JP2004251517A

JP2004251517A - 蓄冷器

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Publication number: JP2004251517A
Application number: JP2003041449A
Authority: JP
Inventors: Yukio Yasukawa; 保川　　幸雄; Tomoyoshi Kamoshita; 友義鴨下
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2003-02-19
Filing date: 2003-02-19
Publication date: 2004-09-09

Abstract

【課題】非効率熱ロスや熱伝導ロスが低減され、高効率での運転が可能な極低温冷凍機用の蓄冷器を得る。
【解決手段】ガスの通流方向に延伸する複数の金属材料からなる円柱状部材３３ａを束ねて形成されたバンドル３３と、低熱伝導性非金属材料からなる熱遮断材３８とを、ガスの通流方向に交互に積層して蓄冷部材を構成し、円筒３１の内部に収納して蓄冷器を構成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機などの極低温冷凍機に用いられる蓄冷器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、この種の蓄冷器が用いられる極低温冷凍機の例として示したパルスチューブ冷凍機の構成図である。図に見られるように、パルスチューブ冷凍機は、圧縮機１、蓄冷器３、コールドヘッド４、パルス管５および位相制御部６を主要構成部品として構成される。このパルスチューブ冷凍機では、シリンダー１２内をピストン１１が往復運動することにより圧縮機１内の作動ガスが圧縮・膨張を繰返し、接続管２、蓄冷器３、コールドヘッド４、パルス管５を通って位相制御部６のバッファタンク６２に達する。このとき、圧縮機１内での圧縮・膨張の繰返しにより、作動ガスは往復動流としてこの一連の系を流れる。位相制御部６はイナータンスチューブ６１とバッファタンク６２とによって構成されており、この中をほぼ正弦波に圧力振幅が変化する作動ガスを流すことによって圧力変化と流量変化の間に位相差を発生することができる。電気回路に模擬すれば、イナータンスチューブ６１はインダクタンス成分と抵抗成分に、またバッファタンク６２はキャパシタンス成分に相当し、イナータンスチューブ６１とバッファタンク６２とを適切に選定することにより、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る。したがって、冷凍機の運転時には、パルス管５と位相制御部６による位相制御効果によってパルス管５内で圧力と流量と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仕事となり、コールドヘッド４に寒冷を発生する。なお、この寒冷は低温ＰＶ仕事と呼ばれる。
【０００３】
上記の冷凍機において、蓄冷器３は、高温ガスが存在する圧縮機１と低温ガスが存在するコールドヘッド４との間にあり、圧縮機１で圧縮されたガスは、蓄冷器３内の蓄冷部材との間で熱交換しながらコールドヘッド４へと流れ出る。このとき、ガスと蓄冷部材が効率良く熱交換するためには、蓄冷部材が十分な熱容量と十分な表面積を持つことが必要となる。
図６は、小型の冷凍機に用いられている従来の蓄冷器の構成図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は内部に組込まれている金網の斜視図である。図６（ａ）に見られるように、本蓄冷器は、両端に開口した金属製の円筒３１の内部に、金網３２の積層体からなる蓄冷部材を収納して構成されており、素線径が数十μｍ程度で、メッシュ数が数百程度の金網から打ち抜き加工によって図６（ｂ）のごとき円形の金網３２を製作し、この金網３２を１０００〜２０００枚積層して蓄冷部材としている。さらに表面積および熱容量を大きくして熱交換効率を向上させるために、素線径が２５〜３０ μｍで、メッシュ数が４００程度のステンレス製金網が用いられる場合もある。このように、蓄冷部材には表面積および熱容量を大きく、かつ圧力損失の小さい構成が採用されているが、実際に組込むことのできる蓄冷部材の熱容量と表面積には限界があるため、ガスと蓄冷部材とを完全に熱交換させることは不可能であり、ガスの有する熱の一部は熱交換されることなくコールドヘッド４へと流入し、これに伴って蓄冷器の非効率ロスと呼ばれる損失が生じる。コールドヘッド４で実際に外部に取出すことのできる冷凍出力（すなわち正味冷凍出力）は、低温ＰＶ仕事から、上記の非効率ロスや熱伝導ロス、パルス管５内でのシャトルロス等の熱ロスを差し引いた量となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、冷凍機の蓄冷器に用いられる蓄冷部材には、高い熱交換効率を得るために表面積および熱容量が大きいこと、また、通流するガスの圧力損失の小さい構成であることが要求される。圧力損失を小さく抑えるためには、線径が細く、目の粗い金属製金網を用いればよいが、このような金属製金網を蓄冷部材として用いると、有効な仕事に寄与しない死容積である蓄冷器内の空間部分の体積比率（空間率）が上昇し、冷却性能が低下することとなる。一方、蓄冷器の熱的特性の観点から見れば、メッシュ数が大きく、線径の小さい金属金網が好ましいが、このように線形が細くて、密な金網を用いれば圧力損失が大きくなるので、消費電力が増大し、冷凍機の効率が低下する。また、メッシュ数が大きく、線径の小さい金属金網には製作上の限界があり、技術的に難度が高くなるので製作コストも上昇する。
【０００５】
したがって、金属製金網を蓄冷器の蓄冷部材として用いる従来の技術においては、コールドヘッド４の温度が液体窒素温度（約７７Ｋ）のレベルで、正味冷凍出力が数Ｗ程度の小型冷凍機においては、熱ロス、とりわけ非効率ロスが大きく、低温ＰＶ仕事に対す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出せる冷凍量の割合は２０〜３０％程度である。したがって、全冷凍発生量のうち７０〜８０％程度は熱ロスとして消費されており、なかでも非効率ロスはこの熱ロスの５０％以上を占め、全冷凍発生量の３５〜４０％に達している。
この発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、本発明の目的は、非効率熱ロスや熱伝導ロスが低減され、高効率での運転が可能な極低温冷凍機用の蓄冷器を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
極低温冷凍機に用いられる蓄冷器で、両端が開放した円筒の内部にガスの通流が可能に蓄冷部材を配し、一方の端部より流入した低温のガスを蓄冷部材との熱交換により温度上昇させ、他方の端部より流入した高温のガスを蓄冷部材との熱交換により温度下降させる蓄冷器において、
（１）上記の蓄冷部材を、ガスの通流方向に延伸する複数の金属材料よりなる円柱状部材を束ねて形成されたバンドルと、低熱伝導性非金属材料よりなる熱遮断材とを、ガスの通流方向に交互に積層して構成することとする。
【０００７】
（２）さらに、上記の（１）において、蓄冷部材を構成するバンドルを、ユニット、例えば、７本撚り線、３本撚り線あるいは４本撚り線として形成された円柱状部材を束ねて形成することとする。
（３）また、上記の（１）あるいは（２）において、円柱状部材を形成する上記の金属材料を、ステンレス鋼、銅合金、ニッケル、ニッケル合金のうちの少なくともいずれか一つとする。
（４）また、上記の（１）あるいは（３）において、上記の低熱伝導性非金属材料をポリテトラフルオロエチレンとする。
【０００８】
上記の（１）のごとく、複数の金属材料よりなる円柱状部材を束ねて形成されたバンドルを用いることとすれば、円柱状部材が密に配置されるので死容積を低減させて熱容量を大きくすることができ、かつ通流するガスに接する表面積を大きくすることができるので非効率熱ロスが低減される。また、このバンドルと低熱伝導性非金属材料よりなる熱遮断材がガスの通流方向に交互に積層されているため、ガスの通流方向の実効的な熱伝導は極めて小さく抑えられ、熱伝導ロスが低減される。また、バンドルを形成する円柱状部材がガスの通流方向に延伸するよう配置されているので、円柱状部材間のガス空間は小さいが圧力損失は小さく抑えられる。
【０００９】
また、上記の（２）のごとく、蓄冷部材を構成するバンドルを、例えば、７本撚り線、３本撚り線あるいは４本撚り線等のユニットとして形成された円柱状部材を束ねて形成することとすれば、空間率の調整が容易となるので、圧力損失が少なく、非効率熱ロスや熱伝導ロスが低減され、高効率で運転が可能な蓄冷器が安定して得られることとなる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例を挙げて説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、同一の基本理念に基づく構成に広く適用されるものである。
＜実施例１＞
図１は、本発明の極低温冷凍機用の蓄冷器の第１の実施例の構成図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は内部に組込まれている円柱状部材のバンドルの斜視図、（ｃ）は内部に組込まれている熱遮断材の斜視図である。図１（ａ）には蓄冷器の全体が示されており、上下のいずれか一方の端部に圧縮機が配置され、他方の端部にコールドヘッドが取り付けられる。
【００１１】
本蓄冷器の特徴は、金属製の円筒３１の内部に収納された蓄冷部材が、円柱状部材３３ａを束ねて構成されたバンドル３３（図１（ｂ）参照）と低熱伝導性非金属材料よりなる熱遮断材３８（図１（ｃ）参照）とをガスの通流方向に交互に積層して構成されている点にある。円柱状部材３３ａには直径４２ μｍのステンレス鋼の素線が用いられ、このステンレス鋼の素線を空間率４５％で束ねてバンドル３３が形成されている。また、熱遮断材３８は熱伝導率の小さいポリテトラフルオロエチレンのネットより形成されている。これらのバンドル３３と熱遮断材３８との積層方向の厚さの比は凡そ５０：１に設定されており、熱遮断材３８は熱伝導による熱の侵入を防止する役割を果たすのみで、蓄冷の役割は果たさない。
【００１２】
次表１は、バンドルを蓄冷部材とする本実施例の構成の蓄冷器（バンドル構造蓄冷器）の諸特性とこの蓄冷器を用いたパルスチューブ冷凍機の諸特性を、金属製金網を蓄冷部材とする従来の蓄冷器（メッシュ蓄冷器）の特性およびこの蓄冷器を用いた従来のパルスチューブ冷凍機の諸特性と比較して示したものである。なお、表に示した特性値は、いずれも理論計算により得られたもので、蓄冷器の直径をφ２０ｍｍ、長さを１００ｍｍ、蓄冷器前面流量を３．５ｇ／ｓとし、最適なパルスチューブを用いたときの計算値である。なお、表中に比較して示したメッシュ蓄冷器の特性値は金属製金網による最適なメッシュ構造としたときの特性値である。
【００１３】
【表１】

表に見られるように、蓄冷器を本実施例のごときバンドル構造とすることによって、従来のメッシュ構造の蓄冷器に比べて蓄冷部材の質量および表面積が共に増加し、非効率熱ロスが８．６Ｗから４．４Ｗへと大幅に低減する。
【００１４】
また、この蓄冷器を組込んだパルスチューブ冷凍機では、この蓄冷器の圧力損失が小さくなることによって熱ロスが従来の１３．１Ｗから８．９Ｗへと４．２Ｗ低減されるとともに、低温ＰＶ仕事が従来の１５．８Ｗから１６．４Ｗへと０．６Ｗ増加するので、得られる冷凍出力は従来の２．７Ｗから７．５Ｗへと約２．８倍に上昇し、冷凍機の性能が飛躍的に向上する。
＜実施例２＞
図２は、本発明の極低温冷凍機用の蓄冷器の第２の実施例に用いられている円柱状部材のバンドルの構成を示す要部断面図である。
【００１５】
本実施例のバンドルの特徴は、７本の直径４２ μｍのステンレス鋼の素線からなる円柱状部材３３ａを撚って形成した７本撚り線ユニット３４を束ねて、空間率が約４０％のバンドルが構成されている点にある。７本撚り線は１本の素線を軸としてその周りに６本の素線を撚って形成される撚り線で、極めて安定な構成であり、周知のごとくロープの撚り構成として用いられている。この７本撚り線ユニット３４を必要本数だけ用意し、外周方向から集めるように束ねることにより図２に見られるような蜂の巣状の構成が得られる。
前記の実施例１の蓄冷器のごとく、円柱状部材３３ａを単純に束ねてバンドル３３を構成する方式においては、４０％を越える空間率に設定すると、円柱状部材３３ａがバンドル３３内に比較的粗に分布し、比較的可動可能に配置されることとなるので、バンドル３３の断面内で円柱状部材３３ａの間の隙間に広狭が生じ、ガスの通流に断面内で偏りが生じて、所定の蓄冷器の性能が得られない恐れがある。これに対して、本実施例のバンドルのごとく、７本撚り線ユニット３４を束ねてバンドルを形成すれば、ガスの通流空間は、７本撚り線ユニット３４の内部の円柱状部材３３ａの間の空間と７本撚り線ユニット３４相互の間の空間となるので、４０％を越える空間率の場合にも７本撚り線ユニット３４が密に束ねられることとなる。したがって、バンドルはほぼ均一に分散した７本撚り線ユニット３４で構成されることとなり、断面内でのガスの通流の偏りが防止され、所定の蓄冷器の特性が得られる。
【００１６】
＜実施例３＞
図３は、本発明の極低温冷凍機用の蓄冷器の第３の実施例に用いられている円柱状部材のバンドルの構成を示す要部断面図である。
本実施例のバンドルの特徴は、３本の直径４２ μｍのステンレス鋼の素線からなる円柱状部材３３ａを撚って形成した３本撚り線ユニット３５を束ねて、空間率が約５０％のバンドルが構成されている点にある。３本撚り線構造も上記の７本撚り線構造と同様に極めて安定な構成であり、３本撚り線ユニット３５を必要本数だけ用意し、外周方向から集めるように束ねることにより図３に見られるような蜂の巣状の構成が得られる。
【００１７】
本実施例のバンドルにおいても、第２の実施例のバンドルと同様に、３本撚り線ユニット３５の内部の円柱状部材３３ａの間の空間と３本撚り線３５相互の間の空間がガスの通流空間となるので、３本撚り線ユニット３５が密に束ねられることとなり、断面内でのガスの通流の偏りが防止され、所定の蓄冷器の特性が得られることとなる。なお、３本撚り線ユニット３５は７本撚り線ユニット３４に比べて撚り線内のガス空間の割合が大きいので、本実施例の構成は空間率の高いバンドルを構成するのに適している。
＜実施例４＞
図４は、本発明の極低温冷凍機用の蓄冷器の第４の実施例に用いられている円柱状部材のバンドルの構成を示す要部断面図である。
【００１８】
本実施例のバンドルの特徴は、４本の直径４２ μｍのステンレス鋼の素線からなる円柱状部材３３ａを撚って形成した４本撚り線ユニット３６を束ねて、空間率が約４６％のバンドルが構成されている点にある。４本撚り線は４本の素線が平行四辺形状に配置される可能性があるため、上記の７本撚り線や３本撚り線に比べて安定性に劣るという難点があるが、４本撚り線ユニット３６を必要本数だけ用意し、外周方向から集めるように束ねることにより図４に見られるような蜂の巣状の稠密な構成が得られる。４本撚り線ユニット３６は３本撚り線ユニット３５に比べると撚り線内のガス空間の割合が小さいが、７本撚り線ユニット３４に比べて大きいので、本実施例のごとく空間率が約４６％のバンドルを構成するのに適している。
【００１９】
なお、以上に挙げた実施例では、いずれも円柱状部材３３ａとして直径４２ μｍのステンレス鋼の素線を用いているが、素線の太さは所望の蓄冷器の特性に応じて選定されるものである。また、その特性から見て、円柱状部材３３ａはステンレス鋼の素線に限定されるものではなく、例えば、銅合金、ニッケル、あるいはニッケル合金等の素線を用いることもできる。
【００２０】
【発明の効果】
上述のごとく、本発明によれば、
（１）極低温冷凍機用の蓄冷器を請求項１に記載のごとく構成することとしたので、非効率熱ロスや熱伝導ロスが低減され、高効率での運転が可能な極低温冷凍機用の蓄冷器が得られることとなった。
（２）また、極低温冷凍機用の蓄冷器を請求項２、さらには請求項３に記載のごとく構成することとすれば、蓄冷器の空間率の調整が容易となり、均一に分散したガス流通空間が得られるので、非効率熱ロスや熱伝導ロスが低減され、高効率での運転が可能な蓄冷器が安定して得られることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の極低温冷凍機用の蓄冷器の第１の実施例の構成図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は内部に組込まれている円柱状部材のバンドルの斜視図、（ｃ）は内部に組込まれている熱遮断材の斜視図
【図２】本発明の極低温冷凍機用の蓄冷器の第２の実施例に用いられている円柱状部材のバンドルの構成を示す要部断面図
【図３】本発明の極低温冷凍機用の蓄冷器の第３の実施例に用いられている円柱状部材のバンドルの構成を示す要部断面図
【図４】本発明の極低温冷凍機用の蓄冷器の第４の実施例に用いられている円柱状部材のバンドルの構成を示す要部断面図
【図５】この種の蓄冷器が用いられるパルスチューブ冷凍機の構成図
【図６】小型の冷凍機に用いられている従来の蓄冷器の構成図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は内部に組込まれている金網の斜視図
【符号の説明】
１圧縮機
３蓄冷器
４コールドヘッド
５パルス管
６位相制御部
３１金属製円筒
３３バンドル
３３ａ円柱状部材
３４７本撚り線ユニット
３５３本撚り線ユニット
３６４本撚り線ユニット
３８熱遮断材

Claims

極低温冷凍機に用いられる蓄冷器で、両端が開放した円筒の内部にガスの通流が可能に蓄冷部材を配し、一方の端部より流入した低温のガスを該蓄冷部材との熱交換により温度上昇させ、他方の端部より流入した高温のガスを該蓄冷部材との熱交換により温度下降させる蓄冷器において、
前記の蓄冷部材が、ガスの通流方向に延伸する複数の金属材料よりなる円柱状部材を束ねて形成されたバンドルと、低熱伝導性非金属材料よりなる熱遮断材を、ガスの通流方向に交互に積層して構成されていることを特徴とする蓄冷器。
請求項１に記載の蓄冷器において、蓄冷部材を構成する前記のバンドルが、ユニットとして形成された円柱状部材を束ねて形成されていることを特徴とする蓄冷器。
請求項２に記載の蓄冷器において、蓄冷部材を構成するバンドルの形成に用いられる前記のユニットが、円柱状部材の７本撚り線、あるいは３本撚り線、あるいは４本撚り線であることを特徴とする蓄冷器。
請求項１乃至３のいずれかに記載の蓄冷器において、円柱状部材を形成する前記の金属材料が、ステンレス鋼、銅合金、ニッケル、ニッケル合金のうちの少なくともいずれか一つであることを特徴とする蓄冷器。
請求項１乃至４のいずれかに記載の蓄冷器において、前記の低熱伝導性非金属材料が、ポリテトラフルオロエチレンであることを特徴とする蓄冷器。