JP2017520742A - 低コスト、最小妨害の宇宙冷却用の周波数整合クライオクーラーのスケーリング - Google Patents

Abstract

クライオクーラー（100）内部の部品（101-102）が、30~70Hzではなく、CMG動作周波数（例えば、100Hz）で動作するようにスケーリングされ、且つ／或いは構成されている。同一プラットフォーム上の制御モーメントジャイロスコープの移出妨害に整合し、電子光学赤外線焦点面アレイセンサの照準線微小振動を減少させる。小さなピストン作業容積及び他の部品寸法減少により、クライオクーラーをより低い周波数で動作する設計よりも小さく軽くすることができる。より高い周波数動作に適した先進的なリジェネレーター（124）と組み合わせると、クライオクーラーは、そのようなより低い周波数設計を越える改良した冷却効率を有する。

Description

本開示は、一般に低温クーラー（cryogenic coolers）に関し、より詳細には、振動妨害（vibration disturbance）を許容できない、且つ／或いはクライオラジエーター（cryoradiator）を使用できない又は低温ラジエーターのコスト及び複雑さを是認しないような衛星搭載システム（space-borne systems）用の低コスト低温クーラーに関する。

宇宙船、特に電気光学的／赤外線（EO/IR）センサーシステムを伴う宇宙船は、典型的に、多種多様な撮像センサー、情報を処理するコンピューター及び外部システムとデータを送受信するための通信モジュールを含む。そのような宇宙船は、しばしば、センサーから熱を除去し、且つ／或いはセンサーを極低温（例えば、６５ケルビン）へと冷却するスターリングサイクル低温クーラー（Stirling cycle cryogenic cooler）又はパルスチューブエキスパンダー（a pulse tube expander）を含む。低温クーラーは、一般に、圧縮機ピストン、圧縮機ピストンのための電動化駆動器（a motorized driver）、エキスパンダーピストン（ディスプレーサーピストンとも呼ばれる）、ディスプレーサーピストンのための電動化駆動器、バランサーピストン及びバランサーピストンの各々のための電動化駆動器などの数種の移動する要素を含む。これらの移動する要素は振動を発生しうる。

衛星搭載EO/IRシステムは、しばしば、振動妨害を許容できず、ある応用においてはクライオラジエーターのコスト及び／又は複雑さを是認しない。特に、多くの（全てではないが）センシティブな宇宙EO/IRシステムは、輸送手段の内部制御のための制御モーメントジャイロスコープ（CMGs, 又はgyrodynes）を使用する。CMGsは、例えば１００ヘルツ（Hz）で回転し、照準線微小振動（line-of-sight jitter）を回避するために、全ての構造が１００Hzで共振しないよう設計されることが要求される。そのような宇宙船内部で動作する如何なるクライオクーラーも、１００Hz以外の周波数で動作するならば、より大きな移出妨害（exported disturbances）を有することが許されるであろう。より高い周波数は、振動分離体に関連する妨害ロールオフ（roll-off）を改良し、発射ロック（launch locks）の必要性を減少させる。しかしながら、IR焦点面アレイ（FPA）冷却に適した現存の多くのパルスチューブエキスパンダー及びスターリングサイクル宇宙低温クーラーは、３０Hzと７０Hzとの間の周波数（しばしば、移出妨害のための最悪の周波数）で動作し、センシティブ光学システムの振動を生じる。

したがって、当技術分野において、現存のCMG動作周波数と両立できるように設計された低温コストクライオクーラーの必要性が存在する。

米国特許公開公報2012/0067556号

クライオクーラー内部の部品が、30~70Hzではなく、CMG動作周波数（例えば、100Hz）で動作するようにスケーリングされ、且つ／或いは構成されている。同一プラットフォーム上の制御モーメントジャイロスコープの移出妨害に整合し、電子光学赤外線焦点面アレイセンサの照準線微小振動を減少させる。小さなピストン作業容積及び他の部品寸法減少により、クライオクーラーをより低い周波数で動作する設計よりも小さく軽くすることができる。より高い周波数動作に適した先進的なリジェネレーターと組み合わせると、クライオクーラーは、そのようなより低い周波数設計を越える改良した冷却効率を有する。

特定の利点を列挙してきたが、多様な実施形態が、列挙した利点のうちのいくつかを含み、或いは含まないことがある。さらに、添付の図面及び説明を読むことにより、当業者にとって他の技術的利点が容易に明らかとなろう。

本開示及びその利点をより完全に理解するために、添付図面とともに以下の説明を参照する。図面中、同様な参照符号は同様な部材を表している。

図１、図１Ａ、図１Ｂ及び図１Ｃは、本開示の実施形態に従って、CMG動作周波数における動作のためにスケーリングされたクライオクーラーの部品の多様な図であり、図１は斜視図である。 図１の圧縮機１０１の断面図であり、内部の要素を図式的に示している。 図１のパルスチューブエキスパンダー１０２の上面断面図である。 図１のパルスチューブエキスパンダー１０２の側面断面図である。 本開示の実施形態に従った、CMG動作周波数で動作するようスケーリングしたクライオクーラーの圧縮機内で用いられる高硬度の軸方向フレキシャを示す。 本開示の実施形態に従った、CMG動作周波数で動作するようスケーリングしたクライオクーラーの圧縮機内で用いられる高硬度の軸方向フレキシャを示す。 本開示の実施形態に従った、CMG動作周波数で動作するようにスケーリングしたクライオクーラーの熱力学的性能をプロットしたグラフである。

例示的な実施形態が図面に示され以下に記述されるが、本開示の主題は、現在知られている或いは知られていない多数の技法を用いて実施可能であることを、先ず理解されたい。本開示は、図面に示され以下に記述された例示的な実施及び技法に制限されない。さらに、特に断らない限り、図面に示した物は必ずしも寸法どおりに描かれていない。

低移出振動（low exported vibration）を必要とする応用のための入手可能な宇宙クライオクーラーは、非常に高価であり、一般に長い製造リードタイムを有している。典型的には、低移出振動の必要性は、高価で複雑な絶縁プラットフォーム、コストのかかる位置フィードバックシステム並びに関連する電子機器及び／又は低品質の戦術的グレードの部品の使用によって満たされる。

図１及び図１Ａ〜図１Ｃは、本開示の実施形態に従って、CMG動作周波数における動作のためにスケーリングされたクライオクーラーの部品の多様な図である。多くのCMGは１００Hzで動作するが、あるCMGは１１０Hz若しくは１２０Hz又はそれ以外の周波数で動作する。以下の説明において、「１００Hz」は、単なる代表的なCMG動作周波数を意図しており、適切なCMG動作周波数との整合が意図されていることが当業者に理解されるであろう。後述するように、駆動電子機器の適切な設計又は多数のフレキシャ（flexures）の選択を通じて、周波数整合を達成することができる。

図１は、本開示の実施形態に従った１００Hzクライオクーラー１００内部で用いられる、ボイスコイル動力を受けた（voice coil powered）、二重対向ピストン圧縮機（dual-opposed piston compressor）１０１及びパルスチューブエキスパンダー１０２の斜視図である。図１Ａは、図１の圧縮機１０１の断面図であり、内部の要素を図式的に示している。圧縮機ハウジング１０９の内部には、２つの線形ボイスコイルモーター（又はアクチュエーター）１１０、中央ハウジング１１２及び移送ラインアダプター（a transfer line adapter）１１３が配置されている。ボイスコイルモーター１１０は、２つの軸方向に整列されたピストン組立体１１１に動力を供給し、本質的に低移出力レベル（inherently low exported force levels）のための、軸方向に高硬度のフレキシャ１１４の積層体によって適所に保持されたバランスのとれた圧縮機を形成する。図１Ｂ及び１Ｃは、それぞれ、図１のパルスチューブエキスパンダー１０２の上面断面図及び側面断面図である。パルスチューブエキスパンダーハウジング１１９が、イナータンスチャネル又はイナータンスチューブ（an inertance tube）１２１によるサージボリューム（a surge volume）に結合され、一端に、ウォームマニホルド（warm manifold）ヒートリジェクト（heat reject）１２２、（移送ライン）真空インターフェイス１２３及びデュワーインターフェイス（a Dewar interface）１２７を含む。パルスチューブエキスパンダーハウジング１１９の内部には、先進的なリジェネレーター１２４及びパルスチューブ１２５を含む。
冷却ティップ（a cold tip）１２６が、パルスチューブエキスパンダーハウジング１１９の一端を形成する。

クライオクーラー１００の動作において、各圧縮サイクルの間、ピストンが前後にストロークし、特定の駆動又は動作周波数で多重圧縮サイクルが生じる。圧縮機１０１は、クーリングシステム内で少なくとも１種のガスその他の流体を圧縮するために適した構造を含む。ピストン組立体１１１は各々、多重圧縮サイクル中に少なくとも１種のガスその他の流体を圧縮するためにピストンを前後に反復的に移動させるように構成された適切な構造を含み、特にフレキシャ１１４を含む。

冷却ティップ１２６は、圧縮機１０１と流体連通状態にあり、それによりピストンが動くにつれて、流体が、冷却ティップ１２６内へと交替的に押し込まれて冷却ティップ１２６内部の圧力を増大させ、そして冷却ティップ１２６から退出を許されて冷却ティップ１２６内部の圧力を減少させる。圧力変化の結果としての流体の制御された膨張及び収縮に伴う、流体のこの前後移動は、冷却ティップ１２６内の冷却を作り出す。冷却ティップ１２６はゆえに、例えば、冷却すべきデバイス又はシステムに熱的に結合されている。

クライオクーラー１００もまた、パルスチューブ１２５及びリジェネレーター２４を含む。リジェネレーター１２４は、流体に接触して流体と熱交換する構造を表す。例えば、流体が冷却ティップ１２６へと通過する時に、熱力学サイクルの半分の間に、流体からの熱がリジェネレーター１２４により吸収される。流体が冷却ティップ１２６から離れるように通過する時に、熱力学サイクルの他の半分の間に、リジェネレーター１２４からの熱が流体により吸収される。

冷却ティップ１２６は、冷却すべき外部のデバイス又はシステムに結合するのに適切な如何なる構造をも含む。パルスチューブ１２５は、流体を流れさせ得る如何なる適切な構造をも含み、リジェネレーター１２４は、流体から及び流体へと熱を伝達させる如何なる適切な構造をも含む。リジェネレーター１２４は一般に、例えば、多孔構造体（多孔材料又は金属メッシュのマトリクスなどの構造体）である。パルスチューブ１２５は、サージボリューム１２０に流体結合されており、代表的には流体の漏れを防止するために周囲環境に対して密封されている。イナータンスチューブ１２１は通路を画成し、パルスチューブ１２５内の流体がその通路を流れてサージボリューム１２０に到達することができる。イナータンスチューブ１２１は、金属その他の材料でできた小さなチューブなどである。全体の構造は、適切な如何なる材料からも形成することができ、１００Hzでの動作のために適切な寸法、形状及び体積を有し、如何なる適切な方法でも製作することができる。

クライオクーラーのための圧縮機及びパルスチューブの完全な構造及び動作がここで説明されている分けではないということが、当業者に認識されるであろう。代わりに、簡単化及び明瞭化のために、本開示にユニークである、或いは本開示の理解に必要であるクライオクーラー圧縮機及びパルスチューブエキスパンダーの構造及び動作の多くについてのみ、図面に示され且つ／或いは明細書で明示的に説明されている。

図１及び図１Ａ〜１Ｂに示されている、圧縮機１０１及びパルスチューブエキスパンダー１０２は、１００Hzでの動作のためにスケーリングされ（scaled）ている（必要なスケーリングは当技術分野の範囲内である）。１００Hzは、宇宙プラットフォーム上で用いられるCMGsの基準動作周波数であり、したがって構造的共鳴に関して典型的な近づかない領域である。しかしながら、クライオクーラーは３０〜７０Hz（例えば、６０Hz）で動作するという当技術分野における現在の考え方及び実務に反して、クライオクーラーをCMGsと同じ周波数体制で動作させることが適切であることが決定された。構造的なモデリングは、寸法及び重量の２０％以上の減少が達成され得ることを示している。熱力学的モデリングは、ベンチマークの二倍の冷却性能改良を予想している。モーターをスケーリングするのに用いられる電磁気学的モデリングは、より小さな寸法／重量の変形的な設計と同様な性能を予想している。固体と気体との熱的接触に依存するリジェネレーター性能（効率）は、動作周波数が３０〜７０Hzから１００Hzへと増大すると、影響を受ける可能性がある。上述したように、リジェネレーター１２４は通常、多孔性材料である。最近開発された先進的なリジェネレーター（例えば、米国特許公開公報2012/0067556号）は、しかしながら、制御可能な孔寸法と低圧力降下（low pressure drop）を有し、分析の結果、高周波動作に好適であることが示されている。本明細書において「先進的なリジェネレーター」の語は、上記米国特許公開公報に記述されたタイプのリジェネレーターを意味する。

図２Ａ及び図２Ｂは、本開示の実施形態に従った、１００Hzで動作するためのクライオクーラーの圧縮機で用いる高硬度の軸方向フレキシャ（high-stiffness axial flexures）を示す。小さな圧縮機ピストン作業容積に対して、フレキシャはより厚く、且つ／或いはより硬度であるべきであり、そして３０〜７０Hzクライオクーラーで用いられるものを越えて、幾何形状的に変化する可能性がある。材料厚さ変化、幾何形状変化又はこれらの組み合わせを通じて、軸方向の硬度の増大（現在の硬度設計の７．５倍までの増大）が達成され得る。増大した作業容積及び高い動作周波数に基づく好適な変化は、当技術分野の範疇であり、圧縮機１０１内部で用いられる特定ピストン設計に対して如何なる場合にも調整される（tailored）べきである。

上述したように、間隔を空けて積層したフレキシャ１１４は、ピストン組立体１１１内部のピストンに対して、スプリング力を少なくとも部分的に支持し或いは伝達する。フレキシャ積層間隔は、少なくとも部分的に、ピストン片持ち重量及びその重量を指示する必要性により決定される。ピストンストロークの減少が結果としてピストン長さの減少をもたらし、より厚いフレキシャ１１４の径方向硬度の増大に伴い、積層分離体が薄くなり、追加的な寸法減小が達成される。

図３は、本開示の実施形態に従った、１００Hzで動作するようにスケーリングされたクライオクーラーの熱力学的性能をプロットしたグラフである。ワット（W）単位でのヒートリフト（heat lift）（実線）及びW/W単位での特定電力（点線）が、W単位での入力電力に対してプロットされている。先進的なリジェネレーターの全利点を受けるような幾何形状の最適化及び圧縮機モーター再設計による改良に基づき、予想される効率は、現在の完全スケーリング（６０Hz）クライオクーラーよりもわずかに良い。最大入力電力は小さい（-120 W 対 -160 W）。

効率的に小型化した１００Hzクライオクーラー１００の寸法及び重量は、所与の入力電力及び冷却負荷に対して動作周波数が増大するにつれて、スケーリングダウンし、パッケージングを減少させる。長さ約８．２インチから６．５インチへの約２０％の寸法減小、及び同様に（約７．４ポンドから約５．９ポンドへの）約２０％の重量減少も達成され、全て組立手続も単純化される。

移出妨害（exported disturbance）が軽減され、管理しやすくなり、それにより宇宙プラットフォームの残りの部品とのクライオクーラーの一体化が少なくともある点において単純化されうる。より高い（基本）動作周波数において、０〜５００Hzの高励起範囲内に存在するハーモニクスはより少なくなる。１００ミリニュートン（mN）以上の移出妨害に対する保護のために複雑なシステムが必ずしも必要ではないので、一体化が単純化される。

本開示のシステムは、構造的頑丈さ及び容易な一体化のために、単純な、単一ステージパルスチューブ設計及び同軸冷却ティップ（又は冷却ヘッド）を開発するものであり、結果としてシステム複雑性、コスト及び建造時間の低下が生じる。１００Hzの動作周波数が用いられ特定的に選択されて、同一プラットフォーム上のCMGsからの移出振動妨害の周波数に整合する。１００Hzで共振しないように設計された構造の利点を活用し、複雑な分離システムの必要性を減らす。より高い周波数動作も、振動分離体に妨害ロールオフを改良する。先進的なリジェネレーターと組み合わせて、クライオクーラーは、全寸法及び重量を減少させながら、中〜低冷却容量における効率改良を達成する。

ここで説明したシステム、装置及び方法に対して、本開示の範囲から逸脱することなく、修正、追加又は削除が可能である。例えば、システム及び装置の構成要素は一体化したり、分離したりすることができる。さらに、ここで開示したシステム及び装置の動作は、より多くの、より少ない或いは他の構成要素により実行することができ、ここで開示した方法はより多くの、より少ない或いは他のステップを含むことができる。追加的に、ステップは如何なる好適な順序でも実行できる。本書面において用いられる「各」、「各々」の語は、セットの各要素又はセットのサブセットの各要素を意味する。

添付の特許請求の範囲を解釈するに当たり、特許庁及び本出願について付与される特許の読者を助けるために、本願出願人は、特許請求の範囲に記載された機能的表現に含まれる技術的範囲が実施形態に限定されることが意図されていないことを注記したい。

Claims (20)

1. クライオクーラーであって：
   当該クライオクーラーが動作するように構成されているシステムのための１つ以上の制御モーメントジャイロスコープの動作周波数に整合する選択周波数で動作するよう構成され、１つ以上のピストン組立体を含む圧縮機であり、前記ピストン組立体が前記ピストン組立体の内部のピストンにスプリング力を伝達するフレキシャに結合した、圧縮機と；
   前記圧縮機と流体連通した冷却デバイスであり、イナータンスチャネルを介してサージボリュームと流体連通した冷却ティップとリジェネレーター組立体とを含み、前記冷却ティップが当該クライオクーラーの外部の構造体への冷却をもたらすように構成されている、冷却デバイスと；
   を含むクライオクーラー。
2. 請求項１に記載されたクライオクーラーであって、前記ピストン組立体の内部の前記ピストンの作業容積が前記選択周波数での前記圧縮機の動作のための寸法になっている、クライオクーラー。
3. 請求項１に記載されたクライオクーラーであって、前記フレキシャが、前記選択周波数における前記ピストン組立体の内部の前記ピストンの動作のために選択された軸方向硬度を有する、クライオクーラー。
4. 請求項３に記載されたクライオクーラーであって、前記フレキシャの１つ以上の厚さ及び幾何形状が、前記選択周波数における前記ピストン組立体の内部の前記ピストンの動作のために選択されている、クライオクーラー。
5. 請求項１に記載されたクライオクーラーであって、さらに、
   前記１つ以上のピストン組立体の各々の内部のピストンを駆動する線形ボイスコイルアクチュエーター；
   を含むクライオクーラー。
6. 請求項５に記載されたクライオクーラーであって、前記圧縮機が、逆起電力電圧変化に基づいて前記線形ボイスコイルアクチュエーターのピストンを決定するように構成されている、クライオクーラー。
7. 請求項１に記載されたクライオクーラーであって、前記リジェネレーター組立体が先進的なリジェネレーターである、クライオクーラー。
8. 請求項１に記載されたクライオクーラーであって、前記選択周波数が１００ヘルツ（Hz）、１１０Hz及び１２０Hzのうちの１つである、クライオクーラー。
9. 請求項１に記載されたクライオクーラーを含む宇宙船であって：
   前記選択周波数の周波数で動作するように構成された少なくとも１つの制御モーメントジャイロスコープ；
   を含む宇宙船。
10. 請求項９に記載された宇宙船であって、さらに
    前記少なくとも１つの制御モーメントジャイロスコープにより制御された向きを有する赤外線センサであり、焦点面アレイを形成する赤外線センサ；
    を含む宇宙船。
11. クライオクーラーを動作させる方法であって：
    １つ以上のピストン組立体を含む圧縮機を、当該クライオクーラーが動作するように構成されているシステムのための１つ以上の制御モーメントジャイロスコープの動作周波数に整合する選択周波数で動作させるステップであり、前記ピストン組立体が前記ピストン組立体の内部のピストンにスプリング力を伝達するフレキシャに結合した、ステップと；
    冷却デバイス内の前記圧縮機から流体を受けるステップであり、前記冷却デバイスが、イナータンスチャネルを介してサージボリュームと流体連通した冷却ティップとリジェネレーター組立体とを含み、前記冷却ティップが当該クライオクーラーの外部の構造体への冷却をもたらすように構成されている、ステップと；
    を含む方法。
12. 請求項１１に記載された方法であって、前記ピストン組立体の内部の前記ピストンの作業容積が前記選択周波数での前記圧縮機の動作のための寸法になっている、方法。
13. 請求項１１に記載された方法であって、前記フレキシャが、前記選択周波数における前記ピストン組立体の内部の前記ピストンの動作のために選択された軸方向硬度を有する、方法。
14. 請求項１３に記載された方法であって、前記フレキシャの１つ以上の厚さ及び幾何形状が、前記選択周波数における前記ピストン組立体の内部の前記ピストンの動作のために選択されている、方法。
15. 請求項１１に記載された方法であって、さらに、
    前記１つ以上のピストン組立体の各々の内部のピストンを、線形ボイスコイルアクチュエーターを用いて駆動するステップ；
    を含む方法。
16. 請求項１５に記載された方法であって、さらに、
    逆起電力電圧変化に基づいて前記線形ボイスコイルアクチュエーターのピストンを決定するステップ；
    を含む方法。
17. 請求項１１に記載された方法であって、前記リジェネレーター組立体が先進的なリジェネレーターである、方法。
18. 請求項１１に記載された方法であって、前記選択周波数が１００ヘルツ（Hz）、１１０Hz及び１２０Hzのうちの１つである、方法。
19. 請求項１１に記載された方法であって、さらに、
    前記クライオクーラーを含む宇宙船内で少なくとも１つの制御モーメントジャイロスコープを前記選択周波数で動作させるステップ；
    を含む方法。
20. 請求項１９に記載された方法であって、さらに
    前記少なくとも１つの制御モーメントジャイロスコープを用いて赤外線センサの向きを制御するステップであり、前記赤外線センサが焦点面アレイを形成するステップ；
    を含む方法。

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