JPS59200166A - 固体昇華冷却器及びその操作法 - Google Patents
固体昇華冷却器及びその操作法Info
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- JPS59200166A JPS59200166A JP59078738A JP7873884A JPS59200166A JP S59200166 A JPS59200166 A JP S59200166A JP 59078738 A JP59078738 A JP 59078738A JP 7873884 A JP7873884 A JP 7873884A JP S59200166 A JPS59200166 A JP S59200166A
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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- F25D3/00—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies
- F25D3/12—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies using solidified gases, e.g. carbon-dioxide snow
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、固体昇華冷却器、ことに新規な放射冷却通気
管路を持つ固体昇華冷却器に関する。
管路を持つ固体昇華冷却器に関する。
このような冷却器はたとえば宇宙船用又はその他の宇宙
空間を運ばれる装置用或はこれ等両者用のりに使う。
空間を運ばれる装置用或はこれ等両者用のりに使う。
本発明による通気管路装置は、通常通気管路を経てクラ
イオジエン(cryogen )に伝わる寄生的熱損失
を放射する。このようにすることにょシこの通気管路は
、対応する極めて低い作動蒸気圧力を必要とする極めて
低い作用温度で、クライオジエン(たとえばメタン)の
実用的な熱的に有効な使用ができる。普通の作動温度よ
り低い温度で高い熱容量の冷却剤をこのように使用する
結果、所定の冷却任務に対して必要なクライオジエンの
質量が減少し、かつ普通の冷却装置に比べて冷却器全体
の寸法及び重量が減少する。
イオジエン(cryogen )に伝わる寄生的熱損失
を放射する。このようにすることにょシこの通気管路は
、対応する極めて低い作動蒸気圧力を必要とする極めて
低い作用温度で、クライオジエン(たとえばメタン)の
実用的な熱的に有効な使用ができる。普通の作動温度よ
り低い温度で高い熱容量の冷却剤をこのように使用する
結果、所定の冷却任務に対して必要なクライオジエンの
質量が減少し、かつ普通の冷却装置に比べて冷却器全体
の寸法及び重量が減少する。
固体昇華クライオジエン(冷却剤)から生ずる蒸気は、
所望のシステム温度を維持するように(すなわちクライ
オジエン温度対蒸気圧曲線上に所望の作用点を維持する
ように)配管を経て逃がさなければならないけれども、
若干の冷却剤は、普通の通気装置に伴う高い熱入力によ
ってこのようなシステムに従来適応できるとはあ1り考
えられていない。
所望のシステム温度を維持するように(すなわちクライ
オジエン温度対蒸気圧曲線上に所望の作用点を維持する
ように)配管を経て逃がさなければならないけれども、
若干の冷却剤は、普通の通気装置に伴う高い熱入力によ
ってこのようなシステムに従来適応できるとはあ1り考
えられていない。
たとえば代表的々用途に必要なりライオジエンの所要の
質量及び容積の比較により、有効かつ実用的な冷媒に対
しメタンを選定するのが好適であると最初は思うように
なる。しかし低い作用温度(たとえば50に以下)を維
持するのにメタンを使用するならば、極めて低い蒸気圧
(一般に10−3 トル及びそれ以下の範囲〕を維持す
ることが必要になる。この場合、昇華過程中に昇華の潜
熱を吸収する際に、放出される蒸気を逃がすようにクラ
イオジエン容器に連結した通気管は、直径を極めて太く
しなければならない。従来の装置の大直径の通気管は、
対応する大きい寄生的熱伝導が通°気管自体の壁を経て
クライオジエン容器に必ずもどるようになる。メタンの
場合には寄生的熱損失゛の問題を十分に考慮するときは
、通気管の伝導による寄生的熱漏れを満足させるために
だけ過度の量のメタンを消費しなけれはならないから、
通常メタンを有効に使うことができない。
質量及び容積の比較により、有効かつ実用的な冷媒に対
しメタンを選定するのが好適であると最初は思うように
なる。しかし低い作用温度(たとえば50に以下)を維
持するのにメタンを使用するならば、極めて低い蒸気圧
(一般に10−3 トル及びそれ以下の範囲〕を維持す
ることが必要になる。この場合、昇華過程中に昇華の潜
熱を吸収する際に、放出される蒸気を逃がすようにクラ
イオジエン容器に連結した通気管は、直径を極めて太く
しなければならない。従来の装置の大直径の通気管は、
対応する大きい寄生的熱伝導が通°気管自体の壁を経て
クライオジエン容器に必ずもどるようになる。メタンの
場合には寄生的熱損失゛の問題を十分に考慮するときは
、通気管の伝導による寄生的熱漏れを満足させるために
だけ過度の量のメタンを消費しなけれはならないから、
通常メタンを有効に使うことができない。
この件について50にで150mWの5年間の冷却負荷
に対する4種類の固体冷却剤の理論的な所要の重量及び
貯蔵容積の表(なお寄生的熱損失は考慮しない)を次の
第1表に示しである。このような材料はすべて、所望の
温度(すなわち温度対蒸気圧曲線上の所望の作動点)を
維持しながら放出蒸気を配管を経て容易に逃がすことが
できるから、使用できそうである。
に対する4種類の固体冷却剤の理論的な所要の重量及び
貯蔵容積の表(なお寄生的熱損失は考慮しない)を次の
第1表に示しである。このような材料はすべて、所望の
温度(すなわち温度対蒸気圧曲線上の所望の作動点)を
維持しながら放出蒸気を配管を経て容易に逃がすことが
できるから、使用できそうである。
2・1 表
5種類の使用できそうな冷却剤に対する要求〔5年間の
ベースライン・ミッション(Ba5el ineMis
sion )’) ネオン 233(491) 156(5,5)
58 (22,9)アルゴン 120(265
) 74(2,リ 45 (17,9)窒素
98(215)102(3,リ 51 (19,9)
水素 25(5リ 283(10,0) 71
(28,0)メタン 4.1(90) 82(
2,9) 47 (18,5)注゛ 1−5年間にわたり50にで150ミリワツトを吸収す
るのに必要な冷却剤の質量 2−前記冷却剤質量を貯蔵するのに必要な容積3−タン
クが長さ及び直径の互に等しい円筒体である場合に冷却
剤を入れるのに必要なタンクの直径 4−逃がした水素ガスの熱容量も又負荷を冷却するのに
使用される 冷却剤の蒸気圧は、所望の温度で合理的な寸法の通気管
を経て逃がすことができるだけ十分に高くなければなら
ないのはもちろんである。所要の蒸気圧が低すぎる場合
には通気管の直径は、通気管自体を通る伝導(Lよる寄
生的熱漏れが不当に高くなるほど太くなければならない
。又寄生的熱漏れを相殺すると共に所望の負荷を冷却す
るのに必要な冷却剤の全重量によりシステムが非実用的
になる。すなわち普通の管式の通気システムでは第1表
の5番目の記入環(メタン)は実用的冷却剤としては省
かれる。すなわち50Kにおけるメタンの蒸気圧は、わ
ずかに約2X101−ルであり、不当に大きい通気管が
必要となる。その他の点ではメタンを使えば、クライオ
ジエンタンク容積75;比較的小さく、からのタンク質
量は水素を利用する装置に対するより低い。
ベースライン・ミッション(Ba5el ineMis
sion )’) ネオン 233(491) 156(5,5)
58 (22,9)アルゴン 120(265
) 74(2,リ 45 (17,9)窒素
98(215)102(3,リ 51 (19,9)
水素 25(5リ 283(10,0) 71
(28,0)メタン 4.1(90) 82(
2,9) 47 (18,5)注゛ 1−5年間にわたり50にで150ミリワツトを吸収す
るのに必要な冷却剤の質量 2−前記冷却剤質量を貯蔵するのに必要な容積3−タン
クが長さ及び直径の互に等しい円筒体である場合に冷却
剤を入れるのに必要なタンクの直径 4−逃がした水素ガスの熱容量も又負荷を冷却するのに
使用される 冷却剤の蒸気圧は、所望の温度で合理的な寸法の通気管
を経て逃がすことができるだけ十分に高くなければなら
ないのはもちろんである。所要の蒸気圧が低すぎる場合
には通気管の直径は、通気管自体を通る伝導(Lよる寄
生的熱漏れが不当に高くなるほど太くなければならない
。又寄生的熱漏れを相殺すると共に所望の負荷を冷却す
るのに必要な冷却剤の全重量によりシステムが非実用的
になる。すなわち普通の管式の通気システムでは第1表
の5番目の記入環(メタン)は実用的冷却剤としては省
かれる。すなわち50Kにおけるメタンの蒸気圧は、わ
ずかに約2X101−ルであり、不当に大きい通気管が
必要となる。その他の点ではメタンを使えば、クライオ
ジエンタンク容積75;比較的小さく、からのタンク質
量は水素を利用する装置に対するより低い。
メタン・システムは他の重要な実用的見地においては水
素よシすぐれている。水素は、これを零重力の冷却剤保
持のために固体の形に維持するのに所望の冷却温度よシ
はるかに低い温度(14により低い)に貯蔵されなけれ
ばならない。第1表に示した56 lbの水素質量を使
うシステムは、ガスの熱容量をそのIOKの昇華温度と
50にの負荷温度との間で十分利用しなければならない
。温度上昇は、利用できる冷却容量のほぼ50%に役立
つが、これは全く使用できない。すなわち適正な負荷温
度に確実に達するには、フィードバック制御ループ及び
アクチブ加熱器(active heater )を使
わなければならない。この実際的要求によシ信頼性が下
が9、前記の561bの水素質量が必然的に最低値しか
ならない。前記の質量は実際上は、冷却器の熱負荷の可
変性に従って2倍近くになる。
素よシすぐれている。水素は、これを零重力の冷却剤保
持のために固体の形に維持するのに所望の冷却温度よシ
はるかに低い温度(14により低い)に貯蔵されなけれ
ばならない。第1表に示した56 lbの水素質量を使
うシステムは、ガスの熱容量をそのIOKの昇華温度と
50にの負荷温度との間で十分利用しなければならない
。温度上昇は、利用できる冷却容量のほぼ50%に役立
つが、これは全く使用できない。すなわち適正な負荷温
度に確実に達するには、フィードバック制御ループ及び
アクチブ加熱器(active heater )を使
わなければならない。この実際的要求によシ信頼性が下
が9、前記の561bの水素質量が必然的に最低値しか
ならない。前記の質量は実際上は、冷却器の熱負荷の可
変性に従って2倍近くになる。
負荷を冷却するのに、通気ガス自体に利用できる冷却容
量に依存しないシステムは、与えられた熱負荷に対しタ
ライオジエン温度と昇華蒸気圧との間の安定な関係によ
って一層固有の安定性がある。たとえばメタンに関して
は作動温度の50Kかられずかに5にの増加により圧力
が1.5 X lo−2トルに増す。このような蒸気圧
ペグド形(peggedtype )のシステムにおい
ては、従って熱負荷は、作動温度の著しい変化を生ずる
ように、かなり変えられなければならない。
量に依存しないシステムは、与えられた熱負荷に対しタ
ライオジエン温度と昇華蒸気圧との間の安定な関係によ
って一層固有の安定性がある。たとえばメタンに関して
は作動温度の50Kかられずかに5にの増加により圧力
が1.5 X lo−2トルに増す。このような蒸気圧
ペグド形(peggedtype )のシステムにおい
ては、従って熱負荷は、作動温度の著しい変化を生ずる
ように、かなり変えられなければならない。
本発明により、従来得られなかった温度範囲又は冷却シ
ステムに非実用的な物理的制限を加えた温度範囲でクラ
イオジエンを利用することによって、固体の昇華冷却剤
の有用な作動温度範囲を下げる方法及び装置が得られる
。この目的は、通気管自体の壁を経て冷却器内に寄生的
熱損失を導かないでこの寄生的熱損失を空間すなわち宇
宙空間に放射する放射冷却通気装置を使うことにより達
成できる。この場合質量及び容積の全侠求暫、十分に減
らしたクライオジエン冷却剤を使用することができる。
ステムに非実用的な物理的制限を加えた温度範囲でクラ
イオジエンを利用することによって、固体の昇華冷却剤
の有用な作動温度範囲を下げる方法及び装置が得られる
。この目的は、通気管自体の壁を経て冷却器内に寄生的
熱損失を導かないでこの寄生的熱損失を空間すなわち宇
宙空間に放射する放射冷却通気装置を使うことにより達
成できる。この場合質量及び容積の全侠求暫、十分に減
らしたクライオジエン冷却剤を使用することができる。
本発明者は研究の結果、前記の目的はたとえば、実際上
放射冷却器及び普通の固体昇華クライオジエン冷却器の
各特徴を組合わせた冷却器構造に、ホーン状の先広がり
の通気管構造〔場合によりフリューケノンホーン(FL
ugel ho’rn)と称する〕を設けることにより
、達成できることが分った。このような放射冷却通気管
構造により正常以下の作動温度で高い熱容量の冷却剤(
たとえばメタン)を使うことができ、普通のシステムに
対し冷却器の全寸法及び重量が減少させることができる
。
放射冷却器及び普通の固体昇華クライオジエン冷却器の
各特徴を組合わせた冷却器構造に、ホーン状の先広がり
の通気管構造〔場合によりフリューケノンホーン(FL
ugel ho’rn)と称する〕を設けることにより
、達成できることが分った。このような放射冷却通気管
構造により正常以下の作動温度で高い熱容量の冷却剤(
たとえばメタン)を使うことができ、普通のシステムに
対し冷却器の全寸法及び重量が減少させることができる
。
とくに本発明者は実験の結果、通気管路を種種の形状の
放射構造(この場合ホーンと称する)に形成して、放射
器の口を固体クライオジエン容器の通気口に連結するこ
とにより、極めて低い蒸気圧を必要とする用途にメタン
及び類似のクライオジエンを使うことができることが分
った。放射器構造の他端部は、通気され、外部空間(ブ
ラックスペース)に放射作用によシ差向けられる。すな
わち実際上固体クライオジエン容器に連結された放射器
口の直径は、ガス状流れ用にこの放射器口が実質的な蒸
気流れ抵抗を持つ長い管としてよシも実質的に容器壁の
口として作用するから最大(こすることができる(すな
わち所望の蒸気圧を保つのに必要な寸法にすることがで
きる)。これと同時にホーンの外面(空間に広がり外方
に向いた内側通気管面)はこの面に沿って導かれる寄生
的熱損失を放射することができる。この寄生的熱損失は
通常は通気管壁に沿いクライオジエン容器自体に沿って
導かれる。実際上本発明による通気管路は、普通の固体
昇華冷却剤システムの大直径の通気管と同じ蒸気通気作
用を行う。しかし所要の大直径の通気配管を経てクライ
オジエン冷却器にもどる寄生的熱損失の伝導から通常生
ずる熱損は実質的に減少する。
放射構造(この場合ホーンと称する)に形成して、放射
器の口を固体クライオジエン容器の通気口に連結するこ
とにより、極めて低い蒸気圧を必要とする用途にメタン
及び類似のクライオジエンを使うことができることが分
った。放射器構造の他端部は、通気され、外部空間(ブ
ラックスペース)に放射作用によシ差向けられる。すな
わち実際上固体クライオジエン容器に連結された放射器
口の直径は、ガス状流れ用にこの放射器口が実質的な蒸
気流れ抵抗を持つ長い管としてよシも実質的に容器壁の
口として作用するから最大(こすることができる(すな
わち所望の蒸気圧を保つのに必要な寸法にすることがで
きる)。これと同時にホーンの外面(空間に広がり外方
に向いた内側通気管面)はこの面に沿って導かれる寄生
的熱損失を放射することができる。この寄生的熱損失は
通常は通気管壁に沿いクライオジエン容器自体に沿って
導かれる。実際上本発明による通気管路は、普通の固体
昇華冷却剤システムの大直径の通気管と同じ蒸気通気作
用を行う。しかし所要の大直径の通気配管を経てクライ
オジエン冷却器にもどる寄生的熱損失の伝導から通常生
ずる熱損は実質的に減少する。
通常クライオジエンへの伝導により、いわゆる寄生的熱
漏れの空間への放射と、クライオジエン容器への連結点
における通気管の直径の最大イヒとによって、固有の望
ましい低い質量・容積特性を持つ低い温度のメタンのよ
うな低蒸気圧のタライ ・セオジエンはこの種の
冷却システム(たとえば冷去1剤の作用蒸気正金制御す
′ることによシ作用温度を設定する固体昇華システム)
の多くの用途に対し第1に実際的に選択される。又一層
適当なりライオジエンを使うことによシ、質量をかなり
減少させて使命を達成することができる。従来は固体昇
華冷却器の平衡圧力を約1トルに制限する。本発明では
圧力範囲の下端を約10−4トルに伸ばし、温度範囲を
対応量だけ伸ばす。温度範囲の伸長により使命の必要に
応するのに一層多い質量の有効なりライオジエンを使用
できることが多い。
漏れの空間への放射と、クライオジエン容器への連結点
における通気管の直径の最大イヒとによって、固有の望
ましい低い質量・容積特性を持つ低い温度のメタンのよ
うな低蒸気圧のタライ ・セオジエンはこの種の
冷却システム(たとえば冷去1剤の作用蒸気正金制御す
′ることによシ作用温度を設定する固体昇華システム)
の多くの用途に対し第1に実際的に選択される。又一層
適当なりライオジエンを使うことによシ、質量をかなり
減少させて使命を達成することができる。従来は固体昇
華冷却器の平衡圧力を約1トルに制限する。本発明では
圧力範囲の下端を約10−4トルに伸ばし、温度範囲を
対応量だけ伸ばす。温度範囲の伸長により使命の必要に
応するのに一層多い質量の有効なりライオジエンを使用
できることが多い。
以下本発明固体昇華冷却器及びその操作法の実施例を添
付図面について詳細に説明する。
付図面について詳細に説明する。
第1図には、本発明に使用する放射冷却通気管路(10
)を示しである。50にシステム(5年間にわたり50
にで150mWを吸収するのに必要な冷却剤の量に基づ
いた)用の放射冷却通気管路を単に例示のために選定し
た。放射冷却通気管路部材Uυ〔以下においてフリュー
ゲルホーン’(Fluge−1hornと呼ぶ〕は、外
向きに広がる縁部を持つホーン形の形状を持ち、第1図
に明らかなようにフリューゲルホーン(Illは、両端
部に同心の口を持つ一体の円対称構造から成っている。
)を示しである。50にシステム(5年間にわたり50
にで150mWを吸収するのに必要な冷却剤の量に基づ
いた)用の放射冷却通気管路を単に例示のために選定し
た。放射冷却通気管路部材Uυ〔以下においてフリュー
ゲルホーン’(Fluge−1hornと呼ぶ〕は、外
向きに広がる縁部を持つホーン形の形状を持ち、第1図
に明らかなようにフリューゲルホーン(Illは、両端
部に同心の口を持つ一体の円対称構造から成っている。
フリューゲルホーン(111の小さい方のすなわち下部
の部分は、Dl として示した所要の大きい直径(た
とえば数インチ)を持つ蒸気通気口u3)において冷却
タンク(121(クライオジエンCを入れである)に取
付けである〔たとえば真空密のエポキシ密封体(9)に
よシ〕。すなわち普通の細長い管状の通気管路でなくて
、典型的には単に穴である蒸気通気口(13)により極
めて低圧の高い蒸気流れが得られる。
の部分は、Dl として示した所要の大きい直径(た
とえば数インチ)を持つ蒸気通気口u3)において冷却
タンク(121(クライオジエンCを入れである)に取
付けである〔たとえば真空密のエポキシ密封体(9)に
よシ〕。すなわち普通の細長い管状の通気管路でなくて
、典型的には単に穴である蒸気通気口(13)により極
めて低圧の高い蒸気流れが得られる。
又フリューゲルホーン(Illの小さい端部の付近で約
75にで作用するメタン又はその他のクライオジエンの
トロイド状の2次冷却段(30) Cたとえばメタンに
対しては比較的細い管部材(8)を経て適宜に通気した
約6トルの蒸気圧を持つ〕。2次冷却段(30)は、熱
伝導性33 (32)を介しフリューゲルホーンUの内
側面に熱的に接触するように設けられている。或はこの
2次冷却段(30)は、冷却器の外部の補助放熱器によ
り形成してもよい。フリューゲルホーン圓のこの部分の
温度こう配は、このようにして、寄生的熱漏れ(第1図
にQ。1として示しである〕が5QKシステムの重大な
欠点とはならないように小さく保たれる。熱伝導性If
f (32)と熱的に接触する点の場所は、標準の熱解
析法に従って全冷却剤要求量を最少にするように選定さ
れる。〔たとえば前記接触点は、一層高い温度の殻(2
1)に向い約V4々いし14の場所に位置させるのが代
表的である。〕多くの用途に対し2次冷却段(30)は
必要でもないし又望ましくもない。この場合寄生的な熱
の流れQ。2の残分け、2次冷却段(30)でなくて1
次冷却器すなわち冷却タンクcL21に直接放出される
。
75にで作用するメタン又はその他のクライオジエンの
トロイド状の2次冷却段(30) Cたとえばメタンに
対しては比較的細い管部材(8)を経て適宜に通気した
約6トルの蒸気圧を持つ〕。2次冷却段(30)は、熱
伝導性33 (32)を介しフリューゲルホーンUの内
側面に熱的に接触するように設けられている。或はこの
2次冷却段(30)は、冷却器の外部の補助放熱器によ
り形成してもよい。フリューゲルホーン圓のこの部分の
温度こう配は、このようにして、寄生的熱漏れ(第1図
にQ。1として示しである〕が5QKシステムの重大な
欠点とはならないように小さく保たれる。熱伝導性If
f (32)と熱的に接触する点の場所は、標準の熱解
析法に従って全冷却剤要求量を最少にするように選定さ
れる。〔たとえば前記接触点は、一層高い温度の殻(2
1)に向い約V4々いし14の場所に位置させるのが代
表的である。〕多くの用途に対し2次冷却段(30)は
必要でもないし又望ましくもない。この場合寄生的な熱
の流れQ。2の残分け、2次冷却段(30)でなくて1
次冷却器すなわち冷却タンクcL21に直接放出される
。
75にサーマル・コネクション(thermal co
nnection)(2次冷却器を使う場合に)の暖か
い側では、フリューゲルホーン(111は、空間に面す
る大きい放射面(20)に広がり、その太きい直径D2
の周辺で真空の殻(21)に連結されている〔たと
えば真空密のエポキシ密封体(7)により〕。殻(21
〕は約120゜Kの温度に放射冷却される。フリューゲ
ルホーンuuのこの部分の空間に対する放射熱りゼクテ
イング0パワー(rejecting power )
Qr は、クライオジエンによシ許容レベルまで吸収
されなければならない伝導性寄生的な熱の流れQ。□の
残量を減らすのに十分なだけ大きい。この場合外側放射
面は、その放射特性が最高になるように高い放射率を持
つのがよく、暖かい表面(たとえば太陽−1地球、宇宙
船)から陰にする。
nnection)(2次冷却器を使う場合に)の暖か
い側では、フリューゲルホーン(111は、空間に面す
る大きい放射面(20)に広がり、その太きい直径D2
の周辺で真空の殻(21)に連結されている〔たと
えば真空密のエポキシ密封体(7)により〕。殻(21
〕は約120゜Kの温度に放射冷却される。フリューゲ
ルホーンuuのこの部分の空間に対する放射熱りゼクテ
イング0パワー(rejecting power )
Qr は、クライオジエンによシ許容レベルまで吸収
されなければならない伝導性寄生的な熱の流れQ。□の
残量を減らすのに十分なだけ大きい。この場合外側放射
面は、その放射特性が最高になるように高い放射率を持
つのがよく、暖かい表面(たとえば太陽−1地球、宇宙
船)から陰にする。
真空の殻(21)は、普通の外部放熱器(図示してない
)により大体120Kに冷却される。
)により大体120Kに冷却される。
フリューゲルホーン(111自体を、熱伝導率の低い材
料、たとえば横方向熱伝導が低くなるようにj厚さを極
めて薄くした繊維ガラス−エポキシ材料で作るのがよく
、充てん操作及び地上操作のために成る安全率で1気圧
の圧力に構造的に耐えなけれハナラない。フリューゲル
ホーンけvの内イ貝1jめ金属はくライナ(図示してな
いっけ、金属質(たとえばアルミニウム)の冷却タンク
(12)を囲む高真空絶縁空間(25)[たとえば多重
層のアルミニウム被覆マイチー(Mylar )及びナ
イロン・ネ゛ント又はその、他のスペーサ材料〕中への
漏れに対しフリュ−ゲルホーンutlを密封するのに必
要である。液体窒素(又はその他のクライオジエン〕を
入れた放出自在のカバータンク(図示してない)を使い
、外側の殻が周囲温度にあるときに、地上操作に対する
熱漏れが減るようにする。
料、たとえば横方向熱伝導が低くなるようにj厚さを極
めて薄くした繊維ガラス−エポキシ材料で作るのがよく
、充てん操作及び地上操作のために成る安全率で1気圧
の圧力に構造的に耐えなけれハナラない。フリューゲル
ホーンけvの内イ貝1jめ金属はくライナ(図示してな
いっけ、金属質(たとえばアルミニウム)の冷却タンク
(12)を囲む高真空絶縁空間(25)[たとえば多重
層のアルミニウム被覆マイチー(Mylar )及びナ
イロン・ネ゛ント又はその、他のスペーサ材料〕中への
漏れに対しフリュ−ゲルホーンutlを密封するのに必
要である。液体窒素(又はその他のクライオジエン〕を
入れた放出自在のカバータンク(図示してない)を使い
、外側の殻が周囲温度にあるときに、地上操作に対する
熱漏れが減るようにする。
第1図において参照文字りは冷却しようとする負荷を示
し、参照文字Tは熱導体を示し、参照文字Sは昇華する
6クライオジエンを示し、参照文字Gはガス流出流れを
示し、参照文字Rは放射熱を示す。
し、参照文字Tは熱導体を示し、参照文字Sは昇華する
6クライオジエンを示し、参照文字Gはガス流出流れを
示し、参照文字Rは放射熱を示す。
フリューゲルホーン圓の寸法を定め、その実例装置にお
ける熱的性能を評価する方法は、普通の熱力学的解析に
よシ一般に実施例に対し次に述べる通りである。第1図
に示すようにフリューゲルホーン圓の直径D1 及び形
状は、定常の質量流量2女において、約2X10)ル以
下の圧力降下(空間圧力は無視できるものと仮定するこ
とができる)を生ずるように定められなければならない
。この流量は作用熱負荷と冷却器の全部の寄生的熱負荷
との和に基づく。すなわち この式でり、は冷却剤の昇華の潜熱である。
ける熱的性能を評価する方法は、普通の熱力学的解析に
よシ一般に実施例に対し次に述べる通りである。第1図
に示すようにフリューゲルホーン圓の直径D1 及び形
状は、定常の質量流量2女において、約2X10)ル以
下の圧力降下(空間圧力は無視できるものと仮定するこ
とができる)を生ずるように定められなければならない
。この流量は作用熱負荷と冷却器の全部の寄生的熱負荷
との和に基づく。すなわち この式でり、は冷却剤の昇華の潜熱である。
通気口を通る質量流量は又次のように通気特性に関連す
る。
る。
甫=ρC1この式でρは通気ガスの密度であり、Cは通
気口の体積流量特性又はコンダクタンスである。
気口の体積流量特性又はコンダクタンスである。
コンダクタンス特性すなわち通気管路を通るコンダクタ
ンスに対する式は、通常、ガスの性質と、通気口の幾何
学的形状とによって表わされ、流れの性質、すなわち流
れが層流か、分子流を含まないか、又は2つの流れ状態
の間の遷移範囲にあるかどうかに依存する。真空コンダ
クタンスの一層詳しい説明は1966年マグロ−・ヒル
社刊行のランドール・バ07 (Randall Ba
rron ) の著書第540頁のクリオジエニツク
・システムズ(CryogenicSystems )
に記載してあり本説明で参照した。一般にコンダクタン
スは、直径の関数として2より大きい累乗数まで増加し
、長さにより直線的に減少する。
ンスに対する式は、通常、ガスの性質と、通気口の幾何
学的形状とによって表わされ、流れの性質、すなわち流
れが層流か、分子流を含まないか、又は2つの流れ状態
の間の遷移範囲にあるかどうかに依存する。真空コンダ
クタンスの一層詳しい説明は1966年マグロ−・ヒル
社刊行のランドール・バ07 (Randall Ba
rron ) の著書第540頁のクリオジエニツク
・システムズ(CryogenicSystems )
に記載してあり本説明で参照した。一般にコンダクタン
スは、直径の関数として2より大きい累乗数まで増加し
、長さにより直線的に減少する。
フリューゲルホーンによる寄生的熱漏れは、熱流路、側
材の性質、幾何学的テーク及び温度輪郭の全部を考慮す
るネットワーク熱モデルを使って計算される。75にの
冷媒(又は2次冷却器を使用しなければ50にの冷媒)
に達する熱(は、フリューゲルホーンの広い部分の放射
パワーにより著しい影響を受ける。このことによυ本発
明は有利かつ便利なものとなる。
材の性質、幾何学的テーク及び温度輪郭の全部を考慮す
るネットワーク熱モデルを使って計算される。75にの
冷媒(又は2次冷却器を使用しなければ50にの冷媒)
に達する熱(は、フリューゲルホーンの広い部分の放射
パワーにより著しい影響を受ける。このことによυ本発
明は有利かつ便利なものとなる。
フリューゲルホーンに沿う横方向の熱の流れは、次の古
典的熱伝導式にょシ定められる。
典的熱伝導式にょシ定められる。
この式でKは材料の温度に依存する熱伝導率であシ、A
は熱の流れに直交する幾何学的形状に依存する横断面積
であり、△Tは熱の流れの生ずる温度差であρ、Lは熱
流路の幾何学的形状に依存する長さである。
は熱の流れに直交する幾何学的形状に依存する横断面積
であり、△Tは熱の流れの生ずる温度差であρ、Lは熱
流路の幾何学的形状に依存する長さである。
フリューゲルホーンからの放射熱の流れは次の放射熱伝
達式により割算される。
達式により割算される。
Qr=σEA(Th−T、、)
この式でσはステファン−ポルツマンの定数であシ、E
は幾何学的形状及び表面放射性に依存するフリューゲル
ホーンの全放出率であり、Th は放射面温度あシ、A
は空間に面するフリューゲルホーンの表面積であり、T
cは本発明では無視できるものと仮定することのできる
空間の温度である。
は幾何学的形状及び表面放射性に依存するフリューゲル
ホーンの全放出率であり、Th は放射面温度あシ、A
は空間に面するフリューゲルホーンの表面積であり、T
cは本発明では無視できるものと仮定することのできる
空間の温度である。
高容量の冷媒(たとえばメタン)を低容量の冷媒(たと
えば窒素)の代シに使うときは、種種の累積効果により
冷却器の所要の質量は著しく減小する。第1に冷却剤自
体の質量及び容積が減Q、この場合冷却剤の薔生的熱負
荷が低下し、冷却剤の所要量が減少し以下同様である。
えば窒素)の代シに使うときは、種種の累積効果により
冷却器の所要の質量は著しく減小する。第1に冷却剤自
体の質量及び容積が減Q、この場合冷却剤の薔生的熱負
荷が低下し、冷却剤の所要量が減少し以下同様である。
フリューゲルホーンは、空間方位がこのフリューゲルホ
ーンによりほぼつねにブラック・スペース(black
5pace)を見るような方位であるときに最も有効
である。
ーンによりほぼつねにブラック・スペース(black
5pace)を見るような方位であるときに最も有効
である。
しかしこれは絶対的な制限ではない。
前記した以外の場合に対しても同様に向上した結果が得
られる。たとえば所要の温度が30Kに近い場合に、あ
まシ有効でないネオンの代りに蟹素を使うことができ、
所要の温度が90Kに近い場合にメタンの代シにアセチ
レンを使うことができ、又約115にで二酸化炭素の代
シにアンモニアを使うことができる。
られる。たとえば所要の温度が30Kに近い場合に、あ
まシ有効でないネオンの代りに蟹素を使うことができ、
所要の温度が90Kに近い場合にメタンの代シにアセチ
レンを使うことができ、又約115にで二酸化炭素の代
シにアンモニアを使うことができる。
この場合後記の第2表には、本発明に係るフリューゲル
ホーン通気システムによp最低作動温度を下げることの
できるタライオジエンを表記しである。2′1欄には普
通の固体昇華冷却法を利用して予知される最低温度を示
す。第2欄は本発明による放射冷却通気管構造を使って
得られる最低温度を示す。
ホーン通気システムによp最低作動温度を下げることの
できるタライオジエンを表記しである。2′1欄には普
通の固体昇華冷却法を利用して予知される最低温度を示
す。第2欄は本発明による放射冷却通気管構造を使って
得られる最低温度を示す。
オ 2 表
水素 (H2) 9
6ネオン(Nリ 1511 窒素 (N2) 45
33アルゴン(A)5237 メタン(CMυ 6445 二酸化炭素(Co□) 135
100アンモニア(N1−I3)15o12゜フリュー
ゲルホーン圓の複数の互いに異なる構造のものを特定の
用途に対し使用する。これ等のうちの若干を2・2図、
第3図、第4図、第5図及び第6図に示しである。第2
図の円すい形状のフリューゲルホーンは多くの用途に対
し最良の構造である。第4図の逆向き球面皿形状、第5
図のトロイド形状すなわち環状、第6図の扁平板形状及
び第3図の放物面形状の各フリューケルホーンはその他
のフリューゲルホーン形状の各側である。
6ネオン(Nリ 1511 窒素 (N2) 45
33アルゴン(A)5237 メタン(CMυ 6445 二酸化炭素(Co□) 135
100アンモニア(N1−I3)15o12゜フリュー
ゲルホーン圓の複数の互いに異なる構造のものを特定の
用途に対し使用する。これ等のうちの若干を2・2図、
第3図、第4図、第5図及び第6図に示しである。第2
図の円すい形状のフリューゲルホーンは多くの用途に対
し最良の構造である。第4図の逆向き球面皿形状、第5
図のトロイド形状すなわち環状、第6図の扁平板形状及
び第3図の放物面形状の各フリューケルホーンはその他
のフリューゲルホーン形状の各側である。
2次冷却段(30)を使い1つの実施例について述べた
が、最近の経験ではこのような2次冷却器を設けてない
前記したような実施例が最も実施しやすい構造の1つで
あると考えられる。
が、最近の経験ではこのような2次冷却器を設けてない
前記したような実施例が最も実施しやすい構造の1つで
あると考えられる。
以上本発明をその実施例について詳細に説明したが本発
明はなおその精神を逸脱しないで種種の変化変型を行う
ことができるのはもちろんである。
明はなおその精神を逸脱しないで種種の変化変型を行う
ことができるのはもちろんである。
第1図は本発明固体昇華冷却器の1実施例の横断面図、
第2図、第3図、第4図、第5図及び第6図は第1図の
固体昇華冷却器のそれぞれ異る形状の7リユーゲルホー
ンを備えた変型の線図的横断面図である。
第2図、第3図、第4図、第5図及び第6図は第1図の
固体昇華冷却器のそれぞれ異る形状の7リユーゲルホー
ンを備えた変型の線図的横断面図である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 tll K)クライオジエン容器から所定の流量で通
気管路構造を経て昇華したクライオジエン蒸気を逃がす
ことにより、所定の蒸気圧で所定の固体クライオジエン
を昇華させ、(ロ)寄生的熱損失が、前記クライオジエ
ン容器に連結した前記通気管路構造の端部に向い伝導に
ょシもどろように、前記寄生的熱損失を前記通気管路構
造の外向きの表面部分から放射することにより、この寄
生的熱損失を減少させることがら成る、夛ライオジエン
固体昇華冷却器の操作法。 +21 前記通気管路構造の中間部に、冷却用の中間
温度を供給することにょシ、寄生的熱損失の流れをさら
に最少にする特許請求の範囲オ(1)項記載のクライオ
ジエン固体昇華冷却器の操作法。 ’+31 Klクライオジエン蒸気通気口を持つクラ
イオジエン蒸気と、(ロ)前記蒸気通気口に連結した蒸
気流通路を持つ放射冷却通気管路手段とを備え、この放
射冷却通気管路手段に沿い前記クライオジエン容器に向
い熱が伝導される際に、外向きの表面から空間内に、そ
して前記放射冷却通気管路手段から遠ざかる向きに又固
体昇華冷却器から遠ざかる向きに熱を放射するようにし
た、空間において使用される固体昇華冷却器。 (4) 前記放射冷却通気管路手段に熱的に一接触し
、前記クライオジエン容器の温度より高い温度で作動す
る2次冷却器を備えた特許請求の範囲オ(3)項記載の
固体昇華冷却器。 (5)前記放射冷却通気管路手段が、少くとも一部は熱
伝導率の低い非金属材料で作られた広げられた導管を備
えた特許請求の範囲オ(3)項又はオ(41項記載の固
体昇華冷却器。 (6) 前記放射冷却通気管路手段の外向きの表面の
反対側の内向きの側に配置され、内向きの熱伝達を減ら
すようにする絶縁体を備えた特許請求の範囲オ(3)項
又はオ(4)項記載の固体昇華冷却器。 (7) 加熱負荷を冷却するのに蒸気自体の可能な冷
却容量は実質的に利用しないで、固体タライオジエンの
昇華の潜熱だけを実質的に利用して、蒸気通気口によシ
固体クライオジエンからクライオジエン蒸気を直接逃が
すようにし、前記放射冷却通気管手段か、一端部を前記
蒸気通気口に連結し、この蒸気通気口を通過するクライ
オジエン蒸気を前記蒸気通気口から逃がすようにする蒸
気通気導管を備え、この蒸気通気導管に、放射冷却手段
を形成する外向きの表面を設け、通常この放射冷却手段
に沿いクライオジエン容器に向い伝導される寄生的熱損
失を前記放射冷却手段から空間に放射するようにした特
許請求の範囲オ(3)項又はオ(4)項記載の固体昇華
冷却器。 (8) 前記蒸気通気導管の外向きの表面を広げ、そ
の熱放射能力を高めるように高い放出力を持つようにし
、前記蒸気通気導管に、非気屑材料部を設け、さらに前
記蒸気通気導管に、その前記外向きの表面の反対側の内
向き表面に隣接して配置した絶縁材料部を設けた特許請
求の範囲オ(7)項記載の固体昇華冷却器。 (9)前記蒸気通気口を、クライオジエン温度T1を維
持するように寸法を定め、前記放射冷却通気管路手段に
、前記クライオジエン蒸気通気口に連結した第1の小さ
い方の横断面を持つ端部と、クライオジエン蒸気を空間
内に逃がしこれと同時に通常は前記放射冷却通気管路手
段に沿い高い方の温度T2から温度T1に向って流れる
寄生的熱損失の若干を前記蒸気通気口から空間内に放射
するように連結され、高い方の温度T2 にある第2
の大きい方の横断面を持つ端部とを設けた特許請求の範
囲オ(3)項又はオ(4)項記載の固体昇華冷却器。 (10)温度T□が約50にであり、温度T2が約12
0にである場合に約2X101−ルで又はそれ以下で作
用するメタン・クライオジエンを備えた・特許請求の範
囲オ(9)項記載の固体昇華冷却器。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US06/487,692 US4507941A (en) | 1983-04-22 | 1983-04-22 | Solid subliming cooler with radiatively-cooled vent line |
US487692 | 1983-04-22 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS59200166A true JPS59200166A (ja) | 1984-11-13 |
Family
ID=23936751
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP59078738A Pending JPS59200166A (ja) | 1983-04-22 | 1984-04-20 | 固体昇華冷却器及びその操作法 |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US4507941A (ja) |
EP (1) | EP0123244B1 (ja) |
JP (1) | JPS59200166A (ja) |
AT (1) | ATE31807T1 (ja) |
DE (1) | DE3468519D1 (ja) |
Families Citing this family (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3714424C1 (de) * | 1987-04-30 | 1988-06-09 | Messerschmitt Boelkow Blohm | Speicherung von Edelgas fuer elektrische Raumfahrtantriebe |
FR2668069B1 (fr) * | 1990-10-18 | 1993-02-05 | Dassault Avions | Dispositif, notamment autonome et portable, pour extraire de la chaleur d'une source chaude. |
US5241836A (en) * | 1993-01-25 | 1993-09-07 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Patch for radiative coolers |
US5419139A (en) * | 1993-12-13 | 1995-05-30 | Martin Marietta Corporation | Composite cryogenic tank apparatus |
US5507146A (en) * | 1994-10-12 | 1996-04-16 | Consolidated Natural Gas Service Company, Inc. | Method and apparatus for condensing fugitive methane vapors |
US5606870A (en) * | 1995-02-10 | 1997-03-04 | Redstone Engineering | Low-temperature refrigeration system with precise temperature control |
US5697434A (en) * | 1995-09-20 | 1997-12-16 | Sun Microsystems, Inc. | Device having a reduced parasitic thermal load for terminating thermal conduit |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2512916A (en) * | 1943-04-09 | 1950-06-27 | L T Sepin | Method and apparatus for effecting expansion of gas |
US2502588A (en) * | 1945-04-11 | 1950-04-04 | Linde Air Prod Co | Portable apparatus for holding and vaporizing liquefied gases |
US3253423A (en) * | 1962-10-22 | 1966-05-31 | Philco Corp | Cryogenic cooling arrangement for space vehicles |
US3422886A (en) * | 1966-07-25 | 1969-01-21 | Santa Barbara Res Center | Radiation cooler for use in space |
FR1531804A (fr) * | 1967-07-06 | 1968-07-05 | Hughes Aircraft Co | Dispositif de refroidissement par rayonnement servant à maintenir un détecteur de rayonnement à une température cryogénique |
US3545226A (en) * | 1969-01-17 | 1970-12-08 | Homer E Newell | Dual solid cryogens for spacecraft refrigeration |
FR2268233B1 (ja) * | 1974-04-22 | 1977-10-21 | Commissariat Energie Atomique | |
US4030316A (en) * | 1975-12-11 | 1977-06-21 | Rca Corporation | Passive cooler |
-
1983
- 1983-04-22 US US06/487,692 patent/US4507941A/en not_active Expired - Lifetime
-
1984
- 1984-04-14 AT AT84104264T patent/ATE31807T1/de not_active IP Right Cessation
- 1984-04-14 DE DE8484104264T patent/DE3468519D1/de not_active Expired
- 1984-04-14 EP EP84104264A patent/EP0123244B1/en not_active Expired
- 1984-04-20 JP JP59078738A patent/JPS59200166A/ja active Pending
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP0123244A2 (en) | 1984-10-31 |
US4507941A (en) | 1985-04-02 |
DE3468519D1 (en) | 1988-02-11 |
EP0123244B1 (en) | 1988-01-07 |
ATE31807T1 (de) | 1988-01-15 |
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