CN106225288A - 冷头的制造方法 - Google Patents

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Abstract

提高蓄冷材粒子相对于冷头的载物台的充填率，且抑制制冷剂气体的通气性的降低。本发明的冷头的制造方法，具备：在蓄冷容器内充填第一蓄冷材粒子群的工序、以及在所述蓄冷容器内，由金属网材与所述第一蓄冷材粒子群分隔并充填第二蓄冷材粒子群的工序，作为所述金属网材，使用具有长边的长度在所述蓄冷材粒子群的平均粒径的1/10以上、1/2以下的四角形状的网孔并且具有被编织成网状且线径在20μm以上、90μm以下的金属线的网材。

Description

冷头的制造方法
本申请是名称为“冷头、超电导磁铁、检查装置以及低温泵”、国际申请日为2013年10月22日、国际申请号为PCT/JP2013/006243、国家申请号为201380055221.2的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及冷头的制造方法。
背景技术
近年，超导技术的发展显著，使用磁共振图像(Magnetic Resonance Imaging：MRI)装置、核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance：NMR)装置等各种各样的检查装置。为了使用超导技术，有必要实现10K以下甚至4K以下的极低温。为了实现这样的极低温，使用被称为冷头的冷冻机。
作为冷头，有吉福特－麦克马洪方式(GM方式)、斯特林方式、脉冲方式这样的各种各样的方式。无论哪种方式，为了得到极低温，都在被称为载物台的蓄冷容器充填蓄冷材。
根据冷头的设计，存在载物台为1个载物台的情况、被分为2个载物台等多个的情况。使氦气穿过该载物台，利用蓄冷材的体积比热，得到极低温。
用于得到4K以下的极低温的冷头的一例在2个载物台(2级蓄冷器)具有铅蓄冷材、HoCu2蓄冷材、GOS蓄冷材(钆硫氧化物蓄冷材)3层构造。
上述冷头通过使氦气等制冷剂气体绝热膨胀，能够得到极低温。这样，在用于得到极低温的冷头中，在载物台层状地充填多种蓄冷材。
在使用多种蓄冷材的情况下，由于每一个的比热峰值温度不同，所以，不能将蓄冷材混合来使用。为此，在使用多种蓄冷材的情况下，由金属网材将其层间分隔。
作为蓄冷材，例如，使用粒径在0.01mm以上、3mm以下的粒子为90％以上，且长宽比在5以下的粒子为90％以上的粒径一致的蓄冷材粒子群。
在由金属网材将多种蓄冷材粒子群分隔时，产生蓄冷材粒子堵塞金属网材的网孔的问题。若蓄冷材粒子堵塞网孔，则制冷剂气体的通气性降低。
由于在由蓄冷材粒子进行的蓄冷中，利用由蓄冷材粒子的体积比热产生的绝热膨胀，所以，优选将尽可能多的蓄冷材粒子充填在载物台内。为此，蓄冷材粒子群被充填成紧贴金属网材。在此基础上，必须确保制冷剂气体的通气性。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-090854号公报
专利文献2：专利第2609747号公报
专利文献3：专利第3769024号公报
发明内容
在本发明的一个方式中，以提高蓄冷材粒子的相对于冷头的载物台的充填率，且抑制制冷剂气体的通气性的降低为技术问题之一。
本发明的冷头的制造方法，具备：在蓄冷容器内充填第一蓄冷材粒子群的工序、以及在所述蓄冷容器内，由金属网材与所述第一蓄冷材粒子群分隔并充填第二蓄冷材粒子群的工序，所述冷头的制造方法的特征在于，作为所述金属网材，使用具有长边的长度在所述蓄冷材粒子群的平均粒径的1/10以上、1/2以下的四角形状的网孔并且具有被编织成网状且线径在20μm以上、90μm以下的金属线的网材。
实施方式的冷头具备载物台，所述载物台具有蓄冷材粒子群；和将蓄冷材粒子群分隔的金属网材。金属网材具有四角形状的网孔。网孔的长边的长度在蓄冷材粒子群的平均粒径的1/10以上、1/2以下。
实施方式的超导磁铁、检查装置、低温泵具备冷头。
附图说明
图1是表示实施方式的冷头的第2载物台的构造例的图。
图2是表示实施方式的冷头的第2载物台的构造例的图。
图3是表示金属网材的构造例的图。
图4是表示金属网材的截面的一例的图。
图5是表示金属网材的截面的其它的例的图。
图6是表示金属网材的叠层的构造例的图。
具体实施方式
本实施方式的冷头具有第1载物台以及第2载物台。作为冷头的方式，能够应用GM方式、斯特林方式或者脉冲方式这样的各种各样的方式。在任意一种情况下，都为了得到10K以下甚至5K以下的极低温，而在第1载物台以及第2载物台充填蓄冷材。作为第1载物台的蓄冷材例如能够使用铜网材。
参见图1以及图2，对第2载物台的构造例进行说明。图1以及图2是表示冷头的第2载物台的构造例的图。
图1所示的第2载物台是二层式的载物台，具有蓄冷材粒子群1、蓄冷材粒子群2、蓄冷容器3和金属网材4。图2所示的第2载物台是三层式的载物台，具有蓄冷材粒子群1、蓄冷材粒子群2、蓄冷容器3、金属网材4和蓄冷材粒子群5。如图1以及图2所示，第2载物台具有分别充填了由金属网材4分隔的多个蓄冷材粒子群的2个以上甚至3个以上的多个蓄冷材充填层。
图1所示的第2载物台隔着金属网材4充填蓄冷材粒子群1和蓄冷材粒子群2。据此，被分隔为充填了蓄冷材粒子群1的第1蓄冷材充填层和充填了蓄冷材粒子群2的第2蓄冷材充填层这2层。
在图2所示的第2载物台隔着金属网材4充填蓄冷材粒子群1、蓄冷材粒子群2和蓄冷材粒子群5。据此，第2载物台被分隔成充填了蓄冷材粒子群1的第1蓄冷材充填层、充填了蓄冷材粒子群2的第2蓄冷材充填层和充填了蓄冷材粒子群5的第3蓄冷材充填层这3层。这样，也可以将第2载物台做成具有由金属网材4分隔的2个以上或3个以上的区域的构造。另外，在图1以及图2中，举例表示了将第2载物台分隔为2层或3层的构造，但是，并不限定于此，也可以分隔成4层以上。
金属网材4将蓄冷材粒子群1、蓄冷材粒子群2、蓄冷材粒子群5分隔。金属网材4例如也可以与蓄冷材粒子群1、蓄冷材粒子群2、蓄冷材粒子群5的至少一个接触。
参见图3，对金属网材4的构造例进行说明。图3是表示金属网材4的构造例的图。图3所示的金属网材4具有网孔6和金属线7。
优选网孔6的形状是四角形状。这里，四角形状例如指正方形或长方形。通过将网孔6的形状做成四角形状，即使充填蓄冷材粒子群，也能够在网孔6产生间隙。据此，由于能够抑制蓄冷材粒子群将网孔6堵塞，所以，能够抑制制冷剂气体的通气性的降低。另外，如图3所示，金属网材4通常是圆形。由此，端部的网孔6也可以不是四角形状。
在网孔6的形状为四角形状的情况下，优选网孔6的长边的长度在由金属网材4分隔的蓄冷材粒子群的平均粒径的1/2以下。例如，图3所示的网孔6的横向宽度T1、网孔6的纵向宽度T2中的长的那个成为上述长边。
若网孔6的长边的长度超过由金属网材4分隔的蓄冷材粒子群的平均粒径的1/2，则蓄冷材粒子容易在网孔6穿过，因此，种类不同的蓄冷材粒子群混杂，存在冷冻能力降低的可能性。为了即使充填蓄冷材粒子群，也在网孔6形成适度的间隙，优选四角形状的网孔6的长边的长度在由金属网材4分隔的蓄冷材粒子群的平均粒径的1/2以下，甚至在1/3以下。若长边的长度过短，则存在由蓄冷材粒子将网孔6完全堵住的情况。优选长边的长度在由金属网材4分隔的蓄冷材粒子群的平均粒径的1/10以上。
金属线7例如具有编织成网状的构造。此时，由金属线7包围的区域成为网孔6。另外，金属网材4并非一定限定于编织的构造。
优选金属线7的线径在20μm以上、90μm以下。在线径不足20μm时，成为金属网材4的强度降低、因金属网材4的制造困难而使得成本提高的主要原因。另外，若线径超过90μm，则制冷剂气体的通气性降低。为此，优选金属线7的线径在20μm以上、90μm以下，甚至在40μm以上、60μm以下。
图4是表示金属网材4的截面的一例。如图4所示，通过将金属网材4做成相对于金属线7A上下交替地编织金属线7B的构造，能够将网孔6的形状做成具有凹凸的立体形状。通过做成立体形状，能够使例如蓄冷材粒子群和金属网材4的接触面成为立体性的接触面。由于有效地抑制蓄冷材粒子对网孔6的封闭，所以，能够抑制制冷剂气体的通气性降低。
图5是表示金属网材4的截面的其它的例。如图5所示，也可以将金属线7A以及金属线7B的形状做成平板状。在为平板状的情况下，将宽度厚的那个作为线径。即使是平板状，也优选金属线7的线径在20μm以上、90μm以下。
优选金属网材4例如是铜网材。铜网材如前所述，作为第1载物台的蓄冷材被使用，即使设置在第2载物台，也能够抑制对冷冻能力的影响。另外，由于弹簧性也高，所以，即使因提高蓄冷材粒子的充填密度而赋予应力，也难以破损。另外，能够缓和冷头动作时的振动、制冷剂气体通气时的振动。其结果为，在使冷头长时间运转了时，能够抑制蓄冷材的破损。
再有，优选第2载物台具备多个金属网材4。此时，多个金属网材4被叠层。通过使用2个以上金属网材4的叠层，能够进一步提高弹簧性。据此，充填蓄冷材粒子群时的应力变大，能够缩短使充填密度高的工序。另外，若金属网材4的数量过多，则载物台内的充填蓄冷材粒子群的空隙变窄，因此，优选金属网材4的数量在5个以下。
通过使用2个以上的金属网材4的叠层，能够在使冷头长时间运转了时，进一步抑制蓄冷材的破损。其结果为，例如，即使连续运转了25000小时以上，甚至35000小时以上，也能够维持冷冻能力。
优选多个金属网材4被叠层成网孔的位置不一致(错开)。图6是表示多个金属网材的构造例的图。图6所示的金属网材4-2被叠层在金属网材4-1。此时，金属网材4-2的网孔与金属网材4-1的金属线重叠。如前所述，通过将金属网材做成立体地编织的形状，能够抑制蓄冷材粒子堵住金属网材的网孔，且抑制制冷剂气体的通气性的降低。
在多个金属网材4的叠层中，要使网孔的位置错开，有效的是使用网孔形状不同的多个金属网材。例如，优选在多个金属网材4的叠层中，网孔的一边的长度在金属网材4之间不同。据此，在使冷头连续运转了的情况下，即使因运转时的振动、气体压而使得蓄冷材破坏，也抑制金属网材的网孔堵塞。其结果为，能够长时间维持冷冻能力。上面是金属网材4的构造例的说明。
图1以及图2所示的蓄冷材粒子群(蓄冷材粒子群1、蓄冷材粒子群2、蓄冷材粒子群5)也可以是相互不同的种类。
优选被充填在第2载物台中的由金属网材分隔的各蓄冷材充填层的蓄冷材粒子群是从铅蓄冷材粒子群、钬铜蓄冷材粒子群、铒镍蓄冷材粒子群、铒钴蓄冷材粒子群、钆硫氧化物蓄冷材粒子群以及钆铝氧化物蓄冷材粒子群中选出的至少1种。在使用多种蓄冷材粒子群的情况下，优选选择比热峰值温度相同或按次序变低的组合。
例如，能够将多种蓄冷材粒子群的1个做成钬铜蓄冷材粒子群或铒镍蓄冷材粒子群。作为钬铜蓄冷材粒子群或铒镍蓄冷材粒子群，例如如专利第3769024号公报(专利文献3)所示，开发了形状因子R、强度也优异的钬铜蓄冷材粒子群或铒镍蓄冷材粒子群。
优选钬铜蓄冷材粒子例如是HoCu2或HoCu。优选铒镍蓄冷材粒子例如是ErNi或Er3Ni。
优选蓄冷材粒子群的平均粒径在200μm以上、300μm以下。通过使平均粒径在200μm以上、300μm以下，容易调制机械强度高的蓄冷材粒子。另外，在向第2载物台内充填时，能够提高充填密度，且能够形成用于维持制冷剂气体的通气性的间隙。
优选在蓄冷材粒子群中，粒径在150μm以上、350μm以下的范围的蓄冷材粒子的个数比例在95％以上。若粒径不足150μm的蓄冷材粒子多，则成为金属网材4的网孔6堵住的原因。另外，若粒径超过350μm的蓄冷材粒子多，则蓄冷材的充填密度变低，冷冻能力降低。为此，优选粒径在150μm以上、350μm以下的范围的蓄冷材粒子的个数比例例如在95％以上，更优选在98％以上，尤其优选是100％。
优选构成蓄冷材粒子群的蓄冷材粒子的形状为了使充填密度高，而是球体或者近似球体的形状。
优选在使构成蓄冷材粒子群的蓄冷材粒子的投影像的周长为L，使该投影像的实际面积为A时，用L2/4πA表示的形状因子R超过1.5的该蓄冷材粒子的比率在5％以下。用L2/4πA表示的形状因子R在1.5以下表示蓄冷材粒子的球状度高，表面平滑。若在表观上，即使是球体，也在表面存在多个微小的凹凸，则是形状因子R超过1.5的情况。
要充填成不在金属网材4和蓄冷材粒子群之间产生不需要的间隙，例如，优选给与蓄冷容器小的振动，充填蓄冷材粒子，使蓄冷材粒子彼此的间隙变小，此后，一面赋予应力，一面推压金属网材4并固定。这样，要有效地充填蓄冷材粒子群，有效的是赋予振动、应力。
在赋予蓄冷材粒子振动、应力的情况下，要求蓄冷材粒子的机械强度高。作为提高蓄冷材粒子的机械强度的手段之一，可列举出使形状因子R在1.5以下。通过消除表面的细微的凹凸，能够提高机械强度。优选形状因子R超过1.5的蓄冷材粒子的比率在5％以下，更优选在2％以下，尤其优选是0％。另外，优选蓄冷材粒子的形状因子R在1.2以下。
由于通过使蓄冷材粒子的形状因子R低，来使蓄冷材粒子的机械强度高，能够充填蓄冷材粒子，而不会在与金属网材4之间产生不需要的间隙，所以，能够提高冷冻能力。
在使用多种蓄冷材粒子群的情况下，优选至少在1个蓄冷材粒子群中，形状因子R在1.5以下的比率在5％以下。尤其是，优选在第2载物台内被配置在下侧的蓄冷材粒子群满足上述比率。这是因为在向第2载物台内充填蓄冷材粒子群时，从被配置在下侧的蓄冷材粒子群开始充填，配置在下侧的蓄冷材粒子群与配置在上侧的蓄冷材粒子群相比，受到振动、应力。另外，在使用多种蓄冷材粒子群的情况下，更优选在所有的蓄冷材粒子群中，形状因子R在1.5以下的比率在5％以下。
虽然在蓄冷材粒子群中，也可以分别单独地进行前述的粒径的控制和形状因子R的控制，但是，优选将两方组合。
在本实施方式的冷头中，调整金属网材的网孔的形状。据此，由于能够抑制由蓄冷材粒子群堵住网孔，所以，制冷剂气体的通气性的降低得到抑制。为此，能够向冷头的载物台充填多种蓄冷材粒子群，提高冷冻能力。因此，具备本实施方式的冷头的超导磁铁、检查装置、低温泵等各种装置的可靠性提高。
作为检查装置，可列举出MRI装置、NMR装置等。例如，MRI装置是能够利用磁气对人体随意地进行摄影的医疗设备。目前，MRI装置得到与X线CT(Computed Tomography：CT)装置等同以上的鲜明的图像，被用于血管摄影、有无脑内的动脉瘤、脑肿瘤等的摄影。
MRI装置进行的摄影并不限于定期体检，当然也有在急诊中进行的情况。为此，有必要使MRI装置总是运转，在任何时候都能够进行摄影。要使MRI装置总是运转，有必要使用于得到极低温的超导磁铁，还有具备超导磁铁的冷头成为运转状态。在本实施方式的冷头中，提高蓄冷材粒子的充填密度，在此基础上，抑制制冷剂气体的通气性的降低。据此，能够长期维持蓄冷材粒子所具有的冷冻能力。因此，能够得到冷头还有具备冷头的超导磁铁、检查装置、低温泵等各种装置的长期可靠性。
实施例
(实施例1至实施例10、比较例1)
作为蓄冷材粒子群，准备表1所示的具备蓄冷材粒子的样品。另外，在表1中，Pb粒子表示铅蓄冷材粒子。HoCu2粒子表示钬铜蓄冷材粒子。Er3Ni粒子表示铒镍蓄冷材粒子。GOS粒子表示钆硫氧化物蓄冷材粒子。GAP粒子表示钆铝氧化物蓄冷材粒子。HoCu粒子表示钬铜蓄冷材粒子。Er3Co粒子表示铒钴蓄冷材粒子。另外，形状因子R、粒径的控制根据形状分级进行。
[表1]
接着，作为金属网材，准备表2所示的铜网材样品。另外，编织构造“有”表示编织铜线而形成的金属网材样品，编织构造“无”表示蚀刻铜金属板而形成的金属网材样品。
[表2]
接着，将蓄冷材粒子群样品(样品1至样品9)以及金属网材样品(样品A至样品E)像表3所示那样组合，将冷头的第2载物台内做成2层构造或3层构造。此时，一面施加振动，以便使充填率尽可能高，一面充填蓄冷材粒子群。在各蓄冷材粒子群之间各叠层并配置3个金属网材样品。
相对于各实施例以及比较例，查验制冷剂气体的通气性。在制冷剂气体的通气性的调查中，在使比较例1的通气量为100时，通气量在120以上、不足141的冷头用三角标记表示，141以上的冷头用圆标记表示。其结果表示在表3。
[表3]
清楚了在有关实施例1至实施例10的冷头中，制冷剂气体的通气性高。尤其是在实施例2至实施例4、实施例6至实施例8中，制冷剂气体的通气性高。如上述所示，通过使蓄冷材粒子的形状、金属网材的网孔的形状最佳化，制冷剂气体的通气性的降低得到抑制。为此，能够发挥蓄冷材的性能，提高冷头的冷冻能力。
(实施例11至实施例13)
准备与实施例3相同的蓄冷材粒子的组合(样品1、样品3、样品6)。接着，作为金属网材准备样品B至样品D这3种，像表4那样叠层，制作有关实施例11至实施例13的冷头。
相对于有关实施例3以及实施例11至实施例13的冷头，查验连续运转后的冷冻能力的维持率。冷冻能力的维持率用比来表示使初期值的冷冻能力(W)为100时的20000小时后、30000小时后、40000小时后的冷冻能力(W)。另外，作为各实施例的冷头都是GM方式冷头，使用4.2K时的冷冻能力为0.5W的冷头。
[表4]
从表4可知，在有关实施例11至实施例13的冷头中，在20000小时后、30000小时后、40000小时后，冷冻能力的维持率也高。这种情况表示了即使蓄冷材因振动而被破坏，也难以产生金属网材的网堵塞。
在像实施例11至实施例13那样，将网孔的尺寸不同的金属网材叠层的冷头中，冷冻能力的维持率高。这种情况表示在被立体地编织的金属网材中，通过重合的金属网材的网孔的位置错开，金属网材的孔堵塞得到抑制。
再有，查验了在使用在脉冲方式冷头(4.2K的冷冻能力为0.5W)的情况下的连续运转后的冷冻能力的维持率。其结果表示在表5。
[表5]
从表5可知，就使用了脉冲式冷头的情况而言，也能够得到优异的特性。这种情况表示即使蓄冷材因振动而被破坏，也难以产生金属网材的孔堵塞。另外，在比较GM方式和脉冲方式时，由于脉冲方式比GM方式振动少，所以，冷冻能力的降低率低。
另外，上述实施方式是作为例子提出的实施方式，无意限定发明的范围。这些新的实施方式是也能够以其它的各种各样的方式实施的实施方式，在不脱离发明的主旨的范围，能够进行各种省略、置换和变更。这些实施方式及其变形也包含在发明的范围、主旨中，且包含在权利要求书记载的发明和其均等的范围中。
符号说明
1：蓄冷材粒子群；2：蓄冷材粒子群；3：蓄冷容器；4：金属网材；4-1：金属网材；4-2：金属网材；5：蓄冷材粒子群；6：网孔；7：金属线；7A：金属线；7B：金属线。

Claims (10)

1.一种冷头的制造方法，具备：
在蓄冷容器内充填第一蓄冷材粒子群的工序、以及
在所述蓄冷容器内，由金属网材与所述第一蓄冷材粒子群分隔并充填第二蓄冷材粒子群的工序，
所述冷头的制造方法的特征在于，
作为所述金属网材，使用具有长边的长度在所述第一蓄冷材粒子群以及第二蓄冷材粒子群的平均粒径的1/10以上、1/2以下的四边形状的网孔并且具有被编织成网状且线径在20μm以上、90μm以下的金属线的网材。
2.如权利要求1所述的冷头的制造方法，其特征在于，
所述金属网材是铜网材。
3.如权利要求1所述的冷头的制造方法，其特征在于，
在所述第一蓄冷材粒子群和所述第二蓄冷材粒子群之间配置被叠层的多个所述金属网材。
4.如权利要求3所述的冷头的制造方法，其特征在于，
所述多个金属网材中的所述网孔的一边的长度不同。
5.如权利要求3所述的冷头的制造方法，其特征在于，
将所述多个金属网材叠层成所述网孔的位置不一致。
6.如权利要求1所述的冷头的制造方法，其特征在于，
在所述蓄冷容器内形成充填了所述第一蓄冷材粒子群的第一蓄冷材充填层、以及充填了由与所述第一蓄冷材粒子群不同种类的蓄冷材构成的所述第二蓄冷材粒子群的第二蓄冷材充填层。
7.如权利要求1所述的冷头的制造方法，其特征在于，
所述第一蓄冷材粒子群以及第二蓄冷材粒子群是分别独立地从铅蓄冷材粒子群、钬铜蓄冷材粒子群、铒镍蓄冷材粒子群、铒钴蓄冷材粒子群、钆硫氧化物蓄冷材粒子群以及钆铝氧化物粒子群选出的至少1种。
8.如权利要求1所述的冷头的制造方法，其特征在于，
还具备在所述蓄冷容器内由所述金属网材与所述第二蓄冷材粒子群分隔并充填第三蓄冷材粒子群的工序。
9.如权利要求1所述的冷头的制造方法，其特征在于，
在所述第一蓄冷材粒子群以及所述第二蓄冷材粒子群中的至少一方，在将各自的粒子的投影像的周长设为L、将所述投影像的实际面积设为A时，用L2/4πA表示的形状因子R超过1.5的所述蓄冷材粒子的比率在5％以下。
10.如权利要求1所述的冷头的制造方法，其特征在于，
所述第一蓄冷材粒子群以及第二蓄冷材粒子群的平均粒径在200μm以上、300μm以下，
在所述第一蓄冷材粒子群以及第二蓄冷材粒子群中，粒径在150μm以上、350μm以下的范围的所述蓄冷材粒子的个数比例在95％以上。
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