JP2845761B2 - 極低温冷凍機用蓄冷器 - Google Patents
極低温冷凍機用蓄冷器Info
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- JP2845761B2 JP2845761B2 JP6217560A JP21756094A JP2845761B2 JP 2845761 B2 JP2845761 B2 JP 2845761B2 JP 6217560 A JP6217560 A JP 6217560A JP 21756094 A JP21756094 A JP 21756094A JP 2845761 B2 JP2845761 B2 JP 2845761B2
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/003—Gas cycle refrigeration machines characterised by construction or composition of the regenerator
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、極低温冷凍機用蓄冷器
に関し、特に新規な磁性蓄冷材を層状に充填した極低温
冷凍機用蓄冷器に関する。
に関し、特に新規な磁性蓄冷材を層状に充填した極低温
冷凍機用蓄冷器に関する。
【０００２】近年、極低温で強力な磁場を発生させる超
伝導磁石やＳＱＵＩＤに代表される超伝導機器等の分野
で高性能の小型冷凍機が求められている。
伝導磁石やＳＱＵＩＤに代表される超伝導機器等の分野
で高性能の小型冷凍機が求められている。
【０００３】
【従来の技術】極低温冷凍機としては、スターリング冷
凍機、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機等が知ら
れている。
凍機、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機等が知ら
れている。
【０００４】スターリング冷凍機は、圧縮機で脈動する
作動ガス圧を作成し、膨張機内でディスプレーサを圧力
変動に対して基本的に１／４（π／２）の位相ずれを持
たせて往復動させる。ディスプレーサ内には蓄冷器が設
けられ、断熱膨張によって冷却された作動ガスと高温高
圧ガスとの間の熱交換を行なわせる。
作動ガス圧を作成し、膨張機内でディスプレーサを圧力
変動に対して基本的に１／４（π／２）の位相ずれを持
たせて往復動させる。ディスプレーサ内には蓄冷器が設
けられ、断熱膨張によって冷却された作動ガスと高温高
圧ガスとの間の熱交換を行なわせる。
【０００５】ＧＭ冷凍機は、圧縮機の高圧側、低圧側に
バルブを設け、高圧で膨張機に供給された作動ガスを断
熱膨張させ、低圧で回収する。膨張機内にはスターリン
グ冷凍機同様、ディスプレーサが設けられ、ディスプレ
ーサ内には蓄冷器が備えられる。より低温を実現させる
ためには、２段式のディスプレーサ（蓄冷器）が用いら
れる。
バルブを設け、高圧で膨張機に供給された作動ガスを断
熱膨張させ、低圧で回収する。膨張機内にはスターリン
グ冷凍機同様、ディスプレーサが設けられ、ディスプレ
ーサ内には蓄冷器が備えられる。より低温を実現させる
ためには、２段式のディスプレーサ（蓄冷器）が用いら
れる。
【０００６】冷凍機用の蓄冷材としては、比熱が高く、
取扱いに便利な銅や鉛が使用されている。熱交換率を高
くするため、これらの金属を球状や金網状として表面積
を大きくし、フェルト状の支持材や貫通孔を多数設けた
パンチングメタルで支持する。
取扱いに便利な銅や鉛が使用されている。熱交換率を高
くするため、これらの金属を球状や金網状として表面積
を大きくし、フェルト状の支持材や貫通孔を多数設けた
パンチングメタルで支持する。
【０００７】しかし、銅や鉛等、比較的高温では高い比
熱を有する金属も１０Ｋ以下の温度領域（以下、「極低
温領域」と呼ぶ）では、比熱が極端に小さくなる。した
がって、これらの蓄冷材を用いても圧縮機と蓄冷材を用
いた膨張機の組合せのみの冷凍機で１０Ｋ以下の極低温
を生成することは困難であった。
熱を有する金属も１０Ｋ以下の温度領域（以下、「極低
温領域」と呼ぶ）では、比熱が極端に小さくなる。した
がって、これらの蓄冷材を用いても圧縮機と蓄冷材を用
いた膨張機の組合せのみの冷凍機で１０Ｋ以下の極低温
を生成することは困難であった。
【０００８】極低温を得るためには、従来はＪＴ弁を用
い、ＪＴ弁に供給する作動ガスをＧＭ冷凍機等で冷却す
る構成が用いられた。近年、２段式ＧＭ冷凍機の２段目
蓄冷器に、Ｅｒ3 Ｎｉをはじめとする磁性金属間化合物
による蓄冷材を用いることにより、液体ヘリウム温度
（４．２Ｋ）以下の温度を発生させることが可能となっ
た。これは、このような磁性蓄冷材が極低温領域におい
て、磁気相転移による大きな比熱を持つためである。た
とえば、ＥｒＲｈは４Ｋ付近で非常に大きな比熱ピーク
を示す。ただし、ＥｒＲｈは非常に高価であり、実用化
するのは困難である。
い、ＪＴ弁に供給する作動ガスをＧＭ冷凍機等で冷却す
る構成が用いられた。近年、２段式ＧＭ冷凍機の２段目
蓄冷器に、Ｅｒ3 Ｎｉをはじめとする磁性金属間化合物
による蓄冷材を用いることにより、液体ヘリウム温度
（４．２Ｋ）以下の温度を発生させることが可能となっ
た。これは、このような磁性蓄冷材が極低温領域におい
て、磁気相転移による大きな比熱を持つためである。た
とえば、ＥｒＲｈは４Ｋ付近で非常に大きな比熱ピーク
を示す。ただし、ＥｒＲｈは非常に高価であり、実用化
するのは困難である。
【０００９】しかし、Ｅｒ3 Ｎｉの比熱も、冷媒である
ヘリウムの比熱に比べると低温域では非常に小さいた
め、ヘリウムと熱交換を行うのに十分な熱容量を持って
いるとはいえない。現にＥｒ3 Ｎｉを用いたＧＭ冷凍機
でも、４．２Ｋで実際に達成される冷凍能力は１Ｗ以下
にすぎない。そこで、冷凍能力をさらに向上させるた
め、極低温領域でさらに大きな比熱を有する蓄冷器が望
まれる。
ヘリウムの比熱に比べると低温域では非常に小さいた
め、ヘリウムと熱交換を行うのに十分な熱容量を持って
いるとはいえない。現にＥｒ3 Ｎｉを用いたＧＭ冷凍機
でも、４．２Ｋで実際に達成される冷凍能力は１Ｗ以下
にすぎない。そこで、冷凍能力をさらに向上させるた
め、極低温領域でさらに大きな比熱を有する蓄冷器が望
まれる。
【００１０】磁性蓄冷材は、磁気相転移を行う温度付近
において大きな比熱ピークを有する。そこで、蓄冷器の
温度分布に合わせて、蓄冷器内に異なる温度で比熱ピー
クを持つ磁性蓄冷材を積層する提案がなされている。こ
のような構造を有する蓄冷器を以下「積層構造」蓄冷器
と呼ぶ。
において大きな比熱ピークを有する。そこで、蓄冷器の
温度分布に合わせて、蓄冷器内に異なる温度で比熱ピー
クを持つ磁性蓄冷材を積層する提案がなされている。こ
のような構造を有する蓄冷器を以下「積層構造」蓄冷器
と呼ぶ。
【００１１】しかしながら、極低温領域、特に４．２Ｋ
での冷凍能力向上を可能にする積層構造蓄冷器は未だ実
用化されていない。
での冷凍能力向上を可能にする積層構造蓄冷器は未だ実
用化されていない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】極低温領域、特に４．
２Ｋ付近での冷凍能力を十分向上することのできる蓄冷
器は未だ開発されていない。
２Ｋ付近での冷凍能力を十分向上することのできる蓄冷
器は未だ開発されていない。
【００１３】本発明の目的は、極低温領域、特に４．２
Ｋ付近で十分な冷凍能力を有する極低温冷凍機用蓄冷器
を提供することである。
Ｋ付近で十分な冷凍能力を有する極低温冷凍機用蓄冷器
を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明の極低温冷凍機用
蓄冷器は、一般式 （Ｒ1-x Ａx ）y （ＮｉＧｅ）1-z
Ｍ2z、（ただし、ＲはＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、
Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙ
ｂ、Ｌｕよりなる群から選ばれた１種の元素、ＡはＲ以
外の希土類元素、Ｍは非磁性の金属元素、０≦ｘ≦０．
５、０．０５≦ｙ≦２０、０＜ｚ≦０．３）で表記され
る１種または異なる組成の２種以上の磁性金属間化合物
からなる蓄冷材を含む。
蓄冷器は、一般式 （Ｒ1-x Ａx ）y （ＮｉＧｅ）1-z
Ｍ2z、（ただし、ＲはＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、
Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙ
ｂ、Ｌｕよりなる群から選ばれた１種の元素、ＡはＲ以
外の希土類元素、Ｍは非磁性の金属元素、０≦ｘ≦０．
５、０．０５≦ｙ≦２０、０＜ｚ≦０．３）で表記され
る１種または異なる組成の２種以上の磁性金属間化合物
からなる蓄冷材を含む。
【００１５】
【作用】一般式 （Ｒ1-x Ａx ）y （ＮｉＧｅ）1-z Ｍ
2z、（ただし、ＲはＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓ
ｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙ
ｂ、Ｌｕよりなる群から選ばれた１種の元素、ＡはＲ以
外の希土類元素、Ｍは非磁性の金属元素、０≦ｘ≦０．
５、０．０５≦ｙ≦２０、０＜ｚ≦０．３）で表記され
る１種または異なる組成の２種以上の磁性金属間化合物
は、３Ｋ〜１２Ｋ付近での比熱が大きく、極低温冷凍機
の冷凍能力を大幅に向上させることができる。さらに、
ｚを変化させることにより、比熱ピークの半値幅を制御
することができる。
2z、（ただし、ＲはＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓ
ｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙ
ｂ、Ｌｕよりなる群から選ばれた１種の元素、ＡはＲ以
外の希土類元素、Ｍは非磁性の金属元素、０≦ｘ≦０．
５、０．０５≦ｙ≦２０、０＜ｚ≦０．３）で表記され
る１種または異なる組成の２種以上の磁性金属間化合物
は、３Ｋ〜１２Ｋ付近での比熱が大きく、極低温冷凍機
の冷凍能力を大幅に向上させることができる。さらに、
ｚを変化させることにより、比熱ピークの半値幅を制御
することができる。
【００１６】例えば、ＥｒＮｉＧｅの比熱は、３．２Ｋ
でピーク値を示し約０．５３Ｊ／Ｋ・ｃｍ3 となる。ま
た、ＧｄＮｉＧｅの比熱は、１０．６Ｋでピーク値を示
し約０．６７Ｊ／Ｋ・ｃｍ3 となる。
でピーク値を示し約０．５３Ｊ／Ｋ・ｃｍ3 となる。ま
た、ＧｄＮｉＧｅの比熱は、１０．６Ｋでピーク値を示
し約０．６７Ｊ／Ｋ・ｃｍ3 となる。
【００１７】
【実施例】図１に、本発明の実施例による２段式ＧＭ冷
凍機の構成を示す。図１（Ａ）は、膨張機の構成を概略
的に示す断面図、図１（Ｂ）は膨張機の２段目蓄冷器の
構成を概略的に示す断面図である。
凍機の構成を示す。図１（Ａ）は、膨張機の構成を概略
的に示す断面図、図１（Ｂ）は膨張機の２段目蓄冷器の
構成を概略的に示す断面図である。
【００１８】図１（Ａ）において、シリンダ１１は太径
部分と細径部分を有し、シリンダ１１内に挿入されるピ
ストン（ディスプレーサ）１２もシリンダ１１の形状に
合わせた太径部分と細径部分を有する。ピストン１２内
には、太径部分に１段目蓄冷器１４が収容され、細径部
分に２段目蓄冷器１６が収容されている。
部分と細径部分を有し、シリンダ１１内に挿入されるピ
ストン（ディスプレーサ）１２もシリンダ１１の形状に
合わせた太径部分と細径部分を有する。ピストン１２内
には、太径部分に１段目蓄冷器１４が収容され、細径部
分に２段目蓄冷器１６が収容されている。
【００１９】また、シリンダ１１とピストン１２の間に
は、太径部分において第１膨張スペース１８が画定さ
れ、細径部分において第２膨張スペース１９が画定され
る。また、シリンダ１１とピストン１２の間にはシール
２１が配置され、気密状態を構成する。
は、太径部分において第１膨張スペース１８が画定さ
れ、細径部分において第２膨張スペース１９が画定され
る。また、シリンダ１１とピストン１２の間にはシール
２１が配置され、気密状態を構成する。
【００２０】１段目蓄冷器１４は、Ｃｕ、Ｐｂ等の通常
の蓄冷材で構成された、たとえば網目状蓄冷材を収容す
る。２段目蓄冷器１６は、図１（Ｂ）に一例を示すよう
な積層構造を有する。
の蓄冷材で構成された、たとえば網目状蓄冷材を収容す
る。２段目蓄冷器１６は、図１（Ｂ）に一例を示すよう
な積層構造を有する。
【００２１】図１（Ｂ）に示すように、２段目蓄冷器１
６は、ベークライト製の容器２３の中に上下の開口２
４、２５で外部と連続されたガス通路２６を形成してい
る。このガス通路２６内に、下側から数枚の金網３１、
フェルト３２が充填され、下側の開口２５から蓄冷材が
流出しない構成をとっている。
６は、ベークライト製の容器２３の中に上下の開口２
４、２５で外部と連続されたガス通路２６を形成してい
る。このガス通路２６内に、下側から数枚の金網３１、
フェルト３２が充填され、下側の開口２５から蓄冷材が
流出しない構成をとっている。
【００２２】フェルト３２の上に、ＥｒＮｉＧｅの球状
粒で構成された最低温蓄冷材３３、フェルト３４、Ｅｒ
Ｎｉ0.9 Ｃｏ0.1 の球状粒で構成された第２低温蓄冷材
３５、フェルト３６、Ｅｒ0.5 Ｄｙ0.5 Ｎｉ2 の球状粒
で形成された第３低温蓄冷材３７、フェルト３８、Ｄｙ
Ｎｉ2 の球状粒で構成された第４低温蓄冷材３９が積層
状に充填され、その上をフェルト４０、パンチングメタ
ル４１で覆っている。
粒で構成された最低温蓄冷材３３、フェルト３４、Ｅｒ
Ｎｉ0.9 Ｃｏ0.1 の球状粒で構成された第２低温蓄冷材
３５、フェルト３６、Ｅｒ0.5 Ｄｙ0.5 Ｎｉ2 の球状粒
で形成された第３低温蓄冷材３７、フェルト３８、Ｄｙ
Ｎｉ2 の球状粒で構成された第４低温蓄冷材３９が積層
状に充填され、その上をフェルト４０、パンチングメタ
ル４１で覆っている。
【００２３】図２は、第３低温蓄冷材、第４低温蓄冷材
に用いられたＥｒ1-x Ｄｙx Ｎｉ2の比熱特性を他の組
成およびＰｂ、Ｈｅの比熱と共に示す。また、従来用い
られたＥｒＲｈの比熱特性も合わせて示す。第３低温蓄
冷材３７の比熱特性は、ｘ＝０．５の場合に該当し、第
４低温蓄冷材３９の比熱特性は、ｘ＝１．０の場合に該
当する。
に用いられたＥｒ1-x Ｄｙx Ｎｉ2の比熱特性を他の組
成およびＰｂ、Ｈｅの比熱と共に示す。また、従来用い
られたＥｒＲｈの比熱特性も合わせて示す。第３低温蓄
冷材３７の比熱特性は、ｘ＝０．５の場合に該当し、第
４低温蓄冷材３９の比熱特性は、ｘ＝１．０の場合に該
当する。
【００２４】図に示すように、約２０Ｋ以下の温度にお
いて、第４低温蓄冷材に用いられたＤｙＮｉ2 は、Ｐｂ
よりも良好な比熱を有する。第３低温蓄冷材に用いられ
たＥｒ0.5 Ｄｙ0.5 Ｎｉ2 （ｘ＝０．５）は、１２．３
Ｋ付近に比熱ピークを有し、それ以下の低温においてＤ
ｙＮｉ2 よりも良好な比熱を有する。
いて、第４低温蓄冷材に用いられたＤｙＮｉ2 は、Ｐｂ
よりも良好な比熱を有する。第３低温蓄冷材に用いられ
たＥｒ0.5 Ｄｙ0.5 Ｎｉ2 （ｘ＝０．５）は、１２．３
Ｋ付近に比熱ピークを有し、それ以下の低温においてＤ
ｙＮｉ2 よりも良好な比熱を有する。
【００２５】図３は、第２低温蓄冷材３３に用いられた
ＥｒＮｉ0.9 Ｃｏ0.1 および関連する物質の比熱特性を
示す。ＥｒＮｉ0.9 Ｃｏ0.1 の比熱特性は、約８Ｋ付近
から低温に向かって急激に立ち上がり、６、７Ｋ付近で
比熱のピークを描いた後、さらに極低温に向かっては急
激に減少している。
ＥｒＮｉ0.9 Ｃｏ0.1 および関連する物質の比熱特性を
示す。ＥｒＮｉ0.9 Ｃｏ0.1 の比熱特性は、約８Ｋ付近
から低温に向かって急激に立ち上がり、６、７Ｋ付近で
比熱のピークを描いた後、さらに極低温に向かっては急
激に減少している。
【００２６】第２低温蓄冷材として用いる蓄冷材の組成
を、ＥｒＮｉ0.8 Ｃｏ0.2 に変更すると、その比熱特性
はさらに低温側にシフトする。従来提案された実用的極
低温蓄冷材のＥｒ3 ＮｉやＥｒＮｉの比熱特性と比較す
ると、ＥｒＮｉx Ｃｏ1-x の比熱特性の特徴がより明ら
かとなろう。すなわち、ＥｒＮｉの比熱特性は、１０Ｋ
付近で鋭いピークを描くが、その後急激に立ち下がって
いる。
を、ＥｒＮｉ0.8 Ｃｏ0.2 に変更すると、その比熱特性
はさらに低温側にシフトする。従来提案された実用的極
低温蓄冷材のＥｒ3 ＮｉやＥｒＮｉの比熱特性と比較す
ると、ＥｒＮｉx Ｃｏ1-x の比熱特性の特徴がより明ら
かとなろう。すなわち、ＥｒＮｉの比熱特性は、１０Ｋ
付近で鋭いピークを描くが、その後急激に立ち下がって
いる。
【００２７】Ｅｒ3 Ｎｉの比熱特性は、約１２Ｋより上
の温度ではＥｒＮｉの比熱よりも高い値を示し、１２〜
６Ｋ付近においてはＥｒＮｉよりも比熱が低いが、それ
よりも低温部においてはほぼＥｒＮｉと同等の比熱を示
している。
の温度ではＥｒＮｉの比熱よりも高い値を示し、１２〜
６Ｋ付近においてはＥｒＮｉよりも比熱が低いが、それ
よりも低温部においてはほぼＥｒＮｉと同等の比熱を示
している。
【００２８】上記実施例で用いたＥｒＮｉ0.9 Ｃｏ0.1
の蓄冷材は、約８Ｋ以下の極低温領域において、常にＥ
ｒＮｉやＥｒ3 Ｎｉよりも良好な比熱特性を示してい
る。Ｅｒ3 Ｎｉと比較すれば、約７．５Ｋ以下の極低温
領域において、ＥｒＮｉ0.9 Ｃｏ0.1 またはＥｒＮｉ
0.8 Ｃｏ0.2 の比熱特性は、Ｅｒ3 Ｎｉの比熱の約２倍
の大きさの比熱を示している。
の蓄冷材は、約８Ｋ以下の極低温領域において、常にＥ
ｒＮｉやＥｒ3 Ｎｉよりも良好な比熱特性を示してい
る。Ｅｒ3 Ｎｉと比較すれば、約７．５Ｋ以下の極低温
領域において、ＥｒＮｉ0.9 Ｃｏ0.1 またはＥｒＮｉ
0.8 Ｃｏ0.2 の比熱特性は、Ｅｒ3 Ｎｉの比熱の約２倍
の大きさの比熱を示している。
【００２９】図４は、最低温蓄冷材３３に用いられたＥ
ｒＮｉＧｅの比熱特性をＧｄＮｉＧｅ及びＥｒＮｉ0.9
Ｃｏ0.1 と共に示す。ＥｒＮｉＧｅの比熱特性は、約４
Ｋ付近から低温に向かって急激に立ち上がり、約３．２
Ｋで比熱のピークを示した後、さらに極低温に向かって
急激に減少している。これを、ＥｒＮｉ0.9 Ｃｏ0.1 の
比熱特性と比較すると、約４Ｋ以下の極低温領域でＥｒ
Ｎｉ0.9 Ｃｏ0.1 よりも良好な比熱を有することがわか
る。
ｒＮｉＧｅの比熱特性をＧｄＮｉＧｅ及びＥｒＮｉ0.9
Ｃｏ0.1 と共に示す。ＥｒＮｉＧｅの比熱特性は、約４
Ｋ付近から低温に向かって急激に立ち上がり、約３．２
Ｋで比熱のピークを示した後、さらに極低温に向かって
急激に減少している。これを、ＥｒＮｉ0.9 Ｃｏ0.1 の
比熱特性と比較すると、約４Ｋ以下の極低温領域でＥｒ
Ｎｉ0.9 Ｃｏ0.1 よりも良好な比熱を有することがわか
る。
【００３０】図２に示すように、第４低温蓄冷材および
第３低温蓄冷材は、約２０〜１２Ｋ付近において良好な
比熱を有するため、１段目蓄冷器から供給される冷却さ
れた作動ガスを有効に冷却することができ、第２低温蓄
冷材に供給される作動ガスの温度を約１２Ｋ以下に冷却
することができる。
第３低温蓄冷材は、約２０〜１２Ｋ付近において良好な
比熱を有するため、１段目蓄冷器から供給される冷却さ
れた作動ガスを有効に冷却することができ、第２低温蓄
冷材に供給される作動ガスの温度を約１２Ｋ以下に冷却
することができる。
【００３１】第２低温蓄冷材３５は、約１２Ｋ以下、特
に６〜７Ｋ近傍で極めて大きな比熱を有するので、作動
ガスを効率的に冷却し、たとえば４Ｋ以下の温度に冷却
することもできる。
に６〜７Ｋ近傍で極めて大きな比熱を有するので、作動
ガスを効率的に冷却し、たとえば４Ｋ以下の温度に冷却
することもできる。
【００３２】最低温蓄冷材３３は、約４Ｋ以下、特に
３．２Ｋ近傍で極めて大きな比熱を有するので、作動ガ
スを効率的に冷却し、さらに極低温に冷却することもで
きる。図４に示すＧｄＮｉＧｅの比熱特性は、約１２Ｋ
付近から低温に向かって急激に立ち上がり、約１０．６
Ｋで比熱のピークを示した後、さらに極低温に向かって
やや緩やかに減少している。これを、ＥｒＮｉ0.9 Ｃｏ
0.1 の比熱特性と比較すると、約８〜１２Ｋの温度範囲
でＥｒＮｉ0.9 Ｃｏ0.1 よりも良好な比熱を有すること
がわかる。
３．２Ｋ近傍で極めて大きな比熱を有するので、作動ガ
スを効率的に冷却し、さらに極低温に冷却することもで
きる。図４に示すＧｄＮｉＧｅの比熱特性は、約１２Ｋ
付近から低温に向かって急激に立ち上がり、約１０．６
Ｋで比熱のピークを示した後、さらに極低温に向かって
やや緩やかに減少している。これを、ＥｒＮｉ0.9 Ｃｏ
0.1 の比熱特性と比較すると、約８〜１２Ｋの温度範囲
でＥｒＮｉ0.9 Ｃｏ0.1 よりも良好な比熱を有すること
がわかる。
【００３３】図１（Ｂ）に示す積層構造の蓄冷器におい
ては、第３低温蓄冷材３７の比熱がピークを描く温度は
約１２．３Ｋであるため、第２低温蓄冷材３５としてＥ
ｒＮｉ0.9 Ｃｏ0.1 の代わりにＧｄＮｉＧｅを使用する
ことにより、第３低温蓄冷材３７と第２低温蓄冷材３５
との比熱のピークを与える温度をより近づけることがで
きる。このため、第３低温蓄冷材は、比熱が大きい温度
範囲で作動ガスと熱交換すればよいことになる。従っ
て、第３低温蓄冷材でより効率的に作動ガスを冷却する
ことが可能になる。
ては、第３低温蓄冷材３７の比熱がピークを描く温度は
約１２．３Ｋであるため、第２低温蓄冷材３５としてＥ
ｒＮｉ0.9 Ｃｏ0.1 の代わりにＧｄＮｉＧｅを使用する
ことにより、第３低温蓄冷材３７と第２低温蓄冷材３５
との比熱のピークを与える温度をより近づけることがで
きる。このため、第３低温蓄冷材は、比熱が大きい温度
範囲で作動ガスと熱交換すればよいことになる。従っ
て、第３低温蓄冷材でより効率的に作動ガスを冷却する
ことが可能になる。
【００３４】一方、第２低温蓄冷材３５をＧｄＮｉＧｅ
に置き代えると、図４に示すように、第２低温蓄冷材３
５と最低温蓄冷材３３との関係において、４〜８Ｋの温
度範囲で比熱が小さくなる。この温度範囲をカバーする
ために、さらに、第２低温蓄冷材３５と最低温蓄冷材３
３との間にＥｒＮｉ0.9 Ｃｏ0.1 からなる蓄冷材を挿入
し、全体で５層構造の蓄冷材としてもよい。
に置き代えると、図４に示すように、第２低温蓄冷材３
５と最低温蓄冷材３３との関係において、４〜８Ｋの温
度範囲で比熱が小さくなる。この温度範囲をカバーする
ために、さらに、第２低温蓄冷材３５と最低温蓄冷材３
３との間にＥｒＮｉ0.9 Ｃｏ0.1 からなる蓄冷材を挿入
し、全体で５層構造の蓄冷材としてもよい。
【００３５】以上説明したように、ＥｒＮｉＧｅ、Ｅｒ
Ｎｉ0.9 Ｃｏ0.1 、ＧｄＮｉＧｅを低温側からこの順番
に積層して蓄冷材として用いることにより、極低温領域
で良好な比熱を有する蓄冷材を得ることができる。この
ため、蓄冷器を有する冷凍機において、極低温を実現す
ることが容易になる。
Ｎｉ0.9 Ｃｏ0.1 、ＧｄＮｉＧｅを低温側からこの順番
に積層して蓄冷材として用いることにより、極低温領域
で良好な比熱を有する蓄冷材を得ることができる。この
ため、蓄冷器を有する冷凍機において、極低温を実現す
ることが容易になる。
【００３６】なお、ＮｉＧｅを含む蓄冷材としてＥｒＮ
ｉＧｅ、ＧｄＮｉＧｅを例にとって説明したが、Ｒy Ｎ
ｉＧｅ（Ｒは、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、
Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌ
ｕ）においても同等の比熱特性が実現されるものと考え
られる。また、Ｒの一部を他の希土類元素Ａで置換する
ことにより、比熱ピーク出現温度を制御することができ
る。
ｉＧｅ、ＧｄＮｉＧｅを例にとって説明したが、Ｒy Ｎ
ｉＧｅ（Ｒは、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、
Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌ
ｕ）においても同等の比熱特性が実現されるものと考え
られる。また、Ｒの一部を他の希土類元素Ａで置換する
ことにより、比熱ピーク出現温度を制御することができ
る。
【００３７】また、ＮｉＧｅの一部をＡｌ、Ｍｎ、Ｃ
ｕ、Ｓｂ等の非磁性元素Ｍで置換することにより、比熱
ピークの半値幅を制御することができる。Ｒy ＮｉＧｅ
のＲの一部を他の希土類元素Ａで置換し、ＮｉＧｅの一
部を非磁性元素Ｍで置換したものは、（Ｒ1-x Ａx ）y
（ＮｉＧｅ）1-z Ｍ2zと表すことができる。なお、良好
な比熱特性を得るためには、０≦ｘ≦０．５、０．０５
≦ｙ≦２０、０≦ｚ≦０．３とすることが好ましい。
ｕ、Ｓｂ等の非磁性元素Ｍで置換することにより、比熱
ピークの半値幅を制御することができる。Ｒy ＮｉＧｅ
のＲの一部を他の希土類元素Ａで置換し、ＮｉＧｅの一
部を非磁性元素Ｍで置換したものは、（Ｒ1-x Ａx ）y
（ＮｉＧｅ）1-z Ｍ2zと表すことができる。なお、良好
な比熱特性を得るためには、０≦ｘ≦０．５、０．０５
≦ｙ≦２０、０≦ｚ≦０．３とすることが好ましい。
【００３８】このような蓄冷材を用いた冷凍機により、
従来のＥｒ3 Ｎｉを使用した冷凍機を置き換えることが
できると共に、従来の冷凍機では冷凍能力が不足し、液
体ヘリウムによって冷却せざるを得なかった装置や設備
にも冷凍機を用いることが可能となる。たとえば、リニ
アモータ等の超伝導電磁石の冷却やＭＲＩ等の磁気シー
ルドの冷却、電波望遠鏡等の素子冷却等にも極低温冷却
器を用いることが可能となる。
従来のＥｒ3 Ｎｉを使用した冷凍機を置き換えることが
できると共に、従来の冷凍機では冷凍能力が不足し、液
体ヘリウムによって冷却せざるを得なかった装置や設備
にも冷凍機を用いることが可能となる。たとえば、リニ
アモータ等の超伝導電磁石の冷却やＭＲＩ等の磁気シー
ルドの冷却、電波望遠鏡等の素子冷却等にも極低温冷却
器を用いることが可能となる。
【００３９】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。
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。
【００４０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
極低温領域、特に４．２Ｋ付近の冷凍能力を向上した蓄
冷器を用いた極低温冷凍機を提供することができる。
極低温領域、特に４．２Ｋ付近の冷凍能力を向上した蓄
冷器を用いた極低温冷凍機を提供することができる。
【図１】本発明の実施例による２段式ＧＭ冷凍機の構成
を示す断面図である。
を示す断面図である。
【図２】図１に示すＧＭ冷凍機に用いた第３、第４低温
蓄冷材の比熱特性を示すグラフである。
蓄冷材の比熱特性を示すグラフである。
【図３】図１に示すＧＭ冷凍機に用いた第２低温蓄冷材
の比熱特性を示すグラフである。
の比熱特性を示すグラフである。
【図４】図１に示すＧＭ冷凍機に用いた最低温蓄冷材の
比熱特性を示すグラフである。
比熱特性を示すグラフである。
１１ シリンダ １２ ピストン １４ １段目蓄冷器 １６ ２段目蓄冷器 １８ １段目膨張スペース １９ ２段目膨張スペース ２１ シール ２３ 容器 ２４、２５ 開口 ２６ ガス流路 ３１ 金網 ３２、３４、３６、３８、４０ フェルト ３３、３５、３７、３９ 蓄冷材 ４１ パンチングメタル
フロントページの続き (72)発明者 龍 毅 中華人民共和国北京市海淀区学院路30 北京科学技術大学７棟201号 (72)発明者 大西 淳 神奈川県平塚市夕陽ケ丘63番30号 住友 重機械工業株式会社 総合技術研究所内 (56)参考文献 特開 平１−310269（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−222356（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−201205（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F25B 9/00
Claims (4)
- 【請求項１】 一般式 （Ｒ1-x Ａx ）y （ＮｉＧｅ）
1-z Ｍ2z （ただし、ＲはＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、
Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌ
ｕよりなる群から選ばれた１種の元素、ＡはＲ以外の希
土類元素、Ｍは非磁性の金属元素、０≦ｘ≦０．５、
０．０５≦ｙ≦２０、０＜ｚ≦０．３）で表記される１
種または異なる組成の２種以上の磁性金属間化合物から
なる蓄冷材を含む極低温冷凍機用蓄冷器。 - 【請求項２】 さらに、少なくとも１つの他の蓄冷材を
含み、 前記蓄冷材及び前記他の蓄冷材が層状に積層されている
請求項１記載の極低温冷凍機用蓄冷器。 - 【請求項３】 円柱状内部空間を有するシリンダと、 前記シリンダ内に、軸方向に摺動可能に配置され、前記
シリンダの一端に膨張空間を画定するディスプレーサ
と、 前記膨張空間に作動ガスを供給、または前記膨張空間か
ら作動ガスを排気するためのガス流路と、 前記ガス流路内の少なくとも一部に配置され、一般式 （Ｒ1-x Ａx ）y （ＮｉＧｅ）1-z Ｍ2z （ただし、ＲはＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、
Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌ
ｕよりなる群から選ばれた１種の元素、ＡはＲ以外の希
土類元素、Ｍは非磁性の金属元素、０≦ｘ≦０．５、
０．０５≦ｙ≦２０、０＜ｚ≦０．３）で表記される１
種または異なる組成の２種以上の磁性金属間化合物を含
む蓄冷材とを有する極低温冷凍機。 - 【請求項４】 さらに、前記ガス流路内の少なくとも一
部に配置された他の蓄冷材を含み、 前記蓄冷材と前記他の蓄冷材が層状に積層されている請
求項３記載の極低温冷凍機。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6217560A JP2845761B2 (ja) | 1994-09-12 | 1994-09-12 | 極低温冷凍機用蓄冷器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6217560A JP2845761B2 (ja) | 1994-09-12 | 1994-09-12 | 極低温冷凍機用蓄冷器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0882450A JPH0882450A (ja) | 1996-03-26 |
| JP2845761B2 true JP2845761B2 (ja) | 1999-01-13 |
Family
ID=16706176
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6217560A Expired - Fee Related JP2845761B2 (ja) | 1994-09-12 | 1994-09-12 | 極低温冷凍機用蓄冷器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2845761B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6257394B2 (ja) * | 2014-03-18 | 2018-01-10 | 住友重機械工業株式会社 | 蓄冷器式冷凍機 |
| CN108413639B (zh) * | 2018-04-08 | 2023-10-13 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种以制冷机为冷源的复合温度波动抑制结构 |
-
1994
- 1994-09-12 JP JP6217560A patent/JP2845761B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0882450A (ja) | 1996-03-26 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19981013 |
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