JP6534348B2 - ブレイトンサイクル冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスバランス型のブレイトンサイクルエンジンに関し、特には、５から３０ｋＷまでの範囲に含まれる入力電力を有し、約１５０Ｋで動作するように設計されたガスバランス型のブレイトンサイクルエンジンに関する。

ブレイトン型またはブレイトンサイクルエンジンは、３つの必須要素、すなわち、ガス圧縮機、対向流熱交換器および膨張機を有する。

ＳＨＩ−Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓに譲渡された最近の４つの特許出願には、ガスバランス型のブレイトンサイクル膨張エンジンと２つの改良点（１つは極低温への冷却時間の最小化、もう一つは水蒸気をポンピングするためのクライオポンプの冷却）が記載されている。冷却を行うためのブレイトンサイクルに基づいて動作するシステムは、ガスを吐出圧力で対向流熱交換器に供給する圧縮機を備え、低温吸気バルブを介して膨張空間へガスを導き、断熱的に膨張させ、その膨張した（冷たい）ガスを排気バルブを介して排気し、その冷却ガスを冷却中の負荷を介して循環させ、そして、対向流熱交換器を介してガスを圧縮機へ戻す。

Ｒ．Ｃ．Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈによる２０１１年９月１５日付けの米国特許出願公開第２０１１／０２１９８１０号明細書には、ピストンが、機械的駆動装置または高圧と低圧とが互いに入れ替わるガス圧力によって駆動される、高温端に設けられた駆動ステムを有し、その駆動ステムの周囲の領域におけるピストンの高温端の圧力は、ピストンが動いている間、ピストンの低温端での圧力と実質的に等しい、ブレイトンサイクルに基づいて動作するレシプロ膨張エンジンが記載されている。Ｒ．Ｃ．Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈによる２０１２年４月１２日付けの米国特許出願公開第２０１２／００８５１２１号明細書には、先の特許出願で記載されたような、ブレイトンサイクルに基づいて動作するレシプロ膨張エンジンの制御において、極低温に物質を冷却する時間を最小化できる制御が記載されている。Ｓ．Ｄｕｎｎなどによる２０１１年５月１２日付けの米国特許第１３／１０６２１８号明細書には、膨張ピストンを作動させるための代替手段が記載されている。Ｒ．Ｃ．Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈによる２０１１年７月６日付けの米国特許第６１／５０４８１０号明細書には、水蒸気をクライオポンピングするための冷却コイルへのブレイトンサイクルエンジンの応用が記載されている。米国特許出願公開第２０１１／０２１９８１０号明細書および米国特許第１３／１０６２１８号明細書に記載のエンジンは、「ガスバランス型のブレイトンサイクルエンジン」として知られている。これらのエンジンに対してガスを供給するために使用することができる圧縮機システムは、Ｓ．Ｄｕｎｎによって２００６年４月２８日付けで提出された「オイルバイバスを有する圧縮機（Compressor With Oil Bypass）」というタイトルの米国特許出願公開第２００７／０２５３９８５号明細書に記載されている。この発明のエンジンは、Ｗ．Ｅ．Ｇｉｆｆｏｒｄによる１９６５年９月１４日付けの米国特許第３２０５６８８号明細書およびＡ．Ｊ．Ｌｏｂｂによる１９９１年１月２９日付けの米国特許第４９８７７４３号明細書と同様な特徴を有する低温ロータリーバルブを組み込んでいる。また、Ｒ．Ｃ．Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈによる２００１年７月１０日付けの米国特許第６２５６９９７号明細書で記載されたような振動吸収ダブルバンパー、および、Ｈ．Ａｓａｍｉなどによる１９９７年１月７日付けの米国特許５５９０５３３号明細書で記載されたようなピストンの耐摩耗コーティングも組み込んでいる。

水蒸気をポンピングするためのクライオポンプには、１２０Ｋおよび１７０Ｋの間の温度へ冷却されるクライオパネルが必要となる。これは、空気をクライオポンプするのに必要な１０Ｋから２０Ｋの温度範囲よりもはるかに暖かい。Ｃ．Ｂ．Ｈｏｏｄらによる「１０−３０Ｋで動作するためのヘリウム冷却装置（Helium Refrigerators for Operation in the 10 - 30 K Range）」というタイトルの論文（Advances in Cryogenic Engineering, Vol. 9, Plenum Press, New York (1964), pp 496-506収録）には、１．０ｋＷで２０Ｋ以上の冷却を行うことができるレシプロ膨張エンジンを有する大型のブレイトンサイクル冷却装置が記載されている。この冷却装置は、大きなスペースチェンバー内の空気をクライオポンプするために開発された。１９７０年代初頭から、１２０Ｋから１７０Ｋの範囲の温度で５００から３０００Ｗの能力を有する水蒸気のクライオポンピングは、Ｍｉｓｓｉｍｅｒによる１９７３年１０月３０日付けの米国特許第３７６８２７３号明細書で記載されたような、混合ガスを使用する冷却装置によって占められていた。より最近の特許であるＦｌｙｎｎなどによる２００３年６月１０日付けの米国特許６５７４９７８号明細書には、水蒸気のポンピングにおいて、約１５０Ｋで約５００から３０００Ｗを有する、この種の冷却装置を冷却および加熱する速度を制御する手段が記載されている。

混合ガス冷却装置で使用される冷却材は、地球温暖化への影響のために、段階的に廃止されるものを含む。したがって、全て環境に優しいヘリウム、アルゴンまたは窒素を使用するブレイトンサイクルエンジンが使用されることが望ましい。本発明は、約１５０Ｋで機能するブレイトンサイクルエンジンがより低い温度用に設計されたものよりもはるかに単純化できるという認識に基づいている。これらの単純化は、３０００Ｗを超える冷却能力を生じさせ、その結果、現在の混合ガス冷却装置に匹敵することが可能なエンジンの設計を実現する。

本発明に特有の特徴は、低い振動で高い変位速度を有する軽量往復ピストンの設計である。底部と円筒状の側壁を有するカップ型の往復ピストンで実現され、底部は、室温に近い空間と、２００Ｋよりも低い膨張空間とに仕切られ、側壁は、室温および２００Ｋよりも低い温度の間の温度勾配を有するシリンダ内を滑走することが望ましい。駆動ステムは、空圧的または機械的な力によって往復動作を引き起こすことができるピストンに取り付けられる。以下で述べるエンジンは、米国特許出願１３／１０６２１８号明細書で記載されたようなガスバランス型のブレイトンサイクルに基づいて動作する。さらに往復動作は、冷却膨張空間の内部および外部でガスを循環させるために、低温ロータリーバルブを使用することによって最小化される。

駆動ステムを備える軽量ピストン、シリンダ、ガスを高温排出容積に導くためのポート、および、低温排出容積の内部および外部のガスの流れを制御する低温ロータリーバルブを備えるエンジン１００の横断面図であり、高圧ガスの導入終了時のピストンおよびバルブの位置を示す。 冷却装置システム２００、および、エンジン１００と他の構成要素の関係を示す概略図であり、低圧ガスの排気終了時のピストンおよびバルブの位置を示す。

図１は、エンジン１００の横断面図である。カップ型のピストン１は、カップの底部２と、円筒状のスリーブ３と、底部キャップ４と、ピストンシール５と、摩擦防止コーティング６と、スリーブ３内の真空ギャップ７と、ピストンカップリング１１と、駆動ステム１２とを備える。ピストン１は、低い熱伝導率を備えるために典型的にはステンレス鋼で形成されたシリンダ８内を往復運動する。ピストンの底部２およびスリーブ３は繋がっており、シリンダの熱膨張と一致させるために、典型的にはステンレス鋼で形成される。底部キャップ４は、ステンレス鋼の熱膨張とほぼ一致させることができる繊維強化プラスチックのような材料で形成され、相対的に低い熱伝導率を有し、相対的に低い密度を有する。

シリンダ８の高温端は、ピストンシール５が往復運動する領域においてシリンダ８を室温付近に維持するために、高い熱伝導率を有するシリンダスリーブ９によって囲まれている。シリンダ８は、駆動ハウジング１４がボルトで固定されているウォームフランジ１０に溶接されていることが示されている。

駆動ステム１２は、排出容積２９内のガスから２８内の低圧ガスを分離するシール１３を有する。駆動ステム１２は、ピストン１が駆動ハウジング１４またはベースバルブ２５に当たる前に衝撃を吸収するエラストマシール（例えば、Ｏリング）を有するダブルバンパー１５と係合する。エンジン１００の高温端でガスの注入は、ガスバランスの動作によって表されている。駆動ステム容積２８はガスライン５１を介して低圧に接続される。ガスライン４８、４９および５０は、全て高圧に接続されている。図１は、高圧ガスの導入終了時のピストンおよびバルブの位置を示す。ピストン１が低温排出容積３０に流れ込んでいる高圧の低温ガスを高温端へ向けて動かしている間、僅かにより高い圧力のガスが高温排出容積２９からチェックバルブ４３およびライン５０を介して排出される。

ピストン１が高温端に届いた後、バルブディスク１６は、図２で示された位置に移動し、低温排出容積３０内のガスの低圧への排出を開始する。ガスは、チェックバルブ４２を介して高圧ライン４９から高温排出容積２９へと流れ込む。バルブ４２は、圧力逃しバルブとすることができ、ピストン１が低温端へ向けて動く速さを制御するために、ライン４９に絞り弁を設けることもできる。また、バルブ４２は、３０内の圧力よりも２０内の圧力をほんの僅かに大きく保つ。ピストン１が図２で示されたように低温端に届いた場合、受動バルブ４４は、開放して、高圧でガスをライン４８から高温排出容積２９へと導く。

ロータリーバルブディスク１６は、カップリング１８を介して駆動ピン１９によってバルブモーターシャフト２１へ連結する拡張シャフト１７を有する。バルブモーター２０は固定または可変の速さで動作することができる。バルブディスク１６は、低い熱伝導率を有するアルミニウム合金で形成され、ハードコーティングすることができる。示されている設計では、バルブディスク１６は、バルブベース２５に接合されている低摩擦ポリマーであるバルブシート２６上で回転する。図１では、バルブは、ガスポート２３および２２を介して低温排出容積３０へ高圧でガスを導く位置で示されている。図２では、バルブディスク１６は、ガスが排出容積３０からポート２２および２４を介して低圧へ流れ込む位置で９０°回転して示されている。室温のバルブモーターハウジング５２は、スリーブ５３によってバルブベース２５から分離されている。スリーブ５３は、ステンレス鋼のような低い熱伝導率を有する材料で形成される。さらにモータハウジング５２とバルブベース２５の間の熱損失は、断熱材２７に最小化される。

図２は、冷蔵機システム２００と、エンジン１００と他の構成要素との間の関係を示す。システム２００は、エンジン１００に加えて、圧縮機３７と、ガス貯蔵タンク３８と、高圧ガス供給ライン３９と、低圧戻りライン３６と、対向流熱交換器３４と、外部負荷熱交換器３１への低圧の低温ガスライン３２と、低温戻りライン３３とを含む。

システム圧力は、余剰ガスを高圧ライン３５から貯蔵タンク３８へ入れるバルブ３９と、ガスを貯蔵タンクから低圧ライン３６に入れるバルブ４０とで制御される。ピストン１が動く速さはバルブ４５および４６にて制御される。ガスは、バルブ４５を介して室温の排出容積２９に流れ込み、後段冷却器４１およびバルブ４６を介して高温で流れ出る。動作は空気が液体化する温度以上で順調であるため、発泡断熱材４７によって低温部品を断熱することが実用的である。

本発明の主題である軽量ピストンは、ガスバランス型のブレイトンサイクルエンジンにおいて説明されていたが、他の駆動および制御機構に適用することもできる。これらのオプションのいくつかは、米国特許出願公開第２０１１／０２１９８１０号明細書および米国特許第１３／１０６２１８号明細書に記載されている。

表１は、図１で示されたようなエンジン１００の設計および性能の一例を表す。システムは、２．２ＭＰａ／０．８ＭＰａの圧力でヘリウムを使用し、電力として約２６ｋＷを消費する。性能は、１５０Ｋの平均負荷温度で計算される。

全ての特許、特許出願公開および本出願で言及された係争中の出願は、全ての目的のために、その全体が参考によって援用される。

Claims (13)

1. ２００Ｋよりも低い温度の冷却を行うブレイトンサイクル冷却装置であって、
   室温に近い空間と２００Ｋよりも低い膨張空間とを仕切る底部と、室温および２００Ｋよりも低い温度の間の温度勾配を有するシリンダ内を滑走する円筒状の側壁とを備えたカップ型の往復ピストンを有する、ブレイトンサイクル冷却装置。
2. 前記ピストンの長さは、前記ピストンの直径よりも短い、請求項１に記載のブレイトンサイクル冷却装置。
3. 前記ピストンの底部の厚さは、前記ピストンの直径の２５％よりも薄い、請求項１に記載のブレイトンサイクル冷却装置。
4. 前記ピストンは、高温端に駆動ステムを有し、空圧的な力または機械的な力が前記駆動ステムに作用して、前記ピストンを往復運動させる、請求項１に記載のブレイトンサイクル冷却装置。
5. ガスは、高圧によって前記ピストンの低温端へ導かれ、ロータリーバルブを介して低圧へ排出される、請求項１に記載のブレイトンサイクル冷却装置。
6. 前記ピストンは、可変速度で往復運動する、請求項１に記載のブレイトンサイクル冷却装置。
7. 前記円筒状の側壁の内側は、少なくとも部分的に排気される、請求項１に記載のブレイトンサイクル冷却装置。
8. 前記ピストンの底部は、少なくとも８０％の非金属材料を含む、請求項１に記載のブレイトンサイクル冷却装置。
9. ２００Ｋよりも低い温度の冷却を行うガスバランス型のブレイトンサイクル冷却装置であって、
   室温に近い空間と２００Ｋよりも低い膨張空間とを仕切る底部と、室温および２００Ｋよりも低い温度の間の温度勾配を有するシリンダ内を滑走する円筒状の側壁とを備えたカップ型の往復ピストンと、
   前記ピストンの前記底部の高温端に取り付けられた駆動ステムと、を有するガスバランス型のブレイトンサイクル冷却装置。
10. 吸気バルブおよび排気バルブが、前記ピストンが前記シリンダの低温端の近くにあるときに高圧ガスを入れ、前記ピストンが前記シリンダの高温端の近くにあるときに低圧へガスを排気するために、前記シリンダの低温端に位置する、請求項９に記載のガスバランス型のブレイトンサイクル冷却装置。
11. ロータリーバルブが、前記ピストンが前記シリンダの低温端の近くにあるときに高圧ガスを導き、前記ピストンが前記シリンダの高温端の近くにあるときに低圧へガスを排気するために、前記シリンダの低温端に位置する、請求項９に記載のガスバランス型のブレイトンサイクル冷却装置。
12. 前記ピストンは、可変速度で往復運動する、請求項９に記載のガスバランス型のブレイトンサイクル冷却装置。
13. ダブルバンパーは前記駆動ステムによって作動される、請求項９に記載のガスバランス型のブレイトンサイクル冷却装置。

Images