JP2011521201A - リニア駆動を利用した極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】各段の温度制御および効率に優れ、かつ、多種多様な冷却要件に応えることができる極低温冷凍機およびその動作方法を提供する。
【解決手段】本発明の極低温冷凍機は、第一段と、第二段と、第一段および第二段に高圧のガスを導入し、かつ、第一段および第二段からそのガスを排出するガス制御バルブとを備える。第一段の第１のディスプレーサに接続された第１のリニアモータと、第二段の第２のディスプレーサに接続された第２のリニアモータとにより、第一段および第二段の互いに独立した制御を行う。
【選択図】図１Ｅ

Description

関連出願

本願は、2008年5月21日付出願の米国仮特許出願第61/128,380号の優先権を主張するものである。

上記米国仮特許出願の全教示内容は、参照によって本願に組み入れたものとする。

従来の種類の極低温冷凍機では、冷凍シリンダ内に導入されたヘリウムなどの作動流体がピストンまたはディスプレーサの一端部側で膨張することにより、シリンダが冷却される。また、ギフォード−マクマホン方式の冷凍機では、冷凍機の高温側端部にバルブを介して導入された高圧の作動流体が、ディスプレーサの移動に伴って蓄冷材を通過するように構成されている。そして、蓄冷材を通過することで冷却された作動流体は、ディスプレーサの低温側端部において膨張する。なお、ディスプレーサは回転モータで駆動される。

極低温冷凍機は一段式および二段式のものが知られている。典型的に、第一段には第１のディスプレーサが含まれる。第１のディスプレーサは作動流体を圧縮と膨張との往復運動をさせる。第二段には第２のディスプレーサが含まれる。第２のディスプレーサも作動流体を圧縮と膨張との往復運動をさせる。典型的に、第１のディスプレーサおよび第２のディスプレーサは相互接続されており、かつ、共通の回転モータで駆動される。

極低温冷凍機を実際に使用すると、第一段の負荷と第二段の負荷とが異なる場合が多い。そのため、第１のディスプレーサのストローク長さ、ストローク速度、ストローク変位プロファイルおよびストローク位相を、第２のそれらと異なるように作動するのが望ましい。これは、極低温冷凍機の製作・実施後に判明することが多い。なお、一般的な冷凍機では、機械的な回転駆動装置が第一段と第二段の両方を駆動する。そして、その機械的な回転駆動装置が、両段を同一のストローク長さ、ストローク速度、ストローク変位プロファイルおよびストローク位相で駆動する。機械的な回転駆動装置の動作パラメータを変化させることによって極低温冷凍機の効率の向上を図るのは困難である。多くの場合、極低温冷凍機の全体効率を上げようとして回転駆動装置の動作パラメータを少し変化させてみるが失敗に終わり、結局、異なるストロークパラメータに基づいた極低温冷凍機を新たに製作することになる。

極低温冷凍機の冷却段の効率を決める一般的なパラメータとして、ストローク速度、シリンダ容積、作動流体の温度などが挙げられる。冷却段の効率を図るには、適切なバルブタイミングの圧力波を発生させることで、好適な時間にバルブが確実に開くようにする必要がある。なお、当該技術分野における一般的な問題は、第二段が第一段に完全に依存し、第二段のディスプレーサストロークが第一段の動作に関連付けられているためである。

一方、本発明にかかる極低温冷凍機は、第二段の動作が第一段に影響されないので、従来技術の冷凍機よりも優れた効率を有する。本発明にかかる極低温冷凍機は、各段ごとに、異なる動作パラメータ（例えば、ストローク長さ、ディスプレーサの変位プロファイル、ディスプレーサの位相、その他のディスプレーサの往復動パラメータなど）を設定したり、動作パラメータを変化させたりすることができる。この各段の互いに独立した動作により、冷凍機を完全に製作し直すことなく、第一段と第二段の互いに異なる負荷に対応することができる。つまり、本発明にかかる極低温冷凍機は、第一段と第二段とを互いに独立して動作させることにより、優れた温度制御を行うことができる。

本発明のある実施形態では、第一段と、第二段と、各段に対応したリニアモータを備える極低温冷凍機である。各段に対応してリニアモータが設けられていることにより、両段の互いに独立した制御が行える。リニアモータは、ディスプレーサに動作可能に接続されている。この冷凍機の別の段には、第２のリニアモータに動作可能に接続された第２のディスプレーサが設けられている。ディスプレーサは、各段ごとに設けられ、冷凍シリンダ内で往復動するピストン状の部材である。リニアモータは、各ディスプレーサのストロークを制御する。

他の実施形態において、リニアモータは、第一段のディスプレーサを第１のストローク長さで駆動し、第二段のディスプレーサを第２のストローク長さで駆動する。第１のストローク長さは第２のストローク長さと互いに異なっていてもよいし、互いに同一であってもよい。

この冷凍機は、ギフォード−マクマホン方式の冷凍機であってもよく、また、ガス制御バルブを備えていてもよい。第１のバルブが高圧の作動ガス（冷媒ガス）であるヘリウムを冷凍シリンダに導入し、第２のバルブが当該作動ガスを冷凍シリンダから排出させる。バルブは、電気式のバルブであっても、機械式のバルブであっても、スプールバルブであってもよい。このバルブは、ディスプレーサの運動に従って所定の動作を行うものではなく、コントローラによって制御された動作を行うものである。

好ましくは、この極低温冷凍機は、第一段のディスプレーサに動作可能に接続されたリニアモータと、第二段のディスプレーサに動作可能に接続されたリニアモータとの２つのリニアモータを備えている。これらリニアモータは制御され、任意で、第一段のディスプレーサを、第二段と異なるストローク速度、ストローク長さ、ストローク変位プロファイル、サイクル速度またはストローク位相で駆動する。必要に応じて、これらストローク速度、ストローク長さ、ストローク位相、ストロークプロファイルまたはサイクル速度を、同一にしてもよい。

この極低温冷凍機は、さらに、振動を除去する防振装置を備えていてもよい。この防振装置は、リニアモータによって生じる望ましくない振動、またはディスプレーサの往復動に伴う振動を除去する。この防振装置は、能動型の防振装置であっても受動型の防振装置であってもよい。また、第１のディスプレーサの位置または第２のディスプレーサの位置を測定してフィードバック信号を供給するための位置センサを、ディスプレーサに配置してもよいし、極低温冷凍機のそれ以外の他の場所に設けてもよい。このフィードバック信号に基づいて、第一段および第二段の互いに独立した制御が行われてもよい。さらなる実施形態において、システムは開ループで動作される。本発明のさらなる他の実施形態において、作動流体は第一段に導入され、かつ、当該第一段に導入された作動流体は、第二段の作動流体に対して熱力学的に遮断される。効率を上げるために、各段ごとに異なる作動流体が使用されてもよい。

冷凍機の１つのサイクルで生成する総冷却量は、ＰＶグラフ（圧力−体積グラフ）の面積から定量することができる。冷凍機のどの段の総冷却量も同様に定量できる。

冷却レート、すなわち、単位時間あたりの冷却量は、上記ＰＶ面積を１つのサイクルの所要時間で割った数値である。すなわち、各段の総冷却量は下記（１）式となる。

理想気体の法則によると、下記（２）式となる。

したがって、圧縮器（コンプレッサ）が行う仕事、つまり、圧縮器の入力仕事率は、当該圧縮器が供給するガスのマスフロー流量に比例する。

利用される実際の冷却量、すなわち、純冷却量は、上記総冷却量から、冷凍機内の様々な損失メカニズムによる損失量を引いたものである。冷凍機のコールドヘッドにおける損失メカニズムの例として、ストロークおよび／またはサイクル速度の作用が挙げられる。ストロークまたは速度を減少させると、損失メカニズムの影響を軽減することができるが、総冷却量も低下する。ユーザは、所望の具体的な極低温冷却要件を持っている。この所望の極低温冷却要件は、極低温冷凍機の各段の特定の温度における負荷（例えば、ワット（watt））で表すことができる。なお、従来の二段式極低温冷凍機では、二段とも互いに運動学的に結合しているので、各段のストロークおよびサイクル速度は同一である。

従来、膨大な数のユーザの所望の冷却量、ならびに第一段ヘッドの負荷および第二段ヘッドの負荷の多種多様な冷却要件に応えるには、必要以上に大きい寸法の極低温冷凍機を使用しなければならなかった。このような過剰の冷却容量によって、必要以上に温度が低下したり、所望の温度に保持するためのヒータによってその過剰の冷却容量が無駄になったりする。いずれの場合も非効率である。過度に大きい冷凍機は、ガスの処理量が必要以上に多くなるので、それに応じて圧縮器のサイズも必然的に大きくなる。しかしながら、１つ以上の冷却段の冷却容量を一時的に増加させたいときもある。冷却容量は、ストロークを増やすか、またはサイクル速度を上昇させることによって増加させることができる。したがって、ストロークのパラメータおよび冷却段の速度を独立に制御することにより、多種多様な冷却要件を満たすことができるだけでなくシステムの効率を上昇させることもできる。さらに、このような独立の制御により、冷凍動作の一時的な向上も可能になる。

冷凍対象は、例えば、極低温排気面、超伝導体、基板、検出器、医療装置などである。どの冷却対象も、作動流体を介して冷却される。

２つのディスプレーサおよびバルブがギフォード−マクマホンサイクルで駆動される様子を示す概略図である。 ２つのディスプレーサおよびバルブがギフォード−マクマホンサイクルで駆動される様子を示す他の概略図である。 ２つのディスプレーサおよびバルブがギフォード−マクマホンサイクルで駆動される様子を示すさらなる概略図である。 ２つのディスプレーサおよびバルブがギフォード−マクマホンサイクルで駆動される様子を示すさらなる他の概略図である。 第１のディスプレーサを制御する第１のリニアモータと、第２のディスプレーサを前記第１のディスプレーサとは独立して制御する第２のリニアモータとを備えた、本発明の一実施形態の極低温冷凍機を示す概略図である。 受動型のダイナミックバランサーを備える冷凍機を示す概略図である。 本発明の他の実施形態の極低温冷凍機を示す概略図である。 本発明のさらなる実施形態の極低温冷凍機を示す概略図である。

前述の内容は、添付の図面を用いて行う本発明の実施形態についての以下の詳細な説明から、より明らかになる。異なる図をとおして、同一の符号は同一の構成要素または部位を指すものとする。図面は必ずしも縮尺どおりではなく、むしろ、本発明の実施形態を示すことに重点を置いている。

本発明の例示的な実施形態を以下に説明する。

図１Ａ〜図１Ｄに、ガス制御バルブとして高圧バルブ１０および低圧バルブ２０を備え、冷凍シリンダ５０内に第１のディスプレーサ３０および第２のディスプレーサ４０を有する多段式の極低温冷凍機を示す。好ましくは、図１Ａに示す状態では、高圧バルブ１０は開いており、蓄冷材（図示せず）を含むディスプレーサ３０，４０の位置は、図示のフェーズ１において最低温の体積空間を形成する最下位置である下死点にある。冷凍シリンダ５０には、高圧の作動流体（例えば、ガスなど）が充填される。図１Ｂの状態では、作動流体はディスプレーサ３０，４０に含まれる蓄冷材（図示せず）を通過することで冷却され、ディスプレーサ３０，４０は下死点から上死点に移動する。図１Ｃの状態では、高圧バルブ１０は閉じられ、低圧バルブ２０が開かれる。作動流体は膨張し、冷却効果をもたらす。図１Ｄの状態では、低圧になった作動流体が、ディスプレーサ３０，４０に含まれる蓄冷材を逆方向に通過し、ディスプレーサ３０，４０が下死点に戻り、作動流体が低圧バルブ２０を介してシリンダ５０から排出される。なお、それぞれの冷凍機のＰＶグラフ（圧力−体積グラフ）および冷却性能は、ディスプレーサの変位とバルブ位置との関係をずらしながら調節することによって最適化される。よって、高圧バルブ及び低圧バルブの開閉動作は上死点および下死点と完璧に整合していなくともよい。

図１Ｅに、本発明にかかる極低温冷凍機１００の一実施形態を示す。この実施形態では、極低温冷凍機１００は、第１のモータ１４０ａおよび第２のモータ１４０ｂを備え、これら第１のモータ１４０ａおよび第２のモータ１４０ｂは、互いに独立して、それぞれ、第１のディスプレーサ１５０、第２のディスプレーサ１５５を制御する。これにより、第１のディスプレーサ１５０のストローク長さと、第２のディスプレーサ１５５のストローク長さとを、互いに独立して異ならせることができる。さらに、コントローラ１９５により、各ディスプレーサ１５０，１５５のストローク速度、ストロークプロファイルまたはストローク位相を互いに独立して制御することで、特定のシステムに依存する第一段１３０の温度および第二段１３５の温度を互いに独立して制御することができる。

モータ１４０ａ，１４０ｂには、任意の形態のモータが使用されてよいが、ここでは、永久磁石１３８ａ，１３８ｂおよびコイル１９９ａ，１９９ｂを備えた可動磁石型のリニアモータとする。他の実施形態において、リニアモータ１４０ａ，１４０ｂは、第一段のディスプレーサ１５０と第二段のディスプレーサ１５５とにガス（冷媒ガス）を供給するエアバルブ（空気弁）及び圧縮器を含むシステム（図示せず）であってもよい。第１のディスプレーサ１５０のストロークのパラメータおよび第２のディスプレーサ１５５のストロークのパラメータは、エアバルブの開閉のタイミング（バルブタイミング）を調節することによって制御してもよい。有利なことに、リニアモータをそれぞれ独立してリアルタイムで変化させることによって各段の温度を互いに独立して制御できるという利点があり、よって、極低温冷凍機１００を新たに製作し直す必要がない。これにより、有利なことに、極低温冷凍機１００は、種々の負荷および条件に対応することができる。さらに、この冷凍機のコトローラは、リニアモータ１４０ａ，１４０ｂによって様々な冷凍負荷を選択的に制御できるので、動作時に、第一段の最低温の部分を所望の動作温度に達成するにあたって熱を当該第一段に印加しなくてもよく、また、第一段の負荷容量と第二段の負荷容量との比を調節することもできる。

なお、本発明は上記の構成に限定されず、上記の構成を逆にしてもよいし、同軸のシャフトをさらに設けて追加の段のディスプレーサを駆動するようにしてもよいし、モータ１４０ａ，１４０ｂを互いに並んで配置させてもよいし、またはそれ以外の構成によって少なくとも２つのディスプレーサ１５０，１５５を駆動させてもよい。第１のモータ１４０ａは第１の出力シャフト１４５ａを備え、出力シャフト１４５ａは第一段のディスプレーサ１５０に接続されている。これにより、第１のリニアモータ１４０ａは、ディスプレーサ１５０を下死点から上死点への往復動により第１のディスプレーサ１５０のストロークを制御することができる。（ここでいう下死点および上死点とは、コントローラによって決定されるストロークの長さにおける下死点および上死点であり、ストローク可能な最大限の下死点および上死点ではない。）

第２のモータ１４０ｂは第２の出力シャフト１４５ｂを備える。第２の出力シャフト１４５ｂはピンジョイント１４５ｃによって第二段のディスプレーサ１５５に接続されている。第２の出力シャフト１４５ｂは、有利なことに、第１の出力シャフト１４５ａの内部に同軸に配置され、かつ、当該第１の出力シャフト１４５ａおよび第１のディスプレーサ１５０に対して密封状態で延設されている。このようにして、第２のリニアモータ１４０ｂは第２のディスプレーサ１５５のストロークを制御することができる。第２の出力シャフト１４５ｂは、第１のディスプレーサ１５０の内部を通って、当該第１のディスプレーサ１５０と同軸な第２のディスプレーサ１５５を下死点から上死点へ往復動させる。

好ましくは、図１Ｅに示すように、極低温冷凍機１００は、ギフォード−マクマホンサイクルで動作される。さらに、極低温冷凍機１００は、高圧バルブ１１０によって冷凍シリンダ１０５に導入され、低圧バルブ１１５によって冷凍シリンダ１０５から排出される作動流体を備える。しかしながら、本発明はこの実施形態に限定されず、公知の他の冷凍サイクルで動作されてもよく、ギフォード−マクマホンサイクルは本発明の例示的な一実施形態に過ぎない。極低温冷凍機１００は、さらに、当該極低温冷凍機１００と導管１６０，１６２によって連通する圧縮器１２０を備える。導管１６０は高圧バルブ１１０に接続され、導管１６２は低圧バルブ１１５に接続される。低圧バルブ１１５から排出された低圧ガスは、導管１６２を介して圧縮器１２０に戻り、圧縮されて導管１６０によって高圧バルブに送られる。図示の圧縮器は単一の圧縮部からなるが、この圧縮器は、例えば、平列に連結された複数の圧縮部を有するものであってもよいし、圧縮ガス（加圧ガス）の可変供給が可能なものであってもよい。

冷凍シリンダ１０５は、第１の部位１０５ａおよび第２の部位１０５ｂを有する。第１の部位１０５ａは、上方の高温側のチャンバ１６５と下方の低温側の膨張空間（第１の膨張空間）１７０とを形成する。上方の高温側のチャンバ１６５と下方の低温側の膨張空間１７０とは、ディスプレーサ１５０内に含まれる蓄冷材マトリックス１７５によって互いに流体連通している。変形例として、マトリックス１７５は、ディスプレーサ１５０の外側に固定配置されてもよい。

冷凍シリンダの第２の部位１０５ｂの下方にも、低温側の膨張空間（第２の膨張空間）１８５が設けられる。なお、この第２の膨張空間は、極低温冷凍機１００における最低温の部分であり、その温度は最低約４Ｋ（ケルビン）にまで達する。冷凍シリンダの第２の部位１０５ｂの、第２のディスプレーサ１５５の下方に位置する体積空間が、前記第２の膨張空間１８５を形成する。第２のディスプレーサ１５５に関して述べると、第１の膨張空間１７０と第２の膨張空間１８５とは、第２のディスプレーサ１５５内に含まれる蓄冷材マトリックス１９０によって互いに流体連通している。変形例として、マトリックス１９０は、第２のディスプレーサ１５５の外側で離れて固定配置されてもよい。図１Ｅの極低温冷凍機１００の動作を以下に説明する。

動作時において、第１のリニアモータ１４０ａはリード線１４０ｃを介してコントローラ１９５に動作可能に接続されている。コントローラは冷凍シリンダと一体であってもよいし、冷凍シリンダと別体であってもよい。コントローラ１９５は第１のリニアモータ１４０ａを制御することにより、第１のディスプレーサ１５０のストローク往復動を制御する。コントローラ１９５は、さらに、高圧バルブ１１０および低圧バルブ１１５の開閉動作を制御し、作動流体を適切な時間間隔で導入する。高圧バルブ１１０および低圧バルブ１１５は電子バルブであってもよいし、スプールバルブであってもよい。さらに、高圧バルブ１１０および低圧バルブ１１５には、電子バルブの代わりに機械式のバルブが用いられてもよい。コントローラ１９５は、さらに、リード線１４０ｄを介して第２のモータ１４０ｂに動作可能に接続されており、これにより、第２のモータ１４０ｂと第２のディスプレーサ１５５のストロークとを制御する。

動作時には、高圧バルブ１１０が開かれる。このとき、第１のディスプレーサ１５０および第２のディスプレーサ１５５はいずれも最下位置である下死点に位置しており、圧縮器１２０から、高圧バルブ１１０を介してヘリウムまたは他の適切な作動流体が上方の高温側のチャンバ１６５に導入される。高圧力の作動流体は上方の高温側のチャンバ１６５を満たし、蓄冷材マトリックス１７５に進入する。作動流体のガスは、引き続き、第２のディスプレーサ１５５の上方の空間、第２の蓄冷材マトリックス１９０および第２の膨張空間１８５を含む第二段のガス空間を加圧し続ける。次に、コントローラ１９５が第１のモータ１４０ａを制御して出力シャフト１４５ａを往復動させる。これによって第一段の出力シャフト１４５ａは移動し、第１のディスプレーサ１５０が下死点から上死点の位置に向かって第１のモータ１４０ａによって駆動される。ディスプレーサが移動することにより、作動流体は、上方のチャンバ１６５から、蓄冷材マトリックス１７５を経て、シリンダの第１の部位１０５ａの下方のチャンバ、すなわち、膨張空間１７０に向かう。このとき、作動流体は比較的低温であるマトリックス１７５に熱を放出する。作動流体が冷却される間、流体の導管１６０によって高圧状態が維持される。

第一段のディスプレーサ１５０が上死点の位置に達すると、コントローラ１９５が第二段のディスプレーサ１５５を制御する。例えば、コントローラ１９５は、第二段のディスプレーサ１５５を、第１のディスプレーサ１５０とは異なるストローク長さおよび／またはストローク速度および／またはストローク変位プロファイルおよび／またはストローク往復動位相で制御する。これにより、第一段１３０とは別に、第二段１３５にとって望ましい温度制御または第二段１３５に必要な温度制御を行うことができる。コントローラ１９５は第２のモータ１４０ｂを制御し、出力シャフト１４５ｂによって第２のディスプレーサ１５５を移動させる。作動流体のガスは、第一段１３０を通過した後、前記第２のディスプレーサ１５５の移動に伴い、第２の蓄冷材マトリックス１９０を通って第二段の膨張空間１８５に送られる。

なお、各ディスプレーサのサイクルレート（単位時間あたりのサイクル数）は互いに同一であってもよいが、ディスプレーサ１５０，１５５の各サイクルにおける速度は異なり得る。高圧バルブ１１０は、ディスプレーサが高温側の端部に向かう間の少なくともある期間は開かれている。これにより、十分な量のガスを膨張させることができる。

第１のディスプレーサ１５０および第２のディスプレーサ１５５が上死点の位置に近付くかまたは上死点の位置に達すると、高圧バルブ１１０が閉じられる。その後、低圧バルブ１１５が開かれることにより、第１および第２の膨張空間１７０，１８５内のガスが膨張し、冷却効果をもたらす。

低圧バルブ１１５が開かれると、コントローラ１９５が第１のリニアモータ１４０ａおよび第２のリニアモータ１２０ｂを制御し、第１のディスプレーサ１５０および第２のディスプレーサ１５５を、それぞれ、互いに独立して上死点から下死点に向かって位動させる。これにより、膨張空間１７０，１８５からの作動流体が、低圧バルブ１１５を介して導管１６２に排出される。そして、上記のサイクルが繰り返される。前述したように、冷凍機のＰＶグラフ（圧力−体積グラフ）および冷却性能を最適化するために、高圧バルブ及び低圧バルブの開閉動作は、ディスプレーサの変位が上限に達する時間および下限に達する時間と正確に合致するように行われなくてもよい。

なお、第１のディスプレーサ１５０と第２のディスプレーサ１５５との互いに独立した動作により、第一段１３０および第二段１３５の互いに独立した温度制御が可能になる。しかしながら、動作時には、第１のモータ１４０ａと第２のモータ１４０ｂとの互いに独立した往復動作（ならびに互いに独立して互いに異なるタイミングで往復動する、同軸に配置された出力シャフト１４５ａ，１４５ｂ）により、冷凍シリンダ１０５や近くのその他の構造体に望ましくない振動が伝達されるという問題が生じる。したがって、好ましくは、本発明にかかる極低温冷凍機１００は、ディスプレーサ１５０，１５５の往復動、および／または第１のモータ１４０ａ及び第２のモータ１４０ｂの動作が部分的な要因となって生じる、望ましくない振動を除去または減衰するための防振装置１０５ｃであるダイナミックバランサー装置を備える。

好ましくは、防振装置１０５ｃは、冷凍シリンダ１０５またはそれ以外の適切な場所に動作可能に接続される。防振装置１０５ｃは、能動型の防振装置であっても受動型の防振装置であってもよい。能動型の防振装置１０５ｃである場合、当該防振装置１０５ｃは、好ましくは、望ましくない振動を相殺する第２の補償振動を引き起こすことができる。これにより、望ましくない振動が能動的に相殺されるので、取付用フランジ１４８に対する総体的な振動を除去または減衰することができる。受動型の防振装置１０５ｃである場合、当該防振装置１０５ｃは、好ましくは、冷凍シリンダ１０５の所望の部分に調整された錘を固定しており、これによって望ましくない振動を除去する。好ましくは、防振装置１０５ｃは、冷凍シリンダ１０５または冷凍シリンダ１０５の一部を同軸に取り囲む、重い錘である。

さらに、第１のディスプレーサ１５０および第２のディスプレーサ１５５の一方または両方を監視し、それぞれのフィードバック信号をコントローラ１９５に通信する位置センサ１４７ａ，１４７ｂが設けられてもよい。位置センサを構成するトランスデューサは、出力シャフト、ディスプレーサ、上下に運動する任意の構成品またはこのような運動を感知する任意の要素に配置されてよい。位置センサは、リニアモータ内に設けられてもよい。位置の感知は、モータ、例えば、モータの電力、モータの逆起電力（back EMF）を監視することによって行われてもよい。コントローラ１９５は、第一段１３０および第二段１３５の温度制御または温度補償のためのフィードバック信号を受けて、第一段１３０および第二段を互いに独立して制御するように構成されてもよい。一実施形態において、位置センサは、ホール効果に基づいて位置検出を行うトランスデューサを有する。

図１Ｆに、防振装置１０５ｃ（図２では符号２０５ｃ、図３では符号３０５ｃ）を備えた極低温冷凍機１００を示す。図１Ｆの防振装置１０５ｃは受動型の防振装置であり、可撓性のジョイント１０５ｅで互いに接続された複数の錘１０５ｄを有し、リニアモータの振動と逆位相で振動することによって振動を相殺する。図１Ｆには、さらに、冷凍シリンダ１０５に冷媒（ヘリウム）を高圧バルブ１１５を介して導入するための管１０５ｇ、および冷凍シリンダ１０５から冷媒（ヘリウム）を低圧バルブ１１０を介して排気するための管１０５ｆが示されている。図１Ｆには、さらに、極低温真空ポンプ（クライオポンプ）の極低温冷却排気面が示されている。第一段は輻射シールド１８７を冷却し、第二段は低温凝縮及び低温吸着を行う極低温パネル（クライオパネル）１８９を冷却する。この冷凍機により、どの従来の極低温パネル構成も冷却することができる。また、この冷凍機は、超伝導体の冷却など、あらゆる公知の極冷温用途に適用可能である。図２に、本発明の他の実施形態を示す。この実施形態でも、極低温冷凍機２００は、高圧バルブ２１０および低圧バルブ２１５を備えたギフォード−マクマホン方式の冷凍機である。高圧バルブ２１０は、圧縮器２２０に通じる導管２６０と連通する。圧縮器２２０は、ヘリウムなどの作動流体を、高圧バルブ２１０を介して極低温冷凍機２００に供給する。しかしながら、本発明はギフォード−マクマホンサイクルに限定されず、本発明には当該技術分野の公知の他のサイクルも適用可能である。

図２の実施形態では、第２のリニアモータ２４０ｂの位置が図１Ｅの実施形態と異なる。詳細には、第２のリニアモータ２４０ｂは第１のリニアモータ２４０ａに隣接して配置される。また、第２のリニアモータ２４０ｂに接続された出力シャフト２４５ｂが、第１のディスプレーサ２５０と同軸に配置されることなく第２のディスプレーサ２５５に接続されている。この実施形態において、（第２のリニアモータ２４０ｂに接続された）第２の出力シャフト２４５ｂは、第１のディスプレーサ２５０に隣接して配置される。

好ましくは、この実施形態の極低温冷凍機２００において、第１のリニアモータ２４０ａに接続された第１のディスプレーサ２５０は、第１の冷凍シリンダ２０５ａに収容される。第１の冷凍シリンダ２０５ａは、上方の高温側のチャンバ２６５と低温側の膨張空間（第１の膨張空間）２７０とを有する。前述の実施形態と同様に、第１のディスプレーサ２５０は蓄冷材２７５を含む。好ましくは、膨張空間２７０は、第一段のヒートステーション２９０ａ内に形成された流路２８８に連通し、当該流路２８８は、第二段の冷凍シリンダ２０５ｂおよび第２のディスプレーサ２５５と連通する。

極低温冷凍機２００は、さらに、第２のリニアモータ２４０ｂを備える。第２のリニアモータ２４０ｂは、第２の出力シャフト２４５ｂにより、第２の冷凍シリンダ２０５ｂに収容された第２のディスプレーサ２５５に接続されている。第２の冷凍シリンダ２０５ｂは第一段のヒートステーション２９０ａと接続されている。第２の冷凍シリンダ２０５ｂは、空間２８０と低温側の膨張空間２８５とを形成している。低温側の膨張空間２８５は第２のディスプレーサ２５５の下に位置する。前述の実施形態と同様に、第２のディスプレーサ２５５は蓄冷材２９０を含む。

動作時には、高圧バルブ２１０が開かれる。このとき、第１のディスプレーサ２５０および第２のディスプレーサ２５５はいずれも最下位置である下死点に位置しており、高圧バルブ２１０からヘリウムまたは他の適切な作動流体が導入される。圧縮器２２０を出た作動流体は、第１の冷凍シリンダ２０５ａの上方の高温側のチャンバ２６５に到達する。

高圧の作動流体が、上方の高温側のチャンバ２６５、第１のディスプレーサ２５０に含まれる蓄冷材マトリックス２７５、ヒートステーション内の流路２８８、第２の冷凍シリンダ２０５ｂの空間２８０、第２のディスプレーサ２５５に含まれる蓄冷材マトリックス２９０、および膨張空間２８５を満たす。作動流体は、低温の蓄冷材マトリックス２７５，２９０に熱を放出する。作動流体が冷却される間、流体の導管２６０によって高圧が維持される。次に、コントローラ２９５が、第１のモータ２４０ａを制御して、第１のディスプレーサ２５０に接続された第１の出力シャフト２４５ａを往復動させる。第１のモータ２４０ａは、第１のディスプレーサ２５０を下死点から上死点の位置に向かって駆動させる。作動流体のガスは、加圧され、蓄冷材の両方のマトリックスを通過し、当該マトリックスと熱交換して冷却される。

次に、第二段について説明する。第２のディスプレーサ２５５は、第１の冷凍シリンダ２０５ａに隣接して配置された出力シャフト２４５ｂにより、第２のリニアモータ２４０ｂと接続されている。第２のリニアモータ２４０ｂは、第２のディスプレーサ２５５を下死点から上死点まで移動させる。例えば、第２のリニアモータ２４０ｂは、第２のディスプレーサ２５５を、当該第２のディスプレーサ２５５が下死点から上死点まで移動するあいだ、第１のディスプレーサ２５０とは異なるストローク速度、ストローク長さ、ストロークプロファイルまたはストローク往復動位相で制御する。

第１のディスプレーサ２５０および第２のディスプレーサ２５５が上死点の位置に近付くと、高圧バルブ２１０が閉じられ、そして低圧バルブ２１５が開かれることでガスが膨張する。第１のディスプレーサ２５０が上死点の位置に達すると、それと同時に、コントローラ２９５が、第二段をその所望の温度に応じて制御する。例えば、コントローラ２９５は、第二段を、その所望の温度に応じて、第一段とは異なるストローク長さ、ストローク速度、ストロークプロファイルまたはストローク位相で制御する。コントローラ２９５は、第一段のリニアモータ２４０ａに隣接して配置された第２のモータ２４０ｂを制御して、第２のディスプレーサ２５５を移動させる。

低温側の膨張空間２８５，２７０内の作動流体は、低圧バルブ２１５が開かれることで膨張し、冷却効果をもたらす。そして、冷凍シリンダ２０５ａ，２０５ｂの排気が開始される。コントローラ２９５が第１のリニアモータ２４０ａおよび第２のリニアモータ２４０ｂを制御し、第１のディスプレーサ２５０および第２のディスプレーサ２５５を上死点から下死点に向かって移動させる。これにより、膨張空間２７０，２８５からの作動流体が、ディスプレーサを通過し、導管２６２を介して圧縮器２２０に戻される。なお、第１のディスプレーサ２５０と第２のディスプレーサ２５５との互いに独立した動作により、第一段および第二段の互いに独立した温度制御が可能になる。

図３に示す他の実施形態では、好ましいことに、第二段の冷凍シリンダ３０５ｂへのガス流路として機能する図２の第一段のヒートステーション２９０ａの代わりに、第二段の冷凍シリンダ３０５ｂと流体連通しない第一段のヒートステーション３９０ａが設けられ、さらに、第一段と第二段との間で流体が行き来しないように流体分離しながら両段を熱的に接続する伝熱ブロック３９０ｃが、冷凍シリンダ３０５ａ，３０５ｂの間に設けられる。この実施形態において、極低温冷凍機３００は、第２の冷凍シリンダ３０５ｂに作動流体を導入する第２の高圧バルブ３１０ｂと、第２の冷凍シリンダ３０５ｂから作動流体を排出する第２の低圧バルブ３１５ｂとを備えており、これにより、第一段の流体と第二段の流体とは互いに遮断することができる。有利なことに、この構成は、各シリンダの互いに独立したバルブ動作を実行でき、さらには、任意で、各シリンダの互いに独立したサイクル速度を実現できるので、両段の温度制御を高効率で行える。

本発明を、実施形態に基づいて詳細に図示かつ説明したが、当業者であれば本発明の範囲を逸脱することなく形態や細部に対して様々な変更が可能であり、そのような変更は、添付の特許請求の範囲に包含される。

１３０ 第一段
１３５ 第二段
１０，２０，１１０，１１５，２１０，２１５，３１０ｂ，３１５ｂ ガス制御バルブ
３０，１５０，２５０ 第１のディスプレーサ
１４０ａ，２４０ａ 第１のリニアモータ
４０，１５５，２５５ 第２のディスプレーサ
１４０ｂ，２４０ｂ 第２のリニアモータ
１００，２００，３００ 極低温冷凍機
５０，１０５，２０５ａ，２０５ｂ，３０５ａ，３０５ｂ 冷凍シリンダ

Claims (41)

1. 第一段と、
   第二段と、
   前記第一段および第二段に高圧のガスを導入し、前記第一段および第二段から当該ガスを排出するガス制御バルブと、
   を備え、
   前記第一段の第１のディスプレーサに接続された第１のリニアモータと、前記第二段の第２のディスプレーサに接続された第２のリニアモータとが、前記第一段および第二段の互いに独立して制御する、極低温冷凍機。
2. 請求項１において、前記リニアモータが、（ｉ）前記第一段の第１のディスプレーサを第１のストロークで動作させ、（ｉｉ）前記第二段の第２のディスプレーサを第２のストロークで動作させる、極低温冷凍機。
3. 請求項１において、前記第一段および第二段に高圧のガスを導入する第１のガス制御バルブと、前記第一段および第二段から当該ガスを排出する第２のガス制御バルブとを備える、極低温冷凍機。
4. 請求項１において、前記リニアモータが、前記第一段の第１のディスプレーサを第１のストローク長さで駆動し、前記第二段の第２のディスプレーサを第２のストローク長さで駆動する、極低温冷凍機。
5. 請求項１において、前記リニアモータが、前記第一段の第１のディスプレーサを第１のストローク変位プロファイルで駆動し、前記第二段の第２のディスプレーサを第２のストローク変位プロファイルで駆動する、極低温冷凍機。
6. 請求項１において、前記リニアモータが、前記第一段の第１のディスプレーサを第１のストローク速度で駆動し、前記第二段の第２のディスプレーサを第２のストローク速度で駆動する、極低温冷凍機。
7. 請求項１において、さらに、振動を除去する防振装置を備える、極低温冷凍機。
8. 請求項７において、前記防振装置が能動型の防振装置である、極低温冷凍機。
9. 請求項１において、さらに、
   前記第１のディスプレーサおよび前記第２のディスプレーサのうちの少なくとも１つの位置を測定する位置センサ、
   を備える、極低温冷凍機。
10. 請求項１において、さらに、前記第一段から導入される作動流体を備え、
    前記第一段の作動流体が前記第二段の作動流体に対して遮断されている、極低温冷凍機。
11. 請求項１において、前記第１のリニアモータおよび前記第２のリニアモータが電磁式のモータである、極低温冷凍機。
12. 請求項１において、ギフォード−マクマホン方式の二段式冷凍機である、極低温冷凍機。
13. 第一段の冷凍シリンダと、
    前記第一段の冷凍シリンダ内で往復動し、前記第一段の冷凍シリンダの両端部の間で冷媒ガスを往復させる第１のディスプレーサと、
    前記往復される冷媒ガスを冷却する第１の蓄冷材と、
    前記第１のディスプレーサに動作可能に接続され、前記第１のディスプレーサを往復動に駆動する第１のリニアモータと、
    第二段の冷凍シリンダと、
    前記第二段の冷凍シリンダの両端部の間で冷媒ガスを往復させる第２のディスプレーサと、
    前記冷媒ガスを冷却する第２の蓄冷材と、
    前記第２のディスプレーサに動作可能に接続され、前記第２のディスプレーサを往復動に駆動する第２のリニアモータと、
    前記第１のディスプレーサの位置または前記第２のディスプレーサの位置を測定する少なくとも１つの位置センサと、
    前記第一段の冷凍シリンダおよび第二段の冷凍シリンダに高圧のガスを導入し、前記第一段の冷凍シリンダおよび第二段の冷凍シリンダから当該冷媒ガスを排出する複数のガス制御バルブと、
    前記少なくとも１つの位置センサ、前記第１のリニアモータおよび前記第２のリニアモータに動作可能に接続され、前記第１のリニアモータおよび前記第２のリニアモータを互いに独立して制御するコントローラと、
    を備える、極低温冷凍機。
14. 請求項１３において、前記コントローラが、前記位置センサからの出力に応答して、往復動中の前記第１のディスプレーサおよび前記第２のディスプレーサのストロークのパラメータを制御する、極低温冷凍機。
15. 請求項１３において、前記コントローラが、前記位置センサからの出力に応答して、往復動中の前記第１のディスプレーサおよび前記第２のディスプレーサのストロークのパラメータを互いに独立して制御する、極低温冷凍機。
16. 請求項１３において、前記第２のリニアモータが、前記第１のディスプレーサを同軸で通り抜けて配置されている前記第２のディスプレーサに接続されている、極低温冷凍機。
17. 請求項１３において、前記第２のリニアモータが、前記第１のディスプレーサに隣接して配置された出力シャフトによって前記第２のディスプレーサに接続されている、極低温冷凍機。
18. 請求項１３において、前記コントローラが、前記第１のリニアモータを制御することによって第一段の温度を制御する、極低温冷凍機。
19. 請求項１３において、前記コントローラが、前記第一段と独立して前記第２のリニアモータを制御することによって第二段の温度を制御する、極低温冷凍機。
20. 請求項１３において、前記コントローラが、前記第１のリニアモータと独立して前記第２のリニアモータのストロークプロファイルおよびストローク長さを可変制御することにより、第二段の温度を制御する、極低温冷凍機。
21. 請求項１３において、さらに、振動を除去する防振装置を備える、極低温冷凍機。
22. 請求項２１において、前記防振装置が能動型の防振装置である、極低温冷凍機。
23. 請求項１３において、前記コントローラが、前記第１のディスプレーサまたは前記第２のディスプレーサの、ストローク長さ、ストローク速度およびストローク位相の少なくとも１つを変化させる、極低温冷凍機。
24. 請求項１３において、前記第１のリニアモータおよび前記第２のリニアモータが電磁式のモータである、極低温冷凍機。
25. 請求項２４において、ギフォード−マクマホン方式の二段式冷凍機である、極低温冷凍機。
26. 二段の極低温冷凍機を動作させる方法であって、
    少なくとも２つのディスプレーサを、互いに同一のまたは異なる冷凍シリンダ内に準備する過程と、
    前記少なくとも２つのディスプレーサにバルブでガスを導入したりガスを排出したりする過程と、
    前記少なくとも２つのディスプレーサを互いに独立して制御することで温度を制御する過程と、
    を含む、二段の極低温の冷凍機の動作方法。
27. 請求項２６において、さらに、
    前記二段の極低温冷凍機に由来する振動または前記二段の極低温の冷凍機に生じる振動を除去する過程、
    を含む、二段の極低温の冷凍機の動作方法。
28. 請求項２７において、さらに、
    前記振動を能動的に除去する過程、
    を含む、二段の極低温の冷凍機の動作方法。
29. 請求項２７において、さらに、
    前記振動を受動的に除去する過程、
    を含む、二段の極低温の冷凍機の動作方法。
30. 請求項２６において、さらに、
    少なくとも１つのディスプレーサのストロークのパラメータが別のディスプレーサと異なるように、当該少なくとも１つのディスプレーサを当該別のディスプレーサとは独立して制御する過程、
    を含む、二段の極低温の冷凍機の動作方法。
31. 請求項２６において、さらに、
    少なくとも１つのディスプレーサの速度が別のディスプレーサと異なるように、当該少なくとも１つのディスプレーサを当該別のディスプレーサとは独立して制御する過程、
    を含む、二段の極低温の冷凍機の動作方法。
32. 請求項２６において、さらに、
    少なくとも１つのディスプレーサの位相が別のディスプレーサと異なるように、当該少なくとも１つのディスプレーサを当該別のディスプレーサとは独立して制御する過程、
    を含む、二段の極低温の冷凍機の動作方法。
33. 請求項２６において、さらに、
    少なくとも１つのディスプレーサの往復動のパラメータを別のディスプレーサとは独立して変化させて、前記二段の温度を互いに独立して制御する過程、
    を含む、二段の極低温の冷凍機の動作方法。
34. 請求項２６において、さらに、
    前記２つのディスプレーサのうちの少なくとも１つのディスプレーサの位置を検出する過程、
    を含む、二段の極低温の冷凍機の動作方法。
35. 請求項３４において、さらに、
    前記ディスプレーサのうちの少なくとも１つのディスプレーサの位置に応答して、前記二段を互いに独立して制御する過程、
    を含む、二段の極低温の冷凍機の動作方法。
36. 請求項２６において、前記冷凍機が極低温排気面を冷却する、二段の極低温の冷凍機の動作方法。
37. 請求項２６において、前記冷凍機が半導体を冷却する、二段の極低温の冷凍機の動作方法。
38. 請求項２６において、前記ディスプレーサが電磁式のモータによって制御される、二段の極低温の冷凍機の動作方法。
39. 請求項２６において、前記極低温の冷凍機が、ギフォード−マクマホン方式の二段式冷凍機である、二段の極低温の冷凍機の動作方法。
40. 第一段と、
    第二段と、
    前記第一段および第二段に対して互いに独立した制御を行う手段と、
    を備える、極低温冷凍機。
41. 請求項４０において、前記互いに独立した制御が、ストローク長さ、当該冷凍機のサイクルレート、ディスプレーサの速度、および前記ディスプレーサの位置に対するバルブ動作のタイミングのうちの少なくとも１つの変数を制御することを含む、極低温冷凍機。

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