JP5790989B2 - 蓄冷器 - Google Patents
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Description
このような冷却機構を利用する分野、例えば,GM冷凍機、パルスチューブ冷凍機、スターリングサイクル冷凍機、ビルミエサイクル冷凍機、ソルベイサイクル冷凍機、エリクソンサイクル冷凍機、又は、これを予冷段に使った冷凍システム等に用いるのに好適な、極低温蓄冷器及び冷凍機、並びに、これを用いた超伝導電磁石装置、MRI装置、クライオポンプ等に関する分野では、蓄冷効率が高くて高い冷凍能力を有する蓄冷器が望まれてきた。
図12は本発明に係る蓄冷器を使用可能な冷温発生機構の一例である冷凍機の概略を示す模式図である。
この蓄冷器は、例えば、2段式GM冷凍機1に利用されるものであり、例えば、図12に示すように、圧縮機6から高圧の冷媒ガスが高圧ガス配管7aから高圧ガスバルブ23aを介して1段シリンダ2から2段シリンダ3に供給された後、高圧ガスバルブ23b及び高圧ガス配管7bを介して圧縮機6に回収される過程において発生する冷熱を蓄冷するために用いられるものである。
図12に示すような冷凍機1では、1段シリンダ2と2段シリンダ3に1段蓄冷器2aと2段蓄冷器3aがそれぞれ収容され、これらの1段蓄冷器2a,2段蓄冷器3aが一体となった状態で、駆動モータ4により駆動されて、図12中の紙面上下方向に往復動作し、その際に1段蓄冷器2a,2段蓄冷器3aのそれぞれの下端側が冷却される仕組みになっている。
そして、2段蓄冷器3aには、2段蓄冷材3bとして単数又は複数種類の金属、合金、セラミックス等からなる粒状又はメッシュ状の物質が収容されている。
上述のような冷凍機1の冷却部は、一体的に連続形成された1段シリンダ2と2段シリンダ3にそれぞれ収容された1段蓄冷器2aと2段蓄冷器3aとで構成され、1段蓄冷器2aの下端(図12中の符号Rで示す位置)の1段冷却ステージ2cは約40Kまで冷やされ、2段シリンダ3の下端の(図12中の符号Qで示す位置)2段冷却ステージ3cは、例えば、7K以下まで冷やされる。よって、下記明細書中においては、2段蓄冷器3aの1段シリンダ2の1段冷却ステージ2c側に配置される端部を高温端側(図12中の符号Pで示す位置)と呼び、2段蓄冷器3aの2段冷却ステージ3c側に配される端部を冷温端側(図12中の符号Qで示す位置)と呼ぶ。
また、特に図示しないが、2段冷却ステージ3cには電気ヒータが取り付けられ、その電気入力によって熱負荷を印加することにより、2段冷却ステージ3cの冷却能力が測定できるようになっている。
上述のような冷凍機1に代表されるような冷却機構に用いられる2段蓄冷器3a(以下の明細書中においては単に蓄冷器と呼ぶ)に関する先行技術としては以下に示すようなものが知られている。
特許文献1に開示される2段蓄冷器31は、文献中の符号をそのまま用いて説明すると、蓄冷材32として、鉛32A以外に、体積比率で12〜30%のHoCu2(磁性蓄冷材)32Bと、15〜31%のGOS32Cを充填したことを特徴とするものである。
上記構成の特許文献1に開示される発明によれば、鉛以外の蓄冷材として、HoCu2とGOSを適切な体積比率で併用することにより、誘起磁場の影響を低減した上で、優れた冷凍能力を発揮させることができるという効果を有する。
特許文献2に開示される極低温冷凍機は、文献中に記載される符号をそのまま用いて説明すると、シリンダ5と、該シリンダ5内に往復動可能に嵌装され、かつシリンダ5内に膨脹室20,21を区画形成するディスプレーサ18とを備え、該ディスプレーサ18の往復動により、圧縮機から供給された冷媒ガスを前記膨脹室20,21内で膨脹させて温度降下させるとともに、この温度降下した冷媒ガスをディスプレーサ18に内蔵した蓄冷器28,29を通過させることによって蓄冷するようにした極低温冷凍機において、前記蓄冷器28,29は、容器30内に多数の金属製蓄冷材31を収容してなるとともに、所定位置に通気性および非導電性を有する仕切り部材32,32a,32bを設けてなり、 前記仕切り部材32,32aは、蓄冷器28,29の冷媒ガス通過方向と平行な状態で配置されることを特徴とするものである。
特許文献2に開示される発明によれば、蓄冷器を仕切り部材によって区画することにより、全体としての発生磁場を著しく低減することができ、しかも、渦電流が抑制されるので、発熱も抑制でき、冷却効率を高めることができ、さらに蓄冷器の製造を簡単化することができる。
他方、上述の特許文献2では蓄冷器内に、蓄冷器の軸方向に対して垂直又は水平に仕切り部材を配置するという技術内容が開示されているものの、特許文献2に開示される蓄冷器において使用される粒状蓄冷材は1種類(鉛)のみである。
さらに、特許文献2に開示される発明は、そもそも2種類以上の粒状蓄冷材を同時に収容するための技術ではなく、また、特許文献2に開示される発明の「発明の目的」は、蓄冷器内に2種類以上の粒状蓄冷材を収容する際に、蓄冷器の軸方向断面における粒状蓄冷材の配置の自由度を高めようとするものではない。
加えて、蓄冷器内に複数種類の粒状蓄冷材を収容する場合で,かつ,蓄冷器の軸方向に複数種類の粒状蓄冷材を積層させて配置する場合は、後段において詳細に説明するが、使用する粒状蓄冷材を構成する材質の比熱により蓄冷器の軸方向における配置がある程度決まってしまうため、実質的に蓄冷器の軸方向断面において、粒状蓄冷材の配置を自由に変更することは難しかった。
従って、特許文献1に開示される技術内容に,特許文献2に開示される技術内容を組み合わせたとしても、蓄冷器の軸方向断面における粒状蓄冷材の配置の自由度を大幅に高めることはできなかった。
上記構成の発明において、第1の筒体はその内部に少なくとも2種類の粒状蓄冷材を収容して保持するとともに、その内部を熱交換作用のある高圧ガス(熱交換ガス)を流動させるという作用を有する。また、粒状蓄冷材は、その形態を粒状にすることで蓄冷材の表面積を増大させて,熱交換ガスとの接触面積を大きくして、冷熱を効率良く蓄冷するという作用を有する。さらに、異なる材質からなる複数種類の粒状蓄冷材を用いることで高い比熱を有している温度領域の異なる冷熱を1つの蓄冷器内において同時に蓄冷可能にするという作用を有する。
また、請求項1記載の発明において第2の筒体は、その内部に粒状蓄冷材を少なくとも1種類収容するという作用を有する。これにより、ある粒状蓄冷材の内部において、他の粒状蓄冷材を分離して収容保持するという作用を有する。
これにより、請求項1の蓄冷器の軸方向断面において、少なくとも2種類の粒状蓄冷材が、蓄冷器の軸方向に並んだ状態で配置される領域が形成される。この結果、蓄冷器の軸方向における領域の少なくとも一部において、蓄冷器の軸方向垂直断面に少なくとも2種類の粒状蓄冷材が分離されて配置されることになる。
そして、蓄冷器の軸方向における領域の少なくとも一部において、蓄冷器の軸方向垂直断面に少なくとも2種類の粒状蓄冷材を分離された状態で配置することで、筒体の軸方向断面における複数種類の粒状蓄冷材の配置を、「積層」以外の形態にすることを可能にするという作用を有する。
さらに、第2の筒体としてステンレスと同等あるいはそれよりも熱伝導率が低い材質からなるものを用いることで、第2の筒体の熱伝導性により蓄冷器の高温端側から低温端側に熱が伝わるのを抑制するという作用を有する。
加えて、第1の粒状蓄冷材であるPbは、第1の筒体の高温端側において10〜40K程度の冷熱を効率良く蓄冷するという作用を有する。それは、その温度領域で比熱が高く大きな熱容量を備えているという特性による。以下、同様の理由により、第2の粒状蓄冷材であるHoCu 2 は、第1の筒体の低温端側において7〜10K程度の冷熱を効率良く蓄冷するという作用を有する。さらに、第3の粒状蓄冷材であるGd 2 O 2 Sは、第1の筒体の低温端側において3〜5K程度の冷熱を効率良く蓄冷するという作用を有する。
また、第3の粒状蓄冷材であるGd 2 O 2 Sを用いることで、第3の粒状蓄冷材の全てを第2の粒状蓄冷材に置き換えた場合に比べて、請求項1記載の蓄冷器の製造コストを廉価にするという作用を有する。
そして、第1の筒体の冷温端側において第2の粒状蓄冷材中に第3の粒状蓄冷材が内包されることで、第1,第2,第3のそれぞれの粒状蓄冷材をこの順序で、第1の筒体の軸方向における高温端側から冷温端側に向かって積層させた状態で配置した蓄冷器(特許文献1に開示されるもの)に比べて、請求項1記載の蓄冷器の蓄冷効率を向上させるという作用を有する。
上記構成の発明は、請求項1に記載の発明と同じ作用を有する。また、請求項2記載の発明において、「少なくとも2種類の粒状蓄冷材が配置される軸方向垂直断面において、少なくとも2種類の粒状蓄冷材の平均粒径は異なる」とは、第1の筒体に収容される粒状蓄冷材が、例えば、2種類である場合は、2種類の粒状蓄冷材の平均粒径が同じでないことを意味している。また、第1の筒体に収容される粒状蓄冷材が、例えば、3種類である場合は、3種類の粒状蓄冷材の平均粒径が全て異なる場合と、3種類の粒状蓄冷材のうちの1つ粒状蓄冷材の平均粒径のみが異なる場合の2つのパターンがある。さらに、第1の筒体に収容される粒状蓄冷材が、例えば、4種類である場合は、3種類の粒状蓄冷材の内の少なくとも1つの平均粒径が異なっている場合と、4種類の粒状蓄冷材の平均粒径が全て異なっている場合の両方のパターンがある。
このような請求項2記載の発明においては、第1の筒体内に収容される複数種類の粒状蓄冷材として平均粒径が異なるものを用いることにより、相対的に平均粒径が小さい粒状蓄冷材の充填率を高めるという作用を有する。これにより、粒状蓄冷材の平均粒径を変更することによりその粒状蓄冷材の蓄冷効率を設計可能にするという作用を有する。
また、請求項2記載の発明では、第1の筒体に収容される粒状蓄冷材のうちの少なくとも1つの粒状蓄冷材の平均粒径を小さくした場合でも,筒体の軸方向垂直断面の全てがこの平均粒径の小さい粒状蓄冷材1種類により満たされるわけではないので、すなわち、第1の筒体に収容される粒状蓄冷材のうちの少なくとも1つの粒状蓄冷材の平均粒径を小さくした場合でも,第1の筒体の軸方向垂直断面にはそれより大きな平均粒径を有する他の粒状蓄冷材からなる領域が必ず存在することになるので、第1の筒体内における熱交換ガスの流動性が著しく低下するのを妨げるという作用を有する。
この結果、既存の粒状蓄冷材の第1の筒体内における配置を変更するだけで、蓄冷器の蓄冷効率を向上できる。
すなわち、従来の蓄冷器の製造コストと同程度の製造コストでより冷凍能力の高い蓄冷器を提供することができる。
また、第2の筒体としてステンレスと同等あるいはそれよりも熱伝導率が低い材質からなるものを用いることで、第2の筒体の熱伝導性により蓄冷器の高温端側から低温端側に熱が伝わって、低温端側において熱損失が起こるのを抑制できるという効果を有する。
さらに、請求項1記載の発明によれば、第1,第2,第3のそれぞれの粒状蓄冷材をこの順で、第1の筒体の軸上における高温端側から冷温端側に向かって積層させた蓄冷器(特許文献1に開示される蓄冷器)に比べて、冷凍能力を向上することができる。
すなわち、請求項1記載の発明によれば、第2の粒状蓄冷材の一部を第3の粒状蓄冷材に置換した場合でもその冷凍能力を、第1及び第2の粒状蓄冷材のみからなる蓄冷器に近づけることができる。
よって、従来と同じ粒状蓄冷材を用いながら、より冷凍能力の高い蓄冷器を提供することができる。
これにより、特定の粒状蓄冷材の平均粒径を小さくして,その収容割合を大きくした場合に、蓄冷器の蓄冷効率が低下するのを防止することができる。
本発明に係る蓄冷器は、先の図12に示されるような冷凍機1に代表される冷却機構を有する装置や機構に利用されるものであり、先の図12に示すもの以外にも、例えば、パルスチューブ冷凍機、スターリングサイクル冷凍機、ビルミエサイクル冷凍機、ソルベイサイクル冷凍機、エリクソンサイクル冷凍機、又は、これを予冷段に使った冷凍システム等に用いるのに好適な、極低温蓄冷器及び冷凍機、並びに、これを用いた超伝導電磁石装置、MRI装置、クライオポンプ等に利用可能である。
また、本発明に係る蓄冷器は、従来技術に係る蓄冷器に比べて特に、蓄冷器を構成する筒体内に収容される複数種類の粒状蓄冷材の配置の仕方に特徴を有するものである。
図1(a)は本発明の実施例1に係る蓄冷器の断面図であり、(b)は本発明の実施例1に係る蓄冷器の内部における粒状蓄冷材の配置を示す斜視図であり、(c)は図1(b)中のA−A線矢視断面図である。
図1(a)〜(c)に示すように、実施例1に係る蓄冷器100Aは、金属製の第1の筒体9の高温端側(図1(a)中の符号Pで示す側)の端部側に粒状蓄冷材のPb粒14が第1の筒体9の中ほどまで充填され、このPb粒14上で,かつ,第1の筒体9の低温端側(図1(a)中の符号Qで示す側)の端部側には粒状蓄冷材のHoCu2粒15が充填され、さらに、第1の筒体9の軸上で,HoCu2粒15中に粒状蓄冷材であるGOS粒16からなる棒状の塊が内包されるものである。なお、GOSとは粒状蓄冷材を構成するGd2O2Sの略称である。
このように、第1の筒体9内に収容される粒状蓄冷材集合体101は、Pb粒14,HoCu2粒15及びGOS粒16により構成されている。
さらに、第1の筒体9の軸方向に積層される2種類の粒状蓄冷材の境界には、第1の筒体9内における高圧ガスの流動を可能にしながら、2種類粒状蓄冷材を分離するために、不織繊維層であるフェルト13の上下面に第2のメッシュ体12を配設した通気分離層103を配置している。
なお、通気積層体102の構成は、あくまでも一例であり、通気積層体102の構造については,粒状蓄冷材集合体101を第1の筒体9内に収容保持することが可能で,かつ,第1の筒体9への高圧ガスの流入や第1の筒体9からの高圧ガスの排出を可能にするものであれば、通気積層体102を構成する個々の要素やその組み合わせ方を自由に変更することが可能である。また、通気分離層103の構成についても第1の筒体9の軸方向に積層して収容される複数種類の粒状蓄冷材を確実に分離しながら,第1の筒体9内の高圧ガスの流動を妨げないよう構成されるのであれば、通気分離層103を構成する個々の要素やその組み合わせ方を自由に変更することが可能である。
より具体的には、実施例1に係る蓄冷器100Aでは、第1の筒体9の高温端側に通気積層体102を設けてからPb粒14を充填した後,Pb粒14上に通気分離層103を設け,この通気積層体102上に,第1の筒体9よりも小さい口径を有する第2の筒体10を第1の筒体9に内挿して、第1の筒体9と第2の筒体10の間にHoCu2粒15を充填し、第1の筒体9の低温端側に通気積層体102を取り付けている。なお、第2の筒体10の中空部にはGOS粒16が充填され、その両端部に通気積層体102がそれぞれ設けられて、第2の筒体10からのGOS粒16の流出を防止している。つまり、実施例1に係る蓄冷器100Aでは、第2の筒体10により、第1の筒体9中のHoCu2粒15とGOS粒16の分離が行われている。
なお、第1の筒体9内において第2の筒体10を用いて複数種類の粒状蓄冷材の分離を行う場合、第2の筒体10の両端部のそれぞれにも上述のような通気積層体102を設けて、第2の筒体10内に高圧ガスの流動を可能にしながら粒状蓄冷材を収容保持するとよい。
また、図1(a)には第1の筒体9の端部に設けられる通気積層体102と,第2の筒体10の端部に設けられる通気積層体102との間に粒状蓄冷材を設けない場合を例に挙げているが、第1の筒体9の端部に設けられる通気積層体102と,第2の筒体10の端部に設けられる通気積層体102との間に粒状蓄冷材(実施例1に係る蓄冷器100Aの場合には、例えば、HoCu2粒15)を設けてもよい。
すなわち、実施例1に係る蓄冷器100Aの軸方向断面は、少なくとも2種類の粒状蓄冷材が,蓄冷器100A(第1の筒体9)の軸方向に並列して配置される領域を有した状態になる。
また、この状態を別の言葉で言い換えると、実施例1に係る蓄冷器100Aは、蓄冷器100A(第1の筒体9)の軸方向における領域の少なくとも一部において、第1の筒体9の軸方向垂直断面に少なくとも2種類の粒状蓄冷材が分離されて配置されている,とも表現することができる(図1(b)を参照)。
図2は各蓄熱材の温度と比熱の関係を示すグラフである。なお、図2中のX軸は温度(K)を、Y軸は比熱(J/cm3K)を示している。
図2に示す3種類の蓄熱材のうち、Pb,HoCu2はいずれも10Kを超えた領域において温度が高くなるにつれて比熱が高くなる傾向が認められた。
他方、5〜10Kの温度領域では、HoCu2の比熱が比較的高く、GOSは4〜5K程度のときに特に高い比熱を有している。
また、先の図12に示す冷凍機1に代表される冷却機構においては、2段蓄冷器3aの高温端側(図12中の符号Pで示す側)における高圧ガス(熱交換ガス)の温度は40K程度であり、2段蓄冷器3aの内部を高温端側から低温端側に向かって流動する際に、2段蓄冷器3a内に収容される蓄冷材により熱交換されて2段蓄冷器3aの低温端側(図12中の符号Qで示す側)では、2段蓄冷器3a内に収容される蓄冷材の材質にもよるが高圧ガス(熱交換ガス)の温度を7Kにまで冷却することが可能である。
従って、上述のような冷却機構を考慮すれば、図12に示す2段蓄冷器3aの高温端側(図12中の符号Pで示す側)にPb粒14を収容し、次いで、2段蓄冷器3aの低温端側(図12中の符号Qで示す側)に向かうにつれてHoCu2粒15、GOS粒16の順でそれぞれの粒状蓄冷材を2段蓄冷器3aの軸方向に積層した状態で収容することが最も合理的でかつ最良であるとも考えられる。
その一方で、HoCu2(HoCu2粒15)は極めて高価な蓄冷材であるにもかかわらず、Pb粒14とHoCu2粒15の2種類の粒状蓄冷材を用いた2段蓄冷器3a(後者の蓄冷器)が一般に普及している。
よって、このような事情からPb粒14と、HoCu2粒15と、GOS粒16の3種類を用いた2段蓄冷器3aの冷凍能力の向上が望まれていた。
これに対して発明者らは鋭意研究の結果、図12に示す冷凍機1に代表される冷却機構に用いられる蓄冷器の第1の筒体9内に収容される粒状蓄冷材集合体101の配置を変えることにより、従来と同じPb粒14と、HoCu2粒15と、GOS粒16を用いながら蓄冷器の冷凍能力を向上させることに成功した。
まず、図1(b),(c)及び図4を参照しながらこの度の冷凍能力試験に使用した実施例1に係る蓄冷器内における粒状蓄冷材の配置について説明する。
本発明の実施例1に係る蓄冷器100Aに収容される各粒状蓄冷材の配置は図1(b),(c)に示す通りである。
また、図4(a)は比較例1に係る蓄冷器に収容される粒状蓄冷材集合体101における各粒状蓄冷材の配置を示している。比較例1に係る蓄冷器では、第1の筒体9の高温端側(図4(a)中の符号Pで示す側)から第1の筒体9の中ほどまでPb粒14が充填され,このPb粒14上から第1の筒体9の低温端側(図4(a)中の符号Qで示す側)までHoCu2粒15が充填されて,第1の筒体9の軸方向断面の高温端から低温端に向かって2層から成る粒状蓄冷材集合体101が形成されている。
他方、図4(b)は比較例2に係る蓄冷器に収容される粒状蓄冷材集合体101における各粒状蓄冷材の配置を示したものである。比較例2に係る蓄冷器では、第1の筒体9の高温端側(図4(b)中の符号Pで示す側)から第1の筒体9の中ほどまでPb粒14が充填され,このPb粒14上から第1の筒体9の低温端側(図4(a)中の符号Qで示す側)に向かって,第1の筒体9の下端から3/4の高さまでHoCu2粒15が充填され,さらに,HoCu2粒15上から第1の筒体9の低温端(図4(a)中の符号Qで示す側)までGOS粒16が充填されて,第1の筒体9の軸方向断面における高温端から低温端に向かって3層から成る粒状蓄冷材集合体101が形成されている。
このため、従来公知の蓄冷材であるPb粒14、HoCu2粒15、GOS粒16を組み合わせてなる蓄冷器において、第1の筒体9内におけるHoCu2粒15とGOS粒16の配置を変更することで蓄冷器の冷凍能力を向上できることが確認された。
したがって、実施例1に係る蓄冷器100Aによれば、従来と同じ蓄冷材を用いてより高い冷凍能力を有する蓄冷器を提供することができる。また、比較例1に近い冷却能力を有する蓄冷器をより安価に提供できるという効果も有する。
なお、本願明細書では第2の筒体10として中空部の断面形状が円形であるものを用いた場合を例に挙げて説明しているが、第2の筒体10の断面形状は三角形以上の多角形でもよいし、楕円形やその他不定形な環状でもよい。すなわち、内部に粒状蓄冷材を充填可能な筒体であればその中空部の断面外形は特に問題としない。
また、この場合、第1の筒体9内における高圧ガス(熱交換ガス)の流動性を確保するために、第1の筒体9と第2の筒体10の軸方向は一致(略一致の概念も含む)させておくことが望ましい。
実施例1に係る蓄冷器100Aでは、耐久性や強度を考えて第1の筒体9及び第2の筒体10の材質としてステンレスを用いているが、ステンレス以外にもステンレスと同等の,あるいは,ステンレスよりも熱伝導率が低く、十分な強度や耐久性を有し、加工性のよい金属や合金あるいは合成樹脂からなる筒体であれば実施例1に係る蓄冷器100Aに支障なく使用することができる。なお、第1の筒体9及び第2の筒体10の材質としてステンレスと同等あるいはステンレスよりも熱伝導率が低いものが望ましいのは、熱伝導率のよい材質を使用すると、高温端から低温端へ熱伝導による熱が多量に伝わり、低温側の熱損失となるためである。従って、この熱損失を極力抑えるために、熱伝導率は小さい材質で、肉厚の薄いものが望ましいと言える。本実施例におけるステンレス以外であれば、例えばベークライトが該当する。
図5は本発明の実施例1に係る蓄冷器と比較例に係る蓄冷器における各温度での冷凍能力を比較したグラフである。図6は本発明の実施例1に係る蓄冷器の冷凍能力試験に供試した蓄冷器内に収容されるそれぞれの粒状蓄冷材の配置とその割合を示した図である。なお、図6中のY軸方向における原点O側が、第1の筒体9における高温端側である。
本試験に用いた3種類の実施例1に係る蓄冷器、及び、比較例3乃至7に係る蓄冷器について説明する。なお、本試験では、3種類の実施例1に係る蓄冷器、及び、比較例3乃至7に係る蓄冷器の第1の筒体9として、軸方向垂直断面において中空部の直径が15mmのステンレス製の円筒を用いた。
また、3種類の実施例1に係る蓄冷器における第2の筒体10として、中空部の直径が9mmで、肉厚が0.5mmのステンレス製の円筒を用いた。
さらに、この度の試験に用いた全ての蓄冷器に収容する粒状蓄冷材のうちの50容積%をPb粒14とし、本試験に供試する全ての蓄冷器においてPb粒14を第1の筒体9の高温端側に配置した。
よって、ここでは本試験に供試する3種類の実施例1に係る蓄冷器、及び、比較例3乃至7に係る蓄冷器の相違点のみを記載する。また、以下の本試験に供試する蓄冷器に関する説明において、平均粒径に関する記載がなされない粒状蓄冷材の平均粒径は全て0.2mmである。
実施例1Bに係る蓄冷器では、Pb粒14上にHoCu2粒15を積層し、このHoCu2粒15の内に挿設される第2の筒体10中に平均粒径が0.1mmのGOS粒16を収容した。
実施例1Cに係る蓄冷器は、実施例1Aに係るHoCu2粒15とGOS粒16の配置を置き換えたものである。
比較例3に係る蓄冷器では、Pb粒14上に40容積%のHoCu2粒15を積層し、その上に平均粒径が0.25mmのGOS粒16を10容積%積層した。
比較例4に係る蓄冷器では、Pb粒14上に40容積%のHoCu2粒15を積層し、その上に平均粒径が0.1mmのGOS粒16を10容積%積層した。
比較例5に係る蓄冷器では、Pb粒14上に50容積%のHoCu2粒15を積層した。
比較例6に係る蓄冷器では、Pb粒14上に30容積%のHoCu2粒15を積層し、その上に平均粒径が0.25mmのGOS粒16を20容積%積層した。
比較例7に係る蓄冷器では、Pb粒14上に30容積%のHoCu2粒15を積層し、その上に平均粒径が0.1mmのGOS粒16を20容積%積層した。
図5に示すように、平均粒径が0.25mmのGOS粒16を10容積%収容した比較例3に係る蓄冷器と、平均粒径が0.1mmのGOS粒16を10容積%収容した比較例4に係る蓄冷器とでは、GOS粒16の平均粒径が小さい比較例4に係る蓄冷器の冷却能力が高かった。
その一方で、平均粒径が0.25mmのGOS粒16を20容積%収容した比較例6に係る蓄冷器と、平均粒径が0.1mmのGOS粒16を20容積%収容した比較例7に係る蓄冷器をとでは、GOS粒16の平均粒径が大きい比較例6に係る蓄冷器の冷却能力が高かった。
従って、上記結果から、複数種類の粒状蓄冷材を第1の筒体9内においてその軸方向に単純に積層させた従来例に係る蓄冷器では、特定の粒状蓄冷材を一定以上収容する際に、その粒状蓄冷材による特定の温度領域の蓄冷効率を向上しようとして粒状蓄冷材の平均粒径を小さくすると、かえって蓄冷効率が低下することが明らかになった。これは、従来例に係る蓄冷器では、特定の粒状蓄冷材の平均粒径を小さくした場合に、第1の筒体9の軸方向垂直断面の全ての領域において平均粒径の小さい粒状蓄冷材が密に充填されることになり、この結果、第1の筒体9内における高圧ガス(熱交換ガス)の流動性が低下すると考えられる。この場合、平均粒径の小さい粒状蓄冷材の相対的な容積が小さければ、第1の筒体9内における高圧ガスの流動性が大幅に妨げられることはないが、平均粒径の小さい粒状蓄冷材の相対的な容積が大きくなるにつれ第1の筒体9内における高圧ガスの流動性の低下が顕著になると考えられる。
この結果から、実施例1に係る蓄冷器100Aのように、例えば2種類の粒状蓄冷材を第1の筒体9の軸方向に分離して収容した場合、いずれか一方の粒状蓄冷材の平均粒径を小さくして密に充填した場合でも、第1の筒体9内における高圧ガスの流動性の低下を抑制することができる。
従って、粒状蓄冷材の平均粒径を小さくすることにより生じる蓄冷効率の低下というデメリットが生じるのを抑制することができる。
この結果から、同じ種類の粒状蓄冷材を用いた場合でも、第1の筒体9内における粒状蓄冷材配置が変わることで、蓄冷器の冷凍能力に差が出ることが明らかになった。
このことは、既存の粒状蓄冷材の組み合わせからなる蓄冷器であっても、粒状蓄冷材の配置を変えるだけで蓄冷効率が改善される可能性があり、結果的に、蓄冷器の冷凍能力を向上できる可能性があることを示唆している。
従って、実施例1に係る蓄冷器100Aによれば、従来の粒状蓄冷材を用いながら、その配置を変えるだけでより高い冷凍能力を有する蓄冷器を提供することができることが確認された。
よって、実施例1に係る蓄冷器100Aによれば、第1の筒体9内における複数種類の粒状蓄冷材の配置の自由度を高めることができ、これにより、より冷凍能力の高い蓄冷器を提供できる可能性があることが示された。
そして、この場合、特定の粒状蓄冷材の平均粒径を小さくした場合でも、蓄冷器の冷凍能力は低下しないので、蓄冷材の平均粒径の変更を容易にすることができる。これにより、複数種類の粒状蓄冷材を用いて蓄冷器を構成する際の、第1の筒体9内における粒状蓄冷材の配置の自由度のみならず、粒状蓄冷材の平均粒径の設定の自由度も高めることができることが示された。
図7(a)〜(e)はいずれも本発明の実施例1に係る蓄冷器の内部におけるHoCu2粒とGOS粒の配置の他の例を示す斜視図である。なお、図1乃至図6に記載されたものと同一部分については同一符号を付し、その構成についての説明は省略する。また、図7では、図1(b)におけるGOS粒16が収容されるHoCu2粒15の収容部分のみを示している。
先の図1では、実施例1に係る蓄冷器100Aの一例として、第1の筒体9内の低温端側(図1中の符号Qで示す側)に配置されるHoCu2粒15収容領域の軸上で,かつ,この軸の全域にGOS粒16が配置される場合を例に挙げて説明したが、図7(a)に示すように、HoCu2粒15の収容領域における低温端側(図7中の符号Qで示す側)にのみGOS粒16を収容してもよい。あるいは、特に図示しないが、HoCu2粒15の収容領域における高温端側(図7中の符号Pで示す側)にのみGOS粒16を収容してもよい。また、図7(b)に示すように、HoCu2粒15の収容領域における軸方向の中央部にGOS粒16を収容してもよい。
また、図1及び図7(a),(b)では、HoCu2粒15中にGOS粒16からなる棒状の塊を1つのみ収容する場合を例に挙げて説明したが、HoCu2粒15中に収容するGOS粒16からなる棒状の塊は2つ以上でもよい。
より具体的には、図7(c)に示すように、HoCu2粒15中に第1の筒体9の軸方向と平行にGOS粒16からなる棒状の塊を3つ収容してもよい。また、この場合、図7(d),(e)に示すように、GOS粒16からなる棒状の塊は、HoCu2粒15が収容される領域の軸方向の全域でなく一部にのみ配置されてもよい。より具体的には、HoCu2粒15が収容される領域の高温端側又は低温端側にのみGOS粒16からなる棒状の塊を複数収容してもよいし、HoCu2粒15が収容される領域の中ほどにGOS粒16からなる棒状の塊を複数収容してもよい。
先の実施例1に係る蓄冷器100Aでは、第1の筒体9内に複数種類の粒状蓄冷材を収容する際に、粒状蓄冷材同士の配置を変えるだけで蓄冷器100Aの冷凍能力の向上に成功した。
本願発明に係る技術内容は、粒状蓄冷材としてPb粒14と,HoCu2粒15と、GOS粒16とからなる蓄冷器に対してだけ適用できるものではなく、粒状に成形可能な蓄冷材を複数種類収容してなる全ての蓄冷器に適用可能な技術である。
この実施例2では、本願発明の技術思想を利用した新たな蓄冷器の構成の一例について説明する。
図8(a)は本発明の実施例2に係る蓄冷器の内部における粒状蓄冷材集合体の外形を示す概念図であり、(b)〜(d)はいずれも本発明の実施例2に係る蓄冷器の内部における粒状蓄冷材の配置例を示す断面図である。図9乃至11の(a)〜(c)はいずれも本発明の実施例2に係る蓄冷器の内部における粒状蓄冷材の配置例を示す断面図である。なお、図1乃至図7に記載されたものと同一部分については同一符号を付し、その構成についての説明は省略する。
また、実施例2では粒状蓄冷材を構成する材質を特定する必要がないので、任意の粒状蓄冷材として仮に第1の粒状蓄冷材20,第2の粒状蓄冷材21,第3の粒状蓄冷材22を使用して蓄冷器を構成する場合を例に挙げて説明するが、実施例2に係る蓄冷器において第1の筒体9内に収容される粒状蓄冷材の種類は3種類以上でもよい。
実施例2に係る蓄冷器では、例えば、図8(b)に示すように、第1の筒体9の軸方向垂直断面において中心から外縁に向かう方向に同心円状の層をなすように3種類の粒状蓄冷材(第1の粒状蓄冷材20,第2の粒状蓄冷材21,第3の粒状蓄冷材22)を配置してもよい。この場合の第2の粒状蓄冷材21,第3の粒状蓄冷材22の具体的な収容方法としては、例えば、第1の筒体9内に直系の異なる2つの第2の筒体10を,軸方向を一致させながら収容させ,それぞれの筒体の中空部又は筒体同士の隙間に粒状蓄冷材を充填すればよい。
また、実施例2に係る蓄冷器では、図8(c),(d)に示すように、図8(b)に示す粒状蓄冷材集合体19の軸方向断面において中央に配置される第3の粒状蓄冷材22を、第1の筒体9の低温端側(又は低温端側)にのみ配置してもよいし、第1の筒体9の軸方向の中央部にのみ配置してもよい。
図8では、第3の粒状蓄冷材22を、第1の筒体9の低温端側に配置する場合を図に示している。
この場合、例えば、図9(b),(c)に示すように第3の粒状蓄冷材22からなる棒状の塊を、第2の粒状蓄冷材21が配置される領域の軸方向の一部にのみ(例えば、軸方向の中央にのみ,あるいは,軸方向の低温端側(又は高温端側)にのみ配置してもよい。なお、図9では、第2の粒状蓄冷材21内における第3の粒状蓄冷材22からなる棒状の塊が、第1の筒体9の低温端側にのみ配置される場合(図9(c)を参照)を図示している。
この場合、例えば、図10(b),(c)に示すように第3の粒状蓄冷材22からなる棒状の塊を、第2の粒状蓄冷材21が配置される領域の軸方向の一部にのみ(例えば、軸方向の高温端側(又は低温端側)にのみ,あるいは,軸方向の中央にのみ配置してもよい。なお、図10では、第2の粒状蓄冷材21内における第3の粒状蓄冷材22からなる棒状の塊が、第1の筒体9の高温端側にのみ配置される場合(図10(b)を参照)を図示している。
この場合、3層が形成される領域を、第1の筒体9の軸方向の低温端側(又は高温端側のみに配置してもよいし、第1の筒体9の軸方向の中央にのみ配置してもよい。なお、図11では、3層が形成される領域を、第1の筒体9の軸方向の低温端側に配置される場合を示している。
また、特に図示しないが、実施例2に係る蓄冷器における粒状蓄冷材の配置の他の例として、図8乃至11に示される粒状蓄冷材集合体19における第1の粒状蓄冷材20,第2の粒状蓄冷材21,第3の粒状蓄冷材22のそれぞれを、第1の筒体9の軸方向に複数種類の粒状蓄冷材を積層してなる粒状蓄冷材の集合体により構成してもよい。
さらに、実施例2に係る蓄冷器においては、第1の筒体9の軸方向垂直断面に配置される粒状蓄冷材が少なくとも2種類ある場合、その内の少なくとも1種類の粒状蓄冷材の平均粒径を小さくしてもよい。この場合、第1の筒体9の軸方向垂直断面の全てに平均粒径の小さい粒状蓄冷材が充填されることがないので、第1の筒体9内における高圧ガスの流動性を大幅に低下させる恐れを小さくできる。これにより、第1の筒体9内に収容される特定の粒状蓄冷材の充填密度を上げて、その粒状蓄冷材による蓄冷効率を向上させることができる。
この結果、従来公知の粒状蓄冷材をそのまま用いながら、第1の筒体9内における配置を変更することで、蓄冷器の冷凍能力を大幅に向上でき可能性がある。
なお、筒体9の軸方向断面に複数の粒状蓄冷材を積層してなる従来の蓄冷器において、少なくとも1つの層を構成する粒状蓄冷材中に、実施例2に示すような複数種類の粒状蓄冷材からなる配置構造を配設してもよい。
Claims (2)
- 圧縮機にて発生させた高圧の冷媒ガスを、直列に連結される1段,2段シリンダに供給した後、再び前記圧縮機に返戻する過程において生じる冷熱を、前記2段シリンダ内において蓄冷するための蓄冷器であって、
この蓄冷器は、この蓄冷器の外形をなす第1の筒体と、この第1の筒体内に内挿される少なくとも1つの第2の筒体と、前記第1の筒体内に収容される少なくとも2種類の粒状蓄冷材と、を有し、
前記第2の筒体の内側に配置される前記粒状蓄冷材と、前記第2の筒体の外側に配置される前記粒状蓄冷材の種類は異なっており、
前記第2の筒体は、ステンレスと同等あるいはそれよりも熱伝導率が低い材質からなり、
前記粒状蓄冷材は、第1の粒状蓄冷材であるPbと、第2の粒状蓄冷材であるHoCu 2 と、第3の粒状蓄冷材であるGd 2 O 2 Sと、の3種類からなり、
前記第1の筒体の高温端側に前記第1の粒状蓄冷材が配置され、前記第1の筒体の低温端側に前記第2の粒状蓄冷材が配置され、この第2の粒状蓄冷材中に前記第2の筒体を介して前記第3の粒状蓄冷材が配置されることを特徴とする蓄冷器。 - 少なくとも2種類の前記粒状蓄冷材が配置される軸方向垂直断面において、少なくとも2種類の前記粒状蓄冷材の平均粒径は異なることを特徴とする請求項1に記載の蓄冷器。
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