JP4104004B2 - 蓄冷型極低温冷凍機 - Google Patents

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Description

【技術分野】
【0001】
本発明は、蓄冷型極低温冷凍機に係り、特に、GM(ギフォード・マクマフォン)サイクル冷凍機、スターリングサイクル冷凍機、パルス管冷凍機、ビルミエサイクル冷凍機、ソルベーサイクル冷凍機、エリクソンサイクル冷凍機、又は、これを予冷段に使った冷凍システム等に用いるのに好適な、新規な蓄冷材を用いて冷凍能力を向上させた蓄冷型極低温冷凍機、及び、これを用いた冷凍システム、寒剤生成装置、再凝縮装置、超電導磁石装置、超電導素子冷却装置、低温パネル、低温熱シールド、宇宙分野冷却装置に関する。
【0002】
従来の蓄冷型極低温冷凍機では、最終冷却段(最低温段)蓄冷器にEr3NiやHoCu2等、金属系の磁性蓄冷材を充填して、10K以下の温度での冷凍を実現している(特許文献1)。
【0003】
しかしながら、これらの金属系磁性蓄冷材は、図1にHoCu2の例を示す如く、4.2K〜7K付近の比熱が充分大きくないため、4.2K付近での冷凍能力が充分ではない。又、これらの金属系磁性蓄冷材は、製造コストが高く、安価ではない等の問題点を有していた。
【0004】
【特許文献1】
特開平5−71816号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、従来の金属系磁性蓄冷材に比べて、3〜10Kの冷凍性能を大きく改善可能な、新規な蓄冷材を用いた蓄冷型極低温冷凍機、及び、これを用いた冷凍システム等を提供することを課題とする。
【0006】
本発明は、蓄冷型極低温冷凍機において、蓄冷材として、一般式Rx2S又は(R1-yR´yx2S(R、R´は少なくとも一種類の希土類元素、0.1≦x≦9、0≦y≦1)で表わされる磁性材であって、更に、添加物として、ジルコニウムZr及び/又はアルミニウムAl及び / 又はアルミナ(Al 2 3 )を含む磁性材を少なくとも一種類を用いた蓄冷器を備えるようにしたものである。
【0009】
又、前記元素R及びR´を、イットリウムY、ランタンLa、セリウムCe、プラセオジムPr、ネオジムNd、プロメチウムPm、サマリウムSm、ユーロピウムEu、ガドリニウムGd、テルビウムTb、ジスプロシウムDy、ホルミウムHo、エルビウムEr、ツリウムTm、又は、イッテルビウムYbとしたものである。
【0010】
本発明に用いた磁性材の例(一般式Rx2S、RはY、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Ybから選択した少なくとも一種類の希土類元素、0.1≦x≦9)Gd22S、Tb22Sの体積当たりの比熱を図1に示す。比較するため、従来の磁性蓄冷材HoCu2、及び、特開2001−317824に
開示された磁性蓄冷材GdAlO3の比熱も示す。HoCu2に比べ、RxO2Sの比熱ピーク値は2〜3倍以上ある。GdAlO3に対しても、RxO2Sは比熱が大きいだけでなく、比熱のピーク位置が4〜10Kにあるので、3〜10Kで大きな冷凍能力を得るのに好適である。
【0011】
又、本発明に用いた磁性材の他の例(一般式(R1-yR´yx2S、R、R´は少なくとも一種類の希土類元素、0.1≦x≦9、0≦y≦1)(GdyTb1-y22S(y=0〜1)の体積当たりの比熱を図2に示す。(GdyTb1-y22Sの比熱は、ピーク位置が4〜10Kにあり、ピーク値が0.6J/cm3K以上である。これに対して、従来の磁性蓄冷材HoCu2の比熱ピーク値は0.4J/cm3K程度である。これら組成の材料であれば、どれも3〜10Kで大きな冷凍能力を得るのに好適である。
【0012】
本発明は、又、前記磁性材が、更にジルコニウムZrやアルミニウムAlまたはアルミナ(Al23)等の添加物を含むようにしたものである。
【0013】
本発明に用いた磁性材の機械強度を改善するのに、添加物を添加することが有効である。図3に示すとおり、Gd32SにAl又はZr(Gd22Sに対する重量比15%以下)を添加しても比熱の温度依存性を大きく変えることはなく、依然3〜10Kで大きな冷凍能力を得るのに好適である。一方、この場合AlとZrを添加することによって、Gd22Sの硬さを示すピッカーズ硬度は約400から約900まで改善され、冷凍機に使用される際に強い衝撃を受けても、剥離や粉化する可能性は著しく低減される。なお、アルミナ(Al23)を添加物として用いる場合、Gd22Sに対する重量比は20%以下が好適である。
【0014】
本発明は、又、少くとも一種類の前記磁性材を、他の磁性材と混合して用いるようにしたものである。
【0015】
又、少くとも二種類の前記磁性材を混合して用いるようにしたものである。
【0016】
又、少くとも一種類の前記磁性材を、好ましくは0.01〜3mmの大きさの顆粒状に加工して、蓄冷器に充填するようにしたものである。
【0017】
なお、前記の顆粒状に加工された磁性体が冷凍機に使用される際に衝撃を受けても、剥離や粉化が発生しないように、磁性体の表面を1μm〜50μmの薄膜で覆われるように加工して、蓄冷器に充填することが好ましい。薄膜は例えばアルミナ(Al23)やフッ素樹脂などの材料からできるだけ伝熱性の良いものを選び、例えばコーティングなどの方法で形成される。
【0018】
又、少くとも一種類の前記磁性材を、ブロック状、ペレット状、又は、板状に焼結、加工して、蓄冷器に充填するようにしたものである。
【0019】
又、前記各種磁性材を、蓄冷器に積層状に充填するようにしたものである。
【0020】
又、前記各種磁性材を、蓄冷器の最低温層に充填するようにしたものである。
【0021】
又、前記磁性材を、蓄冷器の最低温層より高温の層に用い、且つ、それより低温の層に、4K付近又はそれ以下に大きな比熱を持つ別な磁性材を用いるようにしたものである。
【0023】
又、前記磁性材を充填した前記蓄冷器を最低温冷却段に用いたことを特徴とする蓄冷型極低温冷凍機を提供するものである。
【0024】
又、前記磁性材を充填した前記蓄冷器を中間冷却段に用い、最終冷却段蓄冷器に、4K付近又はそれ以下に大きな比熱を持つ別な磁性材を用いるようにしたものである。
【0025】
又、前記磁性材を充填した前記蓄冷器を、並列型蓄冷型極低温冷凍機の低温側冷却段に用いるようにしたものである。
【0026】
本発明は、又、4He、3He、又は、3Heと4Heの混合ガスを作業流体とすることを特徴とする前記の蓄冷型極低温冷凍機を提供するものである。
【0027】
本発明は、又、前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いた予冷段と、少くとも一つの他の冷却手段とを備えたことを特徴とする、例えばジュール・トムソン冷凍機、3He−4He希釈冷凍機、断熱消磁冷凍システム、磁気冷凍機、吸着式冷凍システム等の冷凍システムを提供するものである。
【0028】
又、前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする、液体4He、液体3He、又は、これらの混合液、超流動4He、超流動3He等の寒剤生成装置や寒剤再凝縮装置を提供するものである。
【0029】
又、同じく前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする、MRI(磁気共鳴イメージ)装置、NMR装置、冷凍機伝導冷却超電導磁石、単結晶引き上げ装置、磁気分離装置、SMES装置、物性測定装置等の超電導磁石装置を提供するものである。
【0030】
又、同じく前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする、SQUID装置、SIS素子、X線回折装置、電子顕微鏡、電圧標準装置等の超電導素子冷却装置を提供するものである。
【0031】
又、同じく前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする、クライオポンプ、クライオパネル、サンプル冷却システム、物性測定装置、低温熱シールド、赤外線観測装置等の低温装置を提供するものである。
【0032】
又、同じく前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする、X線観測装置、赤外線観測装置、電波観測装置、宇宙線観測装置等の宇宙分野冷却装置を提供するものである。
【発明の効果】
【0033】
本発明では、4〜10K付近に大きな比熱を持つセラミック磁性材を蓄冷器の蓄冷材として用いる。従って、従来の金属系磁性蓄冷材に比べて、3〜10Kでの冷凍性能を大きく改善できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0034】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【0035】
本発明の第1実施形態は、図4(全体図)、図5(冷却部詳細図)、図6(2段蓄冷器断面図)に示す如く、本発明を、2段式GM冷凍機に用いたものである。
【0036】
図4において、圧縮機11からの高圧ガスは、高圧ガス配管12を経て2段式GM冷凍機1に供給され、低圧ガス配管13を経て圧縮機11の低圧口に回収される。図5に示す如く、1段シリンダ25と2段シリンダ35に、それぞれ収容された1段蓄冷器2と2段蓄冷器3は、図4に示す駆動モータ14によって駆動され、上下に往復運動する。
【0037】
蓄冷材24、34は、図5に示す如く、それぞれの蓄冷器外筒23、33の中に詰められ、本実施形態では、1段蓄冷材24は銅合金の金網とされている。
【0038】
2段蓄冷器3は、図6に示す如く、積層構造で、2段の低温側蓄冷材34bに顆粒状の(Gd0.05Tb0.9522Sが約20%の体積比率で充填され、高温側蓄冷材34aに顆粒状のPbやHoCu2などが約80%の体積比率で充填されている。図6において、38は蓄冷材仕切である。
【0039】
冷凍機1の冷却部は、図4に示す如く、真空容器16に収納され、2段冷却ステージ37は熱シールド17によって囲まれている。熱シールド17は、銅製の板状の筒で、1段冷却ステージ27によって約40Kまで冷やされる。2段冷却ステージ37には電気ヒータ18が取り付けられ、その電気入力によって冷凍能力が測定される。
【0040】
図4において、15は、高低圧ガス切換弁と駆動機構が収容されたハウジングであり、図5において、21は、1段蓄冷器2のガス通路、22は、同じくシール、26は、1段膨張空間、31は、2段蓄冷器3のガス通路、32は、同じくシール、36は、2段膨張空間である。
【0041】
図7に、本発明により、2段蓄冷器低温端の約20%の体積に(Gd0.05Tb0.9522Sを充填した場合と、従来の磁性蓄冷材HoCu2を充填した場合とを比較して示す。図から明らかなように、本発明により(Gd0.05Tb0.9522Sを充填した場合、冷凍能力が約15〜20%向上することが確認できた。
【0042】
次に、2段式パルス管冷凍機に適用した本発明の第2実施形態を図8(全体図)及び図9(2段蓄冷器断面図)に示す。
【0043】
図8において、圧縮機41からの高圧ガスは、高圧ガス配管42と高低圧ガス切換バルブユニット44と連結管45を経て2段式パルス管冷凍機4に供給され、低圧ガス配管43と同バルブユニット44を経て圧縮機41の低圧口に回収される。1段蓄冷器51と2段蓄冷器61は、図9に示す如く、それぞれ蓄冷器外管(ステンレス鋼管)56、66と、その内部に充填された蓄冷材57、67によって構成される。
【0044】
各段蓄冷器51、61の低温端は、各段冷却ステージ52、62に連結され、各段冷却ステージ52、62内部のガス流路58、68を介して、各段のパルス管53、63へ通じている。各パルス管53、63の高温端には、連結管55、65を介して、各段の位相調節部54、64が連結されている。
【0045】
各段の位相調節部54、64は、バッファタンクやオリフィス、又は周期的に開閉するバルブなどの組合せによって構成される。位相調節部54、64の働きは、高低圧ガス切換バルブユニット44によって実現されたパルス管53、63内部の圧力変化と、ガスの変位との位相を最適に調節し、十分な冷凍能力を得ることである。
【0046】
本実施形態では、1段蓄冷材57は銅合金の金網(メッシュNo.100〜400)とされている。
【0047】
2段蓄冷器61は3層の積層構造で、高温側蓄冷材67aに顆粒状の鉛(長短径0.1〜1mm)が約20%の体積比率で充填され、中間蓄冷材67bに顆粒状のHoCu2(長短径0.1〜0.7mm)が充填され、低温側蓄冷材67cに顆粒状のGd22S(長短径0.1〜0.7mm)が充填されている。図9において、69は蓄冷材仕切である。
【0048】
冷凍機4の冷却部は、図8に示す如く、真空容器46に収納され、2段冷却ステージ62は熱シールド47によって囲まれている。熱シールド47は銅製の板状の筒で、1段冷却ステージ52によって約40Kまで冷やされている。2段冷却ステージ62に電気ヒータ48が取り付けられ、その電気入力によって冷凍能力が測定される。図8において、49はハウジングである。
【0049】
図10に、2段蓄冷器61の低温側蓄冷材67cのGd22Sを0%〜約50%(体積比率)まで増やし、相応に中間蓄冷材67bのHoCu2を80%〜30%(体積比率)に減らした場合(高温側蓄冷材69aの鉛は体積比率20%に固定)の4.2Kにおける冷凍能力を示す。冷凍能力が約15%向上したことが確認できた。
【0050】
本実施形態において、各段の蓄冷材57、67は直接蓄冷器外管56、66に充填されているが、組立や分解作業をし易くするために、第1実施形態のように、蓄冷材を一旦蓄冷器外筒(樹脂やステンレス鋼など熱伝導率の低い材料によって構成される)に充填してから、カートリッジの形として蓄冷器外管56、66に挿入してもよい。
【0051】
次に、第2実施形態と同じく2段式パルス管冷凍機に適用した本発明の第3実施形態を詳細に説明する。
【0052】
本実施形態は、第2実施形態と同じ2段式パルス管冷凍機4を用いる。第2実施形態との相違点は、2段蓄冷器61の構成である。本実施形態の2段蓄冷器61はやはり3層構造であるが、高温層(67a)に顆粒状の鉛(体積比率50%、長短径0.1〜1mm)を充填し、中間層(67b)に本発明にかかる顆粒状の磁性材Tb22S(体積比率30%、長短径0.1〜0.7mm)を充填し、低温層(67c)に顆粒状のGdAlO3(体積比率20%、長短径0.1〜0.6mm)を充填する。
【0053】
GdAlO3の比熱のピークは4K以下にあるので、これによって2〜4Kでの冷凍能力を更に向上することができる。
【0054】
次に、3段式パルス管冷凍機に適用した本発明の第4実施形態を図11(冷凍機断面図)及び図12(各段蓄冷器断面図)に示す。
【0055】
本実施形態の3段式パルス管冷凍機5は第2実施形態のパルス管冷凍機4と本質的に同じで、相違点は2段蓄冷器61の先端に更に第3段の蓄冷器71を直列に接続し、該3段蓄冷器71の低温端を3段冷却ステージ72を介して3段パルス管73の低温端と連結したことである。3段蓄冷器71、3段冷却ステージ72、3段パルス管73、及び、連結管75で接続された3段位相調節部74の構造は、第2実施形態で述べた、1段及び2段のそれぞれと同じである。図12において、76は3段蓄冷器外管、77は3段蓄冷材、78は3段冷却部ステージ72内ガス流路、79は蓄冷材仕切である。
【0056】
本実施形態では、1段蓄冷材57はステンレス鋼の金網(メッシュNo.100〜400)とされている。
【0057】
2段蓄冷器61は2層構造で、高温側蓄冷材67aには顆粒状鉛を体積比率60%で充填し、低温側蓄冷材67cとしては本発明にかかるペレット状の磁性材(Gd0.1Tb0.922Sを体積比率40%で充填する。3段蓄冷器71には、4K以下に比熱ピークをもつGdAlO3(ペレット状)を体積比率100%で充填する。これによって、2〜4Kでの冷凍能力を更に向上することができた。
【0058】
なお、本実施形態においては、ペレット状の(Gd0.1Tb0.922SとGdAlO3を用いたが、焼結されたペレット状の材料では顆粒状の材料に比べ、寸法管理や蓄冷器の形状変化に対応しにくい反面、より高い充填率が実現できる利点がある。
【0059】
次に、並列型パルス管冷凍機に適用した本発明の第5実施形態を図13(冷凍機断面図)及び図14(低温段蓄冷器断面図)に示す。
【0060】
並列型パルス管冷凍機は、各々独立した複数の1段又は2段パルス管冷凍機を熱的に結合し、高温段と低温段を形成して、一つの多段式冷凍機の役割を果たすものである。本実施形態の並列型パルス管冷凍機6では、二つの独立した1段パルス管冷凍機を熱的に結合し、高温段冷却ステージ103と低温段冷却ステージ113を形成し、実質的に一つの2段式パルス管冷凍機の役割を果たしている。このような並列型冷凍機は、高温段と低温段とはガスの流れが独立しているため、片方の冷却ステージにおける温度や冷凍能力の変化が他方に影響しにくいため、より安定した冷却システムが得ることができる。
【0061】
本実施形態では、高温段冷却ステージ103が熱シールド86を冷やすと同時に、低温段蓄冷器111の中間も冷却している。これによって、低温段蓄冷器111の効率が高められ、結果的に低温段がより低い温度に到達することができる。又、本実施形態では、圧縮機81、82に、前記実施形態とは異なる、シリンダ(81a、82b)・ピストン(81b、82b)型の圧縮機を用いている。これによって、高低圧ガス切換バルブユニットを用いずに、パルス管102、112に直接高低圧力の振動を送り込むことができる。図13において、83、84は圧縮機連結管、85は真空容器、100、110はハウジング、101は高温段蓄冷器、104、114は位相調節部、105、115は連結管である。
【0062】
本実施形態の低温段蓄冷器111は、図14に示す如く、3層の積層構造とし、室温からの高温側蓄冷材117aには銅合金の金網(メッシュNo.100〜400、体積比率50%)を充填し、中間蓄冷材117bには顆粒状の鉛合金(体積比率30%、長短径0.1〜1mm)を充填し、低温側蓄冷材117cには顆粒状のTb22SとGd22Sとの混合材(混合比率60%:40%)(体積比率20%、長短径0.1〜0.7mm)を充填する。これによって低温段冷却ステージ113において4〜10Kの温度範囲で大きな冷凍能力を得ることができる。図14において、116は低温段蓄冷器外管、118は蓄冷材仕切、119は低温段冷却ステージ113内ガス流路である。
【0063】
なお、本実施形態では、高温段と低温段のパルス管102、112に別々の圧縮機81、82を用いていたが、システムの構成を簡略化するために、一つの圧縮機で同時に二つの並列パルス管に対しガスの供給と回収を行ってもよい。
【0064】
又、本実施形態では、Tb22SとGd22Sとの混合材を使ったが、混合材を使うことによって、見かけ上の比熱ピーク値は低くなるが、より広い温度範囲において見かけ上大きな比熱を得ることができ、結果的に積層の層数を減らすことができる。積層の層数が増えすぎると、蓄冷材仕切の占める空間が増えるばかりでなく、仕切が倒れ、冷凍性能の不安定を招く可能性も大きくなる。混合材を使うことで、これらの欠点を解消することができる。
【0065】
次に、第1実施形態の2段式GM冷凍機1を予冷段に用い、他の冷却手段としてジュール・トムソン(JT)冷却回路8を追加した本発明の第6実施形態を図15に示す。
【0066】
2段式GM冷凍機1は第1実施形態と同じで、説明を省略するが、2段蓄冷器3の最低温段に、本発明の蓄冷材(Gd0.05Tb0.9522Sを体積比率約20%充填した。
【0067】
追加したJT冷却回路8では、ヘリウムガスが圧縮機120から高圧配管121を経て、第1対向流熱交換器128a、1段ステージ熱交換器129a、第2対向流熱交換器128b、2段ステージ熱交換器129b、第3対向流熱交換器128cを通過するとともに徐々に予冷される。予冷されたガスがJT弁125(最適な開度は調節ハンドル126で調節される)を通過する際に、等エンタルピ的に膨張して寒冷を発生し、熱交換器129cを通過する際に、冷却対象物127から熱を奪い、それを冷却する。
【0068】
更に、ガスが対向流熱交換器128a、128b、128cを通過しながら、対向的に入ってくるガスを冷却しつつ、低圧配管122を経て圧縮機120に回収される。
【0069】
図15において、123は真空容器、124a、124bは熱シールドである。
【0070】
本実施形態では、GM冷凍機1の冷凍能力が、本発明の磁性材によって約20%向上されたため、JT冷却回路8を流れるガスの流量を増やすことが可能になり、結果的に熱交換器129cにおける冷却対象物127を冷却する能力を、約10〜20%向上することができた。
【0071】
次に、同じく第1実施形態の2段式GM冷凍機を使った磁気共鳴イメージ(MRI)装置である本発明の第7実施形態を図16に示す。
【0072】
本実施形態のMRI装置9では、磁場空間138を作り出すために超電導磁石135が用いられている。該超電導磁石135は、液体ヘリウム134に浸漬され、超電導状態まで冷やされている。液体ヘリウム容器133の外部に熱シールド132があり、更に外側には真空容器131がある。液体ヘリウムは注入口136から注入されるが、液体ヘリウム容器133内部に設けられている凝縮部137によって、気化したヘリウムは再び液に戻され、ヘリウムを長期間無補給で運転が可能である。
【0073】
凝縮部137はGM冷凍機1の2段冷却ステージ37と熱的に結合され、継続的に寒冷が供給される。GM冷凍機1の1段冷却ステージ27により熱シールド132が冷却されている。
【0074】
本実施形態では、GM冷凍機1の冷凍能力が本発明にかかる磁性材によって約20%向上されるので、液体ヘリウム134の再凝縮を、より効率的に行うことができ、ヘリウムの蒸発量がより大きなMRI装置にも対応可能になる。
【0075】
なお、本実施形態では、冷凍機1を液体ヘリウム134の再凝縮に用いていたが、液体ヘリウムを無くし、冷凍機1が直接、超電導磁石135を熱伝導で冷却するように構成することもできる。又、熱シールドを一つ追加し、1段冷却ステージ27と2段冷却ステージ37が、それぞれ一つの熱シールドを冷やす、いわゆるシールド冷却型にすることもできる。
【0077】
前記磁性材は、単独で用いることも、他の磁性材と混合して用いることもできる。又、少なくとも二種類の前記磁性材を混合して用いることもできる。
【0078】
又、前記磁性材は、例えば顆粒状(0.01mm〜3mm)に加工して、蓄冷器に充填することができる。顆粒状とした場合には、蓄冷器の形状変更に対応し易く、蓄冷器の寸法管理が容易で扱い易い。或いは、ブロック状、ペレット状、又は板状に焼結、加工して充填することもできる。この場合には、形を合わせることによって、蓄冷材の充填率を高めることができる。
【0079】
なお、蓄冷型冷凍機の作業流体は、4He、3He、これらの混合ガス、或いは他の流体とすることができる。
【0080】
前記実施形態においては、本発明がGMサイクル冷凍機、パルス管冷凍機、ジュール・トムソン冷凍機に適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、スターリングサイクル冷凍機、ビルミエサイクル冷凍機、ソルベーサイクル冷凍機、エリクソンサイクル冷凍機等の他の蓄冷型極低温冷凍機にも適用できることは明らかである。
【0081】
又、本発明に係る蓄冷型極低温冷凍機を予冷段に使った冷凍システムは、第6実施形態のジュール・トムソン冷凍機に限定されず、3He−4He希釈冷凍機、断熱消磁冷凍システム、磁気冷凍機、吸着式冷凍システム等、他の冷凍システムにも同様に適用できることは明らかである。
【0082】
又、本発明は、冷凍システム他、前記の蓄冷型極低温冷凍機を使った、液体4He、液体3He又はこれらの混合液、超流動4He、超流動3Heの寒剤生成装置や寒剤再凝縮装置にも同様に適用できる。
【0083】
又、MRI装置、NMR装置、冷凍機伝導冷却超電導磁石、単結晶引き上げ装置、磁気分離装置、SMES装置、物性測定装置等の超電導磁石装置にも同様に適用できる。
【0084】
又、SQUID装置、SIS素子、X線回折装置、電子顕微鏡、電圧標準装置等の超電導素子冷却装置にも同様に適用できる。
【0085】
又、クライオポンプ、クライオパネル、サンプル冷却システム、物性測定装置、低温熱シールド、赤外線観測装置等の低温装置にも、同様に適用できる。
【0086】
又、X線観測装置、赤外線観測装置、電波観測装置、宇宙線観測装置等の宇宙分野冷却装置にも同様に適用できる。
【産業上の利用可能性】
【0087】
本発明によれば、蓄冷材として、従来の金属系磁性蓄冷材に比べ、4〜10Kの温度領域に大きな比熱を持つ磁性材を用いたため、ヘリウムガス等の作業ガスとの熱交換率効率が向上し、冷凍能力が向上する。
【図面の簡単な説明】
【0088】
【図1】従来の金属系磁性蓄冷材と本発明で用いる磁性材の比熱の温度依存性を比較して示す線図
【図2】本発明で用いる他の磁性材の比熱の温度依存性を示す線図
【図3】本発明で用いる更に他の磁性材の比熱の温度依存性を示す線図
【図4】2段式GM冷凍機に適用された本発明の第1実施形態の全体構成を示す断面図
【図5】第1実施形態の冷却部の詳細を示す拡大断面図
【図6】同じく2段蓄冷器を示す拡大断面図
【図7】第1実施形態と従来例の冷凍能力を比較して示す線図
【図8】2段式パルス管冷凍機に適用した本発明の第2、第3実施形態の全体構成を示す断面図
【図9】第2、第3実施形態の2段蓄冷器を示す拡大断面図
【図10】第2実施形態の冷凍能力を示す線図
【図11】3段式パルス管冷凍機に適用した本発明の第4実施形態の要部構成を示す断面図
【図12】第4実施形態の各段蓄冷器を示す拡大断面図
【図13】並列型パルス管冷凍機に適用した本発明の第5実施形態の全体構成を示す断面図
【図14】第5実施形態の低温段蓄冷器を示す拡大断面図
【図15】GM−JT冷凍システムに適用した本発明の第6実施形態の全体構成を示す断面図
【図16】MRI装置に適用した本発明の第7実施形態の全体構成を示す断面図
【符号の説明】
【0089】
1…2段式GM冷凍機
2、51…1段蓄冷器
3、61…2段蓄冷器
4…2段式パルス管冷凍機
5…3段式パルス管冷凍機
6…並列型パルス管冷凍機
7…GM−JT冷凍システム
11、41、81、82、120…圧縮機
16、46、85、123、131…真空容器
24、57…1段蓄冷材
27、52…1段冷却ステージ
34…2段蓄冷材
34a、67a…高温側蓄冷材
34b、67b…低温側蓄冷材
37、62…2段冷却ステージ
53…1段パルス管
63…2段パルス管
67b…中間蓄冷材
71…3段蓄冷器
72…3段冷却ステージ
73…3段パルス管
77…3段蓄冷材
98…ジュール・トムソン(JT)冷却回路
101、111…蓄冷器
102、112…パルス管
103、113…冷却ステージ
117a、117b、117c…低温段蓄冷材
125…JT弁
127…冷却対象
134…液体ヘリウム
135…超電導磁石

Claims (26)

  1. 蓄冷材として、一般式Rx2S又は(R1-yR´yx2S(R、R´は少なくとも一種類の希土類元素、0.1≦x≦9、0≦y≦1)で表わされる磁性材であって、更に、添加物として、ジルコニウムZr及び/又はアルミニウムAl及び / 又はアルミナ(Al 2 3 )を含む磁性材を少なくとも一種類用いた蓄冷器を備えたことを特徴とする蓄冷型極低温冷凍機。
  2. 前記元素R及びR´が、イットリウムY、ランタンLa、セリウムCe、プラセオジムPr、ネオジムNd、プロメチウムPm、サマリウムSm、ユーロピウムEu、ガドリニウムGd、テルビウムTb、ジスプロシウムDy、ホルミウムHo、エルビウムEr、ツリウムTm、又は、イッテルビウムYbであることを特徴とする請求項1に記載の蓄冷型極低温冷凍機。
  3. 少くとも一種類の前記磁性材を、他の磁性材と混合して用いることを特徴とする請求項1又は2に記載の蓄冷型極低温冷凍機。
  4. 少くとも二種類の前記磁性材を混合して用いることを特徴とする請求項1又は2に記載の蓄冷型極低温冷凍機。
  5. 少くとも一種類の前記磁性材が、顆粒状に加工されて、蓄冷器に充填されていることを特徴とする請求項1乃至のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機。
  6. 前記顆粒状の磁性材が、その表面を薄膜で覆われるように加工されて、蓄冷器に充填されていることを特徴とする請求項に記載の蓄冷型極低温冷凍機。
  7. 前記顆粒の大きさが、0.01〜3mmであることを特徴とする請求項又はに記載の蓄冷型極低温冷凍機。
  8. 少くとも一種類の前記磁性材が、ブロック状、ペレット状、又は、板状に焼結、加工されて、蓄冷器に充填されていることを特徴とする請求項1乃至のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機。
  9. 前記磁性材が、蓄冷器に積層状に充填されていることを特徴とする請求項1乃至のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機。
  10. 前記磁性材が、蓄冷器の最低温層に充填されていることを特徴とする請求項1乃至のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機。
  11. 前記磁性材を、蓄冷器の最低温層より高温の層に用い、且つ、それより低温の層に、4K付近又はそれ以下に大きな比熱を持つ別な磁性材を用いたことを特徴とする請求項1乃至のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機。
  12. 前記蓄冷器を最低温冷却段に用いたことを特徴とする請求項1乃至11のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機。
  13. 前記蓄冷器を、中間冷却段に用い、最終冷却段蓄冷器に、4K付近又はそれ以下に大きな比熱を持つ別な磁性材を用いたことを特徴とする請求項1乃至11のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機。
  14. 前記蓄冷器を、並列型蓄冷型極低温冷凍機の低温側冷却段に用いたことを特徴とする請求項1乃至13のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機。
  15. 4Heを作業流体とすることを特徴とする請求項1乃至14のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機。
  16. 3Heを作業流体とすることを特徴とする請求項1乃至14のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機。
  17. 3Heと4Heの混合ガスを作業流体とすることを特徴とする請求項1乃至14のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機。
  18. 請求項1乃至17のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いた予冷段と、
    少くとも一つの他の冷却手段と、
    を備えたことを特徴とする冷凍システム。
  19. 請求項1乃至17のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする寒剤生成装置。
  20. 請求項1乃至17のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする寒剤再凝縮装置。
  21. 請求項1乃至17のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする超電導磁石装置。
  22. 請求項21に記載の超電導磁石装置を用いたことを特徴とする磁気共鳴イメージ(MRI)装置。
  23. 請求項1乃至17のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする超電導素子冷却装置。
  24. 請求項1乃至17のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする低温パネル及び低温熱シールド装置。
  25. 請求項24に記載の低温パネルを用いたことを特徴とするクライオポンプ。
  26. 請求項1乃至17のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする宇宙分野冷却装置。
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