DE10020488A1

DE10020488A1 - Regenerator und darin verwendetes Regeneratives Material

Info

Publication number: DE10020488A1
Application number: DE10020488A
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Ishizaki; Yuzo Hayashi
Original assignee: ECTI KAMAKURA; IRIE KOUKEN CO Ltd TOKIO/TOKYO; IRIE KOUKEN CO Ltd
Current assignee: Ecti Kamakura Kanagawa Jp
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 2000-04-26
Publication date: 2001-05-23
Anticipated expiration: 2020-04-27
Also published as: DE10020488B4; JP2001021245A; US6475935B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft einen Regenerator, der gleichförmige Leistung und extrem hohe Produktivität bietet und Leistung und Zuverlässigkeit als Regenerator beibehalten kann, sowie ein regeneratives Material, welches in dem Regenerator verwendet wird, um technische Probleme bei der Massenproduktion zu lösen. Ein mattenförmiges regeneratives Material wird in einer tuchartigen Form gewoben, indem flexible und sehr lange feine Drähte (C1, C2) aus einem oder einer Anzahl von Wärmespeichermaterialien mit hoher spezifischer Wärme je Volumeneinheit im Betriebstemperaturbereich für in Längsrichtung verlaufende Drahtglieder (C1, C2); und feine Drähte (D3), die einen Kerndraht aufweisen, der entweder aus einem Einzelfaden (D1) wenigstens eines Stoffes aus der Gruppe von Keramikfaser, Kohlefaser und Kunstharzfaser besteht, die eine höhere Härte als diejenige der längsverlaufenden Drahtglieder, eine geeignete Elastizität und eine extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzen, oder aus einer Fadenzusammensetzung (D2), die durch Bündeln einer Anzahl der gleichen Fäden als Einzelfaden in einen Körper mit einem Fixiermittel, wie Kunstharz oder Glas, und einem polymeren Kunstharz gebildet wird, welches den Kerndraht bedeckt, für die querverlaufenden Drahtglieder (D3) verwendet werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf den Aufbau eines Regenerators und ein regeneratives Material, die als Hauptbestandteile eines Kryokühlers mit regnerativem Zyklus (Typ Solvay, Duill eumier, Stirling, Gifford-MacMahon und Impulsrohr bzw. pulse tube) zur Erzeugung niedriger Temperatur im Bereich zwischen 273 K und 2 K verwendet werden.

STAND DER TECHNIK

Das regenerative Material für einen Kühler zur Erzeugung von absoluten Temperaturen im Bereich zwischen 273 K und 2 K ist ein wesentlicher Bestandteil für die Bestimmung der Leis tungsfähigkeit des Kühlers.

Üblicherweise wird zur Herstellung eines solchen regenerati ven Materials ein Drahtnetz (100 bis 500 mesh) eines Metalls, wie Kupfer, Bronze oder rostfreier Stahl, mit einer hohen spezifischen Wärme je Volumeneinheit im Betriebstemperaturbe reich zu einer Kreisform ausgeschnitten, und einige hunderte kreisförmige Drahtnetze werden zusammengepackt und in einem Rohr geschichtet oder laminiert und als regeneratives Mate rial verwendet (nachfolgend regeneratives Material vom Maschentyp genannt). Alternativ ist ein regeneratives Mate rial gut bekannt, das durch Zusammenpacken von unzähligen und kleinen Bleibällchen (nicht größer als 0,4 mm Durchmesser) oder kleiner Bällchen oder Teilchen von Er₃Ni oder dergl. hergestellt wird, das eine hohe magnetische spezifische Wärme bei niedrigen Temperaturen besitzt (nachfolgend als regenera tives Material vom Typ kleine Kügelchen bezeichnet).

Wie oben beschrieben, ist das bekannte regenerative Material vom Maschentyp, bei welchem einige hunderte von kreisförmigen Netzen aufeinandergeschichtet werden, oder vom Typ kleine Kügelchen, in welchem unzählige und kleine Kügelchen einge bracht werden. Wenn jedoch beim Maschentyp die Netze lami niert werden, werden sie einzeln nacheinander zur Bildung eines Laminats gestapelt. Daher ist sehr große Zeit für die Ausbildung des Laminats durch Handbetrieb oder Maschinenbear beitung unter Verwendung einer Einspannvorrichtung erforder lich, so daß die Produktivität des Laminats sehr schlecht ist.

Da ferner beim Maschentyp hunderte von Netzen willkürlich aufgeschichtet werden, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, daß winzige und quadratische Fluidbahnflächen der Maschen gegenseitig blockiert werden. Daher ist der Fluidwiderstand für das Arbeitsfluid sehr hoch und dadurch steigt der Rei bungsverlust des Fluids beträchtlich.

Ferner wird beim Maschentyp das Drahtnetz mechanisch in einer Kreisform ausgeschnitten. Dabei fallen gekürzte feine Drähte am Umfangsrand des kreisförmigen Drahtnetzes aus dem Netz heraus. Wenn daher ein Regenerator durch Laminieren einiger hundert Drahtnetze hergestellt wird, fließt das Arbeitsfluid in großer Menge durch den Umfangsrandteil der Drahtnetze, wo ein geringer Fluidwiderstand herrscht, was zu einem verrin gerten Wirkungsgrad führt.

Das heißt, wenn ein Regenerator durch Laminieren der Draht netze in einem Zylinder hergestellt wird, strömt das Fluid nicht mit der gleichen Geschwindigkeit durch jeden Quer schnitt im Zylinder. Das Fluid strömt in großen Mengen nahe der Innenwand des Zylinders, welche dem Umfangsrand der Drahtnetze entspricht, und die Strömung im Mittelteil nimmt ab, so daß die gesamte Wärmekapazität der Drahtnetze nicht wirksam genutzt werden kann, wodurch die Erhöhung des Wir kungsgrades begrenzt wird.

Auch vom Standpunkt des Strömungswiderstandes und der effek tiven Netzausnützung entsteht ein Problem, daß nämlich der einzelne Regenerator unterschiedliche Leistungsfähigkeit besitzt, wenn er in Massenproduktion hergestellt wird. Ferner besteht eine Möglichkeit, daß die gekürzten feinen Drähte am Umfangsrand durch den Kontakt mit dem schnellströmenden Fluid in mechanische Schwingungen geraten und die Schwingung sich im Fluid fortpflanzt und ein Rauschen an einem Sensor in einem Kaltkopf-Abschnitt hervorruft. Andererseits hat der Typ kleine Bällchen die Probleme, daß das kleine Bällchen durch mechanische Schwingung zerquetscht und pulverisiert wird, welche durch hin- und hergehende Bewegung eines Verdrängungs- oder Expansionskolbens oder durch eine Schockwelle verursacht wird, die durch plötzliche Geschwindigkeitsänderung des Fluids hervorgerufen wird, wodurch nicht nur die Leistungs fähigkeit eines Regenerators beeinträchtigt wird, sondern auch das pulverisierte Bällchen in andere Bestandteile ein dringt, wodurch die Strömungsbahn des Fluids verschlossen und ein Fehler im System hervorgerufen wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Durch die Erfindung sollen die obigen Probleme gelöst werden und dementsprechend besteht das Ziel der Erfindung in der Schaffung eines Regenerators mit gleichförmiger und gleich bleibender Leistungsfähigkeit, extrem hoher Produktivität und Ausdauer und Zuverlässigkeit, sowie eines regenerativen Materials, das für den Akkumulator verwendet wird, so daß technische Probleme bei der Massenherstellung gelöst sind.

Erfindungsgemäß werden die obigen Probleme gelöst durch ein mattenförmiges regeneratives Material, welches zu einer Tuchform verwoben ist, indem flexible und sehr lange feine Drähte für die längsverlaufenden Drahtglieder, deren jedes ein oder eine Anzahl von Arten von Wärmespeichermaterialien mit einer hohen spezifischen Wärme je Volumeneinheit im Betriebstemperaturbereich enthält, und feine Drähte für die querverlaufenden Drahtglieder verwendet werden, deren jedes aufweist: einen Kerndraht, der entweder aus einem Einzelfaden aus wenigstens einem Material aus der Gruppe von Keramikfa ser, Kohlefaser und Kunstharzfaser hergestellt ist, die eine höhere Härte als diejenige der feinen Drähte der längsverlau fenden Drahtglieder, eine geeignete Elastizität und eine extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzen, oder aus einer Fadenzusammensetzung besteht, die durch Bündeln einer Anzahl einzelner Fäden zu einem Körper mit einem Fixiermittel, wie Kunstharz oder Glas, erhalten wird, wobei ein polymeres Kunstharz den Außenumfang des Kerndrahts bedeckt.

Ferner werden die obigen Probleme gelöst durch ein mattenför miges regeneratives Material, das durch Verweben von längs verlaufenden Drahtgliedern kontinuierlich in Längsrichtung zu einer Tuchform mit querverlaufenden Drahtgliedern als Schuß gebildet wird, in welchem ein querverlaufendes Drahtglied ein erster feiner Draht ist, der einen Kerndraht aufweist, wel cher besteht aus: entweder einem Einzelfaden aus Keramikfa ser, die aus Tyranofaser, Borfaser und Zirkondixoidfaser gewählt ist, welche eine extrem niedrigere Wärmeleitfähigkeit als diejenige der längsverlaufenden Drahtglieder, eine vorbe stimmte Härte und Elastizität besitzen, Kohlefaser oder andere Kunstharzfaser mit einer Härte, die wenigstens höher ist als diejenige der längsverlaufenden Drahtglieder, oder aus einer Fadenzusammensetzung besteht, die durch Bündeln einer Anzahl der oben erwähnten Einzelfäden zu einem Körper mit einem Fixiermittel, wie Kunstharz oder Glas, gebildet ist; und einem polymeren Kunstharz, wie Polyimid, Polyamid und Polyethylen, das den Außenumfang der Einzelfäden oder der Fadenzusammensetzung bedeckt, und ein längsverlaufendes Drahtglied ein zweiter feiner Draht ist, der aufweist: einen Kerndraht aus Kupfer, Nickel Eisen, Aluminium oder einer Legierung desselben mit einer hohen spezifischen Wärme je Volumeneinheit im Betriebstemperaturbereich, dessen äußere Umfangsfläche mit Neodym, Blei oder Bleilegierung plattiert ist und/oder mit feinem Pulver aus einem Material mit einer hohen magnetischen spezifischen Wärme durch Binden, Verbinden oder Beschichten bedeckt ist.

Ferner werden die obigen Probleme gelöst durch ein regenera tives Material, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß der Durchmesser (d3) der querverlaufenden Drahtglieder 0,06 bis 0,5 mm ist und ein Abstand (L1) zwischen den querverlaufenden Drahtgliedern das 3- bis 10-fache des Durchmessers der quer verlaufenden Drahtglieder beträgt, um den Strömungwiderstand für Fluid niedriger zu machen als einen vorbestimmten Wert; oder der Durchmesser der querverlaufenden Drahtglieder (d3) 0,06 bis 0,8 mm ist, und dritte sehr feine Drahtglieder in Längsrichtung der querverlaufenden Drahtglieder rings um die in Längsrichtung verlaufenden Drahtglieder als Kerne verwoben sind, um die benachbarten in Längsrichtung verlaufenden Drahtglieder an einer Stelle zwischen den benachbarten quer verlaufenden Drahtgliedern zu fixieren.

Ferner werden die obigen Probleme gelöst durch ein regeneratives Material, in welchem durch Erhitzen und Zusammendrücken der Ebene des regenerativen Materials, das zu einer Tuchform verwoben ist, das polymere Kunstharz, das auf die querverlaufenden Drahtglieder aufgebracht ist, längs der Kontaktfläche mit den längsverlaufenden Drahtgliedern verformt wird, wodurch die in Längsrichtung verlaufenden Drahtglieder fixiert und auf den querverlaufenden Drahtgliedern abgestützt werden, und ferner wird das oben genannte Material mit einer hohen magnetischen spezifischen Wärme aus wenigstens einer Materialart gebildet, die gewählt ist aus Neodym, DyNi₂, Er₃Ni, Er₆Ni₂Sn und ErNi_0,9CO_0,1.

Ferner werden die obigen Probleme gelöst durch einen Regene rator mit einem Aufbau, bei welchem das zu einer Tuchform verwobene mattenartige regenerative Material rings um einen Teflon-Stab mit einer extrem niedrigen Wärmeleitfähigkeit oder um ein Impulsrohr eines Impulsrohrkühlers gewickelt ist, um einen Regeneratorkern zu bilden, und der Regeneratorkern in ein zylindrisches Organ eingesetzt ist, wodurch ein Ar beitsfluid veranlaßt ist, in Längsrichtung der querverlaufen den Drahtglieder zu strömen.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines Zustandes eines quer verlaufenden Drahtgliedes, welches ein erster feiner Draht gemäß der Erfindung ist;

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, welche einen Teil eines mattenförmigen regenerativen Materials gemäß der Erfindung darstellt, wobei Fig. 2(a) eine Ansicht ist, welche den Zustand der Oberflächenseite des mattenförmigen regenera tiven Materials zeigt, und Fig. 2(b) eine Ansicht, die von der Schnittseite der querverlaufenden Drahtglieder in dem matten förmigen regenerativen Material ist;

Fig. 3 ist eine beispielhafte Darstellung, welche einen Zustand zeigt, in welchem ein in Längsrichtung verlaufendes Drahtglied gemäß der Erfindung, wie in Fig. 2 gezeigt, in ein querverlaufendes Drahtglied einschneidet, wobei Fig. 3(a) eine von der Schnittseite des querverlaufenden Drahtgliedes ge sehene Ansicht und Fig. 3(b) eine Schrägansicht ist;

Fig. 4 ist eine schematische Ansicht, welche ein Beispiel eines Regenerators gemäß der Erfindung zeigt, wobei Fig. 4(a) eine Schrägansicht und Fig. 4(b) eine Ansicht gesehen von der Schnittseite der darin verwendeten querverlaufenden Draht glieder ist;

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung, welche ein an deres Beispiel des Regenerators gemäß der Erfindung zeigt, wobei Fig. 5(a) eine Schrägansicht und Fig. 5(b) eine ver größerte Teilansicht eines darin verwendeten mattenförmigen regenerativen Materials ist; und

Fig. 6 ist eine erläuternde Darstellung, welche die Be ziehung zwischen den querverlaufenden Drahtgliedern und den längsverlaufenden Drahtgliedern in einem Fall zeigt, in welchem die regenerativen Materialien gestapelt sind, wobei Fig. 6(a) eine Ansicht ist, die einen Fall zeigt, in welchem die querverlaufenden Drahtglieder in einer Reihe angeordnet sind, Fig. 6(b) eine Ansicht ist, welche einen Fall zeigt, in welchem die querverlaufenden Drahtglieder in einer Zickzack- Form angeordnet sind, Fig. 6(c) einen Schnitt längs der Linie X-X' in Fig. 6(a) und Fig. 6(d) einen Schnitt längs der Linie Y-Y' in Fig. 6(b), zeigt.

BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG

Wie oben beschrieben, bezieht sich die Erfindung auf die Herstellung eines Regenerators und eines regenerativen Mate rials, die als Hauptbestandteile eines regenerativen Kühlzyk lus verwendet werden, wie Solvay, Duilleumier, Stirling, Gifford-MacMahon und Impulsröhre oder dergl. zur Erzeugung niedriger Temperaturen im Bereich zwischen 273 K und 2 K.

Die Erfordernisse an das regenerative Material und den Rege nerator gemäß der Erfindung von der Seite des Kühlzyklus umfassen 1) hoher Energiewirkungsgrad, 2) geringer Wider standsverlust des im Regenerator hin- und herfließenden Fluids, 3) hohe Wärmekapazität je Volumeneinheit und große Wärmeübertragungsfläche, 4) geringer Verlust an Wärmeleit fähigkeit von normaler Temperatur bis niedriger Temperatur, 5) keine Leistungsverschlechterung im Lauf der Zeit, 6) keine einzelnen Unterschiede in der Leistung, und 7) leichte und billige Herstellung des Regenerators. Unter diesen wurden die Merkmale 2), 4), 6) und 7) insbesondere als wichtig betrach tet.

Die Erfindung arbeitet in der nachfolgend beschriebenen Weise. Das regenerative Material umfaßt erste feine Drähte, die sehr geringe Wärmeleitfähigkeit und große Härte besitzen, Strömungswege für ein Fluid und eine Anzahl von querverlau fenden Drahtgliedern zur Formung eines mattenförmigen Aufbaus bilden, - und zweite feine Drähte, die sehr lange längsverlau fende Drahtglieder mit hoher spezifischer Wärme im Betriebs temperaturbereich darstellen, um Kälte zu speichern, sowie dritte feine Drähte, die die zweiten feinen Drähte einzeln halten, um Metallkontakt zwischen den zweiten feinen Drähten zu verhindern und ein Aufbrechen der Mattenform sogar in dem Fall zu verhindern, daß die Mattenform längs oder quer ge schnitten wird.

Da die zweiten feinen Drähte kontinuierlich einzeln festge halten werden, und die zweiten feinen Drähte so aufgebaut sind, daß ein gegenseitiger Metallkontakt verhindert wird, hält jeder der zweiten feinen Drähte leicht seine eigene Temperatur aufrecht. Wenn der Regenerator hergestellt wird, indem solches mattenartiges regeneratives Material hineinge packt wird, wird das regenerative Material in eine Rollenform aufgewickelt, um einen Regeneratorkern zu bilden, und der rollenförmige oder in Form einer mehrfachen Spirale gebildete Regeneratorkern wird in ein Rohr eingesetzt, um einen Regene rator mit gleichförmiger Leistung zu erhalten.

Durch das Aufwickeln des regenerativen Materials auf einen Kern in eine Rollenform oder eine Mehrfach-Spiralform zur Bildung eines Regeneratorkerns und durch Einsetzen des Rege neratorkerns in ein Rohr kann der Regenerator ferner leicht in Massenproduktion hergestellt werden. Da das erfindungsge mäße regenerative Material in der oben beschriebenen Weise ausgebildet ist, läßt sich der Regenerator billig und mit sehr hoher Produktivität herstellen.

Die oben erwähnten Drahtglieder aus feinen Drähten umfassen querverlaufende Drahtglieder, die aus einer Anzahl von ersten feinen Drähten bestehen, welche im wesentlichen parallel zu einer ersten Richtung liegen, und längsverlaufende Drahtglie der, die aus einer Anzahl der zweiten feinen Drähte bestehen, welche im wesentlichen senkrecht zu den querverlaufenden Drahtgliedern der ersten feinen Drähte angeordnet sind. Die längsverlaufenden Drahtglieder sind vorzugsweise mit den dritten feinen Drähten zur Festlegung verflochten, um eine direkte Berührung zwischen benachbarten längsverlaufenden Drahtgliedern an der Überkreuzungsstelle zwischen den benach barten querverlaufenden Drahtgliedern zu verhindern.

Mattenform soll hier eine Form, wie eine ebene Schicht, bedeuten, die zu einer Rollenform oder auf einen Kern oder zu einem Impulsrohr (pulse tube) eines Impulsrohrkühlers zur Bildung eines mit dem Impulsrohr einstückigen Regenerators aufgewickelt werden kann.

Ausführungsformen

Eine Abbildung der Form des erfindungsgemäßen regenerativen Materials ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt.

Ein erster feiner Draht für ein querverlaufendes Drahtglied weist auf: einen Kerndraht, der entweder aus einem Einzelfa den aus Keramikfaser besteht, die ausgewählt ist aus Tyrano faser, Borfaser und Zirkondioxidfaser, welche eine extrem niedrigere Wärmeleitfähigkeit besitzen als diejenige eines weiter unten beschriebenen längsverlaufenden Drahtgliedes und eine vorbestimmte Härte und Elastizität aufweisen, einer Kohlefaser oder Kunstharzfaser mit einer Härte, die wenig stens größer ist als diejenige des längsverlaufenden Draht gliedes, oder aus einem zusammengesetzten Faden besteht, der durch Bündeln einer Anzahl der oben erwähnten Einzelfäden zu einem Körper mit einem Bindemittel, wie Kunstharz oder Glas hergestellt ist; sowie ein polymeres Kunstharz, das die äußere Umfangsfläche des Kerndrahts bedeckt.

Der Außenumfang des harten Kerndrahtes ist nämlich mit einem polymeren Kunstharz bedeckt, das durch Wärme verformt werden kann. Der Schnittaufbau des ersten feinen Drahtes für das querverlaufende Drahtglied ist einfach und im wesentlichen kreisförmig, wie in Fig. 1 gezeigt. Fig. 1(a) zeigt einen Schnitt eines Einzelfadens (D1) mit einem Durchmesser d1 von etwa 0,02 bis 0,08 mm. Fig. 1(b) zeigt einen Schnitt eines zusammengesetzten Fadens (D2) und Fig. 1(c) zeigt einen Schnitt des zusammengesetzten Fadens, bedeckt mit polymerem Kunstharz (D3), dessen Durchmesser d3 etwa 0,06 bis 0,5 mm, im Hinblick auf Fließbeständigkeit und Produktivität vorzugs weise etwa 0,06 bis 0,08 mm beträgt. Polyimid, Polyamid, Polyester und dergl. werden als das polymere Kunstharz ver wendet. Die Dicke des polymeren Kunstharzes, welches den Außenumfang bedeckt, beträgt vorzugsweise 20 bis 50 µm.

Ein zweiter feiner Draht für ein längsverlaufendes Drahtglied (C1, C2) weist auf: einen Kerndraht aus Kupfer, Nickel, Eisen, Aluminium oder einer Legierung dieser Metalle, die eine hohe spezifische Wärme je Volumeneinheit im Betriebstemperaturbe reich besitzen. Die äußere Umfangsfläche des Kerndrahtes ist mit Neodym, Blei oder Bleilegierung plattiert und/oder mit feinem Pulver eines Materials mit hoher magnetischer spezi fischer Wärme durch Bindung, Verbindung oder Beschichtung bedeckt. Es hat sich gezeigt, daß der Durchmesser des Kern drahtes etwa 0,02 bis 0,5 mm, vom Gesichtspunkt der Bildung des Drahtes unter Berücksichtigung der Wärmeaustauschwirkung und der Herstellung vorzugsweise etwa 0,02 bis 0,08 mm be trägt.

Gewöhnlich wird Bronze oder rostfreier Stahl (z. B. SUS316) vorzugsweise für den Kerndraht verwendet. Die Plattierungs dicke von Blei oder Bleilegierung auf der Oberfläche des Kerndrahtes ist nicht unbedingt groß, wobei einige Mikrometer bis Dutzende von Mikrometern genügen. Ein Merkmal der Erfin dung besteht darin, daß feines Pulver eines Materials mit einer hohen magnetischen spezifischen Wärme, wie DyNi₂, Er₃Ni, Er₆Ni₂Sn und ErNi_0,9CO_0,1, durch Binden, Verbinden oder Beschichten auf der Plattierung zusätzlich oder anstelle der Plattierung durch Binden, Verbinden oder Beschichten aufgebracht wird.

Insbesondere wird im Temperaturbereich von 20 K ein fester Draht, in welchem Kupferdraht als Kerndraht verwendet und mit Neodym, Blei und dergl. plattiert ist; ein fester Draht, in welchem Kupferdraht als Kerndraht verwendet und mit Neodym, Blei und dergl. plattiert und ferner mit dem oben erwähnten feinen Pulver bedeckt ist; oder ein Drahtstrang verwendet, der aus einer Anzahl dieser festen Drähte besteht. In einem relativ hohen Temperaturbereich wird Kupferlegierung oder Nickellegierung für den Kerndraht verwendet.

Solche längsverlaufenden Drahtglieder sind in Längsrichtung durchgehend in einer Tuchform mit den oben erwähnten querver laufenden Drahtgliedern als Schuß verwoben. In Fig. 2 bezeich net D3 die querverlaufenden Drahtglieder gemäß der Erfindung, und C1 und C2 bezeichnen die längsverlaufenden Drahtglieder. Ein Abstand L1 zwischen benachbarten querverlaufenden Draht gliedern und ein Abstand L2 zwischen benachbarten längsver laufenden Drahtgliedern werden so bestimmt, daß der Strö mungswiderstand des Arbeitsfluids niedrig und die Wirkung des Wärmeaustausches durch die längsverlaufenden Drahtglieder besonders effektiv ist. Das Ergebnis eines Versuchs zeigt, daß der richtige Abstand (L1) zwischen den querverlaufenden Drahtgliedern das 3- bis 10-fache des Durchmessers (d3) der querverlaufenden Drahtglieder beträgt, und daß der richtige Abstand (L2) zwischen den längsverlaufenden Drahtgliedern etwa das 2- bis 5-fache des Durchmessers (c1, c2) der längs verlaufenden Drahtglieder (C1, C2) beträgt.

Als Ausführungsbeispiel wurde ein mattenartiges regeneratives Material in einer Spiralform mit einem Abstand L3 von etwa 0,1 mm zwischen benachbarten laminierten Schichten laminiert. Bei diesem regenerativen Material betrug der Durchmesser d1 des den Kerndraht des querverlaufenden Drahtgliedes bildenden Einzeldrahtes 0,03 mm, der Durchmesser d3 des mit einem polymeren Kunstharz bedeckten Drahtgliedes 0,05 mm, der Abstand L1 zwischen den querverlaufenden Drahtgliedern 0,18 mm, der Durchmesser c1, c2 der längsverlaufenden Drahtglieder (rostfreie Stahldrähte) 0,03 mm und der Abstand L2 zwischen den benachbarten längsverlaufenden Drahtgliedern 0,06 mm. Die Leistungsfähigkeit desselben wurde mit derjenigen des übli chen regenerativen Materials aus rostfreiem Stahl mit einer Maschenweite von 300 mesh verglichen. Das Ergebnis des Expe riments zeigte, daß das mattenförmige regenerative Material gemäß der Erfindung nahezu die gleiche Wärmeaustauschwirkung wie diejenige des bekannten regenerativen Materials mit 300 mesh hatte, und das Erstere einen um 20% niedrigeren Strö mungswiderstand besaß als das Letztere: somit wurde ein zufriedenstellendes Resultat erzielt.

Erfindungsgemäß werden die Kontaktteile am polymeren Kunst harzteil der querverlaufenden Drahtglieder mit den längsver laufenden Drahtgliedern längs der Kontaktflächen der längs verlaufenden Drahtglieder durch Erhitzen des regenerativen Materials und Zusammenpressen der Mattenstruktur von der ebenen Seite her verformt (siehe Fig. 3(a) und 3(b)), wodurch die Lage der längsverlaufenden Drahtglieder fixiert wurde. Das heißt, es zeigte sich, daß die querverlaufenden Drahtglieder (Durchmesser d3), welche die ersten feinen Drähte sind, und die längsverlaufenden Drahtglieder (c1, c2), welche die zweiten feinen Drähte sind, miteinander am Kon taktteil derselben verschmolzen und zusammengefaßt sind.

Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß regenerative Materialien F1 bis F4, die jeweils zu einer Mattenform verwoben sind, um einen Kern (in der Figur in vier Teile geteilt) G1 bis G4 aus einem Material mit extrem niedriger Wärmeleitfähigkeit, wie Teflon, gewickelt sind. Diese werden in einen Zylinder zur Bildung eines Regenerators eingesetzt.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Beispiel des regenerativen Mate rials, bei welchem ein dritter feiner Draht oder Faden (Kev lar, Nylon und dergl.) (D_F) zum festen Verbinden der längsverlaufenden Drahtglieder (C1, C2) in der Mitte der benachbarten querverlaufenden Drahtglieder verwendet wird, um die längsverlaufenden Drahtglieder daran zu hindern, mitein ander in Kontakt zu geraten, und auch um zu verhindern, daß das regenerative Material aufgebrochen wird, auch in dem Fall, daß das regenerative Material an einer willkürlichen Stelle geschnitten wird. Dies ist eines der Merkmale der Erfindung.

Wie oben beschrieben, ist der Kerndraht oder Kernfaden des querverlaufenden Drahtgliedes ein Einzelfaden aus Keramikfa ser, wie Tyranofaser, Borfaser und Zirkonoxidfaser, herge stellt aus einem extrem niedrig wärmeleitenden Material, wie Si, C, Ti und Zi, oder ein zusammengesetzter Faden, der durch Bündeln vieler solcher Fäden zu einem einzigen Körper mit einem Fixiermittel, wie Kunstharz und Glas, gebildet wird. Alternativ kann für den Kerndraht ein aus einer Anzahl von Fäden und Haarkristallen (whiskers), einteilig kombiniert, zur Steuerung des Durchmessers und der Elastizität verwendet werden. Die querverlaufenden Drahtglieder haben sehr hohe Härte, so daß auch beim Wickeln des mattenförmigen regenera tiven Materials unter Druck die querverlaufenden Drahtglieder nicht beschädigt werden und die Strömungsbahn für das Ar beitsfluid als Ergebnis ausreichend erhalten werden kann.

Der Durchmesser (d3) der querverlaufenden Drahtglieder be trägt 0,06 bis 0,5 mm, und dieses Drahtglied entspricht dem Schuß im Tuch. Der Durchmesser (c1, c2) der längsverlaufenden Drahtglieder (C1, C2) ist nahezu der gleiche wie der Durchmes ser der querverlaufenden Drahtglieder für die Temperatur herunter bis etwa 60 K. Für die unterhalb dieses Wertes lie gende Temperatur werden jedoch die längsverlaufenden Draht glieder, bedeckt mit feinem Pulver des oben genannten Mate rials mit hoher magnetischer spezifischer Wärme durch Binden, Verbinden oder Beschichten verwendet, so daß der Durchmesser sich etwas unterscheidet.

Obwohl in Fig. 4 nicht gezeigt, wird im Temperaturbereich der normalen Temperatur bis 30 K Bronze oder rostfreier Stahl, welcher eine hohe spezifische Wärme je Volumeneinheit in diesem Bereich besitzt, vorzugsweise verwendet. Im Temperaturbereich von 30 K und darunter wird vorzugsweise Pb, DyNi₂, ErNi und dergl. verwendet, welche eine höhere spezifische Wärme besitzen als andere Materialien in diesem Temperaturbe reich.

Der dritte feine Draht ist ein feiner Draht oder Faden aus Kevlarfaser, Seidengarn, Tyranofaser und dergl. mit einem Durchmesser d_F von einigen Mikrometern bis 0,06 mm. Bindung/Bindemittel kann statt des dritten feinen Drahtes angewendet werden. Beispielsweise werden die feinen Drähte der längsverlaufenden Drahtglieder einzeln aneinander gebun den, um einen metallischen Kontakt miteinander an den Zwi schenstellen des Abstandes L1 zu verhindern, wo sich die längsverlaufenden Drahtglieder mit den querverlaufenden Drahtgliedern schneiden (siehe Fig. 5(b). Angenommen, daß der Durchmesser d_F des dritten feinen Drahtes 0,01 mm be trägt, werden die längsverlaufenden Drahtglieder so aneinan der gebunden, daß ein Abstand L3 zwischen den Drähten bei 0,02 bis 0,04 mm gehalten wird.

Beispielsweise, wenn man im Querschnitt längs B-B in Fig. 2(a) annimmt, daß die Temperatur von Normaltemperatur bis 77,3 K reicht, haben, da die Metalldrähte der längsverlaufenden Drahtglieder nicht in direkten Kontakt miteinander gebracht sind, anders als beim Maschengewebetyp, und darüber hinaus die längsverlaufenden Drahtglieder indirekt verbunden sind, während der Abstand L2 durch die dritten feinen Drähten aus Materialien mit einer extrem niedrigen Wärmeleitfähigkeit aufrecht erhalten wird, die feinen Drähte der längsverlaufen den Drahtglieder entsprechende Temperaturen im Bereich von Normaltemperatur bis zu der niedrigen Temperatur, so daß ein bestimmter Temperaturgradient leicht aufrechterhalten wird. Daher ist ein Festkörper-Wärmeleitungsverlust von Normaltem peratur zur niedrigen Temperatur, der vom Metall verursacht wird, nahezu Null.

Um die längsverlaufenden Drahtglieder C1, C2 an der Stelle, wo die längsverlaufenden Drahtglieder sich bezüglich der quer verlaufenden Drahtglieder ohne gegenseitigen Kontakt abwech selnd verschieben, zu fixieren, können nicht nur die längs verlaufenden Drahtglieder im Querschnitt B-B, sondern auch die längsverlaufenden Drahtglieder einschließlich der quer verlaufenden Drahtglieder im Querschnitt A-A in Fig. 2(a) durch die dritten feinen Drähte festgelegt und fixiert wer den. Statt dessen können diese Drahtglieder in Kombination festgelegt werden.

Fig. 5 zeigt das mattenförmige regenerative Material, wobei 5(a) eine Schrägansicht und 5(b) eine vergrößerte Teilansicht des Materials wiedergibt. Fig. 5(a) zeigt ein Verfahren zum Aufbau eines Regenerators, bei welchem ein Ende des matten förmigen regenerativen Materials gemäß der Erfindung in einem Schlitz eines Kerns P (eines Kerns mit einem Durchmesser von 4 mm beispielsweise aus Teflon oder Keramik mit einer extrem niedrigen Wärmeleitfähigkeit und einer geeigneten Härte) für den Regenerator festgelegt wird, und das regenerative Mate rial zu einer Rollenform aufgewickelt wird, um den Regenera tor zu bilden. Durch Aufwickeln des regenerativen Materials bis zu einem vorbestimmten Durchmesser und durch Einsetzen desselben in ein Rohr kann der erfindungsgemäße Regenerator hergestellt werden.

Fig. 6(a) und 6(b) sind vergrößerte Schnitte eines Teils eines Stapels des regenerativen Materials, betrachtet aus der Axialrichtung der querverlaufenden Drahtglieder. Wenn das regenerative Material in einer Mehrfachform oder in einer mehrfachen Spiralform aufgewickelt wird, wird ein Gefüge gemäß Fig. 6(a) oder Fig. 6(b) gebildet, wodurch eine Abstands fläche zwischen Drähten eine Strömungsbahn des Arbeitsfluids bildet. Die in Fig. 6(a) gebildete Form wird infolge der größeren Strömungsbahnfläche stark bevorzugt.

Das Arbeitsfluid (hauptsächlich Helium, Wasserstoff, Stick stoff und dergl.) fließt durch unzählbare Abstandsflächen, um einen Wärmeaustausch und eine Wärmeübertragung an jedem der längsverlaufenden Drahtglieder C1, C2 durchzuführen.

In der obigen Beschreibung haben die Kerndrähte für das mattenförmige regenerative Material gemäß der Erfindung einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt. Die Form des Kerns ist jedoch nicht darauf eingeschränkt, und es kann die Quer schnittsform des Kerndrahtes eine elliptische Form, eine flachovale Form, eine rechteckige Form mit abgerundeten Ecken oder dergl. sein.

Wie oben beschrieben, haben das regenerative Material und der Regenerator gemäß der Erfindung, die für einen Kühler verwen det werden, der absolute Temperaturen im Bereich zwischen 273 K und 2 K erzeugt, einen niedrigen Strömungswiderstand für das Arbeitsfluid und einen extrem hohen Wirkungsgrad des Wärmeaustauschs, und sie erzielen eine ausgezeichnete Wirkung im Hinblick auf Produktivität und wirtschaftliche Ausbeute im Vergleich mit bekannten Produkten.

Claims

1. Mattenartiges regeneratives Material, welches zu einer Tuchform verwoben ist,
indem flexible und sehr lange feine Drähte (C1, C2) für die längsverlaufenden Drahtglieder, deren jedes ein oder eine Anzahl von Wärmespeichermaterialien mit einer hohen spezifischen Wärme je Volumeneinheit im Betriebs temperaturbereich enthält, und
feine Drähte (D3) für die querverlaufenden Draht glieder verwendet werden, deren jedes aufweist: einen Kerndraht, der entweder aus einem Einzelfaden (D1) aus wenigstens einem Material aus der Gruppe von Keramikfa ser, Kohlefaser und Kunstharzfaser hergestellt ist, die eine höhere Härte als diejenige der feinen Drähte (C1, C2) der längsverlaufenden Drahtglieder, eine geeignete Elastizität und eine extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzen, oder aus einer Fadenzusammensetzung (D2) besteht, die durch Bündeln einer Anzahl der gleichen Fäden wie der Einzelfaden zu einem Körper mit einem Fixiermittel, wie Kunstharz oder Glas, erhalten wird; sowie ein polymeres Kunstharz, welches den Außenumfang des Kerndrahts bedeckt.

2. Mattenförmiges regeneratives Material, das durch Verwe ben von längsverlaufenden Drahtgliedern (C1, C2) kontinu ierlich in Längsrichtung zu einer Tuchform mit querver laufenden Drahtgliedern (D3) als Schuß gebildet wird, in welchem jedes querverlaufende Drahtglied ein erster feiner Draht (D3) ist, der aufweist: einen Kerndraht, der entweder aus einem Einzelfaden (D1) aus wenigstens einem Material aus der Gruppe Keramikfaser, die aus Tyranofaser, Borfaser und Zirkondioxidfaser gewählt ist, welche eine extrem niedrigere Wärmeleitfähigkeit als diejenige der längsverlaufenden Drahtglieder, eine vorbestimmte Härte und Elastizität besitzen, Kohlefaser, Kunstharzfaser mit einer Härte, die wenigstens höher ist als diejenige der längsverlaufenden Drahtglieder, oder aus einer Fadenzusammensetzung (D2) besteht, die durch Bündeln einer Anzahl der gleichen Fäden wie der Einzel faden zu einem Körper mit einem Fixiermittel, wie Kunst harz oder Glas, besteht; und ein polymeres Kunstharz, wie Polyimid, Polyamid und Polyethylen, den Außenumfang der Kerndrähte bedeckt, und jedes der längsverlaufenden Drahtglieder ein zweiter feiner Draht (C1, C2) ist, der aufweist: einen Kerndraht aus Kupfer, Nickel, Eisen, Aluminium oder einer Legierung desselben mit einer hohen spezifischen Wärme je Volumeneinheit im Betriebstempera turbereich; und Neodym, Blei oder Bleilegierung, mit dem bzw. der die äußere Umfangsfläche des Kerndrahtes plat tiert ist, und/oder feines Pulver aus einem Material mit einer hohen magnetischen spezifischen Wärme, mit welchem die äußere Umfangsfläche des Kerndrahtes durch Binden, Verbinden oder Beschichten bedeckt ist.

3. Mattenartiges regeneratives Material nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Durchmesser (d3) der querverlau fenden Drahtglieder (D3) 0,06 bis 0,5 mm ist, und ein Abstand (L1) zwischen den querverlaufenden Drahtgliedern (D3) das 3- bis 10-fache des Durchmessers (d3) der querverlaufenden Drahtglieder (D3) beträgt, um den Strömungwiderstand für Fluid niedriger zu machen als einen vorbestimmten Wert.

4. Mattenartiges regeneratives Material nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem der Durchmesser (d3) der querverlaufenden Drahtglieder (D3) 0,06 bis 0,08 mm beträgt.

5. Mattenartiges regeneratives Material nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem der Durchmesser der längsverlaufenden Drahtglieder (C1, C2) 0,02 bis 0,5 mm und ein Abstand (L2) zwischen den Drahtgliedern (C1, C2) das 2- bis 5-fache des Durchmessers der längsverlaufen den Drahtglieder (C1, C2) beträgt.

6. Mattenartiges regeneratives Material nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem der Durchmesser der längsverlaufenden Drahtglieder (C1, C2) 0,02 bis 0,08 mm beträgt.

7. Mattenartiges regeneratives Material nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem sehr feine dritte Draht glieder (D_F) in Längsrichtung der querverlaufenden Drahtglieder um die längsverlaufenden Drahtglieder (C1, C2) als Kerne gewoben sind, um benachbarte längsver laufende Drahtglieder (C1, C2) an einer Stelle zwischen benachbarten querverlaufenden Drahtgliedern (D3) zu fixieren.

8. Mattenartiges regeneratives Material nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem durch Erhitzen und Zusam mendrücken der Ebene des regenerativen Materials, das zu einer Tuchform verwoben ist, das auf die querverlaufen den Drahtglieder (D3) gegebene polymere Kunstharz längs der Kontaktfläche mit den längsverlaufenden Drahtglie dern verformt wird, wodurch die längsverlaufenden Draht glieder (C1, C2) fixiert und auf den querverlaufenden Drahtgliedern (D3) gehalten werden.

9. Mattenartiges regeneratives Material nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei welchem bei Verwendung des rege nerativen Materials für eine Kühltemperatur von 20 K oder darunter das feine Pulver aus wenigstens einer Material art gebildet ist, die gewählt ist aus der Gruppe von Neodym, DyNi₂, Er₃Ni, Er₆Ni₂Sn und ErNi_0,9CO_0,1.

10. Regenerator mit einem Aufbau, bei welchem ein mattenför miges regeneratives Material, das zu einer Tuchform verwoben ist, nach den Ansprüchen 1 bis 9 um einen Stab (G1, G2, G3, G4) aus einem Material mit einer extrem nie drigen Wärmeleitfähigkeit oder um ein Impulsrohr eines Impulsrohrkühlers (pulse tube refrigerator) zur Bildung eines Regeneratorkerns aufgewickelt ist, und der Regene ratorkern in ein zylindrisches Organ eingesetzt ist, wodurch ein Arbeitsfluid veranlaßt ist, in Längsrichtung der querverlaufenden Drahtglieder (D3) zu fließen.