JPH04222357A - ガス供給管理システムを備えた２段式ジュール＝トムソン低温保持装置とその用途 - Google Patents

ガス供給管理システムを備えた２段式ジュール＝トムソン低温保持装置とその用途

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JPH04222357A
JPH04222357A JP3081149A JP8114991A JPH04222357A JP H04222357 A JPH04222357 A JP H04222357A JP 3081149 A JP3081149 A JP 3081149A JP 8114991 A JP8114991 A JP 8114991A JP H04222357 A JPH04222357 A JP H04222357A
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stage
cryostat
gas supply
heat exchange
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JP3081149A
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Matthew M Skertic
マシュー・エム・スカーティク
Joseph L Hlava
ジョセフ・エル・ラヴァ
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Hughes Aircraft Co
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    • F42B15/34—Protection against overheating or radiation, e.g. heat shields; Additional cooling arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25B9/02—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using Joule-Thompson effect; using vortex effect
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    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明はジュール＝トムソン孔
を用いて高圧ガスを等エンタルピー膨脹により冷却する
低温保持装置、特に、高速冷却を達成するガス流管理シ
ステムを備えた２段式低温保持装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】赤外線検出器のような様々な装置が、例
えば、１００Ｋ以下という非常に低い温度で作動してい
る。興味ある物理的又は科学的な過程が低温でしか生じ
なかったり、低温で際だって生じたりする場合や、ある
種の電熱的ノイズが低温で減少する場合などがあるので
、装置を冷却して低温で作動させる必要が生じることが
時々ある。
【０００３】低い動作温度にまで装置を冷却するための
最も簡単で最も直接的な方法は、所望の動作温度付近で
沸騰する液体ガスに装置を熱的に接触させることである
。この液体接触により装置の温度は液体ガスの沸騰温度
を越えることはない。
【０００４】液体に接触させる方法は実験室のように静
止した場所での冷却要件には好ましいが、移動する小型
装置の冷却や、液体冷却剤を貯蔵できない状況の下での
冷却には別の方法が必要である。例えば、装置が遠方で
作動していたり、宇宙空間で作動しているために、液体
ガスを装置に供給できないこともある。また、液体ガス
を長期間に亘って貯蔵したり、液体ガスを周期的に供給
したりすることが不便又は不可能であることもある。
【０００５】接触冷却剤として液体ガスを貯蔵する必要
がなく、低い動作温度にまで装置を冷却することのでき
る様々な方法が開発されている。例えば、ガス膨脹冷却
装置では、ジュール＝トムソン孔を用いて圧縮ガスを膨
脹させることにより、ガスの冷却及び部分的液化を行っ
て装置から熱を奪うようにしている。また、様々な種類
の熱電装置や閉回路式ガス冷却装置が使用されている。
【０００６】液体ガスを貯蔵する必要のない様々な冷却
法の中にはある状況の下では有益であり、実際に機能し
ているものがある。しかしながら、どの冷却法にも冷却
負荷の高速冷却を達成できないという欠点がある。最も
早い冷却時間は、ジュール＝トムソン・ガス膨脹低温保
持装置により達成することができる。ジュール＝トムソ
ン・ガス膨脹低温保持装置では、除去可能なエンタルピ
ー値が数十ジュールである（ｒｅｍｏｖａｂｌｅ　ｅｎ
ｔｈａｌｐｙ　ｖａｌｕｅｓ　ｏｆ　ｔｅｎｓ　ｏｆ　
Ｊｏｕｌｅｓ）　小さな質量の熱的負荷を数秒でほぼ１
２０Ｋにまで冷却できることが知られている。しかしな
がら、熱的質量負荷が巨大になり、冷却温度をより低く
する必要がある場合には、従来のジュール＝トムソン・
ガス膨脹低温保持装置を使用することはできない。 例えば、従来のジュール＝トムソン・ガス膨脹低温保存
装置では、装置の温度を周囲の温度から８０Ｋまで下げ
るのに３０秒、典型的には１分以上掛かる。このとき冷
却工程では約２５０ジュールが除去される。しかしなが
ら、この冷却速度は冷却時間が５〜２０秒でなければな
らない移動中の装置には余りにも遅すぎて使用すること
ができない。このように、液体ガスを貯蔵する必要のな
い冷却装置は従来から沢山あるが、いずれも冷却速度が
遅すぎる。
【０００７】更に、ある特殊装置や冷却装置の中には、
取り付けや空間に関する要件が独特のものがある。例え
ば、ミサイルの先頭に設けられる赤外線熱目標追及装置
は要求により堅固に支持され、急速に冷却されなければ
ならないが、冷却装置の全長及び重量は装置全体の制約
により厳しい制限を受ける。
【０００８】従って、液体ガスの貯蔵が不要で巨大な熱
的質量負荷を８０Ｋ以下の温度に急速冷却することので
きる冷却装置が必要である。しかも冷却装置はハードウ
ェアや必要な貯蔵消耗品を含めて大きさ及び重量ができ
るだけ小さくなければならない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】この発明は以上の必要
性を満たすだけでなく、他の関連性した利点をも提供し
ようとするものである。
【００１０】この発明により、液体ガスを貯蔵する必要
がなく、通常の装置を初期の周囲の温度から低温にまで
急速に冷却することのできる冷却装置が提供される。こ
の冷却装置は大型にも小型にも設計することができる。 この冷却装置は貯蔵加圧ガスを用いて冷却するもので、
温度に関するフィードバック制御により作動する。この
冷却装置の特に有益な用途としては、動作開始時に急速
冷却を必要とし、動作中は冷却状態を維持する必要のあ
る赤外線センサ付ミサイル装置を挙げることができる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】この発明の冷却装置は、
２段式低温保持装置とこの低温保持装置に加圧ガスを供
給するガス供給管理システムとから成る。２段式低温保
持装置は、第１の熱交換コイル及び第１のガス膨脹孔を
有する第１段の低温保持装置と、第２の熱交換コイル及
び第２のガス膨脹孔を有する第２段の低温保持装置とか
ら成っている。ガス供給管理システムは、第１の加圧ガ
スを供給する第１のガス供給源と、この第１のガス供給
源から第１段の低温保持装置にまで延びている第１のガ
ス供給ラインと、この第１のガス供給ラインに設けられ
ている第１のガス供給弁と、第２の加圧ガスを供給する
第２のガス供給源と、この第２のガス供給源から第２段
の低温保持装置にまで延びている第２のガス供給ライン
と、この第２のガス供給ラインに設けられている第２の
ガス供給弁と、第１の加圧ガスが第１の供給源から第２
段の低温保持装置に流れ込むように制御する手段とから
成る。
【００１２】２段式低温保持装置は、第１段の低温保持
装置と第２段の低温保持装置とから成っている。第１段
の低温保持装置は、管により形成された第１段の熱交換
コイルと、この第１段の熱交換コイルの冷却端部側に設
けられている第１段のジュール＝トムソン孔と、この孔
を通過することにより膨脹して冷却され液化したガスを
収容するために第１段の熱交換コイルの冷却端部側に設
けられ、液体冷凍剤で満される液体冷凍剤充満空間（ｌ
ｉｑｕｉｄ　ｃｒｙｏｇｅｎ　ｐｌｅｎｕｍ　）とを有
している。第２段の低温保持装置は、内径が第１段の熱
交換コイルの外径よりも大きく、第１段の熱交換コイル
に嵌合されて熱を伝える第２段の支持マンドレルと、こ
の第２段の支持マンドレルに巻き付けられた管により形
成される第２段の熱交換コイルと、第１段の熱交換コイ
ルの冷却端部側に設けられている第２段のジュール＝ト
ムソン孔とを有している。第２段の熱交換コイルは液体
冷凍剤充満空間を覆ってその先まで延びており、しかも
液体冷凍剤充満空間に巻き付けられてこれに熱的に連結
されている中間冷却器用の複数の巻き部を有している。 第１段及び第２段の熱交換コイルは螺旋形に巻かれてお
り、第１段のコイルは第２段のコイルの内側に形成され
ている。
【００１３】２段式低温保持装置及びガス供給システム
は、熱的冷却負荷をほんの数秒で周囲の温度から低温に
急速冷却する際に特に有益である。ある動作モードでは
、特殊な高冷却能力を有しているが比較的高い通常の沸
点を有する第１のガス、例えば、アルゴンやフェロン１
４など、が冷却工程の初期に第１段及び第２段の両低温
保持装置内を流れる。このガスが両段のジュール＝トム
ソン孔を通過して膨脹し、そのために冷えたガスが個々
の熱交換コイルの周囲を逆流することにより、装置自体
及び冷却負荷が第１のガスの沸点付近の中間温度にまで
冷却される。
【００１４】中間温度に到達したら、第１のガスが第２
段の低温保持装置を通過しないように第１のガスの流れ
を制御する。この流れの制御には様々な手段を用いるこ
とができる。例えば、所定時間の経過後に第２段の低温
保持装置内を通過する第１のガスの流れを停止させる手
段や、温度が下がったことを感知してガス管理システム
の弁を始動させる手段などを用いることができる。第１
のガスが第２段の低温保持装置内を通過しなくなると同
時に、第２段の低温保持装置内に第２のガスを流す。第
２のガスとしは、窒素や窒素とネオンの混合物のように
第１のガスに比べて特殊冷却能力は高いが、通常の沸点
は低いものが使用される。第１段の低温保持装置内を通
過する第１のガスの流れは引き続き継続される。
【００１５】第１段の低温保持装置内を通過する第１の
ガスの流れは熱的冷却負荷から熱を奪い続け、冷凍剤で
満たされた空間内に液体ガスを生成し続ける。冷凍剤で
満たされた空間に直に巻き付けられている第２段の螺旋
形コイルの中間冷却器巻き部により、第２段の低温保持
装置内を流れる第２のガスが膨脹孔を通過する前にかな
りの程度冷却される。これにより、第２のガスは液化の
生じる孔を通過する前に大部分が、ガスの流れが開始さ
れてから僅かの時間で、十分な温度にまで冷却される。 第２段の低温保持装置を通過するガスを第１のガスから
第２のガスに切り替えるタイミングは、熱的冷却負荷に
応じて最適化される。
【００１６】
【作用】この発明は高速冷却ガス膨脹低温冷却器の技術
分野で重要な進歩をなすものである。ある特定の用途で
は、冷却負荷を１０秒未満で周囲の温度から８０Ｋ未満
にまで冷却することができる。冷却負荷を従来の装置の
中でも優れたものでこれと同じ温度にまで冷却するには
３０秒以上かかり、典型的な従来の装置では数分もかか
る。この発明の他の特徴及び長所は、好ましい実施例の
詳細な説明及びこの発明の原理を示す添付図面から明ら
かである。
【００１７】
【実施例】この発明の好ましい装置は、２段式低温保持
装置とこの低温保持装置に２種類のガスを供給するガス
供給システムとを有している。図１に２段式低温保持装
置１０を示す。２段式低温保持装置１０の第１段の低温
保持装置１２は、管１６から成る第１段の螺旋形熱交換
コイル１４を有している。螺旋形熱交換コイル１４は管
１６を第１段のマンドレル１８に複数回巻き付けること
により形成されている。管１６は中空の圧力管で、内容
物の熱が効率良く伝達するように外側にフィンを有して
いることが好ましい。
【００１８】第１段の螺旋形熱交換コイル１４は、外部
コネクタ２４を介してガスが第１段の螺旋形コイル１４
内に導入される端部から離隔している冷却端部２２に直
径の小さい第１段のジュール＝トムソン孔２０を有して
いる。第１段の孔２０は外径が第１段の螺旋形コイル１
４の管１６の内径よりも僅かに小さい所定長の管であり
、管１６の端部内に押し込まれて所定箇所に臘付けされ
ている。コネクタ２４を介して加圧ガスが螺旋形コイル
１４内に導入され、螺旋形コイル１４の全長を流れ、孔
２０を通過して膨脹する。加圧ガスは膨脹により冷却さ
れ、一部が液化する。
【００１９】第１段の低温保持装置１２の冷却端部２２
に形成された金属性伝導材料のカップ２８には内部に液
体冷却剤充満空間２６が存在している。第１段の孔２０
を通過するガスの膨脹により生成される液体ガスは、液
体冷却剤充満空間２６内に集められる。液体冷却剤充満
空間２６内の液体ガスは、以下に述べるようにして周囲
の熱を吸収し、蒸発する。蒸発したガスは、反対方向に
流れて第１段の螺旋形コイル１４のフィン付管１６の巻
き部を通過する。これにより螺旋形コイル１４内のガス
は第１段の孔２０に到達する前に予備冷却される。
【００２０】第２段の低温保持装置３０は、管３４を中
空で円筒状の第２のマンドレル３６に巻き付けることに
より形成された第２段の螺旋形熱交換コイル３２を有し
ている。マンドレル３６は薄い熱伝導性材料で形成され
ている。マンドレル３６は内径が第１段の螺旋形コイル
１４の外径よりもほんの少し大きく、第１段の螺旋形コ
イル１４に嵌合されて同コイルを覆っている。図示のよ
うに、第２段の螺旋形コイル３２の全長は第１段の螺旋
形コイル１４の全長よりも長い。
【００２１】第２段の螺旋形コイル３２を形成する管３
４は、第１段の螺旋形コイル１４の管１６に面して配置
されている部分の全長に亘ってフィンを有している。管
３４の全長の内の中間冷却器部３８は、液体冷却剤充満
空間２６の外周面に巻き付けられて、そこに臘付けされ
ている。この中間冷却部３８はその巻き部を密にするた
めにフィンを有していない。巻き付けを密にして臘付け
をすることにより、中間冷却部３８と液体冷却剤充満空
間２６との間の熱伝導効率が向上する。
【００２２】中間冷却部３８は、中間冷却部３８及び第
２段の螺旋形コイル３２を通過するガスから液体冷却剤
充満空間２６内の液体ガスへの熱の伝達効率が向上する
ように幾つかの重なり層として巻き付けられていること
が好ましい。第２段の螺旋形コイル３２内を流れるガス
の冷却効率の増大により、第２段の螺旋形コイル３２か
ら第２段の螺旋形コイル３２の冷却端部４０に位置する
第２段のジュール＝トムソン孔３９を通過して膨脹する
際に液化するガスの比率が更に増大する。
【００２３】円筒状の外壁４２は内径が第２段の螺旋径
コイル３２の外径よりも僅かに大きい。外壁４２は低温
保存装置１０を絶縁する熱伝導率の低い材料で形成され
ている。外壁４２の冷却端部は熱伝導率の高い材料で形
成されている端部板４４により塞がれている。２段式低
温保持装置１０及び第２段の低温保持装置３０に熱的に
接触するように熱的冷却負荷４６を端部板４４の外側に
取り付けておくことが好ましい。端部板４４の外側に取
り付けられた熱的冷却負荷４６は、２段式低温保持装置
１０の内部でガスが第２段の孔３９を通過して膨脹する
ことにより形成される液体及び冷えた気体状の冷却剤に
よって熱を奪われて冷却される。熱的冷却負荷４６は急
速冷却を必要とするものであれば何でも良い。好ましい
実施例では、熱的冷却負荷４６は赤外線センサのような
センサである。第２段の孔３９を通過するガスの膨脹に
より形成された液体ガスにより熱的冷却負荷４６が冷却
されると、液体ガスは熱的冷却負荷４６から熱を吸収し
て蒸発し、冷えたガスになる。外壁４２及び第１段のマ
ンドレル１８は両者の間にガス流路４８を形成し、冷え
たガスが冷却端部４０から低温保存装置１０の暖かい端
部に向かって第２段の螺旋形熱交換コイル３２内の流れ
に対して逆方向に流れる。
【００２４】従って、周囲と同じ温度のガスが冷却端部
４０から離れているコネクタ５０により第２段の螺旋形
コイル３２内に導入され、螺旋形コイル３２の全長を通
過する。このガスは、螺旋形コイル３２の全長を通過す
る間に３個の別々の熱除去機構により急速に冷却される
。即ち、熱は第２段の伝導性のマンドレル３６を介して
第１段の低温保持装置１２に伝えられて除去されると共
に、ガス流路４８内を流れる冷えたガスの逆流によって
も除去される。また、熱は中間冷却部３８内で液体冷却
剤充満空間２６内の液体ガスに向かって伝達されて更に
除去される。これらの３種類の熱除去経路により第２段
の螺旋形コイル３２内を流れるガスが急速に冷却されて
、熱的冷却負荷４６の急速冷却が達成される。
【００２５】両低温保持装置１２、３０に使用するガス
の選択及び使用順を適切にすることにより、低温保持装
置１０の冷却能力を更に高めることができる。この観点
から、熱的冷却負荷を動作温度にまで高速冷却する方法
は、第１段の低温保持装置と第２段の低温保持装置とを
有する２段式低温保持装置を取り付ける段階と、第１段
の低温保持装置及び第２段の低温保持装置の両者に第１
のガスを流して熱的負荷を周囲の温度より低いが動作温
度よりも高い中間温度にまで冷却する段階と、第１のガ
スを第２段の低温保持装置内に流すことを止めるが、第
１段の低温保持装置内に第１のガスを流し続ける段階と
、第２段の低温保持装置内を通過する第１のガス流れの
停止後に第２のガスを第２段の低温保持装置に流す段階
とを備えている。第１のガスは第２のガスよりも単位量
当たりの冷却能力が高く、第２のガスは第１のガスより
も規定の沸点が低い。
【００２６】ジュール＝トムソン式低温保持装置に用い
られるガスの単位量当たりの冷却能力は、低温保持装置
から流出する冷却ガスと低温保持装置に流入する冷却ガ
スの間における単位量当たりのガスのエンタルピーの差
に等しく、ワット毎標準リットル毎分（Ｗ／ＳＬＰＭ）
で表わされる。通常ガスは高圧（典型的には平方インチ
当たり数千ポンド）かつ周囲の温度（典型的には２９５
Ｋ）で低温保持装置に流入し、低圧（典型的には１気圧
）かつ周囲の温度よりも数度低い温度で低温保持装置か
ら流出する。例えば、アルゴン・ガスの単位量当たりの
冷却能力は平方インチ当たり８０００ポンド（８０００
ｐｓｉ）で最適化されて、１．３７Ｗ／ＳＬＰＭの値を
示す。フェロン１４の単位量当たりの冷却能力はこれよ
りも高く、４０００ｐｓｉの流入圧で６．２Ｗ／ＳＬＰ
Ｍの値を示す。アルゴン及びフェロン１４はいずれも規
定の沸点（ＮＢＴ）が比較的高く、それぞれ８７．３Ｋ
及び１４５．２Ｋである。窒素はＮＢＴが７７．４Ｋと
低く、６０００ｐｓｉの流入圧で僅かに０．７８Ｗ／Ｓ
ＬＰＭという理想的な単位量当たりの冷却能力を有して
いる。窒素とネオンとの混合ガスでは沸点が６８〜７３
Ｋと低くなり、冷却能力は僅かに０．４Ｗ／ＳＬＰＭに
なる。従って、一般にガス又はガスの混合物の規定の沸
点が低くなると、単位量当たりの冷却能力が低くなると
言える。重要なことは、ガスの単位量当たりの冷却能力
が大きくなると、周囲から熱を吸収する割合が大きくな
り、熱的負荷の高速冷却が可能になると言うことである
。
【００２７】この発明の好ましい用途で要求されている
高速冷却低温保持システムでは、単位量当たりの冷却能
力の高いガスを熱的冷却負荷の冷却に用いることが望ま
しい。しかしながら、単位量当たりの冷却能力を高くす
ると、ガスの規定の沸点も高くなる。従って、冷却負荷
を低温にまで冷却する必要がある場合には、単位量当た
りの冷却能力が高く、しかも規定の沸点が低いガスを使
用する必要があると言う矛盾に突き当たる。
【００２８】そこでこの発明では、アルゴンやフェロン
１４のように単位量当たりの冷却能力の高い第１のガス
を第１段の低温保持装置１２及び第２段の低温保持装置
３０の両者に先ず供給するようにしている。これにより
低温保持装置１０を周囲の温度から周囲の温度よりも低
いが実際の動作温度（熱的冷却負荷４６をこの温度にま
で冷却しなければならない）よりも高いある中間温度に
まで急速に初期冷却することができる。
【００２９】その後、第１のガスを第１段の低温保持装
置１２内に供給し続ければ、低温保持装置１０が動作し
続けている限り、第１のガスは熱を急速に奪って中間温
度を維持する。第１のガスは規定の沸点が高すぎるので
、動作温度にまで冷却することができない。そこで、中
間温度に至ってから、第１のガスを第２段の低温保持装
置３０内へ供給することを停止する。
【００３０】その後、動作温度にまで冷却する能力を発
揮させるために第２のガスを第２の低温保存装置３０内
に供給する。第２のガスとしては、約８０Ｋ未満の動作
温度を達成する窒素又は窒素とネオンとの混合物を用い
ることが好ましい。冷却サイクルの最初から第２のガス
を第２段の低温保持装置に供給すると、冷却速度は今述
べたように２種類のガスを用いる場合に比べて遅くなる
。
【００３１】図２は、２段式低温保持装置１０の第１段
の低温保持装置１２及び第２段の低温保持装置３０の両
者との関連でガス供給管理システム６０の概略を示す図
である。第１のガスは第１のガス供給源６２に、第２の
ガスは第２のガス供給源６４にそれぞれ蓄えられている
。いずれの供給源も高圧ガス・ボトルであることが好ま
しい。第１のガス供給源６２から第１段の螺旋形熱交換
コイル１４のコネクタ２４に掛けては、第１のガス供給
ライン６６が延びており、第２のガス供給源６４から第
２段の螺旋形熱交換コイル３２のコネクタ５０に掛けて
は第２のガス供給ライン６８が延びている。供給ライン
６６及び６８の各々には、５マイクロメートルの固体粒
子フィルタのような固体要素ガス・フィルタ７０が設け
られている。
【００３２】ガス供給ライン６６は第１のガス供給源６
２とコネクタ２４との間に通常は閉じている第１のガス
供給弁７２を有している。第１のガス供給弁７２は、冷
却命令スイッチ７４の命令により弁内の火薬が点火され
て花火のように一度にぱっと開いて周囲の温度からの冷
却を開始させる弁であることが好ましい。
【００３３】第１のガス供給ライン６６は、相互連結ラ
イン７６を介して第２のガス供給ライン６８に連通して
いる。第１のガス供給ライン６６には通常は開いている
相互連結弁７８が設けられている。第１のガス供給弁７
２が冷却命令スイッチ７４により始動して開くと、第１
のガスが第１のガス供給源６２から第１段の螺旋形熱交
換コイル１４及び第２段の螺旋形熱交換コイル３２に直
ちに供給される。
【００３４】第２のガス供給ライン６８は、第２のガス
供給源６４と相互連結ライン７６が第２のガス供給ライ
ン６８に連通している箇所との間に第２のガス供給弁８
０を有している。第２のガス供給弁８０は通常は閉じて
いる。これにより、第２のガスの未使用時に第２のガス
供給源６４から第２のガスが流出すること、及び第１の
ガス供給弁７２が開いてからは第１のガスが第２のガス
供給源６４に流れ込むことの両者が防止される。
【００３５】第２のガス供給弁８０及び相互連結弁７８
は、二重動作をする単一弁８２として設計することが好
ましい。弁８２が作動すると、通常は開いている相互連
結弁７８が閉じて、通常は閉じている第２のガス供給弁
８０が開く。両弁の開閉動作は同時に生じる。両弁のこ
の開閉動作により、第１のガスの第２段の螺旋形熱交換
コイル３２への供給が停止されて、第２のガスの第２段
の螺旋形熱交換コイル３２への供給が直ちに開始される
。
【００３６】二重動作弁８４は、熱的冷却負荷４６に取
り付けられたセンサ８６からの温度信号を受信する温度
感知スイッチ８４により起動される。即ち、熱的冷却負
荷４６が所定の中間温度にまで冷却されると、温度感知
スイッチ８４により二重作動弁８４が自動的に作動して
、第１のガスが両低温保存装置１２及び３０に供給され
るガスの流れから、第１のガスが第１の低温保存装置に
供給され、第２のガスが第２の低温保存装置に供給され
るガスの流れに切り替わる。
【００３７】第２段の低温保存装置３０に供給される第
２のガスの圧力は、第２のガス供給ライン６８が第２の
ガス供給源６４と第２のガス供給弁８０との間に有して
いる圧力調整器８７により、所定の値に制限される。
【００３８】ガスの流れを速める手段を追加しても良い
。例えば、図２に示したように、弁８９、圧力逃し弁９
０、圧力センサ９２を介してガスの外部供給源８８を接
続すれば、ガス供給システムの有用性を拡大することが
できる。
【００３９】このガス供給システム６０はガス流の順次
開始動作が完全に自動化されている。従って、このガス
供給システム６０には最初に冷却命令スイッチ７４によ
り始動させるだけで良いという優れた利点がある。冷却
負荷４６が所定の中間温度になると、自動的に第２のガ
スが第２段の低温保持装置３０に供給されるように切り
替えられる。一定期間経過してから冷却システムを使用
する場合には、順次開始動作がこのように自動化されて
いることが望ましい。
【００４０】別のガス供給システム６０′を図３に示す
。ほとんどの構成要素は図２のシステム６０と同一であ
る。同一の構成要素は同一の参照符号で示す。唯一の違
いは二重作動弁８２が逆止め弁９４に置き換えられてい
ることである。第２のガス供給弁８０が温度感知スイッ
チ８４の指令により開いて第２のガス供給ライン６８内
の第２のガスの圧力が十分に大きくなると、第１のガス
が相互連結ライン７６を通過しなくなって逆止め弁９４
が閉じるので、第２のガスが相互連結ライン７６を通っ
て第１のガス供給ライン６６に流入することが防止され
る。この構成には図２のガス供給システムよりも単純で
あるという長所がある。
【００４１】冷却システムを実際に構成して、この発明
の動作を調べた。銅とニッケルの合金性で内径が０．０
１２インチで外径が０．０２０インチの管を１８回巻い
て外径が０．０４０インチの円筒状の第１段の螺旋形熱
交換コイル１４を形成し、これに銅性のフィンをはんだ
付けした。この銅とニッケルの合金性の管の端部に外径
が０．０１０インチで内径が０．００５インチの管をは
んだ付けして第１段の孔２０を形成した。銅とニッケル
の合金性で、形状及び寸法が第１段の螺旋形熱交換コイ
ルに用いた管と同一である管を２２回巻いて第２段の螺
旋形熱交換コイル３２を形成した。但し、中間冷却部３
８にはフィンは付いていない。また、液体冷却剤充満空
間２６に３層に巻き付けてそこにはんだ付けをして中間
冷却部３８を形成した。低温保存装置は、端部の付属品
を含めて全長が約１．１３インチであり、外径が約０．
３７インチであった。周囲の温度から約８０Ｋ未満にま
で冷却するのに約１２０ジュールの熱エネルギーを除去
しなければならない塊を熱的冷却負荷４６として低温保
存装置１０の端部に取り付けた。
【００４２】図４は、冷却命令スイッチ７４の作動によ
り第１のガスの供給が開始された後の熱的冷却負荷の測
定温度を時間の関数として示すグラフである。例示した
検査では、第１のガスは初期圧が平方インチ当たり８０
００ポンドのアルゴンであり、第２のガスは１５体積パ
ーセントのネオンと８５体積パーセントの窒素との混合
物で、その初期圧は４５００ｐｓｉである。ガス供給源
６２、６４を形成するそれぞれのガス・ボトルはいずれ
も７．５立法インチである。
【００４３】図４から明らかなように、冷却負荷は約２
〜３秒で温度が約９０Ｋになるが、その後は温度がほと
んど下がらない。しかしながら、この時点（点９６）で
所定の中間温度に到達しているので温度感知スイッチ８
４が作動する。冷却負荷は約１秒以内に温度が再び下が
り始め、全冷却時間として約６秒経過すると約８０Ｋ未
満の温度に達する。中間温度を僅かに高い値に設定して
約９０Ｋの温度平坦域を縮めることにより、冷却時間を
更に短縮することができる。図４に例示した試験では、
冷却システムの動作の様々な段階を示すために温度平坦
域を長いまま残しておいた。
【００４４】従来の非含浸冷却システムで冷却負荷を同
じ温度にまで冷却するには３０秒以上かかる。中には１
５０秒もかかるものもある。
【００４５】この発明の好ましい用途を図５に示す。ミ
サイル１００はボディー１０２を有している。ボディー
１０２は先端部に透明な窓１０４を有している。窓１０
４の背後には２段式低温保持装置１０が取り付けられて
いる。２段式低温保持装置１０の前方を向いた端部には
冷却負荷４６である赤外線センサ１０６が図１に詳細に
示されているように取り付けられている。赤外線センサ
１０６の電気出力信号はミサイル１００の制御システム
に伝送される。制御システム１０８はガイダンス制御信
号をミサイル１００の図示しない制御面に供給する。図
２又は図３に示した種類のものが好ましいガス供給シス
テム６０は、ガス供給源６２及び６４から加圧ガスの供
給を受けて、２段式低温保持装置１０に制御されたガス
の流れを提供する。
【００４６】ミサイル１００が発射されると、ガス供給
システム６０は先に述べたように作動して低温保持装置
１０及び赤外線センサ１０６を同センサの動作温度にま
で冷却する。すると、赤外線センサ１０はミサイルの標
的により生成される熱を探知して、制御システム１０８
に標的信号を供給する。これによりミサイルが標的に向
かって案内される。
【００４７】以上、例示のためにこの発明の特定の実施
例を詳細に述べたが、この発明の趣旨及び範囲を逸脱す
ることなく種々様々にこの発明を修正することができる
。従って、この発明は特許請求の範囲によってのみ限定
されるものであることを断っておく。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の２段式低温保持装置の側部の断面図
である。
【図２】ガス供給システムの第１の実施例の概略図であ
る。
【図３】ガス供給システムの第２の実施例の概略図であ
る。
【図４】２段式低温保持装置が一組の動作状態の下で動
作している際の冷却負荷の温度対時間のグラフである。
【図５】この発明の２段式低温保持装置を用いたミサイ
ル・システムの概略図である。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　第１段の低温保持装置と第２段の低温
    保持装置とを備え、第１段の低温保持装置には、管によ
    り形成された第１段の熱交換コイルと、この第１段の熱
    交換コイルの冷却端に位置する第１段のジュール＝トム
    ソン孔と、この第１段のジュール＝トムソン孔を通過し
    て膨脹し、冷えて液化したガスを収容するために第１段
    の熱交換コイルの冷却端に位置する液体冷凍剤充満空間
    とが設けられており、第２段の低温保持装置には、内側
    の寸法が第１段の熱交換コイルの外側の寸法よりも大き
    く、第１段の熱交換コイルに嵌合されて同コイルを覆う
    熱伝導性の第２段の支持マンドレルと、この第２段の支
    持マンドレルに巻き付けられた管により形成される第２
    段の熱交換コイルと、第１段の熱交換コイルの冷却端に
    位置する第２段のジュール＝トムソン孔とが設けられて
    おり、第２段の熱交換コイルは液体冷凍剤充満空間を覆
    ってその先まで延びており、しかも液体冷凍剤充満空間
    に巻き付けられて同空間と熱的に連通する複数の中間冷
    却巻き部を有している冷却装置。
  2. 【請求項２】　　初期動作状態では第１段の低温保持装
    置及び第２段の低温保持装置の両者に第１のガスを供給
    し、後期動作状態では第１段の低温保持装置に第１のガ
    スを供給し、第２段の低温保持装置に第２のガスを供給
    するガス供給制御システムを更に具備する請求項１に記
    載の冷却装置。
  3. 【請求項３】　　第１の熱交換コイル及び第１のガス膨
    脹孔を有する第１段の低温保持装置と、第２の熱交換コ
    イル及び第２のガス膨脹孔を有する第２段の低温保持装
    置とを備えた２段式低温保持装置と、この２段式低温保
    持装置に加圧ガスを供給するガス供給管理システムとを
    具備し、このガス供給管理システムには、第１の加圧ガ
    スを供給する第１のガス供給源と、第１のガス供給源か
    ら第１段の低温保持装置にまで延びている第１のガス供
    給ラインと、この第１のガス供給ラインに設けられた第
    １のガス供給弁と、第２の加圧ガスを供給する第２のガ
    ス供給源と、この第２のガス供給源から第２段の低温保
    持装置にまで延びている第２のガス供給ラインと、この
    第２のガス供給ラインに設けられた第２のガス供給弁と
    、第１のガス供給源から供給される第１の加圧ガスの流
    れを制御して第１の加圧ガスを第２段の低温保持装置に
    も供給するガス流制御手段とを有している冷却装置。
  4. 【請求項４】　　ガス流制御手段は、第２の加圧ガスが
    第２のガス供給手段から第２段の低温保持装置に供給さ
    れていないときには、第１の加圧ガスを第１のガス供給
    源から第２段の低温保持装置に供給するが、第２の加圧
    ガスが第２のガス供給手段から第２段の低温保持装置に
    供給されているときには、第１の加圧ガスを第１のガス
    供給源から第２段の低温保持装置に供給しない請求項３
    に記載の冷却装置。
  5. 【請求項５】　　ガス流制御手段は冷却負荷の温度を感
    知する温度センサを有している請求項３に記載の冷却装
    置。
  6. 【請求項６】　　第１のガスはアルゴン及びフェロン１
    ４から成るグループの中から選択されたものである請求
    項３に記載の冷却装置。
  7. 【請求項７】　　第２のガスは窒素及び窒素とネオンと
    の混合物から成るグループの中から選択されたものであ
    る請求項３に記載の冷却装置。
  8. 【請求項８】　　第１段の低温保持装置及び第２段の低
    温保持装置を有する２段式低温保持装置を取り付ける段
    階と、第１段の低温保持装置及び第２段の低温保持装置
    の両者に第１のガスを流して熱的負荷を周囲の温度より
    低いが動作温度よりも高い中間温度にまで冷却する段階
    と、第１のガスを第２段の低温保持装置内に流すことを
    止めるが、第１段の低温保持装置内には第１のガスを流
    し続ける段階と、第２段の低温保持装置内を通過する第
    １のガス流れの停止後に第２のガスを第２段の低温保持
    装置に流す段階とを具備し、熱的負荷を動作温度にまで
    高速冷却する高速冷却法。
  9. 【請求項９】　　第１の熱交換コイル及び第１のガス膨
    脹孔を有する第１段の低温保持装置と、第２の熱交換コ
    イル及び第２のガス膨脹孔を有する第２段の低温保持装
    置とを備えた２段式低温保持装置と、この２段式低温保
    持装置に加圧ガスを供給するガス供給管理システムとを
    具備し、このガス供給管理システムには、第１の加圧ガ
    スを供給する第１のガス供給源と、第１のガス供給源か
    ら第１段の低温保持装置にまで延びている第１のガス供
    給ラインと、この第１のガス供給ラインに設けられた第
    １のガス供給弁と、第２の加圧ガスを供給する第２のガ
    ス供給源と、この第２のガス供給源から第２段の低温保
    持装置にまで延びている第２のガス供給ラインと、この
    第２のガス供給ラインに設けられた第２のガス供給弁と
    、第１のガス供給源から供給される第１の加圧ガスの流
    れを制御して第１の加圧ガスを第２段の低温保持装置に
    も供給するガス流制御手段と、２段式低温保持装置に熱
    的に接触しているセンサとが設けられている検出装置。
  10. 【請求項１０】　　赤外線検出器を備えたミサイルにお
    いて、赤外線センサからの電気信号を受信する制御シス
    テムを有するミサイルと、第１の熱交換コイル及び第１
    のガス膨脹孔を有する第１段の低温保持装置並びに第２
    の熱交換コイル及び第２のガス膨脹孔を有する第２段の
    低温保持装置を具備する２段式低温保持装置と、この２
    段式低温保持装置に加圧ガスを供給するガス供給管理シ
    ステムと、２段式低温保持装置に熱的に接触していて、
    電気信号をミサイルの制御システムに供給する赤外線セ
    ンサとを具備し、ガス供給管理システムには、第１の加
    圧ガスを供給する第１のガス供給源と、この第１のガス
    供給源から第１段の低温保持装置にまで延びている第１
    のガス供給ラインと、この第１のガス供給ラインに設け
    られた第１のガス供給弁と、第２の加圧ガスを供給する
    第２のガス供給源と、この第２のガス供給源から第２段
    の低温保持装置にまで延びている第２のガス供給ライン
    と、この第２のガス供給ラインに設けられた第２のガス
    供給弁と、第１のガス供給源から供給される第１の加圧
    ガスの流れを制御して第１の加圧ガスを第２段の低温保
    持装置にも供給するガス流制御手段とが設けられている
    ミサイル。
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