JPS63118592A - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はヘリウムを冷媒とし装置の小形軽量化を図るよ
うにした極低温冷凍機等に用いる熱交換器に関する。

（従来の技術） 従来小型の極低温冷凍機に組み込まれる積層形熱交換器
は、複数枚の伝熱板を相互間に断熱板を介在させて積層
した積層体中に上記伝熱板および断熱板によって仕切ら
れるように２系統の流体通路を形成し、上記２系統の流
体通路間で上記伝熱板を介して熱交換させるようにして
いる。

すなわち上記積層形熱交換器は第４図に示すように、熱
伝導の良好なアルミニウム等の薄板で円板状に形成され
た伝熱板１と、繊維強化プラスチックの薄板で上記伝熱
板１と同径に形成された断熱板２とを相互間に接着剤シ
ート３を介在させて交互に積層接着した積層体構成とな
っている。

上記各断熱板２には第１の流体を通流させるためのスリ
ット状の孔４が放射状に形成されており。

これら孔相互間に第２の流体を通流させるための孔５が
それぞれ形感されている。また、伝熱板１の前記孔４に
対応する位置には複数の孔６が形成されており、さらに
、孔５に対応する位置にも複数の孔７が形成されている
。また、接着剤シート３は断熱板２と同形状に形成され
ている。そして。

断熱板２の孔４と伝熱板１の孔６、および断熱板２の孔
５と伝熱板１の孔７とがそれぞれ連通ずるように両板１
，２を接着剤シート３が貼り合せ、かつ伝熱板１と断熱
板２とが交互に位置するように次々に貼り合せて第５図
に示すような積層体８を形成したものとなっている。し
たがって、積層体８中には、孔４と孔６とを交互に結続
した第１の流体通路９と、孔５と孔７とを交互に接続し
た第２の流体通路１０とが積層方向に平行に延びた状態
に存在していることになり、これら第１の流体通路９に
図中実線矢印で示すように高温流体を通流させるととも
に第２の流体通路１０に図中破線矢印で示すように低温
流体を通流させることにより。

両流体間で伝熱板１を介して熱交換させるようにしてい
る。

（解決しようとする問題点） 上記構成の積層形熱交換器にあって、熱交換器としての
信頼性および熱交換効率を向上させるには、その主要部
をなす積層体８のシール性能を向上させることが不可欠
である。もし、シール性能が悪いと異なる２種類の流体
が混合し、熱交換器として機能しなくなるし、特にヘリ
ウム冷凍装置のように、高圧側流体と低圧側流体の間で
熱交換を効率よくおこなわせる場合には両流体間の差圧
が大きく、かつヘリウムガスの粘性が小さいために微小
な漏洩が存在しても高、低圧流体の混合が発生する。ま
た、かかる積層形熱交換器はその製造過程が複雑であり
、接着剤シート３が流路を閉塞してしまうことがあると
いう難点がある。

また上記積層形熱交換器は、構成上柱状とならざるを得
ないため、冷凍装置に組み込んだ場合には、高真空中に
設置されるので断熱を考慮した保持装置を用いて固定配
置する必要があり、そのスペースの確保のため装置のコ
ンパクト化に制限がある。

すなわち補助冷凍機として用いられるギフオードマクマ
ホン冷凍機のディスプレイサー容器は。

内部に高圧気体（例えば２０気圧以上のヘリウムガス）
が充填される反面、その軸方向に大きな温度勾配（３０
０（Ｋ）から２０［Ｋ］に至る）を保持しなければなら
ないため耐圧力値ギリギリに薄肉とした金属筒（ステン
レスなど）を用い熱伝導による熱の侵入を最小にしよう
とする努力がなされている。このことは冷凍装置の安全
設計余裕度、容量を大幅に制限してしまう欠点となって
いる。

本発明は上記した点に鑑みてなされたもので。

小形高性能化を要求される冷凍機のうち、特に冷凍パワ
ーの小さいギフオードマクマホン式やスターリング式冷
凍機と組み合せられる極低臥ジュールトムソン弁ループ
用熱交換器を改良しその性能を向上させるとともに、構
成上のメリットを十分活用できる安全性の高い極低温用
の熱交換機を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するために、一種の二重管式熱交換器と
する。すなわち、低熱伝導性の材料からなる外管をらせ
ん状に槽成し、その外管内部に、高熱伝導性材料からな
る内管をさらにらせん状に巻いたものを収容する。

（作　　用） このような本発明の熱交換器においては、外管に低圧流
体を流し、内管に高圧流体を前記低圧流体と反対むきに
流して熱交換させる。

（実　施　例） 以下本発明の実施例を図面につき説明する。

第１図は本発明による熱交換器の構成を示すものであっ
て、ステンレス鋼またはフッ素樹脂などの低熱伝導性材
料をらせん状に巻いた外管３２とこの外管３２内にさら
にらせん状に巻いた、銅などの高熱伝導性材料からなる
内管３３によって構成される。内管３３の内部の流路を
高圧流体３４が流れ、外管３２内部かつ内管３３外部で
囲まれる流路３６を低圧流体３５が対向して流れ、両流
体間で熱交換が行なわれる。

この熱交換器へのガスの流出入部は第２図に示すように
Ｔ型のチューブ継手を用いて構成される。

すなわち、外管３２のチューブ寸法に適合するＴ型チュ
ーブ継手３７を用い、熱交換器本体側の外管３２を継手
ナツト３８ａにより締結する。内管３３は真すく伸ばし
てＴ継手の一端のポー１−へ取り出し高圧流体出口管４
１となる。当然ナット３８ｃ部において間隙が生じるの
で、銀ロウ３９等により密封する。

Ｔ継手の残りの一ポートには外管と同じ径の低圧流体入
口管４０をナツト３８ｂで締結する。ここでは高圧流体
出口側の構成について述べたが、まったく同様にして高
圧流体入口側が構成される事はいうまでもない。

しかして上記構成の熱交換器では、熱交換をおこなう内
管３３内の流体と流路３６内の流体とは高熱伝導性の鋼
壁を介して熱交換を行なうのでその熱貫流率は非常に高
くなり、また熱交換器の軸方向の等価熱伝導率は、低熱
伝導性材が主体となるため極めて小さく設定する事がで
きる。内管は高熱伝導性材であるが、２重のらせんに巻
いであるために長さを非常に大きくとることができ、低
温部への熱侵入は極めて小さい１両流体間の伝熱面はら
せん状に設置された銅パイプ壁面が相当するが十分な伝
熱面積を与えることが可能である。また高圧側流体は銅
パイプ内を流れるため両流体の混合は全く発生せず、低
圧側流体が外管を流れるため、気密、チューブの強度に
ついても全く不具合は生じない、したがって信頼性が高
い。

第３図は本発明による熱交換器を極低温冷凍機に設置し
た場合の構成例を示すものであって円筒形蓄冷器２０を
有するギフオードマクマホン形冷凍装置２１と、極低温
発生装置２２と、流体駆動機構２３とを有して形成され
ている。

上記円筒形蓄冷器２０は、８０にレベル部２０ａと２０
にレベル２０ｂとを有し、両レベル部２０ａ　、　２０
ｂの外周面にはこれを囲むようにらせん状熱交換器２４
ａ、　２４ｂがそれぞれ設置されている。上記８０にレ
ベル部２０ａに形成される冷却部２５８の外周面には銅
パイプ２６ａが巻回され、また２０にレベル部２０ｂに
形成される冷却部２５ｂの外周面には銅パイプ２６ｂが
巻回されている。

上記極低温冷凍機ｖ！２２は、ジュールトムソン弁２７
と熱交換器２８とを管路２９で接続して構成され、管路
２９のジュールトムソン弁２７側の端を銅パイプ２６ｂ
の端に接続し、管路２９の他端を熱交換器２４ｂの一端
側に接続し、銅パイプ２６ｂを通過したへりラムガス冷
媒をジュールトムソン弁２７で膨張させるようにしてい
る。

上記流体駆動機構２３は、駆動モータ２９およびコンプ
レッサ３０を有し、コンプレッサ３０で圧縮された高温
高圧のヘリウムガスを、管路を介して熱交換器２４ａへ
導くようにしている。

なお第１図中冷媒の流れ方向は矢示する方向であり、こ
の場合高圧ガスは実線で、低圧ガスは鎖線で示されてい
る。

このように、本発明のらせん状の熱交換器を用いると、
その内側に蓄冷器を配置することができるので、それら
の部分を狭いスペースに収容することができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、らせん状熱交換器は
流路方向に強い温度勾配を維持しつつ良好な熱伝達状況
を保持し、熱交換する２流路間の混合の発生のおそれが
全くなく、したがって熱交換器としての信頼性は高くな
るという効果を奏する。

また、円筒形蓄冷器を囲むようにらせん状熱交換器を設
けることができるのでスペース利用率が高く、かつ７メ
冷器の強度増強にも有効であるとともに熱交換器の支持
具を別に設ける必要なくしたがって配管にも無理な力の
作用することがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による熱交換器の要部を示す図、第２図
は熱交換器のガス出入口部を示す図、第３図は本発明に
よる熱交換器を組込んだ極低温冷凍機の概略図、第４図
は従来のＭ層形熱交換器の構成を示す図、第５図は同積
層形熱交換器の全体図である。 ３２・・・外側らせん管　　　３３・・・内側らせん管
３４・・・高圧流体　　　　　３５・・・低圧流体代理
人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　三俣弘文 第　　１　図 第　　３　図 第　　４　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、低熱伝導性材料で構成されるらせん管内に、高熱伝
   導性材料で構成される二重らせん管を設けた事を特徴と
   する熱交換器。 ２、高熱伝導性材の内側らせん管内を高圧の流体が流れ
   、低熱伝導性材の外側らせん管内でかつ上記内側らせん
   管の外側を低圧の流体が流れる事を特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の熱交換器。