专利名称：极低温冷冻机的制作方法
技术领域：
本发明涉及极低温冷冻机，特别涉及适用于低温泵、超导磁铁、极低温测量装置、简易液化机等中的、能够进行温度调节的极低温冷冻机。
背景技术：
极低温冷冻机一般具备存放蓄冷材料并在内部具有膨胀室的膨胀式冷冻机单元和存放压缩机主体的压缩机单元，上述冷冻机单元被安装到要冷却到极低温度下的装置或容器等内。并且，将用压缩机单元压缩到高压的制冷气体输送给冷冻机单元，这里，用蓄冷材料冷却该高压制冷气体后使其膨胀再冷却，使该低压制冷气体回到压缩机单元，通过反复进行这样的冷冻循环而获得极低的温度。
在用这样的冷冻机进行温度调节时，以往通过在冷冻机单元中配设电加热器，加入热负荷来调节温度。
但是，由于是在极低的温度环境下使用，因此加热器的可靠性低，经常发生绝缘不良或由此引起的漏电而造成紧急停止等问题。
而作为其他的方法，也考虑了例如记载在日本专利特开2000-121192中的，用反相器控制压缩机主体的旋转速度调整气体量来调整温度的方法。该方法虽然在用1台压缩机单元运行1台冷冻机单元时有效，但在用1台或多台压缩机单元运行多台冷冻机单元时，存在不能分别调整各冷冻机单元的温度这样的问题。
而且，当用1台或多台压缩机单元运行多台冷冻机单元时，由于各冷冻机单元启动时的配气定时不变，因此流经各冷冻机单元中的气体流量不均匀(当吸气时机不重叠时先吸气的冷冻机单元中流过的量多)，还存在冷冻机单元之间的冷冻能力不均匀的问题。
发明内容
本发明就是为了解决上述以往的问题，第一课题是通过设置在常温部中的温度控制机构使得能够调节温度。
本发明的第二课题是消除用1台或多台压缩机单元运行多台冷冻机单元时的冷冻机单元之间的冷冻能力的不均匀。
而且，本发明的第三个课题是降低电力消耗。
本发明通过在极低温冷冻机中具备设置在电源与管理冷冻机单元的吸排气循环时间的吸排气阀驱动用马达之间的、可改变该吸排气阀驱动用马达的频率的机构，检测冷冻机单元的热负荷部的温度的温度传感器，根据该温度传感器的输出信号、控制可改变上述吸排气驱动用马达的频率的机构的控制器；从而解决了上述第1课题。
并且，在用1台或多台压缩机单元运行多台冷冻机单元时，通过构成使用了上述机构的冷冻机单元，解决了上述第二课题。
本发明通过在极低温冷冻机中使用具有如下的压缩机单元，由多台上述冷冻机单元和1台或多台上述压缩机单元构成，从而解决了上述第三课题，所述压缩机单元的特征在于具有设置在电源与压缩机单元的压缩机主体马达之间的、可改变该压缩机主体马达的频率的机构；安装在连接上述压缩机主体的排出口与上述冷冻机单元的制冷剂供给口的高压制冷剂管线上的高压压力传感器；安装在连接上述压缩机主体的吸入口与上述冷冻机单元的制冷剂排出口的低压制冷剂管线上的低压压力传感器；根据上述高压压力传感器和上述低压压力传感器的输出信号、控制可改变上述压缩机主体马达的频率的机构的控制器。
本发明还通过在极低温冷冻机中使用如下的压缩机单元，由多台上述冷冻机单元和1台或多台上述压缩机单元构成，从而解决了上述第三课题，所述压缩机单元的特征在于具有设置在电源与压缩机单元的压缩机主体马达之间的、可改变该压缩机主体马达的频率的机构；安装在高压制冷剂管线与低压制冷剂管线之间的差压压力传感器，所述高压制冷剂管线连接上述压缩机主体的排出口和上述冷冻机单元的制冷剂供给口，所述高低压制冷剂管线连接上述压缩机主体的吸入口和上述冷冻机单元的制冷剂排出口；根据该差压压力传感器的输出信号、控制可改变上述压缩机主体马达的频率的机构的控制器。
并且，本发明通过提供特征为具备上述冷冻机单元或极低温冷冻机的低温泵来解决上述第一课题，而且解决了上述第二、第三课题。
本发明通过提供具备以下特征的低温泵，解决了上述第一课题，并解决了上述第二、第三课题，所述低温泵的特征在于具有检测低温泵的低温板的任意位置的温度的温度传感器，根据该温度传感器的输出、控制可改变管理冷冻机单元的吸排气的循环时间的吸排气阀驱动用马达的频率的机构的控制器。
本发明通过提供特征为具备上述冷冻机单元或极低温冷冻机的超导磁铁，解决了上述第一课题，而且解决了上述第二、第三课题。
本发明通过提供具备以下特征的超导磁铁，解决了上述第一课题，而且解决了上述第二、第三课题，所述超导磁铁的特征在于具有检测超导磁铁的任意位置的温度的温度传感器，根据该温度传感器的输出、控制可改变管理冷冻机单元的吸排气的循环时间的吸排气阀驱动用马达的频率的机构的控制器。
并且，本发明通过提供特征为具备上述冷冻机单元或极低温冷冻机的极低温测量装置，解决了上述第一课题，而且解决了上述第二、第三课题。
本发明通过提供具备以下特征的极低温测量装置而解决了上述第一目的，并解决了上述第二、第三课题，所述极低温测量装置的特征在于具有检测极低温测量装置的任意位置的温度的温度传感器；根据该温度传感器的输出、控制可改变管理冷冻机单元的吸排气循环的时间的吸排气阀驱动用马达的频率的机构的控制器。
本发明通过提供特征为具备上述冷冻机单元或极低温冷冻机的简易液化机而解决上述第一目的，并解决了上述第二、第三课题。
本发明通过提供具备以下特征的简易液化机而解决了上述第一课题，而且解决了上述第二、第三课题，所述简易液化机的特征在于具有检测简易液化机的任意位置的温度的温度传感器；根据该温度传感器的输出、控制可改变管理冷冻机单元的吸排气的循环时间的吸排气阀驱动用马达的频率的机构的控制器。
本发明通过提供具备以下特征的简易液化机而解决了上述第一课题，而且解决了上述第二、第三课题，所述简易液化机的特征在于具有简易液化机的液体容器内的液面检测机构；根据该液面检测机构的输出、控制可改变管理冷冻机单元的吸排气的循环时间的吸排气阀驱动用马达的频率的机构的控制器。
图1是表示本发明的极低温冷冻机的第1实施方式的结构的方框图。
图2是将第1实施方式的效果与以往例比较表示的曲线图。
图3是表示本发明的第2实施方式的结构的管路图。
图4是表示本发明的第3实施方式的结构的管路图。
图5是表示本发明的第4实施方式的结构的管路图。
图6是本发明的第5实施方式的低温泵的概略结构图。
图7是本发明的第6实施方式的超导磁铁的概略结构图。
图8是本发明的第7实施方式的极低温测量装置的概略结构图。
图9是本发明的第8实施方式的简易液化机的概略结构图。
图10是本发明的第9实施方式的在简易液化机中使用了液面计时的概略结构图。
具体实施例方式
下面参照附图详细说明本发明的实施方式。
本发明的第1实施方式如图1所示，将本发明用于调整2级G-M(吉福德-麦克马洪)循环冷冻机的冷冻机单元10的第一级低温部11的温度，具备反相器22，设置在电源20与吸排气阀驱动用马达14之间，所述吸排气阀驱动用马达14用来管理冷冻机单元10的吸排气循环时间的；温度传感器24，用来检测作为冷冻机单元10的热负荷部的第一级低温部11的温度；控制器26，根据该温度传感器24的输出反馈控制上述反相器22的输出频率。图中，12为上述冷冻机单元10的第二级低温部。
在本实施方式中，反相器22的输出频率由控制器26根据温度传感器24检测到的第一级低温部11的温度进行反馈控制，由吸排气阀驱动用马达14调整冷冻机单元10的吸排气循环时间。因此，当第一级低温部11的温度比目标值低时，可以通过延长冷冻机的吸排气循环时间来提高第一级低温部11的温度。反之，当第一级低温部11的温度比目标值高时，可以通过缩短冷冻机的吸排气循环时间来降低第一级低温部11的温度。
图2表示使负荷变化为15W、5W和0W时第一级低温部的温度(称为第一级温度)的变化状态。当像以往一样将冷冻机转速固定在72rpm时，第一级温度如虚线所示，随着负荷的减少，从100.9K减为65K、45K，与此相对照，本发明当负荷为5W时将冷冻机的转速下降为42rpm，当负荷为0W时下降为30rpm，如实线所示能够稳定地将第一级温度维持在大致100K。
下面说明本发明的第2实施方式。
本实施方式如图3所示，将本发明应用在用1台压缩机单元30运行3台2级G-M循环冷冻机的冷冻机单元10A、10B、10C时的场合，各冷冻机单元10A、10B、10C与第1实施方式一样设置有反相器22A、22B、22C，温度传感器24A、24B、24C以及控制器26A、26B、26C。
在本实施方式中，由于各冷冻机单元能够控制吸排气的循环时间以使第一级低温部的温度成为目标值，因此能够消除冷冻机单元之间的温度不均。
下面说明本发明的第3实施方式。
本实施方式如图4所示，将本发明应用在用1台压缩机单元30运行3台2级G-M循环冷冻机的冷冻机单元10A、10B、10C时的场合，各冷冻机单元10A、10B、10C与第1实施方式一样设置有反相器22A、22B、22C，温度传感器24A、24B、24C以及控制器26A、26B、26C。
在本实施方式中，还具备第二反相器40，设置在电源20与压缩机单元30之间；压力传感器42、44，分别配设在连接压缩机单元30和冷冻机单元10A、10B、10C的工作气体管路的高压气体管线32及低压气体管线34上；第二控制器46，根据该压力传感器42、44的输出信号计算高压气体与低压气体之间的压差，通过控制第二反相器40的输出频率调整压缩机的转速，由此来调整压差。
在本实施方式中，首先，由于冷冻机的冷冻能力由高压气体与低压气体的压差决定，因此根据压力传感器42、44的输出将压差控制为一定值。此时，热负荷较小的冷冻机单元通过用反相器22A、22B或22C延长其吸排气循环的时间，来减少气体的流量，将温度调整到需要的温度。此时，虽然由于流到该冷冻机单元中的气体流量减少而增加了压差，但由于通过反相器40降低压缩机30的转速以使压差一定，因此能够降低整体电力的消耗。
根据本实施方式，可以实现用各冷冻机单元中设置的反相器22A、22B和22C调节每台冷冻机的温度，由此能够消除冷冻机单元之间的温度不均，此外还能够用压缩机单元30中设置的第二反相器40降低电力的消耗。
下面说明本发明的第4实施方式。
本实施方式如图5所示，将本发明应用在用1台压缩机单元30运行3台2级G-M循环冷冻机的冷冻机单元10A、10B、10C时的场合，各冷冻机单元10A、10B、10C与第1实施方式一样设置有反相器22A、22B、22C，温度传感器24A、24B、24C以及控制器26A、26B、26C。
在本实施方式中，还具备第二反相器40，设置在电源20与压缩机单元30之间；差压压力传感器48，配设在连接压缩机单元30和冷冻机单元10A、10B、10C的工作气体管路的高压气体管线32及低压气体管线34上；第二控制器46，根据该差压压力传感器48的输出信号控制第二反相器40的输出频率，由此调整压缩机单元30的转速来调整压差。
在本实施方式中，首先，由于冷冻机的冷冻能力由高压气体与低压气体的压差决定，因此通过差压压力传感器48的输出将压差控制在一定值。此时，热负荷较小的冷冻机单元通过用反相器22A、22B或22C延长其吸排气循环的时间，减少气体的流量，将温度调整到需要的温度。此时，虽然由于流过该冷冻机单元的气体流量减少而增加了压差，但由于反相器40降低压缩机30的转速以使压差为一定值，因此能够降低整体的电力消耗。
根据本实施方式，可以实现用各冷冻机单元中设置的反相器22A、22B和22C调节每台冷冻机的温度，由此能够消除冷冻机单元之间的温度不均，此外还能够用压缩机单元30中设置的第二反相器40降低电力的消耗。
图6表示将本发明应用于低温泵的第5实施方式。该图为将本发明的第3实施方式应用于低温泵的方式，与图4中具有相同结构、相同作用的部分用相同的附图标记表示，并省略有关该部分的说明。
在本实施方式中，50A、50B、50C为安装到冷冻机单元10A、10B、10C中的泵容器，52A、52B、52C为例如在半导体制造装置中被排气成真空的容器。温度传感器24A、24B、24C并不局限于安装到冷冻机单元的第一级或第二级热负荷部，可以安装在低温泵的低温板的任意位置上。
根据本实施方式，如用第3实施方式说明过的那样，可以实现用各冷冻机单元中设置的反相器22A、22B和22C调节每台冷冻机的温度，由此能够消除冷冻机单元之间的温度不均，此外还能够用压缩机单元30中设置的第二反相器40降低电力的消耗。
另外，虽然在本实施方式中低温泵与冷冻机单元是1对1组合，但也可以用于在对应1台低温泵而使用多台冷冻机单元的系统中。并且也可以使用第1实施方式、第2实施方式及第4实施方式。
图7表示将本发明应用于超导磁铁的第6实施方式。该图为将本发明的第3实施方式应用于超导磁铁的方式，与图4中具有相同结构、相同作用的部分用相同的附图标记表示，并省略有关该部分的说明。
在本实施方式中，60A、60B、60C为安装有冷冻机单元10A、10B、10C的超导磁铁，62A、62B、62C为例如核磁共振成像(MRI)装置。温度传感器24A、24B、24C并不局限于安装到冷冻机单元的第一级或第二级热负荷部，可以安装在超导磁铁的任意位置上。
根据本实施方式，如用第3实施方式说明过的那样，可以实现用各冷冻机单元中设置的反相器22A、22B和22C调节每台冷冻机的温度，由此能够消除冷冻机单元之间的温度不均，此外还能够用压缩机单元30中设置的第二反相器40降低电力的消耗。
另外，虽然在本实施方式中超导磁铁与冷冻机单元是1对1组合，但也可以用于对应1台超导磁铁而使用多台冷冻机单元的系统中。并且也可以使用第1实施方式、第2实施方式及第4实施方式。
这里虽然就医疗领域中使用的MRI进行了说明，但本发明也可以应用于其他领域中使用的超导磁铁(例如MCZ等)的场合。
图8表示将本发明应用于极低温测量装置的第7实施方式。该图为将本发明的第3实施方式应用于极低温测量装置的方式，与图4中具有相同结构、相同作用的部分用相同的附图标记表示，并省略有关该部分的说明。
在本实施方式中，70A、70B、70C为安装到冷冻机单元10A、10B、10C中的极低温测量装置(例如X射线衍射测量装置、透光测量装置、光致发光测量装置、超导体测量装置、霍耳效应测量装置等)。温度传感器24A、24B、24C并不局限于安装到冷冻机单元的第一级或第二级热负荷部，可以安装在极低温测量装置的任意位置上。
根据本实施方式，如用第3实施方式说明过的那样，可以实现用各冷冻机单元中设置的反相器22A、22B和22C调节每台冷冻机的温度，由此能够消除冷冻机单元之间的温度不均，此外还能够用压缩机单元30中设置的第二反相器40降低电力的消耗。
另外，虽然在本实施方式中极低温测量装置与冷冻机单元是1对1组合，但也可以应用于对应1台极低温测量装置而使用多台冷冻机单元的系统中。并且也可以使用第1实施方式、第2实施方式及第4
下面，图9表示将本发明应用于简易液化机的第8实施方式。该图为将本发明的第3实施方式应用于简易液化机的方式，与图4中具有相同结构、相同作用的部分用相同的附图标记表示，并省略有关该部分的说明。
在本实施方式中，80A、80B、80C为安装有冷冻机单元10A、10B、10C的液体容器，82A、82B、82C为气体管线。温度传感器24A、24B、24C并不局限于安装到冷冻机单元的第一级或第二级热负荷部，可以安装在简易液化机的任意位置上。
根据本实施方式，如用第3实施方式说明过的那样，可以实现用各冷冻机单元中设置的反相器22A、22B和22C调节每台冷冻机的温度，由此能够消除冷冻机单元之间的温度不均，此外还能够用压缩机单元30中设置的第二反相器40降低电力的消耗。
在本实施方式中，像图10所示的第9实施方式那样，在上述液体容器80A、80B、80C的内部安装液面传感器28A、28B、28C来代替温度传感器24A、24B、24C，根据该液面传感器的输出进行控制，通过这样也能获得与第3实施方式相同的效果。
另外，虽然在本实施方式中简易液化机与冷冻机单元是1对1组合，但也可以应用于对应1台简易液化机而使用多台冷冻机单元的系统中。并且也可以使用第1实施方式、第2实施方式及第4实施方式。
虽然在上述实施方式中都是控制2级G-M循环冷冻机，但本发明的适用对象并不局限于此，很明显，同样可以用于一般的冷冻机(例如单级G-M循环冷冻机、3级G-M循环冷冻机、变形索尔维循环冷冻机、脉管式冷冻机等)的温度控制。并且，管理吸排气时间的机构也并不局限于吸排气阀驱动用马达。
工业实用性根据本发明，由于构成温度控制机构的反相器和控制器设置在常温部，因此与将电加热器设置在低温部时相比可靠性较高，能够进行冷冻机的温度调节。并且，即使在用1台或多台压缩机单元运行多台冷冻机单元时也能分别调整各冷冻机单元的温度，能够消除冷冻机单元之间的温度不均。
特别是与压缩机单元的反相器控制结合时，在系统中能够调整压缩机的转速以获得最合适的气体流量，能够降低电力消耗。
权利要求
1.一种冷冻机单元，其特征在于，具有设置在电源与管理冷冻机单元的吸排气循环时间的吸排气阀驱动用马达之间的、可改变该吸排气阀驱动用马达的频率的机构；检测冷冻机单元的热负荷部的温度的温度传感器；根据该温度传感器的输出信号控制可改变上述吸排气驱动用马达的频率的机构的控制器。
2.一种低温泵，其特征在于，包括权利要求1所述的冷冻机单元。
3.一种极低温冷冻机，其特征在于，使用如下的压缩机单元，所述压缩机单元的特征在于具有设置在电源与压缩机单元的压缩机主体马达之间的、可改变该压缩机主体马达的频率的机构；安装在连接上述压缩机主体的排出口与上述冷冻机单元的制冷剂供给口的高压制冷剂管线上的高压压力传感器；安装在连接上述压缩机主体的吸入口与上述冷冻机单元的制冷剂排出口的低压制冷剂管线上的低压压力传感器；根据上述高压压力传感器与上述低压压力传感器的输出信号、控制可改变上述压缩机主体马达的频率的机构的控制器；所述极低温冷冻机由多台权利要求1所述的冷冻机单元和1台或多台上述压缩机单元构成。
4.一种极低温冷冻机，其特征在于，使用如下的压缩机单元，所述压缩机单元的特征在于具有设置在电源与压缩机单元的压缩机主体马达之间的、可改变该压缩机主体马达的频率的机构；安装在高压制冷剂管线与低压制冷剂管线之间的差压压力传感器，所述高压制冷剂管线连接上述压缩机主体的排出口和上述冷冻机单元的制冷剂供给口，所述低压制冷剂管线连接上述压缩机主体的吸入口和上述冷冻机单元的制冷剂排出口；根据该差压压力传感器的输出信号控制可改变上述压缩机主体马达的频率的机构的控制器；所述极低温冷冻机由多台权利要求1所述的冷冻机单元和1台或多台上述压缩机单元构成。
5.一种低温泵，其特征在于，具备权利要求3或4所述的极低温冷冻机。
6.如权利要求5所述的低温泵，其特征在于，具有检测低温泵的低温板的任意位置的温度的温度传感器；根据该温度传感器的输出、控制可改变管理冷冻机单元的吸排气的循环时间的吸排气阀驱动用马达的频率的机构的控制器。
7.一种超导磁铁，其特征在于，具备权利要求1所述的冷冻机单元。
8.一种超导磁铁，其特征在于，具备权利要求3或4所述的极低温冷冻机。
9.如权利要求7或8所述的超导磁铁，其特征在于，具有检测超导磁铁的任意位置的温度的温度传感器；根据该温度传感器的输出、控制可改变管理冷冻机单元的吸排气的循环时间的吸排气阀驱动用马达的频率的机构的控制器。
10.一种极低温测量装置，其特征在于，具备权利要求1所述的冷冻机单元。
11.一种极低温测量装置，其特征在于，具备权利要求3或4所述的极低温冷冻机。
12.如权利要求10或11所述的极低温测量装置，其特征在于，具有检测极低温测量装置的任意位置的温度的温度传感器；根据该温度传感器的输出、控制可改变管理冷冻机单元的吸排气的循环时间的吸排气阀驱动用马达的频率的机构的控制器。
13.一种简易液化机，其特征在于，具备权利要求1所述的冷冻机单元。
14.一种简易液化机，其特征在于，具备权利要求3或4所述的极低温冷冻机。
15.如权利要求13或14所述的简易液化机，其特征在于，具有检测简易液化机的任意位置的温度的温度传感器；根据该温度传感器的输出、控制可改变管理冷冻机单元的吸排气的循环时间的吸排气阀驱动用马达的频率的机构的控制器。
16.如权利要求13或14所述的简易液化机，其特征在于，具有简易液化机的液体容器内的液面检测机构；根据该液面检测机构的输出、控制可改变管理冷冻机单元的吸排气循环的时间的吸排气阀驱动用马达的频率的机构的控制器。
全文摘要
在电源(20)与管理冷冻机单元(10)的吸排气循环时间的吸排气阀驱动用马达(14)之间设置反相器(22)，根据检测冷冻机单元(10)的热负荷部(11)的温度的温度传感器(24)的输出控制上述反相器(22)的输出频率。由此能够不用电加热器而用可靠性较高的方法调整各冷冻机的温度。
文档编号F04B37/08GK1675505SQ0381979
公开日2005年9月28日 申请日期2003年6月12日 优先权日2002年8月20日
发明者田中秀和 申请人:住友重机械工业株式会社