JPS6326831B2 - - Google Patents

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JPS6326831B2
JPS6326831B2 JP56140810A JP14081081A JPS6326831B2 JP S6326831 B2 JPS6326831 B2 JP S6326831B2 JP 56140810 A JP56140810 A JP 56140810A JP 14081081 A JP14081081 A JP 14081081A JP S6326831 B2 JPS6326831 B2 JP S6326831B2
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JP
Japan
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rod
forward flow
wave
nozzle
refrigerant
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JP56140810A
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JPS5777861A (en
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Mihairoitsuchi Aruharofu Arekusei
Chimofueeeuitsuchi Desuyatofu Arekusandoru
Reonidoitsuchi Bondarenko Bitarii
Gurigorieuitsuchi Puronko Urajimiiru
Dabuidoitsuchi Kurakofusukii Borisu
Mihairoi Serugei
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FUSESO NAUCHINO ISUSUREDO INST GERIEBOI CHEFUNIKI
MOSUKO BISUSHEE TECH UCHIRITSUSHE IMENI ENU II BAUMANA
Original Assignee
FUSESO NAUCHINO ISUSUREDO INST GERIEBOI CHEFUNIKI
MOSUKO BISUSHEE TECH UCHIRITSUSHE IMENI ENU II BAUMANA
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Publication date
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    • F25J2270/91—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration by regenerative chillers, i.e. oscillating or dynamic systems, e.g. Stirling refrigerator, thermoelectric ("Peltier") or magnetic refrigeration using pulse tube refrigeration
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、冷凍工学の分野に関し、特に、低温
生成方法およびそれを達成するためのプラントに
関する。
本発明は、冷凍プラント内を循環する冷媒の沸
点に近い温度レベルにおいて低温を生成する場合
に最も有利に使用されることができ、特にヘリウ
ムまたは水素のような軽いガスが冷媒として使用
されるときには然りである。
本発明は、天然ガスの冷凍および液化、および
空気と他のガス状物質との分離に更に使用される
ことができ、物理的試験、動力工学、原子力工
学、電気工学、生物学などの種々の分野において
低温度が得られまたは利用されるときに使用され
る。
低温プラントにおける低温生成の方法は、当業
者に周知である。（1978年モスコウ市マシノスト
ロエニエ出版社発行、A.M.アルカロフ、I.V.マ
ルフエニナ、E.I.ミクリンの低温装置の理論と計
算、頁118−119、209−216参照）。それは次の工
程を持つている。窒素ガスなどのガス冷媒を周囲
温度で圧縮する工程と、臨界圧力を超えて数倍の
圧力の前進流を形成する工程と、前記冷媒の帰還
流によつて前進流をその後周囲温度より２乃至３
分の１の絶対値の温度に冷却する工程と、外部仕
事を抽出せず局所的流体、抵抗を通して流出した
とき、すなわちスロツトリングによつて膨脹した
とき前記前進流の少なくも一部を更に膨脹させる
工程とを持つている。
当業者によつて理解されているように、用語ス
ロツトリングは、前記ガスが外部仕事を行なわな
いときのガス膨脹の工程を定義するために使用さ
れる。このスロツトリングの工程は、スロツトル
といわれる局所的の流体抵抗を通つてガスが通過
するときに生じる。その際に、この膨脹しつつあ
るガスは、摩擦力や局所の抵抗に打勝ちながら仕
事をする。しかし、この仕事は、熱に変換され
て、その同じガス流によつて消化される。すなわ
ち、それはそのスロツトリング区域内に止まつて
いて取り去られることはない。
この膨脹した前進流は、低温の消費装置に運ば
れて、そこで加熱された後に、その前進流は戻し
流に変換され、それは更に圧縮されるために供給
される。このサイクルは完了し、それらの工程は
反覆される。
低温プラントの諸条件下におけるスロツトリン
グの工程中に、膨脹しつつある冷媒の冷却が生じ
る。このスロツトリング工程を実現している冷媒
膨脹装置すなわちスロツトルは、可動部分は持た
ないので、それらのものは、低温プラントの信頼
性および耐久性に悪影響はない。
しかし、膨脹工程としてのスロツトリングの効
率は、その不可逆性の見地では不適当である。そ
れは、スロツトリング区域から膨脹ガスのエネル
ギが取り出されるのではなく、発散されることを
意味し、すなわちもはや利用されることはできな
い。
従つて、スロツトリング工程中の冷媒の冷却
は、その膨脹したガスからエネルギを抽出するこ
とによつて起るのではなく、周囲温度における圧
縮工程中に膨脹ガスのエネルギを減少することに
よつて生じるのであつて、厳格にいえば、スロツ
トリングは、或る所定温度レベルにおいて、周囲
温度における冷媒圧縮に帰因する低温を達成する
ための一手段にすぎない。
当業者は理解するように、「周囲媒質
（“circumambient medium”）というのは、冷媒
膨脹装置を包囲する任意物体の複数である。当業
者には、更に理解されるように、用語「周囲」
（“environment”）は、この低温生成方法を達成
するためのプラントを包囲する任意物体の複数を
示すために使用されている。周囲温度は、一般に
は一定と考えられているが、周囲媒質の温度は、
変化することがある。
主要工程としてスロツトリングが使用されてい
る先行技術の低温生成方法の不適当に高い効率
は、低温プラント内の前記方法の利用が、或るあ
たえられた温度レベルにおいて低温を生成するた
めに動力の消費率の増加を来たすという事実によ
つて明瞭に証明されている。
低温生成の工程中における動力消費は、周囲温
度における冷媒圧縮に主として消費された動力と
冷却能力との比によつて一般に特定される。前記
数値は、両方ともワツトで測られる。この比は、
通例は比エネルギ消費量といわれ、無次元の数
Ｗ／Ｗで表わされる。
低温生成の方法を達成するためのプラントは知
られている。（1978年モスコウ市マシノストロエ
ニエ出版社発行のA.M.アルカロフ、I.V.マルフ
エニナ、E.I.ミクリンの低温装置の理論と計算、
頁209−210参照）。それは、等温圧縮機、前進流
および帰還流のラインによつて圧縮機に連通した
冷却装置と、低温の消費装置などの圧縮冷媒源を
持つている。冷却装置は、前進流ラインの方向に
直列に配置された熱交換器、前記のスロツトルな
どの冷媒膨脹装置を含む。帰還流は、低温消費装
置を熱交換器を経て圧縮冷媒源と連通する。
冷媒膨脹装置として使用されているスロツトル
は、その構体が可動部分を含んでいないので動作
は簡単で確実である。このスロツトルの使用は、
使用寿命および全体プラントの動作信頼性に悪影
響をあたえない。それにも拘らず、その構体は上
記の不適当効率のスロツトリング工程を実施する
ことができるだけであつて、それは主要工程とし
てスロツトリングを利用した低温生成方法を達成
するプラントにおける比動力消費量の増加を招来
する。
本発明は、設定されたエネルギ消費量において
増加された冷凍能力を確保し、或は設定された冷
凍能力において減少したエネルギ消費量とし、か
つプラントの適当な高い信頼性と小さい全体寸法
とを得ることができるような低温生成方法と、そ
れを達成するような設計のプラントとを開発する
問題を解決することを目的としている。
「冷凍容量」なる用語は、或るあたえられた温
度レベルにおいて単位時間に或るプラントによつ
て生成される低温の量を定義することは冷凍およ
び低温工学の当業者によく知られている。
上記の問題は、下記工程による低温生成方法に
より解決された。冷媒を圧縮して、前進流を形成
し、前記冷媒の戻り流によつて前進流を冷却し、
前記前進流の少なくも一部を膨脹させて、前進流
は、低温の消費装置に送られ、そこで前進流は、
加熱されて、戻り流に変換され、圧縮されるため
に更に供給され、本発明によつて、前記前進流の
うちの少なくも一部の膨脹は、波エネルギを発生
し、それを他の種類のエネルギに変換することに
よつて膨脹区域から抽出されることによつて付随
される。
そのように膨脹工程を行なうことによつて、そ
の効率はスロツトリング工程の効率と比較したと
きに増加する。何となれば、膨脹区域から取り去
られる波エネルギは、膨脹した冷媒に対して外部
仕事を提供するからである。この仕事の数値は、
本明細書に開示された膨脹工程における可能な付
加的の冷凍容量を明瞭にする。
波エネルギは、それを熱エネルギに変換するこ
とによつて膨脹区域から取り去られることが便利
である。
かような技術的解決は、比較的低い温度を持つ
膨脹区域から比較的高い温度を持つプラント区域
に、熱に変換された波エネルギを抽出することを
助ける。その抽出熱量は、膨脹区域内の低温の付
加生成量に相当し、全体において、プラントの冷
凍容量を増加して、低温生成の上記方法を達成す
ることができる。
この技術的解決は、波エネルギから熱エネルギ
への変換比が非常に高いので特に重要である。
波エネルギを電気エネルギに変換することによ
つて膨脹区域から抽出することもまた推奨される
ことである。
このことは、プラントの低温部分の外部にある
電極を介して変換波エネルギを抽出して低温生成
の本明細書開示の方法を達成することを可能に
し、更にその抽出した電気エネルギを利用するの
で、これは低温生成のための比動力消費量の減少
することに相当する。
上記の問題は、また低温を生成する開示方法を
達成するために下記のプラントによつても解決さ
れる。すなわち圧縮された冷媒の供給源と、前進
流ラインによつて前記冷媒供給源と連通し、かつ
少なくも１個の冷媒膨脹装置を持つ冷却装置とを
有し、前記冷却装置は、低温を消費する装置と連
通し、前記低温消費装置は前記冷却装置を貫通す
る戻り流れラインによつて前記圧縮冷媒供給源に
更に連通するプラントであつて、本発明により、
少なくも１個の冷媒膨脹装置は、前進流ラインと
連通したチヤンバ内に位置し、前記前進流ライン
に連結されたガス・ジエツト機械的造波コンバー
タと、前記ガス・ジエツト機械的造波コンバータ
と波関係にありかつ前記ガス・ジエツト機械波コ
ンバータの温度レベルを超過する温度レベルの周
囲媒質とエネルギ接触状態にある波エネルギ・コ
ンバータとを含んでいる。
かような技術的解決の結果として、本発明のプ
ラントにおける冷媒膨脹装置は、適当な効率を有
し、かつ製造の信頼性と簡易性とを保有すること
ができる。前記装置は、適当に効率的である。何
となれば、本発明による低温生成の上記方法を効
率的に利用しているからである。
低温生成の方法を達成するための上記プラント
において、前記波エネルギ・コンバータをスリー
ブ状に形成して、そのスリーブの開口端部を前記
ガス・ジエツト機械造波コンバータに面するよう
にし、またその開鎖端部を周囲媒質と熱接触状態
にすることは推奨されることである。
波エネルギコンバータのこのような構体装置
は、ガス・ジエツト機械造波コンバータから波エ
ネルギを確実むしろ簡単に移送し、それを次に前
記エネルギを熱に変換し、その熱を周囲媒質に取
り去ることを助長する。
これは、前記スリーブが、その一端部を閉鎖
し、その開口した端部をガス・ジエツト機械造波
コンバータに面して、一つの導波装置を作り、そ
の内側に機械造波コンバータによつて作られたガ
ス媒質の弾性振動が伝播するという事実によるも
のである。そのようにする間に、弾性振動のエネ
ルギは熱に変換され、その結果、周囲媒質と熱接
触状態にあるこのスリーブの閉鎖端部を加熱し、
このようにして、その熱は周囲媒質に取り去られ
る。
低温生成方法を達成するためのプラントにおい
て、ガス・ジエツト機械造波コンバータがガス・
ジエツト・ロツド波ラジエータとして形成されて
いる場合において、前記冷媒膨脹装置のチヤンバ
は、エリプソイドの形状を持つことができ、その
第１（前進流ラインの方向に）の焦点区域には、
前記ガス・ジエツト・ロツド波ラジエータが位置
し、またエリプソイドの他の焦点区域には一つの
波エネルギ・コンバータが配置され、それはエリ
プソイドの長軸に沿つて位置し、その一端部を前
記チヤンバから延びて、周囲媒質と熱的接触状態
にあるようにしている。
この装置によれば、ガス・ジエツト・ロツド・
ラジエータによつて放射された波エネルギは、膨
脹チヤンバの第２焦点区域に集中されることがで
き、熱に変換され、熱伝導要素を経て、周囲媒質
に抽出され、それによつてチヤンバ内で膨脹した
冷媒は冷却される。
低温生成の方法を達成するためのプラントにお
いて、ガス・ジエツト機械造波コンバータがガ
ス・ジエツト・ロツド波ラジエータとして形成さ
れている場合に、冷媒膨脹装置のチヤンバは、エ
リプソイドの形状を持つことができ、その第１
（前進流ラインの方向）に焦点区域に前記ガス・
ジエツト・ロツド波ラジエータが位置し、またエ
リプソイドの他の焦点区域に波エネルギコンバー
タが配置され、このコンバータは周囲媒質と電気
的関係にある通常の電気音響トランスデユーサと
して形成されることはまた便利である。
かような装置は、冷媒膨脹チヤンバから熱では
なく電気エネルギを抽出することを助長し、これ
はその抽出した電気エネルギが、低温生成方法を
達成するためのプラントの動力要求を満たすため
に更に利用される場合に特に有利である。
低温生成方法を達成するための上記プラントに
おいて、ガス・ジエツト・ロツド波ラジエータ
が、エリプソイドの長軸に沿つて配置されたロツ
ドを含み、その端部にスリーブ状に形成された共
鳴器を支持し、前進流ラインと連通し、前記ロツ
ドを包囲する収縮ノズルを有するものにおいて、
前記ノズルの前面平面は、前記共鳴器の開口端部
から或る距離に位置し、ロツドは、ノズルの前面
平面区域に位置する円柱状の突出部をその外面に
持つことができ、その前面平面におけるノズルの
内面に対する間隙を持ち、その間隙の数値は、前
記円柱状突出部の幅と、ノズル外側のロツドの直
径、ノズル内側のロツド直径、および前面平面に
おける収縮ノズルの内径に依存して、次式によつ
て明示されることは、また推奨されることであ
る。
δ＝0.5（do−dr）、ｔ0.5δ ｔ＝0.5（dr−ｄ） ここに、 δ…間隙の値（ｍ） do…前面平面におけるノズルの内径（ｍ） ｄ…ノズル内側のロツド直径（ｍ） ｔ…円柱状突出部の幅（ｍ） dr…ノズル外側のロツド直径（ｍ） 前記の技術的解決は、ガス・ジエツト・ロツド
波ラジエータ内における冷媒膨脹時に最大の波動
力の放射を助長する。
ｔ0.5δの関係が満足されるときには、ノズル
から流出して、ロツドの外面に形成される冷媒の
ジエツトの中に境界層の破壊が生じる。これは、
放射される波勢力の増加を助長する。
低温生成の上記方法を達成するためのプラント
において、ガス・ジエツト・ロツド波ラジエータ
が、エリプソイドの長軸に沿つて配置されたロツ
ドを含み、このロツドの端部にスリーブ状に形成
された共鳴器を支持し、前進流ラインに連通して
ロツドを包囲する収縮ノズルを有するものにおい
て、前記ノズルの前面平面は共鳴器の開口端部か
ら或る距離にあり、共鳴器の閉鎖端部において周
囲媒質と熱接触状態にあるリブ状に形成された冷
却装置を設けることができ、前記リブは、前記共
鳴器の端壁からエリプソイドの長軸の方向に延
び、また前記共鳴器の側壁からエリプソイドの長
軸に直角方向に延びるようにすることがまた便利
である。
かような解決は、上記の冷媒膨脹装置の構体を
簡単化することを助け、従つて全体のプラント構
体を簡単にすることができる。
これは、ガス・ジエツト・ロツド波ラジエータ
によつて放射される波エネルギは、共鳴器の中で
熱に変換され、この共鳴器から直接に周囲媒質に
抽出され、すなわち、波エネルギを波エネルギ・
コンバータに送つて、このコンバータが冷却装置
を持つた共鳴器によつて作用される工程が省略さ
れる。
従つて、低温生成の上記方法およびそれを達成
するためのプラントは、所定のエネルギ消費にお
ける冷凍容量の相当の増加、または低温生成に対
するエネルギ消費の減少をあたえ、一方では冷媒
膨脹のより多くの可逆工程の使用と、かかる工程
を使用する技術的解決の利用とによつて、冷凍容
量を維持している。
更に、プラントの全体寸法を増加することな
く、低温生成方法を達成するためのプラントの十
分に高い信頼性を保証する。
本発明の上記の利点は、その特殊実施例の下記
詳細な記載によつて更によく理解される。
本発明による低温生成の上記方法は、下記の態
様に実施される。
気体の冷媒は、周囲温度において、この気体の
冷媒の臨界圧力を超えて数倍の圧力に等温的に圧
縮される。
次に、圧縮された冷媒の前進流は、前記冷媒の
帰還流によつて冷媒の熱物理特性に依存する或る
温度に冷却され、しかる後、前進流の少なくとも
一部が膨脹された後、前進流は低温の消費装置に
送られる。
後者場所（低温の消費装置）において、冷媒の
前進流は、低温消費装置から加えられた熱によつ
て加熱されて、帰還流に変換され、更に圧縮され
るために供給される。それを行なうときに前進流
の少なくとも一部分の膨脹が、膨脹区域から取り
出された波エネルギの発生とそれを他の種類のエ
ネルギに変換することによつて付随される。本発
明による低温生成方法の第１実施例においては、
発生した波エネルギは、それを熱エネルギに変換
することによつて膨脹区域から抽出される。本発
明による低温生成方法の第２実施例において、発
生した波エネルギは、それを電気エネルギに変換
することによつて膨脹区域から抽出される。
低温生成のここに開示する方法は、低温生成方
法を達成するためのプラントの動作の下記説明に
ついて更に詳細に考察される。
ここに開示された低温生成方法を達成するため
のプラントは、下記のように装置される。
添付図面の第１図を参照すると、本発明のプラ
ントは、１で示された通常設計の圧縮機によつて
代表される、圧縮冷媒の供給源１を有する。
ヘリウム・ガスは、図示の場合に、冷媒として
使用される。
圧縮機１から分岐して、前進流ライン２と帰還
流ライン３とがあり、それぞれ標準の管系２およ
び３で示されている。
このプラントは更に前進流ライン２によつて圧
縮機１に連通した冷却装置４と、この冷却装置４
とまた前進流ライン２によつて連通する低温消費
装置５とを有し、低温消費装置は冷却装置４を通
過する帰還流ライン３によつて圧縮機１と連通し
ている。
冷却装置４は、第１図に矢符Ａで示したように
前進流ライン２の方向に直列に配置される３個の
冷却段階６，７および８を含んでいる。
これらの冷却段階６，７，８は、互いに連通
し、また前進流ライン２および帰還流ライン３に
よつて、圧縮機１および低温消費装置５と連通す
る。
他の場合には、単一の冷却段階を使用すること
もあり、或は３個より多くの冷却段階を使用する
こともある。これは、プラント内を循環している
冷媒の特性にも依存し、また信頼性およびエネル
ギ効率の考慮にもよることである。
第１（前進流方向Ａに）冷却段階６は、前進流
の方向Ａに直列に配置された通常の熱交換器９，
１０を含む。
冷却段階６は更に前進流の一部を膨脹させるよ
うに設計された膨脹器１を含む。膨脹器１１は、
任意適当の通常設計のもので差支ない。
膨脹器１１は、その入口１２によつて熱交換器
９および１０の間で前進流ライン２に連結され、
その出口１３によつて、熱交換器１０と冷却段階
７の間で帰還流ライン３に連結される。
冷却段階７は、前進流方向Ａに直列に、熱交換
器９，１０と同様に配置された熱交換器１４，１
５を含み、また膨脹器１６を持つている。膨脹器
１６は、前進流の一部を膨脹するために設計さ
れ、任意適当の通常設計で差支ない。
膨脹器１６は、その入口１７によつて熱交換器
１４，１５間の部分に前進流ライン２と連通し、
出口１８によつて熱交換器１５と冷却段階８との
間の部分の帰還流ライン３と連通している。
冷却段階８は、前進流方向Ａに熱交換器１４お
よび１５と同様に配置された通常設計の熱交換器
１９と、熱交換器１９と低温消費装置との間の部
分で前進流ライン２に連結された冷媒膨脹装置２
０とを含んでいる。
低温を消費する装置５は、熱放出スクリーン５
によつて代表され、任意通常設計を持つている。
低温消費装置５は、前進流から低温を取り去り、
Ｂの方向に帰還流を形成するように設計され、前
記帰還流は、冷却段階８，７，６を連続的に通つ
て、圧縮冷媒源１に連通する。
冷媒膨脹装置２０は、（図示しない）出口開口
を経て前進流ライン２と連通するチヤンバ２０ａ
を有し、前記チヤンバの中に配置されたガス・ジ
エツト・メカノウエーブ（機械的造波）コンバー
タ２１は、前進流ライン２に連結され、前記ガ
ス・ジエツト・機械造波コンバータ２１と波関係
にある波エネルギ・コンバータ２２はまた周囲媒
質とエネルギ接触状態にあつて、その周囲温度レ
ベルは、ガス・ジエツト・機械波コンバータ２１
の温度よりも高い。この場合の周囲媒質として作
用するのは、熱交換器１４，１５の間の部分の前
進流ライン２から出る前進流の一部であつて、そ
れは、波エネルギ・コンバータの外面を包囲する
通常の管ラインとして構成されたライン２３を経
て、更に膨脹器１６の入口１７に連通している。
第２図に示すように、波エネルギ・コンバータ
２２は、２２に示すスリーブ状に形成され、閉鎖
端部２４と開口端部２５とを持つている。スリー
ブ２２の閉鎖端部２４は、ガス・ジエツト機械波
コンバータ２１から最も離隔して位置し、周囲媒
質と熱接触状態にあり、またスリーブ２２の開口
端部２５は、ガス・ジエツト機械波コンバータ２
１に対面していて、コンバータ２１によつて放射
された波エネルギの最大量がスリーブの閉鎖端部
２４に向つてスリーブ２２の内部空間を通つて送
られる。スリーブ２２の閉鎖端部２４と前記周囲
媒質との熱接触は、ライン２３を通る前進流の一
部に熱移動することによつて行なわれる。
第３図に示す他の場合では、冷媒膨脹装置２０
は、エリプソイド状に形成されたチヤンバ２６を
含み、このエリプソイドの第１（前進流の方向に）
の焦点区域に、２１で示すように前進流ライン２
に連通したガス・ジエツト・ロツド波ラジエータ
として構成されたガス・ジエツト機械波コンバー
タ２１が配置される。
チヤンバ２６の第２の焦点区域２８には、波エ
ネルギ・コンバータ２２ａが配置され、この波エ
ネルギ・コンバータは、２２ａに示すように任意
通常設計の熱伝導要素として構成され、エリプソ
イドの長軸２６ａに沿つて位置し、その一端部を
チヤンバ２６から延びて周囲媒質と熱接触状態に
ある。チヤンバ２６は、その入口の開口３０と、
ガス・ジエツト・ロツド波ラジエータ２１内で膨
脹した前進流のライン２からの出口のために２個
の開口３１を持つている。
チヤンバ２６から延びた、熱伝導要素２２ａの
端部２９の熱接触は、ライン２３を通る前進流の
一部に熱移動することによつて行なわれる。
第４図に示す場合には、冷媒膨脹装置２０は、
同様にエリプソイド状に形成されたチヤンバ２６
を有し、その第１（前進流方向に）の焦点区域２
７は、２１に示したガス・ジエツト・ロツド波ラ
ジエータとして同様に形成された前進流ライン２
に連通しガス・ジエツト機械波コンバータ２１を
収容し、チヤンバ２６の第２の焦点区域２８には
波エネルギ・コンバータ３２が配置され、それ
は、周囲媒質と電気的接触にある通常の電気音響
トランスデユーサ３２（これも３２で示す）とし
て形成される。
チヤンバ２６は、入口開口３０と、ガス・ジエ
ツト・ロツド波ラジエータ２１内で膨脹した前進
流ライン２からの出口の開口３１とを更に持つて
いる。
電気音響トランスデユーサ３２と前記の周囲媒
質との電気接触は、チヤンバ２６の外側の電線３
３，３４を経て電気エネルギを送出することによ
つて行なわれ、この電線に端子３６を介して電力
消費装置が接続され、これは冷媒膨脹装置２０に
対して周囲に存在する媒質を構成する部分を提供
する。
次に第５図を参照すると、エリプソイド・チヤ
ンバ２６の中にあるガス・ジエツト・ロツド波ラ
ジエータ２１は、そのエリプソイドの長軸２６ａ
に沿つて配置されたロツド３７を含み、その端部
３８に共鳴器３９を支持し、前進流ライン２と連
通した収縮ノズル４０は、ロツド３７の周囲を包
囲し、前記ノズルの前面平面は、共鳴器３９の開
口端部から或る距離にある。
ロツト３７は、その外方表面に円柱状の突出部
４３を持ち、その段部は、ノズル４０の前面平面
４１においてノズル４０の内面に対して或る間隙
４４を持つてノズル４０の前面平面区域４１に位
置している。この間隙４４の値は、円柱突出部４
３の幅およびノズル４０内側のロツド３７の直
径、ノズル４０の外方のロツド端部３８の直径、
前面平面における収縮ノズル４０の内径等に依存
して次の関係式によつて表わされる。
δ＝0.5（do−dr）ｔ0.5δ ｔ＝0.5（dr−ｄ） ここに、 δ…間隙４４の値（ｍ） do…前面平面における収縮ノズル４０の内径
（ｍ） ｄ…ノズル４０の内側のロツド３７の直径
（ｍ） ｔ…円柱状突出部４３の幅（ｍ） dr…ノズル４０の外方におけるロツド端部３
８の直径（ｍ） 第６図に示された場合においては、エリプソイ
ド・チヤンバ２６内に位置するガス・ジエツト・
ロツド波ラジエータ２１は、エリプソイドの長軸
２６ａに沿つて配置されたロツド３７を同様に含
み、ロツドの端部３８に共鳴器３９を支持し、収
縮ノズル４０は前進流ライン２と連通してロツド
３７を包囲しているが、前記ノズルの前面平面４
１は、共鳴器３９の開口端部４２から或る距離に
あり、他方、共鳴器３９の閉鎖端部には周囲媒質
と熱接触状態にある冷却装置４５が設けられてい
る。
この冷却装置４５は、やはり４５で示した複数
のリブを有し、これらのリブは、エリプソイドの
長軸２６ａの方向に共鳴器３９の端壁から延び、
またエリプソイドの長軸２６ａに直角方向に共鳴
器３９の側壁から延び、また冷却装置４５と周囲
媒質との熱接触は、熱移動によつて行なわれる。
この場合の周囲媒質として作用するものは、図示
されていない開口を経てチヤンバ２６内にライン
２３によつて供給される前進流の一部である。
本発明による低温生成方法を達成するための上
記プラントは、下記のように動作する。
このプラントの動作は、圧縮機１の始動で開始
する。
冷媒（この場合ヘリウム）は、周囲温度におい
て25乃至30バールの圧力に圧縮機１内で圧縮され
て、前進流を生じ、方向Ａに前進流ライン２を経
て冷却装置４および低温消費装置５に連続的に送
給される。冷却装置４内では、前進流は、段階
６，７および８を連続的に通つて、そこで方向Ｂ
に帰還流ライン３を通つて送られる帰還流によつ
て冷却される。
第１（前進流の方向Ａに）の冷却段階６におい
ては、前進流は、熱交換器９および１０の中で周
囲温度より２倍乃至３倍低い温度に冷却され、更
に冷却段階７に送られる。そのようにするとき
に、前進流の一部は、膨脹器１１の入口１２に供
給されて、その中で、1.2乃至1.3バールの圧力に
膨脹され、膨脹器１１の出口１３を経て、熱交換
器１０と冷却段階７との間の部分の帰還流ライン
３に向けられる。
冷却段階７においては、前進流は、熱交換器１
４，１５内で周囲温度よりも14乃至15倍低い温度
に連続的に冷却されて、冷却段階８に送られる。
この工程中に、前進流の一部は、ライン２３を経
て膨脹器１６の入口１７に供給され、この膨脹器
内で1.2乃至1.3バールの圧力に膨脹されて膨脹器
１６の出口１８を経て、熱交換器１５および冷却
段階８の間の帰還流ライン３に送られる。
冷却段階８においては、前進流の残部は、熱交
換器１９内で臨界温度に近い温度に冷却されて、
冷媒膨脹装置２０に送られ、更に低温消費装置５
に送給されて、そこで低温消費装置５から熱を取
入れることによつて加熱され、冷却段階８，７お
よび６を経て圧縮機１の入口に至る帰還流ライン
３を通る膨脹ヘリウムの帰還流を形成する。
冷媒膨脹装置２０においては、臨界温度に近い
温度で1.2乃至1.3バールの圧力への前進流の膨脹
は、ガス・ジエツト機械的造波コンバータ２１内
の波エネルギの発生によつて付随され、前記波エ
ネルギは、波エネルギ・コンバータ２２内で他の
種類のエネルギに変換することによつて膨脹区域
から取り出される。
この変換されたエネルギの抽出は、波エネル
ギ・コンバータ２２と周囲媒質とのエネルギ接触
によつて行なわれる。ガス・ジエツト機械造波コ
ンバータ２１と波エネルギ・コンバータ２２との
間の波関係は、それを他の種類のエネルギに変換
することによつて波エネルギの最大可能抽出を保
証する。
第２図に示された冷媒膨脹装置２０の実施例に
おいては、ガス・ジエツト機械波コンバータ２１
によつて発生された波エネルギは、この場合導波
装置として作用するコンバータ２２の開口端部２
５を通つて波エネルギ・コンバータに導入され、
吸収効果によつて、前記波エネルギ・コンバータ
の閉鎖端部２４において熱に変換される。発生熱
は、ライン２３を流れる前進流の一部によつて代
表される周囲媒質へ熱移動によつて取り去られ
る。その結果として、冷媒膨脹装置２０内で膨脹
された圧縮ヘリウムは、温度を低下する。
第３図に示した場合では、前進流は冷媒膨脹装
置２０内のチヤンバ２６に方向Ａに供給されて、
ガス・ジエツト・ロツド波放射器２１内で膨脹
し、それは波エネルギの発生によつて付随され
る。その発生した波エネルギは、チヤンバ２６の
壁からの反射効果によつて、熱伝導要素２２ａの
表面上の第２焦点区域２８に集中して、要素２２
ａの熱伝導性による吸収効果によつて熱に変換さ
れる。
発生した熱は、熱伝導要素２２ａを経てチヤン
バ２６から延びている端部２９に移動されて、更
に、熱移動によつて、ライン２３を流れている前
進流の一部に移動される。このようにして、膨脹
した冷媒のエネルギは、チヤンバ２６内の膨脹区
域から熱の形態で移動され、比較的高い温度を特
徴とする周囲媒質へ比較的低い温度を特徴とする
チヤンバ２６内の膨脹区域からエネルギが移動さ
れる。その結果として、開口３１を経てチヤンバ
２６から出て行く膨脹された冷媒は、温度を下降
する。
第４図に例示された他の場合には、前進流は冷
媒膨脹装置２０内のチヤンバ２６に向つて方向Ａ
に供給されて、ガス・ジエツト・ロツド波ラジエ
ータ２１内で膨脹し、波エネルギの発生によつて
伴なわれる。発生した波エネルギは、チヤンバ２
６の壁からの反射効果によつて、通常の電気音響
トランスデユーサ３２の表面上の第２焦点区域２
８に集中されて、電気エネルギに変換される。
発生した電気エネルギは、電線３４を経てチヤ
ンバ２６から取り出されて、電力消費装置３５に
供給される。この電力消費装置３５は、冷媒膨脹
装置２０に対して周囲にある媒質の構成部分を示
している。
このようにして、膨脹した冷媒のエネルギは、
比較的高い温度を持つチヤンバ２６内の膨脹区域
から、比較的高い温度を持つ周囲媒質へ電気エネ
ルギの形態で移動される。その結果として開口３
１を経てチヤンバ２６を去る膨脹冷媒は、冷却さ
れる。
第５図に示されたガス・ジエツト・ロツド波ラ
ジエータにおいては、圧縮された冷媒の膨脹は、
波エネルギの発生をともなつて行なわれる。圧縮
冷媒の前進流は、収縮ノズル４０内で突出部４３
を持つたロツド３７の周囲を流れるときに膨脹し
て、共鳴器３９を満たし、後者（共鳴器）から反
射されて、ノズル４０から流出するヘリウム流と
相関動作する。かような断続的の相関動作の結果
として、波エネルギが発生する。ロツド３７上の
突出部４３は、ノズル４０から流出するヘリウム
流の境界層を破壊するので、これは発生する波エ
ネルギの増加を助ける。
第６図に例示されたガス・ジエツト・ロツド波
ラジエータ２１内の圧縮冷媒の膨脹は、上記の工
程と類似の工程によつて達成される。その工程中
においては、発生した波エネルギは、同様に共鳴
器３９の内部空間を進行し、吸収作用のために、
熱に変換される。同じように４５で示された複数
個のリブ状に形成された冷却装置４５を設けたこ
とによつて、共鳴器３９の内面に生じた熱は、熱
移動によつて、ライン２３を流れる前進流の一部
となつて周囲媒質に伝達される。共鳴器３９から
の熱の形態で膨脹冷媒のエネルギの一部を周囲媒
質へこのように抽出することによつて、波エネル
ギ発生によつて付随された膨脹工程中に冷媒を付
加的に冷却することができる。
低温生成の上記方法およびそれを達成するため
のプラントは、実験室条件のもとで成功的に試験
された。
その試験結果の示すところによれば、本発明に
よる方法およびプラントを使用することによつて
所定のエネルギ消費量において冷凍容量を増加
し、また所定の冷凍容量においてエネルギ消費量
を減少することができる。
本発明による上記プラントは、適当に高い信頼
性と、小さい全体寸法によつて特徴づけられてい
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明による低温生成方法を達成す
るためのプラントを略示し、第２図は、本発明に
よる冷媒膨脹装置を略示し、その波エネルギ・コ
ンバータは、一部を縦断した拡大図のスリーブと
して構成され、一部の前進流ラインを螺旋状に便
宜に示し、第３図は、本発明による冷媒膨脹装置
を例示的に略示し、前記装置は、エリプソイド状
のチヤンバを持ち、また波エネルギ・コンバータ
は、熱伝導要素として構成され、部分的の前進流
ラインは、螺旋状に便宜に示され、第４図は、本
発明による冷媒膨脹装置を例示的に略示し、前記
装置は、エリプソイド状のチヤンバを持ち、また
波エネルギ・コンバータは、通常の電気音響トラ
ンスデユーサとして構成され、第５図は、本発明
による冷媒膨脹装置を例示的に略示し、前記装置
は、エリプソイド状のチヤンバを持ち、またガ
ス・ジエツト・ロツド波ラジエータは、共鳴器を
持つたロツドを含み、かつエリプソイドの長軸に
沿つて配置され、前記ロツドを包囲するノズルを
含み、前記ガス・ジエツト・ロツド波ラジエータ
を持つたチヤンバの一部を略示し、第６図は、第
５図と同様であるが、共鳴器は、冷却装置を持
ち、部分的の前進流ラインは、螺旋状に略示して
いる。 ２…前進流ライン、２０…冷媒膨脹装置、２０
ａ…チヤンバ、２１…ガス・ジエツト機械波コン
バータ、２２，２２ａ…波エネルギ・コンバー
タ、２４…コンバータの閉鎖端部、２５…コンバ
ータの開口端部、２６…エリプソイド状のチヤン
バ、２６ａ…エリプソイドの長軸、２７，２８…
チヤンバの焦点区域、２９…コンバータ２２ａの
端部、３０…チヤンバの冷媒入口開口、３１…チ
ヤンバの冷媒出口開口、３７…ロツド、３９…共
鳴器、４０…ノズル、４１…ノズルの前面平面、
４３…ロツド３７の円柱状突出部、４５…冷却装
置。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 前進流を形成する冷媒を圧縮し、前記冷媒の
    帰還流によつてそれをその後に冷却し、前記前進
    流の少なくも一部を膨脹させて、前記前進流を低
    温の消費装置に送り、その場所で前記前進流は加
    熱されて帰還流に変換され、更に圧縮されるため
    に供給されることによつて低温を生成する方法に
    おいて、前記前進流の少なくも一部の膨脹は、波
    エネルギの発生をともない、波エネルギを他種の
    エネルギに変換することによつて前記膨脹区域か
    ら抽出されることを特徴とする低温生成方法。 ２ 前記波エネルギは、それを熱エネルギに変換
    することによつて前記膨脹区域から抽出されるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の低
    温生成方法。 ３ 前記波エネルギは、それを電気エネルギ変換
    することによつて前記膨脹区域から抽出されるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の低
    温生成方法。 ４ 圧縮された冷媒の供給源と、前進流ラインに
    よつて前記冷媒供給源と連通し、かつ少なくとも
    １個の冷媒膨脹装置を持つ冷却装置とを有し、前
    記冷却装置は、低温を消費する装置と更に連通
    し、前記低温消費装置は前記冷却装置を貫通する
    帰還流ラインによつて前記圧縮された冷媒の供給
    源に更に連通する低温生成プラントにおいて、少
    なくも１個の冷媒膨脹装置２０は、前進流ライン
    ２と連通したチヤンバ２０ａ内に位置し、前記前
    進流ライン２に連結されたガス・ジエツトの機械
    造波コンバータ２１と、前記ガス・ジエツト機械
    造波コンバータ２１と波関係にありかつ前記ガ
    ス・ジエツト機械造波コンバータ２１の温度レベ
    ルを超過する温度レベルの周囲媒質とエネルギ接
    触状態にある波エネルギコンバータ２２とを含む
    ことを特徴とする低温生成方法を達成するための
    プラント。 ５ 前記波エネルギ．コンバータ２２は、スリー
    ブ状に形成され、その開口端部２５は、前記ガ
    ス．ジエツト機械造波コンバータ２１に面し、そ
    の閉鎖端部２４は、周囲媒質と熱接触状態にある
    ことを特徴とする特許請求の範囲第４項に記載の
    プラント。 ６ 前記ガス・ジエツト機械造波コンバータは、
    ガス・ジエツト・ロツド波ラジエータとして形成
    されたプラントであつて、前記冷媒膨脹装置２０
    のチヤンバ２６は、エリプソイドの形状を持ち、
    その第１（前進流ライン２の方向に）の焦点区域
    ２７に前記ガス・ジエツト・ロツド波ラジエータ
    ２１が配置され、また前記エリプソイドの第２焦
    点区域２８に波エネルギ・コンバータ２２ａが配
    置され、前記波エネルギ・コンバータ２２ａは、
    前記エリプソイドの長軸２６ａに沿つて置かれた
    熱伝導要素２２ａとして形成され、その一端部２
    ９によつて前記チヤンバ２６から延びて周囲媒質
    と熱接触状態にあることを特徴とする、特許請求
    の範囲第４項に記載のプラント。 ７ 前記ガス・ジエツト機械造波コンバータは、
    ガス・ジエツト・ロツド波ラジエータとして形成
    されたプラントであつて、前記冷媒膨脹装置２０
    のチヤンバ２６、エリプソイドの形状を持ち、そ
    の第１（前進流ライン２の方向に）の焦点区域２
    ７に、前記ガス・ジエツト・ロツド波ラジエータ
    ２１が配置され、また前記エリプソイドの第２焦
    点区域２８に波エネルギコンバータ３２が配置さ
    れ、前記波エネルギ・コンバータは、前記周囲媒
    質に対して電気的関係にある通常の電気音響トラ
    ンスデユーサとして形成されていることを特徴と
    する、特許請求の範囲第４項に記載のプラント。 ８ 前記ガス・ジエツト・ロツド波ラジエータ
    は、前記エリプソイドの長軸に沿つて配置され、
    その端部にスリーブ状に形成された共鳴器を支持
    するロツドと、前記前進流ラインと連通し、前記
    ロツドを包囲する収縮ノズルとを含み、前記ノズ
    ルの前面平面は、前記共鳴器の開口端部から或る
    距離にあるプラントであつて、前記ロツド３７
    は、前記ノズル４０の前面平面区域４１に位置す
    る円柱状突出部４３をその外面に持ち、前記前面
    平面４１において前記ノズル４０の内面に対して
    間隙４４を持ち、前記間隙４４の値は、前記円柱
    状突出部４３の幅および前記ノズル４０の外側の
    前記ロツド３８の直径、前記ノズル４０の内側の
    前記ロツド３７の直径および前記前面平面４１に
    おける前記収縮ノズル４０の内径に依存して、次
    の関係式 δ＝0.5（do−dr） ｔ0.5δ ｔ＝0.5（dr−ｄ） ここに、 δ…間隙４４の値（ｍ） do…前面平面における収縮ノズル４０の内
    径、（ｍ） ｄ…ノズル４０の内側ロツド３７の直径
    （ｍ） ｔ…円柱状突出部４３の幅（ｍ） dr…ノズル４０の外側のロツド３８の直径
    （ｍ）。 によつて定義されることを特徴とする特許請求の
    範囲第６項または第７項に記載のプラント。 ９ 前記ガス・ジエツト・ロツド波ラジエータ
    は、前記エリプソイドの長軸に沿つて配置され、
    スリーブ状に形成された共鳴器をその端部に支持
    するロツドと、前記前進流ラインと連通し、前記
    ロツドを包囲する収縮ノズルとを含み、前記ノズ
    ルの前記前面平面は、前記共鳴器の開口端部から
    或る距離に位置するプラントであつて、前記共鳴
    器３９の開鎖端部において、周囲媒質と熱接触状
    態にあるリブ状に形成された冷却装置４５が設け
    られ、前記リブは、前記共鳴器３９の端壁から前
    記エリプソイドの長軸２６ａの方向に延び、かつ
    前記共鳴器の側壁から前記エリプソイドの長軸２
    ６ａに直角の方向に延びていることを特徴とす
    る、特許請求の範囲第６項に記載のプラント。
JP56140810A 1980-09-08 1981-09-07 Low temperature production and plant therefor Granted JPS5777861A (en)

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US4444019A (en) 1984-04-24
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