超低温制冷机及超低温制冷机的控制装置的制作方法

本发明涉及一种超低温制冷机及超低温制冷机的控制装置。

背景技术：

已知有一种对脉冲管制冷机的阀单元进行维护时能够拆卸阀单元的脉冲管制冷机。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005-24239号公报

技术实现要素：

发明要解决的技术课题

本发明的一种实施方式的示例性的目的之一在于，减少对超低温制冷机进行维护时的安全隐患。

用于解决技术课题的手段

根据本发明的一种实施方式提供一种超低温制冷机，其具备：冷头；阀单元，其具备能够将所述冷头内的工作气体压力周期性地切换成第1高压与比所述第1高压更低的第2高压的回转阀及使所述回转阀旋转的阀马达，所述回转阀具有将所述第2高压的工作气体密封于所述冷头的旋转角度范围；制冷机控制部，控制所述阀马达；制冷机停止指示部，向所述制冷机控制部输出制冷机停止指示信号；及阀停止时刻控制部，根据所述制冷机停止指示信号控制所述阀马达，以使所述回转阀在所述旋转角度范围内停止。

根据本发明的一种实施方式提供一种超低温制冷机的控制装置。所述超低温制冷机具备：冷头；阀单元，其具备能够将所述冷头内的工作气体压力周期性地切换成第1高压与比所述第1高压更低的第2高压的回转阀及使所述回转阀旋转的阀马达，所述回转阀具有将所述第2高压的工作气体密封于所述冷头的旋转角度范围；制冷机控制部，控制所述阀马达；及制冷机停止指示部，向所述制冷机控制部输出制冷机停止指示信号。所述控制装置具备阀停止时刻控制部，其根据所述制冷机停止指示信号控制所述阀马达，以使所述回转阀在所述旋转角度范围内停止。所述阀停止时刻控制部构成为，能够安装与所述阀马达与所述制冷机控制部之间或者能够从所述阀马达与所述制冷机控制部之间卸下。

另外，以上构成要件的任意组合及在方法、装置、系统等之间彼此替换本发明的构成要件及表述的方式也作为本发明的方式而有效。

发明效果

根据本发明，能够减少对超低温制冷机进行维护时的安全隐患。

附图说明

图1为概略地表示第1实施方式所涉及的超低温制冷机的整体结构的图。

图2为例示超低温制冷机的阀定时的图。

图3为例示第1实施方式所涉及的超低温制冷机的控制方法的流程图。

图4为概略地表示第2实施方式所涉及的超低温制冷机的整体结构的图。

图5为例示第2实施方式所涉及的超低温制冷机的控制方法的流程图。

具体实施方式

以下，参考附图对本发明的实施方式进行详细说明。另外，在以下说明中，对相同要件标注相同的符号，并适当省略重复说明。并且，以下所述的结构为示例，并不对本发明的范围做任何限定。并且，在以下说明中参考的附图中，为了便于说明，各构成部件的大小和厚度并不一定表示实际尺寸和比例。

图1为概略地表示第1实施方式所涉及的超低温制冷机的整体结构的图。图2为例示超低温制冷机的阀定时的图。

在超低温制冷机的冷却运行期间，具有第1高压的工作气体从压缩机供给至冷头。通过在冷头中的绝热膨胀，工作气体从第1高压减压为比其低的第2高压。具有第2高压的工作气体从冷头回收至压缩机。压缩机压缩回收过来的具有第2高压的工作气体。工作气体再次升压为第1高压。如此，高压的工作气体在压缩机和冷头之间进行循环。

通常，第1高压及第2高压均远高于大气压。为了便于说明，将第1高压及第2高压分别简称为高压及低压。通常，高压例如为2～3mpa。低压例如为0.5～1.5mpa，例如为约0.8mpa。工作气体例如为氦气。

超低温制冷机需要定期进行维护。进行维护之前，停止冷却运行。通过压缩机的停止，超低温制冷机内部的工作气体压力成为高压与低压的平均压力。平均压力例如为约1.5mpa。并且，停止运行时的冷头低温端的温度在超低温制冷机的正常冷却温度。该冷却温度例如为约4k左右的超低温。

在典型的维护步骤中，首先，冷头从超低温被加热至室温。之后，拆卸阀单元等构成要件。经过这种准备阶段之后，进行构成要件的维护。冷头内的高压气体通过从超低温加热至室温而进一步升压。如上述例子所述，在冷头内压为约1.5mpa的平均压力且低温端温度为约4k的情况下，冷头在约300k的室温下升压至约4mpa的压力。

构成要件的拆卸有时在冷头为超低温的状态下进行。此时，维护作业中冷头也会自然升温，冷头内的气体压力还是会变高。

可以将冷头设计成能够承受能够想到的这些高压。并且，也可以进行在冷头设置安全阀的措施。然而，从减少维护中的安全隐患的观点考虑，期待避免冷头过度升压。

因此，如下详述，实施方式所涉及的超低温制冷机构成为，在冷头内的工作气体压力为低压时停止冷却运行。换言之，超低温制冷机在收到停止冷却运行的指示时并不立即停止运行。超低温制冷机构成为，继续运行至冷头内的工作气体压力成为低压的时刻为止，并在该时刻停止运行。

如上述例子所述，在冷头内压为约0.8mpa的低压且低温端温度为约4k的情况下，冷头在约300k的室温下升压至约2mpa的压力。但是，其与冷头内压为约1.5mpa的平均压力的情况相比，压力被抑制在大致一半的压力。能够将维护中的冷头内压保持为比较低的压力，例如能够保持为比安全阀的开阀压力更低的压力。

如图1所示，超低温制冷机10具备压缩机12、冷头14、阀单元16、高压配管18、低压配管20及吸排气配管22。并且，超低温制冷机10还具备制冷机控制部24、制冷机停止指示部26、阀停止时刻控制部28及电源线路30。

压缩机12具备压缩机控制盘32、被压缩机控制盘32控制的压缩机主体34及压缩机框体36。压缩机主体34具备压缩仓38、压缩机马达40、高压流路42、低压流路44、第1压力传感器46、第2压力传感器48、旁通阀50、旁通流路52、高压气体出口54及低压气体入口56。

压缩机框体36容纳压缩仓38、压缩机马达40、高压流路42、低压流路44、第1压力传感器46、第2压力传感器48、旁通阀50及旁通流路52。在压缩机框体36的外表面安装有制冷机停止指示部26、高压气体出口54及低压气体入口56。压缩机控制盘32安装于压缩机框体36的外表面，或者容纳于压缩机框体36内。

压缩仓38构成为，被压缩机马达40驱动而压缩工作气体。低压气体入口56经由低压流路44与压缩仓38的吸入口连接，高压气体出口54经由高压流路42与压缩仓38的吐出口连接。第1压力传感器46为了测定低压工作气体的压力而设置于低压流路44，第2压力传感器48为了测定高压工作气体的压力而设置于高压流路42。

旁通阀50为了使超低温制冷机10停止冷却运行时的高压侧与低压侧的压力均衡而设置于旁通流路52。旁通阀50例如为常开式的电磁阀，在超低温制冷机10进行冷却运行的期间，通过通电而关闭，而在停止冷却运行时则开启。旁通流路52以绕开压缩仓38的方式将高压流路42连接于低压流路44。

超低温制冷机10例如为脉冲管制冷机，冷头14具备：冷头主体14a，其具备脉冲管14b及蓄冷器14c；及缓冲罐14d，其与冷头主体14a设置成一体或分体设置且与冷头主体14a流体连结。并且，在冷头主体14a还可以设置用于将工作气体的过剩的内压释放到外部的安全阀15。

阀单元16具备回转阀58及使回转阀58旋转的阀马达60。阀马达60可以具备用于测定自身的旋转角度的编码器等旋转角度传感器62。阀单元16构成为回转阀58的旋转角度与阀马达60的旋转角度一致，因此也可以看作旋转角度传感器62测定回转阀58的旋转角度。

压缩机12、冷头14及阀单元16彼此分开配置，压缩机12与冷头14经由阀单元16而流体连结。压缩机主体34的高压气体出口54与回转阀58通过高压配管18连接，压缩机主体34的低压气体入口56与回转阀58通过低压配管20连接。冷头主体14a与回转阀58通过吸排气配管22连接。高压配管18、低压配管20及吸排气配管22均为柔性管，但是，它们中的至少一个也可以是刚性管。

在高压配管18、低压配管20及吸排气配管22的中途分别设置有自动密封管接头等装卸自如的液力联轴器64。因此，阀单元16连接成能够从压缩机12拆卸并且也能够从冷头14拆卸。工作人员可以将阀单元16从压缩机12及冷头14拆卸之后进行维护。或者，工作人员可以将阀单元16从压缩机12及冷头14拆卸后换上新的阀单元或已经维护完毕的其他阀单元。

回转阀58构成为，能够将冷头14内的工作气体压力周期性地切换为第1高压(高压)与第2高压(低压)。回转阀58例如具备静止的阀主体及通过阀马达60的驱动而相对于阀主体旋转的阀盘，通过相对于阀主体的阀盘的旋转，周期性地切换冷头14内的工作气体压力。

如图1的概略图所示，回转阀58具备进气阀v1及排气阀v2，这两个阀选择性地且交替性地开闭。根据回转阀58的旋转角度，可以只让进气阀v1开启，或者只让排气阀v2开启，或者让进气阀v1及排气阀v2均关闭。进气阀v1与排气阀v2不会同时开启。

进气阀v1及排气阀v2从阀单元16通过吸排气配管22连接于蓄冷器14c的高温端。回转阀58可以采用各种公知的结构。众所周知，回转阀58还可以具备高压阀v3及低压阀v4(未图示)。高压阀v3及低压阀v4从阀单元16通过与吸排气配管22相同的一根配管连接于脉冲管14b的高温端。回转阀58还可以具备其他阀。

例如，在超低温制冷机10为脉冲管制冷机时，高压阀v3及低压阀v4用于脉冲管14b内的气体位移与压力振动的相位控制。这种脉冲管制冷机也被称为四阀型脉冲管制冷机。在超低温制冷机10为气体驱动式的gm制冷机时，高压阀v3及低压阀v4用于控制作用于驱动置换器的驱动活塞的气体压力。

图2中例示了回转阀58的阀定时。回转阀58的一次旋转(即，超低温制冷机10的一个周期的制冷循环)分为进气工序a1、第1待机期间w1、排气工序a2及第2待机期间w2。在图2中，将一个周期的制冷循环表示为与360度相对应，因此，0度对应于周期的开始时刻，360度对应于周期的结束时刻。90度、180度、270度分别对应于1/4周期、半个周期、3/4周期。

在进气工序a1中，进气阀v1被开启。排气阀v2被关闭。高压配管18通过回转阀58与吸排气配管22连通，高压工作气体从压缩机12供给至冷头14。

第1待机期间w1在进气工序a1之后且排气工序a2之前。在第1待机期间w1中，进气阀v1及排气阀v2均被关闭，冷头14从压缩机12流体隔离。第1高压的工作气体通过回转阀58而密封于冷头14。

在排气工序a2中，排气阀v2被开启。进气阀v1被关闭。低压配管20通过回转阀58与吸排气配管22连通，工作气体从冷头14回收至压缩机12，冷头14被降为第2高压。

第2待机期间w2在排气工序a2之后且(下一个制冷循环的)进气工序a1之前。在第2待机期间w2中，进气阀v1及排气阀v2均被关闭，冷头14从压缩机12流体隔离。在整个第2待机期间w2，第2高压的工作气体通过回转阀58而密封于冷头14。

在回转阀58具备其他阀(例如，高压阀v3及低压阀v4)的情况下，在第2待机期间w2中的至少一部分期间，所有阀也被关闭，冷头14从压缩机12流体隔离。以下将第2高压的工作气体通过回转阀58而密封于冷头14的期间还称为低压气体密封期间l。即，第2待机期间w2中的至少一部分期间对应于低压气体密封期间l。低压气体密封期间l大体在第2待机期间w2的后半部分或最后阶段。低压气体密封期间l在刚要进行进气工序a1之前结束。

如此，在阀单元16中，回转阀58具有将第2高压的工作气体密封于冷头14的旋转角度范围。如后述，阀停止时刻控制部28可以根据由旋转角度传感器62测定的旋转角度来确定阀马达60的停止时刻以使回转阀58在该旋转角度范围停止。或者，阀停止时刻控制部28也可以根据由压力传感器(例如，第1压力传感器46和/或第2压力传感器48)测定的压力来确定阀马达60的停止时刻以使回转阀58在该旋转角度范围停止。

包括制冷机控制部24及阀停止时刻控制部28的超低温制冷机10的控制装置在硬件结构方面由以计算机的cpu和存储器为代表的元件及电路来实现，在软件结构方面由计算机程序等来实现，但是，图1中表示通过硬件和软件的协作而实现的功能块。本领域技术人员应当可以理解这些功能块可以通过硬件与软件的组合以各种形式实现。

制冷机控制部24设置于压缩机控制盘32，因此其内置于压缩机12。但是，制冷机控制部24也可以与压缩机12分体设置。制冷机控制部24构成为控制超低温制冷机10，具体而言控制压缩机主体34及阀马达60。

制冷机控制部24具备控制压缩机马达40及旁通阀50的压缩机控制电路66及控制阀马达60的阀马达控制电路68。制冷机控制部24(例如，压缩机控制电路66和/或阀马达控制电路68)以与阀停止时刻控制部28能够通信的方式与阀停止时刻控制部28连接。并且，制冷机控制部24与制冷机停止指示部26、第1压力传感器46、第2压力传感器48、旋转角度传感器62及其他设备电连接以便接收从这些设备输入的信号。

制冷机停止指示部26构成为，具备设置于压缩机主体34的能够人工操作的操作工具(例如，停止按钮或开关等)，并且在操作了操作工具时向制冷机控制部24输出制冷机停止指示信号s1。制冷机控制部24构成为，将接收到的制冷机停止指示信号s1发送给阀停止时刻控制部28。

制冷机控制部24通过电源线路30与阀马达60电连接。阀马达60通过电源线路30从压缩机12接受电力供给。并且，电源线路30也可以构成为能够在制冷机控制部24与阀马达60之间进行通信，从而利用电源线路30进行制冷机控制部24控制阀马达60的信号的收发。

阀停止时刻控制部28构成为，能够安装于阀马达60与制冷机控制部24之间或者能够从所述阀马达与所述制冷机控制部之间卸下。阀停止时刻控制部28例如可以是可编程逻辑控制器(plc)等控制电路。阀停止时刻控制部28可以具备能够与制冷机控制部24连接的第1连接器72及能够与阀马达60连接的第2连接器74。第1连接器72通过电源线路30与制冷机控制部24连接，第2连接器74通过电源线路30与阀马达60连接。工作人员例如可以以维护套件的形式携带阀停止时刻控制部28，并且根据需要将其安装在电源线路30中或从电源线路30拆卸。

阀停止时刻控制部28具备存储部29，该存储部29预先存储表示相当于第2待机期间w2(或低压气体密封期间l，下同)的回转阀58的旋转角度范围的信息s2。制冷机控制部24也可以具备存储部70，该存储部70预先存储表示相当于第2待机期间w2的回转阀58的旋转角度范围的信息。阀停止时刻控制部28构成为，根据需要参考存储于存储部29和/或存储部70中的信息。

图3为例示第1实施方式所涉及的超低温制冷机10的控制方法的流程图。图3所示的控制程序基于工作人员对制冷机停止指示部26的操作而开始。从制冷机停止指示部26输出制冷机停止指示信号s1，且该信号输入至制冷机控制部24。阀停止时刻控制部28通过电源线路30及第1连接器72从制冷机控制部24接收制冷机停止指示信号s1。如此，阀停止时刻控制部28获取制冷机停止指示信号s1(s10)。

阀停止时刻控制部28通过电源线路30及第2连接器74从旋转角度传感器62接收马达旋转角度信号s3。阀停止时刻控制部28根据所接收的马达旋转角度信号s3计算出阀马达60的旋转角度(即，回转阀58的旋转角度)。由此，阀停止时刻控制部28获取当前的回转阀58的旋转角度(s12)。

阀停止时刻控制部28从存储部29或存储部70参考表示相当于第2待机期间w2的回转阀58的旋转角度范围的信息s2。阀停止时刻控制部28根据当前的回转阀58的旋转角度与该信息s2来确定阀马达60的停止时刻以使回转阀58在第2待机期间w2内停止(s14)。

例如，阀停止时刻控制部28确定从当前的回转阀58的旋转角度到相当于第2待机期间w2的回转阀58的旋转角度范围为止需要旋转的旋转角度。阀停止时刻控制部28将回转阀58从当前的旋转角度旋转该需要旋转的旋转角度的时刻确定为阀马达60的停止时刻。

或者，阀停止时刻控制部28确定从当前的回转阀58的旋转角度到达相当于第2待机期间w2的回转阀58的旋转角度范围为止的所需时间。阀停止时刻控制部28将从当前时刻经过该所需时间的时刻确定为阀马达60的停止时刻。

阀停止时刻控制部28输出表示所确定的停止时刻的阀停止时刻信号s4。阀停止时刻控制部28将阀停止时刻信号s4发送给制冷机控制部24(即，压缩机控制电路66及阀马达控制电路68)(s16)。由此，阀停止时刻控制部28的本控制程序结束。

压缩机控制电路66按照从阀停止时刻控制部28接收的停止时刻停止对压缩机马达40及旁通阀50的供电。同样地，阀马达控制电路68按照该停止时刻停止对阀马达60的供电。由此，压缩机12及阀单元16停止，超低温制冷机10的冷却运行结束。

在压缩机12中，压缩仓38被停止，旁通阀50被开启。高压流路42与低压流路44得到连通，因此压缩机12内部的工作气体压力成为高压与低压的平均压力。另一方面，如上所述，停止供电时回转阀58在第2待机期间w2。此时，进气阀v1及排气阀v2均被关闭，冷头14内部的工作气体压力成为低压。

如此，超低温制冷机10在工作人员指示停止冷却运行时并不会立即停止运行。超低温制冷机10继续运行至冷头14内的工作气体压力成为低压的时刻为止并在该时刻停止运行。

如此，超低温制冷机10能够在冷头14内的工作气体压力为低压时停止冷却运行。由此，与压缩机12内的工作气体压力相比，能够使冷头14内的工作气体压力成为非常低。例如，压缩机12的内压成为约1.5mpa的平均压力，而冷头14的内压则成为约0.8mpa。

如此，在超低温制冷机10停止冷却运行时能够从压缩机12流体隔离冷头14。因此，能够抑制冷头14升温时内部压力变得过高，从而减少超低温制冷机10的构成要件(例如，阀单元16及冷头14)的维护中的安全隐患。

另外，压缩机12设置于室温环境，因此，压缩机12不会引起像冷头14那样的升温及内压过度变高。

图4为概略地表示第2实施方式所涉及的超低温制冷机10的整体结构的图。第2实施方式所涉及的超低温制冷机10与第1实施方式不同点在于，阀停止时刻控制部28容纳于压缩机控制盘32中并且设置于制冷机控制部24。并且，在第2实施方式所涉及的超低温制冷机10中，阀停止时刻控制部28根据由压力传感器(例如，第1压力传感器46和/或第2压力传感器48)测定的压力来确定阀马达60的停止时刻。以下，为了避免说明变得冗长，适当省略与第1实施方式相同的结构。

如上所述，冷头14内的工作气体压力通过回转阀58而被周期性地切换，因此由第1压力传感器46(或第2压力传感器48)测定的压力也会周期性地变动。所测定的压力变动理应与回转阀58的旋转角度具有关联。因此，也可以根据由第1压力传感器46(或第2压力传感器48)测定的压力波形来确定回转阀58的旋转角度。

如图4所示，存储部70中预先存储有压力波形信息s6。压力波形信息s6表示制冷循环的一个周期中的压力与时间之间的关系。通过参考压力波形信息s6，能够确定由第1压力传感器46(或第2压力传感器48)测定的压力从当前的压力值到达相当于第2待机期间w2(或低压气体密封期间l，下同)的压力范围为止的所需时间。

并且，制冷机控制部24通过电源线路30与阀马达60电连接。与第1实施方式不同，在电源线路30并未设置有阀停止时刻控制部28。阀马达60也可以不具备旋转角度传感器62。

图5为例示第2实施方式所涉及的超低温制冷机10的控制方法的流程图。图5所示的控制程序基于工作人员对制冷机停止指示部26的操作而开始。从制冷机停止指示部26输出制冷机停止指示信号s1，且该信号输入至制冷机控制部24(即，阀停止时刻控制部28)。如此，阀停止时刻控制部28获取制冷机停止指示信号s1(s10)。

制冷机控制部24从第1压力传感器46(或第2压力传感器48)接收压力测定信号s5。接收到的压力测定信号s5输入至阀停止时刻控制部28。如此，阀停止时刻控制部28获取压力测定信号s5(s13)。压力测定信号s5表示当前的压力值。

阀停止时刻控制部28从存储部70参考压力波形信息s6。阀停止时刻控制部28从当前的压力值与压力波形信息s6确定阀马达60的停止时刻以使回转阀58在第2待机期间w2内停止(s14)。例如，阀停止时刻控制部28确定从当前的压力值到达相当于第2待机期间w2的压力范围为止的所需时间。阀停止时刻控制部28将从当前时刻经过该所需时间的时刻确定为阀马达60的停止时刻。

阀停止时刻控制部28输出表示所确定的停止时刻的阀停止时刻信号s4。阀停止时刻控制部28将阀停止时刻信号s4发送给压缩机控制电路66及阀马达控制电路68(s16)。由此，阀停止时刻控制部28的本控制程序结束。

压缩机控制电路66按照从阀停止时刻控制部28接收的停止时刻停止对压缩机马达40及旁通阀50的供电。同样地，阀马达控制电路68按照该停止时刻停止对阀马达60的供电。如此，压缩机12及阀单元16停止，超低温制冷机10的冷却运行结束。

与第1实施方式相同，在第2实施方式中，超低温制冷机10也能够继续运行至冷头14内的工作气体压力成为低压的时刻为止并在该时刻停止运行。

并且，与第1实施方式不同，根据第2实施方式，无需在阀马达60设置旋转角度传感器，因此具有能够简化阀单元16的结构的优点。但是，在第2实施方式中，也可以与第1实施方式相同地根据由旋转角度传感器测定的旋转角度来确定阀马达60的停止时刻。

与第2实施方式相同，在第1实施方式中，阀停止时刻控制部28也可以根据由压力传感器(例如，第1压力传感器46和/或第2压力传感器48)测定的压力来确定阀马达60的停止时刻。此时，如图1所示，制冷机控制部24从第1压力传感器46(或第2压力传感器48)接收压力测定信号s5。

将压力测定信号s5输出给阀停止时刻控制部28的压力传感器也可以不设置于压缩机12。在一种实施方式中，压力传感器可以设置于阀单元16。或者，压力传感器也可以设置于冷头14。

以上，根据实施例对本发明进行了说明。本发明并不只限于上述实施方式，本领域技术人员应当可以理解本发明能够进行各种设计变更或可以存在各种变形例，并且这种变形例也属于本发明的范围。

实施方式所涉及的超低温制冷机并不限于脉冲管制冷机。在一种实施方式中，超低温制冷机也可以是气体驱动式的gm(吉福德-麦克马洪、gifford-mcmahon)制冷机。此时，冷头具备驱动活塞、置换器及蓄冷器(未图示)，置换器通过作用于驱动活塞的气体压力而被驱动。

符号说明

10-超低温制冷机，14-冷头，16-阀单元，24-制冷机控制部，26-制冷机停止指示部，28-阀停止时刻控制部，46-第1压力传感器，48-第2压力传感器，58-回转阀，60-阀马达，62-旋转角度传感器，s1-制冷机停止指示信号。

产业上的可利用性

本发明能够利用于超低温制冷机及超低温制冷机的控制装置的领域。