JPH05223393A - 熱伝達装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】冷凍サイクルを大型化することなく、高効率で
運転することができるようにする。 【構成】筒状の外槽７２の内部に筒状の内槽７１Ａ，７
１Ｂ，７１Ｃが複数ほぼ円周上に配設され、上記外槽７
２の一端に配設されたＪ−Ｔ膨張弁３９から冷媒が供給
される。冷媒は上記各内槽７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃによ
って包囲された中央空間に向けて供給され、各内槽７１
Ａ，７１Ｂ，７１Ｃ内の被冷却物を間接的に冷却する。
上記内槽７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃの表面において径方向
外方に突出してフィン８２が形成され、該フィン８２
は、上記中央空間側の部分の突出量を上記Ｊ−Ｔ膨張弁
３９から離れた位置にあるものほど多くしてある。した
がって、内槽７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃは、外槽７２の一
端から他端にかけて均一に冷却され、かつ、均一な温度
に保たれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱伝達装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば密閉容器内に筒状体を配設
し、該筒状体内の固体、流体、流動体等の被冷却物を冷
却媒体によって冷却する熱伝達装置においては、上記密
閉容器内に冷却媒体を供給して上記筒状体の表面に接触
させ、筒状体の壁を介して熱伝達を行うようになってい
る。

【０００３】この場合、上記筒状体の壁における熱伝達
効率を向上させるため、壁の表面には冷却媒体との接触
面積を増大させるためのフィンが設けられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の熱伝達装置においては、密閉容器内に筒状体が配設
されているため、筒状体の内部を効率的に冷却すること
ができず、大量の冷却媒体を必要とする。すなわち、筒
状体と密閉容器間の環状空間に冷却媒体を供給する場
合、冷却媒体を筒状体の横方向から供給すると、冷却媒
体が当たる部分のみが冷却され、他の部分が冷却され
ず、筒状体の全体を冷却することができない。

【０００５】そこで、密閉容器の一端に冷却媒体を供給
し、筒状体に沿って流して熱伝達を行わせた後、密閉容
器の他端から排出するようにしている。この場合、冷却
媒体は筒状体の全体を冷却することができ、全体の熱伝
達効率が向上する。ところが、この場合も冷却媒体が供
給される密閉容器の一端側においては、冷却媒体による
冷却能力が高いが、他端側に流れるにつれて次第に温度
が上昇したり気化したりして冷却能力が低下し、筒状体
の全体にわたって均一な冷却を行うことができない。し
たがって、冷却むらが発生し、筒状体の全体を冷却する
までに長い時間がかかるだけでなく、冷却効率が低下
し、しかも、冷却媒体の使用量が増加してしまう。

【０００６】したがって、例えば、超電導モータにおい
ては超電導マグネット部分を極低温に冷却するための冷
凍装置が配設されているが、上記熱伝達装置を冷凍装置
に採用した場合、冷凍装置が大型化してしまうだけでな
く、冷凍サイクルの効率が低下し、超電導マグネット部
分を十分に冷却することができない。しかも、冷媒の使
用量が増加して冷媒槽も大型化してしまう。

【０００７】本発明は、上記従来の熱伝達装置の問題点
を解決して、冷却効率を向上することができ、冷却媒体
の使用量を低減することができ、装置を小型化すること
ができる熱伝達装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そのために、本発明の熱
伝達装置においては、筒状の外槽の内部に筒状の内槽が
複数設けられ、各内槽はほぼ円周上に配設される。上記
内槽の内部には被冷却物が収容され、上記外槽の一端に
配設された冷媒供給手段から上記各内槽によって包囲さ
れた中央空間に向けて冷媒が供給される。

【０００９】上記内槽の表面には、径方向外方に突出し
てフィンが形成される。該フィンは、上記中央空間側の
部分の突出量を上記冷媒供給手段から離れた位置にある
ものほど多くしてある。

【００１０】

【作用及び発明の効果】本発明によれば、上記のように
筒状の外槽の内部に筒状の内槽が複数設けられ、各内槽
はほぼ円周上に配設される。上記内槽の内部には被冷却
物が収容され、上記外槽の一端に配設された冷媒供給手
段から冷媒が供給される。冷媒は上記各内槽によって包
囲された中央空間に向けて供給され、各内槽内の被冷却
物を間接的に冷却する。

【００１１】上記内槽の表面において径方向外方に突出
してフィンが形成され、該フィンは、上記中央空間側の
部分の突出量を上記冷媒供給手段から離れた位置にある
ものほど多くしてある。したがって、冷媒供給手段から
離れるほど上記中央空間は狭くなり、冷媒の流れに対す
る抵抗が大きくなる。その結果、冷媒は各フィンに沿っ
て各内槽間を抜け、外槽内の全域に行き渡る。このよう
に、上記冷媒供給手段を各内槽によって包囲される中央
空間に向けて配設するだけで、冷媒供給手段から供給さ
れた冷媒を外槽内の全域に行き渡らせることができる。

【００１２】また、冷媒は上記外槽の一端から他端に移
動する間に単位重量当たりの冷却能力が低下するが、冷
媒供給手段から離れるほどフィンの突出量が多くなるた
め、熱伝達に寄与する表面積が大きくなる。したがっ
て、内槽は、外槽の一端から他端にかけて均一に冷却さ
れ、かつ、均一な温度に保たれる。また、熱伝達効率が
向上するため、熱伝達装置を小型化することができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら詳細に説明する。図１は本発明の熱伝達装置が適
用される極低温冷凍装置の概略図である。図において、
１１は熱負荷を冷却するための第１冷凍サイクル、１２
は該第１冷凍サイクル１１の低温源を構成する第２冷凍
サイクルである。上記第１冷凍サイクル１１及び第２冷
凍サイクル１２を２段連結することによって、約４．２
°Ｋの極低温状態が形成される。上記第１冷凍サイクル
１１は冷媒としてヘリウム（Ｈｅ）を使用し、吸着物質
として吸着剤を使用する吸着式冷凍サイクルで構成さ
れ、一方、第２冷凍サイクル１２は冷媒として水素（Ｈ
₂ ）を使用し、吸着物質として水素吸蔵合金を使用する
化学式冷凍サイクルで構成されるが、第１冷凍サイクル
１１と同様に吸着剤を使用することもできる。

【００１４】１３はヘリウムガスを吸着するとともに放
出するための吸着装置である。該吸着装置１３は、活性
炭やゼオライトなどの吸着剤１４、該吸着剤１４を加熱
するためのヒータ１５、及び冷却器１６から成る。上記
吸着剤１４の温度をヒータ１５によって強制的に上昇さ
せると、吸着されていたヘリウムが吸着剤１４から放出
される。また、上記吸着剤１４の温度を冷却器１６によ
って強制的に低下させると、ヘリウムが吸着剤１４に吸
着される。

【００１５】上記吸着剤１４を備えた吸着装置１３は、
接続管１７を介してループ状の冷媒管路１８に接続され
ていて、吸着剤１４を加熱することによって発生したヘ
リウムガスは上記冷媒管路１８に供給され、該冷媒管路
１８に配設されるＪ−Ｔ膨張弁１９で膨張させられ、ジ
ュール・トムソン効果によって少なくとも一部が液化さ
せられ、ミスト状の冷媒となる。そして、ミスト状の冷
媒は熱負荷となる負荷冷却器２０に送られ、該負荷冷却
器２０において本実施例では被冷却物をほぼ４．２°Ｋ
に冷却するとともに気化し、ヘリウムガスとなる。

【００１６】続いて、上記吸着剤１４を冷却することに
よって、上記冷媒管路１８内のヘリウムガスを上記吸着
剤１４に吸着させることができる。上記Ｊ−Ｔ膨張弁１
９においてジュール・トムソン効果によって冷媒を液化
させるためには、高圧で所定温度以下の冷媒をＪ−Ｔ膨
張弁１９に供給して、該Ｊ−Ｔ膨張弁１９から低圧側に
吐出する必要がある。

【００１７】そこで、上記冷媒管路１８におけるＪ−Ｔ
膨張弁１９の上流側の高圧側冷媒管路１８ａに一方向弁
２２を、Ｊ−Ｔ膨張弁１９の下流側の低圧側冷媒管路１
８ｂに一方向弁２３を配設し、冷媒を一方向に流すとと
もに高圧側冷媒管路１８ａにおいて高圧を形成してい
る。この場合、上記一方向弁２２はヘリウムガスの圧力
が例えば１４ａｔｍ．の設定圧力になるまでは開放され
ない構造になっていて、上記高圧側冷媒管路１８ａ内に
おいてヘリウムガスは１４〜１８ａｔｍ．の圧力に維持
される。なお、上記一方向弁２２によって圧力を維持さ
せなくても、活性炭量、発熱サイクルを制御することに
よって圧力を維持させることもできる。

【００１８】このようにして、吸着剤１４を加熱するこ
とによって発生したヘリウムガスは一方向弁２２を介し
て高圧側冷媒管路１８ａに送られ、上記Ｊ−Ｔ膨張弁１
９から低圧側冷媒管路１８ｂに吐出される。上述したよ
うに、ヘリウムガスはＪ−Ｔ膨張弁１９から吐出されて
少なくとも一部が液化させられるが、該Ｊ−Ｔ膨張弁１
９の上流側のヘリウムガスの温度が低温であればあるほ
ど吐出後の温度は低下し、液化する量が増加する。そこ
で、上記Ｊ−Ｔ膨張弁１９の上流側の高圧側冷媒管路１
８ａに、ヘリウムガスを冷却するための第１、第２熱交
換器２５，２６と該第１、第２熱交換器２５，２６間に
第３熱交換器２７が配設される。

【００１９】上記第１熱交換器２５及び第２熱交換器２
６は、向流型熱交換器が採用され、上記負荷冷却器２０
において被冷却物を冷却した後の低圧側冷媒管路１８ｂ
内のヘリウムガスの冷熱を利用して高圧側冷媒管路１８
ａ内のヘリウムガスを冷却するようにしている。また、
第３熱交換器２７は、第２冷凍サイクル１２において冷
却器１６で吸着剤１４を冷却した後の水素ガスの冷熱を
利用している。

【００２０】このようにして、少なくとも一部が液化さ
せられてヘリウムガスと液体ヘリウムの混合物になった
冷媒は負荷冷却器２０に送られ、該負荷冷却器２０で被
冷却物を冷却する。上記液体ヘリウムの沸点は約４．２
°Ｋであり、負荷冷却器２０は約４．２°Ｋで被冷却物
を冷却することができる。したがって、上記負荷冷却器
２０を超電導モータの液体ヘリウム槽に配設すれば、超
電導マグネットを冷却して気化したヘリウムガスを再び
液化することができる。

【００２１】なお、この場合、超電導マグネットを冷却
して気化したヘリウムガスを負荷冷却器２０の被冷却物
としているが、例えば負荷冷却器２０を液体ヘリウム槽
で構成し、被冷却物としての超電導マグネットを直接冷
却するようにしてもよい。上述したように、吸着装置１
３には、吸着剤１４を加熱するためにヒータ１５が設け
られている。該ヒータ１５は電源回路３１に接続され、
図示しない制御装置によって制御され、間歇的に上記吸
着剤１４を加熱する。また、上記吸着剤１４には冷却器
１６が配設されていて、該冷却器１６内を流れる水素ガ
スと液化水素の混合物から成る冷媒によって上記吸着剤
１４は常時２２°Ｋに冷却されている。

【００２２】次に、第２冷凍サイクル１２について説明
する。３３は冷却することによって水素ガスを吸蔵し、
加熱することによって水素ガスを放出するための吸蔵装
置である。該吸蔵装置３３は、ＬａＮｉ₅ などの水素吸
蔵合金から成る吸蔵物質３４、該吸蔵物質３４を選択的
に加熱・冷却するためのペルチェ素子３５から成る。該
ペルチェ素子３５は上記電源回路３１に接続されるとと
もに、図示しない制御装置によって制御され、接続され
る極性を切り替えることによって雰囲気温度に対して±
６０°Ｃの加熱・冷却を行う。すなわち、雰囲気温度を
例えば０°Ｃに維持した場合、加熱時には６０°Ｃの加
熱を、冷却時には−６０°Ｃの冷却を行うことができ
る。

【００２３】したがって、例えば上記吸蔵物質３４とし
て−６０°Ｃ程度の低温下で吸蔵を行うことができるも
のを使用すると、上記吸蔵装置３３をほぼ０°Ｃの雰囲
気下に置くことができ、吸蔵装置３３を極低温状態から
分離して独立した断熱構造内に収容すると、装置の熱効
率を向上させることができる。上記構成の吸蔵装置３３
において、吸蔵物質３４の温度をペルチェ素子３５によ
って強制的に上昇させると、吸蔵されていた水素が気化
し水素ガスとなって吸蔵物質３４から放出される。ま
た、上記ペルチェ素子３５を切り替え、上記吸蔵物質３
４の温度をペルチェ素子３５によって強制的に低下させ
ると、水素ガスが吸蔵物質３４に吸蔵される。

【００２４】上記吸蔵物質３４を備えた吸蔵装置３３は
接続管３７を介してループ状の冷媒管路３８に接続され
ていて、吸蔵物質３４を加熱することによって発生した
水素ガスは上記冷媒管路３８に供給され、該冷媒管路３
８に配設されるＪ−Ｔ膨張弁３９で膨張させられ、ジュ
ール・トムソン効果によって少なくとも一部が液化させ
られ、ミスト状の冷媒となる。そして、ミスト状の冷媒
は上記冷却器１６に送られ、該冷却器１６において上記
吸着剤１４を約２２°Ｋに冷却するとともに一部が気化
し、水素ガスとなる。上記冷却器１６の下流側には第３
熱交換器２７が配設されていて、吸着剤１４を冷却した
後の冷媒は更に第３熱交換器２７に送られ、該第３熱交
換器２７においてヘリウムガスを冷却し、気化して水素
ガスとなる。

【００２５】続いて、上記ペルチェ素子３５を切り替
え、吸蔵物質３４を冷却することによって、上記冷媒管
路３８内の水素ガスを上記吸蔵物質３４に吸蔵させるこ
とができる。上記Ｊ−Ｔ膨張弁３９においてジュール・
トムソン効果によって冷媒を液化させるためには、高圧
で所定温度以下の冷媒をＪ−Ｔ膨張弁３９に供給して、
該Ｊ−Ｔ膨張弁３９から低圧側に吐出する必要がある。

【００２６】そこで、上記冷媒管路３８におけるＪ−Ｔ
膨張弁３９の上流側の高圧側冷媒管路３８ａに一方向弁
４２を、Ｊ−Ｔ膨張弁３９の下流側の低圧側冷媒管路３
８ｂに一方向弁４３を配設し、冷媒を一方向に流すとと
もに高圧側冷媒管路３８ａにおいて高圧を形成してい
る。このようにして、吸蔵物質３４を加熱することによ
って発生した水素ガスは一方向弁４２を介して高圧側冷
媒管路３８ａに送られ、上記Ｊ−Ｔ膨張弁３９から低圧
側冷媒管路３８ｂに吐出される。上述したように、水素
ガスはＪ−Ｔ膨張弁３９から吐出されて少なくとも一部
が液化させられるが、該Ｊ−Ｔ膨張弁３９の上流側の水
素ガスの温度が低温であればあるほど吐出後の温度は低
下し、液化する量が増加する。そこで、上記Ｊ−Ｔ膨張
弁３９の上流側の高圧側冷媒管路３８ａに、水素ガスを
冷却するための第１、第２熱交換器４５，４６と該第
１、第２熱交換器４５，４６間に第３熱交換器４７が配
設される。

【００２７】上記第１熱交換器４５及び第２熱交換器４
６は、向流型熱交換器が採用され、第１冷凍サイクル１
１の第３熱交換器２７においてヘリウムガスを冷却した
後の低圧側冷媒管路３８ｂ内の水素ガスの冷熱を利用し
て高圧側冷媒管路３８ａ内の水素ガスを約７７°Ｋに冷
却するようにしている。また、第３熱交換器４７は、液
化ガス、例えば液体窒素（Ｎ₂ ）を冷熱源とする液化ガ
ス式冷却器で構成される。そのため、液化ガス供給手段
が設けられ、上記第３熱交換器４７は液体窒素管路５１
を介して液体窒素槽５２に接続されている。

【００２８】液体窒素は沸点が７７°Ｋであり、単位重
量当たりの蒸発潜熱が比較的高く、冷却効果が大きい。
したがって、わずかな量の液体窒素を上記第３熱交換器
４７に供給するだけで、高圧側冷媒管路３８ａ内の水素
ガスを十分に冷却することができる。なお、図示されて
いないが、上記液体窒素管路５１には、供給される液体
窒素の量を調節するための調節弁が設けられる。上記第
３熱交換器４７において水素ガスを冷却し、気化した窒
素ガスは回収されることなく放出され、その後断熱ケー
ス５５内を冷却する。

【００２９】上記第３熱交換器４７は、液体窒素の蒸発
潜熱を利用して水素ガスを冷却するため、水素ガスの冷
却が促進され、ジュール・トムソン効果を十分に機能さ
せることが可能となる。したがって、第２冷凍サイクル
１２で吸蔵装置３３による冷凍サイクルを使用してもＪ
−Ｔ膨張弁３９から吐出された後の冷媒中の液体水素の
量が多くなり、第２冷凍サイクル１２が小型化する分だ
け装置を小型化することができる。

【００３０】このようにして、かなりの部分が液化させ
られ水素ガスと液体水素の混合物になった冷媒は、冷却
器１６に送られるが、冷媒内の液体水素の量が多いの
で、上記冷却器１６において吸着剤１４を十分に冷却す
ることができる。したがって、吸着剤１４の加熱時に冷
却器１６への冷媒の供給を停止することなく、同時にヒ
ータ１５をオンにしても、冷却器１６の冷却能力を損な
うことがなく、吸着剤１４の冷却を安定させることがで
きる。

【００３１】さらに、上記冷却器１６への冷媒の供給を
停止する必要がないので、サーマルスイッチ、電磁弁等
の制御弁が不要となる。したがって、極低温状態におい
て温度を検出する必要がなくなり制御性が向上するだけ
でなく、制御弁の一部を常温下に置く必要がないため装
置を小型化することができる。上記冷媒は冷却器１６を
出た後、第１冷凍サイクル１１の第３熱交換器２７に送
られ、該第３熱交換器２７においてヘリウムガスを冷却
する。液体水素の沸点は約２２°Ｋであり、冷却器１６
は約２２°Ｋで吸着剤１４を冷却することができ、ま
た、第３熱交換器２７は約２２°Ｋでヘリウムガスを冷
却することができる。

【００３２】ところで、上記第１冷凍サイクル１１にお
いては、約２２°Ｋの冷媒を使用して負荷冷却器２０に
おいて約４．２°Ｋの極低温状態を形成する。したがっ
て、上記第１冷凍サイクル１１の各構成要素、すなわち
吸着装置１３、冷媒管路１８、Ｊ−Ｔ膨張弁１９、負荷
冷却器２０、一方向弁２２，２３、第１熱交換器２５、
第２熱交換器２６及び第３熱交換器２７が常温から隔離
される。また、第２冷凍サイクル１２においては、約０
°Ｃの雰囲気を使用して冷却器１６において約２２°Ｋ
の低温状態を形成する。したがって、第２冷凍サイクル
１２の吸蔵装置３３以外の構成要素、すなわち冷媒管路
３８、Ｊ−Ｔ膨張弁３９、一方向弁４２，４３、第１熱
交換器４５、第２熱交換器４６及び第３熱交換器４７が
常温から隔離される。さらに、液体窒素によって上記第
３熱交換器４７を冷却するための液体窒素槽５２及び液
体窒素管路５１も常温から隔離される。

【００３３】そのため、図１の破線で示すように断熱ケ
ース５５が設けられていて、常温から上記各構成要素を
隔離するようになっている。そして、上記第３熱交換器
４７において水素ガスを冷却することによって気化した
後の窒素ガスを、上記断熱ケース５５内に放出して上記
窒素ガスの冷熱を利用している。この場合、上記吸蔵装
置３３はペルチェ素子３５を動作させるために、断熱ケ
ース５５の外側に配設される。

【００３４】上述したように、上記ペルチェ素子３５を
動作させる場合の雰囲気温度を、この場合０°Ｃに維持
する必要があるため、上記吸蔵装置３３を一点鎖線で示
すように副断熱ケース５６で包囲し、常温から隔離して
いる。したがって、大気中には電源回路３１のみが配設
されることになる。このように構成することによって、
断熱ケース５５内と大気間はａ点において電気配線５８
を介してのみ接続され、断熱ケース５５内と副断熱ケー
ス５６内の間はｂ点において吸蔵物質３４と一方向弁４
２，４３を連結する接続管３７を介してのみ接続され、
副断熱ケース５６内と大気間はｃ点において電気配線６
１を介してのみ接続されることになり、断熱性が高くな
る。

【００３５】上記吸蔵物質３４は極低温状態で動作させ
ることができないのに対し、吸着剤１４は極低温状態で
動作させることができる。したがって、第１冷凍サイク
ル１１を極低温状態で動作させ、第２冷凍サイクル１２
を第１冷凍サイクル１１より高い温度領域で動作させ、
２段の冷凍サイクルで被冷却物を極低温状態に冷却する
ことができる。この場合、高い温度領域においては吸蔵
物質３４が使用されるため、吸着剤１４を低い温度領域
でのみ動作させることができる。吸着剤１４は温度領域
が低いほど冷媒の吸着量が多いため、その分装置を小型
化することができる。

【００３６】上記極低温冷凍装置において、吸着剤１４
を複数個設け、それぞれを交互に加熱し、冷却すると、
ヘリウムガスの発生量及び吸着量を平滑化することがで
きる。次に、上記極低温冷凍装置に使用される熱伝達装
置について説明する。図２は本発明の実施例における熱
伝達装置の概略図である。

【００３７】図において、８６は熱伝達装置であり、該
熱伝達装置８６は、３個の吸着装置１３Ａ，１３Ｂ，１
３Ｃから成り、一つの外槽７２の中に３個の内槽７１
Ａ，７１Ｂ，７１Ｃを並列に収容して構成される。各内
槽７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃ内には、活性炭やゼオライト
などの吸着剤１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ及び該吸着剤１４
Ａ，１４Ｂ，１４Ｃを加熱するためのヒータ１５Ａ，１
５Ｂ，１５Ｃが配設され、該ヒータ１５Ａ，１５Ｂ，１
５Ｃは電源回路３１に接続され、制御回路８７によって
制御され交互にオンにされるようになっている。

【００３８】上記吸着装置１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃにお
いて、吸着剤１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃの温度をヒータ１
５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃによって強制的に上昇させると、
吸着されていたヘリウムが吸着剤１４Ａ，１４Ｂ，１４
Ｃから放出される。また、該吸着剤１４Ａ，１４Ｂ，１
４Ｃの温度を第２の冷媒によって強制的に低下させる
と、ヘリウムガスが吸着剤１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃに吸
着される。

【００３９】また、上記内槽７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃ
は、それぞれ接続管８８Ａ，８８Ｂ，８８Ｃ、一方向弁
７６Ａ，７６Ｂ，７６Ｃ及び接続管８９Ａ，８９Ｂ，８
９Ｃを介して第１冷凍サイクル１１の共通の高圧側冷媒
管路１８ａに接続される。同様に、内槽７１Ａ，７１
Ｂ，７１Ｃは、それぞれ接続管９０Ａ，９０Ｂ，９０
Ｃ、一方向弁７７Ａ，７７Ｂ，７７Ｃ及び接続管９１
Ａ，９１Ｂ，９１Ｃを介して第１冷凍サイクル１１の共
通の低圧側冷媒管路１８ｂに接続される。

【００４０】そして、上記高圧側冷媒管路１８ａと低圧
側冷媒管路１８ｂはループ状の冷媒管路を構成してお
り、上記吸着剤１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃをヒータ１５
Ａ，１５Ｂ，１５Ｃで加熱することによって発生したヘ
リウムガスは上記高圧側冷媒管路１８ａに供給され、高
圧側冷媒管路１８ａと低圧側冷媒管路１８ｂ間に配設さ
れるＪ−Ｔ膨張弁１９で膨張させられ、ジュール・トム
ソン効果によって少なくとも一部が液化させられ、ミス
ト状の第１の冷媒となる。そして、ミスト状の第１の冷
媒は負荷冷却器２０に送られ、被冷却物を冷却するとと
もに気化し、ヘリウムガスとなる。

【００４１】上記Ｊ−Ｔ膨張弁１９においてジュール・
トムソン効果によって冷媒を液化させるためには、高圧
で所定温度以下の冷媒をＪ−Ｔ膨張弁１９に供給して、
該Ｊ−Ｔ膨張弁１９から低圧側に吐出する必要がある。
そこで、高圧側冷媒管路１８ａ側に一方向弁７６Ａ，７
６Ｂ，７６Ｃを、低圧側冷媒管路１８ｂに一方向弁７７
Ａ，７７Ｂ，７７Ｃを配設し、冷媒を一方向に流すとと
もに高圧側冷媒管路１８ａにおいて高圧を形成してい
る。この場合、上記一方向弁７６Ａ，７６Ｂ，７６Ｃは
ヘリウムガスの圧力が例えば１４ａｔｍ．の設定圧力に
なるまでは開放されない構造になっていて、上記高圧側
冷媒管路１８ａ内においてヘリウムガスは１４〜１８ａ
ｔｍ．の圧力に維持される。

【００４２】このようにして、吸着剤１４Ａ，１４Ｂ，
１４Ｃを加熱することによって発生したヘリウムガスは
一方向弁７６Ａ，７６Ｂ，７６Ｃを介して高圧側冷媒管
路１８ａに送られ、上記Ｊ−Ｔ膨張弁１９から低圧側冷
媒管路１８ｂに吐出される。上述したように、ヘリウム
ガスはＪ−Ｔ膨張弁１９から吐出されて少なくとも一部
が液化させられるが、該Ｊ−Ｔ膨張弁１９の上流側のヘ
リウムガスの温度が低温であればあるほど吐出後の温度
は低下し、液化する量が増加する。

【００４３】一方、上記外槽７２と各内槽７１Ａ，７１
Ｂ，７１Ｃの間には共通の水素冷媒室７２ａが形成さ
れ、第２冷凍サイクル１２で形成された水素ガス、液体
水素又はそれらの混合物が供給されるようになってい
る。水素ガス、液体水素又はそれらの混合物は、第２冷
凍サイクル１２の高圧側冷媒管路３８ａからＪ−Ｔ膨張
弁３９を介して供給され、上記内槽７１Ａ，７１Ｂ，７
１Ｃを常時冷却する。

【００４４】上記構成の熱伝達装置８６において、上記
ヒータ１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃを交互にオンにして吸着
剤１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃを交互に加熱すると、加熱さ
れた吸着剤１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃがヘリウムガスを発
生し、高圧側冷媒管路１８ａに供給する。加熱されてい
ない吸着剤１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃは、上記水素冷媒室
７２ａ内の水素ガス、液体水素又はそれらの混合物によ
って冷却され、低圧側冷媒管路１８ｂから供給されたヘ
リウムガスを吸着する。

【００４５】上記一方向弁７６Ａ，７６Ｂ，７６Ｃは、
ヘリウムガスの圧力が例えば１４ａｔｍ．の設定圧力に
なるまでは開放されない構造になっている。したがっ
て、設定圧力に達した内槽７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃから
は自動的にヘリウムガスが排出される。このようにし
て、少なくとも一部が液化させられてヘリウムガスと液
体ヘリウムの混合物になった第１の冷媒は負荷冷却器２
０に送られ、該負荷冷却器２０で被冷却物を冷却する。
上記液体ヘリウムの沸点は約４．２°Ｋであり、約４．
２°Ｋで被冷却物を冷却することができる。

【００４６】なお、第２冷凍サイクル１２は、冷却する
ことによって水素ガスを吸蔵し、加熱することによって
水素ガスを放出する吸蔵装置３３が使用され、該吸蔵装
置３３を加熱・冷却することによって作動する。そし
て、上記Ｊ−Ｔ膨張弁３９においてジュール・トムソン
効果によって発生した水素ガス、液体水素又はそれらの
混合物は、上記水素冷媒室７２ａ内に供給される。上記
混合物のうちの液体水素は、上記水素冷媒室７２ａにお
いて吸着装置１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃを冷却するととも
に気化して水素ガスとなり、低圧側冷媒管路３８ｂから
排出される。

【００４７】このようにして、熱伝達装置８６に供給さ
れた水素ガス、液体水素又はそれらの混合物は、上記熱
伝達装置８６において吸着剤１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃを
十分に冷却することができる。したがって、吸着剤１４
Ａ，１４Ｂ，１４Ｃの加熱時に熱伝達装置８６への水素
ガス、液体水素又はそれらの混合物の供給を停止するこ
となく、同時にヒータ１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃをオンに
しても、熱伝達装置８６の冷却能力を損なうことがな
く、吸着剤１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃの冷却を安定させる
ことができる。

【００４８】なお、図１においては、説明の便宜上、吸
着剤１４と一方向弁２２，２３が１本の接続管１７によ
って接続されているが、図２に示すように各一方向弁７
６Ａ，７６Ｂ，７６Ｃ，７７Ａ，７７Ｂ，７７Ｃごとに
接続管８８Ａ，８８Ｂ，８８Ｃ，８９Ａ，８９Ｂ，８９
Ｃを配設するとよい。次に、図３〜図６に基づいて熱伝
達装置８６の構造について説明する。

【００４９】図３は本発明の実施例における熱伝達装置
の縦断面図、図４は図３のＡ−Ａ断面図、図５は図３の
Ｂ−Ｂ断面図、図６は図３のＣ−Ｃ断面図である。図３
においては、３個の吸着装置１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの
うち吸着装置１３Ａ，１３Ｂのみが示されているが、実
際は図４〜図６に示すように各吸着装置１３Ａ，１３
Ｂ，１３Ｃがほぼ円周上において正三角形状に配列され
ている。

【００５０】熱伝達装置８６を構成する３個の吸着装置
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃは吸着装置ケース８１に収容さ
れる。該吸着装置ケース８１は断熱材で形成されてい
て、外槽７２との間に断熱室８１ａを形成し、該断熱室
８１ａに一方向弁７６Ａ，７６Ｂ，７６Ｃ，７７Ａ，７
７Ｂ，７７Ｃを収容している。上記外槽７２の内側には
熱伝導性の高い材料で形成された内槽７１Ａ，７１Ｂ，
７１Ｃが配設され、両者間に水素冷媒室７２ａが形成さ
れる。上記内槽７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃはそれぞれ円筒
形状を有しており、三角形状に配列され、各内槽７１
Ａ，７１Ｂ，７１Ｃによって包囲される中央空間９２が
形成される。そして、各内槽７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃに
は、径方向外方に突出する環状のフィン８２が複数形成
されていて、水素ガス、液体水素又はそれらの混合物と
の熱伝達を良好にしている。該フィン８２は、三角形の
中央空間９２側の部分の突出量が図３の左側に位置する
ものほど多くなっている。

【００５１】上記内槽７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃの内部に
は円筒形の吸着剤１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃが配設され、
該吸着剤１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃの内側にヒータ１５
Ａ，１５Ｂ，１５Ｃが配設される。そして、上記一方向
弁７６Ａ，７６Ｂ，７６Ｃには共通の高圧側冷媒管路１
８ａが接続され、上記一方向弁７７Ａ，７７Ｂ，７７Ｃ
には共通の低圧側冷媒管路１８ｂが接続される。

【００５２】上記外槽７２の左端には、第２冷凍サイク
ル１２の低圧側冷媒管路３８ｂが接続され、水素冷媒室
７２ａに開口する。上記外槽７２の右端には、高圧側冷
媒管路３８ａが接続され、水素冷媒室７２ａにＪ−Ｔ膨
張弁３９を介して開口する。該Ｊ−Ｔ膨張弁３９は上記
外槽７２の右端の壁のほぼ中央に配設され、該Ｊ−Ｔ膨
張弁３９から吐出された水素ガス、液体水素又はそれら
の混合物は、上記水素冷媒室７２ａに直接供給され、各
内槽７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃのフィン８２に当たる。

【００５３】ここで、上記Ｊ−Ｔ膨張弁３９から吐出さ
れた冷媒は、上述したように水素ガス、液体水素又はそ
れらの混合物であり、各内槽７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃに
よって包囲される中央空間９２に向けて吐出されると、
該中央空間９２内を進んで内槽７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃ
を中央空間９２側から冷却するが、上記フィン８２は図
４〜図６に示すように、三角形の中央空間９２側の部分
の突出量を上記Ｊ−Ｔ膨張弁３９から離れた位置にある
ものほど多くしてある。したがって、Ｊ−Ｔ膨張弁３９
から離れるほど上記中央空間９２は狭くなり、水素ガ
ス、液体水素又はそれらの混合物の流れとの接触面積を
軸方向に沿って大きくすることができる。その結果、水
素ガス、液体水素又はそれらの混合物は各フィン８２に
沿って各内槽７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃ間を抜け、外槽７
２内の全域に行き渡る。このように、上記Ｊ−Ｔ膨張弁
３９を各内槽７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃによって包囲され
る中央空間９２に向けて配設するだけで、Ｊ−Ｔ膨張弁
３９から吐出された水素ガス、液体水素又はそれらの混
合物を外槽７２内の全域に行き渡らせることができる。

【００５４】また、Ｊ−Ｔ膨張弁３９から吐出された
後、水素ガス、液体水素又はそれらの混合物は一端側か
ら他端側に移動するが、この間各内槽７１Ａ，７１Ｂ，
７１Ｃ内の吸着剤１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃを冷却するた
め、混合物のうちの液体水素が徐々に気化するなどして
単位重量当たりの冷却能力が低下する。ところが、上記
フィン８２は中央空間９２側の部分の突出量が上記Ｊ−
Ｔ膨張弁３９から離れた位置にあるものほど多く、各フ
ィン８２の熱伝達に寄与する表面積が大きくなるため、
各内槽７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃを長手方向において均一
に冷却することができる。

【００５５】さらに、この場合、中央空間９２側のみが
フィン８２の突出量を多くしてあり、中央空間９２とは
反対側の吐出量はそれぞれ同一にしてあるため、外槽７
２を大きくする必要はなく、熱伝達装置８６を大型化す
ることがない。上記吸着剤１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃの内
側に配設されたヒータ１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃは、電源
回路３１（図２）に接続され、制御装置８７によって間
歇的にオンにされ吸着剤１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃを加熱
する。そのため、上記ヒータ１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃは
上記内槽７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃ、外槽７２及び吸着装
置ケース８１を貫通して電源回路３１と電気的に接続さ
れる。

【００５６】次に、本発明の他の実施例における熱伝達
装置８６について説明する。図７は本発明の他の実施例
における熱伝達装置の第１の断面図、図８は本発明の他
の実施例における熱伝達装置の第２の断面図、図９は本
発明の他の実施例における熱伝達装置の第３の断面図で
ある。図７は図３におけるＡ−Ａ断面に対応し、図８は
図３におけるＢ−Ｂ断面に対応し、図９は図３における
Ｃ−Ｃ断面に対応する。

【００５７】この場合、図４〜図６と同様に各内槽７１
Ａ，７１Ｂ，７１Ｃには、径方向外方に突出する環状の
フィン８２が複数形成されていて、水素ガス、液体水素
又はそれらの混合物との熱伝達を良好にしている。該フ
ィン８２は、三角形の中央空間９２側の部分の突出量が
図３の左側に位置するものほど多くなっている。そし
て、上記内槽７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃの内部には吸着剤
９４Ａ，９４Ｂ，９４Ｃが配設され、各吸着剤９４Ａ，
９４Ｂ，９４Ｃの中心が内槽７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃの
中心に対して外周側に偏心している。

【００５８】すなわち、上記吸着剤９４Ａ，９４Ｂ，９
４Ｃは、中央空間９２側が厚く、該中央空間９２から離
れるほど薄くなっている。したがって、冷媒が各フィン
８２に沿って外周側に移動する際に、均一に冷却するこ
とができ、径方向において吸着量を平均化することがで
き、単位体積当たりの吸着効率を向上させることができ
るとともに、冷媒の使用効率を向上させることができ
る。

【００５９】なお、上記各実施例において、吸着剤とし
て、例えば、パラジウム、チタン等の水素吸蔵合金等の
吸蔵物質を使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱伝達装置が適用される極低温冷凍装
置の概略図である。

【図２】本発明の実施例における熱伝達装置の概略図で
ある。

【図３】本発明の実施例における熱伝達装置の縦断面図
である。

【図４】図３のＡ−Ａ断面図である。

【図５】図３のＢ−Ｂ断面図である。

【図６】図３のＣ−Ｃ断面図である。

【図７】本発明の他の実施例における熱伝達装置の第１
の断面図である。

【図８】本発明の他の実施例における熱伝達装置の第２
の断面図である。

【図９】本発明の他の実施例における熱伝達装置の第３
の断面図である。

【符号の説明】

３９ Ｊ−Ｔ膨張弁（冷媒供給手段） ７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃ 内槽 ７２ 外槽 ８２ フィン ９２ 中央空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 義久 東京都千代田区外神田２丁目19番12号 株 式会社エクォス・リサーチ内 (72)発明者 堀 孝二 東京都千代田区外神田２丁目19番12号 株 式会社エクォス・リサーチ内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ）筒状の外槽と、（ｂ）該外槽の内
   部においてほぼ円周上に複数配設され、内部に被冷却物
   を収容する筒状の内槽と、（ｃ）上記外槽の一端に配設
   され、上記各内槽によって包囲された中央空間に向けて
   冷媒を供給する冷媒供給手段と、（ｄ）上記内槽の表面
   において径方向外方に突出して形成されるフィンを有す
   るとともに、（ｅ）上記各内槽のフィンは、上記中央空
   間側の部分の突出量を上記冷媒供給手段から離れた位置
   にあるものほど多くしたことを特徴とする熱伝達装置。