JPH0579257U - 超流動ヘリウム用クライオスタットのプリクーラー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 飽和液体ヘリウムと飽和超流動ヘリウムの気
化したガスとを熱交換するプリクーラーにおいて、伝熱
板のガス流路の形状を工夫することにより、伝熱効率の
低下を最小限に抑えつつガスの圧力損失を大幅に低下さ
せる。 【構成】 飽和液体ヘリウム１４は伝熱板３８の外周側
に形成された流路６０を通って自然流下する。ガス２０
は伝熱板３８の内周部に形成された貫通孔６２を通って
上に流れて熱交換が行なわれる。貫通孔６２は伝熱板３
８の中心から放射状に配列され、その形状は外周に行く
ほど幅が広がるティアドロップ形に形成されている。こ
れにより、開口率が高められ、ガス圧力損失が低下す
る。また熱６６は直線状に伝わるので、伝熱効率は良好
である。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は、超流動ヘリウム用クライオスタットにおいて飽和液体ヘリウムと 飽和超流動ヘリウムの気化したガスを熱交換するプリクーラーに関し、熱変換効 率をあまり低下させずにガスの圧力損失を大幅に減少させたものである。

【０００２】

【従来の技術】

超流動ヘリウム用クライオスタットの概要を図２に示す。これは超電導電磁石 の性能実験用に構成したもので、全体が真空容器１０中に収容されている。チャ ンバー１２内には常圧の飽和液体ヘリウム１４（４．２Ｋ）が収容されている。 この飽和液体ヘリウム１４は配管１６を介してプリクーラ１８の上部に供給され て、その中を流れ落ちる。流れ落ちる間に飽和超流動ヘリウムの気化したガス２ ０（１．８Ｋ）と熱交換されて、約３Ｋに冷却される。

【０００３】 冷却された飽和液体ヘリウム１４はプリクーラ１８の下部から排出されて、バ ルブ２２で断熱膨張されて、１．８Ｋの飽和超流動ヘリウム２４となる。この飽 和超流動ヘリウム２４はチャンバー２６および配管２８を経て試料用チャンバー ３０に供給される。試料用チャンバー３０内には試験用の超電導電磁石３２が収 容され、飽和超流動ヘリウム２４中に漬け込まれている。超電導電磁石３２から は電気ケーブル（図示せず）が真空容器１０の外部に引き出されている。

【０００４】 試料用チャンバー３０で発生する飽和超流動ヘリウム２４の気化したガス２０ は、外部に配設されたポンプ３６による吸引により配管３４を介してプリクーラ ー１８に導かれ、プリクーラー１８内を下から上に通り抜けて、その間に飽和液 体ヘリウム１４と熱交換して、配管３８を介して外部に排出される。

【０００５】 従来のプリクーラー１８の内部構成を図３に示す。プリクーラー１８は円筒状 に構成され、その内部に伝熱板３８を支柱４２にはめ込んで積層した伝熱板積層 体４０が収容されている。各伝熱板３８は断熱層としてのステンレスリング４４ を挾んで上下に円板状の銅板４６，４８を配置して構成されている。

【０００６】 各伝熱板３８相互間には、リング状の仕切部材５０，５２が挾み込まれて、外 部と遮断された内周部空間５４と外周部空間５６が形成されている。各層の外周 部空間５６の位置では、伝熱板３８の上下方向に貫通孔５８が形成されている。 この貫通孔５８は隣接する上下の層間で互い違いの位置に形成されている。これ により、各層の外周部空間５８を相互に連通させた飽和液体ヘリウム流路６０が 形成され、飽和液体ヘリウム１４がこの流路６０を上から下へ自然流下する。

【０００７】 各層の内周部空間５４の位置には、上下方向に貫通孔６２が形成されている。 これにより、各層の内周部空間５４を相互に連通させた飽和超流動ヘリウムガス 流路６４が形成され、飽和超流動ヘリウムの気化したガス２０がこの流路６２を 下から上へと流れる。この時、ガス２０の持っている熱６６（１．８Ｋ）が銅板 ４６に伝達され、この銅板４６中を内周方向から外周方向に向けて伝達されて、 外周部空間５６に至り、外周部空間５６を流れている飽和液体ヘリウム１４を冷 却する。

【０００８】 従来のプリクーラー１８の伝熱板３８は、図３（ｂ）に示すように、同一径の 貫通孔６２を中心から放射状に配列して構成されていた。

【０００９】

【考案が解決しようとする課題】

前記従来の伝熱板３８では、貫通孔６２の径は、中心部で互いに重ならない大 きさに形成するため、外周部にいくほど周方向に隣接する貫通孔６２の配置間隔 が長くなる。このため、伝熱板３８の開口率が低くなり、ガス２０の圧力損失が 大きく、吸引ポンプ３６として容量の大きなものが必要となっていた。

【００１０】 このような問題を解決する方法として、図４の伝熱板３８のように貫通孔６２ の径を外周に行くほど大きくしたり、図５の伝熱板３８のように外周の貫通孔６ ２相互間にさらに別の貫通孔６２′を形成したりして伝熱板３８の開口率を高め てガス２０の圧力損失を小さくすることが考えられる。

【００１１】 ところが、図４の方法では大きさが異なる貫通孔６２を開けるのに製作上手間 がかかり、図５の方法では熱６６は貫通孔６２′を迂回して外周方向に伝わらな ければならないため伝熱効率が低下する問題がある。

【００１２】 この考案は、上述の点に鑑みてなされたもので、ガスの圧力損失が小さく、か つ伝熱効率の低下が少なく、かつ製造上の手間も少なくてすむ伝熱板を有する超 流動ヘリウム用クライオスタットのプリクーラーを提供しようとするものである 。

【００１３】

【課題を解決するための手段】

この考案は、断熱層を挾んで上下に銅板を配して、１つの層を構成した伝熱板 を複数層上下方向に空間を隔てて積層配置した伝熱板積層体と、前記伝熱板相互 間の空間を外部と遮断された内周部空間と外周部空間に仕切る仕切部材と、各層 の前記外周部空間の位置で相互に隣接する各層間で位置をずらして前記伝熱板に 上下方向の貫通孔を形成して、当該各層の外周部空間を相互に連通させて飽和液 体ヘリウムを上から下へ流す流路として形成された飽和液体ヘリウム流路と、各 層の前記内周部空間の位置で前記伝熱板にその中心から放射状に伸びかつ中心か ら遠ざかるほど幅が広がる上下方向の貫通孔を形成して、当該各層の内周部空間 を相互に連通させて、飽和超流動ヘリウムの気化したガスを下から上に流す流路 として形成された飽和超流動ヘリウムガス流路とを具備してなるものである。

【００１４】

【作用】

この考案によれば、伝熱板にガスの流路として形成する貫通孔を、伝熱板の中 心から放射状に伸びかつ中心から遠ざかるほど幅が広がる形状に形成したので、 開口率を大きく取ることができ、ガスの圧力損失を小さくすることができる。し かも、中心から放射状に伸びるので、熱の伝達を阻害することがなく、前記図３ （ｂ）に示す従来のものに比べても伝熱効率の低下は少なくてすむ。しかも、同 じ大きさ、形状の貫通孔を開ければよいので製作上の手間も少なくてすむ。

【００１５】

【実施例】

この考案の一実施例を図１に示す。プリクーラー１８は円筒状に構成され、容 器１１の内部に伝熱板３８を支柱４２にはめ込んで積層した伝熱板積層体４０が 収容されている。各伝熱板３８は断熱層としてのステンレスリング４４を挾んで 上下に円板状の銅板４６，４８を配置して構成されている。

【００１６】 各伝熱板３８相互間には、ステンレス製等のリング状の仕切部材５０，５２が 挾み込まれて、外部と遮断された内周部空間５４と外周部空間５６が形成されて いる。各層の外周部空間５６の位置では、伝熱板３８の上下方向に貫通孔５８が 形成されている。この貫通孔５８は隣接する上下の層間で互い違いの位置に形成 されている。これにより、各層の外周部空間５８を相互に連通させた飽和液体ヘ リウム流路６０が形成され、飽和液体ヘリウム１４がこの流路６０を上から下へ 自然流化する。

【００１７】 各層の内周部空間５４の位置には、上下方向に貫通孔６２が相互に重なるよう に形成されている。貫通孔６２は伝熱板３８の中心から放射状に伸びかつ中心か ら遠ざかるほど幅が広がるティアドロップ形状に形成されている。この貫通孔６ ２により、各層の内周部空間５４を相互に連通させた飽和超流動ヘリウムガス流 路６４が形成され、飽和超流動ヘリウムの気化したガス２０がこの流路６２を下 から上へと流れる。この時、ガス２０の持っている熱６６（１．８Ｋ）が銅板４ ６に伝達され、この銅板４６中を内周方向から外周方向に向けて伝達されて、外 周部空間５６に至り、外周部空間５６を流れている飽和液体ヘリウム１４を冷却 する。

【００１８】 以上の構成によれば、貫通孔６２を、伝熱板３８の中心から放射状に伸びかつ 中心から遠ざかるほど幅が広がるティアドロップ形状に形成したので、開口率を 大きく取ることができ、ガスの圧力損失を小さくすることができ、吸引ポンプ３ ６の容量を小さくすることができる。しかも、貫通孔６２は、伝熱板３８の中心 から放射状に伸びるので、熱６６の伝達を阻害することがなく、前記図３（ｂ） に示す従来のものに比べても伝熱効率の低下は少なくてすむ。図１（ｂ）の貫通 孔６２の形状、配置で図３（ｂ）のものと同じ熱交換効率が得られる層数にして シミュレーションしたところガス圧力損失が約１／８に低下することがわかった 。また、図１（ｂ）の伝熱板３８では同じ大きさ、形状の貫通孔を開ければよい ので製作上の手間も少なくてすむ。

【００１９】 なお、各層の貫通孔６２を相互にずらして配列する千鳥配置とすることもでき るが、前記実施例で示したように各層の貫通孔６２を相互に重なり合うように配 列してガス流路６４を直線状に形成したほうがガス圧力損失が大幅に小さくてす み、また伝熱効率も千鳥配置に比べてわずかの低下ですむことがシミュレーショ ンからわかった。

【００２０】

【考案の効果】

以上説明したように、この考案によれば、伝熱板にガスの流路として形成する 貫通孔を、伝熱板の中心から放射状に伸びかつ中心から遠ざかるほど幅が広がる 形状に形成したので、開口率を大きく取ることができ、ガスの圧力損失を小さく することができる。しかも、中心から放射状に伸びるので、熱の伝達を阻害する ことがなく、前記図３（ｂ）に示す従来のものに比べても伝熱効率の低下は少な くてすむ。しかも、同じ大きさ、形状の貫通孔を開ければよいので製作上の手間 も少なくてすむ。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案の一実施例を示す断面図および平面図
である。

【図２】超流動ヘリウム用クライオスタットの概要を示
す図である。

【図３】従来のプリクーラーの構成を示す断面図および
平面図である。

【図４】伝熱板における貫通孔の配列例を示す平面図で
ある。

【図５】伝熱板における他の貫通孔の配列例を示す平面
図である。

【符号の説明】

１４ 飽和液体ヘリウム １８ プリクーラー ２０ 飽和超流動ヘリウムの気化したガス ３８ 伝熱板 ４０ 伝熱板積層体 ４４ ステンレスリング（断熱層） ４６，４８ 銅板 ５０，５２ 仕切部材 ５４ 内周部空間 ５６ 外周部空間 ５８ 貫通孔（外周部空間側） ６０ 飽和液体ヘリウム流路 ６２ 貫通孔（内周部空間側） ６４ 飽和超流動ヘリウムガス流路

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】断熱層を挾んで上下に銅板を配して、１つ
   の層を構成した伝熱板を複数層上下方向に空間を隔てて
   積層配置した伝熱板積層体と、 前記伝熱板相互間の空間を外部と遮断された内周部空間
   と外周部空間に仕切る仕切部材と、 各層の前記外周部空間の位置で相互に隣接する各層間で
   位置をずらして前記伝熱板に上下方向の貫通孔を形成し
   て、当該各層の外周部空間を相互に連通させて飽和液体
   ヘリウムを上から下へ流す流路として形成された飽和液
   体ヘリウム流路と、 各層の前記内周部空間の位置で前記伝熱板にその中心か
   ら放射状に伸びかつ中心から遠ざかるほど幅が広がる上
   下方向の貫通孔を形成して、当該各層の内周部空間を相
   互に連通させて、飽和超流動ヘリウムの気化したガスを
   下から上に流す流路として形成された飽和超流動ヘリウ
   ムガス流路とを具備してなる超流動ヘリウム用クライオ
   スタットのプリクーラー。