蓄冷材料及蓄冷式制冷的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种能够提高热交换效率的蓄冷材料及具备该蓄冷材料的蓄冷式制冷机。本发明的第1级蓄冷材料（30）及第2级蓄冷材料（60）是使用于GM制冷机（1）的具有层叠结构的蓄冷材料。在蓄冷材料的各层上以气体能够沿层叠方向通过的方式形成有多个孔。至少一个层包含基材及覆盖基材的涂层。20开尔文～40开尔文的温度范围中的涂层的容积比热大于基材的容积比热。
【专利说明】蓄冷材料及蓄冷式制冷机
[0001] 本申请主张基于2013年12月13日申请的日本专利申请第2013-257721号及2013 年6月20日申请的日本专利申请第2013-129461号的优先权。这些日本申请的全部内容 通过引用并入本文。
【技术领域】
[0002] 本发明涉及一种蓄冷材料及具备该蓄冷材料的蓄冷式制冷机。
【背景技术】
[0003] 吉福德-麦克马洪式（GM)制冷机、脉冲管制冷机、斯特林制冷机及苏威制冷机等 蓄冷式制冷机能够在从100K (开尔文）左右的低温到4K的超低温为止的范围内冷却冷却 对象物。这种蓄冷式制冷机使用于超导磁铁和检测器等的冷却、及用于低温泵等。
[0004] 例如，GM制冷机中，被压缩机压缩的氦气等工作气体导入蓄冷器中，并被蓄冷器内 的蓄冷材料预冷。被预冷的工作气体在膨胀室绝热膨胀致使工作气体的温度进一步下降。 低温的工作气体再次通过蓄冷器，并返回到压缩机。此时，工作气体成为下一次被引导的工 作气体，一边使蓄冷器内的蓄冷材料冷却，一边通过蓄冷器。通过将该过程设为1个周期， 周期性地进行冷却。
[0005] 蓄冷式制冷机中，蓄冷材料的热交换效率极大影响制冷机的制冷能力。以往，例如 申请人:在专利文献1中提出了通过层叠涂布或电镀有铋的金属网来形成蓄冷材料。
[0006] 专利文献1 :日本特开2006-242484号公报
[0007] 由于铋在低温区域中的容积比热较大，因此能够使用铋来增加低温区域中的蓄冷 材料的热容量。然而，在技术方面镀铋是困难的，或者即使可以镀铋也费时耗财。
【发明内容】
[0008] 本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种能够提高热交换效率的蓄 冷材料及具备该蓄冷材料的蓄冷式制冷机。
[0009] 本发明的一种实施方式涉及一种蓄冷材料。该蓄冷材料为使用于蓄冷式制冷机的 具有层叠结构的蓄冷材料，其中，在各层上形成有能够使气体沿层叠方向通过的多个孔，至 少一个层包含基材及覆盖基材的涂层。20开尔文?40开尔文的温度范围中的涂层的容积 比热大于基材的容积比热(其中，涂层以铋为主成分的情况除外）。
[0010] 本发明的另一实施方式也是蓄冷材料。该蓄冷材料为使用于蓄冷式制冷机的具有 层叠结构的蓄冷材料，其中，在各层上形成有能够使气体沿层叠方向通过的多个孔，在至少 一个层上，涂布有基于铋和锡的合金或锑和锡的合金或铋、锑及锡的合金的涂层。
[0011] 本发明的又一种实施方式为具备上述蓄冷材料的蓄冷式制冷机。
[0012] 另外，将以上构成要件的任意组合或本发明的构成要件及表现在装置、方法及系 统等之间彼此替换的技术也作为本发明的方式有效。
[0013] 根据本发明，提供一种能够提高热交换效率的蓄冷材料及具备该蓄冷材料的蓄冷 式制冷机。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1是搭载有实施方式所涉及的蓄冷材料的GM制冷机的概略结构图。
[0015] 图2是表示图1的第1级蓄冷材料的结构的示意图。
[0016] 图3是低温侧的金属丝网的线材的剖视图。
[0017] 图4 (a)、图4 (b)是表示各种金属的容积比热与温度之间的关系的曲线图。
[0018] 图5是表示图1的第2级蓄冷材料的结构的示意图。
[0019] 图6是表示在图1的GM制冷机中实际测定的第1级冷却台的温度与制冷能力之 间的关系的曲线图。
[0020] 图7是表示在图1的GM制冷机中实际测定的第1级冷却台在40K中的制冷能力 与线材的直径之比之间的关系的曲线图。
[0021] 图8是第1变形例所涉及的金属丝网的线材的剖视图。
[0022] 图9是第2变形例所涉及的金属丝网的线材的剖视图。
[0023] 图10是层叠2张第2变形例所涉及的金属丝网时的剖视图。
[0024] 图11是表示第1级蓄冷材料的结构的另一例的示意图。
[0025] 图12 (a)、图12 (b)及图12 (c)分别表示第1线材、第2线材及第3线材的一 例。
[0026] 图13 (a)、图13 (b)及图13 (c)分别表示第1线材、第2线材及第3线材的另一 例。
[0027] 图14 (a)、图14 (b)及图14 (c)分别表示第1线材、第2线材及第3线材的又一 例。
[0028] 图中：1_GM制冷机，3-气体压缩机，10-冷头，15-第1级冷却部，20-第1级缸体， 22-第1级置换器，30-第1级蓄冷材料，35-第1级冷却台，50-第2级冷却部，51-第2级 缸体，52-第2级置换器，85-第2级冷却台。
【具体实施方式】
[0029] 以下，对于各附图中示出的同一或相同的构成要件、部件标注相同的符号并适当 省略重复说明。并且，为了便于理解，将各附图中的部件的尺寸适当扩大、缩小示出。并且， 在各附图中，省略表示对实施方式的说明中不重要的部件的一部分。
[0030] < GM 制冷机 >
[0031] 图1是搭载有实施方式所涉及的蓄冷材料的GM制冷机1的概略结构图。GM制冷 机1具有：气体压缩机3、作为制冷机发挥作用的2级式冷头10。冷头10具有：第1级冷却 部15、及第2级冷却部50,这些冷却部以同轴的方式连结于凸缘12。
[0032] 第1级冷却部15具有：中空状的第1级缸体20、在该第1级缸体20内设置成沿 轴向Q可往复运动的第1级置换器22、填充于第1级置换器22内的实施方式所涉及的第1 级蓄冷材料30、设置于第1级缸体20的低温端23b侧的内部且通过第1级置换器22的往 复运动改变容积的第1级膨胀室31、及设置在第1级缸体20的低温端23b附近的第1级冷 却台35。在第1级缸体20的内壁与第1级置换器22的外壁之间设置有第1级密封件39。
[0033] 在第1级缸体20的高温端23a上，为了使氦气流入第1级蓄冷材料30或从第1 级蓄冷材料30流出，设置有多个第1级高温侧流路40-1。并且，在第1级缸体20的低温端 23b上，为了使氦气流入第1级蓄冷材料30及第1级膨胀室31或从第1级蓄冷材料30及 第1级膨胀室31流出，设置有多个第1级低温侧流路40-2。
[0034] 第2级冷却部50具有与第1级冷却部15大致相同的结构，且具备：中空状的第 2级缸体51、在第2级缸体51内设置成沿轴向Q可往复运动的第2级置换器52、填充于第 2级置换器52内的实施方式所涉及的第2级蓄冷材料60、设置于第2级缸体51的低温端 53b侧的内部且通过第2级置换器52的往复运动改变容积的第2级膨胀室55、及设置在第 2级缸体51的低温端53b附近的第2级冷却台85。在第2级缸体51的内壁与第2级置换 器52的外壁之间设置有第2级密封件59。在第2级缸体51的高温端53a上，为了使氦气 流入第1级蓄冷材料30或从第1级蓄冷材料30流出，设置有第2级高温侧流路40-3。并 且，在第2级缸体51的低温端53b上，为了使氦气流入第2级膨胀室55或从第2级膨胀室 55流出，设置有多个第2级低温侧流路54-2。
[0035] GM制冷机1中，来自气体压缩机3的高压氦气经由高压阀5及配管7供给第1级 冷却部15,并且低压氦气从第1级冷却部15经由配管7及低压阀6排气至气体压缩机3。 第1级置换器22及第2级置换器52通过驱动马达8沿轴向Q往复运动。并且，与该往复 运动联动而开启/关闭高压阀5及低压阀6,控制氦气的吸气/排气的时间。
[0036] 第1级缸体20的高温端23a例如设定为室温，低温端23b例如设定为20K?40K。 第2级缸体51的高温端53a例如设定为20K?40K，低温端53b例如设定为4K。
[0037] 下面，对如上构成的GM制冷机1的动作进行说明。
[0038] 在关闭高压阀5且关闭低压阀6的状态下，第1级置换器22及第2级置换器52 分别处于第1级缸体20及第2级缸体51内的下止点。
[0039] 此时，若将高压阀5设为开启状态且将阀6设为关闭状态，则高压氦气从气体压缩 机3流入到第1级冷却部15中。高压氦气从第1级高温侧流路40-1流入到第1级置换器 22的内部，被第1级蓄冷材料30冷却至规定的温度。被冷却的氦气从第1级低温侧流路 40-2流入到第1级膨胀室31。
[0040] 流入到第1级膨胀室31的高压氦气的一部分从第2级高温侧流路40-3流入到第 2级置换器52的内部。该氦气被第2级蓄冷材料60冷却至更低的规定温度，并从第2级低 温侧流路54-2流入到第2级膨胀室55。其结果，第1级膨胀室31及第2级膨胀室55内成 为高压状态。
[0041] 接着，第1级置换器22及第2级置换器52向上止点移动，并且关闭高压阀5。并 且，打开阀6。由此，第1级膨胀室31及第2级膨胀室55内的氦气从高压状态成为低压状 态且体积膨胀。其结果，第1级膨胀室31及第2级膨胀室55内的氦气的温度进一步下降。 并且，由此第1级冷却台35及第2级冷却台85分别被冷却。
[0042] 接着，第1级置换器22及第2级置换器52向下止点移动。随此，低压氦气通过与 上述相反的路径，分别冷却第1级蓄冷材料30及第2级蓄冷材料60的同时经由阀6及配 管7返回到气体压缩机3。之后，关闭阀6。
[0043] 将以上动作作为1个周期，通过重复上述动作，在第1级冷却台35及第2级冷却 台85能够分别从被热连接的冷却对象物(未图示）吸收热，并进行冷却。
[0044] <蓄冷材料>
[0045] 图2是表示第1级蓄冷材料30的结构的示意图。第1级蓄冷材料30具有沿层叠 方向P层叠 N张（N为2以上的自然数)板状金属丝网32-1?32-N而成的层叠结构。层叠 方向P与冷头10的轴向Q (第1级置换器22的移动方向）大致平行。冷头10构成为使氦 气在第1级置换器22内沿第1级置换器22的移动方向移动。由此，层叠方向P与氦气的 移动方向大致平行。换句话说，氦气在第1级蓄冷材料30中沿层叠方向P移动。
[0046] 构成各层的金属丝网32-1?32-N通过织入具有规定线径及规定材质的线材而 形成。由构成各层的金属丝网32-1?32-N规定的面与层叠方向P大致正交。氦气在第1 级蓄冷材料30中沿层叠方向P流动时，通过构成各层的金属丝网32-1?32-N的多个开口 33〇
[0047] N张金属丝网32-1?32-N中的高温侧金属丝网通过织入铜或不锈钢的线材37来 形成。N张金属丝网32-1?32-N中的低温侧金属丝网通过织入与高温侧的金属丝网的线 材37不同的线材34来形成。低温侧金属丝网例如为GM制冷机1正常工作时温度成为50K 以下的金属丝网。
[0048] 图3是低温侧的金属丝网的线材34的剖视图。线材34包括基材34a及覆盖该基 材34a的涂层34b。基材34a由铜系材料或不锈钢形成。铜系材料例如可为磷青铜、红铜、 纯铜、韧铜或无氧铜。涂层34b由包含锌、锡、银、铟或金中的任一个或其中至少2个的合金 形成。尤其，涂层34b通过对基材34a进行电镀处理而形成。
[0049] 选择基材34a及涂层34b的材料时的思路如下。
[0050] (1)使20开尔文?40开尔文的温度范围中的涂层34b的容积比热（volumetric specific heat)大于基材34a的容积比热。并且，使50开尔文中的涂层34b的容积比热大 于50开尔文中的基材34a的容积比热。
[0051] 图4 (a)、图4 (b)是表示各种金属的容积比热与温度之间的关系的曲线图。若参 考这些曲线图，则20开尔文?40开尔文的温度范围中的锌、锡、银、铟及金各自的容积比热 大于铜的容积比热。并且，50开尔文中的锌、锡、银、铟及金各自的容积比热大于50开尔文 中的铜的容积比热，并且50开尔文中的铋的容积比热小于50开尔文中的铜的容积比热。
[0052] (2)使20开尔文?40开尔文的温度范围中的基材34a的热导率大于涂层34b的 热导率。
[0053] (3)使涂层34b的展性或延性或者这两者（S卩，延展性）大于铋。所谓延展性是固 体物质的力学特性(塑性）的一种，表示材料不断裂而柔软地变形的极限。延展性划分为延 性和展性。物质科学中，延性是指尤其对物质施加拉力时的变形的能力，大多表现为延长为 铁丝状的能力。另一方面，展性是指施加压缩力时的变形的能力，大多表现为能够用锻造或 轧制成型为较薄的板状的能力。铋的展性较低，也不耐于拉力。相反，锌、锡、银、铟及金的 展性和延性均较高。
[0054] 另外，涂层34b优选通过镀锡来形成。锡是很早就已熟知的金属材料之一。熟知的 铁板上的熔融镀锡是镀锡铁皮，其与铅的合金作为焊锡很早就已用于金属之间的接合。近 年来，随着电镀液的改进，可得到光泽性、焊锡性、防腐性更加优异的光泽镀锡。将镀锡的硬 度不于下表。
[0055] [表 1]
[0056]
【权利要求】
1. 一种使用于蓄冷式制冷机的具有层叠结构的蓄冷材料，其特征在于， 在各层上形成有能够使气体沿层叠方向通过的多个孔， 至少一个层包含基材及覆盖所述基材的涂层， 在20开尔文?40开尔文的温度范围中的所述涂层的容积比热大于所述基材的容积比 热，其中，所述涂层以铋为主成分的情况除外。
2. 根据权利要求1所述的蓄冷材料，其特征在于， 所述温度范围中的所述涂层的热导率小于所述基材的热导率。
3. 根据权利要求1或2所述的蓄冷材料，其特征在于， 50开尔文中的所述涂层的容积比热大于50开尔文中的所述基材的容积比热。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的蓄冷材料，其特征在于， 所述涂层由包含锌、锡、银、铟或金中的任一个或其中至少2个的合金形成。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的蓄冷材料，其特征在于， 所述基材由铜系材料或不锈钢形成。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的蓄冷材料，其特征在于， 所述至少一个层还包含覆盖所述涂层的保护层， 所述保护层由秘或铺或他们的合金形成。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的蓄冷材料，其特征在于， 所述涂层通过用锡对所述基材进行光泽电镀来形成。
8. -种使用于蓄冷式制冷机的具有层叠结构的蓄冷材料，其特征在于， 在各层上形成有能够使气体沿层叠方向通过的多个孔， 在至少一个层上，涂布有基于铋和锡的合金或锑和锡的合金或铋、锑及锡的合金的涂 层。
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的蓄冷材料，其特征在于， 所述至少一个层具有网状结构，其线材截面在层叠方向上的宽度小于与层叠方向交叉 的交叉方向上的宽度。
10. 根据权利要求9所述的蓄冷材料，其特征在于， 所述至少一个层的线材的表面具有在层叠方向上相互对置的2个平面部。
11. 根据权利要求1至10中任一项所述的蓄冷材料，其特征在于， 所述至少一个层具有网状结构，其线材截面上的涂层外径除以基材的直径的值在 1. 3?1. 5的范围内。
12. 根据权利要求1至11中任一项所述的蓄冷材料，其特征在于， 低温侧的至少一个层的涂层相对于基材的容积比大于高温侧的至少一个层。
13. 根据权利要求1至12中任一项所述的蓄冷材料，其特征在于， 低温侧的至少一个层的基材具有与高温侧的至少一个层的基材相同的截面尺寸， 所述低温侧的至少一个层的涂层厚于所述高温侧的至少一个层的涂层。
14. 根据权利要求1至12中任一项所述的蓄冷材料，其特征在于， 低温侧的至少一个层的基材细于高温侧的至少一个层的基材。
15. 根据权利要求13所述的蓄冷材料，其特征在于， 所述低温侧的至少一个层的线材的厚度等于或大于所述高温侧的至少一个层的线材 的厚度。
16. -种蓄冷式制冷机，其特征在于， 所述蓄冷式制冷机具备权利要求1至15中任一项所述的蓄冷材料。
【文档编号】B32B15/01GK104232026SQ201410150351
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年4月15日 优先权日:2013年6月20日
【发明者】许名尧, 雷田, 土屋彰广 申请人:住友重机械工业株式会社