JPH11509597A - 螺旋部に助成される極低温膨張を使用した温度低下装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 極低温膨張のための螺旋部を用いた温度低下装置が開示される。ガス、液体または二相流体を膨張させるこの装置は膨張区画を含み、この膨張区画は第一螺旋部（７２）と、前記第一螺旋部の内側の第二螺旋部（７０）と、流体を膨張させるために円周方向の並進移動を可能にするが第一螺旋部の内側の第二螺旋部の実際的な回転は防止する手段とを含んで成る。

Description

【発明の詳細な説明】 螺旋部に助成される極低温膨張を使用した温度低下装置先行技術の技術分野 本発明は極低温エキスパンションエンジンの分野に関する。 極低温冷凍ガスサイクルは使用される過程によって、往復方向の周期的な循環 、またはガスの定められた一方向への永久循環の二つの部類のいずれかに分類で きる。 交互循環サイクルにおいては、ガスは蓄熱器すなわち蓄熱式熱交換器と熱交換 を行い、この蓄熱式熱交換器はガスが一方へ向かって循環するときに熱を保存し 、ガスが逆方向へ戻るときに熱を元に返す。 最も良く知られている交互循環サイクルはスターリング、ギフォードおよびマ クマホンの各サイクルであり、また脈動管のサイクル（pulsation tube cycle） も同様である。後者は一般に４ケルビンまで１ワット未満、１５ケルビンまで約 １０ワット、そして８０ケルビンまで約１００ワットという低冷凍能力を発生す るようになされている。 対応する装置の図解的な表示がそれぞれ図１Ａ〜図１Ｃに与えられている。 図１Ａはスターリングエンジンを示している。圧力振動装置すなわち圧縮機１ はクランクシャフトで機械的に作動されるピストンによって構成されている。 図１Ｂに示されているギフォードおよびマクマホンエンジンは、変わることの ない低圧入口４および高圧出口５を有し、必要な圧力サイクルを発生させるため に交互に開動される入口弁６および出口弁７のそれぞれによって実際の冷凍機１ ０に連結されるガス圧縮機３を特徴としている。 これらの圧縮機１，３に連結された冷凍器１０はいずれの場合も同じものであ る。この冷凍器は、移動ピストン１１が内部を滑動するようになされた管９で構 成されており、このピストンは管９の内容積を二つの可変容積室に分割し、両室 はバイパス１２で相互に連結されており、このバイパスに蓄熱式熱交換器１３が 取付けられている。圧縮機１または圧縮機３に連結された室は温度Ｔ２（熱源と 同じ）であり、他方の室は冷源（cold source）の温度Ｔ３である。圧縮機での 圧力上昇に応じて移動ピストン１１は圧縮ガスを温度Ｔ２の室から温度Ｔ３の室 へ送り、熱を蓄熱式熱交換器１３と熱交換させる。ガスが温度Ｔ３の室を主に占 拠するとガス膨張が引き起こされ、これによりガスは新たなサイクルに入る前に 温度Ｔ２の室へ向かって蓄熱式熱交換器を移動し、その際に再び熱交換が行われ る。したがって、蓄熱式熱交換器１３はその中を一方に向かって循環されるガス から熱を奪い、その熱を反対方向へ向かって循環されるガスに返すという性質を 有する。図１Ｂの場合は、温度Ｔ２の室は入口４および出口５で圧縮機３と通じ ている。図１Ａの場合は、温度Ｔ２の圧縮機の室に対する圧縮機１の連結は一つ の圧力入口パイプ１５で行われている。 図１Ａの図面に基づいて、このような交互エンジンは膨張容積部分１５の二つ の周期的な波、すなわち一つは圧力の波および他は流れの波（wave of flow）の 発生にあることが分かるであろう。これらの二つの波の位相のずれを機械的手段 によって制御することは可能であり、その手段は一般に大気圧のもとでの圧縮機 １または弁６，７の動作、また移動ピストンの動作を制御するもので、移動ピス トンは極低温応用例の場合には非常に低い温度で作動できねばならない。このよ うにして、最大の膨張すなわち最大の熱吸収が冷源Ｔ３における最大のガス流量 と同時に生じるような状況を探求することに効果的に到達する。 図１Ｃは脈動管エンジンすなわち機械を示している。この機械は機械的な圧縮 機で代表される圧力振動装置１６と、圧力入口パイプ１８および脈動管１９によ り圧縮機１６に連結された蓄熱式熱交換器１７とを含み、脈動管は圧力振動装置 １６とは反対側の蓄熱式熱交換器１７の端部に連結されている。脈動管１９は蓄 熱式熱交換器１７とは反対側の端部が閉塞されている。各種の容積および狭窄の 総合効果によって、冷凍作用に必要とされる流れおよび圧力の波の位相のずれは 脈動管１９の全静止手段によって得ることができ、それ故に移動ピストンのよう な可動部材は全く備えられない、すなわち使用されない。したがって、さらに詳 しくは、脈動管１９は冷源ＳＦが位置する蓄熱式熱交換器１７の近くで狭窄され る一方、熱源ＳＣは脈動管１９の反対側の端部であって、拡張部分例えば円筒部 分の端部に位置される。ガス柱（gas column）は持続される振動を与えられ、ま たこの装置における各種部材の寸法形状は、熱を熱源へ伝えるために冷源からの 熱奪取を効率的に行えるようにする流れおよび圧力における波の位相ずれを得ら れるように、作動周波数の選定を可能にしている。 連続循環サイクルは高出力レベルの発生に良好に適用される。ブレイトンサイ クルおよびクロードサイクルの原理によって作動するこのようなエンジンは、そ れぞれ図２Ａおよび図２Ｂに示されている。これらは以下の三つの主要素の様々 な配置によって構成される。すなわち、 − 圧縮機２０が、通常は大気圧に近い低圧（ＬＰ）レベルのガスを、一般に約 １５００〜３０００ｋＰａ（１５〜３０バール）の範囲の高圧レベルにまで再循 環させる。 − １以上の向流式熱交換器２２が低圧ガスとの交換によって圧縮ガスの予備冷 却を保証する。 − １以上の膨張機械２３は真の冷凍出力源（単数または複数）であり、ガスが 機械的エネルギーすなわち仕事を供給するような機械２３が使用されるか、また はガスが圧力降下される簡単な狭窄部すなわち膨張弁２４が使用される。 所望される冷源２５が８０ケルビンより高い温度であるならば、ブレイトンサ イクル（図２Ａ）は窒素で作動できる。それより低い温度に関しては、このサイ クルガスは一般にヘリウムとされる。 図２Ｂのクロードサイクルはヘリウムサイクルに対応し、その冷源２６は液体 ヘリウム浴である。 この膨張機械はまたエネルギーすなわち仕事を発生することができ、熱力学の 第一法則を適用して、可逆変換サイクルに使用される熱量Ｑと仕事Ｗの和はゼロ である。すなわち、 Ｗ＋Ｑ＝０ である。 したがって、仕事を伴う膨張は熱を吸収することが可能であるが、低温部品の 動作される機械すなわちエンジンの使用が必要である。 仕事をしない膨張すなわち一定エンタルピーは熱を吸収しないが、部分的に液 化されるガスの膨張によって相変化を引き起こすように、液体の飽和曲線の直ぐ 近傍で一般に使用される。 仕事を伴う膨張は、流れが適当な場合にはタービンにおいて、あるいは小流量 に多少ながら良好に適合されるピストン機械において行われる。 いずれの場合にも、膨張されるガスは実際には冷源との熱交換が可能であって はならず、得られる膨張は断熱と言われるべきものでなければならない。 或る応用例においては、冷源と膨張ガスとの間の温度変化が小さい状態で永久 熱交換が保証されるとするならば、より多量の熱を奪取できる等温膨張状態を得 ることが好ましい。 タービンおよびピストンの両エンジンに関しては、液滴でタービンが不釣合い を起こしたり、または内部に蓄積し得る液体の「打撃」をピストンが受けること によって機械的破壊が生じるのを防止するために、相変化を伴う膨張は排除しな ければならない。 温度または圧力が十分に高いレベルになる結果として液体の存在することにな る範囲以外でそれらを使用するように制限するのでさえも、現在使用されている エキスパンションエンジンは数多い設計上または使用上の難問を生じている。 膨張タービンは分速数万回転または数十万回転（several dozen or several h undred thousand revolutions per minute）の高速度で回転しなければならず 、一般に無接触式の通常はガス軸受で支持されている。低流量の処理のために、 タービンは小型化に非常に適しているわけではない。 したがって、直径がセンチメートル台に縮小されると、タービンの固定部品と 可動部品との間隙は相対的に重要性が高まることになり、仕事をしないで膨張す る漏れ流量は効率を低下させることになる。ガスが音速で循環される噴出ノズル を１ミリメートルの十分の一の直径にまで縮小しなければならない場合、流動状 態は急激に乱れることになり、また不可逆性の原因を構成したり、簡単に不純物 に影響されることになる。 従来のピストン式膨張機械すなわちエンジンは小流量を処理するにはタービン よりも良好に適合されるが、それらの信頼性はピストンおよびシリンダ間の摺動 シールの配備および関連する制御機構を有した低温弁の存在によって著しく状況 が改善される。発明の説明 本発明は、膨張により、また特に極低温の性質（等エントロピーか、必要なら ば等温のいずれか）によって流体を冷却するためのエンジンの製造を可能にする 新規な解決方法に関するもので、このエンジンはピストンエンジンやタービンエ ンジンよりも良好に小流量の処理に適合でき、効率および信頼性が高く、その一 方で二相（double phase）の液体すなわち流体の存在に対して敏感でない。 本発明は、気相または液相、または二相における流体を膨張させてその流体の 温度を降下させる装置であって、膨張区画を有し、該膨張区画が、 − 第一螺旋部と、 − 前記第一螺旋部の内側に位置する第二螺旋部と、 − 流体の膨張時に第一螺旋部の内側の第二螺旋部自体を回転させることなく円 周方向に並進移動できるようにする手段と、 を含んでいることを特徴とする装置に関する。 この装置は膨張区画で生じる膨張によって流体の温度を下げることを可能にす る。したがって、流体は前記区画を離れた途端に冷却される。 本発明は無接触の可動部材を使用し、弁は使用しない。この装置は小流量の処 理のための小型化と両立する。また、膨張時にいかなる問題も生じないで二相流 体が形成されるのを許容することができる。また、等温状態へ近づけることがで きるように少なくとも一つの熱交換回路を螺旋部の一方に組み入れることもでき る。 自己回転することなく円周方向に並進移動できるようにする手段は各種の形態 をとることができ、例えば、 − 装置に対して固定されているスピンドルのまわりを回転する端部によって可 動螺旋部に各々連結されている二つのオフセットすなわち偏心シャフト、 − または装置の固定部分に一端部で連結され、他端部は可動螺旋部に連結され ている少なくとも一つの変形可能部材、 − または可動螺旋部、またはこの可動螺旋部に対する固定部分に力を作用させ て、回転は防止するが並進移動を行えるようにする磁気手段、 とされることができる。 さらに、移動時の可動螺旋部の回転速度を制御するための手段を備えることが できる。 したがって、二つのカムで移動される場合、その一つは電気ブレーキのロータ ーを担持することができ、ステータは装置に対して固定される。 変形可能部材で移動される場合、可動螺旋部は第二の偏心部材がそのまわりを 回転するような部材に対して連結されることができ、この偏心ブッシュに連結さ れている部材が電気ブレーキのローターを支持することができる。前記ブッシュ の回転は、その二つの面の少なくとも一方における磁気式またはガス式の無接触 軸受によって実行されることができる。 二つの螺旋部の間の軸線方向間隙を制御する手段を備えることができる。螺旋 部は例えばアルキメデスの螺旋とされることができ、あるいは円弧の連続として 定義されることができる。 流体膨張装置は少なくとも二つの膨張段階を含んで構成され、各膨張段階は以 下に説明する形態の一つにしたがって形成される装置を含んでなる。共通シャフ トが各種膨張装置の可動螺旋部の同位相での動作を選択的に可能にできる。 したがって、極低温エキスパンションエンジンは前述したように圧縮機と、熱 交換器と、膨張系すなわち膨張装置とを含んで構成することができる。図面の簡単な説明 本発明は以下に、限定することを意図するものではない実施例に関して添付図 面を参照して非常に詳細に説明される。図面において、 図１Ａ〜図１Ｃは、それぞれスターリングエンジン、ギフォードエンジン、お よび脈動管エンジンを示す。 図２Ａおよび図２Ｂは、ブレイトンエンジンおよびクロードエンジンを示す。 図３Ａ〜図３Ｄは、本発明による装置の膨張区画の作動原理を示す。 図３Ｅは、四つの螺旋部を備えた実施例を示す。 図４Ａ〜図４Ｃは、本発明による断熱装置または等温装置のいずれかの膨張区 画の断面図を示す。 図５は、本発明の第一の実施例を示す。 図６〜図９は、本発明の他の実施例を示す。 図１０は、本発明による三段階のエキスパンションエンジンを示す。実施例の詳細な説明 本発明の原理は、図３Ａ〜図３Ｄおよび図４Ａに示されるように第一固定螺旋 部２８と、この第一固定螺旋部の内側に可動的に配置された第二螺旋部３０とを 含んで成る膨張区画の使用を基本にしている。各螺旋部は平坦基部３２，３４に 係止すなわち連結されている。 膨張されるガスは導入管３６によって導入される。排出部すなわち漏出部を備 えることができる。したがって、螺旋部である隔壁２８，３０の先端と平坦基部 ３２，３４との間に形成される縮小された間隙が、流体を可動螺旋部の外側へ、 次ぎに固定螺旋部の外側へ漏出させることができる（図４の矢印４４）。 ガスは体積を増大（膨張）しつつ循環すなわち流動し、円周方向の並進移動さ れる可動壁３０に力を作用させつつ（仕事をする）循環すなわち流動するだけが 可能とされる。このような移動の結果として螺旋部３０の各点は円を描き、可動 部材はそれ自体に対して永久に平行移動を保持する。 図３Ａ〜図３Ｄは各種段階でのガスの膨張過程を示しており、これによれば四 分の一の回転ごとのガスの一部分の放出（evolution）を辿ることができる。こ のガスは連続的に増大する容積４６，４８，５０，５２を通り、最終的に５４を 通された後、漏出される。 膨張するガスの体積は常に固定螺旋部である隔壁と可動螺旋部の隔壁とによっ て制限を受け、可動螺旋部はその放出（移行）につれて各々１８０°方向に沿っ て接線状態を得るようになる。 これらの接線点は両部材が接触されるか、または好ましくは縮小された間隙４ ０，４２で離隔されるかによって、部分シールまたは完全シールを形成する。 円周方向の並進移動は接線点を固定螺旋部の形状に沿って移動させ、これによ りガスが体積を増大しつつ中央から螺旋部の外部へ向けて移動できるようにする 。 この螺旋部の構造によれば非常に広い範囲が与えられる。すなわち、 − 螺旋部の形状はアルキメデススパイラル（その螺旋部の半径Ｒが同一中心か らの角度につれて直線的に変化する（Ｒ＝ａθ））とされることができ、 − この形状は各種中心および各種半径の円弧、例えば各半回転または各四分円 回転の円弧の連続として定義されることができる。 処理する流量に応じて、また得られる膨張率に応じて、単一螺旋部を使用する か、不規則数である複数の噛み合った螺旋部を使用することによって、幾何形状 を最適化することができる。 数個の螺旋部を備えた実施例が図３Ｅに示されている。二つの固定螺旋部２７ ，２９が対称軸Δに対して１８０°で対称に配置されている。二つの可動螺旋部 ３１，３３は螺旋部２７の片面および螺旋部２９の反対面に交互に接線状態とな される。 螺旋部である隔壁の肉厚はその機械的強度および必要とする空間を最適化する ために一定または可変と選定されることができる。 使用できる材料は、二つの部材（固定および可動）がそれぞれの膨張の見地か ら影響を及ぼさずに基準の低温作動条件のもとで縮小された間隙を得られるよう な条件を好ましく満たす。変形を軽減するために、低膨張性を有する材料、例え ば炭素繊維または合金（アンバーのような合金）の複合材が選定されることにな ろう。等温状態に役立つように、銅またはアルミニウムがさらに好ましいとされ る。可動部材に例えばチタンまたは軽量合金のような低密度材料を使用すること ができ、このような材料は慣性力およびそれに関連した変形を制限するのに十分 強力である。 プラスチック材料も使用できる。これらは中実形態（solid form）とされねば ならない。またこれらの材料は、発生するであろう擦れすなわち摩擦の影響を制 限するために、あるいは摩耗の進行による研磨作用を得てその部材の形状を互い に適合化させるようにするために、局部的に連結（セグメントの形状で、または 表面付着の形状で）されることもできる。限られた接触と僅かな漏出との間で良 好に妥協されるのが好ましい。 本発明の本質的な利点は、無接触の可動部材を使用し、また弁は使用しないで 、ガスの仕事すなわちエネルギーを伴う膨張を行わせるために提供できることで ある。 装置の流量は回転速度を制御することで調整できる。このために、回転速度を 制御する手段を備えることができ、その例が以下に説明される。 本発明による装置は低速度で作動できる。固定流量に関しては、低速度である ことがより大容積の室の使用をもたらし、したがって小流量の処理のための小型 化には適当でない。 本発明の確定的な利点は、いかなる反抗的な事象も生じることなく膨張による 二相流体の形成を受入れることのできる能力によって得られるのであり、その液 相は何の問題も生じないで選択的に排出部または漏出部へ排出できる。 図４Ａの装置の変形例が図４Ｂおよび図４Ｃに与えられている。図４Ｂでは、 ヘリカル冷源３５が固定螺旋部の平坦基部３４に固定されている。図４Ｃでは、 冷源３７は固定螺旋部の壁部に一体的に組み入れられて、流体が前記壁部内を循 環できるようになされる。 図５は、固定部材が二つの偏心シャフト５２，６３を担持している構造体５０ によって支持された極低温エキスパンションエンジンを示している。 軸受５３に芯出しされたシャフト５２は、ローター５４およびステータ５５で 構成された電気ブレーキを組み込んでおり、回転速度の制御と、膨張仕事の適合 チャージレシーバー（charge receiver）５６への引出しとを可能にする。 シャフト５２は二つのオフセットすなわち偏心スピンドル５７，５８を備えて おり、軸受５９，６０およびアーム６２によって可動プレート６１と機械的な連 結が行えるように成されている。アーム６２は非常に安定した正確な位置制御を 可能にする。前記アームの質量は可動組立体の重力中心を所望レベル位置に芯出 しするように選定されることができる。 可動プレート６１はボール軸受６４，６５に取付けられている。前記シャフト ６３の動きはシャフト５２の動きと同位相とされ、プレート６１の移動は回転し ない円周方向の並進移動となるようにされる。 前述した全ての機械的部材はサイクル流体６８を保持するケース６６およびプ ラテン６７内において常温で作動する。サイクル流体６８はエキスパンションエ ンジンの排出圧力が大気圧に近いときは例えばヘリウムとされる。 圧縮ガス６９は可動螺旋部７０およびプレート６１を移動させることでエネル ギーすなわち仕事を伝え、螺旋部およびプレートは両方ともが少なくとも一つの 連結部材すなわちリンク部材７１に固定されている。管７３に担持されたプレー トおよび固定螺旋部７２は与えられる外熱から框体７４によって保護され、この 框体は通常の図示していない手段を使用することで容積部分７５を真空圧にする ことができる。 連結部材７１および管７３は熱端部および冷端部を有する。これらは機械的に 剛性であるように、また膨張されるガスの回路に対して生じる熱漏出が最小限で あるように寸法決めされるのが好ましい。 例えば８０Ｋの液体窒素を供給される補助冷却回路７６はプレート７０，７２ に対する熱漏出を最小限にすることができる。 図２Ｂに示したようなクロードサイクルのヘリウム液化装置においては、図５ による形式のエキスパンションエンジンは、ガス６９およびプレート７０，７２ が第一段階では５０〜６０ケルビンで、第二段階では１５〜２０ケルビンで作動 されて、使用できる。 部分的な液化が起こる最終膨張ステージは５〜７ケルビンで作動し、この場合 には補助回路７６は先行ステージによって５０Ｋまたは２０Ｋの供給を受けるの が好ましい。 螺旋部７０，７２を収容する区画内におけるガス膨張の作用のもとで、可動螺 旋部は移動される。この動きは連結部材７１によってプレート６１に伝達される 。同位相の偏心シャフト５２，６３は可動螺旋部の動きにおける自己の回転成分 を遮断することができる。残るのは後者の、すなわちプレート６１およびアーム ６２の回転方向の並進移動である。偏心スピンドル５７，５８によってシャフト ５２は回転する。電気ブレーキ（ステータ５５およびローター５４）は前記回転 の速度を、それ故にスピンドル５７，５８の回転の速度を制御し、その結果とし て可動螺旋部７０の回転方向の並進移動の速度を制御することができるようにす る。 可動螺旋部の回転を防止するために他の方法が見出され得る。例えば、繊維ま たはばねのネットワークであって、各繊維またはばねの一端部が可動螺旋部また はその平坦基部に固定され、他端が装置の固定部材に連結されているような変形 可能部材を使用することができる。 変形可能部材を使用した解決方法は図６に示されている。可動螺旋部７７は連 結部材７８により可動プレート７９に連結され、可動プレートの自己回転は蛇腹 によって遮断される。蛇腹の下部はプレート７９に固定され、上部は装置の固定 部材８４に固定される。蛇腹はまた潤滑剤の蒸気が存在できる框体の部分８６の 雰囲気を、高純度のサイクルガス用に制限される框体の部分８７から隔離するこ ともできる。カム８５を有するシャフト８０はプレート７９の円周方向の並進移 動を固定化する。このシャフト８０は装置に対して固定的に取付けられるスピン ドル８８のまわりに回転する。シャフト８０は電気ブレーキのローター８１も支 持することができ、そのステータは８２である。この装置はこれ以外は図５に関 連して前述で説明したものと同じまたは類似である。 他の解決方法は並進が行われるが回転は阻止されるような方法で力を伝達する 磁気手段を使用する。 この解決方法の原理は図７に示されている。可動部材、すなわち寧ろ可動螺旋 部の平坦基部または先端に強磁性または永久磁化されたバー８９が一体に形成さ れる。両者は外部の双極９０の磁界内に配置され、その平行な磁力線がその部材 の配向を固定化する。 可動部材８８およびそのバー８９が三つの異なる位置で示されている。これら の部材は図６のプレート７９のようなプレートに連結されることができ、プレー トは図６に関連して前述で説明したようにそれ自体が一つのカムによってガイド される。 円周方向の並進移動を機械的に伝達することのできる他の変形例は、非常に小 型であることおよび動的釣り合いをとることが非常に容易であることから、好ま しく使用される。この変形例は図８に示されている。 固定基板９１が電気ブレーキのステータ９２および蛇腹９３の熱端部を支持し ている。蛇腹は可動螺旋部９４の回転を止めることを意図されている。可動部材 は中央プレート９５が連結部材９６で可動螺旋部９４に連結されて構成されてい る。 回転自由な偏心ブッシュ９７が軸受９９によって基板９１に芯出しされ、また 軸受９８により中央プレート９５を支持している。可動螺旋部９４の円周方向の 並進移動はブッシュ９７の回転に変換されるのであり、ブッシュの速度は電気ブ レーキ９２によって制御される。 動的釣合いは、一方では可動組立体９４，９６，９５，１００の重力中心を軸 受９８，９９の平面に移動させることのできるシム１００で、また他方において は軸受９９内で水平に付与される慣性力の全てを釣合わせることのできるシム１ ０１，１０２によって得られる。 前述で説明した全ての解決方法は異なる機械的変形例を使用しているが、常温 で作動するように本質的に設計されている。 無接触式の極低温軸受（例えば磁気軸受またはガス軸受）の使用は、第二の解 決方法を生じることもできる。この後者の解決方法は、本発明の実行に使用され る固定および可動の螺旋部の相対的位置の良好な制御を保証できるようにするた めに、機械的剛性が非常に大きいという利点を有する。 図９に示される一例は半径方向のガス軸受と磁気式の軸線方向当接部とを組合 わせて使用している。この逆もまた、これらの二つの周知技術の間で考えられる 他のいずれの組合わせと同様に使用可能である。 図９の例は７Ｋおよび約１５００ｋＰａ（１５バール）におけるヘリウムエキ スパンションエンジンを示しており、膨張によって４．５Ｋおよび１００ｋＰａ （１バール）未満のもとで液体の比率が高い二相の状態で螺旋部を流出する。 同じ解決方法は例えば２０Ｋまたは６０Ｋのような他のいずれかの温度または 他のいずれかの圧力でヘリウム膨張に使用できる。 同様にして、同じ解決方法は適合温度および圧力レベルのもとで例えば水素、 ネオンまたは窒素のような他のいずれかのガスの膨張に使用できる。 膨張されるガスは７Ｋでパイプ１１１によって流入し、液体−蒸気の混合物の 形態でパイプ１３４を通して流出する前に、その仕事を固定螺旋部１１２および 可動螺旋部１１３の間に与える。 螺旋部１１３によって作動される可動装置は連結部材１１５によってプレート １１６に連結されており、プレートは、３００Ｋの高温部分に配置されているボ ール軸受１１９に対して連結部１１８によって軸線方向位置を保持されたブッシ ュ１１７を回転させ、このブッシュは電気ブレーキ１２０によって制動されて速 度を制御される。 プレート１１６は高温ケーシング１２２に固定されている蛇腹１２１によって 回転を止められる。ブッシュ１１７の回転は、その二つの面を二つの動的ガス軸 受１２３，１２４に対して保持できるようにし、これらの軸受は低温保持装置（ クリオスタット）１２５内での無接触移動を保証する。低温保持装置は、ブッシ ュ１１７のプレート１１６および軸受１２３，１２４、ならびに熱シールド１２ ７を２０ｋに保持する補助冷却回路１２６によって、またシールド１２９に連結 されて８０ｋの液体窒素を供給される回路１２８によって、寄生熱入力から保護 される。 全ての低温部材は真空框体１３０の内部に取付けられ、この框体のポンピング 手段は図示されていない。 二つの螺旋部１１２，１１３の間の軸線方向の間隙は１ミリメートルの数百分 の一に近い値を保持するために厳密に制御されるのが好ましい。低温位置のセン サー１３１で測定されるこの間隙は、電磁石１３３に作用して強磁性プレート１ ３４を吸引する力を制御する調整装置１３２によって制御される。 電磁石１３３に過大力が生じるのを防止するために、蛇腹１２１の壁面に穿孔 を形成して等圧状態にするか、または排出パイプ１３４内に得られる混合物の膨 張圧力に近い値を与えるように符号１２１の内側圧力を制御することが可能であ る。 前述で説明した実施例の一つによるエキスパンションエンジンは、図２Ａに関 連して本明細書の冒頭に説明したように、ブレイトンサイクルを実行するのに使 用できる。 本発明は、一方は固定螺旋部で他方は可動螺旋部である唯一の螺旋部組のみを 使用した単一段階のエキスパンションエンジン構造に限られない。 特に、同一の機械装置および同一の懸架間隙が幾つかのエキスパンションエン ジンの作動に使用できるようにして実行できる。例えば、図２Ｂに示したような クロードサイクル冷凍機を得るために、導かれる幾つかのこれまで説明した変形 例が組合わされてなる図１０に示した三段階エキスパンションエンジンの作動を 遂行するのに同一の機械装置が使用できる。 第一段階では、ヘリウムが１５００ｋＰａ（１５バール）および８０Ｋのもと でパイプ１４１を通って流入し、１１０ｋＰａ（１．１バール）および５０Ｋに 膨張されて１４２の箇所から排出される。 第二段階は、１５００ｋＰａ（１５バール）で２５Ｋ（１４３の箇所）と、１ ２０ｋＰａ（１．２バール）で１５Ｋ（１４４の箇所）との間で作動する。第３ 段階は１５００ｋＰａ（１５バール）で７Ｋのもとにガスを１４５の箇所で受入 れ、このガスは１３０ｋＰａ（１．３バール）のもとで液体−ガスの混合物の形 態で４．４Ｋにて１４６の箇所から流出される。 第３段階での膨張をさらに一層等温状態にするための可能な実施例は、固定螺 旋部１７１のプレートを凝縮器１８０で被うことを必要とするもので、液体ヘリ ウムの直接的な凝縮が生じて冷源が与えられる。 三つの可動螺旋部１４７，１４８，１４９は同一シャフト１５０に連結されて おり、このシャフトの断面は温度レベルによって減少されている。シャフト１５ ０は大気温度でプレート１５１と一体であり、約３０ケルビンの温度でプレート １５２と一体である。 プレート１５１はボール軸受１５４，１５５に取付けられた偏心カラー１５３ の回転に作用し、前記カラーはブレーキ１５６で速度を制御される。 低温プレート１５２に関しては別の技術が使用されており、これには偏心カラ ー１５７の回転を必要とする。カラーは同様に制動できるが、図１０には示され ていない。 偏心リング１５７は垂直方向の磁気式の当接部１５８によって所定位置に保持 される。二つの流体力学的ガス軸受１５９，１６０によって半径方向に芯出しさ れているが、これらの軸受は永久磁石または超伝導体を備えた磁気的軸受と置換 でき、その形式は温度レベルに基づいて定められる。 固定螺旋部１７１，１７２，１７３はケーシング１７４と一体形成されており 、このケーシングは真空框体によって断熱されている（始点１７５が図示されて いるが、そのポンピング手段は図示されていない）。 ガス回路は蛇腹１７６，１７７によって互いに隔離されている。 他の蛇腹１７８は極低温回路をケーシング１７９から隔離しており、これは差 圧のもとで機能されるか、軸受１５４，１５５がグリース式のものならば潤滑剤 の蒸気を閉じ込めることができる。 所望の円周方向の並進移動を制御するために、蛇腹１７６，１７７，１７８は プレート１５１，１５２およびシャフト１５０と一体の可動装置の回転を固定化 するのにも寄与する。 この例はクロードサイクルを生じるために三段階エキスパンションエンジンを 与えられた。別の段数（例えば２、または数Ｎ＞３）のエキスパンションエンジ ンを形成することは可能である。前述で説明した実施例のいずれかを組合わせて 使用することも可能である。 前述で説明した例の全てにおいて、固定および可動の螺旋部の相対位置は正確 に調整できることが軸線方向および半径方向の両方向における間隙を制限するた めに好ましい。使用される調整手段は通常のもので、説明が過ぎないように図示 されていない。例えば軸線方向の設定に適当なシムの使用が可能とされ、またス トロークおよび横動を調整するために偏心シャフトのために中心−中心調整手段 を備えることが可能とされる。また起こり得る幾何学的欠陥および表面欠陥を排 除するために研磨作業する位置の予測も可能である。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年９月５日 【補正内容】 近傍で一般に使用される。 仕事を伴う膨張は、流れが適当な場合にはタービンにおいて、あるいは小流量 に多少ながら良好に適合されるピストン機械において行われる。 いずれの場合にも、膨張されるガスは実際には冷源との熱交換が可能であって はならず、得られる膨張は断熱と言われるべきものでなければならない。 或る応用例においては、冷源と膨張ガスとの間の温度変化が小さい状態で永久 熱交換が保証されるとするならば、より多量の熱を奪取できる等温膨張状態を得 ることが好ましい。 タービンおよびピストンの両エンジンに関しては、液滴でタービンが不釣合い を起こしたり、または内部に蓄積し得る液体の「打撃」をピストンが受けること によって機械的破壊が生じるのを防止するために、相変化を伴う膨張は排除しな ければならない。 温度または圧力が十分に高いレベルになる結果として液体の存在することにな る範囲以外でそれらを使用するように制限するのでさえも、現在使用されている エキスパンションエンジンは数多い設計上または使用上の難問を生じている。 膨張タービンは分速数万回転または数十万回転（several dozen or several h undred thousand revolutions per minute）の高速度で回転しなければならず 、一般に無接触式の通常はガス軸受で支持されている。低流量の処理のために、 タービンは小型化に非常に適しているわけではない。 したがって、直径がセンチメートル台に縮小されると、タービンの固定部品と 可動部品との間隙は相対的に重要性が高まることになり、仕事をしないで膨張す る漏れ流量は効率を低下させることになる。ガスが音速で循環される噴出ノズル を１ミリメートルの十分のーの直径にまで縮小しなければならない場合、流動状 態は急激に乱れることになり、また不可逆性の原因を構成したり、簡単に不純物 に影響されることになる。 従来のピストン式膨張機械すなわちエンジンは小流量を処理するにはタービン よりも良好に適合されるが、それらの信頼性はピストンおよびシリンダ間の摺動 シールの配備および関連する制御機構を有した低温弁の存在によって著しく状況 が改善される。 米国特許第３８１７６６４号は二つの並列作動するポンピングユニットを有し 、一方のユニットは外側へ向かって螺旋状にポンピングし、他方のユニットは内 側へ向かってポンピングするポンプを記載している。発明の説明 本発明は、膨張により、また特に極低温の性質（等エントロピーか、必要なら ば等温のいずれか）によって流体を冷却するためのエンジンの製造を可能にする 新規な解決方法に関するもので、このエンジンはピストンエンジンやタービンエ ンジンよりも良好に小流量の処理に適合でき、効率および信頼性が高く、その一 方で二相（double phase）の液体すなわち流体の存在に対して敏感でない。 本発明は、気相または液相、または二相における流体を膨張させてその流体の 温度を降下させる装置であって、膨張区画を有し、該膨張区画が、 − 第一螺旋部と、 − 前記第一螺旋部の内側に位置する第二螺旋部と、 − 流体の膨張時に第一螺旋部の内側の第二螺旋部自体を回転させることなく円 周方向に並進移動できるようにする手段と、 を含んでいることを特徴とする装置に関する。 この装置は膨張区画で生じる膨張によって流体の温度を下げることを可能にす る。したがって、流体は前記区画を離れた途端に冷却される。 本発明は無接触の可動部材を使用し、弁は使用しない。この装置は小流量の処 理のための小型化と両立する。また、膨張時にいかなる問題も生じないで二相流 体が形成されるのを許容することができる。また、等温状態へ近づけることがで きるように少なくとも一つの熱交換回路を螺旋部の一方に組み入れることもでき る。 自己回転することなく円周方向に並進移動できるようにする手段は各種の形態 をとることができ、例えば、 − 装置に対して固定されているスピンドルのまわりを回転する端部によって可 動螺旋部に各々連結されている二つのオフセットすなわち偏心シャフト、 − または装置の固定部分に一端部で連結され、他端部は可動螺旋部に連結され ている少なくとも一つの変形可能部材、 − または可動螺旋部、またはこの可動螺旋部に対する固定部分に力を作用させ て、回転は防止するが並進移動を行えるようにする磁気手段、 とされることができる。 請求の範囲 １． ガス状態または液体状態、または二相状態における流体を極低温膨張さ せる装置であって、膨張区画を有し、膨張区画が、 − 第一螺旋部（２８，７２，１１２，１７１，１７２，１７３）、 − 前記第一螺旋部の内側に配置された第二螺旋部（３０，７０，７７，９４， １１３，１４７，１４８，１４９）、 − 流体の膨張時に、第一螺旋部の内側の第二螺旋部がそれ自体は回転せずに円 周方向に並進移動できるようにする手段（５２，６３；８０，８３，８５；９３ ，９５，９７；１１６，１１７，１２１）、 を含んでいることを特徴とする装置。 ２． 請求の範囲第１項に記載された装置であって、それ自体を回転させずに 円周方向に並進移動できるようにする手段が二つの偏心シャフト（５２，６３） を含み、各偏心シャフトは装置に対して固定されたスピンドルのまわりに回転す る端部によって可動螺旋部（１７０）に連結されている装置。 ３． 請求の範囲第１項に記載された装置であって、それ自体を回転させずに 円周方向に並進移動できるようにする手段が少なくとも一つの変形可能部材（８ ３，９３，１２１）を含み、この変形可能部材はその一方の端部により装置の固 定された部材（８４，１２２）に連結され、他端部は可動螺旋部（７７，９４， １１３）に連結されている装置。 ４． 請求の範囲第３項に記載された装置であって、変形可能部材（単数また は複数）が蛇腹（８３，９３，１２１，１７６〜１７８）と、繊維またはばねの ネットワークとを含んでいる装置。 ５． 請求の範囲第１項に記載された装置であって、それ自体を回転させずに 円周方向に並進移動できるようにする手段が磁気手段（９０）であり、可動螺旋 部に、または可動螺旋部に対する固定部材（８８）に力を作用させて、並進移動 がいかなる回転も防止するようにして行えるようになされている装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ガス状態または液体状態、または二相状態における流体の膨張で温度を 低下させる装置であって、膨張区画を有し、膨張区画が、 − 第一螺旋部（２８，７２，１１２，１７１，１７２，１７３）、 − 前記第一螺旋部の内側に配置された第二螺旋部（３０，７０，７７，９４， １１３，１４７，１４８，１４９）、 − 流体の膨張時に、第一螺旋部の内側の第二螺旋部がそれ自体は回転せずに円 周方向に並進移動できるようにする手段（５２，６３；８０，８３，８５；９３ ，９５，９７；１１６，１１７，１２１）、 を含んでいることを特徴とする装置。 ２． 請求の範囲第１項に記載された装置であって、それ自体を回転させずに 円周方向に並進移動できるようにする手段が二つの偏心シャフト（５２，６３） を含み、各偏心シャフトは装置に対して固定されたスピンドルのまわりに回転す る端部によって可動螺旋部（１７０）に連結されている装置。 ３． 請求の範囲第１項に記載された装置であって、それ自体を回転させずに 円周方向に並進移動できるようにする手段が少なくとも一つの変形可能部材（８ ３，９３，１２１）を含み、この変形可能部材はその一方の端部により装置の固 定された部材（８４，１２２）に連結され、他端部は可動螺旋部（７７，９４， １１３）に連結されている装置。 ４． 請求の範囲第３項に記載された装置であって、変形可能部材（単数また は複数）が蛇腹（８３，９３，１２１，１７６〜１７８）と、繊維またはばねの ネットワークとを含んでいる装置。 ５． 請求の範囲第１項に記載された装置であって、それ自体を回転させずに 円周方向に並進移動できるようにする手段が磁気手段（９０）であり、可動螺旋 部に、または可動螺旋部に対する固定部材（８８）に力を作用させて、並進移動 がいかなる回転も防止するようにして行えるようになされている装置。 ６． 請求の範囲第５項に記載された装置であって、可動部材（８８）が少な くとも一つの強磁性または永久磁性部材を一体に備えており、磁性を発生させる ための手段が備えられ、その磁力線が可動部材の配向を固定化している装置。 ７． 請求の範囲第３項から第６項までのいずれか一項に記載された装置であ って、装置に対して固定されたスピンドルのまわりを回転する端部によって可動 螺旋部（７７）に連結された偏心シャフト（８０）も含んでいる装置。 ８． 請求の範囲第３項から第６項のいずれか一項に記載された装置であって 、偏心ブッシュがそのまわりを回転する部材に対して可動螺旋部が連結されてい る装置。 ９． 請求の範囲第１項から第８項までのいずれか一項に記載された装置であ って、移動時の可動螺旋部の回転速度を制御する手段（５５，８２，９２，１２ ０，１５６）も含んでいる装置。 １０． 請求の範囲第２項および第９項に記載された装置であって、カム（５ ２）の一つが電気ブレーキのローター（５４）を担持し、ステータ（５５）は装 置に対して固定されている装置。 １１． 請求の範囲第７項および第９項に記載された装置であって、偏心シャ フト（８０）が電気ブレーキのローター（８１）を支持し、ステータ（８２）は 装置に対して固定されている装置。 １２． 請求の範囲第８項および第９項に記載された装置であって、偏心ブッ シュ（９７）に連結された部材が電気ブレーキのローターを支持し、ステータ（ ９２）は装置に対して固定されている装置。 １３． 請求の範囲第８項または第１２項に記載された装置であって、無接触 軸受（１２３，１２４，１５９，１６０）により二つの面の少なくとも一つにお いてブッシュの回転が行われる装置。 １４． 請求の範囲第１３項に記載された装置であって、軸受が磁気形式のも のである装置。 １５． 請求の範囲第１３項に記載された装置であって、軸受がガス形式のも のである装置。 １６． 請求の範囲第１３項から第１５項までのいずれか一項に記載された装 置であって、二つの螺旋部間の軸線方向間隙を制御する手段も含んでいる装置。 １７． 請求の範囲第１２項から第１６項までのいずれか一項に記載された装 置であって、ブッシュの回転が低温保持装置（クリオスタット）で行われる装置 。 １８． 請求の範囲第１項から第１７項までのいずれか一項に記載された装置 であって、螺旋部がアルキメデススパイラルである装置。 １９． 請求の範囲第１項から第１７項までのいずれか一項に記載された装置 であって、螺旋部が連続円弧で定められる装置。 ２０． 請求の範囲第１項から第１９項までのいずれか一項に記載された装置 であって、螺旋部の隔壁が可変高さである装置。 ２１． 請求の範囲第１項から第２０項までのいずれか一項に記載された装置 であって、各螺旋部が閉端基部（３２，３４）に連結されている装置。 ２２． 請求の範囲第２１項に記載された装置であって、少なくとも装置の作 動温度において、一つの螺旋部の隔壁の上部と他方の螺旋部の閉端基部との間に 縮小された間隙が保証されている装置。 ２３． 請求の範囲第１項から第２２項までのいずれか一項に記載された装置 であって、二つの螺旋部が作られる材料が小さな熱膨張係数を有している装置。 ２４． 請求の範囲第２３項に記載された装置であって、螺旋部が炭素繊維ま たは合金の複合材料を有している装置。 ２５． 請求の範囲第１項から第２４項までのいずれか一項に記載された装置 であって、プラスチック材料が少なくとも局部的に、少なくとも二つの螺旋部の 一方の底部（３２，３４）に面する他方の螺旋部の部分に使用されている装置。 ２６． 請求の範囲第１項から第２５項までのいずれか一項に記載された装置 であって、膨張をより一層等温状態とするために少なくとも一つの螺旋部に冷源 に関連して熱交換器を使用している装置。 ２７． 少なくとも二つの膨張段階を組み込み、各段階が請求の範囲第１項か ら第２６項までのいずれか一項に記載された装置を含んで構成された流体膨張装 置。 ２８． 請求の範囲第２７項に記載された装置であって、共通シャフト（１５ ０）が別の膨張装置の可動螺旋部（１４７，１４８，１４９）を同位相で移動で きるようにしている装置。 ２９． 圧縮機（２０）と、熱交換器（２２）と、請求の範囲第１項から第２ ６項までのいずれか一項に記載された膨張装置とを含んで構成された極低温エク スパンションエンジン。 ３０． 圧縮機（２０）と、熱交換器（２２）と、請求の範囲第２７項または 第２８項に記載された膨張装置とを含んで構成された極低温エクスパンションエ ンジン。