CN109210818B - 超低温制冷机及超低温制冷机的磁屏蔽结构 - Google Patents

Abstract

本发明的课题在于抑制在氦气氛中使用的带有磁屏蔽件的超低温制冷机的制冷性能的下降。超低温制冷机(1)具备：磁屏蔽件(70)，其在二级气缸(51)的外侧从二级冷却台(72)沿着二级气缸(51)而沿轴向延伸，并且磁屏蔽件(70)配置成其与一级冷却台(35)之间隔着轴向分开距离，在二级气缸(51)与磁屏蔽件(70)之间形成有开放于氦气氛中的环状空间(78)，环状空间(78)的轴向深度比轴向分开距离长；及对流抑制部件(74)，其抑制因二级气缸(51)与磁屏蔽件(70)之间的温度差而引起的环状空间(78)内的氦气的轴向对流，对流抑制部件(74)配置于环状空间(78)，且其具有比轴向分开距离更长的轴向长度。

Description

超低温制冷机及超低温制冷机的磁屏蔽结构

本申请主张基于2017年7月7日申请的日本专利申请第2017-134040号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

技术领域

本发明涉及一种超低温制冷机及超低温制冷机的磁屏蔽结构。

背景技术

以吉福德-麦克马洪(Gifford-McMahon；GM)制冷机为代表的超低温制冷机例如用于冷却磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging、MRI)装置等超导磁铁系统。为了使用于冷却超导磁铁的液态氦再冷凝，超低温制冷机设置于超导磁铁系统。

专利文献1：日本特开2008-130744号公报

通常，在实现冷却至约4.2K以下的液态氦温度的超低温制冷机中，使用磁性蓄冷材料。磁性蓄冷材料在超导磁铁等磁场产生源所产生的较强的磁场下可能被磁化。若磁性蓄冷材料在磁场环境下移动，则可能会产生磁噪声。例如在GM制冷机的情况下，磁性蓄冷材料容纳于置换器中。随着置换器的往复移动，磁性蓄冷材料也移动，由此在GM制冷机的周围可能会产生磁噪声。磁噪声会使超低温制冷机的周围的磁场发生变动，可能对MRI装置或其它测定装置的测定精度带来影响。通过在超低温制冷机中附设磁屏蔽件，能够减轻磁噪声对周围环境的影响。磁屏蔽件例如被冷却至10K以下的超低温(例如，液态氦温度)。

在氦再冷凝用超低温制冷机中，磁屏蔽件和与其接近的超低温制冷机的一部分有时暴露于氦气氛中。在磁屏蔽件与超低温制冷机的该一部分之间产生的温度差可能会引起氦气的对流，而伴随该对流的传热可能会降低超低温制冷机的制冷性能。

发明内容

本发明的一种实施方式的例示性的目的之一在于抑制在氦气氛中使用的带有磁屏蔽件的超低温制冷机的制冷性能的下降。

根据本发明的一种实施方式，超低温制冷机具备：一级冷却台，其被冷却至比氦液化温度更高的一级温度；二级冷却台，其被冷却至所述氦液化温度以下的二级温度，且其具有配置于氦气氛中的氦冷凝面；气缸，其以使所述二级冷却台连结于所述一级冷却台的方式沿轴向延伸；置换器，其具备磁性蓄冷材料，并且所述置换器在所述气缸内能够沿轴向往复移动；筒状磁屏蔽件，其在所述气缸的外侧从所述二级冷却台沿着所述气缸而沿轴向延伸，并且所述筒状磁屏蔽件配置成其与所述一级冷却台之间隔着轴向分开距离，在所述气缸与所述筒状磁屏蔽件之间形成有开放于所述氦气氛中的环状空间，所述环状空间的轴向深度比所述轴向分开距离长；及对流抑制部件，其抑制因所述气缸与所述筒状磁屏蔽件之间的温度差而引起的所述环状空间内的氦气的轴向对流，所述对流抑制部件配置于所述环状空间，且其具有比所述轴向分开距离更长的轴向长度。

根据本发明的一种实施方式，超低温制冷机具备：一级冷却台，其被冷却至比氦液化温度更高的一级温度；二级冷却台，其被冷却至所述氦液化温度以下的二级温度，且其具有配置于氦气氛中的氦冷凝面；气缸，其以使所述二级冷却台连结于所述一级冷却台的方式沿轴向延伸；置换器，其具备磁性蓄冷材料，并且所述置换器在所述气缸内能够沿轴向往复移动；筒状磁屏蔽件，其在所述气缸的外侧从所述二级冷却台沿着所述气缸而沿轴向延伸，并且所述筒状磁屏蔽件配置成其与所述一级冷却台之间隔着轴向分开距离，在所述气缸与所述筒状磁屏蔽件之间形成有开放于所述氦气氛中的环状空间，所述环状空间的轴向深度比所述轴向分开距离长；液态氦流出孔，其以使液态氦从所述环状空间向所述筒状磁屏蔽件的外部流出的方式形成于所述筒状磁屏蔽件或所述二级冷却台。

根据本发明的一种实施方式提供一种超低温制冷机的磁屏蔽结构，其中，所述超低温制冷机具备：一级冷却台，其被冷却至比氦液化温度更高的一级温度；二级冷却台，其被冷却至所述氦液化温度以下的二级温度，且其具备配置于氦气氛中的氦冷凝面；及气缸，其以使所述二级冷却台连结于所述一级冷却台的方式沿轴向延伸，所述磁屏蔽结构具备：筒状磁屏蔽件，其在所述气缸的外侧从所述二级冷却台沿着所述气缸而沿轴向延伸，并且所述筒状磁屏蔽件配置成其与所述一级冷却台之间隔着轴向分开距离，在所述气缸与所述筒状磁屏蔽件之间形成有开放于所述氦气氛中的环状空间，所述环状空间的轴向深度比所述轴向分开距离长；及液态氦流出孔，其以使液态氦从所述环状空间向所述筒状磁屏蔽件的外部流出的方式形成于所述筒状磁屏蔽件或所述二级冷却台。

另外，将以上构成要件的任意组合或本发明的构成要件或表现在方法、装置、系统等之间进行相互置换的方式也作为本发明的方式而有效。

根据本发明，能够抑制在氦气氛中使用的带有磁屏蔽件的超低温制冷机的制冷性能的下降。

附图说明

图1为示意地表示第1实施方式所涉及的超低温制冷机的图。

图2为表示图1所示的超低温制冷机的A-A剖面的示意图。

图3(a)及图3(b)为示意地表示某一典型的带有磁屏蔽件的超低温制冷机的一部分的图。

图4为示意地表示第2实施方式所涉及的超低温制冷机的图。

图5为放大表示图4所示的磁屏蔽结构的一部分的示意图。

图6为例示超低温制冷机的二级冷却部的轴向温度特性曲线的图。

图7为示意地表示第3实施方式所涉及的超低温制冷机的图。

图8为示意地表示第3实施方式所涉及的超低温制冷机的图。

图9为示意地表示第4实施方式所涉及的超低温制冷机的图。

图中：1-超低温制冷机、35-一级冷却台、60b-磁性蓄冷材料、62-氦冷凝面、70-磁屏蔽件、72-二级冷却台、74-对流抑制部件、78-环状空间、79-环状区段、80-对流抑制板、82-支承部、92-气液分离板、94-液态氦区段、96-氦气区段、98-液态氦流出孔、100-毡状部件。

具体实施方式

以下，参考附图对本发明的实施方式进行详细说明。在以下说明及附图中，对相同或等同的构成要件、部件及处理标注相同的符号，并适当地省略重复说明。图示的各部的缩尺和形状是为了便于说明而适当设定的，在无特别说明的情况下，不能用于限定本发明。实施方式仅为一种示例，其对本发明的范围并不作任何限定。实施方式中所描述的所有特征或其组合并不一定是发明的本质内容。

图1为示意地表示第1实施方式所涉及的超低温制冷机1的图。图1中示意地示出了超低温制冷机1的内部结构。图2为表示图1所示的超低温制冷机1的A-A剖面的示意图。

超低温制冷机1具备蓄冷器部、膨胀机及压缩机。在大多情况下，蓄冷器部设置于膨胀机。蓄冷器部构成为，对工作气体(例如氦气)进行预冷。膨胀机为了进一步冷却被蓄冷器部预冷的工作气体而具备使被预冷的工作气体膨胀的空间。蓄冷器部构成为，被通过膨胀而被冷却的工作气体冷却。压缩机构成为，从蓄冷器部回收工作气体并对其进行压缩后再次向蓄冷器部供给工作气体。

在二级式的超低温制冷机1中，蓄冷器部具备一级蓄冷器及二级蓄冷器。一级蓄冷器构成为，将从压缩机供给过来的工作气体预冷至一级蓄冷器的低温端温度。二级蓄冷器构成为，将被一级蓄冷器预冷的工作气体预冷至二级蓄冷器的低温端温度。

图示的超低温制冷机1为二级式的GM制冷机。超低温制冷机1具有气体压缩机3(作为压缩机而发挥作用)及二级式的冷头10(作为膨胀机而发挥作用)。冷头10具有一级冷却部15及二级冷却部50，这些冷却部以与室温凸缘12同轴的方式连结。一级冷却部15具备一级高温端23a及一级低温端23b，二级冷却部50具备二级高温端53a及二级低温端53b。一级冷却部15与二级冷却部50串联连接。因此，一级低温端23b相当于二级高温端53a。

一级冷却部15具备一级气缸20、一级置换器22、一级蓄冷器30、一级膨胀室31及一级冷却台35。一级气缸20为沿轴向Q延伸的空心的气密容器。一级置换器22以能够沿轴向Q往复移动的方式设置于一级气缸20内。一级蓄冷器30具备填充于一级置换器22内的一级蓄冷材料。通常，一级蓄冷材料具有由多个金属丝网构成的层叠结构。因此，一级置换器22为容纳一级蓄冷材料的容器。一级膨胀室31形成在一级低温端23b的一级气缸20内。一级膨胀室31的容积随着一级置换器22的往复移动而发生变化。一级冷却台35安装在一级低温端23b的一级气缸20的外侧。在一级冷却台35，沿着一级冷却台35的外周面而设置有一级凸缘36。

在一级高温端23a(具体而言，在一级蓄冷器30的高温侧)，为了使氦气流入一级蓄冷器30或使氦气从一级蓄冷器30流出，设置有多个一级高温侧流通路40。在一级低温端23b(具体而言，在一级蓄冷器30的低温侧)，为了使氦气在一级蓄冷器30与一级膨胀室31之间流动，设置有多个一级低温侧流通路42。在一级气缸20与一级置换器22之间设置有用于密封一级气缸20的内表面与一级置换器22的外表面之间的间隙中的气体流动的一级密封件39。因此，一级高温端23a与一级低温端23b之间的工作气体的流动经由一级蓄冷器30。

二级冷却部50具备二级气缸51、二级置换器52、二级蓄冷器60、二级膨胀室55及二级冷却台72。二级气缸51与二级冷却台72一同形成空心的气密容器。二级气缸51以使二级冷却台72连结于一级冷却台35的方式沿轴向Q延伸。二级气缸51的高温侧的端部与一级气缸20的低温侧的端部连接，而二级气缸51与一级气缸20一同形成一个气缸部件。与一级气缸20的直径相比，二级气缸51的直径更小。二级置换器52以能够沿轴向Q往复移动的方式设置于二级气缸51内。二级蓄冷器60具备填充于二级置换器52内的二级蓄冷材料。因此，二级置换器52为容纳二级蓄冷材料的容器。

二级冷却台72形成为具有与二级气缸51的内径大致相同的内径的短筒状。二级冷却台72的外径比二级气缸51的外径大。二级冷却台72具备：具有配置于氦气氛中的氦冷凝面62的冷却台底部、将冷却台底部连接于二级气缸51的冷却台侧部。氦冷凝面62设置于二级冷却台72的表面中的沿轴向Q朝向与二级膨胀室55相反的一侧的面，但是，氦冷凝面62也可以设置于其它表面(即，冷却台侧部)。为了增大表面积而提高换热效率，氦冷凝面62也可以具有凸片状的突起结构。

二级冷却台72例如通过钎焊接合或焊接直接接合于二级气缸51的低温侧的端部。二级气缸51被二级冷却台72封闭。二级膨胀室55形成在二级低温端53b的二级置换器52与二级冷却台72之间，并且其容积随着二级置换器52的往复移动而发生变化。

另外，二级冷却台72也可以以在二级低温端53b包围二级气缸51的方式安装于二级气缸51的外侧。二级膨胀室55也可以形成在二级低温端53b的二级置换器52与二级气缸51之间。

二级蓄冷器60被分隔为非磁性蓄冷材料60a与磁性蓄冷材料60b。非磁性蓄冷材料60a位于二级蓄冷器60的高温侧区域，且其例如由铅或铋等非磁性材料的二级蓄冷材料构成。磁性蓄冷材料60b位于二级蓄冷器60的低温侧区域，且其例如由HoCu₂等磁性材料的二级蓄冷材料构成。磁性蓄冷材料60b为将随着超低温下的磁相变而比热增大的磁性体用作蓄冷材料的材料。铅或铋、HoCu₂等形成为球状，多个球状的形成物聚集在一起而构成二级蓄冷材料。

在二级高温端53a(具体而言，在二级蓄冷器60的高温侧)，为了使氦气流入二级蓄冷器60或使氦气从二级蓄冷器60流出，设置有二级高温侧流通路44。在图示的超低温制冷机1中，二级高温侧流通路44将一级膨胀室31连接在二级蓄冷器60。在二级低温端53b(具体而言，在二级蓄冷器60的低温侧)，为了使氦气流入二级膨胀室55或使氦气从二级膨胀室55流出，设置有多个二级低温侧流通路54。在二级气缸51与二级置换器52之间设置有密封二级气缸51的内表面与二级置换器52的外表面之间的间隙中的气体流动的二级密封件59。因此，二级高温端53a与二级低温端53b之间的工作气体的流动经由二级蓄冷器60。另外，二级冷却部50也可以构成为，允许在二级气缸51与二级置换器52之间的间隙中有少量气体流动。

超低温制冷机1具备连接气体压缩机3与冷头10的配管7。配管7上设置有高压阀5及低压阀6。超低温制冷机1构成为，高压氦气从气体压缩机3经由高压阀5及配管7而供给至一级冷却部15。并且，超低温制冷机1构成为，低压氦气从一级冷却部15经由配管7及低压阀6而排出至气体压缩机3。

超低温制冷机1具备用于使一级置换器22及二级置换器52往复移动的驱动马达8。通过驱动马达8，一级置换器22及二级置换器52沿轴向Q一体地往复移动。并且，驱动马达8与高压阀5及低压阀6连结，从而与该往复移动联动而选择性地切换高压阀5的打开与低压阀6的打开。由此，超低温制冷机1构成为，能够适当地切换工作气体的进气行程与排气行程。

超低温制冷机1具备磁屏蔽组件76，该磁屏蔽组件76具有筒状磁屏蔽件(以下，还简称为磁屏蔽件)70及对流抑制部件74。磁屏蔽件70设置于二级冷却台72。对流抑制部件74安装于磁屏蔽件70。

磁屏蔽件70在二级气缸51的外侧沿着二级气缸51延伸。磁屏蔽件70配置于二级气缸51的外周面的外侧，并且包围二级气缸51周围。磁屏蔽件70的一端固定于二级冷却台72，另一端则朝向二级高温端53a(或一级冷却台35)延伸。磁屏蔽件70为直径比二级气缸51的直径更大的圆筒状的部件，且其与二级气缸51同轴配置。磁屏蔽件70的内径比二级气缸51的外径大。磁屏蔽件70的外径可以与二级冷却台72的外径相等或更大。

磁屏蔽件70与二级冷却台72热连接，因此其被冷却至二级冷却台72的温度(例如约4.2K以下的温度)。磁屏蔽件70未与一级冷却部15物理接触。磁屏蔽件70的轴向上的上端在轴向上与一级冷却台35分开。磁屏蔽件70也未与二级气缸51物理接触。磁屏蔽件70的内表面在径向上与二级气缸51的外表面分开。

超低温制冷机1能够使用于液态氦的再冷凝。一级冷却部15的一部分与二级冷却部50配置于氦气氛中。超低温制冷机1可以利用一级凸缘36设置于液态氦槽38中。一级凸缘36安装成密封液态氦槽38的开口部。由此，超低温制冷机1中的比一级凸缘36更靠低温侧的部分暴露于液态氦槽38内，从而配置于氦气氛中。因此，二级气缸51、二级冷却台72及磁屏蔽组件76配置于氦气氛中。换言之，在使用超低温制冷机1时，二级气缸51、二级冷却台72及磁屏蔽组件76的表面与氦气接触。

磁屏蔽件70在二级气缸51的外侧从二级冷却台72沿着二级气缸51而沿轴向Q延伸，并且磁屏蔽件70配置成其与一级冷却台35之间隔着轴向分开距离L1。轴向分开距离L1相当于从一级冷却台35的轴向上的下端到磁屏蔽件70的轴向上的上端为止的轴向距离。

在二级气缸51与磁屏蔽件70之间形成有开放于氦气氛中的环状空间78。环状空间78的轴向上的上端开放，环状空间78的轴向上的下端封闭。环状空间78的底面78a由二级冷却台72的上表面构成。并且，在径向上，环状空间78由二级气缸51的外周面与磁屏蔽件70的内周面构成。环状空间78沿围绕轴向Q的周向连续。

环状空间78的轴向深度L2比轴向分开距离L1长。环状空间78的轴向深度L2相当于从磁屏蔽件70的轴向上的上端到二级冷却台72的轴向上的上端为止的轴向距离。环状空间78的轴向深度L2还可以更长，例如可以比轴向分开距离L1的2倍、5倍或10倍更长。但是，环状空间78的轴向深度L2比磁屏蔽件70(或磁屏蔽组件76)的轴向长度短。

在此，轴向分开距离L1及环状空间78的轴向深度L2遍及周向上的整周而恒定，但并不限定于此。在轴向分开距离L1及环状空间78的轴向深度L2沿周向(或径向)变化的情况下，轴向分开距离L1是指从一级冷却台35的下端到磁屏蔽件70的轴向上的上端为止的最小轴向距离。环状空间78的轴向深度L2是指从磁屏蔽件70的轴向上的上端到二级冷却台72的轴向上的上端为止的最大轴向距离。

加大环状空间78的轴向深度L2相当于延长磁屏蔽件70的轴向长度。磁屏蔽件70从二级冷却台72延伸较长，以便沿轴向Q形成较深的环状空间78。如此，由于磁屏蔽件70较长，因此容易防止伴随磁性蓄冷材料60b的轴向往复移动而产生的磁噪声传递到磁屏蔽件70的外部。

为了避免磁屏蔽件70与二级气缸51的热接触，磁屏蔽件70的内表面与二级气缸51的外表面之间的距离(即，环状空间78的径向宽度)例如可以为0.1mm以上(例如为2mm以上或4mm以上)。为了避免将磁屏蔽件70在径向上过大，环状空间78的径向宽度例如可以为10mm以下(例如为8mm以下或6mm以下)。

为了抑制因二级气缸51与磁屏蔽件70之间的温度差而引起的环状空间78内的氦气的轴向对流而设置有对流抑制部件74。对流抑制部件74配置于环状空间78。对流抑制部件74具有比轴向分开距离L1更长的轴向长度。对流抑制部件74的轴向长度还可以更长，例如可以比轴向分开距离L1的2倍、5倍或10倍更长。对流抑制部件74的轴向长度与环状空间78的轴向深度L2相等。或者，对流抑制部件74的轴向长度可以比轴向分开距离L1长且比环状空间78的轴向深度L2短。对流抑制部件74例如由不锈钢等金属材料、陶瓷或其它导热系数比较低的材料形成。

对流抑制部件74具备多个对流抑制板80及支承对流抑制板80的支承部82。对流抑制板80以将环状空间78沿轴向划分为多个环状区段79的方式配置于环状空间78。对流抑制板80为在环状空间78内沿周向延伸的环状或圆环状的部分。对流抑制板80从支承部82向径向内侧延伸。对流抑制板80与二级气缸51之间沿径向具有微小的间隙，对流抑制板80并未与二级气缸51接触。该径向间隙例如为0.1mm以上且1mm以下。在图1中，设置有三个对流抑制板80，但其数量并不受特别限定，设置几个都可以。也可以仅设置一个对流抑制板80。

通过至少一个对流抑制板80，环状空间78被划分为多个环状区段79。由此，与在环状空间78中可能产生的最大温度差相比，在一个环状区段79中可能产生的温度差变得更小。因此，各个环状区段79中的氦气的对流得到抑制，其结果，降低伴随对流的传热及制冷损失。因此，能够抑制超低温制冷机1的制冷性能的下降。

对流抑制板80与支承部82可以形成为一体。或者，也可以分别独立地形成对流抑制板80与支承部82，并将对流抑制板80安装于支承部82。

另外，根据需要，对流抑制部件74可以具备以沿周向划分环状空间78的方式配置于环状空间78的至少一个对流抑制壁。对流抑制壁可以沿着支承部82而沿轴向Q延伸。

支承部82沿着磁屏蔽件70而沿轴向Q延伸，并且确定对流抑制部件74的轴向长度。即，支承部82的轴向长度相当于对流抑制部件74的轴向长度。并且，支承部82确定各个对流抑制板80的轴向上的位置。支承部82形成为筒状，其外周面可以与磁屏蔽件70的内周面接触。支承部82配置成其内周面与二级气缸51的外周面之间隔着间隙。对流抑制板80配置在该间隙中。支承部82的形状并不限定于筒状，也可以形成为其它形状。例如，支承部82也可以为沿轴向Q延伸的多个支承杆，并且这些支承杆可以沿着对流抑制板80的外周而沿周向隔着相等的角度间隔而安装。

由此，能够在环状空间78中的较宽的轴向长度范围内排列多个对流抑制板80。优选地，在环状空间78的整个轴向长度范围内排列多个对流抑制板80。

支承部82安装于磁屏蔽件70。支承部82的轴向上的上端例如通过螺栓等紧固部件安装于磁屏蔽件70的轴向上的上端。为了实现该安装，支承部82可以在其轴向上的上端具备凸缘部。支承部82例如也可以通过钎焊或焊接接合于磁屏蔽件70。支承部82还可以通过粘结剂粘结于磁屏蔽件70。通过将支承部82安装于磁屏蔽件70，与将多个对流抑制板80逐一安装于磁屏蔽件70的情况相比，安装作业变得轻松。

磁屏蔽件70直接接合于二级冷却台72。因此，还可以视为二级冷却台72是磁屏蔽组件76的一部分。由于能够在超低温制冷机1的制造工序中将磁屏蔽件70接合于二级冷却台72，因此制造作业变得轻松。磁屏蔽件70与二级冷却台72的直接接合例如通过钎焊接合来进行。由于磁屏蔽件70由纯铜等熔点较高的金属材料形成，因此能够进行钎焊接合。由于在二级气缸51与二级冷却台72的钎焊接合工序中也能够以相同方式接合磁屏蔽件70，因此制造作业变得轻松。磁屏蔽件70与二级冷却台72的直接接合也可以是基于粘结剂的接合。

下面，对上述结构的超低温制冷机1的动作进行说明。首先，在一级置换器22及二级置换器52分别位于一级气缸20及二级气缸51内的下止点或其附近时，高压阀5被打开。一级置换器22及二级置换器52从下止点朝向上止点移动。在这期间，低压阀6处于关闭状态。

高压氦气从气体压缩机3流入一级冷却部15。高压氦气从一级高温侧流通路40流入一级置换器22的内部，并被一级蓄冷器30冷却至规定的温度。冷却的氦气从一级低温侧流通路42流入一级膨胀室31。流入到一级膨胀室31的高压氦气的一部分从二级高温侧流通路44流入二级置换器52的内部。该氦气被二级蓄冷器60进一步冷却至更低的规定的温度，并从二级低温侧流通路54流入二级膨胀室55。其结果，一级膨胀室31及二级膨胀室55内成为高压状态。

若一级置换器22及二级置换器52分别在一级气缸20及二级气缸51内到达上止点或其附近，则高压阀5被关闭。与此大致同时低压阀6被打开。接着，一级置换器22及二级置换器52从上止点朝向下止点移动。

一级膨胀室31及二级膨胀室55内的氦气被减压而膨胀。其结果，氦气被冷却。并且，一级冷却台35及二级冷却台72也分别被冷却。低压氦气沿着与上述路径相反的正常路径，在分别冷却一级蓄冷器30及二级蓄冷器60的同时经由低压阀6及配管7返回气体压缩机3。

若一级置换器22及二级置换器52分别在一级气缸20及二级气缸51内到达下止点或其附近，则低压阀6被关闭。与此大致同时高压阀5再次被打开。

超低温制冷机1将以上动作作为一个循环而重复该循环。由此，超低温制冷机1能够从分别与一级冷却台35及二级冷却台72热连接的冷却对象物(未图示)吸收热量，从而冷却该冷却对象物。

一级高温端23a的温度例如为室温。一级低温端23b及二级高温端53a(即，一级冷却台35)的温度例如在约20K～约40K的范围内。二级低温端53b(即，二级冷却台72)的温度例如为约4K。

如此，一级温度比氦的液化温度(约4.2K)高，二级温度为氦的液化温度以下。通过将二级冷却台72的氦冷凝面62配置于氦气氛中，氦冷凝面62能够使周围的氦气液化。由此，超低温制冷机1能够使在液态氦槽38中气化的氦气再次冷凝。

磁屏蔽件70由常导体形成。在本说明书中，将即使冷却至4K也不会转变为超导体的材料称为常导体。并且，磁屏蔽件70由非磁性金属材料形成。磁屏蔽件70例如由纯铜等电的良导体形成。从高导热系数的观点考虑，典型的二级冷却台72由铜形成。磁屏蔽件70可以由与二级冷却台72相同的材料形成。磁屏蔽件70还可以由纯铝形成。二级气缸51例如由不锈钢等金属材料形成，磁屏蔽件70由电阻率比二级气缸51的电阻率更低的材料形成。由于磁屏蔽件70包围二级气缸51的整周，因此在磁屏蔽件70中能够产生环绕二级气缸51的电流。

磁屏蔽件70遍及基于二级置换器52的往复移动的磁性蓄冷材料60b的整个移动范围而延伸。在轴向Q上，磁屏蔽件70具有超出磁性蓄冷材料60b的移动行程的长度，磁屏蔽件70配置成包括磁性蓄冷材料60b的移动行程。磁屏蔽件70的轴向上的下端位于比随着制冷机的运转而二级置换器52位于下止点时的磁性蓄冷材料60b的最下端更靠下方。磁屏蔽件70的轴向上的上端位于比随着制冷机的运转而二级置换器52位于上止点时的磁性蓄冷材料60b的最上端更靠上方。如此，能够充分地屏蔽在磁场中由磁性蓄冷材料60b产生的磁噪声朝向周围泄漏。

若磁性蓄冷材料60b在磁场中沿轴向Q往复移动，则与磁屏蔽件70交链的磁通发生变化。在磁屏蔽件70中产生电流以消除该磁束的变化。电流的流动方向根据超低温制冷机1的配置及作用的磁场而不同，但是例如，电流沿轴向Q流动、或以环绕轴向Q的周围的方式流动、或沿其它方向流动。通过该电流，比磁屏蔽件70更靠外侧区域的磁场的变化得到消除。由此，能够减轻比磁屏蔽件70更靠外侧空间的磁场的紊乱。

由此，磁屏蔽件70能够屏蔽在磁屏蔽件70的内部产生的磁场变动(例如，如上所述，因磁性蓄冷材料60b的周期性的往复移动而引起的磁噪声或磁场变动)从磁屏蔽件70的内部传播至外部。并且，磁屏蔽件70还能够屏蔽在磁屏蔽件70的外部产生的磁场变动从磁屏蔽件70的外部传播至内部。

在进行周期性的往复移动的二级置换器52上安装有铁等磁性体或不锈钢等带有微小磁性的金属材料的情况下，这些材料也成为扰乱磁场的因素。磁屏蔽件70还兼具抑制该磁场的紊乱的效果。

磁屏蔽件70只要由电的良导体形成即可，无需由例如铌钛(NbTi)等比较昂贵的超导体形成。因此，能够实现装置的低廉化。

根据本发明人的见解，由纯铜制作磁屏蔽件70且将其壁厚设为约5mm以上，即可确保得到良好的变动磁场屏蔽效果。并且，为了抑制磁屏蔽件70的重量以变容易操作，纯铜的磁屏蔽件70的壁厚优选为约10mm以下。并且，在磁屏蔽件70由纯铝形成的情况下，纯铝的磁屏蔽件70的壁厚优选为约5.6mm以下。为了确保纯铝的磁屏蔽件70自身的机械强度，磁屏蔽件70的壁厚例如优选为约0.5mm以上或约1mm以上。磁屏蔽件70的壁厚可以沿磁屏蔽件70的周向变化。磁屏蔽件70的与轴向垂直的剖面的形状可以采用任意形状，不只限于圆形。磁屏蔽件70也可以为具有椭圆状或其它剖面形状的筒状部件。

如图1所示，磁屏蔽组件76的内径Di(即，对流抑制板80的内径)比一级气缸20或一级冷却台35的外径D1小。由此，在磁屏蔽组件76安装于二级冷却台72的情况下，能够使超低温制冷机1的整体尺寸变得紧凑。并且，磁屏蔽组件76的外径Do(即，磁屏蔽件70的外径)也可以比一级气缸20或一级冷却台35的外径D1小。如此，带有磁屏蔽件的超低温制冷机1的尺寸变得进一步紧凑。

图3(a)及图3(b)为示意地表示某一典型的带有磁屏蔽件的超低温制冷机的一部分的图。与第1实施方式所涉及的超低温制冷机1不同，在图示的超低温制冷机的磁屏蔽件84与气缸部件86之间并未设置有抑制氦气的对流的结构。磁屏蔽件84、气缸部件86及二级冷却台88配置于氦气氛中。

磁屏蔽件84及气缸部件86的低温端被二级冷却台88冷却至约4K。如上所述，磁屏蔽件84通常由导热系数比气缸部件86的导热系数更高的金属材料形成。因此，磁屏蔽件84的上端部比较良好地被冷却，例如被冷却为低于10K的温度或约4K的温度。相对于此，气缸部件86的与磁屏蔽件84的上端部相同的轴向位置则被冷却为比磁屏蔽件84的上端部更高的温度，例如被冷却为20K～30K。如此，与磁屏蔽件84的轴向温度分布相比，气缸部件86的轴向温度分布具有更大的温度差。

因此，如图3(a)所示，在磁屏蔽件84与气缸部件86之间的间隙90中，遍及轴向上的整个长度而产生氦气的对流。这种轴向对流(用弯曲的箭头表示)导致在气缸部件86与磁屏蔽件84之间产生传热，这会引起超低温制冷机1的制冷损失。并且，如图3(b)所示，被冷却而液化的氦积存于间隙90的底部。该液态氦也会引起制冷损失。

对此，在第1实施方式所涉及的超低温制冷机1中，对流抑制部件74配置于环状空间78，从而抑制因二级气缸51与磁屏蔽件70之间的温度差而引起的环状空间78内的氦气的轴向对流。由此，能够在环状空间78中抑制氦气的轴向对流。其结果，伴随对流的传热及制冷损失得以降低。因此，能够抑制超低温制冷机1的制冷性能的下降。

由于对流抑制部件74的轴向长度比轴向分开距离L1长，因此难以在超低温制冷机1中设置有磁屏蔽件70的状态下将对流抑制部件74插入到环状空间78而进行后安装。因此，可以在超低温制冷机1的制造工序中将对流抑制部件74预先安装于磁屏蔽件70，从而制造出磁屏蔽组件76。并且，将磁屏蔽组件76设置于超低温制冷机1。由此，容易将超低温制冷机1与磁屏蔽组件76当做一个产品来进行提供。例如，超低温制冷机1的制造者可以将安装有磁屏蔽组件76的状态的超低温制冷机1提供给制冷机的购买者。

图4为示意地表示第2实施方式所涉及的超低温制冷机1的图。第2实施方式所涉及的超低温制冷机1与第1实施方式所涉及的超低温制冷机1的不同点在于磁屏蔽结构(尤其是对流抑制部件74)，其它结构则与第1实施方式所涉及的超低温制冷机1的结构相同。以下，以与第1实施方式不同的结构为中心，对第2实施方式所涉及的超低温制冷机1进行说明，而对于相同的结构则简单地进行说明或省略说明。

对流抑制部件74具备多个对流抑制板80及支承对流抑制板80且沿着磁屏蔽件70而沿轴向Q延伸的支承部82。对流抑制板80以将环状空间78沿轴向划分为多个环状区段79的方式配置于环状空间78。支承部82安装于磁屏蔽件70。磁屏蔽件70与二级冷却台72形成为一体，从而与二级冷却台72成为一体的组件。由磁屏蔽件70、二级冷却台72及对流抑制部件74构成磁屏蔽组件76。配置于氦气氛中的二级冷却台72的端面(即，氦冷凝面62)为平坦面。

至少一个对流抑制板80作为气液分离板92而设置。具体而言，气液分离板92相当于多个对流抑制板80中的在轴向Q上位于最下方的对流抑制板80。与其它对流抑制板80相同，气液分离板92也是在环状空间78中沿周向延伸的环状或圆环状的部分且其从支承部82朝向径向内侧延伸。气液分离板92并未与二级气缸51接触。

气液分离板92以将环状空间78划分为液态氦区段94与氦气区段96的方式配置于环状空间78。液态氦区段94在轴向Q上形成于气液分离板92与环状空间78的底面78a之间。液态氦区段94相当于多个环状区段79中的在轴向Q上位于最下方的环状区段79。其余的环状区段79相当于氦气区段96。氦气区段96形成于相邻的两个对流抑制板80之间或形成于相邻的对流抑制板80与气液分离板92之间。

并且，超低温制冷机1具备形成于磁屏蔽件70或二级冷却台72的液态氦流出孔98，其使液态氦从环状空间78向磁屏蔽件70的外部流出。液态氦流出孔98使液态氦区段94连通于磁屏蔽组件76的外部的氦气氛中。

液态氦流出孔98形成于环状空间78的底面78a的附近，且其沿径向贯穿磁屏蔽件70。如图4所示，液态氦流出孔98沿水平方向形成，以便液态氦在超低温制冷机1以二级冷却台72沿铅垂方向朝下的方式设置时通过重力的作用从液态氦区段94流出。作为代替方案，如虚线所示，液态氦流出孔98也可以从环状空间78的底面78a贯穿二级冷却台72而沿铅垂方向朝下形成，或者也可以朝向斜下方形成。

液态氦流出孔98在周向上隔着间隔而设置有多个(例如两个)，但是也可以只设置一个液态氦流出孔98。液态氦流出孔98例如为直径1mm～5mm左右或直径2mm～3mm左右的小孔。由于液态氦的粘性较小，因此液态氦能够通过液态氦流出孔98而流出。

在第2实施方式所涉及的超低温制冷机1中，在环状空间78中被液化的液态氦积存于液态氦区段94。由于气液分离板92将液态氦区段94从氦气区段96中分隔，因此能够抑制液态氦的再蒸发或液态氦与对流的氦气之间的热交换。由此，制冷损失得以降低，从而能够抑制超低温制冷机1的制冷性能的下降。

由于设置有液态氦流出孔98，因此能够从液态氦区段94排出液态氦。因此，液态氦难以积存于液态氦区段94。这也有助于制冷损失的降低。

并且，通过对流抑制板80，环状空间78被划分为多个氦气区段96。与第1实施方式相同，各个氦气区段中的氦气的对流得到抑制，其结果，伴随对流的传热及制冷损失得以降低。因此，能够抑制超低温制冷机1的制冷性能的下降。

图5为放大表示图4所示的磁屏蔽结构的一部分的示意图。如图5所示，在配置于氦气区段96的对流抑制板80与二级气缸51之间形成有第1径向间隙G1。在气液分离板92与二级气缸51之间形成有第2径向间隙G2。第2径向间隙G2小于第1径向间隙G1。如上所述，第1径向间隙G1例如为0.1mm以上且1mm以下。第2径向间隙G2例如为0.1mm以上且0.2mm以下。与其它对流抑制板80相比，气液分离板92设置成从支承部82更靠近二级气缸51。并且，液态氦流出孔98形成在与环状空间78的底面78a大致相同的轴向位置。

由此，气液分离板92能够更有效地从氦气区段96分离液态氦区段94。通过气液分离板92，液态氦封入于液态氦区段94。由此，能够抑制液态氦的再蒸发或液态氦与氦气区段96的氦气之间的热交换，从而能够抑制超低温制冷机1的制冷性能的下降。并且，即使氦在液态氦区段94中冷凝，液态氦也会通过液态氦流出孔98而排出。

图6为例示超低温制冷机1的二级冷却部50的轴向Q上的温度特性曲线的图。如图6所示，二级冷却部50中的轴向温度特性曲线从二级高温端53a朝向二级低温端53b单调递减。在二级高温端53a中，温度的下降率较大，在二级低温端53b中，温度的下降率较小。这种二级冷却部50的轴向温度特性曲线例如可以通过在二级气缸51的外周面上的多个不同的轴向位置测定温度来获取。或者，二级冷却部50的轴向温度特性曲线可以通过模拟试验来运算出。

气液分离板92的轴向位置也可以根据二级冷却部50的轴向温度特性曲线来进行确定。在此，考虑比氦液化温度高的某一阈值温度。气液分离板92配置于相当于比氦液化温度高且阈值温度以下的温度范围的轴向位置。阈值温度可以为10K以下、8K以下、6K以下或5K以下的温度。作为例子，图6中示出了在二级冷却部50(例如二级气缸51的外周面)中的成为5K的轴向位置上配置有气液分离板92的情况。由此，能够在氦被冷凝的温度区域与不被冷凝的温度区域之间的边界配置气液分离板92。

图7及图8为示意地表示第3实施方式所涉及的超低温制冷机1的图。除了对流抑制部件74以外，第3实施方式所涉及的超低温制冷机1的结构与第2实施方式所涉及的超低温制冷机1结构相同。以下，以与第2实施方式不同的结构为中心，对第3实施方式所涉及的超低温制冷机1进行说明，而对于相同的结构则简单地进行说明或省略说明。

如图7所示，对流抑制部件74具备填充环状空间78的至少一部分的毡状部件100。在径向上，毡状部件100夹在对流抑制部件74的支承部82与二级气缸51之间。在轴向上，毡状部件100被气液分离板92支承。毡状部件100填充第2实施方式中的氦气区段96。与第2实施方式相同，液态氦区段94为空腔，毡状部件100并未设置于液态氦区段94。

如此，通过用毡状部件100填充环状空间78的至少一部分，氦气的对流得到抑制，其结果，伴随对流的传热及制冷损失得以降低。因此，能够抑制超低温制冷机1的制冷性能的下降。

并且，毡状部件100具有柔软性。因此，还能够在超低温制冷机1上设置有磁屏蔽件70的状态下将毡状部件100插入于环状空间78而进行后安装。

如图8所示，毡状部件100也可以填充于整个环状空间78。在该情况下，对流抑制部件74并未设置有对流抑制板80(及气液分离板92)。由此，环状空间78内的氦气的对流也得到抑制。

在图8中，毡状部件100被支承部82支承，但这不是必须的。对流抑制部件74也可以不具备支承部82。在该情况下，毡状部件100夹在磁屏蔽件70与二级气缸51之间从而配置于环状空间78。

图9为示意地表示第4实施方式所涉及的超低温制冷机1的图。第4实施方式所涉及的超低温制冷机1不具备对流抑制部件74。但是，与第2实施方式相同，第4实施方式所涉及的超低温制冷机1也具备液态氦流出孔98。

因此，在环状空间78中被液化的液态氦能够通过液态氦流出孔98排出至外部的氦气氛中。液态氦难以积存于环状空间78内。因此，环状空间78中的液态氦的再蒸发或液态氦与对流的氦气之间的热交换得到抑制。由此，制冷损失降低，从而能够抑制超低温制冷机1的制冷性能的下降。

以上，根据实施例对本发明进行了说明。本领域技术人员应理解，本发明并不限定于上述实施方式，能够进行各种设计变更，且能够存在各种变形例，并且，这种变形例也包含于本发明的范围内。

在上述各个实施方式中进行说明的各种特征可以适用于其它实施方式中。通过组合产生的新的实施方式兼具所组合的各个实施方式的效果。

在上述实施方式中，以GM制冷机为例子进行了说明，但是，实施方式所涉及的磁屏蔽结构还能够适用于斯特林制冷机、脉冲管制冷机等其它超低温制冷机。

Claims (8)

1.一种超低温制冷机，其特征在于，具备：

一级冷却台，其被冷却至比氦液化温度更高的一级温度；

二级冷却台，其被冷却至所述氦液化温度以下的二级温度，且其具有配置于氦气氛中的氦冷凝面；

气缸，其以使所述二级冷却台连结于所述一级冷却台的方式沿轴向延伸；

置换器，其具备磁性蓄冷材料，并且所述置换器在所述气缸内能够沿轴向往复移动；

筒状磁屏蔽件，其在所述气缸的外侧从所述二级冷却台沿着所述气缸而沿轴向延伸，并且所述筒状磁屏蔽件配置成其与所述一级冷却台之间隔着轴向分开距离，在所述气缸与所述筒状磁屏蔽件之间形成有开放于所述氦气氛中的环状空间，所述环状空间的轴向深度比所述轴向分开距离长；及

对流抑制部件，其抑制因所述气缸与所述筒状磁屏蔽件之间的温度差而引起的所述环状空间内的氦气的轴向对流，所述对流抑制部件配置于所述环状空间，且其具有比所述轴向分开距离更长的轴向长度。

2.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述对流抑制部件具备：至少一个对流抑制板，其以将所述环状空间沿轴向划分为多个环状区段的方式配置于所述环状空间；及支承部，其支承所述对流抑制板，且其沿着所述筒状磁屏蔽件而沿轴向延伸，

所述支承部安装于所述筒状磁屏蔽件。

3.根据权利要求2所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述至少一个对流抑制板包括气液分离板，所述气液分离板以将所述环状空间划分为液态氦区段与氦气区段的方式配置于所述环状空间。

4.根据权利要求3所述的超低温制冷机，其特征在于，

在配置于所述氦气区段的对流抑制板与所述气缸之间形成有第1径向间隙，

在所述气液分离板与所述气缸之间形成有比所述第1径向间隙更小的第2径向间隙。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述对流抑制部件具备填充于所述环状空间的至少一部分内的毡状部件。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，

还具备液态氦流出孔，其以使液态氦从所述环状空间向所述筒状磁屏蔽件的外部流出的方式形成于所述筒状磁屏蔽件或所述二级冷却台。

7.一种超低温制冷机，其特征在于，具备：

一级冷却台，其被冷却至比氦液化温度更高的一级温度；

二级冷却台，其被冷却至所述氦液化温度以下的二级温度，且其具有配置于氦气氛中的氦冷凝面；

气缸，其以使所述二级冷却台连结于所述一级冷却台的方式沿轴向延伸；

置换器，其具备磁性蓄冷材料，并且所述置换器在所述气缸内能够沿轴向往复移动；

筒状磁屏蔽件，其在所述气缸的外侧从所述二级冷却台沿着所述气缸而沿轴向延伸，并且所述筒状磁屏蔽件配置成其与所述一级冷却台之间隔着轴向分开距离，在所述气缸与所述筒状磁屏蔽件之间形成有开放于所述氦气氛中的环状空间，所述环状空间的轴向深度比所述轴向分开距离长；及

液态氦流出孔，其以使液态氦从所述环状空间向所述筒状磁屏蔽件的外部流出的方式形成于所述筒状磁屏蔽件。

8.一种超低温制冷机的磁屏蔽结构，其特征在于，

所述超低温制冷机具备：

一级冷却台，其被冷却至比氦液化温度更高的一级温度；二级冷却台，其被冷却至所述氦液化温度以下的二级温度，且其具备配置于氦气氛中的氦冷凝面；及气缸，其以使所述二级冷却台连结于所述一级冷却台的方式沿轴向延伸，

所述磁屏蔽结构具备：

筒状磁屏蔽件，其在所述气缸的外侧从所述二级冷却台沿着所述气缸而沿轴向延伸，并且所述筒状磁屏蔽件配置成其与所述一级冷却台之间隔着轴向分开距离，在所述气缸与所述筒状磁屏蔽件之间形成有开放于所述氦气氛中的环状空间，所述环状空间的轴向深度比所述轴向分开距离长；及

液态氦流出孔，其以使液态氦从所述环状空间向所述筒状磁屏蔽件的外部流出的方式形成于所述筒状磁屏蔽件。

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