JP2009103412A - 蓄冷式冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】球状の蓄冷材を使用し、蓄冷器に充填される蓄冷材の充填率を向上させ、高い冷凍能力を有する蓄冷式冷凍機を提供することを目的とする。
【解決手段】蓄冷式冷凍機１０は、第１蓄冷器３０および第２蓄冷器４０を備える。第２蓄冷器４０内の空間には、同じ材料で形成された、小粒径群蓄冷材４３ａと大粒径群蓄冷材４３ｂとが充填され、小粒径群蓄冷材４３ａの平均粒径に対する大粒径群蓄冷材４３ｂの平均粒径の比は５以下であり、小粒径群蓄冷材４３ａおよび大粒径群蓄冷材４３ｂが充填された空間における空隙率は３０％以下である。
【選択図】図２

Description

本発明は、蓄冷式冷凍機に関し、特に蓄冷器内に充填される蓄冷材の充填率を向上させることで、冷凍能力を向上させた蓄冷式冷凍機に関する。

蓄冷式冷凍機には、圧縮した冷媒ガスを予冷した後に、断熱的に膨張させて寒冷を発生させるものがある。この蓄冷式冷凍機として、例えば、ギフォード・マクマホン冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機という）がある。このＧＭ冷凍機において、冷却温度を下げるために、蓄冷器および膨張器を２段に構成したものがあり、低温側の第２蓄冷器には、低温で比熱が大きい鉛からなる球状の蓄冷材、あるいはより低温で比熱が大きい希土類金属を用いた球状の磁性蓄冷材が充填されている（例えば、特許文献１−２参照。）。

蓄冷材の形状は、蓄冷効率を向上させるために、球状以外の形状の蓄冷材の研究や開発も近年行われているが、実用化は難しく、また、主に製造コスト面から、現在も球状の蓄冷材が多く使用されている。球状の蓄冷材を使用した場合、球径が一定であれば、蓄冷器に最密充填することで、理論的に７４％程度の充填率が得られる。しかしながら、球径を一定とすることは難しく、さらに蓄冷器に最密充填することは難しいため、通常、充填率は６０％程度である。
特開平４−５２４６７号公報 特開平４−５２４６８号公報

上記したように、従来の蓄冷式冷凍機では、蓄冷器に充填される蓄冷材の充填率が低く、蓄冷効率の向上を図ることが難しかった。さらに、蓄冷材が充填されていない無効容積の割合が大きいため、冷凍効率を向上させることは難しかった。

そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、球状の蓄冷材を使用し、蓄冷器に充填される蓄冷材の充填率を向上させ、高い冷凍能力を有する蓄冷式冷凍機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、圧縮した冷媒ガスを蓄冷器において冷却し、低温部で断熱的に膨張させて寒冷を発生させる蓄冷式冷凍機であって、前記蓄冷器内の空間に、同じ材料で形成された、小粒径群の蓄冷材と大粒径群の蓄冷材とが充填され、前記小粒径群の蓄冷材の平均粒径に対する前記大粒径群の蓄冷材の平均粒径の比が５以下であり、前記小粒径群の蓄冷材および前記大粒径群の蓄冷材が充填された空間における空隙率が３０％以下であることを特徴とする蓄冷式冷凍機が提供される。

また、本発明の一態様によれば、圧縮した冷媒ガスを蓄冷器において冷却し、低温部で断熱的に膨張させて寒冷を発生させる蓄冷式冷凍機であって、前記蓄冷器内の空間が、前記冷媒ガスの流れる方向に垂直に設けられた仕切板によって 高温部側の空間と、低温部側の空間とに区分され、前記高温部側の空間に、同じ材料で形成された同粒径の蓄冷材が充填され、前記低温部側の空間に、同じ材料で形成された、平均粒径の異なる小粒径群の蓄冷材と大粒径群の蓄冷材とが充填され、前記小粒径群の蓄冷材の平均粒径に対する前記大粒径群の蓄冷材の平均粒径の比が５以下であり、前記小粒径群の蓄冷材および前記大粒径群の蓄冷材が充填された空間における空隙率が３０％以下であることを特徴とする蓄冷式冷凍機が提供される。

本発明に係る蓄冷式冷凍機によれば、球状の蓄冷材を使用し、蓄冷器に充填される蓄冷材の充填率を向上させることができ、高い冷凍能力を有する。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る一実施の形態の蓄冷式冷凍機１０の断面を模式的に示した図である。なお、ここでは、蓄冷式冷凍機１０として、２段ＧＭ冷凍機を用いた一例を示している。

図１に示すように、蓄冷式冷凍機１０は、直径を順次縮小したパイプを同軸上に連結して一体化した第１シリンダ２０ａと第２シリンダ２０ｂからなるシリンダ２０を備え、第１シリンダ２０ａ内には、第１蓄冷器３０が摺動可能に配設され、第２シリンダ２０ｂ内には、第２蓄冷器４０が摺動可能に配設され、第１蓄冷器３０と第２蓄冷器４０とは蓄冷器連結部５０によって連結され一体化されている。このように、蓄冷器連結部５０によって第１蓄冷器３０と第２蓄冷器４０とを連結し一体化することでディスプレーサ６０を構成している。

第１蓄冷器３０は、上面に第１上部シール３１を有する第１蓄冷器容器３２と、この第１蓄冷器容器３２に充填された第１蓄冷材３３とを備え、第１蓄冷器３０の底部には第１蓄冷材低温側流路３４が形成されている。第１上部シール３１は、第１蓄冷器３０の側面と第１シリンダ２０ａのギャップを閉塞するものであり、第１上部シール３１には、上方の空間と第１蓄冷材３３が充填された第１蓄冷器容器内に連通する貫通穴３５が形成されている。第１蓄冷材低温側流路３４は、充填された第１蓄冷材３３の下方側の第１蓄冷器容器３２の側面に貫通口を形成することで構成される。また、第１シリンダ２０ａの下方端側である低温端部の外周面には、１段ステージ３６が配設されている。

蓄冷器連結部５０の上面は、第１蓄冷器３０の底面に連結され、蓄冷器連結部５０の底面は、第２蓄冷器４０を構成する第２上部シール４１に連結されている。また、蓄冷器連結部５０には、蓄冷器連結部流路５１が設けられており、この蓄冷器連結部流路５１は、第１蓄冷器３０、蓄冷器連結部５０および第１シリンダ２０ａによって形成される空間である第１膨張室７０と第２蓄冷器４０とを連通させている。

第２蓄冷器４０は、上面に第２上部シール４１を有する第２蓄冷器容器４２と、この第２蓄冷器容器４２に充填された第２蓄冷材４３とを備え、第２蓄冷器４０の底部には第２蓄冷材低温側流路４４が形成されている。第２上部シール４１は、第２蓄冷器４０の側面と第２シリンダ２０ｂのギャップを閉塞するものであり、第２上部シール４１には、蓄冷器連結部流路５１および第２蓄冷材４３が充填された第２蓄冷器容器内に連通する貫通穴４５が形成されている。第２蓄冷材低温側流路４４は、充填された第２蓄冷材４３の下方側の第２蓄冷器容器４２の側面に貫通口を形成することで構成される。また、第２シリンダ２０ｂの下方端側である低温端部の外周面および開口端部には、２段ステージ４６が配設されている。また、第２蓄冷材低温側流路４４は、第２蓄冷器４０、第２シリンダ２０ｂおよび２段ステージ４６によって形成される空間である第２膨張室７１と連通している。

また、シリンダ２０は、一端側がシリンダ天板８０によって、他端側が２段ステージ４６によって閉塞されている。さらに、蓄冷式冷凍機１０は、ディスプレーサ６０を駆動するための駆動手段であるモータ９０およびこのモータ９０の動力をディスプレーサ６０に伝えるスコッチヨーク９１を備えている。スコッチヨーク９１の一端は、シリンダ天板８０に形成された貫通口を介してディスプレーサ６０に接続されている。これによって、モータ９０を駆動することで、ディスプレーサ６０がシリンダ２０内を上下方向、すなわちシリンダ２０の軸方向に往復運動させることができる。ここで、図１に示された状態は、ディスプレーサ６０が最大限上昇した状態を示している。

さらに、蓄冷式冷凍機１０は、冷媒ガスを圧縮するコンプレッサ１００と、このコンプレッサ１００を介在し、コンプレッサ１００で圧縮された冷媒ガスをシリンダ天板８０に形成された貫通口を介してシリンダ２０内に導く配管１０１とを備えている。なお、この配管１０１は、シリンダ２０内の冷媒ガスをコンプレッサ１００に戻す機能も備え、配管１０１には、吸気バルブ１０２、排気バルブ１０３が設けられている。

次に、蓄冷式冷凍機１０の動作について説明する。

まず、ディスプレーサ６０が最下端にあり、排気バルブ１０３が閉じている状態で、吸気バルブ１０２が開かれ、コンプレッサ１００で圧縮された高圧の冷媒ガスは、配管１０１を通り、第１蓄冷器３０内へ流入する。第１蓄冷器３０内に流入した冷媒ガスは、第１蓄冷器３０で第１蓄冷材３３により所定の温度まで冷却された後、第１蓄冷材低温側流路３４を通り、第１膨張室７０へ流入する。第１膨張室７０に流入した冷媒ガスの一部は、蓄冷器連結部５０の蓄冷器連結部流路５１を通り、第２蓄冷器４０内へ流入する。第２蓄冷器４０内に流入した冷媒ガスは、第２蓄冷器４０で第２蓄冷材４３により所定の温度まで冷却された後、第２蓄冷材低温側流路４４を通り、第２膨張室７１へ流入する。この結果、第１膨張室７０および第２膨張室７１は高圧状態になる。

続いて、モータ９０を駆動させて、ディスプレーサ６０を上方に移動させる。このディスプレーサ６０に移動により、冷媒ガスは、第１膨張室７０および第２膨張室７１に次々と供給される。この際、冷媒ガスは、第１蓄冷器３０の第１蓄冷材３３および第２蓄冷器４０の第２蓄冷材４３により所定の温度まで冷却される。なお、この間、吸気バルブ１０２および排気バルブ１０３は、上記した状態に固定されている。そして、ディスプレーサ６０が最上端付近になったときに、吸気バルブ１０２が閉じられ、少し遅れて排気バルブ１０３が開かれる。このとき、冷媒ガスは、断熱的に膨脹して寒冷が発生する。また、このときに第１膨張室７０および第２膨張室７１内に存在する冷媒ガスは、それぞれの温度レベルで低温かつ低圧になり、１段ステージ３６および２段ステージ４６は、この冷媒ガスによって冷却される。

続いて、モータ９０を駆動させて、ディスプレーサ６０を最上端から下方に移動させる。このディスプレーサ６０に移動により、低温かつ低圧の冷媒ガスは、第１蓄冷器３０、第２蓄冷器４０を通り、それぞれの蓄冷器内の蓄冷材を冷却し、排気バルブ１０３から排気され、再びコンプレッサ１００に戻される。そして、ディスプレーサ６０が最下端に移動し、第１膨張室７０および第２膨張室７１の空間の体積がほぼ最小となった状態で、排気バルブ１０３が閉じられ、吸気バルブ１０２が開かれて、コンプレッサ１００で圧縮された高圧の冷媒ガスは、配管１０１を通り、再び、第１蓄冷器３０および第２蓄冷器４０内へ流入する。これによって、第１膨張室７０および第２膨張室７１の圧力は、低圧から高圧になる。

蓄冷式冷凍機１０は、上記した過程を１サイクルとして動作を繰り返すことにより、１段ステージ３６および２段ステージ４６を冷却する。

ここで、シリンダ２０は、例えば薄肉のステンレス鋼からなる筒で構成され、内部の高圧冷媒ガスを封入するとともに、室温側（図１において上側）からの熱侵入量を低減している。シリンダ天板８０は、例えばステンレス鋼が用いられている。第１上部シール３１、第２上部シール４１は、例えば摺動性、磨耗性の良好な樹脂材料をバネでシリンダ内面に押し付けて、蓄冷器とシリンダ間のギャップからの冷媒の漏れを低減している。第１蓄冷器容器３２、第２蓄冷器容器４２は、例えばベークライト、あるいはステンレス鋼等で構成され、室温側（図中上側）からの熱侵入量を低減している。また、１段ステージ３６および２段ステージ４６は、熱伝導に優れた材料で構成され、具体的には、例えば、銅などで構成される。なお、上記した蓄冷式冷凍機１０では、１段ステージ３６を、第１シリンダ２０ａの下方端側である低温端部の外周面に備えた一例を示したが、第１シリンダ２０ａを介さずに、第１シリンダ２０ａの下方端側である低温端部を、上記した熱伝導に優れた材料で構成して、それを１段ステージ３６としてもよい。また、２段ステージ４６の場合も第１シリンダ２０ａと同様に、第２シリンダ２０ｂを介さずに、第２シリンダ２０ｂの下方端側である低温端部を、上記した熱伝導に優れた材料で構成して、それを２段ステージ４６としてもよい。

次に、第１蓄冷器容器３２、第２蓄冷器容器４２に充填される第１蓄冷材３３、第２蓄冷材４３について説明する。図２は、本発明に係る一実施の形態の蓄冷式冷凍機１０に適用される第２蓄冷器４０の断面を模式的に示した図である。なお、図２には、第２蓄冷器容器４２に充填された第２蓄冷材４３の充填構造の断面の一部を拡大して模式的に示している。

第１蓄冷器容器３２に充填される第１蓄冷材３３として、従来の２段ＧＭ冷凍機における第１蓄冷器容器に充填される第１蓄冷材と同様に、例えば、銅、ステンレス、鉛などの金属をメッシュ状、球状、ハニカム状などに形成したものなどが用いられる。なお、第１蓄冷器容器３２に充填される第１蓄冷材３３は、上記したものに限られるものではなく、従来の２段ＧＭ冷凍機等における第１蓄冷器容器に充填する蓄冷材として公知なものを使用することができる。また、例えば、第１蓄冷材が球状の場合には、ほぼ同じ粒径の蓄冷材が密に充填される。

図２に示すように、第２蓄冷器容器４２には、同じ材料で形成された、小粒径群の蓄冷材（以下、小粒径群蓄冷材４３ａという）と大粒径群の蓄冷材（以下、大粒径群蓄冷材４３ｂという）とからなる第２蓄冷材４３が最密充填されている。なお、ここでいう第２蓄冷材４３を最密充填するとは、例えば、小粒径群蓄冷材４３ａが隣接する４つの大粒径群蓄冷材４３ｂの間に位置するように充填し、第２蓄冷器容器４２内の空隙率が後述する３０％以下となるように充填することをいう。

また、小粒径群蓄冷材４３ａの平均粒径に対する大粒径群蓄冷材４３ｂの平均粒径の比を５以下にすることが好ましい。ここで、小粒径群蓄冷材４３ａの平均粒径に対する大粒径群蓄冷材４３ｂの平均粒径の比を５以下にすることが好ましいのは、平均粒径の比が５を超える場合には、大粒径群蓄冷材４３ｂの隙間が小粒径群蓄冷材４３ａよりも大きくなる可能性が高くなり、隙間内で小粒径群蓄冷材４３ａが固定されないために隙間内で動くことで、材料の磨耗、破損により冷凍性能を劣化させることがあるためである。なお、平均粒径の比の下限値は２．５以上であることが好ましい。下限値が２．５よりも小さい場合には、充填率が低下する可能性が高いためである。また、ここでいう平均粒径は、算術平均粒径である。この平均粒径は、例えば、顕微鏡写真を用いて実測して複数の粒径区分（ｘｉ）に分け、各粒径区分において、粒径区分（ｘｉ）を代表する粒径である平均値に、その粒径区分に分けられた蓄冷材の個数（ｎｉ）を乗じた値（ｘｉ・ｎｉ）を算出し、各粒径区分において算出されたその値を合計し（Σ（ｘｉ・ｎｉ））、その合計した値をすべての区分の蓄冷材の個数（Σｎｉ）で除する（Σ（ｘｉ・ｎｉ）／Σｎｉ）ことで算出される。

また、大粒径群蓄冷材４３ｂにおける最小の粒径は、小粒径群蓄冷材４３ａにおける最大の粒径の２．５倍以上となることが好ましい。ここで、大粒径群蓄冷材４３ｂにおける最小の粒径は、小粒径群蓄冷材４３ａにおける最大の粒径の２．５倍以上となることが好ましいのは、２．５倍よりも小さい場合には、充填率が低下する可能性が高いためである。なお、この場合における上限値は５以下であることが好ましい。上限値が５よりも大きい場合には、大粒径群蓄冷材４３ｂの隙間が小粒径群蓄冷材４３ａよりも大きくなる可能性が高くなり、隙間内で小粒径群蓄冷材４３ａが固定されないために隙間内で動くことで、材料の磨耗、破損により冷凍性能を劣化させることがあるためである。

また、大粒径群蓄冷材４３ｂの平均粒径は、式（１）によって算出される熱浸透深さＬ_ｄの１/２以下であることが好ましい。

ここで、κは熱拡散率（thermal diffusivity）であり、ｆは蓄冷式冷凍機１０の運転周波数である。なお、熱拡散率は、材料の熱伝導率λを、材料の密度ρと比熱Ｃを乗じた値で除した値（λ／（ρ・Ｃ））である。大粒径群蓄冷材４３ｂの平均粒径を熱浸透深さＬ_ｄの１/２以下とするのが好ましいのは、蓄冷材料の比熱を有効に利用して、蓄冷効率を向上させるためである。

また、上記した小粒径群蓄冷材４３ａおよび大粒径群蓄冷材４３ｂを、重量比（小粒径群蓄冷材４３ａ：大粒径群蓄冷材４３ｂ）で１：１から１：３の範囲で第２蓄冷器容器４２に充填することが好ましい。この範囲の重量比で小粒径群蓄冷材４３ａおよび大粒径群蓄冷材４３ｂを充填することで、小粒径群蓄冷材４３ａおよび大粒径群蓄冷材４３ｂを最密充填することができる。なお、小粒径群蓄冷材４３ａと大粒径群蓄冷材４３ｂの重量比は、用途に応じて上記した範囲内で組み合わせて設定することができる。

上記した小粒径群蓄冷材４３ａおよび大粒径群蓄冷材４３ｂを、第２蓄冷器容器４２内に最密充填し、充填後の第２蓄冷器容器４２内の空隙率を３０％以下とすることが好ましい。ここで、空隙率を３０％以下とすることが好ましいのは、空隙率が３０％を超えると、冷凍能力の向上を図ることが難しくなるからである。一方、この空隙率はあまり小さくなると第２蓄冷材４３間を冷媒ガスが通過する際の圧力損失が増加するため好ましくない。本発明においては上記したように、小粒径群蓄冷材４３ａの平均粒径に対する大粒径群蓄冷材４３ｂの平均粒径の比を５以下に規定しているため、最小となる空隙率はおのずと決定するが、決して零になることはないことは明らかである。ここで、空隙率は、第２蓄冷器容器４２内における充填材を充填する空間に対する、第２蓄冷器容器４２内において充填材間に存在する空隙部の占める割合を示すものである。空隙率は、第２蓄冷器容器４２における蓄冷材を充填する空間の体積に蓄冷材の密度を乗じて、第２蓄冷器容器４２内のすべてを蓄冷材で満たしたときの蓄冷材の重量、すなわち充填可能な最大重量Ｍｍａｘを算出し、実際に充填した蓄冷材の重量Ｍを最大重量Ｍｍａｘで除して充填率（Ｍ／Ｍｍａｘ）を算出し、１から充填率（Ｍ／Ｍｍａｘ）を減じる（１−（Ｍ／Ｍｍａｘ））ことで算出される。

充填される第２蓄冷材４３としては、鉛、磁性材料、セラミックス等が使用され、例えば、使用する温度条件で比熱が大きい材料が選択される。なお、小粒径群蓄冷材４３ａおよび大粒径群蓄冷材４３ｂは同じ材料で構成される。磁性材料としては、例えば、Ｅｒ_３Ｎｉ、ＨｏＣｕ_２、Ｎｄ等が挙げられる。また、セラミックスとしては、例えば、Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ、ＧｄＡｌＯ_３、ＧｄＶＯ_４等のセラミックス蓄冷材が挙げられる。

また、冷媒ガスとしては、ヘリウムが用いられる。

次に、第２蓄冷材４３の充填方法について説明する。

まず、第２蓄冷器容器４２内に、充填すべき第２蓄冷材４３、すなわち小粒径群蓄冷材４３ａおよび大粒径群蓄冷材４３ｂを投入する。続いて、例えばステンレス鋼等で形成された板状のスペーサを第２蓄冷材４３上に配置し、このスペーサを介してプレス冶具等で第２蓄冷材４３の上面を均一に、かつ蓄冷材および蓄冷器容器が変形しない程度に押圧する。

続いて、押圧した状態で、所定の振動数で振動するバイブレータを第２蓄冷器容器４２の底面に接触させ、１分程度振動を与える。上記した押圧工程と振動工程をさらに２回繰り返す。

上記した充填方法によって、第２蓄冷材４３、すなわち小粒径群蓄冷材４３ａおよび大粒径群蓄冷材４３ｂを、第２蓄冷器容器４２内に最密充填することができる。

上記したように、本発明に係る一実施の形態の蓄冷式冷凍機１０によれば、第２蓄冷器容器４２に、同じ材料で形成された、小粒径群蓄冷材４３ａと大粒径群蓄冷材４３ｂとからなる第２蓄冷材４３を最密充填することで、蓄冷材の充填率が上がり、冷凍能力を向上させることができる。

図３は、本発明に係る一実施の形態の蓄冷式冷凍機１０に適用される第２蓄冷器４０の他の構造の断面を模式的に示した図である。

図３に示すように、第２蓄冷器４０の他の構造では、第２蓄冷器容器４２における蓄冷材を充填する空間を、冷媒ガスの流れる方向に垂直に設けられた仕切り板１１０で２分割し、貫通穴４５側、すなわち高温側の高温側空間１１１と、第２蓄冷材低温側流路４４側、すなわち低温側の低温側空間１１２を形成する。

ここで、仕切り板１１０は、例えばパンチ穴が多数貫通されたステンレス鋼からなる板に、網目の大きさが蓄冷材の最小粒径よりも小さい金属メッシュを貼り付けた板状部材、あるいは複数の貫通穴が形成されたフェルト円板で形成され、冷媒ガスが通過できるように形成されている。なお、貫通孔の孔径は、高温側空間１１１および低温側空間１１２に充填されている蓄冷材のうち粒径が最小となる蓄冷材が通過できないように設定されている。

高温側空間１１１には、冷媒ガスが通過する際の圧力損失を抑えるために、上記した第１蓄冷器容器３２に充填される第１蓄冷材３３と同様に、ほぼ同じ粒径の高温側第２蓄冷材１１３が密に充填される。また、低温側空間１１２には、蓄冷材と冷媒との伝熱表面積を増加することで蓄冷効率を向上させるために、前述した蓄冷式冷凍機１０の第２蓄冷器４０と同様に、小粒径群蓄冷材４３ａと、大粒径群蓄冷材４３ｂとからなる低温側第２蓄冷材１１４が最密充填される。なお、この場合、低温側空間１１２に充填される充填材の材料として、鉛よりも低温で比熱が大きい、例えばＥｒ_３Ｎｉ、ＨｏＣｕ_２、Ｎｄ等の磁性材料、あるいはＧｄ_２Ｏ_２Ｓ、ＧｄＡｌＯ_３、ＧｄＶＯ_４等のセラミックス蓄冷材を用いることが好ましい。

ここで、高温側空間１１１および低温側空間１１２に充填される蓄冷材は、それぞれの空間における温度で比熱が大きな材料を選択して使用することが好ましい。例えば、高温側空間１１１には、鉛からなる高温側第２蓄冷材１１３を充填し、低温側空間１１２には、高温側空間１１１よりもさらに低温で鉛よりも比熱が大きなＥｒ_３Ｎｉ、ＨｏＣｕ_２、Ｎｄ等の磁性材料からなる低温側第２蓄冷材１１４を充填する。

ここで、高温側空間１１１と低温側空間１１２との体積比、換言すれば、高温側空間１１１に充填される高温側第２蓄冷材１１３と低温側空間１１２に充填される低温側第２蓄冷材１１４との重量比は、特に限定されるものではなく、冷凍性能および圧力損失などの因子を考慮して用途に応じて適宜に設定される。

次に、高温側第２蓄冷材１１３および低温側第２蓄冷材１１４の充填方法について説明する。なお、ここでは、第２蓄冷器容器４２の低温側、すなわち第２蓄冷材低温側流路４４側から蓄冷材を充填する場合について説明する。したがって、第２上部シール４１側を下にして蓄冷材を充填する。

まず、第２蓄冷器容器４２内に、充填すべき高温側第２蓄冷材１１３を投入する。続いて、例えばステンレス鋼等で形成された板状のスペーサを高温側第２蓄冷材１１３上に配置し、このスペーサを介してプレス冶具等で高温側第２蓄冷材１１３の上面を均一に、かつ蓄冷材および蓄冷器容器が変形しない程度に押圧する。ここでは、スペーサとして仕切り板１１０を用いることが好ましい。

続いて、押圧した状態で、所定の振動数で振動するバイブレータを、第２蓄冷器容器４２の第２上部シール４１が位置する下方部に接触させ、１分程度振動を与える。上記した押圧工程と振動工程をさらに２回繰り返す。

続いて、密に充填された高温側第２蓄冷材１１３上に、上記したスペーサを介して、充填すべき低温側第２蓄冷材１１４、すなわち小粒径群蓄冷材４３ａおよび大粒径群蓄冷材４３ｂを投入する。続いて、例えばステンレス鋼等で形成された板状のスペーサを低温側第２蓄冷材１１４上に配置し、このスペーサを介してプレス冶具等で低温側第２蓄冷材１１４の上面を均一に、かつ蓄冷材および蓄冷器容器が変形しない程度に押圧する。

続いて、押圧した状態で、高温側第２蓄冷材１１３を密に充填する工程と同様に、所定の振動数で振動するバイブレータを、第２蓄冷器容器４２の第２上部シール４１が位置する下方部に接触させ、１分程度振動を与える。上記した押圧工程と振動工程をさらに２回繰り返す。

上記した充填方法によって、高温側第２蓄冷材１１３を密に充填し、さらに低温側第２蓄冷材１１４、すなわち小粒径群蓄冷材４３ａおよび大粒径群蓄冷材４３ｂを最密充填することができる。

上記したように、本発明に係る一実施の形態の蓄冷式冷凍機１０によれば、第２蓄冷器容器４２における蓄冷材を充填する空間を、冷媒ガスの流れる方向に垂直に設けられた仕切り板１１０で２分割し、高温側空間１１１に、ほぼ同じ粒径の高温側第２蓄冷材１１３を密に充填し、低温側空間１１２に、小粒径群蓄冷材４３ａと、大粒径群蓄冷材４３ｂとからなる低温側第２蓄冷材１１４が最密充填することで、冷媒ガスが通過する際の圧力損失を抑えることができるとともに、冷凍能力を向上させることができる。

なお、本発明の実施形態は、本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。例えば、上記した蓄冷式冷凍機として、一般的に普及している２段ＧＭ冷凍機を使用した一例を示したが、この冷凍機に限られず、本発明は冷却温度が液体窒素温度レベル以下の蓄冷式冷凍機に対して適用することができる。例えば、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機等に適用することができ、冷却段数も３段、あるいは１段においても、冷却温度が液体窒素温度以下となるようなものに対して本発明を適用することが可能である。

次に、本発明に係る蓄冷式冷凍機１０が冷凍能力に優れることを実施例１〜実施例３、比較例１〜比較例２に基づいて説明する。

（実施例１）
実施例１では、図３に示した第２蓄冷器４０の構造を備える蓄冷式冷凍機１０を使用したので、図１および図３を参照して説明する。また、表１に、第２蓄冷器容器４２に充填された高温側第２蓄冷材１１３および低温側第２蓄冷材１１４の構成を示す。なお、第２蓄冷器容器４２に、高温側第２蓄冷材１１３および低温側第２蓄冷材１１４を充填する方法は、前述した方法と同じとした。また、ここでは、第２蓄冷器容器４２の低温側、すなわち第２蓄冷材低温側流路４４側から蓄冷材を充填した。

蓄冷式冷凍機１０に使用する第２蓄冷器４０への充填材の充填は、次のように行われた。

まず、第２蓄冷器容器４２内に、粒径範囲が０．２５〜０．３５５ｍｍで、平均粒径が０．３０３ｍｍの鉛からなる高温側第２蓄冷材１１３を３６０ｇ投入した。続いて、ステンレス鋼等で形成され、冷媒ガスを通過させるための貫通孔が形成された板状の仕切り板１１０を高温側第２蓄冷材１１３上に配置し、このスペーサを介してプレス冶具等で高温側第２蓄冷材１１３の上面を均一に、かつ蓄冷材および蓄冷器容器が変形しない程度に押圧した。

続いて、押圧した状態で、５０Ｈｚ振動数で振動するバイブレータを、第２蓄冷器容器４２の第２上部シール４１が位置する下方部に接触させ、１分程度振動を与えた。上記した押圧工程と振動工程をさらに２回繰り返した。この押圧工程と振動工程をさらに２回繰り返した後の空隙率は３７％であった。

続いて、密に充填された高温側第２蓄冷材１１３上に、上記した仕切り板１１０を介して、粒径範囲が０．２５〜０．３５５ｍｍで、平均粒径が０．３０３ｍｍの鉛からなる小粒径群蓄冷材４３ａと、粒径範囲が１〜１．４ｍｍで、平均粒径が１．２ｍｍの鉛からなる大粒径群蓄冷材４３ｂとを、それぞれの重量比を１：１として、３７０．５ｇを投入した。

ステンレス鋼等で形成され、冷媒ガスを通過させるための貫通孔が形成された板状のスペーサを低温側第２蓄冷材１１４上に配置し、このスペーサを介してプレス冶具等で低温側第２蓄冷材１１４の上面を均一に、かつ蓄冷材および蓄冷器容器が変形しない程度に押圧した。

続いて、押圧した状態で、高温側第２蓄冷材１１３を密に充填する工程と同様に、５０Ｈｚの振動数で振動するバイブレータを、第２蓄冷器容器４２の第２上部シール４１が位置する下方部に接触させ、１分程度振動を与えた。上記した押圧工程と振動工程をさらに２回繰り返した。この押圧工程と振動工程をさらに２回繰り返した後の空隙率は２８％であった。

このように蓄冷材が充填された第２蓄冷器４０の構造を備える蓄冷式冷凍機１０を用いて冷凍能力を測定した。冷凍能力の測定は以下のように実施した。

ディスプレーサ６０は、断熱真空容器に取り付け、１段ステージ３６および２段ステージ４６には、それぞれ熱負荷試験用のヒータと、極低温計測用の抵抗温度計を取り付けた。１段ステージ３６および２段ステージ４６における冷凍能力は、４端子法により熱負荷ヒータに電気的な入熱を行い、電流、電圧の測定（入力熱量＝ヒータ抵抗発熱＝電流×電圧）により入力熱量を見積もった。

また、１段ステージ３６には、２段ステージ４６への輻射熱の侵入を低減するための、輻射シールド板を取り付けた。また、２段ステージ４６を、１段ステージ３６と同じ温度にまで冷却した輻射シールド板で覆った。また、さらなる輻射熱の侵入を低減するために、２段ステージ４６の周囲に１０層の多層断熱材を設けた。また、室温からの輻射熱の低減のために、輻射シールド板に１段ステージ３６とともに３０層の多層断熱材を巻いた。

冷媒ガスであるヘリウムガスの吸気および排気を行うために、ディスプレーサ６０をフレキシブルホースを介してコンプレッサ１００と接続した。また、冷凍能力の測定は、モータ９０を毎分５３回転で駆動させて、ディスプレーサ６０の１サイクルの動作を０．８８Ｈｚとし、２ＭＰａ程度の初期封入圧力を入れた状態で実施した。また、第２蓄冷器容器４２の高温側の端部の温度を３５Ｋに設定した。

（実施例２）
実施例２で使用した第２蓄冷器４０は、実施例１で使用した第２蓄冷器４０と高温側第２蓄冷材１１３および低温側第２蓄冷材１１４の充填量が異なる以外は、実施例１で使用した第２蓄冷器４０と同じとした。表１に、第２蓄冷器容器４２に充填された高温側第２蓄冷材１１３および低温側第２蓄冷材１１４の構成を示す。

表１に示すように、実施例２で使用した第２蓄冷器４０には、高温側第２蓄冷材１１３を６８０ｇ、低温側第２蓄冷材１１４を３２１．５ｇ充填した。高温側第２蓄冷材１１３を充填した後の空隙率は３７％、低温側第２蓄冷材１１４を充填した後の空隙率は２９％であった。

また、冷凍能力の測定方法、測定条件および算出方法等は、実施例１におけるものと同じとした。

（比較例１）
表２に、第２蓄冷器容器４２に充填された第２蓄冷材４３の構成を示す。表２に示すように、実施例２で使用した第２蓄冷器４０は、第２蓄冷材４３として、粒径範囲が０．２５〜０．３５５ｍｍで、平均粒径が０．３０３ｍｍの鉛からなる蓄冷材を使用し、その充填量を６９５．５ｇとした。なお、第２蓄冷材４３を密に充填する方法は、実施例１の充填方法と同じとした。第２蓄冷材４３を充填した後の空隙率は３７％であった。

また、冷凍能力の測定方法、測定条件および算出方法等は、実施例１におけるものと同じとした。

（実施例１〜実施例２および比較例１の測定結果）
図４は、実施例１〜実施例２および比較例１の冷凍能力の測定結果を示す図である。

上記したように、実施例１〜実施例２における低温側第２蓄冷材１１４を充填した後の空隙率は、２８または２９％であり、比較例１の第２蓄冷材４３を充填した後の空隙率（３７％）よりも小さく、実施例１〜実施例２における低温側空間１１２における蓄冷材は最密充填されていることがわかった。また、図４に示すように、蓄冷材が最密充填された低温側空間１１２を備える実施例１〜実施例２における蓄冷式冷凍機１０の冷凍能力は、比較例１における蓄冷式冷凍機１０の冷凍能力よりも優れていることが明らかになった。

また、充填した蓄冷材の重量がほぼ同じである、実施例１と比較例１における結果を比較すると、充填量が同じでも、蓄冷材が最密充填された低温側空間１１２を備える実施例１における蓄冷式冷凍機１０の冷凍能力の方が優れていることがわかった。

（実施例３）
実施例３で使用した第２蓄冷器４０には、高温側第２蓄冷材１１３と低温側第２蓄冷材１１４とを異なる材料で構成し、それらを充填した。なお、蓄冷材の充填方法は、実施例１における充填方法と同じである。また、表３に、第２蓄冷器容器４２に充填された高温側第２蓄冷材１１３および低温側第２蓄冷材１１４の構成を示す。

表３に示すように、高温側第２蓄冷材１１３として、粒径範囲が０．２５〜０．３５５ｍｍで、平均粒径が０．３０３ｍｍの鉛からなる蓄冷材を３９２．５ｇ使用した。また、低温側第２蓄冷材１１４として、粒径範囲が０．０６２〜０．１０６ｍｍで、平均粒径が０．０８４ｍｍのＨｏＣｕ_２からなる小粒径群蓄冷材４３ａと、粒径範囲が０．２５〜０．３５５ｍｍで、平均粒径が０．３０３ｍｍのＨｏＣｕ_２からなる大粒径群蓄冷材４３ｂとを使用し、それぞれの重量比を１：１として２５３．５ｇ使用した。

高温側第２蓄冷材１１３を充填した後の空隙率は３６％、低温側第２蓄冷材１１４を充填した後の空隙率は２７％であった。

また、冷凍能力の測定は、モータ９０を毎分７４回転で駆動させて、ディスプレーサ６０の１サイクルの動作を１．２３Ｈｚとした以外の、冷凍能力の測定方法、測定条件および算出方法等は、実施例１におけるものと同じとした。

（比較例２）
比較例２で使用した第２蓄冷器４０では、低温側第２蓄冷材を１つの粒径範囲を有する蓄冷材で構成した以外は、実施例３で使用した第２蓄冷器４０と同じとした。なお、蓄冷材の充填方法は、実施例１における充填方法と同じである。表４に、第２蓄冷器容器４２に充填された高温側第２蓄冷材１１３および低温側第２蓄冷材の構成を示す。

表４に示すように、高温側第２蓄冷材１１３として、粒径範囲が０．２５〜０．３５５ｍｍで、平均粒径が０．３０３ｍｍの鉛からなる蓄冷材を３９２．５ｇ使用した。また、低温側第２蓄冷材として、粒径範囲が０．１４９〜０．２１ｍｍで、平均粒径が０．１８０ｍｍのＨｏＣｕ_２からなる蓄冷材を２３０．５ｇ使用した。

高温側第２蓄冷材１１３を充填した後の空隙率は３６％、低温側第２蓄冷材を充填した後の空隙率は３４％であった。

また、冷凍能力の測定方法、測定条件および算出方法等は、実施例３におけるものと同じとした。

（実施例３および比較例２の測定結果）
図５は、実施例３および比較例２の冷凍能力の測定結果を示す図である。なお、図５には、前述した実施例１〜実施例２および比較例１で使用した蓄冷式冷凍機１０を、実施例３と同じ測定条件で作動させて冷凍能力を測定した結果も示している。

上記したように実施例３における低温側第２蓄冷材１１４を充填した後の空隙率は、２７％であり、比較例２の低温側第２蓄冷材を充填した後の空隙率（３４％）よりも小さく、実施例３における低温側空間１１２における蓄冷材は最密充填されていることがわかった。また、図５に示すように、蓄冷材が最密充填された低温側空間１１２を備える実施例３における蓄冷式冷凍機１０の冷凍能力は、比較例２における蓄冷式冷凍機１０の冷凍能力よりも優れていることが明らかになった。また、前述した実施例１〜実施例２における結果との比較により、低温側第２蓄冷材１１４として、磁性材料であるＨｏＣｕ_２を使用することで、より低温の条件においても優れた冷凍能力を有することがわかった。

本発明に係る一実施の形態の蓄冷式冷凍機の断面を模式的に示した図。 本発明に係る一実施の形態の蓄冷式冷凍機に適用される第２蓄冷器の断面を模式的に示した図。 本発明に係る一実施の形態の蓄冷式冷凍機に適用される第２蓄冷器の他の構造の断面を模式的に示した図。 実施例１〜実施例２および比較例１の冷凍能力の測定結果を示す図。 実施例３および比較例２の冷凍能力の測定結果を示す図。

符号の説明

１０…蓄冷式冷凍機、２０…シリンダ、２０ａ…第１シリンダ、２０ｂ…第２シリンダ、３０…第１蓄冷器、３１…第１上部シール、３２…第１蓄冷器容器、３３…第１蓄冷材、３４…第１蓄冷材低温側流路、３５…貫通穴、３６…１段ステージ、４０…第２蓄冷器、４１…第２上部シール、４２…第２蓄冷器容器、４３…第２蓄冷材、４３ａ…小粒径群蓄冷材、４３ｂ…大粒径群蓄冷材、４４…第２蓄冷材低温側流路、４５…貫通穴、４６…２段ステージ、５０…蓄冷器連結部、５１…蓄冷器連結部流路、６０…ディスプレーサ、７０…第１膨張室、７１…第２膨張室、８０…シリンダ天板、９０…モータ、９１…スコッチヨーク、１００…コンプレッサ、１０１…配管、１０２…吸気バルブ、１０３…排気バルブ。

Claims (10)

1. 圧縮した冷媒ガスを蓄冷器において冷却し、低温部で断熱的に膨張させて寒冷を発生させる蓄冷式冷凍機であって、
   前記蓄冷器内の空間に、同じ材料で形成された、小粒径群の蓄冷材と大粒径群の蓄冷材とが充填され、前記小粒径群の蓄冷材の平均粒径に対する前記大粒径群の蓄冷材の平均粒径の比が５以下であり、前記小粒径群の蓄冷材および前記大粒径群の蓄冷材が充填された空間における空隙率が３０％以下であることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
2. 圧縮した冷媒ガスを蓄冷器において冷却し、低温部で断熱的に膨張させて寒冷を発生させる蓄冷式冷凍機であって、
   前記蓄冷器内の空間が、前記冷媒ガスの流れる方向に垂直に設けられた仕切板によって 高温部側の空間と、低温部側の空間とに区分され、
   前記高温部側の空間に、同じ材料で形成された同粒径の蓄冷材が充填され、
   前記低温部側の空間に、同じ材料で形成された、平均粒径の異なる小粒径群の蓄冷材と大粒径群の蓄冷材とが充填され、前記小粒径群の蓄冷材の平均粒径に対する前記大粒径群の蓄冷材の平均粒径の比が５以下であり、前記小粒径群の蓄冷材および前記大粒径群の蓄冷材が充填された空間における空隙率が３０％以下であることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
3. 前記大粒径群の蓄冷材における最小の粒径が、前記小粒径群の蓄冷材における最大の粒径の２．５倍以上であることを特徴とする請求項１または２記載の蓄冷式冷凍機。
4. 前記大粒径群の蓄冷材の平均粒径が、
   

   

   （但し、κを熱拡散率、ｆを蓄冷式冷凍機の運転周波数とする）
   によって算出される熱浸透深さＬ_ｄの１/２以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の蓄冷式冷凍機。
5. 前記小粒径群の蓄冷材および前記大粒径群の蓄冷材が鉛からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の蓄冷式冷凍機。
6. 前記小粒径群の蓄冷材および前記大粒径群の蓄冷材が磁性材料からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の蓄冷式冷凍機。
7. 前記小粒径群の蓄冷材および前記大粒径群の蓄冷材がセラミックスからなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の蓄冷式冷凍機。
8. 前記高温部側の空間に充填される蓄冷材が鉛からなり、前記低温部側の空間に充填される、前記小粒径群の蓄冷材および前記大粒径群の蓄冷材が磁性材料からなることを特徴とする請求項２記載の蓄冷式冷凍機。
9. 前記高温部側の空間に充填される蓄冷材が鉛からなり、前記低温部側の空間に充填される、前記小粒径群の蓄冷材および前記大粒径群の蓄冷材がセラミックスからなることを特徴とする請求項２記載の蓄冷式冷凍機。
10. 前記冷媒ガスが、ヘリウムであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載の蓄冷式冷凍機。

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