TWI585298B - 利用錫銻合金的低溫泵及其使用方法 - Google Patents

利用錫銻合金的低溫泵及其使用方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI585298B
TWI585298B TW104111216A TW104111216A TWI585298B TW I585298 B TWI585298 B TW I585298B TW 104111216 A TW104111216 A TW 104111216A TW 104111216 A TW104111216 A TW 104111216A TW I585298 B TWI585298 B TW I585298B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
alloy
cryopump
heat exchanger
cryogenic refrigerator
tin
Prior art date
Application number
TW104111216A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201529978A (zh
Inventor
杜琳 波爾波迪法茲奧
Original Assignee
布魯克機械公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 布魯克機械公司 filed Critical 布魯克機械公司
Publication of TW201529978A publication Critical patent/TW201529978A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI585298B publication Critical patent/TWI585298B/zh

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B37/00—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00
    • F04B37/06—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for evacuating by thermal means
    • F04B37/08—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for evacuating by thermal means by condensing or freezing, e.g. cryogenic pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F04B39/06—Cooling; Heating; Prevention of freezing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/08—Cooling; Heating; Preventing freezing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/003—Gas cycle refrigeration machines characterised by construction or composition of the regenerator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1415—Pulse-tube cycles characterised by regenerator details

Description

利用錫銻合金的低溫泵及其使用方法
本發明概括而言關於低溫泵，尤其關於利用錫銻合金的低溫泵及其使用方法。
目前可用的低溫真空泵(低溫泵)一般皆遵循共同的設計概念。通常操作範圍在4至25K的低溫陣列是主要的泵表面。此表面由較高溫度的輻射屏蔽所包圍，後者經常操作於60至130K的溫度範圍。輻射屏蔽保護較低溫度的陣列免受輻射熱。輻射屏蔽一般包含封閉的殼罩，但留有開口，在此把前置陣列定位於主要泵表面和要抽空的工作腔室之間。
於操作期間，例如水氣的高沸點氣體凝結於前置陣列上。低沸點氣體通過陣列而進入輻射屏蔽裡的空間並凝結於較低溫度的陣列上。也可以在此空間裡提供塗覆以吸附劑(例如木炭)的表面或操作於較冷陣列之溫度或以下的分子篩，以移除極低沸點氣體(例如氫)。由於氣體因此凝結和/或吸附於泵表面上，工作腔室裡便產生了真空。
於閉路循環之低溫冷卻器所冷卻的系統，冷卻器是典型的二階段致冷器，其具有延伸經過輻射屏蔽後方或側面的冷指(cold finger)。高壓氦冷媒一般是從壓縮機組件經過高壓管線而傳遞到致冷器。通往冷卻器裡 的位移器驅動馬達的電力也經常透過壓縮機或控制器組件來傳遞。
輻射屏蔽是在致冷器之第一階段的最冷末端處連結於熱槽或冷站。屏蔽以免受輻射熱的方式包圍著第二階段低溫板。前置陣列經由附接於輻射屏蔽或者如美國專利第4,356,701號所揭示地經由熱支柱(thermal strut)，而由第一階段熱槽所冷卻。
低溫冷卻器的最冷之第二階段的最冷末端是在冷指的尖端。主要泵表面或低溫板在第二階段的此最冷末端處連結於熱槽。此低溫板可以是單純的金屬板或杯，或者它可以是排列和連結於第二階段熱槽周圍的金屬擋板陣列。此第二階段低溫板也支持著低溫吸附劑。
對於用來製造最可靠和最高效率的低溫泵之複雜科技的某方面來說，已有許多努力投注在選擇用於低溫致冷器(例如Gifford-McMahon、Stirling、脈衝管等低溫致冷器)之再生性熱交換器的材料，一般偏好再生性熱交換器在低溫展現高的體積熱容量。然而如圖1所示，大部分的金屬體積熱容量隨著溫度下降低於75K而展現急遽減少；相對而言，氦的體積熱容量在25K以下急遽增加，尖峰在大約10K。圖1所示錫、銻、氦、鉛的比熱數值得自參考資料，如揭示於 物質的熱物理性質：比熱：金屬性元素和合金 (Y.S.Touloukian和E.H.Buyco，第4冊)以及 比熱：非金屬性液體和氣體 (Y.S.Touloukian和T.Makita，第6冊)(IFI/Plenum，紐約，1970年)，其所有教示的內容併於此以為參考。圖1所示二種或更多種金屬之混合物的比熱數值則是依據所示混合物的組成百分比來調整純金屬的已知比熱數值而計算得出。低溫致冷器典型使用鉛(Pb)做為第二階段再生性熱交換器的構件，此乃因為鉛在低溫具有比較高的體積熱容量。
然而，鉛是可以傷害神經系統的有毒金屬，特別是對幼小兒童，並且引發血液和腦部異常。長期暴露於鉛或其鹽類(特別是可溶性鹽類或強氧化劑PbO2)可以導致腎臟病變和類似疝氣的腹絞痛。因此，現在產品中使用鉛已遭到禁止、限制或非所欲。
其他再生性材料也有缺點。舉例而言，包含稀土元素的金屬間化合物極為昂貴。此外，金屬間的化合材料要比金屬化合物更硬、更脆，因此難以製成低溫致冷器之再生性熱交換器所需的幾何形狀。這些材料表現也比較差，此乃因為當它們在致冷器之正常操作期間暴露於重複的機械衝擊時會輕易地解構成粉末。鉍是具有高體積熱容量的另一種金屬，但是它非常貴且脆，難以製成再生器材料所需的球形。鉍也會像金屬間化合物一樣解構成粉末，並且額外缺點是鉍粉末是高度易燃和極易與鋁和空氣反應。鋁是建構低溫致冷器所常見的材料，因此當致冷器於空氣中拆解時，粉末可能就會起反應。
所以，需要較不危險和不昂貴之高體積熱容量的再生性熱交換器材料，其不會於操作期間而有隨著時間劣化的傾向，並且能夠形成所需的幾何形狀。
於一具體態樣，本發明包含的低溫致冷器包括錫銻(Sn-Sb)合金構成的再生性熱交換器材料，其於至少一冷卻階段熱接觸於工作氣體。於特定具體態樣，低溫致冷器是Gifford-McMahon低溫致冷器。於另一特定具體態樣，低溫致冷器是脈衝管低溫致冷器。於又一特定具體態樣，低溫致冷器是Stirling低溫致冷器。於又一具體態樣，工作氣體是氦。於某 些具體態樣，冷卻階段包含至少二層再生性熱交換器材料。於特定的具體態樣，至少一層包含錫銻(Sn-Sb)合金，以及至少一層包含至少一稀土元素。於其他特定具體態樣，至少一層包含錫銻(Sn-Sb)合金，以及至少一層包含一或多個稀土元素與非稀土金屬的稀土性金屬間化合物。於再一具體態樣，至少一層包含錫銻(Sn-Sb)合金，以及至少一層包含稀土元素的固溶體合金。於特定具體態樣，Sn-Sb合金包括最多大約43重量%的銻，最好大約9.6重量%的銻，更好大約6.7重量%的銻。於另一特定具體態樣，Sn-Sb合金包括最少大約0.5重量%的銻。於另一具體態樣，Sn-Sb合金包含實質球形的錫銻合金顆粒，其直徑範圍在大約0.01毫米和大約3毫米之間。
於低溫致冷器的另一具體態樣，冷卻階段進一步包含直接熱接觸於工作氣體的冷站。於特定具體態樣，冷站實質上由銅所組成。
於低溫致冷器的另一具體態樣，再生性熱交換器材料包含Sn-Sb-M合金。M可以包含選自以下所構成之群組中的至少一元素：Bi、Ag、Ge、Cu、La、Mg、Mn、Nd、Ni、Pd、Pt、K、Rh、Sm、Se、S、Y、Fe、In、Cd、Ti、Al、Ce、Dy、Au、P、Pr、Yb及Zn，從大約0.01重量%至大約40重量%的M、從大約0.1重量%至大約43重量%的Sb及從大約50重量%至大約99.5重量%的Sn。於某些具體態樣，冷卻階段包含至少二層再生性熱交換器材料。於特定的具體態樣，至少一層包含Sn-Sb-M合金，以及至少一層包含至少一稀土元素。於其他特定具體態樣，至少一層包含Sn-Sb-M合金，以及至少一層包含一或多個稀土元素與非稀土金屬的稀土性金屬間化合物。於再一具體態樣，至少一層包含Sn-Sb-M合金，以及至少一層包含稀土元素的固溶體合金。於特定具體態樣，Sn-Sb-M合金包含實質球形的 Sn-Sb-M顆粒，其直徑範圍在大約0.01毫米和大約3毫米之間。
於另一具體態樣，本發明包含的低溫泵包括低溫致冷器，其包含至少一冷卻階段(該冷卻階段包含適於做為低溫冷媒的工作氣體)，以及包含熱接觸於至少一冷卻階段的至少一冷站、熱接觸於工作氣體的再生性熱交換器材料(該再生性熱交換器材料包含錫銻(Sn-Sb)合金)、適於凝結或吸附氣體而連結於至少一冷站的至少一低溫板。於特定具體態樣，Sn-Sb合金包括最多大約43重量%的銻，最好大約9.6重量%的銻，更好大約6.7重量%的銻。於另一特定具體態樣，Sn-Sb合金包括最少大約0.5重量%的銻。於特定具體態樣，低溫致冷器是Gifford-McMahon低溫致冷器。於另一特定具體態樣，低溫致冷器是脈衝管低溫致冷器。於又一特定具體態樣，低溫致冷器是Stirling低溫致冷器。於某些具體態樣，工作氣體是氦。於另一具體態樣，低溫泵包括再生性熱交換器材料，其包含Sn-Sb-M合金。M可以包含選自以下所構成之群組中的至少一元素：Bi、Ag、Ge、Cu、La、Mg、Mn、Nd、Ni、Pd、Pt、K、Rh、Sm、Se、S、Y、Fe、In、Cd、Ti、Al、Ce、Dy、Au、P、Pr、Yb及Zn，從大約0.01重量%至大約40重量%的M、從大約0.1重量%至大約43重量%的Sb及從大約50重量%至大約99.5重量%的Sn。
於另一具體態樣，本發明包含的低溫泵包括Gifford-McMahon低溫致冷器，其在具有第一和第二同軸階段的低溫致冷器裡包含往復式位移器，該位移器驅動成往復運動，而交替壓縮和膨脹適於做為低溫冷媒的工作氣體，以及在位移器裡包含熱接觸於工作氣體的再生性熱交換器材料，該再生性熱交換器材料包含錫銻(Sn-Sb)合金，以及包含適於凝結或吸附氣體而連結於第二同軸階段的至少一低溫板。於特定具體 態樣，Sn-Sb合金包括最多大約43重量%的銻，最好大約9.6重量%的銻，更好大約6.7重量%的銻。於另一特定具體態樣，Sn-Sb合金包括最少大約0.5重量%的銻。
於包括Gifford-McMahon低溫致冷器之低溫泵的另一具體態樣，再生性熱交換器材料包含Sn-Sb-M合金。M可以包含選自以下所構成之群組中的至少一元素：Bi、Ag、Ge、Cu、La、Mg、Mn、Nd、Ni、Pd、Pt、K、Rh、Sm、Se、S、Y、Fe、In、Cd、Ti、Al、Ce、Dy、Au、P、Pr、Yb及Zn，從大約0.01重量%至大約40重量%的M、從大約0.1重量%至大約43重量%的Sb及從大約50重量%至大約99.5重量%的Sn。
於再一具體態樣，本發明包含的低溫泵包括脈衝管低溫致冷器，其包含緩衝槽(其建構成包含適於做為低溫冷媒的工作氣體量)、流體連通於緩衝槽的第一熱交換區域、流體連通於第一熱交換區域的脈衝管(其建構成沿著脈衝管傳送氣壓波)、流體連通於脈衝管的第二熱交換區域、流體連通於第二熱交換區域的腔穴(其包含熱接觸於工作氣體的再生性熱交換器材料，該再生性熱交換器材料包含錫銻(Sn-Sb)合金)、適於產生氣壓波的氣壓源、適於凝結或吸附氣體而連結於第二熱交換區域的至少一低溫板。於特定具體態樣，低溫泵進一步包含限流孔，其流體連通於緩衝槽和第一熱交換區域。於另一特定具體態樣，限流孔進一步包含可調式開口。於又一特定具體態樣，氣壓源是往復式位移器，該位移器驅動成往復運動，而交替壓縮和膨脹工作氣體。於某些具體態樣，工作氣體是氦。於另一特定具體態樣，再生性熱交換器材料包含至少二層。於又一特定具體態樣，低溫泵包含直接熱接觸於工作氣體的冷站。於特定具體態樣，冷站實質上由銅 所組成。於又一特定具體態樣，Sn-Sb合金包括最多大約43重量%的銻，最好大約9.6重量%的銻，更好大約6.7重量%的銻。於另一特定具體態樣，Sn-Sb合金包括最少大約0.5重量%的銻。於另一具體態樣，再生性熱交換器材料包含Sn-Sb-M合金。M可以包含選自以下所構成之群組中的至少一元素：Bi、Ag、Ge、Cu、La、Mg、Mn、Nd、Ni、Pd、Pt、K、Rh、Sm、Se、S、Y、Fe、In、Cd、Ti、Al、Ce、Dy、Au、P、Pr、Yb及Zn，從大約0.01重量%至大約40重量%的M、從大約0.1重量%至大約43重量%的Sb及從大約50重量%至大約99.5重量%的Sn。
於又一具體態樣，本發明包含的低溫致冷器包括錫鎵(Sn-Ga)合金構成的再生性熱交換器材料，其於至少一冷卻階段熱接觸於工作氣體。於特定具體態樣，低溫致冷器是Gifford-McMahon低溫致冷器。於另一特定具體態樣，低溫致冷器是脈衝管低溫致冷器。於又一特定具體態樣，低溫致冷器是Stirling低溫致冷器。於某些具體態樣，工作氣體是氦。於某些具體態樣，冷卻階段包含至少二層再生性熱交換器材料。於特定的具體態樣，至少一層包含錫鎵(Sn-Ga)合金，以及至少一層包含至少一稀土元素。於其他特定具體態樣，至少一層包含錫鎵(Sn-Ga)合金，以及至少一層包含一或多個稀土元素與非稀土金屬的稀土性金屬間化合物。於再一具體態樣，至少一層包含錫鎵(Sn-Ga)合金，以及至少一層包含稀土元素的固溶體合金。於特定具體態樣，Sn-Ga合金包括最多大約3.9重量%的鎵。
於再一具體態樣，本發明包含在低溫操作低溫泵的方法。本方法包括在低溫泵的積冷單元裡往復式移動位移器。位移器殼罩著包含錫銻合金的再生性熱交換器材料。工作氣體在壓力下引入積冷單元，然後藉 由位移器而膨脹，藉此冷卻氣體，此轉而冷卻再生性熱交換器材料。於特定具體態樣，工作氣體是氦。
於另一具體態樣，本發明包含在低溫操作低溫泵的方法，其包括提供至少一冷卻階段，該冷卻階段包含適於做為低溫冷媒的工作氣體，以及包含熱接觸於至少一冷卻階段的至少一冷站，而再生性熱交換器材料則熱接觸於工作氣體，該再生性熱交換器材料包含錫銻(Sn-Sb)合金。本方法進一步包含使氣體凝結或吸附在連結於至少一冷站的至少一低溫板上。
於再一具體態樣，包含錫銻合金的再生性熱交換器材料並未包含於移動的位移器中，而是於固定床中，其中壓力脈衝通過工作氣體而跨越再生性熱交換器材料。於特定具體態樣，工作氣體是氦。
本發明有利之處在於提供較不危險和較不昂貴的再生性熱交換器材料，其包含具有高體積熱容量的錫銻(Sn-Sb)合金，於操作期間沒有隨著時間而劣化的傾向，並且能夠形成低溫致冷器所需的幾何形狀。包含本發明之再生性熱交換器材料以做為無鉛低溫致冷器一部份的低溫真空泵，乃提供用於半導體製程和其他電子產品製程潔淨的真空環境。
100‧‧‧Gifford-McMahon低溫致冷器
105‧‧‧殼罩(缸筒)
110‧‧‧第一階段位移器
112‧‧‧第一階段熱負載
115‧‧‧第二階段位移器
117‧‧‧第二階段熱負載
120‧‧‧位移器驅動馬達
131‧‧‧往復方向
132‧‧‧往復方向
133‧‧‧往復方向
150‧‧‧第一階段再生性熱交換器材料
160‧‧‧第一階段冷站
170‧‧‧第二階段再生性熱交換器材料
180‧‧‧第一膨脹腔室
185‧‧‧第二膨脹腔室
190‧‧‧第二階段冷站
195‧‧‧加熱源
196‧‧‧加熱源
200‧‧‧再生性熱交換器
210‧‧‧高溫層
220‧‧‧中溫層
230‧‧‧低溫層
300‧‧‧Gifford-McMahon低溫泵
320‧‧‧真空容器
325‧‧‧輻射屏蔽
330‧‧‧真空容器凸緣
340‧‧‧前置低溫板陣列
350‧‧‧低溫板陣列
400‧‧‧脈衝管低溫泵
405‧‧‧脈衝管致冷器
410‧‧‧第一階段脈衝管致冷器組件
420‧‧‧真空容器
425‧‧‧輻射屏蔽
430‧‧‧真空凸緣
440‧‧‧前置低溫板陣列
450‧‧‧低溫板陣列
455‧‧‧閥組件
460‧‧‧第一階段冷站
470‧‧‧第一階段脈衝管
480‧‧‧第一階段熱站
490‧‧‧第一階段限流孔
500‧‧‧緩衝槽
510‧‧‧第二階段脈衝管致冷器組件
560‧‧‧第二階段冷站
570‧‧‧第二階段脈衝管
580‧‧‧第二階段熱站
590‧‧‧第二階段限流孔
600‧‧‧Stirling低溫致冷器
610‧‧‧壓力波源
620‧‧‧壓力波轉移管線
625‧‧‧殼罩
630‧‧‧第一階段位移器
640‧‧‧第二階段位移器
700‧‧‧低溫泵
A‧‧‧進入閥(入口)
B‧‧‧排出閥(出口)
TH‧‧‧高溫
TI‧‧‧中溫
TL‧‧‧低溫
圖1是幾種金屬、二種或更多種金屬之組合、氦氣的體積比熱數值對溫度的函數圖。
圖2是三層再生性熱交換器材料的截面圖以及對應的相對溫度分布。
圖3是裝有本發明再生性熱交換器材料之Gifford-McMahon低溫致冷器 的具體態樣截面圖。
圖4是包含裝有本發明再生性熱交換器材料的Gifford-McMahon低溫致冷器之低溫泵的具體態樣截面圖。
圖5是包含裝有本發明再生性熱交換器材料的脈衝管低溫致冷器之低溫泵的具體態樣截面圖。
圖6是裝有本發明再生性熱交換器材料之分離式Stirling低溫致冷器的具體態樣截面圖。
圖7是裝有本發明再生性熱交換器材料之整合式Stirling低溫致冷器的具體態樣截面圖。
圖8是包含裝有本發明再生性熱交換器材料的分離式Stirling低溫致冷器之低溫泵的具體態樣截面圖。
圖9是包含裝有本發明再生性熱交換器材料的整合式Stirling低溫致冷器之低溫泵的具體態樣截面圖。
圖10是施加於包含由95重量%的Sn、5重量%的Sb組成的再生性熱交換器材料和相較於由鉛(Pb)組成的再生性熱交換器材料之低溫致冷器第二階段的熱負載(瓦)對第二階段溫度(Kelvin度數)的函數圖。
從下面本發明之範例性具體態樣的更特定敘述會更清楚前面所言，該等具體態樣乃示範於所附圖式，其中類似的參考數字在不同圖中是指相同的部份。圖式未必照比例繪製，而是強調示範本發明的具體態樣。
金屬性錫(Sn)對人體一般是無毒性的，即使長時間攝取少量 濃度亦然，而元素性錫幾乎不會影響人體健康。因此，錫是鉛的環境上合理替代品，以做為應用於低溫泵中之低溫致冷器的再生性熱交換器材料而不顯著折衷如圖1所示的體積熱容量。
錫在正常壓力和溫度下具有二種同素異形體：灰色α錫和白色β錫。低於平衡的13.2℃，它以α錫存在，其具有類似矽和鍺的立方晶體結構。灰錫的金屬性質很差；其係無光澤的灰脆性材料。當溫熱高於平衡的13.2℃，錫變成白錫或β錫，其係具有正方晶系結構的延展性金屬。α錫會在錫延展性是很重要的應用中造成不欲的效應，並且此轉變導致轉變的材料粉末化，此乃因為轉變帶來體積變化所產生的應力而造成。長時間維持在13.2℃以下，β錫也會緩慢轉變為α錫。形成α錫的育成時間範圍可以從數月到超過一年。此轉變涉及孕育時間，其中α相孕核於表面，以及涉及成長階段，其中α相隨著時間長成β相。結果可以是白錫的金屬性表面被可輕易擦掉的灰色粉末所覆蓋。此過程已知為錫病或錫害。
由灰錫或α錫所做成的再生性熱交換器材料不適合應用於低溫循環，這是因為低溫泵的低溫表面乃操作於4至70K(-269℃至-203℃)的範圍並且於室溫和冷操作範圍之間循環，以便規律的維持和再生。轉變成灰錫乃藉由添加足量銻(Sb)以形成錫和銻的合金而避免。包含鉛和鉍當中足量的一或多者或者包含其足量組合的錫合金也可避免轉變成α錫。可以包含添加元素以增強性質(例如體積熱容量和延展性)和使導熱率減到最小，只要最少量的抑制性元素包含於合金中即可。這些合金元素包含但不限於：In、Ag、Au、Cd、Ti、Ni、Bi、Ge、Cu、Mg、Mn、Pd、Pt、K、Rh、Se、S、Y、Fe、Al、P、Yb、Zn及稀土元素。
因此，於本發明的特定具體態樣，操作低溫致冷器的再生性熱交換器材料包含錫銻(Sn-Sb)合金。再生性熱交換器材料一般可以包括多個相，各相具有不同的組成比例和雜質相(例如氧化物、碳化物)。
於一具體態樣，Sn-Sb合金可以包含最多高達大約9.6重量%的Sb的固溶率，而最少濃度則大約0.5重量%的Sb。組成可以包含高達大約43重量%的Sb。
於其他特定具體態樣，操作低溫致冷器的再生性熱交換器材料包含錫鎵(Sn-Ga)合金。於一具體態樣，Sn-Ga合金可以包含最多高達大約3.9重量%的Ga固溶率。
於特定的具體態樣，再生性熱交換器材料可以是遵循一般式Sn-Sb-M的三元合金，其中M是選自以下所構成之群組的元素：Bi、Ag、Ge、Cu、La、Mg、Mn、Nd、Ni、Pd、Pt、K、Rh、Sm、Se、S、Y、Fe、In、Al、Ce、Dy、Cd、Ti、Au、P、Pr、Yb，Er，Ho，Gd及Zn。於特定的具體態樣，Sn-Sb-M合金材料可以包含從大約0.01重量%至大約40重量%的M、從大約0.1重量%至大約43重量%的Sb及從大約50重量%至大約99.5重量%的Sn。
本發明的再生性熱交換器材料最好包括實質均勻直徑的球體，以便於堆積裝有再生性熱交換器材料的積冷單元中使沿著操作媒介(冷媒，例如氦氣(He))之流動方向的壓力下降減到最少，以及增加操作媒介和再生性熱交換器材料之間的熱交換效率，並且在積冷單元裡維持固定的熱交換速率。
再生性熱交換器材料的尺寸是對致冷器的冷卻功能和熱傳 特性有重大影響的因素。於一具體態樣，實質球形之再生性熱交換器材料的直徑範圍是在大約0.01毫米和大約3毫米之間。
於圖2所示的額外具體態樣，再生性熱交換器200可以包含材料層210、220、230，其具有不同的體積熱容量以適於再生器個別位置的溫度，亦即適合在再生器一末端210的高溫TH、在中間部份220之較低的中溫TI、在另一末端230的低溫TL。本發明的再生性熱交換器材料會包含於至少一層中。於特定的具體態樣，至少一層包含錫銻(Sn-Sb)合金，以及至少一層包含至少一稀土元素。適合的稀土元素舉例而言包括：Sc、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu。於其他特定具體態樣，至少一層包含錫銻(Sn-Sb)合金，以及至少一層包含一或多個稀土元素與非稀土金屬的稀土性金屬間化合物。適合的稀土性金屬間化合物舉例而言包括：HoCu2、Er3Ni、PrCu2、GdRh、GdErRh、EuTe。於再一具體態樣，至少一層包含錫銻(Sn-Sb)合金，以及至少一層包含稀土元素的固溶體合金。適合的稀土元素固溶體合金舉例而言包括：Er-Pr、La-Ce、Ce-Pr、Gd-Tb、Dy-Ho、Er-La、Ho-Er、Nd-Sm、Nd-Y及Gd-Y。
本發明的低溫致冷器如此建構成包括多個冷卻階段，並且合金材料於致冷器的最終冷卻階段乃填充於至少部份的再生性熱交換器。舉例而言，在二階段膨脹型致冷器的情形，本發明的再生性熱交換器材料填充於配置在第二冷卻階段的再生器低溫末端。在三階段膨脹型致冷器的情形，本發明的再生性熱交換器材料填充於配置在第三階段的積冷單元低溫末端。另一方面，三階段致冷器之其他二階段的積冷單元乃操作於比第三階段依序更高的溫度，也可以最佳化地填充在特定積冷單元的操作溫度具 有高體積比熱的其他再生器材料。三階段致冷器也可以包含本發明的材料於部分的第二和/或第三階段，此視各階段的操作溫度和提供所需冷卻的熱容量而定。本發明的再生性熱交換器材料可以類似地使用於多於三階段的系統。
本發明的低溫致冷器包含Gifford-McMahon型低溫致冷器、脈衝管低溫致冷器、Stirling型低溫致冷器。本發明Gifford-McMahon低溫致冷器的一具體態樣顯示於圖3。現參見圖3，Gifford-McMahon低溫致冷器100包含殼罩105，其進一步包含大直徑的第一階段位移器110和小直徑的第二階段位移器115，第二階段位移器115同軸連結於第一階段位移器110。第一階段位移器110由位移器驅動馬達120所驅動，並且連結於第二階段位移器115，而沿著它在缸筒105中自由地往復移動，如雙向箭頭131、132、133所指。
第一階段位移器110容納了第一階段再生性熱交換器材料150。於一具體態樣，第一階段再生性熱交換器材料150可以包含銅或不鏽鋼篩或其等效物。
於第二階段位移器115，低溫側包含由本發明再生性熱交換器材料所做成的第二階段再生性熱交換器材料170以用於極度低溫。於本發明的特定具體態樣，操作低溫致冷器的再生性熱交換器材料包含錫銻(Sn-Sb)合金。於本發明的其他特定具體態樣，再生性熱交換器材料可以是遵循一般式Sn-Sb-M的三元合金，其中M是選自以下所構成之群組的元素：Bi、Ag、Ge、Cu、La、Mg、Mn、Nd、Ni、Pd、Pt、K、Rh、Sm、Se、S、Y、Fe、In、Al、Ce、Dy、Au、Cd、Ti、P、Pr、Yb及Zn。第二階段再生性熱 交換器材料170藉由篩網或類似者而包含於第二階段位移器115裡。於特定的具體態樣，第一階段再生性熱交換器材料150和第二階段再生性熱交換器材料170可以包含至少二層材料，而有不同的體積熱容量以適於再生器個別位置的溫度。
第一膨脹腔室180提供於第一階段位移器110和第二階段位移器115之間。第二膨脹腔室185提供於第二階段位移器115底下。第一階段冷站160提供於第一膨脹腔室180周圍；此外，比第一階段冷站160還冷的第二階段冷站190提供於第二膨脹腔室185周圍。視需要可選用的加熱源195和196則提供成分別接觸第二階段冷站190和第一階段冷站160，以於操作和規律維護期間來溫熱第二和第一階段。第二階段冷站190的操作溫度大約10K至大約25K，因此它是真空泵表面，以用於極低溫下凝結或者在這些冷溫度下由其他材料吸附的氣體。於一具體態樣，因為氦氣和高導熱率的第二階段冷站190之間沒有阻障，所以氦氣和第二階段冷站190之間有直接的熱接觸。於另一具體態樣，第一階段冷站160和第二階段冷站190其中一者或二者包含銅，以便氦氣和個別冷站之間有更大程度的熱接觸。
低溫泵之低溫致冷器的工作氣體冷媒流動是循環性的。於Gifford-McMahon低溫致冷器的最基本形式，如圖3所示，壓縮氣體源(亦即壓縮機)經由進入閥A連結於缸筒105的第一末端。排放管線上的排出閥B則從第一末端通到壓縮機的低壓入口。包含再生器的位移器位於缸筒105的第二末端、排出閥B關閉且進入閥A打開時，缸筒105便填充了壓縮氣體。進入閥A仍然打開時，位移器移動到第一末端以迫使壓縮氣體經過再生器到第二末端，而氣體通過再生器時便冷卻了。當進入閥A關閉且排出 閥B打開時，氣體膨脹到低壓釋放管線並且進一步冷卻。結果在第二末端跨越缸筒壁的溫度梯度造成熱從負載流動進入缸筒裡的氣體。排出閥B打開且進入閥A關閉時，位移器然後便移動到第二末端，使氣體經過再生器而位移回去，而再生器把熱退回給冷氣體，因此冷卻了再生器，如此就完成了循環。
為了產生用於低溫泵所需的低溫，輸入的氣體必須在膨脹之前先冷卻。再生器從輸入氣體抽取熱、儲存之、然後把熱釋放於排放流。再生器是逆向流動熱交換器，而氦氣以交替方向通過之。再生器包括高表面積、高比熱、低導熱率的材料。所以，如果氦的溫度比較高，則再生器會從氦接收熱。如果氦的溫度比較低，再生器會釋放熱至氦。
再者，可以增加第二階段致冷，如圖3所示，以達到10K以下的溫度。於圖3的裝置，氦經由閥A進入致冷器而經由閥B離開。位移器驅動馬達120分別於第一階段和第二階段驅動位移器110和115。第一階段位移器110包含第一階段再生器150，而第二階段位移器115包含第二階段再生器170。熱是由第一階段熱負載112和第二階段熱負載117所抽出。可視需要選擇性提供加熱源195和196來接觸第二和第一階段，以於操作和規律維護期間分別溫熱第二和第一階段。Gifford-McMahon低溫致冷器的基本操作描述於 新的低溫氣體膨脹循環 (H.O.McMahon和W.E.Gifford，低溫工程會議紀錄，低溫工程的進展，第5冊第1部第354-372頁，科羅拉多州Boulder，1959年)以及美國專利第2,906,101和2,966,035號，此等所有教示的內容併於此以為參考。
包含Gifford-McMahon低溫致冷器之低溫泵的一具體態樣顯 示於圖4。現參見圖4，Gifford-McMahon低溫泵300包含具有真空容器凸緣330的真空容器320，且包含輻射屏蔽325、連結於輻射屏蔽325的前置低溫板陣列340、連結於第二階段冷站190的低溫板陣列350，第二階段冷站190則連結於低溫致冷器殼罩105裡的第二階段位移器115。於第二階段位移器115裡，低溫側包含由本發明再生性熱交換器材料所做成的第二階段再生性熱交換器材料170(未顯示)以用於極度低溫。低溫致冷器殼罩105裡的驅動馬達120、工作氣體進入管線A和排放管線B、第一階段冷站160也顯示於圖4。Gifford-McMahon低溫泵的構件和操作描述於美國專利第4,918,930號其所有教示的內容併於此以為參考。
於Gifford-McMahon低溫泵的特定具體態樣，第一階段再生性熱交換器材料(未顯示於圖4)和第二階段再生性熱交換器材料(未顯示於圖4)可以包含如上所述的至少二層，而具有不同的體積熱容量以適合再生器裡個別位置的溫度。於本發明的其他特定具體態樣，操作低溫致冷器的再生性熱交換器材料包含錫銻(Sn-Sb)合金或錫鎵(Sn-Ga)合金。於本發明的其他特定具體態樣，再生性熱交換器材料可以是遵循一般式Sn-Sb-M的三元合金，其中M是選自以下所構成之群組的元素：Bi、Ag、Ge、Cu、La、Mg、Mn、Nd、Ni、Pd、Pt、K、Rh、Sm、Se、S、Y、Fe、In、Al、Ce、Dy、Au、Cd、Ti、P、Pr、Yb及Zn。
於Gifford-McMahon低溫泵的特定具體態樣，工作氣體(例如氦)和高導熱率的第二階段冷站190之間沒有阻障，所以氦氣和第二階段冷站190之間有直接的熱接觸。於另一具體態樣，第一階段冷站160和第二階段冷站190其中一者或二者包含銅，以便氦氣和個別冷站之間有更大程度 的熱接觸。
低溫泵可以包含脈衝管致冷器。脈衝管致冷器是再生性致冷器，其中壓力波來回行經緩衝槽、脈衝管、包含再生性熱交換器材料的區段。壓力波產生振盪氣體柱，此稱為氣體活塞，其功能在於做為可壓縮的位移器，以來回移動工作氣體經過再生性熱交換器材料。於此過程，脈衝管的一末端被冷卻而產生冷站區域，脈衝管的另一末端則被加熱而產生熱站區域，在此熱從致冷器逸散出去。壓力波可以是由藉高壓和低壓氣體管線連結於脈衝管致冷器的壓縮機所產生，或者是由例如聲波源和活塞的振盪器所產生，因此脈衝管致冷器在冷末端沒有移動部份。某些脈衝管致冷器在脈衝管和緩衝槽之間包含孔，以做為能夠適當調整氣體運動和壓力波之時相的流動阻力。脈衝管致冷器可以是單一階段或者可以包含多重階段。脈衝管致冷器的基本操作描述於 脈衝管致冷器做為有效且可靠之低溫冷卻器的發展 (R.Radebaugh，致冷機構會議紀錄，第96冊，倫敦，1999/2000年)，其所有教示的內容併於此以為參考。
包含脈衝管低溫致冷器之低溫泵的一具體態樣顯示於圖5。現參見圖5，脈衝管低溫泵400包含具有真空凸緣430的真空容器420，其包含輻射屏蔽425、前置低溫板陣列440、低溫板陣列450。脈衝管致冷器405包含連結於閥組件455的高壓氣體入口A，閥組件455則流體連通於第一階段脈衝管致冷器組件410、緩衝槽500、第二階段脈衝管致冷器組件510、低壓氣體出口B。第一階段脈衝管致冷器組件410包含第一階段熱交換器150，其連結於第一階段冷站460，再流體連通於第一階段脈衝管470、第一階段熱站480、第一階段限流孔490。第二階段脈衝管致冷器組件510 包含第二階段熱交換器170，其連結於第二階段冷站560，再流體連通於第二階段脈衝管570、第二階段熱站580、第二階段限流孔590。脈衝管低溫泵的構件和操作乃描述於美國專利第7,201,004號，其所有教示的內容併於此以為參考。
於圖5所示的低溫泵具體態樣，第一再生性熱交換器材料150可以包含銅篩或其等效物。於脈衝管低溫泵的特定具體態樣，第一階段再生性熱交換器材料150和第二階段再生性熱交換器材料170可以包含如上所述的至少二層，而具有不同的體積熱容量以適合再生器裡個別位置的溫度。於本發明的其他特定具體態樣，操作脈衝管致冷器的再生性熱交換器材料包含錫銻(Sn-Sb)合金或錫鎵(Sn-Ga)合金。於本發明的其他特定具體態樣，再生性熱交換器材料可以是遵循一般式Sn-Sb-M的三元合金，其中M是選自以下所構成之群組的元素：Bi、Ag、Ge、Cu、La、Mg、Mn、Nd、Ni、Pd、Pt、K、Rh、Sm、Se、S、Y、Fe、In、Al、Ce、Dy、Au、Cd、Ti、P、Pr、Yb及Zn。
於脈衝管低溫泵的特定具體態樣，因為工作氣體(例如氦)和高導熱率的第二階段冷站560之間沒有阻障，所以氦氣和第二階段冷站560之間有直接的熱接觸。於另一具體態樣，第一階段冷站460和第二階段冷站560其中一者或二者包含銅，以便氦氣和個別冷站之間有較大程度的熱接觸。
低溫泵可以包含Stirling低溫致冷器。二階段Stirling低溫致冷器的一具體態樣顯示於圖6。現參見圖6，Stirling低溫致冷器600包含壓力波源610、壓力波轉移管線620、殼罩625，殼罩625進一步包含大直徑的 第一階段位移器630和小直徑的第二階段位移器640，第二階段位移器640同軸連結於第一階段位移器630。
於Stirling低溫致冷器的特定具體態樣，第一階段再生性熱交換器材料150和第二階段再生性熱交換器材料170可以包含如上所述的至少二層，而具有不同的體積熱容量以適合再生器裡個別位置的溫度。第一階段位移器630容納第一階段再生性熱交換器材料150。於一具體態樣，第一階段再生性熱交換器材料150可以包含銅或不鏽鋼篩或其等效物。
於第二階段位移器640，低溫側包含由本發明再生性熱交換器材料所做成的第二階段再生性熱交換器材料170，其包含錫銻(Sn-Sb)合金以用於極度低溫。
第一階段冷站160提供於第一階段位移器630遠離壓力波源610的末端，而比第一階段冷站160更冷的第二階段冷站190則提供於第二階段位移器640遠離第一階段冷站160的末端。第二階段冷站190的操作溫度大約10K至大約25K，因此它是真空泵表面，以用於極低溫下凝結或者在這些冷溫度下由其他材料吸附的氣體。熱從第一階段熱負載112和第二階段熱負載117抽取。於Stirling低溫致冷器的另一具體態樣，壓力波源610可以是活塞或聲波源。於Stirling低溫致冷器的又一具體態樣，如圖7所示，壓力波源610整合於殼罩625，因此不需要壓力波轉移管線620。現參見圖7，所有顯示的項目已事先描述於圖6。
包含二階段Stirling低溫致冷器之低溫泵的一具體態樣顯示於圖8。現參見圖8，低溫泵700包含連結於壓力波轉移管線620的壓力波源610、具有真空容器凸緣330的真空容器320，真空容器320包含輻射屏 蔽325、連結於輻射屏蔽325的前置低溫板陣列340、連結於第二階段冷站190的低溫板陣列350，第二階段冷站190則連結於低溫致冷器殼罩105裡的第二階段位移器115。於第二階段位移器115裡，低溫側包含由本發明再生性熱交換器材料所做成的第二階段再生性熱交換器材料170(未顯示)，其包含錫銻(Sn-Sb)合金以用於極度低溫。於包含Stirling低溫致冷器之低溫泵的另一具體態樣，壓力波源610可以是活塞或聲波源。於Stirling低溫致冷器的又一具體態樣，如圖9所示，壓力波源610整合於真空容器320，因此就不需要壓力波轉移管線620。現參見圖9，所有顯示的項目已事先描述於圖8。
<實施例>
直徑0.28毫米、呈圓形丸粒形式的再生性熱交換器材料組成為95重量%的Sn和5重量%的Sb，係於標準的二階段Gifford-McMahon致冷器中測試。均勻尺寸和組成的Sn-Sb再生性材料乃包含於Gifford-McMahon致冷器100之第二階段位移器115的熱交換器170，如圖3所示。第二階段建構成氦工作氣體冷媒和銅熱站190之間有直接的熱接觸，如圖3所示。測試條件包括第一階段不同的溫度設定以及位移器驅動馬達120不同的往復速率，如圖3所示。改變對第一階段的熱負載來控制第一階段的溫度設定以維持所需溫度。逐漸增加對第二階段的熱負載，並且監測第二階段的溫度。圖10顯示施加於由95重量%的Sn、5重量%的Sb所組成的再生性熱交換器材料相較於由鉛(Pb)組成的再生性熱交換器材料之標準Gifford-McMahon致冷器第二階段的熱負載(瓦)對第二階段溫度(Kelvin度)的函數圖，其中位移器操作於每分鐘72轉(rpm)的馬達速度。
在此所引述的所有專利、公告案和參考文獻之教示的內容併於此以為參考。
<等效者>
雖然本發明已參考其具體態樣而做了特別的顯示和描述，但是熟悉此類技術者將會瞭解：可以就形式和細節做出各式各樣的改變，而不偏離所附申請專利範圍界定的本發明範圍。
100‧‧‧Gifford-McMahon低溫致冷器
105‧‧‧殼罩(缸筒)
110‧‧‧第一階段位移器
112‧‧‧第一階段熱負載
115‧‧‧第二階段位移器
117‧‧‧第二階段熱負載
120‧‧‧位移器驅動馬達
131‧‧‧往復方向
132‧‧‧往復方向
133‧‧‧往復方向
150‧‧‧第一階段再生性熱交換器材料
160‧‧‧第一階段冷站
170‧‧‧第二階段再生性熱交換器材料
180‧‧‧第一膨脹腔室
185‧‧‧第二膨脹腔室
190‧‧‧第二階段冷站
195‧‧‧加熱源
196‧‧‧加熱源
A‧‧‧進入閥(入口)
B‧‧‧排出閥(出口)

Claims (71)

  1. 一種低溫致冷器，其於至少一冷卻階段包括熱接觸於工作氣體的再生性熱交換器材料，該材料由二元錫銻(Sn-Sb)合金組成。
  2. 如申請專利範圍第1項的低溫致冷器，其中低溫致冷器是Gifford-McMahon低溫致冷器。
  3. 如申請專利範圍第1項的低溫致冷器，其中低溫致冷器是脈衝管低溫致冷器。
  4. 如申請專利範圍第1項的低溫致冷器，其中低溫致冷器是Stirling低溫致冷器。
  5. 如申請專利範圍第1項的低溫致冷器，其中工作氣體是氦。
  6. 如申請專利範圍第1項的低溫致冷器，其中至少一冷卻階段包含至少二層再生性熱交換器材料。
  7. 如申請專利範圍第6項的低溫致冷器，其中至少一層包含錫銻(Sn-Sb)合金，並且至少一層包含至少一稀土元素。
  8. 如申請專利範圍第6項的低溫致冷器，其中至少一層包含錫銻(Sn-Sb)合金，並且至少一層包含一或多個稀土元素與非稀土金屬的稀土性金屬間化合物。
  9. 如申請專利範圍第6項的低溫致冷器，其中至少一層包含錫銻(Sn-Sb)合金，並且至少一層包含稀土元素的固溶體合金。
  10. 如申請專利範圍第1項的低溫致冷器，其中Sn-Sb合金包括最多大約43重量%的銻。
  11. 如申請專利範圍第1項的低溫致冷器，其中Sn-Sb合金包括最多大 約9.6重量%的銻。
  12. 如申請專利範圍第1項的低溫致冷器，其中Sn-Sb合金包括最多大約6.7重量%的銻。
  13. 如申請專利範圍第1項的低溫致冷器，其中Sn-Sb合金包括最少大約0.5重量%的銻。
  14. 如申請專利範圍第1項的低溫致冷器，其中Sn-Sb合金包含實質球形的錫銻合金顆粒。
  15. 如申請專利範圍第14項的低溫致冷器，其中實質球形Sn-Sb合金顆粒的直徑範圍是在大約0.01毫米和大約3毫米之間。
  16. 如申請專利範圍第1項的低溫致冷器，其中至少一冷卻階段進一步包含直接熱接觸於工作氣體的冷站。
  17. 如申請專利範圍第16項的低溫致冷器，其中冷站實質上由銅所組成。
  18. 一種低溫泵，其包括低溫致冷器，該致冷器包含：至少一冷卻階段，其包含適於做為低溫冷媒的工作氣體，以及包含熱接觸於至少一冷卻階段的至少一冷站；再生性熱交換器材料，其熱接觸於工作氣體，該再生性熱交換器材料由二元錫銻(Sn-Sb)合金組成；以及至少一低溫板，其適於凝結或吸附氣體，而連結於至少一冷站。
  19. 如申請專利範圍第18項的低溫泵，其中低溫致冷器是Gifford-McMahon低溫致冷器。
  20. 如申請專利範圍第18項的低溫泵，其中低溫致冷器是脈衝管低溫致冷器。
  21. 如申請專利範圍第18項的低溫泵，其中低溫致冷器是Stirling低溫致冷器。
  22. 如申請專利範圍第18項的低溫泵，其中工作氣體是氦。
  23. 如申請專利範圍第18項的低溫泵，其中至少一冷卻階段包含至少二層再生性熱交換器材料。
  24. 如申請專利範圍第23項的低溫泵，其中至少一層包含錫銻(Sn-Sb)合金，並且至少一層包含至少一稀土元素。
  25. 如申請專利範圍第23項的低溫泵，其中至少一層包含錫銻(Sn-Sb)合金，並且至少一層包含一或多個稀土元素與非稀土金屬的稀土性金屬間化合物。
  26. 如申請專利範圍第23項的低溫泵，其中至少一層包含錫銻(Sn-Sb)合金，並且至少一層包含稀土元素的固溶體合金。
  27. 如申請專利範圍第18項的低溫泵，其中至少一冷卻階段包含直接熱接觸於工作氣體的冷站。
  28. 如申請專利範圍第27項的低溫泵，其中直接熱接觸於工作氣體的冷站實質上由銅所組成。
  29. 如申請專利範圍第18項的低溫泵，其中Sn-Sb合金包括最多大約43重量%的銻。
  30. 如申請專利範圍第18項的低溫泵，其中Sn-Sb合金包括最多大約9.6重量%的銻。
  31. 如申請專利範圍第18項的低溫泵，其中Sn-Sb合金包括最多大約6.7重量%的銻。
  32. 如申請專利範圍第18項的低溫泵，其中Sn-Sb合金包括最少大約0.5重量%的銻。
  33. 如申請專利範圍第18項的低溫泵，其中Sn-Sb合金包含實質球形的錫銻合金顆粒。
  34. 如申請專利範圍第33項的低溫泵，其中實質球形Sn-Sb合金顆粒的直徑範圍是在大約0.01毫米和大約3毫米之間。
  35. 一種低溫泵，其包括低溫致冷器，該致冷器包含：於積冷單元裡的往復式位移器，其具有第一和第二同軸階段，該位移器驅動成往復運動，而交替壓縮和膨脹適於做為低溫冷媒的工作氣體；於位移器裡的再生性熱交換器材料，其熱接觸於工作氣體，該再生性熱交換器材料由二元錫銻(Sn-Sb)合金組成；以及至少一低溫板，其適於凝結或吸附氣體，而連結於第二同軸階段。
  36. 如申請專利範圍第35項的低溫泵，其中工作氣體是氦。
  37. 如申請專利範圍第35項的低溫泵，其中再生性熱交換器材料包含至少二層再生性熱交換器材料。
  38. 如申請專利範圍第37項的低溫泵，其中至少一層包含錫銻(Sn-Sb)合金，並且至少一層包含至少一稀土元素。
  39. 如申請專利範圍第37項的低溫泵，其中至少一層包含錫銻(Sn-Sb)合金，並且至少一層包含一或多個稀土元素與非稀土金屬的稀土性金屬間化合物。
  40. 如申請專利範圍第47項的低溫泵，其中至少一層包含錫銻(Sn-Sb)合金，並且至少一層包含稀土元素的固溶體合金。
  41. 如申請專利範圍第35項的低溫泵，其中第二同軸階段包含直接熱接觸於工作氣體的冷站。
  42. 如申請專利範圍第41項的低溫泵，其中直接熱接觸於工作氣體的冷站實質上由銅所組成。
  43. 如申請專利範圍第35項的低溫泵，其中Sn-Sb合金包括最多大約43重量%的銻。
  44. 如申請專利範圍第35項的低溫泵，其中Sn-Sb合金包括最多大約9.6重量%的銻。
  45. 如申請專利範圍第35項的低溫泵，其中Sn-Sb合金包括最多大約6.7重量%的銻。
  46. 如申請專利範圍第35項的低溫泵，其中Sn-Sb合金包括最少大約0.5重量%的銻。
  47. 如申請專利範圍第35項的低溫泵，其中Sn-Sb合金包含實質球形的錫銻合金顆粒。
  48. 如申請專利範圍第47項的低溫泵，其中實質球形Sn-Sb合金顆粒的直徑範圍是在大約0.01毫米和大約3毫米之間。
  49. 一種低溫泵，其包括低溫致冷器，該致冷器包含：緩衝槽，其建構成包含適於做為低溫冷媒的工作氣體量；第一熱交換區域，其流體連通於緩衝槽；脈衝管，其流體連通於第一熱交換區域，而建構成沿著脈衝管傳送氣壓波；第二熱交換區域，其流體連通於脈衝管； 腔穴，其流體連通於第二熱交換區域，該腔穴包含熱接觸於工作氣體的再生性熱交換器材料，該再生性熱交換器材料由二元錫銻(Sn-Sb)合金組成；氣壓源，其適於產生氣壓波；以及至少一低溫板，其適於凝結或吸附氣體，而連結於第二熱交換區域。
  50. 如申請專利範圍第49項的低溫泵，其進一步包含限流孔，其流體連通於緩衝槽和流體連通於第一熱交換區域。
  51. 如申請專利範圍第50項的低溫泵，其中限流孔進一步包含可調式開口。
  52. 如申請專利範圍第49項的低溫泵，其中氣壓源是往復式活塞，該活塞驅動成往復運動，而交替壓縮和膨脹工作氣體。
  53. 如申請專利範圍第49項的低溫泵，其中工作氣體是氦。
  54. 如申請專利範圍第49項的低溫泵，其中再生性熱交換器材料包含至少二層再生性熱交換器材料。
  55. 如申請專利範圍第54項的低溫泵，其中至少一層包含錫銻(Sn-Sb)合金，並且至少一層包含至少一稀土元素。
  56. 如申請專利範圍第54項的低溫泵，其中至少一層包含錫銻(Sn-Sb)合金，並且至少一層包含一或多個稀土元素與非稀土金屬的稀土性金屬間化合物。
  57. 如申請專利範圍第54項的低溫泵，其中至少一層包含錫銻(Sn-Sb)合金，並且至少一層包含稀土元素的固溶體合金。
  58. 如申請專利範圍第49項的低溫泵，其中第二熱交換區域包含直接熱 接觸於工作氣體的冷站。
  59. 如申請專利範圍第58項的低溫泵，其中直接熱接觸於工作氣體的冷站實質上由銅所組成。
  60. 如申請專利範圍第49項的低溫泵，其中Sn-Sb合金包括最多大約43重量%的銻。
  61. 如申請專利範圍第49項的低溫泵，其中Sn-Sb合金包括最多大約9.6重量%的銻。
  62. 如申請專利範圍第49項的低溫泵，其中Sn-Sb合金包括最多大約6.7重量%的銻。
  63. 如申請專利範圍第49項的低溫泵，其中Sn-Sb合金包括最少大約0.5重量%的銻。
  64. 如申請專利範圍第49項的低溫泵，其中Sn-Sb合金包含實質球形的錫銻合金顆粒。
  65. 如申請專利範圍第64項的低溫泵，其中實質球形Sn-Sb合金顆粒的直徑範圍是在大約0.01毫米和大約3毫米之間。
  66. 一種在低溫操作低溫泵的方法，其包括：在低溫泵的積冷單元裡往復式移動位移器，該位移器殼罩著由二元錫銻(Sn-Sb)合金組成的再生性熱交換器材料；在壓力下將工作氣體引入積冷單元，藉此往復移動位移器和降低氣壓而膨脹並冷卻氣體，此轉而冷卻再生性熱交換器材料。
  67. 如申請專利範圍第66項的方法，其中工作氣體是氦。
  68. 一種在低溫操作低溫泵的致冷器，其包括： 用於提供往復運動的機構，其驅動低溫泵之積冷單元裡的位移器，該位移器殼罩著由二元錫銻(Sn-Sb)合金組成的再生性熱交換器材料；用於在壓力下將工作氣體引入積冷單元的機構；以及用於工作氣體和再生性熱交換器材料之間交換熱的機構。
  69. 如申請專利範圍第68項的致冷器，其中工作氣體是氦。
  70. 一種在低溫操作低溫泵的方法，其包括：提供至少一冷卻階段，其包含適於做為低溫冷媒的工作氣體、熱接觸於至少一冷卻階段的至少一冷站、熱接觸於工作氣體的再生性熱交換器材料，該再生性熱交換器材料由二元錫銻(Sn-Sb)合金組成；以及使氣體凝結或吸附在連結於至少一冷站的至少一低溫板上。
  71. 如申請專利範圍第70項的方法，其中工作氣體是氦。
TW104111216A 2008-04-04 2009-04-02 利用錫銻合金的低溫泵及其使用方法 TWI585298B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12303708P 2008-04-04 2008-04-04

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201529978A TW201529978A (zh) 2015-08-01
TWI585298B true TWI585298B (zh) 2017-06-01

Family

ID=41377492

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW104111216A TWI585298B (zh) 2008-04-04 2009-04-02 利用錫銻合金的低溫泵及其使用方法
TW098110986A TWI490408B (zh) 2008-04-04 2009-04-02 利用錫鎵合金的低溫泵

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW098110986A TWI490408B (zh) 2008-04-04 2009-04-02 利用錫鎵合金的低溫泵

Country Status (7)

Country Link
US (1) US9567988B2 (zh)
EP (1) EP2286087B1 (zh)
JP (1) JP5492184B2 (zh)
KR (1) KR101679638B1 (zh)
CN (1) CN102046975B (zh)
TW (2) TWI585298B (zh)
WO (1) WO2009146120A1 (zh)

Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI585298B (zh) * 2008-04-04 2017-06-01 布魯克機械公司 利用錫銻合金的低溫泵及其使用方法
KR101343891B1 (ko) * 2010-08-17 2013-12-20 (주)바이오니아 써멀 사이클러용 저 비열성 복합 소재
US8610434B2 (en) * 2011-07-21 2013-12-17 ColdEdge Technologies, Inc. Cryogen-free cooling system for electron paramagnetic resonance system
CN102560311A (zh) * 2012-03-16 2012-07-11 鹰潭市众鑫成铜业有限公司 一种镀锡线热镀过程中使用的合金
JP5936938B2 (ja) * 2012-07-11 2016-06-22 住友重機械工業株式会社 極低温蓄冷器の製造方法
CN104704081B (zh) 2012-10-09 2018-03-20 株式会社东芝 稀土蓄冷材料粒子、稀土蓄冷材料粒子群及使用它们的冷头、超导磁铁、检查装置、低温泵
JP6084119B2 (ja) * 2013-05-27 2017-02-22 住友重機械工業株式会社 クライオポンプ
JP6165618B2 (ja) * 2013-06-20 2017-07-19 住友重機械工業株式会社 蓄冷材および蓄冷式冷凍機
TWI482864B (zh) * 2013-08-23 2015-05-01 Univ Nat Formosa A composition having a damping characteristic, and a damper to which the composition is applied
JP6305193B2 (ja) * 2013-09-17 2018-04-04 住友重機械工業株式会社 蓄冷式冷凍機、一段蓄冷器、及び二段蓄冷器
KR101384575B1 (ko) * 2013-12-11 2014-04-11 지브이티 주식회사 소음 및 진동 저감을 위한 극저온 냉동기 및 이를 갖는 크라이오펌프
CN104451253A (zh) * 2014-12-02 2015-03-25 常熟市华阳机械制造厂 一种使用寿命长的船用轮架
JP6773589B2 (ja) * 2017-03-15 2020-10-21 住友重機械工業株式会社 極低温冷凍機
US11788783B2 (en) * 2017-11-07 2023-10-17 MVE Biological Solutions US, LLC Cryogenic freezer
US10753653B2 (en) 2018-04-06 2020-08-25 Sumitomo (Shi) Cryogenic Of America, Inc. Heat station for cooling a circulating cryogen
CN108981217A (zh) * 2018-06-04 2018-12-11 中船重工鹏力（南京）超低温技术有限公司 蓄冷材料及采用该蓄冷材料的蓄冷式低温制冷机
JP7369129B2 (ja) * 2018-09-03 2023-10-25 住友重機械工業株式会社 クライオポンプおよびクライオポンプの監視方法
CN110317972A (zh) * 2019-07-16 2019-10-11 深圳市启晟新材科技有限公司 一种控制氧活度在200-300度与不锈钢相容的液态金属及其工艺
CN110295300A (zh) * 2019-07-16 2019-10-01 深圳市启晟新材科技有限公司 一种光热领域100-200度控氧型与不锈钢相容液态金属及其工艺
CN110440475A (zh) * 2019-07-23 2019-11-12 中船重工鹏力（南京）超低温技术有限公司 抗氧化蓄冷材料及采用该蓄冷材料的蓄冷式低温制冷机
GB2606990B (en) * 2021-03-31 2023-05-24 Leybold Dresden Gmbh Regenerator materials, regenerators and refrigeration systems having regenerators
CN114855004A (zh) * 2022-03-24 2022-08-05 北京理工大学 一种高屈服强度Sn二元合金的制备方法
CN117053438A (zh) * 2023-07-31 2023-11-14 南方科技大学 一种花洒式液氦蒸发器以及制冷机

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08166173A (ja) * 1993-06-23 1996-06-25 Takakuni Hashimoto 極低温冷凍機用蓄冷器
TW200502034A (en) * 2003-06-27 2005-01-16 Helix Tech Corp Integration of automated cryopump safety purge
US20050163642A1 (en) * 2004-01-22 2005-07-28 Duron Paul P. Double-acting, high pressure cryogenic pump
US20070227159A1 (en) * 2004-08-25 2007-10-04 Yoshinobu Murayama Regenerator and Cryogenics Pump

Family Cites Families (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL233237A (zh) 1957-11-14
FR2435534A1 (fr) * 1978-07-25 1980-04-04 Snecma Nouveaux corps poreux metalliques et leur procede de preparation
JPS5846540B2 (ja) * 1979-07-23 1983-10-17 住友軽金属工業株式会社 非酸化性減圧雰囲気ろう付けにより組立てられる熱交換器用アルミニウム合金合せ材
US4356701A (en) 1981-05-22 1982-11-02 Helix Technology Corporation Cryopump
US4918930A (en) 1988-09-13 1990-04-24 Helix Technology Corporation Electronically controlled cryopump
JP3265821B2 (ja) * 1994-04-27 2002-03-18 アイシン精機株式会社 蓄冷器
US6325138B1 (en) * 1996-10-21 2001-12-04 Carrier Corporation Article exhibiting improved resistance to galvanic corrosion
US5985212A (en) * 1996-12-12 1999-11-16 H-Technologies Group, Incorporated High strength lead-free solder materials
FR2771160B1 (fr) * 1997-11-17 2000-01-28 Air Liquide Unite de distillation cryogenique
JP3980158B2 (ja) * 1998-03-18 2007-09-26 株式会社東芝 蓄冷材および蓄冷式冷凍機
US6334909B1 (en) * 1998-10-20 2002-01-01 Kabushiki Kaisha Toshiba Cold-accumulating material and cold-accumulating refrigerator using the same
US6330801B1 (en) * 1999-06-11 2001-12-18 Francis J. Whelan Method and system for increasing cryopump capacity
US6318090B1 (en) * 1999-09-14 2001-11-20 Iowa State University Research Foundation, Inc. Ductile magnetic regenerator alloys for closed cycle cryocoolers
CN1198897C (zh) 2000-07-18 2005-04-27 东芝株式会社 蓄冷材料、蓄冷材料制造方法及使用该蓄冷材料的制冷机
WO2003057340A1 (en) 2002-01-08 2003-07-17 Shi-Apd Cryogenics, Inc. Panels for pulse tube cryopump
JP2004099822A (ja) * 2002-09-12 2004-04-02 Toshiba Corp 蓄冷材およびこれを用いた蓄冷式冷凍機
US7537728B2 (en) * 2003-06-13 2009-05-26 Senju Metal Industry Co., Ltd. Method for increasing the effectiveness of a component of a material
JP4445230B2 (ja) 2003-09-02 2010-04-07 住友重機械工業株式会社 極低温蓄冷材、蓄冷器及び冷凍機
JP2007536088A (ja) * 2004-05-04 2007-12-13 エス−ボンド テクノロジーズ、エルエルシー インジウム、ビスマス及び／またはカドミウムを含有する低温活性半田を用いて形成した電子パッケージ
JP4337648B2 (ja) 2004-06-24 2009-09-30 株式会社ニコン Ｅｕｖ光源、ｅｕｖ露光装置、及び半導体デバイスの製造方法
KR100785745B1 (ko) 2004-08-25 2007-12-18 아루박ㆍ크라이오 가부시키가이샤 축냉기 및 크라이오 펌프
GB0519843D0 (en) 2005-09-29 2005-11-09 Univ Cambridge Tech Magnetocaloric refrigerant
TW200720005A (en) * 2005-11-28 2007-06-01 Univ Nat Central Solder composition and soldering structure
US7479621B2 (en) * 2005-12-06 2009-01-20 Praxair Technology, Inc. Magnetic annealing tool heat exchange system and processes
TWI585298B (zh) * 2008-04-04 2017-06-01 布魯克機械公司 利用錫銻合金的低溫泵及其使用方法
EP2236634B1 (en) * 2009-04-01 2016-09-07 Bruker BioSpin AG Sn based alloys with fine compound inclusions for Nb3Sn superconducting wires
DE102010054640A1 (de) * 2010-12-15 2012-06-21 Benteler Automobiltechnik Gmbh Wärmetauscher

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08166173A (ja) * 1993-06-23 1996-06-25 Takakuni Hashimoto 極低温冷凍機用蓄冷器
TW200502034A (en) * 2003-06-27 2005-01-16 Helix Tech Corp Integration of automated cryopump safety purge
US20050163642A1 (en) * 2004-01-22 2005-07-28 Duron Paul P. Double-acting, high pressure cryogenic pump
US20070227159A1 (en) * 2004-08-25 2007-10-04 Yoshinobu Murayama Regenerator and Cryogenics Pump

Also Published As

Publication number Publication date
US9567988B2 (en) 2017-02-14
JP5492184B2 (ja) 2014-05-14
WO2009146120A1 (en) 2009-12-03
CN102046975A (zh) 2011-05-04
EP2286087A1 (en) 2011-02-23
EP2286087B1 (en) 2021-06-02
TW201529978A (zh) 2015-08-01
EP2286087A4 (en) 2017-04-19
CN102046975B (zh) 2016-10-12
TWI490408B (zh) 2015-07-01
KR20110009130A (ko) 2011-01-27
KR101679638B1 (ko) 2016-11-25
JP2011522198A (ja) 2011-07-28
TW200946780A (en) 2009-11-16
US20110126553A1 (en) 2011-06-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI585298B (zh) 利用錫銻合金的低溫泵及其使用方法
JP5127226B2 (ja) 蓄冷器及びクライオポンプ
JP3347870B2 (ja) 超電導マグネット並びに該マグネット用の蓄冷型冷凍機
JP4104004B2 (ja) 蓄冷型極低温冷凍機
JP2011522198A5 (ja) 極低温冷凍機
US20060026968A1 (en) Cryopump with two-stage pulse tube refrigerator
JP2006524307A (ja) 蓄熱剤
KR100785745B1 (ko) 축냉기 및 크라이오 펌프
JP2941575B2 (ja) 極低温冷凍機およびその運転方法
JP2003021414A (ja) 蓄冷式冷凍機
JP3417654B2 (ja) 極低温冷凍機
JPH0452468A (ja) 極低温冷凍装置
JP2008215783A (ja) 極低温冷凍機および極低温冷凍方法
Gschneidner et al. Ductile, high heat capacity, magnetic regenerator alloys for the 10 to 80 K temperature range
TWI314951B (en) Regenerator and cryopump
JP2845724B2 (ja) 極低温冷凍機用蓄冷器
JPH05312423A (ja) ダブルインレット型冷凍装置
JPH05312425A (ja) 極低温冷凍機
JPH04313649A (ja) 冷凍装置
Matsubara et al. Preceding Page Blank
JPH04268166A (ja) 極低温蓄熱物質および極低温蓄熱器
JPH04313648A (ja) 極低温冷凍機
JPH04222356A (ja) 極低温冷凍機
JPH06323656A (ja) 冷凍装置