CryoTel Cryocooler よくあるご質問

  1. CryoTel® クライオクーラーの主要部品はなんですか?
  2. クライオクーラーはどのように動作するのですか?
  3. リフトとは何ですか?
  4. 除去温度とは何ですか?
  5. インテグラル クライオクーラーとは何ですか?
  6. スプリット クーラーとは何ですか?
  7. どのようにクーラーを制御しますか?
  8. クライオクーラーの他に何が必要ですか?
  9. 耐用年数はどれくらいですか?
  10. メンテナンスは必要ですか?
  11. どれくらいの電源が必要ですか?
  12. 最低電力レベルはありますか?
  13. 気体ベアリングとは何ですか?
  14. どうしたらクライオクーラーが壊れてしまいますか?
  15. 振動を減らすにはどうしたらよいですか?
  16. パーセント カルノーとはなんですか?
  17. MTTFとはなんですか?
  18. ジェネレーション II / ジェネレーション 2 コントローラーは何が新しいのですか?
  19. システムを真空状態で使用できますか?
  20. クライオクーラーが耐えることのできる最高温度は何度ですか?
  21. クライオクーラーには何段ありますか?
  22. パッシブ バランサーとは何ですか?
  23. デュアル周波パッシブ バランサーとは何ですか?
  24. CryoTel® クライオクーラーには特別な取り付け要件はありますか?
  25. 温度で、安定状態での熱負荷が低いのです。冷却時間を短縮するために、高い機能のクライオクーラー使うことは可能ですか?
  26. クライオクーラーの直径の大きい場所が、触れないほど熱くなります。これは問題ですか?
  27. クーラーには何が含まれていますか?
  28. Cryocooler は 国際交通軍事規制 (International Traffic and Arms Regulation: ITAR) で管理されていますか?
  29. カスタムのコールドチップを入手することは可能ですか?
  30. クライオクーラーとコントローラーは、CE 認証されてますか?

1. CryoTel® クライオクーラーの主要部品はなんですか?

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2. クライオクーラーはどのように動作するのですか?

簡単に説明すると以下の通りです:
スターリング クライオクーラーは、スターリングサイクルを利用して、電気をコールドチップから熱遮断器に向かう熱の動きに変換します。電気はリニアモーターを通じてピストンの動きに変換され、これがシステムのダイナミクスによって、ディスプレーサを動かし、ピストンとディスプレーサの間のスターリング サイクルとなります。

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スターリング サイクルは、60 回/秒発生します。その結果、CryoTel® のコールドチップは真空で負荷なしに 40K (-233°C、または -387 °F) まで温度が下がります。

詳しく知りたい場合には:
熱力学の本や、インターネットを参照してみると、スターリング サイクルや、他の冷却方法、たとえば、ジュール-トムソン、ギフォード-マクマホン、希釈冷凍機などについての情報を沢山みつけることができますので、そちらを参照してください。

3. リフトとは何ですか?

リフトとは、クライオクーラーが一定の温度を維持するために、コールドチップから熱を取り除く能力のことです。たとえば、CryoTel® CT @ 77K の広告でお知らせしているリフトは 11Wです。これはつまり、お客さまは 11W の負荷をかけることができ、クライオクーラーはなおコールドチップと負荷の温度を 77K で維持するという意味です。

以下は、広告しているCTの公称性能です。

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この曲線には、このアプリケーションのエンジニアにとって重要ないくつかの側面があります。右下は除去温度凡例です。これはクライオクーラーにおける熱遮断温度に対する表です。熱遮断器は、クライオクーラーからコールドチップからの熱が除去される場所にあります。この熱を除去するには、お客さまはエアフィン、ウォーター ジャケット、または伝導熱除去などが利用できます。

コールドチップの温度 (ケルビン) は、X軸の下部に記されています。 リフトはワットで、Y軸です。エンジニアは、希望するコールドチップ温度を見て、それから、推定除去温度カーブを読んで、クライオクーラーのリフトを見つけます。望むコールドチップ温度を維持しながら、クライオクーラーが何ワットの熱負荷に耐えられるかを教えてくれます。 線の太さは、クライオクーラーの性能の製造上の可変性を示しています。

4. 除去温度とは何ですか?

熱除去装置は、コールドチップからの熱を除去する場所にあります。お客さまは、エアフィン、ウォーター ジャケット、伝導熱除去など利用することができます。エアフィンを使用する場合、除去温度は、周囲よりも大きくなりまります。部屋の温度が 28°C の場合、エアフィン熱除去は 約 35°C になります。もしお客さまがウォーター ジャケットを利用する場合には、熱除去器は水温よりも少しあたたかくなります (2〜5 °C) 。除去温度が低いほど、ある時点までクライオクーラーはより良く機能します。お客さまが CryoTel 商品群で利用できる最低除去温度は約 10°C です。 これよりも低い温度も可能ですが、クーラーの性能を最適化するために調整が必要となりますので、Sunpower社の エンジニアリング サポートまでお問い合わせくださるのが一番です。

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5. インテグラル クライオクーラーとは何ですか?

インテグラル クライオクーラーは、コンプレッサー (または圧力波発生装置) とディスプレーサ (またはコールドヘッド) を、二重シリンダーボアに組み入れたものです。以下はインテグラル クライオクーラーの例です。

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6. スプリット クーラーとは何ですか?

スプリット クーラーとは、分離したコールドヘッドがコンプレッサーに接続、またはトランスファーチューブによって圧力波発生器に接続されています。以下がスプリット クライオクーラーの例です。

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7. どのようにクーラーを制御しますか?

Tクライオクーラー コントローラーには 2 つの動作モードがあります。温度コントロール モードと、電力コントロール モードです。温度コントロール モードでは、ユーザーは希望のコールドチップ温度を入力することで、コントローラーはその温度を維持しようとします。電力コントロール モードでは、ユーザーは希望するクライオクーラー電力レベルを入力することで、コントローラーはそのレベルを維持します。クライオクーラーは RTD 温度センサー (付属品) を利用して、コントロールします。RTD は、クライオクーラーのコールドチップまたは、そのごく近くに配置する必要があります。

8. クライオクーラーの他に何が必要ですか?

アプリケーションによります。ほとんどのお客さまは、ウォーター ジャケットまたはエアフィンのいずれかでクライオクーラーを冷やす必要があります。両方とも、固定式と取り外し式のオプションがあります。中には、クライオクーラーのクーリングシステムを設計するお客さまもいますが、熱力学の知識のある上級ユーザー向けです。 クライオクーラー クーリングの量は、クライオクーラーの入力電力と等しくする必要があります。

ほとんどのお客さまはまた、デュアー瓶または冷却器にクライオクーラーを装着するために真空フランジが必要です。CryoTel® オプションについての詳細は、 こちら をクリックしてください。.

9. 耐用年数はどれくらいですか?

現在の初期故障までの平均時間 (MTTF) は 200,000時間超、約23年ですが、Cryocooler の設計耐用年数は 5 年で、これが推奨耐用年数です。MTTFの詳細については、19番をご覧ください。

10. メンテナンスは必要ですか?

クライオクーラーのコンポーネントは、溶接した圧力容器に収められているので、それらを取り出すことができません。クライオクーラーにメンテナンスの必要はありません。冷却フィンのついているユニットのエアフィンにはゴミが付かないようにしてください。

11. どれくらいの電源が必要ですか?

MT および CT モデルは、24VDC の入力電力が必要です。GT は 48 VDC の電力が必要です。

12. 最低電力レベルはありますか?

はい、クライオクーラーは非接触オペレーションの気体ベアリングを使用しています。気体ベアリングは、最低限の電力レベルで非接触を維持するための圧力を作り出します。この最低限の電力レベルは、コールドチップ温度の機能なのです。つまり、コントローラーは常に温度センサーを監視し、最低限の電力を維持します。コントローラーへの最低入力電力は以下の通りです。

  • GT – 70W
  • CT – 60W
  • MT – 30W

13. 気体ベアリングとは何ですか?

気体ベアリングとは非接触のシステムで、気体のフィルムが相対運動をしている2つの表面を分離する減摩剤の役割をします。気体ベアリングは、パックが空気の層で支えられているエアホッケーテーブルと同じ様な仕組みです。座標測定機 (CMM) のような高度な精密測定機器は、気体ベアリングを利用して高い精度と正確さを可能な限り保っているのです。

14. どうしたらクライオクーラーが壊れてしまいますか?

以下のことは決してしないでください。

  • コールドフィンガーを持ってクライオクーラーを持ち上げる。
  • コールドチップの上にクライオクーラーがくるように置く。
  • コールドフィンガーがへこむようなことを行なう。僅かなへこみで、ユニットが動作しなくなる可能性があります。
  • 圧力容器にドリルで穴をあける、または他の方法で穴をあける、また改造をする。
  • 適した冷却なしでユニットを動かす。熱は、クライオクーラーの銅製熱除去エリアから除去しなければなりません 外部冷却フィンが備えられているクーラーであれば、空気はフィンの上を強制的に通るようにし、流路を妨げてはなりません。
  • 穴などは銅製供給チューブを破損します。
  • 電気フィードドスルーに機械的ストレスを与えること。つまり、軸方向、放射状の動き、打撃などです。
  • クーラーを、バランス吸収装置取り付けボルトから浮いているようなかたちで取り付ける。
  • 圧力容器に締め付け圧力を加える。
  • 銅製供給チューブの端にあるコールドウェルドの保護カバーを外す。カバーに打撃を与える。
  • コントローラーとクライオクーラーの間の電源ケーブルを新たに繋いだり切ったりして、クライオクーラーへの電力を制御する。

15. 振動を減らすにはどうしたらよいですか?

クライオクーラーの振動を減らすにはいくつかのステップがあります。

  • 振動分離器を使って、クライオクーラーを分離する。
  • 銅編組線を使って、コールドチップを負荷から分離する。
  • パッシブ吸収器をその場の値に調整する。詳しくは、Sunpower社にお問い合わせください。
  • デュアル周波パッシブ バランサーを使用する。この機器は、120 Hz 高調波を低減するように設計されています

16. パーセント カルノーとはなんですか?

冷却に対するカルノー サイクルは、理論的熱力学のサイクルで、与えた作業量によって温度差を作り出すための最も効率的な サイクルを表現しようとしたものです。

1823年、 ニコラ・レオナール・サディ・ カルノーの理論で、2 つの蓄熱体の間で作動するエンジンで、カルノー サイクルを使って 2 つの同様の貯蔵体との間で作動するエンジンに勝るものはない、とういうものです。

クライオクーラーについては、2 つの蓄熱体は、コールドチップと熱除去装置です。カルノー サイクルの効率性は:

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Qcold が冷たい貯蔵体のエネルギー、 Qhot が熱い貯蔵体のエネルギー、W は、システムに対して行なわれた作業とします。 貯蔵体のエネルギーは温度と比例しているので、Q を T に変換することはできますが、すべての単位をケルビンにするには注意が必要です。

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クライオクーラーは、カルノー サイクルを使ったクライオクーラーより効率的ではありませんから、クライオクーラーの効率は、カルノー効率のパーセンテージとして与えられます。 クライオクーラーのカルノー効率を % で測定する式は、以下の通りです。

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Thus, the overall equation for % Carnot efficiency is:

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To determine the % Carnot efficiency for a CryoTel  CT all we need is the performance curve given earlier. The Thot=35°C (35+273=308K), Tcold=77K. Pinput=160 Watts for the CryoTel CT, and lift = 10W.

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17. MTTFとはなんですか?

MTTF が何をさすかを理解する前に、 まずは、関連する用語 MTBF をみてみましょう。MTBF または 平均故障時間 (Mean Time Between Failures:MTBF) は、故障したシステムはすぐに修理されると通常仮定したモデルで、運用中のシステムの固有の故障の間の予測経過時間を予測したものを指します。これは、故障までの平均時間 (Mean Time To Failure :MTTF) をは対照的で、故障したシステムは修理されない、またはできないという仮定のもと、故障までの平均時間を測定します。クライオクーラーの製造および組み立ての性格上、固有の故障の後の修理ができないので、クライオクーラーの信頼性を示す標準的業界用語は MTTF となります。

クライオクーラーの故障の可能性についての統計的説明は、以下の故障率曲線に示されています。

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クライオクーラーは、ミクロン (1m の 0.000001、または .0002”) 以内のコンポーネントに依存している精密機械なので、初期故障期という時期があります。クライオクーラーの一部が許容バンド内にないためで、クライオクーラーがすぐに故障する原因になります。Sunpower 社はクライオクーラーにバーンイン期間をもうけ、クーラーをある期間連続運用して初期故障を見つけ出し、初期不良のあったクーラーは製品ラインから外します。Sunpower 社は、製造工程の十分な経験から、初期故障の原因を排除していますので、初期故障の原因をみとめることはありません。しかし、弊社は品質保証と試験プロセスの一貫として、今でもクライオクーラーにバーンイン期間を設けています。

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よって、MTTF は、クライオクーラーの全体の故障メカニズムが働いて、製造されたクライオクーラー全体が一致して故障する期間ということです。今日まで、CryoTel クライオクーラーの全般的な故障のメカニズムの究極的な時間については わかっていません。インライン CryoTel 製品の公式 MTTF は、200,000 時間 (23 年超) です。この値は独立第三者機関が、お客さまからの返品、および社内試験から得たデータに基づいたトレーニングの範囲を超える、統計方法を使用して算出したものです。

18. ジェネレーション II / ジェネレーション 2 コントローラーは何が新しいのですか?

ジェネレーション II コントローラーは、ジェネレーション I の入力と比較して、より多くの正弦シグナルをクライオクーラーに入力します。 この結果、より音が小さく、アプリケーションによってはクライオクーラーの振動も小さくなります。

ジェネレーション 2 コントローラーもまた、以下のような追加の機能があります。

  • リモートでのスタート/停止: ユーザーは、ハードウェア スイッチを挿入して、クライオクーラーのスタート、停止ができます。お客さまは、サーモスタットを挿入して、冷却機構が故障した場合にクライオクーラーを停止して、損傷を防ぐことができます。また、別のコントロール ループを利用してイ、システムのニーズに従ってクライオクーラーをオン、オフすることもできます。
  • 最高電力限界: ユーザーは、クライオクーラーへの最大電力を制限することができます。
  • 最小電力: ユーザーは、クーラーへの最小電力を設定することができます。気体ベアリングに必要な最小電力は、ユーザーが設定した最小電力をオーバーライドすることに注意してください。
  • 温度コントロール ループの定数の変更: 上級ユーザーは、システムのダイナミクスとより適合するように、温度コントロール ループの定数を変更することができます。
  • パスワード ロック: ユーザーは、コントローラーのパラメーター変更には必ずパスワードを使用するよう要求することができます。

19. システムを真空状態で使用できますか?

クライオクーラーは、問題なく真空状態でも作動します。しかし、コントローラーは、真空で評価されてない蓄電器があり、爆発する可能性がありますので、コントローラーは真空での使用が認められていません。

20. クライオクーラーが耐えることのできる最高温度は何度ですか?

クライオクーラーの環境仕様は、-40°C から 60°C です。

21. クライオクーラーには何段ありますか?

Sunpower 社クライオクーラーは1つの段を使用しています。

22. パッシブ バランサーとは何ですか?

パッシブ バランサーは (または受動吸収器) は、クライオクーラーがお客さまのシステムに振動の形で分散させるエネルギーを吸収するよう設計されています。パッシブ バランサーは、クライオクーラーのピストンが動かされている周波数、60Hz でエネルギーを吸収するように最適化されています。エネルギーを吸収して、パッシブ バランサーはバランサーが調整/最適化された周波数で、システム全体の振動の低減するのを助けます。

パッシブ バランサーを、お客さまのシステムに合わせて、ユニットの性能を最適化することもできます。パッシブ バランサーをその場の値に調整する方法については、Sunpower 社にお問い合わせください。

23. デュアル周波パッシブ バランサーとは何ですか?

デュアル周波パッシブ バランサーとは、プライマリーの 60Hz パッシブ バランサーの内部に置かれている他のパッシブ バランサーのことです。デュアル周波パッシブバランサーは、60Hz に加えて、120 Hz でもエネルギーを吸収するように 調整されています。

24. CryoTel® クライオクーラーには特別な取り付け要件はありますか?

CryoTel® クライオクーラーには、取り付けにいくつかのオプションが用意されています。クーラー本体のネジ穴模様は、取り付け組込みを意図したものです。クーラーは、冷却器フランジを使って、垂直方向にも、水平方向にも、フランジからクライオクーラーの片側を支えるようにシステムに取り付けることができます。注意: クライオクーラーの本体にストレスを生じるような方法でシステム構造にクライオクーラーを固定しないよう、必ず注意を払ってください。

25. 温度で、安定状態での熱負荷が低いのです。冷却時間を短縮するために、高い機能のクライオクーラー使うことは可能ですか?

CryoTel® クライオクーラーには、最小電力運用しきい値があります。 コントローラーが最低レベルを確立すると、クライオクーラーにそれ以下での運用を許しません。これは、動く部品に使われている気体ベアリングシステムを維持するために必要なことなのです。もし、ターゲット温度でのクライオクーラー モデルの最小冷却電力 (リフト) が、ユーザーのデバイスの熱負荷よりも大きいと、ターゲット温度を維持することができません。負荷温度は、熱負荷とクライオクーラーのリフトとの間で平衡状態に達するまで徐々に下がってしまいます。このような状況の場合、お客さまは負荷にヒーターを追加することができます。

26. クライオクーラーの直径の大きい場所が、触れないほど熱くなります。これは問題ですか?

この場所のことを、クライオクーラーの「バック エンド」と呼んでいます。この場所にモーターが収容されています。クライオクーラーは、バック エンドが 80ºC 以下であれば、クライオクーラーに損傷を与えることなく無期限に動作することができます。 しかし、温度が 80°C を超えると、クライオクーラーの性能に温度の影響がでてきます。可能であれば、バックエンドに、エアフロー、伝導、または液体など何かしらのアクティブ冷却を準備することを推奨します。 クライオクーラーから熱を除去する方法については、Sunpower社のエンジニアリング、 info@sunpowerinc.com までお問い合わせください。

27. クーラーには何が含まれていますか?

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上にお見せしているのは、クライオクーラーをお買い上げになると含まれているものの写真です。

  1. クライオクーラー (写真ではオプションのウォーター ジャケットも)
  2. コントローラー – クーラーをコントロールします
  3. RTD 温度センサー – コールドチップ、または負荷装置のコールドチップに非常に近いところに装着します。
  4. 電源ケーブル- クーラーとコントローラーを繋ぎます。
  5. シリアル ケーブル – コントローラーと PC を繋ぎます。
  6. 温度センサー インターフェイス- RTD 温度センサーをコントローラーに接続します。

28. Cryocooler は 国際交通軍事規制 (International Traffic and Arms Regulation: ITAR) で管理されていますか?

Sunpower 社クライオクーラーの輸出は、米国と共同で管理しています。米国国務省 – 国防貿易管理局 (Directorate of Defense Trade Controls) および 商務省産業安全保障局 (Bureau of Industry and Security U.S.)。 ITAR は、製品の技術情報を管理しています。以下を含みますが、これに限定されるものではありません。

  • 図面データ
  • 製造情報

クライオクーラー自体は、商務省が管理しており、ECCN 番号は、6A002.D.2.A.です。輸出許可が必要な国があります。どの国に輸出許可が必要かを判断するには、米国商務省国カントリーチャート (Supplement No. 1 から 738) を参照し、問題の国名の横のセルに “X” マークがあれば、列認識子 “NS2” または “AT1” を確認してください。もしそれらがあれば、輸出許可が必要です。

29. カスタムのコールドチップを入手することは可能ですか?

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はい。 難易度による追加料金をいただいて、コールドチップ (またはアクセプター) の設定変更をお客さまができるようなサービスを Sunpower 社は提供しています。カスタムコールドチップによって、クライオクーラーのリードタイムも延びることになります。

30. クライオクーラーとコントローラーは、CE 認証されてますか?

コントローラーもクライオクーラーも、直接壁のコンセントにプラグで接続することはありませんので、CE 認証の対象外です。コントローラーとクライオクーラーは、お客さまの製品の一部として、CE認証を受けています。