| 【発明の名称】 |
極低温冷却装置の冷媒供給方法及び装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】大場 章弘
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| 【要約】 |
【課題】ジュールトムソン冷却器を低温環境で使用する場合でも、その冷却能力の低下を防止し、さらには、冷却能力を増加させることもできる極低温冷却器の冷媒供給方法及び装置を提供する。
【解決手段】高圧容器１５をヒーター１９で加熱することにより冷媒温度を上昇させて圧力を高め、冷却器１６で温度のみを低下させてからジュールトムソン冷却器１１に供給する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 高圧容器からの冷媒を、高圧冷媒導入管からジュールトムソン冷却器に供給して膨張させることにより低温を発生する極低温冷却装置の冷媒供給方法において、前記高圧容器内の冷媒を加熱しつつ前記ジュールトムソン冷却器に供給することを特徴とする極低温冷却装置の冷媒供給方法。
【請求項２】 前記高圧冷媒導入管の冷媒を冷却しつつ前記ジュールトムソン冷却器に供給することを特徴とする請求項１記載の極低温冷却装置の冷媒供給方法。
【請求項３】 前記高圧容器内の冷媒の加熱は、冷媒の温度を一定にするように調節しながら行うことを特徴とする請求項１記載の極低温冷却装置の冷媒供給方法。
【請求項４】 前記高圧容器内の冷媒の加熱は、前記高圧冷媒導入管の圧力を一定にするように調節しながら行うことを特徴とする請求項１記載の極低温冷却装置の冷媒供給方法。
【請求項５】 前記高圧冷媒導入管の冷媒の冷却は、大気を冷却源として行うことを特徴とする請求項２記載の極低温冷却装置の冷媒供給方法。
【請求項６】 前記高圧冷媒導入管の冷媒の冷却は、冷却用流体を冷却源として行うことを特徴とする請求項２記載の極低温冷却装置の冷媒供給方法。
【請求項７】 高圧容器からの冷媒を、高圧冷媒導入管からジュールトムソン冷却器に供給して膨張させることにより低温を発生する極低温冷却装置の冷媒供給装置において、前記高圧容器を加熱する加熱手段を設けるとともに、前記高圧容器の温度を検出する温度検出手段からの温度信号及び前記高圧冷媒導入管の圧力を検出する圧力検出手段からの圧力信号の少なくともいずれか一方の信号に基づいて前記加熱手段の加熱容量を制御する加熱容量制御手段を設けたことを特徴とする極低温冷却装置の冷媒供給装置。
【請求項８】 前記高圧冷媒導入管は、その途中に、大気又は冷却用流体を冷却源とした熱交換型冷却器を備えていることを特徴とする請求項７記載の極低温冷却装置の冷媒供給装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、極低温冷却装置の冷媒供給方法及び装置に関し、詳しくは、赤外線素子等の冷却に用いるジュールトムソン冷却器を使用した極低温冷却装置における冷媒の供給方法及び装置に関するものであって、特に、寒冷地や高層大気環境で用いられる極低温冷却装置に適した冷媒の供給方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】サーモグラフィ等の赤外線素子の冷却手段として、ジュールトムソン冷却器が用いられている。このジュールトムソン冷却器を用いた極低温冷却装置を図２に示す。ジュールトムソン冷却器１は、冷媒であるアルゴンや窒素等の高圧冷媒をオリフィス２から噴出させ、ジュールトムソン効果を利用して低温を発生することにより被冷却物３を冷却するものであって、高圧冷媒の供給手段としては、高圧容器４が一般に用いられている。
【０００３】被冷却物３の冷却時、高圧容器４に充填された高圧冷媒は、供給元弁５が開かれることによって高圧冷媒導入管６を通り、ジュールトムソン冷却器１の熱交換器７の高圧側流路（管内）７ａへ導かれ、さらにジュールトムソン冷却器１のオリフィス２から噴出して大気圧程度まで膨張し、ジュールトムソン効果により温度が降下して液化する。
【０００４】液化して低圧となった冷媒は、先端部で赤外線検知器等の被冷却物３を冷却した後、再びガス化して低圧冷媒となり、熱交換器７の低圧側流路（管外）７ｂを通って高圧側流路７ａの高圧冷媒と熱交換を行い、熱交換器７に流入する高圧冷媒の温度に略近い温度まで上昇して温端から大気中に放出される。なお、ジュールトムソン冷却器１は、真空断熱容器（真空デュワ）８内に収納されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述のようなジュールトムソン冷却器１における発生寒冷は、前記熱交換器７の温端における高圧冷媒と低圧冷媒とのエンタルピー差、すなわち、熱交換器温端における低圧冷媒のエンタルピーから熱交換器温端における高圧冷媒のエンタルピーを差し引いた値に、オリフィス２から噴出する冷媒の質量を乗じた値で表されるが、このような冷却装置を、低温雰囲気、例えば寒冷地や高層大気中で用いた場合等には、高圧容器４が冷却されてしまうことにより、高圧容器４内の冷媒充填圧力が減少してしまい、熱交換器温端の高圧側に供給される高圧冷媒のエンタルピーが増加し、エンタルピー差の減少、即ち冷却能力の低下を招いてしまうという欠点があった。
【０００６】そこで本発明は、このような低温環境で使用する場合であっても、ジュールトムソン冷却器の冷却能力の低下を防止し、さらには、冷却能力を増加させることもできる極低温冷却器の冷媒供給方法及び装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、本発明の極低温冷却装置の冷媒供給方法は、高圧容器からの冷媒を、高圧冷媒導入管からジュールトムソン冷却器に供給して膨張させることにより低温を発生する極低温冷却装置の冷媒供給方法において、前記高圧容器内の冷媒を加熱しつつ前記ジュールトムソン冷却器に供給することを特徴としている。
【０００８】さらに、本発明の極低温冷却装置の冷媒供給方法は、前記高圧冷媒導入管の冷媒を冷却しつつ前記ジュールトムソン冷却器に供給することを特徴としている。また、前記高圧容器内の冷媒の加熱は、冷媒の温度を及び／又は前記高圧冷媒導入管の圧力を一定にするように調節しながら行うことを特徴とし、前記高圧冷媒導入管の冷媒の冷却は、大気あるいは低温液化ガス等の冷却用流体を冷却源として行うことを特徴としている。
【０００９】また、本発明の極低温冷却装置の冷媒供給装置は、高圧容器からの冷媒を、高圧冷媒導入管からジュールトムソン冷却器に供給して膨張させることにより低温を発生する極低温冷却装置の冷媒供給装置において、前記高圧容器を加熱する加熱手段を設けるとともに、前記高圧容器の温度を検出する温度検出手段からの温度信号及び前記高圧冷媒導入管の圧力を検出する圧力検出手段からの圧力信号の少なくともいずれか一方の信号に基づいて前記加熱手段の加熱容量を制御する加熱容量制御手段を設けたことを特徴とし、さらに、前記高圧冷媒導入管の途中に、大気又は冷却用流体を冷却源とした熱交換型冷却器を備えていることを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１は本発明を適用した極低温冷却装置の一形態例を示す系統図である。この極低温冷却装置は、従来の極低温冷却装置と同様に形成されているジュールトムソン冷却器１１，真空デュワ１２，供給元弁１３，高圧冷媒導入管１４，高圧容器１５を備えるとともに、ジュールトムソン冷却器１１における冷却給能力を向上させるための冷媒供給装置として、前記高圧冷媒導入管１４に設けた冷却器１６及び圧力検出手段１７と、前記高圧容器１５に設けた温度検出手段１８及び加熱手段としてのヒーター１９と、加熱容量制御手段としてのヒーター出力制御手段２０とを備えている。
【００１１】前記ヒーター１９は、高圧容器１５を外部から加熱するように、容器胴部に巻き付けられており、ヒーター出力制御手段２０によってその加熱容量が制御されている。ヒーター出力制御手段２０は、圧力検出手段１７で検出した高圧冷媒導入管１４内の冷媒圧力及び温度検出手段１８で検出した高圧容器１５の冷媒温度のいずれか一方の信号、あるいは双方の信号に基づいて前記ヒーター１９に供給する電力を制御する。
【００１２】例えば、通常は、圧力信号に基づいて、高圧冷媒導入管１４内の冷媒圧力が所定の圧力まで上昇するように高圧容器１５を加熱するとともに、高圧容器１５の温度が上限に達したときに、温度信号によってヒーター１９を停止するように設定することができる。一方、温度信号で所定の温度になるように高圧容器１５を加熱し、高圧冷媒導入管１４内の冷媒圧力が上限に達したときにヒーター１９を停止するようにも設定することができる。また、高圧冷媒導入管１４内の冷媒圧力が低下したときにヒーター１９を作動させ、所定の圧力に達したときにヒーター１９を停止させたり、高圧容器１５の温度が低下したときにヒーター１９を作動させ、所定の温度に達したときにヒーター１９を停止させたりすることもできる。これらの設定は、極低温冷却装置の仕様や運転状態により、両者を適宜に組み合わせて制御を行うようにしてもよく、いずれか一方のみを設けて単独で制御を行うようにしてもよい。
【００１３】前記冷却器１６は、冷却源として大気や適宜な冷却用流体を使用して冷媒を冷却するものであって、ジュールトムソン冷却器１１に導入する冷媒の温度を、圧力をほとんど低下させることなく冷媒に応じた最適な温度に冷却するために設けられている。すなわち、前記ヒーター１９により加熱された冷媒がジュールトムソン冷却器１１に導入されると、該ジュールトムソン冷却器１１における冷却能力が低下することがあるので、加熱後の冷媒温度と、ジュールトムソン冷却器１１への導入温度との関係により必要に応じて設けられる。この冷却器１６の冷却源は、冷媒の種類，ジュールトムソン冷却器１１への導入温度等に応じて任意に選択することができ、常温程度への冷却ならば大気や水を用いることができ、より低温に冷却する場合は、冷凍機の冷媒や低温液化ガスを冷却用流体として用いることができ、形式も熱交換型冷却器等、任意の形式を用いることができる。
【００１４】次に、本形態例に示す冷媒供給による効果を、極低温冷却装置を高度２０ｋｍの高層大気中で用いた場合を例に挙げて説明する。まず、ジュールトムソン冷却器１１の発生寒冷は、前述のように、ジュールトムソン冷却器１１の熱交換器温端１１ａにおけるエンタルピー差に、オリフィス１１ｂから噴出する冷媒の質量流量を乗じた値で表されるから、利用可能な冷媒の質量流量を同じとすると、本形態例と従来装置とにおける発生寒冷の違いは、エンタルピー差の違いで表される。したがって、以下の説明では、冷媒の質量流量を同じとしている。
【００１５】高度２０ｋｍの大気の温度及び圧力は、それぞれ２２０Ｋ，０．０６ａｔｍ程度となる。図２に示す従来の極低温冷却装置において、高圧容器４が特別な断熱措置をなされることがない場合には、高圧容器４も大気温度と同じ２２０Ｋとなる。高圧容器４の地上における充填圧力を、温度３００Ｋにおいて１５０ａｔｍとすると、高度２０ｋｍ、すなわち、２２０Ｋでジュールトムソン冷却器１へ供給される圧力は１１０ａｔｍとなる。
【００１６】冷媒をアルゴンとした場合、ジュールトムソン冷却器１の熱交換器温端における高圧冷媒のエンタルピーは２９２Ｊ／ｇとなり、このときの低圧冷媒のエンタルピーは、温度を２１８Ｋ，圧力を０．０６ａｔｍとすると３０６Ｊ／ｇとなり、ジュールトムソン冷却器１の熱交換器温端におけるエンタルピー差は１４Ｊ／ｇとなる。
【００１７】次に本形態例においては、高度２０ｋｍにおいて２２０Ｋまで温度の下がった高圧容器１５内の高圧冷媒を、高圧容器１５の外周に巻き付けたヒーター１９で３００Ｋまで加熱することにより、圧力を１１０ａｔｍから１５０ａｔｍまで上昇させることができる。この状態で高圧容器１５の供給元弁１３を開くと、冷媒であるアルゴンガスは、高圧冷媒導入管１４を通り、冷却器１６で冷却されてからジュールトムソン冷却器１１の熱交換器高圧側へ導入される。
【００１８】冷却器１６が空冷の場合、冷媒アルゴンの温度は２５０Ｋまで降下するが、圧力は１５０ａｔｍに保たれたままとなる。このとき、熱交換器低圧側、すなわち、ジュールトムソン冷却器１１から排出される低圧冷媒の温度は２４８Ｋ，圧力は０．０６ａｔｍとなる。したがって、この状態におけるジュールトムソン冷却器１１の熱交換器温端１１ａにおける高圧冷媒及び低圧冷媒のエンタルピーは、それぞれ２８４Ｊ／ｇ、３２１．５Ｊ／ｇとなり、そのエンタルピー差は３７．５Ｊ／ｇとなる。したがって、従来と比べ発生寒冷が約２．７倍に増加する。
【００１９】また、本形態例において、冷却器１６による冷却が十分に行われなかった場合、例えば、極端な例として、ジュールトムソン冷却器１１に供給される熱交換器温端１１ａにおける高圧冷媒の温度が３００Ｋ，圧力が１５０ａｔｍであり、低圧冷媒の温度が２９８Ｋ，圧力が０．０６ａｔｍである場合でも、エンタルピーは、それぞれ３２３Ｊ／ｇ、３４９Ｊ／ｇとなり、エンタルピー差は２６Ｊ／ｇとなるので、従来と比べて発生寒冷が約１．８倍に増加する。
【００２０】上述の説明では、冷媒としてアルゴンを用いたが、冷媒としてネオンを用いた場合は次の通りとなる。ネオンは、１ａｔｍにおける沸点が２８Ｋであり、冷媒としてアルゴンや窒素を用いた場合に比べて被冷却物をより低温に冷却することができる。ネオンを冷媒として用いる場合、ジュールトムソン効果によってネオンを液化するためには、膨張前に逆転温度以下までネオンを予冷する必要がある。すなわち、ジュールトムソン冷却器１１に導入する前にネオンを十分に冷却しておく必要がある。このような場合、冷却器１６を熱交換型に形成するとともに、冷却用流体として液体窒素等の低温液化ガスを使用することにより、冷媒であるネオンを８０Ｋ程度まで予冷することができる。
【００２１】この場合も、上述のアルゴンを用いた場合と同様に、高圧容器１５を３００Ｋまで加熱することにより、ジュールトムソン冷却器１１に供給するネオンの圧力を、常温における充填圧力に保ったまま、温度を８０Ｋ程度まで冷却することが可能となり、高度２０ｋｍで使用した場合の冷却能力の低下を防止できる。
【００２２】このように、冷却用流体は、冷媒の種類に応じて種々選択することができる。冷媒と冷却用流体との組み合わせは、他に、水素と窒素，水素とアルゴン，水素とヘリウム，ネオンとヘリウム等を挙げることができる。
【００２３】なお、上記説明では、ジュールトムソン冷却器１１を、地表面に比べて冷却能力が低下する高層大気中で用いる際に、高圧容器１５を３００Ｋに加熱することによって冷却能力の低下を防止する場合について説明したが、３００Ｋ以上に加熱して冷媒圧力を更に高めることにより、ジュールトムソン冷却器１１における冷却能力を向上させることができる。同様に、通常の地上大気中でも、高圧容器１５を常温以上に加熱して冷媒圧力を上昇させることにより、ジュールトムソン冷却器１１の冷却能力を高めることができる。
【００２４】また、加熱手段としては、前記ヒーター１９の他、スチームや温水，加熱ガス流体等を用いることもできる。この場合の加熱容量制御手段は、スチーム，温水，加熱ガス流体等の導入管に流量調節弁を設け、該流量調節弁の開度を前記温度信号や圧力信号で調節するように形成すればよい。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の極低温冷却装置の冷媒供給方法及び装置によれば、ジュールトムソン冷却器へ冷媒を供給する高圧容器を加熱して冷媒圧力を高めることにより、ジュールトムソン冷却器の冷却能力を増加させることができる。特に、ジュールトムソン冷却器を、寒冷地や高層大気中等の低温雰囲気で用いる場合に有効であり、簡単な構成で効率よくジュールトムソン冷却器の冷却能力を向上させることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００２３１２３５
【氏名又は名称】日本酸素株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年８月４日（１９９８．８．４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８６２１０
【弁理士】
【氏名又は名称】木戸 一彦 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−５５４９０（Ｐ２０００−５５４９０Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年２月２５日（２０００．２．２５） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−２２０８６０ |
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