JP2000121192A - 極低温冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷凍機が取り付けられる被冷却装置の状況に
応じて運転制御を行なえ、運転開始時等において所望の
極低温を従来よりも短時間で得ることのできる省エネル
ギタイプの極低温冷凍装置を提供する。 【解決手段】 超伝導マグネット２を冷却するための極
低温冷凍装置において、電源１３と圧縮機ユニット９の
間にインバータ１４を設ける。冷凍機５に温度センサ６
を取り付け、超伝導マグネット２の温度としてシールド
３内部の温度を検出する。温度センサ６の出力信号を、
インバータ１４の制御を行なうコントローラ７に入力す
る。コントローラ７は、温度センサ６の出力信号に基づ
いてインバータ１４を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＭＲＩ（磁気共鳴映
像法）などのための超伝導マグネット冷却装置、真空を
得るためのクライオポンプ、あるいは簡易液化装置等と
して使用される極低温冷凍装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】極低温冷凍装置は、一般に、蓄冷材を収
納すると共に膨脹室を内部に有する膨脹式冷凍機と、圧
縮機を収納した圧縮機ユニットとを備えており、上記冷
凍機が極低温に冷却されるべき装置や容器等（以下、こ
れらをまとめて単に被冷却装置という。）に取り付けら
れる。そして、圧縮機によって高圧にした冷媒ガスを冷
凍機に送り、ここでその高圧の冷媒ガスを蓄冷材によっ
て冷却してから膨脹させてさらに冷却し、その低圧の冷
媒ガスを圧縮機に戻すという冷凍サイクルを繰り返すこ
とによって、極低温を得ている。

【０００３】このような極低温冷凍装置は、従来、商用
電源を用いて動作するように設計されている。そして、
その運転は基本的にはON/OFF制御のみを行なうものであ
り、冷凍機が取り付けられる被冷却装置の使用状況に拘
わらず、消費電力一定の運転がなされている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、最近では、
環境意識の高まりや経費節減の観点から、分野を問わず
省エネルギの要求が強く、その達成が１つの重要な課題
となっている。これは極低温冷凍装置の分野においても
例外ではない。特に、非常に多くの台数のクライオポン
プが使用される工場、たとえば半導体工場等において省
エネルギ化が達成できれば、消費電力の節約量は莫大な
量となり、省エネルギ化の意義は大きい。

【０００５】また、従来の極低温装置は、運転開始時等
において、冷却すべき容器や装置等を室温から所望の極
低温にまで冷却するのに比較的長い時間を必要としてい
た。

【０００６】そこで，本発明の目的は、冷凍機が取り付
けられる被冷却装置の状況に応じて運転制御を行なえ、
運転開始時等において所望の極低温を従来よりも短時間
で得ることのできる省エネルギタイプの極低温冷凍装置
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、被冷却装置に直接あるいは間接に取り付
けられる冷凍機と、配管を介して上記冷凍機に接続さ
れ、高圧の冷媒ガスを上記冷凍機に供給すると共に、低
圧の冷媒ガスが上記冷凍機から戻される圧縮機とを備え
て、上記被冷却装置を極低温に冷却する極低温冷凍装置
において、以下に記載の構成を特徴としている。

【０００８】請求項１の発明は、上記被冷却装置が超伝
導マグネットであり、変換した周波数の信号を上記圧縮
機のモータに出力する周波数変換手段と、上記超伝導マ
グネットの状況に応じて上記周波数変換手段を制御する
コントローラとを備えたことを特徴としている。

【０００９】請求項２の発明は各種の極低温実験のため
に使用される極低温冷凍装置を提供するものであり、上
記被冷却装置は容器であり、変換した周波数の信号を上
記圧縮機のモータに出力する周波数変換手段と、上記容
器の状況に応じて上記周波数変換手段を制御するコント
ローラとを備えたことを特徴としている。

【００１０】また、請求項３の発明はクライオポンプと
して使用される極低温冷凍装置を提供するものであり、
上記被冷却装置はチャンバ内を真空排気するためのポン
プ容器であり、変換した周波数の信号を上記圧縮機のモ
ータに出力する周波数変換手段と、上記ポンプ容器の状
況に応じて上記周波数変換手段を制御するコントローラ
とを備えたことを特徴としている。

【００１１】請求項４の発明は簡易液化器として使用さ
れる極低温冷凍装置を提供するものであり、上記被冷却
装置は液溜容器であり、変換した周波数の信号を上記圧
縮機のモータに出力する周波数変換手段と、上記液溜容
器の状況に応じて上記周波数変換手段を制御するコント
ローラとを備えたことを特徴としている。

【００１２】上記請求項１乃至４のいずれの極低温冷凍
装置においても、被冷却装置（超伝導マグネット、容
器、ポンプ容器、液溜容器）が所望の極低温にまで冷却
されねばならない状況にあるときなどには、上記コント
ローラと周波数変換手段の働きによって、冷凍能力を高
めるべく圧縮機のモータを増速させる制御が可能とな
る。したがって、このような制御の下では、被冷却装置
は短時間で所望の極低温に冷却される。

【００１３】一方、被冷却装置がすでに所望の極低温状
態にあるときや、温度を上げなければならない状況にあ
るとき、上記コントローラと周波数変換手段の働きによ
って、冷凍能力を低下させるべく圧縮機のモータを減速
させる制御が可能となる。したがって、このような制御
の下では、省電力運転が行なわれる。ところで、一般
に、極低温冷凍装置は、断熱性に非常に優れている。し
たがって、上記請求項１乃至４のいずれの極低温冷凍装
置においても、被冷却装置（超伝導マグネット、容器、
ポンプ容器、液溜容器）を一旦所望の温度にまで冷却し
てしまえば、省エネルギーのため圧縮機の働きをある程
度低下させて冷凍能力を落としても被冷却装置の温度は
上昇しにくく、問題はない。

【００１４】請求項５の発明は、上述の各極低温冷凍装
置が上記被冷却装置の温度を検出する温度検出手段をさ
らに備え、上記コントローラは、上記温度検出手段から
の信号に基づき、上記被冷却装置の温度が所定温度より
も高いときには、増加した周波数の信号を上記周波数変
換手段が出力するように、上記被冷却装置が上記所定温
度まで冷却された後は、減少した周波数の信号を上記周
波数変換手段が出力するように、上記周波数変換手段を
制御することを特徴としている。

【００１５】この構成によれば、被冷却装置の温度変化
に応じてきめ細かな運転制御が行なわれる。

【００１６】請求項６の発明は、上述の各極低温冷凍装
置において、上記コントローラが、装置起動時、増加し
た周波数の信号を上記周波数変換手段が出力するよう
に、上記周波数変換手段を制御することを特徴としてい
る。

【００１７】この構成によれば、起動時に被冷却装置は
急速に冷却されるので、短時間で目的とする使用可能状
態となる。

【００１８】請求項７の発明は、クライオポンプとして
使用される上記各極低温冷凍装置において、上記コント
ローラが、再生プロセス中は、減少した周波数の信号を
上記周波数変換手段が出力するように、上記再生プロセ
スの終了後には、増加した周波数の信号を上記周波数変
換手段が出力するように、上記周波数変換手段を制御す
ることを特徴としている。

【００１９】この構成によれば、再生プロセス中には低
能力運転が行なわれる。また、再生プロセス後はポンプ
容器が急速に冷却され、短時間で次のチャンバ排気プロ
セスに移行できる。

【００２０】請求項８の発明は、クライオポンプとして
使用される上記各極低温冷凍装置において、上記コント
ローラが、上記チャンバの排気時に、増加した周波数の
信号を上記周波数変換手段が出力するように、上記周波
数変換手段を制御することを特徴としている。

【００２１】この構成によれば、熱負荷が増加する排気
時に冷凍能力を高めるよう制御が行なわれるので、チャ
ンバ内の排気が良好に行なわれる。

【００２２】請求項９の発明は、簡易液化機として使用
される上記極低温冷凍装置が上記液溜容器内部の液面を
検出する液面検出手段を備え、上記コントローラが、上
記液面検出手段からの信号に基づいて、上記液溜容器内
部の液面が所定の高レベルよりも低いときには、増加し
た周波数の信号を上記周波数変換手段が出力するよう
に、上記液溜容器内部の液面が上記所定の高レベルに達
した後には、減少した周波数の信号を上記周波数変換手
段が出力するように、上記周波数変換手段を制御するこ
とを特徴としている。

【００２３】この構成によれば、液化中には冷凍能力を
高め、液化完了後には省電力運転を行なうことが可能と
なる。

【００２４】請求項１０の発明は、上述の各極低温冷凍
装置において、上記圧縮機が第１の熱交換器と共にハウ
ジング内に収容されて屋外設置型の圧縮機ユニットを構
成しており、この圧縮機ユニットと上記冷凍機との間に
第２の熱交換器を備えた室内設置型の中間ユニットを介
在させていることを特徴としている。

【００２５】この構成によれば、運転騒音の大きい圧縮
機ユニットは屋外に設置されるため、被冷却装置が設置
されている室内が静かになる。また、第１の熱交換器と
第２の熱交換器とによる２段階冷却によって、室外温度
が上がっても、圧縮機によって圧縮された高圧の冷媒ガ
スは確実に冷却される。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示の実施の形態
により詳細に説明する。

【００２７】（第１の実施の形態）図１に本発明の第１
の実施の形態である超伝導マグネット冷却装置の構成を
示す。この超伝導マグネット冷却装置はＭＲＩのための
ものであり、図１において、１は中央部分に患者を収容
するための空洞部分１aと、上記空洞部分１ａを取り巻
く筒状空間１ｂとを有する容器で、上記筒状空間１ｂに
は超伝導マグネット（以下、マグネット）２がシールド
３内に封入された状態で設置されている。この冷却装置
は冷凍機５でマグネット２を直接冷却する直冷方式であ
り、冷凍機５はその第１のヒートステーション５ａがマ
グネット２に、そして第２のヒートステーション５ｂが
シールド３に接触した状態で容器１に取り付けられてい
る。図示の冷凍機５は公知の膨脹式冷凍機であるが、そ
れ以外のタイプの冷凍機を使用してもよい。

【００２８】上記冷凍機５には温度センサ６を取り付
け、マグネット２の温度としてシールド３内部の温度を
検出するようにしている。温度センサ６の出力信号はコ
ントローラ７に送られる。上記コントローラ７には、温
度センサ６からの出力信号のほか、図示してはいない
が、電源スイッチやスタートボタン、運転停止ボタン、
あるいは励磁指示ボタンといった運転制御手段からの信
号も入力されるようになっている。コントローラ７は温
度センサ６によって検出された温度はもちろんのこと、
上記したような運転制御手段からの信号に応じて、制御
信号を生成する。

【００２９】上記冷凍機５には室内設置型の圧縮機ユニ
ット８が接続されている。圧縮機ユニット８は圧縮機９
を内蔵しており、圧縮機９で圧縮されたヘリウム等の高
圧冷媒ガスを配管１１を通して冷凍機５に供給する一
方、冷凍機５から排出された低圧冷媒ガスを配管１２を
通して圧縮機５に戻す。一方、圧縮機ユニット８と商用
電源１３との間には周波数変換手段としてインバータ１
４が設けられており、このインバータ１４からの出力信
号が圧縮機９のモータに供給される。インバータ１４は
上記コントローラ７によって制御され、コントローラ７
からの制御信号に応じて周波数を変化させる。上記イン
バータ１４の種類にはＣＶＣＦ(controlled voltage co
ntrolled frequency )も含まれる。

【００３０】コントローラ７は、温度センサ６によって
検出された温度が所定の設定温度（たとえば１０Ｋ）よ
りも高いか、又はそれ以下であるかを判定して、設定温
度よりも高ければ、インバータ１４が生成信号の周波数
を上げるように、設定温度以下であれば、周波数を下げ
るように、インバータ１４を制御する。

【００３１】コントローラ７によるこのような制御の下
で、シールド３内部の温度したがってマグネット２の温
度が室温となっている装置起動時（初めての使用時やメ
ンテナンス後の使用時を含む）や、励磁のときには、イ
ンバータ１４は周波数を所定の値（たとえば６０Ｈｚ）
よりも増大（たとえば７０Ｈｚ）させた信号を生成し、
その信号を圧縮機９のモータに出力する。この結果、モ
ータの回転速度が上がり、冷媒ガスの循環量が増加する
ので、冷凍能力が高まり、マグネット２は所望の極低温
にまで急速に、従って従来よりも短い時間で冷却され
る。たとえば、従来では４０分かかっていた冷却時間
を、この実施形態では２０分程度まで短くすることが可
能である。

【００３２】マグネット２の温度が設定温度に達する
と、直ちにあるいは一定時間経過後に、インバータ１４
がコントローラ７の制御の下、周波数を所定値以下に減
らした信号をモータに出力する。こうして省電力運転が
行なわれる。このとき、極低温冷凍装置は断熱性が非常
によいことから、モータを少々減速させて冷凍能力を低
下させても温度は上がりにくい。つまり極低温を維持で
きる。

【００３３】なお、ここでは医療の分野で使用される超
伝導マグネット冷却装置について説明したが、本発明は
それ以外の分野で使用される超伝導マグネット冷却装置
についても適用できる。

【００３４】また、ここで説明した超伝導マグネット冷
却装置は直冷式のものであったが、間接冷凍式、すなわ
ち、冷凍機５をマグネット２に直接取り付けるのではな
く、マグネット２を収容した容器に冷凍機５をつなぎ、
その容器の中に液体ヘリウムを入れることによってマグ
ネット２を冷却する方式としてもよい。この場合には、
容器に液体ヘリウムを入れ始めるときに周波数を上げ、
完全に液体ヘリウムを容器に入れてしまったら、周波数
を下げて消費電力を減らすようにすればよい。

【００３５】図１に示した冷却装置では、インバータ１
４やコントローラ７を圧縮ユニット９の外部に設置して
いるが、圧縮機ユニット９に組み込んでもよい。

【００３６】また、上記温度センサ６に代えて、あるい
は温度センサ６に加えて、圧力センサ等、別の種類のセ
ンサを用いてもよい。

【００３７】（第２の実施の形態）第２の実施の形態を
図２に示す。この図において、図１に示したものと同じ
構成、働きを有する部分は同じ符号で表し、その部分に
ついての説明は省略する。

【００３８】この第２の実施の形態である極低温冷凍装
置は主として研究目的に用いることを意図したものであ
り、冷凍機５は実験サンプルを収容したりする容器２０
に取り付けられる。この場合、実験内容（アプリケーシ
ョン）に応じて冷却目標温度が異なるため、コントロー
ラ７における設定温度は実験内容に応じて変更される。

【００３９】この実施形態においても、装置起動時は容
器２０内部は室温となっているため、コントローラ７の
制御の下で、インバータ１４は周波数を所定値（たとえ
ば６０Ｈｚ）よりも増大させた信号をモータに出力し、
モータを増速させる。この結果、冷却能力が向上し、容
器２０内部は短時間で設定温度にまで冷却される。一旦
容器２０の内部が設定温度まで冷却されると、今度は周
波数を所定値以下にして省電力運転を行なう。

【００４０】第１の実施の形態について説明した種々の
変形の幾つかは本実施の形態にも当てはまることは言う
までもない。

【００４１】（第３の実施の形態）本発明をクライオポ
ンプに適用した実施の形態を図３に示す。この図におい
て、図１に示したものと同様な構成、働きを有する部分
は同じ符号で表し、その部分についての説明は省略す
る。

【００４２】図３において、３０は冷凍機５が取り付け
られたポンプ容器、３１はたとえば半導体装置を製造す
るための真空排気されるチャンバ３１である。温度セン
サ６はポンプ容器３０内の適当な箇所（たとえば、図示
しないクライオパネル）に取り付けられる。この実施の
形態では、ポンプの処理工程と温度センサ６からの出力
信号とに応じて次のような運転制御が行なわれる。

【００４３】まず、装置起動時には前述の実施の形態同
様、ポンプ容器３０内は室温状態なので、周波数を所定
値（たとえば６０Ｈｚ）よりも上げて、ポンプ容器３０
内を所定の設定温度まで急速に冷却する。この設定温度
は排気すべきガスの種類に応じて決定すればよい。そし
て、一旦設定温度まで冷却してしまうと、周波数を所定
値まで下げる。

【００４４】次に、チャンバ３１とポンプ容器３０との
間のシャッタが開けられてチャンバ３１の排気処理が開
始されると、冷凍機の熱負荷が増大するため、ポンプ容
器３０内の温度が上昇する。したがって、周波数を再び
上げて冷凍能力を高め、ポンプ容器３０内部を設定温度
まで急速に冷却する。そして、設定温度に達すると、周
波数を所定値以下に下げて、省電力運転を行なう。な
お、排気処理時の周波数増加タイミングは、温度センサ
６による検出温度の変化に従ってもよいし、あるいは、
排気処理の開始を知らせる信号をコントローラ７に入力
するようにしておき、その信号の入力タイミングに従う
ようにしてもよい。

【００４５】再生プロセス時には、ポンプ容器３０内に
凍結捕集あるいは吸着されたガス分子を蒸発させるため
に、ポンプ容器３０内の温度を上げる必要がある。した
がって、このときには、低能力運転モードとなり、周波
数を減少させて冷凍能力を落とす。

【００４６】再生プロセスが終了すると、ポンプ容器３
０内の温度が所定温度よりも高くなってしまっているた
め、次のチャンバ内排気処理のために、周波数を所定値
よりも大きくして冷凍能力を高め、ポンプ容器３０内を
急速に冷却する。したがって、再生プロセス終了後、短
時間で次の排気処理を行なうことができる。

【００４７】なお、コントローラ７には、温度センサ６
からの出力信号のほか、再生プロセスの開始、終了を制
御する手段（図示せず）からの出力信号も入力されてお
り、これによって、コントローラ７はクライオポンプが
再生プロセス中であるかどうかを知ることができる。

【００４８】なお、ここでは、説明を簡単にするために
１つの設定温度のみを用いた例を用いたが、細かい制御
を行なうためには２つ以上の設定温度を用いるのが望ま
しい。たとえば、再生プロセス時の運転制御のために、
チャンバ内排気時の運転制御に使用される設定温度より
も高い温度を第２の設定温度として使用することができ
る。

【００４９】第１の実施の形態について説明した種々の
変形の幾つかは本実施の形態にも当てはまることは言う
までもない。

【００５０】（第４の実施の形態）図４は本発明を窒素
ガス等のガスを液化するための簡易液化機に適用した第
４の実施の形態である。この図において、図１に示した
ものと同様な構成、働きを有する部分は同じ符号で表
し、その部分についての説明は省略する。

【００５１】図４において、４０は冷凍機５が取り付け
られた液溜容器、４１はガスラインである。コントロー
ラ７には上記ガスライン４１に設けられたバルブの開閉
を制御する手段(図示せず）からの信号も入力されるよ
うになっている。

【００５２】この簡易液化機では、上述の各実施の形態
と同じく、装置起動時で液溜容器が室温にあるときに
は、周波数を増加させて液溜容器４０内部を設定温度ま
で急速に冷却する。また、その後の液溜容器４０内にガ
スを導入して液化処理を行なうときにも、導入されるガ
スによって液溜容器４０内の温度が上昇するため、周波
数を増加させて冷凍能力を高める運転制御が行なわれ
る。液溜容器４０内の温度が設定温度にまで冷却される
と、周波数を減少させる。

【００５３】温度センサ６の代りに、図５に示すよう
に、上記液溜容器４０内の上側位置と下側位置にオン／
オフ式の液面センサ４２，４３を取り付け、これらのセ
ンサからのオン信号あるいはオフ信号をコントローラ７
に入力することによって、液溜容器内の液量に基づいた
制御を行なうこともできる。この場合、コントローラ７
はたとえば、次のような制御を行なうことができる。

【００５４】ガス導入開始後に下側液面センサ４３がオ
ンした後、上側液面センサ４２がオンするまでの間は、
液化中だと判断して、周波数を上げるようにインバータ
１４を制御する。また、上側液面センサ４２がオンする
と、液化が完了したと判断して、周波数を所定値まで下
げるようにインバータ１４を制御する。液化が完了し、
液を図示しない配管を通して排出すると、先ず、上側液
面センサ４２がオフし、続いて、下側液面センサ４３が
オフする。このとき、コントローラ７は液量が少量にな
ったと判断して、省電力モードに入り、周波数を所定値
以下に下げるようインバータを制御する。

【００５５】これらの液面センサ４２，４３は、その少
なくとも一方を温度センサ６と同時に使用することもで
きる。この場合には、より細かい運転制御を行なうこと
ができる。

【００５６】この簡易液化機でも、装置起動時には周波
数を増大させるので短時間にガス導入前の準備を行なう
ことができ、また、ガス導入中も周波数を増大させて冷
凍能力を高めているので液化を迅速に行うことができ
る。一方、所望の温度にまで冷却した後あるいは少量の
液しか液溜容器４０に入っていないときには周波数を減
少させるので、電力消費を低減できる。

【００５７】第１の実施の形態について説明した種々の
変形の幾つかは本実施の形態にも当てはまることは言う
までもない。

【００５８】（第５の実施の形態）上記第１〜第４実施
の形態において使用した圧縮機ユニット８は室内設置型
のものであったが、これらいずれの実施形態においても
屋外設置型の圧縮機ユニットを使用することができる。
図６は、一例として、図２に示した実施の形態における
圧縮機ユニット８を屋外設置型の圧縮機ユニット２１に
置き換えたものを示している。図６において、図２に示
したものと同様な構成、働きを有する部分は同じ符号で
表し、その部分についての説明は省略する。

【００５９】屋外設置型の圧縮機ユニット２１として
は、たとえば国際公開番号ＷＯ９７／０４２７７に開示
された公知のものを使用でき、図示はしないが、圧縮機
のほか、圧縮機の吐出側配管に介設された第１空冷熱交
換器を内蔵している。圧縮機ユニット２１内の圧縮機の
モータには、インバータ１４の出力信号が入力される。

【００６０】圧縮機ユニット２１と冷凍機５との間には
室内に設置される中間ユニット２３が設けられる。中間
ユニット２３は第２空冷熱交換器（図示せず）を内蔵し
ている。この中間ユニット２３についても、たとえば前
述の国際公開番号ＷＯ９７／０４２７７に開示された公
知のものを使用できる。

【００６１】この装置では、第１空冷熱交換器において
外気と熱交換させて冷却したヘリウム等の高圧冷媒ガス
を、配管１１ａを介して中間ユニット２３内の第２空冷
熱交換器に送り、ここで室内空気と熱交換させてさらに
冷却した後、配管１１ｂを介して冷凍機５に供給する。
そして、冷凍機５から排出された低圧冷媒ガスを配管１
２ｂ、中間ユニット内の図示しない戻り管、そして配管
１２ａを通して圧縮機５に戻す。

【００６２】上の説明からもわかるように、第２空冷熱
交換器を有する中間ユニット２３を屋外の圧縮ユニット
２１と冷凍機５との間に設置する理由は、高い室外温度
による冷媒ガスへの影響をなくすためである。つまり、
室外温度が高い場合には、冷媒ガスの温度も上昇してし
まうため、この上昇した温度を下げるために、室内に設
置した第２空冷熱交換器によって冷媒ガスを冷却してい
るのである。

【００６３】圧縮機ユニット２１には室外温度を検出す
るための室外温度センサ２２が設けられており、この室
外温度センサ２２の出力信号もコントローラ７に入力さ
れるようになっている。

【００６４】この装置においては、コントローラ７は温
度センサ６による検出温度や、各種のスイッチ等から送
られる情報に基づき、第２の実施の形態に関連して説明
したのと同様の制御を行なう。さらに、室外温度に拘わ
らず高圧冷媒ガスの２段階熱交換後の温度を略一定に保
つべく、室外温度センサ２２の出力信号に基づいて、次
のような制御を行なう。つまり、室外温度が所定の高温
度（たとえば３２℃）よりも高い場合にはインバータ１
４から出力される信号の周波数を下げて圧縮能力を落と
し、圧縮後の高圧冷媒ガスの温度を余り上げないように
することによって、２段階の空冷熱交換を通じて高圧冷
媒ガスを所定温度まで冷却する。一方、室外温度が所定
の低温度（たとえば１２℃）よりも低い場合には、イン
バータ１４から出力される信号の周波数を上げて圧縮能
力を高めることによって、圧縮後の高圧冷媒ガスの温度
を上げ、２段階の空冷熱交換を経ても高圧冷媒ガスが冷
却され過ぎることのないようにするのである。こうし
て、外気温の変化に拘わらず、２段階の空冷熱交換後の
高圧冷媒ガスの温度を常にほほ一定に保つことができ
る。

【００６５】以上、被冷却装置の種々の状況に応じた周
波数制御を説明したが、上記以外の周波数制御ももちろ
ん可能である。

【００６６】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、請求項
１の極低温冷凍装置は超伝導マグネット冷却装置として
使用されるものであり、請求項２の極低温冷凍装置は研
究，評価用に使用されるものであり、請求項３の極低温
冷凍装置はクライオポンプとして使用されるものであ
り、請求項４の極低温冷凍装置は簡易液化機として使用
されるものであるが、そのいずれにおいても、変換した
周波数の信号を圧縮機のモータに出力する周波数変換手
段と、被冷却装置（請求項１においては超伝導マグネッ
ト、請求項２においては容器、請求項３においてはポン
プ容器，請求項４においては液溜容器）の状況に応じて
上記周波数変換手段を制御するコントローラとを備えて
いるので、それぞれの被冷却装置が所望の極低温にまで
冷却されねばならない状況にあるときなどには、上記コ
ントローラと周波数変換手段の働きによって、冷凍能力
を高めるべく圧縮機のモータを増速させる制御を行なっ
て冷凍能力を高めることができる。したがって、被冷却
装置を短時間で所望の極低温に冷却することができる。
一方、被冷却装置がすでに所望の極低温状態にあるとき
や、温度を上げなければならない状況にあるときには、
上記コントローラと周波数変換手段の働きによって、省
電力運転を行なうことができる。

【００６７】請求項５の発明によれば、上述の各極低温
冷凍装置において、上記コントローラが、温度検出手段
からの信号に基づき上記周波数変換手段を制御するの
で、被冷却装置の温度変化に応じたきめ細かな運転制御
を行なうことができる。

【００６８】請求項６の発明によれば、上述の各極低温
冷凍装置において、上記コントローラが、装置起動時、
上記周波数変換手段を、出力信号の周波数を増加するよ
うに制御するので、装置起動時に被冷却装置を所望の極
低温にまで急速に、したがって従来よりも短時間で冷却
することができる。

【００６９】請求項７の発明によれば、クライオポンプ
として使用される上記各極低温冷凍装置において、再生
プロセス中には、上記コントローラが上記周波数変換手
段を出力信号の周波数を減少させるように制御するの
で、省電力運転を行なうことができる。一方、再生プロ
セスの終了後には、上記コントローラが上記周波数変換
手段を、増加した周波数の信号を出力するように制御す
るので、加温されたポンプ容器を急速に冷却でき、短時
間で次のチャンバ排気プロセスに移行できる。

【００７０】請求項８の発明によれば、クライオポンプ
として使用される上記各極低温冷凍装置において、上記
チャンバの排気時には、上記コントローラが、増加した
周波数の信号を出力するように上記周波数変換手段を制
御するので、熱負荷が増加する排気時にあっても、ポン
プ容器内を所望の極低温状態に保つことができ、チャン
バ内の排気を良好に行なうことができる。

【００７１】請求項９の発明によれば、簡易液化機とし
て使用される上記極低温冷凍装置において、上記コント
ローラは、液溜容器内部の液面を検出する液面検出手段
からの信号に基づいて、上記液溜容器内部の液面が所定
の高レベルよりも低いときには、増加した周波数の信号
を出力するように、上記液溜容器内部の液面が上記所定
の高レベルに達した後には、減少した周波数の信号を出
力するように上記周波数変換手段を制御するので、液化
中には冷凍能力を高め、液化完了後には省電力運転を行
なうことができる。

【００７２】請求項１０の発明によれば、運転騒音の大
きい圧縮機ユニットは屋外に設置されるため、被冷却装
置が設置されている室内が静かになる。また、第２の熱
交換器を有する室内設置型の中間ユニットを圧縮機ユニ
ットと冷凍機との間に設けているので、第１の熱交換器
と第２の熱交換器とによる２段階冷却によって、室外温
度が上昇しても、高圧冷媒ガスを所定の温度まで冷却す
ることができ、室外温度の上昇による冷凍能力の低下を
防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態である超伝導マグ
ネット冷却装置の概略構成図である。

【図２】 本発明の第２の実施の形態である極低温冷凍
装置の概略構成図である。

【図３】 本発明の第３の実施の形態であるクライオポ
ンプの概略構成図である。

【図４】 本発明の第４の実施の形態である簡易液化機
の概略構成図である。

【図５】 本発明の第４の実施の形態の変形例の概略構
成図である。

【図６】 本発明の第５の実施の形態である極低温冷凍
装置の概略構成図である。

【符号の説明】

１，２０…容器、２…超伝導マグネット、３…シール
ド、５…冷凍機、６…温度センサ、７…コントローラ、
８、２１…圧縮機ユニット、９…圧縮機、１１，１１
ａ，１１ｂ，１２，１２ａ，１２ｂ…配管、１３…電
源、１４…インバータ、３０…ポンプ容器、３１…チャ
ンバ、４０…液溜容器、４２，４３…液面センサ、２２
…室外温度センサ、２３…中間ユニット。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被冷却装置（２,２０,３０,４０）に直
   接あるいは間接に取り付けられる冷凍機（５）と、配管
   （１１,１２; １１ａ,１１ｂ,１２ａ,１２ｂ）を介して
   上記冷凍機（５）に接続され、高圧の冷媒ガスを上記冷
   凍機（５）に供給すると共に、低圧の冷媒ガスが上記冷
   凍機（５）から戻される圧縮機（９）とを備えて、上記
   被冷却装置（２,２０,３０,４０）を極低温に冷却する
   極低温冷凍装置において、 上記被冷却装置は超伝導マグネット（２）であり、 変換した周波数の信号を上記圧縮機（９）のモータに出
   力する周波数変換手段（１４）と、 上記超伝導マグネット（２）の状況に応じて上記周波数
   変換手段（１４）を制御するコントローラ（７）とを備
   えたことを特徴とする極低温冷凍装置。
2. 【請求項２】 被冷却装置（２,２０,３０,４０）に直
   接あるいは間接に取り付けられる冷凍機（５）と、配管
   （１１,１２; １１ａ,１１ｂ,１２ａ,１２ｂ）を介して
   上記冷凍機（５）に接続され、高圧の冷媒ガスを上記冷
   凍機（５）に供給すると共に、低圧の冷媒ガスが上記冷
   凍機（５）から戻される圧縮機（９）とを備えて、上記
   被冷却装置（２,２０,３０,４０）を極低温に冷却する
   極低温冷凍装置において、 上記被冷却装置は容器（２０）であり、 変換した周波数の信号を上記圧縮機（９）のモータに出
   力する周波数変換手段（１４）と、 上記容器（２０）の状況に応じて上記周波数変換手段
   （１４）を制御するコントローラ（７）とを備えたこと
   を特徴とする各種の極低温実験のために使用される極低
   温冷凍装置。
3. 【請求項３】 被冷却装置（２,２０,３０,４０）に直
   接あるいは間接に取り付けられる冷凍機（５）と、配管
   （１１,１２; １１ａ,１１ｂ,１２ａ,１２ｂ）を介して
   上記冷凍機（５）に接続され、高圧の冷媒ガスを上記冷
   凍機（５）に供給すると共に、低圧の冷媒ガスが上記冷
   凍機（５）から戻される圧縮機（９）とを備えて、上記
   被冷却装置（２,２０,３０,４０）を極低温に冷却する
   極低温冷凍装置において、 上記被冷却装置はチャンバ（３１）内を真空排気するた
   めのポンプ容器（３０）であり、 変換した周波数の信号を上記圧縮機（９）のモータに出
   力する周波数変換手段（１４）と、 上記ポンプ容器（３０）の状況に応じて上記周波数変換
   手段（１４）を制御するコントローラ（７）とを備えた
   ことを特徴とするクライオポンプとして使用される極低
   温冷凍装置。
4. 【請求項４】 被冷却装置（２,２０,３０,４０）に直
   接あるいは間接に取り付けられる冷凍機（５）と、配管
   （１１,１２; １１ａ,１１ｂ,１２ａ,１２ｂ）を介して
   上記冷凍機（５）に接続され、高圧の冷媒ガスを上記冷
   凍機（５）に供給すると共に、低圧の冷媒ガスが上記冷
   凍機（５）から戻される圧縮機（９）とを備えて、上記
   被冷却装置（２,２０,３０,４０）を極低温に冷却する
   極低温冷凍装置において、 上記被冷却装置は液溜容器（４０）であり、 変換した周波数の信号を上記圧縮機（９）のモータに出
   力する周波数変換手段（１４）と、 上記液溜容器内（４０）部の状況に応じて上記周波数変
   換手段（１４）を制御するコントローラ（７）とを備え
   たことを特徴とする簡易液化機として使用される極低温
   冷凍装置。
5. 【請求項５】請求項１乃至４のいずれか１つに記載の極
   低温冷凍装置において、 上記被冷却装置（２,２０,３０,４０）の温度を検出す
   る温度検出手段（６）をさらに備え、 上記コントローラ（７）は、上記温度検出手段（６）か
   らの信号に基づき、上記被冷却装置（２,２０,３０,４
   ０）の温度が所定温度よりも高いときには、増加した周
   波数の信号を上記周波数変換手段（１４）が出力するよ
   うに、上記被冷却装置（２,２０,３０,４０）が上記所
   定温度まで冷却された後は、減少した周波数の信号を上
   記周波数変換手段（１４）が出力するように、上記周波
   数変換手段（１４）を制御することを特徴とする極低温
   冷凍装置。
6. 【請求項６】請求項１乃至５のいずれか１つに記載の極
   低温冷凍装置において、 上記コントローラ（７）は、装置起動時、増加した周波
   数の信号を上記周波数変換手段（１４）が出力するよう
   に上記周波数変換手段（１４）を制御することを特徴と
   する極低温冷凍装置。
7. 【請求項７】請求項３，５または６に記載の極低温冷凍
   装置において、 上記コントローラ（７）は、再生プロセス中は、減少し
   た周波数の信号を上記周波数変換手段（１４）が出力す
   るように、上記再生プロセスの終了後には、増加した周
   波数の信号を上記周波数変換手段（１４）が出力するよ
   うに、上記周波数変換手段（１４）を制御することを特
   徴とする極低温冷凍装置。
8. 【請求項８】請求項３，５，６または７に記載の極低温
   冷凍装置において、 上記コントローラ（７）は、上記チャンバ（３１）の排
   気時に、増加した周波数の信号を上記周波数変換手段
   （１４）が出力するように、上記周波数変換手段（１
   ４）を制御することを特徴とする極低温冷凍装置。
9. 【請求項９】請求項４，５または６に記載の極低温冷凍
   装置において、 上記液溜容器（４０）内部の液面を検出する液面検出手
   段（４２,４３）を備え、 上記コントローラ（７）は、上記液面検出手段（４２,
   ４３）からの信号に基づいて、上記液溜容器（４０）内
   部の液面が所定の高レベルよりも低いときには、増加し
   た周波数の信号を上記周波数変換手段（１４）が出力す
   るように、上記液溜容器（４０）内部の液面が上記所定
   の高レベルに達した後には、減少した周波数の信号を上
   記周波数変換手段（１４）が出力するように、上記周波
   数変換手段（１４）を制御することを特徴とする極低温
   冷凍装置。
10. 【請求項１０】 請求項１乃至９のいずれか１つに記載
    の極低温冷凍装置において、 上記圧縮機（９）は第１の熱交換器と共にハウジング内
    に収容されて屋外設置型の圧縮機ユニット（２１）を構
    成しており、この圧縮機ユニット（２１）と上記冷凍機
    （５）との間に第２の熱交換器を備えた室内設置型の中
    間ユニット（２３）を介在させていることを特徴とする
    極低温冷凍装置。