JP2600728B2 - 航空機用冷凍装置 - Google Patents

航空機用冷凍装置

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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、磁気探査用SQUIDを冷却するために航空機
に搭載される冷凍装置に関するものである。
[従来の技術] 磁気センサの目的でSQUID(超伝導量子干渉素子)を
装備する対潜哨戒機等の航空機では、SQUIDを必要な極
低温に保持するために冷凍装置が搭載される。
ところで、SQUIDは磁場の外乱を生じる膨張機等の可
動部が近くに存在するとセンサ特性が著しく阻害される
ため、極低温冷凍機を直接その近傍に配置することはで
きない。そのため、従来の航空機では、SQUIDを収容す
るデュワーに機内の遠隔位置で設置した冷凍機から液体
He等を移送するか、或いは予めデュワー内に定量の液体
He等を注入、貯溜して使用するか、のいずれかの方式が
採用される。
しかし、前者の方式では遠距離移送に伴って熱侵入が
非常に大きく、LHeが途中で蒸発してしまう問題があ
る。そのため、搭載する冷凍機に液化能力の大きい大容
量のものを確保しなければならない不都合がある。一
方、後者の方式では、デュワー内にLHeが溜っている限
られた時間しか磁気探査が行なえないのが致命的であ
る。
[発明が解決しようとする問題点] そこで、これらの相反する問題点を合理的に解決する
方策として、本発明者等は、先に出願した特願昭62−11
9524号(特開昭63−282456号公報)において、SQUIDに
対する冷凍機可動部の外乱の影響を最少限に抑えなが
ら、LHeの移送距離を短縮できるようにした航空機にお
ける冷凍機の搭載配置構造を提案している。
この既提案に係るものは、可動部を含む冷凍機本体
と、低温Heガスを膨張させて液体Heを生成するジュール
・トムソン弁(以下、J/T弁という)とを、最終段熱交
換器(通常、J/T熱交換器と呼ばれる)を介在させた離
反位置に配置して搭載するようにしたものである。すな
わち、冷凍機本体で発生される低温Heガスをリターンガ
スと熱交換して十分に冷やし込むための最終段熱交換器
(以下、J/T熱交換器という)が長尺寸法に亙るもので
あることに着目し、冷凍機本体とJ/T弁とをその両側に
分離して配置することで、SQUIDにLHeを供給するJ/T弁
とを近接させる一方で、冷凍機本体の可動部を遠ざける
ことができるようにしたものである。そして、このよう
にすれば、LHeの移送距離を短く熱侵入を少なくし、冷
凍効率の増大を通して搭載冷凍機の小型化を図る効果が
期待できる。
しかし乍ら、上記の冷凍装置を実施する上で、次のよ
うな点が新たに解決すべき技術的課題として提起され
る。すなわち、この冷凍システムの場合、長尺なJ/T熱
交換器での熱侵入が大きいと、J/T弁に至るまでにHeガ
スを液化するのに必要な温度にまで冷やし込むことがで
きなくなってしまうことである。
本発明は、上記の新たな技術的課題を克服するために
なされたもので、既述の航空機用新型冷凍装置につい
て、そのJ/T熱交換器での熱侵入を減少し、J/T弁に液体
冷媒を生成するのに必要十分なHeガス等の低温冷媒ガス
を送り込むことができるよう改良したものを提供する。
[問題点を解決するための手段] 本発明は、可動部を含む冷凍機本体と、この冷凍機本
体で発生される低温冷媒ガスをリターンガスと熱交換す
るJ/T熱交換器に通して更に冷やし込んでから膨張させ
て液体冷媒を生成するJ/T弁とを、前記J/T熱交換器を介
在させた離反位置に配置して航空機に搭載するようにし
た冷凍装置に、更に次のような冷却回路を設置して構成
される。
すなわち、前記冷凍機本体の高圧ラインから前記J/T
弁に圧送される低温冷媒ガスの一部を流通させる冷却回
路を分岐し、この冷却回路を、前記J/T熱交換器を包囲
する熱シールド板のまわりに敷設したことを特徴として
いる。
[作用] このような冷却回路を追加したものであると、J/T熱
交換器を包囲する熱シールド板が該冷却回路に分岐して
流通される低温冷媒ガスにより冷却されるため、J/T熱
交換器への熱侵入を適確に防止することができる。
[実施例] 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。
航空機に搭載される本冷凍装置は、冷凍機本体1と、
この冷凍機本体1で発生される低温Heガスをリターンガ
スと熱交換する長尺なJ/T熱交換器(最終段熱交換器)
2と、このJ/T熱交換器2を通して更に冷やし込まれた
低温Heガスを自由膨張させてその一部を液化させるJ/T
弁3と、このJ/T弁3で生成される液体Heを貯溜し内部
に収容されたSQUID5を極低温に保持するデュワー4とか
らなっている。そして、膨張機等の可動部を構成要素に
含む冷凍機本体1とデュワー4に近接配置されるJ/T弁
3とを、J/T熱交換器2の長尺寸法を介在させた両側の
離反位置に配置し、SQUID5と膨張機等との距離を確保す
るようにしている。
冷凍機本体1は、2段膨張機から構成される小形冷凍
機6と、これに併設したJ/T回路12とからなっている。
小形冷凍機6は、シリンダ7a、7bにピストン(リジェ
ネータ)8a、8bを往復動可能に嵌装し、両シリンダ端に
拡縮自在の膨張室(コールドヘッド)9a、9bをそれぞれ
形成しているとともに、シリンダ7aの高温端側をタイミ
ングバルブ(給気弁11aた排気弁11b)を介してコンプレ
ッサ10の入口又は出口側と間欠的に連通させており、こ
れらタイミングバルブの切換操作によって、Heガス等の
作動ガスにギフォード・マクマホン(GM)サイクルを営
ませるようにしている。
一方J/T回路12は、コンプレッサ13と、このコンプレ
ッサ13の出口側から前記J/T熱交換器2を通して前記J/T
弁3にHeガスを圧送する高圧ラインHと、前記デュワー
4からのリターンガスを前記J/T熱交換器3を通してコ
ンプレッサ13の入口側に戻す低圧ラインLとを具備して
なっている。そして、J/T熱交換器2よりも高温側のJ/T
回路12には、低圧ラインLを帰還するリターンガスのも
つ冷熱を高圧ラインHに圧送されるHeガスに移送するた
めの適数段の再生熱交換器14a、14bが介設されている。
また、高圧ラインHの途中には、前記小型冷凍機6のコ
ールドヘッド9a、9bからそれぞれ冷熱を移送するための
熱交換器15a、15bが介設されている。なお、図中16はコ
ンプレッサ出口側で高圧ラインHに介設させるアフター
クーラを示す。
かくして、コンプレッサ12の出口から順に、アフター
クーラ16、再生熱交換器14a、熱交換器15a、再生熱交換
器14b、熱交換器15b、更にJ/T熱交換器2を通して高圧
ラインHに圧送される低温Heガスは、常温からJ/T弁3
の入口側に至るまでで20K前後にまで冷やし込まれるこ
とになる。
このような基本構成の冷凍装置において、本発明によ
ると、高圧ラインHからJ/T弁3に圧送される低温Heガ
スの一部を流通させる冷却回路17を分岐させている。こ
の冷却回路17は、具体的には、内部に低温Heガスを導通
するシールドガスチューブ(細管)等をもって構成され
る。そして、実施例の場合、その始端aを高圧ラインH
から熱交換器15aと再生熱交換器14bとの間の位置で分岐
させ、その終端bを低圧ラインLの熱交換器15a、15bの
間の位置に流量調整弁18を介して接続している。
しかして、この冷却回路17はJ/T熱交換器2とJ/T弁3
とを真空雰囲気に囲む熱シールド19の内部に案内され
て、J/T熱交換器2等を包囲する内外二重の熱シールド
板20a、20bのまわりに敷設されている。
第2図は、この冷却回路17を敷設した熱シールド19の
断面構造の詳細を図示している。ここにおいて、中心に
高圧のHeガスを通す内側チューブ21(高圧ラインH)が
挿通され、その周りにリターンガスをカウンターフロー
で流通させる外側チューブ22(低圧ラインL)が配置さ
れ、これらを内外二重の熱シールド板20a、20bが包囲
し、更にその外周を外管23が気密に包囲している。な
お、熱シールド板20a、20bの間等の層間には、スーパイ
ンシュレーション24a、24b、24cが介装されている。そ
して、まず内側熱シールド板20aの外周に、その高温端
から低温端に向けて内部に低温Heガスを流通するシール
ドガスチューブ25(冷却回路17)が平行に敷設されてお
り、これが低温端側で折返されて、今度は外側熱シール
ド板20bの外周をその低温端から高温端に向けて平行に
敷設されている。
さて、このように冷凍機本体1の高圧ラインHから分
岐させた冷却回路17を、J/T熱交換器2とJ/T弁3とを包
囲する熱シールド板20a、20bのまわりに敷設したもので
あれば、熱シールド板20a、20bが低温Heガスで冷却され
奪熱されるため、この部分での外部からの熱侵入が適確
に防止できる。すなわち、熱シールド板20a、20bがより
完全な熱シールド作用を果し、スーパインシュレーショ
ン24a〜24c等の存在も相まって、内側チューブ21(高圧
ラインH)に圧送される低温Heガスへの熱侵入を最大限
に防止することができる。
この結果、長尺のJ/T熱交換器2を流通する間の熱侵
入に起因し、同冷凍機本体1からJ/T熱交換器2を介し
て圧送される低温Heガスが、J/T弁3に必要な温度にま
で冷やし込むことができなくなるという危険性を確実に
回避することができる。言い換えると、可動部を含む冷
凍機本体1とJ/T弁3とをJ/T熱交換器2を挟んで分離し
配置する冷凍装置の技術的課題を克服することができ
る。
なお、本発明は上述した実施例以外にも、様々な実施
態様を採ることができるのはもとよりである。例えば、
熱シールド板20a、20bのまわりに敷設する冷却回路17
(シールドガスチューブ25)は、これを螺旋状に巻き付
ける等、その敷設形態を随意に変更し得る。また、冷却
回路17を敷設する熱シールド板は、図示例のようにJ/T
熱交換器2とJ/T弁3とを包囲するものに限らず、必要
ならデュワー4を包囲するのもにも適用できる。
本発明の冷凍装置では、膨張機等の可動部を含む冷凍
機本体1の構成については、その構造や冷凍サイクルの
種別等につき別段特定されるものではない。例えば、実
施例のGMサイクルを利用するものに代え、スターリング
サイクルやブルマイヤサイクルなどを利用してもよい。
なお、冷媒ガスとしては、He以外にN2等を利用するこ
とも可能である。
[発明の効果] 以上のように、本発明によると、システムの低温冷媒
ガスの一部を利用してJ/T熱交換器での熱侵入が最少限
に抑えられるものに改善しているため、冷凍機本体とJ/
T弁とをJ/T熱交換器を介在させて離反位置に配置する航
空機用冷凍装置の問題点が適確に除去でき、冷凍効率よ
く搭載冷凍機を小型化できる等、この種装置特有の利点
が円滑に発揮できるものとなる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す航空機用冷凍装置のシ
ステム回路図である。第2図はJ/T熱交換器を囲う熱シ
ールドの構造を示す断面斜視図である。 1……冷凍機本体 2……J/T熱交換器(最終段熱交換器) 3……J/T弁(ジュール・トムソン弁) 4……デュワー、5……SQUID 6……小型冷凍機 9a、9b……膨張室(コールドヘッド) 12……J/T回路、13……コンプレッサ 14a、14b……再生熱交換器 15a、15b……熱交換器 17……冷却回路、19……熱シールド 20a、20b……熱シールド板 21……チューブ(高圧ライン) 22……チューブ(低圧ライン) 23……外管 24a〜24c……スーパインシュレーション 25……シールドガスチューブ(冷却回路) H……高圧ライン、L……低圧ライン

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】可動部を含む冷凍機本体と、この冷凍機本
    体で発生される低温冷媒ガスをリターンガスと熱交換す
    る最終段熱交換器に通して更に冷やし込んでから膨張さ
    せて液体冷媒を生成するジュール・トムソン弁とを、前
    記最終段熱交換器を介在させた離反位置に配置して航空
    機に搭載するようにしたものにおいて、前記冷凍機本体
    の高圧ラインから前記ジュール・トムソン弁に圧送され
    る低温冷媒ガスの一部を流通させる冷却回路を分岐し、
    この冷却回路を、前記最終段熱交換器を包囲する熱シー
    ルド板のまわりに敷設したことを特徴とする航空機用冷
    凍装置。
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