JPS60144562A - ガス液化冷凍装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、ガス液化冷凍装置に係６）、特に積層熱交換
器を用いたガス液化冷凍装置に関するものである。

〔発明の背景〕

従来のガス液化冷凍装置、たとえばヘリウムガスを冷媒
とするクロード方式のヘリウムガス液化冷凍装置では、
第１図に示すような構成が採用されている。第１図にお
いて、１は第１熱交換器、２は第２熱交換器、３は９Ｊ
３熱交換器、４は第４熱交換器、５は第５熱交換器であ
毫）、主たる構成要素として熱交換器１〜５の他に膨張
タービン７゜８、ジェール・トムソン膨張弁９．液体ヘ
リウム１０を貯蔵する気液分離器１１よ酪）成っている
。なお、６は圧縮機、１２は高圧ライン、１３は低圧ラ
イン。

】４は膨張機ライン、１５は液化ラインである。

圧縮機６で圧縮された高圧ヘリウムガス（１６ａｔｎｉ
は、高圧ライン１２よりＩＪｌ熱交換器１の高圧側涛路
を流れ、第２熱交換器２の高圧、側流路を通り、その一
部が分岐されて膨張機ライン１４よりＩＪ１膨張タービ
ン７に入り、中圧（５ａｔｍ）ｔで膨張して冷却される
。第１膨張タービン７を出た中圧のヘリウムガスは、第
３熱交換器３の中圧清路を流れて第２膨張タービン８に
入り、低圧（１，２ａｔｍ）まで膨張して更に冷却され
、第４熱交換器４の低圧入口側に戻される。一方、分岐
された残りの高圧ヘリウムガスは、液化ライン１５より
第３熱交換器３の高圧側流路を流れ、第４熱交換器４．
第５熱交換器５の高圧側ｆＭ路を通って冷却され、シネ
−ルートムソン膨張弁９にてジュール・トムソン膨張し
て液体ヘリウムになり、液化していないヘリウムガスは
気液分離器１１をへて低圧ライン１３を流れ、第５熱交
換器５から第１熱交換ｎ１まで高圧ヘリウムガス及び中
圧ヘリウムガスを冷却しなから常温まで温ｒ￥上昇して
圧＃’１４９６の低圧側に戻′　される。また、第１図
で示した第１Ｐ交換器１から更５熱交換器５及び膨張タ
ービン７．８は耐真空容ｆＡ（保冷槽）Ｉこ収納されて
おり、特に熱交換器同志を結ぶ高圧配管、低圧配管が複
雑となる欠点があった。それに加えて、例えば冷凍旋力
数十Ｗ以上のヘリウムガス液化冷凍装置では、一般的に
アルミプレートフィン式熱交換器が用いられているため
、保冷槽中に占める容積が大であり、冷凍機の小型化を
妨げるという欠点があった。

特にヘリウム冷凍機では、サイクル構成上第１熱交換詐
１及び第３Ｆ交換器３の容積は他の熱交換−よＩ）も大
きく、その小型化が課題であった。

その中でも第３か交換器３やは、高圧ヘリウムガス、中
圧ヘリウムガス゛、低圧ヘリウムガスの３流体□が涛れ
、高圧ヘリウムガスと４氏圧ヘリウムガス及滲中圧ヘリ
ウムガスと低圧ヘリウムガスが熱交換するために、その
配管が複雑となり、冷凍機の小型化を妨げるばか曝）で
なく、コスト高になるという欠点があった。

〔発明の目的〕

未発明の目的は、従来のヘリウム冷凍機の欠点を解消す
るため、熱交換器に積層熱交換器を用いたコンパクトな
ガス液化冷凍装置を提供することにある。

〔発明の欅要〕

まず、ＩＥ２図において、ヘリウム冷凍機での３波□体
が涛れる熱交換器の温度条件を説明する。冷凍節々３０
０Ｗ程度のクロードサイクルのヘリウム冷凍機では、３
′ｆＭ体が涛れる第３熱交換器３の高圧入１６では４０
に、高圧出口１７では３１に、タービン７から膨［２ラ
イン（中圧ライン］１４を通ったて′ 入口１Ｂでは４０に、出口１９は３１に、また、低圧入
口２１では３０に、低圧出口２０では３３に程度の温度
条件となる。従つで、サイクル構成上、ヘリウム冷凍機
に使われる第３熱交換器３では、コンプレッサーから送
畳）出され、高圧ライン１２．液化ライン１５を経た高
圧のヘリウムガス及びタービン７からの膨張機ライン１
４の中圧ヘリウムガスが低圧ライン１３の低温低圧ヘリ
ウムガスによって冷却される構造となっている。それゆ
えに、効果的に高圧ヘリウムガス及び中圧ヘリウムガス
を冷却するための熱交換器の涼路構成としては、低圧涛
路の両便に冷却される高圧涛路及び中圧涛路を配Ｈする
ことが熱交換器の熱交換使方を高めることになる。なお
、ｇＥ２図中１は第１か交換器、２は第２熱交換器、４
は第４熱交換器、５はｆｆ１５熱交換器である。

また、７．８は膨張タービン、９はジエール・トムソン
膨張弁モある。

本発明は、上記各熱交換器を熱伝導率の大きい多孔板と
複数個の流路を形成した熱伝導率の小さいスペーサとを
交互に接合して積層し、その両端に波体な複数個の流路
に配置するヘッダーを取付けた積層熱交換器で構成し、
かつ、隣接する各積層熱交換器をヘッダーを介して連結
すると共に、穣 Ｗｒｆｉ！ｅ複数個の製胴熱交換器の中に、そわ、ぞｎ
独立した高圧、中圧、低圧冷媒ガス流路を有し、かつ、
高圧、中圧冷奴ガス流路がそれぞｎ低圧冷媒ガス流路に
隣接配置された３流体樟層熱交換器を備えたことを特徴
とするもので、各積層熱交換器間の高圧配管、低、圧配
管を省略して保冷箱な小型化すると共に、ガス液化冷神
装Ｕのコストダウンを図ったものである。

［発明の実施例〕 以下、本発明に使用さする和屈熱交検器の一実施例を第
３図により説明する。第３図は３流体積層熱交換器の基
本的構造を示す柵略図でＪ）る。３流体積層熱交換鼎は
、熱伝導率の小さいスペーサ加と熱伝導率の大きい多孔
板（孔径の小さい孔を多数有する）よりなる伝熱板２７
とを交互に重ねて和胆部を構成し、その両端に流体を配
流するヘッダーｎを設けた熱交換器である。スペーサア
バ、す１本実施例では高圧流路２５Ａ２個、中圧流路２
４Ａ３力゛ 個、低圧流路２３．６個で形成されている。図かられか
るように、矩形断面の最外部は低圧流路２３となってい
るが、基本的には低圧流路２３の両側に冷却される高圧
ガス流路２５及び中圧ガス流路２４を有しており、効果
的に熱伝達を行なうことができる。

従って、このような構造を有している積層熱交換器では
、第４図に示すように高圧流路２５から低圧流路２３に
伝わる熱量３２のＱｈと中圧流路２４から低圧流路２３
に伝わる熱量３３のＱｍだけが存在することになる。

また、高圧流量２５及び中圧涛量２４は、中心線から対
称な濃度分布となっているために、熱交換器の設計が容
易である。

ゆえに、熱交換器の操作条件に応じて、高圧涛路幅Ｂｈ
、中圧流路幅貼、低圧波路幅Ｂｌ！及び流路長さＡをパ
ラメータとして最適設計を行なうことができる。従って
、本実施伊１によれば効果的に３流体の熱交換を行なう
ことができ、コンパクトな３流体積ｌｊｌ熱交換器の製
作が可荒となる。

次に、！Ｊ５図により３塘体積層熱交換器５１と２流体
積胴熱交換＠５２の接合の一実施例を説明する。

鉛は２流体積層熱交換器５２のスペーサＣＷｉｔ路形状
）對示したもので、２５け高圧流路、砺は低１圧波路で
ある。４４は前述した実施例の３流体積層熱交換器５１
をより具体的にしたヘッダー形状を示したもので、ヘッ
ダー４４には波体な配流する溝が設けてあり、４１は高
圧流路、４２は低圧流路、４３は中圧流路の清である。

また、４５は２流体ｓｍ熱交換器５２の低圧側流路線と
連通させるための孔であＩ）、４６は高圧ガ流路糺と連
通させる孔である。なお、４７はタービンラインに通じ
るためのノズル孔である。

木実施例では、低圧流路の幅Ｂｊ、高圧流路の幅馬（タ
ービン流路の幅堀と等しい）及び流路長さａが同じ２流
体積層熱交換器５２と３流体積層熱交換器５！の接合例
を示している。第５図のＡ−Ａ断面での接合状態を第６
図に示す。たとえば、伝熱板２７に熱伝導率の大きい銅
、スペーサ２６に熱伝導率の小さいステンレス鋼、ヘッ
ダー４４にステンレス鋼を用いて拡散接合を行えば、３
流体積ＩＩｉ熱交換器５１と２流体積層熱交換器５２が
配管がなくヘッダー４４を共有して製作することができ
る。図中４１は高圧波路の渭、４２は低圧流路の渭及び
４３は中圧流路の溝を示している。。４５は３流体積層
熱交換器５１の低圧側流路と２流体積Ｊｌｉ熱交換器５
２の低圧側流路を連絡する孔であり、弱は高圧側流路を
連絡する孔である。

前述の実施例では３流体積層熱交換器５１と２流体積層
熱交換器５２の高圧流路幅Ｂｈと低圧流路幅Ｂ。

が同じ場合であ曇）接合は容易であるが、高圧流路幅Ｂ
ｈと低圧流路幅Ｂ、がそれぞれ異なった場合の実施例を
第７＠及び第８図に示す。第７図では３流体積層熱交換
器５１と２浦体積層熱交換器５２の塘路幅が異なる場合
において、低圧流路の：Ｓ通孔６及び高圧波路の達通孔
荀に適当な絞Ｉ）を入ｎて高圧潴路同志、低圧塘路回志
を貫通させたものである。

従って、３流体積層熱交換ｆ！５１と２流体稍ＩＩｌ熱
交換詐５２の高圧塘路幅Ｂｈと低圧塘路幅Ｂ、がそれぞ
れ異なっても簡単に配管を用いずにヘッダー４４を共有
して製作することができ、コンパクトな熱交換器を提供
することができる。また、本実施例では、２流体積層熱
交換器５２の塘路幅が３流体積層熱交換器５１に比して
小さい場合を示したが、逆に２流体積層熱交換器５２の
流路幅が大きい場合は、低圧流路の連通孔４６及び高圧
流路の連通孔を適当に拡大して接合することにより適応
させることができる。

次に、１３８図、第９図は３流体積層熱交換器５１と２
流体積層熱交換器５２を、図示のように波路方向が直角
になるようにして接合した構造を表わしている。刹は３
流体積層熱交換器５１のへラダーであり、４１は高圧潴
路、４２は低圧流路、４３は中圧流路の溝である。２６
は２流体積層熱交換器５２のスペーサを示しており、２
５は高圧流路、２３は低圧流路を示している。また、４
５は高圧潴路の連通孔である。ヘッダー４４には、３Ｎ
Ｙ体積層熱交換器５１と２流体積層熱交換器５２の流路
形状に対応したスペーサあが、多孔板２７とともに接合
されている状態を１１　。

衰わしている。本実施例によれば、熱交換器の大きさ、
高圧流路幅及び低圧波路幅の大きさに無関係に、３流体
積層熱交換器５１と２流体積層熱交換器５２の高圧流路
と低圧涛路が共有する部分があるため、容易に高圧連通
孔４５及び低圧連通孔４６を設けることができる。また
、３流体積層熱交換器５１の中心と２流体積層熱交換器
５２の中心を適切に一致させることができるので、たと
えば拡散接合により接合する際にも荷重を一様に加える
ことができ、信頼性の高い接合を行なうことができる。

従って、本実施例によれば、容易に積層熱交換器同志を
接合することができ、配管を必要とせず、かつ、ヘッダ
ーの数を低減することができるため、熱交換器及び膨張
タービンを収納する保冷槽を小型化することができる効
果があ乙。

第１０図に以上述べた積層熱交換器の接合方法を用いて
構成したヘリウム冷凍機の一実施例を示す。

２流体積層熱交換器の第１熱交換器１と第２熱交換器２
は流路形状は同じとし、中間ヘッダー６０を介して接合
されている。また、第２熱交換器２　、！：”２ 第３熱交換器３は中間ヘッダー６１を介して接合されて
いる。第４熱交換器４と第５熱交換器５は中間ヘッダー
６２を介して接合されている。７．８は寒冷を発生する
膨張タービンであり、９はジュール・トムソン膨張弁で
ある。冷媒ガスの潴れを説明すると、圧縮機（図示省略
）から送り出された高圧ヘリウムガス（１６ａｔｍ）は
、高圧ライン１２を通り＄１熱交換器１の高圧側流路を
流れ、その一部は膨張機ライン１４より第１膨張々−ビ
ンフに入り、断熱膨張してガス温度を低下して第３熱交
換器３の中圧流路（６’ａｔｍ）に入Ｉ】、さらに温度
降下して第２膨張タービン８に導かｎ、断熱膨張してガ
ス温度を低下して第４熱交換詐４の低圧（１，２ａｔｍ
）入口に戻さｎる。一方、残曝）の高圧ヘリウムガス（
１６ａｔｍ）は、液化ライン１５よ冬）第２熱交換器２
の高圧流路を通Ｉ）、第３熱交換器３．ＩＪ４第４熱交
換器４５熱交換器５へ導かむ１、ジーール・トムソン膨
張弁９でジュール□・トムソン膨張弁（１，２ａｔｍ）
を行い、液体ヘリウムとなる。その後、液体ヘリウムは
一定の熱負荷を被冷却体７ｏで受け、再び気化して第５
熱交換器５から第１Ｐ交換器ｌまで高圧流体及び中圧液
体を冷却しながら常温まで温度回復さｎｌ、低圧ライン
１３を通って圧縮機の吸込側へ導かれる。

木★施例のように一体化した熱交換器を２つの群に分け
た理由は１つは、ヘリウム冷凍機の冷凍負荷能力を確保
するため、熱交換器の低圧側全圧力損失を一般的に１０
０１００Ｏ１１以下にする必要があるためである。すな
わち、比較的高い温度レベルにある第１熱交換器１及び
第２熱交換器２では、ヘリウムの粘性が大きいために低
圧側圧力損失が太き（、どうしても熱交換器の断面を大
きくする必要がある。また、ｇＪ３第３熱交換器３イク
ル構成上第１熱交換器と同様に交換熱量が大きいため、
その断面は大きくならざるを得ない。従って、比較的断
面積の大きい第１熱交換器１から第３熱交換器３までを
一体化することが接合Ｊ有利である。

また、第４熱交換器４と第５熱交換器５では温度レベル
が低いために、低圧側圧力損失は小さく、できるだけ熱
交換器の断面積な小さくして一体化することが望ましい
。

さらに、次の理由としては、こｎら５つの熱交換器及び
２つの膨張タービンは通常円筒状の耐真空容器（保冷槽
）に収納するために、デッドスペースが少ないように熱
交換器を２群に分ける構成をとった。こｎは、ＩＪＩ熱
交換器１から第５熱交換器５までを一体化すると縦長と
なＳ）、断面の小さいｉ４．ｌ（５熱交換器の近傍がデ
ッドスペースとなるためである。

以上詳細に説明したように、本実施例によれば、熱交換
器を小型化することができ、ひいては保冷槽をコンパク
トにすることができる効果がある。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、積層熱交換器同志
を中間ヘッダーを介して接合したので、高圧配管及び低
圧配管を大幅に減らすことができる効果があり、また熱
交換器を収納する保冷槽を小型化することができる効果
があ１）、さらに、ガス液化冷凍機のコストダウンの効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のヘリウムガス液化冷凍製画の系統図、第
２図は３流体積層熱交換器のＷＡ贋条件を示す説明図、
第３図は未発明に使用される３流体積層熱交換器の一実
施例を示す斜視図、第４図は３流体積ｍ熱交換器の原理
説明図、第５図は３流体Ｓ層熱交換器と２浦体積層熱交
換器の波路形状を示す平面図、第６図および第７図は第
５図のＡ−大断面における３流体積層熱交換器と２流体
積層熱交換器の接合部の断面図、第８図は３流体積層熱
交換器と２ｆＸｔ体積層熱交換器接合の他の実施例を示
す平面図、第９図は第８図のＢ−Ｂ断面図、第１０図は
未発明によるガス液化冷凍装置の一実施例を示す系統図
である。 １・・・・・・第１熱交換器、２・・曲第２熱交換器、
３・・・・・・第３熱交換器、４・・・・・・第４か交
換器、５・川・・１８５熱交換器、６・・・・・・圧縮
機、７，８囮・・膨張タービン、９・・・・・・ジ具−
ル・トムソン膨’ＩＩＦ、１０・・・・・・液体ヘリウ
ム、１１・・曲気液分齢器、１２・・曲高圧ライン、Ｂ
・・・・・・低圧ライン、１４・・曲膨張機ライン、１
５・・・・・・液化ライン、１６・・・・・・高圧入口
、１７・・・・・・高圧出口、１８・・曲入口、１９・
・曲出口、２０・・・・・・低圧出口、２１・・・・・
・低圧入口、２２　、２４・・・・・・ヘッダー、２３
・・・・・・低圧流路、２４・・・・・・中圧波路、２
５・・・・・・高圧流路、が・・・・・・スペーサ、２
７・・・・・・伝熱板、３１〜３３・・・・・・熱１．
４１・・・・・・高圧塘、路の溝、４２・・・・・・低
圧流路の清、４３・・・・・・中圧流路の溝％４５　、
４６・・・・・・連通孔、４７・・・・・・ノズル孔、
５１・・・・・・３波体積層熱交換器、５２・・・・・
・２流体積層熱交換器、６０〜６２・・・・・・中間ヘ
ッダー、７ｏ・・・・・・被冷却体 才１図 才２図 ｆ３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　圧縮機で圧縮された高圧冷媒ガスを高圧ラインを
   経て膨９１ｍラインと液化ラインに分岐し、膨張機ライ
   ンの高圧冷媒ガスを膨張機で膨張させて寒冷を発生させ
   、低温低圧冷媒ガスを複数個の熱交換器で温度回復させ
   た後、低圧ラインを経て圧縮機に循環させると共に、液
   化ラインの高圧冷媒ガスを熱交換器で低温低圧冷媒ガス
   によ１）冷却した後、ジュール・トムソン膨張弁で膨張
   させて極低温冷媒を生成するガス液化冷凍装置において
   、前記各熱交換器を熱伝導率の大きい多孔板よりなる伝
   熱板と複数個の波路を形成した熱伝導率の小さいスペー
   サとを交互に接合して積層し、その両端に流体を複数個
   の流路に起源するヘッダーを取付けた積層熱交換器で構
   成し、かつ、隣接する各積ＪＩｉ熱交換器をヘッダーを
   介して連結すると共に、前記複数個の積層熱交換器中に
   、それぞれ独立した高圧、中圧、低圧冷媒ガス流路を有
   し、かつ、■圧、中圧冷媒ガス清路がそｎぞれ低圧冷媒
   ガス波路に隣接配冒された３流体積層熱交換器を備えた
   ことを特徴とするガス液化冷凍装置。 ２、ｌｉｔ前記３流体積層熱交換器のヘッダーの高圧流
   路溝および低圧涛路渭を連通孔を介して２流体積層熱交
   換器の高圧流路および低圧流路に連絡した特許請求の範
   囲第１項記載のガス液化冷凍装釘。 ３、　１１記３流体積ｍか交換詐と２流体積層熱交換器
   を接合した一体形熱交換器と、２流体積ｔｉ熱交換器回
   志を中間へラダーを介して接合した一体形熱交換詐を、
   備えた特許請求の範囲第２項記載のガス液化冷凍装ｒ０