JP2003148822A - 極低温冷凍機の蓄冷器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】圧力損失および非効率ロスが低く、しかも安価
なコストで製作できるように改良した極低温冷凍機の蓄
冷器を提供する。 【解決手段】両端面を開放した金属製円筒１１の内部に
蓄冷材として多数枚の金網を装填し、冷凍機の運転時に
圧縮機から金属容器内を通過して通流する高温の作動ガ
スを前記金網と熱交換して低温にし、また前記と逆方向
に金属容器内を通過して圧縮機に還流する低温の作動ガ
スとの熱交換で前記金網が低温となるよう熱交換を行う
極低温冷凍機の蓄冷器において、前記容器内に装填した
金網のうち、容器内における低温端領域に積層する高温
側金網１２ａは空間率が小さく、かつ線径の細いもの
（４００メッシュ，線径３０μm ）とし、高温側領域に
積層する高温側金網１２ｂは低温側に積層する金網１２
ａの空間率よりも空間率を大きく、かつ線径も太いもの
(３２５メッシュ，線径３５μm)に選定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パルス管冷凍機，
スターリング冷凍機など対象とした極低温冷凍機に適用
する蓄冷器に関する。

【０００２】

【従来の技術】まず、本発明の蓄冷器を適用する極低温
冷凍機として、パルス管冷凍機の構成を図４に示す。図
において、１は蓄冷器、２はパルス管、３は圧縮機、４
は位相制御部、５はコールドヘッドであり、これらを図
示のように組み合わせてパルス管冷凍機を構成してお
り、その系内には作動ガス（冷媒ガス）として例えばヘ
リウムガス封入されている。

【０００３】かかるパルス管冷凍機の動作原理はよく知
られている通りであり、冷凍機の運転時に圧縮機３のシ
リンダ３１内でピストン３２を往復動操作することによ
り、圧縮機内で作動ガスが圧縮，膨張を繰り返すととも
に、作動ガスは圧縮機３から蓄冷器１，コールドヘッド
５，パルス管２を通り、位相制御部４との間を往復動流
として流れる。また、位相制御部４は、イナータンスチ
ューブ４１とバッファタンク４２からなり、作動ガスは
この中をほぼ正弦波的に圧力振幅を伴って流れる。これ
により、作動ガスの圧力変化と流量変化の間に位相差が
発生する。これを電気回路に例えると、イナータンスチ
ューブ４１は電気回路のインダクタンス，抵抗，インピ
ーダンス成分、バッファタンク４２はインピーダンス成
分に相当する。したがって、作動ガスの圧力に対する流
量の位相差を−９０°から＋９０°まで変化させること
ができ、これにより冷凍機の運転時にはパルス管２、お
よび位相制御部４による位相制御効果によってパルス管
２の内で作動ガスの圧力と流量の間に位相差が生じ、こ
の圧力と流量のなす仕事が低温部でのＰＶ仕事となって
コールドヘッド５に寒冷を発生する。なお、この発生寒
冷を低温ＰＶ仕事と呼ぶ。

【０００４】ここで、蓄冷器１は前記のように圧縮機３
とコールドヘッド５との間に介装されており、冷凍機の
運転時に圧縮機３の圧縮行程で送り出された高温の作動
ガスは蓄冷器３を通過する過程で蓄冷器内に装填した蓄
冷材と熱交換し、低温になって流出する。また、前記と
は逆に作動ガスがコールドヘッド５側から蓄冷器１を通
過して圧縮機３に還流する行程では、金属容器１１の低
温側端面を通じて流入した低温の作動ガスとの熱交換に
より金網１２が低温になる。この場合に作動ガスと蓄冷
材と熱交換を効率よく行うには、蓄冷材が十分な熱容量
と十分な表面積を有していることが必要であるが、蓄冷
器３に装填した蓄冷材の熱容量と表面積は有限であるこ
とから、実際には圧縮機３から送り出されて蓄冷器１に
流入する高温の作動ガスは蓄冷器内を通過する過程で完
全に熱交換し切れず、熱の一部は蓄冷器の低温側に配し
たコールドヘッド５に持ち込まれる。これを蓄冷器の非
効率ロスと呼ぶ。

【０００５】また、コールドヘッド５から実質的に外へ
取り出すことのできる冷凍出力（正味冷凍出力）は、低
温ＰＶ仕事から先記した蓄冷器の非効率ロスおよび熱伝
導ロスやパルス管２でのシャトルロスなどの熱ロスを差
し引いた量である。この点について、コールドヘッド５
の寒冷温度が液体窒素温度（７７Ｋ）レベルで正味冷凍
出力が数Ｗ程度である在来の小型パルス管冷凍機におい
ては、低温ＰＶ仕事に比べて熱ロスが大きく、またこの
熱ロスのうち蓄冷器１における非効率ロスの占める割合
が大である。このために、低温ＰＶ仕事における正味冷
凍出力の割合、すなわち全冷凍発生量のうち有効に取り
出せる冷凍量は高々２０〜３０％程度である。言い換え
ると熱ロスの占める割合が圧倒的に大きいということに
なる。しかも、この熱ロスのうち、蓄冷器で発生する非
効率熱ロスの占める割合は５０％を超え、全冷凍発生量
のうち３５％〜４０％は蓄冷器の非効率ロスが占める勘
定になる。

【０００６】ところで、パルス管冷凍機，あるいはスタ
ーリング冷凍機に適用する蓄冷器の構造に関して従来
は、図５(a),(b) で示すように、円筒形の金属製容器
（以下「円筒」と呼称する）１１の内部に蓄冷材として
多数枚の金網１２を積層状態に装填して蓄冷器１を構成
している。この金網１２は、例えばステンレス，銅合金
ワイヤを素線として網状に編んだものであり、一般には
その素線径が数１０μｍ程度、メッシュ数が数１００程
度の金網が使われている。そして、この金網を円筒１１
の内径寸法に合わせて円形に打ち抜き加工した上で、円
筒１１の内部に積層状態に装填して蓄冷器１を構成して
いる。この場合に円筒１１に装填する金網の枚数はサイ
ズにもよるが１０００〜２０００枚程度にも及ぶ。

【０００７】なお、特にパルス管冷凍機に適用する蓄冷
器については、その蓄冷材の非効率ロスを低く抑えるた
めに、大きなメッシュ数（例えば４００メッシュ）で細
い線径（例えば２５μｍ )の金網を用いる例もあり、ま
た別の方法として、円筒１１の全長を長くして金網１２
の装填枚数を増やし、これにより蓄冷材の熱容量と表面
積を大きくして蓄冷器１の非効率ロス低減を図る場合も
ある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記のよう
に蓄冷器における非効率ロスを低減するために、蓄冷器
１の円筒１１に装填する金網１２として、メッシュ数が
大きく、かつ線径が細い金網を採用すると、金網のコス
トが高くなるほか、必要な積層枚数が多くなって円筒１
１への装填に要する作業時間がかかり、結果として蓄冷
器の製造コストが高くなってしまう。また、容器１１の
全長を長して金網１２の装填枚数を多くすると、蓄冷器
１の非効率ロス低減が図れる利点がある反面、金網１２
の装填枚数が増えて蓄冷器全体としての圧力損失が大き
くなるために、長さ寸法の短い蓄冷器と比べて圧縮機に
要求される仕事が大きくなり、冷凍機効率（ＣＯＰ）が
低下してしまうといった問題がある。

【０００９】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであり、その目的は圧力損失および非効率ロス
が低く、しかも安価なコストで製作できるように改良し
た極低温冷凍機の蓄冷器を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、両端面を開放した筒形金属容器の
内部に、蓄冷材として作動ガスの通過が可能な金網を多
数枚積層して装填した構成になり、冷凍機の運転時に圧
縮機から金属容器内を通過して通流する高温の作動ガス
を前記金網と熱交換して低温にし、また前記と逆方向に
金属容器内を通過して圧縮機に還流する低温の作動ガス
との熱交換で前記金網が低温となるよう熱交換を行う極
低温冷凍機の蓄冷器において、前記容器内に装填した金
網のうち、容器内における低温端面側の領域に積層する
金網は空間率が小さく、かつ線径の細いものとし、高温
端面側の領域に積層する金網は低温側に積層する金網の
空間率よりも空間率を大きく、かつ線径も太いものに選
定し（請求項１）、具体的には次記のような態様で構成
する。

【００１１】(1) 金属容器の低温端面側の領域に積層す
る金網の線径を１５μｍ〜３０μｍ，空間率を５０％〜
７０％とし、高温端面側の領域に積層する金網の線径を
２０μｍ〜３５μｍ，空間率を６０％以上とする（請求
項２）。 (2) また、金属容器の低温端面側の領域に積層する金網
と高温端面側の領域に積層する金網の占有割合につい
て、容器の全長に対して低温側に積層する金網の積層高
さを、高温側に積層する金網の積層高さと同じかそれ以
下に定める（請求項３）ものとし、好ましくは低温側に
積層する金網の積層高さを容器の全長に対して略２５％
から５０％に選定する（請求項４）のがよい。

【００１２】上記のように、蓄冷器の金属容器内に装填
した金網について、容器内の低温側に積層する金網を、
空間率が小さく，かつ線径の細いものとすることにより
金網の熱容量，表面積が大きくなり、蓄冷器を通過する
作動ガスと金網との間で高い熱交換効率を確保して蓄冷
器の非効率ロスの低減化が図れる。また、高温側の領域
に積層する金網は低温側の領域に積層する金網の空間率
よりも空間率を大きく、かつ線径も太いものに選定する
ことで、この領域の通風抵抗が小さくなって圧力損失が
低減する。なお、蓄冷器の低温側端面（コールドヘッド
側）から流入する極低温（液体窒素温度）の作動ガス
は、常温状態の作動ガスに比べて粘性抵抗が小さくな
る。したがって、この低温側に空間率が小さく，かつ線
径の細い金網を装填しても圧力損失増加の影響は小さ
く、これにより前記した高温側領域に装填した空間率の
大きな金網と組合せて蓄冷器全体での圧力損失を合理的
に低減できる。さらに、金網の価格は、その素線の線径
が太く，かつメッシュ数が小さいほど安く、また素線の
線径が太い金網は厚さも厚くなるために、蓄冷器内に装
填する積層枚数が少なく済む。これにより、冷却性能の
高い蓄冷器を低コストで提供できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
１〜図３の実施例に基づいて説明する。 〔実施例１〕図１(a) 〜(c) は、本発明の請求項１，２
に対応する実施例を示すものである。なお、当該蓄冷器
１を図４に示したパルス管冷凍機に適用するする場合に
は、(a) 図に示した蓄冷器１の円筒１１はその上端面を
高温側端面として圧縮機３に連結し、下端面を低温側端
面としてここにコールドヘッド５を取付けている。そし
て、円筒１１の下半分を低温側領域、上半分を高温側領
域として、それぞれの領域には次記のように低温側金網
１２ａ，高温側金網１２ｂを積層して装填するようにし
ている。

【００１４】すなわち、円筒１１の低温側領域に成層し
て装填される低温側金網１２ａは、例えば素線の線径３
０μｍ，空間率６０％（これは４００メッシュに相当）
のステンレス製の金網を採用する。一方、高温側領域に
装填される高温側金網１２ｂには、例えば素線の線径３
５μｍ，空間率６２％（これは３２５メッシュに相当）
のステンレス製金網を採用する。そして、円筒１１の全
長に対して、低温側金網１２ａと高温側金網１２ｂが同
じ積層高さとなるなるように装填して蓄冷器１を構成し
ている。

【００１５】また、発明者等は前記構成の蓄冷器につい
て、その冷却性能を評価確認するために、図１の蓄冷器
１、および比較例として図５に示した従来の蓄冷器をそ
れぞれ供試資料として、図４のパルス管冷凍機に装備し
て実験を行い、冷凍出力（コールドヘッド５から取り出
せる正味の冷凍量）とコールドヘッド温度の関係を調べ
て図２に示す実験結果を得た。なお、この実験は圧縮機
の掃気体積を一定値とし，ガス圧力２.1ＭＰａ，運転周
波数５０Ｈｚで運転を行った。

【００１６】図２において、特性線は蓄冷器の円筒内
に４００メッシュ，線径２５μｍの金網を積層して装填
したもの（図５の構造に対応する）、特性線は蓄冷器
の円筒内に４００メッシュ，線径３０μｍの金網を装填
したもの（図５の構造に対応する），特性線は本発明
の実施例に対応したものである。この特性図から判るよ
うに、蓄冷器の全長域を一種類の金網で充填した従来構
造では、特性線の蓄冷器がよりも冷却性能が高い
が、特性線で表す本発明の構成による蓄冷器はさらに
冷却性能が優れていることが分かる。また、図２には表
してないが、コールドヘッド温度７０ＫでのＣＯＰ（冷
凍機効率）は、特性線が１．2 ％、が１．０％、
が１．６％であった。つまり、ＣＯＰについても本発明
の構成による蓄冷器が最も優れていることが確認され
た。

【００１７】また、前記の実験で用いた各蓄冷器に装填
した金網の価格は、４００メッシュ，線径２５μｍのも
のが一番高価で、４００メッシュ，線径３０μｍの金
網，３２５メッシュ，線径３５μｍの順に価格が安くな
る。また、素線の線径が太いほど１枚当たりの金網の厚
さが厚いので、線径の太い金網を採用することで蓄冷器
の円筒に装填する金網の積層枚数が少なくて済む。した
がって、図１に示した本発明実施例の構成を採用するこ
とにより、高い冷却能力と低コストの両方を満足できる
ことがこの実験結果から明らかになった。

【００１８】〔実施例２〕次に、本発明の請求項３，４
に対応する応用実施例を図３(a) 〜(c) に示す。この実
施例においては、先記実施例１で述べた低温側金網１２
ａ，および高温側金網１２ｂについて、円筒１１内にお
ける占有割合を次のように定めている。すなわち、円筒
１１の全長をＬとして、円筒内の低温側領域に積層する
低温側金網１２ａの積層高さをＬ1 は、高温側領域に積
層する高温側金網１２ｂの積層高さＬ2 と同じか、それ
以下に設定するものとし、さらに好ましくは低温金網１
２ａの積層高さをＬ1 を０．２５Ｌ≦１．1 ≦０．５Ｌ
に設定する。

【００１９】上記のように設定することで、冷凍機の運
転時に蓄冷器１を通過する作動ガスの圧力損失は先記実
施例１よりも一層低減し、図４のパルス管冷凍機で圧縮
機３の掃気体積を一定として、パルス管２へ流入する作
動ガスの圧力振幅および低温でのＰＶ仕事が増大してパ
ルス管冷凍機の冷凍出力を高めることができる。なお、
この効果については発明者等が行った実験結果からも確
認されている。

【００２０】なお、上記した各実施例はいずれもパルス
管冷凍機の蓄冷器について述べたが、スターリング冷凍
機に採用しても同様に優れた効果を発揮できる。

【００２１】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、両端
面を開放した筒形金属容器の内部に、蓄冷材として作動
ガスの通過が可能な金網を多数枚積層して装填した構成
になり、冷凍機の運転時に圧縮機から金属容器内を通過
して通流する高温の作動ガスを前記金網と熱交換して低
温にし、また前記と逆方向に金属容器内を通過して圧縮
機に還流する低温の作動ガスとの熱交換で前記金網が低
温となるよう熱交換を行う極低温冷凍機の蓄冷器におい
て、前記容器内に装填した金網のうち、容器内における
低温端面側の領域に積層する金網は空間率が小さく、か
つ線径の細いものとし、高温端面側の領域に積層する金
網は低温側に積層する金網の空間率よりも空間率を大き
く、かつ線径も太いものに選定し、またその具体的な態
様として低温側，高温側領域に装填する金網を請求項２
のように規定したことにより、冷却性能，および製作コ
ストの両面で優れた効果を発揮する蓄冷器を提供するこ
とができる。

【００２２】さらに、本発明の請求項３，４の構成を採
用することにより、蓄冷器の冷却性能をより一層向上で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に対応する蓄冷器の構成図で
あり、(a) は蓄冷器の断面図、(b),(c) はそれぞれ蓄冷
器の低温側，高温側の領域に装填した低温側金網，高温
側金網の外観斜視図

【図２】図１の蓄冷器，および従来例の蓄冷器をパルス
管冷凍機に採用して行った実験結果による冷凍出力とコ
ールドヘッド温度との関係を表す特性図

【図３】本発明の実施例２に対応する蓄冷器の構成図で
あり、(a) は蓄冷器の断面図、(b),(c) はそれぞれ蓄冷
器の低温側，高温側の領域に装填した低温側金網，高温
側金網の外観斜視図

【図４】パルス管冷凍機の概要構成図

【図５】図４のパルス管冷凍機における蓄冷器の従来構
成図であり、(a) は蓄冷器の断面図、(b) は蓄冷器の蓄
冷材として容器内に装填した金網の外観斜視図

【符号の説明】

１ 蓄冷器 １１ 円筒（金属製容器） １２ 金網（蓄冷材） １２ａ 低温側金網 １２ｂ 高温側金網 ２ パルス管 ３ 圧縮機 ４ 位相制御部 ５ コールドヘッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松本 伸 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】両端面を開放した筒形金属容器の内部に、
   蓄冷材として作動ガスの通過が可能な金網を多数枚積層
   して装填した構成になり、冷凍機の運転時に圧縮機から
   金属容器内を通過して通流する高温の作動ガスを前記金
   網と熱交換して低温にし、また前記と逆方向に金属容器
   内を通過して圧縮機に還流する低温の作動ガスとの熱交
   換で前記金網が低温となるよう熱交換を行う極低温冷凍
   機の蓄冷器において、 前記容器内に装填した金網のうち、容器内における低温
   端面側の領域に積層する金網は空間率が小さく、かつ線
   径の細いものとし、高温端面側の領域に積層する金網は
   低温側に積層する金網の空間率よりも空間率を大きく、
   かつ線径も太いものに選定したことを特徴とする極低温
   冷凍機の蓄冷器。
2. 【請求項２】請求項１の蓄冷器において、金属容器の低
   温端面側の領域に積層する金網の線径を１５μｍ〜３０
   μｍ，空間率を５０％〜７０％とし、高温端面側の領域
   に積層する金網の線径を２０μｍ〜３５μｍ，空間率を
   ６０％以上とすることを特徴とする極低温冷凍機の蓄冷
   器。
3. 【請求項３】請求項１または２のいずれかに記載の蓄冷
   器において、金属容器の低温端面側の領域に積層する金
   網と高温端面側の領域に積層する金網について、容器の
   全長に対して低温側に積層する金網の積層高さを、高温
   側に積層する金網の積層高さと同じかそれ以下に設定し
   たことを特徴とする極低温冷凍機の蓄冷器。
4. 【請求項４】請求項３の蓄冷器において、金属容器の低
   温側に積層する金網の積層高さを容器の全長に対して略
   ２５％〜５０％に選定したことを特徴とする極低温冷凍
   機の蓄冷器。