(57)【要約】  Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ低温冷凍機は、冷凍容積内に往復排除器を含む。排除器は、空圧駆動容積内の駆動ピストンによって空圧駆動される。空圧駆動容積内の圧力は、駆動ピストンのストロークを通してプログラムされた排除プロファイルを駆動ピストンに追従させるバルブによって制御される。駆動バルブは、駆動流体の連続可変供給及び排出を提供する比例バルブを含むことができる。比例制御式フィードバックシステムでは、駆動容積内へのバルブは、排除信号とプログラムされた排除プロファイルとの間の誤差を最小にするように制御される。冷凍容積の暖温端部へのバルブも比例である場合がある。機械バネ又は磁石のような受動力発生器は、駆動流体によって印加される駆動力に対抗する力をピストンに印加することができる。【選択図】図１Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
暖温及び冷温端部を有する冷凍容積と、
前記冷凍容積内の往復排除器と、
前記冷凍容積の前記暖温端部での空圧駆動容積と、
前記空圧駆動容積内で前記排除器に結合された駆動ピストンと、
前記冷凍容積の前記暖温端部へのかつそこからの加圧冷却剤ガスの循環供給及び排出を制御する冷凍容積バルブと、
前記駆動ピストンに駆動力を印加するために前記空圧駆動容積へのかつそこからの駆動流体の供給及び排出を提供する駆動バルブと、
前記駆動ピストンのストロークを通してプログラムされた排除プロファイルを該駆動ピストンに追従させるように該駆動ピストンのストロークを通して変化する駆動制御信号を用いて前記駆動バルブを制御する電子コントローラと、
を含むことを特徴とする低温冷凍機。
【請求項２】
前記駆動ピストン又は排除器の移動に応答して排除信号を提供する排除センサを更に含み、
前記電子コントローラは、前記排除信号と前記駆動ピストンのストロークを通してプログラムされた前記排除プロファイルとの間の誤差を最小にする、
ことを特徴とする請求項１に記載の低温冷凍機。
【請求項３】
前記駆動バルブは、前記電子コントローラからの電子駆動制御信号に比例して駆動流体の連続可変供給及び排出を提供する比例駆動バルブであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の低温冷凍機。
【請求項４】
前記電子コントローラは、前記空圧駆動容積内の供給及び排出圧力の間の圧力の可変制御を提供するのに十分な速度でそれぞれの供給及び排出ラインへの前記駆動バルブを開放及び閉鎖することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の低温冷凍機。
【請求項５】
前記駆動流体によって印加される前記駆動力に加えて前記ピストンに力を印加する受動力発生器を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の低温冷凍機。
【請求項６】
前記受動力発生器は、バネであることを特徴とする請求項５に記載の低温冷凍機。
【請求項７】
前記バネは、前記駆動容積の外側に位置決めされてシャフトを通して前記ピストンに結合された複数のバネ要素を含むことを特徴とする請求項６に記載の低温冷凍機。
【請求項８】
前記受動力発生器は、磁石を含むことを特徴とする請求項５に記載の低温冷凍機。
【請求項９】
前記駆動ピストンは、前記空圧駆動容積を前記排除器に対して近位の近位駆動チャンバと該排除器から遠位の遠位駆動チャンバとに分離し、前記駆動バルブは、該遠位駆動チャンバにかつそこから駆動流体を供給及び排出することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の低温冷凍機。
【請求項１０】
前記駆動バルブは、更に、前記近位駆動チャンバにかつそこから駆動流体を供給及び排出し、該近位チャンバは、前記冷凍容積の前記暖温端部と連通していないことを特徴とする請求項９に記載の低温冷凍機。
【請求項１１】
前記近位駆動チャンバは、前記冷凍容積にではなく駆動流体排出部に直接に結合されることを特徴とする請求項９に記載の低温冷凍機。
【請求項１２】
前記近位チャンバは、前記冷凍容積の前記暖温端部と流体連通していることを特徴とする請求項９に記載の低温冷凍機。
【請求項１３】
前記冷凍容積バルブは、電子冷却剤制御信号に比例して前記冷凍容積への冷却剤ガスの連続可変供給及び排出を提供する比例バルブを含むことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の低温冷凍機。
【請求項１４】
前記駆動流体は、冷却剤供給及び戻りラインからバルブで連通されることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の低温冷凍機。
【請求項１５】
前記電子コントローラは、更に、適応フィードフォワード制御を提供することを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の低温冷凍機。
【請求項１６】
前記電子コントローラは、フィードバック制御を提供することを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の低温冷凍機。
【請求項１７】
前記冷凍容積バルブと前記駆動バルブとを封入する密封チャンバを更に含むことを特徴とする請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載の低温冷凍機。
【請求項１８】
低温冷凍の方法であって、
冷凍容積内で空圧駆動容積内の往復ピストンに結合された往復排除器を与える段階と、
前記冷凍容積の暖温端部へかつそこから加圧ガス冷却剤を供給及び排出する段階と、
電子コントローラを用いて、前記駆動ピストンに駆動力を印加するために前記空圧駆動容積へのかつそこからの駆動流体の供給及び排出を提供するように駆動バルブを制御する段階であって、該電子コントローラが、該駆動ピストンのストロークを通してプログラムされた排除プロファイルを該駆動ピストンに追従させるように該駆動ピストンのストロークを通して変化する電子駆動制御信号を該駆動バルブに提供する前記制御する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１９】
前記駆動ピストン又は排除器の位置を感知して排除信号を提供する段階を更に含み、
前記電子コントローラは、前記排除信号と前記駆動ピストンのストロークを通して前記プログラムされた排除プロファイルとの間の誤差を最小にする、
ことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記駆動バルブは、前記電子コントローラからの電子駆動制御信号に比例して駆動流体の連続可変供給及び排出を提供する比例駆動バルブであることを特徴とする請求項１８又は請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記電子コントローラは、前記空圧駆動容積内の供給及び排出圧力の間の圧力の可変制御を提供するのに十分な速度でそれぞれの供給及び排出ラインへの前記駆動バルブを開放及び閉鎖することを特徴とする請求項１８又は請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記駆動流体によって印加される前記駆動力に加えて前記ピストンに受動力を印加する段階を更に含むことを特徴とする請求項１８，請求項１９，請求項２０，又は請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記受動力は、バネによって印加されることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記バネは、前記駆動容積の外側に位置決めされてシャフトを通して前記ピストンに結合された複数のバネ要素を含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記受動力は、磁石によって印加されることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記駆動ピストンは、前記空圧駆動容積を前記排除器に対して近位の近位駆動チャンバと該排除器から遠位の遠位駆動チャンバとに分離し、前記駆動バルブは、該空圧駆動容積の該遠位駆動チャンバにかつそこから駆動流体を供給及び排出することを特徴とする請求項１８から請求項２５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２７】
前記駆動バルブは、更に、近位駆動チャンバにかつそこから駆動流体を供給及び排出し、該近位チャンバは、前記冷凍容積の前記暖温端部と連通していないことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記近位駆動チャンバは、前記冷凍容積にではなく駆動流体排出部に直接に結合されることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
近位チャンバが、前記冷凍容積の前記暖温端部と流体連通していることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
加圧ガス冷却剤が、電子冷却剤制御信号に比例して前記冷凍容積への冷却剤ガスの連続可変供給及び排出を提供する比例バルブを通して供給及び排出されることを特徴とする請求項１８から請求項２９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３１】
前記駆動流体は、冷却剤供給及び戻りラインからバルブで連通されることを特徴とする請求項１８から請求項３０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３２】
前記電子コントローラは、更に、適応フィードフォワード制御を提供することを特徴とする請求項１８から請求項３１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３３】
前記電子コントローラは、フィードバック制御を提供することを特徴とする請求項１８から請求項３２のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〔関連出願〕
この出願は、２０１８年４月９日出願の米国仮特許出願第６２／６５５，０９３号の利益を主張するものである。上述の出願の教示全体は、引用によって本明細書に組み込まれている。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第２，９０６，１０１号明細書及び第２，９６６，０３５号明細書に開示されているようなＧｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ（ＧＭ）タイプの冷凍機では、ヘリウムのような高圧作動流体がシリンダ内の冷凍容積の暖温端部の中にバルブを通して入れられる。次に、流体は、圧力差と再生マトリックスを担持することができる排除ピストンの移動とによって暖温端部に向けて再生マトリックスの中を通過する。流体は、それが再生マトリックスを通過する時に冷却される。流体は、次に、排除ピストンの冷温端部で膨張して更に冷却され、排出流体が暖温端部から排出バルブを通る。排除ピストンは、冷凍容積の冷温端部に向けて移動して戻され、流体がそれを通って流れる時に再生マトリックスを冷却する。オリジナルＧｉｆｆｏｒｄ特許では、ピストンは、回転モータからのクランクによって駆動され、シリンダの暖温端部へのバルブは、ピストン移動をバルブと同期するために同じ回転ドライブによって制御されるものであった。回転モータが回転バルブを制御し、スコッチヨークを通して排除ピストンを直線移動で駆動する米国特許第３，６２５，０１５号明細書も参照されたい。この手法は、今日まで殆どのＧＭ冷凍機に継承されている。
【０００３】
冷凍機シリンダ内で排除器を往復させるのに空圧力に依存するＧＭ冷凍機が市場で長年にわたって存在している。例えば、米国特許第３，６２０，０２９号明細書及び第６，２５６，９９７号明細書を参照されたい。これらの設計は、排除器をシリンダの底部又は上部に衝突させる排除器上の力不均衡を起こす場合がある。これらの力不均衡は、摩擦力又は粘性力のような寄生力が経時的に変化する時に生じる場合がある。米国特許第６，２５６，９９７号明細書は、シリンダに対する排除器衝撃のエネルギを吸収するためのエネルギ吸収緩衝パッドの使用を提案している。しかし、衝撃は、依然として望ましくない振動及び他の有害な機能特性をもたらす。
【０００４】
空圧駆動容積への流体流れを制御するためにバルブを利用する空圧駆動設計が提案されている。米国特許第３，１８８，８１９号明細書、第３，１８８，８２１号明細書、及び第３，２１８，８１５号明細書は、カムのような機械的デバイスによるバルブタイミングの制御を提案している。１つの手法では、スプールバルブに関連付けられたカムは、冷凍機排除器から延びるロッド上のディスクによって駆動される。他の実施形態では、スプールバルブは、排除器に関連付けられたポートを通して空圧的に制御される。各場合に、バルブと排除器は構造的に緊密に関連付けられ、バルブのタイミングは容易には調節されない。米国特許第３，１８８，８２１号明細書は、これに加えて、スプールバルブが排除器位置に依存しないソレノイドによって制御される実施形態を示唆している。ごく最近では、米国特許第４，５４３，７９３号明細書は、空圧ドライブ容積へのバルブが排除器位置に応答して電子駆動式スプールバルブによって制御される空圧ドライブを提案している。それらのバルブ式空圧ドライブからもたらされた実用的な実施は知られていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第２，９０６，１０１号明細書
【特許文献２】米国特許第２，９６６，０３５号明細書
【特許文献３】米国特許第３，６２５，０１５号明細書
【特許文献４】米国特許第３，６２０，０２９号明細書
【特許文献５】米国特許第６，２５６，９９７号明細書
【特許文献６】米国特許第３，１８８，８１９号明細書
【特許文献７】米国特許第３，１８８，８２１号明細書
【特許文献８】米国特許第３，２１８，８１５号明細書
【特許文献９】米国特許第４，５４３，７９３号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
低温冷凍機は、暖温及び冷温端部を有する１又は２以上の相互接続された膨張チャンバを含む冷凍容積と、冷凍容積内の往復排除器とを含む。冷凍容積の暖温端部での空圧駆動容積内の駆動ピストンは排除器に結合される。冷凍容積バルブは、冷凍容積の暖温端部へのかつそこからの加圧冷却剤ガスの循環供給及び排出を制御する。駆動バルブは、空圧駆動容積へのかつそこからの駆動流体の供給及び排出を提供する。電子コントローラは、駆動ピストンのストロークを通してプログラムされた排除プロファイルを駆動ピストンに追従させるように駆動ピストンのストロークを通して変化する１又は２以上の入力の駆動制御信号を用いて駆動バルブを制御する。
【０００７】
低温冷凍機は、駆動ピストン又は排除器の移動に応答して排除信号を提供する排除センサを含むことができ、電子コントローラは、排除信号と駆動ピストンのストロークを通してプログラムされた排除プロファイルとの間の誤差を最小にするように駆動バルブを制御することができる。
【０００８】
駆動バルブは、電子コントローラからの駆動制御信号に比例して駆動流体の連続可変供給及び排出を提供する比例駆動バルブとすることができる。これに代えて、電子コントローラは、空圧駆動容積内の供給及び排出圧力間の可変圧力制御を与えるのに十分な速度でそれぞれの供給及び排出ラインへの駆動バルブを開放及び閉鎖することができる。
【０００９】
低温冷凍機は、駆動流体によって印加される駆動力に対抗する力をピストンに印加する受動力発生器を更に含むことができる。受動力発生器は、バネである場合があり、バネは、駆動容積の内側又は外側のいずれかに位置決めされてシャフトを通してピストンに結合された２又は３以上のバネ要素を含むことができる。これに代えて、受動力発生器は、磁石を含むことができる。
【００１０】
駆動ピストンは、排除器に対して近位の近位駆動チャンバと排除器から遠位の遠位駆動チャンバとに空圧駆動容積を分離することができる。駆動バルブは、遠位駆動チャンバにかつそこから駆動流体を供給及び排出することができる。駆動バルブは、同じく又はこれに代えて、近位駆動チャンバにかつそこから駆動流体を供給及び排出することができる。これに代えて、近位駆動チャンバは、駆動流体排出部に直接に結合される又は冷凍容積の暖温端部と流体連通することができる。
【００１１】
冷凍容積バルブはまた、電子冷却剤制御信号に比例して冷凍容積への冷却剤ガスの連続可変供給及び排出を提供する比例バルブを更に含むことができる。駆動流体は、同じ冷却剤供給及び戻りラインからバルブで連通される場合がある。
【００１２】
排除フィードバック制御に加えて又はその代替として、電子コントローラは、適応フィードフォワード制御を更に提供することができる。
【００１３】
以上は、異なる図を通して類似の参照文字が同じ部分を指す添付図面に例示するような例示的実施形態の以下のより具体的な説明から明らかであろう。図面は必ずしも縮尺通りではなく、代わりに実施形態を例示する時に強調が置かれている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】本発明の実施形態の断面図である。
【図１Ｂ】受動力発生器としてバネを更に含む本発明の代替実施形態の図である。
【図２】本発明の一実施形態でのバルブタイミングを示す図である。
【図３】近位駆動チャンバが冷凍容積と流体連通している図１Ｂの実施形態の概略図である。
【図４】近位駆動チャンバが排出部に結合されて冷凍容積と流体連通していない本発明の代替実施形態の概略図である。
【図５】両方の近位及び遠位駆動チャンバが供給及び排出するようにバルブされている本発明の代替実施形態の概略図である。
【図６Ａ】本発明に適用されるようなＰＩＤコントローラを示す図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態での電子コントローラの作動の流れ図である。
【図７Ａ】本発明の冷凍機に実施することもできる従来のＧＭサイクル冷凍機での排除器位置とバルブ排出及び吸入タイミングとを示す図である。
【図７Ｂ】本発明を用いて実施することもできる従来のＧＭ冷凍機のＰＶダイアグラムを示す図である。
【図８Ａ】システムに実施することができる例示的排除器位置及びバルブタイミングプロファイルを示す図である。
【図８Ｂ】システムに実施することができる例示的排除器位置及びバルブタイミングプロファイルを示す図である。
【図８Ｃ】システムに実施することができる例示的排除器位置及びバルブタイミングプロファイルを示す図である。
【図８Ｄ】システムに実施することができる例示的排除器位置及びバルブタイミングプロファイルを示す図である。
【図８Ｅ】システムに実施することができる例示的排除器位置及びバルブタイミングプロファイルを示す図である。
【図８Ｆ】システムに実施することができる例示的排除器位置及びバルブタイミングプロファイルを示す図である。
【図９】本発明による代替空圧ドライブの断面図である。
【図１０】本発明による別の代替空圧ドライブの分解組立図である。
【図１１Ａ】本発明による使用のための比例バルブの閉鎖状態での一例を示す図である。
【図１１Ｂ】本発明による使用のための比例バルブの完全−開放−供給状態での一例を示す図である。
【図１１Ｃ】本発明による使用のための比例バルブの完全−開放−戻り状態での一例を示す図である。
【図１２】本発明を実施するのに使用することができるフィードフォワード電子コントローラのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
例示的実施形態の説明は以下のようである。
【００１６】
主要なモータ駆動式Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ（ＧＭ）低温冷却器の現在の実施は、ある一定の性能限界：
１）適正な用途性能を保証するために低温冷却器の電磁遮蔽を必要とする場合がある高トルクモータが発生させる寄生磁場；
２）特定の用途（例えば、ＭＲＩ及びＮＭＲ）によって必要とされる主磁場を歪ませる場合がある電気モータに固有の磁性材料の使用；
３）用途（例えば、ＭＲＩ及びＮＭＲ）に対して有害な有意な機械的振動をもたらす場合があるスコッチ−ヨーク機構による駆動モータへの排除器本体の直接に結合；
４）望ましくない音響放出をもたらす場合がある排除器とモータの直接結合；
５）冷凍機の機能及び効率の最適化を妨げる排除器位置とヘリウム（Ｈｅ）入口／排出バルブのタイミングとの間の直接的な機械的リンケージ；
６）システムに対する熱負荷を相殺するのに必要とされる冷凍量のみを供給し、それによって特定の用途に必要とされる電気エネルギのみを消費するように調節することができない冷凍機能；
７）現場交換を困難にするＧＭ冷凍機の従来のモータドライブのサイズ及び重量；
８）用途特定の設計ソリューションをもたらす特定用途に限られた低温冷却器の調整性；
９）低温冷却器の寿命を制限する密封及び入れ子構成要素のかなりの摩耗
によって特徴付けられる。
【００１７】
ＧＭ低温冷却器が稼働する特定の用途（半導体業界のための低温ポンプ、ＭＲＩ／ＮＭＲ、及びその他）に応じて、上述の限界は、顧客の用途に対する深刻な制限ファクタになる可能性がある。
【００１８】
本明細書に提示するソリューションは、上述した限界を低減又は排除するように意図するものである。本発明の開示の実施形態は、モータドライブ及びスコッチ−ヨーク機構を電子制御バルブが装備された能動制御式空圧ドライブでそれらを置換することによって排除する。空圧駆動式冷凍機は、少ない振動、少ない磁性材料、少ない音響効果、小さいサイズ及び重量、改善された熱力学サイクル効率という利点、及びＭＲＩのような用途に対して有利な利点をもたらす。
【００１９】
本発明の開示の空圧ドライブの設計は、典型的な現在のモータドライブよりもサイズと重量の両方において小さいとすることができる。空圧力は、圧縮器から到着するヘリウム冷却剤ガス流れの一部を経路変更することによって供給することができる。このガスを用いて駆動容積内の１又は２以上のチャンバが充填され、その結果、駆動容積内で発生する力と、排除器が内部で往復する１又は２以上の膨張チャンバを含む熱力学（ＴＤ）冷凍容積内で発生する空圧力及び摩擦力散逸性の力との均衡が取られる。圧力／力均衡は、ある一定の実施形態では駆動容積及びＴＤ膨張容積の内外へのガスの吸入及び排出を調整する費用効果的な比例スプールバルブである電子バルブによって制御される。排除器の位置を検出するために位置センサを使用することができ、排除器の位置（及び恐らくは圧力センサの補助的な使用によるＴＤ容積圧力）に基づいて、駆動容積圧力は、排除器の制御式運動をもたらすように調節される。排除器の位置がバルブタイミングに機械的にリンクされる従来のＧＭ冷凍機とは異なり、排除器はバルブ機構に機械的に接続されないので、熱力学サイクルを通して排除器が進行する直線距離は、ＴＤ容積の内外へのヘリウム流れを制御するバルブがいつ作動されるかとは関係なく制御することができる。このようにして、冷凍機の圧力容積（ＰＶ）ダイアグラムを有意に調節可能なものにすることができ、制御システムは、膨張容積のサイズ、膨張容積のサイズの変化率、並びにプログラムされたプロファイルに従って容積が充填される際の圧力を調節することができる。
【００２０】
ドライブの実施は、駆動チャンバ内の圧力レベルによって決定される排除器の移動を支援するための受動力発生器として機能する適切なサイズの軸線方向機械バネ又は磁石を含むことができる。力発生器は、シリンダの上部及び底部での衝突の回避を含む排除器位置の高い可制御性を高度な制御アルゴリズムを必要とすることなく保証することができる。力発生器は、調節可能とすることができる。例えば、バネの全体バネ長／負荷を手動で又はモータ機構（例えばスクリュードライブを有する電気モータ）によって調節することができる。同様に、１又は２以上の電磁石を使用することができる。バネ／磁石が調節可能である場合に、例えば、製造変動を補償するように又は受動力発生器の有用性を最適化するように調整を絞り込むことができる。調節は、ドライブの作動の前又は最中とすることができる。例えば、それらは、作動中に全エネルギ消費量を最適化するようにオンザフライで調節することができると考えられる。
【００２１】
図１Ａは、本発明の一実施形態の詳細断面図を提示している。この実施形態では、二段冷温フィンガ１００は、従来のＧＭ冷凍機と同じとすることができる。二段冷温フィンガとして示すが、本発明は、一段又は三段又はそれよりも多い段の冷凍機にも適用可能である。ＧＭ冷凍機は、下記で説明する空圧ドライブ１０２によって識別される。
【００２２】
二段冷温フィンガは、小径の第２段シリンダ１０３に結合された第１段シリンダ１０１を含む。第１段シリンダ１０１は、熱ステーション１０６によって閉鎖され、熱ステーション１０６は、このシリンダの冷温端部も取り囲む。第２段シリンダ１０３は、シリンダの冷温端部を取り囲む第２段熱ステーション１０８によって閉鎖される。第１段熱ステーションは、例えば、５５Ｋ〜１００Ｋの温度範囲まで冷却することができ、それに対してステーションの第２段は、４Ｋ〜２５Ｋの温度まで冷却することができる。第１段シリンダの中で第１段排除ピストン１０５が往復し、第２段の中で第２段排除ピストン１０７が往復する。各ピストンは、ガスが一端から他端に貫流する再生マトリックスを取り囲む。冷凍作動モードでは、ガスは、冷温端部に向けて流れる時に冷却され、暖温端部に向けて逆流する時にマトリックスを冷却する。２つのピストンは、一緒に往復するようにロッド１０９及びピン１１１によって結合される。
【００２３】
作動では、圧縮器１１４からのヘリウム冷却剤ガスは、供給ライン１１２から冷凍容積バルブ１１３を通して第１段シリンダの暖温端部容積１１５の中にバルブで連通される。従来のＧＭ冷凍機の場合とは異なり、バルブ１１３は、排除ピストンも駆動する回転モータによって作動されない。バルブ１１３は、排除器移動によって駆動することができないが、好ましくは、下記でより詳細に説明する電子制御バルブである。
【００２４】
高圧ヘリウム冷却剤ガスは、冷凍機のＴＤ容積の暖温端部１１５の中に導入される。再生マトリックスを通る作動ガスの移動を容易にし、シリンダの下端に見られる冷温チャンバを充填するために、往復排除ピストンは引き上げられる。ガスは、排除ピストン１０５の上部でのポート１１６を通ってピストンの再生マトリックスチャンバの中に流れ込む。ガスは、この再生マトリックスを貫流して冷却される。冷却されたガスは、ピストンの端部１１９と熱ステーション１０６の間の空間の中に流れ込む。この設計では、ガスは、再生マトリックスからポート１１７を通ってピストンとシリンダの間の環帯の中に流れ込み、更にピストン１１９の下方の空間まで流れ下る。次に、ガスは、ロッド１０９を取り囲む環帯１２１を通って第２段ピストン１０７内の再生マトリックスの中に流れ込む。ガスは、第２段再生マトリックス内で更に冷却され、その後に、ポート１２３を通してピストン１２５の冷温端部の周りの環帯の中に入る。
【００２５】
その後に、バルブ１１３を通してヘリウム戻りライン１２９へ、更に圧縮器に排出されるガスは、第１段及び第２段のピストンの容積内の冷却剤ガスの膨張をもたらす。この膨張は、熱ステーション１０６及び１０８の低温冷却をもたらす。排出中に、排除ピストンは、それが低温冷却器から出て圧縮器に戻る前に、冷凍機の冷温端部に戻されてガスを再生マトリックスの中を通して上向きに排除させ、マトリックスを冷却して作動流体から冷却機能を引き出す。その後に、このサイクルが再開する。
【００２６】
従来のモータ駆動式ＧＭ冷凍機とは異なり、往復排除ピストンを駆動するロッド１２７は、空圧容積１３３内で往復するピストン１３１によって駆動される。ピストンは、容積１３３を遠位チャンバ１３５と近位チャンバ１３５とに分離し、これら２つのチャンバの間の圧力差に応答して往復する。これに代えて、ピストンは、空圧容積の近位端全体を通って延び、遠位チャンバのみを残すことができる。市販の空圧駆動ＧＭ冷凍機とは異なり、ピストン１３１の両端の圧力差は、電子制御バルブ１３７によって制御される。バルブ１１３と１３７の両方が、駆動ピストン及び排除器の位置に応答するコントローラ１３９によって制御される。位置センサは、線形可変排除変換器（ＬＶＤＴ）１４１とすることができる。排除センサ１４１は、コントローラに信号ｘ（ｔ）を供給し、コントローラは、以下に説明するフィードバック制御によってタイミングを制御し、それと共に信号Ｙ１（ｘ（ｔ））によってバルブ１３７を通る流れを制御する。バルブ１１３及び１３７は、好ましくは、比例バルブであるが、バルブの作動速度がタイミングの十分な可制御性と、ＴＤチャンバ及び駆動チャンバの内外への流体流れを可能にする限り単純なオン／オフ方向バルブとすることができる。比例バルブは、電気入力信号Ｙに比例するバルブ位置に更に比例する連続可変流量レベルを可能にする。図１の実施形態では、近位チャンバ１３６の圧力は、ＴＤ容積の暖温端部１１５の圧力に従う。他の実施形態を以下に説明する。
【００２７】
位置センサの別の実施は、ピストン又は排除器本体のいずれかの好ましい場所に埋め込まれた永久磁石を含む。運動中に所与の位置にある磁石が発生させる磁束線の変化する強度は、低温冷却器シリンダ上に位置決めされた空電受信センサコイルによって検出される。この場合に、磁束強度とピストン／排除器の実際の位置とを相関させるために相関式が使用される。
【００２８】
背景磁場の存在に依存しないという利点を有する代替位置センサ実施は、駆動チャンバ又はＴＤ冷凍容積のいずれかの中に埋め込まれた光センサの使用に基づいている。他の位置センサを使用することもできる。
【００２９】
コントローラ１３９は、下記でより詳細に説明する比例−積分−微分（ＰＩＤ）コントローラとすることができる。比例コントローラは、排除信号ｘ（ｔ）と定められた排除プロファイルとの間の誤差信号を発生させることができ、比例バルブ１３７を通るガス流れを制御するためのフィードバック信号Ｙ１を供給する。このガス流れは、誤差を最小にするようにピストン１３１を駆動する圧力を遠位チャンバ１３５内に印加する。更に、コントローラは、定められた圧力対位置プロファイルに応答してＴＤ容積内へのガスの流れを制御する。圧力誤差によるバルブ１１３の制御を可能にするために、システムには、コントローラに圧力フィードバックを供給する圧力センサ１４３を設けることができる。
【００３０】
図２は、ピストン及び排除器センブリに対して印加される従来の力に加えてピストンに力を印加する受動力発生器をこれに加えて含むことを除いて図１と実質的に同じ代替実施形態を示している。図２では、この受動力発生器は、休止位置からのピストンの下向き移動に対して圧縮での上向きの力で応答し、休止位置からの上向き移動に対して膨張での下向きの力で応答するバネ１４５である。代わりの受動力発生器は、ピストン上とシリンダ上とにある磁気的に反対の１又は２以上の磁石である。
【００３１】
暖温バルブ、すなわち、冷凍容積バルブ１１３は、低温冷却器の第１段及び第２段の熱力学チャンバの内外へのヘリウムの流れを制御する。コントローラにより、供給と排出の両方に向けて排除器位置に対して選択される開放度及び閉鎖度を定めるように暖温バルブを作動させることができる。コントローラは、バルブが排出側（低ヘリウム圧力側）又は供給側（高ヘリウム圧力側）で比例的に開放される又は流れがバルブを通らないように閉鎖される排除器のサイクルの周期を定めることができる。図２は、排除器の位置に対する暖温バルブの典型的なタイミングを示している。暖温バルブ１１３は、三方バルブ又は１対の二方バルブのいずれかとすることができる。好ましくは、これらのバルブは、可変流れ制御に向けて十分に高い作動速度を有する比例バルブ又はオン／オフ方向バルブであるが、オン／オフ方向バルブは、本提案の制御の範囲で実施することができる。
【００３２】
駆動バルブ１３７は、ユーザによって選択される定められた軌道プロファイルに従って排除器の位置を制御する。駆動バルブは、三方比例バルブ又は１対の二方比例バルブのいずれかとすることができる。十分に高い作動速度を有するオン／オフバルブを実施することができる。コントローラは、ユーザが、正弦波運動、台形運動、三角形運動、又は一般的に排除器及びピストンアセンブリに対して作用する力の平衡均衡によってサポートすることができるいずれかの望ましいプロファイルのような排除器軌道を選択することを可能にする。ユーザは、サイクルのいずれかの時点での排除器の望ましい位置を指定する運動プロファイルを入力する。位置センサは、排除器の実際の位置を検出し、コントローラは、感知位置を当該時点での望ましい位置と比較し、位置誤差を計算し、次に、誤差を補正するための指令を駆動バルブ１３７に送る。
【００３３】
図３〜図５は、排除器１０５、１０７に機械的にリンクされたピストン１３１が空圧駆動容積１３３の上側遠位チャンバ１３５と下側近位チャンバ１３６との間で軸駆動方向に沿って進行する空圧駆動の代替実施の概略図である。２つの駆動チャンバは、ピストンと、いずれかのチャンバ間ヘリウム漏出を最小にするためにピストンの外径の場所にあるシール３０１とによって互いに分離される。
【００３４】
図３では、図１Ｂに示すものとは逆に、下側駆動チャンバ１３６は、ロッド１２７の周りの流路を通して低温冷却器のＴＤ冷凍容積に直接に接続される。従って、下側駆動チャンバは、ＴＤ冷凍容積に対して開放される。
【００３５】
この構成は、上側駆動チャンバの圧力レベルを制御する単一電子スプールバルブ１３７の採用に基づいている。この構成内では、下側駆動チャンバの加圧がＴＤ冷凍容積の瞬間圧力レベルに結合され、この理由から、この駆動構成は、熱力学サイクルの全ての段でのピストン／排除器位置の完全な可制御性を可能にすることができない。特に、この構成は、図４及び図５の設計の場合と同様に、排除器位置とＴＤ冷凍容積内外への吸入／排出ヘリウム流れとの間のタイミングの加減による「熱機関」として低温冷却器の作動を可能にすることができない。この理由から、低温冷却器の加温速度を加速するために又は第１段及び第２段の温度値及び／又は冷却機能を適切に制御するために物理的加熱器が使用される可能性が高くなる。この実施では、バネは、ａ）ドライブの上側に位置決めされた（最小の遠位駆動チャンバ容積状態にある）ピストンを低温冷却器休止状態に保ち、ｂ）バネの軸線方向圧縮と線形比例するドライブの上側に向うピストンに対する回復力を発生させる「戻り」バネとして機能する。
【００３６】
図４は、図１Ｂの概略的な実施である。図４では、下側駆動チャンバ１３６は、ピストンを排除器にリンクするピストンシャフト１２７の周りに位置付けられた入れ子及び密封要素４０１を用いてＴＤ冷凍容積の暖温端部１１５から分離される。重要な点として、遠位駆動チャンバ１３５の内外への加圧ヘリウムの流れは、実時間排除器位置を示すフィードバック（及び恐らくはＴＤチャンバ内の圧力レベルに基づく追加のフィードバック）に基づいて単一電子スプールバルブによって調整される。それとは逆に、近位駆動チャンバ１３６の圧力は、駆動チャンバ１３６と圧縮器の戻り圧力側の間の開放ヘリウムガス経路４０３によって常に圧縮器の低圧側レベルに維持される。この構成も、「戻り」バネの採用によって特徴付けられる。
【００３７】
図５は、近位駆動チャンバ１３６が、ヘリウム圧縮器戻り側及び低温冷却器ＴＤ冷凍容積のいずれにも接続されないことを除いて図４に説明したものと類似の実施を示している。この構成では、ピストンシャフト上に位置決めされた入れ子／密封構成要素４０１が、近位駆動チャンバ１３６をＴＤ冷凍容積１１５から隔離し、２つの別個の電子バルブ、すなわち、遠位駆動チャンバ１３５へのヘリウムガス流れを制御することに特定の一方のバルブ１３７と、近位駆動チャンバ１３６への流れを制御するための第２のバルブ５０１とが空圧駆動ユニットに対して機能する。このソリューションは、ピストン位置の最適な可制御性を保証する。最後に、この構成は、ａ）低温冷却器休止状態中にピストンを駆動チャンバシリンダ内の中心（ストロークの中間点）に位置決めされた状態に保つことと、ｂ）作動条件の下でピストンを中心位置に戻すように作用するバネの伸長又は圧縮に線形比例する力を発生させることとにより、「中心化」バネとして機能するバネの使用に基づいている。
【００３８】
バネは、空圧駆動容積内のガス圧力が、温度に依存しない静的なバネ力に対抗するように作用する点で、より安定した予想可能かつ制御可能な作動を可能にする。バネとピストンの上方及び下方の両方の制御式ガス圧力とを持たず、下記で議論することになる比例制御式フィードバックに応答してバルブの振動をもたらす可能性がある場合と比較して、より安定した作動は、システムを駆動するのに必要とされるガスの量を低減する。バネを持たない場合とは対照的に、バネは、空圧駆動機構のエネルギ要件を有意に低減することができる。ピストンの一方の側にのみバルブで連通される高圧ガスを有することによっても、図５の場合のようにピストンの各側へのバルブを通じた高圧の連通を有する場合とは対照的に、エネルギ消費量が非常に低減される。従って、バネと遠位駆動チャンバにのみ印加される高圧ガスとを有することによって低い電力消費量がもたらされ、又は他に結果的にバネを用いない両方のチャンバへの圧力制御を有することになる。
【００３９】
バネの目的は、
１）ピストン及び排除器センブリに対して固定の基準休止位置を維持すること、
２）排除器の位置可制御性、並びに上側駆動チャンバ及び冷凍容積の異なる圧力レベル及び経時圧力変化によって実行することができる制御可能運動プロファイルの範囲を改善する付勢成分をピストン及び排除器の力均衡方程式に導入すること、上側駆動チャンバの圧力プロファイルが駆動バルブによって調整され、一方、冷凍容積の圧力プロファイルが冷凍容積バルブの独立した作動によって調整される場合に、ピストン及び排除器に対する力均衡が、バネを用いない排除器の適正な位置制御を許さないという事例が発生すること、例えば、バネの不在時に、冷凍容積が低圧レベル（例えば、吸引圧力レベル）に保たれる時に、ピストン及び排除器を遠位駆動チャンバに向けて（すなわち、図３、図４、及び図５を参照する時に上向きの運動方向に）移動することができないこと、
３）単一駆動バルブ（例えば、図３及び図４）又は２つの駆動バルブ（例えば、図５）のいずれかを用いて空圧ドライブを作動させるのに必要とされる流体の消費量を低いバルブ速度で低減すること、
である。
【００４０】
バネは、ピストン及び排除器センブリに接続されたままでありながら（例えば、図１０）、駆動チャンバのうちのいずれかの内側又は駆動チャンバの外側のいずれにも位置決めすることができる。
【００４１】
バネは、駆動システムの全寸法容積を低減するために又はピストン及び排除器センブリと冷凍チャンバ及び駆動チャンバとの間の位置合わせを改善するために単一バネ要素又はこれに代えて平行に位置決めされた１よりも多いバネ要素（例えば、図１０）で構成することができる。
【００４２】
全ての構成では、駆動チャンバのサイズ（高さ及び直径）及びバネの剛性は、排除器位置の可制御性と駆動ヘリウムガスの消費量の間の最良の妥協を保証するための力均衡計算に基づいて最適化される。
【００４３】
上述の構成の全ては、ピストン／排除器センブリと駆動チャンバ／低温冷却器シリンダアセンブリとの間で発生する可能性があるいずれかの衝突の勢いを弱めるための弾性緩衝器を含むことができるが、下記で説明する比例制御によって緩衝器は不要になるはずである。
【００４４】
上述した全ての構成は、電子制御バルブ、すなわち、空圧駆動チャンバの内外へのヘリウムガス流れを制御するための１つ又は２つのバルブ、及びＴＤ冷凍容積内へのヘリウムガス流れを調整する追加のバルブの使用に依存する。駆動バルブは、駆動チャンバの内側の圧力レベルの正確な比例制御を保証する比例電子スプールバルブとすることができ、又は適正な可制御性を保証するために十分に高い作動周波数を有する場合に限りオン／オフバルブとすることができる。その一方、ＴＤ冷凍容積に対して機能する電子バルブは、比例スプールタイプのもの及び／又はオン／オフソレノイドバルブのいずれかとすることができる。
【００４５】
空圧ドライブの制御アルゴリズムは、１又は２以上の能動フィードバック信号（排除ピストンの位置信号及び恐らくは位置信号と圧力信号の組合せ）に基づいて低温冷却器の電子バルブを制御するように設計される。
【００４６】
図６Ａは、上述した実施形態に適用されるＰＩＤコントローラの構造図を示している。時間との排除器の望ましい排除プロファイルが、ｒ（ｔ）としてコントローラに格納される。このプロファイルに定められた排除と計測排除ｘ（ｔ）の間の差が加算器６０１において決定されて誤差信号ｅ（ｔ）が生成される。この誤差信号は、Ｐ、Ｉ、及びＤのアルゴリズム６０５、６０７、及び６０９の各々に適用することができる。微分出力は、ローパスフィルタ６１１に通してノイズを低減することができる。これらのアルゴリズムの出力は、６０３で加算され、排除器の運動を制御するためにバルブ１３７に印加される制御信号が決定される。コントローラの比例制御要素６０５にのみ依存して設定値Ｋi及びＫdをゼロに設定することにより、十分な応答が得られることが決定されている。しかし、Ｉアルゴリズム６０７及びＤアルゴリズム６０９を含めることができる。
【００４７】
図６Ｂは、信号Ｙ１及びＹ２を空圧ドライブ内に供給するコントローラの全体作動とＴＤ圧力制御とを示すコントローラの流れ図を示している。６１５では、ユーザは、望ましい排除器運動ｒ（ｔ）をコントローラメモリ内のテーブルの中にプログラムする。例えば、正弦波、台形、又は他のプロファイルをプログラムすることができる。ユーザは、望ましい暖温バルブテーブルプロファイル、具体的にはバルブ開放度対排除器位置及び運動方向を更にプログラムする。６１７では、ユーザは、サイクル毎分を単位とする望ましい排除器速度とストローク長とを選択する。６１９では、ユーザは低温冷却器コントローラ１３９をオンにする。６２１では、コントローラは、バルブＶ１をヘリウム戻りラインに対して完全に開放し、それによってバネがピストン及び排除器を上向きに押圧することによって時間ｔ＝０において最上部ストローク位置に位置決めされるように排除器を始動する。６２３では、コントローラは、供給ラインからバルブＶ１を通して高圧ヘリウムを導入し、下向きの排除器移動を開始する。６２５において低温冷却器が稼働していないと決定された場合に、６２７においてバルブＶ１を排出圧力に対して開放することによって排除器は元の最上部位置に戻され、作動は終了する。
【００４８】
稼働している低温冷却器を用いて、システムは、図６ＡのＰＩＤコントローラ作動に対応する４つの段階６２９、６３１、６３３、及び６３５を通して制御信号Ｙ１を発生させる。同時に、６３７において暖温バルブＶ２を駆動するための信号Ｙ２が発生される。６２９では、ＰＩＤコントローラ内で位置センサ１４１から位置ｘ（ｔ）が受信される。コントローラ１３９は、６３１では、プログラムされた望ましい排除器位置ｒ（ｔ）に対する位置誤差ｅ（ｔ）を計算する。この位置誤差に基づいて、コントローラは、６０５、６０７、及び６０９のプログラムされたＰＩＤ制御スキームを用いてバルブＶ１を駆動するための実時間入力Ｙ１を発生させる。駆動バルブＶ１は、６３５においてコントローラから入力指令Ｙ１を受信し、完全ストロークを通じた排除器の実時間位置誤差を最小にする。
【００４９】
ＰＩＤコントローラは、信号Ｙ２によってバルブＶ２を制御するために使用することができるが、そのような正確な制御が必要であることは見出されていない。これに代えて、コントローラ１３９は、実時間排除器位置ｘ（ｔ）と、運動方向と、プログラムされた暖温バルブテーブルとに基づいて暖温バルブＶ２を起動する。この制御は比例制御ではないが、例えば、Ｖ２バルブの漸進的な開放を可能にするようにＴＤ容積の暖温端部内へのガス流れの連続可変制御を可能にするために、バルブＶ２は、比例バルブであることが好ましい。これに代えて、単純なオン／オフ方向バルブを使用して矩形バルブ制御プロファイルのみを可能にするか、又は作動周波数が十分に高い場合はオン／オフ変調によるバルブの漸進的開放を可能にすることができると考えられる。
【００５０】
比例バルブの比例制御を説明したが、比例制御は、高周波数（例えば、少なくとも１／２０ｍｓ＝５Ｈｚ）で作動する機能を有するオン／オフバルブを用いて達成することができる。この場合に、バルブは、比例バルブを望ましいレベルまで開放することに対応する排除／ピストンストロークを通した区分的連続プロファイルを辿るようにガス流れを変調するのに必要とされる周波数及び負荷サイクルで開放及び閉鎖されることになる。
【００５１】
比例という用語がコントローラとバルブとに関して異なる意味に使用されることを見ることができる。制御の場合に、Ｙ２の場合のように、コントローラ内にプログラムされたプロファイルを例えばフィードフォワードシステムで単純に辿ることによって駆動信号を達成することができる。しかし、信号Ｙ１の比例制御の場合のように、ＰＩＤコントローラによって供給されるフィードバックによってより正確な比例制御が得られる。バルブ自体は、可変電気入力信号に応答して連続可変流れ制御又は圧力制御を可能にする場合は比例バルブ（この用語はサーボバルブを含む）である。しかし、それ自体が比例バルブではないバルブ、すなわち、オン／オフ方向バルブに過ぎないバルブであっても、ＰＩＤコントローラの比例制御に応じる高周波数作動によって比例制御を提供することができる。
【００５２】
バルブコントローラ１３９は、全体的な低温冷却器コントローラの一要素とすることができ、又は主低温冷却器コントローラから受信する入力パラメータに依存して複数の圧力プロファイル及び排除器運動プロファイルのうちのいずれかを使用するように全体コントローラに応答することができる。駆動コントローラは、駆動コントローラに主コントローラから供給することができる実時間システム入力に依存して排除器運動及び低温冷却器の内外へのヘリウム流れを適応させることができる。
【００５３】
図７Ａ及び図７Ｂは、モータ駆動式ＧＭサイクル冷凍機の典型的な作動を示している。図７Ａに示すように、排除器は、回転モータによって正弦波運動７０１で駆動される。供給バルブは、例えば、時間７０３中に開き、時間７０５中に閉じる。両方のバルブが閉鎖された７０７での短い滞留の後に、排出バルブが７０９にわたって開き、７１１にわたって閉じる。次に、この冷凍サイクルが再度始まる。得られた圧力容積ダイアグラムは、第１段冷温端部、第２段冷温端部、及び冷温フィンガ内の暖温端部に関する圧力を示す図７Ｂに見ることができる。本発明の開示の空圧ドライブ及び制御を具現化する低温ポンプが、冷凍容積暖温バルブ１１３の制御に向けて７０３、７０５、７０９、及び７１１のプロファイルを定めることにより、及び排除器位置プロファイル７０１を定めることによって同一作動を提供することができる。しかし、本発明の開示のシステムは、より高い柔軟性を可能にする。例えば、図８Ａから図８Ｆは、異なる排除プロファイル及び冷凍容積暖温バルブプロファイル８０１及び８０３それぞれを示している。図８Ａ〜図８Ｄの各々では、ガスが５ボルトよりも低い電圧でＴＤ膨張容積の暖温端部に供給され、５ボルトよりも高い電圧でＴＤ容積の暖温端部から排出されるように、使用される特定の冷凍容積バルブが５ボルトで閉鎖される。他の比例バルブは、異なる作動指令を必要とする場合がある。図８Ｃ及び図８Ｆは、冷凍機の逆の加熱作動をもたらす。
【００５４】
図９は、予備加重バネ９０１が空圧駆動チャンバ９０３の外側に装着された代替空圧ドライブを示している。バネ９０１は、駆動チャンバ９０３の上端と、ピストン９０５を低温冷却器の排除ピストンに結合する駆動シャフト９０９の端部でのディスク９０７との間に位置決めされる。バネは、空圧駆動容積の休止遠位端に向けてピストンを押圧する。図９に示すように、バネは、上側駆動チャンバ内の高圧の結果として圧縮状態にある。ディスク９０７から位置センサ９１３内にピン９１１が延びる。バルブ９１５が、ＴＤ容積の暖温端部への供給及びそこからの戻りを制御し、バルブ９１７は、駆動容積の遠位チャンバへの供給及びそこからの戻りを制御する。駆動容積の近位チャンバは、図４の実施形態の場合のように戻りラインに結合することができる。全体の空圧駆動アセンブリは、ドーム９１９の密封チャンバ内に封入され、密封チャンバは、恐らくはバルブから漏出するいずれの作動流体も大気中に分散されることなく閉鎖加圧ループ内に留まることを保証する。ヘリウム気密バルブの使用は、密封チャンバの存在を不要にすると考えられる。
【００５５】
図１０は、戻りバネが空圧駆動容積の外側に位置決めされる点で図９と類似の別の実施形態を示している。しかし、図９の単一バネ要素は、アセンブリの高さを低減するために二重バネ要素１００１及び１００３によって置換されている。これらのバネは、駆動容積及びバルブを取り囲むハウジング１００６の上部プレート１００５とロッド１００９及び空圧駆動ピストン１０１１に結合された保持アーム１００７との間に位置決めされる。モジュールの下方の１０１３の場所にのみ示す更に別のロッドは、空圧容積１０１５内のピストン１０１１に結合する。ハウジング１００６は、ＴＤ容積への供給及びそこからの戻りのためのバルブ１０１７と、空圧駆動容積へのバルブ１０１９とを更に保持し、このバルブ１０１９を分解組立図に示している。図示の特定の比例バルブ１０１９は、下記で説明するスプールバルブである。スプールバルブは、図１０には示していないバルブシリンダ内にそれぞれの環帯１０２７及び１０２９を定めるために末端カラー１０２３と１０２５の間に中心カラー１０２１を含む。スプールは、バネ１０３１と制御モータ１０３３内の別のバネとを含むバネによって中心化される。モータは、下記でより詳細に説明するバルブ制御信号に応答してスプールを比例的に駆動する。
【００５６】
図１１Ａ、図１１Ｂ、及び図１１Ｃは、比例バルブＶ１又はＶ２の作動を示している。図１１Ａに示すように、スプールは、中心ロッド１０２７上に３つのカラー１０２１、１０２３、及び１０２５を含む。図１１Ａでは、スプールは、流体圧力均衡と、各々がバルブハウジング１１０３に固定された端部を有する対抗バネ１０３１及び１１０１とによって中立位置に保持されている。スプールの軸線方向位置は、ハウジング１１０３に固定された固定子磁石１１０７内の移動コイル１１０５の電圧制御によって維持される。図示のバルブ設計では、図１１Ａの中立位置は、コイル１１０５への５ボルト入力によって維持される。中立位置では、カラー１０２１は、冷凍機ポート１１０９への又はそこからのあらゆるガス流れを遮断する。高圧ガスが供給ライン１１２から容積１０２９に供給され、容積１０２７は、戻りライン１２９の低圧に保持される。冷凍機に高圧ガスを供給するために、５ボルトよりも高い電圧がコイル１１０５に印加され、それによってスプールは左に移動してバネ１０３１を圧縮し、バネ１１０１を伸張する。図１１Ｂは、１０ボルトの最高印加電圧によって左端にあり、冷凍機ポート１１０９を１１０２の場所にある供給ラインに対して完全に開放するスプールを示している。しかし、５ボルトと１０ボルトの間のいずれの印加電圧でも、スプール１０２１は、高圧容積に対してポート１１０９を部分的にのみ開放することになり、従って、冷凍機ポート１１０９を通る流れと冷凍機内の圧力とを印加電圧に比例して制御する。図１の駆動バルブ１３７の場合に、上側駆動チャンバ１３５内の圧力が、印加電圧によって比例制御されることになる。暖温バルブ１１３の場合に、ＴＤ容積内への流れが、印加電圧に対して比例制御されることになる。
【００５７】
図１１Ｃは、０Ｖの印加電圧によって右端位置まで移動されたスプールを示している。この状態では、冷凍機へのポート１１０９は、低圧容積１０２７に対して完全に開き、冷凍機からのガスを駆動バルブ１３７の場合の駆動容積又は暖温バルブ１１３の場合のＴＤ容積のいずれかから排出する。ここでもまた、スプールの位置は、０ボルトと５ボルトの間の印加電圧に対して比例制御され、冷却剤ポート１１０９からの流れ及び従って冷凍機内の圧力が制御される。
【００５８】
単純なＰＩＤ制御ループとピストン位置フィードバック信号とに基づく実施された駆動アーキテクチャに基づく工場シミュレーション及び実験結果は、この制御ソリューションが高度なピストン可制御性（全ストローク長の５％よりも小さい位置誤差）を保証することを示している。ＴＤサイクルを更に最適化し、ピストン誤差を最小にする目的で、より高度な制御アルゴリズム（例えば、フィードフォワード制御スキーム）又は追加のセンサ（例えば、圧力センサ）の採用を行うことができる。
【００５９】
フィードバック制御システムは常に誤差条件を補償しているので、制御下にあるシステムは、定常状態条件に維持されず、代わりに一般的に特定の設定値の前後で振動する。誤差信号及び振動はバネの使用によって低減される。バネがある又はない場合でも、システムを好ましくない振動条件又はいずれかの他の有害挙動に駆動してしまうことを防止するために、コントローラが入力信号に応答しない誤差帯域が、最適設定値条件の前後に存在することができる。空圧制御下にあるＧＭ冷凍機の場合に、排除器が行き過ぎることに関する誤差の余地は殆どない。排除器が行き過ぎようとすると、冷凍シリンダの上部又は底部のいずれかに衝突することになる。従って、いずれのフィードバック制御システムも、それ自体がもたらす可能性がある誤差のサイズを考慮し、シリンダの上部又は底部まで届かない幾分短い望ましい排除器停止位置を設定し、排除器がこの誤差量だけ行き過ぎた場合に依然としてシリンダの底部又は上部に物理的に衝突しないようにしなければならない。しかし、排除器に対して利用可能な全ストロークを利用しないことによって低温冷却器の全体的な熱力学効率を低減し、従って望ましくない。代替コントローラは、許容排除器ストロークを最大にし、それによって低温冷却器の冷凍効率を最大に高める適応フィードフォワード制御の概念を適用する。
【００６０】
フィードフォワードアルゴリズムがいずれのシステムをも成功裏に制御するためには、入力変数の変化に対する当該システムの応答が既知でなければならない。これは、システムの挙動に対して反応し、誤差条件に応答して入力変数を変化させるフィードバック制御システムとは明らかに異なる。フィードフォワード制御システムは、システムをモニタし、実時間システムパラメータの知識に基づいて入力変数に調節を加えて望ましい予想システム状態に到達する。制御システムは、例えば、温度、排除器位置、排除器速度、排除器加速度、ヘリウム圧力のような重要なシステムパラメータをモニタすることができ、これらのパラメータに基づいて、排除器運動プロファイルに最適な軌道を追従させる望ましいシステム条件に到達するように制御可能入力パラメータを調節する。この概念が実際に働くための機能は、システムの応答が予想可能であることを必要とする。実際に、これは、制御システムが入力変数の変化に対するシステムの出力応答を学習する機能を有するべきであることを意味する。システムの応答は時間が経つ時に変化することになり、従って、適応フィードフォワードアルゴリズムを必要とするので、この学習機能が必要である。適応フィードフォワードアルゴリズムでは、コントローラは、入力変数に対するシステムの応答を学習し、それによって緩慢に変化する応答関数に起因する効果を「較正」する。フィードフォワードコントローラとフィードバックコントローラの組合せは、両方のタイプの制御システムの利点を計算の複雑さを代償として実現することができる。しかし、現在の低価格プロセッサは、組み合わせた制御システムを実施するのに必要とされる計算負荷を容易に処理することができる。
【００６１】
フィードフォワードアルゴリズムの概略図を図１２に示している。
【００６２】
この実施形態では、この図にサイクルバルブ１１３とラベル付けしている冷凍容積バルブ１１３は、コントローラ１３９によって簡単なフィードフォワードアルゴリズムで制御される。コントローラは、この図にサイクルチャンバ圧力とラベル付けしている冷凍容積圧力１２０３を制御する質量流れ「ｍ  ｄｏｔ」を達成するようにバルブ１１３を制御する。このフィードフォワード制御では、コントローラ１３９は、時間ｔ−１でのピストン及び排除器センブリの感知位置１４１に依存して時間ｔで必要とされる「ｍ  ｄｏｔ」値を予想する。
【００６３】
この図にサーボバルブとラベル付けしている駆動バルブ１３７を制御するために適応フィードフォワード制御が使用される。この制御は、駆動チャンバ圧力１２０７を制御するための質量流れ「ｍ  ｄｏｔ」をもたらす。サイクルチャンバ圧力と駆動チャンバ圧力とが合わさってピストン及び排除器センブリ１２０９の加速度を制御する。適応フィードフォワード制御では、コントローラは、位置センサ１４１に応答する。コントローラは、過去に完了したサイクルループ中に発生した計算上の位置誤差及び感知圧力１４３にも応答することになる。これに代えて、この圧力は、位置センサのみを用いて実時間計算されたピストン及び排除器センブリの加速度に基づいて計算することができる。感知圧力は、サイクルチャンバ圧力のみ又はサイクルチャンバ圧力と駆動チャンバ圧力の両方とすることができる。
【００６４】
図１２では、時間ｔでの実時間サイクル（冷凍）チャンバ圧力の情報を用いて時間ｔ＋１で必要とされるピストン及び排除器センブリの加速度及び位置を決定するフィードフォワードアルゴリズムの概要を例証する。時間ｔでのサイクルチャンバ圧力に基づいて、コントローラ１３９は、時間ｔ＋１で必要とされるピストン及び排除器センブリの加速度及び位置を計算し、対応する入力指令をサーボバルブ１３７に送る。サーボバルブ１３７は、時間ｔ＋１でのピストン及び排除器センブリの望ましい加速度を確立するのに必要とされる流体圧力レベルを適切に発生させるように駆動チャンバへの流体流れを調整することによって応答する。
【００６５】
サイクルバルブ１１３を制御するために、コントローラは、ユーザ（特定の冷凍機及び用途の必要性に従ってテーブルを修正することができる）によって与えられた入力テーブルを読み取る。入力テーブルは、ピストン及び排除器センブリの位置及び運動方向をサイクルバルブの開放度（すなわち、サイクルチャンバの中に流れ込む流体質量）に相関させる情報を含む。この場合に、コントローラのアクションは、ピストン及び排除器センブリの実時間位置を読み取り、現在位置を過去の時間段階（ｔ−１、ｔ−２、ｔ−３、その他）に対して比較することによってピストン及び排除器センブリの運動方向を計算し、入力テーブル内のサイクルバルブ状態を読み取り、対応する指令をサイクルバルブに送ることである。
【００６６】
空圧駆動式冷凍機のフィードフォワード制御を提供するのに加えて、フィードバック制御の安定性とフィードフォワード制御の安定性の両方に関して、冷凍機の消耗及び全般的な健全性を示す診断が含まれる。
【００６７】
上述のように、従来のＧＭ冷凍機は、冷凍機の排除器を駆動するのにモータ駆動スコッチ−ヨーク機構を使用する。空圧駆動式冷凍機は、スコッチ−ヨーク機構及びバルブ駆動機構へのこの機構の直接接続を排除し、先の節で説明した利点をもたらす。空圧ドライブと電子バルブの組合せは、既存の従来のＧＭ冷凍機のいずれを用いても現在取得不能な以下の特徴を可能にする。
【００６８】
１）排除器のストローク長を電子的にマップする機能。
【００６９】
２）冷凍機のＴＤチャンバの内側の圧力レベルを制御する機能。具体的には、ＴＤサイクルが受ける圧力変化をＴＤチャンバを貫流するヘリウムの量を適切に制御することによって低減する。
【００７０】
３）選択された運動力学的空間−時間軌道（正弦波、半正弦波、台形、その他）を課することによって排除器の移動を電子的にマップする機能。この機能は、サイクルのＴＤ効率を最適化することを目的として排除器軌道の異なる点で速度を変化させることによって特徴付けられる非対称運動プロファイルを課する可能性を含む。
【００７１】
４）サイクルのＴＤ効率（すなわち、利用可能な冷却機能対全ヘリウム消費量）を最適化し、更に冷凍機を熱機関として作動させる（すなわち、冷却の代わりに熱を生成する）ために排除器の位置と冷凍機の中を通るヘリウム流れの間のタイミングを電子的にマップする。市場で現在利用可能なある一定のＧＭ冷凍機は既に熱機関として作動させることができるが、この実施は、その設計が、上述したタイミングを限られたタイミング数（一般的に、は２）に限定せず、システムをいずれか任意のタイミング値に電子的にマップすることができる点で異なるものである。
【００７２】
５）固定の冷凍機速度（サイクル毎分）及び排除器軌道を維持しながら低温冷却器の冷却機能及び効率を修正するように低温冷却器を電子的にマップする機能。この特徴は、冷凍機が一定の速度及び軌道で作動することを維持しながら低温冷却器の冷却機能を変化させることに対する必要性が存在するＭＲＩ及びＮＭＲの用途に関連があることが予想される。この設計は、受け入れシステムでの追加のハードウエア構成要素の必要がなく又はシステムのエネルギ効率を犠牲にすることなくそのような使用を可能にする。
【００７３】
６）空圧駆動式排除器軌道の可制御性を改善するための機械バネ又は磁石の使用。
【００７４】
７）力を動的に均衡制御し、最大エネルギ効率を保証しながら排除器がシリンダの上部又は底部に衝突するのを防止することを可能にし、更に排除器のストローク長を冷凍機能の最適化を可能にしてこの機能を用途の必要性、すなわち、熱負荷に整合させるように調節することを可能にする高度なフィードフォワード制御アルゴリズムによってシステムを拡張することができる。
【００７５】
８）制御アルゴリズムの適正な調整、並びに賢明な構成要素部品の選択により、システムが背景技術に説明した全ての問題に対処することが可能になる。
【００７６】
本出願の電子コントローラは、単にハードウエアであると考えられるが、一般的に、データプロセッサと関連のメモリとを含むハードウエアシステム内のソフトウエアに実施され、かつ入力出力デバイスを含むことができる。プロセッサルーチン及びデータは、非一時的コンピュータ可読媒体上にコンピュータプログラム製品として格納することができる。コントローラはまた、例えば、独立型コンピュータ、デバイスのネットワーク、モバイルデバイス、又はその組合せである場合がある。
【００７７】
本明細書に列挙する全ての特許、公開出願、及び参考文献の教示は、その全体が引用によって組み込まれている。
【００７８】
例示的実施形態を具体的に図示して説明したが、添付の特許請求の範囲によって包含される実施形態の範囲から逸脱することなく形態及び細部の様々な変更をそこに加えることができることは当業者によって理解されるであろう。
【符号の説明】
【００７９】
１０１  第１段シリンダ
１０２  空圧ドライブ
１１３  冷凍容積バルブ
１２１  環帯
１３５  遠位チャンバ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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