JPH0240450Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

この考案は冷凍機に関する。 低温度生成（例えば絶体温度で25k以下）の冷
凍機あるいは液化機において、特にスターリング
サイクルやキフオード・マクマホンサイクル等の
蓄冷器を用いた冷凍機においては、蓄冷器の効率
が冷凍機全体の効率を制する。一般に、蓄冷器の
効率向上には蓄冷材（充填物）の量、比熱が大き
いこと、作動流体の往復切り換え周期が小さいこ
と、流体の質量速度が小さいことが重要である。 ここで問題になるのは、固体の比熱は、ほとん
どのものは、温度の３乗に比例して減少し、現在
大部分の極低温小型冷凍機の蓄冷材として用いら
れている鉛ですら、10k以下ではその比熱は非常
に小さくなり蓄冷材としては不適当なものにな
る。比熱の減少を蓄冷材の量で補うとしても、量
を増すことにより、作動流体に対する死容積が必
然的に増大することになり、このため圧縮仕事が
効果的に行われず、結果的に全体の効率を下げる
ことになる。このような理由で鉛球などをつめた
だけの、従来の蓄冷器方式ではおよそ10kがその
最低到達温度の限界になつている。 このような鉛を用いることに代えて、米国特許
第3692099号公報は、サフアイア等からなる板体
を積層した筒体内を、作動ガスと該ガスと熱交換
される気体とのための室に区画させることを開示
する。この方式は、サフアイア等からなる板体が
該板体の両側の気体に効率良い熱交換を行うの
で、10k以下の低温が得られる。しかしながら、
約6k前後が低温限界となつている。 この考案は、このような熱媒体として気体を用
いる蓄冷器の改良を意図したもので、基本的に
は、高熱伝導体円板の片面に低熱伝導度の薄膜材
をつける技術手段を用いる。この技術手段の採用
は、高熱伝導体円板の片面で主に気体と熱交換
し、従来の如く、両面で熱交換しないが、しか
し、円板を介しての気体同志の熱交換が低熱伝導
度の薄膜材によつて阻止させることは、蓄冷器の
出入口間での温度勾配を充分に維持させることに
なり、終局的には5k以下の低温を得ることがで
きる。 この考案の実施例を添付図面を参照して説明す
る。 第１図に本考案の一例の蓄冷器の構造を示す。 第２図は蓄冷器内部の構造を示す詳細図（一部
断面）である。 蓄冷器は円筒状であり、全体は真空断熱空間中
に置かれる。３〜10気圧で、図示しない前後蓄冷
器などで約20kまで冷やされた作動流体は、出入
口１より蓄冷器内に送り込まれ、内部で熱交換し
たのち出入口２より図示しない膨脹部へ導びかれ
る。膨脹部でさらに冷やされた流体は、逆に２よ
り蓄冷器内に入り、内部で熱を受けて、昇温し１
より出る。内部の構造は、薄く円板状に切られた
高熱伝導体４（例えば人工サフアイア（Al₂O₃）、
シリコン単結晶など）が、その外周部に作動流体
の流路６および熱交換部としての溝１１がつけら
れ、気密性の接着材により接着させられる断熱性
スペーサ５を間にはさんで接着積層されている。
スペーサでかこまれた円部は、作動流体とは空間
的には導通せず、高熱容量流体（例えば超臨界ヘ
リウム）が出入口３を通して流入される。高熱伝
導体４の片面には断熱性物質９（例えばエポキシ
系樹脂など）が薄膜状につけられ、他方の面に
は、高熱容量体（例えば希士類化合物GdRhな
ど）がつけられ、高熱容量流体の充てん用に穴７
がいくつもあけられている。 高温伝導体４の外側には、ケース８が接合され
ており、作動流体が真空断熱空間に漏れないよう
に気密を保持している。 次に本考案の蓄冷器の蓄冷効果について説明す
る。 作動流体と蓄冷材との間の熱伝達の媒体となる
例えば人工サフアイアは、熱伝導度が低温、特に
50k以下では非常に高く、金属の中でも最も熱伝
導度の高いものの一つである高純度銅などに比較
しても15k程度までは優つている。さらに比熱の
ふるまいを見ると、他の金属などに比べ、ほとん
どの温度領域で１桁以上小さくなつている。この
ことは、熱伝導度／比熱で与えられる熱拡散係数
が非常に大きくなること、即ち、熱伝導体内に熱
が溜まることなく、すみやかに熱移動が起こるこ
とを示している。このことから、熱伝達の媒体と
して人工サフアイアが非常に秀れた特質を持つて
いることが理解できる。また、比熱が小さいこと
は、冷凍機に対する熱負荷が小さいことになり、
この面でも良い材料と言える。冷凍機の作動流体
は、蓄冷器の前、後で圧縮、膨脹をくり返し受
け、その周期で、蓄冷器内には、高温、低温の流
体が、交互に流入するために作動ガスの温度はあ
る周期で振動する。このような外部の温度振動
が、熱伝導体の内部のどのくらいの距離まで伝わ
るか、即ち温度波の侵入度λ（cm）の温度変化、

【式】の式となる。 ここでＫは熱伝導度（Ｗ／cm・Ｋ）ｎは温度振
動の周波数（Hz）ｃは比熱（Ｊ／Ｋ・cm³）、πは
円周率である。 ｎ＝１Hzの時の侵入度をみると、 低温のほとんどの温度領域で人工サフアイアは
他の物質と比べはるかに大きい値を持つているこ
とが分り、このことからも熱伝達媒体としての優
秀さが理解できる。 一方、蓄冷材として考えられている超臨界ヘリ
ウム、希士類金属化合物ガドリニウムロジウム
（GdRh）等は、相転移に伴う異常比熱により、
従来、蓄冷材として用いられてきた鉛などに比べ
ると、20k以下では、体積当りの比熱は大きく上
回つている。同体積の蓄冷材として比較する限り
は、鉛よりかなり有利なことが分る。 これらの高熱容量の蓄冷材を、前述の高熱伝導
体の片面上にスパツタリング、熱伝導性接着剤な
どで直接的あるいは間接的に接着、他方の片面は
蓄冷器のたて方向の熱伝達を押えるために熱的絶
縁体を薄膜状につける。各高熱伝導体層間は、蓄
冷効果のある超臨界ヘリウムで満され、それの充
てん用に各板には小さな穴がいくつかあけられ
る。 このような構造にすることにより、スペーサで
仕切られた外周部を流れる作動流体と内部に収め
られた蓄冷材との間の熱伝達を高熱伝導体に行わ
せることで効果的な熱交換、蓄冷が行われる。さ
らに従来のものと大きく異なる点は、内部の蓄冷
材の容量を、作動流体の流路の死容積と無関係に
決められる。即ち死容積を増やすことなく蓄冷材
量を増せる点で、これにより、死容積の増大が招
く圧縮仕事の非効率性がなくなり、最適な流路容
積を保つことが可能である。 第３図は本考案の蓄冷器（以後、本蓄冷器と言
う）を出願人の特許第841228号冷凍装置への実施
例であり、まず冷凍生成の方法、つぎに本蓄冷器
の応用効果について述べる。圧縮ピストン２０，
３０、膨脹ピストン２９，３６は連接棒４２，４
３，４４，４５を介しそれぞれ図示しない流体
式、機械式、電磁式等の往復動機構につながり、
第１冷凍系は作動流体（以後、流体と言う）の圧
縮空間２２と熱交換器２３、蓄冷器２４、本蓄冷
器の高熱容量流体（蓄冷材、主にヘリウム）の冷
却用熱交換４１，２５、第１冷凍系よりさらに低
温度を生成する第２冷凍系の蓄冷器３４を冷却す
る熱交換器２６を介し膨脹空間２８との間で流体
が理論的には二つの等温と二つの等容過程（スタ
ーリングサイクル）を行い膨脹シリンダ２７の上
部（図示しないがコールドヘツドとも言い、膨脹
空間２８と機械的、熱的につながる。）で30−
100kの冷凍温度がえられ、第２冷凍系は圧縮シ
リンダ３１内の圧縮空間３２の流体と熱交換器３
３、蓄冷器３４、本蓄冷器４６、を介し膨脹シリ
ンダ３５内の膨脹空間３７との間でそれぞれ二つ
の等容、等温過程を行い膨脹シリンダ３５上部で
5k前後の冷凍温度がえられる。 図中、弁４０、本蓄冷器４６の高熱容量流体の
タンク３８、安全弁４９、圧力計４８として示
す。 動作を説明する。それぞれの膨脹空間２８，３
７が60k以下になつたらタンク３８より弁４７を
調整し圧力計４８で計測しながらヘリウムを本蓄
冷器の内部へ蓄冷器２４と熱接触している熱交換
器４１と第１冷凍系の熱交換器２５で冷却して流
路３より封入する。小穴７のあけられた人工サフ
アイア円板をスペーサと交互に多数積層接着して
円筒にされた蓄冷器の内部に入つたヘリウムは各
積層円板間が狭く（0.03〜0.2cm）対流が起こり
にくい、また円板の片面に熱伝導の悪い樹脂材が
コートされているため円板間の熱伝達をせず低温
で比熱も大きくなり、さらに人工サフアイア円板
の熱伝導度が急激に大きくなることから膨脹空間
３７の流路２と蓄冷器３４の本蓄冷器への出入口
１とを流れる流体と熱交換をする。すなわち良熱
伝導体となつた人工サフアイアを介しヘリウム同
士が熱交換し、２と１の間で大きな温度勾配がと
れる。膨脹空間３７が10k前後になれば封入した
ヘリウムは超臨界状態となり比熱が急上昇する。
最適な圧力の値があるため弁４７，４０で調整
（３〜８気圧）すれば高熱容量で死容積が少ない
蓄冷器となり、高い冷凍機効率で5k前後の冷凍
温度がえられる冷凍装置が提供できる。なお、第
３図において本発明の蓄冷器の応用を二つの冷凍
系からなる冷凍装置で説明したが、一つ、または
多数の冷凍系でも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案の一例の断面図、第２図はそ
の部分破断斜視図、および第３図はこの考案の一
例の蓄冷器を用いた冷却系を示す図である。 図中、４……高熱伝導体円板、５……スペー
サ、９……断熱性物質。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 圧縮空間と膨脹空間との間において熱交換器お
   よび蓄冷器を配する冷凍機において、前記蓄冷器
   が、筒体と、前記筒体内にスペーサを用いて互い
   に離間するように積層された高熱伝導体円板とを
   有し、前記高熱伝導体円板の外径より小さな外径
   の前記スペーサが筒体内を第１および第２の室に
   区画し、前記第１の室に前記膨脹空間と前記圧縮
   空間との間を往復動する作動流体が通る流路を設
   けると共に、前記第２の室に気体を封入し、前記
   第２の室内の前記高熱伝導体円板の片面に低熱伝
   導度の薄膜材をつけ、該円板と薄膜材とが流路と
   なる小穴を有することを特徴とする冷凍機。