(57)【要約】本発明は、好ましくはクライオクーラ（１００）又は冷却機を使用して冷却を発生させ、低温作動気体を生成する方法であって、低温作動気体は、伝播流体液溜まり（２１）と超伝導装置などの冷却負荷（２６）との間を循環する（２４、１８）伝播流体を液化するために使用され、熱サイホン効果を使用して冷却負荷に冷却を供給する方法を開示する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却負荷を冷却させる方法において、
（Ａ）低温作動気体を生成させ、該低温作動気体を伝播流体気体（１９）との間接熱交換によって暖めることにより、伝播流体液体（１１）を生成させて、液面（２２）を有する伝播流体液溜まり（２１）を形成する段階と、
（Ｂ）前記伝播流体液溜まりの伝播流体液体の液面よりも低い位置にある前記冷却負荷（２６）へ、前記伝播流体液体を前記伝播流体液溜まりから熱サイホン効果を使用して流す段階と、
（Ｃ）前記伝播流体液体により前記冷却負荷を冷却させて、前記伝播流体液体を気化させ、前記低温作動気体と間接熱交換する伝播流体気体を生成する段階とを含む冷却負荷の冷却方法。
【請求項２】
前記伝播流体がネオンを含む請求項１に記載された冷却負荷の冷却方法。
【請求項３】
前記伝播流体を、もっぱら熱サイホン効果によって、前記伝播流体液溜まりから前記冷却負荷へ流し、その後、前記冷却負荷から前記伝播流体液溜まりへ戻す請求項１に記載された冷却負荷の冷却方法。
【請求項４】
前記冷却負荷が冷却剤流体を含む請求項１に記載された冷却負荷の冷却方法。
【請求項５】
前記冷却負荷が超伝導装置を含む請求項１に記載された冷却負荷の冷却方法。
【請求項６】
前記作動気体にパルスを提供することによって圧縮作動気体を生成し、パルス管の低温領域で前記圧縮気体を膨張させることによって、前記低温作動気体を生成させる請求項１に記載された冷却負荷の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広い意味で言えば、冷却負荷の冷却に関するものであり、とりわけ超伝導装置の冷却に有利なものである。
【背景技術】
【０００２】
超伝導装置は、一般的には８０Ｋ以下の非常に低い温度で作動する。超伝導装置には、超伝導性の保持に必要な非常に低い温度条件を維持するために、連続して冷却しなければならない。しばしば超伝導装置は、冷却を供給する冷却装置の信頼性を必要とする遠隔位置に置かれる。大部分の冷却装置は、冷却負荷に冷却剤流体を給送するために、少なくとも１つの極低温ポンプの使用を必要とする。極低温ポンプを使用する冷却装置を使うと、冷却装置を超伝導装置の冷却に使用する場合に、問題となることがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
それゆえ、本発明の目的は、冷却負荷を冷却させるための、高い信頼性を有し、超伝導用等の用途に冷却を供給するために効果的に使用することのできる改善された装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本開示内容を読めば当業者には明らかになるであろう前記目的及びその他の目的は、下記の本発明によって達成される。
【０００５】
すなわち本発明は、冷却負荷を冷却する方法において、
（Ａ）低温作動気体を生成させ、この低温作動気体を伝播（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）流体気体との間接熱交換によって暖めることにより、伝播流体液体を生成させて、液面を有する伝播流体液溜まりを形成する段階と、
（Ｂ）伝播流体液溜まりの伝播流体液体の液面よりも低い位置にある冷却負荷（２６）へ、伝播流体液体を伝播流体液溜まりから熱サイホン効果を使用して流す段階と、
（Ｃ）伝播流体液体により冷却負荷を冷却させて、伝播流体液体を気化させ、低温作動気体と間接熱交換する伝播流体気体を生成する段階とを含む方法である。
【０００６】
本明細書において使用される「熱サイホン」という用語は、熱の供給により流体が装置の中で循環する過程を示すものであり、熱が流体の一部を気化させ、それが上昇し、次いで冷却され、重力によって再び気化される場所へ戻る。したがって流体を動かすために機械的装置は使用されない。
【０００７】
本明細書において使用される「蓄熱器（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ）」という用語は、球体、積層された網目体、穴開き金属板などの多孔質分散塊体の形態をなし、多孔質分散塊体による直接熱交換により、流入する暖気体を冷却し、戻る低温気体を暖めるためのすぐれた熱容量を有する熱装置を意味するものである。
【０００８】
本明細書において使用される「パルス管冷却機」という用語は、パルス発生器を含む適当な構成部分を使用して低温冷却を行うための冷却装置を意味するものである。
【０００９】
本明細書において使用される「オリフィス」という用語は、パルス管冷却機において、パルス管拡管部の高温端部と貯留容器との間に配置された気体流制限装置を意味するものである。
【００１０】
本明細書において使用されるとき、「圧力波」という用語は、ある気体量を周期的に順次高圧及び低圧のレベルで通過させるエネルギーを意味するものである。
【実施例】
【００１１】
本発明は、低温作動気体を生成させて伝播流体を液化するための冷却サイクルの使用を含む。低温作動気体の生成は、パルス管冷却機を使用することが好ましく、このパルス管冷却機には、圧力波を発生させるために必要な部分以外には動く部分はなく、この冷却機の冷却により低温作動気体を生成し、伝播流体を液化する。液化された伝播流体は、熱サイホン効果を使用して冷却負荷に送られるため、極低温ポンプを使用する必要がない。この構成により、冷却をもたらすための装置の信頼性が増し、超伝導装置に関しては一般的であるように、冷却される受容体が遠隔位置にある場合にはとりわけ有利である。
【００１２】
本発明を、図面を参照して、パルス管冷却機を使用する好適な冷却装置に則して以下に詳しく説明する。図面中の番号は共通の要素については同じである。
【００１３】
パルス管冷却装置は、一般的には、閉サイクルで作動気体を振動させ、これにより熱負荷を低温領域から高温領域へ移動させる、閉冷却装置である。振動の周波数と位相調整は装置の構成によって決定される。パルス管冷却機すなわち冷却装置を図１に示す。
【００１４】
図１に示すパルス管冷却装置では、駆動装置又は圧力波発生装置１は、ピストン又は他の機械的圧縮装置、又は音響若しくは熱音響波発生装置、又は作動気体にパルス又は圧力波を提供するための他の適当な装置である。すなわち、パルス発生器は、音響エネルギーを作動気体に伝えて、圧力及び速度の振動を起こさせる。ヘリウムが好ましい作動気体であるが、どのような効果的な作業気体もパルス管冷却機に使用することができ、このようなものとしては、窒素、酸素、アルゴン、及びネオン、又はこれらの１つ又は複数を含む空気などの混合物を挙げることができる。
【００１５】
振動する作動気体は後部冷却器２で、水５０などの冷却媒体による間接的熱交換によって冷却される。蓄熱器３内の作動気体は、低温熱交換器に向かって移動すると、蓄熱器媒体による熱交換によって冷却される。
【００１６】
パルス管冷却装置の幾何学的形状及びパルス構成は、低温熱交換器およびパルス管６の低温端部６ａにおける振動作動気体がパルス・サイクルのある部分において膨張し、間接熱交換によって熱が作動気体によって吸収されて伝播流体に冷却を供給するようになっている。後でさらに詳しく論議するように、作動気体からの冷却は間接的熱交換によって伝播流体に渡される。音響エネルギーの一部はオリフィスで消散し、結果的に得られる熱は、高温熱交換器７の使用により、一般的には水５１などの冷却媒体による間接的熱交換によって高温端部６ｂから除去される。パルス管冷却装置がオリフィス８および貯留容器９を使用して、適切な位相で気体の変位と圧力パルスを維持することが好ましい。貯留容器９の寸法は十分に大きく、そのためパルス管において振動が流れている間に本質的に貯留容器の中で圧力振動がほとんど発生しない。
【００１７】
図２には、図１を参照して説明したようなパルス管冷却機が、特に図示された低温熱交換器４を除いて、符号１００により一般的にすなわちブロックの形態で示されている。次に図２を参照すると、伝播流体１８が、伝播流体タンク１３の中に流れる。伝播流体は、完全に気体の形態であっても、または部分的に気体及び部分的に液体であってもよい。図２に示す本発明の実施例では、伝播流体１８は２相状態になっている。液相２０は伝播流体タンク１３の中に流下するが、気相１９は、伝播流体タンク１３の内部にあって伝播流体タンク１３の上部に位置する低温熱交換機４へ移動する。伝播流体気体１９は、低温熱交換機４において前記の低温作動気体による間接熱交換によって凝集され、伝播流体液体１１となり、次にこの伝播流体液体は低温熱交換器４から出て、伝播流体液体２１と共に伝播流体タンク１３の中で伝播流体液溜まり２１を形成する。伝播流体液溜まり２１は、伝播流体タンク１３内で、伝播流体液体の上表面である液面２２を有する。
【００１８】
本発明の実施における好ましい伝播流体はネオンである。本発明の実施における伝播流体として使用できる他の流体には、ヘリウム、水素、窒素、酸素、アルゴン、メタン、クリプトン、キセノン、Ｒ−１４、Ｒ−２３、Ｒ−２１８、及びこれらの１つ又は複数を含む空気などの混合物を挙げることができる。
【００１９】
冷却剤２６が、図２に示す実施例では熱交換器である冷却負荷へ送られる。冷却剤２６は冷却負荷として作用し、熱交換器２５内で伝播流体液体との間接的熱交換によって冷却される。次に、その結果冷却された冷却剤２７は、例えば超伝導デバイスを冷却するために使用される。冷却剤は、超伝導デバイスの所望の作動温度より低く、同時に伝播流体の沸点すなわち泡立ち点よりも低い凝固点を有するどのような流体、又はこれらの混合物であってもよい。これには、ヘリウム、水素、ネオン、窒素、酸素、アルゴン、メタン、クリプトン、キセノン、Ｒ−１４、Ｒ−２３、Ｒ−２１８、及びこれらの１つ又は複数を含む空気などの混合物があるが、これらに限られるものではない。
【００２０】
伝播流体液体は、伝播流体タンク１３内の伝播流体液溜まり２１から冷却負荷装置２５への流れ２４の中に通され、冷却負荷装置２５は伝播流体液面２２よりも低い位置に設置される。伝播流体液体は、熱交換器２５内で冷却剤による間接熱交換によって少なくとも部分的に気化し、これによって冷却剤を冷却する。結果的に得られる伝播流体気体は流れ１８となり、低温作動気体による液化のために熱交換器に戻される。前記のように、流れ１８は、伝播流体気体に加えて伝播流体液体を含むことができる。
【００２１】
伝播流体は、熱サイホン効果によって、伝播流体タンクから冷却負荷装置へ移動し、そして伝播流体タンクに戻される。したがって、伝播流体を処理するための極低温ポンプ又はその他の機械的ポンプが不要となる。しかし、伝播流体の密度が非常に低いか、又は重力による伝播流体の循環を妨げる物理的制約が課される場合には、熱サイホン効果を増すためにポンプが使用される。液面と装置圧力の低下は、熱交換器２５が液体で溢れることも液体がなくなることもないように設計されている。また制御ループが使用される場合もある。液体の先端、すなわちタンク１３内の液体の高さは、管路及び熱交換器２５における圧力に打ち勝つために十分な高さに維持される。
【００２２】
図３は、冷却負荷デバイスが超電導デバイスである、本発明の別の実施例を示す。図３の参照番号は、共通の要素については図２のものと同じであり、これらの共通の要素は再度詳しくは説明しない。
【００２３】
図３を参照すると、伝播流体液体の流れ２４は、伝播流体液面２２より低い位置にある超伝導デバイス３０に通され、ここで部分的に気化して、これによって冷却負荷を冷却する。その結果得られる少なくとも部分的に気化した伝播流体は、超伝導デバイス３０から管路１８に通されて、図３に示す本発明の実施例では伝播流体タンク１３の中に位置する低温熱交換器４に至る。広く言えば、伝播流体は、伝播流体が臨界圧力未満に維持されているとき、冷却剤の所望の出口温度又は超伝導デバイスの作動温度より十分に低い沸点（混合物の場合は泡立ち点及び露点）を有するものであれば、どの流体でも混合物でもよい。
【００２４】
図４は、パルス管冷却装置の低温熱交換器が伝播流体タンクの外側に位置する、本発明の別の実施例を示す。図４の参照番号は、共通の要素については図２のものと同じであり、これらの共通の要素は再度詳しくは説明しない。
【００２５】
図４を参照すると、完全に又は部分的に気体の形態である、熱交換器２５により暖められた伝播流体１８は、パルス管冷却機１００の低温熱交換器４へ通される。伝播流体気体は、低温熱交換器４内で低温作動気体による間接熱交換によって凝集され、その結果得られる伝播流体液体は、流れ３３として低温熱交換器４から伝播流体タンク１３へ移動され、ここで液面２２を有する伝播流体液溜まり２１を形成する。
【００２６】
好ましくは、パルス管クライオクーラ又は冷却機は、図４Ｂに図示するスターリング・サイクルに基づくものである。代替案として、別の熱力学的冷却サイクルを使用することができる。例示として、図４Ａ及び図４Ｃにそれぞれ図示する理想的なカルノー・サイクル及びブレイトン・サイクルの実用的な変形を使用することができる。図４Ａ〜４Ｃにおいて、Ｔｒは冷却の得られる温度を示す。これは理想サイクルの最低温度である。クライオクーラにおいて使用できるその他の冷却サイクルとしては、磁界の下で作動する磁気熱量効果をもつ材料を使用する磁気冷却、及びジュール・トムソン冷却がある。他の有用なクライオクーラのサイクルとしては、ギフォード・マクマホン・サイクルなどのスターリング・サイクルの変形、及びランキン・サイクルに基づくＭＧＲ（混合気体冷却）がある。ＭＧＲサイクルは、共通の圧縮機で圧縮されて、一組の予備冷却熱交換器によって冷却され、ジュール・トムソンの等エンタルピー膨張を介して膨張した、さまざまな気体混合物からなる冷却剤を含む。さらにまたクライオクーラを、低温冷却剤を使用して、又は別の冷却機によって予備冷却することができる。例えば、パルス管冷却機を、液体窒素冷却を使用して、又はＳＧＲ（単一気体冷却）などの他の冷却によって、又はＭＧＲランキン型の冷却機によって予備冷却することができる。
【００２７】
本発明を使用することによって、冷却を発生させて、この冷却を、動く部分が非常に少ないかまた皆無であって機械的ポンプを必要としない超伝導デバイスなどの冷却負荷に伝えることができ、これによって信頼性を、したがって効率を向上させることができる。本発明をある好ましい実施例によって詳細に説明したが、特許請求の範囲の原理と範囲の中で本発明のその他の実施例も可能であることは、当業者には理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明を実施する場合に使用されるパルス管冷却機の一実施例の概略図。
【図２】パルス管冷却機の冷熱交換器が伝播流体タンクの中に置かれた、本発明の一実施例の概略図。
【図３】冷却が伝播流体によって直接に超伝導デバイスに提供される、本発明の一実施例の概略図。
【図４】パルス管冷却機の冷熱交換器が伝播流体タンクの外側に置かれた、本発明の一実施例の概略図。
【図４Ａ】本発明を実施する場合に低温作動気体を発生させるために使用することのできる、３つの異なる冷却サイクルのための温度／エントロピー線図。
【図４Ｂ】本発明を実施する場合に低温作動気体を発生させるために使用することのできる、３つの異なる冷却サイクルのための温度／エントロピー線図。
【図４Ｃ】本発明を実施する場合に低温作動気体を発生させるために使用することのできる、３つの異なる冷却サイクルのための温度／エントロピー線図。
【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４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【国際調査報告】
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