專利名稱：蓄冷器及使用該蓄冷器的蓄冷式冷凍機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及蓄冷器及蓄冷式冷凍機(jī)，尤其涉及微粉現(xiàn)象少、便于加工、壽命長(zhǎng)、能在低溫范圍內(nèi)發(fā)揮顯著冷凍能力的蓄冷器及使用該蓄冷器的蓄冷式冷凍機(jī)等。
近年來(lái)，超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展迅速，隨著其應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，開發(fā)小型、高性能的冷凍機(jī)就成為必然趨勢(shì)。這種小型冷凍機(jī)要求重量輕、小型、熱效率高，正在各種應(yīng)用領(lǐng)域推廣運(yùn)用。
譬如在超導(dǎo)MRI裝置或低溫泵上，采用GM(Gifford Mcmahon)方式或斯塔令(starling)方式或脈沖管道(pulse tube)冷凍機(jī)等的冷凍循環(huán)形成的冷凍機(jī)。另外，在磁懸浮列車上，為了用超導(dǎo)磁鐵產(chǎn)生磁力，也需要高性能的冷凍機(jī)。最近，在制造超導(dǎo)能量?jī)?chǔ)存裝置(SMES)以及高級(jí)硅片等的磁場(chǎng)中提拉單晶裝置中等也使用高性能的冷凍機(jī)。
在這種冷凍機(jī)中，被壓縮的氦氣等作動(dòng)介質(zhì)在充填有蓄冷材料的蓄冷器內(nèi)沿一個(gè)方向流動(dòng)，將其熱能供給蓄冷材料，在此膨脹的作動(dòng)介質(zhì)向相反方向流動(dòng)，從蓄冷材料吸取熱能。由于這一過程中的回?zé)嵝Ч己?，就能提高作?dòng)介質(zhì)循環(huán)中的熱效率，能實(shí)現(xiàn)更低的溫度。
過去在上述冷凍機(jī)中使用的蓄冷材料主要是Cu和Pb等。然而，這類蓄冷材料在20K以下的極低溫時(shí)比熱會(huì)明顯縮小，因而不能充分發(fā)揮上述的回?zé)嵝Ч?，在冷凍機(jī)作動(dòng)時(shí)不能在極低溫下以每1周期在蓄冷材料中儲(chǔ)存充分的熱能，且作動(dòng)介質(zhì)不能從蓄冷材料吸收充分的熱能。結(jié)果，裝有充填前述蓄冷材料的蓄冷器的冷凍機(jī)不能實(shí)現(xiàn)極低溫。
為此，最近為了提高前述蓄冷器在極低溫下的回?zé)崽匦?、?shí)現(xiàn)更接近絕對(duì)零度的冷凍溫度，采用特別在20K以下的極低溫范圍具有體積比熱的極大值、由以該值很大的Er3Ni、ErNi、HoCu2等稀土類元素和過渡性金屬元素構(gòu)成的金屬互化物為主體的磁性蓄冷材料。通過在GM冷凍機(jī)上使用這類磁性蓄冷材料，能夠?qū)崿F(xiàn)4K下的冷凍。上述磁性蓄冷材料為了能有效地與作為制冷劑的氦氣之間進(jìn)行熱交換，通常被加工成直徑0.1～0.5mm的球狀。尤其是當(dāng)磁性蓄冷材料(粒狀蓄冷物質(zhì))是含有稀土類元素的金屬互化物時(shí)，采用離心噴霧法等加工成球狀。
然而，在斯塔令冷凍機(jī)或脈沖管道冷凍機(jī)等高速運(yùn)轉(zhuǎn)的冷凍機(jī)中，充填了球狀磁性蓄冷粒子的蓄冷器中壓力損耗很大，不能實(shí)現(xiàn)足夠的冷凍能力。而且在GM冷凍機(jī)等中，容易發(fā)生因冷凍機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊力而使磁性粒子微粉化、制冷劑的透氣阻力升高、熱交換效率急劇下降的問題。
為了降低壓力損耗，已知有如下幾種蓄冷材料在磁性材料板上穿設(shè)多個(gè)制冷劑氣體流通口的打孔板、由磁性體帶狀物卷成的滾筒狀帶狀物、網(wǎng)狀磁性體疊層形成的網(wǎng)等。然而，上述磁性蓄冷材料因顯示面金屬互化物特有的脆性，故很難進(jìn)行穿孔或卷曲加工，難以加工成上述形狀，加工成本很高。
本發(fā)明正是為了解決上述問題，目的在于提供一種微粉化現(xiàn)象少、便于加工、壽命長(zhǎng)、能在低溫范圍內(nèi)發(fā)揮顯著的冷凍能力的蓄冷器及使用該蓄冷器的蓄冷式冷凍機(jī)等。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的蓄冷器是在蓄冷器主體內(nèi)充填蓄冷材料，使制冷劑氣體從蓄冷器主體的一個(gè)方向流向另一方向，以實(shí)現(xiàn)低溫，其特點(diǎn)是，上述蓄冷材料的至少一部分是厚度為0.03mm以上2mm以下的板狀蓄冷材料。
而且該蓄冷材料由含有10at％以上的稀土類元素的合金構(gòu)成。
另外，在制冷劑氣體流動(dòng)方向的板狀蓄冷材料的長(zhǎng)度最好是1mm以上100mm以下。另外，最好將多個(gè)板狀蓄冷材料在與制冷劑氣體的流動(dòng)方向正交的方向隔著間隙配設(shè)，且該間隙為0.01mm以上1mm以下。
另外，在上述蓄冷器上，可以在蓄冷器主體的內(nèi)壁上形成槽，并在該槽中插入上述板狀蓄冷材料的邊緣部。還可以在蓄冷器主體的內(nèi)壁上形成凸起，并在該凸起之間插入上述板狀蓄冷材料的邊緣部。也可用支承器固定多個(gè)板狀蓄冷材料，并將該支承器插入蓄冷器主體內(nèi)。
另外，最好將多個(gè)板狀蓄冷材料配設(shè)在制冷劑氣體的流動(dòng)方向，且在上述制冷劑氣體的流動(dòng)方向相鄰的板狀蓄冷材料的平板面所形成的蓄冷器徑向角度在0.5度以上。
另外，作為特殊結(jié)構(gòu)，也可將上述多個(gè)板狀蓄冷材料配置成分隔制冷劑流通路徑截面的狀態(tài)，形成制冷劑流通的多個(gè)單元。在上述結(jié)構(gòu)中，最好形成單元的蓄冷材料的厚度平均值為0.05mm以上2mm以下。另外，最好上述多個(gè)單元的截面積的平均值為1×10-9m2以上2×10-6m2以下。還有，最好上述多個(gè)單元的平均長(zhǎng)度為3mm以上100mm以下。
另外，上述多個(gè)板狀蓄冷材料及單元也可以通過對(duì)含10at％以上稀土類元素的蓄冷材料粉末和粘合劑的混合物進(jìn)行擠壓加工而形成。
本發(fā)明的蓄冷式冷凍機(jī)是使作動(dòng)介質(zhì)(制冷劑氣體)從蓄冷器的上游高溫側(cè)流過，并通過上述作動(dòng)介質(zhì)與蓄冷材料之間的熱交換而在蓄冷器的下游側(cè)得到更低溫度，其特點(diǎn)是，上述蓄冷器的至少一部分充填有上述板狀蓄冷材料。
另外，本發(fā)明的MRI(磁共振圖象)裝置，磁懸浮列車用超導(dǎo)磁鐵、低溫泵以及磁場(chǎng)外加式提拉單晶裝置都具有本發(fā)明的上述蓄冷式冷凍機(jī)。
最好充填在本發(fā)明的蓄冷器主體內(nèi)的蓄冷材料至少有一部分用含有10at％以上稀土類元素的磁性合金形成。構(gòu)成上述蓄冷材料的合金最好是由可用一般式RMz…(1)(其中R是從Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm及Yb中選擇的至少1種稀土類元素，M是從Ni、Co、Cu、Ag、Al、Ru、In、Ga、Ge、Si及Rh中選擇的至少1種元素，z是原子比，滿足0≤z≤9.0)表示的稀土類元素單體或含稀土類元素的金屬互化物構(gòu)成。
從前述一般式(1)可知，本發(fā)明的蓄冷器中充填的蓄冷材料最好由具有RMz(0≤z≤9.0)成分的稀土類元素單體、或含稀土類元素的金屬互化物等磁性體構(gòu)成。不過，除了上述磁性體外，也可并用由Pb、Pb合金、Cu、Cu合金、不銹鋼等金屬材料構(gòu)成的蓄冷材料。
在上述一般式中，R成分是從Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm及Yb中選擇的至少1種稀土類元素，M是從Ni、Co、Cu、Ag、Al、Ru、In、Ga、Ge、Si及Rh中選擇的至少1種元素。
上述M成分對(duì)R成分的配合比z如果大于9.0，作為磁性原子的稀土類原子的密度就會(huì)明顯下降，使比熱減小。這里，當(dāng)z=0時(shí)，即，蓄冷材料由稀土類元素單體構(gòu)成時(shí)，表示比熱峰值的溫度很難調(diào)節(jié)，故最好采用含稀土類元素的金屬互化物。z的較佳范圍是0.1≤z≤5，更好范圍是1≤z≤3。尤其好的具體成分是，Er3Ni、Er3Co、ErNi、ErNi0.9Co0.1、HoCu2、ErIn3、HoSb、Ho2Al。不過，正如將ErNi的Ni的一部分置換成Co后形成ErNi0.9Co0.1那樣，可在上述成分的基礎(chǔ)上將R成分的一部分用其他R成分的至少1種元素來(lái)置換，或是將M成分的一部分用其他M成分的至少1種元素來(lái)置換，由此來(lái)控制表示比熱峰值的溫度和峰值幅度等。
本發(fā)明中使用的蓄冷材料也可以由在20K以下的極低溫范圍具有比熱峰值的氧化物為主體的多個(gè)磁性粒子構(gòu)成。構(gòu)成該磁性粒子的氧化物可適當(dāng)使用以下一般式(2)、(3)、(4)、(5)表示的組成物。
即，用一般式RM’2O3……(2)(其中，R是從Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm及Yb中選擇的至少1種稀土類元素，M’是從3B族元素中選擇的至少1種元素。)表示的鈣鈦礦類氧化物；用一般式AB2O4……(3)(其中A是從2B族元素中選擇的至少1種元素，B是至少含Cr的過渡性金屬元素。)表示的尖晶石類氧化物；用一般式CD2O6……(4)(其中C是從Mn及Ni中選擇的至少1種元素，D是從Nb及Ta中選擇的至少1種元素。)表示的氧化物；以及用一般式Gd1-xRxA1-yByO3……(5)(其中R是從Ce、Pr、Nd、Sm、Tb、Dy、Ho及Er中選擇的至少1種稀土類元素，A是從Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Al、Si中選擇的元素，當(dāng)x=0且y=0時(shí)至少選擇2種元素，而當(dāng)x≠0或y≠0時(shí)則至少選擇1種元素，B是從Zr、Nb、Mo、Ag、In、Sn、Sb、Hf、Ta、W、Au、Bi選擇的至少1種元素，x滿足原子比0≤x≤0.4，y滿足原子比0≤y≤0.4。)表示的氧化磁性粒子構(gòu)成的蓄冷材料。
在前述一般式Gd1-xRxA1-yByO3…(5)中，x=0且y=0時(shí)的一般式用GdAO3表示，而當(dāng)該GdAO3的A成分只是單一元素時(shí)，可得到在一般極低溫范圍內(nèi)具有比熱峰值的磁性粒子，但在4～6K的溫度范圍內(nèi)很少顯示出較大的比熱峰值。因此，當(dāng)x=0且y=0時(shí)，A成分至少要選擇2種元素。另一方面，通過將Gd的一部分用其他的稀土類元素置換，或是將A成分的一部分用其他元素置換，來(lái)調(diào)節(jié)比熱特性，作為高性能的蓄冷材料。
另外，在上述一般式(5)Gd1-xRxA1-yByO3中，R成分是從Ce、Pr、Nd、Sm、Tb、Dy、Ho及Er中選擇的至少1種稀土類元素，是能急劇擴(kuò)寬比熱值峰值或控制峰值溫度位置的有效成分，以置換Gd一部分的形式添加。表示R成分置換量添加比率x如果大于0.4，則比熱減小。在上述R成分中，選擇Tb、Dy、Ho、Er較好，其中Tb、Dy尤其好。
另外，A成分表示從Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Al、Si中選擇的元素，具有控制比熱峰值的效果。而且，當(dāng)x=0且y=0時(shí)至少選擇2種元素，而當(dāng)x≠0或y≠0時(shí)，則至少選擇1種元素，故GdAO3系中的Gd或A成分的一部分一定要用其他元素置換。作為上述A成分元素，最好是用Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Al、其中Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Al尤其好。
還有，B成分是通過置換上述A成分的一部分、并通過調(diào)節(jié)(Gd1-xRx)原子間距離等作用而改善比熱特性的元素。B成分表示從Zr、Nb、Mo、Ag、In、Sn、Sb、Hf、Ta、W、Au、Bi中選擇的至少1種元素。作為B成分元素，最好是Zr、Nb、Mo、Sn、Ta、W，其中Ta、W尤其好。如果表示該B成分添加量的比率y大于0.4，就難以維持鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致由磁性粒子構(gòu)成的蓄冷材料的比熱特性下降。
另外，關(guān)于前述一般式Gd1-xRxA1-yByO3中的氧原子比，有時(shí)會(huì)由于原子的缺陷等而偏離作為化學(xué)計(jì)量比的3。然而，只要氧原子比在2.5～3.5的范圍內(nèi)，就不會(huì)對(duì)比熱特性產(chǎn)生太大影響。
本發(fā)明蓄冷器中充填的板狀蓄冷材料的制造方法沒有特別限定，譬如可用切片機(jī)(blade saw)等切割裝置將具有上述成分的蓄冷材料合金錠切斷或用粉末法燒結(jié)等。
另外，如后所述，形成供制冷劑氣體流通的多個(gè)單元的蓄冷材料也可通過將蓄冷材料粉末和粘合劑的混合物擠壓后形成。
如

圖1及圖2所示，本發(fā)明的蓄冷器1是在譬如筒狀的蓄冷器主體2內(nèi)，在與制冷劑氣體流通路徑4的方向正交的方向以一定間隔(間隙)G配置固定多個(gè)板狀蓄冷材料3后形成。
充填在本發(fā)明的蓄冷器1中的板狀蓄冷材料3的板厚度T是影響冷凍機(jī)蓄冷特性的重要因素，本發(fā)明將該厚度T定在0.03mm以上2mm以下的范圍內(nèi)。如果蓄冷材料3的板厚度T小于0.03mm，蓄冷材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度就不足，在組裝蓄冷器1時(shí)容易發(fā)生破損，同時(shí)在冷凍機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)因振動(dòng)而導(dǎo)致破損。
而如果蓄冷材料3的板厚度T大于2mm，則1次冷凍循環(huán)中滲透到蓄冷材料3內(nèi)部(深部)的熱量又會(huì)不足，導(dǎo)致蓄冷效率下降。為此，本發(fā)明將蓄冷材料3的板厚度T定在0.03mm～2mm的范圍內(nèi)，但更好是0.2mm～1.3mm的范圍，最好是0.4mm～1.0mm的范圍。
又如圖3及圖4所示，在本發(fā)明的蓄冷器1a中，最好制冷劑氣體(氦氣)流動(dòng)方向上的板狀蓄冷材料3a的長(zhǎng)度L為1mm以上100m以下。如果板狀蓄冷材料3a的長(zhǎng)度小于1mm，則為了用上述較短的蓄冷材料3a填滿在制冷劑氣體的流動(dòng)方向較長(zhǎng)的蓄冷器主體2a，充填作業(yè)需要化費(fèi)許多工時(shí)，不利于生產(chǎn)。
另一方面，如果板狀蓄冷材料3a的長(zhǎng)度L大于100mm，則氣體流通路徑方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)增大，故熱量容易流入冷凍機(jī)的低溫端，導(dǎo)致冷凍能力下降。為此將制冷劑氣體流動(dòng)方向上的板狀蓄冷材料3a的長(zhǎng)度L定在1～100mm的范圍內(nèi)，更好是在5～40mm的范圍內(nèi)，最好是在8～20mm的范圍內(nèi)。
即，與圖1及圖2所示的沿蓄冷器1的制冷劑氣體流動(dòng)方向全長(zhǎng)配置較長(zhǎng)蓄冷材料3的結(jié)構(gòu)相比，圖3及圖4所示的將多個(gè)較短蓄冷材料3a沿流動(dòng)方向連續(xù)設(shè)置的結(jié)構(gòu)能夠利用相鄰蓄冷材料3a、3a的接縫抑制上述熱傳導(dǎo)，故冷凍能力更佳。
另外，如圖1及圖4所示，在本發(fā)明的蓄冷器1中，配設(shè)在與制冷劑氣體的流動(dòng)方向正交的方向的多個(gè)板狀蓄冷材料3、3a的間隙G定在0.01mm以上1mm以下。如果板狀蓄冷材料3、3a的間隙G小于0.01mm，氣體流通路徑4上的制冷劑氣體的透氣阻力會(huì)增大，導(dǎo)致冷凍能力下降。
而如果板狀蓄冷材料3、3a的間隙G大于1mm，則蓄冷材料3、3a的充填率下降，同時(shí)制冷劑氣體與蓄冷材料3、3a之間的熱交換不充分，會(huì)導(dǎo)致蓄冷效率下降。為此將板狀蓄冷材料的間隔G定在0.01mm～1mm的范圍內(nèi)，更好是在0.02mm～0.3mm的范圍內(nèi)，最好是在0.05mm～0.15mm的范圍內(nèi)。
在本發(fā)明的蓄冷器中，將各板狀蓄冷材料固定在蓄冷器主體上的固定結(jié)構(gòu)并無(wú)特別限定，不過最好采用以下固定結(jié)構(gòu)。譬如圖4所示，通過將各板狀蓄冷材料3a的邊緣部插入在蓄冷器主體2a的內(nèi)壁上形成的槽5中，可以將各蓄冷材料3a固定而形成蓄冷器。在這種場(chǎng)合，形成槽5的凸起部分的厚度就成為在相鄰的蓄冷材料3a、3a之間形成的間隙G，并形成制冷劑氣體流通路徑4。不過，可以在將板狀蓄冷材料3a插入上述槽5之前預(yù)先涂上潤(rùn)滑脂等潤(rùn)滑材料，由此便于順利插入。
另外，作為板狀蓄冷材料的其他固定結(jié)構(gòu)，還可采用圖6及圖7所示的方式。即，在圖6、圖7所示的蓄冷器1b中，在蓄冷器主體2b的內(nèi)壁上形成凸起6，在該凸起之間插入板狀蓄冷材料3b的邊緣部進(jìn)行固定，凸起6的厚度成為在相鄰蓄冷材料3b之間形成的間隙，并形成制冷劑氣體流通路徑。上述凸起6的形狀無(wú)特別限定，可以是爪形、扣形、棒形等各種形狀。另外，凸起也可在板狀蓄冷材料的表面形成。
作為板狀蓄冷材料的其他固定結(jié)構(gòu)，還可采用圖8及圖9所示的方式。即，用可嵌裝在蓄冷器主體2內(nèi)的支承器7，并在該支承器7的內(nèi)面沿軸向形成供板狀蓄冷材料3的邊緣部插入的多個(gè)槽5a，在該支承器7內(nèi)插入多個(gè)板狀蓄冷材料3進(jìn)行固定。即，不是采用對(duì)筒狀蓄冷器主體2自身進(jìn)行加工并固定板狀蓄冷材料3的方式，而是預(yù)先在與蓄冷器主體2相同材料或不同材料構(gòu)成的支承器7內(nèi)將多個(gè)板狀蓄冷材料3以一定間隙支承固定，并將這種支承器7沿蓄冷器主體2內(nèi)的軸向插入多個(gè)，由此形成蓄冷器。
在這種場(chǎng)合，由于多個(gè)板狀蓄冷材料3是預(yù)先固定在支承器7內(nèi)的，故在更換蓄冷材料3時(shí)，只要更換新的支承器7即可完成更換作業(yè)。從而，不僅便于迅速完成蓄冷材料3的更換作業(yè)，而且蓄冷材料3容易處理，可減少破損。
另外，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在多個(gè)板狀蓄冷材料沿制冷劑氣體的流動(dòng)方向配設(shè)形成的蓄冷器中，與在制冷劑氣體流動(dòng)方向相鄰的板狀蓄冷材料的平板面處于同一平面的場(chǎng)合相比，使上述相鄰的蓄冷材料的平板面相互略微錯(cuò)開的結(jié)構(gòu)更有利于順利地進(jìn)行熱交換，且蓄冷效率更佳。
為此，本發(fā)明蓄冷器的一個(gè)較佳實(shí)施形態(tài)是將在上述制冷劑氣體的流動(dòng)方向相鄰的板狀蓄冷材料的平板面在蓄冷器徑向形成的角度定為0.5度以上。如圖8及圖9所示，當(dāng)將多個(gè)板狀蓄冷材料3配置固定在支承器7內(nèi)，且將該支承器7在制冷劑氣體流動(dòng)方向多層重疊以作為蓄冷器1c時(shí)，將相鄰的板狀蓄冷材料3、3a的平板面所形成的蓄冷器徑向角度θ調(diào)節(jié)成0.5度以上，由此可控制制冷劑氣體的流通路徑阻力大小。
如果在上述制冷劑氣體流通路徑方向相鄰的板狀蓄冷材料3、3a的平板面所形成的蓄冷器徑向角度θ小于0.5度，會(huì)使制冷劑氣體的流通路徑阻力減小，難以使制冷劑氣體(作動(dòng)氣體)與蓄冷材料之間進(jìn)行充分的熱交換。雖然將上述相鄰蓄冷材料的平板面所形成的角度θ定為0.5度以上，但更好的是1度以上，最好是2度以上。
在本發(fā)明的蓄冷器中，多個(gè)板狀蓄冷材料可以配置成將制冷劑氣體的流通路徑截面隔斷的狀態(tài)，形成供制冷劑氣體流通的多個(gè)單元。
在上述結(jié)構(gòu)的蓄冷器中，形成上述單元的蓄冷材料的平均厚度定為0.05m以上2mm以下。如果蓄冷材料的平均厚度小于0.05mm，會(huì)使蓄冷材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，不僅很難裝入蓄冷器中，而且容易因冷凍機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的振動(dòng)或沖擊而破損。
另一方面，如果形成單元的蓄冷材料的平均厚度大于2mm，會(huì)使每1次冷凍循環(huán)中滲入到蓄冷材料內(nèi)部的熱滲透不足，使蓄冷效率降低。為此，作為單元分隔壁的蓄冷材料的平均厚度定為0.05～2mm，更好的是在0.1～1mm以下的范圍，最好是在0.2～0.5mm的范圍內(nèi)。
在充填了形成上述多個(gè)單元的蓄冷材料的蓄冷器中，多個(gè)單元的平均截面積最好在1×10-9m2以上2×10-6m2以下的范圍。其中，單元的截面積是指與制冷劑流動(dòng)方向(軸向)成直角的方向的截面積。如果該單元的平均截面積小于1×10-9m2，制冷劑氣體的流通路徑阻力會(huì)增大，使用該蓄冷材料的冷凍機(jī)的冷凍能力就會(huì)降低。另一方面，如果單元的平均截面積大于2×10-6m2，則不僅會(huì)降低蓄冷材料在蓄冷器中的充填率，而且會(huì)導(dǎo)致制冷劑氣體與蓄冷材料之間的熱交換不足，使蓄冷效率下降。從而，將多個(gè)單元的平均截面積定為1×10-9m2～2×10-6m2的范圍，更好是在2×10-9m2～5×10-7m2以下的范圍，最好是在5×10-9m2～2×10-7m2以下的范圍。
另外，在充填了形成上述單元的蓄冷材料的蓄冷器中，最好將多個(gè)單元的平均長(zhǎng)度定在3mm以上100mm以下的范圍內(nèi)。如果上述單元的平均長(zhǎng)度小于3mm，為了用蓄冷材料填滿在制冷劑氣體流通路徑方向較長(zhǎng)的蓄冷器，就需要較多的蓄冷材料，導(dǎo)致蓄冷器的組裝復(fù)雜化，不利于生產(chǎn)。而如果單元的平均長(zhǎng)度大于100mm，則因在氣體流通路徑方向的熱傳導(dǎo)增大，會(huì)使熱量容易流入冷凍機(jī)的蓄冷器的低溫端，導(dǎo)致冷凍能力下降。為此，單元的平均長(zhǎng)度應(yīng)在3～100mm的范圍內(nèi)，更好是在5～40mm的范圍內(nèi)，最好是在8～20mm的范圍內(nèi)。
上述蓄冷材料的單元截面形狀無(wú)特別限定，如圖10(a)～(d)所示，可以采用三角形、四角形、六角形及圓形等各種形狀。還可將上述至少2種截面形狀混合構(gòu)成單元形狀。在上述單元的截面形狀中，特別是在形成四角形及三角形的單元時(shí)，可得到機(jī)械性強(qiáng)度好、壽命長(zhǎng)的蓄冷材料。
充填在本發(fā)明的蓄冷器中且具有上述多個(gè)單元的蓄冷材料的制造方法無(wú)特別限定，可以用擠壓法、波紋加工法、軋花法以及軋光法等各種成形法。從便于成形操作的觀點(diǎn)出發(fā)，多個(gè)板狀蓄冷材料及單元最好通過對(duì)含稀土類元素10at％以上的蓄冷材料粉末和粘合劑的混合物進(jìn)行擠壓加工而形成。
在上述擠壓加工中，在經(jīng)過粒度調(diào)節(jié)的蓄冷材料粉末中加入粘接劑、潤(rùn)滑劑、界面活性劑和作為分散劑的水等攪拌成混合物，使該混合物通過具有擠壓槽的成形模，其中的擠壓槽就是形成最終單元結(jié)構(gòu)用的分隔壁，由此形成具有多個(gè)單元的成形體。然后在必要時(shí)進(jìn)行脫脂處理并燒固，由此形成具有規(guī)定截面形狀的蓄冷材料。
在上述制造方法中，為了得到更加細(xì)密的高強(qiáng)度蓄冷材料，作為原料的蓄冷材料粉末的平均粒徑最好在10μm以下。更好的是在5μm以下，最好是在3μm以下。作為粘合劑，可以適當(dāng)?shù)厥褂眉谆w維素、羧甲基纖維素、聚乙烯醇(PVA)、淀粉糊、甘油、各種蠟等。另外，粘合劑也可使用Pb、Sn、In、各種錫焊合金等低熔點(diǎn)金屬材料。
不過，過去曾有人提出過將經(jīng)過壓花加工的蓄冷材料坯料或帶狀蓄冷材料坯料卷繞或疊層，在相鄰的蓄冷材料坯料之間的間隙形成模擬的單元結(jié)構(gòu)，但使用這種蓄冷材料的蓄冷器與本發(fā)明的蓄冷器的使用效果不同。
即，上述傳統(tǒng)的蓄冷材料只是形成單元的板狀蓄冷材料的一部分接觸，而本發(fā)明的單元是被形成一體的牢固的分隔壁圍住。從而本發(fā)明的單元結(jié)構(gòu)能夠在外力下穩(wěn)定地維持各單元的形狀，有助于冷凍機(jī)特性的穩(wěn)定化。尤其是當(dāng)構(gòu)成單元的分隔壁厚度較薄時(shí)，采用上述傳統(tǒng)例子那種板狀蓄冷材料的坯料相互接觸的結(jié)構(gòu)時(shí)蓄冷材料的機(jī)械性強(qiáng)度不足，而本發(fā)明因多個(gè)板狀蓄冷材料形成一體，形成高剛性的框架結(jié)構(gòu)，故可確保充分的機(jī)械性強(qiáng)度及壽命。
另外，在具有前述傳統(tǒng)單元結(jié)構(gòu)的蓄冷材料上，由于無(wú)法提高加工精度，構(gòu)成一部分單元的分隔壁的接觸不充分，會(huì)產(chǎn)生間隙。在這種場(chǎng)合，制冷劑氣體與構(gòu)成分隔壁的蓄冷材料之間的熱交換就不充分，致使蓄冷性能降低。而在本發(fā)明的蓄冷器中使用的蓄冷材料中，相鄰的分隔壁間不會(huì)形成間隙，故不會(huì)發(fā)生上述問題。
另外，還有人提出在由磁性材料構(gòu)成的薄板上通過機(jī)械加工、蝕刻或蒸發(fā)處理等方法形成多個(gè)孔作為制冷劑氣體的流通路徑，再將這樣的薄板疊層后形成蓄冷材料。然而，要在脆性很高的磁性材料構(gòu)成的薄板上用機(jī)械加工方法形成多個(gè)細(xì)微的孔是極為困難的，而且工業(yè)成本很高。
本發(fā)明人也考慮過在由不同于蓄冷材料的材料構(gòu)成芯材周圍卷繞蓄冷材料，并將其多個(gè)捆扎后拉拔加工成一體，然后通過蝕刻或蒸發(fā)處理除去芯材后形成有孔的蓄冷材料。然而，一般情況下很難對(duì)脆性高、難以加工的磁性材料進(jìn)行拉拔加工，不可能成為工業(yè)上的制造方法。另外，采用上述制造方法時(shí)，一般是形成截面為圓形的孔，但為了形成圓形的孔，圍住孔的分隔壁就要由曲面構(gòu)成，如圖10(d)所示，較薄的分隔壁部分與較厚的分隔壁部分混雜。因此，較薄部分的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，而較厚部分的熱交換不足，都會(huì)成為降低蓄冷材料要求特性降低的因素。
從而，本發(fā)明的單元截面形狀與其用圖10(d)所示的圓形截面，不如象圖10(a)～(c)那樣用三角形、四角形或六角形，能同時(shí)確保較高的機(jī)械特性和良好的傳熱特性。
本發(fā)明蓄冷式冷凍機(jī)的蓄冷器至少有一部分采用充填有上述蓄冷材料的蓄冷器。當(dāng)然也可以是規(guī)定冷卻段的蓄冷器充填本發(fā)明的蓄冷材料，而其他蓄冷器則充填具有與其溫度分布對(duì)應(yīng)的比熱特性的其他蓄冷材料。
采用上述結(jié)構(gòu)的蓄冷器，由于能將板狀蓄冷材料充填到蓄冷器主體中，且確保了使制冷劑氣體容易通過且能與蓄冷材料之間進(jìn)行充分熱交換的空隙，故即使用于斯塔令冷凍機(jī)或脈沖管道冷凍機(jī)等高速運(yùn)轉(zhuǎn)的冷凍機(jī)，也具有壓力損耗小、長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的冷凍特性。而且通過將該蓄冷器作為冷凍機(jī)的至少一部分蓄冷器使用，能夠使冷凍機(jī)的冷凍能力提高，且能長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定的冷凍性能。
另外，MRI裝置、低溫泵、磁懸浮列車用超導(dǎo)磁鐵、以及磁場(chǎng)外加式提拉單晶裝置的性能都受冷凍性能影響，故使用了上述冷凍機(jī)的本發(fā)明的MRI裝置、低溫泵、磁懸浮列車用超導(dǎo)磁鐵、以及磁場(chǎng)外加式提拉單晶裝置都能長(zhǎng)時(shí)發(fā)揮優(yōu)異的性能。
對(duì)附圖的簡(jiǎn)單說明圖1是本發(fā)明蓄冷器一實(shí)施例的剖視圖。
圖2是圖1蓄冷器的局部切斷主視圖。
圖3是本發(fā)明蓄冷器又一實(shí)施例的立體圖。
圖4是圖3中Ⅳ部的放大剖視圖。
圖5示意地表示脈沖管道冷凍機(jī)的組成部分及溫度分布。
圖6是本發(fā)明蓄冷器又一實(shí)施例的立體圖。
圖7是圖6中Ⅶ部的放大立體圖。
圖8是本發(fā)明蓄冷器又一實(shí)施例的半剖視圖。
圖9是圖8蓄冷器的縱剖視圖。
圖10表示蓄冷材料的截面形狀，(a)是三角形單元的剖視圖，(b)是四角形單元的剖視圖，(c)是六角形單元的剖視圖，(d)是圓形單元的剖視圖。
圖11是傳統(tǒng)蓄冷材料的形狀示例的立體圖及剖視圖。
圖12是表示將圖11的蓄冷材料疊層后插入蓄冷器主體中組裝蓄冷器操作過程的立體圖。
圖13是表示蓄冷材料的板厚與冷凍能力之間關(guān)系的曲線圖。
圖14是表示蓄冷材料之間的間隙與冷凍能力之間關(guān)系的曲線圖。
圖15是表示蓄冷式冷凍機(jī)(GM冷凍機(jī))的主要部分結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖16是表示本發(fā)明一實(shí)施例的超導(dǎo)MRI裝置基本結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖17是表示本發(fā)明一實(shí)施例的超導(dǎo)磁鐵(磁懸浮列車用)的主要部分基本結(jié)構(gòu)的立體圖。
圖18是表示本發(fā)明一實(shí)施例的低溫泵的基本結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖19是表示本發(fā)明一實(shí)施例的磁場(chǎng)外加式提拉單晶裝置的主要部分基本結(jié)構(gòu)的立體圖。
以下結(jié)合實(shí)施例具體說明本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)。
實(shí)施例1用高頻熔解法鑄造具有HoCu2成分的合金錠，并將此錠在真空中以750℃的溫度進(jìn)行12小時(shí)的熱處理。用切片機(jī)將得到的合金錠切片，制成多個(gè)如圖3所示的寬度W為35mm、長(zhǎng)度L為10mm、厚度T為0.5mm的薄長(zhǎng)方形蓄冷材料3a。
另一方面，準(zhǔn)備蓄冷器主體2a，即，在圖3所示的內(nèi)側(cè)尺寸為縱35mm×橫35mm×長(zhǎng)度150mm的方筒狀蓄冷器主體2a上如圖4那樣在內(nèi)壁上形成多個(gè)深0.5mm的槽5。然后在上述蓄冷器主體2a的槽5中插入前述薄長(zhǎng)方形的蓄冷材料3a的兩邊緣部后固定，由此制成實(shí)施例1的蓄冷器1a。
在上述實(shí)施例1的蓄冷器1a中，以薄長(zhǎng)方形蓄冷材料3a的長(zhǎng)度方向與制冷劑氣體的流動(dòng)方向一致的狀態(tài)，沿制冷劑氣體的流動(dòng)方向連設(shè)15片。由于形成槽5的凸起的厚度定為0.1mm，故在與制冷劑氣體的流動(dòng)方向正交的方向相鄰的薄長(zhǎng)方形蓄冷材料3a、3a之間分別形成間隙G為0.1mm的制冷劑氣體流通路徑4。
以下為了評(píng)價(jià)用上述方法制造的蓄冷器特性，準(zhǔn)備了2層式脈沖管道冷凍機(jī)。圖5表示1層式脈沖管道冷凍機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。該脈沖管道式冷凍機(jī)70的最大結(jié)構(gòu)特征在于不具備后述GM冷凍機(jī)所必不可少的發(fā)生冷氣用的往復(fù)式活塞。因此，機(jī)械可靠性佳，振動(dòng)低，特別適用于元件或傳感器冷卻用冷凍機(jī)。
脈沖管道冷凍機(jī)70是蓄冷式冷凍機(jī)的一種，一般用氦氣作為制冷劑氣體?；窘Y(jié)構(gòu)如下，冷凍機(jī)除了蓄冷器1之外，還具有對(duì)氦氣進(jìn)行壓縮的壓力振動(dòng)源71、以及對(duì)制冷劑氣體的壓力變動(dòng)和位置變動(dòng)(變位)的時(shí)間差進(jìn)行控制的相位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)72。
在GM冷凍機(jī)或斯塔令冷凍機(jī)上，上述相位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)72是設(shè)置在低溫部的往復(fù)式活塞機(jī)構(gòu)，而脈沖管道冷凍機(jī)70配置在室溫部，蓄冷器1的低溫端和室溫部的相位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)72之間用稱為脈沖管的管道連接，對(duì)制冷劑氣體的壓力波相位進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。而且壓力波動(dòng)引起的制冷劑氣體與蓄冷材料之間的熵交接通過對(duì)變位進(jìn)行適當(dāng)定時(shí)，使熵向一個(gè)方向依次積累，在蓄冷器1的低溫部得到更低的溫度。
并且將用前述方法制造的實(shí)施例1的蓄冷器作為上述2段式脈沖管道冷凍機(jī)的第2層蓄冷器裝入，組裝成實(shí)施例1的冷凍機(jī)，用5Hz進(jìn)行冷凍試驗(yàn)，測(cè)定4.2K下的冷凍能力。
本實(shí)施例的冷凍能力是以冷凍機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)用加熱器使熱負(fù)荷作用于第2冷卻層、且第2冷卻層的溫度上升在4.2K停止時(shí)的熱負(fù)荷來(lái)定義。
結(jié)果，4.2K時(shí)的冷凍能力為0.11W。另外，在冷凍試驗(yàn)完畢后將充填于冷凍機(jī)蓄冷器中的蓄冷材料取出并觀察其外觀，未發(fā)現(xiàn)各板狀蓄冷材料破損。
實(shí)施例2用高頻熔解法鑄造具有HoCu2成分的合金錠，并將此錠在真空中以750℃的溫度進(jìn)行12小時(shí)的熱處理。用切片機(jī)將得到的合金錠切片，制成多個(gè)如圖6及圖7所示的寬度為35mm、長(zhǎng)度為15mm、厚度為0.7mm的薄長(zhǎng)方形蓄冷材料3b。
另一方面，準(zhǔn)備蓄冷器主體2b，即，在圖6及圖7所示的內(nèi)側(cè)尺寸為縱35mm×橫35mm×長(zhǎng)度150mm的方筒狀蓄冷器主體2b上如圖7那樣在內(nèi)壁上形成多個(gè)縱1mm×橫2mm×厚0.2mm的凸起6。然后在上述蓄冷器主體2b的凸起6、6之間插入前述薄長(zhǎng)方形的蓄冷材料3b的兩邊緣部后固定，由此制成實(shí)施例2的蓄冷器1b。
在上述實(shí)施例2的蓄冷器1b中，以薄長(zhǎng)方形蓄冷材料3b的長(zhǎng)度方向與制冷劑氣體的流動(dòng)方向一致的狀態(tài)，沿制冷劑氣體的流動(dòng)方向連設(shè)10片。由于凸起6的厚度定為0.2mm，故在與制冷劑氣體的流動(dòng)方向正交的方向相鄰的薄長(zhǎng)方形蓄冷材料3b、3b之間分別形成間隙為0.2mm的制冷劑氣體流通路徑。
對(duì)于該蓄冷器1b，與實(shí)施例1同樣，將作為脈沖冷凍機(jī)的第2層蓄冷器裝入，組裝成冷凍機(jī)，用5Hz進(jìn)行冷凍試驗(yàn)，測(cè)定4.2K下的冷凍能力，結(jié)果得到0.11W的冷凍能力。
實(shí)施例3用高頻熔解法鑄造具有HoCu2成分的合金錠，并將此錠在真空中以750℃的溫度進(jìn)行12小時(shí)的熱處理。用切片機(jī)將得到的合金錠切片，制成多個(gè)如圖8及圖9所示的長(zhǎng)度為25mm、厚度為1mm的薄長(zhǎng)方形蓄冷材料3。在這種場(chǎng)合，各薄長(zhǎng)方形的蓄冷材料3的寬度調(diào)節(jié)成如下尺寸可在圖8及圖9所示的外徑為39mm、長(zhǎng)度為25mm的大致圓筒狀支承器7內(nèi)沿著與氣體流動(dòng)方向隔開一定間隔配設(shè)。
上述支承器7被制成其外徑可嵌裝于蓄冷器主體2內(nèi)，在支承器7的內(nèi)面，沿氣體流動(dòng)方向形成可插入板狀蓄冷材料3的兩個(gè)邊緣部進(jìn)行支承固定用的槽5a。并且將寬度不同的蓄冷材料3的兩個(gè)邊緣部插入支承器7的槽5a中，組裝成與蓄冷材料3一體固定的多個(gè)支承器7。在內(nèi)徑為39mm、長(zhǎng)度為150mm的蓄冷器主體2內(nèi)沿軸向重疊充填6層上述支承器7，以此制造出實(shí)施例3的蓄冷器1c。不過，在軸向相鄰的板狀蓄冷材料3、3的平板面所形成的蓄冷器圓周方向的角度θ為零。
對(duì)于該蓄冷器1c，與實(shí)施例1同樣，將作為脈沖冷凍機(jī)的第2層蓄冷器裝入，組裝成冷凍機(jī)，用5Hz進(jìn)行冷凍試驗(yàn)，測(cè)定4.2K下的冷凍能力，結(jié)果得到0.13W的冷凍能力。
實(shí)施例4將實(shí)施例3的插入、固定各板狀蓄冷材料3的支承器7重疊6層形成蓄冷器1c，且使第2層以后～第6層的支承器7相對(duì)最下層的支承器7而圍繞蓄冷器主體的中心軸依次旋轉(zhuǎn)5度，以此狀態(tài)在蓄冷器主體內(nèi)進(jìn)行多層充填、重疊，制成實(shí)施例4的蓄冷器。即，使相鄰的各支承器7內(nèi)的蓄冷材料3相互變位，以使固定在各層支承器7內(nèi)的板狀蓄冷材料3的平板面與固定在在氣體流通路徑方向相鄰的支承器7內(nèi)的板狀蓄冷材料3的平板面之間形成的蓄冷器徑向的角度θ為5度。
并且，對(duì)于該蓄冷器，與實(shí)施例1同樣，將作為脈沖冷凍機(jī)的第2層蓄冷器裝入，組裝成冷凍機(jī)，用5Hz進(jìn)行冷凍試驗(yàn)，測(cè)定4.2K下的冷凍能力，結(jié)果得到0.20W的冷凍能力。
比較例1
用高頻熔解法鑄造具有HoCu2成分的合金錠，用約1350K使該合金錠熔化，并使得到的合金熔液下滴到在壓力調(diào)節(jié)成90KPa的Ar氛圍中以1×104rpm的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)的圓盤上分散，然后急冷凝固，由此制成磁性體粒子。將得到的磁性體粒子進(jìn)行篩選并進(jìn)行形狀分級(jí)，由此得到粒徑為0.2mm～0.3mm的球形磁性體粒子。將該球形磁性體粒子充填到內(nèi)徑35mm、長(zhǎng)度150mm的蓄冷器主體內(nèi)，由此得到比較例1的傳統(tǒng)蓄冷器。
對(duì)于該蓄冷器，與實(shí)施例1同樣，將作為脈沖冷凍機(jī)的第2層蓄冷器裝入，組裝成冷凍機(jī)，用5Hz進(jìn)行冷凍試驗(yàn)，測(cè)定4.2K下的冷凍能力，結(jié)果得到0.02W的冷凍能力。
比較例2用高頻熔解法鑄造具有HoCu2成分的合金錠，并將此錠在真空中以750℃的溫度進(jìn)行12小時(shí)的熱處理。用切片機(jī)將得到的合金錠切片，再進(jìn)行機(jī)械研磨加工，制成多個(gè)如圖11所示的寬度W為35mm、長(zhǎng)度L為150mm、厚度T為2.3mm、長(zhǎng)度方向兩個(gè)邊緣部有寬1.5mm×高1.2mm凸緣部8、截面呈コ字形的蓄冷材料3c。
另一方面，準(zhǔn)備圖12所示的內(nèi)側(cè)尺寸為縱35mm×橫35mm×長(zhǎng)150mm的方筒形蓄冷器主體2c。然后，將用前述方法制成的截面呈コ字形的蓄冷材料3c如圖12那樣10片重疊后插入方筒形的上述蓄冷器主體2c內(nèi)固定，由此制成比較例2的蓄冷器1d。
在比較例2的蓄冷器1d中，板狀的各蓄冷材料3c沿蓄冷器主本2c的全長(zhǎng)配置，在與制冷劑氣體流動(dòng)方向正交的方向上層疊10片。在各蓄冷材料3c的兩側(cè)邊緣形成的凸緣部8作為保持相鄰的蓄冷材料3c、3c之間實(shí)質(zhì)性間隙的襯墊而發(fā)揮作用。而且各凸緣部8的高度定為1.2mm，故在與制冷劑氣體的流動(dòng)方向正交的方向相鄰的板狀蓄冷材料3c、3c之間，分別形成間隙G為1.2mm的制冷劑氣體流通路徑4。
對(duì)于該蓄冷器1d，與實(shí)施例1同樣，將作為脈沖冷凍機(jī)的第2層蓄冷器裝入，組裝成冷凍機(jī)，用5Hz進(jìn)行冷凍試驗(yàn)，測(cè)定4.2K下的冷凍能力，結(jié)果只得到0.04W的冷凍能力。另外，為了形成各蓄冷材料3c的凸緣部8需要很多加工工時(shí)，導(dǎo)致制造成本大幅度上升。
實(shí)施例5使實(shí)施例1中使用的板狀蓄冷材料3a的厚度T在0.1～2.3mm的范圍內(nèi)變化，并將相鄰的板狀蓄冷材料3a、3a間的間隙尺寸設(shè)定成與實(shí)施例1相同，將各蓄冷材料插入固定在縱橫35mm×長(zhǎng)150mm的蓄冷器主體內(nèi)，由此制成實(shí)施例5的蓄冷器。
并且，對(duì)于該蓄冷器，與實(shí)施例1同樣，將作為脈沖冷凍機(jī)的第2層蓄冷器裝入，組裝成冷凍機(jī)，用5Hz進(jìn)行冷凍試驗(yàn)，測(cè)定4.2K下的冷凍能力，結(jié)果如圖13所示。
從圖13所示的結(jié)果可知，在使用板厚為0.4mm以下的蓄冷材料的冷凍機(jī)上，冷凍能力沒有明顯的差別，但板厚越薄，越不容易將蓄冷材料裝入蓄冷器主體中。根據(jù)圖13所示的結(jié)果，使用板厚在0.4～2mm范圍的蓄冷材料時(shí)，能夠得到高冷凍能力。
實(shí)施例6使實(shí)施例1中使用的厚度為0.5mm的板狀蓄冷材料3a、3a間的間隙尺寸G在0.008～1.5mm的范圍內(nèi)變化，并將各蓄冷材料插入固定在縱橫35mm×長(zhǎng)150mm的蓄冷器主體內(nèi)，由此分別制成實(shí)施例6的蓄冷器。
并且，對(duì)于各蓄冷器，與實(shí)施例1同樣，將作為脈沖冷凍機(jī)的第2層蓄冷器裝入，組裝成冷凍機(jī)，用5Hz進(jìn)行冷凍試驗(yàn)，測(cè)定4.2K下的冷凍能力，結(jié)果如圖14所示。
從圖14所示的結(jié)果可知，在使用相鄰板狀蓄冷材料間的間隙G在0.01～1mm范圍內(nèi)的蓄冷器的冷凍機(jī)上，冷凍能力存在峰值，特別是在使用板厚為0.05～0.5mm范圍的蓄冷器時(shí)，能夠得到高冷凍能力。
實(shí)施例7用高頻熔解法鑄造具有Er3Ni成分的合金錠，并將此錠在真空中以700℃的溫度進(jìn)行12小時(shí)的熱處理。用切片機(jī)將得到的合金錠切片，制成多個(gè)寬度W為40mm、長(zhǎng)度L為15mm、厚度T為0.6mm的薄長(zhǎng)方形蓄冷材料。
另一方面，準(zhǔn)備內(nèi)側(cè)尺寸為縱40mm×橫40mm×長(zhǎng)180mm的方筒形蓄冷器主體，并在其內(nèi)壁上形成多個(gè)深度為0.6mm的槽。然后，將前述的薄長(zhǎng)方形蓄冷材料的兩個(gè)邊緣部插入該蓄冷器主體的槽中固定，由此制成實(shí)施例7的蓄冷器。
在上述實(shí)施例7的蓄冷器上，以薄長(zhǎng)方形蓄冷材料的長(zhǎng)度方向與制冷劑氣體的流動(dòng)方向一致的狀態(tài)在制冷劑氣體的流動(dòng)方向連設(shè)12片。由于形成槽的凸起的厚度定為0.08mm，故在與制冷劑氣體流動(dòng)方向正交的方向相鄰的薄長(zhǎng)方形蓄冷材料之間分別形成間隙G為0.08mm的制冷劑氣體流通路徑。
然后，為了評(píng)價(jià)如上制成的蓄冷器的特性，準(zhǔn)備圖15所示的2層膨脹式GM冷凍機(jī)。圖15所示的2層式GM冷凍機(jī)10是本發(fā)明冷凍機(jī)的一實(shí)施例。圖15所示的2層式GM冷凍機(jī)10具有真空容器13，其中設(shè)有大直徑的第1氣缸11、與該第1氣缸11同軸連接的小直徑第2氣缸、在第1氣缸11上設(shè)有往復(fù)移動(dòng)自如的第1蓄冷器14，在第2氣缸12上設(shè)有往復(fù)移動(dòng)自如的第2蓄冷器15、在第1氣缸11和第1蓄冷器14之間以及第2氣缸12和第2蓄冷器15之間分別設(shè)有密封環(huán)16、17。
在第1蓄冷器14中裝有Cu網(wǎng)眼狀等的第1蓄冷材料18。在第2蓄冷器15中，裝有本發(fā)明蓄冷器中使用的板狀極低溫用蓄冷材料作為第2蓄冷材料19。第1蓄冷器14及第2蓄冷器15分別具有設(shè)在第1蓄冷材料18或極低溫用蓄冷材料19的間隙等中的氦氣的作動(dòng)介質(zhì)(制冷劑氣體)的通路。
在第1蓄冷器14和第2蓄冷器15之間設(shè)有第1膨脹室20。在第2蓄冷器15和第2氣缸12的前端壁之間設(shè)有第2膨脹室21。而且在第1膨脹室20的底部形成第1冷卻臺(tái)22、在第2膨脹室21的底部形成溫度低于第1冷卻臺(tái)22的第2冷卻臺(tái)23。
從壓縮機(jī)24向上述的2層式GM冷凍機(jī)10中供給高壓的作動(dòng)介質(zhì)(譬如氦氣)。供給的作動(dòng)介質(zhì)經(jīng)過裝在第1蓄冷器14中的第1蓄冷材料18之間而到達(dá)第1膨脹室20，再經(jīng)過裝在第2蓄冷器15中的極低溫用蓄冷材料(第2蓄冷材料)19之間而到達(dá)第2膨脹室21。這時(shí)，作動(dòng)介質(zhì)向各蓄冷材料18、19供給熱量而被冷卻。通過了各蓄冷材料18、19之間的作動(dòng)介質(zhì)在各膨脹室21、22膨脹而產(chǎn)生冷氣，將各冷卻臺(tái)22、23冷卻。膨脹后的作動(dòng)介質(zhì)在各蓄冷材料18、19之間向相反方向流動(dòng)。作動(dòng)介質(zhì)從各蓄冷材料18、19接受熱能后排出。在這樣的過程中回?zé)嵝Ч胶?，作?dòng)介質(zhì)循環(huán)的熱效率越高，可實(shí)現(xiàn)更低溫度。
并且，將用前述方法制成的實(shí)施例7的蓄冷器作為上述2層膨脹式GM冷凍機(jī)的第2層蓄冷器裝入，組裝成實(shí)施例7的冷凍機(jī)，用2Hz進(jìn)行冷凍試驗(yàn)，測(cè)定4.2K下的冷凍能力，結(jié)果得到0.57W的冷凍能力。另外，在冷凍試驗(yàn)完畢后將充填在冷凍機(jī)的蓄冷器內(nèi)的蓄冷材料取出觀察其外觀，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)蓄冷材料粒子有破損。
比較例3用高頻熔解法鑄造具有Er3Ni成分的合金錠，并用約1200K使該合金錠熔化，并使得到的合金熔液下滴到在壓力調(diào)節(jié)成90KPa的Ar氛圍中以1×104rpm的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)的圓盤上分散，然后急冷凝固，由此制成磁性體粒子。將得到的磁性體粒子進(jìn)行篩選并進(jìn)行形狀分級(jí)，由此得到粒徑為0.2mm～0.3mm的球形磁性體粒子。將該球形磁性體粒子充填到與實(shí)施例7同樣的縱40mm×橫40mm×長(zhǎng)180mm的方筒狀蓄冷器主體內(nèi)，由此得到比較例3的傳統(tǒng)蓄冷器。
對(duì)于該蓄冷器，與實(shí)施例7同樣，將作為2層膨脹式GM冷凍機(jī)的第2層蓄冷器裝入，組裝成GM冷凍機(jī)，用2Hz進(jìn)行冷凍試驗(yàn)，測(cè)定4.2K下的冷凍能力，結(jié)果得到0.21W的冷凍能力。
以下說明將多個(gè)板狀蓄冷材料配置成分隔制冷劑氣體流通路徑截面的狀態(tài)、形成具有供制冷劑氣體流通的多個(gè)單元的蓄冷材料的實(shí)施例。
實(shí)施例8用高頻熔解法制成具有HoCu2成分的合金錠。將該HoCu2成分的合金錠用噴射式粉碎機(jī)粉碎成平均粒徑為2.6μm的蓄冷材料粉末。在該蓄冷材料粉末中加入聚乙烯醇和水，將此混合體向具有成形用金屬模的螺旋式擠壓機(jī)供給以進(jìn)行成形，該成形用金屬模具有圖10(b)所示的單元截面形狀，從而得到具有規(guī)定截面形狀的單元的擠壓成形體。各單元的截面形狀是邊長(zhǎng)為50μm的正方形，作為圍住單元的分隔壁的蓄冷材料的厚度為100μm。將該擠壓成形體脫脂后用850℃的溫度燒固，制成直徑35mm、長(zhǎng)度30mm的實(shí)施例8用的蓄冷材料。
將具有上述單元結(jié)構(gòu)的3個(gè)蓄冷材料充填到長(zhǎng)度150mm的蓄冷器的低溫側(cè)，同時(shí)在蓄冷器的高溫側(cè)的剩余空間，隔著毛氈襯墊充填粒徑180～300μm的Pb球狀粉末，制成實(shí)施例8的蓄冷器。將該蓄冷器作為圖5所示的脈沖管道式冷凍機(jī)的第2層蓄冷器裝入，并用6Hz使脈沖管道式冷凍機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，結(jié)果在4.2K時(shí)冷凍能力穩(wěn)定在0.15W。另外，在運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束后，將單元結(jié)構(gòu)的蓄冷材料從蓄冷器中取出觀察，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)破損的分隔壁。
實(shí)施例9準(zhǔn)備平均粒徑1.8μm的GdAlO3粉末。在該蓄冷材料粉末中加入聚乙烯醇和水，并將此混合體向具有成形用金屬模的螺旋式擠壓機(jī)供給以進(jìn)行成形，該成形用金屬模具有圖10(b)所示的單元截面形狀，從而得到具有規(guī)定截面形狀的單元的擠壓成形體。各單元的截面形狀是邊長(zhǎng)為50μm的正方形，作為圍住單元的分隔壁的蓄冷材料的厚度為100μm。將該擠壓成形體脫脂后用1500℃的溫度燒固，制成直徑35mm、長(zhǎng)度30mm的實(shí)施例9用的蓄冷材料。
將具有上述單元結(jié)構(gòu)的1個(gè)蓄冷材料充填到長(zhǎng)度150mm的蓄冷器的低溫側(cè)，同時(shí)在蓄冷器的高溫側(cè)的剩余空間，充填實(shí)施例8的2個(gè)蓄冷材料，再隔著毛氈襯墊向該高溫側(cè)充填粒徑180～300μm的Pb球狀粉末，制成實(shí)施例9的蓄冷器。將該蓄冷器作為圖5所示的脈沖管道式冷凍機(jī)的第2層蓄冷器裝入，并用6Hz使脈沖管道式冷凍機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，結(jié)果在4.2K時(shí)冷凍能力穩(wěn)定在0.18W。另外，在運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束后，將單元結(jié)構(gòu)的蓄冷材料從蓄冷器中取出觀察，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)破損的分隔壁。
比較例4用高頻熔解法鑄造具有HoCu2成分的合金錠，并用約1350K使該HoCu2合金錠熔化，并使得到的合金熔液下滴到在壓力調(diào)節(jié)成90KPa的Ar氛圍中以1×104rpm的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)的圓盤上后急冷凝固，由此制成磁性體粒子。將得到的磁性體粒子進(jìn)行篩選并進(jìn)行形狀分級(jí)，由此得到由粒徑為0.2～0.3mm的球形粒子構(gòu)成的比較例4的蓄冷材料。
將該蓄冷材料粒子充填到實(shí)施例8、9所用的脈沖管道式冷凍機(jī)的蓄冷器中制成比較例4的蓄冷器。將該蓄冷器作為圖5所示的脈沖管道式冷凍機(jī)的第2層蓄冷器裝入，并用6Hz使脈沖管道式冷凍機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，結(jié)果在4.2K時(shí)得到的冷凍能力為0.01W。
采用上述實(shí)施例的蓄冷器，即使用于脈沖管道式冷凍機(jī)或斯塔令冷凍機(jī)等高速運(yùn)轉(zhuǎn)的冷凍機(jī)，其壓力損耗也較小，可實(shí)現(xiàn)熱交換頻率高的蓄冷器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)冷凍能力高的冷凍機(jī)。
實(shí)施例10本實(shí)施例除了所用的成形用金屬模的截面形狀是圖10(a)所示的三角形、其一邊長(zhǎng)為75μm以外，是重復(fù)與實(shí)施例8同樣的過程，制成具有規(guī)定單元結(jié)構(gòu)的實(shí)施例10用的蓄冷材料。而且，與實(shí)施例8同樣地充填到蓄冷器中進(jìn)行冷凍試驗(yàn)。
結(jié)果，在4.2K時(shí)的冷凍能力為0.14W。另外，在連續(xù)500小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)該冷凍機(jī)后，再測(cè)定4.2K時(shí)的冷凍能力，結(jié)果表明穩(wěn)定在0.14W。再在運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束后從蓄冷器中取出具有單元結(jié)構(gòu)的蓄冷材料，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)分隔壁有破損。
實(shí)施例11本實(shí)施例除了所用的成形用金屬模的截面形狀是圖10(d)所示的圓形、形成單元的分隔壁厚度為90μm以外，是重復(fù)與實(shí)施例8同樣的過程，制成具有規(guī)定單元結(jié)構(gòu)的實(shí)施例11用的蓄冷材料。而且，與實(shí)施例8同樣地充填到蓄冷器中進(jìn)行冷凍試驗(yàn)。
結(jié)果，在4.2K時(shí)的冷凍能力為0.11W。另外，在連續(xù)500小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)該冷凍機(jī)后，再測(cè)定4.2K時(shí)的冷凍能力，結(jié)果只有0.05W。再在運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束后從蓄冷器中取出具有單元結(jié)構(gòu)的蓄冷材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)分隔壁有19處破損，且檢測(cè)到微粉化的蓄冷材料。
以下說明使用本發(fā)明蓄冷式冷凍機(jī)的超導(dǎo)MRI裝置、磁懸浮列車用超導(dǎo)磁鐵、低溫泵以及磁場(chǎng)外加式提拉單晶裝置的實(shí)施例。
圖16是采用了本發(fā)明的超導(dǎo)MRI裝置的基本結(jié)構(gòu)剖視圖。圖16所示的超導(dǎo)MRI裝置30由對(duì)人體在空間上均勻時(shí)間上穩(wěn)定地外加靜磁場(chǎng)的超導(dǎo)靜磁場(chǎng)線圈31、對(duì)發(fā)生磁場(chǎng)的不均勻性進(jìn)行校正的校正線圈(未圖示)、對(duì)測(cè)定區(qū)域施加磁場(chǎng)坡度的傾斜磁場(chǎng)線圈32以及無(wú)線電波收發(fā)信用探頭33等構(gòu)成。為了對(duì)超導(dǎo)靜磁場(chǎng)線圈31進(jìn)行冷卻，采用前述的本發(fā)明蓄冷式冷凍機(jī)。另外，圖中35是低溫恒溫器，36是放射隔熱屏蔽。
在使用了本發(fā)明蓄冷式冷凍機(jī)34的超導(dǎo)MRI裝置30上，可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地保持超導(dǎo)靜磁場(chǎng)線圈31的工作溫度，故可長(zhǎng)時(shí)間地得到空間上均勻、時(shí)間上穩(wěn)定的靜磁場(chǎng)?？墒钩瑢?dǎo)MRI裝置30的性能得以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定發(fā)揮。
圖17是使用了本發(fā)明蓄冷式冷凍機(jī)的磁懸浮列車用超導(dǎo)磁鐵的主要部分基本結(jié)構(gòu)的立體圖，表示磁懸浮列車用超導(dǎo)磁鐵40的局部。圖17所示的磁懸浮列車用超導(dǎo)磁鐵40由超導(dǎo)線圈41、將該超導(dǎo)線圈41冷卻用的液體氦罐42、防止該液體氦揮發(fā)的液體氮罐43以及本發(fā)明的蓄冷式冷凍機(jī)44等構(gòu)成。另外，圖中45是疊層隔熱材料、46是電源線，47是永久電流開關(guān)。
在使用了本發(fā)明蓄冷式冷凍機(jī)44的磁懸浮列車用超導(dǎo)磁鐵40上，可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地保持超導(dǎo)線圈41的工作溫度，故可長(zhǎng)時(shí)間地得到列車懸浮和前進(jìn)所需的磁場(chǎng)。尤其是，磁懸浮列車用超導(dǎo)線圈40發(fā)揮加速度的作用，而本發(fā)明的蓄冷式冷凍機(jī)44在加速度時(shí)也能長(zhǎng)時(shí)間地保持良好的冷凍能力，故對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間地穩(wěn)定磁場(chǎng)強(qiáng)度等發(fā)揮了重大作用。從而，使用了這種超導(dǎo)磁鐵40的磁懸浮列車能長(zhǎng)期保持可靠性。
圖18是使用了本發(fā)明蓄冷式冷凍機(jī)的低溫泵的基本結(jié)構(gòu)剖視圖。圖18所示的低溫泵50由凝固或吸附氣體分子的低溫面板51、將該低溫面板51冷卻到規(guī)定的極低溫度的本發(fā)明的蓄冷式冷凍機(jī)52、設(shè)在它們之間的屏蔽53、設(shè)在吸氣口的擋板54、以及使氬氣、氮?dú)狻錃獾鹊呐艢馑俣犬a(chǎn)生變化的環(huán)55等構(gòu)成。
在使用了本發(fā)明蓄冷式冷凍機(jī)52的低溫泵50上，可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地保持低溫面板51的工作溫度，故可使低溫泵50的性能得以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定發(fā)揮。
圖19是使用了本發(fā)明蓄冷式冷凍機(jī)的磁場(chǎng)外加式提拉單晶裝置的基本結(jié)構(gòu)立體圖。圖19所示的磁場(chǎng)外加式提拉單晶裝置60由具有原料熔融用坩鍋、加熱器、提拉單晶機(jī)構(gòu)等的提拉單晶部61、對(duì)原料熔液外加靜磁場(chǎng)的超導(dǎo)線圈62、以及提拉單晶部61的升降機(jī)構(gòu)63等構(gòu)成。而且，為了對(duì)超導(dǎo)線圈62進(jìn)行冷卻，采用前述的本發(fā)明的蓄冷式冷凍機(jī)64。圖中65是電流引線，66是隔熱板，67是氦容器。
在使用了本發(fā)明蓄冷式冷凍機(jī)64的磁場(chǎng)外加式提拉單晶裝置60上，可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地保持超導(dǎo)線圈62的工作溫度，故可長(zhǎng)時(shí)間地得到能控制單晶原料熔液對(duì)流的良好的磁場(chǎng)。從而可使磁場(chǎng)外加式提拉單晶裝置60的性能得以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定發(fā)揮。
如上所述，采用本發(fā)明的蓄冷器，由于是將板狀蓄冷材料充填到蓄冷器主體內(nèi)后形成，且形成便于制冷劑氣體通過、能與蓄冷材料之間進(jìn)行充分的熱交換的空隙，故即使作為斯塔令冷凍機(jī)或脈沖管道冷凍機(jī)等高速運(yùn)轉(zhuǎn)的冷凍機(jī)的蓄冷器使用，其壓力損耗也較小，且能長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定的冷凍性能。而且，冷凍機(jī)的至少一部分蓄冷器采用本發(fā)明的蓄冷器，就能使冷凍機(jī)提高冷凍能力，且能長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定的冷凍性能。
另外，MRI裝置、低溫泵、磁懸浮列車用超導(dǎo)磁鐵以及磁場(chǎng)外加式提拉單晶裝置的性能都要受冷凍機(jī)性能的影響，故使用了上述冷凍機(jī)的本發(fā)明的MRI裝置、低溫泵、磁懸浮列車用超導(dǎo)磁鐵以及磁場(chǎng)外加式提拉單晶裝置都能長(zhǎng)時(shí)間地發(fā)揮良好的性能。
權(quán)利要求
1．一種蓄冷器，在蓄冷器主體內(nèi)充填蓄冷材料，使制冷劑氣體從蓄冷器主體的一個(gè)方向流向另一方向，以實(shí)現(xiàn)低溫，其特征在于，上述蓄冷材料的至少一部分是厚度為0.03mm以上2mm以下的板狀蓄冷材料。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄冷器，其特征在于，所述蓄冷材料由含有10at％以上稀土類元素的合金構(gòu)成。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄冷器，其特征在于，在制冷劑氣體流動(dòng)方向的板狀蓄冷材料的長(zhǎng)度1mm以上100mm以下。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄冷器，其特征在于，將多個(gè)板狀蓄冷材料在與制冷劑氣體的流動(dòng)方向正交的方向隔著間隙配設(shè)，且該間隙為0.01mm以上1mm以下。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄冷器，其特征在于，在蓄冷器主體的內(nèi)壁上形成槽，并在該槽中插入上述板狀蓄冷材料的邊緣部。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄冷器，其特征在于，在蓄冷器主體的內(nèi)壁上形成凸起，并在該凸起之間插入上述板狀蓄冷材料的邊緣部。
7．根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄冷器，其特征在于，用支承器固定多個(gè)板狀蓄冷材料，并將該支承器插入蓄冷器主體內(nèi)。
8．根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄冷器，其特征在于，將多個(gè)板狀蓄冷材料配設(shè)在制冷劑氣體的流動(dòng)方向，且在上述制冷劑氣體的流動(dòng)方向相鄰的板狀蓄冷材料的平板面所形成的蓄冷器徑向角度在0.5度以上。
9．根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄冷器，其特征在于，將上述多個(gè)板狀蓄冷材料配置成分隔制冷劑氣體流通路徑截面的狀態(tài)，形成供制冷劑氣體流通的多個(gè)單元。
10．根據(jù)權(quán)利要求9所述的蓄冷器，其特征在于，形成所述單元的蓄冷材料的厚度平均值為0.05mm以上2mm以下。
11．根據(jù)權(quán)利要求9所述的蓄冷器，其特征在于，上述多個(gè)單元的截面積的平均值為1×10-9m2以上2×10-6m2以下。
12．根據(jù)權(quán)利要求9所述的蓄冷器，其特征在于，上述多個(gè)單元的平均長(zhǎng)度為3mm以上100mm以下。
13．根據(jù)權(quán)利要求9所述的蓄冷器，其特征在于，上述多個(gè)板狀蓄冷材料及單元通過對(duì)含10at％以上稀土類元素的蓄冷材料粉末和粘合劑的混合物進(jìn)行擠壓加工而形成。
14．一種蓄冷式冷凍機(jī)，是使制冷劑氣體從蓄冷器的上游高溫側(cè)流過，并通過上述制冷劑氣體與蓄冷材料之間的熱交換而在蓄冷器的下游側(cè)得到更低溫度，其特征在于，上述蓄冷器的至少一部分是權(quán)利要求1所述的蓄冷器。
15．一種超導(dǎo)磁鐵，其特征在于，具有權(quán)利要求14所述的蓄冷式冷凍機(jī)。
16．一種MRI(核磁共振圖象)裝置，其特征在于，具有權(quán)利要求14所述的蓄冷式冷凍機(jī)。
17．一種低溫泵，其特征在于，具有權(quán)利要求14所述的蓄冷式冷凍機(jī)。
18．一種磁場(chǎng)外加式提拉單晶裝置，其特征在于，具有權(quán)利要求14所述的蓄冷式冷凍機(jī)。
全文摘要
一種蓄冷器1,是在蓄冷器主體2內(nèi)充填蓄冷材料3,使制冷劑氣體從蓄冷器主體2的一個(gè)方向流向另一方向以實(shí)現(xiàn)低溫,其特點(diǎn)是,蓄冷材料3的至少一部分是由含10at%以上稀土類元素的合金構(gòu)成的厚度為0.03mm～2mm的板狀蓄冷材料3。另外,在制冷劑氣體流動(dòng)方向的板狀蓄冷材料的長(zhǎng)度為1mm～100mm。本發(fā)明可提供微粉化現(xiàn)象少、便于加工,壽命長(zhǎng)、能在低溫范圍內(nèi)發(fā)揮顯著冷凍能力的蓄冷器及使用該蓄冷器的蓄冷式冷凍機(jī)。
文檔編號(hào)F28D17/02GK1319753SQ0111206
公開日2001年10月31日 申請(qǐng)日期2001年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月24日
發(fā)明者岡村正已, 新井智久 申請(qǐng)人:東芝株式會(huì)社