JPH08504933A

JPH08504933A - 改良型低温冷凍装置

Info

Publication number: JPH08504933A
Application number: JP6512426A
Authority: JP
Inventors: ライパート，アンソニー・ジー; クランクルトン，ジエームズ・アラン; ギヤラガー，グレゴリー・アール; スミス，ジヨージフ・エル・ジユニア; コツグスウエル，フレデリツク・ジエイ
Original assignee: ボアーズ・インコーポレイテツド
Priority date: 1992-11-12
Filing date: 1993-11-10
Publication date: 1996-05-28
Also published as: US5345769A; CA2149130A1; EP0668985A1; WO1994011684A1; EP0668985A4

Abstract

(57)【要約】圧縮機（３０）からの吸入流体が、吸入チャネル（２３）内を、変位容積（１、１Ａ、２）へ、かつ前記変位容積から流れ、排出流体が、排出流体チャネル（２４）内を、圧縮機（３０）へ向けて流れる、可変変位容積（１、１Ａ、２）を含む多数の冷却段（１０、１０Ａ、１６）を有する低温環境を生成するシステム。ボリューム・チェンジャは、変位容積（１、１Ａ、２）の容積を変更し、１組の第１の変位容積へ流れる吸入流体は、再生式熱交換および向流式熱交換によって予冷され、最終変位容積へ流れる吸入流体は、主として向流式熱交換によって予冷される。少なくとも１つの段にあるボリューム・チェンジャは、吸入チャネル（２３）および排出チャネル（２４）と熱結合されない。

Description

【発明の詳細な説明】改良型低温冷凍装置［技術分野］本発明は、全般的には、極めて低い温度の流体を提供する低温冷凍装置に関し、詳細には、寸法が比較的小さくてよ気合理的なコストで確実かつ効率的にそのような低温に達せるようにする技法および機械構成を使用する装置に関する。［背景技術］１０Ｋよりも低い、具体的には、液体ヘリウム温度での効率的な冷凍を達成する新しい冷凍プロセスが最近、開発された。そのようなプロセスを使用して、そのようなプロセスの動作サイクルを表すシステムの基本的な説明は、J.A.Crunkl etonに対して１９９２年３月３１日に発行された米国特許第５０９９６５０号に記載されている。そのような技法に関する追加背景情報も、J.A.Crunkleton and J.L.Smith,Jrに対して１９８９年９月３日に発行された米国特許第４８６２６９４号に記載されている。これよりも後に発行された特許は、簡単で小型の多段システム構成を使用して液体ヘリウム温度での冷凍を達成する方法を開示している。以前に使用されたそのようなプロセスの動作を以下で詳細に検討すると、本明細書における本発明を理解するうえで助けとなる。高温段、すなわち、約２０Ｋ以上の段において２つ以上の段を使用する、米国特許第５０９９６５０号に記載されたシステムでは、伝熱が、流体と構造材料の間と（再生式熱交換動作と呼ぶ）、個別の吸入冷却チャネルを流れる流体と個別の排出冷却チャネルを流れる流体との間（向流動作と呼ぶ）で発生する。排出チャネルを流れる流体は、低温段、すなわち、吸入チャネルと排出チャネルの間の接続部（たとえば、弁）を有する一般に２０Ｋよりも低い段を源とするものだけである。低温段では、従来型の再生構造材料で高い熱交換効果を得ることが困難であり、伝熱は主として、向流式熱交換によって行われる。したがって、この技法では、向流式熱交換を低温段専用に使用し、向流式熱交換と再生式熱交換の組合せを上部の段で使用することによって、室温から液体ヘリウム温度までの全温度範囲にわたって高い熱交換効果が達成され、再生式熱交換動作が基本的に、機械的に簡単であることを、この動作の熱交換効果が高いことと共に活用することができる。この特許で議論された技法の一実施例は、熱交換機とピストン・シリンダ・エキスパンダを一体型２段構成に組み込むものである。この構成では、高温段にある熱交換機が向流プロセスと再生式熱交換プロセスの両方に従い、低温段が主として向流式熱交換プロセスに従う。２段構成用の典型的な１つの動作サイクルは、以下のように説明することができる。２段構成の各段での押しのけ容積は、膨張容積とも呼ばれ、各段における押しのけ容積を実質的にゼロ容積またはほぼゼロ容積に減少させることによって周期的に高圧に再圧縮される。吸入チャネルの高温（たとえば、室温またはほぼ室温）端部にある入口弁を開放し、押しのけ容積を増加させることによって、外部圧縮機から供給される加圧下の次の流体が、比較的高温である第１の温度（たとえば、室温またはほぼ室温）で吸入チャネルに流れ込む。吸入チャネルに導入された流体は、吸入チャネルを通過して第１段膨張容積へ流れるときに、再生及び向流冷却によって、第１の温度よりも低い第２の温度に予冷される。取り込んだ流体の次の部分と、前のサイクルの残留流体部分とが引き続き、吸入チャネル中の第１の膨張容積を越えて、チャネルの低温端部にある第２段膨張容積へ流れる。これらの流体部分はさらに、吸入チャネル中を第２の膨張容積へ流れるときに、向流冷却と、それよりもずっと弱いものであるがある程度の再生冷却とによって、第２の温度よりも低い第３の温度に予冷される。第１段、すなわち、「高温」段での膨張容積は、内部の圧縮された流体が、流体が加圧されたときの高圧から基本的により低い圧力に膨張され、その結果、「高温」押しのけ容積中のあるいは前記押しのけ容積の近くでの流体の温度が、基本的に第２の温度よりも低いが、一般的に第３の温度よりも高い、第４の温度に減少するように、増加、すなわち、膨張される。第２段、すなわち、「低温」段での押しのけ容積は、内部の圧縮された流体が、流体が加圧されたときの高圧から基本的により低い圧力に膨張され、その結果、「低温」押しのけ容積中のあるいは前記押しのけ容積の近くにある流体の温度が、第３の温度よりも低い第５の温度に減少するように、第２段での膨張容積を形成すべく第１段の押しのけ容積と同時に増加される。膨張ストロークの終り（最大膨張容積が存在する）に、高温排出弁および低温排出弁が開放され、その結果、開放の前に弁を横切って圧力差が存在していた場合、ブロー・ダウンが発生する。２つの排出弁は共に、ブロー・ダウン期間および定圧排出期間中のある時点で開放されるが、弁は必ずしも同時に開閉されるわけではない。高温段での押しのけ容積は減少し、容積中の膨張した低圧流体は、第１段押しのけ容積から吸入チャネル内へ逆流し、吸入チャネルの入口端部の方へ流れ、そこから外側に流れ、入口端部にある「高温」排出弁を通過し、少量の流体が、低温段へ流れる。さらに、第２段で低温環境をもたらすために使用される、膨張した非常に低温で低圧の流体は、「低温」押しのけ容積の減少の結果として、そのような押しのけ容積から、「低温」弁およびそこでのサージ容積を介して排出チャネルへ流れ込み、少量の流体が、吸入チャネルを通過して高温段へ流れる。膨張した非常に低温の流体は、２相のものでよく、たとえば、流体に加えられる熱負荷のための低温環境をもたらすために使用される。熱は、環境による熱負荷から、膨張した流体に伝導し、それによって、２相流体が沸騰し、あるいは、ガス状の流体が加熱され、環境が冷却される。高温段を冷却するために熱負荷をさらに高温段に加えることもできる。低圧の流体は、第１の継続時間にわたって、第４の温度での「高温」第１段押しのけ容積から、吸入チャネルの入口端部の方へ流れ、さらに、入口端部にある高温排出弁を通過し、ピストンおよびシリンダのより高温の表面に密に接触し、これらのより高温の表面と熱を交換し、それによって、次のサイクルに備えて、高温排出弁から排出される流体を加熱し、ピストンおよびシリンダを冷却する。この種の熱交換を一般に再生式熱交換と呼ぶ。そのような動作と同時に、ただし、より長い第２の継続時間にわたって、「低温」押しのけ容積からの膨張した低温・低圧の流体は、排出チャネルにおいて、実質的に一定の流量で、かつ実質的に一定の圧力で、排出チャネルの高温排出端部にある流体排出口に流れる。この動作時には、吸入チャネルと排出チャネルの間で直接向流式熱交換が行われ、吸入チャネル中の取り込まれた流体が予冷され、排出チャネル中の流体が、排出チャネルから排出される前に、第１の温度またはほぼ第１の温度に加熱される。すなわち、熱交換温度差の許容差は小さい。吸入チャネルと排出チャネルの両方から排出された高温の流体は、外部圧縮機システムに供給されることによって圧縮され、その結果、次の動作サイクル用に外部圧縮機システムから加圧下の流体が供給される。前のサイクルの膨張動作の結果として生じる、膨張した流体の残留部分は、押しのけ容積および吸入チャネルに残る。そのような残りの流体は、最小押しのけ容積に達する前に高温排出弁および低温排出弁を閉鎖した場合、再圧縮を受けることができる。これで、装置は次の膨張サイクルを実行する準備が完了する。圧縮機システムからの圧縮された流体は次に、吸入チャネルを介して第１段および第２段の押しのけ容積に供給される。第１段の押しのけ容積へ流れる流体は、ピストン構造およびシリンダ構造との再生式熱交換と、排出チャネルを流れる低温流体による向流冷却によって、予冷される。第２段の押しのけ容積へ流れる流体は主として、排出チャネルを流れる低温流体との向流式熱交換によって予冷される。ただし、ずっと弱いものであるがある程度の再生冷却による予冷が行われることがある。次いで、圧縮・吸入・膨張・排出プロセス全体が繰り返され、押しのけ容積および吸入チャネル中の流体が再び、周期的に圧縮され、前述のように流体の膨張が発生する。各段の熱負荷（加えられた熱負荷と寄生熱漏れの両方を含む）の大きさは、高温段での熱交換動作のタイプに比較的大きな影響を及ぼす。低温段での熱負荷が、高温段での熱負荷よりもずっと小さい場合、高温段では再生式熱交換が支配的である。低温段での熱負荷が高温段での熱負荷よりも比較的大きい場合、高温段での熱交換の大部分は向流冷却によって行われ得る。これは、低温段に対する熱負荷を比較的大きなものにするには、低温段へのより高い質量流量が必要だからである。この高い質量流量は主として排出通路を通過して圧縮機に戻り、その結果、高温段でより強い向流式熱交換が行われる。この冷凍装置の電力要件は、予冷段の数を増加させることによって減少させることができる。たとえば、共に、２０Ｋよりも高温で動作する、２つの予冷段によって、電力要件は著しく低減される。この例では、２０Ｋよりも高温で動作する予冷段は共に、向流式熱交換と再生式熱交換の両方の組合せを使用する。この冷凍方法の好ましい構成では、吸入チャネルおよび排出チャネルとなる同心チューブの間の環状通路が規定される。吸入チャネルは、ピストンとシリンダの間のギャップによって形成され、排出チャネルは、シリンダと、シリンダを囲む外側シェルとの間のギャップによって形成される。中空ピストンを使用する場合、ピストン内部の容積は、熱漏れを低減するために真空にされる。この構成では、ギャップが一様でないために、チャネルにおいて流れが不均一に分配され、その結果、熱交換性能が低下する。たとえば、ピストンまたはシリンダが完全な真直および真円でない場合、あるいは、何らかの心合せ手段によるシリンダの内側でのピストンの心合せが完全に行われていない場合、ピストン・シリンダ間ギャップは、その長さに沿ったすべての位置で円周に沿って一定であるわけではなく、その結果、流れが不均一に分配される。排出チャネル流をシリンダの周りを流れるように方向付けて、ピストン・シリンダ間ギャップにおける流れの不均一な分配の効果を低減させるために、シリンダと外側シェルの間にらせん状通路が設けられる。本発明の一目的は、以前のシステムに存在する流れの不均一な分配をさらに低減し、あるいは、基本的になくすことである。また、この同心チューブ構成では、前述の環状ギャップが使用されて、吸入流がピストンとシリンダの間を軸方向に流れ、あるいは、排出流がシリンダと外側シェルの間をらせん状に流れるため、サイクルの様々な部分で広い温度範囲にわたって層流状態と乱流状態の間の遷移を発生させる。熱交換機の性能は、流れが層流であるか、それとも乱流であるかに応じてかなり変化し、そのため、熱交換機の設計は困難になる。本発明の他の目的は、流れが完全に層流状態または乱流状態にならず、その代わりに連続的に混合されるように、流れが熱交換機の長さに沿って進むときに熱交換機中で流れを連続的に混合することである。特定の低温冷却器の実施例に関する前述のCrunkletonの特許では、ピストンを往復させるための異なるタイプの駆動機構が提示されている。この特許で開示された２つの駆動機構を本明細書でも例示のために説明する。エネルギーが保存されないような一方のタイプの駆動機構は、理想的なケースでは、ピストンに対して正味の力が加えられないようにすべてのピストン表面上で圧力が等しいことを意味する、圧力つりあいピストンを使用する。実際の装置では、圧力は、ピストンの軸に沿った各断面でほぼ等しい。しかし、軸方向の端部間圧力差をもたらす、予冷熱交換機での圧力降下のために、ピストンに対して軸方向の力が作用する。高温端部からの加圧時と減圧時のこの圧力差のフェージングのために、軸方向の力を使用してピストンを往復動させることができる。この軸方向の力を減少させるのは、ピストン・シールの抗力と、ピストン運動の結果生じる他の摩擦力である。他の一般的な圧力つりあいピストン駆動機構は、ステップ・モータをスコッチ・ヨーク機構と組み合わせて使用して往復動させられる。いずれの構成も当技術分野で周知である。エネルギーが、サイクルの後半で使用できるように保存される、他のタイプの駆動機構は、圧力つりあいピストンでないピストンを使用する。この結果として生じる力及びピストンの変位によって、低温作業容積から室温の端部への外部からの仕事の伝達がもたらされる。この仕事を一時的に保存し、後に、再圧縮を行うために、及びすべり軸受およびすべりシールの滑動による等の摩擦に打ち勝つために使用することができる。この動作を達成する典型的な機械構成は、はずみ歯車を使用してエネルギーを保存するものであり、当業者には周知であろう。前述のCrunkletonの特許に記載されたシステムは、冷凍を提供するが、この特許では、性能を向上させ高い信頼性を与えるような各冷凍段をカスタマイズする技法は開示されていない。本発明は、室温から液体ヘリウム温度までの範囲全体にわたって動作する構成要素の性能および信頼性を高めるいくつかの改良から成るものである。具体的には、予冷熱交換機、負荷熱交換機、予冷熱交換機中の流れを制御する機構、低温ヘッドとの間の流れを制御する機構に対して様々な改良を加えた。［発明の概略］本発明は、製造費が比較的廉価であり、寿命が長く、信頼性が高く、一般に、前述の米国特許第５０９９６５０号で開示された冷凍プロセスを使用する、高性能冷凍装置を提供する。具体的には、軸方向伝導・移動熱漏れ機構などの熱力学的損失機構における、室温から液体ヘリウム温度への幅広い変動を考慮した、予冷熱交換機および膨張ピストンの固有の設計を使用する。伝導熱漏れが取るに足りないものである、２０Ｋよりも低い温度で動作する製造の容易な特定の固体ステンレス鋼ピストンについて説明する。さらに、単一のサイクルの間に発生する恐れがある、完全層流条件と完全乱流条件の間の頻繁な遷移を防ぐために、流れを連続的に混合する、固有の熱交換機を使用する。本発明で使用する熱交換機の構成によって、熱交換機の性能に対するピストンの運動の悪影響がなくなる。具体的には、偏心ピストンのために吸入チャネルで流れが不均一に分配されることがなくなる。熱交換機の性能と、「移動熱漏れ（shuttle heat leak）」として知られる重要な損失機構との相互依存性もなくなる。効率的な性能を得るうえで重要な、多段冷凍装置における質量流量に対する効果的な制御を、設計者に与える、本発明の追加態様を説明する。質量流量を制御する設計の一例は、個別の弁を使用して、熱交換機の定低圧排出チャネルで間欠的な質量流量を与えることである。第２の例は、個別のピストンを使用して、膨張容積を変位させて各容積間の質量流量を制御する。他の修正には、負荷を冷却する効果的な伝熱機能を提供する改良された構造が含まれる。［図面の簡単な説明］本発明は、図面の助けを得て詳細に説明することができる。第１図は、本発明による冷凍システムの一実施例の概略図である。第２図は、本発明による冷凍システムのさらに小型の実施例の概略図である。第３図、第３Ａ図、第３Ｂ図は、第１図または第２図の実施例で有用なスタッガード・ピン熱交換機の概略図である。第４図は、第１図の第１冷凍段用の代替外部スタック・スクリーン熱交換機の概略図である。第５図は、第１図または第２図のシステムの低温段にある一体セグメント・ピストンの概略図である。第６図は、本発明による、３基の独立のピストンを使用する３段冷凍システムの概略図である。第６Ａ図は、本発明による、２基の独立のピストンを使用する３段冷凍システムの概略図である。第６Ｂ図は、本発明による、２基の独立のピストンを使用するより小型の３段冷凍システムの概略図である。第７図は、本発明によるシステムの低温端部に効果的な負荷熱交換機を提供する方法を示す概略図である。第８図は、本発明によるシステムの低温端部に効果的な負荷熱交換機を提供する他の方法を示す概略図である。［発明の好ましい実施例］第１図は、本発明の構成を示し、冷凍システムの主要な構成要素を識別するうえで有用である。このシステムは、膨張容積１、１Ａ、２と、予冷熱交換機段１０、１０Ａ、１６とを含む３段冷凍機である。圧縮機３０は、通常室温の高圧ガスを入口弁６を介して吸入チャネル２３に供給し、排出弁４および５からの低圧の戻りガスを受け入れる。低温流体は、排出弁２１を通過して下部段１６の低温端部にある低温サージ容積１９に進入し、負荷熱交換機２０を通過して排出チャネル２４Ｂに入る。環境からの熱負荷は、負荷熱交換機２９に供給され、負荷熱交換機２９は、第１予冷熱交換機段１０のセクションを等温化する。駆動機構（図を簡単にするために図示せず）は、ピストン１１、１１Ａ、１５と、吸入端部にあるつりあい容積２６とを備える、圧力つりあいピストン・システムを往復動させる。熱交換機９は、予冷熱交換機段１０の吸入チャネル２３とつりあい容積２６を接続する。熱交換機９を通過する流体は、ほぼ室温で動作するシリンダ・ハウジングと熱を交換する。吸入プロセス中につりあい容積２６が加圧されると、圧縮熱のためにつりあい容積中のヘリウム温度が増加する。熱交換機９によって、第１図（および第２図）で点線で示したコールドヘッド・ハウジング３１にこの熱が伝導する。コールドヘッド・ハウジングは、図の弁４、５、６を含む第１段よりも上にあるシステムの部分を囲む。ハウジングは室温であり、吸入チャネルの一部はハウジングと熱交換関係にあり、それによって、吸入チャネル２３の入口温度が低下する。室温よりも低い温度で動作する構成要素のための絶縁は通常、真空と、当業者に周知のアルミめっき・マイラーなどの超絶縁層とが相まって与えられる。熱交換機段１０と膨張容積１は、第１段と呼ばれる、冷凍装置の最高温段を構成する。熱交換機段１０Ａと膨張容積１Ａは、第２段を構成し、熱交換機段１６と膨張容積２は、第３段を構成する。吸入チャネル２３は、シリンダ・チューブ１２と熱交換機チューブ１３の間に形成されている。吸入チャネル２３Ａは、シリンダ・チューブ１２Ａと熱交換機チューブ１３Ａとから成る。吸入チャネル２５は、セグメント・ピストン１５とシリンダ・チューブ１７の間に形成されている。排出チャネル２４は、熱交換機チューブ１３と外側シェル・チューブ１４の間に形成されている。排出チャネル２４Ａは、熱交換機チューブ１３Ａと外側シェル・チューブ１４Ａの間に形成されている。排出チャネル２４Ｂは、シリンダ・チューブ１７と外側シェル・チューブ１８の間に形成されている。ピストン・チューブ１１とシリンダ・チューブ１２の間およびピストン・チューブ１１Ａとシリンダ・チューブ１２Ａの間にそれぞれ形成された、第１段および第２段のピストン・シリンダ間ギャップ２２および２２Ａを流れる流体は、シール２７および２７Ａによってそれぞれ制限される。中空ピストン部１１および１１Ａの内部には真空空間が存在する。各膨張容積ごとの動作温度の代表的な範囲は、第１段の場合は約３０Ｋから１００Ｋ、第２段の場合は約１５Ｋから４０Ｋ、第３段の場合は液体ヘリウム温度から１０Ｋである。各段ごとの特定の動作温度は、膨張容積のボアおよびストローク、予冷熱交換機の表面積、環境または寄生熱漏れによって供給される熱負荷の量などのパラメータと、様々な弁タイミングおよび動作圧力に依存する。平均動作温度の具体的な例は、第１段で８０Ｋ、第２段で２０Ｋ、第３段で４．５Ｋである。第１段および第２段の熱交換機では、取り込まれた流体の予冷は、再生式熱交換と向流式熱交換の両方の組合せによって行われ、第３段での予冷は主として向流式熱交換によって行われる。第２図は、第１図のシステムより小型の３段折畳み構成を示す。主要な構成要素は同じである。第１図の構成では、ピストンの内部の利用可能な空間１１および１１Ａは使用されない。第２図では、第２段が第１段に対して反転され、第１段内に折り畳まれており、第３段は第２段に対して反転され、第２段内に折り畳まれている。このように段を反転させ、あるいは、折り畳むことによって、システムの全長が短くなる。予冷熱交換機における高温段と低温段のそれぞれにおいて固有に構成されたチャネルを使用することによって、予冷熱交換機の高温段と低温段の両方のための改良された伝熱を開発した。そのような固有に構成されたチャネルは、周知の機械加工技法を使用して廉価に製作することができる。このチャネル構成は、流体が熱交換機の長さに沿って流れるときに流体を連続的に混合する。流体が通過するチャネルは、チャネルの内側チューブの外側表面に特定の流路パターンを加工し、次いで、外側チューブと内側チューブの間にすきまを残さず、それによって、加工された流れパターンを通過して流体が流れるように内側チューブ上に外側チューブをはめ合わせすることによって構成される。このチャネルは、化学エッチングやローレット切りなどの機械加エプロセスを使用して製作することができる。また、流れパターンは、当技術分野で周知の技法である放電加工（ＥＤＭ）によって製作することができる。電極は、通常、黒鉛または銅のブロックであり、製作すべき表面のミラー・イメージになるように加工される。ＥＤＭプロセスの典型的な構成では、電極がチューブに接して横方向に移動する間、チューブが回転する。この流れパターンは、化学加工プロセスを使用して製作することもできる。エッチングすべき材料、使用するマスキング材料のタイプ、エッチングの深さ、必要な表面仕上げ、およびいくつかのその他の因子に基づいて適当なエッチング液を選択する。この技法では、エッチング液にさらさない領域にはマスキング材料または耐エッチング材料を塗布する。次いで、通常、エッチング液を表面に噴射して、レジストが存在しない部分の金属を化学的に除去する。エッチング速度は通常、毎分０．００１インチから０．００３インチに限られるが、広い領域を同時に加工することができ、そのため、全体的な金属除去速度はかなり高くなる。本発明によれば、上述のように、内側チューブの外側表面上に適当に選択されたパターンを加工する。次いで、通常は熱収縮プロセスによって、内側チューブの外側表面上に外側チューブを密にはめ合わせる。次いで、流体を、化学的に加工されたパターンを通過させる。この機械加工プロセスによって、合理的な製造費で一貫した曲がりくねった流路が与えられる。このようなプロセスの繰返し精度は実際上、たとえば０．０００５インチの範囲内に制御することができ、それによって、単一流路と単一流路の一束のチューブに関するギャップ幅の変動が最小限に抑えられる。この繰返し精度によって、単一流路での流れの不均一な分布を最小限に抑えることができ、多数の異なるシステムに単一の流路を提供する際に使用される多数の同じチューブを製作するときに、熱交換機間の予想される圧力降下の変動が最小限に抑えられる。化学加工またはＥＤＭプロセスによって、設計者は、流体が熱交換機の長さに沿って流れるときに流体を連続的に混合するための切削加工された表面を提供する流れパターンを様々な流れパターンのうちから選択することができる。そのような切削表面の一例は、第３Ａ図および第３Ｂ図に示したように、チューブから延びる小さな円形ピン３７が残るようにチューブ３６の外側から金属を除去することによって得られる。第３Ａ図に示したように、ピンを流れの方向に適当な間隔を置いて食違いに配置することによって、流体混合効果がもたらされる。この構成を「スタッガード・ピン」熱交換機と呼ぶことができる。そのような熱交換機用の典型的なピンの寸法および間隔を第３Ａ図および第３Ｂ図に示す。これらの図で、ピンの直径ｄは０．０１５インチ、ピンの高さｈは０．０１４インチ、ピンの間隔は０．０３２インチである。前述のCrunkletonの特許で開示されたらせん状通路熱交換機と比較したところ、同様な質量流量及び温度範囲の条件下でシステムを動作させたとき、同様な圧力降下に対してスタッガード・ピン熱交換機の方が効率的な熱交換を行うことが分かった。流れを連続的に混合するスタッガード・ピン構成は、層流条件と乱流条件の間の遷移が容易には予想できないらせん状通路構成よりも、予想可能な性能が得られるように設計するのが容易である。さらに、熱交換機の性能を向上させるには、そのようなスタッガード・ピン構成を有する単一のチューブにおいていくつかの材料の組合せを使用することができる。したがって、軸方向の伝導を増大させずに半径方向の熱伝導性を高めるには、銅などの高熱伝導性ピン材料をステンレス鋼などの低熱伝導性ベース・チューブ材料と組み合わせて使用することができる。たとえば、エッチング・プロセスの前に、ステンレス鋼チューブを銅で被覆することができる。次いで、銅ピンを除き、すべての銅をエッチングする。さらに、本発明によれば、冷凍システムの各一体型熱交換機・膨張エンジンは特に、その動作温度の範囲内で支配的な損失機構の影響を最小限に抑えるように設計される。移動熱漏れ損失がかなりのものとなる高温段において、本発明は、熱交換動作用の個別の通路を設けることによって、ピストン・シリンダ間ギャップを熱交換機の吸入側と熱結合しないように構成される。このように、吸入流体流路中の伝熱の改良は、同時に移動熱漏れ損失を増加させることはない。この構成では、ピストン・シリンダ間ギャップが一様でないために発生する吸入流路における流れの不均一な分布がなくなる。第１図および第２図に示したように、４本の同心チューブから成る熱交換機構成は、ピストン・シリンダ間ギャップを熱交換機の吸入側と熱結合させないように第１および第２の高温段で使用される。第１図で、最も内側のチューブは、それぞれ、円筒形チューブ１２および１２Ａの内側で往復運動する、真空充填ピストン１１および１１Ａである。吸入流体は、シリンダ１２および１２Ａと、そのようなシリンダを囲む熱交換機チューブ１３および１３Ａとの間を流れる。定圧排出チャネル２４および２４Ａはそれぞれ、熱交換機チューブ１３と外側シェル・チューブ１４、および熱交換機チューブ１３Ａと外側シェル・チューブ１４Ａから成る。この４チューブ構成によって、第３図、第３Ａ図、第３Ｂ図に関して論じたスタッガード・ピン熱交換機通路などの混合流熱交換機通路を吸入流チャネルと排出流チャネルの両方に使用することができる。したがって、第１図に示したように、円筒形チューブ１２および１２Ａの外側表面上ならびに熱交換機チューブ１３および１３Ａの外側表面上に、流体を連続的に混合するためのチャネルが切削されている。第２図においては、第２段が第１段に対して反転されているので、チューブ１４Ａおよび１３Ａの外側表面が切削されている。チューブ１２Ａは内側も外側も平滑である。４チューブ構成は、正味の冷却を行わずに、各サイクルごとに加圧及び減圧しなければならない容積を増加させる。この容積は、一般に死容積（dead volume ）と呼ばれ、圧力循環を受ける、作業エキスパンダ容積自体以外の容積を含む。死容積が増加すると、吸入弁が開放されたときに死容積を加圧するために高圧から低圧に抑圧される質量が増加する。この加圧損失の結果、質量流量を増加させるために圧縮機出力を増加させる必要性が生じる。したがって、冷凍負荷が指定されている場合、死容積が加圧される頻度を最小限に抑えることが望ましい。４チューブ構成では、吸入チャネルがピストン・シリンダ間ギャップに平行なので、シリンダと熱交換機チューブの間に好ましい流路が形成されるように、すべりシール２７および２７Ａをピストン・シリンダ間ギャップに置かなければならない。ピストン・シリンダ間ギャップを吸入通路と熱結合させないようにする他の構成は、多段ピストンとシリンダ・エキスパンダから物理的に離れた熱交換機を使用する。シリンダの外側表面を熱交換機の表面として使用するのではなく、高表面積を有する個別の熱交換機をシステムの第１段１０で使用し、かつ小径チューブなどの何らかの適当な流路手段によって、個別の熱交換機を膨張容積に結合する。この構成は、一体に形成された熱交換機及び膨張エンジン構成ほど小形にできない欠点を有するが、そのような個別の熱交換機によって、当業者に周知のスタック・スクリーン熱交換機など、異なる熱交換機形状を使用することができる。スタック・スクリーン交換機は大きな熱交換表面積を有するが、当技術分野で周知の他の高表面積熱交換機を使用することもできる。この構成の一例を第４図に示す。この図で分かるように、圧縮機３０からの高圧吸入流体は、吸入弁６を介して、第１段１０にある吸入チャネル４０に供給される。チャネル４０は、ピストン１１およびシリンダ１２から物理的に離れている。第１段１０での熱交換は、第１段にあるスタック・スクリーン熱交換機４１を使用して行われ、吸入流体は、上部吸入チャネル４０から熱交換機４１の吸入スタック・スクリーン部４３を通過し、下部吸入チャネル４０から第１段１０の作業容積１へ流れる。第１段にある排出チャネル４２も、図のように、ピストン／シリンダから物理的に離れており、排出流体は、下部排出チャネル４２から、熱交換機４１の環状排出スタック・スクリーン部４４を通過して、上部排出チャネル４２へ流れる。したがって、スタック・スクリーンは、第１の熱交換機段１０の吸入チャネルと排出チャネルの両方で使用され、それらのチャネルは、膨張エンジン、すなわち、そのような段の可動ピストンから物理的に離れている。システムの他の高温段で類似の高表面積熱交換機を使用することもできる。さらに、本発明によれば、約２０Ｋよりも低い温度で動作する低温段では、高温段とは異なる物理現象が発生し、そのような低温段はたとえば、金属壁の極めて低い伝熱性および加熱機能を有することが認識されよう。移動伝熱および軸方向伝導はもはや支配的な熱損失機構ではなく、したがって、４チューブ構成を使用する必要なしに低温段を設計することができる。したがって、第１図および第２図に示したように、そのような段では、ピストン・シリンダ間ギャップが吸入通路として使用され、すべりシールは必要とされない。多段システムの低温段において性能を向上させ、かつ製造を容易にするために、一体セグメント・ピストン１５を使用する。特定の実施例では、たとえば、低温段におけるの直径方向のピストン・シリンダ間ギャップは通常、適当な熱交換機性能及び最小死容積を提供するために約０．０００５インチから０．００３インチの範囲でなければならない。ピストンおよびシリンダが薄壁チュービングから成る場合、たとえば、ピストンの直径の２０倍であることもある熱交換機の長さ全体にわたって適当な真直度を維持し、最小のピストン・シリンダ間ギャップ変動を与えるために難しい製造技法が必要である。第５図の典型的な実施例に示したような一体セグメント・ピストン構成では、セグメント長１５Ａから１５Ｅは通常、ピストンの直径の１倍から５倍であり、適当な心合せ手段を使用してシリンダ１７の内側で個別に心合わせされる。ピストンが、過度の死容積を形成せずに各セグメントで合理的なシリンダ真直度、すなわち、最小ピストン・シリンダ間ギャップを与えることができるように設計された可とう性継手で、セグメントが接続される。各セグメントが個別に心合わせされ得るので、ピストン・シリンダ間ギャップにおける流れの不均一な分布は小さい。さらに、ステンレス鋼などの、２０Ｋ以下で非常に低い伝熱性を有する材料を使用する場合、一体ピストン・セグメントでは、軸方向伝熱漏れがささいなものになる。しかし、ステンレス鋼シリンダを熱交換機の壁として使用すると、吸入流と低圧排出流の間にある壁に比較的大きな伝熱抵抗がもたらされる傾向がある。過度の軸方向伝導を発生させずに流れ間伝導を向上させるために、ステンレス鋼以外の材料を使用することができる。たとえば、比較的高い伝熱性をもつ材料である１０２０炭素鋼を、第１図および第２図のシリンダ１７用の材料として使用すると、伝導壁抵抗が約１桁だけ減少し、受け入れられる低レベルの軸方向伝導が与えられる。上述の冷凍プロセスの理想的なケースでは、流体質量の膨張容積への流入および前記容積からの流出が発生するのは、サイクルの定圧吸入部および定圧排出部の間だけであり、サイクルの膨張部および再圧縮部の間には流体質量流は発生しない。このように、理想的には、膨張容積に入るすべての質量は、最大吸入圧力で進入し、膨張容積から排出される前に最小排出圧力になるまで十分に膨張される。そのような動作を理想的な質量流量条件下の動作と呼ぶことができる。しかし、システム全体にわたって発生する温度範囲にわたって流体の特性が変化し（すなわち、ヘリウムは、そのような多段冷凍機の高温段でのみ理想的なガスである）、かつ膨張容積中の流体が膨張段の動作温度に応じて異なる量の断熱膨張プロセスまたは等温膨張プロセス、あるいはその両方に従うので、多段冷凍機の吸入チャネルで理想的な質量流量条件を得るには、特殊な操作またはハードウェアの修正が必要である。前述の特許に記載され、かつ上記で説明した、２段システムの場合、たとえば、高温段は、ヘリウムが、理想に近いガスとして働く特性をもつ、５０Ｋで動作し、低温段は４．５Ｋで動作する。膨張プロセス中にどちらの膨張容積からも質量が離れず、どちらの膨張容量にも質量が入らず、かつ２つの膨張容積が共に、同時に変位する場合、高温段の圧力対位置曲線は、低温段のそのような曲線よりもずっと緩やかな勾配に従う。したがって、高温段の圧力は膨張部の間、低温段の圧力よりも高い。この場合、質量は、質量流量バリアがないときに高温段から低温段へ流れるが、上述のように、理想的な質量流量条件下では、膨張時にそのような段間で質量が流れることはない。その場合、システムにおいて理想的またはほぼ理想的な質量流量条件を保証する技法を構想することが望ましい。本発明による理想的またはほぼ理想的な質量流量条件を満たす一技法は、膨張プロセスおよび再圧縮プロセス中に各接続予冷熱交換機中のいくつかの軸方向位置で質量流量を発生させないように各膨張容積を変位させることである。第１図および第２図に示した３段冷凍機システムにおいて、そのような目的のための様々な技法を実施する構成を、第６図、第６Ａ図、第６Ｂ図に示す。第６図に示したように、そのような理想的な動作では、各膨張容積ごとに別々のピストンを使用し、各ピストンが、同じ循環頻度で変位するが、個別の位置対時間トレースをもつことができるようにする必要がある。したがって、第１のピストン１１Ａが段１０で使用され、ピストン１１Ａから離れた第２のピストン１１Ｂが段１０Ａで使用され、ピストン１１Ａおよび１１Ｂの両方から離れた第３のピストン１５Ａが段１６で使用され、段１６にあるピストン１５Ａの下方端部がセグメント化されている。個別のピストン間に使用される適当なすべりシール２７および２７Ａを第６図に示す。第６Ａ図および第６Ｂ図に示した他の構成は、最適または理想的な流れ条件よりも低い条件を与える傾向があるが、必要とする個別のピストンはより少ない。したがって、第６Ａ図と、第６Ｂ図の折畳み構成との両方において、高温段１０および１０Ａは、相互接続された単一のピストン１１Ｃを使用し、低温段は個別のピストン１５Ｂを使用する。そのような場合、低温段は基本的に理想的な質量流量条件に従って変位するが、高温段は最適または理想的な条件よりも低い条件で動作することができる。第６図、第６Ａ図、第６Ｂ図に示した構成の欠点は、個別のピストンの運動をうまく制御するために駆動機構をより複雑にする必要があることである。低温段と低圧の上部段との間の質量流量を最小にするように第３の低温段におけるピストン・シリンダ間ギャップを適切に選択することによって、第３の低温段で追加質量流量制御を得ることができる。冷媒流体（たとえば、ヘリウム）が２相領域に進入する、サイクルの膨張部の後の方の部分で、流体の圧縮性は急速に高まる。すべての膨張容積中の圧力が平衡する傾向があるので、低温段中の圧縮性の高い流体は、上向きに高温段の方へ流れる傾向がある。この結果、２相流体はピストン・シリンダ間ギャップを介して膨張容積を離れ、それによって、膨張容積を離れて低温弁を通過し、負荷熱交換機の低温サージ容積に進入する２相流体の量が減少する。３段熱交換機の熱容量は非常に小さいので、この流体の冷却機能の多くは失われる。低温排出弁が開放される前のサイクル中の点で低圧で低温段を離れる流体の量を制限するには、ずっと高い圧力での吸入流量を過度に抑制せずに、ピストン・シリンダ・ギャップを、できるだけ小さなものになるように設計する。そのように小さなギャップを使用すると、第２段および第３段の膨張容積圧力は、サイクルの各部分で異なるものになる。この場合、低温段から高温段への流体の逆流を妨げるうえで０．０００２５インチから０．００１５インチの範囲の半径方向ギャップが有効であることが分かった。対向流式熱交換機の性能を最大にするには、各対向流の最小熱容量を一致させないようにして、定常質量流量時に熱交換温度差を制限し、かつ質量流量変動時に温度スイングを制限する必要がある。再生式熱交換の場合、非常に低い熱容量しか得られないので、この要件は、第３段では増大する。各対向流の熱容量が一致する理想的なケースでは、対向流式熱交換機に沿った各軸方向位置で、質量流量と比熱の積は常に等しい。再生熱容量が得られる場合、この熱容量は、１サイクルにわたって、２つの流れに関する質量流量と比熱の積の平均が等しい限り、質量流量変動時に温度スイングを最小限に抑える。第３段中のヘリウムの比熱が温度と圧力の関数としてかなり変動するので、完全に一致した熱容量流量を達成することは実際的ではない。しかし、熱容量の不一致は、吸入チャネルにおける質量流の間だけ排出チャネルにおける間欠的な低圧質量流を許容することによって、大幅に低減することができる。この動作は、低温段熱交換機中の各軸方向位置での熱容量流量をより一致させ、それによって、温度スイングの大きさを制限する。排出チャネルにおける間欠的な低圧流を、吸入チャネルにおける質量流と同時に発生させるには、排出チャネルに追加弁手段５を使用する。弁５は、第１図および第２図に示したように、排出チャネルの室温端部に置くことが好ましい。上述のように効率的な動作を達成するために、弁とコールドヘッドの室温端部での流量制限機構との組合せを使用して作業容積への質量流を調整する。各弁は、理想的には、完全に開放され、あるいは、完全に閉鎖された状態で、すなわち、開放されたときには流量制限なしで、閉鎖されたときには無限流量制限に従って、動作する。弁は通常、質量流がいつ発生するかを支配し、流量制限機構は質量流量自体を支配する。たとえば、弁はスプール弁でもポペット弁でもよく、流量制限機構はオリフィスでもニードル弁でもよい。理想的には、第１図および第２図に弁４、５、６として示したように、弁機能と流量制限機能を単一の機械的手段として一体化する。特定の実施例で必要とされる弁と流量制限機構の特定の組合せは、全体的なシステム仕様（たとえば、冷却要件、負荷温度、圧力比）および構成要素の選択（たとえば、駆動機構、熱交換機、圧縮機）に依存し、システム設計者によって決定することができる。環境からの熱負荷は、適当な負荷熱交換機を介してシステムの任意の段に供給することができる。負荷熱交換機の機能は、環境からの熱負荷を受け入れ、環境からの熱を効率的に動作流体に伝達することである。通常、低圧動作流体を熱負荷に密に接触させる。この技法は多数の異なる熱交換機構成によって実施することができ、最終的な選択は、熱負荷の大きさ、熱交換機の製作費、環境との接触、このシステムを使用する予定の特定の応用例に必要な小型化の度合いなどのパラメータに依存する。低温排出弁２１を介して排出される流体に対して、以下で第７図および第８図に関して詳細に論じるように、効果的な負荷熱交換機を設計することができる。そのような場合、２０Ｋよりも低い温度、具体的には液体ヘリウム温度で動作する負荷熱交換機では熱容量が非常に小さく、かつ環境からの負荷の大きさは通常、単一動作サイクルの間ほとんど変化しないので、応用例で熱安定性が望まれる場合、温度の変動を制限するには負荷熱交換機を通過する質量流量が一定であることが極めて望ましい。流路に保存されている液体の蒸発の潜熱の大きさが、質量流がないときに加えられる負荷の大きさに匹敵するものでない限り、負荷熱交換機中の２相流体は、温度の変動を制限するのに十分な熱容量を与えないことに留意されたい。この動作は、最低温段の予冷熱交換機、たとえば、第１図および第２図に示した３段実施例の第３段１６における吸入チャネル中の質量流に一致するように間欠的である、排出チャネル中の質量流と対称的である。負荷熱交換機での比較的一定な流れと、排出チャネルでの間欠的な流れとを達成するには、負荷熱交換機の入口および出口での質量保存容積（mass storage volume）が必要である。これに対して、熱交換機の壁の熱容量は、顕著な温度スイングを防ぐのに十分なものなので、高温段負荷熱交換機は通常、この同じ要件を共有しない。高温段では、予冷熱交換機が向流式熱交換と再生式熱交換の両方の組合せを使用し、たとえば、第１図および第２図中の第１段１０で示した負荷熱交換機２９は、低圧排出チャネルに密に結合される。したがって、環境からの熱負荷は、高温段１０にある排出チャネルの外側表面に直接結合され、かつ接触する、銅バンド２９の形の銅質量などの高伝熱性手段に供給される。この高伝熱性手段は、環境からの負荷と排出チャネル中の流体の間の温度差を制限するのに十分な予冷熱交換機の部分を等温化する。必要に応じて、類似の負荷熱交換機を高温段１０Ａで使用することもできる。たとえば、第１図および第２図の低温段１６で使用できる効果的な２基の負荷熱交換機を第７図および第８図に示す。第７図の実施例では、負荷、たとえば、磁石（図示せず）が、負荷熱交換機６０に隣接して位置決めされた適当な容器６３中にある液体ヘリウム槽６２に浸漬されている。負荷熱交換機では、低温で低圧のシステム中の排出作業流体は、低温弁２１から第１のアキュミュレータＶ１に供給される。この２相状態（一部気体で、一部液体）の流体は、第１のアキュミュレータＶ１から、図のように複数のひれ付き表面６１が固定されたチャネル６４に供給される。ひれに密に近接するチャネル６４の内側には、銅球６５などの、高い伝熱性を有する微細な焼結球マトリックスが充填されている。焼結球は、チャネル６４中を流れる流体に大きな等温表面積を与える。負荷からの熱によって、槽６２中の液体ヘリウムは蒸発し、ひれ付き表面６１において再凝縮し、槽６２中で液体に戻り、それによって、熱を負荷からシステムの排出作業流体に伝達する。排出作業流体はチャネル６４中で蒸発する。ひれおよび焼結球は、チャネル６４中の流体と槽６２中の流体の間の温度差を最小限に抑える。図のように、チャネル６４中の排出流体は次いで、飽和ガスとしてアキュミュレータＶ２に供給され、そこから、排出チャネル２４Ｂに供給される。アキュミュレータＶ１およびＶ２は実際上、弁２１から排出チャネル２４Ｂへ流体を安定に流すように働き、実際上、電気回路中の電流用の電気抵抗キャパシタンス・フィルタと同様に、流体流の機械的フィルタとして働く。第７図の実施例は実際上、液体ヘリウム槽６２中にある負荷に負荷熱交換機６０を結合して、熱を負荷からシステムの作業流体に効率的に伝達し、それによって、負荷の所望の冷却を行う。他の効果的な負荷熱交換機構成を第８図に示す。この図で、作業流体と負荷は実際上、直接、接触している。低圧・低温の作業流体は、低温弁２１を介してアキュミュレータＶ１に供給され、そこから、アキュミュレータＶ２の下方端部に取り付けられた、銅球要素６５などの高伝熱性を有する焼結球要素マトリックスを有する、銅ハウジング６７を備える熱交換構造６６に供給される。アキュミュレータＶ２の下部表面には、銅部材６７と直接接触するように負荷（図示せず）が置かれる。２相状態の流体は、アキュミュレータＶ１から孔６９を介して焼結銅要素６５に供給され、熱が負荷から２相流体へ伝導する。２相流体は次いで、蒸発して飽和ガスを発生させる。飽和ガスは、孔７１を介してアキュミュレータＶ２に供給され、そこから、排出チャネル２４Ｂに供給される。したがって、熱が負荷から作業流体へ効率的に伝導し、それによって、負荷の所望の冷却が行われる。本発明のシステムおよびその各部分の上記実施例は本発明のシステムの好ましい実施例を表すが、当業者には、本発明の趣旨および範囲内で本発明のシステムに対する修正が思いつくであろう。したがって、本発明は、添付の請求の範囲で定義されるものを除き、本明細書で図示し説明した特定の実施例に限ると解釈されるものではない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ギヤラガー，グレゴリー・アールアメリカ合衆国、マサチユーセツツ・ 02165、ウエスト・ニユートン、ウオルサム・ストリート・106 (72)発明者スミス，ジヨージフ・エル・ジユニアアメリカ合衆国、マサチユーセツツ・ 01742、コンコード、オーク・ロード・113 (72)発明者コツグスウエル，フレデリツク・ジエイアメリカ合衆国、コネテイカツト・06033、グラストンバリー、スタンクリフ・ロード・68

Claims

【特許請求の範囲】１．圧力下で流体を供給する流体圧縮手段と、可変変位容積を有する複数の連続動作段と、前記変位容積の容積を変更する容積変更手段と、流体の前記連続変位容積への流れおよび前記連続変位容積からの流れを可能にする吸入チャネル手段と、流体が前記吸入チャネル手段において前記連続変位容積に流れるように、流体を圧力下で、前記流体圧縮手段から前記吸入チャネル手段に導入できるようにする第１の手段と、前記吸入チャネル手段中の流体が前記流体圧縮手段へ流れることができるようにする第２の手段と、減少された圧力の流体が、前記変位容積のうちの最後の１つの変位容積から、排出流体が前記流体圧縮手段へ流れるようにする排出チャネル手段へ、流れ込めるようにし、それによって、圧力下で、前記吸入チャネル手段中を前記流体圧縮手段から前記１組の第１の変位容積へ流れる吸入流体が、前記吸入チャネルの構造の一部による再生式熱交換および前記排出チャネルを流れる流体による向流式熱交換によって予冷され、前記吸入チャネル手段中を前記変位容積のうちの前記最後の１つの変位容積へ流れる吸入流体が、主として前記排出チャネルを流れる流体による向流式熱交換によって予冷されるようにする、第３の手段と、前記連続動作段のうちの少なくとも１つにおける容積変更手段が前記吸入チャネル手段および前記排出チャネル手段と熱結合しないようにする手段とを備える、低温環境を生成するためのシステム。２．前記連続動作段のうちの少なくとも１つが、円筒形ピストン手段と、相互におよび前記円筒形ピストン手段に対して同心に据え付けられた第１、第２、第３の円筒形管状手段とを備える、４同心手段として形成され、前記ピストン手段が、前記第１の円筒形管状手段に対して往復運動し、前記吸入チャネル手段が、前記第１の管状手段と前記同心の第２の管状手段の間に形成され、前記排出チャネル手段が、前記第２の管状手段と前記第３の管状手段の間に形成されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のシステム。３．前記１つまたは複数の段がそれぞれ、前記ピストン手段と前記第１の円筒形管状手段の間に位置決めされたすべりシール手段を含むことを特徴とする請求の範囲第２項に記載のシステム。４．さらに、前記吸入チャネル手段および排出チャネル手段のうちの少なくとも１つに、選択された流れパターンを生成する手段を含むことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のシステム。５．前記流れパターン生成手段が、前記吸入チャネル手段および排出チャネル手段のうちの少なくとも１つに位置決めされた複数の要素を備えることを特徴とする請求の範囲第４項に記載のシステム。６．さらに、前記吸入チャネル手段および排出チャネル手段のうちの少なくとも１つに、選択された流れパターンを生成する手段を含むことを特徴とする請求の範囲第２項に記載のシステム。７．前記流れパターン生成手段が、前記吸入チャネル手段および排出チャネル手段のうちの少なくとも１つに位置決めされた複数の要素を備えることを特徴とする請求の範囲第６項に記載のシステム。８．前記要素が、前記第１の管状手段および第２の管状手段のうちの少なくとも１つの表面上に食い違いに位置決めされた複数のピン要素を備えることを特徴とする請求の範囲第７項に記載のシステム。９．前記要素が、前記管状手段の材料とは異なる材料で形成されることを特徴とする請求の範囲第５項に記載のシステム。１０．前記連続動作段のうちの少なくとも１つが、円筒形ピストン手段および同心円筒形管状手段を備え、前記ピストン手段が前記円筒形管状手段に対して往復運動し、前記非結合手段が、前記少なくとも１つの動作段にある吸入チャネル手段及び排出チャネル手段を含む個別の熱交換機手段を備えることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のシステム。１１．前記個別の熱交換機手段が、スタック・スクリーン熱交換機であることを特徴とする請求の範囲第１０項に記載のシステム。１２．少なくとも１つの段が、前記ピストン手段と前記円筒形管状手段の間に位置決めされたすべりシールを含むことを特徴とする請求の範囲第１０項に記載のシステム。１３．前記最終段以外の前記動作段がそれぞれ、管状ピストン手段を含み、前記最終段が、一体円筒形ピストン手段を含み、前記管状ピストン手段および一体ピストン手段が、相互に接続されることを特徴とする請求の範囲第１項、第２項、または第１０項に記載のシステム。１４．前記最終段の前記一体円筒形ピストン手段が、可とう性継手によって相互に結合された複数の一体円筒形セグメントを備えることを特徴とする請求の範囲第１３項に記載のシステム。１５．前記一体円筒形セグメントが、比較的低い熱伝導性を有する材料から成ることを特徴とする請求の範囲第１４項に記載のシステム。１６．前記材料がステンレス鋼であることを特徴とする請求の範囲第１５項に記載のシステム。１７．前記最終段が、前記一体円筒形セグメントを円筒形管状手段内で基本的に同心に位置決めするために前記セグメントの夫々と協働する心合せ手段を含むことを特徴とする請求の範囲第１４項に記載のシステム。１８．前記連続動作段のうちの最終段にある容積変更手段が、円筒形管状手段内で往復運動するピストン手段を含み、前記円筒形管状手段が、比較的高い熱伝導性を有する材料から成ることを特徴とする請求の範囲第１項、第２項、または第１０項に記載のシステム。１９．前記材料が低炭素鋼であることを特徴とする請求の範囲第１８項に記載のシステム。２０．前記システムが、それぞれが、容積変更手段と、吸入チャネル手段と、排出チャネル手段とを含む、第１、第２、第３の連続動作段を含み、前記第２段が、前記第１段から空間的に延び、前記第３段が、前記第２段から空間的に延びることを特徴とする請求の範囲第１項、第２項、または第１０項に記載のシステム。２１．前記システムが、それぞれが、容積変更手段と、吸入チャネル手段と、排出チャネル手段とを含む、第１、第２、第３の連続動作段を含み、前記第３段が、前記第２段内に反転して位置決めされ、前記第２段および第３段が、前記第１段内に反転して位置決めされることを特徴とする請求の範囲第１項、第２項、または第１０項に記載のシステム。２２．前記容積変更手段が、前記連続動作段の夫々にある独立に動作する個別のピストン手段を含み、各段にあるピストン手段が、可変変位容積を提供するように同じ循環頻度で運動し、時間の関数としての前記ピストン手段の夫々の位置が、各ピストン手段ごとに独立に選択できることを特徴とする請求の範囲第１項、第２項、または第１０項に記載のシステム。２３．さらに、前記個別のピストン手段間に位置決めされたすべりシール手段を含むことを特徴とする請求の範囲第２２項に記載のシステム。２４．前記容積変更手段が、選択された数の前記連続段にある一体に形成され共通に動作するピストン手段と、前記連続段のうちの残りの段にある個別に形成され独立に動作するピストン手段とを含むことを特徴とする請求の範囲第１項、第２項、または第１０項に記載のシステム。２５．一体に形成され共通に動作するピストン手段が、前記システムの最終段以外のすべての段で使用され、個別に形成され独立に動作するピストン手段が、前記システムの最終段で使用されることを特徴とする請求の範囲第２４項に記載のシステム。２６．前記第３の手段が、室温よりも基本的に低い温度で動作できる弁を含むことを特徴とする請求の範囲第１項、第２項、または第１０項に記載のシステム。２７．さらに、前記弁手段と前記排出チャネル手段の間に位置決めされた第１の容積手段を含むことを特徴とする請求の範囲第２６項に記載のシステム。２８．さらに、熱負荷との拡張された熱接触を与えるために前記第１の容積手段に結合された負荷接触熱交換機手段と、前記熱交換機手段および前記排出チャネル手段に結合された第２の容積手段とを含むことを特徴とする請求の範囲第２７項に記載のシステム。２９．前記熱交換機手段が、前記熱負荷との直接熱接触を与える手段を含むことを特徴とする請求の範囲第２８項に記載のシステム。３０．前記熱交換機手段が、高い伝熱性を有する要素のマトリックスを含むことを特徴とする請求の範囲第２９項に記載のシステム。３１．前記要素が、焼結金属要素であることを特徴とする請求の範囲第３０項に記載のシステム。３２．前記焼結金属要素が銅球であることを特徴とする請求の範囲第３１項に記載のシステム。３３．前記負荷接触熱交換機手段が、それに接続された複数のひれ手段を含み、前記ひれ手段が、前記システムの外部にある流体から前記負荷接触手段内の流体へ熱を伝達することを特徴とする請求の範囲第２８項に記載のシステム。３４．さらに、前記排出チャネル手段と前記流体圧縮手段の間に位置決めされた弁手段を含むことを特徴とする請求の範囲第１項、第２項、または第１０項に記載のシステム。３５．前記弁手段、前記第１の手段、および前記第２の手段がスプール弁手段であることを特徴とする請求の範囲第３４項に記載のシステム。３６．さらに、前記連続動作段の最終段以外の段のうちの１つに位置決めされた負荷接触手段を含むことを特徴とする請求の範囲第１項、第２項、または第１０項に記載のシステム。３７．前記連続動作段のうちの最終段が、円筒形ピストン手段と、第１および第２の同心管状手段とを含み、前記最終動作段の前記ピストン手段と前記第１の同心管状手段の間の径方向クリアランスが、０．０００５インチから０．００３インチであることを特徴とする請求の範囲第１項、第２項、または第１０項に記載のシステム。３８．さらに、前記複数の動作段の第１段よりも上に位置決めされたハウジングを含み、前記ハウジングが、室温であり、前記吸入チャネル手段の一部が、前記ハウジングと熱交換関係にあることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載のシステム。