JP2007530904A - 共振リニアモータ駆動クライオクーラー・システム - Google Patents

Abstract

特に磁気共鳴結像システムに冷凍をもたらすために適した、共振リニアモータ駆動クライオクーラー・システムに於いて、共振リニアモータ（２０）からの振動およびパルス化したガスからの騒音をクライオクーラーから、連結管（２４、２６）および好ましくはダッシュポット（２５）を含む加工物伝達管によって遮断し、その上連結管が共振リニアモータの内部行程容積を超える容積を有する。

Description

この発明は、一般的にはパルス管冷凍のような低温または極低温冷凍に関する。

低温冷凍生成の分野での最近の有意義な進歩は、振動ガスを使ってパルスエネルギーを冷凍に変換する、パルス管システムのような、クライオクーラーの開発である。そのようなシステムは、冷凍を、例えば、ヘリウムを液化するために十分な、非常に低いレベルに生成することができる。そのようなクライオクーラー・システムによって生成した冷凍の一つの重要な用途は、磁気共鳴結像システムである。他のクライオクーラー・システムは、ギフォード・マクマホン・クライオクーラーおよびスターリング・クライオクーラーである。

従来の高周波共振リニアモータ駆動クライオクーラーは、一体型コールドヘッドおよびドライバユニットを使う。この従来の装置では、共振リニアモータをコールドヘッド用取付けプラットフォームとして使いまたはクライオクーラーが圧力・容積作動損失の低いコンパクトなシステムになる。

この従来の一体型システムの一つの欠点は、特に共振リニアモータが高周波で作動しているときのこの共振リニアモータからの振動が冷却すべき負荷の動作に悪影響するかも知れないことである。これは、このクライオクーラーを磁気共鳴結像システムを冷却するために使うとき、この振動がこの結像システムの効果的鮮明画像を提供するための能力と干渉するかも知れないので、特に問題である。従来の一体型システムのもう一つの欠点は、磁石システム上に大きい共振リニアモータを収容するための十分なスペースがないことである。

従って、この発明の目的は、共振リニアモータによるクライオクーラーの効果的駆動をまだ可能にしながら、このモータからクライオクーラーへの振動伝達を実質的に避け得る、共振リニアモータ駆動クライオクーラー・システムを提供することである。

上記目的および、この開示を読めば当業者には明白になるであろう、その他の目的は、本発明によって達成され、それは：
共振リニアモータ駆動クライオクーラー・システムであって：
（Ａ） 内部行程容積を有する共振リニアモータ；
（Ｂ） この共振リニアモータから離間したクライオクーラー；および
（Ｃ） この共振リニアモータからこのクライオクーラーまで伸びる連結管を含み、上記連結管がこの共振リニアモータの内部行程容積を超える容積を有するクライオクーラー・システムである。

ここで使う“共振リニアモータ”という用語は、高効率を達成するためにその共振振動数近くで作動する、ピストンのような、軸方向に往復運動する手段によって高強度の音響パワーを発生する電気音響装置を意味する。

ここで使う“内部行程容積”という用語は、共振リニアモータのピストンが振動の１行程中に排除する最大容積を意味する。

ここで使う“クライオクーラー”という用語は、パルス化したパワー入力で冷凍を作り出す蓄熱装置を意味する。

ここで使う“ダッシュポット”という用語は、運動を緩衝または減衰するための装置を意味する。ダッシュポットは、ばね、質量、およびピストンの少なくとも一つを含むのが好ましい。

図面を参照してこの発明を詳しく説明する。

さて、図１を参照すると、共振リニアモータ２０が電気的に動かされ、一般的に１０ないし６０ヘルツの範囲内、好ましくは４０ヘルツ未満、最も好ましくは１５ないし３０ヘルツの範囲内の振動数で動作する。共振リニアモータ２０は、一般的に約１立方センチメートルないし約１０立方デシメートルの範囲内の内部行程容積を有する。共振リニアモータは、シリンダの内部に配置したモータを使って音響パワーを作る、往復運動する電気音響変換器である。このモータは、ピストンを備え、それが振動すると、このピストンによって圧力波が作り出される。このモータ・ピストン組立体が振動する（前後に動く）ときのこの圧力および容積変化がクライオクーラーを駆動するための音響パワーである。通常このモータは、線形懸架システムによって懸架され、その磁石が動く。

共振リニアモータ２０からの振動ガスが、共振リニアモータ２０からクライオクーラー３０まで伸びる、連結管２４、２６を通してクライオクーラー３０へ送られる。この連結管の容積は、共振リニアモータの内部行程容積を超える。この連結管の容積は、この共振リニアモータの内部行程容積の少なくとも２倍であるのが好ましい。一般的に、この連結管の容積は、この共振リニアモータの内部行程容積の１を超え約５倍までの範囲内に有るだろう。

ダッシュポット２５は、図１に示すように、共振リニアモータ２０とクライオクーラー３０の間の連結管２４、２６上に配置してある。ダッシュポット２５は、例えば、連結管、ベローズ装置、ばね、ピストン、曲げ管、および／または撓み管を含んでもよい。このクライオクーラーまたはコールドヘッドのこの共振リニアモータからの遮断は、パルス化したガス流振動の騒音は勿論、機械的振動の問題に対応する。この機械的振動は、図２に示すばね９１、質量９２および／またはピストン９３のような、一つ以上のダッシュポット機能を使えばよりよく軽減されるだろう。パルス化したガス流振動の望ましくない騒音は、例えば、この連結管容積がこのリニアモータピストンの排除する容積の少なくとも２倍ある形の、空気式バッファを設けることによって軽減される。

図１に示すように、熱交換器２１が共振リニアモータ２０とダッシュポット２５の間に配置してあるのが好ましい。熱交換流体２２、２３が熱交換器２１を通過し、間接熱交換によってこの圧縮機共振リニアモータ装置から熱を取る、即ち、冷却するために使われている。

図１に示すように、熱交換器３１がクライオクーラー３０とダッシュポット２５の間に配置してあるのが好ましい。熱交換流体３２、３３が熱交換器３１を通過し、間接熱交換によって管部２６の中の振動ガスから熱を取る、即ち、冷却するために使われている。

クライオクーラー３０がパルス管クライオクーラーである場合、このクライオクーラーの作用は次の通りである。このパルス管クライオクーラーは、熱バッファ管と流れ連通した蓄熱器を含む。この蓄熱器は、蓄熱器または熱伝達媒体を含む。適当な熱伝達媒体の例には、鋼球、ワイヤメッシュ、高密度ハニカム構造体、エキスパンドメタル、鉛球、銅およびその合金、稀土類元素の錯体および遷移金属がある。このパルス性または振動性作動ガスは、冷パルス管作動ガスを作るためにこの蓄熱器で冷蓄熱器媒体との直接熱交換によって冷却される。

この熱バッファ管と蓄熱器は、流れ連通している。この流れ連通は、冷熱交換器を含む。この冷作動ガスは、この冷熱交換器へ移り、およびこの冷熱交換器から熱バッファ管のコールドエンドへ移る。この冷熱交換器内で、冷作動ガスが冷凍負荷との間接熱交換によって温められ、それによって、図１に示すように振動除去脚１１上に支持された超伝導磁石システム１０を冷却するようにこの冷凍負荷への冷凍をもたらす。冷凍負荷の一例は、磁気共鳴結像システムで使うためである。冷凍負荷のもう一つの例は、高温超伝導で使うためである。

この作動ガスは、この蓄熱器から熱バッファ管のコールドエンドへ移される。この作動ガスが熱バッファ管に入ると、それが熱バッファ管内のガスを圧縮し、このガスの幾らかを貯蔵器の中へ押込む。この熱バッファ管と貯蔵器の両方の中の圧力が同等になるとき流れが止る。冷却流体がこの作動ガスとの間接熱交換によって温められまたは気化され、それで圧縮した作動ガスを冷却するためのヒートシンクとして役立つ。

このパルスシーケンスの低圧点で、この熱バッファ管内の作動ガスが膨張し、それで冷え、および流れが今は比較的高圧の貯蔵器から熱バッファ管の中へ逆流する。この冷作動ガスを、冷凍をしおよび次のパルスシーケンスのためにこの蓄熱器熱伝達媒体を冷却しながら、蓄熱器のウォームエンドの方へ押戻す。この熱バッファ管がこの熱バッファ管のコールドエンドで圧縮および膨張サイクル中に正味冷凍を生成するように、オリフィスと貯蔵器を使ってこの圧力と流れ波を適当な位相に維持する。この圧力と流れ波を同相に維持するための他の手段には、イナータンス管およびオリフィス、膨張器、リニアオルタネータ、ベローズ装置、並びに作業回復管路がある。膨張シーケンスでは、作動ガスが膨張して熱バッファ管のコールドエンドの作動ガスを作る。この膨張したガスは、それが熱バッファ管から蓄熱器の方へ流れるようにその方向を反転する。この貯蔵器の中の比較的高圧のガスは、熱バッファ管のウォームエンドへ流れる。

この膨張した作動ガスは、蓄熱器へ送られ、そこでそれはこの蓄熱器内の熱伝達媒体と直接接触して前述の冷熱伝達媒体を作り、それによってこのパルス管冷凍シーケンスの第２部を完結し、およびこの蓄熱器を次のパルス管冷凍シーケンスの第１部のための状態に置く。

この発明を好適実施例を参照して詳しく説明したが、当業者には、これらの請求項の精神および範囲内に他の実施例があることが分るだろう。例えば、この発明の実施に使ってもよい、他の種類のクライオクーラーには、ギフォード・マクマホン・クライオクーラーおよびスターリング・クライオクーラーがある。

本発明の一実施例の単純化した概略図であり、そこではクライオクーラーが、磁気共鳴結像システムに使ってもよいような、超伝導磁石システムを冷凍するために使ってあり、およびダッシュポットが共振リニアモータとクライオクーラーの間の連結管上に配置してある。 本発明の好適実施に使ってもよい、ダッシュポットの一好適実施例の図である。

Claims (10)

1. 共振リニアモータ駆動クライオクーラー・システムであって：
   （Ａ） 内部行程容積を有する共振リニアモータ；
   （Ｂ） 該共振リニアモータから離隔されたクライオクーラー；および
   （Ｃ） 前記共振リニアモータからクライオクーラーまで伸びる連結管を含み、該連結管が前記共振リニアモータの内部行程容積を超える容積を有するクライオクーラー・システム。
2. 請求項１に記載されたクライオクーラー・システムに於いて、前記連結管容積が前記共振リニアモータの前記内部行程容積の少なくとも２倍であるクライオクーラー・システム。
3. 請求項１に記載されたクライオクーラー・システムであって、更に、前記共振リニアモータと前記クライオクーラーの間の前記連結管上に配置されたダッシュポットを含むクライオクーラー・システム。
4. 請求項３に記載されたクライオクーラー・システムに於いて、前記ダッシュポットが質量を含むクライオクーラー・システム。
5. 請求項３に記載されたクライオクーラー・システムに於いて、前記ダッシュポットがばねを含むクライオクーラー・システム。
6. 請求項３に記載されたクライオクーラー・システムに於いて、前記ダッシュポットがピストンを含むクライオクーラー・システム。
7. 請求項３に記載されたクライオクーラー・システムであって、更に、前記共振リニアモータと前記ダッシュポットの間に配置された熱交換器を含むクライオクーラー・システム。
8. 請求項３に記載されたクライオクーラー・システムであって、更に、前記クライオクーラーと前記ダッシュポットの間に配置された熱交換器を含むクライオクーラー・システム。
9. 請求項１に記載されたクライオクーラー・システムに於いて、前記クライオクーラーがパルス管クライオクーラーであるクライオクーラー・システム。
10. 請求項１に記載されたクライオクーラー・システムに於いて、前記クライオクーラーが磁気共鳴結像システムの超伝導磁石を冷凍するように配置してあるクライオクーラー・システム。

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