JPH04369395A - 積層熱交換器 - 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】本発明は積層熱交換器に係り、特
にヘリウム液化冷凍機などの極低温発生装置に好敵な積
層熱交換器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来は、例えば、特開昭５８−１２９１
９６号公報に記載のように、流体を通すための流路を有
する伝熱板と流体流路を形成するためのスペーサとを交
互に積層し、接着若しくは溶着された積層体と、前記積
層体の両端にもうけられ、かつ、側面にシールリング溝
が設けられたヘッダーと、前記積層体にヘッダーを介し
てガスを給排する配管及び、熱応力緩和用ベローよりな
る熱交換器の周囲に、前記シールリング溝に環装された
シールリングでガスのショートパスを防止するよう収納
でき、かつ、前記積層体接着部から真空保冷槽内へのガ
ス漏洩を防止する容器を設けた例が示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は伝熱板
とスペーサより成る積層体とその両端に位置するヘッダ
ーと、そのヘッダーに少なくとも１本の配管と片側ヘッ
ダー方向に熱応力緩和用ベローを連結した熱交換器周囲
を耐圧容器にて覆う構造と成るため、実質の熱交換部（
積層体＋ヘッダー部）と比べ、外容積が増加する。また
、製作手順としては一般に、積層体とその両端に位置す
るヘッダーのそれぞれの部材間に熱硬化性接着剤等の粘
着物を介在させ、それら積層物のずれを防止する支持部
を有する拘束治具にセッティングした後、所定の温度に
て加圧して接着する。その後、配管類を取り付け、周囲
を容器筒部にて囲い、配管と容器筒部などの不連続部を
溶接する。従って、溶接部と同時に積層体接着部に熱負
荷がかかり、接着部に熱劣化が生じる。一方、接着部の
熱劣化を緩和するためには、溶接部を除いた他の部分を
冷却しながら溶接する等、溶接とは相反する作業を必要
とし、作業性の低下を招く。更に、シール機構などによ
りガスのショートパスを防止する構造となっているが、
完全に防止することは困難であり、微量の高温ガスが低
温ガスに混流し、熱交換性能を低下させる。また、容器
筒部内の積層体の支持は上下端の配管溶接部とシール部
のみであり、積層体のほとんどは容器筒部内にて浮遊す
る状態となる。このため、例えば、熱交換器に振動など
が付与されると、積層体に振動が伝わり、前記溶接部及
び積層体などに亀裂が生じるなどの問題点があった。

【０００４】本発明の目的は、積層熱交換器の本来の利
点であるコンパクト性の維持、積層体接着強度の低下防
止、作業効率の向上及び熱交換性能の低下を防止するこ
とにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、内側に伝熱
板とスペーサを交互に積層して成る積層体の支持部を複
数個設け、かつ、気密保持できる容器筒部と熱応力緩和
用ベローをヘッダーに溶接した積層体収納容器を下端と
して、前記積層体を容器筒部内の支持部と連接するよう
に積層し、その上端部にヘッダーを載せ接着した後、そ
の両端部が相接する部位に連接が可能でかつ、気密保持
（例えば、金属パッキンなどでシールする）のできる構
造にしたフランジなどを設け、それらを連結することに
より達成される。

【０００６】

【作用】例えば、高・低温ガス流路を具備した積層体と
、高・低温ガス給排口を備えたヘッダーにおいて、高温
ガスは、高温ガス供給口から高温ガス流路を通り、片側
の高温ガス排気口から次の機器に移送される。また、低
温ガスは、高温ガスと対向し、低温ガス供給口から低温
ガス流路を通り、片側の低温ガス排気口から次の機器に
移送され積層体の伝熱板を介して熱交換される。また、
気密保持可能でその内側に複数個の積層体支持部を有す
る容器筒部と、極低温時に積層体の熱収縮を緩和するベ
ロー及び連結フランジ部を有する一つのヘッダーが一体
化された積層体収納容器の内側に、伝熱板とスペーサを
交互に積層して成る積層体を収納し、前記連結フランジ
部に相接するようもう一つの連結部を有するヘッダーを
を金属パッキンなどを介して連結することで、積層体接
着部から真空保冷槽へのガス漏洩を防止するよう作用す
る。このことより、積層体両端のヘッダーが積層熱交換
器としての最端部と成るため、熱交換器がコンパクトに
なる。また、積層体接着後の溶接作業を不要としたため
、溶接による積層体接着部の熱劣化の心配はなく、その
対策も不用となり、作業性も向上する。更に、高・低温
ガスはそれぞれの流路を流通するだけなので、ガスのシ
ョートパスに対するシール機構は不要であり、熱交換性
能も低下することはない。この他、容器筒部、ヘッダー
、ベロー及び連結フランジ等にから構成される積層体収
納容器にの内部に設けた複数個の積層体支持部に伝熱板
とスペーサを相接するよう積層するため、積層体の組立
時のずれを小さくでき、接着時に付与する加圧力の分力
により生じる積層体のずれも緩和することができる。従
って、接着時の信頼性が向上する。さらに、積層体は積
層体収納容器と一体化したヘッダー及び、積層体支持部
にて固定または支持されているので、例えば熱交換器に
振動等の外乱が生じても積層体へ加振力が生ずることが
ないので、接着部の信頼性が向上する。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の第１の実施例を図１、２に示
す。１は金属製の伝熱板（多孔板またはスクリーン）、
２はプラスチック製のスペーサ、３は伝熱板１とスペー
サ２を交互に積層することにより形成される高温ガス流
路、４は同じく低温ガス流路、５は高・低温ガスの流通
口を具備したヘッダー５ａと気密保持され、内周に積層
体支持棒５ｂ’を備えた容器筒部５ｂと極低温時の積層
体収縮に対する熱応力を緩和しかつ、連結時に圧縮した
形で設置する圧縮ベロー５ｃと、端部に金属パッキン支
持部と連結部を有する連結用フランジ５ｄよりなる積層
体収納容器、６は高・低温ガスの流通口を具備し、積層
体収納容器５と連結する部位を有するフランジ部を持つ
ヘッダー、７は金属パッキン、８は連結用ボルト、９、
１０は高温ガス給排気配管、１１、１２は低温ガス給排
気配管である。

【０００８】次にこの積層熱交換器の作用について説明
すると、高温ガスは高温ガス供給配管９へ供給され、ヘ
ッダー６、高温ガス流路３、積層体収納容器５のヘッダ
ー部流通口及び、高温ガス排気配管１０を通って次の機
器に移送される。また、低温ガスは高温ガスと対向して
配設した低温ガス供給配管１１へ供給され、積層体収納
容器５のヘッダー部流通口、低温ガス流路４及び、低温
ガス排気配管１２を通って次の機器に移送される。この
ような積層熱交換器において、熱は高温ガス流路３を流
れる高温ガスから伝熱板１に伝えられ、伝熱板１を通っ
て低温ガス流路４に高温ガスと対向して流れている低温
ガスへと伝達される。そしてこの例で示した積層熱交換
器においては、該積層体が積層体収納容器５、ヘッダー
６及びそれぞれを接続する連結部からなる容器の中に収
納されているので、仮に積層体７からガスの漏洩があっ
ても積層熱交換器類を真空断熱して収納するコールドボ
ックス内（図示せず）の真空度を下げる心配はない。ま
た、製作法として、積層体収納容器５を下端側に設置し
、その内部に伝熱板１及びスペーサ２を積層体支持棒に
連接するよう交互に積層した後、積層体収納容器５上端
部の金属パッキン支持部に金属パッキン７を挿入し、ヘ
ッダー６を載せて接着する（この際、積層体収納容器５
下端部とヘッダー６上端部の間に、極低温時の積層体収
縮程度の隙間があくよう接着する）。その後、積層体収
納容器５とヘッダー６を連結用ボルト８にて連結すると
積層体収納容器５の圧縮ベローは圧縮される。このこと
より、極低温時に積層体が熱収縮することで、ベローは
伸ばされる一方、連結時のベローは圧縮された形で設置
されているので、積層体の熱収縮を妨げることなく、積
層体収縮時の熱応力を緩和する。

【０００９】本実施例によれば、積層体とそれを収納す
る容器間に不用な配管がないため、熱交換器のコンパク
ト化に効果がある。また、積層体接着後、その接着部に
高熱を負荷する溶接作業の必要がなくなるため、接着強
度の低下が生じず、作業性も向上する。更に、高・低温
ガスはそれぞれの流路を流通するのみなので、ガスのシ
ョートパスに対するシール機構は不用であり、熱交換性
能も低下することはない。この他、容器筒部、ヘッダー
、ベロー及び連結フランジ等によりなる積層体収納容器
５にて囲まれた内部に伝熱板１とスペーサ２を容器筒部
に設けた複数個の積層体支持棒に相接するよう積層する
ため、積層物のずれが緩和され、接着時に付与する加圧
力の分力により生じる積層体のずれも緩和する拘束治具
の役割を果たすため、接着時の信頼性が向上する。一方
、積層体は積層体収納容器をなすヘッダー及び、積層体
支持棒にて固定または支持されているので、例えば熱交
換器に振動等の外乱が生じても、積層体へ加振力が働か
ず、接着部に亀裂を生ずる心配がない。

【００１０】次に、図３に本発明の第２の実施例を示す
。図３において、図１、２と同一部分は符号及び説明を
省略する（以下その他の図においても同様に省略する）
。１３はヘッダー５ａ、容器筒部５ｂと積層体支持棒５
ｂ’、伸長ベロー１３ａ及びフランジ５ｄよりなる積層
体収納容器で図１の実施例との相違点は積層体が収縮す
るときベローも収縮するように設置する、すなわち、連
結時にベローを伸ばした形で設置する伸長ベロー１３ａ
を用いることにある。効果としては、図１、２の第１の
実施例とほぼ同様であるが、熱交換器の断面積（ベロー
配設部）を小さくできるのでよりコンパクトな熱交換器
を提供できる効果がある。

【００１１】次に、図４に本発明の第３の実施例を示す
。１４はヘッダー５ａ、容器筒部５ｂと積層体支持棒５
ｂ’、形状記憶合金製ベロー１４ａ及びフランジ５ｄよ
りなる積層体収納容器で、図２の第１の実施例との相違
点はベロー材質を極低温時の積層体収縮におけるベロー
変形を記憶させた形状記憶合金製ベロー１４ａとし、前
記形状記憶合金製ベローを熱交換器の低温方向に設置す
るところにある。効果としては、図２の第１の実施例と
ほぼ同様であるが、連結時のベローの伸縮状態にかかわ
らず、ベローは極低温時の積層体収縮によるベロー変形
時の状態となるため、より自由度のある伸縮が可能な熱
交換器となり、設計方法の簡略化、作業性の向上（製作
精度の鈍化）に効果がある。

【００１２】次に、図５に本発明の第４の実施例を示す
。１５はヘッダー６、容器筒部５ｂ、伸長ベロー１３ａ
及びフランジ５ｄよりなる上端側積層体収納容器、１６
はヘッダー５ａ、容器筒部５ｂと積層体支持棒５ｂ’、
及び上端側積層体収納容器１５と連結する部位を有する
フランジよりなる下端側積層体収納容器である（上端、
下端は積層時の状態を表す）。本実施例の特徴は連結部
を熱交換器の軸方向長さの中心でかつ、その垂直断面方
向としたことにある。効果としては図２第１の実施例と
ほぼ同様であるが中心部に半径方向に剛性を持つフラン
ジ部がくるため、筒部は２分割されているので短管とな
り、積層体収納容器の強度を向上させるのに効果がある
。

【００１３】次に、図６，図７に本発明の第５の実施例
を示す。１７は積層体の位置決めよう支持棒であり、効
果としては、図１の第１の実施例とほぼ同様でるが、積
層体軸方向断面の支持部が点接触から一部線接触になる
ため積層体への接触部位が増加し、積層体積層時のずれ
を更に緩和し、熱交換性能を向上させる効果がある。

【００１４】

【発明の効果】本発明では、積層熱交換器のコンパクト
化、接着部の熱劣化防止、作業性の向上及び熱交換性能
の低下防止を図ることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す積層熱交換器の縦
断面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図３】本発明の第２の実施例を示す積層熱交換器の縦
断面図である。

【図４】本発明の第３の実施例を示す積層熱交換器の縦
断面図である。

【図５】本発明の第４の実施例を示す積層熱交換器の縦
断面図である。

【図６】本発明の第５の実施例を示す図２と同一部位で
の断面図である。

【図７】図６のＢ部拡大図である。

【符号の説明】

１…伝熱板、２…スペーサ、３…高温ガス流路、４…低
温ガス流路、５，１３，１４，１５，１６…積層体収納
容器、５ａ，６…ヘッダー、５ｂ…容器筒部、５ｂ’…
積層体支持棒、５ｃ…圧縮ベロー、５ｄ…連結用フラン
ジ、７…金属パッキン、８…連結用ボルト、９，１０…
高温ガス給排気配管、１１、１２…低温ガス給排気配管
、１３ａ…伸長ベロー、１４ａ…形状記憶合金製ベロー
、１７…積層体位置決め棒。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流体を通すための流路を有する伝熱板と流
   体流路を形成するためのスペーサを交互に積層して成る
   積層体と、異種流体流路を分配するための流路口及びガ
   スの分散流路を具備し、かつ前記積層体の両端に位置す
   るヘッダーと、前記積層体を収納する容器筒部と、前記
   積層体の熱収縮による熱応力を緩和するためのベローと
   、前記ヘッダー流路口に連結された配管より成る積層熱
   交換器において、前記積層体、ヘッダー、容器筒部及び
   ベローを一体接合し、それらの連結部の一部をシール部
   材を介して連結し、かつ前記容器筒部内側に複数個の積
   層体支持部を設けたことを特徴とする積層熱交換器。
2. 【請求項２】前記熱応力緩和用ベローを圧縮して連結す
   る請求項１に記載の積層熱交換器。
3. 【請求項３】前記熱応力緩和用ベローを伸長して連結す
   る請求項１に記載の積層熱交換器。
4. 【請求項４】前記熱応力緩和用ベローを極低温時の熱収
   縮状態を記憶させた形状記憶合金製とした請求項１に記
   載の積層熱交換器。
5. 【請求項５】前記連結部位を熱交換器の軸方向長さの中
   心で、かつ、その垂直断面方向とした請求項１に記載の
   積層熱交換器。
6. 【請求項６】前記積層体支持部の少なくとも１つの支持
   部を前記積層体の位置決め部とした請求項１に記載の積
   層熱交換器。