專利名稱：極低溫蓄冷器以及冷凍機(jī)的制作方法
權(quán)利要求書(shū)(按照條約第19條的修改)1.一種極低溫蓄冷器，其特征在于作為蓄冷材料使用含有稀土類元素和硫磺之中的至少一種的磁性材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極低溫蓄冷器，其特征在于所述磁性材料含有氧。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的極低溫蓄冷器，其特征在于所述磁性材料使用了以一般式RxO2S或(R1-yR′y)xO2S(R、R′至少一種為稀土元素，0.1≤x≤9、0≤y≤1)表示的磁性材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的極低溫蓄冷器，其特征在于所述元素R和R′是釔Y、鑭La、鈰Ce、鐠Pr、釹Nd、钷Pm、釤Sm、銪Eu、釓Gd、鋱Tb、鏑Dy、鈥Ho、鉺Er、銩Tm或鐿Yb。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4任何一項(xiàng)所述的極低溫蓄冷器，其特征在于所述磁性材料還含有添加物。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的極低溫蓄冷器，其特征在于所述添加物是鋯Zr和/或鋁Al和/或氧化鋁Al2O3。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～6任何一項(xiàng)所述的極低溫蓄冷器，其特征在于其混合使用了至少一種的所述磁性材料與其它磁性材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1～6任何一項(xiàng)所述的極低溫蓄冷器，其特征在于其混合使用了至少二種所述磁性材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1～8任何一項(xiàng)所述的極低溫蓄冷器，其特征在于至少一種的所述磁性材料加工成顆粒狀，并充填至蓄冷器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的極低溫蓄冷器，其特征在于所述顆粒狀的磁性材料的表面加工成用薄膜包覆，并充填至蓄冷器。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的極低溫蓄冷器，其特征在于所述顆粒狀的尺寸為0.01～3mm。
12.根據(jù)權(quán)利要求1～8任何一項(xiàng)所述的極低溫蓄冷器，其特征在于將至少一種的所述磁性材料燒結(jié)并加工成為塊狀、彈丸狀或片狀，并充填至所述蓄冷器。
13.根據(jù)權(quán)利要求1～12任何一項(xiàng)所述的極低溫蓄冷器，其特征在于所述磁性材料以疊層狀充填至蓄冷器。
14.根據(jù)權(quán)利要求1～13任何一項(xiàng)所述的極低溫蓄冷器，其特征在于所述磁性材料被充填到蓄冷器的最低溫層。
15.根據(jù)權(quán)利要求1～13任何一項(xiàng)所述的極低溫蓄冷器，其特征在于所述磁性材料用于比蓄冷器的最低溫層溫度高的層中，且在比其溫度低的層中使用了4K左右或以下的具有較大比熱的其它磁性材料。
16.一種蓄冷式極低溫冷凍機(jī)，其特征在于其使用了權(quán)利要求1～15任何一項(xiàng)所述的極低溫蓄冷器。
17.權(quán)利要求16所述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)，其特征在于所述蓄冷器用于最低溫冷卻段。
18.權(quán)利要求16所述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)，其特征在于所述蓄冷器用于中間冷卻段，在最終冷卻段蓄冷器使用在4K左右或以下的具有較大比熱的其它磁性材料。
19.根據(jù)權(quán)利要求16～18任何一項(xiàng)所述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)，其特征在于將所述蓄冷器用于并列型蓄冷式極低溫冷凍機(jī)的低溫側(cè)冷卻段。
20.根據(jù)權(quán)利要求16～19任何一項(xiàng)所述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)，其特征在于以4He作為工作流體。
21.根據(jù)權(quán)利要求16～19任何一項(xiàng)所述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)，其特征在于以3He作為工作流體。
22.根據(jù)權(quán)利要求16～19任何一項(xiàng)所述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)，其特征在于以4He和3He的混合氣體作為工作流體。
23.一種冷凍系統(tǒng)，其特征在于其具有使用了權(quán)利要求16～22任何一項(xiàng)所述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)的預(yù)冷段、以及至少一種的其它的冷卻手段。
24.一種制冷劑生成裝置，其特征在于其使用了權(quán)利要求16～23任何一項(xiàng)所述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)。
25.一種制冷劑再冷凝裝置，其特征在于其使用了權(quán)利要求16～23任何一項(xiàng)所述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)。
26.一種超導(dǎo)磁體裝置，其特征在于其使用了權(quán)利要求16～23任何一項(xiàng)所述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)。
27.一種磁共振成像裝置，其特征在于其使用了權(quán)利要求26所述的超導(dǎo)磁體裝置。
28.一種超導(dǎo)元件冷卻裝置，其特征在于其使用了權(quán)利要求16～23任何一項(xiàng)所述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)。
29.一種低溫面板以及低溫?zé)岱雷o(hù)罩裝置，其特征在于其使用了權(quán)利要求16～23任何一項(xiàng)所述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)。
30.一種低溫泵，其特征在于其使用了權(quán)利要求29所述的低溫面板。
31.一種空間技術(shù)領(lǐng)域的冷卻裝置，其特征在于其使用了權(quán)利要求16～23任何一項(xiàng)所述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)。
本發(fā)明還提供上述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)，其特征在于以4He、3He、或4He和3He的混合氣體作為工作流體(也稱為工作介質(zhì))。
本發(fā)明還提供例如焦耳-湯姆遜冷凍機(jī)、3He-4He稀釋冷凍機(jī)、絕熱消磁冷凍系統(tǒng)、磁力冷凍機(jī)、吸附式冷凍系統(tǒng)等冷凍系統(tǒng)，其特征在于其具有使用了上述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)的預(yù)冷段、以及至少一種的其它的冷卻手段。
本發(fā)明還提供流體4He、流體3He或它們的混合液、超流動(dòng)4He、超流動(dòng)3He等制冷劑生成裝置和制冷劑再冷凝裝置，其特征在于其使用了上述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)。
本發(fā)明還提供MRI(磁共振成像)裝置、NMR裝置、冷凍機(jī)傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體、拉制單晶裝置、磁力分離裝置、SMES裝置、物性測(cè)定裝置等的超導(dǎo)磁體裝置，其特征在于其同樣使用了上述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)。
本發(fā)明又提供SQUID裝置、SIS元件、X射線衍射裝置、電子顯微鏡、電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置等超導(dǎo)元件冷卻裝置，其特征在于其同樣使用了上述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)。
本發(fā)明還提供低溫泵、低溫面板、樣品冷卻系統(tǒng)、物性測(cè)定裝置、低溫?zé)岱雷o(hù)罩、紅外線觀測(cè)裝置等低溫裝置，其特征在于其同樣使用了上述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)。
本發(fā)明還提供X射線觀測(cè)裝置、紅外線觀測(cè)裝置、電波觀測(cè)裝置、宇宙射線觀測(cè)裝置等空間技術(shù)領(lǐng)域的冷卻裝置，其特征在于其同樣使用了上述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)。
本發(fā)明使用在4～10K溫度附近具有大的比熱的陶瓷磁性材料作為蓄冷器的蓄冷材料，因此與以往的金屬系的磁性蓄冷材料相比，能夠大大地改善3～10K的冷凍性能。


圖1是表示以往的金屬系磁性蓄冷材料和本發(fā)明使用的磁性材料的比熱與溫度依存性的比較的曲線圖。
圖2是表示本發(fā)明使用的另外一種磁性材料的比熱與溫度依存性的曲線圖。
圖3是表示本發(fā)明使用的其它一種磁性材料的比熱與溫度依存性的曲線圖。
圖4是表示適用于2段式GM冷凍機(jī)的本發(fā)明的第1實(shí)施方案的總體構(gòu)成的剖面圖。
圖5是表示第1實(shí)施方案的冷卻部的詳細(xì)的放大剖面圖。
圖6同樣是表示2段蓄冷器的放大剖面圖。
圖7是表示第1實(shí)施方案與以往例的冷凍能力相比較的曲線圖。
圖8是表示適用于2段式脈沖管冷凍機(jī)的本發(fā)明的第2和第3實(shí)施方案的總體構(gòu)成的剖面圖。
圖9是表示第2和第3實(shí)施方案的2段蓄冷器的放大剖面圖。
圖10是表示第2實(shí)施方案的冷凍能力的曲線圖。
圖11是表示適用于3段式脈沖管冷凍機(jī)的本發(fā)明的第4實(shí)施方案的主要部分構(gòu)成的剖面圖。
圖12是表示第4實(shí)施方案的各段蓄冷器的放大剖面圖。
圖13是表示適用于并列型脈沖管冷凍機(jī)的本發(fā)明的第5實(shí)施方案的總體構(gòu)成的剖面圖。
圖14是表示第5實(shí)施方案的低溫段蓄冷器的放大剖面圖。
圖15是表示適用于GM-JT冷凍系統(tǒng)的本發(fā)明的第6實(shí)施方案的總體構(gòu)成的剖面圖。
圖16是表示適用于MRI裝置的本發(fā)明的第7實(shí)施方案的總體構(gòu)成的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方案。
本發(fā)明的第1實(shí)施方案如圖4(總體圖)、圖5(冷卻部詳細(xì)圖)以及圖6(2段蓄冷器剖面圖)所示那樣，是將本發(fā)明用于2段式GM冷凍機(jī)。
在圖4中，來(lái)自壓縮機(jī)11的高壓氣體經(jīng)過(guò)高壓氣體配管12供給2段式GM冷凍機(jī)1，經(jīng)過(guò)低壓氣體配管13被回收到壓縮機(jī)11的低壓口。如圖5所示那樣，1段液壓缸25和2段液壓缸35中分別收容的1段蓄冷器2和2段蓄冷器3，被圖4所示的驅(qū)動(dòng)電機(jī)14驅(qū)動(dòng)而進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
蓄冷材料24、34如圖5所示那樣被充填到各自的蓄冷器外筒23、33中，在本實(shí)施方案中1段蓄冷材料24是銅合金的金屬網(wǎng)制作的。
2段蓄冷器3如圖6所示那樣，是疊層結(jié)構(gòu)，顆粒狀的(Gd0.05Tb0.95)2O2S以大約20％的體積比率充填到2段的低溫側(cè)蓄冷材料34b中，顆粒狀的Pb和HoCu2等以大約80％的體積比率充填到高溫側(cè)蓄冷材料34a中。在圖6中，38是蓄冷材料間壁。
如圖4所示，冷凍機(jī)1的冷卻部被收容到真空容器16中，2段冷卻臺(tái)架37被熱防護(hù)罩17包圍。熱防護(hù)罩17是銅制的板狀的筒體，由1段冷卻臺(tái)架27冷卻到大約40K。電加熱器18被安裝在2段冷卻臺(tái)架37中，根據(jù)電輸入功率測(cè)定冷卻能力。
在圖4中，15是收容高低壓氣體轉(zhuǎn)換閥和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的殼體。在圖5中，21是1段蓄冷器2的氣體通路、22是1段蓄冷器2的密封、26是1段膨脹空間、31是2段蓄冷器3的氣體通路、32是2段蓄冷器3的密封、36是2段膨脹空間。
圖7表示根據(jù)本發(fā)明在2段蓄冷器低溫端充填大約20％體積的(Gd0.05Tb0.95)2O2S的場(chǎng)合與以往的充填磁性蓄冷材料HoCu2的場(chǎng)合的比較。該圖清楚表明，能夠確認(rèn)根據(jù)本發(fā)明充填(Gd0.05Tb0.95)2O2S的場(chǎng)合，其冷凍能力大約提高了15～20％。
其次，適用于2段式脈沖管冷凍機(jī)的本發(fā)明的第2實(shí)施方案示于圖8(總體圖)以及圖9(2段蓄冷器剖面圖)。
在圖8中，來(lái)自壓縮機(jī)41的高壓氣體經(jīng)過(guò)高壓氣體配管42和高低壓氣體轉(zhuǎn)換閥單元44以及連接管45供給2段式脈沖管冷凍機(jī)4，經(jīng)過(guò)低壓氣體配管43和高低壓氣體轉(zhuǎn)換閥單元44回收到壓縮機(jī)41的低壓口。如圖9所示那樣，1段蓄冷器51和2段蓄冷器61分別由蓄冷器外管(不銹鋼管)56、66以及充填到其內(nèi)部的蓄冷材料57、67構(gòu)成。
各段蓄冷器51、61的低溫端與各段冷卻臺(tái)架52、62連接，通過(guò)各段冷卻臺(tái)架52、62內(nèi)部的氣體流路58、68與各段的脈沖管53、63連通。各脈沖管53、63的高溫端通過(guò)連接管55、65與各段的相位調(diào)節(jié)部54、64連接。
各段的相位調(diào)節(jié)部54、64由緩沖槽和節(jié)流孔(orifice)以及周期性開(kāi)閉的閥門等組合而構(gòu)成。相位調(diào)節(jié)部54、64的動(dòng)作，能最佳調(diào)節(jié)根據(jù)高低壓氣體轉(zhuǎn)換閥單元44實(shí)現(xiàn)的脈沖管53、63內(nèi)部的壓力變化與氣體位移的相位，得到充足的冷凍能力。
在本實(shí)施方案，1段蓄冷材料57由銅合金的金屬網(wǎng)(No.100～400網(wǎng)目)制作而成。
2段蓄冷器61是3層的疊層結(jié)構(gòu)，對(duì)高溫側(cè)蓄冷材料67a以大約20％的體積比率充填顆粒狀的鉛(長(zhǎng)短徑為0.1～1mm)、對(duì)中間蓄冷材料67b充填顆粒狀的HoCu2(長(zhǎng)短徑為0.1～0.7mm)、對(duì)低溫側(cè)蓄冷材料67c充填顆粒狀的Gd2O2S(長(zhǎng)短徑為0.1～0.7mm)。圖9中的69是蓄冷材料間壁。
冷凍機(jī)4的冷卻部如圖8所示那樣，被收容于真空容器46中，2段冷卻臺(tái)架62由熱防護(hù)罩47包圍。熱防護(hù)罩47是銅制的板狀的筒體，由1段冷卻臺(tái)架52冷卻到大約40K。在2段冷卻臺(tái)架62中安裝電器加熱器48，由其電輸入功率測(cè)定冷卻能力。在圖8中的49是殼體。
圖10表示2段蓄冷器61的低溫側(cè)蓄冷材料67c的Gd2O2S增加到0％～約50％(體積比率)、中間蓄冷材料67b的HoCu2相應(yīng)減少到80％～30％(體積比率)的場(chǎng)合(高溫側(cè)蓄冷材料69a的鉛固定在體積比率20％)的4.2K的冷卻能力。能夠確認(rèn)冷凍能力提高大約15％。
對(duì)于本實(shí)施方案，各段的冷卻材料57、67被直接充填到蓄冷器外管56、66，為了便于組裝和解體操作，如第1實(shí)施方案那樣，將蓄冷材料一旦充填到蓄冷器外筒(由樹(shù)脂或不銹鋼等熱傳導(dǎo)率較低的材料構(gòu)成)后，作成筒形插入蓄冷器外管56、66也可以。
其次，與第2實(shí)施方案一樣，詳細(xì)說(shuō)明適用于2段式脈沖管冷凍機(jī)的本發(fā)明的第3實(shí)施方案。
本實(shí)施方案使用與第2實(shí)施方案同樣的2段式脈沖管冷凍機(jī)4。與第2實(shí)施方案的不同點(diǎn)在于2段蓄冷器61構(gòu)成。本實(shí)施方案的2段蓄冷器61仍然是3層結(jié)構(gòu)，但是對(duì)高溫層(67a)充填顆粒狀的鉛(體積比率50％、長(zhǎng)短徑為0.1～1mm)、對(duì)中間層(67b)充填本發(fā)明那樣的顆粒狀的磁性材料Tb2O2S(體積比率30％、長(zhǎng)短徑為0.1～0.7mm)、對(duì)低溫層(67c)充填顆粒狀的GdAlO3(體積比率20％、長(zhǎng)短徑為0.1～0.6mm)。
GdAlO3的比熱的峰值在4K或以下，所以由此能夠進(jìn)一步提高2～4K的冷凍能力。
其次，將適用于3段式脈沖管冷凍機(jī)的本發(fā)明的第4實(shí)施方案示于圖11(冷凍機(jī)剖面圖)和圖12(各段蓄冷器剖面圖)。
本實(shí)施方案的3段式脈沖管冷凍機(jī)5與第2實(shí)施方案的脈沖管冷凍機(jī)4在本質(zhì)上是相同的，不同點(diǎn)在于2段蓄冷器61的端部還串聯(lián)連接第3段的蓄冷器71，該3段蓄冷器71的低溫端通過(guò)3段冷卻臺(tái)架72連接于3段脈沖管73的低溫端。3段蓄冷器71、3段冷卻臺(tái)架72、3段脈沖管73以及由連接管75連接的3段相位調(diào)節(jié)部74的構(gòu)造，與第2實(shí)施方案敘述的1段以及2段的相應(yīng)的結(jié)構(gòu)相同。在圖12中，76是3段蓄冷器外管、77是3段蓄冷材料、78是3段冷卻部臺(tái)架72的內(nèi)氣體流路、79是蓄冷材料的間壁。
在本實(shí)施方案中，1段蓄冷材料57由不銹鋼的金屬網(wǎng)(No.100～400網(wǎng)目)制作而成。
2段蓄冷器61是2層的結(jié)構(gòu)，對(duì)高溫側(cè)蓄冷材料67a以60％的體積比率充填顆粒狀的鉛、作為低溫側(cè)蓄冷材料67c以40％體積比率充填本發(fā)明那樣的彈丸狀的磁性材料(Gd0.1Tb0.9)2O2S。對(duì)3段蓄冷器71以100％體積比例充填在4K或以下具有比熱峰值的GdAlO3(彈丸狀)。由此，能夠進(jìn)一步提高2～4K的冷凍能力。
并且，對(duì)于本實(shí)施方案，使用彈丸狀的(Gd0.1Tb0.9)2O2S和GdAlO3，被燒結(jié)的彈丸狀的材料與顆粒狀的材料相比，與不容易適應(yīng)尺寸管理和蓄冷器的形狀變化相反，而具有能夠?qū)崿F(xiàn)更高充填率的優(yōu)點(diǎn)。
其次，將適用于并列型脈沖管冷凍機(jī)的本發(fā)明的第5實(shí)施方案示于圖13(冷凍機(jī)剖面圖)和圖14(低溫段蓄冷器剖面圖)。
并列型脈沖管冷凍機(jī)與各自獨(dú)立的多個(gè)1段或2段脈沖管冷凍機(jī)進(jìn)行熱結(jié)合，形成高溫段和低溫段，發(fā)揮一臺(tái)多段式冷凍機(jī)的作用。本實(shí)施方案的并列型脈沖管冷凍機(jī)6，將兩個(gè)臺(tái)獨(dú)立的1段脈沖管冷凍機(jī)進(jìn)行熱結(jié)合，形成高溫段冷卻臺(tái)架103和低溫段冷卻臺(tái)架113，發(fā)揮實(shí)質(zhì)上一臺(tái)2段式脈沖管冷凍機(jī)的作用。這樣的并列型冷凍機(jī)，由于高溫段和低溫段的氣體獨(dú)立地流動(dòng)，因此一方的冷卻臺(tái)架的溫度和冷卻能力的變化不容易影響另外一方，所以能夠得到更加穩(wěn)定的冷卻系統(tǒng)。
在本實(shí)施方案中，高溫段冷卻臺(tái)架103冷卻熱防護(hù)罩86，同時(shí)也冷卻低溫段蓄冷器111的中間。由此，低溫段蓄冷器111的效率提高，結(jié)果低溫段能夠到達(dá)更低的溫度。并且，本實(shí)施方案的壓縮機(jī)81、82使用與上述實(shí)施方案不同的液壓缸(81a、82b)-活塞(81b、82b)型的壓縮機(jī)。由此，不必使用高低壓氣體轉(zhuǎn)換閥單元，能夠直接將高低壓力的振動(dòng)送入脈沖管102和112。在圖13中，83和84是壓縮機(jī)的連接管、85是真空容器、100和110是殼體、101是高溫段蓄冷器、104和114是相位調(diào)節(jié)部、105和115是連接管。
本實(shí)施方案的低溫段蓄冷器111，如圖14所示那樣，具有3層疊層結(jié)構(gòu)，對(duì)室溫的高溫側(cè)蓄冷材料117a充填銅合金的金屬網(wǎng)(網(wǎng)目No.100～400、體積比率50％)、對(duì)中間蓄冷材料117b充填顆粒狀的鉛合金(體積比率30％、長(zhǎng)短徑0.1～1mm)、對(duì)低溫側(cè)蓄冷材料117c充填顆粒狀的Tb2O2S和Gd2O2S的混合材料(混合比率60％40％)(體積比率20％、長(zhǎng)短徑0.1～0.7mm)。由此，對(duì)于低溫段冷卻臺(tái)架113在4～10K的溫度范圍能夠得到較大的冷卻能力。圖14中的116是低溫段蓄冷器外管、118是蓄冷材料的間壁、119是低溫段冷卻臺(tái)架113內(nèi)氣體流路。
此外，在本發(fā)明實(shí)施方案，高溫段和低溫段的脈沖管102和112分別使用各自的壓縮機(jī)81和82，但是為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，因此用一臺(tái)壓縮機(jī)同時(shí)對(duì)二根并列的脈沖管進(jìn)行供氣和回收也可以。
另外，在本實(shí)施方案，使用Tb2O2S和Gd2O2S的混合材料，通過(guò)使用混合材料其表觀比熱峰值降低，但在更寬的溫度范圍能夠得到大的表觀比熱，結(jié)果是能夠減少疊層的層數(shù)。在疊層的層數(shù)過(guò)多的增加時(shí)，不僅增大蓄冷材料的間壁所占的空間，而且間壁倒塌導(dǎo)致冷凍性能的不穩(wěn)定性的可能性增大。通過(guò)使用混合材料能夠消除這些缺點(diǎn)。
其次，預(yù)冷段使用第1實(shí)施方案的2段式GM冷凍機(jī)1、作為其它的冷卻手段追加焦耳-湯姆遜(JT)冷卻回路8的本發(fā)明的第6實(shí)施方案示于圖15。
2段式GM冷凍機(jī)1與第1實(shí)施方案相同，省略其說(shuō)明，在2段蓄冷器3的最低溫段以大約20％的體積比率充填本發(fā)明的蓄冷材料(Gd0.05Tb0.95)2O2S。
在追加的JT冷卻回路8中，氦氣從壓縮機(jī)120經(jīng)過(guò)高壓配管121，通過(guò)第1對(duì)流熱交換器128a、1段臺(tái)架熱交換器129a、第2對(duì)流熱交換器128b、2段臺(tái)架熱交換器129b、第3對(duì)流熱交換器128c的同時(shí)緩慢地被預(yù)冷。被預(yù)冷的氣體在通過(guò)JT閥125(最佳的開(kāi)口度由調(diào)節(jié)手柄126調(diào)節(jié))時(shí)進(jìn)行等焓膨脹而制冷，在通過(guò)熱交換器129c時(shí)從冷卻對(duì)象物127帶走熱量，將其冷卻。
并且，氣體一邊通過(guò)對(duì)流熱交換器128a、128b、128c，一邊不斷地冷卻相對(duì)進(jìn)入的氣體，經(jīng)過(guò)低壓配管122被回收到壓縮機(jī)120中。
圖15的123是真空容器、124a和124b是熱防護(hù)罩。
在本實(shí)施方案，由于本發(fā)明的磁性材料，GM冷凍機(jī)1的冷凍能力提高約20％，因此增加流過(guò)JT冷卻回路8的氣體流量成為可能，結(jié)果使熱交換器129c中對(duì)冷卻對(duì)象物127的冷卻能力可以提高大約10～20％。
其次，同樣使用第1實(shí)施方案的2段式GM冷凍機(jī)的磁共振成像(MRI)裝置的第7實(shí)施方案示于圖16。
在本實(shí)施方案的MRI裝置9中，為了制作磁場(chǎng)空間138使用超導(dǎo)磁體135。該超導(dǎo)磁體135浸漬在液態(tài)氦氣134中，直到超導(dǎo)狀態(tài)而被冷卻。液態(tài)氦容器133的外部有熱防護(hù)罩132，再外側(cè)有真空容器131。液態(tài)氦從注入口136被注入，借助于液態(tài)氦容器133內(nèi)部設(shè)置的冷凝部137，氣化的氦再次返回到液態(tài)，在長(zhǎng)期不補(bǔ)充氦的情況下就可能運(yùn)轉(zhuǎn)。
冷凝部137與GM冷凍機(jī)1的2段冷卻臺(tái)架37進(jìn)行熱結(jié)合，能連續(xù)地供冷。由于GM冷凍機(jī)1的1段冷卻臺(tái)架27、熱防護(hù)罩132被冷卻。
在本實(shí)施方案，GM冷凍機(jī)1的冷凍能力由于本發(fā)明的磁性材料可提高大約20％，因此能夠高效率地進(jìn)行液態(tài)氦134的再冷凝，氦氣的蒸發(fā)量也可能對(duì)應(yīng)更大的MRI裝置。
此外，在本實(shí)施方案中，將冷凍機(jī)用于液態(tài)氦134的再冷凝，但是不用液態(tài)氦而冷凍機(jī)1直接通過(guò)熱傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體135那樣的構(gòu)成也可以。而且，追加一個(gè)熱防護(hù)罩、1段冷卻臺(tái)架27和2段冷卻臺(tái)架37分別冷卻一個(gè)熱防護(hù)罩而作成所謂的防護(hù)罩冷卻型也可以。
此外，在上述實(shí)施方案中，磁性材料的一般式為RxO2S或(R1-yR′y)xO2S(R、R′為稀土類元素)，但磁性材料的種類并不限于此，例如使用不含氧O2的磁性材料也可以。
上述磁性材料既可以單獨(dú)使用，也可以與其它磁性材料混合使用。并且，也可以將至少二種上述磁性材料混合使用。
此外，上述磁性材料例如能夠加工成顆粒狀(0.01mm～3mm)充填到蓄冷器中。在作為顆粒狀的場(chǎng)合，容易適應(yīng)蓄冷器的形狀變更，蓄冷器的尺寸管理容易、使用方便?；蛘邿Y(jié)和加工成塊狀、彈丸狀或片狀后充填也可以。在這種場(chǎng)合，通過(guò)調(diào)整形狀能夠提高蓄冷材料的充填率。
在此，蓄冷型冷凍機(jī)的工作流體可以是4He、3He、它們的混合氣體或其它流體。
在上述實(shí)施方案中，本發(fā)明適用GM循環(huán)冷凍機(jī)、脈沖管冷凍機(jī)、焦耳-湯姆遜冷凍機(jī)，但是本發(fā)明的適用對(duì)象不僅限于此，已經(jīng)清楚表明，斯特靈循環(huán)冷凍機(jī)、比爾梅爾循環(huán)冷凍機(jī)、索爾維循環(huán)冷凍機(jī)、以及埃里克森循環(huán)冷凍機(jī)等其它蓄冷型極低溫冷凍機(jī)也能夠適用。
并且，在預(yù)冷段使用本發(fā)明的蓄冷型極低溫冷凍機(jī)的冷凍系統(tǒng)，不限于第6實(shí)施方案的焦耳-湯姆遜冷凍機(jī)，已經(jīng)清楚表明，3He-4He稀釋冷凍機(jī)、絕熱消磁冷凍系統(tǒng)、磁力冷凍機(jī)、吸附式冷凍系統(tǒng)等其它冷凍系統(tǒng)也同樣能夠適用。
而且，本發(fā)明除了冷卻系統(tǒng)以外，使用上述蓄冷型極低溫冷凍機(jī)的流體4He、流體3He或它們的混合液、超流動(dòng)4He、超流動(dòng)3He等制冷劑生成裝置和制冷劑再冷凝裝置也同樣適用。
并且，MRI裝置、NMR裝置、冷凍機(jī)傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體、拉制單晶裝置、磁力分離裝置、SMES裝置、物性測(cè)定裝置等超導(dǎo)磁體裝置也同樣適用。
并且，SQUID裝置、SIS元件、X射線衍射裝置、電子顯微鏡、電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置等超導(dǎo)元件冷卻裝置也同樣適用。
而且，低溫泵、低溫面板、樣品冷卻系統(tǒng)、物性測(cè)定裝置、低溫?zé)岱雷o(hù)罩、紅外線觀測(cè)裝置等低溫裝置也同樣適用。
另外，X射線觀測(cè)裝置、紅外線觀測(cè)裝置、電波觀測(cè)裝置、宇宙射線觀測(cè)裝置等空間技術(shù)領(lǐng)域的冷卻裝置也同樣適用。
根據(jù)本發(fā)明，作為蓄冷材料，與以往的金屬系磁性蓄冷材料相比，由于使用了4～10K的溫度范圍的具有大比熱的磁性材料，因此提高了與氦氣等工作氣體的熱交換效率、并提高了冷凍能力。
權(quán)利要求
1.一種極低溫蓄冷器，其特征在于作為蓄冷材料使用含有稀土類元素和硫磺之中的至少一種的磁性材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極低溫蓄冷器，其特征在于所述磁性材料含有氧。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的極低溫蓄冷器，其特征在于所述磁性材料使用了以一般式RxO2S或(R1-yR′y)xO2S(R、R′至少一種為稀土元素，0.1≤x≤9、0≤y≤1)表示的磁性材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的極低溫蓄冷器，其特征在于所述元素R和R′是釔Y、鑭La、鈰Ce、鐠Pr、釹Nd、钷Pm、釤Sm、銪Eu、釓Gd、鋱Tb、鏑Dy、鈥Ho、鉺Er、銩Tm或鐿Yb。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4任何一項(xiàng)所述的極低溫蓄冷器，其特征在于所述磁性材料還含有添加物。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的極低溫蓄冷器，其特征在于所述添加物是鋯Zr和/或鋁Al。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～6任何一項(xiàng)所述的極低溫蓄冷器，其特征在于其混合使用至少一種的所述磁性材料與其它磁性材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1～6任何一項(xiàng)所述的極低溫蓄冷器，其特征在于其混合使用至少二種所述磁性材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1～8任何一項(xiàng)所述的極低溫蓄冷器，其特征在于至少一種的所述磁性材料加工成顆粒狀，并充填至蓄冷器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的極低溫蓄冷器，其特征在于所述顆粒狀的磁性材料的表面加工成用薄膜包覆，并充填至蓄冷器。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的極低溫蓄冷器，其特征在于所述顆粒狀的尺寸為0.01～3mm。
12.根據(jù)權(quán)利要求1～8任何一項(xiàng)所述的極低溫蓄冷器，其特征在于將至少一種的所述磁性材料燒結(jié)并加工成為塊狀、彈丸狀或片狀，并充填至所述蓄冷器。
13.根據(jù)權(quán)利要求1～12任何一項(xiàng)所述的極低溫蓄冷器，其特征在于所述磁性材料以疊層狀充填至蓄冷器。
14.根據(jù)權(quán)利要求1～13任何一項(xiàng)所述的極低溫蓄冷器，其特征在于所述磁性材料被充填到蓄冷器的最低溫層。
15.根據(jù)權(quán)利要求1～13任何一項(xiàng)所述的極低溫蓄冷器，其特征在于所述磁性材料用于比蓄冷器的最低溫層溫度高的層中，且在比其溫度低的層中使用了4K左右或以下的具有較大比熱的其它磁性材料。
16.一種蓄冷式極低溫冷凍機(jī)，其特征在于其使用了權(quán)利要求1～15任何一項(xiàng)所述的極低溫蓄冷器。
17.權(quán)利要求16所述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)，其特征在于所述蓄冷器用于最低溫冷卻段。
18.權(quán)利要求16所述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)，其特征在于所述蓄冷器用于中間冷卻段，在最終冷卻段蓄冷器使用在4K左右或以下的具有較大比熱的其它磁性材料。
19.根據(jù)權(quán)利要求16～18任何一項(xiàng)所述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)，其特征在于將所述蓄冷器用于并列型蓄冷式極低溫冷凍機(jī)的低溫側(cè)冷卻段。
20.根據(jù)權(quán)利要求16～19任何一項(xiàng)所述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)，其特征在于以4He作為工作流體。
21.根據(jù)權(quán)利要求16～19任何一項(xiàng)所述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)，其特征在于以3He作為工作流體。
22.根據(jù)權(quán)利要求16～19任何一項(xiàng)所述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)，其特征在于以4He和3He的混合氣體作為工作流體。
23.一種冷凍系統(tǒng)，其特征在于其具有使用了權(quán)利要求16～22任何一項(xiàng)所述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)的預(yù)冷段、以及至少一種的其它的冷卻手段。
24.一種制冷劑生成裝置，其特征在于其使用了權(quán)利要求16～23任何一項(xiàng)所述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)。
25.一種制冷劑再冷凝裝置，其特征在于其使用了權(quán)利要求16～23任何一項(xiàng)所述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)。
26.一種超導(dǎo)磁體裝置，其特征在于其使用了權(quán)利要求16～23任何一項(xiàng)所述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)。
27.一種磁共振成像裝置，其特征在于其使用了權(quán)利要求26所述的超導(dǎo)磁體裝置。
28.一種超導(dǎo)元件冷卻裝置，其特征在于其使用了權(quán)利要求16～23任何一項(xiàng)所述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)。
29.一種低溫面板以及低溫?zé)岱雷o(hù)罩裝置，其特征在于其使用了權(quán)利要求16～23任何一項(xiàng)所述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)。
30.一種低溫泵，其特征在于其使用了權(quán)利要求29所述的低溫面板。
31.一種空間技術(shù)領(lǐng)域的冷卻裝置，其特征在于其使用了權(quán)利要求16～23任何一項(xiàng)所述的蓄冷式極低溫冷凍機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種蓄冷器，與以往的金屬系磁性蓄冷材料相比，可提高3～10K的冷凍能力；作為蓄冷材料，使用了含有稀土類元素和硫磺之中的至少一種的磁性材料。
文檔編號(hào)F25B9/14GK1643310SQ0380670
公開(kāi)日2005年7月20日 申請(qǐng)日期2003年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月22日
發(fā)明者李 瑞, 沼澤健則 申請(qǐng)人:住友重機(jī)械工業(yè)株式會(huì)社, 獨(dú)立行政法人物質(zhì)·材料研究機(jī)構(gòu)