(57)【要約】  【課題】  良好な高温超伝導性能を助長する温度において冷凍を供給することができる改良されたパルス管冷凍システムを提供する。  【解決手段】  高温超伝導のために冷凍を供給するため、（Ａ）振動パルス管動作ガスを発生させ、かつ、該振動パルス管動作ガスを５０〜１５０Ｋの範囲内の第１段温度まで冷却し、（Ｂ）振動パルス管動作ガスをコールド再生器媒体との直接熱交換によって４〜７０Ｋの第２段温度まで冷却して、コールドパルス管ガスを生成し、（Ｃ）パルス管３４においてコールドパルス管動作ガスを膨張して、再生器媒体を冷却するための冷凍を発生させ、（Ｄ）コールドパルス管動作ガスから高温超伝導のために冷凍を供給する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温超伝導のために冷凍を供給するための方法であって、
（Ａ）振動パルス管動作ガスを発生させ、かつ、該振動パルス管動作ガスを５０〜１５０Ｋの範囲内の第１段温度まで冷却する工程と、
（Ｂ）振動パルス管動作ガスをコールド再生器媒体との直接熱交換によって４〜７０Ｋの第２段温度まで冷却し、コールドパルス管ガスを生成する工程と、
（Ｃ）パルス管においてコールドパルス管動作ガスを膨張し、再生器媒体を冷却するための冷凍を発生させる工程と、
（Ｄ）コールドパルス管動作ガスから高温超伝導のために冷凍を供給する工程とを含む方法。
【請求項２】
前記振動パルス管動作ガスは、冷媒流体との間接熱交換によって第１段温度まで冷却される請求項１の方法。
【請求項３】
前記冷媒流体は、液体クライオジェンである請求項２の方法。
【請求項４】
前記冷媒流体は、冷凍システムから第１段冷却のために供給される請求項２の方法。
【請求項５】
前記冷凍システムは、冷凍を、コールドパルス管動作ガスによって供給されるものよりも高い温度で別の高温超伝導アプリケーションに供給する請求項４の方法。
【請求項６】
コールドパルス管動作ガスは、高温超伝導体に与えられた高温超伝導媒体を冷却することにより、冷凍を高温超伝導のために供給し、前記高温超伝導媒体は、少なくとも３モル％のネオンを含む流体である請求項１の方法。
【請求項７】
前記振動パルス管動作ガスは、間接伝導熱交換手段によって第１段温度まで冷却される請求項１の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般に、高温超伝導応用分野に使用され得るパルス管冷凍に関する。
【背景技術】
【０００２】
超伝導は、ある金属、合金及び化合物が電気抵抗を失い、その結果、それらが無限の導電率を有する現象である。最近まで、超伝導は、絶対零度よりほんのわずか上の極度の低温においてのみ観測された。超伝導体をそのような低温に維持することは、非常にコストがかかり、一般に液体ヘリウムの使用を必要とし、従って、この技術にとっての商業上の用途を制限する。
【０００３】
近年、１５〜７５Ｋの範囲のようなより高い温度で超伝導を示す多数の材料が発見されている。そのような材料は、液体ヘリウム又は非常に冷たいヘリウム蒸気を用いてそれらの超伝導温度に保たれ得るが、そのような冷凍方式はかなりコストがかかる。残念ながら、液体窒素、すなわち極低温冷凍を与える比較低コストの方法は、ほとんどの高温超伝導体の超伝導温度に本格的に取りかかるために、効果的に冷凍を与えることができない。
【０００４】
高温超伝導体から成る送電ケーブルは、ロスのほとんど無い大量の電気の伝送に対して著しい利益を提供する。高温超伝導体の性能は、おおよそ、液体窒素を用いて達成される８０Ｋあたりの温度のオーダーから約３０〜６０Ｋの温度のオーダーを一般に改善する。
【０００５】
冷凍生成の分野における最近の著しい進歩は、振動ガスを用いてパルスエネルギーが冷凍に転換されるパルス管システムである。そのような冷凍は、高温超伝導応用分野に使用され得る。しかしながら、既知のパルス管システムを用いてより有効な高温超伝導温度での使用に対して冷凍を生成することは、現在、かなりコストがかかり、従って、より低温で見られた性能改善を否定する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、この発明の目的は、良好な高温超伝導性能を助長する温度において冷凍を与えることができる改良されたパルス管冷凍システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この開示を読むことにより当業者に明らかとなる上記及び他の目的は、以下の本発明の側面によって実現される。
【０００８】
高温超伝導のために冷凍（冷却（refrigeration））を供給するための方法であって、
（Ａ）振動（揺動）パルス管動作ガスを発生させ、該振動パルス管動作ガスを、
５０〜１５０Ｋの範囲内の第１段温度まで冷却する工程と、
（Ｂ）振動パルス管動作ガスを、コールド再生器媒体との直接熱交換によって４〜７０Ｋの範囲内の第２段温度まで冷却し、コールドパルス管ガスを作り出す工程と、
（Ｃ）パルス管においてコールドパルス管動作ガスを膨張し、再生器媒体を冷却するための冷凍（冷却）を発生させる工程と、
（Ｄ）コールドパルス管動作ガスから高温超伝導のために冷凍を供給する工程とを含む。
【０００９】
本発明の別の側面は次のものである。
【００１０】
高温超伝導のために冷凍を供給するための装置であって、
（Ａ）振動パルス管動作ガスを発生するためのパルス発生器、第１段熱熱交換器、振動パルス管動作ガスを第１段熱交換器へと送るための手段、及び、冷凍（冷却）を第１段熱交換器へと送るための手段と、
（Ｂ）再生器、及び、振動パルス管動作ガスを該再生器へと送るための手段と、
（Ｃ）前記再生器と流れ連通するパルス管であって、該流れ連通が第２段熱交換器を含むものと、
（Ｄ）高温超伝導媒体を第２段熱交換器へと供給するための手段とを備える。
【００１１】
ここで用いられる用語「パルス」は、多量のガスを、周期的態様で、すなわち振動させるため、高圧レベル及び低圧レベルに連続して通過させるエネルギーを意味する。
【００１２】
ここで用いられる用語「高温超伝導媒体」は、高温超伝導体材料へ冷凍（冷却）を直接又は間接的に供給する流体又は他の熱伝達媒体を意味する。
【００１３】
ここで用いられる用語「再生器（regenerator）」は、球、積層スクリーン、穿孔金属シート等のようなポーラス（多孔性）分布物質又は媒体の態様の熱的装置であって、該ポーラス分布物質との直接熱伝達を介する入力ウォームガス及びウォーム戻しコールドガスを冷却する優れた熱容量を有する当該熱的装置を意味する。
【００１４】
ここで用いられる用語「間接熱交換」は、（複数）流体を、相互のいかなる物理的接触又は流体の混合をも伴わない熱交換関係の状態にすることを意味する。
【００１５】
ここで用いられる用語「直接熱交換」は、冷却の存在及び加熱の存在の接触を通じての冷凍（冷却）の移動を意味する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は図面を参照して詳細に説明される。まず図１を参照して、多段パルス管冷凍システム２１は、ウォーム再生器３２と、コールド再生器３３と、パルス管３４と、第１段熱交換器２２と、第２段熱交換器２３とを備える。該二つの再生器は、パルス管動作ガスを含み、これは、ヘリウム、水素、ネオン、窒素、ヘリウムとネオンの混合物、ネオンと窒素の混合物、又はヘリウムと水素の混合物であり得る。純粋ヘリウムは、好ましいパルス管動作ガスである。
【００１７】
パルス、すなわち圧縮力は、パルス発生器３０によって再生器３２のホット端部に適用され、これにより、振動（揺動）パルス管動作ガスを発生させ、パルス管シーケンスの第１部分を始動する。好ましくは、図１に示されるように、パルスはピストンによって供給され、該ピストンは、再生器３２と流れ連通するパルス管ガスのリザーバを備える。再生器へパルスを適用する別の好ましい手段は、熱音響ドライバーを使用することであり、これは、音響エネルギーを再生器内のガスに加える。パルスを適用するための更に別の方法は、リニアモーター／圧縮機配列を用いることである。パルスを適用する更に別の手段は、拡声器を用いることである。パルスは、パルス管ガスを圧縮して、再生器３２のホット端部においてホット圧縮パルス管ガスを生成するのに役立つ。該ホットパルス管ガスは、好ましくは熱交換器３１内の熱伝達流体４０との間接熱交換により、冷却され、流れ４１において暖められた熱伝達流体を生成すると共に、圧縮パルス管ガスの圧縮熱を冷却する。この発明の実施における熱伝達流体４０、４１として有益な流体の例には、水、空気、エチレングリコール等を含む。
【００１８】
再生器３２及び３３は、再生器媒体すなわち熱伝達媒体を含む。この発明の実施における適当な熱伝達媒体の例には、鋼球、ワイヤーメッシュ、高密度ハニカム構造、エキスパンドメタル、鉛球、銅及びその合金、希土類元素及び遷移金属の複合体を含む。
【００１９】
パルシングパルス管動作ガス又は振動パルス管動作ガスは、ウォーム再生器３２において冷却され、次いで、５０〜１５０Ｋの範囲内の第１段温度まで冷却される。この冷却、すなわち冷凍の準備は、伝導冷却等のどのような有効な手段によっても行われ得る。図１に示される本発明の実施形態は好ましいものであり、該実施形態では、振動パルス管動作ガスが第１段熱交換器２２へと送られ、ここで冷媒流体と間接熱交換によって５０〜１５０Ｋの範囲内の第１段温度まで冷却される。図１に示される本発明の実施形態において、第１段熱交換器２２は、再生器３２及び３３を保持するハウジング内にあるものとして示される。第１段熱交換器２２は、このハウジングの外部にも配置され得る。冷媒流体は、流れ６０において第１段熱交換器２２に供給され、流れ６１において第１段熱交換器２２から引き出される。冷媒流体は、液体窒素のような液体クライオジェンであり得、又は、混合ガス冷凍システム、磁気冷凍システムもしくは動作流体のターボ膨張を使用する冷凍サイクルといった冷凍システムで引き起こされた冷凍を含む別の流体であり得る。熱交換器２２は、伝導によっても冷却され得る。
【００２０】
結果として生じる冷却された振動パルス管動作ガスは、次に、コールド再生器３３に通され、ここで、コールド再生器媒体との直接熱交換によって４〜７０Ｋの範囲内の第２段温度まで冷却され、コールドパルス管動作ガスを生成する。
【００２１】
パルス管３４及び再生器３３は流れ連通している。該流れ連通は、コールド熱交換器すなわち第２段熱交換器２３を含む。コールドパルス管動作ガスは、ライン４２から第２段熱交換器２３へと至り、第２段熱交換器２３からライン４３を通ってパルス管３４のコールド端部６２へと進む。第２段熱交換器２３内において、コールドパルス管動作ガスは、高温超伝導媒体との間接熱交換により暖められ、これにより、超伝導体の準備のため、高温超伝導媒体に冷凍（冷却）を与える。高温超伝導媒体は、冷却された超伝導体システム（系）から熱交換器２３へと熱を伝える固形ブロックであり得る。図１に示される本発明の実施形態にいおいて、高温超伝導媒体は流体であり、これは、ライン６４において第２熱交換器２３へと入り、ライン６３において冷やされた状態、すなわち冷却された状態で第２段熱交換器２３から出る。この場合、高温超伝導媒体は、窒素、ネオン、水素、ヘリウム、及び、そのような種の一又は複数とアルゴン、酸素及び四フッ化炭素のうちの一又は複数との混合物から成り得る。特に好ましい高温超伝導媒体は、少なくとも３モルパーセントネオンから成る（を含む）流体である。
【００２２】
パルス管動作ガスは、再生器３３からコールド端部６２におけるパルス管３４へと通される。パルス管動作ガスがコールド端部６２においてパルス管３４内へと流入するにつれ、パルス管内のガスを圧縮し、該ガスのいくらかを、熱交換器６５及びオリフィス３６を通ってリザーバ３７内へと強制的に追いやる。３０においてピストンが後方へ、すなわち圧縮パルスの低圧力点に移動すると、パルス管動作ガスは膨張してガス圧力波（圧縮波）を発生させ、これは、パルス管３４のウォーム端部６５に向かって流れてパルス管内のガスを圧縮し、これにより、それを加熱する。
【００２３】
冷却流体４４は、熱交換器３５へと通され、ここで、パルス管動作ガスとの間接熱交換により暖められ又は気化（蒸発）され、従って、パルス管動作ガスを冷却するヒートシンクとしての役割を果たす。その結果生じる暖められた又は気化された冷却流体は、流れ４５において熱交換器３５から引き出される。好ましくは、冷却流体４４は、水、空気、エチレングリコール等である。
【００２４】
パルス管３４のウォーム端部６５にはライン４６が取り付けられ、該ラインはオリフィス３６を有し、これはライン４７からリザーバ３７へと通じる。パルス管動作ガスの圧縮波は、パルス管シーケンスの第２部分において、パルス管のウォーム端部壁と接触し、逆方向へと進行する。オロフィス３６及びリザーバ３７は、パルス管３４のコールド端部６２における膨張及び圧縮サイクルの間、パルス管が正味の冷凍（冷却）を引き起こすように、圧力波と流れ波を同位相に維持するために使用される。この発明の実施に使用され得る、圧力波及び流れ波を同位相に維持するための他の手段は、音響管及びオリフィス、エキスパンダー、リニア（一次）交流発電機、蛇腹配列、及び、質量フラックスサプレッサー（mass flux suppressor）を有するワーク回収ライン（work recovery line）を含む。膨張シーケンスにおいて、パルス管動作ガスは膨張し、パルス管３４のコールド端部６２においてコールドパルス管動作ガスを生成する。該膨張したガスは、パルス管から再生器３３に向かった流れるように、その方向を反転する。リザーバ内の相対的により高い圧力ガスは、弁３６を通ってパルス管３４のウォーム端部へと流れる。
【００２５】
熱交換器２３から出てくる膨張パルス管動作ガスは、ライン４２内を再生器３３へと通され、ここで、再生器内の熱伝達媒体と直接接触して上記コールド熱伝達媒体を生成し、これにより、パルス管冷凍シーケンスの第２部分を終え、該再生器を、次のパルス管冷凍シーケンスの第１部分のための状態にする。
【００２６】
図２及び３は、二つの配置構成を簡略化した表現形式で示し、これらは、高温超伝導応用分野に冷凍を提供するため、より高い温度の冷凍システムと一体化されたこの発明の多段パルス管冷凍システムを使用し得る。図２及び３における数字は、共通の構成要素に対し図１のものと同じである。
【００２７】
図２を参照して、より高いレベルの冷凍システム２０、例えば混合ガス冷凍システムは、熱交換器２２における第１段冷却のための冷媒流体６０を生成するか、又は伝導手段によって熱交換器２２を冷却する。この実施形態において、パルス管動作ガスは、ライン６６において第１段熱交換器２２へと供給され、次いで、ライン６７において熱交換器２２から再生器へと通される。ライン６４における冷却（冷凍）された高温超伝導媒体は、高温超伝導体１１に供給され、一般に４〜７０Ｋの範囲内、通常３０〜５０Ｋの範囲内の超伝導温度を維持する。
【００２８】
図３は、図２のものと類似する配列を示し、該配列は、高温冷凍システム２０から第２高温超伝導アプリケーション１２へと追加された冷凍の設備を有し、第２高温超伝導アプリケーション１２は、アプリケーション１１から独立した存在であり得、又は、二つの温度レベルにおける冷凍（冷却）を受け入れる単一の超伝導装置１０に組み込まれ得る。図３に示された実施形態において、冷凍システム２０からの冷媒流体は、ライン６８内を熱交換器２４へと通され、ここで暖められ、流体６９に冷却を与える。暖められた冷媒流体は、ライン７０において冷凍システム２０へと戻され、また、冷却された流体７１は、高温超伝導アプリケーション１２へと通され、ここで、超伝導体１１に与えられるよりも高い温度、通常約８０Ｋでの冷却（冷凍）を与える。
【００２９】
本発明は、ある好ましい実施形態を参照して詳述されたが、当業者は、特許請求の範囲の精神及び範囲内において本発明の他の実施形態が存在することを認識するであろう。例えば、図１に示される実施形態において第２段階である最終段階の前に、一つより多い上流冷却工程又は段階が使用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の多段パルス管冷凍システムの一実施形態の図である。
【図２】第１段熱交換器のための冷媒流体が、パルス管冷凍機を事前冷却するために冷凍システムから供給され、これは、次に、高温超伝導体システムを冷却するために冷凍を供給する実施形態を示す本発明の図である。
【図３】パルス管冷凍システムが高温超伝導システムへ冷凍を供給することを支援する第１冷凍システムから冷凍機又は第１段熱交換器が提供され、第１冷凍機も、第２熱交換器に冷凍を供給し、第２熱交換器が次いで、より高温で超伝導体に冷凍を供給する実施形態を示す本発明の図である。
【符号の説明】
【００３１】
２１  多段パルス管冷凍システム
２２  第１段熱交換器
２３  第２段熱交換器
３０  パルス発生器
３３  コールド再生器
３４  パルス管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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