CN103542655B - 超低温蓄冷器的制造方法及超低温蓄冷器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种将氦气用作蓄冷材料且小型的、能够单独发挥作用的超低温蓄冷器的制造方法及超低温蓄冷器。该超低温蓄冷器的制造方法具有：向两端（64A、64B）开放的氦气封入配管（64）供给氦气的工序；封闭氦气封入配管（64）的终端部（64B）的工序；在冷却氦气封入配管（64）后的状态下，从氦气供给装置（75）向氦气封入配管（64）内填充氦气的工序；及在氦气填充于氦气封入配管（64）内之后，封闭氦气封入配管（64）的始端部（64A）的工序。

Description

超低温蓄冷器的制造方法及超低温蓄冷器

技术领域

本申请主张基于2012年7月11日申请的日本专利申请第2012-155464号的优先权。其申请的所有内容通过参考援用于本说明书中。

本发明涉及一种将氦气用作蓄冷材料的超低温蓄冷器的制造方法及超低温蓄冷器。

背景技术

一般作为具有蓄冷器的蓄冷式制冷机已知有吉福德-麦克马洪式（GM）制冷机、脉冲管制冷机、斯特林制冷机、苏尔威制冷机等。设置于这些蓄冷式制冷机中的蓄冷器构成为，当制冷剂气体流向膨胀室等时冷却制冷剂气体，并且产生寒冷后的制冷剂气体通过蓄冷器，由此对制冷剂气体的寒冷进行蓄冷。从而通过设置蓄冷器能够提高制冷机的制冷效率。

这种蓄冷式制冷机中，例如在需要产生30K以下的超低温的情况下，选定该温度时具有较高比热（体积比热）的蓄冷材料对提高制冷效率有很大帮助。

例如专利文献1中公开的蓄冷器构成为，在蓄冷器主体内缠绕安装有被封入氦气的带状中空体。并且具有如下结构，即带状中空体的一端被密封，并且其另一端与具有带状中空体的500～1000倍容积且填充有氦气的缓冲罐连接，由此保持超低温下的氦气压力。

专利文献1：日本特开昭63-054577号公报

然而具有由缓冲罐来保持氦气压力的结构的蓄冷器需要较大容积的缓冲罐。因此产生设有蓄冷器的制冷机结构变复杂、制造起来麻烦的问题。并且还存无法适用于正被实际应用的将蓄冷材料收容于置换器内部的GM制冷机这样的问题。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种将氦气用作蓄冷材料且小型的超低温蓄冷器的制造方法及超低温蓄冷器。

上述课题从第1观点出发，能够通过如下超低温蓄冷器的制造方法而得到解决，该超低温蓄冷器的制造方法的特征在于具有：向两端开放的氦气封入配管供给氦气的工序；封闭所述氦气封入配管的终端部的工序；在冷却所述氦气封入配管后的状态下，从氦气供给机构向所述氦气封入配管内填充所述氦气的工序；及将所述氦气填充于所述氦气封入配管内之后，封闭所述氦气封入配管的始端部的工序。

另外，上述课题从第2观点出发，能够通过超低温蓄冷器而得到解决，该超低温蓄冷器将氦气作为蓄冷材料，其特征在于具有芯材及通过封闭两端部而将所述氦气封入于内部的氦气封入配管，所述氦气封入配管以线圈状缠绕于所述芯材。

发明效果

根据公开的超低温蓄冷器的制造方法，能够轻松地将氦气填充于氦气封入配管。

并且根据公开的超低温蓄冷器，能够将氦气用作蓄冷材料,并且能够省略用于保持氦气压力的缓冲罐等结构，能够实现制冷机的小型化。

附图说明

图1表示作为本发明的一实施方式的蓄冷器，（A）为侧视图，（B）为截面图。

图2（A）、图2（B）是用于说明氦气封入配管缠绕方法的主要部分放大截面图。

图3是表示适用作为本发明的一实施方式的蓄冷器的蓄冷式制冷机的截面图。

图4是表示氦气及HoCu₂的比热与温度之间的关系的图。

图5（A）～(D)是表示组装有作为本发明的一实施方式的蓄冷器的各种蓄冷器单元的图。

图6是放大表示氦气封入配管的截面图。

图7是用于说明作为本发明的一实施方式的蓄冷器的制造方法的图（其1）。

图8是用于说明作为本发明的一实施方式的蓄冷器的制造方法的图（其2）。

图9是用于说明作为本发明的一实施方式的蓄冷器的制造方法的图（其3）。

图10是用于说明作为本发明的一实施方式的蓄冷器的制造方法的图（其4）。

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级蓄冷器，31-第1级膨胀室，35-第1级冷却台，40-第2级冷却部，51-第2级缸体，52-第2级置换器，55-第2级膨胀室，56-第2级冷却台，60A-第2级蓄冷器，60B-蓄冷器，62-芯材，64-氦气封入配管，64A-始端部，64B-终端部，66A-罩部件，67-壳体，68-氦气封入配管缠绕体，69-封闭部，70-氦气填充装置，72-液氮容器，73-液氮，75、76-气体供给装置，77-磁性蓄冷材料，80A～80D-蓄冷器单元，82A-高温侧区域，82B-低温侧区域。

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的实施方式进行说明。

图1表示作为本发明的一实施方式的超低温蓄冷器60A（以下仅称作蓄冷器60A）。该蓄冷器60A为适用于能够实现例如15K以下的超低温的制冷机中的蓄冷器。图3表示适用蓄冷器60A的蓄冷式制冷机。图3中，作为能够实现15K以下的超低温的蓄冷式制冷机，能够例举吉福德-麦克马洪式（GM）制冷机。另外，适用本实施方式所涉及的蓄冷器60A并不限定于图3所示的GM制冷机1，也可以适用于设置蓄冷器的各种制冷机。

首先，在说明蓄冷器60A之前，对GM制冷机1的结构进行说明。GM制冷机1具有气体压缩机3和作为制冷机而发挥作用的2级式冷头10。冷头10具有第1级冷却部15和第2级冷却部40，上述冷却部同轴连结于凸缘12。

第1级冷却部15具有：中空状第1级缸体20；第1级置换器22，在该第1级缸体20内设置成能够沿轴向做往复运动；第1级蓄冷器30，填充于第1级置换器22内；第1级膨胀室31，设置在第1级缸体20的低温端侧（图中，下方为低温侧）内部，且其容积根据第1级置换器22的往复运动而变化；及第1级冷却台35，设置在第1级缸体20的低温端附近。第1级缸体20的内壁与第1级置换器22的外壁之间设有第1级密封件39。

第1级缸体20的高温端侧（图中，上方为高温侧）设置有用于使制冷剂气体（氦气）流出或流入第1级蓄冷器30的流通路24。并且在第1级缸体20的低温端设置有用于使制冷剂气体流出或流入第1级蓄冷器30及第1级膨胀室31的流通路25。

第2级冷却部40具有：中空状第2级缸体51；第2级置换器52，在第2级缸体51内设置成能够沿轴向做往复运动；第2级蓄冷器60A，填充于第2级置换器52内；第2级膨胀室55，设置在第2级缸体51的低温端内部，且其容积根据第2级置换器52的往复运动而变化；及第2级冷却台56，设置在第2级缸体51的低温端附近。

第2级缸体51的内壁与第2级置换器52的外壁之间设有第2级密封件59。第2级缸体51的高温端设有用于使制冷剂气体流出或流入第1级蓄冷器30的流通路26。并且在第2级缸体51的低温端设有用于使制冷剂气体流出或流入第2级膨胀室55的流通路53。

在吸入制冷剂气体时，气体压缩机3经由阀门5以及配管7向第1级冷却部15供给已压缩的高压制冷剂气体。并且在排气时，低压制冷剂气体从第1级冷却部15经由配管7以及阀门6向气体压缩机3排出。

第1级置换器22及第2级置换器52通过连接于驱动马达8的止转棒轭机构9而进行往复运动。并且与此连动，阀门5以及阀门6进行开闭，制冷剂气体的吸入排出的定时得到控制。

其次，对具有上述结构的GM制冷机1的动作进行说明。

首先，假定在阀门5和阀门6关闭的状态下，第1级置换器22及第2级置换器52分别位于第1级缸体20及第2级缸体51内的下止点。

在此，若使阀门5处于打开状态，排气阀门6处于关闭状态，则高压制冷剂气体从气体压缩机3流入第1级冷却部15。高压制冷剂气体从流通路24流入第1级蓄冷器30，并通过第1级蓄冷器30的蓄冷材料而被冷却至预定的温度。经过冷却的制冷剂气体从流通路25流入第1级膨胀室31。

流入第1级膨胀室31的高压制冷剂气体的一部分从流通路26流入第2级蓄冷器60A。该制冷剂气体通过第2级蓄冷器60A的蓄冷材料而被冷却至更低的预定温度，从流通路53流入第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。

其次，如果第1级置换器22及第2级置换器52移动到上止点，则阀门5被关闭的同时阀门6被打开。从而第1级膨胀室31及第2级膨胀室55内的制冷剂气体进行绝热膨胀，在第1级膨胀室31及第2级膨胀室55内产生寒冷。由此第1级冷却台35以及第2级冷却台56分别被冷却。

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，低压制冷剂气体通过与上述相反的线路，分别冷却第1级蓄冷器30以及第2级蓄冷器60A，并且经由阀门6以及配管7回流到气体压缩机3。之后阀门6被关闭。

GM制冷机1将以上动作作为一个循环而反复进行该动作。由此第1级冷却台35以及第2级冷却台56被冷却，对被热连接的冷却对象物（未图示）进行冷却。

本实施方式所涉及的蓄冷器60A配设于第2级冷却部40的第2级置换器52的内部。在GM制冷机1的第2级冷却部40中能够实现例如4K左右的超低温。从而在蓄冷器60A内流过的制冷剂气体的温度也达到30K以下，从提高蓄冷效率方面来看，重要的是使用蓄冷器60A的在该超低温下具有较高比热（体积比热）的蓄冷材料。

在该超低温下，作为具有较高比热的材料，可以考虑使用HoCu₂等磁性蓄冷材料，然而磁性蓄冷材料的主体为稀土类物质，因此不易得到且成本也高。

图4表示氦气的各填充压力的温度与比热的关系，以及作为磁性蓄冷材料的HoCu₂的温度与比热的关系。如图4所示，能够判断出在约15K以下的超低温区域存在氦气比热超过HoCu₂的比热的区域。从而在15K以下的温度区域内使用氦气作为蓄冷材料，因此和作为磁性蓄冷材料的HoCu₂一样能够有效地进行蓄冷。

在此返回到图1，对本实施方式涉及的蓄冷器60A进行说明。

本实施方式所涉及的蓄冷器60A为将氦气作为蓄冷材料的超低温蓄冷器。蓄冷器60A构成为具有芯材62、氦气封入配管64以及罩部件66A等。

芯材62具有圆柱形状，作为缠绕氦气封入配管64的芯而发挥作用。该芯材62从蓄冷器60A的高温区域延伸至低温区域，因此优选例如由塑料材料等导热率小的材料形成。

氦气封入配管64为在内部封入有氦气的细管。图6示出氦气封入配管64的始端部64A和终端部64B。氦气封入配管64构成为，将氦气导入内部之后，在压扁各端部64A、64B的基础上进行热熔敷（例如焊接）而形成封闭部69，由此将氦气封入内部。

该氦气封入配管64以线圈状缠绕于芯材62。在本实施方式中，芯材62上缠绕有约2000匝左右的氦气封入配管64。然而氦气封入配管64的缠绕数并不限定于此，能够以1500匝以上且2500匝以下左右的缠绕数缠绕于芯材62。

并且氦气封入配管64缠绕于芯材62的方法并没有特别的限定，既可以如图2（A）所示在径向以及轴向两个方向上平行排列地缠绕，也可以如图2（B）所示在径向以及轴向上错开缠绕间距进行缠绕。

但是蓄冷器60A的内部流过制冷剂气体，因此其缠绕密度设为形成有如下间隙的缠绕密度，即该间隙为能够使制冷剂气体在相邻的氦气封入配管64彼此之间通过并与氦气封入配管64之间能够进行热交换的间隙。

为了形成用于确保该制冷剂气体流动的间隙，也可以是如图2（C）所示缠绕的氦气封入配管64之间配设衬垫部件65的结构。作为该衬垫部件65，能够使用特氟隆或尼龙（均为注册商标）等导热率比较小的丝线或金属类极细丝线等。通过该结构，制冷剂气体通过由衬垫部件65形成的间隙内，因此在制冷剂气体与氦气封入配管64之间能够有效地进行热交换。

并且，氦气封入配管64的材质优选为导热性比较高且如同上述缠绕多次也能够维持机械强度的材料。作为这种材料，能够使用例如铜合金或者不锈钢等。

并且，只要能够实现上述特性，则氦气封入配管64的外径（图6中以箭头L1表示）以及内径（图6中以箭头L2表示）上没有特别限定，但是随着外径及内径变小，配管的壁厚相对于内部容积之比变大，蓄冷能力下降，因此例如外径L1优选为0.1mm以上且0.5mm以下，并且内径L2优选为0.05mm以上且0.3mm以下。

另外，为了提高蓄冷效率，如图4所示，温度在3K以上且15K以下时，氦气封入配管64内的氦气压力优选设定为0.4MPa以上且2.2MPa以下。

罩部件66A具有圆筒形状且由不锈钢等形成。该罩部件66A配设成包覆如上述以线圈状缠绕于芯材62的氦气封入配管64的外周。

可以考虑到内部封装有氦气的氦气封入配管64因温度变化而变形。设置罩部件66A是为了抑制氦气封入配管64因温度变化而产生变形。

具有上述结构的蓄冷器60A将氦气作为蓄冷材料，因此即使在15K以下的超低温状态下也维持较高的比热，从而与制冷剂气体之间能够进行高效率的热交换。从而根据蓄冷器60A，尤其在15K以下的超低温状态下能够提高蓄冷效率。

另外，本实施方式所涉及的蓄冷器60A中，在氦气封入配管64内封装有氦气，因此不需要从外部供给氦气。从而能够实现适用蓄冷器60A的制冷机结构的简单化。

但是上述蓄冷器60A能够仅将其组装到第2级置换器52（参照图3）使用，但也可以与具有其他结构的蓄冷材料构成单元化（组合）而使用。图5表示蓄冷器60A与具有其他结构的蓄冷材料构成单元化而成的蓄冷器单元80A～80D。

图5所示的蓄冷器单元80A～80D具有将呈圆筒状的第2级置换器52的内部分成高温侧区域82A和低温侧区域82B的结构。另外，图5中的右侧为高温侧，左侧为低温侧。

图5（A）所示的蓄冷器单元80A在高温侧区域82A填充比热峰值比氦气更高的铋颗粒，并且在低温侧区域82B配设有蓄冷器60A。

图5（B）所示的蓄冷器单元80B在高温侧区域82A填充铋颗粒，并且在低温侧区域82B配设有作为磁性蓄冷材料的HoCu₂和蓄冷器60A。如图4所示，在10K以下，氦气的比热高于HoCu₂的比热。因此具有在低温侧区域82B的低温侧配设蓄冷器60A，在高温侧配设HoCu₂的结构。

图5（C）所示的蓄冷器单元80C在高温侧区域82A填充铋颗粒，并且在低温侧区域82B串联连接两个蓄冷器60A。如从图4做出的判断，例如在温度低于10K的区域中，比较低压的氦气的比热比较大，在温度高于10K的区域中，比较高压的氦气的比热比较大。因此通过串联连接封入压力不同的蓄冷器，能够根据制冷机正常运转时的温度而使蓄冷器的封入压力最佳化。

图5（D）所示的蓄冷器80D是将作为图1中示出的蓄冷器60A的变形例的蓄冷器60B配设于低温侧区域82B。该变形例所涉及的蓄冷器60B使HoCu₂等磁性蓄冷材料77分散在以形成比较大的间隙的方式缠绕的氦气封入配管64之间。

上述各蓄冷器单元80A～80D中，在高温侧配置比热的峰值温度较高的蓄冷材料，在低温侧配置比热的峰值温度较低的蓄冷材料，因此能够进行高效率的蓄冷。

另外，设想上述各蓄冷器单元80A～80D安装于GM制冷机，并且具有将蓄冷器60A、60B以及铋颗粒安装于置换器52内的结构，但在适用于脉冲管制冷机的情况下，蓄冷器60A、60B等安装于蓄冷器壳体内。另外，上述蓄冷器单元80A～80D也可以是作为蓄冷材料筒而相对于制冷机可进行装卸的结构。

接着，利用图7至图10说明蓄冷器60A的制造方法。

为制造蓄冷器60A，如图7所示首先准备芯材62。如上所述，芯材62为圆柱状部件。另外，为了使后述氦气封入配管64的成形处理变容易，也可以是在芯材62的两端部设置凸缘的结构。

该芯材62上缠绕有氦气封入配管64。将氦气封入配管64缠绕于该芯材62时，氦气封入配管64的始端部64A及终端部64B处于开放的状态，因此其内部处于空气进入的状态。

图8示出氦气封入配管64缠绕于芯材62的状态。另外，将尚未封入有氦的氦气封入配管64缠绕于芯材62而成的组件，以下称之为氦气封入配管缠绕体68。并且氦气封入配管64的始端部64A及终端部64B从氦气封入配管缠绕体68的两端向外侧突出。

若制造出氦气封入配管缠绕体68，则如图9所示，将对被缠绕的氦气封入配管64外周进行包覆的罩部件66A安装于氦气封入配管缠绕体68。在罩部件66A安装于氦气封入配管缠绕体68的状态下，氦气还未填充于氦气封入配管64中，因此氦气封入配管64没有变形（膨胀）。因此能够容易地将罩部件66A安装于氦气封入配管缠绕体68。

若罩部件66A安装于氦气封入配管缠绕体68，则接着进行向氦气封入配管64填充氦气的处理。图10示出对氦气封入配管64填充氦气的处理。

向氦气封入配管64填充氦气时，使用液氮容器72（相当于权利要求中记载的冷却装置）以及气体供给装置75（相当于权利要求中记载的氦气供给机构）。

液氮容器72构成为内部填充有液氮73并能够将氦气封入配管缠绕体68浸渍于其内部。并且气体供给装置75在本实施方式中使用的是氦气瓶75a。但是也可以使用能够压缩氦气的高压用压缩机。

为向氦气封入配管64填充氦气，首先将连接在气体供给装置75上的气体供给配管76连接于氦气封入配管64的始端部64A。此时设置在气体供给配管76上的阀门85、86被关闭，停止从氦气瓶75a供给氦气。

连接始端部64A与气体供给配管76之后，通过打开阀门85、86，从气体供给装置75向氦气封入配管64供给氦气。从而存在于氦气封入配管64内的空气依次被氦气替换。另外，存在于氦气封入配管64内的空气从终端部64B排出。

如果氦气封入配管64的内部被氦气替代，则利用夹具进行压扁终端部64B的处理。从而终端部64B成为气密地被临时封闭的状态。如上所述，氦气封入配管64为0.5mm以下的细管，因此能够容易地进行压扁终端部64B的处理。

另外，终端部64B是否被气密地密封可通过当氦气封入配管缠绕体68浸渍于液氮73时从终端部64B有无产生气泡来进行判断。

接着，如图10所示，使氦气封入配管缠绕体68浸渍于液氮容器72的液氮73内。由此氦气封入配管缠绕体68被冷却到77K左右。

另外，在封闭终端部64B的状态下，如果从气体供给装置75继续向氦气封入配管64供给氦气，则氦气封入配管64内的压力逐渐上升。若氦气封入配管64内的氦气压力达到预定压力，则阀门85、86被关闭，停止从气体供给装置75向氦气封入配管64供给氦气。

另外，也可以在冷却了氦气封入配管缠绕体68的状态下进行压扁终端部64B的处理，但是如果在冷却的状态下进行压扁，则将空气替换为氦气时比较费时间，因此优选冷却之前在室温下进行。

接着进行利用夹具压扁从液氮容器72向外部突出的始端部64A并分离始端部64A与气体供给配管76的处理。由此始端部64A也成为气密地被临时封闭的状态。

接着，从液氮容器72取出氦气封入配管缠绕体68，然后对临时封闭的始端部64A进行热熔敷处理（焊接处理）。从而始端部64A及终端部64B成为可靠地封闭的状态（完全封闭状态），并成为氦气被密封于氦气封入配管64内的状态。另外。始端部64A及终端部64B也可以是在密封氦气之后缠绕于芯材62的结构。通过实施以上工序制造出蓄冷器60A。

如上所述，本实施方式所涉及的蓄冷器60A的制造方法中，将氦气封入配管缠绕体68浸渍于液氮73内而在冷却后的状态下进行氦气的填充。假定欲在常温下将氦气填充于氦气封入配管64时，则需要较高的填充压力，然而通过在冷却氦气封入配管缠绕体68后的状态下填充氦气则能够降低填充压力。

具体而言，根据本实施方式的方法，能够将常温下需要约60MPa的填充压力降低到约15MPa。从而根据本实施方式所涉及的蓄冷器60A的制造方法，无需使用高输出的高压用压缩机就能够容易地向氦气封入配管64填充氦气。

以上详细叙述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限定于上述特定实施方式，在技术方案的范围内所记载的本发明的宗旨范围内能够进行各种变形和变更。

例如，上述实施方式中，对冷却氦气封入配管缠绕体68时使用液氮的例子进行了说明，但是并不限定于此，也可以是利用制冷机来冷却氦气封入配管缠绕体68的结构。

并且，上述实施方式中，对通过将氦气封入配管64缠绕于芯材62而制造蓄冷器60A的方式进行了说明，但是不需要一定要把氦气封入配管64缠绕于芯材62，也可以利用其他配设方法（例如，不使用芯材62，而无规则地收纳于置换器内的方法等）。

另外，上述实施方式中，作为蓄冷式制冷机举例说明了GM制冷机，但是本发明所涉及的超低温蓄冷器的适用并不限定于GM制冷机，也可以适用于利用蓄冷器的其它制冷机（例如脉冲管制冷机等）

Claims (10)

1.一种超低温制冷机的制造方法，其特征在于，具有：

向两端开放的氦气封入配管供给氦气的工序；

封闭所述氦气封入配管的终端部的工序；

在冷却所述氦气封入配管的状态下，从氦气供给机构向所述氦气封入配管内填充所述氦气的工序；

向所述氦气封入配管内填充所述氦气之后，封闭所述氦气封入配管的始端部的工序；及

将封闭了始端部的氦气封入配管组装到制冷机的工序。

2.根据权利要求1所述的超低温制冷机的制造方法，其特征在于，

在冷却所述氦气封入配管之前，进行封闭所述氦气封入配管的终端部的工序。

3.根据权利要求1或2所述的超低温制冷机的制造方法，其特征在于，

在向所述氦气封入配管供给氦气之前，将所述氦气封入配管以线圈状缠绕于芯材而制造氦气封入配管缠绕体。

4.根据权利要求1或2所述的超低温制冷机的制造方法，其特征在于，

在封闭所述氦气封入配管的端部时，将所述氦气封入配管的端部压扁之后，通过热熔敷进行封闭。

5.一种超低温蓄冷器，其以氦气作为蓄冷材料，该超低温蓄冷器的特征在于，

具有：芯材；及

氦气封入配管，通过封闭两端部而向内部封入所述氦气，

将所述氦气封入配管以线圈状缠绕于所述芯材。

6.根据权利要求5所述的超低温蓄冷器，其特征在于，

所述氦气封入配管构成为其两端部通过热熔敷而被封闭。

7.根据权利要求5或6所述的超低温蓄冷器，其特征在于，

该超低温蓄冷器设置有圆筒状罩部件，且该圆筒状罩部件包覆以线圈状缠绕的所述氦气封入配管的外周。

8.根据权利要求5或6所述的超低温蓄冷器，其特征在于，

所述氦气封入配管的外径为0.1mm以上且0.5mm以下。

9.根据权利要求5或6所述的超低温蓄冷器，其特征在于，

在温度为3K以上且15K以下时，所述氦气封入配管内的所述氦气压力为0.4MPa以上且2.2MPa以下。

10.根据权利要求5或6所述的超低温蓄冷器，其特征在于，

所述氦气封入配管是由铜或不锈钢制成的。