JP2022084912A - 作業ガスとしてのヘリウムを有する極低温冷凍機のための熱交換器、こうした熱交換器を生産するための方法、およびこうした熱交換器を含む極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱材料としてヘリウムを使用するにもかかわらず単純な構造を有する、希土類化合物を有する熱交換器と比べてコストの少ない熱交換器を提供する。【解決手段】外側（４ａ）および内側（４ｉ）を含むセル壁（４）を有する少なくとも１つのセル（２）を含み、セル壁（４）は少なくとも一部で熱伝導性であり、少なくとも１つのセル（２）は、セル壁（４）に囲まれた、互いに接続された１つまたは複数の空洞（６）を有し、セル壁（４）の外側（４ａ）は、ヘリウム作業ガスのための流動チャネルの境界を少なくとも部分的に定め、少なくとも１つのセル（２）は圧力平衡開口部（８）を有し、１つ／複数の空洞（６）には蓄熱材料としてのヘリウムが充填される。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１に記載の作業ガスとしてのヘリウムを有する極低温冷凍機のための熱交換器、請求項１６および１７に記載のこうした熱交換器を生産するための方法、ならびに請求項１８に記載のこうした熱交換器を含む極低温冷凍機に関する。

たとえばスターリング冷凍機、ギフォード・マクマホン（Ｇｉｆｆｏｒｄ－ＭｃＭａｈｏｎ）冷凍機、およびパルスチューブ冷凍機などの周期的に動作される極低温冷凍機は再生方式で動作され、すなわち低温ガスを保存し、かつ／または高温ガスを予冷するために、膨張室に入るときに材料の熱容量が用いられる。問題は、２Ｋから２０Ｋの範囲の温度において、ほぼすべての材料の熱容量が非常に低下することである。よって、２Ｋから２０Ｋの範囲で十分に高い熱容量を有する材料を見出すことは非常に困難である。図１２は、約３０Ｋまでの第１の低温段階２０と、約２Ｋまでの第２の低温段階２２とを有する２段階パルスチューブ冷凍機の典型的な構造を示す。第１の低温段階２２０は、第１のパルスチューブ２２４と、第１の熱交換器２２６とを含む。第２の低温段階２２２は、第２のパルスチューブ２２８と、本発明による第２の熱交換器２３０とを含む。第１の低温段階２２０によって約３０Ｋの温度に到達し、第２の低温段階２２２によって約４Ｋの温度に到達する。第１のパルスチューブ２２４と、第１の熱交換器２２６と、第２のパルスチューブ２２８とは、冷却すべき区域を環境と分離している接続手段２３２において終端している。作業ガスは、ポンプ（表示されていない）によって作業ガスライン２３４を通じてパルス状の方式で供給および排出される。作業ガスライン２３４は第１の熱交換器２２６内で終端しており、弁２３６を通じて第１のパルスチューブ２２４および第２のパルスチューブ２２８への接続、ならびにバラスト体積２３８との接続が存在する。第２の低温段階２２２の第２の熱交換器２３０は、第１の熱交換器部分２４０と、低温熱交換器部分２４２とからなる。第１の熱交換器部分２４０は、互いの頂部に位置する金属ふるい２４４からなる。図１３を参照。低温熱交換器部分２４２は、たとえばＥｒＮｉおよびＨｏＣｕ_２などの希土類化合物を含む。第２の熱交換器２３０の構造を図１１に概略的に示す。希土類化合物は比較的高価である。さらに、それらの材料は（直径が１００から数１００マイクロメートルの）ペレット４６の形で用いられる。問題となるのは、作業ガスの振動する流れの中にペレットを固定することである。なぜなら、各種の運動が摩耗による粉塵をもたらし、それが極低温冷凍機の寿命を激減させるからである。さらに、図１３によるペブルベッドは、熱交換にも冷却容量にも寄与しない無駄な体積をかなり必要とする。

極低温冷凍機における作業ガスとして、ヘリウムがしばしば用いられる。２Ｋから２０Ｋの温度範囲において、ヘリウムは前記温度範囲の希土類化合物の熱容量に適合する比較的高い熱容量を有する。よって、熱交換器材料としてヘリウムを用いることが提案されている。特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、および特許文献６から、ヘリウムを充填したガラスまたは金属の閉じた中空体が熱交換器構造として公知である。こうした基本的発想は、今日まで完成製品をもたらしていない。さらに、ヘリウムが充填されたペレットも摩耗をもたらすため、極低温冷凍機の適用期間を低減させる。この公知のヘリウムを伴う閉じた中空体の主な問題点は、正圧下で中空体にヘリウムを充填するプロセスにコストがかかることである。この正圧のために中空体の壁の厚さを増す必要があり、それによって熱伝達抵抗性が悪化する。

非特許文献１の論文においては、ヘリウムを吸収するために好適な吸着剤材料を有する構造が、極低温冷凍機のための熱交換器として提案されている。この熱交換器の構造は複雑でコストがかかり、かつ吸着剤材料の一部が作業ガス流によって運び去られる危険がある。運び去られた吸着剤粒子は、こうした熱交換器を有する極低温冷凍機の寿命を激減させるだろう。

したがって本発明の目的は、蓄熱材料としてヘリウムを使用するにもかかわらず単純な構造を有する、希土類化合物を有する熱交換器と比べてコストの少ない熱交換器を提供することである。

米国特許出願公開第２０１２／０３０４６６８Ａ１号 独国特許出願公開第１０３１９５１０Ａ１号 独国特許出願公開第１０２００５００７６２７Ａ１号 中国特許出願公開第１０４１９７５９１Ａ号 独国特許出願公開第１９９２４１８４Ａ１号 米国特許第４３５９８７２Ａ号

「Ｈｅａｔ Ｃａｐａｃｉｔｙ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ４Ｋ Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｗｉｔｈ Ｎｏｎ－Ｒａｒｅ Ｅａｒｔｈ Ｍａｔｅｒｉａｌ」Ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒｓ １９，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｉｎｃ．，Ｂｏｕｌｄｅｒ，ＣＯ，２０１６

この目的は、請求項１の特徴によって解決される。

最も単純な場合の熱交換器は、熱伝導性のセル壁を有する中空セルからなる。セル壁の外側は、ヘリウム作業ガスのための流動チャネルの境界を少なくとも部分的に定める。中空の空洞には蓄熱材料としてのヘリウムが充填され、この空洞は圧力平衡開口部を介してセルの外側に接続される。ヘリウム作業ガスは缶形状のセルの周りを流れることによって、セル壁を介して空洞の外側のヘリウム作業ガスと空洞内のヘリウムとの間に熱が伝達される。作業ガスの流動チャネルのサイズに対するセル（単数または複数）のサイズは、無駄な体積をできる限り小さくしながら熱交換器の高圧側と低圧側との所望の圧力差が設定されるように選択される。所望の熱交換が行われ得るように、セルの壁は非常に低い壁強度を有する。圧力平衡開口部の開口部表面または排出抵抗性に対する単数／複数の空洞の体積の比率は、冷却動作の作業周波数範囲（約１～６０Ｈｚ）における単数または複数の空洞内の圧力がほとんど変わらないか、または少なくともわずかしか変わらないように選択される。動作のモードは、高周波数におけるコンデンサのものに匹敵する。すなわち、容量が十分に高く、かつ電圧変化が少ないときには、それは事実上電圧変化の影響を受けない。典型的な適用において、セル内の圧力は常に、典型的に約１６バールである冷却システムの平均圧力の近くで変動するだろう。したがって、安定した圧力が重要である。そうでなければ、圧力が各期間にたとえば８～２４バールなどの近くで常に変動する場合に、単数／複数の空洞の体積が冷却に寄与せずに「無駄な体積」に大きく寄与することになるからである。圧力平衡開口部の開口部表面または排出抵抗性は、熱交換器の動作の前および始動段階において、存在する圧力比によってヘリウムが単数／複数の空洞に進入するように選択される。圧力平衡開口部の高い排出抵抗性のために、冷凍機の作業周波数による熱交換器の領域における圧力変動の際に、上記に示した「コンデンサ効果」が起こる。始動段階において、ヘリウム作業ガスおよび熱交換器の空洞内のヘリウムの温度も低下する。結果としてヘリウムの体積が減少し、圧力平衡開口部を通じてヘリウムが熱交換器の空洞に流入し続ける。このことは、始動段階の際に作業温度および作業圧力が設定されるまで、ヘリウムを補充する必要があることを意味する。圧力平衡開口部がないときは、セルの空洞に予めヘリウムを充填する必要があり、その結果として極低温冷凍機の作業範囲における１６バールの範囲内の圧力のために、セル壁がかなり厚くなるだろう。空洞に周囲温度にてヘリウムが充填される場合も、周囲温度におけるヘリウムの密度が低いために、充填のためにかなり高い圧力を選択する必要がある。このことは、かなり高い耐熱性を有するより厚いセル壁をもたらす。より厚いセル壁によってセル壁の耐熱性があまりに高くなるため、極低温冷凍機の作業周波数範囲において、ヘリウム作業ガスと単数／複数の空洞の内側のヘリウムとの熱交換がほとんどなくなるだろう。おそらくはこのことも、閉じた空洞内のヘリウムを有する熱交換器を用いた極低温冷凍機が市販されていないという事実の原因であろう。

請求項２の好ましい構成によると、セルはセル壁によって境界を定められた流動チャネルによって貫通される。このことは熱交換表面の拡大をもたらし、よって空洞内のヘリウムと外側の作業ガスとの熱伝達の改善をもたらす。流動チャネルは、好ましくはスリットとして形成される。作業ガスに対するスリット形状の流動チャネルは、好ましくは直線状に互いに平行に走ることで、一方では流動抵抗性を最小化し、他方では流動チャネル間にチューブ形状の空洞を均一に構成するようにする。直線および平行であるという簡単な方式によって、２つの流動チャネル間の空間が等しくなる。

熱交換器の円形の外側形状は、それらを簡単なやり方で極低温冷凍機の典型的に円形の断面に統合することを可能にする。複数のチューブ形状の構造を含み得る単一のセルは、ディスクの形状を有してもよい。代替的に、複数のセルが組み合わされてディスクを形成してもよい。請求項３。

請求項４に記載のとおりにセルを互いの後ろに配置することによって、熱交換器の蓄熱容量が増加する。

請求項５の、作業ガスの流動方向において互いの後ろに配置されたセル間の断熱は、作業ガスの流動方向において空洞間で熱が交換されることを防ぐ。作業ガスの流動方向におけるこうした熱交換は、熱交換器の短絡を表し得る。すなわち、作業ガスの流動方向における熱交換は熱交換器の機能に寄与しない。断熱層の厚さは、好ましくは０．１ｍｍから０．５ｍｍである。

請求項６～８に記載の整列構成要素によって、セルの流動チャネルの互いの頂部における正しい整列が簡単になる。整列構成要素は、たとえば円錐形またはピラミッド形状の先端部を有する整列ピンなどである。

圧力平衡開口部は好ましくは毛管の形状を有し、すなわち開口部の断面積は中空体の表面と比べて非常に小さい。請求項９。

加えて、圧力平衡開口部はセルの生産中に起こる漏出を通じて提供されてもよい。請求項１０。

圧力平衡開口部のサイズおよびそれによる透過性は、熱交換器の作業サイクル中のセル内の圧力変化が最大２０％、好ましくは最大１０％となるように選択される。これは最適化プロセスである。毛管が大きいほど望ましくない材料交換が多くなり、セルの空洞内の圧力変動が大きくなり、熱交換器の動作の際の空洞へのヘリウムの進入が速くなる。毛管が小さいほど必要な圧縮作業が少なくなるが、熱交換器の動作の際の空洞へのヘリウムの進入が長くなる。請求項１１および１９。

ヘリウム作業ガスと、中空体内に存在して熱を貯蔵するヘリウムとの熱交換を改善するために、中空体の表面には乱流構造が設けられる。請求項１２。

請求項１３に記載のチューブ形状の空洞の断面形状は、３Ｄ印刷によって熱交換器を生産することを可能にする（請求項１６）。空洞の断面は矩形のブロック形状または矩形の形状であることが、熱交換のために理想的である。少なくとも１つの傾斜したセル壁または三角形の断面を有するチューブ形状の空洞を有するセルが、３Ｄ印刷によって容易に生産されてもよい。３Ｄ印刷によって、鉛直または傾斜したセル壁（４５°以上の傾斜）を有する構造が容易に生産されてもよい。空洞の三角形の断面が直角を有するときが最も容易であることが確実にされる。ダイヤモンド形状の断面、五角形の断面、または家の形状の断面も好適である。請求項１３。

チューブ形状の空洞内のヘリウムと、空洞の外側のヘリウム作業ガスとの最適な熱交換のために、チューブ形状の空洞の間に流動チャネルが配置される。請求項１４。

ディスク形状の熱交換器は１つまたは複数のディスク形状のセルからなり、各セルは２つの半体セルを含む、請求項１５に記載の有利な構成によって、両方の半体セルが３Ｄ印刷によって製造され得ることが達成される。同時に、熱交換器の総体積に対する空洞の体積およびそれによる空洞内のヘリウムの体積の割合は、単一片のセルしか含まない熱交換器に比べて増加する。このことによって、熱交換器の蓄熱容量が増加するか、または同じ熱容量を有する熱交換器をよりコンパクトにし得る。

３Ｄ印刷法において、矩形のブロック形状または楕円体の空洞は全体として製造されてもよいし、２つの部品から２つのステップで製造されてもよい。請求項１６または１７。請求項１７によると、「開口空洞」またはポット形状の凹部を有する第１の部品は、第１の場所において生産される。次いでそれらの凹部は、第２のステップにおいて第２の部品によって覆われる。第１および第２の部品は、たとえば結合または溶接などによって、互いに永続的に接続される。

本発明の熱交換器は、特にスターリング冷凍機、ギフォード・マクマホン冷凍機、またはパルスチューブ冷凍機に対して好適である。請求項１８。

中空体は金属からなり、かつ／または圧力平衡開口部によって先行技術とは反対に非常に薄くてもよく、それによって空洞の内側のヘリウムと空洞の外側のヘリウム作業ガスとの熱伝達抵抗性が低減する。空洞のセル壁は、好ましくは少なくとも流動チャネルに沿って一定の厚さを有し、その厚さは０．１ｍｍから０．５ｍｍの範囲内である。セル壁の一定の壁強度によって、流動チャネル内のヘリウム作業ガスと空洞内のヘリウムとの均一な熱伝達が達成される。

熱交換器全体は、好ましくは作業ガスの流動方向に５ｍｍから１００ｍｍの厚さを有する。

残りの請求項は、本発明のさらに有利な特徴に関する。

以下において、図面によって本発明の好ましい実施形態を説明する。

作業ガスのための流動チャネルにおける熱交換器の第１の実施形態を示す断面図である。 図１のＩＩ－ＩＩに沿った第１の実施形態を示す断面図である。 第２の実施形態を概略的に表す図である。 第２の実施形態を概略的に表す図である。 第３の実施形態を概略的に表す図である。 第４の実施形態を概略的に表す図である。 第５の実施形態を概略的に表す図である。 環状の外径を有する２層のセルを有する３次元マトリックス配置の形の第６の実施形態を示す図である。 作業ガスの流動方向に対して垂直に見たときの、３層のセルを有するマトリックス配置を詳細に表す図である。 第７の実施形態による、シェル構造およびカバーで作られた熱交換器の生産を概略的に表す図である。 第７の実施形態による、シェル構造およびカバーで作られた熱交換器の生産を概略的に表す図である。 ３Ｄ印刷によって生産された２つの構造からなる、本発明の第８の実施形態を示す図である。 ３Ｄ印刷によって容易に製造され得る、蓄熱ヘリウムを含む空洞の断面の例を示す図である。 ３Ｄ印刷によって容易に製造され得る、蓄熱ヘリウムを含む空洞の断面の例を示す図である。 ３Ｄ印刷によって容易に製造され得る、蓄熱ヘリウムを含む空洞の断面の例を示す図である。 ２つの低温段階を含み、第２の低温段階は低温熱交換器を含むパルスチューブ冷凍機の形の極低温冷凍機の典型的な構造を示す図である。 ペレットの形の希土類材料を用いた先行技術による低温熱交換器の概略的構造を示す図である。

図１および図２は、本発明による熱交換器１の第１の構成を最も単純な形で示す。熱交換器１は、空洞６を囲むセル壁４を含むセル２からなる。セル壁４は、外側４ａおよび内側４ｉを有する。セル壁４は、毛管の形の圧力平衡開口部８によって貫通される。熱交換器１は環状の断面を有し、ヘリウム作業ガスのためのチューブ形状の流動チャネル１０の中に配置される。空洞６の内側には、熱交換器媒体または蓄熱媒体としてのヘリウムが充填される。作業ガスのためのチューブ形状の流動チャネル１０とセル壁４の外側４ａとの間に環状の間隙１２が残るように、熱交換器１および／またはセル２の寸法が定められる。よって、ヘリウム作業ガスは熱交換器１の周囲を流れて、熱伝導性のセル壁４を介して空洞６内のヘリウムと熱を交換できる。

図３ａおよび図３ｂは、ディスク形状のセル２を有する本発明の第２の実施形態を示す。第２の実施形態によるセル２は、作業ガスのための流動チャネルとしての１つの面における複数の直線状のスリット２０によって貫通されているという点で、このセル２は図１および図２によるセル２と区別される。スリット形状の流動チャネル２０は互いに平行だが、セル２の端縁よりも前に終端するためにセル２はばらばらになり得ない。スリット形状の流動チャネル２０の間のセル壁４によって囲まれた矩形のブロック形状の区域には、矩形の断面を有するチューブ形状の空洞６が存在する。すべての空洞６は、ディスク形状のセル２の端縁に提供された周囲チャネル２４において終端するため、空洞６と周囲チャネル２４とが単一の空洞を形成する。

３Ｄ印刷によるディスク形状のセル２の製造においては、最初に１つまたは２つのより大きい開口部２２が残り、３Ｄ印刷の後に３Ｄ印刷による粉末状の材料がこれらのより大きい開口部２２を通じて吹き出されてもよい。それらの開口部はその後閉じられるため、１つまたは複数の圧力平衡開口部８のみが毛管の形で残る。加えて、作業ガスの流動方向に複数のセル２が互いの後ろに配置されることによって、性能が増した熱交換器がもたらされてもよい。

図４は、複数のセル２－１、２－２、２－３が互いの上に積み重ねられた本発明の第３の実施形態を示す。円形の断面を有する３つのディスク形状のセル２－ｉは、同一の構造を有する。セル２－ｉは第２の実施形態のセル２と類似のものであり、セル２－ｉは作業ガスのための流動チャネルとしての１つの面における複数の直線状のスリット２０によって貫通されているという点で、図１および図２によるセルと区別される。スリット形状の流動チャネル２０は互いに平行だが、セル２－ｉの端縁よりも前に終端するためにセル２はばらばらになり得ない。スリット形状の流動チャネル２０の間のセル壁４によって囲まれた矩形のブロック形状の区域には、直角を有する等辺三角形の形状の断面を有するチューブ形状の空洞６－ｉが存在する。三角形の直角を有する頂点は上方を指しているため、等辺三角形の２つの側部は４５°の角度にて上向きに延在する。三角形の断面を有する空洞６－ｉは、３Ｄ印刷によって容易に製造されてもよい。３Ｄ印刷によるディスク形状のセル２の製造においては、最初に１つまたは２つのより大きい開口部２２が残り、３Ｄ印刷の後に３Ｄ印刷による粉末状の材料がこれらのより大きい開口部２２を通じて吹き出されてもよい。それらの開口部はその後閉じられるため、１つまたは複数の圧力平衡開口部８のみが毛管の形で残る。

ディスク形状のセル２－ｉの端縁において、空洞６－ｉは相互接続される。圧力平衡開口部８は、空洞６－ｉをセル２－ｉの外側の区域に接続する。セル２－ｉはその上側に複数の整列ピン３０を有し、反対側には対応する整列凹部３２が位置する。それらの整列構成要素３０、３２によって、互いの頂部に位置するセル６－ｉのスリット形状の流動チャネル２０が互いに整列されることが達成され、結果として熱交換器を通過する流動チャネルが得られる。整列ピン３０によって貫通された断熱層３４が個々のセル６－ｉの各々の間に配置されるため、整列ピンは上に位置する整列開口部３２と噛み合う。

図５はディスク形状のセル２の形の熱交換器の第４の実施形態を概略的に示し、このセル２は、三角形の断面を有するチューブ形状の空洞の代わりに２つのチューブ形状の空洞６ａおよび６ｂがそれぞれ提供されるという点で、図４によるセル２－ｉと区別される。チューブ形状の空洞６ａおよび６ｂの断面も同様に、直角を有する等辺三角形の形状を有する。この直角は、スリット形状の流動チャネルの境界を定める仕切り壁４の内側から始まる。このことによって、流動チャネル２０と空洞６－ｉとの間に一定の壁強度を有する仕切り壁４がもたらされる。このことは、流動チャネル２０内の作業ガスと空洞６ａおよび６ｂ内のヘリウムとの間の熱伝達の改善をもたらす。圧力平衡開口部８は、空洞６ａ、６ｂをセル２の外側の区域に接続する。

図６は本発明の第５の実施形態を示し、この実施形態は、三角形の断面を有するチューブ形状の空洞６ａ、６ｂが直角三角形の底辺を流動チャネル２０に向けて配置されるという点のみによって、図４による実施形態と区別される。この底辺が等辺三角形の側部の長さを形成するため、それによって熱伝達が改善される。

図７および図８は、本発明の第６の実施形態の構造を概略的に示す。図７は、２層のセル１０２を有する３次元マトリックス１０３の形に配置された多数のセル１０２を有する熱交換器１０１を示す。セル１０２は立方体の形状を有し、基本的に同一の構造である。しかし、熱交換器１０１はチューブの断面を充填するものであるため、端縁におけるセル１０２は必然的に逸脱した形状を有する。個々のセル１０２の各々は、熱伝導性のシェル１０４と毛管の形の圧力平衡開口部１０８とを含む立方形の空洞１０６を包含する。図８にみられるとおり、個々のセル１０２は作業ガスの流動方向１１２において互いの後ろに互い違いに配置される。隣り合ったセル１０２は、熱伝導性の接続構成要素１１４によって互いに接続される。流動方向１１２において互いの後ろにあるセル１０２は、断熱性であるかまたは伝導性の低い接続構成要素１１６によって互いに接続されて流動チャネル１２０を形成することによって、セル１０２による機械的に固定されたマトリックス配置１０３をもたらす。図７は２層のセル１０２のみを示すが、図８には３層のセル１０２が示される。個々の空洞１０６のガス体積は約１ｍｍ^２であり、シェル１０４の壁強度は約０．２ｍｍである。個々のセル１０２の間の距離は約０．２ｍｍである。セル１０２の合計空間要求は約８ｍｍ^３に達する。

本発明による熱交換器１０１は、好ましくは極低温冷凍機の最低の低温段階における低温熱交換器部分２４２として用いられる。

図９および図１０は本発明の第７の実施形態を示し、ここでセル２には、図３～図６による実施形態に対応するスリット形状の流動チャネル２０が設けられる。図４～図６による実施形態との相違点は、チューブ形状の空洞６’の形状である。図３ａおよび図３ｂによる第２の実施形態と同様に、空洞６’は矩形の断面を有する。第２の実施形態とは対照的に、製造は少なくとも２つの部品によって２つのステップで行われる。最初に、たとえば３Ｄ印刷などによって、「開口空洞」またはポット形状の凹部４２を有する第１の部品４０が生成される。第２のステップにおいて、粉末状の３Ｄ印刷材料がポット形状の凹部から除去される。次いで第３のステップにおいて、凹部４２が第２の部品４４によって覆われる。第１および第２の部品４０、４４は、たとえば結合または溶接などによって、互いに永続的に接続される。

図１１は、第１および第２の半体セル５０、５２で構成されるディスク形状のセル２の形の本発明の第８の実施形態を示し、結果として得られるセル２は、図５および図６の実施形態と同様に、スリット形状の流動チャネル２０の間に立方形の断面の構造を含む。両方の半体セル５０、５２の各々は、等辺三角形の断面を有する複数の第１および第２の空洞５４および５６を有する。２つの半体セル５０、５２は、３Ｄ印刷によって生産されてもよい。２つの半体セルの各々は、平坦な側部５８および平坦でない側部６０を有する。２つの平坦でない側部６０は相補的な形状であり、２つの半体セル５０、５２が組み立てられるときに、２つの半体セルの相補的な平坦でない側部６０が互いの頂部に位置する。図４～図６による実施形態と比べて、各々が２つの半体セル５０、５２を有するセル２を有する熱交換器においては、熱交換器の総体積に対する空洞体積の割合が増加する。このことによって、熱交換器はより高い性能を有する。

図３ａおよび図３ｂによる第２の実施形態と同様に、図４～図６および図９～図１１による実施形態も周囲チャネル２４を示す。

図２～図６および図９～図１１には圧力平衡開口部８が描かれていないが、それは存在している。空洞６－ｉ、６’、６ａ、６ｂは相互接続されているため、圧力平衡開口部８はセル２の任意の場所に提供されてもよい。

図１２ａ、図１２ｂ、および図１２ｃは、３Ｄ印刷によって容易に生産され得る、図３～図６および図１１によるディスク形状の熱交換器における空洞６の断面のさらにとり得る形状を示す。

１ 熱交換器
２ セル
４ セル壁
４ｉ セル壁４の内側
４ａ セル壁４の外側
６、６－ｉ、６ａ、６ｂ 空洞
８ 圧力平衡開口部
１０ 作業ガスのための流動チャネル
１２ ２と１０との間の環状の間隙
２０ 作業ガスのためのスリット形状の流動チャネル
２２ 吹き出し穴
２４ 周囲連絡チャネル
３０ 整列ピン
３２ 整列凹部
３４ 断熱層
４０ ポット形状の凹部を有する第１の部品
４２ ポット形状の凹部
４４ カバー
５０ 第１の半体セル
５２ 第２の半体セル
５４ 第１の空洞
５６ 第２の空洞
５８ ５０、５２の平坦な側部
６０ ５０、５２の平坦でない側部
１０１ 熱交換器
１０２ セル
１０３ マトリックス配置
１０４ シェルおよび／またはセル壁
１０６ 空洞
１０８ 圧力平衡開口部
１１２ 作業ガスの流動方向
１１４ 熱伝導性の接続構成要素
１１６ 断熱性の接続構成要素
１２０ 流動チャネル
２２０ 第１の低温段階
２２２ 第２の低温段階
２２４ 第１のパルスチューブ
２２６ 第１の熱交換器
２２８ 第２のパルスチューブ
２３０ 第２の熱交換器
２３２ 接続手段
２３４ 作業ガスライン
２３６ 弁
２３８ バラスト体積
２４０ ２３０の第１の熱交換器部分
２４２ ２３０の低温熱交換器部分
２４４ ２３０内の金属ふるい
２４６ 希土類化合物のペレット

本発明は、請求項１に記載の作業ガスとしてのヘリウムを有する極低温冷凍機のための熱交換器、こうした熱交換器を生産するための方法、ならびにこうした熱交換器を含む極低温冷凍機に関する。

セルはセル壁によって境界を定められた流動チャネルによって貫通される。このことは熱交換表面の拡大をもたらし、よって空洞内のヘリウムと外側の作業ガスとの熱伝達の改善をもたらす。流動チャネルは、好ましくはスリットとして形成される。作業ガスに対するスリット形状の流動チャネルは、好ましくは直線状に互いに平行に走ることで、一方では流動抵抗性を最小化し、他方では流動チャネル間にチューブ形状の空洞を均一に構成するようにする。直線および平行であるという簡単な方式によって、２つの流動チャネル間の空間が等しくなる。

熱交換器の円形の外側形状は、それらを簡単なやり方で極低温冷凍機の典型的に円形の断面に統合することを可能にする。複数のチューブ形状の構造を含み得る単一のセルは、ディスクの形状を有してもよい。代替的に、複数のセルが組み合わされてディスクを形成してもよい。

セルを互いの後ろに配置することによって、熱交換器の蓄熱容量が増加する。

作業ガスの流動方向において互いの後ろに配置されたセル間の断熱は、作業ガスの流動方向において空洞間で熱が交換されることを防ぐ。作業ガスの流動方向におけるこうした熱交換は、熱交換器の短絡を表し得る。すなわち、作業ガスの流動方向における熱交換は熱交換器の機能に寄与しない。断熱層の厚さは、好ましくは０．１ｍｍから０．５ｍｍである。

整列構成要素によって、セルの流動チャネルの互いの頂部における正しい整列が簡単になる。整列構成要素は、たとえば円錐形またはピラミッド形状の先端部を有する整列ピンなどである。

圧力平衡開口部は好ましくは毛管の形状を有し、すなわち開口部の断面積は中空体の表面と比べて非常に小さい。

加えて、圧力平衡開口部はセルの生産中に起こる漏出を通じて提供されてもよい。

圧力平衡開口部のサイズおよびそれによる透過性は、熱交換器の作業サイクル中のセル内の圧力変化が最大２０％、好ましくは最大１０％となるように選択される。これは最適化プロセスである。毛管が大きいほど望ましくない材料交換が多くなり、セルの空洞内の圧力変動が大きくなり、熱交換器の動作の際の空洞へのヘリウムの進入が速くなる。毛管が小さいほど必要な圧縮作業が少なくなるが、熱交換器の動作の際の空洞へのヘリウムの進入が長くなる。

ヘリウム作業ガスと、中空体内に存在して熱を貯蔵するヘリウムとの熱交換を改善するために、中空体の表面には乱流構造が設けられる。

チューブ形状の空洞の断面形状は、３Ｄ印刷によって熱交換器を生産することを可能にする。空洞の断面は矩形のブロック形状または矩形の形状であることが、熱交換のために理想的である。少なくとも１つの傾斜したセル壁または三角形の断面を有するチューブ形状の空洞を有するセルが、３Ｄ印刷によって容易に生産されてもよい。３Ｄ印刷によって、鉛直または傾斜したセル壁（４５°以上の傾斜）を有する構造が容易に生産されてもよい。空洞の三角形の断面が直角を有するときが最も容易であることが確実にされる。ダイヤモンド形状の断面、五角形の断面、または家の形状の断面も好適である。

チューブ形状の空洞内のヘリウムと、空洞の外側のヘリウム作業ガスとの最適な熱交換のために、チューブ形状の空洞の間に流動チャネルが配置される。

ディスク形状の熱交換器は１つまたは複数のディスク形状のセルからなり、各セルは２つの半体セルを含む、有利な構成によって、両方の半体セルが３Ｄ印刷によって製造され得ることが達成される。同時に、熱交換器の総体積に対する空洞の体積およびそれによる空洞内のヘリウムの体積の割合は、単一片のセルしか含まない熱交換器に比べて増加する。このことによって、熱交換器の蓄熱容量が増加するか、または同じ熱容量を有する熱交換器をよりコンパクトにし得る。

３Ｄ印刷法において、矩形のブロック形状または楕円体の空洞は全体として製造されてもよいし、２つの部品から２つのステップで製造されてもよい。「開口空洞」またはポット形状の凹部を有する第１の部品は、第１の場所において生産される。次いでそれらの凹部は、第２のステップにおいて第２の部品によって覆われる。第１および第２の部品は、たとえば結合または溶接などによって、互いに永続的に接続される。

本発明の熱交換器は、特にスターリング冷凍機、ギフォード・マクマホン冷凍機、またはパルスチューブ冷凍機に対して好適である。

Claims (19)

1. 作業ガスとしてのヘリウムを有する極低温冷凍機のための熱交換器であって、外側（４ａ）および内側（４ｉ）を含むセル壁（４；１０４）を有する少なくとも１つのセル（２；１０２）を含み、
   前記セル壁（４；１０４）は少なくとも一部で熱伝導性であり、
   前記少なくとも１つのセル（２；１０２）は、セル壁（４；１０４）に囲まれた、互いに接続された１つまたは複数の空洞（６；６－ｉ；６ａ、６ｂ；１０６）を有し、
   前記セル壁（４；１０４）の前記外側（４ａ）は、前記ヘリウム作業ガスのための流動チャネルの境界を少なくとも部分的に定め、
   前記少なくとも１つのセル（２；１０２）は圧力平衡開口部（８；１０８）を有し、
   前記１つ／複数の空洞（６；６－Ｉ；６ａ、６ｂ；１０６）には蓄熱材料としてのヘリウムが充填される、熱交換器。
2. 前記少なくとも１つのセル（２；１０２）は、セル壁（４；１０４）によって境界を定められた、前記作業ガスのための流動チャネル（２０；１２０）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記少なくとも１つのセル（２；１０２）は、円形の断面を有するディスクとして形成されることを特徴とする、請求項１～２のいずれか一項に記載の熱交換器。
4. 複数のセル（２）は、前記作業ガスの流動方向において互いの後ろに配置されることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 前記作業ガスの流動方向において互いの後ろに配置されるセル（２）は、前記作業ガスのための流動チャネル（２０）を含む断熱層（３４）によって互いに分離されることを特徴とする、請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記セル（２）および前記断熱層（３４）の各々が整列構成要素（３０、３２）を有することで、前記セル（２）および前記断熱層または複数の断熱層（３４）の前記流動チャネル（２０）が互いに整列することを特徴とする、請求項５に記載の熱交換器。
7. 前記整列構成要素は、前記セル（２）の一方の側部における複数の整列ピン（３０）と、前記セルの他方の側部における相補的に形成された整列凹部（３２）とを含むことを特徴とする、請求項６に記載の熱交換器。
8. 前記断熱層（３４）は、前記整列ピン（３０）によって貫通される整列開口部を含むことで、前記セル（２）内および前記断熱層（３４）内の前記作業ガスのための前記流動チャネル（２０）が互いに整列されることを特徴とする、請求項７に記載の熱交換器。
9. 前記圧力平衡開口部（８；１０８）は毛管として形成されることを特徴とする、請求項１～８のいずれか一項に記載の熱交換器。
10. 前記圧力平衡開口部（８；１０８）は前記熱交換器の生産中に起こる漏出によってもたらされることを特徴とする、請求項１～９のいずれか一項に記載の熱交換器。
11. 前記圧力平衡開口部（８；１０８）のサイズは、前記熱交換器の作業サイクル中の前記セル内の最大圧力変化が２０％、好ましくは１０％となるように選択されることを特徴とする、請求項９または１０に記載の熱交換器。
12. 前記セル壁（４；１０４）の前記外側は、前記作業ガスのための前記流動チャネル（２０）内に乱流構造を有することを特徴とする、請求項１～１１のいずれか一項に記載の熱交換器。
13. 前記空洞（６－ｉ；６’、６ａ、６ｂ）はチューブの形状と、三角形の形の断面、矩形の形の断面、または少なくとも１つの傾斜したセル壁を有する断面とを有することを特徴とする、請求項１～１２のいずれか一項に記載の熱交換器。
14. 複数のチューブ形状の空洞（６－ｉ、６’、６ａ、６ｂ）において、前記チューブ形状の空洞（６－ｉ、６’、６ａ、６ｂ）の間にセル（２）ごとに前記作業ガスのための流動チャネル（２０）が配置されることを特徴とする、請求項１３に記載の熱交換器。
15. 前記セル（２）は２つの半体セル（５１、５０）で構成され、各々の前記半体セル（５１、５０）は三角形の形の断面を有する複数の空洞を含み、
    前記チューブ形状の空洞（６－ｉ；６’；６ａ、６ｂ）は前記作業ガスのための前記流動チャネル（２０）の間に配置され、
    前記半体セルの各々は平坦な側部と平坦でない側部とを有し、
    前記２つの半体セルの前記平坦でない側部は互いに相補的に形成され、
    前記２つの半体セルの前記２つの相補的な平坦でない側部は互いに接触することを特徴とする、請求項１～１４のいずれか一項に記載の熱交換器。
16. 請求項１～１５のいずれか一項に記載の熱交換器を生産するための方法であって、前記熱交換器（１；１０１）は３Ｄ印刷によって生産されることを特徴とする、方法。
17. 請求項１～１６のいずれか一項に記載の熱交換器を生産するための方法であって、前記熱交換器（１０１）は少なくとも２つの部品（４０、４４）から生産され、前記２つの部品（４０、４４）は製造後に互いに接続され、少なくとも１つの部品（４０）は前記１つ／複数の空洞（６’）の少なくとも一部を形成する凹部（４２）を有することを特徴とする、方法。
18. スターリング冷凍機、ギフォード・マクマホン冷凍機、またはパルスチューブ冷凍機の形の極低温冷凍機であって、少なくとも１つの熱交換器（１；１０１）を含み、請求項１～１７のいずれか一項に記載の熱交換器（１；１０１）を特徴とする、極低温冷凍機。
19. 前記極低温冷凍機の作業サイクル中の前記熱交換器（１；１０１）の前記少なくとも１つのセル（２；１０２）内の最大圧力変化は２０％、好ましくは１０％であることを特徴とする、請求項１８に記載の極低温冷凍機。

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