JPH10103802A - 蓄冷器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷媒ガスとの熱交換効率を向上するととも
に、余分な工程を省いて蓄冷器を通過する冷媒ガスの貫
通面積や貫通経路長などの流路特性を要求どおり正しく
設定することができ、かつプレート及びケーシングの設
計自由度の高い蓄冷器を実現することができる有益な技
術の提供。 【解決手段】 ケーシングの内部にプレート積層体を実
装し、プレート積層体とケーシング内を通過する気体と
の間で熱を交換する再生式熱交換器において、プレート
積層体２３を構成する角型プレート３０は、多角形形状
のステンレス薄板に所定のパターンの細孔３１が形成さ
れ、また外周の縁辺部にプレート厚を薄くした薄肉部３
２が設けられている。ケーシング２２ａへの充填に際
し、角型プレート３０の細孔３１のパターンを視覚的に
捉え、外形形状を確認して所定の回転角で挿入されるた
め、所望の流路特性を容易に設定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、逆スターリング冷
凍機、ＧＭ冷凍機又はパルス管冷凍機などの極低温冷凍
機に用いられる蓄冷器（再生式熱交換器又はリジェネレ
ータとも言う）に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は蓄冷器の利用例を示す図であり、
特に限定しないが、逆スターリング冷凍機（以下「冷凍
機」と略す）の模式構成図である。この冷凍機は、概
略、二つのシリンダ装置１、２とその間を接続する配管
３とから構成されている。図面右側のシリンダ装置１は
「圧縮シリンダ」と呼ばれるもの、図面左側のシリンダ
装置２は「膨張シリンダ」と呼ばれるものであり、以
下、これらの通称で呼ぶことにする。

【０００３】圧縮シリンダ１は、所定の周期で往復動す
るピストン（以下「圧縮ピストン」）４によって内部を
２室に画成し、圧縮ピストン４が上死点位置（図示の位
置）のときに容積を最小とする室（以下「圧縮室」）５
を、配管３に連通させて構成する。なお、６は気密性確
保のためのシール部材である。膨張シリンダ２は、所定
の周期で往復動するピストン（以下「膨張ピストン」）
７と、この膨張ピストン７に内装された蓄冷器８と、膨
張ピストン７が上死点位置（図示の位置は中間点位置）
のときに容積を最小とする室（以下「膨張室」）９と、
膨張室９の室壁を兼ねるとともに被冷却体１０に接する
冷却部１１と、を備えている。なお、１２〜１４は気密
性確保のためのシール部材である。

【０００４】蓄冷器８は、両端開放の円筒状ケーシング
内に、蓄冷材としてマトリックスと呼ばれる多数枚（た
とえば１０００枚以上）の円型メッシュプレートを積層
状態に充填して構成される。圧縮室５と膨張室９との間
は、配管３、膨張ピストン７の側面孔７ａ、蓄冷器８の
内部、及び、膨張ピストン７の端面孔７ｂを介して連通
しており、これら連通各部に、ヘリウム、水素又は窒素
等の高圧の冷媒ガスが充填されている。

【０００５】このような構成の冷凍機は、逆スターリン
グサイクル、すなわち、「等温圧縮行程」、「等容放熱
行程」、「等温膨張行程」及び「等容吸熱行程」の四つ
の行程からなるサイクルを繰り返し実行する。図７は上
記冷凍機のピストン軌跡図である。実線のサインカーブ
Ａは膨張ピストン２の往復動軌跡を示し、一点鎖線のサ
インカーブＢは圧縮ピストン１の往復動軌跡を示してい
る。なお、黒丸（●）は上死点、黒三角（▲）は中間
点、白丸（○）は下死点を表している。この軌跡図から
理解されるように、圧縮ピストン１と膨張ピストン２の
往復動周期は一致し、かつ、圧縮ピストン１の周期が１
／４周期（位相角で９０度）遅れている。

【０００６】以下、各行程の動作を説明すると、 （１）等温圧縮行程では、圧縮室５内の冷媒ガスが圧縮
され、この圧縮によって生じた熱は配管３から外部に逃
がされ等温過程となる。 （２）等容放熱行程では、圧縮された冷媒ガスがその容
積を変えることなく膨張室９に移送されるが、移送経路
中の蓄冷器８は、前のサイクルの等容吸熱行程で冷却さ
れているため、この蓄冷器８によって熱交換が行われ、
膨張室９には充分に冷やされた冷媒ガスが移送される。 （３）等温膨張行程では、膨張室９の容積拡大に伴い、
同室９内の冷媒ガスが周囲の熱（主に冷却部１１の熱）
を奪いながら等温膨張する。 （４）等容吸熱行程では、等温膨張した冷媒ガスがその
容積を変えることなく圧縮室５に移送されるが、移送経
路中の蓄冷器８は、前の等容放熱行程で熱を蓄えている
ため、低温の冷媒ガスと高温の蓄冷器８との間で熱交換
が行われ、蓄冷器８は冷やされ、冷媒ガスの温度は上昇
して１サイクルが完了する。

【０００７】次に、蓄冷器が内装されたシリンダ装置、
特に膨張シリンダの詳細について図８を参照して説明す
る。図８において、２０は膨張シリンダ（図６の膨張シ
リンダ２に相当）である。膨張シリンダ２０は、シリン
ダ本体２１の内部に所定の周期（図１２のサインカーブ
Ａ参照）で往復動するピストン２２を実装しており、こ
のピストン２２は、筒状のケーシング２２ａと、該筒状
のケーシング２２ａに蓄冷材として実装された円型のプ
レート積層体２３と、該ケーシング２２ａの下端側開放
口を閉鎖する中実部２２ｂと、ケーシング２２ａの上端
に穿設された開口２２ｃと、中実部２２ｂの上端−側面
間に穿設された連通路２２ｄとを含む蓄冷器２４を備え
ている。

【０００８】ケーシング２２ａの上端に穿設された開口
２２ｃ、及び中実部２２ｂの上端−側面間に穿設された
連通路２２ｄは、蓄冷器２４を通過する冷媒ガス（気
体）の出入口になる。このような蓄冷器２４に実装され
るプレート積層体２３は、図９に示すようにメッシュス
クリーンから打ち抜いて製作された円型のメッシュプレ
ート２５を、ケーシング２２ａの一端側から蓄冷材充填
部２２ｅへ順次挿入し、１０００枚以上を積層して構成
していた。このように蓄冷材として円型のメッシュプレ
ート２５を適用することにより、ケーシング２２ａ内を
通過する冷媒ガスの良好な流路を確保することができ
る。すなわち、ケーシング２２ａの蓄冷材充填部２２ｅ
は工作機械を用いて切削加工により形成されるため、そ
の断面形状が円型である方が寸法精度を高め易い利点が
ある。一方、メッシュスクリーンから打ち抜かれたメッ
シュプレート２５の寸法精度は極めて低いが、蓄冷材充
填部２２ｅに挿入されると、図１２（ａ）に示すよう
に、円型メッシュプレート２５の外縁部が均等に押圧さ
れた状態で蓄冷材充填部２２ｅ内壁に密着する。そのた
め、蓄冷材充填部２２ｅ内壁とメッシュプレート２５ａ
外端部との間に形成される隙間の発生を防止することが
でき、ケーシング２２ａ内を通過する冷媒ガスはプレー
ト積層体２３と接触する本来の流路が確保されて熱交換
効率を向上させることができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような蓄冷器２４にあっては、メッシュプレート２５
の外形形状が円型であることに伴う特有の不具合も有し
ている。すなわち、 多数のメッシュプレートを一枚のメッシュスクリー
ンから打ち抜いて製作するため、それぞれのメッシュプ
レートの形状ばらつきが大きく、しかも積層する際のプ
レート同士の重なり具合もその都度異なり、たとえば図
１０（ｃ）に示すように所定のらせん状のガス流路２６
を設定するため、図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように
各円型メッシュプレート２５の基準方向（図中矢印にて
表示）をα度ずつずらしてα、α×２、α×３、・・・
のように挿入する場合、基準方向の回転角度を正確に把
握、設定することが極めて難しい。なお、図１０におい
て、メッシュプレート２５の回転角の説明を明確にする
ため基準方向を便宜的に矢印で示した。

【００１０】 メッシュプレート２５の外径寸法とケ
ーシング２２ａの蓄冷材充填部２２ｅの内径とがほぼ一
致するため、適当な押圧力でメッシュプレート２５を挿
入、充填しなければならないが、この際、メッシュプレ
ート２５が変形しないようにその押圧力を微妙に調節し
なければならない。 メッシュプレート２５の充填容易性及び熱交換効率
を考慮すると、ケーシング２２ａの形は円筒状以外にで
きないため、設計自由度がない。

【００１１】そこで、このような不都合を解消する改善
策として、図１１（ａ）に示すように、角型のメッシュ
プレート２７（以下、角型メッシュプレートと記す）を
用いて、各角型メッシュプレート２７の基準方向を外形
形状（辺および角）により把握し、ケーシング２２ａへ
の挿入時の回転角を順次ずらして所定の流路特性を設定
することが考えられる。このような角型メッシュプレー
ト２７によれば、たとえば正方形のメッシュプレートの
場合９０度、六角形のメッシュプレートの場合６０度ご
とに基準方向を回転させることができ、図１１（ｂ）に
示すように所定のガス流路２６を容易に設定することが
できる。またメッシュプレートの形状に制約がなくなる
ため、ケーシング２２ａの設計自由度を向上させること
ができる。なお、図１１において、図１０同様メッシュ
プレート２７の回転角を表すために基準線を便宜的に矢
印で示した。

【００１２】ところが、このような角型メッシュプレー
ト２７を蓄冷材として用いると、新たな不具合が生じ
る。すなわち、ケーシング２２ａの蓄冷材充填部２２ｅ
は、上述したように工作機械により切削加工して形成さ
れるため、図１２（ｂ）に示すように多角形形状の穴を
角型メッシュプレート２７の形状に整合するように形成
しようとすると、その角部（Ｂ部）に切削工具及び切削
軌跡の丸み（アール）Ｒ２が必然的に形成される。そこ
で、充填される角型メッシュプレート２７が、蓄冷材充
填部２２ｅの角Ｂ部のアールＲ２に整合性良く密着する
ためには、所定の寸法精度を有していなければならない
が、上述したようにメッシュプレートにおいては精度良
く所望の寸法を実現することが極めて難しいため、角部
（Ａ部）における寸法精度が低くなる。このような状態
の角部（Ａ部およびＢ部）においては、ケーシング２２
ａの蓄冷材充填部２２ｅの角Ｂ部と角型メッシュプレー
ト２７の角Ａ部との間に隙間２２ｆが形成され、蓄冷材
であるプレート積層体２３を通過せずに隙間を２２ｆを
通過する冷媒ガスの量が増加して、十分な熱交換が行わ
れない問題がある。

【００１３】そこで、本発明は、冷媒ガスとの熱交換効
率を向上するとともに、余分な工程を省いて蓄冷器を通
過する冷媒ガスの貫通面積や貫通経路長などの流路特性
を要求どおり正しく設定することができ、かつプレート
及びケーシングの設計自由度の高い蓄冷器を提供するこ
とを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、ケーシングの内部に蓄冷材
として多数の細孔を有するプレートを積層したプレート
積層体を実装し、該プレート積層体とケーシング内を通
過する気体との間で熱交換を行う蓄冷器において、前記
プレート積層体を構成するプレートが、多角形状を有
し、かつ該プレートの縁辺部を、外部応力に対して高い
変形性を有するように形成したことを特徴とする。

【００１５】本発明では、角型プレートの外形形状（辺
あるいは角）を視覚的に把握して、各プレートの挿入時
の回転角度を順次ずらすことが可能であるため、所望の
ガス流路を容易に設定することができる。また、角型プ
レートの縁辺部に高い変形性（たとえば薄肉部または高
変形性材料を用いた複合構造）を持たせているため、蓄
冷材充填部への挿入に際して、この縁辺部が容易に変形
して蓄冷材充填部の形状に整合するため、プレートの挿
入押圧力の微細な調整を必要とせず、蓄冷器の製造工程
が簡略化される。さらに、角型プレートの形状は四角
形、六角形に限らず八角形、平行四辺形、ひし形等回転
対称形状であればよく、従来のような円型のみという蓄
冷材の形状の制約を取り除くことができるので、プレー
ト及びケーシングの設計自由度を向上させることができ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。図１及び図２は、本発明に係る蓄冷器
に適用される角型プレートの一実施例を示す図である。
図１（ａ）及び図２（ａ）において、角型プレート３０
は、たとえばステンレス素材の薄板に所定のパターンの
細孔３１が形成され、また外周の縁辺部にプレート厚を
薄くした薄肉部３２が設けられている。この薄肉部３２
は十分に変形する程度に形成されている。ここで、角型
プレート３０は、多角形形状、たとえば正方形を有して
おり、図１の実施例においては、ケーシング２２ａの蓄
冷材充填部２２ｅの辺寸法と一致している。また、角型
プレート３０の角部（Ａ部）には、従来（図１２）の角
型メッシュプレート２７同様、アールＲ１が形成されて
いるが、この角Ａ部のアールＲ１は蓄冷材充填部２２ｅ
の角Ｂ部のアールＲ２よりも小さく形成されている。一
方、図２の実施例においては、角型プレート３０の辺寸
法は蓄冷材充填部２２ｅの辺寸法よりも大きく設定され
ているとともに、図１の実施例同様、角型プレート３０
の角Ａ部のアールＲ１は蓄冷材充填部２２ｅの角Ｂ部の
アールＲ２よりも小さく形成されている。

【００１７】このような角型プレート３０を蓄冷材とし
て用いた蓄冷器の製造工程は、図３（ａ）に示すよう
に、角型プレート３０の基準方向を外形形状（辺および
角）により把握することができ、蓄冷材充填部２２ｅへ
の挿入時の回転角を順次ずらして所定の流路特性を設定
することできる。たとえば、角型プレートが正方形の場
合、９０度毎に角度をずらして挿入することにより、図
１１（ｂ）同様のらせん状のガス流路が設定できる。な
お、図３（ａ）において、図１０、図１１同様角型プレ
ート３０の回転角を表すために基準線を便宜的に矢印で
示した。

【００１８】次いで、本実施例の角型プレート３０のケ
ーシング２２ａ内での積層状態を図３（ｂ）に示すと、
角型プレート３０の縁辺部に形成された薄肉部３２が蓄
冷材充填部２２ｅの辺寸法よりも大きく形成されている
ため、薄肉部がＣ部のように変形して蓄冷材充填部２２
ｅ内壁に密着して充填される。このように、ケーシング
２２ａへの角型プレート３０の充填に際し、角型プレー
ト３０の細孔３１のパターンを視覚的に捉え、外形形状
（辺あるいは角）を確認して所定の回転角で挿入するこ
とができるため、所望の流路特性を容易に設定すること
ができる。また、角型プレート３０の縁辺部に形成され
た薄肉部３２が蓄冷材充填部２２ｅ内壁に密着して接触
するため、図１２（ｂ）に示したような隙間２２ｆの発
生を防止して、隙間を通過するガス流路の形成を抑制す
ることができ、本来のガス流路であるプレート積層体２
３と冷媒ガスとが良好に接触して熱交換効率を向上する
ことができる。さらに、角型プレート３０の形状を任意
の多角形状に設定することができるため、ケーシングの
設計自由度を向上させることができる。しかも、角型プ
レート３０の蓄冷材充填部２２ｅへの挿入押圧力の微細
な調整を必要としないため、蓄冷器２４の製造工程が簡
略化されて、製造工程の自動化への適応性を高めること
ができる。

【００１９】次に、上述した角型プレート３０の製造工
程について図４を参照して説明する。本実施例の角型プ
レート３０の製造方法には、半導体製造工程等に適用さ
れるフォトエッチング技術を有効に利用することができ
る。また、冷媒ガスとの熱交換を行う蓄冷材として一般
的に用いられているステンレス材料を角型プレート３０
に適用し、その製造方法を示す。

【００２０】まず、図４（ａ）に示すようにステンレス
基板４０上の全面にフォトレジスト４１を形成した後、
図４（ｂ）に示すように角型プレートの縁辺部の薄肉部
を形成する位置のフォトレジスト４１を除去するよう
に、図示していないフォトマスクによりパターニングす
る。次いで、パターニングされたフォトレジスト４１を
用いて図４（ｃ）に示すように角型プレートの縁辺部を
エッチングして薄肉部４０ａを形成する。フォトレジス
ト４１を除去した後、図４（ｄ）に示すようにステンレ
スプレート４０及び薄肉部４０ａ上の全面に再びフォト
レジスト４２を形成し、図示していないフォトマスクに
よりステンレスプレート４０を貫通する細孔を形成する
位置のフォトレジスト４２をパターニングして開口部４
３を形成する。次いで、パターニングされたフォトレジ
スト４２を用いてエッチングを施し、図４（ｆ）に示す
ように所定の位置に細孔４４を形成する。このような一
連の製造工程により、たとえば外形寸法□３０〜８ｍ
ｍ、薄肉部幅４〜１ｍｍ、細孔形成部プレート厚０．１
〜０．０２ｍｍ、薄肉部プレート厚０．０１〜０．００
５ｍｍの角型プレート３０が得られる。ここで、角型プ
レート３０の角部のアールは、挿入される蓄冷材充填部
２２ｅ角部のアールに比べて小さく形成される。

【００２１】このようにして図３に示すような縁辺部に
薄肉部３２が形成された角型プレート３０が得られ、蓄
冷材充填部２２ｅへの挿入、充填により、薄肉部３２が
変形して（たわんで）、蓄冷材充填部２２ｅの辺部及び
角部に整合して密着する。そのため、角型プレート３０
の外周（全辺および全角）と蓄冷材充填部２２ｅ内壁と
の間の隙間の形成が防止される。ここで、角型プレート
の角部のアールは蓄冷材充填部の角部のアールより小さ
く形成されているため、蓄冷材充填部２２ｅへの挿入に
際し、薄肉部３２が変形して（たわんで）、アールがよ
り大きい蓄冷材充填部２２ｅの内壁に整合して密着す
る。これに対して仮に角型プレート３０の角部アールが
蓄冷材充填部２２ｅの角部のアールより大きい場合に
は、角型プレート３０の角部が変形しても蓄冷材充填部
２２ｅの内壁に整合して接することはなく、隙間が形成
され、冷媒ガスの抜けが生じ、熱交換効率が悪化する。

【００２２】次に、蓄冷材として適用される角型プレー
ト３０の他の形態を示す実施例を図５を参照して説明す
る。図５（ａ）及び（ｂ）に上述した実施例同様、外形
形状が正方形のステンレスプレートからなる角型プレー
トの例を示す。本実施例においては上述した角型プレー
トの細孔の形状及び配置等のパターンと異なり、隣合う
２辺に平行、かつ連続的に形成された略Ｌ字型の細孔３
１群を有している。このようなパターンの細孔３１群を
有する角型プレート３０を蓄冷材充填部２２ｅに９０度
ずつ回転させて挿入、充填することにより、角型プレー
ト３０間の細孔３１の連続性が向上し、圧力損失の低減
されたガス流路を設定することができる。

【００２３】また、図５（ｃ）には外形形状が六角形の
角型プレート３０の例を示す。本実施例の角型プレート
３０においては、蓄冷材充填部２２ｅへの挿入、充填に
際し、６０度ずつ回転させたガス流路を設定できるた
め、角型プレート３０間の細孔３１の連続性をより向上
させることができ、一層の圧力損失の低減及びガス流路
の設定自由度の向上を図ることができる。

【００２４】図５に示したいずれの実施形態において
も、角型プレート３０の外形形状を視覚的に認識して、
蓄冷材充填部２２ｅへの挿入に際し、所定の回転角度を
視覚的に把握することができるため、ガス流路の設定を
極めて容易に行うことができるとともに、上述した実施
例同様、角型プレート３０の薄肉部３２と蓄冷材充填部
２２ｅの内壁とが隙間を生じることなく整合、密着する
ため、冷媒ガスは本来のプレート積層体２３を通過し、
熱交換効率の向上を図ることができる。

【００２５】なお、上記実施例の説明においては、角型
プレート３０として正多角形形状（正方形、正六角形）
を示したが、本発明の蓄冷器に適用される角型プレート
の外形形状は、回転対称形状を有し、かつ角型プレート
３０の回転角度を視覚的に確認することができる形状で
あればよいため、たとえば平行四辺形、ひし形等の形状
を有していてもよい。また、本発明においては、熱交換
効率を向上させるための条件として、蓄冷材充填部２２
ｅの内壁に対して角型プレート３０の縁辺部が変形して
整合、密着すれば良いため、上記実施例に示したように
薄肉部３２を有する形状に限定されるものではなく、縁
辺部が外部応力に対して容易に変形する構造であれば本
発明の蓄冷器に良好に適用することができる。たとえ
ば、縁辺部に変形性の高い材質を採用した複合構造の角
型プレートとすることもできる。ここで、縁辺部の変形
は、塑性変形あるいは弾性変形の種類を問わないことは
いうまでもない。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、角型プレートの外形形
状（辺あるいは角）を視覚的に捉らえて、蓄冷材充填部
への挿入の際の、各プレートの回転角度を順次ずらすこ
とが可能であるため、所望のガス流路を容易に実現する
ことができる。また、角型プレートの縁辺部に高い変形
性（たとえば薄肉部、高変形性材料を用いた複合構造）
を持たせているため、蓄冷材充填部への挿入、充填に際
して、この縁辺部容易に変形して蓄冷材充填部内壁形状
に整合するため、両者間の隙間の発生を防止して、熱交
換効率の向上を図ることができるとともに、角型プレー
トの挿入押圧力の微細な調整を必要としないため、蓄冷
器の製造工程を簡略化することができる。さらに、角型
プレートの外形形状は四角形、六角形に限らず八角形、
平行四辺形、ひし形等回転対称形であればよく、従来の
ような円型のメッシュプレートに制約されていたケーシ
ングの設計自由度を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例の角型プレートの外観図（その１）で
ある。

【図２】一実施例の角型プレートの外観図（その２）で
ある。

【図３】一実施例の角型プレートを適用した蓄冷器の製
造工程図である。

【図４】一実施例の角型プレートの製造工程図である。

【図５】他の実施例の角型プレートの外観図である。

【図６】逆スターリングサイクル冷凍機の模式図であ
る。

【図７】逆スターリングサイクル冷凍機のピストン軌跡
図である。

【図８】従来のシリンダ装置（膨張シリンダ）の概念的
な断面図である。

【図９】従来のメッシュプレート積層体の製造工程図で
ある。

【図１０】従来の蓄冷器における冷媒ガスの流路の設定
概念図である。

【図１１】従来の蓄冷器の改善策における冷媒ガスの流
路の設定概念図である。

【図１２】プレート形状と熱交換効率の概念説明図であ
る。

【符号の説明】

２０：膨張シリンダ ２１：シリンダ本体 ２２：ピストン ２２ａ：ケーシング ２２ｂ：中実部 ２２ｃ：開口 ２２ｄ：連通路 ２２ｅ：蓄冷材充填部 ２２ｆ：隙間 ２３：プレート積層体 ２４：蓄冷器 ２５：円型メッシュプレート ２５ａ：メッシュ穴 ２６：ガス流路 ２７：角型メッシュプレート ３０：角型プレート ３１、４４：細孔 ３２、４０ａ：薄肉部 ４０：ステンレス基板 ４１、４２：フォトレジスト ４３：開口部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ケーシングの内部に蓄冷材として多数の細
   孔を有するプレートを積層したプレート積層体を実装
   し、該プレート積層体とケーシング内を通過する気体と
   の間で熱交換を行う蓄冷器において、 前記プレート積層体を構成するプレートが、多角形形状
   を有し、かつ該プレートの縁辺部を、外部応力に対して
   高い変形性を有するように形成したことを特徴とする蓄
   冷器。