回転数）が制御される場合には、膨張機モータ４２に異常が起こったときだけでなく、正常な動作中に運転周波数が変更されたときにもモータ電流は変動する。また、膨張機１４が強磁場環境に設置される場合のように、膨張機モータ４２に外部磁場が働く場合にも、磁場の大きさに応じてモータ電流は変動しうる。インバータ９０への入力電圧が変動した場合にも、モータ電流は変動しうる。膨張機モータ４２の様々な動作条件によってモータ電流は変動しうるので、膨張機モータ４２の異常に伴う電流の異常変動と、膨張機モータ４２の正常な動作中の動作条件の変化に起因する電流の変動を見分けることは、必ずしも容易ではない。

　図３は、膨張機モータ４２に流れる電流の実効値と負荷デューティの関係を複数の運転周波数の値について測定した結果を示すグラフである。縦軸には、インバータ９０から膨張機モータ４２に供給され、電流センサ５０によって測定される電流の実効値が示される。横軸に示される負荷デューティは、膨張機モータ４２に許容される最大の負荷トルク（例えば瞬時最大トルク）に対して膨張機モータ４２に実際に働く負荷トルクの比（％）を示す。よって、負荷デューティが１００％を超えるとき、膨張機モータ４２に脱調などの異常動作が現実に起こるか又はその蓋然性が高い。

　図３から理解されるように、ある所与の負荷デューティ（どの値でもよいが、例えば９０％）について、運転周波数が４０Ｈｚの場合と５０Ｈｚの場合で、モータ電流値はほぼ同じであるようにインバータで制御されている。このように、運転周波数の値が比較的低い場合には、モータ電流値に運転周波数依存性はほとんど見られない。一方、図３の例では、運転周波数が５０Ｈｚから７０Ｈｚの範囲で、運転周波数の値が高くなるにつれてモータ電流値は小さくなっている。このように、運転周波数の値が比較的高い場合には、モータ電流値に運転周波数依存性が見られ、運転周波数の値に応じてモータ電流値が異なる場合がある。

　今度は、ある所与の運転周波数について、負荷デューティが変化するときのモータ電流値の変化を見る。どの運転周波数の値についても、モータ電流値はそれぞれ異なるが、負荷デューティが大きくなるにつれてモータ電流値が増加傾向にあることがわかる。

　したがって、ある運転周波数の値（例えば６０Ｈｚ）について、負荷デューティが１００％より小さくかつ十分に大きいとき（例えば９０％～９８％）のモータ電流値を電流しきい値として使用することができる。この電流しきい値を超える電流が膨張機モータ４２に流れるとき（すなわち電流センサ５０によって測定されるとき）、膨張機モータ４２に当該負荷デューティ相応の大きな負荷がかかっていることになる。これを膨張機モータ４２の異常動作の発生の予測とみなし、例えば警告を発する、運転周波数を低下させる、極低温冷凍機１０の運転を停止する等、異常動作の発生を未然に防ぐように対処することができる。

　しかし、より高い運転周波数の値（例えば７０Ｈｚ）で膨張機モータ４２が駆動されるときには、モータ電流値は、上述の６０Ｈｚのときに比べてかなり小さくなり、６０Ｈｚ用に設定した電流しきい値には達しない。よって、膨張機モータ４２の７０Ｈｚ運転におけるモータ電流値を６０Ｈｚ用のしきい値と比較しても、膨張機モータ４２の異常発生予測に有効な結果は得られない。反対に、より低い運転周波数の値（例えば５０Ｈｚ）で膨張機モータ４２が駆動されるときには、モータ電流値は、上述の６０Ｈｚのときに比べてかなり大きくなり、相当に小さい負荷デューティであっても、６０Ｈｚ用に設定した電流しきい値を超えてしまう。やはり、膨張機モータ４２の５０Ｈｚ運転におけるモータ電流値を６０Ｈｚ用のしきい値と比較しても、膨張機モータ４２の異常発生予測に有効な結果は得られない。

　そのため、インバータ９０によって膨張機モータ４２の運転周波数が制御される場合には、１つの電流しきい値を設定するだけでは、膨張機モータ４２に流れる電流を監視することによって膨張機モータ４２の異常動作や故障を予測し又は未然に防ぐことは、困難である。そこで、実施の形態では、膨張機モータ４２の運転周波数の複数の値それぞれに電流しきい値が設定される。図４には、このような複数の電流しきい値が例示される。

　図４は、実施の形態に係る膨張機モータ４２の運転周波数と電流しきい値の関係の一例を示す。図４には、図３に示される運転周波数に応じたモータ電流値と負荷デューティの関係を、特定の負荷デューティの値（具体的には、負荷デューティ９０％と９５％）について示したものである。したがって、上述のように、運転周波数が比較的低いときには（図４では、４０Ｈｚから５０Ｈｚの運転周波数範囲では）、モータ電流値はほぼ一定である。運転周波数が比較的高いときには（図４では、５０Ｈｚから７０Ｈｚの運転周波数範囲では）、運転周波数の値が増加するにつれてモータ電流値は低下する。図４から理解されるように、負荷デューティの値が増加すれば、モータ電流値は増加する。

　図４に示される膨張機モータ４２の運転周波数と電流しきい値の関係は、後述する運転周波数・電流しきい値テーブル６２の一例として使用されてもよい。運転周波数の値と測定されるモータ電流値の組み合わせが、グラフより上側の領域にある場合（つまり、膨張機モータ４２が当該運転周波数で駆動され、このとき電流センサ５０によって測定される当電流値が該運転周波数に対応する電流しきい値を超える場合）には、膨張機モータ４２の異常動作の発生が予測されるものとみなすことができる。運転周波数の値と測定されるモータ電流値の組み合わせが、グラフより下側の領域にある場合には、測定される電流値が電流しきい値を超えないから、異常は起こらないとみなすことができる。

　このようにして、膨張機モータ４２の運転周波数の複数の値に複数の電流しきい値をそれぞれ対応付けることによって、インバータ９０によって膨張機モータ４２の運転周波数が制御される場合であっても、脱調など異常動作が現実に起こるか又はその蓋然性が高いことを良好に判定することができる。よって、膨張機モータ４２のそうした異常動作を未然に防ぐよう対処することができる。

　極低温冷凍機１０の用途によっては（例えば超伝導電磁石の冷却に使用される場合など）、膨張機１４が強磁場環境に設置され使用されることがある。このような場合に膨張機モータ４２に働く外部磁場は、膨張機モータ４２の動作に影響し、膨張機モータ４２に流れる電流を変動させうる。本発明者の検討によると、モータ電流値は、所与の運転周波数で所与の負荷デューティのもとで、外部磁場が増加するにつれて増加する傾向にある。とくに、膨張機モータ４２が永久磁石型モータの場合には、そうした傾向にある。例示的な動作条件として運転周波数が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚで負荷デューティが９０％以上のとき、モータ電流値は、外部磁場が０ガウスの場合に比べて、外部磁場が５００ガウスの場合、例えばおよそ５％～１０％増加しうる。

　また、典型的に、極低温冷凍機１０の仕様上、電源４６からインバータ９０への入力電圧にはある程度（例えば±１０％程度）の変動が許容されている。インバータ９０への入力電圧が変動した場合にも、膨張機モータ４２に流れる電流は変動しうる。本発明者の検討によると、モータ電流値は、所与の運転周波数で所与の負荷デューティのもとで、電源４６の規定の電圧値（例えば２００Ｖ）より低い電圧値からこの規定の電圧値へと入力電圧が増加するにつれて、増加する傾向にある。

　したがって、膨張機モータ４２の運転周波数だけでなく、外部磁場、入力電圧など膨張機モータ４２のその他の動作条件についても、当該動作条件の複数の値に複数の電流しきい値をそれぞれ対応付けることによって、膨張機モータ４２の異常動作が起こりうることを良好に判定し、これを未然に防ぐよう対処することができる。

　図５は、実施の形態に係るモータ監視装置のブロック図である。この監視装置は、処理部１００を備え、処理部１００は、電流しきい値設定部６０と比較部７０とを備える。電流しきい値設定部６０は、運転周波数・電流しきい値テーブル６２、外部磁場・電流しきい値テーブル６４、および入力電圧・電流しきい値テーブル６６を備える。監視装置は、監視結果を示す情報を視覚的に通知する通知手段８０を備えてもよく、通知手段８０はたとえばディスプレイ８２を含みうる。通知手段８０は、スピーカーなど音声により診断結果を通知するものであってもよい。通知手段８０は、インターネットなどネットワークを介して遠隔の機器に診断結果を送信してもよい。

　処理部１００は、少なくとも定常運転におけるモータ電流信号Ｓ１に基づいて膨張機モータ４２を監視するように構成される。そこで、処理部１００は、極低温冷凍機１０の現在の運転モードを示す情報をコントローラ（例えば圧縮機コントローラ２４）から取得し、または温度センサ５２からの測定温度信号Ｓ３に基づいて現在の運転モードを判定してもよく、現在の運転モードが定常運転である場合にモータ電流信号Ｓ１に基づいて膨張機モータ４２を監視してもよい。これに加えて又はこれに代えて、処理部１００は、現在の運転モードがクールダウン運転である場合にモータ電流信号Ｓ１に基づいて膨張機モータ４２を監視してもよい。

　処理部１００は、膨張機モータ４２の動作条件に基づいて電流しきい値Ｔｈを取得し、モータ電流信号Ｓ１に基づいて膨張機モータ４２の電流（例えば電流の実効値）を電流しきい値Ｔｈと比較することによって膨張機モータ４２を監視するように構成される。そのため、電流しきい値設定部６０は、運転周波数・電流しきい値テーブル６２、外部磁場・電流しきい値テーブル６４、および入力電圧・電流しきい値テーブル６６のうち少なくとも１つの電流しきい値テーブルを使用して、膨張機モータ４２の動作条件（例えば、モータ電流信号Ｓ１、出力周波数情報Ｓ２、外部磁場の大きさ、インバータ９０への入力電圧など）に基づいて電流しきい値Ｔｈを取得する。

　運転周波数・電流しきい値テーブル６２は、膨張機モータ４２の運転周波数の複数の値に複数の電流しきい値をそれぞれ対応付けるものであり、外部磁場・電流しきい値テーブル６４は、膨張機モータ４２に加わる外部磁場の複数の値に複数の電流しきい値をそれぞれ対応付けるものであり、入力電圧・電流しきい値テーブル６６は、インバータ９０への入力電圧の複数の値に複数の電流しきい値をそれぞれ対応付けるものである。運転周波数・電流しきい値テーブル６２、外部磁場・電流しきい値テーブル６４、および入力電圧・電流しきい値テーブル６６は、予め設定され、処理部１００に保存されている。これら電流しきい値テーブルは、設計者の経験的知見または設計者による実験やシミュレーション等に基づき適宜設定することが可能である。

　例えば、電流しきい値設定部６０は、運転周波数・電流しきい値テーブル６２と膨張機モータ４２の運転周波数の値に基づいて当該運転周波数の値に対応する電流しきい値Ｔｈを取得するように構成される。

　例えば図４に示されるように、運転周波数・電流しきい値テーブル６２は、インバータ９０によって制御可能な膨張機モータ４２の運転周波数の範囲の少なくとも一部（例えば当該範囲のうち高周波数側の領域）において、運転周波数が増加するほど電流しきい値が減少するように、膨張機モータ４２の運転周波数の複数の値に複数の電流しきい値をそれぞれ対応付けてもよい。

　また、運転周波数・電流しきい値テーブル６２は、膨張機モータ４２の運転周波数の複数の値の各々について、膨張機モータ４２に許容される最大の負荷トルクに対して所定量小さい負荷トルクが膨張機モータ４２に働くとき（すなわち所定値の負荷デューティのとき）当該運転周波数の値のもとでの膨張機モータ４２の電流値を電流しきい値として当該運転周波数の値に対応付けてもよい。所定値の負荷デューティは、例えば８０％以上１００％未満の範囲、または９０％以上９８％以下の範囲から選択されてもよい。

　複数の運転周波数・電流しきい値テーブル６２が予め設定されてもよく、これら複数の運転周波数・電流しきい値テーブル６２がそれぞれ、複数の異なる負荷デューティの値に対応付けられてもよい。電流しきい値設定部６０は、複数の運転周波数・電流しきい値テーブル６２から選択された運転周波数・電流しきい値テーブル６２と膨張機モータ４２の運転周波数の値に基づいて当該運転周波数の値に対応する電流しきい値Ｔｈを取得してもよい。

　電流しきい値設定部６０は、外部磁場・電流しきい値テーブル６４と膨張機モータ４２に加わる外部磁場の値に基づいて当該外部磁場の値に対応する電流しきい値Ｔｈを取得するように構成されてもよい。外部磁場の値は、極低温冷凍機１０（例えば膨張機１４）に搭載され、またはその近傍に設置された磁場センサ５４によって測定されてもよく、この測定された外部磁場の値が処理部１００に入力され、電流しきい値設定部６０で使用されてもよい。

　あるいは、処理部１００は、モータ電流信号Ｓ１に基づいて膨張機モータ４２に加わる外部磁場の推定値を取得し、外部磁場・電流しきい値テーブル６４と膨張機モータ４２に加わる外部磁場の推定値に基づいて外部磁場の推定値に対応する電流しきい値Ｔｈを取得するように構成されてもよい。本発明者の検討によると、膨張機モータ４２に流れる三相の電流波形は、外部磁場が働かないか又は外部磁場が十分小さければ対称性を有するのに対し、外部磁場が増加するにつれて三相の電流波形の非対称性が拡大する傾向にある。この非対称性としては、例えば、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）間での電流波形のピーク値のずれが挙げられる。とくに、膨張機モータ４２のコイル配線がスター結線である場合には、不平衡電流の発生により、外部磁場に応じた電流波形の非対称性の拡大傾向が顕著となりうる。例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電流波形のピークのうち最大値、または最小値、または最大値と最小値の差などのモータ電流信号Ｓ１から演算されうる外部磁場起因パラメータに基づいて、モータ電流信号Ｓ１から膨張機モータ４２の外部磁場の推定値を取得することができる。

　電流しきい値設定部６０は、入力電圧・電流しきい値テーブル６６とインバータ９０への入力電圧の値に基づいて当該入力電圧の値に対応する電流しきい値Ｔｈを取得するように構成されてもよい。インバータ９０への入力電圧の値を示す情報が、インバータ９０から処理部１００に入力され、電流しきい値設定部６０で使用されてもよい。

　複数の外部磁場・電流しきい値テーブル６４が予め設定されてもよく、これら複数の外部磁場・電流しきい値テーブル６４がそれぞれ、複数の異なる運転周波数の値に対応付けられてもよい。すなわち、例えば、第１および第２の外部磁場・電流しきい値テーブル６４が予め設定され、第１の外部磁場・電流しきい値テーブル６４は、第１の運転周波数の値（例えば７０Ｈｚ）で膨張機モータ４２が駆動される場合に使用され、第２の外部磁場・電流しきい値テーブル６４は、第１の運転周波数の値とは異なる第２の運転周波数の値（例えば６０Ｈｚ）で膨張機モータ４２が駆動される場合に使用されてもよい。同様に、複数の入力電圧・電流しきい値テーブル６６が予め設定されてもよく、これら複数の入力電圧・電流しきい値テーブル６６がそれぞれ、複数の異なる運転周波数の値に対応付けられてもよい。

　比較部７０は、モータ電流信号Ｓ１に基づいて、膨張機モータ４２の電流（例えば電流の実効値）を取得された電流しきい値Ｔｈと比較し、比較結果に基づいて監視結果データＤ１を生成する。監視結果データＤ１は、通知手段８０に送られ、監視結果は、たとえばディスプレイ８２に表示することによって、ユーザーに通知される。膨張機モータ４２の異常動作発生が予測される場合、通知手段８０は、アラーム音でユーザーに通知してもよい。このように直ちに通知する代わりに（または、通知するとともに）、監視結果データＤ１は、必要に応じてユーザーに提示することができるように、処理部１００に蓄積されてもよい。

　処理部１００の内部構成は、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。

　たとえば、処理部１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マイコンなどのプロセッサ（ハードウェア）と、プロセッサ（ハードウェア）が実行するソフトウェアプログラムの組み合わせで実装することができる。そうしたハードウェアプロセッサは、たとえば、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などのプログラマブルロジックデバイスで構成してもよいし、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。ソフトウェアプログラムは、極低温冷凍機１０の監視を処理部１００に実行させるためのコンピュータプログラムであってもよい。

　図６は、実施の形態に係る極低温冷凍機１０の監視方法を示すフローチャートである。まず、図６に示されるように、極低温冷凍機１０の運転中（例えば定常運転中）に、インバータ９０から膨張機モータ４２に供給される電流が電流センサ５０によって測定される（Ｓ１０）。そして、少なくとも定常運転における膨張機モータ４２の電流に基づいて膨張機モータ４２が監視される（Ｓ２０）。

　Ｓ２０においては、膨張機モータ４２の動作条件（例えば、モータ電流信号Ｓ１、出力周波数情報Ｓ２、外部磁場の大きさ、インバータ９０への入力電圧など）に基づいて電流しきい値Ｔｈが取得される（Ｓ２１）。測定された膨張機モータ４２の電流値が取得された電流しきい値Ｔｈと比較される（Ｓ２２）。測定電流値が電流しきい値Ｔｈを超える場合（Ｓ２２のＹ）、比較部７０は、膨張機モータ４２の異常動作の発生が予測されると判定し（Ｓ２３）、その旨を示す監視結果データＤ１を出力する。測定電流値が電流しきい値Ｔｈ以下の場合（Ｓ２２のＮ）、比較部７０は、膨張機モータ４２の異常動作の発生は予測されないと判定し（Ｓ２４）、それを示す監視結果データＤ１を出力する。こうして、本監視方法は終了する。

　なお、膨張機モータ４２の異常動作の発生が予測される場合には、極低温冷凍機１０のコントローラ（例えば圧縮機コントローラ２４）は、例えば警告を発する、膨張機モータ４２の運転周波数を低下させる、極低温冷凍機１０の運転を停止する等、異常動作の発生を未然に防ぐように対処してもよい。

　処理部１００は、このような監視を定期的に繰り返し実行する。膨張機モータ４２の駆動負荷の増加は長いスパンで徐々に進む長期的な現象であるから、この監視方法は、極低温冷凍機１０の運転中（例えば定常運転中）にときどき行われれば実用上十分である。あるいは、監視方法は、極低温冷凍機１０の運転中に常時繰り返し行われてもよい。

　極低温冷凍機１０が長期的に連続して運転される場合、運転時間の大半は定常運転となる。定常運転中に監視することによって、極低温冷凍機１０の構成要素の経時的な劣化に起因して徐々に高まる膨張機モータ４２への負荷トルクの増加を把握することができる。

　以上説明したように、実施の形態によると、インバータ９０から膨張機モータ４２に供給される電流を測定し、少なくとも定常運転における膨張機モータ４２の電流（例えば電流の実効値）に基づいて膨張機モータ４２を監視することによって、長期運転による膨張機モータ４２の異常動作や故障を予測し又は未然に防ぐことができる。

　膨張機モータ４２の負荷増大を放置すれば最終的には極低温冷凍機１０は故障する可能性がある。もし故障すれば、極低温冷凍機の修理または新品との交換などメンテナンスが完了するまで、極低温冷凍機１０を利用する極低温システム（たとえば超伝導機器、またはＭＲＩシステムなど）の稼動は停止せざるを得ない。突然の故障の場合、復旧までにかかる時間は比較的長くなりがちである。

　しかし、実施の形態によると、膨張機モータ４２を監視し、極低温冷凍機１０のユーザー、または、極低温冷凍機１０のメンテナンスを行うサービスマンに監視結果を知らせることができる。監視結果に基づいて、極低温システムの稼働への影響を最小にするように対処することが可能となる。

　ところで、ある実施の形態では、インバータ９０からの出力電圧（つまり膨張機モータ４２への入力電圧）がインバータ９０への入力電圧と異なる場合がある。例えば、インバータ９０は、入力電圧が規定の電圧値（例えば２００Ｖ）を超える場合に出力電圧をこの規定の電圧値に制限する機能を有してもよい。ただし、インバータ９０は、昇圧機能は有しないものであってもよい。この場合、入力電圧が規定の電圧値に満たなければ、入力電圧と出力電圧は等しいが、入力電圧が規定の電圧値を上回れば、入力電圧と出力電圧は異なる（出力電圧が入力電圧より小さくなる）。また、別の例として、インバータ９０によるモータ運転周波数の制御方式によっては、入力電圧と出力電圧が異なりうる。例えば典型的なＶｆ制御では、入力電圧が規定の電圧値であっても、運転周波数によっては出力電圧がこの規定の電圧値を下回ることがある。

　したがって、電流しきい値を設定するために参照するパラメータの例として、運転周波数など上述のモータ動作条件に加えて（または、それら動作条件のうちいずれかのパラメータに代えて）、出力電圧が使用されてもよい。

　図７は、実施の形態に係るモータ監視装置のブロック図である。監視装置は、電流センサ５０からのモータ電流信号Ｓ１に基づいて膨張機モータ４２を監視するように構成される処理部１００を備える。処理部１００は、極低温冷凍機１０の少なくとも定常運転において膨張機モータ４２を監視してもよい。監視装置は、監視結果を示す情報を通知する通知手段８０を備えてもよく、通知手段８０はたとえばディスプレイ８２を含みうる。

　処理部１００は、膨張機モータ４２の動作条件に基づいて電流しきい値Ｔｈを取得し、モータ電流信号Ｓ１に基づいて膨張機モータ４２の電流（例えば電流の実効値）を電流しきい値Ｔｈと比較することによって膨張機モータ４２を監視するように構成される。

　処理部１００は、電流しきい値設定部６０と比較部７０とを備える。電流しきい値設定部６０は、運転周波数・電流しきい値テーブル６２、および出力電圧・電流しきい値テーブル６８を備える。運転周波数・電流しきい値テーブル６２は、膨張機モータ４２の運転周波数の複数の値に複数の電流しきい値をそれぞれ対応付けるものであり、出力電圧・電流しきい値テーブル６８は、インバータ９０からの出力電圧の複数の値に複数の電流しきい値をそれぞれ対応付けるものである。これら電流しきい値テーブルは、予め設定され、処理部１００に保存されている。これら電流しきい値テーブルは、設計者の経験的知見または設計者による実験やシミュレーション等に基づき適宜設定することが可能である。

　例えば、電流しきい値設定部６０は、運転周波数・電流しきい値テーブル６２と膨張機モータ４２の運転周波数の値に基づいて当該運転周波数の値に対応する電流しきい値Ｔｈを取得するように構成される。インバータ９０は、インバータ９０の出力周波数（すなわち膨張機モータ４２の運転周波数）の値を示す出力周波数情報Ｓ２を処理部１００に出力するように構成されている。

　電流しきい値設定部６０は、出力電圧・電流しきい値テーブル６８とインバータ９０からの出力電圧の値に基づいて当該出力電圧の値に対応する電流しきい値Ｔｈを取得するように構成されてもよい。インバータ９０からの出力電圧の値を示す情報が、インバータ９０から処理部１００に入力され、電流しきい値設定部６０で使用されてもよい。例えば、インバータ９０は、出力周波数情報Ｓ２に加えて、インバータ９０の出力電圧（すなわち膨張機モータ４２への入力電圧）の値を示す出力電圧信号Ｓ４を処理部１００に出力するように構成されてもよい。

　複数の出力電圧・電流しきい値テーブル６８が予め設定されてもよく、これら複数の出力電圧・電流しきい値テーブル６８がそれぞれ、複数の異なる運転周波数の値に対応付けられてもよい。例えば、第１および第２の出力電圧・電流しきい値テーブル６８が予め設定され、第１の出力電圧・電流しきい値テーブル６８は、第１の運転周波数の値（例えば７０Ｈｚ）で膨張機モータ４２が駆動される場合に使用され、第２の出力電圧・電流しきい値テーブル６８は、第１の運転周波数の値とは異なる第２の運転周波数の値（例えば６０Ｈｚ）で膨張機モータ４２が駆動される場合に使用されてもよい。

　比較部７０は、モータ電流信号Ｓ１に基づいて、膨張機モータ４２の電流（例えば電流の実効値）を取得された電流しきい値Ｔｈと比較し、比較結果に基づいて監視結果データＤ１を生成する。図５を参照して説明した実施の形態と同様に、監視結果データＤ１は、通知手段８０に送られ、監視結果は、たとえばディスプレイ８２に表示することによって、ユーザーに通知される。

　このようにしても、膨張機モータ４２の電流（例えば電流の実効値）に基づいて膨張機モータ４２を監視することによって、長期運転による膨張機モータ４２の異常動作や故障を予測し又は未然に防ぐことができる。

　上述の実施の形態では、モータ電流に基づく監視を例として説明しているが、インバータ９０または膨張機モータ４２の消費電力に基づく監視も同様に可能である。そのような実施の形態を以下に述べる。

　図８は、インバータ９０の消費電力と負荷デューティの関係を複数の運転周波数の値について示すグラフである。このグラフは本発明者による測定結果に基づく。縦軸には、インバータ９０の消費電力の値が示される。横軸には、図３と同様に、膨張機モータ４２の負荷デューティが示される。

　図８から理解されるように、負荷デューティが大きくなるにつれて消費電力値は増加傾向にある。したがって、ある運転周波数の値（例えば６０Ｈｚ）について、負荷デューティが１００％より小さくかつ十分に大きいとき（例えば９０％～９８％）の消費電力値を消費電力しきい値として使用することができる。インバータ９０（または膨張機モータ４２）の消費電力がこの消費電力しきい値を超えるとき、膨張機モータ４２に当該負荷デューティ相応の大きな負荷がかかっていることになる。これを膨張機モータ４２の異常動作の発生の予測とみなし、例えば警告を発する、運転周波数を低下させる、極低温冷凍機１０の運転を停止する等、異常動作の発生を未然に防ぐように対処することができる。

　消費電力値は膨張機モータ４２の運転周波数に依存する。図８に示されるように、運転周波数が５０Ｈｚと６０Ｈｚの場合では同じ負荷デューティを示す消費電力値は異なる。そこで、実施の形態では、膨張機モータ４２の運転周波数の複数の値それぞれに消費電力しきい値が設定される。

　消費電力に基づく膨張機モータ４２の監視には、上述のモータ電流に基づく監視に比べて、外部磁場の影響による誤予測の可能性を減らせるという利点がある。外部磁場は、上述のように、膨張機モータ４２に流れる電流を増減させることがある。外部磁場は、消費電力にも同様の増減をもたらすことがある。しかし、本発明者による測定および検討によれば、負荷デューティがある単位量（例えば１％）変化したときの消費電力値の変化量は、負荷デューティが単位量変化したときのモータ電流の変化量よりも大きい傾向にある。言い換えれば、図８のグラフの勾配のほうが、図３のグラフの勾配よりも大きい傾向にある。そのため、ある大きさの外部磁場に起因する消費電力値の変化に相当する見かけ上の負荷デューティ変化は、同じ大きさの外部磁場に起因するモータ電流の変化に相当する見かけ上の負荷デューティ変化よりも小さい傾向にある。したがって、消費電力に基づく膨張機モータ４２の監視では、外部磁場の影響を相対的に小さくすることができる。

　また、図８に示されるように、消費電力値と負荷デューティの関係は、図３に示されるモータ電流値と負荷デューティの関係に比べて、より線形に近い。そのため、負荷デューティが比較的小さい領域における運転状況の監視をしやすいという利点もある。

　図９は、他の実施の形態に係るモータ監視装置のブロック図である。監視装置は、インバータ９０の消費電力を示す消費電力信号Ｓ５に基づいて膨張機モータ４２を監視する処理部１００を備える。インバータ９０は、出力周波数情報Ｓ２および出力電圧信号Ｓ４に加えて、インバータ９０の消費電力を示す消費電力信号Ｓ５を処理部１００に出力するように構成されてもよく、処理部１００は、インバータ９０から出力される消費電力信号Ｓ５に基づいて膨張機モータ４２を監視する。監視装置は、監視結果を示す情報を通知する通知手段８０を備えてもよく、通知手段８０はたとえばディスプレイ８２を含みうる。

　処理部１００は、膨張機モータ４２の動作条件に基づいて消費電力しきい値Ｔｈ２を取得し、消費電力信号Ｓ５に基づいてインバータ９０の消費電力値を消費電力しきい値Ｔｈ２と比較することによって膨張機モータ４２を監視する。

　処理部１００は、消費電力しきい値設定部６１と比較部７０とを備える。消費電力しきい値設定部６１は、運転周波数・消費電力しきい値テーブル６３、および出力電圧・消費電力しきい値テーブル６９を備える。運転周波数・消費電力しきい値テーブル６３は、膨張機モータ４２の運転周波数の複数の値に複数の消費電力しきい値をそれぞれ対応付けるものであり、出力電圧・消費電力しきい値テーブル６９は、インバータ９０からの出力電圧の複数の値に複数の消費電力しきい値をそれぞれ対応付けるものである。これら消費電力しきい値テーブルは、予め設定され、処理部１００に保存されている。これら消費電力しきい値テーブルは、設計者の経験的知見または設計者による実験やシミュレーション等に基づき適宜設定することが可能である。

　例えば、消費電力しきい値設定部６１は、運転周波数・消費電力しきい値テーブル６３と膨張機モータ４２の運転周波数の値に基づいて当該運転周波数の値に対応する消費電力しきい値Ｔｈ２を取得するように構成される。インバータ９０は、インバータ９０の出力周波数（すなわち膨張機モータ４２の運転周波数）の値を示す出力周波数情報Ｓ２を処理部１００に出力するように構成されている。

　運転周波数・消費電力しきい値テーブル６３は、膨張機モータ４２の運転周波数の複数の値の各々について、膨張機モータ４２に許容される最大の負荷トルクに対して所定量小さい負荷トルクが膨張機モータ４２に働くとき（すなわち所定値の負荷デューティのとき）当該運転周波数の値のもとでのインバータ９０（または膨張機モータ４２）の消費電力値を消費電力しきい値として当該運転周波数の値に対応付けてもよい。所定値の負荷デューティは、例えば８０％以上１００％未満の範囲、または９０％以上９８％以下の範囲から選択されてもよい。

　複数の運転周波数・消費電力しきい値テーブル６３が予め設定されてもよく、これら複数の運転周波数・消費電力しきい値テーブル６３がそれぞれ、複数の異なる負荷デューティの値に対応付けられてもよい。消費電力しきい値設定部６１は、複数の運転周波数・消費電力しきい値テーブル６３から選択された運転周波数・消費電力しきい値テーブル６３と膨張機モータ４２の運転周波数の値に基づいて当該運転周波数の値に対応する消費電力しきい値Ｔｈ２を取得してもよい。

　消費電力しきい値設定部６１は、出力電圧・消費電力しきい値テーブル６９とインバータ９０からの出力電圧の値に基づいて当該出力電圧の値に対応する消費電力しきい値Ｔｈ２を取得するように構成されてもよい。インバータ９０は、出力周波数情報Ｓ２に加えて、インバータ９０の出力電圧（すなわち膨張機モータ４２への入力電圧）の値を示す出力電圧信号Ｓ４を処理部１００に出力するように構成されてもよい。

　複数の出力電圧・消費電力しきい値テーブル６９が予め設定されてもよく、これら複数の出力電圧・消費電力しきい値テーブル６９がそれぞれ、複数の異なる運転周波数の値に対応付けられてもよい。例えば、第１および第２の出力電圧・消費電力しきい値テーブル６９が予め設定され、第１の出力電圧・消費電力しきい値テーブル６９は、第１の運転周波数の値（例えば７０Ｈｚ）で膨張機モータ４２が駆動される場合に使用され、第２の出力電圧・消費電力しきい値テーブル６９は、第１の運転周波数の値とは異なる第２の運転周波数の値（例えば６０Ｈｚ）で膨張機モータ４２が駆動される場合に使用されてもよい。

　比較部７０は、消費電力信号Ｓ５に基づいて、インバータ９０の消費電力値を取得された消費電力しきい値Ｔｈ２と比較し、比較結果に基づいて監視結果データＤ１を生成する。図５を参照して説明した実施の形態と同様に、監視結果データＤ１は、通知手段８０に送られ、監視結果は、たとえばディスプレイ８２に表示することによって、ユーザーに通知される。

　なお、処理部１００は、このような消費電力に基づく膨張機モータ４２の監視を、極低温冷凍機１０の少なくとも定常運転において実行してもよい。図５に示される実施の形態と同様に、処理部１００は、極低温冷凍機１０の現在の運転モードを示す情報をコントローラ（例えば圧縮機コントローラ２４）から取得し、または温度センサ５２からの測定温度信号Ｓ３に基づいて現在の運転モードを判定してもよい。処理部１００は、現在の運転モードが定常運転である場合に消費電力信号Ｓ５に基づいて膨張機モータ４２を監視してもよい。これに加えて又はこれに代えて、処理部１００は、現在の運転モードがクールダウン運転である場合に消費電力信号Ｓ５に基づいて膨張機モータ４２を監視してもよい。

　インバータ９０の消費電力に代えて、処理部１００は、膨張機モータ４２の消費電力を示す消費電力信号Ｓ５に基づいて膨張機モータ４２を監視してもよい。この場合、処理部１００は、膨張機モータ４２に供給される電流および電圧を取得し、これら電流および電圧から膨張機モータ４２の消費電力を演算してもよい。処理部１００は、電流センサ５０から入力されるモータ電流信号Ｓ１から、膨張機モータ４２の電流を取得してもよい。処理部１００は、インバータ９０から入力される出力電圧信号Ｓ４から、膨張機モータ４２の電圧を取得してもよい。あるいは、膨張機モータ４２に供給される電圧を測定する電圧センサが設けられてもよく、処理部１００は、電圧センサから入力されるモータ電圧信号から、膨張機モータ４２の電圧を取得してもよい。処理部１００は、消費電力信号Ｓ５に基づいて、膨張機モータ４２の消費電力を取得された消費電力しきい値Ｔｈ２と比較し、比較結果に基づいて監視結果データＤ１を生成してもよい。

　図１０は、他の実施の形態に係る極低温冷凍機１０の監視方法を示すフローチャートである。まず、図１０に示されるように、極低温冷凍機１０の運転中（例えば定常運転中）に、インバータ９０（または膨張機モータ４２）の消費電力が取得される（Ｓ３０）。そして、取得された消費電力に基づいて膨張機モータ４２が監視される（Ｓ４０）。

　Ｓ４０においては、膨張機モータ４２の動作条件（例えば、出力周波数情報Ｓ２、出力電圧信号Ｓ４など）に基づいて消費電力しきい値Ｔｈ２が取得される（Ｓ４１）。取得されたインバータ９０の消費電力の値が消費電力しきい値Ｔｈ２と比較される（Ｓ４２）。消費電力値が消費電力しきい値Ｔｈ２を超える場合（Ｓ４２のＹ）、比較部７０は、膨張機モータ４２の異常動作の発生が予測されると判定し（Ｓ４３）、その旨を示す監視結果データＤ１を出力する。消費電力値が消費電力しきい値Ｔｈ２以下の場合（Ｓ４２のＮ）、比較部７０は、膨張機モータ４２の異常動作の発生は予測されないと判定し（Ｓ４４）、それを示す監視結果データＤ１を出力する。こうして、本監視方法は終了する。

　なお、膨張機モータ４２の異常動作の発生が予測される場合には、極低温冷凍機１０のコントローラ（例えば圧縮機コントローラ２４）は、例えば警告を発する、膨張機モータ４２の運転周波数を低下させる、極低温冷凍機１０の運転を停止する等、異常動作の発生を未然に防ぐように対処してもよい。

　このようにして、実施の形態によると、インバータ９０（または膨張機モータ４２）の消費電力に基づいて膨張機モータ４２を監視することによって、長期運転による膨張機モータ４２の異常動作や故障を予測し又は未然に防ぐことができる。

　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、処理部１００は、膨張機モータ４２の動作条件に基づいて電流しきい値を取得するために、運転周波数・電流しきい値テーブル６２、外部磁場・電流しきい値テーブル６４、および入力電圧・電流しきい値テーブル６６の３つの電流しきい値テーブルを備える。しかし、これら３つのテーブルは必須ではない。例えば、処理部１００は、運転周波数・電流しきい値テーブル６２のみを備えてもよい。

　あるいは、処理部１００は、運転周波数・電流しきい値テーブル６２を備えなくてもよい。この場合、処理部１００は、外部磁場・電流しきい値テーブル６４、または入力電圧・電流しきい値テーブル６６、またはこれら両方を備えてもよく、外部磁場・電流しきい値テーブル６４（または入力電圧・電流しきい値テーブル６６）は、監視用の特定の運転周波数で使用されるように予め設定されていてもよい。この場合、処理部１００は、出力周波数情報Ｓ２に基づいて、膨張機モータ４２が監視用の特定の運転周波数での運転中であるか否かを判定してもよく、この特定の運転周波数での運転中に得られるモータ電流信号Ｓ１に基づいて膨張機モータ４２の電流を電流しきい値と比較することによって膨張機モータ４２を監視してもよい。

　また、処理部１００は、膨張機モータ４２を監視用の運転周波数で駆動するようインバータ９０を動作させ、膨張機モータ４２が監視用の運転周波数で駆動するときのモータ電流信号Ｓ１に基づいて膨張機モータ４２の電流を電流しきい値と比較することによって膨張機モータ４２を監視するように構成されてもよい。このようにすれば、膨張機モータ４２の電流と電流しきい値の比較に、監視用の運転周波数に対応する固定された電流しきい値を用いることができる。なお、この場合においても、電流しきい値は、外部磁場などのモータ動作条件に基づいて調整されてもよい。

　ある実施の形態においては、極低温冷凍機１０は、単段式のＧＭ冷凍機であってもよく、または、膨張機１４を作動させるための膨張機モータ４２を備えるその他の形式の極低温冷凍機であってもよい。

　ある実施の形態においては、処理部１００は、極低温冷凍機１０の一部を構成するのではなく、極低温冷凍機１０を搭載した極低温システム（例えば超伝導機器、またはＭＲＩシステム）の一部であってもよい。

　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、および極低温冷凍機の監視方法の分野における利用が可能である。

　１０　極低温冷凍機、　１４　膨張機、　４２　膨張機モータ、　５０　電流センサ、　６２　運転周波数・電流しきい値テーブル、　６４　外部磁場・電流しきい値テーブル、　９０　インバータ、　１００　処理部。

Claims (16)

1. 　定常運転と、定常運転に先行してクールダウン運転とを実行可能な極低温冷凍機であって、
   　前記極低温冷凍機の膨張機を作動させる膨張機モータと、
   　前記膨張機モータの運転周波数を制御するよう構成され、前記定常運転において前記クールダウン運転に比べて低い運転周波数で前記膨張機モータを駆動するよう動作可能なインバータと、
   　前記インバータから前記膨張機モータに供給される電流を測定し、前記電流を示すモータ電流信号を出力する電流センサと、
   　少なくとも前記定常運転における前記モータ電流信号に基づいて前記膨張機モータを監視する処理部と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。
2. 　前記処理部は、前記膨張機モータの動作条件に基づいて電流しきい値を取得し、前記モータ電流信号に基づいて前記膨張機モータの電流を前記電流しきい値と比較することによって前記膨張機モータを監視することを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
3. 　前記処理部は、前記膨張機モータの運転周波数の複数の値に複数の電流しきい値をそれぞれ対応付ける運転周波数・電流しきい値テーブルを備え、前記運転周波数・電流しきい値テーブルと前記膨張機モータの運転周波数の値に基づいて当該運転周波数の値に対応する電流しきい値を取得し、前記モータ電流信号に基づいて前記膨張機モータの電流を前記対応する電流しきい値と比較することによって前記膨張機モータを監視することを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷凍機。
4. 　前記運転周波数・電流しきい値テーブルは、前記インバータによって制御可能な前記膨張機モータの運転周波数の範囲の少なくとも一部において、前記運転周波数が増加するほど前記電流しきい値が減少するように、前記膨張機モータの運転周波数の前記複数の値に前記複数の電流しきい値をそれぞれ対応付けていることを特徴とする請求項３に記載の極低温冷凍機。
5. 　前記運転周波数・電流しきい値テーブルは、前記膨張機モータの運転周波数の前記複数の値の各々について、前記膨張機モータに許容される最大の負荷トルクに対して所定量小さい負荷トルクが前記膨張機モータに働くとき当該運転周波数の値のもとでの前記膨張機モータの電流値を電流しきい値として当該運転周波数の値に対応付けていることを特徴とする請求項３または４に記載の極低温冷凍機。
6. 　前記処理部は、前記膨張機モータに加わる外部磁場の複数の値に複数の電流しきい値をそれぞれ対応付ける外部磁場・電流しきい値テーブルを備え、前記外部磁場・電流しきい値テーブルと前記膨張機モータに加わる外部磁場の値に基づいて当該外部磁場の値に対応する電流しきい値を取得し、前記モータ電流信号に基づいて前記膨張機モータの電流を前記対応する電流しきい値と比較することによって前記膨張機モータを監視することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の極低温冷凍機。
7. 　前記処理部は、前記モータ電流信号に基づいて前記膨張機モータに加わる外部磁場の推定値を取得し、前記外部磁場・電流しきい値テーブルと前記膨張機モータに加わる外部磁場の推定値に基づいて前記外部磁場の推定値に対応する電流しきい値を取得することを特徴とする請求項６に記載の極低温冷凍機。
8. 　前記処理部は、前記インバータへの入力電圧の複数の値に複数の電流しきい値をそれぞれ対応付ける入力電圧・電流しきい値テーブルを備え、前記入力電圧・電流しきい値テーブルと前記インバータへの入力電圧の値に基づいて当該入力電圧の値に対応する電流しきい値を取得し、前記モータ電流信号に基づいて前記膨張機モータの電流を前記対応する電流しきい値と比較することによって前記膨張機モータを監視することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の極低温冷凍機。
9. 　前記処理部は、前記インバータからの出力電圧の複数の値に複数の電流しきい値をそれぞれ対応付ける出力電圧・電流しきい値テーブルを備え、前記出力電圧・電流しきい値テーブルと前記インバータからの出力電圧の値に基づいて当該出力電圧の値に対応する電流しきい値を取得し、前記モータ電流信号に基づいて前記膨張機モータの電流を前記対応する電流しきい値と比較することによって前記膨張機モータを監視することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の極低温冷凍機。
10. 　極低温冷凍機の監視方法であって、前記極低温冷凍機は、定常運転と、定常運転に先行してクールダウン運転とを実行可能であり、前記極低温冷凍機の膨張機を作動させる膨張機モータと、前記膨張機モータの運転周波数を制御するよう構成され、前記定常運転において前記クールダウン運転に比べて低い運転周波数で前記膨張機モータを駆動するよう動作可能なインバータとを備え、前記方法は、
    　前記インバータから前記膨張機モータに供給される電流を測定することと、
    　少なくとも前記定常運転における前記膨張機モータの電流に基づいて前記膨張機モータを監視することと、を備えることを特徴とする方法。
11. 　極低温冷凍機の膨張機を作動させる膨張機モータと、
    　前記膨張機モータの運転周波数を制御するよう構成されるインバータと、
    　前記インバータまたは前記膨張機モータの消費電力を示す消費電力信号に基づいて前記膨張機モータを監視する処理部と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。
12. 　前記処理部は、前記インバータから出力される前記インバータの消費電力を示す消費電力信号に基づいて前記膨張機モータを監視することを特徴とする請求項１１に記載の極低温冷凍機。
13. 　前記処理部は、前記膨張機モータの動作条件に基づいて消費電力しきい値を取得し、前記消費電力信号に基づいて前記インバータの消費電力を前記消費電力しきい値と比較することによって前記膨張機モータを監視することを特徴とする請求項１２に記載の極低温冷凍機。
14. 　前記処理部は、前記膨張機モータの運転周波数の複数の値に複数の消費電力しきい値をそれぞれ対応付ける運転周波数・消費電力しきい値テーブルを備え、前記運転周波数・消費電力しきい値テーブルと前記膨張機モータの運転周波数の値に基づいて当該運転周波数の値に対応する消費電力しきい値を取得し、前記消費電力信号に基づいて前記インバータの消費電力を前記対応する消費電力しきい値と比較することによって前記膨張機モータを監視することを特徴とする請求項１２または１３に記載の極低温冷凍機。
15. 　前記処理部は、前記インバータからの出力電圧の複数の値に複数の消費電力しきい値をそれぞれ対応付ける出力電圧・消費電力しきい値テーブルを備え、前記出力電圧・消費電力しきい値テーブルと前記インバータからの出力電圧の値に基づいて当該出力電圧の値に対応する消費電力しきい値を取得し、前記消費電力信号に基づいて前記インバータの消費電力を前記対応する消費電力しきい値と比較することによって前記膨張機モータを監視することを特徴とする請求項１２から１４のいずれかに記載の極低温冷凍機。
16. 　極低温冷凍機の監視方法であって、前記極低温冷凍機は、極低温冷凍機の膨張機を作動させる膨張機モータと、前記膨張機モータの運転周波数を制御するよう構成されるインバータとを備え、前記方法は、
    　前記インバータまたは前記膨張機モータの消費電力を取得することと、
    　取得された前記消費電力に基づいて前記膨張機モータを監視することと、を備えることを特徴とする方法。

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