(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多段クライオクーラーの複数の段の各々の温度を独立に調節するように構成された温度制御システムを有し、前記温度制御システムは、
（ｉ）前記多段クライオクーラーの前記複数の段の各々に関する温度設定点と、（ｉｉ）前記多段クライオクーラーの前記複数の段の各々で測定された温度に対応する温度情報と、を受け取るように構成された入力インタフェースと、
回路を有する少なくとも１つのプロセッサであり、
前記複数の段の各々に関する前記温度設定点と前記温度情報とに基づいて温度誤差を決定し、且つ、前記多段クライオクーラーの前記複数の段の各々について、前記温度誤差に基づいて、圧縮機ストローク誤差及び圧力−体積位相誤差のうちの少なくとも一方を計算し、且つ
前記圧縮機ストローク誤差及び前記圧力−体積位相誤差のうちの少なくとも一方に基づいて、前記多段クライオクーラーの圧縮機設定及び圧力−体積位相のうちの少なくとも一方を調節する、
ように構成された少なくとも１つのプロセッサと
を有する、
装置。
【請求項２】
前記複数の段の各々の前記温度を測定して前記温度情報を提供するように構成された複数のセンサ、
を更に有する請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記温度情報は、温度差、前記温度差を表す値、実際の温度、前記実際の温度を表す値、前記温度が好適温度よりも高いか低いかを指し示すインジケーション、及び前記温度が好適温度範囲よりも高いか低いかを指し示すインジケーション、のうちの少なくとも１つを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つのプロセッサは、決定した前記温度誤差をデカップラ／感度行列に適用することによって、前記圧縮機ストローク誤差及び前記圧力−体積位相誤差を計算するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つのプロセッサは、前記デカップラ／感度行列を、前記多段クライオクーラーからの測定された線形化された応答データの逆をとったものとして生成するように構成されている、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記少なくとも１つのプロセッサは、前記多段クライオクーラーにて測定された前記圧縮機設定を受け取り、前記圧縮機ストローク誤差を用いて、前記多段クライオクーラーの前記圧縮機設定を調節するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つのプロセッサは、前記多段クライオクーラーにて測定された前記圧力−体積位相を受け取り、前記圧力−体積位相誤差を用いて、前記多段クライオクーラーの前記圧力−体積位相における圧力波形と体積波形との間の位相関係を調節するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
複数の段を有する多段クライオクーラーと、
前記多段クライオクーラーの前記複数の段の各々の温度を独立に調節するように構成された温度制御システムと
を有し、
前記温度制御システムは、
（ｉ）前記多段クライオクーラーの前記複数の段の各々に関する温度設定点と、（ｉｉ）前記多段クライオクーラーの前記複数の段の各々で測定された温度に対応する温度情報と、を受け取るように構成された入力インタフェースと、
回路を有する少なくとも１つのプロセッサであり、
前記複数の段の各々に関する前記温度設定点と前記温度情報とに基づいて温度誤差を決定し、且つ、前記多段クライオクーラーの前記複数の段の各々について、前記温度誤差に基づいて、圧縮機ストローク誤差及び圧力−体積位相誤差のうちの少なくとも一方を計算し、且つ
前記圧縮機ストローク誤差及び前記圧力−体積位相誤差のうちの少なくとも一方に基づいて、前記多段クライオクーラーの圧縮機設定及び圧力−体積位相のうちの少なくとも一方を調節する
ように構成された少なくとも１つのプロセッサと
を有する、
システム。
【請求項９】
前記複数の段の各々の前記温度を測定して前記温度情報を提供するように構成された複数のセンサ、
を更に有する請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記温度情報は、温度差、前記温度差を表す値、実際の温度、前記実際の温度を表す値、前記温度が好適温度よりも高いか低いかを指し示すインジケーション、及び前記温度が好適温度範囲よりも高いか低いかを指し示すインジケーション、のうちの少なくとも１つを有する、請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
前記少なくとも１つのプロセッサは、決定した前記温度誤差をデカップラ／感度行列に適用することによって、前記圧縮機ストローク誤差及び前記圧力−体積位相誤差を計算するように構成されている、請求項８に記載のシステム。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのプロセッサは、前記デカップラ／感度行列を、前記多段クライオクーラーからの測定された線形化された応答データの逆をとったものとして生成するように構成されている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記少なくとも１つのプロセッサは、前記多段クライオクーラーにて測定された前記圧縮機設定を受け取り、前記圧縮機ストローク誤差を用いて、前記多段クライオクーラーの前記圧縮機設定を調節するように構成されている、請求項８に記載のシステム。
【請求項１４】
前記少なくとも１つのプロセッサは、前記多段クライオクーラーにて測定された前記圧力−体積位相を受け取り、前記圧力−体積位相誤差を用いて、前記多段クライオクーラーの前記圧力−体積位相における圧力波形と体積波形との間の位相関係を調節するように構成されている、請求項８に記載のシステム。
【請求項１５】
複数の段を有する多段クライオクーラーを用いて物体を冷却し、且つ
前記多段クライオクーラーの前記複数の段の各々の温度を、
（ｉ）前記多段クライオクーラーの前記複数の段の各々に関する温度設定点と、（ｉｉ）前記多段クライオクーラーの前記複数の段の各々で測定された温度に対応する温度情報とを受信し、
前記複数の段の各々に関する前記温度設定点と前記温度情報とを用いて温度誤差を決定し、
前記多段クライオクーラーの前記複数の段の各々について、前記温度誤差を用いて、圧縮機ストローク誤差及び圧力−体積位相誤差のうちの少なくとも一方を計算し、且つ
前記圧縮機ストローク誤差及び前記圧力−体積位相誤差のうちの少なくとも一方を用いて、前記多段クライオクーラーの圧縮機設定及び圧力−体積位相のうちの少なくとも一方を調節する、
ことによって独立に調節する、
ことを有する方法。
【請求項１６】
複数のセンサを用いて、前記多段クライオクーラーの前記複数の段の各々の前記温度を測定する、
ことを更に有する請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記温度情報は、温度差、前記温度差を表す値、実際の温度、前記実際の温度を表す値、前記温度が好適温度よりも高いか低いかを指し示すインジケーション、及び前記温度が好適温度範囲よりも高いか低いかを指し示すインジケーション、のうちの少なくとも１つを有する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記圧縮機ストローク誤差及び前記圧力−体積位相誤差のうちの少なくとも一方を計算することは、前記温度誤差をデカップラ／感度行列に適用することを有する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記デカップラ／感度行列を、前記多段クライオクーラーからの測定された線形化された応答データの逆をとったものとして生成する、
ことを更に有する請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
複数の段を有する多段クライオクーラーを用いて物体を冷却し、且つ
前記多段クライオクーラーの前記複数の段の各々の温度を、
（ｉ）前記多段クライオクーラーの前記複数の段の各々に関する温度設定点と、（ｉｉ）前記多段クライオクーラーの前記複数の段の各々で測定された温度に対応する温度情報とを受信し、
前記複数の段の各々に関する前記温度設定点と前記温度情報とを用いて温度誤差を決定し、
前記温度誤差を用いて、圧縮機ストローク誤差及び圧力−体積位相誤差を計算し、且つ
前記圧縮機ストローク誤差及び前記圧力−体積位相誤差を用いて、前記多段クライオクーラーの圧縮機設定及び圧力−体積位相を調節することであり、
前記多段クライオクーラーにて測定された前記圧縮機設定と前記圧縮機ストローク誤差とを受信し、
前記多段クライオクーラーの前記圧縮機設定を調節し、
前記多段クライオクーラーにて測定された前記圧力−体積位相と前記圧力−体積位相誤差とを受信し、且つ
前記多段クライオクーラーの前記圧力−体積位相における圧力波形と体積波形との間の位相関係を調節する、
ことによって調節する、
ことによって独立に調節する、
ことを有する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概してクライオクーラーに関する。より具体的には、本開示は、負荷シフト能力を有する多段クライオクーラーの温度制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
クライオクーラーは、物体から熱を引き出し且つそうする際にその物体を極低温まで冷却するように構成された熱管理装置である。多くのクライオクーラーは、約１．７Ｋから約３００Ｋ（約−４５７°Ｆから約８０°Ｆ）の範囲の温度までの冷却を提供するように設計される。クライオクーラーは、赤外線検出器、宇宙用途、及び宇宙赤外線センサシステムなどを含む数多くの用途で使用され得る。
【発明の概要】
【０００３】
本開示は、負荷シフト能力を有する多段クライオクーラーの温度制御を提供する。
【０００４】
第１の実施形態において、装置は、多段クライオクーラーの複数の段の温度をレギュレートするように構成された温度制御システムを含む。温度制御システムは、（ｉ）多段クライオクーラーの複数の段に関する温度設定点と、（ｉｉ）多段クライオクーラーの複数の段で測定された温度に対応する温度情報と、を受け取るように構成された入力インタフェースを含む。温度制御システムはまた、温度誤差を決定し且つ圧縮機ストローク誤差及び圧力−体積位相誤差のうちの少なくとも一方を計算するように構成されたプロセッシング回路を含む。温度制御システムは更に、多段クライオクーラーの圧縮機設定及び圧力−体積位相のうちの少なくとも一方を調節するように構成された少なくとも１つのコントローラを含む。
【０００５】
第２の実施形態において、システムは、複数の段を持つ多段クライオクーラーと、多段クライオクーラーの複数の段の温度をレギュレートするように構成された温度制御システムとを含む。温度制御システムは、（ｉ）多段クライオクーラーの複数の段に関する温度設定点と、（ｉｉ）多段クライオクーラーの複数の段で測定された温度に対応する温度情報と、を受け取るように構成された入力インタフェースを含む。温度制御システムはまた、温度誤差を決定し且つ圧縮機ストローク誤差及び圧力−体積位相誤差のうちの少なくとも一方を計算するように構成されたプロセッシング回路を含む。温度制御システムは更に、多段クライオクーラーの圧縮機設定及び圧力−体積位相のうちの少なくとも一方を調節するように構成された少なくとも１つのコントローラを含む。
【０００６】
第３の実施形態において、方法は、複数の段を持つ多段クライオクーラーを用いて物体を冷却し、且つ多段クライオクーラーの各段の温度をレギュレートすることを含む。各段の温度をレギュレートすることは、（ｉ）多段クライオクーラーの複数の段に関する温度設定点と、（ｉｉ）多段クライオクーラーの複数の段で測定された温度に対応する温度情報とを受信することを含む。各段の温度をレギュレートすることはまた、温度設定点と温度情報とを用いて温度誤差を決定し、該温度誤差を用いて、圧縮機ストローク誤差及び圧力−体積位相誤差のうちの少なくとも一方を計算することを含む。各段の温度をレギュレートすることは更に、圧縮機ストローク誤差及び圧力−体積位相誤差のうちの少なくとも一方を用いて、多段クライオクーラーの圧縮機設定及び圧力−体積位相のうちの少なくとも一方を調節することを含む。
【０００７】
その他の技術的特徴が、以下の図面、説明、及び請求項から、当業者には容易に明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
より完全なる本開示の理解のため、ここでは、以下の図を含む添付図面とともに以下の説明を参照する。
【図１】本開示に従ったクライオクーラーの一例を示している。
【図２】本開示に従った温度制御システム及びクライオクーラーを含むシステムの一例を示している。
【図３】本開示に従った多段クライオクーラー用の温度制御システムの一例を示している。
【図４】本開示に従った多段クライオクーラーにおいて温度を制御するプロセスの一例を示している。
【図５】本開示に従った多段クライオクーラーにおいて温度を制御するための負荷マップの一例を示している。
【図６】本開示に従った多段クライオクーラーにおいて温度を制御するのに使用され得るコンピュータの一例を示している。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に説明される図１−６、及び本明細書にて本発明の原理を説明するために使用される様々な実施形態は、単に例示によるものであり、本発明の範囲を限定するように解釈されるべきでない。当業者が理解するように、本発明の原理は、あらゆる種類の好適に構成された装置又はシステムにて実装され得る。
【００１０】
数多くの異なる用途で様々なタイプのクライオクーラーが設計及び使用されている。例えば、ハイブリッド型スターリング−パルス管多段クライオクーラーにおいては、利用可能な制御信号（圧縮機ストローク及び圧力−体積位相）は、個々の段での熱リフトを独立に調節しない。圧力−体積（ＰＶ）位相は、膨張機における熱力学的過程の位相である。これらの制御入力のうちの一方は圧縮機パワーであり、他方は膨張機における圧力波形及び体積波形の間の位相関係である。例えば、圧力−体積位相はディスプレーサ位相とし得る。
ディスプレーサ位相は、圧力波をディスプレーサ相に送るものである圧縮機によって駆動される。第１段にて、第２段に入るガスを膨張機が予冷し、第２段は、第３段に入るガスを予冷し、等々と続く。各段の冷却容量は膨張空間の行程容積に比例する。多段クライオクーラーの大抵の用途は、双方の段の温度が独立に制御され得る場合に良好に機能し、これは、個々の段への制御変数（例えば、圧縮機ストローク及び圧力−体積位相）の効果を切り離す（デカップリングする）ことを要し得る。各段での熱リフトの独立制御の１つの利益は、単一段での熱負荷変化に関連する温度整定（セトリング）時間を短縮させることである。
【００１１】
本開示は、多段クライオクーラーの各段に関する温度をレギュレートするように構成された制御システムを提供する。特定の実施形態は、負荷シフト能力を有する多段クライオクーラーを提供し、これは、クライオクーラーの各段における熱リフトの調節の可能性をもたらす。特定の実施形態はまた、多段クライオクーラーの段群を、それらの段の温度が独立に制御されることができるように独立にレギュレートするように構成される。特定の実施形態は更に、個々の段への制御変数（例えば圧縮機ストローク及び圧力−体積位相）の効果を切り離すことを支援する。加えて、特定の実施形態は、単一段での熱負荷変化に関連する温度整定時間を短縮するための各段における熱リフトの独立制御に関するシステム及び方法を提供する。また、特定の実施形態は、複数のクライオクーラー動作パラメータ入力（圧縮機パワー、圧力−体積位相、及びこれらに類するもの）を同時に調節することによって、負荷シフト能力を有する多段クライオクーラーの各クライオクーラー段での温度／熱リフトを独立に制御する。特定の実施形態は、ディスプレースメントシリンダ位相を調節することによってＰＶ位相を制御するが、他の実施形態は、そのＰＶ位相を制御するために異なる方法を使用し得る。本開示の実施形態は、ＰＶ位相を例示するためにディスプレースメント位相を記述する。以下ではディスプレースメント位相なる用語が使用されるが、本開示の範囲を逸脱することなく、圧力−体積位相を使用する実施形態も等しく適用される。
【００１２】
図１は、本開示に従ったクライオクーラー１００の一例を示している。図１のクライオクーラー１００のコンポーネントを参照して特定の詳細事項が提供されることになるが、理解されるべきことには、他の実施形態は、より多くの、より少ない、又は異なるコンポーネントを含み得る。
【００１３】
図１のクライオクーラー１００は、熱力学サイクルにて作業ガス（例えば、ヘリウム、水素、空気、又はこれらに類するものなど）の圧縮及び膨張を行うことによって、物体から熱を引き出すように構成される熱管理装置である。クライオクーラー１００は、斯くして、物体から熱を引き出し且つそうする際にその物体を、例えば１５０Ｋより低い温度までなど、極低温まで冷却するように動作する。一部の実施形態において、クライオクーラー１００は、約１．７Ｋから約３００Ｋ（約−４５７°Ｆから約８０°Ｆ）の範囲の温度までの冷却を提供するように設計される。特定の実施形態において、クライオクーラー１００は、等温圧縮、等積冷却、等温膨張、及び等積加熱の順次ステップを経て進行するように構成されるスターリングサイクル冷凍機（クライオクーラー）である。クライオクーラー１００は、赤外線検出器、宇宙用途、及び宇宙赤外線センサシステムなどを含む数多くの用途での使用に合わせて構成され得る。
【００１４】
図１に示すように、クライオクーラー１００は、ハウジングの内部に封止された圧縮機１０５及びディスプレーサ１１０を含んでいる。圧縮機１０５は、各々個別にそれぞれの圧縮機モータ１２０に結合された２つの圧縮機ピストン１１５を含んでいる。圧縮機モータ１２０は、圧縮機ピストン１１５に往復運動させるために、それぞれの圧縮機ピストン１１５に力を印加するように構成される。圧縮機モータ１２０は、例えば電気的モータ、機械的モータ、電気機械的モータ、又はコンピュータ駆動モータなど、任意の好適タイプのモータを表す。
【００１５】
ディスプレーサ１１０は、ディスプレーサモータ１３０に結合されたディスプレーサシリンダ１２５を含んでいる。ディスプレーサモータ１３０は、圧縮機ピストン１１５と同じ周波数でディスプレーサシリンダ１２５を往復運動させる。ディスプレーサモータ１３０は、例えば電気的モータ、機械的モータ、電気機械的モータ、又はコンピュータ駆動モータなど、任意の好適タイプのモータを表す。熱交換器１３５が、ディスプレーサシリンダ１２５に結合されて、ディスプレーサシリンダ１２５とともに動く。ディスプレーサシリンダ１２５と圧縮機ピストン１１５との間にシール１４０が結合される。
【００１６】
図２は、本開示に従った温度制御システム（ＴＣＳ）２０５及びクライオクーラー２１０を含むシステム２００の一例を示している。クライオクーラー２１０は、負荷シフト能力を有する多段クライオクーラーを表し、ＴＣＳ２０５は、多段クライオクーラー２１０の段群を、それらの段の温度が独立に制御されるように独立にレギュレートすることができる。図２のシステム２００のコンポーネントを参照して特定の詳細事項が提供されることになるが、理解されるべきことには、他の実施形態は、より多くの、より少ない、又は異なるコンポーネントを含み得る。
【００１７】
図２に示すように、システム２００は、ＴＣＳ２０５、クライオクーラー２１０、圧縮機ストロークコントローラ（ＣＳＣ）２１５、及びディスプレーサ位相コントローラ（ＤＰＣ）２２０を含んでいる。クライオクーラー２１０は、図１のクライオクーラー１００又はその他の好適なクライオクーラーを表し得る。
【００１８】
ＴＣＳ２０５は、多数のセンサ２３０ａ−２３０ｂ、ＣＳＣ２１５、及びＤＰＣ２２０を介してクライオクーラー２１０に結合される。ＴＣＳ２０５は、複数の異なる段に関する温度情報をそれぞれのセンサ２３０ａ−２３０ｂを介して受け取る。ＴＣＳ２０５は、ＣＳＣ２１５及びＤＰＣ２２０のうちの１つ以上を介して、クライオクーラー２１０の１つ以上の段を制御する。センサ２３０ａ−２３０ｂから温度情報を受け取ることに応答して、ＴＣＳ２０５は、クライオクーラー２１０の各段の温度を独立に制御するように構成される。例えば、ＴＣＳ２０５は、各段の熱リフトを独立に制御して、単一段における熱負荷変化に関連する温度整定時間を短くすることができる。
【００１９】
センサ２３０ａ−２３０ｂは、クライオクーラー２１０のそれぞれの段の温度を測定するように構成される。例えば、第１の温度センサ２３０ａが、クライオクーラー２１０の第１段の温度を測定するように構成され、第２の温度センサ２３０ｂが、クライオクーラー２１０の第２段の温度を測定するように構成され得る。図２に示す例において、クライオクーラー２１０は２つの段を含んでいるが、より多くの段を持つ他の実施形態も使用され得る。センサ２３０ａ−２３０ｂからの温度情報は、実際の温度の測定結果、温度差、又はその他の温度測定結果を表し得る。温度差は、例えば、好適若しくは理想的な温度と測定温度との間の差、又は測定温度と好適若しくは理想的な温度範囲内の低め若しくは高めの温度との間の差などの、温度誤差を表し得る。一部の実施形態において、温度情報は、温度が好適温度又は好適温度範囲よりも高いか低いかを指し示すインジケーションを含む。
【００２０】
ＴＣＳ２０５は、クライオクーラー２１０の各段の温度を、ＣＳＣ２１５及びＤＰＣ２２０のうちのそれぞれの１つを介して独立に制御するように構成される。ＣＳＣ２１５は、クライオクーラー２１０の圧縮機１０５の圧縮機ストローク設定を制御するように構成され、ＤＰＣ２２０は、クライオクーラー２１０のディスプレーサ１１０内のディスプレースメントシリンダ１２５のディスプレースメント位相を制御するように構成される。
【００２１】
センサ２３０ａ−２３０ｂから温度情報を受け取ることに応答して、ＴＣＳ２０５は、クライオクーラー２１０の１つ以上の段に関する温度誤差を決定することができる。この情報を用いて、ＴＣＳ２０５は、次いで、圧縮機ストローク誤差又はディスプレースメント位相誤差を計算することができる。すなわち、ＴＣＳ２０５は、温度を調節するための、圧縮機、ディスプレースメントシリンダ、又はこれら双方の量を計算し得る。ＴＣＳ２０５は、圧縮機１０５の圧縮機ストロークを調節するようＣＳＣ２１５に命令し、又はディスプレースメントシリンダ１２５のディスプレースメント位相を調節するようＤＰＣ２２０に命令し得る。また、ＴＣＳ２０５は、ＣＳＣ２１５及びＤＰＣ２２０の双方によって調節が為されることを命令し得る。
【００２２】
図３は、本開示に従った多段クライオクーラー３１０用の温度制御システム（ＴＣＳ）３００の一例を示している。ＴＣＳ３００は、多段クライオクーラー３１０に負荷シフト能力を提供し、クライオクーラー３１０の段群を、それらの段の温度が独立に制御され得るように独立にレギュレートする。図３のＴＣＳ３００及びクライオクーラー３１０のコンポーネントを参照して特定の詳細事項が提供されることになるが、理解されるべきことには、他の実施形態は、より多くの、より少ない、又は異なるコンポーネントを含み得る。
【００２３】
ＴＣＳ３００はここでは、温度コントローラ３０５、圧縮機ストローク設定点コントローラ（ＣＳＳＰＣ）３１５、ディスプレーサ位相設定点コントローラ（ＤＰＳＰＣ）３２０、ＣＳＣ３２５、及びＤＰＣ３３０を含んでいる。温度コントローラ３０５は、例えば単一段における熱負荷変化に関連する温度整定時間を短縮するために各段における熱リフトを独立に制御するようになど、クライオクーラー３１０の段群を独立にレギュレートするように構成されたプロセッシング回路を含んでいる。温度コントローラ３０５は、個々の段への制御変数（例えば、圧縮機ストローク及びディスプレーサ位相など）の効果を切り離す。例えば、温度コントローラ３０５は、例えば、ディスプレイを含んだオペレータインタフェース、タッチスクリーン、音声入力、又はその他の（１つ以上の）入力／出力装置を介してユーザからなど、クライオクーラー３１０のそれぞれの段に対応する１つ以上の温度設定点（温度ＳＰ）３３５−３４０を受け取り得る。設定点３３５−３４０は、温度コントローラ３０５の内部メモリに格納され得る。
【００２４】
温度コントローラ３０５は、多数のセンサ、ＣＳＳＰＣ３１５、ＣＳＣ３２５、ＤＰＳＰＣ３２０、及びＤＰＣ３３０を介して、クライオクーラー３１０に結合されている。温度コントローラ３０５は、クライオクーラー段に関する温度情報をそれぞれのセンサを介して受け取ることができる。様々なセンサが、クライオクーラー３１０のそれぞれの段の温度を測定するように構成され得る。図３に示す例において、クライオクーラー３１０は２つの段を含んでいるが、より多くの段を持つ他の実施形態も使用され得る。ここでも、温度情報は、実際の温度の測定結果、温度差、又はその他の温度測定結果を表し得る。
【００２５】
一部の実施形態において、温度コントローラ３０５は、測定温度を温度設定点と比較するように構成された多数の比較器を含み、又はそれらに結合される。例えば、第１の比較器３４５が、クライオクーラー３１０の第１段の測定温度を受け取って、それを温度設定点３３５と比較し、第２の比較器３５０が、クライオクーラー３１０の第２段の測定温度を受け取って、それを温度設定点３４０と比較する。比較器３４５−３５０は、比較の結果に基づいて、クライオクーラー３１０のこれらの段の温度差又は温度誤差を計算する。比較器３４５−３５０によって計算された温度誤差が、温度コントローラ３０５に提供される。
【００２６】
温度情報を受け取ることに応答して、温度コントローラ３０５は、デカップラ／感度行列を生成する。デカップラ／感度行列は、クライオクーラー３１０からの測定された線形化された応答データの逆をとったものとして計算される。温度コントローラ３０５は、温度情報をデカップラ／感度行列に適用して、圧縮機ストローク誤差及びディスプレースメント位相誤差を計算する。例えば、温度コントローラ３０５は、温度差又は温度誤差をデカップラ／感度行列に当てはめることで、各段について、圧縮機ストローク（圧縮機ストローク誤差）を変化させるべき量、及びディスプレースメント位相（ディスプレースメント位相誤差）を変化させるべき量を計算することができる。また、デカップラ／感度行列は、動作条件の関数とし得る。例えば、デカップラ行列は、５５Ｋ及び１０Ｋで制御するときにはＡに等しくあり得るが、８５Ｋ及び３０Ｋで制御するときにはＢに等しくなり、一組の負荷マップとして格納又は測定され得る。
【００２７】
温度コントローラ３０５は、ＣＳＣ３２５及びＤＰＣ３３０のうちの１つ以上を介して、クライオクーラー３１０の１つ以上の段を制御する。温度コントローラ３０５は、圧縮機ストローク誤差をＣＳＳＰＣ３１５に提供し、それが新たな圧縮機ストローク設定点を計算する。温度コントローラ３０５は、ディスプレースメント位相誤差をＤＰＳＰＣ３２０に提供し、それが新たなディスプレースメント位相設定点を計算する。例えば、ＤＰＳＰＣ３２０は、クライオクーラー３１０にて測定された圧力−体積（ディスプレースメント）位相と、圧力−体積（ディスプレースメント）位相誤差とを受け取るように構成されることができ、ＤＰＳＰＣ３２０は、ＤＰＣ３３０に、クライオクーラー３１０の圧力−体積（ディスプレースメント）位相における圧力波形と体積波形との間の位相関係を調節させるように構成される。
【００２８】
第３の比較器３５５が、ＣＳＳＰＣ３１５からの新たな圧縮機ストローク設定点と、クライオクーラー３１０の圧縮機において測定された圧縮機ストロークとを受け取って比較する。第４の比較器３６０が、ＤＰＳＰＣ３２０からの新たなディスプレースメント位相設定点と、クライオクーラー３１０のディスプレースメントシリンダにおいて測定されたディスプレースメント位相とを受け取って比較する。一部の実施形態において、第３の比較器３５５はＣＳＣ３２５の一部であり、第４の比較器３６０はＤＰＣ３３０の一部である。
【００２９】
ＣＳＣ３２５は、新たな圧縮機ストローク設定点と測定された圧縮機ストロークとの比較に基づいて、クライオクーラー３１０の圧縮機ストロークを調節すべき量を決定する。そして、ＣＳＣ３２５は、クライオクーラー３１０の圧縮機の圧縮機ストロークを、決定した量だけ調節する。ＤＰＣ３３０は、新たなディスプレースメント位相設定点と測定されたディスプレースメント位相との比較に基づいて、クライオクーラー３１０のディスプレースメント位相を調節すべき量を決定する。そして、ＤＰＣ３３０は、クライオクーラー３１０における圧力波形と体積波形との間の位相関係を調節することによって、クライオクーラー３１０のディスプレースメントシリンダのディスプレースメント位相を、決定した量だけ調節する。従って、クライオクーラー３１０に関する温度情報を受け取ることに応答して、温度コントローラ３０５は、クライオクーラー３１０の各段の温度を独立に制御するように構成される。
【００３０】
図４は、本開示に従った多段クライオクーラーにおいて温度を制御するプロセス４００の一例を示している。図４に示すシナリオは、２つの段を持つ多段クライオクーラーに対応しているが、より多くの段も使用され得る。図４に示すプロセス４００は、図１−３のうちの１つ以上にて説明したコンポーネントとともに、又はその他のコンポーネントとともに使用され得る。
【００３１】
ステップ４０５にて、温度コントローラが、多段クライオクーラーのそれぞれの段に対応する温度設定点を受け取る。一部の実施形態において、例えば温度設定点などの１つ以上の設定点が、温度コントローラの内部メモリに格納される。
【００３２】
ステップ４１０にて、１つ以上のセンサが、クライオクーラーのそれぞれの段の温度を測定する。センサは、測定した温度を温度情報の一部として温度コントローラに提供する。一部の実施形態において、測定された温度は、測定温度を対応する設定点と比較するように構成された１つ以上の比較器に提供される。
【００３３】
ステップ４１５にて、段ごとに温度誤差が計算される。ステップ４２０にて、温度コントローラが、デカップラ／感度行列を生成する。デカップラ／感度行列は、多段クライオクーラーの測定された線形化されたデータ応答の逆をとったものである。一部の実施形態において、デカップラ／感度行列は、温度コントローラのメモリに予め格納されている。
【００３４】
ステップ４２５にて、温度コントローラが、温度誤差をデカップラ／感度行列に当てはめて、圧縮機ストローク誤差及びディスプレースメント位相誤差を計算する。ステップ４３０にて、ＣＳＣ及びＤＰＣが圧縮機設定及びディスプレースメントシリンダ位相を調節する。１つ以上のセンサが、圧縮機設定、ディスプレースメントシリンダ位相、又はこれらの双方を測定する。これらのセンサが、測定した圧縮機設定、ディスプレースメントシリンダ位相、又はこれらの双方を、ＣＳＣ及びＤＰＣに提供し得る。一部の実施形態において、測定された圧縮機設定及びディスプレースメントシリンダ位相は、当該測定された圧縮機設定及びディスプレースメントシリンダ位相を対応する設定点と比較して、圧縮機設定を調節すべき量及びディスプレースメントシリンダ位相を調節すべき量を計算するように構成された１つ以上の比較器に提供される。ＣＳＣ及びＤＰＣが、計算された量を用いて、圧縮機設定及びディスプレースメントシリンダ位相を調節する。例えば、ＤＰＣは、クライオクーラーにおいて測定された圧力−体積（ディスプレースメント）位相と圧力−体積（ディスプレースメント）位相誤差とを受け取って、クライオクーラーの圧力−体積（ディスプレースメント）位相における圧力波形と体積波形との間の位相関係を調節するように構成され得る。
【００３５】
図５は、本開示に従った多段クライオクーラーにおいて温度を制御するための負荷マップ５００の一例を示している。図５に示す負荷マップ５００は、２つの段を持つ多段クライオクーラーに対応しているが、より多くの段又は異なる温度範囲も使用され得る。この負荷マップ５００は、図１−３のうちの１つ以上にて説明したコンポーネントとともに、又はその他のコンポーネントとともに使用され得る。
【００３６】
この例の負荷マップ５００は、応答データである性能指標として多段クライオクーラーから取られる測定結果に対応している。負荷マップ５００を取得するため、クライオクーラーへの全ての入力が、１つを除いて一定に維持され、すなわち、スターリング位相角又は圧縮機入力パワーの何れかが変化される。第１の組のライン５０５は、一定の圧縮機パワーでの位相角の変化による各段における熱リフトの応答を指し示している。第２の組のライン５１０は、一定の位相角での圧縮機パワーの変化による各段における熱リフトの応答を示している。全ての出力に対する１つの制御入力の応答はかなり線形であり、故に、負荷マップ５００は、１つの制御入力における変化がシステムにおける全ての出力にどのように影響するかを例示している。
【００３７】
図６は、本開示に従った多段クライオクーラーにおいて温度を制御するのに使用され得るコンピュータの一例を示している。図６に示すように、装置６００はバスシステム６０２を含んでおり、バスシステム６０２が、少なくとも１つのプロセッシングデバイス６０４、少なくとも１つのストレージデバイス６０６、少なくとも１つの通信ユニット６０８、及び少なくとも１つの入力／出力（Ｉ／Ｏ）ユニット６１０の間の通信をサポートする。
【００３８】
プロセッシングデバイス６０４は、メモリ６１２にロードされ得る命令を実行する。プロセッシングデバイス６０４は、如何なる好適な数及びタイプのプロセッサ又はその他のデバイスを如何なる好適な構成で含んでいてもよい。プロセッシングデバイス６０４のタイプの例は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ、特定用途向け集積回路、及びディスクリート回路を含む。
【００３９】
メモリ６１２及び永続的ストレージ６１４は、情報（例えば、一時的ベース又は永続的ベースの、データ、プログラムコード、及び／又はその他の好適な情報）を格納するとともにその取り出しを支援することが可能な如何なる構造をも表すものであるストレージデバイス６０６の例である。メモリ６１２は、ランダムアクセスメモリ又はその他の好適な揮発性若しくは不揮発性のストレージデバイスを表し得る。永続的ストレージ６１４は、例えば読み出し専用メモリ、ハードドライブ、フラッシュメモリ、又は光ディスクなど、より長期のデータストレージをサポートする１つ以上のコンポーネント又はデバイスを含み得る。
【００４０】
通信ユニット６０８は、他のシステム又は装置との通信をサポートする。例えば、通信ユニット６０８は、少なくとも１つのイーサネット（登録商標）ネットワーク上での通信を支援するネットワークインタフェースカードを含み得る。通信ユニット６０８はまた、少なくとも１つの無線ネットワーク上での通信を支援する無線トランシーバを含み得る。通信ユニット６０８は、如何なる好適な物理的通信リンク又は無線通信リンクを介した通信をサポートしてもよい。
【００４１】
Ｉ／Ｏユニット６１０は、データの入力及び出力を可能にする。例えば、Ｉ／Ｏユニット６１０は、キーボード、マウス、キーパッド、タッチスクリーン、又はその他の好適な入力装置を介したユーザ入力のための接続を提供し得る。Ｉ／Ｏユニット６１０はまた、出力をディスプレイ、プリンタ、又はその他の好適な出力装置へと送り得る。
【００４２】
図１−６はクライオクーラー及び温度制御システムの例を示しているが、様々な変形が図１−６に為され得る。例えば、理解されるように、周知のプロセスは、詳細に記載されておらず、簡潔さのために省略されている。具体的なステップ、構造及び材料が記載されているが、本開示はそれら具体的なものに限定されるものではなく、当業者によって理解されるように他のもので代用されてもよく、また、様々なステップは必ずしも、示した順序で実行されなくてもよい。また、如何なる好適な多段クライオクーラーが、上述の温度制御システムとともに使用されてもよい。加えて、温度制御システムにおいて示した機能的な区切りは単に説明のためであり、様々なコンポーネントが、具体的なニーズに従って、組み合わされ、更に細分化され、省略され、配置換えされ、あるいは追加され得る。
【００４３】
一部の実施形態において、上述の様々な機能は、コンピュータ読み取り可能プログラムコードから形成されてコンピュータ読み取り可能媒体にて具現化されるコンピュータプログラムによって実装又はサポートされる。“コンピュータ読み取り可能プログラムコード”なる言い回しは、ソースコード、オブジェクトコード、及び実行可能コードを含め、如何なるタイプのコンピュータコードをも含む。“コンピュータ読み取り可能媒体”なる言い回しは、例えば、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ハードディスクドライブ、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）、又はその他のタイプのメモリなど、コンピュータによってアクセスされることが可能な如何なるタイプの媒体をも含む。“非一時的”なコンピュータ読み取り可能媒体は、一時的な電気的又はその他の信号を輸送する有線リンク、無線リンク、光リンク、又はその他の通信リンクを除外する。非一時的コンピュータ読み取り可能媒体は、例えば書換可能な光ディスク又は消去可能なメモリデバイスなど、データが永続的に格納され得る媒体及びデータが格納され且つ後に上書きされ得る媒体を含む。
【００４４】
本特許文献の全体を通して使用される特定の単語及びフレーズの定義を説明しておくことが有益であるかもしれない。用語“アプリケーション”及び“プログラム”は、好適なコンピュータコード（ソースコード、オブジェクトコード、又は実行可能コードを含む）での実装に合わせて適応された、１つ以上のコンピュータプログラム、ソフトウェアコンポーネント、命令セット、プロシージャ、ファンクション、オブジェクト、クラス、インスタンス、関連データ、又はこれらの一部を指す。用語“通信する”及びその派生語は、直接的及び間接的の双方での通信を包含する。用語“含む”及び“有する”、並びにこれらの派生語は、限定なしでの包含を意味する。用語“又は”は、及び／又はを意味する包括的なものである。“〜と関連付けられる”なる言い回し、及びその派生語は、〜を含む、〜の中に含まれる、〜と相互接続される、〜を含有する、〜内に含有される、〜に又は〜と接続する、〜に又は〜と結合する、〜と通信可能である、〜と協働する、〜と交互である、〜隣り合う、〜に近接した、〜に又は〜と結合される、〜を有する、〜の特性を有する、〜に又は〜と関係を有する、又はこれらに類するものを意味し得る。“〜のうちの少なくとも１つ”なる言い回しは、アイテムのリストとともに使用されるとき、リストアップされたアイテムのうちの１つ以上の様々な組み合わせが使用され得ることを意味し、リスト内の１つのアイテムのみが必要とされることもある。例えば、“Ａ、Ｂ、及びＣのうちの少なくとも１つ”は、以下の組み合わせ：Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡとＢ、ＡとＣ、ＢとＣ、及びＡとＢとＣ、のうちの何れをも含む。
【００４５】
本開示は、特定の実施形態及び概して関連する方法を述べてきたが、これらの実施形態及び方法の改変及び並べ替えが当業者に明らかになる。従って、以上の実施形態例の説明は、本開示を定めたり制約したりするものではない。以下の請求項によって規定される本開示の精神及び範囲を逸脱することなく、その他の変形、代用、及び改変も可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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