JP3674791B2 - 冷却装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、蓄冷式冷凍機により寒冷を得て、被冷却体を冷却する冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の蓄冷式冷凍機による冷却装置は、例えば特公昭４５−２７６３４号公報に開示されているように、図２１に示すような構成になっている。図２１において、冷却装置は、寒冷源としての（逆）スターリングサイクルの寒冷ガス冷凍機１０１と、寒冷を被冷却体１１０へ搬送するための冷媒回路としての冷却回路１２０とから構成される。
【０００３】
寒冷ガス冷凍機１０１（以下、冷凍機と略す）は、シリンダ１００と、該シリンダ１００中で往復動作するピストン１０２と、該ピストン１０２とはある位相差で往復動作するディスプレーサ１０３と、上記ピストン１０２及びディスプレーサ１０３間の圧縮室１０４と連通した冷却器１０６と、上記ディスプレーサ１０３とシリンダ上端との間の膨張室１０５に配設された冷凍器１０８と、上記冷却器１０６と膨張室１０５との間に配設された蓄冷器１０７とを具備する。
【０００４】
冷却回路１２０は、圧縮機１２１と、上記冷凍器１０８に熱接触された複数の寒冷伝達用熱交換器１２５及び被冷却体１１０を冷却する複数の冷却用熱交換器１２６が交互に直列に配設された導管系１２４と、該導管系１２４と該圧縮機１２１との間に介在された向流式熱交換器１２３とから構成される。
上記冷却装置では、冷凍機１０１において、先ず、ピストン１０２の圧縮動作（等温圧縮）によって圧縮室１０４に熱が発生し、続くディスプレーサ１０３のピストン１０２側への移動によって、作業媒体は冷却されながら蓄冷器１０７を通過し（定積冷却）、ピストン１０２が後退すると膨張室１０５に寒冷を発生して（等温膨張）、冷凍器１０８に熱接触した寒冷伝達用熱交換器１２５を流れている作業媒体から吸熱する。更に、ディスプレーサ１０３の上端死点への移行により、作業媒体は蓄冷器１０７を冷却しつつ圧縮室１０４に戻る（定積加熱）。
【０００５】
従って、冷却回路１２０では、上記寒冷伝達用熱交換器１２５内を流れている作業媒体から吸熱されることにより、各冷却用熱交換器１２６に寒冷が伝達され、被冷却体１１０を冷却する。向流式熱交換器１２３は、圧縮機１２１からの高温の作業媒体を、該圧縮機１２１へ戻る低温の作業媒体で冷却している。
このような冷却装置は、各作業媒体としてヘリウムガス等を使用でき、家庭用冷蔵庫や空調装置への適用や、更に冷凍機を多段膨張形態とし、かつ、冷却回路としてジュールトムソン（Ｊ−Ｔと略す）回路を用いることにより、４．２Ｋの液体ヘリウム温度を達成して超電導磁石の冷却が可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、カルノー効率の定義式によれば、寒冷源の温度が低いほど、被冷却体を冷却する効率は悪化する。
このような観点から従来の冷却装置の効率を考察すると、従来の冷却装置は、膨張室１０５に発生した寒冷を冷凍器１０８に取出し、各寒冷伝達用熱交換器１２５で受冷して冷却用熱交換器１２６に伝達して被冷却体１１０を冷却しており、冷凍機全体で得られる寒冷を有効に活用していない。
【０００７】
すなわち、冷凍器１０８に取出される寒冷の冷凍量Ｑは、被冷却体１１０を冷却するために使われるＱ1 と、向流型熱交換器１２３で使われるＱ2 と、また一部は周囲から向流型熱交換器１２３に侵入する熱（伝導熱、輻射熱）を打消すために使用される（Ｑ3 ）。つまり、冷凍量Ｑは、Ｑ＝Ｑ1 ＋Ｑ2 ＋Ｑ3 となる。冷凍器１０８を冷凍機のコールドヘッドに相当する特定の温度の寒冷源と考えると、被冷却体に対し一定の温度差となる特定の温度から寒冷を得ており、その特定の温度より高い温度から寒冷を得ていない。冷凍量Ｑ2 とＱ3 とは、冷凍機のコールドヘッドの温度から圧縮機１２１からの高圧の作業媒体の温度範囲で向流型熱交換器１２３により圧縮機１２１からの高圧の作業媒体を冷却しているので、特定の温度より効率的冷却が期待できる高い温度から寒冷を得ていない。
【０００８】
本発明は、冷凍機の寒冷を特定温度だけで取出すのではなく、高い温度から低い温度の範囲でも取出し、冷凍機の寒冷を有効に活用してより冷却効率を向上することを解決すべき課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、蓄冷式冷凍機の第１冷媒の流動により蓄冷器の高温から低温に変化する部分に、該蓄冷式冷凍機の第１冷媒とは別の第２冷媒により被冷却体を冷却する冷却回路の高圧側回路に設けられた寒冷伝達用熱交換器を熱接触させたことを特徴とする。
請求項２の発明は、上記寒冷伝達用熱交換器が、上記蓄冷器の中に配置されることを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明は、上記寒冷伝達用熱交換器と蓄冷器とが、上記膨張室の周壁をなすシリンダ外周に同軸状に配置されたことを特徴とする。
ここで、蓄冷式冷凍機は、スターリング冷凍機、ギホォードマクマホン冷凍機、ソルベイ冷凍機、ヴィルマイヤー冷凍機、パルス管冷凍機等である。
請求項４の発明は、上記冷却回路に二以上の寒冷伝達用熱交換器が配置され、
第１寒冷伝達用熱交換器は、蓄冷式冷凍機の第１冷媒の流動により蓄冷器の高温から低温に変化する部分に熱接触され、第２寒冷伝達用熱交換器は、蓄冷式冷凍機の膨張室又は上記蓄冷器の低温端に熱接触されたことを特徴とする。
【００１１】
請求項５の発明は、蓄冷式冷凍機の第１冷媒の流動により蓄冷器の高温から低温に変化する部分に、圧送手段によって第２冷媒を高圧側回路から低圧側回路に流す冷却回路の高圧側回路及び低圧側回路を熱接触させたことを特徴とする。
請求項６の発明は、上記冷却回路が圧送手段によって第２冷媒を高圧側回路から低圧側回路に流すジュールトムソン回路であって、該高圧側回路を流れる第２冷媒と該低圧側回路を流れる第２冷媒とを熱接触させ、且つ、該高圧側回路が上記蓄冷式冷凍機における蓄冷器の高温から低温に変化する部分に熱接触された第１向流型熱交換器と、該第１向流型熱交換器下流側の該高圧側回路を流れる第２冷媒と該第１向流型熱交換器上流側の該低圧側回路を流れる第２冷媒とを熱接触させる第２向流型熱交換器と、該第２向流型熱交換器と前記冷却手段との間の該高圧側回路に配設されたジュールトムソン弁とを有する。
【００１２】
請求項７の発明は、第１冷媒が圧縮される圧縮室と、該圧縮された第１冷媒の圧縮熱を放熱する冷却器と、該冷却器とそれぞれ連通する複数個の蓄冷器と、該複数個の蓄冷器を経た第１冷媒が膨張する膨張室とを有する蓄冷式冷凍機を設け、更に第２冷媒が流れる冷却回路の高圧側回路及び低圧側回路のうち少なくとも一方が上記蓄冷式冷凍機における複数個の蓄冷器のうち少なくとも１個を除く他の蓄冷器の高温から低温に変化する部分に熱接触されたことを特徴とする。
【００１３】
冷却回路は、空調装置若しくは冷蔵庫の冷媒回路、或いは直接に冷却されるガスの流路でも良い。冷媒回路の場合、圧送手段は圧縮機又はポンプを用い、直接に冷却されるガスの流路の場合は、送風機でもよい。
好適な態様として、多段式の蓄冷式冷凍機にも適用することができる。
【００１４】
【作用】
請求項１の発明によれば、蓄冷式冷凍機の第１冷媒の流動により蓄冷器の高温から低温に変化する部分に、冷却回路の寒冷伝達用熱交換器を熱接触させることは、蓄冷器中を高温から低温、低温から高温の１サイクルで流れる第１冷媒が発生する寒冷を被冷却体の冷却に利用していることになる。
【００１５】
すなわち、蓄冷器の熱交換効率は１００％でないので、高温から低温に向かって第１冷媒が流れる時、その流れに直交するある断面での第１冷媒の温度Ｔ1は、蓄冷材の温度より高い。また、低温から高温に向かって第１冷媒が流れる時、第１冷媒の温度Ｔ2は、蓄冷材の温度より低い。蓄冷材の平均温度をＴとすると、
【００１６】
【数式１】
Ｔ1 −Ｔ＞０
【００１７】
【数式２】
Ｔ2 −Ｔ＜０
であり、冷凍機では、
【００１８】
【数式３】
Ｔ1−Ｔ＜Ｔ−Ｔ2
であるので、蓄冷器を流れる第１冷媒は冷凍能力をもち、蓄冷器は、第１冷媒の流れに直交する断面部分において、高温から低温、低温から高温の１サイクルにおいて、寒冷を発生していることになる。
【００１９】
つまり、請求項１の発明では、蓄冷器中を第１冷媒が往復することが、該蓄冷器に冷凍能力を生じさせるので、この仮想的な膨張シリンダとしての蓄冷器より寒冷を取得して、冷却効率を格段と向上している。
また、上記冷却原理をカルノー効率の観点から検討すれば、寒冷伝達用熱交換器が蓄冷器の高温端から低温端に変化する部分に熱接触されることは、特定の温度を寒冷源とする冷却より効率的な冷却効率となるより高い温度から寒冷を得ることになり、総冷凍量としては、特定の温度だけから寒冷を得る場合より大きく、冷却効率を高めることができる。
【００２０】
請求項２の発明では、寒冷伝達用熱交換器が蓄冷器の中に配置されることにより、蓄冷器から取り得る寒冷量を効率的に取得でき、冷却効率を更に向上している。
請求項３の発明では、膨張シリンダに寒冷伝達用熱交換器と蓄冷器とを請求項１の発明と同様の高い冷却効率を維持しつつ一体化できる。
【００２１】
請求項４の発明では、上記蓄冷器の高温から低温に変化する部分に熱接触された第１寒冷伝達用熱交換器が請求項１の発明の寒冷伝達用熱交換器に相当し、それに加えて冷凍機の膨張室又は上記蓄冷器の低温端に第２寒冷伝達用熱交換器を熱接触させているので、請求項１の発明より冷却効率が高まることは明白である。
請求項５の発明において、向流型熱交換器の高圧側回路と蓄冷器が熱接触している場合、該向流型熱交換器の高圧側回路を流れる第２冷媒は、蓄冷式冷凍機の蓄冷器を流れている第１冷媒と冷却手段から圧送手段の吸入側とを結ぶ低圧側回路を流れている第２冷媒との二つの冷媒によって冷却される。蓄冷式冷凍機の蓄冷器を流れている第１冷媒による冷却は、請求項１の発明で説明したように、蓄冷器の流れに沿った高温から低温に向かって行われ、カルノー効率の観点から検討したように、蓄冷式冷凍機の膨張室で発生した特定の低い温度の冷凍で冷却するよりも効率が良く、しかも高圧側回路を流れる第２冷媒が低圧側回路を流れる第２冷媒によっても冷却されるため、向流型熱交換器の熱交換率も高めることになる。この結果、冷却手段を介して被冷却体を冷却する冷却量が増大し、冷却装置の冷却効率を格段に向上させることができる。
【００２２】
また、向流型熱交換器の低圧側回路と蓄冷器が熱接触している場合、向流型熱交換器の高圧側回路を流れる第２冷媒は、向流型熱交換器の低圧側回路を流れる第２冷媒によって冷却されるが、該低圧側回路を流れる第２冷媒が蓄冷器を流れる第１冷媒により受冷されるので、向流型熱交換器の高圧側回路を流れる第２冷媒は、間接的に蓄冷器を流れる第１冷媒によっても冷却されることになり、向流型熱交換器の高圧側回路と蓄冷器が熱接触している場合とほぼ同様に、向流型熱交換器の熱交換率を高め、冷却装置の冷却効率を格段に向上させることができる。
【００２３】
請求項６の発明は、請求項５の発明をジュールトムソン回路に適用したもので、圧送手段から吐出されその高圧側回路を流れる第２冷媒が第１向流型熱交換器において、蓄冷器を流れる第１冷媒及び低圧側回路を流れる第２冷媒とによって冷却され、さらに第２向流型熱交換器において、高圧側回路を流れる第２冷媒が低圧側回路を流れる第２冷媒によって冷却されるので、ジュールトムソン弁に流入する高圧の第２冷媒の温度を効率良く低下でき、ジュールトムソン弁から流出する低圧の第２冷媒の液化率が向上する。その結果、被冷却体に対する冷却効率が格段と向上する。
【００２４】
請求項７の発明は、蓄冷器を膨張室内に配設する場合に好適である。すなわち、蓄冷器を膨張室内に配設した場合、蓄冷器に向流型熱交換器を熱接触させると極めて複雑な構造になってしまう。そこで、複数個の蓄冷器を設け、向流型熱交換器と熱接触させない蓄冷器だけを膨張室内に配設し、向流型熱交換器が熱接触される蓄冷器は膨張室の外側に配設することにより、構成を簡素化できる。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明に係る冷却装置を各具体的な実施例により詳細に説明する。
第１実施例
図１は請求項１と請求項４の発明を具体化した第１実施例に係る冷却装置の概念図であり、この冷却装置は、単動二ピストン型の冷凍機１１と、被冷却体２５を冷却するための冷却回路２７とから構成されている。
【００２６】
単動二ピストン型の冷凍機１１は、ピストン６が収嵌された圧縮シリンダ９と、ピストン１０が収嵌された膨張シリンダ１３と、上記圧縮シリンダ９の圧縮室１と連通された水冷等の冷却器２と、該冷却器２と連通した蓄冷器３と、該蓄冷器３と上記膨張シリンダ１３の膨張室５とを連通した配管４とを主体に構成され、上記圧縮シリンダ９のピストン６と膨張シリンダ１３のピストン１０とは、それぞれのロッド８，１２を介して例えばクランク機構と電動機からなる動力装置７によって駆動されるようになっている。動力装置７は、両ピストン６，１０を所定の相対的位相差、例えば９０°で往復駆動する。
【００２７】
冷却回路２７は、圧縮機器、ポンプ等の圧送手段２０と、被冷却体２５の冷却手段を構成する熱交換器２４とを導管でループ状に配設したもので、圧送手段２０の吐出側と冷却手段の入口側とを結ぶ高圧側回路２２ａ及び冷却手段の出口側と圧送手段２０の吸入側とを結ぶ低圧側回路２２ｂとから構成されている。高圧側回路２２ａの該圧送手段２０の吐出口と熱交換器２４との間には、上記蓄冷器３中における第１冷媒の流れ方向に沿い、該蓄冷器３の外周面に熱接触された分流熱交換器２１と、上記蓄冷器３の低温端（コールドヘッド）と熱接触された予冷熱交換器２２と、上記膨張シリンダ１３における低温端（コールドヘッド）と熱接触された予冷熱交換器２３とが同順で配設されている。これら分流熱交換器２１、予冷熱交換器２２、予冷熱交換器２３は、それぞれ請求項１，４の発明における寒冷伝達用熱交換器に相当する。なお、被冷却体２５の熱交換器２４は、送風手段２６によって加熱される。
【００２８】
ところで、図２は上記蓄冷器３と分流熱交換器２１との熱接触構造の具体的一例を示している。
図２において、蓄冷器３は、低温端（上端）が配管４と連通し、高温端が冷却器２の一部をなす複数の細管２０１，２０１…と連通した容器３０１と、該容器３０１の内部室３０２に装入された銅球、鉛球、ブロンズ金網等からなる蓄冷材３０３とから構成されている。上記細管２０１は、圧縮シリンダ９の圧縮室１とも連通して、該圧縮室１と膨張室５（図１）との間を往復するヘリウム等の第１冷媒が通過する間に、該第１冷媒を冷却する。該冷却は、冷却器２の一端から他端に給排される例えば冷却用水によっている（矢視ＥからＦ）。
【００２９】
分流熱交換器２１は、上記容器３０１の外周より螺旋状に突設された外周フィン２１０と、該外周フィン２１０によって形成される螺旋溝２１１と、該螺旋溝２１１を包囲する外筒２１２とから構成されていて、螺旋溝２１１の始端に圧送手段２０からのヘリウム等の第２冷媒が導入される入口部２７ａを形成し、該螺旋溝２１１の終端に予冷熱交換器２３へ第２冷媒を導出する出口部２７ｂが形成されている。なお、予冷熱交換器２２は、ここでは蓄冷器３の低温端に設けられる。
【００３０】
次に上記冷却装置の動作を説明する。圧縮シリンダ９のピストン６は、膨張シリンダ１３のピストン１０より９０°遅れた位相で圧縮動作する。ピストン６の圧縮により、第１冷媒は圧縮室１で略３００Ｋとなり、細管２０１を通る間にほぼ室温に冷却される。次に蓄冷器３を通過する時、蓄冷材３０３によって流れの方向Ａに対応して徐々に低温に冷却され、更に、配管４を通り、膨張室５に流入しようとする。ここで、ピストン１０が膨張室５を拡げるように動作し、膨張室５に更に低温の寒冷が生成される。続いて、ピストン１０の膨張室５を狭める動作により、第１冷媒は圧縮室１に流入する。このようにして冷凍機１１の１サイクルが形成される。
【００３１】
冷却回路２７の第２冷媒は、圧送手段２０により圧縮され、分流熱交換器２１の螺旋溝２１１中を蓄冷器３のＡ方向に移動し、容器３０１の外周フィン２１０により冷却される。そして、第２冷媒は、予冷熱交換器２２，２３に順次流入すると、蓄冷器３の低温端を流れる第１冷媒、膨張室５内の第１冷媒により、更に冷却される。予冷熱交換器２３を経た後、第２冷媒は、冷却用熱交換器２４に流入し、被冷却体２５を冷却する。被冷却体２５を冷却して昇温した第２冷媒は、圧送手段２０に吸入され、冷却回路２７の１サイクルが形成される。
【００３２】
ところで、上記実施例において、冷却回路２７の第２冷媒は、分流熱交換器２１の螺旋溝２１１中を移動すると、外周フィン２１０（蓄冷器の高温から低温に変化する部分）に熱接触される。この場合、その第１冷媒の流れに直交する断面において１サイクル中に高温側から低温側に向かって入る温かいエネルギーと低温側から高温側に向かって出る冷たいエネルギーは、冷凍機の場合、冷たいエネルギーの方が大きい。これを蓄冷器全体で見ると、蓄冷器３内の第１冷媒は一種の膨張ピストンと考えることができ、すなわち、蓄冷器３は寒冷を発生することになる。
【００３３】
また、請求項１の発明に係る分流熱交換器２１は、蓄冷器３に単に一体化されるのではなく、第１冷媒により蓄冷器３の高温端から低温端に変化する部分に熱接触されるため、カルノー効率の観点から検討すると、特定の温度部分から寒冷を得る場合より、冷凍量が多く得られることになる。
カルノー効率は、次表に示すように、同一の所要電力では、膨張室５（すなわち、寒冷取出口）の温度が高い程、大きくなる。ここで、カルノー効率ηは、圧縮室１の温度をＴC 、膨張室５の温度をＴE として、η＝ＴE ／（ＴC − ＴE ）とする。
【００３４】
【表１】
このことは、例えば５０Ｋの特定の温度で冷却するより、３００〜５０Ｋの温度範囲で連続して冷却した方が、寒冷量が大きくなる。蓄冷器の場合も高温から低温の連続した温度範囲で冷却した方が、蓄冷器の低温端の温度又は膨張室５の温度で冷却するより遙に大きな冷凍量が得られる。
【００３５】
こうして本第１実施例では、蓄冷器３中の第１冷媒の流動による連続した温度から寒冷を得ているため、冷却効率を高めることができる。実験によると、分流熱交換器２１で第２冷媒が冷却される冷却量は、予冷熱交換器２２と２３の両方で冷却される冷却量の略３倍以上にも達した。
また、本第１実施例では、膨張室の低温端で冷却する予冷熱交換器２２と、蓄冷器３の低温端で冷却される予冷熱交換器２３とによる冷却量も加わって、冷却効率をより高くしている（請求項４の発明）。
【００３６】
本実施例の変形例として、蓄冷器３の容器３０１の外周にろう付けにより、冷却回路２７の一部としての螺旋状の配管を設けても、第１実施例の場合と同様の効果が得られる。
第２実施例
本第２実施例は請求項２の発明を具体化したもので、その概念は図３に示すように、分流熱交換器２１を蓄冷器３の内部に設けたことにある。
【００３７】
この分流熱交換器２１を蓄冷器３の内部に設ける具体的構成は、図４（Ａ），（Ｂ）に示す。図４（Ａ）、（Ｂ）において、符号４０１は蓄冷器３の容器を示し、該容器４０１の内部は、第１実施例と同様の構成の細管２０１を有する冷却器２と連設されている。そして、容器４０１の低温端には、膨張室５へ連通した配管４の一部が連設されている。また、容器４０１の高温端と低温端には、それぞれディストリビュータ４０４，４０５が嵌合されており、これらディストリビュータ４０４，４０５の間の空間には、図４（Ｂ）に示すように、蓄冷材３０３のスペースをあけて高温端より低温端へと複雑曲折して積層状の導管４０２からなる分流熱交換器２１が配設される。そして、導管４０２の高温端側は、容器４０１の外部に突出して圧送手段２０からの冷却回路２７に対する入口部２７ａとなり、導管４０２の低温端側は、予冷熱交換器２３からの冷却回路２７への出口部２７ａとなっている。
【００３８】
このような蓄冷器３と分流熱交換器４０２との熱接触構造によれば、蓄冷器３と分流熱交換器４０２との熱接触率を極めて高めることができ、寒冷を効率的に取得して、高冷却効率化を図ることができる。
第３実施例
この第３実施例における蓄冷器と分流熱交換器の熱接触構造は、図５に示すように、膨張シリンダ１３を構成する筒軸５０１に、２重同軸状に蓄冷器３と分流熱交換器２１とを形成している。すなわち、筒軸５０１の外周に更に大きな外筒５０２を重ね、該筒軸５０１と外筒５０２との間に更に隔壁５０３が介装されている。そして、筒軸５０１と隔壁５０３とで仕切られる内側空間に蓄冷材３０３を充填して蓄冷器３とし、隔壁５０３と外筒５０２とで仕切られる外側空間に、隔壁５０３から螺旋状に突出させた外周フィン５０５を形成して分流熱交換器２１としている。外周フィン５０５の形成により高温端から低温端までの螺旋溝５０６が形成される。また、蓄冷材３０３が充填された内側空間は、導管５０７を介して図示しない冷却器と連通されている。また、螺旋溝５０６の高温端側には、冷却回路２７の圧送手段２０へ連通する入口部２７ａが形成され、螺旋溝５０６の低温端側には、冷却回路２７の予冷熱交換器２３へ連通する出口部２７ｂが形成される。
【００３９】
このような構成によれば、図２の実施例より、蓄冷器３と分流熱交換器２１との容積を大きくでき、それだけ熱接触の度合いを大きくして、冷却効率を稼ぐことができると同時に、膨張シリンダ１３、蓄冷器３及び分流熱交換器２１が一体となってコンパクトな冷却装置となる。
第４実施例
この第４実施例における蓄冷器と分流熱交換器の熱接触構造も、膨張シリンダ１３の一部１３′を構成する筒軸５０１と一体に蓄冷器３と分流熱交換器２１とを設けたものであるが、第３実施例と異なる点は、筒軸５０１と外筒５０２との空間内にドーナツ状に蓄冷材３０３が充填されて蓄冷器３をなす二重隔壁５０８を収嵌したものである。二重隔壁５０８はそれぞれ外周と内周にフィン５０５が突設して二重螺旋溝５０６が形成される。そして、二重隔壁５０８の空間の一端は、導管５０７を介して図示しない冷却器と連通され、他端は導管４ａを介して膨張室５（図１）と連通している。
【００４０】
この構成によれば、第３実施例と同様にコンパクト化できるとともに、二重螺旋溝５０６により、第２冷媒がフィン５０５と熱接触する表面積が更に確保でき、冷却効率をより高めることができる。
第５実施例
次に請求項５の発明を具現した冷却装置を図７を参照して説明する。
【００４１】
図７に示す第５実施例の冷却装置も、図１の実施例と同様に、単動二ピストン型で蓄冷器３を有する冷凍機１１と、被冷却体２５を冷却するための冷却回路２７とから構成されているが、冷却回路２７の分流熱交換器（寒冷伝達用熱交換器）２１の代わりに向流型熱交換器２８が使用される点が図１の実施例と異なっている。
【００４２】
すなわち、冷却回路２７は、圧送手段２０によって高圧側回路２２ａと低圧側回路２２ｂに分けられ、圧送手段２０の吐出口から吐出された第２冷媒は、高圧側回路２２ａに設けられた向流型熱交換器２８の一方の熱交換エレメント（以下、高圧側熱交換路という）２１ａを流動して予冷熱交換器２３に送給され、更に冷却用熱交換器２４を流動する間に被冷却体２５を冷却し、その後、向流型熱交換器２８の他方の熱交換エレメント（以下、低圧側熱交換路という）２１ｂを流動して圧送手段２０の吸入口に吸入されるようになっている。
【００４３】
本実施例の特徴は、上記向流型熱交換器２８の高圧側熱交換路２１ａを、冷凍機１１における蓄冷器３の高温から低温に変化する部分に熱接触（蓄冷器３内の第１冷媒の流動方向に沿って高圧側熱交換路２１ａを延在し熱接触）させたものである。
この蓄冷器３の高温から低温に変化する部分に向流型熱交換器２８の高圧側熱交換路２１ａを熱接触させる具体的な構成は、例えば図８及び図９に示めされる。
【００４４】
図８及び図９において、蓄冷器３は四つの容器３０１内に蓄冷材３０２を充填したものである。そして向流型熱交換器２８は、上記蓄冷材３０２内を流動する第１冷媒と熱接触するように高圧側熱交換部材２１ａ′が装填された外側の四つの配管２２１と、低圧側熱交換部材２１ｂ′が装填された外套容器２２０とから構成されている。配管２２１と容器３０１は、それぞれ上端及び下端で連通しており、配管２２１の下端の入口部２８４は圧送手段２０の吐出口に連通され、配管２２１の上端の出口部２８３は予冷熱交換器２３へ連通されている。また、外套容器２２０の上端の入口部２８１は冷却用熱交換器２４へ連通され、配管２２０の下端の出口部２８２は圧送手段２０の吸入口に連通されている。また、蓄冷器３を構成する容器３０１の上端（低温端）の出口部３１１は膨張室５へ連通され、下端の高温端は入口部３１２より冷却器２へ連通されている。
【００４５】
このような構成の冷却装置では、向流型熱交換器２８の高圧側熱交換器２１ａが蓄冷器３直接に熱接触されており、向流型熱交換器２８の高圧側熱交換器２１ａを流れる第２冷媒は、蓄冷器３を流れている第１冷媒によって冷却されるとともに、低圧側熱交換器２１ｂを流れている第２冷媒によっても冷却される。
このような第２冷媒が圧送手段２０によって高圧側回路２２ａと低圧側回路２２ｂとを循環する冷却回路２７において、高圧側回路２２ａと低圧側回路２２ｂとを向流型熱交換器２８で結合した場合では、単に高圧側回路２２ａを流れる高温の第２冷媒を低圧側回路２２ｂを流れる低温の第２冷媒で冷却するだけであるが、本実施例では、高圧側回路２２ａを流れる第２冷媒を、蓄冷器３を流れている第１冷媒によっても冷却している。しかも、この蓄冷器３を流れている第１冷媒に対し高圧側回路２２ａの第２冷媒を熱接触させているため、すなわち、蓄冷器３の高温から低温に変化する部分に熱接触させているため、図１の実施例で説明したように、冷凍機１１の膨張室５で発生した特定の低い温度の冷凍で冷却するよりも効率が良くなる。従って、向流型熱交換器２８の熱交換率も高めることになり、冷却用熱交換器２４を介して被冷却体２５を冷却する冷却量が増大し、
冷却装置の冷却効率を格段に向上させることができるものである。
【００４６】
また、上記第５実施例の変形例として、向流型熱交換器２８の低圧側熱交換路２１ｂを流れる第２冷媒を蓄冷器３に熱接触させてもよいし、高圧側熱交換路２１ａを流れる第２冷媒と低圧側熱交換路２１ｂを流れる第２冷媒をそれぞれ蓄冷器３に熱接触させてもよい。前者の構成は図１３（図１４，図１５）の実施例に示し、後者の構成は図１６（図１７）の実施例で説明する。
【００４７】
第６実施例
次に上記第５実施例の構成は、そのままＪ−Ｔ回路にも適用できる。図１０は、Ｊ−Ｔ回路を図７の実施例の冷却回路２７として請求項６を具現したものである。この実施例に用いる冷凍機１１ａは、膨張シリンダ１３ａが２段膨張室の構成を採り、第１膨張室５５と第２膨張室５９をもつようにピストン１０ａが段状に形成されている。これに対応して冷却器２には、第１蓄冷器５３と第２蓄冷器５７とが２段積みされている。但し、両蓄冷器５３，５７の間にディストリビュータ５４が介在されている。
【００４８】
Ｊ−Ｔ回路７８は、液体ヘリウム温度の寒冷を発生する発生させ、超電導磁石等の被冷却体７７を冷却したり、液体ヘリウムを生成することができるもので、被冷却体７７は液溜め７６に浸漬されている。液溜め７６にはジュールトムソン弁７５の吐出口より生成される液体ヘリウムが溜まり、溜まった液体ヘリウムは被冷却体７８の熱と外部侵入熱（伝導熱、輻射熱）で気化される。気化したヘリウム（第２冷媒）は、低圧側回路７８ｂに各配設された第２向流型熱交換器７４の低圧側熱交換路７４ｂ並びに第１向流型熱交換器７２及び７１の各低圧側熱交換路７２ｂ，７１ｂを順次流動して圧送手段７０の吸入口に吸入されるようになっている。
【００４９】
圧送手段７０で昇圧された高圧の第２冷媒は、高圧側回路７８ａに各配設された第１向流型熱交換器７１及び７２の各高圧側熱交換路７１ａ，７２ａ及び第２膨張室５９に熱接触した予冷熱交換器７３並びに第２向流型熱交換器７４の高圧側熱交換路７４ａを順次流動してジュールトムソン弁７５の吸入口に流入される。ここで、第１向流型熱交換器７１，７２の各高圧側熱交換路７１ａ，７２ａは、それぞれ第１蓄冷器５３及び第２蓄冷器５７の高温から低温に変化する部分に熱接触されている。
【００５０】
上記Ｊ−Ｔ回路７８の動作は次のようになる。圧送手段７０で昇圧された高圧の第２冷媒は、第１向流型熱交換器７１，７２の各高圧側熱交換路７１ａ，７２ａを流動するとき、それぞれ第１蓄冷器５３，第２蓄冷器５７を流動する第１冷媒によって冷却されるとともに、各低圧側熱交換路７１ｂ，７２ｂの低圧の第２冷媒によって冷却される。
【００５１】
高圧側熱交換路７２ａを流動した高圧の第２冷媒は、予冷熱交換器７３で更に低温に冷却され、続いて第２向流型熱交換器７４の高圧側熱交換路７４ａを流動する時にその低圧側熱交換路７４ｂを流動する第２冷媒によって冷却され、ジュールトムソン弁７５の前では第２冷媒の温度が略５．７Ｋとなる。この第２冷媒は、ジュールトムソン弁７５を経ると、等エンタルピ膨張しガスの一部が液化する。
【００５２】
ところで、本実施例によっても、第１向流型熱交換器７１，７２の高圧側熱交換路７１ａ，７２ａを流動する第２冷媒は、それぞれ第１蓄冷器５３，第２蓄冷器５７を流動する第１冷媒と、低圧側熱交換路７１ｂ，７２ｂの第２冷媒とによって冷却されるため、各第１向流型熱交換器７１，７２の熱変換率が高率となり、ジュールトムソン弁前の第２冷媒の温度が格段に効率良く低下され、ジュールトムソン弁７５から流出する第２冷媒の液化現象を高効率に行わせることができる。その結果、超電導磁石等の被冷却体７７を冷却する冷却効率を一層向上する。
【００５３】
第７実施例
次に本発明の第７実施例を示す図１１の冷却装置は、請求項７の発明を具現したものである。
この図１１に示す冷却装置は、冷却器２と膨張室５との間で第１冷媒を並列に往復流動させる複数、但しここでは二つの蓄冷器３ａ，３ｂを設けている。そして、一方の蓄冷器３ａは膨張シリンダ１４内の膨張ピストン１０内に装置されている。他方の蓄冷器３ｂは、図７の実施例と同様に、向流型熱交換器２８の高圧側熱交換路２１ａと熱接触されている。
【００５４】
このような構成によれば、蓄冷器を膨張シリンダ内に設けても、膨張ピストン内の蓄冷器３ａに対して向流型熱交換器２８を熱接触させる必要がなく、構造の複雑化を招くことがない。
第８実施例
また、図７の実施例のように蓄冷器に熱交換器を熱接触させる場合、回転数の高い冷凍機では、蓄冷器での圧力損失を小さくするために該蓄冷器を比較的短く（径を太く）しなければならない。これに対し熱交換器は、効率を高めるため長い方が好ましい。このような場合、図１２に示す第８実施例のように、複数個（ここでは２個）の蓄冷器３ａ，３ｂ（この場合、２個共膨張シリンダ１４の外へ出してある）を設け、向流型熱交換器２８が熱接触される蓄冷器３ｂは、圧力損失が問題とならない程度の流量が流れるように径を小さくして長くし、向流型熱交換器の効率を確保できることになる。同時に、向流型熱交換器２８と熱接触させない蓄冷器３ａは比較的短めにできる。
【００５５】
第９実施例
さて、第５実施例〜第８実施例は、すべて蓄冷器を向流型熱交換器の高圧側熱交換路に熱接触させたものであるが、第９実施例として、蓄冷器を向流型熱交換器の低圧側熱交換路に熱接触させてもよい。
図１３は第９実施例（図１２の変形例）であって、蓄冷器３ｂを向流型熱交換器２８の低圧側熱交換路２８ｂに熱接触させたものである。
【００５６】
図１４及び図１５は上記低圧側熱交換路２８ｂを蓄冷器３ｂに熱接触させた向流型熱交換器２８の具体的構造の一例を示す。すなわち、向流型熱交換器２８は、低圧側熱交換部材２１ｂ′が装填された外套容器２２０内に、高圧側熱交換部材２１ａ′が装填された配管２２１と、蓄冷材３０２が充填された容器３０１とが独立に配設されており、外套容器２２０内を通る第２冷媒が容器３０１を介して蓄冷材３０２と熱接触するようにしている。
【００５７】
この構造では、低圧側熱交換路２８ｂに流れる第２冷媒が蓄冷器３を流動する蓄冷材３０２によって冷却され、その冷却を受けて高圧側熱交換路２８ａを流れる第２冷媒が冷却される。
このように向流型熱交換器２８の低圧側熱交換路２１ｂを流れる第２冷媒を蓄冷器３に熱接触させた場合、向流型熱交換器２８の高圧側熱交換路２１ａを流れる第２冷媒は、向流型熱交換器２８の低圧側熱交換路２１ｂを流れる第２冷媒によって冷却され、更に、低圧側熱交換路２１ｂを流れる第２冷媒該が蓄冷器３を流れる第１冷媒により冷却されるので、向流型熱交換器２８の高圧側熱交換路２１ｂを流れる第２冷媒は、間接的に蓄冷器３を流れる第１冷媒によっても冷却されることになり、図７の実施例とほぼ同様に、向流型熱交換器２８の熱交換率を高め、冷却装置の冷却効率を格段に向上させることができる。
【００５８】
次に、第１６図及び図１７は、高圧側熱交換路を流れる第２冷媒と低圧側熱交換路を流れる第２冷媒をそれぞれ蓄冷器３に熱接触させた場合の具体的構成の一例を示す。各符号は図１４及び図１５と共通に用いている。
この構造では、低圧側熱交換部材２１ｂ′が装填された外套容器２２０内に蓄冷材３０２が充填された容器３０１を配設するとともに、同外套容器２２０内に配設された高圧側熱交換部材２１ａ′装填の配管２２１内にも蓄冷材３０２が充填された容器３０１を配設しているので、高圧側熱交換路を流れる第２冷媒と低圧側熱交換路を流れる第２冷媒をそれぞれ蓄冷器３に熱接触され、更に向流型熱交換器２８の熱交換率が高まり、冷却装置における冷却効率の一層の向上を図ることができる。
【００５９】
上記各具体例は、同軸或いは平行に配設した配管構造のものに対して、蓄冷器と向流型熱交換器とを熱接触させた構成を列挙したものであるが、以下は、多数の冷媒通孔が形成されたプレートを積層したタイプの向流型熱交換器で本発明の熱接触構造を具体化した例を示す。
図１８において、中央には蓄冷材３５１ｃが流動する蓄冷器３が設けられており、該蓄冷器３を同軸状に囲うように、多数枚で環状のプレート３５１が積層されている。各プレート３５１には、その内周域、すなわち蓄冷器３側に高圧側の第２冷媒が通過する小通孔３５１ａが形成され、その外周域に低圧側の第２冷媒が通過する小通孔３５１ｂが形成されている。また、各プレート３５１は、蓄冷器３と内周域との間に介在されたスペーサ３５４、内周域と外周域との間に介在されたスペーサ３５３及び外郭をなすスペーサ３５２によって相互間及び外部との気密が保持されている。そして、各プレート３５１の積層体は、両端の蓋体３
５５，３５６に挟持され、各蓋体３５５，３５６にはそれぞれ所定の入口部２８１，２８４及び出口部２８２，２８３が設けられている。
このようなスペーサによる向流型熱交換器でも既述の実施例と同様に、各実施例の冷却装置を構成することができる。
【００６０】
また、図１９は、蓄冷器３も積層したスペーサ３６１で構成したものである。すなわち、本スペーサ３６１は円盤状であり、その中央部にも極めて多数の小通孔３６１ｃが形成され、該小通孔３６１ｃに蓄冷材を流動させるようになっている。そして、小通孔３６１ｃの外周域には高圧側の第２冷媒が通過する小通孔３６１ａが形成され、更に外周域には低圧側の第２冷媒が通過する小通孔３６１ｂが形成されている。
【００６１】
このような向流型熱交換器も各実施例の冷却装置を構成することができる。
更に、図２０に示すように、中央で流動する蓄冷材３５１ｃを円筒容器３ａで覆った構造としてもよい。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、蓄冷器の高温から低温に変化する部分に、被冷却体を冷却するための冷却回路の寒冷伝達用熱交換器を熱接触したので、蓄冷器中を高温から低温、低温から高温の１サイクルで流れる第１冷媒が発生する寒冷を利用することになり、冷却効率を高めることができる。
【００６３】
請求項２の発明によれば、寒冷伝達用熱交換器が蓄冷器の中に配置されることにより、蓄冷器から取り得る寒冷量を能率的に寒冷伝達用熱交換器が取得でき、冷却効率の有効な向上法となる。
請求項３の発明によれば、膨張シリンダに寒冷伝達用熱交換器と蓄冷器とを一体化し、請求項１の発明より高い冷却効率を維持しつつ、コンパクト化を図ることができる。
【００６４】
請求項４の発明によれば、請求項１の発明の寒冷伝達用熱交換器と、冷凍機の膨張室又は蓄冷器の低温端に熱接触させた寒冷伝達用熱交換器とによる相乗効果で冷却効率を更に高めることができる。
請求項５の発明によれば、第２冷媒が圧送手段によって高圧側回路と低圧側回路とを循環する冷却回路における向流型熱交換器の熱交換率を高め、冷却装置の冷却効率を格段に向上させることができる。
【００６５】
請求項６の発明によれば、請求項５と同様の作用により、ジュールトムソン弁に流入する高圧の第２冷媒の温度を効率良く低下でき、ジュールトムソン弁から流出する低圧の第２冷媒の液化効率を向上するとともに、被冷却体に対する冷却効率が格段と向上する。
請求項７の発明によれば、蓄冷器を膨張室内に配設して冷却装置をコンパクト化する場合に、膨張室の外側に配設される蓄冷器に向流型熱交換器を熱接触させることにより、構成を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 請求項１及び４の発明を具現した第１実施例にかかる冷却装置の概念図である。
【図２】 第１実施例における蓄冷器と分流熱交換器との熱接触構造の具体的な一例を示す断面図である。
【図３】 請求項２の発明を具現した第１実施例にかかる冷却装置の概念図である。
【図４】 第２実施例における蓄冷器と分流熱交換器との熱接触構造の具体的な一例を示し、（Ａ）は側断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。
【図５】 請求項１の発明における蓄冷器と分流熱交換器との熱接触構造の別の具体例を示す断面図である。
【図６】 請求項１の発明における蓄冷器と分流熱交換器との熱接触構造の更に別の具体例を示す断面図である。
【図７】 本発明の第５実施例に係る冷却装置の概念図である。
【図８】 上記第５実施例に採用した蓄冷器と向流型熱交換器の熱接触構造の一例を示す説明図である。
【図９】 上記図８のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面構成を示す説明図である。
【図１０】 本発明の第６実施例に係る冷却装置の概念図である。
【図１１】 本発明の第７実施例に係る冷却装置の概念図である。
【図１２】 本発明の第８実施例に係る冷却装置の概念図である。
【図１３】 本発明の第９実施例に係る冷却装置の概念図である。
【図１４】 上記第９実施例に採用可能な蓄冷器と向流型熱交換器の熱接触構造を示す説明図である。
【図１５】 図１４のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面構成を示す説明図である。
【図１６】 蓄冷器と向流型熱交換器の熱接触構造の他の例を示す説明図である。
【図１７】 図１２のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面構成を示す説明図である。
【図１８】 蓄冷器と向流型熱交換器の熱接触構造の更に他の例を示す説明図である。
【図１９】 蓄冷器と向流型熱交換器の熱接触構造の更に他の例を示す説明図である。
【図２０】 蓄冷器と向流型熱交換器の熱接触構造の更に他の例を示す説明図である。
【図２１】 従来の蓄冷式冷凍機を用いた冷却装置を示す説明図である。
【符号の説明】
１は圧縮室、２は冷却室、３は蓄冷器、４は配管、５は膨張室、１１は蓄冷式冷凍機、２０は圧送手段、２１は分流熱交換器（寒冷伝達用熱交換器）、２７は冷却回路、２２ａは高圧側回路、２２ｂは低圧側回路、２８は向流型熱交換器である。なお、図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【産業上の利用分野】
本発明は、蓄冷式冷凍機により寒冷を得て、被冷却体を冷却する冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の蓄冷式冷凍機による冷却装置は、例えば特公昭４５−２７６３４号公報に開示されているように、図２１に示すような構成になっている。図２１において、冷却装置は、寒冷源としての（逆）スターリングサイクルの寒冷ガス冷凍機１０１と、寒冷を被冷却体１１０へ搬送するための冷媒回路としての冷却回路１２０とから構成される。
【０００３】
寒冷ガス冷凍機１０１（以下、冷凍機と略す）は、シリンダ１００と、該シリンダ１００中で往復動作するピストン１０２と、該ピストン１０２とはある位相差で往復動作するディスプレーサ１０３と、上記ピストン１０２及びディスプレーサ１０３間の圧縮室１０４と連通した冷却器１０６と、上記ディスプレーサ１０３とシリンダ上端との間の膨張室１０５に配設された冷凍器１０８と、上記冷却器１０６と膨張室１０５との間に配設された蓄冷器１０７とを具備する。
【０００４】
冷却回路１２０は、圧縮機１２１と、上記冷凍器１０８に熱接触された複数の寒冷伝達用熱交換器１２５及び被冷却体１１０を冷却する複数の冷却用熱交換器１２６が交互に直列に配設された導管系１２４と、該導管系１２４と該圧縮機１２１との間に介在された向流式熱交換器１２３とから構成される。
上記冷却装置では、冷凍機１０１において、先ず、ピストン１０２の圧縮動作（等温圧縮）によって圧縮室１０４に熱が発生し、続くディスプレーサ１０３のピストン１０２側への移動によって、作業媒体は冷却されながら蓄冷器１０７を通過し（定積冷却）、ピストン１０２が後退すると膨張室１０５に寒冷を発生して（等温膨張）、冷凍器１０８に熱接触した寒冷伝達用熱交換器１２５を流れている作業媒体から吸熱する。更に、ディスプレーサ１０３の上端死点への移行により、作業媒体は蓄冷器１０７を冷却しつつ圧縮室１０４に戻る（定積加熱）。
【０００５】
従って、冷却回路１２０では、上記寒冷伝達用熱交換器１２５内を流れている作業媒体から吸熱されることにより、各冷却用熱交換器１２６に寒冷が伝達され、被冷却体１１０を冷却する。向流式熱交換器１２３は、圧縮機１２１からの高温の作業媒体を、該圧縮機１２１へ戻る低温の作業媒体で冷却している。
このような冷却装置は、各作業媒体としてヘリウムガス等を使用でき、家庭用冷蔵庫や空調装置への適用や、更に冷凍機を多段膨張形態とし、かつ、冷却回路としてジュールトムソン（Ｊ−Ｔと略す）回路を用いることにより、４．２Ｋの液体ヘリウム温度を達成して超電導磁石の冷却が可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、カルノー効率の定義式によれば、寒冷源の温度が低いほど、被冷却体を冷却する効率は悪化する。
このような観点から従来の冷却装置の効率を考察すると、従来の冷却装置は、膨張室１０５に発生した寒冷を冷凍器１０８に取出し、各寒冷伝達用熱交換器１２５で受冷して冷却用熱交換器１２６に伝達して被冷却体１１０を冷却しており、冷凍機全体で得られる寒冷を有効に活用していない。
【０００７】
すなわち、冷凍器１０８に取出される寒冷の冷凍量Ｑは、被冷却体１１０を冷却するために使われるＱ1 と、向流型熱交換器１２３で使われるＱ2 と、また一部は周囲から向流型熱交換器１２３に侵入する熱（伝導熱、輻射熱）を打消すために使用される（Ｑ3 ）。つまり、冷凍量Ｑは、Ｑ＝Ｑ1 ＋Ｑ2 ＋Ｑ3 となる。冷凍器１０８を冷凍機のコールドヘッドに相当する特定の温度の寒冷源と考えると、被冷却体に対し一定の温度差となる特定の温度から寒冷を得ており、その特定の温度より高い温度から寒冷を得ていない。冷凍量Ｑ2 とＱ3 とは、冷凍機のコールドヘッドの温度から圧縮機１２１からの高圧の作業媒体の温度範囲で向流型熱交換器１２３により圧縮機１２１からの高圧の作業媒体を冷却しているので、特定の温度より効率的冷却が期待できる高い温度から寒冷を得ていない。
【０００８】
本発明は、冷凍機の寒冷を特定温度だけで取出すのではなく、高い温度から低い温度の範囲でも取出し、冷凍機の寒冷を有効に活用してより冷却効率を向上することを解決すべき課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、蓄冷式冷凍機の第１冷媒の流動により蓄冷器の高温から低温に変化する部分に、該蓄冷式冷凍機の第１冷媒とは別の第２冷媒により被冷却体を冷却する冷却回路の高圧側回路に設けられた寒冷伝達用熱交換器を熱接触させたことを特徴とする。
請求項２の発明は、上記寒冷伝達用熱交換器が、上記蓄冷器の中に配置されることを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明は、上記寒冷伝達用熱交換器と蓄冷器とが、上記膨張室の周壁をなすシリンダ外周に同軸状に配置されたことを特徴とする。
ここで、蓄冷式冷凍機は、スターリング冷凍機、ギホォードマクマホン冷凍機、ソルベイ冷凍機、ヴィルマイヤー冷凍機、パルス管冷凍機等である。
請求項４の発明は、上記冷却回路に二以上の寒冷伝達用熱交換器が配置され、
第１寒冷伝達用熱交換器は、蓄冷式冷凍機の第１冷媒の流動により蓄冷器の高温から低温に変化する部分に熱接触され、第２寒冷伝達用熱交換器は、蓄冷式冷凍機の膨張室又は上記蓄冷器の低温端に熱接触されたことを特徴とする。
【００１１】
請求項５の発明は、蓄冷式冷凍機の第１冷媒の流動により蓄冷器の高温から低温に変化する部分に、圧送手段によって第２冷媒を高圧側回路から低圧側回路に流す冷却回路の高圧側回路及び低圧側回路を熱接触させたことを特徴とする。
請求項６の発明は、上記冷却回路が圧送手段によって第２冷媒を高圧側回路から低圧側回路に流すジュールトムソン回路であって、該高圧側回路を流れる第２冷媒と該低圧側回路を流れる第２冷媒とを熱接触させ、且つ、該高圧側回路が上記蓄冷式冷凍機における蓄冷器の高温から低温に変化する部分に熱接触された第１向流型熱交換器と、該第１向流型熱交換器下流側の該高圧側回路を流れる第２冷媒と該第１向流型熱交換器上流側の該低圧側回路を流れる第２冷媒とを熱接触させる第２向流型熱交換器と、該第２向流型熱交換器と前記冷却手段との間の該高圧側回路に配設されたジュールトムソン弁とを有する。
【００１２】
請求項７の発明は、第１冷媒が圧縮される圧縮室と、該圧縮された第１冷媒の圧縮熱を放熱する冷却器と、該冷却器とそれぞれ連通する複数個の蓄冷器と、該複数個の蓄冷器を経た第１冷媒が膨張する膨張室とを有する蓄冷式冷凍機を設け、更に第２冷媒が流れる冷却回路の高圧側回路及び低圧側回路のうち少なくとも一方が上記蓄冷式冷凍機における複数個の蓄冷器のうち少なくとも１個を除く他の蓄冷器の高温から低温に変化する部分に熱接触されたことを特徴とする。
【００１３】
冷却回路は、空調装置若しくは冷蔵庫の冷媒回路、或いは直接に冷却されるガスの流路でも良い。冷媒回路の場合、圧送手段は圧縮機又はポンプを用い、直接に冷却されるガスの流路の場合は、送風機でもよい。
好適な態様として、多段式の蓄冷式冷凍機にも適用することができる。
【００１４】
【作用】
請求項１の発明によれば、蓄冷式冷凍機の第１冷媒の流動により蓄冷器の高温から低温に変化する部分に、冷却回路の寒冷伝達用熱交換器を熱接触させることは、蓄冷器中を高温から低温、低温から高温の１サイクルで流れる第１冷媒が発生する寒冷を被冷却体の冷却に利用していることになる。
【００１５】
すなわち、蓄冷器の熱交換効率は１００％でないので、高温から低温に向かって第１冷媒が流れる時、その流れに直交するある断面での第１冷媒の温度Ｔ1は、蓄冷材の温度より高い。また、低温から高温に向かって第１冷媒が流れる時、第１冷媒の温度Ｔ2は、蓄冷材の温度より低い。蓄冷材の平均温度をＴとすると、
【００１６】
【数式１】
Ｔ1 −Ｔ＞０
【００１７】
【数式２】
Ｔ2 −Ｔ＜０
であり、冷凍機では、
【００１８】
【数式３】
Ｔ1−Ｔ＜Ｔ−Ｔ2
であるので、蓄冷器を流れる第１冷媒は冷凍能力をもち、蓄冷器は、第１冷媒の流れに直交する断面部分において、高温から低温、低温から高温の１サイクルにおいて、寒冷を発生していることになる。
【００１９】
つまり、請求項１の発明では、蓄冷器中を第１冷媒が往復することが、該蓄冷器に冷凍能力を生じさせるので、この仮想的な膨張シリンダとしての蓄冷器より寒冷を取得して、冷却効率を格段と向上している。
また、上記冷却原理をカルノー効率の観点から検討すれば、寒冷伝達用熱交換器が蓄冷器の高温端から低温端に変化する部分に熱接触されることは、特定の温度を寒冷源とする冷却より効率的な冷却効率となるより高い温度から寒冷を得ることになり、総冷凍量としては、特定の温度だけから寒冷を得る場合より大きく、冷却効率を高めることができる。
【００２０】
請求項２の発明では、寒冷伝達用熱交換器が蓄冷器の中に配置されることにより、蓄冷器から取り得る寒冷量を効率的に取得でき、冷却効率を更に向上している。
請求項３の発明では、膨張シリンダに寒冷伝達用熱交換器と蓄冷器とを請求項１の発明と同様の高い冷却効率を維持しつつ一体化できる。
【００２１】
請求項４の発明では、上記蓄冷器の高温から低温に変化する部分に熱接触された第１寒冷伝達用熱交換器が請求項１の発明の寒冷伝達用熱交換器に相当し、それに加えて冷凍機の膨張室又は上記蓄冷器の低温端に第２寒冷伝達用熱交換器を熱接触させているので、請求項１の発明より冷却効率が高まることは明白である。
請求項５の発明において、向流型熱交換器の高圧側回路と蓄冷器が熱接触している場合、該向流型熱交換器の高圧側回路を流れる第２冷媒は、蓄冷式冷凍機の蓄冷器を流れている第１冷媒と冷却手段から圧送手段の吸入側とを結ぶ低圧側回路を流れている第２冷媒との二つの冷媒によって冷却される。蓄冷式冷凍機の蓄冷器を流れている第１冷媒による冷却は、請求項１の発明で説明したように、蓄冷器の流れに沿った高温から低温に向かって行われ、カルノー効率の観点から検討したように、蓄冷式冷凍機の膨張室で発生した特定の低い温度の冷凍で冷却するよりも効率が良く、しかも高圧側回路を流れる第２冷媒が低圧側回路を流れる第２冷媒によっても冷却されるため、向流型熱交換器の熱交換率も高めることになる。この結果、冷却手段を介して被冷却体を冷却する冷却量が増大し、冷却装置の冷却効率を格段に向上させることができる。
【００２２】
また、向流型熱交換器の低圧側回路と蓄冷器が熱接触している場合、向流型熱交換器の高圧側回路を流れる第２冷媒は、向流型熱交換器の低圧側回路を流れる第２冷媒によって冷却されるが、該低圧側回路を流れる第２冷媒が蓄冷器を流れる第１冷媒により受冷されるので、向流型熱交換器の高圧側回路を流れる第２冷媒は、間接的に蓄冷器を流れる第１冷媒によっても冷却されることになり、向流型熱交換器の高圧側回路と蓄冷器が熱接触している場合とほぼ同様に、向流型熱交換器の熱交換率を高め、冷却装置の冷却効率を格段に向上させることができる。
【００２３】
請求項６の発明は、請求項５の発明をジュールトムソン回路に適用したもので、圧送手段から吐出されその高圧側回路を流れる第２冷媒が第１向流型熱交換器において、蓄冷器を流れる第１冷媒及び低圧側回路を流れる第２冷媒とによって冷却され、さらに第２向流型熱交換器において、高圧側回路を流れる第２冷媒が低圧側回路を流れる第２冷媒によって冷却されるので、ジュールトムソン弁に流入する高圧の第２冷媒の温度を効率良く低下でき、ジュールトムソン弁から流出する低圧の第２冷媒の液化率が向上する。その結果、被冷却体に対する冷却効率が格段と向上する。
【００２４】
請求項７の発明は、蓄冷器を膨張室内に配設する場合に好適である。すなわち、蓄冷器を膨張室内に配設した場合、蓄冷器に向流型熱交換器を熱接触させると極めて複雑な構造になってしまう。そこで、複数個の蓄冷器を設け、向流型熱交換器と熱接触させない蓄冷器だけを膨張室内に配設し、向流型熱交換器が熱接触される蓄冷器は膨張室の外側に配設することにより、構成を簡素化できる。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明に係る冷却装置を各具体的な実施例により詳細に説明する。
第１実施例
図１は請求項１と請求項４の発明を具体化した第１実施例に係る冷却装置の概念図であり、この冷却装置は、単動二ピストン型の冷凍機１１と、被冷却体２５を冷却するための冷却回路２７とから構成されている。
【００２６】
単動二ピストン型の冷凍機１１は、ピストン６が収嵌された圧縮シリンダ９と、ピストン１０が収嵌された膨張シリンダ１３と、上記圧縮シリンダ９の圧縮室１と連通された水冷等の冷却器２と、該冷却器２と連通した蓄冷器３と、該蓄冷器３と上記膨張シリンダ１３の膨張室５とを連通した配管４とを主体に構成され、上記圧縮シリンダ９のピストン６と膨張シリンダ１３のピストン１０とは、それぞれのロッド８，１２を介して例えばクランク機構と電動機からなる動力装置７によって駆動されるようになっている。動力装置７は、両ピストン６，１０を所定の相対的位相差、例えば９０°で往復駆動する。
【００２７】
冷却回路２７は、圧縮機器、ポンプ等の圧送手段２０と、被冷却体２５の冷却手段を構成する熱交換器２４とを導管でループ状に配設したもので、圧送手段２０の吐出側と冷却手段の入口側とを結ぶ高圧側回路２２ａ及び冷却手段の出口側と圧送手段２０の吸入側とを結ぶ低圧側回路２２ｂとから構成されている。高圧側回路２２ａの該圧送手段２０の吐出口と熱交換器２４との間には、上記蓄冷器３中における第１冷媒の流れ方向に沿い、該蓄冷器３の外周面に熱接触された分流熱交換器２１と、上記蓄冷器３の低温端（コールドヘッド）と熱接触された予冷熱交換器２２と、上記膨張シリンダ１３における低温端（コールドヘッド）と熱接触された予冷熱交換器２３とが同順で配設されている。これら分流熱交換器２１、予冷熱交換器２２、予冷熱交換器２３は、それぞれ請求項１，４の発明における寒冷伝達用熱交換器に相当する。なお、被冷却体２５の熱交換器２４は、送風手段２６によって加熱される。
【００２８】
ところで、図２は上記蓄冷器３と分流熱交換器２１との熱接触構造の具体的一例を示している。
図２において、蓄冷器３は、低温端（上端）が配管４と連通し、高温端が冷却器２の一部をなす複数の細管２０１，２０１…と連通した容器３０１と、該容器３０１の内部室３０２に装入された銅球、鉛球、ブロンズ金網等からなる蓄冷材３０３とから構成されている。上記細管２０１は、圧縮シリンダ９の圧縮室１とも連通して、該圧縮室１と膨張室５（図１）との間を往復するヘリウム等の第１冷媒が通過する間に、該第１冷媒を冷却する。該冷却は、冷却器２の一端から他端に給排される例えば冷却用水によっている（矢視ＥからＦ）。
【００２９】
分流熱交換器２１は、上記容器３０１の外周より螺旋状に突設された外周フィン２１０と、該外周フィン２１０によって形成される螺旋溝２１１と、該螺旋溝２１１を包囲する外筒２１２とから構成されていて、螺旋溝２１１の始端に圧送手段２０からのヘリウム等の第２冷媒が導入される入口部２７ａを形成し、該螺旋溝２１１の終端に予冷熱交換器２３へ第２冷媒を導出する出口部２７ｂが形成されている。なお、予冷熱交換器２２は、ここでは蓄冷器３の低温端に設けられる。
【００３０】
次に上記冷却装置の動作を説明する。圧縮シリンダ９のピストン６は、膨張シリンダ１３のピストン１０より９０°遅れた位相で圧縮動作する。ピストン６の圧縮により、第１冷媒は圧縮室１で略３００Ｋとなり、細管２０１を通る間にほぼ室温に冷却される。次に蓄冷器３を通過する時、蓄冷材３０３によって流れの方向Ａに対応して徐々に低温に冷却され、更に、配管４を通り、膨張室５に流入しようとする。ここで、ピストン１０が膨張室５を拡げるように動作し、膨張室５に更に低温の寒冷が生成される。続いて、ピストン１０の膨張室５を狭める動作により、第１冷媒は圧縮室１に流入する。このようにして冷凍機１１の１サイクルが形成される。
【００３１】
冷却回路２７の第２冷媒は、圧送手段２０により圧縮され、分流熱交換器２１の螺旋溝２１１中を蓄冷器３のＡ方向に移動し、容器３０１の外周フィン２１０により冷却される。そして、第２冷媒は、予冷熱交換器２２，２３に順次流入すると、蓄冷器３の低温端を流れる第１冷媒、膨張室５内の第１冷媒により、更に冷却される。予冷熱交換器２３を経た後、第２冷媒は、冷却用熱交換器２４に流入し、被冷却体２５を冷却する。被冷却体２５を冷却して昇温した第２冷媒は、圧送手段２０に吸入され、冷却回路２７の１サイクルが形成される。
【００３２】
ところで、上記実施例において、冷却回路２７の第２冷媒は、分流熱交換器２１の螺旋溝２１１中を移動すると、外周フィン２１０（蓄冷器の高温から低温に変化する部分）に熱接触される。この場合、その第１冷媒の流れに直交する断面において１サイクル中に高温側から低温側に向かって入る温かいエネルギーと低温側から高温側に向かって出る冷たいエネルギーは、冷凍機の場合、冷たいエネルギーの方が大きい。これを蓄冷器全体で見ると、蓄冷器３内の第１冷媒は一種の膨張ピストンと考えることができ、すなわち、蓄冷器３は寒冷を発生することになる。
【００３３】
また、請求項１の発明に係る分流熱交換器２１は、蓄冷器３に単に一体化されるのではなく、第１冷媒により蓄冷器３の高温端から低温端に変化する部分に熱接触されるため、カルノー効率の観点から検討すると、特定の温度部分から寒冷を得る場合より、冷凍量が多く得られることになる。
カルノー効率は、次表に示すように、同一の所要電力では、膨張室５（すなわち、寒冷取出口）の温度が高い程、大きくなる。ここで、カルノー効率ηは、圧縮室１の温度をＴC 、膨張室５の温度をＴE として、η＝ＴE ／（ＴC − ＴE ）とする。
【００３４】
【表１】
【００３５】
こうして本第１実施例では、蓄冷器３中の第１冷媒の流動による連続した温度から寒冷を得ているため、冷却効率を高めることができる。実験によると、分流熱交換器２１で第２冷媒が冷却される冷却量は、予冷熱交換器２２と２３の両方で冷却される冷却量の略３倍以上にも達した。
また、本第１実施例では、膨張室の低温端で冷却する予冷熱交換器２２と、蓄冷器３の低温端で冷却される予冷熱交換器２３とによる冷却量も加わって、冷却効率をより高くしている（請求項４の発明）。
【００３６】
本実施例の変形例として、蓄冷器３の容器３０１の外周にろう付けにより、冷却回路２７の一部としての螺旋状の配管を設けても、第１実施例の場合と同様の効果が得られる。
第２実施例
本第２実施例は請求項２の発明を具体化したもので、その概念は図３に示すように、分流熱交換器２１を蓄冷器３の内部に設けたことにある。
【００３７】
この分流熱交換器２１を蓄冷器３の内部に設ける具体的構成は、図４（Ａ），（Ｂ）に示す。図４（Ａ）、（Ｂ）において、符号４０１は蓄冷器３の容器を示し、該容器４０１の内部は、第１実施例と同様の構成の細管２０１を有する冷却器２と連設されている。そして、容器４０１の低温端には、膨張室５へ連通した配管４の一部が連設されている。また、容器４０１の高温端と低温端には、それぞれディストリビュータ４０４，４０５が嵌合されており、これらディストリビュータ４０４，４０５の間の空間には、図４（Ｂ）に示すように、蓄冷材３０３のスペースをあけて高温端より低温端へと複雑曲折して積層状の導管４０２からなる分流熱交換器２１が配設される。そして、導管４０２の高温端側は、容器４０１の外部に突出して圧送手段２０からの冷却回路２７に対する入口部２７ａとなり、導管４０２の低温端側は、予冷熱交換器２３からの冷却回路２７への出口部２７ａとなっている。
【００３８】
このような蓄冷器３と分流熱交換器４０２との熱接触構造によれば、蓄冷器３と分流熱交換器４０２との熱接触率を極めて高めることができ、寒冷を効率的に取得して、高冷却効率化を図ることができる。
第３実施例
この第３実施例における蓄冷器と分流熱交換器の熱接触構造は、図５に示すように、膨張シリンダ１３を構成する筒軸５０１に、２重同軸状に蓄冷器３と分流熱交換器２１とを形成している。すなわち、筒軸５０１の外周に更に大きな外筒５０２を重ね、該筒軸５０１と外筒５０２との間に更に隔壁５０３が介装されている。そして、筒軸５０１と隔壁５０３とで仕切られる内側空間に蓄冷材３０３を充填して蓄冷器３とし、隔壁５０３と外筒５０２とで仕切られる外側空間に、隔壁５０３から螺旋状に突出させた外周フィン５０５を形成して分流熱交換器２１としている。外周フィン５０５の形成により高温端から低温端までの螺旋溝５０６が形成される。また、蓄冷材３０３が充填された内側空間は、導管５０７を介して図示しない冷却器と連通されている。また、螺旋溝５０６の高温端側には、冷却回路２７の圧送手段２０へ連通する入口部２７ａが形成され、螺旋溝５０６の低温端側には、冷却回路２７の予冷熱交換器２３へ連通する出口部２７ｂが形成される。
【００３９】
このような構成によれば、図２の実施例より、蓄冷器３と分流熱交換器２１との容積を大きくでき、それだけ熱接触の度合いを大きくして、冷却効率を稼ぐことができると同時に、膨張シリンダ１３、蓄冷器３及び分流熱交換器２１が一体となってコンパクトな冷却装置となる。
第４実施例
この第４実施例における蓄冷器と分流熱交換器の熱接触構造も、膨張シリンダ１３の一部１３′を構成する筒軸５０１と一体に蓄冷器３と分流熱交換器２１とを設けたものであるが、第３実施例と異なる点は、筒軸５０１と外筒５０２との空間内にドーナツ状に蓄冷材３０３が充填されて蓄冷器３をなす二重隔壁５０８を収嵌したものである。二重隔壁５０８はそれぞれ外周と内周にフィン５０５が突設して二重螺旋溝５０６が形成される。そして、二重隔壁５０８の空間の一端は、導管５０７を介して図示しない冷却器と連通され、他端は導管４ａを介して膨張室５（図１）と連通している。
【００４０】
この構成によれば、第３実施例と同様にコンパクト化できるとともに、二重螺旋溝５０６により、第２冷媒がフィン５０５と熱接触する表面積が更に確保でき、冷却効率をより高めることができる。
第５実施例
次に請求項５の発明を具現した冷却装置を図７を参照して説明する。
【００４１】
図７に示す第５実施例の冷却装置も、図１の実施例と同様に、単動二ピストン型で蓄冷器３を有する冷凍機１１と、被冷却体２５を冷却するための冷却回路２７とから構成されているが、冷却回路２７の分流熱交換器（寒冷伝達用熱交換器）２１の代わりに向流型熱交換器２８が使用される点が図１の実施例と異なっている。
【００４２】
すなわち、冷却回路２７は、圧送手段２０によって高圧側回路２２ａと低圧側回路２２ｂに分けられ、圧送手段２０の吐出口から吐出された第２冷媒は、高圧側回路２２ａに設けられた向流型熱交換器２８の一方の熱交換エレメント（以下、高圧側熱交換路という）２１ａを流動して予冷熱交換器２３に送給され、更に冷却用熱交換器２４を流動する間に被冷却体２５を冷却し、その後、向流型熱交換器２８の他方の熱交換エレメント（以下、低圧側熱交換路という）２１ｂを流動して圧送手段２０の吸入口に吸入されるようになっている。
【００４３】
本実施例の特徴は、上記向流型熱交換器２８の高圧側熱交換路２１ａを、冷凍機１１における蓄冷器３の高温から低温に変化する部分に熱接触（蓄冷器３内の第１冷媒の流動方向に沿って高圧側熱交換路２１ａを延在し熱接触）させたものである。
この蓄冷器３の高温から低温に変化する部分に向流型熱交換器２８の高圧側熱交換路２１ａを熱接触させる具体的な構成は、例えば図８及び図９に示めされる。
【００４４】
図８及び図９において、蓄冷器３は四つの容器３０１内に蓄冷材３０２を充填したものである。そして向流型熱交換器２８は、上記蓄冷材３０２内を流動する第１冷媒と熱接触するように高圧側熱交換部材２１ａ′が装填された外側の四つの配管２２１と、低圧側熱交換部材２１ｂ′が装填された外套容器２２０とから構成されている。配管２２１と容器３０１は、それぞれ上端及び下端で連通しており、配管２２１の下端の入口部２８４は圧送手段２０の吐出口に連通され、配管２２１の上端の出口部２８３は予冷熱交換器２３へ連通されている。また、外套容器２２０の上端の入口部２８１は冷却用熱交換器２４へ連通され、配管２２０の下端の出口部２８２は圧送手段２０の吸入口に連通されている。また、蓄冷器３を構成する容器３０１の上端（低温端）の出口部３１１は膨張室５へ連通され、下端の高温端は入口部３１２より冷却器２へ連通されている。
【００４５】
このような構成の冷却装置では、向流型熱交換器２８の高圧側熱交換器２１ａが蓄冷器３直接に熱接触されており、向流型熱交換器２８の高圧側熱交換器２１ａを流れる第２冷媒は、蓄冷器３を流れている第１冷媒によって冷却されるとともに、低圧側熱交換器２１ｂを流れている第２冷媒によっても冷却される。
このような第２冷媒が圧送手段２０によって高圧側回路２２ａと低圧側回路２２ｂとを循環する冷却回路２７において、高圧側回路２２ａと低圧側回路２２ｂとを向流型熱交換器２８で結合した場合では、単に高圧側回路２２ａを流れる高温の第２冷媒を低圧側回路２２ｂを流れる低温の第２冷媒で冷却するだけであるが、本実施例では、高圧側回路２２ａを流れる第２冷媒を、蓄冷器３を流れている第１冷媒によっても冷却している。しかも、この蓄冷器３を流れている第１冷媒に対し高圧側回路２２ａの第２冷媒を熱接触させているため、すなわち、蓄冷器３の高温から低温に変化する部分に熱接触させているため、図１の実施例で説明したように、冷凍機１１の膨張室５で発生した特定の低い温度の冷凍で冷却するよりも効率が良くなる。従って、向流型熱交換器２８の熱交換率も高めることになり、冷却用熱交換器２４を介して被冷却体２５を冷却する冷却量が増大し、
冷却装置の冷却効率を格段に向上させることができるものである。
【００４６】
また、上記第５実施例の変形例として、向流型熱交換器２８の低圧側熱交換路２１ｂを流れる第２冷媒を蓄冷器３に熱接触させてもよいし、高圧側熱交換路２１ａを流れる第２冷媒と低圧側熱交換路２１ｂを流れる第２冷媒をそれぞれ蓄冷器３に熱接触させてもよい。前者の構成は図１３（図１４，図１５）の実施例に示し、後者の構成は図１６（図１７）の実施例で説明する。
【００４７】
第６実施例
次に上記第５実施例の構成は、そのままＪ−Ｔ回路にも適用できる。図１０は、Ｊ−Ｔ回路を図７の実施例の冷却回路２７として請求項６を具現したものである。この実施例に用いる冷凍機１１ａは、膨張シリンダ１３ａが２段膨張室の構成を採り、第１膨張室５５と第２膨張室５９をもつようにピストン１０ａが段状に形成されている。これに対応して冷却器２には、第１蓄冷器５３と第２蓄冷器５７とが２段積みされている。但し、両蓄冷器５３，５７の間にディストリビュータ５４が介在されている。
【００４８】
Ｊ−Ｔ回路７８は、液体ヘリウム温度の寒冷を発生する発生させ、超電導磁石等の被冷却体７７を冷却したり、液体ヘリウムを生成することができるもので、被冷却体７７は液溜め７６に浸漬されている。液溜め７６にはジュールトムソン弁７５の吐出口より生成される液体ヘリウムが溜まり、溜まった液体ヘリウムは被冷却体７８の熱と外部侵入熱（伝導熱、輻射熱）で気化される。気化したヘリウム（第２冷媒）は、低圧側回路７８ｂに各配設された第２向流型熱交換器７４の低圧側熱交換路７４ｂ並びに第１向流型熱交換器７２及び７１の各低圧側熱交換路７２ｂ，７１ｂを順次流動して圧送手段７０の吸入口に吸入されるようになっている。
【００４９】
圧送手段７０で昇圧された高圧の第２冷媒は、高圧側回路７８ａに各配設された第１向流型熱交換器７１及び７２の各高圧側熱交換路７１ａ，７２ａ及び第２膨張室５９に熱接触した予冷熱交換器７３並びに第２向流型熱交換器７４の高圧側熱交換路７４ａを順次流動してジュールトムソン弁７５の吸入口に流入される。ここで、第１向流型熱交換器７１，７２の各高圧側熱交換路７１ａ，７２ａは、それぞれ第１蓄冷器５３及び第２蓄冷器５７の高温から低温に変化する部分に熱接触されている。
【００５０】
上記Ｊ−Ｔ回路７８の動作は次のようになる。圧送手段７０で昇圧された高圧の第２冷媒は、第１向流型熱交換器７１，７２の各高圧側熱交換路７１ａ，７２ａを流動するとき、それぞれ第１蓄冷器５３，第２蓄冷器５７を流動する第１冷媒によって冷却されるとともに、各低圧側熱交換路７１ｂ，７２ｂの低圧の第２冷媒によって冷却される。
【００５１】
高圧側熱交換路７２ａを流動した高圧の第２冷媒は、予冷熱交換器７３で更に低温に冷却され、続いて第２向流型熱交換器７４の高圧側熱交換路７４ａを流動する時にその低圧側熱交換路７４ｂを流動する第２冷媒によって冷却され、ジュールトムソン弁７５の前では第２冷媒の温度が略５．７Ｋとなる。この第２冷媒は、ジュールトムソン弁７５を経ると、等エンタルピ膨張しガスの一部が液化する。
【００５２】
ところで、本実施例によっても、第１向流型熱交換器７１，７２の高圧側熱交換路７１ａ，７２ａを流動する第２冷媒は、それぞれ第１蓄冷器５３，第２蓄冷器５７を流動する第１冷媒と、低圧側熱交換路７１ｂ，７２ｂの第２冷媒とによって冷却されるため、各第１向流型熱交換器７１，７２の熱変換率が高率となり、ジュールトムソン弁前の第２冷媒の温度が格段に効率良く低下され、ジュールトムソン弁７５から流出する第２冷媒の液化現象を高効率に行わせることができる。その結果、超電導磁石等の被冷却体７７を冷却する冷却効率を一層向上する。
【００５３】
第７実施例
次に本発明の第７実施例を示す図１１の冷却装置は、請求項７の発明を具現したものである。
この図１１に示す冷却装置は、冷却器２と膨張室５との間で第１冷媒を並列に往復流動させる複数、但しここでは二つの蓄冷器３ａ，３ｂを設けている。そして、一方の蓄冷器３ａは膨張シリンダ１４内の膨張ピストン１０内に装置されている。他方の蓄冷器３ｂは、図７の実施例と同様に、向流型熱交換器２８の高圧側熱交換路２１ａと熱接触されている。
【００５４】
このような構成によれば、蓄冷器を膨張シリンダ内に設けても、膨張ピストン内の蓄冷器３ａに対して向流型熱交換器２８を熱接触させる必要がなく、構造の複雑化を招くことがない。
第８実施例
また、図７の実施例のように蓄冷器に熱交換器を熱接触させる場合、回転数の高い冷凍機では、蓄冷器での圧力損失を小さくするために該蓄冷器を比較的短く（径を太く）しなければならない。これに対し熱交換器は、効率を高めるため長い方が好ましい。このような場合、図１２に示す第８実施例のように、複数個（ここでは２個）の蓄冷器３ａ，３ｂ（この場合、２個共膨張シリンダ１４の外へ出してある）を設け、向流型熱交換器２８が熱接触される蓄冷器３ｂは、圧力損失が問題とならない程度の流量が流れるように径を小さくして長くし、向流型熱交換器の効率を確保できることになる。同時に、向流型熱交換器２８と熱接触させない蓄冷器３ａは比較的短めにできる。
【００５５】
第９実施例
さて、第５実施例〜第８実施例は、すべて蓄冷器を向流型熱交換器の高圧側熱交換路に熱接触させたものであるが、第９実施例として、蓄冷器を向流型熱交換器の低圧側熱交換路に熱接触させてもよい。
図１３は第９実施例（図１２の変形例）であって、蓄冷器３ｂを向流型熱交換器２８の低圧側熱交換路２８ｂに熱接触させたものである。
【００５６】
図１４及び図１５は上記低圧側熱交換路２８ｂを蓄冷器３ｂに熱接触させた向流型熱交換器２８の具体的構造の一例を示す。すなわち、向流型熱交換器２８は、低圧側熱交換部材２１ｂ′が装填された外套容器２２０内に、高圧側熱交換部材２１ａ′が装填された配管２２１と、蓄冷材３０２が充填された容器３０１とが独立に配設されており、外套容器２２０内を通る第２冷媒が容器３０１を介して蓄冷材３０２と熱接触するようにしている。
【００５７】
この構造では、低圧側熱交換路２８ｂに流れる第２冷媒が蓄冷器３を流動する蓄冷材３０２によって冷却され、その冷却を受けて高圧側熱交換路２８ａを流れる第２冷媒が冷却される。
このように向流型熱交換器２８の低圧側熱交換路２１ｂを流れる第２冷媒を蓄冷器３に熱接触させた場合、向流型熱交換器２８の高圧側熱交換路２１ａを流れる第２冷媒は、向流型熱交換器２８の低圧側熱交換路２１ｂを流れる第２冷媒によって冷却され、更に、低圧側熱交換路２１ｂを流れる第２冷媒該が蓄冷器３を流れる第１冷媒により冷却されるので、向流型熱交換器２８の高圧側熱交換路２１ｂを流れる第２冷媒は、間接的に蓄冷器３を流れる第１冷媒によっても冷却されることになり、図７の実施例とほぼ同様に、向流型熱交換器２８の熱交換率を高め、冷却装置の冷却効率を格段に向上させることができる。
【００５８】
次に、第１６図及び図１７は、高圧側熱交換路を流れる第２冷媒と低圧側熱交換路を流れる第２冷媒をそれぞれ蓄冷器３に熱接触させた場合の具体的構成の一例を示す。各符号は図１４及び図１５と共通に用いている。
この構造では、低圧側熱交換部材２１ｂ′が装填された外套容器２２０内に蓄冷材３０２が充填された容器３０１を配設するとともに、同外套容器２２０内に配設された高圧側熱交換部材２１ａ′装填の配管２２１内にも蓄冷材３０２が充填された容器３０１を配設しているので、高圧側熱交換路を流れる第２冷媒と低圧側熱交換路を流れる第２冷媒をそれぞれ蓄冷器３に熱接触され、更に向流型熱交換器２８の熱交換率が高まり、冷却装置における冷却効率の一層の向上を図ることができる。
【００５９】
上記各具体例は、同軸或いは平行に配設した配管構造のものに対して、蓄冷器と向流型熱交換器とを熱接触させた構成を列挙したものであるが、以下は、多数の冷媒通孔が形成されたプレートを積層したタイプの向流型熱交換器で本発明の熱接触構造を具体化した例を示す。
図１８において、中央には蓄冷材３５１ｃが流動する蓄冷器３が設けられており、該蓄冷器３を同軸状に囲うように、多数枚で環状のプレート３５１が積層されている。各プレート３５１には、その内周域、すなわち蓄冷器３側に高圧側の第２冷媒が通過する小通孔３５１ａが形成され、その外周域に低圧側の第２冷媒が通過する小通孔３５１ｂが形成されている。また、各プレート３５１は、蓄冷器３と内周域との間に介在されたスペーサ３５４、内周域と外周域との間に介在されたスペーサ３５３及び外郭をなすスペーサ３５２によって相互間及び外部との気密が保持されている。そして、各プレート３５１の積層体は、両端の蓋体３
５５，３５６に挟持され、各蓋体３５５，３５６にはそれぞれ所定の入口部２８１，２８４及び出口部２８２，２８３が設けられている。
このようなスペーサによる向流型熱交換器でも既述の実施例と同様に、各実施例の冷却装置を構成することができる。
【００６０】
また、図１９は、蓄冷器３も積層したスペーサ３６１で構成したものである。すなわち、本スペーサ３６１は円盤状であり、その中央部にも極めて多数の小通孔３６１ｃが形成され、該小通孔３６１ｃに蓄冷材を流動させるようになっている。そして、小通孔３６１ｃの外周域には高圧側の第２冷媒が通過する小通孔３６１ａが形成され、更に外周域には低圧側の第２冷媒が通過する小通孔３６１ｂが形成されている。
【００６１】
このような向流型熱交換器も各実施例の冷却装置を構成することができる。
更に、図２０に示すように、中央で流動する蓄冷材３５１ｃを円筒容器３ａで覆った構造としてもよい。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、蓄冷器の高温から低温に変化する部分に、被冷却体を冷却するための冷却回路の寒冷伝達用熱交換器を熱接触したので、蓄冷器中を高温から低温、低温から高温の１サイクルで流れる第１冷媒が発生する寒冷を利用することになり、冷却効率を高めることができる。
【００６３】
請求項２の発明によれば、寒冷伝達用熱交換器が蓄冷器の中に配置されることにより、蓄冷器から取り得る寒冷量を能率的に寒冷伝達用熱交換器が取得でき、冷却効率の有効な向上法となる。
請求項３の発明によれば、膨張シリンダに寒冷伝達用熱交換器と蓄冷器とを一体化し、請求項１の発明より高い冷却効率を維持しつつ、コンパクト化を図ることができる。
【００６４】
請求項４の発明によれば、請求項１の発明の寒冷伝達用熱交換器と、冷凍機の膨張室又は蓄冷器の低温端に熱接触させた寒冷伝達用熱交換器とによる相乗効果で冷却効率を更に高めることができる。
請求項５の発明によれば、第２冷媒が圧送手段によって高圧側回路と低圧側回路とを循環する冷却回路における向流型熱交換器の熱交換率を高め、冷却装置の冷却効率を格段に向上させることができる。
【００６５】
請求項６の発明によれば、請求項５と同様の作用により、ジュールトムソン弁に流入する高圧の第２冷媒の温度を効率良く低下でき、ジュールトムソン弁から流出する低圧の第２冷媒の液化効率を向上するとともに、被冷却体に対する冷却効率が格段と向上する。
請求項７の発明によれば、蓄冷器を膨張室内に配設して冷却装置をコンパクト化する場合に、膨張室の外側に配設される蓄冷器に向流型熱交換器を熱接触させることにより、構成を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 請求項１及び４の発明を具現した第１実施例にかかる冷却装置の概念図である。
【図２】 第１実施例における蓄冷器と分流熱交換器との熱接触構造の具体的な一例を示す断面図である。
【図３】 請求項２の発明を具現した第１実施例にかかる冷却装置の概念図である。
【図４】 第２実施例における蓄冷器と分流熱交換器との熱接触構造の具体的な一例を示し、（Ａ）は側断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。
【図５】 請求項１の発明における蓄冷器と分流熱交換器との熱接触構造の別の具体例を示す断面図である。
【図６】 請求項１の発明における蓄冷器と分流熱交換器との熱接触構造の更に別の具体例を示す断面図である。
【図７】 本発明の第５実施例に係る冷却装置の概念図である。
【図８】 上記第５実施例に採用した蓄冷器と向流型熱交換器の熱接触構造の一例を示す説明図である。
【図９】 上記図８のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面構成を示す説明図である。
【図１０】 本発明の第６実施例に係る冷却装置の概念図である。
【図１１】 本発明の第７実施例に係る冷却装置の概念図である。
【図１２】 本発明の第８実施例に係る冷却装置の概念図である。
【図１３】 本発明の第９実施例に係る冷却装置の概念図である。
【図１４】 上記第９実施例に採用可能な蓄冷器と向流型熱交換器の熱接触構造を示す説明図である。
【図１５】 図１４のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面構成を示す説明図である。
【図１６】 蓄冷器と向流型熱交換器の熱接触構造の他の例を示す説明図である。
【図１７】 図１２のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面構成を示す説明図である。
【図１８】 蓄冷器と向流型熱交換器の熱接触構造の更に他の例を示す説明図である。
【図１９】 蓄冷器と向流型熱交換器の熱接触構造の更に他の例を示す説明図である。
【図２０】 蓄冷器と向流型熱交換器の熱接触構造の更に他の例を示す説明図である。
【図２１】 従来の蓄冷式冷凍機を用いた冷却装置を示す説明図である。
【符号の説明】
１は圧縮室、２は冷却室、３は蓄冷器、４は配管、５は膨張室、１１は蓄冷式冷凍機、２０は圧送手段、２１は分流熱交換器（寒冷伝達用熱交換器）、２７は冷却回路、２２ａは高圧側回路、２２ｂは低圧側回路、２８は向流型熱交換器である。なお、図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
Claims (7)
- 第１冷媒が圧縮される圧縮室と、圧縮された該第１冷媒の圧縮熱を放熱する冷却器と、該冷却器と連通した蓄冷器と、該蓄冷器を経た該第１冷媒が膨張する膨張室とを有する蓄冷式冷凍機と、
第２冷媒が流動する回路であって、被冷却体を冷却する冷却手段と、該冷却手段に該第２冷媒を搬送する圧送手段と、該圧送手段の吐出側と該冷却手段とを結ぶ高圧側回路と、該冷却手段と該圧送手段の吸入側とを結ぶ低圧側回路と、該高圧側回路に設けられ前記蓄冷器の高温から低温に変化する部分に熱接触された寒冷伝達用熱交換器とを有する冷却回路と、を備え、
前記蓄冷器に流れる前記第１冷媒により前記寒冷伝達用熱交換器に流れる前記
第２冷媒が冷却されることを特徴とする冷却装置。 - 前記寒冷伝達用熱交換器は、前記蓄冷器の中に配置されることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
- 前記寒冷伝達用熱交換器と前記蓄冷器とは、前記膨張室の周壁をなすシリンダ外周に同軸状に配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置。
- 第１冷媒が圧縮される圧縮室と、圧縮された該第１冷媒の圧縮熱を放熱する冷却器と、該冷却器と連通する蓄冷器と、該蓄冷器を経た該第１冷媒が膨張する膨張室とを有する蓄冷式冷凍機と、
第２冷媒が流動する回路であって、被冷却体を冷却する冷却手段と、該冷却手段に該第２冷媒を搬送する圧送手段と、該圧送手段の吐出側と該冷却手段とを結ぶ高圧側回路と、該冷却手段と該圧送手段の吸入側とを結ぶ低圧側回路と、該高圧側回路に設けられ前記蓄冷器の高温から低温に変化する部分に熱接触された第１寒冷伝達用熱交換器と、前記膨張室又は前記蓄冷器の低温端に熱接触された第２寒冷伝達用熱交換器と、を備え、
前記蓄冷器及び前記膨張室に流れる前記第１冷媒により前記第１及び第２寒冷伝達用熱交換器に流れる前記第２冷媒が冷却されることを特徴とする冷却装置。 - 第１冷媒が圧縮される圧縮室と、圧縮された該第１冷媒の圧縮熱を放熱する冷却器と、該冷却器と連通する蓄冷器と、該蓄冷器を経た該第１冷媒が膨張する膨張室とを有する蓄冷式冷凍機と、
第２冷媒が流動する回路であって、被冷却体を冷却する冷却手段と、該冷却手段に該第２冷媒を搬送する圧送手段と、該圧送手段の吐出側と該冷却手段とを結ぶ高圧側回路と、該冷却手段と該圧送手段の吸入側とを結ぶ低圧側回路と、該高圧側回路を前記蓄冷器の高温から低温に変化する部分と、前記低圧側回路とに熱接触させる向流型熱交換器とを有する冷却回路と、を備え、
前記蓄冷器に流れる前記第１冷媒と前記低圧側回路に流れる前記第２冷媒とにより前記高圧側回路に流れる第２冷媒が冷却されることを特徴とする冷却装置。 - 第１冷媒が圧縮される圧縮室と、圧縮された該第１冷媒の圧縮熱を放熱する冷却器と、該冷却器と連通する蓄冷器と、該蓄冷器を経た該第１冷媒が膨張する膨張室とを有する蓄冷式冷凍機と、
第２冷媒が流動する回路であって、被冷却体を冷却する冷却手段と、該冷却手段に該第２冷媒を搬送する圧送手段と、該圧送手段の吐出側と該冷却手段とを結ぶ高圧側回路と、該冷却手段と該圧送手段の吸入側とを結ぶ低圧側回路と、該高圧側回路を前記蓄冷器の高温から低温に変化する部分と該低圧側回路とに熱接触させる第１向流型熱交換器と、該第１向流型熱交換器下流側の該高圧側回路を前記第１向流型熱交換器上流側の該低圧側回路に熱接触させる第２向流型熱交換器と、該第２向流型熱交換器と前記冷却手段との間の該高圧側回路に配設されたジュールトムソン弁とを有する冷却回路と、から構成されたことを特徴とする冷却装置。 - 第１冷媒が圧縮される圧縮室と、圧縮された該第１冷媒の圧縮熱を放熱する冷却器と、該冷却器とそれぞれ連通する複数個の蓄冷器と、該複数個の蓄冷器を経た該第１冷媒が膨張する膨張室とを有する蓄冷式冷凍機と、
第２冷媒が流動する回路であって、圧送手段と、被冷却体を冷却する冷却手段と、該圧送手段の吐出側と該冷却手段とを結ぶ高圧側回路と、該冷却手段と該圧送手段の吸入側とを結ぶ低圧側回路と、該高圧側回路を流れる第２冷媒と、該低圧側回路を流れる第２冷媒とを熱接触させ、且つ、該高圧側回路及び低圧側回路のうち少なくとも一方が前記蓄冷式冷凍機における複数個の蓄冷器のうち少なくとも１個を除く他の蓄冷器の高温から低温に変化する部分に熱接触された熱交換手段を含む冷却回路と、から構成されたことを特徴とする冷却装置。
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