專利名稱：熱儲存介質(zhì)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種低溫范圍用的熱儲存介質(zhì)，涉及一種低溫冰箱用的回熱器，并且涉及一種低溫冰箱。
背景技術：
低溫冰箱通常是多級的氣體冰箱，借助于低溫冰箱可以達到15°K以下范圍的溫度。這樣的氣體冰箱按照不同的原理工作，例如按照杰富德-麥克馬洪(Gifford-McMahon)原理、斯特林(Stirling)原理或者脈沖管原理工作。與工作原理無關，這些冰箱通常在熱側和冷側之間的所謂冷卻頭的區(qū)域中包括一個工作流體流動的容積，所述容積充以熱儲存介質(zhì)，并且稱作回熱器。工作流體經(jīng)回熱器交替地沿雙方向流動并且用作工作流體吸收或者散發(fā)的熱量的一種中間儲存器。從而回熱器起冷室中的工作流體與壓縮機側熱室中的工作流體熱分離的作用。為此目的，回熱器必須具有與流經(jīng)回熱器中的流體相比盡可能高的熱容量。盡管對于達到15°K的溫度可以使用高級鋼、青銅、鉛或者其它金屬體，但是對于顯著低于上述溫度的這是不可能的，因為從30°K及以下，這些金屬的比熱容量與氦的比熱容量相比急劇地下降，并且在5°K以下的范圍接近零。因此在非常低溫的范圍中，即在15°K以下的范圍中，采用一種稀土化合物填充物作為回熱器中的熱儲存介質(zhì)，如例如在EP-A-0 411 591中所描述的那樣。使用稀土化合物的一個缺點是其磁性，當這些化合物用在強磁場中時，例如用在磁共振斷層成像時，所述磁性引起問題。而且，稀土化合物易氧化、發(fā)生振動時因其局部脆性而易于斷裂，并且價格昂貴。氦和其它低沸點氣體也適合用作非常低溫度范圍的儲存介質(zhì)。例如，在15°K以下的范圍內(nèi)，氦具有高的比熱容量，其壓力曲線最大值在約9°K處，從而在此溫度范圍內(nèi)，所述熱容量遠高于金屬的熱容量。由DE-A-199 24 184公知一種其中使用氦作為熱儲存介質(zhì)的回熱器，類似于在熱交換器，氦靜止地儲存在一個螺旋地纏繞的管子中或者在一個回熱器殼中的管束中。可供選擇地，回熱器殼可以填充氦作為儲存介質(zhì)，而工作流體在穿過回熱器殼的管子中流動。
然而對這種結構的回熱器的檢測卻表明不能夠達到4.2°K的目的溫度，這是因為從含金屬的氦和管子材料的高熱量輸入以及過小的接觸表面。
US-A-4,359,872說明了用充氦玻璃球狀體組成的填充物作熱儲存介質(zhì)。玻璃球狀體的壁厚必須相對地大，以在所要求的內(nèi)部壓力和低溫度下具有足夠的強度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在非常低的溫度范圍內(nèi)具有高的熱容量的熱儲存介質(zhì)、一種回熱器和一種包括一種對非常低的溫度有高的熱容量的熱儲存介質(zhì)的低溫冰箱。
根據(jù)本發(fā)明，該目的通過權利要求1、10、11和12的特征達到。
根據(jù)本發(fā)明的熱儲存介質(zhì)針對低溫范圍，例如低于15°K的溫度，由一個氣密封的空心體的集合組成，所述氣密封的空心體可透過工作流體，其中每個空心體包括一種低沸點氣體填充物作為熱儲存介質(zhì)。低沸點氣體是沸點低于30°K的氣體。這例如對于氣體氫、氦和氖是成立的，并且在事實上對所有其同位素也是成立的。低沸點氣體在其性質(zhì)上在低溫有相對高的比熱容量并且因此在低于30°K以下的溫度適合用作儲存介質(zhì)。低沸點氣體相對價格低廉并且可以封裝在一種包括有一個非磁性的、機械上適當?shù)摹⒉谎趸牟⑶覂r格低廉材料的空心體壁的空心體中。從而在化學特性、機械特性和磁性特性方面，所述熱儲存介質(zhì)可以在結構上適合于其任何應用。而且，與管子和/或螺旋管相比，氣密封的空心體提供相對較大的經(jīng)其進行熱交換的表面。這顯著地促進熱傳輸。
優(yōu)選地，所述儲存介質(zhì)是一種空心體氦填充物。一種氦填充物是一種帶有氦同位素，例如3He或者4He的填充物。在低于15°K以下的溫度，儲存介質(zhì)氦具有相對高的比熱容量，從而非常適于用作低達2°K范圍溫度的儲存介質(zhì)。而且可以以低價格得到氦。
優(yōu)選地，在4°K的溫度氦填充物具有大于0.5巴的壓力，特別是一個高于臨界壓力的壓力。在大于0.5巴的氦填充物壓力下實現(xiàn)了一種絕對熱容量，所述絕對熱容量使得產(chǎn)生的熱量能夠儲存在一個相對小的回熱器中。這樣的回熱器與金屬的儲熱器相比有非常緊湊的結構。
優(yōu)選地，選擇所述空心體壁的材料和厚度使熱穿透深度至少等于壁厚的一倍。所述熱穿透深度μ由以下方程式表達μ=2afmod]]>式中a是選定的空心體壁材料在工作溫度下(例如2°K)的溫度傳導率，而fmod是工作氣體周期地交替流過熱儲存介質(zhì)的調(diào)制頻率。對于低溫冰箱，工作頻率fmod應當取1.0至10.0Hz的值。
空心體的壁由金屬制成。金屬和金屬合金提供良好的熱傳導性和良好的機械特性，這使得能夠?qū)崿F(xiàn)小的空心體壁厚?？招捏w壁可以由銅、鋁、銀、黃銅、鋼或者其它金屬或者金屬合金制成?？晒┻x擇地，空心體壁可以由陶瓷材料制成。
通過選擇非鐵磁金屬作為空心體壁材料，可以提供適用于強磁場中的熱儲存介質(zhì)，例如用于磁共振斷層成像和類似物中，而不需要采取任何其它的措施。
根據(jù)一個優(yōu)選實施方式，每個空心體具有一個小于3.0mm的直徑。以小于3.0mm的直徑，一個空心體的集合具有確保足夠快速的熱吸收或者熱散發(fā)的一種大容積-比表面。典型的直徑范圍在0.2至0.7mm之間。
優(yōu)選地，每個空心體具有大致為球形的形狀。在空心體組成的填充物中，球形的形狀的選取確?？招捏w表面、總空心體容積和跨總填充材料容積的填充物容積之間大致恒定確定的比例。
一種根據(jù)本發(fā)明的回熱器，包括一個填充有上述熱儲存介質(zhì)的殼體。一種根據(jù)本發(fā)明的低溫冰箱，包括上述的回熱器并且構成為一種回熱循環(huán)、優(yōu)選地構成為杰富德-麥克馬洪、斯特林或者脈沖管冰箱，其中用氦作為工作流體。從而，氦分別地既用作儲存介質(zhì)，也用作工作流體。


現(xiàn)在參照

本發(fā)明的一個實施方式，在附圖中圖1示出一個冰箱的示意圖，圖2示出帶有由一個氦填充的空心體的集合(set)組成的填充物的冰箱回熱器的剖視圖，以及圖3示出一個氦填充的空心體的剖視圖。
具體實施例方式
圖1示意地示出一個冰箱10，作為主要部件，包括一個壓縮機12、一個回熱器14和一個包括一個冷卻頭的膨脹室16。壓縮機12以及回熱器14和膨脹室16由管線18、20互連。
壓縮機12壓縮一種工作流體，優(yōu)選地是氦，并且如果需要，預冷工作流體。接著，壓縮了的工作流體流過氣體管線18，然后流過回熱器14，在回熱器14處它向容納在回熱器14中的熱儲存介質(zhì)散發(fā)熱量。工作流體繼續(xù)流到膨脹室16，在膨脹室16允許工作流體膨脹。冷卻的工作流體從周圍，特別是經(jīng)由一個冷表面吸收熱量，并且接著經(jīng)管線20返回回熱器14。當工作流體流過回熱器14時，它吸收儲存在熱儲存介質(zhì)中的熱量，并且經(jīng)管線18返回到壓縮機12。回熱器14起壓縮機12與膨脹室16之間的熱隔離的作用。
冰箱10可以構成為杰富德-麥克馬洪、斯特林或者脈沖管冰箱，然而它總體上可以在任何其它的回熱循環(huán)中工作，其中回熱器14用于在低溫范圍內(nèi)中間儲存熱量的目的。低溫范圍覆蓋0至15°K之間的范圍。
回熱器14主要由一個橢圓柱形殼體24組成，回熱器14的一個縱剖面示于圖2中，管線18、22終止于殼體24的橫側殼壁26、27上?；責崞鳉んw24含有一個作為熱儲存介質(zhì)的可澆注并且氣密封的空心體的集合22，所述空心體30對于工作流體是可以透過氣體的?；責崞?4可以被均勻地填充，也可以用不同熱儲存介質(zhì)的不同層分層地填充。
所有空心體30具有大致相同的尺寸并且有大致為球形的形狀。填充物還可以由不同直徑的空心體組成?？招捏w壁32用銅或者任何其它金屬或者金屬合金制成，并且具有大約為0.2mm或者以下的厚度。空心體30的直徑范圍在0.2至2.0mm之間，但是可以更大，卻不大于3.0mm?？招捏w30是氣密封的并且含有一種氦填充物34。在室溫下，氦填充物34具有大約200巴的壓力，而在4°K的溫度下具有幾個巴的壓力。例如，含有氦填充物34的空心體30可以通過一種其中融熔的空心體壁材料流過一個氦氣體填充的冷卻室的制造工序制造?？招捏w填充物可以用單個氦同位素或者不同的氦同位素的混合物組成，或者可以用氫或者氖或者上述元素的混合物組成。空心體壁的材料、工作氣體交替地流過回熱器的調(diào)制頻率以及空心體的壁厚應當選擇得使穿透深度μ至少等于壁厚的一倍。所述穿透深度μ由以下方程式表達μ=2afmod]]>其中a是選定的空心體壁材料在工作溫度下(例如4°K)的溫度傳導率，而fmod是工作氣體周期地交替流過熱儲存介質(zhì)的調(diào)制頻率。對于低溫冰箱，工作頻率fmod應當取例如大約1.0Hz的值。
由氣密封的和氦填充的空心體30組成的熱儲存介質(zhì)在一個小的容積中，特別是在低于15°K的非常低的溫度范圍內(nèi)具有高絕對熱儲存容量，這是由于在該溫度范圍內(nèi)氦的高比熱容量。
通過選擇空心體壁32的一種適當?shù)牟牧?，所述熱儲存介質(zhì)可以在其電氣的、機械的和化學的要求方面理想地適合于其任何應用，例如，為了磁共振斷層成像中的冷卻目的，可以為空心體壁選擇非磁性材料。
除了氦填充空心體30以外，回熱器殼體可以含有布置在分開的層中或者與氦填充空心體30混合的其它熱儲存元件，例如由稀土合金制成的熱儲存元件。
權利要求
1.一種用于低溫范圍的熱儲存介質(zhì)，由一個可澆注的體的集合(22)組成，其中所述體是氣密封的空心體(30)，并且每個空心體(30)含有一種作為儲存介質(zhì)的低沸點氣體的填充物(34)，其特征在于，空心體壁(32)由金屬制成。
2.如權利要求1所述的熱儲存介質(zhì)，其特征在于，空心體壁(32)由銅制成。
3.如權利要求1或2所述的熱儲存介質(zhì)，其特征在于，所述空心體壁(32)的材料和壁厚選擇使得熱穿透深度至少等于壁厚的一倍。
4.如權利要求1-3之一所述的熱儲存介質(zhì)，其特征在于，儲存介質(zhì)是氦的一種填充物(34)。
5.如權利要求4所述的熱儲存介質(zhì)，其特征在于，氦填充物(34)在4°K的溫度下具有大于0.5巴的壓力。
6.如權利要求4或5所述的熱儲存介質(zhì)，其特征在于，氦填充物(34)在室溫下具有約200巴的壓力。
7.如權利要求1-6之一所述的熱儲存介質(zhì)，其特征在于，空心體壁(32)的壁厚小于1.0mm。
8.如權利要求1-7之一所述的熱儲存介質(zhì)，其特征在于，空心體(30)大致是球形的形狀。
9.如權利要求8所述的熱儲存介質(zhì)，其特征在于，空心體(30)的直徑小于3.0mm。
10.一種用于低溫范圍的熱儲存介質(zhì)，由一個可澆注的體的集合(22)組成，其中所述體是氣密封的空心體(30)，并且每個空心體(30)含有一種作為儲存介質(zhì)的低沸點氣體的填充物(34)，其特征在于，空心體壁(32)由陶瓷材料制成。
11.一種用于低溫冰箱(10)的回熱器(14)，包括一個填充如利要求1-10之一所述的熱儲存介質(zhì)(22)的殼體(24)。
12.一種低溫冰箱(10)，包括一個如權利要求11所述的回熱器(14)，其特征在于，它構成為杰富德-麥克馬洪、斯特林或者脈沖管冰箱，其中用氦氣作為工作流體。
全文摘要
一般地使用稀土化合物的顆粒作為15°K以下低溫范圍的熱儲存介質(zhì)。稀土的材料成本高昂。而且稀土是磁性的不適于所有的應用。根據(jù)本發(fā)明的用于非常低溫范圍的熱儲存介質(zhì)由一個可澆注的和氣密封的空心體(30)的集合(22)組成，其中每個空心體(30)含有一種低沸點氣體填充物(34)作為儲存介質(zhì)，并且空心體壁(32)由金屬制成。從而提供了一種相對價格低廉的熱儲存介質(zhì)，其物理、化學、磁和機械特性可以通過相應的材料選擇適合于相應的應用。
文檔編號F28D20/00GK1777782SQ200480010655
公開日2006年5月24日 申請日期2004年4月15日 優(yōu)先權日2003年4月24日
發(fā)明者漢斯－烏爾里希－哈夫納, 恩斯特·施納克, 京特·圖梅斯 申請人:萊博爾德真空技術有限責任公司