JPH03504267A - 吸着極低温冷蔵庫及びかかる冷蔵庫によって物体を冷却するための方法 - 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】 吸着極低温冷蔵庫及びかかる冷蔵庫によって物体を冷却するための方法 光皿ｑ分里 本発明は一般に低温工学に関し、より詳細には、吸着極低温冷蔵庫及びかかる冷 蔵庫によって８０″に〜０．３°にの広範囲内で物体を冷却するための方法に関 する。

光用９背旦 現在、極低温を得るために実施される２つの主な方法、即ち、ジュール・トムソ ン効果の使用と、エネルギ出力を伴うガスの等エントロピーの使用が知られてい る。現在利用できる極低温冷蔵庫の大部分は、これらの方法のうち一方か或いは 双方を組み合わせて作られている。

一例として、前記効果を組み合せ中程度の圧力及び高圧のサイクルによって作動 される機械的極低温冷蔵庫が知られている（クロード、ヘイランド）。この冷蔵 庫は、機械的コンプレッサと、熱交換ユニットと、エキスパンダと、ジュール・ トムソン膨張要素と、液体の極低温剤を収集するための熱伝達要素とを含み、こ れらの要素は全て高圧及び低圧ラインによって相互に連結されている。

熱交換ユニットの第１段で冷却された後、機械的コンプレッサで圧縮された極低 温剤は、２つの流れに分けられ、そのうち一方は、冷却される外部エネルギ出力 を伴う等エントロピー膨張のためにエキスパンダに搬送され、低圧ラインに差し 向けられる。第２の流れは、熱交換ユニットの第２段で冷却されてジュール・ト ムソン・レストリフタで膨張され、これにより、一定量の極低温流体が液化され 、残りの極低温流体はコンプレッサに戻される。

機械的極低温冷蔵庫は、絶対零度付近まで広範囲にわたって物体を冷却する。し かしながら、機械的極低温冷蔵庫は、重く、大きく、エネルギ消費量が多く、寿 命が短いという特徴がある。さらに、機械的極低温冷蔵庫は通常多くの可動部分 を有しているため、振動源となり、電磁的な障害により非常に敏感なレシーバを 冷却するのに使用が制限される。

また、固体吸着剤により極低温流体の吸着及び脱着をし、かなり高温で脱着が進 行するプロセスを使用する吸着極低温冷蔵庫が知られている。

さらに、活性炭の形態の吸着剤によって極低温剤、特にヘリウム３の吸着−脱着 の作用に基づいて１°にの低温を作り出すことができる吸着低温冷蔵庫が知られ ている。この冷蔵庫は、極低温流体で満たされた圧力密封シェルの形態を有して おり、ヒーター及びクーラーを備えた吸着剤を収容する容器と、冷却すべき物体 と熱的に接触する熱伝達容器とを有する（米国特許出顧第４．３００゜３６０号 ）。吸着剤を収容する容器は、パイプラインによって熱伝達容器に連結されてい る。液体ヘリウム４を収容するタンクが冷蔵庫のクーラーとして作用し、吸着剤 を収容する容器が熱スィッチを介してタンクと連通している。

物体が、従来技術の極低温冷蔵庫によって次のように冷却される。ヘリウム４の 沸騰温度は、吸着剤を収容する容器から熱伝達容器へのヘリウム３の脱着の際、 ヘリウム４の蒸気を排出するために真空ポンプを使用してヘリウム３の凝縮点以 下に減じられ、その結果、熱伝達容器で凝縮される。ヘリウム３の蒸気は、冷却 された吸着剤によって吸収される。従って、液体ヘリウム３の温度は０．３°Ｋ まで減少され、冷却すべき物体から熱を除去するのに利用される。ヘリウム３を 凝縮するためのヘリウム４の排出は真空を必要としており、冷蔵庫を構造的に複 雑にしている。

この公知の冷蔵庫は断続的に作動する。何故ならば、凝縮プロセスが冷蔵庫の作 動停止の原因となるからである。

また、ヘリウム３の脱着が比較的高圧で進行し断続的な膨張がヘリウム３を凝縮 させる点を除外して、上述のものと実質的に同じレイアウトの吸着極低温冷蔵庫 が知られている（スイス国特許出願第１．０９６．４４３号）。

寒剤は、吸着剤を冷却することによって、吸着剤を収容する容器の中で予備的に 吸着される。次いで、容器は加熱され比較的高圧で寒剤が脱着される。しかる後 、比較的高圧で寒剤が冷却される。大気圧で液体ヘリウム４を沸騰させる温度ま で寒剤を冷却した後、吸着剤を収容する容器は吸着温度まで冷却される。圧縮さ れた寒剤は吸着され、寒剤が等エントロピー膨張され、これにより、部分的に液 化される。このプロセスは、冷蔵庫の段を４．２゜Ｋまで冷却することを伴うが 、容器からヘリウム４を真空によって排出する必要がない。

しかしながら、吸着剤から脱着されたガス状の寒剤の大部分は吸着の過程で再び 吸着される傾向があり、液化に関与することができず冷蔵庫の効率が低下する。

しかしながら、凝縮に伴う寒剤の圧縮は、冷蔵庫の作動サイクるの中断を招く。

さらに、極低温流体で満たされた圧力密封シェルの形態を有し断続的に作動する 吸着極低温冷蔵庫が知られており、この冷蔵庫は、連結ラインによって相互に連 通された２つの平行なブランチの形態を有し、吸着剤を収容しヒーター及びクー ラーを備えた容器と、熱交換ユニットと、熱伝達容器と、冷却すべき物体と接触 する熱スィッチとを各々有し、これらの要素は全て、高圧及び低張要素が、各ブ ランチの高圧ラインの熱交換ユニットと熱伝達容器との間に備えられている。ま た、各パイプラインは、吸着剤を収容する容器と熱交換ユニットとの間に位置決 めされた２つの弁を有する。連結ラインは、第１弁と第２弁との間の個所でパイ プラインと連通している（米国特許出願第４．６４１．４９９号）。

上述の吸着極低温冷蔵庫によって物体を冷却するための方法は、吸着剤が脱着温 度まで加熱されると、吸着剤を収容する容器からの極低温流体の脱着を介して極 低温冷蔵庫の高圧ラインの極低温流体の圧縮の結果として得られる極低温温度お よび圧力で、極低温流体を収容する少なくとも１つの熱伝達容器を、冷却すべき 物体に熱的に連結し、熱交換ユニットの圧縮された極低温流体を冷却し、物体に 連結された熱伝達容器に供給する直前に、ジュール・トムソン膨張要素を介して 圧縮かつ冷却された極低温流体を絞り、吸着剤が吸着温度まで冷却されると、熱 交換ユニットにおける加熱を伴う低圧ラインに沿ってこの熱伝達容器から、低圧 ラインの吸着剤を収容する容器に極低温流体を排出し、低圧ラインの熱伝達容器 からの極低温流体全体の完全な吸着に引き続き、このラインにおける吸着剤を収 容する容器を、冷却から加熱作動モードに変える。

従来技術の冷蔵庫は、熱伝達ユニットの極低温流体の順流及び逆流の再生を伴う ジュール・トムソン効果を使用する。この公知の冷蔵庫における２つの平行なブ ランチの準備により、冷却すべき物体を連続的な極低温安定状態にすることがで きる。しかしながら、可動要素即ち弁はシステムを複雑にし、作動における信頼 性を減少させる。さらに、上述の冷蔵庫の作動は液体相における寒剤の存在を伴 うが、これにより、従来技術の冷蔵庫は、無重力、或いは振動下、重力及び加速 の力に対する冷蔵庫の配置を変える場合における使用が困難となる。

主五旦皿約 本発明の目的は、簡単で信頼性が高く可動部品が少ない吸着極低温冷蔵庫を提供 し、並びに、高い効率のかかる極低温冷蔵庫によって物体を冷却し物体を特に無 重力状態下で連続的に冷却するための方法を提供することである。

本発明の目的は、連結ラインによって連通した少なくとも２つの平行なブランチ をもち、極低温流体で満たされた圧力密封シェルの形態を有する吸着極低温冷蔵 庫であって、吸着剤を収容しヒーター及びクーラーを備えた容器と、熱交換ユニ ットと、熱伝達容器と、冷却すべき物体の表面と接触するようになった熱スィッ チとを各々有し、これらの要素の全ては高圧及び低圧パイプラインによって連続 して連結されている冷蔵庫において、連結ラインは熱伝達容器と連通し、かつ、 ジュール・トムソン膨張要素を有し、各ブランチの高圧及び低圧パイプラインは 、交互に高圧及び低圧ラインとして機能する単一のパイプラインの形態を有する ことを特徴とする冷蔵庫によって達成される。

また、本発明の目的は、吸着極低温冷蔵庫によって物体を冷却するための方法で あって、吸着剤が脱着温度まで加熱されると、吸着剤を収容する容器からの極低 温流体の脱着を介して極低温冷蔵庫の高圧ラインの極低温流体の圧縮の結果とし て得られる極低温温度および圧力で、極低温流体を収容する少なくとも１つの熱 伝達容器が物体に熱的に連結されており、熱交換ユニットの圧縮された極低温流 体を冷却し、物体に連結された熱伝達容器に供給する直前に、ジュール・トムソ ン膨張要素を介して圧縮かつ冷却された極低温流体を絞り、吸着剤を吸着温度ま で冷却する際、熱から、低圧ラインで吸着剤を収容する容器に極低温流体を排出 し、低圧ラインにおける熱伝達容器からの極低温流体全体の完全な吸着の後、こ のラインにおける吸着剤を収容する容器を冷却モードから加熱モードにする方法 において、極低温流体を脱着プロセスの終了まで高圧ラインで圧縮し、しかる後 、吸着剤を収容する容器を冷却モードにし、高圧ラインの極低温流体を等エント ロピー膨張及び冷却するように圧送し、高圧ラインの熱伝達容器の極低温流体が 極低温安定温度及び圧力に達すると冷却すべき物体に容器を熱的に連結すること を特徴とする方法によって達成される。

本発明の吸着極低温冷蔵庫は構造的に簡単であり、即ち、各ブランチは、交互に 高圧及び低圧ラインとして機能する唯一のパイプラインを有し可動部品を持たな い。冷蔵庫は作動に信頼性があり、ＩＯ年間もつ。冷蔵庫は、無重力で、かつ、 重力及び加速の力に対する任意の位置で作動することができる。

本発明の冷蔵庫によって物体を冷却するための方法は、連続的な冷却を可能にし 、膨張要素を介して極低温流体の流れを変え且つ第２の熱交換容器を冷却物体に 連結する前に、高圧ラインにおける等エントロピー膨張の作用を利用するために 効率的である。

Ｘ皿９画里ム脱男 次に、添付図面に関連して種々の実施例を参照して、本発明を一層詳細に説明す る。

第１図は本発明の吸着極低温冷蔵庫の略図、第２図は第１図に示す冷蔵庫の熱交 換ユニットの変形形態を示す図、第３図は宇宙船の船内に使用される冷蔵庫の熱 交換ユニットの変形形態を示す図、第４図は冷蔵庫のブランチ“ａ”の異なる点 における時間に対する温度変化を示す図、第５図はブランチ″ｂ”における第４ 図と同様の図、第６ａ図及び第６ｂ図は熱スィッチの作動のサイクログラムであ る。

発明を　　するための最良の態様 第１図を参照すると、極低温冷蔵庫が、ヘリウム３、水素、酸素又は吸着−脱着 方法を使用する極低温サイクルを実施するのに適当な他の気体の極低温流体が満 たされた圧力密封シェルの形態を有する。シェルは、少なくとも２つの平行なブ ランチａ、ｂを有し、各ブランチは、吸着剤と、熱交換ユニット３と、冷却すべ き物体の表面と係合するようになった熱スィッチ５ａ、５ｂをもつ熱伝達容器４ ａ、４ｂとを収容する容器２ａ、２ｂを有し、これらの要素は全て、パイプライ ンｌａ、ｌｂによって連結されている。

熱伝達容器４ａ、４ｂは、ジュール・トムソンの膨張要素レストリフタ８をもつ 連結ライン７によって連通している。吸着剤を収容する各容器２ａ、２ｂは、ヒ ーター９ａ、９ｂとクーラー１０ａ、ｌＯｂをそれぞれ有する。吸着剤を収容す る容器２ａ。

２ｂと熱伝達容器４ａ、４ｂ及び連結ライン７とを連通するパイプラインｌａ、 ｌｂは、高圧及び低圧ラインとして交互に機能するようになっている。従って、 バイブライン１ａ、１ｂ、連結ライン７、熱交換ユニット３のブランチのパラメ ータは、高圧及び低圧ラインの条件に合致するようなものである。

成る温度で極低温流体を吸着し別の温度で解放することができる物質が、吸着剤 として使用される。極低温流体と吸着剤との最初の接触（以下、「吸着」という ）は、第２の接触（以下、「脱着」という）よりもかなり低温で進行する。吸着 剤を収容する容器２ａ、２ｂの作動モードの変更は、吸着剤の温度を変えること によって行われる。この目的のために、ヒーター９ａ、９ｂ及びクーラー１０８ ．ｌＯｂが使用される。ヒーター９ａ、９ｂとしては、電気ヒーター、太陽エネ ルギ、熱エネルギ、廃棄物による熱及び適当な温度の冷蔵庫の部分が使用される 。クーラー１０ａ１１０ｂとしては、水、空気、極低温流体、外界の冷気及び適 当な温度の冷蔵庫の部分が使用される。ヒーター９ａ、９ｂ及びクーラー１０ａ 、ｌｏｂは、吸着剤を収容する容器２ａ、２ｂに熱的に連結されている。かかる 連結は、熱ブリッジ、熱スイッチ或いは、ヒーター９ａ、９ｂ及びクーラー１０ ａ、１０ｂと容器２ａ。

２ｂとを交互に係合したり容器から外したりして容器２ａ、２ｂの温度を変える 助けとすることができる他の手段によって行われる。

各ブランチにおける高圧及び低圧のバイブラインｌａ、ｌｂは、高圧及び低圧ラ インとして交互に機能する単一のパイプの形態を有する。

熱交換ユニット３は、高圧及び低圧ラインにおける極低温流体の流れの間で熱交 換を行うのに役立ち、又、極低温流体の流れを逆にするとき熱交換を再生するの にも役立つ。

熱交換ユニット３の変形例が第２図に示されているが、ここでは、熱交換ユニッ ト３は、直列に配列された３つの熱交換器１１を有する。熱交換器１１として、 半田付けされた平滑な管からなる熱交換器、チューブ・イン・チューブ形熱交換 器、プレート・フィン形熱交換器、プレート・ダイ形熱交換器、或いは極低温工 学で使用される他の形式の熱交換器が使用される。

熱交換器１１の形式を選択するときには、冷蔵庫のブランチ“ａ”と“ｂ”との 間の効率的な熱交換は別として、熱交換器１１が、極低温流体の流れの方向を変 えるとき、再生熱交換を実施するために、冷蔵庫の性質を有しなければならない ことに留意すべきである。熱交換を識別するために、ユニット３の第１の熱交換 器１１はクーラー１０ａ、１０ｂに連結される（第１図）。

極低温剤として水素を使用するときには、熱交換ユニット３は好適には、オルト ・ツー・パラ（ｏｒｔｈｏ−ｔｏ−ｐａｒａ　）コンバータと、別の冷蔵庫（図 示せず）とを有する。

第３図を参照すると、熱交換ユニット３の実施例は宇宙船で使用されるようにな っており、宇宙空間の冷気に熱を放出するためラジェータＩ２と、クーラー１０ ａ、ｌＯｂに熱的に連結されたプレクーリング段１１’とを有する（第１図）。

次に第４図を参照すると、曲線１３は容器２ａの中の吸着剤の温度Ｔの変化を示 し、曲線１４は冷蔵庫の一方の作動サイクルの範囲内における熱伝達容器４ａの 温度の変化を示す。

第５図では、曲線１５は容器２ａの中の吸着剤の温度Ｔの変化を示し、曲線１６ は冷蔵庫の同じ作動サイクルの範囲内において熱伝達容器４ｂの温度Ｔの変化を 示す。

第６ａ図は、熱スィッチ５ａの作動のサイクログラムを示している。

第６ｂ図は、熱スィッチ５ｂの作動のサイクログラムを示している。

サイクログラムのハツチング部分は熱スィッチ５ａ、５ｂの係合位置に対応して おり、非ハツチング部分は非係合位置に対応している。

本発明の吸着極低温冷蔵庫によって物体を冷却するための方法が、第１図に示す 装置の作動のより詳細な説明から十分に理解されるであろう。

熱スィッチ５ｂによって、少なくとも１つの熱伝達容器４ｂが、超伝導装置のよ うな物体に熱的に連結されており、この容器４ｂは、吸着剤が脱着温度まで加熱 されると、吸着剤を収容する容器２ａから極低温流体の脱着を介して高圧ライン １ａの極低温流体の圧縮の結果として得られる極低温安定温度と圧力で極低温流 体を収容し、熱交換ユニット３の圧縮された極低温流体を冷却し、物体６に連結 された熱伝達容器４ｂに供給する直前に、ジュール・トムソン膨張要素８を介し て圧縮且つ冷却された極低温流体を絞り、吸着剤を吸着温度まで冷却する際、熱 交換ユニット３の加熱を伴う低圧ライン１ｂに沿って容器４ｂから吸着剤を収容 する容器２ｂに極低温流体を排出する。高圧ライン１ａの極低温流体は脱着プロ セスの終了時点まで圧縮され、しかる後、吸着剤を収１　容する容器２ａは冷却 され、極低温流体は高圧ライン１ａで圧送され等エントロピー膨張及び冷却を確 実にし、熱伝達容器４ａにある極低温流体が極低温安定温度及び圧力に達すると 、容器４ａを冷却すべき物体６に熱的に連結する。低圧ラインｌｂにおいて熱伝 達容器４ｂから極低温流体の完全な吸着がなされた後、容器１２が加熱され、そ して、ライン１ｂが高圧ラインとして機能しラインｌａとして機能する唯一の相 違点を除いて、上述のサイクルが繰り返される。

サイクルの点τ。（第４図、第５図）は、吸着剤を収容する容器２ａが脱着温度 Ｔ、まで加熱され吸着剤を収容する容器２ｂが吸着温度Ｔ、まで冷却される状態 における冷蔵庫に相当する。極低温流体は、ジュール・トムソン膨張要素８を介 して極低温流体を制限するのに十分な圧力まで高圧ラインｌａにおいて圧縮され た状態で吸着剤を収容する容器２ａから脱着され、次いで、熱交換ユニット３に 搬送され、そこで、まず冷却温度１０ａ付近の温度まで冷却され（クーラー１０ ａ、ｌＯｂと熱交換ユニット９ａ、９ｂとの熱連結は、ハツチングによって示さ れている）、シかる後、熱交換ユニット３及び熱伝達容器４ａの予備的に冷却さ れた部分をもつ再生熱伝達の低圧ラインｌｂ（ブランチ“ｂ”）の極低温流体の 流れを熱交換により絞るのに十分な温度Ｔ、（第４図）まで熱交換器１１で冷却 されるが（第２図）、この冷却プロセスは以下の記載から十分に理解されるであ ろう。高圧で予備的に冷却された極低温流体で満たされた熱伝達容器４ａの温度 はＴ、であり、これは極低温安定温度Ｔ。よりもかなり高く、従って、熱スィッ チ５ａはこの点で外される。極低温流体はレストリフタ８を介して熱伝達容器４ ｂに絞られる（ブランチ“ｂ”）。ジュール・トムソンの効果によれば、容器４ ｂの温度は極低温温度Ｔ。

まで減少する。熱スィッチ５ｂは、この時点で冷却すべき物体６に連結される。

次いで、極低温流体は熱伝達容器４ｂから熱交換ユニット３を介して低圧ライン ｌｂに沿って圧送され、熱交換ユニットでは、高圧ライン１ａの極低温流体の流 れによって加熱され、次いで、容器２ｂの吸着温度Ｔ、まで冷却された吸着剤に よって吸着される。この方法は、容器２ａ、２ｂの中の吸着剤の温度を変えるこ とによって制御され、吸着剤を収容する容器２ａからの極低温流体の脱着に進行 するが、これは点τＩに相当する（第４図）。しかる後、容器２ａの中の吸着剤 （第１図）は吸着温度Ｔ、まで冷却され、かかる冷却は、ブランチａからブラン チｂへの極低温流体を絞るのに必要な期間よりもかなり短い期間内でなされる。

その結果、極低温流体はライン１ａから容器２ａに圧送され、圧力は低温安定圧 力まで減じられる。これは、冷蔵庫のブランチａの中の極低温流体の等エントロ ピー膨張によって達成され、その際、極低温流体は熱交換ユニット３及び熱伝達 容器４ａの要素を冷却するまで冷却される。熱交換容器４ａの温度が極低温温度 Ｔｏまで降下した後、熱スィッチが係合位置になり、熱伝達ユニット４ｂに加え て物体６に容器４ａを熱連結するようにする。等エントロピー膨張で極低温流体 の冷却効果（第５図の点τ、）の使用に引き続き、熱スィッチ５ｂが外され（第 ６ｂ図の点τ３）、しかる後、吸着剤を収容する容器２ｂは、第５図の点τ４に 相当する脱着温度Ｔ、まで加熱される。

次いで、サブサイクルτ４−τ、−τ、−τ７−τ。は、サブサイクルτ。−τ ニーτ２−τ、−τ４と対称に進行して点τ。

で終了し、しかる後、サイクルが繰り返される。

本発明の吸着極低温冷蔵庫は、冷却及び液化作動モードで作動することができる 。これは、冷蔵庫が無重力状態で作動するときに好適である。圧縮され且つ予備 的に冷却された極低温流体は、（多孔質の仕切りのような）膨張要素８を介して 、熱伝達容器で加熱されこれから低圧ラインに沿って加熱された蒸気−液体混合 物の形態の低圧領域に絞られる。この作動モードは、極低温流体の液体相と気体 相を分離して無重力状態の下で液体を保持するのに複雑な技術を必要としない。

さらに、スブラッシングから生ずるノイズは液体降下の欠如により除去され、こ れは、冷却物体６のマイクロホン効果の原因となる。

液化作動モードでは、ジュール・トムソン効果の結果として、或いは低圧ライン における最適圧力での等エントロピー膨張により、極低温流体はまず液化され、 しかる後、圧力は極低温温度が得られるまで減少される。

一方、等エントロピー膨張効果を使用することによる極低温流体の冷却は、冷蔵 庫の効率を増大させることができ、他方、サイクルの２つの点τ２とτ３との間 、並びにτ６とτ７との間で（第６ａ図及び第６ｂ図）２つの熱伝達容器の連結 のため、物体の極低温状態を確実にする。

ジュール・トムソンのレストリフタ８を通る極低温流体の流れの方向の変化は、 レストリフタが固体で詰まるのを防ぎ、これは冷蔵庫の作動の信頼性を一層高め る。

ヘリウム３、水素及び酸素で作動する吸着極低温冷蔵庫を、本発明を具体化する 特別の例として以下に示す。

例１ ヘリウム３で作動する吸着極低温冷蔵庫が、１°に以下の温度まで物体を冷却す るようになっている。この冷蔵庫の吸着剤として、液体ヘリウムの温度（約４． ２°Ｋ）でヘリウム３を吸着し１５〜２０°にでこれを脱着することができる活 性炭又はゼオライトが使用される。上述の極低温サイクルによるヘリウム３で作 動する冷蔵庫は、４．２°にの温度レベルで物体から熱を除去するが、これは、 クーラー］Ｏａ、ｌＯｂ又は閉サイクルのヘリウム冷蔵庫が４．２°にの温度レ ベルで作動するとき液体ヘリウム４が大気圧で作動するクリオスタットの使用が 可能になる。冷蔵庫は、高圧下（室温３００°にで２０ＭＰａ以上）ヘリウム３ で満たされた圧力密封シェルの形態を有する。ラインｌａ、ｌｂは、薄肉のステ ンレス鋼の管で作られる。クーラーとして液体ヘリウム４をもつクリオスタット が使用される。クーラーの温度は４．２°にてあり、これは、大気圧における液 体ヘリウム４の沸騰温度に相当する。この冷蔵庫では、電気ヒーター９ａ、９ｂ が使用される。

熱スィッチ５ａ、５ｂは共軸の銅管及びロッドの形態を有しており、外された熱 スィッチで小さな吸着ポンプによってこれらの間の空間から空気が排出されてお り、或いは、この空間は脱着によって係合した熱スィッチで液体ヘリウムで満た されている。ラインＩａＸ　ｌｂの直径及び熱交換ユニット３の構造は、油圧抵 抗を最小にするようなものである。熱交換ユニット３は３段であり、プレート・ フィン形熱交換器で作られている。ラインＩａ、ｌｂの直径は、吸着剤を収容す る容器２ａを連結する部分のところで１６ｍｍから、熱交換ユニット３を熱伝達 容器４ａ、４ｂに連結する部分のところで３印まで減少している。熱伝達容器４ ａ、４ｂはｌｃｎ？の容積を有しており、その内部は、ヘリウム３との熱接触を 向上させるため多孔質の銅で占められている。レストリフタ８は多孔質プラグ要 素の形態を有しており、粗いフィルタと細かいフィルタの両方を備えている。冷 蔵庫はヘリウムを収容するリザーバの底部の外側に固定されており、ヘリウムの シールドによって閉鎖されている。

ヘリウム３を使用する冷蔵庫は、次のように作動する。クリオスタットをヘリウ ム４で充填した後、冷蔵庫の全ての部分は、４．２°Ｋまで冷却される。この目 的について、吸着剤を収容する容器２ａ、２ｂの温度は、脱着温度まで上昇され る。リザーバ（クーラー１０ａ、１ｏｂ）の底部と熱接触する熱交換器の第１段 でヘリウム３は４．５”Ｋまで冷却され、熱伝達の拡散によって冷蔵庫の全ての 部分を冷却する。次いで、極低温流体は、ブランチ“ａ”のような一方のブラン チで断熱膨張される。次いで、ヘリウム３は、熱伝達容器４ａで部分的に凝縮さ れる。次いで、０、　３〜０．５°にのヘリウム３のヘリウム沸騰温度は、この ブランチの圧力を０．１ＭＰａまで減少させることによって得られる。

冷却物体６に冷気を引き入れた後、ブランチ“ｂｏの圧力はスイッチ５ａを介し て上昇し、次いで押さえられる。ヘリウム３に対して圧力を押さえる最適な程度 は、０．４ＭＰａである。この圧力は、冷蔵庫が液化モードで作動するとき、ヘ リウム３を６０％まで液化させる原因となる。冷蔵モードで作動する冷蔵庫につ いては、レストリフタ８の流れ領域は、絞りにより生ずる冷気の量が液体相の蓄 積なしに物体６から熱を引き入れるのに十分であるように、予め選定さヤし石。

ブランチ“ｂ″ｆＪ名話２５力゛・らのＰ＼゛・）ラム３の完全な脱着の後、ブ ランチＭｂ″にある圧縮されたヘリウム３は断熱膨張される。この目的に関して 、クーラー１０ｂは容器２ｂに連結され、吸着剤は約４．５°Ｋまで冷却される 。熱伝達容器４ｂの極低温流体の温度は０．３°Ｋまで減少させられ、この容器 は熱スィッチ５ｂを介して冷却物体６に連結される。次いで、熱スィッチ５ａは 外され、ブランチ“ａ”の圧力は、吸着剤を収容する容器２ａをヒーター９ａに 連結することによって増加される。

ヘリウム３を使用する吸着極低温冷蔵庫は、約０．３°にの温度レベルで物体の 連続的な極低温安定状態を維持するのを可能にし、４．２°にの温度レベルまで 熱を除去することを伴う。

例２ 極低温流体として水素が使用され、水素を吸着及び脱着するための吸着剤として ＬａＨｉｓのような金属水素化物が使用される。最初の反応、即ち吸着は３００ °に付近の温度で進行し、第２の反応、即ち脱着は４００°にで進行する。吸着 剤を収容する容器２ａ、２ｂを冷却するための冷却剤として空気又は水が使用さ れ、ヒーターとして電気ヒーター、原子炉からの熱或いは太陽熱が使用される。

水素に関するジュール・トムソン効果の逆転温度は約２００°　Ｋてあり、これ は冷却剤の温度よりもかなり低い。従って、絞りによって水素を液化するために 、＋２０°に以下の温度まで予備冷却を使用する必要がある。追加の冷却システ ムの所望の冷却生成効果を実質的に減少させ、或いは、予備的に圧縮され且つ冷 却された水素の断熱膨張相によって冷却生成効果を分配することができる。初期 圧力が十分高＜　（６，０ＭＰａ以上）初期温度が十分低い場合には、等エント ロピー膨張のため、水素を冷却して液化することができる。温度が３００°にで あっても、水素の等エントロピー膨張は気体を冷却する。これは、ラジェータに 熱を放出すると同時に開始されるので、冷蔵庫を作動状態にする段階で使用する ことができる。

水素で作動する吸着極低温冷蔵庫は、約２０〜３０°にの温度レベルで物体の極 低温安定状態となる。■３．８°に以下の温度レベルで極低温安定状態になると きには、水素は固体相になる。

１４°に以下の極低温安定状態で連続的な作動を確実にするためには、冷却物体 に連結された冷却アキュムレータを使用するのが好適である。

例３ 極低温流体として酸素が使用され、銀或いは冷却過程で酸素を吸収し加熱の際酸 素を解放することができる他の材料のような吸着剤と逆転化学反応させる。第１ の反応、即ちＡｇと０２との反応から生ずる吸着は約２７０°にの温度で進行し 、酸素は、８０’にの熱伝達容器での酸素の温度或いは９０°Ｋに対応する０、 ＯＩＭＰａに相当する０、０３ＭＰａ付近の圧力で吸収される。第２の反応、即 ち脱着は４００〜８００°にで進行する。酸素は吸着剤から解放され、１−１１ −１Ｏの圧力まで圧縮されつる。

本発明の冷蔵庫は、２７０°にの温度レベルまで冷却物体から熱を除去するのを 可能にする。

例１、例２及び例３に関連して説明された上述の吸着極低温冷蔵庫は、公知のレ イアウトと作動サイクルをもつ同様な冷蔵庫の定格効率よりも１０〜２０％高い 定格効率を有する。

工業上の利用性 吸着極低温冷蔵庫は、超伝導磁石、電力及び輸送システム、放射線検出器及び生 物製剤を冷却して液体の極低温流体を得て貯蔵するのに使用され、並びに、極低 温真空工学、及び低温物理学の分野において実験を行うのに使用される。

国際調査報告

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）連結ライン（７）によって連通した少なくとも２つの平行なブランチ（ａ 、ｂ）をもち、極低温流体で満たされた圧力密封シェルの形態を有する吸着極低 温冷蔵庫であって、吸着剤を収容しヒーター（９ａ、９ｂ）及びクーラー（１０ ａ、１０ｂ）を備えた容器（２ａ、２ｂ）と、熱交換ユニット（３）と、熱伝達 容器（４ａ、４ｂ）と、冷却すべき物体（６）の表面と接触するようになった熱 スイッチ（５ａ、５ｂ）とを各々有し、これらの要素の全ては高圧及び低圧パイ プライン（１ａ、１ｂ）によって連続して連結されている冷蔵庫において、連結 ライン（７）は熱伝達容器（４ａ、４ｂ）と連通し、かつ、ジュール・トムソン 膨張要素（８）を有し、各ブランチ（ａ、ｂ）の高圧及び低圧パイプライン（１ ａ、１ｂ）は、交互に高圧及び低圧ラインとして機能する単一のパイプラインの 形態を有することを特徴とする冷蔵庫。
2. （２）吸着極低温冷蔵庫によって物体を冷却するための方法であって、吸着剤が 脱着温度まで加熱されると、吸着剤を収容する容器（２ｂ）からの極低温流体の 脱着を介して極低温冷蔵庫の高圧ライン（１ｂ）の極低温流体の圧縮の結果とし て得られる極低温温度および圧力で、極低温流体を収容する少なくとも１つの熱 伝達容器（４ａ）が物体（６）に熱的に連結されており、熱交換ユニット（３） の圧縮された極低温流体を冷却し、物体（６）に連結された熱伝達容器（４ａ） に供給する直前に、ジュール・トムソン膨張要素（８）を介して圧縮かつ冷却さ れた極低温流体を絞り、吸着剤を吸着温度まで冷却する際、熱交換ユニット（３ ）において加熱を伴う低圧ライン（１ａ）に沿って熱伝達容器（４ａ）から、低 圧ライン（１ａ）で吸着剤を収容する容器（２ａ）に極低温流体を排出し、低圧 ライン（１ａ）における熱伝達容器（４ａ）からの極低温流体全体の完全な吸着 の後、このラインにおける吸着剤を収容する容器（２ａ）を冷却モードから加熱 モードにする方法において、極低温流体を脱着プロセスの終了まで高圧ライン（ １ｂ）で圧縮し、しかる後、吸着剤を収容する容器（２ｂ）を冷却モードにし、 高圧ライン（１ｂ）の極低温流体を等エントロピー膨張及び冷却するように圧送 し、高圧ライン（１ｂ）の熱伝達容器（４ｂ）の極低温流体が極低温安定温度及 び圧力に達すると、冷却すべき物体（６）に容器（４ｂ）を熱的に連結すること を特徴とする方法。