JPH0222871B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、スターリング、ギフオード・マクマ
ホン等の20K以下の冷凍を得る超低温冷凍機シス
テムの熱交換器に関し、超伝導磁石、ジヨセフソ
ン素子、あるいはクライオポンプの吸着パネルの
冷却用として利用される。

〔従来技術〕

圧縮空間、冷却器、蓄冷器および膨張空間を順
次連通させている冷凍機を複数個配し、前記蓄冷
器と前記膨張空間との間に前記各冷凍機が相互に
共有する熱交換器を設けて向流型熱交換器を形成
させている超低温冷凍機システムを第１図に示
す。かかる形式の超低温冷凍機システムは公知で
あり、特公昭43−10942号および実開昭56−88059
号に記載されている。前記超低温冷凍機システム
について第１図に基づいて説明する。圧縮シリン
ダー１と圧縮ピストン２により形成される圧縮空
間３は、冷却器４、蓄冷器５を通り第１膨張空間
７と熱交換器６に連通し、さらに前記熱交換器６
は、第２膨張空間８へ連通している。この様にし
て圧縮空間３、冷却器４、蓄冷器５、第１膨張空
間７、熱交換器６、そして第２膨張空間８から冷
凍回路は構成され、作動ガスとして冷凍回路内に
はヘリウムガスが封入されている。圧縮ピストン
２にはロツド１４が連結され、さらに圧縮ピスト
ン２の外周の一部には、ガス封止のためのシール
９が設けられ、そしてロツド１４の外壁上の一部
にもガス封止のためのシール１０が設置されてい
る。

第１膨張空間７、第２膨張空間８は凸型を呈す
る膨張シリンダー１７、膨張ピストン１６によつ
て形成される。膨張ピストン１６の各段の外周上
には、第１、２膨張空間７，８内のガス封止のた
めのシール１１，１２が設置されている。また、
膨張ピストン１６にはロツド１５が連絡され、ロ
ツド１５の外壁上の一部には、ガス封止のための
シール１３が設置されている。ロツド１４，１５
は図示されていない往復駆動機構（例えばクラン
ク）に連結され、破線で示された冷凍機Ａと冷凍
機Ｂとは、ほぼ180度の位相差（即ち、冷凍機Ａ
の膨張ピストン１６および圧縮ピストン２に対し
て、ほぼ180度の位相差をもつて運動している。）
をもつて駆動されている。

冷凍機Ａの作用を説明する。

圧縮空間３内の作動ガス（ヘリウムガス）は圧
縮ピストン２により圧縮された後、冷却器４で約
20Kに冷却され、蓄冷器５に流入する。蓄冷器５
に流入した作動ガスはさらに冷却され、第１膨張
空間７および熱交換器６へと流入する。第１膨張
空間７に入つた作動ガスは膨張ピストン１６によ
り膨張され、約10Kの温度の冷凍を発生する。と
ころで熱交換器６に流入した作動ガスは、冷凍機
Ｂの熱交換器６内を蓄冷器５の方向に流れる作動
ガスによつて冷却され、第２膨張空間８へ流入
し、膨張ピストン１６により膨張され、約4Kの
温度の冷凍を発生する。第２膨張空間８で膨張し
終つた作動ガスは、前記膨張ピストン１６の圧縮
により、熱交換器６へ流入すると、冷凍機Ｂの熱
交換器６内を第２膨張空間８の方向に流れている
作動ガスによつて、熱を与えられ温度が高めら
れ、蓄冷器５へ流入する。第１膨張空間７で膨張
し終つた作動ガスは、膨張ピストン１６の圧縮に
より蓄冷器５へ流入する。蓄冷器５へ冷入した作
動ガスは温められて冷却器４へ流入し、さらに圧
縮空間３流入する。この様にして冷凍機Ａは、１
サイクルを形成する。

冷凍機Ｂの作用は、冷凍機Ａよりほぼ180度の
位相差をもつて駆動されている点を除いては冷凍
機Ａと同様である。

第１図に示す超低温冷凍機システムに用いる熱
交換器６について、特公昭43−10942号では具体
的な構造は何も示していないが、実開昭56−
88059号では、第２図、第３図、および第４図に
示す構造が記載されている。

以下、従来の超低温冷凍機の熱交換器について
第２図に基づいて説明する。プレート１０１は、
連通孔１０２，１０３を有し、連通孔１０２，１
０３はそれぞれ冷凍機Ａ及びＢの蓄冷器５に連通
している。プレート１０１は、熱伝導率の悪い部
材１０４（第３図参照）が気密に固着されて部材
１０４の上には多数個の孔を有する熱伝導率の良
い部材１０５（第４図参照）が気密に固着されて
いる。この様に部材１０４と部材１０５を交互に
積み重ね気密に固着せしめ、最後の部材１０４の
上に連通孔１０７，１０８を有するプレート１０
６が気密に固着されている。連通孔１０７，１０
８は、それぞれ冷凍機ＡおよびＢの第２膨張空間
８に連通されている。

〔従来技術の問題点およびその技術的分析〕

第２図に示す従来の熱交換器６では、熱伝導の
良い部材１０５の材料としてアルミニウム、熱伝
導の悪い部材１０４の材料として、エポキシ・グ
ラスフアイバー等のFRPが用いられ、両者の間
をエポキシ系の接着剤で接合していた。

一般に、ヘリウム等の質量数の小さい気体に対
して気密性を得ることはむずかしく、しかも第２
図の構造では接着箇所が通常500〜1000程度にも
のぼり、すべての接着箇所に気密性を得ることは
極めて困難である。さらに、当初気密性が得られ
ていても、冷凍機の運転・休止のたびに室温から
4Kまでの熱サイクルを受けるため、使用中に気
密性を失なうことが頻繁に生ずる。

従つて、熱伝導の悪い部材１０４と熱伝導の良
い部材１０５で形成される、冷凍機Ａと冷凍機Ｂ
の作動ガスの境界壁が気密性を失ない連通する。
本来、冷凍機Ａと冷凍機Ｂは180度の位相差を持
つているため、例えば、冷凍機Ａの作動ガスの圧
力が最大のとき、冷凍機Ｂの作動ガスの圧力は最
低になつており、また、冷凍機Ａの作動ガスの圧
力が最低のとき、冷凍機Ｂの作動ガスの圧力は最
大になる。このため、冷凍機Ａと冷凍機Ｂの作動
ガスの境界壁が連通している場合、冷凍機Ａと冷
凍機Ｂの作動ガスの圧力の差が小さくなり、各冷
凍機Ａ，Ｂの最大圧力と最低圧力が接近し、従つ
て圧縮比が小さくなり、冷凍出力が低下ることに
なる。

また、熱伝導の良い部材１０５の孔は通常フオ
トエツチングで明けられるが、孔の直径は板厚よ
り小さくすることは不可能なため、孔はあまり多
く明けられなく、従つて伝熱面積が限られてしま
う。このため、熱交換器６の熱交換効率が低下
し、この非効率分は冷凍出力によつて補われるの
で、有効な冷凍出力が低下することになる。

〔技術的課題〕

そこで本発明は、熱交換器６において冷凍機Ａ
の作動ガスと冷凍機Ｂの作動ガスの境界において
信頼性の高い気密性が容易に得られることを技術
的課題とする。

また本発明は熱交換器６の伝熱面積を大きくす
ることを技術的課題とする。

〔従来的手段〕

上記の技術的課題を達成するために講じた技術
的手段は、熱交換器６の内部に、作動ガスの流れ
方向に貫通する薄い側壁を設け、この側壁の両面
に接して作動ガスの流れ方向に垂直な姿勢で金網
を積層し、側壁と金網を拡散接合することであ
る。

〔技術的手段の作用〕

上記技術的手段は次のように作用する。冷凍機
Ａの作動ガスが第１蓄冷器５から熱交換器６へ流
入すると、冷凍機Ａの作動ガスが冷凍機Ａ側の金
網、側壁、そして冷凍機Ｂ側の金網を介して、冷
凍機Ｂの熱交換器６内を蓄冷器５の方向に流れる
作動ガスによつて冷却され、第２膨張空間に流入
する。逆に、冷凍機Ａの作動ガスが第２膨張空間
から熱交換器６へ流入すると、冷凍機Ａの作動ガ
スが冷凍機Ａ側の金網、側壁、そして冷凍機Ｂ側
の金網を介して、冷凍機Ｂの熱交換器６内を第２
膨張空間の方向に流れる作動ガスによつて加熱さ
れ、蓄冷器５に流入する。

〔本発明によつて生じた特有の効果〕

本発明は、次の特有の効果を生ずる。側壁が作
動ガスの流れ方向に貫通して、冷凍機Ａの作動ガ
スと冷凍機Ｂの作動ガスを分離しているため、両
者の間の気密性が容易に得られ、しかも運転・休
止に伴なう熱サイクルによつて気密性を失なうこ
とがない。

また、金網は通常、熱伝導の良いタフピツチ銅
等の材質が用いられるが、この材質に対して、
100メツシユ（線径0.11mm；ピツチ0.25mm）程度
のものが容易に得られるため、従来の多孔板（第
４図、熱伝導の良い部材１０５）と比較して数倍
の伝熱面積を得ることができる。

このような形式の熱交換器６において、従来の
熱交換器６のような、熱絶縁物（第３図、熱伝導
の悪い部材１０４）を使用していないため、熱交
換器６の高温部から低温部へ伝導による熱侵入が
心配になる。この熱侵入の可能性として、側壁の
伝導によるものと積層金網を貫く伝導によるもの
の２つが考えられる。

まず、側壁の熱伝導による熱侵入については、
側壁の肉厚を極力薄くすることで小さくすること
ができ、同時に冷凍機Ａの作動ガスと冷凍機Ｂの
作動ガスの熱交換効率も向上させることができ
る。しかも、極力薄くした側壁を用いても、側壁
の材質を熱伝導率の高い材料（タフピツチ銅等）
とすると、冷凍機Ａの作動ガスと冷凍機Ｂの作動
ガスの間の熱交換効率は良くなるが、熱交換器６
の高温部から低温部への熱侵入量が大きくなり過
ぎる。逆に、側壁の材質を熱伝導率の低い材料
（SUS304等）とすると、熱交換器６の高温部か
ら低温部への熱侵入量はほぼ完全に抑えることが
できるが、冷凍機Ａの作動ガスと冷凍機Ｂの作動
ガスの熱交換効率がかなり低下する。そこで、側
壁の材質を中程度の熱伝導率を有する材料（リン
脱酸銅・工業用純チタン等）とすれば、熱交換器
６の高温部から低温部への熱侵入量を十分に抑え
ながら、かつ冷凍機Ａの作動ガスと冷凍機Ｂの作
動ガスの熱交換効率も十分に高くすることができ
る。

次に、積層金網を貫く熱伝導による熱侵入につ
いては、金網を積層した場合の接触面積は非常に
小さく、従つて熱侵入量も非常に小さい。

〔第１の実施例〕 以下、上記技術的手段の一具体例を示す第１の
実施例について、第５図および第６図を参照して
説明する。連通孔１０７は冷凍機Ａ側の第２膨張
空間８に接着し、連通孔１０２は冷凍機Ａ側の蓄
冷器５に接着する。連通孔１０８は冷凍機Ｂ側の
第２膨張空間８に接続し、貫通孔１０３は冷凍機
Ｂ側の蓄冷器５に接続する。側壁２０２は薄肉円
管の形状を有し、熱交換器６の上下を貫通してい
る。側壁２０２の内外両面に接して、金網２０
４，２０５が積層され、側壁２０２と金網２０
４，２０５は拡散接合される。ハウジング２０３
によつて熱交換器６の外壁が形成される。キヤツ
プ２０１は冷凍機Ａの作動ガスの流路を形成す
る。

第５図および第６図に示す実施例の作用につい
て説明する。冷凍機Ａの作動ガスが蓄冷器５から
連通孔１０２およびキヤツプ２０１を通つて金網
２０４の積層部に流入する。同時に、冷凍機Ｂの
作動ガスが第２膨張空間８から連通孔１０８を通
り金網２０５の積層部分に流入する。このとき、
冷凍機Ａの作動ガスの温度は10K程度、冷凍機Ｂ
の作動ガスの温度は4K程度であるため、金網２
０４，２０５と側壁２０２を介して、効率良く熱
交換が行われる。冷凍機Ａの作動ガスは冷却され
て、キヤツプ２０１および連通孔１０７を通つて
第２膨張空間８に流入する。劣凍機Ｂの作動ガス
は加熱されて、連通孔１０３を通つて蓄冷器５に
流入する。

冷凍機Ａの作動ガスが第２膨張空間８から連通
孔１０７、キヤツプ２０１を通り、金網２０４の
積層部分に流入する。同時に、冷凍機Ｂの作動ガ
スが蓄冷器５から連通孔１０３を通り、金網２０
５の積層部分に流入する。このとき、冷凍機Ａの
作動ガスの温度は4K程度、冷凍機Ｂの作動ガス
の温度は10K程度であるため、金網２０４，２０
５と側壁２０２を介して、効率良く熱交換が行な
われる。冷凍機Ａの作動ガスは加熱されて、キヤ
ツプ２０１および連通孔１０２を通り、蓄冷器５
に流入する。冷凍機Ｂの作動ガスは冷却されて、
連通孔１０８を通つて第２膨張空間８に流入す
る。

〔第２の実施例〕 次に、本発明の技術的手段の一具体例を示す第
２の実施例ついて第７図、第８図を参照して説明
する。連通孔１０７は冷凍機Ａ側の第２膨張空間
８に接続し、連通孔１０２は冷凍機Ａ側の蓄冷器
５に接続する。連通孔１０８は冷凍機Ｂ側の第２
膨張空間８に接続し、連通孔１０３は冷凍機Ｂ側
の蓄冷器５に接続する。側壁３０２は４本の薄肉
円管の形状を有し、熱交換器６の上下を貫通して
いる。側壁３０２の内外両面に接して、金網３０
４，３０５が積層され、側壁３０２と金網３０
４，３０５は拡散接合される。ハウジング３０３
につて熱交換器６の外壁が形成される。キヤツプ
３０１は冷凍機Ａの作動ガスの流路を形成する。

第７図および第８図に示す実施例の作用につい
て説明する。冷凍機Ａの作動ガスが蓄冷器５から
連通孔１０２およびキヤツプ３０１を通つて金網
３０４の積層部に流入する。同時に、冷凍機Ｂの
作動ガスが第２膨張空間８から連通孔１０８を通
り金網３０５の積層部分に流入する。このとき、
冷凍機Ａの作動ガスの温度は10K程度、冷凍機Ｂ
の作動ガスの温度は4K程度であるため、金網３
０４，３０５と側壁３０２を介して、効率良く熱
交換が行なわれる。冷凍機Ａの作動ガスは冷却さ
れて、キヤツプ３０１および連通孔１０７を通つ
て第２膨張空間８に流入する。冷凍機Ｂの作動ガ
スは加熱されて、連通孔１０３を通つて蓄冷器５
に流入する。

冷凍機Ａの作動ガスが第２膨張空間８から連通
孔１０７、キヤツプ３０１を通り、金網３０４の
積層部分に流入する。同時に、冷凍機Ｂの作動ガ
スが蓄冷器５から連通孔１０３を通り、金網３０
５の積層部分に流入する。このとき、冷凍機Ａの
作動ガスの温度は4K程度、冷凍機Ｂの作動ガス
の温度は10K程度であるため、金網３０４，３０
５と側壁３０２を介して、効率良く熱交換が行な
われる。冷凍機Ａの作動ガスは加熱されて、キヤ
ツプ３０１および連通孔１０２を通り、蓄冷器５
に流入する。冷凍機Ｂの作動ガスは冷却されて、
連通孔１０８を通つて第２膨張空間８に流入す
る。

〔第３の実施例〕 次に、本発明の技術的手段の一具体例を示す第
３の実施例によいて第９図を参照して説明する。
圧縮シリンダー１と圧縮ピストン２により形成さ
れる圧縮空間３は、冷却器４、熱交換器６および
膨張空間８に連通している。この様にして圧縮空
間３、冷却器４、熱交換器６、そして膨張空間８
から冷凍回路は構成され、作動ガスとして冷凍回
路内にはヘリウムガスが封入されている。圧縮ピ
ストン２にはロツド１４が連結され、さらに圧縮
ピストン２の外周の一部には、ガス封止のための
シール９が設けられ、そしてロツド１４の外壁上
の一部にもガス封止のためのシール１０が設置さ
れている。

膨張空間８は膨張シリンダー１７、膨張ピスト
ン１６によつて形成される。膨張ピストン１６の
外周上には、膨張空間８内のガス封止のためのシ
ール１２が設置されている。また、膨張ピストン
１６にはロツド１５が連結され、ロツド１５の外
壁上の一部には、ガス封止のためのシール１３が
設置されている。ロツド１４，１５は図示されて
いない往復駆動機構（例えばクランク）に連結さ
れ、破線で示された冷凍機Ａと冷凍機Ｂとは、ほ
ぼ180度の位相差（即ち、冷凍機Ａの膨張ピスト
ン１６および圧縮ピストン２に対して、ほぼ180
度位相差をもつて運動している。）をもつて駆動
されている。

冷凍機Ａの作用を説明する。

圧縮空間３内の作用ガス（ヘリウムガス）は圧
縮ピストン２により圧縮された後、冷却器４で約
20Kに冷却され、熱交換器６に流入する。熱交換
器６に流入した作動ガスは、冷凍機Ｂの熱交換器
６内を冷却器４の方向に流れる作動ガスによつて
冷却され、膨張空間８へ流入し、膨張ピストン１
６により膨張され、約4Kの温度の冷凍を発生す
る。膨張空間８で膨張し終つた作動ガスは、前記
膨張ピストン１６の圧縮により、熱交換器６へ流
入すると、冷凍機Ｂの熱交換器６内を膨張空間８
の方向に流れている作動ガスによつて、熱を与え
られ温度が高められ、冷却器４へ流入し、さらに
圧縮空間３へ流入する。この様にして冷凍機Ａは
１サイクルを形成する。

冷凍機Ｂの作用は、冷凍機Ａよりほぼ180度の
位相差をもつて駆動されている点を除いては冷凍
機Ａと同様である。

この様な超低温冷凍機システムに対しても、本
発明の熱交換器６（例えば、第５図に示す第１の
実施例、第７図に示す第２の実施例）を使用でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は超低温冷凍機システム示す説明図、第
２図は従来の熱交換器を示す説明用断面図、第３
図は第２図における部材１０４の説明用平面図、
第４図は第２図における部材１０５の説明用平面
図、第５図は本発明の熱交換器の一具体例を示す
第１の実施例の説明用断面図、第６図は第５図の
−横断面図、第７図は本発明の熱交換器の一
具体例を示す第２の実施例の説明用断面図、第８
図は第７図の−横断面図、そして第９図は本
発明の熱交換器を用いることができる、第１図と
は別の超低温冷凍機システムを示す説明図であ
る。 ３……圧縮空間、４……冷却器、５……蓄冷
器、８……膨張空間、Ａ，Ｂ……冷凍機、６……
熱交換器、２０２，３０２……側壁、２０４，２
０５，３０４，３０５……金網。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧縮空間、冷却器、蓄冷器および膨張空間を
   順次連通させている冷凍機を複数個配し、前記蓄
   冷器と前記膨張空間との間に前記冷凍機が相互に
   共有する熱交換器を設けて向流型熱交換器を形成
   させている超低温冷凍機システムにおいて、前記
   熱交換器を、側壁が前記各冷凍機の作動ガスの流
   れ方向に貫通し、前記側壁の両面に接して作動ガ
   スの流れ方向に垂直な姿勢で金網を積層し、前記
   側壁と金網を接合することによつて構成した超低
   温冷凍機システムの熱交換器。 ２ 圧縮空間、冷却器および膨張空間を順次連通
   させている冷凍機を複数個配し、前記冷却器と前
   記膨張空間との間に前記冷凍機が相互に共有する
   熱交換器を設けて向流型熱交換器を形成させてい
   る超低温冷凍機システムにおいて、前記熱交換器
   を、側壁が前記各冷凍機の作動ガスの流れ方向に
   貫通し、前記側壁の両面に接して作動ガスの流れ
   方向に垂直な姿勢で金網を積層し、前記側壁と金
   網を接合することによつて構成した超低温冷凍機
   システムの熱交換器。