(57)【要約】周波数変調の機械的共振器（１）が圧力波発生器（１０）と低温冷却器との間に位置され、低温冷却器のより効率的な作動周波数により密接に適合するように圧力波発生器から出てくる振動ガスの周波数を減少するように作用する冷凍発生システム。
2007530911.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温冷却器システムを作動する方法において、
（Ａ）電気的に駆動される圧力波発生器を使用して２５から１２０ヘルツの範囲内の周波数において振動する振動ガスを発生させる段階と、
（Ｂ）周波数変調の機械的共振器を使用して振動ガスの周波数を減少させてより低い周波数の振動ガスを生成する段階と、
（Ｃ）前記のより低い周波数の振動ガスを低温冷却器まで通して冷凍を発生させる段階と、を含むことを特徴とする低温冷却器システムを作動する方法。
【請求項２】
前記のより低い周波数の振動ガスが前記圧力波発生器の共振周波数よりも低い周波数を有していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
より低い周波数の振動ガスが３０ヘルツ以下の周波数を有していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記のより低い周波数の振動ガスが１０ヘルツ以下の周波数を有していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
周波数変調された低温冷却器システムにおいて、
（Ａ）電気的に駆動される圧力波発生器と、
（Ｂ）前記圧力波発生器から振動ガスを受け取る周波数変調の機械的共振器と、
（Ｃ）前記周波数変調の機械的共振器から振動ガスを受け取る低温冷却器と、
を含むことを特徴とする周波数変調された低温冷却器システム。
【請求項６】
前記圧力波発生器がリニアコンプレッサであることを特徴とする請求項５に記載の周波数変調された低温冷却器システム。
【請求項７】
前記の周波数変調の機械的共振器がピストン、質量およびばね部材を含むことを特徴とする請求項５に記載の周波数変調された低温冷却器システム。
【請求項８】
第二の周波数変調の機械的共振器を含み、その２個の共振器が対向する仕方で位置されていることを特徴とする請求項５に記載の周波数変調された低温冷却器システム。
【請求項９】
前記低温冷却器がパルス管低温冷却器であることを特徴とする請求項５に記載の周波数変調された低温冷却器システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、例えばパルス管低温冷却器（ｐｕｌｓｅ  ｔｕｂｅ  ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ）によって発生する冷凍のような低温の、あるいは極低温冷凍に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
低温冷凍を発生させる分野における最近の目覚しい進歩は、振動ガス（ｏｓｃｉｌａｔｉｎｇ  ｇａｓ）を利用してパルスエネルギが冷凍に変換されるパルス管低温冷却器システムのような低温冷却器の進展である。そのようなシステムは例えばヘリウムを液化させるに十分な極めて低いレベルまでの冷凍を発生させることがきる。そのような冷却器システムによって発生する冷凍の重要な一用途は磁気共鳴画像システム（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）である。他のそのような低温冷却器システムはジフォード‐マクマーホン（Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ）低温冷却器およびスターリング（Ｓｔｉｒｌｉｎｇ）低温冷却器である。
【０００３】
従来の低温冷却器システムに関わる一つの問題は、低温冷却器システムの最も効率的な作動周波数と振動ガス発生システムの最も効率的な作動周波数との間の不適合による潜在的な非効率である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って本発明の目的はより効率的な作動を行う改良された低温冷却器システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の開示を読めば当該技術分野の専門家には明らかとなる前述およびその他の目的は本発明によって達成される。本発明の一局面は、
【０００６】
低温冷却器システムを作動させる方法であって、
（Ａ）電気的に駆動される圧力波発生装置を使用して２５から１２０ヘルツまでの範囲内の周波数において振動する振動ガスを発生させる段階と、
（Ｂ）より低い周波数の振動ガスを発生させるために周波数変調の機械的共振器（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｍｏｄｕｌａｔｉｎｇ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）を使用して振動ガスの周波数を減少させる段階と、
（Ｃ）冷凍を発生させるためにより低い周波数の振動ガスを冷却器に通す段階を含む低温冷却器システムを作動させる方法である。
【０００７】
本発明の別の局面は、
【０００８】
周波数変調される低温冷却システム（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｍｏｄｅｌａｔｅｄ  ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ  ｓｙｓｔｅｍ）であって、
（Ａ）電気的に駆動される圧力波発生器と、
（Ｂ）前記圧力波発生器から振動ガスを受け取る周波数変調の機械的共振器と、
（Ｃ）前記の周波数変調の機械的共振器から振動ガスを受け取る低温冷却器を含む周波数変調される低温冷却器システムである。
【０００９】
本明細書において使用されている「再生器（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ）」という用語は、例えば球体、積み重ねスクリーン、穿孔金属シートなどのような、多孔性の分配された質量（ｐｏｒｏｕｓ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ｍａｓｓ）あるいは媒体の形態の熱装置（ｔｈｅｒｍａｌ  ｄｅｖｉｃｅ）で、この多孔性の分配された質量による直接的な伝熱を介して、送入される高温ガスを冷却し戻りの低温ガスを温める良好な熱容積を備えた、多孔性の分配された質量あるいは媒体の形態の熱装置を意味する。
【００１０】
本明細書において使用されている「熱緩衝管（ｔｈｅｒｍａｌ  ｂｕｆｆｅｒ  ｔｕｂｅ）」という用語は、再生器から分離され、低温熱交換器（ｃｏｌｄ  ｈｅａｔ  ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）に近接し、その段階（ｓｔａｇｅ）に対して最低温からより高温までの熱遮断温度（ｈｅａｔ  ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）の温度範囲にまたがる低温冷却器の構成要素を意味する。
【００１１】
本明細書において使用されている「間接的熱交換（ｉｎｄｉｒｅｃｔ  ｈｅａｔ  ｅｘｃｈａｎｇｅ）」という用語は流体の相互に対して何ら物理的接触あるいは相互混合することなく流体を熱交換関係に持ってくることを意味する。
【００１２】
本明細書において使用されている「直接的熱交換（ｄｉｒｅｃｔ  ｈｅａｔ  ｅｘｃｈａｎｇｅ）」という用語は冷却および加熱要素（ｅｎｔｉｔｉｅｓ）の接触を通して冷凍を移転することを意味する。
【００１３】
本明細書において使用されている「周波数変調の機械的共振器」という用語は低温冷却器の作動周波数を性能の改善されたレベルまで変調させるように設計されている質量部材、ばね、およびピストンシステムの１個以上の組み合わせを意味する。
【００１４】
図面において、同じあるいは類似の要素に対して同じ参照数字が使用されている。
【００１５】
本発明は、電気的に駆動される圧力波発生器と低温冷却器との間に位置され、固有ＡＣ周波数（ｎａｔｕｒａｌ  ＡＣ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）で作動している電気モータの定格電力を何ら損失することなく低周波数低温冷却器を作動する低損失周波数変調の機械的共振器の使用を含む。機械的な共振器は比較的低損失であると考えられているエネルギ伝達装置である。低損失の機械的共振器は対比しうる流体共振器、すなわち長管（ｌｏｎｇ  ｐｉｐｅ）よりも損失がはるかに小さい装置である。
【００１６】
図面を参照して本発明を以下詳細に説明する。図１を参照すれば、共振リニアモータ圧縮装置である圧力波発生装置１０はピストン１１を装着したサスペンションシステム（ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ）１２を備えた軸線方向に往復運動する電磁変換器を有している。この往復運動するピストンは供給されたＡＣ電源（図示なし）の周波数において振動を発生させる。図示していないが、共振リニアモータにおける摩擦および電気的損失により発生した熱を除去するための冷却システムが存在する。圧力波発生器はＡＣ電源の固有周波数において作動し、典型的には２５から１２０ヘルツの範囲内の周波数において振動ガスを生成する。低温冷却器の最適な作動周波数は圧力波発生器のそれとははるかに相違しうる。従って、圧力波発生器と低温冷却器が効率的に作動するにはその間に不適合がある。特に、低温用、すなわち７０Ｋ以下の低温冷却器は５０ヘルツ以下の周波数においてより効率的に作動する。実際には、これらの低温冷却器の最も効率的な作動周波数は３０ヘルツ以下、好ましくは１０ヘルツ以下、そして最も好ましくは５ヘルツ以下でありうる。
【００１７】
圧力波発生装置によって発生した振動ガスは配管１５において、圧力波発生器１０と低温冷却器との間に位置している低損失周波数変調の機械的共振器１まで進む。周波数変調の機械的共振器１は中実のピストンすなわち質量（ｍａｓｓ）２を有しており、圧力波発生器の作動周波数を低温冷却器の再生器２０と熱緩衝管４０の作動周波数に変換するように設計されている。すなわち、周波数変調の機械的共振器はその再生器２０の暖かい端部（ｗａｒｍ  ｅｎｄ）に低温冷却器の動的状態を複製する。３として示されているサスペンション部材（ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ  ｍｅｍｂｅｒ）は中実のピストンの運動に対する安定性を提供するリニアサスペンション要素である。良好に設計された周波数変調の機械的共振器は摩擦や抗力（ｄｒａｇ）による損失を最小にする。
【００１８】
図２は、図１に示されているシステムにおいて使用しうる周波数変換の機械的共振器のばね、質量および流体緩衝器（ｄａｓｈｐｏｔ）を概略的に示す。図２を参照すれば、第一の質量ｍ１はばねｋ１に接続され、一方向ｘ１において自由に振動する。この第一の質量とばねとは典型的な圧力波発生器１０のピストンを表す。それに対して、時間に対し正弦曲線を描く強制関数（ｆｏｒｃｉｎｇ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）Ｆ（ｔ）が適用される。この質量‐ばねは、自由に振動する別のばね（ｋ２）‐質量（ｍ２）‐ばね（ｋ３）からなるシステムに接続され、該システムでｍ２は周波数変調の機械的共振器１を表す。全体のシステムは２個の個別の固有周波数ω１およびω２を体現しうる二つの自由度ｘ１およびｘ２を有している。ばねと質量とは独特の周波数において二つの個別の運動を双方とも発生させるように設計しうると効果的である。
【００１９】
周波数変換の機械的共振器は、圧力波発生器の共振周波数よりも低く、かつ低温冷却器の好ましい作動周波数により近い周波数を有するより低い周波数の振動ガスを生成させるために振動ガスの周波数を減少させるよう作用する。より低い周波数の振動ガスは一般に４０ヘルツ以下の周波数を有し、典型的には３０ヘルツ以下、好ましくは１０ヘルツ以下、そして最も好ましくは５ヘルツ以下の周波数を有する。戻って図１を再度参照すれば、より低い周波数の脈動ガスは次いで配管１６においてパルス管低温冷却器の再生器２０まで通される。再生器２０はパルス管低温冷却器の熱緩衝管４０と流体連通している。
【００２０】
低周波数の振動ガスは再生器２０の高温端（ｈｏｔ  ｅｎｄ）にパルスを供給することによって振動作業ガスを発生させ、パルス管シーケンスの第一の部分を開始させる。パルスは作業ガスを圧縮し、再生器２０の高温端において高温の圧縮された作業ガスを生成するよう作用する。高温の作業ガスは熱交換器２１において好ましくは伝熱流体２２と間接的に熱交換することによって冷却され、流れ２３において暖められた伝熱流体を生成して、圧縮熱の圧縮された作業ガス（ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ  ｗｏｒｋｉｎｇ  ｇａｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｈｅａｔ  ｏｆ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）を冷却する。本発明の実施において、伝熱流体２２、２３として有用な流体の例としては、水、空気、エチレングリコールなどを含む。熱交換器２１は、圧力波発生器によって生成された圧力容積作業（ｐｒｅｓｓｕｒｅ−ｖｏｌｕｍｅ  ｗｏｒｋ）の結果として再生器２０によって温度勾配に抗して冷凍負荷から汲み出された熱のための熱だめ（ｈｅａｔ  ｓｉｎｋ）である。
【００２１】
再生器２０は再生器すなわち伝熱媒体を内蔵している。本発明の実施において適当な伝熱媒体の例は鋼球、金網、高密度ハニカム構造体、エキスパンデッドメタル、鉛球、銅およびその合金、稀土元素および遷移金属の複合体を含む。脈動すなわち振動作業ガスは冷たい再生器媒体（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ  ｍｅｄｉａ）との直接的な熱交換によって再生器２０において冷却されて冷たいパルス管作業ガスを生成する。
【００２２】
熱緩衝管４０と再生器２０とは流体連通している。前記流体連通は低温熱交換器３０を含む。配管６０において低温作業ガスは低温熱交換器３０まで進み、配管６１において、低温熱交換器３０から熱緩衝管４０の低温端（ｃｏｌｄ  ｅｎｄ）まで進む。低温熱交換器３０内で、冷たい作業ガスは冷凍負荷（ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ  ｌｏａｄ）との間接的な熱交換によって暖められることによって冷凍負荷を冷凍する。冷凍負荷とのこの熱交換は図示していない。冷凍負荷の一例は磁気共鳴画像システムでの使用である。冷凍負荷の別の例は高温の超電導における使用である。
【００２３】
作業ガスは再生器２０から熱緩衝管４０の低温端まで進む。図１に示されているように、熱緩衝管４０はその低温端において整流装置（ｆｌｏｗ  ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｅｒ）４１を、高温端において整流装置４２を有することが好ましい。作業ガスが熱緩衝管４０中へ入るにつれて、熱緩衝管内のガスを圧縮し、そのガスのあるものを熱交換器４３と配管５１におけるオリフィス５０とを通してリザーバ５２中へ圧送する。熱緩衝管とリザーバとの双方における圧力が均衡すると、流れは停止する。
【００２４】
冷却流体４４が熱交換器４３へ通され、そこで作業ガスとの間接的な熱交換によって暖められ、あるいは蒸発されて、従って圧縮された作業ガスを冷却するための熱だめとして作用する。その結果暖められた、あるいは蒸発された冷却流体は流れ４５において熱交換器４３から取り出される。冷却流体４４は水、空気、エチレングリコールなどであることが好ましい。
【００２５】
脈動シーケンスの低圧点において、熱緩衝管内での作業ガスは膨張し、従って冷却され、流れは今では相対的により高圧であるリザーバ５２から熱緩衝管４０中へと反転する。低温の作業ガスは低温熱交換器３０中へ押し込まれ、再生器の暖かい端部に向かって押し戻され、その間に熱交換器３０において冷凍を提供し、次の脈動シーケンスのために再生器の伝熱媒体を冷却する。オリフィス５０とリザーバ５２とは熱緩衝管４０がその低温端における圧縮および膨張サイクルの間正味の冷凍（ｎｅｔ  ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ）を発生させるように適当な相において圧力波と流れの波とを維持するために使用されている。使用しうる相に圧力波と流れの波とを維持するためのその他の手段はイナータンスチューブ（ｉｎｅｒｔａｎｃｅ  ｔｕｂｅ）およびオリフィス、エキスパンダ（ｅｘｐａｎｄｅｒ）、リニア交流発電機、ベロー装置（ｂｅｌｌｏｗｓ  ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｓ）、およびマスフラックスサプレッサ（ｍａｓｓ  ｆｌｕｘ  ｓｕｐｐｒｅｓｓｏｒ）によってコンプレッサに接続されている作業回復配管を含む。膨張シーケンスにおいて、作業ガスは膨張して熱緩衝管４０の低温端において作業ガスを生成する。膨張したガスはその方向を反転し、そのため熱緩衝管から再生器２０に向かって流れる。リザーバにおける相対的に高圧のガスは弁５０を通して熱緩衝管４０の暖かい端部まで流れる。要約すれば、熱緩衝管４０は圧縮システムによって発生した圧力容積作業の残りが熱として高温熱交換器４３中へ入るのを遮断する。
【００２６】
熱交換器３０から出てくる膨張した作業ガスは配管６０において再生器２０まで通され、そこで再生器内の伝熱媒体と直接接触して前述した低温の伝熱媒体を生成することによって、パルス管の冷凍発生シーケンスの第二の部分を完了し、再生器をその後のパルス管冷凍発生シーケンスの第一の部分の状態にする。
【００２７】
図３は図１に示すものと類似であるが、２個の周波数変換の機械的共振器３５，３６を採用している別の装置を示す。これは複式の対向する周波数変調の機械的共振器を使用して周波数変調装置によって発生した振動信号（ｖｉｂｒａｔｉｏｎ  ｓｉｇｎａｔｕｒｅｓ）を除去する振動均衡システム（ｖｉｂｒａｔｉｏｎ  ｂａｌａｎｃｅｄ  ｓｙｓｔｅｍ）である。図１に示すものと共通である図３に示す要素は再度詳細には説明しない。振動状態における単一のピストンは反応／反射振動ノイズ（ｒｅａｃｔｉｖｅ／ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ  ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌ  ｎｏｉｓｅ）を誘導する。例えば図３に示すシステムのような、相において複式の対向ピストンはそのような反応／反射振動ノイズを緩和する。
【００２８】
本発明をある好適実施例を参照して詳細に説明してきたが、当該技術分野の専門家には本発明の精神と特許請求の範囲内において本発明のその他の実施例も存在することを認識する。例えば、図１および図３に示すパルス管低温冷却器でなくジフォード‐マックマーホンの低温冷却器あるいはスターリング低温冷却器を使用しうる。更に、その他の多くの周波数変調の機械的共振器を使用しうる。そのようなその他の周波数変調の機械的共振器の中で、Ｏ−リングシールによって壁に対してシールされたピストン質量を有する共振器、ばね装置によって壁に対してシールされたピストン質量を有する共振器、ベロー装置を使用しピストン質量を保持し、シールし、案内し、一方共振器に対して別のばね係数を提供する共振器、およびそのようなベロー装置を有し、ピストン質量がＯ−リングを使用して壁に対してシールされている共振器を挙げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】直列の周波数変調の機械的共振器（ｉｎｌｉｎｅ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｍｏｄｕｌａｔｉｎｇ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）を採用しており、低温冷却器がパルス管低温冷却器である、本発明の一好適実施例の簡素化した図面である。
【図２】本発明を実施する上で使用しうる周波数変調システムの概略図である。
【図３】振動均衡した周波数変調の機械的共振器を採用しており、低温冷却器がパルス管低温冷却器である、本発明の別の好適実施例の簡素化した図面である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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