JP6284794B2

JP6284794B2 - 蓄冷器

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Publication number: JP6284794B2
Application number: JP2014055903A
Authority: JP
Inventors: 卓弥島田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2014-03-19
Filing date: 2014-03-19
Publication date: 2018-02-28
Anticipated expiration: 2034-03-19
Also published as: CN104930742B; CN104930742A; JP2015178916A

Description

本発明は、圧縮装置から供給される高圧の冷媒ガスのサイモン膨張により発生した寒冷を蓄積する蓄冷器に関する。

極低温を発生する冷凍機としてギフォードマクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機が知られている。ＧＭ冷凍機は、シリンダ内でディスプレーサを往復移動することにより、膨張空間の体積を変化させる。この体積変化に対応して膨張空間と圧縮機の吐出側と吸気側とを選択的に接続することで、冷媒ガスが膨張空間で膨張する。膨張空間で発生した冷媒ガスの寒冷は、蓄冷器にて蓄積されながら冷却ステージに伝達されて所望の極低温に到達して、冷却ステージに接続された冷却対象を冷却する（特許文献１参照）。

特開平７−３２４８３２号公報

蓄冷器には蓄冷材が用いられる。冷媒ガスは蓄冷材が充填された蓄冷器の中を流れるときに、蓄冷材との間で熱交換をする。ここで、蓄冷器に充填される蓄冷材は、蓄冷器を流れる冷媒ガスの流速が、蓄冷機内の位置によらず一様であることを前提に設計される。しかしながら、例えば蓄冷器の内壁の流路抵抗の影響により、蓄冷器中を冷媒ガスが流れるとき、蓄冷器中の内壁付近を流れる冷媒ガスの流速と、蓄冷器の中心部を流れる冷媒ガスの流速とが異なってくることがある。この場合、蓄冷材の設計の前提がくずれ、蓄冷器の効率が低下する。

本発明は、極低温冷凍機における蓄冷器の効率を向上させる技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の蓄冷器は、冷媒ガスの膨張により生じた寒冷を蓄積する蓄冷材と、蓄冷材を収容し、冷媒ガスが流通する筒状の容器と、容器に収容され、容器の軸方向の厚さが一様な挿入部材とを備える。挿入部材は、冷媒ガスの流路となる開口部が少なくとも外周部に設けられており、挿入部材全体の開口率が、挿入部材の中心部の開口率よりも大きい。

本発明によれば、極低温冷凍機における蓄冷器の効率を向上することができる。

実施の形態に係る蓄冷器式冷凍機の一例を模式的に示す図である。実施の形態に係る第２蓄冷器を流れる冷媒ガスの流速分布を説明するための模式図である。実施の形態に係る挿入部材の形状を模式的に示す図である。図４（ａ）−（ｂ）は、実施の形態に係る挿入部材の開口率を説明する図である。図５（ａ）−（ｂ）は、実施の形態に係る挿入部材の別の形状を模式的に示す図である。実施の形態に係る挿入部材のさらに別の形状を模式的に示す図である。図７（ａ）−（ｂ）は、実施の形態に係る挿入部材の外周部における円周方向の開口率の変化を説明する図である。図８（ａ）−（ｂ）は、実施の形態に係る挿入部材の開口率の変化を示す概念図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら説明する。

図１は、実施の形態に係る蓄冷器式冷凍機１の一例を模式的に示す図である。実施の形態に係る蓄冷器式冷凍機１は、例えば冷媒ガスとしてヘリウムガスを用いるギフォードマクマホン（ＧＭ）タイプの極低温冷凍機である。図１に示すように、蓄冷器式冷凍機１は、第１ディスプレーサ２と、第１ディスプレーサ２に長手方向に連結される第２ディスプレーサ３を備える。第１ディスプレーサ２と第２ディスプレーサ３とは、例えば、ピン４、コネクタ５、ピン６を介して接続される。

第１シリンダ７と第２シリンダ８とは一体に形成されており、それぞれ高温端と低温端とを備える。第１シリンダ７の低温端と第２シリンダ８の高温端とが第１シリンダ７の底部にて接続されている。第２シリンダ８は第１シリンダ７と同一の軸方向に延在する形態にて形成されており、第１シリンダ７よりも小径の筒状の部材である。第１シリンダ７は第１ディスプレーサ２を長手方向に往復移動可能に収容する筒状の容器である。また第２シリンダ８は第２ディスプレーサ３を長手方向に往復移動可能に収容する筒状の容器である。

第１シリンダ７、第２シリンダ８には、強度、熱伝導率、ヘリウム遮断能などを考慮して、例えばステンレス鋼が用いられる。第２ディスプレーサ３の外周部は、ステンレス鋼などの金属製の筒である。第２ディスプレーサ３の外周面上には、フッ素樹脂などの耐摩耗性樹脂の皮膜を形成してもよい。

第１シリンダ７の高温端には、第１ディスプレーサ２および第２ディスプレーサ３を往復駆動するスコッチヨーク機構（図示せず）が設けられている。第１ディスプレーサ２、第２ディスプレーサ３は、それぞれ第１シリンダ７、第２シリンダ８にそって往復移動する。第１ディスプレーサ２および第２ディスプレーサ３は、それぞれ高温端と低温端とを備える。

第１ディスプレーサ２は円筒状の外周面を有する容器である。第１ディスプレーサ２には、比重、強度、熱伝導率などの観点から、例えば布入りフェノール樹脂等が用いられる。第１ディスプレーサ２の内部には、例えばメッシュ状に加工された金属（金網）を積層した第１蓄冷材が充填されている。第１ディスプレーサ２の内部容積は第１蓄冷器９として機能する。第１蓄冷器９の上部には整流器１０が、下部には整流器１１が設置される。第１ディスプレーサ２の高温端には、室温室１２から第１ディスプレーサ２に冷媒ガスを流通する第１開口１３が形成されている。

室温室１２は、第１シリンダ７と第１ディスプレーサ２の高温端により形成される空間である。室温室１２は、第１ディスプレーサ２の往復移動に伴い容積が変化する。室温室１２には、圧縮機１４、サプライバルブ１５、リターンバルブ１６からなる吸排気系統を相互に接続する配管のうち、給排共通配管が接続されている。また、第１ディスプレーサ２の高温端よりの部分と第１シリンダ７との間にはシール１７が装着されている。

第１ディスプレーサ２の低温端には、第１膨張空間１８に第１クリアランスＣ１を介して冷媒ガスを導入する第２開口１９が形成されている。第１膨張空間１８は、第１シリンダ７と第１ディスプレーサ２により形成される空間である。第１膨張空間１８は、第１ディスプレーサ２の往復移動に伴い容積が変化する。第１シリンダ７の外周のうち、第１膨張空間１８に対応する位置には、図示しない冷却対象物に熱的に接続された第１冷却ステージ２０が配置されている。第１冷却ステージ２０は、第１クリアランスＣ１を通る冷媒ガスにより冷却される。

第２ディスプレーサ３は円筒状の外周面を有している。第２ディスプレーサ３の内部は、上端の整流器２１、下端の整流器２２、上下中間に位置する仕切部材２３を挟んで軸方向に二段に分かれている。第２ディスプレーサ３の内部容積のうち、仕切部材２３よりも高温側の高温側領域２４には、例えば鉛やビスマスなどの非磁性材からなる第２蓄冷材が充填される。仕切部材２３の低温（下段）側の低温側領域２５には、高温側領域２４とは異なる蓄冷材、例えばＨｏＣｕ_２などの磁性材からなる第３蓄冷材が充填される。鉛やビスマス、ＨｏＣｕ_２等は球状に形成されており、複数の球状の形成物が集まって蓄冷材が構成されている。仕切部材２３は、高温側領域２４の蓄冷材と低温側領域２５の蓄冷材とが混合するのを防止するために、第２蓄冷材と第３蓄冷材とが通過することを規制するフィルタ（不図示）を備えている。この第２ディスプレーサ３の内部容積である高温側領域２４と低温側領域２５とが第２蓄冷器３４として機能する。第１膨張空間１８と第２ディスプレーサ３の高温端とは、コネクタ５周りの連通路で連通されている。この連通路を介して第１膨張空間１８から第２蓄冷器３４に冷媒ガスが流通する。

第２ディスプレーサ３の低温端には、第２膨張空間２６に第２クリアランスＣ２を介して冷媒ガスを流通させるための第３開口２７が形成されている。第２膨張空間２６は、第２シリンダ８と第２ディスプレーサ３により形成される空間である。第２膨張空間２６は、第２ディスプレーサ３の往復移動に伴い容積が変化する。第２クリアランスＣ２は、第２シリンダ８の低温端と第２ディスプレーサ３により形成される。

第２シリンダ８の外周の第２膨張空間２６に対応する位置には、冷却対象物に熱的に接続された第２冷却ステージ２８が配置されている。第２冷却ステージ２８は、第２クリアランスＣ２を通る冷媒ガスにより冷却される。

第１ディスプレーサ２および第２ディスプレーサ３は、それぞれ低温端に蓋部２９および蓋部３０を備えてもよい。蓋部２９および蓋部３０は、ディスプレーサ本体との接合の観点から、二段状の円柱形状を有している。蓋部２９は圧入ピン３１により第１ディスプレーサ２に固定され、蓋部３０は圧入ピン３２により第２ディスプレーサ３に固定される。

第２蓄冷器３４は、高温側領域２４を流れる冷媒ガスの流速分布を調整する第１挿入部材３５ａ、および低温側領域２５を流れる冷媒ガスの流速分布を調整する第２挿入部材３５ｂを備える。以下、第１挿入部材３５ａおよび第２挿入部材３５ｂを区別しない場合は、「挿入部材３５」と総称する。なお、挿入部材３５の詳細は後述する。

次に、実施の形態に係る蓄冷器式冷凍機１の動作を説明する。冷媒ガス供給工程のある時点においては、第１ディスプレーサ２および第２ディスプレーサ３は、第１シリンダ７および第２シリンダ８の下死点に位置する。それと同時、またはわずかにずれたタイミングでサプライバルブ１５を開とすると、サプライバルブ１５を介して高圧のヘリウムガス（例えば２．２ＭＰａのヘリウムガス）が給排共通配管から第１シリンダ７内に供給され、第１ディスプレーサ２の上部に位置する第１開口１３から第１ディスプレーサ２の内部の第１蓄冷器９に流入する。第１蓄冷器９に流入した高圧のヘリウムガスは、第１蓄冷材により冷却されながら第１ディスプレーサ２の下部に位置する第２開口１９および第１クリアランスＣ１を介して、第１膨張空間１８に供給される。

第１膨張空間１８に供給された高圧のヘリウムガスは、コネクタ５周りの連通路を介して、第２ディスプレーサ３の内部の第２蓄冷器３４に流入する。第２蓄冷器３４に流入した高圧のヘリウムガスは、第２蓄冷材により冷却されながら第２ディスプレーサ３の下部に位置する第３開口２７および第２クリアランスを介して、第２膨張空間２６に供給される。

このようにして、第１膨張空間１８および第２膨張空間２６は、高圧のヘリウムガスで満たされ、サプライバルブ１５は閉とされる。このとき、第１ディスプレーサ２および第２ディスプレーサ３は、第１シリンダ７および第２シリンダ８内の上死点に位置する。それと同時、またはわずかにずれたタイミングでリターンバルブ１６を開とすると、第１膨張空間１８、第２膨張空間２６内の冷媒ガスは減圧され膨張し、低圧のヘリウムガス（例えば０．８ＭＰａのヘリウムガス）となる。このとき、冷媒ガスの膨張により、寒冷が発生する。膨張により低温になった第１膨張空間１８のヘリウムガスは第１クリアランスＣ１を介して第１冷却ステージ２０の熱を吸収する。また、第２膨張空間２６のヘリウムガスは第２クリアランスＣ２を介して第２冷却ステージ２８の熱を吸収する。

第１ディスプレーサ２および第２ディスプレーサ３は下死点に向けて移動し、第１膨張空間１８および第２膨張空間２６の容積は減少する。第２膨張空間２６内のヘリウムガスは、第２クリアランスＣ２、第３開口２７、第２蓄冷器３４、および連通路を介して第１膨張空間１８に戻される。さらに、第１膨張空間１８内のヘリウムガスは、第２開口１９、第１蓄冷器９、および第１開口１３を介して、圧縮機１４の吸入側に戻される。その際、第１蓄冷材、第２蓄冷材、および第３蓄冷材は、冷媒ガスにより冷却される。すなわち、第１蓄冷材、第２蓄冷材、および第３蓄冷材は、冷媒ガスの膨張により生じた寒冷を蓄積する。この工程を１サイクルとし、蓄冷器式冷凍機１はこの冷却サイクルを繰り返すことで、第１冷却ステージ２０および第２冷却ステージ２８を冷却する。

次に、実施の形態に係る挿入部材３５についてより詳細に説明する。

図２は、実施の形態に係る第２蓄冷器３４を流れる冷媒ガスの流速分布を説明するための模式図であり、挿入部材３５を備えない場合の流速分布を示す図である。上述したように、第２蓄冷器３４は、蓄冷材として球状に形成された複数の形成物を収容している。

図２おいて、符号４０および符号４１で示す矢印は冷媒ガスの流速を示すベクトルである。具体的に、ベクトル４０ａ、ベクトル４０ｂ、ベクトル４０ｃ、ベクトル４０ｄ、ベクトル４０ｅ、およびベクトル４０ｆは、第２蓄冷器３４の高温端側を流れる冷媒ガスの流速分布を示す。また、ベクトル４１ａ、ベクトル４１ｂ、ベクトル４１ｃ、ベクトル４１ｄ、ベクトル４１ｅ、およびベクトル４１ｆは、第２蓄冷器３４の低温端側を流れる冷媒ガスの流速分布を示す。

図２においては、第２蓄冷器３４の高温端側における中心部の流速を示すベクトル４０ｃ、ベクトル４０ｄの長さと、第２蓄冷器３４の内壁付近の流速を示すベクトル４０ａ、ベクトル４０ｆの長さとが同等である。これは、第２蓄冷器３４の高温側の端部においては、冷媒ガスの流速分布は第２蓄冷器３４の位置によらず一様であることを示している。

これに対し、第２蓄冷器３４の低温端側における中心部の流速を示すベクトル４１ｃ、ベクトル４１ｄの長さは、第２蓄冷器３４の内壁付近の流速を示すベクトル４１ａ、ベクトル４１ｆの長さよりも長い。これは、第２蓄冷器３４の低温側の端部においては、冷媒ガスの流速分布は一様でないことを示している。

第２蓄冷器３４が収容する蓄冷材は半径がそろうように形成された金属球である。このため、第２蓄冷器３４中の蓄冷材に起因する流路抵抗は第２蓄冷器３４の位置によらず一様と言える。一方、第２蓄冷器３４の内壁に起因する冷媒ガスの流路抵抗は、当然ながら、第２蓄冷器３４の内壁にのみ存在し、第２蓄冷器３４の中心部には存在しない。このため、第２蓄冷器３４の内壁付近の流路抵抗は、第２蓄冷器３４の中心部における流路抵抗よりも大きい。

この結果、冷媒ガスが第２蓄冷器３４を高温端から低温端に向けて流れるにしたがって、第２蓄冷器３４の内壁付近の流速は、第２蓄冷器３４の中心部における流速よりも小さくなる。ゆえに、第２蓄冷器３４の低温側の端部においては、冷媒ガスの流速分布は一様でなく、低温端側に凸部がある半球状ないし回転放物面状の形状となる。

第２蓄冷器３４はほぼ均一な形状の蓄冷材をほぼ均一に充填している。したがって、冷媒ガスと蓄冷材との間の熱交換効率は冷媒ガスの流速に依存するといえる。具体的には、蓄冷材の中を流れる冷媒ガスの流速が大きいほど、蓄冷材との間の熱交換効率が大きくなる。このため、第２蓄冷器３４の低温端側では、第２蓄冷器３４の中心部に存在する蓄冷材の温度は、第２蓄冷器３４の内壁付近に存在する蓄冷材の温度よりも高くなる。結果として、第２蓄冷器３４の長軸に対して垂直な方向に蓄冷材の温度勾配ができる。そうすると、第２蓄冷器３４の中心部に存在する蓄冷材から、第２蓄冷器３４の内壁付近に存在する蓄冷材に向かって熱の移動が生じ、エントロピー損失となる。ゆえに、第２蓄冷器３４を流れる冷媒ガスの流速分布が一様でなくなると、第２蓄冷器３４の効率が低下する。なお、冷媒ガスが低温端から高温端に向けてながれる場合には、上記と逆に向かう熱の移動が生じる。

以上を踏まえ、実施の形態に係る第２蓄冷器３４は、第２蓄冷器３４を流れる冷媒ガスの流速分布を一様とするための挿入部材３５を備える。

図３は、実施の形態に係る挿入部材３５の形状を模式的に示す図である。挿入部材３５は、円筒状の容器である第２蓄冷器３４に挿入される。このため、挿入部材３５は、第２蓄冷器３４の内壁に収まるように、円板状に形成されている。挿入部材３５は、第２蓄冷器３４に挿入されたときに、第２蓄冷器３４の軸方向の厚さが一様となるように形成されている。挿入部材３５はまた、冷媒ガスの流路となる開口部３６が、第２蓄冷器３４に挿入されたときに高温端側から低温端側まで貫通するように設けられている。例えば、挿入部材は、複数の開口が配置された板状の部材である。図３においては、煩雑となることを避けるため、ひとつの開口部３６にのみ符号を付している。しかしながら、図３において白抜きで示す形状はいずれも開口部３６である。後述する図４および図５においても同様である。

図３において、符号３７で示す黒丸は挿入部材３５の中心３７である。図３に示すように、挿入部材３５は中心３７を含む中心部の領域には開口部３６が設けられておらず、挿入部材３５の外周部には開口部３６が少なくともひとつ設けられている。

ここで挿入部材３５の「外周部」とは、挿入部材３５の中心３７を共通の中心とする２つの同心円に囲まれた円環状領域である。挿入部材３５の外周部を構成する円環状領域において、外側の円は挿入部材３５の外周と一致してもよい。また、挿入部材３５の「内周部」とは、外周部を構成する円環状領域における内側の円で囲まれた領域である。挿入部材３５の内周部は、挿入部材３５の中心３７を含む挿入部材３５の中心部の領域ともいえる。

図４（ａ）−（ｂ）は、実施の形態に係る挿入部材３５の開口率を説明する図である。より具体的には、図４（ａ）は図３に示す挿入部材３５の全体の開口率を説明する図であり、図４（ｂ）は図３に示す挿入部材３５の中心部の開口率を説明する図である。

図４（ａ）に示すように、挿入部材３５全体の開口率は、挿入部材３５の上面部の全表面積Ｓａに対する、挿入部材３５の上面部における開口部３６の面積の総和Ｓｂの百分率で示される。図４（ａ）において斜線で示す領域が、挿入部材３５全体の開口率を計算する際の対象となる領域である。

これに対し、挿入部材３５の中心部の開口率は、挿入部材３５の中心３７を中心とする円形領域３８における開口率である。すなわち、挿入部材３５の中心部の開口率は、円形領域３８の面積Ｓｃに対する、円形領域３８における開口部３６の面積の総和Ｓｄの百分率で示される。図４（ｂ）において斜線で示す領域が、円形領域３８である。したがって、図４（ａ）においては、円形領域３８は挿入部材３５の上面部全体と一致する。なお、図４（ｂ）に示す円形領域３８は、上述した挿入部材３５の内周部の一例である。

図３および図４（ａ）−（ｂ）に示すように、挿入部材３５は、開口部３６の外周部における開口部３６の密度が、中心部における開口部３６の密度よりも大きくなるように形成されている。このため、挿入部材３５は、挿入部材３５全体の開口率が、挿入部材３５の中心部の開口率よりも大きい。すなわち、挿入部材３５は、外周部は中心部と比較して開口部３６が多く設けられており、冷媒ガスが流れやすくなっている。これにより、第２蓄冷器３４に挿入部材３５を挿入すると、冷媒ガスは第２蓄冷器３４の内壁側の方が中心部よりも冷媒ガスの流路抵抗が小さくなる。結果として、第２蓄冷器３４を流れる冷媒ガスの流速分布が一様に近づく。

図３および図４（ａ）−（ｂ）は、複数の開口部３６が備えられ、それらが同一形状である挿入部材３５を示している。挿入部材３５が備える開口部３６の形状は同一でなくてもよく、大きさや形が異なっていてもよい。

図５（ａ）−（ｂ）は、実施の形態に係る挿入部材３５の別の形状を模式的に示す図である。具体的に図５（ａ）−（ｂ）は、形は同じであるが、大きさが異なる開口部３６を備える挿入部材３５を示す図である。

図５に示す挿入部材３５は、中心３７の付近には開口部３６が設けられていない。また、図５に示す挿入部材３５において、外周部に設けられた開口部３６ａの大きさは、その内側に設けられた開口部３６ｂと比較して大きい。ここで図５（ａ）は挿入部材３５全体を示している。また図５（ｂ）は、挿入部材３５の中心部を示している。図５（ａ）−（ｂ）に示す挿入部材３５も、図３に示す挿入部材３５と同様に、挿入部材３５全体の開口率が、挿入部材３５の中心部の開口率よりも大きい。

図６は、実施の形態に係る挿入部材３５のさらに別の形状を模式的に示す図である。具体的に、図６は、大きさも形も異なる開口部３６を備える挿入部材３５を示す図である。

図６に示す挿入部材３５も、中心３７の付近には開口部３６が設けられていない。また、図６に示す挿入部材３５において、外周部に設けられた開口部３６ａの大きさは、内側に設けられた開口部３６ｂと比較して大きい。図６に示す挿入部材３５も、図３および図４に示す挿入部材３５と同様に、挿入部材３５全体の開口率が、挿入部材３５の中心部の開口率よりも大きい。

以上のように、実施の形態に係る挿入部材３５は、中心部よりも外周部の方が開口率が大きくなるように構成されている。このため、挿入部材３５の中心部は外周部と比較して流路抵抗が大きくなり、挿入部材３５を通過する冷媒ガスは中心部の方が外周部よりも流速の減少の仕方が大きい。これにより、挿入部材３５を挿入することにより、第２蓄冷器３４を流れる冷媒ガスの流速を、第２蓄冷器３４内部の位置によらず一様に近づけることができる。

ここで、第２蓄冷器３４を流れる冷媒ガスの流速を第２蓄冷器３４内部の位置によらず一様とする観点から見ると、挿入部材３５の開口率は、挿入部材３５の周方向には一定であることが好ましい。

図７（ａ）−（ｂ）は、実施の形態に係る挿入部材３５の外周部における円周方向の開口率の変化を説明する図である。図７（ａ）において、第１部分領域３９ａは、挿入部材３５の中心３７を共通の中心とする同心円４２ａ、４２ｂに囲まれた円環状領域、すなわち挿入部材３５の外周部の一部である。また図７（ｂ）において、第２部分領域３９ｂは、挿入部材３５の中心３７を共通の中心とする同心円４２ａ、４２ｂに囲まれた円環状領域の一部であり、図７（ａ）に示す第１部分領域３９ａとは異なる領域である。図７（ａ）−（ｂ）において、同心円４２ａは、挿入部材３５の外周と一致してもよい。なお、第１部分領域３９ａと第２部分領域３９ｂとは、いずれも少なくとも一つの開口部３６を含むように定める。

第１部分領域３９ａと第２部分領域３９ｂとは異なる領域であるため、開口率も異なる。しかしながら実施の形態に係る挿入部材３５は、開口部３６が周方向に周期的に出現するように構成されている。このため、第１部分領域３９ａと第２部分領域３９ｂとが異なる領域であったとしても、その開口率の差は所定の範囲Ｒに収まる。

図８（ａ）−（ｂ）は、実施の形態に係る挿入部材３５の開口率の変化を示す概念図である。より具体的に、図８（ａ）は挿入部材３５の半径方向に沿った開口率の変化の傾向を示すグラフであり、図８（ｂ）は挿入部材３５の周方向に沿った開口率の変化の傾向を示すグラフである。図８（ａ）−（ｂ）は、少なくとも１つの開口部３６を含む部分領域を設定して開口率を導出した場合を示す。

上述したように、実施の形態に係る挿入部材３５は、外周部における開口部３６の密度が、内周部における開口部３６の密度よりも大きい。このため図８（ａ）に示すように、挿入部材３５の開口率は中心部から半径方向に向かって離れるほど大きくなる。

一方、実施の形態に係る挿入部材３５は、開口部３６が周方向に周期的に出現するように構成されている。このため図７（ａ）−（ｂ）を参照して説明したように、挿入部材３５の開口率は半径方向の距離が等しい場合、周方向に移動しても開口率の差は所定の範囲Ｒに収まる。これにより、挿入部材３５は、周方向に沿った流路抵抗の差も一定の範囲に収まることになる。したがって、挿入部材３５を通過する冷媒ガスは、挿入部材３５の周方向のどの位置を通過しても、流速の減少率は一定の範囲Ｒに収まる。ゆえに、挿入部材３５を挿入することにより、第２蓄冷器３４を流れる冷媒ガスの流速を、第２蓄冷器３４内部の位置によらず一様に近づけることができる。

第２蓄冷器３４を流れる冷媒ガスの流速分布が一様に近づくことにより、第２蓄冷器３４の長軸に対して垂直な方向に蓄冷材の温度分布も均一となる。これにより、第２蓄冷器３４に収容された蓄冷材に関し、第２蓄冷器３４の長軸に対して垂直な方向への熱の移動が抑制され、エントロピーの損失も抑制できる。したがって第２蓄冷器３４の効率が向上し、ひいては第２蓄冷器３４を備える蓄冷器式冷凍機１の冷凍性能を向上することができる。

ところで、第２蓄冷器３４に挿入部材３５を挿入すると、挿入部材３５の体積の分だけ、第２蓄冷器３４に充填できる蓄冷材が減少する。第２蓄冷器３４に充填する蓄冷材の減少は、第２蓄冷器３４を備える蓄冷器式冷凍機１の冷凍性能の低下の原因ともなりうる。

そこで実施の形態に係る挿入部材３５に、上述した仕切部材２３としての機能を持たせ、仕切部材２３の代わりに第２蓄冷器３４に挿入してもよい。上述したように、第２蓄冷器３４は第２蓄冷材と、第２蓄冷材とは異なる材質の第３蓄冷材を、それぞれ高温側領域２４および低温側領域２５に収容している。挿入部材３５の開口部３６の両端に、第２蓄冷材と３蓄冷材とが通過することを規制するフィルタを設け、第１蓄冷材と第２蓄冷材との境界に挿入する。これにより、挿入部材３５が上述した仕切部材２３の機能を持たせることができる。

仕切部材２３は従来から第２蓄冷器３４に収容されているため、仕切部材２３を挿入部材３５に代えても、それによって第２蓄冷器３４に充填できる蓄冷材が従来より減少することはない。従来の仕切部材２３よりも挿入部材３５が厚い場合は、その差分だけ第２蓄冷器３４に充填できる蓄冷材が従来より減少することになる。しかしながら、仕切部材２３に加えて挿入部材３５を第２蓄冷器３４にさらに挿入するよりは、その影響を抑えることができる。これにより、第２蓄冷器３４に充填できる蓄冷材の量を維持しつつ、かつ第２蓄冷器３４を流れる冷媒ガスの流速分布を一様に近づけることができる。または、仕切部材２３に隣接する位置に挿入部材３５を配置してもよい。

以上説明したように、本発明の第２蓄冷器３４によれば、蓄冷器の効率を向上することができる。

以上本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。

上記では、挿入部材３５を第２蓄冷器３４に挿入する場合について主に説明した。挿入部材３５は第２蓄冷器３４に代えて、あるいはそれに加えて、第１蓄冷器９に挿入してもよい。この場合、第１蓄冷器９の内周部の大きさに合わせて、挿入部材３５を適宜拡大して用いればよい。第１蓄冷器９の効率が向上できるので、蓄冷器式冷凍機１の冷凍性能をさらに向上することができる。

上述した蓄冷器式冷凍機においては段数が二段である場合を示したが、この段数は一段でもよいし、三段以上に適宜選択することも可能である。また、実施の形態では、蓄冷器式冷凍機がディスプレーサ式のＧＭ冷凍機である例について説明したが、これに限られない。例えば、本発明は、パルスチューブ型のＧＭ冷凍機、スターリング冷凍機、ソルベイ冷凍機などにも適用することができる。

１蓄冷器式冷凍機、Ｃ１第１クリアランス、２第１ディスプレーサ、Ｃ２第２クリアランス、３第２ディスプレーサ、４ピン、５コネクタ、６ピン、７第１シリンダ、８第２シリンダ、９第１蓄冷器、１０，１１整流器、１２室温室、１３第１開口、１４圧縮機、１５サプライバルブ、１６リターンバルブ、１７シール、１８第１膨張空間、１９第２開口、２０第１冷却ステージ、２１，２２整流器、２３仕切部材、２４高温側領域、２５低温側領域、２６第２膨張空間、２７第３開口、２８第２冷却ステージ、２９，３０蓋部、３１，３２圧入ピン、３４第２蓄冷器、３５挿入部材、３６開口部、３７中心、３８円形領域、３９ａ第１部分領域、３９ｂ第２部分領域。

Claims

冷媒ガスの膨張により生じた寒冷を蓄積する蓄冷材と、
前記蓄冷材を収容し、冷媒ガスが流通する筒状の容器と、
前記容器に収容され、前記容器の軸方向の厚さが一様な挿入部材とを備え、
前記挿入部材は、冷媒ガスの流路となる開口部が少なくとも外周部に設けられており、前記挿入部材全体の開口率が、前記挿入部材の中心部の開口率よりも大きく、
前記挿入部材は、同一形状の複数の開口部を備え、外周部における開口部の密度が、内周部における開口部の密度よりも大きいことを特徴とする蓄冷器。
前記挿入部材は、前記挿入部材の外周部において、少なくとも一つの開口部を含む第１部分領域における開口率と、前記挿入部材の外周部において前記第１部分領域とは異なる第２部分領域における開口率との差が、所定の範囲となるように開口率が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷器。
前記蓄冷材は、第１蓄冷材と、前記第１蓄冷材とは異なる材質の第２蓄冷材とを含み、
前記容器は、前記第１蓄冷材と前記第２蓄冷材とをそれぞれ異なる領域に収容し、
前記挿入部材は、前記第１蓄冷材と前記第２蓄冷材とが前記開口部を通ることを規制するフィルタを備えており、前記第１蓄冷材と前記第２蓄冷材との境界に挿入されることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄冷器。