(57)【要約】多段低温冷却装置100は、パルス管132が第２の段の再生器131内に位置されている同軸の第２の段のパルス管エキスパンダ130を含んでいる。１実施形態では、再生器の内部壁はパルス管の外部壁としても機能する。別の実施形態では、再生器の内部壁とパルス管の外部壁との間には環状のギャップが存在する。そのギャップは空間の低圧力環境のように、低温冷却装置周辺に環境と流体連通するギャップを配置することによって真空に近づく低圧力に維持されることができる。環状の再生器内にパルス管を有する一体化された第２の段の構造は従来の多段低温冷却システムよりも優れた幾つかの潜在的な利点を提供する。【選択図】図１
2008527309.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の段のエキスパンダ（120）と、
前記第１の段のエキスパンダのダウンストリームである第２の段のパルス管エキスパンダ（130）とを具備し、
前記第２の段のエキスパンダは、
環状の第２の段の再生器（131）と、
前記第２の段の再生器内で実質的に放射状に中心に位置しているパルス管（132）とを具備している多段低温冷却装置（100）。
【請求項２】
前記第２の段の再生器はパルス管の外部壁でもある内部壁（160）を有している請求項１記載の低温冷却装置。
【請求項３】
前記第２の段の再生器は内部壁（192）を有し、
パルス管は外部壁（194）を有し、
前記第２の段の再生器の内部壁とパルス管の外部壁とはギャップ（196）により分離されている請求項１または２記載の低温冷却装置。
【請求項４】
前記ギャップは低温冷却装置の周辺の環境と流体連通している請求項３記載の低温冷却装置。
【請求項５】
前記ギャップに面する前記第２の段の再生器の内部壁とパルス管の外部壁との各表面は低放射性表面である請求項３または４記載の低温冷却装置。
【請求項６】
低放射性表面は金メッキされた表面である請求項５記載の低温冷却装置。
【請求項７】
低放射性表面は研磨された金属表面である請求項５記載の低温冷却装置。
【請求項８】
前記ギャップは１０ミル程度の厚さを有している請求項３乃至７のいずれか１項記載の低温冷却装置。
【請求項９】
前記第２の段のエキスパンダはさらに前記第２の段の再生器のダウンストリーム端部およびパルス管のアップストリームに対して機械的に結合されている第２の段のマニホルド（134）を含んでおり、
前記第２の段の再生器、パルス管、および第２の段のマニホルドは全て実質的に軸対称である請求項１乃至８のいずれか１項記載の低温冷却装置。
【請求項１０】
前記第２の段のパルス管エキスパンダは前記第１の段のエキスパンダに関して角度を有している請求項１乃至９のいずれか１項記載の低温冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は低温冷却装置、特に再生式の低温冷却装置の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
多段の低温冷却装置は低温冷却が必要とされる多くの応用では基本的に重要である。例えば幾つかの応用では２つの物体を低温に同時に冷却することを必要とするが、異なる温度への冷却が必要である。長い波長の赤外線センサの場合、例えば焦点面アセンブリは約４０度Ｋの動作温度を必要とする可能性があるが、光学系は約１００度Ｋのような異なる温度で維持される必要がありうる。このような状態に対する１方法は、単一段の冷却装置を使用し、最低温度で全ての冷凍を抽出することである。しかしながら、これは熱力学的に効率的ではない。別の方法は２つの温度貯蔵器のそれぞれ１つに２つの単一段低温冷却装置を使用することである。この方法は高価で寸法が大きくなる欠点を有する。過去に行われた良好な方法は高温の動作温度のコンポーネントを冷却する第１の段と、それより低い動作温度のコンポーネントを冷却する第２の段とを有する２段の低温冷却装置を使用することである。内部の寄生的な熱損失の一部分が高温でシステムから除去されることができ、したがってエントロピーの発生を少なくするので、多段冷却装置は通常、単一段の冷却装置よりも効率的である。
【０００３】
図１は従来技術の低温冷却装置10の一部を示している。低温冷却装置10は、第１の段の再生器21、プレナム22、ピストンまたは変位装置23を有する第１の段のスターリングエキスパンダ20に結合されているコンプレッサ11を含んでいる。再生器21を含んでいるピストン23は低温シリンダ25内で往復運動をする。低温シリンダ25の壁は第１の段の圧力の封じ込めと周囲の暖かい端部からの熱隔離を行う。プレナム22とモータアセンブリ27はエキスパンダハウジング26内に含まれている。第１の段のエキスパンダ20はまた第１の段のマニホルド28中に第１の段の熱交換器24を含んでいる。ピストンまたは変位装置23は冷凍が第１の段の熱交換器24中で行われるように、ヘリウムのような再生器21の動作ガスのダウンストリームを膨張するために使用される。動作ガスはそれが第１の段の熱交換器24を通過するときに、環境から第１の段の熱負荷を吸収する。第１の段の熱交換器24は第２の段のパルス管エキスパンダ30と空気的に連通しており、そこで（より低温の）第２の段の冷凍が行われる。パルス管エキスパンダ30は第２の段の再生器31とパルス管32とを含んでいる。第２の段の再生器31とパルス管32はほぼ相互に平行であり、Ｕ型の形状の脚部を形成している。第２の段の再生器31とパルス管32は第２の段のマニホルド41中の流路36により共に連結されている。流路36は第２の段の再生器31のダウンストリーム端部とパルス管32のアップストリーム端部とを連結する。各キャップ42と43は第２の段のマニホルド41内の第２の段の再生器31とパルス管32のそれぞれの端部を閉じている。第２の段の低温熱交換器44は第２の段のマニホルド41中のパルス管32のアップストリーム端部に位置している。第２の段の暖かい熱交換器46は第１の段のマニホルド28のパルス管32のダウンストリーム端部に位置している。低温冷却装置10はマニホルド28と41の一方または両方に熱的に結合されるオブジェクトの冷却に使用されることができる。第１の段のマニホルド28と熱的に連通しているオブジェクトは第１の低温で冷却され、第２の段のマニホルド41と連通するオブジェクトはさらに低い冷却温度で冷却される。従来技術の低温冷却装置に関する更に詳細な説明は本出願人の米国特許第6,167,707号明細書および第6,330,800号明細書で見られ、これらの説明及び図面はここで参考文献として組み込まれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術の低温冷却装置10の設置では、低温シリンダ25、第１の段のマニホルド28、第２の段のパルス管エキスパンダ30（集合的に低温ヘッド50）はしばしばエキスパンダハウジング26でのみ支持されることを必要とする。これは第２の段のパルス管エキスパンダ30、第２の段のマニホルド41、第１の段のマニホルド28、および低温シリンダ25の大部分をハウジング26から解除する。このことによって特に宇宙飛行応用では発射中に発生する負荷またはランダムな振動に対して冷却システムが耐えることが困難になる。
【０００５】
前述の説明から多段冷却装置の改良が可能であることが認識されるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１特徴によれば、多段低温冷却装置は、第１の段のエキスパンダと、その第１の段のエキスパンダのダウンストリームの第２の段のパルス管エキスパンダとを含んでいる。第２の段のエキスパンダは環状の第２の段の再生器を含んでいる。
【０００７】
本発明の別の特徴によれば、多段低温冷却装置は、第１の段のスターリングエキスパンダと、その第１の段のパルス管エキスパンダのダウンストリームの第２の段のパルス管エキスパンダを含んでいる。第２の段のエキスパンダは、第２の段の再生器と、第２の段の再生器内であり、それによって半径方向で包囲されているパルス管を含んでいる。
【０００８】
本発明の更に別の特徴によれば、多段低温冷却装置は、第１の段のスターリングエキスパンダと、その第１の段のエキスパンダのダウンストリーム第２の段のパルス管エキスパンダを含んでいる。第１の段のエキスパンダは第１の段のマニホルドを含んでいる。第２の段のエキスパンダは環状の第２の段の再生器と、第２の段の再生器内の同軸のパルス管と、第２の段のマニホルドとを含んでいる。第１の段のマニホルドは第２の段の再生器のアップストリーム端部と、パルス管のダウンストリーム端部とに結合されている。第２の段のマニホルドは第２の段の再生器のダウンストリーム端部と、パルス管のアップストリーム端部とに結合されている。第２の段の再生器、パルス管、および第２の段のマニホルドは全て実質的に軸対称である。
【０００９】
前述及び関連する結果を実現するために、本発明は以後十分に説明し、特に特許請求の範囲で指摘される特徴を含んでいる。以下の説明および添付図面は本発明のある例示的な実施形態を詳細に説明している。しかしながら、これらの実施形態は本発明の原理が使用されることのできる種々の方法の幾つかを示している。本発明の他の目的、利点、優れた特徴は図面を伴って考察するとき本発明の以下の詳細な説明から明白になるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
添付図面では、必ずしも実寸大である必要はない。  
多段低温冷却装置は、パルス管が第２の段の再生器131内に位置されている同軸の第２の段のパルス管エキスパンダを含んでいる。１実施形態では、再生器の内部壁はまたパルス管の外部壁としても機能する。別の実施形態では、再生器の内部壁とパルス管の外部壁との間には環状のギャップが存在する。そのギャップは宇宙空間の低圧力環境のような、低温冷却装置周辺で環境と流体連通するギャップを配置することによって真空に近い低圧力に維持されることができる。環状の再生器内にパルス管を有する一体化された第２の段の構造は、従来の多段低温冷却システムよりも優れた幾つかの潜在的な利点を提供する。第１に、第１及び第２の段のマニホルドの質量は第２の段の再生器内にパルス管を位置させていることによって減少されることができる。第２の段のマニホルドは再生器とパルス管を相互に連通させ、熱負荷への熱結合を可能にするために使用される。これは低温のシリンダ上の機械的負荷を減少させ、それは機械的に１端部（第１の段のマニホルドの反対側の端部）でのみ支持されることができる。第２の段のエキスパンダの軸対称の構造は第２の段のマニホルドを軸対称に構成し、実質的に等方性の負荷を支持する特徴を可能にし、第２の段のマニホルドに関して熱的ストラップの方位を抑制する必要はないエンドユーザに対する一体化を潜在的に簡単にすることを容易にする。さらに、第２の段の再生器中にパルス管を配置することによって、第２の段の再生器から第２の段のマニホルドを通ってパルス管へのより多くの等流が可能になる。例えばパルス管は第２の段の再生器内で軸対称に位置されることができ、マニホルドはパルス管のアップストリーム端部への実質的に軸対称の流れを可能にするように構成されることができる。最後に、第２の段の再生器とパルス管を単一の含まれた装置へ一体化することは第２の段のパルス管エキスパンダの構造的な強度も増加させる。
【００１１】
図２を参照にして、多段低温冷却装置100についての詳細を説明する。冷却装置100はスターリングエキスパンダのような第１の段のエキスパンダ120に結合されているコンプレッサ110を含んでいる。エキスパンダ120は従来技術の低温冷却装置10（図１）のエキスパンダ20と実質的に同一であり、第１の段の再生器121、プレナム122、ピストンまたは変位装置123、低温シリンダ125、エキスパンダハウジング126、モータアセンブリ127のような部分を含むことができる。第１の段の再生器121を出る動作流体は第１の段のマニホルド128中にある第１の段の熱交換器124へ進む。第１の段の熱交換器124は、動作流体の第２の段のパルス管エキスパンダ130への流動を可能にするために第１の段のマニホルド128を通過する貫通穴を含んでいる。第１の段のマニホルド128は第１の段の低温に維持され、熱発生アイテムの温度を冷却するかその温度を維持するために適切な熱ストラップ（図示せず）を介して熱発生アイテムに連結されることができる。
【００１２】
低温シリンダ125（及びその内容物）と第２の段のパルス管エキスパンダ130は低温ヘッド129の一部である。低温ヘッド129は機械的にエキスパンダハウジング126へ結合されている。
【００１３】
第２の段のパルス管エキスパンダ130は第２の段の再生器131、パルス管132、第２の段のマニホルド134を含んでいる。動作ガスは第１の段のマニホルド128から第２の段の再生器131へ進む。第２の段のマニホルド134内で、動作ガスはパルス管132へ入れられる。これはパルス管132を通って第１の段のマニホルド128へ流れる。第１の段のマニホルド128から、パルス管132からの出口はイナータンスポート138を介してサージボリューム136へ結合されることができる。このサージボリューム136は周囲の暖かい温度に維持されることができる。周囲温度のサージボリュームの構造及び使用に関する更に詳細な説明は本出願人の米国特許出願第10/762,867号明細書（発明の名称“Cryocooler With Ambient Temperature Surge Volume”、2004年１月22日出願）に記載されており、この説明及び図面はここで参考文献とされている。
【００１４】
パルス管132は第２の段の再生器131内に放射的に位置されている。第２の段の再生器はパルス管132が第２の段の再生器131の中心に位置されている環状の再生器であってもよい。パルス管132は第２の段のマニホルド134内のパルス管132のアップストリーム端部142に位置されている第２の段の低温熱交換器141を有している。パルス管132はまた第１の段のマニホルド128内のパルス管132のダウンストリーム端部144に位置されている第２の段の暖かい熱交換器143を有している。第２の段の低温熱交換器は、銅のような適切な材料から作られることのできる第２の段のマニホルド134からの熱を転送する。第２の段の暖かい熱交換器143は熱を第１の段のマニホルド128へ転送する。
【００１５】
第２の段のエキスパンダ130は実質的に軸対称であり、パルス管132は第２の段の再生器131内に軸対称に位置されている。第１の段のマニホルド128と第２の段のマニホルド134もまた実質的に軸対称である。両エキスパンダ段の構造的な負荷支持能力はしたがって実質的に任意の構造的な放射方向の負荷力とは独立している。したがって、低温熱ストラップ（図示せず）の使用によって第２の段のマニホルド134を冷却される装置へ熱的に結合するとき、第２の段のエキスパンダ130の方向付けを考慮する必要がない利点がある。それと対照的に、第２の段のエキスパンダ30（図１）に示されているようなＵターンの第２の段の構造では、設計者は負荷を第２の段のマニホルド41（図１）へ取り付けるとき、異なる方位についての構造的な強度の変化を考慮しなければならない。
【００１６】
恐らく更に重要なことは、その軸対称の第２の段のエキスパンダ130を有する軸対称の低温ヘッド129は最低のカンチレバー屈曲モードの周波数を有効に増加できることである。ここで説明する構造の１実施形態は２００Ｈｚを超える基本的なカンチレバー屈曲モードを有することが認められている。これを１１５乃至１６０Ｈｚの範囲の最低のカンチレバー屈曲モードを有する従来の設計と比較する。周波数の逆二乗として偏差は減少されるいので、低温ヘッド129の更に高い固有周波数は振動に対するその感度を著しく減少させる。
【００１７】
軸対称の第２の段のエキスパンダ130の別の利点は、流動が第２の段の再生器131とパルス管132との両者で実質的に軸対称であることである。流動する動作ガスは第２の段の再生器131のアップストリーム端部152で実質的に軸対称に導入されることができ、ここで再生器131は第１の段のマニホルド128とインターフェースする。第２の段のマニホルド134では、動作ガスの流れは実質的に第２の段の再生器131のダウンストリーム端部154からパルス管132のアップストリーム端部142へ実質的に軸対称に曲げられることができる。第２の段の再生器131とパルス管132内における流動の実質的な軸対称は更に均等な性能を生じ、したがって不均等な流動を有する従来の低温冷却装置に関して改良された性能が得られる。この性能における均等性の増加はパルス管の低温端部での混合の減少によるものである。
【００１８】
図３を参照すると、第２の段のエキスパンダ130の１実施形態についてある詳細が示されている。図３に示されている実施形態は２管の実施形態であり、パルス管132の外部壁と第２の段の再生器131の内部壁の両者の役目を行う内部壁160を有している。第２の管または壁162は第２の段の再生器131の外部壁として作用する。
【００１９】
第２の段のマニホルド134は縦方向の流動路170および172と、放射方向の流動路174および176とを有している。縦方向の流動路170および172は第２の段のマニホルド134の内部部分180と外部部分182との間の環状のギャップ部分であることができる。放射状の流動路174および176は第１の段のマニホルド134の端部キャップ186の下のディスク型流動空洞部分であることができる。流れは第２の段の再生器131のダウンストリーム端部154から、縦方向の流動路170および172と放射状の流動路174および176を通って、パルス管132のアップストリーム端部142における第２の段の低温熱交換器141へ進むことができる。この第２の段の再生器131のダウンストリーム端部154からパルス管132のアップストリーム端部142への流動の折り返しは実質的に軸対称であることができる。その代わりに、第２の段のマニホルド134内の流動路は第２の段の再生器131からパルス管132への流動の折り返しにおいて多少の非対称を許容してもよい。
【００２０】
図４は、第２の段のエキスパンダ130の別の実施形態、即ち再生器131の内部壁192とパルス管132の外部壁194との間に絶縁体190を含んでいる３つの管の実施形態を示している。その絶縁体190は壁192と194との間のギャップ196であってもよい。そのギャップ196は例えば約１×１０−５トル以下内の圧力を有する真空ギャップであってもよい。示されているように、ギャップ196はパルス管の壁194の薄くされた部分199により形成される凹部であってもよい。その代わりにギャップ196は他の適切な方法により形成されてもよい。
【００２１】
ギャップ196は低温冷却装置100の周辺の周囲環境と連通することができる。第１の段のマニホルド128はギャップ196が低温冷却装置100を取り巻く環境と流体連通することを可能にするためのポート200および201を有することができる。低温冷却装置は典型的に宇宙空間の真空のような真空環境で使用されるので、低温冷却装置100を取り巻く環境と連通するギャップ196を配置し、ギャップ196が低圧力の真空にあることを可能にする。
【００２２】
ギャップ196は１０ミル程度の幅または厚さを有することができる。ギャップ196は十分な真空コンダクタンスがポート200と201を介してギャップ196全体に高真空を引き込むために存在するように任意の適切な幅を有することができる。ギャップ196は環状のギャップであってもよく、または他の適切な形状を有してもよい。
【００２３】
図５を参照すると、再生器の内部壁192とパルス管の壁194はそれぞれギャップ196に面している低放射表面202と204を有することができる。低放射表面はギャップ196を横切る放射熱の転送を最少にするように構成されることができる。低放射表面202と204は金メッキされた表面であってもよく、または研磨されたステンレス鋼の表面のような研磨された金属表面であってもよい。
【００２４】
パルス管132と第２の段の再生器131との間の不所望な熱伝導を阻止するために、それらの間に真空ギャップ196を有することが有効であり、阻止しなければ第２の段のエキスパンダ130の性能を劣化しかねない。第２の段の再生器131とパルス管132に沿った温度勾配は相互に異なっており、第２の段の再生器131に沿った温度勾配はほぼ線形であり、パルス管132に沿った温度勾配は非線形である。第２の段の再生器131とパルス管132との間の絶縁がなければ、放射状の熱流が２つの装置間で発生し、装置の性能を劣化する可能性がある。装置間に真空のギャップを配置すると放射状の熱伝導は最少になり、従って性能を改良する。
【００２５】
それにもかかわらず、前の段落で説明した放射方向の熱の転送は状態によっては許容可能であり、図３の２管構造はこれらの状態で適切である可能性がある。例えば１ワットで７７ケルビンの低温冷却装置では２管構造は適切であり、第２の段の再生器131とパルス管132との間の多少のレベルの放射状の熱伝導は許容される。しかしながら例えば１０ケルビンの低温で動作する低温冷却装置では、放射状の熱転送は動作に深刻に影響する可能性があり、図４と５の３管構造が好ましい可能性がある。
【００２６】
図６を参照すると、第２の段のエキスパンダ130は第１の段のエキスパンダ120に関して角度をつけられることができる。ここで使用される用語「角度を付けられる」は第２の段のエキスパンダ130と第１の段のエキスパンダ120との間のゼロではない角度を指しており、それによって第２の段のエキスパンダ130は第１の段のエキスパンダ120と同一直線上にはない。図６に示されているように、第２の段のエキスパンダ130は第１の段のエキスパンダ120に関して４５゜の角度にあってもよい。さらに広義では、４５゜、９０゜、あるいは任意の他の適切な角度のように、第２の段のエキスパンダ130を第１の段のエキスパンダ120に関して任意の広い範囲の種々の角度に方向付けすることができる。
【００２７】
ここで説明した低温冷却装置100の種々の実施形態は低温ヘッド129の改良された構造的特徴を可能にする。さらに、第２の段のエキスパンダ130の熱伝導性能はより均等で実質的に軸対称の流動を設けることにより改良されることができる。改良された構造的および熱転送性能が価格および重量を減少した低温冷却装置で可能である。
【００２８】
本発明をある好ましい実施形態に関して示し説明したが、等価の変更及び変形がこの明細書及び添付図面を読み理解した上で、当業者により行われることが明白である。特に前述の素子（コンポーネント、アセンブリ、装置、構造等）により行われる種々の機能に関して、このような素子を説明するために使用される用語（「手段」の参照を含める）は特に説明がなければ、本発明のここで説明した例示的な１または複数の実施形態でその機能を行う説明された構造とは構造上等しくなくても、説明される素子の特定された機能を行う（即ち機能的に等価の）任意の素子に対応することが意図されている。さらに、本発明の特定の特徴を１以上の幾つかの示された実施形態のみに関して前述したが、このような特徴は任意の所定または特定の応用で所望され、有効であるように、他の実施形態の１以上の他の特徴と組み合わせられることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】従来技術の多段低温冷却装置の断面図。
【図２】本発明による多段低温冷却装置の断面図。
【図３】図２の低温冷却装置の第２の段の１実施形態の断面図。
【図４】図２の低温冷却装置の第２の段の別の実施形態の断面図。
【図５】図４の第２の段の部分５−５の詳細図。
【図６】角度を有する第２の段を有している本発明による別の実施形態の低温冷却装置の断面図。
【図１】
2008527309.tif 000003
【図２】
2008527309.tif 000004
【図３】
2008527309.tif 000005
【図４】
2008527309.tif 000006
【図５】
2008527309.tif 000007
【図６】
2008527309.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成18年11月20日(2006.11.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の段のエキスパンダ（120）と、
前記第１の段のエキスパンダのダウンストリームである第２の段のパルス管エキスパンダ（130）とを具備し、
前記第２の段のエキスパンダは、
環状の第２の段の再生器（131）と、
前記第２の段の再生器内で実質的に放射状に中心に位置しているパルス管（132）とを具備している多段低温冷却装置（100）。
【請求項２】
前記第２の段の再生器はパルス管の外部壁でもある内部壁（160）を有している請求項１記載の低温冷却装置。
【請求項３】
前記第２の段の再生器は内部壁（192）を有し、
パルス管は外部壁（194）を有し、
前記第２の段の再生器の内部壁とパルス管の外部壁とはギャップ（196）により分離されている請求項１記載の低温冷却装置。
【請求項４】
前記ギャップは低温冷却装置の周辺の環境と流体連通している請求項３記載の低温冷却装置。
【請求項５】
前記ギャップに面する前記第２の段の再生器の内部壁とパルス管の外部壁との各表面は低放射性表面である請求項３または４記載の低温冷却装置。
【請求項６】
低放射性表面は金メッキされた表面である請求項５記載の低温冷却装置。
【請求項７】
低放射性表面は研磨された金属表面である請求項５記載の低温冷却装置。
【請求項８】
前記ギャップは１０ミル程度の厚さを有している請求項３乃至７のいずれか１項記載の低温冷却装置。
【請求項９】
前記第２の段のエキスパンダはさらに前記第２の段の再生器のダウンストリーム端部およびパルス管のアップストリームに対して機械的に結合されている第２の段のマニホルド（134）を含んでおり、
前記第２の段の再生器、パルス管、および第２の段のマニホルドは全て実質的に軸対称である請求項１乃至８のいずれか１項記載の低温冷却装置。
【請求項１０】
前記第２の段のパルス管エキスパンダは前記第１の段のエキスパンダに関して角度を有している請求項１乃至９のいずれか１項記載の低温冷却装置。
【国際調査報告】
2008527309.tif 000009
2008527309.tif 000010
2008527309.tif 000011