(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
寒剤を液体領域内に位置する液体状態および気体領域内に位置するガス状態で保存する寒剤格納容器を持つ極低温冷却システムのための極低温冷却方法、ここで、前記液体状態は冷却領域、および温度勾配層（ＴＧＬ）を含み、該温度勾配層は、気体領域に隣接した境界領域を含み、ここで、該極低温冷却システムは少なくとも一つの超伝導体を持つ、であって、該方法は、
加圧された寒剤領域を、前記寒剤格納容器内に保持するステップ、
液体状態の寒剤の冷却領域の温度を、冷却手段を用いて、その沸騰温度またはそれ以下に維持するステップ、
前記温度勾配層（ＴＧＬ）の最適な厚さを維持するステップ、ここで、停滞した液体寒剤の場合は、このようなＴＧＬの最適な厚さは、式ｋ×Ｓ×(ΔＴ)／Ｑで表わされ、ここで、“Ｓ”はＴＧＬの表面面積であり、“ΔＴ”は前記ＴＧＬ領域にわたる温度差であり、“ｋ”はＴＧＬ中の寒剤の熱伝導率であり、“Ｑ”はＴＧＬと気体領域との間の境界面を通ってＴＧＬへ入力される熱量であり、かつ、
前記ＴＧＬと液体寒剤の冷却領域との間の熱転送プレートを維持するステップ、ここで、このような熱転送プレートは、熱的に寒剤冷却手段に結合され、ここで、このような熱転送プレートの熱伝導特徴は、前記ＴＧＬへの熱量の入力が前記冷却領域、または結合された寒剤冷却手段に転送されることを可能とする、
よりなることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記寒剤の絶縁耐力を改善するために、前記寒剤の圧力を１絶対大気圧以上に維持するステップをさらに備える、請求項１に記載の極低温冷却方法。
【請求項３】
前記ＴＧＬ内の液体寒剤を加熱して沸騰させ、前記気体領域の圧力を増大するステップをさらに備える、請求項１に記載の極低温冷却方法。
【請求項４】
気体の寒剤を放出して前記気体領域の圧力を下げるステップをさらに備える、請求項１に記載の極低温冷却方法。
【請求項５】
前記寒剤格納容器は、前記外部容器と前記寒剤格納容器との間に真空を維持するのに適応する外部容器内に収納されている、請求項１に記載の極低温冷却方法。
【請求項６】
前記寒剤格納容器は、外部容器と前記寒剤格納容器との間に第２の寒剤を維持するよう適合された前記外部容器内に収容されており、前記第２の寒剤は、前記寒剤格納容器内に収容された寒剤を冷却するものである、請求項１に記載の極低温冷却方法。
【請求項７】
前記冷却手段は密閉サイクル冷凍冷却器である、請求項１に記載の極低温冷却方法。
【請求項８】
前記密閉サイクル冷凍冷却器はGifford-McMahon冷凍機である、請求項７に記載の極低温冷却方法。
【請求項９】
前記密閉サイクル冷凍冷却器はパルスチューブ冷凍機である、請求項７に記載の極低温冷却方法。
【請求項１０】
前記寒剤の圧力を維持して該寒剤の沸点を上昇させ、これにより前記寒剤が気泡を生成する温度を上昇させるステップをさらに備える、請求項１に記載の極低温冷却方法。
【請求項１１】
内部容器、少なくとも一つの高温超伝導体、及び外部容器をもち、前記内部容器は、加圧された寒剤を液体領域内の液体状態および気体領域内の気体状態に保持するよう前記外部容器内に収容されるよう適合される極低温冷却システムであって、ここで、前記液体領域は、寒剤の沸騰温度以下の温度を持つ冷却領域、および温度勾配層を含み、該温度勾配層は、前記気体領域に隣接する境界領域を含み、前記冷却システムは、以下のものよりなる：
前記気体領域での圧力を増大するために前記温度勾配層領域内の液体寒剤を、沸騰させる液体加熱手段；
前記気体領域での圧力を減らすためにガスを放出するガス放出手段；
前記冷却領域内の液体寒剤の一部を、その沸騰温度、およびそれ以下である冷却された温度範囲内に維持する極低温冷却手段；および、
前記温度勾配層（ＴＧＬ）の最適厚さを維持するための温度勾配層手段、ここで、停滞した液体寒剤の場合のこのようなＴＧＬの最適厚さは、式ｋ×Ｓ×(ΔＴ)／Ｑで表わされ、ここで、“Ｓ”はＴＧＬの表面面積であり、“ΔＴ”は前記ＴＧＬ領域にわたる温度差であり、“ｋ”はＴＧＬ中の寒剤の熱伝導率であり、“Ｑ”はＴＧＬと気体領域との間の境界面を通ってＴＧＬに入力される熱量である；
前記ＴＧＬと液体寒剤の冷却領域との間の熱転送プレート、ここで、このような熱転送プレートは、寒剤冷却手段に熱的に結合されており、このような熱転送プレートの熱伝導特性は、前記ＴＧＬへの熱量の入力が前記冷却領域、または結合された寒剤冷却手段に転送されることを可能とする、
ことを特徴とする極低温冷却システム。
【請求項１２】
前記外部容器は、前記内部容器と前記外部容器との間の真空を維持するよう適合されている、請求項１１に記載の極低温冷却システム。
【請求項１３】
前記寒剤収容容器は、外部容器と前記寒剤収容容器との間に第２の寒剤を維持するよう適合された前記外部容器内に収容されており、前記第２の寒剤は、前記寒剤収容容器内に収容された寒剤を冷却するものである、請求項１１記載の極低温冷却システム。
【請求項１４】
前記冷却手段は密閉サイクル冷凍冷却器である、請求項１１に記載の極低温冷却システム。
【請求項１５】
前記密閉サイクル冷凍冷却器は、Gifford-McMahon冷凍機およびパルスチューブ冷凍機を含むグループより選択される、請求項１４に記載の極低温冷却システム。
【請求項１６】
前記熱転送プレートは、プレート、リング、或いは棒の形状のものであり、このような熱転送プレートは、前記ＴＧＬ液体寒剤領域から冷却された液体領域および結合された寒剤冷却手段への熱の転送を有効とするための熱伝導性材料よりなる少なくとも１つの層よりなる、請求項１１に記載の極低温冷却システム。
【請求項１７】
誘電体媒体をさらに備え、前記誘電体媒体は高温超伝導体を封入する、請求項１１に記載の極低温冷却システム。
【請求項１８】
前記誘電体媒体は金網を含み、前記金網は５ミリ以下の開口を持って前記液体領域中の気泡の微粉化を促進する、請求項１１に記載の極低温冷却システム。
【請求項１９】
内部容器、少なくとも一つの高温超伝導体、及び外部容器をもち、前記内部容器は、加圧された寒剤を液体領域内の液体状態および気体領域内の気体状態に保持するよう前記外部容器内に収容されるよう適合される極低温冷却システムであって、ここで、温度勾配層（ＴＧＬ）は最適厚さに維持されており、ここで、このような停滞した液体寒剤の場合のこのようなＴＧＬの最適厚さは、式ｋ×Ｓ×(ΔＴ)／Ｑで表わされ、ここで、“Ｓ”はＴＧＬの表面面積であり、“ΔＴ”は前記ＴＧＬ領域にわたる温度差であり、“ｋ”は前記ＴＧＬ中の寒剤の熱伝導率であり、“Ｑ”は前記ＴＧＬと前記気体領域との間の境界面を通って前記ＴＧＬに入力される熱量である、
ことを特徴とする極低温冷却システム。
【請求項２０】
熱を前記液体領域内に結合させるための、前記内部容器内に配置された熱転送プレートをさらに備える、請求項１９に記載の極低温冷却システム。
【請求項２１】
前記液体寒剤の一部を、その沸点以下に維持する寒剤冷却手段をさらに備える、請求項１９に記載の極低温冷却システム。
【請求項２２】
前記液体領域内で、前記内部容器の内部に配置されたガス蒸発ヒータをさらに備える、請求項１９に記載の極低温冷却システム。
【請求項２３】
さらに、前記超伝導体を収容する少なくとも１つの誘電体を備える、請求項１９に記載の極低温冷却システム。
【請求項２４】
放射熱の前記内部容器への漏れを削減する、前記内部容器の外側表面を囲む多層熱絶縁体をさらに備える、請求項１９に記載の極低温冷却システム。
【請求項２５】
前記熱転送プレートに結合されたバイメタルインターフェースをさらに備える、請求項１９に記載の極低温冷却システム。
【請求項２６】
前記内部容器と前記加圧された寒剤との間に真空空間を備える、請求項１９に記載の極低温冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、米国で２００３年７月１９日に早く提出された国内出願１０／４６５，０８９を優先権主張する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、一般に、高温超伝導体(ＨＴＳ)装置のための極低温冷却システムおよび、より特定的には、高圧電力応用を持つＨＴＳ装置のための極低温冷却システムに関する。
【０００３】
液体窒素の性質を用いて極低温冷却を達成するＨＴＳ冷却システムが存在する。通常、液体窒素は、動作温度(沸点)が７７ケルビンの１大気圧(０．１MPa)で用いられる。しかしながら、ＨＴＳ素材の臨界電流密度が７７Ｋ以下の温度で著しく改善するので、前記液体窒素の温度を、その動作環境を操作することで下げるための方法が開発されている。図１は、ｐ、Ｔおよび典型的な物質の三相(固体、液体および気体／ガス)間の関係を示す、ｐ(圧力)−Ｔ(温度)図である。窒素の三重点は、１２．５３ｋＰａで約６３．１５Ｋである。これは、液体窒素の圧力を下げることで、その沸点温度は固体窒素が形成する約６３Ｋ以下まで下げることができることを示す。このような低い動作温度に到達する液体窒素の特性を一つの例は、米国特許５，４７７，６９３に提供されている。それは、液体およびガス状の窒素をどちらも含む低温格納容器(低温保持装置)内のガス状窒素領域を吸い上げる真空ポンプを用いる方法を記述している。ポンピングは、液体窒素槽の圧力を下げ、これにより、その温度(沸点)を７７Ｋ以下まで下げる。前記超伝導体の性能は、即ちその臨界電流レベルは、そこで著しく改善される。
【０００４】
先行技術は、液体窒素の沸騰温度を、その圧力を下げて低下することによりＨＴＳ素材の性能を増大するが、液体窒素の絶縁耐力を著しく低下させ、結果として、このような冷却システムは高圧ＨＴＳアプリケーションに適さない。一般的に、高圧ＨＴＳデバイスのための、液体寒剤に基づく冷却システムは、主な電気絶縁媒体として、液体寒剤の誘電特性に大きく依存する。液体窒素の誘電特性に影響する２つの主な要因がある。一つは、液体窒素の圧力に依存する固有の絶縁耐力である。図２は、圧力の機能として液体窒素の絶縁耐力を示す。その耐力は、最適値は０．３MPaから０．５MPaの範囲に在るが、圧力が１大気圧(０．１MPa)以下になると、急速に減少する。もう一方の主な要因は、液体窒素中で発生する気泡である。気泡、特に大きな気泡は、液体窒素の絶縁耐力を減少させる傾向がある。気泡は、液体窒素に浸した対象物が液体窒素の上記沸騰温度まで熱されると、発生する。液体窒素の低められた沸点は、このように気泡発生を容易にする。従って、圧力を下げて液体窒素の温度を下げる方法は、液体窒素の絶縁耐力を支配する二つの要因に悪影響を及ぼす。従って、これに基づく或いは同様のアプローチに基づく冷却システムは、高圧ＨＴＳアプリケーションには適していない。
【特許文献１】米国特許６，６２９，４２６号明細書
【特許文献２】米国特許５，１５０，５７８号明細書
【特許文献３】米国特許５，２２０，８００号明細書
【特許文献４】米国特許３，３７４，６４１号明細書
【特許文献５】米国特許６，５０１，９７０号明細書
【発明の開示】
【０００５】
簡潔にすると、本発明によれば、ＨＴＳ材料の臨界電流密度を改善する液体寒剤の低くされた動作温度の特徴を持つＨＴＳデバイスの液体寒剤に基づく極低温冷却システムを設計する、また同時に液体寒剤の絶縁耐力を実質的に増大し、このような極低温冷却システムを高圧アプリケーションに適したものとする方法が提供される。このような方法は、液体およびガス状の該寒剤の領域をどちらも含む寒剤格納容器内に、加圧された寒剤を保持するステップを備える。さらに、該液体寒剤の一部或いは全ての温度を、その沸騰温度以下に、および冷凍冷却手段を用いたサブ冷却温度範囲内に維持するステップを含む。
【０００６】
このような方法論を適用して、本発明の実施形態によれば、内部容器、少なくとも一つのＨＴＳ要素、および外部容器を持つ極低温冷却システムが提供される。外部および内部容器の間の空間は真空の下に維持され、多層断熱(ＭＬＩ)素材は該内部容器を取り囲むのに用いられて、内部容器に放射熱負荷に対する熱遮断を提供する。前記内部容器は、前記外部容器内部に収納され、液体寒剤を格納する。上記液体寒剤領域にはガス状の寒剤領域があり、１絶対大気圧以上に加圧されている。液体加熱およびガス抜き手段は、前記内部容器内の圧力を制御し、維持する。この極低温冷却システムの高圧遮断問題に対応して、誘電体からなるバケット或いは同様の形状は前記ＨＴＳを取り囲んで、低温保持装置中に用いられ、適切な高圧遮断を確実にする。さらに、細かい網目のあるスクリーンは、液体寒剤領域中に配置され、装置動作中に発生する大きな気泡を破壊する。この極低温冷却システムの別の特徴は、外周の内部容器内に置かれて、前記液体寒剤を２つの領域に分ける熱輸送板である。前記板より下の領域は、ＨＴＳの性能が改善する温度までサブ冷却される。前記板より上の領域はバッファ領域であり、温度推移が前記液体およびガス領域の境界とバッファ領域およびサブ冷却された液体領域の境界との間で生じる。また、前記熱輸送板は、バッファ領域およびサブ冷却領域の両温度推移から熱を極低温冷蔵庫(冷凍冷却器)などの冷却手段に結合する。前記冷凍冷却器は、前記板より下の領域の温度を、圧力時の沸騰温度から液体寒剤の三重点温度までの、前記サブ冷却液体温度幅の範囲内に維持するのに用いられる。
本発明のこれらおよびその他の特徴、側面、および利点は、以下の詳細な明細書が、図面中の同様の部分は同様の符号で示される添付の図面を参照して読まれるとよりよく理解されるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明は、他の一般的な目的を持つＨＴＳデバイスにも適用できるが、一般に、高圧アプリケーションを持つＨＴＳデバイスの極低温冷却システムに関する。このような極低温冷却システムを提供する方法は、液体およびガス状の領域を備える加圧された寒剤領域を、１絶対大気圧より上に維持することを含む。該方法はさらに、一部或いは全ての前記液体寒剤領域の温度を、極低温冷蔵庫(冷凍冷却器)などの冷却手段を用いて、その沸騰温度以下(サブ冷却されている)に維持することを含む。
【０００８】
簡潔にすると、本発明によれば、ＨＴＳ材料の臨界電流密度を改善する液体寒剤の低くされた動作温度の特徴を持つＨＴＳデバイスの液体寒剤に基づく極低温冷却システムを設計する、また同時に液体寒剤の絶縁耐力を実質的に増大し、このような極低温冷却システムを高圧アプリケーションに適したものとする方法が提供される。このような方法は、液体およびガス状の寒剤の両方を含む前記寒剤格納容器内で加圧された寒剤を維持するステップを備える。さらに、一部の或いは全ての液体寒剤の温度を、冷凍冷却手段を用いて、その沸騰温度以下およびそのサブ冷却された温度範囲内に維持するステップを含む。
【０００９】
このような方法論を適用して、本発明の一つの実施形態によれば、少なくとも一つのＨＴＳ要素の内部容器および外部容器を有する極低温冷却システムが提供される。前記外部および内部容器間の空間は、真空および多層断熱(ＭＬＩ)により維持され、前記素材は、前記内部容器を取り囲むのに用いられて、その容器に放射熱負荷に対する断熱材を提供する。前記内部容器は前記外部容器の内側に収納され、液体寒剤を保存する。上記液体寒剤領域で、寒剤のガス状領域があり、それは１絶対大気圧以上に加圧される。液体加熱およびガス放出の手段は、前記内部容器内の圧力を制御して維持する。加熱により液体寒剤は沸騰してガス状空間に蒸発し、よって圧力を増大する。放出によりガス状の寒剤を外部の大気に放ち、よって前記容器内の圧力を減らす。このような加熱および放出手段は、自動モニタリングおよびフィードバックシステムによって制御される。先に議論したように、気泡、特に大きいサイズの気泡は液体寒剤の絶縁耐力を低下させる傾向にある。気泡は、液体寒剤に浸した対象物がその沸騰温度以上に加熱されるときに発生する。加圧は、前記液体寒剤の沸騰温度を上昇させる。上昇した沸点は、気泡の発生をより困難なものにし、よって前記液体寒剤の誘電特性を改善する。この極低温冷却システムの高圧遮断問題にさらに対応して、誘電体素材からなるバケット或いは同様の形状がＨＴＳの周囲および低温保持装置中に使用され、適切な高圧遮断を確保する。さらに、細かい網目のあるスクリーンは液体寒剤中に配置され、大きい気泡が装置作動中に発生しても破壊する。この極低温冷却システムの別の特徴は、外周の内部容器内部に配置され、液体寒剤を２つの領域に分ける熱転写板である。前記板より下の領域は、温度推移が液体領域とガス領域の境界とバッファ領域とサブ冷却された液体領域の境界との間で生じるバッファ領域である。前記熱転写板は又、前記バッファ領域および前記サブ冷却領域の両温度推移から熱を極低温冷蔵庫(冷凍冷却器)などの冷却手段に結合する。前記冷凍冷却器は、前記板より下の領域の温度を前記サブ冷却された液体の温度範囲内の、圧力時の沸騰温度から液体寒剤の三重点温度までに維持するために用いられる。前記液体寒剤がその三重点温度以下までサブ冷却されると、望まれる結果となるかどうか分からない固体寒剤が形成し始める。サブ冷却が冷凍冷却器の使用を通して達成されるときに、前記三重点温度或いはそれ以下でこのような実行は望まれない場合、固体寒剤が冷凍冷却器へのインターフェースの周りに形成し、前記冷凍冷却器の冷却性能を著しく低下させる。
【００１０】
図３には、本発明の装置の一つの実施形態が図示される。本発明の極低温冷却システム１０は、外部格納容器１２と、前記外部容器１２内部に格納されるのに適応した内部格納容器１８と、前記内部容器に空気的に結合される放出口３０と、内部容器１８に電気的および機械的に結合される高圧ブッシング１４と、前記内部容器と熱的および機械的に結合される冷凍冷却器２０とを備える。前記高圧ブッシング１４は、ＨＴＳ２４に電流を供給するのに用いられ、電力網などの外部の高圧電源に接続される。ＨＴＳ２４は、ＨＴＳサポート３２に結合され、ＨＴＳサポート３２は交代で熱輸送媒体２６と結合する。銅リング３６は内部容器の周囲に沿って裁置され、熱輸送媒体２６にしっかりと添えられている。内部容器サポート３４は、前記内部容器１８と結合する。ＨＴＳ２４はまた、本発明の譲受人に譲渡され、参照によりここに組み込まれる米国特許出願２００３／００２０１７４Ａ１に記述されているように、マトリクス漏電制御器(ＭＦＣＬ)のＨＴＳアセンブリであってもよい。
【００１１】
前記外部容器１２と内部容器１８間の空間は、真空に維持され、また多層断熱(ＭＬＩ)素材２２が内部容器１８を囲んで用いられ、それに放射熱負荷に対する熱遮断を提供している。
【００１２】
内部容器放出口３０は、内部容器１８にガス放出手段を提供して内部容器１８のガス圧力を減らす。また、補助ガス蒸発ヒータ５２を、寒剤を加熱して沸騰させ、前記内部容器１８の圧力を増加させるのに用いてもよい。低温保持装置のこれらの２側面は、ここでさらに記述されているように内部容器１８の最適な圧力レベルを達成することにおいて、本発明の圧力制御メカニズムの基礎を形成する。
【００１３】
前記内部容器１８の大きさは、適切な冷却能力を提供して前記ＨＴＳ２４の冷却要求を満たすよう決定され得る。
【００１４】
前記内部容器１８は、液体およびガス状領域を有する寒剤を収納する。模範となる実施形態において、前記寒剤は窒素であり、図２で液体窒素の適切な絶縁耐力を達成するために、０．３ＭＰａで加圧されている。気泡、特に液体窒素の大きい気泡はその絶縁耐力を低下させる。ＨＴＳ２４で発生した熱が、その温度を、ＨＴＳを浸す前記液体窒素の沸騰温度以上にする際に、気泡が発生する。低温保持装置の圧力を増大することは、前記液体窒素の沸騰温度を増大させる。窒素圧力が０．３ＭＰａで維持されると、液体窒素の沸騰温度は、１ＭＰａで７７Ｋであるのに比べて、８８Ｋまで上昇する。これは、気泡発生をより困難にし、従って前記液体寒剤の電気絶縁特性を改善する。さらに、ＨＴＳ２４と前記内部容器１８との間での電気絶縁破壊を防ぐために、ＨＴＳ２４は、電気絶縁バリアの役割をする誘電体媒質３８によって囲まれる。前記極低温冷却システムの高圧絶縁を改善するその他の手段は、バケット、チューブ、箱あるいは網目の構成でのスクリーンまたは誘電体からなるよく似た対象物を置くことを備え、気泡が装置作動中に発生しても気泡の大きさを破壊する。網目構造或いは開口のセル面積は十分に小さいものが選択され、前記スクリーンを通過する気泡は十分に小さくなり、液体窒素の絶縁耐力の実質的な低下を引起さず、ＨＴＳ２４およびその周りの環境内でボルテージ絶縁破壊を起こさない。模範的な実施形態において、スクリーンの開口は、５ミリまでの範囲の直径を有する。
【００１５】
０．３ＭＰａ圧力で、前記液体およびガス状窒素境界４２の表面温度は、８８Ｋの沸騰液体窒素の沸騰(飽和)温度である。前記液体窒素領域はさらに、熱輸送媒体２６によって２つの領域に分かれる。前記板２６より下の領域はサブ冷却ゾーン４８であり、前記板２６より上の領域は熱バッファ領域４６である。前記サブ冷却領域４８の温度は、低温保持装置によって６５Ｋに維持される。ＨＴＳ２４は、サブ冷却された液体寒剤領域に浸される。低下した動作温度(６５Ｋ)のため、前記ＨＴＳ２４の性能、即ちその臨界電流密度レベルが著しく改善される。冷凍冷却器はGifford-McMahon冷蔵庫或いはパルスチューブ冷蔵庫、或いは両冷蔵庫システムの組み合わせを含むグループから選択される、密閉サイクル冷凍冷却器であってもよい。
【００１６】
前記液体／ガス表面４２の８８Ｋから、前記熱輸送板２６の６５Ｋまで温度推移がある。前記ＨＴＳ装置がその定常状態で動作し、低温保持装置に入力される熱と冷凍冷却器による冷却が平衡に達する場合、平衡状態が最終的に形成する前記液体／ガス境界４２に沿って、同時に起こる液体蒸発およびガス凝結プロセスがある。領域４６の液体窒素は、ほぼ停滞状態或いは、この領域に存在する熱負荷およびパターンによる乱流型である。従って、前記熱バッファ領域４６は、サブ冷却された領域４８を前記領域４６内のイベントから孤立させる。
【００１７】
この例では、前記熱輸送媒体２６は、銅から作られており、銅は非常に良い熱伝導特性を有し、表面に沿って開口を有し(図示せず)、２つの液体窒素領域間の熱伝導およびこれらの２つの領域から前記冷凍冷却器２０までの熱伝導を促進する。前記熱輸送板２６は本発明に基づく極低温冷却システムを達成するのに必要ではないが、その存在はこのようなシステムの熱輸送特徴を著しく改善する。前記熱輸送媒体２６は、プレート、リング、棒あるいは同様の形状でもよく、このような熱輸送媒体は寒剤領域から冷凍冷却器手段まで熱輸送を促進するために銅や同様の金属から作られる。
【００１８】
要約すると、本発明は、高圧アプリケーションにより適していると同時に、ＨＴＳ素材の性能を改善できるといういくつもの特徴を有する。寒剤の加圧は、その寒剤を最も最適な絶縁耐力にし、ＨＴＳが備わる前記液体寒剤領域をサブ冷却することは、前記ＨＴＳ素材の臨界電流密度を増大させる。
【００１９】
次に、本発明の極低温冷却システムの前記熱バッファ領域あるいは温度勾配レベル(ＴＧＬ)４６にある液体寒剤がほぼ停滞状態である場合を記述する。このような環境は、ＴＧＬへの全体的な熱漏れが比較的低く、この領域内で起こる対流熱輸送がほとんどない場合に、存在する。模範的な実施形態では、液体窒素を冷却媒体とし、絶対０．３ＭＰａに加圧され(液体窒素の沸騰温度は約８８Ｋであることに基づく)、サブ冷却された液体寒剤領域が、約６５Ｋであることが想定される。再度、模範的システム構造の図３を参照する。液体表面４２から熱輸送媒体２６までの前記熱輸送メカニズムは以下に記述するとおりである。ガスエリア４４に流入する熱は、もしそれがすぐにガス領域から輸送されない場合、前記ガスの温度を上昇させる。ガス／液体インターフェース４２で、前記ガスは寒剤の表面で凝結される。凝縮の熱はその後、ＴＧＬ４６を通って、熱伝導によって冷凍冷却器２０に維持されるサブ冷却された液体窒素領域４８へ輸送される。銅リング３６によって定義されるＴＧＬ４６の厚さおよびその表面エリアは、上限温度(８８度Kelvin)および低い温度(６５度Kelvin)が効果的に設定されるので、層を通して輸送可能な熱の量を決定する。熱入力が、あるＴＧＬ４６の厚さに設定された熱伝導値以上である場合、過度の熱は寒剤を蒸発させ、ＴＧＬの厚さを減少させ、よって、新しい均衡に到達するまで前記熱転送率を増大する。前記熱入力がＴＧＬ４６を通した熱伝導値以下である場合、ＴＧＬの厚さを増大するネット凝結がある。その結果は、前記表面４２から熱輸送媒体２６までのある熱負荷に対して、最適な均衡ＴＧＬの厚さ(Ｌopt)が展開する。前記層の厚さ“Ｌ”展開の時間依存は、凝結によるＴＧＬの増大から熱負荷“Ｑ”による蒸発によるＴＧＬの減少を引くことで求められ、数学的には以下のように表現される。
【００２０】
ｄＬ／ｄｔ＝ｋｘ（Ｓ／Ｌ）ｘΔＴｘ1／(Ｓα）−Ｑ／（Ｓα）、であり、ｋ＝液体寒剤の熱伝導率(液体窒素として、ｋ＝１．５ｍ Ｗａｔｔ／ｃｍ／Ｋｅｌｖｉｎ)；
【００２１】
Ｓ＝ ＴＧＬの表面エリア(表面４２の径が１００ｃｍの場合  π／４ｘ１００2ｃｍ2)；
【００２２】
ΔＴ＝ＴＧＬの上限および下限境界間の温度差異(８８Ｋ−６５Ｋ＝２３Ｋｅｌｖｉｎ)；
【００２３】
α＝ガス／液体寒剤の潜熱或いは凝縮熱(窒素として、α＝１６２Ｊｏｕｌｅ／ｃｍ3)
【００２４】
ＴＧＬの最適な厚さは、ｄＬ／ｄｔ＝0のとき、およびＬopt＝ｋｘＳｘ（ΔＴ）／Ｑで求めるＬoptの値を求めて分かる。
【００２５】
図５のグラフは、種々の熱負荷に対するＴＧＬの平衡厚さに到達する時間の関係において算出されたデータを示す。図５は、蒸発および凝結の２つのプロットの一致点に示されるＬoptを有する３つの異なる熱負荷に対する時間依存“Ｌ”のプロット６０を図示する。図６に示されるグラフ６２、Ｌopt対“Ｑ” のプロットにおいて、ＬoptはＴＧＬの最適な厚さであり、“Ｑ”は前記熱負荷である。これらの計算では、付加的な蒸発ヒーターは含まれていない。
【００２６】
結果としてのプロセスは、集束する自己帰還システムである。しかしながら、予想される動作条件として、時間依存は非常に遅く、鈍い応答システムである。これは、温度、圧力および寒剤レベルなどのパラメータ制御が、時間を通じての変化に敏感でないことを意味する。この分析からの一つ重要な結果は、１００−Ｗａｔｔのケースとして、最適なＴＧＬの厚さはたった数センチであることである。熱負荷に伴って減少したＴＧＬの厚さの傾向は、増加した熱負荷を伴うという結果を導き、前記ＴＧＬは動作パラメータにおける変化に対しより敏感になり、システムを安定感の少ない動作形態へ移す。
【００２７】
前に記述した本発明の実施形態には、加圧された寒剤ガス状領域およびサブ冷却された液体領域、圧力を維持するための過熱および排出機構、気泡サイズ制御メカニズム、および寒剤をサブ冷却された温度範囲内のその沸点以下の温度で維持する冷却手段とを含む多くの特徴がある。これらの特徴の特性および効果は、本発明の極低温冷却システムを、高圧ＨＴＳアプリケーションに用いるのにより有益なものにする。
【００２８】
本発明の限られた特徴がここで図示され記述されたが、多くの修正および変更が当業者に起こるだろう。従って、添付のクレームは本発明の真実の精神に落ちるそのような修正および変更全てをカバーすることを目的とすると理解される。さらに、本発明を記述する際、液体およびガス状の相の窒素が、極低温媒体として記述された。本発明の極低温冷却システムにおいて、他の寒剤が窒素のかわりに用いることができることもまた理解される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】種々の圧力および温度条件に基づく物質の相変化を示す一般的なｐ−Ｔ図。
【図２】液体窒素の絶縁耐力と下にある絶対圧力との関係。
【図３】本発明の極低温冷却システムの一つの実施形態の図。
【図４】本発明の極低温冷却システムの一つの実施形態に用いられる寒剤の状態の概略図。
【図５】液体窒素がほぼ停滞状態である場合の、熱入力負荷に基づく液体窒素温度勾配層(ＴＧＬ)の厚さを示すグラフ。
【図６】液体窒素がほぼ停滞状態である場合の、液体窒素ＴＧＬ厚さ対気相およびＴＧＬ領域内の種々の熱負荷の関係を示すグラフ。
【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５】
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【図６】
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