JPH0349020B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はヘリウム冷凍機に係り、特に蓄冷器式
膨張機と熱交換器より構成される蓄冷器式のヘリ
ウム冷凍機に関する。

〔発明の背景〕

従来のヘリウム冷凍機、特に4.5Kにおける冷
凍能力が10W以下の小容量のものにおいては蓄冷
器式膨張機と熱交換器を組合わせたものが一般で
あつた。その代表的な構成を第１図、第２図によ
つて説明する。

第１図で、１は圧縮機（図示せず）から供給さ
れる高圧ヘリウムガスを膨張させて寒冷を発生さ
せる膨張機、２は高圧ガス供給管、３は膨張後の
ガスを圧縮機にもどすためのガス戻し管、４は第
１段膨張機、５は第２段膨張機、６は第１熱交換
器、７は第２熱交換器、８は第３熱交換器、９は
ジユール・トムソン弁（膨張弁でもよい）、１０
は第１コールドステーシヨン、１１は第２コール
ドステーシヨン、１２はふく射シールド、１３は
凝縮熱交換器、１４は液体ヘリウム容器、１５は
真空保冷槽、１６は高圧ガス供給管、１７は低圧
ガス戻し管である。このようなヘリウム冷凍機
は、米国特許第4277949号明細書等で開示されて
いる。

また、第１熱交換器６を例にとつて熱交換器の
構造について説明すると、第２図で、１８は高熱
伝導材（例えば銅、アルミニウム等）の多孔伝熱
板と低熱伝導材（例えばプラスチツク等）のスペ
ーサを交互に積重ねて接着した積層体、１９，２
０はヘツダー、２１は積層体１８を収納するベツ
セル、２２，２３は積層体１８とベツセル２１の
長手方向収縮量の差を吸収するためのベロー、２
４，２５は通気孔、２６，２７は空間、２８は低
圧ガスのバイパス流れを防止するシール材、２９
は高圧ガス管、３０は低圧ガス管である。このよ
うな熱交換器は、実開昭57−127172号公報に開示
されている。

次に、このようなヘリウム冷凍機の動作、作用
について説明すると、膨張機１は高圧ガス供給管
２から高圧ヘリウムガスの供給を受けて断熱膨張
させ、それによつて寒冷を発生させ、第１コール
ドステーシヨン１０及び第２コールドステーシヨ
ン１１を低温にする。断熱膨張したガスはガス戻
し管３から圧縮機にもどる。

一方、高圧ガス供給管１６から供給された高圧
ガスは第１熱交換器６を通つてくる間に対向して
流れる低圧流路のガスと熱交換して温度降下し、
第１コールドステーシヨン１０に送られる。ここ
で、第１段膨張機４の寒冷発生によつて冷却さ
れ、温度降下して第２熱交換器７に入る。第２熱
交換器７を通る間にも対向して流れる低圧流路の
ガスと熱交換して温度降下し、第２コールドステ
ーシヨン１１に送られる。ここで、第２段膨張機
５の寒冷発生によつてさらに冷却され、温度降下
して第３熱交換器８に入る。第３熱交換器８を通
る過程でも同様に対向して流れる低圧ガスと熱交
換して温度降下し、最終的に10K以下になつてジ
ユール・トムソン弁９に至る。ジユール・トムソ
ン弁９を通過するとき低温・高圧のヘリウムガス
は断熱膨張して低温、低圧となりジユール・トム
ソン効果によつて液化する。

液化したあと、気液混入の流体は凝縮熱交換器
１３に入り、ここで、液体ヘリウム容器１４の中
の気化ガスと熱交換し、管外で気化ガスを再凝縮
させると同時に自身は管内で気化して第３熱交換
器８、第２熱交換器７、第１熱交換器６の低圧ガ
ス流路を順次通り、対向して流れる高圧ガスを冷
却しながら自身は温度上昇し、最終的には常温に
なつて低圧ガス戻し管１７を経て圧縮機にもど
る。

また真空保冷槽１５の内側は定常運転時には
10^-6Torr以下の真空圧力に保持され、外部から
低温部へのガス対流による熱侵入を低減する作用
を行なう。ふく射シールド１２は同様に常温の真
空保冷槽１５の壁面から低温部へのふく射による
熱侵入を低減する作用を行なうもので、第１段膨
張機４の低温端及び第１熱交換器６の低温部、ま
たは第１熱交換器６〜第２熱交換器７の間の配管
等々に接触させることによつて冷却するのが一般
である。

このような従来のヘリウム冷凍機には次のよう
な欠点があつた。すなわち、複数の熱交換器間、
及び熱交換器〜膨張機間を連絡する配管が複雑で
あるために製作費が高くなるうえ、配管の接続個
所が多くなるのでガスリークを発生する機会が増
して信頼性が低下するという欠点があつた。特に
小容量のヘリウム冷凍機においては、このような
欠点は致命的なものとなる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は熱交換器間及び熱交換器〜膨張
機間を連絡する配管をなくし、構造が簡単で信頼
性の高いヘリウム冷凍機を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、高圧ヘリウムガスを断熱膨張させる
ことによつて寒冷を発生する膨張機と、膨張機と
は離して設けられ戻りの低圧ヘリウムガスと高圧
ヘリウムガスとの流路が形成された中間ヘツダー
を介して複数個が接続された熱交換器とを有する
ヘリウム冷凍機において、膨張機の寒冷発生部と
熱交換器の中間ヘツダーとを可撓性の熱連絡体を
介して連結することにより、熱交換器間及び熱交
換器と膨張機との間を連絡する配管をなくして、
構造を簡単にするとともに信頼性を高くしたもの
である。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第３図により説明す
る。まず、構成について説明すると、３１は膨張
機、３２は圧縮機（図示せず）から供給される膨
張機３１への高圧ガス供給管、３３は膨張後の低
圧ガスを圧縮機にもどすためのガス戻し管、３４
は第１段膨張機、３５は第２段膨張機、３６は第
１熱交換器、３７は第２熱交換器、３８は第３熱
交換器、３９はジユール・トムソン弁、４０は第
１コールドステーシヨン、４１は第２コールドス
テーシヨン、４２はふく射シールド、４３は凝縮
熱交換器、４４は液体ヘリウム槽、４５は真空保
冷槽、４６は第１熱交換器３６への高圧ガス供給
管、４７は第１熱交換器３６から圧縮器への低圧
ガス戻し管、４８は第１熱交換器３６の常温側ヘ
ツダー、４９，５０は熱交換器間に設けた中間ヘ
ツダー、５１は第３熱交換器３８の低温側ヘツダ
ー、５２は第１コールドステーシヨン４０と中間
ヘツダー４９を結ぶ熱連絡体、５３は第２コール
ドステーシヨン４１と中間ヘツダー５０を結ぶ熱
連絡体である。

次に作用について説明すると、高圧ガス供給管
４６に送られた常温、高圧のガスは常温側ヘツダ
ー４８を経て第１熱交換器３６に送られる。第１
熱交換器３６を通過する過程で対向して流れる低
圧ガスで冷却され、温度降下して中間ヘツダー４
９に入る。中間ヘツダー４９は熱連絡体５２を介
して第１段膨張機３４の発生寒冷によつて冷却さ
れているので、高圧ガスは中間ヘツダー４９を通
過する際に温度降下して第２熱交換器３７に入
る。第２熱交換器３７でも同様に対向して流れる
低圧ガスが冷却され、温度降下して中間ヘツダー
５０に送られる。中間ヘツダー５０は熱連絡体５
３を介して第２段膨張機３５の発生寒冷によつて
冷却されているので、ここでも高圧ガスは冷却さ
れて第３熱交換器３８に入り、対向して流れる低
圧ガスで冷却され、最終的には10K以下になつて
ジユール・トムソン弁３９に至る。ジユール・ト
ムソン弁３９を通過するときに低温・高圧のヘリ
ウムガスは断熱膨張して低温・低圧になり、ジユ
ール・トムソン効果によつて液化する。

液化した後、凝縮熱交換器４３に入り、ここで
液体ヘリウム容器４４の中の気化ガスを再凝縮さ
せると同時に自身は気化して第３熱交換器３８、
第２熱交換器３７、第１熱交換器３６の低圧流路
を通り、対向して流れる高圧ガスを冷却しながら
自身は昇温し、最終的に常温になつて低圧ガス戻
し管４７を経て圧縮機にもどる。

本実施例における特徴は３つの熱交換器を２つ
の中間ヘツダーを介して一体化することにより、
配管を極力少なくしたことであり、さらに別の特
徴は膨張機〜熱交換器管の熱の授受において表面
にアルミ蒸着してふく射伝熱よる熱侵入を防いだ
銅網帯のようなフレキシブルな熱連絡体を用いる
ことにより、膨張機系統と熱交換器系統の間を連
絡するヘリウムガス配管をなくしたことである。

本実施例によれば、複数の熱交換器を中間ヘツ
ダーを介して接続し、膨張機の寒冷発生部と熱交
換器の中間ヘツダーとを可撓性の熱連絡体を介し
て連結しているので、熱交換器間及び膨張機と熱
交換器との間を連結するガス配管がなくなるとと
もに、可撓性の熱連絡体によつて膨張機の寒冷発
生部と熱交換器の中間ヘツダーとの間を簡単に連
結できるので構造が簡単になり、また、配管の接
続不良等に起因するガス洩れ等もなくなり信頼性
が向上するという効果がある。

第４図は本発明の他の実施例を示すもので第１
熱交換器３６の具体的な構造について説明すると
５４は外筒部、５５は多孔伝熱板とスペーサを交
互に積重ねて接着した積層体、５６は外筒部の一
部に接続されたベロー、５７，５８はガス通気孔
である。

この場合は積層体５５と外筒部５４の長手方向
収縮量の差を前記ベロー５６で吸収する。

本実施例によれば、外筒部５４の一部にベロー
５６を接続するだけでよいから第２図に示す従来
例に比して構造が簡単になるうえ、低圧ガス配管
も直接ヘツダー４８に接合するので低圧ガスのバ
イパス流れを生ずることがないという効果があ
る。

第５図は本発明のさらに他の実施例を示すもの
で、第１膨張機３４の第１コールドステーシヨン
と第１熱交換器３６と第２熱交換器３７の中間ヘ
ツダーを結ぶ熱連絡体５２及び第２コールドステ
ーシヨンと第２熱交換器３７と第３熱交換器３８
の中間ヘツダーを結ぶ熱連絡体５３をそれぞれコ
ールドステーシヨンや中間ヘツダーの周りに固定
するため止金具６１，６２，６３，６４を分割形
にしたことにより、膨張機と熱交換器群を別々に
組立てた後、熱連絡体５２，５３を単独に取付け
たり、取外すことができるので組立作業が容易に
なるという効果がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、複数の熱交換器を中間ヘツダ
ーを介して接続し、膨張機の寒冷発生部と熱交換
器の中間ヘツダーとを可撓性の熱連絡体で連結す
ることによつて、熱交換器間及び熱交換器と膨張
機との間を連結する配管をなくすことができると
ともに、膨張機の寒冷発生部と熱交換器の中間ヘ
ツダーとの間を簡単に連結できるので、構造を簡
単にできるうえ、配管接続部の減少によつて信頼
性が向上するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の蓄冷器式のヘリウム冷凍機の構
成を示すシステム系統図、第２図は従来のヘリウ
ム冷凍機に適用されている積層熱交換器の断面
図、第３図は本発明による蓄冷器式のヘリウム冷
凍機の構成の一実施例を示すシステム系統図、第
４図は本発明によるヘリウム冷凍機の他の実施例
を示す一体形積層熱交換器の部分断面図、第５図
は本発明によるヘリウム冷凍機の更に他の実施例
を示す膨張機と熱交換器を結ぶ熱連絡体の取付状
態側面図である。 ３１……膨張機、４０……第１コールドステー
シヨン、４１……第２コールドステーシヨン、３
６……第１熱交換器、３７……第２熱交換器、３
８……第３熱交換器、４９，５０……中間ヘツダ
ー、５２，５３……熱連絡体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高圧ヘリウムガスを断熱膨張させることによ
   つて寒冷を発生する膨張機と、前記膨張機とは離
   して設けられ戻りの低圧ヘリウムガスと高圧ヘリ
   ウムガスとの流路が形成された中間ヘツダーを介
   して複数個が接続された熱交換器と、該熱交換器
   によつて冷却された高圧ヘリウムガスを断熱膨張
   させて液化に導く膨張弁とを有して成り、前記膨
   張機の寒冷発生部と前記熱交換器の中間ヘツダー
   とを可撓性の熱連絡体を介して連結したことを特
   徴とするヘリウム冷凍機。 ２ 前記熱連絡体は少なくとも前記膨張機の寒冷
   発生部または前記熱交換器の中間ヘツダーのいづ
   れかに着脱可能に連結した特許請求の範囲第１項
   記載のヘリウム冷凍機。