JP6564775B2 - 磁気往復ピストンを備えた極低温冷却器 - Google Patents

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関連出願
本願は、“外部駆動極低温冷却器”と題され、２０１３年８月２日に出願された米国仮特許出願第６１/８６１，５８８号に対して優先権主張をするものであり、その内容は参照することにより本明細書に全て組み入れられる。

本明細書に記載される事項は、圧力波発生器（;pressure wave generator）と、冷却（又は冷凍;refrigeration）デバイス（例えば、冷間ヘッド（;coldhead）であって、ガスが冷却デバイスの表面にさらされる際にガスを液化させるために使用され得る冷却デバイスと、を有して成る極低温冷却器（;cryocooler）に関する。より具体的には、圧力波発生器は、加圧容器の外側に電磁固定子を備えた１つ以上の往復モーターを有して成る。１つ以上の往復モーターの各々が、横断し対向する極性を有する磁石から成る磁気ピストンを有して成る。ピストンは、加圧容器内で摺動すると共に、ピストンと加圧容器との間の摩擦を最小とするように構成されている。

多くの患者が、慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）等の呼吸の疾患に苦しんでいる。そのような患者の肺の有効性の低下により、患者は快適にかつ活動的になるための補助的な酸素サポートを要する。典型的には、これらの患者により使用される酸素は、加圧ガスとして、又はガス状酸素よりもより小型で軽量な保存を可能とし、患者の移動の間に特に役立つ液化酸素として供される。ほとんどの液化酸素が中央源から送られるが、その場での酸素の液化は標準的な極低温冷却器により実施されることが知られている。かかる標準的な極低温冷却器はモーターにより作動させる冷却サイクルを含む。かかるモーターは固定子およびピストンを含む。その両方が、加圧容器内に高純度作業ガスを、典型的には全ての他の物質が液体又は固体になる際に低温で気体状のままである超高純度ヘリウムを加圧容器内に含むために、多数の他の要素（例えば、鉄、電気鋼、ヨーク（;yoke）および他の同様の材料等の高透過性（透磁率;permeability）材から成る様々な要素）と共に加圧容器内に組み入れられる。この従来のモーターの構造は相当程度複雑であり、ワイヤー又はその絶縁体での故障に悩まされる電磁固定子は、加圧容器を壊す又は開くことでのみ修繕又は交換することができる。従って、標準的なモーターおよびモーターと関連した極低温冷却器は相当高価となる。

一態様では、固定子、電気コイル、加圧容器、およびピストンを有して成り得るモーターが記載される。固定子は、高磁気透過材の回路を遮断するスペースを規定し得る。電気コイルは、固定子の一部の周りに巻かれ得る。電気コイルは、電気コイルに交流電流を通過させる際に、固定子内におよび固定子により規定されるスペース内に逆（又は反転;reversing）磁場を発生させることができる。加圧容器は、固定子により取り囲まれたスペース内に設けられ得る。ピストンは、加圧容器の内側に設けられ得る。ピストンは、逆磁場に反応して加圧容器内で摺動することができる。

ある態様では、下記の１つ以上が個々に又は任意の適当な組み合わせで実施され得る。ピストンは、対向しかつ横断方向に極性を有する第１磁石および第２磁石の組み合わせを有して成り得る。第１磁石および第２磁石は共通軸上にて組み合わせられ得る。第１磁石および第２磁石の各々は円筒状であり得る。第１磁石および第２磁石の各々の径は、加圧容器の円筒部の内径と略同一であり得る。固定子により規定されるスペースの表面と、第１磁石および第２磁石の少なくとも一方の外面との間の距離は２ｍｍ未満であり得る。ピストンの周囲部は少なくとも、ピストンが加圧容器内で摺動する際にピストンの外面と加圧容器の内面との間の摩擦を最小限にし得る低摩擦材で被覆され得る。加圧容器内でのピストンの摺動は共鳴往復運動（;resonant reciprocating motion）となり得る。

加圧容器は、位相ネットワーク（又は網;network）を含む冷間ヘッドに接続され得る。加圧容器内のピストンの共鳴往復運動により、加圧容器および位相ネットワーク内の作動流体の振動流れが引き起こされ得る。位相ネットワーク内の作動流体の振動流れにより、冷間ヘッドの少なくともある部分の低温化が引き起こされ得る。冷間ヘッドの少なくともある部分の低温化は、冷間ヘッドの外面にさらされるガスの液化が引き起こされ得る。作動流体は、ヘリウム、水素、二酸化炭素、およびアルゴンの少なくとも１つを含み得る。冷間ヘッドの外面にさらされることで液化されるガスは酸素であり得る。

加圧容器は低伝導性および非強磁性材から成り得る。低伝導性および非強磁性材は、ステンレス鋼、インコネル、ガラス、カーボン、およびチタン合金の１つであり得る。ピストンは、ピストンの中間ストローク位置へピストンを戻す傾向にある復元力を発生させるために、固定子と結びつく（又はつながる;link with）複数の磁石を有してなり得る。固定子および電気コイルは、ピストンが逆磁場により加圧容器内で摺動する際、大気中に設けられ得る。固定子は、加圧容器を開くことなく又は壊すことなく取り外し可能および交換可能にし得る。

別態様では、圧力波発生器および圧力発生器と流体的に接続されたアコースティックロード（又は搭載部又は負荷部又は実装部;load）を有して成り得るシステムが記載される。圧力波発生器は１つ以上のモーターを有して成り得る。１つ以上のモーターのうち少なくとも１つのモーターは、固定子、電気コイル、加圧容器、およびピストンを有して成り得る。固定子は、高磁気透過材の回路を遮断するスペースを規定し得る。電気コイルは、固定子の一部の周りに巻かれ得る。電気コイルは、電気コイルに交流電流を通過させる際に、固定子内におよび固定子により規定されるスペース内に逆（又は反転;reversing）磁場を発生させることができる。加圧容器は、固定子により取り囲まれたスペース内に設けられ得る。ピストンは、加圧容器の内側に設けられ得る。ピストンは、逆磁場に反応して加圧容器内で往復することができる。

ある態様では、下記の１つ以上が個々に又は任意の適当な組み合わせで実施され得る。アコースティックロードは、スターリング（stirling）サイクル冷却器およびパルスチューブアコースティックスターリング冷却器の少なくとも一方であり得る。一態様では、アコースティックロードは、コンプレッサーヘッドであり得る。１つ以上のモーターは少なくとも２つのモーターを有して成り得る。少なくとも２つのモーターが含まれる際、少なくとも２つのモーターは圧力波発生器内で機械的振動をなくすために機能上接続され得る。加圧容器は、アコースティックロードにのみ開口したガスタイト・エンクロージャ（又は気密囲い;gas-tight enclosure）の一部であり得る。アコースティックロードは冷間ヘッドであり得る。冷間ヘッドは位相ネットワークを有して成り得る。加圧容器は、冷間ヘッドに接続され得る。加圧容器内のピストンの往復運動により、加圧容器および冷間ヘッド内の作動流体の振動流れが引き起こされ得る。アコースティックロード内の作動流体の振動流れにより、アコースティックロードの一部の低温化が引き起こされ得る。アコースティックロードの一部の低温化により、アコースティックロードの外面にさらされるガスの液化が引き起こされ得る。

更なる別態様では、ガスの混合物からガスを分離するように構成されたガス源、およびガス源から分離されたガスを液化させるために当該ガスを受容するように構成された極低温冷却器を有して成り得るシステムが記載される。極低温冷却器は、圧力波発生器、およびガスが冷却デバイスの外面にさらされる際ガスを液化させる冷却デバイスを有して成り得る。圧力波発生器は、少なくとも１つの往復モーターを有して成り得る。少なくとも１つの往復モーターはスペースを規定する固定子を有して成り得る。電気コイルは、固定子の一部の周りに巻かれ得る。電気コイルは、電気コイルに交流電流を通過させる際に、固定子内におよび固定子により規定されるスペース内に逆磁場を発生させることができる。少なくとも１つの往復モーターは、固定子により規定されたスペース内に設置可能な加圧容器を更に有して成り得る。加圧容器は、ピストンが逆磁場に反応して加圧容器内で摺動して往復するようピストンを取り囲み得る。

ある態様では、下記の１つ以上が個々に又は任意の適当な組み合わせで実施され得る。
冷却デバイスは位相ネットワークを有して成り得る。加圧容器内のピストンの往復により、加圧容器および冷却デバイス内の作動流体の振動流れが引き起こされ得る。冷却デバイス内の作動流体の振動流れにより、冷却デバイスの一部の低温化が引き起こされ得る。冷却デバイスの一部の低温化により、位相ネットワークを有して成るアコースティックロードの外面にさらされるガスの液化が引き起こされ得る。かかるシステムは、液化ガスを収集し、保存し得る保存容器を更に有して成り得る。ガス源は、ガスの混合物からガスを分離するエア分離デバイスであり得る。一例では、エア分離デバイスは、モレキュラーシーブ（又は分子ふるい;molecular sieve）であり得る。別の例では、エア分離デバイスは、複数の熱交換チャネルを含む熱交換器を有して成り得る。ガスの混合物は、コンプレッサーにより圧縮されたガスを含んで成り得る。ガス源はコンプレッサーからのガスの混合物を受容し得る。ガスの混合物は大気であり得る。分離されたガスはガス状酸素であり得る。液化ガスは、１人以上の患者により使用される少なくとも１つの医療デバイスに供され得る液体酸素であり得る。

用語冷間ヘッド、アコースティックロード、および冷却デバイスは本明細書で記載される極低温冷却器の欄で置換可能に用いられることに留意されたい。

また、関連する装置、システム、方法、技術、および道具についても記載する。

本明細書に記載される事項は多くの利点を供する。例えば、加圧容器の外部にある極低温冷却器のモーターによって、固定子を、加圧容器により密閉された（又はカプセル封入された又は封入された;encapsulated）加圧容積内に入り込ませることなく取り外しし、および交換することができる。加圧容器を壊すことなく固定子の取り外しと交換を行うことで、大規模な（;又は主たる;major）修繕又はメンテナンスを要することなく極低温冷却器の連続的な操作時間を増大させることができ、極低温冷却器の費用を著しく低下させることができる。有利には、外部固定子は、巻き線ワイヤー内の電流から生じる抵抗熱の冷却を改善し、圧力容器内のコストのかかる微細な電気供給の必要性、および内部モーターの巻き線に電流を流す必要性を除く。更に、（製造補助具（;aid）およびストローク端部のバンパー（;end-of-stroke bumper）として機能する、アルミニウムキャップ等の非磁気キャップを含む）ピストンのみを密閉する加圧容器は、有利には、内部に全モーターを取り囲むのに十分に大きい容器よりも相当程度小さく、軽量であり、かつ製造し易いシンプルでほぼチューブ状構造を供する。更に、本明細書に記載された極低温冷却器の構造および材料はメンテナンス無しで数年の操作寿命を保証することができ、慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）等の呼吸の疾患を治癒するための平均期間が２〜３年であり得るので重要であり得る。

本明細書に記載された事項の１つ以上の変更態様の詳細は、添付図面および下記に記載される。本明細書に記載された事項の他の特徴および利点は明細書、図面およびクレームから自明であろう。

図１は、酸素等のガスを液化させるために使用される極低温冷却器を有して成るシステムを示す略図である。 図２は、冷却プロセスおよび極低温冷却器の関連する構造的特徴を示す略図である。 図３は、極低温冷却器を有して成る代替システムを示す略図である。 図４は、極低温冷却器内の２つの往復モーターのうちの一方の往復モーターを示す略図である。 図５は、極低温冷却器の往復モーターの斜視態様を示す略図である。 図６は、極低温冷却器内の往復モーターの磁気ピストンを示す略図である。 図７は、極低温冷却器内の往復モーターの加圧容器内に設けられるように構成されている磁気ピストンの内側断面態様を示す略図である。 図８は、極低温冷却器を構成する又は組み立てるために使用される部品の分解態様を示す略図である。 図９は、組み立てられた極低温冷却器のいくつかの部品を示す略図である。 図１０は、極低温冷却器の別態様を示す略図である。 図１１は、極低温冷却器内の往復モーターの固定子の代替形態を示す略図である。 図１２は、極低温冷却器内の往復モーターの固定子の別の代替形態を示す略図である。

実際上、種々の図面内の類似の参照番号および/又は参照記号は類似の要素を示す。

図１は酸素等のガスを液化させるために使用される極低温冷却器１０２を有して成るシステム１０１を示す略図１００である。システム１００は、コンプレッサー１０４、（エア分離デバイスと呼ばれる）エアセパレーター１０６（例えば、濃縮器、例えば圧力スイング吸着酸素濃縮器）、および保存容器１０８（例えば、デュワー（;dewar）等のフラスコ）を更に有して成り得る。コンプレッサー１０４は、約７８％の窒素、約２１％の酸素、１％の二酸化炭素、メタン、水素、アルゴンおよびヘリウムから成る残りの混合物であり得る、大気１１０を受容し得る。コンプレッサー１０４は圧縮エア１１２を形成するために大気１１０を圧縮し得る。エアセパレーター１０６はコンプレッサーから圧縮エア１１２を受容し、圧縮エア１１２内の他のガス（例えば、窒素、二酸化炭素、メタン、水素、アルゴン、およびヘリウム）から酸素等の要求されるガス１１４を実質的に分離する。エアセパレーター１０６は、排出ガス１１６とも呼ばれるこれら他のガスを排出し得る。極低温冷却器１０２は、外面１２０（例えば、冷間チップ）を有する冷却デバイス１１８（例えば、突出冷間フィンガー（;salient cold-finger）と構成され得る冷間ヘッド）を有して成り得る。ガス１１４が当該外面１２０（例えば、冷間チップ）に触れる際、ガス１１４は液化ガス１２２を形成するために液化され得る。保存容器１０８は、液化ガス１２２を保存し得る。液化ガス１２２は必要時に保存容器１０８から取り出され得る。

極低温冷却器１０２は、約１５０ケルビン（１５０Ｋ）未満の温度でガス１１４を液化し得る、冷却器である。この液化を行う際、極低温冷却器１０２は約０℃〜約４０℃の通常の大気温度まで排熱（又は熱放出;reject heat）し得る。

（下記の）略図２００は極低温冷却器１０２により実施される冷却プロセスおよびそのような極低温冷却器の構造的要素を示している。（下記の）略図３００は上記のシステム１０１の代わりに使用され得る代替システムを示している。（下記の）略図４００および５００は極低温冷却器１０２の好ましい態様における２つの往復モーターのうちの一方の往復モーターを示している。（下記の）略図６００は、極低温冷却器１０２の各往復モーター内で使用される磁気ピストンを示している。（下記の）略図７００は、各往復モーター内で使用される磁気ピストンの別図を示している。（下記の）略図８００は、極低温冷却器１０２の好ましい態様を構成するために使用される部品の分解図を示している。（下記の）略図９００は、極低温冷却器１０２の好ましい態様の内側構造を示している。（下記の）略図１０００は、極低温冷却器１０２の好ましい態様の外観図を示している。（下記の）略図１１００および１２００の各々は、極低温冷却器１０２の各往復モーター内の固定子および電気コイルの取り得る形態を示している。

液化ガス１２２は、保存容器１０８から取り出され、酸素受容デバイス、例えば酸素気化器（又は再気化器）および患者により使用される関連する人工呼吸器を備えたポータブル液体酸素ボトルに供され得る、液化酸素であり得る。これらの患者は、慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）等の呼吸の疾患に苦しむ者である。

エアセパレーター１０６は分子ふるいを有して成り得る。別の態様では、エアセパレーターは、下記の略図４００により記載されるように１つ以上のガスを輸送するように構成された複数の熱交換チャネルを有して成り得る。

図２は、冷却プロセスおよび極低温冷却器１０２の関連する構造的特徴を示す略図である。極低温冷却器１０２は、圧力波発生器２０２および小型の冷却デバイス（例えば、冷間ヘッド）１１８を有して成り得る。圧力波発生器２０２は直線状の往復モーター２０４および２０６により駆動され、その各々については略図５００および６００によって下記により詳細に説明する。冷却デバイス１１８は、アコースティックスターリング（パルス−チューブ）冷間ヘッドであり得る。冷却デバイス１１８は、温熱交換器２０８、再生器２１０、冷熱交換器２１２、熱バッファー（又は緩衝;buffer）チューブ２１４、第２温熱交換器２１６、イナータンスチューブ２１８、およびコンプライアンスタンク２２０を有して成り得る。ある態様では、突出冷間ゾーン（;salient cold zone）（すなわち、冷間チップ１２０）を形成するために冷熱交換器２１２にわたるように冷却デバイス１１８を折り曲げることが可能である。

極低温冷却器１０２により実施される冷却プロセスは概して下記のように作用する。圧力波発生器内の往復モーター内のピストンの往復運動によって、極低温冷却器１０２内の平均圧（チャージ圧）に関連して作動流体（例えば、ヘリウム、又は他の態様でのその他同様の１つ以上のガス）が繰り返し圧縮され、拡張される。ピストンの各前進ストロークにより、いくつかの作動流体が、熱が除去される温熱交換器２０８を通じるように移動する。作動流体は、冷熱交換器２１２に到達する前に作動流体を予冷する再生器２１０を通じるように進む。作動流体が冷熱交換器２１２に向かって移動するにつれ、離れたコンプライアンスタンクに向かうピストンの前進移動からの増圧により駆動される（熱バッファーチューブ２１４、第２温熱交換器２１６、およびリザーバー２２０を有して成る）アコースティックネットワーク内のガスは、同方向に移動することが可能である。ピストンがその上限に到達する際、ピストンの領域および熱交換器内の局所的な作動流体が前進を停止するとしても、アコースティックネットワーク内の作動流体は、高速イナータンスチューブ２１８内での流体自身の慣性力およびコンプライアンスタンク内の略均一な平均圧により駆動されて、移動を続ける。イナータンスチューブ２１８内での作動流体の移動は、冷熱交換器２１２から離れるように移動して、その領域内の作動流体を拡張させる実質上のピストンのように挙動する。作動流体が拡張すると、作動流体により、その包囲面および外部ロードから、熱、例えばその包囲面にさらされかつ冷却又は液化され得るガス１１４が集められる。ピストンが後退し始めると、圧力が局所的に平均未満に低下され、次いで作動流体のほとんどが再生器２１０および温熱交換器２０８を介して戻るように移動する。慣性力により更に遅らせられると、アコースティックネットワーク内の作動流体が後に続いて、温熱領域内に更に流体を駆動するための実質上のピストンとして再び作用し、サイクルが温熱ゾーンで圧縮により再び始まる。極低温冷却器１０２の往復モーター、および排温熱交換器２０８、２１６は、局所エア、水、および/又はリザーバー、ポンプおよび液気熱交換器を有して成り得る任意の閉鎖ループ冷却システムにより冷却され得る。熱交換器２１２は冷却される冷却領域であり、それによって熱交換器に熱的に結合された任意のロードが冷却される。

図３は、極低温冷却器１０２を有して成る代替システム３０２を示す略図である。システム３０２は、エア送出デバイス３０４（例えば、エアポンプ又はブロワー）；フロー制御バルブ３０６；第１チャネル３１０、第２チャネル３１２および第３チャネル３１４を有して成る回収熱交換器３０８；保存容器１０８；極低温冷却器１０２；ガス状酸素出口部３２０；液化酸素出口部１２２；および排気/廃棄エア出口部３２４を有して成り得る。

エア送出デバイス３０４は、窒素、酸素、微量アルゴン、水蒸気、二酸化炭素、および微量元素を含んで成り得るエアの連続流れを供し得る。エアは熱交換器３０８の第１チャンネル３１０内に導かれ得る。熱交換器３０８は、第２チャネル３１２内のガスストリームに熱を供与することができ、可能な限り第３チャネル３１４内のガスストリームに供与することができる。第１チャネル３１０内のエアが熱を失うと、エア温度を下げることができる。第１チャネル３１０内のエア温度が下がると、エアのいくつかのコンポーネント（例えば、水および二酸化炭素）を、これらコンポーネントの相変化温度（下記参照）が他のコンポーネント、例えば窒素、酸素およびアルゴン等の相変化温度（下記参照）よりも相当程度高いため、凝縮又は凝結させることができる。例えば、水は２７３Ｋの標準凝縮温度かつ標準大気中に０．１〜２．８％の留分を有し、二酸化炭素は１９５Ｋの標準凝縮温度かつ標準大気中に０．０３５％の留分を有し（二酸化炭素は液相無しで直接凝結および昇華する）、酸素は９０．２Ｋの標準凝縮温度かつ標準大気中に２０．９５％の留分を有し、アルゴンは８７．３Ｋの標準凝縮温度かつ標準大気中に０．９３％の留分を有し、窒素は７７．４Ｋの標準凝縮温度かつ標準大気中に７８．１％の留分を有する。

残留冷却ガス（すなわち、窒素、アルゴン、酸素および微量元素）は極低温保存容器１０８内に通じることが可能である。かかる残留冷却ガスは、極低温冷却器１０２によりおおよそ８０ケルビン〜９０ケルビンの温度にまで冷却された冷却面にさらされ得る。冷却面への熱移動によりガスから取り出される熱は、溶液中の酸素、アルゴン、および少量の窒素を凝縮することが可能である。微量の酸素、アルゴン、および他の微量成分と共に非凝縮の窒素は、保存容器１０８を通過して、熱交換器３０８の第２チャネル３１２内に再び入ることが可能である。第２チャネル３１２では、微量の酸素、アルゴン、および他の微量成分と共に非凝縮の窒素は、第１チャネル３１０内の流入ストリームから熱を吸収することができる。ガスストリームは、フロー制御バルブ３０６を通過して、排ガス出口部３２４を通じて出ていくことが可能である。酸素を豊富に含む凝縮液は、保存容器１０８内に部分的に集められ、熱交換器３０８の第３チャネル３１４を通じて部分的に導かれ得る。第３チャネル３１４内の酸素を豊富に含む凝縮液は、ガス状酸素出口部３２０を通じて消費の要求があるにつき出ていくことが可能である。集められた凝縮液は、要求（例えば、移動中の患者による消費の要求）があるまで保存することができ、次いで要求時に消費用の液体として取り出すことができる。

熱交換器３０８内の温かい凝縮液が流入エアの連続フローから集まるにつれ、フローを維持するために要する圧力が上昇し得る。（図示しない）コントローラは、下記のうちの１つ（圧力上昇、固定圧でのフロー減少、および予めセットした時間間隔からの移動）が生じた際には代替位置にフロー制御バルブ３０６を切り換えることが可能である。代替位置へのフロー制御バルブ３０６の切換により、第１チャネル３１０と第２チャネル３１２のためのエア吸入口とエア排出口との間の各接続を反転させることができる。この反転は、暖凝縮液の再エントレインメント（又は再同伴又は再伴流;re-entrainment）を可能とし、開チャネルおよび熱交換器３０８を通じる自由なエア流れの維持を可能とする。

システム３０２のある態様では、下記の１つ以上が個々に又は任意の適当な組み合わせで実施され得る。エア送出デバイス３０４は、エア流れを押すというよりはむしろエア流れを取り出すために排気出口部３２４の他方の側にあり得る。熱交換器３０８は、熱交換器３０８内に凝縮された液体の回収および除去の助力が重力によりされ得るように方向付けられ、特に種の分離を助力する高表面充填（;filling）要素（例えば分留器等）と共に方向付けられ得る。システム３０２は、補助電気解凍サイクル（;auxiliary electric defrost cycle）の追加として必要時に臨時用にし得る。システム３０２は、ガス状および液体状の生成物の供給（又は分配;dispensing）を制御するための更なるバルブを有して成り得る。システム３０２は、第２の携帯用（又はポータブル;portable）保存容器（例えば、デュワー）又は液体酸素タップを更に有して成り得る。システム３０２は、凝縮水のいくつかを酸素ストリームに加え戻す（;add back）ための再加湿器（;rehumidifer）を有して成り得る。システム３０２は、フィルタおよび/又は濃縮器等の前段階精製器（;pre-purifier）を有して成り得る。ガス状酸素タップおよび熱交換器３０８の第３チャネル３１４は、液体酸素が所望の生成物のみであり得る用途では取り除かれ得る。

いくつかの態様では、下記の１つ以上が個々に又は任意の適当な組み合わせで実施され得る。不完全な熱交換により大気フローよりも更に冷たい排気エアは、極低温冷却器の排熱（又は熱放出;heat rejection）のための冷却エア流れとして使用され得る。これにより、エアポンプを二重に使用でき、かつ排熱温度を低くすることで冷却効率を改善することができる。反対に、流入エアは冷却排熱面から取り出され、それにより、交換ストリーム間の温度差を増加させることで、低コストのためより小さな交換器とすることができる。熱交換器は冷却デバイス（例えば冷間ヘッド）１１８と平行にかつ熱接触するように位置付けられ得る。これにより、温度勾配を共有でき、かつ（温度勾配に沿って）高温部分で要求される冷却部分を効果的かつ効率的に供することができる。ガス状酸素のみが要求される場合（例えば、ウェルディング（又は溶接;welding））、保存容器１０８は除かれ得る。そして、小さな凝縮チャンバーのみが、熱交換器３０８の第３チャネル３１４内での酸素の再気化前に他のガスから液体酸素を分離させるために保持され得る。

ある態様では、下記の１つ以上が個々に又は任意の適当な組み合わせで実施され得る。システム３０２は、エア以外の混合物から他の種を精製するために使用され得る。例えば、システム３０２は、暖凝縮物のための逆フローの再エントレインメント、および所望の純粋な凝縮物のための分離収集チャンバーおよび流入ストリームにより同様の逐次の凝縮を行って天然ガス中の炭化水素の混合物からブタンを分離するために使用され得る。システム３０２を通じるように供されるエア流速は、冷却および再加熱されるエアのかたまり（;mass）を最小化するために、利用可能な冷却能力および操作温度に対して制御され得る。例えば、多くのチャネルの各々を一端上で流入部および排出部と逐次接触させ、他端上で濃縮チャンバーと常時接続するために、（一端上で流入部に部分的に接続され、排気流出部３２４に部分的に接続された）流入マニホルドに対して徐々に背を向ける回転式熱交換器を作製することで、フロー制御バルブ３０６は、熱交換器３０８と一体化され得る。

上記態様のいくつかはシステム３０２用に記載されているが、これら態様は、適当かつ実際的である際には同様にシステム１０１での代替態様であり得る。

図４は、極低温冷却器１０２の２つの往復モーター２０４および２０６のうちの一方の往復モーター２０４を示す略図４００である。往復モーター２０４は、加圧容器４０４（例えば、下記の略図５００にてより明確に示されるようなガス密シリンダー）内に設けられた（下記の略図６００および７００にてより明確に示されるような）永久磁気ピストン４０２を有して成り得る。ピストン４０２は、加圧容器４０４内にて直線的に摺動するように構成されている。（略図５００にてより明確に示される）固定子４０６は、加圧容器４０４が設置され得る空間の周囲に一対の磁極面を規定し得る。１つ以上の電気コイル４０８は、固定子４０６の１つ以上の箇所の周りに巻かれ得る。固定子コアの形状および固定子４０６に対する電気コイル４０８の位置の更なる例は略図１１００および１２００に記載される。１つ以上の電気コイル４０８に電流を通過させると、電磁場が、対向する又は磁気ピストンの少なくとも一部分を引き付ける磁極面間のスペースに発生し、それにより磁気ピストン４０２の移動が生じる。その結果、固定子コイル４０８中での交流電流の適用により、加圧容器４０４内で固定子４０６の主面に概して横断する磁気ピストンの逆進動作（すなわち、往復）が行われる。

磁気ピストン４０２は、当該ピストンと加圧容器４０４との間のギャップが相当程度小さくなるようにしながら加圧容器４０４内で摺動するように構成され得る。小ギャップは、ピストンのガスシールとして作用し、ピストン周りの最小のバイパス漏れでピストンからの効率的な圧力供給およびフローを確保する。例えば、ピストン４０２と加圧容器４０４との間のギャップの半径方向の幅の値の範囲は、０ミクロン〜２５ミクロンであり得る。

磁石の横断方向の引き合いは固定子４０６の磁極が近接するにつれてより強くなり、ピストンは容器４０４内で自由に移動するため、ピストン４０２は、（半径方向のクリアランスが０ミクロンである場合）通常シリンダー４０４の一方の側に設けられており（;ride toward）かつ触れており、（半径方向のクリアランスが２５ミクロン等の最大値である場合）シリンダー４０４内の他の反対の対向する側から離れるようになる。シリンダー４０４と一定して触れるピストン４０２の側間の摩擦を最小限にするために、ピストン４０２の外周囲面は、（下記の略図６００に示されるように）低摩擦材５１２、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）化合物で被覆され得る。

略円筒形状のピストン４０２は第１磁石６０２および第２磁石６０４（各磁石６０２および６０４は略図６００で明確に示されている）を有して成り、ピストン４０２の軸端は、製造業者が通常の工具で磁気ピストン４０２をより簡単に操作および処理可能な
（例えば、アルミニウムキャップで、略図６００および７００に示されている）非磁気キャップ４１０を有して成り得る。第１磁石６０２および第２磁石６０４は、ピストン４０２内で軸方向に隣接しており、対向しかつ横断方向に極性を有し得る。

磁気ピストン４０２の２つの磁石は、モーター２０４又は２０６のピストンアッセンブリの質量移動（又は移動質量;moving mass）を最小化し得る高強度鉄−ネオジウム材から成る。低質量移動は下記の観点から利点を有する。この質量移動は、ある振動数での共鳴を達成するための対応する剛性により移動され/揺らされることを要し、質量移動の運動量は振動を生じさせる。低質量移動は有利には振動を減らし、軽量スプリング（および磁場とガス圧の両方に由来するかかるスプリングの提供に関連した低ロス）を要する。

磁気ピストン４０２の磁石は、その中心を同軸上に合わせるための磁気ピストン４０２を通じるタイロッドを使用するために軸方向に中ぐりされ得る（又は穴が開けられ得る;bore）。ピストン４０２内の磁石長さは磁気ピストン４０２のストローク長さよりも大きくてよい（すなわち、ストローク長さよりも著しく小さくなくてよい）。

加圧容器４０４は、低伝導性および非強磁性材、例えばステンレス鋼、インコネル、ガラス、カーボン、チタン合金およびその他類似の材料のうちの１つ以上から成り得る。低伝導性および非強磁性材は、加圧容器４０４の壁を薄くすることが可能な高引張強度を有し、それにより最適な束結合（;flux linking）および効率のための固定子４０６と磁気ピストン４０２との間のランニングギャップを最小化することができる。ある代替態様では、加圧容器４０４はガラスから成り得る。加圧容器４０４は磁束を通過させることができる一方、加圧容器４０４は、磁束変化の影響下で導電性材での渦流およびヒステリシスから生じる廃エネルギーを限定するための電気抵抗および薄さである必要がある。より具体的には、加圧容器４０４の電気抵抗は５ｅ^−７Ｏｈｍ/ｍよりも大きいことが好ましい。

固定子４０６は、鉄等の高透磁性の電気絶縁粉末で成形され得る。ある態様では、固定子４０６は、電気導体４０８とスタックされ、結合されおよび電気導体４０８の周りに巻かれる高透過性材（例えば、ＡＲＭＣＯによるＭ−１５等の電気鋼）の積層体を有して成り得る。往復運動のためのこのケースでは、成形され又は軸方向積層スタックの固定子４０２の全厚は、磁気ピストン４０２の最大ストロークよりも大きくあることを要し、同様に磁石６０２又は６０４の長さ未満であることを要する。

磁気ピストン４０２の最大ストロークよりも大きい固定子４０６の厚さは、下記理由の観点から利点を有し得る。両磁石のある部分が固定子４０６の厚み内にある限り、固定子４０６と磁石との間の束結合は、（例えば静止時であって操作時でない際、固定子に対して正常に軸方向に中心がある）往復ピストン（又は往復運動ピストン;reciprocating piston）４０２の位置に対して略直線状である。すなわち、固定子の厚さが各磁石と等分に一直線上にある場合、モーターが静止時であって操作時でない際固定子に対して正常に軸方向に中心があるので、共通ジョイントは固定子４０６の中ほどにある。そのため、その際磁石上の軸方向力はゼロである。しかし、ピストンが往復し、磁石間の中ほどにあるジョイントが固定子の中央面から離れるように移動する際、ピストンと固定子との間の軸方向力は下記のように変化する。（一方の磁石の一部が固定子４０６から出ていき、相当量の他方の磁石が固定子４０６に入るように）ピストン４０２が移動する際、別の磁石が入ってくる際に同等量の一方の磁石が出ていく限り、出ていく磁石を引き戻すための復元力が生じ、その復元力は変位（;replacement）に比例する。固定子４０６の厚さがピストン４０２のストロークよりも短い場合、その際はもはやそうではなく、一方の磁石は全面的に更に離れるように移動する一方、他方の磁石は完全に固定子４０６と一直線上にあり、更なる動きはピストン４０２と固定子４０６との間の束結合に変化をもたらせない。

固定子４０６は、エア冷却され、エア流れおよびファンを共有するために極低温冷却器１０２内の熱セクションの（略図３００、８００および９００に関して述べたように）第１の排熱器（;heat rejecters）に隣接され得る。更に、固定子４０６は、円筒形状のピストンの囲いから外れていることで、加圧容器４０４により密閉された加圧容積に入り込むことなく、取り外し/交換を行うことができる。固定子４０６を形成する材料の透磁率は他の付近の材料の透磁率よりも少なくとも１００倍大きくあり得る（例えば、ピストン４０２を密閉するポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）化合物、又は加圧容器４０４を有して成るステンレス鋼）。固定子４０６および関連する電気コイル/巻線４０８は容易に冷却され、電力源に接続されている場合、それらは大気中に設けられ得る。

ある態様では、ピストン４０２の軸長さはピストン４０２の最大ストロークの２倍よりも長くあり得る。ある態様では、ピストン４０２の軸長さは固定子４０６の軸長さよりも長くあり得る。

図５は、極低温冷却器１０２の往復モーター２０４又は２０６の斜視態様を示す略図５００である。

図６は、極低温冷却器１０２の往復モーター２０４又は２０６の磁気ピストン４０２を示す略図６００である。磁気ピストン４０２は、対向磁場の状態であり得る２つの横断方向に方向づけられた磁石６０２および６０４を有して成り得る。磁気ピストン４０２が摩擦なく加圧容器４０４内に容易に摺動できるように、磁気ピストン４０２は（例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）化合物）等の低摩擦材４１２により被覆され/密閉され得る。ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）化合物とは別である又は同じである、異なる又は同じ低摩擦材が非磁気キャップ（例えば、アルミニウムキャップ）４１０を覆う/密閉するために使用され得る。ピストン５０２が加圧容器４０４内で摺動して往復運動する際、磁石６０２および６０４は、ピストン４０２の中間ストローク位置の周りでのピストンの往復が維持される傾向にある復元力を発生させるため固定子４０６と結びつくことができる。

図７は、極低温冷却器１０２の往復モーター２０４又は２０６の加圧容器４０４内に設けられるように構成されている磁気ピストン４０２の内側断面態様を示す略図７００である。加圧容器４０４は、（ガススプリングとして機能する）内部作動流体の閉鎖容積を形成するため一方の端部で閉じられ、極低温冷却器１０２の冷却部と流体接続するため他方の端部で開いた薄壁のシリンダーとして構成されており、かつ、ピストン４０２が加圧容器４０４内で往復運動する際にシールを供しそれにより加圧容器４０４内で圧力波を生じさせるために、加圧容器４０４の内部でピストン４０２に密接して接触されている。ピストン４０２と加圧容器４０４との間のギャップの半径方向の幅は、上記のとおり０ミクロン〜２５ミクロンであり得る。

図８は、好ましい態様の極低温冷却器１０２を構成する又は組み立てるために使用される部品８０２の分解態様を示す略図８００である。部品８０２は、下記の略図９００に示すように極低温冷却器１０２を形成するために結合され得る。部品８０２は、２つのピストン４０２（各ピストン４０２は（ａ）対向しかつ横断方向に極性を有する２つの磁石および（ｂ）２つの非磁気キャップ（例えば、アルミニウムキャップ）から成る）、各ピストン４０２を密閉するように構成された２つの円筒容器４０４、モーター固定子５０６（各固定子は各加圧容器４０４を密閉する（より具体的には、各加圧容器４０４の一部の周りに密接して接する）ように構成されている）、モーター固定子４０６の一部のまわりに巻かれた電気コイル４０８、モータースペーサ８０３（各スペーサは加圧容器４０４に沿って所定の位置にわたりモーター固定子４０６を位置付けるように構成されている）、エンドキャップ８０４（各キャップが、加圧容器４０４内で高圧を維持できることを保証するために各加圧容器４０４を閉じるように構成されている）、加圧容器４０４の他方の端部に接続されたフィティング８０６（各フィティング８０６はヘリウム（又は極低温冷却器１０２内で作動流体として使用されるその他同様のガス）がフィティング８０６を通過可能な穴８０６を有する）を有して成り得る。部品８０２は冷却デバイス（例えば、冷間ヘッド）１１８を更に有して成り、冷却デバイスは、そのような冷却デバイスに流体接続される際に関連する加圧容器４０４内のピストン４０２の運動からの圧力波により駆動され得る。冷却デバイスは、冷却熱交換器２１２、再生ディスク８０８（３つの再生ディスク８０８が参照のためのみで示され、より多くの再生ディスク８０８が極低温冷却器１０２を組み立てるため要する）、バッファーチューブ２１４、大気熱交換器２１６、およびイナータンスチューブ２１８を取り入れている。部品８０２は、略図９００により示されるように、冷却デバイス１１８とコンプライアンスタンク２２０との間の全ての部品を有して成るメインボディ８１２を有して成る。部品８０２は排熱器８１０を更に有して成り、各排熱器８１０は冷却デバイス１１８からの熱を取り除く/排出するため冷却デバイス１１８の大気熱交換器２１６の周辺（例えば、大気熱交換器に隣接して又は近接して）に設けられ得る。

図９は、組み立てられた極低温冷却器１０２の（略図８００に示される分解図により示される）いくつかの部品の断面態様を示す略図９００である。

図１０は、極低温冷却器１０２の別態様を示す略図１０００である。冷間チップ１２０は通常円形状である。

図１１は、極低温冷却器１０２の往復モーター２０４の固定子４０６の代替形態を示す略図１１００である。磁気ピストン４０２および加圧容器４０４は、磁気ピストン４０２および加圧容器４０４の軸がポイント１１０２で一致するように設けられ得る。

図１２は、極低温冷却器１０２の往復モーター２０４の固定子４０６の別の代替形態を示す略図１２００である。磁気ピストン４０２および加圧容器４０４は、磁気ピストン４０２および加圧容器４０４の軸がポイント１２０２で一致するように設けられ得る。

往復モーター４０２は極低温冷却器１０２の一部であるように記載されているが、他の態様では、往復モーター４０２は他のデバイスと共に他の目的のため使用され得る。更に、上記詳細ではいくつかの変更態様が記載されているが、他の変更も可能である。例えば、本明細書の記載および/又は図面から解釈され得る論理流れは、所望の結果を得るために、示される特定の順番又は遂次の順番を要しない。更に、異なる参照符号により本明細書に示される同じ要素はいくつか態様にて相互交換可能である。

Claims (25)

1. モーターであって、
   スペースを規定する一対の磁極面を含む固定子；
   固定子の一部の周りに巻かれた電気コイル；
   固定子により囲まれたスペース内に設けられるように構成された加圧容器；
   加圧容器の内側に設けられたピストン；および
   密封された第１端部を含み、かつガススプリングが密封された第１端部とピストンとの間に形成されるように、密封された第１端部とピストンとの間にガスを含有する加圧容器
   を有して成り、
   交流電流を電気コイルに通過させる際に、電気コイルは、固定子内および固定子により規定されたスペース内に逆磁場を発生させるように構成されており、
   ピストンは、対向しかつ横断方向に極性を有する第１磁石および第２磁石の組み合わせを含み、逆磁場に反応して加圧容器内でピストンが往復するように、第１磁石および第２磁石は共通軸上で結合され、
   加圧容器は、密封された第１端部を含み、かつガススプリングが密封された第１端部とピストンとの間に形成されるように、密封された第１端部とピストンとの間にガスを含有し、
   加圧容器は、ピストンが往復すると、作動流体の圧力波が加圧容器内でピストンと加圧容器の第２端部との間で発生し、圧力波が開口を介して加圧容器を出ていくような開口を含む第２端部も含む、モーター。
2. 第１磁石および第２磁石の各々が円筒状であり、
   加圧容器の大部分が円筒状であり、および
   第１磁石および第２磁石の各々の直径が加圧容器の円筒部の内径と略同一である、請求項１に記載のモーター。
3. 固定子により規定されるスペースの表面と、第１磁石および第２磁石の少なくとも一方の外面との間の距離が２ｍｍ未満である、請求項２に記載のモーター。
4. ピストンが加圧容器内で摺動する際、ピストンの周囲部が少なくとも、ピストンの外面と加圧容器の内面との間の摩擦を最小限にする低摩擦材で被覆されている、請求項１に記載のモーター。
5. 加圧容器内のピストンの摺動は共鳴往復運動である、請求項１に記載のモーター。
6. 加圧容器が冷間ヘッドに接続されるように構成されており、加圧容器内のピストンの共鳴往復運動が加圧容器内の作動流体の振動流れおよび冷間ヘッドの少なくともある部分の温度の低下を生じさせる、請求項５に記載のモーター。
7. 冷間ヘッドの少なくともある部分の温度低下は、冷間ヘッドの外面にさらされるガスの液化を生じさせる、請求項６に記載のモーター。
8. 作動流体が、ヘリウム、水素、大気、二酸化炭素、およびアルゴンの少なくとも１つを含んで成り、および
   冷間ヘッドの外面にさらされることで液化されるガスが酸素である、請求項６に記載のモーター。
9. 加圧容器が低伝導性および非強磁性材から成る、請求項１に記載のモーター。
10. 低伝導性および非強磁性材は、ステンレス鋼、インコネル（登録商標）、ガラス、カーボン、およびチタン合金の１つである、請求項８に記載のモーター。
11. ピストンは、ピストンの中間ストローク位置へピストンを戻す傾向にある復元力を発生させるために、固定子と結びつく複数の磁石を有して成る、請求項１に記載のモーター。
12. ピストンが逆磁場により加圧容器内で摺動する際、固定子および電気コイルは大気中に設けられるように構成されている、請求項１に記載のモーター。
13. 固定子は、加圧容器を開くことなく又は壊すことなく取り外し可能および交換可能となるように構成されている、請求項１に記載のモーター。
14. システムであって、
    １つ以上のモーターを有して成る圧力波発生器；および
    圧力波発生器と流体的に接続された冷間ヘッドまたは冷却デバイスを有して成り、
    １つ以上のモーターのうちの少なくとも１つのモーターが、
    スペースを規定する一対の磁極面を含む固定子；
    固定子の一部の周りに巻かれた電気コイル；
    固定子により囲まれたスペース内に設けられるように構成された加圧容器；
    加圧容器の内側に設けられたピストン
    を有して成り、
    交流電流を電気コイルに通過させる際に、電気コイルは、固定子内および固定子により規定されたスペース内に逆磁場を発生させるように構成されており、
    ピストンは、対向しかつ横断方向に極性を有する第１磁石および第２磁石の組み合わせを含み、第１磁石および第２磁石は、ピストンが逆磁場に反応して加圧容器内で往復するように、共通軸上で結合され、
    加圧容器は、密封された第１端部を含み、かつガススプリングが密封された第１端部とピストンとの間に形成されるように、密封された第１端部とピストンとの間にガスを含有し、
    加圧容器は、ピストンが往復すると、作動流体の圧力波が加圧容器内でピストンと加圧容器の第２端部との間で発生し、圧力波が開口を介して加圧容器を出ていくような開口を含む第２端部も含む、システム。
15. 冷却デバイスは、スターリングサイクル冷却器およびパルスチューブアコースティックスターリング冷却器の少なくとも一方である、請求項１４に記載のシステム。
16. １つ以上のモーターが２つのモーターを有して成り、および２つのモーターが圧力波発生器内で機械的振動をなくすために機能上接続されるように構成されている、請求項１４に記載のシステム。
17. システムであって、
    ガスの混合物からガスを分離するように構成されたガス源、および
    ガス源から分離されたガスを受容するように構成された極低温冷却器
    を有して成り、
    極低温冷却器はガスを液化させるように構成されており、
    極低温冷却器は、圧力波発生器、およびガスが冷却デバイスの外面にさらされる際にガスを液化させる冷却デバイスを有して成り、
    圧力波発生器は、少なくとも１つの往復モーターを有して成り、
    少なくとも１つの往復モーターはスペースを規定する一対の磁極面を含む固定子を有して成り、
    電気コイルは、固定子の一部の周りに巻かれており、
    電気コイルは、電気コイルに交流電流を通過させる際に、固定子内におよび固定子により規定されるスペース内に逆磁場を発生させるように構成されており、
    少なくとも１つの往復モーターは、固定子により規定されたスペース内に設けられるように構成された加圧容器を更に有して成り、
    加圧容器は、ピストンが逆磁場に反応して加圧容器内で摺動して往復するように、対向しかつ横断方向に極性を有する第１磁石および第２磁石の組み合わせを含み、第１磁石および第２磁石は共通軸上で結合されるピストンを取り囲み、
    加圧容器は、密封された第１端部を含み、かつガススプリングが密封された第１端部とピストンとの間に形成されるように、密封された第１端部とピストンとの間にガスを含有し、
    加圧容器は、ピストンが往復すると、作動流体の圧力波が加圧容器内でピストンと加圧容器の第２端部との間で発生し、圧力波が開口を介して加圧容器を出ていくような開口を含む第２端部も含む、システム。
18. 液化ガスを集め、かつ保存するように構成された保存容器を更に有して成る、請求項１７に記載のシステム。
19. ガス源はガスの混合物からガスを分離するエア分離デバイスであり、エア分離デバイスが分子ふるいを有して成る、請求項１７に記載のシステム。
20. ガス源はガスの混合物からガスを分離するエア分離デバイスであり、エア分離デバイスが、複数の熱交換チャネルを有して成る熱交換器を有して成る、請求項１７に記載のシステム。
21. ガスの混合物はコンプレッサーにより圧縮されたガスを含んで成り、ガス源がコンプレッサーからのガスの混合物を受容する、請求項１７に記載のシステム。
22. ガスの混合物は大気であり、
    分離されたガスはガス状酸素であり、および、
    液化ガスは、１人以上の患者により使用される少なくとも１つの医療デバイスに供される液体酸素である、請求項１７に記載のシステム。
23. 固定子の一対の磁極面が連続しない請求項１に記載のモーター。
24. 固定子の一対の磁極面が連続しない請求項１４に記載のシステム。
25. 固定子の一対の磁極面が連続しない請求項１７に記載のシステム。

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