CN110446897A - 超低温制冷机及磁屏蔽件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超低温制冷机及磁屏蔽件。本发明的超低温制冷机具备：二级冷却台(72)；二级气缸(51)，在其末端具备二级冷却台(72)；二级置换器(52)，其以能够在二级气缸(51)内往复移动的方式容纳于二级气缸(51)内，并且具备磁性蓄冷材料(60b)；及磁屏蔽件(70)，其设置于二级冷却台(72)，并且所述磁屏蔽件(70)在二级气缸(51)的外侧沿着二级气缸(51)延伸。磁屏蔽件(70)由常导体形成，且其在10K以下的温度区域中的电导率与磁屏蔽件(70)的壁厚的乘积为60MS(兆西门子)以上且1980MS以下。

Description

超低温制冷机及磁屏蔽件
技术领域
本发明涉及一种超低温制冷机及磁屏蔽件。
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有时在强磁场环境中使用。例如，GM制冷机使用于冷却磁共振成像(Magnet ic ResonanceImaging、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，GM制冷机设置于超导磁铁系统。为了实现约4.2K以下的液态氦温度的冷却，GM制冷机的置换器通常容纳有磁性蓄冷材料。伴随GM制冷机的运行的置换器的运动会引起磁场环境中的磁性蓄冷材料的运动，从而可能会产生磁噪声。磁噪声可能会对MRI装置或其它测定装置的测定精度带来影响。
提出有一种具备超导体的超导磁屏蔽件(例如，参考专利文献1)。该超导磁屏蔽件能够用于MRI装置的超导磁铁。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-38262号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
由于超导体比较昂贵，因此超导磁屏蔽件也比较昂贵。
本发明的一种实施方式的例示性的目的之一在于，无需使用超导体即可抑制因磁性蓄冷材料的运动而引起的磁噪声对周围的影响。
用于解决技术课题的手段
根据本发明的一种实施方式，超低温制冷机具备：冷却台；气缸，在其末端具备所述冷却台；置换器，其以能够在所述气缸内往复移动的方式容纳于所述气缸内，并且具备磁性蓄冷材料；及筒状磁屏蔽件，其设置于所述冷却台，并且所述筒状磁屏蔽件在所述气缸的外侧沿着所述气缸延伸。所述筒状磁屏蔽件由常导体形成，且其在10K以下的温度区域中的电导率与所述筒状磁屏蔽件的壁厚的乘积为60MS(兆西门子)以上且1980MS以下。
根据本发明的一种实施方式，提供一种直接设置于超低温制冷机的冷却台的筒状的磁屏蔽件。磁屏蔽件由常导体形成，且其在10K以下的温度区域中的电导率与所述筒状磁屏蔽件的壁厚的乘积为60MS(兆西门子)以上且1980MS以下。
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替换的方式也作为本发明的方式而有效。
发明效果
根据本发明，无需使用超导体即可抑制因磁性蓄冷材料的运动而引起的磁噪声对周围的影响。
附图说明
图1是示意地表示一种实施方式所涉及的蓄冷式制冷机的图。
图2是表示磁屏蔽件的壁厚与屏蔽性能指数之间的关系的图表。
图3是表示磁屏蔽件参数与屏蔽性能指数之间的关系的图表。
图4是例示用于测定磁屏蔽件的电导率的结构的示意图。
图5中(a)及(b)是表示将磁屏蔽件设置于二级冷却台的例子的示意图。
图6中(a)是表示比较例所涉及的超低温制冷机的一部分的示意图，(b)是一种实施方式所涉及的超低温制冷机的一部分的示意图。
图7中(a)及(b)是例示磁性蓄冷材料被外部磁场磁化而在磁性蓄冷材料产生的磁场的计算结果的图。
图8是表示图7中(a)及(b)的例子中的径向距离Gu1、Gu2、Gu3与磁屏蔽件的轴向余长LSu的表。
图9是表示磁屏蔽件的延长长度参数与屏蔽性能指数之间的关系的图表。
图10是表示一种实施方式所涉及的磁屏蔽件及置换器的一部分的示意图。
图11是表示一种实施方式所涉及的磁屏蔽件及置换器的一部分的示意图。
图12表示例示性的磁性蓄冷材料的磁化曲线。
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，对相同或相等的构成要件、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。实施方式中所记述的所有特征或其组合并不一定是发明的本质内容。
图1是示意地表示一种实施方式所涉及的蓄冷式制冷机的图。GM制冷机1等蓄冷式制冷机具备蓄冷器部、膨胀机及压缩机。在大多数情况下，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。
在图1所示的GM制冷机1那样的二级式的制冷机中，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。
GM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为空心的气密容器。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。二级膨胀室55形成在二级低温端53b的二级气缸51内。二级膨胀室55的容积随着二级置换器52的往复移动而发生变化。二级冷却台72安装在二级低温端53b的二级气缸51的外侧。
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使用随着超低温下的磁相变而比热增大的磁性体作为蓄冷材料。铅或铋、HoCu2等形成为球状，多个球状的形成物聚集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1所示的GM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。
GM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。GM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，GM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。
GM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，GM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。
下面，对上述结构的GM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。被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进一步被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。
GM制冷机1将以上动作作为一个循环而重复该循环。由此，GM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。以下，有时将每单位时间(例如1秒)内的循环数称为超低温制冷机的运行频率。
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。
GM制冷机1具备设置于二级冷却台72的筒状磁屏蔽件(以下，简称为磁屏蔽件)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的轴向上端71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。
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的材料相同的材料形成。磁屏蔽件70还可以由纯铝形成。例如，二级气缸51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的往复移动而移动的磁性蓄冷材料60b的整个移动范围而延伸。在二级气缸51的轴向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，并且磁屏蔽件70配置成包含磁性蓄冷材料60b的移动行程。磁屏蔽件70的轴向下端73位于比随着制冷机的运行而二级置换器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的轴向上端71位于比随着制冷机的运行而二级置换器52位于上止点时的磁性蓄冷材料60b的最上端更靠上方。由此，能够充分地遮蔽由磁性蓄冷材料60b产生的磁噪声向周围泄漏。
若磁性蓄冷材料60b沿轴向Q往复移动，则与磁屏蔽件70交链的磁通量发生变化。在磁屏蔽件70产生电流以消除该磁通量的变化。电流的流动方向根据GM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。
在二级置换器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。
由于磁屏蔽件70设置于二级冷却台72，因此容易将GM制冷机1与磁屏蔽件70作为一个产品而提供。例如，GM制冷机1的制造者可以将安装有磁屏蔽件70的状态的GM制冷机1提供给制冷机的购买者。
在此，将相对于磁场变动的屏蔽性能指数(以下，简称为“屏蔽性能指数”)定义为B/B0。B表示磁屏蔽件70配置在某一磁场变动环境下时在磁屏蔽件70内部产生的磁场变动的大小。B0表示在未配置有磁屏蔽件70的状态下的相同位置上的磁场变动的大小。因此，相对于磁场变动的屏蔽性能指数B/B0表示磁屏蔽件70对外部磁场变动的遮蔽效果。屏蔽性能指数B/B0取0至1之间的值，其值越小表示外部磁场变动的遮蔽效果越高。
磁屏蔽件70能够遮蔽在磁屏蔽件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。并且，磁屏蔽件70能够遮蔽在磁屏蔽件70的内部产生的磁场变动(例如，如上述，因磁性蓄冷材料60b周期性地往复移动而产生的磁噪声或磁场变动)从磁屏蔽件70的内部传播至外部。遮蔽外部变动磁场朝向磁屏蔽件70内部的效果与遮蔽内部变动磁场朝向磁屏蔽件70外部的效果在物理上是等价的。因此，也可以说屏蔽性能指数表示遮蔽内部变动磁场朝向磁屏蔽件70外部的效果。关于屏蔽性能指数B/B0，其值越小，表示遮蔽内部磁场变动朝向磁屏蔽件70外部的效果越高。
图2是表示磁屏蔽件70的壁厚与屏蔽性能指数B/B0之间的关系的图表，该关系是本发明人等通过分析而得到的。图2中示出了4K下的电导率σ互不相同的若干个磁屏蔽件材料的计算结果。图2所示的结果表示基于磁屏蔽件70的磁场变动的遮蔽效果。在分析中，将磁屏蔽件70的电导率设定为适当的值，将超低温制冷机的运行频率设为1Hz。
由图2可知，磁屏蔽件70的壁厚越大，屏蔽性能指数B/B0变得越小，磁屏蔽件70的变动磁场遮蔽效果越高。在本研究中，将屏蔽性能指数B/B0例如小于0.4的情况看作得到了良好的变动磁场遮蔽。如此一来，在由电导率σ为4700MS/m的材料形成磁屏蔽件70的情况下，为了得到良好的变动磁场遮蔽，需要约7mm的壁厚。同样地，电导率σ为14100MS/m的材料则需要约2.5mm的壁厚，电导率σ为23500MS/m的材料则需要约1.5mm的壁厚。为了得到所期望的屏蔽性能指数B/B0的值而需要将磁屏蔽件70的壁厚设计成什么程度，是根据磁屏蔽件70的材料在4K下的电导率而不同，并非一致。
基于这种本发明人等的独自研究，本发明人等提出了形成磁屏蔽件70的材料的电导率σ与磁屏蔽件70的壁厚t的乘积(σ·t)这一新的参数。以下，将该参数称为磁屏蔽件参数。电导率的单位为MS/m(兆西门子每米)，磁屏蔽件70的壁厚的单位为m。因此，磁屏蔽件参数的单位为MS(兆西门子)。
在此，关于电导率，使用10K以下的温度区域中的电导率。由于铜或铝等纯金属的常导状态下的电导率在10K以下的温度区域中大致恒定，因此可以将例如约4K(例如4.2K)下的电导率作为代表而使用于磁屏蔽件参数的计算。另外，该温度区域大于绝对零度，或者也可以为2K以上。
并且，磁屏蔽件70的壁厚使用磁屏蔽件70的最大外径与最小内径之差除以2的数值。在磁屏蔽件70为单纯的圆筒形状的情况下，磁屏蔽件70的壁厚为磁屏蔽件70的外径与内径之差除以2的数值。磁屏蔽件70的与轴向垂直的截面上的形状是任意的。磁屏蔽件70的壁厚可以沿磁屏蔽件70的周向具有分布。磁屏蔽件70也可以为具有椭圆状或其它截面形状的筒状部件。
图3是表示磁屏蔽件参数与屏蔽性能指数B/B0之间的关系的图表。图3中所示的黑点是将图2所示的三个图表(电导率σ为4700MS/m、14100MS/m、23500MS/m这三个的图表)用磁屏蔽件参数(即，10K以下的温度区域中的电导率与磁屏蔽件70的壁厚的乘积)重新进行归纳的。
由图3可知，与电导率的值无关地，磁屏蔽件参数与屏蔽性能指数B/B0之间的关系呈现出一个曲线。以下，将该曲线称为屏蔽性能指数曲线。根据屏蔽性能指数曲线，可以设定能够得到所希望的屏蔽性能指数B/B0的值的磁屏蔽件参数的合适范围。
例如，通过将磁屏蔽件70的磁屏蔽件参数设为约60MS以上，能够使屏蔽性能指数B/B0成为小于0.4。由此，能够得到良好的变动磁场遮蔽效果。
并且，图3所示的屏蔽性能指数曲线的轨迹以磁屏蔽件参数的值为约100MS的区域作为边界而发生变化。在磁屏蔽件参数的值小于约100MS的情况下，屏蔽性能指数曲线大致成为直线L1，且其斜率比较大。另一方面，在磁屏蔽件参数的值大于约100MS的情况下，屏蔽性能指数曲线与另一直线L2大致一致，且其斜率变得比较小。可以通过最小二乘法来推导出这两根直线，从而求出这两根直线的交点P。该交点处的磁屏蔽件参数的值为约89MS。
下面考虑将磁屏蔽件参数的值从最小值(例如1MS)增加到最大值(例如10000MS)的情况。在磁屏蔽件参数的值小于约89MS的情况下，每磁屏蔽件参数单位增加量的屏蔽性能指数B/B0的减少程度大。随着磁屏蔽件参数的增加的变动磁场遮蔽效果的提高程度大。另一方面，在磁屏蔽件参数的值为约89MS以上的情况下，每磁屏蔽件参数单位增加量的屏蔽性能指数B/B0的减少程度小。也可以说屏蔽性能指数B/B0已大致饱和。
因此，通过将磁屏蔽件70的磁屏蔽件参数设为约89MS以上，能够实现充分小的屏蔽性能指数B/B0。进而能够得到良好的变动磁场遮蔽效果。换言之，即使将磁屏蔽件参数的值设为过大，对屏蔽性能指数B/B0的减少(即，变动磁场遮蔽效果的提高)的贡献也小。
在磁屏蔽件70由纯铜形成的情况下，比较容易得到的纯度的材料在4K下的剩余电阻率(RRR)在约300～1000的范围。在剩余电阻率为该容易得到范围的最小值(即，例如300)的情况下，若磁屏蔽件参数的值被设定为89MS以上，则纯铜的磁屏蔽件70的壁厚成为约5mm以上。因此，通过由纯铜制作磁屏蔽件70且将其壁厚设为约5mm以上，能够确保得到良好的变动磁场遮蔽效果。并且，为了抑制磁屏蔽件70的重量，优选将纯铜的磁屏蔽件70的壁厚设为约10mm以下。
但是，在超导磁铁发生骤冷的情况下，磁屏蔽件70周围的外部磁场会消失。这种外部磁场的急剧减少尤其在磁屏蔽件70的电导率高的情况下，在磁屏蔽件70中引起较大的涡电流。与涡电流的大小相对应的瞬时电磁力作用于磁屏蔽件70。过大的电磁力有可能对磁屏蔽件70或GM制冷机1带来机械性损伤。
图3所示的另一个曲线表示磁屏蔽件参数与骤冷时在磁屏蔽件70中产生的电磁力之间的关系。该结果也是本发明人等通过数值分析而得到的。若作用于磁屏蔽件70的电磁力超过约5kgf，则有可能会对GM制冷机1的机械性能带来影响。
例如，通过将磁屏蔽件70的磁屏蔽件参数设为约1980MS以下，能够使作用于磁屏蔽件70的电磁力成为小于约5kgf。并且，通过将磁屏蔽件70的磁屏蔽件参数设为约1000MS以下，能够使作用于磁屏蔽件70的电磁力成为小于约2kgf。如此设计磁屏蔽件70的磁屏蔽件参数，能够减少超导磁铁发生骤冷时的磁屏蔽件70或GM制冷机1的机械性损伤。
在磁屏蔽件70由纯铝形成的情况下，比较容易得到的材料在4K下的剩余电阻率约在2000～10000的范围。在剩余电阻率为该容易得到范围的最大值(即，例如10000)的情况下，若磁屏蔽件参数的值被设定为1980MS以下，则纯铝的磁屏蔽件70的壁厚成为约5.6mm以下。为了确保纯铝的磁屏蔽件70本身的机械强度，磁屏蔽件70的壁厚例如优选为约0.5mm以上或约1mm以上。
图4是例示用于测定磁屏蔽件70的电导率的结构的示意图。磁屏蔽件70及线圈80设置于底座82上。线圈80以包围磁屏蔽件70且与磁屏蔽件70的中心轴同轴方式设置于底座82上。通过向线圈80通电，能够向磁屏蔽件70施加轴向磁场。并且，在磁屏蔽件70的中心轴上配置有霍尔元件等磁场传感器84。磁场传感器84配置于设置在底座82上的传感器台86上。
通过适当的冷却机构冷却磁屏蔽件70。例如，可以将图示的整个测定结构浸泡在液体氦等制冷剂中从而将磁屏蔽件70冷却至所希望的温度(10K以下的温度，例如约4.2K)。或者，也可以将磁屏蔽件70热连接于GM制冷机等超低温制冷机上从而进行冷却。
在磁屏蔽件70被冷却到超低温的状态下，向线圈80供给恒定的电流。在磁屏蔽件70的周围产生对应于线圈电流的恒定的磁场。经过了足够的时间之后，停止向线圈80通电。如此一来，在磁屏蔽件70中产生感应电流。可以从感应电流所作出的磁场的衰减曲线倒算出磁屏蔽件70的电导率。磁场的衰减曲线的时间常数τ为τ＝L/R。其中，L表示磁屏蔽件70的自感，R表示磁屏蔽件70的电阻值。自感L为从磁屏蔽件70的形状等计算出的已知的值。可以从磁场传感器84所测定的衰减曲线求出时间常数τ，因此可以求出磁屏蔽件70的周向上的电阻值R。并且，可以从电阻值R求出超低温下的磁屏蔽件70的电导率。
图5中(a)及(b)是表示将磁屏蔽件70设置于二级冷却台72的例子的示意图。磁屏蔽件70直接安装于二级冷却台72。
如图1所示，磁屏蔽件70的内径Di比一级气缸20或一级冷却台35的外径D1小。由此，在将磁屏蔽件70安装于二级冷却台72的情况下，能够使GM制冷机1的整体尺寸变得紧凑。并且，磁屏蔽件70的外径Do也可以比一级气缸20或一级冷却台35的外径D1小。由此，带有磁屏蔽件的GM制冷机1的尺寸变得进一步紧凑。
如图5中(a)所示，磁屏蔽组件74具备磁屏蔽件70及二级冷却台72。磁屏蔽件70直接接合于二级冷却台72。可以在GM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的直接接合例如可以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，因此钎焊接合变得可能。由于在对二级气缸51与二级冷却台72进行钎焊接合的工序中还可以同样地接合磁屏蔽件70，因此制造作业变得轻松。磁屏蔽件70与二级冷却台72的直接接合也可以采用基于粘结剂的接合。
如图5中(b)所示，磁屏蔽件70与二级冷却台72形成为一体。磁屏蔽件70与二级冷却台72设置成一体的组件。该一体的磁屏蔽组件74与二级气缸51钎焊接合。由于磁屏蔽件70与二级冷却台72形成为一体，因此不需要接合磁屏蔽件70与二级冷却台72的工序。因此，制造作业变得轻松。
为了无需使磁屏蔽件70变得过大即可避免磁屏蔽件70与二级气缸51的热接触，优选将磁屏蔽件70的内表面与二级气缸51的外表面之间的距离76设为0.1mm以上且10mm以内(例如，从2mm至8mm，或约5mm)。
图6中(a)是表示比较例所涉及的超低温制冷机的一部分的示意图，图6中(b)是表示一种实施方式所涉及的超低温制冷机的一部分的示意图。在图6中(a)及(b)中，示出了超低温制冷机的置换器100位于上止点的状态。图6中(a)所示的比较例不具有磁屏蔽件，图6中(b)所示的实施方式则具有磁屏蔽件70。超低温制冷机例如可以配置于基于超导电磁铁的外部磁场Be那样的高磁场环境中。
在此，置换器100的上止点是指：气缸102内的置换器100沿轴向往复移动的过程中，置换器100最远离冷却台104使得膨胀室106的容积变得最大时的置换器100的位置。并且，置换器100的下止点是指：气缸102内的置换器100沿轴向往复移动的过程中，置换器100最靠近冷却台104使得膨胀室106的容积变得最小时的置换器100的位置。为了便于说明，在图6中(a)中，以虚线表示气缸102及冷却台104，在图6中(b)中则省略这些图示。
作为一例，置换器100、气缸102、冷却台104及膨胀室106可以分别为图1所示的二级置换器52、二级气缸51、二级冷却台72及二级膨胀室55。
置换器100在其内部具备非磁性蓄冷材料108及磁性蓄冷材料110。在置换器100的高温侧(即，轴向上的上方)填充有非磁性蓄冷材料108，在置换器100的低温侧(即，轴向上的下方)填充有磁性蓄冷材料110。磁性蓄冷材料110可以包括一种或多种磁性蓄冷材料。
外部磁场Be例如朝向与置换器100的轴向正交的方向。通过外部磁场Be，磁性蓄冷材料110被磁化，从而产生磁场112。由于图6中(a)所示的比较例不具有磁屏蔽件，因此磁场112从磁性蓄冷材料110发出并通过磁性蓄冷材料110的外侧之后返回到磁性蓄冷材料110。为了便于说明，例示了磁性蓄冷材料110的上端附近的若干个磁力线(112a～112c)。这些磁场112在置换器100沿轴向进行往复移动时(箭头114)作为变动的磁噪声而向周围传播。如上所述，并不期望产生这种磁噪声。
根据实施方式，如上所述，磁屏蔽件可以遍及基于置换器100的轴向往复移动的磁性蓄冷材料110的整个移动范围而延伸。因此，磁屏蔽件70的轴向上端71可以延伸到与置换器100位于上止点时的磁性蓄冷材料110的上表面110a相同的位置或比其更靠上方位置。
作为一例，磁屏蔽件70可以比磁性蓄冷材料110的移动范围的上端更向上方延伸例如约20mm以内的长度。
此时，如图6中(b)所示，磁场112中的大部分磁力线(112b、112c)与磁屏蔽件70交叉，并通过其与磁屏蔽件70的电磁性的相互作用，变动的磁场成分朝向外部的泄漏得到抑制。磁场112中的在与磁性蓄冷材料110的上表面110a极近的部位产生的磁力线112a不与磁屏蔽件70交叉，但其空间性的扩展限定于与磁性蓄冷材料110的上表面110a极近的部位，因此不会对周围带来明显的不良影响。由此，磁屏蔽件70能够充分地减少磁性蓄冷材料110被外部磁场Be磁化而产生的磁噪声。
为了方便说明，如图6中(b)所示，将自置换器100位于上止点时的磁性蓄冷材料110的上表面110a的磁屏蔽件70的轴向上的余长标记为LSu，将从置换器100位于上止点时的磁性蓄冷材料110的上表面110a至磁屏蔽件70的径向上的距离标记为Gu。
磁屏蔽件70的轴向上的余长LSu相当于从磁性蓄冷材料110的上表面110a至磁屏蔽件70的轴向上端71为止的轴向高度。磁屏蔽件70通常呈圆筒形状，因此磁屏蔽件70的轴向上端71的轴向位置沿周向恒定。但这并非是必须的，磁屏蔽件70的轴向上端71的轴向位置也可以在周向上不同，此时，轴向上的余长LSu可以定义为磁屏蔽件70的轴向上端71中在轴向上最高的位置处的距磁性蓄冷材料110的高度。
径向距离Gu是从磁性蓄冷材料110的侧面110b至磁屏蔽件70为止的距离，其被定义为从磁屏蔽件70的内径Di减去磁性蓄冷材料110的外径Dr的差值的一半(即，Gu＝(Di-Dr)/2)。磁性蓄冷材料110的外径Dr与容纳磁性蓄冷材料110的蓄冷材料容器(即，置换器100)的内径相等。置换器100(磁性蓄冷材料110)和磁屏蔽件70通常都具有圆筒形状，且彼此同轴配置，因此径向距离Gu在周向上恒定。但是，在磁屏蔽件70的内径Di沿周向不同的情况下，和/或磁性蓄冷材料110的外径Dr沿周向不同的情况下，径向距离Gu可以定义为从磁屏蔽件70的内径Di的最小值减去磁性蓄冷材料110的外径Dr的最大值的差值的一半。
在此，若磁屏蔽件70的轴向上的余长LSu足够长，则具有如下优点：能够遮蔽因外部磁场Be而从磁性蓄冷材料110发出的大部分磁场112朝向外部泄漏，从而能够提高磁噪声的减轻效果。但是，若磁屏蔽件70的轴向上的余长LSu过长，则具有如下缺点：磁屏蔽件70的重量会增加，使得磁屏蔽件70的热容量增加，会导致冷却磁屏蔽件70所需的时间变长。若缩短磁屏蔽件70，则该缺点会得到缓解，但是磁噪声的减轻效果会变小。因此，接下来考虑磁屏蔽件70的轴向上的余长LSu的最佳化。
图7中(a)及(b)是例示磁性蓄冷材料被外部磁场磁化而在磁性蓄冷材料产生的磁场的计算结果的图。图7中(a)示出了磁性蓄冷材料110的上部右半部分与磁场。在图7中(a)中，以曲线示出磁场的方向，以浓淡来表示磁场的强度。曲线越靠近水平，该位置上的磁场的径向成分越大。图7中(b)示出了图7中(a)所示的三个径向距离Gu1、Gu2、Gu3处的径向磁场成分与距磁性蓄冷材料110的上表面110a的距离之间的关系。径向距离Gu1、Gu2、Gu3中Gu1最靠近磁性蓄冷材料110的侧面110b，Gu3最远离磁性蓄冷材料110的侧面110b。在该计算例中，径向距离Gu1、Gu2、Gu3分别为3mm、8mm、13mm。在图7中(b)中，将径向上朝向外侧设为正，将径向上朝向内侧设为负。
由图7中(a)及(b)可知，在与磁性蓄冷材料110的上表面110a相同的轴向位置(图7中(a)中示出的点O1、O2、O3，图7中(b)中的原点)上，在径向距离Gu1、Gu2、Gu3上，磁场均具有径向上朝向外侧成分。
磁场的径向上朝向外侧成分随着距磁性蓄冷材料110的上表面110a的轴向高度变大而变弱。例如，在径向距离Gu1上，随着从磁性蓄冷材料110的上表面110a朝向上方移动，磁场的径向上朝向外侧成分变弱，进而在位置P1处成为零。在比位置P1更靠上方位置，磁场变成径向上朝向内侧。关于径向距离Gu2、Gu3，随着从磁性蓄冷材料110的上表面110a朝向上方移动，磁场也同样地发生变化。但是，在径向距离Gu2上，磁场的径向上朝向外侧成分变成零的位置P2位于比位置P1更靠上方，在径向距离Gu3上，磁场的径向上朝向外侧成分变成零的位置P3位于比位置P2更靠上方。如图7中(a)所示，位置P1、P2及P3大致排列在从磁性蓄冷材料110的上表面的右端斜向上延伸的直线115上。
在磁场具有径向上朝向外侧成分的情况下，由于其意味着磁场从超低温制冷机的中心轴放射状朝向外部，因此最好利用磁屏蔽件70进行遮蔽。因此，根据磁场的径向上朝向外侧成分变成零的位置P1、P2、P3(即，直线115)，确定磁屏蔽件70的轴向上的余长LSu的标准。通过将磁屏蔽件70的轴向上的余长LSu设定在位置P1、P2、P3，能够有效地遮蔽来自磁性蓄冷材料110的上表面110a及其附近的磁场的泄漏。
图8是表示图7中(a)及(b)的例子中的径向距离Gu1、Gu2、Gu3与磁屏蔽件70的轴向上的余长LSu的表。与径向距离Gu1、Gu2、Gu3相对应的磁屏蔽件70的轴向上的余长LSu(即，位置P1、P2、P3)分别为3.6mm、9mm、14.3mm。
在图8中，还示出了轴向上的余长LSu与径向距离Gu之比(LSu/Gu)。以下，将LSu/Gu称为磁屏蔽件70的延长长度参数。具体而言，位置P1、P2、P3处的延长长度参数LSu/Gu分别为1.2、1.125、1.1。
根据本发明人基于上述结构进行的考察，磁屏蔽件70优选满足LSu/Gu≥1。此时，磁屏蔽件70满足LSu≥Gu。由此，不仅能够遮蔽磁噪声还能够抑制磁屏蔽件70的重量过度增大。
图9是表示磁屏蔽件70的延长长度参数LSu/Gu与屏蔽性能指数B/B0之间的关系的图表，且其是通过本发明人等的分析而得到的。如上所述，屏蔽性能指数B/B0的值越小，表示磁屏蔽件70的磁噪声遮蔽效果越高。图9所示的屏蔽性能指数B/B0为磁屏蔽件70的外部的某一代表点上的值。
如图9所示，随着延长长度参数LSu/Gu的增加，屏蔽性能指数B/B0下降，因此磁屏蔽件70的性能变高。在延长长度参数LSu/Gu为零时(即，磁屏蔽件70的轴向上的余长LSu为零时)，屏蔽性能指数B/B0为约0.21，而在延长长度参数LSu/Gu为1时，屏蔽性能指数B/B0改善为约0.15。若延长长度参数LSu/Gu增加到2，则屏蔽性能指数B/B0进一步改善为约0.1。
通过该分析结果也可知，优选磁屏蔽件70满足LSu/Gu≥1。更优选地，磁屏蔽件70可以满足LSu/Gu≥2。并且，即使磁屏蔽件70满足LSu/Gu≥0.5，与轴向上的余长LSu为零的情况相比，也能够得到良好的性能。
若延长长度参数LSu/Gu超过2，则屏蔽性能指数B/B0的减小程度变小。例如，若延长长度参数LSu/Gu在3至5的范围，则屏蔽性能指数B/B0成为约0.09～0.08且大致恒定。若延长长度参数LSu/Gu变得过大，则如上所述，会给磁屏蔽件70的重量的增加带来不良影响。因此，延长长度参数LSu/Gu可以设为例如小于3，或小于2。
磁屏蔽件70的轴向上的余长LSu的上限也可以从另一观点确定。例如，磁屏蔽件70的轴向上端71可以位于一级冷却台35(参考图1)的轴向上的下方，从而在轴向上与一级冷却台35分开。由此，能够避免磁屏蔽件70与一级冷却部15的热接触。为了更加可靠地避免热接触，磁屏蔽件70的轴向上端71可以在轴向上从一级冷却台35分开0.1mm以上且10mm以下(例如，从2mm至8mm，或约5mm)。
磁屏蔽件70的轴向下端73的长度的最佳化也可以通过相同方式实现。如图10所示，在一种实施方式中，磁屏蔽件70的轴向下端73可以比置换器100位于下止点时的磁性蓄冷材料110的下表面110c更向轴向上的下方延伸。
在将自置换器100位于下止点时的磁性蓄冷材料110的下表面110c的磁屏蔽件70的轴向上的余长表示为LSl且将从置换器100位于下止点时的磁性蓄冷材料110的下表面110c至磁屏蔽件70为止的径向上的距离表示为Gl时，磁屏蔽件70可以满足LSl≥Gl(通常，Gu＝Gl)。
并且，若考虑延长长度参数LSl/Gl与屏蔽性能指数B/B0之间的关系，则磁屏蔽件70可以满足LSl/Gl≥2。并且，磁屏蔽件70也可以满足LSl/Gl≥0.5。磁屏蔽件70可以满足3＞LSl/Gl，或2＞LSl/Gl。
作为一例，磁屏蔽件70的轴向下端73可以比磁性蓄冷材料110随着置换器100沿轴向往复移动而移动的范围的下端更向下方延伸例如约20mm以内的长度。
另外，如图5中(a)所示，磁屏蔽件70的轴向下端73可以接合于二级冷却台72。或者，如图5中(b)所示，磁屏蔽件70的轴向下端73可以与二级冷却台72形成为一体。如图所示，磁屏蔽件70的轴向下端73可以位于与二级冷却台72的下表面72a不同的轴向位置，例如，可以位于比二级冷却台72的下表面72a稍微靠上方的位置。或者，如图1所示，磁屏蔽件70的轴向下端73可以位于与二级冷却台72的下表面72a相同的轴向位置。
并且，在一种实施方式中，如图11所示，置换器100除了具有非磁性蓄冷材料108之外，还可以具有多种磁性蓄冷材料。作为一例，第1磁性蓄冷材料116是HoCu2，第2磁性蓄冷材料118是Gd2O2S(被称作GOS)。第1磁性蓄冷材料116与第2磁性蓄冷材料118在轴向上配置于彼此不同的位置，例如，第1磁性蓄冷材料116配置于第2磁性蓄冷材料118的轴向上的上方且与其邻接。非磁性蓄冷材料108配置于第1磁性蓄冷材料116的轴向上的上方且与其邻接。但是，可以用于置换器100的磁性蓄冷材料110并不只限于在此例示的特定材料。置换器100也可以具有三种以上的磁性蓄冷材料。
第1磁性蓄冷材料116及第2磁性蓄冷材料118分别被外部磁场Be磁化。在此，将第1磁性蓄冷材料116设为多种磁性蓄冷材料中磁化最大的磁性蓄冷材料，将由外部磁场Be产生的第1磁性蓄冷材料116的第1磁化量表示为Mmax，将第2磁性蓄冷材料118的第2磁化量表示为M2。第1磁性蓄冷材料116的第1磁化量Mmax大于第2磁性蓄冷材料118的第2磁化量M2。
在图12中示出了第1磁性蓄冷材料116(即，HoCu2)及第2磁性蓄冷材118(即，GOS)在超低温温度区域(5K)中的磁化曲线。如图12所示，与第2磁性蓄冷材料118相比，第1磁性蓄冷材料116被外部磁场Be磁化更大。
磁化越小，从磁性蓄冷材料发出的磁场也变得越小。因此，若磁屏蔽件70相对于第1磁性蓄冷材料116具有充分的磁噪声遮蔽性能，其相对于第2磁性蓄冷材料118则具有过剩的性能。
因此，磁屏蔽件70具备包围第1磁性蓄冷材料116的第1屏蔽部分70a及包围第2磁性蓄冷材料118的第2屏蔽部分70b。第2屏蔽部分70b的壁厚T2可以比第1屏蔽部分70a的壁厚T1薄。第1屏蔽部分70a与第2屏蔽部分70b可以由相同材料形成。由此，能够使第2屏蔽部分70b轻型化。
具体而言，与第1屏蔽部分70a相比，能够稍微降低第2屏蔽部分70b的上述磁屏蔽件参数(σ·t)。在一种实施方式中，若将第1屏蔽部分70a的磁屏蔽件参数表示为(σ·t)max，将第2屏蔽部分70b的磁屏蔽件参数表示为(σ·t)2，则磁屏蔽件70可以满足
M2/Mmax·(σ·t)max≤(σ·t)2＜(σ·t)max。
即，可以将第2屏蔽部分70b的磁屏蔽件参数(σ·t)2减小至对第1屏蔽部分70a的磁屏蔽件参数(σ·t)max乘上系数M2/Mmax(由于M2＜Mmax，因此是M2/Mmax＜1)的值。由此，能够兼顾磁噪声的遮蔽及第2屏蔽部分70b的轻型化。
优选地，磁屏蔽件70可以满足
M2/Mmax·(σ·t)max＝(σ·t)2。由此，能够保持磁噪声的遮蔽性能的同时还能够将第2屏蔽部分70b设为最轻。
并且，磁屏蔽件70还可以满足
(σ·t)2＝(σ·t)max。
由此，能够将第2屏蔽部分70b的磁噪声的遮蔽性能设计成与第1屏蔽部分70a相等。例如，可以使用相同的材料以相同的壁厚形成第1屏蔽部分70a及第2屏蔽部分70b，因此磁屏蔽件70的制造变得轻松。
总之，磁屏蔽件70可以满足
M2/Mmax·(σ·t)max≤(σ·t)2≤(σ·t)max。
在置换器100具有第3磁性蓄冷材料且磁屏蔽件70具有包围第3磁性蓄冷材料的第3屏蔽部分的情况也与之相同。若将第3屏蔽部分的磁屏蔽件参数表示为(σ·t)3，则磁屏蔽件70可以满足
M3/Mmax·(σ·t)max≤(σ·t)3≤(σ·t)max。
在此，通过外部磁场Be，在第3磁性蓄冷材料中产生小于第1大小的磁化Mmax的第3大小的磁化M3。
第1屏蔽部分70a可以遍及基于置换器100的往复移动而移动的第1磁性蓄冷材料116的整个移动范围而延伸。第1屏蔽部分70a可以比第1磁性蓄冷材料116的移动范围的上端更向上方延伸例如约20mm以内的长度。第1屏蔽部分70a可以比第1磁性蓄冷材料116的移动范围的下端更向下方延长例如约20mm以内的长度。
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，并且能够存在各种变形例，而且这种变形例也在本发明的范围内。
根据一种实施方式，能够提供超低温制冷机的冷却台结构或气密容器结构。该冷却台结构或气密容器结构具备：冷却台；气缸，在其末端设置有所述冷却台；及筒状磁屏蔽件，设置于所述冷却台并且在所述气缸的外侧沿着所述气缸延伸。所述筒状磁屏蔽件由常导体形成，其在10K以下温度区域中的电导率与所述筒状磁屏蔽件的壁厚的乘积为60MS(兆西门子)以上且1980MS以下。所述筒状磁屏蔽件可以直接设置于超低温制冷机的二级冷却台，所述筒状磁屏蔽件的内径可以小于超低温制冷机的一级冷却台的外径。
根据一种实施方式，能够提供一种超低温制冷机的磁屏蔽组件。磁屏蔽组件具备冷却台及直接设置于所述冷却台的筒状磁屏蔽件。所述筒状磁屏蔽件由常导体形成，其在10K以下的温度区域中的电导率与所述筒状磁屏蔽件的壁厚的乘积为60MS(兆西门子)以上且1980MS以下。所述筒状磁屏蔽件可以直接设置于超低温制冷机的二级冷却台，所述筒状磁屏蔽件的内径可以小于超低温制冷机的一级冷却台的外径。
符号说明
1-GM制冷机，51-二级气缸，52-二级置换器，60b-磁性蓄冷材料，70-磁屏蔽件，72-二级冷却台。
产业上的可利用性
本发明能够利用于超低温制冷机及磁屏蔽件的领域中。

Claims (11)

1.一种超低温制冷机，其特征在于，具备：
冷却台；
气缸，在其末端具备所述冷却台；
置换器，其以能够在所述气缸内往复移动的方式容纳于所述气缸内，并且具备磁性蓄冷材料；及
筒状磁屏蔽件，其设置于所述冷却台，并且所述筒状磁屏蔽件在所述气缸的外侧沿着所述气缸延伸，
所述筒状磁屏蔽件由常导体形成，且其在10K以下的温度区域中的电导率与所述筒状磁屏蔽件的壁厚的乘积为60MS以上且1980MS以下。
2.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于，
所述筒状磁屏蔽件在10K以下的温度区域中的电导率与所述筒状磁屏蔽件的壁厚的乘积为89MS以上。
3.根据权利要求1或2所述的超低温制冷机，其特征在于，
所述筒状磁屏蔽件在10K以下的温度区域中的电导率与所述筒状磁屏蔽件的壁厚的乘积为1000MS以下。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，
所述筒状磁屏蔽件遍及基于所述置换器的往复移动而移动的所述磁性蓄冷材料的整个移动范围而延伸。
5.根据权利要求4所述的超低温制冷机，其特征在于，
所述筒状磁屏蔽件比所述置换器位于上止点时的所述磁性蓄冷材料的上表面更向周向上的上方延伸，
在将自所述置换器位于上止点时的所述磁性蓄冷材料的上表面的所述筒状磁屏蔽件的轴向上的余长表示为Lsu、且将从所述置换器位于上止点时的所述磁性蓄冷材料的上表面至所述筒状磁屏蔽件为止的径向上的距离表示为Gu时，所述筒状磁屏蔽件满足LSu≥Gu。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，
所述筒状磁屏蔽件由纯铜或纯铝制成。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，
所述筒状磁屏蔽件钎焊接合于所述冷却台。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，
所述筒状磁屏蔽件与所述冷却台形成为一体。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，
还具备一级冷却台及二级冷却台，
所述筒状磁屏蔽件直接设置于所述二级冷却台，所述筒状磁屏蔽件的内径小于所述一级冷却台的外径。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，
所述置换器具备在轴向上配置于彼此不同的位置上的第1磁性蓄冷材料及第2磁性蓄冷材料，
所述筒状磁屏蔽件具备：第1屏蔽部分，包围所述第1磁性蓄冷材料；及第2屏蔽部分，包围所述第2磁性蓄冷材料，
所述第1磁性蓄冷材料及所述第2磁性蓄冷材料分别被外部磁场磁化，从而产生所述第1磁性蓄冷材料的第1磁化量Mmax及所述第2磁性蓄冷材料的第2磁化量M2，并且所述第1磁化量Mmax大于所述第2磁化量M2，
在将所述第1屏蔽部分的所述电导率与所述壁厚的乘积表示为(σ·t)max且将所述第2屏蔽部分的所述电导率与所述壁厚的乘积表示为(σ·t)2时，所述筒状磁屏蔽件满足M2/Mmax·(σ·t)max≤(σ·t)2≤(σ·t)max。
11.一种磁屏蔽件，其为直接设置于超低温制冷机的冷却台的筒状的磁屏蔽件，所述磁屏蔽件的特征在于，
所述磁屏蔽件由常导体形成，且其在10K以下的温度区域中的电导率与所述筒状的磁屏蔽件的壁厚的乘积为60MS以上且1980MS以下。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112639378A (zh) * 2018-09-07 2021-04-09 住友重机械工业株式会社 超低温制冷机

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10753653B2 (en) * 2018-04-06 2020-08-25 Sumitomo (Shi) Cryogenic Of America, Inc. Heat station for cooling a circulating cryogen
CN112358965B (zh) * 2020-11-09 2023-01-24 中国计量大学 一种磁珠法核酸提取设备
JP2022161154A (ja) * 2021-04-08 2022-10-21 住友重機械工業株式会社 超伝導磁石装置およびサイクロトロン

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH109700A (ja) * 1996-06-21 1998-01-16 Seiko Epson Corp 低温デバイス装置
JP2001263844A (ja) * 2000-03-24 2001-09-26 Sumitomo Heavy Ind Ltd 極低温冷凍機
CN1957429A (zh) * 2004-05-25 2007-05-02 西门子磁体技术有限公司 用于制冷机的导电屏蔽罩
CN101226809A (zh) * 2006-11-20 2008-07-23 株式会社日立制作所 超导磁铁装置及磁共振摄像装置
JP2009293909A (ja) * 2008-06-09 2009-12-17 Sumitomo Heavy Ind Ltd 蓄冷型膨張機、パルス管冷凍機、磁気共鳴イメージング装置、核磁気共鳴装置、超伝導量子干渉素子磁束計及び蓄冷型膨張機の磁気シールド方法
JP2013038262A (ja) * 2011-08-09 2013-02-21 Furukawa Electric Co Ltd:The 超電導磁気シールド体

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4404021B2 (ja) * 2005-06-30 2010-01-27 株式会社日立製作所 Ｍｒｉ用超電導磁石
US7500366B2 (en) * 2005-12-08 2009-03-10 Shi-Apd Cryogencis, Inc. Refrigerator with magnetic shield
JP6147208B2 (ja) * 2014-03-05 2017-06-14 住友重機械工業株式会社 蓄冷式冷凍機
EP3182228B1 (en) * 2015-12-15 2020-07-15 ADVA Optical Networking SE Random light collector and detection device

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH109700A (ja) * 1996-06-21 1998-01-16 Seiko Epson Corp 低温デバイス装置
JP2001263844A (ja) * 2000-03-24 2001-09-26 Sumitomo Heavy Ind Ltd 極低温冷凍機
CN1957429A (zh) * 2004-05-25 2007-05-02 西门子磁体技术有限公司 用于制冷机的导电屏蔽罩
CN101694802A (zh) * 2004-05-25 2010-04-14 英国西门子公司 用于制冷机的导电屏蔽罩
CN101226809A (zh) * 2006-11-20 2008-07-23 株式会社日立制作所 超导磁铁装置及磁共振摄像装置
JP2009293909A (ja) * 2008-06-09 2009-12-17 Sumitomo Heavy Ind Ltd 蓄冷型膨張機、パルス管冷凍機、磁気共鳴イメージング装置、核磁気共鳴装置、超伝導量子干渉素子磁束計及び蓄冷型膨張機の磁気シールド方法
JP2013038262A (ja) * 2011-08-09 2013-02-21 Furukawa Electric Co Ltd:The 超電導磁気シールド体

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112639378A (zh) * 2018-09-07 2021-04-09 住友重机械工业株式会社 超低温制冷机
CN112639378B (zh) * 2018-09-07 2022-09-09 住友重机械工业株式会社 超低温制冷机

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