JP2002295914A - シート型蓄冷材およびその製造方法、並びにそれを使用した蓄冷器および冷凍機 - Google Patents

シート型蓄冷材およびその製造方法、並びにそれを使用した蓄冷器および冷凍機

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JP2002295914A JP2001098155A JP2001098155A JP2002295914A JP 2002295914 A JP2002295914 A JP 2002295914A JP 2001098155 A JP2001098155 A JP 2001098155A JP 2001098155 A JP2001098155 A JP 2001098155A JP 2002295914 A JP2002295914 A JP 2002295914A
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嘉宏 石崎
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Fukuda Metal Foil and Powder Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 極低温用の冷凍機に対する性能が良く、耐久
性に優れた、廉価な蓄冷材、蓄冷器および冷凍機を提供
する。 【解決手段】 極薄のシート状担持体の1面または両面
に粒度が比較的均一な多数の小球体、粉砕片または微粉
体よりなる粒体の少なくとも1層を接着形成したシート
型蓄冷材、およびこれを使用した蓄冷器または冷凍機。
整理基板を利用して粒体を整列させ、また、ガス流通効
率を上げるためシート状担持体の、整理基板の相隣る小
穴と小穴のほぼ中間の位置に、小孔を多数あけてもよ
い。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、主として極低温用
冷凍機等に使用する蓄冷材およびその製造方法、並びに
それを使用した蓄冷器および冷凍機に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】従来、主として極低温用冷凍機等に使用
される蓄冷材としては、使用温度領域内において容積比
熱の大きな材料を金網、砕片、微粉体、球状等にして用
いている。300Kから20K領域までは、通常、ブロ
ンズ、ステンレス・スチール、鉛アンチモン等の材質に
よる数十メッシュから数百メッシュの金網や、50μm
φ〜800μmφの球体にして使用し、また、冷凍温度
が約20Kからヘリウムの超流動領域では、Pb、Pb
Sb、ネオジム、Er3Ni 、HoCu2 、GdAlO
3 (GAP)等を球体、砕片、微粉体にして蓄冷材とし
て、数十グラムから数百グラムを円筒に高密度に詰めた
ものを、小型冷凍機用の蓄冷器としても使用している。
この場合の温度効率は98.5%以上と高い。しかしな
がら、これら金網、砕片、粉体、球状体などの粒体(以
下、粒体という)を蓄冷材として多量に高密度で使用す
る場合には、いろいろな問題点が存在する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】通常、10K領域を生
成する冷凍機には、常温近くから50K領域までは、ブ
ロンズ、ステンレス材料であり、それ以下の温度では,
鉛合金、 Er3Ni等の球体や粉砕片等のそれらが混合
しないようフイルターを介して段階的に蓄冷器内に詰め
られている。しかしながら作動流体例えば、Heガス
(以下、流体という)は、蓄冷器内を0速度から高速で
往復動している。例えば、運転周波数は60Hzであ
り、毎秒0メーターから十数メーターの速度で往復動を
している。このため鉛合金、 Er3Ni等の球体や粉砕
片の使用する場合には、少なく3個のフイルターを使用
しなければならず、このフイルターによる圧力損失は極
めて大きい。数Hzでは5−7%、60Hzでは蓄冷器
設計を最適化しても10%以上の入力(動力)が損失す
る。
【0004】また、蓄冷器内で毎秒0速度から十数メー
ターで往復動する流体は、無数の蓄冷材の球体や粉砕片
に衝突してそれらを動かし、球体や粉砕片同士が摩擦し
て摩耗粉(微粉体)を発生させる。そのため微細化した
摩耗粉が球体や粉砕片内の流体通路に詰まったり、フイ
ルターを通過して冷凍機内を汚す。このため蓄冷器単体
の性能劣化とともに,他の冷凍機の熱伝達に関与する例
えば、コールドヘッドを汚して冷凍出力の低下を招く.
また従来の蓄冷器では、鉛合金、 Er3Ni等の球体や
粉砕片を定量詰め、且つ、それらが混合しないようにす
るフイルターを詰めたりするため、その製造コストは高
く、性能にも個体差が出やすい。
【0005】即ち、上述のごとくフイルターにより見か
け上、押しつけられ固定されている粒体は、蓄冷器内の
ガス速度が1周期あたりゼロから最大速度を2回繰り返
すため、長期間使用すると、機械的に振動したり、動い
たりして、粒体同士が摩擦損傷して微粉体を出し、それ
が粒体間に詰まったり、配管流路を閉塞させたりして圧
力損失を増加させる。さらにコールドヘッドの内壁にも
付着して熱伝達効果を劣化させ、冷凍性能を低下させ
る。
【0006】更に、従来蓄冷器に挿入された粒体は、平
均粒度40〜800μm程度(ガスの分子量が小さいH
2 、Heなどを使用するものでは100〜300μm程
度、また大型の冷凍・液化機用や、ガスが炭化水素、N
2 、Air、Ar、混合気体などを使用するものでは、
300〜800μm程度)である。また、蓄冷材である
粒体の蓄冷器への均一な詰め込み方は、フイルターを含
めて難しく、量産時には蓄冷器の性能値に個体差が出や
すい。また前記のごとく、使用中には、ガス速度が間欠
的に急変しながら往復動し、また、冷凍機の運転の仕方
もそれぞれ異なるため、ガスによる粒体の詰まり方が蓄
冷器内で変化して、冷凍機性能に影響が出てくる。
【0007】更にまた、性能の経年劣化は当然生じるこ
ととなる。また、蓄冷器を廃棄する場合に、蓄冷材が、
例えば、PbZnなどの場合では、鉛害等の起きる可能
性がある。更に、人工衛星搭載用の冷凍機では、微少重
力場のため、上述のガス圧の変動による蓄冷材である小
球体の機械的振動や、小球体同士の摩擦損傷による蓄冷
器の性能劣化が急速に発生すると推察できる。
【0008】このため通常、高価な蓄冷器に使用される
粒体では、平均粒径250μmΦ程度で±10%程度の
直径誤差を有している。しかしながら、性能劣化速度を
改善させるためには、この多数の粒体のつまり方の変化
を極力少なくすることが求められ、この多数の粒体に高
い真球度や直径精度を維持することが要求されている。
これらの要求は、多量生産をしているミニ・ボールベ
アリングの鋼球体などとは異なり、蓄冷材の価格を非常
に高価なものとし、強いては冷凍機の価格を何倍、何十
倍にも高騰させてしまう欠陥があった。
【0009】更に、例えば、4Kを生成する蓄冷器で
は、複数の蓄冷材を、数百メッシュのブロンズとステン
レス・スチール金網を数百枚積層し、第1段の多数枚の
フイルター、PbZnの粒体、第2段の多数枚のフイル
ター、そしてEr3Niの粒体、第3段の多数枚のフイ
ルター、そしてHoCu2 の粒体、また第4段の多数枚
のフィルター、GAPの粒体、第5段の多数枚のフイル
ターを挿入して構成している。これは、PbZnや磁性
蓄冷材等が、使用温度領域で最大の蓄冷量を発揮するよ
うに、また、それぞれの粒体が混合したり蓄冷器外に流
失しないようにしているものである.しかしながら、多
数段に挿入したフイルターの圧力損失による冷凍損失は
非常に大きいものとなる.
【0010】本発明は、これらの欠点を除いた、耐久寿
命が永く、圧力損失の少ない、極めて効率の良いシート
型蓄冷材およびその製造方法、並びにそれを使用した蓄
冷器および冷凍機を提供することを目的としている。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は、1)接着剤が
片面または両面に塗布された、薄くて、長尺のシート状
担持体の1面または両面の所定の幅範囲内の長手方向に
対して、粒度が比較的均一な単一または複数の材質から
なる、多数の小球体、粉砕片または微粉体状の蓄冷材を
連続的に、少なくとも1層を接着形成したシート型蓄冷
材であり、また、2)単一、または複数の蓄冷材よりな
る、粒体直径や大きさが比較的均一な多数の小球体、粉
砕片または微粉体を、精密に整列された多数の小穴のあ
いた整列基板に、それぞれ単一の小球体、粉砕片または
微粉体として嵌挿し、該小球体、粉砕片または微粉体
を、接着剤が片面または両面に塗布された極薄で長尺の
薄い布、フイルム、またはシート状の担持体の1面また
は両面の所定の幅範囲内の長手方向に接着して作成され
たシート型蓄冷材である。
【0012】また、3)単一、または複数の蓄冷材より
なる、粒体直径や大きさが比較的均一な多数の小球体、
粉砕片または微粉体を、精密に整列された多数の小穴の
あいた整列基板に、それぞれ単一の小球体、粉砕片また
は微粉体として嵌挿し、その後、該小球体、粉砕片また
は微粉体を、接着剤が片面または両面に塗布された極薄
で長尺の薄い布、フイルム、またはシート状の担持体の
1面または両面の所定の幅範囲内の長手方向に接着する
工程において、前記接着される担持体の、整理基板の相
隣る小穴と小穴のほぼ中間の位置に、レーザー電子ビー
ム等の小孔穿孔手段により、小球体、粉砕片または微粉
体の粒径乃至大きさの半分以下の小孔を多数にあけなが
ら接着して形成されたシート型蓄冷材である。
【0013】更に、4)前記粒体が、Cu合金、ステン
レススチール、FeNi合金、PbZn合金、またはこ
れら材料を心材としてPbまたはPb合金をメッキした
材料の単一または複数の材質から構成されており、且
つ、その粒度が40〜800μmであることを特徴と
し、5)前記粒体が、ネオジウム、DyNi2、Er3
i、Er6Ni2Sn、ErNi0.9Co0.1、Gd5
2、HoCu2、GdAlO3、Nd2Fe17Al等の低
温度で比熱の大きな合金、酸化物磁性体、磁性体の単
一、または複数の材質から構成されており、且つ、その
粒度が40〜800μmであることを特徴とするシート
型蓄冷材である。
【0014】また、6)前記担持体が、パラ系アラミド
繊維、高強力ポリアリレート繊維、PBO繊維、ポリエ
チレン繊維、ポリエステル繊維、ケプラー繊維、天然繊
維またはガラス繊維より選ばれた繊維により織られた布
であり、且つ、その厚さが10〜100μmであり、ま
たその織目の繊維間スキマが前記粒体が貫通不能な大き
さであることを特徴とし、7)前記状担持体が、ポリプ
ロピレン、ポリイミド、キャプトン、またはそれらと類
似するフイルムよりなり、且つ、その厚さが10〜10
0μmであることを特徴とするシート型蓄冷材である。
【0015】更に、8)前記状担持体が、人造繊維また
は天然原料を基底材料とした、厚さが10〜100μm
である紙材または不織布であり、9)前記多数の小穴の
あいた整列基板の小穴直径が、前記小球体、粉砕片また
は微粉体の粒径乃至大きさの80%以下の大きさである
シート型蓄冷材である。
【0016】また、10)前記1)乃至9)のいずれか
に記載のシート型蓄冷材を、膨張係数と熱伝導率が極め
て小さい材料で構成された単一、または複数に分割され
た円柱状体または他の形状体を芯材として、これに層状
に巻き付けて形成された蓄冷器であり、11)前記円柱
状体または他の形状体が、パルス管冷凍機用パルス管で
ある蓄冷器である。
【0017】更にまた、12)使用温度領域における単
位容積当たりの比熱が大きい材質で構成され、その粒度
が比較的均一である多数の小球体、粉砕片または微粉体
よりなる粒体を、高精度の平面度を有する平板上の枠内
に少なくとも1層をランダムに並べる第1ステップと、
その上に接着剤を塗布したシート状担持体を乗せる第2
ステップと、更に、該シート状担持体の上からローラー
を付勢移動することにより、前記粒体の少なくとも1層
を、該シート状担持体に該粒体の高さの30%以下の厚
さで接着する第3ステップとを含むことを特徴とするシ
ート型蓄冷材の製造方法を提供するものである。
【0018】また、本発明は、13)単一、または複数
の蓄冷材となる粒体直径や大きさが比較的均一な多数の
小球体、粉砕片または微粉体を、精密に整列された多数
の小穴のあいた整列基板の各小穴に整列配列する第1ス
テップと、その上に接着剤を塗布された極薄で長尺の薄
い布、フイルム、またはシート状の担持体を載せる第2
ステップと、更に、該シート状担持体の上からローラー
を付勢移動することにより、前記粒体を、該シート状担
持体に該粒体の高さの30%以下の厚さで接着する第3
ステップを含むことを特徴とするシート型蓄冷材の製造
方法である。
【0019】また、14)単一、または複数の蓄冷材と
なる粒体直径や大きさが比較的均一な無数の小球体、粉
砕片または微粉体を、精密に整列された多数の小穴のあ
いた整列基板の各小穴に整列配列する第1ステップと、
その上に接着剤を塗布された極薄で長尺の薄い布、フイ
ルム、またはシート状の担持体を載せる第2ステップ
と、更に、該シート状担持体の上からローラーを付勢移
動することにより、前記粒体を、該シート状担持体に該
粒体の高さの30%以下の厚さで接着する第3ステップ
と、前記接着される担持体の、整理基板の相隣る小穴と
小穴とのほぼ中間の位置に、レーザー電子ビーム等の小
孔穿孔手段により小球体,粉砕片または微粉体の粒径乃
至大きさの半分以下の小孔を多数にあける第4ステップ
とを含むことを特徴とするシート型蓄冷材の製造方法を
提供するものであり、更にまた、15)前記1)乃至
9)のいずれかに記載のシート型蓄冷材を蓄冷器として
使用することを特徴とする冷凍機を提供するものであ
る。
【0020】
【発明の実施の形態】前記のごとく本発明は、およそ1
60K(マイナス233℃)から2K(約マイナス27
1℃)の極低温度を生成するのが容易である、スターリ
ング、G−M、パルス管、ソルベイ、ヴィルミエ等、こ
れらによる複合サイクル等のRegenerative
cryocoolerにおける、常温から極低温度ま
での作動流体(ヘリウム、水素、窒素、アルゴン、空
気、炭化水素等の単一または混合気体)(以下、単にガ
スという)に対する、熱の授受をする蓄冷材の構造とそ
の製造法および蓄冷器、それを用いた冷凍機に関するも
のである。
【0021】即ち、使用温度領域において容積比熱の大
きな材料を比較的均一な形状・直径(平均径、粒度分布
も含む)に揃えた多数の粒体を、接着剤が塗布された極
薄のフイルム、布、紙等の片面、または両面に接着固定
した製造が容易で低価格、性能が均一、性能劣化がない
等の特徴を有するシート型蓄冷材の製造法とその構造お
よび蓄冷器の構造に関するものである。
【0022】本発明は、蓄冷材となるブロンズ、ステン
レス・スチール、FeNi合金、Pb合金、あるいは、
Cuその他の材料を芯材としてPb、Pb合金等をメッ
キして小さな球体や、ネオジム、DyNi2、Er3
i、Er6Ni2Sn、その他を球体にしたり粉砕片、微
粉体にして、粒度分布を揃え、これをガスの動圧で動か
ないようにするために、極低温度で極度に収縮したり脆
くなって破壊しないような接着剤を、片面、または両面
に塗布した厚さ数十μmの極薄のフイルム、布、紙等
(以下、これらをシート状担持体という)に接着固定し
たシート型蓄冷材である。
【0023】この結果、蓄冷器に挿入する蓄冷材の量を
シート長さで決めることができ、また、その充填作業が
短時間で行うことが可能なために低価格であり、性能が
均一で、性能劣化がない等の特長を有する蓄冷材および
蓄冷器を提供できるようにしたものである。
【0024】シート状担持体としては、1)ポリプロピ
レン、ポリエチレン、キャプトン、ナイロン6等の高分
子フイルム、2)ポリエチレン繊維、ポリイミド系、ポ
リエステル、Kevlarなどの人造繊維やセラミック
ス繊維等で織られた極薄の布、3)人造繊維や天然原料
による不織布や紙などに、必要によりプライマー処理の
上、合成樹脂系接着剤(シリコン系、ポリウレタン系、
エポキシ樹脂系等)を片面または両面(この場合は剥離
紙付き両面粘着シート使用)に塗布した厚さ10〜10
0μmの極薄のシートを使用する。
【0025】また、多層に巻かれるシート型蓄冷器の横
方向(円筒の蓄冷器では中心から周方向に)になるべく
温度差が生じないようにするため、シートを整列された
砕片や小球体に接着直前または接着後において、レーザ
ー電子ビーム等の小孔穿孔手段により、シートの相隣る
砕片や小球体のほぼ中間の位置に、多数の小穴(粒体の
径より小さい)をあけることにより、作動ガスが他の層
へ貫流通過できるようにすることができる。該小孔の位
置および大きさの特定は、整列された砕片や小球体の位
置と大きさより、コンピュータにより容易に算出するこ
とができる。
【0026】また、シート型蓄冷材は、蓄冷器の芯材と
する熱伝導度が小さくアウトガスが比較的少ないベーク
ライト、テフロン等の合成樹脂材料やセラミックス材料
に巻き上げられるばかりでなく、パルス管冷凍機のパル
ス管やスターリング冷凍機の膨張シリンダーそのもの
に、渦巻き状に巻き上げられることができる。ただし、
その蓄冷器の直径が20mmφ以下の場合には、巻くと
シート型蓄冷材の外直径になる方は単体の小球体同士が
開くが内径になる方は小球体同士の間隙が詰まって巻き
にくい。この場合、外面と内面の蓄冷材となる小球体や
砕片の径を変えたり、片面だけに蓄冷材が付けられたシ
ート型蓄冷材を、特にシート面を内側にして巻き上げ形
成することにより対処することができる。また、外面と
内面の蓄冷材となる小球体や砕片の分布密度を変え巻き
やすくすることもできる。
【0027】実施形態1.図1は、本発明の1実施形態
の斜視説明図である。4分割された円柱状体を芯材11
−1、11−2、11−3、11−4として、両面に粒
体(小球体)3が接着保持されたシート状担持体4を渦
巻き状に捲いている状態を示したものである。シート状
担持体4を多層に巻き付けて蓄冷器とする。作動ガスの
流れ方向は円柱軸方向である。
【0028】図2は、本発明のシート型蓄冷材の製造方
法の1例を示す説明図である。1は高精密な平面度をも
つ台、2−aは端枠、2−bは位置制御センサ、3は小
球体、4はシート状担持体、4−1はシート状担持体の
端部、5、6は剥離紙、7は巻き枠、8はガイドロー
ラ、9は回転巻き取り器、10はローラーである。ま
た、図3は、図2における高精密な平面度をもつ台1の
上に、小球体3を整列させた状態を示す説明図である。
【0029】図2において、高精密な平面度をもつ台1
の上に、例えば、平均直径、250μmφのPbSbの
合金球体3を枠2の内側(例えば巾50mm、長さ20
00mm)に1段(球体の上に球体が重ならない状態)
ランダムに多数並べ、巻き枠7に巻かれた剥離紙5、6
をもつ変成シリコンや、エポキシ樹脂系の接着剤を、セ
ラミックスファイバーからなる約30μm厚さの極薄の
布にプライマーを介して含芯させたシート状担持体4
(両面粘着シートで剥離紙5、6の厚さを除く)の端4
−1を金属球体3の直径に応じて球体の接着層、例えば
15μmの厚さに微調整する位置制御センサ2b付きの
端枠2−aに固定し、柔軟な押し面をもつローラー10
と巻き枠7には、適度な力a、bをシート状担持体に加
えて回転させながら右方向X1、X2に移動させる。
【0030】次ぎにローラー10および捲き枠7それぞ
れによるシート状担持体に加える力a、bと回転移動速
度は、巻き枠7に巻かれたシート状担持体の直径によっ
て異なり、それらは位置制御センサー、その他のセンサ
ーからの情報を得てコンピューターを介して制御する。
ガイドローラ8は剥離紙5に適度な力cを加えながら、
ローラー10および捲き枠7と同様に制御しながらX3
方向に移動させる。回転巻き取り器9の回転も同様に制
御されている。矢印は力を加える方向と移動方向を示
す。片側のみのシート型蓄冷材の製造行程はこれで終了
する。
【0031】ローラー10によるシート状担持体4の圧
接の直前もしくは後に、相隣る小球体、粉砕片または微
粉体のほぼ中間の位置に、図示していないレーザー電子
ビーム等の小孔穿孔手段により、小球体、粉砕片または
微粉体の粒径乃至大きさの半分以下の小孔を多数にあけ
て、シート状担持体4にガスの貫通孔として作用させる
ことができる。
【0032】実施形態2.図4は、本発明のシート型蓄
冷材の製造方法の他の例を示す説明図である。3は小球
体、11は整列基板である。その他の符号は図2のもの
と同一である。図5は、本発明に用いる整列基板の平面
図の1例を示す図である。11は整列基板、12は貫通
穴または凹穴である小穴、13は相隣る小穴と小穴との
中間部を示す。
【0033】図5に示されるように、整列基板11の幅
方向長さにおいて、14は常温端で、15は低温端であ
り、14と15との間の幅は、約5cmから25.4c
m程度であり、ガスはY方向に流れる。また、整列基板
11の長手方向の長さは、約100cmから数100c
m程度であり、冷凍出力、蓄冷器の形状、サイズ、使用
温度領域により異なる。多数の小穴12(貫通穴または
凹穴)の直径は、小球体、粉砕片または微粉体の粒径乃
至大きさの50%から80%程度が好ましいが、単一の
小球体、粉砕片または微粉体が小穴に埋没せず、シート
状担持体を接着するときに動かない範囲であればよい。
例えば、鉛合金の小球体の直径が200μmφのときに
は、100乃至160μmφ程度が好ましい。製造実績
では140μmφ程度がより好ましいものであった。
【0034】図4において、予めコンピュータにて制御
され開けられた多数の小穴を設けられた整列基板11
に、小球体、粉砕片または微粉体を各小穴に単一宛挿入
し、該整列基板11を端枠を介して、基台に取り付け、
図2における場合と同様の作業手順により小球体、粉砕
片または微粉体にシート状担持体を接着する。また、ロ
ーラー10によるシート状担持体4の圧接の直前もしく
は後に、相隣る小穴と小穴のほぼ中間の位置に、図示し
ていないレーザー電子ビーム等の小孔穿孔手段により、
小球体、粉砕片または微粉体の粒径乃至大きさの半分以
下の小孔を多数にあけて、シート状担持体4にガスの貫
通孔として作用させることができる。
【0035】図6は、小球体を各小穴に単一宛挿入され
た整列基板11の断面参考図である。3は小球体、3−
1は小球体の整列基板11の小穴に嵌挿された部分、1
1は整列基板である。整列基板11は金属板、合成樹脂
板、セラミックス板等ローラー10によるシート状担持
体4の圧接に耐えるものであればよい。またその厚さも
作業性を損なわない範囲で選択することができる。
【0036】図7は、前記実施形態1により形成される
シート型蓄冷材の一例の断面参考図である。3は小球
体、4はシート状担持体、4−2は接着剤層を示す。図
7は、小球体3が、シート状担持体4の1面にのみ接着
された場合を示している。図8は、前記実施形態1によ
り形成されるシート型蓄冷材の他の例の断面参考図であ
る。4−3はシート状担持体の他の面に設けられた接着
層である。図8は、小球体3が、シート状担持体4の1
面4−2と他の面の両面4−3に接着された場合を示し
ている。図9は、図8に示されるシート型蓄冷材を多層
に重ねた状態を示す図である。
【0037】両面接着の場合には、台1の上に前述の行
程と同様に、250μmφのPbSb合金の多数の小球
体3を枠2の内側に乗せ、先に製造した多数の小球体3
を接着したシート状担持体の小球体3の面を上向きに
し、剥離紙6を剥がしながら台1上の小球体3をシート
状担持体4に接着、圧接して完了する。なお、本発明の
シート型蓄冷材の製造方法の基本を、その長さ2000
mmで説明したが、数十mを連続的に製造する自動装置
にすることは容易である。
【0038】また、小球体3は15K生成用の蓄冷材に
は、例えば150mm巾の接着シート(長さは自由)
に、常温(長さゼロで端)から120K領域となる約5
0mmまではブロンズの球体、40K領域になる50m
mから80mmまではステンレス・スティール球、80
mmから150mmまでの20K以下の領域にはPb、
ネオジム、Er3Niなどの球体を使用するのが好まし
い。これらの球体は篩である程度、粒度・直径を揃える
が数%の差がある。
【0039】この多数の蓄冷材を一度に製造するには、
枠2の長手方向にテフロン、ケプラー等の約20μφの
細い糸を、位置制御センサ2−bによる上下調整機構付
きの端枠2−aと反対側に設置される同様な機構付き端
枠2−c(図示せず)に小球体3のおよそ直径の半分に
なるような位置に穴を空けて張る。これにより材質の異
なる蓄冷材を糸を境にして多数並べて配置すれば、長手
方向に分離して球体を接着できる。細い糸はシート型蓄
冷材が完成後、取り除いても除かなくても、これによる
性能に対する圧力的、熱的な影響は殆どない。
【0040】図10は、前記実施形態2により形成され
るシート型蓄冷材の一例の断面参考図である。3は小球
体、4はシート状担持体、4−2、4−3は接着剤層を
示す。図10は、小球体3が、シート状担持体4の1面
4−2および他の面4−3の両面に接着された場合を示
している。図11は、図10に示されるシート型蓄冷材
を多層に重ねた状態を示す図である。
【0041】前記両面に小球体3を接着したシート型蓄
冷材により蓄冷器を構成するには、低熱伝導度のベーク
ライト等の2つ割りまたは複数割り円柱状体を芯材(図
1では4つ割り芯材11−1、11−2、11−3、1
1−4)とし、これに両面に多数の小球体3を担持させ
たシート型蓄冷材の所要長さを巻き込み、この巻き上が
ったものを、円筒に挿入すれば、蓄冷器が完成する。な
お、芯材は分割せず単一形状のものでも、また分割数は
2個、4個に限定されるものでもなく、またその分割形
状は、必ずしも単一な形状である必要はない。
【0042】比較試験1:本発明による両面に多数の小
球体3がシートの両面に付けられたシート型蓄冷材と、
既存の金網多数枚の積層と多数の鉛の小球体からなる蓄
冷器を試験冷凍機に用いて冷凍出力を比較した。シート型蓄冷材 :常温から100mmの位置までは平均
粒径250μm±5%のブロンズ球体やステンレス31
6Lの球体、また100mmから150mmまでは平均
粒径250μm±5%のPbSb球体を両面に接着した
シート型蓄冷材をベークライトの4つ割り円柱状の芯材
(4mmΦ×150mmL)に巻き付け、それを内径2
0mmφのステンレス薄肉円筒内に挿入した蓄冷器を用
意した。
【0043】既存型蓄冷器:長さ100mmまでは20
mmφのステンレス(304)の金網350メッシュを
約900枚と、平均粒径250μm±5%の多数のPb
Sb球体を、小球体の流失止めのフエルト(400メッ
シュのステンレス金網1枚を含み4mm厚さ×2枚)を
上下に入れて、合計50mmの長さとし、それを内径2
0mmφのステンレス薄肉円筒に挿入した蓄冷器を用意
した。
【0044】試験冷凍機:GM型パルス管冷凍機 運転条件A 圧縮機入力:0.75〜1.2kW 作動ガス圧:1.5MPa 作動ガス:He パルス管径:8mmφ、160mmL パルス管の運転周波数:3Hz試験結果:冷凍出力比較 シート型蓄冷器使用の場合:2W at20K 既存型蓄冷器使用の場合:1.6W at20K
【0045】比較試験2:次に比較試験1に対して、シ
ート型蓄冷器の長さおよび芯材を変え、これを同じく長
さおよびフエルト枚数を変えた既存型蓄冷器の場合と比
較試験した。シート型蓄冷材 :比較試験1のシート型蓄冷材に対し
て、更に長さを80mm長くし(合計230mm、20
mmφ)、平均粒径250μm±5%のEr3Ni球を
両面に接着した巾80mmのシート型蓄冷材を、ベーク
ライトの4つ割り円柱状の芯材に巻き付けたものを、内
径20mmφのステンレス薄肉円筒内に挿入した蓄冷器
を用意した。
【0046】既存型蓄冷器:比較試験1の既存型蓄冷器
に対して、同様に80mm長くし、前記PbSb球体充
填のあと、平均粒径250μm±5%の Er3Niの小
球体を挿入し、球体の流失止めのフエルト3層を挿入し
た蓄冷器を用意した。
【0047】試験冷凍機:GM型パルス管冷凍機 運転条件B 圧縮機入力:0.75〜1.2kW 作動ガス圧:0.8〜1.5MPa 作動ガス:He パルス管径:6mmφ、240mmL パルス管の運転周波数:約1Hz 試験結果:冷凍出力比較 シート型蓄冷器の場合:約180mW at4.2K 既存型蓄冷器の場合:約120mW at4.2K
【0048】なお、前記比較試験において、シート型蓄
冷器の常温から100mmの位置とコールドヘッドをカ
バーする輻射遮蔽板は、他の小型パルス管冷凍機により
熱伝導損失と輻射熱の除去のために冷却された。以上の
実験結果から、本発明のシート型蓄冷器による冷凍出力
は、20K領域では約25%、4.2K領域では約50
%向上することが明らかとなった。このシート型蓄冷器
は蓄冷型冷凍サイクルであるスターリングやGMサイク
ルに用いても同様の効果が得られることは明らかであ
る。
【0049】本実施例による蓄冷器では、従来品に比較
して流量抵抗は約20%減、逆に、冷凍効率は10%以
上アップした。これは、本実施例の場合の作動ガスの流
れが粒体を高密度に充填した場合に比較して、スムーズ
であると同時に、蓄冷器としての蓄冷作用が良好であっ
たため、好ましい総合的性能をもたらした理由とおもわ
れる。
【0050】
【発明の効果】本発明により次の効果が得られる。 a.従来使用必須条件であった、蓄冷器から小球体が流
失しないように、高密度の繊維であるフランネル、フェ
ルト、ガーゼ、リント、金網、焼結金属等からなるフイ
ルターを必要としない。 b.このフイルターによる圧力損失が無くなり、この損
失分は冷凍温度が20K流域では少なくとも25%の冷
凍出力の向上につながり、また、蓄冷器の製造時間が1
/10程度となり、格安で高効率の蓄冷器が提供でき
る。
【0051】c.フイルターの容積分、例えば蓄冷器の
高さ50mmとすれば、通常、フイルターの厚さ4mm
程度が上下に必要になる.本発明のシート型蓄冷材で
は、既存型の小球体挿入タイプに較べ、蓄冷材量がシー
トの容積分増加でき、このため単位容積あたりの蓄冷量
は減るが、フイルターの容積分の蓄冷容量を増加させる
ことができる。この結果、死容積が減り、圧力損失の低
下と相まって冷凍出力が増大できる。 d.如何なる蓄冷材でも粒度を揃えれば、シート状坦持
体に固定して蓄冷器とすることが可能である。
【0052】e.微小な無数の蓄冷材がシートに固定さ
れているので、蓄冷器を横置きにしたり、人工衛星搭載
の冷凍機が打ち上げ時に受ける極めて大きな加速度や激
しい振動にも、また超伝導磁気浮上列車の搭載用冷凍機
に使用しても、蓄冷器の効率に劣化が生じない。 f.蓄冷器を廃棄する時には公害をもたらす鉛等による
蓄冷材の回収が、シートに接着されているため容易にで
きる。 g.従って、本発明のシート型蓄冷材を使用した冷凍機
は、性能についての信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の1実施形態の斜視説明図である。
【図2】 本発明のシート型蓄冷材の製造方法の1例を
示す説明図である。
【図3】 図2における台上に、小球体を整列させた状
態を示す説明図である。
【図4】 本発明のシート型蓄冷材の製造方法の他の例
を示す説明図である。
【図5】 本発明に用いる整列基板の平面図の1例を示
す図である。
【図6】 小球体を各小穴に単一宛挿入された整列基板
11の断面参考図である。
【図7】 前記実施形態1により形成されるシート型蓄
冷材の一例の断面参考図である。
【図8】 実施形態1により形成されるシート型蓄冷材
の他の例の断面参考図である。
【図9】 図8に示されるシート型蓄冷材を多層に重ね
た状態を示す図である。
【図10】前記実施形態2により形成されるシート型蓄
冷材の一例の断面参考図である。
【図11】図10に示されるシート型蓄冷材を多層に重
ねた状態を示す図である。
【符号の説明】
1 台、2 枠、2−a 端枠、3 粒体(小球体)、
3−1 小球体の小穴嵌挿部分、4 シート状担持体、
4−1 シート状担持体の端部、4−2 シート状担持
体の1面、4−3 シート状担持体の他の面、5、6
剥離紙、7 捲き枠、8 ガイドローラ、9 回転巻き
取り器、10 ローラー、11 整列基板、11−1、
11−2、11−3、11−4 芯材、12 小穴、1
3 中間部、14 常温端、15 低温端、X1 ロー
ラー移動方向、X2 捲き枠移動方向、X3 ガイドロ
ーラー移動方向、Y ガスの流動方向、a、b、c 荷
重。

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 接着剤が片面または両面に塗布された、
    薄くて、長尺のシート状担持体の1面または両面の所定
    の幅範囲内の長手方向に対して、粒度が比較的均一な単
    一または複数の材質からなる、多数の小球体、粉砕片ま
    たは微粉体状の蓄冷材を連続的に、少なくとも1層を接
    着形成したことを特徴とするシート型蓄冷材。
  2. 【請求項2】 単一、または複数の蓄冷材よりなる、粒
    体直径や大きさが比較的均一な多数の小球体、粉砕片ま
    たは微粉体を、精密に整列された多数の小穴のあいた整
    列基板に、それぞれ単一の小球体、粉砕片または微粉体
    として嵌挿し、該小球体、粉砕片または微粉体を、接着
    剤が片面または両面に塗布された極薄で長尺の薄い布、
    フイルム、またはシート状の担持体の1面または両面の
    所定の幅範囲内の長手方向に接着して作成することを特
    徴とするシート型蓄冷材。
  3. 【請求項3】 単一、または複数の蓄冷材よりなる、粒
    体直径や大きさが比較的均一な多数の小球体、粉砕片ま
    たは微粉体を、精密に整列された多数の小穴のあいた整
    列基板に、それぞれ単一の小球体、粉砕片または微粉体
    として嵌挿し、その後、該小球体、粉砕片または微粉体
    を、接着剤が片面または両面に塗布された極薄で長尺の
    薄い布、フイルム、またはシート状の担持体の1面また
    は両面の所定の幅範囲内の長手方向に接着する工程にお
    いて、前記接着される担持体の、整理基板の相隣る小穴
    と小穴のほぼ中間の位置に、レーザー電子ビーム等の小
    孔穿孔手段により、小球体、粉砕片または微粉体の粒径
    乃至大きさの半分以下の小孔を多数にあけながら接着し
    て形成することを特徴としたシート型蓄冷材。
  4. 【請求項4】 前記粒体が、Cu合金、ステンレススチ
    ール、FeNi合金、PbZn合金、またはこれら材料
    を心材としてPbまたはPb合金をメッキした材料の単
    一または複数の材質から構成されており、且つ、その粒
    度が40〜800μmであることを特徴とする請求項1
    乃至3のいずれか1項に記載のシート型蓄冷材。
  5. 【請求項5】 前記粒体が、ネオジウム、DyNi2
    Er3Ni、Er6Ni2Sn、ErNi0.9Co0.1、G
    5Al2、HoCu2、GdAlO3、Nd2Fe17Al
    等の低温度で比熱の大きな合金、酸化物磁性体、磁性体
    の単一、または複数の材質から構成されており、且つ、
    その粒度が40〜800μmであることを特徴とする請
    求項1乃至3のいずれか1項に記載のシート型蓄冷材。
  6. 【請求項6】 前記担持体は、パラ系アラミド繊維、高
    強力ポリアリレート繊維、PBO繊維、ポリエチレン繊
    維、テフロン(登録商標)繊維、ポリエステル繊維、ケ
    プラー繊維、天然繊維またはガラス繊維より選ばれた繊
    維により織られた布であり、且つ、その厚さが10〜1
    00μmであり、またその織目の繊維間スキマが前記粒
    体が貫通不能な大きさであることを特徴とする請求項1
    乃至5のいずれか1項に記載のシート型蓄冷材。
  7. 【請求項7】 前記状担持体が、ポリプロピレン、ポリ
    イミド、キャプトン、またはそれらと類似するフイルム
    よりなり、且つ、その厚さが10〜100μmであるこ
    とを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の
    シート型蓄冷材。
  8. 【請求項8】 前記状担持体が、人造繊維または天然原
    料を基底材料とした、厚さが10〜100μmである紙
    材または不織布であることを特徴とする請求項1乃至5
    のいずれか1項に記載のシート型蓄冷材。
  9. 【請求項9】 前記多数の小穴のあいた整列基板の小穴
    直径が、前記小球体、粉砕片または微粉体の粒径乃至大
    きさの80%以下の大きさであることを特徴とする請求
    項1乃至5のいずれか1項に記載のシート型蓄冷材。
  10. 【請求項10】 請求項1乃至9のいずれか1項に記載
    のシート型蓄冷材を、膨張係数と熱伝導率が極めて小さ
    い材料で構成された単一、または複数に分割された円柱
    状体または他の形状体を芯材として、これに層状に巻き
    付けて形成された蓄冷器。
  11. 【請求項11】 前記円柱状体または他の形状体が、パ
    ルス管冷凍機用パルス管であることを特徴とする請求項
    10に記載の蓄冷器。
  12. 【請求項12】 使用温度領域における単位容積当たり
    の比熱が大きい材質で構成され、その粒度が比較的均一
    である多数の小球体、粉砕片または微粉体よりなる粒体
    を、高精度の平面度を有する平板上の枠内に少なくとも
    1層をランダムに並べる第1ステップと、その上に接着
    剤を塗布したシート状担持体を乗せる第2ステップと、
    更に、該シート状担持体の上からローラーを付勢移動す
    ることにより、前記粒体の少なくとも1層を、該シート
    状担持体に該粒体の高さの30%以下の厚さで接着する
    第3ステップとを含むことを特徴とする請求項1乃至6
    のいずれか1項に記載のシート型蓄冷材の製造方法。
  13. 【請求項13】 単一、または複数の蓄冷材となる粒体
    直径や大きさが比較的均一な多数の小球体、粉砕片また
    は微粉体を、精密に整列された多数の小穴のあいた整列
    基板の各小穴に整列配列する第1ステップと、その上に
    接着剤を塗布された極薄で長尺の薄い布、フイルム、ま
    たはシート状の担持体を載せる第2ステップと、更に、
    該シート状担持体の上からローラーを付勢移動すること
    により、前記粒体を、該シート状担持体に該粒体の高さ
    の30%以下の厚さで接着する第3ステップを含むこと
    を特徴とする請求項1、2、または4乃至8のいずれか
    1項に記載のシート型蓄冷材の製造方法。
  14. 【請求項14】 単一、または複数の蓄冷材となる粒体
    直径や大きさが比較的均一な無数の小球体、粉砕片また
    は微粉体を、精密に整列された多数の小穴のあいた整列
    基板の各小穴に整列配列する第1ステップと、その上に
    接着剤を塗布された極薄で長尺の薄い布、フイルム、ま
    たはシート状の担持体を載せる第2ステップと、更に、
    該シート状担持体の上からローラーを付勢移動すること
    により、前記粒体を、該シート状担持体に該粒体の高さ
    の30%以下の厚さで接着する第3ステップと、前記接
    着される担持体の、整理基板の相隣る小穴と小穴とのほ
    ぼ中間の位置に、レーザー電子ビーム等の小孔穿孔手段
    により小球体、粉砕片または微粉体の粒径乃至大きさの
    半分以下の小孔を多数にあける第4ステップとを含むこ
    とを特徴とする請求項3乃至9のいずれか1項に記載の
    シート型蓄冷材の製造方法。
  15. 【請求項15】 請求項1乃至9のいずれか1項に記載
    のシート型蓄冷材を蓄冷器として使用することを特徴と
    する冷凍機。
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