JP7118166B2 - 空圧駆動低温冷却器 - Google Patents
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Description
この出願は、2018年4月9日出願の米国仮特許出願第62/655,093号の利益を主張するものである。上述の出願の教示全体は、引用によって本明細書に組み込まれている。
1)適正な用途性能を保証するために低温冷却器の電磁遮蔽を必要とする場合がある高トルクモータが発生させる寄生磁場;
2)特定の用途(例えば、MRI及びNMR)によって必要とされる主磁場を歪ませる場合がある電気モータに固有の磁性材料の使用;
3)用途(例えば、MRI及びNMR)に対して有害な有意な機械的振動をもたらす場合があるスコッチ-ヨーク機構による駆動モータへの排除器本体の直接に結合;
4)望ましくない音響放出をもたらす場合がある排除器とモータの直接結合;
5)冷凍機の機能及び効率の最適化を妨げる排除器位置とヘリウム(He)入口/排出バルブのタイミングとの間の直接的な機械的リンケージ;
6)システムに対する熱負荷を相殺するのに必要とされる冷凍量のみを供給し、それによって特定の用途に必要とされる電気エネルギのみを消費するように調節することができない冷凍機能;
7)現場交換を困難にするGM冷凍機の従来のモータドライブのサイズ及び重量;
8)用途特定の設計ソリューションをもたらす特定用途に限られた低温冷却器の調整性;
9)低温冷却器の寿命を制限する密封及び入れ子構成要素のかなりの摩耗
によって特徴付けられる。
1)ピストン及び排除器センブリに対して固定の基準休止位置を維持すること、
2)排除器の位置可制御性、並びに上側駆動チャンバ及び冷凍容積の異なる圧力レベル及び経時圧力変化によって実行することができる制御可能運動プロファイルの範囲を改善する付勢成分をピストン及び排除器の力均衡方程式に導入すること、上側駆動チャンバの圧力プロファイルが駆動バルブによって調整され、一方、冷凍容積の圧力プロファイルが冷凍容積バルブの独立した作動によって調整される場合に、ピストン及び排除器に対する力均衡が、バネを用いない排除器の適正な位置制御を許さないという事例が発生すること、例えば、バネの不在時に、冷凍容積が低圧レベル(例えば、吸引圧力レベル)に保たれる時に、ピストン及び排除器を遠位駆動チャンバに向けて(すなわち、図3、図4、及び図5を参照する時に上向きの運動方向に)移動することができないこと、
3)単一駆動バルブ(例えば、図3及び図4)又は2つの駆動バルブ(例えば、図5)のいずれかを用いて空圧ドライブを作動させるのに必要とされる流体の消費量を低いバルブ速度で低減すること、
である。
102 空圧ドライブ
113 冷凍容積バルブ
121 環帯
135 遠位チャンバ
Claims (31)
- 暖温端部及び冷温端部を有する冷凍容積と、
前記冷凍容積内の往復排除器と、
前記冷凍容積の前記暖温端部での空圧駆動容積と、
前記空圧駆動容積内で前記排除器に結合された駆動ピストンと、
前記冷凍容積の前記暖温端部への加圧冷却剤ガスの供給、及び前記冷凍容積の前記暖温端部からの前記加圧冷却剤ガスの排出を制御する冷凍容積バルブと、
前記駆動ピストンに駆動力を印加するために、前記空圧駆動容積への駆動流体の供給、及び前記空圧駆動容積からの駆動流体の排出を提供する駆動バルブと、
前記駆動ピストンのストロークを通してプログラムされた排除プロファイルを該駆動ピストンに追従させるように該駆動ピストンのストロークを通して変化する駆動制御信号を用いて前記駆動バルブを制御する電子コントローラと、
前記駆動流体によって印加される前記駆動力に加えて前記駆動ピストンに力を印加する受動力発生器と、
を含むことを特徴とする低温冷凍機。 - 前記駆動ピストン又は排除器の移動に応答して排除信号を提供する排除センサを更に含み、
前記電子コントローラは、前記排除信号と前記駆動ピストンのストロークを通してプログラムされた前記排除プロファイルとの間の誤差を最小にする、
ことを特徴とする請求項1に記載の低温冷凍機。 - 前記駆動バルブは、前記電子コントローラからの電子駆動制御信号に比例して駆動流体の連続可変供給及び排出を提供する比例駆動バルブであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の低温冷凍機。
- 前記電子コントローラは、前記空圧駆動容積内の供給及び排出圧力の間の圧力の可変制御を提供するのに十分な速度でそれぞれの供給及び排出ラインへの前記駆動バルブを開放及び閉鎖することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の低温冷凍機。
- 前記受動力発生器は、バネであることを特徴とする請求項1に記載の低温冷凍機。
- 前記バネは、前記駆動容積の外側に位置決めされてシャフトを通して前記駆動ピストンに結合された複数のバネ要素を含むことを特徴とする請求項5に記載の低温冷凍機。
- 前記受動力発生器は、磁石を含むことを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載の低温冷凍機。
- 前記駆動ピストンは、前記空圧駆動容積を前記排除器に対して近位の近位駆動チャンバと該排除器から遠位の遠位駆動チャンバとに分離し、前記駆動バルブは、該遠位駆動チャンバに駆動流体を供給し、かつ該遠位駆動チャンバから駆動流体を排出することを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の低温冷凍機。
- 前記駆動バルブは、更に、前記近位駆動チャンバに駆動流体を供給し、かつ前記近位駆動チャンバから駆動流体を排出し、該近位チャンバは、前記冷凍容積の前記暖温端部と連通していないことを特徴とする請求項8に記載の低温冷凍機。
- 前記近位駆動チャンバは、前記冷凍容積にではなく駆動流体排出部に直接に結合されることを特徴とする請求項8に記載の低温冷凍機。
- 前記近位チャンバは、前記冷凍容積の前記暖温端部と流体連通していることを特徴とする請求項8に記載の低温冷凍機。
- 前記冷凍容積バルブは、電子冷却剤制御信号に比例して前記冷凍容積への冷却剤ガスの連続可変供給及び排出を提供する比例バルブを含むことを特徴とする請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の低温冷凍機。
- 前記駆動流体は、冷却剤供給及び戻りラインからバルブで連通されることを特徴とする請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の低温冷凍機。
- 前記電子コントローラは、更に、適応フィードフォワード制御を提供することを特徴とする請求項1から請求項13のいずれか1項に記載の低温冷凍機。
- 前記電子コントローラは、フィードバック制御を提供することを特徴とする請求項1から請求項14のいずれか1項に記載の低温冷凍機。
- 前記冷凍容積バルブと前記駆動バルブとを封入する密封チャンバを更に含むことを特徴とする請求項1から請求項15のいずれか1項に記載の低温冷凍機。
- 低温冷凍の方法であって、
冷凍容積内で空圧駆動容積内の駆動ピストンに結合された往復排除器を提供する段階と、
前記冷凍容積の暖温端部へ加圧ガス冷却剤を供給し、かつ前記冷凍容積の暖温端部から加圧ガス冷却剤を排出する段階と、
電子コントローラを用いて、前記駆動ピストンに駆動力を印加するために、前記空圧駆動容積への駆動流体の供給及び前記空圧駆動容積からの駆動流体の排出を提供するように駆動バルブを制御する段階であって、該電子コントローラが、該駆動ピストンのストロークを通してプログラムされた排除プロファイルを該駆動ピストンに追従させるように該駆動ピストンのストロークを通して変化する電子駆動制御信号を該駆動バルブに提供する前記制御する段階と、
前記駆動流体によって印加される前記駆動力に加えて前記駆動ピストンに受動力を印加する段階と、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記駆動ピストン又は排除器の位置を感知して排除信号を提供する段階を更に含み、
前記電子コントローラは、前記排除信号と前記駆動ピストンのストロークを通して前記プログラムされた排除プロファイルとの間の誤差を最小にする、
ことを特徴とする請求項17に記載の方法。 - 前記駆動バルブは、前記電子コントローラからの電子駆動制御信号に比例して駆動流体の連続可変供給及び排出を提供する比例駆動バルブであることを特徴とする請求項17又は請求項18に記載の方法。
- 前記電子コントローラは、前記空圧駆動容積内の供給及び排出圧力の間の圧力の可変制御を提供するのに十分な速度でそれぞれの供給及び排出ラインへの前記駆動バルブを開放及び閉鎖することを特徴とする請求項17又は請求項18に記載の方法。
- 前記受動力は、バネによって印加されることを特徴とする請求項17から20の何れか1項に記載の方法。
- 前記バネは、前記駆動容積の外側に位置決めされてシャフトを通して前記駆動ピストンに結合された複数のバネ要素を含むことを特徴とする請求項21に記載の方法。
- 前記受動力は、磁石によって印加されることを特徴とする請求項17から20の何れか1項に記載の方法。
- 前記駆動ピストンは、前記空圧駆動容積を前記排除器に対して近位の近位駆動チャンバと該排除器から遠位の遠位駆動チャンバとに分離し、前記駆動バルブは、該空圧駆動容積の該遠位駆動チャンバに駆動流体を供給し、かつ該空圧駆動容積の該遠位駆動チャンバから駆動流体を排出することを特徴とする請求項17から請求項23のいずれか1項に記載の方法。
- 前記駆動バルブは、更に、近位駆動チャンバに駆動流体を供給し、かつ該近位駆動チャンバから駆動流体を排出し、該近位チャンバは、前記冷凍容積の前記暖温端部と連通していないことを特徴とする請求項24に記載の方法。
- 前記近位駆動チャンバは、前記冷凍容積にではなく駆動流体排出部に直接に結合されることを特徴とする請求項24に記載の方法。
- 近位チャンバが、前記冷凍容積の前記暖温端部と流体連通していることを特徴とする請求項24に記載の方法。
- 加圧ガス冷却剤が、電子冷却剤制御信号に比例して前記冷凍容積への冷却剤ガスの連続可変供給及び排出を提供する比例バルブを通して供給及び排出されることを特徴とする請求項17から請求項27のいずれか1項に記載の方法。
- 前記駆動流体は、冷却剤供給及び戻りラインからバルブで連通されることを特徴とする請求項17から請求項28のいずれか1項に記載の方法。
- 前記電子コントローラは、更に、適応フィードフォワード制御を提供することを特徴とする請求項17から請求項29のいずれか1項に記載の方法。
- 前記電子コントローラは、フィードバック制御を提供することを特徴とする請求項17から請求項30のいずれか1項に記載の方法。
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