JP7441379B2 - リバーシブル空気圧駆動エキスパンダ - Google Patents

Description

関連出願への相互参照
本出願は、２０２０年８月２８日に出願された米国仮特許出願番号６３／０７１，６６９の優先権を主張し、その全体は、参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、冷却と昇温を切り換えるバルブを内蔵した往復式極低温エキスパンダ（reciprocating cryogenic expander）の空気圧駆動機構（pneumatic drive mechanism）に関する。

半導体は、真空チャンバで製造され、真空チャンバは、真空を作り出すためにギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon：ＧＭ）型冷凍機で冷却されたクライオポンプを使用することが一般的である。クライオポンプは、水蒸気等のグループＩのガスが凍る約８０Ｋに冷却されたウォームパネルと、窒素や酸素等のグループＩＩのガスが凍る約２０Ｋに冷却されたコールドパネルを有する。コールドパネルの裏側の木炭は、より軽いガスである水素やヘリウムを吸着する。数日から数週間運用した後は、クライオポンプを温めて凍結物（cryodeposits）を除去する必要がある。クライオポンプ内には、可燃性のガスが蓄積されることがあるため、クライオポンプ内にヒータを設けることは避けられ、クライオパネルは、通常、クライオポンプハウジングの外側にあるヒータで間接的に温められる。最近使用されているＧＭ型エキスパンダは、一方向に動かすと冷却を行い、逆方向に動かすと冷却の度合いが減少する。交互に昇温できるエキスパンダを備えたクライオポンプの使用によって、ウォームアップの高速化又は低コスト化、若しくはその両方を実現する選択肢が得られる。

Ｗ．Ｅ．Ｇｉｆｆｏｒｄ（ギフォード）及びＨ．Ｏ．ＭｃＭａｈｏｎ（マクマホン）による米国特許３，０４５，４３６号には、ＧＭサイクルが開示されている。ここに開示するシステムは、主にＧＭサイクルで動作し、通常、５～１５ｋＷの範囲の入力電力を有するが、より大きいシステム及びより小さいシステムもこの発明の範囲に含まれる。ＧＭサイクル及び多くのブレイトン（Brayton）サイクルに基づく冷蔵庫は、空調用途に設計された油潤滑式コンプレッサを使用して、ガス（ヘリウム）を往復式極低温エキスパンダに供給する。ＧＭエキスパンダは、室温の入口バルブと出口バルブ、再生器を介して冷間膨張空間（cold expansion space）にガスを循環させるが、ブレイトンサイクルエキスパンダは、ガスが室温で出入りする向流式熱交換器と、冷間膨張空間（cold expansion space）にガスを循環させる低温の入口バルブと出口バルブとを有する。エキスパンダのディスプレーサは、機械式に又は空気圧で駆動される。

Ｇｉｆｆｏｒｄによる米国特許３，２０５，６６８号には、ディスプレーサの温端（warm end）に取り付けられたステムを有するＧＭエキスパンダが開示されており、このステムは、ロータリーバルブによって駆動ステムの上側の圧力を膨張空間への圧力と位相がずれた状態で循環させることによりディスプレーサを上下に駆動する。バルブが順方向に回転している場合、ディスプレーサが下降し（冷間変位容積（cold displaced volume）が最小）、圧力が低く、ステムの上側の圧力が高い状態でサイクルが開始されると想定される。ディスプレーサへの圧力が高圧に切り換わると、短い遅延を経て、駆動ステムの圧力が低圧に切り換わる。これによりディスプレーサが上昇し、高圧ガスが再生器を通って冷間変位容積に送り込まれる。ディスプレーサへの高圧バルブは、通常、ディスプレーサが上端に到達する前に閉じられ、ディスプレーサが上端に到達する際にはガスが部分的に膨張する。その後、ディスプレーサの低圧バルブが開かれ、膨張したガスが冷却される。その後、駆動ステムの上側の圧力が高圧に切り換わり、ディスプレーサを押し下げ、冷却された低圧ガスを冷端の熱交換器を通して押し出し、再生器を通して再び外に出し、サイクルを完了する。ディスプレーサへの圧力が切り換わると、再生器を介する圧力低下により駆動ステムに加わる力と同じ方向の力が発生する。圧力と変位の関係、Ｐ－Ｖを図にプロットすると、関係の順序は、時計回り方向で、面積は、１サイクルで発生する冷却量と等しい。米国特許３，２０５，６６８号のロータリーバルブを逆回転させると、駆動ステムへの圧力がディスプレーサへの圧力より先に切り換わり、Ｐ－Ｖ関係は時計回り方向のままであるが、タイミングが悪くなるために冷却効率が低下する。ディスプレーサ内の圧力と駆動ステムに加わる圧力が同じであるサイクルの位相では、ディスプレーサを動かすための正味の力は発生しない。

Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈによる米国特許８，４４８，４６１号は、空気圧で駆動される、ディスプレーサ／ピストン上のステムを有するブレイトンサイクルエキスパンダを開示しており、この発明のメカニズムを使用して冷却サイクルから昇温サイクルに切り換えることができる。また、この発明の機構を用いて、ディスプレーサ／ピストンが上下する速度を制御するオリフィスを調整して、クールダウン中の冷却を最適化できる。殆どのブレイトンサイクルエキスパンダは、冷間変位容積（cold displaced volume）を温端から分離するシール付きピストンを備えているが、米国特許８，４４８，４６１号は、再生器を内蔵したピストンを備えており、温間変位容積と冷間変位容積の圧力を均等にし、したがって、ディスプレーサと呼ぶことができる。

エキスパンダを逆回転させて昇温を行うためには、ディスプレーサは、圧力が低圧から高圧に切り換わるときに上端かその近くにあり、再生器の圧力低下による下降力があってもそこに留まり、冷間変位容積がそこで圧縮されるガスによって昇温されるようにする必要がある。この高圧の高温ガスは、再生器を通して押し出され、ディスプレーサが下降すると、圧力が低圧に切り換わる。これは、Ａｓａｍｉによる米国特許５，３６１，５８８号に記載されているようなロータリーバルブを有するスコッチヨーク（Scotch Yoke）駆動式ディスプレーサによって実現されている。スコッチヨーク駆動は、圧力に関係なくモータが回転することでディスプレーサの位置が固定される。ディスプレーサが順方向に回転する際にバルブを通してガスが出入りするタイミングを最適化し、冷凍を発生させる。ロータリーバルブディスクは、バルブシートのポート上を摺動する面を有し、バルブディスク背面のスロットに係合するピンを有するシャフトを有するバルブモータによって回転される。米国特許５，３６１，５８８号のバルブディスクは、ピンがスロットに係合する角度を変化させる環状スロットを有している。これにより、ディスプレーサが上部にあり下部に移動する際に高圧ポートが開き、ディスプレーサが下部にあり上部に移動する際に低圧ポートが開くことになる。Ｐ－Ｖシーケンスは、反時計回りである。バルブのタイミングは、ほぼ最適な昇温サイクルを実現するためのものである。

大型クライオポンプを冷却するためにエキスパンダの冷却能力を高めると、スコッチヨーク駆動は、空気圧駆動よりもはるかに大きく高価になるため、冷却サイクルから昇温サイクルに変更できる、より効率的な空気圧駆動エキスパンダが必要となる。

Ｇａｏ及びＬｏｎｇｓｗｏｒｔｈによる米国特許第７，１９１，６００号には、再生器へのフロー及びパルスチューブへのフローのために別々のロータリーバルブを有するパルスチューブエキスパンダが開示されている。バルブモータが順方向に回転しているときは、２つのバルブ間の位相差が冷却を生じさせ、逆方向に回転しているときは、２つのバルブ間の位相がシフトして昇温を生じさせる。国際公開ＷＯ２０１８／１６８３０５号は、逆方向の回転時に昇温を生じさせる、米国特許第７，１９１，６００号に記載のものとは異なるパルスチューブエキスパンダのバルブ構成を開示している。

米国特許５，３６１，５８８号の原理は、ディスプレーサを上下駆動する機構であるスコッチヨークを、ディスプレーサへの圧力を切り換えるバルブであるロータリーバルブから独立させ、回転方向を変える際に圧力切換の位相がシフトされるというものである。国際公開ＷＯ２０１８／１６８３０４号には、駆動ステムに取り付けられ、駆動ステムよりも大きなピストンを有するディスプレーサの空気圧駆動を開示しており、このピストンは、ディスプレーサに接続されるバルブとは異なる入口バルブと出口バルブに接続される。バルブは、固定されたバルブシートの上を摺動する同心円状のバルブディスクである。内側のバルブディスクは、ディスプレーサへのフローを切り換え、外側のバルブディスクは、駆動ピストンの上部へのフローを切り換える。バルブモータを逆回転させると、外側バルブディスクは、内側バルブディスクに対して一定の角度で回転し、冷却ではなく昇温を行うために必要な位相シフトが行われる。図８ａ～図８ｄは、それぞれ３０４号出願の図１、図８（ａ）、図８（ｃ）、図９（ｃ）を示している。図８ａに示すように、容積４８の駆動ピストンの背面側のガスは、駆動ピストンと駆動ステムのシール５０、３２の間に閉じ込められる。これは、容積４８に依存する平均圧力を中心に循環する。図８ｃに示す矩形のＰ－Ｖ図を達成するためには、容積４８は、駆動ピストン４６の上側の容積の少なくとも２倍の大きさでなければならない。図８ｂは、駆動ステムへのフローを制御するバルブＶ３及びバルブＶ４が１８０度の差で開き、同時間開いたままであり、一方、バルブＶ２は、Ｖ１の後に約１００度で開き、同時間開いたままであることを示している。この非対称性は、冷却のための最適なタイミングを提供し得るが、図８ｄに示す小さいＰ－Ｖ図として反映されているように、昇温のためのタイミングは最適ではなくなる。冷却から昇温に切り換える際に、駆動ステムに相当するバルブの開閉タイミングを異ならせることができることは、この発明の重要な側面である。

本発明の目的は、空気圧駆動のＧＭ型エキスパンダにおいて、駆動モータの向きを反転させることなく、冷却から昇温への切換を行い、かつ冷却と昇温の両方で効率の良いバルブタイミングを提供することである。エキスパンダのディスプレーサを、ディスプレーサの圧力に関係なくストローク端まで駆動できる駆動ピストンで往復させ、ディスプレーサと駆動ピストンの圧力を切り換える個別のトラック有するロータリーバルブを使用し、駆動ピストンのトラック上の冷却用のポートから昇温用の第２のポートにフローを変更する独立した切換バルブを設けることによって、冷却と昇温の両方で高い効率を実現する。切換バルブは、線形駆動又は回転駆動のいずれかによって作動させることができる。駆動ピストンは、単動式でも複動式でもよく、アクチュエータは、単に駆動ピストンへのフローを切り換えるのみでなく、切換バルブによって圧力降下を変更するコントローラにも接続して、ディスプレーサが上下に動く速度を制御することもできる。

これらの利点は、コンプレッサから第１の圧力でガスを受け取り、第２の圧力でガスを戻すための極低温エキスパンダによって達成できる。極低温エキスパンダは、空気圧で駆動され、往復運動するディスプレーサアセンブリと、冷却と昇温をそれぞれ生じさせる冷却モード及び昇温モードを提供できるバルブアセンブリとを備える。ディスプレーサアセンブリは、ディスプレーサシリンダ内の温端と冷端との間を往復するディスプレーサと、ディスプレーサの温端に取り付けられ、ステムスリーブを介して延びる駆動ステムと、上部及び下部を有する駆動ピストンであって、駆動ピストンの下部が駆動ステムの上端に取り付けられ、駆動ピストンシリンダ内を往復する駆動ピストンとを備える。駆動ピストンは、駆動ステムよりも大きな直径を有していてもよい。ガスは、再生器を介して温間変位容積（warm displaced volume）と冷間変位容積（cold displaced volume）との間を流れる。バルブアセンブリは、バルブシート（弁座）と、バルブシートの上で回転するバルブディスク（弁体）とを含む。バルブシートは、ディスプレーサシリンダ又はバルブアクチュエータに接続する第１の半径に位置するポートと、駆動ピストンシリンダに接続する第２の半径に位置するポートと、第２の圧力でコンプレッサに接続する中央ポートとを有する。バルブディスクは、第１の圧力と第２の圧力のガスを第１の半径に位置するポートと第２の半径に位置するポートとに交互に接続するスロットを有する。第２の半径に位置するポートは、冷却ポート及び昇温ポートを含む。バルブディスクの回転方向は、一定である。バルブアセンブリは、第２の半径に位置するポートと、駆動ピストンの上側の上部容積との間に、切換バルブを更に含む。切換バルブは、冷却ポート又は昇温ポートのいずれかを駆動ピストンの上側の上部容積に接続し、冷却モード又は昇温モードのいずれかを提供するように構成される。

図面は、限定の意図はなく、例示のみを目的として、本概念に基づく１つ以上の実施態様を描いている。図において、同様の参照符号は、同一又は類似の要素を指す。

単動駆動ピストン、ロータリーバルブ、及び切換バルブを有し、相互接続配管を介してコンプレッサからガスが供給される、空気圧作動式ＧＭサイクルエキスパンダを備える極低温冷凍システム１００の概略図である。 複動式駆動ピストン、ロータリーバルブ、及び切換バルブを有し、相互接続配管を介してコンプレッサからガスが供給される、空気圧式ＧＭサイクルエキスパンダを備える極低温冷凍システム２００の概略図である。 単動駆動ピストン、ロータリーバルブ、及び切換バルブを有し、相互接続配管を介してコンプレッサからガスが供給される、空気圧作動式ブレイトンサイクルエキスパンダを備える極低温冷凍システム３００の概略図である。 システム１００のロータリーバルブ、切換バルブ、及び駆動ピストンの断面を示す図である。 システム２００のロータリーバルブ、切換バルブ、及び駆動ピストンの断面を示す図である。 システム１００のディスプレーサが低圧まで排気されようとしているときの、バルブシートに重畳されたバルブディスクのスロットのパターンを示す図である。 エキスパンダが冷却を行っているときにバルブディスクが回転するとバルブシートのポート上を通過するシステム１００のバルブディスクのスロットの順序を示す図である。 図６ｂに示すサイクル上のポイントに番号を付した冷却サイクルのＰ－Ｖ図である。 システム１００のディスプレーサが高圧に加圧されようとしているときの、バルブシートに重畳されたバルブディスクのスロットのパターンを示す図である。 ディスプレーサが昇温を行っているときにバルブディスクが回転するとバルブシートのポート上を通過するシステム１００のバルブディスクのスロットの順序を示す図である。 図７ｂに示すサイクル上のポイントに番号を付した昇温サイクルのＰ－Ｖ図である。 ３０４号出願の図１を示す図である。 ３０４号出願の図８（ａ）を示す図である。 ３０４号出願の図８（ｃ）を示す図である。 ３０４号出願の図９（ｃ）を示す図である。

本節では、本発明の好ましい実施形態を示す添付図面を参照しながら、本発明の幾つかの実施形態についてより詳細に説明する。但し、本発明は、多くの異なる形態で具現化でき、本明細書に開示する実施形態に限定されると解釈されるべきではない。すなわち、これらの実施形態は、本開示が十分かつ完全なものとなるように、当業者に本発明の範囲を伝えることを目的として提供する。全体を通して、同様の符号は、同様の要素を指し、プライム表記は、代替の実施形態における同様の要素を示すために使用される。図面において同一又は類似する部品には、同じ符号を付し、説明は通常繰り返さない。

極低温エキスパンダは、通常、冷端が下になるように動作するため、上下及び上部／下部等の用語は、この向きに関連している。図面では、同じ部品には、同じ番号を使用し、異なる構成の同等部品を区別するために添え字を使用する。

図１は、本発明の中心的な特徴であるバルブ及び駆動ピストンを、システムの残りの部分、すなわちシリンダ３０内のディスプレーサ２０ａ、及びライン１６を介してロータリーバルブ２に第１の圧力、すなわち高圧Ｐｈでガスを供給し、ライン１７を介してロータリーバルブ２から第２の圧力、すなわち低圧Ｐｌでガスを受け取るコンプレッサ１５に関連して詳細に示す、極低温冷凍システム１００の回路図である。ロータリーバルブ２は、回転ディスク上のポートが、固定バルブシート（stationary seat）上のポートを通過するようになっている。バルブシート上の第１の半径１０ａに位置するポートは、ライン９を介してディスプレーサシリンダ３０の温端にガスを循環させ、第２の半径１１ａに位置するポートは、切換バルブ１及びライン１８を介して駆動ピストンシリンダ６ａの上端にガスを循環させる。ライン１８ａは、冷却ポートとして指定された、バルブシートの第２の半径１１ａに位置する第１のポートから始まり、ライン１８ｂは、昇温ポートとして指定された、バルブシートの第２の半径１１ａに位置する第２のポートから始まる。切換バルブ１の概略図は、冷却の際には図示の位置に固定され、昇温の際には反時計回りに９０度回転されることを示す。ロータリーバルブ２の概略図は、ディスプレーサ２０ａの上昇時に、高圧Ｐｈでシリンダ３０に接続されているライン９のガスと、低圧Ｐｌでシリンダ６ａに接続されているライン１８のガスとを示している。

ディスプレーサ２０ａは、シリンダ３０内で温端と冷端の間を往復し、温間変位容積（warm displaced volume）２５と冷間変位容積（cold displaced volume）２６を形成する。ガスは、温端のポート２３、再生器２２ａ、及びディスプレーサ本体２１ａの冷端のポート２４を通って、容積２５と容積２６との間を流れる。シール２７は、ガスが再生器２２ａをバイパスするのを防止する。ディスプレーサ２０ａは、駆動ステム７によって上下に駆動され、駆動ステム７は、下端がディスプレーサ２０ａの上端に、上端が駆動ピストン５ａの下端に接続されている。駆動ピストン５ａは、駆動ピストン５ａの上側の容積１２ａ内の循環ガス圧力と駆動ピストン５ａの下側の緩衝容積１３ａ内の圧力との間の圧力差が駆動ステム７の外側の領域に作用することによって上下に駆動される。駆動ピストン５ａは、ピストンの片側で高圧Ｐｈから低圧Ｐｌに変化する圧力によってのみ駆動されるため、単動式（single acting）と呼ばれる。駆動ピストン５ａ内のシール３１は、容積１２ａ内のガスを容積１３ａ内のガスから分離する。ステムスリーブ８内のシール２８は、容積１３ａ内のガスを容積２５内のガスから分離する。

典型的な動作圧力は、供給圧力Ｐｈが約２．２ＭＰａ、戻り圧力Ｐｌが約０．８ＭＰａで、圧力比が２．８であるため、駆動ピストン５ａがフルストロークを完了するためには、緩衝容積１３ａは、変位容積１２ａの３倍以上である必要がある。フルストローク中に駆動ピストン５ａを横切る圧力差がほぼ一定になるように容積１２ａの圧力変化を低減するためには、より大きな容積が必要である。容積１２ａに対するこの大きな容積の緩衝容積１３ａは、駆動ピストン５ａの下側の圧力変化側の容積とは別の容積として概略的に示している。

図２は、複動式駆動ピストン５ｂを有する点でシステム１００と異なる極低温冷凍システム２００の概略図を示している。駆動ピストン５ｂの下側の圧力は、上側の圧力が高圧Ｐｈのときに低圧Ｐｌであり、上側の圧力が低圧Ｐｌのときに高圧Ｐｈである。システム１００では、ロータリーバルブ２の昇温ポートからのライン１８ｂは、冷却時に切換バルブ１で遮断されるが、システム２００では、切換バルブ３及びライン１９を介して、駆動ピストン５ｂの下側の容積１３ｂに接続される。複動式駆動ピストン５ｂは、全圧力差Ｐｈ－Ｐｌが作用するので、単動式駆動ピストン５ａよりも直径を小さくでき、駆動ピストン５ｂの上下の容積１２ｂ、１３ｂも、駆動ピストン５ｂによって変化する容積と同程度に小さくできる。

ロータリーバルブ４は、バルブシート上の第１の半径１０ｂの位置において、ライン９へのポートを有し、第２の半径１１ｂの位置において、ライン１８ａ、１８ｂ及びライン１８へのポートを有する点で、ロータリーバルブ２と同様である。切換バルブ３は、冷却ライン１８ａからのガスがライン１８に接続すると、ロータリーバルブ４の昇温ライン１８ｂからのガスがライン１９に接続するように構成されており、これにより、バルブディスク４の回転に伴って駆動ピストン５ｂの上下の圧力を反対圧力に切り換える。

切換バルブ３は、冷却時には、図示の位置に固定され、昇温時には、反時計回りに９０度回転される。ロータリーバルブ４の模式図では、ディスプレーサ２０ａの上昇時に、高圧Ｐｈでシリンダ３０に接続されるライン９のガスと、低圧Ｐｌでシリンダ６ｂの上部に接続されるライン１８のガスと、高圧Ｐｈでシリンダ６ｂの下部に接続されるライン１９のガスとを示している。空気圧駆動の極低温エキスパンダを冷却から昇温に移行させる機構は、ＧＭサイクルエキスパンダによって冷却されるクライオポンプに最適であるが、図３に示すように、空気圧駆動のブレイトンサイクルエキスパンダに適用することも可能である。

図３は、単動式駆動ピストンを有する空気圧作動式ブレイトンサイクルエキスパンダを含む極低温冷凍システム３００の概略図である。システム３００のブレイトンサイクルエキスパンダは、シリンダ３０ｂの冷端にメインの入口バルブ９ａ及び出口バルブ９ｂを有する。ガスは、コンプレッサ１５から高圧ライン１６及び熱交換器５０を通って入口バルブ９ａに流れ、出口バルブ９ｂから熱交換器５０及び低圧ライン１７を通って戻ってくる。ディスプレーサ２１ｂは、再生器２２ｂを備え、再生器２２ｂは、冷端容積２６から温端容積２５にガスを循環させてディスプレーサ２１ｂの上下の圧力をほぼ同じに保ち、システム１００又はシステム２００のバルブ機構及び駆動ピストン機構を使用して冷却又は昇温を行うことができる。ロータリーバルブ２’の第１の半径１０ｃに位置するポートは、冷間入口バルブ９ａ及び冷間出口バルブ９ｂを開閉する空気圧アクチュエータ２９ａ、２９ｂに少量のガスを循環させるのみなので、比較的小さい。空気圧アクチュエータ２９ａは、高圧Ｐｈに接続されるとバルブ９ａを開き、低圧Ｐｌに接続されるとバルブ９ａを閉じる。アクチュエータ２９ｂ及びバルブ９ｂについても同様である。

図４は、システム１００の切換バルブ１、ロータリーバルブ２、及び駆動ピストン５ａの断面を示している。回転ディスク２ａは、バルブモータ４０、モータシャフト４１、及びディスク２ａの上部のスロット４４に係合するピン４２によって回転される。本発明のために例示するバルブディスクは、１回転あたり２サイクルを有し、したがって２つの対称的な高圧及び低圧スロットを有している。バルブシートは、ディスプレーサへのフローのための２組の対称的なポートを有するが、駆動ピストンへのフローのための１対のポートのみを有することもできる。バルブディスク２ａの下部は、バルブシート２ｂと接しており、ここに示すスロット１７ａは、スプール１ｂを介して、低圧戻りポート１７をピストン駆動容積１２ａへのライン１８ａと接続する。これは、冷却モードである。システム１００は、リニアアクチュエータ１ａが、スプール１ｂを右側に引き、ライン１８ｂがピストン駆動容積１２ａに接続されると、昇温モードに切り換わる。ライン１８ａ及びライン１８ｂは、異なる流動インピーダンス（flow impedance）を有していてもよく、これにより、昇温モード及び冷却モードにおいて駆動ピストン５ａが上下に移動する速度を異ならせることができる。異なる流動インピーダンスは、切換バルブの開度によって又は固定されたポートサイズによって決定してもよい。切換バルブの開度を制御することによって、ピストン速度を制御してもよい。

切換バルブ１は、エキスパンダが冷却モードであるときは冷却ポート１８ａのみが駆動ピストン５ａの上側の上部容積１２ａと流体連通し、エキスパンダが昇温モードであるときは昇温ポート１８ｂのみが駆動ピストン５ａの上側の上部容積１２ａと流体連通するように構成してもよい。直線的に作動するアクチュエータ１ａは、切換バルブ１を通る圧力損失を制御して、ディスプレーサ２０ａが上下に移動する速度を制御するように構成してもよい。

図５は、システム２００の切換バルブ３、ロータリーバルブ４、及び駆動ピストン５ｂの断面を示している。バルブディスク４ａの底面は、バルブシート４ｂと接しており、スロット１６ａは、スプール３ｂ及びライン１８を介して、高圧供給ポート１６及びライン１８ｂをピストン駆動容積１２ｂに接続し、スロット１７ａは、スプール３ｂ及びライン１９を介して、低圧戻りポート１７及びライン１８ａをピストン駆動容積１３ｂに接続する。これは、昇温モードである。システム２００は、ロータリーアクチュエータ３ａがスプール３ｂを９０度回転させ、ライン１８ａがピストン駆動容積１２ｂに接続し、ライン１８ｂがピストン駆動容積１３ｂに接続すると、冷却モードに切り換わる。

図６ａ及び図７ａは、２つの位置にあるシステム１００～３００のロータリーバルブを例示的に示している。冷却時の図６ｂ及び昇温時の図７ｂは、バルブディスクの高圧スロット及び低圧スロットがバルブシートのポートを通過するタイミングを示し、これは、バルブの開閉に相当する。図６ｃ及び図７ｃは、冷却時及び昇温時のＰ－Ｖ線図上にバルブの開閉を示すものである。図６ａ、図７ａは、バルブモータから見たバルブディスク２ａであって、バルブシート２ｂに対して反時計回りに回転する面のスロット１６ａ、１７ａを示している。第１の半径４６に位置するバルブシート２ｂのポート９は、ディスプレーサシリンダ３０に接続し、高圧スロット１６ａがこの上を通過する際はバルブＶ１（図６ｂ参照）として開き、低圧スロット１７ａがこの上を通過する際は低圧バルブＶ２として開く。第２の半径４５に位置するバルブシート２ｂのライン１８ａ、１８ｂは、駆動ピストンシリンダ６ａの上部に接続し、高圧スロット１６ａがこれらの上を通過する際はバルブＶ３ａ、Ｖ３ｂとして開き、低圧スロット１７ａがこれらの上を通過する際は低圧バルブＶ４ａ、Ｖ４ｂとして開く。切換バルブ１は、エキスパンダの冷却時にはライン１８ｂからのフローを遮断し、エキスパンダの昇温時にはライン１８ａからのフローを遮断する。

図６ａ、図６ｂ、図６ｃは、冷間変位容積（cold displaced volume）２６が最大で、ディスプレーサ２０ａが上部にあり、圧力が低圧Ｐｌより大きい、膨張段階の終わりから始まる冷却サイクルを示している。図６ｂ及び図６ｃの数字１～８は、バルブタイミング及び対応するＰ－Ｖサイクルを示し、これは、以下のように要約される。

１：バルブＶ２が開き、ディスプレーサ内の圧力が低圧Ｐｌまで低下する。

２：圧力がＰｌまで低下した後、Ｖ３ａが開き、駆動ピストン上下の圧力差によってディスプレーサが下部に向かって押される。

３：ディスプレーサが下部に到達する前にＶ２が閉じ、冷たいガスが温端に移動して圧力が上昇するとともに、ディスプレーサが下部までの残りの部分を移動する。

４：Ｖ１が開き、圧力が高圧Ｐｈまで上昇する。

５：Ｖ３が閉じる。

６：Ｖ４が開き、駆動ピストンにかかる圧力差によってディスプレーサが上部に向けて押し上げられる。

７：ディスプレーサが上部に到達する前にＶ１が閉じ、温かいガスが冷端に移動して圧力が低下するとともに、ディスプレーサが上部までの残りの部分を移動する。

８：Ｖ４が閉じる。

このサイクルには、２つの原理があり、第１の原理は、ディスプレーサの圧力が切り換わった後に駆動ピストンの圧力が切り換わることであり、第２の原理は、ディスプレーサが上下のストローク端に達する前にバルブＶ１、Ｖ２が閉じることである。

図７ａ、図７ｂ、及び図７ｃは、変位容積２６が最小で、ディスプレーサ２０ａが下部にあり、圧力が低圧Ｐｌより大きい、低圧段階の始まりから始まる昇温サイクルを示している。図７ｂ及び図７ｃの数字１～８は、バルブタイミング及び対応するＰ－Ｖサイクルを示し、これは、以下のように要約される。

１：バルブＶ２が開き、ディスプレーサ内の圧力がＰｌまで低下する。なお、バルブＶ３ｂはまだ開いており、駆動ピストン５ａ上の高圧ガスを維持し、駆動ピストン５ａを下方に維持している。

６：圧力がＰｌまで下がった後、Ｖ４ｂが開き、駆動ピストン上下の圧力差でディスプレーサが上部に向かって引き寄せられる。

３：ディスプレーサが上部に到達する前にＶ２が閉じ、温かいガスが下端まで移動して圧力が上昇するとともに、ディスプレーサが上部までの残りの部分を移動する。

４：Ｖ１が開き、圧力が高圧のＰｈまで上昇する。なお、Ｖ４ｂはまだ開いており、これにより駆動ピストンがディスプレーサを上部に維持している。

７：Ｖ１が閉じ、ディスプレーサが下部に移動して圧力が下がり、ガスが冷端から温端に移動する。

このサイクルには、３つの原理がある。第１の原理は、バルブＶ１及びＶ２が圧力を切り換えると、駆動ピストンの上側の圧力がディスプレーサを上又は下に保持することである。第２の原理は、高圧又は低圧に達した後に駆動ピストンの上側の圧力を切り換えること、第３の原理は、ディスプレーサが上部又は下部に達する前にバルブＶ１及びＶ２を閉じることである。ここで、昇温ライン１８ｂを冷却ライン１８ａから９０度以上離れた位置に配置できるので、Ｖ２をＶ１より長く開き、Ｖ１をＶ２の後に９０度以上開くことによって冷却サイクルを最適化しても、昇温サイクルに悪影響がない点が重要である。

システム３００のバルブ開閉タイミングは、システム１００の場合と同じであってもよい。この場合、駆動ピストン５ｂの上下の圧力を同時に切り換える必要があるため、システム２００のバルブ及びバルブ開閉タイミングの表現は、より対称性が高い。したがって、良好な冷却サイクルと良好な昇温サイクルのバランスをとるために妥協が必要である。

特許請求の範囲は、引用された特定の構成要素に限定されるものではない。例えば、直線的に作動するように示されている切換バルブ１は、回転的に作動するバルブと置き換えることができる。第２の半径に位置する昇温ポートは、これに代えて第３の半径の位置に設けてもよい。また、機械設計を簡略化するために最適ではない動作限界を含むことも、これらの請求の範囲に含まれる。本明細書で使用する用語及び説明は、例示のみを目的とし、発明を限定する意図はない。本発明及び本明細書に記載された実施形態の思想及び範囲内で、多くの変形が可能であることは当業者にとって明らかである。

１ 切換バルブ
１ａ リニアアクチュエータ
１ｂ スプール
２ ロータリーバルブ
３ 切換バルブ
３ａ ロータリーアクチュエータ
３ｂ スプール
４ ロータリーバルブ
４ａ バルブディスク
４ｂ バルブシート
５ａ 駆動ピストン
５ｂ 駆動ピストン
６ａ 駆動ピストンシリンダ
６ｂ 駆動ピストンシリンダ
７ 駆動ステム
８ ステムスリーブ
９ ライン
９ａ 入口バルブ
９ｂ 出口バルブ
１０ａ 第１の半径
１０ｂ 第１の半径
１１ａ 第２の半径
１１ｂ 第２の半径
１２ａ 容積
１２ｂ 容積
１３ａ 緩衝容積
１３ｂ 容積
１５ コンプレッサ
１６ ライン
１６ａ スロット
１７ ライン
１７ａ スロット
１８ ライン
１８ａ ライン
１８ｂ ライン
２０ａ ディスプレーサ
２０ｂ ディスプレーサ
２１ａ ディスプレーサ本体
２１ｂ ディスプレーサ本体
２２ａ 再生器
２２ｂ 再生器
２３ 温端のポート
２４ 冷端のポート
２５ 容積
２６ 容積
２７ シール
２８ シール
２９ａ 空気圧アクチュエータ
２９ｂ 空気圧アクチュエータ
３０ シリンダ
３０ｂ シリンダ
３１ シール
４０ バルブモータ
４１ モータシャフト
４２ ピン
４４ スロット
４５ 第２の半径
４６ 第１の半径
５０ 熱交換器
１００ 極低温冷凍システム
２００ 極低温冷凍システム
３００ 極低温冷凍システム

Claims (14)

1. コンプレッサから第１の圧力でガスを受け取り、第２の圧力でガスを戻す極低温エキスパンダであって、前記極低温エキスパンダは、
   空気圧で駆動され、往復運動するディスプレーサアセンブリと、
   冷却及び昇温をそれぞれ生じさせる冷却モード及び昇温モードを提供する能力を有するバルブアセンブリと、
   を備え、
   前記ディスプレーサアセンブリは、
   ディスプレーサシリンダ内で前記ディスプレーサシリンダの温端と冷端の間を往復するディスプレーサであって、前記ディスプレーサシリンダ内に温間変位容積と冷間変位容積とを生成し、ガスが再生器を介して温間変位容積と冷間変位容積の間に流れる前記ディスプレーサと、
   前記ディスプレーサの温端に取り付けられ、ステムスリーブを介して延びる駆動ステムと、
   上部及び下部を有する駆動ピストンであって、前記駆動ピストンの下部が前記駆動ステムの上端に取り付けられ、駆動ピストンシリンダ内で往復運動し、前記駆動ピストンは、前記駆動ステムより大きな直径を有し、前記駆動ピストンは、前記駆動ピストンの上側の上部容積と前記駆動ピストンの下側の下部容積を分離する前記駆動ピストンと、
   を備え、
   前記バルブアセンブリは、
   バルブシートであって、前記バルブシートは、前記ディスプレーサシリンダ又はバルブアクチュエータに接続する第１の半径に位置するポート、前記駆動ピストンシリンダに接続する第２の半径に位置するポート、及び前記第２の圧力で前記コンプレッサに接続する中央ポートを有する前記バルブシートと、
   前記バルブシートの上で回転するバルブディスクであって、前記バルブディスクは、前記第１の圧力及び前記第２の圧力で前記ガスを前記第１の半径及び前記第２の半径に位置するポートに交互に接続するスロットを備え、前記第２の半径に位置するポートは、冷却ポート及び昇温ポートを備え、前記バルブディスクの回転方向は一定である前記バルブディスクと、
   前記第２の半径に位置する前記ポートと前記駆動ピストンの上側の前記上部容積との間に設けられた切換バルブであって、前記冷却ポート又は前記昇温ポートを前記駆動ピストンの上側の前記上部容積に接続し、前記冷却モード又は前記昇温モードのいずれかを提供するように構成された前記切換バルブと、
   を備えることを特徴とする極低温エキスパンダ。
2. 前記切換バルブは、前記エキスパンダが前記冷却モードであるとき、前記昇温ポートを前記駆動ピストンの下側の前記下部容積に接続し、前記エキスパンダが前記昇温モードであるとき、前記冷却ポートを前記駆動ピストンの下側の前記下部容積に接続するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の極低温エキスパンダ。
3. 前記切換バルブは、前記エキスパンダが前記冷却モードであるとき、前記冷却ポートを前記駆動ピストンの上側の前記上部容積に接続し、前記エキスパンダが前記昇温モードであるとき、前記昇温ポートを前記駆動ピストンの上側の前記上部容積に接続するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の極低温エキスパンダ。
4. 前記切換バルブは、前記昇温ポート及び前記冷却ポートの前記駆動ピストンの下側の前記下部容積への接続を回転的に切り替えるように構成されたスプールを備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の極低温エキスパンダ。
5. 前記切換バルブは、前記エキスパンダが前記冷却モードであるときは、前記冷却ポートのみが前記駆動ピストンの上側の前記上部容積と流体連通し、前記エキスパンダが前記昇温モードであるときは、前記昇温ポートのみが前記駆動ピストンの上側の前記上部容積と流体連通するように構成されていることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の極低温エキスパンダ。
6. 前記切換バルブは、前記冷却ポート及び前記昇温ポートの前記駆動ピストンの上側の前記上部容積との連通を直線的に切り換えるように構成されたスプールを備えることを特徴とする請求項５に記載の極低温エキスパンダ。
7. 前記冷却ポート及び前記昇温ポートを前記駆動ピストンの上側の前記上部容積にそれぞれ接続するラインが異なる流動インピーダンスを有することを特徴とする請求項５又は６に記載の極低温エキスパンダ。
8. 前記切換バルブは、
   前記冷却ポート又は前記昇温ポートのいずれかを前記駆動ピストンの上側の前記上部容積に接続するためのスプールと、
   前記スプールを直線的又は回転的に作動させるためのアクチュエータと、
   を備えることを特徴とする請求項１～７のいずれかに記載の極低温エキスパンダ。
9. 直線的に作動させる前記アクチュエータは、前記切換バルブによる圧力降下を制御して、前記ディスプレーサが上下動する速度を制御するように構成されていることを特徴とする請求項８に記載の極低温エキスパンダ。
10. 直線的に作動する前記アクチュエータは、前記切換バルブの開度を制御して前記圧力降下を制御するように構成されていることを特徴とする請求項９に記載の極低温エキスパンダ。
11. 前記ディスプレーサは、冷却時及び昇温時に前記ディスプレーサが他端に向かって移動する前に、前記圧力が前記第１の圧力又は前記第２の圧力に達するまで、ディスプレーサシリンダの温端又は冷端に留まることを特徴とする請求項１～１０のいずれかに記載の極低温エキスパンダ。
12. 前記第１の半径に位置する前記ポートは、前記ディスプレーサシリンダの前記温間変位容積に接続されていることを特徴とする請求項１～１１のいずれかに記載の極低温エキスパンダ。
13. 前記ディスプレーサアセンブリは、前記ディスプレーサシリンダの前記冷間変位容積に接続された冷間入口バルブ及び冷間出口バルブを更に備え、
    前記第１の半径に位置する前記ポートは、前記バルブアクチュエータに接続されており、
    前記バルブアクチュエータは、前記コンプレッサの前記第１の圧力に接続されているときに前記入口バルブを開く第１のバルブアクチュエータを備え、
    前記バルブアクチュエータは、前記コンプレッサの前記第１の圧力に接続されているときに前記出口バルブを開く第２のバルブアクチュエータを備えることを特徴とする請求項１～１２のいずれかに記載の極低温エキスパンダ。
14. 前記昇温ポートは、前記冷却ポートよりも前記第１の半径に位置する前記ポートの１つに近い位置に配置されていることを特徴とする請求項１～１３のいずれかに記載の極低温エキスパンダ。

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