蓄冷器及克萊歐泵的製作方法
2023-06-04 17:18:21 1
專利名稱：蓄冷器及克萊歐泵的製作方法
技術領域：
本發明是關於一種收容有與製冷劑氣體例如氦氣進行熱交換且發揮暫時蓄熱作用的蓄冷材的蓄冷器、及具備該蓄冷器的克萊歐泵。
背景技術：
克萊歐泵是在真空容器內設置低溫面，且使容器內的氣體分子凝縮或吸附在該低溫面，並予以捕捉而排氣的泵。形成低溫面的方法，一般而言是使用閉循環的小型氦冷凍機。
該氦冷凍機是將氦氣作為製冷劑氣體(動作流體)的蓄冷式冷凍機，將高壓的氦氣送入位於低溫部的膨脹空間，通過該氦氣的隔熱膨脹而獲得低溫。蓄冷式冷凍機的特徵是具備稱為蓄冷器的熱交換器。蓄冷器的作用是從朝一方向流動的壓縮高壓高溫的氦氣吸熱並蓄積該熱，同時將送入膨脹空間的氦氣予以預冷，再將所蓄積的熱供給於朝相反方向流動的經膨脹的低壓低溫的氦氣，而使冷的氦氣不會逸退至室溫空間。
在蓄冷器收容有在與氦氣之間進行熱交換的蓄冷材，該蓄冷材是使用熱傳導率較高、在低溫(30K以下)的比熱比其他金屬高且廉價的鉛。
或者，在高規格的冷凍機，有使用在極低溫(15K以下)的比熱比鉛高的Er3Ni等磁性材料的情形。參照例如專利文獻1、專利文獻2。
日本特開平10-300251號公報[專利文獻2]日本特開2004-143341號公報鉛是在低溫下的比熱比其他金屬高且廉價的材料，為了使冷凍性能提升，則勢必使用大量且純度高的鉛，惟對環境的影響較大，必須在使用後進行回收及適當的處理，且處理性較差。
磁性材料是非常高價的。且其比熱具有相轉移溫度的附近具備較大峰值的特徵，因此構成蓄冷器時，配合蓄冷器內的溫度分布選擇在不同的溫度下具備比熱峰值的數種類的物質，來構成層狀構造的蓄冷器，比單獨使用一種磁性材料更為有效，因此造成成本的上升。而且，磁性材料是金屬間化合物，較硬或較脆且加工性不佳。
因此，在此背景下，除了對環境影響較大的鉛以外，期待滿足蓄冷材的諸條件(比熱、熱傳導率、加工性、強度、硬度、化學穩定性、低成本)的蓄冷材，本發明的目的是在於提供一種使用該蓄冷材的蓄冷器及克萊歐泵。
發明內容
本發明的蓄冷器是在製冷劑氣體通過的內部通路收容有在與製冷劑氣體之間進行熱交換的蓄冷材的蓄冷器，在此，蓄冷材是由Sn、Bi-Sn合金、Ag-Sn合金的任一種所構成。
本發明的克萊歐泵具備在製冷劑氣體通過的內部通路收容有由Sn、Bi-Sn合金、Ag-Sn合金的任一種所構成的蓄冷材的蓄冷器。
由於由前述Sn、Bi-Sn合金、Ag-Sn合金的任一種所構成的蓄冷材並未包含鉛，因此對人體及環境所造成的不良影響較小，且處理容易。而且，比磁性材料更廉價。再者，由於加工性亦佳，因此為了提升與例如製冷劑氣體的熱交換效率，而使對微小球狀進行的加工亦可容易進行。
依據本發明的蓄冷器，作為在與製冷劑氣體之間進行熱交換的蓄冷材，是使用Sn、Bi-Sn合金、Ag-Sn合金的任一種，因此可提供一種維持與公知同等的性能且廉價、處理性佳的蓄冷器。
依據本發明的克萊歐泵，通過在用以形成使氣體分子凝縮的低溫面的蓄冷式的冷凍機，使用具備前述蓄冷材的蓄冷器，而無須繁瑣的處理、機械構造的變更及成本的增加，即可提供一種與公知同等性能的克萊歐泵。
圖1是本發明實施形態的克萊歐泵的概略圖。
圖2是圖1的克萊歐泵中的冷凍機的動作說明圖。
圖3是顯示各種蓄冷材的比熱特性的曲線圖。
符圖標記說明1 克萊歐泵2 冷凍機單元3 壓縮機5 1級氣缸6 2級氣缸7 遮罩8 擋板9 克萊歐泵板11 1級推移器12 2級推移器13 1級蓄冷器14 2級蓄冷器15 蓄冷材16 蓄冷材18 吸入閥19 排出閥21 1級膨脹空間22 2級膨脹空間25 室溫空間31 1級熱負載突緣32 2級熱負載突緣具體實施方式
以下，參照圖面說明本發明的實施形態。
圖1是本發明實施形態的克萊歐泵1的概略圖。克萊歐泵1具備冷凍機單元2，該冷凍機單元2具備壓縮機3、大小2級的氣缸5、6。由壓縮機3壓縮成高壓的氦氣在兩氣缸5、6內循環，使形成在該氣缸5、6內的膨脹空間冷卻成極低溫，因此連接設置在氣缸5、6的遮罩7、擋板(baffle)8、克萊歐泵板9亦會冷卻至極低溫，並凝縮氣體分子。
如圖2所示，在氣缸5、6的內部收容有兩個推移器11、12。推移器11、12是經由凸輪17連結在圖1所示的馬達4的驅動軸，通過該馬達驅動軸的驅動旋轉，2個推移器11、12形成一體而在氣缸5、6內往復動作。
在1級推移器11內收容有1級蓄冷器13。在2級推移器12內收容有2級蓄冷器14。1級蓄冷器13的內部是作為製冷劑氣體的氦氣通過的通路，在該通路積層有作為蓄冷材15的多個銅金屬網。2級蓄冷器14的內部亦形成氦氣通過的通路，在該通路填充有作為蓄冷材16的多個微小球。2級蓄冷器14的蓄冷材16是由Sn、Bi-Sn合金、Ag-Sn合金的任一種所構成。
在1級氣缸5的內部，於1級氣缸5的端壁與1級推移器11的端壁之間所形成的1級膨脹空間21的外壁，設置有1級熱負載突緣31。在1級熱負載突緣31連接有第1圖所示的遮罩7及擋板8，當1級膨脹空間21變為低溫時，遮罩7及擋板8會冷卻。
在2級氣缸6的內部，於2級氣缸6的端壁與2級推移器12的端壁之間所形成的2級膨脹空間22的外壁，設置有2級熱負載突緣32。在2級熱負載突緣32連接有圖1所示的克萊歐泵板9，當2級膨脹空間22變為低溫時，克萊歐泵板9會冷卻。
用以將氦氣從壓縮機3供給至膨脹空間21、22內的吸入閥18、與用以將氦氣從膨脹空間21、22返回壓縮機3的排出閥19的開閉，是通過推移器11、12驅動用的馬達4來進行。
接通冷凍機單元2的電源時，伴隨馬達4的驅動，反覆進行吸入閥18、排出閥19的開閉及推移器11、12的往復動作。
首先，在第2圖所示的過程(a)中，關閉排出閥19並打開吸入閥18，並將從壓縮機3送出的高壓的氦氣充填在1級氣缸5的室溫空間25。
其次，在打開吸入閥18的狀態下，如圖2(b)所示使推移器11、12移動至室溫空間25側。由此，室溫空間25內的氦氣是通過蓄冷器13、14，利用與蓄冷材15、16的熱交換而冷卻，同時移動至膨脹空間21、22。該操作是在氦氣通過蓄冷器13、14時，其體積會收縮，因此為了滿足等壓條件是在打開吸入閥18的狀態下進行。
其次，在過程(c)中，關閉吸入閥18並打開排出閥19，使膨脹空間21、22內的高壓氦氣放出，並降低膨脹空間21、22內的壓力。在該過程中，膨脹空間21、22內的氦氣是經隔熱膨脹而成為低溫的低壓氣體，膨脹空間21、22的溫度會降低，經由熱負載突緣31、32而使遮罩7、擋板8、克萊歐泵板9冷卻。
其次，在過程(d)中，在打開排出閥19的狀態下，使推移器11、12移動至膨脹空間21、22側。由此，殘留在膨脹空間21、22的低溫的氦氣會通過蓄冷器13、14移動至室溫空間25，氦氣是在與各蓄冷材15、16進行熱交換後，從排出閥19排出。亦即，膨脹空間21、22內的低溫氦氣是在下一個循環中，為了冷卻所吸入的氦氣而使蓄冷材15、16冷卻的同時，氦氣的溫度上升而回復到室溫後，會經由排出閥19回到壓縮機3。然後，排出閥19會關閉，吸入閥18會打開，成為最初的過程(a)的動作，而完成1次循環。
在本實施形態中，作為配置在更低溫側的2級蓄冷器14的蓄冷材16，是使用不包含Pb的材料的Sn、Bi-Sn合金、Ag-Sn合金的任一種。如圖3的曲線圖所示，Sn是在使用於克萊歐泵的低溫區域(30K以下)下，其比熱比Pb小。然而，即使比熱比Pb小，因容量的增加而可增大蓄冷材的熱容量，並可達成與採用公知Pb時同等的冷凍能力。且在25至30K的區域中，Sn具有與磁性材料(HoCu2)同等的比熱。使用Bi-Sn合金或Ag-Sn合金時，Bi或Ag相對於Sn的含有比率在50％以下的話，具有與Sn單體時同等的比熱，可構成同性能的蓄冷器。
如此，即便使用Sn、Bi-Sn合金、Ag-Sn合金來取代Pb作為蓄冷材，亦可實現與公知同等的冷凍能力。在未對其他構成部分施以改良或調整的情形下，只要變更收容於蓄冷器的蓄冷材即可，因此與既存的克萊歐泵的互換性較高。而且，不會造成克萊歐泵的外觀上的形狀變化或機械性構造的變化，因此維修性亦佳。
蓄冷材16是為了使氦氣的流動變為順暢，且增大表面積並提高熱交換效率，而以多個球狀粒子構成即可。由Sn、Bi-Sn合金、Ag-Sn合金所構成的材料是如磁性材料，較硬且不脆弱，可容易地加工成球狀。各球狀粒子的直徑例如在1mm以下的話，可與氦氣進行充分的熱交換。各球狀粒子變為粉狀而變得更細時，會妨礙氦氣的流動，因此各球狀粒子的直徑必須設定為容許氦氣順暢流動的大小。
再者，Sn、Bi-Sn合金、Ag-Sn合金與鉛相比較，其對人體及環境的影響較小且處理容易，而且比磁性材料更廉價(約1/18的價格)。此外，Sn、Bi-Sn合金、Ag-Sn合金是滿足作為蓄冷材的其他諸條件(熱傳導率、化學穩定性、強度、硬度)。
以上是說明本發明的實施形態，但當然本發明並不限定於此，可根據本發明的技術思想進行各種的變更。
驅動推移器11、12的方法並不限定於馬達驅動方式，亦可為使用作為製冷劑氣體的氦氣的壓力差的氣壓驅動方式、或馬達與氣壓驅動的並用方式。
上述實施形態是以將蓄冷器使用在Gifford-McMahon式冷凍機的例示、但亦可適用在逆斯特林(Stirling)式冷凍機、脈衝管式冷凍機、Solvay冷凍機。而且，該冷凍機並不限於使用在克萊歐泵，亦可使用在超電導磁鐵或極低溫感測器等的冷卻。
權利要求書(按照條約第19條的修改)1.一種蓄冷器，是在製冷劑氣體通過的內部通路收容有在與前述製冷劑氣體之間進行熱交換的蓄冷材的蓄冷器，其特徵為前述蓄冷材是Sn、或以Sn為主成分且包含Bi或Ag的至少任一種的合金的任一者。
2.如權利要求1的蓄冷器，其中，前述蓄冷材是Bi-Sn合金，該Bi-Sn合金中Bi的含有比率為高於0％且在50％以下。
3.如權利要求1的蓄冷器，其中，前述蓄冷材是Ag-Sn合金，該Ag-Sn合金中Ag的含有比率為高於0％且在50％以下。
4.如權利要求1至3中任一項的蓄冷器，其中，前述蓄冷材是形成為球狀，並且將多個前述球狀的蓄冷材填充在前述內部通路。
5.一種克萊歐泵，是具備權利要求1至4中任一項的蓄冷器。
權利要求
1.一種蓄冷器，是在製冷劑氣體通過的內部通路收容有在與前述製冷劑氣體之間進行熱交換的蓄冷材的蓄冷器，其特徵為前述蓄冷材由Sn、Bi-Sn合金、Ag-Sn合金中的任一種構成。
2.如權利要求1的蓄冷器，其中，前述蓄冷材是Bi-Sn合金，該Bi-Sn合金中Bi的含有比率為高於0％且在50％以下。
3.如權利要求1的蓄冷器，其中，前述蓄冷材是Ag-Sn合金，該Ag-Sn合金中Ag的含有比率為高於0％且在50％以下。
4.如權利要求1至3中任一項的蓄冷器，其中，前述蓄冷材是形成為球狀，並且將多個前述球狀的蓄冷材填充在前述內部通路。
5.一種克萊歐泵，是具備權利要求1至4中任一項的蓄冷器。
全文摘要
本發明提供一種使用蓄冷材的蓄冷器及克萊歐泵，該蓄冷材是在對環境影響較大的鉛以外，滿足作為蓄冷材的諸條件(比熱、熱傳導率、加工性、強度、硬度、化學穩定性、低成本)。本發明的蓄冷器(14)是在製冷劑氣體通過的內部通路收容有在與製冷劑氣體之間進行熱交換的蓄冷材(16)。蓄冷材(16)是由Sn、Bi－Sn合金、Ag－Sn合金的任一種所構成，且形成為球狀，在蓄冷器(14)的內部通路充填有多個的該等球狀的蓄冷材(16)。
文檔編號C09K5/08GK1930425SQ200580005660
公開日2007年3月14日 申請日期2005年8月24日 優先權日2004年8月25日
發明者村山吉信, 降矢新治, 森本秀敏, 湯山純平 申請人:愛發科低溫泵株式會社, 株式會社愛發科