JP2023538861A

JP2023538861A - パルス管冷却装置の為のハイブリッドダブルインレット弁

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Publication number: JP2023538861A
Application number: JP2023509793A
Authority: JP
Inventors: シュー，ミンギャオ; レイ，ティアン; ロングスワース，ラルフ，シー．
Original assignee: Sumitomo SHI Cryogenics of America Inc
Current assignee: Sumitomo SHI Cryogenics of America Inc
Priority date: 2020-08-12
Filing date: 2021-08-09
Publication date: 2023-09-12
Also published as: EP4196728A1; US20220049878A1; KR20230039719A; WO2022035756A1; CN116171365A

Abstract

極低温の冷却を提供するギフォード－マクマホン（ＧＭ）型ダブルインレットパルス管冷却装置システムの為のダブルインレット弁であって、前記ダブルインレット弁が、固定制限器と、前記固定制限器と並列に配置されたニードル弁と、を含む。前記ニードル弁が非対称な流れを生成する。前記固定制限器及び非対称な流れを有する前記ニードル弁の組み合わせが、改善された交流（ＡＣ）フロー特性及び直流（ＤＣ）フローの調整機能を提供し、利用可能な冷却能力を向上させる。【選択図】図１

Description

関連出願への相互参照
本出願は、２０２０年８月１２日に出願された米国仮特許出願６３/０６４，５２８の優先権を主張するものであり、この出願は参照されることにより、本出願に援用される。

ここに記載の実施形態は、主に直流（ＤＣ）フローの好適な制御により性能を改善するギフォード－マクマホン（ＧＭ）型パルス管冷却装置の為の改良されたダブルインレット弁に関する。

ギフォード－マクマホン（ＧＭ）型パルス管冷却装置は、供給および戻りホースにより膨張機に接続された圧縮機内のガスの圧縮により冷却するＧＭ冷却装置と同様の冷却装置である。膨張機は、蓄冷機を通した冷却膨張空間において一般的な回転弁を使用して入口弁及び出口弁を通してガスを循環させる。ＧＭ膨張機は、シリンダー内のソリッドピストン（ピストンは、ピストンの上下の排出容積が蓄冷機により接続されるとディスプレーサとも呼ばれる）の往復運動により冷却膨張空間を生成し、一方、パルス管膨張機は、「ガスピストン」の往復運動により冷却膨張空間を生成する。パルス管冷却装置は、そのコールドヘッドに可動部品を有していないが、パルス管内の円柱状揺動ガスが圧縮ピストンとして機能する。ピストンは、加圧されて減圧されているのでパルス管内に留まるガスを含む。パルス管冷却装置のコールドエンド内の可動部品の削除は、振動のかなりの減少を可能にし、同様に、より大きな信頼性及び寿命を可能にする。さらに振動を減少する為に、回転弁が通常、可撓性のホースにより膨張機に接続される。２段ＧＭ型パルス管冷却装置は通常、ヘリウムを圧縮する為に油潤滑式圧縮機を使用し、５～１５ｋＷ以上の入力電力を引き出す。今日の主要な用途は、ＭＲＩ（磁気共鳴画像法）及びＮＭＲ（核磁気共鳴画像法）磁石の冷却であり、熱シールドを約４０Ｋで冷却し、ヘリウムを約４Ｋで再濃縮する。量子コンピュータの初期開発においても使用されている。これらの用途は、低レベルの振動及び低レベルの電磁干渉（ＥＭＩ）を必要とする。

ＧＭ型パルス管冷却装置は、スターリング型パルス管冷却装置と共に開発され、往復運動する圧縮ピストンから直接、蓄冷機及びパルス管に圧力サイクルを提供する。これらは、地上及び宇宙システムにおいて７０Ｋに近い赤外線検出器を冷却する為に広く使用されている。これらは通常、より小さく、例えば、ＧＭ型パルス管の１～２Ｈｚに対して６０Ｈｚのより高速で運転する。スターリング型パルス管は、ＧＭ型パルス管に比べてより効果的である。なぜなら、スターリング型パルス管は、膨張の作用の多くを回復するからである。しかし、パルス管のウォームエンド及びバッファボリューム間のフローの制御方法が相違するので、スターリング型パルス管は、低温においてはあまり効果的ではない。

ＧＭサイクル冷却装置の共同発明者であるＷ．Ｅ．Ｇｉｆｆｏｒｄは、ソリッドピストンをガスピストンに置き換えた膨張機も思いつき、「パルス管」冷却装置と呼んだ。このことは、彼の米国特許３２３７４２１号に初めて記載され、初期のＧＭ冷却装置のように弁に接続されたパルス管が示されている。パルス管膨張機の初期の開発は、下部の垂直配向管に流入し、流れを平滑化するメッシュを通って流れて層化した円柱状のガスを生成し、ガスは圧縮されて上部に向かって押し込まれることで高温になる。管の上部には、熱をいくらか吸収する銅のキャップが備えられているので、ガスが管から流れ出て膨張することにより冷却されると、ガスはいわゆるコールドエンド内の流れ平滑化装置及び隣接する銅を冷却する。１９８４年に報告されたように、パルス管のウォームエンドにバッファボリュームを追加し、絞り弁を通して内部及び外部にガスを流れさせることにより、Ｍｉｋｕｌｉｎ等により基本的なＧＭ型パルス管に重大な改良がなされた。このことは現在、基本的なオリフィス型パルス管又は単一の入口弁パルス管と呼ばれる。これに続く開発作業は、パルス管膨張機の性能を改善する流れを調整するいくつかの異なる手段の設計を導き出した。ほとんどのスターリング型パルス管は、単一入口設計である。

ＧＭ型パルス管において、パルス管のウォームエンド及び蓄冷機の入口の間に第２のオリフィスを追加することにより性能が改善され、２段パルス管において４Ｋ以下に達することが可能になることが分かった。このことは現在、ダブルインレットパルス管と呼ばれ、第２の絞り装置は、ダブルインレット弁と呼ばれる。単一の入口弁の場合に異なる形式になるように、ダブルインレット弁は異なる形式になる。本発明は、改善された性能を示す新規のダブルインレット弁である。

Ｇｉｆｆｏｒｄによる米国特許３２０５６６８号には、膨張空間への圧力サイクルにより駆動ステム上の圧力を位相外に循環させることによりディスプレーサを上下に駆動するウォームエンドに取り付けられたステムを備えたソリッドピストンを有するＧＭ膨張機が記載されている。高圧Ｐｈ及び低圧Ｐｌ間で圧力を循環させる最も一般的な手段は回転弁である。ガスピストンの寒冷境界がソリッドピストンのコールドエンドと実質的に同じパターンをたどる場合、パルス管のウォームエンドの流量制御は最適化されていると考えることができる。米国特許３２０５６６８号に記載の膨張機を有するサイクルは、入口弁が開放されて圧力が高圧Ｐｈまで上昇する間にディスプレーサを下部に押さえることにより開始される。その後、ピストンは上方に移動し、約３／４ほど上方に移動したら入口弁が閉鎖され、ピストンが上部まで移動するにつれて圧力が低下する。その後、出口弁が開放されて圧力が低圧Ｐｌまで低下する。その後、ピストンは、下方に移動し、約３／４ほど下方に移動したら出口弁が閉鎖され、ピストンが下部まで移動するにつれて圧力が上昇する。圧・容積（Ｐ－Ｖ）の領域がサイクル毎に生成される冷却の尺度である。ソリッドピストン及びガスピストンの相違点は多数ある。相違点には、１）長さ及びストロークは圧力比及びパルス管のコールドエンドの内外にどれくらいのガスが流入及び流出することができるかに依拠し、２）流動抵抗及び弁タイミングのアシンメトリは、各サイクルにおいて、流入又は流出に比べてより多くのガスがパルス管の一方のエンドから流出又は流入することを引き起こし、このことは直流（ＤＣ）フローと呼ばれ、３）コールドエンド及びウォームエンドの流入及び流出を同時に均衡させて寒冷境界を確立することは非常に困難であり、このことは交流（ＡＣ）フローと呼ばれ、ソリッドピストンの圧・容積（Ｐ－Ｖ）関係及び運動をシミュレートする。単一の入口弁を有するスターリングサイクルパルス管は、第１の課題を回避することができる。なぜなら、圧縮機ピストンは固定の変位を有するからである。そして、第２の課題も回避することができる。なぜなら、バッファボリュームに流入したガスと同じ量のガスがバッファボリュームから流出するからである。

ソリッドピストンとのガスピストンのこの相似は、プロセスの物理的性質を提供し、圧力サイクル及び質量流量サイクル間の位相関係に関して説明されているフローパターンを発見することがより一般的である。Ｙｕａｎ等による米国特許出願公開公報２０１１／０１０００２２号には、スターリング型単一入口パルス管冷却装置の為の位相制御装置がよく説明されている。米国特許出願公開公報２０１１／０１０００２２号の図２には、オリフィス、短管、及び近接した板を含む抵抗装置が図示されている。図２には、電気相似におけるインダクタンスとして作用する長い小径管であるイナータンス管が示されている。米国特許出願公開公報２０１１／０１０００２２号の図８には、最も冷却性を提供する圧力サイクル及び質量流量サイクル間の位相関係を最適化する為に、電気回路相似を使用してこれらのデバイスをどのように組み合わせることができるかが示されている。米国特許出願公開公報２０１１／０１０００２２号の図７は、イナータンス装置と並行して配置された抵抗装置を有する単一入口弁の概略図である。スターリング型パルス管においてイナータンス装置は実用的であると言及することが重要である。なぜなら、高周波で動作するからである。ＧＭ型パルス管の低周波においては、抵抗装置のみが実用的である。米国特許出願公開公報２０１１／０１０００２２号に記載の全てのデバイスは、いずれの方向の流れにおいても同じ流動特性を有すると言及することも重要である。

４Ｋの２段ＧＭ型冷却装置の冷却能力を増加させる為の努力には、４弁設計の開発が含まれる。Ｘｕによる米国特許１００６６８５５号には、４弁パルス管が記載されている。この名称は、蓄冷機のウォームエンドに接続された１組の入口弁及び出口弁、並びに、パルス管のウォームエンドに接続された第２の組の入口弁及び出口弁を有する移相メカニズムに由来する。米国特許１００６６８５５号には、追加の１組の弁をそれぞれが必要とする第２段及び第３段パルス管へのガスの流量を均衡させる流量制御メカニズムが記載されている。４弁パルス管は、バッファボリュームを使用せず、現在の設計は、ダブルインレットパルス管の現在の設計よりもわずかに優れた性能を有する。ホースの空隙容量が圧力振動及び性能を減少させるという欠点を有するが、弁モータ及び回転弁は蓄冷機から分離されなければならない。ダブルインレットパルス管は、コールドエンドと呼ばれるパルス管／蓄冷機アセンブリ及び弁アセンブリ間に１つのホースしか必要としないが、４弁パルス管は、蓄冷機に接続された１つのホースと、多段パルス管の各パルス管のウォームエンドに接続されたより小径のホースと、を必要とする。本願発明を含むダブルインレットパルス管の改善された性能は、遠隔弁アセンブリ及び単一の接続ホースを含むユニット内の４弁パルス管と同等の性能を達成することができる。改善された接続ホースの特許出願が近年出願されている。このホースは、弁モータアセンブリからコールドヘッドに伝達される振動を減少し、そして、空隙容量を減少し、改善された効率をもたらす。

Ｏｇｕｒａによる日本国特許第３９１７１２３号には、ダブルインレット弁の為のニードル弁及び第１の入口弁へのブッシュを通る短い穴を有する交換可能なブッシュの使用が記載されている。ブッシュを通る短い穴は、いずれの方向においても同じ流動条件の同じ流量制限を有し、対称的な流量制限器である。一方、ニードル弁は、図示されているように、針の先端を向いた端部のポート及びステムを向いた側部のポートを有する。異なる方向において同じ条件の流れでも流量制限が異なるので、流量制限は非対称的である。非対称の度合いは、ポートへの入口の傾斜、ポート内の穴の長さ等の要因の数に依拠する。調整手段を簡略化することにより、移相の改善が可能になる。

４Ｋ近くで動作するＧＭ型パルス管における圧・容積（Ｐ－Ｖ）関係を制御する移相メカニズムを最適化することに加えて、直流（ＤＣ）フローを制御することが重要であることも分かった。Ｘｕによる米国特許第９１５７６６８号には、バッファボリューム及び圧縮機戻りライン間のブリードラインが追加されているダブルインレット型パルス管が記載されている。米国特許第９１５７６６８号の図１には、従来技術の基本的なダブルインレット型パルス管が示されており、ダブルインレット弁を通るフローパターンが、パルス管のウォームエンドからコールドエンドに過度の直流（ＤＣ）フローを生成していることが記載されている。バッファボリュームから圧縮機の戻り側に戻るブリードラインは、直流（ＤＣ）フローを冷却を最適化する速度に減少する。このことは、弁アセンブリがコールドエンドから遠隔に位置しており、追加の接続ラインを必要とするという欠点を有する。２段ダブルインレットパルス管は、室温から第１段及び第２段温度まで拡張された並列に配置された２つの管を有する。それぞれのウォームエンドは、独自のバッファボリュームに接続され、独自のダブルインレット弁を有する。第２段蓄冷機は、第１段蓄冷機の拡張であるから、第１段蓄冷機から第１段パルス管のコールドエンドへの圧力低下は、第２段パルス管のコールドエンドへの圧力低下よりも少ない。２段パルス管における直流（ＤＣ）フローの最適化は、第２段において上向きの直流（ＤＣ）フローを有し、第１段において下向きの直流（ＤＣ）フローを有することを必要とする。

本発明は、優れた交流（ＡＣ）フロー特性を有し、直流（ＤＣ）フローの調整機能を提供し、利用可能な冷却能力を向上させるダブルインレット弁である。本発明はまた、遠隔に位置する弁アセンブリ及びコールドヘッド間に単一の接続ホースのみを必要とする。

ダブルインレット弁は、調整可能なニードル弁と並列に配置された固定制限器を含む。ニードル弁を通る流れは非対称であり、所定の条件のガスが他方のポートに流入した場合と比べて、一方のポートに流入した場合は圧力がより低下する。固定制限器は、どちらの方向の流れにおいても同じ対称的な圧力低下を有する短い穴、又は、非対称な流れを有する先細の穴であることができる。この組み合わせが、優れた交流（ＡＣ）フロー特性及び直流（ＤＣ）フローの調整機能を提供し、利用可能な冷却能力を向上させる。また、遠隔に位置する弁アセンブリ及びコールドヘッド間に単一の接続ホースのみを必要とする。

これらの利点及び他の利点は、極低温の冷却を提供するＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システムにより達成される。ＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システムは、供給ラインを通して供給圧力でガスを供給し、戻りラインを通して戻り圧力でガスを受領する圧縮機と、前記供給ライン及び前記戻りラインに接続された弁アセンブリと、前記弁アセンブリに接続されたパルス管コールドヘッドと、を含む。前記弁アセンブリは、接続ラインを通して前記パルス管コールドヘッドに供給圧力及び戻り圧力でガスを循環させる。前記パルス管コールドヘッドは、ウォームエンド及びコールドエンドを有する少なくとも１つの蓄冷機と、ウォームエンド及びコールドエンドを有する少なくとも１つのパルス管と、少なくとも１つのダブルインレット弁と、前記パルス管の前記ウォームエンドに接続されたバッファボリュームと、前記接続ラインから前記蓄冷機の前記ウォームエンド及び前記ダブルインレット弁に延びている第１のラインと、前記蓄冷機の前記コールドエンドを前記パルス管の前記コールドエンドに接続する第２のラインと、前記パルス管の前記ウォームエンドからダブルインレット弁及び単一の入口弁を通して前記バッファボリュームに延びている第３のラインと、を含む。

図面には、単なる例として、限定を意図しない、本概念による１以上の実施が図示されている。図面において、同じ又は同様の符号は同じ又は同等の要素を示す。

開示の発明のダブルインレット弁の第１の実施形態を含む単段ＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システムの概略図である。開示の発明のダブルインレット弁の第２の実施形態を含む単段ＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システムの概略図である。開示の発明のダブルインレット弁の第３の実施形態を含む単段ＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システムの概略図である。開示の発明のダブルインレット弁の実施形態を含む２段ＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システムの概略図である。ダブルインレット弁の第１の実施形態の概略図である。ダブルインレット弁の第２の実施形態の概略図である。ダブルインレット弁の第３の実施形態の概略図である。

ここでは、本発明のいくつかの実施形態が、本発明の好ましい実施形態が図示されている添付の図面を参照にして、より完全に記載される。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具現化することができ、ここに記載の実施形態に限定されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が完全なものとなり、当業者に本発明の範囲を伝達する為に提供されているものである。全体を通して、同様の符号は同様の要素を示し、代替実施形態における同様の要素はプライム記号を使用して示されている。図面において、同じ又は同様の部品は同じ符号を有し、通常、説明は繰り返されていない。

図１は、開示の発明のダブルインレット弁１ａの第１の実施形態を含む単段ＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システム１００の概略図である。図５Ａは、ダブルインレット弁１ａの第１の実施形態の概略図である。全体のシステムにおけるダブルインレット弁１ａが図示されている。図１及び図５Ａを参照して、単段ＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システム１００は、圧縮機１０、弁１２ａ及び１２ｂを含む弁アセンブリ１２、及びパルス管コールドヘッド１０１を含む。圧縮機１０は、供給ライン１１ａを通して供給弁１２ａ、Ｖ１に接続され、戻りライン１１ｂを通して戻り弁１２ｂ、Ｖ２に接続される。供給ライン１１ａ及び戻りライン１１ｂは通常、５～２０ｍの長さの可撓性金属ホースであり、供給弁１２ａ及び戻り弁１２ｂは通常、固定シート内のポート上で回転するモータ駆動回転弁内の溝穴である。通常ヘリウムであるガスは、接続ライン１３を通して蓄冷機１６のウォームエンド１６ａ及びダブルインレット弁１ａを通してパルス管１７のウォームエンドに流れ、通常２．２ＭＰａ及び０．６ＭＰａである供給圧力及び戻り圧力の圧力下で循環する。圧縮機１０は、供給ライン１１ａを通して供給圧力でガスを供給し、戻りライン１１ｂを通して戻り圧力でガスを受領する。供給弁１２ａ及び戻り弁１２ｂはそれぞれ、供給ライン１１ａ及び戻りライン１１ｂに接続され、接続ライン１３を通してパルス管コールドヘッド１０１に、供給圧力及び戻り圧力でガスを循環させる。供給弁１２ａ及び戻り弁１２ｂがパルス管コールドヘッド１０１と一体である場合、接続ライン１３は数ｍｍの長さであることができ、又は、弁が遠隔に配置されている場合、接続ライン１３は１ｍまでの長さであることができる。

パルス管コールドヘッド１０１は、ウォームエンド１６ａ及びコールドエンド１６ｂを有する蓄冷機１６と、ウォームエンドにウォームフロースムーザ１７ａ及びコールドエンドにコールドフロースムーザ１７ｂを有するパルス管１７と、蓄冷機１６のコールドエンド１６ｂをパルス管１７のコールドフロースムーザ１７ｂに接続するライン１８と、接続ライン１３から蓄冷機１６のウォームエンド１６ａまで延びているライン７と、ライン７からダブルインレット弁１ａまで延びているライン６ａ及び９ａと、パルス管１７のウォームフロースムーザ１７ａから単一の入口弁４を通してバッファボリューム１５まで延びているライン５と、ダブルインレット弁１ａからライン５及びパルス管１７のウォームフロースムーザ１７ａまで延びているライン８ａ及び９ｂと、を含む。循環フローは、ライン７を通して蓄冷機１６のウォームエンド１６ａまで続き、ダブルインレット弁１ａを通してライン５まで続く。ライン５は、一方の端部においてウォームフロースムーザ１７ａを含むパルス管１７のウォームエンドに接続し、他方の端部においてバッファボリューム１５に接続する単一の入口弁４に接続する。蓄冷機１６のコールドエンド１６ｂは、ライン１８を通してコールドフロースムーザ１７ｂを含むパルス管１７のコールドエンドに接続する。

図１及び図５Ａを参照して、固定制限器３ａ及びニードル弁２ａを含むダブルインレット弁１ａは、両方向からの流量を調整する為に調節可能である。ニードル弁２ａ及び固定制限器３ａは、並列に接続される。ニードル弁２ａは、基部３０及び基部３０から延びている針３１を含み、その両方が、ニードル弁２ａ内に形成された空洞３２内部に配置される。ニードル弁２ａは、ライン６ａを通してライン７に接続される針端部ポート３３と、ライン８ａを通してライン５に接続されるステムポート３４と、を含む。針３１は、針端部ポート３３に向けて突出し、基部３０が空洞３２を密封するので、空洞３２を通って針端部ポート３３及びステムポート３４間に流体流路が形成される。針端部ポート３３に向けて又は離れるように針３１を移動することにより、流路の開口が変化し、両方向における流量及び双方向のフロー間の非対称の度合いが変化する。針３１及び針端部ポート３３の寸法及び形状は、両方向における流量及びニードル弁２ａの非対称の度合い、即ち交流（ＡＣ）及び直流（ＤＣ）フロー特性を変化させる為に変更することができる。

固定制限器３ａは、ライン７に接続するライン９ａ及びライン５に接続するライン９ｂに接続された穴（流路）３５ａを有する。穴３５ａは、穴の長さにわたって同じ断面積を有し、その結果、固定制限器３ａを通る流れは対称的である。対称的な流れは、一方向へのガス流が反対方向へのガス流と同じ流動抵抗を有することを意味する。非対称的な流れは、一方向へのガス流が反対方向へのガス流とは異なる流動抵抗を有することを意味する。非対称的な流れにおいて、一方向に流れるガスの流動抵抗は、反対方向に流れるガスの流動抵抗よりも大きい又は小さい。ニードル弁２ａを通る流れは非対称である。ライン６ａを通して針端部ポート３３に流入するガスの流れは、ライン８ａを通してステムポート３４に流入するガスの流れよりも制限されている。その結果、針端部ポート３３からステムポート３４へのガス流は、ステムポート３４から針端部ポート３３へのガス流よりも高い流動抵抗を有する。即ち、針３１から基部３０への方向の流れが、反対方向よりも高い流動抵抗を有する。

図２は、開示の発明のダブルインレット弁１ｂの第２の実施形態を含む単段ＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システム２００の概略図である。図５Ｂは、ダブルインレット弁１ｂの第２の実施形態の概略図である。ダブルインレット弁１ｂは、方向転換されたニードル弁２ｂを有する点でダブルインレット弁１ａとは異なるので、針端部ポート３３がライン６ｂを通してライン５に接続し、ステムポート３４がライン８ｂを通してライン７に接続される。固定制限器３ａの穴３５ａは、穴の長さにわたって同じ断面積を有し、その結果、固定制限器３ａを通る流れは対称的である。ニードル弁２ｂを通る流れは非対称である。ライン６ｂを通して針端部ポート３３に流入するガスの流れは、ライン８ｂを通してステムポート３４に流入するガスの流れよりも制限されている。針端部ポート３３からステムポート３４へのガス流は、ステムポート３４から針端部ポート３３へのガス流よりも高い流動抵抗を有する。

単段ＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システム２００は、圧縮機１０、弁１２ａ及び１２ｂを含む弁アセンブリ１２、及びパルス管コールドヘッド２０１を含む。圧縮機１０は、供給ライン１１ａを通して供給圧力でガスを供給し、戻りライン１１ｂを通して戻り圧力でガスを受領する。供給弁１２ａ及び戻り弁１２ｂはそれぞれ、供給ライン１１ａ及び戻りライン１１ｂに接続され、接続ライン１３を通してパルス管コールドヘッド２０１に、供給圧力及び戻り圧力でガスを循環させる。パルス管コールドヘッド２０１は、ウォームエンド１６ａ及びコールドエンド１６ｂを有する蓄冷機１６と、ウォームエンドにウォームフロースムーザ１７ａ及びコールドエンドにコールドフロースムーザ１７ｂを有するパルス管１７と、蓄冷機１６のコールドエンド１６ｂをパルス管１７のコールドフロースムーザ１７ｂに接続するライン１８と、接続ライン１３から蓄冷機１６のウォームエンド１６ａまで延びているライン７と、ライン７からダブルインレット弁１ｂまで延びているライン８ｂ及び９ａと、パルス管１７のウォームフロースムーザ１７ａから単一の入口弁４を通してバッファボリューム１５まで延びているライン５と、ダブルインレット弁１ｂからライン５及びパルス管１７のウォームフロースムーザ１７ａまで延びているライン６ｂ及び９ｂと、を含む。

図３は、開示の発明のダブルインレット弁１ｃの第３の実施形態を含む単段ＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システム３００の概略図である。図５Ｃは、ダブルインレット弁１ｃの第３の実施形態の概略図である。ダブルインレット弁１ｃは、固定制限器３ｂが非対称なフローパターンを生成する先細の穴３５ｂを有する点でダブルインレット弁１ａとは異なる。この実施形態において、穴３５ｂの断面積は、ライン９ａの接続点からライン９ｂの接続点に進むにつれて増加する。この構成において、固定制限器３ｂは、ライン９ａからライン９ｂへの流れにおいて反対方向の流れより低い流動抵抗を有する。非対称な固定制限器３ｂは、調節可能な制限器２ａ又は２ｂと組み合わせていずれの方向向きにでも配置できる。例えば、固定制限器３ｂが図２の実施形態のニードル弁２ｂと組み合された場合、穴３５ｂの断面積は、ライン９ａの接続点からライン９ｂの接続点に進むにつれて減少することができる。

単段ＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システム３００は、圧縮機１０、弁１２ａ及び１２ｂを含む弁アセンブリ１２、及びパルス管コールドヘッド３０１を含む。圧縮機１０は、供給ライン１１ａを通して供給圧力でガスを供給し、戻りライン１１ｂを通して戻り圧力でガスを受領する。供給弁１２ａ及び戻り弁１２ｂはそれぞれ、供給ライン１１ａ及び戻りライン１１ｂに接続され、接続ライン１３を通してパルス管コールドヘッド３０１に、供給圧力及び戻り圧力でガスを循環させる。パルス管コールドヘッド３０１は、ウォームエンド１６ａ及びコールドエンド１６ｂを有する蓄冷機１６と、ウォームエンドにウォームフロースムーザ１７ａ及びコールドエンドにコールドフロースムーザ１７ｂを有するパルス管１７と、蓄冷機１６のコールドエンド１６ｂをパルス管１７のコールドフロースムーザ１７ｂに接続するライン１８と、接続ライン１３から蓄冷機１６のウォームエンド１６ａまで延びているライン７と、ライン７からダブルインレット弁１ｃまで延びているライン６ａ及び９ａと、パルス管１７のウォームフロースムーザ１７ａから単一の入口弁４を通してバッファボリューム１５まで延びているライン５と、ダブルインレット弁１ｃからライン５及びパルス管１７のウォームフロースムーザ１７ａまで延びているライン８ａ及び９ｂと、を含む。

図４は、２つのパルス管１７及び２１を含む２段ＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システム４００の概略図である。ダブルインレット弁１ａは、第１段パルス管１７に接続され、ダブルインレット弁１ｄは、第２段パルス管２１に接続される。ダブルインレット弁１ｄは、ダブルインレット弁１ａと同等の構成を有するが、異なる配置を有する。特に、ダブルインレット弁１ａ及び１ｄは、ライン７に対して鏡面対称に配置される。循環流は、第１段蓄冷機１６’のウォームエンド１６ａ’及びライン７を通して第２段蓄冷機２０まで続き、ダブルインレット弁１ａを通してライン５まで続き、そして、第２段ダブルインレット弁１ｄを通してライン５ａまで続く。ライン５は、一方の端部においてウォームフロースムーザ１７ａを含む第１段パルス管１７のウォームエンドに接続し、他方の端部においてバッファボリューム１５に接続する単一の入口弁４に接続する。ライン５ａは、一方の端部においてウォームフロースムーザ２１ａを含む第２段パルス管２１のウォームエンドに接続し、他方の端部において第２段バッファボリューム１５ａに接続する単一の入口弁４ａに接続する。

図４に図示されているように、２段ＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システム４００は、第１段蓄冷機１６’の拡張である第２段蓄冷機２０を含む。第２段パルス管２１は、ウォームエンドが室温である第１段パルス管１７から分離される。第１段蓄冷機１６’のコールドエンド１６ｂ’は、ライン１８を通してコールドフロースムーザ１７ｂを含む第１段パルス管１７のコールドエンドに接続される。第２段蓄冷機２０のコールドエンド２０ｂは、ライン２２を通してコールドフロースムーザ２１ｂを含む第２段パルス管２１のコールドエンドに接続される。第１段パルス管１７のウォームエンドは、ウォームフロースムーザ１７ａを有し、そして、ライン５に接続し、ライン５は、第１のダブルインレット弁１ａ、及び単一の入口弁４を通してバッファボリューム１５に接続する。第２段パルス管２１のウォームエンドは、ウォームフロースムーザ２１ａを有し、そして、ライン５ａに接続し、ライン５ａは、第２段ダブルインレット弁１ｄ、及び単一の入口弁４ａを通して第２段バッファボリューム１５ａに接続する。

２段ＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システム４００は、圧縮機１０、弁１２ａ及び１２ｂを含む弁アセンブリ１２、及びパルス管コールドヘッド４０１を含む。圧縮機１０は、供給ライン１１ａを通して供給圧力でガスを供給し、戻りライン１１ｂを通して戻り圧力でガスを受領する。供給弁１２ａ及び戻り弁１２ｂはそれぞれ、供給ライン１１ａ及び戻りライン１１ｂに接続され、接続ライン１３を通してパルス管コールドヘッド４０１に、供給圧力及び戻り圧力でガスを循環させる。パルス管コールドヘッド４０１は、ウォームエンド１６ａ’及びコールドエンド１６ｂ’を有する第１段蓄冷機１６’と、第１段蓄冷機１６’のコールドエンド１６ｂ’に取り付けられ、コールドエンド２０ｂを有する第２段蓄冷機２０と、ウォームエンドにウォームフロースムーザ１７ａ及びコールドエンドにコールドフロースムーザ１７ｂを有する第１段パルス管１７と、ウォームエンドにウォームフロースムーザ２１ａ及びコールドエンドにコールドフロースムーザ２１ｂを有する第２段パルス管２１と、第１段蓄冷機１６’のコールドエンド１６ｂ’を第１段パルス管１７のコールドフロースムーザ１７ｂに接続するライン１８と、第２段蓄冷機２０のコールドエンド２０ｂを第２段パルス管２１のコールドフロースムーザ２１ｂに接続するライン２２と、接続ライン１３から第１段蓄冷機１６’のウォームエンド１６ａ’まで延びているライン７と、ライン７からダブルインレット弁１ａまで延びているライン６ａ及び９ａと、ライン７からダブルインレット弁１ｄまで延びているライン６ａ’及び９ａ’と、第１段パルス管１７のウォームフロースムーザ１７ａから単一の入口弁４を通してバッファボリューム１５まで延びているライン５と、第２段パルス管２１のウォームフロースムーザ２１ａから単一の入口弁４ａを通してバッファボリューム１５ａまで延びているライン５ａと、ダブルインレット弁１ａからライン５及び第１段パルス管１７のウォームフロースムーザ１７ａまで延びているライン８ａ及び９ｂと、ダブルインレット弁１ｄからライン５ａ及び第２段パルス管２１のウォームフロースムーザ２１ａまで延びているライン８ａ’及び９ｂ’と、を含む。

ダブルインレット弁１ａは、本設計に最適な結果をもたらすことが見出されている。異なるパルス管及び蓄冷機の寸法を有する他の設計においては、ダブルインレット弁１ｂ及び１ｃが好ましいことがある。ダブルインレット弁１ａ又は１ｄは、他方の段において従来のダブルインレット弁２ａと組み合わされる２段ＧＭ型ダブルインレットパルス管コールドヘッド４０１の第１段又は第２段のいずれかに単独で使用されることができる。

ここで使用されている用語及び記載は、単に説明の為に示されており、限定を意味するものではない。ここに記載の実施形態及び本発明の主旨及び範囲内で様々な変形が可能であると当業者は認識するものである。

１ａダブルインレット弁
１ｂダブルインレット弁
１ｃダブルインレット弁
１ｄダブルインレット弁
２ａニードル弁
２ｂニードル弁
３ａ固定制限器
３ｂ固定制限器
４入口弁
４ａ入口弁
５ライン
５ａライン
６ａライン
６ａ’ ライン
６ｂライン
７ライン
８ａライン
８ａ’ ライン
８ｂライン
９ａライン
９ａ’ ライン
９ｂライン
９ｂ’ ライン
１０圧縮機
１１ａ供給ライン
１１ｂ戻りライン
１２弁
１２ａ供給弁
１２ｂ戻り弁
１３接続ライン
１５バッファボリューム
１５ａバッファボリューム
１６蓄冷機
１６ａウォームエンド
１６ｂコールドエンド
１６’ 第１段蓄冷機
１６ａ’ ウォームエンド
１６ｂ’ コールドエンド
１７（第１段）パルス管
１７ａウォームフロースムーザ
１７ｂコールドフロースムーザ
１８ライン
２０第２段蓄冷機
２０ｂコールドエンド
２１第２段パルス管
２１ａウォームフロースムーザ
２１ｂコールドフロースムーザ
２２ライン
３０基部
３１針
３２空洞
３３針端部ポート
３４ステムポート
３５ａ穴
３５ｂ先細の穴
１００単段ＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システム
１０１パルス管コールドヘッド
２００単段ＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システム
２０１パルス管コールドヘッド
３００単段ＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システム
３０１パルス管コールドヘッド
４００２段ＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システム
４０１パルス管コールドヘッド

Claims

極低温の冷却を提供するギフォード－マクマホン（ＧＭ）型ダブルインレットパルス管冷却装置システムの為のダブルインレット弁であって、前記ダブルインレット弁が、
固定制限器と、
前記固定制限器と並列に配置されたニードル弁と、
を含み、
前記ニードル弁を通る流れが非対称であることを特徴とするダブルインレット弁。
前記固定制限器を通る流れが対称的であることを特徴とする請求項１に記載のダブルインレット弁。
前記固定制限器を通る流れが非対称であることを特徴とする請求項１に記載のダブルインレット弁。
前記ニードル弁が、針端部ポート及びステムポートを有する空洞を画定し、前記ニードル弁が、
前記空洞を密封する基部と、
前記基部から前記針端部ポートに向かって伸びている針と、
を含み、
前記針端部ポートから前記ステムポートへの方向の流れは、前記ステムポートから前記針端部ポートへの方向の流れよりも高い流動抵抗を有することを特徴とする請求項１に記載のダブルインレット弁。
前記ニードル弁が、前記針端部ポート及び前記ステムポート間の流量を調整する為に調節可能であることを特徴とする請求項４に記載のダブルインレット弁。
極低温の冷却を提供するギフォード－マクマホン（ＧＭ）型ダブルインレットパルス管冷却装置システムであって、前記ＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システムが、
供給ラインを通して供給圧力でガスを供給し、戻りラインを通して戻り圧力でガスを受領する圧縮機と、
前記供給ライン及び前記戻りラインに接続された弁アセンブリと、
前記弁アセンブリに接続されたパルス管コールドヘッドと、
を含み、
前記弁アセンブリは、接続ラインを通して前記パルス管コールドヘッドに供給圧力及び戻り圧力でガスを循環させ、
前記パルス管コールドヘッドは、
ウォームエンド及びコールドエンドを有する少なくとも１つの蓄冷機と、
ウォームエンド及びコールドエンドを有する少なくとも１つのパルス管と、
固定制限器及び前記固定制限器と並列に配置されたニードル弁を含む少なくとも１つのダブルインレット弁と、
前記パルス管の前記ウォームエンドに接続されたバッファボリュームと、
前記接続ラインから前記蓄冷機の前記ウォームエンドに延びている第１のラインと、
前記蓄冷機の前記コールドエンドを前記パルス管の前記コールドエンドに接続する第２のラインと、
前記パルス管の前記ウォームエンドから前記ダブルインレット弁及び単一の入口弁を通して前記バッファボリュームに延びている第３のラインと、
を含み、
前記ニードル弁を通る流れが非対称であり、
前記ダブルインレット弁が、前記第１のラインに接続することを特徴とするＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システム。
前記固定制限器を通る流れが対称的であることを特徴とする請求項６に記載のＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システム。
前記固定制限器を通る流れが非対称であることを特徴とする請求項６に記載のＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システム。
前記ニードル弁が、針端部ポート及びステムポートを有する空洞を画定し、前記ニードル弁が、
前記空洞を密封する基部と、
前記基部から前記針端部ポートに向かって伸びている針と、
を含み、
前記針端部ポートから前記ステムポートへの方向の流れは、前記ステムポートから前記針端部ポートへの方向の流れよりも高い流動抵抗を有することを特徴とする請求項６に記載のＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システム。
前記ニードル弁が、前記針端部ポート及び前記ステムポート間の流量を調整する為に調節可能であることを特徴とする請求項９に記載のＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システム。
前記針端部ポートが前記第１のラインに接続され、前記ステムポートが前記第３のラインに接続されることを特徴とする請求項９に記載のＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システム。
前記固定制限器が、前記第１のラインから前記第３のラインへの流れにおいて、前記第３のラインから前記第１のラインへの流れよりも低い流動抵抗を有することを特徴とする請求項１１に記載のＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システム。
前記針端部ポートが前記第３のラインに接続され、前記ステムポートが前記第１のラインに接続されることを特徴とする請求項９に記載のＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システム。
前記パルス管コールドヘッドがさらに、
前記蓄冷機の前記コールドエンドに接続された第２段蓄冷機と、
ウォームエンド及びコールドエンドを有する第２段パルス管と、
前記第１のラインに接続された第２段ダブルインレット弁と、
前記第２段パルス管の前記ウォームエンドに接続された第２段バッファボリュームと、
前記第２段パルス管の前記コールドエンドを前記第２段蓄冷機の前記コールドエンドに接続する第４のラインと、
前記第２段パルス管の前記ウォームエンドから前記第２段ダブルインレット弁及び単一の入口弁を通して前記第２段バッファボリュームに延びている第５のラインと、
を含むことを特徴とする請求項６に記載のＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システム。
前記弁アセンブリ及び前記パルス管コールドヘッド間の前記接続ラインが、単一の可撓性ホースであることを特徴とする請求項６に記載のＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システム。
前記弁アセンブリ及び前記パルス管コールドヘッド間の前記接続ラインが、少なくとも０．５ｍの長さを有することを特徴とする請求項６に記載のＧＭ型ダブルインレットパルス管冷却装置システム。