JP2007513317A - 低温端部を有するクライオクーラアセンブリ装置及び該装置の組み立て方法 - Google Patents

Abstract

低温端部を有するクライオクーラアセンブリが開示されている。該アセンブリは一体型の外側ハウジングを備えている。単体の一体型金属シェルでハウジングを構成することによって、アセンブリの部品数が従来のアセンブリの部品数より少なくなる。更に、部品を固定してシールするために以前は必要であったろう付けは不要である。更に、シールされた外側ハウジングを製造／形成した後で行う１回或いはそれ以上の回数の切削工程を経ることによって、公差が改良される。これにより、幾つかの部品を収縮させて互いに嵌め合わせることができ、また、ピストンボアとディスプレーサアセンブリとを一直線上に精度良く配置できるので、ディスプレーサライナが不要となる。

Description

本発明はクライオクーラ（極低温冷凍機）に関する。詳しくは、本発明は、低温端部を有するクライオクーラアセンブリの一体型ハウジングに関する。更に詳しくは、本発明は、低温端部を有するアセンブリの一体型ハウジングに関し、該ハウジングは、アウトガスを放出する部品を内側にも外側にも配置できるように柔軟に設計されており、ろう付け作業を不要又は最小限のろう付け作業しか必要としないハウジングである。

超伝導体製品の市場は、特に超伝導体製品の商業上の利用が急激に拡大していることで、成長を遂げてきた。詳しくは、高温超伝導体（ＨＴＳ）装置及びシステムは、セルラー方式の無線通信を行う基地局のフィルタによく採用されてきた。このフィルタは、信号の干渉を低減させて基地局の感度を向上させるように設計されている。

超伝導体装置が意図するように動作するには、超伝導体装置を極めて低い温度にまで冷却しなければならない。現在使用されているＨＴＳ装置の場合、約７７Ｋ以下まで該装置を冷却しなければならない。このような極低温は、クライオクーラを使用するか又は低温で沸騰する流体にＨＴＳ装置を浸すことによって、実現可能である。極低温を実現させるのによく使用される液体は、７７Ｋで沸騰する窒素及び４Ｋで沸騰するヘリウムである。通常、クライオクーラは、揮発性の液体を制御して蒸発させる（冷却手段として蒸発熱を利用する）ことによって動作するか、又は、（１５０〜２００気圧等の）高圧で最初閉じこめられている気体を制御して膨張させることによって、動作する。或いは、クライオクーラは、冷却すべき領域付近での気体の膨張（膨張熱による熱の吸収）と、他の領域での気体の圧縮（圧縮熱による熱の除去）と、をクローズサイクル内で交互に行うヒートポンプとして動作する。効率が最も高いクライオクーラは、スターリングサイクルに基づくクローズサイクルのクライオクーラである。

スターリングサイクルの冷凍ユニット（即ち、スターリングサイクルのクライオクーラ）は、ディスプレーサアセンブリと、コンプレッサアセンブリと、から成る。この２つのアセンブリは互いに流体連通している。これらのアセンブリは、通常、原動機によって駆動される。原動機は、具体的には、電磁リニアモータ或いは電磁ロータリモータである。

従来のディスプレーサアセンブリは、通常、“低温”端部及び“高温”端部を有している。高温端部はコンプレッサアセンブリと流体連通している。ディスプレーサアセンブリは、通常、ディスプレーサを備えており、該ディスプレーサには、再生器が取り付けられており、該ディスプレーサは、ヘリウム等の流体をディスプレーサアセンブリの一端部（即ち、低温端部）から他端部（即ち高温端部）に移動させる。コンプレッサアセンブリは、流体がディスプレーサアセンブリの高温端部内に実質的に位置するとき、該流体に対して圧力を加え、また、流体がディスプレーサアセンブリの低温端部内に実質的に位置するときは、該流体から圧力を逃がすように機能する。これにより、ディスプレーサアセンブリの低温端を例えば７７Ｋに維持し、また、ディスプレーサの高温端部を例えば外気温度（例えば約３１３Ｋ）よりも１５度高い温度に維持することができる。

現在使用されているクライオクーラが抱える問題点の１つは、使用される部品の数が多いことである。特に、外側ハウジングを構成する部品の数が多いことである。流体を圧縮及び膨張することによってクライオクーラが動作するので、該クライオクーラは完全にシールされていなければならない。実際、これを行うには（例えば、外気からクライオクーラをシールするためには）、各種部品を互いにろう付けする。しかし、ろう付けは労働集約型の傾向の強い作業である。更に、ろう付け作業の場合、アセンブリ同士が互いにずれてしまい、一直線上に配置できないことがたびたびある。このため、クライオクーラにおいて求められる公差は大きくなり、この大きな公差及び非直線状なアセンブリの配置の形態に対応するために、更に部品を追加する結果となる。

現在使用されているクライオクーラのその他の問題点としては、該クライオクーラの内部に様々な部品が備えられていることである。これらの部品の多くは、アウトガスを出す（例えば、部品から拡散したガスがクライオクーラの密閉された内部の環境に入り込む）。アウトガスを出す部品の例としては、モータのコイル、外側積層体、及び各種部品を接着する際に使用されるエポキシである。密閉された内部の環境内に不要なガスが導入されることによって、クライオクーラの効率が低下することがたびたびある。

従って、シールされた外側ハウジングを構成する部品の数を最小にしたクライオクーラを開発することが当業界では求められている。このような開発を行うことによって、良好な状態で部品同士が互いに同心で一直線上に配置される。更に、内側モータ及び外側モータの双方の使用に対して柔軟に対応する設計がなされているシールされた外側ハウジングが必要とされている。本発明は、上記従来の問題点に直接対応して解決を図るものである。

本発明は、低温端部を有するクライオクーラアセンブリの公差を改良及び効率を向上させる装置及び方法を提供している。詳しくは、該アセンブリの部品の数が少なくなり、労働集約型の作業であるろう付け作業及び接着作業が不要となる。これによって、クライオクーラの製造時間及び費用の双方が改善される。部品数の削減は２つの工程を介して行われる。第１に、クライオクーラのシールされた外側ハウジングを構成する部品数を最小限にする。第２に、円筒状の部品（例えば、ディスプレーサ、シリンダボア、及びピストンボア）を設置した後の切削加工（マシニング）によって正確な形状にして互いに合わせる。これらの円筒状の部品を互いに合わせることによって、従来のディスプレーサのシリンダボア（ディスプレーサライナ）等の部品が不要となる。

上述したように、各種部品を接続してシールする方法としてろう付けがしばしば過去に採用されていた。しかし、本発明は、好ましくは、ろう付けを不要としている。更に、最終的に重要となるハウジングの直径部を切削加工することによって、部品同士が良好な状態で互いに同心で一直線上に配置される。ある例では、全体的にブッシング及びその他の摩擦低減部品が不要となる。他の部品においては、エポキシ接着を必要とするものもあった。このような部品の必要性をなくすことによって、アウトガス源は取り除かれる。また、外側に設計されたモータ等の例では、アウトガスを放出する部品をシールされた外側ハウジングの外部に移すことができる。この場合、内部流体／気体があまり汚染されることはない。所望の内部流体／気体の状態が特定のレベルに近いレベルで維持されると、クライオクーラの効率が向上することは理解できよう。

本発明の原理に基づく好適な実施例において、シールされた外側ハウジングは単体の一体型金属シェルで構成されている。これにより、従来の低温端部を有するクライオクーラアセンブリでは最大で１０個分に相当する部品が、本発明では単体の部品として構成される。更に、部品を固定してシールするために以前は必要とされたろう付けが不要となる。更に、シールされた外側ハウジングを製造／形成した後で行われる切削加工を１回又はそれ以上の回数行うことによって、公差が改良される。従って、幾つかの部品を収縮させて互いに嵌め合わせることができ、また、ピストンボアとディスプレーサボアとが直線状に精度良く配置される。ピストンボアとディスプレーサボアとが直線状に精度良く配置されるので、ディスプレーサライナは不要となる。

本発明の原理に従って構成された低温端部を有するアセンブリは、コンプレッサ及びリニアモータアセンブリと、熱交換器ユニットと、ディスプレーサアセンブリと、を備えている。これらの部品は、シールされた外側ハウジング内で組み立てられた状態で配置されている。外側モータが設計された実施例において、真空フランジと、外部排熱器（external heat rejector）と、外側積層アセンブリと、モータ用コイルとは、シールされた外側ハウジングの外部に配置されている。内側モータを設計した実施例においては、真空フランジ及び排熱器のみがシールされた外側ハウジングの外部に配置されている。いずれの実施例においても、シールされた外側ハウジングのある特定部分を切削加工して公差を調節して改良することによって、上記アセンブリ及び部品のいくつかを収縮させて外側ハウジングの内部或いは外部に嵌めることができる。この収縮させて嵌める工程は、部品／アセンブリを加熱して膨張させる工程と、該部品／アセンブリを所定の位置まで押し込む工程と、を含んでいる。各種の部品及びアセンブリを正確にサイジングすることによって、部品／アセンブリを冷却したとき、該部品／アセンブリは、シールされた外側ハウジングの内部或いは外部に固定される。

本発明の特徴の一つとしては、ろう付けが施されていない内部熱交換器を使用していることである。この好適な熱交換器は、切削加工或いは押し出し成形が容易に施されたアルミニウム合金製の熱交換器である。しかし、該熱交換器の素材は、良好な伝導特性を示すものであればどのような素材でもよい。ろう付けされたフィンを使用する従来技術の場合、時間のかかる組み立て工程が行われ、また、必要とされる公差は大きいものであった。切削加工或いは押し出し成形された熱交換器は、歩留まりも良く、熱管理も良好に行われる、より一貫性のある部品である。

本発明のその他の特徴としては、外側モータが設計されている実施例において外側ハウジング内に電気フィードスルーがないことと、フレクシャー・ベアリング（flexure bearing）、気体軸受、或いはその他の軸受を任意に利用していることと、移動コイルモータ、移動マグネットモータ、或いはその他のモータを任意で利用していることである。

気体軸受の場合、この軸受は、作動流体を好ましくは使用して、コンプレッサを構成するシリンダ及びピストンの間で発生する摩擦を低減する、即ち、理想としては該摩擦を無くす。気体軸受を実装する場合、加圧された気体が逆止弁を介してシールされたピストン内部に入り込む。これによって、コンプレッサアセンブリの圧縮室内の気体の圧力で著しく不安定になることはない気体軸受に対して、加圧された気体の供給源が提供される。他のクライオクーラの設計においては、クライオクーラの寿命に影響を及ぼす摩耗表面又は作動流体の純度に影響を及ぼす潤滑剤が利用されている。

従って、本発明の１の概念によると、低温端部を有するクライオクーラアセンブリの外側ハウジングが提供されており、クライオクーラアセンブリは、熱交換器と、ディスプレーサシリンダアセンブリと、ディスプレーサシリンダの原動機と、を備えており、外側ハウジングは、熱交換器と、ディスプレーサシリンダアセンブリと、原動機の少なくとも一部とを収容するように構成及び配置されている実質的に一体型のハウジングから成る。本発明の他の概念によると、該外側ハウジングは、更に、コールドフィンガとして作用し且つディスプレーサシリンダアセンブリを実質的に収容するように構成及び配置されている第１部分と、熱交換器を実質的に収容するように構成及び配置されている第２部分と、原動機の少なくとも一部を実質的に収容するように構成及び配置されている第３部分と、から成る。

本発明の他の概念によると、低温端部を有するクライオクーラアセンブリのハウジングが提供されており、クライオクーラアセンブリは、熱交換器と、ディスプレーサシリンダアセンブリと、ディスプレーサシリンダの原動機と、を備えており、ハウジングは、コールドフィンガとして作用し且つディスプレーサシリンダアセンブリを実質的に収容するように構成及び配置されている第１部分と、熱交換器を実質的に収容するように構成及び配置されている第２部分と、原動機の少なくとも一部を実質的に収容するように構成及び配置されている第３部分と、から成り、第１部分と第２部分と第３部分とのうちの少なくとも２つの部分は、継ぎ目無く互いに接続されている。

本発明の他の概念によると、流体が圧縮される高温端部と、冷却された流体が送り込まれる低温端部と、を有するアセンブリが提供されており、該アセンブリは、原動機と、該原動機に動作可能に接続されており流体の圧縮を行うディスプレーサシリンダと、熱交換器と、ディスプレーサシリンダと熱交換器とを支持し且つ実質的に包囲し、原動機の少なくとも一部を支持し且つ包囲するように構成及び配置されているハウジングと、から成る。該ハウジングは、実質的に継ぎ目が無いハウジングか若しくは一体型のハウジングであるか、又は実質的に継ぎ目の無い一体型のハウジングである。

本発明の他の概念によると、低温端部を有するクライオクーラアセンブリを製造する方法が提供さえている。該方法は、アセンブリの一体型ハウジングを絞り加工により形成することと、ハウジングの少なくとも１つの選択された内径部を切削加工することと、切削加工された内径部のうちの少なくとも１つの内径部に隣接させてピストンボアアセンブリを設置することと、ハウジングの少なくとも１つの選択された外径部を切削加工することと、選択された外径部のうちの少なくとも１つの外径部に隣接させて真空フランジを設置することと、から成る。

本発明の好適な実施例において使用される特定の装置に関する説明を以下で行うが、この装置の構成は本発明を限定するものではないことは当業者には理解されたい。また、好適な実施例においてシールされた外側ハウジングの特定の形状及び該ハウジングが一体型であることが記載されているが、これは本発明を限定するものと解するべきではないことは理解されたい。本発明の趣旨は、ろう付けを不要とし公差を改良するか或いはそのいずれかを達成させるべく、シールされた外部ハウジングを構成する部品の数を最小にすることにまで至っている。更に、本発明の好適な実施例はセルラー方式の無線通信の基地局におけるクライオクーラの使用に概ね関するものであるが、本発明の範囲はこのような実施例によって限定されるものではないことは理解されたい。本発明の詳細な説明によって、本発明の変形例は当業者にとって明白となる。

本発明の特徴及び効果は特に添付の特許請求の範囲に記載されている。しかし、本発明をよく理解するために、本発明の好適な実施例を図示した本書の一部を構成する図面及び該実施例の以下の説明を参照されたい。

添付の図面において、類似の部品には類似の参照番号が付されている。

本発明の原理に従って構成された低温端部を有するアセンブリを備えるクライオクーラは、様々な環境において各種の部品とともに使用可能である。しかし、本発明の原理は、低温端部を有するクライオクーラアセンブリの効率及び公差を改良するための装置及び方法に適用される。これらの改良は、クライオクーラアセンブリのシールされた外側ハウジングを構成する部品の数を最小限にし、アウトガスを放出する部品を該外側ハウジングの外部に任意で配置することによって達成される。

好適な低温端部を有するアセンブリを説明する前に、図１に示される従来の低温端部を有するアセンブリを説明する。図１では、代表的な従来のスターリングサイクルのクライオクーラ１０が示されている。クライオクーラ１０については、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第6,327,862号の“最適な低温端部を備えるスターリングサイクルのクライオクーラ”に詳細に記載されている。この米国特許の開示内容を本書に含めて、本願の一部を構成するものとする。従って、クライオクーラの部品又は動作の全てを本書で説明することはしないことを理解されたい。図１のクライオクーラ１０は、ディスプレーサユニット１２と、熱交換器ユニット１４と、コンプレッサ及びリニアモータアセンブリ１６と、を備えている。

ディスプレーサユニット１２は従来の方法で機能する。ディスプレーサユニット１２は、好ましくは、ディスプレーサハウジング１８と、ディスプレーサシリンダアセンブリ２０と、ディスプレーサロッドアセンブリ２４と、を備えている。ディスプレーサシリンダアセンブリ２０内には、再生器ユニット２２が取り付けられている。ディスプレーサシリンダアセンブリ２０は、軸方向（即ち、Ｚ軸方向）にスライドできるようにディスプレーサハウジング１８内に取り付けられている。また、ディスプレーサシリンダアセンブリ２０は、ディスプレーサハウジング１８の内表面に固定されたディスプレーサライナに支持されている。

ディスプレーサエンドキャップ２７は、ディスプレーサシリンダアセンブリ２０の先端部内に設けられている。ディスプレーサロッドアセンブリ２４の一端部は、ディスプレーサシリンダアセンブリ２０に連結しており、該アセンブリ２４の他端部３４は、ディスプレーサフレクシャースプリングアセンブリ（displacer flexure spring assembly）３２に結合している。従って、ディスプレーサシリンダアセンブリ２０は、適切な状況下で、ディスプレーサハウジング１８内で振動することができる。

熱交換器ユニット１４は、コンプレッサ及びリニアモータアセンブリ１６と、ディスプレーサユニット１２と、の間に位置している。熱交換器ユニットは、熱交換器ブロック３８と、フローダイバータ（flow diverter）又はその同等の構造体と、熱交換器取り付けフランジ４２と、を備えている。熱交換器取り付けフランジ４２は、コンプレッサ及びリニアモータアセンブリ１６の圧力ハウジング４４の先端部に結合している。

熱交換器ブロック３８は、複数の内部熱交換器フィン４６と、複数の外部排熱フィン４８と、を備えている。従って、熱交換器ユニット１４は、コンプレッサ及びリニアモータアセンブリ１６とディスプレーサユニット１２との連結部分に位置する領域Ｐ_HOT内で圧縮されたヘリウム等の気体からの熱の放散を容易にするように構成されている（この領域Ｐ_HOTは、コンプレッサ及びリニアモータアセンブリ１６の圧縮室とも呼ばれる）。熱交換器ブロック３８と、内部熱交換器フィン４６と、外部排熱フィン４８とは、概して、高純度の銅で形成されている。

コンプレッサ及びリニアモータアセンブリ１６は圧力ハウジング４４を備えている。該圧力ハウジング４４内には、ピストンアセンブリ５０が取り付けられている。ピストンアセンブリ５０は、シリンダ５２と、ピストン５４と、ピストンアセンブリ取り付けブラケット５６と、スプリングアセンブリ５８と、を備えている。ピストンアセンブリ取り付けブラケット５６は、ピストン５４とスプリングアセンブリ５８との結合部となっている。ピストン５４は、シリンダ５２内で往復運動を行うようになっている。

複数の気体軸受６０は、ピストン５４の外壁６２の内部に設けられている。ピストン５４内には、シールされたキャビティ６１が形成されている。気体軸受６０は、該キャビティ６１から気体（例えばヘリウム）を受けとる。逆止弁６３は、（参照符号Ｐ_HOTで示された）領域内の気体の圧力がキャビティ６１内の圧力を超えたとき（即ち、ピストンの貯留部の圧力を超えたとき）、シリンダの圧縮室（即ち参照符号Ｐ_HOTで示された領域）とシールされたキャビティ６１との間における導管となり、流体を１方向にのみ流す。

ピストン５４には、複数のマグネット７４が取り付けられていることが好ましい。シリンダ５２の外部には内側積層体７２が固定されている。圧力ハウジング４４内には、外側積層体７３が固定されている。外側積層体７３は、マグネット７４の外部に位置している。外側積層体７３は、取り付けフランジ４２に固定されていることが好ましい。内側積層体７２及び外側積層体７３は、鉄を含んだ素材で形成されることが好ましい。モータコイル７０は、好ましくは、外側積層体７３内にあり、ピストン５４を包囲している。モータコイル７０は、好ましくは、マグネット７４の外部に位置しており、外側積層体７３の凹部内にある。従って、ピストン５４がシリンダ５２内を移動する際、マグネット７４は隙間７５内を移動することは理解されたい。

上記の説明から分かることは、シールされた外側ハウジングが多数の部品によって構成されていることである。図２Ａは、シールされた外側ハウジングを構成する各種部品を詳細に示している。多数ある各種部品を互いに接着してシールするためにろう付けが行われている。更に、様々なエポキシ接着剤を使用して互いに組み付けられる部品が多数ある。

図３において、本発明の原理に従って構成された低温端部を有するクライオクーラアセンブリの断面が示されている。クライオクーラ、即ち、低温端部を有するクライオクーラアセンブリは、参照番号１００で示されており、シールされた外側ハウジング２０１を備えている。該ハウジング２０１は、低温端部を有するアセンブリ１００の各種の部品、部材及びアセンブリを支持する構造となっている。低温端部を有するアセンブリの主なアセンブリには、ディスプレーサユニット１１２と、熱交換器ユニット１１４と、コンプレッサ及びリニアモータアセンブリ１１６と、が含まれている。リニアモータアセンブリは、コンプレッサの原動機として動作する。各アセンブリを以下で詳細に説明する。

図４は、シールされた外側ハウジング２０１の斜視図である。図５Ａは、シールされた外側ハウジング２０１の断面を示している。図４及び図５Ａから、ハウジング２０１が“ステンレス綱３０４”製の一体型構造をしていることが分かる。このステンレス綱３０４は、広く使用されているステンレス綱であり、概して、クロム及びニッケルをそれぞれ約１８及び８パーセント含んでいる。このステンレス綱素材は、強度と耐食性とを良好に兼ね備えており、また、製造において良好な特性を示す。該素材は、適度の還元を起こす環境から僅かな酸化を起こす環境に至る広範囲の環境に抗する性質を有する。本発明においては、この素材は、ヘリウムから成る内部雰囲気をシールするハウジング２０１の素材となっている。また、この素材は、各種のサブアセンブリを適切に支持する構造となっている。好適な実施例において、このハウジング２０１は、およそ８と４分の３インチの直径を有する金属製の円盤を絞り加工することによって得たものである。好適実施例において、絞り加工後の最大外径は、最終的に、およそ３．４４２インチである。ハウジング２０１の高さは、およそ８．５４６インチである。

ハウジング２０１に必要な特性を有する素材としては他にチタニウム、インコネル、又はコバルトであり、また、その他の素材も使用可能である。望ましい素材の特性としては、構造的に安定していること、熱伝導性が低いこと、耐透過性が高いこと、そして、溶接及び切削加工が可能な特性を備えていることである。

図４及び図５Ａを参照すると、ハウジング２０１は、互いに異なるサブアセンブリを支持及び／又は収容するように構成され配置されている部分を幾つか備えている。ハウジング２０１は、支持構造体としての機能及びシール機能を有することの他に、閉じている第１端部２１３から開放している第２端部２１４に至るまでの各種機能を提供している。ハウジング２０１の閉端部２１３は、他の部品とともに一直線上に配置するために最後に行われる切削加工を単純にするべく、開放された状態を維持してもよいが、最終的には、溶接、ろう付け、エポキシ樹脂での接着、或いは、気密性及び耐熱衝撃性を与える処置を施すこによって、閉ざされなければならない。

第１部分２１５は、第１端部２１３に最も近い端部に位置している。第１部分２１５は、その外部の周辺に対してはコールドフィンガとして作用するように配置及び構成されている。好適な実施例において、第１部分２１５は真空フランジ２００（図３参照）を貫通している。第１端部２１３に位置する或いは第１端部２１３の近傍に位置する取り付けブラケット２５２（図３参照）には、ＨＴＳフィルタ（図示せず）が後ほど取り付けられる。第１部分２１５は、また、（図３に示される）再生器ユニット１２２を収容するように配置及び構成されている。第１部分２１５は、好ましくは、円形であり、好適な実施例において、ハウジング２０１の他の部分よりも小さい直径を有する。

第１部分２１５の隣には第２部分２１７が位置しており、第１部分と第２部分との間には第１移行部分２１６が位置している。真空フランジ２００は、第２部分２１７の外部に取り付けられている。好ましくは、真空フランジ２００は、収縮して第２部分２１７の外部に嵌められるように加工処理されている。従って、この第２部分２１７と真空フランジ２００とを連結させるために、第２部分２１７の外部に対して切削加工を行い（規定された公差で）適切な直径を得ることが好ましい。真空フランジ２００と第２部分２１７とを連結することによって、コールドフィンガ（例えば第１部分２１５）が入り込む真空環境はシールされる。第２部分２１７の内部は、概して、熱交換器ユニット１１４と協力し、且つ、該ユニット１１４を支持する。第２部分２１７は、好ましくは円形であり、好適な実施例において、第１部分２１５よりも大きな直径を有する。

第２部分２１７の隣には第３部分２１９が位置しており、第２部分２１７と第３部分２１９との間には第２移行部分２１８が位置している。第３部分２１９の外側はコイル１７０及び外側積層体２０４を支持している。第３部分２１９の内部は、概して、リニアモータ１１６の内部の部品と協力し、且つ、該部品を支持している。第３部分２１９は、好ましくは円形であり、好適な実施例において、第２部分２１７よりも大きな直径を有する。

第３部分２１９の隣には第４部分２２１が位置しており、第３部分２１９と第４部分２２１との間には、第３移行部分２２０が位置している。第４部分２２１は、第２端部２１４に位置している、或いは、第２端部の近傍に位置している。第４部分２２１は、ディスプレーサアセンブリのスプリングアセンブリを支持している。第４部分２２１は、低温端部を有するアセンブリをシールするために、（図３に示されている）エンドキャップ２５０とシール係合している。第４部分２２１は、好ましくは概ね円錐台の形状をしている。好適な実施例において、第４部分２２１の小端部は、第３部分２１９よりも大きな直径を有している。

以上で述べたように、第１部分２１５、第２部分２１７、第３部分２１９、第４部分２２１は、それぞれ、好ましくは、絞り加工されており、一体型で継ぎ目の無いハウジング２０１を構成している。しかし、ハウジング２０１を２つ或いはそれ以上の部分に分けて、その各部分を絞り加工して部品を形成し、その後互いに組み付けるような手法でもよい。継ぎ目の数を最小にして低温端部を有するアセンブリ１００の製造方法を改良するために、該手法を用いてハウジングを製造することもできるが、１つの工程でハウジング２０１全体を絞り加工により形成することが好ましい。

第１端部２１３は閉ざされた端部として特徴付けられており、第２端部２１４は開放されている端部として特徴付けされている。しかし、このような特徴は、本発明を限定するものと解するべきではない。好適な実施例では、第２端部２１４は、組み付け作業を可能にするために開放されている。しかし、ハウジング２０１を２つ或いはそれ以上の部品で製造する場合（例えば、第２移行部分２１８及び／又は第３移行部分２２０で継ぎ目が形成される場合）は、第２端部２１４は閉ざされるように構成されていてもよい。更に、任意で、移行部分２１６、２１８、２２０を無くし、且つ／又はいろいろな形状を有するように構成してもよい。この移行部分の主な機能は、ハウジング２０１の機能的な部分間の移行部となることである。

図５Ａ〜図５Ｆは、好ましくは絞り加工に次いで行われる各種の切削加工を示している。図５Ａにおいて、ハウジング２０１の内表面は、手動でホーニングされており、各箇所３０１、３０３、３０５にて内径部が切削加工される。図５Ｂにおいて、内側ピストンボアアセンブリ３０７と、熱交換器ブロック３０９と、積み重なるスプリングを取り付けるための支持体３０８とがハウジング内に挿入される。

図５Ｃにおいて、（外側ハウジング内をその厚さ方向に通っている熱伝導路を短くするために）参照番号３１１で示される箇所において、ハウジング２０１の外部は切削加工される。また、（他の部品が収縮されて該ハウジング２０１に嵌って固定されるような適した寸法を得るために）参照番号３１３で示される箇所において、ハウジング２０１の外部は切削加工される。また、（外側モータを設計した場合においてのみ形成される渦電流損発生路を短くするために）参照番号３１５で示される箇所において、ハウジング２０１の外部は切削加工される。ただし、後述する他の実施例で記載されているように内側モータを設計する場合は、参照番号３１５で示される箇所におけるハウジング２０１の外部の切削加工は必要はない。これら３箇所３１１、３１３、３１５は、第１部分２１５、第２部分２１７、第３部分２１９にそれぞれ概ね対応している。

図５Ｄにおいて、真空フランジ２００を加熱して、所定の位置まで押し込むことによって、該真空フランジ２００は、収縮してハウジング２０１上に嵌められることが好ましい。図５Ｅにおいて、参照番号３１７で示される真空フランジ２００の表面は切削加工される。この表面３１７は、（図３に示される）外部排熱器１４８を受け止める。図５Ｆにおいて、最終的に、さらに３つの内部表面が切削加工される。これら３つの内部表面は、参照番号３１９、３２１、３２３で示される。この最終的に行われる切削加工によって、ピストンアセンブリとコンプレッサアセンブリとディスプレーサアセンブリとを最も良好な状態で一直線上に配置し易くなる。図５Ｆに示される部品は図２Ｂに示される従来の部品に代わるものであることは理解されたい。

図５Ａ〜図５Ｆに関連して説明した部品を切削加工することによって、これらの部品を良好な状態で同心で一直線上に配置することができる。例えば、従来では、同心度（concentricity）は、およそ０．００１５インチであった。しかし、本書で述べるハウジング２０１を構成することによって、全体の同心度は、改良されて約０．０００７インチとなっている。同心度を改良することによって、他の公差が改良され、組み付け作業が容易となり、また、製造過程がより首尾一貫したものとなる。

図３を参照しながら、低温端部を有するアセンブリ１００を簡単に説明する。ディスプレーサユニット１１２は当業者には周知の方法で機能する。ディスプレーサユニット１１２は、好ましくは、ディスプレーサハウジング１１８と、ディスプレーサシリンダアセンブリ１２０と、ディスプレーサロッドアセンブリ１２４と、を備えている。ディスプレーサシリンダアセンブリ１２０内には、再生器ユニット１２２が取り付けられている。ディスプレーサシリンダアセンブリ１２０は、スライド可能にディスプレーサハウジング１１８内に取り付けられている。ディスプレーサエンドキャップ１２７は、ディスプレーサシリンダアセンブリ１２０の先端部内に設けられている。

ディスプレーサロッドアセンブリ１２４の第１端部はディスプレーサシリンダアセンブリ１２０の基部（図示せず）に結合しており、ディスプレーサロッドアセンブリ１２４の第２端部１３４はディスプレーサフレクシャースプリングアセンブリ１３２に結合している。従って、適切な状態であれば、ディスプレーサシリンダアセンブリ１２０はディスプレーサハウジング１１８内で振動する。ディスプレーサシリンダアセンブリ１２０とピストンボアとが良好な公差でもって正確に一直線上に配置されているので、従来では必要とされたディスプレーサライナは不要となる。

更に図３を参照すると、熱交換器ユニット１１４は、ディスプレーサユニット１１２とコンプレッサ及びリニアモータアセンブリ１１６との間に位置する。熱交換器ユニットは、熱交換器ブロック３０９と、複数の外部排熱フィン１４８と、を備えている。従って、熱交換器ユニット１１４は、ディスプレーサユニット１１２とコンプレッサ及びリニアモータアセンブリ１１６との連結部分に位置する領域（即ち、圧縮室Ｐ_HOT）内で圧縮されたヘリウム等の気体からの熱の放散を容易にするように構成されている。好ましくは、熱交換器ブロック３０９は、高純度の銅で構成され、（上述のように）ハウジング２０１内の部品として設置される。好ましくは、外部排熱フィン１４８も高純度の銅で形成される。良好な熱伝導性を示すものであれば他の素材でも使用可能である。シールされたチャンバ部材２０１に対して、真空フランジ２００が収縮して嵌って結合するので、従来のような熱交換器取り付けフランジは不要となる。

コンプレッサ及びリニアモータアセンブリ１１６は、シールされたチャンバ部材２０１内に取り付けられている。コンプレッサ及びリニアモータアセンブリ１１６はピストンアセンブリ１５０を備えている。ピストンアセンブリ１５０は、シリンダ１５２と、ピストン１５４と、ピストンアセンブリ取り付けブラケット１５５と、スプリングアセンブリ１５６と、を備えている。ピストンアセンブリ取り付けブラケット１５５は、ピストン１５４とスプリングアセンブリ１５６とを結合している。ピストン１５４は、シリンダ１５２内で往復運動するようになっている。

ピストン１５４の外壁の内部には１又はそれ以上の気体軸受１６０が設けられている。気体軸受１６０は、シールされたキャビティ１６２から気体（例えばヘリウム）を受けとる。逆止弁１６３は、（参照符号Ｐ_HOTで示される）領域内の気体の圧力がキャビティ１６２内の圧力を超えたとき（即ち、ピストンの貯留部の圧力を超えたとき）、シリンダの圧縮室（即ち、参照符号Ｐ_HOTで示される領域）とシールされたキャビティ１６２との間における導管となり、流体を１方向にのみ流す。

リニアモータアセンブリ１１６は、複数の外部コイル１７０と、外部に位置する外側積層体２０４と、を備えている。内側積層体２０８は、内側ピストンボアアセンブリ３０７に取り付けられている。移動マグネット２１０は、コイル１７０の下方に位置しており、移動マグネット２１０とコイル１７０との間にはシールされたチャンバ部材２０１が位置している。従って、ピストン１５４がシリンダ１５２内を移動すると、内部移動マグネット２１０も移動することは理解されたい。

低温端部を有するアセンブリ１００においては、他の種類及びタイプのモータも任意で使用できる。例えば、米国特許第4,602,174号、6,141,971号、6,427,450号、6,483,207号のモータの構成を備えるようにモータアセンブリ１１６を変形させてもよい。

動作
ピストン１５４及びディスプレーサシリンダアセンブリ１２０は、動作中、およそ６０Ｈｚの共振周波数で概ね振動し、ディスプレーサシリンダアセンブリ１２０は、ピストン１５４とはおよそ９０度の位相差で振動するようになっている。即ち、ディスプレーサシリンダアセンブリ１２０は、ピストン１５４よりもおよそ９０度だけ位相が“進んだ状態”で運動していることになる。

ディスプレーサシリンダアセンブリ１２０がディスプレーサハウジング１１８の“低温”端部に移動すると、システム内の流体（例えばヘリウム）の大半がディスプレーサハウジング１１８の高温端部に移動し、且つ／又はフローダイバータ又はその類似の構造体の周辺を通り、内部熱交換器のフィンを通過してピストンアセンブリ１５０の圧縮領域内に入り込むことは当業者には理解できよう。ディスプレーサシリンダアセンブリ１２０の動きとピストン１５４の動きとは位相差があるため、ディスプレーサシリンダアセンブリ１２０がディスプレーサハウジング１１８の低温端部に位置するときは、ピストン１５４は、移動工程の中間地点に位置しており、フローダイバータ１４０に向かう方向に向かっている。これにより、圧縮領域内のヘリウムを圧縮し、ヘリウムの温度を上昇させる。圧縮熱は、圧縮されたヘリウムから内部熱交換器のフィンに移動し、該フィンから熱交換器ブロック３０９及び外部排熱フィン１４８に移動する。排熱フィン１４８から、該圧縮熱は外気中に出る。

ディスプレーサアセンブリ１２０がディスプレーサハウジング１１８の高温端部に移動すると、ヘリウムはディスプレーサハウジング１１８の低温端部に移動する。ヘリウムがディスプレーサシリンダ１２０を通過する際、該ヘリウムは、再生器１２２内に熱を蓄積させ、該再生器を出て、そして、ディスプレーサハウジング１１８の低温端部におよそ７７Ｋで入る。このとき、コンプレッサピストン１５４は、好ましくは、移動工程の中間地点に位置しており、ピストンフレクシャースプリング１５６の方向に向かっている。これにより、ディスプレーサハウジング１１８の低温端部内にあるヘリウムを膨張させ、ヘリウムの温度を更に低下させ、ヘリウムが吸熱できるようにする。このようにして、低温端部は、冷凍ユニットとして機能し、“低温”源として作用することができる。

図６は、本発明の原理に従って構成された他の実施例における低温端部を有するクライオクーラアセンブリの断面図である。この実施例では、内側モータが設置されている。詳しくは、リニアモータアセンブリ１１６’の全部品は、シールされた外側ハウジング２０１’の内部に位置している。クライオクーラ、即ち、低温端部を有するクライオクーラアセンブリ１００’において、リニアモータアセンブリ１１６’の各種部品の位置とシールされたハウジング２０１’の形状とを除くその他の部品及び動作についての変更は行われておらず同じである。クライオクーラ１００’の各種部品及び動作は、クライオクーラ１００において詳細に説明した通りであることは理解されたい。従って、この実施例において、クライオクーラ１００’の部品についての詳細な説明は行わなず、シールされた外側ハウジング２０１’について以下で説明する。

図７Ａ〜図７Ｆは、絞り加工の後に好ましくは行われるハウジング２０１’の切削加工の各種工程を示している。図７Ａにおいて、ハウジング２０１’の内表面は手動でホーニングされており、参照番号３０１、３０３’、３０５’で示される箇所における内径部は切削加工される。リニアモータアセンブリ１１６’の部品をハウジング２０１’内に配置させるので、第３部分２１９’の直径は上記ハウジング２０１の第３部分２１９の直径よりも大きい。同様に、移行部分２１８’も変更がなされており、第２部分２１７と第３部分２１９’との間での移行部分となっている。更に、第３部分２１９’の円周が長いため、移行部分２２０を無くすことができる。その代わり、円錐台形状の第４部分２２１’を第３部分２１９’に直接繋げることができる。このような第４部分２２１’の形状と第３部分２１９’の大きな直径が提供されているので、切削加工された対応箇所は、それぞれ、参照番号３０３’、３０５’で示される箇所となる。この箇所３０３’、３０５’は、上述の箇所３０３、３０５と同様な目的で切削加工されている。

図７Ｂにおいて、内側ピストンボアアセンブリ３０７がハウジング２０１’内に挿入される。また、ハウジング２０１’内には、熱交換器ブロック３０９及び積み重なったスプリングを取り付けるための支持体３０８が挿入されている。図７Ｃにおいて、（外側ハウジング内をその厚さ方向に通っている熱伝導路を短くするために）参照番号３１１で示される箇所におけるハウジング２０１の外部は切削加工される。また、（他の部品が収縮されて該ハウジング２０１に嵌り固定されるような適した寸法を得るために）参照番号３１３で示される箇所におけるハウジング２０１の外部は切削加工される。そして、（この実施例では内側モータが配置されているので、上述したように、必須ではなく任意ではあるが）参照番号３１５’で示される箇所におけるハウジング２０１の外部が切削加工される。これらの箇所は、第１部分２１５、第２部分２１７、そして第３部分２１９’にそれぞれ概ね対応している。

図７Ｄにおいて、真空フランジ２００を加熱して所定の箇所まで押し込むことによって、該真空フランジ２００は収縮してハウジング２０１’上に嵌められることが好ましい。図７Ｅにおいて、参照番号３１７で示される真空フランジ２００の表面は切削加工される。この表面３１７は外部排熱フィン１４８を受ける。図７Ｆにおいて、最終的に、更に３つの内部表面が切削加工される。これら３つの表面は参照番号３１９、３２１、３２３で示される。この最終的な切削加工によって、ピストンアセンブリとコンプレッサアセンブリとディスプレーサアセンブリとを最も良好な状態で一直線上に配置し易くなる。図７Ｆに示される部品は、図２Ｂに示される従来の部品に取って代わる部品であることは理解されたい。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は、上記実施例、即ち、上記実施例に開示された構成及び部品には限定されないことは当業者には理解されたい。本発明の原理を採用しており明細書に開示されたもの以外の部品を本発明の趣旨を逸脱しない範囲で形成可能であることは当業者には理解できよう。また、その部品の適用も、本発明の趣旨を逸脱しない限り、可能であることは当業者には理解されたい。明細書に開示されている構成は、本発明を原理を実用化したものにすぎない。他の変形例及び別実施例は当業者の知識の範囲内で可能であり、添付の特許請求の範囲に包含される。

従来の低温端部を有するアセンブリの断面図。 図１のアセンブリの外側部品の断面図。 本発明の実施例における部品と交換される図１のアセンブリの各種部品の断面図。 本発明の原理に従って構成された低温端部を有するアセンブリの断面で示し、シールされた外側チャンバ部材の外部にモータの一部が配置されている状態を示す図。 図３のシールされた外側チャンバ部材の斜視図。 本発明の原理に従って構成された低温端部を有するアセンブリを断面で示し、該アセンブリの切削加工及び組み立て作業の過程を示す図。 本発明の原理に従って構成された他の実施例における低温端部を有するアセンブリを断面で示し、シールされた外側チャンバ部の内部にモータが配置されている状態を示す図。 図６のアセンブリを断面で示し、該アセンブリの切削加工及び組み立て作業の過程を示す図。

Claims (21)

1. 低温端部を有するクライオクーラアセンブリの外側ハウジングであって、
   前記クライオクーラアセンブリは、熱交換器と、ディスプレーサシリンダアセンブリと、ディスプレーサシリンダの原動機と、を備えており、
   前記外側ハウジングは、前記熱交換器と、前記ディスプレーサシリンダアセンブリと、前記原動機の少なくとも一部とを収容するように構成及び配置されている実質的に一体型のハウジングから成ることを特徴とする外側ハウジング。
2. 前記外側ハウジングは、更に、コールドフィンガとして作用し且つ前記ディスプレーサシリンダアセンブリを実質的に収容するように構成及び配置されている第１部分と、前記熱交換器を実質的に収容するように構成及び配置されている第２部分と、前記原動機の前記少なくとも一部を実質的に収容するように構成及び配置されている第３部分と、から成ることを特徴とする請求項１に記載の外側ハウジング。
3. 前記外側ハウジングは、更に、エンドキャップに取り付けられて前記エンドキャップと協力するように構成及び配置されている第４部分から成ることを特徴とする請求項２に記載の外側ハウジング。
4. 前記第２部分は、更に、真空フランジが嵌着されるように構成及び配置されていることを特徴とする請求項２に記載の外側ハウジング。
5. 前記第２部分と前記真空フランジとの組み合わせからなる構造体は、前記真空フランジの周囲に配置されている排熱器を支持する構造体となるように構成及び配置されていることを特徴とする請求項４に記載の外側ハウジング。
6. 前記第１部分、前記第２部分及び前記第３部分は、それぞれ、概ね円形断面を有していることを特徴とする請求項５に記載の外側ハウジング。
7. 前記第２部分は前記第１部分よりも大きな断面を有しており、前記第３部分は前記第２部分よりも大きな断面を有していることを特徴とする請求項６に記載の外側ハウジング。
8. 前記第１部分は、第１移行部分を介して前記第２部分に継ぎ目無く接続されていることを特徴とする請求項２に記載の外側ハウジング。
9. 前記第２部分は、第２移行部分を介して前記第３部分に継ぎ目無く接続されていることを特徴とする請求項２に記載の外側ハウジング。
10. 前記第３部分は、第３移行部分を介して前記第４部分に継ぎ目無く接続されていることを特徴とする請求項２に記載の外側ハウジング。
11. (a)前記第１部分は、第１移行部分を介して前記第２部分に継ぎ目無く接続されており、
    (b)前記第２部分は、第２移行部分を介して前記第３部分に継ぎ目無く接続されており、
    (c)前記第３部分は、第３移行部分を介して前記第４部分に継ぎ目無く接続されていることを特徴とする請求項２に記載の外側ハウジング。
12. 低温端部を有するクライオクーラアセンブリのハウジングであって、
    前記クライオクーラアセンブリは、熱交換器と、ディスプレーサシリンダアセンブリと、ディスプレーサシリンダの原動機と、を備えており、
    前記ハウジングは、
    (a)コールドフィンガとして作用し且つ前記ディスプレーサシリンダアセンブリを実質的に収容するように構成及び配置されている第１部分と、
    (b)前記熱交換器を実質的に収容するように構成及び配置されている第２部分と、
    (c)前記原動機の少なくとも一部を実質的に収容するように構成及び配置されている第３部分と、から成り、
    前記第１部分と前記第２部分と前記第３部分とのうちの少なくとも２つの部分は、継ぎ目無く互いに接続されていることを特徴とするハウジング。
13. 前記第１部分は前記第２部分に継ぎ目無く接続されており、前記第２部分は前記第３部分に継ぎ目無く接続されていることを特徴とする請求項１２に記載のハウジング。
14. 前記ハウジングは、更に、
    (a)前記第１部分と前記第２部分との間に位置する第１移行部分と、
    (b)前記第２部分と前記第３部分との間に位置する第２移行部分と、
    から成ることを特徴とする請求項１３に記載のハウジング。
15. 流体が圧縮される高温端部と、冷却された流体が送り込まれる低温端部と、を有するアセンブリであって、
    (a)原動機と、
    (b)前記原動機に動作可能に接続されており前記流体の圧縮を行うディスプレーサシリンダと、
    (c)熱交換器と、
    (d)前記ディスプレーサシリンダと前記熱交換器とを支持し且つ実質的に包囲し、前記原動機の少なくとも一部を支持し且つ包囲するように構成及び配置されている実質的に継ぎ目の無いハウジングと、
    から成ることを特徴とするアセンブリ。
16. 前記ハウジングは第１端部から第２端部まで全体的に継ぎ目が無く、前記アセンブリを組み立てる際、前記ハウジングの前記第１端部は閉じており、前記ハウジングの前記第２端部は開放されていることを特徴とする請求項１５に記載のアセンブリ。
17. 前記アセンブリは、更に、エンドキャップから成り、前記エンドキャップは前記ハウジングの前記第２端部とシール係合していることを特徴とする請求項１６に記載のアセンブリ。
18. スターリングサイクルのクライオクーラであって、
    (a)ディスプレーサユニットと、
    (b)熱交換器ユニットと、
    (c)コンプレッサ及びリニアモータアセンブリと、
    (d)シールされた一体型のハウジングと、
    から成り、
    前記ハウジングは、前記ディスプレーサユニットの少なくとも一部と、前記熱交換器ユニットの少なくとも一部と、前記コンプレッサ及びリニアモータアセンブリの少なくとも一部とを支持且つ包囲するように構成及び配置されていることを特徴とするクライオクーラ。
19. 前記ハウジングは第１端部から第２端部まで全体的に継ぎ目が無く、前記クライオクーラを組み立てる際、前記ハウジングの前記第１端部は閉じており、前記ハウジングの前記第２端部は開放されていることを特徴とする請求項１８のクライオクーラ。
20. 前記クライオクーラは、更に、エンドキャップから成り、前記エンドキャップは、前記ハウジングの前記第２端部とシール係合していることを特徴とする請求項１９に記載のクライオクーラ。
21. 低温端部を有するクライオクーラアセンブリを製造する方法であって、
    (a)前記アセンブリの一体型ハウジングを絞り加工により形成することと、
    (b)前記ハウジングの少なくとも１つの選択された内径部を切削加工することと、
    (c)切削加工された前記内径部のうちの少なくとも１つの内径部に隣接させてピストンボアアセンブリを設置することと、
    (d)前記ハウジングの少なくとも１つの選択された外径部を切削加工することと、
    (e)前記選択された外径部のうちの少なくとも１つの外径部に隣接させて真空フランジを設置することと、
    から成る方法。

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