JP3642980B2 - 蓄冷式冷凍機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄冷式冷凍機に関するものであって、とくに高解像度赤外線カメラその他の低温で動作する高感度センサを冷却し、あるいは生鮮食料品を低温に急速冷凍するなどといった用途に供される蓄冷式冷凍機において、その立ち上げ時間を短縮するのに有効な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高解像度赤外線カメラにおいては、量子効果を利用した赤外線撮像素子が用いられ、この素子を動作温度まで冷却するために小型冷凍機が搭載されている。例えば、代表的な赤外線撮像素子であるＰｔＳｉショッキドバリアを用いた場合は、８０Ｋで約１Ｗの冷却能力が必要とされる。このような小型冷凍機のなかで、スターリング冷凍機等の蓄冷式冷凍機は、ジュール・トムソン冷凍機（ＪＴ冷凍機）に比べて、高効率でありしかも繰り返し使用することができるといった利点を有するので、従来より広く用いられている。
【０００３】
しかしながら、かかる蓄冷式冷凍機は、熱容量の大きい蓄冷器を備えているので、立ち上げ時間ないしはクールダウンタイム（室温状態から所定の動作温度（例えば８０Ｋ）まで冷却するのに要する時間）が長いことが問題となっている。以下、このような従来の蓄冷式冷凍機の構造及び作用並びにその問題点について詳しく説明する。なお、この「従来の技術」の欄又は次の「発明が解決しようとする課題」の欄においてこのように詳しい説明を行うのは、これらの欄の記載が、後記の本発明の実施の形態に係る蓄冷式冷凍機の、従来技術と共通な部分の構成ないしは作用の説明を兼ねているからである。
【０００４】
従来例１．
図１３は、例えば特公平２−１７７８８号公報に開示されている、ディスプレーサ内に蓄冷材が内包（内蔵）されたスプリット型スターリング冷凍機の概略構造を示す図である。図１３において、１は膨張機であり、２は圧縮機であり、３はディスプレーサであり、４は膨張シリンダであり、５は高温空間であり、６は低温空間であり、７は蓄冷材であり、８はディスプレーサ容器（断熱容器）であり、９及び１０はそれぞれ低温空間６と高温空間５とに繋がる連通孔であり、１１はニューマティックピストンであり、１２はニューマティック室であり、１３ａ、１３ｂ及び１３ｃはそれぞれシール部であり、１４は蓄冷器であり、１５は連通管であり、１６は圧縮ピストンであり、１７は圧縮シリンダであり、１８は圧縮空間である。
【０００５】
このスプリット型スターリング冷凍機においては、圧縮ピストン１６を圧縮シリンダ１７内で往復移動させることによって、該冷凍機内に封入されている作動ガス（冷媒ガス）に圧力変動が惹起される。そして、この圧力変動による加振力とばね振動系とを利用して、ディスプレーサ３（ディスプレーサ容器８）が膨張シリンダ４内で圧縮ピストン１６に対して一定の位相差で往復移動させられる。かくして、低温空間６には、膨張仕事により冷凍作用
（効果）が惹起される。ここで、ディスプレーサ容器８内の空間部を経由して高温空間５と低温空間６との間を往復流動する作動ガスが蓄冷材７と熱交換を行うことにより、高効率な冷凍サイクル（等温過程と等容過程とからなる逆スターリングサイクルに近い状態）が実現される。
【０００６】
図１４に、ナイロンを含む種々の蓄冷材の体積比熱（単位体積あたりの比熱）を、よく用いられる作動ガスの１つであるヘリウムガス（１０ＭＰａ）の体積比熱と対比して示す。図１４から明らかなとおり、蓄冷材の体積比熱はいずれも低温になるほど急速に小さくなるのに対して、ヘリウムガスの体積比熱は低温になるほど大きくなり、とくに２０Ｋ以下では急激に増大する。このため、４Ｋレベルの温度領域（ヘリウムの液化温度）の極低温を目指す蓄冷式冷凍機では、この動作温度で最も体積比熱の大きい金属材料が蓄冷材として用いられる。
【０００７】
一方、８０Ｋレベル以上の温度領域では、ナイロンの体積比熱であっても、ヘリウムガス（ここでは、封入圧力が１ＭＰａの蓄冷式冷凍機を想定する）の体積比熱に比べて十分に大きい。すなわち、ナイロンの体積比熱は、ヘリウムガスの体積比熱に対して、例えば常温域では約２００倍であり、８０Ｋレベルでは約１００倍である。
【０００８】
例えば、平成９年に低温工学協会から発行された「超伝導・低温工学ハンドブック（以下、「刊行物１」という）」の第２６１頁には、次の一連の式１で示すように、蓄冷器の非効率さＩeは、蓄冷材の熱伝達の良さを表す無次元量Λと、蓄冷材の熱容量の逆比を表す無次元量Γの関数Ｆで表され、再生熱損失Ｑregは半周期最大熱交換量Ｑmaxと蓄冷器の非効率さＩeの積で表されるということが開示されている。また、無次元量Γが０．１以下のときには、再生熱損失Ｑregはほとんど変わらないという結果が開示されている。
【０００９】
（式１）
Λ＝ｈ・Ａr／（ｗ・Ｃp）
Γ＝ｗ・Ｃp・τ0／（Ｍr・Ｃr）
Ｉe＝Ｆ（Λ，Γ）＝１−（１／Γ）tanh｛ΛΓ／（Λ＋２）｝
Ｑmax＝ｗ・Ｃp・τ0（Ｔh−Ｔc）
Ｑreg＝Ｑmax・Ｉe
ｈ ：蓄冷材熱伝達率 Ａr：蓄冷材伝熱面積
Ｍr：蓄冷材質量 Ｃr：蓄冷材比熱
ｗ ：ガス質量流量 Ｃp：ガス比熱
τ0：半周期 Ｔh：高温側ガス温度
Ｔc：低温側ガス温度
【００１０】
図１３に示す従来例１にかかる蓄冷式冷凍機においては、８０Ｋレベルの低温領域であれば、プラスチック製の蓄冷材を用いた場合でも十分な熱容量が得られ、金属製の蓄冷材を用いた場合に比べて、熱容量の減少に起因する熱損失の増加は少なくなるといえる。しかしながら、熱伝導損失は減少する。かくして、総合的には、金属製の蓄冷材の場合と変わらない高効率な冷却性能が得られることになる。さらに、軽量化と低コスト化とを計ることが可能である。
【００１１】
なお、本明細書において、「低温」及び「プラスチック」は、例えば特公平２−１７７８８号公報にも開示されているような一般の定義に従っている。すなわち、「低温」は−１５０℃以下の温度を意味し、「プラスチック」は、主要成分として高分子量の有機物質を含み、最終状態では固体であるが、製造段階又は最終状態への処理段階においては流動により形状を付与することが可能な材料を意味する。
【００１２】
従来例２．
図１５は、例えば平成８年に日本機械学会から発行された「ＲＣ１２７地球環境および多種熱利用に適したスターリングサイクル機器特の最適設計手法に関する研究分科会報告書（以下、「刊行物２」という）」の第ＩＩ−１３４頁に開示されている、蓄冷器がディスプレーサとは独立して配置された一体型スターリング冷凍機の概略構造を示す図である。
【００１３】
図１５において、４ａは耐圧容器と低熱伝導筒体とを兼ねる膨張シリンダ側壁部であり、４ｂは膨張シリンダドヘッド部であり、２０はクランクシャフトであり、２１はクランクケースであり、２２は放熱器であり、２３は低熱伝導筒体からなるインナーライナであり、１４は蓄冷器である。この一体型スターリング冷凍機の冷凍原理は、基本的には、図１３に示すスプリット型スターリング冷凍機の場合と同様である。なお、ディスプレーサ３及び圧縮ピストン１６は、それぞれクランクシャフト２０に連結され、これによって駆動される。また、蓄冷器１４は、ディスプレーサ３とは独立して配置され、インナーライナ２３を内壁とし膨張シリンダ側壁４ａを外壁とするリング状の断熱スペース内に金網メッシュが積層されてなる蓄冷材７が挿入された構造のものである。
【００１４】
従来例３．
図１６は、例えば前記刊行物２の第ＩＩ−１４頁に開示されている、オリフィス型パルス管冷凍機の概略構造を示す図である。図１６において、２４はパルス管であり、２５は低温側熱交換器であり、２６はオリフィスであり、２７はバッファタンクであり、２８は蓄冷材７を内包する断熱容器である。このパルス管冷凍機は、スターリング冷凍機とは異なり、膨張機側にはディスプレーサのような駆動部を備えていない。しかしながら、パルス管２４とオリフィス２６とバッファタンク２７とで、圧力変動とガスの往復流動との間に位相差を生じさせ、膨張仕事を発生させるようになっている。なお、蓄冷器１４には蓄冷材７が挿入されているが、この蓄冷器７としては、通常、円形又はリング状に切り抜いた金網メッシュを高温側から低温側に平面積層したものが用いられる。
【００１５】
例えば、平成６年に日本機械学会から発行された「ＲＣ１１０地球環境および多種熱利用に適したスターリングサイクル機器特の最適要素設計手法に関する研究成果報告書（以下、「刊行物３」という）」の第ＩＩ−３６頁にも記載されているように、金網メッシュは、その他の蓄冷材（金属繊維、発泡金属など）に比べて、総合的な優位性（圧力損失、伝熱性能、価格など）を有するからである。ここで、「メッシュ」は、金属材料又はプラスチック材料からなるほぼ円形断面の細い素線を直交交差するように編んだものを意味する。なお、刊行物３には、プラスチックメッシュについてはとくには言及されていないが、この場合も同様にメッシュ形状が優位性を有するものと解することができる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般に、蓄冷式冷凍機のクールダウンタイム（立ち上げ時間）は、被冷却部の熱容量と、クールダウン途上における冷却能力の比で決まる。このため、クールダウンタイムを短縮するには、冷却性能を低下させることなく、被冷却部の熱容量を低減することが要求される。
【００１７】
表１に、例えば、８０Ｋで１Ｗレベルの冷却能力を有するスターリング冷凍機（以下、「冷凍機Ａ」という）の被冷却部の熱容量（但し、常温）を見積った結果を示す。この冷凍機Ａは、例えば図１３（従来例１）に示すような、蓄冷材をディスプレーサに内包（内蔵）したタイプの冷凍機であって、金属製の蓄冷材（ＳＵＳメッシュ）と、肉厚０．５ｍｍに切削加工されたプラスチック（ベスペル（商品名；デュポン（株）製））のディスプレーサ容器と、肉厚０．１ｍｍに切削加工されたＴｉ合金製の膨張シリンダとを組み合わせたものである。
【００１８】
【表１】
【００１９】
図１７は、この冷凍機Ａの各被冷却部の熱容量の、総熱容量中に占める割合（％）を示す円グラフである。図１７から明らかなとおり、最も大きな割合を占めるのは蓄冷材であり、ディスプレーサ容器（ディスプレーサ側壁部及びディスプレーサ低温側キャップ）と、膨張シリンダ（膨張シリンダヘッド部及び膨張シリンダ側壁部）とがこれに次いでいる。ここで、蓄冷材の熱容量を低減するには、前記の従来例１の場合のように、プラスチック製の蓄冷材を用いればよい。また、ディスプレーサ容器の熱容量を低減するには、切削加工では肉厚が０．５ｍｍ程度のものが限界（下限）であるプラスチック材料に替えて、薄肉加工が可能な金属材料を用いればよい。
【００２０】
図２０は、前記の冷凍機Ａ（スターリング冷凍機）と、冷凍機ＡにおいてＴｉ合金を肉厚０．１ｍｍに切削加工して製作されたディスプレーサ容器を用いたもの（以下、「冷凍機Ｂ」という）と、さらに冷凍機Ｂにおいてプラスチック（ナイロンメッシュ）製の蓄冷材を用いたもの（以下、「冷凍機Ｃ」という）とについて、それぞれ、各被冷却部の熱容量（但し、常温）を比較して示した棒グラフである。図２０から明らかなとおり、冷凍機Ｃの被冷却部の総熱容量（２．３８Ｊ／Ｋ）は、冷凍機Ａのそれ（４．５８Ｊ／Ｋ）の約半分に低減されている。
【００２１】
このような事実に鑑みれば、プラスチック製の蓄冷材を用いれば、一見、高い冷却効率を維持しつつ被冷却部の熱容量を低減してクールダウンタイムを短縮できるかのようにもみえる。しかしながら、本願発明者の知見によれば、実際にプラスチック製の蓄冷材を用いた場合、冷却効率が著しく低下し、クールダウンタイムを短縮することができない場合が多い。このような問題が生じる主な原因は、ナイロンなどのプラスチック材料の熱収縮率が、金属材料のそれに比べて非常に大きいことである。
【００２２】
図１８（ａ）〜（ｃ）は、従来例１（図１３）の場合のように、プラスチック製のビーズ粒子の集合体からなる蓄冷材７がディスプレーサ容器８に内包（内蔵）された蓄冷式冷凍機の被冷却部の縦断面図である。ここで、図１８（ａ）は室温時における状態を示し、図１８（ｂ）は所定の低温動作時において蓄冷材７のみが収縮した状態を示し、図１８（ｃ）はプラスチック製のディスプレーサ容器８が用いられた場合において所定の低温動作時に蓄冷材７とディスプレーサ容器８とがともに収縮した状態を示している。
【００２３】
図１８（ａ）〜（ｃ）において、８ａは低熱伝導筒体からなるディスプレーサ容器側壁部（ディスプレーサ容器８の側壁部）であり、８ｂは低温空間６に繋がる連通孔９を有するディスプレーサ容器低温側キャップ（ディスプレーサ容器８の低温側キャップ）であり、３５はディスプレーサ容器側壁部８ａの外壁面（外周面）と膨張シリンダ側壁部４ａ（膨張シリンダ側壁部４の側壁部）の内壁面（内周面）との隙間（以下、「ディスプレーサ隙間」という）であり、３６はディスプレーサ容器８内において蓄冷材７の空隙率が際だって大きい部分（以下、「蓄冷材空塊部３６」という）である。
【００２４】
なお、蓄冷材空塊部３６中、とくに、３６ａはディスプレーサ容器側壁部８ａの内壁面と蓄冷材７との間に形成された非接触隙間を示し、３６ｂはディスプレーサ容器低温側キャップ８ｂの内壁面と蓄冷材７との間に形成された非接触隙間を示している。また、３７は作動ガスの流れであり、この作動ガスの流れ３７中、とくに、３７ａは蓄冷材７との熱交換が不十分な迂回流れを示し、３７ｂは蓄冷材７と十分に熱交換が行われる主な流れを示している。
【００２５】
図１８（ａ）に示すように、室温状態では、ディスプレーサ容器８中において蓄冷材７の空隙率はほぼ均一であり、蓄冷材空塊部３６はほとんど存在しない。しかしながら、図１８（ｂ）に示すように、低温状態においては、プラスチック製の蓄冷材７が収縮して、ディスプレーサ容器８の低温端側では蓄冷材７の空隙率が一様に小さくなるとともに、局部的に蓄冷材空塊部３６（非接触隙間３６ｂ）が発生し、低温端側死容積が大きくなる。ここで、とくに非接触隙間３６ａが大きくなると、ディスプレーサ容器８内に蓄冷材７と十分に熱交換が行われない作動ガスの迂回流れ３７ａが生じるので、再生熱損失Ｑregが著しく増加し、冷却性能が低下する。
【００２６】
また、図１８（ｃ）に示すように、プラスチック製の蓄冷材７を内包するディスプレーサ容器側壁部８ａがプラスチック製の低熱伝導筒体（熱伝導が小さい筒型形状物）で作製された場合は、これと金属製の膨張シリンダ側壁部４ａとの間のディスプレーサ隙間３５が拡大し、クールダウン途上あるいは所定の低温動作時に、ディスプレーサ隙間３５が最適値（設計仕様で異なるが、一般的には０．１〜０．２５ｍｍ程度）から大きくはずれ、冷却性能の低下を招く。
図１９に、参考のため、冷凍機Ａ（スターリング冷凍機）において予測されるディスプレーサ隙間３５と冷却能力及び熱損失との関係の一例を示す。図１９に示す例では、ディスプレーサ隙間３５の最適値は約０．１５ｍｍである。
【００２７】
以下、表２（主な冷凍機材料及びヘリウムガスの常温での物性値）に示す物性値に基づいて、冷凍機Ｃ（スターリング冷凍機）において、蓄冷材７の材料としてナイロン６６を用い、ディスプレーサ容器側壁部８ａの材料としてＴｉ合金を用いた場合について、非接触隙間３６ａを求めた結果について説明する。
【００２８】
【表２】
【００２９】
すなわち、常温２５℃（２９８Ｋ）から所定の動作温度（７７Ｋ）まで冷却すると、円筒形状のディスプレーサ容器８の内径が１０ｍｍでありかつ長さが１００ｍｍの場合は、蓄冷材７とディスプレーサ容器８の低温端との間で生じる熱収縮差は、径方向で０．５１ｍｍとなり、長さ方向で約２．６ｍｍとなる。また、内径が２０ｍｍの場合は、径方向の熱収縮は１．０３ｍｍとなる。蓄冷材７に適した♯３００のメッシュ（例えば、ＮＢＣ（株）ナイロンメッシュスクリーン、Ｎｏ．Ｎ−３０５Ｔ）は、厚さが０．０６ｍｍであり、目開きが０．０４８ｍｍであり、素線径が０．０３５ｍｍであるので、熱収縮差による隙間拡大の影響は相対的に大きいことが明らかである。このような状態では、迂回流れ３７ａの発生あるいは非接触隙間３６ｂ（低温端側死容積）の増加が起こり、冷却性能が著しく低下することになる。
【００３０】
また、プラスチック製の蓄冷材７を内包するディスプレーサ容器側壁部８ａがナイロン製でありかつ膨張シリンダ側壁４ａがＴｉ合金で作製された蓄冷式冷凍機が、所定の動作温度（７７Ｋ）まで冷却されると、ディスプレーサ容器側壁８ａが収縮し、膨張シリンダ内径が１０ｍｍの場合は低温端のディスプレサー隙間３５は０．２６ｍｍ増加し、また内径が２０ｍｍの場合は０．５２ｍｍ増加する。このように、ディスプレーサ隙間３５が最適値より大きくなると、熱損失が増加して冷却性能が低下することになる。
【００３１】
以上のように、従来の蓄冷式冷凍機では、プラスチック製の蓄冷材を用いた場合、被冷却部の熱容量は低減されるものの、冷却効率が著しく低下するので、クールダウンタイムが長くなるといった問題がある。本発明は、かかる従来の問題を解決するためになされたものであって、被冷却部の熱容量を低減しつつ冷却効率を高めることができ、もってクールダウンタイムを短縮することができる蓄冷式冷凍機を提供することを解決すべき課題とする。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するためになされた本発明の第１の態様に係る蓄冷式冷凍機は、（ａ）高温端で高温空間と連通するとともに低温端で低温空間と連通し、高温端と低温端との間で温度勾配方向（作動ガスの全体的な流れ方向）に伸びる側壁部が低熱伝導筒体で形成されている断熱容器と、（ｂ）断熱容器に内包（内蔵）され、作動ガス（冷媒ガス）が該断熱容器を経由して高温空間と低温空間とを往復流動する際に作動ガスと熱交換を行う、主としてプラスチック材料で作製された蓄冷材とを備えた蓄冷器が設けられている蓄冷式冷凍機において、（ｃ）所定の低温動作状態において、断熱容器と蓄冷材とを構成する各部材が、熱収縮により、低熱伝導筒体の内壁面と前記蓄冷材との間に生じる非接触隙間と、低温端側で断熱容器内部に生じる死容積とが常温時より増加する方向に変形するのを（自動的に）抑制する抑制手段が設けられていることを特徴とするものである。
【００３３】
すなわち、この蓄冷式冷凍機においては、所定の低温動作状態ではプラスチック材料の熱収縮が大きいため、低熱伝導筒体の内壁面と蓄冷材との間の非接触隙間、及び断熱容器内部での低温端側の死容積がそれぞれ常温時より増加する方向の変形が生じようとするが、これを自動的に抑制するように蓄冷器を構成したものである。
【００３４】
本発明の第２の態様に係る蓄熱式冷凍機は、（ａ）金属製の膨張シリンダと、（ｂ）膨張シリンダ内に配置され、高温端で高温空間と連通するとともに低温端で低温空間と連通し、高温端と低温端との間で温度勾配方向（作動ガスの全体的な流れ方向）に伸びる側壁部がプラスチック製の低熱伝導筒体で形成されている断熱性のディスプレーサ容器と、（ｃ）ディスプレーサ容器に内包され、作動ガス（冷媒ガス）が該ディスプレーサ容器を経由して高温空間と低温空間とを往復流動する際に作動ガスと熱交換を行う、主としてプラスチック材料で作製された蓄冷材とを備えた蓄冷器が設けられ、（ｄ）ディスプレーサ容器を膨張シリンダ内で往復移動させることにより、低温空間に冷凍作用が惹起されるようになっている蓄冷式冷凍機において、（ｅ）所定の低温動作状態において、ディスプレーサ容器と蓄冷材とを構成する各部材が、熱収縮により、低熱伝導筒体の外壁面と膨張シリンダの内壁面との間に形成されるディスプレーサ隙間が常温時より増加する方向に変形するのを抑制する抑制手段が設けられていることを特徴とするものである。
【００３５】
すなわち、この蓄冷式冷凍機においては、所定の低温動作状態では、低熱伝導筒体の外壁面と膨張シリンダの内壁面との間のディスプレーサ隙間が常温時より増加する方向に熱収縮変形するが、これを自動的に抑制するように蓄冷器を構成したものである。
【００３６】
本発明の第３の態様に係る蓄冷式冷凍機は、前記第１又は第２の態様に係る蓄熱式冷凍機において、抑制手段が、弾性体が外力を受けない状態に戻ろうとする弾性力、熱収縮率の異なる材料間に働く摩擦力もしくは熱応力、又はバインダによる接着力により（ないしは、これらを用いて）上記変形を抑制するようになっていることを特徴とするものである。
【００３７】
本発明の第４の態様に係る蓄冷式冷凍機は、前記第１の態様に係る蓄熱式冷凍機において、低熱伝導筒体が円筒体であって、蓄冷材が、主としてプラスチック材料からなるメッシュシートを低熱伝導筒体の中心軸のまわりにロール状に巻きつける（巻きあげる）ことにより成形され、該ロール状のメッシュシートの外周端部が、少なくとも低温端側では、自由端のまま直接的に又は弾性体を介して、低熱伝導筒体の内壁面に接触していることを特徴とするものである。すなわち、抑制手段を自動的に動作させるために、蓄冷材が円筒形状の低熱伝導筒体に内包される場合において、主にプラスチック材料からなるメッシュシートを円筒軸に対してロール状に巻きつけて、その外周端部の少なくとも低温側の部分を自由端のまま低熱伝導筒体に接触させ、あるいは弾性体を介して低熱伝導筒体に接触させるように構成したものである。
【００３８】
本発明の第５の態様に係る蓄冷式冷凍機は、前記第４の態様に係る蓄熱式冷凍機において、メッシュシートに、中心軸の軸線方向に対して垂直方向に伸びる切り口が多数形成されていることを特徴とするものである。すなわち、高温側から低温側への熱伝導損失を低減するために、中心軸に対して垂直方向の切り口を多数メッシュシートに構成したものである。
【００３９】
本発明の第６の態様に係る蓄冷式冷凍機は、前記第１の態様に係る蓄熱式冷凍機において、断熱容器内において低熱伝導筒体の内壁面と蓄冷材との間に、非通気性の弾性体が設けられていることを特徴とするものである。すなわち、プラスチックを主材料とする蓄冷材が熱収縮し、低熱伝導筒体の内壁面と蓄冷材との間の非接触隙間が常温時より増加する方向に変形するのを抑制するために、両者間に非通気性の弾性体を設けたものである。
【００４０】
本発明の第７の態様に係る蓄冷式冷凍機は、前記第１の態様に係る蓄熱式冷凍機において、高温端側において断熱容器内に、通気性の弾性体が設けられていることを特徴とするものである。すなわち、プラスチックを主材料とする蓄冷材が、熱収縮により、断熱容器内部の低温端側の死容積が常温時より増加する方向に変形するのを抑制するために、断熱容器内部の高温端側に、通気性の弾性体を設けたものである。
【００４１】
本発明の第８の態様に係る蓄冷式冷凍機は、前記第１又は２の態様に係る蓄熱式冷凍機において、蓄冷材が、金網メッシュ又は通気性金属マスクと、プラスチックメッシュとが交互に積層されてなる積層体であることを特徴とするものである。すなわち、プラスチックメッシュの熱収縮を抑制するために、プラスチックメッシュと、金網メッシュ又はガス透過性金属マスクとを交互に積層し、両者間に摩擦力が働くようにしたものである。
【００４２】
本発明の第９の態様に係る蓄冷式冷凍機は、前記第１の態様に係る蓄熱式冷凍機において、蓄冷材が、メッシュ素線状、ビーズ粒子状又は繊維状（ウール繊維）のプラスチック製基材が金属で被覆されてなる素材で形成されていることを特徴とするものである。すなわち、プラスチックメッシュの熱収縮を抑制するために、プラスチック蓄冷材の基本構成要素である、メッシュ素線、ビーズ粒子又は繊維（ウール繊維）などの伝熱表面をニッケル等の金属で被覆することにより、両者間に熱応力が働くようにしたものである。
【００４３】
本発明の第１０の態様に係る蓄冷式冷凍機は、前記第９の態様に係る蓄熱式冷凍機において、蓄冷材の表面粗度が粗くなっていることを特徴とするものである。すなわち、蓄冷材の伝熱面積を増加させて蓄冷器（再生熱交器）の高効率化を図るために、蓄冷材の基本構成要素である、メッシュ素線、ビーズ粒子、又は繊維（ウール繊維）などの伝熱表面に腐食処理又は微粒子研磨処理を施すことにより、表面粗度が大きくなるように構成したものである。
【００４４】
本発明の第１１の態様に係る蓄冷式冷凍機は、前記第２の態様に係る蓄熱式冷凍機において、低熱伝導筒体が、薄肉厚のプラスチックシートが円筒形状に１周以上巻かれてなり、その外周端部が自由端となっている加熱成形体であって、低熱伝導筒体の外壁面と膨張シリンダの内壁面との間に、該両壁面間の隙間を一定に保つ薄肉厚のガイドリングが挿入されていることを特徴とするものである。すなわち、プラスチック材料の低熱伝導筒体を薄肉化するために、プラスチック材料のシートを円筒形状に１周以上巻いて加熱成形し、また低熱伝導筒体の外壁面と膨張シリンダの内壁面との間の隙間を一定に保つために、その外周端部を自由端のままとして、低熱伝導筒体と膨張シリンダとの間に薄肉厚のガイドリングを挿入したものである。
【００４５】
本発明の第１２の態様に係る蓄冷式冷凍機は、所定の形状に切断され、切断部において隣接する素線同士が互いに熱融着されているプラスチック製メッシュが積層されてなる蓄冷材が設けられていることを特徴とするものである。すなわち、この蓄冷式冷凍機ないしは蓄冷材は、メッシュの素線がほどけるのを防止するために、プラスチック製メッシュの切断面近傍をプラスチック半融解温度まで加熱することにより、１枚のメッシュ切断面で隣接する素線同士を熱融着させたものである。
【００４６】
本発明の第１３の態様に係る蓄冷式冷凍機は、それぞれ同一の形状に切断された複数のプラスチック製メッシュが柱状に平面積層され、切断部近傍においてプラスチック製メッシュ同士が熱融着されてなる柱状ペレット状態の蓄冷材が設けられていることを特徴とするものである。すなわち、この蓄冷式冷凍機ないしは蓄冷材は、蓄冷材を断熱容器内に積層する作業が効率化できるように、同型に切り抜いたプラスチック製メッシュを多数枚積層し、これらを切断面で熱融着させて、一体化された柱状ペレット状態にしたものである。
【００４７】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図１２と、図２１とを参照しつつ、本発明の実施の形態を具体的に説明する。なお、前記のとおり、この実施の形態に係る蓄冷式冷凍機の従来技術と共通する部分は、前記の従来例１〜３（図１３〜図２０）に記載されている。したがって、以下では、説明の重複を避けるため、従来例１〜３に係る蓄冷式冷凍機と共通する部材ないしは要素には、これらと同一の番号を付し、その詳しい説明は省略する。すなわち、図１〜図１２中において、番号１〜２７、３５〜３７は従来例１〜３と実質的に同一のものである。
【００４８】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る蓄冷式冷凍機について説明する。
図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態１に係る、ロール状のプラスチックメッシュを蓄冷材として用いた蓄冷式冷凍機ないしはその構成要素の構造（様態）を示す図である。ここで、図１（ａ）はこの蓄冷式冷凍機の膨張機１の断面図であり、図１（ｂ）はロール状のプラスチックメッシュの斜視図であり、図１（ｃ）はロール状に加工する前におけるプラスチックメッシュシートの立面図である。
【００４９】
図１（ａ）において、８ｃは高温空間５に繋がる連通孔１０を有する高温側キャップであり、２９は平面積層されたプラスチックメッシュ（以下、「プラスチックメッシュ積層２９」という）であり、３０はロール状のプラスチックメッシュ（以下、「プラスチックメッシュロール３０」という）であり、３１はプラスチックメッシュロール３０の軸芯であり、３２は通気性の弾性体であり、３４ａはフリーディスプレーサ共振用の機械ばねであり、３４ｂは弾性力補強用の機械ばねである。
【００５０】
この蓄冷式冷凍機において、通気性の弾性体３２は、常温状態では高温端側に圧縮されるようにして、ディスプレーサ容器８内に挿入されている。そして、弾性体３２は、低温動作時には、熱収縮した蓄冷材７（プラスチックメッシュ積層２９及びプラスチックメッシュロール３０）をディスプレーサ容器８内において低温端側に押し上げ、低温端側においてディスプレーサ容器８内に死容積が発生しあるいは増加するのを防止することができるようになっている。
【００５１】
ここで、通気性の弾性体３２としては、例えば、やや硬めのプラスチック製スポンジや、♯５０（１インチ平方あたりの網目数を表す）以下の粗い金属製メッシュを数１０枚積層したものなどを用いることができる。さらに、この実施の形態１では、弾性体３２に機械ばね３４ｂを組み合わせて、弾性体３２の弾性力を補強するようにしている。また、蓄冷材７は、プラスチックメッシュ積層２９が高温側に配置される一方、プラスチックメッシュロール３０が低温側に配置された構造とされている。
【００５２】
図１（ｂ）及び図１（ｃ）において、３３はプラスチックメッシュシートであり、プラスチックメッシュロール３０にロール加工される前の状態のものである。そして、これらの図において、３３ａと３３ｂとはそれぞれプラスチックメッシュシート３３の内周端部と外周端部とであり、３３ｃと３３ｄとはそれぞれプラスチックメッシュシート３３の高温側端部と低温側端部とである。また、３８ａと３８ｂとはそれぞれ内周端部３３ａと外周端部３３ｂとにおけるプラスチックメッシュシート３３円筒軸方向の幅（シート幅）であり、３８ｃと３８ｄとはそれぞれ高温側端部３３ｃと低温側端部３３ｄとにおけるプラスチックメッシュシート３３の長さ（シート長さ）であり、３９は切り口である。
【００５３】
図１（ｂ）から明らかなとおり、この蓄冷式冷凍機においては、プラスチックメッシュシート３３が内周端部３３ａから軸芯３１の周りにロール状に巻きつけ加工されてなるプラスチックメッシュロール３０がディスプレーサ８（ディスプレーサ容器側壁部８ａ）内に挿入され、その外周端部３３ｂはディスプレーサ容器側壁部８ａには固定されず自由端の状態とされている。
【００５４】
また、図１（ｃ）から明らかなとおり、プラスチックメッシュシート３３は、その円筒軸方向のシート幅が内周端部３３ａから外周端部３３ｂに向かって徐々に小さくなり、またそのシート長さが低温側端部３３ｄ側の方が高温側端部３３ｃ側よりも長くなるような形状に加工されている。これは、低温動作時におけるプラスチックメッシュロール３０の熱収縮は、低温側端部３３ｄ側の方が高温側端部３３ｃ側よりも大きく、したがってプラスチックメッシュロール３０とディスプレーサ容器側壁部８ａの内壁面との間の非接触隙間３６ａは低温側端部３３ｄ側の方が大きくなるので、この非接触隙間３６ａの変化に併せてプラスチックメッシュロール３０を広がりやすくするためである。また、軸芯３１は、低熱伝導性で低熱容量のものが適しており、例えばプラスチック製の丸棒などが用いられる。なお、軸芯３１の外径は、蓄冷材７（プラスチックメッシュシート３３）の必要量に合わせて好ましく設計される。
【００５５】
また、プラスチックメッシュシート３３には、円筒軸方向に対して垂直な方向に伸びる（長手となる）細長い切り口３９が等間隔に形成されている。従来の蓄冷式冷凍機においては、通常、メッシュシートを円筒軸方向に平面積層した蓄冷材が用いられるが、この場合は各メッシュシートが互いに点接触し、この接触点を介して熱伝導が生じるので、蓄冷材７の熱伝導損失は非常に小さくなる（例えば、上記刊行物３参照）。
【００５６】
しかしながら、プラスチックメッシュシート３３をロール状に加工した本発明に係る蓄冷材７では、そのままでは高温側端部３３ｃから低温側端部３３ｄまでメッシュ素線が繋がっているので、蓄冷材７（プラスチックメッシュロール３０）の熱伝導損失が大きくなる。そこで、この熱伝導を妨げるため、円筒軸方向に対して垂直な方向の切り口３９をプラスチックメッシュシート３３に千鳥配置で等間隔に形成し、高温側端部３３ｃ側から低温側端部３３ｄ側へ熱伝導が必ず点接触部分を介して行われるようにしている。
【００５７】
このように、プラスチック製の蓄冷材７と薄肉金属製のディスプレーサ容器８（ディスプレーサ３）とを組み合わせた実施の形態１に係る蓄冷式冷凍機においては、高い冷却効率を保ちつつ被冷却部の熱容量を低減することができ、クールダウンタイムを短縮することができる。
【００５８】
実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２に係る蓄冷式冷凍機について説明する。
図２は、前記の実施の形態１の場合とは異なる形態の蓄冷材７を用いた、本発明の実施の形態２に係る蓄冷式冷凍機の蓄冷材内包（内蔵）型のディスプレーサの構造（様態）を示す断面図である。図２に示すように、この実施の形態２にかかる蓄冷式冷凍機では、蓄冷材７の高温側は、通常の場合と同様に平面積層された略円柱形のプラスチックメッシュ積層２９ａで構成されている。このプラスチックメッシュ積層２９ａは、その外径がディスプレーサ容器側壁部８ａの内径とほぼ同一になるように（例えば、（ディスプレーサ容器側壁部８ａの内径）＋（０〜０．１ｍｍ））プラスチックメッシュシート３３を切断することにより形成されたものである。
【００５９】
他方、蓄冷材７の低温側は、その外径が前記のプラスチックメッシュ積層２９ａの外径（通常サイズ）よりも小さくなるように（例えば、（ディスプレーサ容器側壁部８ａの内径）−（２ｍｍ））プラスチックメッシュシート３３を切断することにより形成されたプラスチックメッシュ積層２９ｂ（できれば、プラスチックメッシュ積層２９ｂはペレット状のものがよく、その製造方法については実施の形態１０参照）と、該プラスチックメッシュ積層２９ｂとディスプレーサ容器側壁部８ａの内壁面との間に挿入されたプラスチックメッシュロール３０ｂとで構成されている。すなわち、プラスチックメッシュ積層２９ｂの外周部は、プラスチックメッシュシート３３（プラスチックメッシュロール３０ｂ）によってロール状に覆われている。ここで、プラスチックメッシュロール３０ｂの外周端部３３ｂは、ディスプレーサ容器側壁部８ａには固定されず、自由端の状態とされている。
【００６０】
かくして、実施の形態２に係る蓄冷式冷凍機においては、前記構成により、低温動作時に蓄冷材７が熱収縮して、蓄冷材７とディスプレーサ容器側壁部８ａの内壁面との間に隙間が発生し又は増加しようとするときには、プラスチックメッシュロール３０ｂ（蓄冷材７）はそのロール状態がゆるんで広がるので、実施の形態１の場合と同様の作用・効果が得られる。
【００６１】
実施の形態３．
以下、本発明の実施の形態３に係る蓄冷式冷凍機について説明する。
図３は、前記の実施の形態１又は２の場合とは異なる形態の蓄冷材７を用いた、本発明の実施の形態３に係る蓄冷式冷凍機の蓄冷材内包（内蔵）型のディスプレーサの構造（様態）を示す断面図である。図３に示すように、この実施の形態３にかかる蓄冷式冷凍機では、蓄冷材７の高温側は、実施の形態２の場合と同様に、平面積層された略円柱形の通常のサイズのプラスチックメッシュ積層２９ａで構成されている。
【００６２】
他方、蓄冷材７の低温側は、基本的にはプラスチックメッシュシート３３がロール状に加工されてなるプラスチックメッシュロール３０ｃで構成されている。そして、プラスチックメッシュロール３０ｃの外側面とディスプレーサ容器側壁部８ａの内側面との間には、非通気性の弾性シート４０（弾性体）がディスプレーサ容器径方向に圧縮した状態で挿入されている。さらに、プラスチックメッシュロール３０ｃの外周端部３３ｂは弾性シート４０に接着固定されている。
【００６３】
かくして、実施の形態３に係る蓄冷式冷凍機においては、前記構成により、低温動作時において蓄冷材７が熱収縮すると、弾性シート４０がディスプレーサ容器径方向に膨張し、蓄冷材７とディスプレーサ容器側壁部８ａの内壁面との間に非接触隙間３６ａが発生し又は増加するのが抑制ないしは防止され、実施の形態１の場合と同様の作用・効果が得られる。なお、非通気性の弾性シート４０としては、例えばソフトテフロンシート（例えば、バルカー（株）のバルフロンシートなど）や、ゲル状衝撃吸収シートなどを用いることができる。
【００６４】
実施の形態４．
以下、本発明の実施の形態４に係る蓄冷式冷凍機について説明する。
図４は、前記の実施の形態１〜３の場合とは異なる形態の蓄冷材７を用いた、本発明の実施の形態４に係る蓄冷式冷凍機の蓄冷材内包（内蔵）型のディスプレーサの構造（様態）を示す斜視図である。図４において、４１はプラスチック製のビーズ粒子（ビーズ球）の集合体であり、４２は通気性の仕切り板（金網メッシュ）である。この実施の形態４に係る蓄冷式冷凍機においては、蓄冷材７は、ビーズ粒子の集合体４１で構成され、ビーズ粒子が低温空間６に飛散しないように、ビーズ粒子の集合体４１は仕切り板４２によって仕切られている。
【００６５】
この蓄冷式冷凍機において、所定の低温動作時にビーズ粒子の集合体４１（ビーズ粒子）が熱収縮すると、ディスプレーサ容器８内の低温側の空間部に蓄冷材空塊部３６が発生しようとする。しかしながら、常温状態で円筒軸方向に圧縮された状態で挿入された通気性の弾性体３２の弾性力によって、ビーズ粒子の集合体４１（蓄冷材７）が低温側に押し上げられ、蓄冷材空塊部３６の発生が抑制される。
【００６６】
また、実施の形態３の場合と同様に、ディスプレーサ容器側壁部８ａの低温側の内壁面に弾性シート４０が接着固定され、弾性シート４０の弾性変形によって、ビーズ粒子の集合体４１（蓄冷材７）とディスプレーサ容器側壁部８ａの内壁面との間に非接触隙間が発生するのが抑制され、実施の形態１の場合と同様の作用・効果が得られる。ここで、通気性の仕切り板４２としては、例えば粗い金網メッシュあるいは通気性金属マスク（金属円板をエッチングして通気性の細孔を無数に開けたもの）を用いることができる。なお、製品化された通気性金属マスクとしては、例えばソノコム（株）のＳＵＳメタルマスクなどがあげられる。
【００６７】
実施の形態５．
図５は、前記の実施の形態１〜４の場合とは異なる形態の蓄冷材７を用いた、本発明の実施の形態５に係る蓄冷式冷凍機の蓄冷材内包（内蔵）型のディスプレーサの構造（様態）を示す断面図である。図５において、２９ａは、その外径が円筒形のディスプレーサ容器側壁部８ａの内径とほぼ一致するように（例えば、（ディスプレーサ容器側壁部８ａの内径）＋（０〜０．１ｍｍ））プラスチックメッシュシート３３を切断することにより形成されたプラスチックメッシュシート積層である。
【００６８】
また、２９ｃはディスプレーサ容器側壁部８ａの内径よりやや大きめにプラスチックメッシュシート３３を切断することにより形成された後、ディスプレーサ８内に押し込まれたプラスチックメッシュシート積層である。ここで、プラスチックメッシュシート積層２９ｃの外径は、例えば（（ディスプレーサ容器側壁部８ａの内径）＋（プラスチックメッシュシート積層２９ｃの低温端での熱収縮分）＋（０〜０．１ｍｍ））程度とされる。
【００６９】
この蓄冷式冷凍機においてはディスプレーサ容器８内の低温側の空間部には、外径が大きいプラスチックメッシュシート積層２９ｃが押し込まれて配置されているので、所定の低温動作状態で２９ｃが熱収縮しても、プラスチックメッシュシート積層２９ｃとディスプレーサ容器側壁部８ａの内壁面との間に非接触隙間が発生しない。そのため、実施の形態１の場合と同様の作用・効果が得られる。
【００７０】
ところで、前記の実施の形態１〜５では、いずれも蓄冷材空塊部３６の発生ないし増加を抑制する抑制手段は、主として弾性力を利用したものである。しかしながら、かかる抑制手段は、弾性力を利用するものに限定されるわけではない。以下、摩擦力又は熱応力を利用して蓄冷材空塊部３６の発生ないし増加を抑制する抑制手段を備えた蓄冷式冷凍機について説明する。
【００７１】
実施の形態６．
以下、本発明の実施の形態６に係る蓄冷式冷凍機について説明する。
図６は、本発明の実施の形態６に係る蓄冷式冷凍機の蓄冷材の構造（様態）を示す斜視図である。図６において、４４はロール状の金属メッシュである。この蓄冷材７においては、金網メッシュシートとプラスチック製メッシュシート３３とが、重ね合わせて軸芯３１に巻き付けられている。これにより、プラスチックメッシュ３０と金網メッシュ４４とが交互に積層される。
【００７２】
かくして、この蓄冷材７においては、所定の低温動作時には、両メッシュ３０、４４間に作用する摩擦力により、プラスチックメッシュ３０の熱収縮が金網メッシュ４４によって抑制される。さらに、この蓄冷材７においては、ディスプレーサ容器側壁部８ａが熱収縮率の大きいプラスチック材料であっても、その熱収縮を内側から抑制することができる。このように、プラスチック製の蓄冷材７と薄肉金属製のディスプレーサ容器８とを組み合わせた実施の形態６に係る蓄冷式冷凍機（蓄冷材）においては、高い冷却効率を保ちつつ被冷却部の熱容量を低減することができ、クールダウンタイムを短縮することができる。
【００７３】
実施の形態７．
以下、本発明の実施の形態７に係る蓄冷式冷凍機について説明する。
図７は、前記の実施の形態６とは異なる形態の摩擦力を利用する蓄冷材７を用いた、本発明の実施の形態７に係る蓄冷式冷凍機の蓄冷材内包（内蔵）型のディスプレーサの構造（様態）を示す断面図である。図７において、４５は、その外径がディスプレーサ容器側壁部８ａの内径とほぼ同一となるように（（ディスプレーサ容器側壁部８ａの内径）＋（０〜０．１ｍｍ））金属メッシュシートを切断することにより形成された金属メッシュである。
【００７４】
そして、この蓄冷材７においては、金属メッシュ４５とプラスチックメッシュ２９とが交互に平面積層されている。このように、金属メッシュ４５とプラスチックメッシュ２９とを平面積層した場合でも、実施の形態６の場合と同様の作用・効果が得られる。
【００７５】
実施の形態８．
以下、本発明の実施の形態８に係る蓄冷式冷凍機ないしは蓄冷材について説明する。
図８（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態８に係る蓄冷式冷凍機の蓄冷材に用いられる金属皮膜付きプラスチックメッシュの構成（様態）を示す図である。ここで、図８（ａ）は金属皮膜付きプラスチックメッシュの外形（シート状態）を示す図であり、図８（ｂ）は金属皮膜付きプラスチックメッシュを構成するメッシュ素線の断面図である。
【００７６】
図８（ａ）、（ｂ）において、４６は金属皮膜で被覆された金属皮膜付きプラスチックメッシュであり、４７ａと４７ｂとはそれぞれ金属皮膜付きプラスチックメッシュ４６を形成する横方向のメッシュ素線と縦方向のメッシュ素線とであり（なお、両メッシュ素線４７ａ、４７ｂをメッシュ素線４７と総称する）、４９はメッシュ素線４７のプラスチック母材であり、５０はプラスチック母材４９をほぼ均一に被覆している金属皮膜である。プラスチック母材４９の表面を金属皮膜５０で被覆する方法としては、例えば化学的メッキや真空蒸着（特開昭６０−２６２６８９号公報参照）があげられる。これを製品化したものとしては、例えばソノコム（株）のリダイズドメッシュ（ポリエステルメッシュ表面に１〜５μｍ程度のニッケル皮膜を施したもの）があげられる。
【００７７】
この実施の形態８にかかる蓄冷式冷凍機においては、前記構造の金属皮膜付きプラスチックメッシュ４６からなる蓄冷材７を用いているので、所定の低温動作時には、プラスチック母材４９と金属皮膜５０との間に働く熱応力により、金属皮膜付きプラスチックメッシュ４６の熱収縮が抑制され、実施の形態６の場合と同様の作用・効果が得られる。
【００７８】
実施の形態９．
以下、本発明の実施の形態９に係る蓄冷式冷凍機ないしは蓄冷材について説明する。
図９（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態９に係る蓄冷式冷凍機の蓄冷材に用いられる、金属皮膜形成後に表面処理（表面腐食処理等）が施された金属皮膜付きプラスチックメッシュ（以下、「表面処理金属皮膜付きプラスチックメッシュ」という）の構成（様態）を示す図である。ここで、図９（ａ）は表面処理金属皮膜付きプラスチックメッシュの外形（シート状態）を示す図であり、図９（ｂ）は表面処理金属皮膜付きプラスチックメッシュを構成するメッシュ素線の断面図である。
【００７９】
図９（ａ）、（ｂ）において、５１は金属皮膜形成後に表面処理が施された表面処理金属皮膜付きプラスチックメッシュであり、５２ａと５２ｂとはそれぞれ表面処理金属皮膜付きプラスチックメッシュ５１を形成する横方向のメッシュ素線と縦方向のメッシュ素線とであり（なお、両メッシュ素線５２ａ、５２ｂをメッシュ素線５２と総称する）、４９はメッシュ素線５２のプラスチック母材であり、５４は表面処理後における不均一な金属皮膜である。
【００８０】
金属５４がニッケル皮膜である場合、これをざらつかす程度に表面処理する方法としては、例えば特開平１−１３０９７号公報に開示されている酸性腐食液（過酸化水素と硝酸の混液）を用いた表面腐食処理などを用いることができる。あるいは、研磨剤微粒子（ＳｉＯ2やＳｉＣなど）を吹き付ける表面処理方法も用いることができる。このような表面処理によって、蓄冷材７の基本構成要素であるメッシュ素線５２の表面をざらつかせ（粗面化し）、表面粗度を粗くして、蓄冷材７の伝熱面積を増加させる。このように、実施の形態９では、表面処理金属皮膜付きプラスチックメッシュ５１を蓄冷材７として用いているので、伝熱面積の増加により蓄冷器の効率を向上させることができ、蓄冷式冷凍機を一層高効率化することができ、クールダウンタイムを短縮することができる。
【００８１】
実施の形態１０．
以下、本発明の実施の形態１０に係る蓄冷式冷凍機ないしは蓄冷材について説明する。
図１０（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態１０に係る、切断加工により平面積層されたプラスチックメッシュの構造（様態）を示す図である。ここで、図１０（ａ）はプラスチックメッシュの切断時の状態を示す立面断面図であり、図１０（ｂ）は切断後におけるペレット状態のプラスチックメッシュの立面断面図であり、図１０（ｃ）は図１０（ｂ）に示すプラスチックメッシュを真上から見た上面図であり、図１０（ｄ）は図１０（ｃ）中のＲで示す部分の拡大図でありプラスチックメッシュ面内の半融着部を拡大して示している。
【００８２】
図１０（ａ）〜（ｄ）において、５５はプラスチックメッシュ切断機であり、５５ａは刃型部であり、５５ｂはメッシュ押し込み部であり、５５ｃは刃型部５５ａを加熱するヒータであり、５６はプラスチックメッシュの切断面である。かくして、プラスチックメッシュを作製（切断）する際には、プラスチックメッシュシート３３を複数枚積層した上で、メッシュ押し込み部５５ｂでプラスチックメッシュシート３３に圧力を加えながら、ヒータ５５ｃによって加熱された５５ａで、プラスチックメッシュシート３３を切断することになる。このとき、切断面５６をプラスチックの半融解温度（融点より５０℃程度低い温度）に加熱することにより、プラスチックメッシュを切断面５６で半融解状態で接着（融着）することができる。
【００８３】
かくして、図１０（ｂ）に示すような柱状ペレット状態のプラスチックメッシュを作製することができ、このプラスチックメッシュを蓄冷材７として用いることにより、該蓄冷材７をディスプレーサ容器８（断熱容器）内に平面積層する作業を効率化することができる。また、図１０（ｄ）に示すように、一枚のプラスチックメッシュが切断されてその広がり面内に形成されるメッシュ素線の先端部ないしは切断部が熱融着されるので、プラスチックメッシュが変形したりメッシュ素線がほどけるのが防止される。
【００８４】
実施の形態１１．
以下、本発明の実施の形態１１に係る蓄冷式冷凍機ないしは蓄冷材について説明する。
図１１は、本発明の実施の形態１１に係る蓄冷式冷凍機の蓄冷器の斜視図である。この蓄冷式冷凍機は、例えば前記の従来例２（図１５参照）のように、ディスプレーサとは独立（分離）して、その外周部に蓄冷器が配置されている形態の蓄冷式冷凍機である。前記の実施の形態１〜１０では、いずれも、蓄冷器がディスプレーサに内蔵されている形態の蓄冷式冷凍機について説明しているが、従来例２や従来例３のように、ディスプレーサとは独立（分離）して蓄冷器が配置されている合でも、実施の形態１〜１０の場合と同様の作用・効果が得られる。
【００８５】
実施の形態１２．
以下、本発明の実施の形態１２に係る蓄冷式冷凍機ないしはディスプレーサについて説明する。
図１２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態１２に係る蓄冷式冷凍機のディスプレーサの構造（様態）を示す図である。ここで、図１２（ａ）は実施の形態１２に係る、実施の形態１〜１１の場合とは異なる形態のディスプレーサ容器を備えたディスプレーサの斜視図であり、図１２（ｂ）はディスプレーサ容器の斜視図であり、図１２（ｃ）はガイドリングの斜視図である。
【００８６】
図１２（ａ）〜（ｃ）において、６０は薄肉のプラスチックシートを加熱成形することにより作製されたディスプレーサ容器側壁部であり、６１はガイドリングであり、６２は位置決めピンであり、６２ａは低温側位置決めピンであり、６２ｂは高温側位置決めピンであり、６３は位置決めピン６２のピン止め穴である。また、６４は、軸芯３１の低温端に取り付けられたピン止め冶具である。
【００８７】
ここで、ディスプレーサ容器側壁部６０は、例えば東レ（株）製のルミラー（ポリエステルシート）などを円筒形状に加熱成形することにより作製することができる。また、ガイドリング６１は、例えばＮＴＮ（株）製のベアリーシート材（厚み０．１〜０．３ｍｍ程度）などを円筒形状に加熱成形することにより作製することができる。
【００８８】
低温側位置決めピン６２ａは、ディスプレーサ容器低温側キャップ８ｂ、ディスプレーサ容器側壁部６０及びピン止め冶具６４の位置決め穴６３を貫通して配置され、他方、高温側位置決めピン６２ｂは、ガイドリング６１、ディスプレーサ容器側壁部６０、ディスプレーサ容器低温側キャップ８ｂの位置決め穴６３を貫通して配置されている。これにより、ディスプレーサ容器側壁部６０の上下方向の位置が固定される。また、ディスプレーサ容器側壁部６０の外壁面と低温シリンダ側壁４ｃの内壁面との間のディスプレーサ隙間３５は、ガイドリング６１によって一定値に保持される。
【００８９】
一般に、ベスペル等のプラスチック丸棒を切削加工してディスプレーサ容器側壁部８ａを作製する場合、最小限０．５ｍｍ程度の肉厚が必要である。しかしながら、この実施の形態１２によれば、肉厚が０．５ｍｍ以下（例えば、０．２ｍｍ）のプラスチックシート材料でディスプレーサ容器側壁部６０（８ａ）を作製することが可能となる。
【００９０】
図２１は、前記の冷凍機Ａ（スターリング冷凍機）と、冷凍機Ａにおいて金属製蓄冷材をプラスチック製蓄冷材（ナイロンメッシュ）に置換えたもの（以下、「冷凍機Ｄ」という）と、さらに冷凍機Ｄにおいて切削プラスチック製ディスプレーサ容器側壁部をプラスチックシート製ディスプレーサ容器側壁部（肉厚が０．２ｍｍのプラスチックシート材を用いたもの）に置換えたもの（以下、「冷凍機Ｅ」という）とについて、それぞれ、各被冷却部の熱容量（但し、常温）を比較して示した棒グラフである。図２１から明らかなとおり、冷凍機Ｅでは、そのの被冷却部の総熱容量（２．５１Ｊ／Ｋ）が、冷凍機Ａのそれ（４．５８Ｊ／Ｋ）の約半分に低減されている。したがって、クールダウンタイムを短縮することができる。
【００９１】
最後に、主にプラスチック材料からなる蓄冷材について補足説明する。かかるプラスチック材料からなる蓄冷材についても、金網メッシュの場合と同様の理由により、メッシュ形状のものが、その他の形状（ウール状、ビーズ粒子の集合体など）のものより、冷却性能（圧力損失や伝熱性能）に関して優れている。
【００９２】
また、ナイロン製又はポリエステル製のメッシュは、印刷用スクリーンマスクとして安価に入手可能である。とくに、ポリエステル繊維は、吸水率（表２参照）が低く、形状安定性も高い。実用的には、♯１５０〜♯４００（１インチ平方あたりの網目数を示す）のポリエステルメッシュを加工したものが、蓄冷式冷凍機の蓄冷材として適している。
【００９３】
【発明の効果】
本発明によれば、以下に記載されているような顕著な効果を奏する。
すなわち、本発明の第１の態様に係る蓄冷式冷凍機においては、所定の低温動作状態では、プラスチック材料の熱収縮が大きいため、低熱伝導筒体の内壁面と蓄冷材との非接触隙間と断熱容器内部の低温側の死容積とがそれぞれ常温時より増加する方向の変形が生じようとするが、これを抑制する抑制手段を備えているので、蓄冷式冷凍機の高効率を保持しつつ被冷却部の熱容量を低減することができ、ひいてはクールダウンタイムを短縮することができる。
【００９４】
本発明の第２の態様に係る蓄冷式冷凍機においては、所定の低温動作状態では、低熱伝導筒体の外壁面と膨張シリンダの内壁面との間のディスプレーサ隙間が常温時より増加する方向の熱収縮変形が生じようとするが、これを抑制する抑制手段を備えているので、蓄冷式冷凍機の高効率を保持しつつ被冷却部の熱容量を低減することができ、ひいてはクールダウンタイムを短縮することができる。
【００９５】
本発明の第３の態様に係る蓄冷式冷凍機においては、基本的には、第１又は第２の態様に係る蓄冷式冷凍機の場合と同様の効果を奏する。さらに、抑制手段が、弾性体が外力を受けない状態に戻ろうとする弾性力、熱収縮率の異なる材料間に働く摩擦力、あるいはバインダによる接着力を利用して上記変形を抑制するようになっているので、より効果的に蓄冷式冷凍機の高効率を保持しつつ被冷却部の熱容量を低減することができ、クールダウンタイムを一層短縮することができる。
【００９６】
本発明の第４の態様に係る蓄冷式冷凍機においては、基本的には、第１の態様に係る蓄冷式冷凍機の場合と同様の効果を奏する。さらに、主としてプラスチック材料からなるメッシュシートが円筒軸にロール状に巻きつけられてなる蓄冷材の外周端部の少なくとも低温側の部分が、自由端のまま低熱伝導筒体に接触させられ、あるいは柔軟性のあるものを介して低熱伝導筒体に接触させられ、これにより上記変形が抑制されるので、より効果的に蓄冷式冷凍機の高効率を保持しつつ被冷却部の熱容量を低減することができ、クールダウンタイムを一層短縮することができる。
【００９７】
本発明の第５の態様に係る蓄冷式冷凍機においては、基本的には、第４の態様に係る蓄冷式冷凍機の場合と同様の効果を奏する。さらに、主としてプラスチック材料のメッシュからなるロール状の蓄冷材において、その軸線方向に対して垂直な方向に伸びる多数の切り口がメッシュシートに形成され、これにより高温側から低温側への熱伝導損失が低減されるので、一層効果的に蓄冷式冷凍機の高効率を保持しつつ被冷却部の熱容量を低減することができ、クールダウンタイムをさらに短縮することができる。
【００９８】
本発明の第６の態様に係る蓄冷式冷凍機においては、基本的には、第１の態様に係る蓄冷式冷凍機の場合と同様の効果を奏する。さらに、低熱伝導筒体の内壁面と蓄冷材との間に非通気性の弾性体が設けられ、これにより、所定の低温動作時に両者間の非接触隙間が増加する方向の変形が生じるのが抑制されるので、より効果的に蓄冷式冷凍機の高効率を保持しつつ被冷却部の熱容量を低減することができ、クールダウンタイムを一層短縮することができる。
【００９９】
本発明の第７の態様に係る蓄冷式冷凍機においては、基本的には、第１の態様に係る蓄冷式冷凍機の場合と同様の効果を奏する。さらに、断熱容器内部の高温端側に通気性の弾性体が設けられ、これにより、所定の低温動作時に断熱容器内部の低温側の死容積が増加する方向の変形が生じるのが抑制されるので、より効果的に蓄冷式冷凍機の高効率を保持しつつ被冷却部の熱容量を低減することができ、クールダウンタイムを一層短縮することができる。
【０１００】
本発明の第８の態様に係る蓄冷式冷凍機においては、基本的には、第１又は第２の態様に係る蓄冷式冷凍機の場合と同様の効果を奏する。さらに、プラスチックメッシュと、金網メッシュ又はガス透過性金属マスクとが交互に積層され、両者間に作用する摩擦力によってプラスチックメッシュの熱収縮が抑制される。このため、低熱伝導筒体の内壁面と蓄冷材との間の非接触隙間、あるいは低熱伝導筒体の外壁面と膨張シリンダの内壁面との間のディスプレーサ隙間が常温時より増加するのが抑制され、より効果的に蓄冷式冷凍機の高効率を保持しつつ被冷却部の熱容量を低減することができ、クールダウンタイムを一層短縮することができる。
【０１０１】
本発明の第９の態様に係る蓄冷式冷凍機においては、基本的には、第１の態様に係る蓄冷式冷凍機の場合と同様の効果を奏する。さらに、プラスチック蓄冷材を構成する基本要素である、メッシュ素線、ビーズ粒子あるいは繊維（ウール繊維）などの伝熱表面がニッケル等の金属皮膜によって被覆され、両者間に作用する熱応力によってプラスチックの熱収縮が抑制される。このため、低熱伝導筒体の内壁面と蓄冷材との間の非接触隙間、あるいは低熱伝導筒体の外壁面と膨張シリンダの内壁面との間のディスプレーサ隙間が常温時より増加するのが抑制され、より効果的に蓄冷式冷凍機の高効率を保持しつつ被冷却部の熱容量を低減することができ、クールダウンタイムを一層短縮することができる。
【０１０２】
本発明の第１０の態様に係る蓄冷式冷凍機においては、基本的には、第９の態様に係る蓄冷式冷凍機の場合と同様の効果を奏する。さらに、腐食処理あるいは微粒子研磨処理などの表面処理により、蓄冷材を構成する基本要素である、メッシュ素線、ビーズ粒子、あるいは繊維（ウール繊維）などの伝熱表面の表面粗度が大きくなるので、蓄冷材の伝熱面積が増加する。これにより、蓄冷器の効率が向上し、蓄冷式冷凍機が一層高効率化される。このため、クールダウンタイムをさらに短縮することができる。
【０１０３】
本発明の第１１の態様に係る蓄冷式冷凍機においては、基本的には、第２の態様に係る蓄冷式冷凍機の場合と同様の効果を奏する。さらに、プラスチック材料のシートが円筒形状に１周以上巻いて加熱成形され、その終端部が自由端とされ、かつ低熱伝導筒体と膨張シリンダとの間に挿入された薄肉厚のガイドリングによって低熱伝導筒体の外壁面と膨張シリンダの内壁面との間の隙間が一定に保たれるので、プラスチック材料の低熱伝導筒体を薄肉化することができ、ディスプレーサ容器側壁部の熱容量を低減することができ、さらに高温側から低温側への熱伝導損失を低減することができる。このため、クールダウンタイムを一層短縮することができる。
【０１０４】
本発明の第１２の態様に係る蓄冷式冷凍機ないしは蓄冷器においては、蓄冷材を構成するプラスチック製メッシュの切断面近傍部分をプラスチックの半融解温度まで加熱することにより、１枚のメッシュ切断面で隣接する素線同士が融着させられる。このため、メッシュの変形や素線のほどけが防止される。
【０１０５】
本発明の第１３の態様に係る蓄冷式冷凍機ないしは蓄冷器においては、同型に切り抜かれたプラスチック製メッシュを多数枚積層した上で切断面で熱融着させて一体化することにより形成された柱状ペレット状態の蓄冷材が用いられるので、メッシュからなる蓄冷材を断熱容器内に平面積層する作業を効率化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は本発明の実施の形態１に係るロール状のプラスチックメッシュを蓄冷材として用いた蓄冷式冷凍機の膨張機側の断面図であり、（ｂ）はロール状のプラスチックメッシュの斜視図であり、（ｃ）はロール状に加工する前のプラスチックメッシュシートの立面図である。
【図２】 本発明の実施の形態２に係る蓄冷材を用いた蓄冷材内蔵型のディスプレーサの断面図である。
【図３】 本発明の実施の形態３に係る蓄冷材を用いた蓄冷材内蔵型のディスプレーサの断面図である。
【図４】 本発明の実施の形態４に係る蓄冷材を用いた蓄冷材内蔵型のディスプレーサの斜視図である。
【図５】 本発明の実施の形態５に係る蓄冷材を用いた蓄冷材内蔵型のディスプレーサの断面図である。
【図６】 本発明の実施の形態６に係る蓄冷材の斜視図である。
【図７】 本発明の実施の形態７に係る蓄冷材を用いた蓄冷材内蔵型のディスプレーサの断面図である。
【図８】 （ａ）は本発明の実施の形態８に係る金属皮膜で被覆されたプラスチックメッシュのシート状態を示す図であり、（ｂ）はメッシュ素線の断面図である。
【図９】 （ａ）は本発明の実施の形態９に係る金属皮膜形成後に表面腐食処理が施されたプラスチックメッシュのシート状態を示す図であり、（ｂ）はメッシュ素線の断面図である。
【図１０】 （ａ）は本発明の実施の形態１０に係る、切断加工のために平面積層されたプラスチックメッシュ及びその切断機の、切断時における立面断面図であり、（ｂ）は切断後におけるペレット状態のプラスチックメッシュの断面図であり、（ｃ）は（ｂ）に示すプラスチックメッシュを真上から見た上面図であり、（ｄ）は（ｃ）中のＲで示す部分の拡大図であり、プラスチックメッシュの広がり面内での半融着部を拡大して示している。
【図１１】 本発明の実施の形態１１に係る、ディスプレーサとは独立してその外周部に配置された蓄冷器の斜視図である。
【図１２】 （ａ）は本発明の実施の形態１２に係る薄肉プラスチック製ディスプレーサ容器側壁部を用いたディスプレーサの斜視図であり、（ｂ）はディスプレーサ容器側壁部の斜視図であり、（ｃ）はガイドリングの斜視図である。
【図１３】 従来例１に係る、蓄冷器がディスプレ-サに内蔵されたスプリット型スターリング冷凍機の断面図である。
【図１４】 ナイロンを含む種々の蓄冷材の体積比熱と、ヘリウムガス（１０ＭＰａ）の体積比熱とを比較して示したグラフである。
【図１５】 従来例２に係る、蓄冷器がディスプレ-サとは独立して配置された一体型スターリング冷凍機の断面図である。
【図１６】 従来例３に係るオリフィス型パルス管冷凍機の模式図である。
【図１７】 冷凍機Ａ（スターリング冷凍機）の常温における各被冷却部の熱容量の割合を示す円グラフである。
【図１８】 （ａ）はプラスチックビーズ球の蓄冷材がディスプレーサに内蔵されている蓄冷式冷凍機の被冷却部の室温状態における断面図であり、（ｂ）は所定の低温動作時において蓄冷材が収縮した状態における（ａ）と同様の図であり、（ｃ）はプラスチック製ディスプレーサが用いられた場合において所定の低温動作時に蓄冷材とプラスチック製ディスプレーサとが収縮した状態における（ａ）と同様の図である。
【図１９】 冷凍機Ａ（スターリング冷凍機）において予測されるディスプレーサ隙間と、冷却能力及び熱損失との関係を示すグラフである。
【図２０】 冷凍機Ａ、Ｂ、Ｃ（スターリング冷凍機）の常温における被冷却部の熱容量を比較して示した棒グラフである。
【図２１】 冷凍機Ａ、Ｄ、Ｅ（スターリング冷凍機）の常温における被冷却部の熱容量を比較して示した棒グラフである。
【符号の説明】
１ 膨張機、 ２ 圧縮機、 ３ ディスプレーサ、 ４ 膨張シリンダ、 ４ａ 膨張シリンダ側壁部、 ４ｂ 膨張シリンダヘッド部、 ５ 高温空間、６ 低温空間、 ７ 蓄冷材、 ８ ディスプレーサ容器、 ８ａ ディスプレーサ容器側壁部、 ８ｂ ディスプレーサ容器低温側キャップ、 ８ｃ ディスプレーサ容器高温側キャップ、 ９ 低温空間に繋がる連通孔、 １０ 高温空間に繋がる連通孔、 １１ ニューマティック室、 １２ ニューマティックピストン、 １３ シール部、 １３ａ シール部、 １３ｂ シール部、 １３ｃ シール部、 １４ 蓄冷器、 １５ 連通管、 １６ 圧縮ピストン、 １７ 圧縮シリンダ、 １８ 圧縮空間、 ２０ クランクシャフト、 ２１ クランクケース、 ２２ 放熱器、 ２３ インナーライナ、 ２４ パルス管、 ２５ 低温側熱交換器、 ２６ オリフィス、 ２７ バッファタンク、 ２８ 断熱容器、 ２９ プラスチックメッシュ積層（平面積層されたプラスチックメッシュ）、 ２９ａ プラスチックメッシュシート（外径がディスプレーサ容器側壁部内径にほぼ一致する形状）、 ２９ｂ プラスチックメッシュシート（外径がディスプレーサ容器側壁部内径より小さい形状）、 ２９ｃ プラスチックメッシュシート（外径がディスプレーサ容器側壁部内径より大きい形状）、 ３０ プラスチックメッシュロール（ロール状のプラスチックメッシュ）、３１ 軸芯、 ３２ 通気性の弾性体、 ３３ プラスチックメッシュシート、 ３３ａ 内周端部、 ３３ｂ 外周端部、 ３３ｃ 高温側端部、 ３３ｄ低温側端部、 ３４ 機械ばね、 ３４ａ フリーディスプレーサ共振用ばね、 ３４ｂ 弾性力補強用ばね、 ３５ ディスプレーサ隙間、 ３６ 蓄冷材空塊部、 ３６ａ ディスプレーサ容器側壁部の内壁面と蓄冷材との間の非接触隙間、 ３６ｂ ディスプレーサ容器低温側キャップの内壁面と蓄冷材との間の非接触隙間、 ３７ 作動ガスの流れ、 ３７ａ 蓄冷材との熱交換が不十分な迂回流れ、 ３７ｂ 蓄冷材と熱交換する主な流れ、 ３８ プラスチックメッシュシートの円筒軸方向のシート幅、 ３８ａ 内周端部における円筒軸方向のシート幅、 ３８ｂ 外周端部における円筒軸方向のシート幅、 ３８ｃ 高温側端部におけるプラスチックメッシュシートの長さ、 ３８ｄ 低温側端部におけるプラスチックメッシュシートの長さ、 ３９ 切り口、４０ 非通気性の弾性シート、 ４４ ロール状の金属メッシュ、 ４５ 平面積層された金網メッシュ、 ４６ 均一な金属皮膜で被覆されたメッシュ、 ４７ 均一な金属皮膜で被覆されたメッシュ素線、 ４７ａ 横方向のメッシュ素線、 ４７ｂ 縦方向のメッシュ素線、 ４９ プラスチック母材、５０ 均一な金属皮膜部分、 ５１ 不均一な金属皮膜で被覆されたメッシュ、 ５２ 不均一な金属皮膜で被覆されたメッシュ素線、 ５２ａ 横方向のメッシュ素線、 ５２ｂ 縦方向のメッシュ素線、 ５４ 不均一な金属皮膜部分、 ５５ プラスチックメッシュ切断機、 ５５ａ 刃型部、 ５５ｂ メッシュ押し込み部、 ５５ｃ ヒータ、 ５６ プラスチックメッシュ切断面、 ６０ 薄肉プラスチックシートを加熱成形したディスプレーサ容器側壁部、 ６１ ガイドリング、 ６２ 位置決めピン、 ６２ａ 低温側ピン、 ６２ｂ 高温側ピン、 ６３ ピン止め穴、６４ ピン止め冶具。
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄冷式冷凍機に関するものであって、とくに高解像度赤外線カメラその他の低温で動作する高感度センサを冷却し、あるいは生鮮食料品を低温に急速冷凍するなどといった用途に供される蓄冷式冷凍機において、その立ち上げ時間を短縮するのに有効な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高解像度赤外線カメラにおいては、量子効果を利用した赤外線撮像素子が用いられ、この素子を動作温度まで冷却するために小型冷凍機が搭載されている。例えば、代表的な赤外線撮像素子であるＰｔＳｉショッキドバリアを用いた場合は、８０Ｋで約１Ｗの冷却能力が必要とされる。このような小型冷凍機のなかで、スターリング冷凍機等の蓄冷式冷凍機は、ジュール・トムソン冷凍機（ＪＴ冷凍機）に比べて、高効率でありしかも繰り返し使用することができるといった利点を有するので、従来より広く用いられている。
【０００３】
しかしながら、かかる蓄冷式冷凍機は、熱容量の大きい蓄冷器を備えているので、立ち上げ時間ないしはクールダウンタイム（室温状態から所定の動作温度（例えば８０Ｋ）まで冷却するのに要する時間）が長いことが問題となっている。以下、このような従来の蓄冷式冷凍機の構造及び作用並びにその問題点について詳しく説明する。なお、この「従来の技術」の欄又は次の「発明が解決しようとする課題」の欄においてこのように詳しい説明を行うのは、これらの欄の記載が、後記の本発明の実施の形態に係る蓄冷式冷凍機の、従来技術と共通な部分の構成ないしは作用の説明を兼ねているからである。
【０００４】
従来例１．
図１３は、例えば特公平２−１７７８８号公報に開示されている、ディスプレーサ内に蓄冷材が内包（内蔵）されたスプリット型スターリング冷凍機の概略構造を示す図である。図１３において、１は膨張機であり、２は圧縮機であり、３はディスプレーサであり、４は膨張シリンダであり、５は高温空間であり、６は低温空間であり、７は蓄冷材であり、８はディスプレーサ容器（断熱容器）であり、９及び１０はそれぞれ低温空間６と高温空間５とに繋がる連通孔であり、１１はニューマティックピストンであり、１２はニューマティック室であり、１３ａ、１３ｂ及び１３ｃはそれぞれシール部であり、１４は蓄冷器であり、１５は連通管であり、１６は圧縮ピストンであり、１７は圧縮シリンダであり、１８は圧縮空間である。
【０００５】
このスプリット型スターリング冷凍機においては、圧縮ピストン１６を圧縮シリンダ１７内で往復移動させることによって、該冷凍機内に封入されている作動ガス（冷媒ガス）に圧力変動が惹起される。そして、この圧力変動による加振力とばね振動系とを利用して、ディスプレーサ３（ディスプレーサ容器８）が膨張シリンダ４内で圧縮ピストン１６に対して一定の位相差で往復移動させられる。かくして、低温空間６には、膨張仕事により冷凍作用
（効果）が惹起される。ここで、ディスプレーサ容器８内の空間部を経由して高温空間５と低温空間６との間を往復流動する作動ガスが蓄冷材７と熱交換を行うことにより、高効率な冷凍サイクル（等温過程と等容過程とからなる逆スターリングサイクルに近い状態）が実現される。
【０００６】
図１４に、ナイロンを含む種々の蓄冷材の体積比熱（単位体積あたりの比熱）を、よく用いられる作動ガスの１つであるヘリウムガス（１０ＭＰａ）の体積比熱と対比して示す。図１４から明らかなとおり、蓄冷材の体積比熱はいずれも低温になるほど急速に小さくなるのに対して、ヘリウムガスの体積比熱は低温になるほど大きくなり、とくに２０Ｋ以下では急激に増大する。このため、４Ｋレベルの温度領域（ヘリウムの液化温度）の極低温を目指す蓄冷式冷凍機では、この動作温度で最も体積比熱の大きい金属材料が蓄冷材として用いられる。
【０００７】
一方、８０Ｋレベル以上の温度領域では、ナイロンの体積比熱であっても、ヘリウムガス（ここでは、封入圧力が１ＭＰａの蓄冷式冷凍機を想定する）の体積比熱に比べて十分に大きい。すなわち、ナイロンの体積比熱は、ヘリウムガスの体積比熱に対して、例えば常温域では約２００倍であり、８０Ｋレベルでは約１００倍である。
【０００８】
例えば、平成９年に低温工学協会から発行された「超伝導・低温工学ハンドブック（以下、「刊行物１」という）」の第２６１頁には、次の一連の式１で示すように、蓄冷器の非効率さＩeは、蓄冷材の熱伝達の良さを表す無次元量Λと、蓄冷材の熱容量の逆比を表す無次元量Γの関数Ｆで表され、再生熱損失Ｑregは半周期最大熱交換量Ｑmaxと蓄冷器の非効率さＩeの積で表されるということが開示されている。また、無次元量Γが０．１以下のときには、再生熱損失Ｑregはほとんど変わらないという結果が開示されている。
【０００９】
（式１）
Λ＝ｈ・Ａr／（ｗ・Ｃp）
Γ＝ｗ・Ｃp・τ0／（Ｍr・Ｃr）
Ｉe＝Ｆ（Λ，Γ）＝１−（１／Γ）tanh｛ΛΓ／（Λ＋２）｝
Ｑmax＝ｗ・Ｃp・τ0（Ｔh−Ｔc）
Ｑreg＝Ｑmax・Ｉe
ｈ ：蓄冷材熱伝達率 Ａr：蓄冷材伝熱面積
Ｍr：蓄冷材質量 Ｃr：蓄冷材比熱
ｗ ：ガス質量流量 Ｃp：ガス比熱
τ0：半周期 Ｔh：高温側ガス温度
Ｔc：低温側ガス温度
【００１０】
図１３に示す従来例１にかかる蓄冷式冷凍機においては、８０Ｋレベルの低温領域であれば、プラスチック製の蓄冷材を用いた場合でも十分な熱容量が得られ、金属製の蓄冷材を用いた場合に比べて、熱容量の減少に起因する熱損失の増加は少なくなるといえる。しかしながら、熱伝導損失は減少する。かくして、総合的には、金属製の蓄冷材の場合と変わらない高効率な冷却性能が得られることになる。さらに、軽量化と低コスト化とを計ることが可能である。
【００１１】
なお、本明細書において、「低温」及び「プラスチック」は、例えば特公平２−１７７８８号公報にも開示されているような一般の定義に従っている。すなわち、「低温」は−１５０℃以下の温度を意味し、「プラスチック」は、主要成分として高分子量の有機物質を含み、最終状態では固体であるが、製造段階又は最終状態への処理段階においては流動により形状を付与することが可能な材料を意味する。
【００１２】
従来例２．
図１５は、例えば平成８年に日本機械学会から発行された「ＲＣ１２７地球環境および多種熱利用に適したスターリングサイクル機器特の最適設計手法に関する研究分科会報告書（以下、「刊行物２」という）」の第ＩＩ−１３４頁に開示されている、蓄冷器がディスプレーサとは独立して配置された一体型スターリング冷凍機の概略構造を示す図である。
【００１３】
図１５において、４ａは耐圧容器と低熱伝導筒体とを兼ねる膨張シリンダ側壁部であり、４ｂは膨張シリンダドヘッド部であり、２０はクランクシャフトであり、２１はクランクケースであり、２２は放熱器であり、２３は低熱伝導筒体からなるインナーライナであり、１４は蓄冷器である。この一体型スターリング冷凍機の冷凍原理は、基本的には、図１３に示すスプリット型スターリング冷凍機の場合と同様である。なお、ディスプレーサ３及び圧縮ピストン１６は、それぞれクランクシャフト２０に連結され、これによって駆動される。また、蓄冷器１４は、ディスプレーサ３とは独立して配置され、インナーライナ２３を内壁とし膨張シリンダ側壁４ａを外壁とするリング状の断熱スペース内に金網メッシュが積層されてなる蓄冷材７が挿入された構造のものである。
【００１４】
従来例３．
図１６は、例えば前記刊行物２の第ＩＩ−１４頁に開示されている、オリフィス型パルス管冷凍機の概略構造を示す図である。図１６において、２４はパルス管であり、２５は低温側熱交換器であり、２６はオリフィスであり、２７はバッファタンクであり、２８は蓄冷材７を内包する断熱容器である。このパルス管冷凍機は、スターリング冷凍機とは異なり、膨張機側にはディスプレーサのような駆動部を備えていない。しかしながら、パルス管２４とオリフィス２６とバッファタンク２７とで、圧力変動とガスの往復流動との間に位相差を生じさせ、膨張仕事を発生させるようになっている。なお、蓄冷器１４には蓄冷材７が挿入されているが、この蓄冷器７としては、通常、円形又はリング状に切り抜いた金網メッシュを高温側から低温側に平面積層したものが用いられる。
【００１５】
例えば、平成６年に日本機械学会から発行された「ＲＣ１１０地球環境および多種熱利用に適したスターリングサイクル機器特の最適要素設計手法に関する研究成果報告書（以下、「刊行物３」という）」の第ＩＩ−３６頁にも記載されているように、金網メッシュは、その他の蓄冷材（金属繊維、発泡金属など）に比べて、総合的な優位性（圧力損失、伝熱性能、価格など）を有するからである。ここで、「メッシュ」は、金属材料又はプラスチック材料からなるほぼ円形断面の細い素線を直交交差するように編んだものを意味する。なお、刊行物３には、プラスチックメッシュについてはとくには言及されていないが、この場合も同様にメッシュ形状が優位性を有するものと解することができる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般に、蓄冷式冷凍機のクールダウンタイム（立ち上げ時間）は、被冷却部の熱容量と、クールダウン途上における冷却能力の比で決まる。このため、クールダウンタイムを短縮するには、冷却性能を低下させることなく、被冷却部の熱容量を低減することが要求される。
【００１７】
表１に、例えば、８０Ｋで１Ｗレベルの冷却能力を有するスターリング冷凍機（以下、「冷凍機Ａ」という）の被冷却部の熱容量（但し、常温）を見積った結果を示す。この冷凍機Ａは、例えば図１３（従来例１）に示すような、蓄冷材をディスプレーサに内包（内蔵）したタイプの冷凍機であって、金属製の蓄冷材（ＳＵＳメッシュ）と、肉厚０．５ｍｍに切削加工されたプラスチック（ベスペル（商品名；デュポン（株）製））のディスプレーサ容器と、肉厚０．１ｍｍに切削加工されたＴｉ合金製の膨張シリンダとを組み合わせたものである。
【００１８】
【表１】
図１７は、この冷凍機Ａの各被冷却部の熱容量の、総熱容量中に占める割合（％）を示す円グラフである。図１７から明らかなとおり、最も大きな割合を占めるのは蓄冷材であり、ディスプレーサ容器（ディスプレーサ側壁部及びディスプレーサ低温側キャップ）と、膨張シリンダ（膨張シリンダヘッド部及び膨張シリンダ側壁部）とがこれに次いでいる。ここで、蓄冷材の熱容量を低減するには、前記の従来例１の場合のように、プラスチック製の蓄冷材を用いればよい。また、ディスプレーサ容器の熱容量を低減するには、切削加工では肉厚が０．５ｍｍ程度のものが限界（下限）であるプラスチック材料に替えて、薄肉加工が可能な金属材料を用いればよい。
【００２０】
図２０は、前記の冷凍機Ａ（スターリング冷凍機）と、冷凍機ＡにおいてＴｉ合金を肉厚０．１ｍｍに切削加工して製作されたディスプレーサ容器を用いたもの（以下、「冷凍機Ｂ」という）と、さらに冷凍機Ｂにおいてプラスチック（ナイロンメッシュ）製の蓄冷材を用いたもの（以下、「冷凍機Ｃ」という）とについて、それぞれ、各被冷却部の熱容量（但し、常温）を比較して示した棒グラフである。図２０から明らかなとおり、冷凍機Ｃの被冷却部の総熱容量（２．３８Ｊ／Ｋ）は、冷凍機Ａのそれ（４．５８Ｊ／Ｋ）の約半分に低減されている。
【００２１】
このような事実に鑑みれば、プラスチック製の蓄冷材を用いれば、一見、高い冷却効率を維持しつつ被冷却部の熱容量を低減してクールダウンタイムを短縮できるかのようにもみえる。しかしながら、本願発明者の知見によれば、実際にプラスチック製の蓄冷材を用いた場合、冷却効率が著しく低下し、クールダウンタイムを短縮することができない場合が多い。このような問題が生じる主な原因は、ナイロンなどのプラスチック材料の熱収縮率が、金属材料のそれに比べて非常に大きいことである。
【００２２】
図１８（ａ）〜（ｃ）は、従来例１（図１３）の場合のように、プラスチック製のビーズ粒子の集合体からなる蓄冷材７がディスプレーサ容器８に内包（内蔵）された蓄冷式冷凍機の被冷却部の縦断面図である。ここで、図１８（ａ）は室温時における状態を示し、図１８（ｂ）は所定の低温動作時において蓄冷材７のみが収縮した状態を示し、図１８（ｃ）はプラスチック製のディスプレーサ容器８が用いられた場合において所定の低温動作時に蓄冷材７とディスプレーサ容器８とがともに収縮した状態を示している。
【００２３】
図１８（ａ）〜（ｃ）において、８ａは低熱伝導筒体からなるディスプレーサ容器側壁部（ディスプレーサ容器８の側壁部）であり、８ｂは低温空間６に繋がる連通孔９を有するディスプレーサ容器低温側キャップ（ディスプレーサ容器８の低温側キャップ）であり、３５はディスプレーサ容器側壁部８ａの外壁面（外周面）と膨張シリンダ側壁部４ａ（膨張シリンダ側壁部４の側壁部）の内壁面（内周面）との隙間（以下、「ディスプレーサ隙間」という）であり、３６はディスプレーサ容器８内において蓄冷材７の空隙率が際だって大きい部分（以下、「蓄冷材空塊部３６」という）である。
【００２４】
なお、蓄冷材空塊部３６中、とくに、３６ａはディスプレーサ容器側壁部８ａの内壁面と蓄冷材７との間に形成された非接触隙間を示し、３６ｂはディスプレーサ容器低温側キャップ８ｂの内壁面と蓄冷材７との間に形成された非接触隙間を示している。また、３７は作動ガスの流れであり、この作動ガスの流れ３７中、とくに、３７ａは蓄冷材７との熱交換が不十分な迂回流れを示し、３７ｂは蓄冷材７と十分に熱交換が行われる主な流れを示している。
【００２５】
図１８（ａ）に示すように、室温状態では、ディスプレーサ容器８中において蓄冷材７の空隙率はほぼ均一であり、蓄冷材空塊部３６はほとんど存在しない。しかしながら、図１８（ｂ）に示すように、低温状態においては、プラスチック製の蓄冷材７が収縮して、ディスプレーサ容器８の低温端側では蓄冷材７の空隙率が一様に小さくなるとともに、局部的に蓄冷材空塊部３６（非接触隙間３６ｂ）が発生し、低温端側死容積が大きくなる。ここで、とくに非接触隙間３６ａが大きくなると、ディスプレーサ容器８内に蓄冷材７と十分に熱交換が行われない作動ガスの迂回流れ３７ａが生じるので、再生熱損失Ｑregが著しく増加し、冷却性能が低下する。
【００２６】
また、図１８（ｃ）に示すように、プラスチック製の蓄冷材７を内包するディスプレーサ容器側壁部８ａがプラスチック製の低熱伝導筒体（熱伝導が小さい筒型形状物）で作製された場合は、これと金属製の膨張シリンダ側壁部４ａとの間のディスプレーサ隙間３５が拡大し、クールダウン途上あるいは所定の低温動作時に、ディスプレーサ隙間３５が最適値（設計仕様で異なるが、一般的には０．１〜０．２５ｍｍ程度）から大きくはずれ、冷却性能の低下を招く。
図１９に、参考のため、冷凍機Ａ（スターリング冷凍機）において予測されるディスプレーサ隙間３５と冷却能力及び熱損失との関係の一例を示す。図１９に示す例では、ディスプレーサ隙間３５の最適値は約０．１５ｍｍである。
【００２７】
以下、表２（主な冷凍機材料及びヘリウムガスの常温での物性値）に示す物性値に基づいて、冷凍機Ｃ（スターリング冷凍機）において、蓄冷材７の材料としてナイロン６６を用い、ディスプレーサ容器側壁部８ａの材料としてＴｉ合金を用いた場合について、非接触隙間３６ａを求めた結果について説明する。
【００２８】
【表２】
すなわち、常温２５℃（２９８Ｋ）から所定の動作温度（７７Ｋ）まで冷却すると、円筒形状のディスプレーサ容器８の内径が１０ｍｍでありかつ長さが１００ｍｍの場合は、蓄冷材７とディスプレーサ容器８の低温端との間で生じる熱収縮差は、径方向で０．５１ｍｍとなり、長さ方向で約２．６ｍｍとなる。また、内径が２０ｍｍの場合は、径方向の熱収縮は１．０３ｍｍとなる。蓄冷材７に適した♯３００のメッシュ（例えば、ＮＢＣ（株）ナイロンメッシュスクリーン、Ｎｏ．Ｎ−３０５Ｔ）は、厚さが０．０６ｍｍであり、目開きが０．０４８ｍｍであり、素線径が０．０３５ｍｍであるので、熱収縮差による隙間拡大の影響は相対的に大きいことが明らかである。このような状態では、迂回流れ３７ａの発生あるいは非接触隙間３６ｂ（低温端側死容積）の増加が起こり、冷却性能が著しく低下することになる。
【００３０】
また、プラスチック製の蓄冷材７を内包するディスプレーサ容器側壁部８ａがナイロン製でありかつ膨張シリンダ側壁４ａがＴｉ合金で作製された蓄冷式冷凍機が、所定の動作温度（７７Ｋ）まで冷却されると、ディスプレーサ容器側壁８ａが収縮し、膨張シリンダ内径が１０ｍｍの場合は低温端のディスプレサー隙間３５は０．２６ｍｍ増加し、また内径が２０ｍｍの場合は０．５２ｍｍ増加する。このように、ディスプレーサ隙間３５が最適値より大きくなると、熱損失が増加して冷却性能が低下することになる。
【００３１】
以上のように、従来の蓄冷式冷凍機では、プラスチック製の蓄冷材を用いた場合、被冷却部の熱容量は低減されるものの、冷却効率が著しく低下するので、クールダウンタイムが長くなるといった問題がある。本発明は、かかる従来の問題を解決するためになされたものであって、被冷却部の熱容量を低減しつつ冷却効率を高めることができ、もってクールダウンタイムを短縮することができる蓄冷式冷凍機を提供することを解決すべき課題とする。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するためになされた本発明の第１の態様に係る蓄冷式冷凍機は、（ａ）高温端で高温空間と連通するとともに低温端で低温空間と連通し、高温端と低温端との間で温度勾配方向（作動ガスの全体的な流れ方向）に伸びる側壁部が低熱伝導筒体で形成されている断熱容器と、（ｂ）断熱容器に内包（内蔵）され、作動ガス（冷媒ガス）が該断熱容器を経由して高温空間と低温空間とを往復流動する際に作動ガスと熱交換を行う、主としてプラスチック材料で作製された蓄冷材とを備えた蓄冷器が設けられている蓄冷式冷凍機において、（ｃ）所定の低温動作状態において、断熱容器と蓄冷材とを構成する各部材が、熱収縮により、低熱伝導筒体の内壁面と前記蓄冷材との間に生じる非接触隙間と、低温端側で断熱容器内部に生じる死容積とが常温時より増加する方向に変形するのを（自動的に）抑制する抑制手段が設けられていることを特徴とするものである。
【００３３】
すなわち、この蓄冷式冷凍機においては、所定の低温動作状態ではプラスチック材料の熱収縮が大きいため、低熱伝導筒体の内壁面と蓄冷材との間の非接触隙間、及び断熱容器内部での低温端側の死容積がそれぞれ常温時より増加する方向の変形が生じようとするが、これを自動的に抑制するように蓄冷器を構成したものである。
【００３４】
本発明の第２の態様に係る蓄熱式冷凍機は、（ａ）金属製の膨張シリンダと、（ｂ）膨張シリンダ内に配置され、高温端で高温空間と連通するとともに低温端で低温空間と連通し、高温端と低温端との間で温度勾配方向（作動ガスの全体的な流れ方向）に伸びる側壁部がプラスチック製の低熱伝導筒体で形成されている断熱性のディスプレーサ容器と、（ｃ）ディスプレーサ容器に内包され、作動ガス（冷媒ガス）が該ディスプレーサ容器を経由して高温空間と低温空間とを往復流動する際に作動ガスと熱交換を行う、主としてプラスチック材料で作製された蓄冷材とを備えた蓄冷器が設けられ、（ｄ）ディスプレーサ容器を膨張シリンダ内で往復移動させることにより、低温空間に冷凍作用が惹起されるようになっている蓄冷式冷凍機において、（ｅ）所定の低温動作状態において、ディスプレーサ容器と蓄冷材とを構成する各部材が、熱収縮により、低熱伝導筒体の外壁面と膨張シリンダの内壁面との間に形成されるディスプレーサ隙間が常温時より増加する方向に変形するのを抑制する抑制手段が設けられていることを特徴とするものである。
【００３５】
すなわち、この蓄冷式冷凍機においては、所定の低温動作状態では、低熱伝導筒体の外壁面と膨張シリンダの内壁面との間のディスプレーサ隙間が常温時より増加する方向に熱収縮変形するが、これを自動的に抑制するように蓄冷器を構成したものである。
【００３６】
本発明の第３の態様に係る蓄冷式冷凍機は、前記第１又は第２の態様に係る蓄熱式冷凍機において、抑制手段が、弾性体が外力を受けない状態に戻ろうとする弾性力、熱収縮率の異なる材料間に働く摩擦力もしくは熱応力、又はバインダによる接着力により（ないしは、これらを用いて）上記変形を抑制するようになっていることを特徴とするものである。
【００３７】
本発明の第４の態様に係る蓄冷式冷凍機は、前記第１の態様に係る蓄熱式冷凍機において、低熱伝導筒体が円筒体であって、蓄冷材が、主としてプラスチック材料からなるメッシュシートを低熱伝導筒体の中心軸のまわりにロール状に巻きつける（巻きあげる）ことにより成形され、該ロール状のメッシュシートの外周端部が、少なくとも低温端側では、自由端のまま直接的に又は弾性体を介して、低熱伝導筒体の内壁面に接触していることを特徴とするものである。すなわち、抑制手段を自動的に動作させるために、蓄冷材が円筒形状の低熱伝導筒体に内包される場合において、主にプラスチック材料からなるメッシュシートを円筒軸に対してロール状に巻きつけて、その外周端部の少なくとも低温側の部分を自由端のまま低熱伝導筒体に接触させ、あるいは弾性体を介して低熱伝導筒体に接触させるように構成したものである。
【００３８】
本発明の第５の態様に係る蓄冷式冷凍機は、前記第４の態様に係る蓄熱式冷凍機において、メッシュシートに、中心軸の軸線方向に対して垂直方向に伸びる切り口が多数形成されていることを特徴とするものである。すなわち、高温側から低温側への熱伝導損失を低減するために、中心軸に対して垂直方向の切り口を多数メッシュシートに構成したものである。
【００３９】
本発明の第６の態様に係る蓄冷式冷凍機は、前記第１の態様に係る蓄熱式冷凍機において、断熱容器内において低熱伝導筒体の内壁面と蓄冷材との間に、非通気性の弾性体が設けられていることを特徴とするものである。すなわち、プラスチックを主材料とする蓄冷材が熱収縮し、低熱伝導筒体の内壁面と蓄冷材との間の非接触隙間が常温時より増加する方向に変形するのを抑制するために、両者間に非通気性の弾性体を設けたものである。
【００４０】
本発明の第７の態様に係る蓄冷式冷凍機は、前記第１の態様に係る蓄熱式冷凍機において、高温端側において断熱容器内に、通気性の弾性体が設けられていることを特徴とするものである。すなわち、プラスチックを主材料とする蓄冷材が、熱収縮により、断熱容器内部の低温端側の死容積が常温時より増加する方向に変形するのを抑制するために、断熱容器内部の高温端側に、通気性の弾性体を設けたものである。
【００４１】
本発明の第８の態様に係る蓄冷式冷凍機は、前記第１又は２の態様に係る蓄熱式冷凍機において、蓄冷材が、金網メッシュ又は通気性金属マスクと、プラスチックメッシュとが交互に積層されてなる積層体であることを特徴とするものである。すなわち、プラスチックメッシュの熱収縮を抑制するために、プラスチックメッシュと、金網メッシュ又はガス透過性金属マスクとを交互に積層し、両者間に摩擦力が働くようにしたものである。
【００４２】
本発明の第９の態様に係る蓄冷式冷凍機は、前記第１の態様に係る蓄熱式冷凍機において、蓄冷材が、メッシュ素線状、ビーズ粒子状又は繊維状（ウール繊維）のプラスチック製基材が金属で被覆されてなる素材で形成されていることを特徴とするものである。すなわち、プラスチックメッシュの熱収縮を抑制するために、プラスチック蓄冷材の基本構成要素である、メッシュ素線、ビーズ粒子又は繊維（ウール繊維）などの伝熱表面をニッケル等の金属で被覆することにより、両者間に熱応力が働くようにしたものである。
【００４３】
本発明の第１０の態様に係る蓄冷式冷凍機は、前記第９の態様に係る蓄熱式冷凍機において、蓄冷材の表面粗度が粗くなっていることを特徴とするものである。すなわち、蓄冷材の伝熱面積を増加させて蓄冷器（再生熱交器）の高効率化を図るために、蓄冷材の基本構成要素である、メッシュ素線、ビーズ粒子、又は繊維（ウール繊維）などの伝熱表面に腐食処理又は微粒子研磨処理を施すことにより、表面粗度が大きくなるように構成したものである。
【００４４】
本発明の第１１の態様に係る蓄冷式冷凍機は、前記第２の態様に係る蓄熱式冷凍機において、低熱伝導筒体が、薄肉厚のプラスチックシートが円筒形状に１周以上巻かれてなり、その外周端部が自由端となっている加熱成形体であって、低熱伝導筒体の外壁面と膨張シリンダの内壁面との間に、該両壁面間の隙間を一定に保つ薄肉厚のガイドリングが挿入されていることを特徴とするものである。すなわち、プラスチック材料の低熱伝導筒体を薄肉化するために、プラスチック材料のシートを円筒形状に１周以上巻いて加熱成形し、また低熱伝導筒体の外壁面と膨張シリンダの内壁面との間の隙間を一定に保つために、その外周端部を自由端のままとして、低熱伝導筒体と膨張シリンダとの間に薄肉厚のガイドリングを挿入したものである。
【００４５】
本発明の第１２の態様に係る蓄冷式冷凍機は、所定の形状に切断され、切断部において隣接する素線同士が互いに熱融着されているプラスチック製メッシュが積層されてなる蓄冷材が設けられていることを特徴とするものである。すなわち、この蓄冷式冷凍機ないしは蓄冷材は、メッシュの素線がほどけるのを防止するために、プラスチック製メッシュの切断面近傍をプラスチック半融解温度まで加熱することにより、１枚のメッシュ切断面で隣接する素線同士を熱融着させたものである。
【００４６】
本発明の第１３の態様に係る蓄冷式冷凍機は、それぞれ同一の形状に切断された複数のプラスチック製メッシュが柱状に平面積層され、切断部近傍においてプラスチック製メッシュ同士が熱融着されてなる柱状ペレット状態の蓄冷材が設けられていることを特徴とするものである。すなわち、この蓄冷式冷凍機ないしは蓄冷材は、蓄冷材を断熱容器内に積層する作業が効率化できるように、同型に切り抜いたプラスチック製メッシュを多数枚積層し、これらを切断面で熱融着させて、一体化された柱状ペレット状態にしたものである。
【００４７】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図１２と、図２１とを参照しつつ、本発明の実施の形態を具体的に説明する。なお、前記のとおり、この実施の形態に係る蓄冷式冷凍機の従来技術と共通する部分は、前記の従来例１〜３（図１３〜図２０）に記載されている。したがって、以下では、説明の重複を避けるため、従来例１〜３に係る蓄冷式冷凍機と共通する部材ないしは要素には、これらと同一の番号を付し、その詳しい説明は省略する。すなわち、図１〜図１２中において、番号１〜２７、３５〜３７は従来例１〜３と実質的に同一のものである。
【００４８】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る蓄冷式冷凍機について説明する。
図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態１に係る、ロール状のプラスチックメッシュを蓄冷材として用いた蓄冷式冷凍機ないしはその構成要素の構造（様態）を示す図である。ここで、図１（ａ）はこの蓄冷式冷凍機の膨張機１の断面図であり、図１（ｂ）はロール状のプラスチックメッシュの斜視図であり、図１（ｃ）はロール状に加工する前におけるプラスチックメッシュシートの立面図である。
【００４９】
図１（ａ）において、８ｃは高温空間５に繋がる連通孔１０を有する高温側キャップであり、２９は平面積層されたプラスチックメッシュ（以下、「プラスチックメッシュ積層２９」という）であり、３０はロール状のプラスチックメッシュ（以下、「プラスチックメッシュロール３０」という）であり、３１はプラスチックメッシュロール３０の軸芯であり、３２は通気性の弾性体であり、３４ａはフリーディスプレーサ共振用の機械ばねであり、３４ｂは弾性力補強用の機械ばねである。
【００５０】
この蓄冷式冷凍機において、通気性の弾性体３２は、常温状態では高温端側に圧縮されるようにして、ディスプレーサ容器８内に挿入されている。そして、弾性体３２は、低温動作時には、熱収縮した蓄冷材７（プラスチックメッシュ積層２９及びプラスチックメッシュロール３０）をディスプレーサ容器８内において低温端側に押し上げ、低温端側においてディスプレーサ容器８内に死容積が発生しあるいは増加するのを防止することができるようになっている。
【００５１】
ここで、通気性の弾性体３２としては、例えば、やや硬めのプラスチック製スポンジや、♯５０（１インチ平方あたりの網目数を表す）以下の粗い金属製メッシュを数１０枚積層したものなどを用いることができる。さらに、この実施の形態１では、弾性体３２に機械ばね３４ｂを組み合わせて、弾性体３２の弾性力を補強するようにしている。また、蓄冷材７は、プラスチックメッシュ積層２９が高温側に配置される一方、プラスチックメッシュロール３０が低温側に配置された構造とされている。
【００５２】
図１（ｂ）及び図１（ｃ）において、３３はプラスチックメッシュシートであり、プラスチックメッシュロール３０にロール加工される前の状態のものである。そして、これらの図において、３３ａと３３ｂとはそれぞれプラスチックメッシュシート３３の内周端部と外周端部とであり、３３ｃと３３ｄとはそれぞれプラスチックメッシュシート３３の高温側端部と低温側端部とである。また、３８ａと３８ｂとはそれぞれ内周端部３３ａと外周端部３３ｂとにおけるプラスチックメッシュシート３３円筒軸方向の幅（シート幅）であり、３８ｃと３８ｄとはそれぞれ高温側端部３３ｃと低温側端部３３ｄとにおけるプラスチックメッシュシート３３の長さ（シート長さ）であり、３９は切り口である。
【００５３】
図１（ｂ）から明らかなとおり、この蓄冷式冷凍機においては、プラスチックメッシュシート３３が内周端部３３ａから軸芯３１の周りにロール状に巻きつけ加工されてなるプラスチックメッシュロール３０がディスプレーサ８（ディスプレーサ容器側壁部８ａ）内に挿入され、その外周端部３３ｂはディスプレーサ容器側壁部８ａには固定されず自由端の状態とされている。
【００５４】
また、図１（ｃ）から明らかなとおり、プラスチックメッシュシート３３は、その円筒軸方向のシート幅が内周端部３３ａから外周端部３３ｂに向かって徐々に小さくなり、またそのシート長さが低温側端部３３ｄ側の方が高温側端部３３ｃ側よりも長くなるような形状に加工されている。これは、低温動作時におけるプラスチックメッシュロール３０の熱収縮は、低温側端部３３ｄ側の方が高温側端部３３ｃ側よりも大きく、したがってプラスチックメッシュロール３０とディスプレーサ容器側壁部８ａの内壁面との間の非接触隙間３６ａは低温側端部３３ｄ側の方が大きくなるので、この非接触隙間３６ａの変化に併せてプラスチックメッシュロール３０を広がりやすくするためである。また、軸芯３１は、低熱伝導性で低熱容量のものが適しており、例えばプラスチック製の丸棒などが用いられる。なお、軸芯３１の外径は、蓄冷材７（プラスチックメッシュシート３３）の必要量に合わせて好ましく設計される。
【００５５】
また、プラスチックメッシュシート３３には、円筒軸方向に対して垂直な方向に伸びる（長手となる）細長い切り口３９が等間隔に形成されている。従来の蓄冷式冷凍機においては、通常、メッシュシートを円筒軸方向に平面積層した蓄冷材が用いられるが、この場合は各メッシュシートが互いに点接触し、この接触点を介して熱伝導が生じるので、蓄冷材７の熱伝導損失は非常に小さくなる（例えば、上記刊行物３参照）。
【００５６】
しかしながら、プラスチックメッシュシート３３をロール状に加工した本発明に係る蓄冷材７では、そのままでは高温側端部３３ｃから低温側端部３３ｄまでメッシュ素線が繋がっているので、蓄冷材７（プラスチックメッシュロール３０）の熱伝導損失が大きくなる。そこで、この熱伝導を妨げるため、円筒軸方向に対して垂直な方向の切り口３９をプラスチックメッシュシート３３に千鳥配置で等間隔に形成し、高温側端部３３ｃ側から低温側端部３３ｄ側へ熱伝導が必ず点接触部分を介して行われるようにしている。
【００５７】
このように、プラスチック製の蓄冷材７と薄肉金属製のディスプレーサ容器８（ディスプレーサ３）とを組み合わせた実施の形態１に係る蓄冷式冷凍機においては、高い冷却効率を保ちつつ被冷却部の熱容量を低減することができ、クールダウンタイムを短縮することができる。
【００５８】
実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２に係る蓄冷式冷凍機について説明する。
図２は、前記の実施の形態１の場合とは異なる形態の蓄冷材７を用いた、本発明の実施の形態２に係る蓄冷式冷凍機の蓄冷材内包（内蔵）型のディスプレーサの構造（様態）を示す断面図である。図２に示すように、この実施の形態２にかかる蓄冷式冷凍機では、蓄冷材７の高温側は、通常の場合と同様に平面積層された略円柱形のプラスチックメッシュ積層２９ａで構成されている。このプラスチックメッシュ積層２９ａは、その外径がディスプレーサ容器側壁部８ａの内径とほぼ同一になるように（例えば、（ディスプレーサ容器側壁部８ａの内径）＋（０〜０．１ｍｍ））プラスチックメッシュシート３３を切断することにより形成されたものである。
【００５９】
他方、蓄冷材７の低温側は、その外径が前記のプラスチックメッシュ積層２９ａの外径（通常サイズ）よりも小さくなるように（例えば、（ディスプレーサ容器側壁部８ａの内径）−（２ｍｍ））プラスチックメッシュシート３３を切断することにより形成されたプラスチックメッシュ積層２９ｂ（できれば、プラスチックメッシュ積層２９ｂはペレット状のものがよく、その製造方法については実施の形態１０参照）と、該プラスチックメッシュ積層２９ｂとディスプレーサ容器側壁部８ａの内壁面との間に挿入されたプラスチックメッシュロール３０ｂとで構成されている。すなわち、プラスチックメッシュ積層２９ｂの外周部は、プラスチックメッシュシート３３（プラスチックメッシュロール３０ｂ）によってロール状に覆われている。ここで、プラスチックメッシュロール３０ｂの外周端部３３ｂは、ディスプレーサ容器側壁部８ａには固定されず、自由端の状態とされている。
【００６０】
かくして、実施の形態２に係る蓄冷式冷凍機においては、前記構成により、低温動作時に蓄冷材７が熱収縮して、蓄冷材７とディスプレーサ容器側壁部８ａの内壁面との間に隙間が発生し又は増加しようとするときには、プラスチックメッシュロール３０ｂ（蓄冷材７）はそのロール状態がゆるんで広がるので、実施の形態１の場合と同様の作用・効果が得られる。
【００６１】
実施の形態３．
以下、本発明の実施の形態３に係る蓄冷式冷凍機について説明する。
図３は、前記の実施の形態１又は２の場合とは異なる形態の蓄冷材７を用いた、本発明の実施の形態３に係る蓄冷式冷凍機の蓄冷材内包（内蔵）型のディスプレーサの構造（様態）を示す断面図である。図３に示すように、この実施の形態３にかかる蓄冷式冷凍機では、蓄冷材７の高温側は、実施の形態２の場合と同様に、平面積層された略円柱形の通常のサイズのプラスチックメッシュ積層２９ａで構成されている。
【００６２】
他方、蓄冷材７の低温側は、基本的にはプラスチックメッシュシート３３がロール状に加工されてなるプラスチックメッシュロール３０ｃで構成されている。そして、プラスチックメッシュロール３０ｃの外側面とディスプレーサ容器側壁部８ａの内側面との間には、非通気性の弾性シート４０（弾性体）がディスプレーサ容器径方向に圧縮した状態で挿入されている。さらに、プラスチックメッシュロール３０ｃの外周端部３３ｂは弾性シート４０に接着固定されている。
【００６３】
かくして、実施の形態３に係る蓄冷式冷凍機においては、前記構成により、低温動作時において蓄冷材７が熱収縮すると、弾性シート４０がディスプレーサ容器径方向に膨張し、蓄冷材７とディスプレーサ容器側壁部８ａの内壁面との間に非接触隙間３６ａが発生し又は増加するのが抑制ないしは防止され、実施の形態１の場合と同様の作用・効果が得られる。なお、非通気性の弾性シート４０としては、例えばソフトテフロンシート（例えば、バルカー（株）のバルフロンシートなど）や、ゲル状衝撃吸収シートなどを用いることができる。
【００６４】
実施の形態４．
以下、本発明の実施の形態４に係る蓄冷式冷凍機について説明する。
図４は、前記の実施の形態１〜３の場合とは異なる形態の蓄冷材７を用いた、本発明の実施の形態４に係る蓄冷式冷凍機の蓄冷材内包（内蔵）型のディスプレーサの構造（様態）を示す斜視図である。図４において、４１はプラスチック製のビーズ粒子（ビーズ球）の集合体であり、４２は通気性の仕切り板（金網メッシュ）である。この実施の形態４に係る蓄冷式冷凍機においては、蓄冷材７は、ビーズ粒子の集合体４１で構成され、ビーズ粒子が低温空間６に飛散しないように、ビーズ粒子の集合体４１は仕切り板４２によって仕切られている。
【００６５】
この蓄冷式冷凍機において、所定の低温動作時にビーズ粒子の集合体４１（ビーズ粒子）が熱収縮すると、ディスプレーサ容器８内の低温側の空間部に蓄冷材空塊部３６が発生しようとする。しかしながら、常温状態で円筒軸方向に圧縮された状態で挿入された通気性の弾性体３２の弾性力によって、ビーズ粒子の集合体４１（蓄冷材７）が低温側に押し上げられ、蓄冷材空塊部３６の発生が抑制される。
【００６６】
また、実施の形態３の場合と同様に、ディスプレーサ容器側壁部８ａの低温側の内壁面に弾性シート４０が接着固定され、弾性シート４０の弾性変形によって、ビーズ粒子の集合体４１（蓄冷材７）とディスプレーサ容器側壁部８ａの内壁面との間に非接触隙間が発生するのが抑制され、実施の形態１の場合と同様の作用・効果が得られる。ここで、通気性の仕切り板４２としては、例えば粗い金網メッシュあるいは通気性金属マスク（金属円板をエッチングして通気性の細孔を無数に開けたもの）を用いることができる。なお、製品化された通気性金属マスクとしては、例えばソノコム（株）のＳＵＳメタルマスクなどがあげられる。
【００６７】
実施の形態５．
図５は、前記の実施の形態１〜４の場合とは異なる形態の蓄冷材７を用いた、本発明の実施の形態５に係る蓄冷式冷凍機の蓄冷材内包（内蔵）型のディスプレーサの構造（様態）を示す断面図である。図５において、２９ａは、その外径が円筒形のディスプレーサ容器側壁部８ａの内径とほぼ一致するように（例えば、（ディスプレーサ容器側壁部８ａの内径）＋（０〜０．１ｍｍ））プラスチックメッシュシート３３を切断することにより形成されたプラスチックメッシュシート積層である。
【００６８】
また、２９ｃはディスプレーサ容器側壁部８ａの内径よりやや大きめにプラスチックメッシュシート３３を切断することにより形成された後、ディスプレーサ８内に押し込まれたプラスチックメッシュシート積層である。ここで、プラスチックメッシュシート積層２９ｃの外径は、例えば（（ディスプレーサ容器側壁部８ａの内径）＋（プラスチックメッシュシート積層２９ｃの低温端での熱収縮分）＋（０〜０．１ｍｍ））程度とされる。
【００６９】
この蓄冷式冷凍機においてはディスプレーサ容器８内の低温側の空間部には、外径が大きいプラスチックメッシュシート積層２９ｃが押し込まれて配置されているので、所定の低温動作状態で２９ｃが熱収縮しても、プラスチックメッシュシート積層２９ｃとディスプレーサ容器側壁部８ａの内壁面との間に非接触隙間が発生しない。そのため、実施の形態１の場合と同様の作用・効果が得られる。
【００７０】
ところで、前記の実施の形態１〜５では、いずれも蓄冷材空塊部３６の発生ないし増加を抑制する抑制手段は、主として弾性力を利用したものである。しかしながら、かかる抑制手段は、弾性力を利用するものに限定されるわけではない。以下、摩擦力又は熱応力を利用して蓄冷材空塊部３６の発生ないし増加を抑制する抑制手段を備えた蓄冷式冷凍機について説明する。
【００７１】
実施の形態６．
以下、本発明の実施の形態６に係る蓄冷式冷凍機について説明する。
図６は、本発明の実施の形態６に係る蓄冷式冷凍機の蓄冷材の構造（様態）を示す斜視図である。図６において、４４はロール状の金属メッシュである。この蓄冷材７においては、金網メッシュシートとプラスチック製メッシュシート３３とが、重ね合わせて軸芯３１に巻き付けられている。これにより、プラスチックメッシュ３０と金網メッシュ４４とが交互に積層される。
【００７２】
かくして、この蓄冷材７においては、所定の低温動作時には、両メッシュ３０、４４間に作用する摩擦力により、プラスチックメッシュ３０の熱収縮が金網メッシュ４４によって抑制される。さらに、この蓄冷材７においては、ディスプレーサ容器側壁部８ａが熱収縮率の大きいプラスチック材料であっても、その熱収縮を内側から抑制することができる。このように、プラスチック製の蓄冷材７と薄肉金属製のディスプレーサ容器８とを組み合わせた実施の形態６に係る蓄冷式冷凍機（蓄冷材）においては、高い冷却効率を保ちつつ被冷却部の熱容量を低減することができ、クールダウンタイムを短縮することができる。
【００７３】
実施の形態７．
以下、本発明の実施の形態７に係る蓄冷式冷凍機について説明する。
図７は、前記の実施の形態６とは異なる形態の摩擦力を利用する蓄冷材７を用いた、本発明の実施の形態７に係る蓄冷式冷凍機の蓄冷材内包（内蔵）型のディスプレーサの構造（様態）を示す断面図である。図７において、４５は、その外径がディスプレーサ容器側壁部８ａの内径とほぼ同一となるように（（ディスプレーサ容器側壁部８ａの内径）＋（０〜０．１ｍｍ））金属メッシュシートを切断することにより形成された金属メッシュである。
【００７４】
そして、この蓄冷材７においては、金属メッシュ４５とプラスチックメッシュ２９とが交互に平面積層されている。このように、金属メッシュ４５とプラスチックメッシュ２９とを平面積層した場合でも、実施の形態６の場合と同様の作用・効果が得られる。
【００７５】
実施の形態８．
以下、本発明の実施の形態８に係る蓄冷式冷凍機ないしは蓄冷材について説明する。
図８（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態８に係る蓄冷式冷凍機の蓄冷材に用いられる金属皮膜付きプラスチックメッシュの構成（様態）を示す図である。ここで、図８（ａ）は金属皮膜付きプラスチックメッシュの外形（シート状態）を示す図であり、図８（ｂ）は金属皮膜付きプラスチックメッシュを構成するメッシュ素線の断面図である。
【００７６】
図８（ａ）、（ｂ）において、４６は金属皮膜で被覆された金属皮膜付きプラスチックメッシュであり、４７ａと４７ｂとはそれぞれ金属皮膜付きプラスチックメッシュ４６を形成する横方向のメッシュ素線と縦方向のメッシュ素線とであり（なお、両メッシュ素線４７ａ、４７ｂをメッシュ素線４７と総称する）、４９はメッシュ素線４７のプラスチック母材であり、５０はプラスチック母材４９をほぼ均一に被覆している金属皮膜である。プラスチック母材４９の表面を金属皮膜５０で被覆する方法としては、例えば化学的メッキや真空蒸着（特開昭６０−２６２６８９号公報参照）があげられる。これを製品化したものとしては、例えばソノコム（株）のリダイズドメッシュ（ポリエステルメッシュ表面に１〜５μｍ程度のニッケル皮膜を施したもの）があげられる。
【００７７】
この実施の形態８にかかる蓄冷式冷凍機においては、前記構造の金属皮膜付きプラスチックメッシュ４６からなる蓄冷材７を用いているので、所定の低温動作時には、プラスチック母材４９と金属皮膜５０との間に働く熱応力により、金属皮膜付きプラスチックメッシュ４６の熱収縮が抑制され、実施の形態６の場合と同様の作用・効果が得られる。
【００７８】
実施の形態９．
以下、本発明の実施の形態９に係る蓄冷式冷凍機ないしは蓄冷材について説明する。
図９（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態９に係る蓄冷式冷凍機の蓄冷材に用いられる、金属皮膜形成後に表面処理（表面腐食処理等）が施された金属皮膜付きプラスチックメッシュ（以下、「表面処理金属皮膜付きプラスチックメッシュ」という）の構成（様態）を示す図である。ここで、図９（ａ）は表面処理金属皮膜付きプラスチックメッシュの外形（シート状態）を示す図であり、図９（ｂ）は表面処理金属皮膜付きプラスチックメッシュを構成するメッシュ素線の断面図である。
【００７９】
図９（ａ）、（ｂ）において、５１は金属皮膜形成後に表面処理が施された表面処理金属皮膜付きプラスチックメッシュであり、５２ａと５２ｂとはそれぞれ表面処理金属皮膜付きプラスチックメッシュ５１を形成する横方向のメッシュ素線と縦方向のメッシュ素線とであり（なお、両メッシュ素線５２ａ、５２ｂをメッシュ素線５２と総称する）、４９はメッシュ素線５２のプラスチック母材であり、５４は表面処理後における不均一な金属皮膜である。
【００８０】
金属５４がニッケル皮膜である場合、これをざらつかす程度に表面処理する方法としては、例えば特開平１−１３０９７号公報に開示されている酸性腐食液（過酸化水素と硝酸の混液）を用いた表面腐食処理などを用いることができる。あるいは、研磨剤微粒子（ＳｉＯ2やＳｉＣなど）を吹き付ける表面処理方法も用いることができる。このような表面処理によって、蓄冷材７の基本構成要素であるメッシュ素線５２の表面をざらつかせ（粗面化し）、表面粗度を粗くして、蓄冷材７の伝熱面積を増加させる。このように、実施の形態９では、表面処理金属皮膜付きプラスチックメッシュ５１を蓄冷材７として用いているので、伝熱面積の増加により蓄冷器の効率を向上させることができ、蓄冷式冷凍機を一層高効率化することができ、クールダウンタイムを短縮することができる。
【００８１】
実施の形態１０．
以下、本発明の実施の形態１０に係る蓄冷式冷凍機ないしは蓄冷材について説明する。
図１０（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態１０に係る、切断加工により平面積層されたプラスチックメッシュの構造（様態）を示す図である。ここで、図１０（ａ）はプラスチックメッシュの切断時の状態を示す立面断面図であり、図１０（ｂ）は切断後におけるペレット状態のプラスチックメッシュの立面断面図であり、図１０（ｃ）は図１０（ｂ）に示すプラスチックメッシュを真上から見た上面図であり、図１０（ｄ）は図１０（ｃ）中のＲで示す部分の拡大図でありプラスチックメッシュ面内の半融着部を拡大して示している。
【００８２】
図１０（ａ）〜（ｄ）において、５５はプラスチックメッシュ切断機であり、５５ａは刃型部であり、５５ｂはメッシュ押し込み部であり、５５ｃは刃型部５５ａを加熱するヒータであり、５６はプラスチックメッシュの切断面である。かくして、プラスチックメッシュを作製（切断）する際には、プラスチックメッシュシート３３を複数枚積層した上で、メッシュ押し込み部５５ｂでプラスチックメッシュシート３３に圧力を加えながら、ヒータ５５ｃによって加熱された５５ａで、プラスチックメッシュシート３３を切断することになる。このとき、切断面５６をプラスチックの半融解温度（融点より５０℃程度低い温度）に加熱することにより、プラスチックメッシュを切断面５６で半融解状態で接着（融着）することができる。
【００８３】
かくして、図１０（ｂ）に示すような柱状ペレット状態のプラスチックメッシュを作製することができ、このプラスチックメッシュを蓄冷材７として用いることにより、該蓄冷材７をディスプレーサ容器８（断熱容器）内に平面積層する作業を効率化することができる。また、図１０（ｄ）に示すように、一枚のプラスチックメッシュが切断されてその広がり面内に形成されるメッシュ素線の先端部ないしは切断部が熱融着されるので、プラスチックメッシュが変形したりメッシュ素線がほどけるのが防止される。
【００８４】
実施の形態１１．
以下、本発明の実施の形態１１に係る蓄冷式冷凍機ないしは蓄冷材について説明する。
図１１は、本発明の実施の形態１１に係る蓄冷式冷凍機の蓄冷器の斜視図である。この蓄冷式冷凍機は、例えば前記の従来例２（図１５参照）のように、ディスプレーサとは独立（分離）して、その外周部に蓄冷器が配置されている形態の蓄冷式冷凍機である。前記の実施の形態１〜１０では、いずれも、蓄冷器がディスプレーサに内蔵されている形態の蓄冷式冷凍機について説明しているが、従来例２や従来例３のように、ディスプレーサとは独立（分離）して蓄冷器が配置されている合でも、実施の形態１〜１０の場合と同様の作用・効果が得られる。
【００８５】
実施の形態１２．
以下、本発明の実施の形態１２に係る蓄冷式冷凍機ないしはディスプレーサについて説明する。
図１２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態１２に係る蓄冷式冷凍機のディスプレーサの構造（様態）を示す図である。ここで、図１２（ａ）は実施の形態１２に係る、実施の形態１〜１１の場合とは異なる形態のディスプレーサ容器を備えたディスプレーサの斜視図であり、図１２（ｂ）はディスプレーサ容器の斜視図であり、図１２（ｃ）はガイドリングの斜視図である。
【００８６】
図１２（ａ）〜（ｃ）において、６０は薄肉のプラスチックシートを加熱成形することにより作製されたディスプレーサ容器側壁部であり、６１はガイドリングであり、６２は位置決めピンであり、６２ａは低温側位置決めピンであり、６２ｂは高温側位置決めピンであり、６３は位置決めピン６２のピン止め穴である。また、６４は、軸芯３１の低温端に取り付けられたピン止め冶具である。
【００８７】
ここで、ディスプレーサ容器側壁部６０は、例えば東レ（株）製のルミラー（ポリエステルシート）などを円筒形状に加熱成形することにより作製することができる。また、ガイドリング６１は、例えばＮＴＮ（株）製のベアリーシート材（厚み０．１〜０．３ｍｍ程度）などを円筒形状に加熱成形することにより作製することができる。
【００８８】
低温側位置決めピン６２ａは、ディスプレーサ容器低温側キャップ８ｂ、ディスプレーサ容器側壁部６０及びピン止め冶具６４の位置決め穴６３を貫通して配置され、他方、高温側位置決めピン６２ｂは、ガイドリング６１、ディスプレーサ容器側壁部６０、ディスプレーサ容器低温側キャップ８ｂの位置決め穴６３を貫通して配置されている。これにより、ディスプレーサ容器側壁部６０の上下方向の位置が固定される。また、ディスプレーサ容器側壁部６０の外壁面と低温シリンダ側壁４ｃの内壁面との間のディスプレーサ隙間３５は、ガイドリング６１によって一定値に保持される。
【００８９】
一般に、ベスペル等のプラスチック丸棒を切削加工してディスプレーサ容器側壁部８ａを作製する場合、最小限０．５ｍｍ程度の肉厚が必要である。しかしながら、この実施の形態１２によれば、肉厚が０．５ｍｍ以下（例えば、０．２ｍｍ）のプラスチックシート材料でディスプレーサ容器側壁部６０（８ａ）を作製することが可能となる。
【００９０】
図２１は、前記の冷凍機Ａ（スターリング冷凍機）と、冷凍機Ａにおいて金属製蓄冷材をプラスチック製蓄冷材（ナイロンメッシュ）に置換えたもの（以下、「冷凍機Ｄ」という）と、さらに冷凍機Ｄにおいて切削プラスチック製ディスプレーサ容器側壁部をプラスチックシート製ディスプレーサ容器側壁部（肉厚が０．２ｍｍのプラスチックシート材を用いたもの）に置換えたもの（以下、「冷凍機Ｅ」という）とについて、それぞれ、各被冷却部の熱容量（但し、常温）を比較して示した棒グラフである。図２１から明らかなとおり、冷凍機Ｅでは、そのの被冷却部の総熱容量（２．５１Ｊ／Ｋ）が、冷凍機Ａのそれ（４．５８Ｊ／Ｋ）の約半分に低減されている。したがって、クールダウンタイムを短縮することができる。
【００９１】
最後に、主にプラスチック材料からなる蓄冷材について補足説明する。かかるプラスチック材料からなる蓄冷材についても、金網メッシュの場合と同様の理由により、メッシュ形状のものが、その他の形状（ウール状、ビーズ粒子の集合体など）のものより、冷却性能（圧力損失や伝熱性能）に関して優れている。
【００９２】
また、ナイロン製又はポリエステル製のメッシュは、印刷用スクリーンマスクとして安価に入手可能である。とくに、ポリエステル繊維は、吸水率（表２参照）が低く、形状安定性も高い。実用的には、♯１５０〜♯４００（１インチ平方あたりの網目数を示す）のポリエステルメッシュを加工したものが、蓄冷式冷凍機の蓄冷材として適している。
【００９３】
【発明の効果】
本発明によれば、以下に記載されているような顕著な効果を奏する。
すなわち、本発明の第１の態様に係る蓄冷式冷凍機においては、所定の低温動作状態では、プラスチック材料の熱収縮が大きいため、低熱伝導筒体の内壁面と蓄冷材との非接触隙間と断熱容器内部の低温側の死容積とがそれぞれ常温時より増加する方向の変形が生じようとするが、これを抑制する抑制手段を備えているので、蓄冷式冷凍機の高効率を保持しつつ被冷却部の熱容量を低減することができ、ひいてはクールダウンタイムを短縮することができる。
【００９４】
本発明の第２の態様に係る蓄冷式冷凍機においては、所定の低温動作状態では、低熱伝導筒体の外壁面と膨張シリンダの内壁面との間のディスプレーサ隙間が常温時より増加する方向の熱収縮変形が生じようとするが、これを抑制する抑制手段を備えているので、蓄冷式冷凍機の高効率を保持しつつ被冷却部の熱容量を低減することができ、ひいてはクールダウンタイムを短縮することができる。
【００９５】
本発明の第３の態様に係る蓄冷式冷凍機においては、基本的には、第１又は第２の態様に係る蓄冷式冷凍機の場合と同様の効果を奏する。さらに、抑制手段が、弾性体が外力を受けない状態に戻ろうとする弾性力、熱収縮率の異なる材料間に働く摩擦力、あるいはバインダによる接着力を利用して上記変形を抑制するようになっているので、より効果的に蓄冷式冷凍機の高効率を保持しつつ被冷却部の熱容量を低減することができ、クールダウンタイムを一層短縮することができる。
【００９６】
本発明の第４の態様に係る蓄冷式冷凍機においては、基本的には、第１の態様に係る蓄冷式冷凍機の場合と同様の効果を奏する。さらに、主としてプラスチック材料からなるメッシュシートが円筒軸にロール状に巻きつけられてなる蓄冷材の外周端部の少なくとも低温側の部分が、自由端のまま低熱伝導筒体に接触させられ、あるいは柔軟性のあるものを介して低熱伝導筒体に接触させられ、これにより上記変形が抑制されるので、より効果的に蓄冷式冷凍機の高効率を保持しつつ被冷却部の熱容量を低減することができ、クールダウンタイムを一層短縮することができる。
【００９７】
本発明の第５の態様に係る蓄冷式冷凍機においては、基本的には、第４の態様に係る蓄冷式冷凍機の場合と同様の効果を奏する。さらに、主としてプラスチック材料のメッシュからなるロール状の蓄冷材において、その軸線方向に対して垂直な方向に伸びる多数の切り口がメッシュシートに形成され、これにより高温側から低温側への熱伝導損失が低減されるので、一層効果的に蓄冷式冷凍機の高効率を保持しつつ被冷却部の熱容量を低減することができ、クールダウンタイムをさらに短縮することができる。
【００９８】
本発明の第６の態様に係る蓄冷式冷凍機においては、基本的には、第１の態様に係る蓄冷式冷凍機の場合と同様の効果を奏する。さらに、低熱伝導筒体の内壁面と蓄冷材との間に非通気性の弾性体が設けられ、これにより、所定の低温動作時に両者間の非接触隙間が増加する方向の変形が生じるのが抑制されるので、より効果的に蓄冷式冷凍機の高効率を保持しつつ被冷却部の熱容量を低減することができ、クールダウンタイムを一層短縮することができる。
【００９９】
本発明の第７の態様に係る蓄冷式冷凍機においては、基本的には、第１の態様に係る蓄冷式冷凍機の場合と同様の効果を奏する。さらに、断熱容器内部の高温端側に通気性の弾性体が設けられ、これにより、所定の低温動作時に断熱容器内部の低温側の死容積が増加する方向の変形が生じるのが抑制されるので、より効果的に蓄冷式冷凍機の高効率を保持しつつ被冷却部の熱容量を低減することができ、クールダウンタイムを一層短縮することができる。
【０１００】
本発明の第８の態様に係る蓄冷式冷凍機においては、基本的には、第１又は第２の態様に係る蓄冷式冷凍機の場合と同様の効果を奏する。さらに、プラスチックメッシュと、金網メッシュ又はガス透過性金属マスクとが交互に積層され、両者間に作用する摩擦力によってプラスチックメッシュの熱収縮が抑制される。このため、低熱伝導筒体の内壁面と蓄冷材との間の非接触隙間、あるいは低熱伝導筒体の外壁面と膨張シリンダの内壁面との間のディスプレーサ隙間が常温時より増加するのが抑制され、より効果的に蓄冷式冷凍機の高効率を保持しつつ被冷却部の熱容量を低減することができ、クールダウンタイムを一層短縮することができる。
【０１０１】
本発明の第９の態様に係る蓄冷式冷凍機においては、基本的には、第１の態様に係る蓄冷式冷凍機の場合と同様の効果を奏する。さらに、プラスチック蓄冷材を構成する基本要素である、メッシュ素線、ビーズ粒子あるいは繊維（ウール繊維）などの伝熱表面がニッケル等の金属皮膜によって被覆され、両者間に作用する熱応力によってプラスチックの熱収縮が抑制される。このため、低熱伝導筒体の内壁面と蓄冷材との間の非接触隙間、あるいは低熱伝導筒体の外壁面と膨張シリンダの内壁面との間のディスプレーサ隙間が常温時より増加するのが抑制され、より効果的に蓄冷式冷凍機の高効率を保持しつつ被冷却部の熱容量を低減することができ、クールダウンタイムを一層短縮することができる。
【０１０２】
本発明の第１０の態様に係る蓄冷式冷凍機においては、基本的には、第９の態様に係る蓄冷式冷凍機の場合と同様の効果を奏する。さらに、腐食処理あるいは微粒子研磨処理などの表面処理により、蓄冷材を構成する基本要素である、メッシュ素線、ビーズ粒子、あるいは繊維（ウール繊維）などの伝熱表面の表面粗度が大きくなるので、蓄冷材の伝熱面積が増加する。これにより、蓄冷器の効率が向上し、蓄冷式冷凍機が一層高効率化される。このため、クールダウンタイムをさらに短縮することができる。
【０１０３】
本発明の第１１の態様に係る蓄冷式冷凍機においては、基本的には、第２の態様に係る蓄冷式冷凍機の場合と同様の効果を奏する。さらに、プラスチック材料のシートが円筒形状に１周以上巻いて加熱成形され、その終端部が自由端とされ、かつ低熱伝導筒体と膨張シリンダとの間に挿入された薄肉厚のガイドリングによって低熱伝導筒体の外壁面と膨張シリンダの内壁面との間の隙間が一定に保たれるので、プラスチック材料の低熱伝導筒体を薄肉化することができ、ディスプレーサ容器側壁部の熱容量を低減することができ、さらに高温側から低温側への熱伝導損失を低減することができる。このため、クールダウンタイムを一層短縮することができる。
【０１０４】
本発明の第１２の態様に係る蓄冷式冷凍機ないしは蓄冷器においては、蓄冷材を構成するプラスチック製メッシュの切断面近傍部分をプラスチックの半融解温度まで加熱することにより、１枚のメッシュ切断面で隣接する素線同士が融着させられる。このため、メッシュの変形や素線のほどけが防止される。
【０１０５】
本発明の第１３の態様に係る蓄冷式冷凍機ないしは蓄冷器においては、同型に切り抜かれたプラスチック製メッシュを多数枚積層した上で切断面で熱融着させて一体化することにより形成された柱状ペレット状態の蓄冷材が用いられるので、メッシュからなる蓄冷材を断熱容器内に平面積層する作業を効率化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は本発明の実施の形態１に係るロール状のプラスチックメッシュを蓄冷材として用いた蓄冷式冷凍機の膨張機側の断面図であり、（ｂ）はロール状のプラスチックメッシュの斜視図であり、（ｃ）はロール状に加工する前のプラスチックメッシュシートの立面図である。
【図２】 本発明の実施の形態２に係る蓄冷材を用いた蓄冷材内蔵型のディスプレーサの断面図である。
【図３】 本発明の実施の形態３に係る蓄冷材を用いた蓄冷材内蔵型のディスプレーサの断面図である。
【図４】 本発明の実施の形態４に係る蓄冷材を用いた蓄冷材内蔵型のディスプレーサの斜視図である。
【図５】 本発明の実施の形態５に係る蓄冷材を用いた蓄冷材内蔵型のディスプレーサの断面図である。
【図６】 本発明の実施の形態６に係る蓄冷材の斜視図である。
【図７】 本発明の実施の形態７に係る蓄冷材を用いた蓄冷材内蔵型のディスプレーサの断面図である。
【図８】 （ａ）は本発明の実施の形態８に係る金属皮膜で被覆されたプラスチックメッシュのシート状態を示す図であり、（ｂ）はメッシュ素線の断面図である。
【図９】 （ａ）は本発明の実施の形態９に係る金属皮膜形成後に表面腐食処理が施されたプラスチックメッシュのシート状態を示す図であり、（ｂ）はメッシュ素線の断面図である。
【図１０】 （ａ）は本発明の実施の形態１０に係る、切断加工のために平面積層されたプラスチックメッシュ及びその切断機の、切断時における立面断面図であり、（ｂ）は切断後におけるペレット状態のプラスチックメッシュの断面図であり、（ｃ）は（ｂ）に示すプラスチックメッシュを真上から見た上面図であり、（ｄ）は（ｃ）中のＲで示す部分の拡大図であり、プラスチックメッシュの広がり面内での半融着部を拡大して示している。
【図１１】 本発明の実施の形態１１に係る、ディスプレーサとは独立してその外周部に配置された蓄冷器の斜視図である。
【図１２】 （ａ）は本発明の実施の形態１２に係る薄肉プラスチック製ディスプレーサ容器側壁部を用いたディスプレーサの斜視図であり、（ｂ）はディスプレーサ容器側壁部の斜視図であり、（ｃ）はガイドリングの斜視図である。
【図１３】 従来例１に係る、蓄冷器がディスプレ-サに内蔵されたスプリット型スターリング冷凍機の断面図である。
【図１４】 ナイロンを含む種々の蓄冷材の体積比熱と、ヘリウムガス（１０ＭＰａ）の体積比熱とを比較して示したグラフである。
【図１５】 従来例２に係る、蓄冷器がディスプレ-サとは独立して配置された一体型スターリング冷凍機の断面図である。
【図１６】 従来例３に係るオリフィス型パルス管冷凍機の模式図である。
【図１７】 冷凍機Ａ（スターリング冷凍機）の常温における各被冷却部の熱容量の割合を示す円グラフである。
【図１８】 （ａ）はプラスチックビーズ球の蓄冷材がディスプレーサに内蔵されている蓄冷式冷凍機の被冷却部の室温状態における断面図であり、（ｂ）は所定の低温動作時において蓄冷材が収縮した状態における（ａ）と同様の図であり、（ｃ）はプラスチック製ディスプレーサが用いられた場合において所定の低温動作時に蓄冷材とプラスチック製ディスプレーサとが収縮した状態における（ａ）と同様の図である。
【図１９】 冷凍機Ａ（スターリング冷凍機）において予測されるディスプレーサ隙間と、冷却能力及び熱損失との関係を示すグラフである。
【図２０】 冷凍機Ａ、Ｂ、Ｃ（スターリング冷凍機）の常温における被冷却部の熱容量を比較して示した棒グラフである。
【図２１】 冷凍機Ａ、Ｄ、Ｅ（スターリング冷凍機）の常温における被冷却部の熱容量を比較して示した棒グラフである。
【符号の説明】
１ 膨張機、 ２ 圧縮機、 ３ ディスプレーサ、 ４ 膨張シリンダ、 ４ａ 膨張シリンダ側壁部、 ４ｂ 膨張シリンダヘッド部、 ５ 高温空間、６ 低温空間、 ７ 蓄冷材、 ８ ディスプレーサ容器、 ８ａ ディスプレーサ容器側壁部、 ８ｂ ディスプレーサ容器低温側キャップ、 ８ｃ ディスプレーサ容器高温側キャップ、 ９ 低温空間に繋がる連通孔、 １０ 高温空間に繋がる連通孔、 １１ ニューマティック室、 １２ ニューマティックピストン、 １３ シール部、 １３ａ シール部、 １３ｂ シール部、 １３ｃ シール部、 １４ 蓄冷器、 １５ 連通管、 １６ 圧縮ピストン、 １７ 圧縮シリンダ、 １８ 圧縮空間、 ２０ クランクシャフト、 ２１ クランクケース、 ２２ 放熱器、 ２３ インナーライナ、 ２４ パルス管、 ２５ 低温側熱交換器、 ２６ オリフィス、 ２７ バッファタンク、 ２８ 断熱容器、 ２９ プラスチックメッシュ積層（平面積層されたプラスチックメッシュ）、 ２９ａ プラスチックメッシュシート（外径がディスプレーサ容器側壁部内径にほぼ一致する形状）、 ２９ｂ プラスチックメッシュシート（外径がディスプレーサ容器側壁部内径より小さい形状）、 ２９ｃ プラスチックメッシュシート（外径がディスプレーサ容器側壁部内径より大きい形状）、 ３０ プラスチックメッシュロール（ロール状のプラスチックメッシュ）、３１ 軸芯、 ３２ 通気性の弾性体、 ３３ プラスチックメッシュシート、 ３３ａ 内周端部、 ３３ｂ 外周端部、 ３３ｃ 高温側端部、 ３３ｄ低温側端部、 ３４ 機械ばね、 ３４ａ フリーディスプレーサ共振用ばね、 ３４ｂ 弾性力補強用ばね、 ３５ ディスプレーサ隙間、 ３６ 蓄冷材空塊部、 ３６ａ ディスプレーサ容器側壁部の内壁面と蓄冷材との間の非接触隙間、 ３６ｂ ディスプレーサ容器低温側キャップの内壁面と蓄冷材との間の非接触隙間、 ３７ 作動ガスの流れ、 ３７ａ 蓄冷材との熱交換が不十分な迂回流れ、 ３７ｂ 蓄冷材と熱交換する主な流れ、 ３８ プラスチックメッシュシートの円筒軸方向のシート幅、 ３８ａ 内周端部における円筒軸方向のシート幅、 ３８ｂ 外周端部における円筒軸方向のシート幅、 ３８ｃ 高温側端部におけるプラスチックメッシュシートの長さ、 ３８ｄ 低温側端部におけるプラスチックメッシュシートの長さ、 ３９ 切り口、４０ 非通気性の弾性シート、 ４４ ロール状の金属メッシュ、 ４５ 平面積層された金網メッシュ、 ４６ 均一な金属皮膜で被覆されたメッシュ、 ４７ 均一な金属皮膜で被覆されたメッシュ素線、 ４７ａ 横方向のメッシュ素線、 ４７ｂ 縦方向のメッシュ素線、 ４９ プラスチック母材、５０ 均一な金属皮膜部分、 ５１ 不均一な金属皮膜で被覆されたメッシュ、 ５２ 不均一な金属皮膜で被覆されたメッシュ素線、 ５２ａ 横方向のメッシュ素線、 ５２ｂ 縦方向のメッシュ素線、 ５４ 不均一な金属皮膜部分、 ５５ プラスチックメッシュ切断機、 ５５ａ 刃型部、 ５５ｂ メッシュ押し込み部、 ５５ｃ ヒータ、 ５６ プラスチックメッシュ切断面、 ６０ 薄肉プラスチックシートを加熱成形したディスプレーサ容器側壁部、 ６１ ガイドリング、 ６２ 位置決めピン、 ６２ａ 低温側ピン、 ６２ｂ 高温側ピン、 ６３ ピン止め穴、６４ ピン止め冶具。
Claims (17)
- 高温端で高温空間と連通するとともに低温端で低温空間と連通し、高温端と低温端との間で温度勾配方向に伸びる側壁部が筒体で形成されている断熱容器と、
前記断熱容器に内包され、作動ガスが該断熱容器を経由して高温空間と低温空間とを往復流動する際に作動ガスと熱交換を行う、プラスチック材料を含む蓄冷材とを備えた蓄冷器が設けられている蓄冷式冷凍機において、
所定の低温動作状態において、前記断熱容器と前記蓄冷材とを構成する各部材が、熱収縮により、前記筒体の内壁面と前記蓄冷材との間に生じる非接触隙間と、低温端側で断熱容器内部に生じる死容積とが常温時より増加する方向に変形するのを抑制する抑制手段が設けられていることを特徴とする蓄冷式冷凍機。 - 金属製の膨張シリンダと、
前記膨張シリンダ内に配置され、高温端で高温空間と連通するとともに低温端で低温空間と連通し、高温端と低温端との間で温度勾配方向に伸びる側壁部がプラスチック製の筒体で形成されている断熱性のディスプレーサ容器と、
前記ディスプレーサ容器に内包され、作動ガスが該ディスプレーサ容器を経由して高温空間と低温空間とを往復流動する際に作動ガスと熱交換を行う、プラスチック材料を含む蓄冷材とを備えた蓄冷器が設けられ、
前記ディスプレーサ容器を前記膨張シリンダ内で往復移動させることにより、低温空間に冷凍作用が惹起されるようになっている蓄冷式冷凍機において、
所定の低温動作状態において、前記ディスプレーサ容器と前記蓄冷材とを構成する各部材が、熱収縮により、前記筒体の外壁面と前記膨張シリンダの内壁面との間に形成されるディスプレーサ隙間が常温時より増加する方向に変形するのを抑制する抑制手段が設けられていることを特徴とする蓄冷式冷凍機。 - 前記抑制手段が、弾性体が外力を受けない状態に戻ろうとする弾性力、熱収縮率の異なる材料間に働く摩擦力もしくは熱応力、又はバインダによる接着力により上記変形を抑制するようになっていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の蓄冷式冷凍機。
- 前記側壁部が円筒体であって、前記蓄冷材が、プラスチック材料で構成されるシートを前記円筒体の中心軸のまわりにロール状に巻きつけることにより成形され、該ロール状のシートの外周端部が、少なくとも低温端側では、自由端のまま直接的に又は弾性体を介して、前記円筒体の内壁面に接触していることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷式冷凍機。
- 前記側壁部が円筒体であって、前記蓄冷材が、プラスチック材料で構成されたシートを前記円筒体の中心軸のまわりにロール状に巻きつけることにより成形され、前記シート上に、部分的に前記中心軸の軸線方向に対して垂直方向に伸び熱伝導を妨げる部分が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷式冷凍機。
- 前記シート上に部分的に設けられた前記中心軸の軸線方向に対して垂直方向に伸びる部分は、前記シートを前記中心軸の軸線方向に点接触させる複数の非接触間隙部であることを特徴とする請求項５に記載の蓄冷式冷凍機。
- 前記側壁部が円筒体であって、前記蓄冷材が、プラスチック材料で構成されたシートを前記円筒体の中心軸のまわりにロール状に巻きつけることにより成形され、前記シートは積層され、互いに複数の点接触部位を備えることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷式冷凍機。
- 前記ロール状のシートは、その円筒軸方向のシート幅が内周端部から外周端部に向かって徐々に小さくなり、また、そのシート長さが低温端側の方が高温端側よりも長くなるような形状に加工されていることを特徴とする請求項４に記載の蓄冷式冷凍機。
- 前記シート上に部分的に設けられた前記中心軸の軸線方向に対して垂直方向に伸びる部分は、前記シート上に設けられた切り口であることを特徴とする請求項５に記載の蓄冷式冷凍機。
- 前記断熱容器内において、前記円筒体の内壁面と前記蓄冷材との間に、非通気性の弾性体が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷式冷凍機。
- 高温端側において前記断熱容器内に、通気性の弾性体が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷式冷凍機。
- 前記蓄冷材が、金網メッシュ又は通気性金属マスクと、プラスチックメッシュとが交互に積層されてなる積層体であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の蓄冷式冷凍機。
- 前記蓄冷材が、メッシュ素線状、ビーズ粒子状又は繊維状のプラスチック製基材が金属で被覆されてなる素材で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷式冷凍機。
- 前記蓄冷材の表面粗度が粗くなっていることを特徴とする請求項１３に記載の蓄冷式冷凍機。
- 前記円筒体が、薄肉厚のプラスチックシートが円筒形状に１周以上巻かれてなりその外周端部が自由端となっている加熱成形体であって、
前記円筒体の外壁面と前記膨張シリンダの内壁面との間に、該両壁面間の隙間を一定に保つ薄肉厚のガイドリングが挿入されていることを特徴とする請求項２に記載の蓄冷式冷凍機。 - 所定の形状に切断され、切断部において隣接する素線同士が互いに熱融着されているプラスチック製メッシュが積層されてなる蓄冷材が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷式冷凍機。
- それぞれ同一の形状に切断された複数のプラスチック製メッシュが柱状に平面積層され、切断部近傍においてプラスチック製メッシュ同士が熱融着されてなる柱状ペレット状態の蓄冷材が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷式冷凍機。
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Publications (2)
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