JPH11281273A

JPH11281273A - 蓄冷器

Info

Publication number: JPH11281273A
Application number: JP10085477A
Authority: JP
Inventors: Kimikazu Obara; 公和小原; Akito Torii; 明人鳥居
Original assignee: IDOTAI TSUSHIN SENTAN GIJUTSU; IDOTAI TSUSHIN SENTAN GIJUTSU KENKYUSHO KK
Current assignee: IDOTAI TSUSHIN SENTAN GIJUTSU; IDOTAI TSUSHIN SENTAN GIJUTSU KENKYUSHO KK
Priority date: 1998-03-31
Filing date: 1998-03-31
Publication date: 1999-10-15
Anticipated expiration: 2018-03-31
Also published as: JP2889221B1

Abstract

(57)【要約】【課題】蓄冷器へのプレートの挿入・充填作業におけ
る煩雑な工程を省いて、冷媒ガスと蓄冷材との接触面積
や流路特性を要求どおり正しく設定することができ、所
望の熱交換効率を実現させることができる蓄冷器を提供
することを課題とする。【解決手段】プレート３０は、例えばステンレスの薄板
を円形形状にエッチングすることにより形成される。そ
して、円形プレート３０には、円形プレート３０の回転
中心を配置中心として同心円状にスリット３１が複数配
列され、各スリット間の部材を支持するために、放射状
の接合部３２が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、逆スターリング冷
凍機、ＧＭ冷凍機又はパルス管冷凍機などの極低温冷凍
機に用いられる蓄冷器（再生器、再生式熱交換器又はリ
ジェネレータとも言う）に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は蓄冷器の利用例を示す図であり、
特に限定しないが、逆スターリング冷凍機（以下「冷凍
機」と略す）の模式構成図である。この冷凍機は、概
略、二つのシリンダ装置１、２とその間を接続する配管
３とから構成されている。図面右側のシリンダ装置１は
「圧縮シリンダ」と呼ばれるもの、図面左側のシリンダ
装置２は「膨張シリンダ」と呼ばれるものであり、以
下、これらの通称で呼ぶことにする。

【０００３】圧縮シリンダ１は、所定の周期で往復動す
るピストン（以下「圧縮ピストン」）４によって内部を
２室に画成し、圧縮ピストン４が上死点位置（図示の位
置）のときに容積を最小とする室（以下「圧縮室」）５
を、配管３に連通させて構成する。なお、６は気密性確
保のためのシール部材である。膨張シリンダ２は、所定
の周期で往復動するピストン（以下「膨張ピストン」）
７と、この膨張ピストン７に内装された蓄冷器８と、膨
張ピストン７が上死点位置（図示の位置は中間点位置）
のときに容積を最小とする室（以下「膨張室」）９と、
膨張室９の室壁を兼ねるとともに被冷却体１０に接する
冷却部１１と、を備えている。なお、１２〜１４は気密
性確保のためのシール部材である。

【０００４】蓄冷器８は、両端開放の円筒状ケーシング
内に、蓄冷材としてマトリックスと呼ばれる多数枚（例
えば１０００枚以上）の円形メッシュプレートを積層状
態に充填して構成する。圧縮室５と膨張室９との間は、
配管３、膨張ピストン７の側面孔７ａ、蓄冷器８の内
部、及び、膨張ピストン７の端面孔７ｂを介して連通し
ており、これら連通各部に、ヘリウム、水素又は窒素等
の高圧の冷媒ガスが充填されている。

【０００５】このような構成の冷凍機は、逆スターリン
グサイクル、すなわち、「等温圧縮行程」、「等容放熱
行程」、「等温膨張行程」及び「等容吸熱行程」の四つ
の行程からなるサイクルを繰り返し実行する。図４は上
記冷凍機のピストン軌跡図である。実線のサインカーブ
Ａは膨張ピストン２の往復動軌跡を示し、一点鎖線のサ
インカーブＢは圧縮ピストン１の往復動軌跡を示してい
る。なお、黒丸（●）は上死点、黒三角（▲）は中間
点、白丸（○）は下死点を表している。この軌跡図から
理解されるように、圧縮ピストン１と膨張ピストン２の
往復動周期は一致し、かつ、圧縮ピストン１の周期が１
／４周期（位相角で９０度）遅れている。

【０００６】以下、各行程の動作を説明すると、（１）等温圧縮行程では、圧縮室５内の冷媒ガスが圧縮
され、この圧縮によって生じた熱は配管３から外部に逃
がされ等温過程となる。（２）等容放熱行程では、圧縮された冷媒ガスがその容
積を変えることなく膨張室９に移送されるが、移送経路
中の蓄冷器８は、前のサイクルの等容吸熱行程で冷却さ
れているため、この蓄冷器８によって熱交換が行われ、
膨張室９には充分に冷やされた冷媒ガスが移送される。（３）等温膨張行程では、膨張室９の容積拡大に伴い、
同室９内の冷媒ガスが周囲の熱（主に冷却部１１の熱）
を奪いながら等温膨張する。（４）等容吸熱行程では、等温膨張した冷媒ガスがその
容積を変えることなく圧縮室５に移送されるが、移送経
路中の蓄冷器８は、前の等容放熱行程で熱を蓄えている
ため、低温の冷媒ガスと高温の蓄冷器８との間で熱交換
が行われ、蓄冷器８は冷やされ、冷媒ガスの温度は上昇
して１サイクルが完了する。

【０００７】次に、蓄冷器に用いられるシリンダ装置、
特に膨張シリンダの詳細について図５を参照して説明す
る。図５において、２０は膨張シリンダ（図３の膨張シ
リンダ２に相当するもの）である。膨張シリンダ２０
は、シリンダ本体２１の内部に所定の周期（図４のサイ
ンカーブＡ参照）で往復動するピストン２２を実装して
おり、このピストン２２は、ケーシングとしての筒状部
２２ａと、該筒状部２２ａに実装された円形のメッシュ
プレート積層体２３と、該筒状部２２ａの下端側開放口
を閉鎖する中実部２２ｂと、筒状部２２ａの上端に穿設
された開口２２ｃと、中実部２２ｂの上端−側面間に穿
設された連通路２２ｄとを含む蓄冷器２４を備えてい
る。

【０００８】筒状部２２ａの上端に穿設された開口２２
ｃ、及び中実部２２ｂの上端−側面間に穿設された連通
路２２ｄは、蓄冷器２４を通過する冷媒ガス（気体）の
出入口になる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記冷
凍機の蓄冷器２４にあっては、図６に示すように両端開
放の円筒状ケーシング内に、１０００枚以上の平面形状
のメッシュプレート２５を積層状態に充填していたた
め、以下のような問題点を有している。第１に、ケーシ
ング２２ａへ手作業により充填するメッシュプレート２
５の枚数が数百枚から数千枚と膨大であるため、作業が
煩雑な上、積層枚数の管理、製造時間及びコストの増大
を招く。

【００１０】第２に、多数のメッシュプレート２５を一
枚のメッシュスクリーンから打ち抜いて製作するため、
それぞれのメッシュプレート２５の形状ばらつきが大き
く、蓄冷材充填部２２ｅへの圧入力が不均一になりやす
く、自動化に馴染まない。さらに、ケーシング内でのプ
レート同士の重なり状態にばらつきが生じやすく、所望
の熱交換効率を実現できない。

【００１１】第３に、熱交換効率を所望の値に設定する
ための要素の一つにガス流路があり、例えば各メッシュ
プレート２５の基準方向を、α度ずつ回転させて挿入す
ることが行われているが、基準方向の回転角度を正確に
把握・設定することが極めて難しい。このような問題の
一部を解決する構成として、従来のメッシュプレートに
代わって、例えばステンレス製の薄板（プレート）をエ
ッチングして細孔を形成したステンレス多孔プレート
（以下、多孔プレートという）が提案されている。

【００１２】この多孔プレートは、上述したメッシュプ
レートと異なり、開孔部の形状や外形形状等を自由に設
計することができるため、所望のガス流路を容易かつ確
実に設定することができるとともに、プレート外形の寸
法精度を蓄冷材充填部の内径精度に良好に対応させるこ
とができるため、熱交換効率の安定した冷却機を実現す
る上で有効な手段として期待されている。

【００１３】しかしながら、このような多孔プレートに
おいてもケーシングの蓄冷材充填部への充填作業は、手
作業により一枚ずつ挿入して所定の枚数積層しており、
依然としてプレートの挿入を効率的に行うことができな
かった。そこで、本発明は、蓄冷器へのプレートの挿入
・充填作業における煩雑な工程を省いて、冷媒ガスと蓄
冷材との接触面積や流路特性を要求どおり正しく設定す
ることができ、所望の熱交換効率を実現させることがで
きる蓄冷器を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、ケーシングの内部に蓄冷材
として複数の細孔を有するプレートを複数枚積層したプ
レート積層体を実装し、該プレート積層体とケーシング
内を通過する気体との間で熱交換を行う蓄冷器におい
て、前記プレート積層体を構成するプレートは回転対称
形状を有し、前記細孔は該プレートの外周形状と略相似
形状を有するとともに、該プレートの回転中心を配置中
心として配列されていることを特徴とする。

【００１５】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載の蓄冷器において、前記プレートは、円形形状を有
し、かつ外周円と同心円状に複数の細孔を有しているこ
とを特徴とする。また、請求項３記載の発明は、請求項
１または２記載の蓄冷器において、前記プレート積層体
は、細孔の形状が等しい同一種類の前記プレートを積層
して形成されることを特徴とする。

【００１６】また、請求項４記載の発明は、請求項１ま
たは２記載の蓄冷器において、前記プレート積層体は、
細孔の形状が相互に異なる複数種類の前記プレートを交
互に積層して形成されることを特徴とする。また、請求
項５記載の発明は、請求項４記載の蓄冷器において、前
記複数種類のプレートは、細孔の形成位置が相互に異な
り、細孔位置を相互に補完するように形成されているこ
とを特徴とする。

【００１７】また、請求項６記載の発明は、請求項４ま
たは５記載の蓄冷器において、前記複数種類のプレート
は、各プレートの種類毎に中心部に所定の開孔部が形成
されていることを特徴とする。また、請求項７記載の発
明は、請求項１，２，３，４，５または６記載の蓄冷器
において、前記プレート積層体は、前記プレート相互に
微小な間隙を有して離間し、積層されることを特徴とす
る。

【００１８】このような蓄冷器によれば、蓄冷器にプレ
ートをランダムに挿入するだけで、冷媒ガスとプレート
との接触面積を所望の値に設定できるため、従来のよう
に方向性を設定する必要はなく、プレートの挿入・充填
作業の作業効率の向上を図ることができるとともに、熱
交換効率を簡易に向上させることができる。また、プレ
ートの回転中心を配置中心として細孔を配列し、該プレ
ートを積層するために、ほとんど冷媒ガスの流路が形成
されないプレートの回転中心部領域に、プレート相互の
識別機能としての開孔部を設けることにより、熱交換効
率を劣化させることなく、プレートの種類を識別できる
ため、プレート積層時の誤りを防止し、効率的な作業を
実現することができる。

【００１９】また、プレート相互に間隙を設けて積層す
ることにより、プレート同士の接触によって発生する、
熱伝導による損失を低減することができるため、熱交換
効率を向上させることができる。なお、このようなプレ
ート積層体の構造が有する作用は、次のような事実に基
づいている。

【００２０】すなわち、蓄冷器の熱交換効率とプレート
とスリット形状及びガス流路との関係を検証した結果、
熱交換効率はガス流路との関係よりも蓄冷器内部での蓄
冷材の単位体積あたりの表面積（冷媒ガスとの接触面
積）に大きく依存することに基づいている。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る蓄冷器につい
て、実施例を示して詳しく説明する。本発明に係る蓄冷
器の第１の実施例について、図１を参照して説明する。
まず、本発明に係る蓄冷器に適用されるプレートについ
て図１（ａ）を参照して説明する。

【００２２】図１（ａ）に示すように、プレート３０
は、例えばステンレスの薄板を円形形状にエッチングす
ることにより形成される。そして、円形プレート３０に
は、円形プレート３０の回転中心を配置中心として同心
円状にスリット（細孔）３１が複数配列され、各スリッ
ト間の部材を支持するために、放射状の接合部３２が設
けられている。すなわち、スリットは外周円と略相似形
の円弧形状を有して形成されている。

【００２３】次に、上述した円形プレート３０を積層し
たプレート積層体３３について、図１（ｂ）を参照して
説明する。図１（ｂ）は、プレート積層体３３をプレー
トと垂直の方向、すなわち、ガスの流路方向に切断した
断面を示している。図１（ｂ）に示すように、図１
（ａ）に示した同一種類のプレートが積層されているた
め、同一位置にスリット３１が位置し、矢印Ａに示すよ
うに直線状のガス流路が形成される。そして、スリット
の幅を狭く形成したプレートを用いることにより、冷媒
ガスとプレートとの接触面積を大きくすることができる
ため、熱交換効率を向上させることができる。

【００２４】また、接合部３２の幅を狭くすることによ
り、ガス流路を良好に確保することができる。ここで、
蓄冷器へのプレートの挿入作業は、エッチングによりプ
レートが高い外形寸法精度を有し、スリットが回転中心
を配置中心として配列されているため、従来のメッシュ
プレートや多孔プレートを用いた場合のように、作業性
やプレートの方向性を考慮することなく、単にランダム
に挿入する作業のみで所望の接触面積、すなわち熱交換
効率を有するプレート積層体を形成することができる。

【００２５】次に、本発明に係る蓄冷器の第２の実施例
について図２を参照して説明する。図２（ａ）に示すよ
うに、本実施例の円形プレート３０ａ，３０ｂは第１の
実施例と同様に同心円状にスリット３１ａ，３１ｂが設
けられ、該スリットの開孔位置がガス流路を確保しつつ
相互に補完関係（積層した断面では千鳥状）を有するよ
うに多種類（図では２種類）形成されている。

【００２６】また、２種類の円形プレート３０ａ，３０
ｂのうち、一方のプレート３０ａの中心部にのみ開孔部
３５が設けられ、他方のプレート３０ｂの中心部には開
孔部が設けられていない。次に、上述した円形プレート
３０ａ，３０ｂを交互に積層したプレート積層体３３に
ついて、図２（ｂ）を参照して説明する。

【００２７】図２（ｂ）は、プレート積層体３３をプレ
ートと垂直の方向、すなわち、ガスの流路方向に切断し
た断面を示している。図２（ｂ）に示すように、図２
（ａ）に示した２種類のプレート３０ａ，３０ｂが交互
に積層され、一方のプレート３０ａのスリット３１ａ上
に他方のプレート３０ｂのプレート残部３４ｂが位置し
ている。そのため、矢印Ｂに示すような蛇行したガス流
路が形成され、上述した第１の実施例よりも冷媒ガスと
プレートとの接触面積を大きくすることができるため、
熱交換効率をさらに向上させることができる。

【００２８】具体的には、円形プレートのスリット３１
ａ，３１ｂとプレート残部３４ａ，３４ｂの関係を、例
えば、スリット幅Ｗｓを０．０７ｍｍ、プレート残部幅
Ｗｒを０．０３ｍｍとし、２種類のプレートを積層した
とき、重なり合った２種類のプレートに生じるプレート
残部相互の間隔、すなわちガス流路幅Ｗｇは０．０２ｍ
ｍとすることができ、同一種のプレートを重ねた場合
（０．０７ｍｍ）に比較して微小とすることができると
ともに、単位体積あたりの表面積を大きくすることがで
きる。

【００２９】また、中心部の開孔部３５の有無によりプ
レート３０ａ，３０ｂの種類を識別できるため、プレー
ト積層時に種類の確認が容易にでき、作業効率の向上を
図ることができる。ここで、円形プレートに同心円状の
スリットを形成した場合、プレートの中心部は、積層に
よりほとんど冷媒ガスの流路が形成されない。したがっ
て、中心部に穴加工を施しても、熱交換効率を劣化させ
ることはない。

【００３０】なお、本実施例ではプレートの種類が２種
類の場合を示したが、これに限定されるものではなく、
３種類以上であっても良く、また、プレートの外形形状
も円形形状以外の回転対称形状、例えば四角形や八角形
等であっても良い。要するに、プレート積層作業を効率
化することができ、かつ、ガス流路が良好に確保でき
て、冷媒ガスとプレートとの接触面積を大きくすること
ができるものであれば良い。

【００３１】さらに、図では示さないが、上述した実施
例において、積層したプレート相互間に微小な隙間を設
けることで、プレート同士の接触によって発生する、熱
伝導による損失を低減することができるため、熱交換効
率をさらに向上させることができる。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、蓄冷器にプレートをラ
ンダムに挿入するだけで、冷媒ガスとプレートとの接触
面積を所望の値に設定できるため、従来のように方向性
を設定する必要はなく、プレートの挿入・充填作業の作
業効率の向上を図ることができるとともに、熱交換効率
を簡易に向上させることができる。

【００３３】また、プレートの回転中心を配置中心とし
て細孔を配列し、該プレートを積層することにより、ほ
とんど冷媒ガスの流路が形成されないプレートの回転中
心部領域に、プレート相互の識別機能としての開孔部を
設けることにより、熱交換効率を劣化させることなく、
プレートの種類を識別できるため、プレート積層時の誤
りを防止し、効率的な作業を実現することができる。

【００３４】また、プレート相互に間隙を設けて積層す
ることにより、プレート同士の接触によって発生する、
熱伝導による損失を低減することができるため、熱交換
効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る蓄冷器の第１の実施例を示す図で
ある。

【図２】本発明に係る蓄冷器の第２の実施例を示す図で
ある。

【図３】逆スターリングサイクル冷凍機の模式図であ
る。

【図４】逆スターリングサイクル冷凍機のピストン軌跡
図である。

【図５】従来のシリンダ装置（膨張シリンダ）の概念的
な断面図である。

【図６】従来のメッシュプレート積層体の製造工程図で
ある。

【符号の説明】

２０：膨張シリンダ２１：シリンダ本体２２：ピストン２２ａ：筒状部（ケーシング）２２ｂ：中実部２２ｃ：開口２２ｄ：連通路２２ｅ：蓄冷材充填部２３：メッシュプレート積層体２４：蓄冷器２５：メッシュプレート２５ａ：メッシュ穴３０、３０ａ、３０ｂ：円形プレート３１：スリット３２：接合部３３：プレート積層体３４ａ、３４ｂ：プレート残部３５：開孔部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ケーシングの内部に蓄冷材として複数の細
孔を有するプレートを複数枚積層したプレート積層体を
実装し、該プレート積層体とケーシング内を通過する気
体との間で熱交換を行う蓄冷器において、前記プレート
積層体を構成するプレートは回転対称形状を有し、前記
細孔は該プレートの外周形状と略相似形状を有するとと
もに、該プレートの回転中心を配置中心として配列され
ていることを特徴とする蓄冷器。
【請求項２】前記プレートは、円形形状を有し、かつ外
周円と同心円状に複数の細孔を有していることを特徴と
する請求項１記載の蓄冷器。
【請求項３】前記プレート積層体は、細孔の形状が等し
い同一種類の前記プレートを積層して形成されることを
特徴とする請求項１または２記載の蓄冷器。
【請求項４】前記プレート積層体は、細孔の形状が相互
に異なる複数種類の前記プレートを交互に積層して形成
されることを特徴とする請求項１または２記載の蓄冷
器。
【請求項５】前記複数種類のプレートは、細孔の形成位
置が相互に異なり、細孔位置を相互に補完するように形
成されていることを特徴とする請求項４記載の蓄冷器。
【請求項６】前記複数種類のプレートは、各プレートの
種類毎に中心部に所定の開孔部が形成されていることを
特徴とする請求項４または５記載の蓄冷器。
【請求項７】前記プレート積層体は、前記プレート相互
に微小な間隙を有して離間し、積層されることを特徴と
する請求項１，２，３，４，５または６記載の蓄冷器。