JPH0530135U - 蓄冷器用蓄冷材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 希土類化合物磁性体を蓄冷材として用いる
に際し、冷凍機内の汚染を回避し、冷凍能力を向上可能
とするとともに、その品質のばらつきを改善可能とした
蓄冷器用蓄冷材を提供すること。 【構成】 磁性体１２を被覆して線材化することによ
りメッシュ状あるいはコイル状にして蓄冷器内に充填す
ることに着目したもので、粉末状の希土類化合物磁性体
１２を被覆材１１により被覆するとともに、全体を線材
化したことを特徴とする。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は蓄冷器用蓄冷材にかかるもので、とくに各種蓄冷型冷凍システムに おいて使用される蓄冷器の性能を向上可能とした蓄冷器用蓄冷材に関するもので ある。

【０００２】

【従来の技術】

現在、科学および技術の両分野において８０Ｋ以下の低温を発生させる技術 は必要不可欠となっている。しかしながら、こうした低温を発生させるために使 用される液体ヘリウムや液体窒素のような液化ガスは貯蔵設備が大型になりがち であるとともに、液化ガスそのものの値段も高いという問題がある。

【０００３】 その点、各種の冷凍サイクルを応用した冷凍機とくに蓄冷型冷凍機は、小型 であるとともに８０Ｋ以下の低温を簡単に得ることができる。

【０００４】 上記蓄冷型冷凍機の動作原理はどの冷凍サイクルにおいても基本的には同じ であり、この冷凍機の概略構造を図１０にもとづき説明する。

【０００５】 図１０に示すように、冷凍機１は、ヘリウムガスの圧縮機２と、蓄冷器３と 、膨張機４とを有する。

【０００６】 冷凍機１はクローズドシステムとなっており、圧縮機２により圧縮したヘリ ウムガスを蓄冷器３を通したのち膨張機４において膨張させることにより冷凍を 発生させている。

【０００７】 圧縮機２と膨張機４との間を往復するヘリウムガスが膨張したときに冷凍が 発生するので、このヘリウムガスをそのまま圧縮機２に戻したのでは、せっかく 発生した冷凍も圧縮機２に戻してしまうことになる。

【０００８】 そこで、圧縮機２と膨張機４との間に介在させた蓄冷器３においてヘリウム ガスと熱交換させ、この蓄冷器３にいわば冷凍を蓄えておくものである。

【０００９】 かくすることにより、つぎに送り込まれてくるヘリウムガスはまず蓄冷器３ と熱交換することによって冷却され、こののち膨張機４において膨張することに よりさらに冷却される。

【００１０】 こうした冷凍を蓄えておくために蓄冷器３には蓄冷材５を収容してある。

【００１１】 蓄冷器３は、熱を貯めるという意味ではその熱容量が大きい方がよい。しか しながら、蓄冷器３の容積が冷凍機１全体に占める割合が限られているので、蓄 冷器３を構成する蓄冷材５としてはその比熱が大きいものが望まれる。

【００１２】 従来の蓄冷器３は、ステンレスや樹脂の筒に、蓄冷材５として銅、真ちゅう などのメッシュや、鉛の球を詰め込んだものであった。

【００１３】 しかして近年、蓄冷材として、とくに低温において比較的高い比熱を有する 希土類化合物磁性体（以下「磁性体」という）が開発されている。

【００１４】 この磁性体には、ＤｙＮｉ₂、ＥｒＣｏ₂、Ｅｒ（Ｎｉ_0.58Ｃｏ_0.42）₂、Ｅ ｒ（Ｎｉ_0.85Ｃｏ_0.15）₂、ＥｒＮｉ₂、Ｅｒ₃Ｎｉ、Ｅｒ_0.5Ｄｙ_0.5Ｎｉ₂、Ｇｄ Ｒｈ、Ｇｄ_0.5Ｅｒ_0.5Ｒｈ、ＥｒＲｈなど何種類かがあるが、いずれも１０Ｋ程 度の温度域において磁気相転移を起こし、その結果、従来の蓄冷材である鉛に比 較して大きな比熱を有している。

【００１５】 ちなみに現在、ギホード・マクマホン冷凍機の蓄冷材として球状や砂状の磁 性体を用いたものが学会等において報告されており、２．０９Ｋの超流動ヘリウ ムを発生させるところまできている。

【００１６】 しかしながら、磁性体による蓄冷材を使用するには、以下のような諸問題が ある。すなわち、磁性体はその球状粒子、砂状粒子ともに表面に数μｍ〜数１０ μｍの角が出ている。

【００１７】 この角を有するままで蓄冷材５として蓄冷器３に詰め込んで冷凍機１を運転 すると、この角が壊れて微粉末となり、冷凍機１内を汚染する。

【００１８】 この結果、膨張機４部分では、内部のディスプレーサとシリンダーとの間の シールの異常摩擦の原因となっている。

【００１９】 さらに圧縮機２内にも侵入し、圧縮機２の破損の原因となる。そして最終的 には冷凍機１そのものの寿命を縮めてしまうという問題がある。

【００２０】 また、蓄冷器３の熱容量をかせぐために粒子をたくさん詰め込むと、ヘリウ ムガスに対して圧力抵抗となり圧力損失が問題となる。

【００２１】 あるいは、伝熱表面積をかせぐために粒径の小さい粒子を詰め込むと、同様 に圧力抵抗となって圧力損失が問題になり、かえって冷凍能力が低下するという 問題がある。

【００２２】 なおまた、磁性体の製造から冷凍機１の完成までにおける磁性体表面が空気 にさらされる時間を無視することができず、空気との接触により磁性体が酸化変 質してしまう結果、熱伝導率の低下、さらには熱交換率の低下を招くという問題 もある。

【００２３】 さらに、磁性体の詰め方を同等にはしにくいことに起因して、組み上げた冷 凍機１の最低到達温度や発生冷凍量に個体差が大きく、品質が安定しないという 問題もある。

【００２４】 要するに、次世代の冷凍機におけるキーポイントである蓄冷材は現在、微粉 末化、圧力損失、充填方法の観点から、球状粒が理想とされて、各メーカーで開 発が進められているが、球状粒製造における蓄冷材の歩留まりの悪さ、および高 コストがネックとなっている。

【００２５】

【考案が解決しようとする課題】

本考案は以上のような諸問題にかんがみなされたもので、上述のような諸問 題を解消し、とくに冷凍機内の汚染を回避し、冷凍能力を向上可能とするととも に、その品質のばらつきを改善可能とした蓄冷器用蓄冷材を提供することを課題 とする。

【００２６】

【課題を解決するための手段】

すなわち本考案は、磁性体を被覆して線材化することによりメッシュ状ある いはコイル状にして蓄冷器内に充填することに着目したもので、粉末状の希土類 化合物磁性体を被覆材により被覆するとともに、全体を線材化したことを特徴と する蓄冷器用蓄冷材である。

【００２７】

【作用】

本考案による蓄冷器用蓄冷材においては、蓄冷材の材料として低温において 比較的比熱の大きな希土類化合物磁性体を採用し、かつこの磁性体を被覆材によ り被覆するとともに線材化して、メッシュあるいはコイル状など任意の形状に加 工可能とし、この上で蓄冷器内に充填可能としたので、微粉末状態で磁性体を充 填する必要がなくなり、蓄冷器としての品質の安定と長寿命化を図ることができ る。

【００２８】

【実施例】

つぎに本考案の一実施例による蓄冷器用蓄冷材１０を図１ないし図９にもと づき説明する。ただし、図１０と同様の部分については同一符号を付し、その詳 述はこれを省略する。

【００２９】 図１は、蓄冷器用蓄冷材１０の断面図であって、この蓄冷器用蓄冷材１０は 被覆材１１と、磁性体１２とからこれを構成してあるとともに、全体を線材化し てある。

【００３０】 被覆材１１は、好ましくは熱伝導率が良好で、延展性にすぐれた材料を採用 する。たとえば銅、鉛などの純金属をシース材として採用する。

【００３１】 磁性体１２は、粉末状とするが一般的であり、希土類化合物磁性体の中から 任意のものを選択するものとする。

【００３２】 図２に示すように、断面円形以外にも断面楕円形の蓄冷器用蓄冷材２０とす ることができる。

【００３３】 かくすることにより、磁性体１２の酸化等による劣化、および磁性体１２の 細かい角などによる冷凍機１内部の汚染を防止可能で、蓄冷器３の長寿命化を図 ることができる。

【００３４】 さらに、蓄冷器３としての組立時に粉体を扱うことがなくなり、作業環境と しても特別な場所に新たにこれを作る必要がなく、従来通りでよい。

【００３５】 こうして形成した蓄冷器用蓄冷材１０、あるいは蓄冷器用蓄冷材２０を用い て図３、図４に示すようにメッシュ状の蓄冷材２１、あるいはコイル状の蓄冷材 ２２とする。

【００３６】 なお図５は図４のＶ−Ｖ線断面斜視図である。図示のように、断面楕円形の 蓄冷器用蓄冷材２０とすれば、投影断面積を小さくして空気抵抗を減少させ、ヘ リウムガスの通りをよくすることができる。

【００３７】 メッシュ状の蓄冷材２１の場合にはその製造の容易さを考慮し、コイル状の 蓄冷材２２の場合には圧力損失を考慮して行うことができる。

【００３８】 メッシュ状のものは従来から蓄冷材５として使用されており、取扱い、詰め 方ともに確立されていて、冷凍機１の性能に個体差がつきにくいことが見込まれ る。

【００３９】 図６に示すように、メッシュ状の蓄冷材２１あるいはコイル状の蓄冷材２２ を重ね合わせてステンレスや樹脂の筒２３に詰めることにより、蓄冷器２４とす る。

【００４０】 こうした蓄冷器２４では円盤状のメッシュ状の蓄冷材２１、コイル状の蓄冷 材２２を重ねてあるので、高温側から低温側への熱伝導が悪く、低温側へ熱が伝 わりにくい。

【００４１】 また、メッシュ状の蓄冷材２１やコイル状の蓄冷材２２の向きをそろえて重 ねてあるので、蓄冷器２４全体にわたって一様につまっており、粒を詰めるより も蓄冷器２４の入り口と出口とで圧力差がつきにくい。

【００４２】 詰め込む蓄冷材の量もメッシュ状の蓄冷材２１はそのメッシュ粗さにより、 コイル状の蓄冷材２２はその巻き数によりそれぞれ自由に変更可能である。

【００４３】 なおこうした、蓄冷器用蓄冷材１０、２０を製造するにあたっては、図７に 示すように、ガイドロール２５、２６の間に被覆材１１および磁性体１２を通し て線材化する圧延等の処理を取ることができる。

【００４４】 したがって、磁性体１２そのものがもろく線材化が困難であっても、被覆材 １１とともに加工することにより、磁性体１２を被覆しつつ所定直径および長さ の線材化が可能である。

【００４５】 こうした線材化したものを所定位置で切断したときに、図８に示すように、 被覆材１１の切断面が曲がり込み、わずかの空隙２７が残るのみで内部の磁性体 １２が外部にこぼれ出ることがない。

【００４６】 しかも、わずかの空隙２７があるので、冷凍機１を起動するに際しその内部 を真空に引くときに被覆材１１内部からも空気を抜くことができ、実際の使用上 好都合である。

【００４７】 こうした蓄冷器２４は、膨張機４において発生した冷凍が圧縮機２側に逃げ ないように冷凍を蓄えておくが、従来の銅や鉛を使用した蓄冷器３よりも熱容量 が向上しており、しかも磁性体の粒を使用したものよりもヘリウムガスが通りや すくなっている。

【００４８】 したがって、冷凍を蓄えておく能力は既存のものに比較して向上しており、 その結果冷凍機１そのものの能力も向上することが見込まれる。

【００４９】 つぎに、蓄冷材の熱容量を計算した。サンプルとして、図９に示すようなメ ッシュを構成した。すなわち、線材の直径１ｍｍ、磁性体部分の直径０．５ｍｍ 、線材の間隔２ｍｍ、メッシュの厚さ２ｍｍとした。

【００５０】 比較サンプル蓄冷材としては、鉛粒子を取り、その直径０．２ｍｍ、比熱を Ｃ（Ｊ／ｃｍ³・Ｋ）とする。

【００５１】 本考案の蓄冷材の磁性体としてＥｒ₃Ｎｉを取り、その比熱は１０Ｋ付近で ２Ｃである。被覆材としては鉛を選択した。

【００５２】 従来の鉛粒子の場合、ランダムに詰め込んだときの空隙率が０．３８であり 、したがって全熱容量は （１−０．３８）ＣＶ＝０．６２ＣＶ（Ｊ／Ｋ） となる。

【００５３】 本考案による上記サンプルの蓄冷器用蓄冷材では、メッシュ１ｃｍ³あたり 厚さが０．２ｃｍなので、メッシュ１ｃｍ³あたりの体積は０．２ｃｍ³となる。

【００５４】 磁性体部分の体積は π（０．０５／２）²×１×２５＝０．０４９１ｃｍ³となる。

【００５５】 被覆材部分の体積は π（０．１／２）²×１×２５−π（０．０５／２）²×１×２５＝０．１４ ７ｃｍ³となる。

【００５６】 これを体積Ｖに詰め込むと、 磁性体熱容量は、 ０．０４９１ｃｍ³÷（Ｖ／０．２）×２Ｃ＝０．４９１ＣＶ（Ｊ／Ｋ）と なり、 被覆材１１熱容量は、 ０．１４７ｃｍ³÷（Ｖ／０．２）×Ｃ＝０．７３５ＣＶ（Ｊ／Ｋ）となる ので、メッシュ状の蓄冷材の全熱容量はこれらを足して１．２２６ＣＶ（Ｊ／Ｋ ）となるため、従来の鉛粒子の場合（０．６２ＣＶ（Ｊ／Ｋ））の約２倍となる 。

【００５７】 なお本考案による蓄冷材は、現在実用化されているギホード・マクマホン冷 凍機、スターリング冷凍機、ソルベー冷凍機、実験段階のパルスチューブ冷凍機 等の蓄冷型冷凍機に適用可能である。

【００５８】 またこれまでは冷凍機は地上における使用が主であったが、今後は宇宙空間 でも低温が必要とされている。本考案による蓄冷材は高性能で長寿命な冷凍機に つながるので、宇宙空間での低温発生という点で宇宙科学、宇宙開発にも応用さ れることが考えられる。

【００５９】

【考案の効果】

以上のように本考案によれば、磁性体をシース線材化することにより微粉化 することがなくなり、安定した冷凍機の品質を保証することができるばかりか、 磁性体を用いた蓄冷材を実用可能としたため、従来より低い温度領域に到達可能 であり、従来より多い冷凍量を得ることができ、高い性能で長寿命な冷凍機を得 ることが可能となる。

【００６０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例による蓄冷器用蓄冷材１０の
断面図である。

【図２】同、本考案の他の例の蓄冷器用蓄冷材２０の断
面図である。

【図３】同、蓄冷器用蓄冷材１０、あるいは２０を用い
て製造したメッシュ状の蓄冷材２１の平面図である。

【図４】同、蓄冷器用蓄冷材１０、あるいは２０を用い
て製造したコイル状の蓄冷材２２の平面図である。

【図５】同、図４のＶ−Ｖ線断面図である。

【図６】同、蓄冷器２４の斜視図である。

【図７】蓄冷器用蓄冷材１０、２０の製造工程の概略図
である。

【図８】蓄冷器用蓄冷材１０、２０の切断面の断面図で
ある。

【図９】メッシュ状の蓄冷材２１の拡大斜視図である。

【図１０】一般的な冷凍機１の概略構成図である。

【符号の説明】

１ 冷凍機 ２ 圧縮機 ３ 蓄冷器 ４ 膨張機 ５ 蓄冷材 １０ 蓄冷器用蓄冷材 １１ 被覆材 １２ 磁性体（希土類化合物磁性体） ２０ 蓄冷器用蓄冷材 ２１ メッシュ状の蓄冷材 ２２ コイル状の蓄冷材 ２３ ステンレスや樹脂の筒 ２４ 蓄冷器 ２５ ガイドロール ２６ ガイドロール ２７ わずかの空隙

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 粉末状の希土類化合物磁性体を被覆材
   により被覆するとともに、全体を線材化したことを特徴
   とする蓄冷器用蓄冷材。
2. 【請求項２】 メッシュ状としたことを特徴とする請
   求項（１）記載の蓄冷器用蓄冷材。
3. 【請求項３】 コイル状としたことを特徴とする請求
   項（１）記載の蓄冷器用蓄冷材。