WO1997031227A1

WO1997031227A1 - Regenerateur et refrigerateur cryogenique muni d'un regenerateur

Info

Publication number: WO1997031227A1
Application number: PCT/JP1996/003756
Authority: WO
Inventors: Hiroyuki Morishita; Hirotoshi Torii
Original assignee: Daikin Industries, Ltd.
Priority date: 1996-02-21
Filing date: 1996-12-24
Publication date: 1997-08-28
Also published as: JPH09229501A; EP0825394A1; US5983645A; JP3293446B2; EP0825394A4

Description

明細害蓄冷器及びこの蓄冷器を有するクライォ冷凍機技術分野

この発明は、高圧冷媒ガスの導入とその膨張とを繰り返して得た極低温を蓄える蓄冷器、及び、この蓄冷器を有するクライオ冷凍機に関する。

背景技術

高圧冷媒ガスの導入とその膨張とを繰り返して極低温を得るクライオ冷凍機として、図 6に示すようなものがある。このクライオ冷凍機の蓄冷器には、エルビウム 3ニッケル（E r₃Ni)等の磁性蓄冷材が使用されている。図 6は、上記クライオ冷凍機の断面図である。

このクライォ冷凍機は、内部に蓄冷材を収納した第 1室を有して第 1シリンダ 1内に封入された第 1ディスプレーサ 3と、第 1室に連通されると共に蓄冷材を収納した第 2室を有して第 2シリンダ 5内に封入された第 2 ディスプレーサ 7を備えている。そして、上記第 1ディスプレーサ 3の第 1室は、バルブステム 9およびバルブ 1 0を介して、導入口 1 1を有する高圧室 1 2あるいは排出口 1 3を有する低圧室 1 4に切り替え連通される。上記第 1室から高圧室 1 2あるいは低圧室 1 4への連通路の切り替えは、シンクロナスモータ 1 5でバルブ 1 0を回転させることによって行われる c 上記構成を有するクライォ冷凍機は次のように動作する。

図 6において、圧縮機 (図示せず)等から供給された高圧の冷媒ガスは、上記導入ロ1 1からバルブ 1 0およびバルブステム 9を介して第 1ディスプレーサ 3の第 1室内に導かれ、第 1室内の蓄冷材と冷熱交換を行って冷却される（第 1ステージ）。こうして冷却された冷媒ガスは更に第 2ディスプレーサ 7内の第 2室に導かれ、第 2室内の蓄冷材と冷熱交換を行って更に冷却される（第 2ステージ）。

そうした後、上記シンクロナスモータ 1 5によってバルブ 1 0が回転され、第 1室が低圧室 1 4に連通される。そうすると、上記第 1室および第 2室内に導入されている高圧の冷媒ガスが一気に膨張されてガス温度が低下する。こうして、冷媒ガスの膨張によって得られた冷熱は蓄冷材に蓄積される。

上述のように、上記第 1室及び第 2室への高圧冷媒ガスの導入とその膨張とを繰り返して（すなわち、冷凍サイクルを繰り返して）超低温が得られるのである。

図 6に示すような構造を有するクライオ冷凍機においては、通常、第 2 ディスプレーサ 7における蓄冷効率を高めるために、図 7に示すように、第 2室 6における高温側には蓄冷材として鉛（P b)球 1 6を充填する一方、低温側にはエルビウム 3ニッケル（Er₃Ni)球 1 7を充填している。

このように、従来のクライオ冷凍機においては、上記第 2室 6における高温側には鉛（P b)球 1 6を充填する一方、低温側にはエルビウム 3ニッゲル（E r₃Ni)球 1 7を充填することによって、高い蓄冷効率を得ている。近年、上述のようなクライオ冷凍機の適用範囲が広まってきており、それに連れて、さらに冷凍能力が高く、小型で軽鲞なクライオ冷凍機の出現が望まれている。

発明の開示

この発明の目的は、冷凍能力の高い蓄冷器、及び、冷凍能力高い蓄冷器を有する軽量コンパク卜なクライオ冷凍機を提供することにある。

上記目的を達成するため、この発明の蓄冷器は、ホロミゥム銅（HoC u₂) を有する蓄冷材が充填されると共に、 1 0 K以下の温度領域である最終層と、 1 O Kより高い温度においてホロミゥム銅（HoCu₂)よりも高い比熱を呈する蓄冷材が充填されると共に、 1 0 Kより高い温度領域である高温層とを備えることを特徴としている。

本蓄冷器の最終層には、 1 0 K以下の温度領域においてエルビウム 3ニッゲル（E r₃Ni)よりも高い比熱を呈するホロミゥム鋦（HoCu₂)を有する蓄冷材が充填されている。一方、高温層には、 1 0 Kより高温度領域においてホロミゥム銅（HoCu₂)よりも高い比熱を呈する蓄冷材が充填されている。こうして、各温度領域に応じて最も高い比熱を呈する蓄冷材を充填することによって、蓄冷器の冷凍能力が高められる。

また、一実施例では、上記高温層は高温領域の初雇と低温領域の中間層とを有し、上記初層には鉛（ P b)または P b合金を有する蓄冷材を充填し、上記中間層には、その中間層に該当する温度範囲において、ホロミゥム銅 (HoCu₂)よりも高く且つ鉛（Pb)よりも低い比熱を呈する蓄冷材を充填したことを特徴としている。

この構成においては、 1 0 Kより高い温度を呈する高温領域を初層と中間雇とに分け、夫々の層には該当する温度範囲に応じて最も高い比熱を呈する蓄冷材が充填されているので、蓄冷器の冷凍能力が更に高められる。また、一実施例においては、上記高温雇の中間層には、その中間雇に該当する温度範囲において、ホロミゥム鋦（HoCu₂)よりも高く且つ鉛（Pb) よりも低い比熱を呈する複数蓄冷材の混合物を充填したことを特徴としている。

この構成においては、上記中間層には、上記最終層に充填されたホロミゥム銅（HoC u₂)よりも高く且つ上記初層に充填された鉛（P b)よりも低い比熱を呈する複数蓄冷材の混合物が充填されている。したがって、冷凍サィクル中に生ずる温度の振れが吸収される。また、一実施例においては、上記高温層の中間層には、エルビウム 3ニッゲル（ E r₃ Ni),エルビゥムコバルト（ E r₃ C 0)またはネオジゥム（Nd)を充填したことを特徴としている。

この構成においては、上記中間層には、この中間層に該当する温度範囲において、ホロミゥ厶銅（HoCu₂)よりも高く且つ鉛（P b)よりも低い比熱を呈する蓄冷材として、エルビウム 3ニッケル（Er₃Ni),エルビウムコバルト（Er₃ Co)あるいはネオジゥム（Nd)が充填されて、上記中間層の冷凍能力が高められる。

また、一実施例においては、上記高温層の中間層には、鉛（P b)とエルビゥム 3ニッケル（E r₃ Ni)との混合物、または、鉛（P b)とエルビウムコバルト（E r₃ Co)との混合物を充填したことを特徴としている。

この構成においては、上記中間層には、この中間層に該当する温度範囲において、ホロミゥム錮（HoCu₂)よりも高く且つ上記初層に充填された鉛（P b)よりも低い比熱を呈する複数蓄冷材の混合物として、鉛（Pb)とェルビゥム 3ニッケル（E r₃Ni)との混合物、或いは、鉛（P b)とエルビウムコバルト（Er₃ Co)との混合物が充填されている。したがって、高温端部の温度が 4 0 K以上と高い場合に、冷凍サイクル中に上記中間雇に生ずる温度の振れが効果的に吸収される。

また、一実施例においては、上記高温層を成す中間層には、エルビウムコノ、 'ノレト（Er₃ Co) またはホロミゥム 2アルミニウム（Ηο₂Α1)と、エルビゥム 3ニッゲル（Er₃Ni)，ホロミゥム銅（HoC u₂),エルピウムニッゲル ( ErNi)またはエルビウムニッケル合金（ErNi Co)の何れか一つとの混合物を、充填したことを特徴としている。

この構成においては、上記中間雇には、この中間層に該当する温度範囲において、ホロミゥム鋦（HoC u₂)よりも高く且つ上記初層に充填された鉛（P b)よりも低い比熱を呈する複数蓄冷材の混合物として、エルビウムコノくノレト（E r₃ Co)あるいはホロミゥム 2アルミニウム（Ηο₂ Α 1)と、エルビゥム 3ニッケル（E r₃Ni)，ホロミゥム銅（HoC u₂),エルビウムニッケル (E rNi)あるいはエルビウムニッケル合金（ErNi Co)の何れか一つとの混合物が、充填されている。したがって、高温端部の温度が 2 0 K〜4 0 Κと低い場合に、冷凍サイクル中に上記中間層に生ずる温度の振れが効果的に吸収される。

また、この発明のクライオ冷凍機は、第 1シリンダ内に挿入されて第 1 室の内部に蓄冷材を収納した第 1ディスプレーザと、第 2シリンダ内部に挿入されて第 2室の内部に蓄冷材を収納した第 2ディスプレーサを有して、上記第 1ディスプレーサに第 2ディスプレーサを連結すると共に、上記第 1室を第 2室に連通させる一方、冷媒ガスを上記第 1室から第 2室に導き、この冷媒ガスと上記第 1 ,第 2室の蓄冷材との冷熱交換を行うクライオ冷凍機において、上記第 2室は、 1 0 Κ以下の温度領域である最終層と、 1 0 Κより高く且つ所定温度以下の温度領域である中間雇と、上記所定温度より高い初雇との 3層を有し、上記最終層には HoCu₂を蓄冷材として充填し、上記中間層には Er₃Niを蓄冷材として充填し、上記初層には Pbを蓄冷材として充填したことを特徴としている。

この構成においては、上記第 2室の初雇，中間層および最終雇において、各層の温度領域で最も高い比熱を呈する蓄冷材によつて効率良く蓄冷でき、上記第 2室の冷凍能力が高められる。したがって、本クライオ冷凍機の蓄冷材の量を減らして、軽量コンパクト化を図ることができる。

図面の簡単な説明

図 1は、この発明の蓄冷器における蓄冷材充填構造の一例を示す図。図 2は、極低温度範囲における種々蓄冷材の比熱特性を示す図。図 3は、冷凍サイクル中における中間層に発生する温度の振れの説明図。図 4は、図 1とは異なる蓄冷材充填構造を示す図。

図 5は、図 1および図 4とは異なる蓄冷材充填構造を示す図。

図 6は、この発明の蓄冷器が使用されるクライォ冷凍機の一例を示す図。図 7は、従来の蓄冷材充填構造を示す図。

発明を実施するための最良の形態

図 1は、この発明の一実施形態の蓄冷器における蓄冷材の充填構造を示す図である。クライオ冷凍機の第 1シリンダ 3 1に連通する第 2シリンダ 3 2内に封入された第 2ディスプレーサ 3 3は、第 1シリンダ 3 1側の端部 3 3 aは 4 0 K程度の高温を呈する一方、終端部 3 3 bは 4 K程度の低温を呈する。尚、 4 2は、冷却へッドとして使用される低温端部である。そこで、本実施の形態においては、蓄冷器としての第 2ディスプレーサ 3 3内に充填する蓄冷材の種類を第 2ディスプレーサ 3 3の温度に応じて最適に変えることによって、第 2ディスプレーサ 3 3の冷凍能力を高めて第 2ディスプレーサ 3 3の軽量コンパク卜化を図るのである。

図 2は、 0〜4 0 Kの極低温範囲における種々蓄冷材の比熱特性を示す。図 2において、温度が 1 0 K以下の領域と 1 0 Kより高温の領域とでは、各蓄冷材の特性が異なる。特に、ホロミゥム銅（HoCu₂)は、 1 0 Kより高い温度領域においてはエルビウムコバルト（ E r ₃ C 0) ,エルビウム 3ニッゲル（Er₃Ni).ホロミゥム 2アルミニウム（Ηο₂Α1)および鉛（Pb)よりも低い比熱を呈するが、 1 0 K以下の低温度領域においてはエルビウムコバルト（E r₃ Co),エルビウム 3ニッケル（Er₃Ni)および鉛（Pb)よりも高い比熱を呈する。

そこで、本実施の形態においては、図 1に示すように、第 2ディスプレーサ 3 3における 1 0 K以下の温度領域（以下、最終層と言う） 3 3 cには、蓄冷材としてホロミゥム鋦（HoCu₂)の球 34を充填するのである。

また、図 2に示すように、 10~15Kの温度領域においては、ェルビゥムコバノレト（Er₃ Co)及びエルビウム 3ニッケル（Er₃Ni)の方がホロミゥム銅（HoCu₂)および鉛（Pb)よりも高い比熱を有する。一方、 15K以上の温度領域においては、鉛（Pb)の方がエルビウムコバルト（Er₃Co), エルビウム 3ニッケル（Er₃Ni)およびホロミゥム銅（HoCu₂)よりも高い比熱を有する。

そこで、図 1に示すように、第 2ディスプレーサ 33における 10〜1 5Kの温度領域 (以下、中間雇と言う） 33dには、蓄冷材としてエルビゥム 3ニッケゾレ（Er₃Ni),エルビウムコバルト（Er₃ Co)あるいは同等の比熱を有するネオジゥム（Nd)の球 35を充填する。さらに、第 2ディスプレーサ 33における 15K以上の温度領域 (以下、初層と言う） 33eには、蓄冷材として鉛（Pb)の球 36を充填するのである。

このように、本実施の形態においては、第 2ディスプレーサ 33における 10K以下， 10〜15Kおよび 15 K以上の各温度領域に応じて最も高い比熱を呈する蓄冷材を充填するようにしている。特に、 10K以下となる最終層 33cにはエルビウム 3ニッケル（Er₃Ni)よりも高い比熱を呈するホロミゥ厶銅（HoCu₂)の球 34を充填している。

したがって、従来のように、第 2ディスプレーザにおける低温側にエルビゥム 3ニッケル（Er₃Ni)球を充填する場合に比して、第 2ディスプレーサ 33の冷凍能力を高めることができ、延いては蓄冷材の量を減らすことによって第 2ディスプレーサ 33の軽量コンパク卜化を図ることができるのでる。

ところで、上述の如く、第 2ディスプレーサ 33における中間層 33d に、ネオジゥム（Nd)，エルビウム 3ニッゲル（Er₃Ni)あるいはエルピウムコバルト（Er₃ Co)の 1種類の希土類金属を充填した場合には、図 3に示すように、高圧冷媒ガスの導入とその膨張とから成る冷凍サイクルを繰り返した場合に温度の振れ (実線と破線）が生ずる。

そこで、このような第 2ディスプレーサ 33の中間層 33dにおける温度の振れを防止するために、図 4および図 5に示すように、中間層 33d に充填する蓄冷材を複数の希土類金属の混合物とするのである。

図 4は、高温端部 41の温度が 40K以上と高い場合の例であり、第 2 ディスプレーサ 33の最終層 33cおよび初層 33eには、図 1に示す例と同様にホロミゥム銅（HoCu₂)の球 34および鉛（Pb)の球 36を充填する。 —方、中間層 33dには、鉛（Pb)の球 37とエルビウム 3ニッケル（Er₃ Ni)あるいはエルビウムコバルト（Er₃Co)の球 38とを混合して充填している。

図 5は、高温端部 41の温度が 20K〜40Kと低い場合の例であり、第 2ディスプレーサ 33の最終層 33cおよび初層 33eには、図 1に示す例と同様にホロミゥム銅（HoCu₂)の球 34および鉛（Pb)の球 36を充填する。一方、中間層 33dには、エルビウムコバルト（Er₃Co)あるいはェルビゥムコバルト（Er₃Co)と同様の比熱特性を呈するホロミゥム 2アルミニゥ厶（Ηο₂Α1) (図 2参照）の球 39とエルビウム 3ニッケル（Er₃Ni) ，ホロミゥム銅（HoCu₂)，エルビウムニッケル（ErNi)あるいはエルビゥムニッケル合金（ErNi Co)の球 40とを混合して充填している。

図 4あるいは図 5に示すように、比熱特性が多少異なる複数の希土類金厲を混合して成る蓄冷材を第 2ディスプレーサ 33の中間層 33dに充填することによって、上記冷凍サイクルを繰り返した場合に生ずる温度の振れが吸収される。したがって、高く且つ安定した第 2ディスプレーサ 33 の冷凍能力を得ることができるのである。尚、上記第 2ディスプレーサ 3 3の中間層 3 3 dに充填する希土類金属の混合物は図 4または図 5に限定されるものではなく、必要とする冷凍能力に応じて、最終層 3 3 cに充填されるホロミゥム銅（Ho C u₂)よりも高い比熱を呈する範囲内で適宜に設定すればよい。

また、上記実施の形態においては、この発明の蓄冷器をクライオ冷凍機における第 2ディスプレーサとして説明している。しかしながら、この発明はこれに限定されるものではなく、スターリング冷凍機のディスプレーサであっても何ら差し支えない。

産業上の利用可能性

この発明の蓄冷器は、高圧冷媒ガスの導入とその膨張とを繰り返して得た極低温を蓄える際に利用されて、高い冷凍能力を提供する。また、この蓄冷器をクライオ冷凍能力に利用することによって、小型で軽量な極低温を実現する。

Claims

請求の範囲

1. HoCu₂(34)を有する蓄冷材が充填されると共に、 10K以下の温度領域である最終層（33c)と、

10 Kより高い温度において HoCu₂よりも高い比熱を呈する蓄冷材が充填されると共に、 10Kより高い温度領域である高温層とを備えることを特徴とする蓄冷器。

2. 請求項 1に記載の蓄冷器において、

上記高温層は、高温領域の初層（33e)と低温領域の中間層（33d)とを有し、

上記初層（33e)には、 Pb(36)または Pb合金を有する蓄冷材を充填し、

上記中間層（33d)には、その中間層（33d)に該当する温度範囲において、 HoCu₂よりも高く且つ Pbよりも低い比熱を呈する蓄冷材を充填したことを特徴とする蓄冷器。

3. 請求項 2に記載の蓄冷器において、

上記中間層（33d)には、その中間層（33d)に該当する温度範囲において、 HoCu₂よりも高く且つ Pbよりも低い比熱を呈する複数蓄冷材の混合物を充填したことを特徴とする蓄冷器。

4. 請求項 2に記載の蓄冷器において、

上記中間層（33d)には、 Er₃Ni， Er₃ Coまたは Ndを充填したことを特徴とする蓄冷器。

5. 請求項 3に記載の蓄冷器において、

上記中間層（33めには、 Pbと Er₃Niとの混合物，または， Pbと Er₃ Coとの混合物を充填したことを特徴とする蓄冷器。

6. 請求項 3に記載の蓄冷器において、

上記中間層（33めには、 Er₃Coまたは Ηο₂Α1と、 Er₃Ni, HoCu₂， ErNiまたは ErNiCoとの混合物を、充填したことを特徴とする蓄冷器。

7.第 1シリンダ（1)内に挿入されて第 1室の内部に蓄冷材を収納した第 1ディスプレーサ（3)と、第 2シリンダ（5)内部に挿入されて第 2室の内部に蓄冷材を収納した第 2ディスプレーサ（7)を有して、上記第 1ディスブレーサ（3)に第 2ディスプレーサ（7)を連結すると共に、上記第 1室を第 2室に連通させる一方、冷媒ガスを上記第 1室から第 2室に導き、この冷媒ガスと上記第 1 ,第 2室の蓄冷材との冷熱交換を行うクライォ冷凍機において、

上記第 2室は、 10K以下の温度領域である最終層（33c)と、 10K より高く且つ所定温度以下の温度領域である中間層（33d)と、上記所定温度より高い初層（33e)との 3層を有し、

上記最終層（33c)には HoCu₂(34)を蓄冷材として充填し、上記中間層（33d)には Er₃Niを蓄冷材として充填し、

上記初層（33e)には Pb(36)を蓄冷材として充填したことを特徴とするクライオ冷凍機。