JP2962286B2 - 蓄冷材および蓄冷型冷凍機 - Google Patents

蓄冷材および蓄冷型冷凍機

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弘之 森下
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、極低温冷凍機に
使用される蓄冷材およびこの蓄冷材を用いた蓄冷型冷凍
機に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、多段式のギフォード・マクマホン
型冷凍機においては、4Kより低い温度を得る最終段の
ディスプレーサとして、図3に示すようなものがある。
【0003】この最終段のディスプレーサ1は、前段の
シリンダ2側の端部1aは40K程度の高温を呈する一
方、終端部1bは4K程度の低温を呈する。そこで、デ
ィスプレーサ1内に充填する蓄冷材の種類を、ディスプ
レーサ1の温度に応じて次のように変えている。
【0004】すなわち、上記ディスプレーサ1における
15K以上の温度領域(以下、初層と言う)1eには、蓄
冷材として、15K以上の温度において、エルビウムコ
バルト(Er3Co),エルビウム3ニッケル(Er3Ni)及び
ホロミウム銅(HoCu2)等の希土類の化合物よりも高い
比熱を有する鉛(Pb)の球3を充填している。さらに、
10K〜15Kの温度領域(以下、中間層と言う)1dに
は、蓄冷材として、10K〜15Kの温度において、鉛
(Pb)よりも高い比熱を有するエルビウム3ニッケル(E
r3Ni),エルビウムコバルト(Er3Co)またはネオジウム
(Nd)の球5を充填している。さらに、10K以下の温
度領域(以下、最終層と言う)1cには、蓄冷材として、
10K以下の温度において、エルビウムコバルト(Er3
Co),エルビウム3ニッケル(Er3Ni)及び鉛(Pb)より
も高い比熱を呈するホロミウム銅(HoCu2)を充填して
いる。
【0005】このように、従来の15K以下の極低温領
域においては、蓄冷材として希土類の化合物を用いてい
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の多段式の冷凍機における最終段のディスプレーサ1
に充填されている希土類の化合物は、蓄冷材としてはコ
ストが高いという問題がある。また、上記希土類または
希土類の化合物は、脆い性質を有している。したがっ
て、表面に凹凸があると欠けたり割れたりし易く、真球
に形成する必要がある。ところが、希土類は融点が高い
ために球(粒)状に形成するのが容易ではなく歩留まりが
悪く、さらにコストアップになるという問題がある。
【0007】そこで、この発明の目的は、4Kより低い
温度を得ることができる安価な蓄冷材、および、この蓄
冷材を用いた蓄冷型冷凍機を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1に係る発明の蓄冷材は、熱伝導性高分子膜
で形成されたカプセルと、上記カプセル内に充填された
ヘリウムガス(He)を備えたことを特徴としている。
【0009】上記構成によれば、10K以下の低温度領
域においては、希土類の化合物中でも高い比熱を有する
ホロミウム銅(HoCu2)よりも更に高い比熱を有する安
価なヘリウムガス(He)が蓄冷材として使用されて、4
K以下の極低温度を呈する蓄冷器が容易に且つ安価に得
られる。
【0010】また、請求項2に係る発明の蓄冷型冷凍機
は、請求項1に係る発明の蓄冷材を蓄冷器に充填したこ
とを特徴としている。
【0011】上記構成によれば、希土類の化合物よりも
高い比熱を有する安価な蓄冷材が蓄冷器内に充填され
て、4K以下の極低温度を呈する蓄冷型冷凍機が容易に
且つ安価に得られる。
【0012】
【0013】
【0014】
【発明の実施の形態】以下、この発明を図示の実施の形
態により詳細に説明する。図1は、本実施の形態の蓄冷
材における充填構造を示す図である。2段式のギフォー
ド・マクマホン型冷凍機の第1シリンダ11に連通する
第2シリンダ12内に封入された第2ディスプレーサ1
3は、第1シリンダ11側の端部13aは40K程度の
高温を呈する一方、終端部13bは4K程度の低温を呈
する。
【0015】そこで、本実施の形態において、図3に示
す従来の冷凍機の場合と同様に、第2ディスプレーサ1
3内に充填する蓄冷材の種類を第2ディスプレーサ13
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13の冷凍能力を高めて第2ディスプレーサ1
3の軽量コンパクト化を図るようにしている。
【0016】すなわち、上記第2ディスプレーサ13に
おける15K以上となる初層13eには、蓄冷材とし
て、図3に示す冷凍機の場合と同様に、鉛(Pb)の球1
6を充填する。さらに、第2ディスプレーサ13におけ
る10〜15Kとなる中間層13dには、蓄冷材とし
て、図3に示す冷凍機の場合と同様に、エルビウム3ニ
ッケル(Er3Ni),エルビウムコバルト(Er3Co)あるい
はネオジウム(Nd)の球15を充填する。
【0017】図2は、0K〜30Kの極低温範囲におけ
るホロミウム銅(HoCu2)とヘリウムガス(10気圧)(H
e)の比熱特性を示す。図2において、10K以下の低温
度領域においては、ヘリウムガス(He)がホロミウム銅
(HoCu2)よりも高い比熱を呈している。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13における10K以下となる最終層13cに
は、蓄冷材として、冷媒ガスとして用いられるヘリウム
ガス(He)を充填するのである。
【0018】ところで、上記ヘリウムガス(He)を蓄冷
材として第2ディスプレーサ13の最終層13cに充填
しておくには、蓄冷材としてのヘリウムガス(He)を冷
媒ガスが通過する最終層13cに保持しておく必要があ
る。そこで、本実施の形態においては、以下のような工
夫を凝らしている。
【0019】すなわち、本実施の形態においては、上記
ヘリウムガス(He)を熱伝導性高分子膜で形成された球
状のカプセル14内に充填して、第2ディスプレーサ1
3の最終層13cに保持しておくのである。このよう
に、カプセル14を球状に形成することによって、第2
ディスプレーサ13の最終層13cに対するカプセル1
4の充填密度を高くし、延いては保持されるヘリウムガ
ス(He)の量を多くできるのである。また、カプセル1
4を球状にすることによってヘリウムガス(He)と冷媒
との熱交換面積が大きくなり、効率のよい熱交換を行う
ことができる。
【0020】このように、本実施の形態においては、従
来、多段式のギフォード・マクマホン型冷凍機の4Kの
極低温度を得る最終段のディスプレーサ13に充填され
る希土類化合物のホロミウム銅(HoCu2)に変えて、1
0K以下の低温度領域においてホロミウム銅(HoCu2)
よりも高い比熱を呈するヘリウムガス(He)を蓄冷材と
して使用する。その場合に、上記ヘリウムガス(He)を
熱伝導性高分子膜で形成された球状のカプセル14内に
充填して第2ディスプレーサ13の最終層13cに充填
している。こうして、希土類あるいは希土類の化合物よ
りも加工性が良くて低コストの高分子膜とヘリウムガス
(He)とを蓄冷材として用いることによって、安価な蓄
冷材で4K以下の低温を得ることができる。さらに、ガ
スを蓄冷材として使用するので、ディスプレーサ13の
重量を低減できる。
【0021】また、上記カプセル14は球状に形成され
ている。したがって、最終層13cへのカプセル14の
充填密度を高めて、ヘリウムガス(He)の保持量を多く
できる。さらに、冷媒との熱交換面積を大きくして、効
率のよい熱交換を行うことができる。
【0022】尚、上記実施の形態においては、上記カプ
セル14を高分子膜で形成しているが、ガラスや金属で
形成しても構わない。要は、熱伝導性の良い材料であれ
ばよいのである。また、上記実施の形態においては、こ
の発明を2段式のギフォード・マクマホン型冷凍機に適
用した場合を例に説明しているが、パルス管式クライオ
冷凍機にも適用可能である。
【0023】
【発明の効果】以上より明らかなように、請求項1に係
る発明の蓄冷材は、熱伝導性高分子膜で形成されたカプ
セル内にヘリウムガス(He)を充填して構成されるの
で、10K以下の低温度領域においては希土類の化合物
よりも高い比熱を有すると共に、希土類の化合物よりも
安価である。したがって、この発明によれば、4K以下
の極低温度を呈する蓄冷器を容易に且つ安価に得ること
ができる。さらに、ガスを蓄冷材として使用するので蓄
冷器の重量を低減できる。
【0024】また、請求項2に係る発明の蓄冷型冷凍機
は、請求項1に係る発明の蓄冷材を蓄冷器充填したの
で、希土類の化合物よりも高い比熱を有する安価な蓄冷
材が上記蓄冷器内に充填されて、4K以下の極低温度を
呈する蓄冷型冷凍機を容易に且つ安価に得ることができ
る。
【0025】
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の蓄冷材の充填構造を示す図である。
【図2】0K〜30Kの極低温範囲におけるホロミウム
銅(HoCu2)およびヘリウムガス(He)の比熱特性を示す
図である。
【図3】従来の蓄冷型冷凍機の最終段のディスプレーサ
に充填される蓄冷材の充填構造を示す図である。
【符号の説明】
11…第1シリンダ、 12…第2シリ
ンダ、13…第2ディスプレーサ、 13c…
最終層、13d…中間層、 13e
…初層、14…カプセル。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F25B 9/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 熱伝導性高分子膜で形成されたカプセル
    と、 上記カプセル内に充填されたヘリウムガスを備えたこと
    を特徴とする蓄冷材。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の蓄冷材を蓄冷器に充填
    したことを特徴とする蓄冷型冷凍機。
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