JP6910541B2 - クライオクーラ等のための超高効率プッシュプル型コンプレッサ - Google Patents

Description

この開示は、一般に、圧縮及び冷却システムに関する。より詳細には、本開示は、クライオクーラ（cryocoolers）その他のシステムのための超高効率プッシュプル型コンプレッサに関する。

クライオクーラは、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、クライオクーラを使用して、異なる宇宙・航空機搭載の撮像システム内の焦点面アレイを冷却することができる。パルスチューブ（pulse tube）クライオクーラ及びスターリング（Stirling）クライオクーラのような、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。

残念ながら、多くのクライオクーラ設計は非効率的であり、運転中に大量の電力を必要とする。例えば、赤外線センサ内の部品を冷却するために一般的に使用されるクライオクーラは、100ケルビンの温度での熱リフト1ワットにつき20ワットの入力電力を必要とする。これは、クライオクーラに使用されているコンプレッサモータの非効率性が一因となっている。コンプレッサモータは、しばしば、入力電気エネルギーのわずかな部分しか機械的な仕事に変換せず、全体的なクライオクーラ効率を低下させる。コンプレッサモータは、より大きなストロークにわたって作動すると、より高い効率を達成することができるが、クライオクーラにおいて達成可能なストロークは、コンプレッサモータと共に使用されるフレクシャ（flexure）又はスプリングサスペンションによって制限されてしまう。

また、クライオクーラコンプレッサは、圧縮を行うために２つの対向するピストンを使用することが多いが、これらのタイプのクライオクーラは、対向するピストンによって及ぼされる力に不整合を生じ得る。これは、正味の外部へ伝達される力（net exported force）の発生につながる。これらの外部伝達力は、移動質量の不整合、ミスアラインメント、不整合な湾曲又はスプリング共振、及び不整合なモータ効率などの様々な原因によるものである可能性がある。外部伝達力がクライオクーラその他のシステムの他の構成要素に悪影響を及ぼすことを防止するために、外部伝達力はしばしば抑制される必要がある。しかしながら、このような抑制は、典型的には、追加の構成要素を必要とし、これは、システムの複雑さ、重量、及びコストを増加させる。

本開示は、クライオクーラその他のシステムのための超高効率を有するプッシュプル型コンプレッサを提供する。

第1の実施形態において、本装置が、流体を圧縮するように構成されたコンプレッサを含む。コンプレッサは、第１のピストンと、対向する第２のピストンとを含む。両ピストンは、ピストン間の空間を狭くするように内方へ移動し、またピストン間の空間を広げるように外方へ移動するように構成される。コンプレッサはまた、両ピストンの運動を引き起こすように構成された第１のボイスコイルアクチュエータを含む。第１のボイスコイルアクチュエータは、第１のボイスコイルと第1の磁石とを含み、第1のボイスコイルは、第1の磁石を引き付け、また反発させるように構成される。第1のボイスコイルは第1のピストンに接続され、第1の磁石は第２のピストンに接続される。

第２の実施形態において、本クライオクーラが、流体を圧縮するように構成されたコンプレッサと、流体を膨張させて冷却を発生させるように構成された膨張器（expander）とを含む。コンプレッサは、第１のピストンと、対向する第２のピストンとを含む。両ピストンは、ピストン間の空間を狭くするように内方へ移動し、ピストン間の空間を広げるように外方へ移動するように構成される。コンプレッサはまた、ピストンの運動を引き起こすように構成された第１のボイスコイルアクチュエータを含む。第１のボイスコイルアクチュエータは、第1のボイスコイルと第1の磁石とを含み、第1のボイスコイルは、第1の磁石を引き付け、また反発させるように構成される。第１のボイスコイルは第１のピストンに接続され、第１の磁石は第２のピストンに接続される。

第３の実施形態において、本方法が、第１のボイスコイルアクチュエータの第１のボイスコイルを使用して、第１の変動電磁場を生成するステップを含む。また、本方法は、第１の変動電磁場に基づいて、第１のボイスコイルアクチュエータの第１の磁石を繰り返し引き付け、また反発させるステップを含む。第１のボイスコイルは、コンプレッサの第１のピストンに接続され、第１の磁石は、コンプレッサの対向する第２のピストンに接続される。第１の磁石を引き付けることにより、ピストン間の空間が狭くなり、第1の磁石を反発させることにより、ピストン間の空間が拡大する。

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。

本開示をより完全に理解するために、添付図面に関連して以下の説明を参照されたい。

本開示に従った、クライオクーラその他のシステムのための超高効率を有する第１の例のプッシュプル型コンプレッサを示す。 本開示に従った、クライオクーラその他のシステムのための超高効率を有する第２の例のプッシュプル型コンプレッサを示す。 本開示に従った、クライオクーラその他のシステムのための超高効率を有する第３の例のプッシュプル型コンプレッサを示す。 本開示に従った、クライオクーラその他のシステムのための超高効率を有する第４の例のプッシュプル型コンプレッサを示す。 本開示に従った超高効率のプッシュプル型コンプレッサを有する例示的なクライオクーラを示す。 本開示に従った、クライオクーラその他のシステムのための超高効率を有するプッシュプル型コンプレッサを動作させる例示的な方法を示す。

以下に説明する図１乃至図６、及び本特許明細書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、本発明の範囲を限定するようには解釈してはならない。当業者であれば、本発明の原理は、任意のタイプの適切に配置された装置又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。

上述のように、多くのクライオクーラ設計は非効率的であり、運転中に大量の電力を必要とするが、これはしばしばそれらのコンプレッサモータの非効率性に起因する。コンプレッサモータは、典型的には、ボイスコイルタイプのリニアモータを使用して実現され、ボイスコイルは、磁石と相互作用する変化する電磁場を生成するように付勢される。様々なクライオクーラが、コンプレッサ効率を改善するために、異なる構成のリニアベアリング(しばしばフレクシャベアリング)及びリニアボイスコイルアクチュエータとともに設計されてきたが、これらのアプローチは、一般に一つの共通点を有している。すなわち、固定構造に対してピストンを押すか、或いは引くように構成されたアクチュエータを有する。コンプレッサは、磁石がピストンと共に移動し、ボイスコイルがベースに固定されるように、又はその逆に構成されていた。

外部伝達力を低減又は最小化することが重要である場合、製造業者は、しばしば、ロードセル又は加速度計のフィードバックを、対向するピストンを動かす２つのモータを駆動する独立した増幅器と組み合わせて使用する。増幅器はモータを駆動し、フィードバックは、コンプレッサからの外部伝達力を低減するために増幅器を個別的に制御するために使用される。しかし、これは、かなりの複雑さ、重量、及びコストを追加する可能性がある。一般に、コンプレッサモータは完全に整合しないということがしばしば受け入れられているので、モータ効率及び他の機械的許容値の不整合を補償するために積極的な技術が採用されている。ほとんどの場合、これらの努力は依然として、ピストンの動きに起因する外部伝達力をゼロに下げることができず、したがって、外部伝達力をいかに低く抑えることができるかには、実際的な限界があった。

本開示によれば、コンプレッサの非効率性及び外部伝達力は、ボイスコイルアクチュエータ(磁石及びコイルを有する)が、固定されたベースに対してピストンを押したり引いたりするのではなく、コンプレッサピストンを互いに対して押したり引っ張ったりするようにコンプレッサを構成することによって、低減することができる。これらのアプローチでは、ボイスコイルアクチュエータの磁石は一方のピストンとともに移動し、ボイスコイルアクチュエータのボイスコイルは他方のピストンとともに移動する。複数のボイスコイルアクチュエータを使用することも可能であり、異なるアクチュエータの磁石は異なるピストンとともに移動し、異なるアクチュエータのボイスコイルは異なるピストンとともに移動する。各アクチュエータが両方のピストンを押したり引っ張ったりするので、関連する質量、ストローク、及びサスペンション共振が一致し、コンプレッサの効率が向上する。また、マグネット・ツー・コイル・ストローク（magnet-to-coil-stroke）は、ピストンストロークの2倍である。さらに、フレクシャ又はスプリングサスペンションストロークは、ピストンストロークと同じままであり、これは、フレクシャ又はスプリングサスペンションは、しばしば、クライオクーラにおいてそれらの疲労限度に設計されるので、有用であり得る。

これらのアプローチは、コンプレッサ効率の劇的な改善を達成することができる。なぜなら、各アクチュエータが1個ではなく２個のピストンに力を加えることによって、より多くの機械的な仕事(機械的な仕事の２倍まで)が行われるからである。いくつかの実施形態では、これは、コンプレッサの入力電力要求を30%、40%、又はそれ以上まで低減することができる。各アクチュエータが、一方のピストンに結合されたボイスコイルと、他方のピストンに結合された磁石とを含んでいるので、これは、外部伝達力を受動的に減少又は排除するのに役立つ。外部伝達力の受動的な減少又は排除は、ロードセル、前置増幅器、振動制御ハードウェア及びソフトウェア、並びに第２のボイスコイルの増幅器を排除することができることを意味する。これにより、コンプレッサ及びシステム全体の複雑さ、重量及びコストを大幅に低減することができる。

ボイスコイル力は、所与のアクチュエータ設計について入力電流（Newtons/Amp）に比例し得るが、アクチュエータがより速く移動するにつれて、アクチュエータによって加えられる力をカットする、速度に比例して発生される逆起電力がある。しかしながら、コンプレッサ内のアクチュエータは、比較的小さなストロークにわたって移動することができ、バック起電力（EMF）によって効率が著しく低下する速度には達しない。実際、コンプレッサ内のピストンの往復運動により、各サイクルの2点で速度がゼロになり、この概念はコンプレッサの効率を一次的にほぼ２倍に向上させる。

また、ボイスコイルが集中電磁場から移動するときに、ピストンのストロークにわたる効率が二次的に低下する可能性があるため、アクチュエータはストロークを２倍にするように公称的に設計される必要があり、したがって、若干の公称効率低下を被る可能性がある。アクチュエータ磁石は、通常、アクチュエータのボイスコイルよりもはるかに重いので、いくつかの実施形態では、２つのボイスコイルアクチュエータを用いて設計することができ、２つのピストンのそれぞれが、異なるアクチュエータからの磁石及びボイスコイルを含む。このアプローチは、対称性を維持し、ピストンに取り付けられた支持質量を同じに保つのを助け、コンプレッサの動的挙動のバランスをとるのを助けることができる。両方のアクチュエータは、単一の増幅器によって駆動することができ、外部伝達力の受動的減少又はキャンセルは、依然として達成することができる。さらに、複数のアクチュエータが使用される場合、外部伝達力を排除するために、２つのアクチュエータの効率を一致させる必要がほとんど又は全くない。

実施形態に応じて、単一のアクチュエータを使用して、対向する端部上の両ピストンを押したり引っ張ったりすることができ、1つ以上の移送ラインを使用して、両方のコンプレッサを単一の膨張器その他のデバイスに結合することができる。また、複数のアクチュエータを同じ増幅器を用いて動作させることができ、超低外部伝達力が要求されるときには、１個の「トリムコイル」を一方のピストンに使用することができる。

図１は、本開示に従った、クライオクーラその他のシステムのための超高効率を有する第1の例のプッシュプル型コンプレッサ100を示す。クライオクーラは、一般に、他の構成要素を、約4ケルビン、約10ケルビン、又は約20ケルビンなどの、極低温又は他の極めて低い温度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前後に流体(例えば、液体又はガス)の流れを生成することによって動作する。流体の制御された膨張及び収縮が、1つ以上の構成要素の所望の冷却を生じる。

図１に示すように、コンプレッサ100は複数のピストン102、104を含み、それぞれが前後に移動する。各ピストン102及び104の少なくとも一部がシリンダ106内に存在し、シリンダ106は、流体を受け入れるように構成された空間108を含む。ピストン102及び104の各々は、複数の圧縮サイクルの間に前後に移動又は「ストローク」（strokes）し、ピストン102及び104は、圧縮サイクルの間に反対方向に移動することができ、その結果、スペース108は、繰り返し大きくなったり小さくなったりする。

各ピストン102及び104は、流体の圧縮を容易にするために前後に移動するように構成された任意の適切な構造を含む。ピストン102及び104の各々は、任意の適切なサイズ、形状、及び寸法を有することができる。また、ピストン102及び104の各々は、任意の適切な材料から任意の適切な方法で形成することができる。シリンダ106は、流体を受け入れ、複数のピストンの少なくとも一部を受け入れるように構成された任意の適切な構造を含む。シリンダ106は、任意の適切なサイズ、形状、及び寸法を有することができる。シリンダ106はまた、任意の適切な材料から任意の適切な方法で形成することができる。ピストン102及び104並びにシリンダ106は、円形断面を有しても、有しなくてもよいことに留意されたい。図示されていないが、各ピストン102、104とシリンダ106との間にシールを使用して、ピストン102、104を通って流体が漏れるのを防止することができる。

種々のスプリング又はフレクシャベアリング110が、ピストン102、104を支持し、ピストン102、104の直線運動を可能にするために、コンプレッサ100内に使用される。フレクシャベアリング110は、典型的には、内側ハブと外側ハブとを結合する複数セットの対称アームを有する平坦な金属シートによって形成された平坦なスプリングを表す。１セットにおける一方のアームのねじれは、そのセットにおける対称アームのねじれによって実質的に相殺（counteract）される。その結果、フレクシャベアリング110は、回転運動を実質的に減少させながら、直線運動を可能にする。各スプリング又はフレクシャベアリング110は、ピストンの直線運動を可能にするように構成された任意の適切な構造を含む。各スプリング又はフレクシャベアリング110は、任意の適切な材料から任意の適切な方法で形成することもできる。フレクシャベアリングの特定の例は、米国特許第9,285,073号及び米国特許出願第15/426,451号（いずれも、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれている）に記載されている。スプリング又はフレクシャベアリング110は、ここでは、1つ又は複数の支持構造112に結合されるように示されており、支持構造はスプリング又はフレクシャベアリングが載置されるか、その他の方法で取り付けられる、任意の適切な構造を示す。

ピストン102及び104の動作は、空間108内の流体に繰り返し圧力変化を引き起こす。クライオクーラでは、少なくとも1つの移送ライン114が、流体を膨張アセンブリに移送することができ、そこで、流体が膨張することができる。上述のように、流体の制御された膨張及び収縮が用いられ、クライオクーラ内で所望の冷却を生成する。各移送ライン114は、流体の通過を可能にする任意の適切な構造を含む。各移送ライン114はまた、任意の適切な材料から任意の適切な方法で形成することができる。

少なくとも1つの突起部116がピストン102から延びており、1つ以上の磁石118が、突起部116内に埋め込まれ、その上に取り付けられ、或いは他の方法でそれに結合される。いくつかの実施形態では、単一の突起部116がピストン102を取り囲んでもよく、各磁石118がピストン102を取り囲んでも囲まなくともよい。これらの実施形態は、図1のピストン102及び突起部116をとり、それらをピストン102の中心軸の周りで180°回転させることによって構想され得る。しかし、複数の突起部116がピストン102の周囲に配置される場合など、他の実施形態を使用することもできることに留意されたい。各突起部116は、任意の適切なサイズ、形状、及び寸法を有することができる。また、各突起部116は、任意の適切な材料から任意の適切な方法で形成することができる。各磁石118は、任意の適切なサイズ、形状、及び寸法を有する任意の適切な磁性材料を表す。

少なくとも1つの突起部120がピストン104から延びており、1つ以上のボイスコイル122が、突起部120内に埋め込まれ、その上に取り付けられ、或いは他の方法でそれに結合される。再度、いくつかの実施形態では、単一の突起部120がピストン104を取り囲むことができ、各ボイスコイル122がピストン104を取り囲んでも取り囲まなくてもよい。これらの実施形態は、図1のピストン104及び突起部120をとり、それらをピストン104の中心軸の周りで180°回転させることによって構想され得る。しかし、複数の突起部120がピストン104の周囲に配置される場合など、他の実施形態を使用することもできることに留意されたい。各突起部120は、任意の適切なサイズ、形状、及び寸法を有することができる。また、各突起部120は、任意の適切な材料から、任意の適切な方法で形成することができる。各ボイスコイル122は、ボビンに巻かれた導電性ワイヤのような、通電時に電磁場を生成するように構成された任意の適切な導電構造を表す。

図1のコンプレッサ100は、ハウジング124内に配置される。ハウジング124は、コンプレッサ100が取り付けられている支持構造を表す。ハウジング124は、クライオクーラ(又はその一部)を収容又は保護するための任意の適切な構造を含む。ハウジング124は、任意の適切な材料から任意の適切な方法で形成することもできる。この例では、1つ以上のマウント126がシリンダ106をハウジング124に結合するために使用され、マウント126は、ピストン102及び104からの突起部の1つ以上の通過を可能にする開口を含む。しかしながら、コンプレッサ100を固定するために、他の機構を使用することもできることに留意されたい。

図１の磁石118及びボイスコイル122は、ピストン102及び104を移動させるために使用されるボイスコイルアクチュエータを形成する。より詳細には、ボイスコイル122は、磁石118と相互作用し、磁石118を引き付けるか、或いは反発させる、変化する電磁場を生成するために使用される。ボイスコイル122を適切に付勢することにより、ボイスコイル122によって生成される電磁場は、磁石118を繰り返し引き付け、反発させる。これにより、ピストン102及び104は、複数の圧縮サイクルの間に、反復的に、互いに向かって移動し、互いから離れるように移動する。

この構成では、複数のボイスコイルアクチュエータが複数のピストンを固定された構造に対して別々に押したり引っ張ったりする代わりに、１つのボイスコイルアクチュエータが、ピストン102及び104を互いに押したり、引っ張ったりする。このため、ボイスコイルアクチュエータは、ピストン102及び104に対して実質的に等しくかつ反対の力を印加している。上述のように、これは、コンプレッサ100の効率を著しく増加させ、コンプレッサ100からの外部伝達力を受動的に減少又は排除するのを助けることができる。ピストン102及び104は、隣接する端部が互いに非常に近くなる(空間108を最大限に狭める)ように、互いに引っ張ることができることに留意されたい。また、ピストン102及び104は、隣接する端部が互いに遠く離れる(空間108を最大度まで拡張する)ように互いに押し離すこともできる。これらの位置の間でピストン102及び104を繰り返し変化させることによって、複数の圧縮サイクルの間に圧縮を提供することができる。コンプレッサ100の使用を延長し、コンプレッサ100への損傷を防止するのを助けるために、ピストン102及び104は、動作中に互いに接触しないことができる。

図1に示す例では、コンプレッサ100の一方側の移動質量の共振（resonance）が、コンプレッサ100の他方側の移動質量の共振と正確に整合させてもよいし、整合させなくともよい。２つの共振が正確に一致しない場合、これは外部伝達力の発生につながる可能性がある。このようにして作り出される外部伝達力を低減又は排除するのを助けるために、ピストン102及び104のうちの1つ以上が、1つ以上のトリム重量128を含むか、或いはそれに結合することができる。各トリム重量128は、ピストン102又は104に質量を追加し、それによってコンプレッサ100のその側における移動質量の共振を変化させる。例えば、コンプレッサ100の他方側と比較してより高い周波数で共振するコンプレッサ100の一方側に、トリム重量128を加えることができる。これは、パッシブロードキャンセル（passive load cancellation）のチューニング及び最適化に役立つ。各トリム重量128は、コンプレッサの一方側に質量を加えるための任意の適切な構造を含む。トリム重量128はコンプレッサ100の片側で使用することができ、トリム重量128はコンプレッサ100の両側で使用することもできる。

図1に示される構造の種々の形態は、例示のためのものに過ぎず、これらの構造のための他の形態を使用することができることに留意されたい。例えば、突起部116の最外側部分が、突起部116がピストン102から磁石118までのみ延びるように省略することができる。別の例として、ボイスコイル122は、磁石118の外側ではなく、磁石118の内側に配置することができる。さらに別の例として、各トリム重量128は、関連するピストンの凹部内に適合するように設計することができる。また、図1の種々のコンポーネントの異なる個数及び配置を使用することができることに留意されたい。例えば、単一の磁石118を使用することもできるし、或いはスプリング又はフレクシャベアリング110を異なる配置に配置することもできるし、個数を変えることもできる。さらに、互いに対する構成要素の相対的な大きさ及び寸法は、必要に応じて、又は所望により変化させることができる。

図２は、本開示によるクライオクーラその他のシステムのための超高効率を有する第２の例示的なプッシュプルコンプレッサ200を示す。図２に示すように、コンプレッサ200は、ピストン202及び204と、流体のための空間208を含むシリンダ206と、スプリング又はフレクシャベアリング210と、１つ以上の支持構造212と、少なくとも1つの移送ライン214とを含む。コンプレッサ200はまた、ハウジング224と、１つ以上のマウント226と、任意的な１つ以上のトリム重量228とを含む。これらの構成要素は、図１のコンプレッサ100内の対応する構成要素と同じであるか、或いはこれに類似していてもよい。

図１のコンプレッサ100とは異なり、図２のコンプレッサ200は、異なるピストンに結合された磁石及びボイスコイルを有する複数のボイスコイルアクチュエータを含む。特に、第１のボイスコイルアクチュエータは、ピストン202に取り付けられた1つ以上の突起部216に埋め込まれ、取り付けられ、或いは他の方法で結合された１つ以上の磁石218aを含む。第１のボイスコイルアクチュエータはまた、ピストン204に取り付けられた1つ以上の突起部220に埋め込まれ、取り付けられ、或いは他の方法で結合された１つ以上のボイスコイル222bを含む。同様に、第２のボイスコイルアクチュエータは、1つ又は複数の磁石218bを含み、これらの磁石は、突起部220内に埋め込まれ、取り付けられ、或いは他の方法で結合される。第２のボイスコイルアクチュエータはまた、１つ以上のボイスコイル222aを含み、これらのボイスコイルは、突起部216に埋め込まれ、取り付けられ、或いは他の方法で結合される。

ボイスコイル222aを適切に付勢することにより、ボイスコイル222aによって生成される電磁場が、磁石218bを繰り返し引き付け、反発させる。同様に、ボイスコイル222bを適切に付勢することによって、ボイスコイル222bによって生成される電磁場が、磁石218aを繰り返し引き付け、反発させる。これにより、ピストン202及び204は、複数の圧縮サイクルの間に互いに向かって繰り返し移動し（近づき）、互いに離れる運動をする。

この構成では、複数のボイスコイルアクチュエータが固定された構造に対してピストンの一方を別々に押したり引っ張ったりする代わりに、複数のボイスコイルアクチュエータがピストン202及び204を互いに対して押したり引っ張ったりする。このため、ボイスコイルアクチュエータは、ピストン202及び204に対して実質的に等しくかつ反対向きの力を加えている。上述のように、これは、コンプレッサ200の効率を著しく増加させ、コンプレッサ200からの外部伝達力を受動的に減少或いは除去するのを助けることができる。さらに、この設計は対称性を維持し、両方のアクチュエータを単一の増幅器によって駆動することができる。加えて、外部伝達力を除去するために、２つのアクチュエータの効率を整合させる必要性がほとんど又は全くない。

図２に示される構造の種々の形態は、例示のためのものに過ぎず、これらの構造のための他の形態を使用することができることに留意されたい。例えば、突起部216及び220の最外側部分は、まっすぐであってもよい。別の例として、ボイスコイル222a、222bが、磁石218a、218bの外向きに配置する代わりに、磁石218a、218bの内向きに配置してもよい。さらに別の例として、各トリム重量228は、関連するピストンの凹部内に適合するように設計することができる。また、図２の種々のコンポーネントの異なる個数及び配置を使用することができることに留意されたい。例えば、単一の磁石218を各突起部に使用することもできるし、スプリング又はフレクシャベアリング210を異なる配置に配置することもできるし、個数を変えることもできる。さらに、互いに対する構成要素の相対的な大きさ及び寸法は、必要に応じて、又は所望により変化させることができる。

図３は、本開示に従った、クライオクーラその他のシステムのための超高効率を有する第３の例示的なプッシュプルコンプレッサ300を示す。図３に示すように、コンプレッサ300は、ピストン302及び304と、流体のための空間308を含むシリンダ306と、スプリング又はフレクシャベアリング310と、1つ以上の支持構造312と、少なくとも１つの移送ライン314とを含む。コンプレッサ300はまた、ハウジング324と、１つ以上のマウント326と、任意の１つ以上のトリム重量328とを含む。これらの構成要素は、図１及び図２のコンプレッサ100及び200内の対応する構成要素と同一又は類似であり得る。

図３のボイスコイルアクチュエータは、１つ又は複数の磁石318及び１つ又は複数のボイスコイル322を含む。しかし、この例では、1つ以上の磁石318は、ピストン302から延びる突起部ではなく、ピストン302自体に埋め込まれ、取り付けられ、又は他の方法で結合される。1つ又は複数のボイスコイル322は、ピストン304に取り付けられた1つ又は複数の突起部320内に埋め込まれ、取り付けられ、又は他の方法で結合される。

ボイスコイル322を適切に付勢することによって、ボイスコイル322によって生成された電磁場は、磁石318を繰り返し引き付け、反発させる。これにより、ピストン302及び304は、複数の圧縮サイクルの間に、互いに反復的に近づくように移動し、そして互いに離れるように移動する。

この構成では、ボイスコイルアクチュエータは、固定された構造に対してではなく、ピストン302及び304を互いに押し、そして引っ張る。このため、ボイスコイルアクチュエータは、ピストン302及び304に対して実質的に等しくかつ反対方向の力を加えている。上述のように、このことは、コンプレッサ300の効率を有意に増加させることができ、コンプレッサ300からの外部伝達力を受動的に減少又は排除するのを助ける。

図3に示される構造の種々の形態は、例示のためのものに過ぎず、これらの構造のための他の形態を使用することができることに留意されたい。例えば、ボイスコイル322は、磁石318の外側ではなく、磁石318の内側に配置することができる。別の例として、各トリム重量328は、関連するピストンの凹部内に適合するように設計することができる。また、図３の種々のコンポーネントの異なる個数及び配置を使用することができることに留意されたい。例えば、単一の磁石318をピストン302内で使用することができ、或いはスプリング又はフレクシャベアリング310を異なる配置に配置することができ、或いは個数を変えることができる。さらに、互いに対する構成要素の相対的な大きさ及び寸法は、必要に応じて、又は所望により変化させることができる。

図４は、本開示に従った、クライオクーラその他のシステムのための超高効率を有する第４の例示的なプッシュプルコンプレッサ400を示す。図４に示すように、コンプレッサ400は、ピストン402及び404と、流体のための空間408を含むシリンダ406と、スプリング又はフレクシャベアリング410と、1つ以上の支持構造412と、少なくとも1つの移送ライン414とを含む。コンプレッサ400はまた、ハウジング424と、1つ以上のマウント426と、任意で1つ以上のトリム重量428とを含む。これらのコンポーネントは、上述のコンプレッサのいずれかにおける対応するコンポーネントと同一又は類似であってもよい。

図３のコンプレッサ300とは異なり、図４のコンプレッサ400は、異なるピストン内に埋め込まれ、取り付けられ、又は他の方法で結合された磁石及びボイスコイルを有する複数のボイスコイルアクチュエータを含む。特に、第１のボイスコイルアクチュエータは、ピストン402内に埋め込まれているか、ピストン402上に取り付けられているか、又は他の方法で結合されている1つ以上の磁石418aを含む。第1のボイスコイルアクチュエータはまた、ピストン404に取り付けられた1つ以上の突起部420内に埋め込まれ、取り付けられ、又は他の方法で結合される1つ以上のボイスコイル422bを含む。同様に、第２のボイスコイルアクチュエータは、ピストン404内に埋め込まれるか、ピストン404に取り付けられるか、又は他の方法で結合される1つ以上の磁石418bを含む。また、第２のボイスコイルアクチュエータは、ピストン402に取り付けられた1つ以上の突起部416内に埋め込まれ、取り付けられ、又は他の方法で結合される1つ以上のボイスコイル422a（図示の断面図では直接には示されていない）を含む。

ボイスコイル422aを適切に付勢することにより、ボイスコイル422aによって生成される電磁場は、磁石418bを繰り返し引き付け、反発させる。同様に、ボイスコイル422bを適切に付勢することによって、ボイスコイル422bによって生成される電磁場は、磁石418aを繰り返し引き付け、反発させる。これにより、ピストン402及び404は、複数の圧縮サイクルの間に、互いに反復的に近づくように移動し、互いに離れるよう移動する。

この構成では、複数のボイスコイルアクチュエータに複数のボイスコイルアクチュエータの一方を別々に固定された構造に対して押したり引っ張ったりさせる代わりに、複数のボイスコイルアクチュエータがピストン402及び404を互いに対して押したり引っ張ったりする。このため、ボイスコイルアクチュエータは、ピストン402及び404に対して実質的に等しくかつ反対の力を加えている。上述のように、このことは、コンプレッサ400の効率を有意に増加させ、コンプレッサ400からの外部伝達力を受動的に減少又は排除するのを助けることができる。さらに、この設計は対称性を維持し、両方のアクチュエータを単一の増幅器（amplifier）によって駆動することができる。加えて、外部伝達力を排除するための２つのアクチュエータの効率の整合の必要性がほとんど又は全くない。

図４に示される構造の種々の形態は、例示のためのものに過ぎず、これらの構造のための他の形態を使用することができることに留意されたい。例えば、ボイスコイル422a、422bは、磁石418a、418bの外側に配置する代わりに、磁石418a、418bの内側に配置することができる。別の例として、各トリム重量428は、関連するピストンの凹部内に適合するように設計することができる。また、図４の種々のコンポーネントの異なる個数及び配置が使用され得ることにも留意されたい。例えば、単一の磁石418を各ピストンに使用することもできるし、スプリング又はフレクシャベアリング410を異なる配置に配置することもできるし、個数を変えることもできる。さらに、互いに対する構成要素の相対的な大きさ及び寸法を、必要に応じて、又は所望により変化させることができる。

図１〜図４は、クライオクーラその他のシステムに対して超高効率を有するプッシュプル型コンプレッサの例を示しているが、図１〜図４に種々の変更を加えることができる。例えば、ボイスコイルアクチュエータが、ピストン及びピストン自体からの突起部の両方に埋め込まれた、取り付けられた、又は結合された磁石を含む場合のように、図１〜４に示される種々のアプローチを種々の方法で組み合わせることができる。また、実装によっては、磁石及びボイスコイルを反転させることも可能である。例えば、1つ以上のボイスコイルが、ピストン自体に埋め込まれ、取り付けられ、又は他の方法でそれに結合され、ピストンからの突起部に内に埋め込まれ、上に取り付けられ、又は他の方法で結合された磁石とともに使用され得る。一般に、ボイスコイルアクチュエータがピストンを互いに対して押し合い、引っ張り合うようにボイスコイルと磁石を使用することができるコンプレッサには、多種多様な設計がある。

図５は、本開示に従った超高効率のプッシュプルコンプレッサを有する例示的なクライオクーラ500を示す。図５に示すように、クライオクーラ500は、デュアル（二重）ピストンコンプレッサ（dual-piston compressor）502とパルス管膨張器（pulse tube expander）504とを含む。デュアルピストンコンプレッサ502は、上述のコンプレッサ100、200、300、400のいずれかを表すことができる。デュアルピストンコンプレッサ502は、複数のピストンと、ピストンを互いに対して押し合って引っ張るために使用される1つ以上のボイスコイルアクチュエータとを有する、任意の他の適切なコンプレッサを表すこともできる。

パルス管膨張器504は、コンプレッサ502から1つ以上の移送ライン506を介して圧縮流体を受け取る。パルス管膨張器504は、圧縮流体を膨張させ、パルス管膨張器504のコールドティップ（cold tip）508において冷却を提供することを可能にする。特に、コールドティップ508は、コンプレッサ502と流体連通している。コンプレッサ502内のピストンが前後に移動するにつれて、流体は交互にコールドティップ508内に押し込まれ(コールドティップ508内の圧力を増加させる)、そして流体がコールドティップ508から出ることを許容する(コールドティップ508内の圧力を減少させる)。流体のこの前後の運動は、圧力の変化の結果としての流体の制御された膨張及び収縮ととともに、コールドティップ508内に冷却を生じる。ゆえに、コールドティップ508は、冷却すべきデバイス又はシステムに熱的に結合され得る。このように実施される特定のタイプのクライオクーラは、米国特許第9,551,513号に記載されている(これは、その全体が参照により本明細書に組み込まれている)。

図５は、超高効率のプッシュプルコンプレッサを有するクライオクーラ500の一例を示しているが、図５には様々な変更を加えることができる。例えば、プッシュプルコンプレッサを使用するクライオクーラは、種々の他の方法で実現することができる。また、本件特許文献に記載されているコンプレッサは、他の目的のために使用することもできる。

図6は、本開示に従った、クライオクーラその他のシステムに対して超高効率を有するプッシュプルコンプレッサを動作させるための例示的な方法600を示す。説明を容易にするために、方法600は、図１乃至図４に示すコンプレッサ100、200、300、400に関して説明されている。しかし、この方法600は、複数のピストンと、ピストンを互いに対して押し合って引っ張る1つ以上のボイスコイルアクチュエータとを有する任意の適切なコンプレッサとともに使用することができる。

図６に示すように、ステップ602において、コンプレッサの1つ以上のボイスコイルアクチュエータの1つ以上のボイスコイルが付勢される。これは、例えば、1つ以上の電気信号をボイスコイル122、222a−222b、322、422a−422bのうちの1つ以上に供給する増幅器を含むことができる。1つ又は複数の電気信号は、ボイスコイルに1つ又は複数の電磁場を発生させる。これは、ステップ604において、ボイスコイルアクチュエータの1つ以上の磁石を引きつけ、ステップ606でコンプレッサのピストンをともに引っ張る。これは、例えば、1つ又は複数の磁石118、218a−218b、318、418a−418bを磁気的に引き付けるボイスコイルによって生成される電磁場を含み得る。ボイスコイルと磁石とは、異なるピストン102〜104、202〜204、302〜304、402〜404に(直接的又は突起部を介して間接的に)接続されているため、磁気引力によって、両方のピストンが互いに内方に向かって（近づくように）移動する。

コンプレッサの1つ以上のボイスコイルアクチュエータの1つ以上のボイスコイルは、ステップ608において、再び付勢される。これは、例えば、1つ又は複数の追加の電気信号を1つ又は複数のボイスコイル122、222a−222b、322、422a−422bに供給する増幅器を含むことができる。1つ又は複数の追加の電気信号は、ボイスコイルに1つ又は複数の追加の電磁場を発生させる。これは、ステップ610において、ボイスコイルアクチュエータの磁石を反発させ、ステップ612でコンプレッサのピストンを互いに離れるように押す。これは、例えば、磁石(複数可)118、218a−218b、318、418a−418bを磁気的に反発させるボイスコイルによって生成される電磁場を含み得る。ボイスコイルと磁石は、異なるピストン102〜104、202〜204、302〜304、402〜404に(直接的又は突起部を介して間接的に)接続されているため、磁気反発により、両方のピストンが互いに外方に向かって（離れるように）移動する。

方法600を複数回繰り返すことによって、複数の圧縮サイクルが発生することができ、各サイクルは、コンプレッサピストンの内方への1つの移動及びコンプレッサピストンの外方への1つの移動を含む。所与の期間における圧縮サイクルの数は、ボイスコイルアクチュエータの駆動を制御するなどして、制御することができる。上で詳述したように、各ボイスコイルアクチュエータは、1つのピストンとともに移動する磁石と、他のピストンとともに移動するボイスコイルとを有しているので、コンプレッサの効率を有意に向上させることができ、コンプレッサからの外部伝達力を有意に低下させることができる。

図６は、クライオクーラその他のシステムに対して超高効率を有するプッシュプルコンプレッサを動作させるための方法600の一例を示しているが、図６に対して種々の変更を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６の様々なステップは、オーバーラップしたり、並列に発生したり、異なる順序で発生したり、或いは任意の回数で発生したりすることができる。特定の例として、ステップ602〜606は、一般に、互いにオーバーラップすることができ、ステップ608〜612は、一般に、互いにオーバーラップすることができる。

いくつかの実施形態では、本件特許文献に記載されている様々な機能は、コンピュータ読み取り可能プログラムコードから形成され、コンピュータ読み取り可能媒体に具現化されたコンピュータ・プログラムによって実現又はサポートされる。「コンピュータ可読プログラムコード」という語句は、ソースコード、オブジェクト・コード、及び実行可能コードを含む任意の種類のコンピュータ・コードを含む。「コンピュータ可読媒体」という語句は、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ハードディスクドライブ、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）その他のタイプのメモリなどのコンピュータによってアクセス可能な任意の種類の媒体を含む。「非一時的」コンピュータ可読媒体は、一時的な電気信号その他の信号を伝送する有線、無線、光その他の通信リンクを除外する。非一時的コンピュータ読取り可能媒体は、データを永久的に記憶することができる媒体と、データを記憶し後に上書きすることができる媒体、例えば書換え可能な光ディスク又は消去可能なメモリデバイスなどの媒体を含む。

本件特許文献を通して使用されている特定の単語及び語句の定義を示すことは利益であろう。「アプリケーション」及び「プログラム」という用語は、適切なコンピュータ・コード(ソースコード、オブジェクト・コード又は実行可能コードを含む)の実装に適合させた１つ以上のコンピュータ・プログラム、ソフトウェア・コンポーネント、命令セット、手順、機能、オブジェクト、クラス、インスタンス、関連データ、又はそれらの一部を指す。「通信」という用語及びその派生語は、直接的及び間接的通信の両方を包含する。「含む」という用語及び「有する」という用語ならびにそれらの派生語は、限定されることなく、包含することを意味する。「又は」という用語及びその派生語は、及び／又はを意味し、包含的である。「関連する」という用語及びその派生語は、それらに含まれること、相互接続すること、それらを含むこと、含まれること、それらに接続すること、それらに結合すること、それらと通信すること、それらと協力すること、又はそれらを介在すること、それらと近接すること、それらに拘束されること、それらを所有すること、又はそれらと関連することを意味する。「少なくとも1つの」とは、項目リストと一緒に使用する場合、リストに記載されている項目の異なる組み合わせを使用することができ、かつ、そのリストに記載されている項目１つだけでもよいことを意味する。例えば、「A、B及びCのうち少なくとも1つ」は、A、B、C、A及びB、A及びC、B及びC、並びにA及びB及びCのいずれかの組み合わせをも含む。

本願の明細書は、特定の要素、工程又は機能が、クレームの範囲に含まれなければならない必須又は重要な要素であることを意味するものとして解釈されるべきではない。特許された主題の範囲は、許可されたクレームによってのみ定義される。さらに、クレーム内の機能的表現は、明細書に記載された実施形態及びその等価物に限定されるわけではない。

本開示は、特定の実施形態及び一般的に関連する方法について記載したが、これらの実施形態及び方法の変更及び順列は、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、制約したりしない。以下の特許請求の範囲によって定義されるように、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、他の変更、置換、及び変更も可能である。

Claims (20)

1. 流体を圧縮するように構成されたコンプレッサを有する装置であって：
   前記コンプレッサは：
   第１ピストンと対向する第２ピストンであり、内方へ移動して前記第１ピストンと前記第２ピストンとの間の空間を狭くし、外方へ移動して前記空間を広げるように構成される、第１及び第２ピストンと；
   前記第１ピストン及び前記第２ピストンの運動を引き起こすように構成された第１ボイスコイルアクチュエータであり、第１ボイスコイルと第１磁石とを含み、前記第１ボイスコイルは前記第１磁石を引き付け、また反発するように構成された、第１ボイスコイルアクチュエータと；
   を含み、
   前記第１ボイスコイルは前記第２ピストンに接続され、前記第１磁石は前記第１ピストンに接続されている、
   装置。
2. 請求項1に記載の装置であって、前記第１ボイスコイルは、複数の圧縮サイクルの間に、前記第１磁石を反復的に引きつけ、反発させる第１変動電磁場を生成するように構成されている、装置。
3. 請求項２に記載の装置であって：
   前記第１ボイスコイルへの前記第１磁石の引力が、前記第１ピストン及び前記第２ピストンを内方へ引っ張り；かつ
   前記第１ボイスコイルからの前記第１磁石の反発力が、前記第１ピストン及び前記第２ピストンを外方へ押し出す、
   装置。
4. 請求項１に記載の装置であって：
   前記コンプレッサはさらに：
   前記第１ピストン及び前記第２ピストンの運動を引き起こすように構成された第２ボイスコイルアクチュエータであり、第２ボイスコイルと第２磁石とを含み、前記第２ボイスコイルは前記第２磁石を引き付け、また反発するように構成された、第２ボイスコイルアクチュエータ；
   を含み、
   前記第２ボイスコイルは前記第１ピストンに接続され、前記第２磁石は前記第２ピストンに接続されている、
   装置。
5. 請求項４に記載の装置であって：
   前記第１磁石と前記第２ボイスコイル、及び前記第２磁石と前記第１ボイスコイルは、それぞれ、前記第１ピストン及び前記第２ピストンから延びる突起部の中に埋め込まれ、上に取り付けられ、又は結合されている、装置。
6. 請求項４に記載の装置であって：
   前記第１磁石及び前記第２磁石が、それぞれ、前記第１ピストン及び前記第２ピストンの中に埋め込まれ、上に取り付けられ、又は結合されており、
   前記第２ボイスコイル及び前記第１ボイスコイルは、それぞれ、前記第１ピストン及び前記第２ピストンから延びる突起部の中に埋め込まれ、上に取り付けられ、又は結合されている、装置。
7. 請求項１に記載の装置であって：
   前記第１ボイスコイルアクチュエータは、前記第1及び第２ピストンに、等しくかつ反対向きの力を加えるように構成されている、装置。
8. 請求項１に記載の装置であって：
   前記コンプレッサはさらに、前記第１ピストン及び／又は前記第２ピストンに連結された少なくとも1つのトリム重量を含み、各トリム重量は、前記コンプレッサにより発生される外部伝達力を低減又は排除するように構成されている、装置。
9. 請求項１に記載の装置であって：
   前記コンプレッサはさらに：
   前記第１ピストンの直線運動を支持しかつ許すように構成された少なくとも1つの第１スプリング又はフレクシャベアリングと；
   前記第２ピストンの直線運動を支持しかつ許すように構成された少なくとも1つの第２スプリング又はフレクシャベアリングと；
   を含む、装置。
10. 流体を圧縮するように構成されたコンプレッサと；
    前記流体が膨張し冷却を生成することを可能にするように構成された膨張器と；
    を有するクライオクーラであって：
    前記コンプレッサは：
    第１ピストンと対向する第２ピストンであり、内方へ移動して前記第１ピストンと前記第２ピストンとの間の空間を狭くし、外方へ移動して前記空間を広げるように構成される、第１及び第２ピストンと；
    前記第１ピストン及び前記第２ピストンの運動を引き起こすように構成された第１ボイスコイルアクチュエータであり、第１ボイスコイルと第１磁石とを含み、前記第１ボイスコイルは前記第１磁石を引き付け、また反発するように構成された、第１ボイスコイルアクチュエータと；
    を含み、
    前記第１ボイスコイルは前記第２ピストンに接続され、前記第１磁石は前記第１ピストンに接続されている、
    クライオクーラ。
11. 請求項１０に記載のクライオクーラであって、
    前記第１ボイスコイルは、複数の圧縮サイクルの間に、前記第１磁石を反復的に引きつけ、反発させる第１変動電磁場を生成するように構成されており、
    前記第１ボイスコイルへの前記第１磁石の引力が、前記第１ピストン及び前記第２ピストンを内方へ引っ張り；かつ
    前記第１ボイスコイルからの前記第１磁石の反発力が、前記第１ピストン及び前記第２ピストンを外方へ押し出す、
    クライオクーラ。
12. 請求項１０に記載のクライオクーラであって、
    前記コンプレッサはさらに：
    前記第１ピストン及び前記第２ピストンの運動を引き起こすように構成された第２ボイスコイルアクチュエータであり、第２ボイスコイルと第２磁石とを含み、前記第２ボイスコイルは前記第２磁石を引き付け、また反発するように構成された、第２ボイスコイルアクチュエータ；
    を含み、
    前記第２ボイスコイルは前記第１ピストンに接続され、前記第２磁石は前記第２ピストンに接続されている、
    クライオクーラ。
13. 請求項１２に記載のクライオクーラであって、
    前記第１磁石と前記第２ボイスコイル、及び前記第２磁石と前記第１ボイスコイルは、それぞれ、前記第１ピストン及び前記第２ピストンから延びる突起部の中に埋め込まれ、上に取り付けられ、又は結合されている、クライオクーラ。
14. 請求項１２に記載のクライオクーラであって、
    前記第１磁石及び前記第２磁石が、それぞれ、前記第１ピストン及び前記第２ピストンの中に埋め込まれ、上に取り付けられ、又は結合されており、
    前記第２ボイスコイル及び前記第１ボイスコイルは、それぞれ、前記第１ピストン及び前記第２ピストンから延びる突起部の中に埋め込まれ、上に取り付けられ、又は結合されている、クライオクーラ。
15. 請求項１０に記載のクライオクーラであって、
    前記第１ボイスコイルアクチュエータは、前記第1及び第２ピストンに、等しくかつ反対向きの力を加えるように構成されている、クライオクーラ。
16. 請求項１０に記載のクライオクーラであって、
    前記コンプレッサはさらに、前記第１ピストン及び／又は前記第２ピストンに連結された少なくとも1つのトリム重量を含み、各トリム重量は、前記コンプレッサにより発生される外部伝達力を低減又は排除するように構成されている、クライオクーラ。
17. 第１ボイスコイルアクチュエータの第１ボイスコイルを用いて第１変動電磁場を生成する段階；及び
    前記第１変動電磁場に基づいて、前記第１ボイスコイルアクチュエータの第１磁石を反復的に引きつけ、反発させる段階；
    を含む方法であって、
    前記第１ボイスコイルはコンプレッサの第２ピストンに接続され、前記第１磁石は前記コンプレッサの対向する第１ピストンに接続されており、
    前記第１磁石の引きつけは前記第１ピストンと前記第２ピストンとの間の空間を狭くし、前記第１磁石の反発は前記第１ピストンと前記第２ピストンとの間の空間を広くする、
    方法。
18. 請求項１７に記載の方法であって、さらに：
    第２ボイスコイルアクチュエータの第２ボイスコイルを用いて第２変動電磁場を生成する段階；及び
    前記第２変動電磁場に基づいて、前記第２ボイスコイルアクチュエータの第２磁石を反復的に引きつけ、反発させる段階；
    を含み、
    前記第２ボイスコイルは前記第１ピストンに接続され、前記第２磁石は前記第２ピストンに接続されている、
    方法。
19. 請求項１７に記載の方法であって、
    前記第１ボイスコイルアクチュエータは、前記第1及び第2ピストンに、等しくかつ反対向きの力を加えるように構成されている、方法。
20. 請求項１７に記載の方法であって、
    少なくとも1つのトリム重量を、前記第１ピストン及び／又は前記第２ピストンに連結する段階であり、各トリム重量は前記コンプレッサにより発生される外部伝達力を低減又は排除するように構成されている段階、
    を含む方法。

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