JPH08110106A

JPH08110106A - 極低温蓄冷材

Info

Publication number: JPH08110106A
Application number: JP6248074A
Authority: JP
Inventors: Junichi Onda; 潤一御田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1994-10-13
Filing date: 1994-10-13
Publication date: 1996-04-30

Abstract

(57)【要約】【目的】極低温域で大きな比熱を有し、比較的安価な
蓄冷材を提供すること、及び活性炭を微粉末状態で適用
することが困難な場所に活性炭微粉末を適用する技術を
提供する。【構成】少なくとも表面に複数の活性炭微粉末を含む
金属粒、及びこの金属粒からなる蓄冷材。作動ガスが流
れる内部空間を有する容器の中に、少なくとも表面に複
数の活性炭微粉末を含む多数の金属粒を、金属粒中の活
性炭含有量が前記作動ガスの流れる方向に対して単調に
変化するように配置して蓄冷器を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、極低温用蓄冷材及び活
性炭微粉末を用いたガス吸着に関する。

【０００２】

【従来の技術】極低温用蓄冷材は、極低温域での比熱が
大きいことが重要である。極低温域での比熱が大きい材
料として、エルビニウムニッケル（ＥｒＮｉ）系の蓄冷
材が知られている。

【０００３】図４は、代表的な蓄冷材の極低温域での比
熱を示す。横軸は温度を絶対温度で表し、縦軸は比熱を
単位Ｊ／ｃｍ³Ｋで表す。図４に示すように、１５Ｋ以
下の温度でＥｒ₃Ｎｉの比熱は、Ｐｂよりも大きい。こ
のように、Ｅｒ₃Ｎｉは１５Ｋ以下の極低温域における
蓄冷材として好適な材料である。

【０００４】従来、極低温冷凍機の蓄冷材として、Ｅｒ
₃Ｎｉをはじめとする希土類金属間化合物の粉末が使用
されていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】希土類金属間化合物
は、極低温域で大きな比熱を有するが、希土類金属自体
が高価であること、及び粒状に加工する技術が困難であ
ること等により、蓄冷材として利用できる粒状の希土類
金属間化合物は非常に高価なものになる。

【０００６】本発明の目的は、極低温域で大きな比熱を
有し、比較的安価な蓄冷材を提供すること、及び活性炭
を微粉末状態で適用することが困難な場所に活性炭微粉
末を適用する技術を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の金属粒は、少な
くとも表面に複数の活性炭微粉末を含む。本発明の蓄冷
材は、少なくとも表面に複数の活性炭微粉末を含む金属
粒からなる。

【０００８】前記金属粒を、鉛または鉛合金としてもよ
い。本発明の極低温蓄冷器は、作動ガスが流れる内部空
間を有する容器と、少なくとも表面に複数の活性炭微粉
末を含む多数の金属粒が、前記作動ガスの流れる方向に
対して金属粒中の活性炭含有量が単調に変化するよう
に、前記容器内に配置されている蓄冷材とを有する。

【０００９】本発明の蓄冷材の作製方法は、金属塊を融
解して金属融液を作製する工程と、前記金属融液内に活
性炭微粉末を添加し、金属融液中にほぼ均一に分散させ
る活性炭微粉末添加工程と、前記活性炭微粉末が添加さ
れた前記金属融液を飛散させて微細液滴とするとともに
固化させ、活性炭微粉末を含む金属粒を形成する工程と
を含む。

【００１０】

【作用】活性炭微粉末を金属粒の表面に埋め込むことに
より、微粉末の状態では適用が困難な場所に活性炭微粉
末を適用することができる。

【００１１】活性炭微粉末を含む金属粒を、作動ガスと
してＨｅガスを使用する極低温冷凍機のガス流路に充填
すると、活性炭微粉末にＨｅガスが吸着される。Ｈｅガ
スは約８Ｋで比熱が極大になり極低温域で大きな比熱を
有するため、良好な蓄冷材になる。活性炭は微粉末化さ
れているため、内部まで熱が伝わりやすい。このため、
作動ガスと迅速に熱交換することができる。

【００１２】金属粒の材料として鉛あるいは鉛合金を使
用すれば、蓄冷材の比熱が約１３Ｋ以上の極低温域で比
較的大きくなる。活性炭微粉末の含有量を変化させるこ
とにより、極低温域での所望の温度において比熱が最大
になるように調整することができる。蓄冷器内に温度分
布が存在する場合には、各温度に応じて、その温度で比
熱が最大になる活性炭微粉末の含有量を有する蓄冷材を
配置することにより、蓄冷器の熱交換効率を高めること
ができる。

【００１３】活性炭微粉末が混入された金属融液を飛散
させて微細液滴化すると、体積当たりの表面積が増加し
て急激に冷却される。微細液滴が急冷されて固化し、微
細な金属粒が形成される。このとき、急冷されるため、
内部に混入している活性炭微粉末は偏析することなくほ
ぼ均一に金属粒内に分散する。体積当たりの表面積が増
大すると、露出する活性炭表面積も増大し、吸着能力が
増大する。

【００１４】

【実施例】図４に示すように、Ｈｅガスの比熱は約８Ｋ
でピークを示し、１０気圧のＨｅガスの比熱は、１２Ｋ
以下の温度領域においてＥｒ₃Ｎｉよりも高い比熱を有
する。８Ｋ以下の極低温域では、１０気圧のＨｅガス
は、Ｐｂの１０〜１００倍、Ｅｒ₃Ｎｉの約２〜５倍の
比熱を有する。このように、Ｈｅガスは極低温域におい
て極めて有望な蓄冷材である。

【００１５】Ｈｅガスを蓄冷材として利用する方法とし
て、Ｈｅガスを活性炭に吸着させ、Ｈｅガスを吸着した
活性炭を蓄冷材として使用する方法が考えられる。活性
炭は、低温でのＨｅガス吸着能が優れ、例えば温度１０
Ｋ、圧力２×１０⁶Ｐａの条件で１ｃｍ³の活性炭に約
５００Ｎｃｍ³のＨｅガスを吸着することができる。従
って、Ｈｅガスを吸着した活性炭は極低温域で優れた蓄
冷材となり得る。

【００１６】しかし、活性炭の熱拡散率は非常に低い。
このため、１０^-2〜１秒の周期で作動ガスと蓄冷材との
間の熱交換を行う必要がある極低温冷凍機に適用した場
合、活性炭の中への温度変化の侵入の深さは１０^-2〜１
０^-1ｍｍ程度である。活性炭に吸着されたＨｅガスを蓄
冷材として利用するには、Ｈｅガスに十分な温度変化を
与える必要がある。このため、活性炭粒の大きさを１０
^-2〜１０^-1ｍｍ程度にすることが好ましい。

【００１７】一方、粒径が１０^-2〜１０^-1ｍｍ程度の活
性炭を極低温冷凍機の蓄冷器に充填して使用すると、作
動ガス流路の目詰まりを起こしたり、ディスプレーサを
損傷する恐れがある。

【００１８】以下、粒径が１０^-2〜１０^-1ｍｍ程度の活
性炭微粉末を使用し、かつ作動ガス流路の目詰まり及び
ディスプレーサの損傷防止に効果がある本発明の実施例
について説明する。

【００１９】図１は、本発明の実施例による蓄冷材の断
面を示す。金属粒１の表面及び内部に活性炭微粉末２が
点在している。活性炭微粉末２の大きさは上述の通り、
例えば１０^-2〜１０^-1ｍｍ程度である。金属粒１の径
は、例えば０．１〜２ｍｍ程度である。

【００２０】この金属粒１を蓄冷器の中に充填し、作動
ガスとしてＨｅガスを流すと、金属粒１の表面に露出し
た活性炭微粉末２にＨｅガスが吸着される。吸着された
Ｈｅガスは、蓄冷材として働く。各活性炭微粉末２の大
きさは１０^-2〜１０^-1ｍｍ程度であるため、作動ガスと
迅速に熱交換し、１０^-2〜１秒の周期で十分熱交換する
ことができる。

【００２１】また、金属粒１は０．１〜２ｍｍ程度の粒
径を有するため、作動ガス流路の目詰まりの原因になる
ことはなく、ディスプレーサを損傷させることもない。
金属粒１の内部に取り込まれた活性炭微粉末２に予めＨ
ｅガスを吸着させておいてもよい。通常、金属は高い熱
拡散率を有するため、内部に取り込まれた活性炭微粉末
にＨｅガスを吸着させておくことにより、内部の活性炭
微粉末をも蓄冷材として機能させることができる。

【００２２】金属粒１には、鉛あるいは鉛合金等の、比
較的低温で比熱の大きい金属を使用することが好まし
い。例えば、鉛を使用した場合には、図４に示すよう
に、約１３Ｋ以下の極低温域でＨｅが蓄冷材として有効
に働き、約１３Ｋ以上の低温域でＰｂが蓄冷材として有
効に働く。鉛合金としては、例えばＰｂにアンチモン
（Ｓｂ）を添加したもの等が考えられる。ＰｂにＳｂを
添加することにより硬度を高めることができる。蓄冷材
以外の用途、例えば触媒、にこのような活性炭微粉末を
含む金属粒を用いることもできる。また、金属粒１とし
てステンレスやアルミニウムを使用してもよい。

【００２３】次に、図２を参照して、図１の蓄冷材を２
段式ＧＭ冷凍機に使用した場合を例にとって説明する。
図２（Ａ）は、２段式ＧＭ冷凍機の膨張器の構成を概略
的に示す断面図である。シリンダ１１は太径部分と細径
部分を有し、シリンダ１１内に挿入されるディスプレー
サ１２もシリンダ１の形状に合わせた太径部分と細径部
分を有する。ディスプレーサ１２内には、太径部分に１
段目蓄冷器１４が収容され、細径部分に２段目蓄冷器１
６が収容されている。

【００２４】また、シリンダ１１とディスプレーサ１２
の間には、太径部分において第１膨張スペース１８が画
定され、細径部分において第２膨張スペース１９が画定
される。また、シリンダ１１とディスプレーサ１２の間
にはシール２１が配置され、気密状態を構成する。

【００２５】１段目蓄冷器１４は、Ｃｕ、Ｐｂ等の通常
の蓄冷材で構成された、例えば網目状蓄冷材を収容す
る。図２（Ｂ）は、２段目蓄冷器１６の構成を概略的に
示す断面図である。２段目蓄冷器１６は、ベークライト
製の容器２３の中に上下の開口２４、２５で外部と連続
されたガス通路２６を形成している。このガス通路２６
内に、下側から数枚の金網３１、フェルト３２が充填さ
れ、下側の開口２５から蓄冷材が流出しない構成をとっ
ている。

【００２６】フェルト３２の上に、蓄冷材３３、３５、
３７、３９をこの順番に、それぞれ界面にフェルト３
４、３６、３８を挟んで充填し、蓄冷材３９の上を、フ
ェルト４０及びパンチングメタル４１で覆っている。蓄
冷材３３、３５、３７、３９は図１に示す活性炭微粉末
を含む金属粒である。

【００２７】ＧＭ冷凍機を動作させると、高圧のＨｅガ
スが開口２４からガス通路２６内に導入される。このＨ
ｅガスは、蓄冷材３９、３７、３５、３３によって冷却
されながら図の下方に流れ、開口２５を通って２段目膨
張スペース１９に供給される。

【００２８】２段目膨張スペース１９に供給されたＨｅ
ガスは、低圧で回収される。このとき、断熱膨張して冷
却されたＨｅガスは、上記のＨｅガスが供給される経路
を通って、蓄冷材３３、３５、３７、３９を冷却しなが
ら回収される。従って、図の下方が低温側、上方が高温
側となる。

【００２９】蓄冷効率を高めるためには、低温側に配置
された蓄冷材３３が、最も極低温で比熱が大きく、高温
側に配置された蓄冷材ほど、より高い温度で比熱が大き
くなるようにすればよいことがわかる。

【００３０】図１の活性炭微粉末２の割合を大きくすれ
ば、１３Ｋ以下の極低温域の比熱はＨｅガスの比熱に近
づくため大きくなる。活性炭微粉末２の割合を少なくす
れば、Ｐｂの比熱に近づくため、１３Ｋ以下の極低温域
の比熱が小さくなるかわりに、それ以上の温度域の比熱
が大きくなる。

【００３１】従って、低温側の蓄冷材の活性炭微粉末含
有量を高温側蓄冷材のそれよりも多くすればよい。例え
ば、蓄冷材３３、３５、３７、３９の活性炭微粉末の含
有量をそれぞれ８０、６０、４０、２０体積％とすれば
よい。なお、活性炭微粉末の含有量は、その蓄冷材の動
作温度において最も比熱が大きくなるようにすることが
好ましい。

【００３２】次に、図３を参照して、図１に示す蓄冷材
の製造方法について説明する。図３（Ａ）に示すよう
に、高周波誘導炉５の中に鉛のインゴット３と活性炭微
粉末４を投入する。次に、図３（Ｂ）に示すように、高
周波誘導炉５で鉛の融点（３２７℃）よりも高く活性炭
の融点（約３５００℃）よりも低い温度に加熱し、鉛の
インゴットを誘導融解して鉛の融液６とする。このと
き、融液６中には図の矢印で示すように対流が発生す
る。活性炭の比重は０．３〜０．６、鉛の比重は１１．
３であるため、定常状態では活性炭は鉛融液の表面に浮
くが、この対流のため、活性炭微粉末４は融液６中にほ
ぼ均一に分散する。なお、プロペラ等で積極的に攪拌し
てもよい。

【００３３】次に鉛の融液を固化させて粒状にする２つ
の方法について説明する。図３（Ｃ）は、回転ディスク
法、図３（Ｄ）は、ガスアトマイズ法による粒状体の作
製方法を示す。

【００３４】図３（Ｃ）に示すように、活性炭微粉末が
混ざった鉛融液６を回転する円板８上に滴下する。円板
８上に滴下した融液は、遠心力によって周囲に飛散し微
細な液滴となる。微細な液滴になると、体積あたりの表
面積が増加して急激に冷却され鉛の粒状体８が形成され
る。

【００３５】図３（Ｄ）に示すように、ノズル９からガ
スが吹き出し、ガス流１０が形成されている。鉛融液６
を滴下しつつガス流１０で飛散させる。飛散した鉛融液
は図３（Ｃ）の場合と同様に、微細な液滴となって急冷
され、鉛の粒状体８が形成される。

【００３６】図３（Ｃ）、（Ｄ）の場合共に、微細な鉛
液滴が急冷されるため、その中に含まれていた活性炭微
粉末は偏析することなく、鉛の粒状体の内部及び表面に
ほぼ均一に分散する。

【００３７】鉛融液中に混入する活性炭微粉末の量を変
えることにより、鉛の粒状体中の活性炭微粉末の含有率
を調整することができる。図３（Ｃ）の回転ディスク法
の場合には、円板７の回転数、融液の滴下量等を制御し
て粒状体の大きさを変えることができる。また、図３
（Ｄ）のガスアトマイズ法の場合には、ガス流１０の流
速、融液の滴下量等を制御して粒状体の大きさを変える
ことができる。

【００３８】図３では、鉛の粒状体を形成する場合を説
明したが、活性炭の融点よりも低い融点を有するもので
あれば鉛以外の金属を使用してもよい。例えば、鉛とア
ンチモンとの合金等の鉛合金、融点が約１４５０℃のス
テンレス等の融液から金属の粒状体を形成することもで
きる。

【００３９】上記実施例のように、金属粒の中に活性炭
を埋め込んだ蓄冷材は、高価な原料を使用しないため、
比較的安価に作製することができる。また、上記実施例
では、活性炭を埋め込んだ金属粒を蓄冷材に使用する場
合を説明したが、他の用途に用いることもできる。例え
ば、自動車の排ガス清浄用の触媒として働く金属からな
る粒状体に活性炭を埋め込んでもよい。

【００４０】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
活性炭微粉末を金属粒の表面及び内部に埋め込むことに
より、微粉末の状態では使用困難な場所に活性炭を使用
することができる。また、活性炭を微粉末にしているた
め、活性炭内部にまで熱が伝わりやすいという特徴があ
る。この活性炭にＨｅガスを吸着させれば、極低温域で
比熱が大きい蓄冷材を比較的安価に作製することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による活性炭微粉末を含有する
金属粒の断面図である。

【図２】ＧＭ式冷凍機の膨張器の構成を概略的に示す断
面図、及び実施例による蓄冷器を概略的に示す断面図で
ある。

【図３】本発明の実施例による活性炭微粉末を含有する
金属粒の作製方法を説明するための作製装置の概略を示
す断面図である。

【図４】Ｐｂ、Ｅｒ₃Ｎｉ及びＨｅの極低温域における
比熱を示すグラフである。

【符号の説明】

１金属粒２活性炭微粉末３鉛インゴット４活性炭微粉末５高周波誘導炉６鉛融液７回転円板８鉛の粒状体９ノズル１０ガス流１１シリンダ１２ディスプレーサ１４１段目蓄冷器１６２段目蓄冷器１８１段目膨張スペース１９２段目膨張スペース２１シール２３容器２４、２５開口２６ガス通路３１金網３３、３５、３７、３９蓄冷材３２、３４、３６、３８、４０フェルト４１パンチングメタル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも表面に複数の活性炭微粉末を
含む金属粒。
【請求項２】少なくとも表面に複数の活性炭微粉末を
含む金属粒からなる蓄冷材。
【請求項３】前記活性炭微粉末の直径は０．１〜０．
０１ｍｍであり、前記金属粒の直径は２ｍｍ以下である
請求項２記載の蓄冷材。
【請求項４】前記金属粒は、鉛または鉛合金である請
求項２または３記載の蓄冷材。
【請求項５】前記金属粒中の活性炭微粉末の合計の体
積は、該金属粒の体積の２０〜８０％である請求項２〜
４のいずれかに記載の蓄冷材。
【請求項６】作動ガスが流れる内部空間を有する容器
と、少なくとも表面に複数の活性炭微粉末を含む多数の金属
粒が、前記作動ガスの流れる方向に対して金属粒中の活
性炭含有量が単調に変化するように、前記容器内に配置
されている蓄冷材とを有する極低温蓄冷器。
【請求項７】金属塊を融解して金属融液を作製する工
程と、前記金属融液内に活性炭微粉末を添加し、金属融液中に
ほぼ均一に分散させる活性炭微粉末添加工程と、前記活性炭微粉末が添加された前記金属融液を飛散させ
て微細液滴とするとともに固化させ、活性炭微粉末を含
む金属粒を形成する工程とを含む蓄冷材の作製方法。
【請求項８】前記金属粒を形成する工程は、前記活性
炭微粉末が添加された前記金属融液を、回転する平板上
に滴下して飛散させる請求項７記載の蓄冷材の作製方
法。
【請求項９】前記金属粒を形成する工程は、前記活性
炭微粉末が添加された前記金属融液を、ガス流中に滴下
させて飛散させる請求項７記載の蓄冷材の作製方法。
【請求項１０】前記金属融液を作製する工程は、前記
金属塊に高周波電磁界を印加して誘導電流を流して加熱
する工程を含み、前記活性炭微粉末添加工程は、前記金属融液に高周波電
磁界を印加して誘導電流を発生させ、対流を起こして前
記活性炭微粉末を均一に分散させる請求項７〜９のいず
れかに記載の蓄冷材の作製方法。