JP2000009356A - 蓄冷材、蓄冷器及びこれらを適用した蓄冷型冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 生産性が極めて良好であり、かつ蓄冷器とし
ての性能、信頼性を維持できる蓄冷材及び蓄冷器とする
こと。 【課題を解決するための手段】 略平行に配列された複
数の第１細線１ａ、１ｂ、１ｃ、、、１ｎと、第１細線
が配列された平面内において第１細線に対して略垂直に
配列するとともに相隣接する第１細線間で交差する複数
の第２細線２ａ、２ｂ、２ｃ、、、２ｎと、第２細線が
交差する交差部で第２細線のそれぞれを互いに非接触状
態で固定する第３細線３ａ、３ｂ、３ｃ、、、３ｎによ
りマット状に形成された蓄冷材とすること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スターリング、ヴ
ィルミエ、ソルベイ、ギホード・マクマホン、パルス管
等の蓄冷器を主要素として構成する熱サイクルにおい
て、蓄冷材及び蓄冷器、並びにこれらを用いた冷凍機、
及び、パルス管と蓄冷器とを一体化したパルス管冷凍機
に関するものである。尚、本発明に係る蓄冷材及び蓄冷
器をスターリングエンジン等の動力を発生させる熱帰還
に適用した場合には、蓄熱材及び蓄熱器となるが、ここ
ではこれら熱機関に適用する蓄熱材、蓄熱器も総称して
蓄冷材及び蓄冷器と称することとする。

【０００２】

【従来の技術】絶対温度で２７３Ｋ以下の温度を生成す
る冷凍機の蓄冷材は、冷凍機性能を決定する重要な一因
となる。

【０００３】従来、このような蓄冷材として、比熱の大
きな銅、ブロンズ、ステンレス等の金網（１００〜５０
０メッシュ）を蓄冷材として使用し、これらを円形状に
打ち抜き、パイプ内に数百枚詰め込んで積層したもの
（以下、メッシュタイプの蓄冷材という。）、又は、無
数の小さな（φ０．４ｍｍ以下）鉛球や低温で磁気比熱
の大きなＥｒ_３Ｎｉ等の小球体や砕片を詰め込んで充填
したもの（以下、小球タイプの蓄冷材という。）がよく
知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の蓄冷材は、上記
説明したように、数百枚の円形状のメッシュを積層した
メッシュタイプや、無数の小さな球体を充填した小球タ
イプである。

【０００５】しかしながら、メッシュタイプは、メッシ
ュを積層するに際し１枚１枚メッシュを積み重ねて積層
していくものであり、手作業でも治具を使用しても非常
に時間がかかり、生産性が極めて悪いという問題があ
る。また、何百枚ものメッシュがランダムに積層される
ため、メッシュの微小で四角形形状の隙間からなる流体
流路を塞ぐ確立が高い。このため、流体抵抗は非常に大
きく、これによる流体の摩擦損失が極めて大きくなると
いう問題もある。さらに、メッシュタイプは金網を円形
にするために機械的に打ち抜かれるが、このとき金網の
円周端で短くなった細線が欠落する。そのため、この金
網を数百枚積層して蓄冷器を造った場合、作動流体は、
欠落して流路抵抗が少なくなった金網の円周端部に多く
流れてしまう。このように、流体が蓄冷器内の何れの切
断面でも同速度で流れず、金網の円周端である円筒の内
壁付近に多く流れ、中心部の流れが少なくなると、金網
の全熱容量を有効に使えず、冷凍効率の向上に対して障
害となってしまう。さらに、円周端で欠落する細線の量
は、蓄冷材１枚１枚で同一とは言えないので、これらを
大量生産すると、各蓄冷材の性能に個体差が生じてしま
うという問題もある。さらに、蓄冷器内でその円周端部
を高速度で流体が通過するので、ハーモニカのリードの
ような状態となって音を発生し、これが流体中を伝播し
て冷凍機のコールドヘッド部で機械振動を発生させ、被
冷却体に悪影響を及ぼすという問題もある。

【０００６】また、小球タイプのものは、ディスプレー
サや膨張ピストンの往復動作等で発生する機械振動や、
流体の急激な速度変化による衝撃波等で球体が破砕され
粉体化して、蓄冷器性能に劣化を引き起こすばかりか、
粉体化したものが他の要素部に進入したり、流体の主流
路部を閉塞させたりして、システム故障を引き起こすと
いう問題がある。

【０００７】故に、本発明は、上記問題点を解消すべく
なされたものであり、生産性が極めて良好であり、かつ
蓄冷器としての性能、信頼性を維持できる蓄冷材及び蓄
冷器とすることを技術的課題とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るためになされた請求項１の発明は、略平行に配列され
た複数の第１細線と、前記第１細線が配列された平面内
で前記第１細線に対して略垂直に配列されるとともに相
隣接する前記第１細線間で交差する複数の第２細線と、
前記第２細線が交差する交差部で該第２細線のそれぞれ
を互いに非接触状態で固定する第３細線によりマット状
に形成された蓄冷材とすることである。

【０００９】上記請求項１の発明によれば、蓄冷材は、
第１細線、第２細線、及び第３細線を具備する。第１細
線は、略平行に複数配列されている。第２細線は、第１
細線が配列した平面内において該第１細線に対して略垂
直に複数配列している。ここで、第２細線は、相隣接す
る第１細線間でそれぞれ交差している。また、第３細線
は、第２細線が交差する交差部で、交差する第２細線の
それぞれを、互いに接触しないように固定している。そ
して、これら第１細線、第２細線群、及び第３細線でマ
ット状に蓄冷材を形成するものである。

【００１０】請求項１の発明は、上記構成に示したよう
に、第１細線、第２細線、及び第３細線によりマット状
に形成された蓄冷材であるので、このようなマット状蓄
冷材を充填して蓄冷器とするに際し、蓄冷材を巻き上げ
てロール状とし、ロール状となった蓄冷材を蓄冷器内に
挿入すればよい。又は、該蓄冷材を芯材等に巻き上げて
ロール状とし、芯材と一体的にロール状となった蓄冷材
を蓄冷器内に挿入すればよい。本発明における蓄冷材は
このような構成のため、蓄冷器の生産性が極めて向上す
るものである。

【００１１】ここで、マット状とは、平面状のシートの
ごとき形状をいい、丸めてロール状にしたり、芯材等に
巻きつかせることが可能なものをいう。

【００１２】また、第２細線は第３細線により固定され
ているので、第２細線がばらばらとなることはない。従
って、第２細線が解けてこれが冷凍機の要素部に入り込
み、システム故障を引き起こすことはなく、冷凍機とし
ての信頼性を向上させることができるものである。

【００１３】また、第１細線は略平行に複数配列され、
第２細線は第１細線が配列された平面内において第１細
線に対して略垂直に複数配列されてなるので、作動流体
の流路が均一に確保され、蓄冷器性能が向上するもので
ある。さらに、第２細線は、第３細線により固定されて
いるので、隣り合う第２細線間で接触することはない。
さらに、交差部を形成する２本の第２細線同志において
も、第３細線により両者が接触しないように固定されて
いるので、この両者が接触することはない。つまり、全
ての第２細線は、他の第２細線と接触しない構造であ
る。このため第２細線のそれぞれが、独自の温度維持を
行うので、他の細線の温度の影響を受けず、蓄冷器性能
を向上させることができるものである。

【００１４】また、上記技術的課題を解決するにあた
り、請求項２において講じた発明のように、請求項１に
おいて、前記第３細線は、化学繊維、絹糸、綿糸、接着
剤のうちの一種又は複数で構成されることを特徴とする
蓄冷材とすることが好ましい。第３細線を上記材質で構
成することにより、一般的に市販された材料で安価に第
３細線を購入することができるものである。

【００１５】また、請求項３の発明のように、請求項１
又は２において、前記第２細線は、銅、鉛、銅合金、ス
テンレス、ニッケル合金のうちの一種又は複数で構成さ
れることを特徴とする蓄冷材とすることが好ましい。上
記材質は、比較的高温領域での比熱が大きいものであ
る。従って、蓄冷材の材質にこれらを使用することによ
り、高温領域での蓄冷効率の向上が期待できるものであ
る。

【００１６】また、請求項４の発明のように、請求項１
又は２において、前記第２細線は、鉛、鉛合金、ネオジ
ム、磁気比熱の大きな材料を微粉体化して芯材に結合さ
せて構成されることを特徴とする蓄冷材とすることもで
きる。蓄冷材を上記構成及び材質とすることにより、比
較的低温領域での比熱が大きくなる。従って、蓄冷材の
材質及び構成を上記の如くすることにより、低温領域で
の蓄冷効率の向上が期待できるものである。

【００１７】微粉体の芯材への結合方法としては、接
着、接合、コーティング等の手段があるが、これに限定
されるものではない。

【００１８】また、請求項５の発明は、請求項１又は２
において、前記第２細線は、使用温度領域でそれぞれ容
積比熱の大きな材質の異なる細線で形成されることを特
徴とする蓄冷材とすることである。このように構成する
と、各温度領域、例えば蓄冷器内の高温領域では、この
温度領域で比熱の高い材質、例えば請求項３の発明で示
した銅、鉛、銅合金、ステンレス、ニッケル合金等で第
２細線を構成し、蓄冷器内の低温領域では、この温度領
域で比熱の高い材質、例えば請求項４の発明で示した
鉛、鉛合金、ネオジム、磁気比熱の大きな材料を微粉体
化して芯材と結合させて第２細線を構成することができ
る。このため蓄冷器内のいずれの温度領域においても比
熱が大きい材質で蓄冷器を構成でき、蓄冷効率がより一
層向上するものである。

【００１９】請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれ
か１項において、前記第１細線は前記第２細線と比較し
て熱伝導度が極度に低い材質で形成されていることを特
徴とする蓄冷材とすることである。このように蓄冷材を
形成することにより、この蓄冷材を蓄冷器に挿入すると
きに第１細線を蓄冷器の周方向に配列、つまり、第１細
線が蓄冷器の軸方向（高温端部から低温端部へ向かう方
向）に延びることとなる。この場合に、第１細線は熱伝
導が悪いため、蓄冷器お高温端において得た熱を蓄冷器
の低温端まで伝達することが極力抑制されるものであ
る。

【００２０】請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれ
か１項において、前記第１細線は、複数本の極細線を束
ねて形成されていることを特徴とする蓄冷材とすること
である。ウィスカー等の極細線を束ねて第１細線を構成
することにより、第１細線の直径や弾性を調整すること
ができるようになり、それぞれの仕様に合わせた蓄冷材
を製造することができるものである。

【００２１】次に、上記技術的課題を解決するために、
請求項８において講じた発明は、低温端及び高温端を備
えた蓄冷器において、請求項１〜７に記載の蓄冷材を前
記第１細線が軸方向に配列されるように巻き上げてロー
ル状とし、該ロール状とされた蓄冷材の軸方向の一端部
を前記蓄冷器の低温端に、軸方向の他端部を前記蓄冷器
の高温端に配置されるように挿入してなる蓄冷器とする
ことである。

【００２２】上記請求項８の発明によれば、請求項１〜
７の発明において示した蓄冷材を第２細線が軸方向に配
列するように巻き上げてロール状とし、このロール状と
された蓄冷材を挿入した蓄冷器としたので、蓄冷器を作
製するときの作業性が飛躍的に良好となり、生産性を向
上させることができるものである。また、このような蓄
冷器とすることにより、蓄冷器の高温端から低温端への
熱の伝達が極力抑制されるため、より蓄冷効率を向上さ
せることができるものである。

【００２３】この場合、より好ましくは、請求項９の発
明のように、請求項８において、前記蓄冷器は芯材を備
え、前記心材の周りに前記前記蓄冷材が巻き付けられて
ロール状とされていることを特徴とする蓄冷器とするこ
とである。このように構成することにより、蓄冷器を作
製するときの作業は、該蓄冷材を芯材等に巻き付けてロ
ール状とし、芯材と一体的にロール状となった蓄冷材を
蓄冷器内に挿入すればよい。本発明における蓄冷材はこ
のような構成のため、蓄冷器の生産性を極めて向上させ
ることができるものである。

【００２４】さらにより好ましくは、請求項１０の発明
のように、請求項９において、前記芯材は周方向に複数
個に分割されていることを特徴とする蓄冷器とすること
である。これにより、１つの蓄冷器を作製するときに複
数枚の蓄冷材を使用することができ、１枚当りの蓄冷材
を小さくすることができるので、蓄冷器を作製するとき
の作業効率がより向上するものである。

【００２５】また、上記技術的課題を解決するために、
請求項１１において講じた発明は、請求項８〜１０に記
載の蓄冷器を備えた蓄冷型冷凍機とすることである。本
発明における蓄冷器を蓄冷型冷凍機に適用することによ
り、蓄冷型冷凍機を作製するときの作業性が極めて向上
するとともに、蓄冷型冷凍機の冷凍性能をも向上させる
ことができるものである。

【００２６】また、請求項１２の発明は、請求項１１に
おいて、前記蓄冷型冷凍機は、前記蓄冷器とパルス管と
を一体化したパルス管冷凍機であることを特徴とする蓄
冷型冷凍機としたことである。これにより、蓄冷器とパ
ルス管とを一体化したパルス管冷凍機において、冷凍機
を作製するときの作業効率が格段に向上するものであ
る。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施の形態により
具体的に説明する。

【００２８】本例の蓄冷材の形状のイメージを図１に、
構造寸法図を図２に示して説明する。

【００２９】第１細線１ａ、１ｂ・・・１ｎ（以下、総
称する場合は第１細線１とする。）は、熱伝導度が極度
に低い、Ｓｉ、Ｃ、ＯＴｉ、Ｚｉ等を原料とするチラノ
繊維や、セラミックス繊維等の単線、あるいは、直径
（ｄ１）や弾性を調節するため、それらやウィスカーを
複数本を束ねて一本にした単線（布ではヨコ糸に相当）
であり、これらの第１細線１が、本マット状蓄冷材が圧
縮されて巻かれても潰れることなく作動気体の流体経路
を確保する。尚、図３に、ウィスカーを複数本束ねて形
成した第１細線１の断面図を示す。図３は、ウィスカー
１ａａ、１ｂｂ、１ｃｃ、１ｎｎ・・・をエポキシ樹脂
やガラスＡＡで固めて一本の第１細線１にしたものであ
る。

【００３０】２ａ、２ｂ、・・・２ｎは蓄冷材となる非
常に長い第２細線（以下、総称する場合は第２細線２と
する。）である。材料には使用温度領域で容積比熱が大
きく蓄冷材とすることができる銅、鉛、銅合金であるブ
ロンズ、鉛合金や、ステンレス等のニッケル合金、ある
いは、銅、その他の材料を心材にして鉛、鉛合金等をメ
ッキして造られ、冷凍温度が約２０Ｋ以下では、比熱の
大きなネオジム、ＤｙＮｉ_２、Ｅｒ_３Ｎｉ、Ｅｒ_６Ｎｉ
_２Ｓｎ、ＥｒＮｉ_０．９Ｃｏ_０．１等（これらの比熱特
性については図４参照）を微粉体化して接着又は接合、
あるいはコーティング等を行った線材で形成される。

【００３１】第２細線２の直径（ｄ２＝ｄ３）は数μｍ
〜０．２ｍｍφであり、この第２細線２は布で言えばタ
テ糸に相当する。

【００３２】尚、第２細線２の直径は約６０Ｋまではｄ
２＝ｄ３であるが、それ以下になると、第２細線に前述
した蓄冷材料を微粉体化して接着又は接合、あるいはコ
ーティング等を行った線材が使われるので直径が多少異
なってくる。

【００３３】また、図４では図示していないが、常温か
ら３０Ｋまでの間は、ブロンズやステンレスの容積当り
の比熱が大きい。３０Ｋ以下からは、Ｐｂ、ＤｒＮ
ｉ_２、ＥｒＮｉ等が低温になるに従い比熱が大きくな
る。これらの材料が、各使用温度領域で適宜選択され使
用される。

【００３４】第３細線である３ａ、３ｂ、・・・３ｎ
（以下、総称する場合は第３細線３とする。）は数μｍ
〜０．０６ｍｍφの径のケプラー繊維、絹糸、チラノ繊
維等の細線、あるいは接着、接合材であり、例えば第２
細線２ａ、２ｂが、第１細線間Ｌ１の中間で交差する位
置で、それぞれが金属接触しないよう一本ごとに２ｎま
で連結して結ばれている。これにより、第３細線３の直
径を０．０１ｍｍφとすると、図２（ｄ）のＣ部詳細図
にその詳細を示すが、第２細線間２ａと２ｂのそれぞれ
の距離３ｃｃは、０．０２ｍｍ〜０．０４ｍｍの間隔を
保って結ばれる。

【００３５】本発明のマット状に形成された蓄冷材の構
造において、この第３細線３の使い方に大きな特長があ
って、一般の布の平織りとは本質的に異なるところであ
る。

【００３６】この第３細線３は無数の第２細線２の交差
部において、第２細線２のそれぞれが金属接触しないよ
う部分的に交差点で被覆されるのと、第２細線間をそれ
ぞれを連続して結ぶ（図２（ｃ）のＢ−Ｂ断面図参照)
ことにより、本蓄冷材を任意の横幅や長さに切断しても
分解しない。

【００３７】それと例えば、図２（ｃ）のＢ−Ｂ断面図
において、第２細線２ａを常温とし、第２細線２ｎを７
７.３Ｋとすると、第２細線２が金属でありながら、２
ａから２ｎまでの第２細線のそれぞれが、メッシュタイ
プのように積層されたメッシュの金属線同士が直接接触
することがない。そして極低熱伝導の材料である第３細
線３で間接的にある距離（３ｃｃ）を維持して接続され
るため、２ａ、２ｂ、、、２ｎまでの細線の温度が、常
温から低温度まで、それぞれの温度を持つ温度勾配の維
持を容易にする。それ故、常温から低温度への金属によ
る固体熱伝導損失は殆どゼロである。

【００３８】なお、図２（ｂ）のＡ−Ａ断面図の２ａ、
２ｂ、２ｃの如く、それぞれが接触することなく第１細
線１ｃに対して交互にずれるような位置に固定できるな
ら、Ｂの位置ばかりではなく、第１細線１と第２細線２
とを第３細線３で結んでもよい。

【００３９】また、Ｂの位置や２ａ、２ｂ、２ｃのそれ
らが、より接触しないような結び方があるなら、それら
を複合させて結ぶようにしてもよい。

【００４０】図５は蓄冷材の軸方向からみた一部を拡大
した典型的立体図（図５（ａ））及び切断面図（図５
（ｂ））を示す。蓄冷器の芯材５（極低熱伝導度で適度
の硬度を持つ例えば、４ｍｍφのテフロン、セラミック
ス等）に形成されたスリット６に本発明のマット状の蓄
冷材の一端を固定し、ロール状に巻き上げて蓄冷器を構
成する方法である。これを所定の直径まで巻き上げてパ
イプに挿入すれば、本発明の蓄冷器が製造できる。Ｌ3
は蓄冷材の長さで、布では横幅に相当する。

【００４１】図６（ａ）、（ｂ）に、蓄冷器に巻き付け
た蓄冷材の軸方向からみた一部を拡大した典型的な切断
面図を示す。

【００４２】本例における蓄冷材が多重に、あるいは、
多重渦巻き状に巻き上げられると、第１細線１及び第２
細線２により流体の流路系のマトリックスが形成され、
流体の流路形状は４ａ、７ａとなる。流体（主にヘリウ
ム、水素、窒素等）は、無数の図中の４ａ、７ａを流れ
て第２細線２ａ、２ｂ、、、２ｎまでと熱交換して、熱
の授受を行う。

【００４３】図７（ａ）はパルス管冷凍機の流体流路系
を示す図、図７（ｂ）はパルス管冷凍機のクライオスタ
ット部を示す図である。図７において、圧縮機８より約
２０気圧のへリウムは、精製器９から回転弁１０が開く
と、蓄冷器１１、被冷却体を冷却するコールドヘッド１
２、パルス管１３を通過し、バッフアータンク１４に入
る。

【００４４】回転弁１０の高圧系が閉じ、低圧系１６へ
と弁が開くと、先の流路系の流れとは逆の、バッフアー
タンク１４のヘリウムは低圧となってパルス管１３を通
過し、コールドヘッド１２で被冷却体を冷却し、本発明
の蓄冷器１１、回転弁１０より１６の低圧系から圧縮機
８に戻って１サイクルが終わる。尚符号１５は流量調整
用のキャピラリーやニードル弁である。

【００４５】、図８、図９は、パルス管と本発明の蓄冷
材とを一体化する方法の軸方向からみた切断図や立体図
である。図８、図９において、１３ａは中が空洞のパル
ス管、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄは第１、第２、
第３細線で構成された本発明のシート型の４枚の蓄冷材
である。２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄはテフロンや
セラミックス等のパイプを縦方向の４つに分断した蓄冷
材の固定板で、その長さは本発明のシート型蓄冷材の横
巾にほぼ等しい。

【００４６】前述の図５では蓄冷材の固定にスリット６
を用いたが、ここではパルス管１３ａに４枚の蓄冷材を
固定するのに、固定板２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ
で押さえ、第３細線とほぼ同材質の針穴に付けられた細
線で蓄冷材を縫い込み固定版の外側を巻いて止める。そ
して図９（ａ）、（ｂ）の如く多重渦巻き状に巻き込
む。それを蓄冷器外壁１７（図７（ｂ）参照）の中に挿
入すれば、パルス管１３ａと蓄冷器が一体化され、図７
（ｂ） のごとくなる。

【００４７】図７（ｂ）において、蓄冷器外壁１７の外
は断熱のため真空空間であり、１２ａはコールドヘッド
で、 流体抵抗を少なくして被冷却体への熱伝達効果を
高めるため、無数の流体流路をもちコーン形状１８をし
ている。１９、２０はフランジ、ｆ、ｇは図７（ａ）の
流路系のｆ、ｇの位置に対応している。

【００４８】図７（ｂ）では、パルス管１３ａをクライ
オスタットの軸中心にして、その外周に蓄冷器で囲むよ
うな構造としたため、流体の漏洩の可能性のある接合・
接続カ所が減って、コンパクトになると共に、信頼性が
大きく向上した。

【００４９】すなわち図７（ａ）のそれぞれ独立した蓄
冷器１１、パルス管１３では接続カ所が多くあったが、
それらの外表面の常温に対する面積も減り、輻射熱によ
る損失も減少した。

【００５０】次に、メッシュタイプと本発明の蓄冷材に
よる蓄冷器との熱伝導損失を比較する。

【００５１】メッシュタイプの蓄冷器では、常温（３０
０Ｋ）から７７.３Ｋ（液体窒素の１気圧の沸点温度）
までを直径３０ｍｍφのブロンズ２００メッシュを６０
０枚を積層して、長さを６０ｍｍとする。この場合、常
温から７７．３Ｋまでのメッシュの金属接触による固体
の熱伝導損失は、３Ｗ以上になる。本例では、それぞれ
の第１細線（布の横巾、Ｌ３）をチラノ繊維、十数本を
ガラスで固めて０.０５ｍｍφ、長さをＬ３を６０ｍｍ
とし、第２細線をブロンズの細線０.０５ｍｍφを８５
７本使用し、第３細線をケプラー繊維０.０１ｍｍφ、
図５の蓄冷器心材５（直径約４ｍｍ）に、図５のように
ロール状に巻き上げて構成した。この場合、常温から７
７.３Ｋまでの熱伝導損失は、０.１Ｗ以下で、測定不可
能であった。

【００５２】これらを実際のパルス管冷凍機（図７
（ａ））に双方を使用した場合の温度勾配が図１０であ
る。図１０において、縦軸（Ｔ）を温度、横軸（Ｌｇ）
を蓄冷器の長さとして、蓄冷器の任意の位置における温
度を測定してプロットした。

【００５３】メッシュタイプの温度勾配（点線）は直線
的である。また、３００Ｋからの流体の温度勾配の入り
は直線８、出（戻り）が直線９のラインである。

【００５４】８ａの温度は、５５Ｋである。９ａは戻り
の最低温度で４９.８Ｋである。

【００５５】温度効率は（３００−５５）／（３００−
４９．８）×１００＝９７．９％になる。

【００５６】一方、本発明の温度勾配は直線的にはなら
ず、入りが曲線１０で、１０ａは４９Ｋ、出は曲線１１
であり、１１ａは４６.２Ｋとなる。

【００５７】温度効率は（３００−４９）／（３００−
４６．２）×１００=９８．９％である。従って、メッ
シュタイプとの効率の差は９８．９−９７．９=１．０%
である。

【００５８】蓄冷器１３における単純な熱交換量は３０
０Ｋから４９Ｋまでをヘリウム流量２ｇ／ｓ、比熱を
５.３ｊ／ｇ・Ｋとすると、（３００−４９）×２×
５．３=２６６０Ｗとなる。従って、１％の損失でも約
２７Ｗになるから、高効率の小型冷凍機の開発において
は、極めて大きな冷凍損失となる。

【００５９】とくにメッシュタイプで得られる最低温度
が４９.８Ｋに対して、本発明ではより低い温度がえら
れる。約３.６Ｋも低い４６.２Ｋとなった。パルス管冷
凍機において、冷凍温度を一定として、例えば７７Ｋと
すると、メッシュタイプでは４１Ｗに対して、本発明で
は約６２Ｗが得られた。

【００６０】図１１（ａ）、（ｂ）は、図６と同じく蓄
冷材を巻いた蓄冷器の軸方向からみた一部を拡大した典
型的な切断面図で、第１細線の間の距離Ｌ１を第１細線
の直径ｄ１の約３.２倍にして製造した場合である。 こ
の時の第２細線の直径はｄ1の約５５％である。

【００６１】Ｌ１を距離を短くしていくと、第１細線に
対する第２細線の曲率半径が小さくなって、第２細線の
使用量が増える（布の縦糸の長さに相当）。これは蓄冷
器としての単位容積あたりの熱容量を増やし、効率も高
くできることに通じる。ただし、図１１（ａ）の流体流
路７ａは、図１１（ｂ）になったときの７ａよりも大き
くなる。尚、図６（ａ）、（ｂ）の７ａの流路面積の比
較では、図１１の場合ほど大きくならない。これはＬ１
の長さが第２の細線の直径ｄ１に対して約８倍であるか
らである。この時のｄ２の直径はｄ１の約８０％であ
る。

【００６２】流体の水力直径を計算するときには、これ
らの流路面積からの平均値をとる。

【００６３】Ｌ１の距離は第１細線の直径の３倍から１
０倍の範囲。第２細線の直径ｄ２は第１の細線の直径ｄ
１の＋１００％、−６５％の範囲内が適当である。

【００６４】なお、本発明の蓄冷材の熱容量と流体抵抗
の調整は、使用する第２細線の材質の選定と、第１細線
の直径ｄ１、第２細線の直径ｄ２、ｄ３、第１細線間の
距離Ｌ１、無数の第２細線間の距離を第３細線の直径と
結び方によって調整できることは明らかである。

【００６５】

【発明の効果】本発明の特長を整理する。 （１）シート状の蓄冷材は多重に強く巻かれても、第１
細線が潰れることがないため、流体流路が確保され、流
体抵抗は極めて少ない。

【００６６】（２）常温から低温への縦方向の熱伝導損
失は、第２細線それぞれが、第３細線によって非接触に
して連結されるため、極度に少ない。

【００６７】（３）第２細線それぞれを、第３細線が非
接触にするため、広い温度領域を温度に応じて第２細線
の材質を選んで蓄冷材を製造できる。これにより、広い
温度領域を一つで維持する高効率の蓄冷器が製造でき
る。

【００６８】（４）蓄冷材の熱容量と流体抵抗の調整、
並びに最適な使用温度の選定は、使用する第２細線の材
質の選定とその直径、第１細線の直径、第１細線間の距
離、無数の第２細線間の距離を第３の細線の直径と結び
方によって調整できる。

【００６９】（５）無数の第２細線は、横方向に第３細
線でそれぞれ一本ずつが、連続的に結ばれるため、縦、
横の任意な位置で切断しても、バラバラに分解すること
はない。

【００７０】（６）蓄冷器の製造において、蓄冷器心材
を軸中心にして本発明の蓄冷材を、１重、または多重の
渦巻き状にしてパイプに挿入すれば、蓄冷器が短時間で
製造できる。その製造時間はメッシュタイプの何十分の
１以下であり、製造価格は非常に安い。

【００７１】（７）多重に巻かれた蓄冷材は流体流路が
塞がれることなく形成されるため、ほぼ均一な性能の蓄
冷器の量産が可能になる。

【００７２】（８）パルス管冷凍機においては、パルス
管に本発明のシ−ト状の蓄冷材を多重渦巻き状に巻き付
けてパイプに挿入すれば、コンパクトで単純化された構
造のクライオスタット部（例えば出願人の発明である特
開平１０−７３３３２号公報に示されたもの）が安価で
製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態における、蓄冷材のイメー
ジ図である。

【図２】本発明の実施の形態における、蓄冷材の寸法を
示す構造図であり、図２（ａ）は蓄冷材の平面図及び正
面図を並べて示したもの、図２（ｂ）は図２（ａ）の平
面図におけるＡ−Ａ断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）の
平面図におけるＢ−Ｂ断面図、図２（ｄ）は図２（ｃ）
におけるｃ部詳細図である。

【図３】本発明の実施の形態における、第１細線の一例
を示す断面図である。

【図４】蓄冷材に使用可能な各種材質の比熱特性を示す
グラフである。

【図５】本発明の実施の形態における、芯材に蓄冷材を
巻き付けた状態を示す図であり、図５（ａ）は斜視図、
図５（ｂ）は断面図である。

【図６】本発明の実施の形態における、蓄冷材をロール
状としたときの拡大図である。

【図７】本発明の実施の形態における、蓄冷材を使用す
るパルス管冷凍機を示す図であり、図７（ａ）はパルス
管冷凍機の流体経路系を示す回路図、図７（ｂ）はパル
ス管冷凍機のクライオスタット部の断面図である。

【図８】本発明の実施の形態における、蓄冷材を芯材に
巻きつかせる際の状態を示す斜視図である。

【図９】本発明の実施の形態における、蓄冷材を芯材に
巻きつかせる際の状態及び巻き付かせた後の状態を示す
断面図である。

【図１０】本発明の実施の形態における蓄冷材と従来技
術における蓄冷材との、軸方向長さに対する温度変化の
比較を示したグラフである。

【図１１】本発明の実施の形態における、蓄冷材をロー
ル状としたときの拡大図である。

【符号の説明】

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、、、１ｎ・・・第１細線 ２、２ａ、２ｂ、２ｃ、、、２ｎ・・・第２細線 ３、３ａ、３ｂ、３ｃ、、、３ｎ・・・第３細線 ５・・・芯材 １１・・・蓄冷器 １３・・・パルス管

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 略平行に配列された複数の第１細線と、
   前記第１細線が配列された平面内で前記第１細線に対し
   て略垂直に配列されるとともに相隣接する前記第１細線
   間で交差する複数の第２細線と、前記第２細線が交差す
   る交差部で該第２細線のそれぞれを互いに非接触状態で
   固定する第３細線によりマット状に形成された蓄冷材。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記第３細線は、化学繊維、絹糸、綿糸、接着剤のうち
   の一種又は複数で構成されることを特徴とする蓄冷材。
3. 【請求項３】 請求項１又は２において、 前記第２細線は、銅、鉛、銅合金、ステンレス、ニッケ
   ル合金のうちの一種又は複数で構成されることを特徴と
   する蓄冷材。
4. 【請求項４】 請求項１又は２において、 前記第２細線は、鉛、鉛合金、ネオジム、磁気比熱の大
   きな材料を微粉体化して芯材に結合させて構成されるこ
   とを特徴とする蓄冷材。
5. 【請求項５】 請求項１又は２において、 前記第２細線は、使用温度領域でそれぞれ容積比熱の大
   きな材質の異なる細線で形成されることを特徴とする蓄
   冷材。
6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか１項において、 前記第１細線は前記第２細線と比較して熱伝導度が極度
   に低い材質で形成されていることを特徴とする蓄冷材。
7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれか１項において、 前記第１細線は、複数本の極細線を束ねて形成されてい
   ることを特徴とする蓄冷材。
8. 【請求項８】 低温端及び高温端を備えた蓄冷器におい
   て、 請求項１〜７に記載の蓄冷材を前記第１細線が軸方向に
   配列されるように巻き上げてロール状とし、該ロール状
   とされた蓄冷材の軸方向の一端部を前記蓄冷器の低温端
   に、軸方向の他端部を前記蓄冷器の高温端に配置される
   ように挿入してなる蓄冷器。
9. 【請求項９】 請求項８において、 前記蓄冷器は芯材を備え、前記芯材の周りに前記蓄冷材
   が巻き付けられてロール状とされていることを特徴とす
   る蓄冷器。
10. 【請求項１０】 請求項９において、 前記芯材は周方向に複数個に分割されていることを特徴
    とする蓄冷器。
11. 【請求項１１】 請求項８〜１０に記載の蓄冷器を備え
    た蓄冷型冷凍機。
12. 【請求項１２】 請求項１１において、 前記蓄冷型冷凍機は、前記蓄冷器と同一軸中心をもつパ
    ルス管とを一体化したパルス管冷凍機であることを特徴
    とする蓄冷型冷凍機。