JPH0668416B2

JPH0668416B2 - 極低温気体冷凍機用蓄冷器

Info

Publication number: JPH0668416B2
Application number: JP19662486A
Authority: JP
Inventors: 昶林; 芳昭樋熊
Original assignee: 石川島播磨重工業株式会社
Priority date: 1986-08-22
Filing date: 1986-08-22
Publication date: 1994-08-31
Anticipated expiration: 2009-08-31
Also published as: JPS6354577A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、極低温を得る気体冷凍機の蓄冷器に関し、
蓄冷材としてヘリウムガスを使用するとともに、有効伝
熱面積の増大をはかるようにしたものである。

〔従来の技術〕

極低温を得る冷凍機のひとつに気体冷凍機があり、圧縮
機で圧縮した高圧気体を常温まで冷却し、つぎに熱交換
器で低温側からくる低圧気体によってさらに温度を下げ
たものを膨張させて極低温を得るようにしている。

このような気体冷凍器のひとつにヘリウムガスを用い、
スターリングサイクルやギフォードマクマフォンサイク
ルで運転するものがあり、低圧気体との熱交換のため蓄
冷器が使用されている。

この蓄冷器としては、従来、鉛等を粒状あるいは網状と
して蓄冷器本体に充填したものが使用されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、鉛等を蓄冷材とする蓄冷器では、10k以下の
極低温になると、蓄冷材である鉛等の比熱が非常に小さ
くなって零に近づくため蓄冷能力が著しく低下してしま
う。

このため従来の蓄冷器を用いるヘリウム冷凍機では、20
k以上で運転せざるを得なかった。

そこで、10k以下の極低温でも比熱が大きい物質として
知られているヘリウムガスを蓄冷材として使用すること
が考えられている。

しかし、ヘリウムガスは液化温度が4.2kであり、蓄冷材
として使用する場合には、気体であり、蓄冷器での有効
伝熱面積（m²／m³）をいかに大きくするかが大きな問題
となる。

また、蓄冷器の有効伝熱面積の確保と同時に、冷媒側の
気体の流動抵抗をいかに少なくするかが大きな問題とな
る。

この発明はかかる従来技術の問題点に鑑みてなされたも
ので、ヘリウムガスを蓄冷材としても大きな有効伝熱面
積が確保できるとともに、気体の流動抵抗も少ない極低
温気体冷凍機用蓄冷器を提供しようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するためこの発明の第１の手段は、極
低温を得る気体冷凍機に用いられ外側を流れる気体の冷
熱を蓄える蓄冷器において、蓄冷材であるヘリウムガス
が封入される帯状中空体を隣接する当該帯状中空体壁と
気体の流路を形成する間隙をあけて蓄冷器本体内に充填
したことを特徴とするものである。

また、この発明の第２の手段は、極低温を得る気体冷凍
機に用いられ外側を流れる気体の冷熱を蓄える蓄冷器に
おいて、蓄冷材であるヘリウムガスが封入される帯状中
空体を隣接する当該帯状中空体壁と気体の流路を形成す
る間隙をあけて蓄冷器本体に充填して蓄冷器を構成する
一方、前記帯状中空体の中空部間隙および隣接する帯状
中空体壁の間隙にこれら間隙を保持する間隙保持体を介
在させたことを特徴とするものである。

［作用］極低温でも比熱の大きいヘリウムガスを蓄冷材とし、こ
れを0.1〜1mm程度の間隙を有する帯状中空体に圧力保持
機構等を介して封入し、この帯状中空体を0.1〜1mm程度
の間隙をあけてらせん状に巻くなどして蓄冷器本体に充
填するようにし、伝熱面積の確保と流動抵抗の減少をは
かっており、さらに、帯状中空体の中空部間隙や帯状中
空体の隣接する壁間隙を帯状中空体と一体もしくは別体
の間隙保持体を介在させることで一定に保ち一層の性能
向上と形状保持をはかるようにしている。

［実施例］以下この発明の一実施例を図面に基づき詳細に説明す
る。

第１図および第２図はこの発明の極低温気体冷凍機用蓄
冷器の一実施例にかかる縦断面図および横断面図であ
る。

この蓄冷器10は、ヘリウムガスを蓄冷材とするものであ
り、気体冷凍機の冷媒である気体（例えば、ヘリウムガ
ス）の冷熱を蓄冷するが、直接接触させることができな
い。

そこで、ヘリウムガスを封入するため帯状中空体11が用
いられ、この中空部にヘリウムガスを封入し、この帯状
中空体11をらせん状に巻いて蓄冷器本体12内に充填して
蓄冷器10が構成されており、蓄冷器本体12の気体入口13
から流入する気体が環状中空体11のらせんの間隙を通過
して気体出口14から流出する間にヘリウムガスに蓄冷す
るようになっている。

この帯状中空体11は、例えば第３図に示すように、銅，
アルミニウム，鉛あるいはこれらの合金，ステンレス等
の金属薄板や複合材料等の薄板が使用され、中空部の隙
間ａを0.1〜1.0mm程度として長縁部と一方の短縁部が溶
接等でシールされて袋状とされ、もう一方の短縁部にヘ
リウムガス封入用の封入ノズル15が取付けてある。

このような帯状中空体11は、封入ノズル15を中心にして
らせん状に巻かれ、各らせん状の隣接する帯状中空体11
の外壁同士も中空部と同様その間隙ｂが0.1〜1.0mm程度
とされ、第２図に示すように蓄冷器本体12内に充填され
る。

この蓄冷器本体12内への帯状中空体11の充填は、封入ノ
ズル15を中心にらせん状に巻き、円筒状の蓄冷器本体12
内に入れる場合に限らず、第４図（ａ），（ｂ）に示す
ように、角筒状の蓄冷器本体12を用い、封入ノズル15を
中心に矩形のらせんに成形して帯状中空体11を充填した
り、蛇行させて充填するようにすることもでき、いずれ
の場合にも隣接する帯状中空体11の外壁同士の間隙ｂを
0.1〜1.0mm程度とし、気体の流路を確保する。

このような帯状中空体11の中空部の隙間ａおよび外壁同
士の間隙ｂを保持するには、成形時の材料の保持力を利
用したり、介在物等を挾むようにしたり任意で良いが、
例えば、第１図中に拡大して示すように、帯状中空体11
を構成する金属薄板11aにプレス成形などによって円錐
状の突起を多数形成してこれを間隙保持体16とし、２枚
の金属薄板11aを重ねて３方の縁部をシールすることで
帯状中空体11を作り、さらに、外側に突き出している間
隙保持体16を外壁同士の間隙ｂを保持するのに使用す
る。

この間隙保持体16は、帯状中空体11を構成する金属薄板
11aと一体に成形するようにすれば、伝熱面積の増大が
はかられると同時に、外壁に沿って流れる気体を乱流状
態にして伝熱効率の向上ができるが、金属薄板11aに別
体として介装しても良く、溶接ビード等を利用すること
も可能である。また、間隙保持体16の形状は、流路に平
行であれば、連続したものでも良いが、帯状中空体11の
中空部では、封入ノズル15から帯状中空体11の展開時の
長手方向にヘリウムガスが流れるのに対し、外壁部分で
は、帯状中空体11の展開時の長手方向と直角な方向に気
体が流れることを考慮し、２枚の金属薄板11aへの連続
した間隙保持体16の方向を変えておく。

次に、このような蓄冷器10の帯状中空体11への蓄冷材で
あるヘリウムガスの封入について説明する。

蓄冷器10を10K以下4K付近で使用する場合には、蓄冷材
としてのヘリウムガスの比熱を蓄冷に必要な値に保つ必
要があり、4K付近でヘリウムガスの圧力を１〜2atm以上
に保たねばならない。

ところが、4Kで１〜2atmにヘリウムガスを帯状中空体11
に封入状態で保持するには、常温では100〜200atmでヘ
リウムガスを封入しなければならなくなってしまう。

そこで、この蓄冷器10では、第１図に示すように、蓄冷
器10の封入ノズル15に絞り17を具えたキャピラリーチュ
ーブ18を接続し、蓄冷器10の帯状中空体11の中空部の50
0〜1000倍の容積を具えたバッファタンク19がキャピラ
リーチューブ18に接続され、常温状態のところに設置し
てある。

したがって、常温状態でヘリウムガスを蓄冷器10および
バッファタンク19内に10kg／cm²G以下の初期封入圧力で
充填しておき、蓄冷を行なうと、蓄冷器10の冷却が進む
と、次第に低温となり、封入されたヘリウムガスの密度
が増加し、絞り17を介してバッファタンク19からヘリウ
ムガスが蓄冷器10に流入することになり、全体の圧力が
低下することになるが、バッファタンク19の容積が蓄冷
器10に比べ十分大きいので、圧力変化はほとんどない状
態に保持される。

一方、ヘリウム冷凍機等で蓄冷器10を使用する場合に
は、冷凍サイクル毎に蓄冷と放熱が繰り代えされて封入
されたヘリウムガスの温度が変化し、圧力も変化する
が、絞り17を介して流入出するヘリウムガスの流量は極
めて少なく、蓄冷に必要な圧力に蓄冷材であるヘリウム
ガスが保持される。

さらに、冷凍機の運転が停止されて蓄冷器10が常温状態
に戻される場合にも、ヘリウムガスの封入時の状態にな
るだけであり、初期封入圧力（10kg／cm²G以下）にな
り、超高圧になることがない。

なお、バッファタンク19に圧力計20を取付けておけば、
封入したヘリウムガスの漏れを検知することができると
ともに、冷凍機運転中には、圧力変化（減少）により蓄
冷器10内の温度を知ることもできる。

かように構成した蓄冷器10は、例えば第５図に示すよう
に、ギフォードマクマフォンサイクルの冷凍機21に使用
され、圧縮機22と冷凍負荷23との間にディスプレーサ24
と並列に設置される。

このギフォードマクマフォンサイクルの冷凍機21の動作
は、今までのものと変わりがなく、蒸冷器10が4.0K程度
であっても十分能力を発揮するので、ヘリウムガスの液
化温度までの範囲で運転することも可能となる。

したがって、従来のようにヘリウムガスの液化温度を得
るためにジュールトムソン弁を具えたジュールトムソン
回路を設ける必要がなく、構成の簡略化がはかれ、製造
コスト低下となる。

なお、気体冷凍機は、上記のものに限らず、ヘリウムガ
スを使用するスターリングサイクル冷凍機等、種々の蓄
冷器を使用するものであれば良い。

〔発明の効果〕

以上一実施例とともに具体的に説明したようにこの発明
によれば、極低温でも比熱の大きいヘリウムガスを蓄冷
材とし、これを帯状中空体に封入し、この帯状中空体を
間隙をあけて蓄冷器本体内に充填するようにしたので、
気体の蓄冷材を用いても有効伝熱面積を大きくすること
ができるとともに、冷凍機側の気体の流動抵抗を少なく
して高性能な蓄冷器とすることができる。

そして、使用範囲もヘリウムガスの液化温度（4.2K）ま
で拡大でき、気体冷凍機で得られる冷熱の範囲も大幅に
広くなる。

さらに、帯状中空体の中空部および帯状中空体の外壁同
士の間隙を間隙保持体を介在しせて保持することで、蓄
冷材の封入や冷凍機側の気体の流路を確実に形成でき、
製作が容易になるとともに、計画通りの仕様にすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図はこの発明の極低温気体冷凍機用蓄冷器
の一実施例にかかり、第１図は縦断面図、第２図は横断
面図、第３図は帯状中空体の展開図、第４図（ａ），
（ｂ）はそれぞれ他の実施例にかかる概略横断面図、第
５図はギフォードマクマフォン冷凍機に適用した場合の
概略構成図である。 10……蓄冷器、11……帯状中空体、11a……金属薄板、1
2……蓄冷器本体、13……気体入口、14……気体出口、1
5……封入ノズル、16……間隙保持体、17……絞り、18
……キャピラリーチューブ、19……バッファタンク、20
……圧力計、21……ギフォードマクマフォンサイクルの
冷凍機、22……圧力機、23……冷凍負荷、24……ディス
プレーサ、ａ……帯状中空体11の中空部の間隙、ｂ……
帯状中空体11の外壁同士の間隙。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】極低温を得る気体冷凍機に用いられ外側を
流れる気体の冷熱を蓄える蓄冷器において、蓄冷材であ
るヘリウムガスが封入される帯状中空体を隣接する当該
帯状中空体壁と気体の流路を形成する間隙をあけて蓄冷
器本体内に充填したことを特徴とする極低温気体冷凍機
用蓄冷器。
【請求項２】極低温を得る気体冷凍機に用いられ外側を
流れる気体の冷熱を蓄える蓄冷器において、蓄冷材であ
るヘリウムガスが封入される帯状中空体を隣接する当該
帯状中空体壁と気体の流路を形成する間隙をあけて蓄冷
器本体に充填して蓄冷器を構成する一方、前記帯状中空
体の中空部間隙および隣接する帯状中空体壁の間隙にこ
れら間隙を保持する間隙保持体を介在させたことを特徴
とする極低温気体冷凍機用蓄冷器。