JP2695400B2 - 再生式熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、極低温冷凍機等に
用いられる再生式熱交換器（再生器又はリジェネレータ
とも言う）に関する。

【０００２】

【従来の技術】図２は極低温冷凍機の一例を示す、逆ス
ターリング冷凍機（以下「冷凍機」と略す）の模式図で
ある。この冷凍機は、概略、二つのシリンダ装置１、２
とその間を接続する配管３とから構成されている。図面
右側のシリンダ装置１は「圧縮シリンダ」と呼ばれるも
の、また、図面左側のシリンダ装置２は「膨張シリン
ダ」と呼ばれるものであり、以下、これらの通称で呼ぶ
ことにする。

【０００３】圧縮シリンダ１は、所定の周期で往復動す
るピストン（以下「圧縮ピストン」）４によって内部を
２室に画成し、圧縮ピストン４が上死点位置（図示の位
置）のときに容積を最小とする室（以下「圧縮室」）５
を配管３に連通させて構成する。６はシール部材であ
る。一方、膨張シリンダ２は、所定の周期で往復動する
ピストン（以下「膨張ピストン」）７と、この膨張ピス
トン７に内装された再生式熱交換器８と、膨張ピストン
７が上死点位置（図示の位置は中間点位置）のときに容
積を最小とする室（以下「膨張室」）９と、膨張室９の
室壁を兼ねるとともに被冷却体１０に接する冷却部１１
と、を備えている。１２〜１４はシール部材である。

【０００４】圧縮室５と膨張室９との間は、配管３、膨
張ピストン７の側面孔７ａ、再生式熱交換器８の内部、
及び、膨張ピストン７の端面孔７ｂを介して連通してお
り、これら連通各部に、ヘリウム、水素又は窒素等の高
圧の冷媒ガスが充填されている。このような構成の冷凍
機は、逆スターリングサイクル、すなわち、「等温圧縮
行程」、「等容放熱行程」、「等温膨張行程」及び「等
容吸熱行程」の四つの行程からなるサイクルを繰り返し
て動作する。

【０００５】図３は上記冷凍機のピストン軌跡図であ
る。実線で示すサインカーブＡは膨張ピストン２の往復
動軌跡を示し、一点鎖線で示すサインカーブＢは圧縮ピ
ストン１の往復動軌跡を示している。黒丸（●）は上死
点、黒三角（▲）は中間点、白丸（○）は下死点を表し
ている。この軌跡図から理解されるように、圧縮ピスト
ン１と膨張ピストン２の往復動周期は一致しており、か
つ、圧縮ピストン１の周期が１／４周期（位相角で９０
度）遅れている。

【０００６】以下、各行程の動作を説明すると、 （１）等温圧縮行程では、圧縮室５内の冷媒ガスが圧縮
され、この圧縮によって生じた熱は配管３から外部に逃
がされ等温過程となる。 （２）等容放熱行程では、圧縮された冷媒ガスがその容
積を変えることなく膨張室９に移送されるが、移送経路
中の再生式熱交換器８は、前のサイクルの等容吸熱行程
で冷却されているため、この再生式熱交換器８によって
熱交換が行われ、膨張室９には充分に冷やされた冷媒ガ
スが移送される。 （３）等温膨張行程では、膨張室９の容積拡大に伴い、
同室９内の冷媒ガスが周囲の熱（主に冷却部１１の熱）
を奪いながら等温膨張する。 （４）等容吸熱行程では、等温膨張した冷媒ガスがその
容積を変えることなく圧縮室５に移送されるが、移送経
路中の再生式熱交換器８は、前の等容放熱行程で熱を蓄
えているため、低温の冷媒ガスと高温の再生式熱交換器
８との間で熱交換が行われ、再生式熱交換器８は冷やさ
れ、冷媒ガスの温度は上昇して１サイクルが完了する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記冷
凍機の再生式熱交換器８にあっては、両端開放の円筒状
ケーシング内に、マトリックスと呼ばれる多数（例えば
１０００枚以上）のメッシュプレートを積層状態に充填
していたため、以下に述べるような不都合があった。

【０００８】 一枚のメッシュスクリーンから多数の
メッシュプレートを打ち抜くための作業が必要で、製造
コストがかさむ。 プレートの大きさとケーシングの内径とがほぼ一致
するため、適当な押圧力でプレートを充填しなければな
らないが、この際、プレートが変形しないようにその押
圧力を微妙に調節しなければならないから、自動化に馴
染まない。

【０００９】 プレートの充填容易性を考慮すると、
ケーシングの形は円筒状以外にできないから、設計自由
度がない。 そこで、本発明は、余分な工程を省いて製造コストを削
減すると共に、自動化に適し、かつ設計自由度の高い再
生式熱交換器を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、内部を通過する気体と熱を交換して蓄熱
及び気体の加熱を行う再生式熱交換器において、前記気
体の通過孔を両端に形成したケーシングの内部に、多孔
性物質の小片を多数個充填したことを特徴とする。

【００１１】本発明では、ケーシングの内部に多数の小
片を流し込むようにして充填を行うことができる。この
ため、メッシュプレートが不要で余分な工程（プレート
の打ち抜き工程）を必要としない。しかも、充填作業が
簡単になるため、自動化に馴染み、かつ、いかなる形状
のケーシングでも充填の妨げにならないから、ケーシン
グの設計自由度が高められる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。図１は本発明に係る再生式熱交換器の
一実施例を示す図である。なお、従来例（図２）と共通
する構成要素には、同一の符号を付すとともにその説明
を省略する。

【００１３】図１において、２０は膨張シリンダ（図２
の膨張シリンダ２に相当するもの）である。この膨張シ
リンダ２０は、シリンダ本体２１の内部に、所定の周期
（図３のサインカーブＡ参照）で往復動する膨張ピスト
ン２２を実装しており、この膨張ピストン２２は、再生
式熱交換器２３のケーシングを兼ねる筒状部２２ａと、
該筒状部２２ａの下端側開放口を閉鎖する中実部２２ｂ
とからなっている。

【００１４】筒状部２２ａの上端に穿設された開口２２
ｃ、及び、中実部２２ｂの上端−側面間に穿設された連
通路２２ｄは、再生式熱交換器２３を通過する冷媒ガス
（気体）の出入口（発明の要旨に記載の通過孔）にな
る。再生式熱交換器２３の内部には、多孔性物質の小片
２３ａが多数個充填されている。なお、２４、２５は、
小片２３ａを押さえるためのメッシュプレートである。

【００１５】ここで、多孔性物質とは、内部に多数の空
孔を有し、この空孔を通して気体の流通を可能にする物
質で、発泡物質とも呼ばれているものである。かかる物
質としては、例えば、ＮｉやＮｉ−Ｃｒ等のニッケル系
金属多孔体、多孔質セラミック、タングステンやタング
ステンカーバイトあるいはモリブデン等の金属微粒子の
焼結体、など様々なものが知られている。小片２３ａへ
の加工容易性を考慮して最も好ましいものを選択すれば
よい。例えば、ニッケル系金属多孔体では２．０ｍｍ程
度の厚みのシート膜が実用化されているため、このシー
ト膜を適当に細かく裁断して多数の小片２３ａを作れば
よい。裁断の寸法精度は要求されないから、従来のよう
なメッシュプレートの打ち抜き工程に比べて、はるかに
工程の単純化を図ることができる。

【００１６】小片２３ａの充填作業は、例えば、筒状部
２２ａと中実部２２ｂとを分離した状態で、筒状部２２
ａを上下逆さまにし、筒状部２２ａの開口部（中実部２
２ｂの取付部）から多数の小片２３ａを流し込み、その
後、適度な力で押さえつけながらメッシュプレート２５
と中実部２２ｂを取り付けるだけでよい。したがって、
多数のメッシュプレートを充填するときのように細心の
注意を要しないから、作業が簡単になり、自動化を可能
にすることができる。

【００１７】しかも、筒状部２２ａ（ケーシング）の形
状に左右されずに充填作業を行うことができ、ケーシン
グ形状の設計自由度を高めることができる。さらに、本
実施例の再生式熱交換器２３は、内部に多数の小片２３
ａを充填したため、小片２３ａと小片２３ａの間に、多
孔性物質の空孔よりもはるかに大きな空間を確保でき、
かつ、この空間はケーシングの両端間で連続しているか
ら、例えば、再生式熱交換器２３の全体を一つの多孔性
物質で構成した場合に比べて、冷媒ガスの流路抵抗を下
げることができる。このことは、冷媒ガスの圧力損失を
低減できることを意味しており、上記の様々な効果に加
えて、冷凍機の冷凍効率を向上できるという格別の効果
が得られる。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば、ケーシングの内部に多
数の小片を流し込むようにして充填を行うことができ
る。このため、メッシュプレートが不要で余分な工程
（プレートの打ち抜き工程）を必要としない、しかも、
充填作業が簡単になるため、自動化に馴染み、かつ、い
かなる形状のケーシングでも充填の妨げにならずケーシ
ングの設計自由度を高めることができる、という従来技
術にはない有利な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例の概念的な断面図である。

【図２】逆スターリングサイクル冷凍機の模式図であ
る。

【図３】逆スターリングサイクル冷凍機のピストン軌跡
図である。

【符号の説明】

２２ａ：筒状部（ケーシング） ２２ｃ：開口（通過孔） ２２ｄ：連通路（通過孔） ２３：再生式熱交換器 ２３ａ：小片

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部を通過する気体と熱を交換して蓄熱及
   び気体の加熱を行う再生式熱交換器において、前記気体
   の通過孔を両端に形成したケーシングの内部に、多孔性
   物質の小片を多数個充填したことを特徴とする再生式熱
   交換器。