(57)【要約】１５ケルビン未満の低温領域用の蓄熱剤としては、一般に希土類化合物から成る粒体が使用される。希土類元素の材料費は高価である。更に、希土類元素は磁性であり、従って、あらゆる用途に適してはいない。極低温領域用の本発明による蓄熱剤は、ばら供給可能で気密に閉じられた中空体（３０）の一群（２２）から成っており、各中空体（３０）が、蓄え媒体として低温で沸騰するガスから成る充填物（３４）を有しており、中空体壁（３２）が金属から成っている。これにより、物理的、化学的、磁気的及び機械的な特性が適当な材料選択によってその時々の用途に適合され得る、比較的廉価な蓄熱剤が供与される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温領域用の蓄熱剤であって、ばら供給体の一群（２２）から成っており、これらのばら供給体が、それぞれ気密に閉じられた中空体（３０）であり、各中空体（３０）が、蓄え媒体として低温で沸騰するガスから成る充填物（３４）を有している形式のものにおいて、
中空体壁（３２）が金属から成っていることを特徴とする、低温領域用の蓄熱剤。
【請求項２】
中空体壁（３２）が銅から成っている、請求項１記載の蓄熱剤。
【請求項３】
中空体壁（３２）の材料及び肉厚が、熱侵入深さが少なくとも前記肉厚の値であるように選択されている、請求項１又は２記載の蓄熱剤。
【請求項４】
蓄え媒体がヘリウムから成る充填物（３４）である、請求項１から３までのいずれか１項記載の蓄熱剤。
【請求項５】
ヘリウム充填物（３４）が、４Ｋの温度において０．５バール以上の圧力を有している、請求項４記載の蓄熱剤。
【請求項６】
ヘリウム充填物（３４）が、室温においてほぼ２００バールの圧力を有している、請求項４又は５記載の蓄熱剤。
【請求項７】
中空体壁（３２）の肉厚が１．０ｍｍよりも小である、請求項１から６までのいずれか１項記載の蓄熱剤。
【請求項８】
中空体（３０）がほぼ球形を有している、請求項１から７までのいずれか１項記載の蓄熱剤。
【請求項９】
中空体（３０）が３．０ｍｍよりも小さな直径を有している、請求項８記載の蓄熱剤。
【請求項１０】
低温領域用の蓄熱剤であって、ばら供給体の一群（２２）から成っており、これらのばら供給体が、それぞれ気密に閉じられた中空体（３０）であり、各中空体（３０）が、蓄え媒体として低温で沸騰するガスから成る充填物（３４）を有している形式のものにおいて、
中空体壁（３２）がセラミックから成っていることを特徴とする蓄熱剤。
【請求項１１】
請求項１から１０までのいずれか１項記載の蓄熱剤（２２）で満たされたケーシング（２４）を有していることを特徴とする、低温冷凍機（１０）用の蓄熱器（１４）。
【請求項１２】
ギフォード・マクマホン冷凍機、スターリング冷凍機又はパルスチューブ冷凍機として形成されており、作業流体としてヘリウムガスが使用されることを特徴とする、請求項１１記載の蓄熱器（１４）を備えた低温冷凍機（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温領域用の蓄熱剤、低温冷凍機用の蓄熱器及び低温冷凍機に関する。
【０００２】
低温冷凍機は、１５ケルビン未満の領域の温度を形成する、一般に多段式のガス冷却機である。このようなガス冷却機は、例えばギフォード・マクマホン法、スターリング法又はパルスチューブ法等の様々な方法に従って作動する。これらの作動法とは関係無く前記冷凍機に共通しているのは、当該冷凍機が高温側と低温側との間の「低温ヘッド」の領域に作業流体の通流する体積を有しており、この体積は蓄熱剤で満たされており且つ蓄熱器と呼ばれるということである。この蓄熱器は作業流体によって２方向で交番通流され且つ作業流体によって吸収された、若しくは作業流体に供給された熱のための中間蓄え器として働く。つまり、蓄熱器は、圧縮機側の高温室内の作業流体から低温室内の作業流体を熱的に分離するために役立つ。このためには、蓄熱器は通流する流体と比較して、できるだけ高い熱容量を有している必要がある。１５ケルビンまでの温度に関しては、蓄熱器内の蓄熱剤として特殊鋼、ブロンズ、鉛又は別の金属体が使用可能であるが、１５ケルビンよりも著しく低い温度に関しては使用不可能である。それというのも、前記金属の比熱はヘリウムの比熱に比べて３０ケルビンから下方に向かって著しく低下して、５ケルビン未満の領域ではゼロに近づくからである。従って、極低温領域、つまり１５ケルビン未満の領域では、例えばヨーロッパ特許第０４１１５９１号明細書に記載されたように、蓄熱器内の蓄熱剤として希土類化合物から成るばら荷体が使用される。希土類化合物の使用における欠点は、例えば核スピントモグラフィ装置等の強磁界で使用した場合に問題となる磁性にある。更に、希土類化合物は酸化に敏感であり、部分的な脆性に基づいて振動発生時に破壊される傾向にあり且つ高価である。
【０００３】
極低温領域用の蓄え媒体としては、ヘリウム及び別の低温で沸騰するガスも適している。例えば、ヘリウムは１５ケルビン未満の領域で、圧力に関連して約９ケルビンで最大値を有する高い比熱を有しており、従って、この比熱は当該の温度領域における金属の熱容量を大幅に上回っている。ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９２４１８４号明細書から公知の、蓄熱剤としてヘリウムが使用される蓄熱器は、熱交換器と同様に、蓄熱器ケーシング内の渦巻き管又は管群に定置で支承されている。これに対して択一的に、蓄熱器ケーシングが蓄え媒体としてのヘリウムで満たされている一方で、作業流体は蓄熱器ケーシング内の管を通流してもよい。
【０００４】
但し、このように構成された蓄熱器を用いたテストでは、目標温度の４．２ケルビンを得ることができなかった。これは、金属の渦巻き材料若しくは管材料を介した高い熱侵入及び極端に小さな接触表面に起因する。
【０００５】
米国特許第４３５９８７２号明細書では、蓄熱剤としてヘリウムの充填されたガラス球から成るばら荷が記載されている。所要の内部圧力及び低温において十分な強度を有するためには、ガラス球の肉厚は比較的大きくなくてはならない。
【０００６】
本発明の課題は、極低温領域において高い熱容量を有する蓄熱剤、極低温用の高い熱容量の蓄熱剤を有する蓄熱器及び低温冷凍機を提供することである。
【０００７】
この課題は、本発明に基づき請求項１，１０，１１若しくは１２に記載の構成によって解決される。
【０００８】
低温領域用、即ち１５ケルビン未満の温度用の本発明による蓄熱剤は、作業流体透過性の気密に閉鎖された中空体群から成っており、各中空体は、それぞれ蓄え媒体として低温で沸騰するガスから成る充填物を有している。低温で沸騰するガスは、３０ケルビン未満の沸点を有するガスである。これは、例えば水素、ヘリウム、ネオン等のガス及びこれらのガスの全ての同位元素に該当する。低温で沸騰するガスは、当然のことながら低温において比較的高い比熱を有しており、従って、３０ケルビン未満の温度における蓄え媒体として良好に適している。低温で沸騰するガスは比較的廉価であり且つ非磁性の、機械的に適当な、酸化しない廉価な材料から成る中空体壁を有する中空体に封入されていてよい。つまり、当該の蓄熱剤は、その化学的、機械的及び磁気的な特性に関して構造的に用途に適合され得る。更に、気密に閉鎖された中空体は、管若しくは渦巻き部材に比べて著しく大きな、熱交換の行われる表面を有している。これにより、熱伝達が著しく促進される。
【０００９】
有利には、蓄え媒体はヘリウムから成る中空体充填物である。ヘリウム充填物とは、例えば３Ｈｅ又は４Ｈｅ等のヘリウム同位元素を有する充填物であると理解される。蓄え媒体としてのヘリウムは、１５ケルビン未満の温度において比較的高い比熱を有しており、従って、下は２ケルビンの領域に至るまでの温度において蓄え媒体として良好に適している。更に、ヘリウムは廉価に入手可能である。
【００１０】
有利には、ヘリウム充填物は４ケルビンの温度において０．５バール以上の圧力、特に臨界圧力以上の圧力を有している。０．５バール以上のヘリウム充填物の圧力において、発生する熱量を比較的小さな蓄熱器に蓄えることのできる絶対熱容量が実現される。このような蓄熱器は、金属の蓄熱器と比べて極めてコンパクトである。
【００１１】
有利には、中空体壁の材料及び肉厚は、熱侵入深さが少なくとも前記肉厚の値であるように選択されている。熱侵入深さμは、方程式
【００１２】
【数１】
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から得られる。この場合、ａは作業温度（例えば２ケルビン）における選択された中空体壁材料の熱伝導率であり、ｆｍｏｄは作業ガスが蓄熱剤を周期的に交番通流する変調周波数である。この場合、作業周波数ｆｍｏｄは低温冷凍機用に１．０〜１０．０Ｈｚが採用される。
【００１３】
中空体の壁は金属製である。金属及び金属合金も良好な熱伝導率を有しており且つ良好な機械特性を有しているので、やはり小さな中空体肉厚が実現され得る。中空体壁は、銅、アルミニウム、銀、黄銅、鋼又は別の金属又は金属合金から成っていてよい。中空体壁は、択一的にセラミックから成っていてもよい。
【００１４】
中空体壁用に非強磁性金属を選択することにより、別の手段無しでも強磁界に使用するため、例えば核スピントモグラフィ装置等に使用するために適した蓄熱剤が供与され得る。
【００１５】
有利な構成では、各中空体はそれぞれ３．０ｍｍ未満の直径を有している。３．０ｍｍ未満の直径では、中空体群は十分に迅速な熱吸収若しくは熱供給が保証された大きさの体積固有表面を有している。典型的な直径は０．２〜０．７ｍｍである。
【００１６】
有利には、各中空体はほぼ球形を有している。球形を選択することにより、中空体ばら荷において、全ばら荷体積にわたってほぼ一定の、中空体表面と、全中空体体積と、ばら荷体積との間の規定された比率が保証されている。
【００１７】
本発明による蓄熱器は、上で説明した蓄熱剤で満たされたケーシングを有している。本発明による低温冷凍機は、前記蓄熱器を有しており且つ再生循環プロセスとして、有利にはギフォード・マクマホン冷凍機、スターリング冷凍機又はパルスチューブ冷凍機として形成されており、作業流体としてはヘリウムが使用される。つまり、ヘリウムは蓄え媒体としても、これとは別に作業流体としても使用される。
【００１８】
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００１９】
図１に概略的に示した冷凍機１０は、重要なコンポーネントとして圧縮機１２、蓄熱器１４及び低温ヘッドを有する膨張室１６を有している。圧縮機１２と蓄熱器１４と膨張室１６とは導管１８，２０によって互いに接続されている。
【００２０】
圧縮機１２によって作業流体、有利にはヘリウムが圧縮され、場合によっては予冷される。次いで、圧縮された作業流体はガス導管１８及び蓄熱器１４を通流し、この蓄熱器１４において蓄熱器内の蓄熱剤に熱を供給する。作業流体は更に膨張室１６へ流入し、そこで放圧される。この際冷却される作業流体は、特に低温面を介して周辺環境から熱を吸収し、次いで導管２０を通って再び蓄熱器１４に戻される。蓄熱器１４の通流時に、作業流体は蓄熱剤に蓄えられた熱を吸収して、導管１８を通って再び圧縮機１２へ供給される。蓄熱器１４は、圧縮機１２と膨張室１６との間を熱的に絶縁するために役立つ。
【００２１】
冷凍機１０は、ギフォード・マクマホン冷凍機、スターリング冷凍機又はパルスチューブ冷凍機として形成されていてよいが、基本的には別の再生サイクルによっても作動可能であり、低温領域における中間蓄熱のために蓄熱器１４が使用される。低温領域とは、０〜１５ケルビンの温度であると理解される。
【００２２】
図２に縦断面図で示した蓄熱器１４は、ほぼ円筒形又は楕円形のケーシング２４によって形成されており、このケーシング２４の横方向側のケーシング壁２６，２７には導管１８，２０が開口している。蓄熱器用ケーシング２４は、蓄熱剤として作業流体用にガス透過性の、ばらで供給可能で気密に閉鎖された中空体３０の一群２２を有している。蓄熱器１４は均質に、又は種々様々な蓄熱剤の異なる層を以て積層されて充填されていてよい。
【００２３】
全ての中空体３０はほぼ同じ大きさに形成されており且つほぼ球形を有している。但し、ばら荷は異なる直径の中空体の混合物から形成されてもよい。中空体壁３２は、銅又は別の金属又は金属合金から成っており且つ約０．２ｍｍの肉厚又は０．２ｍｍ未満の肉厚を有している。中空体３０の直径は０．２〜２．０ｍｍであるが、これよりも大きく且つ３．０ｍｍより小であってもよい。中空体３０は、気密に閉鎖されており且つヘリウム製の充填物３４を有している。このヘリウム充填物３４は、室温では約２００バールの圧力を有しており、４ケルビンの温度では数バールの圧力を有している。ヘリウム充填物３４の充填された中空体３０は、例えば溶融された中空体壁材料の液滴が、ヘリウムガスで満たされた冷却室を通走する製作法によって形成されてよい。中空体の充填物は、単一のヘリウム同位元素又は異なるヘリウム同位元素の混合物、或いは水素又はネオンの同位元素、又は前記要素の混合物から形成され得る。中空体壁の材料、作業ガスが蓄熱器を交番通流する変調周波数及び中空体の肉厚は、侵入深さμが少なくとも前記肉厚の１倍であるように選択されていなければならない。侵入深さμは、方程式
【００２４】
【数２】
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から得られ、この場合、ａは作業温度（例えば４ケルビン）における選択された中空体壁材料の熱伝導率であり、ｆｍｏｄは作業ガスが蓄熱剤を周期的に交番通流する変調周波数である。この場合、作業周波数ｆｍｏｄは低温冷凍機において例えば約１．０Ｈｚが採用される。
【００２５】
気密に閉鎖され且つヘリウム充填物を有する中空体３０によって形成された蓄熱剤は、正に１５ケルビン未満の極低温領域において、この温度領域におけるヘリウムの高い比熱に基づいて、小さな体積における高度な絶対蓄熱容量を有している。中空体壁３２用に適当な金属を選択することにより、蓄熱材はあらゆる用途に関する電気的、機械的及び化学的な要求に関して最適に適合され得、例えば核スピントモグラフィ装置における冷却のためには、中空体壁用に非磁性材料が選択され得る。
【００２６】
ヘリウムの充填された中空体３０の他に、蓄熱器ケーシング内には例えば希土類合金から成る別の蓄熱エレメントが別個の層で、又はヘリウムの充填された中空体３０と混合されて存在していてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】冷凍機の概略図である。
【図２】ヘリウムの充填された中空体群から成る充填物を備えた冷凍機用熱交換機の断面図である。
【図３】ヘリウムの充填された中空体の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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