(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
極低温において定常状態で冷却し、および高い開始温度から前記定常状態の極低温に降温冷却する閉サイクル冷凍システムにおいて、
低圧および低温の極低温冷媒を循環し、負荷から熱を吸収し、それによって前記冷媒を加熱し、前記負荷を冷却する蒸発器と、
０．１Ｍｐａ〜０．４Ｍｐａ（１〜４気圧）の範囲内の低圧入口部、および１．５Ｍｐａ〜２．５Ｍｐａ（１５〜２５気圧）の範囲内の高圧吐出部を有し、前記入口部において、前記蒸発器から前記加熱済み低圧冷媒を受入し、そして前記冷媒を前記吐出部において高圧に圧縮する冷媒圧縮機と、
前記圧縮機から前記圧縮済み冷媒流を受入し、前記高圧冷媒から熱を除去し、前記冷凍システムから前記熱を排除するアフタークーラと、
前記蒸発器の入口部に接続した出口部を有し、前記冷媒流を前記高圧から前記低圧に絞る固定レストリクタであって、該レストリクタで前記冷媒を膨脹して冷却し、そして寸法的に固定され、および降温冷却および定常状態冷却のため働く固定レストリクタと、
高圧側と低圧側を有し、前記高圧側と前記低圧側は熱交換関係にあり、前記高圧側は前記アフタークーラの出口部と前記固定レストリクタへの入口部との間を接続し、前記低圧側は前記蒸発器の出口部と前記圧縮機への前記低圧入口部との間を接続する再生熱交換器とを有し、
前記冷媒は、蒸発器温度を７０Ｋ〜１２０Ｋの範囲内に保持しながら、定常状態操作の際に７〜１７の範囲内の密度比を有する冷媒成分の混合物であり、ただし前記密度比は、前記固定レストリクタへの入口部における密度と前記再生熱交換器への高圧入口部における密度との比であることを特徴とする閉サイクル冷凍システム。
【請求項２】
前記冷媒は、Ｈｅ、Ｈ2およびＮｅの中の少なくとも１種を３％〜２５％の範囲内で含む混合物であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項３】
前記冷媒混合物は、Ｈｅ、Ｈ2およびＮｅが無い場合、前記固定レストリクタ入口部において１００％液体冷媒で定常状態で働くことを特徴とする請求項２に記載の冷凍システム。
【請求項４】
前記冷媒混合物は、１気圧の標準沸点が７７Ｋ〜１２０Ｋであり、かつ、３重点が１２５Ｋ未満である各基本気体成分を、別々にまたは組合せで、２０％〜７５％含有することを特徴とする請求項２に記載の冷凍システム。
【請求項５】
前記少なくとも１種のＨｅ、Ｈ2およびＮｅは前記密度比を調節することを特徴とする請求項４に記載の冷凍システム。
【請求項６】
前記冷媒は、標準沸点が１２０Ｋ〜２００Ｋであり、かつ、３重点が１２５Ｋ未満である各基本気体成分を、別々にまたは組合せで、１０％〜６０％含有することを特徴とする請求項２に記載の冷媒システム。
【請求項７】
前記少なくとも１種のＨｅ、Ｈ2およびＮｅは前記密度比を調節することを特徴とする請求項６に記載の冷凍システム。
【請求項８】
前記冷媒は、標準沸点が２００Ｋより高く、かつ、３重点が１２５Ｋ未満である基本気体成分を、別々にまたは組合せで、０％〜５５％含有することを特徴とする請求項２に記載の冷凍システム。
【請求項９】
前記少なくとも１種のＨｅ、Ｈ2およびＮｅは前記密度比を調節することを特徴とする請求項２に記載の冷凍システム。
【請求項１０】
前記基本成分は、Ｎ2、ＣＯ、Ａｒ、Ｏ2、ＣＨ4およびＫｒの中の少なくとも１種を２０％〜７５％含有することを特徴とする請求項４に記載の冷凍システム。
【請求項１１】
前記基本成分は、ＣＦ4、Ｃ2Ｈ4、Ｃ2Ｈ6およびＣＣｌＦ3の中の少なくとも１種を１０％〜６０％含有することを特徴とする請求項４に記載の冷凍システム。
【請求項１２】
前記基本成分は、ＣＣｌＦ2Ｂｒ、Ｃ3Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、ＣＨＣｌＦ2、Ｃ3Ｆ8、ＣＣｌ2Ｆ2、Ｃ4Ｈ10およびＣ5Ｈ12の中の少なくとも１種を０％〜５５％含有することを特徴とする請求項４に記載の冷凍システム。
【請求項１３】
前記冷媒圧縮機は、単段で、４より大きい圧力比において、容積効率が５０％より大きいことを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項１４】
前記冷凍圧縮機は油潤滑され、前記冷凍システムは、さらに、高圧側オイルセパレータを有し、前記オイルセパレータは前記圧縮機吐出部と前記アフタークーラ出口部の一つに接続した入口部を有することを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項１５】
前記圧縮機は可変吸排気容量を有し、前記容量は圧縮機の速度と排気量の少なくとも１種を変えて変更し、それにより前記圧縮機入口部の前記低圧を変えることを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項１６】
前記アフタークーラは、周囲温度における空気で操作する空冷熱交換器を含むことを特徴とする請求項１に記載の閉サイクル冷凍システム。
【請求項１７】
前記冷媒混合物は、降温冷却の開始で前記固定レストリクタの前記入口部で１００％気体であることを特徴とする請求項２に記載の冷凍システム。
【請求項１８】
前記再生熱交換器における前記熱交換関係は向流であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項１９】
さらに、前記蒸発器負荷の近くに配置する可変出力のヒータと、
前記負荷の近くに配置し負荷温度を示す信号を提供する温度検出手段と、
前記検出手段から前記信号を受信し、また定常負荷温度を保持するため前記信号に応じ前記ヒータ出力を制御する制御手段を有することを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項２０】
極低温において定常状態で冷却し、および高温開始温度から前記定常状態の極低温に降温冷却する閉サイクル冷凍システムにおいて、
低圧低温の極低温冷媒を循環し、負荷から熱を吸収し、それによって前記冷媒を加熱し、前記負荷を冷却する蒸発器と、
０．１Ｍｐａ〜０．４Ｍｐａの範囲内の低圧入口部および１．５Ｍｐａ〜２．５Ｍｐａ範囲内の高圧吐出部を有し、前記入口部において、前記蒸発器から前記加熱済み低圧冷媒を受入し、そして前記冷媒を前記吐出部において高圧に圧縮する冷媒圧縮機と、
前記圧縮機から前記圧縮済み冷媒流を受入し、前記高圧冷媒から熱を除去し、前記冷凍システムから前記熱の少なくとも一部を排除する伝熱手段であって、高圧の冷却済み冷媒が前記伝熱手段を出る伝熱手段と、
前記伝熱手段から前記冷却冷媒を受入する入口部と前記蒸発器の入口部に接続する出口部を有し、前記冷媒流を前記高圧から前記低圧に絞る固定レストリクタであって、該レストリクタで前記冷媒を膨脹して冷却し、寸法的に固定され、および降温冷却および定常状態冷却の両者のため働く固定レストリクタを有し、
前記冷媒は、蒸発器温度を７０Ｋ〜１２０Ｋの範囲内に保持しながら、操作の際に７〜１７の範囲内の密度比を有する冷媒成分の混合物であり、ただし、前記密度比は、定常状態における前記固定レストリクタへの入口部における密度と降温冷却の開始における前記固定レストリクタへの入口部における密度との比であることを特徴とする閉サイクル冷凍システム。
【請求項２１】
前記冷媒は、Ｈｅ、Ｈ2およびＮｅの中の少なくとも１種を３％〜２５％含む混合物であることを特徴とする請求項２０に記載の冷凍システム。
【請求項２２】
前記冷媒混合物は、Ｈｅ、Ｈ2およびＮｅが無い場合、前記固定レストリクタ入口部において、１００％液体冷媒で定常状態で働くことを特徴とする請求項２１に記載の冷凍システム。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、極低温冷凍システムおよびクリオスタットに係り、特に、低温蒸発器に冷凍効果を与えるための蒸気圧縮機と向流熱交換器と絞り装置とを含む閉回路で混合冷媒を用いて、７０Ｋ〜１２０Ｋ内の温度範囲で操作する極低温システムに関する。
冷凍システムで、極低温範囲、例えば、７０Ｋ〜１２０Ｋのような極低温を与えるためのシステムを意図する場合、該冷媒は、通常、１２５Ｋ未満の沸点を有する極低温気体からなり、これには、例えば、１標準気圧で７７Ｋの標準沸点を有する窒素が挙げられ、または８７Ｋの標準沸点を有するアルゴン、１１２Ｋの標準沸点を有するメタンが挙げられる。これら極低温気体には、通常、特殊設計した多段圧縮機を有する超高圧気体システムの使用が必要である。このようなシステムは、製造するにも、操作するにも、さらには高頻度のメインテナンスの必要性からも、コスト高になる。
コストが安価であって効率もさらに良い極低温システムを提供するため、多数の混合気体冷媒が該極低温温度範囲内の使用に提案された。これら混合冷媒は、通常、標準の周知の極低温冷媒成分の組合わせで、例えば、窒素、アルゴン、メタンが挙げられ、さらには、エタン、プロパン、イソブタンのような、さらなる成分が挙げられ、これらの種々の組合わせから構成されている。これら各混合物は、該各種構成成分の特定割合を有する特定成分構成を提供する。
しかしながら、混合冷媒を用いて大きな改良が行われはしたが、まだ多成分冷媒混合物について問題が存在する。
例えば、クリオスタットの定常状態操作が一般的にその冷凍システムに一定の熱負荷を与える。該所望の定常温度は、いったん達成されると、その圧縮機の設計容量内で操作する場合、保持される。しかし、該熱システム上の遷移熱負荷状態の際、例えば、室温から所望の定常操作温度に降温冷却する際、降温冷却の速度は限定された。中間冷却ステップが、その定常状態蒸気圧縮機サイクルが支配的になる前に、降温冷却を加速するため設けられる。しかし尚、広範囲の冷却容量の要求があり、さらに急速降温冷却には、該システムの降温冷却と定常状態のモードの問に改良変更が必要である。
極低温冷却用閉サイクル蒸気圧縮システムにおいては、低い供給圧つまり圧縮機吐出圧を用いると、単段圧縮機の使用が可能である。ところが、このような低圧冷凍機は、高圧早期操作では明らかでなかった問題がある。例えば、図１および図２では、５Ｍｐａより大きい圧縮機供給圧での操作に推奨された冷媒混合物を用いる圧縮サイクル効率を示す。圧縮機吐出で２．５Ｍｐａ以下の圧力で操作するシステムで同一冷媒を用いる場合、効率は大きく低減する。図１と２における混合物Ｎｏ．１、２、および３は、英国特許第１，３３６，８９２号、Alfeevら（１９９３年、１１月）に開示の基本的成分が窒素、メタン、エタンおよびプロパンの種々の割合の混合物を示す。
圧縮機吐出圧が２．５Ｍｐａ未満で運転する際のさらなる問題は、該先行技術混合物には、周囲温度から最短時間で定常状態極低温冷凍温度への降温冷却を得るために、各種レストリクタ（restrictor）装置を必要とすることである。妥当な高速降温冷却用のレストリクタ設定に比較し、定常状態の際の冷媒流の低減と低操作温度の達成のため、該レストリクタ設定を調節することが必要である。
そこで従来、実経験により前記問題を運転担当者が知得しようとも、調節可能な絞り装置の使用が必要であった。そこで、該絞り装置のある一つの設定で降温冷却が行われ、より大きい冷媒流の制限を与える該絞り装置の異なる設定で定常状態操作が行われる。
一般的に従来の報告では、全く異種の熱負荷の問題は、認識されず対処されていない。予知ベースでこのような報告で述べられ示された多サイクルは、実際には、調節可能な膨脹装置が存在しない場合、機能せず実際的ではない、というのは、定常状態操作が始まる前に該クリオスタットを所望の温度に冷却するためにはより長い時間が必要なためである。
絞り装置は容量が一般的に調節可能であって、これは流れ抵抗が可変の流路を与えて行うが、これは、例えば、オリフィスを用いる場合に流れ面積を変更して行う。この可変性を得るためには、該絞り装置の操作温度が低下する際に、流れ面積を変える要素間の相対運動があるよう熱膨脹係数の異なる材料から作製された。そこでこの絞り装置は複雑な装置となる。可変の熱負荷を確実に追跡し、所望の定常状態操作温度に迅速に到って静止するため、自動機械装置が必要で、このため自動膨脹装置の構成に多くの困難が生ずる。
また、手動調節装置のような外部調節可能装置が使用できる。しかし、オリフィスのサイズの精密な制御が難しく、該クリオスタットの外部に制御要素をアクセスできるようにしなければならない場合、熱漏れ問題が悪化する。別個のレストリクタ、例えば、一方では降温冷却のためのレストリクタと他方では定常状態操作のためのレストリクタとが用いられた。
要望されているのは、効率向上のため冷媒混合物を利用し、また、例えば、オリフィスまたは毛管のような、移動部が無い固定絞り装置を用いて、降温冷却と定常状態の操作の負荷の両方を対処するクリオスタット用冷凍システムである。
発明の概要
したがって、本発明の目的は、定常状態操作状態に急速降温冷却する極低温用改善冷凍システムを提供することである。
本発明の他の目的は、移動要素の無い膨脹装置を用いる閉蒸気圧縮サイクルでクリオスタットを操作する改善混合気体冷媒を提供することである。
さらに本発明の他の目的は、全範囲の容量と冷凍温度を提供する固定流量レストリクタを有する改善冷凍システムを提供することである。
本発明では、低沸点で軽い気体成分が基本成分の通常の冷媒混合物にさらに加えられる。この選択された割合の低沸点成分が、始動／降温冷却操作段階から定常状態操作段階にそのサイクルが移る際に該膨脹装置に入る冷媒に生ずる密度変化を小さくする。
これらの軽い気体要素はその基本混合物に加えられるが、これは始動段階ではその膨脹装置（レストリクタ）の入口部では気体であるが、定常状態操作の際にはこのレストリクタの入口部では液体である。これらの密度変化を小さくすることにより次のことが発見された。すなわち、例えば、オリフィス、設定したバルブ、その端部で切り詰められた熱交換チューブ、または毛管のような固定膨張装置を冷凍サイクルで有効に用いて、妥当な期間の降温冷却と、その後の極低温冷凍温度における有効な定常状態操作とを得ることができる。ここで、例えば、所望の結果を得るため通常の基本冷媒混合物にさらに加えることができる軽い冷媒気体には、ネオン、水素およびヘリウムを挙げることができる。
ネオン、水素およびヘリウムのような低沸点成分の添加は、冷媒サイクル操作温度を低減させる目的のためには既知であった。しかしこれら成分を基本冷凍混合物への添加物として用いることは、降温冷却と定常状態の操作の両者に固定レストリクタを用いながら、低安定化操作温度への急速降温冷却を得る目的のためには、これまで既知であることも、また慣行されることもなかった。これら低沸点要素を加えないと、該基本混合物には、供給圧が２．５Ｍｐａ未満で、許容できる降温冷却時間を得るためには、可変絞りバルブが必要となる。
この課題を研究していた際に、本発明者らは、２．５Ｍｐａで降温冷却を開始するときに、この絞り装置に入る気体の密度は、５Ｍｐａの場合の密度の約半分にすぎないことを結論づけた。降温冷却の終了後にこの絞り装置に入る液体の密度はこれら２種の圧力の場合にほぼ同一で変らない。その結果、固定オリフィスと一定供給圧における冷媒の質量流量（mass flow rate）の変化は、２．５Ｍｐａでの降温冷却の場合は、５Ｍｐａでの降温冷却の場合の２倍になる。
また、図１では、先行技術のAlfeevらの英国特許の請求項に記載の４種の混合物Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４に対し、圧縮機の供給圧が５Ｍｐａと２Ｍｐａにおける密度の計算値を示す。これらの比は、図２で供給圧の関数として図示しているが、ここでこの密度比は混合物Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４について５Ｍｐａでは６〜１１の範囲に低下する。Ｎｏ．３及びＮｏ４の混合物も同様のものであるが、Ｎｏ．４の混合物にはネオンが約２０ｍｏｌ％になるよう加えられている。良好な降温冷却性能は、圧力が５Ｍｐａの固定レストリクタ（オリフィス）の場合に見出だされた。
しかし、２Ｍｐａでは、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３の混合物は密度比が２３〜３０の範囲にあって、このため、可変の冷媒流を制限するある種の流量レストリクタを定常状態操作の際より降温冷却の際に制流を小さくする設定で用いない限り、極端に遅い降温冷却となってしまう。
２０％のネオンを加えたＮｏ．４の混合物は、調節可能なレストリクタを用いなくとも、２Ｍｐａおよび５Ｍｐａの両者で良好な降温冷却特性を有する。２Ｍｐａで、この圧力密度比は１１と計算され、これは５Ｍｐａで操作するＮｏ．１〜Ｎｏ．３の混合物の密度比の範囲に非常に近い。
そこで低操作温度が得られる。そして、有効な降温冷却を得るための可変レストリクタは、冷媒混合物の基本成分を調整し低操作圧で該密度比を好ましい範囲にすると、不要となる。
図３では、例えば、ヘリウム、水素またはネオンのような低沸点成分の添加による改質を行わない窒素系冷媒混合物を用いる冷媒システムの挙動を示す。ここで、圧縮機吐出圧Ｐｈ、蒸発器温度Ｔおよび冷媒流量（ｇ／分）が降温冷却時および降温冷却直後にて図示される。調節可能レストリクタのバルブを５回転開放の固定設定にして、３００Ｋ近傍の出発温度から１００Ｋに時間４３分で達し、これは降温冷却の際に該バルブを調節して達成できる最短時間より数分長いのみである。
１００Ｋに冷却後、さらに２０分が、このシステムが平衡に達するためには必要であった。この際、液体冷媒は該冷凍システムの高圧側に蓄積する。約６８分後に１０ワットの熱負荷を加えた時、このシステムの高圧側の液体冷媒の一部が、その圧縮機からの供給圧が増加する際に蒸発した。この質量流量は、降温冷却の際に約４０ｇ／分から１４５ｇ／分に増加し、その入口部圧Ｐｌは６ｐｓｉｇから４０ｐｓｉｇに増加した。
１００Ｋの比較的高い定常状態温度は、軽い気体部分の欠如する冷媒混合物の結果であった。他の因子が同じで、降温冷却後の操作温度を低くするためには、その絞りオリフィスの大きさを小さくする必要がある。このオリフィスの大きさを小さくすると、その温度を低くするが、また冷媒流量を低下させ、そして製造できる冷凍効果の最大速度を低減させる。
ここで窒素系冷媒混合物は、ヘリウム、水素および／またはネオンを新混合物の３％〜２５％の範囲で添加すると、改質される。アルゴン系冷媒混合物は、ヘリウム、水素、窒素およびネオンを新混合物の３％〜２５％の範囲で添加すると、改質される。ここで本発明の説明に用いる百分率の値は、モル分率を表す。
このシステムの圧縮機の容積効率は、圧力比が５〜６の範囲で操作する場合、０．４より大きい。０．１Ｍｐａ（１気圧）より大きく０．４Ｍｐａ（４気圧）未満の圧縮機入口部の圧力の保持は、該サイクルで固定レストリクタを用いて、降温冷却から定常状態の操作への容量範囲でシステム性能に対し適当である。一般的には、２９０Ｋの周囲温度で操作しおよび７０Ｋ〜１２０Ｋの低温を保持する場合、圧縮機吐出部からレストリクタ入口部まで７〜１７の冷媒密度比が望ましい。この密度範囲においては、可変レストリクタを用いることなく有効な降温冷却が得られる。
レストリクタに流入する冷媒と閉サイクルの該蒸発器を流出する同じ冷媒との間の良好な向流再生熱交換器が、良好なサイクル効率のためには不可欠である。
以上のように本発明は、構成と要素の組合わせと部品の配置の特徴からなり、以下に示す構成を例示して説明を続けるが、本発明は請求項でその範囲が示される。
【図面の簡単な説明】
本発明は、さらに十分な理解のため、添付図面と照合、以下の記載を参照説明するが、ここで該添付図面は次の通りである。
図１は、種々の高圧側圧で冷凍サイクルに対する比較データを示す表である。
図２は、図１のデータに基く密度比対供給（高圧側）圧を示す図である。
図３は、ヘリウム非添加窒素系冷凍混合物に対する冷凍降温冷却試験結果を示す図である。
図４は、本発明の単段極低温冷凍システムを模式的に示す図である。
図５は、本発明の冷凍サイクルの温度−エンタルピー線図である。
図６は、窒素系混合物の蒸発器の温度対熱負荷を示す図である。
図７は、ヘリウム添加冷媒混合物の場合の図３と同様の図である。
図８は、さらなるヘリウム添加冷媒混合物の場合の図７と同様の図である。
図９は、本発明のヘリウム含有冷媒混合物に対する密度比を示す表である。
図１０は、図９のデータについて密度比対ヘリウム百分率を示す図である。
図１１は、ヘリウム含有アルゴン系混合物に対する密度比を示す表である。
図１２は、図１１のデータについて密度対ヘリウム百分率を示す表である。
図１３は、図１１のデータについて密度比と液体含量対周囲温度を示す図である。
図１４は、本発明のシステムの冷凍混合物用の候補成分を示す表である。
図１５は、アルゴン系冷凍混合物についての降温冷却時間を示す表である。
図１６は、図１５の冷媒混合物について温度対熱負荷を示す図である。
図１７は、圧縮機動力入力対圧縮機出入口部圧力を示す図である。
好ましい実施の形態の説明
図４と図５において、本発明の改善型冷媒混合物を用いる冷凍機１０を図示する。この冷凍機１０は通常の圧縮機１２を用い、これはその吐出部すなわち高圧側端部１４でアフタークーラ１６に接続し、さらにこれはその出口部がオイルセパレータ１８に接続する。このオイルセパレータ１８からの油分は、この圧縮機１２の低圧側２２へ絞りバルブ２０により流れる。
また、このアフタークーラ１６の出口部２４は、再生熱交換器２６の高圧入口側に接続する。この再生熱交換器２６からの出口部は、膨脹装置２８の入口部に接続するが、これには、例えば、固定オリフィス、固定設定のバルブ、その熱交換器の切取りチューブ、または毛管が挙げられる。蒸発器３０は、膨脹装置２８の出口部と再生熱交換器２６の低圧側とを接続する。この再生熱交換器２６の低圧排出端部３２は、圧縮機１２の低圧入口部２２に接続し、そのサイクルを完結する。
オイルセパレータ１８は、圧縮機１２の下流部に使われ、最終的には蒸発器３０に流れる該冷媒流から液状油を除去する。この液状油はこの圧縮機により潤滑剤として圧送されたものである。この蒸発器３０における過剰量の油は、この蒸発器における伝熱に影響を与え、そのサイクルの容量を低減する。
操作において説明すると、この圧縮器１２は、その低圧入口部２２において蒸発器３０からその混合気体の冷媒とそれに混入した油とを受入し、その高圧吐出部１４において圧縮気体とそれに混入した油とを吐出する。この圧縮気体はアフタークーラ１６の入口部に送られるが、このアフタークーラは空冷（周囲空気）または水冷することができ、その圧縮気体混合物から、圧縮熱を含めた熱を除去する働きをする。
このアフタークーラ１６から出る流れは、ライン２４に沿ってそのオイルセパレータ１８に送られるが、このオイルセパレータは単純な気液フィルターとすることができる。このオイルセパレータ１８は、その圧縮気体混合物とそれに混入した油とを受入し、その気体から油を分離する働きをする。このような分離器は従来既知であって、ここでは詳細に述べない。油は液体としてこのオイルセパレータ１８の下端部３２からその圧縮機１２の低圧部すなわち吸入入口部２２に、絞りバルブ２０を通して送られる。このオイルセパレータに入る圧縮冷媒気体は、このオイルセパレータをその上側部３４で出て、再生熱交換器２６の高圧入口部に流れ、ここで、後述するように、さらに冷媒気体の向流で冷却される。
この再生熱交換器２６の高圧側を出る冷媒混合物は、液体、気体または２相混合物としてその膨脹装置２８に入り、この膨脹装置２８の制流部を流れる際に膨張して低圧になる。この冷媒がその膨脹装置２８を流れる際に、その温度が低下し、この冷媒は低温でその蒸発器３０に入るが、ここで、この蒸発器３０上に置かれた負荷（図示せず）を冷却するのに十分低温である。極低温技術では既知のように、この負荷は真空絶縁クリオスタットに封入されていることが多い。
この蒸発器３０を出る冷媒混合物は気液の２相混合物である。この蒸発器３０からの排出流体は、その再生熱交換器２６の低圧側を流れるが、ここで前述のように、この膨脹装置２８に向かうアフタークーラ１６からの気体流とは向流熱交換の関係で流れる。そこでこの低圧で２相の気／液は、該液体がすべて蒸発するまで、加熱される。次に、これはこの圧縮機１２の入口部２２への戻りで過熱され、それと同時に、気体、液体または２相の冷媒のその膨脹装置２８への流れはさらに冷却される。
図５は、この冷凍サイクルの温度−エンタルピー線図で、例えば、図１の混合物Ｎｏ．３のような冷媒混合物の性質の集りを示す。そこで、この冷媒特性のドーム３６内で、ここで単一成分（純粋）冷媒については、一定圧は一定温度を示すが、該冷媒混合物については、温度は一定圧を示す線に沿って変わる。
図４と図５に用いる符号１〜８は、図４に示す物理的装置における異なる点の熱力学的状態を示す。図４と図５の両図で、最低冷媒温度Ｔｃ（３、４）は、この蒸発器３０内で生じ、最高温度７は、この圧縮機１２からの吐出部１４で生じ、また周囲温度Ｔａは両図で示す。そこで最高温度７が周囲温度を超える際には、システムの設計で、このアフタークーラ１６に冷却体として周囲空気または水を用いることも可能である。
本利用に適する圧縮機は、例えば、本出願の譲渡人に与えられた米国特許第５，３３７，５７２号（１９９４年８月１６日発行）に見出だされる。本出願では、これを引用として含める。しかし、ここで注記すべきことは、本出願を前記特許に記載の圧縮機または圧縮機の種類に限定しないことである。本発明は、この圧縮機１２の低圧側の約０．１Ｍｐａ〜０．４Ｍｐａからこの圧縮機１２の吐出側の約１．５Ｍｐａ〜２．５Ｍｐａまでに関する前記公報記載の種類の気体混合物を圧縮できる他の圧縮機システムでも利用可能である。
従来は、１．５Ｍｐａ〜２．５Ｍｐａでシステムを操作し、また、基本冷媒混合物を有するシステムで固定レストリクタの使用を所望する設計者は、下記のいずれかのオリフィスを選択しなければならない。すなわち、（ａ）妥当な急速度で降温冷却するよう該レストリクタで十分大きいオリフィスを選択し、降温冷却後に蒸発機３０で比較的高い圧力／高い極低温を得るようにするか、または、（ｂ）該オリフィスの小さいサイズを選択し、低速の降温冷却が付随するが、しかし降温冷却後に蒸発器３０でかなり低い圧力／低い極低温を得るようにするか、のいずれかをしなければならない。
本発明により、固定オリフィスで受ける不利益、すなわち、該オリフィスのサイズでの譲歩は、一定の特性を有する冷媒気体混合物により実質的に克服される。固定レストリクタを選択しても、これら新規気体混合物を用いると、可変レストリクタで達成可能な最高の速さとほとんど同じ速さの降温冷却時間を得ることができる。該蒸発器の最低温度と最大容量は、その基本冷媒混合物で得られるものと同じである。
本発明で、降温冷却の際の該レストリクタの入口部におけるその冷媒の密度の変化は、約１７未満の値に保持される。そこで、固定オリフィスで、降温冷却時間は、所定のシステムで可能な最短降温冷却時間の１．５倍以内である。降温冷却の際の絞りバルブにおける密度の変化は、基本冷媒混合物に、ヘリウム、水素および／またはネオンを加えることにより小さくされる。基本混合物とは、定常状態挙動の際のレストリクタ入口部において１００％の液体を与えるものである。
この密度の変化は、ここでは“密度比”と呼ぶが、これは、該熱交換器の高圧側に入る気体冷媒の密度に対するその固定レストリクタの入口部における降温冷却後の該液体冷媒の密度の比である。言換えると、この固定レストリクタの入口部における該冷媒の密度は、そのシステムの始動における該冷媒気体の密度から、降温冷却後のこのレストリクタ入口部に存在する該液体の密度に変る。
密度比が１７未満の場合、低沸点要素のヘリウム、水素および／またはネオンを加えない基本冷媒を用いるシステムに比し、降温冷却の際の該質量流量はそれ程変らず、また降温冷却後のこの圧力はその蒸発器３０でより低い。この混合物に僅か３％のヘリウム、水素および／またはネオンの添加でも、降温冷却後のその蒸発器で、戻り圧はより低く、温度もより低くなる。
図６は、所定の冷凍サイクルで保持された蒸発器温度に対して、定常状態条件下加えられた熱負荷を例示する。ここで実線は、該密度比を所望範囲内にするためヘリウムを加えた窒素系混合物の挙動を示す。６％ヘリウムの添加は、より高い蒸発温度という犠牲においてではあるが、１４％ヘリウムの場合より冷凍容量が一般的により高くなる。
ここで破線のデータは、ヘリウム無添加の基本冷媒混合物についてのデータである。ここではよりフラットな温度対負荷特性が得られるが、これはいくつかの利用の場合に有用とすることができる。この破線の上の曲線は、より大きいレストリクタのオリフィスの場合を表し、このシステムは、より流れを制限したオリフィスを有する下の破線のシステムの場合より、より高い蒸発器温度で操作する。しかし、このより高温の、より大きいオリフィスの構成では、より大きい冷却容量が可能である。
図７と図８は、それぞれ、図６の実線に対応する、ヘリウム添加における降温冷却試験データを示す。６％のヘリウム（図７）添加の場合、降温冷却時間は、図３のヘリウム無添加の降温冷却時間より僅かに短い。降温冷却時間は、該機械的構成が両試験に対し同様であると、実質的に同様と考えられる。実際、図３に示す試験の際には、該蒸発器の冷体質量は、図７の試験の場合より僅かに少ない。
図８では、さらにヘリウムの１４％の添加で、その降温冷却時間が長くなることを示す。これが生じた理由は、冷却効果がヘリウムの添加により低下したためだが、図６に例示のように、生成される蒸発器温度はより低い。また、図７と図８では、該冷媒の流量と圧縮機戻り圧は、ヘリウムがその混合物に添加された場合、ヘリウム無添加の図３の基本混合物の場合のようには増加しないことを示す。降温冷却開始後に最低温度に達するのに要する時間は、図３の試験の約２０分から図７と図８の試験の約５０分にヘリウム添加により長くなる。
そこで、図６では、６％ヘリウムで固定バルブ設定の場合、可変バルブを有するシステムの基本冷凍混合物のヘリウム無添加の場合と、同じ温度範囲で同じ冷却を得ることが可能であることを示す。さらなるヘリウム添加を選択する場合、より低温が、降温冷却時間の増加と最大冷却容量の少しの低下と共に得られる。
固定閉サイクルシステムで利用可能なこの広い範囲の性能特性と共に、この冷却システムにおいては、冷却しようとする負荷（図示せず）の近くでクリオスタットの蒸発器３０付近に小ヒータ３８（図４）を設けることにより、さらなる改善が可能である。このヒータ３８には、検出器４０により求められた負荷温度に応じて変る電流が流されるが、この検出器４０は、このクリオスタット内に配置され、その温度応答信号は、該蒸発器負荷の温度を表すように配置される。そこで、その検出器信号に応答する温度制御器４２を用いて、このヒータ３８の電流は、さらに一定で精密な負荷温度を保持するよう自動的に変えられる。
このように、この改善された冷媒混合物と電気ヒータ３８は一緒になって、可変膨脹装置を必要とせずに、非常に安定した負荷温度を、冷凍サイクルにおける負荷変動や正確な操作点を探索しようとする該冷凍サイクルの傾向にもかかわらず、提供する。このように、手動または自動的に運転されても、純電気的温度制御システムが、該レストリクタの機械的制御に置き換わる。
図９は、種々のｍｏｌ％でヘリウムを加えた基本混合物のＮｏ．５〜Ｎｏ．１０の試験結果を示す。この表とそのデータをプロットした図１０から、ヘリウムのわずか１．５％の添加でも密度比に注目に値する効果があることが分かる。ところで、３％ヘリウムは、密度比の低減に主要な効果を生ずるが、２０％ヘリウムでは、その特性はほとんどの例で実質的にフラットになってしまう。
約３％のヘリウム濃度の場合、２Ｍｐａおよび２９０Ｋの周囲温度において、すべての基本混合物について、前記密度比は１７未満に低減される。このヘリウム濃度を約１５％以上に増加し続けても、その密度比の低減はほとんどの例で僅少で、その降温冷却時間は、ヘリウム無添加で調節可能バルブで達成された最短可能降温冷却時間の１．５倍よりも長くなってしまう。しかし、固定レストリクタを用いると、ヘリウム添加混合物における降温冷却時間は、調節可能バルブを用いる場合の同一ヘリウム混合物における最短降温冷却時間の１．５倍以内にとどまる。そこで、冷媒流制御装置を実質的に簡略化したことに対する引換で、性能が不利益になることはほとんどない。
以上まとめると、最大約２５％までのヘリウム濃度は、冷却容量の犠牲で、より低温を生成し利益となることが可能である。Ｈｅ、Ｈ2および／またはＮｅの添加前の図９に示す基本混合物は、すべて、２９０Ｋで１００％気体状態であり、また本システムが定常状態で操作している場合、降温冷却後に該レストリクタ装置の入口部において１００％液体である。
Ｃ4Ｈ10またはＣ5Ｈ12の濃度が増加すると、液体が一部この熱交換器の暖端部に入ることが可能となる。このために該圧縮機に変更が必要となる。オイルセパレータ１８がその圧縮機１２とアフタークーラ１６間に必要となる。図１１は、混合物Ｎｏ．１１の組成を示すが、これは約１２０Ｋにおいて高効率で冷凍を生ずる混合物である。この混合物は、２９０Ｋおよび２Ｍｐａにおいて液体分率（fraction）を形成するのに十分なＣ4Ｈ10を有する。図１２は、ヘリウム濃度の関数として、密度比、および熱交換機２６の高圧暖入口端部における液体分率の関係を示す。この熱交換器の暖端部に一部液体が入っても、それ自身、その密度比または降温冷却時間を大きくは低減しない。この入口部に７（ｍｏｌ）％の液体が存在しても、その密度比を１７未満に低減するためには、３％より多いヘリウムが必要である。
図１３は、混合物Ｎｏ．１１について周囲温度の関数として、密度比、および熱交換器の暖端部に入る液体分率の変化を示す。このアフタークーラ１６および高圧ラインは、周囲空気の循環で冷却された。この熱交換器２６に入る液体分率の割合が大きく、ヘリウム量が最小である混合物Ｎｏ．１１においてさえ、この密度比は、約２９０Ｋの標準周囲温度より十分高いまたは十分低い周囲温度でも、迅速な降温冷却が得られる範囲のままであった。
本発明の混合物はすべて下記のような混合物である。すなわち、標準沸点が７７Ｋより高く、３重点温度は１２５Ｋ未満であり、７７Ｋ〜１２０Ｋの温度範囲の冷凍を行うことができ、ここでその圧縮機への戻り圧は０．１Ｍｐａ〜０．４Ｍｐａであり、この圧縮機吐出における供給圧は１．５Ｍｐａ〜２．５Ｍｐａであり、またこのアフタークーラ１６は室温近くで操作するものである。これら混合物は、その操作サイクル全体を通して固相を形成しない。この冷媒混合物に選択する成分は、１２０Ｋ以上では凍結しないものである。
試験結果から、これら混合物成分をそれらの標準沸点に基き３つのグループに分類することができる。
ａ）２０％〜７５％の気体で、標準沸点が７７Ｋ〜１２０Ｋであり、３重点温度が１２５Ｋ未満であり、別々または組合わせである。
ｂ）１０％〜６０％の気体で、標準沸点が１２０Ｋ〜２００Ｋであり、３重点温度が１２５Ｋ未満であり、別々または組合わせである。
ｃ）０％〜５５％の気体で、標準沸点が２００Ｋより高く、３重点温度が１２５Ｋ未満であり、別々または組合わせである。
これら基本混合物には、７７Ｋより高い超臨界気体、すなわち、ヘリウム、水素および／またはネオンが３％〜２５％加えられる。
より具体的には、窒素、一酸化炭素、アルゴン、酸素、メタンおよびクリプトンを、別々にまたは組合わせで、各成分は２０％〜７５％の範囲で、３％〜２５％のヘリウム、水素およびネオンと共に用いることができる。
ＣＦ4、Ｃ2Ｈ4、Ｃ2Ｈ6、ＣＣｌＦ3およびＣＨＦ3を、別々にまたは組合わせで、各成分は１０％〜６０％の範囲で、３％〜２５％のヘリウム、水素および／またはネオンと共に用い、本発明の目標を達成できる。
図１４に、標準沸点が７７Ｋより高く、３重点温度が１２５Ｋ未満で、基本冷凍混合物に含み得る気体であって、これに本発明に従って、ヘリウム、水素および／またはネオンを加えることができる気体の一部を示す。
図１５は、固定システムにおけるアルゴン系混合物Ｎｏ．１２とＮｏ．１３のデータを示し、これに本発明によりヘリウムを加えることができる。図１６はこれら混合物の性能を示す。
この固定レストリクタ２８については、毛管が好ましい。なぜなら、これはその冷媒中の異物により閉塞を受けることが最も小さいためである。しかしまた、固定オリフィス、固定設定を有する調節可能バルブ、または冷端部（図示せず）近辺に流れを制限する制流部を形成するよう作成した高圧熱交換チューブが、本発明の概念を実現するため有用なものである。
好ましい圧縮機に、コストと信頼性の観点からは、前記特許第５，３３７，５７２号に記載された、単段、油潤滑の圧縮機が挙げられる。図１７は、戻り圧と供給圧の関数としてこの圧縮機に対し計算した等エントロピー動力入力のプロットを示す。実際の動力入力は、図１７に示した値より約２．３倍大きいものである。図１７における曲線は、降温冷却の間、さらには降温冷却の後の動力変化を重ねて示す。一般的に降温冷却時間は、その動力入力を送り得る最大近くに保持する場合、最短になる。絞りバルブとして毛管を用いるシステムにすると、その動力は降温冷却全体を通して最大のままであり、これは好都合なことである。
また、特定の圧力範囲で操作する他の種類の圧縮機（図示せず）も使用可能である。可変速度駆動または可変排気量の圧縮機も使用可能である。これらの機能を適用し、固定バルブで降温冷却時間をさらに短縮することができるが、これは、排気速度を増加して供給−戻り圧の減少を防止し、また最大動力入力で操作して行うことが可能である。定常状態操作の際、可変の速度または排気量の圧縮機を用いて、低負荷において動力入力を低減することができる。
以上の説明から明白なように前記した本目的は有効に達成されるが、以上のシステムは本発明の精神と範囲を逸脱することなくさらに変形が可能で、前記の記述および図面に包含されるすべての事項は本発明の一例であって本発明を限定するものではない。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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