KR20200121368A - 공기압 드라이브 극저온 냉동기 - Google Patents

Abstract

GM(Gifford-McMahon) 극저온 냉동기는 냉동 체적 내에 왕복 디스플레이서를 포함한다. 디스플레이서는 공기압 드라이브 체적 내의 구동 피스톤에 의해 공기압식으로 구동된다. 공기압 드라이브 체적 내의 압력은 구동 피스톤이 구동 피스톤의 스트로크를 통해서 프로그래밍된 변위 프로파일을 추종하게 하는 밸브에 의해 제어된다. 구동 밸브는 구동 유체의 연속 가변 공급 및 배출을 제공하는 비례 밸브를 구비할 수 있다. 비례 제어되는 피드백 시스템에서, 드라이브 체적 내로의 밸브는 변위 신호와 프로그래밍된 변위 프로파일 사이의 오차를 최소화하기 위해 제어된다. 냉동 체적의 웜 단부로의 밸브 작동 또한 비례적일 수 있다. 기계적 스프링 또는 자석과 같은 수동 힘 발생기는 구동 유체에 의해 가해지는 구동력에 대항하여 피스톤에 힘을 가할 수 있다.

Description

공기압 드라이브 극저온 냉동기

(관련 출원)

본 출원은 2018년 4월 9일에 출원된 미국 가출원 제62/655,093호의 이익을 주장한다. 상기 출원의 전체 교시는 본 명세서에 참조로 원용된다.

미국 특허 제2,906,101호 및 제2,966,035호에 개시된 것과 같은 GM(Gifford-McMahon) 타입 냉동기에서는, 헬륨과 같은 고압 작동 유체가 실린더 내의 냉동 체적의 웜(warm) 단부로 밸브 이송된다. 이후 유체는 재생 매트릭스를 운반할 수 있는 디스플레이서(displacer) 피스톤의 이동 및 압력 차이에 의해 재생 매트릭스를 통해서 웜 단부 쪽으로 이동된다. 유체는 재생 매트릭스를 통과할 때 냉각된다. 유체가 웜 단부로부터 배출 밸브를 통해서 배출됨에 따라 유체는 이후 팽창되고 디스플레이서 피스톤의 콜드 단부에서 추가로 냉각된다. 디스플레이서 피스톤은 유체가 통과할 때 재생 매트릭스를 냉각시키기 위해 냉동 체적의 콜드 단부 쪽으로 다시 이동된다. 오리지널 Gifford 특허에서, 피스톤은 로터리 모터로부터 크랭크에 의해 구동되었으며 실린더의 웜 단부까지의 밸브는 피스톤 이동을 밸브와 동기화하기 위해 동일한 로터리 드라이브에 의해 제어되었다. 로터리 모터가 로터리 밸브를 제어하고 스카치 요크를 통해서 디스플레이서 피스톤을 직선 운동으로 구동하는 미국 특허 제3,625,015호도 참조하기 바란다. 이 접근 방식은 오늘날 대부분의 GM 냉동기에 적용된다.

디스플레이서를 냉동기 실린더 내에서 왕복시키기 위해 공기압 힘에 의존하는 GM 냉동기는 수년 동안 시장에 존재해왔다. 예를 들어 미국 특허 제3,620,029호 및 제6,256,997호를 참조하기 바란다. 이들 설계는 디스플레이서가 실린더의 하부 또는 상부에 부딪히게 만드는 디스플레이서 상의 힘 불균형을 겪을 수 있다. 이들 힘 불균형은 마찰력 또는 점성력과 같은 기생력이 시간이 지날수록 변화함에 따라 발생할 수 있다. 미국 특허 제6,256,997호는 실린더에 대한 디스플레이서 충돌 에너지를 흡수하기 위해 에너지 흡수 범퍼 패드의 사용을 제안했다. 그러나 이 충돌은 여전히 바람직하지 않은 진동 및 기타 해로운 기능적 특성을 초래한다.

공기압 드라이브 체적으로의 유체 유동을 제어하기 위해 밸브를 이용하는 공기압 드라이브 설계가 제안되었다. 미국 특허 제3,188,819호, 제3,188,821호 및 제3,218,815호는 캠과 같은 기계 장치에 의한 밸브 타이밍 제어를 제안했다. 한 가지 접근 방식에서, 스풀 밸브와 연관된 캠은 냉동기 디스플레이서로부터 연장되는 로드 상의 디스크에 의해 구동되었다. 다른 실시예에서, 스풀 밸브는 디스플레이서와 연관된 포트를 통해 공기압식으로 제어되었다. 각각의 경우에, 밸브와 디스플레이서는 구조적으로 밀접하게 연관되어 있고 밸브의 타이밍은 쉽게 조절되지 않았다. 미국 특허 제3,188,821호는 스풀 밸브가 디스플레이서 위치와 무관하게 솔레노이드에 의해 제어되는 실시예를 추가로 제안했다. 보다 최근에, 미국 특허 제4,543,793호는 공기압 드라이브 체적에 대한 밸브 작동이 디스플레이서 위치에 응답하여 전자 구동식 스풀 밸브에 의해 제어되는 공기압 드라이브를 제안했다. 실제 실시는 이들 밸브식 공기압 드라이브 시스템에 기인하는 것으로 알려져 있지 않다.

극저온 냉동기는 웜 단부와 콜드 단부를 갖는 하나 이상의 상호연결된 팽창 챔버를 구비하는 냉동 체적 및 상기 냉동 체적 내의 왕복 디스플레이서를 포함한다. 냉동 체적의 웜 단부에 있는 공기압 드라이브 체적 내의 구동 피스톤이 디스플레이서에 결합된다. 냉동 체적 밸브는 냉동 체적의 웜 단부에 대한 가압 냉매 가스의 순환식 공급 및 배출을 제어한다. 구동 밸브는 공기압 드라이브 체적에 대한 구동 유체의 공급 및 배출을 제공한다. 전자 제어기는 구동 피스톤의 스트로크를 통해서 변화하는 하나 이상의 입력의 구동 제어 신호에 의해 구동 밸브를 제어하여 구동 피스톤이 구동 피스톤의 스트로크를 통해서 프로그래밍된 변위 프로파일을 추종하게 한다.

극저온 냉동기는 구동 피스톤 또는 디스플레이서의 이동에 응답하여 변위 신호를 제공하는 변위 센서를 구비할 수 있으며, 전자 제어기는 구동 피스톤의 스트로크를 통해서 변위 신호와 프로그래밍된 변위 프로파일 사이의 오차를 최소화하기 위해 구동 밸브를 제어할 수 있다.

구동 밸브는 전자 제어기로부터의 구동 제어 신호에 비례하여 구동 유체의 연속 가변 공급 및 배출을 제공하는 비례 구동 밸브일 수 있다. 대안적으로, 전자 제어기는 공기압 드라이브 체적 내의 공급 압력과 배출 압력 사이 압력의 가변 제어를 제공하기에 충분한 속도로 각각의 공급 라인 및 배출 라인으로의 구동 밸브를 개방 및 폐쇄할 수 있다.

극저온 냉동기는 구동 유체에 의해 가해지는 구동력에 대항하여 피스톤에 힘을 가하는 수동 힘 발생기를 추가로 포함할 수 있다. 수동 힘 발생기는 스프링일 수 있으며, 스프링은 드라이브 체적의 내부 또는 외부에 배치되고 샤프트를 통해서 피스톤에 결합되는 두 개 이상의 스프링 요소를 포함할 수 있다. 대안적으로, 수동 힘 발생기는 자석을 포함할 수 있다.

구동 피스톤은 공기압 드라이브 체적을 디스플레이서에 근접한 근위 구동 챔버와 디스플레이서에서 먼 원위 구동 챔버로 분리할 수 있다. 구동 밸브는 원위 구동 챔버에 대해 구동 유체를 공급 및 배출할 수 있다. 구동 밸브는 추가로 또는 대안적으로 근위 구동 챔버에 대해 구동 유체를 공급 및 배출할 수 있다. 대안적으로, 근위 구동 챔버는 구동 유체 배출구에 직접 결합되거나 냉동 체적의 웜 단부와 유체 연통될 수 있다.

냉동 체적 밸브는 또한 전자 냉매 제어 신호에 비례하여 냉동 체적에 대한 냉매 가스의 연속 가변 공급 및 배출을 제공하는 비례 밸브를 포함할 수 있다. 구동 유체는 동일한 냉매 공급 및 복귀 라인으로부터 밸브 이송될 수 있다.

변위 피드백 제어에 추가적으로 또는 그 대안으로서, 전자 제어기는 적응형 피드포워드(feedforward) 제어를 추가로 제공할 수 있다.

전술한 내용은 유사한 참조 부호가 여러 도면에 걸쳐서 동일한 부분을 지칭하는 첨부 도면에 도시되어 있듯이, 예시적 실시예에 대한 하기의 보다 구체적인 설명으로부터 명백해질 것이다. 도면은 반드시 실척일 필요가 없으며, 대신에 예시적 실시예가 강조된다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예의 단면도이다.
도 1b는 수동 힘 발생기로서 스프링을 추가로 구비하는 본 발명의 대체 실시예이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서의 밸브 타이밍을 도시한다.
도 3은 근위 구동 챔버가 냉동 체적과 유체 연통하는 도 1b 실시예의 개략도이다.
도 4는 근위 구동 챔버가 배기 장치에 결합되고 냉동 체적과 유체 연통하지 않는 본 발명의 대체 실시예의 개략도이다.
도 5는 근위 구동 챔버와 원위 구동 챔버 모두가 공급 및 배출을 위해 밸브 설치되는 본 발명의 대체 실시예의 개략도이다.
도 6a는 본 발명에 적용되는 PID 제어기를 도시한다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에서 전자 제어기의 동작의 흐름도이다.
도 7a는 본 발명의 냉동기에서도 실현될 수 있는 종래의 GM 사이클 냉동기에서의 디스플레이서 위치와 밸브 배출 및 흡입 타이밍을 도시한다.
도 7b는 본 발명에서 실현될 수도 있는 종래의 GM 냉동기의 PV 다이어그램이다.
도 8a 내지 도 8f는 시스템에서 실현될 수 있는 예시적인 디스플레이서 위치 및 밸브 타이밍 프로파일을 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른 대체 공기압 드라이브의 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 다른 대체 공기압 드라이브의 분해도이다.
도 11a 내지 도 11c는 폐쇄, 완전-개방-공급, 및 완전-개방-복귀 상태에서의 본 발명에 따라 사용하기 위한 비례 밸브의 일 예를 도시한다.
도 12는 본 발명을 실현하는데 사용될 수 있는 피드포워드 전자 제어기의 블록도이다.

예시적인 실시예에 대한 설명은 다음과 같다.

지배적인 모터-구동식 GM(Gifford-McMahon) 극저온 냉동기의 현재 실시는 특정 성능 제한을 특징으로 한다:

1) 적절한 적용 성능을 보장하기 위해 극저온 냉동기의 전자기 차폐를 요구할 수 있는, 고토크 모터에 의해 발생되는 기생 자기장;

2) 특정 용도(예를 들어, MRI 및 NMR)에서 요구되는 일차 자기장을 왜곡시킬 수 있는, 전기 모터 고유의 자성 재료의 사용;

3) 용도(예를 들어, MRI 및 NMR)에 해로운 상당한 기계적 진동을 초래할 수 있는, 스카치-요크 기구를 통한 구동 모터에 대한 디스플레이서 보디의 직접 결합;

4) 바람직하지 않은 음향 방출을 초래할 수 있는, 디스플레이서와 모터의 직접 결합;

5) 냉동기 용량과 효율의 최적화를 방지하는, 디스플레이서 위치와 헬륨(He) 흡입/배출 밸브 타이밍 사이의 직접적인 기계적 연결;

6) 시스템의 열 부하를 상쇄하는데 필요한 만큼의 냉동 양을 제공하도록 조절될 수 없고, 따라서 특정 용도에 요구되는 전기 에너지만 소비하는 냉동 용량;

7) 현장 교체를 어렵게 만드는, GM 냉동기의 통상적인 모터 드라이브의 크기 및 무게;

8) 용도별 설계 해결책을 초래하는, 특정 용도에 대한 제한된 극저온 냉동기 조정 가능성;

9) 극저온 냉동기의 수명을 제한하는, 시일 및 부싱 부품의 상당한 마모.

GM 극저온 냉동기가 제공하는 특정 용도(반도체 산업용 극저온 펌프, MRI/NMR 등)에 따라서, 상기 제한은 고객의 용도에 심각한 제한 요인이 될 수 있다.

본 명세서에 제시된 해결책은 전술한 제한을 저감 또는 제거하도록 의도된다. 개시된 실시예는 모터 드라이브 및 스카치-요크 기구를 전자 제어 밸브가 장착된 능동 제어식 공기압 드라이브로 대체함으로써 모터 드라이브 및 스카치-요크 기구를 제거한다. 공기압식으로 구동되는 냉동기는 진동 저감, 자성 재료 저감, 음향 저감, 크기와 무게 저감, 열역학적 사이클 효율성 개선, 및 MRI와 같은 용도에 유리한 기타 이점을 제공한다.

개시된 공기압 드라이브 설계는 크기와 무게 모두에서 통상적인 전류 모터 드라이브보다 작을 수 있다. 공기압 힘은 압축기에서 나오는 헬륨 냉매 가스 유동의 일부를 전환함으로써 제공될 수 있다. 가스는 드라이브 체적에서 드라이브 체적 내의 하나 이상의 챔버를 채우기 위해 사용되며, 드라이브 체적에서 개발되는 결과적 힘은 그 안에서 디스플레이서가 왕복하는 하나 이상의 팽창 챔버를 포함하는 열역학(TD) 냉동 체적에서 개발되는 공기압 힘 및 마찰/소산력에 대해 균형맞춤된다. 압력/힘 균형은 전자 밸브에 의해 제어되며, 특정 실시예에서 상기 전자 밸브는 드라이브 체적 및 TD 팽창 체적으로의 가스 유입 및 배출을 조절하는 비용 효과적인 비례 스풀 밸브이다. 디스플레이서의 위치를 검출하기 위해 위치 센서가 사용될 수 있으며, 디스플레이서 위치(및 경우에 따라서는 압력 센서의 추가 사용에 의한 TD 체적 압력)에 기초하여, 드라이브 체적 압력이 조절되어 디스플레이서의 제어된 움직임을 초래한다. 디스플레이서가 밸브 작동 기구에 기계적으로 연결되지 않기 때문에, 디스플레이서의 위치가 밸브 타이밍에 기계적으로 연결되는 종래의 GM 냉동기와 달리, 디스플레이서가 열역학적 사이클 내내 이동하는 직선 거리를 TD 체적 안팎으로의 헬륨 유동을 제어하는 밸브가 작동되는 시기와 무관하게 제어할 수 있다. 이런 식으로 냉동기의 압력-체적(PV) 다이어그램이 고도로 조절 가능하게 될 수 있으며; 제어 시스템은 팽창 체적의 크기, 팽창 체적의 크기 변화율, 및 체적이 충전되는 압력을 프로그래밍된 프로파일에 따라 조절할 수 있다.

드라이브의 실시는 구동 챔버 내의 압력 레벨에 의해 결정되는 디스플레이서의 이동을 보조하기 위해 수동 힘 발생기로서의 역할을 하는 적절한 크기의 축방향 기계식 스프링 또는 자석을 구비할 수 있다. 힘 발생기는 정교한 제어 알고리즘에 대한 필요 없이, 실린더 상부 및 하부에서의 타격 방지를 포함하여, 디스플레이서 위치의 높은 제어 가능성을 보장할 수 있다. 힘 발생기는 조절 가능할 수 있다. 예를 들어, 스프링의 전체 스프링 길이/로딩은 수동으로 또는 모터 기구(예를 들어, 스크루 드라이브를 구비한 전기 모터)에 의해 조절될 수 있다. 또한, 하나 이상의 전자석이 사용될 수 있다. 스프링/자석이 조절 가능하면, 예를 들어 제조 편차를 보상하기 위해 또는 수동 힘 발생기의 이점을 최적화하기 위해 튜닝을 미세조정할 수 있다. 조절은 드라이브의 작동 전에 또는 작동 중에 이루어질 수 있다. 예를 들어, 전체 에너지 소비를 최적화하기 위해 작동 중에 즉시 조절될 수 있다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예의 상세 단면도이다. 본 실시예에서, 2단 콜드 핑거(100)는 종래의 GM 냉동기와 동일할 수 있다. 2단 콜드 핑거로서 도시되어 있지만, 본 발명은 1단 또는 3단 이상의 냉동기에도 적용될 수 있다. GM 냉동기는 후술될 공기압 드라이브(102)에 의해 구별된다.

2단 콜드 핑거는 감소된 직경의 제 2 스테이지 실린더(103)에 결합되는 제 1 스테이지 실린더(101)를 구비한다. 제 1 스테이지 실린더(101)는 실린더의 콜드 단부를 둘러싸는 가열 스테이션(106)에 의해 폐쇄된다. 제 2 스테이지 실린더(103)는 실린더의 콜드 단부를 둘러싸는 제 2 스테이지 가열 스테이션(108)에 의해 폐쇄된다. 제 1 스테이지 가열 스테이션은 예를 들어 55K-100K의 온도 범위로 냉각될 수 있는 반면에, 스테이션의 제 2 스테이지는 4K-25K의 온도로 냉각될 수 있다. 제 1 스테이지 디스플레이서 피스톤(105)은 제 1 스테이지 실린더 내에서 왕복하고 제 2 스테이지 디스플레이서 피스톤(107)은 제 2 스테이지에서 왕복한다. 각각의 피스톤은 가스가 이를 통해서 일 단부에서 다른 단부로 유동하는 재생 매트릭스를 둘러싸고 있다. 냉동 작동 모드에서, 가스는 콜드 단부 쪽으로 유동할 때 냉각되고 웜 단부 쪽으로 역류할 때 매트릭스를 냉각시킨다. 두 개의 피스톤은 로드(109) 및 핀(111)에 의해 함께 왕복하도록 결합된다.

작동 시에, 압축기(114)로부터의 헬륨 냉매 가스는 공급 라인(112)으로부터 냉동 체적 밸브(113)를 통해서 제 1 스테이지 실린더의 웜 단부 체적(115)으로 밸브 이송된다. 종래의 GM 냉동기와 달리, 밸브(113)는 디스플레이서 피스톤도 구동하는 로터리 모터에 의해 작동되지 않는다. 밸브(113)는 디스플레이서 이동에 의해 구동될 수 있지만, 바람직하게는 이하에서 더 상세히 설명될 전자 제어식 밸브이다.

고압 헬륨 냉매 가스는 냉동기의 TD 체적의 웜 단부(115)에 도입된다. 왕복 디스플레이서 피스톤은 재생 매트릭스를 통한 작동 가스의 이동을 촉진하여 실린더의 하단부에 있는 콜드 챔버를 채우기 위해 위쪽으로 견인된다. 가스는 디스플레이서 피스톤(105) 상단의 포트(116)를 통해서 피스톤의 재생 매트릭스 챔버 내로 유동한다. 가스는 재생 매트릭스를 통해서 유동하고 냉각된다. 냉각된 가스는 피스톤의 단부(119)와 가열 스테이션(106) 사이의 공간으로 유동한다. 이 설계에서, 가스는 재생 매트릭스로부터 포트(117)를 통해서 피스톤과 실린더 사이의 환형부로 유동하고 피스톤(119) 아래의 공간으로 하향 유동한다. 이후 가스는 로드(109)를 둘러싸는 환형부(121)를 통해서 제 2 스테이지 피스톤(107) 내의 재생 매트릭스로 유동한다. 가스는 포트(123)를 통해서 피스톤(125)의 콜드 단부 주위의 환형부로 이동하기 전에 제 2 스테이지 재생 매트릭스에서 추가로 냉각된다.

이어서, 밸브(113)를 통해서 압축기로의 헬륨 복귀 라인(129)으로 배출된 가스는 제 1 및 제 2 스테이지 피스톤의 체적 내에서 냉매 가스의 팽창을 초래한다. 이 팽창은 가열 스테이션(106, 108)의 극저온 냉각을 초래한다. 배출 중에, 디스플레이서 피스톤은 가스를 재생 매트릭스를 통해서 위쪽으로 변위시켜 매트릭스를 냉각시키고 작동 유체가 극저온 냉동기에서 나와 압축기로 돌아가기 전에 작동 유체로부터 냉각 용량을 추출하기 위해 냉동기의 콜드 단부로 복귀한다. 이후 사이클이 다시 시작한다.

종래의 모터 구동식 GM 냉동기와 달리, 왕복 디스플레이서 피스톤을 구동하는 로드(127)는 공기압 체적(133) 내에서 왕복하는 피스톤(131)에 의해 구동된다. 피스톤은 체적(133)을 원위 챔버(135)와 근위 챔버(136)로 분리하고 두 챔버 사이의 압력 차이에 응답하여 왕복한다. 대안적으로 피스톤은 공기압 체적의 전체 근위 단부를 통해서 연장되어, 원위 챔버만 남길 수 있다. 상업용 공기압 드라이브 GM 냉동기와 달리, 피스톤(131)을 가로지르는 압력 차이는 전자 제어식 밸브(137)에 의해 제어된다. 밸브(113, 137) 모두는 구동 피스톤 및 디스플레이서의 위치에 응답하는 제어기(139)에 의해 제어된다. 위치 센서는 선형 가변 변위 변환기(LVDT: linear variable displacement transducer)(141)일 수 있다. 변위 센서(141)는 설명될 피드백 제어를 통해서 신호 Y1(x(t))을 통해 밸브(137)를 통한 타이밍 및 유동을 제어하는 제어기에 신호 x(t)를 공급한다. 밸브(113, 137)는 바람직하게 비례 밸브이지만, 그 작동 속도가 TD 및 구동 챔버에 들어오고 나가는 타이밍 및 유체 유동을 충분히 제어 가능하게 할 수 있는 한 간단한 온/오프 방향 밸브일 수 있다. 비례 밸브는 전기 입력 신호(Y)에 비례하는 밸브 위치에 비례하는 연속적으로 가변적인 유동 레벨을 가능하게 한다. 도 1의 실시예에서, 근위 챔버(136)의 압력은 TD 체적의 웜 단부(115)의 압력을 따른다. 다른 실시예에 대해 후술할 것이다.

위치 센서의 다른 실시는 피스톤 또는 디스플레이서 보디의 적절한 위치에 내장된 영구 자석을 구비한다. 동작 중에 주어진 위치에서 자석에 의해 발생되는 자속선의 다양한 강도는 극저온 냉동기 실린더에 배치된 정적 수신 센서 코일에 의해 검출된다. 이후 상관 방정식이 사용되어 자속의 강도를 피스톤/디스플레이서의 실제 위치와 상관시킨다.

배경 자기장의 존재에 둔감하다는 장점을 갖는 대체 위치 센서 실시는 구동 챔버 또는 TD 냉동 체적에 내장된 광학 센서의 사용에 기초한다. 다른 위치 센서도 사용될 수 있다.

제어기(139)는 이하에서 더 상세히 설명될 비례-적분-미분(PID) 제어기일 수 있다. 비례 제어기는 변위 신호 x(t)와 한정된 변위 프로파일 사이에 오차 신호를 생성할 수 있으며, 비례 밸브(137)를 통한 가스 유동을 제어하기 위해 피드백 신호 Y1을 제공한다. 이 가스 유동은 오차를 최소화하도록 피스톤(131)을 구동하는 압력을 원위 챔버(135)에 인가한다. 제어기는 또한 한정된 압력 대 위치 프로파일에 응답하여 TD 체적으로의 가스 유동을 제어한다. 시스템은 또한 압력 오차를 통해서 밸브(113)를 제어할 수 있도록 제어기에 압력 피드백을 제공하기 위해 압력 센서(143)를 구비할 수 있다.

도 2는 피스톤 및 디스플레이서 조립체에 가해지는 기존 힘에 더하여 피스톤에 힘을 가하는 수동 힘 발생기를 추가로 구비하는 것을 제외하고 도 1과 실질적으로 동일한 대체 실시예를 도시한다. 도 2에서, 수동 힘 발생기는 압축 시에 상향 힘에 의해 휴지 위치로부터의 피스톤의 하향 이동에 응답하고 팽창 시에 하향 힘에 의해 휴지 위치로부터의 상향 이동에 응답하는 스프링(145)이다. 대체 수동 힘 발생기는 자기적 반대에 놓이는 피스톤 및 실린더 상의 하나 이상의 자석이다.

웜 밸브, 즉 냉동 체적 밸브(113)는 극저온 냉동기의 제 1 및 제 2 스테이지 열역학적 챔버 내외로의 헬륨 유동을 제어한다. 제어기를 통해서, 웜 밸브는 공급 및 배출 모두를 위해 디스플레이서 위치에 대한 선택된 밸브 개방 및 폐쇄 프로파일을 한정하도록 작동될 수 있다. 제어기는 밸브가 배기측(낮은 헬륨 압력측) 또는 공급측(높은 헬륨 압력측)으로 비례 개방되거나 밸브를 통한 유동이 없도록 폐쇄되는 기간인 디스플레이서의 사이클 기간을 한정할 수 있다. 도 2는 디스플레이서의 위치에 대한 웜 밸브 작동의 통상적인 타이밍을 도시한다. 웜 밸브(113)는 3방 밸브 또는 한 쌍의 2방 밸브일 수 있다. 바람직하게, 이들 밸브는 가변 유동 제어를 위해 충분히 높은 작동 속도를 갖는 비례 밸브 또는 온/오프 밸브이지만, 제안된 제어 내에서 온/오프 방향 밸브가 실시될 수 있다.

구동 밸브(137)는 사용자에 의해 선택되는 한정된 궤적 프로파일에 따라 디스플레이서의 위치를 제어한다. 구동 밸브는 3방 비례 밸브 또는 한 쌍의 2방 비례 밸브일 수 있다. 충분히 높은 작동 속도를 갖는 온/오프 밸브도 실현될 수 있다. 제어기에 의해 사용자는 사인파형 동작, 사다리꼴 동작, 삼각형 동작 또는 일반적으로 디스플레이서 및 피스톤 조립체에 작용하는 힘 밸런스 평형에 의해 지원될 수 있는 임의의 소망 프로파일과 같은 디스플레이서 궤적을 선택할 수 있다. 사용자는 사이클의 임의의 시점에서 디스플레이서의 소망 위치를 지정하는 모션 프로파일을 입력한다. 위치 센서는 디스플레이서의 실제 위치를 검출하며; 제어기는 감지된 위치를 그 시점에서의 소망 위치와 비교하고, 위치 오차를 계산한 다음, 오차를 수정하도록 구동 밸브(137)에 명령을 전송한다.

도 3 내지 도 5는 디스플레이서(105, 107)에 기계적으로 연결된 피스톤(131)이 축방향 구동 방향을 따라서 공기압 드라이브 체적(133)의 상부 원위 챔버(135)와 하부 근위 챔버(136) 사이를 이동하는, 공기압 드라이브의 대체 실시예의 개략도이다. 두 개의 구동 챔버는 크로스-챔버 헬륨 누출을 최소화하기 위해 피스톤 및 피스톤 외경의 시일(301)에 의해 상호 분리된다.

도 3에서는, 도 1b에 도시된 것과 반대로, 하부 구동 챔버(136)는 로드(127) 주위의 유체 경로를 통해서 극저온 냉동기 TD 냉동 체적에 직접 연결된다. 따라서, 하부 구동 챔버는 TD 냉동 체적으로 개방된다.

이 구성은 상부 구동 챔버 압력 레벨을 제어하는 단일 전자 스풀 밸브(137)의 채택에 기초한다. 이 구성 내에서, 하부 구동 챔버의 가압은 TD 냉동 체적의 순간 압력 레벨에 연계되며, 이 때문에, 이 드라이브 구성은 열역학적 사이클의 모든 단계에서 피스톤/디스플레이서 위치의 완전한 제어 가능성을 가능하게 하지 못할 수 있다. 특히, 이 구성은 디스플레이서 위치와 TD 냉동 체적으로의 유입/배기 헬륨 유동 사이의 타이밍을 도 4 및 도 5의 설계에서와 같이 수정함으로써 "열기관"으로서의 극저온 냉동기의 작동을 가능하게 하지 못할 수 있다. 이러한 이유로, 물리적 히터는 극저온 냉동기 워밍업 속도를 가속하거나 제 1 및 제 2 스테이지 온도 값 및/또는 냉각 용량을 적절하게 제어하기 위해 사용될 가능성이 있다. 이 실시에서, 스프링은 a) (최소 원위 구동 챔버 체적 조건에서) 드라이브의 상측에 배치된 피스톤을 극저온 냉동기 휴지 상태로 유지하고 b) 스프링의 축방향 압축에 선형 비례하는 복귀력을 피스톤 상에 드라이브의 상측을 향해 발생시키는, "복귀" 스프링으로서 작용한다.

도 4는 도 1b의 개략적인 실시이다. 도 4에서, 하부 구동 챔버(136)는 피스톤을 디스플레이서에 연결하는 피스톤 샤프트(127) 주위에 위치된 시일 요소(401) 및 부싱에 의해 TD 냉동 체적의 웜 단부(115)로부터 분리된다. 중요하게도, 원위 구동 챔버(135)의 내외로의 가압 헬륨 유동은 실시간 디스플레이서 위치를 나타내는 피드백(경우에 따라서는 TD 챔버 내의 압력 레벨에 기초한 추가 피드백)에 기초하여 단일 전자 스풀 밸브에 의해 조절된다. 역으로, 근위 구동 챔버(136)의 압력은 구동 챔버(136)와 압축기 복귀 압력 측 사이의 개방 헬륨 가스 경로(403)에 의해 압축기 저압측 레벨로 일정하게 유지된다. 이 구성은 또한 "복귀" 스프링의 채택을 특징으로 한다.

도 5는 근위 구동 챔버(136)가 헬륨 압축기 복귀측 또는 극저온 냉동기(TD) 냉동 체적에 연결되지 않는 것을 제외하고 도 4에 설명된 것과 유사한 실시를 도시한다. 이 구성에서, 피스톤 샤프트 상에 배치된 부싱/시일 부품(401)은 근위 구동 챔버(136)를 TD 냉동 체적(115)으로부터 격리하고, 두 개의 개별 전자 밸브는 공기압 구동 유닛 역할을 하는 바: 하나의 밸브(137)는 원위 구동 챔버(136)로의 헬륨 가스 유동을 제어하는데 전념하는 것이고 제 2 밸브(501)는 근위 구동 챔버(136)로의 유동을 제어하는데 전념하는 것이다. 이 해결책은 피스톤 위치의 최적 제어 가능성을 보장한다. 최종적으로, 이 구성은 a) 극저온 냉동기 휴지 상태 중에 피스톤을 구동 챔버 실린더 내에 중심맞춤(스트로크의 중간-위치) 배치된 상태로 유지함으로써 그리고 b) 피스톤을 중심맞춤된 위치로 되돌리는 쪽으로 작용하는 스프링의 신장 또는 압축에 선형 비례하는 힘을 생성함으로써 "중심맞춤(centering)" 스프링으로서 작용하는 스프링의 사용에 기초하고 있다.

스프링은 공기압 드라이브 체적 내의 가스 압력이 온도에 의존하지 않는 스프링의 정적 힘에 대항하여 작용한다는 점에서 보다 안정적이고 예측 가능하며 제어 가능한 작동을 제공한다. 이하에서 논의되는 비례 제어 피드백에 응답하여 밸브의 진동을 초래할 수 있는 피스톤 위 아래의 제어된 가스 압력을 갖고 스프링을 갖지 않는 것에 비해서, 보다 안정적인 작동은 시스템을 구동하는데 필요한 가스의 양을 감소시킨다. 스프링을 갖지 않는 것과 대조적으로, 스프링은 공기압 드라이브 기구의 에너지 요건을 크게 감소시킬 수 있다. 피스톤의 한쪽에만 고압 가스 밸브를 설치하면 도 5에서와 같이 피스톤의 각 측에 고압 밸브를 갖는 것과 대조적으로 에너지 소비를 크게 감소시킨다. 따라서, 원위 구동 챔버에만 적용되는 고압 가스 및 스프링을 갖게 되면 전력 소비의 감소가 초래되며 그렇지 않으면 스프링 없이 양 챔버에 대한 고압 제어가 초래될 것이다.

스프링의 목적은 다음과 같다:

1) 피스톤 및 디스플레이서 조립체에 대해 고정된 기준 휴지 위치를 유지하는 것.

2) 피스톤 및 디스플레이서 힘 균형 방정식에 바이어싱 성분을 도입하는 것이며, 이는 디스플레이서의 위치 제어 가능성뿐 아니라 상이한 압력 레벨에서 실행될 수 있는 제어 가능한 모션 프로파일의 범위와, 상부 구동 챔버 및 냉동 체적의 시간 경과에 따른 압력 변동을 개선시킨다. 상부 구동 챔버의 압력 프로파일이 구동 밸브에 의해 조절되고 냉동 체적의 압력 프로파일이 냉동 체적 밸브의 독립적인 작동에 의해 조절되면, 피스톤 및 디스플레이서에 대한 힘 균형이 스프링 없이 디스플레이서 위치의 적절한 제어를 허용하지 않는 경우가 발생한다. 예를 들어, 스프링이 없는 경우에, 피스톤 및 디스플레이서는 냉동 체적이 낮은 압력 레벨(예를 들어, 흡입 압력 레벨)로 유지될 때 원위 구동 챔버(즉, 도 3, 도 4 및 도 5를 참조할 때 상측 이동 방향)를 향해서 이동할 수 없다.

3) 단일 구동 밸브(예를 들어, 도 3 및 4)를 사용하거나 두 개의 구동 밸브(예를 들어, 도 5)를 감소된 밸브 작동 속도로 사용함으로써 공기압 드라이브를 작동시키는데 필요한 유체 소비를 감소시키는 것.

스프링은 피스톤 및 디스플레이서 조립체(예를 들어, 도 10)에 여전히 연결되어 있는 상태에서 구동 챔버 중 임의의 것의 내부에 또는 구동 챔버의 외부에 배치될 수 있다.

스프링은 드라이브 시스템의 전체 치수 체적을 감소시키거나 피스톤 및 디스플레이서 조립체와 냉동 및 구동 챔버 사이의 정렬을 개선시키기 위해 하나의 단일 스프링 요소로 구성될 수 있거나 대안적으로 병렬 배치된 하나 초과의 스프링 요소(예를 들어, 도 10)로 구성될 수 있다.

모든 구성에서, 구동 챔버의 크기(높이와 직경) 및 스프링의 강성은 디스플레이서 위치 제어 가능성과 구동 헬륨 가스 소비 사이의 최선의 타협을 보장하기 위해 힘 균형 계산에 기초하여 최적화된다.

상기 모든 구성은 피스톤/디스플레이서 조립체와 구동 챔버/극저온 냉동기 실린더 조립체 사이에서 발생할 수 있는 임의의 충돌을 감쇠시키기 위해 탄성중합체 범퍼를 구비할 수 있지만, 후술되는 비례 제어는 범퍼를 불필요하게 만들어야 한다.

전술한 모든 구성은 전자 제어식 밸브, 즉 공기압 구동 챔버의 내외로의 헬륨 가스 유동을 제어하기 위한 하나 또는 두 개의 밸브, 및 TD 냉동 장치로의 헬륨 가스 유동을 조절하는 추가 밸브의 사용에 의존한다. 구동 밸브는 구동 챔버 내부의 압력 레벨의 정확한 비례 제어를 보장하기 위한 비례 전자 스풀 밸브일 수 있거나, 그 작동 주파수가 적절한 제어 가능성을 보장하기에 충분히 높은 한 온/오프 밸브일 수도 있다. 한편, TD 냉동 체적을 제공하는 전자 밸브는 비례 스풀 타입의 것이거나 온/오프 솔레노이드 밸브일 수 있다.

공기압 드라이브의 제어 알고리즘은 하나 이상의 능동 피드백 신호(디스플레이서/피스톤 위치 신호 및 경우에 따라서는 위치와 압력 신호의 조합)에 기초하여 극저온 냉동기 전자 밸브를 제어하도록 설계되어 있다.

도 6a는 전술한 실시예에 적용되는 PID 제어기 개략도를 도시한다. 시간 경과에 따른 디스플레이서의 소망 변위 프로파일은 제어기에 r(t)로서 저장된다. 그 프로파일에서 한정되는 변위와 측정된 변위 x(t) 사이의 차이는 합산기(601)에서 결정되어 오차 신호 e(t)를 생성한다. 이 오차 신호는 P, I, D 알고리즘(605, 607, 609) 각각에 적용될 수 있다. 미분 출력은 노이즈 감소를 위해 로우 패스 필터(611)를 통과할 수 있다. 이들 알고리즘의 출력은 디스플레이서의 동작을 제어하기 위해 밸브(137)에 인가되는 제어 신호(Y1)를 결정하기 위해 603에서 합산된다. 제어기의 비례 제어 요소(605)에만 의존하여 K_i 및 K_d를 제로로 설정함으로써 적절한 응답이 얻어지는 것이 결정되었다. 그러나, I 및 D 알고리즘(607, 609)도 포함될 수 있다.

도 6b는 공기압 드라이브 및 TD 압력 제어에서 신호(Y1, Y2)를 제공하기 위한 제어기의 전체 작동을 보여주는 제어기 흐름도이다. 615에서, 사용자는 제어기 메모리에 표의 소망 디스플레이서 모션 r(t)을 프로그래밍한다. 예를 들어, 사인파형, 사다리꼴 또는 기타 프로파일이 프로그래밍될 수 있다. 사용자는 또한 소망 웜 밸브 작동 표 프로필, 구체적으로 밸브 개방 정도 대 디스플레이서 위치 및 운동 방향을 프로그래밍한다. 617에서, 사용자는 소망 디스플레이서 속도(분당 사이클) 및 스트로크 길이를 선택한다. 619에서, 사용자는 극저온 냉동기 제어기(139)를 턴온시킨다. 621에서, 제어기는 밸브(V1)를 헬륨 복귀 라인 쪽으로 완전히 개방하여 스프링이 피스톤 및 디스플레이서를 위쪽으로 강요함으로써 최상위 스트로크 위치에서 시간 t=0에 위치한 디스플레이서를 시작한다. 623에서, 제어기는 디스플레이서의 하향 이동을 시작하기 위해 고압 헬륨을 공급 라인으로부터 밸브(V1)를 통해서 도입한다. 극저온 냉동기가 625에서 작동하지 않는다고 판정되면, 디스플레이서는 밸브(V1)를 배기 압력으로 개방함으로써 627에서 본래의 최상위 위치로 복귀하며 작동이 종료된다.

실행중인 극저온 냉동기에서, 시스템은 도 6a의 PID 제어기 동작에 대응하는 네 개의 단계(629, 631, 633, 635)를 통해서 제어 신호(Y1)를 생성한다. 동시에, 웜 밸브(V2)를 구동하기 위한 신호(Y2)가 637에서 생성된다. PID 제어기에서, 629에서는 위치 센서(141)로부터 위치 x(t)가 수신된다. 제어기(139)는 631에서 프로그래밍된 소망 디스플레이서 위치 r(t)에 대한 위치 오차 e(t)를 계산한다. 위치 오차에 기초하여, 제어기는 633에서 605, 607, 609의 프로그래밍된 PID 제어 체계를 사용하여 밸브(V1) 구동을 위한 실시간 입력(Y1)을 생성한다. 구동 밸브(V1)는 635에서 제어기로부터 입력 명령(Y1)을 수신하여 전체 스트로크를 통해서 디스플레이서의 실시간 위치 오차를 최소화한다.

PID 제어기는 신호 Y2로 밸브(V2)를 제어하기 위해 사용될 수도 있지만, 이러한 정밀한 제어는 필요하지 않은 것으로 밝혀졌다. 대신에, 제어기(139)는 실시간 디스플레이서 위치 x(t), 이동 방향, 및 프로그래밍된 웜 밸브 작동 표에 기초하여 웜 밸브(V2)를 작동시킨다. 제어가 비례적이지 않아도, 밸브(V2)는 예를 들어 V2 밸브의 점진적인 개방을 가능하게 하기 위해 TD 체적의 웜 단부로의 가스 유동의 연속 가변 제어를 가능하게 하는 비례 밸브인 것이 바람직하다. 대안적으로, 간단한 온/오프 방향 밸브가 사용될 수 있으며, 이는 밸브 제어의 장방형 프로파일만 가능하게 하거나, 또는 작동 주파수가 충분히 높은 경우 온/오프 변조를 통해서 밸브의 점진적 개방을 가능하게 할 수 있다.

비례 밸브의 비례 제어가 설명되었지만, 비례 제어는 높은 주파수(예를 들어, 적어도 1/20ms = 5Hz)에서 작동될 수 있는 온/오프 밸브에 의해 얻어질 수 있다. 이 경우, 밸브는 비례 밸브를 소망 레벨로 개방하는 것에 대응하는 디스플레이서/피스톤 스트로크를 통해서 가스 유동을 구분적인 연속 프로파일을 추종하도록 조절하는데 필요한 주파수 및 듀티 사이클로 개방 및 폐쇄될 것이다.

비례라는 용어는 제어기 및 밸브와 관련하여 다른 의미로 사용되는 것을 알 수 있다. 제어의 경우에, Y2의 경우에서와 같이, 예를 들어 피드포워드 시스템에서 제어기에 프로그래밍된 프로파일을 간단히 추종함으로써 구동 신호가 얻어질 수 있다. 그러나, 신호(Y1)의 비례 제어에서와 같이 PID 제어기에 의해 제공되는 피드백을 통해서 보다 정밀한 비례 제어가 얻어질 수 있다. 밸브 자체는 가변 전기 입력 신호에 응답하여 연속 가변적인 유동 또는 압력 제어를 가능하게 한다면 비례 밸브(서보 밸브 포함)이다. 그러나, 그 자체가 비례 밸브가 아닌 밸브, 즉 단순히 온/오프 방향 밸브인 밸브일지라도 PID 제어기의 비례 제어에 응답하여 고주파 작동으로 비례 제어를 제공할 수 있다.

밸브 제어기(139)는 전체 극저온 냉동기 제어기의 요소일 수 있거나, 또는 전체 제어기에 응답하여, 메인 극저온 냉동기 제어기로부터 수신되는 입력 파라미터에 따라서 복수의 압력 및 디스플레이서 동작 프로파일 중 임의의 것을 사용할 수 있다. 드라이브 제어기는 메인 제어기로부터 공급될 수 있는 실시간 시스템 입력에 따라서 디스플레이서 동작 및 극저온 냉동기 내외로의 헬륨 유동을 채택할 수 있다.

도 7a 및 도 7b는 모터 구동식 GM 사이클 냉동기의 통상적인 작동을 도시한다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 디스플레이서는 로터리 모터에 의해 사인파형 동작(701)으로 구동된다. 공급 밸브는 예를 들어 시간 703 중에 개방되고 시간 705 중에 폐쇄된다. 양 밸브가 폐쇄된 상태로 707에서 잠깐 머무른 후, 배출 밸브는 709 도중에 개방되고 711 도중에 폐쇄된다. 이후 냉동 사이클이 다시 시작된다. 결과적인 압력 체적 다이어그램을 도 7b에서 볼 수 있으며, 이는 콜드 핑거 내의 제 1 스테이지 콜드 단부, 제 2 스테이지 콜드 단부 및 웜 단부 위치에 대한 압력을 도시한다. 개시된 공기압 드라이브 및 제어를 구현하는 극저온 펌프는 냉동 체적 웜 밸브(113)의 제어를 위한 703, 705, 709 및 711의 프로파일을 규정하고 디스플레이서 위치 프로파일(701)을 규정함으로써 동일한 작동을 제공할 수 있다. 그러나, 개시된 시스템은 훨씬 더 큰 유연성을 제공한다. 예를 들어, 도 8a 내지 도 8f는 상이한 변위 및 냉동 체적 웜 밸브 프로파일(801, 803)을 각각 도시한다. 도 8a 내지 도 8d의 각각에서, 사용되는 특정 냉동 체적 밸브는 가스가 5 볼트 미만의 전압에서 TD 팽창 체적의 웜 단부에 공급되고 5 볼트 초과의 전압에서 TD 체적의 웜 단부로부터 배출되도록 5 볼트에서 폐쇄된다. 다른 비례 밸브에는 상이한 작동 명령을 요구할 수 있다. 도 8c 및 도 8f는 냉동기의 역전, 가열 작동을 초래한다.

도 9는 사전로딩 스프링(901)이 공기압 구동 챔버(903)의 외부에 장착되는 대체 공기압 드라이브를 도시한다. 스프링(901)은 구동 챔버(903)의 상단부와, 피스톤(905)을 극저온 냉동기의 디스플레이서 피스톤에 결합시키는 구동 샤프트(909)의 단부에서의 디스크(907) 사이에 배치된다. 스프링 력은 피스톤을 휴지 상태에서의 공기압 드라이브 체적의 원위 단부 쪽으로 강제한다. 도 9에 도시되어 있듯이, 스프링은 상부 구동 챔버 내의 고압으로 인해 압축되어 있다. 핀(911)은 디스크(907)로부터 위치 센서(913) 내로 연장된다. 밸브(915)는 TD 체적의 웜 단부로부터의 공급 및 복귀를 제어하며 밸브(917)는 드라이브 체적의 원위 챔버로의 공급 및 복귀를 제어한다. 드라이브 체적의 근위 챔버는 도 4의 실시예에서와 같이 복귀 라인에 결합될 수 있다. 전체 공기압 드라이브 조립체는 밸브에서 누출될 가능성이 있는 임의의 작동 유체가 대기 중으로 분산되지 않고 폐쇄된 가압 루프 내에 남아있도록 보장하는 돔(919)의 밀폐된 챔버 내에 포위된다. 헬륨-기밀 밸브의 사용은 밀폐된 챔버의 존재를 불필요하게 만들 것이다.

도 10은 복귀 스프링이 공기압 드라이브 체적의 외부에 위치한다는 점에서 도 9와 유사한 다른 실시예를 도시한다. 그러나, 조립체의 높이를 감소시키기 위해 도 9의 단일 스프링 요소는 이중 스프링 요소(1001, 1003)로 대체된다. 이들 스프링은 드라이브 체적 및 밸브를 둘러싸는 하우징(1006)의 상부 플레이트(1005)와 로드(1009) 및 공기압 드라이브 피스톤(1011)에 결합되는 유지 암(1007) 사이에 배치된다. 1013에서 모듈 아래에만 도시된 추가 로드는 공기압 체적(1015) 내의 피스톤(1011)에 결합된다. 하우징(1006)은 또한 TD 체적으로의 공급 및 복귀를 위한 밸브(1017) 및 공기압 드라이브 체적으로의 밸브(1019)를 유지하며, 후자는 분해도로 도시되어 있다. 도시된 특정 비례 밸브(1019)는 후술될 스풀 밸브이다. 스풀 밸브는 도 10에 도시되지 않은 밸브 실린더 내에 각각의 환형부(1027, 1029)를 형성하기 위해 단부 칼라(1023, 1025) 사이에 중심 칼라(1021)를 구비한다. 스풀은 스프링(1031) 및 제어 모터(1033) 내의 다른 스프링을 포함하는 스프링에 의해 중심맞춤된다. 모터는 이하에서 더 자세히 설명될 밸브 제어 신호에 응답하여 스풀을 비례적으로 구동한다.

도 11a, 도 11b 및 도 11c는 비례 밸브(V1 또는 V2)의 작동을 도시하고 있다. 도 11a에 도시되어 있듯이, 스풀은 중심 로드(1027) 상에 세 개의 칼라(1021, 1023, 1025)를 포함한다. 도 11a에서, 스풀은 밸브 하우징(1103)에 고정되는 단부를 각각 갖는 대향 스프링(1031, 1101) 및 유체 압력 균형에 의해 중립 위치에 유지된다. 스풀의 축방향 위치는 하우징(1103)에 고정되는 고정자 자석(1107) 내의 이동 코일(1105)의 전압 제어에 의해 유지된다. 도시된 밸브 설계에서, 도 11a의 중립 위치는 코일(1105)에 대한 5 볼트 입력으로 유지된다. 중립 위치에서, 칼라(1021)는 냉동기 포트(1109)로의 또는 그로부터의 일체의 가스 유동을 차단한다. 고압 가스는 공급 라인(112)으로부터 체적(1029)에 공급되며 체적(1027)은 복귀 라인(129)의 낮은 압력으로 유지된다. 냉동기에 고압 가스를 공급하기 위해, 5 볼트 초과의 전압이 코일(1105)에 인가되어 스풀을 좌측으로 이동시켜, 스프링(1031)을 압축하고 스프링(1101)을 연장시킨다. 도 11b는 1102에서 냉동기 포트(1109)를 공급 라인으로 완전히 개방하는 10 볼트의 최고 인가 전압에 의해 가장 왼쪽에 있는 스풀을 도시한다. 그러나, 5 볼트와 10 볼트 사이의 어느 곳에서의 인가 전압에 의해, 스풀(1021)은 포트(1109)를 고압 체적에 대해 부분적으로만 개방할 것이며, 따라서 냉동기 포트(1109)를 통한 유동 및 냉동기 내의 압력을 인가 전압에 비례하여 제어한다. 도 1의 구동 밸브(137)의 경우에, 상부 구동 챔버(135) 내의 압력은 인가 전압에 의해 비례적으로 제어될 것이다. 웜 밸브(113)의 경우에, TD 체적 내로의 유동은 인가 전압에 대해 비례적으로 제어될 것이다.

도 11c는 0 V의 인가 전압에 의해 가장 오른쪽 위치로 이동한 스풀을 도시한다. 이 상태에서, 냉동기로의 포트(1109)는 구동 밸브(137)의 경우에 드라이브 체적으로부터 또는 웜 밸브(113)의 경우에 TD 체적으로부터 냉동기에서 가스를 배출하기 위해 저압 체적(1027)으로 완전히 개방된다. 다시, 스풀의 위치는 냉동기 포트(1109)로부터의 유동 및 이에 따른 냉동기 내의 압력을 제어하기 위해 0 볼트 내지 5 볼트 사이의 인가 전압에 대해 비례적으로 제어된다.

간단한 PID 제어 루프 및 피스톤 위치 피드백 신호에 기초하여 실현되는 구동 아키텍처에 기초한 플랜트 시뮬레이션 및 실험 결과는 제어 솔루션이 고도의 피스톤 제어 가능성(풀 스트로크 길이의 5% 미만의 위치 오차)을 보장하기에 적합한 것을 나타낸다. TD 사이클을 더 최적화하고 위치 오차를 최소화하기 위해 보다 정교한 제어 알고리즘(예를 들어, 피드-포워드 제어 체계) 또는 추가 센서(예를 들어, 압력 센서)의 채택이 이루어질 수 있다.

피드백 제어 시스템은 항상 오차 상태를 보상하기 때문에, 제어 하의 시스템은 정상 상태 조건으로 유지되지 않지만, 대신에 통상적으로 특정 세트 포인트 주위로 진동한다. 오차 신호와 진동은 스프링의 사용에 의해 감소된다. 스프링의 유무에 관계없이, 제어기가 시스템을 바람직하지 않은 진동 상태 또는 일부 다른 부정적인 거동으로 구동시키지 못하게 하기 위해 제어기가 입력 신호에 응답하지 않는 최적의 세트 포인트 주위의 오차 대역이 있을 수 있다. 공기압 제어 하에 있는 GM 냉동기의 경우에, 디스플레이서가 너무 멀리 이동하는 것에 관한 오차의 여지는 거의 없다. 너무 멀리 이동하려고 하면, 냉동 실린더의 상부 또는 하부에 부딪힐 것이다. 따라서, 일체의 피드백 제어 시스템은 제어 시스템에 의해 발생할 수 있는 오차의 크기를 고려해야 하고, 디스플레이서가 오차 정도 만큼 오버슈팅하면 이것이 아직 실린더의 하부 또는 상부를 물리적으로 타격하지 않도록 디스플레이서의 소망 정지 위치를 실린더의 상부 또는 하부에 다소 못미치게 설정해야 한다. 그러나 디스플레이서에 이용 가능한 전체 스트로크를 사용하지 않는 것은 극저온-냉동기의 전체 열역학적 효율을 저하시키며, 따라서 바람직하지 않다. 대체 제어기는 허용 가능한 디스플레이서 스트로크를 최대화하여 극저온-냉동기의 냉동 효율을 최대화하기 위해 적응형 피드포워드 제어 개념을 적용한다.

피드포워드 알고리즘이 임의의 시스템을 성공적으로 제어하기 위해서는, 입력 변수 변화에 대한 시스템의 응답이 알려져야 한다. 이것은 시스템의 거동에 반응하는 피드백 제어 시스템과 명백히 다르며, 오차 조건에 응답하여 입력 변수를 변화시킨다. 피드포워드 제어 시스템은 시스템을 모니터링하며, 실시간 시스템 파라미터의 지식에 기초하여, 입력 변수를 조절하여 소망 예측 시스템 상태를 달성한다. 제어 시스템은 온도, 디스플레이서 위치, 디스플레이서 속도, 디스플레이서 가속도, 헬륨 압력 등과 같은 중요한 시스템 파라미터를 모니터링할 수 있으며, 이들 파라미터에 기초하여 제어 가능한 입력 파라미터를 조절하여 디스플레이서 동작 프로파일이 최적의 궤적을 찾아내게 하는 소망 시스템 조건을 달성한다. 이 개념이 실제로 작동할 수 있으려면 시스템의 응답이 예측 가능해야 한다. 실제로, 이것은 제어 시스템이 입력 변수 변화의 변동에 대한 시스템의 출력 응답을 학습할 수 있어야 함을 의미한다. 이것은 시간 경과에 따라 시스템의 응답이 변화할 것이기 때문에 요구되며, 따라서 적응형 피드포워드 알고리즘이 요구된다. 적응형 피드포워드 알고리즘에서, 제어기는 입력 변수의 변화에 대한 시스템의 응답을 학습하며, 따라서 느리게 변화하는 응답 기능으로 인한 영향을 효과적으로 "교정"한다. 조합된 피드포워드 및 피드백 제어기는 계산 복잡성을 희생하여 두 형태의 제어 시스템의 이점을 제공할 수 있다. 그러나, 오늘날의 저가형 프로세서는 조합된 제어 시스템을 실현하는 데 필요한 계산 부하를 쉽게 처리할 수 있다.

피드 포워드 알고리즘의 개략적 도시가 도 12에 나타나 있다.

이 실시예에서는, 본 명세서에서 사이클 밸브(113)로 표시되는 냉동 체적 밸브(113)는 간단한 피드 포워드 알고리즘에서 제어기(139)에 의해 제어된다. 제어기는 본 명세서에서 사이클 챔버 압력으로 표시되는 냉동 체적 압력(l203)을 제어하는 질량 유량 "m 도트"를 얻기 위해 밸브(113)를 제어한다. 이 피드 포워드 제어에서, 제어기(139)는 시간 t-1에서 피스톤 및 디스플레이서 조립체의 감지된 위치(141)에 의존하여, 시간 t에서 필요한 "m 도트" 값을 예측한다.

적응형 피드포워드 제어는 본 명세서에서 서보 밸브로 표시되는 구동 밸브(137)를 제어하기 위해 사용된다. 이 제어는 구동 챔버 압력(1207)을 제어하기 위한 질량 유량 "m 도트"를 초래한다. 더불어, 사이클 챔버 압력 및 구동 챔버 압력은 피스톤 및 디스플레이서 조립체(1209)의 가속을 제어한다. 적응형 피드포워드 제어에서, 제어기는 위치 센서(141)에 응답한다. 이것은 또한 이전에 완료된 사이클 루프 및 감지된 압력(143) 도중에 발생한 계산된 위치 오차에 응답할 가능성이 있다. 대안적으로, 압력은 위치 센서만 사용하여 피스톤 및 디스플레이서 조립체의 실시간 계산된 가속도에 기초하여 계산될 수도 있다. 감지된 압력은 사이클 챔버 압력만이거나 사이클 챔버 압력과 구동 챔버 압력 둘 다 일 수 있다.

도 12에는 시간 t+1에서 요구되는 피스톤 및 디스플레이서 조립체의 가속도 및 위치를 결정하기 위해 시간 t에서의 실시간 사이클(냉동) 챔버 압력의 정보를 사용하는 피드 포워드 알고리즘의 개략도가 예시되어 있다. 시간 t에서의 사이클 챔버 압력에 기초하여 제어기(139)는 시간 t+1에서 요구되는 피스톤 및 디스플레이서 조립체 가속도 및 위치를 계산하고 대응 입력 명령을 서보 밸브(137)에 보낸다. 후자는 시간 t+1에서 피스톤 및 디스플레이서 조립체의 소망 가속도를 수립하는데 필요한 유체 압력 레벨을 적절하게 생성하기 위해 구동 챔버로의 유체 유동을 조절함으로써 응답한다.

사이클 밸브(113)를 제어하기 위해, 제어기는 사용자(특정 냉동기 및 용도 필요에 따라 표를 수정할 수 있는 사람)에 의해 제공되는 입력 표를 판독한다. 입력 표에는 피스톤 및 디스플레이서 조립체의 위치 및 운동 방향을 사이클 밸브의 개방 정도(즉, 사이클 챔버 내로의 유체 질량 유량)에 상관시키는 정보가 포함되어 있다. 이 경우에 제어기의 동작은 피스톤 및 디스플레이서 조립체의 실시간 위치를 판독하고, 이전 시간 단계(t-1, t-2, t-3 등) 중에 이것을 현재 위치와 비교함으로써 상기 조립체의 운동 방향을 계산하며, 입력 표에서 사이클 밸브 상태를 판독하고, 대응 명령을 사이클 밸브에 보내는 것이다.

공기압 구동식 냉동기의 피드 포워드 제어를 제공하는 것에 추가적으로, 냉동기 마모 및 전반적인 건강을 나타내는 피드백 제어 안정성 및 피드 포워드 제어 안정성에 관련된 진단이 포함된다.

전술한 바와 같이, 종래의 GM 냉동기는 냉동기의 디스플레이서를 구동하기 위해 모터 드라이브 스카치-요크 기구를 사용한다. 공기압 구동식 냉동기는 스카치-요크 기구, 및 밸브 구동 기구에 대한 그 직접 연결을 배제하여, 이전 섹션에서 설명한 이점을 제공한다. 공기압 드라이브와 전자 밸브의 조합은 기존의 종래 GM 냉동기의 어떤 것으로도 현재 달성할 수 없는 하기의 특징을 가능하게 한다:

1) 디스플레이서의 스트로크 길이를 전자적으로 매핑하는 능력;

2) 냉동기의 TD 챔버 내부의 압력 레벨을 제어하는 능력. 구체적으로, TD 챔버를 통해서 유동하는 헬륨의 양을 적절하게 제어함으로써 TD 사이클에 의해 겪게 되는 압력 변동을 저감시킨다;

3) 선택된 운동학적 시공간 궤적(사인파형, 반-사인파형, 사다리꼴 등)을 부과함으로써 디스플레이서의 이동을 전자적으로 매핑하는 능력. 이것은 사이클의 TD 효율을 최적화하는 것을 목표로 하는 디스플레이서 궤적의 상이한 지점에서 속도를 변화시키는 것을 특징으로 하는 비대칭 모션 프로파일을 부과할 가능성을 포함한다;

4) 사이클의 TD 효율(즉, 이용 가능한 냉각 용량 대 총 헬륨 소비량)을 최적화하고 또한 냉동기를 열기관(즉, 냉각 대신에 열 생성)으로서 작동시키기 위해 디스플레이서의 위치와 냉동기를 통한 헬륨 유동 사이의 타이밍을 전자적으로 매핑. 현재 시장에 나와있는 특정 GM 냉동기는 이미 열기관으로서 작동할 수 있지만; 이 실시는 설계가 전술한 타이밍을 제한된 개수의 타이밍(일반적으로 두 개)으로 제한하지 않고 시스템을 임의의 타이밍 값에 전자적으로 매핑할 수 있다는 점에서 다르다.

5) 고정된 냉동기 속도(분당 사이클) 및 디스플레이서의 궤적을 유지하면서 그 냉각 용량 및 효율을 수정하는 방식으로 극저온 냉동기를 전자적으로 매핑하는 능력. 이 특징은 일정 속도와 궤적으로 작동하는 냉동기를 유지하면서 극저온 냉동기의 냉각 용량을 변경할 필요가 있는 MRI 및 NMR 용도와 관련있을 것으로 예상된다. 이 설계는 수신 시스템에서의 추가 하드웨어 부품 필요 없이 또는 시스템 에너지 효율을 희생시킬 필요 없이 이러한 사용을 가능하게 한다.

6) 공기압으로 구동되는 디스플레이서 궤적의 제어 가능성을 개선하기 위한 기계적 스프링 또는 자석의 사용.

7) 시스템은, 힘을 동적으로 균형잡을 수 있고, 최대 에너지 효율을 보장하면서 디스플레이서가 실린더의 상부 또는 하부에 부딪히는 것을 방지할 수 있으며, 또한 냉동 용량의 최적화를 가능하게 하고 용량을 용도 필요, 즉 열 부하에 매치시키기 위해 디스플레이서의 스트로크 길이가 조절될 수 있게 하는 정교한 피드-포워드 제어 알고리즘에 의해 강화될 수 있다.

8) 콤포넌트 부분의 신중한 선택과 더불어 제어 알고리즘의 적절한 조정은 시스템이 배경에서 설명된 모든 문제를 해결할 수 있게 한다.

본 출원의 전자 제어기는 단지 하드웨어일 수 있지만, 일반적으로 데이터 프로세서 및 관련 메모리를 포함하는 하드웨어 시스템 내의 소프트웨어로 실현되며 입출력 장치를 구비할 수 있다. 프로세서 루틴 및 데이터는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체에 컴퓨터 프로그램 제품으로서 저장될 수 있다. 제어기는 또한 예를 들어 독립형 컴퓨터, 디바이스 네트워크, 모바일 디바이스 또는 그 조합일 수 있다.

본 명세서에서 인용되는 모든 특허, 공개 출원, 및 참고 문헌의 교시는 그 전체가 참조로 원용된다.

예시적인 실시예가 특히 도시되고 설명되었지만, 통상의 기술자라면 첨부된 청구범위에 포함되는 실시예의 범위를 벗어나지 않으면서 형태 및 세부사항의 다양한 변화가 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (33)

1. 극저온 냉동기에 있어서,
   웜 단부와 콜드 단부를 갖는 냉동 체적;
   상기 냉동 체적 내의 왕복 디스플레이서;
   상기 냉동 체적의 웜 단부에서의 공기압 드라이브 체적;
   상기 디스플레이서에 결합되는 공기압 드라이브 체적 내의 구동 피스톤;
   냉동 체적의 웜 단부에 대한 가압 냉매 가스의 순환식 공급 및 배출을 제어하는 냉동 체적 밸브;
   공기압 드라이브 체적에 대한 구동 유체의 공급 및 배출을 제공하여 구동 피스톤에 구동력을 인가하는 구동 밸브; 및
   구동 피스톤의 스트로크를 통해서 변화하는 구동 제어 신호에 의해 구동 밸브를 제어하여 구동 피스톤이 구동 피스톤의 스트로크를 통해서 프로그래밍된 변위 프로파일을 추종하게 하는 전자 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는
   극저온 냉동기.
2. 제 1 항에 있어서,
   구동 피스톤 또는 디스플레이서의 이동에 응답하여 변위 신호를 제공하는 변위 센서를 추가로 포함하며, 전자 제어기는 구동 피스톤의 스트로크를 통해서 변위 신호와 프로그래밍된 변위 프로파일 사이의 오차를 최소화하는 것을 특징으로 하는
   극저온 냉동기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 구동 밸브는 전자 제어기로부터의 전기 구동 제어 신호에 비례하여 구동 유체의 연속 가변 공급 및 배출을 제공하는 비례 구동 밸브인 것을 특징으로 하는
   극저온 냉동기.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 전자 제어기는 공기압 드라이브 체적 내의 공급 압력과 배출 압력 사이 압력의 가변 제어를 제공하기에 충분한 속도로 각각의 공급 라인 및 배출 라인으로의 구동 밸브를 개방 및 폐쇄하는 것을 특징으로 하는
   극저온 냉동기.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   구동 유체에 의해 가해지는 구동력에 더하여 피스톤에 힘을 가하는 수동 힘 발생기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는
   극저온 냉동기.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 수동 힘 발생기는 스프링인 것을 특징으로 하는
   극저온 냉동기.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 스프링은 드라이브 체적의 외부에 배치되고 샤프트를 통해서 피스톤에 결합되는 복수의 스프링 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는
   극저온 냉동기.
8. 제 5 항에 있어서,
   상기 수동 힘 발생기는 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는
   극저온 냉동기.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   구동 피스톤은 공기압 드라이브 체적을 디스플레이서에 근접한 근위 구동 챔버와 디스플레이서에서 먼 원위 구동 챔버로 분리하며, 구동 밸브는 원위 드라이브 체적에 대해 구동 유체를 공급 및 배출하는 것을 특징으로 하는
   극저온 냉동기.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 구동 밸브는 추가로 근위 구동 챔버에 대해 구동 유체를 공급 및 배출하며 근위 챔버는 냉동 체적의 웜 단부와 연통하지 않는 것을 특징으로 하는
    극저온 냉동기.
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 근위 구동 챔버는 구동 유체 배출구에 직접 결합되며 냉동 체적에는 직접 결합되지 않는 것을 특징으로 하는
    극저온 냉동기.
12. 제 9 항에 있어서,
    상기 근위 챔버는 냉동 체적의 웜 단부와 유체 연통하는 것을 특징으로 하는
    극저온 냉동기.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    냉동 체적 밸브는 전자 냉매 제어 신호에 비례하여 냉동 체적에 대한 냉매 가스의 연속 가변 공급 및 배출을 제공하는 비례 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는
    극저온 냉동기.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    구동 유체는 냉매 공급 및 복귀 라인으로부터 밸브 이송되는 것을 특징으로 하는
    극저온 냉동기.
15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전자 제어기는 적응형 피드포워드 제어를 추가로 제공하는 것을 특징으로 하는
    극저온 냉동기.
16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전자 제어기는 피드백 제어를 제공하는 것을 특징으로 하는
    극저온 냉동기.
17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    냉동 체적 밸브 및 구동 밸브를 포위하는 밀폐된 챔버를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는
    극저온 냉동기.
18. 극저온 냉동 방법에 있어서,
    공기압 드라이브 체적 내의 왕복 피스톤에 결합된 냉동 체적 내에 왕복 디스플레이서를 제공하는 단계;
    가압된 가스 냉매를 냉동 체적의 웜 단부에 대해 공급 및 배출하는 단계;
    전자 제어기에 의해, 구동 밸브를 제어하여 공기압 드라이브 체적에 대한 구동 유체의 공급 및 배출을 제공하여 구동 피스톤에 구동력을 인가하는 단계로서, 전자 제어기는 구동 피스톤의 스트로크에 의해 변화하는 전자 구동 제어 신호를 구동 밸브에 제공하여 구동 피스톤이 구동 피스톤의 스트로크를 통해서 프로그래밍된 변위 프로파일을 추종하게 하는, 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    극저온 냉동 방법.
19. 제 18 항에 있어서,
    구동 피스톤 또는 디스플레이서의 위치를 감지하여 변위 신호를 제공하는 단계를 추가로 포함하고, 전자 제어기는 구동 피스톤의 스트로크를 통해서 변위 신호와 프로그래밍된 변위 프로파일 사이의 오차를 최소화하는 것을 특징으로 하는
    극저온 냉동 방법.
20. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
    구동 밸브는 전자 제어기로부터의 전기 구동 제어 신호에 비례하여 구동 유체의 연속 가변 공급 및 배출을 제공하는 비례 구동 밸브인 것을 특징으로 하는
    극저온 냉동 방법.
21. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
    전자 제어기는 공기압 드라이브 체적 내의 공급 압력과 배출 압력 사이 압력의 가변 제어를 제공하기에 충분한 속도로 각각의 공급 및 배출 라인으로의 구동 밸브를 개방 및 폐쇄하는 것을 특징으로 하는
    극저온 냉동 방법.
22. 제 18 항, 제 19 항, 제 20 항 또는 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    구동 유체에 의해 가해지는 구동력에 더하여 수동 힘을 피스톤에 인가하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는
    극저온 냉동 방법.
23. 제 22 항에 있어서,
    상기 수동 힘은 스프링에 의해 인가되는 것을 특징으로 하는
    극저온 냉동 방법.
24. 제 23 항에 있어서,
    상기 스프링은 드라이브 체적 외부에 위치하고 샤프트를 통해서 피스톤에 결합되는 복수의 스프링 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는
    극저온 냉동 방법.
25. 제 22 항에 있어서,
    상기 수동 힘은 자석에 의해 인가되는 것을 특징으로 하는
    극저온 냉동 방법.
26. 제 18 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    구동 피스톤은 공기압 드라이브 체적을 디스플레이서에 근접한 근위 구동 챔버와 디스플레이서에서 먼 원위 구동 챔버로 분리하며, 구동 밸브는 공기압 드라이브 체적의 원위 드라이브 체적에 대해 구동 유체를 공급 및 배출하는 것을 특징으로 하는
    극저온 냉동 방법.
27. 제 26 항에 있어서,
    상기 구동 밸브는 추가로 근위 구동 챔버에 대해 구동 유체를 공급 및 배출하며 근위 챔버는 냉동 체적의 웜 단부와 연통하지 않는 것을 특징으로 하는
    극저온 냉동 방법.
28. 제 26 항에 있어서,
    상기 근위 구동 챔버는 구동 유체 배출구에 직접 결합되며 냉동 체적에는 직접 결합되지 않는 것을 특징으로 하는
    극저온 냉동 방법.
29. 제 26 항에 있어서,
    근위 챔버는 냉동 체적의 웜 단부와 유체 연통하는 것을 특징으로 하는
    극저온 냉동 방법.
30. 제 18 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    가압 가스 냉매는 전자 냉매 제어 신호에 비례하여 냉동 체적에 대한 냉매 가스의 연속 가변 공급 및 배출을 제공하는 비례 밸브를 통해서 공급 및 배출되는 것을 특징으로 하는
    극저온 냉동 방법.
31. 제 18 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    구동 유체는 냉매 공급 및 복귀 라인으로부터 밸브 이송되는 것을 특징으로 하는
    극저온 냉동 방법.
32. 제 18 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전자 제어기는 적응형 피드포워드 제어를 추가로 제공하는 것을 특징으로 하는
    극저온 냉동 방법.
33. 제 18 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전자 제어기는 피드백 제어를 제공하는 것을 특징으로 하는
    극저온 냉동 방법.

Images