JPH0719790A - 熱交換器用コアの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高効率且つ容易に製造可能な熱交換器用コアの
製造方法を提供すること。 【構成】可延性金属の細長い薄板状体の一方の主面上に
複数の平行溝を形成し、上記薄板状体を複数の部分に分
割し、これら分割した複数部分を同じ向きに重ねてブロ
ック状の組立体を形成する。 【効果】製造が容易で、且つ高効率の熱交換コアを実現
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、極低温冷却器用に好適
な熱交換器用コアの製造方法に関する。

【０００２】

【従来技術及び発明が解決しようとする課題】図３は、
周知の極低温冷却器用の再生式熱交換器の一例を示す断
面図である。外側筐体２の両端は、多孔質のプラグ４及
び６で塞いである。この筐体２の内部には熱交換材料の
コア８が入れてある。この熱交換器にガスを往復通過さ
せると、ガスの流れる方向によって、一方の方向では、
コア８の熱交換材料を加熱し、他の方向では熱交換材料
から熱を吸収することになる。コア８の熱交換材料は、
大きな熱容量を有し、極低温において熱伝導度が高いこ
とが要求される。コア８は、交換器の軸方向に関して熱
伝導度が最小になるように構成すべきである。

【０００３】現在、再生式熱交換器に使用されている熱
交換材料にはいくつかのタイプがある。最も普通に使用
されている２種類の材料としては、真鍮と、鉛（重量比
９５％）及びアンチモン（同、５％）の合金とがある。
この合金は、１０Ｋの低温まで商用的に使用されてい
る。希土類金属のネオジムＮｄは、図３のような再生式
熱交換器熱交換材料として有望である。螺旋状に巻いた
ネオジム箔の薄板状体でギャップ型の熱交換コアを形成
する。この螺旋状体の各巻の間には、ネオジム箔で形成
され、軸に平行に延びる隔離部が設けられている。隣合
う螺旋状体の間をガスが通過する構成である。軸方向の
熱伝導度を最小にするために、この螺旋状体を軸に垂直
な方向で短い複数の部分に切断し、外側筐体２の端から
端まで積み重ね、隣接する螺旋状体部分の間にワイヤ・
スクリーンを設けるように構成しても良い。このような
コア構造は、軸に垂直な方向にガス流を一様に分布させ
ることが困難であるという不都合がある。このコアを通
過するガスの流路は直線的で相互に隔離されていおり、
ガスがこの流路を通る際の抵抗が最小になるので熱交換
率の効率が犠牲になっている。その上、ネオジムの熱的
性質及び機械的性質が熱交換材料として適していても、
空気中でネオジムは容易にネオジム酸化物となるので、
ネオジムで熱交換器のコアを形成するのは困難となる。

【０００４】希土類金属の化合物の中には熱的性質が再
生式熱交換器に使用するのに好適なものもある。これら
の化合物は、ネオジムのように延性はなく、反対に極め
て堅く、脆いので、希土類金属化合物を用いて上述のよ
うな構造の箔状のコアを形成することは出来ない。希土
類金属化合物の微粒子を集めて図３のような熱交換器の
コアを形成する試みも行われてきた。しかし、極めて堅
く、脆い粒子を敷き詰めたものを使用して図３のような
熱交換器用のコアを形成しても、一体の弾性体のように
変形したり、安定な構成を維持することが出来ない。ま
た、高速のガス流がコアを通過したり、外部要因の振動
等により粒子が互いにずれたりして微小な粒子が飛び出
して多孔質のプラグを通過し、冷却器のガス・シールに
入り込むと、冷却器の動作を損なうことになる。更に、
希土類金属化合物は容易に空気中で酸化するので、熱交
換器を形成するのが困難である。

【０００５】希土類金属化合物で直径の等しい球形粒子
を使用して安定した一体の材料を形成することにより、
上述の問題を解決する試みも行われてきた。しかし、希
土類金属化合物の粒子を形成すると、その形状は角のあ
る粒子となるのが普通である。これらの粒子から球形の
粒子を形成することは極めて困難である。角のある希土
類金属化合物の粒子から球形の粒子を形成しようとする
と、直径が更に小さくなる上になかなか角を取ることが
できないからである。希土類金属化合物の球形粒子は、
気体霧化や遠心又はスピン霧化等の方法によって形成可
能である。しかし、このような方法では、極めて特殊な
装置が必要であり、歩留まりも極めて低いものである。
霧化工程で形成した球形の粒子には、空洞のあるものや
クラック（ひび）のあるものも含まれるので、動作中の
破損等により粒子の破片が飛び出して汚染するという問
題も生じ得る。また、球形の粒子を安定状態に形成でき
るが、このような球形粒子で形成した熱交換器用のコア
は、決して理想的なものではなく、球形粒子間の離間距
離が比較的大きいので、ガスがコアを通過してしまい、
コア材料とガスとの熱交換関係を良好に達成することが
出来ない。

【０００６】本発明の目的は、高効率の熱交換器を容易
に製造可能な熱交換器用コアの製造方法を提供すること
である。

【０００７】

【課題を解決する為の手段】本発明の熱交換器用コアの
製造方法では、希土類材料を細かく分割し、この分割し
た材料を成形手段に入れ、不活性雰囲気中で焼結温度ま
で加熱し、冷まして一定寸法の焼結体を形成し、上記成
形手段から上記焼結体を取り出す。

【０００８】また、本発明の他の熱交換器用コアの製造
方法では、可延性金属の細長い薄板状体の一方の主面上
に所定の隆起パターンを形成し、上記薄板状体を複数巻
の螺旋状体に成形し、該螺旋状体の各巻の部分の隆起パ
ターンと隣の部分の対向表面とを接触させたまま上記螺
旋状体を固定することを特徴とする。

【０００９】更に、本発明の別の熱交換器用コアの製造
方法では、可延性金属の細長い薄板状体の一方の主面上
に複数の平行溝を形成し、上記薄板状体を複数の部分に
分割し、これら分割した複数部分を同じ向きに重ねてブ
ロック状の組立体を形成する。

【００１０】

【実施例】特定の構成の希土類金属化合物を用いて再生
式熱交換器用のコアの熱交換材料を作ることは、上述の
欠点を解消すれば可能である。このために、希土類金属
化合物の角のある粒子を柔軟且つ可延性金属、例えば、
鉛、銅、銀、金、インジウム等の薄層でコーティングす
る。このような微粒子の成形体で、図３のような再生式
熱交換器を形成したら、接触している粒子間で圧力が加
えられても、その表面のコーティングが変形出来るの
で、コーティング内の脆い粒子が侵食から保護され、微
粒子の一体成形体を安定化出来る。

【００１１】蒸着技術により微粒子をコーティングして
も良い。真空容器内の回転ドラム中に粒子を入れ、真空
容器内で選択した可延性金属を蒸着させる。可延性金属
は、微粒子上で凝縮され、ゆっくりと一様なコーティン
グを形成する。または、コーティング用金属の融点が希
土類金属化合物の融点より低い場合には、溶融したコー
ティング金属の中にコーティングすべき微粒子を浸して
から取り出すという方法を採っても良い。この場合、コ
ーティング作業を不活性ガス雰囲気中で行う必要があ
る。

【００１２】希土類金属化合物の微粒子を、その粒子又
は空気と反応しない他の金属でコーティングすることに
より、希土類金属化合物の粒子を空気から隔離すること
が出来る。極低温冷却器の熱交換器用コアに好適な熱的
性質を有する材料である熱交換材料を、その材料又は空
気と反応しない材料も用いてコーティングするこの技法
は、空気と反応し易い他の熱交換材料にも、別にそれが
脆くなくても、適用出来る。従って、ネオジムを封入金
属でコーティングすることにより、ネオジムでコアを形
成した熱交換器を実現する際の困難性を解決することが
出来る。この効果は、ネオジムの微粒子でなくても同様
である。従って、ネオジム箔の螺旋状熱交換コアを封入
金属でコーティングして形成できる。

【００１３】微粒子の熱交換材料を処理して熱交換器を
形成する他の方法では、その材料を焼結する工程を含
む。焼結により熱交換器のコアを形成するためには、角
のある粒子又は球形粒子のパウダー（粉末）の相当量
を、熱交換コアの最終形状に対応した形状の成形ダイに
入れる。この成形ダイの材料は、焼結の際に被成形材料
と反応してはならず、例えば、アルミナ又はタンタル等
が好適である。焼結成形用のパウダーを入れたダイを真
空オーブンに入れ、不活性雰囲気中でパウダーの融点よ
りは低くても微粒子が互いに結合するのに十分な温度ま
で加熱する。

【００１４】この焼結体の入った成形ダイが冷めてか
ら、ダイから取り出す。この焼結体の形状は、成形ダイ
の形状であり、寸法も一定である。この焼結体を熱交換
器の円筒形筐体の中に直接入れる。別の方法として、成
形ダイの形状を熱交換コアの一部分の形状として空洞を
設けたものにしても良い。その場合には、複数のダイで
焼結体を成形し、接着手段又は機械手段を用いてそれら
を組み立てて熱交換コアを形成しても良い。

【００１５】トリ・エルビウム・ニッケル及びその他の
希土類金属化合物、例えば、エルビウム・ニッケル、ガ
ドリニウム・ロジウム、エルビウム・ジスプロシウム・
ニッケル等の熱的性質は、極低温冷却器の熱交換コア材
料として適している。トリ・エルビウム・ニッケルの２
相ダイアグラムによれば、６００℃〜８００℃の温度範
囲内でこの材料が焼結することが示されている。この温
度範囲は、この金属化合物が相転移を起こしたり、結晶
材料へと過度に成長したりする程高温ではない。

【００１６】微粒子を可延性の母体金属の中に分散させ
ることにより、微粒子状熱交換器材料の寸法を安定化さ
せても良い。この場合の可延性金属の融点は、熱交換器
用材料の融点よりずっと低いので熱交換器用材料と反応
することはない。この複合材料をシート状、箔状、ワイ
ヤ状等の形状に成形することができる。トリ・エルビウ
ム・ニッケルを熱交換器用材料として採用した場合、適
当な可延性金属材料は、鉛（９５重量％）とアンチモン
（５重量％）の合金である。この複合材料を作るには、
るつぼで鉛を溶融し、その中にトリ・エルビウム・ニッ
ケルの微粉末を入れる。この溶融した鉛合金の中でトリ
・エルビウム・ニッケルがかなりの割合になるまでその
微粉末を追加する。その後、るつぼの中身を冷却する。
この方法は、他の母体金属、例えばインジウム、種々の
低温ハンダ材料等を使用しても良い。

【００１７】この母体金属として鉛は望ましい材料であ
る。鉛はエルビウム又はニッケルの何れとも反応するこ
とがなく、その融点は、トリ・エルビウム・ニッケルよ
りも遥かに低いからである。しかし、この方法の母体金
属として使用可能な材料は鉛だけではない。例えば、イ
ンジウムを使用しても良いし、鉛とアンチモンの合金を
使用しても良い。同様に、トリ・エルビウム・ニッケル
以外の材料の微粒子を母体金属に分散させるようにして
も良い。例えば、ネオジムをトリ・エルビウム・ニッケ
ルの代わりに使用出来る。

【００１８】可延性母体金属中に熱交換材料の微粒子を
分散させた複合材料を製造するのに他の方法を用いても
良い。その方法では、母体金属を圧延して薄いシート形
状に成形し、熱交換材料の微粒子をそのシートの半分上
に散布する。このシートを半分に折り畳み、微粒子を与
えた半分のシート上に残りの半分を重ねて圧延し、シー
トを更に薄く且つ大きく成形し、シートの中に微粒子を
埋め込む。母体金属中に十分な割合の粒子を埋め込むま
で、微粒子の散布、折り畳み、圧延という上述の工程を
繰り返す。このような複合材料を製造する方法の利点
は、母体金属や埋め込む熱交換材料を加熱する必要がな
いので、母体金属の融点において、熱交換材料又は母体
金属が化学反応する可能性を排除できることである。更
に、上述の技法では、母体金属と熱交換材料との相対的
融点が問題とならないので好都合である。

【００１９】この複合材料の性質は、複合材料の成分の
質量又は体積によって平均化した性質に近似する。従っ
て、複合材料内における熱交換材料と可延性金属材料と
の相対的比率を選択することにより、複合材料の熱伝導
度と比熱との間の関係を望ましい状態に設定できる。そ
の上、材料の組成に応じて、複合材料をワイヤ又はシー
ト状に成形出来る。球体材料を形成するには、ワイヤ状
の材料を短く切断し、これら切り取った部分を溶かせば
よい。

【００２０】図１（Ａ）に示すように、この複合材料を
シート状に形成できる。圧延、スタンプ又はカッティン
グによりこのシート表面に図１（Ｂ）のような平行溝を
形成できる。このシートをセグメントに分割し、これら
のセグメントを積み重ねると、図１（Ｃ）に示すよう
な、複数の平行通路を有するブロック形状の材料を形成
できる。このブロックをホルダーにマウントし、図３の
再生式熱交換器のコアとして使用しても良い。この場
合、この熱交換材料を周期的に温度が変化する液体にさ
らすと、複数の平行通路の壁の最大の厚さは、複合材料
の熱透過の深さの２倍、好適には２倍より薄い厚さしか
ない。従って、この複合材料の全部に熱が加わることに
なる。これを達成するには、シートの厚さを熱透過の深
さの４倍程度にシートの厚さを制限し、断面が正方形の
溝を形成しても良い。この場合、溝の幅及び深さは、シ
ート材料の厚さの２分の１になる。隣合う溝の中心間離
間距離は、シート材料の厚さに等しい。軸方向の熱伝導
度は、端から端まで多数の熱交換ブロックでコアを形成
することにより低減できる。この場合、隣合うブロック
間の接触面積を制限することにより熱を遮断する。これ
ら隣合うブロック間にワイヤ・スクリーン、セラミック
・プレート又はフェルト若しくはファブリック・スペー
サ等を挿入することにより、軸方向の熱伝導度を一層低
減できる。

【００２１】上述の熱交換コア材料は、複数の球体を詰
め込んで形成した従来のコアに比べて種々の利点があ
る。先ず、ガスに晒される表面積がずっと大きくなり、
体積に対する表面積の比率を大きくできる。ガスの流れ
るチャネル（溝）を均一に作れるので流路特性を改善で
きる。この構造のコアは、複合材料を使用する場合に限
定されるわけではない。また、極低温で比熱又は熱伝導
度の高い他の可延性金属、例えば、ネオジム等を使用し
ても良い。微粒子をコーティングする金属も、鉛又は鉛
（９５重量％）とアンチモン（５重量％）の合金に限定
されるものではない。

【００２２】この複合材料を用いて上述のギャップ型熱
交換コアと類似のコアを形成しても良い。この複合材料
を細長い薄板体に形成し、その薄板体の同じ側に向かっ
て隆起するような隆起パターンを形成する。この薄板体
を螺旋状に巻いて、螺旋状の各層の表面の隆起パターン
が隣接する他の層の対向表面に接触するように形成す
る。この隆起パターンを微粒子状にすることにより、コ
アを通過するガスの流路を形成する。このガスの流路
は、コアの軸に平行に直進するガスを最少にするように
構成するのが好適である。例えば、図２（Ａ）に示すよ
うに、薄板体の長手方向のエッジに対して傾斜させた隆
起パターンを設けると、螺旋状の流路が形成されるの
で、コア内のガスの滞留時間を延ばすことが出来る。図
２（Ｂ）のようなジグザグ・パターンを設けると、ガス
が混合される度合いが強まり、熱の対流伝達が促進され
る。図２（Ｃ）のような離間した丸い突起や図２（Ｄ）
のような細長い突起を設けると、ガスの流れを攪乱して
ガスの混合を促進できる。

【００２３】円筒形のコアの軸に平行でない流路を形成
するようなどのような隆起パターンを設けても、各層の
間でのガス漏れは悪影響を生じさせよう。従って、螺旋
状に巻いた各層間のスペースを固定して、螺旋状に巻い
た各層の隆起パターンが隣の層の対向面に確実に当接す
るように螺旋状の層を固定し、ガス流が軸方向に直進さ
せないようにする必要がある。そのためには、例えば、
拡散溶接又はハンダ付けのような冶金接合が望ましい
が、螺旋状のコアを強固に機械的手段で固定するように
しても良い。

【００２４】勿論、これらの隆起パターンは、非複合材
料、例えばネオジムの薄板状体のような材料にも適用し
得る。微粒子をコーティングする金属も、鉛又は鉛（９
５重量％）とアンチモン（５重量％）の合金に限定され
るものではない。

【００２５】

【発明の効果】本発明の熱交換器用コアの製造方法で
は、ネオジム等の希土類材料の微粉末を焼結することに
より容易に高効率の熱交換コアを形成できる。また、可
延性金属材料の細長い薄板体を成形して一主面上に所定
の隆起パターンを設けて、それを螺旋状に巻いて熱交換
コアを製造すると、従来のような隔離手段を設けること
なく、隆起パターンの高さ分だけ螺旋状体の各巻部分間
の離間距離を容易に維持できる。更に、可延性金属の薄
板体の一主面上に複数の平行溝を形成し、複数に分割
し、同じ向きに重ねてブロック状に組み立てる方法は、
製造が極めて容易であり、溝を容易に均一に作れるので
高効率の熱交換コアを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る熱交換器用コアの製造過程の一実
施例を示す図である。

【図２】本発明に係る熱交換器用コアの製造過程の他の
実施例を示す図である。

【図３】本発明に係る熱交換器用コアを使用するのに好
適な冷却器用の熱交換器の一実施例の構成を示す断面図
である。

【符号の説明】

２ 外側筐体 ４ 多孔質プラグ ６ 多孔質プラグ ８ 熱交換器用コア

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 希土類材料を細かく分割し、 この分割した材料を成形手段に入れ、不活性雰囲気中で
   焼結温度まで加熱し、 上記成形手段を冷まして一定寸法の焼結体を形成し、上
   記成形手段から上記焼結体を取り出すことを特徴とする
   熱交換器用コアの製造方法。
2. 【請求項２】 可延性金属の細長い薄板状体の一方の主
   面上に所定の隆起パターンを形成し、 上記薄板状体を複数巻の螺旋状体に成形し、 該螺旋状体の各巻の部分の隆起パターンと隣の部分の対
   向表面とを接触させたまま上記螺旋状体を固定すること
   を特徴とする熱交換器用コアの製造方法。
3. 【請求項３】 可延性金属の細長い薄板状体の一方の主
   面上に複数の平行溝を形成し、 上記薄板状体を複数の部分に分割し、 これら分割した複数部分を同じ向きに重ねてブロック状
   の組立体を形成することを特徴とする熱交換器用コアの
   製造方法。