(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機にて発生させた高圧の冷媒ガスを、直列に連結される１段，２段シリンダに供給した後、再び前記圧縮機に返戻する過程において生じる冷熱を、前記２段シリンダ内において蓄冷するための蓄冷器であって、
この蓄冷器は、この蓄冷器の外形をなす第１の筒体と、この第１の筒体内に内挿される少なくとも１つの第２の筒体と、前記第１の筒体内に収容される少なくとも２種類の粒状蓄冷材と、を有し、
前記第２の筒体の内側に配置される前記粒状蓄冷材と、前記第２の筒体の外側に配置される前記粒状蓄冷材の種類は異なっており、
前記第２の筒体は、ステンレスと同等あるいはそれよりも熱伝導率が低い材質からなり、
前記粒状蓄冷材は、第１の粒状蓄冷材であるＰｂと、第２の粒状蓄冷材であるＨｏＣｕ２と、第３の粒状蓄冷材であるＧｄ２Ｏ２Ｓと、の３種類からなり、
前記第１の筒体の高温端側に前記第１の粒状蓄冷材が配置され、前記第１の筒体の低温端側に前記第２の粒状蓄冷材が配置され、この第２の粒状蓄冷材中に前記第２の筒体を介して前記第３の粒状蓄冷材が配置されることを特徴とする蓄冷器。
【請求項２】
少なくとも２種類の前記粒状蓄冷材が配置される軸方向垂直断面において、少なくとも２種類の前記粒状蓄冷材の平均粒径は異なることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機、パルスチューブ冷凍機、スターリングサイクル冷凍機、ビルミエサイクル冷凍機、ソルベイサイクル冷凍機、エリクソンサイクル冷凍機、又は、これを予冷段に使った冷凍システム等に用いるのに好適な、極低温蓄冷器及び冷凍機、並びに、これを用いた超伝導電磁石装置、ＭＲＩ装置、クライオポンプ等に使用する蓄冷器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、不活性ガスを断熱膨張させることでガスの温度を低下させて、その冷熱を蓄冷器に蓄冷して利用する技術が様々な分野において利用されている。
このような冷却機構を利用する分野、例えば，ＧＭ冷凍機、パルスチューブ冷凍機、スターリングサイクル冷凍機、ビルミエサイクル冷凍機、ソルベイサイクル冷凍機、エリクソンサイクル冷凍機、又は、これを予冷段に使った冷凍システム等に用いるのに好適な、極低温蓄冷器及び冷凍機、並びに、これを用いた超伝導電磁石装置、ＭＲＩ装置、クライオポンプ等に関する分野では、蓄冷効率が高くて高い冷凍能力を有する蓄冷器が望まれてきた。
【０００３】
本発明に係る蓄冷器を利用する冷熱発生機構の一例について図１２を参照しながら詳細する。
図１２は本発明に係る蓄冷器を使用可能な冷温発生機構の一例である冷凍機の概略を示す模式図である。
この蓄冷器は、例えば、２段式ＧＭ冷凍機１に利用されるものであり、例えば、図１２に示すように、圧縮機６から高圧の冷媒ガスが高圧ガス配管７ａから高圧ガスバルブ２３ａを介して１段シリンダ２から２段シリンダ３に供給された後、高圧ガスバルブ２３ｂ及び高圧ガス配管７ｂを介して圧縮機６に回収される過程において発生する冷熱を蓄冷するために用いられるものである。
図１２に示すような冷凍機１では、１段シリンダ２と２段シリンダ３に１段蓄冷器２ａと２段蓄冷器３ａがそれぞれ収容され、これらの１段蓄冷器２ａ，２段蓄冷器３ａが一体となった状態で、駆動モータ４により駆動されて、図１２中の紙面上下方向に往復動作し、その際に１段蓄冷器２ａ，２段蓄冷器３ａのそれぞれの下端側が冷却される仕組みになっている。
そして、２段蓄冷器３ａには、２段蓄冷材３ｂとして単数又は複数種類の金属、合金、セラミックス等からなる粒状又はメッシュ状の物質が収容されている。
上述のような冷凍機１の冷却部は、一体的に連続形成された１段シリンダ２と２段シリンダ３にそれぞれ収容された１段蓄冷器２ａと２段蓄冷器３ａとで構成され、１段蓄冷器２ａの下端（図１２中の符号Ｒで示す位置）の１段冷却ステージ２ｃは約４０Ｋまで冷やされ、２段シリンダ３の下端の（図１２中の符号Ｑで示す位置）２段冷却ステージ３ｃは、例えば、７Ｋ以下まで冷やされる。よって、下記明細書中においては、２段蓄冷器３ａの１段シリンダ２の１段冷却ステージ２ｃ側に配置される端部を高温端側（図１２中の符号Ｐで示す位置）と呼び、２段蓄冷器３ａの２段冷却ステージ３ｃ側に配される端部を冷温端側（図１２中の符号Qで示す位置）と呼ぶ。
また、特に図示しないが、２段冷却ステージ３ｃには電気ヒータが取り付けられ、その電気入力によって熱負荷を印加することにより、２段冷却ステージ３ｃの冷却能力が測定できるようになっている。
【０００４】
なお、図１２に示す冷凍機１において１段シリンダ２に供給された高圧ガスはガス通路２ｄから１段蓄冷材２ｂ内に供給され、２段シリンダ３内の高圧ガスはガス通路３ｄから２段蓄冷器３ａ内に供給される仕組みになっている。また、１段蓄冷器２ａ，２段蓄冷器３ａのそれぞれの下端側に形成される空間は、高圧ガスを断熱膨張させるための１段膨張空間２ｅ，２段膨張空間３ｅである。さらに、１段蓄冷器２ａの外周にはシール５が設けられており、高圧ガスを断熱膨張させる際の気密を高めている。また、２段蓄冷器３ａと２段シリンダ３の間にもシールが設けられているが、図１２ではその記載を省略している。
上述のような冷凍機１に代表されるような冷却機構に用いられる２段蓄冷器３ａ（以下の明細書中においては単に蓄冷器と呼ぶ）に関する先行技術としては以下に示すようなものが知られている。
【０００５】
特許文献１には「極低温蓄冷器及び冷凍機」という名称で極低温蓄冷器及び冷凍機に関する発明が開示されている。
特許文献１に開示される２段蓄冷器３１は、文献中の符号をそのまま用いて説明すると、蓄冷材３２として、鉛３２Ａ以外に、体積比率で１２〜３０％のＨｏＣｕ2（磁性蓄冷材）３２Ｂと、１５〜３１％のＧＯＳ３２Ｃを充填したことを特徴とするものである。
上記構成の特許文献１に開示される発明によれば、鉛以外の蓄冷材として、ＨｏＣｕ2とＧＯＳを適切な体積比率で併用することにより、誘起磁場の影響を低減した上で、優れた冷凍能力を発揮させることができるという効果を有する。
【０００６】
特許文献２には「極低温冷凍機」という名称で、シリンダ内でのディスプレーサ（置換器）の往復動により冷媒ガスを膨脹させて寒冷を発生させる極低温冷凍機であって、発生した寒冷の一部を蓄える蓄冷器をディスプレーサに内蔵したタイプの極低温冷凍機の改良技術に関する発明が開示されている。
特許文献２に開示される極低温冷凍機は、文献中に記載される符号をそのまま用いて説明すると、シリンダ５と、該シリンダ５内に往復動可能に嵌装され、かつシリンダ５内に膨脹室２０，２１を区画形成するディスプレーサ１８とを備え、該ディスプレーサ１８の往復動により、圧縮機から供給された冷媒ガスを前記膨脹室２０，２１内で膨脹させて温度降下させるとともに、この温度降下した冷媒ガスをディスプレーサ１８に内蔵した蓄冷器２８，２９を通過させることによって蓄冷するようにした極低温冷凍機において、前記蓄冷器２８，２９は、容器３０内に多数の金属製蓄冷材３１を収容してなるとともに、所定位置に通気性および非導電性を有する仕切り部材３２，３２ａ，３２ｂを設けてなり、 前記仕切り部材３２，３２ａは、蓄冷器２８，２９の冷媒ガス通過方向と平行な状態で配置されることを特徴とするものである。
特許文献２に開示される発明によれば、蓄冷器を仕切り部材によって区画することにより、全体としての発生磁場を著しく低減することができ、しかも、渦電流が抑制されるので、発熱も抑制でき、冷却効率を高めることができ、さらに蓄冷器の製造を簡単化することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２４８９２９号公報
【特許文献２】特開平９−１４５１８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の特許文献１には、蓄冷器内に複数種類の粒状蓄冷材を互いに分離させた状態で収容する際の，個々の粒状蓄冷材の配置方法として、蓄冷器の軸方向に粒状蓄冷材を積層した状態で収容するという技術内容のみが開示されている。
他方、上述の特許文献２では蓄冷器内に、蓄冷器の軸方向に対して垂直又は水平に仕切り部材を配置するという技術内容が開示されているものの、特許文献２に開示される蓄冷器において使用される粒状蓄冷材は１種類（鉛）のみである。
さらに、特許文献２に開示される発明は、そもそも２種類以上の粒状蓄冷材を同時に収容するための技術ではなく、また、特許文献２に開示される発明の「発明の目的」は、蓄冷器内に２種類以上の粒状蓄冷材を収容する際に、蓄冷器の軸方向断面における粒状蓄冷材の配置の自由度を高めようとするものではない。
【０００９】
従って、当業者が複数種類の粒状蓄冷材を組み合わせて収容した蓄冷器を構成しようとして，上述の特許文献１に開示される技術内容に、特許文献２に開示される技術内容を組み合わせたとしても、特許文献２中の図２に開示される仕切り部材３２ｂ，３２ｂの間に１種類ずつ異なる種類の粒状蓄冷材を収容して，蓄冷器の軸方向に複数種類の粒状蓄冷材を積層させるという知見しか得られず、結果として、蓄冷器の軸方向における粒状蓄冷材の収容位置の自由度を大幅に高めることはできなかった。
加えて、蓄冷器内に複数種類の粒状蓄冷材を収容する場合で，かつ，蓄冷器の軸方向に複数種類の粒状蓄冷材を積層させて配置する場合は、後段において詳細に説明するが、使用する粒状蓄冷材を構成する材質の比熱により蓄冷器の軸方向における配置がある程度決まってしまうため、実質的に蓄冷器の軸方向断面において、粒状蓄冷材の配置を自由に変更することは難しかった。
従って、特許文献１に開示される技術内容に，特許文献２に開示される技術内容を組み合わせたとしても、蓄冷器の軸方向断面における粒状蓄冷材の配置の自由度を大幅に高めることはできなかった。
【００１０】
本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものでありその目的は、蓄冷器の軸方向垂直断面に少なくとも２種類の粒状蓄冷材を分離させた状態で収容可能にするとともに、それにより少なくとも２種類の粒状蓄冷材を組み合わせて蓄冷器内に収容する際に、蓄冷器の軸方向断面における粒状蓄冷材の配置の自由度を大幅に高めることができる蓄冷器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため請求項１記載の発明である蓄冷器は、圧縮機にて発生させた高圧の冷媒ガスを、直列に連結される１段，２段シリンダに供給した後、再び圧縮機に返戻する過程において生じる冷熱を、２段シリンダ内において蓄冷するための蓄冷器であって、この蓄冷器は、この蓄冷器の外形をなす第１の筒体と、この第１の筒体内に内挿される少なくとも１つの第２の筒体と、第１の筒体内に収容される少なくとも２種類の粒状蓄冷材と、を有し、第２の筒体の内側に配置される粒状蓄冷材と、第２の筒体の外側に配置される粒状蓄冷材の種類は異なっており、第２の筒体は、ステンレスと同等あるいはそれよりも熱伝導率が低い材質からなり、粒状蓄冷材は、第１の粒状蓄冷材であるＰｂと、第２の粒状蓄冷材であるＨｏＣｕ２と、第３の粒状蓄冷材であるＧｄ２Ｏ２Ｓと、の３種類からなり、第１の筒体の高温端側に第１の粒状蓄冷材が配置され、第１の筒体の低温端側に第２の粒状蓄冷材が配置され、この第２の粒状蓄冷材中に第２の筒体を介して第３の粒状蓄冷材が配置されることを特徴とするものである。
上記構成の発明において、第１の筒体はその内部に少なくとも２種類の粒状蓄冷材を収容して保持するとともに、その内部を熱交換作用のある高圧ガス（熱交換ガス）を流動させるという作用を有する。また、粒状蓄冷材は、その形態を粒状にすることで蓄冷材の表面積を増大させて，熱交換ガスとの接触面積を大きくして、冷熱を効率良く蓄冷するという作用を有する。さらに、異なる材質からなる複数種類の粒状蓄冷材を用いることで高い比熱を有している温度領域の異なる冷熱を１つの蓄冷器内において同時に蓄冷可能にするという作用を有する。
また、請求項１記載の発明において第２の筒体は、その内部に粒状蓄冷材を少なくとも１種類収容するという作用を有する。これにより、ある粒状蓄冷材の内部において、他の粒状蓄冷材を分離して収容保持するという作用を有する。
これにより、請求項１の蓄冷器の軸方向断面において、少なくとも２種類の粒状蓄冷材が、蓄冷器の軸方向に並んだ状態で配置される領域が形成される。この結果、蓄冷器の軸方向における領域の少なくとも一部において、蓄冷器の軸方向垂直断面に少なくとも２種類の粒状蓄冷材が分離されて配置されることになる。
そして、蓄冷器の軸方向における領域の少なくとも一部において、蓄冷器の軸方向垂直断面に少なくとも２種類の粒状蓄冷材を分離された状態で配置することで、筒体の軸方向断面における複数種類の粒状蓄冷材の配置を、「積層」以外の形態にすることを可能にするという作用を有する。
さらに、第２の筒体としてステンレスと同等あるいはそれよりも熱伝導率が低い材質からなるものを用いることで、第２の筒体の熱伝導性により蓄冷器の高温端側から低温端側に熱が伝わるのを抑制するという作用を有する。
加えて、第１の粒状蓄冷材であるＰｂは、第１の筒体の高温端側において１０〜４０Ｋ程度の冷熱を効率良く蓄冷するという作用を有する。それは、その温度領域で比熱が高く大きな熱容量を備えているという特性による。以下、同様の理由により、第２の粒状蓄冷材であるＨｏＣｕ２は、第１の筒体の低温端側において７〜１０Ｋ程度の冷熱を効率良く蓄冷するという作用を有する。さらに、第３の粒状蓄冷材であるＧｄ２Ｏ２Ｓは、第１の筒体の低温端側において３〜５Ｋ程度の冷熱を効率良く蓄冷するという作用を有する。
また、第３の粒状蓄冷材であるＧｄ２Ｏ２Ｓを用いることで、第３の粒状蓄冷材の全てを第２の粒状蓄冷材に置き換えた場合に比べて、請求項１記載の蓄冷器の製造コストを廉価にするという作用を有する。
そして、第１の筒体の冷温端側において第２の粒状蓄冷材中に第３の粒状蓄冷材が内包されることで、第１，第２，第３のそれぞれの粒状蓄冷材をこの順序で、第１の筒体の軸方向における高温端側から冷温端側に向かって積層させた状態で配置した蓄冷器（特許文献１に開示されるもの）に比べて、請求項１記載の蓄冷器の蓄冷効率を向上させるという作用を有する。
【００１６】
請求項２記載の発明である蓄冷器は、請求項１に記載の蓄冷器であって、少なくとも２種類の粒状蓄冷材が配置される軸方向垂直断面において、少なくとも２種類の粒状蓄冷材の平均粒径は異なることを特徴とするものである。
上記構成の発明は、請求項１に記載の発明と同じ作用を有する。また、請求項２記載の発明において、「少なくとも２種類の粒状蓄冷材が配置される軸方向垂直断面において、少なくとも２種類の粒状蓄冷材の平均粒径は異なる」とは、第１の筒体に収容される粒状蓄冷材が、例えば、２種類である場合は、２種類の粒状蓄冷材の平均粒径が同じでないことを意味している。また、第１の筒体に収容される粒状蓄冷材が、例えば、３種類である場合は、３種類の粒状蓄冷材の平均粒径が全て異なる場合と、３種類の粒状蓄冷材のうちの１つ粒状蓄冷材の平均粒径のみが異なる場合の２つのパターンがある。さらに、第１の筒体に収容される粒状蓄冷材が、例えば、４種類である場合は、３種類の粒状蓄冷材の内の少なくとも１つの平均粒径が異なっている場合と、４種類の粒状蓄冷材の平均粒径が全て異なっている場合の両方のパターンがある。
このような請求項２記載の発明においては、第１の筒体内に収容される複数種類の粒状蓄冷材として平均粒径が異なるものを用いることにより、相対的に平均粒径が小さい粒状蓄冷材の充填率を高めるという作用を有する。これにより、粒状蓄冷材の平均粒径を変更することによりその粒状蓄冷材の蓄冷効率を設計可能にするという作用を有する。
また、請求項２記載の発明では、第１の筒体に収容される粒状蓄冷材のうちの少なくとも１つの粒状蓄冷材の平均粒径を小さくした場合でも，筒体の軸方向垂直断面の全てがこの平均粒径の小さい粒状蓄冷材１種類により満たされるわけではないので、すなわち、第１の筒体に収容される粒状蓄冷材のうちの少なくとも１つの粒状蓄冷材の平均粒径を小さくした場合でも，第１の筒体の軸方向垂直断面にはそれより大きな平均粒径を有する他の粒状蓄冷材からなる領域が必ず存在することになるので、第１の筒体内における熱交換ガスの流動性が著しく低下するのを妨げるという作用を有する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の請求項１に記載の発明によれば、１つの粒状蓄冷材中に他の粒状蓄冷材を内包させることができる。これにより、複数種類の粒状蓄冷材を組み合わせて蓄冷器を構成する場合に、第１の筒体の軸方向断面に個々の粒状蓄冷材を単純に積層させるという配置以外の配置を実現することができる。よって、第１の筒体内における複数種類の粒状蓄冷材の配置の自由度を大幅に高めることができる。また、複数種類の粒状蓄冷材を用いることで比熱が高くなる温度領域も複数存在することになり、蓄冷能力の向上を図ることが可能である。
この結果、既存の粒状蓄冷材の第１の筒体内における配置を変更するだけで、蓄冷器の蓄冷効率を向上できる。
すなわち、従来の蓄冷器の製造コストと同程度の製造コストでより冷凍能力の高い蓄冷器を提供することができる。
また、第２の筒体としてステンレスと同等あるいはそれよりも熱伝導率が低い材質からなるものを用いることで、第２の筒体の熱伝導性により蓄冷器の高温端側から低温端側に熱が伝わって、低温端側において熱損失が起こるのを抑制できるという効果を有する。
さらに、請求項１記載の発明によれば、第１，第２，第３のそれぞれの粒状蓄冷材をこの順で、第１の筒体の軸上における高温端側から冷温端側に向かって積層させた蓄冷器（特許文献１に開示される蓄冷器）に比べて、冷凍能力を向上することができる。
すなわち、請求項１記載の発明によれば、第２の粒状蓄冷材の一部を第３の粒状蓄冷材に置換した場合でもその冷凍能力を、第１及び第２の粒状蓄冷材のみからなる蓄冷器に近づけることができる。
よって、従来と同じ粒状蓄冷材を用いながら、より冷凍能力の高い蓄冷器を提供することができる。
【００２１】
請求項２記載の発明によれば、請求項１に記載される発明と同じ効果に加えて、第１の筒体内における熱交換ガスの流動性を保ちながら、平均粒径がより小さい粒状蓄冷材の充填率を高めることができる。
これにより、特定の粒状蓄冷材の平均粒径を小さくして，その収容割合を大きくした場合に、蓄冷器の蓄冷効率が低下するのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】（ａ）は本発明の実施例１に係る蓄冷器の断面図であり、（ｂ）は本発明の実施例１に係る蓄冷器の内部における粒状蓄冷材の配置を示す斜視図であり、（ｃ）図１（ｂ）中のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図２】各蓄熱材の温度と比熱の関係を示すグラフである。
【図３】本発明の実施例１に係る蓄冷器と比較例に係る蓄冷器における各温度における冷凍能力を比較したグラフである。
【図４】（ａ），（ｂ）はいずれも本発明の実施例１に係る蓄冷器の冷凍能力試験に用いた比較例に係る蓄冷器内の粒状蓄冷材の種類と第１の筒体内における配置を示す概念図である。
【図５】本発明の実施例１に係る蓄冷器と比較例に係る蓄冷器における各温度での冷凍能力を比較したグラフである。
【図６】本発明の実施例１に係る蓄冷器の冷凍能力試験に供試した蓄冷器内に収容されるそれぞれの粒状蓄冷材の配置とその割合を示した図である。
【図７】（ａ）〜（ｅ）はいずれも本発明の実施例１に係る蓄冷器の内部におけるＨｏＣｕ２粒とＧＯＳ粒の配置の他の例を示す斜視図である。
【図８】（ａ）は本発明の実施例２に係る蓄冷器の内部における粒状蓄冷材集合体の外形を示す概念図であり、（ｂ）〜（ｄ）はいずれも本発明の実施例２に係る蓄冷器の内部における粒状蓄冷材の配置例を示す断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）はいずれも本発明の実施例２に係る蓄冷器の内部における粒状蓄冷材の配置例を示す断面図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）はいずれも本発明の実施例２に係る蓄冷器の内部における粒状蓄冷材の配置例を示す断面図である。
【図１１】（ａ），（ｂ）はともに本発明の実施例２に係る蓄冷器の内部における粒状蓄冷材の配置例を示す断面図である。
【図１２】本発明に係る蓄冷器を使用可能な冷温発生機構の一例である冷凍機の概略を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の実施の形態に係る蓄冷器について実施例１及び実施例２を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００２４】
本発明の実施例１に係る蓄冷器について図１乃至図７を参照しながら詳細に説明する。
本発明に係る蓄冷器は、先の図１２に示されるような冷凍機１に代表される冷却機構を有する装置や機構に利用されるものであり、先の図１２に示すもの以外にも、例えば、パルスチューブ冷凍機、スターリングサイクル冷凍機、ビルミエサイクル冷凍機、ソルベイサイクル冷凍機、エリクソンサイクル冷凍機、又は、これを予冷段に使った冷凍システム等に用いるのに好適な、極低温蓄冷器及び冷凍機、並びに、これを用いた超伝導電磁石装置、ＭＲＩ装置、クライオポンプ等に利用可能である。
また、本発明に係る蓄冷器は、従来技術に係る蓄冷器に比べて特に、蓄冷器を構成する筒体内に収容される複数種類の粒状蓄冷材の配置の仕方に特徴を有するものである。
図１（ａ）は本発明の実施例１に係る蓄冷器の断面図であり、（ｂ）は本発明の実施例１に係る蓄冷器の内部における粒状蓄冷材の配置を示す斜視図であり、（ｃ）は図１（ｂ）中のＡ−Ａ線矢視断面図である。
図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、実施例１に係る蓄冷器１００Ａは、金属製の第１の筒体９の高温端側（図１（ａ）中の符号Ｐで示す側）の端部側に粒状蓄冷材のＰｂ粒１４が第１の筒体９の中ほどまで充填され、このＰｂ粒１４上で，かつ，第１の筒体９の低温端側（図１（ａ）中の符号Ｑで示す側）の端部側には粒状蓄冷材のＨｏＣｕ２粒１５が充填され、さらに、第１の筒体９の軸上で，ＨｏＣｕ２粒１５中に粒状蓄冷材であるＧＯＳ粒１６からなる棒状の塊が内包されるものである。なお、ＧＯＳとは粒状蓄冷材を構成するＧｄ２Ｏ２Ｓの略称である。
このように、第１の筒体９内に収容される粒状蓄冷材集合体１０１は、Ｐｂ粒１４，ＨｏＣｕ２粒１５及びＧＯＳ粒１６により構成されている。
【００２５】
また、実施例１に係る蓄冷器１００Ａでは、図１（ａ）に示すように、第１の筒体９内における高圧ガス（熱交換ガス）の流動を可能にしながら，第１の筒体９中に粒状蓄冷材集合体１０１を収容保持するために、第１の筒体９の高温端側（図１中の符号Ｐを参照）、及び、低温端側（図１中の符号Ｑを参照）のそれぞれに、目の粗い第１のメッシュ体１１と、不織繊維層であるフェルト１３と、第１のメッシュ体１１よりもより目の細かい第２のメッシュ体１２とからなる通気積層体１０２が設けられている。
さらに、第１の筒体９の軸方向に積層される２種類の粒状蓄冷材の境界には、第１の筒体９内における高圧ガスの流動を可能にしながら、２種類粒状蓄冷材を分離するために、不織繊維層であるフェルト１３の上下面に第２のメッシュ体１２を配設した通気分離層１０３を配置している。
なお、通気積層体１０２の構成は、あくまでも一例であり、通気積層体１０２の構造については，粒状蓄冷材集合体１０１を第１の筒体９内に収容保持することが可能で，かつ，第１の筒体９への高圧ガスの流入や第１の筒体９からの高圧ガスの排出を可能にするものであれば、通気積層体１０２を構成する個々の要素やその組み合わせ方を自由に変更することが可能である。また、通気分離層１０３の構成についても第１の筒体９の軸方向に積層して収容される複数種類の粒状蓄冷材を確実に分離しながら，第１の筒体９内の高圧ガスの流動を妨げないよう構成されるのであれば、通気分離層１０３を構成する個々の要素やその組み合わせ方を自由に変更することが可能である。
【００２６】
さらに、実施例１に係る蓄冷器１００Ａでは、図１（ａ）に示すように、第１の筒体９内に収容されるＨｏＣｕ２粒１５とその内部に内包されるＧＯＳ粒１６との分離は、第１の筒体９よりも小さい直径を有する第２の筒体１０により行っている。
より具体的には、実施例１に係る蓄冷器１００Ａでは、第１の筒体９の高温端側に通気積層体１０２を設けてからＰｂ粒１４を充填した後，Ｐｂ粒１４上に通気分離層１０３を設け，この通気積層体１０２上に，第１の筒体９よりも小さい口径を有する第２の筒体１０を第１の筒体９に内挿して、第１の筒体９と第２の筒体１０の間にＨｏＣｕ２粒１５を充填し、第１の筒体９の低温端側に通気積層体１０２を取り付けている。なお、第２の筒体１０の中空部にはＧＯＳ粒１６が充填され、その両端部に通気積層体１０２がそれぞれ設けられて、第２の筒体１０からのＧＯＳ粒１６の流出を防止している。つまり、実施例１に係る蓄冷器１００Ａでは、第２の筒体１０により、第１の筒体９中のＨｏＣｕ２粒１５とＧＯＳ粒１６の分離が行われている。
なお、第１の筒体９内において第２の筒体１０を用いて複数種類の粒状蓄冷材の分離を行う場合、第２の筒体１０の両端部のそれぞれにも上述のような通気積層体１０２を設けて、第２の筒体１０内に高圧ガスの流動を可能にしながら粒状蓄冷材を収容保持するとよい。
また、図１（ａ）には第１の筒体９の端部に設けられる通気積層体１０２と，第２の筒体１０の端部に設けられる通気積層体１０２との間に粒状蓄冷材を設けない場合を例に挙げているが、第１の筒体９の端部に設けられる通気積層体１０２と，第２の筒体１０の端部に設けられる通気積層体１０２との間に粒状蓄冷材（実施例１に係る蓄冷器１００Ａの場合には、例えば、ＨｏＣｕ２粒１５）を設けてもよい。
【００２７】
このような実施例１に係る蓄冷器１００Ａでは、図１（ｃ）に示すように、第１の筒体９内に収容される粒状蓄冷材集合体１０１は、第１の筒体９の中心軸１７の軸方向断面において、Ｐｂ粒１４上にＨｏＣｕ２粒１５のみならずＧＯＳ粒１６もが積層された状態になる。このとき、第１の筒体９の軸方向断面において、ＨｏＣｕ２粒１５とＧＯＳ粒１６とは第１の筒体９の軸方向に並列している。
すなわち、実施例１に係る蓄冷器１００Ａの軸方向断面は、少なくとも２種類の粒状蓄冷材が，蓄冷器１００Ａ（第１の筒体９）の軸方向に並列して配置される領域を有した状態になる。
また、この状態を別の言葉で言い換えると、実施例１に係る蓄冷器１００Ａは、蓄冷器１００Ａ（第１の筒体９）の軸方向における領域の少なくとも一部において、第１の筒体９の軸方向垂直断面に少なくとも２種類の粒状蓄冷材が分離されて配置されている，とも表現することができる（図１（ｂ）を参照）。
【００２８】
ここで、実施例１に係る蓄冷器１００Ａに使用される粒状蓄冷材について説明を加える。
図２は各蓄熱材の温度と比熱の関係を示すグラフである。なお、図２中のＸ軸は温度（Ｋ）を、Ｙ軸は比熱（Ｊ／ｃｍ３Ｋ）を示している。
図２に示す３種類の蓄熱材のうち、Ｐｂ，ＨｏＣｕ２はいずれも１０Ｋを超えた領域において温度が高くなるにつれて比熱が高くなる傾向が認められた。
他方、５〜１０Ｋの温度領域では、ＨｏＣｕ２の比熱が比較的高く、ＧＯＳは４〜５Ｋ程度のときに特に高い比熱を有している。
また、先の図１２に示す冷凍機１に代表される冷却機構においては、２段蓄冷器３ａの高温端側（図１２中の符号Ｐで示す側）における高圧ガス（熱交換ガス）の温度は４０Ｋ程度であり、２段蓄冷器３ａの内部を高温端側から低温端側に向かって流動する際に、２段蓄冷器３ａ内に収容される蓄冷材により熱交換されて２段蓄冷器３ａの低温端側（図１２中の符号Ｑで示す側）では、２段蓄冷器３ａ内に収容される蓄冷材の材質にもよるが高圧ガス（熱交換ガス）の温度を７Ｋにまで冷却することが可能である。
従って、上述のような冷却機構を考慮すれば、図１２に示す２段蓄冷器３ａの高温端側（図１２中の符号Ｐで示す側）にＰｂ粒１４を収容し、次いで、２段蓄冷器３ａの低温端側（図１２中の符号Ｑで示す側）に向かうにつれてＨｏＣｕ２粒１５、ＧＯＳ粒１６の順でそれぞれの粒状蓄冷材を２段蓄冷器３ａの軸方向に積層した状態で収容することが最も合理的でかつ最良であるとも考えられる。
【００２９】
しかしながら、図１２に示す２段蓄冷器３ａにおいて、Ｐｂ粒１４、ＨｏＣｕ２粒１５、ＧＯＳ粒１６の３種類の粒状蓄冷材をこの順序で、第１の筒体９の軸方向断面における高温端側から低温端側に向かって積層してなる２段蓄冷器３ａと、Ｐｂ粒１４とＨｏＣｕ２粒１５の２種類の粒状蓄冷材をこの順序で高温端側から低温端側に向かって積層してなる２段蓄冷器３ａの冷凍能力を比較すると、後者の２段蓄冷器３ａの冷凍能力の方が広範囲の温度領域において優れている。
その一方で、ＨｏＣｕ２（ＨｏＣｕ２粒１５）は極めて高価な蓄冷材であるにもかかわらず、Ｐｂ粒１４とＨｏＣｕ２粒１５の２種類の粒状蓄冷材を用いた２段蓄冷器３ａ（後者の蓄冷器）が一般に普及している。
よって、このような事情からＰｂ粒１４と、ＨｏＣｕ２粒１５と、ＧＯＳ粒１６の３種類を用いた２段蓄冷器３ａの冷凍能力の向上が望まれていた。
これに対して発明者らは鋭意研究の結果、図１２に示す冷凍機１に代表される冷却機構に用いられる蓄冷器の第１の筒体９内に収容される粒状蓄冷材集合体１０１の配置を変えることにより、従来と同じＰｂ粒１４と、ＨｏＣｕ２粒１５と、ＧＯＳ粒１６を用いながら蓄冷器の冷凍能力を向上させることに成功した。
【００３０】
図３は本発明の実施例１に係る蓄冷器と比較例に係る蓄冷器における各温度における冷凍能力を比較したグラフである。また、図４（ａ），（ｂ）はいずれも本発明の実施例１に係る蓄冷器の冷凍能力試験に用いた比較例に係る蓄冷器内の粒状蓄冷材の種類と第１の筒体内における配置を示す概念図である。なお、図１に記載されたものと同一部分については同一符号を付し、その構成についての説明は省略する。
まず、図１（ｂ），（ｃ）及び図４を参照しながらこの度の冷凍能力試験に使用した実施例１に係る蓄冷器内における粒状蓄冷材の配置について説明する。
本発明の実施例１に係る蓄冷器１００Ａに収容される各粒状蓄冷材の配置は図１（ｂ），（ｃ）に示す通りである。
また、図４（ａ）は比較例１に係る蓄冷器に収容される粒状蓄冷材集合体１０１における各粒状蓄冷材の配置を示している。比較例１に係る蓄冷器では、第１の筒体９の高温端側（図４（ａ）中の符号Ｐで示す側）から第１の筒体９の中ほどまでＰｂ粒１４が充填され，このＰｂ粒１４上から第１の筒体９の低温端側（図４（ａ）中の符号Ｑで示す側）までＨｏＣｕ２粒１５が充填されて，第１の筒体９の軸方向断面の高温端から低温端に向かって２層から成る粒状蓄冷材集合体１０１が形成されている。
他方、図４（ｂ）は比較例２に係る蓄冷器に収容される粒状蓄冷材集合体１０１における各粒状蓄冷材の配置を示したものである。比較例２に係る蓄冷器では、第１の筒体９の高温端側（図４（ｂ）中の符号Ｐで示す側）から第１の筒体９の中ほどまでＰｂ粒１４が充填され，このＰｂ粒１４上から第１の筒体９の低温端側（図４（ａ）中の符号Ｑで示す側）に向かって，第１の筒体９の下端から３／４の高さまでＨｏＣｕ２粒１５が充填され，さらに，ＨｏＣｕ２粒１５上から第１の筒体９の低温端（図４（ａ）中の符号Ｑで示す側）までＧＯＳ粒１６が充填されて，第１の筒体９の軸方向断面における高温端から低温端に向かって３層から成る粒状蓄冷材集合体１０１が形成されている。
【００３１】
上述のような本発明の実施例１に係る蓄冷器１００Ａと、比較例１，２に係る冷凍能力を比較すると、図３に示すように、比較例１に係る蓄冷器の冷凍能力が最も高く、次いで、本発明の実施例１に係る蓄冷器１００Ａ、比較例２に係る冷却器の順で冷凍能力が高かった。
このため、従来公知の蓄冷材であるＰｂ粒１４、ＨｏＣｕ２粒１５、ＧＯＳ粒１６を組み合わせてなる蓄冷器において、第１の筒体９内におけるＨｏＣｕ２粒１５とＧＯＳ粒１６の配置を変更することで蓄冷器の冷凍能力を向上できることが確認された。
したがって、実施例１に係る蓄冷器１００Ａによれば、従来と同じ蓄冷材を用いてより高い冷凍能力を有する蓄冷器を提供することができる。また、比較例１に近い冷却能力を有する蓄冷器をより安価に提供できるという効果も有する。
【００３２】
そして、実施例１に係る蓄冷器１００Ａにおいては、ＨｏＣｕ２粒１５内にＧＯＳ粒１６を分離した状態で収容する手段として、例えば、第１の筒体９とは別に第２の筒体１０を設け、この第２の筒体１０内にＧＯＳ粒１６を収容したものをＨｏＣｕ２粒１５内に内包させるという手段を採用することで、実施例１に係る蓄冷器１００Ａの構造をシンプルなものにすることができる。
なお、本願明細書では第２の筒体１０として中空部の断面形状が円形であるものを用いた場合を例に挙げて説明しているが、第２の筒体１０の断面形状は三角形以上の多角形でもよいし、楕円形やその他不定形な環状でもよい。すなわち、内部に粒状蓄冷材を充填可能な筒体であればその中空部の断面外形は特に問題としない。
また、この場合、第１の筒体９内における高圧ガス（熱交換ガス）の流動性を確保するために、第１の筒体９と第２の筒体１０の軸方向は一致（略一致の概念も含む）させておくことが望ましい。
実施例１に係る蓄冷器１００Ａでは、耐久性や強度を考えて第１の筒体９及び第２の筒体１０の材質としてステンレスを用いているが、ステンレス以外にもステンレスと同等の，あるいは，ステンレスよりも熱伝導率が低く、十分な強度や耐久性を有し、加工性のよい金属や合金あるいは合成樹脂からなる筒体であれば実施例１に係る蓄冷器１００Ａに支障なく使用することができる。なお、第１の筒体９及び第２の筒体１０の材質としてステンレスと同等あるいはステンレスよりも熱伝導率が低いものが望ましいのは、熱伝導率のよい材質を使用すると、高温端から低温端へ熱伝導による熱が多量に伝わり、低温側の熱損失となるためである。従って、この熱損失を極力抑えるために、熱伝導率は小さい材質で、肉厚の薄いものが望ましいと言える。本実施例におけるステンレス以外であれば、例えばベークライトが該当する。
【００３３】
ここで、本発明の実施例１に係る蓄冷器の冷凍能力に関する詳細な試験結果を参照しながら本発明の実施例１に係る蓄冷器の効果についての説明を加える。
図５は本発明の実施例１に係る蓄冷器と比較例に係る蓄冷器における各温度での冷凍能力を比較したグラフである。図６は本発明の実施例１に係る蓄冷器の冷凍能力試験に供試した蓄冷器内に収容されるそれぞれの粒状蓄冷材の配置とその割合を示した図である。なお、図６中のＹ軸方向における原点Ｏ側が、第１の筒体９における高温端側である。
本試験に用いた３種類の実施例１に係る蓄冷器、及び、比較例３乃至７に係る蓄冷器について説明する。なお、本試験では、３種類の実施例１に係る蓄冷器、及び、比較例３乃至７に係る蓄冷器の第１の筒体９として、軸方向垂直断面において中空部の直径が１５ｍｍのステンレス製の円筒を用いた。
また、３種類の実施例１に係る蓄冷器における第２の筒体１０として、中空部の直径が９ｍｍで、肉厚が０.５ｍｍのステンレス製の円筒を用いた。
さらに、この度の試験に用いた全ての蓄冷器に収容する粒状蓄冷材のうちの５０容積％をＰｂ粒１４とし、本試験に供試する全ての蓄冷器においてＰｂ粒１４を第１の筒体９の高温端側に配置した。
よって、ここでは本試験に供試する３種類の実施例１に係る蓄冷器、及び、比較例３乃至７に係る蓄冷器の相違点のみを記載する。また、以下の本試験に供試する蓄冷器に関する説明において、平均粒径に関する記載がなされない粒状蓄冷材の平均粒径は全て０.２ｍｍである。
【００３４】
実施例１Ａに係る蓄冷器では、Ｐｂ粒１４上にＨｏＣｕ２粒１５を積層し、このＨｏＣｕ２粒１５の内に挿設される第２の筒体１０中に平均粒径が０.２５ｍｍのＧＯＳ粒１６を収容した。
実施例１Ｂに係る蓄冷器では、Ｐｂ粒１４上にＨｏＣｕ２粒１５を積層し、このＨｏＣｕ２粒１５の内に挿設される第２の筒体１０中に平均粒径が０.１ｍｍのＧＯＳ粒１６を収容した。
実施例１Ｃに係る蓄冷器は、実施例１Ａに係るＨｏＣｕ２粒１５とＧＯＳ粒１６の配置を置き換えたものである。
比較例３に係る蓄冷器では、Ｐｂ粒１４上に４０容積％のＨｏＣｕ２粒１５を積層し、その上に平均粒径が０.２５ｍｍのＧＯＳ粒１６を１０容積％積層した。
比較例４に係る蓄冷器では、Ｐｂ粒１４上に４０容積％のＨｏＣｕ２粒１５を積層し、その上に平均粒径が０.１ｍｍのＧＯＳ粒１６を１０容積％積層した。
比較例５に係る蓄冷器では、Ｐｂ粒１４上に５０容積％のＨｏＣｕ２粒１５を積層した。
比較例６に係る蓄冷器では、Ｐｂ粒１４上に３０容積％のＨｏＣｕ２粒１５を積層し、その上に平均粒径が０.２５ｍｍのＧＯＳ粒１６を２０容積％積層した。
比較例７に係る蓄冷器では、Ｐｂ粒１４上に３０容積％のＨｏＣｕ２粒１５を積層し、その上に平均粒径が０.１ｍｍのＧＯＳ粒１６を２０容積％積層した。
【００３５】
上述のような１０種類の供試用の蓄冷器（３種類の実施例１に係る蓄冷器１Ａ〜１Ｃ、及び、比較例３乃至７に係る蓄冷器）の冷凍能力を比較したグラフが図５である。
図５に示すように、平均粒径が０.２５ｍｍのＧＯＳ粒１６を１０容積％収容した比較例３に係る蓄冷器と、平均粒径が０.１ｍｍのＧＯＳ粒１６を１０容積％収容した比較例４に係る蓄冷器とでは、ＧＯＳ粒１６の平均粒径が小さい比較例４に係る蓄冷器の冷却能力が高かった。
その一方で、平均粒径が０.２５ｍｍのＧＯＳ粒１６を２０容積％収容した比較例６に係る蓄冷器と、平均粒径が０.１ｍｍのＧＯＳ粒１６を２０容積％収容した比較例７に係る蓄冷器をとでは、ＧＯＳ粒１６の平均粒径が大きい比較例６に係る蓄冷器の冷却能力が高かった。
従って、上記結果から、複数種類の粒状蓄冷材を第１の筒体９内においてその軸方向に単純に積層させた従来例に係る蓄冷器では、特定の粒状蓄冷材を一定以上収容する際に、その粒状蓄冷材による特定の温度領域の蓄冷効率を向上しようとして粒状蓄冷材の平均粒径を小さくすると、かえって蓄冷効率が低下することが明らかになった。これは、従来例に係る蓄冷器では、特定の粒状蓄冷材の平均粒径を小さくした場合に、第１の筒体９の軸方向垂直断面の全ての領域において平均粒径の小さい粒状蓄冷材が密に充填されることになり、この結果、第１の筒体９内における高圧ガス（熱交換ガス）の流動性が低下すると考えられる。この場合、平均粒径の小さい粒状蓄冷材の相対的な容積が小さければ、第１の筒体９内における高圧ガスの流動性が大幅に妨げられることはないが、平均粒径の小さい粒状蓄冷材の相対的な容積が大きくなるにつれ第１の筒体９内における高圧ガスの流動性の低下が顕著になると考えられる。
【００３６】
他方、第２の筒体１０中に平均粒径が０.２５ｍｍのＧＯＳ粒１６を収容した実施例１Ａに係る蓄冷器と、第２の筒体１０中に平均粒径が０.１ｍｍのＧＯＳ粒１６を収容した実施例１Ｂとでは、蓄冷能力に差はほとんど認められなかった。
この結果から、実施例１に係る蓄冷器１００Ａのように、例えば２種類の粒状蓄冷材を第１の筒体９の軸方向に分離して収容した場合、いずれか一方の粒状蓄冷材の平均粒径を小さくして密に充填した場合でも、第１の筒体９内における高圧ガスの流動性の低下を抑制することができる。
従って、粒状蓄冷材の平均粒径を小さくすることにより生じる蓄冷効率の低下というデメリットが生じるのを抑制することができる。
【００３７】
さらに、実施例１Ａに係る蓄冷器と実施例１Ｃに係る蓄冷器とでは、第１の筒体９内におけるＨｏＣｕ２粒１５とＧＯＳ粒１６の配置を置き換えた点のみが異なっているが、ＨｏＣｕ２粒１５を第２の筒体１０の外に配置した実施例１Ａに係る蓄冷器の方が冷凍能力が高かった。
この結果から、同じ種類の粒状蓄冷材を用いた場合でも、第１の筒体９内における粒状蓄冷材配置が変わることで、蓄冷器の冷凍能力に差が出ることが明らかになった。
このことは、既存の粒状蓄冷材の組み合わせからなる蓄冷器であっても、粒状蓄冷材の配置を変えるだけで蓄冷効率が改善される可能性があり、結果的に、蓄冷器の冷凍能力を向上できる可能性があることを示唆している。
【００３８】
最後に、比較例５に係る蓄冷器と、実施例１Ａ，１Ｂに係る蓄冷器の冷凍能力を比較すると、ＨｏＣｕ２粒１５中に第２の筒体１０を用いてＧＯＳ粒１６を収容した場合には、ＧＯＳ粒１６の平均粒径が０.２５ｍｍの場合でも，０.１ｍｍの場合でも、優劣なく比較例５に係る蓄冷器の冷凍能力に近づけることができた。
従って、実施例１に係る蓄冷器１００Ａによれば、従来の粒状蓄冷材を用いながら、その配置を変えるだけでより高い冷凍能力を有する蓄冷器を提供することができることが確認された。
よって、実施例１に係る蓄冷器１００Ａによれば、第１の筒体９内における複数種類の粒状蓄冷材の配置の自由度を高めることができ、これにより、より冷凍能力の高い蓄冷器を提供できる可能性があることが示された。
そして、この場合、特定の粒状蓄冷材の平均粒径を小さくした場合でも、蓄冷器の冷凍能力は低下しないので、蓄冷材の平均粒径の変更を容易にすることができる。これにより、複数種類の粒状蓄冷材を用いて蓄冷器を構成する際の、第１の筒体９内における粒状蓄冷材の配置の自由度のみならず、粒状蓄冷材の平均粒径の設定の自由度も高めることができることが示された。
【００３９】
ここで、実施例１に係る蓄冷器１００ＡのＨｏＣｕ２粒１５内におけるＧＯＳ粒１６の配置の他の例について図７を参照しながら説明する。
図７（ａ）〜（ｅ）はいずれも本発明の実施例１に係る蓄冷器の内部におけるＨｏＣｕ２粒とＧＯＳ粒の配置の他の例を示す斜視図である。なお、図１乃至図６に記載されたものと同一部分については同一符号を付し、その構成についての説明は省略する。また、図７では、図１（ｂ）におけるＧＯＳ粒１６が収容されるＨｏＣｕ２粒１５の収容部分のみを示している。
先の図１では、実施例１に係る蓄冷器１００Ａの一例として、第１の筒体９内の低温端側（図１中の符号Ｑで示す側）に配置されるＨｏＣｕ２粒１５収容領域の軸上で，かつ，この軸の全域にＧＯＳ粒１６が配置される場合を例に挙げて説明したが、図７（ａ）に示すように、ＨｏＣｕ２粒１５の収容領域における低温端側（図７中の符号Ｑで示す側）にのみＧＯＳ粒１６を収容してもよい。あるいは、特に図示しないが、ＨｏＣｕ２粒１５の収容領域における高温端側（図７中の符号Ｐで示す側）にのみＧＯＳ粒１６を収容してもよい。また、図７（ｂ）に示すように、ＨｏＣｕ２粒１５の収容領域における軸方向の中央部にＧＯＳ粒１６を収容してもよい。
また、図１及び図７（ａ），（ｂ）では、ＨｏＣｕ２粒１５中にＧＯＳ粒１６からなる棒状の塊を１つのみ収容する場合を例に挙げて説明したが、ＨｏＣｕ２粒１５中に収容するＧＯＳ粒１６からなる棒状の塊は２つ以上でもよい。
より具体的には、図７（ｃ）に示すように、ＨｏＣｕ２粒１５中に第１の筒体９の軸方向と平行にＧＯＳ粒１６からなる棒状の塊を３つ収容してもよい。また、この場合、図７（ｄ），（ｅ）に示すように、ＧＯＳ粒１６からなる棒状の塊は、ＨｏＣｕ２粒１５が収容される領域の軸方向の全域でなく一部にのみ配置されてもよい。より具体的には、ＨｏＣｕ２粒１５が収容される領域の高温端側又は低温端側にのみＧＯＳ粒１６からなる棒状の塊を複数収容してもよいし、ＨｏＣｕ２粒１５が収容される領域の中ほどにＧＯＳ粒１６からなる棒状の塊を複数収容してもよい。
【実施例２】
【００４０】
本発明の実施例２に係る蓄冷器について図８乃至１１を参照しながら説明する。
先の実施例１に係る蓄冷器１００Ａでは、第１の筒体９内に複数種類の粒状蓄冷材を収容する際に、粒状蓄冷材同士の配置を変えるだけで蓄冷器１００Ａの冷凍能力の向上に成功した。
本願発明に係る技術内容は、粒状蓄冷材としてＰｂ粒１４と，ＨｏＣｕ２粒１５と、ＧＯＳ粒１６とからなる蓄冷器に対してだけ適用できるものではなく、粒状に成形可能な蓄冷材を複数種類収容してなる全ての蓄冷器に適用可能な技術である。
この実施例２では、本願発明の技術思想を利用した新たな蓄冷器の構成の一例について説明する。
図８（ａ）は本発明の実施例２に係る蓄冷器の内部における粒状蓄冷材集合体の外形を示す概念図であり、（ｂ）〜（ｄ）はいずれも本発明の実施例２に係る蓄冷器の内部における粒状蓄冷材の配置例を示す断面図である。図９乃至１１の（ａ）〜（ｃ）はいずれも本発明の実施例２に係る蓄冷器の内部における粒状蓄冷材の配置例を示す断面図である。なお、図１乃至図７に記載されたものと同一部分については同一符号を付し、その構成についての説明は省略する。
また、実施例２では粒状蓄冷材を構成する材質を特定する必要がないので、任意の粒状蓄冷材として仮に第１の粒状蓄冷材２０，第２の粒状蓄冷材２１，第３の粒状蓄冷材２２を使用して蓄冷器を構成する場合を例に挙げて説明するが、実施例２に係る蓄冷器において第１の筒体９内に収容される粒状蓄冷材の種類は３種類以上でもよい。
【００４１】
図８（ａ）に示すように、実施例２に係る蓄冷器の第１の筒体９内に収容される，複数種類の粒状蓄冷材からなる粒状蓄冷材集合体１９は円柱状である。なお、第１の筒体９の中空部は必ずしも円柱である必要はないが、第１の筒体９内における高圧ガスの流動が妨げられないよう、粒状蓄冷材集合体１９の任意の位置における軸方向垂直断面の面積は一定であることが望ましい。
実施例２に係る蓄冷器では、例えば、図８（ｂ）に示すように、第１の筒体９の軸方向垂直断面において中心から外縁に向かう方向に同心円状の層をなすように３種類の粒状蓄冷材（第１の粒状蓄冷材２０，第２の粒状蓄冷材２１，第３の粒状蓄冷材２２）を配置してもよい。この場合の第２の粒状蓄冷材２１，第３の粒状蓄冷材２２の具体的な収容方法としては、例えば、第１の筒体９内に直系の異なる２つの第２の筒体１０を，軸方向を一致させながら収容させ，それぞれの筒体の中空部又は筒体同士の隙間に粒状蓄冷材を充填すればよい。
また、実施例２に係る蓄冷器では、図８（ｃ），（ｄ）に示すように、図８（ｂ）に示す粒状蓄冷材集合体１９の軸方向断面において中央に配置される第３の粒状蓄冷材２２を、第１の筒体９の低温端側（又は低温端側）にのみ配置してもよいし、第１の筒体９の軸方向の中央部にのみ配置してもよい。
図８では、第３の粒状蓄冷材２２を、第１の筒体９の低温端側に配置する場合を図に示している。
【００４２】
実施例２に係る蓄冷器では、例えば、図９（ａ）に示すように、第１の筒体９の軸方向垂直断面において同心円状に３層が形成される領域を、第１の筒体９の軸方向の一部にのみ、例えば、第１の筒体９の低温端側（又は高温端側）にのみ形成してもよい。図９では、第１の筒体９の軸方向垂直断面において同心円状に３層が形成される領域が、第１の筒体９の低温端側に配置される場合を図示している。
この場合、例えば、図９（ｂ），（ｃ）に示すように第３の粒状蓄冷材２２からなる棒状の塊を、第２の粒状蓄冷材２１が配置される領域の軸方向の一部にのみ（例えば、軸方向の中央にのみ，あるいは，軸方向の低温端側（又は高温端側）にのみ配置してもよい。なお、図９では、第２の粒状蓄冷材２１内における第３の粒状蓄冷材２２からなる棒状の塊が、第１の筒体９の低温端側にのみ配置される場合（図９（ｃ）を参照）を図示している。
【００４３】
実施例２に係る蓄冷器では、例えば、図１０（ａ）に示すように、第１の筒体９の軸方向垂直断面において同心円状に３層が形成される領域を、第１の筒体９の軸方向の中央にのみ形成してもよい。
この場合、例えば、図１０（ｂ），（ｃ）に示すように第３の粒状蓄冷材２２からなる棒状の塊を、第２の粒状蓄冷材２１が配置される領域の軸方向の一部にのみ（例えば、軸方向の高温端側（又は低温端側）にのみ，あるいは，軸方向の中央にのみ配置してもよい。なお、図１０では、第２の粒状蓄冷材２１内における第３の粒状蓄冷材２２からなる棒状の塊が、第１の筒体９の高温端側にのみ配置される場合（図１０（ｂ）を参照）を図示している。
【００４４】
また、実施例２に係る蓄冷器では、例えば、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、第１の筒体９の軸方向垂直断面において同心円状に３層が形成される領域と，同心円状に２層が形成される領域を、第１の筒体９の軸方向において直列に併設してもよい。
この場合、３層が形成される領域を、第１の筒体９の軸方向の低温端側（又は高温端側のみに配置してもよいし、第１の筒体９の軸方向の中央にのみ配置してもよい。なお、図１１では、３層が形成される領域を、第１の筒体９の軸方向の低温端側に配置される場合を示している。
【００４５】
なお、実施例２に係る蓄冷器における粒状蓄冷材の配置例として、図８乃至１１では、第３の粒状蓄冷材２２からなる棒状の塊を，第２の粒状蓄冷材２１の内部に１つのみ収容する場合を例に挙げて説明しているが、第３の粒状蓄冷材２２からなる棒状の塊を第２の粒状蓄冷材２１中に２つ以上収容してもよい。
また、特に図示しないが、実施例２に係る蓄冷器における粒状蓄冷材の配置の他の例として、図８乃至１１に示される粒状蓄冷材集合体１９における第１の粒状蓄冷材２０，第２の粒状蓄冷材２１，第３の粒状蓄冷材２２のそれぞれを、第１の筒体９の軸方向に複数種類の粒状蓄冷材を積層してなる粒状蓄冷材の集合体により構成してもよい。
さらに、実施例２に係る蓄冷器においては、第１の筒体９の軸方向垂直断面に配置される粒状蓄冷材が少なくとも２種類ある場合、その内の少なくとも１種類の粒状蓄冷材の平均粒径を小さくしてもよい。この場合、第１の筒体９の軸方向垂直断面の全てに平均粒径の小さい粒状蓄冷材が充填されることがないので、第１の筒体９内における高圧ガスの流動性を大幅に低下させる恐れを小さくできる。これにより、第１の筒体９内に収容される特定の粒状蓄冷材の充填密度を上げて、その粒状蓄冷材による蓄冷効率を向上させることができる。
【００４６】
従って、第１の筒体９の軸方向垂直断面に複数種類の粒状蓄冷材を分離した状態で配置するという本願発明に係る技術内容に、第１の筒体９の軸方向断面に複数種類の粒状蓄冷材を積層させた状態で収容するという従来の技術内容を組み合わせることにより、これまでにない新規な粒状蓄冷材の配置を実現することができる。
この結果、従来公知の粒状蓄冷材をそのまま用いながら、第１の筒体９内における配置を変更することで、蓄冷器の冷凍能力を大幅に向上でき可能性がある。
なお、筒体９の軸方向断面に複数の粒状蓄冷材を積層してなる従来の蓄冷器において、少なくとも１つの層を構成する粒状蓄冷材中に、実施例２に示すような複数種類の粒状蓄冷材からなる配置構造を配設してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上説明したように本発明は、蓄冷器の軸方向垂直断面に少なくとも２種類の粒状蓄冷材を分離させた状態で収容するとともに、それにより少なくとも２種類の粒状蓄冷材を組み合わせて蓄冷器内に収容する際に、蓄冷器の軸方向断面における粒状蓄冷材の配置の自由度を大幅に高めることができる蓄冷器に関するものであり、ＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機、パルスチューブ冷凍機、スターリングサイクル冷凍機、ビルミエサイクル冷凍機、ソルベイサイクル冷凍機、エリクソンサイクル冷凍機、又は、これを予冷段に使った冷凍システム等に用いるのに好適な、極低温蓄冷器及び冷凍機、並びに、これを用いた超伝導電磁石装置、ＭＲＩ装置、クライオポンプ等の分野において利用可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１…冷凍機  ２…１段シリンダ  ２ａ…１段蓄冷器  ２ｂ…１段蓄冷材  ２ｃ…１段冷却ステージ  ２ｄ…ガス通路  ２ｅ…１段膨張空間  ３…２段シリンダ  ３ａ…２段蓄冷器  ３ｂ…２段蓄冷材  ３ｃ…２段冷却ステージ  ３ｄ…ガス通路  ３ｅ…２段膨張空間  ４…駆動モータ  ５…シール  ６…圧縮機  ７ａ，７ｂ…高圧ガス配管  ８ａ，８ｂ…蓋  ９…第１の筒体  １０…第２の筒体  １１…第１のメッシュ体  １２…第２のメッシュ体  １３…フェルト  １４…Ｐｂ粒（粒状蓄冷材）  １５…ＨｏＣｕ２粒（粒状蓄冷材）  １６…ＧＯＳ粒（粒状蓄冷材）  １７…中心軸  １９…粒状蓄冷材集合体  ２０…第１の粒状蓄冷材  ２１…第２の粒状蓄冷材  ２２…第３の粒状蓄冷材  ２３ａ，２３ｂ…高圧ガスバルブ  １００Ａ…蓄冷器  １０１…粒状蓄冷体集合体  １０２…通気積層体  １０３…通気分離層  Ｐ…上端（高温端）  Ｑ…下端（低温端）  Ｒ…下端
【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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【図１２】
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