JP2003021477A - 熱交換器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱交換器外筒内に配設した配管内の空隙部に
金属球体を充填し金属球体どうし、金属球体と配管間を
接合した形式の熱交換器において、接合を確実に、かつ
低い温度で行わせて、圧力損失の小さい、伝熱面積と熱
伝達率を飛躍的に増加させた熱交換器を提供すること。 【解決手段】 流体流入口と流体流出口とを備えた第１
の温度流体が流れる熱交換器外筒１と、前記熱交換器外
筒１内に配設された第２の温度流体が流れる高圧ガス配
管２と、熱交換器外筒１内に高圧ガス配管２と接触させ
て充填され、それぞれの接触部が異質の金属層を介して
接合された多数の良熱伝導性金属からなる球体７の集合
体８とを備えている。球体７の接触部は、球体７に球体
７と共晶を形成する金属被膜を形成し、熱交換器外筒１
内に高圧ガス配管２と接触させて充填した後熱処理し
て、球体７表面に球体７を構成する金属と被膜を構成す
る金属による液相を形成させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱交換器および熱
交換器の製造方法に係り、特に、極低温である４Ｋ以下
の低温機器に用いられる、少ない圧力損失で低圧側の熱
伝達を向上させた熱交換器およびその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来から、ＭＲＩなどの超伝導マグネッ
トを冷却するために、小型のヘリウム冷凍機が用いられ
ている。小型ヘリウム冷凍機は、通常、予冷用のヘリウ
ム冷凍機とジュール・トムソン（ＪＴ）ラインとを備え
ており、５Ｋ近くまで冷却された高圧のガスヘリウムを
ＪＴ弁で膨張させて液体ヘリウム温度を得ており、ＪＴ
ラインには、高圧ガスヘリウムと膨張したガスヘリウム
とを熱交換させる熱交換器が複数個備えられている。

【０００３】ところで、このように極低温で用いられる
冷凍機用熱交換器には、９５％以上の非常に高い熱交換
効率が要求されており、熱交換器の損失分は予冷用のヘ
リウム冷凍機によって冷却しなければならない。このよ
うな熱交換器における損失の増大は予冷用冷凍機の大型
化を招き、ひいてはシステム全体の大型化につながる。
また、それに伴い、入力のパワーも増大してしまう。し
たがって、冷凍機の高効率化と小型化が要望されてい
る。

【０００４】図１０は、従来の冷凍機用熱交換器を模式
的に示すものである。図中、符号１は熱交換器外筒を示
し、符号２は高圧ガス配管を示している。高圧ガス配管
２は銅などの良熱伝導性金属で形成されており、スパイ
ラル状に巻かれて熱交換器外筒１に収められている。熱
交換器外筒１の両端面には端板１ａが溶接されており、
これから高圧ガス配管入口３、高圧ガス配管出口４と低
圧ガス配管入口５、低圧ガス配管出口６とが導かれてい
る。高圧のガスヘリウムは高圧ガス配管入口３から入
り、高圧ガス配管２内を通って高圧ガス配管出口４から
出る。低圧のガスヘリウムは低圧ガス配管入口５から入
り、熱交換器外筒１と高圧ガス配管２の間を通り、低圧
ガス配管出口６から出る。この時、高低圧のガスヘリウ
ムはそれぞれ高圧ガス配管２の管壁を介して熱交換す
る。

【０００５】このような冷凍機用熱交換器において、前
述した理由で、低圧側の圧力損失を極力低減するため
に、低圧側の流路断面積を増して流速を落とすと低圧側
の熱伝達率は減少してしまう。そこで、低圧側の伝熱面
積を増加させるために高圧ガス配管２の外面にフィンな
どを設けることが考えられるが、このようにすると熱交
換器の大型化につながることになる。このように、従来
の小型の冷凍機用熱交換器においては低圧側の圧力損失
を抑えて熱伝達を高めることが非常に困難であった。

【０００６】このような問題を解消するものとして、特
許第２６３３５８１号公報に示されるように、熱通過率
が高く、また伝熱面積を大きくするために良熱伝導材製
球体の集合体を熱交換器外筒と高圧ガス配管の間の低圧
の冷媒ガス流路に充填した熱交換器が提案されている。

【０００７】この熱交換器は、図１１に示されるよう
に、低圧の冷媒ガスが流れる熱交換器外筒１内に高圧の
冷媒ガスが流れる高圧ガス配管２を配置し、高圧ガス配
管２の管壁を介して、両冷媒ガスを熱交換させるように
したものであるが、熱交換器外筒１内に互いに部分的に
接合状態とされ、しかも高圧ガス配管２とも接合状態と
された良熱伝導材製球体７の集合体８を低圧の冷媒ガス
の流れ方向に断熱層９を介在させつつ複数充填した構造
をもっている。なお、図１１において、図１と共通する
部分には共通の符号を付して重複する説明は省略してい
る。

【０００８】この熱交換器においては、低圧の冷媒ガス
は集合体８を構成している球体７と球体７との間を流れ
る。この時、流速の増加によって低圧の冷媒ガスと球体
７との熱伝達は非常に高くなり、また伝熱面積もすべて
の球体７の表面積の和とほぼ等しくなるため非常に大き
いものとなる。また、空隙部の大きい球体７を用いてい
るので圧力損失は低く抑えられる。さらに、低圧の冷媒
ガスの流れ方向に断熱層９を介在させて集合体８を複数
に分離しているので、集合体８を通して、熱伝導で熱交
換器の両端間に熱が伝わることも抑制できる。このよう
に、集合体８を設けたことによって熱伝導損失の増加を
抑制できる利点がある。

【０００９】しかしながら、特許第２６３３５８１号の
熱交換器では、低圧の冷媒ガスと球体７、球体７どう
し、あるいは球体７と高圧ガス配管２、さらには球体７
と高圧ガス配管２の接合性を高めるとともに熱伝導度を
高める方策として、これらの接触部を拡散接合する方法
が提案されているが、熱交換器の構造からみてこれらの
接合性を高めることは以下の理由で非常に難しいという
問題がある

【００１０】その一つは、この拡散接合法で球体７どう
しあるいは球体７と高圧ガス配管２との接合を行う場
合、熱交換器の構造から接合面に必要な加圧が作用させ
にくいという問題がある。例えば球体７が銅からなる場
合、その接合には、銅の表面の活性化、接合温度１００
０℃以上への昇温、保持時間１時間前後、真空度１０-4
Ｔｏｒｒ以下の高真空雰囲気、銅原子が相互拡散できる
ような距離までの接合面の密着、等の条件を満足させる
必要がある。特に球体７の接合面には、自重によるわず
かな加圧力しか加わらないことを考えると球体７間で面
接触ができない部分が生じるから、接合温度を１０００
℃以上としても銅材からなる球体７どうしの拡散接合は
難しい。また、球体７の自重が加わる方向と直角の方向
にはほとんど荷重が加わらないから、球体７の横方向の
接合はさらに難しいことになる。

【００１１】このような問題を解消するため、何らかの
方法で球体７を加圧した場合には、融点に近い高い接合
温度での加圧であるから、銅からなる球体７がつぶれて
変形してしまう恐れがある。球体７どうしがつぶれた状
態で接合された場合には、熱伝導性は高まるが、冷媒の
ガスが流れ難くなってしまい熱交換器として機能しなく
なってしまう。

【００１２】上述のように、特許第２６３３５８１号の
熱交換器においても、無加圧で加熱して球体７どうしの
接合が不完全になると熱交換器に必要な熱伝導性が悪く
なり、加圧下に加熱して球体７が潰れてしまうと熱伝導
性は高くなっても冷媒のガスが流れず、熱交換器として
の機能が得られなくなってしまうという問題がある。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
熱交換器にあっては、所定の性能を発揮させるには低圧
側の熱伝達を増加させなければならず、そのためには圧
力損失の増大や熱交換器外筒の大型化を招く欠点があっ
た。また、特許第２６３３５８１号公報に示されたよう
な、熱通過率を高く、伝熱面積を大きくするために良熱
伝導材製球体の集合体を熱交換器外筒と配管の間の低圧
の冷媒ガス流路に充填した熱交換器では、良熱伝導材製
球体どうしを拡散接合させる際に、無加圧で加熱すると
熱伝導材製球体どうしの接合が不完全となり、加圧した
場合には熱伝導材製球体が潰れて冷媒のガスが流れなく
なるため、性能を満足する熱交換器が得られないという
問題があった。

【００１４】本発明は、このような従来の難点を解消す
べくなされたもので、特許第２６３３５８１号公報に示
されたタイプの熱交換器において、球体どうしを接合す
る際に、接合面に液相を生じさせ、その液相を介して球
体どうしを接合させることにより、極めて簡単に、圧力
損失の小さい、伝熱面積と熱伝達率を飛躍的に増加させ
た、高効率で小型化を図ることのできる熱交換器を提供
することを目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の熱交換器は、流
体流入口と流体流出口とを備えた第１の温度流体が流れ
る熱交換器外筒と、前記熱交換器外筒内に配設された第
２の温度流体が流れる配管と、前記熱交換器外筒内に前
記配管と接触させて充填され、それぞれの接触部が異質
の金属層を介して接合された多数の良熱伝導性金属から
なる球体の集合体とを備えたことを特徴としている。

【００１６】本発明における熱交換器外筒は、通常、ほ
ぼ円筒状の形状をなしており、配管は、この熱交換器外
筒内にスパイラル状に形成された状態で同軸的に配設さ
れ、配管の両端は熱交換器外筒の両端板から導出されて
いる。上記配管は、断面形状が円形状のものであって
も、角型状のものであってもよい。断面角型状の配管の
場合には、スパイラル状に形成したときに互いに隣接す
る面が角型の平坦面となるように成形し、かつこの互い
に隣接する対向面には熱交換器外筒の軸方向への伝熱を
妨げるため、アルミナ層のようなセラミックス層を表面
に形成することが好ましい。また球体は充実体で中空体
であってもよい。

【００１７】熱交換器外筒の第１の温度流体の流通路に
充填された多数の良熱伝導性金属からなる球体の集合体
内には、流通路に沿って、すなわち熱交換器外筒の長手
方向に所定の間隔をおいて複数の流体透過性の断熱層、
例えばステンレスメッシュを配設して、球体の集合体を
介しての流路方向への伝熱を抑制することが望ましく、
また球体の集合体と配管との間の実質的な接触面積を大
きくするために、配管と球体の集合体との間に、良熱伝
導性金属からなるシートを介在させることがより望まし
い。上記断熱層とシートを用いる構造は、いずれか一方
だけを採用してもよく、両方を採用してもよい。

【００１８】本発明の熱交換器の配管、球体あるいは配
管と球体の集合体との間に介在させるシートの構成材料
としては、良熱電導性の銅や銅合金あるいはアルミニウ
ムが適している。

【００１９】前述の異質の金属層は、球体を構成する金
属と他の金属との共晶合金からなることが好ましいが、
共晶合金以外であっても、球体よりも融点低い金属やそ
の合金あるいはＰｂ−Ｓｂ合金のような低融点合金であ
ってもよい。球体が、銅または銅合金からなる場合に
は、銅と銀、銅とアルミニウムの共晶合金、銅とスズの
合金等が適している。球体が、アルミニウムまたはアル
ミニウム合金からなる場合には、銅とアルミニウムの共
晶合金やアルミ半田のような低融点合金が適している。

【００２０】前述の球体相互を接合させる異質の金属層
は、球体表面、所望によっては、配管表面、配管と多数
の球体との間に介在させるシートの表面に形成された金
属被膜が加熱処理時に融解して生じた融液の凝固、また
はこの金属被膜が加熱処理時に球体等を構成する基材金
属との間で共晶を形成して融解して生じたの融液の凝固
によって形成される。球体表面に形成される金属被膜
は、熱処理の際に球体を構成する金属と合金化して球体
を構成する金属よりも低い融点の合金を形成するものが
適している。このような金属被膜を構成する金属として
は、球体が、銅または銅合金からなる場合には、銀、ア
ルミニウム、スズあるいはこれらの金属を含む合金が例
示され、球体が、アルミニウムまたはアルミニウム合金
からなる場合には、銅が例示される。球体を構成する基
体金属と実質的に合金を生じさせないで使用し得る金属
被覆としては、例えば低融点金属、例えばアルミ半田が
例示される。

【００２１】金属被膜は、電気めっき、浸漬めっき、Ｃ
ＶＤあるいはコスト的には高価になるがアークイオンプ
レーティングやスパッタリングなどのＰＶＤなどの公知
の方法により形成することができる。本発明において
は、金属被膜の形成法による効果上の相違はなく、した
がって対象となる球体の容量、形状、生産するロットの
大きさ、対象金属等に応じて任意の方法を用いることが
できる。

【００２２】金属被膜の厚さは、球体の寸法に応じて適
宜選択されるが、通常１〜１００μｍ、好ましくは５〜
３０μｍの範囲である。１μｍより薄いと接合部の面積
が小さくなって接合強度が不十分となり、１００μｍよ
り厚いと融液が過剰に生じて流下し球体間の間隙を狭め
て圧力損失を大きくするので好ましくない。

【００２３】なお、複合金属球体の寸法は用途（熱交換
器の大きさ）によって異なるが、Ｈｅ液化用等の低温機
器に用いられる熱交換器の場合、直径０．５〜１０ｍ
ｍ、好ましくは１〜５ｍｍが適している。

【００２４】次に本発明の熱交換器の製造方法の一例を
説明する。まず、常法により、熱交換器外筒内に、通常
スパイラル状に成形された、例えば銅製の配管を組付
け、一方の端板を取り付けた状態で他方の開口側から銅
球の表面に例えば１０μｍの厚みの銀メッキを施した複
合金属球体を充填する。このとき、必要に応じて熱交換
器外筒の長手方向に所定間隔で断熱層となるステンレス
メッシュを介在させたり、球体と配管との接触面に銅シ
ートのような良熱伝導性の金属シートを介在させること
が望ましい。金属シートは、金属球体や配管に当たる部
分が金属球体や配管に倣って変形し実質的な接触面積を
増大させる。

【００２５】この状態で、熱交換器外筒を、１０-1〜１
０4 Ｐａの真空下又は窒素、アルゴン等の不活性ガス雰
囲気下、低真空中で水素ガスを挿入する水素還元雰囲気
下、その他酸化被膜の生成等の接合および共晶反応に影
響を及ぼさない任意の非酸化雰囲気下で、Ｃｕ−Ａｇの
共晶温度よりやや高い温度にまで加熱する。このような
状況下で加熱すると、７９０℃において球体の基材であ
る銅と表面に被覆した銀とが相互拡散し、その成分濃度
が銀７２％、銅２８％において共晶反応が起こり融液が
生成する。その後放冷すると融液は凝固して球体相互が
Ａｇ−Ｃｕ共晶により固着される。なお、金属被膜が低
融点金属の場合には、その低融点金属の融点まで昇温さ
せればよく、共晶の形成は必ずしも必要ではない。ま
た、球体と被覆を構成する金属の組み合わせが異なるも
のを併用することも可能である。

【００２６】この後、他方の端板を取り付ければ本発明
の熱交換器が完成する。なお、スパイラル状に成形され
た配管の内部空間に球体の集合体が充填され、これらが
一体に接合された組立構体を予め形成し、この組立構体
を熱交換器外筒内に装入して熱交換器の組立を行うこと
もできる。

【００２７】本発明においては、このように球体相互が
液相を介して接合されて集合体となるため球体を加圧し
なくとも容易に、かつ均一に球体の接触面で接合され、
また、加熱を球体の基材金属の融点よりもずっと低い低
融点金属の融点や共晶温度で行うことができるから、加
熱時にも球体の変形はなく、球体間の流体通路が確保さ
れる。また、配管と球体の接合性も高まることから熱伝
導度に優れ、これを冷凍機用熱交換器用に適用した場合
には、冷却効率の高い熱交換器が得られる。

【００２８】本発明の熱交換器は、小型のヘリウム冷凍
機用の熱交換器として好適しているが、このような用途
に限定されるものではなく、本発明の効果を有効に生か
すことのできる任意のタイプの熱交換器に適用すること
が可能である。

【００２９】

【発明の実施の形態】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。 （第１の実施例）本発明の第１の実施例を図１を用いて
説明する。なお、この実施例の熱交換器の全体の構造
は、図１０及び、図１１に示したものと同じであり、図
１は、その一部の断面を示したものである。

【００３０】高圧の冷媒ガスが流れる高圧ガス配管２
は、良熱伝導材である銅または銅合金からなる円形パイ
プを曲げ治具を用いてスパイラル状に巻いたものであり
（同図の上下方向がスパイラルの軸方向）、その内部の
空隙部には銅または銅合金からなる直径数ｍｍ（例え
ば、２〜３ｍｍ）程度の球体７が、互いの接触部と高圧
ガス配管２の接触部がＡｇ−Ｃｕ共晶合金を介して接合
された集合体８の形態で充填されている。

【００３１】この実施例の熱交換器は、例えば次のよう
にして製作される。まず、常法により熱交換器外筒１内
に、表面に銀のコーティングを形成したスパイラル状の
高圧ガス配管２を組付けた後、一方の端板を取り付けた
状態で他方の開口側から表面に銀のコーティングを形成
した銅または銅合金からなる球体７を充填する。高圧ガ
ス配管２および球体７の表面の銀のコーティング１０の
厚さは、例えば図２に示すように数μｍから数十μｍの
厚さとする。なお、この銀のコーティング１０は、浸漬
めっき、電気めっき、ＣＶＤ、ＰＶＤ等の任意の方法で
形成されたものである。

【００３２】この実施例の熱交換器の集合体８は、この
ような組立体を、真空炉内で、例えば真空度１０-2Ｐａ
以下、温度約８００℃で加熱して、高圧ガス配管２と球
体７の集合体８および球体の集合体８どうしを、銀のコ
ーティング１０を利用して反応接合させて形成される。

【００３３】このように、真空中で温度約８００℃で加
熱すると、図３に示す銀と銅の二元合金標準状態図に示
されているように銅と銀とは相互拡散して共晶反応が起
こる。そして、共晶組成が銀７１．９ｗｔ％、銅２８．
１ｗｔ％程度に至るまで相互拡散が進行した領域におい
て液相が生成する。この液相が生成する温度（共晶温
度）は、図３に示す銀と銅の二元合金標準状態図からも
わかるように７７９．４℃である。この温度は銅の融点
１０８３℃、また銀の融点９６０．５℃に対して数１０
０℃も低い温度である。このように、母材よりも低い温
度領域で溶融する共晶反応により生じた液相を介して、
高圧ガス配管２と球体７の集合体８および球体７どうし
は接線方向の接点である接触点で接合がなされる。この
後、常法により他方の端板の取り付け等を行って熱交換
器が完成する。

【００３４】本実施例によれば液相を介して接合を行う
ため固相（拡散）接合と比較して接合部の密着性が優
れ、極めて小さな加圧力によって接合させることが可能
となる。また、液相を介した接合操作となるため、銅お
よび銀の金属原子相互間の拡散速度が固相接合の場合と
比較して、増大化し短時間で接合することが可能とな
る。そのため長時間加熱の際に問題となる高圧ガス配管
２の銅の結晶粒粗大化あるいは粗大化に伴って粒界割れ
を効果的に防止することができる。

【００３５】（第２の実施例）次に、本発明の第２の実
施例を図４および図５を用いて説明する。なお、この実
施例の熱交換器の全体の構造も、図１０及び、図１１に
示したものと同じであり、図４、図５は、その一部の断
面を示したものである。

【００３６】この実施例の熱交換器の熱交換器外筒１内
に配設された高圧の冷媒ガスが流れる高圧ガス配管２
は、良熱伝導材である銅または銅合金からなる円形パイ
プを曲げ治具を用いてスパイラル状に巻いたものであ
り、その内側にはその内部の空隙部には銅または銅合金
からなる直径数ｍｍ（例えば、２〜３ｍｍ）程度の球体
７が、互いの接触部と高圧ガス配管２の接触部がＡｇ−
Ｃｕ共晶合金を介して接合された集合体８の形態で充填
されている。また集合体８と高圧ガス配管２の間には、
接触する集合体２と高圧ガス配管２の外径に倣って凹凸
に成形された銅又は銅合金からなるシート１３が介在さ
れ、このシート１３と集合体８との接触部、このシート
１３と高圧ガス配管２との接触部も、Ａｇ−Ｃｕ共晶合
金を介して接合されている。さらに、集合体８は、熱交
換器外筒１の長手方向に所定の間隔で、例えばステンレ
スメッシュからなる断熱層９によって複数に区画されて
いる。

【００３７】この実施例の熱交換器は、例えば次のよう
にして製作される。まず、常法により熱交換器外筒１に
一方の端板を取り付けた状態で、図４に示すように、表
面に銀のコーティングを形成したスパイラル状の高圧ガ
ス配管２を組付け、その内側に厚さ０．０５から約１ｍ
ｍ程度の銅又は銅合金からなるシート１３を配設する。
さらに、このシート１３の内側の空隙部に、熱交換器外
筒１の長手方向に所定の間隔をおいて断熱層９を介挿さ
せつつ、表面に銀のコーティングを形成した銅または銅
合金からなる球体７を充填する。

【００３８】この組立体を、真空炉内で、例えば真空度
１０-2Ｐａ以下、温度約８００℃で加熱すると、高圧ガ
ス配管２と球体７の表面に形成された銀のコーティング
１０とこれらに接触しているシート１３および球体７の
基材の銅または銅合金が接触面で共晶反応を起こし共晶
の液相を形成して一体に接合する。

【００３９】一方、この加熱によりシート１３は高圧ガ
ス配管２と球体７の湾曲面に倣って凹凸状に変形し、図
５に示すように、高圧ガス配管２と球体７とがシート１
３を介して面接触となり、接触面積が著しく増加して熱
交換器の機能が大幅に改善される。

【００４０】（第３の実施例）本発明の第３の実施例を
説明する。第３の実施例は、第１の実施例で説明した高
圧ガス配管２および球体７の表面の銀のコーティング代
りに、スズをコーティングしたもので、銀をスズに代え
ることで高圧ガス配管２と球体７、および球体７どうし
をＣｕ−Ｓｎ合金層で接合させるようにし、熱処理を低
い温度で行うようにしたものである。なお、この実施例
の熱交換器の全体の構造は、実施例１に示したものと同
じである。

【００４１】図６に示すように、銅とスズの二元合金の
状態図は、銅が１００％の場合、その融点は１０８３℃
であるが、スズ１００％の融点は２３２℃である。した
がって、例えば、高圧ガス配管２および球体７の表面に
スズを数μｍから数十μｍの厚みにコーティングし、こ
れらを真空炉に入れ加熱すると、スズのコーティング層
は２３２℃から溶けはじめる。球体７の温度が低いうち
は、スズのコーティングが銅または銅合金製の球体７に
対する拡散速度および反応速度は遅い。しかし、球体７
の温度が高くなるにつれて、銅とスズの相互拡散が活発
化し、その成分比（濃度）が銅およびスズが各５０％に
なったとき、約７００℃で高圧ガス配管２および球体７
の表面には液相が生成する。この液相の形成により、液
相を介した高圧ガス配管２と球体７、および球体７どう
しが接合される。

【００４２】（第４の実施例）本発明の第４の実施例
を、図７を用いて説明する。第４の実施例は、第１の実
施例で説明した銅または銅合金からなる球体７の代わり
にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる球体７
を使用し、銀からなるコーティング１０の代わりに銅の
コーティングを使用したものである。なお、この実施例
の熱交換器の全体の構造は、実施例１で示したものと同
じである。

【００４３】図８のアルミニウムと銅の二元合金標準状
態図に示されるように、アルミニウムと銅とは拡散反応
により共晶反応を起こす。すなわち、銅のコーティング
の形成されたアルミニウムまたはアルミニウム合金から
なる球体７を加熱すると、アルミウム７６．８ｗｔ％、
銅３３．２ｗｔ％程度に至るまで相互拡散が進行した領
域において液相が生成する。この液相が生成する温度
（共晶温度）は、同図からわかるように５４８℃であ
る。この温度は銅の融点の１０８３℃よりはるかに低
く、純アルミニウムの融点約６５０℃と比べても１００
℃近い低い温度である。このように母材よりも低い温度
領域で溶融する共晶反応により生じた液相を介して、高
圧ガス配管２と球体７および球体７どうしは接触点で接
合される。

【００４４】高圧ガス配管２は、加熱により銅の結晶粒
が粗大化し、粗大化に伴い粒界割れを起こしやすくなる
が、本実施例では接合温度が約５５０℃と低いことか
ら、このような銅の粗大化による割れを効果的に防止す
ることができる。また、球体の基材を銅に換えて軽量な
アルミニウムを採用することで、熱交換器の重量を軽量
化することができる。また、高圧ガス配管材料も銅から
アルミニウムに換えるようにすれば、熱交換器の軽量化
はさらに高まる。このように高圧ガス配管２材料をアル
ミニウムに代えても加熱処理により球体の銅のコーティ
ングと共晶反応をお越し共晶を介して接合されるので接
合性に影響を及ぼすことはない。

【００４５】（第５の実施例）第５の実施例を、図９を
用いて説明する。第５の実施例は、第１の実施例で説明
した高圧ガス配管２を円形パイプから図９に示すような
角パイプ１４に代えるとともに、互いに隣接する面が角
型の平坦面となるように密なスパイラル状に形成し、か
つこの互いに隣接する平坦面に断熱性のバリアシート１
５を介在させたものである。なお、この実施例の熱交換
器の全体の構造も、高圧ガス配管２とバリアシート１５
を除いて、図１０及び、図１１に示した熱交換器と同じ
であり、図９は、その一部の断面を示したものである。

【００４６】バリアシート１５としては、例えばセラミ
ックスシート、マイカシート等の断熱性で、かつ耐熱性
の良好なシートが用いられる。

【００４７】本実施例の角パイプ１４は銅および銅合金
からなり、球体７は銅または銅合金からなり、球体７と
角パイプ１４との接触部および球体７どうしが、実施例
１の場合と同様に、Ａｇ−Ｃｕ共晶合金を介して接合さ
れた集合体８の形態で充填されている。

【００４８】この実施例の熱交換器は、例えば次のよう
にして製作される。まず、表面に銀のコーティングを形
成した角パイプ１４を、平坦面が互いに対向させ、かつ
対向面間にバリアシート１５を介在させつつスパイラル
状に形成し、これを熱交換器外筒１内に組付ける。

【００４９】この後、実施例１の場合と同様に、一方の
端板を取り付けた状態で他方の開口側から表面に銀のコ
ーティングを形成した銅または銅合金からなる球体７を
充填する。角パイプ１４および球体７の表面の銀のコー
ティング１０の厚さは、例えば図２に示すように数μｍ
から数十μｍの厚さとする。

【００５０】この実施例の熱交換器の集合体８は、この
ような組立体を、真空炉内で、例えば真空度１０-2Ｐａ
以下、温度約８００℃で加熱して、高圧ガス配管２と球
体７および球体７どうしを、銀のコーティング１０を利
用して反応接合させて形成される。

【００５１】本実施例によれば高圧ガス配管２が角パイ
プ１４であるために球体７との接触面積が、円形パイプ
に比較し、大きくとれることから伝熱面積および熱伝達
率を増大することで、熱交換率の向上が図られる。な
お、角パイプ１４どうしはでるだけ接触しないように、
熱伝導性の悪いバリアシート１５を設けることで、角パ
イプ１４が熱交換器外筒１の長手方向の直接の熱の伝搬
を抑制して球体７からの熱伝導により高圧ガス配管２内
の冷媒の温度を下げるようにしたものである。

【００５２】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、液相
を介して接合を行うため固相（拡散）接合と比較して球
体どうしおよび球体と配管の接合部の密着性に優れ、熱
処理時に極めて小さな加圧力によって確実な接合を得る
ことができる。また、液相を介した接合操作となるた
め、接合部の金属原子相互間の拡散速度が固相接合の場
合と比較して、増大化し短時間で接合することが可能と
なる。そのため配管材料である銅の結晶粒の粗大化およ
び粒界割れを効果的に防止することができる。

【００５３】配管との接合性をより高めるとともに、比
較的低い温度で接合することで球体の変形を抑えられる
ために低圧ガス流路を維持出来ることから、小型で高効
率の冷凍機用熱交換器を提供でき、さらに真空炉等の接
合装置の設備費あるいは加熱、冷却時間が短くなること
での接合時間の短縮による接合・生産コストを大幅に低
減することができ、したがって、熱交換器を安価に製造
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る熱交換器の縦断面
図。

【図２】図１の一部を拡大して示す縦断面図。

【図３】第１の実施例を説明するためのＡｇ−Ｃｕの標
準状態図

【図４】第２の実施例に係わる熱交換器の縦断面図。

【図５】図４の一部を拡大して示す縦断面図。

【図６】第３の実施例に係わるＣｕ―Ｓｎの標準状態
図。

【図７】第４の実施例の要部を拡大して示す縦断面図。

【図８】第４の実施例に係わるＡｌーＣｕの標準状態
図。

【図９】第５の実施例の要部を拡大して示す縦断面図。

【図１０】従来の熱交換器の縦断面図。

【図１１】従来の他の熱交換器の縦断面図。

【符号の簡単な説明】

１……熱交換器外筒、２……高圧ガス配管、３……高圧
ガス配管入口、４……高圧ガス配管出口、５……低圧ガ
ス入口、６……低圧ガス出口、７……球体、８……集合
体、９……仕切り板、１０……コーティング層、１３…
…シート、１４……角パイプ、１５……バリアシート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 牛嶋 誠 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 和智 良裕 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内 Ｆターム(参考） 3L103 AA17 AA37 BB01 CC29 DD05

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体流入口と流体流出口とを備えた第１
   の温度流体が流れる熱交換器外筒と、 前記熱交換器外筒内に配設された第２の温度流体が流れ
   る配管と、 前記熱交換器外筒内に前記配管と接触させて充填され、
   それぞれの接触部が異質の金属層を介して接合された多
   数の良熱伝導性金属からなる球体の集合体とを備えたこ
   とを特徴とする熱交換器。
2. 【請求項２】 前記多数の良熱伝導性金属からなる球体
   の集合体は、互いの接触部および前記配管との接触部が
   異質の金属層を介して接合されていることを特徴とする
   請求項１記載の熱交換器。
3. 【請求項３】 前記異質の金属層が、前記球体を構成す
   る金属と他の金属との共晶合金からなることを特徴とす
   る請求項１又は２記載の熱交換器。
4. 【請求項４】 前記熱交換器外筒の第１の温度流体の流
   通路に沿って所定の間隔をおいて複数の流体透過性の断
   熱層が配設されていることを特徴とする請求項１乃至３
   のいずれか１項記載の熱交換器。
5. 【請求項５】 前記配管が、断面形状が角型の配管であ
   ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載
   の熱交換器。
6. 【請求項６】 前記配管と前記多数の良熱伝導性金属か
   らなる球体の集合体との間に、良熱伝導性金属からなる
   シートが密接して介在されていることを特徴とする請求
   項１乃至５のいずれか１項記載の熱交換器。
7. 【請求項７】 第１の温度流体が流れる熱交換器外筒内
   に第２の温度流体が流れる配管を配設する工程と、 前記熱交換器外筒の第１の温度流体の流通路に、前記配
   管と接触させて、良熱伝導性金属からなる球体の表面に
   異なる種類の金属被膜を形成した多数の複合金属球体を
   充填する工程と、 前記複合金属球体を充填した熱交換器外筒を、非酸化雰
   囲気下で、前記複合金属球体の金属被膜の融点以上また
   は前記金属被膜と前記球体の基材金属により形成される
   共晶合金の共晶温度以上の温度に昇温させた後、放冷又
   は冷却する工程とを有することを特徴とする熱交換器の
   製造方法。
8. 【請求項８】 前記複合金属球体が、良熱伝導性金属か
   らなる球体の表面に、メッキ、ＣＶＤ又はＰＶＤによ
   り、異なる金属の被膜を形成してなるものであることを
   特徴とする請求項７記載の熱交換器の製造方法。