JPH04278195A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ヘリウム液化冷凍機に
使用するのに好適なガス−ガス熱交換器に係り、特に伝
熱板のフィン効率の低下を抑制して伝熱面積を増加させ
、伝熱性能を向上させた熱交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】核磁気共鳴イメージング装置等に使用す
る超電導マグネットは、高価な液体ヘリウム等の極低温
冷媒で冷却されるが、液体ヘリウムはわずかな熱で蒸発
するため、蒸発したヘリウムガスを再液化又は再凝縮す
る小形ヘリウム液化冷凍機が必要である。この小形ヘリ
ウム液化冷凍機は、図１に示す様に予冷用の寒冷発生器
、通常はヘリウム膨張機１′と、液化温度を発生するジ
ュール・トムソン（Ｊ・Ｔ）弁２′を極低温部に有する
ＪＴラインとから構成される。ＪＴラインには、高圧ヘ
リウムガスと、ＪＴ弁で膨張した低圧ヘリウムガスとを
熱交換する熱交換器３′が複数個備えられている。これ
らの極低温で用いられる熱交換器には、液化冷凍機の液
化冷凍効率を高めるために、非常に高い伝熱性能が要求
される。このため、従来の熱交換器は、実開昭６２−６
３５９０　号に記載されたような積層熱交換器が使用さ
れている。この積層熱交換器は、熱伝導率の良好な例え
ば、銅やアルミニウムの薄い平板に、貫通する小径の孔
を多数パンチングやエッチングで加工した多孔伝熱板と
、熱伝導率が前記多孔伝熱板より小さい材質例えばステ
ンレスのスペーサを積層し、これらを接合したものであ
る。積層熱交換器の伝熱性能は、多孔伝熱板の伝熱面積
、内部を流動するヘリウムガスと多孔伝熱板面間の熱伝
達率や多孔伝熱板の伝熱部分のフィン効率等で決定され
る。この積層熱交換器の伝熱性能が向上すれば、冷却用
の小形ヘリウム液化冷凍機の液化冷凍効率が増加し、液
化冷凍機の運転消費電力を低減させることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来技術では
、伝熱性能を向上するために積層熱交換器単位体積当り
の伝熱面積を増加させる場合、多孔伝熱板の板厚を薄く
して積層枚数を増すか、または、貫通孔の数を増して孔
内面積の増加を図る手段を用いていた。これらの手段で
は、多孔伝熱板の伝熱部分の熱移動方向の板厚断面積が
伝熱部分全面に渡って均一に減少するため、フィン効率
が大幅に低下し、伝熱性能が増加しないという問題があ
った。

【０００４】本発明の目的は、積層熱交換器に使用する
多孔伝熱板のフィン効率の低下を防止しながら伝熱面積
を増加させることにより積層熱交換器の伝熱性能を向上
させることを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、伝熱板の表裏面に複数条の任意のピッチの溝を設け
、かつ、表面及び裏面に加工する溝の長手方向が互いに
交差するようにして、溝の交差部に伝熱板板厚方向に貫
通する孔を形成する。これを多孔伝熱板として使用し、
スペーサと交互に積層して積層熱交換器を構成する。

【０００６】

【作用】前記溝付きの多孔伝熱板では、表裏面に加工し
た溝の側面部が伝熱面として寄与するので、多孔伝熱板
１枚当りの伝熱面積を、同一板厚の従来の溝無し多孔伝
熱板に比べ大幅に増加できる。また、伝熱板間の主熱移
動方向を考慮し、熱移動方向の板厚断面積が減少しない
ように表裏面の溝ピッチや溝幅を変えれば、フィン効率
が低下しない多孔伝熱板を提供できる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に従って説明す
る。第１の実施例を図２〜図４にて説明する。

【０００８】図２は本発明になる熱交換器の縦断面図で
あり、図３は図１のＸ−Ｘ断面図、図４は、スペーサと
多孔伝熱板１組の鳥観図である。

【０００９】熱交換器１は、伝熱隔壁２の左右に低圧低
温の流体流路３と高圧高温の流体流路４を形成する。流
路内に積層するスペーサ５は熱伝導率の小さな例えばス
テンレス鋼をパンチング加工等で枠状に形成する。熱伝
導率の大きな例えば銅板の裏面に、伝熱隔壁２に平行な
溝６を加工し、その左右に、フィン７を形成する。

【００１０】表面には伝熱隔壁２と直角な溝８を加工し
、その左右にフィン９を形成して、溝６と溝８との交差
部に表裏に貫通する流体の導通孔１０を有する多孔伝熱
板１１を構成する。多孔伝熱板を流体流路３，４内にス
ペーサ５と交互に、又は、数多孔伝熱板ごとにスペーサ
５を挿入して積層する。

【００１１】これらは、ガスヘリウム流動方向に対して
水平に積層される。ガスヘリウム流動方向はガスヘリウ
ムの温度差方向と同一である。流体流路３の上下端には
熱伝導率の小さな例えばステンレス製の端板１２，端板
１３を設け、側面はステンレス製の側板１４，側板１５
，側板１６及び熱伝導率の大きな例えば銅製の伝熱隔壁
２で囲まれており、それぞれの接触面は拡散接合等で冶
金的に一体化されており、熱交換器外と気密に隔壁され
ている。

【００１２】流体流路３内には、スペーサ５と多孔伝熱
板１１を１枚ずつ交互に積層し、多孔伝熱板１１の端面
と伝熱隔壁２の接触面と、多孔伝熱板１１の端面と側板
１４，側板１５，側板１６の接触面及び多孔伝熱板とス
ペーサ５の接触面は拡散接合されている。端板１２には
低圧ガスヘリウム出口１７，端板１３には低圧ガスヘリ
ウム入口１８を設けている。

【００１３】一方、流体流路４の上下端には、ステンレ
ス製の端板１９，端板２０を設け、側面はステンレス製
の側板２１，側板２２、及び伝熱隔壁２で囲まれており
、それぞれの接触面は拡散接合され、熱交換器外と気密
に隔離されている。

【００１４】流体流路４内には、スペーサ２４と多孔伝
熱面２５を１枚ずつ交互に積層し、多孔伝熱板２５の端
面と伝熱隔壁２の接触面と、多孔伝熱板２５の端面と側
板２１，側板２２，側板２３の接触面及び多孔伝熱板２
５とスペーサ２４の接触面は拡散接合されている。端板
２１には、高圧ガスヘリウム入口２６，端板２０には高
圧ガスヘリウム出口２７を設けている。

【００１５】高圧ガスヘリウムは、入口２６から流体流
路４内に流入し、多孔伝熱板２５群の孔１０を通り出口
２７から流出する。低圧ガスヘリウムは入口１８から流
体流路３内に流入し、多孔伝熱板１１群の孔１０を通り
、出口１７から流出する。

【００１６】両流体間で熱はまず、流体流路４内を流動
する高圧ガスヘリウムから多孔伝熱板２５に伝わり、主
に同一多孔伝熱板のフィン９内を伝導により接合面を介
して伝熱隔壁２方向に移動する。伝熱隔壁２内では、流
体流路３の多孔伝熱板１１に接合面を通って熱は移動し
、主にフィン９を伝熱で伝わって、フィン９囲りに流動
する低圧ガスヘリウムは加温され、高圧ガスヘリウムは
冷却される。

【００１７】本実施例によれば、多孔伝熱板の表裏にフ
ィン７，９を加工することで、伝熱面積は平滑多孔面に
比べて大幅に増加している。

【００１８】また、流路３，４間で熱交換する熱の移動
は、フィン９が主な熱伝導路となるため、フィン９の幅
を大きくして熱移動断面積を大きく取ることにより、伝
熱部分のフィン効率の低下を防止できる。この場合、フ
ィン７のピッチを小さくして、フィン７加工面の伝熱面
積を増加する。

【００１９】フィン７の熱移動方向断面は、小さくなる
が、熱移動距離は溝８の半ピッチ分で短かく、フィン７
のフィン効率の低下はほとんど無い。よって、本多孔伝
熱板１枚当りの交換熱量は、溝なしの多孔伝熱板に比べ
て大幅に増加し、積層熱交換器の伝熱性能は大幅に向上
する。

【００２０】また、フィン７，９の表面にさらに小さな
凹凸面を加工して、伝熱面積を増加させることもできる
。

【００２１】本発明になる他の実施例になる多孔伝熱板
１１を図５に示す。本伝熱板が図４と異なる点は、多孔
伝熱板の表裏に加工するフィンの幅に変化を持たせたと
ころにある。図５において、多孔伝熱板の表の面のフィ
ン２６の幅は、他のフィン９の幅より広く加工されてい
る。

【００２２】また、裏の面のフィン２７の幅は、他のフ
ィン７の幅よりも広く加工されている。これで、フィン
２６，２７の断面積が他のフィン７，９の断面積より大
きくなり、フィン内を伝導で移動する熱に対してフィン
２６，２７の熱抵抗が、他のフィン７，９より小さくな
る。

【００２３】このため、伝熱隔壁２に接合する多孔伝熱
板側壁２８からの図中多孔伝熱板のｘ，ｙ方向の温度分
布を考えると、フィン２６，２７がｘ，ｙ方向の温度均
一板となり、他のフィン７，９の温度を均一にする。し
たがって、この多孔伝熱板全体のフィン効率の低下を防
止し、熱交換器の熱交換効率を向上できる効果がある。

【００２４】本発明になる他の実施例になる多孔伝熱板
２９を図６に示す。本伝熱板が図４と異なる点は、多孔
伝熱板の銅の素材に例えばステンレス鋼板を一体した合
板を使用し、表の面上にフィン９を加工する際、フィン
９群の１部のフィン上に、ステンレス製のスペーサ板３
０を残すようにしたところである。

【００２５】本多孔伝熱板を積層して熱交換器を構成す
る際は、図３に示すスペーサ５を使用せず、多孔伝熱板
２９の表と裏の面が接するよう配置する。

【００２６】本実施例によれば、熱交換器の組立て時に
部品点数がスペーサの分少なくて済むので、組立て作業
を簡略化でき製作コストを低減できる。

【００２７】また、銅よりも強度が大きいステレンス板
３０と側板の接触部も強度的に一体化できるので、接合
時のスペーサのズレが無く、接合作業性が良好となる。 本ステンレス製のスペーサ板３０は、フィン長手方向に
断続的に加工しても同様な効果を生じる。

【００２８】フィン，穴加工には、機械加工，ホトエッ
チングによる加工，圧延塑性加工等の単独又は組合せ加
工が適用できる。

【００２９】本発明になる他の実施例を図７に示す。本
図が図５と異なる点は、多孔伝熱板１１の素材を図６の
場合と同じ、ステンレス鋼板との一体合板を使用し、表
のフィン９，２６を低熱伝導体ではあるが高強度のステ
ンレス鋼で形成し、裏面のフィン７，２７を一体合板の
高熱伝導体ではあるが低強度の銅で形成した点にある。 本構成では、ｘ方向の熱移動量は少なく、ｙ方向の熱移
動量が大きく、熱伝導に異方性を有する。しかし、ｘ方
向の引張，圧縮強度及び曲げ強度が大きく、本多孔伝熱
板を積層して構成する熱交換器の耐圧性がさらに増す効
果がある。

【００３０】図８に本発明になる他の実施例の多孔伝熱
板を示す。本実施例が図４と異なる点は、前もって穴明
け加工をした伝熱板にフィン加工を設けた点にあり、孔
３１と、フィン３２は、別加工によるものである。本実
施例によれば、フィンを表面のみに加工する場合でも、
孔単独で通気性を有し、多孔伝熱板として使用できる。 孔内壁面積が図４の場合より広く加工できる。通常孔通
過時の作動流体の流速は高速であるため、孔内壁の熱伝
導率が大きく、表面に加工したフィンの表面積の増加の
効果も加わり、熱交換効率がさらに向上する効果がある
。また、伝熱板裏面にも、フィンを加工すれば、さらに
効果が増大する。

【００３１】なお、以上述べたフィン付多孔伝熱板は、
従来の積層方式で構成する熱交換器の、流体流路内に露
出した伝熱板部に適用し、熱交換効率を増加させること
も出来る。

【００３２】図９，図１０，図１１に本発明になる他の
実施例の多孔伝熱板，スペーサ、及び両者を積層して構
成する積層熱交換器を示す。図９の円形多孔伝熱板は、
リング状の平坦部３３ａ，３３ｂを設け、その他の部分
には、例えば図２に示した多孔伝熱板と同じ多孔面を加
工する。３４ａは低圧流体流路用多孔伝熱面形状、３４
ｂは高圧流体流路用多孔伝熱面形状を加工した面である
。低圧及び高圧流体流路用伝熱面の流体の導通孔３５の
加工ピッチは、両者又は、積層方向で異なる。これは、
導通孔内を流動する流体の速度を最適化し、熱伝達率の
向上を図るためである。

【００３３】図１０はスペーサの形状を示すもので、図
９の平坦部３３ａ，３３ｂと同寸法のリング状の平坦部
３６ａ，３６ｂをサポート３７で一体化している。その
他の部分は空洞である。

【００３４】図１１は、これらの多孔伝熱板とスペーサ
を１枚ずつ交互に積層して構成した熱交換器であり、上
下部にヘッダー３８，３９を組み合わせている。ヘッダ
ー３８には、高圧流体入口孔４０，高圧流体空間４１，
低圧流体出口孔４３，低圧流体空間４４を設け、ヘッダ
ー３９には、高圧流体出口孔４５，高圧流体空間（図示
せず）、低圧流体入口孔４６，低圧流体区間（図示せず
）を設けている。

【００３５】各ヘッダーと多孔伝熱板及び多孔伝熱板と
スペーサは、冶金的結合または接着結合で気密一体化さ
れている。また、低圧流体入口孔側の流体温度の低い方
には、板厚の薄いスペーサ３６ａを配置している。

【００３６】本実施例によれば、流体流路形状を円，リ
ング状に形成し、かつ、スペーサの熱伝導率が小さくな
る低温域でスペーサの板厚を薄くしているので、熱交換
器の容積を小さくして小型化を図ることができる。また
、多孔伝熱面の導通孔の加工ピッチを最適化することに
より、熱伝達率が向上し熱交換効率が増加する効果があ
る。また、同様な効果は、溝幅の寸法を両者，積層方向
で変えて導通孔単体のサイズを最適化することによって
も生じる。

【００３７】また、図１１に示す本実施例では、積層方
向に隣接する多孔伝熱板の孔３５の積層方向での中心軸
を故意にずらしている。これは、孔３５を通過した流体
が下流側の多孔伝熱板の孔以外の部分に衝突するように
して、流体と伝熱板壁の熱伝達率を衝突噴流の作用によ
って向上させるためである。本構成により熱交換効率が
大幅に増加する効果がある。本構成は、隣接する多孔伝
熱板のフィン加工ピッチや位置を変えたり、積層時の伝
熱板の配置角度や位置を変えることによって実施される
。

【００３８】また、本実施例では、高圧流体流路を熱交
換器中央部に、低圧流体流路を外周部に配置した場合に
ついて説明したが、低圧流体流路を中央部に、高圧流体
流路を外周部に配置しても同様な効果を生じる。

【００３９】また、本実施例では、多孔伝熱板とスペー
サを各１枚ずつ交互に積層した場合について説明したが
、数枚のまたは数十枚の多孔伝熱板組と１枚のスペーサ
を交互に積層して積層熱交換器を構成すれば、スペーサ
全体の枚数が少なくて済み、さらに熱交換器を小型化で
きる効果が生まれる。

【００４０】図１２に本発明になる他の実施例の多孔伝
熱板を示す。本実施例が図４の多孔伝熱板と異なる点は
、フィン７およびフィン９に溝４７を加工して伝熱面積
をさらに増加させたところにある。本多孔伝熱面を有し
た多孔伝熱板を積層した熱交換器は、伝熱面積が増加し
熱交換効率がさらに増加する効果がある。また、本実施
例では、溝４７で挟まれたフィン７，９の形状が立方体
となる場合について説明したがフィン７，９の形状が球
形または半球形，円筒けいの数珠状になるように溝４７
を加工することにより溝４７内を流動する流体の流動抵
抗を低減できる効果が生じる。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、伝熱板の表裏面に、溝
とフィンを一体で連続に加工して伝熱面積を増加させる
とともに表裏面の溝交差部に伝熱板を貫通する流体流路
孔を設け、かつ、主熱移動方向のフィン断面積を大きく
とって熱移動抵抗を小さくしてフィン効率の低下を防止
できるので、本伝熱板とスペーサとを積層して構成する
積層熱交換器の伝熱性能が向上する効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】小形ヘリウム液化冷凍機の断面図である。

【図２】本発明の一実施例に係る熱交換器の断面図であ
る。

【図３】本発明の一実施例に係る熱交換器の断面図であ
る。

【図４】本発明の一実施例に係る熱交換器に係る熱交換
器における多孔伝熱板とスペーサ一組の鳥観図である。

【図５】本発明の他の実施例に係る熱交換器の多孔伝熱
板の鳥観図である。

【図６】本発明の他の実施例に係る熱交換器の断面図で
ある。

【図７】本発明の更に他の実施例に係る熱交換器の多孔
伝熱板の鳥観図である。

【図８】本発明の更に他の実施例に係る熱交換器の多孔
伝熱板の鳥観図である。

【図９】本発明の更に他の実施例に係る熱交換器の多孔
伝熱板の平面図である。

【図１０】本発明の更に他の実施例に係る熱交換器のス
ペーサの平面図である。

【図１１】本発明の更に他の実施例に係る熱交換器の部
分断面側面図である。

【図１２】本発明の更に他の実施例に係る熱交換器の多
孔伝熱板の部分鳥観図である。

【符号の説明】

２…伝熱隔壁、５…スペーサ、７，９…フィン、１１…
多孔伝熱板、１４，１５，１６，２１，２２，２３…側
壁。

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】通気性を有する伝熱板とスペーサの積層群
   を熱交換する流体の流路に配置したガス−ガスの熱交換
   器において、伝熱板の表裏面に複数条の溝とフィンを設
   け、表裏面の溝交差部に伝熱板を貫通する通気孔を多数
   形成したことを特徴とする熱交換器。
2. 【請求項２】伝熱板の主熱移動方向と表裏面に設けたい
   ずれかの第１のフィンの長手方向を一致させ、このフィ
   ンの熱移動方向断面積を第２のフィンの熱移動方向断面
   積と同等以上にしたことを特徴とする請求項１の熱交換
   器。
3. 【請求項３】前記第１のフィンのフィン列方向で、一列
   以上の第１フィンの熱移動方向断面積を他の第１フィン
   の熱移動方向断面積より大きくしたことを特徴とする請
   求項１の熱交換器。
4. 【請求項４】第１フィンと第２フィンのフィン列方向で
   １列以上の第１フィンと第２フィンの熱移動方向断面積
   を他の第１フィン，第２フィンの積移動方向断面積より
   大きくしたことを特徴とする請求項１の熱交換器。
5. 【請求項５】通気性を有する伝熱板とスペーサを１対ご
   とに一体化して伝熱板対を構成し、これを多数枚積層し
   て一体化した積層群が、熱交換する流体の流路に配置さ
   れたことを特徴とする請求項１の熱交換器。
6. 【請求項６】異種金属合板の表裏に溝とフィンを複数条
   設け、表裏面の溝交差部に伝熱板を貫通する通気孔を多
   数形成し、該伝熱板の積層群を、熱交換する流体流路内
   に配置したことを特徴とするガス−ガスの熱交換器。
7. 【請求項７】平滑平板に多数の通気孔を有する伝熱板の
   表裏面の少なくとも一面に複数条の溝とフィンを設けた
   伝熱板とスペーサを交互に積層した積層群を熱交換する
   流体流路内に配置したことを特徴とする熱交換器。
8. 【請求項８】２流体流路内に配置した伝熱板の通気孔の
   加工ピッチをそれぞれ異なるようにした請求項１の熱交
   換器。
9. 【請求項９】２流体流路内に配置した伝熱板の通気孔の
   加工サイズをそれぞれ異なるようにした請求項１の熱交
   換器。
10. 【請求項１０】同一流体流路内に配置した伝熱板の通気
    孔の加工ピッチを積層方向で異なるようにした請求項１
    の熱交換器。
11. 【請求項１１】同一流体流路内に配置した伝熱板の通気
    孔のサイズを積層方向で異なるようにした請求項１の熱
    交換器。
12. 【請求項１２】スペーサの板厚を積層方向に異なるよう
    にした請求項１の熱交換器。
13. 【請求項１３】交互に積層する伝熱板とスペーサの枚数
    を異なるようにした請求項１の熱交換器。