(57)【要約】パルス発生器１、蓄熱器５２、及びパルス管１０を有するパルス管冷凍システムは、パルス発生器と蓄熱器の間に介在する仕事伝達管３を備え、仕事伝達管は、パルス発生器に近接する端部において、蓄熱器に近接する断面積とは異なる断面を有し、仕事伝達管内でのストリーミングによる熱伝達の低減を可能にする。
2006506601.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス管冷凍装置であって、
（Ａ）パルス発生器（１）と、
（Ｂ）前記パルス発生器からパルスを受け取る受け取り端（５０）及び蓄熱器（５２）と流体連通する分与端（５１）を有する仕事伝達管（３）であって、前記受け取り端は前記分与端の断面積と異なる断面積を有する、仕事伝達管（３）と、
（Ｃ）前記蓄熱器と流体連通するパルス管（１０）と、
（Ｄ）前記蓄熱器と前記パルス管の間に配設される冷熱交換器（４）とを備える装置。
【請求項２】
前記仕事伝達管は、前記受け取り端から前記分与端へ連続してテーパが付けられる請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記仕事伝達管の前記テーパは、１°〜２５°の範囲内の角度である請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記仕事伝達管の前記分与端に配置される予備冷却器をさらに備える請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記予備冷却器に液体窒素を供給する手段をさらに備える請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記受け取り端の断面積は、前記分与端の断面積を超える請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記受け取り端の直径と前記仕事伝達管の中間点における直径の比は１．０１〜２．０の範囲内である請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記分与端の直径と前記仕事伝達管の中間点における直径の比は０．２〜０．９９の範囲内である請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記パルス発生器はピストンを備える請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記冷熱交換器は前記蓄熱器を保持するハウジング内にある請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、パルス管冷凍システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
冷凍を生成する分野での最近の進歩は、パルス・エネルギーが、振動ガスを使用して冷凍に変換されるパルス管システムである。こうしたパルス管システムでは、パルスは、作動ガスに供給され、作動ガスは、次に、蓄熱器内で冷却される。冷却された振動ガスは、パルス管の冷温端で膨張し、結果として得られる冷凍を使用して、製品流体を冷却し、液化し、過冷し、及び／又は、濃密にする。振動ガスは、その後、次のパルス周期中に蓄熱器を冷却する。
【０００３】
パルス管技術の応用は主に、通常非常に低い温度での少量の冷凍のためであった。パルス管冷凍についての非常に魅力的な多くの特徴が存在し、少量の冷凍要求にすでに使用されている。こうした魅力的な特徴の中でも、冷温の可動部品がないこと、保守が少なく、対応する信頼性が高いこと、作製が容易であること、振動が無いこと、及びコストが安いことがある。これらの特徴のほとんどが、工業サイズへスケール・アップするための強い誘因でもある。しかし、パルス管冷凍の大規模応用に対する１つの妨害は、冷凍を生成するのに必要とされる電力要求が比較的大きいことである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、これまでに利用可能なパルス管システムに比べて、単位冷凍当たりでのより少ない電力で冷凍を生成するのに使用することができるパルス管冷凍装置を提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示を読むことによって、当業者に明らかになるであろう、上記及び他の目的は、パルス管冷凍装置である本発明によって達成することができる。
【０００６】
パルス管冷凍装置は、
（Ａ）パルス発生器と、
（Ｂ）上記パルス発生器からパルスを受け取る受け取り端及び蓄熱器と流体連通する分与端を有する仕事伝達管であって、上記受け取り端は上記分与端の断面積と異なる断面積を有する、仕事伝達管と、
（Ｃ）上記蓄熱器と流体連通するパルス管と、
（Ｄ）上記蓄熱器と上記パルス管の間に配設される冷熱交換器とを備える。
【０００７】
本明細書で使用される「パルス」及び「圧力波」という用語は、大量のガスが、循環方式で、高圧レベルと低圧レベルを順次通過するようにさせるエネルギーを意味する。
【０００８】
本明細書で使用される「オリフィス」という用語は、パルス管の温熱（ｗａｒｍ）端とリザーバの間に設置されるガス流制限デバイスを意味する。
【０００９】
本明細書で使用される「蓄熱器」という用語は、球、積層したスクリーン、穿孔した金属シート、及び同様なものなどの多孔質分布マス（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ｍａｓｓ）の形態の熱デバイスを意味し、多孔質分布マスを使用した直接的熱交換を介して、到来温熱ガスを冷却し、戻りの冷温ガスを暖めるための十分な熱容量を有する。
【００１０】
本明細書で使用される「間接的熱交換」という用語は、流体が互いに物理的接触することなく、又は、混合することなく、流体を熱交換関係にもたらすことを意味する。
【００１１】
本明細書で使用される「直接的熱交換」という用語は、冷却及び加熱実体の接触による冷凍の伝達を意味する。
【００１２】
本明細書で使用される「仕事伝達管」という用語は、パルス波又は圧力波が、断熱方式で伝達される管を意味する。
【実施例】
【００１３】
本発明は、パルス発生器とパルス管システムの間に介在する仕事伝達管を採用する。仕事伝達管の使用は、同じパルス管及び駆動システムからより多くの冷凍の生成を可能にする。仕事伝達管に関する主要な問題は、２次流による、仕事伝達管の高温端から冷温端への熱の伝達であるストリーミングである。本発明は、パルス発生器に近接する受け取り端を有する仕事伝達管を採用することによって、ストリーミングの問題を解決する。受け取り端は、蓄熱器に隣接する、仕事伝達管の分与端とは異なる断面積を有する。すなわち、仕事伝達管はテーパが付けられる。好ましくは、仕事伝達管のテーパは、受け取り端の縁部から分与端の縁部へ連続する。本発明の実施では、仕事伝達管は、位相シフト角度おび生成される冷凍温度レベルに応じて、受け取り端が、蓄熱器に接続される分与端より大きい可能性があるか、又は、その逆である、テーパを有する。
【００１４】
本発明を、図１を参照してより詳細に述べる。図１では、仕事伝達管の受け取り端の断面積が仕事伝達管の分与端の断面積を超える本発明の実施例が示される。図１では、仕事伝達管３の受け取り端５０にある作動ガスにパルス波又は圧力波を供給するパルス発生器１が示される。図１に示す本発明の実施例では、パルス発生器はピストンである。仕事伝達管にパルスを印加するための別の好ましい手段は、音エネルギーを、仕事伝達管内の作動ガスに印加する熱音響ドライバの使用による。パルスを印加するさらに別の方法は、線形モータ／圧縮機機構による。パルスを印加するさらに別の方法は、スピーカによる。パルスを印加する別の好ましい方法は、進行波エンジンによる。パルスは、作動ガスを圧縮するのに役立ち、仕事伝達管３の高温端又は受け取り端５０において高温圧縮された作動ガスを生成する。作動ガスは、熱交換器２内で、熱伝達流体３３を使用した間接的熱交換によって冷却され、ストリーム３４内に加熱された熱伝達流体を生じ、仕事伝達管３を通過するように周囲温度の圧縮された作動ガスを生成する。本発明の実施では熱伝達流体３３、３４として有用な流体は、水、空気、エチレン・グリコール、及び同様なものを含む。
【００１５】
仕事伝達管３は、圧容積（ＰＶ）仕事が、１つの温度レベルからより低い温度レベルへ大幅な損失なしで伝達される中空又は空の管である。仕事伝達管内の作動ガスは好ましくは、ヘリウムであるが、窒素、アルゴン、ネオン、及び、これらのガスの１つ又は複数を含む混合物などの他のガス又はガス混合物を使用してもよい。図１に示す本発明の実施例では、仕事伝達管３の受け取り端又は高温端５０の断面積は、仕事伝達管３の分与端又は冷温端５１の断面積を超える。仕事伝達管は、その受け取り端からその分与端へテーパが付けられる。好ましくは、図１に示すように、テーパは、受け取り端から分与端へ連続する。パルス管の受け取り端と分与端の間のテーパ角度は、２５°以下であり、一般には、１°〜１０°の範囲内にあるが、望まれる冷凍の位相シフト角度及び温度レベルに応じて負の角度でもよい。
【００１６】
仕事伝達管の受け取り端の断面積が、仕事伝達管の分与端の断面積を超える本発明の実施例では、受け取り端の直径と仕事伝達管の中間点における直径の比は１．０１〜２．０の範囲内であり、分与端の直径と仕事伝達管の中間点における直径の比は０．２〜０．９９の範囲内である。
【００１７】
図１に示す本発明の実施例は、予備冷却器８が、仕事伝達管３の分与端５１において組み込まれる特に好ましい実施例である。予備冷却器は、ライン２７上を予備冷却器８に供給され、ライン２８上を予備冷却器８から取り出される予備冷却流体を使用した間接的熱交換によって作動ガスを冷却するのに役立つ。予備冷却器８に供給される予備冷却流体は好ましくは液体窒素である。本発明の実施において予備冷却流体として使用されてもよい他の流体は、アルゴン、空気、ネオン、及びヘリウムを含む。
【００１８】
テーパ付き仕事伝達管、好ましくは、予備冷却式のテーパ付き仕事伝達管は、システム内の圧力降下の低減、及び、全体の電力要求を低減した状態での冷凍生成の最適化、すなわち、システム内のＰＶ電力プラス冷凍剤の使用を可能にする。予備冷却は、テーパ付き仕事伝達管の分与端で起こる必要はないが、仕事伝達管の１つ又は複数の内部の場所で起こるであろう。さらに、予備冷却は、仕事伝達管の、分与端及び１つ又は複数の内部の場所の両方で起こるであろう。本発明の好ましい実施例では、予備冷却器８からの予備冷却流体２８は、仕事伝達管の内部に配設された１つ又は複数の熱交換器か、仕事伝達管の壁に沿って長手方向に配設された壁熱交換器のいずれかによって、仕事伝達管の内部で作動ガスを冷却するように送られる。さらに、予備冷却は、伝導性結合を介して異なる冷凍器によって供給されてもよい。
【００１９】
予備冷却されたパルス状作動ガスは、その後、仕事伝達管３の分与端５１と流体連通する蓄熱器５２に供給され、蓄熱器５２において、ガスは、冷熱伝達媒体を使用した直接的熱交換によってさらに冷却されて、暖められた熱伝達媒体及びさらに冷却された作動ガスが生成される。
【００２０】
冷熱交換器４は、流体連通する、蓄熱器５２とパルス管１０の間に配設され、流体連通は冷熱交換器４を含む。図１に示す実施例では、冷熱交換器は、蓄熱器５２を保持する同じハウジング内にある。冷熱交換器はまた、パルス管を保持するハウジング内に配置されるか、又は、こうした要素の間にあるであろう。さらに冷却された作動ガスは、蓄熱器５２とパルス管１０の冷温端５３の間でパルス動作する（ｐｕｌｓｅ）、すなわち、振動する。作動ガスは、冷温端５３で膨張し、それによって、冷凍が生成され、パルス管１０の温熱端５４の方向にパルス管１０内の作動ガスが圧縮される。さらに冷却された作動ガスを冷熱端５３で膨張させることによって生成された冷凍は、冷熱交換器４に集中し、プロセス流体に間接的熱交換によって供給される。プロセス流体は、ライン４２上を冷熱交換器４に供給され、ライン４３上を、冷却された、すなわち、冷凍された状態で取り出される。本発明を使用して冷凍することができるプロセス流体は、冷凍を必要とする任意の化学処理ストリームであってよく、また同様に、熱伝達流体であってよく、熱伝達流体は、次に、冷凍を使用ポイントに運ぶ。
【００２１】
冷却流体３５は、熱交換器５に渡され、熱交換器５において、冷却流体は、パルス管作動ガスを使用した間接的熱交換によって暖められ、又は、気化され、そのため、パルス管作動ガスを冷却するヒートシンクの役を果たす。得られる、温まった、又は、気化した冷却流体は、ストリーム３７において熱交換器５から取り出される。好ましくは、冷却流体３５は、水、空気、エチレン・グリコール、又は同様なものである。
【００２２】
パルス管１０の温熱端には、リザーバ７につながるオリフィス６を有するラインが取り付けられる。パルス管作動ガスの圧縮波は、パルス管本体の温熱端壁に接触し、パルス管シーケンスの第２の相に戻るように進む。オリフィス６及びリザーバ７を採用して、パルス管が、パルス管１０の冷温端における膨張及び圧縮中に、正味の冷凍を生成するように、適切に位相が揃うように、圧力波及び流れの波が維持される。本発明の実施で使用することができる、圧力波及び流れの波を同位相に維持する他の手段は、音響慣性管、及び、オリフィス、エキスパンダ、線形オルタネータ、ベローズ機構、及び、マス・フラックス・サプレッサを有する仕事回復ラインを含む。膨張シーケンスでは、パルス管作動ガスは、膨張して、パルス管１０の冷温端５３で冷温パルス管作動ガスが生成される。膨張したガスは、ガスが、パルス管１０から蓄熱器５２の方へ流れるようにその方向を反転する。
【００２３】
パルス管から出るパルス管作動ガスは、蓄熱器５２に渡され、蓄熱器５２において、パルス管作動ガスが、蓄熱器本体内の熱伝達媒体に直接接触して、上述した冷温熱伝達媒体が生成され、それによって、パルス管冷凍シーケンスの第２の相が終了し、後続のパルス管冷凍シーケンスの第１の相のための状態に冷凍器が置かれる。
【００２４】
本発明の実施では、パルス管１０は、パルス管の温熱端でのパルス管作動ガスを加熱するために、冷熱端での、膨張するパルス管作動ガスからの圧力エネルギーを伝達するためのガスのみを含む。すなわち、パルス管１０は、可動部品を含まない。可動部品の無いパルス管の動作は、本発明の大きな利点である。パルス管は、圧力波及び流れの波の間の適切な位相角度の調整に役立つテーパを有してもよい。さらに、パルス管は、パルス管の端を分離するのに役立つ受動ディスプレーサを有してもよい。さらに、パルス管は、パルス管温熱端と圧力波ラインの間に接続ラインを有してもよく、オリフィス及びリザーバをベローズ機構などのマス・フラックス・サプレッサと交換して、失った仕事を回復する。さらに、本発明の好ましい実施では、流れストレイテナを、仕事伝達管の両端、及び、同様に、パルス管の両端に配置して、仕事伝達管内へのガスの均一な流れ分布が供給され、パルス管へのガスの噴射が防止される。
【００２５】
ストリーミングは、振動プロセスによって駆動される定常状態の対流である。ストリーミングは、テーパ角度、ガス速度及びガス圧力の振幅、並びに、ガス速度とガス圧力の間の位相角に強く依存する。ストリーミングは、１／Ｔ及び仕事伝達管の２つの端部の間の温度差に比例し、音響振幅の２乗として見積もられる。境界層におけるガスの圧縮性及び振動性運動と圧力の間の位相同期のために、管壁に近いガス粒子は、粒子の下方運動中に比べて、粒子の上方運動中には壁から遠くにあるはずである。粒子に対する抗力は、粒子の下方運動中に比べて粒子の上方運動中は異なるはずであり、そのため、粒子は、完全な周期又は振動後に元の出発位置に戻らないであろう。管壁近くのこの作用は、オフセット・パラボリック速度プロファイルを生じ、壁に近いガス速度は、侵入深さのちょうど外側におけるドリフト速度に等しく、仕事伝達管の中心の速度は、管に沿った正味のマス・フラックスがゼロでなければならないという要求によって決まる。このパラボリック・ストリーミングは、管を通して熱を対流させる。管の中心を下方に移動するガスは、管の中心のまわりを上方に移動するガスより熱いため、熱は、下方の冷熱端の方へ運ばれる。
【００２６】
ストリーミングは、仕事伝達管に最適なテーパ角度を組み込むことによって、実質的になくなる可能性がある。壁の近くには、少量のストリーミングが、管の残りには、対応する小さなオフセット・フラックスが存在する。これは、実質的に熱を運ばない。ここで考慮されるべき唯一の重要な作用は、粘度に対する温度の作用であり、温度は、壁に隣接するガスの下方への運動よりも、ガスの上方への運動において低い。
【００２７】
仕事伝達管内での首尾よい仕事の伝達のための重要なパラメータは、内部ストリーミングを制御することである。圧力と流れの間の位相同期調整は、ゼロ・ストリーミング速度が存在するように、１つの軸方向場所でのストリーミングの制御を可能にするであろう。仕事伝達管の他端におけるストリーミングは、テーパ付き管構成の使用によって制御される。
【００２８】
仕事伝達管についてのテーパ角度は、以下の相関によって求められる可能性がある。
【００２９】
【数１】
2006506601.tif 000003
【００３０】
ここで、
φ＝仕事伝達管テーパ角度、°
θ＝位相シフト、°
Ｒ＝内径、メートル
ｆ＝周波数、Ｈｚ
｜ｐ１｜＝振動性圧力の振幅、Ｐａ
Ｐｍ＝平均圧力、Ｐａ
｜Ｕｍ｜＝容積速度の振幅、メートル３／秒
Ｔｍ＝絶対温度、Ｋ
ｘ＝半径距離、メートル
【００３１】
長さＬ及び長さの中間点の直径Ｄで、かつ、単一の均一なテーパを有するテーパ付き仕事伝達管の場合、大きな端部直径及び小さな端部直径、Ｄｌａｒｇｅ及びＤｓｍａｌｌは、
Ｄｌａｒｇｅ＝Ｄ＋Ｌｔａｎφ
Ｄｓｍａｌｌ＝Ｄ−Ｌｔａｎφ
で与えられる。
【００３２】
０．０５メートルの仕事伝達管内径、０．２メートル／秒の容積速度、３．１×１０６Ｐａの平均圧力、及び３００Ｋの周囲温度を有するパルス管冷凍器における作動ガスとして、たとえば、ヘリウムを使用すると、結果は図２の相関に示される。一般に、仕事伝達管のテーパ角度は、負の位相シフト角度における負の小さな値から、ほぼ５０°の位相シフト角度における３°〜４°の正の最大角度へ増加する。５０、１００、及び２００Ｋの冷凍レベルについての相関が与えられ、テーパ角度は、低温について少し大きい。
【００３３】
ＰＶ電力及び付加的な冷凍液体窒素の相対的なコストは、最も経済的な動作ポイントを決めるであろう。所与のポイントまでは、パルス管（ＰＶ仕事）低温冷凍の代わりに高いレベルの冷凍（液体窒素）を使用することによって、最も有利な動作状態を求めることが可能になる。
【００３４】
表１は、欄Ａに示す、パルス発生器と蓄熱器の間にテーパ付き仕事伝達管が無い従来システムと比較した、図１に示すものと同じシステムについての、欄Ｂに示す本発明の計算された動作結果を提示する。プロセス流体はネオンであり、システムは、ネオンを液化するために、３０Ｋで５００ワットの冷凍を生成する。わかるように、この例における本発明は、従来システムについて必要とされる約半分のエネルギーを使用してネオンの液化を可能にする。
【００３５】
【表１】
2006506601.tif 000004
【００３６】
本発明は、特に好ましいある実施例を参照して詳細に述べられたが、添付特許請求項の精神及び範囲内で、本発明の他の実施例が存在することを、当業者は認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明のパルス管冷凍装置の好ましい一実施例の断面図である。
【図２】種々の冷凍レベルにおける位相シフトに対する仕事伝達管のテーパ角度を示す相関の一例の結果のグラフである。
【図１】
2006506601.tif 000005
【図２】
2006506601.tif 000006
【国際調査報告】
2006506601.tif 000007