JP4782358B2 - 多孔性プラグプラグ位相シフタを有するパルス管エキスパンダ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス管エキスパンダに関するものであり、特に、プラグの詰まりに対して高い抵抗性を有する位相シフタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ある種のセンサおよび電子装置は約５０乃至７５度Ｋより高い温度では実際上動作できず、それ故適切な動作のためにはこの温度範囲以下に冷却されなければならない。この中程度の極低温範囲は、研究室または静止したサービスアプリケーションのようないくつかの装置では極低温流体の貯蔵装置を使用して容易に行うことができる。しかしながら、野外での動作では極低温流体の貯蔵装置を設けることはしばしば実用的ではなく、熱力学的な冷却装置が使用される。
【０００３】
いくつかの形式の熱力学的な冷却装置が知られている。そのような冷却装置の１つは変形されたスターリングサイクルに基づいたパルス管エキスパンダであり、それにおいては、再生装置／パルス管構造体中の加圧されたガスはエキスパンダから熱を除去するために圧縮動作が構造体の暖かい領域で行われるように急速なパルスで行われ、膨張動作が冷却領域で行われて熱負荷を吸収する。圧力波と質量流との間の位相角度は、パルス管の除熱交換器とサージタンクとの間のガス流通路中に位置している小直径のオリフィスまたは長い小直径の管（“イナータンス管”）によって制御される。パルス管冷却装置は合理的な効率であり、振動が少なく、信頼でき長期間のサービス寿命を有し、適当な価格である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はパルス管エキスパンダの改良された形態を利用する冷却システムに関する。本発明者は、パルス管エキスパンダの動作が動作ガスの何らかのタイプの汚染物質の存在を避けることができないことによって悪影響を受けることを発見した。この汚染はまず、パルス管エキスパンダの効率を低下させ、最終的には動作不能にする。この影響の原因を究明し、汚染による性能の劣化の問題を解決することが必要である。
本発明はこの目的を達成し、さらに、関連した利点を提供する。
本発明は、動作ガス中の汚染物質の存在に敏感でなく、しかも十分な機能を有するパルス管エキスパンダを提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、圧力源により動作可能なパルス管エキスパンダは互いにガスの流れに対して直列関係の部品のグループを含んでいる。再生装置は、圧力源とガスが連通している再生装置入力と再生装置出力とを備えている（ここで使用されている“ガスが連通している”とは、ガスが直接連通する場合および熱交換器のような中間部品を通ってガスが間接的に連通する場合を含んでいる）。パルス管は、再生装置出力とガスが連通しているパルス管入力と、パルス管出力とを備えている。ガス位相シフタとして機能する収縮構造は、パルス管出力とガスが連通している収縮構造入力と、収縮構造出力とを備えている。収縮構造は、収縮構造入力から収縮構造出力へそれを通って延在する少なくとも２つの独立した通路を備えている。収縮構造は、収縮構造入力から収縮構造出力へそれを通って延在する複数の独立した通路を有する多孔性プラグ位相シフタを具備していることが好ましい。サージタンクは、収縮構造出力とガスが連通しているサージタンク入力を有する。パルス管エキスパンダは、典型的に、圧力源と再生装置との間の第１の熱交換器と、再生装置とパルス管との間の第２の熱交換器と、および／またはパルス管と収縮構造との間の第３の熱交換器とのようなガス流通路における熱交換器を備えている。
【０００６】
好ましい多孔性プラグ圧縮構造は種々の形態を採用することができる。例えば焼結された質量体、または個別の自由流動体のパックされた固体ベッドであってもよい。後者の場合には、個別の、自由流動体は微粒子化されていない非沈殿性のものであり、それにより多孔性プラグの特性は時間の経過により変化しない。多孔性プラグは多孔性の固体質量体で充填された管として構成するのが最も容易である。実施例には、複数の個別の自由流動体（管に配置される前）で充填されている管または複数の個別の自由流動ボール（管に配置される前）で充填されている管が含まれている。多孔性プラグの焼結された質量体、または自由流動体は任意の動作可能な材料、例えば，銅、アルミニウム、ステンレススチール、鉛・アンチモン合金、ガラス、およびセラミック等である。
【０００７】
通常のパルス管エキスパンダの汚染に対する感度は実際に追跡され、オリフィスまたはイナータンス管の完全な阻止は気相から限定された断面部分に固体として付着する。ある種の多段アプリケーションでは、位相シフタは極低温で動作する。固体粒子または凝縮したガス（水蒸気等）はこれらのタイプの多段アプリケーションにおいてオリフィスまたはイナータンス管を阻止する汚染物として作用する。阻止はガス流を変化させ、それによりパルス管エキスパンダはその較正された特性を失い、あるいは全く阻止される。イナータンス管はその断面積が大きいためにそのような阻止に対してオリフィスよりも抵抗性があるが、それでも汚染により性能が失われ、阻止、遮断が生じる。
【０００８】
本発明による多通路構造は、圧縮構造入力から圧縮構造出力へ延在する独立した多数の通路を提供する。もしも通路の１つが部分的または完全に阻止された場合にも、ガスは他通路を連続して流れることができる。圧縮構造は多孔性プラグを使用することによって最も都合よく構成される。多孔性は任意の動作可能な方法で構成されることができ、多数の例がここに示されている。
【０００９】
本発明の方法は粒子状および／または凝縮可能な相による汚染の結果としてパルス管エキスパンダの感度が劣化することを減少させる。僅かな付加的な重量または寸法の増加によって所望の圧縮特製が得られるように容易に構成することができる。
【００１０】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照した以下の好ましい実施形態の詳細から明らかになるであろう。これらの図面は本発明の原理を例示したものである。本発明の技術的範囲はこれらの好ましい実施形態に限定されるものではない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は圧力源22によって動作可能なパルス管エキスパンダ20を示している。圧力源22は冷却装置のコンプレッサまたは暖かい段、または任意の他のパルス圧力源であってもよい。圧力源22それ自体は本発明の特徴とする部分ではない。
【００１２】
理想的な通常のパルス管エキスパンダ20は時には入力熱交換器と呼ばれる第１の熱交換器24を含んでおり、これは圧力源22と第１の熱交換器出力28とガスで連通する第１の熱交換器の入力26を有する（用語“入力”と“出力”は圧力源22からのガス流に関して便宜的に使用される。両方向のガス流はパルス管エキスパンダ20を通過する。）。再生装置30は第１の熱交換器出力28とガスガ連通する再生装置入力32と再生装置出力34とを有する。冷熱交換器と呼ばれる第２の熱交換器36は再生装置出力34と気体で連通するパルス管入力44と第２の熱交換器出力40とを有する。時には除熱交換器と呼ばれる第３の熱交換器48はパルス管出力46とガスが連通する第３の熱交換器入力50と第３の熱交換器出力52とを有する。較正されたオリフィス54は、第３の熱交換器出力52とガスが連通する較正されたオリフィス入力56と較正されたオリフィス出力58とを有する。較正されたオリフィス54は正確な寸法にされた小さい１つのオリフィスであり、その寸法はパルス管エキスパンダ20の性能に同調するように変化されることができる。サージタンク60はオリフィス出力58とガスが連通するサージタンク入力62を有している。図示されていないが、イナータンス管と呼ばれる小さい直径を有する長い管は較正オリフィス54の代わりに使用されることができる。
【００１３】
いくつかの典型的なパルス管エキスパンダの物理的な構造の詳細は、例えば、米国特許第５，６４７，２１９号明細書、同第５，６１３，３６５号明細書、同第４，７１１，６５０号明細書に記載されている。
【００１４】
本発明者は図１に関して説明したパルス管エキスパンダ構造を使用するとき、ある環境においては性能が劣化されることを発見した。本発明者は、較正されたオリフィス54またはイナータンス管の部分的あるいは全体的遮断に対してこの劣化した特性を追跡した。本発明者はまた、ある種の多段エキスパンダの設計において同様の故障モードとして凝縮可能な汚染によるオリフィスのプラグの詰まる作用を認識した。
【００１５】
本発明による１実施形態において、図２に示されるパルス管エキスパンダ70は図１のパルス管20と同じ多数の構成部品を具備している。同じ名称および参照符号が図２においても適用され、これらの構成素子についての説明は前の説明と同じであるから省略する。
【００１６】
図２と図１の装置の主要な相違は、較正オリフィス54が圧縮構造72によって置換され、その圧縮構造72はパルス管出力とガスが連通する圧縮構造入力と圧縮構造出力とを有している。圧縮構造72は、圧縮構造入力から圧縮構造出力へ延在する少なくとも２個の独立した通路を備えている。
【００１７】
圧縮構造72の好ましい形態は図２に示されている。この好ましい圧縮構造72はパルス管出力46とガスが連通している（この場合には第３の熱交換器48を通って間接的に）多孔性プラグ入力76と、多孔性プラグ出力78とを有する多孔性プラグ74を有している。サージタンク入力62は多孔性プラグ出力78とガスが連通している。
【００１８】
圧縮構造72およびその多孔性プラグ74はガス圧力波および質量流が伝送される少なくとも２個、好ましくは多数の通路を備えている。もしも１個または少数の通路が微粒子によって、あるいは凝集された汚染物によって遮断阻止された場合に残りの並列の（質量流または圧力波流の意味において）通路は開放された状態を維持し、構造の機能は阻害されない。
【００１９】
多孔性プラグ74は種々の形態を取ることができる。多孔性プラグ74は材料の焼結した質量体（質量体）であってもよい。焼結は完全ではなく、そのため相対密度は１よりも小さく、焼結された本体を通って延在する相互接続された多孔性のオープンセルネットワークが残される。この多孔性プラグは代わりに個別の自由流動体84のパックされた固体ベッドを含んでいてもよい。用語“個別の自由流動”はその物体が逆さにされた容器から流出すことを意味している。この場合に個別の自由流動は、時間の経過と共にサービス中にそれらが流動特性を変化させる集合体を形成しないように微粒子化されない。個別の自由流動体84はまた非沈殿性であり、それによって、時間の経過と共にサービス中にガス圧力および質量体流の流動作用から層構造を形成しない。そのような層構造もまた流動特性を変化させる。多孔性プラグ74は動作可能な任意の材料で形成されることができる。好ましい材料は、銅、アルミニウム、ステンレススチール、鉛・アンチモン合金、ガラス、およびセラミックである。
【００２０】
図３に示されているように、最も好ましいのは、多孔性プラグ74が多孔性固体81で充填された管80で構成することである。管80は物理的に多孔性固体81を収容し、限定しており、また、この多孔性固体の管の側面からガスが漏洩するのを阻止している。管80は例えば多孔性固体81の質量体として共同して作用する焼結された材料で充填されている。図３は複数の個別の自由流動体84で充填されて多孔性固体81の質量体として共同して作用する管80を示している。この場合、個別の自由流動体84は一般的に球状のボールである。個別の自由流動体84を管80中に保持するために、スクリーン82（１このスクリーンでもスクリーンパックの複数のスクリーンでもよい）が管80の各端部を覆って配置されている。スクリーン82管80中含まれる自由流動体84よりも小さい寸法のメッシュである。
【００２１】
多孔性プラグ74のガス圧力伝達および質量流特性は広い範囲にわたって設定され、本発明の重要な利点である。ガス圧力伝達および質量流特性は、多孔性プラグ74の長さおよび直径により、および多孔性プラグの多孔性材料の水力学的特性によって決定される。すなわち、多孔性の寸法および性質は多孔性プラグ74の流体インピーダンスを設定する。これらのパラメータを調整することによって、多孔性プラグ74のガス圧力伝達および質量流特性は容易に選択されることができる。多孔性プラグ74のガス流特性は次の式により決定される。：
ΔＰ＝（ｆＬ／Ｄ_h ）ρＶ_a ² ／２
ここで、ΔＰは圧力降下であり、ｆは摩擦係数であり、それはレイノルド数と多孔性プラグの形状の関数であり、Ｌは多孔性プラグの長さであり、Ｄ_h は多孔性プラグの水力学的直径であり、ρは多孔性プラグ中の平均ガス流密度であり、Ｖ_a は多孔性プラグ中のガス流の平均速度である。この式は各時間ステップにおける管の長さにわたる積分である。
【００２２】
本発明は、本発明の多孔性プラグを使用することにより既存の標準的なオリフィスバルブのパルス管エキスパンダを使用する実用上の欠点を減少させる。多孔性プラグは０．０２０イチンの直径のステンレススチールのボールが内部直径が０．１９４インチで長さが１．６８インチの管の中に詰め込まれて形成され、管中にボールが保持されるように４００メッシュのワイヤスクリーンが取付けられた。この多孔性プラグで得られた特性はすべてテストされた従来のオリフィスバルブの特性よりも良好であった。図４は多孔性プラグおよびターンにより異なった種類の通常のオリフィスバルブに対する負荷温度の関数として正味の冷却を示している。研究結果では、多孔性プラグによる方法は、システムが最適にされるとき通常のオリフィスバルブ以上の理論的に優れた特性を示すことが認められた。
【００２３】
本発明の特定の実施形態が例示として説明されたが、種々の変形および強化が特許請求の範囲に記載された本発明の技術的範囲を逸脱することな行われることができる。従って、本発明は特許請求の範囲の記載によって意外にげんていされない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 通常のパルス管エキスパンダの概略ブロック図。
【図２】 本発明によるパルス管エキスパンダの概略ブロック図。
【図３】 多孔性プラグ位相シフタの断面図。
【図４】 多孔性プラグと３つの通常のバルブオリフィスの負荷温度の関数としての実質上の冷凍のグラフ。

Claims (5)

1. 固体粒子と凝縮したガスからなるグループから選択された汚染物質を含む動作ガスの圧力源と、
   前記圧力源とガスが連通している再生装置入力と再生装置出力とを備えている再生装置と、
   再生装置出力とガスが連通しているパルス管入力とパルス管出力とを備えているパルス管と、
   パルス管出力とガスが連通している多孔性プラグ入力と多孔性プラグ出力とを備えている多孔性プラグと、
   多孔性プラグ出力とガスが連通しているサージタンク入力を有するサージタンクとを具備し、
   前記多孔性プラグは球状の固体粒子ボールを充填した管で構成され、その管の両端の開口は前記固体粒子の流出を阻止するメッシュスクリーンで覆われているパルス管エキスパンダ。
2. 前記多孔性プラグの固体粒子ボールが，銅、アルミニウム、ステンレススチール、鉛・アンチモン合金、ガラス、およびセラミックからなるグループから選択された材料で形成されている請求項１記載のパルス管エキスパンダ。
3. さらに、圧力源とガスが連通している第１の熱交換器入力と、第１の熱交換器出力とを有する第１の熱交換器を備え、
   再生装置入力は第１の熱交換器出力とガスが連通している請求項１または２記載のパルス管エキスパンダ。
4. さらに、再生装置出力とガスが連通している第２の熱交換器入力(38)と、第２の熱交換器出力とを有する第２の熱交換器を備え、
   パルス管入力(44)は第２の熱交換器出力とガスが連通している請求項１乃至３のいずれか１項記載のパルス管エキスパンダ。
5. さらに、パルス管出力とガスが連通している第３の熱交換器入力と、第３の熱交換器出力とを有する第３の熱交換器を備え、
   多孔性プラグ入力は第３の熱交換器出力とガスが連通している請求項１乃至４のいずれか１項記載のパルス管エキスパンダ。

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