CN104457007A - 蓄冷式制冷机、一级蓄冷器及二级蓄冷器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高蓄冷式制冷机的制冷能力的蓄冷式制冷机、一级蓄冷器及二级蓄冷器。本发明的蓄冷式制冷机具备对工作气体进行预冷的蓄冷器部、及通过使由蓄冷器部预冷的工作气体膨胀而使工作气体冷却的膨胀机。蓄冷器部具备由锌或以锌为主成分的合金制成的锌系蓄冷材料。一级蓄冷器(30)可以具备高温部及低温部，所述高温部具备第1蓄冷材料，所述低温部具备与第1蓄冷材料不同的第2蓄冷材料。二级蓄冷器(60)可以具备高温部及低温部，所述高温部具备第2蓄冷材料，所述低温部具备与第2蓄冷材料不同的第3蓄冷材料。第2蓄冷材料可以具备由锌或以锌为主成分的合金制成的锌系蓄冷材料。

Description

蓄冷式制冷机、一级蓄冷器及二级蓄冷器

本申请主张基于2013年9月17日申请的日本专利申请第2013-191537号、及2014年5月2日申请的日本专利申请第2014-094959号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

技术领域

本发明涉及一种蓄冷式制冷机、一级蓄冷器及二级蓄冷器。

背景技术

蓄冷式制冷机用于将冷却对象物冷却至例如100K(开尔文)左右至4K左右的范围内。蓄冷式制冷机有例如吉福德-麦克马洪式(GM)制冷机、脉冲管制冷机、斯特林制冷机、索尔凡制冷机等。蓄冷式制冷机的用途例如为超导磁铁和检测仪等的冷却或低温泵。蓄冷式制冷机的制冷能力取决于蓄冷材料的换热效率。

专利文献1：日本特开2012-255590号公报

专利文献2：日本特开2003-28526号公报

发明内容

本发明的一种实施方式的示例性目的之一在于提高蓄冷式制冷机的制冷能力。

根据本发明的一种方式，提供一种蓄冷式制冷机，其具备：蓄冷器部，对工作气体进行预冷；及膨胀机，通过使由所述蓄冷器部预冷的工作气体膨胀而使所述工作气体冷却。所述蓄冷器部具备由锌或以锌为主成分的合金制成的锌系蓄冷材料。

根据本发明的一种方式，提供一种一级蓄冷器，其具备高温部及低温部，所述高温部具备第1蓄冷材料，所述低温部具备与所述第1蓄冷材料不同的第2蓄冷材料。所述第2蓄冷材料具备由锌或以锌为主成分的合金制成的锌系蓄冷材料。

根据本发明的一种方式，提供一种二级蓄冷器，其具备高温部及低温部，所述高温部具备第2蓄冷材料，所述低温部具备与所述第2蓄冷材料不同的第3蓄冷材料。所述第2蓄冷材料具备由锌或以锌为主成分的合金制成的锌系蓄冷材料。

另外，将以上构成要件的任意组合或本发明的构成要件或表现在方法、装置、系统等之间相互替换，也作为本发明的方式而有效。

根据本发明，能够提高蓄冷式制冷机的制冷能力。

附图说明

图1是概略表示本发明的一种实施方式所涉及的蓄冷式制冷机的图。

图2是表示各种金属的容积比热与温度之间的关系的图表。

图3是表示本发明的一种实施方式所涉及的一级蓄冷器的结构的示意图。

图4是本发明的一种实施方式所涉及的一级蓄冷器的低温侧的线材的剖视图。

图5是表示本发明的一种实施方式所涉及的二级蓄冷器的结构的示意图。

图6是表示本发明的一种实施方式所涉及的蓄冷式制冷机的制冷能力的图表。

图7是表示本发明的一种实施方式所涉及的二级蓄冷器的结构的示意图。

图8是表示本发明的一种实施方式所涉及的蓄冷式制冷机的性能测试结果的图表。

图9是表示本发明的一种实施方式所涉及的二级蓄冷器的温度特性曲线的一例的图。

图10是本发明的另一实施方式所涉及的金属丝网的线材的剖视图。

图11是将具有图10所示的线材的金属丝网层叠2张时的剖视图。

图中：1-GM制冷机，15-一级冷却部，20-一级缸体，22-一级置换器，23a-一级高温端，23b-一级低温端，30-一级蓄冷器，31-一级膨胀室，32-金属丝网，34-线材，34a-基材，34b-层，35-一级冷却台，50-二级冷却部，51-二级缸体，52-二级置换器，53a-二级高温端，53b-二级低温端，55-二级膨胀室，60-二级蓄冷器。

具体实施方式

以下，参考附图对本发明的实施方式进行详细说明。另外，在说明中，对相同要件标注相同符号，并适当省略重复说明。并且，以下叙述的结构为示例，并非限定本发明的范围。

图1是概略表示本发明的一种实施方式所涉及的蓄冷式制冷机的图。GM制冷机1等蓄冷式制冷机具备蓄冷器部、膨胀机及压缩机。通常情况下，蓄冷器部设置于膨胀机上。蓄冷器部构成为对工作气体(例如氦气)进行预冷。膨胀机具备为了对被蓄冷器部预冷的工作气体进一步进行冷却而使预冷的工作气体膨胀的空间。蓄冷器部构成为被通过膨胀而冷却的工作气体冷却。压缩机构成为从蓄冷器部回收工作气体进行压缩并再次向蓄冷器部供给工作气体。

在如图示的GM制冷机1等二级式制冷机中，蓄冷器部具备一级蓄冷器和二级蓄冷器。一级蓄冷器构成为将从压缩机供给的工作气体预冷至一级蓄冷器的低温端温度。二级蓄冷器构成为将通过一级蓄冷器预冷的工作气体预冷至二级蓄冷器的低温端温度。

GM制冷机1具有作为压缩机发挥作用的气体压缩机3、及作为膨胀机发挥作用的二级式冷头10。冷头10具有一级冷却部15及二级冷却部50，这些冷却部以与凸缘12同轴的方式连结。一级冷却部15具备一级高温端23a及一级低温端23b，二级冷却部50具备二级高温端53a及二级低温端53b。一级冷却部15与二级冷却部50串联连接。因此，一级低温端23b相当于二级高温端53a。

一级冷却部15具备一级缸体20、一级置换器22、一级蓄冷器30、一级膨胀室31及一级冷却台35。一级缸体20为中空的气密容器。一级置换器22以能够沿轴向Q往复运动的方式设置于一级缸体20内。一级蓄冷器30具备填充于一级置换器22内的一级蓄冷材料。因此，一级置换器22为容纳一级蓄冷材料的容器。一级膨胀室31在一级低温端23b处形成于一级缸体20内。一级膨胀室31的容积因一级置换器22的往复运动而发生变化。一级冷却台35在一级低温端23b处安装于一级缸体20的外侧。

在一级高温端23a，具体而言在一级蓄冷器30的高温侧，为了使氦气流出、流入一级蓄冷器30而设有多个一级高温侧流通路40-1。在一级低温端23b，具体而言在一级蓄冷器30的低温侧，为了使氦气在一级蓄冷器30与一级膨胀室31之间流出、流入而设有多个一级低温侧流通路40-2。在一级缸体20与一级置换器22之间设有封住一级缸体20的内表面与一级置换器22的外表面之间的间隙的气体流动的一级密封件39。因此，一级高温端23a与一级低温端23b之间的工作气体流动经由一级蓄冷器30。

二级冷却部50具备二级缸体51、二级置换器52、二级蓄冷器60、二级膨胀室55及二级冷却台85。二级缸体51为中空的气密容器。二级置换器52以能够沿轴向Q往复运动的方式设置于二级缸体51内。二级蓄冷器60具备填充于二级置换器52内的二级蓄冷材料。因此，二级置换器52为容纳二级蓄冷材料的容器。二级膨胀室55在二级低温端53b处设置于二级缸体51内。二级膨胀室55的容积因二级置换器52的往复运动而发生变化。二级冷却台85在二级低温端53b处安装于二级缸体51的外侧。

在二级高温端53a，具体而言在二级蓄冷器60的高温侧，为了使氦气流出、流入二级蓄冷器60而设有二级高温侧流通路40-3。在图示的GM制冷机1中，二级高温侧流通路40-3将一级膨胀室31连接于二级蓄冷器60。在二级低温端53b，具体而言在二级蓄冷器60的低温侧，为了使氦气流出、流入二级膨胀室55而设有多个二级低温侧流通路54-2。在二级缸体51与二级置换器52之间设有封住二级缸体51的内表面与二级置换器52的外表面之间的间隙的气体流动的二级密封件59。因此，二级高温端53a与二级低温端53b之间的工作气体流动经由二级蓄冷器60。另外，二级冷却部50也可以构成为容许少量气体在二级缸体51与二级置换器52之间的间隙中流动。

GM制冷机1具备连接气体压缩机3和冷头10的配管7。在配管7上设有高压阀5及低压阀6。GM制冷机1构成为高压氦气从气体压缩机3经由高压阀5及配管7供给至一级冷却部15。并且，GM制冷机1构成为低压氦气从一级冷却部15经由配管7及低压阀6向气体压缩机3排气。

GM制冷机1具备用于使一级置换器22及二级置换器52的往复运动的驱动马达8。通过驱动马达8，一级置换器22及二级置换器52沿着轴向Q一体地往复运动。并且，驱动马达8与高压阀5及低压阀6连结，以便与该往复运动联动选择性地切换高压阀5的开阀与低压阀6的开阀。如此，GM制冷机1构成为适当地切换工作气体的吸气行程与排气行程。

对上述结构的GM制冷机1的动作进行说明。首先，当一级置换器22及二级置换器52分别位于一级缸体20及二级缸体51内的下止点或其附近时，高压阀5被打开。一级置换器22及二级置换器52从下止点朝向上止点移动。在此期间低压阀6保持关闭。

高压氦气从气体压缩机3流入一级冷却部15。高压氦气从一级高温侧流通路40-1流入一级置换器22的内部，并通过一级蓄冷器30被冷却至规定的温度。被冷却的氦气从一级低温侧流通路40-2流入一级膨胀室31。流入到一级膨胀室31的高压氦气的一部分从二级高温侧流通路40-3流入二级置换器52的内部。该氦气通过二级蓄冷器60被冷却至更低的规定的温度，并从二级低温侧流通路54-2流入二级膨胀室55。其结果，一级膨胀室31及二级膨胀室55内成为高压状态。

当一级置换器22及二级置换器52分别到达一级缸体20及二级缸体51内的上止点或其附近时，高压阀5被关闭。几乎与此同时，低压阀6被打开。一级置换器22及二级置换器52这次从上止点朝向下止点移动。

一级膨胀室31及二级膨胀室55内的氦气被减压并膨胀。其结果，氦气被冷却。并且，一级冷却台35及二级冷却台85分别被冷却。低压氦气通过与上述相反的路径，分别冷却一级蓄冷器30及二级蓄冷器60的同时，经由低压阀6及配管7返回到气体压缩机3中。

当一级置换器22及二级置换器52分别到达一级缸体20及二级缸体51内的下止点或其附近时，低压阀6被关闭。几乎与此同时，高压阀5再次被打开。

GM制冷机1将以上动作作为1个循环，反复进行该循环。如此，GM制冷机1能够在一级冷却台35、二级冷却台85上从分别与其热连接的冷却对象物(未图示)吸收热量而进行冷却。

一级高温端23a的温度例如为室温。一级低温端23b及二级高温端53a(即一级冷却台35)的温度在例如约20K～约40K的范围内。二级低温端53b(即二级冷却台85)的温度为例如约4K。

如此，GM制冷机1具备被冷却至从约30K至约80K的中间温度范围的部位(以下有时称为中间温度部)。在一种实施方式中，基于一级冷却部15的一级冷却台35的冷却温度为约30K与约80K之间。在这种情况下，中间温度部被分为一级冷却部15和二级冷却部50。例如，当一级冷却台35的冷却温度为约40K时，中间温度部中高温侧的约40K至约80K的温度范围形成于一级冷却部15的低温侧，中间温度部中低温侧的约30K至约40K的温度范围形成于二级冷却部50的高温侧。

另外，当一级冷却部15的冷却温度为低于约30K的低温时，一级冷却部15具有中间温度部。当一级冷却部15的冷却温度为高于约80K的高温时，二级冷却部50具有中间温度部。另外，中间温度部也可以为被冷却至约30K至约65K的温度范围的部位。

图2是表示各种金属的容积比热与温度之间的关系的图表。根据图2，锌的容积比热与铜的容积比热在80K下大致相等。在低于80K的低温下，锌的容积比热大于铜的容积比热。并且，在30K下，锌的容积比热与铋及锡的容积比热大致相等，在高于30K的高温下，锌的容积比热大于铋及锡的容积比热。铋及锡为作为代替铅的蓄冷材料能够在约5K至约30K的温度下使用的代表性物质。

因此，本发明的一种实施方式所涉及的蓄冷器部具备高温部、中间温度部及低温部，该高温部具备第1蓄冷材料，该中间温度部具备第2蓄冷材料，该低温部具备第3蓄冷材料。详细内容后述，第2蓄冷材料具备锌系蓄冷材料(zinc based regenerator material)。第1蓄冷材料为与第2蓄冷材料不同的蓄冷材料，由适合高于80K(或65K)的温度范围的材料形成。第1蓄冷材料由在该较高的温度范围的至少一部分中具有高于锌系蓄冷材料的比热的材料形成。第3蓄冷材料为与第2蓄冷材料不同的蓄冷材料，由适合低于30K的温度范围的材料形成。第3蓄冷材料由在该较低的温度范围的至少一部分中具有高于锌系蓄冷材料的比热的材料形成。

图3是表示本发明的一种实施方式所涉及的一级蓄冷器30的结构的示意图。一级蓄冷器30具有将N片(N为2以上的自然数)层状的一级蓄冷材料沿着层叠方向P层叠而成的层叠结构。一级蓄冷材料具有例如金属丝网32-1～32-N。层叠方向P与工作气体的流动方向大致平行。换言之，工作气体在一级蓄冷器30中沿着层叠方向P移动。并且，层叠方向P与冷头10的轴向Q即一级置换器22的移动方向大致平行(参考图1)。

构成各层的金属丝网32-1～32-N将具有规定的线径及规定的材质的线材编织而形成。由构成各层的金属丝网32-1～32-N确定的面与层叠方向P大致正交。当氦气在一级蓄冷器30中沿着层叠方向P流动时，通过构成各层的金属丝网32-1～32-N的多个开口33。

金属丝网32-1～32-N优选为约100网目以上的金属丝网。众所周知，网目为表示每1英寸的网格数量的单位。当使用低于约100网目的金属丝网时，线材所占空间的体积减小，作为蓄冷材料并没有效果。并且，因制造方面的原因，金属丝网32-1～32-N优选为约400网目或约250网目以下的金属丝网。

一级蓄冷器30在高温侧部分42与低温侧部分44中具有不同的结构。一级蓄冷器30构成为在蓄冷式制冷机(例如GM制冷机1)正常工作时高温侧部分42与低温侧部分44之间的边界46的温度成为80K左右(或65K左右)。边界46与工作气体的流动方向大致垂直。

配置于高温侧部分42的一级蓄冷材料具备铜系蓄冷材料。铜系蓄冷材料由铜或以铜为主成分的合金制成。铜系蓄冷材料也可以由例如磷青铜、赤黄铜、纯铜、韧铜或无氧铜形成。并且，配置于高温侧部分42的一级蓄冷材料也可以具备如不锈钢等的铁系蓄冷材料。因此，N片金属丝网32-1～32-N中的高温侧的金属丝网由这样的铜系或铁系的线材37形成。线材37可以具备铜系或铁系的基材、及包覆基材的涂布层。涂布层可以为了保护基材而进行设置。涂布层可以包含铬。

配置于低温侧部分44的一级蓄冷材料具备锌系蓄冷材料。锌系蓄冷材料由锌或以锌为主成分的合金(以下有时将这些统称为锌系金属)制成。当锌系蓄冷材料由锌制成时，锌系蓄冷材料可以包含不可避免的杂质。以锌为主成分的合金可以包含至少约50质量百分比的锌。以锌为主成分的合金还可以包含铬。

在一种实施方式中，N片金属丝网32-1～32-N中的低温侧的金属丝网由这样的锌系的线材34形成。线材34可以具备锌系的基材、及包覆基材的涂布层。涂布层可以为了保护基材而进行设置。涂布层可以包含铬。

并且，在另一实施方式中，线材34可以具备基材及包覆基材的锌系金属的层。将其示例于图4。图4是本发明的一种实施方式所涉及的一级蓄冷器30的低温侧的线材34的剖视图。如图4所示，线材34可以具备基材34a及包覆基材34a的锌系金属的层34b。基材34a与高温侧同样地由铜系或铁系的线材形成。锌系金属的层34b通过对基材34a进行电镀处理而形成。另外，在层34b之上可以进一步形成用于保护层34b的涂布层。

若层34b过薄，则由层34b产生的比热增大效果变弱。另一方面，若层34b过厚，则金属丝网的开口变小而导致流路阻力增大或者基材34a变细而导致热传导变差。因此，在将线材34截面上的基材34a的直径称为d1、层34b的外径称为d2(参考图3)时，优选线材34的直径之比d2/d1为例如1.3至1.5的范围内。

在一种实施方式中，可以将上述中间温度范围中的基材34a的导热系数设为大于层34b的导热系数。基材34a优选采用在铜系材料中导热系数更大的材料例如导热系数大于磷青铜的赤黄铜、纯铜、韧铜或无氧铜。通过将基材34a的导热系数设为较大来促进通过基材34a的热传导，从而能够降低蓄冷材料在径向(与层叠方向P正交的方向)上的温度差。这有助于提高一级蓄冷器30中的换热效率。

在一种实施方式中，配置于低温侧部分44的一级蓄冷材料可以具备形成为球状的锌系蓄冷材料。

图5是表示本发明的一种实施方式所涉及的二级蓄冷器60的结构的示意图。二级蓄冷器60在高温侧部分62和低温侧部分64中具有不同的结构。二级蓄冷器60构成为在蓄冷式制冷机(例如GM制冷机1)正常工作时高温侧部分62与低温侧部分64之间的边界66的温度成为30K左右。

二级蓄冷材料由形成为例如球状的粒子构成。因此，可以在边界66设置用于将高温侧部分62和低温侧部分64分隔的分隔部件。边界66与工作气体的流动方向大致垂直。粒径在例如0.1mm至1mm的范围或0.2mm至0.5mm的范围内。高温侧部分62中的粒径可以大于低温侧部分64中的粒径。

配置于高温侧部分62的二级蓄冷材料具备锌系蓄冷材料。如上所述，锌系蓄冷材料由锌系金属制成。因此，在二级蓄冷器60的高温侧填充有例如球状的锌粒。在另一实施方式中，高温侧部分62可以构成为与一级蓄冷器30的低温侧同样。即，高温侧部分62可以具备具有由锌系金属形成的部分(例如基材或层)的金属丝网。

配置于低温侧部分64的二级蓄冷材料可以为HoCu₂等所谓的磁性蓄冷材料。磁性蓄冷材料将比热随着超低温环境下的磁相变化而增大的磁性体用作蓄冷材料。或者，配置于低温侧部分64的二级蓄冷材料可以由如铋、锡或铅等在二级低温端53b的温度下的高比热材料形成。

另外，从环保方面考虑，锌系蓄冷材料优选不含铅(除了属于不可避免的杂质的情况外)。同样地，关于锌系蓄冷材料以外的蓄冷材料也优选不含铅(除了属于不可避免的杂质的情况外)。

根据本实施方式，在制冷机的高温部、中间温度部及低温部分别配置有高温用蓄冷材料、中间温度用蓄冷材料及低温用蓄冷材料。尤其，通过在中间温度部使用锌系蓄冷材料，由此能够提高一级蓄冷器30的低温部及二级蓄冷器60的高温部的比热。其结果，能够提高一级蓄冷器30及二级蓄冷器60中的换热效率，甚至能够提高制冷机的制冷能力。

附带说明一下，目前为止尚未得知在30K至80K的温度范围中利用锌或以锌为主成分的合金作为蓄冷式制冷机的蓄冷材料的技术。在已叙述的铜系材料中赤黄铜为以铜为主成分的铜与锌的合金。赤黄铜一般包含约90％的铜和约10％的锌。锌的比例最多为约20％。因此，赤黄铜并不是以锌为主成分的合金。

图6是表示本发明的一种实施方式所涉及的蓄冷式制冷机的制冷能力的图表。在图6中示出利用GM制冷机1实际测量的一级冷却台35的温度与制冷能力之间的关系。在图6所示的图表中，圆形符号表示未对一级蓄冷器30的金属丝网实施锌电镀时的测定结果，方形表示对一级蓄冷器30的低温侧的金属丝网实施锌电镀时的测定结果。

从该图表可知，在约50K以下的温度范围内，与未实施锌电镀时的一级制冷能力相比，实施锌电镀时的一级制冷能力得到了提高。例如，通过实施电镀，在40K下的一级制冷能力从未进行电镀时的46.6W提高至51.6W，按比率计算提高了约11％。越是低温，锌电镀的效果越大。例如，通过实施电镀，在30K下的一级制冷能力从未进行电镀时的18.7W提高至30.0W，按比率计算提高了约60％。

以上，根据实施例对本发明进行了说明。本发明并不限定于上述实施方式，本领域技术人员可以理解，能够实施各种设计变更，且能够实施各种变形例，并且这种变形例也在本发明的范围内。

在上述实施方式中，二级蓄冷器在低温测具备与锌系蓄冷材料不同的蓄冷材料，但并不限于此。二级蓄冷器也可以在低温侧具备锌系蓄冷材料。在这种情况下，整个二级蓄冷器可以由例如球状的锌粒形成。这样的锌粒能够低价获得。因此，与使用铋等代替铅的蓄冷材料的情况相比，能够低价制造二级蓄冷器。这种结构适合于二级低温端的温度为高于约10K的高温的制冷机。

然而，用作工作气体的氦的比热峰值为10K左右。并且，氦的密度差峰值也与比热峰值大致同样地为10K左右(在此，氦的密度差是指氦为高压(从压缩机供给的供给压)时的密度与氦为低压(膨胀后的压力)时的密度之差)。因此，当二级蓄冷器的低温端被冷却至4K水平时，氦的比热及密度差峰值在轴向(氦的流动方向)上出现在二级蓄冷器的中间部分。

本发明人发现，通过在工作气体的比热及高压/低压的密度差峰值区域中减小蓄冷材料的比热，能够提高蓄冷式制冷机的制冷能力。通过在上述中间部分设置比热较小的蓄冷材料，能够使该部分的温度变得较高(这相当于与利用比热较大的蓄冷材料构成整个二级蓄冷器的情况相比，缓和二级蓄冷器的温度特性曲线)。如此通过提高中间部分的温度，能够减少停滞在该部分的气体量。因此认为，能够增加流入二级膨胀室的气体量，结果能够提高冷却效果。

因此，在另一实施方式中，二级蓄冷器60可以具备被冷却至约5K至约30K(或约20K)的温度范围的部位，该部位可以具备锌系蓄冷材料。在这种情况下，二级蓄冷器60构成为在蓄冷式制冷机(例如GM制冷机1)正常工作时高温侧部分62与低温侧部分64之间的边界66的温度成为5K左右(例如5K以上8K以下)。并且，二级蓄冷器60还可以在比边界66更靠高温侧(高于20K的高温)具备另1个边界。可以在该另1个边界的低温侧设置锌系蓄冷材料，在高温侧设置在该温度下比热大于锌系蓄冷材料的蓄冷材料。或者，二级蓄冷器60可以在该另1个边界的高温侧具备锌系蓄冷材料，在低温侧设置在该温度下比热大于锌系蓄冷材料的蓄冷材料。

图7是表示本发明的一种实施方式所涉及的二级蓄冷器160的结构的示意图。二级蓄冷器160具备高温侧蓄冷部162和低温侧蓄冷部164。高温侧蓄冷部162与低温侧蓄冷部164彼此相邻。二级蓄冷器160构成为在蓄冷式制冷机(例如GM制冷机1)正常工作时高温侧蓄冷部162与低温侧蓄冷部164之间的边界166的温度成为例如约5K～约10K。

高温侧蓄冷部162具备第1区段168、及与第1区段168的低温侧相邻的第2区段170。高温侧蓄冷部162具有第1区段168与第2区段170之间的边界172。第1区段168具备锌系蓄冷材料(例如锌等锌系金属)。第2区段170具备与锌系蓄冷材料不同的非磁性蓄冷材料。该非磁性蓄冷材料在第2区段170或边界166的温度(例如约10K)中的容积比热大于锌系蓄冷材料(例如锌)的容积比热。非磁性蓄冷材料例如为铋。在一种实施方式中，非磁性蓄冷材料可以为锡。或者，在一种实施方式中，非磁性蓄冷材料可以含有铋和/或锡。

低温侧蓄冷部164具备第3区段174、及与第3区段174的低温侧相邻的第4区段176。低温侧蓄冷部164具有第3区段174与第4区段176之间的边界178。在第3区段174及第4区段176填充有磁性蓄冷材料。在第3区段174填充有第1磁性蓄冷材料例如HoCu₂，在第4区段176填充有与第1磁性蓄冷材料不同的第2磁性蓄冷材料例如Gd₂O₂S(GOS)。在一种实施方式中，在低温侧蓄冷部164可以填充一种磁性蓄冷材料。

二级蓄冷材料由形成为例如球状的粒子构成。因此，分隔部件可以分别设置于边界166、172、178。边界166、172、178与工作气体的流动方向大致垂直。

图8是表示本发明的一种实施方式所涉及的蓄冷式制冷机的性能测试结果的图表。在图8中示出利用具备图7所示的二级蓄冷器160的GM制冷机1实际测量的一级冷却台35及二级冷却台85各自的温度与高温侧蓄冷部162中的第1区段168的容积比(即第1区段168的容积相对于高温侧蓄冷部162的总容积所占的比例)之间的关系。对一级冷却台35及二级冷却台85分别施加有某一热负载。以菱形标记表示一级冷却台35的测定温度，以正方形标记表示二级冷却台85的测定温度。

在该实施方式中，在高温侧蓄冷部162的第1区段168填充有锌，在高温侧蓄冷部162的第2区段170填充有铋。因此，当图8所示的第1区段168的容积比为1时，高温侧蓄冷部162仅由锌构成，不含铋。当容积比为0时，相反地，高温侧蓄冷部162仅由铋构成，不含锌。当容积比为例如0.5时，高温侧蓄冷部162中在高温侧的一半填充有锌，高温侧蓄冷部162中在低温侧的一半填充有铋。

如图8所示，随着高温侧蓄冷部162中的第1区段168的容积比(即，高温侧蓄冷部162中的锌系蓄冷材料或锌的容积比)从0增大至1，一级冷却台35的温度下降。这与参考图6说明的一级制冷能力的提高是相同的原理。另一方面，随着高温侧蓄冷部162中的第1区段168的容积比增大，二级冷却台85的温度稍微上升。

因此，如图所示，欲将一级冷却台35的温度及二级冷却台85的温度这两者均设为较低的低温时，高温侧蓄冷部162中的第1区段168的容积比存在最佳值。高温侧蓄冷部162中的第1区段168的容积比优选选自0.4至0.8的范围，更优选选自0.5至0.7的范围。通过使用这样的容积比将高温侧蓄冷部162设为锌与铋的双层结构，由此能够良好地对一级冷却台35及二级冷却台85这两者进行冷却。

图9是表示本发明的一种实施方式所涉及的二级蓄冷器160的温度特性曲线的一例的图。在图9中示出将从二级蓄冷器160的高温端至低温端的距离标准化为1时的二级蓄冷器160的温度特性曲线。二级蓄冷器160的温度特性曲线并不是从高温端朝向低温端线性减小的曲线，在高温端处具有大幅度的温度下降。如图9所示，在二级蓄冷器160的高温端(标准化距离为0)的温度为40K左右，在低温端(标准化距离为1)的温度低于5K。二级蓄冷器160的温度特性曲线在标准化距离的例如0.2～0.4的范围中下降至10K左右。

在图9中示出填充于高温侧蓄冷部162的非磁性蓄冷材料不同的4种情况。其中，在3种情况下，在高温侧蓄冷部162填充有一种蓄冷材料(铅(Pb)、铋(Bi)、锌(Zn))。其余1种情况下，在高温侧蓄冷部162中的第1区段168的容积比为0.5(Zn:Bi＝1:1)。

由附图可知，当Zn:Bi＝1:1时，在标准化距离的约0.2～约0.4的范围中的温度最高。由此，能够得到最“平缓的”温度特性曲线。因此，如上所述能够提高二级制冷能力。

在上述实施方式中，对线材34的截面为各向同性的即圆形的情况进行了说明，但不限于此。图10是本发明的另一实施方式所涉及的金属丝网的线材234的剖视图。线材234具备基材234a及覆盖该基材234a的锌系金属的层234b。与图4所示的基材34a同样地，基材234a由铜系或铁系的线材形成。线材234的截面在层叠方向P上的宽度W1小于在截面内与层叠方向P交叉的方向(例如与层叠方向P正交的方向R)上的宽度W2。尤其，线材234的表面具有在层叠方向P上彼此对置的2个平面部236、238。这种线材234可以通过对例如截面为圆形的基材实施轧制处理并利用锌系金属包覆如此处理的基材而形成。

图11是将具有图10所示的线材234的金属丝网层叠2片时的剖视图。若将由线材234构成的金属丝网沿着层叠方向P层叠，则上侧的金属丝网的线材234的下侧平面部238与下侧的金属丝网的线材234的上侧平面部236接触。此时，它们的接触面积大于例如线材的截面为圆形时的接触面积。因此，能够使填充时的接触应力分散，从而能够减轻涂布层的损伤。

在上述实施方式中，对一级蓄冷器30具有将N片金属丝网32-1～32-N沿着层叠方向P层叠而成的层叠结构的情况进行了说明，但并不限于此。例如，一级蓄冷材料也可以具有将形成有多个孔的金属板或多孔金属板层叠多片而成的层叠结构。在这种情况下，可以在低温侧的金属板上设置由电镀形成的涂布层。关于二级蓄冷器60也可以同样地具备这样的有孔金属板。

在上述实施方式中，以GM制冷机1为例子进行了说明，但并不限于此，实施方式所涉及的蓄冷器部也可以搭载于其他种类的蓄冷式制冷机例如GM型或斯特林型脉冲管制冷机、斯特林制冷机、索尔凡制冷机上。

并且，在上述实施方式中，以二级式蓄冷式制冷机为例子进行了说明，但并不限于此，实施方式所涉及的蓄冷器部也可以搭载于单级式或三级以上的蓄冷式制冷机上。单级式的情况下，为了得到基于锌系蓄冷材料的制冷能力的提高，优选使用构成为提供80K以下的冷却温度的蓄冷式制冷机。

搭载有实施方式所涉及的蓄冷材料的GM制冷机1或其他蓄冷式制冷机可以用作超传导磁铁、低温泵、X射线检测仪、红外线传感器、量子光子检测仪、半导体检测仪、稀释制冷机、He3制冷机、绝热去磁制冷机、氦液化器、低温恒温器等中的冷却机构或液化机构。

Claims (18)

1.一种蓄冷式制冷机，其特征在于，具备：

蓄冷器部，对工作气体进行预冷；及

膨胀机，通过使由所述蓄冷器部预冷的工作气体膨胀而使所述工作气体冷却，

所述蓄冷器部具备由锌或以锌为主成分的合金制成的锌系蓄冷材料。

2.根据权利要求1所述的蓄冷式制冷机，其特征在于，

所述蓄冷器部具备被冷却至30K至80K的温度范围的部位，该部位具备所述锌系蓄冷材料。

3.根据权利要求1或2所述的蓄冷式制冷机，其特征在于，

所述蓄冷器部具备在高温侧具备所述锌系蓄冷材料的二级蓄冷器。

4.根据权利要求3所述的蓄冷式制冷机，其特征在于，

所述二级蓄冷器具备被冷却至5K至30K的温度范围的部位，该部位具备所述锌系蓄冷材料。

5.根据权利要求3或4所述的蓄冷式制冷机，其特征在于，

所述二级蓄冷器在低温侧具备与所述锌系蓄冷材料不同的蓄冷材料。

6.根据权利要求3或4所述的蓄冷式制冷机，其特征在于，

所述二级蓄冷器在低温侧具备所述锌系蓄冷材料。

7.根据权利要求3或4所述的蓄冷式制冷机，其特征在于，

所述二级蓄冷器在所述高温侧具备具有第1区段和与所述第1区段的低温侧相邻的第2区段的高温侧蓄冷部，

所述第1区段具备所述锌系蓄冷材料，所述第2区段具备与所述锌系蓄冷材料不同的非磁性蓄冷材料。

8.根据权利要求7所述的蓄冷式制冷机，其特征在于，

与所述锌系蓄冷材料不同的非磁性蓄冷材料具备铋或锡。

9.根据权利要求7或8所述的蓄冷式制冷机，其特征在于，

所述高温侧蓄冷部中的所述第1区段的容积比在0.4至0.8的范围内。

10.根据权利要求7或8所述的蓄冷式制冷机，其特征在于，

所述高温侧蓄冷部中的所述第1区段的容积比在0.5至0.7的范围内。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的蓄冷式制冷机，其特征在于，

所述二级蓄冷器具备与所述高温侧蓄冷部的低温侧相邻的低温侧蓄冷部，所述低温侧蓄冷部具备磁性蓄冷材料。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的蓄冷式制冷机，其特征在于，

所述蓄冷器部具备在低温侧具备所述锌系蓄冷材料的一级蓄冷器。

13.根据权利要求12所述的蓄冷式制冷机，其特征在于，

所述一级蓄冷器在高温侧具备与所述锌系蓄冷材料不同的蓄冷材料。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的蓄冷式制冷机，其特征在于，

所述锌系蓄冷材料形成为球状或层状。

15.根据权利要求14所述的蓄冷式制冷机，其特征在于，

所述锌系蓄冷材料具备包覆基材的锌或以锌为主成分的合金的层。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的蓄冷式制冷机，其特征在于，

所述锌系蓄冷材料不含铅。

17.一种一级蓄冷器，其特征在于，

所述一级蓄冷器具备高温部及低温部，所述高温部具备第1蓄冷材料，所述低温部具备与所述第1蓄冷材料不同的第2蓄冷材料，所述第2蓄冷材料具备由锌或以锌为主成分的合金制成的锌系蓄冷材料。

18.一种二级蓄冷器，其特征在于，

所述二级蓄冷器具备高温部及低温部，所述高温部具备第2蓄冷材料，所述低温部具备与所述第2蓄冷材料不同的第3蓄冷材料，所述第2蓄冷材料具备由锌或以锌为主成分的合金制成的锌系蓄冷材料。