JPS6140901B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、高温端部と低温端部とを有し、２本
の通路とを構成する概ね管形の熱交換器であつて
前記通路の１本を通じて冷媒気体が圧力下の給源
からノズルへ流れて液化室においてジユール・ト
ムソン効果によつて冷却作用を出じ、そこから低
圧気体が他方の通路を通つて復帰するとともに来
入する冷媒を冷却するようにされたものと、冷媒
の流れを自動的に制御するためのノズルと協働し
てその有効面積を変更するようにされた弁部材と
を有する型式の寒剤式冷却装置に係る。 そのような装置の多くの形式が過去において提
案されている。例えば本願出願人の英国特許願明
細書第1164276号（ケース：HY43）及び第
1230079号（ケース：HY51及び59）において提案
されている。 本発明の目的は、構造において簡単且つ小型で
あるが液化室内の冷媒液体の量に対し、従つて冷
却の蓄積と呼び得るものに対し、望ましい程度に
円滑でしかも敏感な反応を提供する前記の如き冷
却装置の一形式を提供することである。前記液体
は深さが変化するプールの形式にされるか、また
は液体小滴の比率が変化するミストまたはスプレ
ーの形式にされる。 出願人は、ノズルに接近する高圧気体の温度は
液体冷媒の温度とは相当異ることを理解した。例
えば空気の場合において、大気圧における沸点は
約78Kであるが、ノズルに接近する気体の沸点は
約50℃〜70℃高い、さらに、これら温度のいずれ
も、存在する液体の量に従つて大きくは変化しな
い。蒸気と平衡している液体の温度は感じられる
ほどには変化し得ず、ノズルに接近する気体の温
度は、熱交換器の下部分の相当なフラツデイング
（flooding）即ちあふれが生じないかぎり（いつ
たん液体が凝縮し始めたならば）存在する液体の
量によつてほとんど影響されない。もし熱交換器
の下部分が液体によつてあふれるならば、熱交換
器の効率と液化過程は減じられる。 ノズルはほとんど液体とは接触せず、従つてそ
の温度は熱交換器の低温端部における高圧気体の
温度に厳密に近似するが、弁部材は全体的に液体
冷媒の小滴によつて衝突され、従つて、実質的に
より低い温度を有する。 従つて、弁と熱交換器の低温の端部は、いずれ
も事実上一定の温度の区域であつてそれらの温度
が相当異るものと見なされるが、いずれも、存在
する液体の量によつてはほとんど影響されない。
前記形式の既知の冷却装置は、一般的に、これら
部品の１個またはその他にほとんど固定されてい
る温度を感知し、従つて、存在する液体の量には
感じない。 本発明は、温度感知要素の温度は熱交換器から
それに流れ入る熱とそれから流れ出て冷媒に伝達
される熱との間の熱勘定と、それから蒸気への熱
伝達の率が液体のそれに比して無視され得る事実
とに依存すべきことを認識する。 かつまた、構造の簡単性とのために、本発明
は、それ自体の温度感知器を構成する膨脹要素
（温度に対し大きい膨脹性を有する）によつて弁
を作動することに依存する。即ち、膨脹は膨脹装
置それ自体の温度に依つて生じ、この温度が存在
する液体の量に従つて所望の態様を以て変化する
ように配列は選ばれる。若干の既知の構造におい
ては、弁の運動はベローによつて生ぜしめられ、
該ベロー内の、または該ベロー周囲の、圧力はベ
ローそのものの温度によつてではなく、液体と平
衡している蒸気を閉じ込めている球体の形式にさ
れた遠隔感知機の温度によつて決定される。しば
しば要求されるきわめて小寸法の冷却装置内に、
そのような構造を組込むことは容易でない。 第１の発明による寒剤式冷却装置は高温端部と
低温端部とを有し、２本の通路を構成する概ね管
形の熱交換器であつて前記通路の１本を通じて冷
媒気体が圧力下の給源からノズルへ流れて液化室
においてジユール・トムソン効果によつて冷却作
用を生じ、そこから低圧気体が他方の毒路を通つ
て復帰するとともに来入する冷媒を冷却するよう
になされたものと：冷媒の流れを自動的に制御す
るためノズルと協動してその有効面積を変更する
ようにされた弁と：熱交換器の低温端部に担持さ
れた固定端と、前記弁を作動する自由端とを有
し、前記熱交換器の高温端部側から前記自由端ま
で延在する膨脹装置とを有する寒剤式冷却装置に
おいて、前記膨脹装置の前記固定端は前記熱交換
器の低温端部から低い熱伝導率を有する通路によ
つて断熱されており、前記膨脹装置はそれ自体の
温度によつて生じる膨脹によつて前記弁を作動
し、前記膨脹装置はさらに前記固定端から前記ノ
ズルと前記熱交換器との間の区域にして前記ノズ
ルからのスプレーの直線上に位置していない区域
迄延在する高温側部分と、該高温側部分より小さ
い熱伝導率を有し前記区域から前記弁の付近まで
延在する低温側部分とを有することを特徴とす
る。 好ましくは前記膨脹装置の固定端は凹入する膨
脹装置キヤリヤの一端部に装架され、該膨脹装置
キヤリヤはその他端部を熱交換器の低温端部によ
つて担持され、そこからそれは熱交換器の高温端
部へ向かつて延在し、該キヤリヤは小さい熱伝導
率と小さい熱膨脹係数とを有する。 前記膨脹装置キヤリヤは好ましくは前記膨脹装
置の前記高温端部を包囲してそれを前記熱交換器
からの熱に対して遮蔽する全般的に管状または湾
曲板状の形式にされる。 第２の発明による寒剤式冷却装置は高温端部と
低温端部とを有する概ね管状の熱交換器と；該熱
交換器の低温端部に結合されてその高温端部か
ら、座を担持する低温端部まで延在している座キ
ヤリヤと；一端部を熱交換器にその低温端部に隣
接して結合されてそこから熱交換器の高温端部へ
向つて他端部へ延びている膨脹装置キヤリヤと；
該膨脹装置キヤリヤの前記他端部に結合された高
温側部分を有する細長い形状の膨脹装置であつて
前記膨脹装置キヤリヤの前記他端部から延びて熱
交換器の低温端部を過ぎて前記座に隣接する低温
側部分を有するものと；前記膨脹装置の低温側部
分によつて担持され、前記膨脹装置が収縮するに
従つてノズルを閉じる傾向を発揮するように前記
座と協働する弁と；高圧の気体冷媒を、前記熱交
換器の高温端部から前記熱交換器の第１の通路を
通過させ、それからジユール・トムソン膨脹ノズ
ルとして働らく前記座を通過させ、次いで、来入
する冷媒を冷却するように前記熱交換器の第２の
通路を通過復帰させるように送る装置とを有し；
前記膨脹装置は前記膨脹装置キヤリヤよりも実質
的に大きい膨脹係数を有し、２個の部分即ち高温
側部分と低温側部分とを以て形成され、それらの
うち、高温側部分は前記膨脹装置キヤリヤ及び前
記低温側部分よりも実質的により大きい熱伝導率
を有し、従つて、前記膨脹装置の長さに沿う温度
差はおもにその低温側部分に於て生じる。また、
前記膨脹装置も全般的に管状にされ、その低温端
部をノズルから射出される冷媒による衝突にさら
される。 本明細書において用いられる場合、低温端部及
び高温端部と言う用語は純粋に比較的意味に解さ
れるように意図され、一部材の高温端部が他の一
部材の低温端部よりも低温であることもあり得る
ことは理解されるであろう。 前記膨脹装置の高温部分は前記熱交換器の低温
端部を越えて液化室内に延在することが可能であ
る。 前記膨脹装置は各種の形状を取り得る。それは
気体および／または液体を詰められたベローを含
み得、該気体および／または液体の膨脹はベロー
の温度に従つて変化する。また、代替的に、それ
は複数個のバイメタル円板の重積体であつて各円
板の曲がりの方向を交互に反対にして重ね合わせ
て温度に従つて曲がりが変化するようにされたも
のを含み得る。あるいはまた、それは交互に大き
い膨脹係数と小さい膨脹係数を有するようになさ
れた複数本の同軸の管の一組または複数本の棒の
格子体であつて各管または各棒が一端に於て隣接
の１本に結合され、他端において他の隣接の１本
に結合され、これによつて、それらの差別膨脹が
付加的であるようになされたものを含み得る。 しかし便利性および簡単性のために、膨脹装置
は冷却装置の他部部に対し相対的に高い熱膨脹係
数を有する１本の簡単な棒または管を以て構成さ
れ得る。 本発明のその他の諸特徴並びに細部は、以下添
付図面を参照して述べる一実施例の説明から明ら
かになるであろう。 説明される該実施例において、冷却装置は、引
用された諸明細書に記載されたそれのほとんどと
同じように、細長い形状にされ、それは各種の向
きを以て働き得るが、それはそれがその軸線を垂
直に保ち且つその低温端部を底に位置させ通常使
用されるときの姿勢において説明される。 図示された冷却装置は管形の熱交換器を有し、
該熱交換器は内管状体２を有し、内管状体２は栓
３によつて密封され、その外周面には熱交換器の
吸込通路を形成するフイン付きの吸込管４即ちフ
イン付きコイル管がらせん状に巻き付けられてい
る。ジユワー・ビン８の内壁６によつて形成され
る同軸の外管は前記フイン付きコイル管の周囲に
位置され、内管状体２と外管即ちジユワー・ビン
８との間の空間は、前記吸込通路を形成するらせ
ん状に巻かれたコイル内管の来入高圧冷媒を冷却
するためにフインに添つて流れる排出気体のため
の熱交換器の第２の通路即ち排出通路を構成す
る。ジユワー・ビン８の下端部は、液状の作動流
体を溜め得る液化室１０を構成する液化室をその
内部に設けるように閉鎖されている。冷却さるべ
き負荷１２、例えば、赤外線放射検出器はジユワ
ー・ビン８の内壁６の外面上に形成される。また
は固定される。 熱交換器の本体２即ち内管状体２は小さい熱伝
導率の材料を以て成る。内管状体２の低温端部即
ち熱交換器の低温端部において、熱交換器の本体
２はＴ型の座キヤリヤ１４を担持している。Ｔ型
のキヤリヤ１４のヘツド部分１６は横断方向に延
在し、内管状体２の低温端部即ち熱交換器の低温
端部に結合されている。座キヤリヤ１４の軸部は
中空であり、その下端において、下方に開口した
座１８を形成されている。この座１８はノズルを
構成する。 さらに、内管状態２の低温端部の内部には管状
の膨脹装置キヤリヤ２０の下端部が結合され、前
記キヤリヤ２０は熱交換器内に於て同軸的に相当
距離上方へ延びて管状の膨脹装置の高温側部分２
２を包囲するとともに、その上端部において該高
温端部２２を担持している。膨脹装置キヤリヤ２
０はその下端部に外フランジ２４を有し、その上
端部に内フランジ２６を有し、従つて、本体２
と、膨脹装置キヤリヤ２０と、高温側部分２２と
は３本の同軸管を構成しており、これら同軸管は
それらの間に空間と画成して同軸的に重なつてフ
ランジ２４と２６とにおいて互いに結合されてい
る。 膨脹装置２２，２８の上方端即ち固定端は内フ
ランジ２６を介して膨脹装置キヤリヤ２０に固定
されており、膨脹装置キヤリヤ２０の下端部の外
フランジ２４は熱交換器の低温端即ち内管状態２
の低温端に連結されている。従つて、膨脹装置２
２，２８の上方の端部は熱交換器の低温端に間接
的に担持され、固定されている。 膨脹装置キヤリヤ２０は横断面が例えば円形の
管状体、または横断面が馬蹄形の湾曲板である。 熱交換器は、２つの通路を有する。温かい冷媒
気体は図面の最上方部分において吸込管４内に流
入し、座キヤリヤ１４内へと流れ、最後に座１８
が構成するノズルを通過する。これが第１の通路
を構成する。ノズルを通過する際の膨脹により冷
却されたガスはジユワー・ビン８の壁と内管状体
２との間の空間で吸込み管４の周囲を通過する。
これが第２の通路を構成する。第２の通路におい
て、吸込み管４は、熱伝導を良好にするために一
定の間隔を置かれたフインを担持しており、この
ため、図面から明らかなように、吸込管４のらせ
ん状の各段は互いに離れている。従つて、第２の
通路の横断面積はかなり大きい。冷媒気体が第２
の通路を通つて流れる一方、該気体は第１の通路
を通る気体流れを冷却する。これはもちろん、通
常の熱交換器にみられる冷媒気体の流れである。 膨脹係数は２個の部分を以て成り、高温側部分
２２はキヤリヤ２０の頂から下方へ延びて熱交換
器の低温端部の僅かに下方に達し、これによつ
て、液化室の頂部内に短距離突入している。高温
側部分２２は低温の下部分即ち低温側部分２８に
結合されており、低温側部分２８は座１８を越え
て下方へ延び、その下端に於てニードル弁即ち弁
３２を担持している。弁３２は上方へ突出し、座
１８と共働する円錐形の端部を有している。弁３
２は膨脹装置にねじ係合され、従つて調整自在で
ある。前記低温側部分２８は１対の大きい縦長の
スロツト３０を有し、該スロツト３０を通つて座
キヤリヤ１４は接近され、従つて、そのヘツド１
６は横方向へ突出して熱交換器の内管状態２の低
温端部に結合されうる。 以上説明された構造の重要な面は、異なる熱伝
導率と膨脹係数とを有する材料の選択である。膨
脹装置の高温側部分２２と低温側部分２８はとも
に大きい膨脹係数を有するが、高温側部分は大き
い熱伝導率を有し、低温側部分は小さい熱伝導率
を有する。膨脹装置、熱交換器の本体、座キヤリ
ヤ及び膨脹装置キヤリヤの膨脹及び温度の異る係
数の故に、弁３２は、膨脹装置の平均温度が低下
するに従つて、既知の態様で、その閉鎖位置へ向
かつて運動されることは理解されるであろう。 小型の冷却装置内において適正な弁動を得るの
に充分な長さの膨脹装置を収容するためには、望
ましくは膨脹装置は上方へ延在して、熱交換器内
に位置されるべきであるが、これによる利益を得
るためには、膨脹装置の全長は大きい膨脹係数を
有し、一方、膨脹装置キヤリヤ２０は小さい膨脹
係数を有するべきである。その理由は、キヤリヤ
２０の膨脹は膨脹装置の膨脹を無効ならしめ、弁
を開放せず、反対にそれを閉じてしまうからであ
る。 熱伝導率に関連して、本発明は、主として、熱
交換器の低温端部に近い液化室の頂に隣接する一
点に於ける膨脹装置の温度に反応する固定作用を
得ることを目的とする。したがつて、もし熱交換
器の温度に対する反応が過度であるならば、制御
感度は不良になる傾向があり、一方、ノズルに近
い液体のスプレーに対する反応が過度であるなら
ば、弁は液体が生じはじめると同時に閉じはじ
め、液体冷媒の貯えを作るための冷却は過度に遅
くなる。 次ぎに掲げる表は特定の一実施例の各種構成要
素の材料を、各材料の性質並びに完成された構成
要素の性質（それが重要である場合）と一緒に示
している。

【表】 各種品目の熱性及び諸寸法は前記表に記載され
た事項を考慮に入れて選ばれる。 したがつて、膨脹装置の高温側部分２２は熱交
換器の本体２に隣接高温部分に結合されず、膨脹
キヤリヤ２０を介して熱交換器の低温端部に結合
されており、キヤリヤ２０はそれを放射熱から遮
蔽するのみならず、それ自体小さい熱伝導率の材
料を以て成つている。従つて、熱交換器から膨脹
装置への熱の伝導は、より強い冷却が要求される
とき弁の応動を過度に遅くすることなしに、感度
を保証するのに適切な程度にまで減じられる。 必要とされるとき急速冷却を保証するため、液
体冷媒が丁度形成され始めたとき、液体スプレー
の高冷却速度はニードル弁の付近即ち膨脹装置の
低温側部分２８の下端における区域に局限され
る。膨脹装置のこの部分の低伝導率の故に、膨脹
装置の高温側部分２２の全体が相対的に高温に保
たれ、従つて、弁は実質的に開放状態に維持さ
れ、冷却は相当な速度で行われる。 液体の冷却効果が、液位が上昇する溜めの形式
で、また気体の比率が増す小滴の形式で増すに従
つて、膨脹装置の低温側部分２８の高温端部の温
度は漸減される。この減じられた温度は膨脹装置
の高温側部分２２の下端部に供給され、これは大
きい熱伝導率を有するから、前記減じられた温度
はその全長に作用し、これによつて、弁を漸次的
に閉じる。 実際上、液体冷媒の液位は図面においてＡとＢ
とを以て示される低液位と高液位との間で変化す
る。冷却装置の構成要素の温度は液体冷媒の液位
に従つて変化する。特定実施例において、冷媒の
高液位と低液位とにおける若干の構成要素の温度
は下記の通りであつた：

【表】 本発明の装置の構成部品の設計において、膨脹
装置の高温側部分２２が、実行可能な極限まで、
ノズルからの液体のスプレーに対して遮蔽される
ように保証することが重要である。膨脹装置の低
温側部分の下端部は、負荷１２が液体または液体
の小滴の相当量との接触関係によつて、または熱
交換関係によつて、所望の温度を獲得したのち、
液体または液体の小滴との相当な接触に入るべき
である。膨脹装置の高温側部分２２及び低温側部
分２８と膨脹装置キヤリヤ２０の熱伝導率と熱膨
脹係数と熱容量は：(1)ニードル弁を冷却期間を通
じてその全期位置に近接させて維持するように；
(2)低温側部分の温潤区域が高温側部分との接合部
へ向かつて延びるにしたがつて、高感度の制御を
保証するように膨脹装置の温度を迅速に変化させ
るように；(3)膨脹装置の高温側部分から熱交換器
への最適伝導率を提供し以て制御感度を不良なら
しめる過大伝導を極減するとともに液体の液位ま
たは液体小滴の比率が所望値よりも低下するとき
膨脹装置が加熱されて適正時間反応を以て弁を作
動することを可能とするのに充分な伝導率を提供
するように選択されるべきである。

【図面の簡単な説明】

添付図面は本発明に従つた冷却装置の縦断面図
である。 図面上、２は〓内管状体〓、４は〓吸込管〓、６
は〓内壁〓、８は〓ジユワー・ビン〓、１０は〓液
化室〓、１４は〓座キヤリヤ〓、１８は〓座〓、２
０は〓膨脹装置キヤリヤ〓、２２は〓高温側部
分〓、２４は〓外フランジ〓、２６は〓内フラン
ジ〓、２８は〓低温側部分〓、１２は〓負荷〓、３
０は〓スロツト〓、３２は〓弁〓を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高温端部と低温端部とを有し、２本の通路を
   構成する概ね管形の熱交換器であつて前記通路の
   １本を通じて冷媒気体が圧力下の給源からノズル
   へ流れて液化室においてジユール・トムソン効果
   によつて冷却作用を生じ、そこから低圧気体が他
   方の通路を通つて復帰するとともに来入する冷媒
   を冷却するようにされたものと；冷媒の流れを自
   動的に制御するためノズルと協働してその有効面
   積を変更するようにされた弁と：熱交換器の低温
   端部に担持された固定端と、前記弁を作動する自
   由端とを有し、前記熱交換器の高温端部側から前
   記自由端まで延在する膨脹装置とを有する寒剤式
   冷却装置において、前記膨脹装置の前記固定端は
   前記熱交換器の低温端部から低い熱伝導率を有す
   る通路によつて断熱されており、前記膨脹装置は
   その自体の温度によつて生じる膨脹によつて前記
   弁を作動し、前記膨脹装置はさらに前記固定端か
   ら前記ノズルと前記熱交換器との間の区域にして
   前記ノズルからのスプレーの直線上に位置してい
   ない区域迄延在する高温側部分と、該高温側部分
   より小さい熱伝導率を有し前記区域から前記弁の
   付近まで延在する低温側部分とを有することを特
   徴とする寒剤式冷却装置。 ２ 前記膨脹装置の固定端は凹入する膨脹装置キ
   ヤリアの一端に装架され、該膨脹装置キヤリヤは
   その他端部を熱交換器の低温端部によつて担持さ
   れ、そこからそれは熱交換器の高温端部へ向かつ
   て延在し、該キヤリヤは小さい熱伝導率と小さい
   膨脹係数とを有する、特許請求の範囲第１項記載
   の冷却装置。 ３ 前記膨脹装置キヤリヤは、前記膨脹装置の前
   記高温端部を包囲してそれを前記熱交換器からの
   熱に対して遮蔽する全般的に管状または湾曲板状
   の形式にされる、特許請求の範囲第２項記載に記
   載された冷却装置。 ４ 前記膨脹装置が全般的に管状にされ、その低
   温端部をノズルから射出される冷媒による衝突さ
   らされるようにされた、特許請求の範囲第１項か
   ら第３項までのうちの一項に記載された冷却装
   置。 ５ 前記膨脹装置の高温側部分は前記熱交換器の
   低温端部を越えて液化室内に延在する。特許請求
   の範囲第１項から第４項までのうちの一項に記載
   された冷却装置。 ６ 高温端部と低温端部とを有する概ね管状の熱
   交換器と；熱交換器の低温端部に結合されてその
   高温端部から、座を担持する低温端部まで延在し
   ている座キヤリヤと；一端部を熱交換器にその低
   温端部に隣接して結合されてそこから熱交換器の
   高温端部へ向つて他端部へ延びている膨脹装置キ
   ヤリヤと；該膨脹装置キヤリヤの前記他端部に結
   合された高温側部分を有する細長い形状の膨脹装
   置であつて前記膨脹装置キヤリヤの前記他端部か
   ら延びて熱交換器の低温端部を過ぎて前記座に隣
   接する低温側部分を有するものと；前記膨脹装置
   の低温側部分によつて担持され、前記膨脹装置が
   収縮するに従つてノズルを閉じる傾向を発揮する
   ように前記座と協働する弁と；高圧の気体冷媒
   を、前記熱交換器の高温端部から前記熱交換器の
   第１の通路を通過させ、それからジユール・トム
   ソン膨脹ノズルとして働らく前記座を通過させ、
   次いで、来入する冷媒を冷却するように前記熱交
   換器の第２の通路を通過復帰させるように送る装
   置とを有し；前記膨脹装置は前記膨脹装置キヤリ
   ヤよりも実質的に大きい膨脹係数を有し、２個の
   部分即ち高温側部分と低温側部分とを以て形成さ
   れ、それらのうち、高温側部分は前記膨脹装置キ
   ヤリヤ及び前記低温側部分よりも実質的により大
   きい熱伝導率を有し、従つて、前記膨脹装置の長
   さに沿う温度差はおもにその低温側部分に於て生
   じるようにして成る冷却装置。 ７ 前記膨脹装置キヤリヤは、前記膨脹装置の前
   記高温側部分を包囲してそれを前記熱交換器から
   の熱に対して遮蔽する全般的に管状または部分管
   状の形式にされる。特許請求の範囲第６項に記載
   された冷却装置。 ８ 前記膨脹装置が全般的に管状にされ、その低
   温側部分をノズルから射出される冷媒による衝突
   にさらされるようにされた、特許請求の範囲第６
   項または第７項に記載された冷却装置。 ９ 前記膨脹装置の高温側部分は前記熱交換器の
   低温端部を越えて液化室内に延在する、特許請求
   の範囲第６項から第８項までのうちの一項に記載
   された冷却装置。