JP6180349B2

JP6180349B2 - 極低温冷凍機および極低温冷凍機の制御方法

Info

Publication number: JP6180349B2
Application number: JP2014055331A
Authority: JP
Inventors: 錦中島
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2017-08-16
Anticipated expiration: 2034-03-18
Also published as: CN104930761B; CN104930761A; JP2015178910A; US20150267942A1; US10174974B2

Description

本発明は、圧縮装置から供給される高圧の冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生する極低温冷凍機、およびその極低温冷凍機の制御方法に関する。

極低温を発生する冷凍機としてギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機が知られている。ＧＭ冷凍機は、シリンダ内でディスプレーサを往復移動することにより、膨張空間の体積を変化させる。この体積変化に対応して膨張空間と圧縮機の吐出側と吸気側とを選択的に接続することで、冷媒ガスが膨張空間で膨張する（特許文献１参照）。

このような極低温冷凍機は、冷媒ガスを圧縮するための圧縮機と、冷媒ガスを膨張させるための膨張機とを備える。冷媒ガスは、冷媒ガスを流通するための配管を通って圧縮機と膨張機との間を流通する。なお、冷媒ガスとしては、例えばヘリウムガスが用いられる。

特開平７−３２４８３２号公報

一般に、ＧＭ冷凍機の膨張機におけるディスプレーサの駆動部としてモータが用いられる。何らかの理由によってモータが誤動作すると、ディスプレーサ等の部品に負荷がかかることにより、部品が消耗したり交換時期が早まったりする。このため、駆動部の誤動作を早期に検知することが望まれている。

本発明は、極低温冷凍機における膨張機の駆動部の誤動作を早期に検知する技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の極低温冷凍機は、冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生させる膨張機と、膨張機から戻ってくる冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、膨張機と圧縮機とに接続され、膨張機と圧縮機との間に冷媒ガスを流通させる配管と、配管を流れる冷媒ガスの圧力の変動周期が所定の範囲にあるか否かを判定する判定器とを備える。

本発明の別の態様は、極低温冷凍機の制御方法である。この方法は、冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生させる膨張機と、膨張機から戻ってくる冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、膨張機と圧縮機との間で冷媒ガスを流通させる配管を備える極低温冷凍機において、配管を流れる冷媒ガスの圧力を取得するステップと、取得した圧力の変動周期を取得するステップと、取得した変動周期と所定の閾値の範囲とを比較するステップと、取得した周期が所定の閾値の範囲を外れた場合、圧縮機を停止させるステップとを有する。

本発明によれば、極低温冷凍機における膨張機の駆動部の誤動作を早期に検知することができる。

実施の形態に係る極低温冷凍機の構成を模式的に示す図である。実施の形態に係る膨張機を説明するための図である。スコッチヨーク機構を拡大して示す分解斜視図である。ロータリーバルブを拡大して示す分解斜視図である。実施の形態に係る極低温冷凍機の機能構成を模式的に示す図である。実施の形態に係る判定器の機能構成を模式的に示す図である。実施の形態に係る極低温冷凍機が実行する制御処理の流れを説明するフローチャートである。

本発明の実施の形態について図面と共に説明する。

まず、実施の形態の極低温冷凍機の全体構成について説明する。図１は、実施の形態に係る極低温冷凍機１００の構成を模式的に示す図である。図１に示すように、極低温冷凍機１００は、圧縮機１、膨張機１０、配管７、電源ケーブル８、冷却水配管接続部９、および圧力センサ７０を備える。

圧縮機１は、膨張機１０から戻ってくる低圧の冷媒ガスを圧縮し、圧縮された高圧の冷媒ガスを膨張機１０に供給する。膨張機１０は、圧縮機１から供給された高圧の冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生させる。膨張機１０の詳細は後述する。

配管７は膨張機１０と圧縮機１とに接続され、膨張機１０と圧縮機１との間に冷媒ガスを流通させる。配管７は、低圧配管７ａと高圧配管７ｂとを含む。低圧配管７ａは、膨張機１０から圧縮機１に向かう低圧の冷媒ガスが流れる。一方、高圧配管７ｂは、圧縮機１から膨張機１０に向かう高圧の冷媒ガスが流れる。圧力センサ７０は、配管７を流れる冷媒ガスの圧力を測定する。

電源ケーブル８は、圧縮機１と膨張機１０とに接続される。電源ケーブル８は、膨張機１０の動力となる電力を圧縮機１から供給するために用いられる。冷却水配管接続部９は、冷却水が流れる配管（不図示）を接続する。冷却水は、圧縮機１が冷媒ガスを圧縮することで生じた圧縮熱を冷却し、圧縮機１の外部に排熱するために用いられる。

図２、図３、および図４は、本発明のある実施の形態である膨張機１０を説明するための図である。実施の形態では、極低温冷凍機１００としてギフォード・マクマホン冷凍機を例に挙げ、その膨張機１０を説明する。実施の形態に係る膨張機１０は、シリンダ２、ハウジング３、およびモータ収容部５等を有している。

実施の形態では２段式の膨張機１０を例に挙げて説明する。２段式の膨張機１０では、シリンダ２は第１段目シリンダ１１と第２段目シリンダ１２の二つのシリンダを有している。第１段目シリンダ１１の内部には、第１段目ディスプレーサ１３が挿入される。また、第２段目シリンダ１２の内部には、第２段目ディスプレーサ１４が挿入される。

第１段目ディスプレーサ１３および第２段目ディスプレーサ１４は相互に連結されている。第１段目ディスプレーサ１３および第２段目ディスプレーサ１４は、それぞれ第１段目シリンダ１１および第２段目シリンダ１２の内部において、シリンダの軸方向に往復移動可能な構成とされている。第１段目ディスプレーサ１３および第２段目ディスプレーサ１４の内部には、それぞれ第１内部空間１５および第２内部空間１６が形成されている。第１内部空間１５および第２内部空間１６には蓄冷材が充填されており、それぞれ第１蓄冷器１７および第２蓄冷器１８として機能する。

上部に位置する第１段目ディスプレーサ１３は、上方（図中のＺ１方向）に向けて延出する駆動軸３６に連結される。この駆動軸３６は、後述するスコッチヨーク機構３２の一部を構成する。

また、第１段目ディスプレーサ１３の高温端側（Ｚ１方向側端部）には、ガス流路Ｌ１が形成されている。更に、第１段目ディスプレーサ１３の低温端側（Ｚ２方向側端部）には、第１内部空間１５と第１段目膨張空間２１とを連通するガス流路Ｌ２が形成されている。

第１段目シリンダ１１の低温側端部（図２に矢印Ｚ２で示す方向側の端部）には、第１段目膨張空間２１が形成されている。また、第１段目シリンダ１１の高温側端部（図２に矢印Ｚ１で示す方向側の端部）には、上部室２３が形成されている。

更に、第２段目シリンダ１２内の低温側端部（図２に矢印Ｚ２で示す方向側の端部）には、第２段目膨張空間２２が形成されている。

第２段目ディスプレーサ１４は、図示しない連結機構により第１段目ディスプレーサ１３の下部に取り付けられている。この第２段目ディスプレーサ１４の高温側端部（図２に矢印Ｚ１で示す方向側の端部）には、第１段目膨張空間２１と第２内部空間１６とを連通するガス流路Ｌ３が形成されている。また、第２段目ディスプレーサ１４の低温側端部（図２に矢印Ｚ２で示す方向側の端部）には、第２内部空間１６と第２段目膨張空間２２とを連通するガス流路Ｌ４が形成されている。

第１段目冷却ステージ１９は、第１段目シリンダ１１の外周面で、第１段目膨張空間２１と対向する位置に配設されている。また第２段目冷却ステージ２０は、第２段目シリンダ１２の外周面で第２段目膨張空間２２と対向する位置に配設されている。

上記の第１段目ディスプレーサ１３および第２段目ディスプレーサ１４は、スコッチヨーク機構３２により第１段目シリンダ１１および第２段目シリンダ１２内を図中上下方向（矢印Ｚ１、Ｚ２方向）に移動する。

図２に示すように、ハウジング３はロータリーバルブ４０等を有し、モータ収容部５はモータ３１を収容する。

モータ３１、駆動回転軸３１ａ、およびスコッチヨーク機構３２は、駆動装置３０を構成する。モータ３１は回転駆動力を発生し、モータ３１に接続された回転軸（以下、「駆動回転軸３１ａ」という。）は、モータ３１の回転運動をスコッチヨーク機構３２に伝達する。

図３は、スコッチヨーク機構３２を拡大して示している。スコッチヨーク機構３２は、クランク３３とスコッチヨーク３４等を有している。このスコッチヨーク機構３２は、例えばモータ３１等の駆動手段により駆動することができる。

クランク３３は、駆動回転軸３１ａに固定される。クランク３３は、駆動回転軸３１ａの取り付け位置から偏心した位置にクランクピン３３ｂを設けた構成とされている。したがって、クランク３３を駆動回転軸３１ａに取り付けると、駆動回転軸３１ａに対しクランクピン３３ｂは偏心した状態となる。この意味で、クランクピン３３ｂは、偏心回転体として機能する。なお、駆動回転軸３１ａは、その長手方向に複数の場所で回転自在に支持される。より具体的には、第１駆動回転軸受６０ａ、第２駆動回転軸受６０ｂ、および第３駆動回転軸受６０ｃによって支持される。第１駆動回転軸受６０ａは、モータ３１のスコッチヨーク機構３２に対して反対側の端部に備えられる。第２駆動回転軸受６０ｂは、モータの出力側の端部において駆動回転軸３１ａを支持する。第３駆動回転軸受６０ｃは、スコッチヨーク機構に接続する側の端部において駆動回転軸３１ａを支持する。

スコッチヨーク３４は、駆動軸３６ａ、駆動軸３６ｂ、ヨーク板３５、及びころ軸受３７等を有している。ハウジング３内には、収容空間が形成されている。この収容空間は、スコッチヨーク３４及び後述するロータリーバルブ４０のロータバルブ４２等を収容する気密性を持った気密容器となっている。そこで、以下本明細書においてハウジング３内の収容空間を、「気密容器４」という。気密容器４は、低圧配管７ａを介して圧縮機１の吸気口と連通している。そのため、気密容器４は低圧に維持される。

駆動軸３６ａは、ヨーク板３５から上方（Ｚ１方向）に延出している。この駆動軸３６ａは、ハウジング３内に設けられた摺動軸受３８ａによって支持されている。よって駆動軸３６ａは、図中上下方向（図中矢印Ｚ１、Ｚ２方向）に移動可能な構成となっている。

駆動軸３６ｂは、ヨーク板３５から下方（Ｚ２方向）に延出している。この駆動軸３６ｂは、ハウジング３内に設けられた摺動軸受３８ｂによって支持されている。よって駆動軸３６も、図中上下方向（図中矢印Ｚ１、Ｚ２方向）に移動可能な構成となっている。

駆動軸３６ａおよび駆動軸３６ｂが、それぞれ摺動軸受３８ａおよび摺動軸受３８ｂによって支持されることにより、スコッチヨーク３４はハウジング３内で上下方向（図中矢印Ｚ１、Ｚ２方向）に移動可能な構成となっている。

なお、本実施の形態では、膨張機１０の構成要素の位置関係を分かりやすく表すために、「軸方向」という用語を使用することがある。軸方向は駆動軸３６ａおよび駆動軸３６ｂが延在する方向を表し、第１段目ディスプレーサ１３や第２段目ディスプレーサ１４が移動する方向とも一致する。便宜上、軸方向に関して膨張空間又は冷却ステージに相対的に近いことを「下」、相対的に遠いことを「上」と呼ぶことがある。つまり、低温側端部から相対的に遠いことを「上」、相対的に近いことを「下」と呼ぶことがある。なお、こうした表現は膨張機１０が取り付けられたときの配置とは関係しない。例えば、膨張機１０は鉛直方向に膨張空間を上向きにして取り付けられてもよい。

ヨーク板３５は、横長窓３５ａが形成されている。この横長窓３５ａは、駆動軸３６ａおよび駆動軸３６ｂの延出する方向に対して交差する方向、例えば直交する方向（図３中、矢印Ｘ１、Ｘ２方向）に延在している。

ころ軸受３７は、この横長窓３５ａ内に配設されている。ころ軸受３７は、横長窓３５ａ内で転動可能な構成とされている。また、クランクピン３３ｂと係合する孔３７ａは、ころ軸受３７の中心位置に形成されている。横長窓３５ａは、クランクピン３３ｂおよびころ軸受３７の横方向の移動を許容する。横長窓３５ａは、横方向に延在する上枠部及び下枠部と、上枠部及び下枠部それぞれの横方向端部にて軸方向ないし縦方向に延在し上枠部と下枠部とを結合する第１側枠部及び第２側枠部と、を備える。

モータ３１が駆動し駆動回転軸３１ａが回転すると、クランクピン３３ｂは円弧を描くように回転する。これにより、スコッチヨーク３４は図中矢印Ｚ１、Ｚ２方向に往復移動する。この際、ころ軸受３７は、横長窓３５ａ内を図中矢印Ｘ１、Ｘ２方向に往復移動する。

第１段目ディスプレーサ１３は、スコッチヨーク３４の下部に配設された駆動軸３６ｂに接続されている。よって、スコッチヨーク３４が図中矢印Ｚ１、Ｚ２方向に往復移動することにより、第１段目ディスプレーサ１３及びこれに連結された第２段目ディスプレーサ１４も第１段目シリンダ１１及び第２段目シリンダ１２内で矢印Ｚ１、Ｚ２方向に往復移動する。

次に、バルブ機構について説明する。本実施の形態ではバルブ機構としてロータリーバルブ４０を用いている。

ロータリーバルブ４０は、冷媒ガスの流路を切り換えるものである。このロータリーバルブ４０は、圧縮機１の吐出側から吐出された高圧の冷媒ガスを第１段目ディスプレーサ１３の上部室２３に導く供給用バルブとして機能すると共に、上部室２３から冷媒ガスを圧縮機１の吸気側に導く排気用バルブとして機能する。

このロータリーバルブ４０は、図２に加えて図４に示すように、ステータバルブ４１とロータバルブ４２とを有している。ステータバルブ４１は平坦なステータ側摺動面４５を有し、ロータバルブ４２は同じく平坦なロータ側摺動面５０を有している。そして、このステータ側摺動面４５とロータ側摺動面５０が面接触することにより、冷媒ガスの漏れが防止される。

ステータバルブ４１は、ハウジング３内に固定ピン４３で固定される。この固定ピン４３で固定されることにより、ステータバルブ４１は回転が規制される。

ロータバルブ４２は、ロータバルブ軸受６２により回転可能に支持されている。ロータバルブ４２のロータ側摺動面５０と反対側に位置する反対側端面５２には、クランクピン３３ｂと係合する係合穴（図示せず）が形成されている。クランクピン３３ｂは、ころ軸受３７に挿通された際にその先端部がころ軸受３７から矢印Ｙ１方向に突出する（図２参照）。

そして、ころ軸受３７から突出したクランクピン３３ｂの先端部は、ロータバルブ４２に形成された係合穴と係合する。よって、クランクピン３３ｂが回転（偏心回転）することにより、ロータバルブ４２はスコッチヨーク機構３２と同期して回転する。

ステータバルブ４１は、冷媒ガス供給孔４４、円弧状溝４６、及びガス流路４９を有している。冷媒ガス供給孔４４は圧縮機１の高圧配管７ｂに接続されており、ステータバルブ４１の中心部を貫通するよう形成されている。

円弧状溝４６は、ステータ側摺動面４５に形成されている。この円弧状溝４６は、冷媒ガス供給孔４４を中心とした円弧形状を有している。

ガス流路４９は、ステータバルブ４１とハウジング３とにわたって形成されている。ガス流路４９のうち、バルブ側の一端部は、円弧状溝４６内に開口し開口部４８を形成している。また、ガス流路４９において、ステータバルブ４１の側面には吐出口４７が開口している。吐出口４７は、ハウジング内のガス流路４９と連通している。また、ハウジング内のガス流路４９の他端部は、上部室２３、ガス流路Ｌ１、第１蓄冷器１７等を介して第１段目膨張空間２１に接続されている。

一方、ロータバルブ４２は、長円状溝５１及び円弧状孔５３を有している。

長円状溝５１は、ロータ側摺動面５０にその中心から径方向に延在するよう形成されている。また円弧状孔５３は、ロータバルブ４２のロータ側摺動面５０から反対側端面５２まで貫通し、気密容器４と接続している。この円弧状孔５３は、ステータバルブ４１の円弧状溝４６と同一円周上に位置するよう形成されている。

上記した冷媒ガス供給孔４４、長円状溝５１、円弧状溝４６、及び開口部４８により供給弁が構成される。また、開口部４８、円弧状溝４６、及び円弧状孔５３により排気弁が構成される。本実施の形態では、長円状溝５１、円弧状溝４６などのバルブの内部に存在する空間をまとめてバルブ内部空間と呼ぶことがある。

上記構成とされた膨張機１０において、モータ３１の回転駆動力が駆動回転軸３１ａを介してスコッチヨーク機構３２に伝達されてスコッチヨーク機構３２が駆動されると、スコッチヨーク３４はＺ１、Ｚ２方向に往復移動する。このスコッチヨーク３４の動作により、第１段目ディスプレーサ１３および第２段目ディスプレーサ１４は、第１段目シリンダ１１および第２段目シリンダ１２内を下死点ＬＰと上死点ＵＰとの間で往復移動する。

第１段目ディスプレーサ１３および第２段目ディスプレーサ１４が下死点ＬＰに達する際に、排気弁が閉じると共に供給弁が開く。即ち、冷媒ガス供給孔４４、長円状溝５１、円弧状溝４６、及びガス流路４９との間に冷媒ガス流路が形成される。

よって高圧の冷媒ガスは、圧縮機１から上部室２３に充填され始める。その後、第１段目ディスプレーサ１３および第２段目ディスプレーサ１４は下死点ＬＰを過ぎて上昇を始め、冷媒ガスは第１蓄冷器１７および第２蓄冷器１８を上から下に通過し、第１段目膨張空間２１および第２段目膨張空間２２に充填されてゆく。

そして、第１段目ディスプレーサ１３および第２段目ディスプレーサ１４が上死点ＵＰに達する際に、供給弁は閉じると共に排気弁が開弁する。即ち、ガス流路４９、円弧状溝４６、及び円弧状孔５３との間に冷媒ガス流路が形成される。

これにより、高圧の冷媒ガスは第１段目膨張空間２１および第２段目膨張空間２２内で膨脹することによって寒冷を発生させ、第１段目冷却ステージ１９および第２段目冷却ステージ２０を冷却する。また、寒冷を発生させた低温の冷媒ガスは、第１蓄冷器１７および第２蓄冷器１８内の蓄冷材を冷却しながら下から上に流れ、その後に低圧配管７ａに還流する。

その後、第１段目ディスプレーサ１３および第２段目ディスプレーサ１４が下死点ＬＰに達する際に、排気弁が閉じると共に供給弁が開いて１サイクルを終了する。このようにして、冷媒ガスの圧縮、膨張のサイクルを繰り返すことによって、膨張機１０の第１段目冷却ステージ１９および第２段目冷却ステージ２０は極低温に冷却される。膨張機１０の第１段目冷却ステージ１９および第２段目冷却ステージ２０は、第１段目膨張空間２１および第２段目膨張空間２２内の冷媒ガスを膨張させることにより発生した寒冷を、第１段目シリンダ１１および第２段目シリンダ１２の外部に伝導する。

このように、実施の形態に係る膨張機１０においては、モータ３１等の駆動装置の駆動力を第１段目ディスプレーサ１３および第２段目ディスプレーサ１４の往復移動に変換することで寒冷を発生させる。これにより、第２段目冷却ステージ２０の温度はおよそ４Ｋの極低温となる。

ここでモータ３１は電機部品であり、例えば経年劣化等によってモータ３１のトルクが低下すると、モータ３１が脱調する等の誤動作することも起こりうる。このような誤動作は、例えば電源ケーブル８を流れる電流を監視し、モータ３１を流れる過電流を検出することで検知できるかもしれない。しかしながら、このような方法ではモータ３１の軽微な誤動作を検知することは容易ではないかもしれない。モータ３１に軽微な誤動作が生じた状態で極低温冷凍機１００を動作させると、スコッチヨーク機構３２や第１段目ディスプレーサ１３や第２段目ディスプレーサ１４等の部品に負荷がかかる場合がある。このような状態を継続すると、これらの部品に負荷が蓄積され、極端な場合は部品の交換時期が早まるかもしれない。また、膨張機１０の圧力変動のタイミングがずれることにより、冷凍能力が低下するかもしれない。

上述したように、モータ３１はロータバルブ４２の動力源ともなる。ロータバルブ４２は、圧縮機１から膨張機１０への高圧な冷媒ガスの供給と、膨張機１０から圧縮機１への低圧な冷媒ガスの排出とを周期的に切り換える。この切り換えに応じて、膨張機１０の冷媒ガスの圧力が周期的に変化する。ここで、高圧配管７ｂは圧縮機１の高圧側と常に連通している。このため、高圧配管７ｂ中の冷媒ガスは、圧縮機１の吐出圧力とほぼ等しいとみなされることがある。同様に、低圧配管７ａは圧縮機１の吸気側と常に連通しているので、低圧配管７ａ中の冷媒ガスの圧力は圧縮機１の吸気圧力とほぼ等しいとみなされることがある。

しかしながら、より正確には、高圧配管７ｂが膨張機１０の第１段目膨張空間２１または第２段目膨張空間２２（以下、これらを合わせて単に「膨張空間」と記載する。）と連通すると、高圧配管７ｂ中の冷媒ガスの圧力はわずかに低下する。その後、高圧配管７ｂと膨張機１０の膨張空間との連通が遮断されると、高圧配管７ｂ中の冷媒ガスの圧力は元に戻る。一方、低圧配管７ａが膨張機１０の膨張空間と連通すると、低圧配管７ａ中の冷媒ガスの圧力はわずかに上昇する。その後、低圧配管７ａと膨張空間との連通が遮断されると、低圧配管７ａの圧力は元に戻る。このように、低圧配管７ａおよび高圧配管７ｂ中の冷媒ガスの圧力は一定ではなく、膨張空間における体積変動と同様の周期で微小に変化する。そのため、脱調等の誤動作がモータ３１に発生すると、配管７内の冷媒ガスの圧力の変動周期も変化する。

そこで実施の形態に係る極低温冷凍機１００は、配管７を流れる冷媒ガスの圧力の変動周期を監視する。この周期が所定の範囲にあるか否かを判定し、所定の範囲を外れたと判定した場合、その旨をユーザに通知する。これにより、モータ３１の不具合を早期に検知することができる。以下、冷媒ガスの圧力の監視についてより詳細に説明する。

図５は、実施の形態に係る極低温冷凍機１００の機能構成を模式的に示す図である。極低温冷凍機１００は、圧縮機１、膨張機１０、圧力センサ７０、表示部８０、および音源８２を備える。極低温冷凍機１００はまた、ネットワーク８４と接続されている。

膨張機１０は、圧縮機１から供給された高圧の冷媒ガスを膨張させて関連を発生させる。圧力センサ７０は配管７の圧力を測定する。なお、上述した冷媒ガスの供給と排出との切り換えによる圧力変動は、低圧配管７ａの方が、高圧配管７ｂよりも顕著に表れる。高圧配管７ｂには圧縮機１のポンプ（不図示）から供給される冷媒ガスが流れるため、高圧配管７ｂを流れる冷媒ガスの圧力は、ポンプの周期に起因する圧力変動の影響を受けているからである。そこで、圧力センサ７０は低圧配管７ａの圧力を測定するのが好ましい。

圧縮機１は、圧縮機制御部７２と圧力監視部７４とを備える。また圧力監視部７４は、判定器７６、および通知部７８を備える。圧縮機制御部７２や圧力監視部７４は、ハードウェア的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサ、メインメモリ、その他のＬＳＩ（Large Scale Integration ）で構成することができる。圧縮機制御部７２や圧力監視部７４はまた、ソフトウェア的には、メモリにロードされたプログラムなどによって実現される。したがって、これらの機能ブロックがハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、またはそれらの組み合わせによっていろいろな形で実現できることは当業者には理解されるところであり、いずれかに限定されるものではない。

圧縮機制御部７２は、圧縮機１の動作を統括的に制御する。具体的には、圧縮機制御部７２は、図示しないポンプの起動や停止、膨張機１０への電力供給の制御を実施する。

図６は、実施の形態に係る判定器７６の機能構成を模式的に示す図である。判定器７６は、圧力取得部９０、周期取得部９２、比較部９４、および記憶部９６を含む。

圧力取得部９０は、低圧配管７ａを流れる冷媒ガスの圧力を圧力センサ７０から取得する。圧力取得部９０は、所定の時間間隔（例えば０．１秒毎）で冷媒ガスの圧力を取得し、記憶部９６に蓄積する。周期取得部９２は、記憶部９６に蓄積された冷媒ガスの圧力データを解析して、冷媒ガスの圧力の変動周期Ｔを導出する。一般に、極低温冷凍機１００が正常に動作している場合、冷媒ガスの供給と排出との切り換えの周期Ｔ_０は一定である。この周期は極低温冷凍機１００の種類によって異なるが、一例としては１秒である。周期Ｔ_０はと範囲Ｒ、記憶部７７に予め格納されている。

比較部９４は、記憶部７７から周期Ｔ_０を読み出す。比較部９４は、周期取得部９２が導出した冷媒ガスの圧力の変動周期Ｔが、所定の範囲Ｒにあるか否かを比較する。ここで「範囲Ｒ」とは、判定器７６が、モータ３１に誤動作が生じているか否かを判定するために定められた誤動作判定基準である。範囲Ｒは、極低温冷凍機１００の種類に応じて実験により定めればよいが、例えば切り換えの周期Ｔ_０の±５％の範囲である。具体例としては、周期Ｔ_０が１秒であれば、範囲Ｒは０．９５秒以上１．０５秒以下の範囲である。比較部９４は、冷媒ガスの圧力の変動周期Ｔが所定の範囲Ｒを外れたと判定した場合、そのことを示す信号を圧縮機制御部７２および通知部７８に通知する。

図５の説明に戻る。通知部７８は、判定器７６中の比較部９４から冷媒ガスの圧力変動の周期が前所定の範囲Ｒを外れたと判定したことを示す信号を受信すると、その旨を極低温冷凍機１００のユーザに通知する。ここで「ユーザ」とは、極低温冷凍機１００を使用している者のみならず、極低温冷凍機１００の保守点検を担当する者も含まれる。

通知部７８は、当該信号を受信した場合、その旨を表示部８０に表示させる。表示部８０は例えば圧縮機１に備えられたＬＥＤ（Light Emitting Diode）光源や、ＬＥＤ表示器、液晶モニタである。表示部８０は、比較部９４から信号を受信すると、点滅したり、モータ３１が誤動作していることを通知するメッセージを表示したりする。

通知部７８は、判定器７６中の比較部９４から冷媒ガスの圧力変動の周期が前所定の範囲Ｒを外れたと判定したことを示す信号を受信した場合、音源８２から音を発生させてもよい。通知部７８はさらに、当該信号を受信した場合、インターネット等のネットワーク８４を介してユーザにメールを送信してもよい。以上により、ユーザは早い段階でモータ３１の誤動作を知ることができ、適切な対応をとることができる。

圧縮機制御部７２は、判定器７６中の比較部９４から冷媒ガスの圧力変動の周期が前所定の範囲Ｒを外れたと判定したことを示す信号を受信した場合、圧縮機１の運転を停止するようにしてもよい。これによりモータ３１の誤動作が軽微な段階で極低温冷凍機１００のを停止できるので、極低温冷凍機１００の部品が受けるダメージを早期に食い止め、これらの部品が蓄積するダメージを軽減することができる。これにより、修理や交換すべき部品の数を減らすことができる。

図７は、実施の形態に係る極低温冷凍機１００が実行する制御処理の流れを説明するフローチャートである。本フローチャートにおける処理は、例えば圧縮機１が起動したときに開始する。

圧力取得部９０は、圧力センサ７０から低圧配管７ａを流れる冷媒ガスの圧力を取得する（Ｓ２）。周期取得部９２は、圧力取得部９０が取得した圧力を解析して、圧力の変動周期Ｔを取得する（Ｓ４）。比較部９４は、周期取得部９２が取得した周期Ｔと、周期に関する所定の範囲Ｒとを比較する（Ｓ６）。

周期Ｔが所定の範囲Ｒから外れている場合（Ｓ８のＹ）、通知部７８はその旨をユーザに通知する（Ｓ１０）。また圧縮機制御部７２は、圧縮機の運転を停止する（Ｓ１２）。圧縮機制御部７２が圧縮機の運転を停止するか、周期Ｔが所定の範囲Ｒ内の場合（Ｓ８のＮ）、本フローチャートにおける処理は終了する。

以上説明したように、実施の形態に係る極低温冷凍機１００によれば、極低温冷凍機の膨張機１０の駆動部であるモータ３１の誤動作を早期に検知することができる。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示すにすぎない。また、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可能である。

上記の説明において、判定器７６の周期取得部９２は配管７を流れる冷媒ガスの圧力の周期変動を取得することを説明した。ここで周期取得部９２は、所定回数分の冷媒ガスの圧力変動の周期の平均値を取得するようにしてもよい。また比較部９４は、所定回数分（例えば３回）の冷媒ガスの圧力変動の周期Ｔの平均値が所定の範囲Ｒにあるか否かを判定してもよい。これにより、周期Ｔがたまたま１度だけ範囲Ｒを外れた場合には、平均値は所定の範囲Ｒに収まる可能性が高い。したがって、何らかの原因で周期Ｔがたまたま１度だけ範囲Ｒを外れた場合に極低温冷凍機１００の運転を停止することが抑制できる。すなわち、モータ３１の誤動作の検知精度を高めることができる。

上記の説明では、圧力監視部７４が圧縮機１の内部にあることを前提とした。しかしながら圧力監視部７４は圧縮機の外部にあってもよい。同様に、圧力センサ７０は圧縮機１の内部に組み込まれていてもよい。

上記の説明では、周期取得部９２は配管７を流れる冷媒ガスの圧力の周期変動を導出する場合について説明した。ここで「周期」とは広くタイミングの概念を含む。したがって、例えば周期取得部９２は、配管７を流れる冷媒ガスの圧力変動の周波数を導出してもよいことは、当業者であれば理解できることである。

１圧縮機、Ｌ１ガス流路、２シリンダ、Ｌ２ガス流路、３ハウジング、Ｌ３ガス流路、４気密容器、Ｌ４ガス流路、５モータ収容部、７配管、７ａ低圧配管、７ｂ高圧配管、８電源ケーブル、９冷却水配管接続部、１０膨張機、１１第１段目シリンダ、１２第２段目シリンダ、１３第１段目ディスプレーサ、１４第２段目ディスプレーサ、１５第１内部空間、１６第２内部空間、１７第１蓄冷器、１８第２蓄冷器、１９第１段目冷却ステージ、２０第２段目冷却ステージ、２１第１段目膨張空間、２２第２段目膨張空間、２３上部室、３０駆動装置、３１モータ、３１ａ駆動回転軸、３２スコッチヨーク機構、３３クランク、３３ｂクランクピン、３４スコッチヨーク、３５ヨーク板、３５ａ横長窓、３６，３６ａ，３６ｂ駆動軸、３７ころ軸受、３７ａ孔、３８ａ，３８ｂ摺動軸受、４０ロータリーバルブ、４１ステータバルブ、４２ロータバルブ、４３固定ピン、４４冷媒ガス供給孔、４５ステータ側摺動面、４６円弧状溝、４７吐出口、４８開口部、４９ガス流路、５０ロータ側摺動面、５１長円状溝、５２反対側端面、５３円弧状孔、６０ａ第１駆動回転軸受、６０ｂ第２駆動回転軸受、６０ｃ第３駆動回転軸受、６２ロータバルブ軸受、７０圧力センサ、７２圧縮機制御部、７４圧力監視部、７６判定器、７７記憶部、７８通知部、８０表示部、８２音源、８４ネットワーク、９０圧力取得部、９２周期取得部、９４比較部、９６記憶部、１００極低温冷凍機。

Claims

冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生させる膨張機と、
前記膨張機から戻ってくる冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、
前記膨張機と前記圧縮機とに接続され、前記膨張機と前記圧縮機との間に冷媒ガスを流通させる配管と、
前記配管を流れる冷媒ガスの圧力の変動周期が所定の範囲にあるか否かを判定する判定器とを備えることを特徴とする極低温冷凍機。
前記配管は、
前記圧縮機から前記膨張機に向かって高圧の冷媒ガスが流れる高圧配管と、
前記膨張機から前記圧縮機に向かって低圧の冷媒ガスが流れる低圧配管とを含み、
前記判定器は、前記低圧配管を流れる冷媒ガスの圧力の変動周期が所定の範囲にあるか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
前記判定器は、所定回数分の冷媒ガスの圧力の変動周期の平均値が、前記所定の範囲にあるか否かを判定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。
前記判定器が、冷媒ガスの圧力の変動周期が前記所定の範囲を外れたと判定した場合、その旨を通知する通知部をさらに備え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。
冷媒ガスを膨張させて寒冷を発生させる膨張機と、前記膨張機から戻ってくる冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、前記膨張機と前記圧縮機との間で冷媒ガスを流通させる配管を備える極低温冷凍機において、
前記配管を流れる冷媒ガスの圧力を取得するステップと、
取得した圧力の変動周期を取得するステップと、
取得した変動周期と所定の閾値の範囲とを比較するステップと、
取得した周期が所定の閾値の範囲を外れた場合、前記圧縮機を停止させるステップとを有することを特徴とする極低温冷凍機の制御方法。