KR20060136479A - 가스 베어링을 갖춘 자유 피스톤 극저온 냉각기의 온도제어 방법 - Google Patents

가스 베어링을 갖춘 자유 피스톤 극저온 냉각기의 온도제어 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20060136479A
KR20060136479A KR1020067023251A KR20067023251A KR20060136479A KR 20060136479 A KR20060136479 A KR 20060136479A KR 1020067023251 A KR1020067023251 A KR 1020067023251A KR 20067023251 A KR20067023251 A KR 20067023251A KR 20060136479 A KR20060136479 A KR 20060136479A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
piston
stroke
piston stroke
temperature
minimum
Prior art date
Application number
KR1020067023251A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20070000509A (ko
KR100854177B1 (ko
Inventor
더글라스 이. 케이터
이제키엘 에스. 홀리데이
Original Assignee
썬파워, 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US10/825,024 external-priority patent/US7266947B2/en
Application filed by 썬파워, 인코포레이티드 filed Critical 썬파워, 인코포레이티드
Publication of KR20070000509A publication Critical patent/KR20070000509A/ko
Publication of KR20060136479A publication Critical patent/KR20060136479A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100854177B1 publication Critical patent/KR100854177B1/ko

Links

Images

Abstract

본 발명은 그 작동 범위가 확대되고 가스 베어링 시스템이 작동가능한 상태로 유지되며 에너지 효율성을 위해 피스톤 스트로크 조정을 이용할 수 있도록 2 개의 작동 모드를 갖고 있는 극저온 냉각기를 개시한다. 피스톤 스트로크 조정기는 명령받은 피스톤 스트로크가 최소 스트로크를 초과하는 경우 피스톤 스트로크를 조정하며 명령받은 피스톤 스트로크가 최소 스트로크보다 작은 경우 최소 피스톤 스트로크를 유지시킨다. 명령받은 피스톤 스트로크가 최소 피스톤 스트로크보다 작은 경우 히터가 보다 큰 열 파워를 열부하에 적용한다. 2개의 브랜치의 동역학 레그를 갖는 폐루프 피드백 제어 시스템이 사용된다. 하나의 브랜치는 극저온 냉각기의 조정을 제어하며, 다른 하나의 평행한 브랜치는 히터의 조정을 제어한다.

Description

가스 베어링을 갖춘 자유 피스톤 극저온 냉각기의 온도 제어 방법 {TEMPERATURE CONTROL FOR FREE-PISTON CRYOCOOLER WITH GAS BEARINGS}
본 발명은 가스 베어링(gas bearing)에 의해 윤활되며 열을 상승시키기 위한 열 펌프, 자유-피스톤을 갖는 전체적으로 극저온 냉동 시스템에 관한 것이며, 보다 상세하게는 냉각력(cooling power)을 제어하기 위해 에너지 효율적인 피스톤 스트로크 조정을 허용하면서 넓은 범위의 열 부화 적용에 대해 효율적인 가스 베어링 작동을 유지하고 온도를 제어하는 개선된 폐루프 제어 시스템에 관한 것이다.
극저온으로 냉동시킬 수 있는 냉동 시스템의 적용과 사용이 수 년 동안 확장되어 왔다. 결국, 설계자는 이러한 냉동 시스템의 성능과 에너지 효율을 개선시키고 비용을 줄이고자 했다. 한 가지 중요한 유형의 극저온 냉동 시스템은 자유 피스톤을 갖는 컴프레서(compressor)를 사용한다. 이들은 스털링 및 펄스 튜브(Stirling and pulse tube) 자유 피스톤 극저온 냉각기를 포함한다. 자유 피스톤은 종래의 크랭크 및 커넥팅 로드 연결부의 제한없이 실린더 내에서 왕복운동한다. 이 자유 피스톤은 라이너 전동기(liner electric motor)와 같이 몇 가지 유형의 원동기 중 하나에 의해 왕복운동으로 구동된다.
이들 자유 피스톤 극저온 냉각기의 한 가지 장점은, 냉단부(cold end)에서 냉각되는 열 부하(thermal load)의 저온으로부터 온단부(warm end)의 대기 온도까지 열을 상승시키는 작용을 위해 극저온 냉각기에 의해 가해지는 냉각력을 조정하도록, 통상적으로 폐루프 네가티브 피드백 제어 시스템(closed-loop negative feedback control system)에 의해 자유 피스톤의 스트로크(stroke)를 제어가능하게 조정할 수 있다. 자유 피스톤 극저온 냉각기에 의해 전달되는 냉각력은 자유 피스톤의 스트로크의 증가 함수(increasing function)이다. 따라서, 극저온 냉각기를 위한 제어 시스템은 냉각력 요구(cooling power demand)의 범위에 걸쳐 냉각력을 증가 또는 감소시키도록 피스톤 스트로크를 제어함으로써 열 부하의 온도를 제어할 수 있으며, 이러한 용어 '냉각력 요구(cooling power)'는 열 부하로서 알려져 있다. 피스톤 스트로크는 자유 피스톤을 구동시키는 원동기로의 파워 입력 및 스트로크를 제어함으로써 제어된다. 전달되는 냉각력이 냉각력 요구 즉, 명령 입력 온도를 유지하는데 필요한 냉각력과 동일하게 되도록 냉각력 요구가 변화함에 따라 원동기로의 파워 입력이 증가 및 감소할 수 있기 때문에 에너지 효율이 최대화될 수 있다.
이러한 극저온 냉각기 중 하나가 우(Wu) 등에 허여된 미국특허 제5,535,593호에 개시되어 있다. 스털링 사이클 극저온 냉각기(Stirling cycle cryocooler)는 극저온 냉각기 온도의 함수로서 컴프레서 피스톤의 스트로크를 조정하는 폐루프 제어 시스템에 의해 제어되는 그 냉각 핑거 팁 온도(cold finger tip temperature)를 갖는다.
자유 피스톤 극저온 냉각기 내에서 사용되는 작동 가스의 순도(purity)는 극 저온 냉각기의 작동 성능에 중요하다. 따라서, 통상의 석유 윤활제는 작동 가스를 오염시키기 때문에 윤활을 위해 이러한 통상의 석유 윤활제는 사용되지 않는다. 대신에, 피스톤 외부면과 실린더 표면, 변위기와 실린더 사이, 또는 변위기 로드와 피스톤 사이와 같이, 경계를 이루며 상대적으로 슬라이딩하는 부품 사이의 공간을 통해 작동 가스의 일부분을 순환시키는 가스 베어링 시스템이 사용된다. 이 작동 가스는 접촉부로부터 멀리 표면을 이동시키는 경계면 상에 힘을 가함으로써 유체 윤활제로서 작용한다.
불행하게도, 가스 베어링 시스템은 그 효율성을 유지시키기에 충분한 최소의 가스 유량을 필요로 한다. 가스 베어링 시스템을 통과하는 가스 유량은 피스톤 스트로크의 증가 함수이다. 따라서, 최소 피스톤 스트로크 구속은 이러한 극저온 냉각기에 노출된다. 결국, 종래의 극저온 냉각기 제어 시스템은 극저온 냉각기에 대한 손상을 방지하는 최대 피스톤 스트로크와 가스 베어링 효율성을 위해 필요한 최소 피스톤 스트로크 사이에서 냉각력 출력으로의 작동 범위를 제한하도록 설계되어야만 한다. 열 부하의 냉각력 요구가 최소 피스톤 스트로크로 전달되는 냉각력보다 작은 작동 상태에 이러한 극저온 냉각기가 당면하는 경우, 냉각 핑거 온도는 원하는 설정점 온도에서 유지되지 않는 대신 보다 낮은 온도로 떨어질 것이다.
가장 중요한 작동 조건 중 하나는 극저온 냉각기가 작동하는 대기 환경의 온도이다. 대기 온도는 예컨대 그 주변 절연부를 통한 전도에 의해 열 부하로 전달되는 열 전달률과, 극저온 냉각기에서 대기 환경으로 거절되는 열 전달률 모두에 영향을 미친다. 상술한 피스톤 스트로크에 대한 제한은 작동 조건들이 협소한 범 위로 한정된다면 문제가 되지 않겠지만, 대기 온도와 같은 보다 넓은 범위의 작동 조건이 예상될 수 있다면 이들 작동 조건들은 문제가 될 것이다. 이러한 보다 넓은 범위의 작동 조건은 최소 피스톤 스트로크에서 열 펌프에 의해 전달되는 냉각력에 비해 낮은 냉각력을 요구하는 조건들을 포함한다. 또한, 보다 협소한 범위의 작동 조건에 대해서만 작동할 수 있는 극저온 냉각기의 구성은 극저온 냉각기가 사용될 수 있는 적용분야의 개수를 한정한다.
따라서, 본 발명의 목적 및 특징은, 설정점 온도에서의 열 부하의 온도와 적절한 가스 베어링 윤활을 위해 필요한 최소 스트로크에서의 피스톤 스트로크 모두를 항시 유지시키면서 최소 피스톤 스트로크에서 전달되는 냉각력보다 작은 냉각력에서 작동할 수 있는 원동기 및 제어 시스템을 포함하는 극저온 냉각기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 특징은 피스톤 스트로크 조정의 에너지 효율성의 장점을 취할 수 있고, 보다 넓은 범위의 냉각력에 걸쳐 그리고 이에 따른 보다 넓은 범위의 작동 조건에 걸쳐, 예컨대 -40℃ 내지 +70℃와 같은 넓은 범위의 대기 온도에 대해서도 작동할 수 있고, 동일한 이유로 보다 광범위한 여러 적용 분야과 용도에도 적용될 수 있는 극저온 냉각기 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 2개의 작동 모드 및 제어를 갖는 폐루프 제어 시스템을 갖춘 자유 피스톤 극저온 냉각기이다. 가스 베어링 시스템의 적절한 작동을 유지시키는데 필요한 최소 피스톤 스트로크를 초과하는 피스톤 스트로크를 요구하는 냉각력에 대해, 이 냉각력은 명령 입력 또는 설정점 온도와 냉각되는 질량체의 감지된 온도 사이의 차의 증가 함수로서 피스톤 스트로크를 조정함으로써 제어된다. 그러나, 최소 피스톤 스트로크 보다 작은 피스톤 스트로크를 필요로 하는 출력 냉각력 요구에 대해, 바람직하게 실제 냉각력 요구와 최소 피스톤 스트로크에서의 극저온 냉각기에 의해 질량체에 가해지는 냉각력 사이의 차의 증가 함수로서, 피스톤 스트로크가 최소 스트로크로 유지되며 히터에 의해 냉각되는 질량체에 열 에너지가 적용된다.
따라서, 본 발명의 극저온 냉각기는 원하는 피스톤 스트로크가 최소 스트로크를 초과하는 경우 피스톤 스트로크를 조정하고 원하는 피스톤 스트로크가 최소 스트로크 미만인 경우 최소 스트로크를 유지시키며 피스톤을 구동시키는 원동기에 연결된 피스톤 스트로크 조정기를 구비한다. 이러한 극저온 냉각기는 또한 원하는 피스톤 스트로크가 최스 피스톤 스트로크 미만인 경우 히터 파워를 제어하는 히터 조정기 및 히터를 구비한다. 이를 위해, 2개의 브랜치의 동역학적 레그를 갖는 폐루프 피드백 제어 시스템이 사용된다. 하나의 브랜치는 극저온 냉각기의 조정을 제어하며, 평행한 제 2 브랜치는 히터의 조정을 제어한다.
도1은 본 발명을 설명하는 단순화된 블록도이다.
도2는 본 발명의 바람직한 실시예들의 작동을 설명하며 피스톤 스트로크와 냉각력 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도3은 본 발명의 컴퓨터 마이크로제어기 구현의 블록도이다.
도4는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하는 보다 상세한 블록도이다.
도면에 도해된 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함에 있어서, 명료함을 위해 특정 용어법에 의존할 것이다. 그러나, 본 발명을 그렇게 선택된 특정 용어에 한정하고자 의도하는 것은 아니며, 이러한 특정 용어는 유사한 목적을 달성하기 위해 유사한 방법으로 작동하는 모든 기술적 균등물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예컨대, 그에 유사한 용어 또는 연관된 단어를 사용할 수 있다. 이들 단어 또는 용어들은 직접적인 연관에 한정되지 않고, 당업자가 보아 이러한 연관이 균등한 것으로 인정되는 다른 요소들을 두루 아우른 연관을 포함한다.
도 1은 본 발명의 장치의 기본 성분들을 도시하며, 도 2는 본 발명의 실시예의 작동을 도시하는 그래프이다. 도 1은 폐루프, 네가티브 피드백 시스템을 도시하는데, 이 폐루프 피드백 시스템은 동역학 레그(dynamic leg), 실제 냉단부 온도를 나타내는 온도 신호를 뒤로 보내는 피드백 레그(feedback leg; 4), 명령 입력값(8)으로 나타내어 지는 원하는 온도(T＊)와 냉단부의 감지된 실제 온도(T) 사이의 차를 나타내는 작동 신호를 발생시키는 합산 접점(summing junction; 6)을 포함한다. 상술한 이들 성분들은 종래의 폐루프 피드백 제어 시스템(closed-loop feedback control system)의 기본 성분이다.
본 발명의 동역학 레그 또는 제어 유닛은 2개의 브랜치(branch)를 갖는다. 동역학 레그의 제 1 브랜치는 제 1 피제어 시스템(first controlled system)을 포함하는데, 이러한 제 1 피제어 시스템은 통상 자유 피스톤 열 펌프(10), 열 펌프의 피스톤을 구동시키는 원동기(12), 및 열 펌프(10)에 의해 냉각되는 열 부하(14)를 포함한다. 이러한 제 1 브랜치는 또한, 입력(18)에서의 작동 신호를 출력(20)에서의 피스톤 구동 신호(XP)로 변환시키기 위한 전달 함수(transfer function)를 제공하면서, 성분(16)을 포함하는 제 1 제어 요소를 구비한다.
동역학 레그의 제 1 브랜치는 또한, 제한기(limiter; 22)인 제 2 성분을 포함한다. 제한기(22)기의 작동은 도 2에 도시되어 있다. 도 2에서, XPmin는 적절한 가스 베어링 작동을 위해 최소 스트로크(minimum stroke)에서 피스톤을 구동시키며 냉각력(cooling power; A)을 제공하는 피스톤 구동 신호이다. XPmax는 열 펌프에 대한 손상을 방지하는 최대 스트로크에서 피스톤을 구동시키며 도 2의 냉각력(C)을 제공하는 피스톤 구동 신호이다. 구동 신호의 진폭 또는 값이 피스톤 구동 신호(XPmin)보다 크고 피스톤 구동 신호(XPmax)보다 작을 때 마다, 제한기(22)가 피스톤 구동 신호(XP)를 원동기(12)에 적용한다. 피스톤 구동 신호(XP)가 최소 스트로크 피스톤 구동 신호(XPmin) 미만인 경우(도 2에서 (A) 미만인 냉각력), 제한기는 원동기에 피스톤 구동 신호(XPmin)를 인가한다. 피스톤 구동 신호가 최대 스트로크 피스톤 구동 신호(XPmax) 보다 큰 경우(도 2에서 (C)보다 큰 냉각력), 제한기는 원동기에 피스톤 구동 신호(XPmax)를 인가한다. 요약하면, 제한기는 종래의 이력 함수(hysteresis function)를 피스톤 구동 신호(XP)에 인가하여, 도 2에 도시된 바와 같은 XPmin＜XPL＜XPmax 의 값으로 XPL을 제한하는 제한된 피스톤 구동 신호(XPL)를 제공한다.
따라서, 상술한 동역학 레그의 제 1 브랜치는 피스톤 스트로크 조정기(piston stroke modulator)를 제공하며, 이 피스톤 스트로크 조정기는, 원하는 피스톤 스트로크가 충분한 가스 베어링 작동을 유지시키는 최소 피스톤 스트로크를 초과하는 경우 피스톤 스트로크를 제어하기 위해 입력(18)에서의 작동 신호(TE)를 피스톤 구동 신호(XP)와 동일한 피스톤 구동 신호(XPL)로 변환시키고, 피스톤 구동 신호가 최소 스트로크에 대한 구동 신호 미만인 경우 피스톤 스트로크를 최소 스트로크로 유지시킨다.
동역학 레그의 제 2 브랜치는 히터(24)를 포함하는 제 2 피제어 요소(second controlled element)를 구비한다. 이 히터(24)는 열 부하(14)에 열 접속 상태에 있어서, 제어 시스템이 최소 피스톤 스트로크의 열 펌프에 의해 전달되는 냉각력 아래로 총(total) 냉각력을 감소시키고자 할 때 마다 열 부하(14)의 온도를 유지시키기 위해 히터(24)가 열 부하(14)에 열을 적용할 수 있다. 이러한 작용은, 제어 시스템이 냉각력을 감소시키고자 하지만 피스톤이 XPmin의 최소 스트로크에서 구동되기 때문에, 피스톤 구동 신호(XP)가 XPmin의 값보다 작은 경우 발생한다. 동역학 레그의 제 2 브랜치는 또한 히터 제어 요소(26)를 구비하는데, 이 제어 요소(26)에 작동 신호가 인가된다. 피스톤 구동 신호(XP)로부터 작동 신호가 인가되는 것이 바 람직하지만, 당업자에게 명확하듯이, 대안으로 제어 요소(26)의 전달 함수에 의해 작동 신호(TE)로부터 작동 신호가 인가될 수 있으며, 이후 제 1 제어 요소(16)의 함수와 같은 함수를 또한 제공하기 위해 변경된다. 피스톤 스트로크가 최소 스트로크 XPmin를 초과할 때 마다(도 2의 (A)보다 큰 냉각력) 히터 제어 요소(26)는 히터(24)가 열 부하(14)에 가열력을 적용하지 않게 하며, 또한 피스톤 구동 신호(XP)가 최소 스트로크 값, XPmin보다 작은 경우(도 2의 (A)보다 작은 냉각력) 히터 제어 요소(26)는 히터(26)가 열 부하(14)에 열을 적용하게 한다. 이러한 히터 제어 요소(26)는 최소 피스톤 스트로크를 위한 신호 아래의 감소하는 작동 신호의 함수로서 증가하는 가열력을 적용한다. 즉, "히터 작동"으로서 확인되는 그래프에 대해 도 2에 도시된 바와 같이, 제어 시스템이 최소 스트로크 피스톤 구동 신호(XPmin) 아래로 피스톤 스트로크를 감소시키고자 할 수록, 적용되는 가열력이 보다 증가한다.
따라서, 상술한 동역학 레그의 제 2 브랜치는 극저온 냉각기의 냉단부 또는 냉각 핑거(cold finger)와 열 접속 상태인 히터(24)를 포함하는 가열 장치이며, 피스톤 스트로크가 제한기(22)에 의해 최소 스트로크 피스톤 구동 신호(XPmin)에서 유지되는 경우 피스톤을 구동시키고자 하는 원하는 피스톤 스트로크와 최소 피스톤 스트로크 사이의 차의 증가 함수로서 가열력을 조정한다. 즉, 가열력은 음의 값의 차이에 대해서는 XPmin-XP의 증가 함수이며 음의 값에 대해서는 영(zero)이다.
피드백 루프(4)는 통상적인 것일 수 있으며, 열 부하(14)의 온도를 감지하는 온도 센서(28), 및 합산 접점(6)의 입력(32)에서 온도 피드백 신호를 인가하기 위해 열 부하(14)에 접속된 피드백 요소(30)를 포함한다.
당업자에게 널리 공지되어 있듯이, 여기에 도해되고 설명된 제어 시스템은 아나로그 또는 디지털 형태로 구현될 수 있다. 제어 알고리즘의 수학적인 신호 작동은 일반적이거나 특수한 목적의 디지털 컴퓨터 또는 마이크로제어기에 구현될 수 있다. 이들 디지털 컴퓨터 중 어떤 것들에서, "신호"는 디지탈 데이타 신호이다. 냉단부 상의 아나로그 온도 센서, 냉단부 상의 저항 히터, 및 마이크로프로세서-모든 제어 법칙을 실행하는 디지털 신호 프로세서를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 당업자에게 알려진 바와 같이, 제어 블록 요소 각각에 대해 사용될 수 있는 상당히 다양한 구조체가 존재한다. 이러한 피드백 제어 시스템을 실시하기 위한 다수의 방법이 존재한다. 유사하게, 본 발명의 실시예에 사용되는 특수한 전달 함수는 이들 전달 함수가 상술한 특성을 가져야만 한다는 것을 제외하고 본 발명의 일부분이 아니다.
도 3에는 본 발명의 디지털 컴퓨터 실시가 도시되어 있다. 디지털 하드웨어 성분들은 종래의 기술로서 마이크로제어기(40), 입력 주변부(42), 데이타 저장부(44), 피드백 루프 입력 A/D 컨버터(converter; 46) 및 피드백 루프 출력 D/A 컨버터(48)를 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 피드백 루프 출력 D/A 컨버터(48)가 원동기(50)에 적용되며, 이 원동기(50)는 냉각 핑거(54) 및 열 부하(56)를 냉각시키기 위해 열 펌프(52)를 구동시킨다. 냉각 핑거(54) 및 열 부하(56)는 절연성 외장(58) 내에 포함되어 있으며, 그 온도는 피드백 루프용 온도 센서(60)에 의해 검출된다.
상술한 장치의 작동은 자유 피스톤 극저온 냉각기에 의해 냉각되는 질량체의 온도를 제어하기 위한 본 발명의 방법을 설명한다. 열 부하의 온도를 제어하기 위한 2개 모드의 작동이 있다. 제 1 모드에서, 선택된 최소 피스톤 스트로크를 초과하는 피스톤 스트로크를 필요로 하는 출력 냉각력 요구에 대해, 출력 냉각력 또는 극저온 냉각기는 냉각되는 질량체의 감지된 온도와 명령 기준 입력 온도 사이의 차의 증가 함수로서 피스톤 스트로크 조정함으로써 제어된다. 제 2 모드에서, 선택된 최소 피스톤 스트로크 미만의 피스톤 스트로크를 필요로 하는 출력 냉각력 요구에 대해, 피스톤 스트로크는 선택된 최소 스트로크에서 유지되며 열 에너지가 열 부하에 적용된다.
통상적으로 부딪히게 되는 선택된 최소 피스톤 스트로크는 극저온 냉각기의 가스 베어링 시스템의 만족스러운 작동을 유지하는데 필요한 최소 스트로크이다. 바람직하게, 제 2 작동 모드에서, 냉각력 요구와 최소 피스톤 스트로크에서 피스톤이 왕복운동할 때 극저온 냉각기에 의해 열 부하에 적용되는 냉각력 사이의 차이의 증가 함수로서 열 부하에 열 에너지가 적용된다. 냉각력 파워 요구에 대해서는 적절하지만 유효성이 감소되거나 손실된 상태로 가스 베어링 시스템을 작동하게 하는 감소된 스트로크에서가 아니라 최소 스트로크에서 피스톤이 왕복운동 하는 경우, 열 부하에 적용되는 가열력은 극저온 냉각기에 의해 열 로드에 적용되는 초과의 냉각력을 보충한다. 도 2는 A와 D 사이의 냉각력 범위에서의 이러한 보충을 도시하며, 여기서, 열 부하에 적용되는 순 열 파워(net thermal power)는 극저온 냉각기 냉각력 및 히터 가열력의 총합이다.
도 2는 또한 극저온 냉각기 작동의 범위를 본 발명이 어떻게 확장하는지를 보여주는데, 이는 특별한 적용 분야를 위해 사용되는 극저온 냉각기를 보다 넓은 범위의 작동 조건에 걸쳐 작동할 수 있게 할 뿐만 아니라 극저온 냉각기 구성이 보다 다양한 적용 분야에 사용될 수 있게 한다. 종래 기술과 마찬가지로 온도의 제어를 피스톤 스트로크의 조정에만 의존한다면, 극저온 냉각기 작동은 도 2의 A와 C 사이의 냉각력의 범위에 한정된다. 그러나, 본 발명의 원리를 적용한다면, 이러한 범위는 D와 C 사이의 냉각력으로 확장될 수 있다. 결국, 극저온 냉각기는 A보다는 약간 크지만 C보다는 A에 가깝고 D와 C 사이의 광범위한 작동 범위의 중간에 위치할 수 있는 공칭 또는 평균 작동점에 대해 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 보다 상세한 실시예를 도시한다. 이 실시예는 도 1에 도시된 바와 동일한 기본 구성을 갖고 있으며, 구성 성분의 설명은 도 1에 도시되지 않은 성분 범위까지 설명한다. 디지털 신호 프로세서(68)의 성분들은 소프트웨어 내에 구현되며, 입력(70)에서 합산 접점(72)에 적용된 예컨대 77°K와 같은 명령받은 냉각 핑거 온도 또는 설정점(TCF*)을 갖는다. 차(difference) 또는 에러(error)를 나타내는 작동 신호는 온도 에러를 명령받은 피스톤 스트로크(XP)로 변환시키기 위해 도 4에 도시된 전달 함수를 갖는 제어 요소(74)에 적용된다. 상수 KP 및 KI는 각각 온도 루프(PI) 제어기에 대한 비례 이득 상수 및 적분기 이득 상수를 나타내며, s는 종래의 라플라스 변수(Laplace variable)이다. 이러한 PI 제어 기를 종종 비례 플러스 리셋 제어(P+I)라고 하며, 이 PI 제어기는 상술한 바와 같이 작동하는 제한기(76)에 작동 신호를 인가한다. 예컨대, 제한기(76)는 4mm의 XPmin와 6.5mm의 XPmax로 그 출력을 한정할 수 있다. 예컨대 최소 스트로크 피스톤 구동 신호(XPmin)에서 0.5와트의 열 상승과 최대 스트로크 피스톤 구동 신호(XPmax)에서 5.0와트의 열 상승을 가질 수 있는 열 펌프(80)를 구동시키기 위해 제한기(76)의 출력이 원동기(78)에 적용된다.
피제어 시스템의 마지막 단계에서의 열 파워는 열이 전달되고 또한 열을 외부로 전달시키는 합산 접점(82)으로서 도시되어 있다. 히터(84), 냉각되는 질량체를 나타내는 외부 부하(86), 대기 환경으로부터 흡수되는 열을 나타내는 기생 열 부하(88)에 의해 열이 적용된다. 열 펌프(80)에 의해 합산 접점으로부터 열이 전달된다. 전달 함수(90)는 열 관성을 나타내며 냉각 핑거에 대해 일정한 시간을 생성시킨다. M은 냉각 핑거 그 자체, 냉각되는 물품과 임의의 장착 구조물을 포함해서, 냉각 핑거의 단부에서의 모두의 질량을 나타낸다. CP는 질량(M)의 비열이며, s는 통상의 라플라스 변환(Laplace transform) 변수이다. 그 출력은 냉각 핑거 온도인 피제어 변수(TCF)를 나타낸다.
피드백 루프는 종래의 열전쌍 온도 센서(92)를 포함하는데, 이 열전쌍 온도 센서(92)는 77°K에서 19.2230 오옴(ohms), 0℃에서 100.00 오옴, 및 32℃에서 116.27 오옴의 저항 특성을 나타낼 수 있다. 이러한 열전쌍 온도 센서(92)의 출력은 TCF로 표현되는 아나로그 신호를 제공하며, 이 아나로그 신호(TCF)는 A/D 컨버 터(94)에 의해 디지털 포맷으로 변환되며, 디지털 신호 프로세서(68)에 적용되고 블록(96)에 의해 스케일링(scaling)된다. 열전쌍 노이즈(thermocouple noise)는 회로(98)에 의해 종래의 방법으로 필터링된다.
본 발명의 특정의 바람직한 실시예를 상세히 개시하였지만, 다음의 청구의 범위 또는 본 발명의 정신에서 벗어나지 않는 여러 변경예가 채택될 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (9)

  1. 자유 피스톤 극저온 냉각기에 의해 냉각되는 질량체의 온도를 제어하는 방법으로서,
    (a) 선택된 최소 피스톤 스트로크를 초과하는 피스톤 스트로크를 필요로 하는 출력 냉각력 요구에 대해, 감지된 질량체 온도와 명령 기준 입력 온도 사이의 차이의 증가 함수로서 피스톤 스트로크를 조정함으로써 상기 극저온 냉각기의 출력 냉각력을 제어하는 단계와, 그리고
    (b) 상기 선택된 최소 피스톤 스트로크보다 작은 피스톤 스트로크를 필요로 하는 출력 냉각력 요구에 대해, 상기 최소 피스톤 스트로크를 유지하고 상기 질량체에 열에너지를 적용하는 단계를 포함하는
    자유 피스톤 극저온 냉각기에 의해 냉각되는 질량체의 온도 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 선택된 최소 피스톤 스트로크는 상기 극저온 냉각기의 가스 베어링 윤활를 유지하는데 필요한 최소 피스톤 스트로크인
    자유 피스톤 극저온 냉각기에 의해 냉각되는 질량체의 온도 제어 방법
  3. 제2항에 있어서,
    상기 선택된 최소 피스톤 스트로크보다 작은 피스톤 스트로크를 필요로 하는 출력 냉각력 요구에 대해, 상기 열에너지는 상기 냉각력 요구와 상기 선택된 최소 피스톤 스트로크에서 상기 극저온 냉각기에 의해 상기 질량체에 적용되는 냉각력 사이의 차의 증가 함수로서 적용되는
    자유 피스톤 극저온 냉각기에 의해 냉각되는 질량체의 온도 제어 방법
  4. 제3항에 있어서,
    공칭 구성 작동을 위해, 상기 출력 냉각력 요구는 상기 선택된 최소 피스톤 스트로크에서의 상기 출력 냉각력보다 크고, 최대 허용가능 피스톤 스트로크에서의 냉각력 보다 상기 선택된 최소 피스톤 스트로크에서의 출력 냉각력에 보다 근접하는
    자유 피스톤 극저온 냉각기에 의해 냉각되는 질량체의 온도 제어 방법
  5. 자유 피스톤 극저온 냉각기에 의해 냉각되는 질량체의 온도를 제어하는 방법으로서,
    상기 극저온 냉각기가 폐루프 제어 시스템을 갖추고 있고, 상기 폐루프 제어 시스템이 상기 질량체의 온도를 나타내는 피드백 온도 신호와 설정점 신호 사이의 차이로부터 피스톤 구동 신호를 도출하며,
    (a) 선택된 최소 피스톤 스트로크를 초과하는 피스톤 스트로크에 대응하는 피스톤 구동 신호에 대해, 상기 피스톤 구동 신호에 의해 상기 극저온 냉각기의 출력 냉각력을 제어하는 단계와,
    (b) 상기 최소 피스톤 스트로크보다 작은 피스톤 스트로크에 대응하는 피스톤 구동 신호에 대해, 상기 최소 피스톤 스트로크를 유지하는 단계와, 그리고
    (c) 상기 최소 피스톤 스트로크보다 작은 피스톤 스트로크에 대응하는 피스톤 구동 신호에 대해, 상기 적용된 피스톤 구동 신호와 상기 최소 피스톤 스트로크에 대한 피스톤 구동 신호 사이의 차의 증가 함수로서 상기 질량체에 열에너지를 적용하는 단계를 포함하는
    자유 피스톤 극저온냉각기에 의해 냉각되는 질량체의 온도 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 선택된 최소 피스톤 스트로크는 상기 극저온 냉각기의 가스 베어링 윤활을 유지시키는데 필요한 피스톤 스트로크에 해당하는
    자유 피스톤 극저온냉각기에 의해 냉각되는 질량체의 온도 제어 방법.
  7. 조정가능한 스트로크를 갖는 원동기에 의해 왕복 구동하는 자유 피스톤을 포함하는 온도 제어식 자유 피스톤 극저온 냉각기로서,
    냉단부 및 온단부를 포함하며 상기 냉단부에 위치하는 열부하로부터 열을 멀리 전달시킬 수 있으며, (ⅰ)상기 열부하의 원하는 냉단부 온도를 나타내는 기준 신호를 입력하기 위한 온도 명령 입력부, (ⅱ)실제 냉단부 온도를 나타내는 신호를 발생시키기 위해 상기 냉단부에 온도 센서를 포함하는 피드백 루프, 및 (ⅲ)상기 냉단부의 실제 온도와 상기 원하는 온도 사이의 차를 나타내는 작동 신호를 발생시 키는 합산 접점을 포함하는 피드백 제어 시스템을 구비하는 온도 제어식 자유 피스톤 극저온 냉각기에 있어서,
    (a)상기 작동 신호를 수신하며 원하는 피스톤 스트로크를 나타내는 피스톤 구동 신호로 상기 작동 신호를 변환하도록 연결되며, 상기 원하는 피스톤 스트로크가 선택된 최소 스트로크를 초과할 때 상기 원동기를 제어하고 상기 원하는 스트로크가 상기 최소 스트로크보다 작을 때 상기 최소 스트로크를 유지시키도록 상기 원동기에 연결된 피스톤 스트로크 조정기와, 그리고
    (b)상기 냉단부와 열적 접속 상태의 히터, 및 상기 원하는 피스톤 스트로크가 상기 최소 피스톤 스트로크보다 작을 때 상기 최소 피스톤 스트로크와 상기 원하는 피스톤 스트로크 사이의 차의 증가 함수로서 상기 히터 파워를 조정하기 위해 상기 피스톤 구동 신호를 수신하도록 연결된 입력부를 갖춘 히터 제어 요소를 포함하는 히팅 장치의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는
    온도 제어식 자유 피스톤 극저온 냉각기.
  8. 피스톤을 포함하는 열 펌프를 갖춘 자유 피스톤 극저온 냉각기를 제어하기 위한 폐루프 제어 시스템으로서,
    상기 극저온 냉각기에 의해 냉각되는 질량체의 온도를 제어하며, (ⅰ)동역학 레그, (ⅱ)원하는 설정점 온도를 입력하기 위한 기준 입력, 및 (ⅲ)작동 신호를 제공하도록 상기 온도 센서로부터 상기 기준 입력까지의 신호의 비교를 위해, 상기 냉각되는 질량체와 열전도성 접속 상태의 온도 센서를 포함하는 피드백 레그를 포 함하는 폐루프 제어 시스템에 있어서,
    (a)상기 동역학 레그의 제 1 브랜치로서,
    (ⅰ)원동기 및 열펌프를 포함하며 피스톤 진동의 진폭을 제어하기 위한 제 1 피제어 요소, 및
    (ⅱ)상기 제 1 피제어 요소의 입력부에 연결된 출력부, 및 상기 피스톤 진동의 진폭을 제어하기 위해 상기 작동 신호가 적용되는 입력부를 구비하며, 최소 피스톤 스트로크에 실질적으로 대응하는 선택된 피스톤 제한값보다 큰 제 1 제어 요소의 출력을 유지하기 위한 작동 신호 제한기를 포함하는 제 1 제어 요소를 포함하는 상기 동역학 레그의 제 1 브랜치와, 그리고
    (b)상기 동역학 레그의 평행한 제 2 브랜치로서,
    (ⅰ)상기 질량체와 열전도성 접속 상태의 히터를 포함하는 제 2 피제어 요소, 및
    (ⅱ)상기 제 2 피제어 요소의 입력부에 연결된 출력부, 및 상기 히터의 가열력 출력을 제어하기 위해 상기 작동 신호가 적용되는 입력부를 구비하며, 상기 선택된 피스톤 제한값을 초과하는 작동 신호값에 대해 실질적으로 가열력을 적용하지 않고, 상기 선택된 피스톤 제한값보다 작은 작동 신호값에 대해 작동 신호값을 감소시키는 함수로서 증가하는 가열력을 적용하는 제 2 제어 요소를 포함하는 상기 동역학 레그의 평행한 제 2 브랜치를 포함하는 것을 특징으로 하는
    자유 피스톤 극저온 냉각기 제어용 폐루프 제어 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어 요소들은 디지털 마이크로프로세서, 및 내부에 저장된 알고리즘 및 제어 지시어들을 갖춘 프로그래밍된 컴퓨터 시스템을 형성하는 연관된 스토리지를 포함하는
    자유 피스톤 극저온 냉각기 제어용 폐루프 제어 시스템.
KR1020067023251A 2004-04-15 2005-03-25 온도 제어식 자유 피스톤 극저온 냉각기, 자유 피스톤 극저온 냉각기에 의해 냉각되는 질량체의 온도 제어 방법, 및 자유 피스톤 극저온 냉각기 제어용 폐루프 제어 시스템 KR100854177B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US10/825,024 US7266947B2 (en) 2004-04-15 2004-04-15 Temperature control for free-piston cryocooler with gas bearings
US10/825,024 2004-04-15

Publications (3)

Publication Number Publication Date
KR20070000509A KR20070000509A (ko) 2007-01-02
KR20060136479A true KR20060136479A (ko) 2007-01-02
KR100854177B1 KR100854177B1 (ko) 2008-08-26

Family

ID=35094844

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020067023251A KR100854177B1 (ko) 2004-04-15 2005-03-25 온도 제어식 자유 피스톤 극저온 냉각기, 자유 피스톤 극저온 냉각기에 의해 냉각되는 질량체의 온도 제어 방법, 및 자유 피스톤 극저온 냉각기 제어용 폐루프 제어 시스템

Country Status (12)

Country Link
US (1) US7266947B2 (ko)
EP (1) EP1735571B1 (ko)
JP (1) JP4369512B2 (ko)
KR (1) KR100854177B1 (ko)
CN (1) CN100533000C (ko)
AT (1) ATE441820T1 (ko)
AU (1) AU2005238856B2 (ko)
BR (1) BRPI0509856A (ko)
DE (1) DE602005016384D1 (ko)
HK (1) HK1103121A1 (ko)
MX (1) MXPA06011862A (ko)
WO (1) WO2005106351A2 (ko)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB0620977D0 (en) * 2006-10-21 2006-11-29 Acton Elizabeth Controlled rate freezing equipment
EP2310768B1 (en) * 2008-05-21 2018-12-26 Brooks Automation, Inc. Linear drive cryogenic refrigerator
US8794016B2 (en) * 2008-08-14 2014-08-05 Raytheon Company Monitoring the health of a cryocooler
CN101975649B (zh) * 2010-09-17 2012-02-15 中国科学院上海技术物理研究所 一种柔性非碰撞式冷指限位保护装置
US9500391B2 (en) 2013-05-01 2016-11-22 The John Hopkins University Active damping vibration controller for use with cryocoolers
US10060655B2 (en) 2014-08-11 2018-08-28 Raytheon Company Temperature control of multi-stage cryocooler with load shifting capabilities
CN105042966B (zh) * 2015-07-01 2017-10-10 中国电子科技集团公司第十六研究所 一种气体轴承斯特林制冷机控制系统及其控制方法
US20230332814A1 (en) * 2022-04-14 2023-10-19 Global Cooling, Inc. Method for improving gas bearing function at low thermal cooling power

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3788088A (en) * 1972-11-29 1974-01-29 Hughes Aircraft Co Double acting expander ending and cryostat
US4543793A (en) * 1983-08-31 1985-10-01 Helix Technology Corporation Electronic control of cryogenic refrigerators
US4553398A (en) * 1984-02-03 1985-11-19 Helix Technology Corporation Linear motor compressor with pressure stabilization ports for use in refrigeration systems
US5018357A (en) * 1988-10-11 1991-05-28 Helix Technology Corporation Temperature control system for a cryogenic refrigeration
IT1237211B (it) * 1989-11-17 1993-05-27 Eurodomestici Ind Riunite Circuito per il pilotaggio di un motore a pistone oscillante, in particolare di un compressore per frigoriferi.
US5032772A (en) * 1989-12-04 1991-07-16 Gully Wilfred J Motor driver circuit for resonant linear cooler
US5156005A (en) * 1991-05-24 1992-10-20 Sunpower, Inc. Control of stirling cooler displacement by pulse width modulation of drive motor voltage
US5385021A (en) * 1992-08-20 1995-01-31 Sunpower, Inc. Free piston stirling machine having variable spring between displacer and piston for power control and stroke limiting
US5535593A (en) * 1994-08-22 1996-07-16 Hughes Electronics Apparatus and method for temperature control of a cryocooler by adjusting the compressor piston stroke amplitude
US5606870A (en) * 1995-02-10 1997-03-04 Redstone Engineering Low-temperature refrigeration system with precise temperature control
US5752385A (en) * 1995-11-29 1998-05-19 Litton Systems, Inc. Electronic controller for linear cryogenic coolers
TW426798B (en) * 1998-02-06 2001-03-21 Sanyo Electric Co Stirling apparatus
EP1026755A4 (en) * 1998-05-22 2009-11-11 Sumitomo Electric Industries METHOD AND DEVICE FOR COOLING A SUPERCONDUCTOR
US6098409A (en) * 1998-12-03 2000-08-08 Superconductor Technologies, Inc. Temperature control of high temperature superconducting thin film filter subsystems
IL128808A (en) * 1999-03-03 2003-10-31 Ricor Stirling cooler
EP1348918A4 (en) * 2000-12-27 2005-09-28 Sharp Kk STIRLING CYCLE REFRIGERATOR AND METHOD FOR CONTROLLING THE OPERATION OF SAID REFRIGERATOR
JP3865679B2 (ja) * 2002-01-08 2007-01-10 シャープ株式会社 スターリング冷凍機

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100854177B1 (ko) 온도 제어식 자유 피스톤 극저온 냉각기, 자유 피스톤 극저온 냉각기에 의해 냉각되는 질량체의 온도 제어 방법, 및 자유 피스톤 극저온 냉각기 제어용 폐루프 제어 시스템
KR20060136479A (ko) 가스 베어링을 갖춘 자유 피스톤 극저온 냉각기의 온도제어 방법
US7614240B2 (en) Control method for pulse tube cryocooler
US5467600A (en) Naturally circulated thermal cycling system with environmentally powered engine
US6871495B2 (en) Thermal cycle engine boost bridge power interface
Chen et al. Heat transfer effect on the specific cooling load of refrigerators
JP4277909B2 (ja) 外燃機関
EP4080034A2 (en) Dynamic frequency tuning for driving a free-piston gamma-type stirling heat-pump at minimum electrical power input or maximum thermal cooling power depending upon current thermal conditions
US10934971B2 (en) Isochoric piston-cylinder heat pump
US5734593A (en) Fuzzy logic controlled cryogenic cooler
JP2003314919A (ja) スターリング冷凍機
US20070220881A1 (en) External combustion engine
JPH06137697A (ja) 熱駆動式冷凍機
US20230332814A1 (en) Method for improving gas bearing function at low thermal cooling power
US11952961B2 (en) Energy pump
Özkaynak Maximum power operation of a solar-powered heat engine
JP2021063646A (ja) 電気カロリーデバイスのための制御システム
Nellis et al. An isothermal model of a hybrid Stirling/reverse-Brayton cryocooler
WO2023186939A1 (en) Solid state thermodynamic cycle
Abhyankar et al. Characterization of Raytheon’s 60 K 2W Protoflight Spacecraft Cryocooler
JP2003166768A (ja) スターリング機関およびその運転方法
Kaneko et al. Performance of reciprocating expansion engine with electronic control valves
Jalink Jr et al. Ferroelectric Stirling-Cycle Refrigerator
Griffin et al. Evaluation of power control methods for free-piston Stirling engine driven heat pumps
KR20040017124A (ko) 전열장치가 부착된 압축기