(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス均衡式のブレイトンサイクル冷却器と、真空チャンバ（２０）内に収容されているクライオパネル（２１）と、前記ガス均衡式のブレイトンサイクル冷却器と前記クライオパネル（２１）との間で低温のガスを伝達する低温ガス伝達管路（１８，１９）と、を備えており、
前記ガス均衡式のブレイトンサイクル冷却器は、少なくとも、圧縮器（１）と、対向流熱交換器（６）と、ガス均衡式のブレイトンサイクル機関（２）と、を備えており、前記対向流熱交換器（６）および前記ガス均衡式のブレイトンサイクル機関（２）は、高圧のガス管路（７）および低圧のガス管路（８）によって前記圧縮器（１）に接続されており、
前記圧縮器（１）は、室温の、圧縮されたガスを、前記対向流熱交換器（６）の高圧側の高温の端部に送り出し、そこで、前記圧縮されたガスは、前記ガス均衡式のブレイトンサイクル機関（２）の内部で膨張させられた後に前記対向流熱交換器（６）の低圧側を通って前記圧縮器に戻るガスによって冷却され、
前記ガス均衡式のブレイトンサイクル機関（２）は、低圧で低温のガスを、第１の伝達管路を通して、前記真空チャンバ内の前記クライオパネルに送り出し、低温のガスは、第２の伝達管路を通って前記対向流熱交換器（６）の低圧側の低温の端部に戻る
水蒸気クライオポンプ。
【請求項２】
前記ガス均衡式のブレイトンサイクル冷却器には、ガス貯蔵タンク（１０）と、前記ガス均衡式のブレイトンサイクル冷却器からのガスを、前記ガス貯蔵タンク（１０）内に貯蔵するために、高圧で前記ガス貯蔵タンク（１０）に供給する、高温かつ高圧のガス管路（７）と、前記ガス貯蔵タンク（１０）からのガスを低圧で前記ガス均衡式のブレイトンサイクル冷却器に戻す、高温かつ低圧のガス管路（８）と、が組み込まれており、
前記ガス貯蔵タンク（１０）は、ガスの放出またはシステムへのガスの追加を回避するために、標準動作中に必要なガスをすべて保持する、
請求項１に記載の水蒸気クライオポンプ。
【請求項３】
ガスを貯蔵して、前記低圧および／または圧力比を低くすることによって、前記圧縮器への入力動力を小さくすることができる、請求項２に記載の水蒸気クライオポンプ。
【請求項４】
前記低圧および／または圧力比を低くすることによって、前記圧縮器への入力動力を、その最大値の５０％未満に低減することができる、請求項２に記載の水蒸気クライオポンプ。
【請求項５】
前記ガス均衡式のブレイトンサイクル機関を、速度可変に動作させることができる、請求項１に記載の水蒸気クライオポンプ。
【請求項６】
前記圧縮器の出力を最大にするように、高圧および低圧と機関速度とを制御することによって、前記ガス均衡式のブレイトンサイクル機関と、前記熱交換器と、前記第１および第２の伝達管路と、前記クライオパネルの冷却時間が最小になる、請求項１に記載の水蒸気クライオポンプ。
【請求項７】
前記圧縮器からのガスのうちの一部の、前記熱交換器および前記ガス均衡式のブレイトンサイクル機関を通しての送り出しを、前記圧縮器からのガスのその他の部分を直接に前記クライオパネルを通して循環させて前記圧縮器に直接戻しながら行うことによって、前記ガス均衡式のブレイトンサイクル機関を加熱することなく、前記クライオパネルを迅速に加熱する手段を有している、請求項１に記載の水蒸気クライオポンプ。
【請求項８】
前記対向流熱交換器（６）を迂回する管路（３６）内の弁（３４）を開くことによって、前記ガス均衡式のブレイトンサイクル機関（２）と、前記対向流熱交換器（６）と、互いに分離した複数の前記低温ガス伝達管路（１８，１９）と、前記クライオパネル（２１）との加熱時間が最小になる、請求項１に記載の水蒸気クライオポンプ。
【請求項９】
前記クライオパネルの入口と出口の間の温度差を、所与の出口温度における最大値から４０％を超える値だけ小さくすることができる、請求項２に記載の水蒸気クライオポンプ。
【請求項１０】
前記対向流熱交換器の高温の入口および出口とクライオポンプコイルの入口および出口の、それぞれの間の管路と、
前記管路内の、通常は閉じている弁と、
前記低温ガス伝達管路を通る流れを阻止可能な弁と、
前記ガス均衡式のブレイトンサイクル機関の出口と前記対向流熱交換器の戻り側への入口との間のバイパス弁と、
をさらに備えている、請求項１に記載の水蒸気クライオポンプ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の水蒸気クライオパネルを迅速に加熱する方法であって、
前記バイパス弁を開くことと、
前記低温ガス伝達管路を通る流れを阻止する前記弁を閉じることと、
前記通常は閉じている弁を開くことと、
前記ガス均衡式のブレイトンサイクル機関を作動させることと、を含む方法。
【請求項１２】
前記対向流熱交換器の高圧側の前記高温の端部と前記対向流熱交換器の低圧側の前記低温の端部との間のバイパス管路と、
前記バイパス管路内の、通常は閉じている弁と、
前記高温の端部から前記低温の端部へ向かう方向にのみ流れを可能にする、前記バイパス管路内の圧力逃し弁と、
前記低温ガス伝達管路を通る流れを阻止可能な弁と、
前記ガス均衡式のブレイトンサイクル機関の出口と前記対向流熱交換器の低圧側の前記低温の端部との間のバイパス弁と
をさらに備えている、請求項１に記載の水蒸気クライオポンプ。
【請求項１３】
請求項１２に記載のガス均衡式のブレイトンサイクル機関および対向流熱交換器を迅速に加熱する方法であって、
前記バイパス弁を開くことと、
前記低温ガス伝達管路を通る流れを阻止する前記弁を閉じることと、
前記通常は閉じている弁を開くことと、
前記ガス均衡式のブレイトンサイクル機関を作動させることと、を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通常は５〜２０ｋＷの範囲内の入力動力（input power）を有する、ガス均衡式のブレイトンサイクル冷却器（Gas Balanced Brayton cycle refrigerator）によって冷却される水蒸気クライオポンプ（water vapor cryopump）に関する。
【背景技術】
【０００２】
エスエイチアイ  クライオジェニックス（SHI Cryogenics）に譲渡された最近の３つの特許出願は、ガス均衡式のブレイトンサイクル膨張機関（エンジン）と、室温から極低温（cryogenic temperature）までの冷却時間を最小にする制御システムとについて記載している。冷却（refrigeration）を生じさせるようにブレイトンサイクルで動作するシステムは、吐出圧力のガスを対向流熱交換器へ供給する圧縮器からなり、そのシステムは、低温入口弁を介して膨張空間へガスが進入できるようにし、そのガスを断熱状態で膨張させ、膨張した（より低温の）ガスを、出口弁を介して排出し、冷却されている負荷物（load）を通して低温のガスを循環させ、それから対向流熱交換器を通してそのガスを圧縮器へ戻す。
【０００３】
R. C. Longsworthによる２０１０年３月１５日付の特許出願第６１／３１３，８６８号は、ブレイトンサイクルで動作する往復膨張機関について記載しており、その往復膨張機関では、ピストンが、機械駆動によって、または高圧と低圧とに交互に移行するガス圧によって駆動される駆動軸を、高温端部に有しており、そのピストンが動いている間、駆動軸の周囲の領域内のピストンの高温端部の圧力は、ピストンの低温端部の圧力と基本的に同じである。R. C. Longsworthによる２０１０年１０月８日付の特許出願第６１／３９１，２０７号は、前述の出願に記載されているようなブレイトンサイクルで動作する往復膨張機関の制御について記載しており、それによって往復膨張機関は、物質の塊（mass）を極低温まで冷却する時間を最小にすることができる。
【０００４】
S. Dunn等による２０１１年５月１２日付の米国特許出願第１３／１０６，２１８号は、膨張ピストン（expander piston）を作動させる代替手段について記載している。特許出願第６１／３１３，８６８号および第１３／１０６，２１８号に記載されている機関を、本願では「ガス均衡式のブレイトンサイクル機関」と呼ぶ。この機関は、１１０Ｋ〜１７０Ｋの範囲内の温度で水蒸気（water vapor）を凝縮させているクライオパネルを冷却するために使用されるときに多くの有利な特徴を有する。技術革新を説明するために本願で用いられる圧縮器システムは、S. Dunnによって２００６年４月２８日に出願された「オイルバイパス付き圧縮機（Compressor With Oil Bypass）」という名称の米国特許出願公開第２００７／０２５３８５４号に記載されている。
【０００５】
１９５０年代末から、宇宙計画を支援するためのクライオポンピング技術において、多くの研究がなされてきた。Schuellerによる１９６１年１１月２８日付の米国特許第３，０１０，２２０号は、液体冷却剤によって冷却されるクライオパネルを有するスペースチャンバについて記載している。Holkeboer等による１９６５年３月３０日付の米国特許第３，１７５，３７３号は、従来の機械式の拡散ポンプと、液体冷却剤によって冷却されるクライオパネルと、を有する大型の真空システムについて記載している。「低温工学における進歩（Advances in Cryogenic Engineering）」Vol. 9、Plenum Press、New York（１９６４）の第４９６〜５０６頁の、C. B. Hood等による「１０〜３０Ｋの範囲内で動作するヘリウム冷却器（Helium Refrigerators for Operation in the 10-30 K Range）」という名称の論文は、２０Ｋで１．０ｋＷを超える冷却を生じさせることが可能な往復膨張機関を有する大型のブレイトンサイクル冷却器について記載している。この冷却器は、大型のスペースチャンバ内でクライオポンプにより空気を処理するために開発された。液体窒素およびＧＭ冷却器によって冷却される初期の小型のクライオポンプが、Hogan等による１９６７年８月２９日付の米国特許第３，３３８，０６３号に記載されている。それ以来、１０ｋＷ未満の小さい入力動力（input power）を引き出すＧＭ型冷却器が、すべてのガスをポンプで送るクライオパネルの冷却に関する市場を支配してきた。Longsworthによる１９７９年４月付の米国特許第４，１５０，５４９号は一例である。１９７０年代初めから、１２０Ｋ〜１７０Ｋの範囲内の温度および５００〜３，０００Ｗの能力で水蒸気をクライオポンプで処理することに関しては、Missimerによる１９７３年１０月３０日付の米国特許第３，７６８，２７３号に記載されているような、混合ガスを用いる冷却器が優位に立っていた。より最近の特許であるFlynn等による２００３年６月１０日付の米国特許第６，５７４，９７８号は、このタイプの冷却器の冷却および加熱の速度を制御する手段について記載している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／０２５３８５４号明細書
【特許文献２】米国特許第３，０１０，２２０号明細書
【特許文献３】米国特許第３，１７５，３７３号明細書
【特許文献４】米国特許第３，３３８，０６３号明細書
【特許文献５】米国特許第４，１５０，５４９号明細書
【特許文献６】米国特許第３，７６８，２７３号明細書
【特許文献７】米国特許第６，５７４，９７８号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】C. B. Hood等「１０〜３０Ｋの範囲内で動作するヘリウム冷却器（Helium Refrigerators for Operation in the 10-30 K Range）」、「低温工学における進歩（Advances in Cryogenic Engineering）」Vol. 9、496〜506頁、Plenum Press、New York（１９６４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本願では、通常はヘリウムを循環させるガス均衡式のブレイトンサイクル冷却器を使用することによって、水蒸気をポンプで送るために約１５０Ｋで約５００〜３，０００Ｗの能力を有する混合ガス冷却剤による冷却器を用いる現在の慣行から脱却する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
水蒸気をポンプで送るために１１０Ｋ〜１７０Ｋの範囲内の温度で動作する、真空チャンバ内のクライオパネルを冷却するために、ガス均衡式のブレイトン冷却器が使用される。冷却器からのガスをタンク内に入れるため、またはそのガスを冷却器へ戻すために使用可能なガス貯蔵タンクおよび弁を追加することで、システムからガスを失うことなく高圧と低圧とを調整することが可能になる。機関速度を変えることもできる。圧力と機関速度を制御できることで、冷却中に圧縮器を最大能力で動作させることによる急速冷却が可能になる。また、圧力と機関速度を制御できることで、冷却負荷が小さい時に動作中の動力を低減させることも可能になる。動作圧力比を調整することによって、クライオパネルの入口と出口との間の温度差を調整することもさらに可能である。さらに、機関および熱交換器を低温に保つために、その機関および熱交換器を通る一部の流れを維持しながら、圧縮器流れの大部分をクライオパネルへ循環させる高温ガス管路および弁を有することによって、クライオパネルの迅速な加熱および冷却が実現する。他の特徴は、機関および熱交換器の迅速な加熱を可能にする冷却器熱交換器の周りのバイパス管路である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ガス均衡式のブレイトンサイクル冷却器および補助機器によって冷却される水蒸気クライオポンプの基本的な構成要素を含むシステム１００を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、システム１００の概略図であり、ガス均衡式のブレイトンサイクル冷却器によって冷却される水蒸気クライオポンプは、多くの新規な特徴を実現可能にする追加の配管および制御部を含んでいる。
【００１２】
ガス均衡式のブレイトンサイクル冷却器の基本的な構成要素は、圧縮器１と、機関（エンジン）２と、対向流熱交換器６と、高圧の高温ガス管路７と、低圧の高温ガス管路８とを含む。機関２は、回転弁３によって制御されるガスによって空気圧式に作動する入口弁４および出口弁５を有するように示されている。この機関は特許出願第１３／１０６，２１８号により詳細に記載されており、追加の構造が特許出願第６１／３１３，８６８号に記載されている。機関２および熱交換器６は、真空ハウジング９内に取り付けられている。米国特許出願公開第２００７／０２５３８５４号は、本発明の特徴を例示するために使用される、油潤滑式の水平スクロール圧縮器と、圧縮器１を含むシステムとについて記載している。
【００１３】
水蒸気クライオポンピングコイル、すなわちクライオパネル２１が、水蒸気クライオポンプ真空チャンバ２０内に取り付けられている。分離した管路（insulated line）２２が、低温ガスを機関２からコイル２１へ運び、分離した管路２３が、より高温の低温ガスを熱交換器６へ戻す。分離した管路２２および２３は、真空ハウジング９に位置するバイオネット（bayonet）コネクタ２６および２７と、チャンバ２０に位置する同様なバイオネット（図示せず）とによって、各端部にて取外し可能に接続されているように示されている。機関２とバイオネット２６との間の低温ガス管路１８は、遮断弁２４を有している。同様に、バイオネット２７と熱交換器６との間の低温ガス管路１９は、遮断弁２５を有している。バイパス弁３７が、低温ガス管路を機関出口弁５から熱交換器６の戻り側へ接続している。排出弁（pump out valve）２８がバイオネット２６の直下の低温管路１８内に接続されている。
【００１４】
クライオポンプコイル２１は、それぞれ弁３２および３３を介して高温ガス管路７および８に接続されているコイル加熱管路３０および３１に接続されている。熱交換器６は、普段は閉じている弁３４と圧力逃し弁３５とを一列に並ぶように有しているバイパス管路３６を用いて加熱される。システムが最初に接続されたときには、そのシステムにガスを供給可能であるが、ガスが冷却されると、システムが高温になったときに、ガスは、低圧管路８に接続されている外部シリンダから失われることがある。ガス貯蔵タンク１０と、タンク１０を高圧管路７および低圧管路８にそれぞれ接続する弁１１および１２とを追加することで、通常動作時にガスを節減することと、このシステムによって可能になるいくつかの技術革新を実現するようにシステム内の圧力を調整することが可能になる。遮断弁２４および２５を越えた位置にある何らかの構成要素が取り除かれた場合、または配管内に障害が生じた場合には、一部のガスが失われる。
【００１５】
システム制御装置１６が、高圧変換器１３と、低圧変換器１４と、低温機関温度センサ１５と、必要に応じて設けられる特定の制御機能のための他のセンサと、からの入力を受け取り、回転弁３と、圧力制御弁１１および１２と、コイル加熱弁３２および３３と、熱交換器加熱弁３４と、低温供給弁３４および戻し弁３５と、バイパス弁３７と、図示しないが任意に付加し得る他の制御部と、に接続されている管路を介して、機関速度を制御する信号を出す。
【００１６】
冷却器を真空チャンバ２０に接続する前に、冷却器にはガスが充填されているものとする。本願では、ヘリウム、すなわち単原子ガスと、窒素、すなわち二原子ガスの両方の使用について説明する。ガスを保持するために、弁２４、２５、３２、および３３は閉じられている。冷却器の端部に位置するバイオネット２６および２７と、真空チャンバ２０の端部に位置する同様なバイオネットとの内部に、分離した管路２２および２３を挿入して封止することによって、真空チャンバ２０内のクライオポンプコイル２１は真空ハウジング９内の管路１８および１９に接続されている。コイル加熱管路３０および３１は、弁３２および３３に接続されている。これらの管路が接続されているときにそれらの管路内にあるガスが何であっても、排出ポート２８に接続されている小型の真空ポンプを用いてガスが除去される。次いで弁２４および２５が開かれ、貯蔵タンク１０から、場合によっては外部のガスシリンダから、冷却剤が管路へ流れる。真空チャンバ２０は、冷却前に空にされる。
【００１７】
クライオポンプコイル２１は、バイパス弁３２、３３、３４、および３７が閉じられた状態で冷却される。機関２と、熱交換器６と、低温管路１８および１９と、分離した管路２２および２３と、クライオポンプコイル２１の最初の急速冷却は、前に挙げたバイパス弁が閉じられ、弁２４および２５が開かれた状態で行われる。急速冷却は、冷却全体にわたって圧縮器をその最大の入力動力で、すなわち本例の圧縮器の場合には２．２ＭＰａの高圧および０．８ＭＰａの低圧で動作させることによって実現する。この期間中に、システムにガスが追加され、機関２の速度はクライオポンプコイル２１の絶対温度にほぼ比例して低下する。本例の機関の速度は、約６Ｈｚから３Ｈｚまで低下するであろう。
【００１８】
クライオポンプコイル２１の迅速な再生（regeneration）は、クライオポンプコイル２１をシステムのその他の部分から分離して、低温の構成要素のうちのその他のものを低温のままに保持しながら、クライオポンプコイル２１を加熱することによって実現する。低温の供給弁２４および低温の戻り弁２５が閉じられ、バイパス弁３７が開かれ、それからコイル加熱バイパス弁３２および３３が開かれる。機関２の速度は、機関２の動作温度を維持するように設定される。本例の機関の場合、それは約１Ｈｚの速度であってよい。圧縮器からの流れの大部分は、室温でクライオポンプコイル２１内へ流れ込み、クライオポンプコイル２１を加熱する。クライオポンプコイル２１を通る流量が管路３０および３１ならびに弁３２および３３における制約によってある程度定められるか、あるいは、別個の制御弁を追加することができる（図示せず）。最大値に近い低圧および低めの高圧、たとえばそれぞれ０．８ＭＰａおよび１．４ＭＰａで動作することによって、動力入力を低く保ちながら、圧縮器からの流れを最大にすることができる。
【００１９】
他の弁とともにバイパス管路３６を使用することで、システムの低温部分全体を迅速に加熱することができ、または機関２および熱交換器６を独立して加熱することができる。低温部分全体を加熱するには、熱交換器バイパス弁３４が開かれることを除いて、弁は標準動作条件のままに保たれる。逃し弁３５は、約０．５ＭＰａという高圧と低圧の差を維持するように設定され、その低圧は、本例の圧縮器による最も急速な加熱の場合、約０．８ＭＰａに設定されるであろう。すべての構成要素の加熱速度を均一にするために、機関２を通るガスの流れとバイパス管路３６およびコイル２１を通る流れとを均衡させるには、機関２の速度は、０．５ＭＰａより大きい圧力差を維持するのに十分なだけ低く設定される。低温構成要素のその他の部分（balance）を加熱することなく機関２および熱交換器６を加熱するために、バイパス弁３４が開かれ、弁２４および２５が閉じられ、バイパス弁３７が開かれる。圧力および機関速度は、前述した通りに設定される。
【００２０】
冷却負荷が低減されると動力を節減できる。スクロール圧縮器では、第１のポケットに入るガスのほぼすべてが流れ出し、質量流量は入口圧力にほぼ正比例する。入力動力は、高圧および低圧の関数であり、低圧および圧力比を低減することによって低下する。冷却も低減される。本例のスクロール圧縮器に対する動力低減の一例を表１に示す。この例では、圧縮器の変位（displacement）を用いて質量流量を計算するが、このとき、ガスが機関２に出入りして、次いでクライオポンプコイル２１を通って流れるのと同じ量を加熱するときの、動力入力、冷却速度、およびガスの温度変化を計算する際に、断熱プロセスが損失を生じさせないものとする。実際の入力動力は約５０％だけ高く、冷却器および伝達管路内の熱損失は温度変化を約２５％低減させる。全ての流れを、設定された圧力で用いるように、機関２の速度が調整されるものとする。機関２の速度は可変であるとするが、低温時の最適速度に対応する固定速度、たとえば本例の膨張器の場合は約３Ｈｚに設定されたとしても、動力低減はなお実現可能であるが、一部のガスがより高温で圧縮器１内を迂回するため、冷却および加熱はより緩やかになる。
【００２１】
本例のシステムはヘリウム用に構成されているが、表１は窒素用の例も示している。窒素は、圧縮および膨張されたときに、ヘリウムに比べてより小さい温度変化を示し、したがって、より効率的な冷却剤である。どちらの例でも、流量を計算するために３３８Ｌ／ｍの圧縮器変位を用いる。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
これらの例は、低圧を一定に保ちながら高圧を低くすることによって、および低圧を低くすることによって、入力動力を低減できることを示している。これらの例では、入力動力は５０％低減される。本例の圧縮器は、さらに低いレベルの入力動力で動作可能である。冷却速度も低下する。これらの例では、圧力比が約２．７５から１．７５に小さくなる結果、ガスの温度変化が約４０％低下する。
【００２４】
窒素をヘリウムと比較することで、ヘリウムの場合より入力動力がわずかに低く冷却速度がわずかに高いことがわかる。
【図１】
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