JPH02504182A - １次及び２次フローパスを備えた熱交換器を具備する低温冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ｉ；ＫＡゲ２シにフローｌ＆を講えイ乏この発明は冷却装置、特に熱交換器を用 いた低温冷却装置過去数十年、非常に小さな空間で約８″に乃至１５０°にの信 頼できる低温を提供するためのコンパクトな低温冷却装置が開発されてきた。今 日のより性能が高い低温冷却装置は熱交換器を用いて撹拌サイクル、分割撹拌サ イクル、ギフオード−マクマホンサイクル、ツルベイサイクル、パルス管サイク ル及びビルミア（Ｖ　ｕｌ　１１ｅｕｍ１ｅｒ）サイクルのような各種の冷却サ イクルを行っている。通常特別の冷却構造内で往復運動をする変位部材あるいは ピストンのいずれかに熱交換器を導入して、このような動作サイクルの１つを達 成している。

例えば、従来の熱交換低温冷却装置には流体密の閉チャンバ内に変位部材が設け られることがある。この変位部材によってチャンバが２つのより小さなチャンバ 、すなわち温チャンバ及び冷チャンバに分割される。変位部材内には通常金属ス クリーンのマトリックスを備え温チャンバ及び冷チャンバへの各端部で開口して いる円筒状孔を保持する熱交換器が具備されている。従って熱交換器を通してガ スは１つのチャンバから他のチャンバに流れる。

通常の動作では、変位部材／熱交換器が流体密の閉チャンバ内で前後に往復して 、温チャンバ及び冷チャンバの大きさが変わりその間をガスが通過する。冷チャ ンバは冷却が生じる領域であり、赤外線センサーのような冷却されるべき装置が 設けられる位置である。このような装置を冷却するために、温チャンバには高圧 流体が導入され、熱交換器を通って変位部材の端部の孔を通って冷チャンバに出 る。高圧流体は熱交換器を通過する際に冷却される。変位部材は温端部に向かっ て移動し、冷チャンバの容積を増大させると同時に冷チャンバをより高圧のガス で満たす。次に温チャンバ及び冷チャンバ内の圧力が減少し、それによって冷チ ャンバ内のガスが熱交換器を通して後方に抽出され、はぼ室温で温チャンバ中に 出る。従って冷チャンバ内のガスが膨張してこのガスの温度が低下する。冷却さ れたガスは熱交換器を通過する前に冷部で熱を吸収する。次に変位部材が冷チャ ンバに向かって移動し、なお低圧ガスを含む冷チャンバの容積が減少する。再び 高圧流体が温チャンバに導入されて熱交換器を通して冷部分に移動し、冷チャン バの圧力が上昇する。冷チャンバ圧力がこのように上昇すると、内部のガスの温 度も上昇する。しかし冷チャンバから取られる熱はこのチャンバに入る熱よりも 大きいため、冷チャンバには結果として冷却効果が起こり、望ましい冷却が行わ れる。

歴史的に見ると、熱交換器と冷チャンバの間の熱伝達路は熱交換器の端部にある 孔によって構成されていた。端部孔により熱交換器を出るガスは冷チャンバの端 部壁に向けられる。この方法によって冷却装置の冷端部で効率的な熱伝達が行わ れ、例えば米国特許第３８７７２３９号及び第３９１３３３９号（両特許とも本 願の出願人に譲渡されている）明細書に記載されている。しかし冷却能力のより 大きな冷却構造が開発され、それによって冷却装置とその各々の部品の大きさが 増大するにつれて、端部孔による冷チャンバへの熱伝達は効果的なものではなく なった。端部孔に代わって、例えば米国特許第３２１８８１５号及びＭ３３０３ ６５８号明細書に記載されているような変位部材の端部付近に設けられた放射孔 が用いられた。放射孔を用いた冷却装置では、ガスは冷却装置を出て冷チャンバ の環状の内壁に衝突する。このガスは冷チャンバのより大きな表面上で分散する 。従って熱はより大きな領域上の冷チャンバ壁から熱が移動し、端部孔による熱 伝達よりも大きな熱伝達係数が可能であった。

今日の冷却装置は軍事用及び一般的な市販用に必要な大きさ及び重量に見合うよ うにより小さく作られるようになっている。さらに遠隔においても電子装置を冷 却するためにますます小型の冷却装置が用いられるにつれて、信頼性が高く、効 率が高くまた長期間メンテナンスの必要のない冷却装置が必要とされている。現 在の大体の冷却装置では、性能の損失または故障の主な原因は、熱交換器から冷 端部への通路を遮断する凝縮汚染物質の冷凍によって生じる。ポンプ及び焼成を 含む激しい清掃工程を導入することもできるが、動作流体で満たした後に望まし くない量の凝縮汚染物質はなお冷却装置内に存在する。その上冷却装置の部品部 分間の化学反応によってさらに汚染物質が生成される。現在まで多年にわたって 産業界で問題になってきたこのような汚染問題を効果的に処理する冷却装置は実 現していない。

発明の概要 従りて本発明の目的は先行技術で可能な寿命よりもさらにずっと寿命の長い低温 冷却装置を提供することである。

本発明の別の目的は比較的高い周囲温度でより信頼性の窩い動作を行）低温冷却 装置を提供することである。

本発明の特徴は変位部材あるいはピストンに放射状及び端部の両方に孔を設けて 、汚染物質が詰まって冷却装置の冷端部の動作流体の流れが遮断されることが容 易に阻止されることである。

本発明の利点は、端部孔及び放射孔が一次及び二次流路を提供して、冷却装置に ほとんどコストを付加せずに低温冷却装置の寿命が１０倍以上増大されることで ある。

本発明による低温冷却装置は熱交換マトリックスを保持する変位部材（あるいは ピストン）を具備している。この熱交換器の冷却端部には複数の放射孔及び１個 の端部孔があり、冷却装置の熱交換器と冷チャンバ間のフローバスを形成してい る。

本発明のその他の目的、利点及び特徴は、添付請求の範囲を参照して以下の本発 明の望ましい実施例の詳細な説明から明かである。

図面の簡単な説明 図は本発明による低温冷却装置の断面図である。

発明の詳細な説明 図面を参照すると低温冷却装置１０が示されており、この冷却装置は液密の容器 を備え、それはハウジング１２、ハウジング端部キャップ１４、細長い円筒管１ ６及びプラグ１８を具備している。ハウジング端部キャップ１４は円筒状であり 、その外部には熱伝達のための環状の鰭が備えられている。ハウジング１２を通 ってによって一端部から他端部に軸孔が延在している。

ハウジング１２にはさらにフランジ２２があり、通常は冷却装置ｌＯを支持部材 （図示されていない）に固定させるのに用いられる。ハウジング端部キャップ１ ４はハウジング】２のねじを切った端部に振込まれ、その間を押圧シール２０に より液密状態にされている。円筒管ＩＢはインコネルあるいは他の強度の高い材 料で形成され、ハウジング１２の他端部にハンダ付けあるいは他の方法で接着し て２つの部材が一体となって内部に長い円筒状チャンバを形成している。プラグ １８は円筒管１６の他端部を密閉するが、これは通常例えばハンダ付けによって 接着される。プラグ１８は冷却装置の冷却端部を形成し、通常例えば銅やニッケ ルのような冷却温度で高い熱伝導性を有する材料から成る。電子センサー１７の ような冷却される装置は通常プラグ１８に固定される。

細長い円筒管ＩＢの内部にあってハウジング１２中に延在する変位部材２４は自 由に浮動する。機械的なバネが取着けられた非浮動性変位部材も用いることがで きる。変位部材２４は例えばエポキシを含浸させたファイバガラスによって形成 することができる。変位部材端部キャップ５６はプラグ１８に最も近接した変位 部材２４の端部上に摺動可能に設けられており、例えばエポキシによってこの端 部に接着される。変位部材端部キャップ５６は例えばファイバガラスによって形 成することもできる。変位部材２４によって管１Ｂの内部で形成された細長いチ ャンバは管１６の冷却端部における冷部分２６とハウジング１２の内部の温部分 ２８に分割される。ライダー３０は例えばテフロンやルロンのリングから形成さ れ、変位部材２４の冷却端部付近の環状の溝内に変位部材２４の周囲に設けられ ている。ライダー３０は円筒管１６の内壁ＢＯに通常０．００２インチのクリア ランスを保持してぴったりと設けられているため、変位部材２４が管１６の内部 で前後に往復運動する際にこれを案内する。

変位部材２４の端部はハウジング１２の内部でビン３４によってプランジャ３２ に接続している。プランジャ３２はナツト４０によって、ハウジング１２の内壁 ３８に対してぴったりと取り付けられているブッシング３６の内部に往復運動す るように設けられている。ブッシング３６とハウジング１２の内壁８８の環状溝 の間に設けられたＯリング４２は第３の部分４４を温部分２８から遮断する。第 ３の部分４４には加圧ガスを封入して部分的に変位部材２４の往復運動に応答す るようにすることもできる。例えばスプリングや電気モータのような他の手段を 用いて変位部材を往復運動させることもできる。プランジャ３２は第３の部分４ ４に延在し、第３の部分４４の端部に固定され留具として作用するゴムバンパー ４６が具備されている。

変位部材２４の内部には熱交換器４８が設けられている。熱交換器８は円筒状の チャンバであり、通常は内部にステンレスのディスク型スクリーン５０が重ねら れて満たされている。もちろんスクリーンの大きさは冷却装置の望ましい冷却能 力及び動作速度によって異なる。熱交換器のチャンバを満たすために例えば鉛の ボールやワイヤのように他の材料を用いることもできる。

熱交換器４８はその一端部が通路５２によって温部分２８に開口している。熱交 換器４８の他端部は冷部分の端部壁に向いている端部孔５４によって冷部分２６ に開口している。熱交換器４８はさらに円筒管１６の環状内壁６０に面している 複数の放射孔５８１；よって冷部分２６に開口している。変位部材２４の冷却端 部部分の外壁と円筒管１６の環状内壁６０の間の狭い環状通路６２によって、放 射孔から冷部分２６への流体通路が形成されている。放射孔５８の全体の断面の 大きさは端部孔５４の断面の大きさとほぼ等しく、放射孔と端部孔が同一の全体 フロー領域を形成することが望ましい。しかし特定の冷却装置が必要とする流れ 特性によってはより大きいあるいはより小さい孔を用いることもできる。４乃至 ８個の放射孔が管１６の周囲に同心円上に等間隔で設けられることが望ましい。

ピストン駆動コンプレッサ６８のような流体付勢駆動システムによって、導管６ Ｂを通して冷却装置の温部分と液密の伝達が行われる。このコンプレッサにより 高圧流体及び低圧流体の交互パルスが温部分に与えられる。コンプレッサはロー タリ型でもリニア型でも良い。コンプレッサの動作中、第３の部分４４にはシス テムの残りと同一の冷却ガスが充填され、温部分２８の平均圧力である。プラン ジャ３２とブッシング３６の間の漏れによって第３の部分４４の圧力は温部分２ ８の平均圧力に維持される。コンプレッサから高圧パルスが送られる、温部分２ ８に高圧ガスが入り、熱交換器４８を通過する際に冷却されて、冷却端部におけ る冷却温度よりわずかに上の温度で端部孔５４を通って出る。変位部材２４は温 部分２８に向かって移動するため、冷部分２６のガスは膨張してガスはさらに冷 却される。

コンプレッサの圧力が高から低へ循環し、冷部分２Ｂからの冷却ガスは熱交換器 ４８中を通路５２によって抽出されてそこから温部分２８に出ていく。温部分２ ８内のガスの温度はノ＼ウジング１２の周囲の室温より上であるため、熱はハウ ジング１２を通して温部分２８から引き出される。次に変位部材２４が冷部分２ ６に向けて移動し、この冷部分２６内のガスにわずかな熱を与えるが、この熱は 引き出される熱よりは小さい。従って冷却装置１０の冷却端部２６においては結 果として冷却効果が起こる。

上記の工程では端部孔５４は熱交換器４８と冷部分２Ｂの間を通過するガスの一 次流体流路として作用する。冷却動作中、グリースおよびベアリング材料の反応 によってコンプレッサ内には液体汚染物質が生成される。この汚染物質の生成は ロータリコンプレッサの場合に最も縣著であるが、リニアコンプレッサにおいて も少量見られる。コンプレッサの運転が停止されると、この液体汚染物質は通常 冷却装置の最も低温部性分、すなわち冷部分２６の領域に集められる。従来の冷 却装置ではこの汚染物質が端部孔に集積して冷却装置の性能を低下させ、ついに は動作流体のフローが遮断されて冷却装置が故障してしまう。

本発明による冷却装置の放射孔５８は二次流体流路として作用し、−次端部孔５ ４が遮断されると交代の流体流路を提供する。実際には放射孔５８によって冷却 装置の寿命は１０倍以上にも延びる。従来の技術では放射孔によって熱交換器の 長さが不所望に減少し冷却効率も低下するため、より小さな冷却装置では用いな いと考えられている。しかし二次放射孔によって冷却装置の寿命は増大し、性能 の低下を十分に補償してそれを上回るものである。

ある特定の例では、実際に図示されているように構成され任意の放射孔５８を用 いないこと以外はここに示されているような３つの低温冷却装置について動作寿 命の試験を行った。

この３つの冷却装置はロークリコンプレッサを用いた１／４ワット分割撹拌サイ クル低温冷却装置である。３つの冷却装置すべてには外径が約０．１８５インチ の変位部材を有していた。熱交換チャンバの直径は約０．１２５インチであり、 端部孔の直径は約０．０６０インチであった。この３つのユニットを寿命を加速 するために厳しい環境条件においた。

２４時間サイクルで３つのユニットをまず室温で（２４℃）で１時間、次に５５ ℃で２２時間動作させ、最後に１時間通電を停止した状態にした。ユニットは故 障して冷却できなくなるまでこの方法で継続的に循環試験を行なった。そして３ つのユニットは４２．４８及び２４時間の動作の後にそれぞれ故障した。同じ３ つのユニットは約０．３０インチの二次放射孔を、変位部材の端部から約０．４ ０インチ離して変位部材の周囲に同心円上に等間隔に配置して付加することによ っで変形した。３つのユニットは同じ試験条件にさらされ、それぞれ４３８時間 、２６０時間及び１３９時間動作した。

寿命の上昇は最高１０倍以上に達し、平均でも約７．３倍増加した。

上記の望ましい実施例は本発明の技術範囲から逸脱することなく種々変形するこ ともできる。例えば大きさ及び形状を変えたさらに多くの、またはもっと少ない 孔を使用することができる。さらに冷却装置が図示され熱交換器と共に変位部材 を具備するように記載されているが、本発明の原理は熱交換器と共にピストンを 用いる冷却装置に適用することもできる。従って本発明は特定の実施例について 図示され記載されているが、当業者には明確な変形が添付請求の範囲に記載され ている本発明の原理及び技術範囲内にあることは理解されるべきである。

−・り 国際調査報告 ｍ−−−ｒｌ−−＠ＩｔｗｗｌＡｓｓｋＭｎｅｅ’ｅ、ＰＣＴ／ｌｉｓａｙ１０ １１８０

Claims (30)

【特許請求の範囲】
1. （１）冷端部を備えた管部材と、 前記管部材内に往復運動をするように設けられ、前記管部材の前記冷却端部の冷 部分と他方の端部の温部分にこの管部材を分離している変位部材と、 内部の前記温部分と前記冷部分の間の流体伝達を行う熱交換チャンバを限定し、 さらに前記冷却端部に面しているその端部の孔とこの端部から短い距離離れた側 面に放射状に位置している複数の孔を具備している実質的に円筒状の変位部材と 、 前記円筒の冷却端部及び温端部に変位部材を交互に移動させるための圧力応答手 段とを具備していることを特徴とする低温冷却装置。
2. （２）前記端部の前記孔の断面積が前記側面の全放射孔の合計断面積とほぼ同じ である請求の範囲第１項記載の低温冷却装置。
3. （３）前記放射孔が前記変位部材の周囲に同心円上に等間隔で設けられている請 求の範囲第１項記載の低温冷却装置。
4. （４）前記複数の通路は４乃至８個の放射孔を含む請求の範囲第３項記載の低温 冷却装置。
5. （５）前記複数の通路は１個の端部孔と４個の放射孔を含んでいる請求の範囲第 ４項記載の低温冷却装置。
6. （６）前記温部分にはさらにコンプレッサが結合している請求の範囲第１項記載 の低温冷却装置。
7. （７）前記コンプレッサがロータリコンプレッサである請求の範囲第６項記載の 低温冷却装置。
8. （８）前記コンプレッサがリニアコンプレッサである請求の範囲第６項記載の低 温冷却装置。
9. （９）前記円筒の前記冷端部には熱的に冷却される装置が結合している請求の範 囲第１項記載の低温冷却装置。
10. （１０）流体密のハウジングと、 前記ハウジング内にあり異なる温度レベルに維持されるように設けられている複 数のチャンバと、前記ハウジング内に往復運動をするように設けられ、前記複数 のチャンバの少なくとも２つの容積を変化させる変位部材と、 前記複数のチャンバの少なくとも２つの前記チャンバに結合した前記変位部材内 に設けられ、一端部の軸孔とこの端部の近くにある複数の放射孔とを有する熱交 換器と、この冷却装置が予め決められたサイクルで動作するように前記変位部材 を往復運動させる駆動手段とを具備していることを特徴とする低温冷却装置。
11. （１１）前記放射孔の合計の断面積が前記１つの軸孔の断面積とほぼ等しい請求 の範囲第１０項記載の低温冷却装置。
12. （１２）前記放射孔の数が３乃至８個である請求の範囲第１１項記載の低温冷却 装置。
13. （１３）前記放射孔の数が４個である請求の範囲第１２項記載低温冷却装置。
14. （１４）熱的に冷却される装置が前記流体密のハウジングに結合されている請求 の範囲第１０項記載の低温冷却装置。
15. （１５）２つの端部を備えた細長い円筒状部材と、前記細長い円筒状部材内に投 けられた熱交換器であって、一端部の少なくとも１つの開口部と他端部の少なく とも１つの開口部とを備えた細長いチャンバを具備し、さらに前記他端部の近く に複数の放射状開口部を具備する熱交換器と、前記熱交換器の細長いチャンバ内 に設けられた熱伝達手段とを具備している低温冷却装置用変位部材。
16. （１６）前記熱伝達手段が複数の近接して積重ねられたスクリーンである請求の 範囲第１５項記載の変位部材。
17. （１７）前記熱伝達手段は、緊密な状態に詰められた複数の熱伝導性ボールを具 備している請求の範囲第１５項記載の変位部材。
18. （１８）前記複数の放射状開口部の数が約３乃至８個である請求の範囲第１５項 記載の変位部材。
19. （１９）前記複数の放射状開口部の数が４画である請求の範囲第１８項記載の変 位部材。
20. （２０）前記他端部の前記端部開口部の断面積が前記全放射孔の合計断面積とほ ぼ同じである請求の範囲第１８項記載の変位部材。
21. （２１）細長いチャンバを内部に具備する液密の容器と、前記細長いチャンバ内 にあってこのチャンバを冷部分と温部分とに分割している変位部材であって、一 端部が前記温部分にまた他端部が前記冷部分に開口している熱交換器を内部に具 備し、前記冷部分に向かう開口部は端部孔と複数の放射孔とを備えている変位部 材と、 前記変位部材に結合してこの変位部材を往復運動させる駆動手段と、 前記温部分に加圧流体を供給する手段とを具備している冷却装置。
22. （２２）加圧下で流体を供給する前記手段がロータリコンプレッサである請求の 範囲第２１項記載の冷却装置。
23. （２３）加圧下で流体を供給する前記手段がリニアコンプレッサである請求の範 囲第２１項記載の冷却装置。
24. （２４）前記冷部分の近くの前記液密の容器に取付けられた熱的に冷却される装 置を具備する請求の範囲第２１項記載の冷却装置。
25. （２５）冷端部を具備する管状部材と、前記管状部材の前記冷端部において冷部 分を限定する前記容器内に往復運動するように設けられたピストンとを具備して おり、 前記ピストンが前記冷端部に向かうピストンの端部にある孔とこの端部から短い 距離の側面にある複数の放射状に延在する孔によって限定される前記冷部分と流 体で連通するピストン内部にある熱交換チャンバを限定し、さらに前記ピストン を往復運動させて前記冷部分の容積を変化させる手段を具備している低温冷却装 置。
26. （２６）前記端部の前記孔の断面積が前記全放射孔の合計断面積とほぼ同じであ る請求の範囲第２５項記載の低温冷却装置。
27. （２７）前記放射孔が、前記変位部材の周囲に同心円上で等間隔で設けられてい る請求の範囲第２６項記載の低温冷却装置。
28. （２８）前記温部分に結合したコンプレッサを具備する請求の範囲第２５項記載 の低温冷却装置。
29. （２９）前記コンプレッサがロータリコンプレッサである請求の範囲第２８項記 載の低温冷却装置。
30. （３０）前記コンプレッサがリニアコンプレッサである請求の範囲第２９項記載 の低温冷却装置。