JPH06174348A - 伝熱流体を循環して熱負荷を冷却する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】伝熱流体を循環路に沿って循環させて圧力容器
を使用している熱負荷を冷却する装置を提供する。 【構成】装置１０は過冷却の液体窒素を収容し、圧力を
生成、調節する回路を有する貯蔵容器１２に接続され、
次いで冷却されたコンパートメント１４に連結され、ま
た飽和液体１８、蒸気２０に分けられた圧力容器１６が
取り付けられている。圧力容器１６の飽和液体出口２８
と飽和蒸気出口３０から排出される窒素は伝達流体とし
て作用する。窒素はエジェクター３２，３４からディス
トリビュータノズル３８を有するディストリビュータマ
ニホルド３６に排され、ディストリビュータノズル３８
から冷却すべき物品上に排出され、熱が逆に物品から窒
素に伝達される。加熱された窒素が分岐導管４０を介し
てエジェクター３２と３４中に抜き取られ、圧力容器１
６から排出される飽和液体１８、飽和蒸気２０混ざり合
う。循環方向、循環路が矢印４１により示されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本特許出願は、１９９２年６月１０日付け
提出の米国特許出願第０７／８９６，７０１号の一部継
続出願である。

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は、強制循環により伝熱流
体を循環路に沿って循環させて、熱負荷（ｈｅａｔ ｌ
ｏａｄ）を冷却するための方法と装置に関する。さらに
詳細には本発明は、好ましくは過冷却液体の形態のクラ
イオジェンが、飽和ガス形態のクライオジェンとの接触
により飽和液体（ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｌｉｑｕｉｄ）
に転化され、伝熱流体の循環を少なくとも促進するため
に、前記飽和液体もしくは前記飽和蒸気、またはその両
方の利用しうる全熱力学的エネルギーの一部が使用さ
れ、そして前記伝熱流体が前記飽和液体および／または
前記飽和蒸気によって冷却される、という方法および装
置に関する。

【０００３】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】クラ
イオジェン（例えば、固体二酸化炭素、液体二酸化炭
素、および液体窒素等）を使用して熱負荷を冷却し、そ
して生じたクライオジェン蒸気またはクライオジェン蒸
気と空気との混合物を含む伝熱流体の熱負荷に対する循
環を促進させる、という種々の冷却方法と装置が従来技
術により提供されている。このような装置の例が米国特
許第３，１６３，０２２号に記載されており、該特許に
おいては熱負荷は、断熱・冷却されたコンパートメント
（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｅｄ ｃ
ｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ）内に収容された生鮮食品を含
む。断熱された冷媒コンパートメント（ｉｎｓｕｌａｔ
ｅｄ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎ
ｔ）が、供給導管と戻り導管によって前記の冷却された
コンパートメントに接続されている。冷媒コンパートメ
ントは、熱交換器から戻り導管内に取り付けられたベン
チュリ形のエジェクター中に突き出たノズルとドライア
イスを含んだ熱交換器を有する。ドライアイスがガスに
昇華し、このガスが供給導管のエジェクター中に、次い
で冷却されたコンパートメント中に排出されて生鮮食品
を冷却する。ガスが、生鮮食品を冷却することにより加
熱された後、戻り導管を介して冷媒コンパートメントに
戻る。戻りガスは、熱交換器を介して熱をドライアイス
に伝達し、次いでエジェクター中で昇華したガスと混ざ
り合う。エジェクターは、低圧区域をつくりだして、冷
却されたコンパートメントから戻りガスを抜き取り、冷
媒コンパートメント中の熱交換器に送る。したがって昇
華したガスの利用しうる全熱力学的エネルギー（すなわ
ち、エンタルピーとその運動エネルギーの総和）の一部
が、冷媒と冷却されたチャンバーとの間で昇華したガス
を強制的に循環させる上での仕事を果たすようになって
いる。これと同時に、昇華したガスの冷却ポテンシャル
を使用して生鮮食品を冷却している。

【０００４】冷却と循環の量は、該装置の自己加圧態様
によって関連しあっている。したがって、冷却の程度と
循環の量は必然的に限定される。後述するように、本発
明は、供給される冷却と冷却剤の循環を、米国特許第
３，１６３，０２２号に開示の従来技術の装置の場合よ
り広い範囲の可能な運転条件にわたって独立して制御す
ることができる、という冷却方法と冷却装置を提供す
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、循環路に沿っ
て伝熱流体を循環して熱負荷を冷却する方法を提供す
る。本発明の方法によれば、クライオジェンが、液体／
蒸気界面によって互いに分けられた飽和液体および飽和
蒸気として圧力容器内に収容される。液体／蒸気界面は
所定のレベルに保持される。クライオジェンを、その飽
和温度以下の温度で圧力容器中に導入し、飽和液体およ
び飽和蒸気の少なくとも一方の形態にて圧力容器から排
出する。圧力容器からクライオジェンを排出した後、熱
を伝熱流体からクライオジェンに伝達し、そして伝熱流
体が熱負荷を冷却してこれによって加熱され、次いで圧
力容器から排出されたクライオジェンによって冷却され
るよう、伝熱流体が循環路を介して循環される。伝熱流
体の循環は、飽和クライオジェンの排出後に、飽和クラ
イオジェンの利用しうる全熱力学的エネルギーの一部を
循環仕事に転化させることによって、少なくとも促進さ
れる。

【０００６】他の態様においては、本発明は熱負荷を冷
却するための装置を提供する。本発明の装置には、クラ
イオジェンを、液体／蒸気界面によって互いに分けられ
た飽和液体および飽和蒸気として収容すべく造られた圧
力容器が取り付けられている。圧力容器は、クライオジ
ェンの飽和温度以下の温度にて圧力容器中にクライオジ
ェンを導入するための入口を有する。過剰量の飽和液体
がオーバーフローチューブ中に溢流し、そして気化され
て飽和蒸気を形成するよう、加熱されたオーバーフロー
チューブが圧力容器中に突き出ている。飽和クライオジ
ェンを、飽和液体および飽和蒸気の少なくとも一方の形
態で排出するための排出手段が設けられている。さら
に、加熱されたオーバーフローチューブを加熱するため
の手段も設けられている。さらに、飽和クライオジェン
の排出後に、飽和クライオジェンの利用しうる全熱力学
的エネルギーの少なくとも一部を、伝熱流体を循環路に
て循環させるための循環仕事に転化する手段が、前記排
出手段に接続されている。循環路において、伝熱流体が
熱負荷を冷却し、これによって伝熱流体は加熱される。

【０００７】さらに他の態様においては、本発明は、伝
熱流体を循環路に沿って循環させて、圧力容器を使用し
ている熱負荷を冷却するための装置を提供する。圧力容
器は、クライオジェンを、液体／蒸気界面によって互い
に分けられた飽和液体および飽和蒸気として収容すべく
造られている。本圧力容器は、クライオジェンをその飽
和温度以下の温度にて圧力容器中に導入するための入
口、および過剰量の飽和液体がオーバーフローチューブ
中に溢流するよう、圧力容器中に突き出たオーバーフロ
ーチューブを有する。クライオジェンを、飽和液体およ
び飽和蒸気の少なくとも一方の形態で圧力容器から排出
するための排出手段が取り付けられている。飽和クライ
オジェンの排出後に、飽和クライオジェンの利用しうる
全熱力学的エネルギーの少なくとも一部を、伝熱流体を
循環路にて循環させるための循環仕事に転化する手段
が、前記排出手段に接続されている。循環路において、
伝熱流体が熱負荷を冷却し、これによって伝熱流体は加
熱される。前記手段は、圧力容器から排出されるクライ
オジェンで伝熱流体を冷却する。本発明の装置には、オ
ーバーフローチューブに接続された少なくとも１つの通
路を有する熱交換器が設けられている。該熱交換器は、
伝熱流体から、オーバーフローチューブ中に溢流した過
剰量の飽和液体にさらなる熱を伝達するよう配置・配列
される。この結果、伝熱流体は、圧力容器から排出され
たクライオジェンで冷却される前に冷却される。さら
に、本発明の装置には、過剰量の飽和液体をオーバーフ
ローチューブから熱交換器を介して抜き取るための、そ
して過剰量の飽和液体を圧力容器中に再び導入するため
の手段も設けられている。

【０００８】流入するクライオジェンは、飽和温度以下
の温度を有するいかなるクライオジェンでもよく、実際
上、二相流れ（ｔｗｏ ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ）であっ
てもよい。しかしながら、流入クライオジェンは、飽和
蒸気と接触すると飽和液体に転化される過冷却状態の液
体を含むのが好ましい。転化のためのエネルギーは、飽
和液体形態に凝縮する蒸気の対応部分から生じる。この
転化により、流入する過冷却液体はエンタルピーの増大
を引き起こし、したがってこれに対応して、伝熱流体の
循環に関する仕事を行う能力が増大する。加熱されたオ
ーバーフローチューブを使用する装置においては、伝熱
流体から、加熱されたオーバーフローチューブ中に溢流
した過剰量の飽和液体にさらなる熱を伝達することによ
って、加熱されたオーバーフローチューブを加熱するこ
とができる。伝達されたさらなる熱は、過冷却液体をそ
の流量に関係なく飽和クライオジェンに転化させ、この
とき広い操作範囲にわたっていかなる追加の制御システ
ムや他のプロセス調整法も使用する必要がない。上記し
た本発明のいくつかの態様は重要なものである。なぜな
ら、上記の態様を使用することにより、本発明の装置に
よって与えられる実際の冷却ポテンシヤルを、過冷却液
体の流量の調節をとおして調整できるからである。さら
に、クライオジェンの元の圧力（ｓｏｕｒｃｅ ｐｒｅ
ｓｓｕｒｅ）を変えることによって、飽和クライオジェ
ンから取り出すことのできる相対量の仕事〔冷却効率
（ｃｏｏｌｉｎｇ ｄｕｔｙ）と比較して〕を調節する
ことができる。さらに、ガス／液体の抜き取り比を調節
することによって、相対量の仕事を制御することもでき
る。このように、供給される冷却ポテンシャルおよびク
ライオジェンから抜き取られる仕事を、本発明にしたが
った装置に対しあらかじめ独立して定めることができ
る。

【０００９】“過冷却液体クライオジェン”とは、クラ
イオジェンの飽和温度未満の温度を有するいかなる液体
形態クライオジェンも意味する、という点に留意するこ
とが大切である。さらに、本明細書で使用している“伝
熱流体”とは、クライオジェンそのものを意味すること
がある。例えば、飽和クライオジェン（液体形態であろ
うと、ガス形態であろうと、あるいはこれら両方の組み
合わせであろうと）を熱負荷に対して循環させ、次いで
圧力容器から排出される飽和クライオジェンと混合する
ことによって再び冷却することができる。これとは別
に、“伝熱流体”は、圧力容器から飽和クライオジェン
として最初に排出されたクライオジェンと、冷却された
容器内に存在する他の流体（例えば空気）との混合物で
あってもよい。“伝熱流体”はさらに、クライオジェン
とは全く異なるものであってもよく、例えば、クライオ
ジェンと直接接触することのない、冷却された容器内で
循環している空気であってもよい。後述するように、
“伝熱流体”の構成は、本発明が使用される物理的態様
によって異なる。さらに、飽和クライオジェンの“全熱
力学的エネルギー”とは、そのエンタルピーと運動エネ
ルギーとの総和を意味する。

【００１０】図１を参照すると、本発明による装置１０
が示されている。装置１０は、液体窒素を過冷却状態で
収容するよう設計された貯蔵容器１２に接続されてい
る。貯蔵容器１２は圧力容器であり、他のクライオジェ
ン（例えば、液体二酸化炭素、液体窒素、および液体ア
ルゴン等）を収容するよう設計することができる。この
点に関して、本明細書においては“クライオジェン”と
は、液体窒素、液体二酸化炭素、液体酸素、および液体
アルゴンを意味しているものとする。

【００１１】当業界においては広く知られているが、貯
蔵容器１２は、圧力を生成・調節する回路を有するタイ
プの貯蔵容器である。したがって、貯蔵容器１２から供
給される液体窒素の圧力をあらかじめ定めることができ
る。次いで、装置１０は冷却されたコンパートメント１
４（冷却されたトラックのトレーラー、または生鮮食品
を貯蔵するための他の断熱容器の場合もある）に連結さ
れている。したがって、冷却されたコンパートメント１
４は、装置１０によって冷却されるべき熱負荷として機
能している。しかしながら、これは単に代表的な例であ
り、周知のように本発明は種々の冷却用途（例えば、プ
ラスチック物品の形成に関与する冷却用途）に対しても
有用である、という点に留意しなければならない。

【００１２】装置１０には、窒素を液体／蒸気界面２２
によって分けられた飽和液体１８および飽和蒸気２０と
して収容すべく造られた圧力容器１６が取り付けられて
いる。貯蔵容器１２からの過冷却液体窒素が、入口２４
を介して圧力容器１６に流入する。流入すると、過冷却
液体窒素が飽和液体１８（これについては後述にて詳細
に説明する）に転化される。流入する過冷却液体窒素が
飽和蒸気２０と確実に接触するよう、一連のバッフルプ
レート２５が設けられている。

【００１３】図に示したような過冷却液体窒素の使用に
より、本発明の範囲が限定されるわけではない、という
ことを指摘しておかねばならない。装置１０の場合に
は、例えば飽和液体窒素のような飽和液体クライオジェ
ンも使用することができる。さらに、クライオジェンは
二相流れの条件下で圧力容器１６に流入することもでき
る。

【００１４】オーバーフローチューブ２６が圧力容器１
６中に突き出ており、これが液体／蒸気界面２２のレベ
ル（言い換えると、圧力容器１６が収容する飽和液体１
８または飽和蒸気２０の量）をあらかじめ決定するよう
作用する。後述するように、飽和液体１８および／また
は飽和蒸気２０は、装置１０の使用時に圧力容器１６か
ら排出される。過冷却の液体窒素（あるいは場合によっ
ては、他の熱力学的状態での他の可能なクライオジェ
ン）が圧力容器１６に流入する速度に比較して排出の速
度が遅いと、過剰量の飽和液体１８が生成する。この過
剰量の飽和液体窒素（飽和液体１８）は、オーバーフロ
ーチューブ２６中に溢流する。したがって、液体／蒸気
界面２２のレベルは一定のままである。液体窒素が飽和
二相流れの条件下で圧力容器１６に流入する場合は、過
剰量の飽和液体がつくりだされてオーバーフローチュー
ブ２６中に溢流するよう、蒸気が流入する速度より大き
な速度で、蒸気が圧力容器１６から除去されなければな
らない。

【００１５】後述するように、飽和液体１８を気化させ
て飽和蒸気２０にするために、オーバーフローチューブ
２６が加熱される。オーバーフローチューブ２６が加熱
されるとき、飽和液体１８への熱伝達のトータル量は、
飽和蒸気２０を生成させるに足る量である。なぜなら、
オーバーフローチューブ２６内の飽和液体１８が気化す
ると、飽和蒸気２０がオーバーフローチューブ２６を上
昇し、したがって飽和蒸気２０はいかなる熱伝達にも関
与せず、このとき熱はオーバーフローチューブ２６に伝
達されるからである。当然のことながら、オーバーフロ
ーの量は、流入する過冷却液体を転化させるのに必要な
飽和蒸気２０の凝縮をとおして得られる飽和液体１８
と、直接的なガス抜き取りにより溢流する飽和液体１８
との総和である。飽和液体１８だけを抜き取ると、オー
バーフローチューブ２６に供給される熱は、過冷却液体
の飽和液体への転化を起こさせるに足る量にて効果的に
伝達される、ということがわかる。

【００１６】図示されているように、オーバーフローチ
ューブ２６、圧力容器１６、および冷却されたコンパー
トメント１４は、当業界によく知られている方法で断熱
材２７の層によって被覆されている。

【００１７】圧力容器１６にはさらに、飽和液体１８を
排出するための出口２８と、飽和蒸気２０を排出するた
めの出口３０が取り付けられている。飽和液体１８はエ
ジェクター３２に排出され、飽和蒸気２０はエジェクタ
ー３４に排出される。圧力容器１６から排出される窒素
（あるいは場合によっては、使用される他のクライオジ
ェン）は伝熱流体として作用する。後述するように、伝
熱流体は使用されるクライオジェンとは全く別個のもの
であってもよい。しかしながら、図示の実施態様におい
ては、窒素は、エジェクター３２と３４から、ディスト
リビュータ・ノズル３８を有するディストリビュータ・
マニホルド３６に排出される。次いで、窒素は、ディス
トリビュータ・ノズル３８から冷却すべき物品上に排出
される。これにより、熱が逆に物品から窒素に伝達され
る。次いでこのように加熱された窒素が、２つのブラン
チ４０ａと４０ｂを有する分岐導管４０を介してエジェ
クター３２と３４中に抜き取られ、圧力容器１６から排
出される飽和液体１８および飽和蒸気２０と混ざり合
う。循環の方向または循環路が矢印４１によって示され
ている。言うまでもないが、エジェクター３２と３４
は、冷却された容器１４または供給導管と戻り導管によ
って冷却すべき他の熱負荷に接続することができる。

【００１８】エジェクター３２にはさらに、制御弁４４
を介して出口２８に接続された液体ノズル４２が取り付
けられている。エジェクター３４のガスノズル４６は、
制御弁４８を介して出口３０に接続されている。制御弁
４４と４８は、エジェクター３２および３４への飽和液
体１８および飽和蒸気２０の流量を調節するための定比
弁（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｖａｌｖｅ）である。
液体ノズル４２とガスノズル４６はそれぞれ、エジェク
ター３２およびエジェクター３４への高圧入口として機
能する。液体ノズル４２とガスノズル４６は、飽和液体
１８または飽和蒸気２０の速度を増大させ、これによっ
て、それぞれエジェクター３２とエジェクター３４のミ
キシングチャンバー５０と５２内に低圧の区域をつくり
だすよう、当業界によく知られている方法で設計されて
いる。これらの低圧区域は、加熱された窒素（図示の実
施態様においては、加熱された窒素蒸気である）を、分
岐導管４０のブランチ４０ａと４０ｂに接続された低圧
入口５４と５６に抜き取る。エジェクター３２と３４の
ディフューザー部分５８と６０によって、圧力が回収さ
れる。次いで、加熱された窒素蒸気、飽和液体、および
エジェクター３２と３４内にて形成される蒸気の混合物
を、ディフューザー部分５８と６０に接続されたディス
トリビュータ・マニホルド３６（エジェクター３２と３
４の高圧出口として機能する）を介して熱負荷に排出さ
れる。当業者には周知のことであるが、ディストリビュ
ータ・マニホルド３６なしで済ますこともできる。

【００１９】両側がシールされたパイプ６２をＴ形の配
置構成にてオーバーフローチューブ２６に接続して、さ
らなる熱を窒素（熱負荷によって加熱された後）からオ
ーバーフローチューブ２６に、次いでオーバーフローチ
ューブ２６内に収容されている飽和液体に伝達するのに
使用される熱交換器を形成させている。この目的のた
め、パイプ６２は分岐導管４０内に収容されている。こ
れとは別に、本発明によれば、オーバーフローチューブ
２６を別個の加熱コイル、クライオジェンを含まない他
の手段、または別個の可能な他の伝熱流体によって加熱
することもできる。しかしながら、これは、図示の実施
態様に存在していない複雑さが加わる、という点におい
て好ましくない。さらに重要なことには、オーバーフロ
ーチューブ２６を加熱するということは冷却を保持する
ことになる。伝熱流体（図示の実施態様においては窒
素）からのさらなる熱の伝達は窒素を冷却し、この窒素
は混合されるか、あるいは圧力容器１６から加圧状態で
排出される飽和窒素中に再循環される。

【００２０】飽和液体１８、飽和蒸気２０、またはこの
両者の混合物によって供給される冷却量は、それらの流
量とは関係なく、また追加の制御システムや他のプロセ
ス調整法を使用することなく求めることができる。さら
に、飽和クライオジェン（飽和液体１８、飽和蒸気２
０、またはこれらの混合物）の仕事ポテンシャル（ｗｏ
ｒｋ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）を、弁４４と４８の調節に
よりその冷却能力とバランスさせることができる。周知
のように、飽和蒸気は、そのエンタルピーが増大してい
ることから、より大きな仕事ポテンシャルを有する。し
たがって、飽和液体、飽和蒸気、またはこれらの混合物
のいずれを使用するかで、供給されるべき仕事ポテンシ
ャルが決まる。上記したように、クライオジェン（液体
単独、ガス単独、またはこれらの混合物のいずれで使用
されるとしても）から抜き取られる冷却効率（ｃｏｏｌ
ｉｎｇ ｄｕｔｙ）と比較した仕事の相対量は、貯蔵容
器１２の出口圧力を調節することによってさらに制御す
ることができる。

【００２１】本発明によれば、多くの設計上の変形が可
能である。例えば、利用しうる全エネルギー、および飽
和液体１８もしくは飽和蒸気２０の冷却ポテンシャルを
使用するために、圧力容器１６を、単一の出口（２８ま
たは３０）を有するよう改良することができる。このよ
うな場合においては、エジェクター３２もしくはエジェ
クター３４だけが使用される。このとき、単一のエジェ
クターに２つの出口２８と３０を設けることができる。
このような場合、飽和液体１８と飽和蒸気２０を使用し
ている単一のエジェクターにおいて、またはその前にお
いて混合するよう供給がなされねばならない。例えば、
液体ノズル４２とガスノズル４６をその設計に組み込ん
だ形の単一のエジェクターをつくることができる。さら
に、液体／蒸気界面２２と同じ高さの単一出口を、圧力
容器１６中に突き出ていて且つフレキシブル部分を有す
るチューブと繋げて使用することができ、このときチュ
ーブは、電気的に作動するソレノイドによって、飽和蒸
気１８中に上昇することもできるし、あるいは飽和液体
２０中に降下することもできるようになっている。さら
に、エジェクター３２と３４の代わりに、当業者によく
知られている他のベンチュリ形装置を使用することがで
きる。例えば、本明細書には示されていないが当業者に
は知られている他のタイプのベンチュリ形装置は、環状
ノズルを使用して高速流れと低圧区域をつくりだすとい
う装置からなる。本明細書で使用している“ベンチュリ
形装置”とは、高圧の運動流体（例えば、圧力容器１６
から排出された飽和窒素）が同伴し、その同伴された流
体（例えば熱負荷によって加熱された後の窒素）の圧力
を増大させる装置を意味する、という点に留意しなけれ
ばならない。

【００２２】図示の実施態様においては、窒素（飽和蒸
気２０と飽和液体１８との混合物、および熱負荷によっ
て加熱されている再循環の加熱窒素蒸気を含む）をエジ
ェクター３２と３４から排出することによって、次いで
熱負荷を冷却した後に加熱窒素をエジェクター３２と３
４に引き込むことによって循環がなされる。したがっ
て、冷却されたコンパートメント内にエジェクター３２
と３４によって強制循環が確立される。さらに、加熱窒
素は、飽和蒸気２０および飽和液体１８と混合すること
によって加熱された後に冷却される。本発明の応用で
は、補助ファンを組み込んで循環を起こしやすくしてい
る、という点を付け加えておく。このような場合、エジ
ェクター３２と３４は循環を促進しているだけである。

【００２３】エジェクター３２と３４（あるいは場合に
よっては、これに代わることのできる他のベンチュリ形
装置）は、循環を起こすために、あるいは少なくとも循
環を促進するために、クライオジェン（飽和液体、飽和
蒸気、またはこれら両方）の利用しうる全エネルギーポ
テンシャルの一部を使用する。したがって、ファンに接
続された流体駆動モーターは、エジェクター３２および
３４と同じ目的を果たすことができる（但し、当然のこ
とながら、性能特性は異なる）。このような場合におい
ては、窒素が流体駆動モーターから放出され、ファンが
窒素の循環を起こさせる。他の可能な実施態様は、流体
駆動モーターの出口に接続されていて且つ大気に対して
開放状態の熱交換コイルを含む。このような実施態様で
は、伝熱流体は、冷却された容器内に収容された滞留空
気（ｒｅｓｉｄｅｎｔ ａｉｒ）を含む。空気は、熱交
換コイルによって冷却されるよう循環され、熱負荷（す
なわち生鮮食品）によって加温され、次いでオーバーフ
ローチューブに繋がった熱交換器を取り囲んでいる導管
中に抜き取られて、導管中の過冷却液体を加熱する。周
知のように、空気は、図示した実施態様の場合のように
クライオジェンとは混ざらない。したがって、このよう
な実施態様の伝熱流体は、伝熱流体を冷却するのに使用
され、且つ空気の循環に関与する循環仕事をつくりだす
のに使用されるクライオジェンとは全く異なる。しかし
ながら、図示の実施態様においては、伝熱流体は、冷却
された容器１４に加えられるクライオジェンであり、し
たがって過剰のクライオジェンを排気するためにベント
６０が設けられている。

【００２４】図２は、本発明による別の実施態様の装置
１００を示している。装置１００は、使用時においては
貯蔵容器（例えば貯蔵容器１２）に接続される。液体ク
ライオジェンが、流入ライン１０２を介して貯蔵容器か
ら装置１００に入る。装置１００は、冷却されたコンパ
ートメント（例えば冷却されたコンパートメント１４）
内にて使用することができ、この場合、矢印１０４と１
０６（伝熱流体の流入と排出を示している）が循環路の
始めと終わりに描かれている。これとは別に、装置１０
０は、飽和クライオジェンで構成されたクライオジェン
伝熱流体を外部の熱負荷に供給するのに使用することが
できる。図示していないが、装置１００は、装置１０の
場合と同様、熱漏れ（ｈｅａｔ ｌｅａｋａｇｅ）を最
小限に抑えるために断熱材で囲われる。

【００２５】装置１００には、クライオジェン（例え
ば、液体／蒸気界面１１４によって分けられた、飽和液
体１１０および飽和蒸気１１２としての窒素）を収容す
べく造られた圧力容器１０８が装備されている。過冷却
された液体窒素が、入口１１６を介して圧力容器１０８
に流入するのが好ましい。流入すると、過冷却液体窒素
は飽和液体１１０に転化される。トレー１１８が設けら
れており、このトレーは、流入クライオジェンをその表
面に沿って強制的に薄層の形で移動させ、これによって
飽和蒸気１１２と密に接触させて凝縮操作を容易にす
る。

【００２６】装置１００においては、装置１０に関して
指摘したように、過冷却液体窒素が例として使用されて
いるが、本発明がこれによって限定されることはない。
さらに、装置１００に対しては、飽和液体クライオジェ
ンの他に、二相流れの状態で圧力容器１０８に流入する
クライオジェンも使用することができる。液体／蒸気界
面１１４のレベルを定めるために、オーバーフローチュ
ーブ１２０が圧力容器１０８中に突き出ている。過剰量
の飽和液体１１２が、オーバーフローチューブ１２０中
に溢流する。装置１００においては、熱交換器１２２に
よって、伝熱流体から飽和液体にさらなる熱が伝達され
る。

【００２７】装置１０の大きな利点はその自己調節特性
にある、という点に留意しなければならない。すなわ
ち、オーバーフローチューブ中に溢流した過剰の飽和液
体を伝熱流体で気化させることによって、流入した過冷
却液体を飽和液体に転化させるために、装置１０に充分
な量の熱が導入される。この自己調節はまた、装置１０
の操作可能性の範囲を制限することがある、という点で
欠点にもなりうる。例えば、液体クライオジェンが速す
ぎる速度で供給されたり、あるいはガス状クライオジェ
ンが速すぎる速度で圧力容器から除去されると、オーバ
ーフローチューブ２６内に二方向流れの状態が生じ、こ
のためオーバーフローチューブが詰まりを起こすことが
ある。さらに、熱交換器６２の設計をできるだけ小さな
スペースを占めるよう最適化するのが困難である。これ
らの問題点は、装置１００において、オーバーフローチ
ューブ１２０と熱交換器１２２に飽和液体を強制的に流
すという操作を施すことによって、ほぼ解消される。

【００２８】強制流れの条件は、エジェクター３２と同
じ設計の第１のエジェクター１２４によってつくりださ
れる。エジェクター１２４には、低圧入口１２６と高圧
入口１２８が設けられている。ベンチュリ効果により、
飽和液体およびある量の同伴ガスが熱交換器１２２を介
して抜き取られ、第１のエジェクター１２４の高圧出口
１３０から排出される流入液体クライオジェンと混合さ
れ、そして圧力容器１０８の入口１１６に進む。ここで
は、装置１００における溢流液体が完全に気化され、さ
らに熱交換器１２２内で過熱される、という点に留意す
る必要がある。圧力容器１０８からの飽和ガスの抜き取
りがない場合、いかなる能動制御も行わずに過冷却液体
の飽和液体への転化を確実に起こさせるために、熱交換
器１２２がある量の熱エネルギーを交換する。この操作
は、装置１０の場合の操作に類似している。ガスを抜き
取る場合、熱交換器１２２はさらに、入口１０２を介し
て供給されるガスの量を越えて抜き取られるガスを供給
するに足る量の熱エネルギーを交換しなければならない
ことは明らかである。簡単に言えば、熱交換器を介して
のエネルギーが、クライオジェンの流入ストリームと流
出ストリームのエネルギー収支を自動的に満足させる。

【００２９】飽和液体および／または飽和ガスが圧力容
器１０８から抜き取られ、第２の組の低圧入口１４４と
高圧入口１４６、および第２の高圧出口１４８を有する
第２のエジェクター１４２中に導入される。制御弁１５
０と１５２は、装置１０の制御弁４４および４８と同じ
仕方でプロセスを制御する。飽和クライオジェンが第２
のエジェクター１４２の高圧入口１４６に入って、熱伝
達路を介してすでに循環されて熱負荷を冷却している伝
熱流体（例えば、エジェクター１４２の高圧出口１４８
から排出される窒素）を抜き取る。熱交換器１２２を取
り囲むために、そしてエジェクター１４２の低圧入口１
４４に入る前に、熱交換器１２２と熱伝達関係にて流体
熱伝達を行うために、導管１５９を取り付けることがで
きる。

【００３０】弁１６２と１６４の他に、レベル検知器１
６０を本発明と結びつけて使用するのが好ましい。レベ
ル検知器１６０（米国特許第５，１５７，１５４号に詳
細に説明されている）は、オーバーフローチューブより
下に存在する飽和液体１１０の低いレベルを検知するた
めに使用される。弁１５０と１５２を使用して閉じた位
置（ｃｌｏｓｅｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）において飽和液
体がこのような低いレベルに達すると、飽和液体を圧力
容器１０８内に補充するために、弁１６２が開放するよ
う指令を受ける。さらに弁１６４も、レベル検知器１６
０によって飽和液体の低いレベルを検知した場合には、
さらなるガスの生成を妨げるよう指令を受ける。図示し
てはいないが、レベル検知器１６０によって検知された
レベルに応答した弁１６０と１６２の作動、位置の感
知、およびさらには弁１５０と１５２の制御は、従来の
制御器によって制御することができる。この制御器（図
示せず）は、アナログ形制御器であっても、あるいは上
記文献に記載の態様で機能するようプログラムされたプ
ログラマブル・ロジック・コンピュータであってもよ
い。

【００３１】装置１０の場合と同様、装置１００に対し
ても多くの変形が可能である。例えば、圧力容器１０８
は、単一の出口（出口１３２または出口１４０のいずれ
か）を有するようにすることができる。さらに、エジェ
クター１２４および１４２の代わりに他のベンチュリ形
装置を使用することができる。装置１０の場合と同様、
補助ファンを使用して循環を促進することができ、およ
び／または流体駆動モーター（ｆｌｕｉｄ ｄｒｉｖｅ
ｎ ｍｏｔｏｒ）をエジェクター１４２の代わりに機能
させることができる。前述したように、装置１００を冷
却キャビネット内で使用することができ、そして熱交換
コイルを大気に対して開放した状態で、熱交換コイルを
流体駆動モーターの出口に接続することができる。この
ような場合、伝熱流体は、滞留空気を、冷却された容器
内に収容した状態で含む。

【００３２】好ましい実施態様について説明してきた
が、当業者にとっては、本発明の精神と範囲を逸脱する
ことなく、多くの付加形、省略形、および変形が可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】過冷却液体クライオジェンを貯蔵するための貯
蔵容器に接続された、本発明によるクライオジェン強制
循環冷却装置の断面図である。

【図２】本発明によるクライオジェン強制循環冷却装置
の一部省略した概略断面図である。

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 循環路に沿って伝熱流体を循環して熱負
   荷を冷却する方法であって、 （ａ） クライオジェンを、液体／蒸気界面によって互
   いに分けられた飽和液体および飽和蒸気として圧力容器
   内に収容する工程； （ｂ） 過剰量の飽和液体を前記圧力容器から抜き取
   り、前記過剰量の飽和液体を気化させ、次いで気化され
   た飽和液体を前記圧力容器中に再び導入することによっ
   て、前記液体／蒸気界面を所定のレベルに保持する工
   程； （ｃ） クライオジェンを、その飽和温度以下の温度で
   前記圧力容器中に導入する工程； （ｄ） クライオジェンを、前記飽和液体および前記飽
   和蒸気の少なくとも一方の形態で前記圧力容器から排出
   する工程； （ｅ） クライオジェンの排出後に、熱を前記伝熱流体
   からクライオジェンに伝達する工程；および （ｆ） 前記伝熱流体が前記熱負荷を冷却し、これによ
   って前記伝熱流体が加熱され、次いで前記伝熱流体が、
   前記圧力容器から排出されたクライオジェンによって冷
   却されるよう、前記伝熱流体を前記循環路を介して循環
   させる工程；を含み、このとき飽和クライオジェンの利
   用しうる全熱力学的エネルギーの一部を、クライオジェ
   ンの排出後に循環仕事に転化させることによって、伝熱
   流体の循環が少なくとも促進される、前記方法。
2. 【請求項２】 前記伝熱流体が前記飽和クライオジェン
   によって冷却される前に、そして熱負荷によって加熱さ
   れた後に、さらなる熱を前記伝熱流体から前記飽和液体
   に伝達させることによって、前記過剰量の飽和液体が気
   化される、請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 前記クライオジェンが、前記圧力容器中
   に導入される時に過冷却状態であり；そして前記液体形
   態のクライオジェンを前記飽和蒸気に通して、前記飽和
   蒸気の一部の凝縮を起こさせることによって、前記飽和
   液体がつくりだされる、請求項１記載の方法。
4. 【請求項４】 前記伝熱流体がクライオジェンを含む、
   請求項１記載の方法。
5. 【請求項５】 前記伝熱流体が前記熱負荷によって加熱
   された後、前記過剰量の飽和液体を気化させるために、
   そしてこれによって前記飽和蒸気をつくりだすために、
   さらなる熱が前記伝熱流体から前記過剰量の飽和液体に
   伝達される、請求項４記載の方法。
6. 【請求項６】 前記クライオジェンが、前記圧力容器中
   に導入される時に過冷却状態であり；そして前記液体形
   態のクライオジェンを前記飽和蒸気に通して、前記飽和
   蒸気の一部の凝縮を起こさせることによって、前記飽和
   液体がつくりだされる、請求項５記載の方法。
7. 【請求項７】 クライオジェンによって与えられる冷却
   ポテンシャルと循環仕事の程度を制御するために、前記
   飽和液体と前記飽和蒸気の両方が所定の割合で排出され
   る、請求項１または４に記載の方法。
8. 【請求項８】 循環路に沿って伝熱流体を循環して熱負
   荷を冷却するための装置であって、 （ａ） クライオジェンを、液体／蒸気界面によって互
   いに分けられた飽和液体および飽和蒸気として収容すべ
   く造られた圧力容器、 このとき前記圧力容器は、 ｉ） クライオジェンをその飽和温度以下の温度にて前
   記圧力容器中に導入するための入口、 ｉｉ） 過剰量の飽和液体が加熱されたオーバーフロー
   チューブ中に溢流し、そして気化されて飽和蒸気を形成
   するよう、前記圧力容器中に突出している加熱されたオ
   ーバーフローチューブ、および ｉｉｉ） クライオジェンを、前記飽和液体と前記飽和
   蒸気の少なくとも一方の形態にて排出するための排出手
   段、 を有する； （ｂ） 前記加熱されたオーバーフローチューブを加熱
   するための手段；および （ｃ） 前記伝熱流体が前記熱負荷を冷却し、これによ
   って前記伝熱流体が加熱されるよう前記伝熱流体を前記
   循環路にて循環させるために、そして前記伝熱流体を前
   記圧力容器から排出されたクライオジェンで冷却するた
   めに、飽和クライオジェンの利用しうる全熱力学的エネ
   ルギーの少なくとも一部を、その排出後に循環仕事に転
   化させる、前記排出手段に連結された手段；を含む前記
   装置。
9. 【請求項９】 伝熱流体を循環・冷却する前記手段が、 （ａ） 前記排出手段から排出されたクライオジェンを
   受け入れるための高圧入口、 （ｂ） 低圧入口、および （ｃ） 高圧出口を有する少なくとも１つのベンチュリ
   形装置を含み、 このときクライオジェンが前記高圧出口から前記熱負荷
   に排出され、これによってクライオジェンが加熱されて
   前記熱負荷を冷却し、次いでクライオジェンの一部が前
   記低圧入口に抜き取られて、前記排出手段から排出され
   たクライオジェンと混合するよう、少なくとも１つのベ
   ンチュリ形装置の低圧入口と高圧出口が、前記循環路と
   関連して作動すべく造られている、請求項８記載の装
   置。
10. 【請求項１０】 前記のオーバーフローチューブ加熱手
    段が、 （ａ） 前記オーバーフローチューブに接続されたシー
    ルパイプ；および （ｂ） クライオジェンが、前記熱負荷によって加熱さ
    れた後に、前記混合物を形成する前に熱を前記オーバー
    フローチューブに伝達するよう、ベンチュリ形装置の前
    記低圧入口に接続された導管；を含む、請求項８記載の
    装置。
11. 【請求項１１】 前記排出手段が、 （ａ） 前記２つの出口の一方が前記飽和液体を排出す
    べく作動しうるよう、 そして前記２つの出口の一方が
    前記飽和蒸気を排出すべく作動するよう配置さ れた２
    つの出口を有する圧力容器；および （ｂ） 前記圧力容器から排出される飽和液体と飽和蒸
    気の流量を選択的且つ独立的に制御するために、前記２
    つの出口に接続された制御手段；を含み、このとき前記
    少なくとも１つのベンチュリ形装置が前記制御手段に接
    続されている、請求項９記載の装置。
12. 【請求項１２】 前記加熱手段が、 （ａ） 前記オーバーフローチューブに接続されたシー
    ルパイプ；および （ｂ） クライオジェンが、前記熱負荷によって加熱さ
    れた後に、前記混合物を形成する前に熱を前記オーバー
    フローチューブに伝達するよう、少なくとも１つのベン
    チュリ形エジェクターの前記低圧入口に接続された導
    管；を含む、請求項１１記載の装置。
13. 【請求項１３】 循環路に沿って伝熱流体を循環して熱
    負荷を冷却するための装置であって、 （ａ） クライオジェンを、液体／蒸気界面によって互
    いに分けられた飽和液体および飽和蒸気として収容すべ
    く造られた圧力容器、 このとき前記圧力容器は、 ｉ） クライオジェンをその飽和温度以下の温度にて前
    記圧力容器中に導入するための入口、 ｉｉ） 過剰量の飽和液体がオーバーフローチューブ中
    に溢流するよう、前記圧力容器中に突出しているオーバ
    ーフローチューブ、および ｉｉｉ） クライオジェンを、前記飽和液体と前記飽和
    蒸気の少なくとも一方の形態にて排出するための排出手
    段、 を有する； （ｂ） 前記伝熱流体が前記熱負荷を冷却し、これによ
    って前記伝熱流体が加熱されるよう前記伝熱流体を前記
    循環路にて循環させるために、そして前記伝熱流体を前
    記圧力容器から排出されたクライオジェンで冷却するた
    めに、飽和クライオジェンの利用しうる全熱力学的エネ
    ルギーの少なくとも一部を、その排出後に循環仕事に転
    化させる、前記排出手段に連結された手段； （ｃ） 前記オーバーフローチューブに接続された、少
    なくとも１つの通路を有する熱交換器、このとき前記熱
    交換器は、前記伝熱流体から、前記オーバーフローチュ
    ーブ中に溢流した過剰量の飽和液体にさらなる熱を伝達
    するよう、 そしてこれによって、前記圧力容器から排
    出されたクライオジェンで伝熱流体 が冷却される前に
    伝熱流体を冷却するよう配置・配列されている；および （ｄ） 前記オーバーフローチューブから前記熱交換器
    を介して前記過剰量の飽和液体を抜き取るための、そし
    て前記過剰量の飽和液体を前記圧力容器中に再導入する
    ための手段；を含む前記装置。
14. 【請求項１４】 飽和クライオジェンを抜き取り・導入
    する前記手段が、一組の高圧入口と低圧入口、および高
    圧出口を有するベンチュリ形装置を含み、このとき前記
    クライオジェンが前記高圧入口を介して流れ、そして前
    記高圧出口を介して前記圧力容器の入口に排出されるよ
    う、前記ベンチュリ形装置が前記圧力容器に接続されて
    おり、そしてさらに、前記過剰量のクライオジェンが前
    記オーバーフローチューブと前記熱交換器を介して抜き
    取られて前記低圧入口に送られて、前記圧力容器中に入
    る前に前記クライオジェンと混合するよう、前記ベンチ
    ュリ形装置が前記熱交換器と接続されている、請求項１
    ３記載の装置。
15. 【請求項１５】 前記伝熱流体が、前記圧力容器から排
    出されるクライオジェンを含み；前記ベンチュリ形装置
    が第１のベンチュリ形装置を含み、前記組の高圧入口と
    低圧入口および前記高圧出口が、第１の組の高圧入口と
    低圧入口および第１の高圧出口であり；そして伝熱流体
    を循環・冷却する前記手段が、第２の組の高圧入口と低
    圧入口および第２の高圧出口を有する第２のベンチュリ
    形装置を含み、 このとき前記排出手段から排出されたクライオジェン
    が、前記第２の組の高圧入口と低圧入口のうちの高圧入
    口に流れるよう、前記第２のベンチュリ形装置が前記圧
    力容器の排出手段に接続されており、 クライオジェンが前記高圧出口から前記熱負荷に排出さ
    れ、これによってクライオジェンが加熱されて前記熱負
    荷を冷却し、次いでクライオジェンの一部が前記低圧入
    口に抜き取られて、前記排出手段から排出されたクライ
    オジェンと混合するよう、前記第２の高圧出口と前記低
    圧入口が前記熱負荷と関連して作動すべく造られてい
    る；請求項１４記載の装置。
16. 【請求項１６】 前記第２のベンチュリ形装置に接続さ
    れていて、クライオジェンの一部が導管を介して流れて
    前記第２の組の低圧入口に進むよう、前記第２の組の高
    圧入口と低圧入口のうちの低圧入口と連通関係にある導
    管をさらに含む、請求項１５記載の装置。
17. 【請求項１７】 前記排出手段が、 （ａ） ２つの出口の一方が前記飽和液体を排出し、そ
    して２つの出口の他方が前記飽和蒸気を排出すべく作動
    するよう配置された２つの出口を有する圧力容器；およ
    び （ｂ） 前記圧力容器から排出される飽和液体と飽和蒸
    気の流量を選択的且つ独立的に制御するための、前記２
    つの出口に接続された制御手段；を含み、このとき伝熱
    流体を循環・冷却する前記手段が前記制御手段に接続さ
    れている、請求項１３記載の装置。
18. 【請求項１８】 前記制御手段が２つの定比弁を含む、
    請求項１１または１７に記載の装置。