JPH0718610B2 - 感温環状膨脹流路を備えたジユ−ル・トムソン式装置 - Google Patents

感温環状膨脹流路を備えたジユ−ル・トムソン式装置

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JPH0718610B2
JPH0718610B2 JP50586486A JP50586486A JPH0718610B2 JP H0718610 B2 JPH0718610 B2 JP H0718610B2 JP 50586486 A JP50586486 A JP 50586486A JP 50586486 A JP50586486 A JP 50586486A JP H0718610 B2 JPH0718610 B2 JP H0718610B2
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Description

【発明の詳細な説明】 発明分野 本発明は一般に気体を液化する極低温冷却装置に関し、
特に改良式ジュール・トムソン式膨脹弁およびこれを用
いた低温装置に関する。本発明は小形ジュール・トムソ
ン式冷却システムに関係して特に有用である。
従来技術の説明 気体はジュール・トムソン膨脹として知られた定エンタ
ルピープロセスで高圧から低圧に膨脹することによりそ
れ等の気体の液化温度以下に冷却することができる。こ
の膨脹直前の気体の温度がその気体の逆転温度（この温
度以下では膨脹により温度が低下する。）より十分低い
場合は、この気体は膨脹に際して相変化を行い、２種類
の異なる流体、即ち飽和液体（有用な生成物）と飽和蒸
気を形成する。このような気体の膨脹は一般にいわゆる
ジュール・トムソンの膨脹弁により行われる。
本発明はリンデ・ハンプソン（Linde−Hampson）クラス
の小形液化装置に特に適用可能で、この装置では通常、
最終段の逆流復熱式熱交換機（通常は、ジオーク・ハン
プソン熱交換機と呼ばれる。）と一体化したジュール・
トムソン式膨脹弁を備えた低温装置を用いている。第１
図は以上に説明したような従来の低温装置を図示したも
のである。参照番号10で示した低温装置はある長さの微
細内孔を持つひれ付管14を螺旋状に巻回した細長いマン
ドレル或いはコア12を備えている。このチューブ14は固
定開口を有した端部16で終り、この開口12は部分的に制
限され、且つジュール・トムソン式膨脹オリフィスを構
成している。これ等の巻された管14とジュール・トムソ
ン式オリフィス16は装置の低温端部に対応する１端部20
で閉じた外装18に収容されている。通常はこの外装はジ
ュワー壜の１部として組付けられ、またこれに既に記載
した成分が挿入されるように構成されている。
低温装置10を動作させる場合は、高圧冷却液（冷却ガ
ス）が管14を通して膨脹オリフィス16に供給される。こ
の冷却流体の非液化部分は熱交換器に沿って（図の左
手）流れ戻り、入って来た気体を予冷し、次に冷却系を
通して再循環される。通常はスペーサストランド22が、
ひれ付き管14の隣接通路の間でコア12と外装18の内周の
周りにラップされ、非液化冷却流体が管14のひれの間を
流れ、良好な熱交換が行われる。液化冷却流体は（外装
の開口を通して）有用な生成物として除去される。
以上に説明した装置の冷却は基本的には次のように行わ
れる。先ず、入って来た高圧気体が逆転温度以下の温度
にあると仮定すると、この気体はジュール・トムソン式
オリフィスを通してより低い温度に膨脹する。装置の起
動時には、気体の初期温度は液体を形成する程十分低く
はない。全ての膨脹気体はひれ付きチューブ熱交換器に
沿って戻され、再循環する。冷却膨脹気体が熱交換器に
沿って流れると、これはこのように予冷された他の導入
気体から熱を吸収する。かくして、この他の気体は初期
気体の場合より更に低い温度から膨脹し、従って膨脹後
の温度は更に低くなる。次に、この他の気体は更に他の
流入気体を更に低い予備膨脹温度に予冷し、以下この動
作が反復される。このブートストラッププロセスは、流
入気体が液体成分が形成される反転温度より十分低くな
るまで継続され、その後システムは平衡になり、液体が
除去され、他の気体が補充として供給される。
第１図に示したような従来の固定式オリフィスジュール
・トムソン装置は実際には２つの重要な欠点を有してい
る。第一に、固定膨脹オリフィスを有するため、このよ
うな装置は初期冷却速度が遅く、温度調節が十分でない
という問題がある。特に、固定オリフィスの場合、流体
の全体としての流量が冷却が進むにつれて増加する。し
かしながら、流量が増すと急速な冷却と良好な温度調節
のための基準を（即ち、一様な温度を維持すること）満
たさなくなる。これ等の目的を達成するには、初期流量
が最大で（冷却を急速にするために）、温度が設計条件
に近づくにつれ流量を低減させ、また設計温度を維持す
るために必要に応じて流れを一時的に停止させることが
必要である。
固定式オリフィスジュール・トムソンシステムは第二
に、冷却液流からの濃厚汚染物の蓄積により目詰りが生
じるという問題があった。特に、流入気体はジュール・
トムソンオリフィスを通して膨脹するので、気流に含ま
れか汚染物が凝縮、凝固し、そしてオリフィスに蓄積
し、時には気流が完全に閉塞されるという事態が生じ
た。その後この気流は、汚染物が溶解し、冷却気体の圧
力により吐出される程十分に装置の温度が上昇した時に
回復された 多くのジュール・トムソン膨脹装置が従来提案されてお
り、これ等の装置には気流を絞って、固定オリフィス装
置の温度特性を改良するための機構が備えられていた。
このため最も共通して提案された機構は温度に応答する
ニードル弁であろう。このニードル弁に要求された温度
感度を付与する多くの構成が案出されており、これには
例えば温度に応ずるベローズ配列や熱膨脹係数の異なる
構造成分を組込んだアセンブリなどが挙げられる。しか
しながらこれ等の装置は一般に、ニードル要素を膨脹開
口の内外に移動させるために要求される構造のために非
常に複雑であった。これ等の装置は更に温度感度が低い
場合が多かった。更に、ニードル弁型装置は凝縮汚染物
により閉塞され易いという欠点があった。
発明の要約 本発明によれば、従来技術の上記の欠点およびその他の
欠点は環状膨脹開口に至る収束環状流路を通しての冷却
流体の膨脹により排除される。上記流路の有効流域は冷
却流体の温度変化に応じて調節自在である。特に、本発
明は、その広汎な目的の一態として、ジュール・トムソ
ン式膨脹弁を提供し、この弁は、ほぼ円錐台形状の弁部
材をこの弁部材の基部で支承する第１の手段と、上記弁
部材の長さ方向部分の周囲方向に隣接するテーパ状弁座
を支承する第２の手段により構成される。この弁座は上
記弁部材の基部に対向するこの弁部材の自由端部に向け
て収束し、これにより弁部材および弁座の対向面は上記
弁部材の自由端部に隣接する環状膨張開口で終結する収
束環状流路を画成する。本発明による装置は更に膨脹開
口の上流に配置された流路に高圧冷却流体を導入する手
段を備え、更に流路の有効流域を低減させるために冷却
流体の温度減少に応じて弁部材の基部に向けて軸方向に
弁座を引出し、且つ流路の有効流域を増すために冷却流
体の温度上昇に応じて上記冷却材の基部から軸方向に弁
座を抜取る感温手段を備える。
本発明の作動試験によれば、膨脹弁は流路を通しての冷
却流体流の拡散を惹起するラビリンススポイラー手段を
備えることが望ましい。このスポイラー手段は上記円錐
台形状弁部材の外周面に形成された１つ以上の円周溝の
形態をなしており、この溝は更に冷却流体に含有された
汚染物を捕捉する捕捉リザーバとしても用いられる。上
記感温手段は有効熱膨脹係数の異なる第１および第２手
段により構成され、第１手段の有効熱膨脹係数は第２手
段のものより小さく構成される。
好ましい実施例によれば、上記第１手段は第１および第
２端部を備えた細長いシャフト手段を備え、上記弁部材
はこのシャフト手段の第１端部で支承される。上記第２
手段は上記シャフト手段の長さの主要部分に沿ってシャ
フト手段を囲繞する細長い外装手段を備え、この外装手
段は第１および第２端部を備え、上記テーパ状弁座は外
装手段の第１端部の内周で支承される。これ等のシャフ
ト手段と外装手段のそれぞれの第２端部は、適切な保持
手段により選択された相対的長手方向位置に保持され
る。該保持手段は上記収束環状流路を較正するために上
記選択された位置を変えるように調節される。
本発明の他の広い態様によれば、ジュール・トムソン式
冷却器が提供され、この冷却器はほぼ円筒状のコアシャ
フトからなり、このシャフトはその１端にほぼ円錐台形
状のチップを備え、このチップはその基部より小さな断
面寸法の自由端部を有する。更に、上記冷却器は管状外
装を備え、この外装は上記コアシャフトにわたって摺動
自在に受容され、且つ１端部に、上記円錐台形チップの
長さ方向部分を、隔置されて、囲繞する内周弁座を備え
る。上記弁座は、チップの基部に向うより大きな断面寸
法からチップの自由端部に向うより小さな断面寸法に向
けてテーパ状に形成され、これにより上記チップと弁座
の対向面はチップの自由端部に隣接する環状膨脹開口に
至る収束環状流路を規定する。チップとその弁座支承端
部に対向するコアシャフトと外装のそれぞれの端部は保
持手段により選択された相対的長手方向位置に保持さ
れ、更に冷却流体管が上記外装周りに螺旋状にラップさ
れ、且つ上記収束環状流路と連通して、膨脹開口の上流
位置に形成された流路に高圧冷却流体を導入する端部を
備える。上記コアシャフトは上記外装のものより小さな
熱膨脹係数を持ち、これにより冷却流体の温度変化に応
じたコアシャフトと外装の間の膨脹と収縮の差に起因す
るチップと弁座の相対的な長手方向の移動により調節自
在に構成される。
図面の簡単な説明 本発明の更に詳細な事項並びにその利点は図面に関連し
て取られた好ましい実施例の記載により明らかになろ
う。
第１図は従来技術による冷却器の、断面を部分的に示し
た、側面図であり、 第２図は本発明による冷却器の横断面側面図であり、 第３図は第２図の冷却器の膨脹弁部分の拡大断面図であ
り、 第４図は本発明の他の実施例の詳細を示す破断断面図で
あり、 更に 第５図は本発明の更に他の実施例の詳細を示した破断断
面図である。
好ましい実施例の説明 第２図は本発明によるジュール・トムソン式膨脹弁60を
組込んだ冷却器30を示している。本実施例においては、
膨脹弁60は、ほぼ円筒状断面の細長いコアシャフト40の
形態をなす第１手段の端部に支承されたほぼ円錐台形状
の弁部材62を備えている。以後明らかになる目的のため
に、コアシャフト40は弁部材62を有した主セクション42
と、その対向端部に支承されたエクステンション部44と
を備える。
膨脹弁60は更に、コアシャフト40に沿って摺動自在に受
容され、それと同軸をなす管状外装50の形態をなす第２
手段により弁部材62の長手方向部分に円周方向に隣接し
て支承されたテーパ状弁座62を備える。外装50は、図示
のように、コアシャフトの長さの主要部に沿ってコアシ
ャフト40を囲繞している。コアシャフト40と外装50は、
部分的にマンドレルを構成し、このマンドレルの周りは
ひれ付冷却流体管32で包まれ、従来の方法により固定さ
れる。上記管32の１端部33は、後に説明するように、膨
脹弁60に接続される。以下に詳述するように、シャフト
セクション42と44および弁部材62により構成されたコア
アセンブリは、弁60からの膨脹流体の温度に応じて弁60
を調節自在にするために外装50より有効熱膨脹係数が低
くなるように形成される。
第２図を更に参照すると、冷却器30の膨脹部分および熱
交換器部分は、１端部が閉じられるシリンダの形態をな
した外装34内に収容されているのがわかる。外装34の閉
鎖端部は気体流出弁60のための膨脹室36を規定し、また
この室から液化冷却気体が適切な従来の手段（図略）に
より回収される。膨脹冷却気体の非液化部分は、外装50
と外部外装34の間でラップされた管32に沿って元に流
れ、管内の流入高圧気体から熱を吸収し、これによりこ
の流入気体は膨脹前に予備冷却される。次に、上記膨脹
気体が外部外装34の開放端部の流出口（図略）から流出
する。
実際には、外部外装34は通常冷却器30と共に用いられる
デュワー壜内に組込まれて液化生成物を収容し、また熱
交換器と冷却器のジュール・トムソン式膨脹部分は外装
に挿入されるのが好ましい。但し、これは本発明の理解
を容易にするために示したものである。
次に、ジュール・トムソン式膨脹弁60の構造を詳細に説
明する。第３図も参照すると、一般に、円錐台形状の弁
部材62がその自由端部66に向けて、コアシャフト40の主
セクション42に装着された基部68から収束していること
がわかる。弁部材の基部68の外周は管状外装50の内周に
従うように非テーパ状になされ、自由端部66は上記基部
68に対して断面寸法が低減されている。弁部材62は、基
部68から軸方向に突出し、且つコアシャフトセクション
42の当該端部で対応するソケット46に受容されたピン70
によりコアシャフトの主セクション42に装着される。こ
のピン70は、図示のように、外部に溝が形成され、コア
シャフトセクション42への弁部材62の固着を容易にして
いる（例えば、エポキシ系接着剤を受けるように）。更
に、弁部材62はコアセクション42と一体に形成しても良
い。
弁座64は、弁部材の基部68に向うより幅広い断面寸法か
ら弁部材の自由端部に向うより狭い断面寸法へ収束する
環状くさびの形態をなしている。弁60の製造を単純にす
るために、弁座64が個別要素として形成され、これは外
装50の内周に挿入され且つ確保される。この弁座は勿論
外装50と一体的に形成されてもよい。
第３図に示した本発明によれば、弁部材62と弁座64は環
状流路72を規定するようにわずかに隔置された当該弁部
材62と弁座64の対向周面と共に配列されており、上記流
路72は弁部材62の自由端部66に向けて収束し、且つ弁部
材の自由端66に隣接する環状膨脹開口74に至っている。
本実施例の流路72は、弁部材62の外周面に切削形成した
１対の円周溝76、77の１つによりその長さ方向に沿って
遮断されている。上記の溝76、77（これ等は図示した形
態をなしており、弁部材表面にほぼ垂直に切削されてい
る。）はまもなく説明する２つの非常に重要な実際的な
目的に利用される。
高圧気体を弁60に導入するために、外装50は収束環状流
路72の上流端部78に連通する周囲開口52を備えている。
図示した形態においては、上記開口52は流路72の端部78
に隣接するスポイラー溝77と整合してある。冷却気体
が、外装50の外周に確保された環状高圧アダプタ80によ
り開口52を通して上記整合された溝に、従って流路に供
給される。上記高圧アダプタ80は、管32の端部33が受容
される開口82と、上記アダプタの開口82と外装の開口52
の両者に連通する内周チャネル或いは溝84を備えてい
る。
ここで再び第２図を見ると、膨脹器60に対向する冷却器
30の端部には（即ち、冷却器の「暖かい（warm）」端部
には）、コアシャフト40と外装50の端部が較正アセンブ
リ100に接続され、このアセンブリ100は選択された相対
的軸方向位置にコアシャフトと外装を保持するように作
用する。これ等のコアと外装の選択された位置は以下に
説明するように調節自在である。
以上に説明したように冷却器30の基本構造が与えられる
と、外装50より有効熱膨脹係数が小さくなるようにコア
アセンブリ42、44、62を構成する目的が直ちに理解され
るであろう。特に、冷却器30の温度が減少するに従っ
て、外装はコアアセンブリよりより迅速に収縮する。従
って、弁座64は基部68の方向に（第２図および３図では
左手へ）弁部材62にわたって軸方向に引張される。従っ
て、弁部材62と弁座68の対向周面間のクリアランスが低
減され、収束環状流路72の有効流域が低減される。逆
に、冷却流体の温度が上昇すると、外装50はコアアセン
ブリより迅速に膨脹し、これにより弁部材から軸方向に
弁座を抜出す（第２図および３図の右に）。これは弁部
材と弁座の対向周面間のクラアランスを増加させ、従っ
て収束流路72の有効流域を増加させる。今述べたコアア
センブリと外装の間の長手方向の収縮と膨脹の差は膨脹
弁要素62と64の間の直径の収縮と膨脹の差に伴うもので
あり、これは収束流路72の温度感度に寄与する。
既に注目したように、弁部材62の表面に形成された溝7
6、77は２つの特別に重要な目的に用いられる。先ず、
これ等の凹んだ部分即ち溝はラビリンススポイラーとし
て動作し、ジュール・トムソン弁を流れる冷却流体流の
拡散を惹起して弁の流入、流出口側の間の圧力差を増強
する。第２に、これ等の溝は冷却気流に含まれる汚染物
を捕捉する捕捉リザーバとして動作する。この捕捉リザ
ーバとしてのスポイラーの効果は実際にはかなり重要で
あり、即ちこれにより膨脹弁60が凝縮汚染物による目詰
りに対して十分に耐性になされる。この耐閉塞性は信頼
度の高い長時間動作を可能にし、保守要件を最小に保持
しなければならない用途に本発明を特別に適したものに
する。更に、弁60の設計は閉塞に対して感度が低いの
で、弁は従来のジュール・トムソン装置で使用されるも
のよりはるかに低い純度の冷却気体で動作可能である。
従来の装置では高純度の気体を必要とするので、冷却流
体だけでなく関連する極低温冷却システム全体のコスト
を増加させることになる（濾過の必要性およびその他の
設備が必要となるために）。
本発明を実施する場合には、その用途に応じて種々の溝
数を選定することができる。実際には若干の用途の場合
はこれ等の溝がなくても、収束環状流路自体が円形膨脹
弁より閉塞に対してより耐性なので、適切な性能を得る
ことができる。しかしながら、これ等の溝は、これ等が
与える重要な利点のために、一般に必要とされる。
ここで再び第２図を参照すると、特定の用途のための所
定の流れ基準を冷却器が与えることができるように、保
持手段アセンブリ100は、コアシャフト40と外装50が選
択された相対的な軸方向位置に保持されるように、調節
自在になされる。特に、アセンブリ100は、弁部材62と
弁座64の対向周面間のクリアランスを変化させるために
コアと弁60に対向する外装のそれぞれの端部48と54の間
の位置関係の調整を可能にするように構成されている。
上記のクリアランスを変化させることにより、収束環状
流路72の有効流域を較正することができる。
第２図の実施例によれば、上記調節手段100は一般に管
状で、コアエクステンション44にわたって摺動自在に受
容されるアダプタ部材102を備えている。このアダプタ1
02は、図示のように、管32の流入口端部35を冷却流体供
給ライン106に接続する偏心内腔104を備える。このアダ
プタ102は更に、108で示したように、外装50の端部54を
確保する拡大直径の前方端部と共に中央内腔を備えてい
る。エクステンション44の対応する円周溝にはＯリング
シール110が設けられて、エクステンション44の周囲と
アダプタ102の内周面の間を封止し、これによりコアエ
クステンション44とアダプタ102の対向周面に沿い、外
装50の端部54を通して冷却気体が漏出しないようになさ
れる。
フダプタ102とコアエクステンション44はこれ等の間で
共同自在のキーとキー溝手段112、114を備えており、こ
のキー112は、コアエクステンション44のソケットに部
分的に挿入され且つアダプタ部材102のキー溝114内に部
分的に配置されたピン形状をしている。これ等のキーと
キー溝手段112、114はコアシャフト40とアダプタ102の
間の相対的な長手方向の移動は許容するが、これ等の要
素の間の相対的な回動運動は許容しない。
コアシャフト40と外装50の間の適切な較正運動を行うた
めに（より正確には弁部材62と弁座64の間の）、調節部
材120は、コアエクステンション44の螺合端部ピン116を
螺合自在に受ける長手方向の内腔122を備えている。更
にこの調節部材120は、図示のように、調節部材120の内
周とアダプタ102の外周に形成した対向溝の間で共同す
るＣ−クリップによる保持器クリップ118によってアダ
プタ102に結合されている。この調節手段120は、コアシ
ャフト40の軸線周りに調節部材を回動させ且つアダプタ
102と調節部材120を軸方向に固定するように維持するよ
うに作用するとＣクリップ118と共に、止め金具として
動作する。
収束環状流路72を較正のために調節するために、調節部
材120はコアシャフト40の軸線周りに回動される。この
場合、Ｃクリップ118があるので、調節部材120はアダプ
タ102に対して軸方向に変位しないようになされてい
る。しかしながら、調節部材120とコアシャフトエクス
テンション42との螺合係合、並びにキーとキー溝手段11
2、114の共同動作のために、コアシャフト（特に、エク
ステンション44）はアダプタ部材102内で滑動が惹起さ
れる。外装50はアダプタ102に固定確保されているので
（また、コアシャフト40にわたって摺動自在に受容され
て）、上記のコアシャフトの滑動運動はコアシャフト40
の、外装50に対する軸方向変位を与え、これにより弁部
材62と弁座64の間に対応するクリアランスの変化をもた
らす。
収束環状流路72の所望の設定がなされたら、調節部材12
0は、図示のように、調節部材120の後端部にわたって嵌
合するロッキングキャップ124により適切にロックされ
る。このロッキングキャップ124は、後部から内腔122に
螺合する中央の螺合プラグ126を備えている。このロッ
キングキャップ124は、プラグ126がコアエクステンショ
ン44のピン116と端部で当接するように螺合されるまで
回動され、かくしてロッキング作用を与えるようになっ
ている。較正アセンブリ100は冷却器30の動作中に装置
の調節が自在であるという重要な利点を与えることは明
らかである。
特定の構成材料に関しては、当業者には明らかなよう
に、本発明の実施のためには多くの材料の組合わせが可
能である。但し、多くの構造要素に対する或る望ましい
特定が考慮されなければならない。円錐台形形状の弁部
材62の場合は、収束環状流路を流れる高速気流の浸蝕作
用に耐性のある硬質材料が望ましい。弁部材に供する材
料は更に熱膨脹係数が小さくなくてはならない。これに
は、ニッケル34％、鉄66％からなる硬質金属であるイン
バール（Invar）が弁部材の適切な材料例として用いら
れる。主コアセクション42に対しては、熱膨脹係数が小
さく、熱伝導率が小さな材料が望ましく、例えば、ガラ
ス繊維強化エポキシ複合材料が用いられ、これは例えば
10％ガラス繊維で強化された熱硬化性プラスチックとし
てのＧ−10が適当である。このＧ−10は例えばSynthane
−Taylor of Laverne,Californiaから（Ｇ−10CRの名前
で）市販されている。
外装50に関しては、熱膨脹係数と熱伝導率は大きいもの
が望まれる。外装50と弁座64には7075−T6アルミニウム
が用いられる。この特定のアルミニウムの膨脹係数は一
般には比較的小さいが、この材料の与える寸法変化は小
形ジュール・トムソンエキスパンダーにおけるように微
細な公差範囲では重要である。
較正アセンブリ100の基本成分102、120、124は303スラ
ンレススチールなどで構成されるとよく、従ってコアエ
クステンション44が同一材料で形成されると都合がよ
い。特に、ステンレススチールはＧ−10より容易に加工
でき、コアを較正アセンブリに結合するのに必要な特徴
を与え得るので、主コアセクションに装着された分離し
たコアエクステンションを用いると都合が良い。較正ア
センブリのＯリングシール110はTEFLON製である。
本発明を制限せずに用いられる構成パラメータは例えば
以下の通りである。
弁部材（Invar）：全長.412″、 基部から自由端部までの長さ.312″、 自由端部での直径.05″、 基部の直径.09″、 頂角９〜10°、 スポイラー０〜４（深さ.015″、幅.0
2″） 主コアセクション（Ｇ−10）： 長さ1.66″、直径.09″、 コアエクステンション： 長さ.80″ （303ステンレススチール） 直径.09″、 外装（7075−T6Al）： 長さ2.125″、 内径0.0935″、 外径.113″ （拡大端部で.125″） 弁座： 長さ.235″、 （7075−T6A2） .05″に収束する内径 .0932″、 夾角10° 高圧アダプタ： 直径.07″ （7075−T6Al） 内径.1135″ 較正アダプタ部材： 長さ.375″ （303ステンレススチール） 内径.0935″ （拡大端部で.125″） 調節部材： 長さ.375″ （303ステンレススチール） 内腔ねじピッチ72 冷却器30の各種要素を確保するには、軟ろう付が強度並
びに耐久性に対する好ましい方法である。但し、本発明
の他の成分装着手段、特にエポキシ系接着剤を用いて成
功している。
構成パラメータは勿論、特定用途の要件に依存してケー
ス毎に相当の変化をさせることが望ましい。例えば、通
常の用途の場合、円錐台形状の弁部材の収束周面により
規定される頂角は約５°から約30°の範囲にあり、弁座
の収束周面の夾角も同じ範囲にあり、一般に弁部材のテ
ーパに相補的である。勿論、これ等の角度が大きくなる
と、コアアセンブリ40、62に対する外装50の収縮量を一
定にした場合、収束環状流路72の有効面積の変化も大き
くなる。弁を完全に閉じた時（即ち、弁座が対向面を接
触させるのに十分な程弁部材から引き抜かれた時）流路
を規定する対向面が互いに固着しないようにするため、
弁部材の頂角は弁座の夾角より約１°、好ましくは約1/
4°小さくなされると都合が良い。
ここで、第４図および５図を参照して、本発明の２つの
他の実施例を説明する。但し、同図で、第２図および３
図に示したものに対応する要素は対応する参照番号で示
してある。これ等の図はジュール・トムソン膨脹器に冷
却液を供給するチューブの終端のアタッチメントの他の
形状、及び膨脹器の較正機構の他の方法を各々描いたも
のである。
第４図の装置においては、高圧アダプタ80はジュール・
トムソン膨脹部に管端部33′を直接結合することにより
省略されている。特に、管端部33′は外装50′の開口5
2′に挿入され、この開口はラビリンススポイラー溝7
7′に整合されて、収束環状流路72′の上流端部への流
入冷却流体の分布を一様にするように構成してある。
第５図は本発明による差動ねじ式較正機構100′を示し
たものである。この実施例では、主コアセクション42′
（コアエクステンションは設けてない。）は第１のピッ
チで（例えば、インチ当り40個のねじ山）外部から螺合
された端部ピン143を備え、一方外装端部54′は異なる
ピッチ（例えば、インチ当り39個のねじ山）で外部から
螺合される。コアと外装部分143と54′のそれぞれのね
じは同一方向に螺合される（例えば、共に右ねじ）。指
貫きの形態をなす調節部材130は螺合内腔132と134を備
え、これ等の内腔はそれぞれコアと外装の端部を受容す
るように構成される。コアと外装は図中136で示した共
同自在のキーとキー溝手段により結合され、この手段は
コアと外装の間の相対軸方向移動は可能にするが、それ
等の間の相対的回動は防止するように構成されている。
従って、コアシャフトの軸線周りに指貫き130を全回転
させる毎に、コアシャフトと外装は２つの部材のそれぞ
れのねじピッチの差に等しい量だけ−ここでは、.0256
4″（1/39″）、.025″（1/40″）或いは.00064″以下
−互いに軸方向に変位される。以上に説明した構成アセ
ンブリ100′は当該冷却器の動作時に調節自在であるこ
とが好ましい。
以上、本発明は幾つかの好ましい実施例として説明して
来たが、添付した請求の範囲に示した本発明の原理と範
囲から逸脱せずに多くの変更並びに変形が可能なことは
当業者には明らかである。本発明の広い適用範囲内で、
本発明の実例には、宇宙船中の極低温の断熱デュワー壜
の中に貯蔵された液体水素および酸素燃料源から沸騰し
た蒸気を凝縮させたり、また従来の工業、医学、研究、
および防衛などの分野で用いられるヘリウムや窒素の液
化への応用が考えられる。
従来の固定オリフィス形低温槽に対する本発明によるプ
ロトタイプの低温槽の比較試験（窒素を用いた）による
と、本発明による装置では冷却が迅速で温度調節が円滑
であり、凝縮汚染物による閉塞なしに長時間にわたる連
続動作が可能であった。一方、従来の装置では、冷却時
間がかなり長く、温度調節が不十分で、また試験条件に
もよるが、６〜60分の連続動作で凝縮汚染物による閉塞
が見られた。本発明による装置に対する試験結果は、流
入口気圧が1000〜3000psi、初期気体流量が15〜30lpm
で、通常の冷却期間がわずか10分程度などの多くの条件
の下で良好であった。

Claims (55)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ジュール・トムソン式膨張弁装置におい
    て、第１手段はほぼ円錐台形状の弁部材を該部材の基部
    で支承し、第２手段は前記弁部材の長さ方向の部分に対
    し円周方向に隣接するテーパ状弁座を支承し、前記弁座
    は前記弁部材の前記基部に対向する前記弁部材の自由端
    部に向けて収束し、前記弁部材と前記弁座の対向面が前
    記弁部材の前記自由端部に隣接する環状膨張開口におい
    て終了する収束環状流路を規定し、高圧冷却流体を前記
    膨張開口の上流位置で前記流路に導入するようになした
    手段と、前記流路の有効流域を低減させるために前記流
    体の温度低下に応じて前記弁部材の前記基部に向けて前
    記弁座を引抜き、且つ、前記流路の有効流域を増加させ
    るために前記流体の温度上昇に応じて前記弁部材の前記
    基部から前記弁座を抜取るようになされた感温手段とを
    有し、前記流路を流れる冷却流体流が該流体の温度変化
    に応じて調節自在となるようにしたジュール・トムソン
    式膨張弁装置。
  2. 【請求項２】前記流路を流れる冷却流体流を拡散せしめ
    るラビリンススポイラー手段を備えてなる請求の範囲第
    １項に記載の装置。
  3. 【請求項３】前記弁部材は前記冷却流体に含まれる汚染
    物を捕捉する手段を備えてなる請求の範囲第１項に記載
    の装置。
  4. 【請求項４】前記捕捉手段は前記流路の長さ方向に沿う
    位置に前記弁部材に形成された円周溝である請求の範囲
    第３項に記載の装置。
  5. 【請求項５】前記感温手段は、前記第１手段および前記
    第２手段をそれぞれ異なる有効熱膨張係数の異なる材質
    で形成することにより構成され、前記第１手段の有効熱
    膨張係数は前記第２手段よりも小さいことを特徴とする
    請求の範囲第１項に記載の装置。
  6. 【請求項６】前記第１手段は第１および第２端部を有す
    る細長いシャフト手段であり、前記弁部材は前記シャフ
    ト手段の前記第１端部で支承され、前記第２手段は前記
    シャフト手段のほぼ全長にわたって該シャフト手段を囲
    繞する細長い外装手段であり、該外装手段は第１および
    第２端部を有し、前記テーパ状弁座は前記外装手段の前
    記第１端部の内周で支承され、更に、前記シャフト手段
    の第２端部と前記外装手段の第２端部とを互いに任意の
    相対的長手方向位置で保持する手段を備えてなる請求の
    範囲第５項に記載の装置。
  7. 【請求項７】前記保持手段は前記相対位置を調節する手
    段を備える請求の範囲第６項に記載の装置。
  8. 【請求項８】ジュール・トムソン式膨張弁装置におい
    て、細長いコア手段が、その一端部にほぼ円錐台形状の
    チップを有し、該チップはその自由端部に向けて収束
    し、 該コア手段の１部を囲繞して該コア手段の長手方向に相
    対的に移動する細長い外装手段はその一端部にテーパ状
    の内周弁座を備え、該弁座は前記円錐台形状チップに対
    しほぼ相補的な形状をなし、且つ前記チップの外周部分
    と円周方向に当接する如く構成され、前記弁座と前記チ
    ップの対向テーパ面は前記チップの前記自由端部に画成
    される環状流出口開口に至る収束環状流路を規定し、 更に、冷却流体を前記流出口開口の上流位置で前記流路
    に導入する手段を備え、 前記コア手段は前記外装手段より小さな有効熱膨張係数
    を持ち、これにより、前記外装手段は、該外装手段と前
    記コア手段の間で、前記冷却流体の温度変化に応じて前
    記流路の有効流域を調節するように、膨張と収縮の差に
    より前記コア手段に対して長手方向に移動自在になされ
    たジュール・トムソン式膨張弁装置。
  9. 【請求項９】前記流路を流れる冷却流体流を拡散せしめ
    るラビリンススポイラー手段を備えた請求の範囲第８項
    に記載の装置。
  10. 【請求項１０】前記流路の長さ方向に沿って配置され
    て、前記冷却流体に含まれる汚染物を捕捉する手段を備
    えた請求の範囲第８項に記載の装置。
  11. 【請求項１１】前記捕捉手段は前記弁部材に形成された
    円周溝から構成されてなる請求の範囲第10項に記載の装
    置。
  12. 【請求項１２】前記捕捉手段は複数の前記溝を備える請
    求の範囲第11項に記載の装置。
  13. 【請求項１３】前記円錐台形状チップは約５°〜約30°
    の範囲に頂角を規定し、また前記テーパ状弁座は約５°
    〜約30°の範囲に前記チップに対しほぼ相補的に角度付
    けされてなる請求の範囲第８項に記載の装置。
  14. 【請求項１４】前記頂角と前記相補角は等しく形成され
    てなる請求の範囲第13項に記載の装置。
  15. 【請求項１５】前記頂角は前記相補角よりわずかに小さ
    く形成されてなる請求の範囲第13項に記載の装置。
  16. 【請求項１６】前記頂角は前記相補角より約1/4°〜約
    １°小さく形成されてなる請求の範囲第15項に記載の装
    置。
  17. 【請求項１７】前記コア手段の端部と、該端部に対向す
    る前記外装手段の端部とを任意の長手方向位置に相対的
    に保持する手段を備えてなる請求の範囲第８項に記載の
    装置。
  18. 【請求項１８】前記保持手段は前記選択された位置を調
    節する手段を備えてなる請求の範囲第17項に記載の装
    置。
  19. 【請求項１９】前記コア手段は一端部に前記チップを有
    し且つ他端部を前記保持手段に確保されたシャフトから
    なり、前記外装手段は前記シャフトをその全長にわたっ
    て摺動自在に受容するとともにその一端部に戦記テーパ
    状弁座を有し、且つ前記保持手段に確保された対向端部
    を有する請求の範囲第18項に記載の装置。
  20. 【請求項２０】前記調節手段は、前記シャフトの前記対
    向端部にわたって摺動自在に受容され、且つ前記外装の
    前記対向端部に固着されたアダプター部材と；前記シャ
    フトの前記対向端部と螺合自在に係合され、且つ前記ア
    ダプター部材に、長手方向に固定された関係で、回動自
    在に結合された螺合調節部材と；前記シャフトと前記ア
    ダプター部材の間で共同して、前記シャフトと前記アダ
    プター部材の間で相対的な長手方向の移動を与えるが、
    前記シャフトと前記アダプター部材の間の相対的な回動
    を防止するキーおよびキー溝手段とからなる請求の範囲
    第19項に記載の装置。
  21. 【請求項２１】前記調節手段は、前記シャフトと前記外
    装の間で共同して前記シャフトと前記外装の間の相対的
    な長手方向の移動を許容し、且つ前記シャフトと前記外
    装の間の相対的回動を防止するキー並びにキー溝手段
    と、前記外装の前記対向端部と第１ピッチのねじにより
    螺合自在に係合された第１部分を備え、且つ前記シャフ
    トの前記対向端部と異なるピッチのねじにより螺合自在
    に係合された第２部分を備えた螺合調節部材とから構成
    されてなる請求の範囲第19項に記載の装置。
  22. 【請求項２２】ジュール・トムソン式冷却器において、
    ほぼ円筒状のコアシャフトはその一端部にほぼ円錐台形
    状のチップを有し、該チップはその基部より小さな断面
    寸法の自由端部を有し、管状外装は該コアシャフトのほ
    ぼ全長を摺動自在に受容し、且つその一端部に前記チッ
    プの長さ方向部分を隔置されて囲繞する内周弁座を有
    し、前記弁座を前記チップの前記基部側の大きな断面寸
    法から前記チップの前記自由端部側の小さな断面寸法へ
    テーパ状に形成することにより、前記チップと前記弁座
    の対向面は前記チップの前記自由端部に形成される環状
    膨張開口に到る収束環状流路を規定し、保持手段は前記
    コアシャフトの一端部と該端部に対向する前記外装の端
    部をそれぞれ任意の相対的長手方向位置に保持し、冷却
    流体管手段は前記外装周囲に螺旋状にラップされ、且つ
    前記収束環状流路に連絡して高圧冷却流体を前記膨張開
    口の上流位置にある前記流路に供給し、前記コアシャフ
    トは前記外装より小さな熱膨張係数を有することにより
    前記流路の有効域を、前記冷却流体の温度変化に応じた
    前記コアシャフトと前記外装の間の膨張と収縮の差の結
    果として前記チップと前記弁座の相対的長手方向の移動
    により調節自在になすことを特徴とするジュール・トム
    ソン式冷却器。
  23. 【請求項２３】前記円錐台形チップは約５°から約30°
    までの範囲の頂角を規定し、また前記テーパ状弁座は約
    ５°から約30°までの範囲に前記チップの頂角にほぼ相
    補的に角度付けされてなる請求の範囲第22項に記載の冷
    却器。
  24. 【請求項２４】前記頂角と前記相補角は等しくなされる
    請求の範囲第23項に記載の冷却器。
  25. 【請求項２５】前記頂角は前記相補角よりわずかに小さ
    くなされる請求の範囲第23項に記載の冷却器。
  26. 【請求項２６】前記頂角は前記相補角より約1/4°から
    約１°小さい請求の範囲第25項に記載の冷却器。
  27. 【請求項２７】前記流路を通過する冷却流体流に拡散を
    惹起するラビリンススポイラー手段を備えてなる請求の
    範囲第22項に記載の冷却器。
  28. 【請求項２８】前記チップは前記冷却流体に含まれる汚
    染物を捕捉する手段を備えてなる請求の範囲第22項に記
    載の冷却器。
  29. 【請求項２９】前記捕捉手段は前記チップに円周溝を備
    えてなる請求の範囲第28項に記載の冷却器。
  30. 【請求項３０】前記外装は前記円周溝に整合された開口
    を備え、且つ前記管手段の前記端部は前記開口に接続さ
    れてなる請求の範囲第29項に記載の冷却器。
  31. 【請求項３１】前記外装は前記流路に連通した開口を備
    え、また環状アダプタが前記外装の外周に装着され、該
    アダプタは前記外装の前記開口に連通した内周チャネル
    を備え、且つ該チャネルに連通した流入口開口を備え、
    前記冷却流体管手段の前記端部が前記流入口開口に接続
    されてなる請求の範囲第22項に記載の冷却器。
  32. 【請求項３２】前記保持手段は前記調節位置を変化させ
    ることにより前記流路の有効流域を較正する手段を備え
    てなる請求の範囲第22項に記載の冷却器。
  33. 【請求項３３】前記調節手段は前記コアシャフトの前記
    対向端部を摺動自在に受容し、且つ前記外装の前記対向
    端部を確保する拡大内径の前方端部を有したほぼ管状の
    アダプタ部材と；前記コアシャフトの外周と前記管状ア
    ダプタ部材の内周との間を封止する手段と；前記コアシ
    ャフトと前記アダプタ部材の間の相対的回動を防止する
    が、それ等の相対的長手方向移動は許容する手段と；前
    記コアシャフトの前記対向端部の螺合部分と螺合して前
    記コアシャフトの軸線周りに回動自在であり、前記アダ
    プタ部材に回動自在に結合されるが前記アダプタ部材に
    対して長手方向に固定された螺合調節部材とを備えてな
    る請求の範囲第32項に記載の冷却器。
  34. 【請求項３４】前記コアシャフトの前記対向端部の螺合
    部分は前記調節部材の後端部を通して延在する螺合軸方
    向内腔内に受容され、且つ、前記調節手段は前記コアシ
    ャフトの前記対向端部の前記螺合部分の後方の前記内腔
    に螺合されたシャフト部分を有したロッキングキャップ
    を備え、該ロッキングキャップの前記シャフト部分は前
    記コアシャフトの前記対向端部の端に当接してなる請求
    の範囲第33項に記載の冷却器。
  35. 【請求項３５】前記外装の前記対向端部は第１のピッチ
    で螺合され、更に前記コアシャフトの前記対向端部は前
    記第１ピッチとは異なる第２のピッチで螺合され、また
    前記調節手段は、前記コアシャフトと前記外装の間で共
    同自在で前記コアシャフトに前記外装を摺動自在に結合
    し、且つ前記外装と前記コアシャフトの間の相対的回動
    を防止するキーおよびキー溝を備え、前記調節手段は更
    に前記外装の前記対向端部に螺合自在に係合された第１
    部分と前記コアシャフトの前記対向端部と螺合自在に係
    合される第２部分とを備えてなる請求の範囲第32項に記
    載の冷却器。
  36. 【請求項３６】冷却流体が冷却を行うために圧縮され且
    つ続いて膨張される冷却システムの冷却流体膨張装置に
    おいて、該冷却流体膨張装置は加圧された前記冷却流体
    が導入される上流端部と該導入流体が膨張する環状膨張
    開口に至る下流端部とを有する環状流路を規定する手段
    を有し、前記流路に沿って配置され、該流路が冷却流体
    より凝縮された汚染物により閉鎖されないように、該通
    路に隣接し且つそれにつながった、該凝縮された汚染物
    を捕捉する凹んだ部分を有する手段を備えてなる冷却流
    体膨張装置。
  37. 【請求項３７】前記流路は前記上流端部から前記下流端
    部にテーパ状になされてなる請求の範囲第36項に記載の
    冷却流体膨張装置。
  38. 【請求項３８】前記流路は収束するようにテーパ状に構
    成されてなる請求の範囲第37項に記載の冷却流体膨張装
    置。
  39. 【請求項３９】前記凹んだ部分は溝であり、前記流路の
    軸方向を横切るように設けられることを特徴とする請求
    の範囲第36項に記載の冷却流体膨張装置。
  40. 【請求項４０】前記凹んだ部分は前記流路の円周部周り
    に延在してなる請求の範囲第36項に記載の冷却流体膨張
    装置。
  41. 【請求項４１】前記円周部は前記流路の内周である請求
    の範囲第40項に記載の冷却流体膨張装置。
  42. 【請求項４２】前記凹んだ部分は前記上流端部と前記下
    流端部の中間に配置されてなる請求の範囲第40項に記載
    の冷却流体膨張装置。
  43. 【請求項４３】ジュール・トムソン式膨張装置からなる
    極低温装置において、該膨張装置は内部部材と該内部部
    材を囲繞する外部部材とを備え、前記内部部材の外周面
    と前記外部部材の内周面が、加圧下で冷却流体が導入さ
    れるべき流路であって、該流路は上流端方向の流入口
    と、導入された冷却流体が膨張されるべき前記流路の下
    流端部の環状流出口開口とを画成して成る流路を規定
    し、前記部材の少なくとも１つのそれぞれの周面には、
    冷却流体から凝縮した汚染物を捕捉し、凝縮汚染物によ
    る前記流路の閉塞を阻止する凹んだ部分を備えてなる極
    低温冷却装置。
  44. 【請求項４４】前記凹んだ部分は少なくとも１つの円周
    溝からなる請求の範囲第43項に記載の装置。
  45. 【請求項４５】前記円周溝は前記内部部材上に形成され
    てなる請求の範囲第44項に記載の装置。
  46. 【請求項４６】前記円周溝は前記内部部材の前記外周面
    にほぼ垂直に切削されてなる請求の範囲第45項に記載の
    装置。
  47. 【請求項４７】前記流路はテーパ状に形成された請求の
    範囲第43項に記載の装置。
  48. 【請求項４８】前記内部部材と前記外部部材は熱膨張係
    数の異なるそれぞれの部材により支承されてなる請求の
    範囲第43項に記載の装置。
  49. 【請求項４９】冷却流体が膨張するようになされた膨張
    開口と、冷却流体が前記膨張開口に達するように導く表
    面を有し、前記表面には、冷却流体が該表面上を流れる
    際に冷却流体より凝縮された汚染物を捕捉する凹んだ部
    分が設けられることを特徴とする冷却流体膨張装置。
  50. 【請求項５０】前記表面は、冷却流体が前記膨張開口に
    向けて流れる流路の壁面である請求の範囲第49項に記載
    の冷却流体膨張装置。
  51. 【請求項５１】前記凹んだ部分は溝である請求の範囲第
    50項に記載の冷却流体膨張装置。
  52. 【請求項５２】前記流路は環状であり、前記壁面は該流
    路の内周壁であることを特徴とする請求の範囲第50項に
    記載の冷却流体膨張装置。
  53. 【請求項５３】前記流路はテーパ状になされていること
    を特徴とする請求の範囲第50項に記載の冷却流体膨張装
    置。
  54. 【請求項５４】前記凹んだ部分は溝であることを特徴と
    する請求の範囲第49項に記載の冷却流体膨張装置。
  55. 【請求項５５】前記溝は前記表面を流れる流体の流れ方
    向を横断するように設けられることを特徴とする請求の
    範囲第50項に記載の冷却流体膨張装置。
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