JP3720701B2 - ジュールトムソン冷却装置 - Google Patents
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- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/02—Gas cycle refrigeration machines using the Joule-Thompson effect
- F25B2309/023—Gas cycle refrigeration machines using the Joule-Thompson effect with two stage expansion
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ジュールトムソン冷却装置に関し、特に、ジュールトムソン冷却装置に内蔵されるクライオスタットの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のクライオスタットを内蔵したジュールトムソン冷却装置としては、例えば特開平１１−２９５１４３号公報およびＵＳＰ５３８２７９７号公報に記載されたものが知られている。これを図８に示し、以下説明する。
【０００３】
このジュールトムソン冷却装置は、赤外線放射を感知して応答電気信号を発生する赤外線検知器１４０を、クライオスタット１００で冷却する赤外線検知装置として具体化したものである。
【０００４】
クライオスタット１００は、内側クライオスタット１１０と外側クライオスタット１２０とからなる二重クライオスタットであり、コールドフィンガーチューブ１３０内に収容されている。より具体的には、内側クライオスタット１１０が外側クライオスタット１２０の内部に同軸に配置され、外側クライオスタット１２０がコールドフィンガーチューブ１３０の内部に同軸に配置されている。そして、コールドフィンガーチューブ１３０は、前端に鍔部１０１ａを有する筒状の検知器組立体１０１内に配設されている。なお、検知器組立体１０１の前端鍔部１０１ａは、デュアハウジング１０２により密閉されている。
【０００５】
上記内側クライオスタット１１０は、比較的低い熱伝導性材料で作られた延伸筒状のマンドレル１１１を具備し、その外周表面にフィン付きチューブ１１２が卷回されている。そして、マンドレル１１１の低温端はエンドキャップ１１３で密閉されている。
【０００６】
また、外側クライオスタット１２０は、比較的低い熱伝導性材料で作られた延伸筒状のマンドレル１２１を具備し、その外周表面にフィン付きチューブ１２２が卷回されている。そして、マンドレル１２１の低温端はエンドキャップ１２３で密閉されている。なお、コールドフィンガーチューブ１３０とフィン付きチューブ１２２とを熱的に隔離するために、フィン付きチューブ１２２の周りに絶縁性の糸等が緻密に巻かれている。また、この外側クライオスタット１２０のエンドキャップ１２３はその中央に隆起部分１２３ａを有し、その前面がコールドフィンガーチューブ１３０のエンドキャップ１３１の後面に接着接合されている。
【０００７】
内側クライオスタット１１０のフィン付きチューブ１１２の低温端には外側クライオスタット１２０のエンドキャップ１２３に向けられたジュールトムソン弁（以下ＪＴ弁という）１１５と、外側クライオスタット１２０の低温端に近接して半径方向に向けられたＪＴ弁１１６とが設けられている。
【０００８】
内側クライオスタット１１０のフィン付きチューブ１１２内を流れてきた作動流体は、環状空隙１１７内において、ＪＴ弁１１５から外側クライオスタット１２０のエンドキャップ１２３に向けて放出膨張され、エンドキャップ１３１を介して台座１４２を冷却する。また、この放出と併行して、内側クライオスタット１１０内を流れてきた作動流体は、マンドレル１１１とマンドレル１２１との間の円筒状空隙内において、外側クライオスタット１２０の低温端を冷却するようにＪＴ弁１１６から放出膨張され、マンドレル１２１の筒状壁を介しフィン付きチューブ１２２を予冷しながら外部に放出される。
【０００９】
外側クライオスタット１２０のフィン付きチューブ１１２の低温端には、外側クライオスタット１２０のエンドキャップ１２３の隆起部分１２３ａを取り囲む複数の縦方向に向けられたＪＴ弁１２５が取り付けられている。
【００１０】
外側クライオスタット１２０のフィン付きチューブ１２２内を流れてきた作動流体は、ＪＴ弁１２５から環状空隙１２７内に放出膨張され、エンドキャップ１３１を介して台座１４２を冷却する。そして、フィン付きチューブ１２２を予冷しながら外部に放出される。
【００１１】
一方、赤外線検知器１４０は、その視野角を制限するためのコールドシールド１４１内に配置され、前述のようにして冷却された台座１４２に取り付けられている。コールドシールド１４１は、デュアハウジング１０２内に同軸に配置されており、円錐支持部材１４３によりコールドフィンガーチューブ１３０から熱伝達を受けて冷却されるように、コールドフィンガーチューブ１３０に対し固定されている。また、デュアハウジング１０２の前端には赤外線を透過させるための開口１０２ａが設けられ、この開口１０２ａに窓材１０３が取り付けられている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のジュールトムソン冷却装置においては、第１段冷却用作動ガスおよび第２段冷却用作動ガスとしてどのような作動ガスを使用すればよいかについては、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ2）、ヘリウム（Ｈｅ）またはそれらの組合せが用途に適していると記載されているのみで、具体的組合せについては何ら開示されていない。
【００１３】
因みに、ジュールトムソン膨張により作動ガスを高圧から大気圧近傍まで膨張させたときの到達温度は、その作動ガスの大気圧近傍の圧力における沸点になる。また、一般に沸点が低くなるほど、ジュールトムソン膨張による冷却効果が低下する。そこで、各種ガスの大気圧における沸点を調べ、これを表１に示している。この表１によると、ヘリウムの沸点は４．２Ｋと極端に低い。また、アルゴンの沸点は８７．３Ｋであり、窒素の沸点は７７．３Ｋである。したがって、７７Ｋ以下、すなわち液体窒素の沸点温度以下であって、４．２Ｋ温度（ヘリウムの沸点温度）以上の中間温度領域に冷却する作動ガスとしては、非効率的にならざるを得ない。
【００１４】
【表１】
【００１５】
本発明は、このような従来技術に存在する問題点に鑑み成されたもので、適切な作動ガスの組合せを設定することにより、液体窒素の沸点温度７７Ｋ以下に高速に冷却可能なジュールトムソン冷却装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のジュールトムソン冷却装置は、冷却装置の本体容器内に収容され、軸方向の一端が作動ガスの出入り口端をなし、軸方向の他端に設けられたエンドキャップが前記冷却装置の本体容器内に収容された被冷却物を冷却する低温端を成すコールドフィンガーチューブと、このコールドフィンガーチューブ内に同心的に配置され、前記作動ガス出入り口端側が小径とされ、前記エンドキャップ側が大径とされた段付き円筒状のマンドレル、このマンドレルの小径部外周面に接触して卷回された第１段冷却用フィン付きチューブ、第１段冷却用フィン付きチューブの低温端に設けられ、この第１段冷却用フィン付きチューブ内を流れてきた第１作動ガスをコールドフィンガーチューブ内中央部の環状空間に放出する第１段冷却用ジュールトムソン弁、第１段冷却用フィン付きチューブの外周および前記マンドレルの大径部外周面に接触するように卷回された第２段冷却用フィン付きチューブ、および第２段冷却用フィン付きチューブの低温端に設けられ、この第２段冷却用フィン付きチューブ内を流れてきた第２作動ガスを前記エンドキャップ近傍のコールドフィンガーチューブ内環状空間に放出する第２段冷却用ジュールトムソン弁を有するクライオスタットと、第１段冷却用フィン付きチューブに第１作動ガスを供給する第１高圧ガスタンクと、第２段冷却用フィン付きチューブに第２作動ガスを供給する第２高圧ガスタンクとを備え、前記第１作動ガスはアルゴンガスであり、前記第２作動ガスはネオンガスであることを特徴とするものとしてもよい。
【００１７】
このように構成すると、前記構成のジュールトムソン冷却装置と比較して、クライオスタット部の構成が簡略化および小型化され、冷却装置の総重量を低減することができ、この種の極低温装置において最も重要な初期冷却時間をより一層短縮することができる。
【００２２】
また、前記コールドフィンガーチューブのエンドキャップの冷却面を被冷却物の被冷却面より小さくすることが好ましい。このように構成すれば、冷却装置の総重量を低減することができ、初期冷却時間を短縮することができる。
【００２３】
また、前記マンドレル内空間を真空にすることが好ましい。このように構成すれば、外部からマンドレル内の空気等ガスの熱伝導により熱が侵入することを低減することができ、初期冷却時間をより短縮することができる。
【００２４】
また、前記第１高圧ガスタンクおよび第２高圧ガスタンクの外周面に断熱材を設けることが好ましい。このように構成すると、高圧ガスタンクから作動ガスが流出して、高圧ガスタンク内の作動ガスの膨張により高圧ガスタンクの温度が下がるが、高圧ガスタンクの外周面に設けられた断熱材により周囲からの熱侵入が防止され、より低い温度を維持した状態で第１段冷却用フィン付きチューブおよび第２段冷却用フィン付きチューブに作動ガスをそれぞれ導入することができ、初期冷却時間をより短縮することができる。
【００２５】
また、前記各高圧ガスタンクと第１段および第２段冷却用フィン付きチューブとを連絡する連絡配管に断熱材を設けることが好ましい。この場合も連絡配管を通して進入する熱を防止することができ、より低い温度を維持した状態で第１段冷却用フィン付きチューブおよび第２段冷却用フィン付きチューブにそれぞれ作動ガスを導入することができ、初期冷却時間をより短縮することができる。
【００２６】
また、前記第２高圧ガスタンクを前記第１高圧ガスタンクの中に設置してもよい。このように構成すれば、作動ガスの流出によりより低くなる第２高圧ガスタンクの周囲が大気より大幅に温度の低い第１作動ガスにより包まれることになり、外部からの熱侵入をより一層低減することができ、より低い温度を維持した状態で第２段冷却用フィン付きチューブに作動ガスを導入することができ、初期冷却時間をより一層短縮することができる。また、第２高圧ガスタンクの内外圧力差が小さくなるので、タンク構成材料の肉厚を薄くすることができる。また、高圧ガスタンクが２重構造となり、コンパクトに纏められるので、冷却装置の設置スペースを低減することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図１〜図４に基づき説明する。なお、図１は実施の形態１に係るジュールトムソン冷却装置の全体説明図である。図２は図１における冷却装置本体部分の拡大図である。図３はネオンの逆転温度曲線図である。図４はアルゴンの逆転温度曲線図である。
【００２８】
実施の形態１に係るジュールトムソン冷却装置は、赤外線検知装置として具体化されたものである。この赤外線検知装置は、前記従来のものと同様の機能を有する。図１において、１は円筒状の冷却装置本体容器で、本体容器１内の後端側（図面上は上方側）にはクライオスタット１０を収容するコールドフィンガーチューブ８が配置され、その前端側（図面上は下方側）には赤外線検知器２を収納したコールドシールド３が配置されている。このコールドシールド３は、コールドフィンガーチューブ８の低温端を成すエンドキャップ８ａに接触して取り付けられて冷却されている。なお、エンドキャップ８ａの直径および面積は、コールドシールド３の冷却面の直径および面積より小さく構成されており、冷却装置の低重量化、小型化が行われている。
【００２９】
本体容器１の後端（図面上は上端）には厚手の蓋板５が設けられている。蓋板５の中央部にはコールドフィンガーチューブ８の内径と略同一の孔が設けられ、この孔には蓋板５より薄手の密栓８ｂが取り付けられている。また、密栓８ｂには、第１作動ガスを導入するための連絡配管１３および第２作動ガスを導入するための連絡配管２３が貫通して配置されている。また、密栓８ｂの下方位置において、蓋板５の外部とコールドフィンガーチューブ８内とを連通する複数のガス逃し孔５ａが設けられている。また、本体容器１の前端（図面上は下端）には、エンドプレート６が設けられ、このエンドプレート６には赤外線を透過させるための開口６ａが設けられ、この開口６ａに窓材７が取り付けられている。
【００３０】
次に、クライオスタット１０の構成を説明する。コールドフィンガーチューブ８内には、有底筒状のマンドレル９が同軸に配置されている。前記マンドレル９は、後端側、つまり作動ガス導入側部（高温部）９ａを小径とし、前端側、つまり低温部９ｂを大径とした段付き円筒状として構成されている。そして、マンドレル９の高温部９ａの外周面には第１段冷却用フィン付きチューブ１１が卷回されている。また、第１段冷却用フィン付きチューブ１１の外周およびマンドレル９の低温部９ｂの外周面には、第２段冷却用フィン付きチューブ２１が卷回されている。なお、第２段冷却用フィン付きチューブ２１とコールドフィンガーチューブ８とは熱的に隔離するために、第２段冷却用フィン付きチューブ２１の周りに絶縁性の糸等が緻密に巻かれている。また、マンドレル９内空間は、後端側の開放部が密栓８ｂにより密封されるとともに真空に保持されている。
【００３１】
また、コールドフィンガーチューブ８内のマンドレル９との間に形成される環状空間部８ｃにおいて、第１段冷却用フィン付きチューブ１１の低温端には第１ジュールトムソン弁（ＪＴ弁）１２が設けられており、この第１ＪＴ弁１２はマンドレル９の段部の上部に配置されている。また、コールドフィンガーチューブ８内のマンドレル９との間に形成される環状空間部８ｃにおいて、第２段冷却用フィン付きチューブ２１の低温端には第２ＪＴ弁２２が設けられており、この第２ＪＴ弁２２はエンドキャップ８ａの近傍においてエンドキャップ８ａに向けて配置されている。
本実施の形態１においては、クライオスタット１０は以上のように構成されている。
【００３２】
また、図１において、１４は第１高圧ガスタンクである。この第１高圧ガスタンク１４は、内部に第１作動ガスが充填されており、開閉弁１５を介し連絡配管１３により第１段冷却用フィン付きチューブ１１に接続されている。また、２４は第２高圧ガスタンクである。この第２高圧ガスタンク２４は、内部に第２作動ガスが充填されていおり、開閉弁２５を介し連絡配管２３により第２段冷却用フィン付きチューブ２１に接続されている。
【００３３】
上記のように構成された赤外線検知装置は、次のように作動する。
第１高圧ガスタンク１４から供給される第１作動ガスは、第１段冷却用フィン付きチューブ１１を介して第１ＪＴ弁１２からコールドフィンガーチューブ８内の環状空間部８ｃ内に放出され膨張し、低温ガスと成って第１段冷却用フィン付きチューブ１１および第２段冷却用フィン付きチューブ２１に直接接触して冷却しながら、ガス逃し孔５ａを介して外部に放出される。一方、第２高圧ガスタンク２４から供給される第２作動ガスは、第２段冷却用フィン付きチューブ２１を介して第２ＪＴ弁２２からエンドキャップ８ａに向けてコールドフィンガーチューブ８内の環状空間部８ｃ内に放出され膨張し、これにより被冷却物である赤外線検知器２を収納したコールドシールド３を冷却する。また、第１ＪＴ弁１２から放出された第１作動ガスと混合しながら前記第１段冷却用フィン付きチューブ１１および第２段冷却用フィン付きチューブ２１を冷却し、つまり第２作動ガスを予冷しながら、ガス逃し孔５ａを介して外部に放出される。
【００３４】
上記構成において、作動ガスの選定は次ぎのように行った。
表１の沸点温度から、７７ Ｋ（窒素の沸点温度）以下の温度に冷却するには、ネオンを第２作動ガスに使用するのが適当であることが分る。次にネオンを予冷するための第１作動ガスを次のように選定した。
【００３５】
図３はネオンの逆転温度曲線を示したものである。図中、（?Ｔ／?Ｐ）Hはジュールトムソン係数で、これが正の値の場合、ジュールトムソン膨張時温度が下がり、逆に負の場合、温度が上昇する。ネオンの場合、３００ Ｋにおいてはいかなる圧力においてもジュールトムソン係数は負であるため、予冷が必要になる。例えば２０ ＭＰａから膨張させる場合、１６０ Ｋまで予冷しておく必要がある。ここで、Ｔ：温度、Ｐ：圧力、Ｈ：エンタルピーである。
【００３６】
次に、アルゴン(Ａｒ)の大気圧下の沸点は、表１に示すように８７．３ Ｋであり、この沸点温度を有することから、ネオン（Ｎｅ）ガスを予冷するのに適当と考えられる。図４はアルゴンの逆転温度曲線を示したもので、例えば、４０ ＭＰａから膨張させる場合、５５０ Ｋ以下ならジュールトムソン係数は正であるため、空力加熱による温度上昇を考慮してもアルゴン自体の予冷は不要である。
以上から作動ガスとしては、第２作動ガスをネオンガスとし、第２作動ガス（ネオンガス）を予冷するための第１作動ガスをアルゴンガスとするのが適切であると考えられる。
【００３７】
本実施の形態１は、以上のように構成されているので次のような効果が発揮される。
（１） 第１作動ガスをアルゴンガスとし第２作動ガスをネオンガスとしたことにより、窒素の大気圧における略沸点温度である７７ Ｋ以下に冷却する冷却装置としては、作動ガスの組合せが最適となり高速冷却が可能となる。
【００３８】
(２)第１ＪＴ弁１２通過後の第１作動ガスおよび第２ＪＴ弁２２通過後の第２作動ガスを、第２段冷却用フィン付きチューブ２１に直接接触させる構造としたので、第１ＪＴ弁１２通過後の第１作動ガスが従来のように筒状の壁体を介することなく、効率よく第２段冷却用フィン付きチューブ２１を流通する第２作動ガスを予冷することができる。なお、一般に、第２作動ガスの流量に比し第１作動ガスの流量が大幅に多いので第１ＪＴ弁１２通過後の第１作動ガスと第２ＪＴ弁２２通過後の第２作動ガスが混合されても、これによる弊害はほとんど生じない。
【００３９】
(３)第１段冷却用フィン付きチューブ１１および第２段冷却用フィン付きチューブ２１を共に巻いている部分の外形を小さくするために、マンドレル９を段付き構造としたので、クライオスタット１０の構成が簡略化および小型化され、冷却装置の総重量を低減することができ、この種の極低温装置において最も重要な初期冷却時間を短縮することができる。
【００４０】
(４) コールドフィンガーチューブ８のエンドキャップ８ａの冷却面を被冷却物であるコールドシールド３の被冷却面より小さくしているので、質量低減により、この冷却装置の初期冷却時間を短縮することができる。
【００４１】
(５)マンドレル９内空間が真空となっているので、外部からマンドレル９内の空気等ガスの熱伝導により熱が侵入することを低減することができ、初期冷却時間をより短縮することができる。
【００４２】
実施の形態２．
次に実施の形態２を図５に基づき説明する。図５は、実施の形態２に係るジュールトムソン冷却装置の全体説明図である。なお、図５において実施の形態１と同一または相当する要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
この実施の形態２は、図５から分るように第１および第２の高圧ガスタンク１４，２４の外周面に断熱材１６，２６を貼付して、外部から高圧ガスタンク１４，２４への熱侵入を防いだものであり、その他の構成は実施の形態１と同一である。
【００４３】
第１高圧ガスタンク１４および第２高圧ガスタンク２４からクライオスタット１０へ第１作動ガスおよび第２作動ガスを供給すると、高圧ガスタンク１４，２４内の圧力および温度が低下し外部から熱が進入しやすくなる。特に、第２作動ガスであるネオンガスは、第２ＪＴ弁２２から放出して膨張させる前に、予冷していないとジュールトムソン冷却効果が生じない。したがって、第２作動ガスであるネオンガスは、あらかじめできるだけ温度が低い状態で、クライオスタット１０へ流入するほうが好ましい。このため、高圧ガスタンク１４，２４に断熱材１６，２６を設置し、これにより作動ガスの初期冷却時間を短時間化することが可能になり、また予冷で使用するアルゴンガスの流量も低減することが可能になる。
【００４４】
実施の形態３．
次に実施の形態３を図６に基づき説明する。図６は、実施の形態３に係るジュールトムソン冷却装置の全体説明図である。なお、図６において実施の形態１と同一または相当する要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
この実施の形態３は、図６から分るように、第１高圧ガスタンク１４と第１段冷却用フィン付きチューブ１１とを連絡する連絡配管１３、その連絡配管中に介装された開閉弁１５、第２高圧ガスタンク２４と第２段冷却用フィン付きチューブ２１とを連絡する連絡配管２３、その連絡配管中に介装された開閉弁１５の外周面に断熱材を貼付して、外部から作動ガスへの熱侵入を防止しものであり、その他の構成は実施の形態１と同一である。
【００４５】
したがって、この実施の形態３の場合も、先の実施の形態２の場合と同様に、作動ガスへの外部からの熱侵入が防止されることにより、より低い温度を維持した状態で第１段冷却用フィン付きチューブおよび第２段冷却用フィン付きチューブにそれぞれ作動ガスを導入することができ、初期冷却時間をより短縮することができる。また、予冷で使用するアルゴンガスの流量も低減することが可能になる。
【００４６】
実施の形態４．
次に実施の形態４を図７に基づき説明する。図７は、実施の形態４に係るジュールトムソン冷却装置の全体説明図である。なお、図７において実施の形態１と同一または相当する要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
この実施の形態４は、図７から分るように、第２高圧ガスタンク２４を第１高圧ガスタンク１４内に設置したものであり、その他の構成は実施の形態１と同一である。
【００４７】
これにより、作動ガスの流出によりより低くなる第２高圧ガスタンク２４の周囲が大気より大幅に温度の低い第１作動ガスにより包まれることになり、外部からの熱侵入をより一層低減することができ、より低い温度を維持した状態で第２段冷却用フィン付きチューブ２１に作動ガスを導入することができ、初期冷却時間をより一層短縮することができ、予冷で使用するアルゴンガスの流量を低減することも可能となる。また、第２高圧ガスタンク２４の内外圧力差が小さくなるので、タンク構成材料の肉厚を薄くすることができる。また、高圧ガスタンク１４，２４が２重構造となり、コンパクトに纏められるので、冷却装置の設置スペースを低減することができる。
【００４８】
【発明の効果】
第１の発明に係るジュールトムソン冷却装置によれば、冷却装置の本体容器内に収容され、軸方向の一端が作動ガスの出入り口端をなし、軸方向の他端に設けられたエンドキャップが前記冷却装置の本体容器内に収容された被冷却物を冷却する低温端を成すコールドフィンガーチューブと、このコールドフィンガーチューブ内に同心的に配置され、前記作動ガス出入り口端側が小径とされ、前記エンドキャップ側が大径とされた段付き円筒状のマンドレル、このマンドレルの小径部外周面に接触して卷回された第１段冷却用フィン付きチューブ、第１段冷却用フィン付きチューブの低温端に設けられ、この第１段冷却用フィン付きチューブ内を流れてきた第１作動ガスをコールドフィンガーチューブ内中央部の環状空間に放出する第１段冷却用ジュールトムソン弁、第１段冷却用フィン付きチューブの外周および前記マンドレルの大径部外周面に接触するように卷回された第２段冷却用フィン付きチューブ、および第２段冷却用フィン付きチューブの低温端に設けられ、この第２段冷却用フィン付きチューブ内を流れてきた第２作動ガスを前記エンドキャップ近傍のコールドフィンガーチューブ内環状空間に放出する第２段冷却用ジュールトムソン弁を有するクライオスタットと、第１段冷却用フィン付きチューブに第１作動ガスを供給する第１高圧ガスタンクと、第２段冷却用フィン付きチューブに第２作動ガスを供給する第２高圧ガスタンクとを備え、前記第１作動ガスはアルゴンガスであり、前記第２作動ガスはネオンガスであるので、クライオスタット部の構成が簡略化および小型化され、冷却装置の総重量を低減することができ、初期冷却時間を短縮することができる。
【００５１】
また、第２の発明に係るジュールトムソン冷却装置によれば、前記コールドフィンガーチューブのエンドキャップの冷却面を被冷却物の被冷却面より小さくしたので、総重量が低減でき、初期冷却時間を短縮することができる。
【００５２】
また、第３の発明に係るジュールトムソン冷却装置によれば、前記マンドレル内空間を真空にしたので、熱伝導による熱侵入が低減され、初期冷却時間をより短縮することができる。
【００５３】
また、第４の発明に係るジュールトムソン冷却装置によれば、前記第１高圧ガスタンクおよび第２高圧ガスタンクの外周面に断熱材を設けたので、高圧ガスタンク外周面からの作動流体への熱侵入が低減され、初期冷却時間をより短縮することができる。
【００５４】
また、第５の発明に係るジュールトムソン冷却装置によれば、前記各高圧ガスタンクと第１段および第２段冷却用フィン付きチューブとを連絡する連絡配管に断熱材を設けたので、連絡配管の外周面から作動流体への熱侵入が低減され、初期冷却時間をより短縮することができる。
【００５５】
また、第６の発明に係るジュールトムソン冷却装置によれば、前記第２高圧ガスタンクを前記第１高圧ガスタンクの中に設置したので、第２作動ガスへの熱侵入が防止され、初期冷却時間をより一層短縮することができる。また、第２高圧ガスタンクの肉厚を薄くしてコストダウンを図ることができる。また、高圧ガスタンクが２重構造となり、コンパクトに纏められるので、冷却装置の設置スペースを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１に係るジュールトムソン冷却装置の全体説明図である。
【図２】 図１における冷却装置本体部分の拡大図である。
【図３】 ネオンの逆転温度曲線図である。
【図４】 アルゴンの逆転温度曲線図である。
【図５】 実施の形態２に係るジュールトムソン冷却装置の全体説明図である。
【図６】 実施の形態３に係るジュールトムソン冷却装置の全体説明図である。
【図７】 実施の形態４に係るジュールトムソン冷却装置の全体説明図である。
【図８】 図８は、従来のジュールトムソン冷却装置の全体説明図である。
【符号の説明】
１ 本体容器、２ 赤外線検知器、３ コールドシールド、８ コールドフィンガーチューブ、８ａ エンドキャップ、８ｃ 環状空間部、９ マンドレル、９ａ マンドレルの小径部（高温部）、９ｂ マンドレルの大径部（低温部）、１０ クライオスタット、１１ 第１段冷却用フィン付きチューブ、１２ 第１ジュールトムソン弁（第１ＪＴ弁）、１３ 連絡配管、１４ 第１高圧ガスタンク、１６，１７ 断熱材、２１ 第２段冷却用フィン付きチューブ、２２ 第２ジュールトムソン弁（第２ＪＴ弁）、２３ 連絡配管、２４ 第２高圧ガスタンク、２６，２７ 断熱材。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ジュールトムソン冷却装置に関し、特に、ジュールトムソン冷却装置に内蔵されるクライオスタットの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のクライオスタットを内蔵したジュールトムソン冷却装置としては、例えば特開平１１−２９５１４３号公報およびＵＳＰ５３８２７９７号公報に記載されたものが知られている。これを図８に示し、以下説明する。
【０００３】
このジュールトムソン冷却装置は、赤外線放射を感知して応答電気信号を発生する赤外線検知器１４０を、クライオスタット１００で冷却する赤外線検知装置として具体化したものである。
【０００４】
クライオスタット１００は、内側クライオスタット１１０と外側クライオスタット１２０とからなる二重クライオスタットであり、コールドフィンガーチューブ１３０内に収容されている。より具体的には、内側クライオスタット１１０が外側クライオスタット１２０の内部に同軸に配置され、外側クライオスタット１２０がコールドフィンガーチューブ１３０の内部に同軸に配置されている。そして、コールドフィンガーチューブ１３０は、前端に鍔部１０１ａを有する筒状の検知器組立体１０１内に配設されている。なお、検知器組立体１０１の前端鍔部１０１ａは、デュアハウジング１０２により密閉されている。
【０００５】
上記内側クライオスタット１１０は、比較的低い熱伝導性材料で作られた延伸筒状のマンドレル１１１を具備し、その外周表面にフィン付きチューブ１１２が卷回されている。そして、マンドレル１１１の低温端はエンドキャップ１１３で密閉されている。
【０００６】
また、外側クライオスタット１２０は、比較的低い熱伝導性材料で作られた延伸筒状のマンドレル１２１を具備し、その外周表面にフィン付きチューブ１２２が卷回されている。そして、マンドレル１２１の低温端はエンドキャップ１２３で密閉されている。なお、コールドフィンガーチューブ１３０とフィン付きチューブ１２２とを熱的に隔離するために、フィン付きチューブ１２２の周りに絶縁性の糸等が緻密に巻かれている。また、この外側クライオスタット１２０のエンドキャップ１２３はその中央に隆起部分１２３ａを有し、その前面がコールドフィンガーチューブ１３０のエンドキャップ１３１の後面に接着接合されている。
【０００７】
内側クライオスタット１１０のフィン付きチューブ１１２の低温端には外側クライオスタット１２０のエンドキャップ１２３に向けられたジュールトムソン弁（以下ＪＴ弁という）１１５と、外側クライオスタット１２０の低温端に近接して半径方向に向けられたＪＴ弁１１６とが設けられている。
【０００８】
内側クライオスタット１１０のフィン付きチューブ１１２内を流れてきた作動流体は、環状空隙１１７内において、ＪＴ弁１１５から外側クライオスタット１２０のエンドキャップ１２３に向けて放出膨張され、エンドキャップ１３１を介して台座１４２を冷却する。また、この放出と併行して、内側クライオスタット１１０内を流れてきた作動流体は、マンドレル１１１とマンドレル１２１との間の円筒状空隙内において、外側クライオスタット１２０の低温端を冷却するようにＪＴ弁１１６から放出膨張され、マンドレル１２１の筒状壁を介しフィン付きチューブ１２２を予冷しながら外部に放出される。
【０００９】
外側クライオスタット１２０のフィン付きチューブ１１２の低温端には、外側クライオスタット１２０のエンドキャップ１２３の隆起部分１２３ａを取り囲む複数の縦方向に向けられたＪＴ弁１２５が取り付けられている。
【００１０】
外側クライオスタット１２０のフィン付きチューブ１２２内を流れてきた作動流体は、ＪＴ弁１２５から環状空隙１２７内に放出膨張され、エンドキャップ１３１を介して台座１４２を冷却する。そして、フィン付きチューブ１２２を予冷しながら外部に放出される。
【００１１】
一方、赤外線検知器１４０は、その視野角を制限するためのコールドシールド１４１内に配置され、前述のようにして冷却された台座１４２に取り付けられている。コールドシールド１４１は、デュアハウジング１０２内に同軸に配置されており、円錐支持部材１４３によりコールドフィンガーチューブ１３０から熱伝達を受けて冷却されるように、コールドフィンガーチューブ１３０に対し固定されている。また、デュアハウジング１０２の前端には赤外線を透過させるための開口１０２ａが設けられ、この開口１０２ａに窓材１０３が取り付けられている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のジュールトムソン冷却装置においては、第１段冷却用作動ガスおよび第２段冷却用作動ガスとしてどのような作動ガスを使用すればよいかについては、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ2）、ヘリウム（Ｈｅ）またはそれらの組合せが用途に適していると記載されているのみで、具体的組合せについては何ら開示されていない。
【００１３】
因みに、ジュールトムソン膨張により作動ガスを高圧から大気圧近傍まで膨張させたときの到達温度は、その作動ガスの大気圧近傍の圧力における沸点になる。また、一般に沸点が低くなるほど、ジュールトムソン膨張による冷却効果が低下する。そこで、各種ガスの大気圧における沸点を調べ、これを表１に示している。この表１によると、ヘリウムの沸点は４．２Ｋと極端に低い。また、アルゴンの沸点は８７．３Ｋであり、窒素の沸点は７７．３Ｋである。したがって、７７Ｋ以下、すなわち液体窒素の沸点温度以下であって、４．２Ｋ温度（ヘリウムの沸点温度）以上の中間温度領域に冷却する作動ガスとしては、非効率的にならざるを得ない。
【００１４】
【表１】
本発明は、このような従来技術に存在する問題点に鑑み成されたもので、適切な作動ガスの組合せを設定することにより、液体窒素の沸点温度７７Ｋ以下に高速に冷却可能なジュールトムソン冷却装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のジュールトムソン冷却装置は、冷却装置の本体容器内に収容され、軸方向の一端が作動ガスの出入り口端をなし、軸方向の他端に設けられたエンドキャップが前記冷却装置の本体容器内に収容された被冷却物を冷却する低温端を成すコールドフィンガーチューブと、このコールドフィンガーチューブ内に同心的に配置され、前記作動ガス出入り口端側が小径とされ、前記エンドキャップ側が大径とされた段付き円筒状のマンドレル、このマンドレルの小径部外周面に接触して卷回された第１段冷却用フィン付きチューブ、第１段冷却用フィン付きチューブの低温端に設けられ、この第１段冷却用フィン付きチューブ内を流れてきた第１作動ガスをコールドフィンガーチューブ内中央部の環状空間に放出する第１段冷却用ジュールトムソン弁、第１段冷却用フィン付きチューブの外周および前記マンドレルの大径部外周面に接触するように卷回された第２段冷却用フィン付きチューブ、および第２段冷却用フィン付きチューブの低温端に設けられ、この第２段冷却用フィン付きチューブ内を流れてきた第２作動ガスを前記エンドキャップ近傍のコールドフィンガーチューブ内環状空間に放出する第２段冷却用ジュールトムソン弁を有するクライオスタットと、第１段冷却用フィン付きチューブに第１作動ガスを供給する第１高圧ガスタンクと、第２段冷却用フィン付きチューブに第２作動ガスを供給する第２高圧ガスタンクとを備え、前記第１作動ガスはアルゴンガスであり、前記第２作動ガスはネオンガスであることを特徴とするものとしてもよい。
【００１７】
このように構成すると、前記構成のジュールトムソン冷却装置と比較して、クライオスタット部の構成が簡略化および小型化され、冷却装置の総重量を低減することができ、この種の極低温装置において最も重要な初期冷却時間をより一層短縮することができる。
【００２２】
また、前記コールドフィンガーチューブのエンドキャップの冷却面を被冷却物の被冷却面より小さくすることが好ましい。このように構成すれば、冷却装置の総重量を低減することができ、初期冷却時間を短縮することができる。
【００２３】
また、前記マンドレル内空間を真空にすることが好ましい。このように構成すれば、外部からマンドレル内の空気等ガスの熱伝導により熱が侵入することを低減することができ、初期冷却時間をより短縮することができる。
【００２４】
また、前記第１高圧ガスタンクおよび第２高圧ガスタンクの外周面に断熱材を設けることが好ましい。このように構成すると、高圧ガスタンクから作動ガスが流出して、高圧ガスタンク内の作動ガスの膨張により高圧ガスタンクの温度が下がるが、高圧ガスタンクの外周面に設けられた断熱材により周囲からの熱侵入が防止され、より低い温度を維持した状態で第１段冷却用フィン付きチューブおよび第２段冷却用フィン付きチューブに作動ガスをそれぞれ導入することができ、初期冷却時間をより短縮することができる。
【００２５】
また、前記各高圧ガスタンクと第１段および第２段冷却用フィン付きチューブとを連絡する連絡配管に断熱材を設けることが好ましい。この場合も連絡配管を通して進入する熱を防止することができ、より低い温度を維持した状態で第１段冷却用フィン付きチューブおよび第２段冷却用フィン付きチューブにそれぞれ作動ガスを導入することができ、初期冷却時間をより短縮することができる。
【００２６】
また、前記第２高圧ガスタンクを前記第１高圧ガスタンクの中に設置してもよい。このように構成すれば、作動ガスの流出によりより低くなる第２高圧ガスタンクの周囲が大気より大幅に温度の低い第１作動ガスにより包まれることになり、外部からの熱侵入をより一層低減することができ、より低い温度を維持した状態で第２段冷却用フィン付きチューブに作動ガスを導入することができ、初期冷却時間をより一層短縮することができる。また、第２高圧ガスタンクの内外圧力差が小さくなるので、タンク構成材料の肉厚を薄くすることができる。また、高圧ガスタンクが２重構造となり、コンパクトに纏められるので、冷却装置の設置スペースを低減することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図１〜図４に基づき説明する。なお、図１は実施の形態１に係るジュールトムソン冷却装置の全体説明図である。図２は図１における冷却装置本体部分の拡大図である。図３はネオンの逆転温度曲線図である。図４はアルゴンの逆転温度曲線図である。
【００２８】
実施の形態１に係るジュールトムソン冷却装置は、赤外線検知装置として具体化されたものである。この赤外線検知装置は、前記従来のものと同様の機能を有する。図１において、１は円筒状の冷却装置本体容器で、本体容器１内の後端側（図面上は上方側）にはクライオスタット１０を収容するコールドフィンガーチューブ８が配置され、その前端側（図面上は下方側）には赤外線検知器２を収納したコールドシールド３が配置されている。このコールドシールド３は、コールドフィンガーチューブ８の低温端を成すエンドキャップ８ａに接触して取り付けられて冷却されている。なお、エンドキャップ８ａの直径および面積は、コールドシールド３の冷却面の直径および面積より小さく構成されており、冷却装置の低重量化、小型化が行われている。
【００２９】
本体容器１の後端（図面上は上端）には厚手の蓋板５が設けられている。蓋板５の中央部にはコールドフィンガーチューブ８の内径と略同一の孔が設けられ、この孔には蓋板５より薄手の密栓８ｂが取り付けられている。また、密栓８ｂには、第１作動ガスを導入するための連絡配管１３および第２作動ガスを導入するための連絡配管２３が貫通して配置されている。また、密栓８ｂの下方位置において、蓋板５の外部とコールドフィンガーチューブ８内とを連通する複数のガス逃し孔５ａが設けられている。また、本体容器１の前端（図面上は下端）には、エンドプレート６が設けられ、このエンドプレート６には赤外線を透過させるための開口６ａが設けられ、この開口６ａに窓材７が取り付けられている。
【００３０】
次に、クライオスタット１０の構成を説明する。コールドフィンガーチューブ８内には、有底筒状のマンドレル９が同軸に配置されている。前記マンドレル９は、後端側、つまり作動ガス導入側部（高温部）９ａを小径とし、前端側、つまり低温部９ｂを大径とした段付き円筒状として構成されている。そして、マンドレル９の高温部９ａの外周面には第１段冷却用フィン付きチューブ１１が卷回されている。また、第１段冷却用フィン付きチューブ１１の外周およびマンドレル９の低温部９ｂの外周面には、第２段冷却用フィン付きチューブ２１が卷回されている。なお、第２段冷却用フィン付きチューブ２１とコールドフィンガーチューブ８とは熱的に隔離するために、第２段冷却用フィン付きチューブ２１の周りに絶縁性の糸等が緻密に巻かれている。また、マンドレル９内空間は、後端側の開放部が密栓８ｂにより密封されるとともに真空に保持されている。
【００３１】
また、コールドフィンガーチューブ８内のマンドレル９との間に形成される環状空間部８ｃにおいて、第１段冷却用フィン付きチューブ１１の低温端には第１ジュールトムソン弁（ＪＴ弁）１２が設けられており、この第１ＪＴ弁１２はマンドレル９の段部の上部に配置されている。また、コールドフィンガーチューブ８内のマンドレル９との間に形成される環状空間部８ｃにおいて、第２段冷却用フィン付きチューブ２１の低温端には第２ＪＴ弁２２が設けられており、この第２ＪＴ弁２２はエンドキャップ８ａの近傍においてエンドキャップ８ａに向けて配置されている。
本実施の形態１においては、クライオスタット１０は以上のように構成されている。
【００３２】
また、図１において、１４は第１高圧ガスタンクである。この第１高圧ガスタンク１４は、内部に第１作動ガスが充填されており、開閉弁１５を介し連絡配管１３により第１段冷却用フィン付きチューブ１１に接続されている。また、２４は第２高圧ガスタンクである。この第２高圧ガスタンク２４は、内部に第２作動ガスが充填されていおり、開閉弁２５を介し連絡配管２３により第２段冷却用フィン付きチューブ２１に接続されている。
【００３３】
上記のように構成された赤外線検知装置は、次のように作動する。
第１高圧ガスタンク１４から供給される第１作動ガスは、第１段冷却用フィン付きチューブ１１を介して第１ＪＴ弁１２からコールドフィンガーチューブ８内の環状空間部８ｃ内に放出され膨張し、低温ガスと成って第１段冷却用フィン付きチューブ１１および第２段冷却用フィン付きチューブ２１に直接接触して冷却しながら、ガス逃し孔５ａを介して外部に放出される。一方、第２高圧ガスタンク２４から供給される第２作動ガスは、第２段冷却用フィン付きチューブ２１を介して第２ＪＴ弁２２からエンドキャップ８ａに向けてコールドフィンガーチューブ８内の環状空間部８ｃ内に放出され膨張し、これにより被冷却物である赤外線検知器２を収納したコールドシールド３を冷却する。また、第１ＪＴ弁１２から放出された第１作動ガスと混合しながら前記第１段冷却用フィン付きチューブ１１および第２段冷却用フィン付きチューブ２１を冷却し、つまり第２作動ガスを予冷しながら、ガス逃し孔５ａを介して外部に放出される。
【００３４】
上記構成において、作動ガスの選定は次ぎのように行った。
表１の沸点温度から、７７ Ｋ（窒素の沸点温度）以下の温度に冷却するには、ネオンを第２作動ガスに使用するのが適当であることが分る。次にネオンを予冷するための第１作動ガスを次のように選定した。
【００３５】
図３はネオンの逆転温度曲線を示したものである。図中、（?Ｔ／?Ｐ）Hはジュールトムソン係数で、これが正の値の場合、ジュールトムソン膨張時温度が下がり、逆に負の場合、温度が上昇する。ネオンの場合、３００ Ｋにおいてはいかなる圧力においてもジュールトムソン係数は負であるため、予冷が必要になる。例えば２０ ＭＰａから膨張させる場合、１６０ Ｋまで予冷しておく必要がある。ここで、Ｔ：温度、Ｐ：圧力、Ｈ：エンタルピーである。
【００３６】
次に、アルゴン(Ａｒ)の大気圧下の沸点は、表１に示すように８７．３ Ｋであり、この沸点温度を有することから、ネオン（Ｎｅ）ガスを予冷するのに適当と考えられる。図４はアルゴンの逆転温度曲線を示したもので、例えば、４０ ＭＰａから膨張させる場合、５５０ Ｋ以下ならジュールトムソン係数は正であるため、空力加熱による温度上昇を考慮してもアルゴン自体の予冷は不要である。
以上から作動ガスとしては、第２作動ガスをネオンガスとし、第２作動ガス（ネオンガス）を予冷するための第１作動ガスをアルゴンガスとするのが適切であると考えられる。
【００３７】
本実施の形態１は、以上のように構成されているので次のような効果が発揮される。
（１） 第１作動ガスをアルゴンガスとし第２作動ガスをネオンガスとしたことにより、窒素の大気圧における略沸点温度である７７ Ｋ以下に冷却する冷却装置としては、作動ガスの組合せが最適となり高速冷却が可能となる。
【００３８】
(２)第１ＪＴ弁１２通過後の第１作動ガスおよび第２ＪＴ弁２２通過後の第２作動ガスを、第２段冷却用フィン付きチューブ２１に直接接触させる構造としたので、第１ＪＴ弁１２通過後の第１作動ガスが従来のように筒状の壁体を介することなく、効率よく第２段冷却用フィン付きチューブ２１を流通する第２作動ガスを予冷することができる。なお、一般に、第２作動ガスの流量に比し第１作動ガスの流量が大幅に多いので第１ＪＴ弁１２通過後の第１作動ガスと第２ＪＴ弁２２通過後の第２作動ガスが混合されても、これによる弊害はほとんど生じない。
【００３９】
(３)第１段冷却用フィン付きチューブ１１および第２段冷却用フィン付きチューブ２１を共に巻いている部分の外形を小さくするために、マンドレル９を段付き構造としたので、クライオスタット１０の構成が簡略化および小型化され、冷却装置の総重量を低減することができ、この種の極低温装置において最も重要な初期冷却時間を短縮することができる。
【００４０】
(４) コールドフィンガーチューブ８のエンドキャップ８ａの冷却面を被冷却物であるコールドシールド３の被冷却面より小さくしているので、質量低減により、この冷却装置の初期冷却時間を短縮することができる。
【００４１】
(５)マンドレル９内空間が真空となっているので、外部からマンドレル９内の空気等ガスの熱伝導により熱が侵入することを低減することができ、初期冷却時間をより短縮することができる。
【００４２】
実施の形態２．
次に実施の形態２を図５に基づき説明する。図５は、実施の形態２に係るジュールトムソン冷却装置の全体説明図である。なお、図５において実施の形態１と同一または相当する要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
この実施の形態２は、図５から分るように第１および第２の高圧ガスタンク１４，２４の外周面に断熱材１６，２６を貼付して、外部から高圧ガスタンク１４，２４への熱侵入を防いだものであり、その他の構成は実施の形態１と同一である。
【００４３】
第１高圧ガスタンク１４および第２高圧ガスタンク２４からクライオスタット１０へ第１作動ガスおよび第２作動ガスを供給すると、高圧ガスタンク１４，２４内の圧力および温度が低下し外部から熱が進入しやすくなる。特に、第２作動ガスであるネオンガスは、第２ＪＴ弁２２から放出して膨張させる前に、予冷していないとジュールトムソン冷却効果が生じない。したがって、第２作動ガスであるネオンガスは、あらかじめできるだけ温度が低い状態で、クライオスタット１０へ流入するほうが好ましい。このため、高圧ガスタンク１４，２４に断熱材１６，２６を設置し、これにより作動ガスの初期冷却時間を短時間化することが可能になり、また予冷で使用するアルゴンガスの流量も低減することが可能になる。
【００４４】
実施の形態３．
次に実施の形態３を図６に基づき説明する。図６は、実施の形態３に係るジュールトムソン冷却装置の全体説明図である。なお、図６において実施の形態１と同一または相当する要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
この実施の形態３は、図６から分るように、第１高圧ガスタンク１４と第１段冷却用フィン付きチューブ１１とを連絡する連絡配管１３、その連絡配管中に介装された開閉弁１５、第２高圧ガスタンク２４と第２段冷却用フィン付きチューブ２１とを連絡する連絡配管２３、その連絡配管中に介装された開閉弁１５の外周面に断熱材を貼付して、外部から作動ガスへの熱侵入を防止しものであり、その他の構成は実施の形態１と同一である。
【００４５】
したがって、この実施の形態３の場合も、先の実施の形態２の場合と同様に、作動ガスへの外部からの熱侵入が防止されることにより、より低い温度を維持した状態で第１段冷却用フィン付きチューブおよび第２段冷却用フィン付きチューブにそれぞれ作動ガスを導入することができ、初期冷却時間をより短縮することができる。また、予冷で使用するアルゴンガスの流量も低減することが可能になる。
【００４６】
実施の形態４．
次に実施の形態４を図７に基づき説明する。図７は、実施の形態４に係るジュールトムソン冷却装置の全体説明図である。なお、図７において実施の形態１と同一または相当する要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
この実施の形態４は、図７から分るように、第２高圧ガスタンク２４を第１高圧ガスタンク１４内に設置したものであり、その他の構成は実施の形態１と同一である。
【００４７】
これにより、作動ガスの流出によりより低くなる第２高圧ガスタンク２４の周囲が大気より大幅に温度の低い第１作動ガスにより包まれることになり、外部からの熱侵入をより一層低減することができ、より低い温度を維持した状態で第２段冷却用フィン付きチューブ２１に作動ガスを導入することができ、初期冷却時間をより一層短縮することができ、予冷で使用するアルゴンガスの流量を低減することも可能となる。また、第２高圧ガスタンク２４の内外圧力差が小さくなるので、タンク構成材料の肉厚を薄くすることができる。また、高圧ガスタンク１４，２４が２重構造となり、コンパクトに纏められるので、冷却装置の設置スペースを低減することができる。
【００４８】
【発明の効果】
第１の発明に係るジュールトムソン冷却装置によれば、冷却装置の本体容器内に収容され、軸方向の一端が作動ガスの出入り口端をなし、軸方向の他端に設けられたエンドキャップが前記冷却装置の本体容器内に収容された被冷却物を冷却する低温端を成すコールドフィンガーチューブと、このコールドフィンガーチューブ内に同心的に配置され、前記作動ガス出入り口端側が小径とされ、前記エンドキャップ側が大径とされた段付き円筒状のマンドレル、このマンドレルの小径部外周面に接触して卷回された第１段冷却用フィン付きチューブ、第１段冷却用フィン付きチューブの低温端に設けられ、この第１段冷却用フィン付きチューブ内を流れてきた第１作動ガスをコールドフィンガーチューブ内中央部の環状空間に放出する第１段冷却用ジュールトムソン弁、第１段冷却用フィン付きチューブの外周および前記マンドレルの大径部外周面に接触するように卷回された第２段冷却用フィン付きチューブ、および第２段冷却用フィン付きチューブの低温端に設けられ、この第２段冷却用フィン付きチューブ内を流れてきた第２作動ガスを前記エンドキャップ近傍のコールドフィンガーチューブ内環状空間に放出する第２段冷却用ジュールトムソン弁を有するクライオスタットと、第１段冷却用フィン付きチューブに第１作動ガスを供給する第１高圧ガスタンクと、第２段冷却用フィン付きチューブに第２作動ガスを供給する第２高圧ガスタンクとを備え、前記第１作動ガスはアルゴンガスであり、前記第２作動ガスはネオンガスであるので、クライオスタット部の構成が簡略化および小型化され、冷却装置の総重量を低減することができ、初期冷却時間を短縮することができる。
【００５１】
また、第２の発明に係るジュールトムソン冷却装置によれば、前記コールドフィンガーチューブのエンドキャップの冷却面を被冷却物の被冷却面より小さくしたので、総重量が低減でき、初期冷却時間を短縮することができる。
【００５２】
また、第３の発明に係るジュールトムソン冷却装置によれば、前記マンドレル内空間を真空にしたので、熱伝導による熱侵入が低減され、初期冷却時間をより短縮することができる。
【００５３】
また、第４の発明に係るジュールトムソン冷却装置によれば、前記第１高圧ガスタンクおよび第２高圧ガスタンクの外周面に断熱材を設けたので、高圧ガスタンク外周面からの作動流体への熱侵入が低減され、初期冷却時間をより短縮することができる。
【００５４】
また、第５の発明に係るジュールトムソン冷却装置によれば、前記各高圧ガスタンクと第１段および第２段冷却用フィン付きチューブとを連絡する連絡配管に断熱材を設けたので、連絡配管の外周面から作動流体への熱侵入が低減され、初期冷却時間をより短縮することができる。
【００５５】
また、第６の発明に係るジュールトムソン冷却装置によれば、前記第２高圧ガスタンクを前記第１高圧ガスタンクの中に設置したので、第２作動ガスへの熱侵入が防止され、初期冷却時間をより一層短縮することができる。また、第２高圧ガスタンクの肉厚を薄くしてコストダウンを図ることができる。また、高圧ガスタンクが２重構造となり、コンパクトに纏められるので、冷却装置の設置スペースを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１に係るジュールトムソン冷却装置の全体説明図である。
【図２】 図１における冷却装置本体部分の拡大図である。
【図３】 ネオンの逆転温度曲線図である。
【図４】 アルゴンの逆転温度曲線図である。
【図５】 実施の形態２に係るジュールトムソン冷却装置の全体説明図である。
【図６】 実施の形態３に係るジュールトムソン冷却装置の全体説明図である。
【図７】 実施の形態４に係るジュールトムソン冷却装置の全体説明図である。
【図８】 図８は、従来のジュールトムソン冷却装置の全体説明図である。
【符号の説明】
１ 本体容器、２ 赤外線検知器、３ コールドシールド、８ コールドフィンガーチューブ、８ａ エンドキャップ、８ｃ 環状空間部、９ マンドレル、９ａ マンドレルの小径部（高温部）、９ｂ マンドレルの大径部（低温部）、１０ クライオスタット、１１ 第１段冷却用フィン付きチューブ、１２ 第１ジュールトムソン弁（第１ＪＴ弁）、１３ 連絡配管、１４ 第１高圧ガスタンク、１６，１７ 断熱材、２１ 第２段冷却用フィン付きチューブ、２２ 第２ジュールトムソン弁（第２ＪＴ弁）、２３ 連絡配管、２４ 第２高圧ガスタンク、２６，２７ 断熱材。
Claims (6)
- 冷却装置の本体容器内に収容され、軸方向の一端が作動ガスの出入り口端をなし、軸方向の他端に設けられたエンドキャップが前記冷却装置の本体容器内に収容された被冷却物を冷却する低温端を成すコールドフィンガーチューブと、このコールドフィンガーチューブ内に同心的に配置され、前記作動ガス出入り口端側が小径とされ、前記エンドキャップ側が大径とされた段付き円筒状のマンドレル、このマンドレルの小径部外周面に接触して卷回された第１段冷却用フィン付きチューブ、第１段冷却用フィン付きチューブの低温端に設けられ、この第１段冷却用フィン付きチューブ内を流れてきた第１作動ガスをコールドフィンガーチューブ内中央部の環状空間に放出する第１段冷却用ジュールトムソン弁、第１段冷却用フィン付きチューブの外周および前記マンドレルの大径部外周面に接触するように卷回された第２段冷却用フィン付きチューブ、および第２段冷却用フィン付きチューブの低温端に設けられ、この第２段冷却用フィン付きチューブ内を流れてきた第２作動ガスを前記エンドキャップ近傍のコールドフィンガーチューブ内環状空間に放出する第２段冷却用ジュールトムソン弁を有するクライオスタットと、
第１段冷却用フィン付きチューブに第１作動ガスを供給する第１高圧ガスタンクと、
第２段冷却用フィン付きチューブに第２作動ガスを供給する第２高圧ガスタンクと
を備え、
前記第１作動ガスはアルゴンガスであり、前記第２作動ガスはネオンガスであることを特徴とするジュールトムソン冷却装置。 - 前記コールドフィンガーチューブのエンドキャップの冷却面を被冷却物の被冷却面より小さくしたことを特徴とする請求項１記載のジュールトムソン冷却装置。
- 前記マンドレル内空間を真空にしたことを特徴とする請求項１記載のジュールトムソン冷却装置。
- 前記第１高圧ガスタンクおよび第２高圧ガスタンクの外周面に断熱材を設けたことを特徴とする請求項１記載のジュールトムソン冷却装置。
- 前記第１高圧ガスタンクと前記第１段冷却用フィン付きチューブとを接続する連絡配管および前記第２高圧ガスタンクと前記第２段冷却用フィン付きチューブとを接続する連絡配管それぞれに断熱材を配設したことを特徴とする請求項１記載のジュールトムソン冷却装置。
- 前記第２高圧ガスタンクを前記第１高圧ガスタンクの中に設置したことを特徴とする請求項１記載のジュールトムソン冷却装置。
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