JP2008241215A - 蓄冷型極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】熱力学的な損失の少ない冷凍機を提供する。
【解決手段】冷却ステージで冷却される被冷却体に所定の磁場を印加する磁場印加部と、この磁場印加部を制御する磁場制御部と、磁場印加部及び被冷却体を収容した熱シールド容器と、この熱シールド容器を冷却する冷却装置とを備えた冷凍機であって、冷却装置は、ヘリウムガスの流通を制御する流通制御部と、ヘリウムガスを一時的に貯留する貯留部と、流通制御部と貯留部との間に設けて流通制御部と貯留部の間を往来するヘリウムガスとの間で熱交換し熱を蓄える蓄冷材を充填した筒状の収容部と、この収容部の軸方向における一部分を囲繞する磁気シールド体を備え、この磁気シールド体で、収容部に充填された前記蓄冷材のうち、低温側を磁気遮蔽し、低温側よりも高温となっている高温側に前記磁場印加部の磁場を印加する。
【選択図】図５

Description

本発明は、超伝導コイルを冷却するために用いられる蓄冷型極低温冷凍機に関するものであり、特に、ＧＭ冷凍機、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機などに使用されている蓄冷材の周囲に磁気シールドを施し、蓄冷材の一部に超伝導コイルからの磁場を印加して冷凍効果を増大させた蓄冷型極低温冷凍機、及び磁気シールドに対して蓄冷材を出し入れすることにより断熱消磁効果を利用して冷凍効果を増大させた蓄冷型極低温冷凍機に関するものである。

従来、超電導磁石を利用したり、あるいは低温下での物性の研究を行ったりするために、低温状態を定常的に生成可能とした冷凍機が用いられている。

このような冷凍機としては、ギフォードマクマホンサイクル（ＧＭサイクル）を利用したＧＭ冷凍機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。あるいは、パルスチューブ冷凍機が知られている（例えば、特許文献２参照。）。あるいは、スターリング冷凍機が知られている。

すなわち、ＧＭ冷凍機、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機などの冷凍機では、鉛などのように低温での比熱が比較的大きい金属材料で構成した蓄冷材とヘリウムガスとの間で、周期的に熱交換することにより低温状態を定常的に生成している。このような冷凍機は蓄冷型極低温冷凍機、あるいは蓄冷型クライオクーラーと呼ばれている。

具体的には、蓄冷型極低温冷凍機では、粒状あるいは網状などとした蓄冷材を収容する所要容積の収容部を備えるとともに、この収容部に連通連結してヘリウムガスを一時的に貯留する貯留部、及び収容部を介して貯留部にヘリウムガスを出し入れさせるヘリウムガスの流通制御部を備えている。

そして、蓄冷型極低温冷凍機では、流通制御部からヘリウムガスを圧送して、収容部を通過させて貯留部に所定圧力でヘリウムガスを貯留させた後、流通制御部からのヘリウムガスの圧送を停止するとともに流通制御部側を減圧状態とすることにより、貯留部の内圧によって貯留部からヘリウムガスを放出させ、この放出にともなってヘリウムガスに断熱膨脹を生じさせて冷却している。

断熱膨脹によって冷却されたヘリウムガスが収容部を通過する際に、収容部内の蓄冷材はヘリウムガスで冷却され、収容部を低温の熱浴としている。

このように、蓄冷型極低温冷凍機では、蓄冷材を通して貯留部へのヘリウムガスの送給と、貯留部からの高圧のヘリウムガスの開放とを繰返すことにより、収容部を定常的に低温の状態に維持可能としている。

今日の蓄冷型極低温冷凍機では、超伝導コイルの材料であるニオブチタン(NiTi)の超伝導転移温度以下である約４Ｋまで到達できるため、取り扱いが難しく、ランニングコストの高い液体ヘリウムの代わりに、スイッチＯＮだけで簡便に動作する蓄冷型極低温冷凍機を用いて超伝導コイルを伝導冷却することが行われている。

この場合、超伝導コイルなどをあらかじめできるだけ低温の状態としておくことが望ましく、室温からの熱輻射を遮断するために超伝導コイルなどを収容した熱シールド容器を蓄冷型極低温冷凍機で冷却している（例えば、特許文献３参照。）。
特開平０６−１５９８２８号公報（図２５） 特開２０００−０１８７４４号公報 特開平０９−１１９７４３号公報

このように、超伝導コイルを冷却するには蓄冷型極低温冷凍機などの冷却手段を利用することが望ましいが、このような冷凍機では、未だに以下の問題を有していた。

まず、蓄冷型極低温冷凍機などで用いられる蓄冷材は、低温下においてできるだけ大きな比熱を有していることが望ましいために、一般的には相転移点近傍で大きな比熱を示す強磁性体や反強磁性体などの磁性体が用いられる。

蓄冷材として好適な磁性体として例えば強磁性体のエルビウムニッケル（ErNi）を用いた場合には、図６に示すように、エルビウムニッケルの強磁性転移点以下の温度では、蓄冷材に超伝導コイルから漏れた磁場が印加されることによって比熱が小さくなるという問題があった。なお、エルビウムニッケル以外の極低温での比熱が大きい磁性体も、多くの場合で同様の磁気転移点を有することにより、同様の問題を有している。

しかも、蓄冷材は、低温部から高温部へのヘリウムガスの移動時、及び高温部から低温部へのヘリウムガスの移動時にヘリウムガスとの間で熱交換されるために、貯留部に近い蓄冷材の方が貯留部から遠い蓄冷材よりも低温となっており、磁気シールド材などによって蓄冷材に作用する磁場をできる限り減少させたり、あるいは蓄冷材に作用する磁場を均一にしたりしても、蓄冷材に生じている温度勾配によって比熱が増大する領域と比熱が減少する領域が生じ、熱力学的な無駄が生じるおそれがあった。

特に、蓄冷材の温度が磁気転移点の温度より高くなっている場合には、蓄冷材には磁場を印加した方が比熱を大きくすることができるので、蓄冷材に作用する磁場をできる限り減少させたり、あるいは蓄冷材に作用する磁場を全体的に均一にしたりすることは、熱力学的に効果的とは必ずしもなっていなかった。

本発明の冷凍機のように絶対零度近傍の温度状態を実現する冷凍機では、わずかな熱力学的な損失を改善するだけでも、冷凍機における消費電力の低減などの寄与が大きく、本発明者は、このような現状に鑑み、熱力学的な損失をより少なくすべく研究開発を行って本発明を成すに至ったものである。

本発明の蓄冷型極低温冷凍機は、超伝導コイルを冷却する蓄冷型極低温冷凍機において、冷媒であるヘリウムガスの流通を制御する流通制御部と、この流通制御部から送給されたヘリウムガスを一時的に貯留する貯留部と、流通制御部と貯留部との間に設けて、流通制御部と貯留部との間を往来するヘリウムガスと熱交換する蓄冷材を充填した筒状の収容部と、この収容部の軸方向における一部分を囲繞する磁気シールド体とを備え、磁気シールド体で、収容部に充填された蓄冷材のうち、低温側を磁気遮蔽し、低温側よりも高温となっている高温側に超伝導コイルから発生した磁場を印加した蓄冷型極低温冷凍機である。

さらに、本発明の蓄冷型極低温冷凍機では、請求項１記載の蓄冷型極低温冷凍機において、磁気シールド体に対して収容部を周期的に進退移動させて、収容部内の蓄冷材が磁気シールド体で磁気遮蔽された状態と、磁気シールド体で磁気遮蔽されない状態とに交互に切替えることによって磁気冷凍作用を付加したことにも特徴を有するものである。

請求項１記載の発明によれば、冷却体、磁場印加部、及び被冷却体を収容した熱シールド容器を冷却する冷却装置として、ヘリウムガスの流通を制御する流通制御部と、この流通制御部から送給されたヘリウムガスを一時的に貯留する貯留部と、流通制御部と貯留部との間に設けて、流通制御部と貯留部の間を往来するヘリウムガスと熱交換する蓄冷材を充填した筒状の収容部と、この収容部の軸方向における一部分を囲繞する磁気シールド体とからなる冷却装置を設け、この冷却装置では、収容部に充填された前記蓄冷材のうち、低温側の蓄冷材を磁気シールド体で磁気遮蔽する一方で、低温側よりも高温となっている高温側の蓄冷材には磁場印加部の磁場を印加させたことによって、蓄冷材の全体にわたって比熱を増大させることができ、冷却装置の冷却能力を向上させることができる。

請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の冷凍機において、磁気シールド体に対して収容部を周期的に進退移動させて、収容部内の蓄冷材が磁気シールド体で磁気遮蔽された状態と、磁気シールド体で磁気遮蔽されない状態とに切替えられる領域を設けたことによって、蓄冷材の一部では、磁気シールド体で磁気遮蔽された状態と、磁気遮蔽されない状態とに交互に切り替わることとなり、磁気遮蔽されない状態から磁気遮蔽された状態に切り替わった際には、蓄冷材に断熱励磁作用を生じさせることができ、この際に生じた発熱はヘリウムガスにより高温側に排熱される。

逆に、磁気遮蔽されずに磁場が印加された状態から磁気遮蔽された状態に切り替わった際には、蓄冷材に断熱消磁冷却作用を生じさせ、この断熱消磁冷却作用によって蓄冷材を冷却することができ、その際に生じた寒冷をヘリウムガスによって低温貯留部に運ぶことができる。したがって、ガス冷却効果に加えて磁気冷却効果が重畳されるため、冷却装置の冷却能力を向上させることができる。

本発明の蓄冷型極低温冷凍機は、ＧＭ冷凍機などのように約４Ｋの低温を作り出すことができる蓄冷型極低温冷凍機であって、超伝導コイルを冷却するために用いる蓄冷型極低温冷凍機であり、蓄冷型極低温冷凍機に内蔵された蓄冷材を磁気シールド体によって前記磁場印加部の磁場から遮蔽している。

特に、磁気シールド体は、収容部における蓄冷材の全体を覆って蓄冷材を全体的に一様に磁気遮蔽するのではなく、蓄冷型極低温冷凍機の駆動にともなって温度勾配を生じている蓄冷材のうち、低温側の蓄冷材を覆って磁気遮蔽する一方で、低温側よりも高温となっている高温側の蓄冷材は覆わずに、蓄冷材に磁場印加部の磁場を印加させている。

このように、低温側の蓄冷材は磁気シールド体で磁気遮蔽されることにより、磁場印加部の磁場によって蓄冷材の比熱が小さくなることを防止できるとともに、高温側の蓄冷材には磁場印加部の磁場を印加することにより蓄冷材の比熱を大きくすることができるので、蓄冷材の全体にわたって比熱を増大させることができ、冷却装置の冷却能力を向上させることができる。

すなわち、例としてＧＭ冷凍機の第２ステージを概略的に示した図１のように、筒状とした収容部10内に蓄冷材11を収容し、この蓄冷材11をヘリウムガスで冷却する蓄冷型極低温冷凍機Ｃで構成しており、筒状とした収容部10の軸方向における一部分を筒状とした磁気シールド体13で囲繞している。特に、磁気シールド体13は、蓄冷材11に生じる温度勾配において低温となる低温側の蓄冷材11を覆う位置に配設し、磁気シールド体13によって蓄冷材11に作用する磁場を遮蔽している。

ここで、蓄冷型極低温冷凍機Ｃは、ヘリウムガスを通気可能とした収容部10と、この収容部10を通気させたヘリウムガスを一時的に貯留する貯留部12を備え、ヘリウムガスの流通を制御する流通制御部（図示せず）から収容部10を介して蓄冷材11と熱交換しながら貯留部12にヘリウムガスを一時的に貯留させ、次いで、流通制御部からのヘリウムガスの送給を停止して、逆に流通制御部側を低圧とすることにより貯留部12からヘリウムガスを放出させ、この放出にともなってヘリウムガスを断熱膨脹（サイモン膨脹）させて冷却し、冷却されたヘリウムガスを収容部10に通して蓄冷材11と熱交換しながら流通制御部に排気させることにより、貯留部12及びその外壁に当接させた被冷却体を冷却する。

したがって、収容部10の蓄冷材11は、貯留部12側の方においてより低温のヘリウムガスと接触することとなるので低温となり、貯留部12から離れるにつれて高温となる温度勾配を有すこととなっている。本実施形態では、蓄冷材11にはエルビウムニッケル（ErNi）を用いている。

蓄冷型極低温冷凍機Ｃでは、温度勾配を有する蓄冷材11の低温側を覆う磁気シールド体13を設けて、収容部10に充填された蓄冷材11のうち、低温側の蓄冷材11では磁気遮蔽し、低温側よりも高温となっている高温側の蓄冷材11には磁場を印加している。

特に、磁気シールド体13の長さは、磁気転移点以下となっている蓄冷材11を被覆する長さとしている。

したがって、低温側の蓄冷材11では磁気遮蔽することにより、蓄冷材11の比熱を大きくすることができるとともに、高温側の蓄冷材11では磁場を印加することにより蓄冷材11の比熱を大きくして、蓄冷材11の全体にわたって比熱を増大させることができ、蓄冷型極低温冷凍機Ｃの冷却能力を向上させることができる。

磁気シールド体13は、筒状となった収容部10を被覆する筒状とし、収容部10に環装している。磁気シールド体13は、磁場の高い遮蔽性を有していることが望ましいため、超伝導材料を好適に用いることができる。

ただし、超伝導材料は、蓄冷型極低温冷凍機Ｃで生成した温度で超伝導状態を維持可能な超伝導材料であって、しかも、遮蔽する磁場によって超伝導状態が消失しない超伝導材料が望ましい。このように、超伝導材料で磁気シールド体13を構成した場合には、超伝導材料のマイスナー効果によって完全に磁気遮蔽することができる。なお、超伝導材料以外の材料で磁気シールド体13を構成するには、透磁率の大きな強磁性体を用いることができる。

磁気シールド体13は、本実施形態では、収容部10よりも太径とした貯留部12の上端面12aによって支持されているが、適宜の接着剤によって収容部10の周面の所定位置に着設してもよい。

ここで、蓄冷型極低温冷凍機ＣがＧＭ冷凍機などのように、蓄冷材11を収容した収容部10を進退移動させる場合には、図２に示すように、収容部10を後退させた状態では、低温側の蓄冷材11部分を磁気シールド体13で完全に覆って磁気遮蔽し、収容部10を前進させた状態では、図３に示すように、蓄冷材11の高温部分を磁気シールド体13で覆って磁気遮蔽し、蓄冷材11の低温部分を磁気シールド体13から露出させて、蓄冷材11の低温部分に磁場を印加させてもよい。

低温側の蓄冷材11部分は、収容部10を前進させた状態では磁場が印加されるが、収容部10を後退させることにより磁気シールド体13で磁気遮蔽されることによって消磁されるので、断熱消磁冷却作用を生じさせることができ、この断熱消磁冷却作用によって蓄冷材11を冷却するとともにその寒冷をヘリウムガスによって貯留部12に運ぶことにより、蓄冷型極低温冷凍機Ｃの冷却能力を向上させることができる。

以下において、本実施形態の蓄冷型極低温冷凍機を具体的に説明する。ここで、冷凍機に内蔵する冷却手段としての蓄冷型極低温冷凍機はＧＭ冷凍機とする。ただし、蓄冷型極低温冷凍機はＧＭ冷凍機に限定するものではなく、その他の蓄冷型極低温冷凍機であってもよい。

図４に示すように、ＧＭ冷凍機C1は、二段式のディスプレーサ21と、このディスプレーサ21が挿入される段付きのシリンダ22とで構成されたコールドヘッド20と、このコールドヘッド20に圧縮したヘリウムガスを送給するとともに、コールドヘッド20から排出されたヘリウムガスを回収してヘリウムガスの流通を制御する流通制御部30とで構成されている。

すなわち、流通制御部30には、ヘリウムガスを圧縮する圧縮機（図示せず）と、この圧縮機で圧縮されたヘリウムガスのコールドヘッド20への送給を制御する給気弁（図示せず）と、コールドヘッド20から排出されたヘリウムガスを回収するための排気弁（図示せず）を備え、給気弁と排気弁の開閉制御によって、流通制御部30からコールドヘッド20へのヘリウムガスの供給、及び冷却部から流通制御部30へのヘリウムガスの回収を可能としている。図４中、31はヘリウムガスの給気管、32はヘリウムガスの排気管である。

コールドヘッド20のディスプレーサ21は、基端側に設けた太径の筒状とした第１収容部10-1と、この第１収容部10-1の先端に設けた細径の筒状とした第２収容部10-2とを有し、本実施形態では、第１収容部10-1の内部には蓄冷材14として網状とした銅を収容し、第２収容部10-2の内部にはエルビウムニッケル（ErNi）製の蓄冷材11を収容している。なお、第１収容部10-1内の蓄冷材14は網状の銅に限定するものではなく、室温から４０Ｋ程度の温度範囲で比熱の大きい材料を用いてよい。また、第２収容部10-2内の蓄冷材11はエルビウムニッケル（ErNi）に限定するものではなく、２〜４０Ｋ程度の温度範囲での比熱の大きい磁性材を用いてよい。

シリンダ22には、第１収容部10-1が摺動自在に挿入される太径の第１シリンダ領域22-1と、第２収容部10-2が摺動自在に挿入される細径の第２シリンダ領域22-2を設け、第１シリンダ領域22-1に挿入した第１収容部10-1によって形成される第１シリンダ領域22-1内の空間を第１貯留部12-1とし、第２シリンダ領域22-2に挿入した第１収容部10-2によって形成される第２シリンダ領域22-2内の空間を第２貯留部12-2としている。

第１収容部10-1には、シリンダ22の開口側に第１通気孔24-1を設けるとともに、第１貯留部12-1側に第２通気孔24-2を設け、第２収容部10-2には、第１貯留部12-1側に第３通気孔24-3を設けるとともに、第２貯留部12-2側に第４通気孔24-4を設けている。

ＧＭ冷凍機の動作は次のようにして行われる。

最初にディスプレーサ21が最下位置に前進している状態を考える。このとき、流通制御部30内の図示しない排気弁を閉じ、図示しない給気弁を開いて流通制御部30内の図示しない圧縮機から吐出された高圧のヘリウムガスをシリンダ22上部の室温空間に充填する。

次に給気弁を開いたままでディスプレーサ21を最高位置に後退させると、室温空間の高圧ガスは蓄冷材14、11を通って冷却されながらシリンダ22の下部の第２貯留部12-2に移る。この過程では、ヘリウムガスは冷却されて温度が低くなるため、その比容積は小さくなるので、引き続き給気弁から高圧ガスが流入してくる。このヘリウムガスが高温側から低温側に移動する過程を「ホットブロー」と呼ぶ。

次に、給気弁を閉じ排気弁を開いて第２貯留部12-2の高圧ガスを放出させる。その結果、第２貯留部12-2のヘリウムガスは断熱膨張して低温の低圧ガスとなる。

次に排気弁を開いたままで、ディスプレーサ21を最下位置に前進させる。このとき第２貯留部12-2の低温ガスは冷凍負荷を吸収したのち、蓄冷材を通って過熱されながら室温空間に移動し、残りのガスは圧縮機に戻って吸入される。このヘリウムガスが低温側から高温側に移動する過程を「コールドブロー」と呼ぶ。ディスプレーサ21が最下位置に達すると排気弁は閉じ、給気弁が開いて最初の状態に戻って1サイクルが終了する。

シリンダ22に対するディスプレーサ21の進退操作は、駆動モータ25の回転運動を適宜のクランクなどによって直線運動に変換することにより行っている。

ＧＭ冷凍機C1では、第１シリンダ領域22-1に設けた第１冷却フランジ26-1及び第２シリンダ領域22-2に設けた第２冷却フランジ26-2をそれぞれ所定の被冷却体に当接させて、被冷却体を冷却している。

このＧＭ冷凍機C1を備えた冷凍機は、図５に示すように、磁性体で構成した冷却ステージ41と、この冷却ステージ41に所定の磁場を印加する磁場印加部としての超伝導コイル42と、冷却ステージ41で冷却される被冷却体43と、これら冷却ステージ41、超伝導コイル42、及び被冷却体43を収容した内側熱シールド容器44と、この内側熱シールド容器44を収容した外側熱シールド容器45と、この外側熱シールド容器45を収容した真空容器46と、内側熱シールド容器44及び外側熱シールド容器45を冷却する冷却装置としてのＧＭ冷凍機C1とで構成している。

なお、図示しないが、冷凍機には、超伝導コイル42によって冷却ステージ41に磁場を印加した状態と、磁場を印加していない状態とに超伝導コイル42への通電を切替え制御する磁場制御部を設けている。さらに、この磁場制御部及びＧＭ冷凍機C1を制御するための主制御部も設けている。

冷却ステージ41は、超伝導コイル42の中央部に配置して、超伝導コイル42で生成された最も大きな磁場を印加可能としている。超伝導コイル42は、内側熱シールド容器44の上側面に設けた低温基板49に当接させて配置し、低温基板49から伝熱体48を介してＧＭ冷凍機C1の第２フランジ26-2に熱接触させることにより伝導冷却している。

一方、冷却ステージ41が載設される冷却導体47の冷却は、希釈冷凍機を用いて以下のように行っている。

まず、ガスタンク52内のヘリウム３ガスをコンプレッサ54で圧縮しバルブ56を通して第１熱交換器61に送り約４０Ｋの低温にする。

その後、吸着フィルタ57を通して空気や水分を除去し、第２熱交換器62を通して約４Ｋの低温にし、ジュールトムソン熱交換器で予冷した後ジュールトムソン弁から噴射することにより液化する。

液化したヘリウム３はスティル66と第３熱交換器を解して熱交換し、チューブインチューブ熱交換器64、ステップ熱交換器65に入り上がってくる冷たい液体ヘリウム３と熱交換しながら混合器51内に入る。

混合器51内では、あらかじめ同様の手順で液化しておいた液体ヘリウム４の中に液体ヘリウム３が溶け込み、その際に溶解熱が吸収されるため冷凍が行われる。この混合器51に当接した冷却導体47が熱伝導により冷却される。

混合器51中で液体ヘリウム４の中に溶解した液体ヘリウム３は、ステップ熱交換器65とチューブインチューブ熱交換器64を通してつながるスティル66に浸透圧の差により駆動され、降りてくる液体ヘリウム3を冷却熱交換しながら移動する。

スティル66は約０．７Ｋの温度に設定されているため、蒸気圧の差により、液体ヘリウム４はほとんど蒸発せずに液体ヘリウム３のみが選択的に蒸発される。

蒸発したヘリウム３ガスは、ジュールトムソン熱交換器67中を降りてくるヘリウム３ガスを冷却しながら、圧力差によってパイプ中を室温部まで移動し、バルブ55を通して真空ポンプ53によって排出され、最初の状態に戻る。これを繰り返すことにより、希釈冷凍サイクルが継続され、混合器51とそれにつながる冷却導体47及び冷却ステージ41と被冷却体43は、約２０ｍＫの低温に維持される。

なお、運転開始時に、スティル66以下の部分を低温基板49と同じ温度まで予冷するのに、細く絞ったジュールトムソン弁59を通してヘリウムガスを流して冷却する方法では循環量が少ないため長時間を要する。

そのため、運転開始時だけは、バルブ56→第1熱交換器61→フィルタ57→第2熱交換器62→ジュールトムソン熱交換器67→ジュールトムソン弁59→第3熱交換器63を通る配管の代わりに、バルブ56→第1熱交換器61→第2熱交換器62→第3熱交換器63を通るバイパス配管を開け、スティル66以下を素早く予冷する。通常運転時はバルブ56を閉めることでこのバイパス路は閉鎖されるため、冷凍には影響を与えない。

ＧＭ冷凍機C1は、第１冷却フランジ26-1を外側熱シールド容器45に当接させて、外側熱シールド容器45を所定の低温状態としており、さらに、金属製の伝熱体48を介して第２冷却フランジ26-2を内側熱シールド容器44の上側面に設けた低温基板49に当接させて低温基板49を約４Ｋの低温状態としている。

さらに、ＧＭ冷凍機C1には、蓄冷材11を収容した第２収容部10-2が挿入された第２シリンダ領域22-2に超伝導材料製の磁気シールド体13を環装して、超伝導コイル42で生成された磁場が蓄冷材11に印加されることを防止している。本実施形態では、磁気シールド体13は蓄冷材11の低温側を覆っている。

このように、冷凍機に内蔵されるＧＭ冷凍機C1では、蓄冷材11の低温側を磁気シールド体13で覆って磁気遮蔽することにより、超伝導コイル42で生成された磁場によって蓄冷材11の低温側では蓄冷材11の比熱が小さくなることを防止できるとともに、蓄冷材11の高温側では磁場が印加されることにより蓄冷材11の比熱を大きくすることができるので、蓄冷材11の全体にわたって比熱を増大させることができ、蓄冷型極低温冷凍機Ｃの冷却能力を向上させることができる。

また、ＧＭ冷凍機C1では、シリンダ22に対してディスプレーサ21を進退移動させることにより、蓄冷材11が進退移動するので、例えば、第２冷却フランジ26-2から所定の距離だけ離隔させて磁気シールド体13を配置することにより、図２及び図３に示したように、蓄冷材11の進退移動にともなって磁気シールド体13で覆われない領域が蓄冷材11に生じるように磁気シールド体13を配置した場合には、以下のようにして冷却能力の増大化を図ることができる。

すなわち、蓄冷材11が下に下がったときには蓄冷材11が磁場に曝されて断熱励磁が生じ、そのとき発生した磁化熱が同時にヘリウムガスの流れ（コールドブロー）によって上の高温部に排熱される。

逆に、蓄冷材11が上に上がったときには蓄冷材11が磁気シールド体13によって磁気シールドされ断熱消磁作用が生じ、そのとき発生した寒冷が同時にヘリウムガスの流れ（ホットブロー）によって下の第２フランジ26-2に運ばれる。このように、ヘリウムガスのＧＭ冷凍効果に加えて、断熱消磁冷却効果も同時に発生することで冷凍能力が増大する。

なお、磁気シールド体13を第２冷却フランジ26-2から所定の距離だけ離隔させて配置する場合には、磁気シールド体13と第２冷却フランジ26-2との間に適宜の絶縁材を介設することにより、磁気シールド体13を所定位置に容易に配置できる。

磁気シールド体の装着状態の説明図である。 他の実施形態の磁気シールド体の装着状態の説明図である。 他の実施形態の磁気シールド体の装着状態の説明図である。 ＧＭ冷凍機の説明図である。 本実施形態に係る冷凍機の概略模式図である。 磁場中でのエルビウムニッケル（ErNi）の比熱を温度の関数として表した実測値のグラフである。

符号の説明

Ｃ 蓄冷型極低温冷凍機
C1 ＧＭ冷凍機
10 収容部
10-1 第１収容部
10-2 第２収容部
11 蓄冷材
12 貯留部
12-1 第１貯留部
12-2 第２貯留部
12a 貯留部の上端面
13 磁気シールド体
14 蓄冷材
20 コールドヘッド
21 ディスプレーサ
22 シリンダ
22-1 第１シリンダ領域
22-2 第２シリンダ領域
24-1 第１通気孔
24-2 第２通気孔
24-3 第３通気孔
24-4 第４通気孔
25 駆動モータ
26-1 第１フランジ
26-2 第２フランジ
41 冷却ステージ
42 超伝導コイル
43 被冷却体
44 内側熱シールド容器
45 外側熱シールド容器
46 真空容器
47 冷却導体
48 伝熱体
49 低温基板
51 混合器
52 ガスタンク
53 真空ポンプ
54 コンプレッサ
55 バルブ
56 バルブ
57 吸着フィルタ
59 ジュール−トムソン弁
61 第１熱交換器
62 第２熱交換器
63 第３熱交換器
64 チューブインチューブ熱交換器
65 ステップ熱交換器
66 スティル
67 ジュール−トムソン熱交換器

Claims (2)

1. 超伝導コイルを冷却する蓄冷型極低温冷凍機において、
   冷媒であるヘリウムガスの流通を制御する流通制御部と、
   この流通制御部から送給された前記ヘリウムガスを一時的に貯留する貯留部と、
   前記流通制御部と前記貯留部との間に設けて、前記流通制御部と前記貯留部との間を往来する前記ヘリウムガスと熱交換する蓄冷材を充填した筒状の収容部と、
   この収容部の軸方向における一部分を囲繞する磁気シールド体と
   を備え、
   前記磁気シールド体で、前記収容部に充填された前記蓄冷材のうち、低温側を磁気遮蔽し、前記低温側よりも高温となっている高温側に前記超伝導コイルから発生した磁場を印加することを特徴とする蓄冷型極低温冷凍機。
2. 前記収容部は、前記磁気シールド体に対して周期的に進退移動して、前記収容部内の前記蓄冷材が前記磁気シールド体で磁気遮蔽された状態と、前記磁気シールド体で磁気遮蔽されない状態とに交互に切替えられることを特徴とする請求項１記載の蓄冷型極低温冷凍機。
   

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