(57)【要約】  本発明は通気性が均一で、熱伝達性能の向上した蓄熱材を備えた冷凍機用再生器に関する。ランダムワイヤを真空焼結圧着して形成されたベースマットから多数のマットを分離させる。ベースマットから分離された複数のマットを一列にハウジング内に挿入させる。本発明によれば、複数のマットがハウジング内に一列に挿入されるので、ハウジング内の全体に均一な通気が行われる。隣接するマット間の境界層によって熱伝達損失が最小化され、冷凍機の冷却性能が著しく向上される。
2007518952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に所定の空間を有し、ディスプレーサに係合されるハウジングと、
予めベースマットから提供された多数のマットを前記ハウジング内に挿入して成る蓄熱材と、
前記ハウジングの先端に取り付けられるエンドキャップと、
で構成されることを特徴とする冷凍機用再生器。
【請求項２】
前記多数のマットが、ランダム材から形成されることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機用再生器。
【請求項３】
前記多数のマットが、前記ハウジング内部に一列に充積されることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機用再生器。
【請求項４】
前記多数のマットが、前記ハウジング内部の直径に合うように予め設けられていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機用再生器。
【請求項５】
前記ハウジング内部の熱伝達率および／または通気性によって、前記マットの厚さが変化することを特徴とする請求項１に記載の冷凍機用再生器。
【請求項６】
前記ハウジング内部の熱伝達率および／または通気性によって、前記ハウジング内に挿入されるマットの個数が変化することを特徴とする請求項１に記載の冷凍機用再生器。
【請求項７】
冷凍機用再生器に挿入される蓄熱材は、ハウジング内に充積される多数のマットからなることを特徴とする冷凍機用再生器の蓄熱材。
【請求項８】
前記多数のマットが、同一材質のランダムワイヤからなることを特徴とする請求項７に記載の冷凍機用再生器の蓄熱材。
【請求項９】
予め圧着されたランダムワイヤを真空焼結させてベースマットを形成するステップと、
前記ベースマットをパンチング加工して一定形態のマットを多数分離するステップと、
前記分離された多数のマットを一列にハウジング内に挿入するステップと、
を含むことを特徴とする冷凍機用再生器の蓄熱材形成方法。
【請求項１０】
前記ベースマットの厚さが、圧着工程における圧着程度に応じて変化することを特徴とする請求項９に記載の冷凍機用再生器の蓄熱材形成方法。
【請求項１１】
前記ベースマットからは少なくとも１つのマットが分離されることを特徴とする請求項９に記載の冷凍機用再生器の蓄熱材形成方法。
【請求項１２】
前記ハウジング内に挿入されるマットの個数が、マット間の密着程度に応じて変化することを特徴とする請求項９に記載の冷凍機用再生器の蓄熱材形成方法。
【請求項１３】
前記一定形態のマットの形状が、円形、長方形または多角形のうちの１つであることを特徴とする請求項９に記載の冷凍機用再生器の蓄熱材形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍機に関し、より詳しくは、通気性が均一であり、熱伝達性能の向上した蓄熱材を備えた冷凍機用再生器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、冷凍機は、ヘリウムまたは水素などの作動流体が圧縮−膨張などの過程を経て冷凍出力を発生させる装置である。このような冷凍機は、小型電化製品や超伝導体を極低温に冷凍させるために利用されている。
【０００３】
冷凍機としては、 スターリング冷凍機およびＧＭ冷凍機などの熱再生式が主に利用されている。このような冷凍機では、運転速度を低くし、摩擦の発生するシーリング材料の形状を変更し、または、運動する部分をなくすなどの方法で信頼性を高めている。
【０００４】
なお、長期間の間、メンテナンスの必要がない高信頼性の極低温冷凍機の開発が求められているが、このような要求を反映したものが無潤滑パルスチューブ冷凍機（Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎｌｅｓｓ Ｐｕｌｓｅ Ｔｕｂｅ Ｃｏｏｌｅｒ）である。このパルスチューブ冷凍機は、一方の閉管に一定の温度を有するガスを周期的に注入して圧力を変化させる場合、ガスの流動に乱流成分が少ない時、非常に大きな温度勾配が得られるという原理を用いて、管の開いた側で極低温の冷凍を実現する装置である。
【０００５】
図１は、従来の技術による冷凍機を示している。同図に示したように、冷凍機１は、駆動部１００、放熱部２００および冷凍部３００に大別される。
【０００６】
前記駆動部１００は、リニアモーター１３０の電磁気的な相互作用によるピストン１４０の直線往復運動によって冷媒ガスを高温高圧状態に圧縮させる。このような駆動部１００は、シェルチューブ１２０、リニアモーター１３０、ピストン１４０、シリンダー１５０、板ばね１６０およびばね受け台１７０を備えている。
【０００７】
前記シェルチューブ１２０は、所定の内部空間を有し、ディスプレーサ３１０が内挿された内・外側放熱部２１０、２２０と同心をなすようにフレーム１１０に係合固定される。前記リニアモーター１３０は、ステーター（ｓｔａｔｏｒ）１３０ａおよびアーマチュア（ａｒｍａｔｕｒｅ）１３０ｂで構成され、前記シェルチューブ１２０の内部に取り付けられる。前記ピストン１４０は、前記リニアモーター１３０のアーマチュア１３０ｂの一側に固定され、前記リニアモータ１３０の電磁気的な相互作用によって直線往復運動がなされる。前記シリンダー１５０は、前記内側放熱部２１０と同心をなしながら内挿されたピストン１４０の直線往復運動が前記ディスプレーサ３１０に水平に伝達され得るように前記フレーム１１０内側の中央において前記フレーム１００に係合固定される。前記板ばね１６０は、前記ピストン１４０内に内挿されたディスプレーサロッド３２０の位置が前記ピストン１４０および前記内側放熱部２１０と同心をなすように前記ディスプレーサロッド３２０の一側に固定支持される。前記ばね受け台１７０は、前記板ばね１６０を固定するため、一側がシェルチューブ１２０に固定され、他側に前記板ばね１６０が係合固定される。
【０００８】
前記放熱部２００は、ディスプレーサ３１０外周のフレーム１１０に固定され、ピストン１４０によって高温高圧状態に圧縮された冷媒ガスの熱を吸収する内側放熱部２１０と、前記内側放熱部２１０の外側円周面に固定され、前記内側放熱部２１０から伝達された冷媒ガスの熱を冷凍機の外部に放熱させる外側放熱部２２０とで構成される。
【０００９】
前記冷凍部３００には、ディスプレーサ３１０、再生器３３０および冷側部３５０が含まれる。前記ディスプレーサ３１０は、ディスプレーサロッド３２０と一体に形成され、前記内側放熱部２１０内に挿着されて前記ピストン１４０から加入される冷媒ガスの圧縮を通じて前記ディスプレーサロッド３２０の一側に固定された板ばね１６０の弾性変形範囲内で直線往復運動がなされる。前記再生器３３０は、前記ディスプレーサ３１０に結合されて前記ピストン１４０によって前記ディスプレーサ３１０内部に圧縮流動された高温高圧状態の冷媒ガスの顯熱を貯蔵した後、後で膨張空間で膨張された低温状態の冷媒ガスに温度補償して一定の高温状態の冷媒ガスに熱伝達させる。前記冷側部３５０は、前記再生器３３０と膨張空間とで一定の間隔で離隔される位置に設けられ、前記再生器３３０を貫通した冷媒ガスが前記膨張空間で膨張しながら低温状態に熱変化するように外部との熱交換を行う。
【００１０】
上記のような構成の冷凍機の作動関係について説明する。
先ず、リニアモーター１３０、即ち、ステータ１３０ａとアーマチュア１３０ｂとの電磁気的な相互作用によってアーマチュア１３０ｂが直線運動することによって、前記アーマチュア１３０ｂの一側に固定されたピストン１４０も直線運動をするようになる。このとき、前記ピストン１４０の直線運動によって前記圧縮空間に充填されているヘリウムまたは水素などの冷媒ガスが圧縮される。
【００１１】
このように圧縮された冷媒ガスは、放熱部２００を介して一部が冷凍機１０の外部に放出され、他の一部は、ディスプレーサ３１０を介して再生器３３０に流入される。このとき、前記圧縮された冷媒ガスによってディスプレーサ３１０は、膨張空間側に直線移動するようになる。
【００１２】
再生器３３０内に流入された圧縮冷媒ガスは、再生器３３０を貫通しながら熱エネルギーが貯蔵されるように熱伝導された後、膨張空間に流動する。このとき、ピストン１４０の加圧力は、減少する。これによって、ディスプレーサ３１０は、圧縮空間側に直線往復運動するようになる。
【００１３】
次いで、膨張空間に流動された冷媒ガスは、膨張作用によって極低温状態になり、上記のように膨張された低温冷媒ガスは、再び再生器３３０を通過しながら貯蔵された熱エネルギーを伝達されて圧縮空間に流入されるようになる。
【００１４】
このように冷凍機１は、前述のような作動過程のサイクルを繰り返すことによって冷却が行われる。
【００１５】
一方、図２に示したように、ディスプレーサ３１０と結合された再生器３３０は、前記ディスプレーサ３１０の円筒と同一の同心で係合されるハウジング３４０と、該ハウジング３４０内に挿入される蓄熱材３４４と、前記ハウジング３４０の先端に取り付けられるエンドキャップ３４８とで構成される。
【００１６】
前記蓄熱材３４４は、冷媒ガスと接して熱交換を行うことで、冷媒ガスからエネルギーを受け、蓄えて、また、戻すような役割をするため、熱交換面積および比熱が大きく熱伝導係数が小さな材質で構成することが好ましい。
【００１７】
このような状況に鑑みて、蓄熱材３４４は、細粉、小球状、ランダムワイヤのタイプで構成される。特に、このような各タイプは、冷凍機の使用される温度帯域に応じて異なる材質で構成される。一般に、７７°Ｋ程度の極低温冷却用として使用される冷凍機用再生器には、ステンレス材質のランダムワイヤタイプの蓄熱材が多用されている。
【００１８】
なお、前記ランダムワイヤタイプの蓄熱材は、微細なワイヤが固められてなる形態である。従って、ランダムワイヤタイプの蓄熱材を再生器に挿入させるためには、構造的な特性から、金型で一定の形態に成形した後、ハウジングの内に挿入する。
【００１９】
しかし、従来のランダムワイヤタイプの蓄熱材の適用された再生器では、ランダムになされるランダムワイヤを一定の形態に成形するためには、費用と時間がかかるという問題点がある。また、ランダムワイヤが固められた形態であるため、容易に熱伝達が行われ、再生器の効率も低下するようになる。
【００２０】
また、ランダムワイヤタイプの蓄熱材を、前記再生器のハウジングに挿入させる過程で、蓄熱材がハウジング内の全部分にわたって同一な間隔で圧着されていない。即ち、先にハウジングの内部に挿入された、一定形態のランダムワイヤが、後で挿入されるランダムワイヤによって押され、ハウジング内の後部は、ランダムワイヤが過密で、ハウジング内の前部である挿入口は、低密になる。従って、ハウジング内の全部分にわたって均一な通気性が確保されていないため、冷凍機の性能低下をもたらすという問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
従って、本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、本発明の目的は、ハウジング内に真空焼結方式で作られた多数のマットを一列に充積させた蓄熱材を備えた冷凍機用再生器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記のような目的を達成するための本発明の好適な一実施形態によれば、内部に所定の空間を有し、ディスプレーサに係合されるハウジングと、前記ハウジング内に予め設けられているベースマットから提供される多数のマットが挿入される蓄熱材と、前記ハウジングの先端に取り付けられるエンドキャップとで構成される。
【００２３】
前記多数のマットは、ランダムワイヤ材から形成され、前記ハウジング内に一列に充積される。
【００２４】
前記ハウジング内の熱伝達率および／または通気性によって、前記マットの厚さまたは前記ハウジング内に挿入されるマットの個数が変化する。
【００２５】
本発明の好適な他の実施形態によれば、冷凍機用再生器の蓄熱材は、ハウジング内に充積される多数のマットである。
【００２６】
前記多数のマットは、同一材質のランダムワイヤで構成される。
【００２７】
本発明の好適なまた他の実施形態によれば、冷凍機用再生器の蓄熱材形成方法は、予め圧着されたランダムワイヤを真空焼結させてベースマットを形成するステップと、前記ベースマットをパンチング加工して一定形態のマットを多数分離するステップと、前記分離された多数のマットを一列にハウジング内に挿入するステップとを含む。
【００２８】
前記ベースマットの厚さは、圧着工程における圧着程度によって変化する。
【００２９】
前記ベースマットからは少なくとも１つ以上のマットが分離される。
【００３０】
前記ハウジング内に挿入されるマットの個数は、マット間の密着程度によって変化する。
【００３１】
前記一定形態のマットの形状は、円形、長方形または多角形のうちの１つである。
【発明の効果】
【００３２】
以上のように、本発明の冷凍機用再生器によれば、多数のマットを一列にハウジング内に充積させることによって、ハウジング内に全体として通気性を均一に維持させ、冷凍機の冷却性能が向上する。
【００３３】
また、多数のマットの間に一定の境界層が形成されるため、熱伝達を遅延させ、熱伝達損失を一層低減させることができる。
【００３４】
本発明の冷凍機用再生器の蓄熱材形成方法によれば、真空焼結方式で形成されたベースマットから一時に多数のマットを容易に分離することができるため、費用を著しく低減することができる。
【００３５】
また、多数のマットをハウジングの形態に応じて製造することができ、冷凍機用再生器の適用範囲を大きく向上させることができる。
【００３６】
さらに、ハウジング内の熱伝達率および／または通気性を反映してマットの厚さとハウジング内に挿入されるマットの個数を調節することができ、常時最適の熱伝達率および通気性が確保される効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
図３は、本発明の好適な一実施形態に係る冷凍機用再生器を示す。同図に示したように、本発明の冷凍機用再生器は、内部に所定の空間を有し、ディスプレーサ３２に係合されるハウジング４２と、ハウジング４２内に挿入される蓄熱材４４と、ハウジング４２の先端に取り付けられるエンドキャップ４６とで構成される。
【００３８】
ここで、蓄熱材４４は、一定の形態に加工された多数のマットからなる。多数のマットは、ランダムワイヤ材から作られて、ハウジング４２内に一列に順次充積される。多数のマットは、予めパンチング加工などでハウジング４２内の直径に合うように設けられている。
【００３９】
マットの厚さは、ハウジング４２内部の熱伝導率および／または通気性に応じて変化し得る。即ち、熱伝導率および／または通気性の悪い場合には、薄いマットがハウジング内に挿入される。また、ハウジング内に挿入されるマットの個数は、ハウジング内の熱伝達率および／または通気性によって変化し得る。即ち、熱伝導率および／または通気性の悪い場合、より少量のマットをハウジング内に挿入させる。このように、マットの厚さおよびマットの個数を用いてハウジング内の熱伝達率および／または通気性を調節することができるため、ハウジング内において常に最適の熱伝達率および／または通気性を維持することができる。
【００４０】
従来、単に一定の形態に作られたランダムワイヤをハウジング内に挿入させる場合、先に挿入されたランダムワイヤが後で挿入されるランダムワイヤによって押されてしまい、ハウジング内部において全体として均一な通気性が確保されていない。
【００４１】
しかし、本発明は、多数のマットをハウジング４２内に一例に充積させることにより、先に挿入されたマットが後に挿入されるマットによって押されるおそれがないため、ハウジング内の全体的な通気性が均一に維持され得る。
【００４２】
以下、冷凍機用再生器に備えられる蓄熱材の形成方法について説明する。
図４は、本発明の好適な一実施形態に係る冷凍機用再生器において、蓄熱材を冷凍機用再生器に適用させる方法を説明するためのフローチャートである。
【００４３】
図５および図６は、本発明の好適な一実施形態による冷凍機用再生器において、蓄熱材を冷凍機用再生器に適用させる方法を説明するための図である。具体的に、図５は、ランダムワイヤタイプから多数のマットを形成することを示し、図６は、多数のマットを用いてハウジング内に挿入させることを示している。
【００４４】
先ず、容易に入手可能なランダムワイヤを圧着装置などで圧着させる（Ｓ５１１）。このとき、圧着装置は、通常の圧着装置を用いることができる。そして、ランダムワイヤの圧着時には、予めハウジング内の熱伝導率および／または通気性を考慮する。即ち、内部の熱伝導率および／または通気性を事前に把握し、これによってランダムワイヤの圧着程度を異にして最適の厚さとなるようにする。
【００４５】
圧着されたランダムワイヤを、図５に示したように焼結炉で真空焼結させてベースマット４７を形成させる（Ｓ５１３）。なお、焼結炉は、特に制限はなく、通常の真空焼結ができる装置であれば良い。ベースマット４７は、できる限り広い面積を有することが好ましい。なぜならば、ベースマットが広いほどベースマットから分離されるマットが多くなり、これによって費用節減が可能となるためである。
【００４６】
このように真空焼結方式によって形成されたベースマット４７を対象にパンチング加工装置を用いて一定の形態にパンチングしてマット４８を分離させる（Ｓ５１５）。なお、一定形態のマット４８は、円形、長方形または多角形の形態であって、ハウジングの形態に応じて選択することができる。このとき、マット４８は、ベースマットからできる限り多数のマットに分離されることが好ましい。マットのサイズは、好ましくは、ハウジング内部のサイズとほぼ同一である。即ち、マットのサイズは、ハウジング内のサイズよりできるだけ小さな方が好ましい。そうすると、マットがハウジング内に挿入される時、ハウジング内部に挟まれるか、自由に移動されなくなることがない。
【００４７】
ベースマット４７から分離される多数のマット４８は、図６に示したように、予め設けられているハウジング３４０の内部に一列に挿入される（Ｓ５１７）。このとき、ハウジング内の熱伝導率および／または通気性によって、ハウジング３４０内部に挿入されるマット４８の個数が変化し得る。即ち、ハウジング内の熱伝導率および／または通気性が良くない場合、より少量のマットがハウジング内に挿入される。結局、ハウジング内の熱伝導率および／または通気性に応じて、ハウジング３４０内に挿入されるマット４８、４８'間の密着程度を調節して、常時最適の熱伝導率および／または通気性を維持することができる。
【００４８】
従来の技術では、ランダムワイヤが一体に圧着された後、ハウジング内に挿入されるため、ハウジング内を通じて容易に熱伝達されてしまい、これによって熱伝達損失が多いという問題点があった。
【００４９】
しかし、本発明のように、多数のマット４８を一列にハウジング３４０内に順次挿入させることで、マット４８、４８'間に一定の境界層が形成されて熱伝達が遅延されるため、熱伝達による損失を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】従来の技術による冷凍機を示す図である。
【図２】図１の冷凍機用再生器を示す図である。
【図３】本発明の好適な一実施形態による冷凍機用再生器を示す図である。
【図４】本発明の好適な一実施形態による冷凍機用再生器において、蓄熱材を冷凍機用再生器に適用させる方法を説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明の好適な一実施形態による冷凍機用再生器において、蓄熱材を冷凍機用再生器に適用させる方法を説明するための図である。
【図６】本発明の好適な一実施形態による冷凍機用再生器において、蓄熱材を冷凍機用再生器に適用させる方法を説明するための図である。
【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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【国際調査報告】
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