(57)【要約】【課題】マンドレル又は外側シェルと隙間用チューブとの間を冷媒ガスが通り抜けることを防止でき、低圧ガス流路を流れる冷媒ガスと、高圧ガス流路を流れる冷媒ガスとの熱交換の効率が低下することを防止できる冷凍機を提供する。【解決手段】圧縮機１１と膨張機１２とを備えた冷凍機５０において、内筒部材２１と、外筒部材２２と、内筒部材２１と外筒部材２２との間に螺旋状に配置された伝熱管２４とを含み、伝熱管２４の内部に、圧縮機１１から膨張機１２に供給される高圧冷媒ガスが流れる高圧ガス流路２５が形成されるとともに、伝熱管２４の周囲に、膨張機１２から圧縮機１１に戻る低圧冷媒ガスが流れる低圧ガス流路２６が形成されてなり、高圧冷媒ガスと低圧冷媒ガスとの間で熱交換させる熱交換器１３を有する。伝熱管２４は、内筒部材２１の外周又は外筒部材２２の内周に形成された螺旋溝３２に嵌め込まれている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給された高圧冷媒ガスを膨張させて冷熱を発生させる膨張機とを備えた冷凍機において、
内筒部材と、前記内筒部材を囲むように設けられた外筒部材と、前記内筒部材と前記外筒部材との間に螺旋状に配置された伝熱管とを含み、前記伝熱管の内部に、前記圧縮機から前記膨張機に供給される高圧冷媒ガスが流れる高圧ガス流路が形成されるとともに、前記伝熱管の周囲に、前記膨張機から前記圧縮機に戻る低圧冷媒ガスが流れる低圧ガス流路が形成されてなり、前記高圧ガス流路内の高圧冷媒ガスと前記低圧ガス流路内の低圧冷媒ガスとの間で熱交換させる熱交換器を有し、
前記伝熱管は、前記内筒部材の外周又は前記外筒部材の内周に形成された螺旋溝に嵌め込まれている、冷凍機。
【請求項２】
前記伝熱管は、外周から突出してフィンが設けられており、
前記螺旋溝は、前記フィンの先端が溝面に接するように形成されている、請求項１に記載の冷凍機。
【請求項３】
前記伝熱管は、前記内筒部材の外周に形成された螺旋溝に嵌め込まれている、請求項１又は請求項２に記載の冷凍機。
【請求項４】
前記熱交換器は、前記内筒部材の軸方向に沿って隣り合う２つの前記伝熱管と前記外筒部材との隙間を塞ぐように、前記伝熱管に沿って螺旋状に配置された管部材を含む、請求項３に記載の冷凍機。
【請求項５】
冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給された高圧冷媒ガスを膨張させて冷熱を発生させる膨張機とを有する冷凍機に備えられる熱交換器において、
内筒部材と、
前記内筒部材を囲むように設けられた外筒部材と、
前記内筒部材と前記外筒部材との間に螺旋状に配置された伝熱管と
を含み、
前記伝熱管の内部に、前記圧縮機から前記膨張機に供給される高圧冷媒ガスが流れる高圧ガス流路が形成されるとともに、前記伝熱管の周囲に、前記膨張機から前記圧縮機に戻る低圧冷媒ガスが流れる低圧ガス流路が形成されてなり、前記高圧ガス流路内の高圧冷媒ガスと前記低圧ガス流路内の低圧冷媒ガスとの間で熱交換させるものであって、
前記伝熱管は、前記内筒部材の外周又は前記外筒部材の内周に形成された螺旋溝に嵌め込まれている、熱交換器。
【請求項６】
ガス供給機から貯留槽にガスを供給する過程で冷凍機で冷却して当該ガスを液化する液化機において、
内筒部材と、前記内筒部材を囲むように設けられた外筒部材と、前記内筒部材と前記外筒部材との間に螺旋状に配置された伝熱管とを含み、前記伝熱管の内部に、前記ガス供給機から前記貯留槽に供給されるガスが流れる供給流路が形成されるとともに、前記伝熱管の周囲に、前記貯留槽から前記ガス供給機に戻る回収ガスが流れる回収流路が形成されてなり、前記供給流路内のガスと前記回収流路内の前記回収ガスとの間で熱交換させる熱交換器を有し、
前記伝熱管は、前記内筒部材の外周又は前記外筒部材の内周に形成された螺旋溝に嵌め込まれている、液化機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒ガスの膨張により極低温の冷熱を発生させる冷凍機、液化機およびそれらに備えられる熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば４Ｋ程度の極低温で作動させる低温作動機器を作動温度まで冷却するための冷凍機として、予冷用冷凍機とジュール・トムソン（Joule-Thomson；Ｊ−Ｔ）冷凍機とを組み合わせた２元回路の冷凍機が知られている。
【０００３】
予冷用冷凍機は、ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）サイクルや改良ソルベーサイクル等の冷凍機からなる。予冷用冷凍機では、圧縮機で圧縮された例えばヘリウムガスよりなる冷媒ガスを膨張機でサイモン膨張させ、膨張による冷媒ガスの温度降下に伴って、ヒートステーションに極低温の冷熱を発生させる。
【０００４】
一方、Ｊ−Ｔ冷凍機は、圧縮機から供給されたヘリウムガスを予冷用冷凍機における膨張機のヒートステーションとの間で熱交換して予冷する予冷器と、ヘリウムガスをジュール・トムソン膨張させるＪ−Ｔ弁とを閉回路に接続してなる。Ｊ−Ｔ冷凍機は、圧縮機からのヘリウムガスを予冷器で予冷するとともに、予冷されたヘリウムガスをＪ−Ｔ弁でジュール・トムソン膨張させて更に低い４Ｋレベルの冷熱を発生させて気液混合状態とし、ヘリウム液体の蒸発潜熱を用いて被冷却物を冷却する。
【０００５】
Ｊ−Ｔ冷凍機には、Ｊ−Ｔ熱交換器と呼ばれる複数段の熱交換器が備えられており、各Ｊ−Ｔ熱交換器において、１次側の流路及び２次側の流路をそれぞれ通過する冷媒ガス間で互いに熱交換させる（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
例えば、Ｊ−Ｔ熱交換器を、同心状に接合した円筒状のマンドレルと外側シェルとの間の空間に、多数のフィンを外周に取り付けた伝熱管が収容されたものとすることができる。伝熱管の内部には、圧縮機から膨張機に供給される高圧ガスを流す高圧ガス流路（前述した１次側の流路）が形成されている。一方、マンドレルの外部かつ伝熱管の周囲であって、外側シェルの内部には、膨張機から圧縮機に戻る低圧ガスを流す低圧ガス流路（前述した２次側の流路）が形成されている。そして、圧縮機から膨張機に向かって流れる高圧ガス流路内の高温ガスを、膨張機から圧縮機に戻る低圧ガス流路内の低温ガスとの間で熱交換させて冷却する。
【０００７】
熱交換器の効率を上昇させるため、低圧ガス流路では、低圧ガスが伝熱管のフィンに当たるように流れるのが好ましい。そのため、従来は、伝熱管をマンドレルに螺旋状に巻き付けるとともに、隣り合う伝熱管のフィン間に樹脂等よりなる隙間用チューブを巻き、隙間用チューブにより冷媒ガスを伝熱管のフィン側に向かわせるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平０５−３０６８４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、上記した冷凍機には、次のような問題がある。
【００１０】
従来の冷凍機に備えられる熱交換器では、隙間用チューブの巻き方によっては、隙間用チューブのマンドレルに対する密着性が低下し、隙間用チューブとマンドレルの外周面との間に隙間が形成されることがある。このようなとき、伝熱管の周囲の空間である低圧ガス流路を流れる冷媒ガスは、フィンの十分近傍を通ることなく、隙間用チューブとマンドレルの外周面との隙間を通り抜ける。その結果、低圧ガス流路を流れる低温低圧冷媒ガスと、伝熱管の内部の空間である高圧ガス流路を流れる高温高圧冷媒ガスとの間の熱交換の効率が低下するとともに、冷凍機の冷凍能力も低下するおそれがある。
【００１１】
また、上記した課題は、マンドレルと隙間用チューブとの間に隙間が形成される場合に限られず、外側シェルと隙間用チューブとの間に隙間が形成される場合にも共通する課題である。
【００１２】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、マンドレル又は外側シェルと隙間用チューブとの間を冷媒ガスが通り抜けることを防止でき、低圧ガス流路を流れる冷媒ガスと、高圧ガス流路を流れる冷媒ガスとの熱交換の効率が低下することを防止できる冷凍機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１４】
本発明は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給された高圧冷媒ガスを膨張させて冷熱を発生させる膨張機とを備えた冷凍機において、内筒部材と、前記内筒部材を囲むように設けられた外筒部材と、前記内筒部材と前記外筒部材との間に螺旋状に配置された伝熱管とを含み、前記伝熱管の内部に、前記圧縮機から前記膨張機に供給される高圧冷媒ガスが流れる高圧ガス流路が形成されるとともに、前記伝熱管の周囲に、前記膨張機から前記圧縮機に戻る低圧冷媒ガスが流れる低圧ガス流路が形成されてなり、前記高圧ガス流路内の高圧冷媒ガスと前記低圧ガス流路内の低圧冷媒ガスとの間で熱交換させる熱交換器を有し、前記伝熱管は、前記内筒部材の外周又は前記外筒部材の内周に形成された螺旋溝に嵌め込まれている、冷凍機である。
【００１５】
また、本発明は、上述の冷凍機において、前記伝熱管は、外周から突出してフィンが設けられており、前記螺旋溝は、前記フィンの先端が溝面に接するように形成されている。
【００１６】
また、本発明は、上述の冷凍機において、前記伝熱管は、前記内筒部材の外周に形成された螺旋溝に嵌め込まれている。
【００１７】
また、本発明は、上述の冷凍機において、前記熱交換器は、前記内筒部材の軸方向に沿って隣り合う２つの前記伝熱管と前記外筒部材との隙間を塞ぐように、前記伝熱管に沿って螺旋状に配置された管部材を含む。
【００１８】
また、本発明は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給された高圧冷媒ガスを膨張させて冷熱を発生させる膨張機とを有する冷凍機に備えられる熱交換器において、内筒部材と、前記内筒部材を囲むように設けられた外筒部材と、前記内筒部材と前記外筒部材との間に螺旋状に配置された伝熱管とを含み、前記伝熱管の内部に、前記圧縮機から前記膨張機に供給される高圧冷媒ガスが流れる高圧ガス流路が形成されるとともに、前記伝熱管の周囲に、前記膨張機から前記圧縮機に戻る低圧冷媒ガスが流れる低圧ガス流路が形成されてなり、前記高圧ガス流路内の高圧冷媒ガスと前記低圧ガス流路内の低圧冷媒ガスとの間で熱交換させるものであって、前記伝熱管は、前記内筒部材の外周又は前記外筒部材の内周に形成された螺旋溝に嵌め込まれている、熱交換器である。
【００１９】
また、本発明は、ガス供給機から貯留槽にガスを供給する過程で冷凍機で冷却して当該ガスを液化する液化機において、内筒部材と、内筒部材を囲むように設けられた外筒部材と、内筒部材と外筒部材との間に螺旋状に配置された伝熱管とを含み、伝熱管の内部に、ガス供給機から貯留槽に供給されるガスが流れる供給流路が形成されるとともに、伝熱管の周囲に、貯留槽からガス供給機に戻る回収ガスが流れる回収流路が形成されてなり、供給流路内のガスと回収流路内の回収ガスとの間で熱交換させる熱交換器を有し、伝熱管は、内筒部材の外周又は外筒部材の内周に形成された螺旋溝に嵌め込まれている、液化機である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、マンドレル又は外側シェルと隙間用チューブとの間を冷媒ガスが通り抜けることを防止でき、低圧ガス流路を流れる冷媒ガスと、高圧ガス流路を流れる冷媒ガスとの熱交換の効率が低下することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１の実施形態に係る冷凍機の全体構成を示す冷媒回路図である。
【図２】第１の実施形態におけるＪ−Ｔ熱交換器の構成を示すための一部断面を含む正面図である。
【図３】第１の実施形態におけるＪ−Ｔ熱交換器を拡大して示す、一部断面を含む正面図である。
【図４】比較例におけるＪ−Ｔ熱交換器を拡大して示す、一部断面を含む正面図である。
【図５】図４の一部を更に拡大した図であり、比較例におけるＪ−Ｔ熱交換器の低圧ガス流路をヘリウムガスが流れるときの様子を模式的に示す断面図である。
【図６】図３の一部を更に拡大した図であり、第１の実施形態におけるＪ−Ｔ熱交換器の低圧ガス流路をヘリウムガスが流れるときの様子を模式的に示す断面図である。
【図７】第１の実施形態の変形例におけるＪ−Ｔ熱交換器を拡大して示す、一部断面を含む正面図である。
【図８】図７の一部を更に拡大した図であり、第１の実施形態の変形例におけるＪ−Ｔ熱交換器の低圧ガス流路をヘリウムガスが流れるときの様子を模式的に示す断面図である。
【図９】第２の実施形態に係る液化機の全体構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、本発明を実施するための形態について図面と共に説明する。
（第１の実施形態）
図１を参照し、第１の実施形態に係る冷凍機について説明する。
【００２３】
図１は、本実施形態に係る冷凍機５０の全体構成を示す冷媒回路図である。
【００２４】
冷凍機５０は、予冷用冷凍機１とジュール・トムソン（Ｊ−Ｔ）冷凍機１０とを組み合わせた２元回路の冷凍機で構成されている。
【００２５】
予冷用冷凍機１は、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）サイクルの冷凍機で構成されていて、Ｊ−Ｔ冷凍機１０におけるヘリウムガス（冷媒ガス）を予冷するためにヘリウムガスを圧縮及び膨張させる。予冷用冷凍機１は、予冷用圧縮機２と、真空断熱されたクライオスタットＣに取り付けられた膨張機３とを閉回路に接続してなる。膨張機３は、クライオスタットＣの外部に配置される密閉円筒状のケース４と、ケース４の下部に連設された大小２段構造の第１シリンダ５ａ、第２シリンダ５ｂよりなるシリンダ５とを有する。ケース４には、予冷用圧縮機２の吐出側に接続される高圧ガス入口６と、予冷用圧縮機２の吸込側に接続される低圧ガス出口７とが開口されている。一方、シリンダ５は、クライオスタットＣの上壁を貫通してクライオスタットＣの内部に延びている。大径部を有する第１シリンダ５ａの下端部は、所定温度に冷却保持される第１ヒートステーション８に接続されている。小径部を有する第２シリンダ５ｂの下端部は、第１ヒートステーション８よりも低い温度に冷却保持される第２ヒートステーション９に接続されている。
【００２６】
シリンダ５内には、各ヒートステーション８、９に対応する位置にそれぞれ膨張空間を区画形成する図示しないディスプレーサが往復動可能に嵌挿されている。一方、ケース４内には、回転する毎に開閉するロータリバルブと、ロータリバルブを駆動するバルブモータとが収容されている。ロータリバルブは、予冷用圧縮機２の吐出側から高圧ガス入口６を通って流入したヘリウムガスを、シリンダ５内の各膨張空間に供給し、又は各膨張空間内で膨張したヘリウムガスを、低圧ガス出口７を通って予冷用圧縮機２の吸込側へ排出するように切り換わる。そして、ロータリバルブの開閉により高圧ヘリウムガスをシリンダ５内の各膨張空間でサイモン膨張させて、その膨張に伴う温度降下により極低温レベルの冷熱を発生させ、発生した冷熱を第１及び第２ヒートステーション８、９にて保持する。予冷用冷凍機１では、予冷用圧縮機２から吐出された高圧のヘリウムガスを膨張機３に供給し、膨張機３での断熱膨張によりヒートステーション８、９の温度を低下させて、Ｊ−Ｔ冷凍機１０における後述の予冷器１６、１７を予冷する。そして、膨張した低圧ヘリウムガスを予冷用圧縮機２に戻して再圧縮する。
【００２７】
第１ヒートステーション８には、クライオスタットＣ内に配置した略密閉円筒状の輻射シールドＳが伝熱可能に支持されている。そして、第２シリンダ５ｂ、予冷器１７、第２ヒートステーション９は、輻射シールドＳ内に支持されている。
【００２８】
なお、ヘリウムガスは、本発明における冷媒ガスに相当する。
【００２９】
一方、Ｊ−Ｔ冷凍機１０は、約４Ｋレベルの冷熱を発生させるためにヘリウムガスを圧縮して膨張させる冷凍機である。Ｊ−Ｔ冷凍機１０は、ヘリウムガスを圧縮するＪ−Ｔ圧縮機１１と、圧縮されたヘリウムガスをジュール・トムソン膨張させる膨張機１２とを備えている。膨張機１２は、クライオスタットＣ内に位置する第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３、第２Ｊ−Ｔ熱交換器１４及び第３Ｊ−Ｔ熱交換器１５を備えている。このうち、第２Ｊ−Ｔ熱交換器１４及び第３Ｊ−Ｔ熱交換器１５は、クライオスタットＣにおける輻射シールドＳ内に支持されている。各Ｊ−Ｔ熱交換器１３〜１５は、１次側の流路（後述の伝熱管２４内の高圧ガス流路２５）及び２次側の流路（後述の低圧ガス流路２６）をそれぞれ通過するヘリウムガス間で互いに熱交換させるものである。
【００３０】
なお、Ｊ−Ｔ冷凍機は、クロード冷凍機、予冷用冷凍機として冷却された液体を用いるカスケード式のＪ−Ｔ冷凍機などを含むものとする。また、Ｊ−Ｔ冷凍機で得られた液体ヘリウムにより被冷却物を冷却する冷凍機も含むものとする。また、ブレイトンサイクル冷凍機など向流型熱交換器を用いる冷凍機を含むものとする。
【００３１】
第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３の１次側の流路は、Ｊ−Ｔ圧縮機１１の吐出側に接続されている。また、第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３及び第２Ｊ−Ｔ熱交換器１４の各１次側の流路同士は、予冷用冷凍機１における膨張機３の第１ヒートステーション８外周に配置した第１予冷器１６を介して接続されている。同様に、第２Ｊ−Ｔ熱交換器１４及び第３Ｊ−Ｔ熱交換器１５の各１次側の流路同士は、膨張機３の第２ヒートステーション９外周に配置した第２予冷器１７を介して接続されている。更に、第３Ｊ−Ｔ熱交換器１５の１次側の流路は、高圧のヘリウムガスをジュール・トムソン膨張させるＪ−Ｔ弁１８を介して、例えば液体ヘリウムタンク又は伝熱管等よりなる、冷却対象である冷却器１９に接続されている。Ｊ−Ｔ弁１８は、クライオスタットＣ外から操作ロッド１８ａによって開度が調整される。
【００３２】
冷却器１９は、第３Ｊ−Ｔ熱交換器１５及び第２Ｊ−Ｔ熱交換器１４の各２次側の流路を経て第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３の２次側の流路に接続されており、第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３の２次側の流路は、Ｊ−Ｔ圧縮機１１の吸込側に接続されている。
【００３３】
以上のように構成されたＪ−Ｔ冷凍機１０は、Ｊ−Ｔ圧縮機１１によりヘリウムガスを高圧に圧縮して膨張機１２に供給する。そして、供給した高温高圧ヘリウムガスを、膨張機１２の第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３〜第３のＪ−Ｔ熱交換器１５において、Ｊ−Ｔ圧縮機１１側に戻る低温低圧ヘリウムガスと熱交換させる。また、Ｊ−Ｔ冷凍機１０は、供給した高温高圧ヘリウムガスを熱交換させるとともに、第１予冷器１６及び第２予冷器１７において、それぞれ膨張機３の第１ヒートステーション８及び第２ヒートステーション９により冷却する。冷却されたヘリウムガスは、その後、Ｊ−Ｔ弁１８でジュール・トムソン膨張させることによって、冷却器１９において１気圧、約４Ｋの気液混合状態のヘリウムとなり、気液混合状態のヘリウムの蒸発潜熱により冷却器１９を極低温レベル（約４Ｋ）に冷却する。その後、ジュール・トムソン膨張によって低圧となったヘリウムガスを、第３Ｊ−Ｔ熱交換器１５〜第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３の各２次側の流路を通してＪ−Ｔ圧縮機１１に吸入させ、再圧縮する。
【００３４】
図２は、本実施形態におけるＪ−Ｔ熱交換器の構成を示すための一部断面を含む正面図である。また、図３は、本実施形態におけるＪ−Ｔ熱交換器を拡大して示す、一部断面を含む正面図である。図２及び図３では、第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３〜第３Ｊ−Ｔ熱交換器１５を代表し、第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３の構成を示している。しかし、第２Ｊ−Ｔ熱交換器１４及び第３Ｊ−Ｔ熱交換器１５のいずれも、第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３と同様の構成とすることができる。
【００３５】
第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３は、同心状に接合した円筒状のマンドレル２１、外側シェル２２を有する。外側シェル２２は、マンドレル２１を囲むように設けられている。マンドレル２１と外側シェル２２との間の空間には、多数のフィン２３を外周に取り付けた伝熱管２４が収容されている。伝熱管２４は、マンドレル２１の周りに螺旋状に巻かれた状態で配置されている。
【００３６】
なお、マンドレル２１は、本発明における内筒部材に相当し、外側シェル２２は、本発明における外筒部材に相当する。
【００３７】
図２に示すように、マンドレル２１の上端（高温端）及び下端（低温端）は、蓋部材２８、２９により封止されており、外側シェル２２の上端（高温端）及び下端（低温端）は、蓋部材３０、３１により封止されている。
【００３８】
伝熱管２４の内部には、Ｊ−Ｔ圧縮機１１から膨張機１２のＪ−Ｔ弁１８及び冷却器１９に供給される高圧ヘリウムガスが流れる高圧ガス流路（１次側の流路）２５が形成されている。第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３内の高圧ガス流路２５は、外側シェル２２の上端（高温端）において、蓋部材３０を貫通する貫通孔３０ａを介して、Ｊ−Ｔ圧縮機１１側の高圧ガス流路２５と連通する。また、第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３内の高圧ガス流路２５は、外側シェル２２の下端（低温端）において、蓋部材３１を貫通する貫通孔３１ａを介して、Ｊ−Ｔ弁１８側の高圧ガス流路２５と連通している。
【００３９】
一方、マンドレル２１の外部かつ外側シェル２２の内部であって、伝熱管２４の周囲には、膨張機１２のＪ−Ｔ弁１８及び冷却器１９からＪ−Ｔ圧縮機１１に戻る低圧ガスが流れる低圧ガス流路（２次側の流路）２６が形成されている。第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３内の低圧ガス流路２６は、外側シェル２２の下端（低温端）において、蓋部材３１を貫通する貫通孔３１ｂを介して、冷却器１９側の低圧ガス流路２６と連通する。また、第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３内の低圧ガス流路２６は、外側シェル２２の上端（高温端）において、蓋部材３０を貫通する貫通孔３０ｂを介して、Ｊ−Ｔ圧縮機１１側の低圧ガス流路２６と連通している。
【００４０】
このように構成された第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３〜第３Ｊ−Ｔ熱交換器１５では、Ｊ−Ｔ圧縮機１１からＪ−Ｔ弁１８に向かって流れる高圧ガス流路２５内の高温ガスを、冷却器１９からＪ−Ｔ圧縮機１１に戻る低圧ガス流路２６内の低温ガスとの間で熱交換させて冷却する。具体的には、第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３では、高圧ヘリウムガスを例えば室温から５０Ｋまで冷却する。また、第２Ｊ−Ｔ熱交換器１４では、ヘリウムガスを５０Ｋから１５Ｋまで冷却する。更に、第３Ｊ−Ｔ熱交換器１５では、ヘリウムガスを１５Ｋから約５Ｋまで冷却する。
【００４１】
マンドレル２１は、相対的に熱伝導率が低い材質、例えばフェノール樹脂よりなることが好ましい。また、マンドレル２１の内部には、相対的に熱伝導率が低い材質、例えばグラスウールよりなる断熱材２７が収容されていることが好ましい。これにより、マンドレル２１の軸心方向に沿った熱侵入を抑制することができる。また、外側シェル２２は、高い剛性を有する材質、例えばＳＵＳ３１６、４４０等のステンレス鋼よりなることが好ましい。これにより、外側シェル２２に高い耐圧性を付与することができる。
【００４２】
フィン２３及び伝熱管２４は、相対的に熱伝導率が高い材質、例えば銅、アルミニウム等の金属よりなることが好ましい。これにより、伝熱管２４及びフィン２３を介して、低圧ガス流路２６を流れるヘリウムガスと、伝熱管２４の内部である高圧ガス流路２５を流れるヘリウムガスとの熱交換の効率を高めることができる。
【００４３】
本実施形態では、マンドレル２１の外周面に螺旋溝３２が形成されており、伝熱管２４は、螺旋溝３２に嵌め込まれている。そして、中心軸が伝熱管２４の中心軸よりも外側シェル２２側になるように、伝熱管２４に沿って螺旋状に配置された隙間用チューブ３５を有する。隙間用チューブ３５は、マンドレル２１の軸方向に沿って隣り合う２つの伝熱管２４−１、２４−２と、外側シェル２２との隙間を塞ぐように、設けられている。これにより、伝熱管２４の周囲の空間である低圧ガス流路２６を流れるヘリウムガスは、外側シェル２２の軸方向に沿ってフィン２３から離れた部分を通り抜けることなく、伝熱管２４及びフィン２３の十分近傍を通ることができる。その結果、低圧ガス流路２６を流れるヘリウムガスと、伝熱管２４の内部の空間である高圧ガス流路２５を流れるヘリウムガスとの熱交換の効率が低下することを防止できる。
【００４４】
なお、隙間用チューブ３５は、本発明における管部材に相当する。
【００４５】
図３に示すように、フィン２３は、伝熱管２４の外周面から突出して外周側に延びるように設けられている。フィン２３は、伝熱管２４の外周面から垂直に、すなわち径方向に延びるように、放射状に設けられていることがより好ましい。螺旋溝３２は、フィン２３の先端が螺旋溝３２の溝面３３に接するような断面形状を有することが好ましい。そして、伝熱管２４の長手方向に垂直な断面視における、各フィン２３の先端を結ぶ仮想円２３ａ、すなわち、フィン２３を含めた伝熱管２４の最外周に相当する仮想円２３ａの半径をＲ１とする。このとき、螺旋溝３２の長手方向に垂直な断面視における溝面３３の形状は、半径Ｒ１の円の円周の一部であることが好ましい。これにより、伝熱管２４が螺旋溝３２に嵌め込まれる際に、フィン２３が押し潰されて変形することを防止できるため、低圧ガス流路２６を流れるヘリウムガスとフィン２３との熱交換の効率が低下することを防止できる。
【００４６】
また、図３に示すように、螺旋溝３２の長手方向に垂直な断面視における溝面３３の形状は、半径Ｒ１の半円の円周であることが好ましい。これにより、伝熱管２４を螺旋溝３２に容易に嵌め込むことができるとともに、伝熱管２４の螺旋溝３２に嵌め込まれる部分の割合を最大、すなわち半分とすることができる。
【００４７】
次に、本実施形態に係る冷凍機５０が冷熱を発生する作用について説明する。
【００４８】
冷凍機５０が定常運転状態になると、予冷用冷凍機１では、予冷用圧縮機２から供給された高圧のヘリウムガスが膨張機３の各膨張空間で膨張させられる。このヘリウムガスの膨張に伴う温度降下により、第１シリンダ５ａの第１ヒートステーション８が所定温度に冷却され、また第２ヒートステーション９が第１ヒートステーション８よりも低い温度にそれぞれ冷却される。第１ヒートステーション８の冷却に伴い、第１ヒートステーション８に伝熱可能に接触している輻射シールドＳの温度が第１ヒートステーション８と同程度の温度まで降下する。これにより、外部からクライオスタットＣ内の中心部への輻射熱が吸収される。
【００４９】
一方、これと同時に、Ｊ−Ｔ冷凍機１０では、Ｊ−Ｔ圧縮機１１から吐出された高圧ヘリウムガスが第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３の１次側の流路２５に入り、そこでＪ−Ｔ圧縮機１１側へ戻る２次側の流路２６の低圧ヘリウムガスと熱交換されて常温（３００Ｋ）から約５０Ｋまで冷却される。約５０Ｋまで冷却された高圧ヘリウムガスは、膨張機３の第１ヒートステーション８外周の第１予冷器１６に入って更に冷却される。第１予冷器１６で冷却された高圧ヘリウムガスは、第２Ｊ−Ｔ熱交換器１４の１次側の流路２５に入り、同様に２次側の流路２６の低圧ヘリウムガスとの熱交換により約１５Ｋまで冷却される。約１５Ｋまで冷却された高圧ヘリウムガスは、膨張機３の第２ヒートステーション９外周の第２予冷器１７に入って更に冷却される。第２予冷器１７で冷却された高圧ガスは、第３Ｊ−Ｔ熱交換器１５の１次側の流路２５に入り、同様に２次側の流路２６の低圧ヘリウムガスとの熱交換により約５Ｋまで冷却される。約５Ｋまで冷却された高圧ヘリウムガスは、Ｊ−Ｔ弁１８に入り、Ｊ−Ｔ弁１８でジュール・トムソン膨張し、１気圧、約４Ｋの気液混合状態のヘリウムとなって冷却器１９へ供給される。そして、冷却器１９において、気液混合状態のヘリウムにおける液部分の蒸発潜熱により４Ｋの極低温レベルが得られ、冷却器１９に接続されている冷却対象が冷却される。
【００５０】
次に、マンドレル２１と隙間用チューブ３５との間を冷媒ガスが通り抜けることによって、低圧ガス流路２６を流れるヘリウムガスと、高圧ガス流路２５を流れるヘリウムガスとの熱交換の効率が低下することを防止できる作用効果について、比較例を参照しながら説明する。
【００５１】
図４は、比較例におけるＪ−Ｔ熱交換器１１３を拡大して示す、一部断面を含む正面図である。図５は、図４の一部を更に拡大した図であり、比較例におけるＪ−Ｔ熱交換器１１３の低圧ガス流路２６をヘリウムガスが流れるときの様子を模式的に示す断面図である。図６は、図３の一部を更に拡大した図であり、本実施形態におけるＪ−Ｔ熱交換器１３の低圧ガス流路２６をヘリウムガスが流れるときの様子を模式的に示す断面図である。
【００５２】
図４に示すように、比較例におけるＪ−Ｔ熱交換器１１３では、マンドレル１２１の外周面１３３に螺旋溝は形成されておらず、伝熱管２４は、マンドレル１２１の平坦な外周面１３３に巻き付けられている。また、第１の実施形態と同様に設けられた隙間用チューブ３５の他に、中心軸が伝熱管２４の中心軸よりもマンドレル１２１側になるように、伝熱管２４に沿って螺旋状に配置された隙間用チューブ１３６を有する。隙間用チューブ１３６は、マンドレル１２１の軸方向に沿って隣り合う２つの伝熱管２４−１、２４−２と、マンドレル１２１との隙間を塞ぐように、設けられている。それ以外の部分、例えば外側シェル２２、フィン２３については、第１の実施形態と同様である。
【００５３】
比較例では、図５の領域Iに示すように、隙間用チューブ１３６がマンドレル１２１の外周面１３３に接触している領域もある。領域Iでは、伝熱管２４の周囲の空間である低圧ガス流路２６を流れるヘリウムガスは、隙間用チューブ１３６とマンドレル１２１の外周面１３３との間を通り抜けることなく、伝熱管２４及びフィン２３の十分近傍を通ることができる。このようなときは、低圧ガス流路２６を流れるヘリウムガスとフィン２３との熱交換の効率が低下しない。
【００５４】
しかし、比較例では、隙間用チューブ１３６の巻き方によっては、隙間用チューブ１３６のマンドレル１２１に対する密着性が低下し、図５の領域II、IIIに示すように、隙間用チューブ１３６とマンドレル１２１の外周面１３３との間に隙間が形成されることがある。領域II、IIIでは、伝熱管２４の周囲の空間である低圧ガス流路２６を流れるヘリウムガスは、伝熱管２４及びフィン２３の十分近傍を通ることなく、隙間用チューブ１３６とマンドレル１２１の外周面１３３との隙間を通り抜ける。このようなときは、低圧ガス流路２６を流れるヘリウムガスとフィン２３との熱交換の効率が低下する。その結果、低圧ガス流路２６を流れるヘリウムガスと、伝熱管２４の内部の空間である高圧ガス流路２５を流れるヘリウムガスとの熱交換の効率が低下するとともに、冷凍機の冷凍能力も低下する。
【００５５】
一方、本実施形態におけるＪ−Ｔ熱交換器１３では、マンドレル２１の外周面に螺旋溝３２が形成されており、伝熱管２４は、螺旋溝３２に嵌め込まれている。また、マンドレル２１の軸方向に沿って隣り合う２つの螺旋溝３２−１、３２−２の間で外側シェル２２側に突出した突出部３４が、マンドレル２１の軸方向に沿って隣り合う２つの伝熱管２４−１、２４−２とマンドレル２１との隙間を塞ぐように、設けられている。これにより、低圧ガス流路２６を流れるヘリウムガスは、外側シェル２２の軸方向に沿ってフィン２３から離れた部分を通り抜けることなく、伝熱管２４及びフィン２３の十分近傍を通ることができる。その結果、低圧ガス流路２６を流れるヘリウムガスと、高圧ガス流路２５を流れるヘリウムガスとの熱交換の効率が低下することを防止できる。
【００５６】
更に、本実施形態では、マンドレル２１の軸方向における螺旋溝３２のピッチを、同一の熱交換器の上端から下端にかけての全ての部分において、及び、複数の熱交換器の間で、一定に制御することができる。そして、マンドレル２１の外周面に伝熱管２４を巻き付ける際に、ピッチが一定に制御された螺旋溝３２をガイドとして巻き付けることができる。従って、同一の熱交換器の上端から下端にかけての全ての部分において、及び、複数の熱交換器の間で、マンドレル２１の軸方向における伝熱管２４のピッチがばらつくことを防止できる。
（第１の実施形態の変形例）
次に、図７及び図８を参照し、第１の実施形態の変形例に係る冷凍機について説明する。
【００５７】
本変形例に係る冷凍機は、Ｊ−Ｔ熱交換器１３ａ〜１５ａが、中心軸が伝熱管２４の中心軸よりもマンドレル２１ａ側になるように、伝熱管２４に沿って螺旋状に配置された隙間用チューブ３６を有する点で、第１の実施形態に係る冷凍機と相違する。
【００５８】
本変形例に係る冷凍機は、第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３〜第３Ｊ−Ｔ熱交換器１５に代え、第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３ａ〜第３Ｊ−Ｔ熱交換器１５ａを有する点を除き、第１の実施形態で説明した冷凍機と同一とすることができる。従って、Ｊ−Ｔ熱交換器以外の部分、例えば冷凍機についての説明は省略する。
【００５９】
図７は、本変形例におけるＪ−Ｔ熱交換器１３ａを拡大して示す、一部断面を含む正面図である。図８は、図７の一部を更に拡大した図であり、本変形例におけるＪ−Ｔ熱交換器１３ａの低圧ガス流路２６をヘリウムガスが流れるときの様子を模式的に示す断面図である。また、図７及び図８でも、第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３ａ〜第３Ｊ−Ｔ熱交換器１５ａを代表し、第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３ａの構成を示している。しかし、第２Ｊ−Ｔ熱交換器１４ａ及び第３Ｊ−Ｔ熱交換器１５ａのいずれも、第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３ａと同様の構成とすることができる。
【００６０】
本変形例でも、図７に示すように、第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３ａは、同心状に接合した円筒状のマンドレル２１ａ、外側シェル２２を有する。外側シェル２２は、マンドレル２１ａを囲むように設けられている。マンドレル２１ａと外側シェル２２との間の空間には、多数のフィン２３を外周に取り付けた伝熱管２４が収容されている。マンドレル２１ａ、外側シェル２２、フィン２３、伝熱管２４、断熱材２７、蓋部材２８〜３１、高圧ガス流路２５及び低圧ガス流路２６の上端（高温端）及び下端（低温端）の構造並びに材質は、第１の実施形態における第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３と同様である。
【００６１】
また、本変形例でも、第１の実施形態と同様に、マンドレル２１ａの外周面に螺旋溝３２ａが形成されており、伝熱管２４は、螺旋溝３２ａに嵌め込まれている。そして、中心軸が伝熱管２４の中心軸よりも外側シェル２２側になるように、伝熱管２４に沿って螺旋状に配置された隙間用チューブ３５を有する。また、伝熱管２４の外周面には、伝熱管２４の外周面から突出して外周側に延びるように、フィン２３が設けられている。そして、フィン２３を含めた伝熱管２４の最外周に相当する仮想円２３ａの半径をＲ１とするとき、螺旋溝３２ａの長手方向に垂直な断面視における溝面３３ａの形状は、半径Ｒ１の円の円周の一部であることが好ましい。
【００６２】
一方、本変形例では、図７に示すように、中心軸が伝熱管２４の中心軸よりもマンドレル２１ａ側になるように、伝熱管２４に沿って螺旋状に配置された隙間用チューブ３６を有する。隙間用チューブ３６は、マンドレル２１ａの軸方向に沿って隣り合う２つの伝熱管２４−１、２４−２と、マンドレル２１ａとの隙間を塞ぐように、設けられている。その結果、螺旋溝３２ａの長手方向に垂直な断面視における溝面３３ａの形状は、半径Ｒ１の円の円周の一部であって、半径Ｒ１の半円よりも中心角が小さくなるように設けられている。
【００６３】
隙間用チューブ３６の巻き方によっては、隙間用チューブ３６のマンドレル２１ａに対する密着性が低下することがある。そして、図８の領域IVに示すように、マンドレル２１ａの軸方向に沿って隣り合う２つの螺旋溝３２ａ−１、３２ａ−２の間で外側シェル２２側に突出した突出部３４ａと、突出部３４ａに巻きつけた隙間用チューブ３６との間に隙間が形成されることがある。しかし、本変形例では、突出部３４ａと隙間用チューブ３６の間を通り抜けるヘリウムガスも、伝熱管２４及びフィン２３の十分近傍を通ることができる。その結果、低圧ガス流路２６を流れるヘリウムガスと、伝熱管２４の内部の空間である高圧ガス流路２５を流れるヘリウムガスとの熱交換の効率が低下することを防止できる。
【００６４】
以上、本発明の好ましい実施の形態について記述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００６５】
なお、第１の実施形態及びその変形例では、マンドレル２１、２１ａの外周面に螺旋溝３２、３２ａが形成されている例について説明した。しかし、マンドレル２１、２１ａの外周面に代え、外側シェル２２の内周面に螺旋溝が形成されていてもよい。これにより、低圧ガス流路２６を流れるヘリウムガスが、隙間用チューブ３５と外側シェル２２との隙間を通り抜けることなく、伝熱管２４及びフィン２３の十分近傍を通ることができる。その結果、低圧ガス流路２６を流れるヘリウムガスと、高圧ガス流路２５を流れるヘリウムガスとの熱交換の効率が低下することを防止できる。
【００６６】
また、マンドレル２１の外周面に突出部３４を接着等により取り付けることによって、マンドレル２１の外周に螺旋溝３２を設けてよい。また、外側シェル２２の内周面に突出部を接着等により取り付けることによって、外側シェル２２の内周に螺旋溝を設けてもよい。
【００６７】
また、第１の実施形態では、冷媒ガスとしてヘリウムガスを用いる例について説明したが、例えば、ネオン、アルゴン、水素、酸素、空気、メタン、エタンなどを用いることができる。
（第２の実施形態）
図９を参照し、第２の実施形態に係る液化機について説明する。
【００６８】
図９は、本実施形態に係る液化機の全体構成を示す回路図である。
本実施形態にかかる液化機５０ａは、液化用冷凍機１ａと、液化回路とを組み合わせて構成されている。液化用冷凍機１ａについては、第１の実施形態における予冷用冷凍機１と同一とすることができるため、液化用冷凍機１ａの説明については省略する。
【００６９】
一方、液化回路は、ヘリウムガスを供給するポンプ１１ａと、液化したヘリウムガスを貯留する貯留槽１９ａとを備えている。ポンプ１１ａと貯留槽１９ａとを繋ぐ流路には、クライオスタットＣ内に位置する第１熱交換器１３ａ及び第２熱交換器１４ａを備えている。このうち、第２熱交換器１４ａは、クライオスタットＣにおける輻射シールドＳ内に支持されている。第１熱交換器１３ａ及び第２熱交換器１４ａは、１次側の流路（伝熱管２４内の高圧ガス流路２５）及び２次側の流路（低圧ガス流路２６）をそれぞれ通過するヘリウムガス間で互いに熱交換させるものである。なお、各熱交換器１３ａ、１４ａの構成は、第１の実施形態における第１Ｊ−Ｔ熱交換器１３及び第２Ｊ−Ｔ熱交換器１４の各々と同一とすることができるため、熱交換器の説明については省略する。また、ポンプ１１ａは、本発明におけるガス供給機に相当し、高圧ガス流路２５は本発明における供給流路に相当し、低圧ガス流路２６は本発明における回収流路に相当する。
【００７０】
以上のように構成された液化機５０ａは、ポンプ１１ａによりヘリウムガスを貯留槽１９ａに供給する過程で、供給したヘリウムガスを、第１熱交換器１３ａ及び第２熱交換器１４ａで、ポンプ１１ａに戻る回収ヘリウムガスと熱交換させる。また、供給ヘリウムガスと回収ヘリウムガスを熱交換させるとともに、膨張機３の第１ヒートステーション８及び第２ヒートステーション９により冷却する。第２ヒートステーション９は約４Kに冷却されており、第２ヒートステーション９で冷却されたヘリウムガスの一部は液化し、貯留槽１９ａに蓄えられる。すなわち、ヘリウムガスは、ポンプ１１ａから貯留槽１９ａにガスを供給する過程で、液化用冷凍機１ａで冷却されて液化される。その後、液化しなかったヘリウムガスは、ガス回収流路である低圧ガス流路２６を通ってポンプに戻る過程で、第２熱交換器１４ａ、第１熱交換器１３ａの各２次側の流路で供給ヘリウムガスと熱交換される。ガス回収流路である低圧ガス流路２６は、ポンプ１１ａ付近でバッファタンクやヘリウムガスボンベなどのガス補充部１１ｂと接続されており、液化により減少したヘリウムガスが補充される。
【００７１】
本実施形態では、第１熱交換器、第２熱交換器での熱交換効率が低下することを防止できるので、効率よくヘリウムガスを液化することができる。
【００７２】
なお、本実施形態に係る液化用冷凍機、熱交換器においても、第１の実施形態、第１の実施形態の変形例と同様な変形・変更が可能である。
また、本実施形態では、ヘリウムを液化する液化機として説明したが、貯留槽で蓄えた液体ヘリウムを用いて被冷却物を冷却する冷凍機として用いることもできる。
【００７３】
また、本実施形態では、ガス供給機としてポンプを用いる例について説明したが、これに限られず、例えばファンなど、貯留槽にむけてガスを送り出すものであれば何れのものも適用できる。
【符号の説明】
【００７４】
１  予冷用冷凍機
２  予冷用圧縮機
３  膨張機
５、５ａ、５ｂ  シリンダ
８、９  ヒートステーション
１０  Ｊ−Ｔ冷凍機
１１  Ｊ−Ｔ圧縮機
１２  膨張機
１３〜１５  Ｊ−Ｔ熱交換器
１６、１７  予冷器
１８  Ｊ−Ｔ弁
１９  冷却器
２１、２１ａ  マンドレル
２２  外側シェル
２３  フィン
２４  伝熱管
２５  高圧ガス流路
２６  低圧ガス流路
３２、３２ａ  螺旋溝
３３、３３ａ  溝面
３４、３４ａ  突出部
３５、３６  隙間用チューブ
５０  冷凍機
【図１】
2013002760.tif 000003
【図２】
2013002760.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2013002760.tif 000008
【図７】
2013002760.tif 000009
【図８】
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【図９】
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