CN100458310C - 蓄冷器及克莱欧泵 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种使用蓄冷材的蓄冷器及克莱欧泵，该蓄冷材是在对环境影响较大的铅以外，满足作为蓄冷材的诸条件(比热、热传导率、加工性、强度、硬度、化学稳定性、低成本)。本发明的蓄冷器(14)是在制冷剂气体通过的内部通路收容有在与制冷剂气体之间进行热交换的蓄冷材(16)。蓄冷材(16)是由Sn、Bi-Sn合金、Ag-Sn合金的任一种所构成，且形成为球状，在蓄冷器(14)的内部通路充填有多个的该等球状的蓄冷材(16)。

Description

蓄冷器及克莱欧泵
技术领域
本发明是关于一种收容有与制冷剂气体例如氦气进行热交换且发挥暂时蓄热作用的蓄冷材的蓄冷器、及具备该蓄冷器的克莱欧泵。
背景技术
克莱欧泵是在真空容器内设置低温面，且使容器内的气体分子凝缩或吸附在该低温面，并予以捕捉而排气的泵。形成低温面的方法，一般而言是使用闭循环的小型氦冷冻机。
该氦冷冻机是将氦气作为制冷剂气体(动作流体)的蓄冷式冷冻机，将高压的氦气送入位于低温部的膨胀空间，通过该氦气的隔热膨胀而获得低温。蓄冷式冷冻机的特征是具备称为蓄冷器的热交换器。蓄冷器的作用是从朝一方向流动的压缩高压高温的氦气吸热并蓄积该热，同时将送入膨胀空间的氦气予以预冷，再将所蓄积的热供给于朝相反方向流动的经膨胀的低压低温的氦气，而使冷的氦气不会逸退至室温空间。
在蓄冷器收容有在与氦气之间进行热交换的蓄冷材，该蓄冷材是使用热传导率较高、在低温(30K以下)的比热比其他金属高且廉价的铅。
或者，在高规格的冷冻机，有使用在极低温(15K以下)的比热比铅高的Er3Ni等磁性材料的情形。参照例如专利文献1、专利文献2。
[专利文献1]日本特开平10-300251号公报
[专利文献2]日本特开2004-143341号公报
铅是在低温下的比热比其他金属高且廉价的材料，为了使冷冻性能提升，则势必使用大量且纯度高的铅，惟对环境的影响较大，必须在使用后进行回收及适当的处理，且处理性较差。
磁性材料是非常高价的。且其比热具有相转移温度的附近具备较大峰值的特征，因此构成蓄冷器时，配合蓄冷器内的温度分布选择在不同的温度下具备比热峰值的数种类的物质，来构成层状构造的蓄冷器，比单独使用一种磁性材料更为有效，因此造成成本的上升。而且，磁性材料是金属间化合物，较硬或较脆且加工性不佳。
因此，在此背景下，除了对环境影响较大的铅以外，期待满足蓄冷材的诸条件(比热、热传导率、加工性、强度、硬度、化学稳定性、低成本)的蓄冷材，本发明的目的是在于提供一种使用该蓄冷材的蓄冷器及克莱欧泵。
发明内容
本发明的蓄冷器，是在制冷剂气体通过的内部通路收容有在与前述制冷剂气体之间进行热交换的蓄冷材的蓄冷器，其特征为：前述蓄冷材是Sn、或以Sn为主成分Ag-Sn合金。
本发明的克莱欧泵具备：在制冷剂气体通过的内部通路收容有由Sn、Bi-Sn合金、Ag-Sn合金的任一种所构成的蓄冷材的蓄冷器。
由于由前述Sn、Bi-Sn合金、Ag-Sn合金的任一种所构成的蓄冷材并未包含铅，因此对人体及环境所造成的不良影响较小，且处理容易。而且，比磁性材料更廉价。再者，由于加工性亦佳，因此为了提升与例如制冷剂气体的热交换效率，而使对微小球状进行的加工亦可容易进行。
依据本发明的蓄冷器，作为在与制冷剂气体之间进行热交换的蓄冷材，是使用Sn、Bi-Sn合金、Ag-Sn合金的任一种，因此可提供一种维持与公知同等的性能且廉价、处理性佳的蓄冷器。
依据本发明的克莱欧泵，通过在用以形成使气体分子凝缩的低温面的蓄冷式的冷冻机，使用具备前述蓄冷材的蓄冷器，而无须繁琐的处理、机械构造的变更及成本的增加，即可提供一种与公知同等性能的克莱欧泵。
附图说明
图1是本发明实施形态的克莱欧泵的概略图。
图2是图1的克莱欧泵中的冷冻机的动作说明图。
图3是显示各种蓄冷材的比热特性的曲线图。
符图标记说明
1 克莱欧泵
2 冷冻机单元
3 压缩机
5 1级气缸
6 2级气缸
7 遮罩
8 挡板
9 克莱欧泵板
11 1级推移器
12 2级推移器
13 1级蓄冷器
14 2级蓄冷器
15 蓄冷材
16 蓄冷材
18 吸入阀
19 排出阀
21 1级膨胀空间
22 2级膨胀空间
25 室温空间
31 1级热负载突缘
32 2级热负载突缘
具体实施方式
以下，参照图面说明本发明的实施形态。
图1是本发明实施形态的克莱欧泵1的概略图。克莱欧泵1具备冷冻机单元2，该冷冻机单元2具备压缩机3、大小2级的气缸5、6。由压缩机3压缩成高压的氦气在两气缸5、6内循环，使形成在该气缸5、6内的膨胀空间冷却成极低温，因此连接设置在气缸5、6的遮罩7、挡板(baffle)8、克莱欧泵板9亦会冷却至极低温，并凝缩气体分子。
如图2所示，在气缸5、6的内部收容有两个推移器11、12。推移器11、12是经由凸轮17连结在图1所示的马达4的驱动轴，通过该马达驱动轴的驱动旋转，2个推移器11、12形成一体而在气缸5、6内往复动作。
在1级推移器11内收容有1级蓄冷器13。在2级推移器12内收容有2级蓄冷器14。1级蓄冷器13的内部是作为制冷剂气体的氦气通过的通路，在该通路积层有作为蓄冷材15的多个铜金属网。2级蓄冷器14的内部亦形成氦气通过的通路，在该通路填充有作为蓄冷材16的多个微小球。2级蓄冷器14的蓄冷材16是由Sn、Bi-Sn合金、Ag-Sn合金的任一种所构成。
在1级气缸5的内部，于1级气缸5的端壁与1级推移器11的端壁之间所形成的1级膨胀空间21的外壁，设置有1级热负载突缘31。在1级热负载突缘31连接有第1图所示的遮罩7及挡板8，当1级膨胀空间21变为低温时，遮罩7及挡板8会冷却。
在2级气缸6的内部，于2级气缸6的端壁与2级推移器12的端壁之间所形成的2级膨胀空间22的外壁，设置有2级热负载突缘32。在2级热负载突缘32连接有图1所示的克莱欧泵板9，当2级膨胀空间22变为低温时，克莱欧泵板9会冷却。
用以将氦气从压缩机3供给至膨胀空间21、22内的吸入阀18、与用以将氦气从膨胀空间21、22返回压缩机3的排出阀19的开闭，是通过推移器11、12驱动用的马达4来进行。
接通冷冻机单元2的电源时，伴随马达4的驱动，反复进行吸入阀18、排出阀19的开闭及推移器11、12的往复动作。
首先，在第2图所示的过程(a)中，关闭排出阀19并打开吸入阀18，并将从压缩机3送出的高压的氦气充填在1级气缸5的室温空间25。
其次，在打开吸入阀18的状态下，如图2(b)所示使推移器11、12移动至室温空间25侧。由此，室温空间25内的氦气是通过蓄冷器13、14，利用与蓄冷材15、16的热交换而冷却，同时移动至膨胀空间21、22。该操作是在氦气通过蓄冷器13、14时，其体积会收缩，因此为了满足等压条件是在打开吸入阀18的状态下进行。
其次，在过程(c)中，关闭吸入阀18并打开排出阀19，使膨胀空间21、22内的高压氦气放出，并降低膨胀空间21、22内的压力。在该过程中，膨胀空间21、22内的氦气是经隔热膨胀而成为低温的低压气体，膨胀空间21、22的温度会降低，经由热负载突缘31、32而使遮罩7、挡板8、克莱欧泵板9冷却。
其次，在过程(d)中，在打开排出阀19的状态下，使推移器11、12移动至膨胀空间21、22侧。由此，残留在膨胀空间21、22的低温的氦气会通过蓄冷器13、14移动至室温空间25，氦气是在与各蓄冷材15、16进行热交换后，从排出阀19排出。亦即，膨胀空间21、22内的低温氦气是在下一个循环中，为了冷却所吸入的氦气而使蓄冷材15、16冷却的同时，氦气的温度上升而回复到室温后，会经由排出阀19回到压缩机3。然后，排出阀19会关闭，吸入阀18会打开，成为最初的过程(a)的动作，而完成1次循环。
在本实施形态中，作为配置在更低温侧的2级蓄冷器14的蓄冷材16，是使用不包含Pb的材料的Sn、Bi-Sn合金、Ag-Sn合金的任一种。如图3的曲线图所示，Sn是在使用于克莱欧泵的低温区域(30K以下)下，其比热比Pb小。然而，即使比热比Pb小，因容量的增加而可增大蓄冷材的热容量，并可达成与采用公知Pb时同等的冷冻能力。且在25至30K的区域中，Sn具有与磁性材料(HoCu2)同等的比热。使用Bi-Sn合金或Ag-Sn合金时，Bi或Ag相对于Sn的含有比率在50％以下的话，具有与Sn单体时同等的比热，可构成同性能的蓄冷器。
如此，即便使用Sn、Bi-Sn合金、Ag-Sn合金来取代Pb作为蓄冷材，亦可实现与公知同等的冷冻能力。在未对其他构成部分施以改良或调整的情形下，只要变更收容于蓄冷器的蓄冷材即可，因此与既存的克莱欧泵的互换性较高。而且，不会造成克莱欧泵的外观上的形状变化或机械性构造的变化，因此维修性亦佳。
蓄冷材16是为了使氦气的流动变为顺畅，且增大表面积并提高热交换效率，而以多个球状粒子构成即可。由Sn、Bi-Sn合金、Ag-Sn合金所构成的材料是如磁性材料，较硬且不脆弱，可容易地加工成球状。各球状粒子的直径例如在1mm以下的话，可与氦气进行充分的热交换。各球状粒子变为粉状而变得更细时，会妨碍氦气的流动，因此各球状粒子的直径必须设定为容许氦气顺畅流动的大小。
再者，Sn、Bi-Sn合金、Ag-Sn合金与铅相比较，其对人体及环境的影响较小且处理容易，而且比磁性材料更廉价(约1/18的价格)。此外，Sn、Bi-Sn合金、Ag-Sn合金是满足作为蓄冷材的其他诸条件(热传导率、化学稳定性、强度、硬度)。
以上是说明本发明的实施形态，但当然本发明并不限定于此，可根据本发明的技术思想进行各种的变更。
驱动推移器11、12的方法并不限定于马达驱动方式，亦可为使用作为制冷剂气体的氦气的压力差的气压驱动方式、或马达与气压驱动的并用方式。
上述实施形态是以将蓄冷器使用在Gifford-McMahon式冷冻机的例示、但亦可适用在逆斯特林(Stirling)式冷冻机、脉冲管式冷冻机、Solvay冷冻机。而且，该冷冻机并不限于使用在克莱欧泵，亦可使用在超电导磁铁或极低温感测器等的冷却。

Claims (3)

1.一种蓄冷器，是在制冷剂气体通过的内部通路收容有在与前述制冷剂气体之间进行热交换的蓄冷材的蓄冷器，其特征为：
前述蓄冷材是Sn、或以Sn为主成分的Ag-Sn合金。
2.如权利要求1所述的蓄冷器，其中，前述蓄冷材是形成为球状，并且将多个前述球状的蓄冷材填充在前述内部通路。
3.一种克莱欧泵，具备权利要求1或2所述的蓄冷器。
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