WO2022230770A1 - 極低温冷凍機および極低温冷凍機の運転方法 - Google Patents

極低温冷凍機および極低温冷凍機の運転方法 Download PDF

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    • F25B2700/00—Sensing or detecting of parameters; Sensors therefor
    • F25B2700/19—Pressures

Definitions

  • the present invention relates to a cryogenic refrigerator and a method of operating the cryogenic refrigerator.
  • Cryogenic refrigerators are used to cool various objects such as superconducting equipment, measuring instruments, and samples used in cryogenic environments.
  • the cryogenic refrigerator To cool an object with a cryogenic refrigerator, the cryogenic refrigerator must first be started and cooled from an initial temperature, such as room temperature, to the desired cryogenic temperature. Such initial cooling of a cryogenic refrigerator is also referred to as cooldown.
  • the cryogenic refrigerator In order to cool an object with a cryogenic refrigerator, the cryogenic refrigerator must first be started and cooled from the initial temperature, such as room temperature, to the desired cryogenic temperature. Such initial cooling of a cryogenic refrigerator is also referred to as cooldown. Since initial cooling is merely preparation for starting cooling of the object, it is desired that the time required for initial cooling is as short as possible.
  • One exemplary object of an aspect of the present invention is to shorten the initial cooling time of a cryogenic refrigerator.
  • a cryogenic refrigerator includes an expander capable of performing initial cooling for cooling from an initial temperature to a cryogenic temperature, and steady operation for maintaining the cryogenic temperature subsequent to the initial cooling, and an expander a high-pressure line connected to the expander through which the working gas sucked into the expander flows; a low-pressure line connected to the expander through which the working gas exhausted from the expander flows; a pressure sensor for measuring the pressure of the high-pressure line; A buffer volume containing gas, a supply valve connecting the buffer volume to the low pressure line, and a preset proper pressure in the high pressure line based on the pressure in the high pressure line as measured by a pressure sensor during initial cooling. a controller that controls the supply valve to maintain the pressure range.
  • a cryogenic refrigerator operating method includes an expander, a high-pressure line connected to the expander through which the working gas taken into the expander flows, a low-pressure line connected to the expander through which the working gas exhausted from the expander flows, A pressure sensor for measuring the pressure in the high pressure line, a buffer volume containing working gas, and a supply valve connecting the buffer volume to the low pressure line.
  • the method comprises performing an initial cooling to cool the expander from an initial temperature to a cryogenic temperature, and performing a steady state operation following the initial cooling to maintain the expander at the cryogenic temperature.
  • the supply valve is controlled during initial cooling to keep the pressure in the high pressure line within a preset proper pressure range based on the pressure in the high pressure line as measured by the pressure sensor.
  • the initial cooling time of the cryogenic refrigerator can be shortened.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a cryogenic refrigerator according to an embodiment
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a cryogenic refrigerator according to an embodiment
  • FIG. 4 is a flow chart illustrating a control method for a cryogenic refrigerator according to an embodiment
  • 4 is a flow chart illustrating a control method for a cryogenic refrigerator according to an embodiment
  • 5 is a graph showing an example of changes in temperature and pressure during operation of the cryogenic refrigerator according to the embodiment.
  • FIGS. 6A and 6B are graphs showing an example of pressure changes during operation of the cryogenic refrigerator according to the embodiment.
  • 5 is a graph showing an example of changes in temperature and pressure during operation of the cryogenic refrigerator according to the embodiment.
  • 1 is a diagram schematically showing a cryogenic refrigerator according to an embodiment
  • FIG. 4 is a flow chart illustrating a control method for a cryogenic refrigerator according to an embodiment
  • 5 is a graph showing an example of changes in temperature and pressure during operation of the cryogenic refrigerator according to the embodiment.
  • FIGS. 1 and 2 are diagrams schematically showing a cryogenic refrigerator 10 according to an embodiment.
  • Cryogenic refrigerator 10 is illustratively a two-stage Gifford-McMahon (GM) refrigerator.
  • FIG. 1 schematically shows a compressor 12 and an expander 14 that constitute a cryogenic refrigerator 10 together with a control device 100.
  • FIG. 2 shows the internal structure of the expander 14 of the cryogenic refrigerator 10.
  • the compressor 12 is configured to recover the working gas of the cryogenic refrigerator 10 from the expander 14, pressurize the recovered working gas, and supply the working gas to the expander 14 again.
  • Compressor 12 and expander 14 form a refrigeration cycle for cryogenic refrigerator 10, which enables cryogenic refrigerator 10 to provide the desired cryogenic cooling.
  • the expander 14 is also called a cold head.
  • the working gas also referred to as a refrigerant gas, is typically helium gas, although other suitable gases may be used.
  • the direction of flow of the working gas is indicated by arrows in FIG.
  • the pressure of the working gas supplied from the compressor 12 to the expander 14 and the pressure of the working gas recovered from the expander 14 to the compressor 12 are both significantly higher than the atmospheric pressure, and are the first high pressure and the first high pressure, respectively. It can be called a second high voltage.
  • 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 eg 2-3 MPa.
  • the low pressure is for example 0.5-1.5 MPa, for example about 0.8 MPa.
  • the direction of flow of the working gas is indicated by arrows.
  • the expander 14 includes a refrigerator cylinder 16 and a displacer assembly 18.
  • the refrigerator cylinder 16 guides the linear reciprocating motion of the displacer assembly 18 and forms working gas expansion chambers ( 32 , 34 ) with the displacer assembly 18 .
  • the expander 14 also includes a pressure switching valve 40 that determines the start timing of intake of the working gas into the expansion chamber and the start timing of exhaust of the working gas from the expansion chamber.
  • the side near the top dead center of the axial reciprocating movement of the displacer is referred to as "up”, and the side near the bottom dead center is referred to as “bottom”.
  • the top dead center is the position of the displacer where the volume of the expansion space is maximum
  • the bottom dead center is the position of the displacer where the volume of the expansion space is minimum.
  • a temperature gradient is generated in which the temperature decreases from the upper side to the lower side in the axial direction, so the upper side can be called the high temperature side and the lower side can be called the low temperature side.
  • the refrigerator cylinder 16 has a first cylinder 16a and a second cylinder 16b.
  • the first cylinder 16a and the second cylinder 16b are, for example, cylindrical members, and the second cylinder 16b has a smaller diameter than the first cylinder 16a.
  • the first cylinder 16a and the second cylinder 16b are arranged coaxially, and the lower end of the first cylinder 16a is rigidly connected to the upper end of the second cylinder 16b.
  • the displacer assembly 18 includes a first displacer 18a and a second displacer 18b that are connected to each other and move together.
  • the first displacer 18a and the second displacer 18b are, for example, cylindrical members, and the second displacer 18b has a smaller diameter than the first displacer 18a.
  • the first displacer 18a and the second displacer 18b are arranged coaxially.
  • the first displacer 18a is housed in the first cylinder 16a, and the second displacer 18b is housed in the second cylinder 16b.
  • the first displacer 18a is axially reciprocable along the first cylinder 16a, and the second displacer 18b is axially reciprocable along the second cylinder 16b.
  • the first displacer 18a accommodates the first regenerator 26.
  • the first regenerator 26 is formed by filling the cylindrical main body of the first displacer 18a with a metal mesh such as copper or other suitable first regenerator material.
  • the upper and lower lid portions of the first displacer 18a may be provided as members separate from the main body portion of the first displacer 18a, and the upper and lower lid portions of the first displacer 18a may be fastened, welded, or otherwise applied as appropriate. It may be fixed to the body by means whereby the first regenerator material is housed in the first displacer 18a.
  • the second displacer 18b accommodates a second regenerator 28.
  • the cylindrical main body of the second displacer 18b is filled with a non-magnetic regenerator material such as bismuth, a magnetic regenerator material such as HoCu2, or any other suitable second regenerator material. formed by The second cold storage material may be shaped into granules.
  • the upper and lower lid portions of the second displacer 18b may be provided as members separate from the main body portion of the second displacer 18b, and the lower lid portion of the upper and lower lid portions of the second displacer 18b may be fastened, welded, or otherwise applied. It may be fixed to the body by means whereby the second regenerator material is housed in the second displacer 18b.
  • the displacer assembly 18 forms a room temperature chamber 30 , a first expansion chamber 32 and a second expansion chamber 34 inside the refrigerator cylinder 16 .
  • Expander 14 includes a first cooling stage 33 and a second cooling stage 35 for heat exchange with the desired object or medium to be cooled by cryogenic refrigerator 10 .
  • a room temperature chamber 30 is formed between the upper lid portion of the first displacer 18a and the upper portion of the first cylinder 16a.
  • the first expansion chamber 32 is formed between the lower lid portion of the first displacer 18 a and the first cooling stage 33 .
  • a second expansion chamber 34 is formed between the lower lid portion of the second displacer 18 b and the second cooling stage 35 .
  • a first cooling stage 33 is fixed to the bottom of the first cylinder 16a so as to surround the first expansion chamber 32, and a second cooling stage 35 is fixed to the bottom of the second cylinder 16b so as to surround the second expansion chamber 34. It is
  • the first regenerator 26 is connected to the room temperature chamber 30 through a working gas flow path 36a formed in the upper lid of the first displacer 18a, and is connected to the room temperature chamber 30 through a working gas flow path 36b formed in the lower lid of the first displacer 18a. 1 expansion chamber 32 .
  • the second regenerator 28 is connected to the first regenerator 26 through a working gas flow path 36c formed from the lower lid portion of the first displacer 18a to the upper lid portion of the second displacer 18b. Also, the second regenerator 28 is connected to the second expansion chamber 34 through a working gas flow path 36d formed in the lower lid portion of the second displacer 18b.
  • a first seal 38a and a second seal 38b may be provided to allow guidance to vessel 28.
  • FIG. A first seal 38a may be attached to the top lid of the first displacer 18a so as to be positioned between the first displacer 18a and the first cylinder 16a.
  • a second seal 38b may be attached to the upper lid portion of the second displacer 18b so as to be positioned between the second displacer 18b and the second cylinder 16b.
  • the expander 14 includes a refrigerator housing 20 that houses a pressure switching valve 40.
  • Refrigerator housing 20 is coupled with refrigerator cylinder 16 to form an airtight container that houses pressure switching valve 40 and displacer assembly 18 .
  • the pressure switching valve 40 includes a high pressure valve 40a and a low pressure valve 40b, as shown in FIG.
  • a working gas outlet of the compressor 12 is connected to the room temperature chamber 30 via a high pressure valve 40a, and a working gas suction port of the compressor 12 is connected to the room temperature chamber 30 via a low pressure valve 40b.
  • High pressure valve 40a and low pressure valve 40b are configured to selectively and alternately open and close (ie, one is open while the other is closed).
  • the pressure switching valve 40 may take the form of a rotary valve. That is, the pressure switching valve 40 may be configured such that the high pressure valve 40a and the low pressure valve 40b are alternately opened and closed by rotational sliding of the valve disc relative to the stationary valve body. In that case, the expander motor 42 may be connected to the pressure switching valve 40 so as to rotate the valve disc of the pressure switching valve 40 .
  • the pressure switching valve 40 is arranged such that the valve rotation axis is coaxial with the rotation axis of the expander motor 42 .
  • the high pressure valve 40 a and the low pressure valve 40 b may be individually controllable valves, in which case the pressure switching valve 40 may not be connected to the expander motor 42 .
  • the expander motor 42 is connected to the displacer drive shaft 44 via a motion conversion mechanism 43 such as a scotch yoke mechanism.
  • the expander motor 42 is attached to the refrigerator housing 20 .
  • the motion converting mechanism 43 is accommodated in the refrigerator housing 20, like the pressure switching valve 40. As shown in FIG.
  • the motion conversion mechanism 43 converts rotary motion output by the expander motor 42 into linear reciprocating motion of the displacer drive shaft 44 .
  • a displacer drive shaft 44 extends from the motion conversion mechanism 43 into the room temperature chamber 30 and is fixed to the top cover of the first displacer 18a.
  • the rotation of the expander motor 42 is converted into axial reciprocating motion of the displacer drive shaft 44 by the motion converting mechanism 43 , and the displacer assembly 18 linearly reciprocates in the refrigerator cylinder 16 in the axial direction.
  • the expander 14 may also include a temperature sensor 46 that measures the temperature of the second cooling stage 35 (and/or the first cooling stage 33) and outputs a measured temperature signal indicative of the measured temperature.
  • the compressor 12 includes a high pressure gas outlet 50, a low pressure gas inlet 51, a high pressure flow path 52, a low pressure flow path 53, a first pressure sensor 54, a second pressure sensor 55, a bypass line 56, a compressor body 57, and a compressor housing.
  • a body 58 is provided.
  • the high pressure gas outlet 50 is installed in the compressor housing 58 as a working gas discharge port for the compressor 12
  • the low pressure gas inlet 51 is installed in the compressor housing 58 as a working gas intake port for the compressor 12 .
  • the high pressure passage 52 connects the discharge port of the compressor body 57 to the high pressure gas outlet 50
  • the low pressure passage 53 connects the low pressure gas inlet 51 to the suction port of the compressor body 57 .
  • Compressor housing 58 houses high pressure channel 52 , low pressure channel 53 , first pressure sensor 54 , second pressure sensor 55 , bypass line 56 , and compressor body 57 .
  • Compressor 12 is also referred to as a compressor unit.
  • the compressor main body 57 is configured to internally compress working gas sucked from its suction port and to discharge it from its discharge port.
  • the compressor body 57 may be, for example, a scroll type, rotary type, or other pump that pressurizes the working gas.
  • the compressor body 57 is configured to deliver a fixed and constant working gas flow rate.
  • the compressor body 57 may be configured to vary the flow rate of the discharged working gas.
  • Compressor body 57 is sometimes referred to as a compression capsule.
  • a first pressure sensor 54 is arranged in the high pressure channel 52 to measure the pressure of the working gas flowing through the high pressure channel 52 .
  • the first pressure sensor 54 is configured to output a first measured pressure signal PH representative of the measured pressure.
  • a second pressure sensor 55 is positioned in the low pressure channel 53 to measure the pressure of the working gas flowing through the low pressure channel 53 .
  • the second pressure sensor 55 is configured to output a second measured pressure signal PL representative of the measured pressure. Therefore, the first pressure sensor 54 and the second pressure sensor 55 can also be called a high pressure sensor and a low pressure sensor, respectively. Also, in this document, either the first pressure sensor 54 or the second pressure sensor 55 may be referred to, or both may be generically referred to simply as "pressure sensor.”
  • the bypass line 56 connects the high-pressure flow path 52 to the low-pressure flow path 53 so as to bypass the expander 14 and return the working gas from the high-pressure flow path 52 to the low-pressure flow path 53 .
  • the bypass line 56 is provided with a relief valve 60 for opening and closing the bypass line 56 or for controlling the flow rate of the working gas flowing through the bypass line 56 .
  • the relief valve 60 is configured to open when a differential pressure equal to or higher than a set pressure acts between its inlet and outlet.
  • the relief valve 60 may be an on/off valve or a flow control valve, such as a solenoid valve.
  • the set pressure can be appropriately set based on the designer's empirical knowledge or the designer's experiment, simulation, or the like. This prevents the differential pressure between the high-pressure line 63 and the low-pressure line 64 from exceeding the set pressure. Moreover, it is possible to prevent the pressure in the high-pressure line 63 from becoming excessive.
  • the relief valve 60 may be configured to operate as a so-called safety valve, that is, may be mechanically opened when a differential pressure equal to or higher than the set pressure acts between the inlet and outlet. Alternatively, relief valve 60 may be opened and closed under the control of control device 100 .
  • the control device 100 compares the measured differential pressure between the high-pressure line 63 and the low-pressure line 64 with the set pressure, opens the relief valve 60 when the measured differential pressure is equal to or higher than the set pressure, and opens the relief valve 60 when the measured differential pressure is less than the set differential pressure.
  • the relief valve 60 may be controlled so as to close the relief valve 60 when necessary.
  • the control device 100 acquires the measured differential pressure between the high pressure line 63 and the low pressure line 64 based on the first measured pressure signal PH from the first pressure sensor 54 and the second measured pressure signal PL from the second pressure sensor 55. may As another example, the control device 100 compares the measured pressure of the high-pressure line 63 with the upper limit pressure based on the first measured pressure signal PH, and opens the relief valve 60 when the measured pressure is equal to or higher than the upper limit pressure. The relief valve 60 may be controlled to close when the pressure is less than the upper limit.
  • the compressor 12 may have various other components.
  • the high-pressure flow path 52 may be provided with an oil separator, an adsorber, or the like.
  • a storage tank or other components may be provided in the low-pressure flow path 53 .
  • the compressor 12 may be provided with an oil circulation system for cooling the compressor body 57 with oil, a cooling system for cooling the oil, and the like.
  • the cryogenic refrigerator 10 also includes a gas line 62 that circulates working gas between the compressor 12 and the expander 14 .
  • Gas line 62 includes a high pressure line 63 connecting compressor 12 to expander 14 to supply working gas from compressor 12 to expander 14 and a high pressure line 63 to recover working gas from expander 14 to compressor 12 . and a low pressure line 64 connecting the compressor 12 to the expander 14 .
  • a refrigerator housing 20 of the expander 14 is provided with a high pressure gas inlet 22 and a low pressure gas outlet 24 .
  • High pressure gas inlet 22 is connected by high pressure line 65 to high pressure gas outlet 50 and low pressure gas outlet 24 is connected by low pressure line 66 to low pressure gas inlet 51 .
  • the high-pressure line 63 is composed of the high-pressure pipe 65 and the high-pressure passage 52
  • the low-pressure line 64 is composed of the low-pressure pipe 66 and the low-pressure passage 53
  • Bypass line 56 may be considered part of gas line 62 .
  • a bypass line 56 connects the high pressure line 63 to the low pressure line 64 so as to bypass the expander 14 and return the working gas from the high pressure line 63 to the low pressure line 64 .
  • the working gas recovered from the expander 14 to the compressor 12 enters the low-pressure gas inlet 51 of the compressor 12 from the low-pressure gas outlet 24 of the expander 14 through the low-pressure pipe 66, and further passes through the low-pressure passage 53 to the compressor. It returns to the main body 57 and is compressed and pressurized by the compressor main body 57 .
  • the working gas supplied from the compressor 12 to the expander 14 exits the high pressure gas outlet 50 of the compressor 12 from the compressor body 57 through the high pressure flow path 52, and further flows through the high pressure pipe 65 and the high pressure gas inlet 22 of the expander 14. and supplied to the expander 14.
  • the cryogenic refrigerator 10 comprises a buffer volume 70 , a supply valve 72 and a recovery valve 74 .
  • the buffer volume 70 is a volume that stores working gas, and may be, for example, a buffer tank.
  • Supply valve 72 connects buffer volume 70 to low pressure line 64 and return valve 74 connects buffer volume 70 to high pressure line 63 .
  • the supply valve 72 and the recovery valve 74 may be on/off valves or flow control valves, for example solenoid valves.
  • the pressure of the buffer volume 70 is the pressure of the working gas charged into the cryogenic refrigerator 10 when the cryogenic refrigerator 10 is out of operation.
  • the pressure in buffer volume 70 is at a pressure intermediate the pressures in high pressure line 63 and low pressure line 64 (e.g., between high pressure and low pressure line 64). average pressure of low pressure).
  • the amount of working gas circulating in the gas line 62 can be adjusted, and as a result, the pressures in the high pressure line 63 and the low pressure line 64, respectively, are also adjusted. can be controlled.
  • a controller 100 that controls the cryogenic refrigerator 10 includes a controller 110 that controls the supply valve 72 and the recovery valve 74 .
  • the controller 110 is electrically connected with the first pressure sensor 54 and the second pressure sensor 55 to obtain a first measured pressure signal PH and a second measured pressure signal PL.
  • the controller 110 receives a first measured pressure signal PH from the first pressure sensor 54 and opens and closes the supply valve 72 and the recovery valve 74 based on the measured pressure in the high pressure line 63 indicated by the first measured pressure signal PH.
  • Controller 110 is also electrically connected to temperature sensor 46 to obtain a measured temperature signal from temperature sensor 46 .
  • control device 100 is provided separately from the compressor 12 and the expander 14 and is connected to them, but this is not the only option.
  • the control device 100 may be mounted on the compressor 12 .
  • the control device 100 may be provided in the expander 14 , such as being mounted on the expander motor 42 .
  • the controller 110 may be provided at the supply valve 72, at the recovery valve 74, or at each of the supply valve 72 and the recovery valve 74.
  • the control device 100 is realized by elements and circuits such as a CPU and memory of a computer as a hardware configuration, and is realized by a computer program etc. as a software configuration. It is drawn as a functional block that It should be understood by those skilled in the art that these functional blocks can be implemented in various ways by combining hardware and software.
  • the cryogenic refrigerator 10 When the compressor 12 and the expander motor 42 are operated, the cryogenic refrigerator 10 generates periodic volume fluctuations and synchronous pressure fluctuations of the working gas in the first expansion chamber 32 and the second expansion chamber 34 .
  • the low-pressure valve 40b is closed and the high-pressure valve 40a is opened, whereby high-pressure working gas flows from the compressor 12 through the high-pressure valve 40a into the room temperature chamber 30, and through the first regenerator 26 to the second It is supplied to the first expansion chamber 32 and supplied to the second expansion chamber 34 through the second regenerator 28 .
  • the first expansion chamber 32 and the second expansion chamber 34 are pressurized from low pressure to high pressure.
  • the displacer assembly 18 is moved upward from the bottom dead center to the top dead center and the volumes of the first expansion chamber 32 and the second expansion chamber 34 are increased.
  • the intake stroke ends when the high pressure valve 40a closes.
  • the high-pressure valve 40a closes and the low-pressure valve 40b opens, thereby opening the high-pressure first expansion chamber 32 and the second expansion chamber 34 to the low-pressure working gas inlet of the compressor 12.
  • the displacer assembly 18 is moved downward from the top dead center to the bottom dead center, and the volumes of the first expansion chamber 32 and the second expansion chamber 34 are reduced.
  • the working gas is recovered from the expander 14 to the compressor 12 through the low pressure valve 40b.
  • the evacuation process ends when the low pressure valve 40b closes.
  • a refrigeration cycle such as a GM cycle is configured, and the first cooling stage 33 and the second cooling stage 35 are cooled to a desired cryogenic temperature.
  • the first cooling stage 33 can be cooled to a first cooling temperature, eg, in the range of about 20K to about 40K.
  • the second cooling stage 35 can be cooled to a second cooling temperature (eg, about 1K to about 4K) that is lower than the first cooling temperature.
  • the cryogenic refrigerator 10 can perform initial cooling and steady operation subsequent to the initial cooling.
  • Initial cooling is an operation mode of the expander 14 that rapidly cools from the initial temperature to a cryogenic temperature when the cryogenic refrigerator 10 is started. mode of operation of machine 14;
  • the initial temperature may be ambient temperature (eg, room temperature).
  • the expander 14 is cooled to a standard cooling temperature by initial cooling, and is maintained within a cryogenic allowable temperature range including this standard cooling temperature in steady operation.
  • the normal cooling temperature will vary depending on the application and setting of the cryogenic refrigerator 10, but is typically about 4.2 K or less, for example in superconducting device cooling applications. In certain other cooling applications, the standard cooling temperature may be, for example, about 10K to 20K, or 10K or less.
  • Initial cooling can also be referred to as cool down, as described above.
  • the density of the working gas inside the expander 14 increases as the temperature decreases from the initial temperature to the cryogenic temperature.
  • the amount of working gas accumulated in the expander 14 increases, so to speak, the working gas is absorbed by the expander 14 through the gas line 62 .
  • the expansion machine 14 is cooled and the pressure of the working gas circulating in the gas line 62 is gradually lowered. Since the pressure drop of the working gas causes a drop in the refrigerating capacity of the cryogenic refrigerator 10, there is concern that it may become a factor that prolongs the time required for initial cooling. Since the initial cooling is only a preparation for starting cooling of the object by the cryogenic refrigerator, it is desired that the required time be as short as possible.
  • the controller 110 controls the pressure in the high pressure line 63 based on the pressure in the high pressure line 63 measured by the first pressure sensor 54 during initial cooling. is maintained within a preset proper pressure range. More specifically, during the initial cooling, the controller 110 compares the measured pressure of the high pressure line 63 with the lower limit value Pc of the appropriate pressure range, and prevents the pressure of the high pressure line 63 from falling below the lower limit value Pc.
  • the supply valve 72 may be operated so as to repeatedly open and close the supply valve 72 every time.
  • the controller 110 keeps the pressure in the high pressure line 63 within the proper pressure range based on the pressure in the high pressure line 63 measured by the first pressure sensor 54 during the initial cooling.
  • Control recovery valve 74 More specifically, the controller 110 compares the measured pressure of the high pressure line 63 with the upper limit value Pd of the proper pressure range during the initial cooling, and the pressure of the high pressure line 63 does not exceed the upper limit value Pd.
  • the recovery valve 74 may be operated so as to repeatedly open and close the recovery valve 74 every time.
  • FIG. 3 is a flow chart explaining a control method for the cryogenic refrigerator 10 according to the embodiment.
  • the method is repeatedly performed at predetermined intervals by the controller 110 during initial cooling of the cryogenic refrigerator 10 . Note that this method may be continuously performed not only during initial cooling, but also during steady-state operation of the cryogenic refrigerator 10 .
  • the pressure of the high pressure line 63 is measured (S10).
  • the first pressure sensor 54 measures the pressure in the high pressure line 63 and outputs a first measured pressure signal PH representative of the measured pressure in the high pressure line 63 .
  • the controller 110 receives the first measured pressure signal PH and obtains the measured pressure of the high pressure line.
  • the measured pressure of the high pressure line 63 is compared with the proper pressure range (S12).
  • the lower limit Pc of the appropriate pressure range is set so that the cryogenic refrigerator 10 provides sufficient refrigerating capacity.
  • the upper limit value Pd of the proper pressure range is set so as not to generate excessive pressure in the high pressure line 63 .
  • the upper limit value Pd of the proper pressure range may be set to a pressure value that is lower than the aforementioned set pressure at which the relief valve 60 opens.
  • the appropriate pressure range can be appropriately set based on the designer's empirical knowledge or the designer's experiment, simulation, or the like.
  • the proper pressure range may be pre-stored in the controller 110 as an initial setting of the cryogenic refrigerator 10 or may be set in the controller 110 by a user prior to operation of the cryogenic refrigerator 10 .
  • the upper limit value Pd and the lower limit value Pc of the proper pressure range may be selected from the range of 2 MPa to 3 MPa or the range of 2.1 MPa to 2.7 MPa.
  • the width of the appropriate pressure range that is, the difference between the upper limit value Pd and the lower limit value Pc of the appropriate pressure range may be set to a value within 0.5 MPa, within 0.3 MPa, or within 0.1 MPa, for example.
  • the proper pressure range may be set to 2.45 ⁇ 0.05 MPa, in which case the width of the proper pressure range is 0.1 MPa, the upper limit Pd is 2.5 MPa, and the lower limit Pc is 2.4 MPa. .
  • the controller 110 compares the measured pressure of the high-pressure line 63 with the lower limit value Pc of the appropriate pressure range, and when the measured pressure of the high-pressure line 63 is below the lower limit value Pc (PH ⁇ Pc), opens the supply valve 72 (S14). . This supplies working gas from the buffer volume 70 through the supply valve 72 to the low pressure line 64 . As the amount of working gas circulating in gas line 62 increases, the pressure in high pressure line 63 is restored.
  • the controller 110 closes the supply valve 72 when the measured pressure of the high pressure line 63 has recovered to the proper pressure range (S16). For example, the controller 110 compares the measured pressure of the high pressure line 63 with the lower limit Pc of the proper pressure range, and if the measured pressure of the high pressure line 63 is above the lower limit Pc (PH>Pc, or Ph ⁇ Pc), the supply Valve 72 may be closed. When the supply valve 72 is closed, the supply of working gas from the buffer volume 70 to the low pressure line 64 is stopped. Thus, the method ends and is run again in the next control cycle.
  • the pressure threshold value for closing the supply valve 72 may differ from the lower limit value Pc of the appropriate pressure range, and may be larger than the lower limit value Pc, for example.
  • This pressure threshold value may be set so as not to exceed the upper limit value Pd of the proper pressure range.
  • the pressure threshold may be a value obtained by adding a predetermined ratio of the width of the appropriate pressure range (upper limit Pd ⁇ lower limit Pc) to the lower limit Pc.
  • the predetermined percentage may be, for example, 50% or less, 30% or less, or 10% or less.
  • FIG. 4 is a flow chart explaining a control method for the cryogenic refrigerator 10 according to the embodiment.
  • the method is repeatedly performed at predetermined intervals by the controller 110 during initial cooling of the cryogenic refrigerator 10 .
  • This method may be performed in parallel with the method shown in FIG. Note that this method may be continuously performed not only during initial cooling, but also during steady-state operation of the cryogenic refrigerator 10 .
  • the pressure of the high pressure line 63 is measured using the first pressure sensor 54 (S20).
  • the controller 110 receives the first measured pressure signal PH from the first pressure sensor 54 and obtains the measured pressure in the high pressure line.
  • the measured pressure of the high pressure line 63 is compared with the proper pressure range (S22).
  • the controller 110 compares the measured pressure of the high-pressure line 63 with the upper limit value Pd of the appropriate pressure range, and when the measured pressure of the high-pressure line 63 exceeds the upper limit value Pd (PH>Pd), opens the recovery valve 74 (S24). .
  • Pd the upper limit value of the appropriate pressure range
  • the controller 110 closes the recovery valve 74 when the measured pressure of the high pressure line 63 has recovered to the proper pressure range (S26). For example, the controller 110 compares the measured pressure of the high pressure line 63 with the upper limit Pd of the proper pressure range, and if the measured pressure of the high pressure line 63 is below the upper limit Pd (PH ⁇ Pd, or PH ⁇ Pd), recovery Valve 74 may be closed. When recovery valve 74 is closed, recovery of working gas from high pressure line 63 to buffer volume 70 is stopped. Thus, the method ends and is run again in the next control cycle.
  • the pressure threshold for closing the recovery valve 74 may differ from the upper limit value Pd of the proper pressure range, and may be smaller than the upper limit value Pd, for example. This pressure threshold is selected from the proper pressure range, ie it may be greater than the lower limit Pc of the proper pressure range.
  • the proper pressure range may be changed during operation of the cryogenic refrigerator 10.
  • the proper pressure range for initial cooling may be different than the proper pressure range for steady state operation, eg, it may be higher than the proper pressure range for steady state operation.
  • the lower limit value Pc in initial cooling may be higher than the lower limit value Pc in steady operation
  • the upper limit value Pd in initial cooling may be higher than the upper limit value Pd in steady operation.
  • switching from initial cooling to steady operation and changing the appropriate pressure range may be controlled by the control device 100.
  • the controller 100 compares the measured temperature of the second cooling stage 35 (and/or the first cooling stage 33) with the standard cooling temperature described above, and the measured temperature is If the measured temperature is higher than the standard cooling temperature, initial cooling may be performed, and if the measured temperature is equal to or lower than the standard cooling temperature, the initial cooling may be shifted to steady operation.
  • the controller 110 may change the appropriate pressure range as the initial cooling transitions to steady operation.
  • switching from initial cooling to steady-state operation and changing the proper pressure range can be based on the pressure in buffer volume 70 or between high pressure line 63 and low pressure line 64. may be performed based on the differential pressure of In this way, the control device 100 can complete initial cooling of the cryogenic refrigerator 10 without depending on the temperature sensor 46 .
  • PI (MPa) is the working gas filling pressure of the cryogenic refrigerator 10 at temperature T (K)
  • VH (L) is the volume of the high pressure line 63
  • VL (L) is the volume of the low pressure line 64
  • VB (L) is the volume of the buffer volume 70
  • n (mol) is the amount of working gas in the cryogenic refrigerator 10
  • R is the gas constant.
  • PH (MPa) is the pressure of the high pressure line 63 during steady operation at temperature T
  • PL (MPa) is the pressure of the low pressure line 64 during steady operation at temperature T
  • PB (MPa) is the steady state pressure at temperature T. Represents the pressure of the buffer volume 70 in operation.
  • PL ⁇ PB (4) To supply working gas from the buffer volume 70 to the low pressure line 64 at any time during operation of the cryogenic refrigerator 10, for any temperature T in the temperature range from the initial temperature of the cryogenic refrigerator 10 to the cryogenic temperature, PL ⁇ PB (4) should satisfy
  • buffer volume 70 preferably satisfies equation (5) for any temperature in the temperature range from the initial temperature to cryogenic temperatures.
  • buffer volume 70 preferably satisfies equation (7) for any temperature in the temperature range from initial to cryogenic.
  • FIG. 5 is a graph showing an example of temporal changes in temperature and pressure during operation of the cryogenic refrigerator 10 according to the embodiment.
  • the pressure changes shown were obtained by experiment, and the pressure PH of the high pressure line 63 measured by the first pressure sensor 54 and the pressure PH of the low pressure line 64 is shown.
  • the temperature T1 of the first cooling stage 33 and the temperature T2 of the second cooling stage 35 are shown.
  • the horizontal axis indicates time.
  • the pressure PH of the high-pressure line 63 and the pressure PL of the low-pressure line 64 are both the sealing pressure PI, and the temperature T1 of the first cooling stage 33 and the temperature T1 of the second cooling stage 35 Both temperatures T2 are room temperature (approximately 300K).
  • the compressor 12 and the expander 14 are operated, the pressure PH in the high pressure line 63 increases from the filling pressure PI, and the pressure PL in the low pressure line 64 increases from the filling pressure PI. Decrease from pressure PI.
  • the initial cooling causes the temperature T1 of the first cooling stage 33 and the temperature T2 of the second cooling stage 35 to decrease.
  • the first cooling stage 33 and the second cooling stage 35 are each cooled to the standard cooling temperature described above (for example, T1 ⁇ 30K, T2 ⁇ 4K), the initial cooling is completed and the operation shifts to steady operation.
  • FIG. 6(A) schematically shows an enlarged portion A shown in FIG. 5, and FIG. 6(B) schematically shows an enlarged portion B shown in FIG.
  • FIG. 6A shows the pressure PH of the high pressure line 63 immediately after the start of initial cooling along with the opening/closing state of the recovery valve 74
  • FIG. 6B shows the pressure PH of the high pressure line 63 after the A part. are shown along with the open/closed state of the supply valve 72 .
  • the recovery valve 74 opens. As the working gas is recovered from the high pressure line 63 through the recovery valve 74 into the buffer volume 70, the pressure PH in the high pressure line 63 is reduced. When the pressure PH in the high pressure line 63 falls below the upper limit pressure Pd, the recovery valve 74 is closed. In this way, excessive boosting of the high pressure line 63 can be avoided. The risk of emergency stop of the compressor 12 due to excessive pressurization is reduced. In addition, since the buffer volume 70 is pressurized by recovering the working gas, it can be effectively used for supplying the working gas from the buffer volume 70 to the low-pressure line 64 .
  • the supply valve 72 opens. Working gas is supplied from buffer volume 70 to low pressure line 64 through supply valve 72 . As the amount of working gas circulating in gas line 62 increases, the pressure in high pressure line 63 is restored. When the pressure PH in the high-pressure line 63 exceeds the lower limit Pc, the supply valve 72 is closed.
  • the decrease in the temperature of the expander 14 during initial cooling increases the density of the working gas within the expander 14, which has the effect of lowering the pressure PH in the high pressure line 63. Therefore, even if the pressure PH in the high-pressure line 63 recovers once, it falls below the lower limit value Pc again.
  • the supply valve 72 is opened again, the pressure in the high pressure line 63 is restored, and the supply valve 72 is closed. In this manner, the supply valve 72 operates to repeatedly open and close so as to maintain the pressure PH of the high pressure line 63 within the proper pressure range.
  • the pressure PH in the high pressure line 63 could drop significantly due to the drop in temperature of the expander 14 . Since the refrigerating capacity of the cryogenic refrigerator 10 is related to the pressure PH in the high pressure line 63, the refrigerating capacity of the cryogenic refrigerator 10 may decrease as the initial cooling progresses. This can be a factor that lengthens the time required for initial cooling.
  • the pressure PH of the high pressure line 63 can be maintained within the proper pressure range. Therefore, the refrigerating capacity of the cryogenic refrigerator 10 can be properly maintained, and an increase in the initial cooling time can be suppressed. Also, by keeping the pressure PH of the high-pressure line 63 substantially constant, the cryogenic refrigerator 10 can provide stable refrigerating capacity.
  • a bypass line 56 and a relief valve 60 are provided to allow excess working gas to escape from the high pressure line 63 to the low pressure line 64 through the bypass line 56 when the pressure PH in the high pressure line 63 increases. It is also possible to suppress the boost. However, such bypass flow reduces the flow of working gas supplied from compressor 12 to expander 14 and can result in reduced refrigeration capacity of cryocooler 10 .
  • the buffer volume 70 can be used to maintain the pressure PH in the high pressure line 63 within the proper pressure range without having to rely on bypass flow.
  • a method of controlling the supply valve 72 and the recovery valve 74 based on the pressure of the low pressure line 64 is also conceivable in order to maintain the pressure PH of the high pressure line 63 within an appropriate pressure range.
  • the pressure of the low-pressure line 64 is affected by the cooling temperature of the expander 14 (it fluctuates depending on the cooling temperature). Therefore, it is practically essential to set the appropriate pressure range of the low-pressure line 64, that is, the pressure threshold value of the low-pressure line 64 for opening and closing the supply valve 72 and the recovery valve 74, to different values according to the cooling temperature. design becomes complicated. Moreover, even if the low-pressure line 64 is within the proper pressure range, the pressure of the high-pressure line 63 may become excessively high depending on the cooling temperature. Therefore, the method based on the pressure of the high-pressure line 63 as in the embodiment is advantageous in that such inconveniences are mitigated or prevented.
  • FIG. 7 is a graph showing an example of changes in temperature and pressure during operation of the cryogenic refrigerator 10 according to the embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing a cryogenic refrigerator 10 according to an embodiment.
  • the cryogenic refrigerator 10 includes a compressor 12, an expander 14, a buffer volume 70, and a controller 100, as in the above-described embodiments.
  • the controller 110 controls the supply valve 72 based on the pressure of the high pressure line 63 measured by the first pressure sensor 54 to keep the pressure of the high pressure line 63 within a preset proper pressure range. do.
  • the controller 110 controls the recovery valve 74 based on the pressure of the high pressure line 63 measured by the first pressure sensor 54 so as to keep the pressure of the high pressure line 63 within an appropriate pressure range. .
  • the cryogenic refrigerator 10 comprises a buffer pressure sensor 76 connected to the buffer volume 70 to measure the pressure in the buffer volume 70 .
  • Buffer pressure sensor 76 is electrically connected to controller 100 and is configured to output to controller 100 a measured buffer pressure signal PB representative of the measured pressure.
  • the pressure PB of the buffer volume 70 measured by the buffer pressure sensor 76 is shown at the top of FIG. At the bottom of FIG. 7, the temperature T1 of the first cooling stage 33 and the temperature T2 of the second cooling stage 35 are shown.
  • the pressure PH in the high pressure line 63 and the low pressure The pressure PL in line 64 also stabilizes. At this time, both the supply valve 72 and the recovery valve 74 are closed and the buffer volume 70 is disconnected from the gas line 62 . Therefore, the pressure PB of the buffer volume 70 is also constant (the final buffer pressure PF shown in FIG. 7).
  • completion of the initial cooling can be determined by detecting stabilization of the pressure PB in the buffer volume 70 .
  • the working gas charging pressure PI and operating conditions for example, high pressure PH, low pressure PL, temperatures T1, T2, etc.
  • the controller 110 compares the predicted final buffer pressure with the measured pressure PB in the buffer volume 70, and based on the comparison, determines whether the measured pressure PB in the buffer volume 70 is equal to the predicted final buffer pressure. It may be determined whether The controller 110 may complete the initial cooling when the measured pressure PB of the buffer volume 70 remains equal to the expected final buffer pressure for a predetermined period of time (eg, several minutes).
  • the controller 110 determines the completion of the initial cooling by calculating the difference between the measured pressure PB of the buffer volume 70 and the reference pressure during the initial cooling and detecting stabilization of the calculated pressure difference. good too.
  • the reference pressure may be a previously measured pressure of the buffer volume 70, for example the maximum value PM of the pressure of the buffer volume 70 measured during the initial cooling. It can be seen from FIG. 7 that the pressure in the buffer volume 70 increases from the filling pressure PI to reach a maximum value PM immediately after initial cooling begins.
  • the controller 110 compares the calculated pressure difference (i.e., the difference between the measured pressure PB of the buffer volume 70 and the reference pressure) to the pressure difference target value, and based on the comparison result, the calculated pressure difference equals the pressure difference target value. You may judge whether it is equal.
  • the controller 110 may complete the initial cooling when the calculated pressure difference remains equal to the pressure difference target value for a predetermined period of time.
  • the predetermined time may be selected from a range of, for example, 1 minute or more and 10 minutes or less.
  • a predetermined value for example, 0.05 MPa
  • the pressure PH of the high-pressure line 63 (or the pressure PL of the low-pressure line 64) measured at the same timing as the measured pressure PB of the buffer volume 70 may be used.
  • the controller 110 determines the initial Completion of cooling may be determined.
  • the controller 110 compares the calculated pressure difference and the target pressure difference value in the same manner as in the above example, and if the calculated pressure difference is equal to the target pressure difference value for a predetermined period of time, the initial cooling is completed. good.
  • the controller 110 may indicate completion of initial cooling by calculating the difference between the measured pressure PH in the high pressure line 63 and the measured pressure PL in the low pressure line 64 and detecting stabilization of the calculated pressure difference. You can judge.
  • the case where the expander motor 42 operates at a constant operating frequency (motor rotation speed) (that is, the case where the expander motor 42 operates at the same operating frequency in initial cooling and steady operation) is taken as an example.
  • the cryogenic refrigerator 10 may include an expander motor 42 with a variable operating frequency. may be executed. In this case, switching from initial cooling (accelerated cooling) to steady state operation and changing the operating frequency can be based on the pressure in the buffer volume 70 or the high pressure line 63, as described above with reference to FIGS. and the differential pressure in the low pressure line 64. By performing accelerated cooling, the initial cooling time can be further shortened.
  • the pressure sensors such as the first pressure sensor 54 and the second pressure sensor 55 do not necessarily need to be provided in the compressor 12, and may be provided in any place where the pressure can be measured, such as the gas line 62 and the expander 14. good.
  • the first pressure sensor 54 may be placed anywhere on the high pressure line 63 and the second pressure sensor 55 may be placed anywhere on the low pressure line 64 .
  • the supply valve 72 and the recovery valve 74 are prepared as separate valves and connected to the buffer volume 70 respectively, but the present invention is not limited to this.
  • supply valve 72 and return valve 74 may be integrated, eg, a three-way valve connected to buffer volume 70 . By switching the three-way valve, a supply state in which the buffer volume 70 is connected to the low pressure line 64 and a recovery state in which the buffer volume 70 is connected to the high pressure line 63 may be switched.
  • the buffer volume 70 is a single buffer tank, but in some embodiments the buffer volume 70 may be multiple buffer tanks. One buffer tank may be connected to low pressure line 64 by supply valve 72 and another buffer tank may be connected to high pressure line 63 by recovery valve 74 .
  • the buffer volume 70 is arranged outside the compressor 12 and the expander 14 in the above-described embodiment, the present invention is not limited to this.
  • buffer volume 70 may be located within compressor 12 .
  • cryogenic refrigerator 10 is a two-stage GM refrigerator is described as an example, but it is not limited to this.
  • Cryogenic refrigerator 10 may be a single stage or multi-stage GM refrigerator, as well as other types of cryogenic refrigerators such as pulse tube refrigerators.
  • the present invention can be used in the field of cryogenic refrigerators and cryogenic refrigerator operating methods.
  • cryogenic refrigerator 14 expander, 63 high pressure line, 64 low pressure line, 70 buffer volume, 72 supply valve, 74 recovery valve, 76 buffer pressure sensor, 110 controller.

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Abstract

極低温冷凍機（１０）は、初期温度から極低温に冷却する初期冷却と、初期冷却に後続して極低温を維持する定常運転とを実行可能な膨張機（１４）と、膨張機（１４）に接続され、膨張機（１４）に吸気される作動ガスが流れる高圧ライン（６３）と、膨張機（１４）に接続され、膨張機（１４）から排気される作動ガスが流れる低圧ライン（６４）と、高圧ライン（６３）の圧力を測定する第１圧力センサ（５４）と、作動ガスを貯留するバッファ容積（７０）と、バッファ容積（７０）を低圧ライン（６４）に接続する供給バルブ（７２）と、初期冷却の最中に、第１圧力センサ（５４）によって測定された高圧ライン（６３）の圧力に基づいて、高圧ライン（６３）の圧力を予め設定した適正圧力範囲に保つように供給バルブ（７２）を制御するコントローラ（１１０）と、を備える。

Description

極低温冷凍機および極低温冷凍機の運転方法
　本発明は、極低温冷凍機および極低温冷凍機の運転方法に関する。
　極低温冷凍機は、極低温環境で使用される超伝導機器、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。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。このような極低温冷凍機の初期冷却はクールダウンとも称される。
特開平１１－２５７７６８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。このような極低温冷凍機の初期冷却はクールダウンとも称される。初期冷却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、極低温冷凍機の初期冷却時間を短縮することにある。
　本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、初期温度から極低温に冷却する初期冷却と、初期冷却に後続して極低温を維持する定常運転とを実行可能な膨張機と、膨張機に接続され、膨張機に吸気される作動ガスが流れる高圧ラインと、膨張機に接続され、膨張機から排気される作動ガスが流れる低圧ラインと、高圧ラインの圧力を測定する圧力センサと、作動ガスを貯留するバッファ容積と、バッファ容積を低圧ラインに接続する供給バルブと、初期冷却の最中に、圧力センサによって測定された高圧ラインの圧力に基づいて、高圧ラインの圧力を予め設定した適正圧力範囲に保つように供給バルブを制御するコントローラと、を備える。
　本発明のある態様によると、極低温冷凍機の運転方法が提供される。極低温冷凍機は、膨張機と、膨張機に接続され、膨張機に吸気される作動ガスが流れる高圧ラインと、膨張機に接続され、膨張機から排気される作動ガスが流れる低圧ラインと、高圧ラインの圧力を測定する圧力センサと、作動ガスを貯留するバッファ容積と、バッファ容積を低圧ラインに接続する供給バルブと、を備える。本方法は、膨張機を初期温度から極低温に冷却する初期冷却を実行することと、初期冷却に後続して膨張機を極低温に維持する定常運転を実行することと、を備える。供給バルブは、初期冷却の最中に、圧力センサによって測定された高圧ラインの圧力に基づいて、高圧ラインの圧力を予め設定した適正圧力範囲に保つように制御される。
　なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
　本発明によれば、極低温冷凍機の初期冷却時間を短縮することができる。
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。 実施の形態に係る極低温冷凍機の制御方法を説明するフローチャートである。 実施の形態に係る極低温冷凍機の制御方法を説明するフローチャートである。 実施の形態に係り、極低温冷凍機の運転中の温度と圧力の変化の一例を示すグラフである。 図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、実施の形態に係り、極低温冷凍機の運転中の圧力の変化の一例を示すグラフである。 実施の形態に係り、極低温冷凍機の運転中の温度と圧力の変化の一例を示すグラフである。 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。
　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。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。図１には、極低温冷凍機１０を構成する圧縮機１２と膨張機１４が制御装置１００とともに模式的に示され、図２には、極低温冷凍機１０の膨張機１４の内部構造が示される。
　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。圧縮機１２と膨張機１４により極低温冷凍機１０の冷凍サイクルが構成され、それにより極低温冷凍機１０は所望の極低温冷却を提供することができる。膨張機１４は、コールドヘッドとも称される。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。
　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。
　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、ＨｏＣｕ２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。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。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。
　また、膨張機１４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４６を備えてもよい。
　圧縮機１２は、高圧ガス出口５０、低圧ガス入口５１、高圧流路５２、低圧流路５３、第１圧力センサ５４、第２圧力センサ５５、バイパスライン５６、圧縮機本体５７、および圧縮機筐体５８を備える。高圧ガス出口５０は、圧縮機１２の作動ガス吐出ポートとして圧縮機筐体５８に設置され、低圧ガス入口５１は、圧縮機１２の作動ガス吸入ポートとして圧縮機筐体５８に設置されている。高圧流路５２は、圧縮機本体５７の吐出口を高圧ガス出口５０に接続し、低圧流路５３は、低圧ガス入口５１を圧縮機本体５７の吸入口に接続する。圧縮機筐体５８は、高圧流路５２、低圧流路５３、第１圧力センサ５４、第２圧力センサ５５、バイパスライン５６、および圧縮機本体５７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５７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５７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。この実施の形態では、圧縮機本体５７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る。あるいは、圧縮機本体５７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５７は、圧縮カプセルと称されることもある。
　第１圧力センサ５４は、高圧流路５２を流れる作動ガスの圧力を測定するよう高圧流路５２に配置されている。第１圧力センサ５４は、測定された圧力を表す第１測定圧信号ＰＨを出力するよう構成されている。第２圧力センサ５５は、低圧流路５３を流れる作動ガスの圧力を測定するよう低圧流路５３に配置されている。第２圧力センサ５５は、測定された圧力を表す第２測定圧信号ＰＬを出力するよう構成されている。よって第１圧力センサ５４、第２圧力センサ５５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５４と第２圧力センサ５５のいずれかを指して、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。
　バイパスライン５６は、膨張機１４を迂回して高圧流路５２から低圧流路５３に作動ガスを還流させるように高圧流路５２を低圧流路５３に接続する。バイパスライン５６には、バイパスライン５６を開閉し、またはバイパスライン５６を流れる作動ガスの流量を制御するためのリリーフバルブ６０が設けられている。リリーフバルブ６０は、その出入口間に設定圧以上の差圧が作用するとき開くように構成されている。リリーフバルブ６０は、オンオフ弁または流量制御弁であってもよく、例えば電磁弁でもよい。設定圧は、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。これにより、高圧ライン６３と低圧ライン６４の差圧がこの設定圧を超えて過大となることを防ぐことができる。また、高圧ライン６３の圧力が過大となることを防ぐことができる。
　リリーフバルブ６０は、いわゆる安全弁として作動するように構成されていてもよく、すなわち、出入口間に設定圧以上の差圧が作用するとき機械的に開放されてもよい。あるいは、リリーフバルブ６０は、制御装置１００による制御によって開閉されてもよい。制御装置１００は、測定される高圧ライン６３と低圧ライン６４の差圧を設定圧と比較し、測定差圧が設定圧以上の場合にリリーフバルブ６０を開き、測定差圧が設定差圧未満の場合にリリーフバルブ６０を閉じるようにリリーフバルブ６０を制御してもよい。制御装置１００は、高圧ライン６３と低圧ライン６４の測定差圧を、第１圧力センサ５４からの第１測定圧信号ＰＨと第２圧力センサ５５からの第２測定圧信号ＰＬに基づいて取得してもよい。別の例として、制御装置１００は、第１測定圧信号ＰＨに基づいて高圧ライン６３の測定圧力を上限圧と比較し、測定圧力が上限圧以上の場合にリリーフバルブ６０を開き、測定圧力が上限圧未満の場合にリリーフバルブ６０を閉じるようにリリーフバルブ６０を制御してもよい。
　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５２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５３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５７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。
　また、極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と膨張機１４の間で作動ガスを循環させるガスライン６２を備える。ガスライン６２は、圧縮機１２から膨張機１４に作動ガスを供給するように圧縮機１２を膨張機１４に接続する高圧ライン６３と、膨張機１４から圧縮機１２に作動ガスを回収するように圧縮機１２を膨張機１４に接続する低圧ライン６４とを備える。膨張機１４の冷凍機ハウジング２０には高圧ガス入口２２と低圧ガス出口２４が設けられている。高圧ガス入口２２は、高圧配管６５によって高圧ガス出口５０に接続され、低圧ガス出口２４は、低圧配管６６によって低圧ガス入口５１に接続されている。高圧ライン６３は、高圧配管６５と高圧流路５２からなり、低圧ライン６４は、低圧配管６６と低圧流路５３からなる。バイパスライン５６は、ガスライン６２の一部であるとみなされてもよい。バイパスライン５６は、膨張機１４を迂回して高圧ライン６３から低圧ライン６４に作動ガスを還流させるように高圧ライン６３を低圧ライン６４に接続する。
　したがって、膨張機１４から圧縮機１２に回収される作動ガスは、膨張機１４の低圧ガス出口２４から低圧配管６６を通じて圧縮機１２の低圧ガス入口５１に入り、さらに低圧流路５３を経て圧縮機本体５７に戻り、圧縮機本体５７によって圧縮され昇圧される。圧縮機１２から膨張機１４に供給される作動ガスは、圧縮機本体５７から高圧流路５２を通じて圧縮機１２の高圧ガス出口５０から出て、さらに高圧配管６５と膨張機１４の高圧ガス入口２２を経て膨張機１４に供給される。
　さらに、極低温冷凍機１０は、バッファ容積７０と、供給バルブ７２と、回収バルブ７４とを備える。バッファ容積７０は、作動ガスを貯留する容積であり、例えばバッファタンクであってもよい。供給バルブ７２は、バッファ容積７０を低圧ライン６４に接続し、回収バルブ７４は、バッファ容積７０を高圧ライン６３に接続する。供給バルブ７２と回収バルブ７４は、オンオフ弁または流量制御弁であってもよく、例えば電磁弁でもよい。
　バッファ容積７０の圧力は、極低温冷凍機１０が運転停止しているときには、極低温冷凍機１０への作動ガスの封入圧となる。極低温冷凍機１０が運転しているときには（例えば、初期冷却や定常運転の間）、バッファ容積７０の圧力は、高圧ライン６３の圧力と低圧ライン６４の圧力の中間の圧力（例えば、高圧と低圧の平均圧）となる。
　したがって、極低温冷凍機１０の運転中、供給バルブ７２が開くと、バッファ容積７０から供給バルブ７２を通じて低圧ライン６４へと作動ガスが供給される。供給バルブ７２が閉じると、バッファ容積７０から低圧ライン６４への作動ガスの供給は停止される。また、回収バルブ７４が開くと、高圧ライン６３から回収バルブ７４を通じてバッファ容積７０に作動ガスが回収される。回収バルブ７４が閉じると、高圧ライン６３からバッファ容積７０への作動ガスの回収は停止される。このようにして、供給バルブ７２と回収バルブ７４を開閉することにより、ガスライン６２を循環する作動ガスの量を調整することができ、その結果として、高圧ライン６３と低圧ライン６４それぞれの圧力も制御されうる。
　図１に示されるように、極低温冷凍機１０を制御する制御装置１００は、供給バルブ７２および回収バルブ７４を制御するコントローラ１１０を備える。コントローラ１１０は、第１測定圧信号ＰＨおよび第２測定圧信号ＰＬを取得するよう第１圧力センサ５４および第２圧力センサ５５と電気的に接続されている。後述のように、コントローラ１１０は、第１圧力センサ５４から第１測定圧信号ＰＨを受け、第１測定圧信号ＰＨが示す高圧ライン６３の測定圧力に基づいて供給バルブ７２および回収バルブ７４を開閉するように構成されている。また、コントローラ１１０は、温度センサ４６からの測定温度信号を取得するよう温度センサ４６と電気的に接続されている。
　図示される例では、制御装置１００は、圧縮機１２および膨張機１４とは別に設けられこれらと接続されているが、その限りでない。制御装置１００は、圧縮機１２に搭載されてもよい。制御装置１００は、膨張機モータ４２に搭載される等、膨張機１４に設けられてもよい。コントローラ１１０は、供給バルブ７２に、または回収バルブ７４に、または供給バルブ７２と回収バルブ７４それぞれに設けられてもよい。
　制御装置１００は、ハードウェア構成としてはコンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現されるが、図１では適宜、それらの連携によって実現される機能ブロックとして描いている。これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。
　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、初期冷却と、初期冷却に後続する定常運転とを実行可能である。初期冷却は、極低温冷凍機１０の起動時に、初期温度から極低温に急速に冷却する膨張機１４の運転モードであり、定常運転は、初期冷却によって極低温に冷却された状態を維持する膨張機１４の運転モードである。初期温度は、周囲温度（例えば室温）であってもよい。膨張機１４は、初期冷却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。初期冷却は、上述のように、クールダウンと呼ぶこともできる。
　ところで、初期冷却の際、初期温度から極低温への降温につれて、膨張機１４内で作動ガスの密度が増加する。これに伴い、膨張機１４内に溜まる作動ガスの量が増え、いわば、作動ガスがガスライン６２から膨張機１４に吸収されていく。その結果、膨張機１４の冷却が進むとともに、ガスライン６２を循環する作動ガスの圧力が徐々に低下する。作動ガスの圧力低下は極低温冷凍機１０の冷凍能力の低下をもたらすから、初期冷却にかかる時間を長くする要因となることが懸念される。初期冷却は極低温冷凍機によって対象物の冷却を始めるため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。
　このような問題に対処するために、この実施の形態では、コントローラ１１０は、初期冷却の最中に、第１圧力センサ５４によって測定された高圧ライン６３の圧力に基づいて、高圧ライン６３の圧力を予め設定した適正圧力範囲に保つように供給バルブ７２を制御する。より具体的には、コントローラ１１０は、初期冷却の最中に、測定された高圧ライン６３の圧力を適正圧力範囲の下限値Ｐｃと比較し、高圧ライン６３の圧力が下限値Ｐｃを下回らないように供給バルブ７２の開閉を繰り返すように供給バルブ７２を動作させてもよい。
　また、この実施の形態では、コントローラ１１０は、初期冷却の最中に、第１圧力センサ５４によって測定された高圧ライン６３の圧力に基づいて、高圧ライン６３の圧力を適正圧力範囲に保つように回収バルブ７４を制御する。より具体的には、コントローラ１１０は、初期冷却の最中に、測定された高圧ライン６３の圧力を適正圧力範囲の上限値Ｐｄと比較し、高圧ライン６３の圧力が上限値Ｐｄを超えないように回収バルブ７４の開閉を繰り返すように回収バルブ７４を動作させてもよい。
　図３は、実施の形態に係る極低温冷凍機１０の制御方法を説明するフローチャートである。本方法は、極低温冷凍機１０の初期冷却においてコントローラ１１０によって所定の周期で繰り返し実行される。なお本方法は、初期冷却の最中だけでなく、極低温冷凍機１０の定常運転においても継続して実行されてもよい。
　まず、高圧ライン６３の圧力が測定される（Ｓ１０）。第１圧力センサ５４は、高圧ライン６３の圧力を測定し、測定された高圧ライン６３の圧力を表す第１測定圧信号ＰＨを出力する。コントローラ１１０は、第１測定圧信号ＰＨを受け、高圧ラインの測定圧力を取得する。
　次に、測定された高圧ライン６３の圧力が、適正圧力範囲と比較される（Ｓ１２）。適正圧力範囲の下限値Ｐｃは、極低温冷凍機１０が十分な冷凍能力を提供するように設定される。適正圧力範囲の上限値Ｐｄは、高圧ライン６３に過剰な圧力を発生させないように設定される。適正圧力範囲の上限値Ｐｄは、リリーフバルブ６０が開く上述の設定圧よりも小さい圧力値に設定されてもよい。適正圧力範囲は、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。適正圧力範囲は、極低温冷凍機１０の初期設定としてコントローラ１１０に予め保存されていてもよく、または極低温冷凍機１０の運転前にユーザーによってコントローラ１１０に設定されてもよい。
　一例として、適正圧力範囲の上限値Ｐｄと下限値Ｐｃは、例えば、２ＭＰａから３ＭＰａの範囲、または２．１ＭＰａから２．７ＭＰａの範囲から選択されてもよい。適正圧力範囲の幅、つまり適正圧力範囲の上限値Ｐｄと下限値Ｐｃの差は、例えば、０．５ＭＰａ以内、または０．３ＭＰａ以内、または０．１ＭＰａ以内のある値に設定されてもよい。例えば、適正圧力範囲は、２．４５±０．０５ＭＰａと設定されてもよく、この場合適正圧力範囲の幅が０．１ＭＰａ、上限値Ｐｄが２．５ＭＰａ、下限値Ｐｃが２．４ＭＰａとなる。
　コントローラ１１０は、高圧ライン６３の測定圧力を適正圧力範囲の下限値Ｐｃと比較し、高圧ライン６３の測定圧力が下限値Ｐｃを下回る場合に（ＰＨ＜Ｐｃ）、供給バルブ７２を開く（Ｓ１４）。これにより、バッファ容積７０から供給バルブ７２を通じて低圧ライン６４へと作動ガスが供給される。ガスライン６２を循環する作動ガスの量が増えるので、高圧ライン６３の圧力が回復される。
　コントローラ１１０は、高圧ライン６３の測定圧力が適正圧力範囲に回復したとき、供給バルブ７２を閉じる（Ｓ１６）。例えば、コントローラ１１０は、高圧ライン６３の測定圧力を適正圧力範囲の下限値Ｐｃと比較し、高圧ライン６３の測定圧力が下限値Ｐｃを上回る場合に（ＰＨ＞Ｐｃ、またはＰｈ≧Ｐｃ）、供給バルブ７２を閉じてもよい。供給バルブ７２が閉じると、バッファ容積７０から低圧ライン６４への作動ガスの供給は停止される。こうして、本方法は終了し、次回の制御周期で再び実行される。
　なお、供給バルブ７２を閉じる圧力しきい値は、適正圧力範囲の下限値Ｐｃと異なってもよく、例えば、下限値Ｐｃより大きくてもよい。この圧力しきい値は、適正圧力範囲の上限値Ｐｄを超えないように設定されてもよい。例えば、圧力しきい値は、適正圧力範囲の幅（上限値Ｐｄ－下限値Ｐｃ）の所定割合を下限値Ｐｃに加えた値でもよい。所定割合は例えば５０％以下、３０％以下、または１０％以下の割合であってもよい。
　図４は、実施の形態に係る極低温冷凍機１０の制御方法を説明するフローチャートである。本方法は、極低温冷凍機１０の初期冷却においてコントローラ１１０によって所定の周期で繰り返し実行される。本方法は、図３に示される方法と並行して実行されてもよい。なお本方法は、初期冷却の最中だけでなく、極低温冷凍機１０の定常運転においても継続して実行されてもよい。
　まず、高圧ライン６３の圧力が第１圧力センサ５４を使用して測定される（Ｓ２０）。コントローラ１１０は、第１圧力センサ５４から第１測定圧信号ＰＨを受け、高圧ラインの測定圧力を取得する。
　次に、測定された高圧ライン６３の圧力が、適正圧力範囲と比較される（Ｓ２２）。コントローラ１１０は、高圧ライン６３の測定圧力を適正圧力範囲の上限値Ｐｄと比較し、高圧ライン６３の測定圧力が上限値Ｐｄを上回る場合に（ＰＨ＞Ｐｄ）、回収バルブ７４を開く（Ｓ２４）。これにより、高圧ライン６３から回収バルブ７４を通じてバッファ容積７０に作動ガスが回収され、高圧ライン６３の圧力が低下する。
　コントローラ１１０は、高圧ライン６３の測定圧力が適正圧力範囲に回復したとき、回収バルブ７４を閉じる（Ｓ２６）。例えば、コントローラ１１０は、高圧ライン６３の測定圧力を適正圧力範囲の上限値Ｐｄと比較し、高圧ライン６３の測定圧力が上限値Ｐｄを下回る場合に（ＰＨ＜Ｐｄ、またはＰＨ≦Ｐｄ）、回収バルブ７４を閉じてもよい。回収バルブ７４が閉じると、高圧ライン６３からバッファ容積７０への作動ガスの回収は停止される。こうして、本方法は終了し、次回の制御周期で再び実行される。
　なお、回収バルブ７４を閉じる圧力しきい値は、適正圧力範囲の上限値Ｐｄと異なってもよく、例えば、上限値Ｐｄより小さくてもよい。この圧力しきい値は、適正圧力範囲から選択され、すなわち適正圧力範囲の下限値Ｐｃより大きくてもよい。
　適正圧力範囲は、極低温冷凍機１０の運転中に変更されてもよい。例えば、初期冷却での適正圧力範囲は、定常運転での適正圧力範囲と異なってもよく、例えば、定常運転での適正圧力範囲より高くてもよい。例えば、初期冷却での下限値Ｐｃが定常運転での下限値Ｐｃより高く、及び／または、初期冷却での上限値Ｐｄが定常運転での上限値Ｐｄより高くてもよい。
　この場合、初期冷却から定常運転への切替、および適正圧力範囲の変更は、制御装置１００によって制御されてもよい。例えば、制御装置１００は、温度センサ４６からの測定温度信号に基づいて、第２冷却ステージ３５（及び／または第１冷却ステージ３３）の測定温度を上述の標準冷却温度と比較し、測定温度が標準冷却温度より高い場合には初期冷却を実行し、測定温度が標準冷却温度以下の場合には初期冷却から定常運転に移行してもよい。初期冷却から定常運転への移行に伴って、コントローラ１１０が適正圧力範囲を変更してもよい。
　また、図７および図８を参照して後述するように、初期冷却から定常運転への切替、および適正圧力範囲の変更は、バッファ容積７０の圧力に基づいて、または高圧ライン６３と低圧ライン６４の差圧に基づいて、行われてもよい。このようにすれば、制御装置１００は、温度センサ４６に依存せずに、極低温冷凍機１０の初期冷却を完了することができる。
　ここで、バッファ容積７０からの作動ガス供給を確実にするために、バッファ容積７０に望まれる条件を考える。理想気体の状態方程式から、極低温冷凍機１０の運転停止中（つまり初期冷却前）には、
　ＰＩ（ＶＨ＋ＶＬ＋ＶＢ）＝ｎＲＴ　（１）
が成り立つ。ここで、ＰＩ（ＭＰａ）は、温度Ｔ（Ｋ）での極低温冷凍機１０の作動ガス封入圧、ＶＨ（Ｌ）は高圧ライン６３の容積、ＶＬ（Ｌ）は低圧ライン６４の容積、ＶＢ（Ｌ）はバッファ容積７０の容積、ｎ（ｍｏｌ）は極低温冷凍機１０内の作動ガス量、Ｒは気体定数を表す。
　同様にして、極低温冷凍機１０の定常運転中には、
　ＰＨＶＨ＋ＰＬＶＬ＋ＰＢＶＢ＝ｎＲＴ　（２）
が成り立つ。ここで、ＰＨ（ＭＰａ）は温度Ｔでの定常運転における高圧ライン６３の圧力、ＰＬ（ＭＰａ）は温度Ｔでの定常運転での低圧ライン６４の圧力、ＰＢ（ＭＰａ）は温度Ｔでの定常運転でのバッファ容積７０の圧力を表す。
　式（１）および（２）から、
　ＰＩ（ＶＨ＋ＶＬ＋ＶＢ）＝ＰＨＶＨ＋ＰＬＶＬ＋ＰＢＶＢ　（３）
となる。
　極低温冷凍機１０の運転中の任意のタイミングでバッファ容積７０から低圧ライン６４に作動ガスを供給するには、極低温冷凍機１０の初期温度から極低温までの温度範囲における任意の温度Ｔについて、
　ＰＬ≦ＰＢ　（４）
を満たすべきである。
　式（３）をＰＢについて解き、式（４）に代入すると、以下の関係が得られる。
　ＶＢ≧ＶＨ（ＰＨ－ＰＩ）／（ＰＩ－ＰＬ）－ＶＬ　（５）
　したがって、バッファ容積７０から低圧ライン６４への作動ガス供給を確実にするには、初期温度から極低温までの温度範囲における任意の温度について、バッファ容積７０が式（５）を満たすことが好ましい。
　同様にして、バッファ容積７０へのガス回収を確実にするために、バッファ容積７０に望まれる条件を考える。この場合、極低温冷凍機１０の運転中の任意のタイミングでバッファ容積７０から高圧ライン６３に作動ガスを供給するには、極低温冷凍機１０の初期温度から極低温までの温度範囲における任意の温度Ｔについて、
　ＰＢ≦ＰＨ　（６）
を満たすべきである。
　式（３）をＰＢについて解き、式（６）に代入すると、以下の関係が得られる。
　ＶＢ≧－ＶＨ＋ＶＬ（ＰＩ－ＰＬ）／（ＰＨ－ＰＩ）　（７）
　したがって、高圧ライン６３からバッファ容積７０への作動ガス回収を確実にするには、初期温度から極低温までの温度範囲における任意の温度について、バッファ容積７０が式（７）を満たすことが好ましい。
　図５は、実施の形態に係り、極低温冷凍機１０の運転中の温度と圧力の時間変化の一例を示すグラフである。図示される圧力変化は、実験により取得したものであり、図５の上部には、第１圧力センサ５４によって測定された高圧ライン６３の圧力ＰＨと第２圧力センサ５５によって測定された低圧ライン６４の圧力ＰＬが示される。図５の下部には、第１冷却ステージ３３の温度Ｔ１と第２冷却ステージ３５の温度Ｔ２が示される。横軸は時間を示す。
　極低温冷凍機１０の起動前（時刻０）では、高圧ライン６３の圧力ＰＨと低圧ライン６４の圧力ＰＬはともに封入圧ＰＩであり、第１冷却ステージ３３の温度Ｔ１と第２冷却ステージ３５の温度Ｔ２はともに室温（約３００Ｋ）である。極低温冷凍機１０が起動され、初期冷却が開始されると、圧縮機１２と膨張機１４が作動し、高圧ライン６３の圧力ＰＨは封入圧ＰＩから増加し、低圧ライン６４の圧力ＰＬは封入圧ＰＩから低下する。初期冷却により第１冷却ステージ３３の温度Ｔ１と第２冷却ステージ３５の温度Ｔ２は低下していく。第１冷却ステージ３３と第２冷却ステージ３５がそれぞれ上述の標準冷却温度まで冷却されると（例えば、Ｔ１≦３０Ｋ、Ｔ２≦４Ｋ）、初期冷却は完了し、定常運転に移行する。
　図６（Ａ）は、図５に示されるＡ部を拡大して模式的に示し、図６（Ｂ）は、図５に示されるＢ部を拡大して模式的に示す。図６（Ａ）には、初期冷却の開始直後の高圧ライン６３の圧力ＰＨが回収バルブ７４の開閉状態とともに示され、図６（Ｂ）には、Ａ部より後の高圧ライン６３の圧力ＰＨが供給バルブ７２の開閉状態とともに示される。
　図６（Ａ）に示されるように、高圧ライン６３の圧力ＰＨが適正圧力範囲の上限値Ｐｄを超えると、回収バルブ７４が開く。高圧ライン６３から回収バルブ７４を通じてバッファ容積７０に作動ガスが回収されるので、高圧ライン６３の圧力ＰＨは低下する。高圧ライン６３の圧力ＰＨが上限圧Ｐｄを下回ると、回収バルブ７４は閉じる。このようにして、高圧ライン６３の過剰な昇圧を避けることができる。過剰な昇圧による圧縮機１２の緊急停止のリスクは低減される。また、作動ガスの回収によりバッファ容積７０が昇圧されるので、バッファ容積７０から低圧ライン６４への作動ガス供給に有効利用できる。
　図６（Ｂ）に示されるように、高圧ライン６３の圧力ＰＨが適正圧力範囲の下限値Ｐｃを下回ると、供給バルブ７２が開く。バッファ容積７０から供給バルブ７２を通じて低圧ライン６４へと作動ガスが供給される。ガスライン６２を循環する作動ガスの量が増えるので、高圧ライン６３の圧力が回復される。こうして高圧ライン６３の圧力ＰＨが下限値Ｐｃを超えると、供給バルブ７２は閉じる。
　上述のように、初期冷却中の膨張機１４の温度低下により膨張機１４内で作動ガスの密度が増加し、これは高圧ライン６３の圧力ＰＨを低下させる効果をもたらす。そのため、高圧ライン６３の圧力ＰＨは一度回復しても、下限値Ｐｃを再び下回る。再び供給バルブ７２が開き、高圧ライン６３の圧力が回復され、供給バルブ７２は閉じる。このようにして、供給バルブ７２は、高圧ライン６３の圧力ＰＨを適正圧力範囲に維持するように開閉を繰り返すように動作する。
　仮に、初期冷却の最中に作動ガスがガスライン６２に供給されなかったとしたら、膨張機１４の温度低下により高圧ライン６３の圧力ＰＨは顕著に低下しうる。極低温冷凍機１０の冷凍能力は高圧ライン６３の圧力ＰＨに相関するから、初期冷却が進むにつれて極低温冷凍機１０の冷凍能力が低下しうる。これは、初期冷却にかかる時間を長くする要因となりうる。
　これに対して、実施の形態によると、初期冷却の最中に供給バルブ７２を制御することにより高圧ライン６３の圧力ＰＨを適正圧力範囲に維持することができる。よって、極低温冷凍機１０の冷凍能力を適正に保持することができ、初期冷却時間の増加を抑えることができる。また、高圧ライン６３の圧力ＰＨをおおむね一定に保つことにより、極低温冷凍機１０は、安定した冷凍能力を提供することができる。
　この実施の形態では、バイパスライン５６およびリリーフバルブ６０が設けられているから、高圧ライン６３の圧力ＰＨが増加するときバイパスライン５６を通じて高圧ライン６３から低圧ライン６４に作動ガスを逃がすことにより過剰な昇圧を抑えることもできる。しかし、こうしたバイパス流れは、圧縮機１２から膨張機１４に供給される作動ガスの流量を減らすから、極低温冷凍機１０の冷凍能力低下をもたらしうる。ところが、この実施の形態は、バッファ容積７０を利用して高圧ライン６３の圧力ＰＨを適正圧力範囲に維持することができるので、バイパス流れに頼る必要が無く、有利である。
　高圧ライン６３の圧力ＰＨを適正圧力範囲に維持するために、低圧ライン６４の圧力に基づいて供給バルブ７２と回収バルブ７４を制御する方法も考えられる。低圧ライン６４の圧力は、膨張機１４の冷却温度の影響を受ける（冷却温度によって変動する）。そのため、低圧ライン６４の適正圧力範囲、すなわち供給バルブ７２と回収バルブ７４を開閉するための低圧ライン６４の圧力しきい値は、冷却温度に応じて異なる値に定めることが実用上必須となり、制御の設計が煩雑となる。また、低圧ライン６４が適正圧力範囲にあったとしても、冷却温度によっては、高圧ライン６３の圧力が過剰に高くなるケースもありうる。したがって、実施の形態のように高圧ライン６３の圧力に基づく方法は、このような不都合が緩和または防止される点で有利である。
　図７は、実施の形態に係り、極低温冷凍機１０の運転中の温度と圧力の変化の一例を示すグラフである。図８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。
　上述の実施の形態と同様に、極低温冷凍機１０は、圧縮機１２、膨張機１４、バッファ容積７０、および制御装置１００を備える。コントローラ１１０は、初期冷却の最中に、第１圧力センサ５４によって測定された高圧ライン６３の圧力に基づいて、高圧ライン６３の圧力を予め設定した適正圧力範囲に保つように供給バルブ７２を制御する。また、コントローラ１１０は、初期冷却の最中に、第１圧力センサ５４によって測定された高圧ライン６３の圧力に基づいて、高圧ライン６３の圧力を適正圧力範囲に保つように回収バルブ７４を制御する。
　極低温冷凍機１０は、バッファ容積７０の圧力を測定するようバッファ容積７０に接続されたバッファ圧センサ７６を備える。バッファ圧センサ７６は、制御装置１００と電気的に接続され、測定された圧力を表す測定バッファ圧信号ＰＢを制御装置１００に出力するよう構成されている。
　図７の上部には、図５に示される高圧ライン６３の圧力ＰＨおよび低圧ライン６４の圧力ＰＬに加えて、バッファ圧センサ７６によって測定されたバッファ容積７０の圧力ＰＢが示される。図７の下部には、第１冷却ステージ３３の温度Ｔ１と第２冷却ステージ３５の温度Ｔ２が示される。図７から理解されるように、初期冷却の完了により極低温冷凍機１０が充分に冷却され第１冷却ステージ３３と第２冷却ステージ３５の温度が安定すれば、高圧ライン６３の圧力ＰＨおよび低圧ライン６４の圧力ＰＬも安定する。このとき、供給バルブ７２と回収バルブ７４はともに閉鎖され、バッファ容積７０はガスライン６２から切り離される。そのため、バッファ容積７０の圧力ＰＢも一定となる（図７に示される最終バッファ圧ＰＦ）。
　したがって、バッファ容積７０の圧力ＰＢの安定化を検出することによって、初期冷却の完了を判定することができる。極低温冷凍機１０の作動ガス封入圧ＰＩと運転条件（例えば、高圧ＰＨ、低圧ＰＬ、温度Ｔ１、Ｔ２など）が既知であれば、初期冷却完了時の最終的なバッファ容積７０の圧力を予測できる。この場合、コントローラ１１０は、最終バッファ圧の予測値と測定されるバッファ容積７０の圧力ＰＢを比較し、比較結果に基づいてバッファ容積７０の測定圧力ＰＢが最終バッファ圧の予測値に等しいか否かを判定してもよい。コントローラ１１０は、バッファ容積７０の測定圧力ＰＢが最終バッファ圧の予測値に等しい状態が所定時間（例えば数分）にわたり継続する場合に、初期冷却を完了してもよい。
　あるいは、コントローラ１１０は、初期冷却の最中にバッファ容積７０の測定圧力ＰＢと参照圧力の差を算出し、算出された圧力差の安定化を検出することによって、初期冷却の完了を判定してもよい。参照圧力は、以前に測定されたバッファ容積７０の圧力であってもよく、例えば、初期冷却の最中に測定されたバッファ容積７０の圧力の最大値ＰＭであってもよい。バッファ容積７０の圧力は、初期冷却の開始直後に封入圧ＰＩから増加して最大値ＰＭをとることが図７から理解される。
　コントローラ１１０は、算出された圧力差（すなわちバッファ容積７０の測定圧力ＰＢと参照圧力の差）と圧力差目標値を比較し、比較結果に基づいて、算出された圧力差が圧力差目標値に等しいか否かを判定してもよい。コントローラ１１０は、算出された圧力差が圧力差目標値に等しい状態が所定時間にわたり継続する場合に、初期冷却を完了してもよい。所定時間は、例えば１分以上１０分以下の範囲から選択されてもよい。算出された圧力差と圧力差目標値との差が所定値（例えば０．０５ＭＰａ）以内である場合、算出された圧力差が圧力差目標値に等しいとみなすことができる。この圧力差目標値は封入圧ＰＩに依存しないので、封入圧ＰＩが未知であっても初期冷却の完了を判定することができる。
　参照圧力の他の一例として、バッファ容積７０の測定圧力ＰＢと同じタイミングで測定された高圧ライン６３の圧力ＰＨ（または低圧ライン６４の圧力ＰＬ）が使用されてもよい。コントローラ１１０は、バッファ容積７０の測定圧力ＰＢと高圧ライン６３の測定圧力ＰＨ（または低圧ライン６４の測定圧力ＰＬ）の差を算出し、算出された圧力差の安定化を検出することによって、初期冷却の完了を判定してもよい。コントローラ１１０は、上述の例と同様に、算出された圧力差と圧力差目標値を比較し、算出された圧力差が圧力差目標値に所定時間にわたり等しい場合に、初期冷却を完了してもよい。
　更なる代替例として、コントローラ１１０は、高圧ライン６３の測定圧力ＰＨと低圧ライン６４の測定圧力ＰＬの差を算出し、算出された圧力差の安定化を検出することによって、初期冷却の完了を判定してもよい。
　以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。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、膨張機モータ４２が一定の運転周波数（モータ回転数）で作動する場合（つまり、膨張機モータ４２が初期冷却と定常運転で同じ運転周波数で作動する場合）を例として説明しているが、本発明はこれに限られない。極低温冷凍機１０は、運転周波数を可変とする膨張機モータ４２を備えてもよく、初期冷却の最中に、膨張機モータ４２を定常運転に比べて高い運転周波数で作動させる、いわゆる加速冷却を実行してもよい。この場合、初期冷却（加速冷却）から定常運転への切替、および運転周波数の変更は、図７および図８を参照して上述したように、バッファ容積７０の圧力に基づいて、または高圧ライン６３と低圧ライン６４の差圧に基づいて、行われてもよい。加速冷却を実行することにより、初期冷却時間をさらに短縮することができる。
　第１圧力センサ５４、第２圧力センサ５５等の圧力センサは、圧縮機１２に設けられることは必須ではなく、ガスライン６２、膨張機１４など圧力を測定可能な任意の場所に設けられてもよい。例えば、第１圧力センサ５４は高圧ライン６３の任意の場所に設けられてもよく、第２圧力センサ５５は低圧ライン６４の任意の場所に設けられてもよい。
　上述の実施の形態では、供給バルブ７２と回収バルブ７４は別々のバルブとして用意され、それぞれがバッファ容積７０に接続されているが、本発明はこれに限られない。例えば、供給バルブ７２と回収バルブ７４は、一体化されていてもよく、例えば、バッファ容積７０に接続された三方弁であってもよい。三方弁を切り替えることにより、バッファ容積７０を低圧ライン６４に接続する供給状態とバッファ容積７０を高圧ライン６３に接続する回収状態が切り替えられてもよい。
　上述の実施の形態では、バッファ容積７０は、単一のバッファタンクであるが、ある実施の形態では、バッファ容積７０は、複数のバッファタンクであってもよい。一つのバッファタンクが供給バルブ７２により低圧ライン６４に接続され、別のバッファタンクが回収バルブ７４により高圧ライン６３に接続されてもよい。また、上述の実施の形態では、バッファ容積７０は、圧縮機１２および膨張機１４の外に配置されているが、これに限られない。例えば、バッファ容積７０は、圧縮機１２の中に配置されてもよい。
　上述の実施の形態は、極低温冷凍機１０が二段式のＧＭ冷凍機である場合を例として説明しているが、これに限られない。極低温冷凍機１０は、単段式または多段式のＧＭ冷凍機であってもよく、さらには、パルス管冷凍機などその他のタイプの極低温冷凍機であってもよい。
　以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
　本発明は、極低温冷凍機および極低温冷凍機の運転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、　６３　高圧ライン、　６４　低圧ライン、　７０　バッファ容積、　７２　供給バルブ、　７４　回収バルブ、　７６　バッファ圧センサ、　１１０　コントローラ。

Claims (8)

  1. 　初期温度から極低温に冷却する初期冷却と、前記初期冷却に後続して前記極低温を維持する定常運転とを実行可能な膨張機と、
    　前記膨張機に接続され、前記膨張機に吸気される作動ガスが流れる高圧ラインと、
    　前記膨張機に接続され、前記膨張機から排気される作動ガスが流れる低圧ラインと、
    　前記高圧ラインの圧力を測定する圧力センサと、
    　作動ガスを貯留するバッファ容積と、
    　前記バッファ容積を前記低圧ラインに接続する供給バルブと、
    　前記初期冷却の最中に、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に基づいて、前記高圧ラインの圧力を予め設定した適正圧力範囲に保つように前記供給バルブを制御するコントローラと、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。
  2. 　前記コントローラは、前記初期冷却の最中に、測定された前記高圧ラインの圧力を前記適正圧力範囲の下限値と比較し、前記高圧ラインの圧力が前記下限値を下回らないように前記供給バルブの開閉を繰り返すように前記供給バルブを動作させることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
  3. 　前記バッファ容積をＶＢ、前記高圧ラインの容積をＶＨ、前記低圧ラインの容積をＶＬ、ある温度での作動ガス封入圧をＰＩ、当該温度での前記定常運転における前記高圧ラインの圧力をＰＨ、当該温度での前記定常運転での前記低圧ラインの圧力をＰＬと表すとき、前記初期温度から前記極低温までの温度範囲における任意の温度について、前記バッファ容積が、ＶＢ≧ＶＨ（ＰＨ－ＰＩ）／（ＰＩ－ＰＬ）－ＶＬを満たす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. 　前記バッファ容積を前記高圧ラインに接続する回収バルブをさらに備え、
    　前記コントローラは、前記高圧ラインの圧力を前記適正圧力範囲に保つように前記回収バルブを制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の極低温冷凍機。
  5. 　前記バッファ容積をＶＢ、前記高圧ラインの容積をＶＨ、前記低圧ラインの容積をＶＬ、ある温度での作動ガス封入圧をＰＩ、当該温度での前記定常運転における前記高圧ラインの圧力をＰＨ、当該温度での前記定常運転での前記低圧ラインの圧力をＰＬと表すとき、前記初期温度から前記極低温までの温度範囲における任意の温度について、前記バッファ容積が、ＶＢ≧－ＶＨ＋ＶＬ（ＰＩ－ＰＬ）／（ＰＨ－ＰＩ）を満たすことを特徴とする請求項４に記載の極低温冷凍機。
  6. 　前記バッファ容積の圧力を測定するバッファ圧センサをさらに備え、
    　前記コントローラは、前記バッファ圧センサによって測定された前記バッファ容積の圧力に基づいて、前記初期冷却を完了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. 　極低温冷凍機の運転方法であって、前記極低温冷凍機は、膨張機と、前記膨張機に接続され、前記膨張機に吸気される作動ガスが流れる高圧ラインと、前記膨張機に接続され、前記膨張機から排気される作動ガスが流れる低圧ラインと、前記高圧ラインの圧力を測定する圧力センサと、バッファ容積と、前記バッファ容積を前記低圧ラインに接続する供給バルブと、を備え、前記方法は、
    　前記膨張機を初期温度から極低温に冷却する初期冷却を実行することと、
    　前記初期冷却に後続して前記膨張機を前記極低温に維持する定常運転を実行することと、を備え、
    　前記供給バルブは、前記初期冷却の最中に、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に基づいて、前記高圧ラインの圧力を予め設定した適正圧力範囲に保つように制御されることを特徴とする方法。
  8. 　前記初期冷却の最中に、前記バッファ容積の圧力を測定することと、
    　測定された前記バッファ容積の圧力に基づいて前記初期冷却を完了することと、をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の方法。
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