(57)【要約】  【課題】  長期間にわたって高い冷却性を維持することができる極低温冷凍機の蓄冷器を提供する。  【解決手段】  シリンダ(６)(７)内にディスプレーサを往復移動可能に内装し、このディスプレーサ(８)(９)の内部に形成したガス通路に複数種の蓄冷材(20)を区画した状態で充填し、これら各蓄冷材で寒冷をそれぞれ蓄えるように構成した極低温冷凍機の蓄冷器であって、複数種の蓄冷材(20)を層状に充填し、各蓄冷材層同士を焼結体で構成した区画用スペーサ(27)で区画した。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ(６)(７)内にディスプレーサを往復移動可能に内装し、このディスプレーサ(８)(９)の内部に形成したガス通路に複数種の蓄冷材(20)を区画した状態で充填し、これら各蓄冷材で寒冷をそれぞれ蓄えるように構成した極低温冷凍機の蓄冷器であって、
複数種の蓄冷材(20)を層状に充填し、各蓄冷材層同士を焼結体で構成した区画用スペーサ(27)で区画していることを特徴とする極低温冷凍機の蓄冷器。
【請求項２】
区画用スペーサ(27)がステンレス、真鍮、銅、鉛から選ばれた少なくとも１種の金属粒を積層して焼結したものである請求項１に記載した極低温冷凍機の蓄冷器。
【請求項３】
区画用スペーサ(27)が２種類以上のメッシュサイズの金属金網を積層して焼結したものである請求項１に記載した極低温冷凍機の蓄冷器。
【請求項４】
ガス通路を形成しているディスプレーサ(８)(９)の内周面にネジ(32)を刻設し、該ネジ(32)に螺合する固定用リング体(30)で区画用スペーサ(27)をディスプレーサ(８)(９)に相対固定している請求項１〜３のいずれか１項に記載した極低温冷凍機の蓄冷器。
【請求項５】
ガス通路を形成しているディスプレーサ(８)(９)の内部空間に、内部に蓄冷材(20)を充填するとともにその端面を焼結体(37)で構成してなる金属筒製カートリッジ(35)(36)を直列に装着している請求項１〜３のいずれか１項に記載した極低温冷凍機の蓄冷器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極低温冷凍機の蓄冷器に関し、特に、異なる種類の蓄冷材を内部に収容する蓄冷器に関する。
【背景技術】
【０００２】
極低温冷凍機では、シリンダ内にディスプレーサを往復移動可能に収容し、このディスプレーサ内に冷媒ガスの通路を形成するとともに、この冷媒ガス通路内に蓄冷材を充填し、冷媒ガスの圧縮・膨張で発生した寒冷エネルギーを蓄冷材に保持させるようにしている。そして、この蓄冷材は比熱が最大になる固有の温度を有しており、その比熱が最大のピークとなる温度が蓄冷材の種類毎に異なる。このため、蓄冷器での低温端の温度域で比熱が最大になる蓄冷材を蓄冷器全体に充填しておくと、高温端の温度域では蓄冷材の比熱のピークとなる温度域から外れる事となり、蓄冷器の蓄冷効果が不十分になる。
【０００３】
そこで、従来では、蓄冷器の内部に種類の異なる蓄冷剤を層状に充填して、蓄冷材同士が交じり合わないようにするため、各蓄冷材同士間に仕切り体を配置したものが提案されている。この仕切り体として、底部とこの底部の周縁から円筒状に延びる側壁部とを有し、その少なくとも底部に多数の円形の細孔を貫通形成して多孔板とし、この多孔板に銅合金性金網を貼り付けたもの(特許文献１)や、多数の貫通孔を形成した銅板と、その銅板の両面に貼着されたフェルトマットとで構成したもの(特許文献２)が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−２８６３１１号
【特許文献２】特開平９−２１０４８３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、従来の仕切り体は、多数の貫通孔を透設した多孔円板とその貫通孔を蓄冷材が通過しないようにするための金網やフェルトマットとで構成してあることから、該仕切り体に透設した貫通孔の開口面積の総和が蓄冷器としてのガス通路の開口断面積となることから、仕切り体を入れた分だけ蓄冷器としてのガス通路断面積が減少し、冷却性能に影響を与える惧れがある。
【０００５】
本発明は、このような点に着目してなされたもので、長期間にわたって高い冷却性を維持することができる極低温冷凍機の蓄冷器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の目的を達成するために、請求項１に記載した本発明は、複数種の蓄冷材間に位置させる区画用スペーサを焼結体で構成したことを特徴としている。請求項２に記載の発明はスペーサを構成する焼結体をステンレス、真鍮、銅、鉛から選ばれた少なくとも１種の金属粒を積層して焼結したもので構成したことを特徴とし、請求項３に記載の発明は、スペーサを構成する焼結体を２種類以上のメッシュサイズの金属金網を積層して焼結したもので構成したことを特徴としている。
【０００７】
また、請求項４に記載した本発明は、焼結体で構成した区画用スペーサをディスプレーサの内面に刻設したネジに螺合する固定リングでディスプレーサに相対固定するようにしたことを特徴とし、請求項５に記載した本発明は、端面部分を焼結体で構成した薄肉金属筒製カートリッジの内部に蓄冷材を充填し、この蓄冷剤を充填したカートリッジをディプレーサの内部に直列状に装着したことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明では、複数種の蓄冷材間に位置させる区画用スペーサを金属粒あるいは２種類以上のメッシュサイズの金属金網をそれぞれ積層して焼結した焼結体で構成していることから、蓄冷器内での冷媒ガス通路の通路断面積を広く確保することができるうえ、蓄冷材を確実に分離しておくことができ、長期間にわたって安定した冷却性能を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、スターリング冷凍機、ギフォードマクマホン冷凍機、ソルベイ冷凍機等のピストン冷凍機やパルス管冷凍機に適用されるが、以下、ソルベイ冷凍機を例に説明する。
図１は極低温の概略縦断面図、図２はディスプレーサを取出した状態での縦断面図である。
この冷凍機は、ヘリウムを冷媒とした極低温冷凍機であり、圧縮機ユニット(１)とコールドヘッド(２)とで構成してある。コールドヘッド(２)はバルブモータ部(３)とシリンダ部(４)を有しており、バルブモータ部(３)の作動に基づき、バルブユニット(５)の高圧弁と低圧弁とを切換え作動するようになっている。
【００１０】
シリンダ部(４)は、ステンレス鋼製の第１シリンダ(６)と第２シリンダ(７)とで構成され、その各内部に第１ディスプレーサ(８)と第２ディスプレーサ(９)がそれぞれ往復摺動可能に挿嵌してある。第１ディスプレーサ(８)は段付き状に形成してあり、第１ディスプレーサ(８)の小径側端面と第１シリンダ(６)の小径側端面との間を高圧室(10)に形成するとともに、大径部分と小径部分との連結部分を低圧室(11)に形成してある。また、第１ディスプレーサ(８)の大径部は中空状に形成してあり、この中空部に蓄熱器(12)が装着してある。
【００１１】
また、第１ディスプレーサ(８)の大径部と第１シリンダ(６)の大径側端面との間は、前記蓄熱器(12)を介してバルブユニット(５)に連通しており、この空間が第１膨張空間(13)となっている。
【００１２】
バルブユニット(５)は高圧ガス路(14)と低圧ガス路(15)を介して圧縮機ユニット(１)に連通接続しており、高圧ガス路(14)が圧縮機ユニット(１)の吐出口に、低圧ガス路(15)が圧縮機ユニット(１)の吸込口にそれぞれ連通している。また、前記高圧室(10)は第１ディスプレーサ(８)の小径側端壁(17)に形成したオリィフィス(18)を介して高圧ガス路(14)に連通させてあり、低圧室(11)は高圧室形成壁に形成したオリィフィス(19)を介して低圧ガス路(15)に連通させてある。
【００１３】
さらに、第２ディスプレーサ(９)の先端部と第２シリンダ(７)の底壁との間は、第２ディスプレーサ(９)の内部に装着した蓄冷器(20)及び第１膨張空間(13)を介してバルブユニット(５)に連通しており、この第２ディスプレーサ(９)の先端部と第２シリンダ(７)の底壁との間に形成される空間が第２膨張空間(21)となっている。
【００１４】
このような構成の極低温冷凍機では、第１ディスプレーサ(８)と第２ディスプレーサ(９)とが降下位置にある状態で、バルブユニット(５)の低圧弁が閉じられ、高圧弁が開かれると、圧縮機(１)からの高圧ガスが第１膨張空間(13)と第２膨張空間(21)に流入して第１ディスプレーサ(８)と第２ディスプレーサ(９)とを押し上げる。このとき、高圧室(10)にも高圧ガスの圧力が作用しているが、受圧面積差によって、第１ディスプレーサ(８)と第２ディプレーサ(９)は押し上げられることになり、その移動速度は高圧室(10)及び低圧室(11)へのガス連通路に介装されているオリィフィス(18)(19)の開度によって制御される。第１ディスプレーサ(８)と第２ディスプレーサ(９)が上端に逹すると、バルブユニット(５)の作動で高圧弁が閉じられて低圧弁が開かれ、第１膨張空間(13)と第２膨張空間(21)が圧縮機(１)の吸込口に連通することになるから、第１膨張空間(13)と第２膨張空間(21)内の高圧ガスが断熱膨張して、寒冷を生じ、引き続いて、バルブユニット(５)の切換え作動で第１ディスプレーサ(８)と第２ディスプレーサ(９)が下降する。
【００１５】
本発明は、このような構成の極低温冷凍機において、第２ディスプレーサ(９)内に装着する蓄冷器(20)を比熱が最大のピークとなる温度が相違する２種類以上の蓄冷材を充填して構成するにあたり、この２種類以上の蓄冷材が交じり合わないように分離収容するようにしたものである。
【００１６】
図２は第２ディスプレーサ(９)を取出した状態での縦断面図である。このディスプレーサ(９)はステンレス鋼で形成した形成した本体部分(22)を筒状に形成し、ガス流路(23)を有する蓋部材(24)を両端に挿嵌固定し、内部に比熱のピークが異なる複数種(図では２種類)の蓄冷材(25)(26)を区画用スペーサ(27)で分離した状態で充填してある。図中符号(28)は蓋部材(24)の蓄冷材収容空間側での端面に沿ってそれぞれ配置した金網、(29)は該金網と各蓄冷材(25)(26)との間に配置したフェルト栓である。なお、図上上側に位置している高温側に充填する蓄冷材(25)としては、例えば、平均粒径０.２５〜０.３０mmの鉛の粒体が、また図上下側に位置する低温側に充填する蓄冷材(26)としては、例えば、平均粒径０.１５〜０.２０mmのＨｏＣｕ２やＥｒＮｉ０.９Ｃｏ０.１などの磁性材料からなる粒状物が使用される。
【００１７】
区画用スペーサ(27)は、ステンレスや真鍮、銅、あるいは鉛から選ばれた金属粒体を積層焼結した平板状の焼結体で形成してあり、第２ディスプレーサ(９)の内周面に真鍮製のリング(30)を使用して装着固定してある。
【００１８】
この区画用スペーサ(27)としては、ステンレスや真鍮、銅、あるいは鉛などの金属粒体から異なった粒径を有する２種類以上の金属を選択し、選択したそれぞれの金属粒を層状に配置して積層焼結したものや、異なるメッシュサイズのステンレス金網等の金属金網を２種類以上積層して焼結したものを使用することができる。
【００１９】
そして、区画用スペーサ(27)の第２ディスプレーサ(９)の内周面に装着保持する構造ととしては、図２に示すように、第２ディスプレーサ(９)の内周面に中間部分(31)を除いて両端側からネジ(32)を刻設し、このネジなしの中間部(31)に区画用スペーサ(27)を配置し、このネジなしの中間部分(31)を挟む両側に刻設したネジ(32)にリング(30)を螺合させることで区画用スペーサ(27)を第２ディスプレーサ(９)の内周面に固定する。
【００２０】
図３乃至図６は、区画用スペーサ(27)の保持構造の他の実施形態を示し、図３に示すものは、第２ディスプレーサ(９)の内周面に一端側から長手方向中間部までネジ(32)を刻設することにより、区画用スペーサ(27)の受け止め部分(33)を段付き状に形成し、この受け止め部分(33)に区画用スペーサ(27)を配置し、第２ディスプレーサ(９)の内周面に刻設したネジ(32)にリング(30)を螺合させることで、このリング(30)と前記受け止め部分(33)とで区画用スペーサ(27)を挟持固定するようにしたものである。
【００２１】
図４に示すものは、第２ディスプレーサ(９)の内周面に全長に亘ってネジ(32)を刻設し、区画用スペーサ(27)の両側をそれぞれネジ(32)に螺合する一対のリング(30)で挟持固定するようにしたものである。このように構成すると、区画用スペーサ(27)で区切られる蓄冷材収容空間の容積を調整変更することができるうえ、第２ディスプレーサ(９)の内側に３つ以上の蓄冷材収容空間を形成することも容易に行うことができる。
【００２２】
図５に示すものは、第２ディスプレーサ(９)の内周面に全長に亘ってネジ(32)を刻設するとともに、区画用スペーサ(27)の外周面に第２ディスプレーサ(９)の内周面に刻設したネジ(32)と螺合するネジを刻設し、区画用スペーサ(27)の螺着によって区画用スペーサ(27)を第２ディスプレーサ(９)に直接固定するようにしたものである。
【００２３】
図６に示すものは、区画用スペーサ(27)をスナップリング(34)を用いて第２ディスプレーサ(９)の内周面に固定するようにしたものである。
【００２４】
図７は、本発明の別の実施形態を示し、これは、比熱が最大のピークとなる温度が異なる蓄冷材(20)をステンレス鋼などの金属製薄肉円筒で形成したケース筒(35)(36)の内部にそれぞれ充填し、各ケース筒(35)(36)の開口端部を金属粒体や金網を積層焼結した焼結体(37)で閉塞し、この蓄冷材(20)を充填収容してなる複数のケース筒(35)(36)を第２ディスプレーサ(９)の内部に焼結体(37)同士が対向する状態で直列に収容したものである。この場合、各ケース筒(35)(36)の開口部に装着された焼結体(37)が区画用スペーサ(27)として作用している。そして、ケース筒(35)(36)を第２ディスプレーサ(９)の内部に装着固定するに当っては、ケース筒(35)(36)の第２ディスプレーサ(９)の開口端側に位置する部分での外周に雄ネジを形成し、第２ディスプレーサ(９)の蓄冷器収容空間での内面端部に形成した雌ネジと螺合させることで、ケース筒(35)(36)を第２ディスプレーサ(９)の内面に装着固定するようにしてもよい。
【００２５】
上記各実施形態において、区画用スペーサ(27)を形成している金属粒の焼結体での粒径や金属網の焼結体での開き目サイズが充填する蓄冷材(20)の粒径よりも大きい場合には、区画用スペーサ(27)の蓄冷材収容空間側部分に、充填する蓄冷材(20)の粒径よりも小さな開き目サイズの金網を積層することで形成したサポート材を配置するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、単段式の極低温冷凍機における蓄冷器や三段以上の多段式の極低温冷凍機の蓄冷器にも利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】極低温の概略縦断面図である。
【図２】ディスプレーサを取出した状態での縦断面図である。
【図３】第２の実施形態を示す要部の取り出し図である。
【図４】第３の実施形態を示す要部の取り出し図である。
【図５】第４の実施形態を示す要部の取り出し図である。
【図６】第５の實死刑体を示す要部の取り出し図である。
【図７】第６の実施形態を示す要部の取り出し図である。
【符号の説明】
【００２８】
６・７…シリンダ、８・９…ディスプレーサ、20…蓄冷材、27…区画用スペーサ、30…固定用リング体、32…ネジ、35・36…金属筒製カートリッジ、37…焼結体。
【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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