JP2980461B2

JP2980461B2 - 極低温冷凍機

Info

Publication number: JP2980461B2
Application number: JP4249696A
Authority: JP
Inventors: 透栗山; 政彦高橋; 秀樹中込
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-09-18
Filing date: 1992-09-18
Publication date: 1999-11-22
Anticipated expiration: 2014-11-22
Also published as: JPH06101923A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、蓄冷材を内臓する極低
温冷凍機に係り、特にシリンダと蓄冷器を有するディス
プレーサとで形成された膨張室を備え、シリンダのヘッ
ド壁またはヘッド壁近傍の周壁を介して吸熱するように
した寒冷発生ユニットを１段または複数段接続してなる
極低温冷凍機に関する。

【０００２】

【従来の技術】極低温の冷凍機には種々のタイプがあ
る。これらの中にギフォード・マクマホン冷凍機（以
下、ＧＭ冷凍機と略称する。）で代表される蓄冷式の極
低温冷凍機がある。ＧＭ冷凍機は、シリンダと、このシ
リンダ内に往復動自在に配置されてシリンダとで膨張室
を構成するとともに内部に蓄冷器を有するディスプレー
サと、このディスプレーサとシリンダとの間に設けられ
たシール装置と、を備えてなる寒冷発生ユニットを有す
る。通常、このような寒冷発生ユニットは、１段設ける
か、または複数段が接続されている。寒冷発生ユニット
においては、ディスプレーサの往復動に関連させて高圧
のヘリウムガスを蓄冷器に通して冷却した後に膨張室に
導いて膨張させ、この膨張によって冷えたヘリウムガス
を蓄冷器に再び通して蓄冷する動作を繰り返すとともに
シリンダのヘッド壁またはヘッド壁近傍の周壁を介して
吸熱するようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
極低温冷凍機は、寒冷発生ユニットの構造全体に対する
十分な配慮がなされていないため、理想冷凍能力から全
冷凍損失を差し引いた実冷凍能力がまだ低い。このた
め、幅広い分野で実用化されるまでには至らず、用途が
狭い範囲のみに制限されている。

【０００４】また、従来の極低温冷凍機では、シリンダ
壁を介して蓄冷器に侵入する熱量を抑制するために、ス
テンレス鋼などの熱伝導率の低い金属材料を用いてシリ
ンダを形成している。さらに、シリンダの壁で吸熱に供
される部分の外周に銅などで形成された吸熱ステージを
ハンダ付けし、この吸熱ステージを介して吸熱するよう
にしている。このため、シリンダ内壁と吸熱ステージ外
周壁との間の熱抵抗が大きく、この熱抵抗によって両者
間に大きな温度差が生じ、これも実冷凍能力を低下させ
る一因となっている。本発明は、上記の事情に鑑みてな
されたものであって、実冷凍能力を大幅に向上すること
ができる極低温冷凍機を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段及び作用】発明者らは、冷
凍機の実冷凍能力を増大させるため、研究を重ねた結
果、次の知見を得た。

【０００６】ディスプレーサとシリンダとの相互間隙に
は少量のガスが存在する。極低温域で運転を続けると、
この少量のガスが対流し、間隙のなかで動き回り、高温
側から低温側に熱が侵入する。この結果、全冷凍損失を
増大させる冷凍損失が生じ、実冷凍能力が不足する。

【０００７】

【０００８】

【０００９】第１の極低温冷凍機では、ディスプレーサ
の外周に繊維体を巻き付け、ディスプレーサとシリンダ
との相互間隙に繊維体を存在させている。繊維体により
間隙内ガスの対流が阻止され、高温側から低温側へのヘ
リウムガスの流入が抑制される。

【００１０】また、第２の極低温冷凍機では、ディスプ
レーサ高温側に配置されたシール装置のディスプレーサ
側の部分を銅・銅合金・アルミニウム・アルミニウム合
金の中から選ばれた一種又は二種で形成している。この
ため、摺動によりシール部分が発熱した場合に、シール
部分から熱が速やかに取り除かれる。

【００１１】また、第３の極低温冷凍機では、シール装
置及びシリンダに工夫が施されている。すなわち、シー
ル装置のシリンダ側しゅう動部分をセラミックで形成
し、セラミック部の外側を銅・銅合金・アルミニウム・
アルミニウム合金の中から選ばれた一種又は二種で形成
している。このため、シール装置の摺動部分における摩
耗が減少し、シール性能が向上すると共に、シール部分
から熱が速やかに取り除かれる。

【００１２】第４の極低温冷凍機では、ディスプレーサ
を構成する蓄冷器の外筒をステンレス鋼・チタン・チタ
ン合金の中から選ばれた一種又は二種以上の金属で形成
している。このため、蓄冷器内の温度分布をシリンダと
ディスプレーサの相互間隙に存在するヘリウムガスに伝
えることが可能となり、対流によって高温側から低温側
へのガスの流入が抑制される。

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【実施例】以下、添付の図面を参照しながら種々の実施
例について説明する。図１に本発明の一実施例に係る蓄
冷式の極低温冷凍機、ここには寒冷発生ユニットを２段
直列に接続したＧＭ冷凍機を示す。

【００１６】このＧＭ冷凍機は、大きく別けて、コール
ドヘッド１と、このコールドヘッド１へ冷媒ガスを導入
したり、コールドヘッド１から冷媒ガスを排出したりす
る冷媒ガス導排出系２とで構成されている。

【００１７】コールドヘッド１は、第１の寒冷発生ユニ
ット１１と、第２の寒冷発生ユニット１２と、駆動モー
タ１３とで構成されている。第２の寒冷発生ユニット１
２は、第１の寒冷発生ユニット１１に直列に接続されて
いる。また、モータ１３の駆動軸は、第１および第２の
寒冷発生ユニット１１，１２の可動部を共通に往復動さ
せ得るように、スコッチヨーク３８及び連結ロッド３７
を介して第１ディスプレーサ２３に連結されている。

【００１８】第１の寒冷発生ユニット１１は、シリンダ
２１及び第１ディスプレーサ２３を有する。シリンダ２
１は、薄いステンレス鋼などで形成されている。第１デ
ィスプレーサ２３は、シリンダ２１内に往復動自在に収
容されてシリンダ２１とで膨張室２２を構成している。
シール装置２４が、第１ディスプレーサ２３及びシリン
ダ２１の相互間に設けられている。シール装置２４は、
Ｏリングと押圧リングとを組み合わせてなり、相互間隙
を通ってヘリウムガスがバイパスリークしないようにす
るためのものである。

【００１９】ディスプレーサ２３は、フェノール樹脂な
どの断熱材で形成されたピストン２５と、このピストン
２５を軸方向に貫通する流体通路によって構成された蓄
冷器２６と、この蓄冷器２６内に充填された銅メッシュ
等からなる蓄冷材２７とで構成されている。

【００２０】一方、第２の寒冷発生ユニット１２は、シ
リンダ２９、第２ディスプレーサ３２、上シール装置３
３ａ、並びに下シール装置３３ｂを備えている。シリン
ダ２９は、第１の寒冷発生ユニット１１のシリンダ２１
よりも小径であり、シリンダ２１のヘッド壁２８を介し
てシリンダ２１に同軸的に接続されている。第２ディス
プレーサ３２は、第１ディスプレーサ２３の下端部に連
結機構３０を介して連結され、シリンダ２９内に往復動
自在に収容されてシリンダ２９とで膨張室３１を構成し
ている。上シール装置３３ａおよび下シール装置３３ｂ
のそれぞれは、Ｏリングと押圧リングとを組み合わせて
なる。各シール装置３３ａ，３３ｂのＯリングは第２デ
ィスプレーサ３２の外周溝の底面にそれぞれ当接し、各
押圧リングはシリンダ２９の内周面にそれぞれ当接して
いる。なお、押圧リングは、Ｏリングを第２ディスプレ
ーサ３２に押し付ける役割を有する。

【００２１】第２ディスプレーサ３２は、銅製の上部材
５１および樹脂製の下部材３４を連結してなる。上部材
５１のなかにはガス通路５０が形成されている。このガ
ス通路５０は、下部材としてのピストン３４内の蓄冷器
３５に連通している。ピストン３４は、フェノール樹脂
などの断熱材で形成されている。蓄冷器３５は、ピスト
ン３４を軸方向に貫通する流体通路であって、このなか
に多数の塊状・粒状の蓄冷材３６が充填されている。蓄
冷材３６は、鉛球または組成がＥｒ₃Ｎｉなどの磁性体
の球体やブロック等である。

【００２２】なお、第１ディスプレーサ２３の上端は、
連結ロッド３７、スコッチヨークあるいはクランク軸３
８を介してモータ１３の回転軸に連結されている。した
がって、モータ１３が回転すると、この回転に同期して
第１ディスプレーサ２３及び第２ディスプレーサ３２が
一体に図中実線矢印３９で示す方向に往復動する。

【００２３】シリンダ２１の周壁で図中上部位置には冷
媒ガスの導入口４０と排出口４１とが設けられており、
これら導入口４０と排出口４１とは冷媒ガス導排出系２
に接続されている。

【００２４】冷媒ガス導排出系２は、シリンダ２１，２
９内を往復する経路でヘリウムガスを循環させる系を構
成するものである。排出口４１は、低圧弁４２、圧縮機
４３および高圧弁４４を介して導入口４０に接続されて
いる。すなわち、この冷媒ガス導排出系２は、低圧（約
５ａｔｍ）のヘリウムガスを圧縮機４３で高圧（約１８
ａｔｍ）に圧縮してシリンダ２１，２９内に送り込む。
そして、低圧弁４２，高圧弁４４はディスプレーサ２
３，３２の往復動との関連において後述する関係に開閉
制御される。

【００２５】このＧＭ冷凍機において寒冷を生じる部
分、つまり吸熱に供される部分は、第１の寒冷発生ユニ
ット１１におけるシリンダ２１のヘッド壁４５およびそ
の近傍部分と、第２の寒冷発生ユニット１２におけるシ
リンダ２９のヘッド壁４６とである。

【００２６】ヘッド壁４５は第１の被冷却物４８に対し
て熱的に接続されている。一方、ヘッド壁４６は、第２
の被冷却物４９に対して熱的に接続されている。この場
合に目的に応じて、第２の寒冷発生ユニット１２のヘッ
ド壁４６のみを被冷却物に熱的に接続してもよい。

【００２７】ここで、第２の寒冷発生ユニット１２にお
ける上シール装置３３ａの構造について説明する。上シ
ール装置３３ａ用の溝は、ディスプレーサ３２の外周に
形成されている。ディスプレーサ３２はフェノール樹脂
などの断熱材で形成されている。しかしながら、本実施
例では上シール装置３３ａの溝部分を含むディスプレー
サの上部材５１（高温側）は銅で形成されているため、
シールによる発熱を第１の寒冷発生ユニット１１に伝え
ることが可能となり、発熱分の第２の寒冷発生ユニット
１１へ侵入を減らしている。

【００２８】また、上シール装置３３ａのシリンダ側の
摺動面５２はセラミックであるので、表面の仕上げ精度
を高めることによりシール部材の摩耗が低減される。さ
らに、セラミックは一般的に熱伝達係数の小さい材料で
あるからセラミック部分を極力薄くしてその外側に銅の
シリンダ５３をかぶせている。この銅シリンダは５３は
第１の寒冷発生ユニット１１の吸熱部であるヘッド壁２
８を同時に構成する。上シール装置３３ａの摺動部で生
じた摩擦熱は、ヘッド壁２８を介して第１の寒冷発生ユ
ニット１１へ伝わるようになっている。次に、第２の寒
冷発生ユニット１２についてさらに詳しく説明する。

【００２９】蓄冷材３６にＥｒ₃Ｎｉなどの磁性体を用
いると、液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）での冷凍が可能
となる。しかしながら、この温度領域では膨張室３１に
おける温度振幅が寒冷の理想発生量を大幅に減少させる
傾向にある。これは、液体ヘリウム温度付近におけるヘ
リウムガスの非理想性と温度振幅が生じることにより等
温膨張が行われないことに起因している。

【００３０】本実施例では、第２ディスプレーサ３２の
低温端部に高熱容量容器５５を設け、さらにヘッド壁４
６を容器化している。高熱容量容器５５には磁性蓄冷材
Ｅｒ₃Ｎｉが充填されている。また、ヘッド壁４６の部
分５６にも磁性蓄冷材Ｅｒ₃Ｎｉが充填されている。

【００３１】ちなみに、従来の冷凍機においては、符号
５５の部分はフェノール樹脂でつくられ、符号５６の部
分は銅でつくられている。一方、本実施例の冷凍機で
は、符号５５，５６の部分にＥｒ₃Ｎｉを用いているの
で、従来の冷凍機に比べて熱容量が１００倍以上とな
る。このため、膨張室３１での温度振幅を減少させるこ
とが可能となる。

【００３２】図２は、横軸に時間をとり、縦軸に温度を
とって、本実施例と従来とを比較するために、第２の寒
冷発生ユニット１２における温度の変動（温度振幅）に
ついてそれぞれ調べた結果を示すグラフ図である。図
中、曲線Ｐは本実施例の結果を、曲線Ｑは従来の結果を
示す。図から明らかなように、本実施例の冷凍機によれ
ば温度振幅が従来のそれの約半分になった。この結果、
従来の約１．９倍もの寒冷発生量を得ることができた。

【００３３】なお、本実施例では示していないが、Ｅｒ
₃Ｎｉ以外の蓄冷材、液体ヘリウム温度付近で比熱の高
い磁性蓄冷材を採用してもよいし、あるいは常温で予め
高圧のヘリウムガスを封入してもよい。

【００３４】本実施例では極低温冷凍機を鉛直下向きに
配置し、高温部が上方に位置し、低温部が下方に位置し
ている。しかしながら、極低温冷凍機が使用される姿勢
は常にこの姿勢とは限らない。冷凍機を鉛直軸に対して
傾けて取り付ける場合もあり得る。

【００３５】図３は、横軸に冷凍機の傾き角θをとり、
縦軸に４．２Ｋにおける冷凍能力をとって、従来の冷凍
機における両者の関係について調べた結果を示すグラフ
図である。いま、従来の極低温冷凍機を鉛直下向きから
角度θだけ傾けたとすると、図から明らかなように、傾
き角θが大きくなるに従って冷凍能力は急激に低下す
る。とくに、傾き角θが６０度を越えると、冷凍能力の
低下が著しい。ちなみに、磁性蓄冷材を用いない冷凍機
を１０Ｋ程度の温度で使用する場合には、このような冷
凍能力の低下現象は観察されない。

【００３６】そこで、発明者らは、４．２Ｋの温度域で
用いる場合に冷凍機を傾けると、なぜ冷凍能力が低下す
るのか、その原因究明のために解析と実験を繰り返し行
った。その結果、ヘリウムガスがディスプレーサ３２と
シリンダ２９との相互間隙のなかで移動し、冷凍損失を
生じていることが判明した。このようなガスの移動は、
対流と重力の組み合わせに起因して起こる。すなわち、
冷凍機を傾けると、重力の影響により高温側のヘリウム
ガスがより下方に移動し、さらにガスの対流が活発にな
るので、高温側のヘリウムガスが低温側の膨張室３１の
なかに流れ込みやすくなる。このような現象は、冷媒で
あるヘリウムの密度が大きく変わる液化温度付近で特に
顕著に起きることがわかった。

【００３７】図４は、横軸に温度をとり、縦軸にヘリウ
ムの密度をとって、ヘリウム密度の温度依存性について
調べた結果を示すグラフ図である。図中、実線は２０気
圧の条件で測定した結果を、破線は８気圧の条件で測定
した結果を示す。図から明らかなように、温度の低下と
ともにヘリウム密度が急激に増大する。

【００３８】本実施例の冷凍機では、低温側にも下シー
ル装置３３ｂを設けているので、冷凍機を傾けた場合で
あっても、下シール装置３３ｂにより高温のヘリウムガ
スが遮断され、膨張室３１のなかに流入しない。このた
め、冷凍機の設置姿勢による影響をなくすことが可能と
なった。

【００３９】図５に示すように、ディスプレーサ３２の
外壁に複数のテフロン樹脂製のライナー６０を設けても
よい。これらライナー６０によりディスプレーサ３２と
シリンダ２９の相互間隙に存在するヘリウムガスの移動
を防ぐことができる。

【００４０】また、図６に示すように、フェルトなどの
繊維状の材料６１をディスプレーサ３２に巻き付けても
よい。繊維状の材料６１により相互間隙内でのガスの移
動を阻止することができる。

【００４１】さらに、図７に示すように、通常はフェノ
ール樹脂などの断熱材によって形成されている蓄冷器３
５の周壁をステンレス鋼製の円筒６２で構成してもよ
い。なぜならば、蓄冷器３５の内部の温度分布は冷凍機
の傾きの影響を受けないので、蓄冷器３５内の温度分布
と同様の温度分布を相互間隙のヘリウムガスに形成する
ことが有効だからである。そのためには、フェノール樹
脂などの断熱材よりもステンレス鋼を用いることが効果
的である。また、ステンレス鋼の代わりに金属チタンや
チタン合金を用いてもよい。

【００４２】なお、上記の方法を採用したとしても、冷
凍機の姿勢の影響はある程度は避けられない。そこで、
使用の最中に極低温冷凍機が置かれる姿勢が変化する
（例えばθ１〜θ２）場合に、予め極低温冷凍機の位置
は（θ１＋θ２）／２の位置にセットしておくと、傾き
の角度が±（θ１−θ２）／２になり、姿勢の影響を小
さくすることができる。この方法は、宇宙電波望遠鏡に
搭載され宇宙からの微弱な電波の観測に使用されるＳＩ
Ｓ受信機を構成する際に有効である。宇宙電波の観測の
場合、望遠鏡の角度は０度から７０度ぐらいまで変化
し、それにつれてＳＩＳ受信機及び極低温冷凍機の傾き
も変化するからである。

【００４３】第２の寒冷発生ユニット１２は高温側が約
３０Ｋ、低温側は４Ｋ程度まで冷却されている。そのよ
うな温度範囲で使用される蓄冷器３５の内部の温度振幅
を測定したところ、ある断面では８Ｋから２５Ｋ程度ま
で振幅していることがわかった。冷凍機の損失には互い
に温度勾配を持つディスプレーサ３２とシリンダ２９が
相対的に動くことによって生じるシャトル損失がある。
ここで蓄冷器３５内部の温度振幅が大きいとシャトル損
失の増大を招いてしまう。シャトル損失を増大させない
ためには蓄冷器３５内部の温度振幅をディスプレーサ３
２の表面に出さないことが必要である。そこで図８に示
したように蓄冷器３５の外壁に真空部分６３を設けるこ
とでシャトル損失が減少し冷凍能力の増加を生む。次
に、上記のように構成された冷凍機の動作を説明する。

【００４４】モータ１３が回転を開始すると、ディスプ
レーサ２３，３２が下死点と上死点との間を往復動す
る。ディスプレーサ２３，３２が下死点にあるとき、高
圧弁４４が開いて高圧ヘリウムガスがコールドヘッダ１
内に流入する。次に、ディスプレーサ２３，３２が上死
点へと移動する。前述の如く、ディスプレーサ２３の外
周面とシリンダ２１の内周面との間およびディスプレー
サ３２の外周面とシリンダ２９の内周面との間にはそれ
ぞれシール装置２４，３３ａ，３３ｂが装着されてい
る。このため、ディスプレーサ２３，３２が上死点へと
向かうと、高圧ヘリウムガスはディスプレーサ２３に形
成された蓄冷室２６およびディスプレーサ３２に形成さ
れた蓄冷室３５を通って、膨張室２２および膨張室３１
へと流れる。この流れに伴って、高圧ヘリウムガスは蓄
冷材２７，３６に接触して冷却される。最終的には、膨
張室２２に流れ込んだ高圧ヘリウムガスは３０Ｋレベル
に、また膨張室３１に流れ込んだ高圧ヘリウムガスは４
Ｋレベルに冷却される。

【００４５】ここで、高圧弁４４が閉じ、低圧弁４２が
開く。このように低圧弁４２が開くと、膨張室２２内お
よび膨張室３１内の高圧ヘリウムガスが膨張して寒冷を
発生し、シリンダ２１の部分４５およびシリンダ２９の
部分５１において吸熱が行われる。そして、ディスプレ
ーサ２３，３２が再び下死点へ移動すると、これに伴っ
て膨張室２２内および膨張室３１内のヘリウムガスが排
除される。膨張したヘリウムガスは蓄冷室２６，３５内
を通る間に蓄冷材２７，３６を冷却し、常温となって排
出される。以下、上述したサイクルが繰返されて冷凍運
転が行なわれる。

【００４６】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。すなわち、上述した実施例は本発明を
ＧＭ冷凍機に適用した例であるが、本発明は往復動する
ディスプレーサと蓄冷器を備えた蓄冷式の冷凍機全般に
適用できる。

【００４７】図９は、図１に示した冷凍機を組み込んだ
超電導マグネット冷却装置を示す概要図である。従来、
超電導マグネットは液体ヘリウムを用いて冷却しなけれ
ばならなかったが、蓄冷材にＥｒ₃Ｎｉを使用すること
で液体ヘリウム温度の冷凍が可能となり、本発明によっ
て冷凍能力の向上が図られたため、極低温冷凍機のみで
超電導マグネットを冷却・運転することが可能となっ
た。

【００４８】同図において、符号１はＧＭ冷凍機のコー
ルドヘッドを示し、符号１１は第１の寒冷発生ユニット
を示し、符号１２は第２の寒冷発生ユニットを示してい
る。これらは真空容器７０内に配置されており、第２の
寒冷発生ユニット１２には超電導マグネット７１が熱的
に接触している。常温部と第１の冷却ユニット１１は銅
で構成された電流リード７２で接続されており、第１の
冷却ユニット１１第２の冷却ユニット１２の間は酸化物
超電導体７３で構成された電流リードが接続されてい
る。両者はそれぞれ第１の冷却ユニット１１及び第２の
冷却ユニット１２において熱的に接続されており７４・
７５、電気的に絶縁されている。電気的な絶縁体には熱
伝導率の高い窒化アルミニウム７６を使用している。

【００４９】このように構成された超電導マグネット冷
却装置で最大５テスラの磁場を作ることに成功した。ま
た、液体ヘリウムを使用した冷却装置に比べ、大幅な小
型化を可能とし、液体ヘリウム注入などの煩雑な作業を
一切なくすことが可能となった。次に、図１０〜図１６
を参照しながら他の実施例について説明する。

【００５０】図１０に示すように、ディスプレーサ３２
の蓄冷室のなかに２個のペレット状蓄冷材８０を設けて
いる。ペレット状蓄冷材８０は蓄冷室の両端部にそれぞ
れ配置され、この相互間に塊状Ｅｒ₃Ｎｉの磁性蓄冷材
３６が充填されている。ペレット状蓄冷材８０はＥｒ₃
Ｎｉの粒同士を部分的に焼結結合させたものであり、円
柱ブロックとして一体に固められたものであって、Ｅｒ
₃Ｎｉの粒が互いに離れないようになっている。

【００５１】このようにすると、ディスプレーサ３２の
蓄冷室に充填される蓄冷材の総量を従来よりも増加させ
ることができる。ちなみに、従来の冷凍機はフェルトや
メッシュを詰め込む分だけ蓄冷材の充填量が少ないもの
であった。

【００５２】図１１に示すように、ディスプレーサ３２
の蓄冷室のなかをペレット状蓄冷材８０ですべて満たし
てもよい。各ペレット状蓄冷材８０の相互間には仕切り
８２が設けられ、互いが断熱されている。仕切り８２
は、ベークライト板、ＦＲＰ板、フェルト、ステンレス
鋼メッシュなどの断熱材料でつくることが好ましい。な
お、仕切り８２には複数のガス通気孔が形成されてい
る。このようにすると、従来よりも高温端から低温端に
向かっての熱侵入が有効に阻止され、実冷凍能力が向上
する。

【００５３】図１２に示すように、ディスプレーサ３２
の蓄冷室のなかをペレット状蓄冷材８０で満たす場合
に、高温端から低温端に向かってペレットの厚さを順に
厚くしていってもよい。

【００５４】通常、蓄冷材で用いられる物質は、温度が
低くなるほど熱伝導率が小さくなる。このため、図１１
に示すように厚さが等しいペレットを配列すると、断熱
効果が不均等になる。しかし、図１２に示すように、熱
伝導率の大きい高温端側に薄いペレット状蓄冷材８０を
配置し、熱伝導率の小さい低温端側に厚いペレット状蓄
冷材８０を配置すると、断熱効果が均等になる。このた
め、従来よりも高温端から低温端に向かっての熱侵入が
有効に阻止され、実冷凍能力が向上する。

【００５５】図１３に示すように、ディスプレーサ３２
の蓄冷室のなかに二種類のペレット状蓄冷材８０ａ，８
０ｂを配列してもよい。第１のペレット状蓄冷材８０ａ
は、Ｅｒ₃Ｎｉの粒やＥｒ_0.9Ｙｂ_0.1Ｎｉの粒を焼結
結合して得たものである。また、第２のペレット状蓄冷
材８０ｂは、Ｐｂの粒やＥｒ₃Ｎｉの粒を焼結結合して
得たものである。このようにすると、異なる蓄冷材が互
いに混じり合うことがないので、冷凍能力の信頼性が向
上する。また、仕切りが不要になる。図１４乃至図１６
のそれぞれは、ディスプレーサの構成壁３２ａとペレッ
ト状蓄冷材８０との相互間隙に種々のものを充填した例
を示す部分拡大図である。

【００５６】図１４に示すように、相互間隙にフェルト
などの繊維体８４を充填してもよい。このようにする
と、ヘリウムガスが相互間隙で動き回らなくなり、実冷
凍能力が向上する。

【００５７】図１５に示すように、相互間隙にＥｒ₃Ｎ
ｉの粒などの磁性蓄冷材３６を充填してもよい。このよ
うにすると、ヘリウムガスが相互間隙で動き回らなくな
り、さらに実冷凍能力が向上する。

【００５８】図１６に示すように、相互間隙ｄが２００
μｍ以下になるように、仕上げ加工してもよい。このよ
うにすると、ヘリウムガスが相互間隙で動き回らなくな
り、さらに実冷凍能力が向上する。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
冷凍機の設置姿勢が傾いたとしても、冷凍損失を実質的
に損なうことなく、使用することができる。このため、
実冷凍能力を高めることができ、冷凍機の用途を大幅に
拡大できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るＧＭ冷凍機の要部縦断面
図。

【図２】膨張室における温度振幅の様子を本発明と従来
例とを比較した図。

【図３】従来のＧＭ冷凍機において、ＧＭ冷凍機を鉛直
下向きから角度θ傾けた際の４．２Ｋにおける冷凍能力
と角度θの関係を示す図。

【図４】ヘリウムガスの比熱の温度依存性を示す図。

【図５】本発明の実施例に係るディスプレーサの縦断面
図。

【図６】本発明の実施例に係るディスプレーサの縦断面
図。

【図７】本発明の実施例に係るディスプレーサの縦断面
図。

【図８】本発明の実施例に係るディスプレーサの縦断面
図。

【図９】本発明の実施例に係るＧＭ冷凍機を組み込んだ
超電導マグネット冷却装置の概略構成図。

【図１０】本発明の実施例に係るディスプレーサの縦断
面図。

【図１１】本発明の実施例に係るディスプレーサの縦断
面図。

【図１２】本発明の実施例に係るディスプレーサの縦断
面図。

【図１３】本発明の実施例に係るディスプレーサの縦断
面図。

【図１４】本発明の実施例に係るディスプレーサの蓄冷
室の一部を示す部分断面図。

【図１５】本発明の実施例に係るディスプレーサの蓄冷
室の一部を示す部分断面図。

【図１６】本発明の実施例に係るディスプレーサの蓄冷
室の一部を示す部分断面図。

【符号の説明】

１…コールドヘッド２…冷媒ガス導排出系１１…第１の寒冷発生ユニット１２…第２の寒冷発生ユニット２１，２９…シリンダ２２，３１…膨張室２３，３２…ディスプレーサ２４，３３ａ，３３ｂ…シール装置２５，３４…ピストン２６，３５…蓄冷室２７，３６…蓄冷材４５，４６…吸熱に供される部分４８，４９…被冷却物５２…シリンダしゅう動面５３…銅シリンダ５６…Ｅｒ₃Ｎｉ６０…ライナー６１…フェルト６２…ステンレス外筒６３…真空槽７０…真空容器７１…超電導マグネット７２，７３…電流リード７４，７５…熱アンカー部７６…窒化アルミニウム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭64−49858（ＪＰ，Ａ) 特開平３−7856（ＪＰ，Ａ) 特開平２−298765（ＪＰ，Ａ) 実開平２−16954（ＪＰ，Ｕ) 実開平２−134460（ＪＰ，Ｕ) 実開昭62−115060（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F25B 9/14 510 F25B 9/14 530

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダと、このシリンダ内に往復動自
在に配置されて前記シリンダとで膨張室を構成するとと
もに内部に蓄冷器を有するディスプレーサと、このディ
スプレーサと前記シリンダとの間に設けられたシール装
置と、を備えてなる寒冷発生ユニットを少なくとも１段
備え、前記ディスプレーサの往復動に関連させて高圧ガ
スを前記蓄冷器に通して冷却した後に前記膨張室に導い
て膨張させ、この膨張によって冷えたガスを上記蓄冷器
に再び通して蓄冷する動作を繰り返すとともに前記シリ
ンダのヘッド壁またはヘッド壁近傍の周壁を介して吸熱
するようにした極低温冷凍機において、繊維体が、前記ディスプレーサと前記シリンダとの相互
間隙に充填されていることを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項２】シリンダと、このシリンダ内に往復動自
在に配置されて前記シリンダとで膨張室を構成するとと
もに内部に蓄冷器を有するディスプレーサと、このディ
スプレーサと前記シリンダとの間に設けられたシール装
置と、を備えてなる寒冷発生ユニットを少なくとも１段
備え、前記ディスプレーサの往復動に関連させて高圧ガ
スを前記蓄冷器に通して冷却した後に前記膨張室に導い
て膨張させ、この膨張によって冷えたガスを上記蓄冷器
に再び通して蓄冷する動作を繰り返すとともに前記シリ
ンダのヘッド壁またはヘッド壁近傍の周壁を介して吸熱
するようにした極低温冷凍機において、前記ディスプレーサの内少なくとも前記シール装置の高
温側シール装置が設けられる部分が銅・銅合金・アルミ
ニウム・アルミニウム合金の中から選ばれた一種又は二
種以上の金属で形成されていることを特徴とする極低温
冷凍機。
【請求項３】シリンダと、このシリンダ内に往復動自
在に配置されて前記シリンダとで膨張室を構成するとと
もに内部に蓄冷器を有するディスプレーサと、このディ
スプレーサと前記シリンダとの間に設けられたシール装
置と、を備えてなる寒冷発生ユニットを少なくとも１段
備え、前記ディスプレーサの往復動に関連させて高圧ガ
スを前記蓄冷器に通して冷却した後に前記膨張室に導い
て膨張させ、この膨張によって冷えたガスを上記蓄冷器
に再び通して蓄冷する動作を繰り返すとともに前記シリ
ンダのヘッド壁またはヘッド壁近傍の周壁を介して吸熱
するようにした極低温冷凍機において、前記シリンダの内少なくとも前記シール装置の高温側シ
ール装置が摺動する部分がセラミック製の摺動部材から
なり、かつこの摺動部材の外側に設けられ銅・銅合金・
アルミニウム・アルミニウム合金の中から選ばれた一種
又は二種以上の金属で形成されていることを特徴とする
極低温冷凍機。
【請求項４】シリンダと、このシリンダ内に往復動自
在に配置されて前記シリンダとで膨張室を構成するとと
もに内部に蓄冷器を有するディスプレーサと、このディ
スプレーサと前記シリンダとの間に設けられたシール装
置と、を備えてなる寒冷発生ユニットを少なくとも１段
備え、前記ディスプレーサの往復動に関連させて高圧ガ
スを前記蓄冷器に通して冷却した後に前記膨張室に導い
て膨張させ、この膨張によって冷えたガスを上記蓄冷器
に再び通して蓄冷する動作を繰り返すとともに前記シリ
ンダのヘッド壁またはヘッド壁近傍の周壁を介して吸熱
するようにした極低温冷凍機において、前記ディスプレーサの蓄冷器の外筒が、ステンレス鋼・
チタン・チタン合金の中から選ばれた一種又は二種以上
の金属で形成されていることを特徴とする極低温冷凍
機。