JP2007530905A - 平均圧力を変化させるパルス管冷凍機 - Google Patents

Abstract

パルス管冷凍機システムを動作させる方法であって、冷凍機の固定された空間内の作動ガスの平均圧力が変化を受ける場合、平均圧力の変化に合わせて、冷凍機を直接駆動する圧力波発生装置１の周波数を変えることによって、システムの動作が著しく損なわれずに保たれる方法。

Description

本発明は一般に、低温又は極低温の冷凍に関し、より詳細には、パルス管冷凍に関する。

低温冷凍を生成する分野での近年の著しい進歩には、パルス・エネルギーが振動するガスを使用して冷凍に変換される、パルス管システム又は冷凍機がある。そのようなシステムは、たとえばヘリウムを液化するのに十分な、非常に低いレベルに冷凍を生成できる。そのような冷凍機システムによって生成される冷凍の１つの重要な用途には、磁気共鳴画像システムがある。

パルス管冷凍機は、通常はヘリウムである作動ガスの固定された充填を含む、気密封止された一定容積の装置である。今日まで一般に、それは周囲温度にほとんど変化がない室内の実験室環境で研究されてきた。パルス管冷凍機は、室外環境で実用化され、利用され、又は少なくとも室外温度パターンに曝されると、大幅な温度の変動を受ける可能性があり、冷凍機が一定容積を有し、作動流体の固定された充填を含むことで、そうした温度の変動が内部の平均圧力に大きな変化をもたらす可能性がある。こうした平均圧力の変動は、冷凍機の動作に著しく影響を与えるおそれがあることがこれまで認識されなかった。

したがって、本発明の目的は、冷凍機が１つ又は複数の平均圧力の変動を受けるとき冷凍機の動作を向上させることができるパルス管冷凍機を動作させるための方法を提供することである。

上記又はその他の目的は、本開示を読めば当分野の技術者に明白になり、本発明により達成されるであろう。

平均圧力にある作動ガスを含んでいる固定された空間を有し、５００ヘルツまでの周波数で圧力波発生装置（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｖｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）によって駆動される、パルス管冷凍機システムを動作させる方法であって、前記方法は、作動ガスの平均圧力の変化を受けた後に、作動ガスの平均圧力の変化に合わせて圧力波発生装置の周波数を直接に変えるステップを含む。

本明細書では、用語「直接に」は同じ方向を意味し、すなわち平均圧力を上昇させるには、周波数を増加させることが必要になる。変化は同程度のものである必要はなく、一般には同程度のものでない。

本明細書では、用語「平均圧力」は、静的な、標準又は平均圧力を意味し、その周りで圧力が変動する。

本明細書では、用語「蓄熱器」は、孔が分散した塊による直接熱伝達を介して入ってくる暖かいガスを冷却し、戻ってくる低温のガスを暖める、優れた熱容量を伴う、球形、積み重なったスクリーン、パンチング・メタル・シートなどの孔が分布した塊又は媒体の形のサーマル・デバイス（ｔｈｅｒｍａｌ ｄｅｖｉｃｅ）を意味する。

本明細書では、用語「熱緩衝管」は、蓄熱器から分離し、低温の熱交換器に隣接し、そのステージに対して温度範囲が最も低温からより暖かい放熱温度までの冷凍機部品を意味する。

本明細書では、用語「間接熱交換」は、流体が互いに物理的に接触し又は混合することなしに、流体を熱交換の関係にすることを意味する。

本明細書では、用語「直接熱交換」は、冷却及び加熱要素の接触によって冷凍を伝えることを意味する。

本発明は、冷凍機の平均圧力が上昇した場合、冷凍機を駆動する圧力波発生装置の周波数を増加させ、また冷凍機の平均圧力が低下した場合、圧力波発生装置の周波数を減少させることによって、パルス管冷凍機の性能が改善可能であるという認識を包含する。

パルス管冷凍機システムの一般的な動作を図面を参照して説明する。次に図１を参照すると、圧力波発生装置１は、５００ヘルツまで、一般に１５から８０ヘルツの範囲内で、典型的には５０から６５ヘルツの範囲内の周波数で動作することできる。圧力波発生装置１は、パルス管冷凍機を駆動するためのパルスガス（ｐｕｌｓｉｎｇ ｇａｓ）を生成し、そのパルス管冷凍機は蓄熱器２０並びに、固定された空間を有し、作動ガスを収容する熱緩衝管４０を備える。図１に示される本発明の実施例では、圧力波発生装置１は、電気駆動されるリニアモータ、すなわち軸方向に往復する電磁トランスデューサ２によって駆動される無給油式リニア・コンプレッサである。

無給油式コンプレッサは、周囲の壁に隣接した可動部を有する。図１に示される実施例では、可動部は、リニアモータ２によって前後に駆動されるピストン３である。ピストン３は、ケーシング又は周囲の壁８によって画成される空間内を往復運動し、クリアランス７によってそこから離れた周囲の壁８に隣接する。ピストン３と周囲の壁８との間の隙間７にはオイルが全くない。その代わりに、リニア・コンプレッサは、ピストン３が滑らかに動くようにするための気体軸受又はフレクチャ・サスペンション（ｆｌｅｘｕｒｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓ）を用いる。

往復するピストン３は、少なくとも２５ヘルツで、典型的には約５０から６５ヘルツで供給される交流電力の周波数での脈動又は振動を伴うガスを生成する。本発明を実施することで無給油式コンプレッサによって生成されるパルスガスとして使用できるガスの例には、ヘリウム、ネオン、水素、窒素、アルゴン、酸素、及びその混合物が含まれ、ヘリウムが好まれる。

パルスガスは、圧縮熱を冷却され、冷凍機の蓄熱器２０に送られる。蓄熱器２０は、熱緩衝管４０と流れ連通する。

パルスガスは、パルス管のシーケンスの初めの部分を開始する蓄熱器２０の高温端に音波のパワーを伝達する。蓄熱器２０の高温端にある熱交換器２１は、コンプレッサによって生成された圧力‐容積の仕事の結果としての蓄熱器２０による温度勾配に対して、冷凍負荷からくみ上げられる熱のためのヒートシンクである。高温の作動ガスが、好ましくは熱交換器２１の熱交換流体２２との間接的な熱交換によって冷却され、流れ２３に暖められた伝熱流体を生成し、圧縮された作動ガスの圧縮熱を冷却する。伝熱流体２２，２３として使用できる流体の例には、水、空気、エチレン・グリコールなどが含まれる。

蓄熱器２０は、蓄熱器又は伝熱媒体を含む。本発明の実施に適切な伝熱媒体の例には、鋼球、ワイヤーメッシュ、高密度のハニカム構造体、展伸金物、鉛球、銅及びその合金、希土類元素及び遷移金属の複合体が含まれる。脈動し又は振動する作動ガスは、低温の蓄熱器媒体と直接に熱交換することによって蓄熱器２０で冷却され、低温のパルス管作動ガスを生成する。圧力及び速度の変動を適切に同調することにより、ガスは冷凍が生じるように膨張を受ける。

低温の熱交換器３０内で、低温の振動する作動ガスは、冷凍負荷との間接的な熱交換によって暖められ、それによって冷凍負荷に冷凍をもたらす。冷凍負荷とのこの熱交換は、図示されない。冷凍負荷の１つの例は、磁気共鳴画像装置への利用である。冷凍負荷の別の例は、高温超伝導への利用である。

熱緩衝管４０は、残りの音波のパワーをより暖かい温度に伝達するのに使用され、そこで音波のパワーが放散できる。好ましくは、図１に示されるように、熱緩衝管４０は、その低温端に整流体４１を有し、その高温端に整流体４２を有する。音波のパワーは、熱交換器４３、オリフィス（ｏｒｉｆｉｃｅ）５０、イナータンス・ライン（ｉｎｅｒｔａｎｃｅ ｌｉｎｅ）５１、及びリザーバ５２で放散され、放出される。図１は、これらの全ての要素を含むイナータンス・ネットワークを示すが、実際には、１つ又は複数のもの（特にオリフィス５０又はイナータンス・ライン５１）が除外できる。音波のパワーを放散させることに加えて、イナータンス・ネットワーク（ｉｎｅｒｔａｎｃｅ ｎｅｔｗｏｒｋ）は作動する、振動するガスの圧力振幅と速度振幅との間に適切な同調をもたらすことに留意されたい。使用可能である、圧力及び流れの波を同調状態に維持するその他の手段には、イナータンス管及びオリフィス、エキスパンダ、リニア発電機、ベローズ・アレンジメント（ｂｅｌｌｏｗｓ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）、及び質量流束抑制器（ｍａｓｓ ｆｌｕｘ ｓｕｐｐｒｅｓｓｏｒ）を備えるコンプレッサに戻るように連結されるワーク・リカバリ・ライン（ｗｏｒｋ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｌｉｎｅ）が含まれる。

冷却流体４４が熱交換器４３に送られ、それは作動ガスとの間接的な熱交換によって暖められ、気化され、したがって、圧縮された作動ガスを冷却するヒートシンクとして働く。その結果生じる、暖められた又は気化された冷却流体は、流れ４５の熱交換器４３から回収される。好ましくは、冷却流体４４は、水、空気、エチレン・グリコールなどである。

以下の実施例及び比較例は、本発明を例示し、本発明によって実現可能な利点を強調するのに役立つ。実施例は、例示の目的で表わされ、限定を意図するものではない。

パルス管冷凍機システムは、６０ヘルツ付近で２．６ＭＰａで動作させる目的で最適化された。２１．１１℃（７０°Ｆ）での設計に関しては、屋外環境温度に曝された冷凍機は、おそらく下記の平均圧力の変化を受ける可能性がある。動作の前に冷凍機を加圧する際に、小規模な漏洩又は故障のために時が経つにつれヘリウムが徐々に減るなど、動作圧力を設計圧力から離れたものにするおそれのあるその他の要因がある可能性がある。

冷凍機性能に関係する平均圧力の変化の効果を判定するために、シミュレーションが行われた。熱が放出される温度を変化させることも冷凍機の性能に影響を与えるので、平均圧力の影響が直接に調査できるように、放熱温度は変えられなかった。さらに、圧力波発生装置は、設計点における全容量で動作していると想定され、それは装置が同時に、行程及び流量の限度一杯に維持されたことを意味する。

図２の曲線Ａは、予測される冷凍機性能が平均圧力の変動によってどのように影響を受けるかを示す。この実施例では、圧力波発生装置が１つの周波数で動作し、最大限に最適化され、全容量で動作し、すなわち行程及び流量の両方の限度付近にある。圧力が低下すると、行程の限度内で動作し続けるために、入力するパワーが減少する必要がある。同様に、圧力が増加すると行程が縮小するが、冷却機がすでに最大許容流量で動作しているので、これ以上のパワーは供給することができない。冷凍機を所定の行程及び流量制限内に保つために、そこに供給されるパワーが減少するので、第１に冷凍機の冷凍能力が低下する。圧力が設計圧力から離れ、パワーの入力が減少すると、冷凍機の性能が低下する。

しかし、本発明を使用することで、使用者は圧力波発生装置の周波数を調整することによって平均圧力の変化を補整することができる。平均圧力が低下すると、周波数は、圧力波発生装置が再び最大の流量及び行程で動作する点に減少される。このようにして、圧力波発生装置に対するパワーの入力が最大化され、これにより、冷凍機によって生成される冷凍を最大化するための最良の手段が提供される。図２の曲線Ｂは、周波数がそのように調整された場合に予測される冷凍機の性能を示し、かなりの性能の向上を示す。

本発明を実施するために、使用者は電力供給の周波数及び電圧を個別に変える何らかの手段を有する必要がある。１つの実用的で経済的な手段は、電圧及び周波数が個々に制御できるように調整された可変電圧可変周波数制御（ｖａｒｉａｂｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｒｉｖｅ）である。３相で、引込み供給（ｉｎｃｏｍｉｎｇ ｆｅｅｄ）が５０から６０ヘルツの電力が、可変電圧可変周波数制御のエレクトロニクス・パッケージ（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｐａｃｋａｇｅ）に接続される。次いで三相出力の２つの脚部は、モータのリード線に接続され、一方で第３の出力の脚部は、接続されないままになる。１つのモードでは、使用者は、所望の周波数及び入力電力の電圧をＶＦＤ又はその他の駆動エレクトロニクスのオペレータ・インターフェースによる直接の相互作用によって手動で設定することができ、それは、キーボード、ポテンショメータ（ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｅｒ）、又はその他のデバイスであることができる。その他のモードでは、周波数及び／又は電圧が、可変電圧可変周波数制御に適切な信号を送信する制御装置によって決定できる。１つのモードでは、平均圧力がセンサによって決定でき、制御装置は平均圧力と周波数の間の内部の関係に従って周波数を調整することができる。

本発明を特定の好ましい実施例を参照して詳細に説明してきたが、特許請求の範囲の趣旨及び範囲内で本発明のその他の実施例が存在することを当分野の技術者は認識するであろう。

圧力波発生装置が電気駆動のリニアモータによって駆動されるリニア・コンプレッサである、本発明の実施から利点を得ることが可能なパルス管冷凍機の１つの好ましい実施例を表す図である。 本発明を実施した、及び本発明を実施しない、実施例及びその比較例の結果のグラフである。

Claims (8)

1. 平均圧力における作動ガスを含んでいる固定された空間を有し、５００ヘルツまでの周波数で圧力波発生装置によって駆動される、パルス管冷凍機システムを動作させる方法であって、前記作動ガスの前記平均圧力の変化を受けた後に、前記圧力波発生装置の前記周波数を前記作動ガスの前記平均圧力の前記変化に合わせて直接に変えるステップを含む方法。
2. 前記平均圧力の前記変化が、周囲温度の変化によるものである、請求項１に記載の方法。
3. 前記平均圧力の前記変化が、前記固定された空間から作動ガスが失われることによるものである、請求項１に記載の方法。
4. 前記平均圧力の前記変化が前記平均圧力の上昇であり、前記圧力波発生装置の前記周波数の前記変化が前記圧力波発生装置の前記周波数の上昇である、請求項１に記載の方法。
5. 前記平均圧力の前記変化が前記平均圧力の下降であり、前記圧力波発生装置の前記周波数の前記変化が前記圧力波発生装置の前記周波数の下降である、請求項１に記載の方法。
6. 前記圧力波発生装置が、電気駆動のリニアモータによって駆動されるリニア・コンプレッサである、請求項１に記載の方法。
7. 前記作動ガスが、ヘリウムを含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記圧力波発生装置が、１５から８０ヘルツの範囲内の周波数で動作している、請求項１に記載の方法。

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