CN1777782A - 热储存介质 - Google Patents

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Abstract

一般地使用稀土化合物的颗粒作为15°K以下低温范围的热储存介质。稀土的材料成本高昂。而且稀土是磁性的不适于所有的应用。根据本发明的用于非常低温范围的热储存介质由一个可浇注的和气密封的空心体(30)的集合(22)组成，其中每个空心体(30)含有一种低沸点气体填充物(34)作为储存介质，并且空心体壁(32)由金属制成。从而提供了一种相对价格低廉的热储存介质，其物理、化学、磁和机械特性可以通过相应的材料选择适合于相应的应用。

Description

热储存介质
技术领域
本发明涉及一种低温范围用的热储存介质，涉及一种低温冰箱用的回热器，并且涉及一种低温冰箱。
背景技术
低温冰箱通常是多级的气体冰箱，借助于低温冰箱可以达到15°K以下范围的温度。这样的气体冰箱按照不同的原理工作，例如按照杰富德-麦克马洪(Gifford-McMahon)原理、斯特林(Stirling)原理或者脉冲管原理工作。与工作原理无关，这些冰箱通常在热侧和冷侧之间的所谓冷却头的区域中包括一个工作流体流动的容积，所述容积充以热储存介质，并且称作回热器。工作流体经回热器交替地沿双方向流动并且用作工作流体吸收或者散发的热量的一种中间储存器。从而回热器起冷室中的工作流体与压缩机侧热室中的工作流体热分离的作用。为此目的，回热器必须具有与流经回热器中的流体相比尽可能高的热容量。尽管对于达到15°K的温度可以使用高级钢、青铜、铅或者其它金属体，但是对于显著低于上述温度的这是不可能的，因为从30°K及以下，这些金属的比热容量与氦的比热容量相比急剧地下降，并且在5°K以下的范围接近零。因此在非常低温的范围中，即在15°K以下的范围中，采用一种稀土化合物填充物作为回热器中的热储存介质，如例如在EP-A-0 411 591中所描述的那样。使用稀土化合物的一个缺点是其磁性，当这些化合物用在强磁场中时，例如用在磁共振断层成像时，所述磁性引起问题。而且，稀土化合物易氧化、发生振动时因其局部脆性而易于断裂，并且价格昂贵。氦和其它低沸点气体也适合用作非常低温度范围的储存介质。例如，在15°K以下的范围内，氦具有高的比热容量，其压力曲线最大值在约9°K处，从而在此温度范围内，所述热容量远高于金属的热容量。由DE-A-199 24 184公知一种其中使用氦作为热储存介质的回热器，类似于在热交换器，氦静止地储存在一个螺旋地缠绕的管子中或者在一个回热器壳中的管束中。可供选择地，回热器壳可以填充氦作为储存介质，而工作流体在穿过回热器壳的管子中流动。
然而对这种结构的回热器的检测却表明不能够达到4.2°K的目的温度，这是因为从含金属的氦和管子材料的高热量输入以及过小的接触表面。
US-A-4,359,872说明了用充氦玻璃球状体组成的填充物作热储存介质。玻璃球状体的壁厚必须相对地大，以在所要求的内部压力和低温度下具有足够的强度。
发明内容
本发明的目的是提供一种在非常低的温度范围内具有高的热容量的热储存介质、一种回热器和一种包括一种对非常低的温度有高的热容量的热储存介质的低温冰箱。
根据本发明，该目的通过权利要求1、10、11和12的特征达到。
根据本发明的热储存介质针对低温范围，例如低于15°K的温度，由一个气密封的空心体的集合组成，所述气密封的空心体可透过工作流体，其中每个空心体包括一种低沸点气体填充物作为热储存介质。低沸点气体是沸点低于30°K的气体。这例如对于气体氢、氦和氖是成立的，并且在事实上对所有其同位素也是成立的。低沸点气体在其性质上在低温有相对高的比热容量并且因此在低于30°K以下的温度适合用作储存介质。低沸点气体相对价格低廉并且可以封装在一种包括有一个非磁性的、机械上适当的、不氧化的并且价格低廉材料的空心体壁的空心体中。从而在化学特性、机械特性和磁性特性方面，所述热储存介质可以在结构上适合于其任何应用。而且，与管子和/或螺旋管相比，气密封的空心体提供相对较大的经其进行热交换的表面。这显著地促进热传输。
优选地，所述储存介质是一种空心体氦填充物。一种氦填充物是一种带有氦同位素，例如3He或者4He的填充物。在低于15°K以下的温度，储存介质氦具有相对高的比热容量，从而非常适于用作低达2°K范围温度的储存介质。而且可以以低价格得到氦。
优选地，在4°K的温度氦填充物具有大于0.5巴的压力，特别是一个高于临界压力的压力。在大于0.5巴的氦填充物压力下实现了一种绝对热容量，所述绝对热容量使得产生的热量能够储存在一个相对小的回热器中。这样的回热器与金属的储热器相比有非常紧凑的结构。
优选地，选择所述空心体壁的材料和厚度使热穿透深度至少等于壁厚的一倍。所述热穿透深度μ由以下方程式表达：
μ = 2 a f mod
式中a是选定的空心体壁材料在工作温度下(例如2°K)的温度传导率，而fmod是工作气体周期地交替流过热储存介质的调制频率。对于低温冰箱，工作频率fmod应当取1.0至10.0Hz的值。
空心体的壁由金属制成。金属和金属合金提供良好的热传导性和良好的机械特性，这使得能够实现小的空心体壁厚。空心体壁可以由铜、铝、银、黄铜、钢或者其它金属或者金属合金制成。可供选择地，空心体壁可以由陶瓷材料制成。
通过选择非铁磁金属作为空心体壁材料，可以提供适用于强磁场中的热储存介质，例如用于磁共振断层成像和类似物中，而不需要采取任何其它的措施。
根据一个优选实施方式，每个空心体具有一个小于3.0mm的直径。以小于3.0mm的直径，一个空心体的集合具有确保足够快速的热吸收或者热散发的一种大容积-比表面。典型的直径范围在0.2至0.7mm之间。
优选地，每个空心体具有大致为球形的形状。在空心体组成的填充物中，球形的形状的选取确保空心体表面、总空心体容积和跨总填充材料容积的填充物容积之间大致恒定确定的比例。
一种根据本发明的回热器，包括一个填充有上述热储存介质的壳体。一种根据本发明的低温冰箱，包括上述的回热器并且构成为一种回热循环、优选地构成为杰富德-麦克马洪、斯特林或者脉冲管冰箱，其中用氦作为工作流体。从而，氦分别地既用作储存介质，也用作工作流体。
附图说明
现在参照附图说明本发明的一个实施方式，在附图中：
图1示出一个冰箱的示意图，
图2示出带有由一个氦填充的空心体的集合(set)组成的填充物的冰箱回热器的剖视图，以及
图3示出一个氦填充的空心体的剖视图。
具体实施方式
图1示意地示出一个冰箱10，作为主要部件，包括一个压缩机12、一个回热器14和一个包括一个冷却头的膨胀室16。压缩机12以及回热器14和膨胀室16由管线18、20互连。
压缩机12压缩一种工作流体，优选地是氦，并且如果需要，预冷工作流体。接着，压缩了的工作流体流过气体管线18，然后流过回热器14，在回热器14处它向容纳在回热器14中的热储存介质散发热量。工作流体继续流到膨胀室16，在膨胀室16允许工作流体膨胀。冷却的工作流体从周围，特别是经由一个冷表面吸收热量，并且接着经管线20返回回热器14。当工作流体流过回热器14时，它吸收储存在热储存介质中的热量，并且经管线18返回到压缩机12。回热器14起压缩机12与膨胀室16之间的热隔离的作用。
冰箱10可以构成为杰富德-麦克马洪、斯特林或者脉冲管冰箱，然而它总体上可以在任何其它的回热循环中工作，其中回热器14用于在低温范围内中间储存热量的目的。低温范围覆盖0至15°K之间的范围。
回热器14主要由一个椭圆柱形壳体24组成，回热器14的一个纵剖面示于图2中，管线18、22终止于壳体24的横侧壳壁26、27上。回热器壳体24含有一个作为热储存介质的可浇注并且气密封的空心体的集合22，所述空心体30对于工作流体是可以透过气体的。回热器14可以被均匀地填充，也可以用不同热储存介质的不同层分层地填充。
所有空心体30具有大致相同的尺寸并且有大致为球形的形状。填充物还可以由不同直径的空心体组成。空心体壁32用铜或者任何其它金属或者金属合金制成，并且具有大约为0.2mm或者以下的厚度。空心体30的直径范围在0.2至2.0mm之间，但是可以更大，却不大于3.0mm。空心体30是气密封的并且含有一种氦填充物34。在室温下，氦填充物34具有大约200巴的压力，而在4°K的温度下具有几个巴的压力。例如，含有氦填充物34的空心体30可以通过一种其中融熔的空心体壁材料流过一个氦气体填充的冷却室的制造工序制造。空心体填充物可以用单个氦同位素或者不同的氦同位素的混合物组成，或者可以用氢或者氖或者上述元素的混合物组成。空心体壁的材料、工作气体交替地流过回热器的调制频率以及空心体的壁厚应当选择得使穿透深度μ至少等于壁厚的一倍。所述穿透深度μ由以下方程式表达：
μ = 2 a f mod
其中a是选定的空心体壁材料在工作温度下(例如4°K)的温度传导率，而fmod是工作气体周期地交替流过热储存介质的调制频率。对于低温冰箱，工作频率fmod应当取例如大约1.0Hz的值。
由气密封的和氦填充的空心体30组成的热储存介质在一个小的容积中，特别是在低于15°K的非常低的温度范围内具有高绝对热储存容量，这是由于在该温度范围内氦的高比热容量。
通过选择空心体壁32的一种适当的材料，所述热储存介质可以在其电气的、机械的和化学的要求方面理想地适合于其任何应用，例如，为了磁共振断层成像中的冷却目的，可以为空心体壁选择非磁性材料。
除了氦填充空心体30以外，回热器壳体可以含有布置在分开的层中或者与氦填充空心体30混合的其它热储存元件，例如由稀土合金制成的热储存元件。

Claims (12)

1.一种用于低温范围的热储存介质，由一个可浇注的体的集合(22)组成，其中所述体是气密封的空心体(30)，并且每个空心体(30)含有一种作为储存介质的低沸点气体的填充物(34)，其特征在于，空心体壁(32)由金属制成。
2.如权利要求1所述的热储存介质，其特征在于，空心体壁(32)由铜制成。
3.如权利要求1或2所述的热储存介质，其特征在于，所述空心体壁(32)的材料和壁厚选择使得热穿透深度至少等于壁厚的一倍。
4.如权利要求1-3之一所述的热储存介质，其特征在于，储存介质是氦的一种填充物(34)。
5.如权利要求4所述的热储存介质，其特征在于，氦填充物(34)在4°K的温度下具有大于0.5巴的压力。
6.如权利要求4或5所述的热储存介质，其特征在于，氦填充物(34)在室温下具有约200巴的压力。
7.如权利要求1-6之一所述的热储存介质，其特征在于，空心体壁(32)的壁厚小于1.0mm。
8.如权利要求1-7之一所述的热储存介质，其特征在于，空心体(30)大致是球形的形状。
9.如权利要求8所述的热储存介质，其特征在于，空心体(30)的直径小于3.0mm。
10.一种用于低温范围的热储存介质，由一个可浇注的体的集合(22)组成，其中所述体是气密封的空心体(30)，并且每个空心体(30)含有一种作为储存介质的低沸点气体的填充物(34)，其特征在于，空心体壁(32)由陶瓷材料制成。
11.一种用于低温冰箱(10)的回热器(14)，包括一个填充如利要求1-10之一所述的热储存介质(22)的壳体(24)。
12.一种低温冰箱(10)，包括一个如权利要求11所述的回热器(14)，其特征在于，它构成为杰富德-麦克马洪、斯特林或者脉冲管冰箱，其中用氦气作为工作流体。
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