JP2010281468A - 冷凍機、蓄冷器、および蓄冷器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
パルス管冷凍機に用いられる蓄冷器において、熱収縮による低温側のメッシュ状蓄冷材と円筒状ケースとの間に隙間が生じない構造とし、メッシュ状蓄冷材による蓄冷能力の低下を防止する。
【解決手段】
複数枚のメッシュ状蓄冷材を筒状ケースの内部に該筒状ケースの軸方向に積層してなる蓄冷器において、前記メッシュ状蓄冷材と前記筒状ケースの内周面との接触部を溶接によって接合する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、特にパルス管冷凍機、パルス管冷凍機における蓄冷器、およびその蓄冷器の製造方法に関する。

従来技術として、特許文献１に記載のパルス管冷凍機が知られている。図５は特許文献１に記載のパルス管冷凍機の概略構成図である。図５において、１０は内部にガス状冷媒が充填されたコンプレッサであり、シリンダ１２内にピストン１３が移動可能に設けられている。２０はコンプレッサ１０に第１パイプ１５を介して連結された蓄冷器であり、内部に蓄冷材２２を充填している。４０は蓄冷器２０に第２パイプ３１を介して連結されたパルス管である。３０は１００K以下の極低温を取り出すための低温取出用熱交換器であり、第２パイプ３１の途中に設けられている。５３はパルス管４０に第３パイプ５１を介して連結されたバッファタンクであり、第３パイプ５１の途中にオリフィス弁５２が設けられている。２１は蓄冷器２０のコンプレッサ側端部に設けられた放熱用熱交換器、４１はパルス管４０のバッファタンク側端部に設けられた放熱用熱交換器である。そして、蓄冷器２０、低温取出用熱交換器３０、パルス管４０、およびこれらを連結する第２パイプ３１は真空チャンバ６０に収納されている。

上記の構成においてピストン１３の図５下方向への移動による圧縮過程においてコンプレッサ１０で圧縮したガス状冷媒は、放熱用熱交換器２１および蓄冷器２０を通る間に冷却されてパルス管４０に流入し、このパルス管４０内の残留冷媒は圧縮されてその圧縮熱が放熱用熱交換器４１で放熱され、さらに冷媒がオリフィス弁５２を通る間に断熱膨張により冷却されてバッファタンク５３内に流入する。
その後、ピストン１３の図５上方向への移動による膨張過程においてコンプレッサ１０内へガス状冷媒を吸引動作することでバッファタンク５３内に蓄積されたガス状冷媒を復帰移動させ、これをパルス管４０内で断熱膨張させてさらに低温化させ、低温取出用熱交換器３０および蓄冷器２０を冷却してコンプレッサ１０に帰還させる。
このようにガス状冷媒の往復移動サイクルを繰り返すことにより、低温取出用熱交換器３０にて極低温を得るようにしたものである。

ところで、蓄冷器２０として円筒状ケース２３と、この円筒状ケース２３の内部にその軸方向に積層した複数枚のメッシュ状蓄冷材２２から構成されているものがある。
この種の蓄冷器２０では、低温側のメッシュ状蓄冷材２２が熱収縮し、高温側のメッシュ状蓄冷材２２が膨張するために、低温側において円筒状ケース２３とメッシュ状蓄冷材２２との間に隙間が発生し、ガス状冷媒がこの隙間に流れてメッシュ状蓄冷材２２の内部を流れるガス状冷媒量が減少し、蓄冷能力の低下を招き、冷凍能力向上の障害となっていた。
このような課題に対して、特許文献１では、極低温時においても円筒状ケース２３とメッシュ状蓄冷材２２の間に隙間が開かないように、円筒状ケース２３をテーパ状に形成し、円筒状ケース２３に応力を付与するリング２４を嵌めて、円筒状ケース２３の内部に圧縮応力を付与し、円筒状ケース２３とメッシュ状蓄冷材２２と密接させる技術が開示されている。

しかし、特許文献１に記載の技術を用いると、膨張機全体が大きくなったり、熱容量の増大に伴う温度降下時間が長くなったり、定常時性能以外の面でデメリットが顕著になった。性能面においても、蓄冷管のテーパ形状故に低温端への伝導熱侵入量が増大するため、条件によってはマイナス効果さえ生じる可能性がある。さらには、高精度の薄肉テーパ管を使用することで製作コストが大幅に増大するという問題があった。

特開平７−２６９９６７号公報

冷凍機の冷凍出力を向上させるためには、蓄冷器において、熱収縮による低温側のメッシュ状蓄冷材と円筒状ケースとの間に隙間が生じない構造とし、メッシュ状蓄冷材における蓄冷能力の低下を防止することが大変重要である。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、蓄冷器における蓄冷効率を向上させ、冷凍出力を向上させる蓄冷器およびその蓄冷器を用いた冷凍機を提供するものである。

本発明に係る蓄冷器は、複数枚のメッシュ状蓄冷材を筒状ケースの内部に該筒状ケースの軸方向に積層してなる蓄冷器であって、前記メッシュ状蓄冷材と前記筒状ケースの内周面との接触部を溶接によって接合している。
本発明に係る蓄冷器において、前記蓄冷器の軸方向一端側に位置する複数枚の前記メッシュ状蓄冷材と前記円筒状ケースの内周面との接触部を溶接によって接合している。
本発明に係る冷凍装置は、内部にガス状冷媒が充填されたコンプレッサと、上記本発明に係る蓄冷器と、低温取出用熱交換器と、パルス管とを直列に連結し、前記コンプレッサの動作により圧縮、若しくは膨張させたガス状冷媒を往復移動させることによって、前記低温取出用熱交換器を冷却する冷凍装置。
さらに、上記本発明に係る蓄冷器を採用した冷凍装置にあっては、蓄冷器が軸方向一端側に位置する複数枚の前記メッシュ状蓄冷材と前記円筒状ケースの内周面との接触部を溶接によって接合した蓄冷器である場合には、前記メッシュ状蓄冷材と前記円筒状ケースの内周面とを溶接した軸方向一端が、低温端部側となるように前記コンプレッサに接続されていることを特徴とする。

さらに本発明に係る冷凍装置は、内部にガス状冷媒が充填されたコンプレッサと、上記本発明に係る蓄冷器と、低温取出用熱交換器と、パルス管とを直列に連結し、前記コンプレッサの動作により圧縮、若しくは膨張させたガス状冷媒を往復移動させることによって、前記低温取出用熱交換器を冷却する冷凍装置であって、前記蓄冷器は、前記メッシュ状蓄冷材と前記円筒状ケースの内周面とを溶接した軸方向一端が、前記低温取出用熱交換器側となるように前記コンプレッサに接続されている。
上記本発明に係る蓄冷器の製造方法は、絶縁された支持具によって、前記筒状ケースの内周面を支持すると共に、前記メッシュ状蓄冷材の前記筒状ケースの軸方向における位置を固定し、前記筒状ケースにスポット溶接の一方の電極を接触させ、スポット溶接の他方の電極を備えた押圧具により、前記筒状ケースに挿入された前記メッシュ状蓄冷材を押圧すると共に、電極から通電して前記筒状ケースの内周面と前記メッシュ状蓄冷材との接触部をスポット溶接により接合することを特徴とする。

蓄冷器において、熱収縮による低温側のメッシュ状蓄冷材と円筒状ケースとの間に隙間が生じないため、メッシュ状蓄冷材による蓄冷能力の低下を防止でき、蓄冷器における蓄冷効率が向上し、冷凍出力が向上する。

本発明に係る実施形態におけるパルス管冷凍機の概略構成図である。 本発明に係る実施形態における蓄冷器の軸方向断面図である。 本発明に係る実施形態における蓄冷器の溶接状態を表した径方向断面図である。 本発明に係る実施形態における蓄冷器の製造装置の概略図である。 特許文献１に記載のパルス管冷凍機の概略構成図である。

本発明に係る実施形態について図に基づいて説明する。図１は本発明に係る実施形態におけるパルス管冷凍機の概略構成図である。なお、蓄冷器以外の構成は従来技術と何ら変更はなく、蓄冷式の冷凍機であれば図１に示す構成以外も採用可能であり、駆動方式や構成は問わない。
図１において、１０は内部にガス状冷媒が充填されたコンプレッサであり、シリンダ１２内にピストン１３が移動可能に設けられている。２０はコンプレッサ１０に第１パイプ１５を介して連結された蓄冷器であり、内部に蓄冷材２２を充填している。４０は蓄冷器２０に第２パイプ３１を介して連結されたパルス管である。３０は１００K以下の極低温を取り出すための低温取出用熱交換器であり、第２パイプ３１の途中に設けられている。５３はパルス管４０に第３パイプ５１を介して連結されたバッファタンクであり、第３パイプ５１の途中にオリフィス弁５２が設けられている。２１は蓄冷器２０のコンプレッサ側端部に設けられた放熱用熱交換器、４１はパルス管４０のバッファタンク側端部に設けられた放熱用熱交換器である。そして、蓄冷器２０、低温取出用熱交換器３０、パルス管４０、およびこれらを連結する第２パイプ３１は真空チャンバ６０に収納されている。

上記の構成においてピストン１３の図１下方向への移動による圧縮過程においてコンプレッサ１０で圧縮したガス状冷媒は、放熱用熱交換器２１および蓄冷器２０を通る間に冷却されてパルス管４０に流入し、このパルス管４０内の残留冷媒は圧縮されてその圧縮熱が放熱用熱交換器４１で放熱され、さらに冷媒がオリフィス弁５２を通る間に断熱膨張により冷却されてバッファタンク５３内に流入する。
その後、ピストン１３の図１上方向への移動による膨張過程においてコンプレッサ１０内へガス状冷媒を吸引動作することでバッファタンク５３内に蓄積されたガス状冷媒を復帰移動させ、これをパルス管４０内で断熱膨張させてさらに低温化させ、低温取出用熱交換器３０および蓄冷器２０を冷却してコンプレッサ１０に帰還させる。
このようにガス状冷媒の往復移動サイクルを繰り返すことにより、低温取出用熱交換器３０にて極低温を得るようにしたものである。

次に、本実施形態における蓄冷器について図に基づいて詳細に説明する。
図２は本発明に係る実施形態における蓄冷器の軸方向断面図である。図２に示すように、蓄冷器２０は、円筒状ケース２３と、この円筒状ケース２３の内部にその軸方向に積層した複数枚のメッシュ状蓄冷材２２から構成されている。
図３は、本発明に係る実施形態における蓄冷器の溶接状態を表した径方向断面図である。メッシュ状蓄冷材２２は一般に図３に示すように金属線が一定の間隔に配置されるように金属線で織られている。なお、メッシュの間隔（金属線間に生じる空隙）は金属線径と１インチ当たりメッシュ数で確定する。通常、メッシュ状蓄冷材２２には、１インチ当たりのメッシュ数が２００〜４００であるステンレス製メッシュが使用される。
図４は、本発明に係る実施形態における蓄冷器の製造装置の概略図である。図４において、１０１はスポット溶接用電源、１０２はスポット溶接用スイッチ、１０３は円筒状ケース２３に取り付けるスポット溶接用電極、１０４はスポット溶接用電極を備えた押圧具、２０１は絶縁された支持具である。

スポット溶接用電極１０３は、円筒状ケース２３の外周面に固定するとスポット溶接の電極が円筒状ケース２３の外周面に密着するように構成されている。このスポット溶接用電極１０３は、作業性等を考慮して三日月状の１対の電極で円筒状ケース２３を挟みこむ形状とするのが望ましい。
押圧具１０４は、メッシュ状蓄冷材２２との接触面にスポット溶接用電極が備えられ、メッシュ状蓄冷材２２を押圧するとそのスポット溶接用電極がメッシュ状蓄冷材２２に密着するように構成されている。電極はリング形状であって、メッシュ状蓄冷材２２との接触面の外周近傍に設けられている。溶接箇所と電極の距離を短くするためである。
支持具２０１は、樹脂等により絶縁されており、円筒状ケース２３の内周面に嵌合される凸部を備え、凸部の上面にてメッシュ状蓄冷材２２が円筒状ケース２３の軸方向にずれないよう支持する。

次に、蓄冷器の製造方法について説明する。支持具２０１の凸部に円筒状ケース２３を嵌合する。少なくとも円筒状ケース２３の内径より大きく、かつ適正に接合される外径を有するメッシュ状蓄冷材２２を、押圧具１０４を用いて下方へ挿入する。
なお、メッシュ素線径や円筒状ケース２３、押圧具１０４による押し付け力等の条件により最適化されるが、メッシュ状蓄冷材２２の外径は、ある程度の平板状態を保持するために円筒状ケース２３の内径に対して２０μｍ〜６０μｍ程度大きく成形されることが好ましい。
押圧具１０４にてメッシュ状蓄冷材２２を押圧している状態にて、スポット溶接用スイッチ１０２を入れることで前述の２つの電極に電気が流れ、瞬間的に円筒状ケース２３とメッシュ状蓄冷材２２との接触部がスポット溶接される。図２において２５が溶接された箇所を示している。

メッシュ状蓄冷材２２は、少なくとも熱収縮が発生する低温側のメッシュ状蓄冷材２２と円筒状ケース２３とを溶接により接合する。通常は熱収縮が発生する所定の範囲に位置する複数枚のメッシュ状蓄冷材２２と円筒状ケース２３とを溶接により接合する。メッシュ状蓄冷材２２と円筒状ケース２３との間に隙間が生じなくなり、メッシュ状蓄冷材２２の蓄冷能力の低下を防止できる。
なお、熱収縮が発生しない範囲においてメッシュ状蓄冷材２２を一定枚数積層するごとに接合しても良い。また、メッシュ状蓄冷材２２の全数を接合しても良い。蓄冷器内部の圧力変動や流体振動によるメッシュ状蓄冷材２２のズレを抑制することが可能となるからである。
また、単純な円筒状ケースと円板状メッシュとの組合せについてのみ示したが、蓄冷管が２重円管で、メッシュがリング形状メッシュのような同軸型の場合にも同様な構成で接合できることは容易に想像できる。その際、メッシュ内周面の接合用の電極冶具が外側に押し付ける形状になる点で異なるだけで、メッシュ外周面の接合は全く同じ冶具で接合できる。

なおさらに、多角筒形状ケースと多角形状のメッシュ状蓄冷材との組合せであってもよい。
また、オリフィス弁５２に代替してイナータンスチューブを用いることもできる。
メッシュ状蓄冷材２２は、網目であれば平織または綾織等の織り方に限定されるものではない。さらに、網目に近い形状を有していれば製造方法等にも限定されない。つまり、パンチングメタルやエッジング加工等によって製造された網目に近い形状を有する板材等であっても良い。

１０ コンプレッサ
２０ 蓄冷器
２２ 蓄冷材
２３ 円筒状ケース
３０ 低温取出用熱交換器

Claims (5)

1. 複数枚のメッシュ状蓄冷材を筒状ケースの内部に該筒状ケースの軸方向に積層してなる蓄冷器において、
   前記メッシュ状蓄冷材と前記筒状ケースの内周面との接触部を溶接によって接合したこと、を特徴とする蓄冷器。
2. 請求項１に記載の蓄冷器において、
   前記蓄冷器の軸方向一端側に位置する複数枚の前記メッシュ状蓄冷材と前記円筒状ケースの内周面との接触部を溶接によって接合したこと、を特徴とする蓄冷器。
3. 内部にガス状冷媒が充填されたコンプレッサと、請求項１に記載の蓄冷器と、低温取出用熱交換器と、パルス管とを直列に連結し、前記コンプレッサの動作により圧縮、若しくは膨張させたガス状冷媒を往復移動させることによって、前記低温取出用熱交換器を冷却する冷凍装置。
4. 内部にガス状冷媒が充填されたコンプレッサと、請求項２に記載の蓄冷器と、低温取出用熱交換器と、パルス管とを直列に連結し、前記コンプレッサの動作により圧縮、若しくは膨張させたガス状冷媒を往復移動させることによって、前記低温取出用熱交換器を冷却する冷凍装置であって、
   前記蓄冷器は、前記メッシュ状蓄冷材と前記円筒状ケースの内周面とを溶接した軸方向一端が、前記低温取出用熱交換器側となるように前記コンプレッサに接続されていることを特徴とする冷凍装置。
5. 複数枚のメッシュ状蓄冷材を筒状ケースの内部に該筒状ケースの軸方向に積層してなる蓄冷器において、
   絶縁された支持具によって、前記筒状ケースの内周面を支持すると共に、前記メッシュ状蓄冷材の前記筒状ケースの軸方向における位置を固定し、
   前記筒状ケースにスポット溶接の一方の電極を接触させ、
   スポット溶接の他方の電極を備えた押圧具により、前記筒状ケースに挿入された前記メッシュ状蓄冷材を押圧すると共に、電極から通電して前記筒状ケースの内周面と前記メッシュ状蓄冷材との接触部をスポット溶接により接合することを特徴とする蓄冷器の製造方法。