JP2004333053A

JP2004333053A - 蓄冷器および蓄冷材の形成方法

Info

Publication number: JP2004333053A
Application number: JP2003131354A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Nakayama; 達雄中山
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】蓄冷材同士の接触による熱伝導によるロスを低減し、高性能な蓄冷器を提供する。
【解決手段】蓄冷材１１同士が接触する面に蓄冷材１１より低い熱伝導率の被覆２０を形成することにより、蓄冷器内での熱伝導による熱の逆流を低減することとなり高性能な蓄冷器が得られる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング冷凍機、ギフォード・マクマホン冷凍機、パルス管冷凍機などの往復蓄冷型冷凍機の蓄冷器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
往復蓄冷型冷凍機は、液体窒素温度以下が必要な高温超伝導デバイスの冷却やクライオポンプなどの超低温冷却のために用いられる。
【０００３】
往復蓄冷型冷凍機のひとつで、近年、進歩が目覚しい従来のパルス管冷凍機の構成について図６ないし図８を用いて説明する。（例えば特許文献１参照）図６および図７は従来のパルス管冷凍機における構成を示す概念図、図８は従来のパルス管冷凍機における蓄冷器内部の作動流体挙動と熱の授受の関係を示す模式図である。
【０００４】
図中、１は圧力振動源、２は第１の放熱部、３は蓄冷器、４はコールドヘッド、５はパルス管、７は第２の放熱部、８は連通管、９はバッファタンクである。パルス管５と圧力振動源１との間に、気体の移動を許容しつつ気体との接触面積を大きくするように部材を詰め込んだ蓄冷器３が配置されている。
【０００５】
パルス管冷凍機は、圧力振動源１の圧力振動によってパルス管５内のガス圧縮および膨張を繰返し行うと共に圧力振動源１の圧力振動とガスの圧縮および膨張との間に位相差を持たせることによって、蓄冷器３内で熱交換を行って、パルス管５の一端側であるコールドヘッド４から取り去った熱を外部へと搬送するようになっている。
【０００６】
なお、連通管８、バッファタンク９は圧力振動源１の圧力振動とガスの圧縮および膨張との間の位相差を制御する手段を構成する。
【０００７】
図６は蓄冷材としてメッシュ１１を用いたもので、メッシュ１１は蓄冷器３の軸方向に対して垂直に積層される。図７は金属粒１２を用いた場合を示しており、蓄冷器３の内部に詰め込まれている。材質としてはメッシュ１１の場合はステンレスや銅、金属粒１２の粒状の場合は鉛や特殊な磁性体などが用いられる。
【０００８】
これらのパルス管冷凍機は、内部に封入した気体である作動流体の圧縮・膨張に伴う顕熱変化を利用して熱を輸送するもので、その仕組みは図８のようになっている。
【０００９】
図８において１６は単位質量の作動流体を、１７は蓄冷材の断面を模式的に表したものである。また作動流体１６と蓄冷材１７の間の矢印Ａは熱の流れの方向を、水平方向の矢印Ｂは作動流体１６の移動方向を表している。図８（ａ）より図８（ｂ）のほうが作動流体１６を表す円が大きいのは図８（ａ）が圧縮された状態、図８（ｂ）が膨張された状態であることを示している。
【００１０】
圧力振動源１の圧縮作用により、図８（ａ）に示すように作動流体１６は圧縮され、作動流体１６の温度が上昇すると共に、矢印Ｂ方向へ移動する。矢印Ｂ方向に移動した作動流体１６は熱をＡ方向の蓄冷材１７に伝達する。これは、作動流体１６と蓄冷材１７の温度を比較すると、作動流体１６の温度が蓄冷材１７の温度より高く、温度は高温から低温の箇所に移動するためである。次ぎに、圧力振動源１の膨張作用により、図８（ｂ）に示すように作動流体１６は膨張して、作動流体１６の温度が下降すると共に、ＢＢ方向に移動する。矢印ＢＢ方向に移動した作動流体１６の温度は蓄冷材１７の温度より低くなっているので、蓄冷材１７の熱がＡＡ方向の作動流体１６に伝達する。
【００１１】
このような局所的な熱搬送を蓄冷器３の全体で繰り返し発生させることにより、熱を一方向に搬送する。これによりコールドヘッド４が低温、第１の放熱部２側が高温となり、蓄冷器３に大きな温度勾配ができる。第１の放熱部２では運び込まれた熱を外部へ絶えず放出することにより、コールドヘッド４を非常に低い温度にすることができる。
【００１２】
蓄冷材１７は、作動流体１６から熱を速やかに受け取り、また作動流体１６に熱を速やかに受け渡すことができるよう、表面積が大きいことが必要である。また実際に作動流体１６は飛び飛びに存在するわけではないので、蓄冷材１７の隙間があると、そこへ来た作動流体１６は熱の授受ができなくなるので、できるだけ密に蓄冷材１７が詰まっている方が熱搬送の効率の点では有利である。しかし一方で、蓄冷材１７同士が接触することによる熱伝導のため、熱搬送によって生じた温度勾配を打ち消す方向に熱が流れようとするので、蓄冷材１７間の熱伝導を小さくすることが高性能化のためには必要である。
【００１３】
この熱伝導による熱の逆流を低減するために、蓄冷器３の内部に積層される蓄例材からなるプレートの外周部のみが相互に結合されることにより、相互に離間した構造が提案されている。
【００１４】
【特許文献１】
特許番号第２９４１７７１号公報（第２−４頁、図６）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来の構成では、蓄例材１７であるプレート間の距離をとりすぎると蓄冷材１７の量が少なくなり、熱輸送を担うだけの熱容量や迅速に熱を授受するための表面積が不十分になる恐れがある。蓄冷材１７としてよく用いられる金属製メッシュは厚さ数１０〜数１００μｍであるので、高い冷却性能を得るためにできるだけ充填量を多くするには、この厚さと同等以下、すなわち数〜数１０μｍの狭い隙間ができるような加工が必要であり、それだけの加工精度が要求される。
【００１６】
本発明は従来技術が有する上記課題を解決するもので、簡便な構成で蓄冷材同士の接触による熱伝導によるロスを低減し高性能の蓄冷器を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明の蓄冷器は、複数の板状の蓄冷材を接触させると共に蓄冷材同士の接触面に蓄冷材より低い熱伝導率の被覆を施した構成を有している。
【００１８】
この構成によって、蓄冷材より低い熱伝導率の被覆を施さない蓄冷材同士が接触している場合よりも、熱伝導は小さいため、温度勾配を打ち消す方向への熱の流れが低減でき、蓄冷材同士の接触による熱伝導によるロスを低減し蓄冷器の性能を向上させることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、気体の移動を許容するよう積層された複数の板状の蓄冷材を備え、蓄冷材と気体の間で熱交換を行う蓄冷器であって、複数の板状の蓄冷材を接触させると共に蓄冷材同士の接触面に蓄冷材より低い熱伝導率の被覆を施したものである。
【００２０】
本発明の請求項２に記載の発明は、気体の移動を許容するよう積層された複数の板状の蓄冷材を備え、蓄冷材と気体の間で熱交換を行う蓄冷器であって、蓄冷材より低い熱伝導率の被覆が蓄冷材の片側のみに施され、蓄冷材に被覆を施した面が隣接する蓄冷材の被覆のない面に接触するように積層されたものである。
【００２１】
本発明の請求項３に記載の発明は、蓄冷材より低い熱伝導率の物質を低粘性のコーティング剤とし、蓄冷材の少なくとも一部の表面にコーティング剤を形成した後、コーティング剤を固化させるものである。
【００２２】
本発明の請求項４に記載の発明は、蓄冷材を低粘性のコーティング剤に浸漬し、蓄冷材の一方の面からブローしてコーティング剤を除去し、蓄冷材の他方の面を固化させるものである。
【００２３】
本発明の請求項５に記載の発明は、蓄冷材より低い熱伝導率の物質を治具に塗布し、治具から蓄冷材に転写塗布した後、蓄冷材より低い熱伝導率の物質を固化させるものである。
【００２４】
本発明の請求項６に記載の発明は、蓄冷材より低い熱伝導率の被覆が蓄冷材の面の一部にのみ施されたものである。
【００２５】
本発明の請求項７に記載の発明は、蓄冷材より低い熱伝導率の物質をパターン形成したスクリーンを用いた印刷によって、蓄冷材に部分的に塗布した後、蓄冷材より低い熱伝導率の物質を固化させるものである。
【００２６】
本発明の請求項８に記載の発明は、気体の移動を許容するよう複数の金属粒からなる蓄冷材を備え、蓄冷材と気体の間で熱交換を行う蓄冷器であって、蓄冷材の表面に蓄冷材より低い熱伝導率の被覆を斑点状に形成したものである。
【００２７】
本発明の請求項９に記載の発明は、蓄冷材より低熱伝導率の物質をスプレーによって斑点状に蓄冷材表面に塗布した後、蓄冷材より低熱伝導率の物質を固化させるものである。
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における蓄冷器の内部構成を示す模式図であり、図中１１ａないし１１ｆは多孔性板状の蓄冷材であるメッシュ１１であり、図示しない蓄冷器内に複数のメッシュ１１ａ〜１１ｆが接触して積層されている。２０は多孔性板状の蓄冷材であるメッシュ１１ａ〜１１ｆより低い熱伝導率の被覆であり、被覆２０はメッシュ１１ａ〜１１ｆの全表面に形成されている。メッシュ１１ａないし１１ｆの丸と蛇行している線はメッシュ１１の縦糸１１ｇ、横糸１１ｈをそれぞれ示している。
【００３０】
蓄冷材であるメッシュ１１ａないし１１ｆは一般に金属製であるので、蓄冷材であるメッシュ１１ａないし１１ｆより低い熱伝導率の被覆２０の物質としては樹脂やセラミックなどから適当なものを選ぶことができるが、蓄冷器の低温側は超低温になるので熱膨張率は蓄冷材に近い方が剥離しにくい点で望ましい。
【００３１】
蓄冷材であるメッシュ１１ａないし１１ｆより低い熱伝導率の被覆２０の物質として低粘性のコーティング剤とし、蓄冷材の少なくとも一部の表面にコーティング剤を形成した後、コーティング剤を固化させるものである。
【００３２】
固化方法としては、市販のコーティング剤で室温乾燥または低温での焼成で十分なものがあるので、特に困難はない。
【００３３】
このように多孔性板状の蓄冷材であるメッシュ１１ａないし１１ｆより低い熱伝導率の物質を被覆２０として多孔性板状の蓄冷材であるメッシュ１１ａないし１１ｆの全表面に塗布することにより、多孔性板状の蓄冷材であるメッシュ１１ａないし１１ｆ同士の接触面に被覆２０が形成されることとなり、多孔性板状の蓄冷材同士が接触している場合よりも、熱伝導は小さいため、温度勾配を打ち消す方向への熱の流れが低減でき、冷凍機の性能を向上させることができる。さらに、蓄冷材であるメッシュ１１ａないし１１ｆを接触させて積層することにより、蓄冷材の充填量を多くすることができ高い冷却性能を得ることができる。
【００３４】
また、図２には蓄冷材であるメッシュ１１ａないし１１ｆより低い熱伝導率の被覆２０を蓄冷材であるメッシュ１１ａないし１１ｆの片側のみに施し、蓄冷材であるメッシュ１１ａないし１１ｆの被覆２０がある面が隣接する蓄冷材であるメッシュ１１ａないし１１ｆの被覆２０のない面に接触するように積層した場合を示しており、この場合でも前述と同様の効果が得られ、さらに被覆２０の塗布による蓄冷材であるメッシュ１１ａないし１１ｆの表面積低下を両面塗布の場合よりも小さくすることができる。
【００３５】
蓄冷材であるメッシュ１１ａないし１１ｆの片面のみに被覆２０を形成する簡便な方法としては、蓄冷材であるメッシュ１１ａないし１１ｆより低い熱伝導率の被覆２０を非常に粘性の低いコーティング剤として、蓄冷材であるメッシュ１１ａないし１１ｆを浸漬したのちブローすれば、ブローした側のコーティング剤は吹き飛ばされ、ブローをしていない反対側のみに被覆２０が残ることになる。この状態でコーティング剤を固化すれば、蓄冷材であるメッシュ１１ａないし１１ｆの片面に蓄冷材であるメッシュ１１ａないし１１ｆより低い熱伝導率の被覆２０ができる。
【００３６】
また、蓄冷材であるメッシュ１１ａないし１１ｆより低い熱伝導率の被覆２０を形成する別の方法としては転写やスクリーン印刷がある。転写の方法を図３に示す。図中、１１は蓄冷材であるメッシュ、１４は治具としての転写板、２１は蓄冷材であるメッシュ１１より低い熱伝導率の被覆を形成するための物質であるコ−ティング剤である。
【００３７】
まず、図３（ａ）に示すように蓄冷材より低い熱伝導率の物質を含むコーティング剤２１を転写板１４に塗布した後、図３（ｂ）に示すように、コーティング剤２１が塗布された塗布面にメッシュ１１を押し付ける。次に、図３（ｃ）のように、転写板１４からメッシュ１１を離すと、メッシュ１１にはコーティング剤２１が転写される。この状態でコーティング剤２１を固化すれば、蓄冷材であるメッシュ１１の片面に蓄冷材であるメッシュ１１より低い熱伝導率の被覆２０ができる。
【００３８】
コーティング剤２１の粘度、転写の圧力を調節することにより、塗布厚さを調節することが可能であるので、熱伝導を妨げるため必要最小限の厚さになるようにすれば、蓄冷材の充填枚数の減少による熱容量の低下を最小限に抑えることができる。
【００３９】
なお、図３では１枚のメッシュ１１に被覆２０を転写しているが、複数のメッシュに対して被覆を一度に転写塗布することも可能である。
【００４０】
また、平面状の転写板１４を用いているが、ローラーを用いて転写しても同様の効果が得られる。
【００４１】
スクリーン印刷によるメッシュに被覆を形成する方法を図４に基づいて説明する。図中、１１は蓄冷材であるメッシュ、１５はスクリーン、２１はコ−ティング剤である。
【００４２】
まず、図４（ａ）に示すように塗布する箇所のパターン１５Ａを形成したスクリーン１５をメッシュ１１に重ね、図４（ｂ）のように、パターン１５Ａ部分にコーティング剤２１を加圧によって押し込んだ後、図４（ｃ）のようにスクリーン１５を取り外すことにより、必要な部分だけに被覆２０を塗布することができる。この状態でコーティング剤２１を固化すれば、蓄冷材であるメッシュ１１の片面の必要な部分に蓄冷材であるメッシュ１１より低い熱伝導率の被覆２０ができる。このようにすると、蓄冷材であるメッシュ１１の表面の限られた一部を被覆２０で覆うだけであるので、熱搬送にかかわる蓄冷材表面積の低減を抑えることができる。
【００４３】
図４ではスクリーン１５のパターン１５Ａとメッシュ１１の位置・ピッチがうまくあっている状態を示しているが、特にこのように合わせる必要はなく、角度も合っている必要はない。また多数同時に塗布することも可能である。
【００４４】
塗布厚さもスクリーン１５の目の粗さ、コーティング剤の粘度、印刷の圧力によって調節できる。したがって蓄冷材同士が互いに接触しない最小限の間隔をあけて被覆を形成することにより、蓄冷材充填枚数の減少による熱容量の低下を最小限に抑えることができる。
【００４５】
なお、本実施の形態において蓄冷材としてメッシュを用いているが、金属発泡体など、貫通孔を有する硬質の薄い材質であれば、同様の効果が得られる。
【００４６】
以上のように本実施の形態においては、簡単な方法で蓄冷材１１の表面に蓄冷材１１より低い熱伝導率の被覆２０を形成することにより、蓄冷材１１同士の接触による熱伝導で温度勾配を打ち消す方向への熱の流れを抑え、冷却性能を向上することができるものである。
【００４７】
（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２における蓄冷器の内部構成を示す模式図であり、１２は蓄冷材である金属粒、２０は蓄冷材である金属粒１２より低い熱伝導率の被覆である。
【００４８】
蓄冷材である金属粒１２より低い熱伝導率の被覆２０は金属粒１２の表面にまばらに斑点状に塗布して形成されている。個々の被覆がある程度の厚みを持っていれば金属粒１２同士が直接接触することを高い確率で防ぐことができる。
【００４９】
表面積としてはごくわずかの塗布ですむので、熱搬送性能の低下も小さく、冷却性能を向上することができる。
【００５０】
このような被覆２０を形成する方法としては、蓄冷材である金属粒１２より低熱伝導率の物質をスプレーによって斑点状に金属粒１２の表面に塗布した後、低熱伝導率の物質を固化させるものである。スプレーを用いれば、ひとつひとつの斑点状被覆の大きさは、塗布する時のコーティング剤の粘度・スプレーの吹き出し穴径・スプレーするときのエアー圧力によって調節することができる。また、被覆の密度はスプレーする時間で調節できるので、非常に簡単に多数の蓄冷材に塗布することができる。
【００５１】
なお本実施の形態では粒状の蓄冷材について示したが、実施の形態１で用いたような多孔性板状の蓄冷材で少なくとも一方の面からスプレー塗布した後、固化しても同様の効果が得られる。
【００５２】
以上のように本実施の形態においては、蓄冷材１２の表面に斑点状に蓄冷材より低い熱伝導率の被覆２０を形成することにより、蓄冷材同士の接触による熱伝導で温度勾配を打ち消す方向への熱の流れを抑え、冷却性能を向上することができるものである。
【００５３】
【発明の効果】
以上から明らかなように、本発明の蓄冷器によれば、非常に簡単な構成で蓄冷材より低い熱伝導率の被覆を形成することにより、蓄冷材同士の直接接触を妨ぎ、熱伝導により蓄冷器内の温度勾配を打ち消す方向への熱の流れを低減できるので、蓄冷器の性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における蓄冷器の構成を示す模式図
【図２】本発明の実施の形態１における蓄冷器の構成を示す模式図
【図３】本発明の実施の形態１における蓄冷材の形成方法を示す工程図
【図４】本発明の実施の形態１における蓄冷材の形成方法を示す工程図
【図５】本発明の実施の形態２における蓄冷器の構成を示す模式図
【図６】従来のパルス管冷凍機の構成を示す概念図
【図７】従来のパルス管冷凍機における他の構成を示す概念図
【図８】従来のパルス管冷凍機における蓄冷器内部の作動流体挙動と熱の授受の関係を示す模式図
【符号の説明】
１１メッシュ
１２金属粒
１４転写板
１５スクリーン
２０被覆
２１コ−ティング剤

Claims

気体の移動を許容するよう積層された複数の板状の蓄冷材を備え、前記蓄冷材と気体の間で熱交換を行う蓄冷器であって、前記複数の板状の蓄冷材を接触させると共に前記蓄冷材同士の接触面に前記蓄冷材より低い熱伝導率の被覆を施したことを特徴とする蓄冷器。
気体の移動を許容するよう積層された複数の板状の蓄冷材を備え、前記蓄冷材と気体の間で熱交換を行う蓄冷器であって、前記蓄冷材より低い熱伝導率の被覆が前記蓄冷材の片側のみに施され、前記蓄冷材に被覆を施した面が隣接する蓄冷材の被覆のない面に接触するように積層されたことを特徴とする蓄冷器。
蓄冷材より低い熱伝導率の物質を低粘性のコーティング剤とし、前記蓄冷材の少なくとも一部の表面に前記コーティング剤を形成した後、前記コーティング剤を固化させることを特徴とする蓄冷材の形成方法。
蓄冷材を低粘性のコーティング剤に浸漬し、前記蓄冷材の一方の面からブローして前記コーティング剤を除去し、前記蓄冷材の他方の面を固化させることを特徴とする請求項３記載の蓄冷材の形成方法。
蓄冷材より低い熱伝導率の物質を治具に塗布し、前記治具から前記蓄冷材に転写塗布した後、前記蓄冷材より低い熱伝導率の物質を固化させることを特徴とする請求項３記載の蓄冷材の形成方法。
蓄冷材より低い熱伝導率の被覆が前記蓄冷材の面の一部にのみ施されたことを特徴とする請求項１、２記載の蓄冷器。
蓄冷材より低い熱伝導率の物質をパターン形成したスクリーンを用いた印刷によって、前記蓄冷材に部分的に塗布した後、前記蓄冷材より低い熱伝導率の物質を固化させることを特徴とする請求項３記載の蓄冷材の形成方法。
気体の移動を許容するよう複数の金属粒からなる蓄冷材を備え、前記蓄冷材と気体の間で熱交換を行う蓄冷器であって、前記蓄冷材の表面に前記蓄冷材より低い熱伝導率の被覆を斑点状に形成したことを特徴とする蓄冷器。
蓄冷材より低熱伝導率の物質をスプレーによって斑点状に蓄冷材表面に塗布した後、蓄冷材より低熱伝導率の物質を固化させることを特徴とする請求項３記載の蓄冷材の形成方法。