JP2009526962A - コールドヘッド及び共鳴駆動体が隔離された音響冷却装置 - Google Patents

Abstract

音響冷却装置が提供される。音響冷却装置のコールドヘッド及び音響パワー源がそれらを連結する長いチューブを経由して隔離されて、従来の一体型システムが適合しないか非常に多くの振動を生むか又はその他の点で不都合となる遠隔位置に対してコールドチップが設置可能となる。チューブの寸法及び音響パワー源の関連するパラメータが、システムが所望の駆動周波数（例えば６０Ｈｚ）で共鳴し続け、長いチューブによるシステムの効率及び能力への影響を最小にするように選択される。
【選択図】 図１

Description

発明の分野

本発明は、一般に、高周波スターリング冷却器及び音響スターリング冷却器に関し、より具体的には、コールドヘッド及び音響パワー源が隔離された音響冷却装置向け解決策に関する。

発明の背景

近年、高周波（≧３０Ｈｚ）スターリング冷却器及び音響スターリング（又は高周波「パルスチューブ」）冷却器が、競合する技術に比較して効率が高く、維持費が低く、並びに騒音及び振動が低いために、多くの商業上の関心を惹き付けてきた。しかし、高周波スターリング冷却器の主要な不利な点の１つは、しばしば「コールドヘッド」と呼ばれる熱的な動的構成要素（排熱器、再生器及び熱アクセプタ又は「コールドチップ」）の一式が、通常、それを駆動する音響パワー源と非常に密接に関係することである。このパワー源は、通常は圧力波生成器（ＰＷＧ：ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｖｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）であり、コールドヘッドの高温側端部で作動ガスを交互に圧縮及び膨張させるピストンに結合された１つ又は複数のリニアモータを含む。

一方、コールドヘッド及び音響パワー駆動体を空間的に隔離することにより、冷却される領域近傍の空間が重要（ｐｒｅｍｉｕｍ）であり及び／又はコールドチップでの振動が最小にされねばならない応用例で、音響スターリング冷却を使用することが可能になる。コールドヘッド及び音響駆動体を隔離する努力が行われてきた。しかし、現在の技術では、駆動体及びコールドヘッドの最小の隔離しか可能ではなく、例えばＴｈａｌｅｓ Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ ＢＶ によるＬＰＴ９３１０スターリング冷却器がそうである。現在の技術では、パワー波生成器の特性寸法（すなわち音響波長（動作周波数で測定される）の大部分）よりも、実質的に長い隔離距離を可能にする技術はない。すべての以前の手法では、非常に狭い直径の移送ラインを使用して、おそらく移送ラインによって加えられる体積を最小にするが、このことは、作動ガス内の圧力波によって駆動され、その駆動効果を保存するために最小の「無効」容積又は残存容積を要求する、コールドヘッド内にディスプレーサ機構を有するスターリング冷却器によって特に必要とされる。この構造は、チューブ内のガス速度を非常に高める傾向があり、チューブ壁上の音響粘度損失を最小にするために長さを短くすることを必要とする。１つの特許、米国特許第５７９４４５０号（Ａｒｔｈｕｒ Ｒａｙ Ａｌｅｘａｎｄｅｒ）だけが、遠隔駆動される「パルスチューブ」冷却器又は配列された複数の冷却器向け音響スターリングシステムのＰＷＧ及びコールドヘッドを隔離するための移送ラインの使用に言及している。しかし、Ａｌｅｘａｎｄｅｒでは、移送ラインは長さが１波長よりもはるかに短く、圧力波生成器の寸法程度である。加えて、Ａｌｅｘａｎｄｅｒは、ループシステムを教示しており、そのシステムでは、再生器の低温側に連結されている位相シフトネットワーク（従来のスターリング内のディスプレーサ機構の音響上均等物）もまた、流体源としてのＰＷＧに連結されており、振動流だけでなく循環流が予想されると示唆している。Ａｌｅｘａｎｄｅｒはまた、冷却電子部品の分野に具体的に限定している。

Ａｒｍａｎの米国特許出願公開第２００５０２１０８８７号は、音響駆動体及びコールドヘッドが、振動を隔離する目的で移送ラインによって隔離された分離型システムを記載している。

音響スターリング冷却器内で使用される圧力波生成器は、しばしば「圧縮機」として言及されるが、ただしこれを、低い一定圧力のガス定常流を取り入れより高い一定圧力に圧縮するよく知られた種類と混同すべきではない。その種の圧縮機は、Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ冷却器又は蒸気圧縮式冷凍機などの競合する冷却技術の中に見られる。この種類の圧縮機及びそれらを使用する冷却器の利点は、隔離の長さがシステムの性能に相対的にほとんど影響を与えない形で圧縮機及びコールドヘッド又は冷却熱交換器が互いから遠く離れることができる点である。作動流体は、一定の低速度で連結チューブ又はダクトを通って一定方向に容易に流れ、工程中に圧力降下が起こることはほとんどない。対照的に、スターリング又は音響スターリングシステムは、システム全体が動的に共鳴しなければならず、すべての構成要素が相当な振動圧及び／又は振動流を経験するので、主要な構成要素を連結するダクトの容積又は長さのサイズに非常に影響される。

１波長の大部分の長さを有する長い連結チューブにより、システムの共鳴周波数が変化し、圧力波生成器内のピストンによって見られるインピーダンスが変化し、チューブ表面に無視できない音響パワー損失を経験することになろう。６０Ｈｚでは、３００Ｋのヘリウムガス内の音の波長は、約１７メートルであり、振動圧力及び粒子速度は１／４波長で最大変化量を経験し、したがって波長の影響を避けるために、移送ラインの長さは１／４波長よりもはるかに短く保たれなければならない。ＰＷＧ（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｖｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）のモータのストローク又はＰＷＧの固有周波数への重大な影響を避けるために、移送ラインの総容積もまた最小化されなければならない。これらの理由から、分離型システムのスターリングコールドヘッド及び音響スターリングコールドヘッドは、６０Ｈｚ又は６０Ｈｚ近傍で作動するシステム用の非常に狭い直径及び比較的短い５０センチメートル以下の長さである移送ラインを常に有してきた。

この点で、コールドヘッド及び音響パワー源が、波長に比較して必ずしも短くないある距離で隔離された音響冷却装置向け解決策の必要性が存在する。これにより、相対的に大きな隔離距離が要求され又は所望される応用例にとって高周波音響スターリング冷却器の有用性が拡大する。

発明の概要

音響冷却装置が提供される。音響冷却装置のコールドヘッド及び音響パワー源が、それらを連結する長いチューブを経由して隔離されて、従来の一体型システムが適合しないか非常に多くの振動を生むか又はその他の点で不都合となる遠隔位置に対してコールドチップが設置可能となる。チューブの寸法及び音響パワー源の関連するパラメータが、システムが所望の駆動周波数（例えば６０Ｈｚ）で共鳴し続け、長いチューブによるシステムの効率及び能力への影響を最小にするように選択される。

本発明の第１の態様は音響冷却装置を提供し、この冷却装置は、音響パワー源と、第１の音響冷却ヘッドとを備え、音響パワー源及び第１の音響冷却ヘッドが、第１の移送ラインによって連結され、第１の移送ラインの長さが、ある動作周波数の作動流体中で１／４波長の少なくとも０．１５倍である。

本発明の第２の態様は、冷蔵保存システムを提供し、この冷蔵保存システムは、チャンバと、第１の移送ラインによって連結された音響パワー源及び第１の音響冷却ヘッドを備える冷却器とを具備し、第１の音響冷却ヘッドがチャンバ内部に熱的に連絡し、音響パワー源がチャンバ外部に遠隔配置される。

本発明の例示的態様は、本明細書で説明された問題及び当業者によって発見され得る考察されない他の問題を解決するように意図したものである。

本発明のこれらの及び他の特徴は、本発明の様々な実施形態を示す添付の図面と併せて考察すると、本発明の様々な態様の以下の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。

図面は、実際に比例されたものではないことに留意されたい。図面は、本発明の典型的な態様のみを示すように意図されており、したがって、本発明の範囲を限定すると考えるべきではない。図面で、図面間の同じ番号は、同じ要素を示す。

詳細な説明

本発明は、約６０Ｈｚの動作周波数の作動流体を有する音響冷却装置を含む。この音響冷却装置は、数メートルの長さで、音響冷却システムのコールドヘッド内のガス体積の数倍の総ガス体積を含むことができる移送ラインを使用する。さらに、音響冷却装置は、均等の一体型システムの効率に近い、又は等しい効率を有するように最適化されることができる。この設計は既存のシステムでは不可能である。というのは、それ程多くの体積を加えることにより、圧力波生成器が、有用な圧力波振幅に到達する前にオーバーストロークすることになり、もし移送ラインが非常に狭く作成されないならば、移送ライン内の結果として生じる高い音響速度により、極めて高い音響損失を与えることになるであろう（したがって、すべての既存の市販用システムでは移送ラインは狭く、短い）。

本発明を可能にするものは、音響冷却システム内の構成要素間の関連性のある関係の創造的で新規な理解である。ＰＷＧ（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｖｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）内の断熱体積は、最小化されるときに必ずしも最適ではないことは既知である。むしろピストンの直径は、所与の断熱体積に適合するように選択することができ、この２つは、所与の負荷に対して必要な圧力波を生み出すとき、ＰＷＧ内のモータが理想的なストローク（例えば、最大効率のための）を達成することを保証するように選択することができる（Ｃｏｒｅｙ等の米国特許第６６０４３６３号を参照のこと）。もしこの負荷が、無視できない容積から成る長い移送ラインを含むならば、ピストンはそれに適合するように拡大することを要求されることがある。従来の考えによれば、このことが、増大したピストン封止周辺長及び付随する損失により、効率の低下につながると結論するであろう。本発明は、補完的効果により、事実はそうでないことがあると認識する。例えば、音響コールドヘッドは、再生器の中央部又は中央部近傍で波腹又は最大音響圧力領域を有することが好ましい。１／４波長になるまで再生器から離れるほど、音響圧力振幅はより低くなる。クリアランスシールの散逸（損失）は音響圧力の２乗に比例するので、シール損失は（再生器から離れたピストンでは）、たとえピストンがより大きくても、再生器よりも音響圧力が低い位置では、長い移送ラインのために全体的により低くなることがある。このことにより、移送ライン自体内で生じるいくつかの損失を相殺することができる。

図面を参照して、本発明の一実施形態が本明細書に記載される。本発明は、記載された実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。図１は、本発明の一実施形態による、遠隔コールドヘッド２を有する電気的に駆動される圧力波生成器（ＰＷＧ）１を含む音響冷却装置１０を示す。図１に示すように、ＰＷＧ１は、長い可撓性移送ライン３によってコールドヘッド２に連結されている。コールドヘッド２は、実質的に配向に影響されない。イナータンスチューブ４の一部が移送ライン３に沿って配置される。コールドヘッド２は、イナータンスチューブ４によって容器、例えば、コンプライアンスタンク５に連結されている。移送ライン３は、一実施形態によれば、約１２５センチメートルの長さ（７）を有し、約３１センチメートルの最も長いＰＷＧ寸法（６）の４倍にわたる。作動流体（図示せず）の周波数は約６０Ｈｚであり、流体はヘリウムであり、したがって、移送ライン７は１／４波長（本明細書では４．２５メートル）の約０．３である。１／４波長の０．１５倍より長い移送ラインは、１／４波長の大部分の長さであると考えられる。移送ライン３の内径８は、ＰＷＧ１のピストンのサイズ（図示せず）及び断熱体積（図示せず）に基づいて、全体的効率が最大になるように選択される。図１に示される実施形態では、移送ライン（３）の内径（８）は約０．８０センチメートルであり、その総体積（図示せず）は、約６１立方センチメートル（ｃｃ）である。冷却装置１０は、コールドヘッド２から熱を排除する冷却流体（図示せず）をさらに含んでもよい。一実施形態では、冷却流体の一部が移送ライン３に沿って導通される。最も都合の良いように、移送ライン３は、任意のイナータンスチューブ４及び冷却流体（図示せず）用導管と共に、ＰＷＧ１とコールドヘッド２との間に延在する一般的な保護筐体内に囲むことができ、当分野で既知のように内部襞及び外部網状被覆を備える可撓性ライン（３）を含む。イナータンスチューブ４及び冷却流体（図示せず）用導管は、移送ライン３と同経路であってもよい。

この実施形態では、コールドヘッド２（イナータンスチューブ４及びコンプライアンスタンク５を除いて）内の総ガス体積は、約３７ｃｃよりも少なく、したがって、この実施形態の移送ライン３はコールドヘッド２よりもかなり多くのガス体積を有する。

図２は、本発明の一実施形態による音響冷却装置１０（図１）の性能（ライン１００により示される）に対して均等の一体型システムの性能（ライン２００により示される）を示す。一体型システムは、本発明の音響冷却装置１０（図１）と同じＰＷＧ及びコールドヘッドを使用するが、移送ラインを含まない。図２に示すように２つのシステムの性能はほぼ一致し、そのことは、従来の予測に反して、長い移送ラインは正確に設計されれば、冷却器の性能に対して不利益を与えずに済むことを示す。

本発明の範囲は上記に記載の実施形態に限定されず、本発明は様々な代替実施形態を提供することを理解されたい。例えば、代替の一実施形態によれば、音響冷却装置は複数のコールドヘッド及び複数の移送ラインをさらに備えることができる。各コールドヘッドは、移送ラインによってＰＷＧ（共用の）に連結され、各移送ラインは互いに並列で（連結されて）ある。一実施形態によれば、複数のコールドヘッド及び複数の移送ラインが、長さ及び体積（容積）で等しくはない。別の実施形態では、イナータンスチューブ４及び結合された容器（図示せず）は、コールドヘッド（２）組立体の一部であり、その結果、イナータンスチューブ４は図１にあるようにコールドヘッド２からＰＷＧ１まで延在しない。

別の実施形態では、音響冷却装置は、少なくとも２つのコールドヘッドを含む。１つのコールドヘッドが移送ラインによってＰＷＧに連結され、他の冷却ヘッドがＰＷＧに直接取り付けられている。

別の実施形態では、冷蔵保存システムが、上記に記載されたようにチャンバ及び音響冷却装置を含む。音響冷却ヘッドはチャンバ内部に熱的に連絡し、音響パワー源がチャンバ外部に遠隔配置される。

概して任意の所与の移送ライン又はコールドヘッドに連結された多くのライン向けに、ＰＷＧ１（図１）のピストンのサイズ及び断熱体積は、コールドヘッド２（図１）で所望の圧力波振幅に達するために、所望の周波数及び適切なストロークでシステムが共鳴するのを保証するように選択することができることを理解されたい。本発明の理解によれば、移送ラインのある長さが所望されるならば、ＰＷＧ断熱体積及びピストンのサイズと共に移送ラインの直径が、適切な共鳴周波数及び十分なピストンストロークを保証するばかりでなく、システムの性能への移送ラインの影響を最小にするように選択されることができる。

本発明の様々な態様の上述の記載が、例示及び説明の目的で提示されてきた。網羅的であること、又は開示された詳細な形態に本発明を限定することを意図せず、明らかに多くの修正形態及び変更形態が可能である。各当業者にとって明白なこれらの修正形態及び変更形態は、添付の特許請求の範囲で定義された本発明の範囲に限定されるものである。

本発明の一実施形態による遠隔コールドヘッドを有する圧力波生成器を示す図である。 均等の一体型システムに比較した、本発明の一実施形態による分離型音響スターリング冷却器の性能を示すグラフである。

Claims (28)

1. 音響パワー源と、
   第１の音響冷却ヘッドと
   を備え、
   前記音響パワー源及び前記第１の音響冷却ヘッドが、第１の移送ラインによって連結され、前記第１の移送ラインの長さが、所定の動作周波数における作動流体中で１／４波長の少なくとも０．１５倍である、音響冷却装置。
2. 前記第１の移送ライン内の流体の体積が、前記第１の音響冷却ヘッド内の容積の少なくとも半分である、請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記第１の移送ラインの直径が、全体的な効率を最大にするように前記音響パワー源のピストンのサイズ及び断熱体積に基づいて選択される、請求項１に記載の冷却装置。
4. 第２の異なる移送ラインと、第２の異なる音響冷却ヘッドとをさらに備え、
   前記第２の異なる音響冷却ヘッドが前記第２の異なる移送ラインによって前記音響パワー源に連結され、前記第２の異なる移送ラインが前記第１の移送ラインに並列に連結されている、請求項１に記載の冷却装置。
5. 前記第２の異なる音響冷却ヘッド及び前記第２の異なる移送ラインが、長さ及び体積ないしは容積の少なくとも１つにおいて、前記第１の音響冷却ヘッド及び前記第１の移送ラインのものと不一致である、請求項４に記載の冷却装置。
6. 前記音響パワー源に直接取り付けられている第２の異なる音響冷却ヘッドをさらに備える、請求項１に記載の冷却装置。
7. 前記第１の移送ラインが可撓性である、請求項１に記載の冷却装置。
8. イナータンスチューブをさらに備え、
   前記イナータンスチューブの一部が前記第１の移送ラインに沿って配置される、請求項１に記載の冷却装置。
9. 前記イナータンスチューブに結合された容器をさらに備え、
   前記イナータンスチューブ及び前記容器が前記コールドヘッドと共に一体になっている、請求項８に記載の冷却装置。
10. 前記第１の音響冷却ヘッドから熱を排除する冷却流体をさらに備え、前記冷却流体の一部が前記第１の移送ラインに沿って導通される、請求項１に記載の冷却装置。
11. イナータンスチューブをさらに備え、
    前記冷却流体用の導管及び前記イナータンスチューブの少なくとも１つが、前記移送ラインと共に一般的な保護筐体内部を通る、請求項１０に記載の冷却装置。
12. 前記第１の音響冷却ヘッドが実質的に配向に影響されない、請求項１に記載の冷却装置。
13. 前記音響パワー源が電気的に駆動される音響源である、請求項１に記載の冷却装置。
14. 前記音響パワー源が熱的に駆動される音響源である、請求項１に記載の冷却装置。
15. チャンバと、
    第１の移送ラインによって連結された音響パワー源及び第１の音響冷却ヘッドを備える冷却器と
    を具備し、
    前記第１の音響冷却ヘッドが前記チャンバ内部に熱的に連絡し、前記音響パワー源が前記チャンバ外部に遠隔配置される、冷蔵保存システム。
16. 前記第１の移送ライン内の流体の体積が、前記第１の音響冷却ヘッド内の容積の少なくとも半分である、請求項１５に記載の冷蔵保存システム。
17. 前記第１の移送ラインの直径が、全体的な効率を最大にするように前記音響パワー源のピストンのサイズ及び断熱体積に基づいて選択される、請求項１５に記載の冷蔵保存システム。
18. 第２の異なる移送ラインと、第２の異なる音響冷却ヘッドとをさらに備え、
    前記第２の異なる音響冷却ヘッドが前記第２の異なる移送ラインによって前記音響パワー源に連結され、前記第２の異なる移送ラインが前記第１の移送ラインに並列に連結されている、請求項１５に記載の冷蔵保存システム。
19. 前記第２の音響冷却ヘッド及び前記第２の移送ラインが、長さ及び体積ないし容積の少なくとも１つにおいて、前記第１の音響冷却ヘッド及び前記第１の移送ラインのものと不一致である、請求項１８に記載の冷蔵保存システム。
20. 前記音響パワー源に直接取り付けられている第２の異なる音響冷却ヘッドをさらに備える、請求項１５に記載の冷蔵保存システム。
21. 前記第１の移送ラインが可撓性である、請求項１５に記載の冷蔵保存システム。
22. イナータンスチューブをさらに備え、
    前記イナータンスチューブの一部が前記第１の移送ラインに沿って配置される、請求項１５に記載の冷蔵保存システム。
23. 前記イナータンスチューブに結合された容器をさらに備え、
    前記イナータンスチューブ及び前記容器が前記コールドヘッドと共に一体になっている、請求項２２に記載の冷蔵保存システム。
24. 前記第１の音響冷却ヘッドから熱を排除する冷却流体をさらに備え、
    前記冷却流体の一部が前記第１の移送ラインに沿って導通される、請求項１５に記載の冷蔵保存システム。
25. イナータンスチューブをさらに備え、
    前記冷却流体用の導管及び前記イナータンスチューブの少なくとも１つが、前記移送ラインと共に一般的な保護筐体内部を通る、請求項２４に記載の冷蔵保存システム。
26. 前記第１の音響冷却ヘッドが実質的に配向に影響されない、請求項１５に記載の冷蔵保存システム。
27. 前記音響パワー源が電気的に駆動される音響源である、請求項１５に記載の冷蔵保存システム。
28. 前記音響パワー源が熱的に駆動される音響源である、請求項１５に記載の冷蔵保存システム。
    

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