JP2008541004A - ソリッドステート極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

ここには、リザーバ（１１）と、ＡＣ電流源に接続した電気化学セルまたはプロトン伝導薄膜（ＰＣＭ）圧縮器（１２）と、パルス・チューブ・エキスパンダ・モジュール（１３）の形をした気体エキスパンダとを含む極低温冷凍機が開示してある。圧縮器（１２）は、一対の導電性電極（１８）、（１９）間に設置したプロトン伝導薄膜（１７）を包含する。パルス・チューブ・エキスパンダ・モジュール（１３）は、再生器（２１）と、パルス・チューブ（２２）と、イナータンス・チューブ（２３）とを包含する。再生器（２１）は、断熱部またはアフタークーラ（２５）と、冷却部または冷間熱交換器（２６）とを有する。パルス・チューブ（２２）は、断熱部分または熱間熱交換器（２７）を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、総括的には極低温冷凍機、より詳しくはソリッドステート極低温冷凍機に関する。

スターリング・サイクルを使用する極低温冷凍機は、作動気体を繰り返し圧縮し、膨張させることによって極低温を得ることができるので、冷却作業、たとえば、超伝導素子の冷却、気体の精製、分離、赤外線センサ等で広範に使用されてきた。

このスターリング・サイクルを使用するスターリング極低温冷凍機の作動原理は、冷凍サイクルに従った圧縮ピストンの昇降およびディスプレーサに関係している。

スターリング極低温冷凍機は、代表的には、圧縮ピストンを有する圧縮器と、再生剤を有する再生器と、膨張室および圧縮室を形成しているディスプレーサと、膨張室と再生器の間に形成された冷却部と、圧縮室まわりに形成された断熱部とを包含する。作動気体は、これらの部材によって構成された密閉流路内に高圧で封入され、圧縮器の圧縮ピストンおよびディスプレーサは、位相差をもって往復運動を行う。

スターリング極低温冷凍機においては、圧縮ピストンが機械力によって変位させられて密閉スペース内の作動気体の圧力を変える。この圧力の周期的な変化と同期して動くディスプレーサを用いて膨張室内の作動気体を拡張させて冷却を行う。したがって、通常は、高い熱効率を達成できる。

別タイプの極低温冷凍機がパルス・チューブ極低温冷凍機として知られている。パルス・チューブ極低温冷凍機は、代表的には、作動気体を繰り返し送出、吸引する圧縮器と、断熱部を介して圧縮器に接続し、再生剤を有する再生器と、冷却部を介して再生器に接続しているパルス・チューブと、断熱部およびイナータンス・チューブを介してパルス・チューブに接続した緩衝液タンクとを包含する。

ヘリウム、窒素または水素のような作動気体は、このパルス・チューブ極低温冷凍機の密閉スペース内に高圧で封入できる。それ故、前述のスターリング極低温冷凍機と同様に、作動気体の膨張、圧縮が圧縮器によって繰り返されて圧力振幅を形成する。

パルス・チューブ極低温冷凍機においては、パルス・チューブ内の作動気体は、流路内で振動し、前述のスターリング極低温冷凍機例のディスプレーサと同様に機能する。したがって、振動している作動気体と圧力波の変位位相を制御することによって作動気体を作動させることができる。熱は、断熱部によって遮断され、極低温冷凍機の低温ヘッドとなる冷却部に吸収されるので、極低温状態が形成される。イナータンス・チューブおよび緩衝液は、圧縮器で創り出した圧力波に対して振動している作動気体の変位位相を制御するのに役立つ。

ここでは、スターリング極低温冷凍機に搭載されているディスプレーサは不要であり、ディスプレーサの代わりに、高圧気体を振動させて作動気体を圧縮、膨張させることができる。したがって、低温部分には可動部がない。こうして、機械的な振動が冷却ヘッドのところに存在しないので、機器構造が簡単になり、高効率および高信頼性を得ることができる。

上記パルス・チューブ極低温冷凍機における出力（極低温冷凍機出力）は、パルス・チューブの内側領域内の圧力振幅と流れ振幅との積に比例する出力（以下、指示極低温冷凍機出力と呼ぶ）と極低温冷凍機内部で発生した種々の熱損失との差によって決まる。これは、以下の関係で表される。
（冷凍出力）＝（指示冷凍出力）−（熱損失）

これら２タイプの極低温冷凍機の完全な説明並びにそれらのそれぞれのエントロピーについて詳細な説明が、米国特許第６,６９１,５２０号に示されている。この米国特許は、従来技術および本発明に関して参照により本文に組み入れられる。

しかしながら、両タイプの極低温冷凍機の場合、エキスパンダは、電磁モータ組立体によって駆動される屈曲式またはコイルばね懸架式機械的ピストンを備える圧縮器によって駆動される。応力寿命要件および信頼性要件の結果、許容差が厳しくなり、組み立て作業が労働集約的となり、材料が高価となる。振動出力要件も極低温冷凍機の設計の複雑さの原因となり、入力電流波形の閉ループ制御を通じて振動出力を軽減する高価な制御電子機器が必要となる。これらの対策のすべては実現するにはコストの高騰を招く。さらに、振動制御について今日まで進歩があってさえも、ジッタがなおセンサ・デザイナにとっての関心事であり続けている可能性がある。簡単に言えば、機械的なピストンによる圧力波の発生は、振動出力、信頼性、寿命およびパッケージングに関する実際的な限界を招いている。よって、産業界はこれらの限界に集中的に取り組んでいる。

したがって、なお、振動を発生させることなく作動することができ、長期間にわたって信頼性が高い極低温冷凍機の需要があると考えられる。したがって、本発明が主として目的とするのはこのような極低温冷凍機を提供することにある。

本発明の好ましい形態においては、極低温冷凍機は、気体エキスパンダと流体連絡している気体リザーバと、このリザーバと気体エキスパンダと流体連絡およびそれらの間に流体連絡している気体圧縮器とを含む。気体圧縮器は電源に接続した電気化学セルである。この構造の場合、気体は電気化学セルの動作によって圧縮され、次いで気体エキスパンダに送られ、そこから送出されて冷凍作用が行われる。

図１は、本発明の極低温冷凍機の斜視図である。
図２は、図１の極低温冷凍機の膜電極アセンブリの概略図である。
図３は、直列に接続されている複数の膜電極アセンブリの概略図である。
図４は、図１の極低温冷凍機と共に利用され得る圧力状態調節システムの概略図である。
図５は、圧力、温度の或る範囲にわたる正常水素対ヘリウムの比熱温度依存性を比較するグラフである。
図６は、本発明極低温冷凍機の別の好ましい形態の概略図である。

以下、図面を参照して、ここには本発明の好ましい形態を持つソリッドステート極低温冷凍機１０が示されている。極低温冷凍機１０は、リザーバ１１と、ＡＣ電流源に接続した電気化学セルまたはプロトン伝導薄膜（ＰＣＭ）圧縮器１２と、パルス・チューブ・エキスパンダ・モジュール１３の形をした気体エキスパンダとを包含する閉じた系である。

図２に示すように、圧縮器１２は、一対の導電性電極１８、１９の間に設置したプロトン伝導薄膜１７のようなイオン伝導薄膜を包含する。イオン伝導薄膜の詳細およびその動作は、米国特許第６,４８９,０４９号に記載されており、この米国特許は参照により本文に組み入れられる。パルス・チューブ・エキスパンダ・モジュール１３は、再生器２１と、パルス・チューブ２２と、イナータンス・チューブ２３とを包含する。再生器２１は、ヒートリジェクションパートまたはアフタークーラ２５と、冷却部または冷間熱交換器２６とを有する。パルス・チューブ２２は、断熱部分または熱間熱交換器２７を包含する。

エキスパンダ・モジュール１３は、総冷凍能力が慎重にチューンした固定流れジオメトリを用いることによって受動的に達成されるパルス・チューブ設計に基づいている。このソリッドステートＰＣＭ圧縮器１２は、電極１８、１９を通してＡＣ電流をプロトン伝導薄膜１７に通電することによって振動する水素圧力波を発生する。

プロトン伝導薄膜（ＰＣＭ）を横切る圧力差によって薄膜を横切って化学ポテンシャルが生じ、電気を発生することになる。ＰＣＭ圧縮器の使用は、システムが可逆的であって、励起電流の付与によって圧力勾配に抗してイオンを流動させることができるという事実に基づいている。プロトン伝導薄膜１７および電極対１８、１９は、図２に示すようにプロトン伝導薄膜１７へ、また、そこから作動流体が自由に流れることができる圧縮器１２を形成する。電気が供給されると、圧力勾配に抗するイオン流が強制的に生じる。正電荷のイオンは薄膜を通過するが、電子は電極を通して電源へ、また、電源から移動する。電極は触媒を包含し、各電極・プロトン伝導薄膜界面のところで発生する電気化学反応を促進する。システムが水素を使用する場合、低圧側の水素ガスが酸化し、プロトンおよび電子を発生することになる。プロトンは、高圧側にある水素ガスに戻る水素イオンの還元によって生じた化学ポテンシャルによって薄膜１７を通して引っ張られる。ＡＣ電流でプロトン伝導薄膜圧縮器１２を励起することによってパルス・チューブ・エキスパンダを駆動するのに要求されるような振動する流れが生じる。

ここに説明している圧縮器１２は、恣意的に７０°Ｋ冷凍温度を仮定する代表的なパルス・チューブ要件セットに対して評価されている（表１参照）。ベースライン・パラメータは、ヘリウム設計に基づいており、実際の流量は、水素の容積熱容量が高くなっているためにおそらく低くなっている。入力電力推定値を得るために単純化仮定を行っている。水素は、圧力リザーバ１１に流入する前にエキスパンダ体積に均一に圧縮されると仮定した。さらに、給送される大部分の量が、所定の作動周波数での等温圧縮の下に１.３の安定した圧力比を達成するのに充分であると仮定した。

電圧は、以下のネルンストの式に従って各ＭＥＡセルに印加される。

ここで、

は比気体定数（８.３１４キロジュール／ｋｇ°Ｋ）であり、Ｔはセル動作温度（Ｋ）であり、Ｆはファラデー定数（９６,４８７クーロン）である。１.３の圧力比、３００ＫのＭＥＡ温度の場合、開路電圧はほぼ３.３ｍＶである。８０％の目的ポンピング効率を与えられた場合、抵抗損失による最大許容電圧低下は０.６６ｍＶに制限しなければならない。圧縮器１７にかかる全電圧は３.９６ｍｖである。

１.０６ｇ／ｓｅｃのＲＭＳ質量流量を有する正弦波で圧力パルスが与えられる。質量流量は、以下の式で与えられるようにプロトン伝導薄膜圧縮器１２のスタックを通る電流に正比例する。

ここで、ｎはこのプロセスに関係する電子の数（水素分子の場合２）であり、Ａはアボガドロ数（６.０２ｅ２３）であり、Ｅは単一の電子にかかる電荷（１.６０２ｅ−１９Ｃ）であり、ＭＷは水素ガスの分子量である。値を代入すると、ほぼ１０２ｋＡｍｐの平均電流の流れが得られる。１０２ｋＡｍｐの電流の流れの場合、プロトン伝導薄膜圧縮器１２のインピーダンスは、内部抵抗による電圧損失が０.６６ｍｖ以下に留まるように６.４ｅ−９オームに制限しなければならない。０.０１２３Ｗｃｍ²の抵抗では、所望の電気効率を達成するのに必要な最小プロトン伝導薄膜１７の面積は１.９ｍ²である。対応する電流フラックスは０.０５３アンペア／ｃｍ²である。

設計は数学的には近いけれども、作動電流は実際的な応用にとって容認できないほど高い。プロトン伝導薄膜圧縮器１２を直列に接続することによって（図３参照）、必要な電流を充分に減らすことができる。電圧は直列接続で加算される。しかしながら、水素の流れと電流はすべての圧縮器１２を横切って並列である。仮に、１０⁵個の圧縮器１２のスタックでは、３９.６ボルト（各々３.９６ｍＶ）のパルス電圧と、１０.２アンペアのかなり実際的なパルス電流を得る。

必要な入力電力は、現今のパルス・チューブ極低温冷凍機の代表的な範囲にある。水素は正弦波で循環するので、ポンピング電力は各サイクルの圧縮部分に対してのみ印加される。膨張相中に回収された圧縮エネルギ部分に対する６０％の技術評価を用いると、この分析のための電力推定値は７０Ｗになる。この計算を裏づける控え目な仮定を与えると、この推定値は、現在の技術水準によって達成するものと予想するであろうほぼ５０Ｗと比して劣らない。

次に図６を参照して、ここには、本発明の別の好ましい形態である極低温冷凍機が示してある。ここで、この極低温冷凍機は、再生式極低温冷凍機システムとして示す図１〜５の極低温冷凍機ではなくて、復熱式極低温冷凍機システムである。図６に示す復熱式極低温冷凍機システムは、単純なジュール・トムソンサイクル・システムであるが、圧縮器を使用するいかなる復熱式システムまたは再生式システムも本発明に含まれることは了解されたい。

ここで、極低温冷凍機４０は、圧縮器４１と、液体リザーバ４２と、圧縮器４１と液体リザーバ４２との間に延びている第１気体導管４３と、液体リザーバ４２と圧縮器４１との間に延びている第２気体導管４４と、第１導管４３に接続された膨張弁４５と、第１、第２の導管と熱連絡してそれらの間で熱を伝達する熱交換器４６とを包含する。この圧縮器４１は、図１〜５のシステムに関して先に詳細に説明したのと同じ構造および作動の電気化学セルである。

このシステムの動作は、圧縮器として電気化学セルを新規に使用していることを除いて、在来のジュール・トムソン・サイクル・システムと本質的に同じである。電気化学セルは、作動流体を圧縮し、第１導管４３を通し、膨張弁４５を通して液体リザーバ４２へ送り、次いで、第２導管４４を通して圧縮器へ戻すように作動する。ここで再び、この極低温冷凍機は、従来技術の極低温冷凍機圧縮器に関連した可動部を含まないので、振動なしに作動する。

本発明は、設計からすべての可動構成要素を完全に除くことによって極低温冷凍機の性能および信頼性を向上させると考えられる。このアプローチは、本質的に、信頼性が高く、振動が非常に低く、軽量、コンパクトで構造的に強い。電子機器は、積極的な振動制御の必要性がなくなるので、かなり簡略化される。これらの利点のすべては、より一層複雑なオックスフォード・クラスの設計に匹敵する熱力学的効率を有する極低温冷凍機で得られる。

したがって、今や、従来技術の機械的な圧縮器を利用している極低温冷凍機での問題を解決する極低温冷凍機が得られることが分かる。特に好ましい実施形態を参照しながら本発明を詳しく説明してきたが、特許請求の範囲に記載する本発明の精神と範囲から逸脱すことなく、ここに記載した形態に加えて多くの変更、追加、削除をなし得ることは了解されたい。

本発明の極低温冷凍機の斜視図である。 図１の極低温冷凍機の膜電極アセンブリの概略図である。 直列に接続されている複数の膜電極アセンブリの概略図である。 図１の極低温冷凍機と共に利用され得る圧力状態調節システムの概略図である。 圧力、温度の或る範囲にわたる正常水素対ヘリウムの比熱温度依存性を比較するグラフである。 本発明極低温冷凍機の別の好ましい形態の概略図である。

Claims (20)

1. 気体エキスパンダと、この気体エキスパンダと流体連絡している気体リザーバと、このリザーバおよび気体エキスパンダと、それらの間と流体連絡している気体圧縮器とを含み、気体圧縮器が電源に接続した電気化学セルであり、電気化学セルの作動によって気体が圧縮され、次いで、気体が気体エキスパンダに送られ、熱伝達が発生する極低温冷凍機。
2. 電気化学セルが、イオン伝導材料と、イオン伝導材料の片面に装着した第１電極と、イオン伝達材料の、第１電極と反対の面に装着した第２電極とを含む、請求項１記載の極低温冷凍機。
3. イオン伝導材料がプロトン伝導薄膜である、請求項２記載の極低温冷凍機。
4. 気体エキスパンダが再生タイプ・ユニットである、請求項１記載の極低温冷凍機。
5. 再生タイプ・ユニットがパルス・チューブ冷却器である、請求項４記載の極低温冷凍機。
6. パルス・チューブ冷却器が、再生器と、この再生器と流体連絡しているパルス・チューブとを包含する、請求項５記載の極低温冷凍機。
7. パルス・チューブ冷却器が、さらに、パルス・チューブと流体連絡しているイナータンス・チューブを含む、請求項６記載の極低温冷凍機。
8. 電気化学セルが、イオン伝導材料と、このイオン伝達材料の片面に装着した第１電極と、イオン伝達材料の、第１電極と反対の面に装着した第２電極とを含む、請求項５記載の極低温冷凍機。
9. イオン伝導材料がプロトン伝導薄膜である、請求項７記載の極低温冷凍機。
10. 気体エキスパンダが復熱式システムである、請求項１記載の極低温冷凍機。
11. 復熱式システムが、液体リザーバと、圧縮器と液体リザーバとの間に延びている第１導管と、該リザーバと圧縮器との間に延びている第２導管と、第１導管と第２導管の間で熱を交換するように設置した熱交換器と、熱交換器とリザーバとの間で第１導管に接続した膨張弁とを含む、請求項１０記載の極低温冷凍機。
12. 電気化学セルが、イオン伝導材料と、イオン伝導材料の片面に装着した第１電極と、イオン伝達材料の、第１電極と反対の面に装着した第２電極とを含む、請求項１記載の極低温冷凍機。
13. イオン伝導材料がプロトン伝導薄膜である、請求項１２記載の極低温冷凍機。
14. 気体リザーバと、電源に接続し、気体リザーバと流体連絡した状態で装着した電気化学セルと、電気化学セルと流体連絡した状態で装着した再生器と、再生器および気体リザーバと流体連絡した状態で装着したパルス・チューブとを含み、電気化学セルの作動によって気体が圧縮され、次いで、気体が再生器およびパルス・チューブに送られ、熱伝達が発生する極低温冷凍機。
15. 電気化学セルが、イオン伝導材料と、イオン伝導材料の片面に装着した第１電極と、イオン伝達材料の、第１電極と反対の面に装着した第２電極とを含む、請求項１４記載の極低温冷凍機。
16. イオン伝導材料がプロトン伝導薄膜である、請求項１５記載の極低温冷凍機。
17. さらに、パルス・チューブと流体連絡しているイナータンス・チューブを含む、請求項１４記載の極低温冷凍機。
18. 電源に接続した電気化学セルと、液体リザーバと、電気化学セルと液体リザーバとの間に延びている第１導管と、液体リザーバと電気化学セルとの間に延びている第２導管と、第１導管と第２導管の間で熱を交換するように設置した熱交換器と、熱交換器とリザーバとの間で第１導管に接続した膨張弁とを含み、電気化学セルの作動によって気体が圧縮され、次いで、気体が第１導管、液体リザーバおよび第２導管を通って送られ、液体リザーバのところで熱伝達が発生する極低温冷凍機。
19. 電気化学セルが、イオン伝導材料と、イオン伝導材料の片面に装着した第１電極と、イオン伝達材料の、第１電極と反対の面に装着した第２電極とを含む、請求項１８記載の極低温冷凍機。
20. イオン伝導材料がプロトン伝導薄膜である、請求項１２記載の極低温冷凍機。

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