JP2734893B2 - 極低温冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、圧縮されたヘリウム
等の冷媒ガスの断熱膨張により極低温レベルの寒冷を発
生させる極低温冷凍機に関し、特に、圧縮機からの高圧
冷媒ガスを圧縮機に戻る低圧低温の冷媒ガスと熱交換さ
せて冷却するようにした熱交換器の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えば４Ｋ程度の極低温レベ
ルで作動させる低温作動機器を同温度レベルまで冷却す
るための極低温冷凍機として、例えば米国特許第４２２
３５４０号等に記載されているように予冷冷凍機とＪ−
Ｔ冷凍機とを組み合わせた冷凍機が知られている。

【０００３】上記予冷冷凍機はＧＭサイクル（ギフォー
ド・マクマホンサイクル）や改良ソルベーサイクル等の
冷凍機からなり、圧縮機で圧縮されたヘリウムガス（冷
媒ガス）を膨張機で断熱膨張させてそのガスの温度降下
によりヒートステーションに極低温レベルの寒冷を発生
させる。

【０００４】一方、Ｊ−Ｔ冷凍機は、圧縮機から供給さ
れたヘリウムガスを上記予冷冷凍機における膨張機のヒ
ートステーションとの間で熱交換して予冷する予冷器
と、ヘリウムガスをジュールトムソン膨張させるＪ−Ｔ
弁とを閉回路に接続してなるＪ−Ｔ回路を備えてなるも
ので、このＪ−Ｔ回路において、圧縮機からのヘリウム
ガスを予冷器で予冷するとともに、該予冷されたヘリウ
ムガスをＪ−Ｔ弁でジュールトムソン膨張させて４Ｋレ
ベルの寒冷を発生させるようになされている。

【０００５】ところで、上記Ｊ−Ｔ冷凍機はその回路に
Ｊ−Ｔ熱交換器と呼ばれる複数段の熱交換器を備えてお
り、この各熱交換器において、１次側及び２次側をそれ
ぞれ通過するヘリウムガス間で互いに熱交換させる。す
なわち、例えば同心状に接合した内外の円筒状シェル間
に伝熱管（高圧管）を螺旋状に配置し、伝熱管内部を、
圧縮機から膨張機に供給される高圧冷媒ガスを流す高圧
ガス流路（１次側）に形成する一方、伝熱管の周囲でシ
ェル間の空間を、膨張機から圧縮機に戻る低圧ガスを流
す低圧ガス流路（２次側）とし、圧縮機から膨張機に向
かって流れる高圧ガス流路内のガスを、膨張機から圧縮
機に戻る低圧ガス流路内の低温ガスとの間で熱交換させ
て冷却するようにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記Ｊ−Ｔ熱交換器の
伝熱管は銅製のものが一般に使用されているが、熱交換
器の熱交換性能をさらに向上させるには、その伝熱管の
内部に伝熱促進のための加工を施すことが必要である。

【０００７】しかし、上記伝熱管は、通常、例えば外径
が３mmで内径が２mm程度の極めて細いキャピラリチュー
ブであり、内径が極めて小さいので、その内部を加工す
ることは実際には困難である。

【０００８】本発明は斯かる点に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、伝熱管内部に所定の構造
体を挿入することで、細いキャピラリチューブであって
も、その内部の冷媒ガスとの熱伝達効率を上昇させ得る
ようにすることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成すべ
く、請求項１の発明では、熱交換器における低温側部分
の伝熱管内部に冷媒ガスの乱流を促進する乱流促進体を
配置することとした。

【００１０】すなわち、この発明では、図１〜図５に示
すように、冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、この圧縮機か
ら吐出された高圧冷媒ガスを膨張させて極低温レベルの
寒冷を発生させる膨張手段（１８）とを備え、さらに、
伝熱管（２４）内部に、上記圧縮機から膨張手段（１
８）に供給される高圧冷媒ガスを流す高圧ガス流路（２
５）が形成される一方、伝熱管（２４）の周囲に、膨張
手段（１８）から圧縮機に戻る低圧ガスを流す低圧ガス
流路（２６）が形成されてなり、高圧ガス流路（２５）
内のガスを低圧ガス流路（２６）内の低温ガスとの間で
熱交換させて冷却する熱交換器（１３）〜（１５）を備
えた極低温冷凍機が前提である。

【００１１】そして、上記熱交換器（１３）〜（１５）
全体における伝熱管（２４）の低温側部分の内部に、伝
熱管（２４）内面に密着しかつ高圧ガス流路（２５）に
おける冷媒ガスの乱流を促進する乱流促進体（３１）を
設ける。

【００１２】請求項２〜１１の発明では、上記熱交換器
（１３）〜（１５）における乱流促進体（３１）の具体
的構成を特定する。すなわち、請求項２の発明では、図
４（ａ）に示すように、乱流促進体（３１）は、伝熱管
（２４）内に伝熱管長さ方向に延びる少なくとも１対の
断面円形状の細管（３２），（３２），…を各対の細管
（３２），同士が伝熱管（２４）の１つの直径方向に略
平行に並ぶように圧入状態で嵌挿してなるものとする。
また、請求項３の発明では、図１に示すように、同様の
断面円形状の細管（３２），（３２），…を少なくとも
２対とし、この伝熱管長さ方向に隣り合う対の細管（３
２），（３２）同士の並列方向が互いに伝熱管周方向に
ずれるように配置する。

【００１３】請求項４の発明では、図４（ｂ）に示す如
く、乱流促進体（３１）は、伝熱管（２４）内に伝熱管
長さ方向に延びる少なくとも１対の断面半割円形状の細
管（３２），（３２），…を各対の細管（３２），（３
２）同士が半割面で接触して伝熱管（２４）の１つの直
径方向に略平行に並ぶように圧入状態で嵌挿してなるも
のとする。

【００１４】請求項５の発明では、図４（ｃ）に示すよ
うに、乱流促進体（３１）は、伝熱管（２４）内に伝熱
管長さ方向に延びる少なくとも１つの断面３角形状の細
管（３２）をその３つの角部（３２ａ），（３２ａ），
…が伝熱管（２４）内面に接触するように圧入状態で嵌
挿してなるものとする。請求項６の発明では、図４
（ｄ）に示すように、上記断面３角形状の細管（３２）
を複数とし、この伝熱管長さ方向に隣り合う細管（３
２），（３２）同士の各角部（３２ａ），（３２ａ）の
位置が互いに伝熱管周方向にずれるように配置する。

【００１５】請求項７の発明では、図４（ｅ）に示す如
く、乱流促進体（３１）は、伝熱管（２４）内に伝熱管
長さ方向に延びる少なくとも１つの断面長円形状の細管
（３２）をその長軸方向両端部（３２ｂ），（３２ｂ）
が伝熱管（２４）内面に接触するように圧入状態で嵌挿
してなるものとする。また、請求項８の発明では、図４
（ｆ）に示すように、上記断面長円形状の細管（３２）
を複数とし、この伝熱管長さ方向に隣り合う細管（３
２），（３２）同士の長軸方向が互いに伝熱管周方向に
ずれるように配置する。

【００１６】請求項９の発明では、図４（ｇ）〜（ｉ）
に示すように、乱流促進体（３１）は、伝熱管（２４）
内に、伝熱管長さ方向に延びかつ断面形状が伝熱管（２
４）の中心位置から半径方向に放射状に延びる形状であ
る少なくとも１つの板材（３５）を、該板材（３５）の
外端部が伝熱管（２４）内面に接触するように圧入状態
で嵌挿してなるものとする。

【００１７】請求項１０の発明では、図５（ａ）に示す
ように、乱流促進体（３１）を、伝熱管（２４）の内面
に突設されたフィン（３３）で構成する。また、請求項
１１の発明では、図５（ｂ）に示す如く、乱流促進体
（３１）を、伝熱管（２４）に該伝熱管（２４）内面に
密着するように充填された螺旋状ワイヤ（３４）とす
る。

【００１８】

【作用】上記の構成により、請求項１の発明では、熱交
換器（１３）〜（１５）における低温側部分の伝熱管
（２４）内部に冷媒ガスの乱流促進体（３１）が設けら
れているので、その乱流促進体（３１）により高圧ガス
流路（２５）内の高圧ガスの流れの乱れを促進すること
ができる。しかも、乱流促進体（３１）の断面積分だけ
高圧ガス流路（２５）の断面積が減少し、高圧ガスの流
速を上昇できるとともに、乱流促進体（３１）の伝熱管
（２４）内面への密着により、その乱流促進体（３１）
自体でも伝熱して全体の伝熱面積を増大させることがで
きる。これらにより、伝熱管（２４）が小径のキャピラ
リチューブで構成されていても、その内部の高圧冷媒ガ
スとの熱伝達効率を上昇させることができ、熱交換器
（１３）〜（１５）の熱交換性能の向上を図ることがで
きる。

【００１９】また、このような伝熱管（２４）内への乱
流促進体（３１）の配置により、反面では圧力損失の増
大が懸念されるが、この圧力損失は温度に比例して変化
し、温度が低くなるほど低下する。そして、上記乱流促
進体（３１）は熱交換器（１３）〜（１５）全体からみ
て圧力損失の少ない低温側部分に限定して配置されてい
るので、全体としての圧力損失の増大の影響は少なくな
り、バランスのよい熱交換器（１３）〜（１５）が得ら
れる。

【００２０】請求項２〜１１の発明では、上記伝熱管
（２４）が小径のキャピラリチューブである場合に好適
な乱流促進体（３１）が容易に得られる。特に、請求項
３、６又は８の発明ではそれぞれ各隣り合う対の細管
（３２），（３２）同士の並列方向、隣り合う細管（３
２），（３２）同士の各角部位置、又は隣り合う細管
（３２），（３２）同士の長軸方向が互いに伝熱管（２
４）の周方向にずれるように配置されているので、この
ずれ部分でガスの境界層が更新され、熱伝達の促進をさ
らに向上させることができる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。この実施例では、図３に示すように、冷凍機
（Ｒ）は予冷冷凍機（１）とＪ−Ｔ冷凍機（１１）とを
組み合わせた冷凍機で構成されている。

【００２２】上記予冷冷凍機（１）は、Ｇ−Ｍ（ギフォ
ード・マクマホン）サイクルの冷凍機で構成されてい
て、Ｊ−Ｔ冷凍機（１１）におけるヘリウムガス（冷媒
ガス）を予冷するためにヘリウムガスを圧縮膨張させ
る。この冷凍機（１）は図外の予冷用圧縮機と、クライ
オスタット（Ｃ）に取り付けられた膨張機（２）とを閉
回路に接続してなる。上記膨張機（２）は、クライオス
タット（Ｃ）の外部に配置される密閉円筒状のケース
（３）と、該ケース（３）の下部に連設された２段構造
のシリンダ（４）とを有する。上記ケース（３）には上
記予冷用圧縮機の吐出側に接続される高圧ガス入口
（５）と、同吸込側に接続される低圧ガス出口（６）と
が開口されている。また、シリンダ（４）は上記クライ
オスタット（Ｃ）の上壁を貫通してその内部に延びてお
り、その大径部（４ａ）の下端部は所定温度レベルに保
持される第１ヒートステーション（７）に、また小径部
（４ｂ）の下端部は上記第１ヒートステーション（７）
よりも低い温度レベルに保持される第２ヒートステーシ
ョン（８）にそれぞれ形成されている。

【００２３】すなわち、ここでは図示しないが、シリン
ダ（４）内には、シリンダ（４）内で上記各ヒートステ
ーション（７），（８）に対応する位置に膨張空間を区
画形成するディスプレーサ（置換器）が往復動可能に嵌
挿されている。一方、上記ケース（３）内には、回転す
る毎に開閉するロータリバルブと、該ロータリバルブを
駆動するバルブモータとが収容されている。ロータリバ
ルブは、上記高圧ガス入口（５）から流入したヘリウム
ガスを上記シリンダ（４）内の膨張空間に供給し、又は
膨張空間内で膨張したヘリウムガスを低圧ガス出口
（６）から排出するように切り換わる。そして、この膨
張機（２）におけるロータリバルブの開弁により高圧ヘ
リウムガスをシリンダ（４）内の膨張空間でサイモン膨
張させて、その膨張に伴う温度降下により極低温レベル
の寒冷を発生させ、その寒冷をシリンダ（４）における
第１及び第２ヒートステーション（７），（８）にて保
持する。つまり、予冷冷凍機（１）では、圧縮機から吐
出された高圧のヘリウムガスを膨張機（２）に供給し、
その膨張機（２）での断熱膨張によりヒートステーショ
ン（７），（８）の温度を低下させて、Ｊ−Ｔ冷凍機
（１１）における後述の予冷器（１６），（１７）を予
冷するとともに、膨張した低圧ヘリウムガスを圧縮機に
戻して再圧縮するように構成されている。尚、上記シリ
ンダ（４）の第１ヒートステーション（７）にはクライ
オスタット（Ｃ）内に配置した略密閉円筒状の輻射シー
ルド（Ｓ）が伝熱可能に支持されている。

【００２４】一方、上記Ｊ−Ｔ冷凍機（１１）は、約４
Ｋレベルの寒冷を発生させるためにヘリウムガスを圧縮
してジュールトムソン膨張させる冷凍機であって、ヘリ
ウムガスを圧縮するＪ−Ｔ圧縮機（図示せず）と、その
圧縮されたヘリウムガスをジュールトムソン膨張させる
膨張機（１２）とを備えている。この膨張機（１２）は
クライオスタット（Ｃ）における輻射シールド（Ｓ）内
に位置する第１〜第３のＪ−Ｔ熱交換器（１３）〜（１
５）を備えている。この各Ｊ−Ｔ熱交換器（１３）〜
（１５）は１次側（後述の伝熱管（２４）内の高圧ガス
流路（２５））及び２次側（同様の低圧ガス流路（２
６））をそれぞれ通過するヘリウムガス間で互いに熱交
換させるもので、第１Ｊ−Ｔ熱交換器（１３）の１次側
はＪ−Ｔ圧縮機の吐出側に接続されている。また、第１
及び第２のＪ−Ｔ熱交換器（１３），（１４）の各１次
側同士はコンタミネーション除去用の吸着器（２０
ａ）、及び上記予冷冷凍機（１）における膨張機（２）
の第１ヒートステーション（７）外周に配置した第１予
冷器（１６）を介して接続されている。同様に、第２及
び第３Ｊ−Ｔ熱交換器（１４），（１５）の各１次側同
士は吸着器（２０ｂ）、及び膨張機（２）の第２ヒート
ステーション（８）外周に配置した第２予冷器（１７）
を介して接続されている。さらに、上記第３Ｊ−Ｔ熱交
換器（１５）の１次側は吸着器（２０ｃ）、及び高圧の
ヘリウムガスをジュールトムソン膨張させるＪ−Ｔ弁
（１８）を介して冷却器（１９）に接続され、例えばこ
の冷却器（１９）に冷却対象が銅製メッシュ線等の伝熱
部材（いずれも図示せず）を介して伝熱可能に接続され
ている。上記Ｊ−Ｔ弁（１８）はクライオスタット
（Ｃ）外から操作ロッド（１８ａ）によって開度が調整
される。上記冷却器（１９）は上記第３及び第２Ｊ−Ｔ
熱交換器（１５），（１４）の各２次側を経て第１Ｊ−
Ｔ熱交換器（１３）の２次側に接続され、該第１Ｊ−Ｔ
熱交換器（１３）の２次側は上記Ｊ−Ｔ圧縮機の吸込側
に接続されている。

【００２５】よって、Ｊ−Ｔ冷凍機（１１）では、Ｊ−
Ｔ圧縮機によりヘリウムガスを高圧に圧縮して膨張機
（１２）に供給し、それを、膨張機（１２）の第１〜第
３のＪ−Ｔ熱交換器（１３）〜（１５）において、圧縮
機側に戻る低温低圧のヘリウムガスと熱交換させるとと
もに、第１及び第２予冷器（１６），（１７）でそれぞ
れ膨張機（２）の第１及び第２ヒートステーション
（７），（８）で冷却した後、Ｊ−Ｔ弁（１８）でジュ
ールトムソン膨張させて冷却器（１９）で１気圧、約４
Ｋの気液混合状態のヘリウムとなし、このヘリウムの蒸
発潜熱により冷却器（１９）を極低温レベル（約４Ｋ）
に冷却する。しかる後、上記膨張によって低圧となった
ヘリウムガスを第１〜第３Ｊ−Ｔ熱交換器（１３）〜
（１５）の各２次側を通してＪ−Ｔ圧縮機に吸入させて
再圧縮するように構成されている。

【００２６】上記第１〜第３Ｊ−Ｔ熱交換器（１３）〜
（１５）はいずれも同様の構成であり、図２に示すよう
に、例えば同心状に接合した内外の円筒状シェル（２
１），（２２）間の空間に、フィン（２３）を外周に取
り付けた伝熱管（２４）（高圧管）が螺旋状に巻かれて
収容されてなる。この伝熱管（２４）は、例えば２ｍの
長さのキャピラリチューブを直列に接合して所定長さの
伝熱管（２４）とされる。そして、伝熱管（２４）の内
部空間は、圧縮機から膨張機（１３）のＪ−Ｔ弁（１
８）ないし冷却器（１９）に供給される高圧ヘリウムガ
スを流す高圧ガス流路（２５）（１次側）に形成され、
一方、伝熱管（２４）の周囲で内外シェル（２１），
（２２）間の空間は、Ｊ−Ｔ弁（１８）ないし冷却器
（１９）から圧縮機に戻る低圧ガスを流す低圧ガス流路
（２６）（２次側）に設けられており、圧縮機からＪ−
Ｔ弁（１８）ないし冷却器（１９）に向かって流れる高
圧ガス流路（２５）内のガスを、Ｊ−Ｔ弁（１８）ない
し冷却器（１９）から圧縮機に戻る低圧ガス流路（２
６）内の低温ガスとの間で熱交換させて冷却する。そし
て、第１Ｊ−Ｔ熱交換器（１３）では高圧ヘリウムガス
を例えば室温から５０Ｋまで、また第２Ｊ−Ｔ熱交換器
（１４）ではヘリウムガスを５０Ｋから１５Ｋまで、さ
らに第３Ｊ−Ｔ熱交換器（１５）ではヘリウムガスを１
５Ｋから約５Ｋまでそれぞれ冷却するようにしている。
図２中、（２７）は内側シェル（２１）内に収容された
グラスウールである。

【００２７】この発明の特徴として、上記第１〜第３の
３つのＪ−Ｔ熱交換器（１３）〜（１５）を１つの熱交
換器と考えたとき、その熱交換器全体の低温側部分、具
体的には例えば１００Ｋ以下となる部分で、第１Ｊ−Ｔ
熱交換器（１３）の１次側低温端部と、第２及び第３Ｊ
−Ｔ熱交換器（１４），（１５）の１次側全体とにおけ
る各伝熱管（２４）内部には、図１に示すように、高圧
ヘリウムガスの乱流を促進するための乱流促進体（３
１）が充填されている。この乱流促進体（３１）は、複
数のキャピラリチューブを接合して所定長さの伝熱管
（２４）とする場合において、その接合前に各キャピラ
リチューブ内にキャピラリチューブつまり伝熱管（２
４）の長さ方向に延びる少なくとも２対の断面円形状の
細管（３２），（３２），…をキャピラリチューブ両側
から圧入状態で嵌挿してなるものであり、各対の細管
（３２），（３２）同士が伝熱管（２４）の１つの直径
方向に略平行に並びかつ伝熱管（２４）の長さ方向に隣
り合う対の細管（３２），（３２）同士の並列方向が互
いに伝熱管（２４）の周方向に所定角度θ（図示例では
θ＝９０°）だけずれるように嵌挿されている。

【００２８】次に、上記実施例の作用について説明す
る。冷凍機（Ｒ）が定常運転状態になると、予冷冷凍機
（１）では、予冷用圧縮機から供給された高圧のヘリウ
ムガスが膨張機（２）で膨張し、このガスの膨張に伴う
温度降下によりシリンダ（４）の第１ヒートステーショ
ン（７）が５５〜６０Ｋの温度レベルに、また第２ヒー
トステーション（８）が１５〜２０Ｋの温度レベルにそ
れぞれ冷却される。上記第１ヒートステーション（７）
の冷却に伴い、該ヒートステーション（７）に伝熱可能
に接触している輻射シールド（Ｓ）の温度が第１ヒート
ステーション（７）と同じ温度レベルまで降下し、この
ことでクライオスタット（Ｃ）内の中心部が外部から輻
射シールドされる。

【００２９】一方、これと同時に、Ｊ−Ｔ冷凍機（１
１）では、圧縮機から吐出された高圧のヘリウムガスが
第１Ｊ−Ｔ熱交換器（１３）の１次側に入り、そこで圧
縮機側へ戻る２次側の低圧ヘリウムガスと熱交換されて
常温３００Ｋから約５０Ｋまで冷却され、その後、上記
膨張機（２）の第１ヒートステーション（７）外周の第
１予冷器（１６）に入ってさらに冷却される。この冷却
されたガスは第２Ｊ−Ｔ熱交換器（１４）の１次側に入
って、同様に２次側の低圧ヘリウムガスとの熱交換によ
り約１５Ｋまで冷却された後、膨張機（２）の第２ヒー
トステーション（８）外周の第２予冷器（１７）に入っ
てさらに冷却される。この後、ガスは第３Ｊ−Ｔ熱交換
器（１５）の１次側に入って２次側の低圧ヘリウムガス
との熱交換により約５Ｋまで冷却され、しかる後にＪ−
Ｔ弁（１８）に至る。このＪ−Ｔ弁（１８）では高圧ヘ
リウムガスは絞られてジュールトムソン膨張し、１気
圧、約４Ｋの気液混合状態のヘリウムとなって冷却器
（１９）へ供給される。そして、この冷却器（１９）に
おいて、上記気液混合状態のヘリウムにおける液部分の
蒸発潜熱により冷却対象が４Ｋレベルの極低温に冷却さ
れる。

【００３０】この実施例では、上記第１〜第３Ｊ−Ｔ熱
交換器（１３）〜（１５）における所定部分の伝熱管
（２４）内部にヘリウムガスの乱流促進体（３１）が充
填されているので、この乱流促進体（３１）により、上
記圧縮機からＪ−Ｔ弁（１８）ないし冷却器（１９）に
向かう高圧ガス流路（２５）内の高圧ヘリウムガスの流
れの乱れが促進される。そのとき、乱流促進体（３１）
は、伝熱管（２４）を構成する各キャピラリチューブ内
に２対の断面円形状の細管（３２），（３２），…をチ
ューブ両側から圧入状態で嵌挿してなるもので、各対の
細管（３２），（３２）同士が伝熱管（２４）の１つの
直径方向に略平行に並びかつ伝熱管（２４）の長さ方向
に隣り合う対の細管（３２），（３２）同士の並列方向
が互いに伝熱管周方向に所定角度だけずれるように嵌挿
されているので、各隣り合う対の細管（３２），（３
２）同士のずれ部分でガスの境界層が更新され、ガスの
乱れをさらに促進できる。また、伝熱管（２４）内の高
圧ガス流路（２５）においては、充填された乱流促進体
（３１）の断面積分だけ高圧ガス流路（２５）の断面積
が減少するので、高圧ガスの流速が上昇する。さらに、
乱流促進体（３１）の各細管（３２）が外周の一部にて
伝熱管（２４）内面へ密着しているので、その各細管
（３２）を経由して熱伝導が行え、伝熱面積を全体とし
て増大させることができる。これらの相乗的な作用によ
り、伝熱管（２４）が小径のキャピラリチューブで構成
されていても、その内部の高圧ヘリウムガスとの熱伝達
効率を上昇させることができ、熱交換器（１３）〜（１
５）の熱交換性能の向上を図ることができる。

【００３１】また、上記乱流促進体（３１）は、第１〜
第３の３つのＪ−Ｔ熱交換器（１３）〜（１５）からな
る熱交換器全体の低温側部分、つまり例えば１００Ｋ以
下となる部分であって、第１Ｊ−Ｔ熱交換器（１３）の
１次側低温端部と、第２及び第３Ｊ−Ｔ熱交換器（１
４），（１５）の１次側全体とに限定して配置され、そ
の配置部分での圧力損失はもともと小さいので、全体と
しての圧力損失の増大の影響は少なく、バランスのよい
熱交換器（１３）〜（１５）が得られる。

【００３２】（乱流促進体の変形例）尚、乱流促進体
（３１）の構成は上記実施例以外に種々のものが考えら
れるが、伝熱管（２４）が小径のキャピラリチューブで
構成されていることを考慮すると、その構造は限定され
る。この小径伝熱管（２４）に対する充填が容易な乱流
促進体（３１）としては図４又は図５に示すものが好ま
しい。

【００３３】すなわち、図４（ａ）に示す例では、乱流
促進体（３１）は上記実施例と同様の断面円形状の２対
の細管（３２），（３２），…が、隣り合う対の細管
（３２），（３２）同士の並列方向が同じとなるように
嵌挿されたものである。

【００３４】また、図４（ｂ）に示す例では、伝熱管
（２４）の長さ方向に延びる細管（３２）が断面半割円
形状とされ、この１対の断面半割円形状の細管（３
２），（３２）は伝熱管（２４）内に各対の細管（３
２），（３２）同士が半割面で接触して伝熱管（２４）
の１つの直径方向に略平行に並ぶように圧入状態で嵌挿
されている。

【００３５】図４（ｃ）に示す例では、伝熱管（２４）
の長さ方向に延びる少なくとも１つの細管（３２）が断
面３角形状とされ、この細管（３２）が伝熱管（２４）
内に、その３つの角部（３２ａ），（３２ａ），…が伝
熱管（２４）内面に接触するように圧入状態で嵌挿され
ている。このとき、図４（ｄ）に示す如く、上記断面３
角形状の細管（３２）を複数とし、上記実施例と同様
に、この複数の断面３角形状の細管（３２），（３
２），…を伝熱管（２４）内に、伝熱管（２４）の長さ
方向に隣り合う細管（３２），（３２）同士の各角部
（３２ａ），（３２ａ）の位置が互いに所定角度θ（図
示例ではθ＝６０°）だけずれるように嵌挿してもよ
い。

【００３６】図４（ｅ）に示す例では、細管（３２）が
断面長円形状とされ、この断面長円形状の細管（３２）
が伝熱管（２４）内に、細管（３２）の長軸方向両端部
（３２ｂ），（３２ｂ）が伝熱管（２４）内面に接触す
るように圧入状態で嵌挿されている。また、このとき、
図４（ｆ）に示すように、上記断面長円形状の細管（３
２）を複数とし、この複数の断面長円形状の細管（３
２），（３２），…を、伝熱管長さ方向に隣り合う細管
（３２），（３２）同士の長軸方向が互いに所定角度θ
（図示例ではθ＝９０°）だけずれるように配置したも
のである。

【００３７】図４（ｇ）〜（ｉ）に示す例の乱流促進体
（３１）では、上記細管（３２）に代え、伝熱管（２
４）の長さ方向に延びかつ断面形状が伝熱管（２４）の
中心位置から半径方向に放射状に延びる形状とされた少
なくとも１つの板材（３５）を用い、この板材（３５）
を伝熱管（２４）内に、板材（３５）の外端部が伝熱管
（２４）内面に接触するように圧入状態で嵌挿してなる
ものとする。具体的には、図４（ｇ）の乱流促進体（３
１）では断面十字状の板材（３５）を使用する。そのと
き、図４（ｈ）に示す如く、板材（３５）の外端に伝熱
管（２４）の内面との接触面積が増えるように折曲げ部
（３５ａ）を形成してもよい。また、図４（ｉ）の乱流
促進体（３１）では断面略Ｙ字状の板材（３５）を使用
している。

【００３８】さらに、図５（ａ）に示す乱流促進体（３
１）は、伝熱管（２４）の内面に螺旋状に突設されたフ
ィン（３３）で構成される。また、図５（ｂ）に示す乱
流促進体（３１）は、伝熱管（２４）に該伝熱管（２
４）内面に密着するように充填された螺旋状ワイヤ（３
４）で構成されている。

【００３９】したがって、これらの乱流促進体（３１）
でも、上記実施例と同様の作用効果が得られる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よると、極低温冷凍機における熱交換器の伝熱管内部
に、熱交換器全体からみて圧力損失の少ない低温側部分
に限定して冷媒ガスの乱流促進体を設けたことにより、
その乱流促進体により高圧ガス流路内の高圧ガスの流れ
の乱れを促進し、かつ乱流促進体の断面積分だけ高圧ガ
ス流路の断面積が減少して高圧ガスの流速を上昇し、さ
らには乱流促進体の伝熱管内面への密着により全体の伝
熱面積を増大させることができ、伝熱管が小径のキャピ
ラリチューブであっても、その内部の高圧冷媒ガスとの
熱伝達効率を上昇させることができ、全体としての圧力
損失の増大を抑制してバランスのよい熱交換器としなが
ら、その熱交換器の熱交換性能の向上を図ることができ
る。

【００４１】請求項２〜１１の発明によると、伝熱管が
小径のキャピラリチューブである場合に好適な乱流促進
体が容易に得られる。特に、請求項３、６又は８の発明
によれば、各隣り合う対の細管同士の並列方向、隣り合
う細管同士の各角部位置、又は隣り合う細管同士の長軸
方向を互いにずれるように配置したので、このずれ部分
でガスの境界層を更新して、熱伝達の促進のより一層の
向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における伝熱管の拡大断面図で
ある。

【図２】Ｊ−Ｔ熱交換器の一部を示す断面図である。

【図３】極低温冷凍機の全体構成を示す冷媒回路図であ
る。

【図４】乱流促進体の変形例を示す図１相当図である。

【図５】乱流促進体の他の変形例を概略的に示す断面図
である。

【符号の説明】

（Ｒ） 極低温冷凍機 （１） 予冷冷凍機 （１１） Ｊ−Ｔ冷凍機 （１２） 膨張機 （１３）〜（１５） Ｊ−Ｔ熱交換器 （１８） Ｊ−Ｔ弁（膨張手段） （２４） 伝熱管 （２５） 高圧ガス流路 （２６） 低圧ガス流路 （３１） 乱流促進体 （３２） 細管 （３２ａ） 角部 （３２ｂ） 長軸方向端部 （３３） フィン （３４） ワイヤ （３５） 板材

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭49−16035（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−57855（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−56591（ＪＰ，Ａ) 実開 昭51−146507（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭56−157574（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭48−69457（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭52−76847（ＪＰ，Ｕ) 実公 昭40−11664（ＪＰ，Ｙ１)

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、 上記圧縮機から吐出された高圧冷媒ガスを膨張させて極
   低温レベルの寒冷を発生させる膨張手段（１８）と、 伝熱管（２４）内部に、上記圧縮機から膨張手段（１
   ８）に供給される高圧冷媒ガスを流す高圧ガス流路（２
   ５）が形成される一方、伝熱管（２４）の周囲に、膨張
   手段（１８）から圧縮機に戻る低圧ガスを流す低圧ガス
   流路（２６）が形成されてなり、高圧ガス流路（２５）
   内のガスを低圧ガス流路（２６）内の低温ガスとの間で
   熱交換させて冷却する熱交換器（１３）〜（１５）とを
   備えた極低温冷凍機において、 上記熱交換器（１３）〜（１５）全体における伝熱管
   （２４）の低温側部分の内部に、伝熱管（２４）内面に
   密着しかつ高圧ガス流路（２５）の冷媒ガスの乱流を促
   進する乱流促進体（３１）を設けたことを特徴とする極
   低温冷凍機。
2. 【請求項２】 請求項１の極低温冷凍機において、 熱交換器（１３）〜（１５）の乱流促進体（３１）は、
   伝熱管（２４）内に伝熱管長さ方向に延びる少なくとも
   １対の断面円形状の細管（３２），（３２），…を各対
   の細管（３２），（３２）同士が伝熱管（２４）の１つ
   の直径方向に略平行に並ぶように圧入状態で嵌挿してな
   るものであることを特徴とする極低温冷凍機。
3. 【請求項３】 請求項２の極低温冷凍機において、 熱交換器（１３）〜（１５）の乱流促進体（３１）は、
   伝熱管（２４）内に嵌挿された少なくとも２対の断面円
   形状の細管（３２），（３２），…からなり、 伝熱管長さ方向に隣り合う対の細管（３２），（３２）
   同士の並列方向が互いに伝熱管周方向にずれるように配
   置されていることを特徴とする極低温冷凍機。
4. 【請求項４】 請求項１の極低温冷凍機において、 熱交換器（１３）〜（１５）の乱流促進体（３１）は、
   伝熱管（２４）内に伝熱管長さ方向に延びる少なくとも
   １対の断面半割円形状の細管（３２），（３２），…を
   各対の細管（３２），（３２）同士が半割面で接触して
   伝熱管（２４）の１つの直径方向に略平行に並ぶように
   圧入状態で嵌挿してなるものであることを特徴とする極
   低温冷凍機。
5. 【請求項５】 請求項１の極低温冷凍機において、 熱交換器（１３）〜（１５）の乱流促進体（３１）は、
   伝熱管（２４）内に伝熱管長さ方向に延びる少なくとも
   １つの断面３角形状の細管（３２）を該細管（３２）の
   ３つの角部（３２ａ），（３２ａ），…が伝熱管（２
   ４）内面に接触するように圧入状態で嵌挿してなるもの
   であることを特徴とする極低温冷凍機。
6. 【請求項６】 請求項５の極低温冷凍機において、 熱交換器（１３）〜（１５）の乱流促進体（３１）は、
   伝熱管（２４）内に嵌挿された複数の断面３角形状の細
   管（３２），（３２），…からなり、 伝熱管長さ方向に隣り合う細管（３２），（３２）同士
   の各角部（３２ａ），（３２ａ）の位置が互いに伝熱管
   周方向にずれるように配置されていることを特徴とする
   極低温冷凍機。
7. 【請求項７】 請求項１の極低温冷凍機において、 熱交換器（１３）〜（１５）の乱流促進体（３１）は、
   伝熱管（２４）内に伝熱管長さ方向に延びる少なくとも
   １つの断面長円形状の細管（３２）を該細管（３２）の
   長軸方向両端部（３２ｂ），（３２ｂ）が伝熱管（２
   ４）内面に接触するように圧入状態で嵌挿してなるもの
   であることを特徴とする極低温冷凍機。
8. 【請求項８】 請求項７の極低温冷凍機において、 熱交換器（１３）〜（１５）の乱流促進体（３１）は、
   伝熱管（２４）内に嵌挿された複数の断面長円形状の細
   管（３２），（３２），…からなり、 伝熱管長さ方向に隣り合う細管（３２），（３２）同士
   の長軸方向が互いに伝熱管周方向にずれるように配置さ
   れていることを特徴とする極低温冷凍機。
9. 【請求項９】 請求項１の極低温冷凍機において、 熱交換器（１３）〜（１５）の乱流促進体（３１）は、
   伝熱管（２４）内に、伝熱管長さ方向に延びかつ断面形
   状が伝熱管（２４）の中心位置から半径方向に放射状に
   延びる形状である少なくとも１つの板材（３５）を、該
   板材（３５）の外端部が伝熱管（２４）内面に接触する
   ように圧入状態で嵌挿してなるものであることを特徴と
   する極低温冷凍機。
10. 【請求項１０】 請求項１の極低温冷凍機において、 乱流促進体（３１）は、伝熱管（２４）の内面に突設さ
    れたフィン（３３）であることを特徴とする極低温冷凍
    機。
11. 【請求項１１】 請求項１の極低温冷凍機において、 乱流促進体（３１）は、伝熱管（２４）に該伝熱管（２
    ４）内面に密着するように充填された螺旋状ワイヤ（３
    ４）であることを特徴とする極低温冷凍機。