(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと；
前記ハウジング内の第１のアクチュエータであって、前記第１のアクチュエータは、少なくとも１つの第１のボイスコイルおよび少なくとも１つの第１の磁気回路を含み、前記第１のアクチュエータの前記少なくとも１つの第１のボイスコイルは、コンプレッサピストンを駆動するように構成され、前記第１のアクチュエータは、前記コンプレッサピストンを駆動するとき、前記ハウジングに振動を引き起こすように構成される、第１のアクチュエータと；
前記ハウジング内の第２のアクチュエータであって、前記第２のアクチュエータは、少なくとも１つの第２のボイスコイルおよび少なくとも１つの第２の磁気回路を含み、
前記第２のアクチュエータの前記少なくとも１つの第２のボイスコイルは、前記コンプレッサピストンを駆動することによって生じる前記ハウジングへの前記振動を低減するようバランス機構を駆動するように構成される、第２のアクチュエータと；を有し、
前記コンプレッサピストンは、前記コンプレッサピストンの少なくとも一部が前記バランス機構の少なくとも一部を囲むように、前記バランス機構の少なくとも一部の周りに同心に配置されている、
極低温クーラ。
【請求項２】
前記第２のアクチュエータの前記少なくとも１つの第２のボイスコイルは、前記第１のアクチュエータの前記少なくとも１つの第１のボイスコイルに対する機械的に独立した動きのために取り付けられている、
請求項１に記載の極低温クーラ。
【請求項３】
前記ハウジング内の第３のアクチュエータであって、少なくとも１つの第３のボイスコイルおよび少なくとも１つの第３の磁気回路を含み、ディスプレーサピストンを駆動するように構成される、第３のアクチュエータをさらに有し、
前記第３のアクチュエータの前記少なくとも１つの第３のボイスコイルは、前記第１のアクチュエータの前記第１のボイスコイルおよび前記第２のアクチュエータの前記第２のボイスコイルに対する機械的に独立した動きのために取り付けられている、
請求項１又は２に記載の極低温クーラ。
【請求項４】
前記コンプレッサピストンおよび前記バランス機構は、前記ハウジングの中心と同心である、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の極低温クーラ。
【請求項５】
前記少なくとも１つの第１、前記少なくとも１つの第２、又は前記少なくとも１つの第３の磁気回路のうちの１つ又は複数は、ハルバッハ配列に配置された複数の磁気要素を含む、
請求項３に記載の極低温クーラ。
【請求項６】
ディスプレーサピストン、前記コンプレッサピストン、および前記バランス機構は、前記ハウジングの中心と同心である、
請求項１又は２に記載の極低温クーラ。
【請求項７】
前記バランス機構は、前記ディスプレーサピストンの少なくとも一部の周りに同心に配置されている、
請求項６に記載の極低温クーラ。
【請求項８】
前記コンプレッサピストンおよび前記バランス機構は、前記ハウジングの中心と同心であり、前記バランス機構は、イナータンスチューブの少なくとも一部の周りに同心に配置されている、
請求項１に記載の極低温クーラ。
【請求項９】
ハウジングと；
流体を圧縮するように構成されるコンプレッサピストンと；
前記コンプレッサピストンを駆動するように構成されるモータであって、前記モータは、少なくとも１つの第１のボイスコイルおよび少なくとも１つの第１の磁気回路を含み、前記モータの前記少なくとも１つの第１のボイスコイルは、前記コンプレッサピストンを駆動するように構成され、前記モータは、前記コンプレッサピストンを駆動するとき、前記ハウジングに振動を引き起こすように構成される、モータと；
少なくとも１つの第２のボイスコイルおよび少なくとも１つの第２の磁気回路を含むバランスアクチュエータであって、前記バランスアクチュエータの前記少なくとも１つの第２のボイスコイルは、前記コンプレッサピストンを駆動することによって生じる前記ハウジングへの前記振動を低減するようバランス機構を駆動するように構成される、バランスアクチュエータと；を有し、
前記コンプレッサピストンは、前記コンプレッサピストンの少なくとも一部が前記バランス機構の少なくとも一部を囲むように、前記バランス機構の少なくとも一部の周りに同心に配置されている、
装置。
【請求項１０】
前記バランスアクチュエータの前記少なくとも１つの第２のボイスコイルは、前記モータの前記少なくとも１つの第１のボイスコイルに対する機械的に独立した動きのために取り付けられている、
請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記流体を膨張させるように構成されるディスプレーサピストンと；
少なくとも１つの第３のボイスコイルおよび少なくとも１つの第３の磁気回路を含むディスプレーサアクチュエータであって、前記ディスプレーサピストンを駆動するように構成される、ディスプレーサアクチュエータと；をさらに有し、
前記ディスプレーサアクチュエータの前記少なくとも１つの第３のボイスコイルは、前記モータの前記第１のボイスコイルおよび前記バランスアクチュエータの前記第２のボイスコイルに対する機械的に独立した動きのために取り付けられている、
請求項９又は１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記コンプレッサピストンおよび前記バランス機構は、前記ハウジングの中心と同心である、
請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
ディスプレーサピストン、前記コンプレッサピストン、および前記バランス機構は、前記ハウジングの中心と同心である、
請求項９又は１０に記載の装置。
【請求項１４】
前記バランス機構は、前記ディスプレーサピストンの少なくとも一部の周りに同心に配置されている、
請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記コンプレッサピストンおよび前記バランス機構は、前記ハウジングの中心と同心であり、前記バランス機構は、イナータンスチューブの少なくとも一部の周りに同心に配置されている、
請求項９に記載の装置。
【請求項１６】
第１の磁気回路で第１の磁束の場を生成し、第２の磁気回路で第２の磁束の場を生成するステップと；
第１のボイスコイルに選択的に通電することによって流体を圧縮するステップであって、前記第１のボイスコイルは、前記第１の磁束の場と相互作用して、前記流体を圧縮するようにコンプレッサピストンを駆動する、ステップと；
第２のボイスコイルに選択的に通電することによって、前記の圧縮によって引き起こされる振動を低減するステップであって、前記第２のボイスコイルは、前記第２の磁束の場と相互作用して、前記第１のボイスコイルまたは前記第１の磁気回路の動きを補償するようにバランス機構を駆動する、ステップと；を含み、
前記コンプレッサピストンは、前記コンプレッサピストンの少なくとも一部が前記バランス機構の少なくとも一部を囲むように、前記バランス機構の少なくとも一部の周りに同心に配置されている、
冷却方法。
【請求項１７】
前記第２のボイスコイルは、前記第１のボイスコイルに対する機械的に独立した動きのために取り付けられている、
請求項１６に記載の冷却方法。
【請求項１８】
前記コンプレッサピストンおよび前記バランス機構は、互いに同心である、
請求項１６に記載の冷却方法。
【請求項１９】
前記第１の磁気回路又は前記第２の磁気回路のうちのすくなくとも１つは、ハルバッハ配列に配置された複数の磁気要素を含む、
請求項１６に記載の冷却方法。
【請求項２０】
第３のボイスコイルおよび第３の磁気回路を使用してディスプレーサピストンを駆動するステップをさらに含む、
請求項１６に記載の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、電磁アクチュエータを対象にする。より具体的には、本開示は、同心移動機構を持つクライオクーラを対象にする。
【背景技術】
【０００２】
クライオクーラ（cryocooler）は、種々の構成部品を極低温に冷却するためにしばしば使用される。例えば、クライオクーラは、異なる宇宙及び航空用の撮像システム内の焦点面アレイを冷却するために使用することができる。パルスチューブクライオクーラ及びスターリングクライオクーラなどの、異なる設計を有する様々なタイプのクライオクーラがある。
【０００３】
パルスチューブクライオクーラは、典型的にはコンプレッサ移動機構を含み、スターリングクライオクーラは、典型的には、コンプレッサ、ディスプレーサ（displacer）、及びバランサ（balancer）移動機構（moving  mechanisms）を含む。両タイプのクライオクーラでは、これらの移動機構は、しばしば、全体的な移出される力とトルク（exported  forces  and  torques）（ＥＦＴ）を最小にするために動的にバランスされる。インラインクーラ（inline  cooler）構造は、機構の数を減少させ（２つではなく１つのコンプレッサ）、結果として、クライオクーラの全体的なサイズおよび質量を減少させる。この構造は、２つ（パルスチューブ）または３つ（スターリング）の独立した機構を必要とする。これらの機構をコンパクトかつ低質量でパッケージングすることは、課題である。
【０００４】
パルスチューブクーラは、サイズと質量を小さくするためにディスプレーサ及びバランサ機構を除去するが、能動的にバランスされたスターリングクーラよりも高いＥＦＴも有する。また、あるスターリングクーラは、１つのコンプレッサピストンを除去した結果、本質的にアンバランスな設計となり、必要に応じてパッシブバランサを追加してＥＦＴを低減している。
【発明の概要】
【０００５】
本開示は、同心移動機構を持つクライオクーラを提供する。
【０００６】
第１の実施形態では、極低温クーラ（cryogenic  cooler）が、ハウジング、並びにハウジング内の第１および第２のアクチュエータを含む。第１のアクチュエータは、少なくとも１つの第１のボイスコイルおよび少なくとも１つの第１の磁気回路を含み、第１のアクチュエータの少なくとも１つの第１のボイスコイルは、コンプレッサピストンを駆動するように構成され、前記第１のアクチュエータは、コンプレッサピストンを駆動するとき、ハウジングに振動を引き起こす。第２のアクチュエータは、少なくとも１つの第２のボイスコイルおよび少なくとも１つの第２の磁気回路を含み、第２のアクチュエータの少なくとも１つの第２のボイスコイルは、コンプレッサピストンを駆動することによって生じるハウジングへの振動を低減するように構成される。
【０００７】
第２の実施形態では、装置が、ハウジングと、流体を圧縮するように構成されるコンプレッサピストンと、コンプレッサピストンを駆動するように構成されるモータとを含む。モータは、少なくとも１つの第１のボイスコイルおよび少なくとも１つの第１の磁気回路を含み、モータの少なくとも１つの第１のボイスコイルは、コンプレッサピストンを駆動するように構成され、モータは、コンプレッサピストンを駆動するとき、ハウジングに振動を引き起こす。バランスアクチュエータが、少なくとも１つの第２のボイスコイルと、少なくとも１つの第２の磁気回路とを含み、バランスアクチュエータの少なくとも１つの第２のボイスコイルは、コンプレッサピストンを駆動することによって生じるハウジングへの振動を低減するように構成される。
【０００８】
第３の実施形態では、冷却方法が、第１の磁気回路で第１の磁束の場を生成し、第２の磁気回路で第２の磁束の場を生成するステップを含む。この方法はまた、第１のボイスコイルに選択的に通電することによって流体を圧縮するステップを含み、第１のボイスコイルは、第１の磁束の場と相互作用して、流体を圧縮するようにコンプレッサピストンを駆動する。この方法はまた、第２のコイルに選択的に通電することによって、圧縮によって引き起こされる振動を低減するステップを含み、第２のコイルは、第２の磁束の場と相互作用して、第１のコイルまたは第１の磁気回路の動きを補償するようにバランス機構を駆動する。コンプレッサピストンは、バランス機構の周りに同心状に形成される。
【０００９】
他の技術的特徴は、以下の図面、説明、及び特許請求の範囲から当業者には容易に明らかとなり得る。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本開示をより完全に理解するために、添付の図面と併せて以下の説明を参照する。
【００１１】
【図１】本開示に従って実施される２モジュールスターリングクライオクーラの斜視図を示す。
【図２】本開示による単一モジュールパルスチューブクライオクーラの斜視図を示す。
【図３】本開示の実施形態による、２つの同心移動機構を持つ例示的なパルスクライオクーラの断面図を示す。
【図４】本開示の実施形態による、３つの同心移動機構を持つ例示的なパルスクライオクーラの断面図を示す。
【図５】本開示による移動磁気回路を持つクライオクーラモータの断面側面図を示す。
【図６】本開示による可視磁場の描写を有するクライオクーラモータの断面側面図を示す。
【図７】本開示による、可動ボイスコイルを有するクライオクーラモータの断面側面図を示す。
【図８】本開示による３つの独立して駆動される磁気コイルを持つクライオクーラモータを有する単一モジュールスターリングサイクルクライオクーラを示す。
【図９】本開示による冷却のためのプロセスを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に説明される図１から図９、および本特許文献におい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、例示のためのものに過ぎず、如何なる方法でも本発明の範囲を限定するように解釈されるべきではない。当業者であれば、本発明の原理は、任意のタイプの適切に構成された装置またはシステムで実施することができることを理解するであろう。
【００１３】
クライオクーラは、概して、他の構成要素を、約４ケルビン、約１０ケルビン、または約２０ケルビンなどの、極低温または他の超極低温に冷却することができる装置を表す。クライオクーラは、典型的には、クライオクーラ内で流体（例えば、液体またはガス）の流れを往復させることによって動作する。流体の制御された膨張および収縮は、１つまたは複数の構成要素の所望の冷却を引き起こす。
【００１４】
図１は、本開示に従って実施される２モジュールスターリングクライオクーラ１００の斜視図を示す。図１において、スターリングクライオクーラ１００は、２つの別々の構成要素、コンプレッサ１０２およびエキスパンダ（expander）１０４を含む。コンプレッサ１０２は、膨張／圧縮冷却サイクルで使用するために電力を流れの仕事（flow  work）（しばしばＰＶ出力（PV  power）と呼ばれる）に変換する１つまたは複数の内部リニアモータを含む。各モータは、コイル電流と磁気回路によって発生される磁束との相互作用に応じて動くコイルである。膨張／圧縮冷却サイクルは、エキスパンダ１０４内で行われる。エキスパンダ１０４はまた、デュアル対向モータ（dual-opposed  motors）を含む。２つのモータのうちの１つはスターリングディスプレーサピストン（Stirling  displacer  piston）を駆動し、もう１つのモータは振動を最小限に抑えるようにディスプレーサピストンモータをバランス調整させることに特化している（dedicated  to）。
【００１５】
図２は、本開示による単一モジュールパルスチューブクライオクーラ２００の斜視図を示す。パルスチューブクライオクーラは、単一モジュールシステムまたはスターリングクライオクーラのように２モジュールシステムのいずれかとして構築することができる。パルスチューブクライオクーラ２００のコンプレッサ２０２は、スターリングクライオクーラ１００のコンプレッサ１０２と似ている。パルスチューブクライオクーラ２００の膨張サイクルは、パルスチューブクライオクーラ２００の純粋な受動エキスパンダ２０４により達成される。
【００１６】
本開示の１つまたは複数の実施形態は、スターリングおよびパルスチューブクライオクーラが、コンプレッサ、ディスプレーサ（存在する場合）、およびバランサモータのための動的にバランスのとれた機構を含むことができることを認識し、考慮する。これらの機構は、全体的なクライオクーラシステムにサイズと質量を追加する。インラインクーラ構成は、概して、機構の数を１つだけ（第２のコンプレッサピストン）減らすが、動的にバランスの取れた設計のために２つまたは３つの独立した機構を依然として必要とする。パルスチューブクライオクーラは、ディスプレーサ及び概してバランサ機構も排除し、その結果、サイズおよび質量の減少をもたらすが、移出される力およびトルク（ＥＦＴ）を増加させる。また、一部の戦術的な（tactical）スターリングクーラは、本質的にバランスの取れた機構ではない単一のピストン圧縮機を使用し、必要に応じて外部受動バランサを組み込んで、結果として生じるＥＦＴを低減する。
【００１７】
以下にさらに詳細に説明するように、本開示の実施形態は、コンプレッサおよび（存在する場合には）ディスプレーサ機構と同心状に位置決めされたバランサ機構を持つ同軸配置において、最大３つの独立した移動機構を含むモータ構造を提供する。得られるモータアセンブリは、全ての機構が単純に同軸である対応する構造よりもはるかにコンパクトである。
【００１８】
図３は、本開示の実施形態による、２つの同心移動機構を持つ例示的なパルスクライオクーラ３００の断面図を示す。クライオクーラ３００は、図２に示すような単一モジュールパルスチューブクライオクーラ２００の一例であり得る。
【００１９】
図３に示すように、クライオクーラ３００は、作動流体に繰り返しの圧力変化を引き起こす磁石３０４Ｃ〜Ｄとボイスコイル３０６Ｃ〜Ｄとの間の相互作用に基づいて、動くまたは往復するピストン３０２を有する電磁アクチュエータを含む。この例では、ボイスコイル３０６Ｃ〜３０６Ｄは、ピストン３０２に物理的に接続され、磁石３０４Ａ〜３０４Ｄは、概ね静止している（ただし、反対の構成を使用することもできる）。ピストン３０２は、磁石３０４Ｃ〜Ｄと相互作用するボイスコイル３０６Ｃ〜Ｄを使用して変化する磁場を生成することによって、クライオクーラ３００内で移動される。クライオクーラ３００は、それに対して又はその中にクライオクーラ３００が取り付けられる支持構造を表すハウジング３０８内に配置されている。ハウジング３０８は、クライオクーラ（またはその一部）を収容または保護するための任意の適切な構造を含む。
【００２０】
この実施形態では、コンプレッサピストン３０２は、バランス機構３１０及びイナータンスチューブ（inertance  tube）３１２の周囲に同心に（concentrically）形成される。同様に、バランス機構３１０もまた、イナータンスチューブ３１２の周囲に同心に形成される。バランス機構３１０の中心３０１への半径は、コンプレッサピストン３０２の中心３０１への半径よりも小さい。バランス機構およびコンプレッサピストンの各々は、イナータンスチューブ３１２およびパルスチューブ３２０を通って延びるクライオクーラ３００の中心３０１の周囲に同心に形成される。異なる実施形態では、同心に形成された構成要素は、異なる順序で配置されてもよい。さらなる実施形態では、磁石３０４Ａ〜３０４Ｄまたはボイスコイル３０６Ａ〜３０６Ｄなどの他の構成要素も、バランス機構３１０、コンプレッサピストン３０２、および／またはイナータンスチューブ３１２の周りに同心に形成することができる。
【００２１】
磁石３０４Ｃ〜Ｄおよびボイスコイル３０６Ｃ〜Ｄは、第１のボイスコイルアクチュエータを形成する。この第１のボイスコイルアクチュエータは、ピストン３０２を駆動する。ピストン３０２は、磁石３０４Ｃ〜Ｄとボイスコイル３０６Ｃ〜Ｄとの間の相互作用に基づいて前後に移動して、流動流体を再生器（regenerator）３１４の中に駆動し、低温端（cold  end）３１６を冷却する。磁石３０４Ａ〜３０４Ｂおよびボイスコイル３０６Ａ〜３０６Ｂは、第２のボイスコイルアクチュエータを形成する。第２のボイスコイルアクチュエータは、バランス機構３１０を駆動して、クライオクーラ３００内でエネルギを吸収し、振動を低減する。ピストン３０２およびバランス機構３１０は、フレクシャ（flexure）サスペンション３１８ＡまたはＣによってハウジング３０８に取り付けることができる。バランス機構（またはバランサ機構）３１０は、コンプレッサピストン３０２に対して反対方向に等しいまたはほぼ等しい力で応答するように駆動されて、潜在的な振動を実質的に相殺することができる。パルスチューブ３２０は、イナータンスチューブ３１２を介してリザーバ３２２と連通する。冷たい流体は、パルスチューブ３２０と再生器３１４との間を通過する。
【００２２】
図４は、本開示の実施形態による、３つの同心移動機構を持つ例示的なスターリングクライオクーラ４００の断面図を示す。クライオクーラ４００は、図２に示すような単一モジュールスターリングまたはパルスチューブクライオクーラ２００の一例であることができる。
【００２３】
ピストン３０２は、再生器３１４内を移動するスターリングディスプレーサ４０２に結合されている。構造の低温端３１６は、極低温または他の非常に低い温度に冷却される。図３に示すように、クライオクーラ４００の中心３０１は、スターリングディスプレーサ４０２を通っている。本明細書で説明するように、クライオクーラ４００内の構成要素の半径は、中心３０１から構成要素への測定によって導出することができる。図４において、３つの同心移動機構は、図３に示すクライオクーラ３００と比較して、圧縮機ピストンおよびスターリングディスプレーサ４０２を追加したバランス機構である。
【００２４】
図４に示すように、クライオクーラ４００は、スターリングディスプレーサ４０２の変位を引き起こす磁石３０４Ｃ〜Ｄとボイスコイル３０６Ｃ〜Ｄとの間の相互作用に基づいて前後に移動またはストロークするピストン３０２を有する電磁アクチュエータを含む。この例では、ボイスコイル３０６Ｃ〜３０６Ｄは、ピストン３０２に物理的に接続され、磁石３０４Ａ〜３０４Ｄは、概ね静止している（ただし、反対の構成を使用することもできる）。ピストン３０２は、磁石３０４Ｃ〜Ｄと相互作用するボイスコイル３０６Ｃ〜Ｄを使用して変化する磁場を生成することによって、クライオクーラ３００内で移動される。クライオクーラ３００は、それに又はその中にクライオクーラ３００が取り付けられる支持構造を表すハウジング３０８内に配置されている。ハウジング３０８は、クライオクーラ（またはその一部）を収容または保護するための任意の適切な構造を含む。
【００２５】
この実施形態では、コンプレッサピストン３０２は、バランス機構３１０及びスターリングディスプレーサ４０２の周囲に同心に形成される。同様に、バランス機構３１０もまた、スターリングディスプレーサ４０２の周囲に同心に形成される。バランス機構３１０の中心３０１への半径は、コンプレッサピストン３０２の中心３０１への半径よりも小さい。バランス機構３１０およびコンプレッサピストン３０２の各々は、スターリングディスプレーサ４０２の中心を通って延びるクライオクーラ４００の中心３０１の周囲に同心に形成される。
【００２６】
磁石３０４Ｃ〜Ｄおよびボイスコイル３０６Ｃ〜Ｄは、第１のボイスコイルアクチュエータを形成する。この第１のボイスコイルアクチュエータは、ピストン３０２を駆動する。ピストン３０２は、磁石３０４Ｃ〜Ｄとボイスコイル３０６Ｃ〜Ｄとの間の相互作用に基づいて前後に移動し、ガスを再生器３１４に駆動し、低温端３１６を冷却する。磁石３０４Ｅ〜Ｆおよびボイスコイル３０６Ｅ〜Ｆは、第２のボイスコイルアクチュエータを形成する。第２のボイスコイルアクチュエータは、バランス機構３１０を駆動して、クライオクーラ４００においてエネルギを吸収し、振動を低減する。ピストン３０２およびバランス機構３１０は、フレクシャサスペンション３１８Ａによってハウジング３０８に取り付けられることができる。フレクシャサスペンション３１８Ｂ〜Ｃは、スターリングディスプレーサ４０２およびバランス機構３１０を取り付けることができる。磁石３０４Ａ〜３０４Ｂおよびボイスコイル３０６Ａ〜３０６Ｂは、第３のボイスコイルアクチュエータを形成する。この第３のボイスコイルアクチュエータは、スターリングディスプレーサ４０２を駆動する。
【００２７】
異なる実施形態において、同心に形成された構成要素は、異なる順序で配置されてもよい。さらなる実施形態では、磁石３０４Ａ〜３０４Ｆまたはボイスコイル３０６Ａ〜３０６Ｆなどの他の構成要素も、バランス機構３１０、コンプレッサピストン３０２、および／またはスターリングディスプレーサ４０２の周囲に同心に形成されることができる。
【００２８】
図３および図４は、電磁アクチュエータを利用する２つまたは３つの同心移動機構を有するクライオクーラ構成要素の例を示しているが、図３および図４には、様々な変更を加えることができる。例えば、ここに示されているコンプレッサおよび膨張アセンブリの具体的な実装は、例示のためのものに過ぎない。また、以下に記載される技術は、ボイスコイルを含む電磁アクチュエータを使用するクライオクーラの他の構成要素、またはボイスコイルを含む電磁アクチュエータを使用するクライオクーラをベースとしないシステムの構成要素と共に使用することができる。
【００２９】
本開示の１つまたは複数の実施形態は、２つまたは３つの独立した移動機構を組み込んだクライオクーラモータを提供する。これらの移動機構は、移動コイルまたは移動磁石タイプのいずれかであり得る。バランサ機構は、コンプレッサおよび（もしあれば）ディスプレーサ機構に対して同心に収容される。この構成は、コンパクトであり、全体的なクーラのサイズおよび質量を低減する。
【００３０】
図５は、本開示による移動磁気回路を持つクライオクーラモータの断面側面図を示す。クライオクーラモータは、例えば、図２のクライオクーラ２００、または任意の他の適切な構成要素に使用することができる。
【００３１】
図５に示すように、モータ５００は、その中に環状磁気回路５０２、５０４、および５０６、並びに固定コイル５０８、５１０、および５１２が配置された円筒形ハウジング５０１を含む。上述のように、磁束は、磁気回路内を、かつエアギャップを横切って移動し、ボイスコイル５０８、５１０、および５１２内の電流の流れによって生成された磁場（field）と相互作用する。例示的な実施形態では、磁気回路５０２は、低出力ディスプレーサ磁気回路であり、磁気回路５０４は、高出力主（コンプレッサ）磁気回路であり、磁気回路５０６は、バランサ磁気回路である。バランサ磁気回路５０６は、磁気回路５０２及び５０４の合力を補償するのに十分な出力（power）及び移動質量を提供するようなサイズにすることができる。
【００３２】
モータ５００は、磁気回路５０２、５０４、５０６、またはボイスコイル５０８、５１０、および５１２のそれぞれの独立した動きを可能にすることができる。例えば、この実施形態では、磁気回路５０２、５０４、および５０６の各々は、コイルおよび磁気回路の少なくとも一部を含む機構の可動部分である。磁気回路５０２、５０４、および５０６の磁束と、コイル５０８、５１０、および５１２それぞれによって生成される磁場との相互作用は、磁気回路５０２、５０４、および５０６を円筒形ハウジング５０１の異なるサスペンション要素に対して移動させる力を誘発する。
【００３３】
コイル５０８は、磁気回路５０２を駆動し、この磁気回路は、ディスプレーサピストンに動きを伝達する。ディスプレーサピストンは、コンプレッサピストンによって圧縮されたガスを移動させるのに役立ち、スターリング熱力学サイクルを達成する。コイル５１０は、磁気回路５０４を駆動し、この磁気回路は、ハウジング５０１内に設けられた円筒形チャンバ内に配置されたコンプレッサピストンに動きを伝達する。コイル５１２は、磁気回路５０６を駆動し、この磁気回路は、コンプレッサおよびディスプレーサピストンによって生じる振動を低減するように、ハウジング５０１に動きを伝達する。
【００３４】
図５において、磁気回路５０２、５０４、および５０６の各々は、複数の磁気要素を含むことができる。本開示の１つまたは複数の実施形態は、クライオクーラの移出される力およびトルク（ＥＦＴ）を最小化することが、ミッション要件を満たすためにしばしば必要であることを認識し、考慮に入れる。アクティブダイナミックバランサが、しばしば、移動機構およびガスの動きによって生じる力を相殺するために使用される。これらのバランサは重くてかさばることがあり、クライオクーラの質量および全体的なパッケージング寸法を増加させる。バランサはまた、数ワットの入力電力を必要とすることがあり、この損失は、バランサを駆動するために一般に使用される線形増幅器のより低い効率によって悪化することがある。これらのバランサ機構は、ディスプレーサ機構を効果的にバランスさせるために、ディスプレーサ質量と同等のバランス質量を必要とする。これらの可動コイル設計における固定磁石の質量は、必要とされる追加のバランサ質量と同様に、かなりのものである。
【００３５】
本開示の１つまたは複数の実施形態は、磁気要素（magnetic  elements）がハルバッハ配列として配置される移動磁石回路を提供する。ハルバッハ配列は、配列の一方の側の磁場を増大させる一方で、他方の側の磁場をほぼゼロに相殺する永久磁石の特定の配置である。これは、磁化の空間的に回転するパターンを有することによって達成される。ハルバッハ配列の配置は、所与の性能要件（効率）を満たすために必要な磁石のサイズ／質量を低減する。また、ハルバッハ配列は、機構から漏れる磁束を低減し、モータからの放射ＥＭＩを制限する。
【００３６】
この例示的な実施形態では、磁気回路５０２、５０４、および５０６の各々は、ハルバッハ配列に配置された磁気エレメントを含む。便宜上、磁気回路５０４の構成要素のみが参照番号を使用して識別される。磁気回路５０４は、磁気要素５２１〜５２５を含む。磁気回路５０４では、磁気要素５２１、５２５は同じ方向に磁化され、磁気要素５２２、５２４は、反対方向に、並びに磁気要素５２１、５２５に対して９０度の角度で磁化される。磁気要素５２３は、磁気要素５２１および５２５とは逆方向に磁化される。他の実施形態では、磁気回路５０４の磁化パターンは、所望の側に磁場を増大させることを可能にするように異なり得る。ここで、増大は、コイル５１０の方向に生じる。
【００３７】
図５に示すように、矢印５５０は、ハウジング５０１の中心から離れる方向を示す。図５はクライオクーラモータ５００の断面側面図を示しているので、ハウジング５０１の中心５５２はハウジングの左にある。ここに示すように、磁気回路５０２および５０４は、中心５５２に対して半径を共有し、磁気回路５０６は、ハウジング５０１の中心５５２に対してより小さい半径を有する。本明細書に記載されるように、ハウジング５０１内の構成要素の半径は、中心５５２から構成要素への測定によって導出することができる。
【００３８】
図５は、３つの独立した機構を持つクライオクーラモータの一例を示しているが、図５に対して様々な変更を加えることができる。例えば、ここに示される磁気回路およびボイスコイルの具体的な実装は、例示のためだけのものである。異なる実施形態では、より多いまたはより少ない磁気回路および／またはボイスコイルが使用されてもよい。
【００３９】
図６は、本開示による可視磁場の描写を有するクライオクーラモータ６００の断面側面図を示す。クライオクーラモータ６００は、例えば、図５に示すクライオクーラモータ５００の一例とすることができる。
【００４０】
クライオクーラモータ６００は、磁気回路６０２、６０４、および６０６と、ボイスコイル６０８、６１０、および６１２とを含む。図６に示すように、磁気回路６０２、６０４、および６０６の磁場６１４、６１６、および６１８は、ボイスコイル６０８、６１０、および６１２それぞれに向かって増大される。磁場６１４、６１６、および６１８の増大は、磁気回路６０２、６０４、および６０６のそれぞれのハルバッハ配列構成に起因する。
【００４１】
図６は、可視磁場の描写を有するクライオクーラモータの一例を示すが、図６に対して様々な変更を加えることができる。例えば、磁気回路の特定の実装は、例示のみを目的としている。異なる実施形態では、磁場の異なる効果を生成するために、各磁気回路内で異なる方向およびパターンを使用することができる。
【００４２】
図７は、本開示による移動ボイスコイルを有するクライオクーラモータ７００の断面側面図を示す。クライオクーラモータ７００は、例えば、図２のクライオクーラ２００、または任意の他の適切な構成要素に使用することができる。
【００４３】
図７に示すように、モータ７００は、環状磁気回路７０２および７０４と、ボイスコイル７０６、７０８、および７１０が配置された円筒形ハウジング７０１を含む。磁束は、ボイスコイル７０６、７０８、および固定コイル７１０内の電流の流れによって生成された電場と相互作用するように、各磁気回路７０２および７０４内を、エアギャップを横切って移動する。例示的な実施形態では、ボイスコイル７０６は低出力ディスプレーサコイルであり、コイル７０８は高出力プライマリ（コンプレッサ）コイルであり、コイル７１０はバランサコイルである。バランサコイル７１０は、コイル７０６および７０８の合力を補償するのに十分な出力および移動質量を提供するようなサイズ決めすることができる。
【００４４】
モータ７００は、ボイスコイル７０６〜７０８の各々の独立した動きを可能にする。例えば、この実施形態では、ボイスコイル７０６〜７０８の各々は、ボイスコイルと、磁気回路の少なくとも一部とを含む機構の可動部分である。磁気回路７０２および７０４の磁束とコイル７０６、７０８、および７１０によって生成される磁場との相互作用は、コイル７０６、７０８、および磁石７０４を異なるサスペンション要素または円筒形ハウジング７０１に対して移動させる力を誘発する。
【００４５】
磁気回路７０２は、コンプレッサおよびディスプレーサのピストンに動きを伝達するボイスコイル７０６および７０８を駆動する。磁気回路７０４は、コイル７１０によって駆動され、このコイルは、力をハウジング７０１に伝達して、コンプレッサおよびディスプレーサのピストンによって生じる振動を低減する。この例示的な実施形態では、磁気回路７０２および７０４の各々は、ハルバッハ配列に配置された磁気要素を含む。ボイスコイル７０６、７０８は、本明細書に示されるような共通の磁気回路を共有することができ、または、各々、異なる磁気回路に関連付けられることができる。
【００４６】
図７は、移動ボイスコイルを持つクライオクーラモータの一例を示しているが、図７に対して様々な変更を加えることができる。例えば、ここに示される磁気回路およびボイスコイルの具体的な実装は、例示のためだけのものである。異なる実施形態では、より多いまたはより少ない磁気回路および／またはボイスコイルが使用されてもよい。
【００４７】
図８は、本開示による３つの独立して駆動される磁気コイルを持つクライオクーラモータ８０２を有する単一モジュールスターリングサイクルクライオクーラ８００を示す。クライオクーラ８００は、図１〜７に示すようなクライオクーラの一例であり得る。図８に示すように、クライオクーラ８００は、第１、第２、および第３のコントローラ８１６、８１８、および８２０それぞれからの信号に応答して、第１、第２、および第３のコイル８１０、８１２、および８１４それぞれを駆動する第１、第２、および第３の可変電源８０４、８０６、および８０８それぞれを含む。第１、第２、および第３のコントローラ８１６、８１８、および８２０は、入力／出力インターフェース８２４を介したユーザ入力またはプロセッサ８２２入力に応答する。
【００４８】
例えば、図５に示すようなクライオクーラモータ５００を参照して、サイクロクーラ８００を使用することにより、クライオクーラ８００は、第１のボイスコイル５０４（８１０）に選択的に通電することによって、流体を圧縮することができる。第１のボイスコイル５０４（８１０）は、第１の磁束の場（field  of  magnetic  flux）と相互作用し、コンプレッサピストンを駆動して流体を圧縮する。クライオクーラは、第２のボイスコイル５０２（８１２）に選択的に通電することによって、流体を膨張させることができる。第２のボイスコイル５０２（８１２）は、第１の磁気回路の第１の磁束の場と、または第２の磁気回路の第２の磁束の場と相互作用して、ディスプレーサピストンを駆動して流体を膨張させる。クライオクーラは、第３のボイスコイル５０６（８１４）に選択的に通電することによって、圧縮によって生じる振動を低減することができる。第３のボイスコイル５０６（８１４）は、磁束の第３の場と相互作用して、第１のボイスコイル５０４（８１０）または第１の磁気回路と第２のボイスコイル５０２（８１２）または第２の磁気回路の動きを補償する。
【００４９】
図８は、３つの独立して駆動される磁気コイルを持つ単一モジュールスターリングサイクルクライオクーラの一例を示すが、図８に対して様々な変更を加えることができる。例えば、ここに示される磁気回路およびボイスコイルの具体的な実装は、例示のためだけのものである。異なる実施形態では、より多いまたはより少ないボイスコイルが使用されてもよい。
【００５０】
図９は、本開示による冷却プロセス９００を示す。このプロセスは、図１〜８に示すようなクライオクーラまたはクライオクーラ構成要素の１つによって実施することができる。
【００５１】
ステップ９０２において、クライオクーラは、複数の磁気回路で複数の磁束の場を生成する。例えば、クライオクーラは、第１の磁気回路で第１の磁束の場を生成し、第２の磁気回路で第２の磁束の場を生成し、第３の磁気回路で第３の磁束の場を生成することができる。異なる実施形態では、より多いまたはより少ない磁束の場が生成されてもよい。
【００５２】
ステップ９０４において、クライオクーラは、第１のボイスコイルに選択的に通電することによって流体を圧縮することができる。第１のボイスコイルは、第１の磁束の場と相互作用して、コンプレッサピストンを駆動して流体を圧縮する。
【００５３】
ステップ９０６において、クライオクーラは、第２のボイスコイルに選択的に通電することによって流体を膨張させることができる。第２のボイスコイルは、第１の磁気回路の第１の磁束の場または第２の磁気回路の第２の磁束の場と相互作用して、ディスプレーサピストンを駆動して流体を膨張させる。
【００５４】
ステップ９０８において、クライオクーラは、第３のボイスコイルに選択的に通電することによって、圧縮によって生じる振動を低減することができる。第３のボイスコイルは、第３の磁束の場と相互作用して、第１のボイスコイルまたは第１の磁気回路および第２のボイスコイルまたは第２の磁気回路の動きを補償する。１つまたは複数の実施形態では、第３のボイスコイルまたは第３の磁気回路は、第１のボイスコイルまたは第１の磁気回路に対して同心に取り付けられる。第１の磁気回路は、第２および第３の磁気回路に対する機械的に独立した動きのために取り付けられる。別の実施形態では、第１のボイスコイルは、第２および第３のボイスコイルに対する機械的に独立した動きのために取り付けられる。
【００５５】
図９は、冷却のためのプロセス９００の一例を示すが、種々の変更を図９に加えることができる。例えば、一連のステップとして示されているが、図９に示されている種々のステップは、オーバーラップするか、並行して発生するか、異なる順序で発生するか、または複数回発生することができる。さらに、特定のニーズにしたがって、いくつかのステップを組み合わせたり、除去したりして、追加のステップを追加することができる。
【００５６】
この特許文献の全体を通して使用されている特定の単語および語句の定義を示すことは有益であろう。用語「含む」および「有する」は、並びにそれらの派生語は、限定なしでの包含を意味する。用語「または」は、および／またはを意味する包括的なものである。語句「〜と関連付けられる」およびその派生語は、〜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。語句「〜のうちの少なくとも１つ」は、アイテムのリストと共に使用される場合、リストされたアイテムの１つまたは複数の異なる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、およびＣのうちの少なくとも１つ」は、Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡとＢ、ＡとＣ、ＢとＣ、およびＡとＢとＣ、の組み合わせのうちのいずれかを含む。
【００５７】
本開示は、特定の実施形態および概して関連する方法を記載したが、これらの実施形態および方法の変更および並び替えは、当業者には明らかであろう。従って、例示的な実施形態の上述の説明は、本開示を定義したり、制約したりするものではない。以下の特許請求の範囲によって定義される本開示の精神および範囲から逸脱することなく、他の変更、置換、およ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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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