JP2006017421A - 冷凍機の熱交換器 - Google Patents

Abstract

【目的】熱交換性能に優れ且つ安価に製作できる冷凍機の熱交換器を提供する。
【構成】銅等の熱伝導性に優れた金属ブロックまたは金属板を素材とし、これにフォトリソグラフィー等で選択エッチング加工を施されて形成された所望の外形および作動流体が流通する丸孔211を備えている。選択エッチング加工によるので、面積の大きな素材から一度に多数の熱交換器を製作できて、量産性に優れていて安価となり、且つ丸孔を丸以外の熱交換効率のより良い形状の孔に置き換えることも容易であり、積層一体型の熱交換器にして素材の板厚を選ぶことで、所望の加工精度を得ることができ、熱交換器を収容する母体との間に優れた伝熱性能を得ることができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、パルス管冷凍機等の極低温冷凍機に用いられる熱交換器に関する。

液体窒素温度のような極低温を発生する小型の極低温冷凍機としては、パルス管冷凍機等がよく知られている。
図5はこのパルス管冷凍機の構成を示す概要図である。パルス管冷凍機は、圧縮機１、アフタークーラ２、蓄冷器３、コールドヘッド４、パルス管５、高温端６および位相制御機構7から構成されており、これの冷凍作用発生原理は、以下の通りに理解されている。
この冷凍機の内部に封入されている作動ガス（例えばヘリウムガス）は、所定の周波数で往復運動する圧縮機１によって圧縮と膨張を繰返えされる。まず、圧縮機１の圧縮過程においては、圧縮されて圧縮熱を発生した作動ガスは、アフタークーラ２で熱交換器21を介して圧縮熱を外部に放出する（断熱圧縮行程）。圧縮された作動ガスは、蓄冷器３およびコールドヘッド４を通ってパルス管５に流入する（等温行程）。パルス管５においては、作動ガスは膨張して寒冷を発生する（断熱膨張行程）。この際、位相制御機構７によって、作動ガスの圧力と流速との位相が調整される。位相制御機構７はイナータンスチューブ71とバッファータンク72とで構成されており、作動ガスはこの中をほぼ正弦波的な圧力振幅を伴って流れる。電気回路に例えると、イナータンスチューブ71はインダクタンスおよび抵抗のインピーダンス成分に相当し、バッファータンク72はキャパシタンス成分に相当する。上記のようにして発生した寒冷が、低温熱交換器41を介してコールドヘッド４から吸熱する。次に、圧縮機１の膨張過程においては、パルス管５で冷却された作動ガスが、蓄冷器３と準静的に熱交換しながらアフタークーラ２を通って圧縮機１に戻ってくる（等温行程）。以上の4つの工程を繰り返すことによって、コールドヘッド４は極低温まで冷却される。

従来技術においては、このような冷凍機に使われているアフタークーラ２の熱交換器21やコールドヘッド４の低温熱交換器41、高温端６の高温熱交換器61として、金網を積層して構成したものや、金属ブロックに複数の孔を機械加工して製作したものが使用されている。しかしながら、前者の積層金網構造の熱交換器は、アフタークーラ２等の母体との接触熱抵抗が大きく、熱交換器としての機能が十分ではなく、後者の多孔体構造の熱交換器は、母体との熱の伝導性においては優れているが、ドリル加工等の機械加工で製作されるため、コストが高くなり、加工できる孔の形状に制約が多い。
この種の冷凍機としては、特許文献１に記載されているものがよく知られている。
特開2003−148822号公報

この発明の課題は、上記のような従来技術の問題点を解消して、熱交換性能に優れ且つ安価に製作することができる冷凍機の熱交換器を提供することである。

請求項１の発明は、圧縮機による作動ガスの圧縮および膨張の繰返しによって、封入された作動ガスが通過する容器の所定部分を極低温まで冷却する冷凍機の熱交換器であって、熱伝導性に優れた金属ブロックまたは金属板を素材とし、この金属ブロックまたは金属板に選択エッチング加工で形成された所望の外形および作動ガスの流路となる複数の貫通孔を備えている。
素材である金属ブロックまたは金属板に選択エッチング加工によって所望の外形および作動ガスの流路となる複数の貫通孔を形成するので、一度に多くの熱交換器を形成することができて量産性に優れていて加工コストが安く、加工できる外形および貫通孔の形状に対する自由度が高い。しかも、金属ブロックまたは金属板から所望の外形に作られるので、母体との熱の伝達性能が優れている。

請求項２の発明は、複数枚の請求項1に記載の冷凍機の熱交換器を、貫通孔が連通するように積層して一体に接合している。
複数枚を積層して一体に接合するため、個々の金属ブロックまたは金属板の厚さを薄くすることができるので、選択エッチング加工の精度を高めることができる。

請求項１の発明においては、素材である金属ブロックまたは金属板に選択エッチング加工によって所望の外形および作動ガスの流路となる複数の貫通孔を形成するので、一度に多くの熱交換器を形成することができて量産性に優れていて加工コストが安く、加工できる外形および貫通孔の形状に対する自由度が高い。しかも、金属ブロックまたは金属板から所望の外形に作られるので、母体との熱の伝達性能が優れている。したがって、この発明によれば、熱交換性能に優れ且つ安価に製作することができる冷凍機の熱交換器を提供することができる。
請求項２の発明においては、複数枚を積層して一体に接合するため、個々の金属ブロックまたは金属板の厚さを薄くすることができるので、選択エッチング加工の精度を高めることができる。したがって、この発明によれば、加工精度の向上に伴って熱交換性能がより高められる。

実施例を用いて、この発明による冷凍機の熱交換器の最良の形態を説明する。

図1は、この発明による冷凍機の熱交換器の実施例１の形状を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側断面図、（ｃ）は選択エッチング終了時の側断面図である。
この実施例の熱交換器21は、熱交換器21と同じ厚さを有する銅板を素材とし、その両面に位置合わせされたエッチングマスクをフォトリソグラフィーで形成し、このエッチングマスクを保護膜として両面から同時に選択エッチングして形成されたものである。外周エッチング部212および作動ガスの流路となる丸孔211の形成される部分をエッチングすることによって、熱交換器21の外形と多数の同じ大きさの丸孔211とを同時に形成している。熱交換器としての機能を確保するためにある程度の厚さが必要であるため、両面からのエッチングを採用して、必要なエッチング深さを少なくし、エッチングによる寸法精度を高めている。

なお、（ｃ）図には図示していないが、個々の熱交換器21は、エッチングの終盤においてばらばらにならないようにするため、何箇所かの連結部で互いにつながれている。この部分は次のステップで機械的に切り離され機械的に仕上げられる。
このようにして作製される熱交換器21は、1回の製造工程で大量に製造でき、安価となる。
なお、素材は銅板に限定されず、熱伝導性に優れた材料であればよい。
また、素材の状態は、板状に限定されず、熱交換器の厚さが厚くなる場合には、ブロック状の場合もある。

図２はこの発明による冷凍機の熱交換器の実施例２の形状を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側断面図、（ｃ）は熱交換器用素板21a′の選択エッチング終了時の側断面図である。
この実施例の熱交換器21aは、実施例１における素材の銅板を熱交換器の厚さの数分の１の厚さとし、この厚さで実施例1と同様にして形成される熱交換器素板21a′を複数枚重ね合わせて一体化したものである。一体化時には、それぞれの外周および丸孔211a′は位置合わせされる。一体化の技術としては、拡散接合やロー付け等を採用することができる。素材の板厚が薄くなるので、エッチング加工の寸法精度が高くなり、熱交換器と母体との熱伝達性能が向上する。また、片面からの選択エッチング加工を採用しても所望の性能を得ることができるようになる。

以上2つの実施例においては、同じ大きさの丸孔21または21aが等間隔で配置されているが、輸送される各部の熱量を配慮すると、中央部では輸送熱量が少なく、外周部に近付くほど多くなるので、外周部の熱抵抗を内部に比べて小さくすることが有効である。実施例3は、このような実施例の一つである。

図３はこの発明による冷凍機の熱交換器の実施例３の形状を示す平面図である。
この実施例の丸孔211bは、それぞれの丸孔の中心位置に関しては、実施例１および実施例２の場合と同じであるが、丸孔の大きさが下記のように位置によって異なる。すなわち、中央部の丸孔が最も大きく外周部の丸孔が最も小さく、中央部から外周部に向かって徐々に小さくなっている。したがって、外側ほど銅板の残っている部分の割合が大きく、銅板の熱抵抗は外側ほど小さくなっている。
このような加工は、フォトリソグラフィーに使用するマスクをそのように設計すればよいので、加工上において何らの制約にもならない。
この実施例は丸孔の大きさで外側ほど熱抵抗を小さくすることに対応しているが、丸孔の大きさは同じにし且つ中心間距離を外側ほど広くすることによっても、外側ほど熱抵抗を小さくすることは実現できる。

以上の実施例においては、作動ガスの流路の形状が丸形である場合を説明してきたが、孔の形状は丸形に限定されるものではない。作動ガスと母体との熱の伝達性能が優れていることが肝要であるから、孔の形状を作動ガスと熱交換器との間の熱の伝達性能がより優れている形状に置き換えることは有効である。この場合も、上記と同様に、フォトリソグラフィーに使用するマスクをそのように設計すればよいので、加工上において何らの制約にもならない。

この実施例は、上記の目的で、作動ガスの流路の形状を丸形から正六角形に置き換えたものである。
図４は実施例４の効果を示し、（ａ）は丸孔211の平面図とそれに対応する面積および周長の計算式、（ｂ）は正六角形孔213の平面図とそれに対応する面積および周長の計算式である。
丸孔211と正六角形孔213との中心間距離を同じとし、且つ図4に示したＤとＬとを同じ（Ｄ＝Ｌ）とした場合には、孔間に残る金属部分の幅は同じでありながら、面積および周長において、正六角形孔213の方が丸孔211より約10％大きくなる。面積を大きくすれば作動ガスの流速を遅くし、周長を長くすれば作動ガスとの接触面積が増大し、共に熱の伝達性能を向上させる。

なお、図4の線を波形の線に置き換えれば、周長を更に増大させることができ、熱の伝達性能を更に向上させることができる。
以上4つの実施例に対して、接触熱抵抗を更に低減するために更に精度の高い外形とする必要がある場合には、外形の仕上げ加工としてワイヤカットやレーザカット等を採用することが有効である。

この発明による冷凍機の熱交換器の実施例１の形状を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側断面図、（ｃ）は選択エッチング終了時の側断面図 この発明による冷凍機の熱交換器の実施例２の形状を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側断面図、（ｃ）は選択エッチング終了時の熱交換器用素板の側断面図 この発明による冷凍機の熱交換器の実施例３の形状を示す平面図 この発明による冷凍機の熱交換器の実施例４の効果を示し、（ａ）は丸孔の平面図とそれに対応する面積および周長の計算式、（ｂ）は正六角形孔の平面図とそれに対応する面積および周長の計算式 パルス管冷凍機の構成を示す概要図

符号の説明

１ 圧縮機
２ アフタークーラ
21、21a、21b 熱交換器
211、211a、211b 丸孔
212 外周エッチング部
213 正六角形孔
21a′ 熱交換器用素板
211a′ 丸孔
212a′ 外周エッチング部
３ 蓄冷器
４ コールドヘッド
41 低温熱交換器
５ パルス管
６ 高温端
61 高温熱交換器
７ 位相制御機構
71 イナータンスチューブ 72 バッファータンク

Claims (2)

1. 圧縮機による作動ガスの圧縮および膨張の繰返しによって、封入された作動ガスが通過する容器の所定部分を極低温まで冷却する冷凍機の熱交換器であって、
   熱伝導性の優れた金属ブロックまたは金属板を素材とし、この金属ブロックまたは金属板に選択エッチング加工で形成された所望の外形および作動ガスの流路となる複数の貫通孔を備えている、
   ことを特徴とする冷凍機の熱交換器。
2. 複数枚の請求項１に記載の冷凍機の熱交換器を、貫通孔が連通するように積層して一体に接合している、
   ことを特徴とする冷凍機の熱交換器。

Images