JPH06347113A - ジュール・トムソン型冷却装置 - Google Patents

ジュール・トムソン型冷却装置

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JPH06347113A
JPH06347113A JP5136327A JP13632793A JPH06347113A JP H06347113 A JPH06347113 A JP H06347113A JP 5136327 A JP5136327 A JP 5136327A JP 13632793 A JP13632793 A JP 13632793A JP H06347113 A JPH06347113 A JP H06347113A
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JP
Japan
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cooling
gas
tube
inner tube
closed end
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Pending
Application number
JP5136327A
Other languages
English (en)
Inventor
Satoshi Aihara
敏 相原
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Publication of JPH06347113A publication Critical patent/JPH06347113A/ja
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/02Gas cycle refrigeration machines using the Joule-Thompson effect
    • F25B2309/022Gas cycle refrigeration machines using the Joule-Thompson effect characterised by the expansion element

Landscapes

  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【構成】 一方の閉止端に透光窓を備えた外管と、外管
内に一方の閉止端が外管の閉止端に対向させて配置され
他端が外管の閉止端の他端と封着されて二重管部を構成
した内管と、二重管の間の真空領域と、内管の閉止端の
真空領域内に前記透光窓に対向した冷却型光電変換素子
と、内管内にこの内壁に内装され、熱交換用フィン付パ
イプを介して密接し所定高圧の円筒体と、円筒体に装着
されたベローズ型温度センサと、温度センサに機械的に
連動させた膨張弁調節用ニードルバルブでなる第一のガ
ス噴出部と、内管内に内壁に内装された冷却型光電変換
素子に内管壁を介して、冷却ガスが導かれた細管の先端
の微細孔を近接対向させ少なくとも第一のガス噴出部の
閉止状態において微細孔から冷却ガスを漏洩させる第二
のガス噴出部を具備したジュール・トムソン型冷却装
置。 【効果】 本発明に係る冷却装置は、冷却温度の変動が
無視できる程度に微小にできるので、温度の変化による
悪影響の大きい赤外線検知器の冷却に適用して著効があ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、赤外線検知用の半導体
素子(以下、赤外検知素子と称する)などの半導体素子
を液体窒素、または液体アルゴン温度程度に冷却するた
めに用いられるジュール・トムソン型の冷却装置、特に
ガス消費量を節約できる流量調節型(以下、デマンド・
フロー型と称する)の冷却装置に関する。
【0002】
【従来の技術】波長3〜5ミクロン帯、8〜10ミクロ
ン帯の赤外線を赤外検知素子によって検知するには、そ
の赤外検知素子を液体窒素温度(77K)程度に冷却す
る必要がある。その冷却方法としては、検知素子を真空
容器に封入してデュアー構造とし、高圧ガスの断熱膨張
におけるジュール・トムソン効果を利用した冷却器を使
用するのが一般的である。
【0003】ジュール・トムソン冷却器は、膨張弁のノ
ズルの大きさが固定のものと、冷媒ガスの液化を生じて
液化ガスが十分存在すると、冷却器の先端に備えられた
温度検知用のベローズの機械的変形により膨張弁調節用
のニードルを駆動して膨張弁のノズルを塞いでガスの流
量を節約する流量調節(デマンド・フロー)型のものと
がある。
【0004】以下にデマンド・フロー型冷却器について
説明する。
【0005】図3にデマンド・フロー方式の冷却装置の
一例を断面図で示す。
【0006】円筒1にらせん状に巻き付けられた熱交換
用フィン付きパイプ2は先端部で膨張弁の噴出口4を持
つブロック3に接続されている。円筒1の一端にはベロ
ーズ5が溶接により接続されており、円筒1に設けた隔
壁6とともに密閉部7を形成している。該密閉部7には
冷却に使用する高圧ガスと同じガスが、枝管8を通して
封入され、この枝管は封入後封じ切られている。ベロー
ズ5の底部に連結棒9が固定されており、この連結棒9
には噴出口4の開口を開閉するニードル10が固定され
ている。冷却装置全体は、冷却すべき赤外検知素子1
4、赤外透過窓13を持つ真空デュア12の内管11に
挿入して使用される。
【0007】ここで、上記ニードル10は下降して上記
噴出口4に挿通されると、その側面の円錐面部がガス噴
出口4と密接してこの噴出口4を閉止し、高圧ガス15
の噴出を停めるようになっている。
【0008】以下、この冷却装置の動作原理について説
明する。
【0009】図3において、冷却装置の高圧ガス導入口
から高圧窒素ガスを導入すると膨張弁のガス噴出口4a
から高圧ガスが噴出し、ジュール・トムソン効果によっ
て温度が低下する。この温度の低下したガスは、円筒1
と真空デュアの内管11との間にあるフィン付きパイプ
の隙間を通って流れ、パイプ内部の高圧ガスと熱交換を
行ないながら外部に放出される。その結果、冷却が進行
し、ついに窒素ガスの液化温度に達すると、噴出ガスは
液化し、噴出口付近に液化窒素ガスが蓄積する。この状
態になると冷却装置先端部の密閉部7も温度が降下し、
内部の窒素ガスも液化して急激に圧力が降下する。その
結果、ベローズ5が伸び連結棒9を介してニードル10
が噴出口を塞ぎガスの噴出を停止させる。外部からの熱
の流入によって液化窒素はやがて蒸発してなくなり再び
温度が上昇すると、密閉部7の温度も上昇し、液化して
いた内部の封入ガスが再び気化して圧力が上昇し、ベロ
ーズ5の変形により連結棒9を介してニードル10をガ
ス噴出口4aから引き離し、十分な液化窒素の蓄積が生
じるまでガスの噴出を続ける。
【0010】このようにデマンド・フロー型冷却装置で
は、冷却開始の初期には大流量のガスによって急速に冷
却が進行し、一旦冷却が完了すると噴出口が閉じ、あと
は外部からの熱の流入に見合っただけの高圧ガスの消費
しかしないから、高圧ガスの消費の点できわめて経済的
である。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】上に述べたデマンド・
フロー方式のジュール・トムソン型の冷却装置では、冷
却部の温度がある程度上昇して初めてガス噴出口の弁が
開くので、弁の開閉にともなって同じ周期で検知素子の
温度が変動する欠点がある。赤外検知素子の温度変動
は、素子の暗電流の変化につながり、特に温度変化に敏
感な10ミクロン帯赤外検知素子などの冷却で問題とな
った。
【0012】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、冷却時の周期的温度変化が事実上無視出来る程度
に小さいデマンド・フロー方式のジュール・トムソン型
冷却装置の提供を目的とするものである。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明に係るジュール・
トムソン型冷却装置は、一方の閉止端に透光窓を備えた
外管と、前記外管内に一方の閉止端が外管の閉止端に対
向させて配置され他端が外管の閉止端の他端と封着され
て二重管部を構成した内管と、前記外管と内管との二重
管の間に構成された真空領域と、前記内管の閉止端の真
空領域内に前記透光窓に対向し設けられた冷却型光電変
換素子と、前記内管内にこの内壁に内装され、熱交換用
フィン付パイプを介して密接し所定の高圧に保持された
円筒体と、前記円筒体に装着されたベローズ型温度セン
サと、前記温度センサに機械的に連動させた膨張弁調節
用ニードルバルブでなる第1のガス噴出部と、前記内管
内にこの内壁に内装された前記冷却型光電変換素子に内
管壁を介して、冷却ガスが導かれた細管の先端の微細孔
を近接対向させ少なくとも前記第一のガス噴出部の閉止
状態において微細孔から冷却ガスを漏洩させる第二のガ
ス噴出部を具備したことを特徴とする。
【0014】
【作用】本発明に係る冷却装置は、冷却温度の変動が無
視出来る程度に微小にできるので、温度の変化による悪
影響の大きい赤外線検知器の冷却に適用して著効があ
る。
【0015】
【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
して詳細に説明する。
【0016】図1および図2に赤外線検知器の冷却に適
用される一実施例のジュール・トムソン型冷却装置を示
す。本発明はガス噴出部のみ従来と異なり、他は変わら
ないのでこの変わらない部分については図面に従来と同
じ符号を付けて示し説明を省略する。
【0017】図3によって説明した従来技術の冷却装置
では、膨張弁のガス噴出口4aは円形の穴であり、ニー
ドル10はその先端が円錐形であって、冷却が進行する
とニードル10は下降してガス噴出口4aを事実上完全
に塞ぎ、ガスの噴出は停止するのであるが、本発明は、
上記ガス噴出口4aとニードル10を含めそのまま第一
の噴出部4として備え、さらにこの第一の噴出部4が閉
止されても、なお冷却ガスを漏洩させる。以下に記述す
る第二の噴出部をも併設してなる。
【0018】すなわち、液化ガス15を検知素子14の
方向に指向し内管11壁を介して噴気させるように、液
化ガスを検知素子の近傍に輸送する導管100を配置
し、かつその先端の微細なガス噴出口101a、101
bを前記検知素子(冷却型光電変換素子)に内管壁を介
して近接対向させ液化ガスが検知素子の底部を直撃する
ように配置されて第二のガス噴出部111、121を構
成している。上記ガス噴出口101a、101bは冷却
の持続に必要、かつ十分な漏洩流量が得られるように設
計する。そして、その形状は図2aに示すように、上記
導管端を円め、該部に導管とほぼ同軸の開口によるガス
噴出口101aを設ければよく、または、図2bに示す
ように、導管端に少なくとも1回施し形成された「かし
め加工部」による噴出口101bによって所望の漏洩流
量が得られるようにした第二のガス噴出部121であ
る。
【0019】叙上の如く構成された本発明に係る冷却器
では、冷却開始の初期には第一のガス噴出部から噴出さ
れる大流量の冷却用ガスによって急速な冷却が行なわ
れ、冷却完了後は冷却保持に十分な比較的低流量の第二
のガス噴出部111、121からのガス消費となる。
【0020】上記漏洩させるガス流量の設定は、冷却温
度を持続するに必要な流量の約1.5倍から2倍程度が
適当である。したがって、冷却持続時の高圧ガス消費量
は従来にくらべやや増加するものの、冷却温度の変動が
事実上ゼロになり、赤外線検知器の冷却に使用する上で
の利益は非常に大である。
【0021】つぎに、本発明に係る冷却装置では低流量
の第二のガス噴出口101a、101bが検知素子14
に向かって開いているので、少量のガス消費でもよい上
に、冷却器の姿勢にかかわらず(すなわち、上向きで
も)安定に検知素子を冷却することができ、特に航空機
等に搭載された場合のように変化のある姿勢で使用され
る場合における信頼性の向上に益するところ大である。
【0022】
【発明の効果】叙上の如く本発明に係る冷却装置は、冷
却温度の変化が無視できる程度に微小にできるので、温
度の変化による悪影響の大きい赤外線検知器の冷却に適
用して顕著な効果がある。また、本発明における第二の
ガス噴出部は検知素子を指向し近接させた構成であるた
め、検知素子に対し悪影響を及ぼす冷却温度の変動を無
視できる程度に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係るデマンド・フロー方式
のジュール・トムソン型冷却装置の断面図。
【図2】(a)は本発明の一実施例の第二のガス噴出部
の断面図、(b)は本発明の別の一実施例の第二のガス
噴出部の断面図。
【図3】従来例のデマンド・フロー方式のジュール・ト
ムソン型冷却装置の断面図。
【符号の説明】
1 円筒 2 熱交換用フィン付きパイプ 3 ガス噴出口ブロック 4 第一のガス噴出部 5 ベローズ 6 隔壁 7 密閉部 8 枝管 9 連結棒 10 ガス調節用ニードル 11 検知器真空デュア内管 12 検知器真空デュア 13 赤外線透過窓 14 赤外検知素子 15 冷却用ガス 101a、101b 第一のガス噴出口 111、121 第二のガス噴出部

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一方の閉止端に透光窓を備えた外管と、
    前記外管内に一方の閉止端が外管の閉止端に対向させて
    配置され他端が外管の閉止端の他端と封着されて二重管
    部を構成した内管と、前記外管と内管との二重管の間に
    構成された真空領域と、前記内管の閉止端の真空領域内
    に前記透光窓に対向し設けられた冷却型光電変換素子
    と、前記内管内にこの内壁に内装され、熱交換用フィン
    付パイプを介して密接し所定の高圧に保持された円筒体
    と、前記円筒体に装着されたベローズ型温度センサと、
    前記温度センサに機械的に連動させた膨張弁調節用ニー
    ドルバルブでなる第一のガス噴出部と、前記内管内にこ
    の内壁に内装された前記冷却型光電変換素子に内管壁を
    介して、冷却ガスが導かれた細管の先端の微細孔を近接
    対向させ少なくとも前記第1のガス噴出部の閉止状態に
    おいて微細孔から冷却ガスを漏洩させる第二のガス噴出
    部を具備したジュール・トムソン型冷却装置。
JP5136327A 1993-06-08 1993-06-08 ジュール・トムソン型冷却装置 Pending JPH06347113A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012133041A1 (ja) 2011-03-31 2012-10-04 三菱重工業株式会社 航空機・宇宙機用流体冷却システム及び航空機・宇宙機用流体冷却方法
WO2016052327A1 (ja) * 2014-09-29 2016-04-07 三菱重工業株式会社 レーザ発振冷却装置

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