要旨：クライオスタットにおける低温媒体の高精度制御に焦点を当て，主に低温媒体の減圧・温度制御方法と，空気圧制御精度が低温安定性に与える影響について紹介する。加熱、流量制御、圧力制御の3つのモードと、電気空気式流量制御弁を組み込んだ対応する具体的な作業条件とその詳細。

1.はじめに
クライオスタットにおいて、極低温媒体（液体ヘリウム、液体窒素など）の温度変動は、沸騰する極低温媒体の上部の圧力（真空度）の変化が主な原因となっています。したがって、極低温媒体内の温度を安定させるためには、極低温媒体上部の空気圧を正確に制御する必要があります。
クライオスタットの国際的・局所的な温度制御は、主に以下の3つの技術的アプローチを採用している。
(1)アクティブコントロール方式。加熱回路を低温媒体に浸された真空チャンバーに直接導き、真空チャンバーの温度リアルタイムモニタリングデータを用いて、目標温度値と比較し、加熱回路に加える電流を制御する方法。
(2) パッシブ制御方式。低温媒体上部の空気圧を制御し、低温媒体の温度を安定化させる。
(3)複合制御方式。上記2つの制御方式を複合し、低温媒体に浸された真空チャンバー内に直接加熱制御回路を導き、低温媒体上部の空気圧も同時に制御する方法。抵抗加熱温度制御方式は、すでに非常に成熟した技術である。本稿では、主に低温媒体上部の圧力制御法に焦点を当て、圧力制御精度が低温安定性に及ぼす影響、高精度圧力制御の実現方法と具体的なスキームについて紹介する。

2.空気圧制御精度と温度安定性の関係
液体水素を例にとると、液体水素の飽和蒸気圧とそれに対応する温度変化曲線は図1のようになる。
図1からわかるように、非常に小さな温度範囲では、上記の曲線は直線で記述できるので、4K程度の温度範囲で得られ、100Pa程度の気圧の変動で、1mK程度の温度変動が発生することになります。したがって、1mK以下の変動にしたいのであれば、気圧の変動は100Paを超えてはいけないと考えることができる。

3.3つのモードによるトップエアーのコントロール
極低温媒体の上部の空気圧制御には、一般に抵抗加熱、流量制御、圧力制御の3つのモードがある。

3.1 抵抗加熱モード
クライオスタットの定温制御プロセスでは、低温媒体中に抵抗 線ヒータを配置する抵抗加熱モードが採用されている。図 2 に示すように、上部の気圧の変化を真空計で検出し、 PID コントローラが加熱電流を変化させて上部の気圧を調整・ 制御し、上部の気圧を設定値で一定に保つ。図2から、抵抗加熱モードは、上部の圧力を上げる昇温制御方法には適していますが、減圧・冷却はできないことが分かります。


3.2 フローコントロールモード
流量制御モードは代表的な減圧・冷却モードである。図3に示すように、真空ポンプが一定の排気速度でクライオスタットを連続的に吸引し、上部の空気圧を下げます。真空計、電子式空圧制御弁、PIDコントローラは閉ループ制御ループを形成している。FCシリーズの電子空気圧流量制御弁は、真空度でトップエアーの圧力を正確に一定に保つために空気の流れを調整します。流量制御モードは、冷却とトップエア圧を下げる温度制御方式に適していますが、過給と加熱には及ばないことが分かります。
また、流量制御モードでは、真空ポンプの連続排気により、低温媒体の効果的な放熱ができないことがより深刻です。
電子制御空気式流量調節弁FCシリーズの詳細については、こちらをご覧ください。 https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve.htm

3.3 圧力制御モード
圧力制御モードは、圧力を増減させることができる温度制御モードである。図4に示すように、真空ポンプを採用して真空にする場合は減圧モード。ブースターポンプを採用した場合は、圧力を増加させるモードである。そのため、広い温度領域で連続的な温度制御を行うことができる。使用される比例圧力調整器は 1 つの空気入口（大気圧）と来ます。真空ポンプと組み合わせて、それは効果的に一定の圧力でトップ圧を制御しながら、低温媒体の非有効な散逸の多量を回避することができます。
また、ここでの過給方法は、低温の媒体に電気ヒーターを加えることで到達することも可能です。

4. その他の作業内容
上記3つの制御モードの実施に際しては、特に以下の内容に留意する必要がある。
(1) 真空計の選定 真空計は、上部の空気の圧力変化を測定するセンサーです。クライオスタットの温度制御の安定性を決定する重要な要素ですので、必ず高精度な真空計を選定してください。現在、高精度な真空計は静電容量方式のフィルムゲージが一般的で、全体の精度は0.2%となっています。前述のように、4K前後の液体水素の定温制御プロセスでは、気圧変動が100Paを超えないこと、±50Paであることが要求される。100kPaの空気圧制御に対応するのであれば、真空計の精度は±0.05%以上必要である。また、温度変動が1mK以下の定温制御では、より高精度の真空計が必要であることがわかる。
(2) PIDコントローラの選択 定温制御の過程で、PIDコントローラは真空計の測定値をA/D変換器で収集し、演算後D/A変換器でアクチュエータ(電動ニードルバルブ、圧力調整器、加熱電源など)に制御信号を送ります。).このため、真空計の高精度な制御精度を十分に生かし、電子空圧式流量制御弁で制御するためには、A/D、D/Aコンバータの精度は高いほどよく、少なくとも16ビット、24ビットの高精度PIDコントローラを強く推奨する。
(3) ボルテージレギュレータの配置 ボルテージレギュレータは、真空圧センサ、コントローラ、バルブを一体化した圧力制御装置であるが、真空圧センサの精度は薄膜コンデンサよりはるかに低く、またコントローラの精度も比較的低い。そのため、ボルテージレギュレーターを使用する場合は、外部制御モード、つまり制御センサーとして薄膜コンデンサを使用する方法を選択する必要があります。
また、レギュレーター内のコントローラーのA/D、D/Aコンバーターは低精度であることに注意が必要です。従って、高精度・高安定なトップエアーの制御には、専用の高精度電圧レギュレーターを使用しない限り、圧力制御モードは推奨されません。