JP2005024220A - 蓄冷器およびパルスチューブ冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】
コスト上昇を殆ど伴わないような簡易な構成により蓄冷器非効率ロスの低減を実現する蓄冷器およびパルスチューブ冷凍機を提供する。
【解決手段】
複数枚の金網１３を積層してなる積層金網１２が、両端部が開放された金属製の円筒１１の内部に蓄冷材として配置され、この積層金網１２を通過する作動ガスと熱交換が行なわれる蓄冷器１０であって、その金網１３が、２本または３本の素線を撚った撚り線１４を基材とした平織または綾織の織網であるような蓄冷器１０とした。また、この蓄冷器１０を搭載したパルスチューブ冷凍機とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、極低温冷凍機に使用される蓄冷器に関するものである。また、極低温冷凍機の一種であり、この蓄冷器が搭載されるパルスチューブ冷凍機に関するものである。

蓄冷器は、各種冷凍機に搭載されるものであり、例えば、パルスチューブ冷凍機・スターリング冷凍機という極低温冷凍機で使用されている。このような蓄冷器の従来技術例として、蓄冷器が搭載されたパルスチューブ冷凍機について図を参照しつつ説明する。
図４は従来技術のパルスチューブ冷凍機の概略構成図、図５は従来技術の蓄冷器の概略断面構成図である。
パルスチューブ冷凍機１０００は、図４に示すように、圧縮機１００、接続管２００、高温側熱交換器３００、蓄冷器４００、低温側熱交換器５００、パルスチューブ６００、パルスチューブ高温側熱交換器７００、位相制御部８００を備えている。

さらに圧縮機１００は、シリンダ１１０とピストン１２０とを備え、位相制御部８００はイナータンスチューブ８１０とバッファタンク８２０とを備えている。このようなパルスチューブ冷凍機１０００には流路が形成される。流路内には作動ガス（冷媒ガス）として、例えば、ヘリウムが封入されている。

続いてパルスチューブ冷凍機１０００の動作原理について説明する。パルスチューブ冷凍機１０００の運転時に圧縮機１００のシリンダ１１０内でピストン１２０が往復動作することにより、シリンダ１１０内の作動ガスが圧縮・膨張される。このような作動ガスは圧縮機１００から接続管２００、高温側熱交換器３００、蓄冷器４００、低温側熱交換器５００、パルスチューブ６００、パルスチューブ高温側熱交換器７００を通り、イナータンスチューブ８１０、バッファタンク８２０まで到達する。作動ガスは、圧縮機１００と位相制御部８００との間の一連の系の中で往復動流として流れる。

ここで作動ガスは、位相制御部８００のイナータンスチューブ８１０とバッファタンク８２０の中を、ほぼ正弦波的に圧力振幅を伴った流体が流れることにより、圧力変化と流量変化との間に位相差を発生させることができる。これら流体回路を電気回路に例えると、イナータンスチューブ８１０はインダクタンス成分と抵抗成分、バッファタンク８２０はキャパシタンス成分に相当する。このような位相制御部８００は、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る。

このようにパルスチューブ冷凍機１０００の運転時には、パルスチューブ６００および位相制御部８００による位相制御効果により、パルスチューブ６００内で作動ガスの圧力と流量との間に位相差が生じ、この圧力と流量とがなす仕事が低温側熱交換器５００でのＰＶ仕事となり、低温側熱交換器５００に寒冷を発生する。この発生寒冷を低温ＰＶ仕事と呼ぶ。

ここで、低温側熱交換器５００は前記のように蓄冷器４００とパルスチューブ６００との間に介装されている。パルスチューブ冷凍機１０００の運転時には、圧縮機１００の圧縮工程で送り出された作動ガスは蓄冷器４００において低温となってパルスチューブ６００に流入し、その内部で断熱膨張してこれにより吸熱して位相制御部８００に流出する。また、前記とは逆に作動ガスが位相制御部８００からパルスチューブ６００を通過して低温側熱交換器５００に還流する工程では、ほぼ一定体積で変化するため熱の発生または吸収は行わない。つまり低温側熱交換器５００では発熱がなく吸熱のみなされ、寒冷を発生することとなる。

続いて従来技術の蓄冷器４００について概略説明する。
蓄冷器４００は、図５で示すように、円筒４１０と積層金網４２０とにより構成されている。積層金網４２０は多数の金網４３０を積層したものであり、金網４３０の枚数は１０００〜２０００枚程度になる。この金網４３０としては通常金属製金網が用いられている。この金網４３０は通常、素線径が数１０μｍ程度でメッシュ数（網目数）が数１００程度の金網である。金網４３０は、例えば板状の金網を打ち抜き等により、円形に加工して多数枚製作する。蓄冷器４００は、このような金網４３０を円筒４１０に挿入して積層することにより製造される。
このように蓄冷器４００では、積層金網４２０を使用することにより、蓄冷器４００の熱交換の高効率化を図っている。

この熱交換の効率化について説明する。
圧縮機１００で圧縮された高温の作動ガスが、接続管２００・高温側熱交換器３００を経て、蓄冷器４００に流入する。この高温の作動ガスは、蓄冷材として機能する積層金網４２０との間で熱交換が行われながら冷却され、低温側熱交換器５００へ流出する。
蓄冷器４００が熱交換の高効率化を実現するためには、蓄冷材である積層金網４２０が十分な熱容量および十分な表面積を有している必要がある。

しかしながら、実際には蓄冷材である積層金網４２０の熱容量と表面積は有限であるため、蓄冷器４００内で熱交換しきれずに低温側熱交換器５００へ流出する作動ガスは十分に冷却されず、低温側熱交換器５００へ熱が持ち込まれてしまう。このような現象は、蓄冷器非効率ロスと呼ばれている。
このような蓄冷器非効率ロス以外にも、熱伝導ロスや、パルスチューブ６００内でのシャトルロスがある。これら蓄冷器非効率ロス、熱伝導ロスおよびシャトルロスは総称して熱ロスと呼ばれている。

低温側熱交換器５００で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、先に述べた熱ロスを差し引いた量である。
低温側熱交換器５００の温度が液体窒素温度（７７Ｋ）レベルで正味冷凍出力が数Ｗ程度の小型のパルスチューブ冷凍機においては、低温ＰＶ仕事に比べて熱ロスの割合が大きい。さらに、この熱ロスのうち、特に蓄冷器非効率ロスの占める割合が大きい。
このような小型のパルスチューブ冷凍機においては、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。さらに、この熱ロスのうち、蓄冷器非効率ロスは５０％を超え過大である。全冷凍発生量のうち３５％〜４０％は蓄冷器非効率ロスにより消滅するという勘定である。

そこで、図４，５で示した従来技術の蓄冷器４００でも金網４３０を蓄冷材として採用することで、現状可能な限り表面積を広くして熱容量を大きく、かつ圧力損失を小さくしている。さらに、蓄冷器非効率ロスを少なくする最適な材質・メッシュ数・線径を採用しており、具体的には、金網４３０は、ステンレス製であって、メッシュ数を４００、線径を２５〜３０μｍとしている。
従来技術のパルスチューブ冷凍機１０００・蓄冷器４００はこのようなものである。

また、蓄冷器の高効率化に係る他の従来技術として、例えば、特許文献１（発明の名称：蓄冷器）、特許文献２（発明の名称：蓄冷器）が知られている。
特許文献１の蓄冷器は、低温側と高温側で異なる蓄冷材料を使用する例であり、また、特許文献２の蓄冷器は蓄冷材料として複雑な蚊取り線香型（弦巻型）の基材を用いる例である。

特公平７−３３９３４号公報（第１図，第２図） 特許第２９６０９０８号公報（段落番号００１６，図３）

図４，図５で示した従来技術における蓄冷材としての金網４３０は、素線の線径が大きくなると金網４３０の表面積が広くなって冷却性能が向上するが、網目の開口面積が狭くなって作動ガスが通過できずに圧力損失が生じ、ひいては消費電力の増大につながるものであった。
また、逆に素線の線径が小さくなると網目の開口面積が広がることにより作動ガスが通過しやすくなって圧力損失は生じないが、金属の表面積は狭くなって冷却性能が低下していた。このように圧力損失低減と冷却性能向上とはトレード・オフの関係にある。
そこで、現状では、金網４３０は素線の線径を細くして網目の開口面積を広げることで圧力損失が大きくならないようにしつつ、かつメッシュ数を可能な限り多くすることで金網４３０の表面積を増大させて冷却性能を向上させるようにしている。

このような蓄冷器４００で蓄冷器非効率ロスを低減させるためには、金網４３０をさらに改良する必要がある。そのような改良手法として、金網４３０のメッシュ数をさらに多くし、かつ線径をさらに細くすることが考えられるが、金網のメッシュ数を多く、かつ線径を細くするにつれて金網４３０の制作が困難となり、線径を細くする手法は限界に達していた。

また、従来技術の金網４３０が占める空間容積を小さくする必要もある。金網の表面は作動ガスに直接接触して熱交換を行うが、その表面以外の内部は作動ガスに直接接触しないため熱交換に寄与しない。この蓄冷器４００内の金網４３０が占める空間は、円筒４１０内の空間部分の体積比率（空間率）が６０％以上を占め、過大である。
このような空間部分は、パルスチューブ冷凍機１０００の作動ガス空間の中で有効な仕事に寄与しない死容積である。このような死容積の増大は冷却性能を低下させる。従って、これ以上死容積を増大させることなく冷却性能を向上させる必要がある。つまり死容積を増大させることなく表面積を増大したいという要請がある。

さらにまた、特許文献１の蓄冷器は、低温側と高温側とで異なる蓄冷材料を使用しているが、低温側が液体窒素温度レベルの冷凍機においては、実際上ほとんど高効率化は望めないという問題点があった。
さらにまた、特許文献２の蓄冷器は蓄冷材料として複雑な蚊取り線香型の基材を用いる例であるが、製造が容易ではないという問題点があった。

この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、コスト上昇を殆ど伴わないような簡易な構成により蓄冷器非効率ロスの低減を実現する蓄冷器を提供することにある。また、このような蓄冷器を搭載して冷却性能を向上させたパルスチューブ冷凍機を提供することにある。

本発明の蓄冷器は、複数枚の金網を積層してなる積層金網が、両端部が開放された金属製の円筒の内部に蓄冷材として配置され、この積層金網を通過する作動ガスと熱交換が行なわれる蓄冷器であって、金網が、撚り線を基材として編んだ織網であることを特徴とする。

このように金網を複数本の素線を撚った撚り線を基材として編んだ織網としたため、この金網の表面積は、従来の単素線を基材とする金網の表面積よりも広くなる。これにより、積層金網全体としては死容積を増大させることなく大幅に表面積を広げることができ、蓄冷器の熱交換の蓄冷器非効率ロスを大幅に低減し、熱交換の効率化を実現する。

また、本発明の蓄冷器では、さらに金網の撚り線が、２本または３本の素線を撚った撚り線であることを特徴とする。

従来技術の金網の線径と比較して、２本または３本の素線を撚った撚り線の実質線径は、ほぼ同じか、または、増加量がかなり小さいため蓄冷材である積層金網の表面積を増加させつつ死容積も減少させ、圧力損失の増大を招くことなく蓄冷器非効率ロスを低減することができる。このように、蓄冷器効率を増大させ、冷凍機の効率を高めることができる。
また、２本または３本の素線を撚った撚り線は、単線の金網と比較してもコスト的に同等か若干高い程度であり、コストの増大を極力抑えることもできる。

また、本発明の蓄冷器は、金網が、平織または綾織であることを特徴とする。

平織、または、綾織の金網を採用することで、網目の開口面積を大きくすることができる。また製造が比較的容易な金網であるため、コストの増大を極力抑えることができる。

また、圧縮機、蓄冷器、低温側熱交換器、パルスチューブおよび位相制御部が流路を形成し、この流路を流れる作動ガスの熱交換により低温側熱交換器に寒冷を発生するパルスチューブ冷凍機において、上記蓄冷器を用いることを特徴とする。

冷却効率が高い蓄冷器を搭載し、冷却効率を高めたパルスチューブ冷凍機とすることができる。

以上のような本発明によれば、コスト上昇を殆ど伴わないような簡易な構成により蓄冷器非効率ロスの低減を実現する蓄冷器を提供することができる。また、このような蓄冷器を搭載して冷却性能を向上させたパルスチューブ冷凍機を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態について図を参照しつつ説明する。
図１は本形態の蓄冷器の概略断面構成図、図２は作動ガスの流れを説明する説明図、図３は撚り線の説明図である。
蓄冷器１０は、先に説明した蓄冷器４００の改良に関するものであり、例えば、図４で示したパルスチューブ冷凍機１０００の蓄冷器４００に代えて搭載できるものである。パルスチューブ冷凍機１０００の他の構成については同じ構成であるものとし重複する説明を省略する。

蓄冷器１０は、図１で示すような全体構成を表しており、一方（図１では左側）に図４の高温側熱交換器３００が取付けられ、他方（図１では右側）に図４の低温側熱交換器５００が取り付けられることになる。このような蓄冷器１０は、円筒１１と積層金網１２とにより構成されている。積層金網１２は多数の金網１３を束ねて積層したものであり、金網１３の枚数は１０００〜２０００枚程度になる。蓄冷器１０では、積層金網１２を使用することにより、蓄冷器１０の熱交換の高効率化を図っている。

従来技術と比較して、金網１３を円筒１１内に積層するという構成は同じであるが、その金網１３は、複数本の素線を撚った撚り線１４を基材として編んだ織網である点が相違している。この素線の材料としては、ステンレス鋼、ニッケル、銅合金などである。この金網１３は、撚り線の線径が数１０μｍ程度で網目数が数１００程度の金網である。この金網１３０は、例えば板状の金網を打ち抜き等により、円形に加工して多数製作する。また蓄冷器１０は、この金網１３を円筒１１に挿入して積層することにより製造される。

この撚り線１４は、図２（ａ）で示すように、２本の素線１４ａ，１４ｂを撚った２本撚り線としても良い。
また、撚り線１４は、図２（ｂ）で示すように、３本の素線１４ａ，１４ｂ，１４ｃを撚った３本撚り線としても良い。

また、金網１３は、このような２本撚り線または３本撚り線である撚り線１４を用い、図１で示すように平織による織網としても良い。
また、金網１３は、このような２本撚り線または３本撚り線である撚り線１４を用い、図１で示すように綾織による織網としても良い。
このような平織と綾織とを比較すると、熱的な特性は平織と綾織とで差異はないと考えられるが、コスト的には綾織の方が有利となる。

続いて蓄冷器１０の機能について説明する。
パルスチューブ冷凍機・スターリング冷凍機というような極低温冷凍機による冷凍出力（低温側熱交換器から取り出すことができる正味の吸熱量）は、低温ＰＶ仕事から全ての熱ロスを差し引いた値である。先にも述べたが、特に、図４で示すようなパルスチューブ冷凍機１０００の場合、熱ロスに占める蓄冷器非効率ロスの割合が大きい。

蓄冷器非効率ロスは、近年では、仕事流から熱流への変換が１００％ではないことによりエンタルピーの形となり低温側熱交換機３００へ進入する量を指すが、この方法では計算が困難である。そのため、従来から用いられている簡易的な方法で蓄冷器非効率ロスを考える。蓄冷器１０を熱交換器として考えるとその非効率は、蓄冷材である積層金網１２の熱容量と熱伝達が無限大に大きいものではないために作動ガスと蓄冷材である積層金網１２との間で生じる温度差に起因するものと説明できる。

蓄冷器１０の性能を向上させるためには、その非効率分をできる限り小さくする設計が肝要となる。蓄冷材としては、長手方向（温度勾配方向）に関して、熱を伝えないこと、蓄冷材の熱容量が大きくかつ表面積が大きいこと、さらに、これと相反するが、蓄冷器１０内での圧力損失をできる限り低減する必要がある。従来技術でも用いられている積層金網１２はある程度これらの条件を満たす。
このような積層金網１２で表面積を大きくするため、金網１３の素線として撚り線を採用した。

続いて金網の素線を撚り線とした場合、どのようにして蓄冷器非効率ロスを低減させ、熱交換を高効率化できるかについて図３を参照しつつ説明する。ここでは、図３で示すように、３本の撚り線１４を例に挙げて説明する。従来技術の一本の素線と同一の断面積を持つ３本撚り線の断面外接円直径は、単一素線のものに比して１．２４倍である。
図３には３本撚り線１４に接する作動ガスの流れを示している。流れ方向から見た投影直径は、Ａ，Ｂ，Ｃの３パターンありそれぞれ３分の１の確率で配置されると仮定しても一般性を失わない。そのように仮定すると、外接円直径の増加分は１３．６％となる。この分は圧力損失の増大となって現れる。

しかしながら、３本撚り線１４の冷却表面積は単一素線の３．２％増となる。図３には３本撚り線１４と熱交換する流れも同時に示している。蓄冷器１０内の流れの状態は乱流となっており、後流側で渦を発生し、乱流促進効果が期待できる。これはレイノルズ数にもよるが、２０〜３０％の増加が期待できると考えられる。したがって、表面積増加分とあわせて約２倍の効果があると言える。したがって、蓄冷器非効率ロスを飛躍的に低減することができ、高効率の蓄冷器を提供することが可能となる。

また、図２（ａ）で示すような２本撚り線１４では、外接円直径増大分は６．１％となる。また、冷却表面積は１．４１倍となる。この場合にも乱流促進効果はある程度期待できると考えられるが、３本撚り線ほどの効果は期待できない。しかしながら、従来技術に対して、熱伝達により蓄冷器非効率ロスについてはおよそ５０％程度の低減が可能となり、効率の高い蓄冷器を提供することが可能となる。

以上、本形態の蓄冷器の構成および機能について説明した。しかしながら本発明の形態は、図１〜図３を用いて説明した形態に限定されるものではない。
例えば、金網の種類として編目が略正六角形（亀甲状）となる亀甲金網や、編目が菱形となる菱形金網を採用しても良い。しかしながら、製造コスト的に勘案して綾織・平織が優れている。
また、撚り線について、素線の線径を細くして４本以上の複数本の素線を撚り合わせた撚り線（例えば４本撚り線）等を採用してもよい。しかしながら、性能的・製造コスト的に勘案して２本撚り線・３本撚り線が優れている。
また、金網の撚り線の線径や開口面積・開口数も適宜設定することが可能である。
また、この蓄冷器１０を、パルスチューブ冷凍機以外の極低温冷凍機に適用できるのはいうまでもなく、例えばスターリング冷凍機等、蓄冷器が搭載される各種の極低温冷凍機に搭載することができる。

以上説明した蓄冷器は、
（１）蓄冷器の構成を殆ど変更することなく、撚り線による金網を採用したので、冷凍機としての高い冷却性能の蓄冷器を提供できる。
（２）また、金網の撚り線の数を限定したので、コスト的・性能的に優れた蓄冷器を提供できる。
（３）また、金網の種類も限定したので、コスト的に優れた蓄冷器を提供できる。
（４）このような蓄冷器を搭載して冷却性能を向上させたパルスチューブ冷凍機とすることができる。

本形態の蓄冷器の概略断面構成図である。 作動ガスの流れを説明する説明図である。 撚り線の説明図である。 従来技術のパルスチューブ冷凍機の概略構成図である。 従来技術の蓄冷器の概略断面構成図である。

符号の説明

１０００：パルスチューブ冷凍機
１０：蓄冷器
１１：円筒
１２：積層金網
１３：金網
１４：撚り線
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ：素線
１００：圧縮機
１１０：シリンダ
１２０：ピストン
２００：接続管
３００：高温側熱交換器
４００：蓄冷器
４１０：円筒
４２０：積層金網
４３０：金網
５００：低温側熱交換器
６００：パルスチューブ
７００：パルスチューブ高温側熱交換器
８００：位相制御部
８１０：イナータンスチューブ
８２０：バッファタンク

Claims (4)

1. 複数枚の金網を積層してなる積層金網が、両端部が開放された金属製の円筒の内部に蓄冷材として配置され、この積層金網を通過する作動ガスと熱交換が行なわれる蓄冷器であって、
   金網は、撚り線を基材として編んだ織網であることを特徴とする蓄冷器。
2. 請求項１に記載した蓄冷器において、
   前記金網の撚り線は、２本または３本の素線を撚った撚り線であることを特徴とする蓄冷器。
3. 請求項１または請求項２に記載した蓄冷器において、
   前記金網は、平織または綾織であることを特徴とする蓄冷器。
4. 圧縮機、蓄冷器、低温側熱交換器、パルスチューブおよび位相制御部が流路を形成し、この流路を流れる作動ガスの熱交換により低温側熱交換器に寒冷を発生するパルスチューブ冷凍機において、
   前記蓄冷器は、請求項１〜請求項３に記載された蓄冷器であることを特徴とするパルスチューブ冷凍機。

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