JPH05180691A - 急速冷却デュワ−装置とその応用 - Google Patents
急速冷却デュワ−装置とその応用Info
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- F17C3/08—Vessels not under pressure with provision for thermal insulation by vacuum spaces, e.g. Dewar flask
- F17C3/085—Cryostats
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- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
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- G01J5/061—Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity by controlling the temperature of the apparatus or parts thereof, e.g. using cooling means or thermostats
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Abstract
(57)【要約】
【目的】重さ、大きさを増すことなく、センサ−を極低
温の範囲に急速に冷却するデュワ−・ボア−装置を得
る。 【構成】センサ−部と低温シ−ルド部の冷却パスを分離
し、デュワ−・ボア−装置の冷却部はセンサ−の冷却の
みとし低温シ−ルド部は間接冷却とする。
温の範囲に急速に冷却するデュワ−・ボア−装置を得
る。 【構成】センサ−部と低温シ−ルド部の冷却パスを分離
し、デュワ−・ボア−装置の冷却部はセンサ−の冷却の
みとし低温シ−ルド部は間接冷却とする。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はセンサ−を極低温の範囲
に急速に冷却するための装置、特にセンサ−を支持し、
急速冷却を促進するデュワ−装置に関する。
に急速に冷却するための装置、特にセンサ−を支持し、
急速冷却を促進するデュワ−装置に関する。
【0002】
【従来の技術】赤外線検出器のような装置の多くの型
は、例えば77Kあるいはそれ未満の非常に低い温度で作
動される。ある場合では、重要な物理的あるいは化学的
変化が低温度でのみ生じるために、また他の場合では、
ある型の電気的熱雑音(electrical-thermal noise) が
低温度で減少するために、低温度での作動が要求され
る。それ故に、低温度にその装置を冷却するためのアプ
ロ−チが要求される。
は、例えば77Kあるいはそれ未満の非常に低い温度で作
動される。ある場合では、重要な物理的あるいは化学的
変化が低温度でのみ生じるために、また他の場合では、
ある型の電気的熱雑音(electrical-thermal noise) が
低温度で減少するために、低温度での作動が要求され
る。それ故に、低温度にその装置を冷却するためのアプ
ロ−チが要求される。
【0003】装置を低温度の作動温度まで冷却するため
の最も簡単で、直接的なアプロ−チは、その常態沸点が
ほぼ望まれる作動温度である液化ガスの浴槽の中へその
装置を入れることである。このアプロ−チは多くの実験
室的状況では好ましいが、ミサイルのような可動性の物
への適用、あるいは長い期間の間液化冷却媒体を貯蔵し
ておくことが不可能である宇宙船のような接近不可能な
物への適用におけるセンサ−の冷却には実際的ではな
い。
の最も簡単で、直接的なアプロ−チは、その常態沸点が
ほぼ望まれる作動温度である液化ガスの浴槽の中へその
装置を入れることである。このアプロ−チは多くの実験
室的状況では好ましいが、ミサイルのような可動性の物
への適用、あるいは長い期間の間液化冷却媒体を貯蔵し
ておくことが不可能である宇宙船のような接近不可能な
物への適用におけるセンサ−の冷却には実際的ではな
い。
【0004】液化ガスを使用しない急速冷却時間はジュ
−ル・トムソン(Joule-Thomson) のガス膨脹冷却器で達
成される。その冷却器は圧縮ガスを膨脹させ、低温ガ
ス、液化ガス、あるいは両方を含み得る冷却媒体の流れ
を形成する。その冷却媒体の流れは周囲から熱を吸収
し、冷却された装置をそのままにして、熱を運び去る。
−ル・トムソン(Joule-Thomson) のガス膨脹冷却器で達
成される。その冷却器は圧縮ガスを膨脹させ、低温ガ
ス、液化ガス、あるいは両方を含み得る冷却媒体の流れ
を形成する。その冷却媒体の流れは周囲から熱を吸収
し、冷却された装置をそのままにして、熱を運び去る。
【0005】ある特別な装置と冷却システムは独特な容
器と空間の制限とを持っている。例えば、赤外熱線探知
検出機はミサイルの先端にしっかりと支持され、要求に
応じて急速に冷却されなければならないが、冷却システ
ムの全般的な大きさと重さは、システム全体の抑制によ
って厳しく制限される。
器と空間の制限とを持っている。例えば、赤外熱線探知
検出機はミサイルの先端にしっかりと支持され、要求に
応じて急速に冷却されなければならないが、冷却システ
ムの全般的な大きさと重さは、システム全体の抑制によ
って厳しく制限される。
【0006】従って、ジュ−ル・トムソンの冷却器の冷
却がセンサ−とその関連する装置の急速な冷却に対する
最大の保証を提供するが、ミサイル・センサ−への適用
によって課せられる抑制は冷却器とセンサ−容器の両方
に継続的な改善を要求する。冷却されていない状態から
操作状態へセンサ−へのより短縮された冷却時間に対す
る要求と、また空間と重さの要求は満たしていながら、
上記のように短縮された冷却時間を達成する冷却技術に
対する継続的な要求とがある。本発明はこの要求を満た
し、さらに関連する利点を与える。
却がセンサ−とその関連する装置の急速な冷却に対する
最大の保証を提供するが、ミサイル・センサ−への適用
によって課せられる抑制は冷却器とセンサ−容器の両方
に継続的な改善を要求する。冷却されていない状態から
操作状態へセンサ−へのより短縮された冷却時間に対す
る要求と、また空間と重さの要求は満たしていながら、
上記のように短縮された冷却時間を達成する冷却技術に
対する継続的な要求とがある。本発明はこの要求を満た
し、さらに関連する利点を与える。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の技術
と比べ、冷却されていない状態から操作状態へより短い
冷却時間をほぼ達成したセンサ−のための支持構成を提
供する。そのデュワ−装置の支持構成は、赤外線センサ
−を冷却されていない状態から10秒未満でおよそ77Kの
作動状態へ冷却する従来のあるいは急速冷却用ジュ−ル
・トムソン冷却器と結合して作動できる。
と比べ、冷却されていない状態から操作状態へより短い
冷却時間をほぼ達成したセンサ−のための支持構成を提
供する。そのデュワ−装置の支持構成は、赤外線センサ
−を冷却されていない状態から10秒未満でおよそ77Kの
作動状態へ冷却する従来のあるいは急速冷却用ジュ−ル
・トムソン冷却器と結合して作動できる。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明によると、デュワ
−装置はデュワ−・ボア−管とそのデュワ−・ボア−管
の一方の端部を閉じるデュワ−・ボア−管端部の蓋とを
具備する。センサ−はそのデュワ−・ボア−管端部の蓋
の外側表面に装着される。低温シ−ルドはそのセンサ−
を部分的に取り囲んでおり、低温シ−ルド支持ブラケッ
トはデュワ−・ボア−管端部の蓋からデュワ−・ボア−
管の長手方向に沿ってずれたデュワ−・ボア−管上のあ
る場所から低温シ−ルドを支持する。
−装置はデュワ−・ボア−管とそのデュワ−・ボア−管
の一方の端部を閉じるデュワ−・ボア−管端部の蓋とを
具備する。センサ−はそのデュワ−・ボア−管端部の蓋
の外側表面に装着される。低温シ−ルドはそのセンサ−
を部分的に取り囲んでおり、低温シ−ルド支持ブラケッ
トはデュワ−・ボア−管端部の蓋からデュワ−・ボア−
管の長手方向に沿ってずれたデュワ−・ボア−管上のあ
る場所から低温シ−ルドを支持する。
【0009】本発明の鍵は低温シ−ルドの冷却パスから
センサ−の冷却パスを分離することである。そのセンサ
−は、デュワ−装置の最も急速に冷却される部分である
端部の蓋に固定される。作動可能になるためにセンサ−
と同じくらい急速にそして低い温度に冷却される必要が
ない他の構成は、端部の蓋程速く取り去られないデュワ
−装置上の他の位置への熱の伝導によって冷却される。
センサ−の冷却パスを分離することである。そのセンサ
−は、デュワ−装置の最も急速に冷却される部分である
端部の蓋に固定される。作動可能になるためにセンサ−
と同じくらい急速にそして低い温度に冷却される必要が
ない他の構成は、端部の蓋程速く取り去られないデュワ
−装置上の他の位置への熱の伝導によって冷却される。
【0010】より明確には、従来の型においては、低温
シ−ルドは、センサ−と同一の場所に熱を流し、冷却さ
れなければならない熱量を非常に増加させる。本アプロ
−チにおいては、デュワ−装置の最も急速に冷却する部
分であるセンサ−のみが端部の蓋を通る熱の流れによっ
て冷却されるが、低温シ−ルドは、センサ−ほど急速に
冷却しないデュワ−装置の別の場所を通って冷却され
る。この型のアプロ−チは作動できるようになるため
に、シ−ルドはセンサ−程低い温度に冷却される必要は
ないという実験結果に基いている。本アプロ−チにおい
て、低温シ−ルドからの熱の抽出は調節され、センサ−
の作動温度は低温シ−ルドの作動温度よりもかなり低い
が、センサ−と低温シ−ルドの両方がほぼ同時に夫々の
作動温度に到達する。
シ−ルドは、センサ−と同一の場所に熱を流し、冷却さ
れなければならない熱量を非常に増加させる。本アプロ
−チにおいては、デュワ−装置の最も急速に冷却する部
分であるセンサ−のみが端部の蓋を通る熱の流れによっ
て冷却されるが、低温シ−ルドは、センサ−ほど急速に
冷却しないデュワ−装置の別の場所を通って冷却され
る。この型のアプロ−チは作動できるようになるため
に、シ−ルドはセンサ−程低い温度に冷却される必要は
ないという実験結果に基いている。本アプロ−チにおい
て、低温シ−ルドからの熱の抽出は調節され、センサ−
の作動温度は低温シ−ルドの作動温度よりもかなり低い
が、センサ−と低温シ−ルドの両方がほぼ同時に夫々の
作動温度に到達する。
【0011】それ故に、本発明はセンサ−・システムに
おける作動温度への急速な到達を可能にすることによっ
て、低温センサ−技術の方法に利点を与える。装置の他
の要素からの熱の抽出は、互いに最も有効な冷却特性に
到達するためのつり合いが保たされる。本発明の他の特
徴と利点は、例示によって、本発明の原理を説明する添
付図を用いて、以下に述べる望ましい実施例のより詳細
な記述によって明らかになる。
おける作動温度への急速な到達を可能にすることによっ
て、低温センサ−技術の方法に利点を与える。装置の他
の要素からの熱の抽出は、互いに最も有効な冷却特性に
到達するためのつり合いが保たされる。本発明の他の特
徴と利点は、例示によって、本発明の原理を説明する添
付図を用いて、以下に述べる望ましい実施例のより詳細
な記述によって明らかになる。
【0012】
【実施例】本発明によると、デュワ−装置は中空の円筒
型デュワ−・ボア−管とデュワ−・ボア−管端部の蓋と
を具備する。この端部の蓋は外に向かって面する外側表
面を有し、デュワ−・ボア−管の一方の端部を閉じる。
センサ−はデュワ−・ボア−管端部の蓋の外側表面に装
着される。円筒型の低温シ−ルドはセンサ−を部分的に
取り囲み、デュワ−・ボア−管の直径よりも大きい直径
の円筒を有しており、銅とアルミニウムとそれらの合金
とを含む高熱拡散率金属のグル−プから選択された材料
から作られる。低温シ−ルド支持ブラケットは、デュワ
−・ボア−管端部の蓋からデュワ−・ボア−管の長手方
向に沿ってずれたデュワ−・ボア−管上のある場所から
低温シ−ルドを支持し、電気的表面配線を有するセラミ
ックの内部配線カ−ドを備え、その上に低温シ−ルドが
支持されており、金属製低温シ−ルド支持ブラケットが
デュワ−・ボア−管の円筒型表面に第一端部で取り付け
られ、そしてその上に内部配線カ−ドが第二端部で支持
される。低温シ−ルドの支持ブラケットが低温シ−ルド
に取り付けられる場所は冷却工程を最も効果的にするよ
うに選択されることが望ましい。
型デュワ−・ボア−管とデュワ−・ボア−管端部の蓋と
を具備する。この端部の蓋は外に向かって面する外側表
面を有し、デュワ−・ボア−管の一方の端部を閉じる。
センサ−はデュワ−・ボア−管端部の蓋の外側表面に装
着される。円筒型の低温シ−ルドはセンサ−を部分的に
取り囲み、デュワ−・ボア−管の直径よりも大きい直径
の円筒を有しており、銅とアルミニウムとそれらの合金
とを含む高熱拡散率金属のグル−プから選択された材料
から作られる。低温シ−ルド支持ブラケットは、デュワ
−・ボア−管端部の蓋からデュワ−・ボア−管の長手方
向に沿ってずれたデュワ−・ボア−管上のある場所から
低温シ−ルドを支持し、電気的表面配線を有するセラミ
ックの内部配線カ−ドを備え、その上に低温シ−ルドが
支持されており、金属製低温シ−ルド支持ブラケットが
デュワ−・ボア−管の円筒型表面に第一端部で取り付け
られ、そしてその上に内部配線カ−ドが第二端部で支持
される。低温シ−ルドの支持ブラケットが低温シ−ルド
に取り付けられる場所は冷却工程を最も効果的にするよ
うに選択されることが望ましい。
【0013】より一般的に、冷却装置と結合して使用さ
れるデュワ−装置は、冷却される構成から熱を抜き取る
ための、および熱がそれの第二の場所からよりももっと
速く第一の場所から抜き取られるように、冷却システム
に関連して配置される第一の場所を有する熱の抽出支援
手段を具備する。センサ−は、部分的にセンサ−を取り
巻く低温シ−ルドを伴い、第一の場所で熱の抽出支援手
段に装着される。低温シ−ルド支持ブラケットは、熱抽
出支援手段の上の第二の場所から低温シ−ルドを支持す
る。
れるデュワ−装置は、冷却される構成から熱を抜き取る
ための、および熱がそれの第二の場所からよりももっと
速く第一の場所から抜き取られるように、冷却システム
に関連して配置される第一の場所を有する熱の抽出支援
手段を具備する。センサ−は、部分的にセンサ−を取り
巻く低温シ−ルドを伴い、第一の場所で熱の抽出支援手
段に装着される。低温シ−ルド支持ブラケットは、熱抽
出支援手段の上の第二の場所から低温シ−ルドを支持す
る。
【0014】図1 は、熱の抽出のための主要な導管とし
て働く中空の円筒形ボア−管22を有するデュワ−装置20
を表す。ボア−管端部の平らな蓋24はそれをガス・タイ
トにするために、ボア管22の一方の端部(低温端部)を
閉じる。ボア−管22と端部の蓋24は、およそ0.005 イン
チの厚さの壁を有するニッケル鉄合金のような低伝導性
物質で作られることが、必然ではないが、好ましい。作
動時に、例えばジュ−ル・トムソンのガス膨脹冷却器の
ような冷却装置26は、ボア−管22の内側の中に嵌入さ
れ、端部の蓋24の内側で冷却媒体の流れを支配する。冷
却装置26は本発明のいかなる部分も形成しないが、ただ
参考のために示される。
て働く中空の円筒形ボア−管22を有するデュワ−装置20
を表す。ボア−管端部の平らな蓋24はそれをガス・タイ
トにするために、ボア管22の一方の端部(低温端部)を
閉じる。ボア−管22と端部の蓋24は、およそ0.005 イン
チの厚さの壁を有するニッケル鉄合金のような低伝導性
物質で作られることが、必然ではないが、好ましい。作
動時に、例えばジュ−ル・トムソンのガス膨脹冷却器の
ような冷却装置26は、ボア−管22の内側の中に嵌入さ
れ、端部の蓋24の内側で冷却媒体の流れを支配する。冷
却装置26は本発明のいかなる部分も形成しないが、ただ
参考のために示される。
【0015】センサ−28は端部の蓋24の外側表面30上で
支持され、熱伝導性エポキシの薄い(およそ0,001 イン
チ)層によってそこに固着される。好ましい本実施例に
おいて、センサ−28は焦点面アレイ(FPA)32 に複数のケ
イ素あるいは水銀カドミウム・テルル化物の探知器を具
備する。センサ−28は、その円筒形の軸とおよそ平行で
あり、デュワ−装置の外側の場所からセンサ−28に到達
する赤外線を探知することを意図される方向で、ボア−
管22から離れる方向に面する。そのセンサ−は作動可能
になるためにおよそ77Kあるいはそれ未満の温度に冷却
されなければならない。急速冷却デュワ−装置20の第一
の目的は、可能な限り速く、冷却されていない始めの周
囲温度からそれの作動温度までセンサ−を冷却すること
である。円筒型の低温シ−ルド34は部分的にセンサ−28
を取り囲み、望ましくない放射線をセンサ−28に到達し
ないように遮断する。そのような放射線は、集められデ
ュワ−装置20の前面の望遠鏡部分を通して伝えられる主
な光信号錐(optical signal cone) の外側の軸から少し
離れている温い源から放射される。信号の束はボア−管
22と低温シ−ルド34の円筒型軸と一致する光軸に沿って
伝わる。低温シ−ルド34は、およそ0.010 インチの厚さ
の壁を持つ管の形状に形成あるいは機械加工された、銅
(あるいは銅基盤の合金)あるいはアルミニウム(ある
いはアルミニウム基盤の合金)の金属で作られることが
望ましい。低温シ−ルド34はよく磨かれ、より温い周囲
からの放射熱の伝導を減らすためにその外側表面に金あ
るいは銀でメッキされ得る。それは漂遊光線反射の数を
減らすために内側表面を全体に黒くされる。
支持され、熱伝導性エポキシの薄い(およそ0,001 イン
チ)層によってそこに固着される。好ましい本実施例に
おいて、センサ−28は焦点面アレイ(FPA)32 に複数のケ
イ素あるいは水銀カドミウム・テルル化物の探知器を具
備する。センサ−28は、その円筒形の軸とおよそ平行で
あり、デュワ−装置の外側の場所からセンサ−28に到達
する赤外線を探知することを意図される方向で、ボア−
管22から離れる方向に面する。そのセンサ−は作動可能
になるためにおよそ77Kあるいはそれ未満の温度に冷却
されなければならない。急速冷却デュワ−装置20の第一
の目的は、可能な限り速く、冷却されていない始めの周
囲温度からそれの作動温度までセンサ−を冷却すること
である。円筒型の低温シ−ルド34は部分的にセンサ−28
を取り囲み、望ましくない放射線をセンサ−28に到達し
ないように遮断する。そのような放射線は、集められデ
ュワ−装置20の前面の望遠鏡部分を通して伝えられる主
な光信号錐(optical signal cone) の外側の軸から少し
離れている温い源から放射される。信号の束はボア−管
22と低温シ−ルド34の円筒型軸と一致する光軸に沿って
伝わる。低温シ−ルド34は、およそ0.010 インチの厚さ
の壁を持つ管の形状に形成あるいは機械加工された、銅
(あるいは銅基盤の合金)あるいはアルミニウム(ある
いはアルミニウム基盤の合金)の金属で作られることが
望ましい。低温シ−ルド34はよく磨かれ、より温い周囲
からの放射熱の伝導を減らすためにその外側表面に金あ
るいは銀でメッキされ得る。それは漂遊光線反射の数を
減らすために内側表面を全体に黒くされる。
【0016】低温シ−ルド34は必須構成要素であるが、
センサ−28が冷却されるのと同時にこれもまた冷却され
なければならないシステムに熱量を加える。本発明を支
える重要な発見は、低温シ−ルド34が効果的であるため
にセンサ−28と同じ温度である必要はなく、事実、より
温い温度で効果的であるということである。低温シ−ル
ド34は、それがおよそ200 から220 K未満の温度である
限り、大量の放射線を放射せず、それ故に、効果的であ
るためにこの温度以下に冷却される必要はない。 それ
故に、低温シ−ルド34は物理的、且つ温度的に、センサ
−28が装着される場所である端部の蓋24に付着されず、
その代りに、端部の蓋24からずれて軸方向にずれたボア
−管22の上のある場所36に温度的に付着される。低温シ
−ルド34は低温シ−ルド支持ブラケット38によってその
場所36に装着される。低温シ−ルド支持ブラケット38は
ボア−管22の外側の壁に一方の端部で固着され、低温シ
−ルド34が固着されるセラミックの内部配線カ−ドを他
方の端部で支持する。支持ブラケット38は銅(あるいは
銅合金)あるいはアルミニウム(あるいはアルミニウム
合金)で作られることが望ましい。支持ブラケット38は
ボア−管22に臘付けされることが望ましく、その場所は
個々のシステムの必要に応じて決められ得る。端部の蓋
24にもっと近く支持ブラケットを固着することは、セン
サ−28の冷却速度を下げるが、低温シ−ルド34の冷却速
度を上げる。
センサ−28が冷却されるのと同時にこれもまた冷却され
なければならないシステムに熱量を加える。本発明を支
える重要な発見は、低温シ−ルド34が効果的であるため
にセンサ−28と同じ温度である必要はなく、事実、より
温い温度で効果的であるということである。低温シ−ル
ド34は、それがおよそ200 から220 K未満の温度である
限り、大量の放射線を放射せず、それ故に、効果的であ
るためにこの温度以下に冷却される必要はない。 それ
故に、低温シ−ルド34は物理的、且つ温度的に、センサ
−28が装着される場所である端部の蓋24に付着されず、
その代りに、端部の蓋24からずれて軸方向にずれたボア
−管22の上のある場所36に温度的に付着される。低温シ
−ルド34は低温シ−ルド支持ブラケット38によってその
場所36に装着される。低温シ−ルド支持ブラケット38は
ボア−管22の外側の壁に一方の端部で固着され、低温シ
−ルド34が固着されるセラミックの内部配線カ−ドを他
方の端部で支持する。支持ブラケット38は銅(あるいは
銅合金)あるいはアルミニウム(あるいはアルミニウム
合金)で作られることが望ましい。支持ブラケット38は
ボア−管22に臘付けされることが望ましく、その場所は
個々のシステムの必要に応じて決められ得る。端部の蓋
24にもっと近く支持ブラケットを固着することは、セン
サ−28の冷却速度を下げるが、低温シ−ルド34の冷却速
度を上げる。
【0017】想起されるように、冷却装置26はデュワ−
装置20の他のいかなる場所よりも速く端部の蓋24の内部
を冷却するように配置され、それでそれは端部の蓋24の
内側表面に対して直接冷却媒体の流れを指向する。それ
故に、低温シ−ルドの装着場所36は端部の蓋24よりも遅
く冷却される。低温シ−ルド34を場所36に装着すること
によって、端部の蓋24を通って取り除かれる熱の負荷は
減少され、低温シ−ルド34も端部の蓋24を通して冷却さ
れるならば、冷却装置26の決まった冷却容量の割には、
別のやり方の場合よりもそこに装着されたセンサ−28は
速く冷却されることを可能にするであろう。低温シ−ル
ド34はその場所36を介する熱抽出によってより遅く冷却
されるが、説明されたように、低温シ−ルド34は、それ
が200 から220 K、つまりセンサ−28が作動可能になる
ために要求される77Kよりもかなり高い温度、に達した
時、その意図された目的に対して作動可能になるので、
より遅い熱抽出と冷却中に達せられる結果として起こる
より高い温度は受容可能である。
装置20の他のいかなる場所よりも速く端部の蓋24の内部
を冷却するように配置され、それでそれは端部の蓋24の
内側表面に対して直接冷却媒体の流れを指向する。それ
故に、低温シ−ルドの装着場所36は端部の蓋24よりも遅
く冷却される。低温シ−ルド34を場所36に装着すること
によって、端部の蓋24を通って取り除かれる熱の負荷は
減少され、低温シ−ルド34も端部の蓋24を通して冷却さ
れるならば、冷却装置26の決まった冷却容量の割には、
別のやり方の場合よりもそこに装着されたセンサ−28は
速く冷却されることを可能にするであろう。低温シ−ル
ド34はその場所36を介する熱抽出によってより遅く冷却
されるが、説明されたように、低温シ−ルド34は、それ
が200 から220 K、つまりセンサ−28が作動可能になる
ために要求される77Kよりもかなり高い温度、に達した
時、その意図された目的に対して作動可能になるので、
より遅い熱抽出と冷却中に達せられる結果として起こる
より高い温度は受容可能である。
【0018】このようにして、本発明は、センサ−28と
低温シ−ルドの34からの熱の流れの冷却パスを分離し、
より速い速度でより低い温度までセンサ−28を冷却し、
より遅い速度で、しかし受容可能な作動温度まで低温シ
−ルド34を冷却する。最初の冷却段階の後、続くデュワ
−装置20の長い作動の間、センサ−28は77Kあるいはそ
れ未満の作動温度に保たれ、最終的に低温シ−ルド34は
100 Kあるいはそれ未満の平衡温度に到達する。これら
の温度は容易に保たれ、最高作動温度に至る最初の急速
冷却段階はこのアプロ−チによって短縮される。
低温シ−ルドの34からの熱の流れの冷却パスを分離し、
より速い速度でより低い温度までセンサ−28を冷却し、
より遅い速度で、しかし受容可能な作動温度まで低温シ
−ルド34を冷却する。最初の冷却段階の後、続くデュワ
−装置20の長い作動の間、センサ−28は77Kあるいはそ
れ未満の作動温度に保たれ、最終的に低温シ−ルド34は
100 Kあるいはそれ未満の平衡温度に到達する。これら
の温度は容易に保たれ、最高作動温度に至る最初の急速
冷却段階はこのアプロ−チによって短縮される。
【0019】比較のために、図2 はデュワ−装置50の構
造に対する従来のアプロ−チを示している。このデュワ
−装置は本発明のデュワ−装置20の各部品に類似したボ
ア−管52、端部の蓋54、センサ−56および低温シ−ルド
58とを備えている。しかし、センサ−56と低温シ−ルド
58は端部の蓋54に粘着的に固着されるセラミック・ベ−
ス60上に一緒に支持される。冷却の間、センサ−56と低
温シ−ルド58とから取り除かれる全ての熱は端部の蓋54
の比較的小さい面積を通って流れる。小さい断面面積
と、セラミック・ベ−ス60の定まった熱抵抗と、セラミ
ック・ベ−ス60を端部の蓋54に接着する際に使用される
接着剤とのために、冷却熱が取り除かれる間、中間面を
横切ってかなり大きな温度差ができ、センサ−56の最後
の冷却を妨げるその温度差は、冷却工程の間中、センサ
−56を人為的に高い温度に保ち、平衡温度に到達するま
での、長く徐々に下がる(tail off)センサ−温度の冷却
特性曲線を生じる。
造に対する従来のアプロ−チを示している。このデュワ
−装置は本発明のデュワ−装置20の各部品に類似したボ
ア−管52、端部の蓋54、センサ−56および低温シ−ルド
58とを備えている。しかし、センサ−56と低温シ−ルド
58は端部の蓋54に粘着的に固着されるセラミック・ベ−
ス60上に一緒に支持される。冷却の間、センサ−56と低
温シ−ルド58とから取り除かれる全ての熱は端部の蓋54
の比較的小さい面積を通って流れる。小さい断面面積
と、セラミック・ベ−ス60の定まった熱抵抗と、セラミ
ック・ベ−ス60を端部の蓋54に接着する際に使用される
接着剤とのために、冷却熱が取り除かれる間、中間面を
横切ってかなり大きな温度差ができ、センサ−56の最後
の冷却を妨げるその温度差は、冷却工程の間中、センサ
−56を人為的に高い温度に保ち、平衡温度に到達するま
での、長く徐々に下がる(tail off)センサ−温度の冷却
特性曲線を生じる。
【0020】これに較べ、本発明においては、低温シ−
ルド34からの熱が支持ブラケット38を通って流れる一方
で、センサ−28からの熱のみが端部の蓋24を通って流れ
るために、熱抽出のための全流れパスの断面面積はかな
り増加される。センサ−からのみの熱流は比較的に小さ
い。これは、金属製の端部の蓋の大きな熱伝導性による
熱伝導性の改善と1つの接着接合部の除去とが一緒にな
って、最小の温度時定数と、センサ−28と超低温冷却器
との間の無視できる程の温度差を与える。結果として生
じるセンサ−温度の冷却特性曲線は急峻であり、何ら徐
々に下がることなしに最終の平衡温度への速い移行を示
す。
ルド34からの熱が支持ブラケット38を通って流れる一方
で、センサ−28からの熱のみが端部の蓋24を通って流れ
るために、熱抽出のための全流れパスの断面面積はかな
り増加される。センサ−からのみの熱流は比較的に小さ
い。これは、金属製の端部の蓋の大きな熱伝導性による
熱伝導性の改善と1つの接着接合部の除去とが一緒にな
って、最小の温度時定数と、センサ−28と超低温冷却器
との間の無視できる程の温度差を与える。結果として生
じるセンサ−温度の冷却特性曲線は急峻であり、何ら徐
々に下がることなしに最終の平衡温度への速い移行を示
す。
【0021】さらに、従来のアプロ−チにおいては、セ
ンサ−56と低温シ−ルド58の両方がセンサ−56の作動に
必要な低温度まで冷却され、それによって低温度にまで
冷却されなければならない熱量を増やす。本アプロ−チ
においては、センサ−28と低温シ−ルド34はただ夫々の
作動温度にまで冷却される。
ンサ−56と低温シ−ルド58の両方がセンサ−56の作動に
必要な低温度まで冷却され、それによって低温度にまで
冷却されなければならない熱量を増やす。本アプロ−チ
においては、センサ−28と低温シ−ルド34はただ夫々の
作動温度にまで冷却される。
【0022】図1に描かれた本発明の好ましいアプロ−
チの説明に戻って、低温シ−ルド34から放射状に内側に
向かって延在する、一連のバッフル70はセンサ−28に対
する漂遊熱の影響を減らす。これらのバッフル70は低温
シ−ルド34の一部であり、冷却されなければならない熱
量に含まれる。
チの説明に戻って、低温シ−ルド34から放射状に内側に
向かって延在する、一連のバッフル70はセンサ−28に対
する漂遊熱の影響を減らす。これらのバッフル70は低温
シ−ルド34の一部であり、冷却されなければならない熱
量に含まれる。
【0023】ボア−管22とそこに支持される構成とは、
その(端部の蓋24から遠く離れた)温端部72で外側装置
に装着するための装着フランジ75を有する真空気密ハウ
ジング74に臘付けされる。製造中に、ボア−管22とその
構成はハウジング74の中で封止され、ハウジング74は真
空排気路76を通して真空排気され、真空排気路76は封止
され、ゲッタ−78は残留ガスを取り除くために燃やされ
る。
その(端部の蓋24から遠く離れた)温端部72で外側装置
に装着するための装着フランジ75を有する真空気密ハウ
ジング74に臘付けされる。製造中に、ボア−管22とその
構成はハウジング74の中で封止され、ハウジング74は真
空排気路76を通して真空排気され、真空排気路76は封止
され、ゲッタ−78は残留ガスを取り除くために燃やされ
る。
【0024】センサ−28と外部器具(図示されていな
い)との間の電気通信は、センサ−28からその上部表面
にデポジットされた金属配線がある内部配線カ−ド40に
延在している金メッキのワイヤ80によって達成される。
電気信号は、配線パタ−ンを通り内部配線カ−ド40の外
周のボンディング・パッドに伝えられ、そのパッドに接
着された電線82を通り真空用貫通導体84を介して外側接
続ピン86へ伝わる。
い)との間の電気通信は、センサ−28からその上部表面
にデポジットされた金属配線がある内部配線カ−ド40に
延在している金メッキのワイヤ80によって達成される。
電気信号は、配線パタ−ンを通り内部配線カ−ド40の外
周のボンディング・パッドに伝えられ、そのパッドに接
着された電線82を通り真空用貫通導体84を介して外側接
続ピン86へ伝わる。
【0025】窓88はセンサ−28の近くにあるハウジウン
グ74の端部に支持される。その窓は対象となっている、
それは通常赤外線の範囲である、波長に対して最も望ま
しい伝導性がある材料で作られる。デュワ−装置20は、
10秒未満で77Kあるいはそれ未満の作動温度へのセンサ
−28の、および200 から220 Kあるいはそれ未満の作動
温度への低温シ−ルドの急速冷却を可能にするよう設計
されている。デュワ−装置20の作動において、加圧ガス
は冷却装置26を通って流れる。そのガスは周囲から熱を
吸収し、冷却装置26のオリフィスを通って膨脹する。膨
脹したガスは、熱交換器として働く冷却装置26まで対抗
流として流れ、排出される。そこで数秒以内に、オリフ
ィスを通って膨脹したガスは十分に予冷され、液化し、
その結果、端部の蓋24の内側に対して指向する冷却媒体
は液化ガスとなる。液化ガスは気化し、熱を取り除き、
ボア−管22に沿って逆流して支持ブラケット、続いて低
温シ−ルド34を冷却する。端部の蓋24の外側表面に接し
てセンサ−28は最も急速に冷却され、低温シ−ルド34は
より遅い速度で冷却される。
グ74の端部に支持される。その窓は対象となっている、
それは通常赤外線の範囲である、波長に対して最も望ま
しい伝導性がある材料で作られる。デュワ−装置20は、
10秒未満で77Kあるいはそれ未満の作動温度へのセンサ
−28の、および200 から220 Kあるいはそれ未満の作動
温度への低温シ−ルドの急速冷却を可能にするよう設計
されている。デュワ−装置20の作動において、加圧ガス
は冷却装置26を通って流れる。そのガスは周囲から熱を
吸収し、冷却装置26のオリフィスを通って膨脹する。膨
脹したガスは、熱交換器として働く冷却装置26まで対抗
流として流れ、排出される。そこで数秒以内に、オリフ
ィスを通って膨脹したガスは十分に予冷され、液化し、
その結果、端部の蓋24の内側に対して指向する冷却媒体
は液化ガスとなる。液化ガスは気化し、熱を取り除き、
ボア−管22に沿って逆流して支持ブラケット、続いて低
温シ−ルド34を冷却する。端部の蓋24の外側表面に接し
てセンサ−28は最も急速に冷却され、低温シ−ルド34は
より遅い速度で冷却される。
【0026】デュワ−装置20は図1 に関連して論じられ
たアプロ−チに基づいて製造された。この設計におい
て、ボア−管22の内側直径は0.371 インチであった。セ
ンサ−28の冷却負荷は、336 Kから77Kに冷却する時、
およそたった70ジュ−ル(J) で、低温シ−ルドは336 K
から220 Kに冷却する時、およそ135 ジュ−ルの冷却負
荷であった。図3は、試験のためにデュワ−装置20の中
に置かれた熱電対で計測された、冷却中の低温シ−ルド
34とセンサ−28の温度のグラフである。
たアプロ−チに基づいて製造された。この設計におい
て、ボア−管22の内側直径は0.371 インチであった。セ
ンサ−28の冷却負荷は、336 Kから77Kに冷却する時、
およそたった70ジュ−ル(J) で、低温シ−ルドは336 K
から220 Kに冷却する時、およそ135 ジュ−ルの冷却負
荷であった。図3は、試験のためにデュワ−装置20の中
に置かれた熱電対で計測された、冷却中の低温シ−ルド
34とセンサ−28の温度のグラフである。
【0027】この特定の一連の試験の条件では、支持ブ
ラケット38は端部の蓋24の0.100 インチ後ろに取り付け
られ、最初の温度である336 Kから始まり、センサ−28
はおよそ9 秒で77Kに到達し、低温シ−ルド34はおよそ
10秒で220 Kに到達した。もしも望まれるならば、支持
ブラケット38は端部の蓋に向かってわずかに近づくよう
に動かされ、センサ−の冷却速度を遅め、低温シ−ルド
の冷却速度を速める。その結果、センサ−と低温シ−ル
ドは同時に適切な作動温度に到達する。しかし、低温シ
−ルドがその作動温度に到達するのにわずかに先立って
センサ−28がその作動温度に到達し、そしてセンサ−28
の温度は2 秒間、平衡に保たれ、それによってその安定
性を増すことは望ましいと判断された。図2 の従来のデ
ュワ−装置50に対する比較すべき冷却デ−タが図4 で表
される。同様の冷却条件下の試験において、センサ−56
はおよそ16.0秒で77Kに到達し、低温シ−ルド58はおよ
そ7.5 秒で220 Kに到達した。
ラケット38は端部の蓋24の0.100 インチ後ろに取り付け
られ、最初の温度である336 Kから始まり、センサ−28
はおよそ9 秒で77Kに到達し、低温シ−ルド34はおよそ
10秒で220 Kに到達した。もしも望まれるならば、支持
ブラケット38は端部の蓋に向かってわずかに近づくよう
に動かされ、センサ−の冷却速度を遅め、低温シ−ルド
の冷却速度を速める。その結果、センサ−と低温シ−ル
ドは同時に適切な作動温度に到達する。しかし、低温シ
−ルドがその作動温度に到達するのにわずかに先立って
センサ−28がその作動温度に到達し、そしてセンサ−28
の温度は2 秒間、平衡に保たれ、それによってその安定
性を増すことは望ましいと判断された。図2 の従来のデ
ュワ−装置50に対する比較すべき冷却デ−タが図4 で表
される。同様の冷却条件下の試験において、センサ−56
はおよそ16.0秒で77Kに到達し、低温シ−ルド58はおよ
そ7.5 秒で220 Kに到達した。
【0028】本発明の望ましい応用は図5 に描かれる。
ミサイル100 は前方端部に装着されたデュワ−装置20と
冷却装置26とを伴った本体102 を有する。窓88は望遠鏡
105の後ろに配置され、その望遠鏡は本体102 に装着さ
れ、センサ−28が接近する場面を見ることを可能にす
る。冷却装置26を作動するための加圧ガスは、そのガス
の流れと圧力が調整装置106 によって調整される圧力ボ
トル104 によって供給される。ピン86で取り出し可能な
センサ−28の出力信号は、ミサイル100 の制御システム
110 に対して信号線108 で送信される。制御システム11
0 は誘導制御信号をミサイル100 の制御表面(図示され
ていない)に提供する。本発明のデュワ−装置20は、こ
のミサイルが、センサ−28、低温シ−ルド34、および関
連する装置を従来可能であった速度よりもかなり速く夫
々の作動温度に冷却することによって、温い最初の温度
からおよそ11秒間で作動可能になるようにする。
ミサイル100 は前方端部に装着されたデュワ−装置20と
冷却装置26とを伴った本体102 を有する。窓88は望遠鏡
105の後ろに配置され、その望遠鏡は本体102 に装着さ
れ、センサ−28が接近する場面を見ることを可能にす
る。冷却装置26を作動するための加圧ガスは、そのガス
の流れと圧力が調整装置106 によって調整される圧力ボ
トル104 によって供給される。ピン86で取り出し可能な
センサ−28の出力信号は、ミサイル100 の制御システム
110 に対して信号線108 で送信される。制御システム11
0 は誘導制御信号をミサイル100 の制御表面(図示され
ていない)に提供する。本発明のデュワ−装置20は、こ
のミサイルが、センサ−28、低温シ−ルド34、および関
連する装置を従来可能であった速度よりもかなり速く夫
々の作動温度に冷却することによって、温い最初の温度
からおよそ11秒間で作動可能になるようにする。
【図1】本発明に基くデュワ−装置の側断面図。
【図2】従来のデュワ−装置の部分の側断面図。
【図3】図1に示されたデュワ−装置のセンサ−と低温
シ−ルドの時間の関数としての温度のグラフ。
シ−ルドの時間の関数としての温度のグラフ。
【図4】図2に示されたデュワ−装置のセンサ−と低温
シ−ルドの時間の関数としての温度のグラフ。
シ−ルドの時間の関数としての温度のグラフ。
【図5】本発明に基くセンサ−を有するミサイルの略
図。
図。
【符号の説明】 20,50 …デュワ−装置、22,52 …中空の円筒型ボア−
管、24,54 …ボア−管端部の平らな蓋、26…冷却装置、
28,56 …センサ−、30…外側表面、32…焦点面、34,58
…円筒型の低温シ−ルド、36…場所、38…低温シ−ルド
支持ブラケット、40…セラミック製内部配線カ−ド、60
…セラミック・ベ−ス、70…バッフル、72…温い端部、
74…真空気密ハウジング、75…フランジ、76…真空排気
路、80,82…ワイヤ、84…真空用貫通導体、86…外側接
合ピン、88…窓、100 …ミサイル、102 …本体、104 …
圧力ボトル、105 …望遠鏡、106 …調節装置、108 …信
号線、110 …制御システム。
管、24,54 …ボア−管端部の平らな蓋、26…冷却装置、
28,56 …センサ−、30…外側表面、32…焦点面、34,58
…円筒型の低温シ−ルド、36…場所、38…低温シ−ルド
支持ブラケット、40…セラミック製内部配線カ−ド、60
…セラミック・ベ−ス、70…バッフル、72…温い端部、
74…真空気密ハウジング、75…フランジ、76…真空排気
路、80,82…ワイヤ、84…真空用貫通導体、86…外側接
合ピン、88…窓、100 …ミサイル、102 …本体、104 …
圧力ボトル、105 …望遠鏡、106 …調節装置、108 …信
号線、110 …制御システム。
フロントページの続き (72)発明者 ジョセフ・エル・ラバ アメリカ合衆国、カリフォルニア州 91367、ウッドランド・ヒルズ、ティア ラ・ストリート 20601 (72)発明者 アーサー・エー・エネイム アメリカ合衆国、カリフォルニア州、ゴレ タ、ウィンザー・アベニュー 665 (72)発明者 ネビル・キュー・マーセン アメリカ合衆国、カリフォルニア州 93117、ゴレタ、ヒルビュー・ドライブ 206
Claims (10)
- 【請求項1】 デュワ−・ボア−管と;デュワ−・ボア
−管の一方の端部を閉じ、外側に面する外側表面を有す
るデュワ−・ボア−管端部の蓋と;デュワ−・ボア−管
端部の蓋の外側表面に装着されたセンサ−と;センサ−
を部分的に取り囲む低温シ−ルドと;デュワ−・ボア−
管端部の蓋からデュワ−・ボア−管の長手方向に沿って
ずれたデュワ−・ボア−管上のある場所から低温シ−ル
ドを支持する低温シ−ルドの支持ブラケット;とを具備
するデュワ−装置。 - 【請求項2】 デュワ−・ボア−管と低温シ−ルドが筒
型である、請求項1記載のデュワ−装置。 - 【請求項3】 低温シ−ルドが、銅とアルミニウムとそ
れらの合金を含む高熱拡散率金属のグル−プから選択さ
れた材料から作られる請求項1 記載のデュワ−装置。 - 【請求項4】 冷却される構成物から熱を抽出するため
のものであって、熱が第二の場所からよりも速く第一の
場所から抽出されるような、冷却システムとしての第一
の場所を有する熱抽出支持手段と;その第一の場所で熱
抽出支持手段に装着されるセンサ−と;そのセンサ−を
部分的に取り囲む低温シ−ルドと;熱抽出支持手段上の
第二の場所から低温シ−ルドを支持する低温シ−ルドの
支持ブラケット;とを具備する冷却システムと共に使用
されるデュワ−装置。 - 【請求項5】 熱抽出支持手段がその一方の端部で端部
の蓋を持つ筒型の管を備え、第一の場所が端部の蓋の上
にある請求項4 記載のデュワ−装置。 - 【請求項6】 低温シ−ルドの支持ブラケットが少なく
とも部分的に銅とアルミニウムとそれらの合金を含む高
熱拡散率金属のグル−プから選択された材料から作られ
る請求項4 記載のデュワ−装置。 - 【請求項7】 中空の筒型デュワ−・ボア−管と;デュ
ワ−・ボア−管の一方の端部を閉じ、外側に面する外側
表面を有するデュワ−・ボア−管端部の蓋と;デュワ−
・ボア−管端部の蓋の外側表面に装着されたセンサ−
と;センサ−を部分的に取り囲み、デュワ−・ボア−管
の直径よりも大きい筒型の直径を持ち、銅とアルミニウ
ムとそれらの合金を含む高熱拡散率金属のグル−プから
選択された材料から作られる低温シ−ルドと;デュワ−
・ボア−管端部の蓋からデュワ−・ボア−管の長手方向
に沿ってずれたデュワ−・ボア−管上のある場所から低
温シ−ルドを支持し、且つ電気的表面配線を有し低温シ
−ルドを支持するセラミックの内部配線カ−ドと、デュ
ワ−・ボア−管の筒型表面に取り付けられる第一の端部
と、その上の内部配線カ−ドを支持する第二端部を有す
る金属製低温シ−ルド支持ブラケットを含む低温シ−ル
ド支持ブラケット;とを具備するデュワ−装置。 - 【請求項8】 デュワ−・ボア−管が低い熱伝導性を有
する鉄ニッケル合金から作られる請求項7 記載のデュワ
−装置。 - 【請求項9】 デュワ−・ボア−管と低温シ−ルドの周
りに、さらに外側ハウジングを有する請求項7 記載のデ
ュワ−装置。 - 【請求項10】 本体と;ミサイルの前方の視界を探知
するための手段であり、 デュワ−・ボア−管と、 デュワ−・ボア−管の一方の端部を閉じ、外側に面する
外側表面を有するデュワ−・ボア−管端部の蓋と、 デュワ−・ボア−管端部の蓋の外側表面に装着されたセ
ンサ−と、 センサ−を部分的に取り囲む低温シ−ルドと、 デュワ−・ボア−管端部の蓋からデュワ−・ボア−管の
長手方向に沿ってずれたデュワ−・ボア−管上のある場
所から低温シ−ルドを支持する低温シ−ルド支持ブラケ
ットと、 センサ−と低温シ−ルドを冷却する冷却装置、とを具備
するデュワ−装置を有する探知するための手段;とを具
備するミサイル。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/709,929 US5187939A (en) | 1991-06-03 | 1991-06-03 | Rapid cooldown dewar |
| US709929 | 1991-06-03 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05180691A true JPH05180691A (ja) | 1993-07-23 |
Family
ID=24851879
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14298592A Pending JPH05180691A (ja) | 1991-06-03 | 1992-06-03 | 急速冷却デュワ−装置とその応用 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5187939A (ja) |
| EP (1) | EP0518515A1 (ja) |
| JP (1) | JPH05180691A (ja) |
| AU (1) | AU636812B2 (ja) |
| IL (1) | IL101691A0 (ja) |
| NO (1) | NO922003L (ja) |
Families Citing this family (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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