(57)【要約】【課題】蓄冷器の流れ方向に直角な同一面での冷媒ガスの流速の不均一性を緩和し、低温側における温度のばらつきを少なくすることができ、これにより蓄冷器の熱交換の効率を良好にできる蓄冷器及び蓄冷型冷凍機を提供することを課題とする。【解決手段】蓄冷器４は、高温の冷媒ガスが通過する高温側４Ｈと低温の冷媒ガスが通過する低温側４Ｌと高温側４Ｈ及び低温側４Ｌに連通すると共に蓄冷材を収容する収容室とを有するケース４０と、ケース４０の収容室に収容された蓄冷材４ａ、４ｂとを備えている。ケース４０は、高温側と低温側との間に少なくとも１段の段部４４を有する段保有形状に形成されており、段部４４により、相対的に温度の低い側の流路断面積は、相対的に温度の高い側の流路断面積より小さく設定されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温の冷媒ガスが通過する高温側と低温の冷媒ガスが通過する低温側と前記高温側及び前記低温側に連通すると共に蓄冷材を収容する収容室を有するケースと、前記ケースの前記収容室内に収容された蓄冷材とを備え、蓄冷型冷凍機に用いられる蓄冷器において、
前記ケースは、前記高温側と前記低温側との間に少なくとも１段の段部を有する段保有形状に形成されており、相対的に温度の低い側の流路断面積は、相対的に温度の高い側の流路断面積よりも小さく設定されていることを特徴とする蓄冷型冷凍機に用いられる蓄冷器。
【請求項２】
請求項１において、前記蓄冷材は金網を基材とすることを特徴とする蓄冷器。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、前記ケースの収容室のうち流路断面積が大きい側に配置される金網のメッシュ数は、前記ケースの収容室のうち流路断面積が小さい側に配置される金網のメッシュ数よりも小さく設定されていることを特徴とする蓄冷器。
【請求項４】
請求項1〜請求項３のうちのいずれか一項において、前記ケースのうち前記段部に対面する領域または当該領域近傍にディストリビュータが設けられていることを特徴とする蓄冷器。
【請求項５】
請求項４において、前記ディストリビュータは冷媒ガスを案内する複数の孔を有することを特徴とする蓄冷器。
【請求項６】
請求項４または請求項５において、前記ディストリビュータは、冷媒ガスを案内するように外周側に開口する複数のスリットを有していることを特徴とする蓄冷器。
【請求項７】
請求項４において、前記ディストリビュータは、前記蓄冷器の前記高温側と前記低温側とを繋ぐ方向において並設された第１ディストリビュータ部と第２ディストリビュータ部とを備えており、前記第１ディストリビュータ部と前記第２ディストリビュータ部との間に、冷媒ガスが流入できる空間が形成されていることを特徴とする蓄冷器。
【請求項８】
請求項４〜請求項７のうちのいずれか一項において、前記ディストリビュータは、複数個の粒状部材の集合体で構成されていることを特徴とする蓄冷器。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のうちのいずれか一項において、前記ディストリビュータは、複数の細孔を有する多孔質部材で形成されていることを特徴とする蓄冷器。
【請求項１０】
極低温を生成する冷凍系を具備する蓄冷型冷凍機において、前記冷凍系は蓄冷器を有しており、前記蓄冷器は、高温の冷媒ガスが通過する高温側と低温の冷媒ガスが通過する低温側と前記高温側及び前記低温側に連通すると共に蓄冷材を収容する収容室を有するケースと、前記ケースの前記収容室内に収容された蓄冷材とを備えており、
前記ケースは、前記高温側と前記低温側との間に少なくとも１段の段部を有する段保有形状に形成されており、相対的に温度の低い側の流路断面積は、相対的に温度の高い側の流路断面積より小さく設定されていることを特徴とする蓄冷型冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は蓄冷器及び蓄冷型冷凍機に関する。本発明は、スターリング冷凍機、ＧＭ冷凍機、パルス管冷凍機等の蓄冷型冷凍機に用いられる蓄冷器に利用することができる。
【背景技術】
【０００２】
従来技術として、図１０に示すように、蓄冷器１２０が組み込まれたスターリング冷凍機５００が知られている（特許文献１）。このスターリング冷凍機５００によれば、図１０に示すように、圧縮部１１３ａは、蓄冷器１２０、熱交換器１１８、膨張部１１５ａに直列的に接続されている。圧縮部１１３ａは圧縮ピストン１１３で規定される。膨張部１１５ａは膨脹ピストン１１５で規定される。そして、駆動源１１１が矢印Ａ１方向に回転すると、駆動源１１１の駆動力は伝達機構１１２、１１４を介して所定の位相角を与えつつ、圧縮ピストン１１３、及び、膨張ピストン１１５にそれぞれ伝達されることによって、スターリング冷凍機５００が実現される。このスターリング冷凍機５００によれば、蓄冷器１２０は、圧縮部１１３ａから吐出される冷媒ガスの流れ方向に沿って径が連続的に縮径された円錐筒形状をなす。なお蓄冷器１２０の流路断面形状は円形をなす。
【０００３】
上記した円錐形状をなす蓄冷器１２０については、流路断面積は、低温側１２０Ｌで小さく、高温側１２０Ｈへ向かうにつれて連続的に増加するよう設定されている。また他の従来技術として、図１１に示される蓄冷器１３０も知られている。この蓄冷器１３０は径が全長にわたり同一の直円筒形状をなす。この蓄冷器１３０は、低温側１３０Ｌから高温側１３０Ｈまで、流路の断面が円形で、且つ、流路断面積が同一値に設定されている。この蓄冷器１３０には金網１３５が充填されて配置されている。
【特許文献１】特開平４−２８８４５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した図１１に示される蓄冷器１３０は前記したように直円筒形状をなし、これの低温側１３０Ｌから高温側１３０Ｈまで、流路の断面が円形で、且つ、流路断面積が同一値に設定されている。このため蓄冷器１３０の蓄冷材のエレメントとして金網１３５が使用されるとき、金網１３５のサイズは基本的には同一径で済むため、金網１３５の製作費が抑制される。更に、直円筒形状をなす蓄冷器１３０は円錐形状に比較して製造しやすいという利点を有する。しかしながら、直円筒形状をなす蓄冷器１３０によれば、その径が大きくなると、冷媒ガスの流れ方向に対して直角な同一面において温度のばらつきが発生し易い。殊に、蓄冷器１３０のうち中温側１３０Ｍから低温側１３０Ｌにかけて、冷媒ガスの流れ方向に対して直角な同一面において温度のばらつきが発生し易い。即ち、蓄冷器１３０の中温側１３０Ｍから低温側１３０Ｌにかけて、これの径方向の中央領域と外周領域とで温度のばらつきが発生し易い。この場合、蓄冷器１３０の熱交換の効率が著しく低下し、冷凍機の本来の性能が充分に発揮されにくいおそれがある。
【０００５】
蓄冷器１３０において、温度のばらつきが生じる理由としては次のように推察される。即ち、蓄冷器１３０の低温側１３０Ｌと高温側１３０Ｈとでは温度がかなり異なる関係上、蓄冷器１３０の低温側１３０Ｌと高温側１３０Ｈとで冷媒ガスの密度がかなり異なる。ここで、蓄冷器１３０の低温側１３０Ｌでは、冷媒ガスは低温であるため、冷媒ガスの密度が大きい。また、蓄冷器１３０の高温側１３０Ｈでは冷媒ガスは高温であるため、冷媒ガスの密度が小さい。このため冷媒ガスが同一流量であっても、冷媒ガスの流量体積は、高温側１３０Ｈで大きいものの、低温側１３０Ｌでは小さい。このため蓄冷器１３０を流れる冷媒ガスの流速は、一般的には高温側１３０Ｈで速く、蓄冷器１３０の低温側１３０Ｌで遅くなる傾向がある。
【０００６】
このように冷媒ガスの流速が遅い蓄冷器１３０の低温側１３０Ｌでは、蓄冷器１３０の径方向の中央領域と外縁領域との位置の影響が大きく発現される。この結果、蓄冷器１３０の低温側１３０Ｌでは、蓄冷器１３０の径方向の中央領域を流れる冷媒ガスの流速と、蓄冷器１３０の径方向の外縁領域を流れる冷媒ガスの流速との間における差が大きくなる。従って、直円筒形状をなす蓄冷器１３０内では、中央領域と外縁領域における蓄冷材と冷媒ガスとの間の熱伝達率の差、及び、同一円周領域内における蓄冷材と冷媒ガスとの間の熱伝達率の差が大きくなる。
【０００７】
このため蓄冷器１３０の低温側１３０Ｌでは、蓄冷器１３０の径方向の中央領域と外縁領域とで温度の差が大きくなり、蓄冷器１３０の熱交換の効率を低下させるものと推察される。
【０００８】
また上記した図１０に示す円錐形状の蓄冷器１２０は、低温側１２０Ｌが内径が小さくなるように形成されているため、蓄冷器１２０の低温側１２０Ｌでは、直円筒形状の蓄冷器１３０の場合よりも、冷媒ガスの流速が径方向の中央領域と周縁領域とで差が大きくなることは抑制される。故に、円錐形状の蓄冷器１２０は、低温側１２０Ｌにおいて、中央領域と外縁領域とで温度の差を小さくできるという利点を有する。
【０００９】
しかしながら上記した円錐形状をなす蓄冷器１２０は、直円筒形状の蓄冷器１３０の場合よりも、製造が必ずしも容易ではない。更に、円錐形状の蓄冷器１２０によれば、蓄冷材のエレメントとして金網が使用される場合、多数枚（例えば約３００〜３０００枚であるが、これに限定されない）の金網を厚み方向に積層させるため、金網の外径のサイズを一枚一枚づつ変えなければならない。このため外径のサイズが異なる多数の金網を用いなければならず、蓄冷材のエレメントである金網の製作費がかなり高くなる欠点が生じる。
【００１０】
金網の製作費の高騰を抑える方策として、球状の蓄冷材の集合体を使うことが考えられる。しかしこの場合には、略３００K〜略４０Kの温度範囲で使用する球状の蓄冷材の集合体を用いて、金網と同程度の伝熱表面積（熱交換面積）を得ようとすると、球状の蓄冷材の径が小さくなる。この結果、冷媒ガスの圧力損失が金網の場合よりもかなり大きくなる問題がある。
【００１１】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、蓄冷器の流れ方向に直角な同一面での冷媒ガスの流速の不均一性を緩和でき、蓄冷器の低温側において蓄冷器の径方向の中央領域と外縁領域とにおける温度の差を少なくすることができ、これにより蓄冷器の熱交換の効率を良好にできるのに有利な蓄冷器及び蓄冷型冷凍機を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る蓄冷器は、高温の冷媒ガスが通過する高温側と低温の冷媒ガスが通過する低温側と高温側及び低温側に連通すると共に蓄冷材を収容する収容室とを有するケースと、ケースの収容室に収容された蓄冷材とを備え、蓄冷型冷凍機に用いられる蓄冷器において、
ケースは、高温側と低温側との間に少なくとも１段の段部を有する段保有形状に形成されており、相対的に温度の低い側の流路断面積は、相対的に温度の高い側の流路断面積よりも小さく設定されていることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明に係る蓄冷型冷凍機は、極低温を生成する冷凍系を具備する蓄冷型冷凍機において、冷凍系は蓄冷器を有しており、蓄冷器は、高温の冷媒ガスが通過する高温側と低温の冷媒ガスが通過する低温側と高温側及び低温側に連通すると共に蓄冷材を収容する収容室を有するケースと、ケースの収容室内に収容された蓄冷材とを備えており、
ケースは、高温側と低温側との間に少なくとも１段の段部を有する段保有形状に形成されており、相対的に温度の低い側の流路断面積は、相対的に温度の高い側の流路断面積より小さく設定されていることを特徴とするものである。
【００１４】
冷媒ガスの密度は基本的には温度に反比例する。即ち、温度が低いほど冷媒ガスの密度は大きくなり、温度が高いほど冷媒ガスの密度が小さい。故に、温度が低いほど冷媒ガスの流量体積は小さくなり、温度が高いほど冷媒ガスの流量体積は大きくなる。
【００１５】
本発明に係る蓄冷器によれば、相対的に温度の低い側（即ち、冷媒ガスの流量体積が相対的に小さい側）の流路断面積は、相対的に温度の高い側（即ち、冷媒ガスの流量体積が相対的に大きい側）の流路断面積よりも小さく設定されている。このため、直円筒形状の蓄冷器を用いる場合に比較して、相対的に温度が低い側の冷媒ガスの流速と、相対的に温度が高い側の冷媒ガスの流速との差を低減させることができる。
【００１６】
この結果、径サイズが大きな直円筒形状の蓄冷器を用いる場合に比較して、蓄冷器において、冷媒ガスの流れ方向に直角な同一面において冷媒ガスの流速が不均一になりにくい。従って、直円筒形状の蓄冷器を用いる場合に比較して、蓄冷器において径方向の中央領域と外縁領域とで径方向の温度のばらつきと、同一円周領域での円周方向の温度のばらつきが少なくなる。特に、蓄冷器の低温側において径方向の中央領域と外縁領域とで温度のばらつきが少なくなる。このため蓄冷器の熱交換の効率が良好となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、蓄冷器の流れ方向に直角な同一面での冷媒ガスの流速の不均一性が緩和される。従って蓄冷器の径方向の中央領域と外縁領域との間における径方向の温度の差と、同一円周領域での円周方向の温度の差を小さくできる。殊に、蓄冷器の低温側において、径方向の中央領域と外縁領域との間における温度の差を小さくできる。これにより蓄冷器の熱交換の効率を良好にできる。
【００１８】
更に本発明によれば、ケースは、高温側と低温側との間に少なくとも１段の段部を有する段保有形状に形成されている。蓄冷材として金網を使用する場合には、円錐形状をなす蓄冷器に比較して、金網の外径のサイズの種類を減少させることができる。このため蓄冷材である金網の製造コストを低減でき、蓄冷材のコスト、ひいては蓄冷器の全体のコストを低減させるのに有利となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の好ましい形態によれば、蓄冷材は金網を基材とする。基材とするとは、蓄冷材の全重量のうち重量比で２０％以上を占めることをいう。金網は、蓄冷材の全重量のうち重量比で５０％以上を占めても良い。金網は、冷媒ガスが通過する通路を形成するように線材を組み合わせたものである。金網は、球等の粒状の蓄冷材に比べて、冷媒ガスの圧力損失を抑えつつ、金網の表面積、即ち金網の熱交換にたずさわる面積を大きくできるので、蓄冷器における熱交換の効率が向上する。従って、蓄冷材のエレメントとして金網を基材とすれば、球等の粒状蓄冷材に比べて、冷媒ガスの圧力損失を小さくしつつ、金網の伝熱表面積、即ち、冷媒ガスとの熱交換にたずさわる表面積を大きくできる利点が生じる。
【００２０】
冷媒ガスの粘性は温度が高いほど大きくなり、冷媒ガスの粘性は温度が低いほど小さくなる。従って、蓄冷器のうち高温側では冷媒ガスの粘性が高く、冷媒ガスの粘性に起因する圧力損失が大きくなりがちである。また、金網のメッシュ数が大きいほど、金網の網目開口は細かく、金網のメッシュ数が小さいほど、金網の網目開口は粗い。そこで本発明の好ましい形態によれば、ケースの高温側つまり流路断面積が大きい側に配置される金網のメッシュ数は、ケースの低温側つまり流路断面積が小さい側に配置される金網のメッシュ数よりも小さく設定されている。このため、ケースのうち高温側つまり流路断面積が大きい側に配置される金網の網目開口は、ケースのうち低温側つまり流路断面積が小さい側に配置される金網の網目開口よりも粗く設定されている。これにより高温側において冷媒ガスの粘性に起因する圧力損失が抑制され、冷凍機の性能向上に貢献できる。
【００２１】
また、冷媒ガスの熱伝達率は一般的には冷媒ガスの熱伝導率の低下と流速が低くなることから温度が低くなるにつれて低下する。また、メッシュ数が大きい金網は、金網の線材径が同一であれば、メッシュ数が小さい金網よりも伝熱表面積が大きい。メッシュ数の大きい金網の線径が、メッシュ数の小さい金網の線径より小さい場合でも、充填枚数が増えるので、メッシュ数の小さい金網よりも伝熱表面積は大きい。この場合、線径が小さいので、蓄冷材としての金網の熱応答性は良好となる。そこで好ましい形態によれば、蓄冷器の低温側、即ち、蓄冷器の流路断面積の小さい側に、メッシュ数が大きい金網（即ち、伝熱表面積が大きい金網）を配置すれば、蓄冷器の低温側における金網の伝熱面積が確保され、蓄冷器の低温側において冷媒ガスの熱伝達率が低下する不具合を軽減できる。結果として、蓄冷器の蓄冷材と冷媒ガスとの熱伝達が良好となり、蓄冷器における熱交換効率を高めることができ、冷凍機の性能向上に貢献できる。
【００２２】
ところで、ケースのうち段部に対面する領域は、ケースの流路断面積が大きく変化する箇所である。ケースの流路断面積が大きく変わる箇所、その箇所近傍では、冷媒ガスの淀みが生じるおそれがある。そこで、本発明の好ましい形態によれば、ケースのうち段部に対面する領域またはその近傍に、ディストリビュータが設けられている。ディストリビュータは、冷媒ガスを案内する機能をもつものである。ディストリビュータによって冷媒ガスの流れの均一性が改善される。これにより蓄冷器のケースの収容室に収容されている蓄冷材のエレメントが効率的に使用され、蓄冷器の熱交換効率が良好になる。また冷媒ガスの圧力損失も低減される。
【００２３】
ディストリビュータとしては、冷媒ガスを案内する複数の孔を有する形態を例示できる。このようなディストリビュータは組付性が良く、ディストリビュータに形成された複数の孔により、流路断面積が大きい箇所と流路断面積が小さい箇所とを効率よく連通させることができ、流路断面積が大きい箇所と流路断面積が小さい箇所との間における冷媒ガスの通過性が確保される。これによりケースのうち段部に対面する領域、または、当該領域近傍において、冷媒ガスの淀みが発生することが抑制される。また、ディストリビュータは、冷媒ガスを案内するように、外周側に開口する複数のスリットを有している形態を例示できる。
【００２４】
ディストリビュータは、蓄冷器の高温側と低温側とを繋ぐ方向において並設された第１ディストリビュータ部と第２ディストリビュータ部とを備えており、第１ディストリビュータ部と第２ディストリビュータ部との間に、冷媒ガスが流入できる空間が形成されている形態を例示できる。当該空間は冷媒ガスを混合させて均一性を向上させる混合室として機能でき、冷媒ガスの温度ムラの低減に有利となる。
【００２５】
ディストリビュータは、複数個の粒状部材の集合体で構成されている形態を例示できる。ディストリビュータを複数個の粒状部材の集合体で構成しており、ディストリビュータの伝熱表面積が大きくなるので蓄冷材として機能をもつことによって、蓄冷器の熱交換の効率がさらに良好となる。粒状部材としては金属材料で形成することが好ましい。例えば銅、銅合金（例えばブロンズ）、鉛等の金属材料を基材とする細かい球にすると良い。球の直径としては、例えば０．１〜１ミリメートル、殊に０．２〜０．５ミリメートルにできるが、これらに限定されるものではない。
【００２６】
ディストリビュータは、冷媒ガスを通過させる複数の細孔を有する多孔質部材で形成されている形態を例示できる。細孔は冷媒ガスが通過できる大きさとする。多孔質部材としては、粒状部材の集合体を焼結または結合剤で結合させた形態が例示される。特に、粒状部材の集合体を焼結させた焼結金属等の焼結部材が例示される。この場合、細孔を有する焼結部材と冷媒ガスとの伝熱表面積が増加するため、熱交換効率を高めることができる。
【実施例１】
【００２７】
以下、本発明の実施例１について図１を参照しつつ具体的に説明する。図１は２段形状をなす蓄冷器４をスターリング冷凍機１００に適用した実施例を示す。シリンダ１ａの圧縮空間１は順次、高温用の配管２、放熱器３、２段形状の蓄冷器４、低温用の配管５を介して、膨張空間７の低温端に設けた熱交換器６に連通されている。圧縮空間１を形成している圧縮ピストン１０はロッド１１を介して、図略の駆動部に接続されている。膨張空間７を形成しているシリンダ８ａの膨張ピストン８は、ロッド９を介して、図略の駆動部に接続されている。圧縮ピストン１０の位相は膨張ピストン８の位相よりも略６０度〜１２０度遅れている。このようにしてスターリング冷凍機１００（蓄冷型冷凍機）を構成している。圧縮ピストン１０と膨張ピストン８とが位相をずらして往復運動することによって、冷媒ガスが往復移動し、膨張空間７で低い温度の冷凍を発生することは良く知られている。
【００２８】
図１に示すように、蓄冷器４のケース４０は段保有形状をなしており、蓄冷器４の大径の第１収容室４１ａを形成する大径の第１筒４１と、小径の第２収容室４２ａを形成する小径の第２筒４２とを備えている。第１筒４１は、第１筒４１の軸長方向にわたり径Ｄ１が同一の直円筒形状をなす。第２筒４２は、第２筒４２の軸長方向にわたり径Ｄ２が同一の直円筒形状をなす。第１筒４１と第２筒４２との境界はリング状の段部４４とされている。図１に示すように、大径の第１筒４１の端は高温側４Ｈ（例えば常温領域）とされ、放熱器３に接続されている。小径の第２筒４２の端は低温側４Ｌ（例えば３０〜８０Ｋ）とされ、配管５を介して熱交換器６に繋がれている。
【００２９】
図１に示すように、ケース４０の第２筒４２の先端部には、冷媒ガスの流れを円滑にするための円錐面４８が形成されている。更に、円錐面４８に対向するように、複数の貫通孔４９ａを有する多孔部材４９が配置されている。
【００３０】
蓄冷材のエレメントである金網４ａは、外径サイズが大きく設定されている。金網４ａは、大径の第１筒４１の大径の第１収容室４１ａ内に充填状態で配置されている。蓄冷材のエレメントである金網４ｂの外径サイズは、金網４ａの外径サイズよりも小さく設定されている。複数の金網４ｂは、蓄冷器４の小径の第２筒４２の小径の第２収容室４２ａ内に充填状態で配置されている。小径の第２収容室４２ａは膨張空間７に近いため、段保有形状の蓄冷器４は温度が低下するにつれて、流路断面積が段階的に小さくなるように設定されている。従って金網の温度としては、金網４ａ、４ｂの順に温度が低くなっている。
【００３１】
上述したように、冷媒ガスの密度は基本的には温度に反比例する。即ち、温度が低いほど冷媒ガスの密度は大きくなり、温度が高いほど冷媒ガスの密度は小さくなる。従って、温度が低いほど冷媒ガスの流量体積は小さくなり、温度が高いほど冷媒ガスの流量体積は大きくなる。このように冷媒ガスが同一質量であっても、冷媒ガスの流量体積が蓄冷器４の低温側４Ｌと高温側４Ｈとで異なる。
【００３２】
前述したように従来技術によれば、段部を有しない直円筒形状をなす蓄冷器によれば、中温側〜低温側において、蓄冷器の径方向の中央領域と外縁領域とで冷媒ガスの流速の差が大きくなる。従って、蓄冷器のうち、径方向の中央領域と外縁領域とで径方向の温度のばらつきと、同一円周領域での円周方向の温度のばらつきが起こり、蓄冷器の熱交換の効率が著しく低下するおそれがある。
【００３３】
この点について本実施例に係る蓄冷器４は段付き円筒形状に設定されており、蓄冷器４のうち冷媒ガスの流量体積が小さくなる低温側４Ｌの流路断面積は、冷媒ガスの流量体積が大きくなる高温側４Ｈの流路断面積よりも小さく設定されている。このため、蓄冷器４のうち低温側４Ｌの冷媒ガスの流速と、高温側４Ｈの冷媒ガスの流速との差をできるだけ小さくすることができる。ここで、蓄冷器４の低温側４Ｌの冷媒ガスの流速は、高温側４Ｈの冷媒ガスの流速とほぼ同じ程度とすることが好ましい。
【００３４】
このような本実施例に係る蓄冷器４によれば、低温側４Ｌにおいて、冷媒ガスの流れ方向に直角な同一面での流速が不均一となりにくい。即ち、蓄冷器４のうち、低温側４Ｌにおいて、径方向の中央領域と外縁領域とで冷媒ガスの流速の差と、同一円周領域での円周方向における冷媒ガスの流量の差が小さくなる。この結果、蓄冷器４において、径方向及び円周方向における温度の差が小さくなる。殊に、蓄冷器４の中温側〜低温側４Ｌにかけて径方向及び円周方向における温度のばらつきが少なくなる。故に蓄冷器４の熱交換の効率が良好となる。
【００３５】
また、前記した蓄冷材のエレメントは金網４ａ、４ｂであるため、球等の粒状蓄冷材の集合体に比べて、圧力損失が小さくなる。更に金網４ａ、４ｂは、表面積、即ち熱交換にたずさわる面積が球等の粒状蓄冷材の集合体に比べて、大きいので熱交換の効率が向上する。
【００３６】
また冷媒ガスの粘性は温度が高いほど大きくなり、冷媒ガスの粘性は温度が低いほど小さくなる。従って、蓄冷器４のうち高温側４Ｈでは冷媒ガスの粘性が高く、冷媒ガスの粘性に起因する圧力損失が大きくなりがちである。この点について本実施例に係る蓄冷器４によれば、ケース４０のうち流路断面積が大きい側（高温側４Ｈ）である大径の第１筒４１内に充填される金網４ａのメッシュ数をＭａとし、ケース４０のうち流路断面積が小さい側（低温側４Ｌ）である小径の第２筒４２内に充填される金網のメッシュ数をＭｂとしたとき、ＭａはＭｂよりも小さく設定されている。ここで、メッシュ数が小さいほど網目開口は粗く、圧力損失は相対的に低い。メッシュ数が大きいほど、網目開口は細かく、金網に起因する圧力損失が相対的に高い。従って本実施例によれば、高温側４Ｈに配置される金網４ａの網目開口は、低温側４Ｌに配置される金網４ｂの網目開口よりも粗く設定されており、金網に起因する圧力損失を小さくするようになっている。この結果、高温側４Ｈにおける冷媒ガスの粘性が高いことに起因する圧力損失を補うことができる。故に、蓄冷器４の低温側４Ｌと高温側４H との圧力損失のバランスが改善され、冷凍性能を確保するのに貢献できる。
【００３７】
本実施例によれば、図１に示すように、蓄冷器４のケース４０は段保有形状をなしており、直円筒形状の第１筒４１と直円筒形状の第２筒４２とをほぼ同軸的に連結させて形成されている。このような同軸的な直円筒形状の蓄冷器４は、段付きであっても、図１０に示す円錐形状の蓄冷器１２０よりも製造が容易である。
【００３８】
更に本実施例によれば、図１に示すように、蓄冷器４を構成する第１筒４１と第２筒４２との境界域であるリング鍔状をなす段部４４は、金網４ａを挿入する方向（矢印Ｙ方向）に対して直角方向またはほぼ直角方向に沿っている。このため多数の金網４ａをケース４０の第１収容室４１ａに充填するときにおけるストッパ面として、段部４４は機能することができる。よって、多数の金網４ａをケース４０の第１収容室４１ａに高密度で充填させるのに有利となる。
【００３９】
更に本実施例によれば、金網４ａの外径は第１収容室４１ａの内径に対応しており、金網４ｂの外径は第２収容室４２ａの内径に対応している。このため多数の金網４ｂを第２収容室４２ａに高密度に充填させるのに有利である。同様に、多数の金網４ａを第１収容室４１ａに高密度に充填させるのに有利である。これにより金網４ａ，４ｂの充填枚数を確保でき、金網４ａ，４ｂの熱交換面積を確保できる。
【００４０】
また本実施例によれば、蓄冷器４を構成する第１筒４１及び第２筒４２は、円錐形状ではなく、直円筒形状をなしている。このため金網４ｂを第２収容室４２ａに押し込める押込力を有効に利用して金網４ｂを第２収容室４２ａに押し込むことができ、金網４ｂの高密度充填に適し、金網４ｂによる伝熱表面積を確保するのに有利となる。同様に、金網４ａを第１収容室４１ａに押し込む押込力を有効に利用して金網４ａを第１収容室４１ａに押し込むことができ、金網４ａの高密度充填に適し、伝熱表面積を確保するのに有利となる。
【００４１】
なお、従来技術に係る円錐形状の蓄冷器１２０の場合には、金網等の蓄冷材を押込力ＦＥ（図１０参照）で蓄冷器１２０内に押し込んで充填させるとき、蓄冷器１２０の円錐壁１２１により押込力ＦＥが径方向の力Ｆ１を分力として生成させるため、金網や球等の蓄冷材を蓄冷器１２０内にこれの軸長方向に押し込める押込力が低下する傾向がみられる。なお、蓄冷器４は１つの段部４４を有する段保有形状をしているが、２つの段部を有する段保有形状、３つの段部を有する段保有形状でも良いことは勿論である。また、冷凍機は、本実施例では、スターリング冷凍機であるが、ＧＭ冷凍機、パルス管冷凍機等の蓄冷型冷凍機であれば、どのようなサイクルでも良い。
【実施例２】
【００４２】
図２は実施例２を示す。本実施例は前記した実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図２に示すように、段保有形状をなす蓄冷器４Ｂを、蓄冷型冷凍機であるパルス管冷凍機２００に適用した実施例である。パルス管２７の低温端２７Ｌには熱交換器２６が接続されている。パルス管２７の高温端２７Ｈには放熱器２８が接続されている。放熱器２８は、イナータンスチューブ２９を介してバッファタンク３０に接続されている。パルス管２７の冷媒ガスがイナータンスチューブ２９を介してバッファタンク３０に対して行き来することにより、冷媒ガスの圧力波形の位相が調整される。従って、イナータンスチューブ２９及びバッファタンク３０は冷媒ガスの位相と圧力振幅とを調整する圧力波形位相制御要素として機能するものである。イナータンスチューブ２９とバッファタンク３０は冷凍系を電気回路として考えたとき、それぞれインダクタンスとキャパシタンスに相当する機能を奏する。
【００４３】
図２に示すように、蓄冷器４Ｂのケース２４０は段保有形状をなしており、蓄冷器４Ｂの大径の第１収容室２４１ａを形成する大径の第１筒２４１と、小径の第２収容室２４２ａを形成する小径の第２筒２４２と、中径の第３収容室２４３ａを形成する中径の第３筒２４３とを備えている。第１筒２４１と第２筒２４３との間はリング形状の段部２４４とされている。第２筒２４２と第３筒２４３との間には、リング形状の段部２４５が形成されている。
【００４４】
蓄冷材のエレメントである金網４ａは、外径サイズが金網４ｂよりも大きく設定されている。金網４ａは、大径の第１筒２４１の大径の第１収容室２４１ａ内に充填状態で配置されている。蓄冷材のエレメントである金網４ｂは、金網４ａよりも外径サイズが小さく設定されている。金網４ｂは、蓄冷器４の小径の第２筒２４２の小径の第２収容室２４２ａ内に充填状態で配置されている。また、蓄冷材のエレメントである金網４ｃの外径サイズは、金網４ａの外径サイズよりも小さく設定されており、且つ、金網４ｂの外径サイズよりも大きく設定されている。この中径の金網４ｃは、蓄冷器４の中径の第３筒２４３の中径の第３収容室２４３ａに充填状態で配置されている。
【００４５】
金網の温度としては、金網４ａ、４ｃ、４ｂの順に温度が低くなっている。３段保有形状の蓄冷器４Ｂでは、温度が下がるにつれて、段階的に流路断面積が小さくされている。
【００４６】
上述したように、冷媒ガスの密度は温度に反比例する。即ち、蓄冷器４Ｂの高温側２４Ｈほど冷媒ガスの密度は大きくなり、流量体積が大きくなり、蓄冷器４Ｂの低温側２４Ｌほど冷媒ガスの密度は大きくなり、流量体積が小さくなる。本実施例に係る段付き形状をなす蓄冷器４Ｂによれば、図２に示すように、低温側２４Ｌの流路断面積を高温側２４Ｈの流路断面積よりも小さくしている。このため、低温側２４Ｌの冷媒ガスの流速と、高温側２４Ｈの冷媒ガスの流速との間の差を低減させることができる。この結果、蓄冷器４においても、冷媒ガスの流れ方向に直角な同一面での流速が不均一となりにくい。この結果、蓄冷器４Ｂにおいて径方向の中央領域と外縁領域とでの温度の差が小さくなり、且つ、同一円周領域での円周方向の温度の差が小さくなる。殊に、蓄冷器４Ｂの低温側２４Ｌにおいて、径方向の中央領域と外縁領域とでの温度の差が小さくなり、且つ、同一円周領域での円周方向の温度の差が小さくなる。故に蓄冷器４Ｂの熱交換の効率が良好となる。
【００４７】
また、前記した蓄冷材のエレメントは金網４ａ、４ｂ、４ｃであるため、球等の粒状蓄冷材に比べて、冷媒ガスの圧力損失を小さくしつつ、金網４ａ、４ｂ、４ｃの表面積、即ち熱交換にたずさわる面積を大きくでき、熱交換の効率を向上させ得る。
【００４８】
また本実施例に係る蓄冷器４Ｂによれば、ケース２４０のうち流路断面積が大きい側（高温側２４Ｈ）である大径の第１筒２４１内に充填される金網４ａのメッシュ数をＭａとし、ケース４のうち流路断面積が小さい側（低温側２４Ｌ）である小径の第２筒２４２内に充填される金網のメッシュ数をＭｂとし、ケース４のうち流路断面積が中間側（中温側２４ｍ）である中径の第３筒２４３内に充填される金網のメッシュ数をＭｃとしたとき、メッシュ数の大きさとしては、Ｍａ＞Ｍｃ＞Ｍｂの関係に設定されている。換言すると、網目開口の大きさとしては、金網４ａの網目開口開口＞金網４ｃの網目開口開口＞金網４ｂの網目開口開口の関係に設定されている。この結果、蓄冷器４Ｂにおいて、冷媒ガスが流れる流路断面積については、高温側２４Ｈの金網４ａの方が、低温側２４Ｌの金網４ｂよりも大きい。この結果、蓄冷器４の全長での圧力損失のバランスが良好となる。
【実施例３】
【００４９】
図３は実施例３にかかる蓄冷器４Ｃを示す。本実施例は前記した実施例１,２と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図３に示すように、蓄冷器４Ｃのケース４４０は、蓄冷器４Ｃの大径の第１収容室４４１ａを形成する直円筒形状をなす大径の第１筒４４１と、小径の第２収容室４４２ａを形成する直円筒形状をなす小径の第２筒４４２と、円錐形状の第３収容室４４３ａを形成する円錐形状の第３筒４４３とを備えている。円錐形状の第３筒４４３は第１筒４４１と第２筒４４２とを繋いでいる。大径の第１収容室４４１ａには金網４ａが充填状態に配置されている。また小径の第２収容室４４２ａには金網４bが充填状態に配置されている。
【００５０】
蓄冷器４Ｃの流路断面積が変化する部分、即ち、円錐形状をなす第３筒４４３の第３収容室４４３ａ内に、冷媒ガス案内機能を有するディストリビュータ３４０が配設されている。図３に示すように、ディストリビュータ３４０のうち径方向の中央領域には、冷媒ガスを案内するストレート状をなす複数の孔３４０ａが貫通状態に形成されている。ディストリビュータ３４０のうち径方向の外周領域には、曲成部３４０ｃを有する複数の孔３４０ｂが設けられている。曲成部３４０ｃは、流路断面積の大きい第１収容室４４１ａから、流路断面積の小さい第２収容室４４２ａに向けて延設されている。この結果、円錐形状の第３筒４４３が存在したとしても、第１収容室４４１ａから第２収容室４４２ａに向かう冷媒ガスの流れができるだけ均一化される。これにより蓄冷器４Ｃにおける温度ムラが低減され、殊に、蓄冷器４Ｃの低温側４４Ｌにおける温度ムラが低減される。
【実施例４】
【００５１】
図４及び図５は実施例４に係る蓄冷器４Ｄを示す。本実施例は前記した実施例３と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図４に示すように、蓄冷器４Ｄのケース４４０は、蓄冷器４の大径の第１収容室４４１ａを形成する直円筒形状をなす大径の第１筒４４１と、小径の第２収容室４４２ａを形成する直円筒形状をなす小径の第２筒４４２と、円錐形状の第３収容室４４３ａを形成する円錐形状の第３筒４４３とを備えている。本実施例においても図４に示すように、大径の第１収容室４４１ａには金網４ａが充填状態で配置されている。小径の第２収容室４４２ａには金網４ｂが充填状態で配置されている。
【００５２】
直円錐形状の第３筒４４３は、直円筒形状をなす第１筒４４１及び第２筒４４２を繋いでいる。蓄冷器４Ｄの流路断面積が変化する部分、即ち、円錐形状の第３収容室４４３ａに、冷媒ガス案内機能を有するディストリビュータ５００が配設されている。
【００５３】
図５に示すように、ディストリビュータ５００は平面視で円形状をなす。ディストリビュータ５００の径方向の外周領域には、多数個のスリット５０１が放射方向に形成されている。このスリット５０１は外周側に開口５０２を有する。ディストリビュータ５００の径方向の中央領域には、円形状をなす多数個の孔５０５が貫通状態に設けられている。これにより蓄冷器４Ｄにおいて、流路断面積が大きい大径の第１収容室４４１ａと、流路断面積が小さい小径の第２収容室４４２ａとのガス流れができるだけ均一になるようにされている。
【００５４】
図４に示すように、スリット５０１の外周側の開口５０２は、円錐形状の第３筒４４３の内壁面４４３ｆに直接的に対面する。このため内壁面４４３ｆに接触する関係で停滞して淀みがちな冷媒ガスであっても、その冷媒ガスをスリット５０１を介して流通させることができる。故に、内壁面４４３ｆに接触する冷媒ガスが淀むことを低減させるのに有利となり、蓄冷器４Ｄにおける温度ムラの低減に一層有利となる。特に、蓄冷器４Ｄの低温端４４Ｌにおける温度ムラの低減に有利となる。
【実施例５】
【００５５】
図６は実施例５に係る蓄冷器４Ｅを示す。本実施例は前記した実施例１、２と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図６に示すように、蓄冷器４Ｅのケース４０は段保有形状をなしており、蓄冷器４Ｅの大径の第１収容室４１ａを形成する直円筒形状をなす大径の第１筒４１と、小径の第２収容室４２ａを形成する直円筒形状をなす小径の第２筒４２とを備えている。第１筒４１は、径が第１筒４１の全長にわたり同一の直円筒形状をなす。第２筒４２は、径が第２筒４２の全長にわたり同一の直円筒形状をなす。第１筒４１と第２筒４２との境界はリング形状の段部４４とされている。
【００５６】
図６に示すように、冷媒ガスの流路断面積が変化する部分には、つまり、段部４４には、２つのディストリビュータ、つまり、第１ディストリビュータ部６０と第２ディストリビュータ部６１とが冷媒ガスの流れ方向において直列配置で並設されている。図６に示すように、第１ディストリビュータ部６０は、大きい流路断面積の方に充填された金網４ａに対面して宛われている。第１ディストリビュータ部６０には複数の孔６０ｐが貫通状態に形成されている。第２ディストリビュータ部６１は、小さい流路断面積の方に充填された金網４ｂに対面して宛われている。第２ディストリビュータ部６１には複数の孔６１ｐが貫通状態に形成されている。なお、図６に示すように、孔６０ｐ，６１ｐは大径の第１収容室４１ａと小径の第２収容室４２ａとを連通させる。
【００５７】
図６に示すように、第１ディストリビュータ部６０と第２ディストリビュータ部６１との間には、円形状をなす空間６８が設けられている。空間６８は孔６０ｐ，６１ｐに連通する。空間６８は、蓄冷器４Ｅのうち流路断面積が急変する部分である段部４４または段部４４の近傍に配置されている。空間６８は、冷媒ガスの流れのムラを均一化させるべく、冷媒ガスを混合させて均一性を向上させる混合室として機能できる。更に、空間６８は、径方向の中央領域と外縁領域とで冷媒ガスの流速をできるだけ均一化させる機能も果たす。従って蓄冷器４Ｅにおける温度ムラの低減に有利となる。特に、蓄冷器４Ｅの低温端４Ｌにおける温度ムラの低減に有利となる。
【実施例６】
【００５８】
図７は実施例６に係る蓄冷器４Ｆを示す。本実施例は前記した実施例１、２と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図７に示すように、蓄冷器４Ｆのケース４４０は、蓄冷器４Ｆの大径の第１収容室４４１ａを形成する直円筒形状をなす大径の第１筒４４１と、小径の第２収容室４４２ａを形成する直円筒形状をなす小径の第２筒４４２と、円錐形状の第３収容室４４３ａを形成する円錐形状の第３筒４４３とを備えている。円錐形状の第３筒４４３は、直円筒形状をなす第１筒４４１と第２筒４４２とを繋いでいる。
【００５９】
蓄冷器４Ｆのうち流路断面積が変化する部位、つまり、第３筒４４３には、複数個の粒状部材７００の集合体７０１が配置されている。隣設する粒状部材７００間が通路７０４とされている。通路７０４は３次元的な網目開口形状となる。このような複数個の粒状部材７００の集合体７０１はディストリビュータとしての役割を果たす。多数個の粒状部材７００の集合体７０１が設けられているため、伝熱表面積が大きくなるので蓄冷材として機能をもつことによって、蓄冷器４Ｆの熱交換の効率がさらに良好となる。粒状部材７００としては金属材料で形成することが好ましい。例えば銅、銅合金（例えばブロンズ）、鉛等の金属材料を基材とする細かい球にすると良い。
【実施例７】
【００６０】
図８は実施例７に係る蓄冷器４Ｍを示す。本実施例は前記した実施例６と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図８に示すように、多数個の粒状部材７００の集合体７０１を焼結して形成された焼結部材７５０（多孔質部材）が設けられている。焼結部材７５０は複数の細孔７５４を有しており、蓄冷器４Ｍのうち流路断面積が変化する部位つまり第３筒４４３に設けられている。焼結部材７５０の細孔７５４は冷媒ガスが通過できるものである。焼結部材７５０は、ディストリビュータとしての役割を果たす。
【実施例８】
【００６１】
図９は実施例８を示す。本実施例は前記した実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図９に示すように、蓄冷器４のケース４０は段保有形状をなしており、大径の第１収容室４１ａを形成する大径の第１筒４１と、小径の第２収容室４２ａを形成する小径の第２筒４２とを備えている。金網４ａは、大径の第１筒４１の大径の第１収容室４１ａ内に充填状態で配置されている。蓄冷材のエレメントである複数個の球４ｅは、小径の第２筒４２の小径の第２収容室４２ａ内に充填状態で配置されている。
【００６２】
（その他）
図２に示す実施例２によれば、蓄冷器４Ｂのケース２４０の小径の第２筒２４２の第２収容室２４２ａ内には金網４ｂが充填されているが、金網４ｂに代えて球状の蓄冷材を用いてもよい。その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しないしない範囲内で適宜変更して実施できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は蓄冷器を備える蓄冷型冷凍機に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】実施例１に係り、２段形状の蓄冷器をスターリング冷凍機に適用した回路図である。
【図２】実施例２に係り、３段形状の蓄冷器をパルス管冷凍機に適用した回路図である。
【図３】実施例３に係り、多数の孔を設けたディストリビュータを２段形状の蓄冷器に配設した断面図である。
【図４】実施例４に係り、外周領域にスリット、中央領域に多数の孔を設けたディストリビュータを２段形状の蓄冷器に配設した断面図である。
【図５】実施例４に係り、ディストリビュータの平面図である。
【図６】実施例５に係り、多数の孔を設けたディストリビュータを空間を形成するように２個組合わせて、２段形状の蓄冷器に配設した断面図である。
【図７】実施例６に係り、多数の粒状部材の集合体で構成されたディストリビュータを２段形状の蓄冷器に設けた断面図である。
【図８】実施例７に係り、多数の粒状部材を焼結した焼結部材で構成されたディストリビュータを２段形状の蓄冷器に設けた断面図である。
【図９】実施例８に係り、２段形状の蓄冷器をスターリング冷凍機に適用した回路図である。
【図１０】従来技術に係り、低温側から高温側に向かうにつれて流路断面積が徐々に増加する円錐形状をなす蓄冷器をスターリング冷凍機に適用した回路図である。
【図１１】従来技術に係り、直円筒形状をなす蓄冷器の構成図である。
【符号の説明】
【００６５】
図中、４は蓄冷器、４ａ，４ｂは金網、４０はケース、４１は第１筒、４１ａは第１収容室、４２は第２筒、４２ａは第２収容室、４３は第３筒、４３ａは第３収容室、４４は段部、７００は粒状部材、７０１は集合体、７５０は焼結部材を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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