(57)【要約】  ＧＭまたはスターリングサイクル膨張器用のヒートステーションは、再生器と変位容積部との間を通る際に、循環冷媒により冷却された極低温の遠隔負荷から、ＧＭまたはスターリングサイクル膨張器内のガスに熱を輸送する、汎用性のある、効率的で、コスト効果に優れた手段を提供する。熱交換器は、外部フィンおよび内部フィンを有するシェルを備え、前記外部フィンおよび内部フィンは前記シェルと熱的に接続され、かつ、前記シェルの軸に対して平行に配置されており、底部に入口ポートおよび出口ポートを有するハウジング内に収納されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
循環する冷媒を冷却するためのＧＭまたはスターリングサイクルで作動する極低温膨張器であって、
高温側に取付フランジを有するシリンダと、
前記シリンダ内で、高温側と低温側との間を往復し、往復運動によって低温側変位容積部を形成するディスプレーサと、
第１のガスがその中を通じて前記低温側変位容積部に流出入する再生器と、
前記再生器と前記低温側変位容積部との間に配された第１の熱交換器であって、円筒状のシェルを介して、該シェルの外部にある第２の熱交換器内の第２の循環冷媒からの熱を前記第１のガスに移送する、第１の熱交換器と、
を備え、
前記第２の熱交換器は、前記第２の循環冷媒用の入口ポートおよび出口ポートを有するハウジング内に収納されており、
前記ハウジングは、前記第２の熱交換器の上方に配された上部空間と、前記第２の熱交換器の下方に配された下部空間とを有し、および、
前記入口ポートおよび前記出口ポートは、前記第２の循環冷媒のすべてを、該第２の循環冷媒が前記第２の熱交換器を流れるように、前記ハウジングの底部に配されている、
極低温膨張器。
【請求項２】
前記入口ポートおよび前記出口ポートは、前記第２の循環冷媒の凝縮性ガスが前記入口ポートを介して戻り、前記第２の循環冷媒の液体が前記出口ポートを流出するよう配置されている、請求項１に記載の極低温膨張器。
【請求項３】
前記膨張器は、低温側の方向が下方から水平までの間となるように設置可能である、請求項２に記載の極低温膨張器。
【請求項４】
液体ポンプが、前記第２の循環冷媒を循環させる、請求項２に記載の極低温膨張器。
【請求項５】
前記第２の循環冷媒は、自然対流によって循環する、請求項２に記載の極低温膨張器。
【請求項６】
前記第２の熱交換器は、前記円筒状のシェル内の機械加工されたスロットの１つによって形成される膨張器の軸に対して平行であるフィンと、前記円筒状のシェルの外面に熱的に結合された銅製の折り畳みリボンとを備える、請求項１に記載の極低温膨張器。
【請求項７】
前記入口ポートを介して流入した前記第２の循環冷媒は、前記第２の熱交換器の片側にあるフィンを通って前記上部空間へ上昇し、他方側にある前記フィン、前記下部空間、および前記出口ポートを通って下降して戻るように構成されている、請求項１に記載の極低温膨張器。
【請求項８】
前記入口ポートを介して流入した前記第２の循環冷媒は、前記ハウジング内のバイパス流路を通って前記上部空間へ上昇し、前記第２の熱交換器、前記下部空間、および前記出口ポートを通って下降して戻るように構成されている、請求項６に記載の極低温膨張器。
【請求項９】
前記第２の循環冷媒は、自然対流によって循環する、請求項８に記載の極低温膨張器。
【請求項１０】
前記第２の循環冷媒は、ファン、液体ポンプ、および自然循環のいずれか１つによって循環される、請求項１に記載の極低温膨張器。
【請求項１１】
ヒータが前記第２の熱交換器と熱接触している、請求項１に記載の極低温膨張器。
【請求項１２】
前記低温側変位容積部は、前記再生器と前記第１の熱交換器との間に、該低温側変位容積部全体の２０％未満の容積の第１の容積部を備える、請求項１に記載の極低温膨張器。
【請求項１３】
循環する冷媒を冷却するためのＧＭまたはスターリングサイクルで作動する極低温膨張器であって、
シリンダ内で、高温側と低温側との間を往復し、往復運動によって低温側変位容積部を形成するディスプレーサと、
第１のガスがその中を通じて前記低温側変位容積部に流出入する再生器と、
前記再生器と前記低温側変位容積部との間に配された第１の熱交換器であって、円筒状のシェルを介して、該シェルの外部にある第２の熱交換器内の第２の循環冷媒からの熱を前記第１のガスに移送する、第１の熱交換器と、
を備え、
前記第２の熱交換器は、前記第２の循環冷媒用の単一ポートを有するハウジング内に収納されており、
前記単一ポートは、前記ハウジングの底部に設けられる、
極低温膨張器。
【請求項１４】
前記単一ポートは、前記膨張器の軸が水平に配されている場合に、前記ハウジングから前記第２の循環冷媒を液体として排出する、請求項１３に記載の極低温膨張器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部負荷を冷却する循環冷媒から、ＧＭサイクルまたはスターリングサイクルで作動し、極低温冷却を提供する、高容量膨張器の低温側内部にある往復動ガス流に熱を伝達する、ヒートステーションの構造の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧＭサイクルまたはスターリングサイクルの冷凍機は、高圧ガスを、再生用熱交換器を介して、変位容積が増加する際に、シリンダ内で往復するピストンの低温側へ高圧ガスを流し、その後、ピストンが変位容積を低減させるにともない、その圧力を低減させ、再生用熱交換器を介してガスを戻すことにより、膨張機内で極低温の冷却を実現する。かかる冷却は、低温側変位容積部を包囲する、シリンダの低温側キャップの壁を介した熱伝導によって、負荷の冷却に利用することが可能となる。膨張器における、低温側キャップおよびガスに熱を伝達するための手段は、低温側ヒートステーションと称される。
【０００３】
クライオポンプ、超電導ＭＲＩマグネット、および実験室用機器を冷却するために使用される極低温冷凍機のほとんどは、ＧＭ式冷凍機を使用している。これらの用途においては、ほとんどの場合、４Ｋ〜７０Ｋの間にある温度で、１Ｗ〜５０Ｗという比較的少量の冷却が必要とされ、かかる冷却は熱伝導により冷凍機のヒートステーションに伝達される。現在、７５Ｋ付近の温度で３００Ｗ〜１０００Ｗの負荷を冷却することが可能な冷凍機への需要が高まっているが、このような冷却は、循環冷媒によりほとんど実用的に実現可能となっている。かかる冷媒は、低温ファンまたは室温のコンプレッサによってガスとして、ポンプによって液体として、あるいは、自然対流によってガスまたは液体として循環させることができる。自然対流の最もシンプルな形式は、冷媒を凝縮し、その液体を負荷に流して蒸発させた後、ガスとして凝結面に戻すことである。
【０００４】
本発明の目的は、冷媒の冷却または凝縮が可能で、コンパクトで、効率的で、かつ、循環配管への取付および接続が容易な、低温側ヒートステーションを備える高容量ＧＭ膨張器を提供することである。この目的を達成するためには、ヒートステーションを介して循環する冷媒の圧力低下を最小限にしつつ、循環する冷媒と膨張器内のガスとの間の温度差を最小限にする必要がある。低温ファンまたはポンプに入力される動力は、冷凍機に対する熱負荷の一部となるため、圧力低下を最小限とすることは重要である。温度差を最小限とするためには、膨張器内のガスに熱を伝達する内部熱交換器に、循環ガスからの熱を、低温側キャップを介して移動させる、外部熱交換器および内部熱交換器の設計が必要となる。
【０００５】
Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈによる米国特許第４，２７７，９４９号公報は、膨張器ヒートステーションに巻き付けられたチューブによって冷却された室温のコンプレッサによって循環されるヘリウムを用いて、遠隔の負荷から熱を輸送するシステムを開示している。異なる温度の負荷は、冷凍機から負荷を熱的に断絶することができる対流カップリングによって、循環するヘリウムに接続される。凝縮した冷媒の自然対流によって遠隔の負荷を冷却するシステムの一例が、Ｗａｎｇの米国特許第８，３７５，７４２号公報に記載されている。その図７には、絶縁スリーブに取り付けられた、低温側の拡張面を備える膨張器が示されている。冷媒は、低温側で凝縮し、絶縁チューブを介して、負荷を冷却するデュアへ排出され、ボイルオフガスは、該絶縁チューブに戻り、再凝縮される。自然対流によって、熱漏れを遮断するために小さなガスの流れを室温に戻してから再凝縮するオプションも示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第４，２７７，９４９号公報
【特許文献２】米国特許第８，３７５，７４２号公報
【特許文献３】米国特許第６，２５６，９９７号公報
【発明の概要】
【０００７】
本発明のヒートステーションは、膨張器を取り付けるための有利な手段を実現することができる、いくつかの部品の新規な組み合わせを備える。膨張器を取り付けるための有利な手段は、膨張器の低温側にコンパクトなヒートステーションを必要とし、これにより、取付プレートの孔の大きさを最小限とし、かつ、循環チューブの取り付けが簡素化される。再生器と再生用膨張器の膨張スペースとの間で使用される熱交換器はすでに知られているが、この熱交換器は、環状ギャップ、孔あきプレート、ワイヤスクリーン、波形金属シート、および、ワイヤ放電加工機（ＥＤＭ）、フライス加工、またはソーイングによって切断されたスロットを含む。スロット間にフィンを形成する狭いスロットは、圧力低下および空隙容積に対して最適な熱輸送を達成する大きさとすることができる。
【０００８】
折り畳まれた銅リボンを使用して、狭い間隔で配置されたフィンを形成することは、有利である。リボンは、他のいかなる加工方法よりもはるかに低コストで、熱輸送、圧力低下、および空隙容積の３つの機能的特性の間で良好なバランスをとるよう形成される。リボンを用いることで、機械加工よりも狭いギャップを形成することもでき、かつ、３つの機能的特性間の関係を変更するよう伸縮させることもできる。
【０００９】
折り畳みリボンは、膨張器の低温側での熱輸送を最適化するために使用することができ、さらには、遠隔の負荷から膨張器の低温側の外側に熱を輸送する冷媒の循環流からの熱輸送を最適化するために使用することができる。最適な形状は、負荷から熱を除去する外部の折り畳みリボンを有し、円筒状の低温側ヒートステーションの外側に熱的に結合され、機械加工されたスロットまたは内部の折り畳みリボンによって形成されたフィンを有する形状であることが見出された。したがって、熱は、（銅製）ヒートステーションのシェル上の外部の折り畳みリボンから、内部フィンに対して、最小限の温度差で径方向に直接輸送される。折り畳みリボンによって形成されたフィンが、低温側ヒートステーションの内側ではなく、低温側ヒートステーションの外側に存在することが優れている理由は、外部フィン内の空隙容積を考慮することがないため、表面積および流量面積が増大し、コスト的に優位であるためである。折り畳みリボンは、機械加工されたフィンよりも必要とする材料が少ないため、よりコンパクトである。上述した内部熱交換器および外部熱交換器の配置により、低温側の直径を最小化することができるため、真空ハウジングの取付孔を最小化することができる。ただし、低温側ヒートステーションに径方向の嵌合部分が存在しない場合に限り、上記取付孔を小さくすることが可能である。アウタハウジング内で冷媒を循環させる新規な手段により、循環する冷媒に接続するチューブを底部に取り付けることが可能となる。
【００１０】
循環する冷媒が外部フィン内で凝縮し、負荷で蒸発する場合、熱は負荷から最も効率的に輸送される。窒素は、約６５Ｋ〜８５Ｋの温度範囲の負荷を凝縮および蒸発させるために使用することができ、ネオンは、約２２Ｋ〜３５Ｋの温度範囲の負荷に対して使用することができる。ヘリウムは、冷媒としてヘリウムを使用する冷凍機の範囲内の任意の温度で使用することができる。
【００１１】
本発明は、ＧＭ膨張器において、循環する冷媒を冷却するためヒートステーションであって、コンパクトで、効率的で、かつ、循環配管への取り付けおよび接続が容易であるヒートステーションを備える。前記ヒートステーションは、シェルを備え、該シェルは、循環ガス配管に接続する入口ポートおよび出口ポートを有する円筒状のハウジング内において、前記シェルの軸に対して平行に配置され、前記シェルに熱的に接続された、外部フィンおよび内部フィンを備える。前記ハウジングの直径は、外部熱交換器上の折り畳みリボンを用い、かつ、前記入口ポートおよび出口ポートを前記ハウジングの底部に配置することにより、最小化される。このため、クライオスタットの高温側フランジに前記膨張器を取り付けるための取付孔の直径は最小化される。前記外部熱交換器内の前記フィンは、異なる冷媒および方向に対して、前記ハウジング内での異なる循環パターンを可能とするよう構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１ａは、米国特許第６，２５６，９９７号公報に記載されているような内部低温側熱交換器を有する、従来の空気圧作動のＧＭサイクル膨張器の概略図である。丸で囲まれた領域は、図３〜図５においてその新たな設計が示される。図１ｂは、外部熱交換器としてのフィンを形成する、機械加工されたスロットを有する低温側と、アウタハウジングの一部を示す平面図である。
【図２】図２は、折り畳みリボンの一部を示す図である。
【図３】図３ａは、ガスを再生器からシリンダの底部に流入させた後、円形シェル内の機械加工されたフィンを備える環状空間を通って上方に流動させ、さらに膨張空間に流入させるチューブを備えた、ＧＭ膨張器１００の低温側を示す模式図である。シェルの外部には、窒素などの冷媒を再凝縮するよう設計されたハウジング内の折り畳みリボンが存在する。図３ｂは、円形シェルの内部に機械加工されたフィンを備え、外部に折り畳みリボンを備える、ＧＭ膨張器１００の低温側熱交換器の一部の拡大図である。
【図４】図４ａは、内部および外部熱交換器の両方に折り畳みリボンフィンと、２つのポートを備えるハウジングとを有する、ＧＭ膨張器２００の低温側を示す概略図である。外部の折り畳みリボンの中断部により、ガスは底部から流入して上部へ流動し、フィンを通って底部へ戻るよう流動する。当該構成は、循環するガスまたは凝縮する冷媒を冷却するために使用することができる。図４ｂは、折り畳みリボンを備えるＧＭ膨張器２００の環状間隙と、戻りガスが上部へ流動する外部の折り畳みリボンの中断部を示す部分拡大図である。
【図５】図５ａは、ＧＭ膨張器２００と同一の内部および外部の折り畳みリボン熱交換器を有するが、ディスプレーサの延長部およびシールが、再生器からのガスを低温側の内部環状空間を介して膨張空間へと流通させる、ＧＭ膨張器３００の低温側を示す概略図である。ハウジングは、底部に仕切りを有し、ガスは仕切りの一方の側面のポートから流入し、外部フィンの約半分を通って上昇し、残りの半分を下降した後、出口ポートを通って流動する。図５ｂは、折り畳みリボンと、内部の折り畳みリボンの内側にあり、シールされたスリーブとを備える、ＧＭ膨張器３００の一部を示す部分拡大図である。
【図６】図６は、ハウジングの端部に単一のポートが配置され、該ハウジングに流入する冷媒ガスが外部フィン内で凝縮し、膨張器が低温側を下方と水平との間にあるいずれかの方向に向けられた場合に、前記ポートを通って液体として排出される、ＧＭ膨張器４００の低温側を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
これらの図においては、同一の部分については同一の参照番号を付し、「上方」および「上部」は高温側を、「下方」および「底部」は低温側を意味する。
【００１４】
図１ａは、今日最も広く使用されている低温側熱交換器の設計を有する、従来の空気圧駆動のＧＭサイクル膨張器を模式的に示す。本発明は、膨張器の低温側において丸で囲まれた領域にて、負荷から膨張器内のガスに熱を移動させるための新規な設計を開示する。図１ａは、そのサイクルを説明するとともに、その低温側を提示するための、一般的な空気圧駆動のＧＭ膨張器の全体図である。当該システムは、ライン３１を介して膨張器に高圧ガスを供給するコンプレッサ４０を備える。コンプレッサ４０は、ガスを、高温側吸気バルブ４４を介して高温側変位容積部３０へ流入させ、次に、ディスプレーサ１内の再生器３に流入させ、さらに、再生器３を通して、ディスプレーサ延長部１２ａの低温側にある膨張空間５へと流入させる。ディスプレーサ１はシリンダ２内で上方に移動し、変位容積部５を高圧の低温ガスで充填する。次に、吸気バルブ４４は閉じ、排気バルブ４５が開いて、変位容積部５のガスの圧力が低下するにつれて、該ガスの温度はより低い温度に低下する。低圧の低温ガスは、ディスプレーサ１が下方に移動するにともない、低温側変位容積部５から押し出される。低温側端部３７に接続された負荷からの熱は、ディスプレーサ延長部１２ａと低温側端部２２との間の環状間隙７を通して低温ガスに輸送され、放射状ポート１５、再生器３、高温側変位容積部３０、排気バルブ４５、および低圧ライン３２を通して、コンプレッサ４０に輸送される。シリンダ２は、クライオスタットフランジ４７上に取り付けられた高温側シリンダフランジ４６を有する。ディスプレーサ１には、高温ヘッド４１内のドライブステムボア３６内を往復するドライブステム３５が取り付けられている。ディスプレーサ１の往復運動は、バルブ４４および４５と位相をずらしてバルブ４２および４３を開閉することによって行われ、これによって、ガスがライン３４を通ってドライブステム容積部３６に流入する際に、ガスが交互に高圧および低圧となる。
【００１５】
図１ａは、クライオスタット２６内の装置２５を冷却するために冷媒を循環させる、現在構築されているシステムの概略図を含む。低温側端部３７は、図１ｂに示した低温側キャップ２２の外側に外部熱交換器としてのフィンを形成する、機械加工されたスロットと、循環ガスをフィンの径方向上方に流入させる入口ポート２１ａと、フィンの下方でアウタハウジング１６の底部に形成された出口ポート２１ｂとを有する。ファンまたはポンプであるサーキュレータ２７は、真空断熱されたチューブ２８および２９を通して冷媒を駆動させる。かかる低温側の構造は、少ない圧力低下で熱輸送を非常に効果的に行うことができるが、径方向に入口ポートを備えるため、クライオスタットフランジ４７内のポートに膨張器の残りを挿入した後に、低温側端部３７に追加する必要があるため、その組み立てが複雑となる。また、機械加工によるフィンは、コストとサイズを増大させる。本発明の主な利点は、低温側端部３７の直径を最小化することにより、合理的に小さなクライオスタットフランジ４７内のポートに適合し、負荷に接続する配管を低温側端部３７に接続する前に、追加の組み立て作業を行う必要がないことである。
【００１６】
図２は、通常は銅のシートから形成される、折り畳みリボン１３を示す。折り畳みリボンの形状は、厚さＴ、幅Ｗ、高さＨ、および間隙Ｇによって画定される。現時点で製造されている折り畳まれた銅製リボンは、機械加工による場合との比較で、より薄いシートを用いて製造され、より狭い間隙を有する。シートの厚さは０．３ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲であり、Ｈ／Ｔ比が約１５、Ｇ／（Ｇ＋Ｔ）比が０．６より大きくなるように、折り畳むことができる。シートを折り畳んだ後に折り目を押すことにより、間隙をさらに低減させることができる。代替的に、折り畳みリボンを伸長させることにより、間隙を増大させることができる。
【００１７】
図３ａに示した、膨張器１００のシリンダ２の低温側における圧力境界は、円筒状のシェル４および端部プレート１０を備える。図３ｂは、シェル４に圧入されたコア９内の機械加工されたスロットによって形成される内部熱交換器６と、シェル４の外側に熱的に結合された、折り畳みリボンを備える外部熱交換器１４の詳細を示す。コア９は、チューブ８に締まり嵌めされており、これにより、ガスの大部分は、再生器３から端部プレート１０の上まで流入した後、チャネル１１を径方向に通過し、内部熱交換器６を介して低温側変位容積部５に流入する。ハウジング１６は、外側の折り畳みリボン１４を包囲し、底部に入口ポート２１および出口ポート２２を有し、シリンダ２の低温側フランジ４８に取り付けられている。かかる部材の配置により、窒素などの冷媒ガスは、入口ポート２１を通ってマニホールド２０に流入し、マニホールド２０により折り畳みリボン１４に供給され、凝縮し、出口ポート２２を介して、冷却対象の負荷に向けて、液体として排出される。折り畳みリボン１４の上方に位置するマニホールド１９は、最低温度の表面にガスを供給するに際して小さな機能を果たしている。熱は、凝縮する冷媒から、外部熱交換器１４、円筒状のシェル４、内部熱交換器６を介して、低温側変位容積部５に流入出するガスへ輸送される。熱を伝導する部品、内部熱交換器６と外部熱交換器１４、およびシェル４は、高い熱伝導率を有する材料、たとえば銅からなることが好ましい。これに対して、ハウジング１６、および入口ポート２１と出口ポート２２は、ステンレススチールからなることが好ましい。熱伝導率の高い金属を熱接合する工程は、通常ははんだ付けやろう付けによるが、接合部における温度差が、外部ガス流と内部ガス流との間の温度差に比べて小さい限り、圧入などの他の方法で行うこともできる。ハウジング１６の周囲にヒータを巻き付けて、負荷の暖めを容易にするオプションは図示されていない。
【００１８】
図４ａおよび図４ｂに示した膨張器２００は、折り畳みリボンを内部熱交換器１４として示し、外部部品が冷媒を凝縮するのではなく、循環するガス状の冷媒を冷却するよう設計されていることを除いては、膨張器１００と同様である。これは、戻しポート２１ａにより、負荷を冷却したガスを、ハウジング１６の底部を介して外部の折り畳みリボン１４の上部のマニホールド１９に接続している流路１８に流入させ、折り畳みリボンを通してガスを逆に流すことによってなされる。冷却されたガスは、その後、出口ポート２１ｂを介して流出する。流路１８は、バリヤ２３によって排気マニホールド２０から分離されている。
【００１９】
外部熱交換器１４を介して、循環するガス状の冷媒を流動させる他の手段として、膨張器３００の低温側を図５ａに示す。入口ポート２１ａを介して流動するガスは、下部空間２０ａに流入し、外部熱交換器１４の一方側のフィンを通って、上部空間１９に上昇し、他方側のフィン、底部空間２０ｂ、および出口ポート２１ｂを通って下降する。
【００２０】
膨張器３００は、再生器３の下方に、スリーブ１７の内側に締まり嵌めされた延長部１２ｂを有し、スリーブ１７は、内部熱交換器６の内側に締まり嵌めされる。延長部１２ｂは、ディスプレーサ１よりも小さい直径を有するため、低温側変位容積部は、内部変位容積部５ａと外部変位容積部５ｂとに分割される。シール４９は、内部変位容積部５ａと外部変位容積部５ｂとの間でのガス漏れを防ぎ、ガスを、放射状流路１５を介して低温側変位容積部５ｂに強制的に流入させる。低温側変位容積部５ｂでは、ガスの一部が残留し、残りのガスは内部熱交換器６を介して低温側変位容積部５ａに流入する。容積部５ｂは、低温側変位容積部全体の約１５％の容積を有するが、このことは、膨張器１００および膨張器２００における内部熱交換器６を通って流動するガス量に対して、約８５％のみのガス量が、膨張器３００の内部熱交換器６を通過することを意味する。再生器３から流出するガスの最後の１５％は、最初の８５％のガスよりも著しく高温であるため、かかる構成は熱力学的に有利であり、内部熱交換器６を通過するガスの量が少ないとしても、平均的にはより低温が達成される。
【００２１】
図６は、ハウジング１６の外側底部に単一のポート２１を有する膨張器４００の低温側の概略図を示す。膨張器４００は、ガス状の冷媒３９ａが流入すると同時に、ポート２１を通って液体状の冷媒３９ｂを排出できるように、水平に設置される。冷却対象の装置がポート２１の下方に位置する場合には、窒素などの冷媒は自然対流によって循環することができる。
【００２２】
表１は、シェル４の外側にフィンを機械加工して形成された外部熱交換器と、折り畳みリボンとを比較した例を示す。設計は、５ｇ／ｓのヘリウムを２００ｋＰａで循環させることにより、４００Ｗの冷却を輸送することに基づいており、両者において、ガスおよびフィンにおいて温度差が同一であり、圧力低下も同一である。機械加工されたフィンの厚さはその根元の厚さとし、機械加工によるフィンの銅の重量は、溝から除去された材料を含むものとする。
【００２３】
【表１】
2021519407.tif 000003
【００２４】
折り畳みリボンは、ハウジング１６の直径と、フィンの形成に必要な材料の量とを大幅に低減させている。
【００２５】
なお、特許請求の範囲においては、「上部」および「底部」、並びに、「上方」および「下方」は、低温側が下に、膨張器の軸が垂直に配された膨張器の場合におけるものと解釈される。
【図１】
2021519407.tif 000004
【図２】
2021519407.tif 000005
【図３】
2021519407.tif 000006
【図４】
2021519407.tif 000007
【図５】
2021519407.tif 000008
【図６】
2021519407.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】令和3年5月11日(2021.5.11)
【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】
循環する冷媒を冷却するためのＧＭまたはスターリングサイクルで作動する極低温膨張器であって、
高温側に取付フランジを有するシリンダと、
前記シリンダ内で、高温側と低温側との間を往復し、往復運動によって低温側変位容積部を形成するディスプレーサと、
第１のガスがその中を通じて前記低温側変位容積部に流出入する再生器と、
円筒状シェルを介して、該シェルの外部にある第２の熱交換器内の第２の循環冷媒からの熱を前記第１のガスに径方向に移送する、第１の熱交換器と、
を備え、
前記第１のガスは、前記再生器と前記低温側変位容積部との間を前記第１の熱交換器を介して流れ、
前記第２の熱交換器は、前記第２の循環冷媒用の入口ポートおよび出口ポートを有するハウジング内に収納されており、
前記ハウジングは、前記第２の熱交換器の上方に配された上部空間と、前記第２の熱交換器の下方に配された下部空間とを有し、および、
前記入口ポートおよび前記出口ポートは、前記第２の循環冷媒のすべてを、該第２の循環冷媒が前記第２の熱交換器を流れるように、前記ハウジングの底部に配されている、
極低温膨張器。
【請求項２】
前記入口ポートおよび前記出口ポートは、前記第２の循環冷媒の凝縮性ガスが前記入口ポートを介して戻り、前記第２の循環冷媒の液体が前記出口ポートを流出するよう配置されている、請求項１に記載の極低温膨張器。
【請求項３】
前記膨張器は、低温側の方向が下方から水平までの間となるように設置可能である、請求項２に記載の極低温膨張器。
【請求項４】
液体ポンプが、前記第２の循環冷媒を循環させる、請求項２に記載の極低温膨張器。
【請求項５】
前記第２の循環冷媒は、自然対流によって循環する、請求項２に記載の極低温膨張器。
【請求項６】
前記第２の熱交換器は、前記円筒状のシェル内の機械加工されたスロットの１つによって形成される膨張器の軸に対して平行であるフィンと、前記円筒状のシェルの外面に熱的に結合された銅製の折り畳みリボンとを備える、請求項１に記載の極低温膨張器。
【請求項７】
前記入口ポートを介して流入した前記第２の循環冷媒は、前記第２の熱交換器の片側にあるフィンを通って前記上部空間へ上昇し、他方側にある前記フィン、前記下部空間、および前記出口ポートを通って下降して戻るように構成されている、請求項１に記載の極低温膨張器。
【請求項８】
前記入口ポートを介して流入した前記第２の循環冷媒は、前記ハウジング内のバイパス流路を通って前記上部空間へ上昇し、前記第２の熱交換器、前記下部空間、および前記出口ポートを通って下降して戻るように構成されている、請求項６に記載の極低温膨張器。
【請求項９】
前記第２の循環冷媒は、自然対流によって循環する、請求項８に記載の極低温膨張器。
【請求項１０】
前記第２の循環冷媒は、ファン、液体ポンプ、および自然循環のいずれか１つによって循環される、請求項１に記載の極低温膨張器。
【請求項１１】
ヒータが前記第２の熱交換器と熱接触している、請求項１に記載の極低温膨張器。
【請求項１２】
前記低温側変位容積部は、前記再生器と前記第１の熱交換器との間に、該低温側変異容積部全体の２０％未満の容積の第１の容積部を備える、請求項１に記載の極低温膨張器。
【請求項１３】
循環する冷媒を冷却するためのＧＭまたはスターリングサイクルで作動する極低温膨張器であって、
シリンダ内で、高温側と低温側との間を往復し、往復運動によって低温側変位容積部を形成するディスプレーサと、
第１のガスがその中を通じて前記低温変位容積部に流出入する再生器と、
円筒状シェルを介して、該シェルの外部にある第２の熱交換器内の第２の循環冷媒からの熱を前記第１のガスに径方向に移送する、第１の熱交換器と、
を備え、
前記第１のガスは、前記再生器と前記低温側変位容積部との間を前記第１の熱交換器を介して流れ、
前記第２の熱交換器は、前記第２の循環冷媒用の単一ポートを有するハウジング内に収納されており、および、
前記単一ポートは、前記ハウジングの底部に設けられる、
極低温膨張器。
【請求項１４】
前記単一ポートは、前記膨張器の軸が水平に配されている場合に、前記ハウジングから前記第２の循環冷媒を液体として排出する、請求項１３に記載の極低温膨張器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
折り畳みリボンは、膨張器の低温側での熱輸送を最適化するために使用することができ、さらには、遠隔の負荷から膨張器の低温側の外側に熱を輸送する冷媒の循環流からの熱輸送を最適化するために使用することができる。最適な形状は、円筒状の低温側ヒートステーションの外側に熱的に結合され、負荷から熱を除去する外部の折り畳みリボンを有し、および、前記低温側のヒートステーションの内側に熱的に結合され、機械加工されたスロットまたは内部の折り畳みリボンによって形成されたフィンを有する形状であることが見出された。したがって、熱は、（銅製）ヒートステーションのシェル上の外部の折り畳みリボンから、内部フィンに対して、最小限の温度差で径方向に直接輸送される。折り畳みリボンによって形成されたフィンが、低温側ヒートステーションの内側ではなく、低温側ヒートステーションの外側に存在することが優れている理由は、外部フィン内の空隙容積を考慮することがないため、表面積および流量面積が増大し、コスト的に優位であるためである。折り畳みリボンは、機械加工されたフィンよりも必要とする材料が少ないため、よりコンパクトである。上述した内部熱交換器および外部熱交換器の配置により、低温側の直径を最小化することができるため、真空ハウジングの取付孔を最小化することができる。ただし、低温側ヒートステーションに径方向の嵌合部分が存在しない場合に限り、上記取付孔を小さくすることが可能である。アウタハウジング内で冷媒を循環させる新規な手段により、循環する冷媒に接続するチューブを底部に取り付けることが可能となる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
【図１】図１ａは、米国特許第６，２５６，９９７号公報に記載されているような内部低温側熱交換器を有する、従来の空気圧作動のＧＭサイクル膨張器の概略図である。丸で囲まれた領域は、図３〜図５においてその新たな設計が示される。図１ｂは、外部熱交換器としてのフィンを形成する、機械加工されたスロットを有する低温側と、アウタハウジングの一部を示す平面図である。
【図２】図２は、折り畳みリボンの一部を示す図である。
【図３】図３ａは、ガスを再生器からシリンダの底部に流入させた後、円形シェル内の機械加工されたフィンを備える環状空間を通って上方に流動させ、さらに膨張空間に流入させるチューブを備えた、ＧＭ膨張器１００の低温側を示す模式図である。シェルの外部には、窒素などの冷媒を再凝縮するよう設計されたハウジング内の折り畳みリボンが存在する。図３ｂは、円形シェルの内部に機械加工されたフィンを備え、外部に折り畳みリボンを備える、ＧＭ膨張器１００の低温側熱交換器の拡大断面図である。
【図４】図４ａは、内部および外部熱交換器の両方に折り畳みリボンフィンと、２つのポートを備えるハウジングとを有する、ＧＭ膨張器２００の低温側を示す概略図である。外部の折り畳みリボンの中断部により、ガスは底部から流入して上部へ流動し、フィンを通って底部へ戻るよう流動する。当該構成は、循環するガスまたは凝縮する冷媒を冷却するために使用することができる。図４ｂは、折り畳みリボンを備えるＧＭ膨張器２００の環状間隙と、戻りガスが上部へ流動する外部の折り畳みリボンの中断部とを示す拡大断面図である。
【図５】図５ａは、ＧＭ膨張器２００と同一の内部および外部の折り畳みリボン熱交換器を有するが、ディスプレーサの延長部およびシールが、再生器からのガスを低温側の内部環状空間を介して膨張空間へと流通させる、ＧＭ膨張器３００の低温側を示す概略図である。ハウジングは、底部に仕切りを有し、ガスは仕切りの一方の側面のポートから該底部に流入し、外部フィンの約半分を通って上昇し、残りの半分を下降した後、出口ポートを通って流動する。図５ｂは、折り畳みリボンと、内部の折り畳みリボンの内側にあり、シールされたスリーブとを備える、ＧＭ膨張器３００の環状間隙の拡大断面図である。
【図６】図６は、ハウジングの端部に単一のポートが配置され、該ハウジングに流入する冷媒ガスが外部フィン内で凝縮し、膨張器が低温側を下方と水平との間にあるいずれかの方向に向けられた場合に、前記ポートを通って液体として排出される、ＧＭ膨張器４００の低温側を示す概略図である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
図１ａは、今日最も広く使用されている低温側熱交換器の設計を有する、従来の空気圧駆動のＧＭサイクル膨張器を模式的に示す。本発明は、膨張器の低温側において丸で囲まれた領域にて、負荷から膨張器内のガスに熱を移動させるための新規な設計を開示する。図１ａは、そのサイクルを説明するとともに、その低温側を提示するための、一般的な空気圧駆動のＧＭ膨張器の全体図である。当該システムは、ライン３１を介して膨張器に高圧ガスを供給するコンプレッサ４０を備える。コンプレッサ４０は、ガスを、高温側吸気バルブ４４を介して高温側変位容積部３０へ流入させ、次に、ディスプレーサ１内の再生器３に流入させ、さらに、再生器３を通して、ディスプレーサ延長部１２ａの低温側にある膨張空間５へと流入させる。ディスプレーサ１はシリンダ２内で上方に移動し、変位容積部５を高圧の低温ガスで充填する。次に、吸気バルブ４４は閉じ、排気バルブ４５が開いて、変位容積部５のガスの圧力が低下するにつれて、該ガスの温度はより低い温度に低下する。低圧の低温ガスは、ディスプレーサ１が下方に移動するにともない、低温側変位容積部５から押し出される。低温側端部３７に接続された負荷からの熱は、ディスプレーサ延長部１２ａと低温側端部２２との間の環状間隙７を通して低温ガスに輸送され、放射状ポート１５、再生器３、高温側変位容積部３０、排気バルブ４５、および低圧ライン３２を通して、コンプレッサ４０に輸送される。シリンダ２は、クライオスタットフランジ４７上に取り付けられた高温側シリンダフランジ４６を有する。ディスプレーサ１の上部には、高温ヘッド４１内のドライブステムボア３６内を往復するドライブステム３５が取り付けられている。ディスプレーサ１の往復運動は、バルブ４４および４５と位相をずらしてバルブ４２および４３を開閉することによって行われ、これによって、ガスがライン３４を通ってドライブステム容積部３６に流入する際に、ガスが交互に高圧および低圧となる。
【国際調査報告】
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