(57)【要約】【課題】冷凍機の液化サイクルに起因する冷媒槽内の圧力変動を低減する。【解決手段】液体の冷媒を収容する冷媒槽２と、冷媒槽２内における液体の冷媒の液面よりも上方の気相空間１０に接続部１４を介して連通する再凝縮室８を有し、冷媒槽２内で蒸発した冷媒を再凝縮室８内で再凝縮させる冷凍機５と、冷凍機５に配設されたヒーター１７と、冷凍機５の液化サイクルに起因する冷凍機５の温度変動を打ち消すように、ヒーター１７に印加する電流または電圧を制御する制御手段２２と、を有する。【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、
前記冷媒槽内における液体の冷媒の液面よりも上方の気相空間に接続部を介して連通する再凝縮室を有し、前記冷媒槽内で蒸発した冷媒を前記再凝縮室内で再凝縮させる冷凍機と、
前記冷凍機に配設されたヒーターと、
前記冷凍機の液化サイクルに起因する前記冷凍機の温度変動を打ち消すように、前記ヒーターに印加する電流または電圧を制御する制御手段と、
を有することを特徴とするクライオスタット。
【請求項２】
前記冷凍機は前記冷媒槽内で蒸発した冷媒を冷却する冷却ステージを前記再凝縮室内に有しており、前記ヒーターは前記冷却ステージに配設されている請求項１に記載のクライオスタット。
【請求項３】
前記ヒーターは前記接続部に配設されている請求項１に記載のクライオスタット。
【請求項４】
前記気相空間および／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、
前記制御手段は、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、前記ヒーターを制御する請求項１ないし３のいずれか１項に記載のクライオスタット。
【請求項５】
前記気相空間および／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、
前記制御手段は、前記圧力測定手段が測定した圧力変動の波形に対して位相を調整した波形で前記ヒーターを制御する請求項１ないし３のいずれか１項に記載のクライオスタット。
【請求項６】
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、
前記制御手段は、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ヒーターを制御する請求項１ないし３のいずれか１項に記載のクライオスタット。
【請求項７】
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、
前記制御手段は、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ヒーターを制御する請求項１ないし３のいずれか１項に記載のクライオスタット。
【請求項８】
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、前記ヒーターの制御波形を生成する波形生成手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記波形生成手段が生成した前記制御波形で前記ヒーターを制御する請求項１ないし３のいずれか１項に記載のクライオスタット。
【請求項９】
前記気相空間および／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、前記制御波形を生成する請求項８に記載のクライオスタット。
【請求項１０】
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、前記制御波形を生成する請求項８に記載のクライオスタット。
【請求項１１】
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、前記制御波形を生成する請求項８に記載のクライオスタット。
【請求項１２】
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、前記制御波形を生成する請求項８に記載のクライオスタット。
【請求項１３】
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、前記制御波形を生成する請求項８に記載のクライオスタット。
【請求項１４】
前記冷凍機の液化サイクルの位相を用いて、前記ヒーターの制御波形を生成する波形生成手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記波形生成手段が生成した前記制御波形で前記ヒーターを制御する請求項１ないし３のいずれか１項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、前記制御波形を生成する請求項１４に記載のクライオスタット。
【請求項１６】
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、前記制御波形を生成する請求項１４に記載のクライオスタット。
【請求項１７】
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ないし１６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、超電導マグネットなど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装置などに適用される超電導マグネット装置においては、液体の冷媒（例えば液体ヘリウム）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。このとき、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。
【０００４】
また、特許文献２には、冷媒槽（ヘリウム槽）内にヒーターを配設したクライオスタットが開示されている。このクライオスタットでは、冷媒槽内の圧力が低下した場合に、ヒーターに電流を流して加熱することで、液体ヘリウムを蒸発させて冷媒槽内の圧力を上げる。その結果、冷媒槽内が負圧となることを防止可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１８４２８０号公報
【特許文献２】特開２００９−２６７２７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。すなわち、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。
【０００７】
また、特許文献２に記載の制御は、例えば外部環境の変化などに伴う比較的長周期の変動により冷媒槽内が負圧になることを防止するためのものであり、冷凍機の周期的な液化サイクルに起因する冷媒槽内の圧力変動（例えば１．２Ｈｚ程度の短周期の微小変動）を低減するためのものではない。すなわち、特許文献２では、冷凍機の液化サイクルに起因する圧力変動を低減することまでは考慮されていない。
【０００８】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷凍機の液化サイクルに起因する冷媒槽内の圧力変動を低減す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】
【０００９】
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、前記冷媒槽内における液体の冷媒の液面よりも上方の気相空間に接続部を介して連通する再凝縮室を有し、前記冷媒槽内で蒸発した冷媒を前記再凝縮室内で再凝縮させる冷凍機と、前記冷凍機に配設されたヒーターと、前記冷凍機の液化サイクルに起因する前記冷凍機の温度変動を打ち消すように、前記ヒーターに印加する電流または電圧を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。
【００１０】
冷凍機の液化サイクルに起因する冷媒槽内の圧力変動は、次のようなメカニズムで発生する。すなわち、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動する。すなわち、液化サイクルにより冷凍機に温度変動が生じることで、冷媒槽内の圧力が変動する。一方、冷凍機に蓄冷材を設けることで、冷凍機における温度変動の緩和が図られている。しかしながら、蓄冷材だけではかかる温度変動を十分に除去できず、冷凍機には温度変動が残留することになる。そこで、本発明のように、冷凍機にヒーターを設け、液化サイクルに起因する冷凍機の温度変動を打ち消すように、ヒーターに印加する電流または電圧を制御することで、冷媒槽内の圧力変動の原因である冷凍機の温度変動を抑制することができる。その結果、冷凍機の液化サイクルに起因する冷媒槽内の圧力変動を低減することができる。
【００１１】
ここで、前記冷凍機は前記冷媒槽内で蒸発した冷媒を冷却する冷却ステージを前記再凝縮室内に有しており、前記ヒーターは前記冷却ステージに配設されているとよい。一般的に、冷却ステージの温度は冷凍機の他の箇所よりも低温になるため、冷却ステージにおける温度変動は、冷媒槽内の圧力変動に及ぼす影響が大きい。そこで、冷却ステージにヒーターを設けて冷却ステージの温度変動を抑えることで、好適に冷媒槽内の圧力変動を低減することができる。
【００１２】
また、前記ヒーターは前記接続部に配設されていてもよい。当該接続部は、再凝縮室と気相空間とを連通する部位であり、冷媒槽の近傍に位置している。つまり、ヒーターを接続部に設けることで、冷媒槽の近傍における冷凍機の温度変動を抑制することができる。このように冷媒槽の近傍の温度変動を抑制することで、好適に冷媒槽内の圧力変動を低減することができる。
【００１３】
また、前記気相空間および／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、前記制御手段は、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、前記ヒーターを制御してもよい。このように、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ヒータを制御することで、冷媒槽内の圧力変動を確実に打ち消すことができ、かかる圧力変動を好適に低減することができる。
【００１４】
また、前記気相空間および／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、前記制御手段は、前記圧力測定手段が測定した圧力変動の波形に対して位相を調整した波形で前記ヒーターを制御してもよい。冷凍機の液化サイクルに起因する冷媒槽内における圧力変動は、冷凍機の液化サイクルにより生じる冷凍機の温度変動、さらには冷凍機の温度変動により生じる気体溶媒の凝縮量の変動を経て発生するものである。このため、冷凍機の温度変動と冷媒槽内の圧力変動との間には位相差が生じる場合がある。このような場合には、上述のように、圧力測定手段が測定した圧力変動の波形に対して位相を調整した波形でヒーターを制御することで、好適に冷媒槽内の圧力変動を低減することができる。
【００１５】
また、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、前記制御手段は、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ヒーターを制御してもよい。このように、ヒーターが設けられている冷凍機自身の温度を測定し、測定された温度変動の波形とは逆相の波形でヒーターを制御することで、冷凍機の温度変動をより確実に抑制することができる。その結果、好適に冷媒槽内の圧力変動を低減することができる。
【００１６】
また、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、前記制御手段は、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ヒーターを制御してもよい。ヒーターから冷凍機への熱伝達の速度は、ヒーターの能力や冷凍機を構成する材料などによって変化する。そして、熱伝達の速度によっては、ヒーターに印加する電流または電圧の波形と冷凍機の温度変動との間に位相差が生じる場合がある。このような場合には、上述のように、温度測定手段が測定した冷凍機の温度変動の波形に対して位相を調整した波形でヒーターを制御することで、冷凍機の温度変動をより確実に抑制することができる。その結果、好適に冷媒槽内の圧力変動を低減することができる。
【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、前記ヒーターの制御波形を生成する波形生成手段をさらに備え、前記制御手段は、前記波形生成手段が生成した前記制御波形で前記ヒーターを制御してもよい。冷媒槽内の圧力変動も冷凍機の温度変動も、冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の１つであり、これらの変動の周期は原理的に同じである。したがって、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制御波形でヒーターを制御することで、冷凍機の温度変動、ひいては冷媒槽内の圧力変動を好適に低減することができる。
【００１８】
例えば、前記気相空間および／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、前記制御波形を生成してもよい。
【００１９】
また、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、前記制御波形を生成してもよい。
【００２０】
また、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、前記制御波形を生成してもよい。
【００２１】
また、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、前記制御波形を生成してもよい。
【００２２】
また、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、前記制御波形を生成してもよい。
【００２３】
また、本発明におけるクライオスタットにおいて、前記冷凍機の液化サイクルの位相を用いて、前記ヒーターの制御波形を生成する波形生成手段をさらに備え、前記制御手段は、前記波形生成手段が生成した前記制御波形で前記ヒーターを制御してもよい。冷媒槽内の圧力変動も冷凍機の温度変動も、冷凍機の液化サイクルにより生じる変動の１つであり、これらの変動の周期は原理的に同じである。したがって、冷凍機の液化サイクルの位相を用いて生成した制御波形でヒーターを制御することで、冷凍機の温度変動、ひいては冷媒槽内の圧力変動を好適に低減することができる。
【００２４】
例えば、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、前記制御波形を生成してもよい。
【００２５】
また、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、前記制御波形を生成してもよい。
【００２６】
さらに、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。この構成によれば、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、液化サイクルに起因する冷凍槽の圧力変動によってもたらされる冷媒槽の微小な変位変動を低減させることができる。その結果、ＮＭＲ信号に現れるノイズを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１実施形態におけるクライオスタットの内部構造を示す側面図である。
【図２】第１実施形態におけるヒーターの制御系を示すブロック図である。
【図３】第２実施形態におけるヒーターの制御系を示すブロック図である。
【図４】第３実施形態におけるヒーターの制御系を示すブロック図である。
【図５】第４実施形態におけるヒーターの制御系を示すブロック図である。
【図６】第５実施形態におけるヒーターの制御系を示すブロック図である。
【図７】第６実施形態におけるヒーターの制御系を示すブロック図である。
【図８】第７実施形態におけるヒーターの制御系を示すブロック図である。
【図９】第８実施形態におけるヒーターの制御系を示すブロック図である。
【図１０】第８実施形態における冷凍機の構成を示す断面図である。
【図１１】第８実施形態の変形例におけるヒーターの制御系を示すブロック図である。
【図１２】第９実施形態におけるヒーターの制御系を示すブロック図である。
【図１３】第１０実施形態におけるヒーターの制御系を示すブロック図である。
【図１４】圧力一定制御におけるヒーターに対する電流制御の特性を示す図である。
【図１５】圧力変動抑制制御用の制御信号と圧力一定制御用の制御信号との合成信号の一例である。
【図１６】第１１実施形態におけるヒーターの制御系を示すブロック図である。
【図１７】第１２実施形態におけるヒーターの制御系を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
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。
【００２９】
［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。
【００３０】
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が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。なお、クエンチが発生しなければ、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。
【００３１】
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（ボア）Ｓ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。
【００３２】
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、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。
【００３３】
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。
【００３４】
冷凍機５は、ヘリウム槽２内で蒸発したヘリウムを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が設けられ、冷凍機５の下端部には第２冷却ステージ７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。
【００３５】
筒状部材１５の内部空間は再凝縮室８として構成されており、この再凝縮室８内に第２冷却ステージ７を含む冷凍機５の下部が収容されている。再凝縮室８は、筒状部材１５よりも小径の筒状の部材である連通部材（接続部）１４を介して、ヘリウム槽２内の気相空間１０と連通されている。また、筒状部材１５の外側には、より大径の筒状部材１６が配置されている。
【００３６】
第２冷却ステージ７には、ヒーター１７が配設されている。このヒーター１７は、ヒーター制御回路（制御手段）２２によってその温度が制御される。ここで、冷凍機５の液化サイクルに起因して、冷凍機５には例えば１．２Ｈｚ程度の温度変動が発生する。このような冷凍機５の温度変動により、蒸発したヘリウムを再凝縮する量に変動が生じ、その結果としてヘリウム槽２内に圧力変動が発生する。そこで、本実施形態のクライオスタット１００においては、ヒーター１７を適切に制御することで、液化サイクルに起因する冷凍機５の温度変動を抑制し、ひいてはヘリウム槽２内の圧力変動を低減する。
【００３７】
また、冷凍機５には、気相空間１０または再凝縮室８内の圧力を測定するための差圧計（圧力測定手段）１８が設けられている。本実施形態では、冷凍機５の筒状部材１６に差圧計１８を配設するものとしたが、差圧計１８の配設箇所はこれに限定されない。すなわち、差圧計１８は、気相空間１０、再凝縮室８、あるいはこれらと連通する空間の圧力を測定できる箇所に適宜配設することが可能であり、例えば筒部材１３に配設することも可能である。また、気相空間１０および再凝縮室８内の圧力をそれぞれ測定する差圧計を設け、各差圧計から得られた値の平均値や差分などを用いて、制御上の改善を図ることも可能である。
【００３８】
冷凍機５の液化サイクルに起因するヘリウム槽２内の圧力変動は、次のようなメカニズムで発生する。すなわち、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動する。すなわち、液化サイクルにより冷凍機５に温度変動が生じることで、ヘリウム槽２内の圧力が変動する。一方、冷凍機５に蓄冷材（不図示）を設けることで、冷凍機５における温度変動の緩和が図られている。しかしながら、蓄冷材だけではかかる温度変動を十分に除去できず、冷凍機５には温度変動が残留することになる。そこで、本実施形態のように、冷凍機５にヒーター１７を設け、液化サイクルに起因する冷凍機５の温度変動を打ち消すように、ヒーター１７に印加する電流または電圧を制御することで、ヘリウム槽２内の圧力変動の原因である冷凍機５の温度変動を抑制することができる。その結果、冷凍機５の液化サイクルに起因するヘリウム槽２内の圧力変動を低減することができる。
【００３９】
ここで、冷凍機５の下端部に設けられた第２冷却ステージ７は約４Ｋと非常に低温となるため、蒸発したヘリウムを再凝縮する能力が高く、ヘリウム槽２内の圧力変動に及ぼす影響が大きい。そこで、本実施形態のように、第２冷却ステージ７にヒーター１７を設けて第２冷却ステージ７の温度変動を抑えることで、好適にヘリウム槽２内の圧力変動を低減することができる。
【００４０】
また、ヒーター１７の配設箇所は冷却ステージ７に限定されず、冷凍機５の他の部位に配設することも可能である。例えば、ヒーター１７を連通部材（接続部）１４に配設してもよい。連通部材１４は、再凝縮室８と気相空間１０とを連通する部位であり、ヘリウム槽２の近傍に位置している。つまり、ヒーター１７を連通部材１４に設けることで、ヘリウム槽２の近傍における冷凍機５の温度変動を抑制することができる。このようにヘリウム槽２の近傍の温度変動を抑制することで、好適にヘリウム槽２内の圧力変動を低減することができる。
【００４１】
（ヒーターの制御系）
次に、図２を参照しつつ、本実施形態におけるヒーター１７の制御に関与する制御系２０について説明する。制御系２０は、差圧計１８が出力した測定信号を増幅する増幅器２１と、ヒーター１７に印加する電流または電圧を制御するヒーター制御回路（制御手段）２２とを有して構成されている。ただし、増幅器２１を省略することも可能である。
【００４２】
ヒーター制御回路２２は、増幅器２１で増幅された測定信号に基づいて、差圧計１８の測定値とは逆相の値の圧力をヘリウム槽２内に発生させるためにヒーター１７に印加すべき電流または電圧を演算し、演算結果にしたがってヒーター１７に電流または電圧を印加する。このように、差圧計１８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ヒーター１７を制御することで、ヘリウム槽２内の圧力変動を確実に打ち消すことができ、かかる圧力変動を好適に低減することができる。
【００４３】
なお、差圧計１８の測定値の逆相の値の圧力とは、差圧計１８の測定値が所定の基準値よりも高い場合には、測定値と基準値との差分だけ当該基準値よりも低い圧力を指し、差圧計１８の測定値が所定の基準値よりも低い場合には、測定値と基準値との差分だけ当該基準値よりも高い圧力を指す。基準値は、例えば差圧計１８の測定値の移動平均値とすることもできるし、あるいは作業者が設定可能な固定値としてもよい。
【００４４】
［第２実施形態］
次に、図３を参照しつつ、本発明の第２実施形態にかかる制御系３０について説明する。なお、上述した構成要素と同様の構成要素については、その説明を省略する。本実施形態の制御系３０が、図２に示す第１実施形態の制御系２０と異なる点は、ヒーター制御回路３３の前段に波形整形器３２が設けられている点である。
【００４５】
制御系３０は、差圧計（圧力測定手段）１８が測定した圧力変動の波形を増幅する増幅器３１と、波形の位相を調整可能な波形整形器３２と、ヒーター１７に印加する電流または電圧を制御するヒーター制御回路（制御手段）３３とを有して構成されている。波形整形器３２の位相調整機能は、例えば出力を一定時間遅らせる位相調整回路を設けることで実現可能である。差圧計１８が測定した圧力変動の波形は、増幅器３１で増幅されたうえで波形整形器３２に入力され、波形整形器３２でその位相が調整される。そして、位相調整された波形に基づいて、ヒーター制御回路３３が、ヒーター１７に印加する電流または電圧を制御する。
【００４６】
冷凍機５の液化サイクルに起因するヘリウム槽２内における圧力変動は、冷凍機５の液化サイクルにより生じる冷凍機５の温度変動、さらには冷凍機５の温度変動により生じるヘリウムガスの凝縮量の変動を経て発生するものである。このため、冷凍機５の温度変動とヘリウム槽２内の圧力変動との間には位相差が生じる場合がある。このような場合には、上述のように、差圧計１８が測定した圧力変動の波形に対して位相を調整した波形でヒーター１７を制御することで、好適にヘリウム槽２内の圧力変動を低減することができる。例えば、冷凍機５の温度変動の波形の位相が、差圧計１８が測定した圧力変動の波形の位相に対して進んでいる場合には、差圧計１８が測定した圧力変動の波形に対して位相を進めた波形でヒーター１７を制御すればよい。
【００４７】
［第３実施形態］
次に、図４を参照しつつ、本発明の第３実施形態にかかる制御系４０について説明する。なお、上述した構成要素と同様の構成要素については、その説明を省略する。本実施形態の制御系４０が、図３に示す第２実施形態の制御系３０と異なる点は、冷凍機５の温度を測定する温度計（温度測定手段）１９が測定した温度変動の波形に基づいて、ヒーター１７を制御する点である。
【００４８】
温度計１９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）、冷凍機５の温度として、第２冷却ステージ７の温度を測定する。ただし、温度計１９を取り付ける場所はこれに限定されず、冷凍機５の他の箇所に適宜取り付けることも可能である。
【００４９】
制御系４０は、温度計１９が測定した温度変動の波形を増幅する増幅器４１と、波形の位相を調整可能な波形整形器４２と、ヒーター１７に印加する電流または電圧を制御するヒーター制御回路（制御手段）４３とを有して構成されている。
【００５０】
このように構成された制御系４０では、例えば温度計１９が測定した冷凍機５の温度変動の波形とは逆相の波形を波形整形器４２で生成し、当該波形に基づいてヒーター制御回路４３によりヒーター１７を制御することができる。このように、ヒーター１７が設けられている冷凍機５自身の温度を測定し、測定された温度変動の波形とは逆相の波形でヒーター１７を制御することで、冷凍機５の温度変動をより確実に抑制することができる。その結果、好適にヘリウム槽２内の圧力変動を低減することができる。なお、逆相の波形とは、ゲインを−１倍にしたり、反転回路を用いてプラスをマイナス、マイナスをプラスに反転したりした波形を指す。波形がサインカーブの場合は、元の波形に対して１８０°位相を進めた（遅らせた）波形と同様である。
【００５１】
ここで、ヒーター１７から冷凍機５への熱伝達の速度は、ヒーター１７の能力や冷凍機５を構成する材料などによって変化する。そして、熱伝達の速度によっては、ヒーター１７に印加する電流または電圧の波形と冷凍機５の温度変動との間に位相差が生じる場合がある。このような場合には、温度計１９が測定した冷凍機５の温度変動の波形に対して位相を調整した波形でヒーター１７を制御することで、冷凍機５の温度変動をより確実に抑制することができる。その結果、好適にヘリウム槽２内の圧力変動を低減することができる。
【００５２】
［第４実施形態］
次に、図５を参照しつつ、本発明の第４実施形態にかかる制御系５０について説明する。なお、上述した構成要素と同様の構成要素については、その説明を省略する。本実施形態の制御系５０が、図２に示す第１実施形態の制御系２０と異なる点は、ヒーター制御回路５２の前段に波形生成手段５１が設けられている点である。
【００５３】
制御系５０は、ヒーター１７の制御波形を生成する波形生成手段５１と、波形生成手段５１が生成した制御波形でヒーター１７に印加する電流または電圧を制御するヒーター制御回路（制御手段）５２とを有して構成されている。波形生成手段５１は、差圧計（圧力測定手段）１８が出力した測定信号を増幅する増幅器５３と、増幅器５３で増幅され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制御波形を生成する波形発生器５５とを有している。
【００５４】
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と、振幅量を入力する振幅量入力装置５７とが接続されており、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。
【００５５】
ここで、ヘリウム槽２内の圧力変動も冷凍機５の温度変動も、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、これらの変動の周期は原理的に同じである。したがって、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制御波形でヒーター１７を制御することで、冷凍機５の温度変動、ひいてはヘリウム槽２内の圧力変動を好適に低減することができる。そして、本実施形態では、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、差圧計１８が測定した気相空間１０または再凝縮室８内の圧力変動の位相を用いることで、ヘリウム槽２内の圧力変動を低減するのに好適な制御波形を生成している。
【００５６】
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（本実施形態では差圧計１８が測定した圧力変動の位相）のうち、例えば振幅が０になる位相を２つ用いれば、制御波形の周期を得ることができる。制御波形の位相は、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逆相にしてもよいし、当該変動の位相を逆相にした状態からさらに位相調整を行ってもよい。こうすることで、冷凍機５の温度変動の波形とは概略逆相の制御波形が得られ、冷凍機５の温度変動をヒーター１７によって打ち消すことができる。また、振幅特性を適切に設定してやることで、冷凍機５の液化サイクルに起因する温度変動を効果的に抑制することができる。
【００５７】
また、生成する制御波形はサインカーブが基本であるが、少し変形をするほうがよい場合もある。そこで、例えば、制御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、冷凍機５の温度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。
【００５８】
このように、波形発生器５５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することで制御波形を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することで制御波形を生成するものではない。したがって、冷凍機５の温度変動を抑制するのに最適な波形を選ぶことができ、ひいてはヘリウム槽２内の圧力変動を好適に低減することができる。
【００５９】
なお、冷凍機５の温度変動の周期は、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であるから、これを制御波形の周期として用いることも可能である。
【００６０】
［第５実施形態］
次に、図６を参照しつつ、本発明の第５実施形態にかかる制御系６０について説明する。なお、上述した構成要素と同様の構成要素については、その説明を省略する。本実施形態の制御系６０が、図５に示す第４実施形態の制御系５０と異なる点は、冷凍機５の温度を測定する温度計（温度測定手段）１９が測定した温度変動の位相を用いて、ヒーター１７の制御波形を生成する点である。
【００６１】
制御系６０は、ヒーター１７の制御波形を生成する波形生成手段６１と、波形生成手段６１が生成した制御波形でヒーター１７に印加する電流または電圧を制御するヒーター制御回路（制御手段）６２とを有して構成されている。波形生成手段６１は、温度計１９が出力した測定信号を増幅する増幅器６３と、増幅器６３で増幅され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制御波形を生成する波形発生器６５とを有している。
【００６２】
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と、振幅量を入力する振幅量入力装置６７とが接続されており、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。
【００６３】
このように、本実施形態では、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、温度計１９が測定した冷凍機５の温度変動の位相を用いることで、ヘリウム槽２内の圧力変動を低減するのに好適な制御波形を生成することができる。なお、制御波形の具体的な生成方法については、第４実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００６４】
［第６実施形態］
次に、図７を参照しつつ、本発明の第６実施形態にかかる制御系７０について説明する。なお、上述した構成要素と同様の構成要素については、その説明を省略する。本実施形態の制御系７０が、図５に示す第４実施形態の制御系５０と異なる点は、冷凍機５が発する音を拾うマイク（集音手段）１９１が拾った音の変化パターンの位相を用いて、ヒーター１７の制御波形を生成する点である。
【００６５】
マイク１９１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が発する音は数ｋＨｚである。マイク１９１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、液化サイクルと同じ約１．２Ｈｚである。よって、マイク１９１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、制御波形を好適に生成することができる。
【００６６】
制御系７０は、ヒーター１７の制御波形を生成する波形生成手段７１と、波形生成手段７１が生成した制御波形でヒーター１７に印加する電流または電圧を制御するヒーター制御回路（制御手段）７２とを有して構成されている。波形生成手段７１は、マイク１９１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液化サイクルと同じ約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制御波形を生成する波形発生器７７とを有している。
【００６７】
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と、振幅量を入力する振幅量入力装置７９とが接続されており、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。
【００６８】
このように、本実施形態では、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、マイク１９１が拾った冷凍機５が発する音の変化パターンの位相を用いることで、ヘリウム槽２内の圧力変動を低減するのに好適な制御波形を生成することができる。なお、制御波形の具体的な生成方法については、第４実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００６９】
（変形例）
冷凍機５が発する音を拾うマイク１９１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制御波形を生成してもよい。このように、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、振動センサが測定した冷凍機５の振動の変化パターンの位相を用いることで、ヘリウム槽２内の圧力変動を低減するのに好適な制御波形を生成することができる。
【００７０】
［第７実施形態］
次に、図８を参照しつつ、本発明の第７実施形態にかかる制御系８０について説明する。なお、上述した構成要素と同様の構成要素については、その説明を省略する。本実施形態の制御系８０が、図５に示す第４実施形態の制御系５０と異なる点は、冷凍機５内に供給されるヘリウム（冷媒）の圧力を測定する圧力計（冷凍機側圧力測定手段）１９２が測定した圧力変動の位相を用いて、ヒーター１７の制御波形を生成する点である。
【００７１】
圧力計１９２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１９２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。
【００７２】
制御系８０は、ヒーター１７の制御波形を生成する波形生成手段８１と、波形生成手段８１が生成した制御波形でヒーター１７に印加する電流または電圧を制御するヒーター制御回路（制御手段）８２とを有して構成されている。波形生成手段８１は、圧力計１９２が出力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制御波形を生成する波形発生器８６とを有している。
【００７３】
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と、振幅量を入力する振幅量入力装置８８とが接続されており、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。
【００７４】
このように、本実施形態では、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、圧力計１９２が測定した冷凍機５内に供給されるヘリウムの圧力変動の位相を用いることで、ヘリウム槽２内の圧力変動を低減するのに好適な制御波形を生成することができる。なお、制御波形の具体的な生成方法については、第４実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００７５】
［第８実施形態］
次に、図９を参照しつつ、本発明の第８実施形態にかかる制御系９０について説明する。なお、上述した構成要素と同様の構成要素については、その説明を省略する。本実施形態の制御系９０が、図５に示す第４実施形態の制御系５０と異なる点は、冷凍機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）１４０が検出したバルブモータの回転の位相を用いて、ヒーター１７の制御波形を生成する点である。
【００７６】
（冷凍機の構成）
図１０に示すように、本実施形態のクライオスタット１００が備える冷凍機１０１は、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。
【００７７】
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および下側の小径部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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。したがって、上側圧力室１２０は高圧およ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。
【００８２】
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、および、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。
【００８３】
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。
【００８４】
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および膨張室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および膨張室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段および第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およびディスプレーサ１２２をシリンダ１０３内で往復動させるようにしている。
【００８５】
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。
【００８６】
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１４０が設けられている。このレゾルバ１４０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１４０は、バルブモータ１３９の回転角を検出する。レゾルバ１４０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。
【００８７】
（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およびモータ室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の高圧ポートおよび第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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
（ヒーターの制御系）
図９に戻って、本実施形態の制御系９０は、ヒーター１７の制御波形を生成する波形生成手段９１と、波形生成手段９１が生成した制御波形でヒーター１７に印加する電流または電圧を制御するヒーター制御回路（制御手段）９２とを有して構成されている。波形生成手段９１は、レゾルバ１４０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制御波形を生成するマイコン９４とを有している。なお、レゾルバ１４０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。
【００９４】
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と、振幅量を入力する振幅量入力装置９６とが接続されており、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。
【００９５】
ここで、ヘリウム槽２内の圧力変動も冷凍機５の温度変動も、冷凍機１０１の液化サイクルにより生じる変動の１つであり、これらの変動の周期は原理的に同じである。したがって、冷凍機１０１の液化サイクルの位相を用いて生成した制御波形でヒーター１７を制御することで、冷凍機１０１の温度変動、ひいてはヘリウム槽２内の圧力変動を好適に低減することができる。
【００９６】
冷凍機１０１では、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１４０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。そこで、本実施形態では、冷凍機５の液化サイクルの位相として、レゾルバ１４０が検出したバルブモータ１３９の位相を用いることで、ヘリウム槽２内の圧力変動を低減するのに好適な制御波形を生成している。なお、制御波形の具体的な生成方法については、第４実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００９７】
ここで、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、冷凍機１０１の温度変動は、液化サイクルに対して位相が遅れている場合が多い。そこで、レゾルバ１４０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制御波形をそのまま使用するよりも、生成した制御波形の位相を遅らせたほうが、冷凍機１０１の圧力変動をより低減できる場合がある。このような場合には、位相補正量入力装置９５を用いて制御波形の位相を遅らせてやればよい。
【００９８】
（変形例）
レゾルバ１４０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（図示せず）を用いてもよい。ロータリエンコーダには、図１１に示すように、フォトインタラプタ１９３が内蔵されているので、ここではフォトインタラプタ１９３で信号を取り出すものとする。ロータリエンコーダは、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１１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１９３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。
【００９９】
フォトインタラプタ回路９７は、フォトインタラプタ１９３から１回転１回の信号を取り出す。位相検出器９８は、フォトインタラプタ回路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制御波形を生成する。生成した制御波形の位相を調整したほうがよい場合もあること、生成する制御波形はサインカーブが基本であるが、少し変形をするほう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。
【０１００】
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。
【０１０１】
［第９実施形態］
次に、図１２を参照しつつ、本発明の第９実施形態にかかる制御系１５０について説明する。なお、上述した構成要素と同様の構成要素については、その説明を省略する。本実施形態の制御系１５０が、図１１に示した第８実施形態の変形例の制御系９０と異なる点は、バルブモータ１３９の駆動信号の位相を用いて制御波形を生成する点である。
【０１０２】
制御系１５０は、ヒーター１７の制御波形を生成する波形生成手段１５１と、波形生成手段１５１が生成した制御波形でヒーター１７に印加する電流または電圧を制御するヒーター制御回路（制御手段）１５２とを有して構成されている。波形生成手段１５１は、モータ駆動回路１９４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制御波形を生成する波形発生器１５５とを有している。
【０１０３】
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と、振幅量を入力する振幅量入力装置１５７とが接続されており、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。
【０１０４】
冷凍機１０１では、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。そこで、本実施形態では、冷凍機１０１の液化サイクルの位相として、バルブモータ１３９の駆動信号の位相を用いることで、ヘリウム槽２内の圧力変動を低減するのに好適な制御波形を生成している。なお、制御波形の具体的な生成方法については、第４実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【０１０５】
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、冷凍機１０１の温度変動は、液化サイクルに対して位相が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制御波形をそのまま使用するよりも、生成した制御波形の位相を遅らせたほうが、冷凍機１０１の圧力変動をより低減できる場合がある。このような場合には、位相補正量入力装置９５を用いて制御波形の位相を遅らせてやればよい。
【０１０６】
［第１０実施形態］
次に、図１３を参照しつつ、本発明の第１０実施形態にかかる制御系１６０について説明する。なお、上述した構成要素と同様の構成要素については、その説明を省略する。本実施形態の制御系１６０がこれまでの実施形態と異なる点は、ヒーター１７を用いて冷凍機１０１の液化サイクルに起因するヘリウム槽２内の圧力変動を低減するための制御を行うだけでなく、ヘリウム槽２内が負圧になることを防止するために圧力を一定に維持する制御もヒーター１７で行っている点である。なお、以下の説明では両者の制御を区別するため、前者の制御を「圧力変動抑制制御」と称し、後者の制御を「圧力一定制御」と称する。
【０１０７】
制御系１６０は、圧力変動抑制制御用の制御波形を生成する波形生成手段１６１と、波形生成手段１６１が生成した制御波形でヒーター１７に印加する電流または電圧を制御するヒーター制御回路（制御手段）１６２と、差圧計１８の測定信号に基づいて圧力一定制御用の印加電流を演算する圧力制御回路１６３と、ヒーター制御回路１６２と圧力制御回路１６３とからそれぞれ出力される制御信号を合成する合成回路１６４とを有して構成されている。圧力変動抑制制御用の制御波形を生成する波形生成手段１６１については、図９に示した第８実施形態の波形生成手段９１と同じ構成であるので、ここでの説明は省略する。
【０１０８】
圧力一定制御について説明する。通常、冷凍機１０１は、クライオスタット１００の外部からの浸入熱に勝る冷凍能力があるため、ヘリウムの凝縮量が過剰となり、ヘリウム槽２内が負圧になることがある。ヘリウム槽２内が負圧になると、シール性の不足したところから空気を吸い込んでしまい、空気に含まれる成分が凍結することにより配管詰まりなどの問題が発生するおそれがある。
【０１０９】
そこで、本実施形態の制御系１６０では、ヒーター１７を用いて、ヘリウム槽２内が負圧になることを防止する圧力一定制御を行っている。圧力一定制御においては、差圧計１８が測定したヘリウム槽２内の圧力に応じて、圧力制御回路１６３がヒーター１７に印加すべき電流を演算する。ヒーター１７に印加すべき電流は、例えば図１４に示す電流制御の特性を用いて演算される。この電流制御の特性では、ヘリウム槽２内の圧力に対して、ヒーター１７に印加すべき電流が規定されており、基準圧力が５ｋＰａ、基準圧力における印加電流が５０ｍＡとなっている。
【０１１０】
仮に差圧計１８が測定したヘリウム槽２内の圧力が基準圧力の５ｋＰａの場合には、印加電流は５０ｍＡに維持される。一方、ヘリウム槽２内の圧力が５ｋＰａよりも高ければ、印加電流を５０ｍＡよりも小さく、あるいはゼロとし、ヒーター１７の発熱量を小さくする。その結果、冷凍機１０１の温度が低くなって、ヘリウムガスの凝縮量が増大（液体ヘリウムの蒸発量が減少）し、ヘリウム槽２内の圧力が低下する。他方、ヘリウム槽２内の圧力が５ｋＰａよりも低ければ、印加電流を５０ｍＡよりも大きくし、ヒーター１７の発熱量を大きくする。その結果、冷凍機１０１の温度が高くなって、ヘリウムガスの凝縮量が減少（液体ヘリウムの蒸発量が増大）し、ヘリウム槽２内の圧力が高くなる。こうして、圧力一定制御では、ヘリウム槽２内の圧力に応じて、印加電流を変化させることで、ヘリウム槽２内の圧力が５ｋＰａに維持される。
【０１１１】
なお、圧力変動抑制制御が対象としている冷凍機１０１の液化サイクルに起因するヘリウム槽２内の圧力変動は、約１．２Ｈｚと短周期であるとともに、その変動は比較的微小なものである。一方、圧力一定制御で対象としている圧力の変化は、例えば外気温などの外部環境の変化により生じるものであり、数時間程度の周期を有する緩やかな変動である。ただし、その振幅は液化サイクルに起因する圧力変動よりも大きく、その変動が大きいためにヘリウム槽２内が負圧になることもある。
【０１１２】
図１５に、圧力変動抑制制御用の制御信号と圧力一定制御用の制御信号とを合成して得られる信号の一例を示す。合成信号のうち、波形を有する交流成分Ｉｐ−ｐは圧力変動抑制制御に必要な電流であり、５０ｍＡの直流成分は圧力一定制御に必要な電流である。このような合成信号は、合成回路１６４が、ヒーター制御回路１６２から圧力変動抑制制御用の制御信号（交流成分）を受けるとともに、圧力制御回路１６３から圧力一定制御用の制御信号（直流成分）を受けて、これらを合成することで生成される。なお、図１５に示した期間よりも長い期間でみると、圧力一定制御用の制御信号も緩やかに変動していることもあり得る。
【０１１３】
本実施形態のように、圧力変動抑制制御と圧力一定制御とを、合成信号を用いてヒーター１７で実行することにより、圧力一定制御用のヒーターを別途設ける必要がなく、さらに当該ヒーター用の配線を省略することができるので好適である。
【０１１４】
［第１１実施形態］
次に、図１６を参照しつつ、本発明の第１１実施形態にかかる制御系１７０について説明する。なお、上述した構成要素と同様の構成要素については、その説明を省略する。本実施形態の制御系１７０が、図１３に示した第１０実施形態の制御系１６０と異なる点は、圧力変動抑制制御用の制御信号と圧力一定制御用の制御信号との合成をマイコン１７６にて行う点である。
【０１１５】
制御系１７０は、圧力変動抑制制御用の制御波形を生成する波形生成手段１７１と、差圧計１８の測定信号をデジタル信号に変換してマイコン１７６に送るＡ／Ｄ変換機１７２と、マイコン１７６で生成された後述の合成信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換機１７３と、Ｄ／Ａ変換機１７３が出力した信号を増幅する増幅器１７４とを有して構成されている。波形生成手段１７１については、図９に示した第８実施形態の波形生成手段９１と同じ構成であるので、ここでの説明は省略する。
【０１１６】
ただし、本実施形態の波形生成手段１７１に設けられたマイコン１７６は、圧力変動抑制制御用の制御信号（制御波形）を生成する制御手段としての役割だけでなく、圧力一定制御用の制御信号を生成し、さらにこれらの制御信号を合成する機能をも有する点において、第８実施形態の波形生成手段９１に設けられたマイコン９４とは異なる。すなわち、マイコン１７６は、Ｒ／Ｄ変換器１７５で変換処理されたレゾルバ１４０の出力信号に基づいて圧力変動抑制制御用の制御信号（制御波形）を生成するとともに、Ａ／Ｄ変換器１７２で変換処理された差圧計１８の出力信号に基づいて圧力一定制御用の制御信号を生成し、さらにこれらの制御信号を合成して合成信号を生成し、当該合成信号をＤ／Ａ変換機１７３に送る。
【０１１７】
（変形例）
レゾルバ１４０の検出信号を用いて圧力変動抑制制御用の制御波形を生成する代わりに、図１７に示すように、冷凍機５の温度を測定する温度計１９が測定した温度変動の波形に基づいて制御波形を生成してもよい。すなわち、この変形例では、温度計１９が測定した温度変動の波形がＡ／Ｄ変換器１７９でデジタル変換され、デジタル変換された信号が、波形生成手段１７１に設けられたマイコン１７６に送られる。そして、マイコン１７６は、当該信号に基づいて圧力変動抑制制御用の制御波形を生成する。マイコン１７６が、圧力一定制御用の制御信号を生成する点、また、圧力変動抑制制御用の制御信号と圧力一定制御用の制御信号とを合成して合成信号を生成する点は、図１６の実施形態と同じである。
【０１１８】
本実施形態のように、圧力変動抑制制御用の制御信号の生成、圧力一定制御用の制御信号の生成、および両制御信号の合成をマイコン１７６にて行うことで、複数の回路を１つのマイコンに集約することができ、制御系１７０の構成を簡素にすることができる。
【０１１９】
［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、作用および効果は、本発明から生じる最も好適な作用および効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用および効果は、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。
【０１２０】
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、制御波形を生成してよい。
【符号の説明】
【０１２１】
１  超電導マグネット
２  ヘリウム槽（冷媒槽）
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
１４  連通部材（接続部）
１７  ヒーター
１８  差圧計（圧力測定手段）
１９  温度計（温度測定手段）
２２，３３，４３，５２，６２，７２，８２，９２，１５２，１６２  ヒーター制御回路（制御手段）
５１，６１，７１，８１，９１，１５１，１６１，１７１  波形生成手段
１００  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
１４０  レゾルバ（回転角検出手段）
１７６  マイコン（制御手段）
１９１  マイク（集音手段）
１９２  圧力計（冷凍機側圧力測定手段）
１９３  フォトインタラプタ（回転角検出手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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