JP2014016137A

JP2014016137A - 極低温蓄冷器の製造方法及び極低温蓄冷器

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Publication number: JP2014016137A
Application number: JP2012155464A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Koizumi; 達雄小泉
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-07-11
Filing date: 2012-07-11
Publication date: 2014-01-30
Anticipated expiration: 2032-07-11
Also published as: US9457436B2; JP5936938B2; CN103542655B; CN103542655A; US20140013775A1

Abstract

【課題】蓄冷材としてヘリウムガスを用いつつ、コンパクトでかつ単体で機能できる極低温蓄冷器の製造方法を提供する。
【解決手段】両端６４Ａ，６４Ｂが開放されたヘリウムガス封入配管６４にヘリウムガスを供給する工程と、ヘリウムガス封入配管６４の終端部６４Ｂを閉塞する工程と、ヘリウムガス封入配管６４を冷却した状態でガス供給装置７５からヘリウムガス封入配管６４内にヘリウムガスを充填する工程と、ヘリウムガス封入配管６４内にヘリウムガスが充填された後にヘリウムガス封入配管６４の始端部６４Ａを閉塞する工程とを有する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、蓄冷材としてヘリウムガスを用いた極低温蓄冷器の製造方法及び極低温蓄冷器に関する。

一般に、蓄冷器を有する蓄冷式冷凍機としてギフォード・マクマホン式（ＧＭ）冷凍機、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機、ソルベー冷凍機等が知られている。これらの蓄冷式冷凍機に設けられた蓄冷器は、冷媒ガスが膨張室等に向けて流れる際に冷媒ガスを冷却し、また寒冷を発生した冷媒ガスが蓄冷器を通ることにより冷媒ガスの寒冷を蓄冷する構成とされている。よって、蓄冷器を設けることにより、冷凍機の冷凍効率を高めることが可能となる。

このような蓄冷式冷凍機において、例えば３０Ｋ以下の極低温を発生させることが必要な場合、この温度において高い比熱（体積比熱）を有する蓄冷材を選定することが冷凍効率の向上に大きく寄与する。

例えば特許文献１に開示された蓄冷器は、蓄冷器本体内にヘリウムガスが封入される帯状中空体を巻回して装着した構成とされている。また、帯状中空体の一端はシールされると共に、他端に帯状中空体の500〜1000倍の容積を有しヘリウムガスが充填されたバッファタンクを接続し、これにより極低温下におけるヘリウムガスの圧力を保持する構成としている。

特開昭６３−０５４５７７号公報

しかしながら、バッファタンクによりヘリウムガスの圧力を保持する構成の蓄冷器は、容積の大きなバッファタンクが必要となる。このため、蓄冷器を設けた冷凍機の構造が複雑になり、その製造が面倒になるという問題点が生じる。また、実用化されているディスプレーサの内部に蓄冷材を収容するようなＧＭ冷凍機においては、適用することができないという問題点もある。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、蓄冷材としてヘリウムガスを用いつつ、コンパクトな極低温蓄冷器の製造方法及び極低温蓄冷器を提供することを目的とする。

上記の課題は、第１の観点からは、
両端が開放されたヘリウムガス封入配管にヘリウムガスを供給する工程と、
前記ヘリウムガス封入配管の終端部を閉塞する工程と、
前記ヘリウムガス封入配管を冷却した状態でヘリウムガス供給手段から前記ヘリウムガス封入配管内に前記ヘリウムガスを充填する工程と、
前記ヘリウムガス封入配管内に前記ヘリウムガスが充填された後、前記ヘリウムガス封入配管の始端部を閉塞する工程と、
を有することを特徴とする極低温蓄冷器の製造方法により解決することができる。

また、上記の課題は、第２の観点からは、
ヘリウムガスを蓄冷材とする極低温蓄冷器であって、
芯材と、
両端部が閉塞されることにより内部に前記ヘリウムガスが封入されたヘリウムガス封入配管とを有し、
前記ヘリウムガス封入配管を前記芯材にコイル状に巻回したことを特徴とする極低温蓄冷器により解決することができる。

開示の極低温蓄冷器の製造方法によれば、容易にヘリウムガス封入配管に対してヘリウムガスを充填することができる。

また、開示の極低温蓄冷器によれば、蓄冷材としてヘリウムガスを使用しつつ、ヘリウム圧力を保持するためのバッファタンク等の構成を省略することが可能となり、冷凍機を小型化することができる。

図１は本発明の一実施形態である蓄冷器を示しており、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は断面図である。図２（Ａ），（Ｂ）は、ヘリウムガス封入配管の巻回方法を説明するための要部拡大した断面図である。図３は、本発明の一実施形態である蓄冷器を適用した蓄冷式冷凍機を示す断面図である。図４は、ヘリウムガス及びHoCu₂の比熱と温度との関係を示す図である。図５（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の一実施形態である蓄冷器を組み込んだ各種蓄冷器ユニットを示す図である。図６は、ヘリウムガス封入配管を拡大して示す断面図である。図７は、本発明の一実施形態である蓄冷器の製造方法を説明するための図である（その１）。図８は、本発明の一実施形態である蓄冷器の製造方法を説明するための図である（その２）。図９は、本発明の一実施形態である蓄冷器の製造方法を説明するための図である（その３）。図１０は、本発明の一実施形態である蓄冷器の製造方法を説明するための図である（その４）。

次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。

図１は、本発明の一実施形態である極低温蓄冷器６０Ａ（以下、単に蓄冷器６０Ａという）を示している。この蓄冷器６０Ａは、例えば１５Ｋ以下の極低温を実現できる冷凍機に適用されるものである。図３は、蓄冷器６０Ａを適用した蓄冷式冷凍機を示している。同図では、１５Ｋ以下の極低温を実現できる蓄冷式冷凍機として、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機を例に挙げている。なお、本実施形態に係る蓄冷器６０Ａの適用は図３に示されるＧＭ冷凍機１に限定されるものではなく、蓄冷器を設ける各種冷凍機について適用が可能なものである。

先ず、蓄冷器６０Ａの説明に先立ち、ＧＭ冷凍機１の構成について説明する。ＧＭ冷凍機１は、ガス圧縮機３と、冷凍機として機能する２段式のコールドヘッド１０とを有する。コールドヘッド１０は、第１段冷却部１５と、第２段冷却部４０とを有し、これらの冷却部は、フランジ１２に同軸となるように連結されている。

第１段冷却部１５は、中空状の第１段シリンダ２０と、この第１段シリンダ２０内に、軸方向に往復運動可能に設けられた第１段ディスプレーサ２２と、第１段ディスプレーサ２２内に充填された第１段蓄冷器３０と、第１段シリンダ２０の低温端側（図中、下方が低温側となる）の内部に設けられ、第１段ディスプレーサ２２の往復運動により容積が変化する第１段膨張室３１と、第１段シリンダ２０の低温端付近に設けられた第１段冷却ステージ３５とを有する。第１段シリンダ２０の内壁と第１段ディスプレーサ２２の外壁との間には、第１段シール３９が設けられている。

第１段シリンダ２０の高温端側（図中、上方が高温側となる）には、第１段蓄冷器３０に対して冷媒ガス（ヘリウムガス）を流出入させるために流通路２４が設けられている。また、第１段シリンダ２０の低温端には、第１段蓄冷器３０及び第１段膨張室３１に冷媒ガスを流出入させるために流通路２５が設けられている。

第２段冷却部４０は、中空状の第２段シリンダ５１と、第２段シリンダ５１内に軸方向に往復運動可能に設けられた第２段ディスプレーサ５２と、第２段ディスプレーサ５２内に充填された第２段蓄冷器６０Ａと、第２段シリンダ５１の低温端の内部に設けられ第２段ディスプレーサ５２の往復運動により容積が変化する第２段膨張室５５と、第２段シリンダ５１の低温端付近に設けられた第２段冷却ステージ５６とを有する。

第２段シリンダ５１の内壁と第２段ディスプレーサ５２の外壁との間には、第２段シール５９が設けられている。第２段シリンダ５１の高温端には、第１段蓄冷器３０に対して冷媒ガスを流出入させるために流通路２６が設けられている。また、第２段シリンダ５１の低温端には、第２段膨張室５５に冷媒ガスを流出入させるため、流通路５３が設けられている。

ガス圧縮機３は、冷媒ガスの吸気時において圧縮した高圧の冷媒ガスをバルブ５及び配管７を介して第１段冷却部１５に供給する。また排気時においては、低圧の冷媒ガスは、第１段冷却部１５から配管７及びバルブ６を介してガス圧縮機３に排気される。

第１段ディスプレーサ２２及び第２段ディスプレーサ５２は、駆動モータ８に接続されたスコッチヨーク機構９により往復運動される。また、これに連動して、バルブ５及びバルブ６の開閉が行われ、冷媒ガスの吸排気のタイミングが制御される。

次に、上記構成とされたＧＭ冷凍機１の動作について説明する。
先ず、バルブ５が閉、バルブ６が閉の状態で、第１段ディスプレーサ２２及び第２段ディスプレーサ５２が、それぞれ、第１段シリンダ２０及び第２段シリンダ５１内の下死点にあるとする。

ここで、バルブ５を開状態とし、排気バルブ６を閉状態とすると、ガス圧縮機３から、高圧の冷媒ガスが第１段冷却部１５に流入する。高圧の冷媒ガスは、流通路２４から第１段蓄冷器３０に流入し、第１段蓄冷器３０の蓄冷材によって所定の温度まで冷却される。冷却された冷媒ガスは、流通路２５から第１段膨張室３１に流入する。

第１段膨張室３１へ流入した高圧の冷媒ガスの一部は、流通路２６から第２段蓄冷器６０Ａに流入する。この冷媒ガスは、第２段蓄冷器６０Ａの蓄冷材によって、更に低い所定の温度まで冷却され、流通路５３から第２段膨張室５５に流入する。これらの結果、第１段膨張室３１及び第２段膨張室５５内は、高圧状態となる。

次に、第１段ディスプレーサ２２及び第２段ディスプレーサ５２が上死点に移動すると、バルブ５が閉じられると共にバルブ６が開かれる。これにより、第１段膨張室３１及び第２段膨張室５５内の冷媒ガスは断熱膨張を行い、第１段膨張室３１及び第２段膨張室５５に寒冷が発生する。またこれにより、第１段冷却ステージ３５及び第２段冷却ステージ５６がそれぞれ冷却される。

次に、第１段ディスプレーサ２２及び第２段ディスプレーサ５２は、下死点に向かって移動される。これに伴い、低圧の冷媒ガスは、上記と逆の順路を通り、第１段蓄冷器３０及び第２段蓄冷器６０をそれぞれ冷却しつつ、バルブ６及び配管７を介してガス圧縮機３に還流する。その後、バルブ６が閉じられる。

ＧＭ冷凍機１は、以上の動作を１サイクルとし、この動作を繰り返し実施する。これにより、第１段冷却ステージ３５及び第２段冷却ステージ５６は冷却され、熱接続されている冷却対象物（図示されていない）を冷却する。

本実施形態に係る蓄冷器６０Ａは、第２段冷却部４０の第２段ディスプレーサ５２の内部に配設されている。ＧＭ冷凍機１の第２段冷却部４０においては、例えば４Ｋ程度の極低温を実現することが可能である。よって、蓄冷器６０Ａ内を流れる冷媒ガスの温度も３０Ｋ以下となり、蓄冷器６０Ａのこの極低温において高い比熱（体積比熱）を有する蓄冷材を使用することが蓄冷効率を高める面から重要となる。

この極低温下において、高い比熱を有する材料としてHoCu₂等の磁性蓄冷材を用いることが考えられるが、磁性蓄冷材は希土類物質が主体であるため入手が難しく、且つ、コストも高い。

図４は、ヘリウムガスの充填圧力毎の温度と比熱との関係、及び磁性蓄冷材であるHoCu₂の温度と比熱との関係を示している。同図に示されるように、約１５Ｋ以下の極低温域ではヘリウムガスの比熱がHoCu₂の比熱を上回っている領域が存在することが判る。従って、１５Ｋ以下の温度域ではヘリウムガスを蓄冷材として使用することにより、磁性蓄冷材であるHoCu₂と同様に効率的な蓄冷を行うことが可能になる。

ここで図１に戻り、本実施形態に係る蓄冷器６０Ａの説明を行う。

本実施形態に係る蓄冷器６０Ａは、ヘリウムガスを蓄冷材とする極低温蓄冷器である。蓄冷器６０Ａは、芯材６２、ヘリウムガス封入配管６４、及びカバー部材６６Ａ等を有した構成とされている。

芯材６２は円柱形状を有しており、ヘリウムガス封入配管６４を巻回する芯として機能するものである。この芯材６２は、蓄冷器６０Aの高温領域から低温領域にわたり延在するため、例えばプラスチック材料など、熱伝導率の小さい材料により形成されることが好ましい。

ヘリウムガス封入配管６４は、内部にヘリウムガスが封入された細管である。図６は、ヘリウムガス封入配管６４の始端部６４Ａと終端部６４Ｂを示している。ヘリウムガス封入配管６４は、内部にヘリウムガスを導入した後、各端部６４Ａ，６４Ｂを潰した上で熱溶着（例えば溶接）して閉塞部６９を形成し、これにより内部にヘリウムガスを封止した構成とされている。

このヘリウムガス封入配管６４は、芯材６２にコイル状に巻回される。本実施形態では、芯材６２にヘリウムガス封入配管６４を約2000ターン程度巻回している。しかしながら、ヘリウムガス封入配管６４の巻回数はこれに限定されるものではなく、芯材６２に1500回以上2500回以下程度の巻回数で巻回すること可能である。

また、ヘリウムガス封入配管６４の芯材６２への巻回方法は特に限定されるものではなく、図２（Ａ）に示すように径方向及び軸方向の双方に平行に並ぶように巻回してもよく、また図２（Ｂ）に示すように径方向及び軸方向に巻回ピッチをずらして巻回してもよい。

但し、蓄冷器６０Ａは内部を冷媒ガスが流れるものであるため、その巻回密度は冷媒ガスが隣接するヘリウムガス封入配管６４同士の間を通過し、ヘリウムガス封入配管６４との間で熱交換を行いうる間隙が形成される巻回密度とされている。

この冷媒ガスの流れを確保するための隙間を形成するために、図２（Ｃ）に示すように巻回されるヘリウムガス封入配管６４の間にスペーサ部材６５を配設する構成としてもよい。このスペーサ部材６５としては、テフロン又はナイロン（いずれも登録商標）等の比較的熱伝導率の小さい糸、若しくは金属系の極細ワイヤーなどを用いることができる。この構成することにより、冷媒ガスはスペーサ部材６５により形成される間隙内を通過するため、冷媒ガスとヘリウムガス封入配管６４との間で効率良く熱交換を行うことができる。

また、ヘリウムガス封入配管６４の材質は、比較的熱伝導性が高くかつ上記のように多数巻回されても機械的強度を維持しうる材料が望ましい。このような材料としては、例えば銅合金又はステンレス等を用いることができる。

また、ヘリウムガス封入配管６４の外径（図６に矢印Ｌ１で示す）及び内径（図６に矢印Ｌ２で示す）は、上記した特性を実現できれば特に限定されるものではないが、外径及び内径が小さくなるにつれて、配管の内部容積に対する肉厚の比が大きくなり、蓄冷能力が低下するため、例えば、外径Ｌ１は0.１mm以上0.5mm以下であることが、また内径Ｌ２は0.05mm以上0.3mm以下であることが望ましい。

更に、ヘリウムガス封入配管６４内におけるヘリウムガスの圧力は、蓄冷効率を高めるためには、図４に示されるように温度が３Ｋ以上１５Ｋ以下において、０．４MPa以上２．２MPa以下に設定することが望ましい。

カバー部材６６Ａは円筒形状を有しており、ステンレス等により形成されている。このカバー部材６６Ａは、上記のように芯材６２にコイル状に巻回されたヘリウムガス封入配管６４の外周を覆うように配設される。

内部にヘリウムガスを封止されたヘリウムガス封入配管６４は、温度が変化することにより変形することが考えられる。カバー部材６６Ａは、温度変化によりヘリウムガス封入配管６４に発生する変形を抑制するために設けられている。

上記構成とされた蓄冷器６０Ａは、ヘリウムガスを蓄冷材としているため、１５Ｋ以下の極低温状態においても高い比熱を維持するため、冷媒ガスとの間で高効率の熱交換を行うことができる。よって、蓄冷器６０Ａによれば、特に１５Ｋ以下の極低温状態において蓄冷効率を高めることができる。

更に、本実施形態に係る蓄冷器６０Ａは、ヘリウムガスがヘリウムガス封入配管６４内に封止されているため、外部からヘリウムガスを供給する必要がない。このため、蓄冷器６０Ａを適用する冷凍機の構造の簡単化を図ることができる。

ところで、上記した蓄冷器６０Ａは、それのみを第２段ディスプレーサ５２（図３参考）に組み込んで使用することができるが、他の構成の蓄冷材とユニット化して（組み合わせて）使用することも可能である。図５は、蓄冷器６０Ａを他の構成の蓄冷材とユニット化した蓄冷器ユニット８０Ａ〜８０Ｄを示している。

図５に示す各蓄冷器ユニット８０Ａ〜８０Ｄは、円筒形状とされた第２段ディスプレーサ５２内を高温側領域８２Ａと低温側領域８２Ｂに分離した構成としている。なお、図５において、図中右側が高温側であり、左側が低温側である。

図５（Ａ）に示す蓄冷器ユニット８０Ａは、高温側領域８２Ａに比熱ピークがヘリウムガスよりも高いビスマス粒を充填すると共に、低温側領域８２Ｂに蓄冷器６０Ａを配設したものである。

図５（Ｂ）に示す蓄冷器ユニット８０Ｂは、高温側領域８２Ａにビスマス粒を充填すると共に、低温側領域８２Ｂに磁性蓄冷材であるHoCu₂と蓄冷器６０Ａを配設したものである。図４に示すように、１０Ｋ以下においてはヘリウムガスの比熱はHoCu₂との比熱よりも大きい。このため、低温側領域８２Ｂの低温側に蓄冷器６０Ａを配設すると共に、高温側にHoCu₂を配設する構成とした。

図５（Ｃ）に示す蓄冷器ユニット８０Ｃは、高温側領域８２Ａにビスマス粒を充填すると共に、低温側領域８２Ｂに２つの蓄冷器６０Ａを直列に接続したものである。図４から判るように、例えば１０Kより温度が低い領域では比較的低圧のヘリウムガスのほうが比熱が大きく、１０Kよりも温度が高い領域では比較的高圧のヘリウムガスの比熱が大きい。そのため、封入圧力の異なる蓄冷器を直列に接続することで、冷凍機の通常運転時の温度に合わせて蓄冷器の封入圧力を最適化することができる。

図５（Ｄ）に示す蓄冷器ユニット８０Ｄは、図１に示した蓄冷器６０Ａの変形例である蓄冷器６０Ｂを低温側領域８２Ｂに配設したものである。この変形例に係る蓄冷器６０Ｂは、比較的大きな間隙が形成されるよう巻回されたヘリウムガス封入配管６４の間にHoCu₂を等の磁性蓄冷材７７を散在させたものである。

上記した各蓄冷器ユニット８０Ａ〜８０Ｄでは、高温側に比熱のピーク温度が高い蓄冷材を配置し、低温側に比熱のピーク温度が低い蓄冷材を配置しているため、効率の高い蓄冷を行うことができる。

なお、上記した各蓄冷器ユニット８０Ａ〜８０Ｄは、ＧＭ冷凍機に装着することを想定し、蓄冷器６０Ａ，６０Ｂ及びビスマス粒をディスプレーサ５２内に装着する構成としたが、パルス管冷凍機に適用する場合には、蓄冷器６０Ａ，６０Ｂ等は蓄冷器のハウジング内に装着される。また、上記した蓄冷器ユニット８０Ａ〜８０Ｄは、蓄冷材カートリッジとして冷凍機に対して着脱可能な構成とすることも可能である。

次に、図７乃至図１０を用いて、蓄冷器６０Ａの製造方法について説明する。

蓄冷器６０Ａを製造するには、先ず図７に示すように芯材６２を用意する。芯材６２は、前記のように円柱状の部材である。なお、後述するヘリウムガス封入配管６４の成形処理を容易とするため、芯材６２の両端部にフランジを設けた構成としてもよい。

この芯材６２には、ヘリウムガス封入配管６４が巻回される。この芯材６２にヘリウムガス封入配管６４を巻回するときには、ヘリウムガス封入配管６４の始端部６４Ａ及び終端部６４Ｂは開放された状態であり、よってその内部には空気が入った状態となっている。

図８は、芯材６２にヘリウムガス封入配管６４が巻回された状態を示している。なお、ヘリウムがまだ封入されていないヘリウムガス封入配管６４が芯材６２に巻回されたものを、以下ヘリウムガス封入配管巻回体６８というものとする。また、ヘリウムガス封入配管６４の始端部６４Ａ及び終端部６４Ｂは、ヘリウムガス封入配管巻回体６８の両端から外側に突出しているものとする。

ヘリウムガス封入配管巻回体６８が製造されると、図９に示すように、巻回されたヘリウムガス封入配管６４の外周を覆うカバー部材６６Ａをヘリウムガス封入配管巻回体６８に装着する。カバー部材６６Ａをヘリウムガス封入配管巻回体６８に装着する状態では、ヘリウムガス封入配管６４にヘリウムガスは充填されていないため、ヘリウムガス封入配管６４は変形して（膨れて）いない。このため、ヘリウムガス封入配管巻回体６８へのカバー部材６６Ａの装着は、容易に行うことができる。

ヘリウムガス封入配管巻回体６８にカバー部材６６Ａが装着されると、続いてヘリウムガス封入配管６４にヘリウムガスを充填する処理が行われる。図１０は、ヘリウムガス封入配管６４にヘリウムガスを充填する処理を示している。

ヘリウムガス封入配管６４にヘリウムガスを充填するには、液体窒素容器７２（請求項に記載の冷却装置に相当する）及びガス供給装置７５（請求項に記載のヘリウムガス供給手段に相当する）を用いる。

液体窒素容器７２は内部に液体窒素７３が充填されており、その内部にヘリウムガス封入配管巻回体６８を浸漬できる構成とされている。また、ガス供給装置７５は、本実施形態ではヘリウムガスボンベ７５ａを用いている。しかしながら、ヘリウムガスを圧縮しうる高圧用圧縮機を用いることも可能である。

ヘリウムガス封入配管６４にヘリウムガスを充填するには、先ずガス供給装置７５に接続されたガス供給配管７６をヘリウムガス封入配管６４の始端部６４Ａに接続する。この時、ガス供給配管７６に設けられたバルブ８５，８６は閉じられており、ヘリウムガスボンベ７５ａからのヘリウムガスの供給は停止されている。

始端部６４Ａとガス供給配管７６を接続した後、バルブ８５，８６を開けることにより、ガス供給装置７５からヘリウムガス封入配管６４にヘリウムガスを供給する。これにより、ヘリウムガス封入配管６４内に存在する空気は、ヘリウムガスに順次置換される。なお、ヘリウムガス封入配管６４内に存在する空気は、終端部６４Ｂから排出される。

ヘリウムガス封入配管６４内がヘリウムガスに代替されると、治具にて終端部６４Ｂを潰す処理を行う。これにより終端部６４Ｂは、気密に仮閉塞された状態となる。前記のように、ヘリウムガス封入配管６４は0.5mm以下の細管であるため、終端部６４Ｂを潰す処理は容易に行うことができる。

なお、終端部６４Ｂが気密に封止されたかどうかは、ヘリウムガス封入配管巻回体６８が液体窒素７３に浸漬されたとき、終端部６４Ｂから発生する気泡の有無で判断することができる。

次に、図１０に示すように、ヘリウムガス封入配管巻回体６８を液体窒素容器７２の液体窒素７３内に浸漬させる。これにより、ヘリウムガス封入配管巻回体６８は７７Ｋ程度まで冷却される。

更に、終端部６４Ｂを閉塞した状態でガス供給装置７５からヘリウムガス封入配管６４にヘリウムガスの供給を続けると、ヘリウムガス封入配管６４内の圧力は漸次上昇する。そして、ヘリウムガス封入配管６４内のヘリウムガスの圧力が所定圧力に達すると、バルブ８５，８６が閉じられガス供給装置７５からヘリウムガス封入配管６４へのヘリウムガスの供給が停止される。

なお、ヘリウムガス封入配管巻回体６８を冷却した状態で終端部６４Ｂを潰す処理を行うことも可能であるが、冷却した状態で行うと空気をヘリウムガスに置換するのに時間が掛かるため、冷却前に室温にて行うことが好ましい。

続いて、液体窒素容器７２から外部に出ている始端部６４Ａを治具を用いて潰すと共に、始端部６４Ａとガス供給配管７６とを分離する処理を行う。これにより始端部６４Ａも気密に仮閉塞された状態となる。

次に、ヘリウムガス封入配管巻回体６８を液体窒素容器７２から取り出し、その後に仮閉塞されている始端部６４Ａ対して熱溶着処理（溶接処理）を行う。これにより、始端部６４Ａ及び終端部６４Ｂは確実に閉塞された状態（本閉塞された状態）となり、ヘリウムガスはヘリウムガス封入配管６４内に封止された状態となる。なお、始端部６４Ａ及び終端部６４Ｂは、ヘリウムガスの封止後に芯材６２に巻き付ける構成としても良い。以上の工程を実施することにより、蓄冷器６０Ａは製造される。

上記のように本実施形態に係る蓄冷器６０Ａの製造方法では、ヘリウムガス封入配管巻回体６８を液体窒素７３内に浸漬させて冷却した状態でリウムガスの充填を行っている。仮にヘリウムガス封入配管６４に常温下でヘリウムガスを充填しようとした場合、高い充填圧力を必要とするが、ヘリウムガス封入配管巻回体６８を冷却した状態でヘリウムガスを充填することにより充填圧力を低減することができる。

具体的には、常温下では約６０MPa必要であった充填圧力を、本実施形態の方法によれば約１５MPaに低減させることができる。よって、本実施形態に係る蓄冷器６０Ａの製造方法によれば、高出力の高圧用圧縮機を用いる必要はなく、容易にヘリウムガス封入配管６４に対してヘリウムガスを充填することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。

例えば、上記した実施形態では、ヘリウムガス封入配管巻回体６８を冷却するのに液体窒素を用いる例について説明したが、これに限られず、冷凍機を用いてヘリウムガス封入配管巻回体６８を冷却する構成としても良い。

また、上記した実施形態では、ヘリウムガス封入配管６４を芯材６２に巻回することにより蓄冷器６０Ａを製造する形態について説明したが、ヘリウムガス封入配管６４は必ずしも芯材６２に巻回する必要はなく、他の配設方法（例えば、芯材６２を用いずにディスプレーサ内にランダムに収納する方法等）を用いることも可能である。

更に、上記した実施形態では蓄冷式冷凍機としてＧＭ冷凍機を例に挙げて説明したが、本願発明に係る極低温蓄冷器の適用はＧＭ冷凍機に限定されるものではなく、蓄冷器を用いる他の冷凍機（例えば、パルス管冷凍機等）に対しても適用が可能なものである。

１ＧＭ冷凍機
３ガス圧縮機
１０コールドヘッド
１５第１段冷却部
２０第１段シリンダ
２２第１段ディスプレーサ
３０第１段蓄冷器
３１第１段膨張室
３５第１段冷却ステージ
４０第２段冷却部
５１第２段シリンダ
５２第２段ディスプレーサ
５５第２段膨張室
５６第２段冷却ステージ
６０Ａ，６０Ｂ蓄冷器
６０Ｂ蓄冷器
６２芯材
６４ヘリウムガス封入配管
６４Ａ始端部
６４Ｂ終端部
６６Ａカバー部材
６７ケース
６８ヘリウムガス封入配管巻回体
６９閉塞部
７０ヘリウムガス充填装置
７２液体窒素容器
７３液体窒素
７５，７６ガス供給装置
７７磁性蓄冷材
８０Ａ〜８０Ｄ蓄冷器ユニット
８２Ａ高温側領域
８２Ｂ低温側領域

図１は、本発明の一実施形態である極低温蓄冷器６０Ａ（以下、第２段蓄冷器６０Ａ、又は単に蓄冷器６０Ａという）を示している。この蓄冷器６０Ａは、例えば１５Ｋ以下の極低温を実現できる冷凍機に適用されるものである。図３は、蓄冷器６０Ａを適用した蓄冷式冷凍機を示している。同図では、１５Ｋ以下の極低温を実現できる蓄冷式冷凍機として、ギフォード・マクマホン式（ＧＭ）冷凍機を例に挙げている。なお、本実施形態に係る蓄冷器６０Ａの適用は図３に示されるＧＭ冷凍機１に限定されるものではなく、蓄冷器を設ける各種冷凍機について適用が可能なものである。

次に、第１段ディスプレーサ２２及び第２段ディスプレーサ５２は、下死点に向かって移動される。これに伴い、低圧の冷媒ガスは、上記と逆の順路を通り、第１段蓄冷器３０及び第２段蓄冷器６０Ａをそれぞれ冷却しつつ、バルブ６及び配管７を介してガス圧縮機３に還流する。その後、バルブ６が閉じられる。

図５（Ｄ）に示す蓄冷器ユニット８０Ｄは、図１に示した蓄冷器６０Ａの変形例である蓄冷器６０Ｂを低温側領域８２Ｂに配設したものである。この変形例に係る蓄冷器６０Ｂは、比較的大きな間隙が形成されるよう巻回されたヘリウムガス封入配管６４の間にHoCu₂ 等の磁性蓄冷材７７を散在させたものである。

１ＧＭ冷凍機
３ガス圧縮機
１０コールドヘッド
１５第１段冷却部
２０第１段シリンダ
２２第１段ディスプレーサ
３０第１段蓄冷器
３１第１段膨張室
３５第１段冷却ステージ
４０第２段冷却部
５１第２段シリンダ
５２第２段ディスプレーサ
５５第２段膨張室
５６第２段冷却ステージ
６０Ａ蓄冷器（第２段蓄冷器）
６０Ｂ蓄冷器
６２芯材
６４ヘリウムガス封入配管
６４Ａ始端部
６４Ｂ終端部
６６Ａカバー部材
６７ケース
６８ヘリウムガス封入配管巻回体
６９閉塞部
７０ヘリウムガス充填装置
７２液体窒素容器
７３液体窒素
７５，７６ガス供給装置
７７磁性蓄冷材
８０Ａ〜８０Ｄ蓄冷器ユニット
８２Ａ高温側領域
８２Ｂ低温側領域

Claims

両端が開放されたヘリウムガス封入配管にヘリウムガスを供給する工程と、
前記ヘリウムガス封入配管の終端部を閉塞する工程と、
前記ヘリウムガス封入配管を冷却した状態でヘリウムガス供給手段から前記ヘリウムガス封入配管内に前記ヘリウムガスを充填する工程と、
前記ヘリウムガス封入配管内に前記ヘリウムガスが充填された後、前記ヘリウムガス封入配管の始端部を閉塞する工程と、
を有することを特徴とする極低温蓄冷器の製造方法。
前記ヘリウムガス封入配管の終端部を閉塞する工程は、前記ヘリウムガス封入配管を冷却する前に行うことを特徴とする請求項１に記載の極低温蓄冷器の製造方法。
前記ヘリウムガス封入配管にヘリウムガスを供給する前に、前記ヘリウムガス封入配管を芯材にコイル状に巻回してヘリウムガス封入配管巻回体を製造することを特徴とする請求項１又は２に記載の極低温蓄冷器の製造方法。
前記ヘリウムガス封入配管の端部を閉塞する際、前記ヘリウムガス封入配管の端部を潰した後、熱溶着することにより閉塞することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の極低温蓄冷器の製造方法。
ヘリウムガスを蓄冷材とする極低温蓄冷器であって、
芯材と、
両端部が閉塞されることにより内部に前記ヘリウムガスが封入されたヘリウムガス封入配管とを有し、
前記ヘリウムガス封入配管を前記芯材にコイル状に巻回したことを特徴とする極低温蓄冷器。
前記ヘリウムガス封入配管は、両端部が熱溶着されることにより閉塞された構成であることを特徴とする請求項５記載の極低温蓄冷器。
コイル状に巻回された前記ヘリウムガス封入配管の外周を覆う円筒状のカバー部材を設けたことを特徴とする請求項５又は６記載の極低温蓄冷器。
前記ヘリウムガス封入配管は、外径が0.１mm以上0.5mm以下であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一項に記載の極低温蓄冷器。
前記ヘリウムガス封入配管内における前記ヘリウムガスの圧力は、温度が３Ｋ以上１５Ｋ以下において、０．４MPa以上２．２MPa以下であることを特徴とする請求項５乃至８のいずれか一項に記載の極低温蓄冷器。
前記ヘリウムガス封入配管は、銅又はステンレスにより形成されていることを特徴とする請求項５乃至９のいずれか一項に記載の極低温蓄冷器。