JP2005069622A - 蓄冷器及びそれを用いた極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄冷材とケースとの間にできる隙間を分断することで冷却流体通過方向への熱抵抗を確保すると共に、組立の容易な蓄冷器及びそれを用いた極低温冷凍機を提供する。
【解決手段】例えばメッシュ板等からなる蓄冷材１０を複数枚積層して蓄冷材ユニット１１を構成し、その蓄冷材ユニット１１とリング部材１２とをケース１３内に交互に挿入する。リング部材１２は、例えば開口部を設けたり、端部を重合したり、外周に弾性体を取付けるなどして半径方向に弾性変形可能とし、ケース１３内に挿入したときにリング部材１２の外周がケース１３の内周に密着するようにすることで蓄冷材ユニット１１とケース１３との間にできる隙間１４を分断する。隙間１４が分断されれば冷却流体は隙間１４を通過しなくなるので、熱抵抗を確保することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、パルスチューブ冷凍機等の極低温冷凍機並びにそれに用いられる蓄冷器に関するものである。

低温流体の冷却エネルギーを蓄冷器で蓄令して低温を生成する冷凍装置の一つにパルスチューブ冷凍機がある。従来のパルスチューブ冷凍機では、パルスチューブと圧縮機との間に蓄冷器を介設し、その内部に導入したガス状冷媒、つまり低温流体の冷熱を蓄熱するようにしている。
このような蓄冷器としては、例えば素線径が２０〜５０μｍ程度で、２００〜４００メッシュ程度に織られた金網を円形状のメッシュ板に打ち抜いて蓄冷材を構成し、その蓄冷材を、円筒状ケースの内部に、当該円筒状ケースの軸方向と直交する状態で数百〜数千枚積層するものがある（例えば特許文献１参照）。この蓄冷器では、前記円筒ケースの半径方向には熱抵抗が小さく、一方、前記メッシュ板からなる蓄冷材の素線が点接触するために、円筒ケースの軸方向には熱抵抗が大きいため、蓄冷効率が高い。ちなみに、前記蓄冷器では、均一な通気路が多数構成されるように、前記メッシュ板からなる蓄冷材の向きを調整しながら積層している。
特開２００３−１４８８２２公報

しかしながら、前記従来の蓄冷器では、前記メッシュ板からなる蓄冷材の向きを調整しながら、蓄冷材に折れや曲がりがないように、また挿入圧力が均一になるように目視による確認を行いながら蓄冷材の積層作業を行うため、極めて手間がかかる。
また、例えば図７に示すように円筒ケースＡと蓄冷材Ｂとの間に隙間Ｃが生じると、その隙間Ｃを冷却流体が通過してしまうため、当該円筒ケースの軸方向への熱抵抗が小さくなって蓄冷効率が低下する。しかしながら、前記円筒ケースは、軸方向への熱抵抗を大きくするために薄肉に形成されていて変形し易く、一方のメッシュ板からなる蓄冷材も寸法誤差があるため、円筒ケースと蓄冷材との間の隙間を皆無にするのは困難である。また、このような問題を解決するために蓄冷材の外径寸法を円筒ケースの内径寸法より大きめにして、蓄冷材を円筒ケース内に所謂圧入することも考えられるが、そのようにしたのでは蓄冷材の挿入圧力にバラツキが生じると共に、蓄冷材の変形や積層が不均一になったり、ずれが生じたりすることにより、より一層、円筒ケースとの隙間が大きくなる恐れがある。
本発明は、上記諸問題を解決すべく開発されたものであり、組立が容易で、冷却流体通過方向への熱抵抗を確保することが可能な蓄冷器及びそれを用いた極低温冷凍機を提供することを目的とするものである。

上記諸問題を解決するため、本発明の蓄冷器は、冷温流体を通過可能な円形薄板又は円形薄網板からなる蓄冷材を複数枚積層して蓄冷材ユニットを構成すると共に、円孔内に前記蓄冷材ユニットとリング部材とを交互に積層したことを特徴とするものである。
また、本発明の極低温冷凍機は、前記蓄冷器の円孔の一端から低温流体を導入して前記蓄冷材との間で熱交換を行うことにより当該蓄冷材に冷熱を蓄冷すると共に、前記円孔の他端から導入される高温流体と前記蓄冷材との間で熱交換を行うことにより当該高温流体を冷却することを特徴とするものである。

而して、本発明の蓄冷器によれば、冷温流体を通過可能な円形薄板又は円形薄網板からなる蓄冷材を複数枚積層して蓄冷材ユニットを構成すると共に、円孔内に前記蓄冷材ユニットとリング部材とを交互に積層したことにより、組立が容易になると共に、リング部材と円孔との隙間をなくして冷却流体通過方向への熱抵抗を確保して蓄冷効率を向上することができる。
また、本発明の極低温冷凍機によれば、前記蓄冷器の円孔の一端から低温流体を導入して前記蓄冷材との間で熱交換を行うことにより当該蓄冷材に冷熱を蓄冷すると共に、前記円孔の他端から導入される高温流体と前記蓄冷材との間で熱交換を行うことにより当該高温流体を冷却する構成としたため、蓄冷効率のよい蓄冷器によって効率よく極低温を得ることができる。

次に、本発明の蓄冷器及びそれを用いた極低温冷凍機の一実施形態について図面を用いて説明する。
図１は、本実施形態の極低温冷凍機、具体的にはパルスチューブ冷凍機の概略構成図であり、図中の符号１が蓄冷器である。この蓄冷器１の図示左方端部を高温端部とすると、前記高温端部は熱交換器２、圧縮機３の順に接続され、前記圧縮機３は例えばヘリウムガス等の冷媒ガスを圧縮するためのピストン４を備える。一方、前記蓄冷器１の図示右方端部はパルスチューブ６に接続され、その接続部分に低温端部５が形成される。従って、前記パルスチューブ６の図示右方端部には高温端部７が形成され、その高温端部７にイナータンスチューブ８が接続され、そのイナータンスチューブ８の図示右方端部にバッファタンク９が接続されている。

このパルスチューブ冷凍機では、前記圧縮機３のピストン４で圧縮された冷媒ガスが熱交換器２及び蓄冷器１を通過する際に冷却されてパルスチューブ６に流入する。このとき、イナータンスチューブ８の中を流れてバッファタンク９に流出する冷媒ガスの位相制御作用により、パルスチューブ６内に流入する冷媒ガスが膨張仕事を行い、低温端部５を冷却する。一方、パルスチューブ６の高温端部７からは膨張仕事に相当する熱量が放熱される。前記圧縮機４のピストン４が吸引方向に作動すると、低温化した冷媒ガスは低温端部５及び蓄冷器１を冷却して圧縮機３内に吸引される。従って、圧縮機３のピストン４が往復を繰り返すことにより、低温端部５に１００Ｋ以下の極低温が得られる。

図２に前記蓄冷器１の縦断面図を示す。蓄冷器１のケース１３は両端部が開口された薄肉円筒形状であり、内径部分が円孔に相当する。このケース１３の円孔内には蓄熱材１０を複数枚積層した蓄冷材ユニット１１とリング部材１２とが交互に積層されている。蓄熱材１０は、前記従来と同様に、例えば素線径が２０〜５０μｍ程度で、２００〜４００メッシュ程度に織られた金網を円形状のメッシュ板に打ち抜いて構成されたものであり、それらの向きを合わせて、つまりメッシュ板の目を合わせて数十〜数百枚積層して蓄冷材ユニット１１を構成する。

一方、前記リング部材１２は、例えば図３に示すように、一部が開口する薄板で構成されており、当該開口部がすぼまることにより半径方向に弾性変形可能とする。そして、このリング部材１２は、フリーの状態、つまり半径方向に弾性変形していない状態で、外径を前記ケース１３の円孔の内径より僅かに大きく設定している。また、リング部材１２の内径は前記蓄冷材ユニット１１の外径より小さい。

従って、図２に示すように、前記蓄冷材ユニット１１とケース１３の円孔内径との間に隙間１４が形成されたとしても、リング部材１２が弾性変形してその外周がケース１３の円孔内径に密着するため、各蓄冷材ユニット１１とケース１３との間に隙間１４はリング部材１２によって分断され、当該隙間１４を冷媒ガスが通過してしまうのを防止することができる。

なお、前記リング部材１２の開口部が完全に閉塞されず、その開口部と前記隙間１４とが重なり合う場合には、当該開口部を通じて冷媒ガスが流れる可能性がある。そのような場合には、開口部の位置を互いにずらしてリング部材１２を二枚以上重ね合わせ、それを各蓄冷材ユニット１１の間に介装するようにすればよい。
また、このように薄板でリング部材１２を構成する場合、例えば図４に示すように、端部が互いに重なり合うようにしてもよい。この場合は、薄板の重合部が長くなることで、半径方向に弾性変形可能とする。また、このリング部材の場合には、開口部がないので、前記蓄冷材ユニット１１とケース１３との隙間を考慮する必要がない。

このように、本実施形態の蓄冷器及びそれを用いた極低温冷却装置では、蓄冷材１０を複数枚積層した蓄冷材ユニット１１と半径方向に弾性変形可能なリング部材１２とをケース１３の円孔内に交互に積層したことにより、蓄冷材ユニット１１とケース１３との隙間１４が分断され、従って冷媒ガスが隙間１４を通過してしまうことがないので、ケース１３の軸方向、即ち冷媒ガス（冷却流体）の通過方向への熱抵抗を確保して蓄冷効率を向上することができると共に、蓄冷器の組立が容易となり、更に効率よく極低温を得ることが可能となる。また、リング部材１２を薄板で構成するだけなので、コスト的にも有利である。

次に、図５及び図６に本発明の蓄冷器及びそれを用いた極低温冷凍機の他の実施形態を示す。この実施形態の極低温冷凍機は、前記実施形態の図１に示すパルスチューブ冷凍機と同じである。図５には、本実施形態の蓄冷器の縦断面図を示す。この実施形態では、前記リング部材１２が図６に示すものに変更されている。このリング部材１２は、リング状の薄板１５の外周に、例えばフッ素ゴム等の弾性体１６を取付け、その弾性体１６が弾性変形することで半径方向に弾性変形可能とした。従って、前記弾性体１６の外径は前記ケース１３の円孔の内径より僅かに大きく、このリング部材１２をケース１３の円孔内に挿入すると、前記弾性体１６が弾性変形して当該円孔の内径に密着し、前述した蓄冷材ユニット１１とケース１３との隙間１４が分断される。

この実施形態では、前記第１実施形態に加えて、リング部材１２をケース１３の円孔内に挿入する際、当該円孔の内周を傷つけにくいという作用があるので、蓄冷器の組立がより一層容易になる。
なお、前期実施形態では、金網を円形に打ち抜いたメッシュ板を蓄冷材として用いたが、蓄冷材自体はこれに限定されない。例えば素線径３０μｍ程度の金属繊維を一定長さに切断し、それを一旦綿状に均一にほぐして一定厚さにし、それをプレスによって圧縮焼結すると、例えば０．６〜３ｍｍ程度のシートができる。このシートを円形に打ち抜くと、所定の開口率・密度のランダムメッシュ板ができるので、これを積層して蓄冷材ユニットとしてもよい。更に、蓄冷材は、必要な蓄冷機能があれば非金属製であってもかまわない。

本発明の蓄冷器及びそれを用いた極低温冷凍機の一実施形態を示す概略構成図である。 図１の蓄冷器の一例を示す縦断面図である。 図２の蓄冷器に用いられたリング部材の一例を示すものであり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 図２の蓄冷器に用いられたリング部材の他の例を示すものであり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 図１の蓄冷器の他の例を示す縦断面図である。 図５の蓄冷器に用いられたリング部材の一例を示すものであり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 従来の蓄冷器の縦断面図である。

符号の説明

１は蓄冷器
２は熱交換器
３は圧縮機
４はピストン
５は低温端部
６はパルスチューブ
７は高温端部
８はイナータンスチューブ
９はバッファタンク
１０は蓄冷材
１１は蓄冷材ユニット
１２はリング部材
１３はケース
１４は隙間
１５は薄板
１６は弾性体

Claims (4)

1. 冷温流体を通過可能な円形薄板又は円形薄網板からなる蓄冷材を複数枚積層して蓄冷材ユニットを構成すると共に、円孔内に前記蓄冷材ユニットとリング部材とを交互に積層したことを特徴とする蓄冷器。
2. 半径方向に変形可能な薄板で前記リング部材を構成したことを特徴とする請求項１に記載の蓄冷器。
3. 金属リングの外周に弾性体を取付けて前記リング部材を構成したことを特徴とする請求項１に記載の蓄冷器。
4. 前記請求項１乃至３の何れかに記載の蓄冷器の円孔の一端から低温流体を導入して前記蓄冷材との間で熱交換を行うことにより当該蓄冷材に冷熱を蓄冷すると共に、前記円孔の他端から導入される高温流体と前記蓄冷材との間で熱交換を行うことにより当該高温流体を冷却することを特徴とする極低温冷凍機。

Images