JP2001263844A

JP2001263844A - 極低温冷凍機

Info

Publication number: JP2001263844A
Application number: JP2000084600A
Authority: JP
Inventors: Yoichiro Iketani; 陽一郎池谷; Junji Sakuraba; 順二櫻庭
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-03-24
Filing date: 2000-03-24
Publication date: 2001-09-26

Abstract

(57)【要約】【課題】高価な超伝導体を使用することなく、外部磁
場の乱れを防止することが可能な極低温冷凍機を提供す
る。【解決手段】シリンダ内にディスプレーサが挿入さ
れ、シリンダの一方の端部に膨張室を画定する。ディス
プレーサ内に、膨張室に連通するガス流路が設けられて
いる。ディスプレーサ内のガス流路内に、磁性蓄冷材が
充填されている。ガス供給系が、ディスプレーサ内のガ
ス流路を介して、膨張室内への冷媒ガスの供給と、該膨
張室からの冷媒ガスの回収とを周期的に行う。導電部材
が、シリンダの周囲を取り囲む。導電部材は、シリンダ
の材料よりも電気伝導度の高い導電材料で形成され、シ
リンダを周回する電流を流すことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、極低温冷凍機に関
し、特に磁性蓄冷材を用いた蓄冷式の極低温冷凍機に関
する。

【０００２】

【従来の技術】絶対温度４Ｋ程度までの低温を発生する
ギフォードマクマホン（ＧＭ）冷凍機のディスプレーサ
内に充填される蓄冷材には、一般的に希土類の磁性蓄冷
材が用いられる。磁性蓄冷材は、４Ｋ近傍において金属
等に比べて大きな比熱を有するため、冷却効率を高める
ことができる。

【０００３】磁性蓄冷材が磁場中で使用されると、磁性
蓄冷材が磁化される。ディスプレーサが往復駆動される
と、磁化された磁性蓄冷材も往復動する。これにより、
周辺の磁場が乱されてしまう。特に、核磁気共鳴（ＮＭ
Ｒ）診断装置のように、均一な磁場が必要とされる装置
においては、磁場の乱れは大きな問題になる。

【０００４】また、磁性蓄冷材を外部磁場の中に配置す
ると、比熱特性が低下する場合がある。磁性蓄冷材の比
熱特性が低下すると、冷凍機の冷凍能力が低下してしま
う。

【０００５】磁場の乱れを防止し、かつ外部からの磁場
を遮蔽するために、ディスプレーサの周囲に磁気シール
ド部材を配置する技術が知られている（特許公報第６０
０８６９号）。超伝導体からなる磁気シールド部材を配
置すると、磁場が磁気シールド部材の内部に侵入しな
い。このため、磁性蓄冷材の往復動による磁場変動が磁
気シールド部材の外側に影響を及ぼさない。また外部磁
場が磁性蓄冷材まで到達しないため、磁性蓄冷材の比熱
特性の低下を防止することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】超伝導体からなる磁気
シールド部材を配置することにより、磁場の乱れや、冷
凍能力の低下を防止することができるが、装置全体が高
価になってしまう。

【０００７】本発明の目的は、高価な超伝導体を使用す
ることなく、外部磁場の乱れを防止することが可能な極
低温冷凍機を提供することである。

【０００８】本発明の他の目的は、磁場中で運転して
も、磁性蓄冷材の比熱特性の低下を抑制することが可能
な極低温冷凍機を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、シリンダと、前記シリンダ内に挿入され、該シリン
ダの一方の端部に膨張室を画定し、内部に該膨張室に連
通するガス流路が設けられたディスプレーサと、前記デ
ィスプレーサ内のガス流路内に充填された磁性蓄冷材
と、前記ディスプレーサ内のガス流路を介して、前記膨
張室内への冷媒ガスの供給と、該膨張室からの冷媒ガス
の回収とを周期的に行うガス供給系と、前記シリンダの
周囲を取り囲み、前記シリンダの材料よりも電気伝導度
の高い導電材料で形成され、該シリンダを周回する電流
を流すことができる導電部材とを有する極低温冷凍機が
提供される。

【００１０】磁化を帯びた磁性蓄冷材が往復動すると、
磁場の変動により導電部材に周回方向の電流が流れる。
この電流による磁場の変動が、磁性蓄冷材の往復動によ
る磁場の変動を打ち消す。このため、導電部材よりも外
側の空間の磁場の乱れを軽減することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】ＧＭ冷凍機を例にとって、本発明
の実施例による極低温冷凍機について説明する。

【００１２】図１は、実施例によるＧＭ冷凍機の概略断
面図を示す。ＧＭ冷凍機は、第１段目シリンダ１０ａ
と、第２段目シリンダ１０ｂとの２段構成とされてい
る。第１段目及び第２段目シリンダ１０ａ及び１０ｂ
は、熱伝導率の低いステンレスで形成される。第２段目
シリンダ１０ｂの高温端が、第１段目シリンダ１０ａの
低温端に連結されている。第２段目シリンダ１０ｂは、
第１段目シリンダ１０ａよりも小さな径を有する。第１
段目シリンダ１０ａ及び第２段目シリンダ１０ｂ内に、
それぞれ第１段目ディスプレーサ１１ａ及び第２段目デ
ィスプレーサ１１ｂが挿入されている。第１段目ディス
プレーサ１１ａと第２段目ディスプレーサ１１ｂとは、
相互に連結されており、駆動機構３により、シリンダの
軸方向に往復駆動される。

【００１３】第１段目ディスプレーサ１１ａ及び第２段
目ディスプレーサ１１ｂの内部に、それぞれガス流路１
２ａ及び１２ｂが形成されている。ガス流路１２ａ内に
蓄冷材１３ａが充填され、ガス流路１２ｂ内に磁性蓄冷
材１３ｂが充填されている。磁性蓄冷材１３ｂは、例え
ばＨｏＣｕ₂である。

【００１４】第１段目シリンダ１０ａ内の高温端に空洞
１４が画定され、低温端に第１段目膨張室１５ａが画定
されている。第２段目シリンダ１０ｂの低温端が第２段
目コールドステージ１８ｂで塞がれ、第２段目膨張室１
５ｂが画定されている。第１段目膨張室１５ａに、第１
段目コールドステージ１８ａが熱的に結合している。

【００１５】第１段目ディスプレーサ１１ａ及び第２段
目ディスプレーサ１１ｂに複数のガス流路Ｌ１〜Ｌ４が
設けられている。ガス流路Ｌ１は、空洞１４とガス流路
１２ａとを接続し、ガス流路Ｌ２は、ガス流路１２ａと
第１段目膨張室１５ａとを接続し、ガス流路Ｌ３は、第
１段目膨張室１５ａとガス流路１３ｂとを接続し、ガス
流路Ｌ４は、ガス流路１２ｂと第２段目膨張室１５ｂと
を接続する。

【００１６】第１段目シリンダ１０ａの高温端側の空洞
１４が、冷媒ガス供給系５に接続されている。冷媒ガス
供給系５は、ガス圧縮機６、バルブ７、８、及びガス流
路９を含んで構成される。バルブ７及び８は、それぞれ
ガス圧縮機６の排気口側及び吸気口側に取り付けられて
いる。バルブ７を開き、バルブ８を閉じると、ガス圧縮
機６からバルブ７及びガス流路９を通って空洞１４内に
冷媒ガス（一般的にはヘリウムガス）が供給される。バ
ルブ７を閉じ、バルブ８を開くと、空洞１４内の冷媒ガ
スがガス流路９及びバルブ８を通ってガス圧縮機６に回
収される。

【００１７】バルブ７及び８の開閉と、ディスプレーサ
１１ａ及び１１ｂの往復駆動とを、所定の位相差で同期
させて行うことにより、第１段目膨張室１５ａ及び第２
段目膨張室１５ｂ内で吸熱が生ずる。

【００１８】第２段目シリンダ１０ｂの周囲を、筒状の
導電部材２０が取り囲んでいる。導電部材２０は、シリ
ンダ１０ｂの材料の抵抗率よりも低い抵抗率を有する材
料、例えば銅またはアルミニウムで形成され、第２段目
コールドステージ１８ｂに熱的に結合している。導電部
材２０は、シリンダ１０ｂを周回する電流を流すことが
できる。また、導電部材２０は、シリンダ１０ｂの軸方
向に関して、磁性蓄冷材１３ｂの移動する範囲を含む長
さとされている。

【００１９】磁性蓄冷材１３ｂがシリンダ軸方向に往復
動すると、筒状の導電部材２０と鎖交する磁束数が変化
する。この磁束数の変化を打ち消すように、導電部材２
０に、シリンダ１０ｂを周回する方向の電流が流れる。
この電流により、導電部材２０よりも外側の領域の磁場
の変化が打ち消される。これにより、導電部材２０より
も外側の空間の磁場の乱れを軽減することができる。

【００２０】第２段目ディスプレーサ１１ｂに、鉄等の
磁性体や、ステンレス鋼等の微少な磁化を帯びた金属材
料が取り付けられている場合、これらの材料も磁場を乱
す要因になる。導電部材２０は、この磁場の乱れを抑制
する効果も併せ持つ。

【００２１】導電部材２０は、良導体で形成すればよ
く、高価な超伝導体で形成する必要はない。このため、
装置の低価格化を図ることが可能になる。ただし、第２
段目シリンダ１０ｂを外部磁場の中に配置した場合、導
電部材２０よりも内側に外部磁場が侵入することを防止
することはできない。しかし、ＨｏＣｕ₂は、磁場中で
も良好な比熱特性を有する。このため、磁性蓄冷材１３
ｂ内まで外部磁場が侵入したとしても、磁性蓄冷材の比
熱特性の低下に起因する冷凍能力の低下は少ない。

【００２２】また、ＨｏＣｕ₂は反強磁性体であり、そ
の磁化の大きさは小さいため、導電部材２０内を流れる
周回方向の電流も小さい。従って、周回方向の電流によ
り発生するるジュール熱も少なく、冷凍能力に大きな影
響は与えない。反強磁性の磁性蓄冷材として、他にＨｏ
_1.5Ｅｒ_1.5Ｒｕ及びＥｒ₃Ｎｉ等が挙げられる。

【００２３】一般に、透磁率μ、電気伝導度σの導体表
面に角周波数ωの交番磁場が入射した場合、磁界強度が
１／ｅ（ｅは自然対数の底）になる深さδは、

【００２４】

【数１】δ＝（２／σμω）^1/2 と表される。電気伝導度σが大きくなれば、磁場の侵入
の深さδは小さくなる。図１に示した実施例では、導電
部材２０が、第２段目コールドステージ１８ｂに熱的に
結合しており、極低温まで冷却されている。無酸素銅の
電気伝導度σは、３００Ｋから４Ｋまで冷却すると２０
０〜３００倍になる。電気伝導度σが大きくなると、磁
場の侵入の深さが浅くなる。このため、時間的に変動す
る磁場の遮蔽効果が高くなる。例えば、導電部材２０を
無酸素銅で形成し、その厚さを３ｍｍとした場合、導電
部材２０よりも外側の磁場の変動量を約１／２に軽減す
ることができるであろう。

【００２５】なお、磁性蓄冷材１３ｂは、ステンレス製
の第２段目シリンダ１０ｂに取り囲まれているが、第２
段目シリンダ１０ｂのみでは磁場変動の遮蔽効果が十分
とはいえない。例えば、銅の温度４Ｋにおける抵抗率が
０．０１６μΩｃｍであるのに対し、ＳＵＳ３０４の抵
抗率は４９．３μΩｃｍである。すなわち、ＳＵＳ３０
４の電気伝導度σは、銅の電気伝導度の約１／３０００
である。また、４Ｋにおける両者の透磁率μは、ほとん
ど等しい。従って、上記数式から、ＳＵＳ３０４に対す
る磁界の侵入の深さδは、銅に対する侵入の深さδの約
５５倍になる。このため、薄いシリンダは、磁場変動の
十分な遮蔽効果を有しない。

【００２６】なお、図２（Ａ）に示すように、導電部材
２０を第１段目コールドステージ１８ａに熱的に結合さ
せても、電気伝導度増大の効果が得られるであろう。ま
た、図２（Ｂ）に示すように、第２段目コールドステー
ジ１８ｂに取り付けられた冷却対象物２１に熱的に結合
させてもよい。

【００２７】上記実施例では、ＧＭ冷凍機を例にとって
説明を進めたが、上記実施例は、他の蓄冷式冷凍機にも
応用可能である。例えば、スターリング冷凍機、ソルベ
ー冷凍機、及びビルマイヤー冷凍機等にも応用可能であ
る。

【００２８】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
磁性蓄冷材の周囲を導電部材で取り囲むことにより、磁
性蓄冷材の往復動に起因する磁場の変動の影響を軽減す
ることができる。磁気シールドとして高価な超伝導材料
を使用しないため、装置の低価格化を図ることが可能に
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による極低温冷凍機の概略断面
図である。

【図２】本発明の実施例の変形例による極低温冷凍機の
導電部材及び第２段目シリンダ部の断面図である。

【符号の説明】

３駆動機構５ガス供給系６ガス圧縮機７、８バルブ９ガス流路１０ａ、１０ｂシリンダ１１ａ、１１ｂディスプレーサ１２ａ、１２ｂガス流路１３ａ、１３ｂ蓄冷材１５ａ、１５ｂ膨張室１８ａ、１８ｂコールドステージ２０導電部材２１冷却対象物

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダと、前記シリンダ内に挿入され、該シリンダの一方の端部に
膨張室を画定し、内部に該膨張室に連通するガス流路が
設けられたディスプレーサと、前記ディスプレーサ内のガス流路内に充填された磁性蓄
冷材と、前記ディスプレーサ内のガス流路を介して、前記膨張室
内への冷媒ガスの供給と、該膨張室からの冷媒ガスの回
収とを周期的に行うガス供給系と、前記シリンダの周囲を取り囲み、前記シリンダの材料よ
りも電気伝導度の高い導電材料で形成され、該シリンダ
を周回する電流を流すことができる導電部材とを有する
極低温冷凍機。
【請求項２】前記導電部材が、前記膨張室に熱的に結
合している請求項１に記載の極低温冷凍機。
【請求項３】前記磁性蓄冷材が、ＨｏＣｕ₂である請
求項１または２に記載の極低温冷凍機。