(57)【要約】      （修正有）【課題】冷凍機に由来する圧力変動を低減させることの可能なクライオスタットを提供する。【解決手段】クライオスタット１００は、液体の冷媒である液体ヘリウムを収容するヘリウム槽（冷媒槽）２と、ヘリウム槽２の上方に設けられた冷凍機５と、ヘリウム槽２に連通する再凝縮室８を形成する筒状部材１５と、再凝縮室８に接続された気相容積変動手段２０と、を有し、ヘリウム槽２内における液体ヘリウムの液面よりも上方の気相空間１０に連通する気相容積変動手段２０で、ヘリウム槽２内の圧力変動を打ち消すように、気相空間１０の気相容積を変動させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体の冷媒を収容する冷媒槽と、
前記冷媒槽の上方に設けられ、前記冷媒槽内で蒸発した冷媒を再凝縮させる冷凍機と、
前記冷凍機の下部を収容して前記冷媒槽に連通する再凝縮室を形成する筒状部材と、
前記冷媒槽内における液体の冷媒の液面よりも上方の気相空間に連通し、前記冷媒槽内の圧力変動を打ち消すように、前記気相空間の気相容積を変動させる気相容積変動手段と、
を有することを特徴とするクライオスタット。
【請求項２】
前記気相容積変動手段は、前記再凝縮室を介して前記気相空間に連通していることを特徴とする請求項１に記載のクライオスタット。
【請求項３】
前記気相容積変動手段は、
前記気相空間の気相容積を変動させることが可能な変動装置と、
前記気相空間または前記再凝縮室内の圧力を測定する圧力測定手段と、
前記圧力測定手段の測定値とは逆相の値の圧力を前記冷媒槽内に発生させるように、前記変動装置を駆動する駆動手段と、
を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のクライオスタット。
【請求項４】
前記気相容積変動手段は、
前記気相空間の気相容積を変動させることが可能な変動装置と、
前記気相空間または前記再凝縮室内の圧力を測定する圧力測定手段と、
前記圧力測定手段の測定値の圧力、または、前記測定値とは逆相の値の圧力を所定時間遅らせて前記冷媒槽内に発生させるように、前記変動装置を駆動する駆動手段と、
を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のクライオスタット。
【請求項５】
前記気相容積変動手段は、
前記気相空間の気相容積を変動させることが可能な変動装置と、
前記冷凍機の温度を測定する温度測定手段と、
前記温度測定手段が測定した温度変動の波形とは逆相の波形で前記変動装置を駆動する駆動手段と、
を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のクライオスタット。
【請求項６】
前記気相容積変動手段は、
前記気相空間の気相容積を変動させることが可能な変動装置と、
前記冷凍機の温度を測定する温度測定手段と、
前記温度測定手段が測定した温度変動の波形に対して位相を調整した波形で前記変動装置を駆動する駆動手段と、
を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のクライオスタット。
【請求項７】
前記気相容積変動手段は、
前記気相空間の気相容積を変動させることが可能な変動装置と、
前記冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の位相を用いて、前記冷媒槽内の圧力変動の波形とは概略逆相の駆動波形を生成する波形生成手段と、
前記波形生成手段が生成した前記駆動波形で前記変動装置を駆動する駆動手段と、
を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のクライオスタット。
【請求項８】
前記気相容積変動手段は、前記気相空間または前記再凝縮室内の圧力を測定する圧力測定手段をさらに備え、
前記波形生成手段は、前記圧力測定手段が測定した圧力変動の位相を前記冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の位相として用いて、前記駆動波形を生成することを特徴とする請求項７に記載のクライオスタット。
【請求項９】
前記気相容積変動手段は、前記冷凍機の温度を測定する温度測定手段をさらに備え、
前記波形生成手段は、前記温度測定手段が測定した温度変動の位相を前記冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の位相として用いて、前記駆動波形を生成することを特徴とする請求項７に記載のクライオスタット。
【請求項１０】
前記気相容積変動手段は、前記冷凍機が発する音を拾う集音手段をさらに備え、
前記波形生成手段は、前記集音手段が拾った音の変化パターンの位相を前記冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の位相として用いて、前記駆動波形を生成することを特徴とする請求項７に記載のクライオスタット。
【請求項１１】
前記気相容積変動手段は、前記冷凍機の振動を測定する振動測定手段をさらに備え、
前記波形生成手段は、前記振動測定手段が測定した振動の変化パターンの位相を前記冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の位相として用いて、前記駆動波形を生成することを特徴とする請求項７に記載のクライオスタット。
【請求項１２】
前記気相容積変動手段は、前記冷凍機内に供給される冷媒の圧力を測定する冷凍機側圧力測定手段をさらに備え、
前記波形生成手段は、前記冷凍機側圧力測定手段が測定した圧力変動の位相を前記冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の位相として用いて、前記駆動波形を生成することを特徴とする請求項７に記載のクライオスタット。
【請求項１３】
前記気相容積変動手段は、
前記気相空間の気相容積を変動させることが可能な変動装置と、
前記冷凍機の液化サイクルの位相を用いて、前記冷媒槽内の圧力変動の波形とは概略逆相の駆動波形を生成する波形生成手段と、
前記波形生成手段が生成した前記駆動波形で前記変動装置を駆動する駆動手段と、
を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のクライオスタット。
【請求項１４】
前記冷凍機は、モータでバルブを回転させるものであり、
前記気相容積変動手段は、前記モータの回転角を検出する回転角検出手段をさらに備え、
前記波形生成手段は、前記回転角検出手段が検出した前記モータの回転の位相を前記冷凍機の液化サイクルの位相として用いて、前記駆動波形を生成することを特徴とする請求項１３に記載のクライオスタット。
【請求項１５】
前記冷凍機は、モータでバルブを回転させるものであり、
前記波形生成手段は、前記モータの駆動信号の位相を前記冷凍機の液化サイクルの位相として用いて、前記駆動波形を生成することを特徴とする請求項１３に記載のクライオスタット。
【請求項１６】
前記冷媒槽内に超電導マグネットが収容されていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載のクライオスタット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導マグネット等を冷却するためのクライオスタットに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＮＭＲ装置等に適用される超電導マグネット装置においては、冷媒である液体ヘリウムの消費をゼロにするために、蒸発した冷媒を再凝縮する冷凍機が用いられる。しかし、冷凍機の周期的な液化サイクルは、冷媒を収容する冷媒槽内に圧力変動を発生させ、冷媒槽に微小な変位をもたらす。その結果、測定対象の磁場に擾乱が発生し、測定結果に有害なノイズが発生する。
【０００３】
そこで、特許文献１には、冷凍機が発生させる音響波の波長よりも直径が十分に小さい孔が多数設けられたプラグを、冷凍機の下部を収容する再凝縮室と、液体ヘリウムを収容する冷媒槽とをつなぐ通路に設けたクライオスタットアセンブリが開示されている。冷媒槽内で液体ヘリウムが蒸発することで生じたヘリウムガスは、多数の孔を通って再凝縮室に入る。再凝縮室内でヘリウムガスが再凝縮することで生じた液体ヘリウムは、多数の孔を通って冷媒槽に戻る。そして、冷凍機で発生した音響波は、多数の孔を通過する際に減衰されることとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１８４２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１のプラグには、以下のような問題点がある。即ち、冷凍機のメンテナンス時に、冷媒槽は一時的に開放される。このときに、冷媒槽内に微少な空気が混入する可能性がある。冷媒槽内に混入した空気は冷媒で冷却されて凝縮し、冷媒槽内に留まる。この凝縮した空気が、万一プラグの多数の孔を閉塞させた場合には、冷媒槽と再凝縮室との通路が遮断され、再凝縮機能に致命的な不全が生じる。
【０００６】
本発明の目的は、冷凍機に由来する圧力変動を低減させることが可能なクライオスタットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明におけるクライオスタットは、液体の冷媒を収容する冷媒槽と、前記冷媒槽の上方に設けられ、前記冷媒槽内で蒸発した冷媒を再凝縮させる冷凍機と、前記冷凍機の下部を収容して前記冷媒槽に連通する再凝縮室を形成する筒状部材と、前記冷媒槽内における液体の冷媒の液面よりも上方の気相空間に連通し、前記冷媒槽内の圧力変動を打ち消すように、前記気相空間の気相容積を変動させる気相容積変動手段と、を有することを特徴とする。
【０００８】
上記の構成によれば、冷媒槽内における液体の冷媒の液面よりも上方の気相空間に連通する気相容積変動手段で、冷媒槽内の圧力変動を打ち消すように、気相空間の気相容積を変動させる。ここで、冷媒槽内の圧力変動は、冷凍機の液化サイクルにより引き起こされる。即ち、液化サイクルにより寒冷が発生しているときに、冷媒が一定量凝縮して気相量が減少することで冷媒槽内の圧力が減少する一方、液化サイクルにより寒冷が発生していないときに、冷媒が気化して気相量が増加することで冷媒槽内の圧力が上昇する。そして、この２つの状態変化が繰り返されることで冷媒槽内の圧力は周期的に絶えず変化する。そこで、気相量が減少することで冷媒槽内の圧力が減少した際に、冷媒槽内の圧力が上昇するように気相空間の気相容積を小さくする一方、気相量が増加することで冷媒槽内の圧力が上昇した際に、冷媒槽内の圧力が減少するように気相空間の気相容積を大きくする。このように、気相空間の気相容積を変動させることで、冷媒槽内の圧力変動が打ち消される。これにより、冷凍機に由来する圧力変動を低減させることができる。
【０００９】
また、本発明におけるクライオスタットにおいて、前記気相容積変動手段は、前記再凝縮室を介して前記気相空間に連通していてよい。上記の構成によれば、気相容積変動手段を、再凝縮室を介して気相空間に連通させる。気相容積変動手段を冷凍機の近傍に連通させることで、冷凍機の液化サイクルにより引き起こされる圧力変動を好適に打ち消すことができる。
【００１０】
また、本発明におけるクライオスタットにおいて、前記気相容積変動手段は、前記気相空間の気相容積を変動させることが可能な変動装置と、前記気相空間または前記再凝縮室内の圧力を測定する圧力測定手段と、前記圧力測定手段の測定値とは逆相の値の圧力を前記冷媒槽内に発生させるように、前記変動装置を駆動する駆動手段と、を有していてよい。上記の構成によれば、気相空間または再凝縮室内の圧力を測定する圧力測定手段の測定値とは逆相の値の圧力を冷媒槽内に発生させるように、気相空間の気相容積を変動させることが可能な変動装置を駆動する。即ち、圧力測定手段の測定値をフィードバックして、圧力測定手段の測定値がゼロになるように、気相空間の気相容積を変動させる。このようなフィードバック制御を行うことにより、冷媒槽内の圧力変動を好適に打ち消すことができる。
【００１１】
また、本発明におけるクライオスタットにおいて、前記気相容積変動手段は、前記気相空間の気相容積を変動させることが可能な変動装置と、前記気相空間または前記再凝縮室内の圧力を測定する圧力測定手段と、前記圧力測定手段の測定値の圧力、または、前記測定値とは逆相の値の圧力を所定時間遅らせて前記冷媒槽内に発生させるように、前記変動装置を駆動する駆動手段と、を有していてよい。上記の構成によれば、気相空間または再凝縮室内の圧力を測定する圧力測定手段の測定値の圧力、または、測定値とは逆相の値の圧力を所定時間遅らせて冷媒槽内に発生させるように、気相空間の気相容積を変動させることが可能な変動装置を駆動する。圧力測定手段の測定値とは逆相の値の圧力を冷媒槽内に発生させるように変動装置を駆動するよりも、測定値の圧力、または、測定値とは逆相の値の圧力を所定時間遅らせて冷媒槽内に発生させるように変動装置を駆動した方が、圧力変動をより減少させることができる場合がある。このようなフィードバック制御を行うことにより、冷媒槽内の圧力変動を好適に打ち消すことができる。
【００１２】
また、本発明におけるクライオスタットにおいて、前記気相容積変動手段は、前記気相空間の気相容積を変動させることが可能な変動装置と、前記冷凍機の温度を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段が測定した温度変動の波形とは逆相の波形で前記変動装置を駆動する駆動手段と、を有していてよい。上記の構成によれば、冷凍機の温度を測定する温度測定手段が測定した温度変動の波形とは逆相の波形で、気相空間の気相容積を変動させることが可能な変動装置を駆動する。温度測定手段が測定する冷凍機の温度変動は、冷媒槽内の圧力変動と同様に、冷凍機の液化サイクルに起因している。そのため、冷凍機の温度変動の波形は、冷媒槽内の圧力変動の波形とよく似ている。そこで、温度測定手段が測定した温度変動の波形とは逆相の波形で、気相空間の気相容積を変動させることで、冷媒槽内の圧力変動を好適に打ち消すことができる。
【００１３】
また、本発明におけるクライオスタットにおいて、前記気相容積変動手段は、前記気相空間の気相容積を変動させることが可能な変動装置と、前記冷凍機の温度を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段が測定した温度変動の波形に対して位相を調整した波形で前記変動装置を駆動する駆動手段と、を有していてよい。上記の構成によれば、冷凍機の温度を測定する温度測定手段が測定した温度変動の波形に対して位相を調整した波形で、気相空間の気相容積を変動させることが可能な変動装置を駆動する。冷凍機の温度変動の波形は、冷媒槽内の圧力変動の波形とよく似ているが、通常、圧力変動は温度変動よりも遅れる場合が多い。そこで、温度変動の波形に対して例えば６０°遅れとなるように位相を調整した波形で変動装置を駆動することで、冷媒槽内の圧力変動を好適に打ち消すことができる。
【００１４】
また、本発明におけるクライオスタットにおいて、前記気相容積変動手段は、前記気相空間の気相容積を変動させることが可能な変動装置と、前記冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の位相を用いて、前記冷媒槽内の圧力変動の波形とは概略逆相の駆動波形を生成する波形生成手段と、前記波形生成手段が生成した前記駆動波形で前記変動装置を駆動する駆動手段と、を有していてよい。上記の構成によれば、冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の位相を用いて生成した、冷媒槽内の圧力変動の波形とは概略逆相の駆動波形で、気相空間の気相容積を変動させることが可能な変動装置を駆動する。冷媒槽内の圧力変動は、冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の１つであり、このような変動の周期は原理的に同じである。そこで、冷媒槽内の圧力変動を打ち消すには、冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の位相を用いて生成した駆動波形で変動装置を駆動して、気相空間の気相容積を変動させてやればよい。ここで、冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の位相のうち、例えば振幅が０になる位相を２つ用いれば、駆動波形の周期を得ることができる。また、冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の位相に対して駆動波形の位相を逆にしてやれば、駆動波形の位相を、冷媒槽内の圧力変動の波形とは概略逆相にすることができる。このようにして生成した駆動波形で変動装置を駆動して、気相空間の気相容積を変動させることで、冷媒槽内の圧力変動を好適に打ち消すことができる。
【００１５】
また、本発明におけるクライオスタットにおいて、前記気相容積変動手段は、前記気相空間または前記再凝縮室内の圧力を測定する圧力測定手段をさらに備え、前記波形生成手段は、前記圧力測定手段が測定した圧力変動の位相を前記冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の位相として用いて、前記駆動波形を生成してよい。上記の構成によれば、気相空間または再凝縮室内の圧力を測定する圧力測定手段が測定した圧力変動の位相を冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の位相として用いて、駆動波形を生成する。圧力測定手段が測定する冷媒槽内の圧力変動は、冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の１つである。よって、圧力測定手段が測定した圧力変動の位相を用いることで、駆動波形を好適に生成することができる。
【００１６】
また、本発明におけるクライオスタットにおいて、前記気相容積変動手段は、前記冷凍機の温度を測定する温度測定手段をさらに備え、前記波形生成手段は、前記温度測定手段が測定した温度変動の位相を前記冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の位相として用いて、前記駆動波形を生成してよい。上記の構成によれば、冷凍機の温度を測定する温度測定手段が測定した温度変動の位相を冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の位相として用いて、駆動波形を生成する。温度測定手段が測定する冷凍機の温度変動は、冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の１つである。よって、温度測定手段が測定した温度変動の位相を用いることで、駆動波形を好適に生成することができる。
【００１７】
また、本発明におけるクライオスタットにおいて、前記気相容積変動手段は、前記冷凍機が発する音を拾う集音手段をさらに備え、前記波形生成手段は、前記集音手段が拾った音の変化パターンの位相を前記冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の位相として用いて、前記駆動波形を生成してよい。上記の構成によれば、冷凍機が発する音を拾う集音手段が拾った音の変化パターンの位相を冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の位相として用いて、駆動波形を生成する。集音手段が拾う冷凍機からの発音は、冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の１つである。よって、集音手段が拾った音の変化パターンの位相を用いることで、駆動波形を好適に生成することができる。
【００１８】
また、本発明におけるクライオスタットにおいて、前記気相容積変動手段は、前記冷凍機の振動を測定する振動測定手段をさらに備え、前記波形生成手段は、前記振動測定手段が測定した振動の変化パターンの位相を前記冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の位相として用いて、前記駆動波形を生成してよい。上記の構成によれば、冷凍機の振動を測定する振動測定手段が測定した振動の変化パターンの位相を冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の位相として用いて、駆動波形を生成する。振動測定手段が測定する冷凍機の振動は、冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の１つである。よって、振動測定手段が測定した振動の変化パターンの位相を用いることで、駆動波形を好適に生成することができる。
【００１９】
また、本発明におけるクライオスタットにおいて、前記気相容積変動手段は、前記冷凍機内に供給される冷媒の圧力を測定する冷凍機側圧力測定手段をさらに備え、前記波形生成手段は、前記冷凍機側圧力測定手段が測定した圧力変動の位相を前記冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の位相として用いて、前記駆動波形を生成してよい。上記の構成によれば、冷凍機内に供給される冷媒の圧力を測定する冷凍機側圧力測定手段が測定した圧力変動の位相を冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の位相として用いて、駆動波形を生成する。冷凍機側圧力測定手段が測定する、冷凍機内に供給される冷媒の圧力変動は、冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の１つである。よって、冷凍機側圧力測定手段が測定した圧力変動の位相を用いることで、駆動波形を好適に生成することができる。
【００２０】
また、本発明におけるクライオスタットにおいて、前記気相容積変動手段は、前記気相空間の気相容積を変動させることが可能な変動装置と、前記冷凍機の液化サイクルの位相を用いて、前記冷媒槽内の圧力変動の波形とは概略逆相の駆動波形を生成する波形生成手段と、前記波形生成手段が生成した前記駆動波形で前記変動装置を駆動する駆動手段と、を有していてよい。上記の構成によれば、冷凍機の液化サイクルの位相を用いて生成した、冷媒槽内の圧力変動の波形とは概略逆相の駆動波形で、気相空間の気相容積を変動させることが可能な変動装置を駆動する。冷媒槽内の圧力変動の周期は、冷凍機の液化サイクルの周期と原理的に同じである。そこで、冷媒槽内の圧力変動を打ち消すには、冷凍機の液化サイクルの位相を用いて生成した駆動波形で変動装置を駆動して、気相空間の気相容積を変動させてやればよい。ここで、冷凍機の液化サイクルの位相のうち、例えば振幅が０になる位相を２つ用いれば、駆動波形の周期を得ることができる。また、冷凍機の液化サイクルの位相に対して駆動波形の位相を逆にしてやれば、駆動波形の位相を、冷媒槽内の圧力変動の波形とは概略逆相にすることができる。このようにして生成した駆動波形で変動装置を駆動して、気相空間の気相容積を変動させることで、冷媒槽内の圧力変動を好適に打ち消すことができる。
【００２１】
また、本発明におけるクライオスタットにおいて、前記冷凍機は、モータでバルブを回転させるものであり、前記気相容積変動手段は、前記モータの回転角を検出する回転角検出手段をさらに備え、前記波形生成手段は、前記回転角検出手段が検出した前記モータの回転の位相を前記冷凍機の液化サイクルの位相として用いて、前記駆動波形を生成してよい。上記の構成によれば、モータの回転角を検出する回転角検出手段が検出したモータの回転の位相を冷凍機の液化サイクルの位相として用いて、駆動波形を生成する。モータでバルブを回転させることで、冷凍機に液化サイクルが生じるので、回転角検出手段が検出するモータの回転の位相は、冷凍機の液化サイクルの位相である。よって、回転角検出手段が検出したモータの回転の位相を用いることで、駆動波形を好適に生成することができる。
【００２２】
また、本発明におけるクライオスタットにおいて、前記冷凍機は、モータでバルブを回転させるものであり、前記波形生成手段は、前記モータの駆動信号の位相を前記冷凍機の液化サイクルの位相として用いて、前記駆動波形を生成してよい。上記の構成によれば、モータの駆動信号の位相を冷凍機の液化サイクルの位相として用いて、駆動波形を生成する。モータでバルブを回転させることで、冷凍機に液化サイクルが生じるので、モータの駆動信号の位相は、冷凍機の液化サイクルの位相である。よって、モータの駆動信号の位相を用いることで、駆動波形を好適に生成することができる。
【００２３】
また、本発明におけるクライオスタットにおいては、前記冷媒槽内に超電導マグネットが収容されていてよい。上記の構成によれば、冷媒槽内に超電導マグネットを収容して高分解能ＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance：核磁気共鳴）に用いた際に、冷凍機に由来する振動を低減させることで、ＮＭＲ信号に現れるノイズを低減させることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のクライオスタットによると、冷媒槽内の圧力が減少した際に、気相空間の気相容積を小さくする一方、冷媒槽内の圧力が上昇した際に、気相空間の気相容積を大きくする。このように、気相空間の気相容積を変動させることで、冷媒槽内の圧力変動が打ち消される。これにより、冷凍機に由来する圧力変動を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】クライオスタットの内部構造を示す側面図である。
【図２】図１の要部Ａの拡大断面図である。
【図３】気相容積変動手段の回路図である。
【図４】気相容積変動手段の回路図である。
【図５】圧力変動の評価結果を示すグラフである。
【図６】ＮＭＲ信号を示す図である。
【図７】図１の要部Ａの拡大断面図である。
【図８】気相容積変動手段の回路図である。
【図９】気相容積変動手段の回路図である。
【図１０】気相容積変動手段の回路図である。
【図１１】気相容積変動手段の回路図である。
【図１２】気相容積変動手段の回路図である。
【図１３】気相容積変動手段の回路図である。
【図１４】気相容積変動手段の回路図である。
【図１５】気相容積変動手段の回路図である。
【図１６】冷凍機の構成を示す断面図である。
【図１７】気相容積変動手段の回路図である。
【図１８】気相容積変動手段の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２７】
［第１実施形態］
（クライオスタットの構成）
本発明の第１実施形態によるクライオスタット１００は、図１に示すように、液体の冷媒である液体ヘリウムを収容するヘリウム槽（冷媒槽）２と、ヘリウム槽２の上方に設けられた冷凍機５と、ヘリウム槽２に連通する再凝縮室８を形成する筒状部材１５と、再凝縮室８に接続された気相容積変動手段２０と、を有している。なお、本実施形態のクライオスタット１００は、ＮＭＲ装置に用いられるものであるが、これに限定されず、例えば、ＭＲＩ装置に用いられるものであってもよい。また、冷媒はヘリウムに限定されない。
【００２８】
ヘリウム槽２にはガス放出口（図示せず）が設けられている。このガス放出口は、冷凍機５の能力を喪失した際にヘリウムガスが蒸発する経路であり、後述する筒部材１３の上端部に設けられている。このガス放出口の先端には、外部からヘリウム槽２内への空気の混入を防止するための逆止弁が取り付けられている。この逆止弁は、後述する超電導マグネット１がクエンチした際に発生する大量のヘリウムガスを十分安全に処理できる性能を備えている。そのため、ヘリウム槽２内のヘリウムガスが冷凍機５によって冷却されて液化してもヘリウム槽２内の総ヘリウム量は変化しない。また、ヘリウム槽２内への空気の混入を防止するために、ヘリウム槽２内の圧力は、大気圧よりも僅かに高い正圧に制御されている。ヘリウム槽２の材質としては、アルミニウム、ステンレスなどが挙げられる。
【００２９】
ヘリウム槽２内には、超電導マグネット１が収容されている。超電導マグネット１は、超電導線材を巻枠（図示せず）に螺旋状に巻回してなるものである。超電導線材は、金属系超電導線材であってもよいし、酸化物系超電導線材であってもよい。また、ヘリウム槽２の中心部には、鉛直方向に延びる円筒空間Ｓ（ボア）が設けられている。この円筒空間Ｓに試料が入れられ、様々な分析・実験が行われる。ヘリウム槽２内において、超電導マグネット１が浸漬される液体ヘリウムの液面よりも上方は、ヘリウムガスで満たされた気相空間１０となっている。
【００３０】
ヘリウム槽２は、輻射シールド３で囲まれている。この輻射シールド３は、冷熱をより逃がさないようにするための、ヘリウムガスの有する冷熱で冷却されるシールド容器である。また、輻射シールド３は、冷凍機５の後述する第１冷却ステージ６により強制冷却されている。輻射シールド３の材質としては、アルミニウム、銅などが挙げられる。
【００３１】
また、ヘリウム槽２および輻射シールド３は、真空容器４内に収容されている。この真空容器４は、その内部を高真空に保持され、超電導マグネット１やヘリウム槽２への熱侵入を抑制する容器である。真空容器４の上部には、内部に筒部材１３を有するネック部材１２が取り付けられている。筒部材１３は、電流リード（図示せず）の挿入通路として用いられたり、ヘリウム槽２内への液体ヘリウムの補充通路として用いられたりする。また、真空容器４は、複数のスタンド９によって床上に支持されている。真空容器４の材質としては、アルミニウム、ステンレスなどが挙げられる。
【００３２】
冷凍機５は、ヘリウム槽２内で蒸発した液体ヘリウムを再液化（再凝縮）させるためのものであり、本実施形態ではパルスチューブ冷凍機が用いられている。冷凍機５の鉛直方向における中途部には第１冷却ステージ６（１ｎｄステージ）が設けられ、冷凍機５の下端部には第２冷却ステージ７（２ｎｄステージ）が設けられている。第１冷却ステージ６および第２冷却ステージ７は、いずれもフランジ状の形態を有しており、冷凍機５により冷却されて、それぞれ、例えば約４０Ｋおよび約４Ｋになる。第１冷却ステージ６および第２冷却ステージ７の材質は、主に銅や銅合金である。なお、冷凍機５は、パルスチューブ冷凍機に限定されず、ＧＭ冷凍機やスターリング冷凍機などであってもよい。
【００３３】
筒状部材１５は、冷凍機５における第２冷却ステージ７を含む下部を収容している。この筒状部材１５の外側にはさらに筒状部材１６が配置されている。この筒状部材１５の内部空間が再凝縮室８であり、この再凝縮室８とヘリウム槽２とは、筒状部材１５よりも小径の筒状の連通部材１４で連通されている。
【００３４】
（気相容積変動手段の構成）
気相容積変動手段２０は、床上に立設された架台１７上に載置されており、ステンレス製のフレキシブルチューブ１１で再凝縮室８に接続されることで、再凝縮室８を介して気相空間１０に連通している。なお、気相容積変動手段２０は、再凝縮室８を介さずに、気相空間１０に直接連通していてもよい。この気相容積変動手段２０は、ヘリウム槽２内の圧力変動を打ち消すように、気相空間１０の気相容積を変動させる。
【００３５】
具体的には、図１の要部Ａの拡大断面図である図２に示すように、気相容積変動手段２０は、気相空間１０の気相容積を変動させることが可能な変動装置２１と、気相空間１０または再凝縮室８内の圧力を測定する差圧計（圧力測定手段）２９（図３参照）と、を有している。変動装置２１は、フレキシブルチューブ１１を介して再凝縮室８に連通し、容積が可変なステンレス製の蛇腹容器２２と、ねじ軸２３ａとこれに螺合するナット２３ｂとを備えたボールねじ２３と、ねじ軸２３ａを回転させるステッピングモータ２４と、ナット２３ｂに結合されて蛇腹容器２２の上壁２２ａに固定された平板２５と、を有している。なお、ステッピングモータ２４は電源投入時に現在の位置が分からないので、現位置用センサ（図示せず）で原点位置を検出する手段が必要であるが、省略している。本実施形態の差圧計２９は、気相空間１０の圧力を測定するように、筒部材１３（図１参照）の上端付近に設けられている。なお、差圧計２９は、再凝縮室８内の圧力を測定するものであってもよい。
【００３６】
蛇腹容器２２の側壁２２ｂは蛇腹構造になっており、蛇腹容器２２の下壁２２ｃは架台１７に固定されている。また、蛇腹容器２２の上壁２２ａの中央には開口部が設けられており、この開口部にフレキシブルチューブ１１が接続されることで、蛇腹容器２２内はヘリウムガスで満たされている。
【００３７】
このような構成において、ステッピングモータ２４の回転によりナット２３ｂが下方に移動されて平板２５が下方に移動されると、蛇腹容器２２の上壁２２ａが下方に押し下げられることで、蛇腹容器２２の容積が小さくなる。反対に、ステッピングモータ２４の回転によりナット２３ｂが上方に移動されて平板２５が上方に移動されると、蛇腹容器２２の上壁２２ａが上方に引き上げられることで、蛇腹容器２２の容積が大きくなる。このように、蛇腹容器２２の気相容積が増減されることで、蛇腹容器２２に連通する再凝縮室８を介して、気相空間１０の気相容積が変動する。なお、変動装置２１は、ボールねじ２３により直動する構成に限定されず、レバーなどにより円弧運動する構成であってもよい。
【００３８】
また、回路図である図３に示すように、気相容積変動手段２０は、変動装置２１を駆動する駆動手段２６を有している。この駆動手段２６は、差圧計２９が測定した測定信号を増幅する増幅器２７と、ステッピングモータ２４を駆動させるステッピングモータ駆動回路２８とを有している。なお、増幅器２７には、増幅率を調整するためのボリュームが取り付けられている。ステッピングモータ駆動回路２８は、増幅器２７の出力信号を位相信号として扱い、ステッピングモータ２４の回転が増幅器２７の出力波形通りの回転角度になるようにステッピングモータ２４を駆動する。なお、ステッピングモータ２４の代わりにＤＣモータなど他のタイプのモータを用いてもよい。この場合、ステッピングモータ駆動回路２８の出力信号をアナログ化すればよい。
【００３９】
なお、駆動手段２６は、図４に示すように、差圧計２９が測定した測定信号を増幅器２７で増幅し、これを電流増幅器１６２で電流増幅してＤＣモータ１６３に出力し、ＤＣモータ１６３の回転をロータリーエンコーダ１６４で測定して、ロータリーエンコーダ１６４からのパルスをカウンタ１６５でカウントし、得られたカウント値をＤ／Ａ変換器１６６でアナログ化し、加算器（減算器）１６１でネガティブフィードバックになるように差を取る構成としてもよい。
【００４０】
上述したように、気相容積変動手段２０は、ヘリウム槽２内の圧力変動を打ち消すように、気相空間１０の気相容積を変動させる。ここで、ヘリウム槽２内の圧力変動は、冷凍機５の液化サイクルにより引き起こされている。即ち、液化サイクルにより寒冷が発生しているときに、ヘリウムガスが一定量凝縮して気相量が減少することでヘリウム槽２内の圧力が減少する一方、液化サイクルにより寒冷が発生していないときに、液体ヘリウムが気化して気相量が増加することでヘリウム槽２内の圧力が上昇する。そして、この２つの状態変化が繰り返されることでヘリウム槽２内の圧力は周期的に絶えず変化する。
【００４１】
そこで、気相容積変動手段２０は、気相量が減少することでヘリウム槽２内の圧力が減少した際に、ヘリウム槽２内の圧力が上昇するように、蛇腹容器２２の容積を小さくすることで、気相空間１０の気相容積を小さくする一方、気相量が増加することでヘリウム槽２内の圧力が上昇した際に、ヘリウム槽２内の圧力が減少するように、蛇腹容器２２の容積を大きくすることで、気相空間１０の気相容積を大きくする。このように、気相空間１０の気相容積を変動させることで、ヘリウム槽２内の圧力変動が打ち消される。これにより、冷凍機５に由来する圧力変動を低減させることができる。
【００４２】
また、駆動手段２６は、差圧計２９の測定値とは逆相の値の圧力をヘリウム槽２内に発生させるように、変動装置２１を駆動する。即ち、差圧計２９の測定値をフィードバックして、差圧計２９の測定値がゼロになるように、気相空間１０の気相容積を変動させる。このようなフィードバック制御を行うことにより、ヘリウム槽２内の圧力変動を好適に打ち消すことができる。
【００４３】
（圧力変動評価）
次に、本実施形態の気相容積変動手段２０で気相容積を変動させた場合と、気相容積を変動させない場合とで、ヘリウム槽２内の圧力変動の値を実験により評価した。その結果を図５に示す。気相容積変動手段２０で気相空間１０の気相容積を変動させて、ヘリウム槽２内の圧力変動を打ち消すことで、ヘリウム槽２内の圧力変動が低減することがわかる。
【００４４】
（ＮＭＲ信号のノイズ評価）
次に、本実施形態の気相容積変動手段２０で気相容積を変動させた場合と、気相容積を変動させない場合とで、ＮＭＲ信号に現れるノイズを評価した。その結果を図６に示す。
【００４５】
気相容積を変動させない場合には、図６（ａ）に示すように、メインのＮＭＲ信号に対して７．１％の強度のノイズが現れたのに対して、気相容積変動手段２０で気相空間１０の気相容積を変動させた場合には、図６（ｂ）に示すように、メインのＮＭＲ信号に対するノイズの強度は４．１％に低減した。このことから、気相容積変動手段２０で気相容積を変動させて、ヘリウム槽２内の圧力変動を低減させることで、ＮＭＲ信号に現れるノイズが約４０％低減することがわかる。
【００４６】
（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係るクライオスタット１００によると、ヘリウム槽２内における液体ヘリウムの液面よりも上方の気相空間１０に連通する気相容積変動手段２０で、ヘリウム槽２内の圧力変動を打ち消すように、気相空間１０の気相容積を変動させる。具体的には、気相量が減少することでヘリウム槽２内の圧力が減少した際に、ヘリウム槽２内の圧力が上昇するように気相空間１０の気相容積を小さくする一方、気相量が増加することでヘリウム槽２内の圧力が上昇した際に、ヘリウム槽２内の圧力が減少するように気相空間１０の気相容積を大きくする。このように、気相空間１０の気相容積を変動させることで、ヘリウム槽２内の圧力変動が打ち消される。これにより、冷凍機５に由来する圧力変動を低減させることができる。
【００４７】
また、気相容積変動手段２０を、再凝縮室８を介して気相空間１０に連通させる。気相容積変動手段２０を冷凍機５の近傍に連通させることで、冷凍機５の液化サイクルにより引き起こされる圧力変動を好適に打ち消すことができる。
【００４８】
また、気相空間１０の圧力を測定する差圧計２９の測定値とは逆相の値の圧力をヘリウム槽２内に発生させるように、気相空間１０の気相容積を変動させることが可能な変動装置２１を駆動する。即ち、差圧計２９の測定値をフィードバックして、差圧計２９の測定値がゼロになるように、気相空間１０の気相容積を変動させる。このようなフィードバック制御を行うことにより、ヘリウム槽２内の圧力変動を好適に打ち消すことができる。
【００４９】
また、ヘリウム槽２内に超電導マグネット１を収容して高分解能ＮＭＲに用いた際に、冷凍機５に由来する振動を低減させることで、ＮＭＲ信号に現れるノイズを低減させることができる。
【００５０】
［第２実施形態］
（気相容積変動手段の構成）
次に、本発明の第２実施形態に係るクライオスタット２００について説明する。なお、上述した構成要素と同じ構成要素については、同じ参照番号を付してその説明を省略する。本実施形態のクライオスタット２００が第１実施形態のクライオスタット１００と異なる点は、図１の要部Ａの拡大断面図である図７に示すように、クライオスタット２００が備える気相容積変動手段３０が、所謂ボイスコイルモータを備えた変動装置３１を有している点である。
【００５１】
気相容積変動手段３０は、再凝縮室８を介して気相空間１０に連通しており、気相空間１０の気相容積を変動させることが可能な変動装置３１と、第１実施形態と同様の差圧計２９（図８参照）と、を有している。変動装置３１は、フレキシブルチューブ１１を介して再凝縮室８に連通し、容積が可変なステンレス製の容器３２と、架台１７上に固定された永久磁石３３と、永久磁石３３上に立設されたガイド３４と、ガイド３４を中心に巻回されて上下動可能なコイル３５と、を有している。なお、気相容積変動手段３０は、再凝縮室８を介さずに、気相空間１０に直接連通していてもよい。
【００５２】
容器３２の下壁は、ステンレス製のダイヤフラム３２ｂである。また、容器３２の上壁３２ａの中央には開口部が設けられており、この開口部にフレキシブルチューブ１１が接続されることで、容器３２内はヘリウムガスで満たされている。コイル３５の上端はダイヤフラム３２ｂに固定されている。なお、ダイヤフラム３２ｂは、ステンレス製に限定されず、ゴム製やシリコン製であってもよい。ここで、ダイヤフラム３２ｂは、クエンチ時に破裂しない強度を備えていることが好ましい。柔らかい部材をダイヤフラム３２ｂとして用いた場合には、格子状のバックアップ部材を設けて不測の内圧上昇に備えるのが望ましい。また、永久磁石３３は、磁場を外部にできるだけ発さないもの、あるいは十分に磁気的シールドが施されているものが好ましい。また、ダイヤフラム３２ｂを薄膜に変更し、永久磁石３３およびコイル３５をスピーカに変更してもよい。
【００５３】
このような構成において、コイル３５に流れる電流の方向が、コイル３５が永久磁石３３から離れる方向であれば、ダイヤフラム３２ｂが上方に押し上げられることで、容器３２の容積が小さくなる。反対に、コイル３５に流れる電流の方向が、コイル３５が永久磁石３３に近づく方向であれば、ダイヤフラム３２ｂが下方に引き下げられることで、容器３２の容積が大きくなる。このように、容器３２の気相容積が増減されることで、容器３２に連通する再凝縮室８を介して、気相空間１０の気相容積が変動する。
【００５４】
また、回路図である図８に示すように、気相容積変動手段３０は、変動装置３１を駆動する駆動手段３６を有している。この駆動手段３６は、差圧計２９が測定した測定信号を増幅する増幅器３７と、増幅器３７で得られた電圧信号を電流増幅してコイル３５に出力する電流増幅器３８と、を有している。
【００５５】
気相容積変動手段３０は、ヘリウム槽２内の圧力変動を打ち消すように、気相空間１０の気相容積を変動させる。具体的には、気相量が減少することでヘリウム槽２内の圧力が減少した際に、ヘリウム槽２内の圧力が上昇するように、容器３２の容積を小さくすることで、気相空間１０の気相容積を小さくする一方、気相量が増加することでヘリウム槽２内の圧力が上昇した際に、ヘリウム槽２内の圧力が減少するように、容器３２の容積を大きくすることで、気相空間１０の気相容積を大きくする。このように、気相空間１０の気相容積を変動させることで、ヘリウム槽２内の圧力変動が打ち消される。これにより、冷凍機５に由来する圧力変動を低減させることができる。
【００５６】
また、駆動手段３６は、差圧計２９の測定値とは逆相の値の圧力をヘリウム槽２内に発生させるように、変動装置３１を駆動する。即ち、差圧計２９の測定値をフィードバックして、差圧計２９の測定値がゼロになるように、気相空間１０の気相容積を変動させる。図７において、コイル３５にプラスの電圧を印加した場合にコイル３５が永久磁石３３に近づくように動くものとし、差圧計２９の測定値がプラスで圧力が高いとすると、増幅器３７の入力と出力とが非反転（入力がプラスで出力がプラス）のような構成にすると、差圧計信号を用いたネガティブフィードバック制御を行うことになり、ヘリウム槽２内の圧力変動を好適に打ち消すことができる。なお、駆動手段３６の構成によっては増幅器３７は反転（入力がプラスの場合にマイナス出力）で逆相になることもある。ここで、逆相の値の圧力とは、差圧計２９が測定した圧力が高い場合に、圧力が低くなる方向に変動装置３１を駆動することを言う。このように、逆相の値の圧力は、駆動手段３６で圧力変動を打ち消す方向に変動装置３１を駆動したり、増幅器３７で反転（入力がプラスの場合にマイナス出力）したりすることで実現することができて、簡単なアナログ回路でも構成することができる。制御特性を改善する上で、ＰＩＤ制御のように、積分要素や微分要素を加味する補償を駆動手段３６に加えるのも場合によっては好ましい。
【００５７】
（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係るクライオスタット２００によると、第１実施形態のクライオスタット１００と同様の効果を得ることができる。
【００５８】
（変形例）
なお、本実施形態の変形例に係るクライオスタット２００’においては、回路図である図９に示すように、気相容積変動手段３０が、駆動手段３６の代わりに、駆動手段３６ａを有していてもよい。この駆動手段３６ａは、電流増幅器３８の代わりに波形整形器３９を備えるものである。波形整形器３９は、出力を一定時間遅らせる位相調整回路や、一定時間反応させないようにタイムラグを持たせることもできる。
【００５９】
ここで、ある実験では、差圧計２９の測定値とは逆相の値の圧力をヘリウム槽２内に発生させるように変動装置３１を駆動するよりも、逆相の値に対して３０°ほど位相が遅れた圧力をヘリウム槽２内に発生させるように変動装置３１を駆動した方が、圧力変動をより減少させた結果もある。そこで、駆動手段３６ａは、差圧計２９の測定値とは逆相の値の圧力を所定時間遅らせてヘリウム槽２内に発生させるように変動装置３１を駆動する。具体的には、逆相の値に対して３０°ほど位相が遅れた圧力をヘリウム槽２内に発生させるように変動装置３１を駆動する。これにより、ヘリウム槽２内の圧力変動を好適に打ち消すことができる。位相を遅らせる回路は通常の回路構成でもできなくはないが、マイコンなどデジタル処理する方がむしろ簡単にできる。
【００６０】
逆に、逆相の値に対して位相を進める方が有利な場合には、逆相にしない入力に対して位相を遅らせるのがよい。そこで、駆動手段３６ａは、差圧計２９の測定値の圧力を所定時間遅らせてヘリウム槽２内に発生させるように変動装置３１を駆動する。これらの位相調整が効果を発揮するのは、ヘリウム槽２内の圧力の変化には場所による遅れがあり、差圧計２９の信号よりも主要部分の圧力が遅れているためであると推測される。また、差圧計２９の配置によっては、この関係が逆転することもあり得る。
【００６１】
（効果）
以上に述べたように、本変形例に係るクライオスタット２００’によると、気相空間１０または再凝縮室８内の圧力を測定する差圧計２９の測定値の圧力、または、測定値とは逆相の値の圧力を所定時間遅らせてヘリウム槽２内に発生させるように、気相空間１０の気相容積を変動させることが可能な変動装置３１を駆動する。差圧計２９の測定値とは逆相の値の圧力をヘリウム槽２内に発生させるように変動装置３１を駆動するよりも、測定値の圧力、または、測定値とは逆相の値の圧力を所定時間遅らせてヘリウム槽２内に発生させるように変動装置３１を駆動した方が、圧力変動をより減少させることができる場合がある。このようなフィードバック制御を行うことにより、ヘリウム槽２内の圧力変動を好適に打ち消すことができる。
【００６２】
［第３実施形態］
（気相容積変動手段の構成）
次に、本発明の第３実施形態に係るクライオスタット３００について説明する。なお、上述した構成要素と同じ構成要素については、同じ参照番号を付してその説明を省略する。本実施形態のクライオスタット３００が第１実施形態のクライオスタット１００と異なる点は、回路図である図１０に示すように、クライオスタット３００が備える気相容積変動手段４０が、差圧計２９の代わりに、冷凍機５の温度を測定する温度計（温度測定手段）４５を有している点である。
【００６３】
本実施形態において、温度計４５は冷凍機５の第２冷却ステージ７（図１参照）に取り付けられており（図示せず）、第２冷却ステージ７の温度を測定する。
【００６４】
気相容積変動手段４０は、変動装置２１（図２参照）を駆動する駆動手段４１を有している。この駆動手段４１は、温度計４５が測定した測定信号を増幅する増幅器４２と、増幅器４２で得られた電圧信号を波形整形する波形整形器４３と、波形整形器４３で整形された出力波形でステッピングモータ２４を駆動するステッピングモータ駆動回路４４と、を有している。
【００６５】
駆動手段４１は、温度計４５が測定した温度変動の波形とは逆相の波形で、変動装置２１を駆動する。温度計４５が測定する冷凍機５の温度変動は、ヘリウム槽２内の圧力変動と同様に、冷凍機５の液化サイクルに起因している。そのため、冷凍機５の温度変動の波形は、ヘリウム槽２内の圧力変動の波形とよく似ている。そこで、温度計４５が測定した温度変動の波形とは逆相の波形で、気相空間１０の気相容積を変動させることで、ヘリウム槽２内の圧力変動を好適に打ち消すことができる。
【００６６】
なお、冷凍機５の温度変動の波形は、ヘリウム槽２内の圧力変動の波形とよく似ているが、温度変動は冷凍機５の温度変化が金属で伝達されるのに対して、圧力変動は圧力の変動そのものが遅れて発生したり、ヘリウムガスを介して伝達される。そのため、通常、圧力変動は温度変動よりも遅れる場合が多い。そこで、温度変動を用いて圧力を制御する場合には、温度計４５が測定した温度変動の波形を反転させて逆相にした上で、適正量の位相調整（大抵は位相遅れ）を付加すると、ヘリウム槽２内の圧力変動をさらに好適に打ち消すことができる。
【００６７】
（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係るクライオスタット３００によると、冷凍機５の温度を測定する温度計４５が測定した温度変動の波形とは逆相の波形で、気相空間１０の気相容積を変動させることが可能な変動装置２１を駆動する。温度計４５が測定する冷凍機５の温度変動は、ヘリウム槽２内の圧力変動と同様に、冷凍機５の液化サイクルに起因している。そのため、冷凍機５の温度変動の波形は、ヘリウム槽２内の圧力変動の波形とよく似ている。そこで、温度計４５が測定した温度変動の波形とは逆相の波形で、気相空間１０の気相容積を変動させることで、ヘリウム槽２内の圧力変動を好適に打ち消すことができる。
【００６８】
（変形例）
なお、本実施形態の変形例に係るクライオスタットにおいて、駆動手段４１は、温度計４５が測定した温度変動の波形に対して位相を調整した波形で変動装置２１を駆動する。冷凍機５の温度変動の波形は、ヘリウム槽２内の圧力変動の波形とよく似ているが、温度変動は冷凍機５の温度変化が金属で伝達されるのに対して、圧力変動は圧力の変動そのものが遅れて発生したり、ヘリウムガスを介して伝達される。そのため、通常、圧力変動は温度変動よりも遅れる場合が多い。そこで、温度変動を用いて圧力を制御する場合には、例えば温度変動に対して６０°遅れとなるように位相を調整して制御するのがよい場合がある。さらに、圧力変動を用いて圧力を制御すると圧力変動は理想的にはゼロになるが、温度変動を用いて圧力を制御する場合には、同様にして圧力変動が理想的にゼロになったとしても、通常、温度変動は変化しない。したがって、温度変動で圧力を制御する場合には、位相を大きくずらしても遅れをフィードバック系に取り込む不安定さが生じない。このため、最適な位相調整で特性の改善ができるが、位相を調整するための情報の遅れが制御を不安定にするトレードオフの関係がないため、より自由に最適な位相調整が制約なく可能である。
【００６９】
（効果）
以上に述べたように、本変形例に係るクライオスタットによると、冷凍機５の温度を測定する温度計４５が測定した温度変動の波形に対して位相を調整した波形で、気相空間１０の気相容積を変動させることが可能な変動装置２１を駆動する。冷凍機５の温度変動の波形は、ヘリウム槽２内の圧力変動の波形とよく似ているが、通常、圧力変動は温度変動よりも遅れる場合が多い。そこで、温度変動の波形に対して例えば６０°遅れとなるように位相を調整した波形で変動装置２１を駆動することで、ヘリウム槽２内の圧力変動を好適に打ち消すことができる。
【００７０】
［第４実施形態］
（気相容積変動手段の構成）
次に、本発明の第４実施形態に係るクライオスタット４００について説明する。なお、上述した構成要素と同じ構成要素については、同じ参照番号を付してその説明を省略する。本実施形態のクライオスタット４００が第１実施形態のクライオスタット１００と異なる点は、回路図である図１１に示すように、差圧計２９が測定した圧力変動の位相を用いて生成した、ヘリウム槽２内の圧力変動の波形とは概略逆相の駆動波形で、変動装置２１（図２参照）を駆動する点である。
【００７１】
ヘリウム槽２内の圧力変動は、冷凍機５の液化サイクルにより生じる変動の１つであり、このような変動の周期は原理的に同じである。そこで、ヘリウム槽２内の圧力変動を打ち消すには、冷凍機５の液化サイクルにより生じる変動の位相を用いて生成した駆動波形で変動装置２１を駆動して、気相空間１０の気相容積を変動させてやればよい。ここで、冷凍機５の液化サイクルにより生じる変動の位相のうち、例えば振幅が０になる位相を２つ用いれば、駆動波形の周期を得ることができる。また、冷凍機５の液化サイクルにより生じる変動の位相に対して駆動波形の位相を逆にしてやれば、駆動波形の位相を、ヘリウム槽２内の圧力変動の波形とは概略逆相にすることができる。そして、差圧計２９が測定するヘリウム槽２内の圧力変動は、冷凍機５の液化サイクルにより生じる変動の１つであるので、差圧計２９が測定した圧力変動の位相を用いることで、駆動波形を好適に生成することができる。このように、駆動波形は、冷凍機５の液化サイクルにより生じる変動の位相を用いて、波形や振幅を別途設定して生成するものであって、冷凍機５の液化サイクルにより生じる変動の波形をそのまま用いて、この波形の位相を単純に逆にしたものではない。生成する駆動波形はサインカーブが基本であるが、少し変形をする方がよい場合もある。そこで、例えば、駆動波形をサインカーブと三角波とを５０％ずつ混ぜたような波形にしてよい。また、サインカーブの立ち上がりを早めて振幅ゼロへの立下りを遅くすることで、０°、１８０°では振幅ゼロのままで、８０°、２６０°にピークが来るように変形したサインカーブなど、圧力変動の抑制により適した波形にするのもよい。マイコンを利用して、１周期分をメモリに記憶しておけば、種々の任意な波形も用いることができる。検出した圧力変動の波形をそのまま利用するのとは違うので、ヘリウム槽２内の圧力変動を抑制するのに最適な波形を選ぶことができる。また、差圧計２９が測定した圧力変動の逆相に対してさらに３０°ほど位相を調整した方が、ヘリウム槽２内の圧力変動をより好適に抑制できたとの実験例もあり、逆相を中心に最適な位相を選定する。このように、圧力変動を打ち消す方向に生成する駆動波形の位相を逆相と称しているのに対して、逆相を中心に最適な補正を加えた位相を概略逆相と称する。波形や位相に加えて、振幅による特性変化も大きいため、適正値を選ぶ必要がある。
【００７２】
なお、ヘリウム槽２内の圧力変動の周期は、冷凍機５の液化サイクルの周期と原理的に同じで約１．２Ｈｚである。そこで、駆動波形の周期として、冷凍機５の液化サイクルの周期を用いてもよい。
【００７３】
本実施形態のクライオスタット４００が有する気相容積変動手段５０は、駆動波形を生成する波形生成手段５１と、波形生成手段５１が生成した駆動波形で変動装置２１を駆動するステッピングモータ駆動回路（駆動手段）５２と、を有している。波形生成手段５１は、差圧計２９が測定した測定信号を増幅する増幅器５３と、増幅器５３が増幅した信号から位相を検出する位相検出器５４と、位相検出器５４が検出した位相を用いて、ヘリウム槽２内の圧力変動の波形とは概略逆相の駆動波形（サインカーブや三角波など）を生成する波形発生器５５と、を有している。
【００７４】
また、波形発生器５５には、位相補正量を入力する位相補正量入力装置５６、および、振幅量を入力する振幅量入力装置５７が接続されており、位相補正量および振幅量を外部から設定可能にされている。なお、位相補正量および振幅量を固定値として位相補正量入力装置５６および振幅量入力装置５７を省略してもよい。
【００７５】
ステッピングモータ駆動回路５２は、波形生成手段５１が生成した駆動波形で変動装置２１を駆動して、気相空間１０の気相容積を変動させる。これにより、ヘリウム槽２内の圧力変動を好適に打ち消すことができる。
【００７６】
なお、差圧計２９が測定した圧力変動の位相を用いて生成した駆動波形をそのまま使用して変動装置２１を駆動するよりも、生成した駆動波形の位相を３０°ほど遅らせた方が、圧力変動をより減少させることができる場合がある。このような場合には、位相補正量入力装置５６を用いて駆動波形の位相を遅らせてやればよい。また、生成する駆動波形はサインカーブが基本であるが、少し変形をする方がよい場合もあること、および、振幅による特性変化が大きいので適正値を選ぶ必要があることは、上述した通りである。
【００７７】
（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係るクライオスタット４００によると、冷凍機５の液化サイクルにより生じる変動の位相を用いて生成した、ヘリウム槽２内の圧力変動の波形とは概略逆相の駆動波形で、気相空間１０の気相容積を変動させることが可能な変動装置２１を駆動する。ヘリウム槽２内の圧力変動は、冷凍機５の液化サイクルにより生じる変動の１つであり、このような変動の周期は原理的に同じである。そこで、ヘリウム槽２内の圧力変動を打ち消すには、冷凍機５の液化サイクルにより生じる変動の位相を用いて生成した駆動波形で変動装置２１を駆動して、気相空間１０の気相容積を変動させてやればよい。ここで、冷凍機５の液化サイクルにより生じる変動の位相のうち、例えば振幅が０になる位相を２つ用いれば、駆動波形の周期を得ることができる。また、冷凍機５の液化サイクルにより生じる変動の位相に対して駆動波形の位相を逆にしてやれば、駆動波形の位相を、ヘリウム槽２内の圧力変動の波形とは概略逆相にすることができる。このようにして生成した駆動波形で変動装置２１を駆動して、気相空間１０の気相容積を変動させることで、ヘリウム槽２内の圧力変動を好適に打ち消すことができる。さらに、駆動波形の位相を逆相から少し位相調整したり、適正な波形を選択したり、振幅を適正値にしたりすれば、より好適にヘリウム２槽内の圧力変動を打ち消すことができる。
【００７８】
また、気相空間１０または再凝縮室８内の圧力を測定する差圧計２９が測定した圧力変動の位相を冷凍機５の液化サイクルにより生じる変動の位相として用いて、駆動波形を生成する。差圧計２９が測定するヘリウム槽２内の圧力変動は、冷凍機５の液化サイクルにより生じる変動の１つである。よって、差圧計２９が測定した圧力変動の位相を用いることで、駆動波形を好適に生成することができる。
【００７９】
［第５実施形態］
（気相容積変動手段の構成）
次に、本発明の第５実施形態に係るクライオスタット５００について説明する。なお、上述した構成要素と同じ構成要素については、同じ参照番号を付してその説明を省略する。本実施形態のクライオスタット５００が第４実施形態のクライオスタット４００と異なる点は、回路図である図１２に示すように、クライオスタット５００が有する気相容積変動手段６０が、差圧計２９の代わりに、冷凍機５の温度を測定する温度計（温度測定手段）４６を備え、温度計４６が測定した温度変動の位相を用いて駆動波形を生成する点である。
【００８０】
本実施形態において、温度計４６は冷凍機５の第２冷却ステージ７（図１参照）に取り付けられており（図示せず）、第２冷却ステージ７の温度を測定する。
【００８１】
温度計４６が測定する冷凍機５の温度変動は、冷凍機５の液化サイクルにより生じる変動の１つである。よって、温度計４６が測定した温度変動の位相を用いることで、駆動波形を好適に生成することができる。
【００８２】
本実施形態のクライオスタット５００が有する気相容積変動手段６０は、駆動波形を生成する波形生成手段６１と、波形生成手段６１が生成した駆動波形で変動装置２１（図２参照）を駆動するステッピングモータ駆動回路（駆動手段）６２と、を有している。波形生成手段６１は、温度計４６が測定した測定信号を増幅する増幅器６３と、増幅器６３が増幅した信号から位相を検出する位相検出器６４と、位相検出器６４が検出した位相を用いて、ヘリウム槽２内の圧力変動の波形とは概略逆相の駆動波形（サインカーブや三角波など）を生成する波形発生器６５と、を有している。
【００８３】
また、波形発生器６５には、位相補正量を入力する位相補正量入力装置６６、および、振幅量を入力する振幅量入力装置６７が接続されており、位相補正量および振幅量を外部から設定可能にされている。なお、位相補正量および振幅量を固定値として位相補正量入力装置６６および振幅量入力装置６７を省略してもよい。
【００８４】
ステッピングモータ駆動回路６２は、波形生成手段６１が生成した駆動波形で変動装置２１を駆動して、気相空間１０の気相容積を変動させる。これにより、ヘリウム槽２内の圧力変動を好適に打ち消すことができる。
【００８５】
なお、冷凍機５の液化サイクルによって冷凍機５に温度変動が生じ、この温度変動によってヘリウム槽２内に圧力変動が生じる。そのため、温度変動は液化サイクルに対して位相が１０°ほど遅れており、圧力変動は温度変動に対して位相が５０°ほど遅れている場合が多い。そこで、温度計４６が測定した温度変動の位相を用いて生成した駆動波形をそのまま使用して変動装置２１を駆動するよりも、生成した駆動波形の位相を５０°ほど遅らせた方が、圧力変動をより減少させることができる場合がある。このような場合には、位相補正量入力装置６６を用いて駆動波形の位相を遅らせてやればよい。また、生成する駆動波形はサインカーブが基本であるが、少し変形をする方がよい場合もあること、および、振幅による特性変化が大きいので適正値を選ぶ必要があることは、上述した通りである。
【００８６】
（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係るクライオスタット５００によると、冷凍機５の温度を測定する温度計４６が測定した温度変動の位相を冷凍機５の液化サイクルにより生じる変動の位相として用いて、駆動波形を生成する。温度計４６が測定する冷凍機５の温度変動は、冷凍機５の液化サイクルにより生じる変動の１つである。よって、温度計４６が測定した温度変動の位相を用いることで、駆動波形を好適に生成することができる。また、ヘリウム槽２内の圧力変動を打ち消した結果として、ヘリウム槽２内の圧力変動が少なくなる、あるいは殆どなくなる場合についても、冷凍機５の温度変動はほとんど変化しない。従って、冷凍機５の液化サイクルにより生じる変動のうち、ヘリウム槽２内の圧力変動以外の変動は、ヘリウム槽２内の圧力変動を打ち消しても小さくならない（位相を検出できなくなることがない）変動として、圧力変動よりも適している。このようにして生成した駆動波形で変動装置２１を駆動して、気相空間１０の気相容積を変動させることで、ヘリウム槽２内の圧力変動を好適に打ち消すことができる。さらに、駆動波形の位相を逆相から少し位相調整したり、適正な波形を選択したり、振幅を適正値にしたりすれば、より好適にヘリウム２槽内の圧力変動を打ち消すことができる。
【００８７】
［第６実施形態］
（気相容積変動手段の構成）
次に、本発明の第６実施形態に係るクライオスタット６００について説明する。なお、上述した構成要素と同じ構成要素については、同じ参照番号を付してその説明を省略する。本実施形態のクライオスタット６００が第４実施形態のクライオスタット４００と異なる点は、回路図である図１３に示すように、クライオスタット６００が有する気相容積変動手段７０が、差圧計２９の代わりに、冷凍機５が発する音を拾うマイク（集音手段）４７を備え、マイク４７が拾った音の変化パターンの位相を用いて駆動波形を生成する点である。
【００８８】
本実施形態において、マイク４７は冷凍機５（図１参照）の側面に取り付けられている（図示せず）。冷凍機５の冷凍サイクルは約１．２Ｈｚであるが、冷凍機５が発する音は数ｋＨｚである。
【００８９】
マイク４７が拾う冷凍機５からの発音は、冷凍機５の液化サイクルにより生じる変動の１つである。具体的には、冷凍機５からは「シュパ、シュパ」と音がする。この「シュ」と「パ」とでは音色（周波数）が違うので、後述するＦ/Ｖコンバータ７５で電圧に変えることができる。「シュパ」という音の変化１回分は、冷凍サイクルと同じ約１．２Ｈｚである。よって、マイク４７が拾った音の変化（音色の変化）のパターンの位相を用いることで、駆動波形を好適に生成することができる。
【００９０】
本実施形態のクライオスタット６００が有する気相容積変動手段７０は、駆動波形を生成する波形生成手段７１と、波形生成手段７１が生成した駆動波形で変動装置２１（図２参照）を駆動するステッピングモータ駆動回路（駆動手段）７２と、を有している。波形生成手段７１は、マイク４７が拾った音から必要な周波数帯の音を取り出すフィルタ７３と、フィルタ７３で取り出した音を増幅する増幅器７４と、周波数を電圧に変えて冷凍サイクルと同じ約１．２Ｈｚの周期の信号（音色の変化の周期が分かる信号）にするＦ／Ｖコンバータ７５と、Ｆ／Ｖコンバータ７５の出力信号から位相を検出する位相検出器７６と、位相検出器７６が検出した位相を用いて、ヘリウム槽２内の圧力変動の波形とは概略逆相の駆動波形（サインカーブや三角波など）を生成する波形発生器７７と、を有している。
【００９１】
また、波形発生器７７には、位相補正量を入力する位相補正量入力装置７８、および、振幅量を入力する振幅量入力装置７９が接続されており、位相補正量および振幅量を外部から設定可能にされている。なお、位相補正量および振幅量を固定値として位相補正量入力装置７８および振幅量入力装置７９を省略してもよい。
【００９２】
ステッピングモータ駆動回路７２は、波形生成手段７１が生成した駆動波形で変動装置２１を駆動して、気相空間１０の気相容積を変動させる。これにより、ヘリウム槽２内の圧力変動を好適に打ち消すことができる。
【００９３】
なお、冷凍機５が発する音を拾うマイク４７の代わりに、冷凍機５の振動を測定する振動センサ（振動測定手段）を冷凍機５の側面に取り付けて、振動センサが測定する振動の変化パターンの位相を用いて駆動波形を生成してもよい。振動センサが測定する冷凍機５の振動は、冷凍機５の液化サイクルにより生じる変動の１つである。よって、振動センサが測定した振動の変化パターンの位相を用いることで、駆動波形を好適に生成することができる。
【００９４】
なお、マイク４７で集音する場所にもよるが、冷凍機５の液化サイクルによって生じる冷凍機５からの音や振動の変化パターンは、液化サイクルに対して位相に遅れはほとんどないのに対して、圧力変動は、冷凍機５が発する音や振動に対して位相が６０°ほど遅れている場合が多い。そこで、マイク４７が拾った音や振動センサが測定した振動の変化パターンの位相を用いて生成した駆動波形をそのまま使用して変動装置２１を駆動するよりも、生成した駆動波形の位相を６０°ほど遅らせた方が、圧力変動をより減少させることができる場合がある。このような場合には、位相補正量入力装置７８を用いて駆動波形の位相を遅らせてやればよい。また、生成する駆動波形はサインカーブが基本であるが、少し変形をする方がよい場合もあること、および、振幅による特性変化が大きいので適正値を選ぶ必要があることは、上述した通りである。
【００９５】
（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係るクライオスタット６００によると、冷凍機５が発する音を拾うマイク４７が拾った音の変化パターンの位相を冷凍機５の液化サイクルにより生じる変動の位相として用いて、駆動波形を生成する。マイク４７が拾う冷凍機５からの発音は、冷凍機５の液化サイクルにより生じる変動の１つである。よって、マイク４７が拾った音の変化パターンの位相を用いることで、駆動波形を好適に生成することができる。このようにして生成した駆動波形で変動装置２１を駆動して、気相空間１０の気相容積を変動させることで、ヘリウム槽２内の圧力変動を好適に打ち消すことができる。さらに、駆動波形の位相を逆相から少し位相調整したり、適正な波形を選択したり、振幅を適正値にしたりすれば、より好適にヘリウム２槽内の圧力変動を打ち消すことができる。
【００９６】
［第７実施形態］
（気相容積変動手段の構成）
次に、本発明の第７実施形態に係るクライオスタット７００について説明する。なお、上述した構成要素と同じ構成要素については、同じ参照番号を付してその説明を省略する。本実施形態のクライオスタット７００が第４実施形態のクライオスタット４００と異なる点は、回路図である図１４に示すように、クライオスタット７００が有する気相容積変動手段８０が、差圧計２９の代わりに、冷凍機５内に供給される冷媒（ヘリウム）の圧力を測定する圧力計（冷凍機側圧力測定手段）４８を備え、圧力計４８が測定した圧力変動の位相を用いて駆動波形を生成する点である。
【００９７】
本実施形態において、圧力計４８は冷凍機５（図１参照）の内部に設けられている（図示せず）。圧力計４８を設ける位置は、信号の取り出しやすさの観点から、冷凍機５のロータリバルブの下流側が好ましいが、高圧側のヘリウムガスが流入する高圧ガス入口の付近に設けて、高圧側の圧力を測定するようにすれば、ロータリバルブによる切り替え直後の圧力変化を捉えることができる。
【００９８】
圧力計４８が測定する、冷凍機５内に供給される冷媒の圧力変動は、冷凍機５の液化サイクルにより生じる変動の１つである。よって、圧力計４８が測定した圧力変動の位相を用いることで、駆動波形を好適に生成することができる。
【００９９】
本実施形態のクライオスタット７００が有する気相容積変動手段８０は、駆動波形を生成する波形生成手段８１と、波形生成手段８１が生成した駆動波形で変動装置２１（図２参照）を駆動するステッピングモータ駆動回路（駆動手段）８２と、を有している。波形生成手段８１は、圧力計４８が測定した測定信号から必要な周波数帯の信号を取り出すフィルタ８３と、フィルタ８３で取り出した信号を増幅する増幅器８４と、増幅器８４が増幅した信号から位相を検出する位相検出器８５と、位相検出器８５が検出した位相を用いて、ヘリウム槽２内の圧力変動の波形とは概略逆相の駆動波形（サインカーブや三角波など）を生成する波形発生器８６と、を有している。
【０１００】
また、波形発生器８６には、位相補正量を入力する位相補正量入力装置８７、および、振幅量を入力する振幅量入力装置８８が接続されており、位相補正量および振幅量を外部から設定可能にされている。なお、位相補正量および振幅量を固定値として位相補正量入力装置８７および振幅量入力装置８８を省略してもよい。
【０１０１】
ステッピングモータ駆動回路８２は、波形生成手段８１が生成した駆動波形で変動装置２１を駆動して、気相空間１０の気相容積を変動させる。これにより、ヘリウム槽２内の圧力変動を好適に打ち消すことができる。
【０１０２】
なお、冷凍機５の液化サイクルによって生じる冷媒の圧力変動は、冷凍機５を駆動する動力源の変化であり、液化サイクルに対して位相に遅れはほとんどなく、むしろ少し先行しているのに対して、圧力変動は、冷凍機５内に供給される冷媒の圧力変動に対して位相が６０°ほど遅れている場合が多い。そこで、圧力計４８が測定した圧力変動の位相を用いて生成した駆動波形をそのまま使用して変動装置２１を駆動するよりも、生成した駆動波形の位相を６０°ほど遅らせた方が、圧力変動をより減少させることができる場合がある。このような場合には、位相補正量入力装置８７を用いて駆動波形の位相を遅らせてやればよい。また、生成する駆動波形はサインカーブが基本であるが、少し変形をする方がよい場合もあること、および、振幅による特性変化が大きいので適正値を選ぶ必要があることは、上述した通りである。
【０１０３】
（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係るクライオスタット７００によると、冷凍機５内に供給される冷媒の圧力を測定する圧力計４８が測定した圧力変動の位相を冷凍機５の液化サイクルにより生じる変動の位相として用いて、駆動波形を生成する。圧力計４８が測定する、冷凍機５内に供給される冷媒の圧力変動は、冷凍機５の液化サイクルにより生じる変動の１つである。よって、圧力計４８が測定した圧力変動の位相を用いることで、駆動波形を好適に生成することができる。このようにして生成した駆動波形で変動装置２１を駆動して、気相空間１０の気相容積を変動させることで、ヘリウム槽２内の圧力変動を好適に打ち消すことができる。さらに、駆動波形の位相を逆相から少し位相調整したり、適正な波形を選択したり、振幅を適正値にしたりすれば、より好適にヘリウム２槽内の圧力変動を打ち消すことができる。
【０１０４】
［第８実施形態］
（クライオスタットの構成）
次に、本発明の第８実施形態に係るクライオスタット８００について説明する。なお、上述した構成要素と同じ構成要素については、同じ参照番号を付してその説明を省略する。本実施形態のクライオスタット８００が第４実施形態のクライオスタット４００と異なる点は、回路図である図１５に示すように、クライオスタット８００が有する気相容積変動手段９０が、差圧計２９の代わりに、後述する冷凍機１０１のバルブモータの回転角を検出するレゾルバ（回転角検出手段）４９を備え、レゾルバ４９が検出したバルブモータの回転の位相を用いて駆動波形を生成する点である。
【０１０５】
（冷凍機の構成）
本実施形態のクライオスタット８００が備える冷凍機１０１は、図１６に示すように、シリンダ１０３内でディスプレーサ１２２をヘリウムガス圧により往復動させて高圧のヘリウムガス（作動ガス）を膨張させるガス圧駆動式のＧＭサイクル（ギフォード・マクマホン・サイクル）の膨張機で構成されたＧＭ冷凍機である。なお、本実施形態の冷凍機１０１は、パルスチューブ冷凍機であってもよい。
【０１０６】
この冷凍機１０１は、密閉状のモータヘッド１０２と、このモータヘッド１０２の下面に気密状に連設され、上側の大径部１０３ａ及び下側の小径部１０３ｂからなる大小２段構造のシリンダ１０３とを備えている。モータヘッド１０２の側面には高圧ガス入口１０４とその下側に位置する低圧ガス出口１０５とが形成され、高圧ガス入口１０４は図示しない圧縮機の吐出側に高圧配管を介して、また低圧ガス出口１０５は圧縮機の吸入側に低圧配管を介してそれぞれ接続されている。
【０１０７】
モータヘッド１０２の内部には、高圧ガス入口１０４に連通するモータ室１０６と、モータ室１０６の下側に位置してモータ室１０６に連通する装着孔１０７と、この装着孔１０７の周囲に位置する略環状の空間からなる中間圧室１０８とが形成されている。
【０１０８】
また、モータヘッド１０２のシリンダ１０３との境界部分には、シリンダ１０３上端（基端）の閉塞部材を構成するバルブステム１０９が嵌挿されている。このバルブステム１０９の上面と装着孔１０７の壁面とで囲まれる空間により、モータ室１０６を介して高圧ガス入口１０４と連通するバルブ室１１０が形成されている。
【０１０９】
バルブステム１０９には、上半部が２股状に分岐されかつバルブ室１１０をシリンダ１０３内に連通させる第１ガス流路１１２と、後述するロータリバルブ１３５の低圧ポートを介して一端が第１ガス流路１１２に連通するとともに、モータヘッド１０２に形成した連通路１１３を介して他端が低圧ガス出口１０５に連通する第２ガス流路１１４とが貫通形成されている。第１ガス流路１１２はキャピラリー管１１５を介して中間圧室１０８に常時連通されている。第２ガス流路１１４は、バルブ室１１０に臨むバルブステム１０９の上面において、バルブステム１０９中心部に開口されている。分岐された第１ガス流路１１２は、バルブ室１１０に臨むバルブステム１０９の上面において、第２ガス流路１１４に対して対称な位置に開口されている。
【０１１０】
一方、シリンダ１０３の大径部１０３ａ内の上端部には、底壁を有する略カップ形状のスラックピストン１１７がその内側面をバルブステム１０９の下部に摺動案内せしめた状態で往復動可能に外嵌合され、このスラックピストン１１７によりシリンダ１０３内下部に下側圧力室１２９が、またシリンダ１０３内上端に上側圧力室１２０がそれぞれ区画形成され、上側圧力室１２０はモータヘッド１０２内の中間圧室１０８にオリフィス１２１を介して常時連通されている。従って、上側圧力室１２０は高圧及び低圧のヘリウムガスの中間圧力に設定されており、この上側圧力室１２０と下側圧力室１２９との各ガス圧の圧力差によってスラックピストン１１７がディスプレーサ１２２と共に往復動するようにされている。スラックピストン１１７底壁の中心部には大径の中心孔が貫通形成され、周縁角部にはスラックピストン１１７内外を連通する複数の連通孔が形成されている。
【０１１１】
また、シリンダ１０３内にはディスプレーサ（置換器）１２２が往復動可能に嵌合されている。このディスプレーサ１２２は、シリンダ１０３の大径部１０３ａの略下半部内を摺動する密閉円筒状の大径部１２２ａと、大径部１２２ａ下端に移動一体に結合され、シリンダ１０３の小径部１０３ｂ内を摺動する密閉円筒状の小径部１２２ｂとからなり、このディスプレーサ１２２により、スラックピストン１１７下方のシリンダ１０３内の膨張空間１２９，１３０，１３１が上側から順に下側圧力室１２９、第１段膨張室１３０、及び、第２段膨張室１３１に区画されている。ディスプレーサ１２２の大径部１２２ａ内の空間は第１段膨張室１３０に連通孔１２３を介して常時連通され、この大径部１２２ａ内の空間には蓄冷型熱交換器よりなる第１段蓄冷器１２４が嵌装されている。また、ディスプレーサ１２２の小径部１２２ｂ内の空間は第１段膨張室１３０に連通孔１２５を介して、第２段膨張室１３１に連通孔１２６を介してそれぞれ常時連通され、このディスプレーサ小径部１２２ｂ内の空間には第１段蓄冷器１２４と同様の第２段蓄冷器１２７が嵌装されている。
【０１１２】
さらに、ディスプレーサ１２２の大径部１２２ａ上端には、その大径部１２２ａ内の空間を下側圧力室１２９に連通させる管状の係止片１３３が一体に突設されている。この係止片１３３の上部はスラックピストン１１７底壁の中心孔を貫通してスラックピストン１１７内部に所定寸法だけ延び、その上端部にはスラックピストン１１７底壁に係合するフランジ状の係止部１３３ａが一体に形成されており、スラックピストン１１７の下降移動時、スラックピストン１１７が所定ストロークだけ下降した時点でその底壁下面とディスプレーサ１２２上面との当接により、ディスプレーサ１２２がスラックピストン１１７に駆動されて下降を開始する一方、スラックピストン１１７の上昇移動時、スラックピストン１１７が所定ストロークだけ上昇した時点でその底壁上面と係止片１３３の係止部１３３ａとの係合により、ディスプレーサ１２２がスラックピストン１１７に駆動されて上昇を開始するように、つまりディスプレーサ１２２が所定ストロークの遅れをもってスラックピストン１１７に追従移動するように構成されている。
【０１１３】
さらに、モータヘッド１０２のバルブ室１１０内には、シリンダ１０３内の膨張空間としての下側圧力室１２９及び膨張室１３０，１３１に高圧ヘリウムガスを供給する高圧開弁状態と、下側圧力室１２９及び膨張室１３０，１３１のヘリウムガスを排出する低圧開弁状態とに交互に切り換わるバルブ手段としてのロータリバルブ１３５が配設されている。このロータリバルブ１３５は、モータ室１０６に配置したバルブモータ１３９により回転駆動される。すなわち、ロータリバルブ１３５の上面中心部にはバルブモータ１３９の出力軸１３９ａが回転一体に係合されている。このロータリバルブ１３５の下面には、１対の高圧ポートと、この高圧ポートに対しロータリバルブ１３５の回転方向に略９０°の角度間隔をあけて配置された低圧ポートとが形成されている。そして、ロータリバルブ１３５の切換動作により、高圧ガス入口１０４つまり高圧ガス入口１０４に連通するバルブ室１１０と、低圧ガス出口１０５つまり低圧ガス出口１０５に連通する連通路１１３とを、シリンダ１０３内の下側圧力室１２９、第１段及び第２段膨張室１３０，１３１に対し交互に連通させるようになされている。そして、下側圧力室１２９と上側圧力室１２０との間に圧力差を生じさせて、この圧力差によりスラックピストン１１７及びディスプレーサ１２２をシリンダ１０３内で往復動させるようにしている。
【０１１４】
また、シリンダ１０３の大径部１０３ａ先端（下端）には、第１冷却ステージ１４１が設けられているとともに、シリンダ１０３の小径部１０３ｂ先端（下端）には、第２冷却ステージ１４２が設けられている。
【０１１５】
また、本実施形態の冷凍機１０１においては、モータ室１０６内にレゾルバ４９が設けられている。このレゾルバ４９には、バルブモータ１３９の出力軸１３９ｂが回転一体に係合されている。この出力軸１３９ｂは、ロータリバルブ１３５を回転させる出力軸１３９ａと一体になっている。レゾルバ４９は、バルブモータ１３９の回転角を検出する。レゾルバ４９からの出力信号は、モータヘッド１０２に設けられたメタルコネクタ１４４を介して外部に出力される。
【０１１６】
（冷凍機の動作）
このような構成において、冷凍機１０１におけるシリンダ１０３内の圧力が低圧であって、スラックピストン１１７とディスプレーサ１２２とが下降端位置にある状態において、バルブモータ１３９の駆動によるロータリバルブ１３５の回転により、その高圧ポートがバルブステム１０９上面の第１ガス流路１１２の両開口端に合致して、ロータリバルブ１３５が高圧側に開く高圧開弁状態になると、冷凍機１０１の高圧ガス入口１０４及びモータ室１０６を介してバルブ室１１０に供給されている常温の高圧ヘリウムガスがロータリバルブ１３５の高圧ポート及び第１ガス流路１１２を介してスラックピストン１１７下方の下側圧力室１２９に導入されるとともに、さらにこの下側圧力室１２９から、順次ディスプレーサ１２２の各蓄冷器１２４，１２７を通って各膨張室１３０，１３１に充填され、この蓄冷器１２４，１２７を通る間に熱交換によって冷却される。
【０１１７】
そして、スラックピストン１１７下側の下側圧力室１２９のガス圧が上側の上側圧力室１２０よりも高くなると、両圧力室１２０，１２９間の圧力差によってスラックピストン１１７が上昇し、このスラックピストン１１７の上昇ストロークが所定値に達したときに、スラックピストン１１７の底壁上面と係止片１３３の係止部１３３ａとが係合して、ディスプレーサ１２２は圧力変化に対し遅れを持ってスラックピストン１１７により引き上げられ、このディスプレーサ１２２の上昇移動によりその下方の膨張室１３０，１３１にさらに高圧ガスが充填される。
【０１１８】
この後、ロータリバルブ１３５が閉じると、その後もディスプレーサ１２２は慣性力によって上昇し、これに伴い、ディスプレーサ１２２上方の下側圧力室１２９内のヘリウムガスが膨張室１３０，１３１に移動する。
【０１１９】
このディスプレーサ１２２が上昇端位置に達した後、ロータリバルブ１３５の低圧ポートがバルブステム１０９上面の第１ガス流路１１２の開口端に合致してロータリバルブ１３５が低圧側に開く低圧開弁状態となり、この開弁に伴い、ディスプレーサ１２２下方の各膨張室１３０，１３１内のヘリウムガスがサイモン膨張し、このガスの膨張に伴う温度降下により第１冷却ステージ１４１が所定温度レベルに、また第２冷却ステージ１４２が第１冷却ステージ１４１よりも低い温度レベルにそれぞれ冷却される。
【０１２０】
膨張室１３０，１３１で低温状態となったヘリウムガスは、ガス導入時とは逆に、ディスプレーサ１２２内の蓄冷器１２４，１２７を通って下側圧力室１２９内に戻り、その間に蓄冷器１２４，１２７を冷却することで、自身の温度は常温まで上昇する。そして、この常温のヘリウムガスは、さらに下側圧力室１２９内のガスと共に第１ガス流路１１２、ロータリバルブ１３５の低圧ポート、連通路１１３を介して冷凍機１０１外に排出され、低圧ガス出口１０５を通って圧縮機に流れてそれに吸入される。このガス排出に伴い下側圧力室１２９内のガス圧が低下し、その上側圧力室１２０との圧力差によりスラックピストン１１７が下降し、このスラックピストン１１７の底壁下面がディスプレーサ１２２の上面に当接した後はディスプレーサ１２２が押圧されて下降し、このディスプレーサ１２２の下降移動により膨張室１３０，１３１内のガスが冷凍機１０１外にさらに排出される。
【０１２１】
次いで、ロータリバルブ１３５が閉じるが、この後もディスプレーサ１２２は下降端位置まで下降移動し、膨張室１３０，１３１内のガスが排出されて最初の状態に戻る。以上によりディスプレーサ１２２の動作の１サイクルが終了して、以後は上記と同様な動作が繰り返され、各冷却ステージ１４１，１４２の温度は極低温レベルに向かって次第に降下する。
【０１２２】
（気相容積変動手段の構成）
図１５に戻って、本実施形態のクライオスタット８００が有する気相容積変動手段９０は、駆動波形を生成する波形生成手段９１と、波形生成手段９１が生成した駆動波形で変動装置２１（図２参照）を駆動するステッピングモータ駆動回路（駆動手段）９２と、を有している。
【０１２３】
ここで、ヘリウム槽２内の圧力変動の周期は、冷凍機１０１の液化サイクルの周期と原理的に同じである。そこで、ヘリウム槽２内の圧力変動を打ち消すには、冷凍機１０１の液化サイクルの位相を用いて生成した駆動波形で変動装置２１を駆動して、気相空間１０の気相容積を変動させてやればよい。ここで、冷凍機１０１の液化サイクルの位相のうち、例えば振幅が０になる位相を２つ用いれば、駆動波形の周期を得ることができる。また、冷凍機１０１の液化サイクルの位相に対して駆動波形の位相を逆にしてやれば、駆動波形の位相を、ヘリウム槽２内の圧力変動の波形とは概略逆相にすることができる。そして、バルブモータ１３９でロータリバルブ１３５を回転させることで、冷凍機１０１に液化サイクルが生じるので、レゾルバ４９が検出するバルブモータ１３９の回転の位相は、冷凍機１０１の液化サイクルの位相である。よって、レゾルバ４９が検出したバルブモータ１３９の回転の位相を用いることで、駆動波形を好適に生成することができる。
【０１２４】
レゾルバ４９は、入力されたサインカーブとコサインカーブに対して、出力軸１３９ｂの回転により位相角のずれたサインカーブを出力する。波形生成手段９１は、レゾルバ４９の出力信号をデジタルの角度データに変換処理するＲ／Ｄ変換器９３と、変換処理されたデータを処理して、ヘリウム槽２内の圧力変動の波形とは概略逆相の駆動波形（サインカーブや三角波など）を生成するマイコン９４と、を有している。
【０１２５】
また、マイコン９４には、位相補正量を入力する位相補正量入力装置９５、および、振幅量を入力する振幅量入力装置９６が接続されており、位相補正量および振幅量を外部から設定可能にされている。なお、位相補正量および振幅量を固定値として位相補正量入力装置９５および振幅量入力装置９６を省略してもよい。
【０１２６】
ステッピングモータ駆動回路９２は、波形生成手段９１が生成した駆動波形で変動装置２１を駆動して、気相空間１０の気相容積を変動させる。これにより、ヘリウム槽２内の圧力変動を好適に打ち消すことができる。
【０１２７】
なお、バルブモータ１３９の回転により冷凍機１０１に液化サイクルが生じるので、バルブモータ１３９の回転は、液化サイクルに対して位相遅れがゼロであるのに対して、圧力変動は、冷凍機１０１の液化サイクルに対して位相が６０°ほど遅れている場合が多い。そこで、レゾルバ４９が検出したバルブモータ１３９の回転の位相を用いて生成した駆動波形をそのまま使用して変動装置２１を駆動するよりも、生成した駆動波形の位相を６０°ほど遅らせた方が、圧力変動をより減少させることができる場合がある。このような場合には、位相補正量入力装置９５を用いて駆動波形の位相を遅らせてやればよい。また、生成する駆動波形はサインカーブが基本であるが、少し変形をする方がよい場合もあること、および、振幅による特性変化が大きいので適正値を選ぶ必要があることは、上述した通りである。
【０１２８】
また、回路図である図１７に示すように、レゾルバ４９の代わりに、バルブモータ１３９の回転を測定するロータリエンコーダを用い、フォトインタラプタ５９で信号を取り出してもよい。ロータリエンコーダは、１回転に１回信号を出力するアブソリュート形であってもよいし、２組の光電素子で検出された信号（Ａ相、Ｂ相）が出力されるインクリメンタル形であってもよい。図１７においては、Ｚ相という１回転に１度パルスが出るタイプのインクリメンタル形のロータリエンコーダを用いている。なお、フォトインタラプタ５９の代わりに、小さな磁性体とリードスイッチ、リミットスイッチなどを用いてもよい。
【０１２９】
フォトインタラプタ回路９７は、フォトインタラプタ５９から１回転１回の信号を取り出す。位相検出器９８は、フォトカプラ回路９７が取り出した信号から位相を検出する。波形発生器９９は、位相検出器９８が検出した位相を用いて、ヘリウム槽２内の圧力変動の波形とは概略逆相の駆動波形（サインカーブや三角波など）を生成する。生成した駆動波形の位相を調整した方がよい場合もあること、生成する駆動波形はサインカーブが基本であるが、少し変形をする方がよい場合もあること、および、振幅による特性変化が大きいので適正値を選ぶ必要があることは、上述した通りである。
【０１３０】
なお、冷凍機１０１がロータリバルブ１３５の代わりに２個のバルブを用いている場合には、これらバルブの少なくとも一方の駆動電圧のｏｎ／ｏｆｆから位相を検出してもよい。
【０１３１】
（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係るクライオスタット８００によると、冷凍機１０１の液化サイクルの位相を用いて生成した、ヘリウム槽２内の圧力変動の波形とは概略逆相の駆動波形で、気相空間１０の気相容積を変動させることが可能な変動装置２１を駆動する。ヘリウム槽２内の圧力変動の周期は、冷凍機１０１の液化サイクルの周期と原理的に同じである。そこで、ヘリウム槽２内の圧力変動を打ち消すには、冷凍機１０１の液化サイクルの位相を用いて生成した駆動波形で変動装置２１を駆動して、気相空間１０の気相容積を変動させてやればよい。ここで、冷凍機１０１の液化サイクルの位相のうち、例えば振幅が０になる位相を２つ用いれば、駆動波形の周期を得ることができる。また、冷凍機１０１の液化サイクルの位相に対して駆動波形の位相を逆にしてやれば、駆動波形の位相を、ヘリウム槽２内の圧力変動の波形とは概略逆相にすることができる。このようにして生成した駆動波形で変動装置２１を駆動して、気相空間１０の気相容積を変動させることで、ヘリウム槽２内の圧力変動を好適に打ち消すことができる。さらに、駆動波形の位相を逆相から少し位相調整したり、適正な波形を選択したり、振幅を適正値にしたりすれば、より好適にヘリウム２槽内の圧力変動を打ち消すことができる。
【０１３２】
また、バルブモータ１３９の回転角を検出するレゾルバ４９が検出したバルブモータ１３９の回転の位相を冷凍機１０１の液化サイクルの位相として用いて、駆動波形を生成する。バルブモータ１３９でロータリバルブ１３５を回転させることで、冷凍機１０１に液化サイクルが生じるので、レゾルバ４９が検出するバルブモータ１３９の回転の位相は、冷凍機１０１の液化サイクルの位相である。よって、レゾルバ４９が検出したバルブモータ１３９の回転の位相を用いることで、駆動波形を好適に生成することができる。
【０１３３】
［第９実施形態］
（気相容積変動手段の構成）
次に、本発明の第９実施形態に係るクライオスタット９００について説明する。なお、上述した構成要素と同じ構成要素については、同じ参照番号を付してその説明を省略する。本実施形態のクライオスタット９００が第８実施形態のクライオスタット８００と異なる点は、回路図である図１８に示すように、クライオスタット９００が有する気相容積変動手段１５０が、モータ駆動回路１４５から出力されるバルブモータ１３９の駆動信号の位相を用いて駆動波形を生成する点である。
【０１３４】
バルブモータ１３９でロータリバルブ１３５を回転させることで、冷凍機１０１に液化サイクルが生じるので、バルブモータ１３９の駆動信号の位相は、冷凍機１０１の液化サイクルの位相である。よって、バルブモータ１３９の駆動信号の位相を用いることで、駆動波形を好適に生成することができる。
【０１３５】
本実施形態のクライオスタット９００が有する気相容積変動手段１５０は、駆動波形を生成する波形生成手段１５１と、波形生成手段１５１が生成した駆動波形で変動装置２１（図２参照）を駆動するステッピングモータ駆動回路（駆動手段）１５２と、を有している。波形生成手段１５１は、モータ駆動回路１４５がバルブモータ１３９に出力する駆動信号を波形信号に変換する変換回路１５３と、変換された信号から位相を検出する位相検出器１５４と、位相検出器１５４が検出した位相を用いて、ヘリウム槽２内の圧力変動の波形とは概略逆相の駆動波形（サインカーブや三角波など）を生成する波形発生器１５５と、を有している。
【０１３６】
また、波形発生器１５５には、位相補正量を入力する位相補正量入力装置１５６、および、振幅量を入力する振幅量入力装置１５７が接続されており、位相補正量および振幅量を外部から設定可能にされている。なお、位相補正量および振幅量を固定値として位相補正量入力装置１５６および振幅量入力装置１５７を省略してもよい。
【０１３７】
ステッピングモータ駆動回路１５２は、波形生成手段１５１が生成した駆動波形で変動装置２１を駆動して、気相空間１０の気相容積を変動させる。これにより、ヘリウム槽２内の圧力変動を好適に打ち消すことができる。
【０１３８】
なお、バルブモータ１３９の回転により冷凍機１０１に液化サイクルが生じるので、バルブモータ１３９の駆動信号は、液化サイクルに対して位相遅れがゼロであるのに対して、圧力変動は、冷凍機１０１の液化サイクルに対して位相が６０°ほど遅れている場合が多い。そこで、バルブモータ１３９の駆動信号の位相を用いて生成した駆動波形をそのまま使用して変動装置２１を駆動するよりも、生成した駆動波形の位相を６０°ほど遅らせた方が、圧力変動をより減少させることができる場合がある。このような場合には、位相補正量入力装置９５を用いて駆動波形の位相を遅らせてやればよい。また、生成する駆動波形はサインカーブが基本であるが、少し変形をする方がよい場合もあること、および、振幅による特性変化が大きいので適正値を選ぶ必要があることは、上述した通りである。
【０１３９】
（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係るクライオスタット９００によると、バルブモータ１３９の駆動信号の位相を冷凍機１０１の液化サイクルの位相として用いて、駆動波形を生成する。バルブモータ１３９でロータリバルブ１３５を回転させることで、冷凍機１０１に液化サイクルが生じるので、バルブモータ１３９の駆動信号の位相は、冷凍機１０１の液化サイクルの位相である。よって、バルブモータ１３９の駆動信号の位相を用いることで、駆動波形を好適に生成することができる。このようにして生成した駆動波形で変動装置２１を駆動して、気相空間１０の気相容積を変動させることで、ヘリウム槽２内の圧力変動を好適に打ち消すことができる。さらに、駆動波形の位相を逆相から少し位相調整したり、適正な波形を選択したり、振幅を適正値にしたりすれば、より好適にヘリウム２槽内の圧力変動を打ち消すことができる。
【０１４０】
（本実施形態の変形例）
以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
【０１４１】
例えば、パルスチューブ冷凍機の動力源としてヘリウムポンプが用いられている場合、ヘリウムポンプのムービングコイルの駆動信号の位相を冷凍機の液化サイクルの位相として用いて、駆動波形を生成してよい。また、このようなヘリウムポンプを気相空間１０に連通させて、変動装置２１や変動装置３１の代わりに用いてもよい。
【０１４２】
また、ヘリウム槽２や筒状部材１５に薄板部分を設けてスピーカを取り付け、スピーカから音響効果を与えることで、気相空間１０の気相容積を変動させてもよい。
【符号の説明】
【０１４３】
１  超電導マグネット
２  ヘリウム槽（冷媒槽）
３  輻射シールド
４  真空容器
５  冷凍機
６  第１冷却ステージ
７  第２冷却ステージ
８  再凝縮室
１０  気相空間
１１  フレキシブルチューブ
１２  ネック部材
１３  筒部材
１４  連通部材
１５  筒状部材
１６  筒状部材
２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１５０  気相容積変動手段
２１，３１  変動装置
２４  ステッピングモータ
２６，３６，４１  駆動手段
２７，３７，４２，５３，６３，７４，８４  増幅器
２８，４４，５２，６２，７２，８２，９２，１５２  ステッピングモータ駆動回路
２９  差圧計（圧力測定手段）
３８，１６２  電流増幅器
３９，４３  波形整形器
４５，４６  温度計（温度測定手段）
４７  マイク（集音手段）
４８  圧力計（冷凍機側圧力測定手段）
４９  レゾルバ（回転角検出手段）
５１，６１，７１，８１，９１，１５１  波形生成手段
５４，６４，７６，８５，９８，１５４  位相検出器
５５，６５，７７，８６，９９，１５５  波形発生器
５６，６６，７８，８７，９５，１５６  位相補正量入力装置
５７，６７，７９，８８，９６，１５７  振幅量入力装置
５９  フォトインタラプタ
７３，８３  フィルタ
７５  Ｆ／Ｖコンバータ
９３  Ｒ／Ｄ変換器
９４  マイコン
９７  フォトインタラプタ回路
１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００，８００，９００  クライオスタット
１０１  冷凍機
１３５  ロータリバルブ
１３９  バルブモータ
１４５  モータ駆動回路
１５３  変換回路
１６１  加算器
１６３  ＤＣモータ
１６４  ロータリーエンコーダ
１６５  カウンタ
１６６  Ｄ／Ａ変換器
【図１】
2015007585.tif 000003
【図２】
2015007585.tif 000004
【図３】
2015007585.tif 000005
【図４】
2015007585.tif 000006
【図５】
2015007585.tif 000007
【図７】
2015007585.tif 000008
【図８】
2015007585.tif 000009
【図９】
2015007585.tif 000010
【図１０】
2015007585.tif 000011
【図１１】
2015007585.tif 000012
【図１２】
2015007585.tif 000013
【図１３】
2015007585.tif 000014
【図１４】
2015007585.tif 000015
【図１５】
2015007585.tif 000016
【図６】
2015007585.tif 000017
【図１６】
2015007585.tif 000018
【図１７】
2015007585.tif 000019
【図１８】
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