IT202100003458A1

IT202100003458A1 - Sistema e metodo per la riduzione delle vibrazioni nei sistemi ad oscillazione di pressione

Info

Publication number: IT202100003458A1
Application number: IT102021000003458A
Authority: IT
Inventors: Antonio D'addabbo
Original assignee: Gran Sasso Science Inst; Istituto Naz Fisica Nucleare
Priority date: 2021-02-16
Filing date: 2021-02-16
Publication date: 2022-08-16
Also published as: WO2022175809A1

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

?SISTEMA E METODO PER LA RIDUZIONE DELLE VIBRAZIONI NEI SISTEMI AD OSCILLAZIONE DI PRESSIONE?

Campo tecnico

La presente invenzione si riferisce al campo dei sistemi che producono vibrazioni, come per esempio i sistemi criogenici, ovvero i crio-refrigeratori, che comprendono mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (es.: valvole rotanti o pistoni o dislocatori), ed in particolare si riferisce ai crio-refrigeratori senza liquidi criogenici, detti anche ?cryogen-free? o ?dry?, a ciclo chiuso. Pi? specificatamente la presente invenzione riguarda un dispositivo ed un metodo per stabilizzare e sopprimere il rumore vibrazionale indotto dall?azionamento contemporaneo di almeno due dei suddetti mezzi che producono oscillazioni di pressione, come per esempio, le valvole rotanti presenti nei crio-refrigeratori a tubo pulsato (PTC) di tipo Gifford-McMahon, per applicazioni che necessitano di operare in ambienti criogenici ad alto potere refrigerante e basse vibrazioni.

Background

Come noto, le tecnologie che utilizzano i sistemi a valvole rotanti o a pistoni o a dislocatori, sono largamente utilizzate in svariati campi dell?industria e della ricerca scientifica. Un esempio ne sono i sistemi criogenici basati sull?utilizzo delle macchine criorefrigeratrici a ciclo chiuso, che utilizzano l?espansione di un fluido, tipicamente elio gassoso, per generare potere frigorifero. Queste macchine criorefrigeratrici trovano particolare applicazione in tutti quei campi, scientifici ed industriali, in cui ? richiesto di raggiungere una temperatura inferiore ai 100-120 K disponendo di un elevato potere refrigerante e/o di un basso livello di vibrazioni. Per esempio, nel campo dei computer quantistici, ovvero calcolatori che sfruttano le leggi della fisica e della meccanica quantistica, il cui funzionamento richiede temperature molto basse, vicino allo zero assoluto (circa -273? C), ? necessario predisporre di ambienti a bassa temperatura, alto potere frigorifero e basse vibrazioni. Perci? i computer quantistici utilizzano spesso una serie di criorefrigeratori a tubo pulsato o ?Pulse Tube Cryocoolers? (PTC) come dispositivi di pre-raffreddamento o ?precooler? integrati in sistemi criogenici multistadio, tipicamente criostati cosiddetti a diluizione, cio? dispositivi criogenici che raggiungono temperature al di sotto di frazioni di grado kelvin, in maniera continua.

Rispetto agli altri criorefrigeratori a ciclo chiuso, grazie all?assenza di parti in movimento a bassa temperatura, i PTC hanno il vantaggio di fornire un livello di vibrazioni pi? basso, a scapito di un pi? modesto potere refrigerante. Per questo motivo ? pratica comune equipaggiare lo stesso sistema criogenico con pi? di un PTC quando si vuole disporre di un alto potere refrigerante senza rinunciare ad un basso livello di vibrazioni.

Oltre ai computer quantistici esistono numerose altre applicazioni industriali in cui i PTC, e pi? in generale i criorefrigeratori a ciclo chiuso, sono largamente utilizzati, come ad esempio:

? ?precooler? per criostati a diluizione;

? refrigeratori per impianti di liquefazione di gas o composti di gas (azoto, elio, aria, ecc.);

? pompe criogeniche, ovvero criopompe a cattura di gas in cui le sostanze gassose si legano alle superfici fredde all'interno della pompa e che vengono utilizzate per produrre alto vuoto nelle camere utilizzate, ad esempio, per la fabbricazione di prodotti a semiconduttore;

? applicazioni militari come il raffreddamento dei sensori a infrarossi, le cui termocamere vengono raffreddate per ridurre il rumore termico;

? magnetometri SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices), ovvero dispositivi superconduttori a interferenza quantistica, che sono strumenti estremamente sensibili, usati per misurare campi magnetici molto flebili, nelle applicazioni sanitarie e mediche.

I criorefrigeratori a ciclo chiuso sono inoltre particolarmente utili nei telescopi spaziali, come il James Webb Space Telescope, che raggiunger? l?osservatorio spaziale Hubble nello spazio e dove non sar? possibile rifornire i criogeni man mano che si esauriscono, o nelle esplorazioni spaziali, come per esempio nelle future missioni su Marte, in cui potrebbero essere utilizzati per liquefare l'ossigeno sulla superficie del pianeta.

Infine, si possono elencare numerosi altri usi deicriorefrigeratori a ciclo chiuso, ed in particolare dei PTC, in ambito scientifico, tra cui:

? la Microscopia ad effetto tunnel;

? i sistemi di ottica a freddo;

? gli esperimenti di fisica di bassa energia e di eventi rari, come, per esempio, l?esperimento CUORE (Cryogenic Undregroung Observatory for Rare Events) attualmente in funzione presso la sede sotterranea dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso;

? gli acceleratori di particelle e le strutture per la fisica delle alte energie (CERN, ecc.);

? la interferometria per la ricerca di onde gravitazionali (per es., KAGRA, Einstein Telescope);

? i rivelatori astronomici (per es., il telescopio cosmologico di Atacama, l?esperimento Qubic).

In tutte queste applicazioni ? richiesto un alto potere refrigerante e un basso livello di vibrazioni.

A titolo esemplificativo, nella presente invenzione si fa riferimento ai sistemi criogenici che contengono almeno due criorefrigeratori a tubo pulsato (PTC) di tipo Gifford-McMahon (GM-type). Tuttavia, la presente invenzione non ? limitata ai soli PTC GM-type, ma ? applicabile anche a PTC di tipo diverso (ad esempio PTC Stiling-type), a macchine Stirling, ed a refrigeratori di tipo Gifford McMahon. Pi? in generale la seguente invenzione non ? limitata ai soli sistemi criogenici, ma si riferisce in generale a tutti quei sistemi che producono vibrazioni e che comprendono mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione, come per es. le valvole rotanti, i pistoni, i dislocatori, che vengono azionati in maniera simultanea.

I maggiori responsabili della produzione di vibrazioni all?interno dei sistemi criogenici che utilizzano, per esempio, i PTC GM-type, e in generale all?interno di tutti i sistemi che utilizzano pi? mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione in maniera simultanea, sono i motori che azionano i suddetti mezzi. Per esempio, in un sistema criogenico equipaggiato con pi? di un PTC GM-type, ogni singola valvola rotante appartenente a ciascun PTC viene azionata singolarmente ed indipendentemente dalle altre. Di conseguenza ogni PTC lavora ad una propria frequenza di operazione definita attorno ad un valore caratteristico (tipicamente attorno a qualche Hz), a meno della precisione definita dal dispositivo di azionamento utilizzato. Quando un certo numero di PTC viene azionato simultaneamente e in maniera non sincronizzata, si producono nel sistema criogenico delle vibrazioni forzate di diversa e vicina frequenza, per effetto dello sfasamento delle forzanti, che sovrapponendosi danno origine a battimenti all?interno del sistema. A causa di ci?, lo spettro di potenza del rumore del sistema conterr? componenti di ampiezza variabile nel tempo, che rendono inevitabilmente poco efficaci le operazioni di filtraggio e di estrazione del segnale. Inoltre, tra tutte le possibili configurazioni di sfasamento tra i diversi PTC installati nel sistema, ne esister? almeno una che ottimizza determinate variabili/parametri del sistema, come il livello di vibrazioni ed il potere frigorifero.

In generale esistono diversi approcci per mitigare il problema delle vibrazioni nei sistemi a bassa temperatura. Fondamentalmente possono essere raggruppati in due categorie, sia a temperatura ambiente che a temperatura criogenica:

? contromisure passive, comprendenti ammortizzatori, disaccoppiatori, soffietti, sistemi a molle, azionamenti remoti delle valvole rotanti dei PTC, comandi a distanza dei PTC;

? contromisure attive, comprendenti ammortizzatori elettronici o attuatori.

Per esempio, nel brevetto americano US 10,162,023 B2, appartenente alla Oxford Instruments, viene presentato un apparato per la riduzione del rumore in un refrigeratore a tubo pulsato, che trova particolare applicazione nei sistemi di risonanza magnetica per immagini. L?apparato consiste in una camera di dispersione in cui le onde di pressione provenienti dal PTC vengono dirette e suddivise. L?apparato agisce sulle onde di pressione provocate da un singolo PTC e le disperde grazie alla sua specifica architettura, ma non ? utilizzabile nel caso in cui le vibrazioni siano generate dal moto di pi? parti meccaniche in conflitto, come per esempio un sistema costituito da pi? di un PTC.

Per esempio, nel brevetto US 8,639,388 B2 appartenente alla Raytheon Company, viene presentato un sistema per il "Controllo di fase adattivo per la cancellazione attiva delle vibrazioni del crio-refrigeratore", che applica una forza di annullamento (tramite un attuatore) alle vibrazioni del PTC e un sensore per regolare le oscillazioni in modo che siano fuori fase e interferiscano in modo distruttivo. In questo sistema vengono utilizzate le vibrazioni generate dalle onde di pressione provenienti da un singolo PTC, vibrazioni che interferiscono in modo distruttivo con quelle prodotte da un attuatore meccanico, ma anche in questo caso, non viene utilizzato un secondo PTC per l'interferenza.

In definitiva, le soluzioni sinora adottate per affrontare il problema delle vibrazioni nei criorefrigeratori ?cryogen-free? sono basate essenzialmente sulla modifica dell??hardware? dell'architettura del PTC o dell?infrastruttura criogenica, ma hanno lo svantaggio di ridurre la potenza di raffreddamento prodotta e/o di aumentare la complessit? del sistema. Oltre a risultare parecchio invasive, la maggior parte delle soluzioni esistenti agiscono inoltre come mere contromisure passive. Infine, nessuna delle contromisure note agisce su sistemi operanti due o pi? criorefrigeratori simultaneamente.

Risulta, pertanto, necessario lo sviluppo di un dispositivo e di un metodo che consentano la sostanziale riduzione del livello di vibrazione nei sistemi comprendenti pi? mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione azionabili in maniera simultanea, come per esempio i sistemi criogenici comprendenti almeno due crio-refrigeratori PTC, senza dover ricorrere a modifiche sostanziali dell?infrastruttura del crio-refrigeratore, o introdurre ulteriori componenti termodinamiche e/o meccaniche all?interno del sistema criogenico stesso.

Sommario

Oggetto della presente invenzione ? un metodo ed un dispositivo per la sincronizzazione dei motori che azionano i mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (per esempio le valvole rotanti, i pistoni o i dislocatori) all?interno di un sistema che comprende almeno due di detti mezzi identici o una combinazione di essi.

Secondo una forma di realizzazione del metodo rivendicato, viene fornito un unico dispositivo configurato per sincronizzare l?operazione dei motori che azionano detti mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione, contenuti all?interno di detto sistema, detti motori venendo operati tutti esattamente alla stessa frequenza.

Secondo una forma di realizzazione, detto dispositivo o ?drive? di azionamento motore, ? un convertitore di potenza unico, progettato su misura ed ottimizzato per controllare l?azionamento dei motori che azionano detti mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione, in un sistema comprendente almeno due di detti mezzi, in maniera sincronizzata e coordinata.

Secondo una particolare forma di realizzazione, detto sistema ? un sistema criogenico formato da almeno due criorefrigeratori di tipo Stirling, e detti mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione sono coppie pistoni/dislocatori, ciascuna coppia essendo associata al proprio crio-refrigeratore Stirling.

Secondo una diversa forma di realizzazione, detto sistema ? un sistema criogenico formato da almeno due criorefrigeratori di tipo Gifford-Mc Mahon (GM), e detti mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione sono coppie valvole rotanti/dislocatori, ciascuna coppia essendo associata ad un compressore incluso nel proprio criorefrigeratore GM.

Secondo un?altra forma di realizzazione, detto sistema ? un sistema criogenico formato da almeno due criorefrigeratori a tubo pulsato di tipo Stirling (PTC Styrlingtype), e detti mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione sono pistoni, ciascun pistone essendo associato al proprio crio-refrigeratore PTC Styrling-type.

Secondo un?ulteriore forma di realizzazione, detto sistema ? un sistema criogenico formato da almeno due criorefrigeratori a tubo pulsato di tipo Gifford-McMahon (PTC GM-type), e detti mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione sono valvole rotanti, ciascuna coppia essendo associata ad un compressore incluso nel proprio PTC GM-type.

Secondo una forma di realizzazione preferita, il metodo rivendicato consente di ridurre il livello di rumore vibrazionale, prodotto all?interno di un sistema criogenico, comprendente almeno due crio-refrigeratori PTC GM-type, dalla sovrapposizione delle frequenze di operazione di ciascuno di detti almeno due crio-refrigeratori PTC GM-type, mediante la sincronizzazione dell?operazione dei motori che azionano le valvole rotanti di detti almeno due criorefrigeratori PTC. Il movimento di ogni valvola rotante di ciascun PTC origina delle oscillazioni di pressione che sono alla base sia del potere frigorifero del PTC che della generazione del suo rumore caratteristico.

Secondo una forma di realizzazione il metodo proposto utilizza un singolo dispositivo o ?drive? di azionamento motori, detto dispositivo essendo un convertitore di potenza per azionare tutte le valvole rotanti ? ognuna contenuta all?interno di ciascun PTC - contemporaneamente e sulla base di un segnale di sincronizzazione comune. Il dispositivo proposto ?, inoltre, in grado di ridurre il livello di rumore vibrazionale, gestendo il movimento relativo di ciascuna valvola rotante e facendole ruotare simultaneamente alla stessa frequenza. Secondo un?ulteriore forma di realizzazione il metodo rivendicato utilizza il rumore caratteristico prodotto da ciascuno dei singoli almeno due PTC GM-type per creare interferenze distruttive, sfruttando la sovrapposizione coerente delle vibrazioni meccaniche generate dalle onde di pressione al fine di ottenere la cancellazione del rumore. Secondo un?ulteriore forma di realizzazione, il metodo rivendicato utilizza la frequenza di lavoro caratteristica di ciascuno dei singoli almeno due PTC GM-type per sfruttare la sovrapposizione coerente delle oscillazioni al fine di ottenere la massimizzazione del potere frigorifero del sistema.

Un precedente progetto del cliente denominato "Active Pulse Tube Noise Cancellation" (APTNC), ha fornito una prima convalidazione dell'efficacia della tecnica di cancellazione del rumore sia nella fisica sperimentale (D?Addabbo et al., ?An active noise cancellation technique for the CUORE Pulse Tube Cryocoolers?, Cryogenics, 93:56?65, May 2018; V. Domp? et al.; ?The CUORE Pulse Tube Noise Cancellation Technique?; J. Low Temp. Phys., https://doi.org/10.1007/s10909-020-02435-0, Mar 2020) che negli ambienti industriali di pertinenza, tramite lo sviluppo di un software che guida due o pi? ?drive? di azionamento motore lineari di tipo commerciale. I due articoli citati riguardano i risultati ottenuti applicando la tecnica di cancellazione attiva del rumore nell?esperimento CUORE, che usa un criostato che opera fino a cinque GM-type PTC contemporaneamente.

La metodologia oggetto della presente invenzione, pur avendo come tramite la medesima tecnica, presenta tre elementi di innovazione rispetto al precedente progetto APTNC:

1. l?utilizzo di un singolo dispositivo (o ?drive?) di azionamento motore per l'intero sistema criogenico, al posto di un ?drive? per ciascun crio-refrigeratore PTC o similari; 2. lo sviluppo di un dispositivo, progettato su misura ed ottimizzato per le operazioni dei mezzi responsabili delle oscillazioni di pressione (come le valvole rotanti, pistoni e dislocatori) dei crio-refrigeratori PTC o similari, anzich? l'utilizzo di ?drive? lineari commerciali fabbricati per scopi diversi;

3. l?implementazione di un metodo basato sulla sincronizzazione delle operazioni dei mezzi responsabili delle oscillazioni di pressione (come le valvole rotanti, pistoni e dislocatori) mediante un segnale di sincronizzazione comune, anzich? l'utilizzo di metodi basati sulla regolazione continua delle velocit? di detti mezzi (come implementato nel progetto APTNC e nell?esperimento CUORE).

La tecnologia oggetto della presente invenzione rappresenta un ulteriore passo in avanti rispetto alle tecnologie precedenti. Infatti, l?utilizzo di ?drive? lineari commerciali a basso rumore per azionare detti mezzi (come ad esempio le valvole rotanti dei PTC GM-type) ? gi? noto in campo industriale, ma tale utilizzo ? limitato nel rapporto 1:1 (ovvero un ?drive? lineare per l?azionamento di un singolo mezzo per la produzione di oscillazioni di pressione) ed al solo fine di ridurre passivamente il rumore di tipo elettromagnetico e le interferenze a radiofrequenza generati dall?azionamento dello stesso e dall?ambiente di operazione. A titolo esemplificativo, l?utilizzo di detti ?drive? lineari a basso rumore ? stato adottato per l?azionamento delle valvole rotanti installate sui cinque PTC GM-type fabbricati dall?azienda Cryomech ed installati nell?esperimento CUORE.

A maggior vantaggio, detto dispositivo ? compatibile con PTC GM-type prodotti da diverse aziende, quali per esempio la gi? citata Cryomech, o l?azienda Sumitomo, che producono PTC GM-type dotate di valvole rotanti con differenti tipologie di azionamento motore. Inoltre, il dispositivo fornito dalla presente invenzione ? compatibile ed integrabile con tutte le tipologie di crio-refrigeratori ?cryogen-free? a ciclo chiuso presenti sul mercato, ed ? infine retro-compatibile con crio-refrigeratori ?cryogenfree? gi? in funzione, potendo essere aggiunto, e reso operativo, successivamente alla messa in opera del sistema.

Il dispositivo oggetto della presente invenzione ? dotato di un software di gestione che interfaccia l?utente del sistema. Secondo una forma preferita di realizzazione detto software ? dotato di interfaccia grafica e di una serie di algoritmi, mediante l?implementazione dei quali ? ottenibile la cancellazione attiva del rumore in un sistema comprendente un numero di PCT GM-type pari almeno a due unit?.

Secondo una diversa forma di realizzazione, detto software permette di utilizzare una serie di algoritmi per ottenere la massimizzazione del potere refrigerante del sistema comprendente un numero di PCT GM-type pari almeno a due unit?.

Secondo un?ulteriore forma di realizzazione, detto software ? implementabile anche in sistemi comprendenti un numero di PTC GM-type compresi tra due e quattro unit?.

Secondo un?ulteriore forma di realizzazione, detto software ? implementabile in sistemi comprendenti un numero di crio-refrigeratori ?cryogen-free? a ciclo chiuso (comprendenti i PTC) maggiore o uguale a due unit?.

Breve Descrizione delle figure

- Fig.1. Schema di funzionamento di un crio-refrigeratore a ciclo chiuso secondo l?arte nota.

- Fig.2. Rappresentazione schematica di un dispositivo per il controllo dei motori che azionano N?2 valvole rotanti all?interno di un sistema criogenico costituito da N?2 criorefrigeratori a tubo pulsato (PTC) secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.

- Fig.3. Schema a blocchi di un dispositivo progettato per controllare i motori che azionano N?2 valvole rotanti di un sistema criogenico secondo la presente invenzione.

Descrizione dettagliata

Viene descritto di seguito un metodo ed un dispositivo per il controllo dei motori che azionano i mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (come per es: le valvole rotanti, i pistoni, i dislocatori) all?interno di un sistema comprendente almeno due di detti mezzi.

In particolare, il metodo proposto risulta particolarmente efficace per la riduzione del rumore vibrazionale meccanico e/o per la massimizzazione del potere frigorifero generato all?interno di un sistema criogenico costituito da almeno due crio-refrigeratori a ciclo chiuso, ciascuno di detti crio-refrigeratori equipaggiato con almeno uno dei detti mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione, e applicabile in tutti quegli ambienti in cui ? richiesto un alto vuoto e/o potere frigorifero e un basso livello vibrazionale.

Per produrre le oscillazioni di pressione possono essere usati alternativamente combinazioni di compressori e/o pistoni/dislocatori che lavorano ad alta frequenza (tipicamente 25-400 Hz), o combinazioni di compressori e valvole rotanti/dislocatori che lavorano a frequenza pi? bassa (tipicamente 0.5-5 Hz).

Per esempio, nei crio-refrigeratori Stirling (Fig.1A), le oscillazioni di pressione sono generate dal movimento di uno o pi? pistoni (10A) direttamente connessi con una camera (11A), coordinato con il movimento di un dislocatore (12A) disposto al suo interno, e controllato da un motore (non mostrato in figura).

In un altro esempio, nei crio-refrigeratori di tipo Gifford-McMahon (Fig.1B), le oscillazioni di pressione sono generate da un compressore (13B) associato ad una valvola rotante (14B) direttamente connessa con una camera (11B), coordinata con il movimento di un dislocatore (12B) disposto al suo interno, e controllata da un motore (non mostrato in figura).

I crio-refrigeratori a tubo pulsato o ?Pulse Tube Cryocooler? (PTC) agiscono in modo del tutto analogo ai precedenti, con la differenza che il ruolo del dislocatore (12 A, 12B) ? giocato dal gas stesso che si muove avanti e indietro nel cosiddetto ?tubo pulsato?.

Quindi ad esempio, nei crio-refrigeratori a Pulse Tube di tipo Stirling (Stirling-type PTC), Fig.1C, le oscillazioni di pressione sono generate dal movimento di uno o pi? pistoni(10C) direttamente connessi con il tubo pulsato (15C) e controllati da un motore.

Mentre ad esempio, nei crio-refrigeratori a Pulse Tube di tipo Gifford-McMahon (GM-type PTC), Fig.1D, le oscillazioni di pressione sono generate da un compressore (13D) associato ad una valvola rotante (14D) direttamente connessa con il tubo pulsato (15D) e controllata da un motore.

Come detto, il metodo proposto pu? essere applicato ad uno qualsiasi delle tipologie di crio-refrigeratori a ciclo chiuso tra quelli elencati, finalizzato alla riduzione del rumore vibrazionale e/o alla massimizzazione del potere frigorifero.

Il metodo proposto risulta particolarmente efficace per la riduzione del rumore vibrazionale meccanico creato all?interno di un sistema criogenico costituito da almeno due crio-refrigeratori a tubo pulsato (PCT) di tipo GM (PTC GM-type) a ciclo chiuso.

Un crio-refrigeratore a tubo pulsato, o Pulse Tube cryocooler (PTC), ? una macchina a fluido per la produzione del freddo, in particolare di temperature criogeniche inferiori a ~120 K, la cui potenza di raffreddamento ? fornita mediante cicli di espansione/compressione del fluido in esso evolvente, di norma elio pressurizzato a poche decine di bar, ottenuti mediante un generatore di oscillazioni di pressione ad alta frequenza (come in un refrigeratore ?Stirling? (Fig.1C), ad esempio tramite un pistone di espansione/compressione) oppure mediante un compressore a pi? bassa frequenza associato a una valvola rotante (come ad esempio in un refrigeratore ?Gifford-McMahon, Fig,1D). Per questo motivo i PTC del primo tipo vengono anche detti ?Stirling-type? PTC, mentre quelli del secondo tipo sono anche chiamati ?GM-type? PTC.

L'effetto di raffreddamento si basa su una variazione periodica della pressione all'interno di uno o pi? tubi a parete sottile (15C, 15D) con scambiatori di calore (17C, 17D, 18C, 18D) ad entrambe le estremit? e connessi ad un rigeneratore (16C, 16D) di grande capacit? termica.

Come mostrato in Fig.1C e Fig.1D, il sottile tubo cilindrico vuoto (15C, 15D), o tubo pulsato, ? interposto tra lo ?scambiatore caldo? (17C, 17D), che cede all?esterno il calore accumulato durante il ciclo, e lo scambiatore ?freddo (18C, 18D), posto a contatto con il corpo da refrigerare, ed ? connesso con materiale rigeneratore (16C, 16D), come maglie o granuli di metallo (ad esempio acciaio inossidabile, bronzo, ottone, rame, piombo o terre rare). Ad esempio, nei PTC GM-type (Fig.1D) i cicli di pressione sono generati da una valvola rotante (14D) posizionata all'interno della testa motore a temperatura ambiente del PTC. Detta valvola rotante effettua tipicamente tra 0.5 e 5 giri al secondo e collega alternativamente il PTC al lato ad alta e bassa pressione di un compressore (13D). Ci? si traduce in onde di pressione con una frequenza che dipende dal modello del PTC utilizzato.

Le variazioni dei parametri termodinamici del gas forniscono la potenza di raffreddamento (o potere frigorifero), ma sono anche fonte di rumore meccanico alla frequenza della valvola rotante e delle sue armoniche.

Le valvole rotanti in uso nei moderni PTC sono azionate da dei motori i quali possono richiedere diverse tipologie di alimentazione, a seconda del modello scelto.

Secondo una forma di realizzazione dell?invenzione, come mostrato in Fig.2, il metodo rivendicato fornisce un dispositivo (20) che permette di sincronizzare il movimento di rotazione di due o pi? valvole rotanti (21), ciascuna al servizio di un differente PTC GM-type, in modo tale che lavorino ad una frequenza esattamente identica.

Il dispositivo (20) fornito secondo l?invenzione, o ?drive? di azionamento motore, agisce sull?intero sistema ed ? progettato per adattarsi a diversi sistemi comprendenti almeno due mezzi per la generazione di oscillazioni di pressione, disposti in due diverse macchine tra loro indipendenti (come ad esempio due valvole rotanti, o due pistoni, o due coppie di valvole/dislocatori, o due coppie di valvole/pistoni, in un sistema composto da due criorefrigeratori a ciclo chiuso); per esempio, pu? essere utilizzato in un sistema criogenico (200) composto da due o pi? crio-refrigeratori PTC GM-type, per controllare simultaneamente i motori che azionano le valvole rotanti (21) contenute in ciascuno dei PTC (un valvola rotante per ogni PTC). Il dispositivo ? personalizzabile a seconda del sistema in cui deve operare e pu? essere realizzato su misura in base, per esempio, al modello di criorefrigeratori PTC che deve azionare. A titolo esemplificativo, nel caso dei crio-refrigeratori PTC GM-type commercializzati da una delle aziende leader nel settore, i motori che azionano le valvole rotanti sono motori passo-passo alimentati con una coppia di onde quadre, tra loro in quadratura di fase, di ampiezza fissata e di frequenza proporzionale alla frequenza di rotazione della valvola.

Sempre a titolo esemplificativo, nel caso di criorefrigeratori PTC GM-type commercializzati da un?altra azienda, i motori che azionano le valvole rotanti sono motori sincroni o asincroni alimentati con una terna di onde sinusoidali, sfasate tra loro di un angolo di 120?, di ampiezza fissata e di frequenza proporzionale alla frequenza di rotazione della valvola.

Normalmente in un sistema criogenico ogni valvola rotante ? azionata dal proprio motore. In un sistema criogenico costituito da due o pi? PTC, ogni valvola rotante viene azionata mediante un motore alimentato con un insieme di forme d?onda, in numero, forma, ampiezza e frequenza tipiche del modello di PTC in uso. La differenza di frequenza di operazione di diversi gruppi di forme d?onda, ciascuno azionante una valvola rotante indipendente e appartenente ad un PTC indipendente, genera uno sfasamento progressivo tra le frequenze di operazione dei diversi PTC. Tale sfasamento ? all?origine delle vibrazioni forzate di diversa e vicina frequenza che sono alla base della generazione dei battimenti e dunque del rumore mutevole del sistema.

Secondo una forma di realizzazione del metodo rivendicato ognuno dei motori coinvolti nell?apparato criogenico viene alimentato con un insieme (ad esempio con una coppia o con una terna) di forme d?onda della medesima origine e della medesima frequenza, che mantengano dunque invariata nel tempo la loro reciproca differenza di fase. La frequenza di ognuna delle coppie o delle terne di forme d?onda ? modificabile indipendentemente dalle altre, al fine di trovare la configurazione di fase reciproca tra le oscillazioni di pressione generate dai diversi criorefrigeratori coinvolti nel sistema, che minimizzi il rumore del sistema ed/oppure che massimizzi il potere frigorifero del sistema. Secondo una forma di realizzazione preferita, come mostrato in Fig.2, il dispositivo (20) fornito secondo il metodo rivendicato ? configurato per gestire una pluralit? di valvole rotanti (21) e comprende una pluralit? di schede elettroniche, ciascuna scheda elettronica essendo associata con una o pi? diverse valvole rotanti (21); una prima scheda elettronica di detta pluralit? di schede agisce come ?master?, mentre le restanti schede elettroniche agiscono come ?slave?, avente ciascuna il proprio azionamento. La suddetta prima scheda elettronica, agente come ?master?, gestisce le operazioni di dette schede ?slaves? tramite un microcontrollore la cui sequenza di istruzioni viene programmata con un software integrato, o ?firmware? di basso livello, che opera a pi? alta frequenza rispetto al movimento delle valvole. La suddetta prima scheda elettronica, agente come ?master?, fornisce anche il segnale di sincronizzazione per dette schede ?slaves?.

Secondo una forma di realizzazione del dispositivo fornito con la presente invenzione (Fig.3), l?architettura hardware (300) di detto dispositivo (20) comprende un convertitore di potenza (30), la cui diagnostica e controllo sono gestite anch?esse dallo stesso ?firmware?. Detto convertitore di potenza (30) include una o pi? schede di potenza (32), o ?Power Board?, responsabili della trasformazione elettrica della forma d?onda in arrivo dalla rete (33), e da una o pi? schede di controllo (34), o ?Control Board?, che gestiscono una rete di condizionamento di switches (35) facente parte della ?Power Board? (32) ed asservita alla stessa. Secondo una forma di realizzazione, detta scheda ?master? (34A), tramite un microcontrollore (35A) si occupa anche della gestione delle periferiche e dei protocolli di comunicazione e dell?interfaccia con il mondo esterno. Secondo una ulteriore forma di realizzazione, un secondo microcontrollore (35B) si occupa della gestione delle periferiche e dei protocolli di comunicazione e dell?interfaccia con il mondo esterno tramite un secondo ?firmware? di pi? alto livello. In particolare, detta interfaccia ? predisposta per ricevere comandi da un software (36) per il controllo e la gestione dell?interfaccia utente ed inviare letture a detto software (36), di cui la scrivente possiede tutti i diritti, secondo un protocollo di comunicazione, che viene definito in base alle necessit? di prestazione e velocit? del dispositivo.

Secondo una forma di realizzazione di detto software (36), l?interfaccia ? predisposta per la comunicazione con un numero di sensori di pressione (37) pari al numero di criorefrigeratori coinvolti nel sistema, ciascuno installato in comunicazione con la camera in cui si producono le oscillazioni di pressione alla base della generazione del potere frigorifero e del rumore caratteristico.

Secondo una forma di realizzazione di detto software (36), l?interfaccia ? predisposta per la comunicazione con un numero di sensori di vibrazioni (37) (ad esempio accelerometri, geofoni, ecc.) pari al numero di assi geometrici (cartesiani) coinvolti nel sistema, ciascuno installato in contatto meccanico diretto con la camera nella quale si vuole minimizzare il rumore caratteristico.

Secondo una forma di realizzazione di detto software (36), l?interfaccia ? predisposta per la comunicazione con un numero qualsiasi di sensori di temperatura (37), installati in contatto termico diretto con la camera nella quale si vuole massimizzare il potere frigorifero.

Secondo una forma di realizzazione di detto software, l?interfaccia ? predisposta per la comunicazione con il/i firmware del dispositivo al fine di modificare la fase relativa tra i mezzi responsabili della generazione delle oscillazioni di pressione (38) appartenenti a criorefrigeratori diversi ma installati sullo stesso sistema. La configurazione di fase scelta ? identificata tramite un indicizzatore integrato nel dispositivo, ed ? associabile ad una configurazione di fase reale del sistema tramite le letture fornite dai sensori di pressione. Grazie ad un algoritmo del software ? possibile mappare l?intero spazio delle possibili configurazioni di fase, e predisporre delle letture di rumore ed/oppure di temperatura da associare ad ogni specifica configurazione. In questo modo ? possibile individuare, identificare, selezionare e conservare nel tempo la specifica configurazione di fase che minimizzi il rumore o che massimizzi il potere refrigerante.

Secondo la forma di realizzazione preferita dell?invenzione, il software per il controllo e la gestione dell?interfaccia utente (36), come di tutte le operazioni necessarie alla minimizzazione del rumore ed/oppure alla massimizzazione del potere frigorifero, ? configurato per un sistema criogenico composto da almeno due PTC. Secondo un?altra forma di realizzazione detto software (36) ? configurato per operare con un sistema criogenico composto da un numero di PTC compresi tra due e quattro unit?. Secondo un?ulteriore forma di realizzazione detto software (36) ? configurato per operare con un sistema criogenico composto da un numero di criorefrigeratori maggiore o uguale a due unit?.

Risulta infine chiaro che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall?ambito di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

In particolare, si ribadisce che i mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (38) possono essere non solo valvole rotanti, ma anche pistoni, dislocatori, o qualunque altro mezzo azionato da un motore controllabile dal dispositivo proposto, secondo il metodo proposto. Inoltre si sottolinea nuovamente che il numero di valvole rotanti (o di una qualunque altra tipologia di mezzo per la produzione di oscillazioni di pressione) che pu? essere gestito tramite il metodo proposto pu? variare rispetto a quanto illustrato in precedenza, e il suddetto metodo pu? essere applicato per il controllo dei motori che azionano detti mezzi in un sistema avente anche finalit? diverse da quelle illustrate nella presente descrizione, ma che sia composto da un numero di detti mezzi almeno uguale a due.

Claims

RIVENDICAZIONI

1. Dispositivo (20, 300) per il controllo dei motori che azionano i mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (38) in un sistema che produce vibrazioni, detto sistema comprendente almeno due mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (38), detto dispositivo essendo un ?drive? per azionamento motore (300), progettato su misura e ottimizzato per azionare in maniera sincronizzata detti motori che azionano detti almeno due mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (38).

2. Dispositivo (20, 300) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere:

- una prima scheda elettronica (34A) agente come ?master? ed almeno una seconda scheda elettronica (34B) agente come ?slave?, detta prima scheda elettronica (34A) essendo configurata per gestire e coordinare le operazioni di detta prima e detta almeno una seconda scheda elettronica (34A, 34B), detta prima e detta almeno una seconda scheda elettronica (34A, 34B) essendo associate con detti almeno due mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (38);

- un software di gestione e di interfaccia utente (36) per il controllo e la gestione di tutte le operazioni volte alla sincronizzazione delle operazioni di detti almeno due mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (38);

- un?interfaccia configurata per ricevere comandi dal software di gestione (36) ed inviare letture al software di gestione (36) secondo un protocollo di comunicazione commisurato alle necessit? di prestazione e velocit? di detto dispositivo.

3. Dispositivo (20, 300) secondo la rivendicazione 2, in cui detta prima scheda elettronica (34A) fornisce il segnale di sincronizzazione tramite almeno un microcontrollore (35A) programmato mediante un ?firmware? configurato per eseguire attivit? di basso livello, detto microcontrollore (35A) operante a frequenza pi? alta rispetto ai segnali per azionamento motore forniti da detto dispositivo (20, 300) a detti almeno due mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (38).

4. Dispositivo (20, 300) secondo la rivendicazione 1, in cui detto sistema che produce vibrazioni ? un sistema criogenico (200) formato da almeno due crio-refrigeratori, detti almeno due crio-refrigeratori comprendenti almeno due mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (38), detti mezzi (38) comprendenti valvole rotanti (14B, 14D), pistoni (10A, 10C), dislocatori (12A, 12B) o combinazioni di questi.

5. Dispositivo (20, 300) secondo la rivendicazione 4 caratterizzato dal fatto di essere compatibile ed integrabile, con tutte le tipologie di crio-refrigeratori, dette tipologie comprendenti crio-refrigeratori a ciclo chiuso di tipo Stirling, di tipo Gifford Mc-Mahon e di tipo a tubo pulsato (PTC).

6. Metodo per la sincronizzazione dei motori che azionano i mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (38) nei sistemi comprendenti almeno due di detti mezzi (38), caratterizzato dal fatto di fornire un dispositivo o ?drive? di azionamento motore (20, 300) progettato su misura e ottimizzato per sincronizzare l?azionamento dei motori che azionano detti almeno due mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (38).

7. Metodo secondo la rivendicazione 6, in cui detto dispositivo (20, 300) ? un convertitore di potenza (30) configurato per azionare detti almeno due mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (38) contemporaneamente mediante l?emissione di un segnale di sincronizzazione comune.

8. Metodo secondo la rivendicazione 6 in cui detto sistema che produce vibrazioni ? un sistema criogenico (200) formato da almeno due crio-refrigeratori, detti almeno due criorefrigeratori comprendenti almeno due mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (38), detti mezzi (38) comprendenti valvole rotanti (14B, 14D), pistoni (10A, 10C), dislocatori (12A, 12B) o combinazioni di questi.

9. Metodo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto di utilizzare il rumore caratteristico di ciascuno di detti almeno due crio-refrigeratori per creare interferenze distruttive, sfruttando la sovrapposizione coerente delle vibrazioni meccaniche generate dalle oscillazioni di pressione al fine di ottenere la minimizzazione o cancellazione del rumore del sistema insieme.

10. Metodo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto di utilizzare la frequenza di lavoro caratteristica di di detti almeno due crio-refrigeratori per creare interferenze, mediante la sovrapposizione coerente delle oscillazioni di pressione al fine di ottenere la massimizzazione del potere frigorifero del sistema.

11. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 8 ? 9 - 10 in cui detto dispositivo fornito ? compatibile ed integrabile con tutte le tipologie di crio-refrigeratori, dette tipologie comprendendo crio-refrigeratori a ciclo chiuso di tipo Stirling, Gifford Mc-Mahon e di tipo a tubo pulsato (PTC).