JP4672160B2 - 蓄冷器およびそれを使用した蓄冷式冷凍機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は蓄冷器および蓄冷式冷凍機に係り、特に微粉化するおそれが少なく加工性および耐久性に優れ、低温度域において顕著な冷凍能力を発揮できる蓄冷器およびその蓄冷器を使用した蓄冷式冷凍機等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、超電導技術の発展は著しく、その応用分野が拡大するに伴って小型で高性能の冷凍機の開発が不可欠になってきている。かかる小型冷凍機は、軽量・小型で熱効率の高いことが要求されており、種々の応用分野において実用化が進められている。
【０００３】
例えば、超電導ＭＲＩ装置やクライオポンプなどにおいては、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）方式やスターリング方式やパルスチューブ冷凍機などの冷凍サイクルによる冷凍機が用いられている。また、磁気浮上列車にも超電導磁石を用いて磁力を発生させるために高性能な冷凍機が必須とされている。さらに、最近では、超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）、および高品質のシリコンウェハーなどを製造する磁場中単結晶引き上げ装置などにおいても高性能な冷凍機が用いられている。
【０００４】
このような冷凍機においては、蓄冷材が充填された蓄冷器内を、圧縮されたＨｅガスなどの作動媒質が一方向に流れて、その熱エネルギーを蓄冷材に供給し、ここで膨張した作動媒質が反対方向に流れ、蓄冷材から熱エネルギーを受け取る。こうした過程での復熱効果が良好になるに伴い、作動媒質サイクルでの熱効率が向上し、より低い温度を実現することが可能となる。
【０００５】
上述したような冷凍機に使われる蓄冷材としては、従来、ＣｕやＰｂなどが主に用いられてきた。しかし、このような蓄冷材は、２０Ｋ以下の極低温で比熱が著しく小さくなるため、上述した復熱効果が十分に機能せず、冷凍機での作動に際して極低温下で１サイクル毎に蓄冷材に充分な熱エネルギーを貯蔵することができず、かつ作動媒質が蓄冷材から充分な熱エネルギーを受け取ることができなくなる。その結果、前記蓄冷材を充填した蓄冷器を組み込んだ冷凍機では極低温に到達させることができない問題があった。
【０００６】
そこで、最近では前記蓄冷器の極低温での復熱特性を向上し、より絶対零度に近い冷凍温度を実現するために、特に２０Ｋ以下の極低温域において体積比熱の極大値を有し、かつその値が大きなＥｒ３Ｎｉ，ＥｒＮｉ，ＨｏＣｕ２などのように希土類元素と遷移金属元素とから成る金属間化合物を主体とした磁性蓄冷材が使用されている。このような磁性蓄冷材をＧＭ冷凍機に用いることにより、４Ｋでの冷凍が実現されている。上記のような磁性蓄冷材は、冷媒としてのＨｅガスとの熱交換を効率的に行えるように、通常は直径が０．１〜０．５ｍｍ程度の球状に加工して用いられている。特に磁性蓄冷材（粒子状蓄冷物質）が希土類元素を含む金属間化合物である場合には、遠心噴霧法などを用いた加工法によって球状に加工されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、スターリング冷凍機やパルスチューブ冷凍機などのように高速運転を行う冷凍機においては、球状の磁性蓄冷粒子を充填した蓄冷器での圧力損失が大きくなり、十分な冷凍能力が実現できない問題点があった。またＧＭ冷凍機などにおいては、冷凍機の運転中に作用する振動や衝撃力によって磁性体粒子が微粉化して冷媒ガスの通気抵抗を高め、熱交換効率が急激に低下するなどの不具合が発生し易い難点があった。
【０００８】
これに対して、圧力損失が低くなる蓄冷材の構成例として、磁性材料板に多数の冷媒ガス流通口を穿設したパンチングプレートや磁性体リボンを巻回したロール状リボンや網状の磁性体を積層したスクリーンなどが知られている。しかしながら、上記した磁性蓄冷材は、金属間化合物に特有の脆性を示すために、穿孔や曲げ加工が困難であり、上記のような形状に加工することは極めて困難であり、膨大な加工コストを要する問題点もあった。
【０００９】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、特に微粉化するおそれが少なく加工性および耐久性に優れ、低温度域において顕著な冷凍能力を発揮できる蓄冷器およびその蓄冷器を使用した蓄冷式冷凍機等を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る蓄冷器は、蓄冷器本体内に蓄冷材を充填し、蓄冷器本体の一方向から他方向に冷媒ガスを流通せしめて低温度を達成する蓄冷器において、上記蓄冷材の少なくとも一部が、厚さ０．０３ｍｍ以上２ｍｍ以下の板状の蓄冷材であり、上記蓄冷材が、希土類元素を１０ａｔ％以上含有する合金から成り、上記冷媒ガスの流れ方向における板状の蓄冷材の長さが１ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、上記冷媒ガスの流れ方向と直交する方向に間隙をおいて複数の板状の蓄冷材が配設され、この間隙が０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下であると共に、上記複数の板状の蓄冷材が冷媒ガスの流路断面を仕切るように配置され、冷媒ガスが流通する複数のセルが形成されている一方、上記セルを形成する蓄冷材の厚さの平均値が０．０５ｍｍ以上、２ｍｍ以下であり、上記複数のセルの断面積の平均値が１×１０ −９ ｍ ２ 以上２×１０ −６ ｍ ２ 以下であり、上記複数のセルの平均長さが３ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１１】
また、上記蓄冷器において、蓄冷材が、希土類元素を１０ａｔ％以上含有する合金から成ることが好ましい。さらに、冷媒ガスの流れ方向における板状の蓄冷材の長さが１ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることが好ましい。さらに、複数の板状の蓄冷材が冷媒ガスの流れ方向と直交する方向に間隙をおいて配設され、この間隙が０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１２】
また、上記蓄冷器において、蓄冷器本体の内壁に溝が形成され、この溝に上記板状の蓄冷材の縁部が挿入されるように構成するとよい。さらに、蓄冷器本体の内壁に突起が形成され、この突起間に上記板状の蓄冷材の縁部が挿入されるように構成してもよい。また、複数の板状の蓄冷材が保持器によって固定されており、この保持器が蓄冷器本体内に挿入されるように構成することも可能である。
【００１３】
さらに、複数の板状の蓄冷材が冷媒ガスの流れ方向に配設されており、上記冷媒ガスの流れ方向に隣接する板状の蓄冷材の平板面がなす蓄冷器径方向の角度が０．５度以上であることが好ましい。
【００１４】
また、特殊な構成として、上記複数の板状の蓄冷材が冷媒ガスの流路断面を仕切るように配置され、冷媒ガスが流通する複数のセルが形成されるように構成することもできる。上記構成において、セルを形成する蓄冷材の厚さの平均値が０．０５ｍｍ以上、２ｍｍ以下であることが好ましい。また、上記複数のセルの断面積の平均値が１×１０−９ｍ２以上２×１０−６ｍ２以下であることが好ましい。さらに、上記複数のセルの平均長さが３ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１５】
また、上記複数の板状の蓄冷材およびセルは、蓄冷材粉末とバインダーとの混合物の押し出し加工により形成してもよい。なお、上記蓄冷材粉末は、希土類元素を１０ａｔ％以上含有することが好ましい。
【００１６】
また、本発明に係る蓄冷式冷凍機は、蓄冷器の上流高温側から作動媒質（冷媒ガス）を流して上記作動媒質と蓄冷材との熱交換によって蓄冷器の下流側にて、より低温度を得る蓄冷式冷凍機において、上記蓄冷器の少なくとも一部が上記板状の蓄冷材を充填した本発明の蓄冷器であることを特徴とする。
【００１７】
さらに、本発明に係るＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ）装置、磁気浮上列車用超電導磁石、クライオポンプおよび磁界印加式単結晶引上げ装置は、いずれも上記した本発明に係る蓄冷式冷凍機を具備することを特徴としている。
【００１８】
本発明に係る蓄冷器の本体内に充填される蓄冷材の少なくとも一部は、希土類元素を１０ａｔ％以上含有する磁性合金で形成することが好ましい。上記蓄冷材を構成する合金または単体は、例えば、一般式ＲＭｚ…（１）
（但し、ＲはＹ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，ＴｍおよびＹｂから選択される少なくとも１種の希土類元素であり、ＭはＮｉ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｒｕ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｇｅ，ＳｉおよびＲｈから選択される少なくとも１種の元素であり、ｚは原子比で０≦ｚ≦９．０を満足する。）で表わされる希土類元素単体または希土類元素を含む金属間化合物で構成することが好ましい。
【００１９】
本発明に係る蓄冷器に充填する蓄冷材は、前記一般式（１）から明らかなようにＲＭｚ（０≦ｚ≦９．０）なる組成を有する希土類元素単体、または、希土類元素を含む金属間化合物などの磁性体から構成することが好ましい。なお、上記磁性体の他に、Ｐｂ，Ｐｂ合金，Ｃｕ，Ｃｕ合金，ステンレス鋼などの金属材料で構成された蓄冷材を併用してもよい。
【００２０】
上記一般式においてＲ成分は、Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｄｙ，ＴｍおよびＹｂから選択される少なくとも１種の元素であり、Ｍ成分はＮｉ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｒｕ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｇｅ，ＳｉおよびＲｈから選択される少なくとも１種の元素である。
【００２１】
上記Ｍ成分のＲ成分に対する配合比ｚが９．０を超えると磁性元素である希土類元素の比率が著しく低下して比熱が小さくなる。ここで、ｚ＝０の場合、すなわち、蓄冷材が希土類元素単体から成る場合では、比熱ピークを示す温度の調整が難しいため、希土類元素を含む金属間化合物がより好ましい。ｚの好ましい範囲は、０．１≦ｚ≦５であり、さらに好ましくは１≦ｚ≦３である。特に好ましい具体的組成は、Ｅｒ３Ｎｉ，Ｅｒ３Ｃｏ，ＥｒＮｉ，ＥｒＮｉ０．９Ｃｏ０．１，ＨｏＣｕ２，ＥｒＩｎ３，ＨｏＳｂ，Ｈｏ２Ａｌである。なお、ＥｒＮｉのＮｉの一部をＣｏに置換したＥｒＮｉ０．９Ｃｏ０．１のように、上記組成をもとにＲ成分の一部を他のＲ成分の少なくとも１種の元素で置換したり、またはＭ成分の一部を他のＭ成分の少なくとも１種の元素で置換したりすることにより、比熱ピークを示す温度やピークの幅などに制御することができる。
【００２２】
本発明で使用する蓄冷材は、２０Ｋ以下の極低温領域において比熱ピークを有する酸化物を主体とする多数の磁性粒子の成形体から構成してもよい。この磁性粒子を構成する酸化物としては、例えば下記一般式（２），（３），（４），（５）で示す組成物が好適に使用できる。
【００２３】
すなわち、一般式：ＲＭ´２Ｏ３ ……（２）
（但し、Ｒは、Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，ＴｍおよびＹｂから選択される少なくとも１種の希土類元素であり、Ｍ´は３Ｂ族元素（長周期律表）から選択される少なくとも１種の元素である。）で表わされるペロブスカイト系酸化物；
一般式：ＡＢ２Ｏ４ ……（３）
（但し、Ａは、２Ｂ族元素から選択される少なくとも１種の元素であり、Ｂは少なくともＣｒを含む遷移金属元素である。）で表わされるスピネル系酸化物；
一般式：ＣＤ２Ｏ６ ……（４）
（但し、ＣはＭｎおよびＮｉから選択される少なくとも１種の元素であり、ＤはＮｂおよびＴａから選択される少なくとも１種の元素である。）で表わされる酸化物；および
一般式：Ｇｄ１−ｘＲｘＡ１−ｙＢｙＯ３……（５）
（式中、ＲはＣｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｔｂ，Ｄｙ，ＨｏおよびＥｒから選択される少なくとも１種の希土類元素を示し、ＡはＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ａｌ，Ｓｉから選択される元素を示し、ｘ＝０かつｙ＝０の場合には少なくとも２種の元素が選択される一方、ｘ≠０またはｙ≠０の場合には少なくとも１種の元素が選択され、ＢはＺｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ａｇ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ａｕ，Ｂｉから選択される少なくとも１種の元素を示し、ｘは原子比で０≦ｘ≦０．４、ｙは原子比で０≦ｙ≦０．４を満足する。）で表わされる酸化物磁性体から成る蓄冷材である。
【００２４】
前記一般式：Ｇｄ１−ｘＲｘＡ１−ｙＢｙＯ３ ……（５）
において、ｘ＝０かつｙ＝０のときの一般式はＧｄＡＯ３で表わされるが、このＧｄＡＯ３についてＡ成分が単一の元素のみである場合には、一般的に極低温域に比熱ピークを有する磁性体が得られる一方、４〜６Ｋの温度域においては大きな比熱ピークを示すことが少ない。そのため、ｘ＝０かつｙ＝０の場合には、Ａ成分として少なくとも２種の元素が選択される。一方、Ｇｄの一部を他の希土類元素で置換するか、あるいはＡ成分の一部を他の元素で置換することにより、比熱特性を調整し、高性能な蓄冷材としている。
【００２５】
また、上記一般式（５）：Ｇｄ１−ｘＲｘＡ１−ｙＢｙＯ３において、Ｒ成分はＣｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｔｂ，Ｄｙ，ＨｏおよびＥｒから選択される少なくとも１種の希土類元素であり、急峻な比熱ピークをブロードしたり、ピーク温度位置を制御するために有効な成分であり、Ｇｄの一部を置換するように添加される。Ｒ成分の置換量を示す添加比率ｘが０．４を超えると比熱が小さくなる。上記Ｒ成分のうち、Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒが好ましく、さらにはＴｂ，Ｄｙがさらに好ましい。
【００２６】
また、Ａ成分はＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ａｌ，Ｓｉから選択される元素を示し、比熱ピークを制御する効果を有する。そして、ｘ＝０かつｙ＝０の場合には少なくとも２種の元素が選択される一方、ｘ≠０またはｙ≠０の場合には少なくとも１種の元素が選択されるため、ＧｄＡＯ３系におけるＧｄまたはＡ成分の一部が必ず他の元素で置換されることになる。上記Ａ成分元素としては、Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｇａ，Ａｌが好ましく、さらにはＣｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｇａ，Ａｌがより好ましい。
【００２７】
さらに、Ｂ成分は上記Ａ成分の一部を置換することにより、（Ｇｄ１−ｘＲｘ）原子間の距離を調整するなどの作用により比熱特性を改善する元素である。Ｂ成分はＺｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ａｇ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ａｕ，Ｂｉから選択される少なくとも１種の元素を示す。このＢ成分元素としては、Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｓｎ，Ｔａ，Ｗが好ましく、さらにはＴａ，Ｗがより好ましい。このＢ成分の添加量を示す比率ｙが０．４を超えるとペロブスカイト構造を維持することが困難になり、磁性体から成る蓄冷材の比熱特性が低下してしまう。
【００２８】
また前記一般式：Ｇｄ１−ｘＲｘＡ１−ｙＢｙＯ３における酸素の原子比については、原子の欠陥などにより、化学量論比である３からずれる場合がある。しかしながら、酸素の原子比が２．５〜３．５の範囲内であれば、比熱特性に大きな影響を与えることはない。
【００２９】
本発明に係る蓄冷器に充填される板状の蓄冷材の製造方法は、特に限定されるものではなく、例えば、上記組成を有する蓄冷材合金インゴットをブレードソーなどの切断手段を用いて切断する加工法や粉末焼結法などを用いることができる。
【００３０】
また、冷媒ガスが流通する複数のセルが形成されている蓄冷材は、後述するように、蓄冷材粉末とバインダーとの混合物を押し出し加工することによって形成してもよい。
【００３１】
図１および図２に示すように、本発明に係る蓄冷器１は、例えば筒状の蓄冷器本体２内に複数の板状の蓄冷材３を、冷媒ガス流路４の方向と直交する方向に所定の間隔（間隙）Ｇをおいて配置固定して形成される。
【００３２】
本発明に係る蓄冷器１に充填される板状の蓄冷材３の板厚Ｔは、冷凍機の蓄冷特性に大きな影響を及ぼす一要因であり、本発明では０．０３ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲とされる。蓄冷材３の板厚Ｔが０．０３ｍｍ未満と過小になると蓄冷材としての構造強度が不十分となり、蓄冷器１を組み立てる際に破損し易くなるとともに、冷凍機の運転中に発生する振動によって破損し易くなる。
【００３３】
一方、蓄冷材３の板厚Ｔが２ｍｍを超えるように過大になると、１回の冷凍サイクル中で蓄冷材３の内部（深部）までの熱の浸透が不十分となり、蓄冷効率が低下してしまう。そのため、本発明では蓄冷材３の板厚Ｔは０．０３〜２ｍｍの範囲に規定しているが、０．２〜１．３ｍｍの範囲がより好ましく、０．４〜１．０ｍｍの範囲がさらに好ましい。
【００３４】
また、図３および図４に例示するように、本発明に係る蓄冷器１ａにおいて、冷媒ガス（Ｈｅガス）の流れ方向における板状の蓄冷材３ａの長さＬは１ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることが好ましい。板状蓄冷材３ａの長さＬが１ｍｍ未満と短尺である場合には、冷媒ガスの流れ方向に長尺である蓄冷器本体２ａを、上記短尺な蓄冷材３ａで満たすように充填する作業に多大な工数を要し、生産性の観点から望ましくない。
【００３５】
一方、板状蓄冷材３ａの長さＬが１００ｍｍを超えるように長尺になると、ガス流路方向の熱伝導量が大きくなるため、冷凍機の低温端に熱が流入し易くなり、冷凍能力が低下してしまう。そのため冷媒ガスの流れ方向における板状蓄冷材３ａの長さＬは１〜１００ｍｍの範囲とされるが、５〜４０ｍｍの範囲が好ましく、８〜２０ｍｍの範囲がさらに好ましい。
【００３６】
すなわち、図１および図２に示すように、蓄冷器１の冷媒ガスの流れ方向全長に亘る長尺の蓄冷材３を配置するよりも、図３および図４に示すように、複数の短尺の蓄冷材３ａを流れ方向に連設して配置する方が、隣接する蓄冷材３ａ，３ａの切れ目が上記熱伝導を抑止する効果を発揮するため、冷凍能力をより高めることが可能になる。
【００３７】
さらに、例えば図１および図４に示すように、本発明に係る蓄冷器１において、冷媒ガスの流れ方向と直交する方向に配設される複数の板状の蓄冷材３，３ａの間隙Ｇの幅は、０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲とすることが好ましい。板状蓄冷材３，３ａの間隙Ｇが０．０１ｍｍ未満と過小な場合には、ガス流路４における冷媒ガスの通気抵抗が大きくなり冷凍能力が低下する。
【００３８】
一方、蓄冷材３，３ａ間の間隙Ｇが１ｍｍを超えるように過大になると、蓄冷材３，３ａの充填率が低下するとともに、冷媒ガスと蓄冷材３，３ａとの熱交換が不十分となり蓄冷効率が低下する。そのため板状蓄冷材間の間隙Ｇは０．０１〜１ｍｍの範囲に規定されるが、０．０２〜０．３ｍｍの範囲が好ましく、０．０５〜０．１５ｍｍの範囲が、さらに好ましい。
【００３９】
本発明に係る蓄冷器において、各板状蓄冷材の蓄冷器本体に対する固定構造は、特に限定されるものではないが、以下のような固定構造が望ましい。例えば、図４に示すように、蓄冷器本体２ａの内壁に形成された溝５に各板状蓄冷材３ａの縁部を挿入することにより、各蓄冷材３ａを固定して蓄冷器を形成できる。この場合、溝５を形成する突起部分の厚さが、隣接する蓄冷材３ａ，３ａ間に形成される間隙Ｇとなり、冷媒ガス流路（セル）４を形成する。なお、上記溝５に板状蓄冷材３ａを挿入する前に予めグリースなどの潤滑材を塗布することにより、挿入操作を円滑に実施できる。
【００４０】
また、板状蓄冷材の他の固定構造として、例えば図６および図７に示す方式も採用できる。すなわち、図６〜図７に示す蓄冷器１ｂにおいては、蓄冷器本体２ｂの内壁に突起６が形成され、この突起６，６間に板状の蓄冷材３ｂの縁部が挿入されて固定される構造を有し、突起６の厚さが、隣接する蓄冷材３ｂ間に形成される間隙となり、冷媒ガス流路（セル）を形成する。上記突起６の形状は、特に限定されるものではなく、爪状，ボタン状，棒状などの種々の形状をとり得る。また、突起は、板状の蓄冷材の表面に形成することも可能である。
【００４１】
さらに板状蓄冷材のその他の固定構造として、例えば図８および図９に示す方式も採用できる。すなわち、蓄冷器本体２内に嵌装可能な保持器７であり、板状蓄冷材３の縁部を挿入する多数の溝５ａを内面軸方向に形成した保持器７内に複数の板状蓄冷材３を挿入して固定してもよい。すなわち、筒状の蓄冷器本体２自体に加工を施し板状蓄冷材３を直接に固定する方式ではなく、予め蓄冷器本体２と同一または異なる材料から成る保持器７内に複数の板状蓄冷材３を、所定の間隙を保持した状態で固定し、こうして得られた保持器７を蓄冷器本体２内の軸方向に複数個挿入して蓄冷器を形成することも可能である。
【００４２】
この場合、複数の板状蓄冷材３は、予め保持器７内に固定されているため、蓄冷材３を交換する際は、保持器７を新しいものと入れ替えるだけで交換作業は完了する。したがって、蓄冷材３の交換作業が迅速に完了するとともに、蓄冷材３の取扱いも容易になり、破損も少なくなる。
【００４３】
また、複数の板状の蓄冷材が冷媒ガスの流れ方向に配設されて形成される蓄冷器においては、冷媒ガスの流れ方向に隣接する板状蓄冷材の平板面が同一平面上に存在する場合と比較して上記隣接する蓄冷材の平板面が相互に若干ずれている場合の方が、より熱交換作用が円滑に進行し、蓄冷効率が高まるという知見を本発明者らは得ている。
【００４４】
そこで本発明に係る蓄冷器の好ましい態様として、上記冷媒ガスの流れ方向に隣接する板状の蓄冷材の平板面がなす蓄冷器径方向の角度が０．５度以上となるように規定している。例えば、図８および図９に示すように、複数の板状蓄冷材３を保持器７内に配置固定し、この保持器７を冷媒ガス流れ方向に多段に積み重ねて蓄冷器１ｃとした場合に、隣接する板状蓄冷材３，３ａの平板面がなす蓄冷器径方向の角度θを０．５度以上に調節することにより、冷媒ガスの流路抵抗の大きさを抑制することが可能である。
【００４５】
上記冷媒ガス流路方向に隣接する板状蓄冷材３，３ａの平板面がなす蓄冷器径方向の角度θが０．５度未満と過小な場合には、冷媒ガスの流路抵抗が小さく、冷媒ガス（作動ガス）と蓄冷材との間で十分な熱交換が困難である。上記隣接する蓄冷材の平板面のなす角度θは０．５度以上と規定されるが、１度以上が好ましく、さらには２度以上が、さらに好ましい。
【００４６】
また、本発明に係るは蓄冷器において、複数の板状の蓄冷材が冷媒ガスの流路断面を仕切るように配置され、冷媒ガスが流通する複数のセルが形成されるように構成することもできる。
【００４７】
上記構成の蓄冷器において、上記セルを形成する蓄冷材の厚さの平均値は、好ましくは０．０５ｍｍ以上、２ｍｍ以下に規定される。蓄冷材の厚さの平均値が０．０５ｍｍ未満になると、蓄冷材の構造強度が不十分となり、蓄冷器中に組み込むことが困難になるのみならず、冷凍機の運転中に生じる振動や衝撃によって破損し易くなる。
【００４８】
一方、セルを形成する蓄冷材の厚さの平均値が２ｍｍを超えると、１回の冷凍サイクル中で蓄冷材内部までの熱浸透が不十分となり、蓄冷効率が低下してしまう。そのためセルを形成する隔壁としての蓄冷材の厚さの平均値は、０．０５〜２ｍｍとされるが、０．１〜１ｍｍ以下の範囲がより好ましく、０．２〜０．５ｍｍの範囲が特に好ましい。
【００４９】
上記複数のセルを形成した蓄冷材を充填した蓄冷器において、複数のセルの断面積の平均値は１×１０−９ｍ２以上２×１０−６ｍ２以下の範囲とすることが好ましい。ここで、セルの断面積は、冷媒ガスの流れ方向（軸方向）に直角な方向の断面積を意味する。このセルの断面積の平均値が１×１０−９ｍ２未満になると、冷媒ガスの流路抵抗が大きくなり、この蓄冷材を使用した冷凍機の冷凍能力が低下してしまう。
【００５０】
一方、セルの断面積の平均値が２×１０−６ｍ２を超えると、蓄冷材の蓄冷器への充填率が低下するとともに、冷媒ガスと蓄冷材との熱交換が不十分となり、蓄冷効率が低下してしまう。したがって、複数のセルの断面積の平均値は１×１０−９ｍ２〜２×１０−６ｍ２の範囲とされるが、２×１０−９ｍ２〜５×１０−７ｍ２以下の範囲が好ましく、さらに５×１０−９ｍ２〜２×１０−７ｍ２以下の範囲が特に好ましい。
【００５１】
また、上記セルを形成した蓄冷材を充填した蓄冷器において、複数のセルの平均長さは３ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲とすることが好ましい。上記セルの平均長さが３ｍｍ未満では、冷媒ガス流路方向に長尺な蓄冷器を蓄冷材で満たすために、多数の蓄冷材が必要となり、蓄冷器の組立が煩雑であり、生産性の観点から好ましくない。
【００５２】
一方、セルの平均長さが１００ｍｍを超えると、ガス流路方向における熱伝導が大きくなるため、冷凍機の蓄冷器の低温端に熱が流入し易くなって冷凍能力が低下してしまう。そのためセルの平均長さは、３〜１００ｍｍの範囲とすることが好ましいが、５〜４０ｍｍの範囲がより好ましく、さらには８〜２０ｍｍの範囲がより好ましい。
【００５３】
上記蓄冷材のセルの断面形状は、特に限定されるものではなく、図１０（ａ）〜（ｄ）に示すように、三角形，四角形，六角形および円形など種々の形状を採用できる。また上記の少なくとも２種の断面形状が混在するようなセル形状を採用することもできる。上記セルの断面形状のうち、特に四角形状および三角形状のセルを形成した場合に、蓄冷材の機械的強度が優れ、耐久性に優れた蓄冷材が得られる。
【００５４】
本発明に係る蓄冷器に充填され、上記のような複数のセルを有する蓄冷材の製造方法は、特に限定されるものではなく、例えば、押し出し法，コルゲート法，エンボスおよびカレンダー法などの各種成形法が使用される。特に成形操作の簡便性の観点から、複数の板状の蓄冷材およびセルは、蓄冷材粉末とバインダーとの混合物の押し出し加工により形成されていることが望ましい。ここで、上記蓄冷材粉末は、希土類元素を１０ａｔ％以上含有することが望ましい。
【００５５】
上記押し出し法においては、粒度調整した蓄冷材粉末にバインダー，潤滑剤，界面活性剤，分散媒としての水などを加えて混練した混合物を、目的とするセル構造の隔壁を形成するための押し出し溝を有する成形ダイスなどの成形金型を通すことにより、複数のセルを有する成形体が形成される。その後、必要に応じて脱脂処理を行い、焼成することにより、所定断面形状を有する蓄冷材が形成される。
【００５６】
上記製造方法において、より緻密で高強度な蓄冷材を得るために、原料となる蓄冷材粉末の平均粒径は１０μｍ以下とすることが好ましい。この平均粒径は５μｍ以下がより好ましく、さらには３μｍ以下が特に好ましい。また、上記バインダーとしては、例えば、メチルセルロース，カルボキシルメチルセルロース，ポリビニルアルコール（ＰＶＡ），澱粉糊，グリセリン，各種ワックスなどが好適に使用できる。また、バインダーとしてＰｂ，Ｓｎ，Ｉｎ，各種半田合金などの低融点金属材を使用することもできる。
【００５７】
なお、従来から、例えば、エンボス加工を施した蓄冷材要素やリボン状の蓄冷材要素を巻回したり、あるいは積層したりすることにより、隣接する蓄冷材要素間の隙間に擬似的なセル構造を形成した蓄冷材が提案されているが、それらの蓄冷材を用いた蓄冷器は、本発明の蓄冷器とは作用効果が異なるものである。
【００５８】
すなわち、上記従来の蓄冷材はセルを形成する板状の蓄冷材の一部が可動的に接触しているのみであるのに対して、本発明ではセルが、一体化して形成された強固な隔壁により囲まれた構造を形成している。したがって、このセル構造により、外力に対して各セルの形状を安定に維持することが可能となり、冷凍機の特性の安定化が実現される。
【００５９】
特に、セルを構成する隔壁の厚さが薄い場合には、上記従来例のように板状の蓄冷材要素が相互に接触する構造では蓄冷材の機械的強度は不十分であるのに対して、本発明では、複数の板状の蓄冷材が一体化して形成され、高剛性のフレーム構造が形成されているために、十分な機械的強度および耐久性が確保できる。
【００６０】
また、前記従来のセル構造を有する蓄冷材においては、加工精度を高くできない技術上の問題から、一部のセルを構成する隔壁の接触が不十分となり、隙間を生じる場合がある。この場合、冷媒ガスと隔壁を構成する蓄冷材との間での熱交換が不十分となり、蓄冷性能が低下する問題がある。これに対して、本発明の蓄冷器で使用する蓄冷材においては、隣接する隔壁間に隙間が形成されることがないため、上記問題は発生しない。
【００６１】
また、他の従来例として、磁性材料から成る薄板に、冷媒ガスの流路となる複数の穴を、機械的加工，エッチング，あるいは蒸発処理などの手段によって形成した薄板を積層した蓄冷材も提案されていた。しかしながら、脆性が高い磁性材料から成る薄板に機械的加工法によって微細な穴を多数形成することは、極めて困難であり、また工業的に高コストになるという問題点があった。
【００６２】
また、本願発明者の知見として、蓄冷材とは異なる材料から成る芯材の周りに蓄冷材を巻き付け、それを多数束ねた状態で線引き加工して一体化し、その後、エッチングまたは蒸発処理などにより芯材を取り除いて孔を形成した蓄冷材の製造方法も考えられている。
【００６３】
しかしながら、一般に脆性が高く加工性が悪い磁性材料を線引き加工することは困難であり、工業的な製造方法にはなり得ない。また、上記製造方法では、断面が円形状の孔が一般的となるが、円形状の孔を形成するためには孔を取り囲む隔壁が曲面で構成され、図１０（ｄ）に示すように薄い隔壁部分と厚い隔壁部分とが混在する。そのため、薄い部分は構造強度が不足する一方、厚い部分は熱交換が不十分となり、いずれにしても蓄冷材としての要求特性が低下する部分が存在することになる。
【００６４】
したがって、本発明において、セルの断面形状は図１０（ｄ）に示す円形状の断面を有するセルよりも図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように、三角形状，四角形状，または六角形状を有するものが、高い機械的特性と良好な伝熱特性とを同時に確保するために、より好ましいと言える。
【００６５】
本発明に係る蓄冷式冷凍機は、蓄冷器の少なくとも一部として、上記の蓄冷材を充填した蓄冷器を使用して構成される。なお、所定の冷却段の蓄冷器として、本発明に係る蓄冷器を装填する一方、他の蓄冷器として、その温度分布に応じた比熱特性を有する他の蓄冷材を充填した蓄冷器を併用して構成してもよい。
【００６６】
上記構成に係る蓄冷器によれば、板状の蓄冷材を蓄冷器本体に充填して形成されており、かつ冷媒ガスが容易に通過でき蓄冷材との間で十分な熱交換が可能な空隙が確保されているため、スターリング冷凍機やパルスチューブ冷凍機などの高速運転を行う冷凍機の蓄冷器として使用した場合においても、圧力損失が小さく、長期間に亘り安定した冷凍特性を示す蓄冷器が得られる。そして、その蓄冷器を冷凍機の少なくとも一部の蓄冷器として使用することにより、冷凍能力が高く、かつ長期間に亘って安定した冷凍性能が維持できる冷凍機を提供することができる。
【００６７】
そして、ＭＲＩ装置、クライオポンプ、磁気浮上列車用超電導磁石、および磁界印加式単結晶引上げ装置は、いずれも冷凍機性能が各装置の性能を左右することから、上述したような冷凍機を用いた本発明のＭＲＩ装置、クライオポンプ、磁気浮上列車用超電導磁石、および磁界印加式単結晶引上げ装置は、いずれも長期間に亘って優れた性能を発揮させることができる。
【００６８】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施形態について以下に示す実施例に基づいて具体的に説明する。
【００６９】
実施例１
高周波溶解法によりＨｏＣｕ２なる組成を有する合金インゴットを鋳造し、このインゴットを真空中で温度７５０℃で１２時間熱処理した。得られた合金インゴットをブレードソーを用いて切断することにより、図３に示すように幅Ｗが３５ｍｍであり、長さＬが１０ｍｍであり、厚さＴが０．５ｍｍの短冊状の蓄冷材３ａを多数調製した。
【００７０】
一方、図３に示すように、内のり寸法で縦３５ｍｍ×横３５ｍｍ×長さ１５０ｍｍの角筒状の蓄冷器本体２ａであり、図４に示すように内壁に深さ０．５ｍｍの溝５を多数形成した蓄冷器本体２ａを用意した。次に上記蓄冷器本体２ａの溝５に前記短冊状の蓄冷材３ａの両縁部を挿入して固定することにより、実施例１に係る蓄冷器１ａを調製した。
【００７１】
上記実施例１に係る蓄冷器１ａにおいては、短冊状の蓄冷材３ａの長さ方向が冷媒ガスの流れ方向と一致するように、冷媒ガスの流れ方向に１５枚連設されるように構成されている。また溝５を形成する突起の厚さを０．１ｍｍとしたため、冷媒ガスの流れ方向と直交する方向に隣接する短冊状蓄冷材３ａ，３ａ間には、それぞれ間隙Ｇが０．１ｍｍである冷媒ガス流路４が形成される。
【００７２】
次に上記のように調製した蓄冷器の特性を評価するため、２段式パルスチューブ冷凍機を用意した。図５に１段式パルスチューブ冷凍機の基本構成を示す。このパルスチューブ冷凍機７０の最大の構造的特徴は、後述するＧＭ冷凍機では必須となっている寒冷発生用の往復動ピストンを具備しないことである。そのため、機械的信頼性および低振動性に優れる長所を有し、特に素子やセンサー冷却用冷凍機として期待を担っている。
【００７３】
パルスチューブ冷凍機７０は蓄冷式冷凍機の一種であり、冷媒ガスとして一般にヘリウムガスが用いられる。基本的な構成として、冷凍機は蓄冷器１の他にヘリウムガスを圧縮する圧力振動源７１、および冷媒ガスの圧力変動と位置変動（変位）の時間差を制御する位相調節機構７２から成る。
【００７４】
ＧＭ冷凍機やスターリング冷凍機においては、上記位相調節機構７２は低温部に配置された往復動ピストン機構であるのに対して、パルスチューブ冷凍機７０では、それが室温部に配置され、蓄冷器１の低温端と室温部の位相調節機構７２との間がパルス管と呼ばれる配管で連結され、冷媒ガスの圧力波の位相の遠隔制御がなされる。そして圧力変動による冷媒ガスと蓄冷材との間のエントロピー授受が変位との適当なタイミングで進行することにより、エントロピーが一方向へ順次汲み上げられ、蓄冷器１の低温部において、より低温度の冷熱が得られる。
【００７５】
そして、前記のように調製した実施例１に係る蓄冷器を、上記２段式パルスチューブ冷凍機の２段目蓄冷器として組み込み、実施例１に係る冷凍機を組み立て５Ｈｚで冷凍試験を実施し、４．２Ｋにおける冷凍能力を測定した。
【００７６】
なお本実施例における冷凍能力は、冷凍機運転時にヒータによって第２冷却段に熱負荷を作用させ、第２冷却段の温度上昇が４．２Ｋで停止したときの熱負荷で定義した。
【００７７】
その結果、４．２Ｋにおける冷凍能力として０．１１Ｗが得られた。また、冷凍試験完了後に冷凍機の蓄冷器内に充填した蓄冷材を取り出し外観を観察したが、各板状蓄冷材に損傷は認められなかった。
【００７８】
実施例２
高周波溶解法によりＨｏＣｕ２なる組成を有する合金インゴットを鋳造し、このインゴットを真空中で温度７５０℃で１２時間熱処理した。得られた合金インゴットをブレードソーを用いて切断することにより、図６および図７に示すように幅が３５ｍｍであり、長さが１５ｍｍであり、厚さが０．７ｍｍの短冊状の蓄冷材３ｂを多数調製した。
【００７９】
一方、図６および図７に示すように、内のり寸法で縦３５ｍｍ×横３５ｍｍ×長さ１５０ｍｍの角筒状の蓄冷器本体２ｂであり、図７に示すように内壁に縦１ｍｍ×横２ｍｍ×厚さ０．２ｍｍの突起６を多数形成した蓄冷器本体２ｂを用意した。次に上記蓄冷器本体２ｂの突起６，６間に前記短冊状の蓄冷材３ｂの両縁部を挿入して固定することにより、実施例２に係る蓄冷器１ｂを調製した。
【００８０】
上記実施例２に係る蓄冷器１ｂにおいては、短冊状の蓄冷材３ｂの長さ方向が冷媒ガスの流れ方向と一致するように、冷媒ガスの流れ方向に１０枚連設されるように構成されている。また突起６の厚さを０．２ｍｍとしたため、冷媒ガスの流れ方向と直交する方向に隣接する短冊状蓄冷材３ｂ，３ｂ間には、それぞれ間隙が０．２ｍｍである冷媒ガス流路が形成される。
【００８１】
そして、この蓄冷器１ｂについて、実施例１と同様にしてパルスチューブ冷凍機の第２段目蓄冷器として組み込み、冷凍機を組み立て、５Ｈｚで冷凍試験を実施し、４．２Ｋにおける冷凍能力を測定したところ、０．１０Ｗの冷凍能力が得られた。
【００８２】
実施例３
高周波溶解法によりＨｏＣｕ２なる組成を有する合金インゴットを鋳造し、このインゴットを真空中で温度７５０℃で１２時間熱処理した。得られた合金インゴットをブレードソーを用いて切断することにより、図８および図９に示すように長さが２５ｍｍであり、厚さが１ｍｍの短冊状の蓄冷材３を多数調製した。
【００８３】
この場合、各短冊状の蓄冷材３の幅は、図８および図９に示すような、外径が３９ｍｍであり、長さが２５ｍｍの略円筒状の保持器７内でガス流れ方向と直交する方向に所定の間隙をおいて配設できる寸法に調整されている。
【００８４】
上記保持器７は、蓄冷器本体２内に嵌装可能な外径を有するように調製されており、保持器７の内面には、板状の蓄冷材３の両縁部を挿入して保持・固定するための溝５ａがガス流れ方向に形成されている。そして、幅が異なる蓄冷材３の両縁部を保持器７の溝５ａに挿入して蓄冷材３を一体に固定した保持器７を多数組み立てた。さらに、内径が３９ｍｍであり長さが１５０ｍｍの蓄冷器本体２内の軸方向に、上記保持器７を６段積み重ねて充填することにより、実施例３に係る蓄冷器１ｃを調製した。なお、軸方向に隣接する板状蓄冷材３，３の平板面がなす蓄冷器周方向の角度θはゼロとした。
【００８５】
そして、この蓄冷器１ｃについて、実施例１と同様にしてパルスチューブ冷凍機の第２段目蓄冷器として組み込み、冷凍機を組み立て、５Ｈｚで冷凍試験を実施し、４．２Ｋにおける冷凍能力を測定したところ、０．１３Ｗの冷凍能力が得られた。
【００８６】
実施例４
実施例３において、各板状蓄冷材３を挿入・固定した保持器７を６段積み重ねて形成した蓄冷器１ｃについて、最下段の保持器７に対して第２段目以降〜第６段目の保持器７を蓄冷器本体の中心軸回りに５度ずつ順次回転させた状態で蓄冷器本体内に多段に積層・充填して実施例４に係る蓄冷器を調製した。
【００８７】
すなわち、各段の保持器７内に固定された板状蓄冷材３の平板面と、ガス流路方向に隣接する保持器７内に固定された板状蓄冷材３の平板面とがなす蓄冷器径方向の角度θが５度となるように、隣接する各保持器７内の蓄冷材３が相互に変位するように構成したものである。
【００８８】
そして、この蓄冷器について、実施例１と同様にしてパルスチューブ冷凍機の第２段目蓄冷器として組み込み、冷凍機を組み立て、５Ｈｚで冷凍試験を実施し、４．２Ｋにおける冷凍能力を測定したところ、０．２０Ｗの冷凍能力が得られた。
【００８９】
比較例１
高周波溶解法によりＨｏＣｕ２なる組成を有する合金インゴットを鋳造した。
この合金インゴットを約１３５０Ｋで溶融せしめ、得られた合金溶湯を、圧力が９０ＫＰａに調整されたＡｒ雰囲気中で回転速度１×１０４ｒｐｍで回転する円盤上に滴下して分散後、急冷凝固せしめることにより、磁性体粒子を調製した。得られた磁性体粒子を篩い分け並びに形状分級することにより、粒径が０．２〜０．３ｍｍの球状磁性体粒子を得た。この球状磁性体粒子を、内径が３５ｍｍであり、長さが１５０ｍｍの蓄冷器本体に充填することにより、比較例１に係る従来の蓄冷器を調製した。
【００９０】
そして、この蓄冷器について、実施例１と同様にしてパルスチューブ冷凍機の第２段目蓄冷器として組み込み、冷凍機を組み立て、５Ｈｚで冷凍試験を実施し、４．２Ｋにおける冷凍能力を測定したところ、０．０２Ｗの冷凍能力が得られた。
【００９１】
比較例２
高周波溶解法によりＨｏＣｕ２なる組成を有する合金インゴットを鋳造し、このインゴットを真空中で温度７５０℃で１２時間熱処理した。得られた合金インゴットをブレードソーを用いて切断し、さらに機械研削加工することにより、図１１に示すように幅Ｗが３５ｍｍであり、長さＬが１５０ｍｍであり、厚さＴが２．３ｍｍであり、長手方向両縁部に幅１．５ｍｍ×高さ１．２ｍｍのフランジ部８を有し、断面がコの字状の蓄冷材３ｃを多数調製した。
【００９２】
一方、図１２に示すように、内のり寸法で縦３５ｍｍ×横３５ｍｍ×長さ１５０ｍｍの角筒状の蓄冷器本体２ｃを用意した。次に、前記のように調製した断面コの字状の板状の蓄冷材３ｃを、図１２に示すように１０枚積層した状態で角筒状の上記蓄冷器本体２ｃ内に挿入して固定することにより、比較例２に係る蓄冷器１ｄを調製した。
【００９３】
上記比較例２に係る蓄冷器１ｄにおいては、板状の各蓄冷材３ｃが蓄冷器本体２ｃの全長に及ぶように配置され、冷媒ガスの流れ方向と直交する方向に１０枚積層されるように構成されている。また、各蓄冷材３ｃの両側縁に形成されたフランジ部８は、隣接する蓄冷材３ｃ，３ｃの実質的な間隙を保つスペーサとして機能する。そして各フランジ部８の高さを１．２ｍｍとしたため、冷媒ガスの流れ方向と直交する方向に隣接する板状蓄冷材３ｃ，３ｃ間には、それぞれ間隙Ｇが１．２ｍｍである冷媒ガス流路４が形成される。
【００９４】
そして、この蓄冷器１ｄについて、実施例１と同様にしてパルスチューブ冷凍機の第２段目蓄冷器として組み込み、冷凍機を組み立て、５Ｈｚで冷凍試験を実施し、４．２Ｋにおける冷凍能力を測定したところ、０．０４Ｗの低い冷凍能力しか得られなかった。また、各蓄冷材３ｃのフランジ部８を形成する際に多大な加工工数が必要であり、製造コストが大幅に上昇することが判明した。
【００９５】
実施例５
実施例１において使用した板状蓄冷材３ａの厚さＴを０．１〜２．３ｍｍまでの範囲で変化させ、隣接する板状蓄冷材３ａ，３ａ間の間隙寸法を実施例１と同一に設定して、各蓄冷材を縦横３５ｍｍ×長さ１５０ｍｍの蓄冷器本体内に挿入固定することにより、それぞれ実施例５に係る蓄冷器を調製した。
【００９６】
そして、各蓄冷器について、実施例１と同様にしてパルスチューブ冷凍機の第２段目蓄冷器として組み込み、冷凍機を組み立て、５Ｈｚで冷凍試験を実施し、４．２Ｋにおける冷凍能力を測定したところ、図１３に示す結果が得られた。
【００９７】
図１３に示す結果から明らかなように、板厚が０．４ｍｍ以下の蓄冷材を使用した冷凍機においては、冷凍能力に顕著な差異は認められないが、板厚が減少するに伴って蓄冷材を蓄冷器本体に組み込むことが困難になることが判明した。図１３に示す結果から、特に板厚が０．４〜２ｍｍの範囲の蓄冷材を使用したときに、高い冷凍能力が得られることが判明した。
【００９８】
実施例６
実施例１において使用した厚さ０．５ｍｍの板状蓄冷材３ａ，３ａ間の間隙寸法Ｇを０．００８〜１．５ｍｍまでの範囲で変化させ、各蓄冷材を縦横３５ｍｍ×長さ１５０ｍｍの蓄冷器本体内に挿入固定することにより、それぞれ実施例６に係る蓄冷器を調製した。
【００９９】
そして、各蓄冷器について、実施例１と同様にしてパルスチューブ冷凍機の第２段目蓄冷器として組み込み、冷凍機を組み立て、５Ｈｚで冷凍試験を実施し、４．２Ｋにおける冷凍能力を測定したところ、図１４に示す結果が得られた。
【０１００】
図１４に示す結果から明らかなように、隣接する板状蓄冷材間の間隙Ｇが０．０１〜１ｍｍの範囲にある蓄冷器を使用した冷凍機においては、冷凍能力にピークが存在し、特に間隙が０．０５〜０．５ｍｍの範囲の蓄冷器を使用したときに、高い冷凍能力が得られることが判明した。
【０１０１】
実施例７
高周波溶解法によりＥｒ３Ｎｉなる組成を有する合金インゴットを鋳造し、このインゴットを真空中で温度７００℃で１２時間熱処理した。得られた合金インゴットをブレードソーを用いて切断することにより、幅Ｗが４０ｍｍであり、長さＬが１５ｍｍであり、厚さＴが０．６ｍｍの短冊状の蓄冷材を多数調製した。
【０１０２】
一方、内のり寸法で縦４０ｍｍ×横４０ｍｍ×長さ１８０ｍｍの角筒状の蓄冷器本体であり、内壁に深さ０．６ｍｍの溝を多数形成した蓄冷器本体を用意した。次に，この蓄冷器本体の溝に前記短冊状の蓄冷材の両縁部を挿入して固定することにより、実施例７に係る蓄冷器を調製した。
【０１０３】
上記実施例７に係る蓄冷器においては、短冊状の蓄冷材の長さ方向が冷媒ガスの流れ方向と一致するように、冷媒ガスの流れ方向に１２枚連設されるように構成されている。また溝を形成する突起の厚さを０．０８ｍｍとしたため、冷媒ガスの流れ方向と直交する方向に隣接する短冊状蓄冷材間には、それぞれ間隙Ｇが０．０８ｍｍである冷媒ガス流路が形成される。
【０１０４】
次に上記のように調製した蓄冷器の特性を評価するため、図１５に示すような２段膨張式ＧＭ冷凍機を用意した。なお、図１５に示す２段式のＧＭ冷凍機１０は、本発明の冷凍機の一実施例を示すものである。
【０１０５】
図１５に示す２段式のＧＭ冷凍機１０は、大径の第１シリンダ１１と、この第１シリンダ１１と同軸的に接続された小径の第２シリンダ１２とが設置された真空容器１３を有している。第１シリンダ１１には第１蓄冷器１４が往復動自在に配置されており、第２シリンダ１２には第２蓄冷器１５が往復動自在に配置されている。第１シリンダ１１と第１蓄冷器１４との間、および第２シリンダ１２と第２蓄冷器１５との間には、それぞれシールリング１６，１７が配置されている。
【０１０６】
第１蓄冷器１４には、Ｃｕメッシュ等の第１蓄冷材１８が収容されている。第２蓄冷器１５の低温側には、本発明の蓄冷器に使用される板状の極低温用蓄冷材が第２蓄冷材１９として収容されている。第１蓄冷器１４および第２蓄冷器１５は、第１蓄冷材１８や極低温用蓄冷材１９の間隙等に設けられたＨｅガス等の作動媒質（冷媒ガス）の通路をそれぞれ有している。
【０１０７】
第１蓄冷器１４と第２蓄冷器１５との間には、第１膨張室２０が設けられている。また、第２蓄冷器１５と第２シリンダ１２の先端壁との間には、第２膨張室２１が設けられている。そして、第１膨張室２０の底部に第１冷却ステージ２２が、また第２膨張室２１の底部に第１冷却ステージ２２より低温の第２冷却ステージ２３が形成されている。
【０１０８】
上述したような２段式のＧＭ冷凍機１０には、コンプレッサ２４から高圧の作動媒質（例えばＨｅガス）が供給される。供給された作動媒質は、第１蓄冷器１４に収容された第１蓄冷材１８間を通過して第１膨張室２０に到達し、さらに第２蓄冷器１５に収容された極低温用蓄冷材（第２蓄冷材）１９間を通過して第２膨張室２１に到達する。この際に、作動媒質は各蓄冷材１８，１９に熱エネルギーを供給して冷却される。
【０１０９】
各蓄冷材１８，１９間を通過した作動媒質は、各膨張室２０，２１で膨張して寒冷を発生させ、各冷却ステージ２２，２３が冷却される。膨張した作動媒質は、各蓄冷材１８，１９間を反対方向に流れる。作動媒質は各蓄冷材１８，１９から熱エネルギーを受け取った後に排出される。こうした過程で復熱効果が良好になるに従って、作動媒質サイクルの熱効率が向上し、より一層低い温度が実現されるように構成されている。
【０１１０】
そして、前記のように調製した実施例７に係る蓄冷器を、上記２段膨張式ＧＭ冷凍機の２段目蓄冷器として組み込み、実施例７に係る冷凍機を組み立て２Ｈｚで冷凍試験を実施し、４．２Ｋにおける冷凍能力を測定し、０．５７Ｗの冷凍能力が得られた。また、冷凍試験完了後に冷凍機の蓄冷器内に充填した蓄冷材を取り出し外観を観察したが、板状蓄冷材に損傷は認められなかった。
【０１１１】
比較例３
高周波溶解法によりＥｒ３Ｎｉなる組成を有する合金インゴットを鋳造した。
この合金インゴットを約１２００Ｋで溶融せしめ、得られた合金溶湯を、圧力が９０ＫＰａに調整されたＡｒ雰囲気中で回転速度１×１０４ｒｐｍで回転する円盤上に滴下して分散後、急冷凝固せしめることにより、磁性体粒子を調製した。
得られた磁性体粒子を篩い分け並びに形状分級することにより、粒径が０．２〜０．３ｍｍの球状磁性体粒子を得た。この球状磁性体粒子を、実施例７と同様な縦４０ｍｍ×横４０ｍｍ×長さ１８０ｍｍの角筒状の蓄冷器本体に充填することにより、比較例３に係る従来の蓄冷器を調製した。
【０１１２】
そして、この蓄冷器について、実施例７と同様にして２段膨張式ＧＭ冷凍機の第２段目蓄冷器として組み込み、ＧＭ冷凍機を組み立て、２Ｈｚで冷凍試験を実施し、４．２Ｋにおける冷凍能力を測定したところ、０．２１Ｗの冷凍能力が得られた。
【０１１３】
次に複数の板状の蓄冷材が冷媒ガスの流路断面を仕切るように配置され、冷媒ガスが流通する複数のセルを形成した蓄冷材を用いた実施例について説明する。
【０１１４】
実施例８
高周波溶解法によりＨｏＣｕ２なる組成を有するインゴットを調製した。このＨｏＣｕ２インゴットをジェットミルにて粉砕して平均粒径２．６μｍの蓄冷材粉末を作製した。この蓄冷材粉末にポリビニルアルコールと水とを加えて混合した混合体を、図１０（ｂ）に示すセルの断面形状を有する成形用金型（ダイス）を備えたスクリュー押し出し機に供給して押し出し成形を実施し、所定の断面形状のセルを有する押し出し成形体を得た。各セルの断面形状は一辺が５０μｍの正方形であり、セルを取り囲む隔壁としての蓄冷材の厚さは１００μｍであった。この押し出し成形体を脱脂後、温度８５０℃で焼成することにより、直径が３５ｍｍで長さが３０ｍｍの実施例８用の蓄冷材を調製した。
【０１１５】
上記のようなセル構造を有する３個の蓄冷材を、長さ１５０ｍｍの蓄冷器の低温側に充填するとともに、蓄冷器の高温側の残り空間には、粒径１８０〜３００μｍのＰｂ球状粉末をフェルト製スペーサを介して充填して実施例８に係る蓄冷器を調製した。
【０１１６】
この蓄冷器を図５に示すパルスチューブ型冷凍機の２段目蓄冷器として組み込み、パルフチューブ型冷凍機を６Ｈｚで運転したところ、４．２Ｋにおける冷凍能力が０．１５Ｗと安定していた。また、運転終了後、セル構造の蓄冷材を蓄冷器から取り出して観察したところ、破損した隔壁は観察されなかった。
【０１１７】
実施例９
平均粒径１．８μｍのＧｄＡｌＯ３粉末を蓄冷材粉末として用意した。この蓄冷材粉末にポリビニルアルコールと水とを加えて混合した混合体を、図１０（ｂ）に示すセルの断面形状を有する成形用金型ダイスを備えたスクリュー押し出し機に供給して押し出し成形を実施し、所定の断面形状のセルを有する押し出し成形体を得た。各セルの断面形状は一辺が５０μｍの正方形であり、セルを取り囲む隔壁としての蓄冷材の厚さは１００μｍであった。この押し出し成形体を脱脂後、温度１５００℃で焼成することにより、直径が３５ｍｍで長さが３０ｍｍの実施例９用の蓄冷材を調製した。
【０１１８】
上記のようなセル構造を有する１個の蓄冷材を、長さ１５０ｍｍの蓄冷器の低温側に充填するとともに、蓄冷器の高温側の残り空間には、実施例８で作製した蓄冷材を２個充填するとともに、さらにその高温側に粒径１８０〜３００μｍのＰｂ球状粉末をフェルト製スペーサを介して充填して実施例９に係る蓄冷器を調製した。
【０１１９】
この蓄冷器を図５に示すパルスチューブ型冷凍機の２段目蓄冷器として組み込み、パルフチューブ型冷凍機を６Ｈｚで運転したところ、４．２Ｋにおける冷凍能力が０．１８Ｗと安定していた。また、運転終了後、セル構造の蓄冷材を蓄冷器から取り出して観察したところ、破損した隔壁は観察されなかった。
【０１２０】
比較例４
高周波溶解法により、ＨｏＣｕ２なる組成を有する合金インゴットを調製した。このＨｏＣｕ２インゴットを約１３５０Ｋで溶融せしめ、この合金溶湯を、圧力が９０ＫＰａのアルゴン雰囲気中で１×１０４ｒｐｍで回転する円盤上に滴下して急冷凝固させることにより、磁性体粒子を調製した。得られた磁性体粒子を篩い分けし、さらに形状分級することにより、粒径が０．２〜０．３ｍｍの球状磁性体粒子から成る比較例４に係る蓄冷材粒子を調製した。
【０１２１】
この蓄冷材粒子を、実施例８，９で使用したパルスチューブ型冷凍機の蓄冷器本体に充填して比較例４に係る蓄冷器を調製した。この蓄冷器を図５に示すパルスチューブ型冷凍機の２段目蓄冷器として組み込み、パルフチューブ型冷凍機を６Ｈｚで運転したところ、４．２Ｋにおける冷凍能力が０．０１Ｗであった。
【０１２２】
このように本実施例に係る蓄冷器によれば、パルスチューブ型冷凍機やスターリング冷凍機などのように高速運転を行う冷凍機に使用された場合でも、圧力損失が小さく、熱交換効率が高い蓄冷器が実現でき、ひいては冷凍能力が高い冷凍機を提供することができる。
【０１２３】
実施例１０
成型用金型の断面形状が図１０（ａ）に示すように三角形であり、その一辺の長さが７５μｍである成型用金型を使用した点以外は、実施例８と同一の手順を繰り返して、所定のセル構造を有する実施例１０用の蓄冷材を調製した。そして、実施例８と同様に蓄冷器に充填して、冷凍試験を実施した。
【０１２４】
その結果、４．２Ｋにおける冷凍能力は０．１４Ｗであった。また、この冷凍機を５００時間連続して運転した後に、４．２Ｋにおける冷凍能力を測定したところ、０．１４Ｗと安定した特性を示した。さらに運転終了後、セル構造を有する蓄冷材を蓄冷器から取り出して観察したところ、破損した隔壁は発見されなかった。
【０１２５】
実施例１１
成型用金型の断面形状が図１０（ｄ）に示すように円形であり、セルを形成する隔壁の厚さが９０μｍである成型用金型を使用した点以外は、実施例８と同一の手順を繰り返して、所定のセル構造を有する実施例１１用の蓄冷材を調製した。そして、実施例８と同様に蓄冷器に充填して、冷凍試験を実施した。
【０１２６】
その結果、４．２Ｋにおける冷凍能力は０．１１Ｗであった。また、この冷凍機を５００時間連続して運転した後に、４．２Ｋにおける冷凍能力を測定したところ、０．０５Ｗに低下していた。さらに運転終了後、セル構造を有する蓄冷材を蓄冷器から取り出して観察したところ、破損した隔壁が１９箇所観察され、微粉化した蓄冷材も検出された。
【０１２７】
次に、本発明に係る蓄冷式冷凍機を使用した超電導ＭＲＩ装置、磁気浮上列車用超電導磁石、クライオポンプ、および磁界印加式単結晶引上げ装置の実施例について述べる。
【０１２８】
図１６は、本発明を適用した超電導ＭＲＩ装置の概略構成を示す断面図である。図１６に示す超電導ＭＲＩ装置３０は、人体に対して空間的に均一で時間的に安定な静磁界を印加する超電導静磁界コイル３１、発生磁界の不均一性を補正する図示を省略した補正コイル、測定領域に磁界勾配を与える傾斜磁界コイル３２、およびラジオ波送受信用プローブ３３等により構成されている。そして、超電導静磁界コイル３１の冷却用として、前述したような本発明に係る蓄冷式冷凍機３４が用いられている。なお、図中３５はクライオスタット、３６は放射断熱シールドである。
【０１２９】
本発明に係る蓄冷式冷凍機３４を用いた超電導ＭＲＩ装置３０においては、超電導静磁界コイル３１の動作温度を長期間に亘って安定に保証することができるため、空間的に均一で時間的に安定な静磁界を長期間に亘って得ることができる。したがって、超電導ＭＲＩ装置３０の性能を長期間に亘って安定して発揮させることが可能となる。
【０１３０】
図１７は、本発明に係る蓄冷式冷凍機を使用した磁気浮上列車用超電導磁石の要部概略構成を示す斜視図であり、磁気浮上列車用超電導マグネット４０の部分を示している。図１７に示す磁気浮上列車用超電導マグネット４０は、超電導コイル４１、この超電導コイル４１を冷却するための液体ヘリウムタンク４２、この液体ヘリウムタンクの揮散を防ぐ液体窒素タンク４３および本発明に係る蓄冷式冷凍機４４等により構成されている。なお、図中４５は積層断熱材、４６はパワーリード、４７は永久電流スイッチである。
【０１３１】
本発明に係る蓄冷式冷凍機４４を用いた磁気浮上列車用超電導マグネット４０においては、超電導コイル４１の動作温度を長期間に亘って安定に保証することができるため、列車の磁気浮上および推進に必要な磁界を長期間に亘って安定して得ることができる。特に、磁気浮上列車用超電導マグネット４０では加速度が作用するが、本発明に係る蓄冷式冷凍機４４は加速度が作用した場合においても長期間に亘って優れた冷凍能力を維持できることから、磁界強度等の長期安定化に大きく貢献する。したがって、このような超電導マグネット４０を用いた磁気浮上列車は、その信頼性を長期間に亘って発揮させることが可能となる。
【０１３２】
図１８は、本発明に係る蓄冷式冷凍機を使用したクライオポンプの概略構成を示す断面図である。図１８に示すクライオポンプ５０は、気体分子を凝縮または吸着するクライオパネル５１、このクライオパネル５１を所定の極低温に冷却する本発明に係る蓄冷式冷凍機５２、これらの間に設けられたシールド５３、吸気口に設けられたバッフル５４、およびアルゴン、窒素、水素等の排気速度を変化させるリング５５等により構成されている。
【０１３３】
本発明に係る蓄冷式冷凍機５２を用いたクライオポンプ５０においては、クライオパネル５１の動作温度を長期間に亘って安定に保証することができる。したがって、クライオポンプ５０の性能を長期間に亘って安定して発揮させることが可能となる。
【０１３４】
図１９は、本発明に係る蓄冷式冷凍機を使用した磁界印加式単結晶引上げ装置の概略構成を示す斜視図である。図１９に示す磁界印加式単結晶引上げ装置６０は、原料溶融用るつぼ、ヒータ、単結晶引上げ機構等を有する単結晶引上げ部６１、原料融液に対して静磁界を印加する超電導コイル６２、および単結晶引上げ部６１の昇降機構６３等により構成されている。そして、超電導コイル６２の冷却用として、前述したような本発明に係る蓄冷式冷凍機６４が用いられている。なお、図中６５は電流リード、６６は熱シールド板、６７はヘリウム容器である。
【０１３５】
本発明に係る蓄冷式冷凍機６４を用いた磁界印加式単結晶引上げ装置６０においては、超電導コイル６２の動作温度を長期間に亘って安定に保証することができるため、単結晶の原料融液の対流を抑える良好な磁界を長期間に亘って得ることができる。したがって、磁界印加式単結晶引上げ装置６０の性能を長期間に亘って安定して発揮させることが可能となる。
【０１３６】
【発明の効果】
以上説明の通り、本発明に係る蓄冷器によれば、板状の蓄冷材を蓄冷器本体に充填して形成されており、かつ冷媒ガスが容易に通過でき蓄冷材との間で十分な熱交換が可能な空隙が確保されているため、スターリング冷凍機やパルスチューブ冷凍機などの高速運転を行う冷凍機の蓄冷器として使用した場合においても、圧力損失が小さく、長期間に亘り安定した冷凍特性を示す蓄冷器が得られる。そして、その蓄冷器を冷凍機の少なくとも一部の蓄冷器として使用することにより、冷凍能力が高く、かつ長期間に亘って安定した冷凍性能が維持できる冷凍機を提供することができる。
【０１３７】
そして、ＭＲＩ装置、クライオポンプ、磁気浮上列車用超電導磁石、および磁界印加式単結晶引上げ装置は、いずれも冷凍機性能が各装置の性能を左右することから、上述したような冷凍機を用いた本発明のＭＲＩ装置、クライオポンプ、磁気浮上列車用超電導磁石、および磁界印加式単結晶引上げ装置は、いずれも長期間に亘って優れた性能を発揮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る蓄冷器の一実施例を示す断面図。
【図２】図１に示す蓄冷器を部分的に破断して示す正面図。
【図３】本発明に係る蓄冷器の他の実施例を示す斜視図。
【図４】図３におけるＩＶ部の拡大断面図。
【図５】パルス管冷凍機の要素構成および温度分布を模式的に示す図。
【図６】本発明に係る蓄冷器の他の実施例を示す斜視図。
【図７】図６におけるＶＩＩ部の拡大斜視図。
【図８】本発明に係る蓄冷器の他の実施例を示す半断面図。
【図９】図８に示す蓄冷器の縦断面図。
【図１０】蓄冷材のセルの断面形状を示す図であり、図１０（ａ）は三角形状のセルを示す断面図，図１０（ｂ）は四角形状のセルを示す断面図，図１０（ｃ）は六角形状のセルを示す断面図および図１０（ｄ）は円形のセルを示す断面図。
【図１１】従来の蓄冷材の形状例を示す斜視図および断面図。
【図１２】図１１に示す蓄冷材を積層して蓄冷器本体中に挿入して蓄冷器を組み立てる操作を示す斜視図。
【図１３】蓄冷材の板厚と冷凍機能力との関係を示すグラフ。
【図１４】蓄冷材間の間隙寸法と冷凍機能力との関係を示すグラフ。
【図１５】蓄冷式冷凍機（ＧＭ冷凍機）の要部構成を示す断面図。
【図１６】本発明の一実施例による超電導ＭＲＩ装置の概略構成を示す断面図。
【図１７】本発明の一実施例による超電導磁石（磁気浮上列車用）の要部概略構成を示す斜視図。
【図１８】本発明の一実施例によるクライオポンプの概略構成を示す断面図。
【図１９】本発明の一実施例による磁界印加式単結晶引上げ装置の要部概略構成を示す斜視図。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ 蓄冷器
２，２ａ，２ｂ，２ｃ 蓄冷器本体
３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ，３ｇ 蓄冷材
４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ 冷媒ガス流路（セル）
５，５ａ 溝
６ 突起
７ 保持器（ホルダー）
８ フランジ部
１０ ＧＭ冷凍機（蓄冷式冷凍機）
１１ 第１シリンダ
１２ 第２シリンダ
１３ 真空容器
１４ 第１蓄冷器
１５ 第２蓄冷器
１６，１７ シールリング
１８ 第１蓄熱材
１９ 第２蓄熱材（極低温用蓄冷材）
２０ 第１膨張室
２１ 第２膨張室
２２ 第１冷却ステージ
２３ 第２冷却ステージ
２４ コンプレッサ
３０ 超電導ＭＲＩ装置
３１ 超電導静磁界コイル
３２ 傾斜磁界コイル
３３ ラジオ波送受信用プローブ
３４ 蓄冷式冷凍機
３５ クライオスタット
３６ 放射断熱シールド
４０ 超電導磁石（マグネット）
４１ 超電導コイル
４２ 液体ヘリウムタンク
４３ 液体窒素タンク
４４ 蓄冷式冷凍機
４５ 積層断熱材
４６ パワーリード
４７ 永久電流スイッチ
５０ クライオポンプ
５１ クライオパネル
５２ 蓄冷式冷凍機
５３ シールド
５４ バッフル
５５ リング
６０ 磁界印加式単結晶引上げ装置
６１ 単結晶引上げ部
６２ 超電導コイル
６３ 昇降機構
６４ 蓄冷式冷凍機
６５ 電流リード
６６ 熱シールド板
６７ ヘリウム容器
７０ パルス管型冷凍機
７１ 圧力振動源
７２ 位相調節機構
【発明の属する技術分野】
本発明は蓄冷器および蓄冷式冷凍機に係り、特に微粉化するおそれが少なく加工性および耐久性に優れ、低温度域において顕著な冷凍能力を発揮できる蓄冷器およびその蓄冷器を使用した蓄冷式冷凍機等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、超電導技術の発展は著しく、その応用分野が拡大するに伴って小型で高性能の冷凍機の開発が不可欠になってきている。かかる小型冷凍機は、軽量・小型で熱効率の高いことが要求されており、種々の応用分野において実用化が進められている。
【０００３】
例えば、超電導ＭＲＩ装置やクライオポンプなどにおいては、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）方式やスターリング方式やパルスチューブ冷凍機などの冷凍サイクルによる冷凍機が用いられている。また、磁気浮上列車にも超電導磁石を用いて磁力を発生させるために高性能な冷凍機が必須とされている。さらに、最近では、超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）、および高品質のシリコンウェハーなどを製造する磁場中単結晶引き上げ装置などにおいても高性能な冷凍機が用いられている。
【０００４】
このような冷凍機においては、蓄冷材が充填された蓄冷器内を、圧縮されたＨｅガスなどの作動媒質が一方向に流れて、その熱エネルギーを蓄冷材に供給し、ここで膨張した作動媒質が反対方向に流れ、蓄冷材から熱エネルギーを受け取る。こうした過程での復熱効果が良好になるに伴い、作動媒質サイクルでの熱効率が向上し、より低い温度を実現することが可能となる。
【０００５】
上述したような冷凍機に使われる蓄冷材としては、従来、ＣｕやＰｂなどが主に用いられてきた。しかし、このような蓄冷材は、２０Ｋ以下の極低温で比熱が著しく小さくなるため、上述した復熱効果が十分に機能せず、冷凍機での作動に際して極低温下で１サイクル毎に蓄冷材に充分な熱エネルギーを貯蔵することができず、かつ作動媒質が蓄冷材から充分な熱エネルギーを受け取ることができなくなる。その結果、前記蓄冷材を充填した蓄冷器を組み込んだ冷凍機では極低温に到達させることができない問題があった。
【０００６】
そこで、最近では前記蓄冷器の極低温での復熱特性を向上し、より絶対零度に近い冷凍温度を実現するために、特に２０Ｋ以下の極低温域において体積比熱の極大値を有し、かつその値が大きなＥｒ３Ｎｉ，ＥｒＮｉ，ＨｏＣｕ２などのように希土類元素と遷移金属元素とから成る金属間化合物を主体とした磁性蓄冷材が使用されている。このような磁性蓄冷材をＧＭ冷凍機に用いることにより、４Ｋでの冷凍が実現されている。上記のような磁性蓄冷材は、冷媒としてのＨｅガスとの熱交換を効率的に行えるように、通常は直径が０．１〜０．５ｍｍ程度の球状に加工して用いられている。特に磁性蓄冷材（粒子状蓄冷物質）が希土類元素を含む金属間化合物である場合には、遠心噴霧法などを用いた加工法によって球状に加工されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、スターリング冷凍機やパルスチューブ冷凍機などのように高速運転を行う冷凍機においては、球状の磁性蓄冷粒子を充填した蓄冷器での圧力損失が大きくなり、十分な冷凍能力が実現できない問題点があった。またＧＭ冷凍機などにおいては、冷凍機の運転中に作用する振動や衝撃力によって磁性体粒子が微粉化して冷媒ガスの通気抵抗を高め、熱交換効率が急激に低下するなどの不具合が発生し易い難点があった。
【０００８】
これに対して、圧力損失が低くなる蓄冷材の構成例として、磁性材料板に多数の冷媒ガス流通口を穿設したパンチングプレートや磁性体リボンを巻回したロール状リボンや網状の磁性体を積層したスクリーンなどが知られている。しかしながら、上記した磁性蓄冷材は、金属間化合物に特有の脆性を示すために、穿孔や曲げ加工が困難であり、上記のような形状に加工することは極めて困難であり、膨大な加工コストを要する問題点もあった。
【０００９】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、特に微粉化するおそれが少なく加工性および耐久性に優れ、低温度域において顕著な冷凍能力を発揮できる蓄冷器およびその蓄冷器を使用した蓄冷式冷凍機等を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る蓄冷器は、蓄冷器本体内に蓄冷材を充填し、蓄冷器本体の一方向から他方向に冷媒ガスを流通せしめて低温度を達成する蓄冷器において、上記蓄冷材の少なくとも一部が、厚さ０．０３ｍｍ以上２ｍｍ以下の板状の蓄冷材であり、上記蓄冷材が、希土類元素を１０ａｔ％以上含有する合金から成り、上記冷媒ガスの流れ方向における板状の蓄冷材の長さが１ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、上記冷媒ガスの流れ方向と直交する方向に間隙をおいて複数の板状の蓄冷材が配設され、この間隙が０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下であると共に、上記複数の板状の蓄冷材が冷媒ガスの流路断面を仕切るように配置され、冷媒ガスが流通する複数のセルが形成されている一方、上記セルを形成する蓄冷材の厚さの平均値が０．０５ｍｍ以上、２ｍｍ以下であり、上記複数のセルの断面積の平均値が１×１０ −９ ｍ ２ 以上２×１０ −６ ｍ ２ 以下であり、上記複数のセルの平均長さが３ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１１】
また、上記蓄冷器において、蓄冷材が、希土類元素を１０ａｔ％以上含有する合金から成ることが好ましい。さらに、冷媒ガスの流れ方向における板状の蓄冷材の長さが１ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることが好ましい。さらに、複数の板状の蓄冷材が冷媒ガスの流れ方向と直交する方向に間隙をおいて配設され、この間隙が０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１２】
また、上記蓄冷器において、蓄冷器本体の内壁に溝が形成され、この溝に上記板状の蓄冷材の縁部が挿入されるように構成するとよい。さらに、蓄冷器本体の内壁に突起が形成され、この突起間に上記板状の蓄冷材の縁部が挿入されるように構成してもよい。また、複数の板状の蓄冷材が保持器によって固定されており、この保持器が蓄冷器本体内に挿入されるように構成することも可能である。
【００１３】
さらに、複数の板状の蓄冷材が冷媒ガスの流れ方向に配設されており、上記冷媒ガスの流れ方向に隣接する板状の蓄冷材の平板面がなす蓄冷器径方向の角度が０．５度以上であることが好ましい。
【００１４】
また、特殊な構成として、上記複数の板状の蓄冷材が冷媒ガスの流路断面を仕切るように配置され、冷媒ガスが流通する複数のセルが形成されるように構成することもできる。上記構成において、セルを形成する蓄冷材の厚さの平均値が０．０５ｍｍ以上、２ｍｍ以下であることが好ましい。また、上記複数のセルの断面積の平均値が１×１０−９ｍ２以上２×１０−６ｍ２以下であることが好ましい。さらに、上記複数のセルの平均長さが３ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１５】
また、上記複数の板状の蓄冷材およびセルは、蓄冷材粉末とバインダーとの混合物の押し出し加工により形成してもよい。なお、上記蓄冷材粉末は、希土類元素を１０ａｔ％以上含有することが好ましい。
【００１６】
また、本発明に係る蓄冷式冷凍機は、蓄冷器の上流高温側から作動媒質（冷媒ガス）を流して上記作動媒質と蓄冷材との熱交換によって蓄冷器の下流側にて、より低温度を得る蓄冷式冷凍機において、上記蓄冷器の少なくとも一部が上記板状の蓄冷材を充填した本発明の蓄冷器であることを特徴とする。
【００１７】
さらに、本発明に係るＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ）装置、磁気浮上列車用超電導磁石、クライオポンプおよび磁界印加式単結晶引上げ装置は、いずれも上記した本発明に係る蓄冷式冷凍機を具備することを特徴としている。
【００１８】
本発明に係る蓄冷器の本体内に充填される蓄冷材の少なくとも一部は、希土類元素を１０ａｔ％以上含有する磁性合金で形成することが好ましい。上記蓄冷材を構成する合金または単体は、例えば、一般式ＲＭｚ…（１）
（但し、ＲはＹ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，ＴｍおよびＹｂから選択される少なくとも１種の希土類元素であり、ＭはＮｉ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｒｕ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｇｅ，ＳｉおよびＲｈから選択される少なくとも１種の元素であり、ｚは原子比で０≦ｚ≦９．０を満足する。）で表わされる希土類元素単体または希土類元素を含む金属間化合物で構成することが好ましい。
【００１９】
本発明に係る蓄冷器に充填する蓄冷材は、前記一般式（１）から明らかなようにＲＭｚ（０≦ｚ≦９．０）なる組成を有する希土類元素単体、または、希土類元素を含む金属間化合物などの磁性体から構成することが好ましい。なお、上記磁性体の他に、Ｐｂ，Ｐｂ合金，Ｃｕ，Ｃｕ合金，ステンレス鋼などの金属材料で構成された蓄冷材を併用してもよい。
【００２０】
上記一般式においてＲ成分は、Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｄｙ，ＴｍおよびＹｂから選択される少なくとも１種の元素であり、Ｍ成分はＮｉ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｒｕ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｇｅ，ＳｉおよびＲｈから選択される少なくとも１種の元素である。
【００２１】
上記Ｍ成分のＲ成分に対する配合比ｚが９．０を超えると磁性元素である希土類元素の比率が著しく低下して比熱が小さくなる。ここで、ｚ＝０の場合、すなわち、蓄冷材が希土類元素単体から成る場合では、比熱ピークを示す温度の調整が難しいため、希土類元素を含む金属間化合物がより好ましい。ｚの好ましい範囲は、０．１≦ｚ≦５であり、さらに好ましくは１≦ｚ≦３である。特に好ましい具体的組成は、Ｅｒ３Ｎｉ，Ｅｒ３Ｃｏ，ＥｒＮｉ，ＥｒＮｉ０．９Ｃｏ０．１，ＨｏＣｕ２，ＥｒＩｎ３，ＨｏＳｂ，Ｈｏ２Ａｌである。なお、ＥｒＮｉのＮｉの一部をＣｏに置換したＥｒＮｉ０．９Ｃｏ０．１のように、上記組成をもとにＲ成分の一部を他のＲ成分の少なくとも１種の元素で置換したり、またはＭ成分の一部を他のＭ成分の少なくとも１種の元素で置換したりすることにより、比熱ピークを示す温度やピークの幅などに制御することができる。
【００２２】
本発明で使用する蓄冷材は、２０Ｋ以下の極低温領域において比熱ピークを有する酸化物を主体とする多数の磁性粒子の成形体から構成してもよい。この磁性粒子を構成する酸化物としては、例えば下記一般式（２），（３），（４），（５）で示す組成物が好適に使用できる。
【００２３】
すなわち、一般式：ＲＭ´２Ｏ３ ……（２）
（但し、Ｒは、Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，ＴｍおよびＹｂから選択される少なくとも１種の希土類元素であり、Ｍ´は３Ｂ族元素（長周期律表）から選択される少なくとも１種の元素である。）で表わされるペロブスカイト系酸化物；
一般式：ＡＢ２Ｏ４ ……（３）
（但し、Ａは、２Ｂ族元素から選択される少なくとも１種の元素であり、Ｂは少なくともＣｒを含む遷移金属元素である。）で表わされるスピネル系酸化物；
一般式：ＣＤ２Ｏ６ ……（４）
（但し、ＣはＭｎおよびＮｉから選択される少なくとも１種の元素であり、ＤはＮｂおよびＴａから選択される少なくとも１種の元素である。）で表わされる酸化物；および
一般式：Ｇｄ１−ｘＲｘＡ１−ｙＢｙＯ３……（５）
（式中、ＲはＣｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｔｂ，Ｄｙ，ＨｏおよびＥｒから選択される少なくとも１種の希土類元素を示し、ＡはＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ａｌ，Ｓｉから選択される元素を示し、ｘ＝０かつｙ＝０の場合には少なくとも２種の元素が選択される一方、ｘ≠０またはｙ≠０の場合には少なくとも１種の元素が選択され、ＢはＺｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ａｇ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ａｕ，Ｂｉから選択される少なくとも１種の元素を示し、ｘは原子比で０≦ｘ≦０．４、ｙは原子比で０≦ｙ≦０．４を満足する。）で表わされる酸化物磁性体から成る蓄冷材である。
【００２４】
前記一般式：Ｇｄ１−ｘＲｘＡ１−ｙＢｙＯ３ ……（５）
において、ｘ＝０かつｙ＝０のときの一般式はＧｄＡＯ３で表わされるが、このＧｄＡＯ３についてＡ成分が単一の元素のみである場合には、一般的に極低温域に比熱ピークを有する磁性体が得られる一方、４〜６Ｋの温度域においては大きな比熱ピークを示すことが少ない。そのため、ｘ＝０かつｙ＝０の場合には、Ａ成分として少なくとも２種の元素が選択される。一方、Ｇｄの一部を他の希土類元素で置換するか、あるいはＡ成分の一部を他の元素で置換することにより、比熱特性を調整し、高性能な蓄冷材としている。
【００２５】
また、上記一般式（５）：Ｇｄ１−ｘＲｘＡ１−ｙＢｙＯ３において、Ｒ成分はＣｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｔｂ，Ｄｙ，ＨｏおよびＥｒから選択される少なくとも１種の希土類元素であり、急峻な比熱ピークをブロードしたり、ピーク温度位置を制御するために有効な成分であり、Ｇｄの一部を置換するように添加される。Ｒ成分の置換量を示す添加比率ｘが０．４を超えると比熱が小さくなる。上記Ｒ成分のうち、Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒが好ましく、さらにはＴｂ，Ｄｙがさらに好ましい。
【００２６】
また、Ａ成分はＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ａｌ，Ｓｉから選択される元素を示し、比熱ピークを制御する効果を有する。そして、ｘ＝０かつｙ＝０の場合には少なくとも２種の元素が選択される一方、ｘ≠０またはｙ≠０の場合には少なくとも１種の元素が選択されるため、ＧｄＡＯ３系におけるＧｄまたはＡ成分の一部が必ず他の元素で置換されることになる。上記Ａ成分元素としては、Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｇａ，Ａｌが好ましく、さらにはＣｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｇａ，Ａｌがより好ましい。
【００２７】
さらに、Ｂ成分は上記Ａ成分の一部を置換することにより、（Ｇｄ１−ｘＲｘ）原子間の距離を調整するなどの作用により比熱特性を改善する元素である。Ｂ成分はＺｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ａｇ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ａｕ，Ｂｉから選択される少なくとも１種の元素を示す。このＢ成分元素としては、Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｓｎ，Ｔａ，Ｗが好ましく、さらにはＴａ，Ｗがより好ましい。このＢ成分の添加量を示す比率ｙが０．４を超えるとペロブスカイト構造を維持することが困難になり、磁性体から成る蓄冷材の比熱特性が低下してしまう。
【００２８】
また前記一般式：Ｇｄ１−ｘＲｘＡ１−ｙＢｙＯ３における酸素の原子比については、原子の欠陥などにより、化学量論比である３からずれる場合がある。しかしながら、酸素の原子比が２．５〜３．５の範囲内であれば、比熱特性に大きな影響を与えることはない。
【００２９】
本発明に係る蓄冷器に充填される板状の蓄冷材の製造方法は、特に限定されるものではなく、例えば、上記組成を有する蓄冷材合金インゴットをブレードソーなどの切断手段を用いて切断する加工法や粉末焼結法などを用いることができる。
【００３０】
また、冷媒ガスが流通する複数のセルが形成されている蓄冷材は、後述するように、蓄冷材粉末とバインダーとの混合物を押し出し加工することによって形成してもよい。
【００３１】
図１および図２に示すように、本発明に係る蓄冷器１は、例えば筒状の蓄冷器本体２内に複数の板状の蓄冷材３を、冷媒ガス流路４の方向と直交する方向に所定の間隔（間隙）Ｇをおいて配置固定して形成される。
【００３２】
本発明に係る蓄冷器１に充填される板状の蓄冷材３の板厚Ｔは、冷凍機の蓄冷特性に大きな影響を及ぼす一要因であり、本発明では０．０３ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲とされる。蓄冷材３の板厚Ｔが０．０３ｍｍ未満と過小になると蓄冷材としての構造強度が不十分となり、蓄冷器１を組み立てる際に破損し易くなるとともに、冷凍機の運転中に発生する振動によって破損し易くなる。
【００３３】
一方、蓄冷材３の板厚Ｔが２ｍｍを超えるように過大になると、１回の冷凍サイクル中で蓄冷材３の内部（深部）までの熱の浸透が不十分となり、蓄冷効率が低下してしまう。そのため、本発明では蓄冷材３の板厚Ｔは０．０３〜２ｍｍの範囲に規定しているが、０．２〜１．３ｍｍの範囲がより好ましく、０．４〜１．０ｍｍの範囲がさらに好ましい。
【００３４】
また、図３および図４に例示するように、本発明に係る蓄冷器１ａにおいて、冷媒ガス（Ｈｅガス）の流れ方向における板状の蓄冷材３ａの長さＬは１ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることが好ましい。板状蓄冷材３ａの長さＬが１ｍｍ未満と短尺である場合には、冷媒ガスの流れ方向に長尺である蓄冷器本体２ａを、上記短尺な蓄冷材３ａで満たすように充填する作業に多大な工数を要し、生産性の観点から望ましくない。
【００３５】
一方、板状蓄冷材３ａの長さＬが１００ｍｍを超えるように長尺になると、ガス流路方向の熱伝導量が大きくなるため、冷凍機の低温端に熱が流入し易くなり、冷凍能力が低下してしまう。そのため冷媒ガスの流れ方向における板状蓄冷材３ａの長さＬは１〜１００ｍｍの範囲とされるが、５〜４０ｍｍの範囲が好ましく、８〜２０ｍｍの範囲がさらに好ましい。
【００３６】
すなわち、図１および図２に示すように、蓄冷器１の冷媒ガスの流れ方向全長に亘る長尺の蓄冷材３を配置するよりも、図３および図４に示すように、複数の短尺の蓄冷材３ａを流れ方向に連設して配置する方が、隣接する蓄冷材３ａ，３ａの切れ目が上記熱伝導を抑止する効果を発揮するため、冷凍能力をより高めることが可能になる。
【００３７】
さらに、例えば図１および図４に示すように、本発明に係る蓄冷器１において、冷媒ガスの流れ方向と直交する方向に配設される複数の板状の蓄冷材３，３ａの間隙Ｇの幅は、０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲とすることが好ましい。板状蓄冷材３，３ａの間隙Ｇが０．０１ｍｍ未満と過小な場合には、ガス流路４における冷媒ガスの通気抵抗が大きくなり冷凍能力が低下する。
【００３８】
一方、蓄冷材３，３ａ間の間隙Ｇが１ｍｍを超えるように過大になると、蓄冷材３，３ａの充填率が低下するとともに、冷媒ガスと蓄冷材３，３ａとの熱交換が不十分となり蓄冷効率が低下する。そのため板状蓄冷材間の間隙Ｇは０．０１〜１ｍｍの範囲に規定されるが、０．０２〜０．３ｍｍの範囲が好ましく、０．０５〜０．１５ｍｍの範囲が、さらに好ましい。
【００３９】
本発明に係る蓄冷器において、各板状蓄冷材の蓄冷器本体に対する固定構造は、特に限定されるものではないが、以下のような固定構造が望ましい。例えば、図４に示すように、蓄冷器本体２ａの内壁に形成された溝５に各板状蓄冷材３ａの縁部を挿入することにより、各蓄冷材３ａを固定して蓄冷器を形成できる。この場合、溝５を形成する突起部分の厚さが、隣接する蓄冷材３ａ，３ａ間に形成される間隙Ｇとなり、冷媒ガス流路（セル）４を形成する。なお、上記溝５に板状蓄冷材３ａを挿入する前に予めグリースなどの潤滑材を塗布することにより、挿入操作を円滑に実施できる。
【００４０】
また、板状蓄冷材の他の固定構造として、例えば図６および図７に示す方式も採用できる。すなわち、図６〜図７に示す蓄冷器１ｂにおいては、蓄冷器本体２ｂの内壁に突起６が形成され、この突起６，６間に板状の蓄冷材３ｂの縁部が挿入されて固定される構造を有し、突起６の厚さが、隣接する蓄冷材３ｂ間に形成される間隙となり、冷媒ガス流路（セル）を形成する。上記突起６の形状は、特に限定されるものではなく、爪状，ボタン状，棒状などの種々の形状をとり得る。また、突起は、板状の蓄冷材の表面に形成することも可能である。
【００４１】
さらに板状蓄冷材のその他の固定構造として、例えば図８および図９に示す方式も採用できる。すなわち、蓄冷器本体２内に嵌装可能な保持器７であり、板状蓄冷材３の縁部を挿入する多数の溝５ａを内面軸方向に形成した保持器７内に複数の板状蓄冷材３を挿入して固定してもよい。すなわち、筒状の蓄冷器本体２自体に加工を施し板状蓄冷材３を直接に固定する方式ではなく、予め蓄冷器本体２と同一または異なる材料から成る保持器７内に複数の板状蓄冷材３を、所定の間隙を保持した状態で固定し、こうして得られた保持器７を蓄冷器本体２内の軸方向に複数個挿入して蓄冷器を形成することも可能である。
【００４２】
この場合、複数の板状蓄冷材３は、予め保持器７内に固定されているため、蓄冷材３を交換する際は、保持器７を新しいものと入れ替えるだけで交換作業は完了する。したがって、蓄冷材３の交換作業が迅速に完了するとともに、蓄冷材３の取扱いも容易になり、破損も少なくなる。
【００４３】
また、複数の板状の蓄冷材が冷媒ガスの流れ方向に配設されて形成される蓄冷器においては、冷媒ガスの流れ方向に隣接する板状蓄冷材の平板面が同一平面上に存在する場合と比較して上記隣接する蓄冷材の平板面が相互に若干ずれている場合の方が、より熱交換作用が円滑に進行し、蓄冷効率が高まるという知見を本発明者らは得ている。
【００４４】
そこで本発明に係る蓄冷器の好ましい態様として、上記冷媒ガスの流れ方向に隣接する板状の蓄冷材の平板面がなす蓄冷器径方向の角度が０．５度以上となるように規定している。例えば、図８および図９に示すように、複数の板状蓄冷材３を保持器７内に配置固定し、この保持器７を冷媒ガス流れ方向に多段に積み重ねて蓄冷器１ｃとした場合に、隣接する板状蓄冷材３，３ａの平板面がなす蓄冷器径方向の角度θを０．５度以上に調節することにより、冷媒ガスの流路抵抗の大きさを抑制することが可能である。
【００４５】
上記冷媒ガス流路方向に隣接する板状蓄冷材３，３ａの平板面がなす蓄冷器径方向の角度θが０．５度未満と過小な場合には、冷媒ガスの流路抵抗が小さく、冷媒ガス（作動ガス）と蓄冷材との間で十分な熱交換が困難である。上記隣接する蓄冷材の平板面のなす角度θは０．５度以上と規定されるが、１度以上が好ましく、さらには２度以上が、さらに好ましい。
【００４６】
また、本発明に係るは蓄冷器において、複数の板状の蓄冷材が冷媒ガスの流路断面を仕切るように配置され、冷媒ガスが流通する複数のセルが形成されるように構成することもできる。
【００４７】
上記構成の蓄冷器において、上記セルを形成する蓄冷材の厚さの平均値は、好ましくは０．０５ｍｍ以上、２ｍｍ以下に規定される。蓄冷材の厚さの平均値が０．０５ｍｍ未満になると、蓄冷材の構造強度が不十分となり、蓄冷器中に組み込むことが困難になるのみならず、冷凍機の運転中に生じる振動や衝撃によって破損し易くなる。
【００４８】
一方、セルを形成する蓄冷材の厚さの平均値が２ｍｍを超えると、１回の冷凍サイクル中で蓄冷材内部までの熱浸透が不十分となり、蓄冷効率が低下してしまう。そのためセルを形成する隔壁としての蓄冷材の厚さの平均値は、０．０５〜２ｍｍとされるが、０．１〜１ｍｍ以下の範囲がより好ましく、０．２〜０．５ｍｍの範囲が特に好ましい。
【００４９】
上記複数のセルを形成した蓄冷材を充填した蓄冷器において、複数のセルの断面積の平均値は１×１０−９ｍ２以上２×１０−６ｍ２以下の範囲とすることが好ましい。ここで、セルの断面積は、冷媒ガスの流れ方向（軸方向）に直角な方向の断面積を意味する。このセルの断面積の平均値が１×１０−９ｍ２未満になると、冷媒ガスの流路抵抗が大きくなり、この蓄冷材を使用した冷凍機の冷凍能力が低下してしまう。
【００５０】
一方、セルの断面積の平均値が２×１０−６ｍ２を超えると、蓄冷材の蓄冷器への充填率が低下するとともに、冷媒ガスと蓄冷材との熱交換が不十分となり、蓄冷効率が低下してしまう。したがって、複数のセルの断面積の平均値は１×１０−９ｍ２〜２×１０−６ｍ２の範囲とされるが、２×１０−９ｍ２〜５×１０−７ｍ２以下の範囲が好ましく、さらに５×１０−９ｍ２〜２×１０−７ｍ２以下の範囲が特に好ましい。
【００５１】
また、上記セルを形成した蓄冷材を充填した蓄冷器において、複数のセルの平均長さは３ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲とすることが好ましい。上記セルの平均長さが３ｍｍ未満では、冷媒ガス流路方向に長尺な蓄冷器を蓄冷材で満たすために、多数の蓄冷材が必要となり、蓄冷器の組立が煩雑であり、生産性の観点から好ましくない。
【００５２】
一方、セルの平均長さが１００ｍｍを超えると、ガス流路方向における熱伝導が大きくなるため、冷凍機の蓄冷器の低温端に熱が流入し易くなって冷凍能力が低下してしまう。そのためセルの平均長さは、３〜１００ｍｍの範囲とすることが好ましいが、５〜４０ｍｍの範囲がより好ましく、さらには８〜２０ｍｍの範囲がより好ましい。
【００５３】
上記蓄冷材のセルの断面形状は、特に限定されるものではなく、図１０（ａ）〜（ｄ）に示すように、三角形，四角形，六角形および円形など種々の形状を採用できる。また上記の少なくとも２種の断面形状が混在するようなセル形状を採用することもできる。上記セルの断面形状のうち、特に四角形状および三角形状のセルを形成した場合に、蓄冷材の機械的強度が優れ、耐久性に優れた蓄冷材が得られる。
【００５４】
本発明に係る蓄冷器に充填され、上記のような複数のセルを有する蓄冷材の製造方法は、特に限定されるものではなく、例えば、押し出し法，コルゲート法，エンボスおよびカレンダー法などの各種成形法が使用される。特に成形操作の簡便性の観点から、複数の板状の蓄冷材およびセルは、蓄冷材粉末とバインダーとの混合物の押し出し加工により形成されていることが望ましい。ここで、上記蓄冷材粉末は、希土類元素を１０ａｔ％以上含有することが望ましい。
【００５５】
上記押し出し法においては、粒度調整した蓄冷材粉末にバインダー，潤滑剤，界面活性剤，分散媒としての水などを加えて混練した混合物を、目的とするセル構造の隔壁を形成するための押し出し溝を有する成形ダイスなどの成形金型を通すことにより、複数のセルを有する成形体が形成される。その後、必要に応じて脱脂処理を行い、焼成することにより、所定断面形状を有する蓄冷材が形成される。
【００５６】
上記製造方法において、より緻密で高強度な蓄冷材を得るために、原料となる蓄冷材粉末の平均粒径は１０μｍ以下とすることが好ましい。この平均粒径は５μｍ以下がより好ましく、さらには３μｍ以下が特に好ましい。また、上記バインダーとしては、例えば、メチルセルロース，カルボキシルメチルセルロース，ポリビニルアルコール（ＰＶＡ），澱粉糊，グリセリン，各種ワックスなどが好適に使用できる。また、バインダーとしてＰｂ，Ｓｎ，Ｉｎ，各種半田合金などの低融点金属材を使用することもできる。
【００５７】
なお、従来から、例えば、エンボス加工を施した蓄冷材要素やリボン状の蓄冷材要素を巻回したり、あるいは積層したりすることにより、隣接する蓄冷材要素間の隙間に擬似的なセル構造を形成した蓄冷材が提案されているが、それらの蓄冷材を用いた蓄冷器は、本発明の蓄冷器とは作用効果が異なるものである。
【００５８】
すなわち、上記従来の蓄冷材はセルを形成する板状の蓄冷材の一部が可動的に接触しているのみであるのに対して、本発明ではセルが、一体化して形成された強固な隔壁により囲まれた構造を形成している。したがって、このセル構造により、外力に対して各セルの形状を安定に維持することが可能となり、冷凍機の特性の安定化が実現される。
【００５９】
特に、セルを構成する隔壁の厚さが薄い場合には、上記従来例のように板状の蓄冷材要素が相互に接触する構造では蓄冷材の機械的強度は不十分であるのに対して、本発明では、複数の板状の蓄冷材が一体化して形成され、高剛性のフレーム構造が形成されているために、十分な機械的強度および耐久性が確保できる。
【００６０】
また、前記従来のセル構造を有する蓄冷材においては、加工精度を高くできない技術上の問題から、一部のセルを構成する隔壁の接触が不十分となり、隙間を生じる場合がある。この場合、冷媒ガスと隔壁を構成する蓄冷材との間での熱交換が不十分となり、蓄冷性能が低下する問題がある。これに対して、本発明の蓄冷器で使用する蓄冷材においては、隣接する隔壁間に隙間が形成されることがないため、上記問題は発生しない。
【００６１】
また、他の従来例として、磁性材料から成る薄板に、冷媒ガスの流路となる複数の穴を、機械的加工，エッチング，あるいは蒸発処理などの手段によって形成した薄板を積層した蓄冷材も提案されていた。しかしながら、脆性が高い磁性材料から成る薄板に機械的加工法によって微細な穴を多数形成することは、極めて困難であり、また工業的に高コストになるという問題点があった。
【００６２】
また、本願発明者の知見として、蓄冷材とは異なる材料から成る芯材の周りに蓄冷材を巻き付け、それを多数束ねた状態で線引き加工して一体化し、その後、エッチングまたは蒸発処理などにより芯材を取り除いて孔を形成した蓄冷材の製造方法も考えられている。
【００６３】
しかしながら、一般に脆性が高く加工性が悪い磁性材料を線引き加工することは困難であり、工業的な製造方法にはなり得ない。また、上記製造方法では、断面が円形状の孔が一般的となるが、円形状の孔を形成するためには孔を取り囲む隔壁が曲面で構成され、図１０（ｄ）に示すように薄い隔壁部分と厚い隔壁部分とが混在する。そのため、薄い部分は構造強度が不足する一方、厚い部分は熱交換が不十分となり、いずれにしても蓄冷材としての要求特性が低下する部分が存在することになる。
【００６４】
したがって、本発明において、セルの断面形状は図１０（ｄ）に示す円形状の断面を有するセルよりも図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように、三角形状，四角形状，または六角形状を有するものが、高い機械的特性と良好な伝熱特性とを同時に確保するために、より好ましいと言える。
【００６５】
本発明に係る蓄冷式冷凍機は、蓄冷器の少なくとも一部として、上記の蓄冷材を充填した蓄冷器を使用して構成される。なお、所定の冷却段の蓄冷器として、本発明に係る蓄冷器を装填する一方、他の蓄冷器として、その温度分布に応じた比熱特性を有する他の蓄冷材を充填した蓄冷器を併用して構成してもよい。
【００６６】
上記構成に係る蓄冷器によれば、板状の蓄冷材を蓄冷器本体に充填して形成されており、かつ冷媒ガスが容易に通過でき蓄冷材との間で十分な熱交換が可能な空隙が確保されているため、スターリング冷凍機やパルスチューブ冷凍機などの高速運転を行う冷凍機の蓄冷器として使用した場合においても、圧力損失が小さく、長期間に亘り安定した冷凍特性を示す蓄冷器が得られる。そして、その蓄冷器を冷凍機の少なくとも一部の蓄冷器として使用することにより、冷凍能力が高く、かつ長期間に亘って安定した冷凍性能が維持できる冷凍機を提供することができる。
【００６７】
そして、ＭＲＩ装置、クライオポンプ、磁気浮上列車用超電導磁石、および磁界印加式単結晶引上げ装置は、いずれも冷凍機性能が各装置の性能を左右することから、上述したような冷凍機を用いた本発明のＭＲＩ装置、クライオポンプ、磁気浮上列車用超電導磁石、および磁界印加式単結晶引上げ装置は、いずれも長期間に亘って優れた性能を発揮させることができる。
【００６８】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施形態について以下に示す実施例に基づいて具体的に説明する。
【００６９】
実施例１
高周波溶解法によりＨｏＣｕ２なる組成を有する合金インゴットを鋳造し、このインゴットを真空中で温度７５０℃で１２時間熱処理した。得られた合金インゴットをブレードソーを用いて切断することにより、図３に示すように幅Ｗが３５ｍｍであり、長さＬが１０ｍｍであり、厚さＴが０．５ｍｍの短冊状の蓄冷材３ａを多数調製した。
【００７０】
一方、図３に示すように、内のり寸法で縦３５ｍｍ×横３５ｍｍ×長さ１５０ｍｍの角筒状の蓄冷器本体２ａであり、図４に示すように内壁に深さ０．５ｍｍの溝５を多数形成した蓄冷器本体２ａを用意した。次に上記蓄冷器本体２ａの溝５に前記短冊状の蓄冷材３ａの両縁部を挿入して固定することにより、実施例１に係る蓄冷器１ａを調製した。
【００７１】
上記実施例１に係る蓄冷器１ａにおいては、短冊状の蓄冷材３ａの長さ方向が冷媒ガスの流れ方向と一致するように、冷媒ガスの流れ方向に１５枚連設されるように構成されている。また溝５を形成する突起の厚さを０．１ｍｍとしたため、冷媒ガスの流れ方向と直交する方向に隣接する短冊状蓄冷材３ａ，３ａ間には、それぞれ間隙Ｇが０．１ｍｍである冷媒ガス流路４が形成される。
【００７２】
次に上記のように調製した蓄冷器の特性を評価するため、２段式パルスチューブ冷凍機を用意した。図５に１段式パルスチューブ冷凍機の基本構成を示す。このパルスチューブ冷凍機７０の最大の構造的特徴は、後述するＧＭ冷凍機では必須となっている寒冷発生用の往復動ピストンを具備しないことである。そのため、機械的信頼性および低振動性に優れる長所を有し、特に素子やセンサー冷却用冷凍機として期待を担っている。
【００７３】
パルスチューブ冷凍機７０は蓄冷式冷凍機の一種であり、冷媒ガスとして一般にヘリウムガスが用いられる。基本的な構成として、冷凍機は蓄冷器１の他にヘリウムガスを圧縮する圧力振動源７１、および冷媒ガスの圧力変動と位置変動（変位）の時間差を制御する位相調節機構７２から成る。
【００７４】
ＧＭ冷凍機やスターリング冷凍機においては、上記位相調節機構７２は低温部に配置された往復動ピストン機構であるのに対して、パルスチューブ冷凍機７０では、それが室温部に配置され、蓄冷器１の低温端と室温部の位相調節機構７２との間がパルス管と呼ばれる配管で連結され、冷媒ガスの圧力波の位相の遠隔制御がなされる。そして圧力変動による冷媒ガスと蓄冷材との間のエントロピー授受が変位との適当なタイミングで進行することにより、エントロピーが一方向へ順次汲み上げられ、蓄冷器１の低温部において、より低温度の冷熱が得られる。
【００７５】
そして、前記のように調製した実施例１に係る蓄冷器を、上記２段式パルスチューブ冷凍機の２段目蓄冷器として組み込み、実施例１に係る冷凍機を組み立て５Ｈｚで冷凍試験を実施し、４．２Ｋにおける冷凍能力を測定した。
【００７６】
なお本実施例における冷凍能力は、冷凍機運転時にヒータによって第２冷却段に熱負荷を作用させ、第２冷却段の温度上昇が４．２Ｋで停止したときの熱負荷で定義した。
【００７７】
その結果、４．２Ｋにおける冷凍能力として０．１１Ｗが得られた。また、冷凍試験完了後に冷凍機の蓄冷器内に充填した蓄冷材を取り出し外観を観察したが、各板状蓄冷材に損傷は認められなかった。
【００７８】
実施例２
高周波溶解法によりＨｏＣｕ２なる組成を有する合金インゴットを鋳造し、このインゴットを真空中で温度７５０℃で１２時間熱処理した。得られた合金インゴットをブレードソーを用いて切断することにより、図６および図７に示すように幅が３５ｍｍであり、長さが１５ｍｍであり、厚さが０．７ｍｍの短冊状の蓄冷材３ｂを多数調製した。
【００７９】
一方、図６および図７に示すように、内のり寸法で縦３５ｍｍ×横３５ｍｍ×長さ１５０ｍｍの角筒状の蓄冷器本体２ｂであり、図７に示すように内壁に縦１ｍｍ×横２ｍｍ×厚さ０．２ｍｍの突起６を多数形成した蓄冷器本体２ｂを用意した。次に上記蓄冷器本体２ｂの突起６，６間に前記短冊状の蓄冷材３ｂの両縁部を挿入して固定することにより、実施例２に係る蓄冷器１ｂを調製した。
【００８０】
上記実施例２に係る蓄冷器１ｂにおいては、短冊状の蓄冷材３ｂの長さ方向が冷媒ガスの流れ方向と一致するように、冷媒ガスの流れ方向に１０枚連設されるように構成されている。また突起６の厚さを０．２ｍｍとしたため、冷媒ガスの流れ方向と直交する方向に隣接する短冊状蓄冷材３ｂ，３ｂ間には、それぞれ間隙が０．２ｍｍである冷媒ガス流路が形成される。
【００８１】
そして、この蓄冷器１ｂについて、実施例１と同様にしてパルスチューブ冷凍機の第２段目蓄冷器として組み込み、冷凍機を組み立て、５Ｈｚで冷凍試験を実施し、４．２Ｋにおける冷凍能力を測定したところ、０．１０Ｗの冷凍能力が得られた。
【００８２】
実施例３
高周波溶解法によりＨｏＣｕ２なる組成を有する合金インゴットを鋳造し、このインゴットを真空中で温度７５０℃で１２時間熱処理した。得られた合金インゴットをブレードソーを用いて切断することにより、図８および図９に示すように長さが２５ｍｍであり、厚さが１ｍｍの短冊状の蓄冷材３を多数調製した。
【００８３】
この場合、各短冊状の蓄冷材３の幅は、図８および図９に示すような、外径が３９ｍｍであり、長さが２５ｍｍの略円筒状の保持器７内でガス流れ方向と直交する方向に所定の間隙をおいて配設できる寸法に調整されている。
【００８４】
上記保持器７は、蓄冷器本体２内に嵌装可能な外径を有するように調製されており、保持器７の内面には、板状の蓄冷材３の両縁部を挿入して保持・固定するための溝５ａがガス流れ方向に形成されている。そして、幅が異なる蓄冷材３の両縁部を保持器７の溝５ａに挿入して蓄冷材３を一体に固定した保持器７を多数組み立てた。さらに、内径が３９ｍｍであり長さが１５０ｍｍの蓄冷器本体２内の軸方向に、上記保持器７を６段積み重ねて充填することにより、実施例３に係る蓄冷器１ｃを調製した。なお、軸方向に隣接する板状蓄冷材３，３の平板面がなす蓄冷器周方向の角度θはゼロとした。
【００８５】
そして、この蓄冷器１ｃについて、実施例１と同様にしてパルスチューブ冷凍機の第２段目蓄冷器として組み込み、冷凍機を組み立て、５Ｈｚで冷凍試験を実施し、４．２Ｋにおける冷凍能力を測定したところ、０．１３Ｗの冷凍能力が得られた。
【００８６】
実施例４
実施例３において、各板状蓄冷材３を挿入・固定した保持器７を６段積み重ねて形成した蓄冷器１ｃについて、最下段の保持器７に対して第２段目以降〜第６段目の保持器７を蓄冷器本体の中心軸回りに５度ずつ順次回転させた状態で蓄冷器本体内に多段に積層・充填して実施例４に係る蓄冷器を調製した。
【００８７】
すなわち、各段の保持器７内に固定された板状蓄冷材３の平板面と、ガス流路方向に隣接する保持器７内に固定された板状蓄冷材３の平板面とがなす蓄冷器径方向の角度θが５度となるように、隣接する各保持器７内の蓄冷材３が相互に変位するように構成したものである。
【００８８】
そして、この蓄冷器について、実施例１と同様にしてパルスチューブ冷凍機の第２段目蓄冷器として組み込み、冷凍機を組み立て、５Ｈｚで冷凍試験を実施し、４．２Ｋにおける冷凍能力を測定したところ、０．２０Ｗの冷凍能力が得られた。
【００８９】
比較例１
高周波溶解法によりＨｏＣｕ２なる組成を有する合金インゴットを鋳造した。
この合金インゴットを約１３５０Ｋで溶融せしめ、得られた合金溶湯を、圧力が９０ＫＰａに調整されたＡｒ雰囲気中で回転速度１×１０４ｒｐｍで回転する円盤上に滴下して分散後、急冷凝固せしめることにより、磁性体粒子を調製した。得られた磁性体粒子を篩い分け並びに形状分級することにより、粒径が０．２〜０．３ｍｍの球状磁性体粒子を得た。この球状磁性体粒子を、内径が３５ｍｍであり、長さが１５０ｍｍの蓄冷器本体に充填することにより、比較例１に係る従来の蓄冷器を調製した。
【００９０】
そして、この蓄冷器について、実施例１と同様にしてパルスチューブ冷凍機の第２段目蓄冷器として組み込み、冷凍機を組み立て、５Ｈｚで冷凍試験を実施し、４．２Ｋにおける冷凍能力を測定したところ、０．０２Ｗの冷凍能力が得られた。
【００９１】
比較例２
高周波溶解法によりＨｏＣｕ２なる組成を有する合金インゴットを鋳造し、このインゴットを真空中で温度７５０℃で１２時間熱処理した。得られた合金インゴットをブレードソーを用いて切断し、さらに機械研削加工することにより、図１１に示すように幅Ｗが３５ｍｍであり、長さＬが１５０ｍｍであり、厚さＴが２．３ｍｍであり、長手方向両縁部に幅１．５ｍｍ×高さ１．２ｍｍのフランジ部８を有し、断面がコの字状の蓄冷材３ｃを多数調製した。
【００９２】
一方、図１２に示すように、内のり寸法で縦３５ｍｍ×横３５ｍｍ×長さ１５０ｍｍの角筒状の蓄冷器本体２ｃを用意した。次に、前記のように調製した断面コの字状の板状の蓄冷材３ｃを、図１２に示すように１０枚積層した状態で角筒状の上記蓄冷器本体２ｃ内に挿入して固定することにより、比較例２に係る蓄冷器１ｄを調製した。
【００９３】
上記比較例２に係る蓄冷器１ｄにおいては、板状の各蓄冷材３ｃが蓄冷器本体２ｃの全長に及ぶように配置され、冷媒ガスの流れ方向と直交する方向に１０枚積層されるように構成されている。また、各蓄冷材３ｃの両側縁に形成されたフランジ部８は、隣接する蓄冷材３ｃ，３ｃの実質的な間隙を保つスペーサとして機能する。そして各フランジ部８の高さを１．２ｍｍとしたため、冷媒ガスの流れ方向と直交する方向に隣接する板状蓄冷材３ｃ，３ｃ間には、それぞれ間隙Ｇが１．２ｍｍである冷媒ガス流路４が形成される。
【００９４】
そして、この蓄冷器１ｄについて、実施例１と同様にしてパルスチューブ冷凍機の第２段目蓄冷器として組み込み、冷凍機を組み立て、５Ｈｚで冷凍試験を実施し、４．２Ｋにおける冷凍能力を測定したところ、０．０４Ｗの低い冷凍能力しか得られなかった。また、各蓄冷材３ｃのフランジ部８を形成する際に多大な加工工数が必要であり、製造コストが大幅に上昇することが判明した。
【００９５】
実施例５
実施例１において使用した板状蓄冷材３ａの厚さＴを０．１〜２．３ｍｍまでの範囲で変化させ、隣接する板状蓄冷材３ａ，３ａ間の間隙寸法を実施例１と同一に設定して、各蓄冷材を縦横３５ｍｍ×長さ１５０ｍｍの蓄冷器本体内に挿入固定することにより、それぞれ実施例５に係る蓄冷器を調製した。
【００９６】
そして、各蓄冷器について、実施例１と同様にしてパルスチューブ冷凍機の第２段目蓄冷器として組み込み、冷凍機を組み立て、５Ｈｚで冷凍試験を実施し、４．２Ｋにおける冷凍能力を測定したところ、図１３に示す結果が得られた。
【００９７】
図１３に示す結果から明らかなように、板厚が０．４ｍｍ以下の蓄冷材を使用した冷凍機においては、冷凍能力に顕著な差異は認められないが、板厚が減少するに伴って蓄冷材を蓄冷器本体に組み込むことが困難になることが判明した。図１３に示す結果から、特に板厚が０．４〜２ｍｍの範囲の蓄冷材を使用したときに、高い冷凍能力が得られることが判明した。
【００９８】
実施例６
実施例１において使用した厚さ０．５ｍｍの板状蓄冷材３ａ，３ａ間の間隙寸法Ｇを０．００８〜１．５ｍｍまでの範囲で変化させ、各蓄冷材を縦横３５ｍｍ×長さ１５０ｍｍの蓄冷器本体内に挿入固定することにより、それぞれ実施例６に係る蓄冷器を調製した。
【００９９】
そして、各蓄冷器について、実施例１と同様にしてパルスチューブ冷凍機の第２段目蓄冷器として組み込み、冷凍機を組み立て、５Ｈｚで冷凍試験を実施し、４．２Ｋにおける冷凍能力を測定したところ、図１４に示す結果が得られた。
【０１００】
図１４に示す結果から明らかなように、隣接する板状蓄冷材間の間隙Ｇが０．０１〜１ｍｍの範囲にある蓄冷器を使用した冷凍機においては、冷凍能力にピークが存在し、特に間隙が０．０５〜０．５ｍｍの範囲の蓄冷器を使用したときに、高い冷凍能力が得られることが判明した。
【０１０１】
実施例７
高周波溶解法によりＥｒ３Ｎｉなる組成を有する合金インゴットを鋳造し、このインゴットを真空中で温度７００℃で１２時間熱処理した。得られた合金インゴットをブレードソーを用いて切断することにより、幅Ｗが４０ｍｍであり、長さＬが１５ｍｍであり、厚さＴが０．６ｍｍの短冊状の蓄冷材を多数調製した。
【０１０２】
一方、内のり寸法で縦４０ｍｍ×横４０ｍｍ×長さ１８０ｍｍの角筒状の蓄冷器本体であり、内壁に深さ０．６ｍｍの溝を多数形成した蓄冷器本体を用意した。次に，この蓄冷器本体の溝に前記短冊状の蓄冷材の両縁部を挿入して固定することにより、実施例７に係る蓄冷器を調製した。
【０１０３】
上記実施例７に係る蓄冷器においては、短冊状の蓄冷材の長さ方向が冷媒ガスの流れ方向と一致するように、冷媒ガスの流れ方向に１２枚連設されるように構成されている。また溝を形成する突起の厚さを０．０８ｍｍとしたため、冷媒ガスの流れ方向と直交する方向に隣接する短冊状蓄冷材間には、それぞれ間隙Ｇが０．０８ｍｍである冷媒ガス流路が形成される。
【０１０４】
次に上記のように調製した蓄冷器の特性を評価するため、図１５に示すような２段膨張式ＧＭ冷凍機を用意した。なお、図１５に示す２段式のＧＭ冷凍機１０は、本発明の冷凍機の一実施例を示すものである。
【０１０５】
図１５に示す２段式のＧＭ冷凍機１０は、大径の第１シリンダ１１と、この第１シリンダ１１と同軸的に接続された小径の第２シリンダ１２とが設置された真空容器１３を有している。第１シリンダ１１には第１蓄冷器１４が往復動自在に配置されており、第２シリンダ１２には第２蓄冷器１５が往復動自在に配置されている。第１シリンダ１１と第１蓄冷器１４との間、および第２シリンダ１２と第２蓄冷器１５との間には、それぞれシールリング１６，１７が配置されている。
【０１０６】
第１蓄冷器１４には、Ｃｕメッシュ等の第１蓄冷材１８が収容されている。第２蓄冷器１５の低温側には、本発明の蓄冷器に使用される板状の極低温用蓄冷材が第２蓄冷材１９として収容されている。第１蓄冷器１４および第２蓄冷器１５は、第１蓄冷材１８や極低温用蓄冷材１９の間隙等に設けられたＨｅガス等の作動媒質（冷媒ガス）の通路をそれぞれ有している。
【０１０７】
第１蓄冷器１４と第２蓄冷器１５との間には、第１膨張室２０が設けられている。また、第２蓄冷器１５と第２シリンダ１２の先端壁との間には、第２膨張室２１が設けられている。そして、第１膨張室２０の底部に第１冷却ステージ２２が、また第２膨張室２１の底部に第１冷却ステージ２２より低温の第２冷却ステージ２３が形成されている。
【０１０８】
上述したような２段式のＧＭ冷凍機１０には、コンプレッサ２４から高圧の作動媒質（例えばＨｅガス）が供給される。供給された作動媒質は、第１蓄冷器１４に収容された第１蓄冷材１８間を通過して第１膨張室２０に到達し、さらに第２蓄冷器１５に収容された極低温用蓄冷材（第２蓄冷材）１９間を通過して第２膨張室２１に到達する。この際に、作動媒質は各蓄冷材１８，１９に熱エネルギーを供給して冷却される。
【０１０９】
各蓄冷材１８，１９間を通過した作動媒質は、各膨張室２０，２１で膨張して寒冷を発生させ、各冷却ステージ２２，２３が冷却される。膨張した作動媒質は、各蓄冷材１８，１９間を反対方向に流れる。作動媒質は各蓄冷材１８，１９から熱エネルギーを受け取った後に排出される。こうした過程で復熱効果が良好になるに従って、作動媒質サイクルの熱効率が向上し、より一層低い温度が実現されるように構成されている。
【０１１０】
そして、前記のように調製した実施例７に係る蓄冷器を、上記２段膨張式ＧＭ冷凍機の２段目蓄冷器として組み込み、実施例７に係る冷凍機を組み立て２Ｈｚで冷凍試験を実施し、４．２Ｋにおける冷凍能力を測定し、０．５７Ｗの冷凍能力が得られた。また、冷凍試験完了後に冷凍機の蓄冷器内に充填した蓄冷材を取り出し外観を観察したが、板状蓄冷材に損傷は認められなかった。
【０１１１】
比較例３
高周波溶解法によりＥｒ３Ｎｉなる組成を有する合金インゴットを鋳造した。
この合金インゴットを約１２００Ｋで溶融せしめ、得られた合金溶湯を、圧力が９０ＫＰａに調整されたＡｒ雰囲気中で回転速度１×１０４ｒｐｍで回転する円盤上に滴下して分散後、急冷凝固せしめることにより、磁性体粒子を調製した。
得られた磁性体粒子を篩い分け並びに形状分級することにより、粒径が０．２〜０．３ｍｍの球状磁性体粒子を得た。この球状磁性体粒子を、実施例７と同様な縦４０ｍｍ×横４０ｍｍ×長さ１８０ｍｍの角筒状の蓄冷器本体に充填することにより、比較例３に係る従来の蓄冷器を調製した。
【０１１２】
そして、この蓄冷器について、実施例７と同様にして２段膨張式ＧＭ冷凍機の第２段目蓄冷器として組み込み、ＧＭ冷凍機を組み立て、２Ｈｚで冷凍試験を実施し、４．２Ｋにおける冷凍能力を測定したところ、０．２１Ｗの冷凍能力が得られた。
【０１１３】
次に複数の板状の蓄冷材が冷媒ガスの流路断面を仕切るように配置され、冷媒ガスが流通する複数のセルを形成した蓄冷材を用いた実施例について説明する。
【０１１４】
実施例８
高周波溶解法によりＨｏＣｕ２なる組成を有するインゴットを調製した。このＨｏＣｕ２インゴットをジェットミルにて粉砕して平均粒径２．６μｍの蓄冷材粉末を作製した。この蓄冷材粉末にポリビニルアルコールと水とを加えて混合した混合体を、図１０（ｂ）に示すセルの断面形状を有する成形用金型（ダイス）を備えたスクリュー押し出し機に供給して押し出し成形を実施し、所定の断面形状のセルを有する押し出し成形体を得た。各セルの断面形状は一辺が５０μｍの正方形であり、セルを取り囲む隔壁としての蓄冷材の厚さは１００μｍであった。この押し出し成形体を脱脂後、温度８５０℃で焼成することにより、直径が３５ｍｍで長さが３０ｍｍの実施例８用の蓄冷材を調製した。
【０１１５】
上記のようなセル構造を有する３個の蓄冷材を、長さ１５０ｍｍの蓄冷器の低温側に充填するとともに、蓄冷器の高温側の残り空間には、粒径１８０〜３００μｍのＰｂ球状粉末をフェルト製スペーサを介して充填して実施例８に係る蓄冷器を調製した。
【０１１６】
この蓄冷器を図５に示すパルスチューブ型冷凍機の２段目蓄冷器として組み込み、パルフチューブ型冷凍機を６Ｈｚで運転したところ、４．２Ｋにおける冷凍能力が０．１５Ｗと安定していた。また、運転終了後、セル構造の蓄冷材を蓄冷器から取り出して観察したところ、破損した隔壁は観察されなかった。
【０１１７】
実施例９
平均粒径１．８μｍのＧｄＡｌＯ３粉末を蓄冷材粉末として用意した。この蓄冷材粉末にポリビニルアルコールと水とを加えて混合した混合体を、図１０（ｂ）に示すセルの断面形状を有する成形用金型ダイスを備えたスクリュー押し出し機に供給して押し出し成形を実施し、所定の断面形状のセルを有する押し出し成形体を得た。各セルの断面形状は一辺が５０μｍの正方形であり、セルを取り囲む隔壁としての蓄冷材の厚さは１００μｍであった。この押し出し成形体を脱脂後、温度１５００℃で焼成することにより、直径が３５ｍｍで長さが３０ｍｍの実施例９用の蓄冷材を調製した。
【０１１８】
上記のようなセル構造を有する１個の蓄冷材を、長さ１５０ｍｍの蓄冷器の低温側に充填するとともに、蓄冷器の高温側の残り空間には、実施例８で作製した蓄冷材を２個充填するとともに、さらにその高温側に粒径１８０〜３００μｍのＰｂ球状粉末をフェルト製スペーサを介して充填して実施例９に係る蓄冷器を調製した。
【０１１９】
この蓄冷器を図５に示すパルスチューブ型冷凍機の２段目蓄冷器として組み込み、パルフチューブ型冷凍機を６Ｈｚで運転したところ、４．２Ｋにおける冷凍能力が０．１８Ｗと安定していた。また、運転終了後、セル構造の蓄冷材を蓄冷器から取り出して観察したところ、破損した隔壁は観察されなかった。
【０１２０】
比較例４
高周波溶解法により、ＨｏＣｕ２なる組成を有する合金インゴットを調製した。このＨｏＣｕ２インゴットを約１３５０Ｋで溶融せしめ、この合金溶湯を、圧力が９０ＫＰａのアルゴン雰囲気中で１×１０４ｒｐｍで回転する円盤上に滴下して急冷凝固させることにより、磁性体粒子を調製した。得られた磁性体粒子を篩い分けし、さらに形状分級することにより、粒径が０．２〜０．３ｍｍの球状磁性体粒子から成る比較例４に係る蓄冷材粒子を調製した。
【０１２１】
この蓄冷材粒子を、実施例８，９で使用したパルスチューブ型冷凍機の蓄冷器本体に充填して比較例４に係る蓄冷器を調製した。この蓄冷器を図５に示すパルスチューブ型冷凍機の２段目蓄冷器として組み込み、パルフチューブ型冷凍機を６Ｈｚで運転したところ、４．２Ｋにおける冷凍能力が０．０１Ｗであった。
【０１２２】
このように本実施例に係る蓄冷器によれば、パルスチューブ型冷凍機やスターリング冷凍機などのように高速運転を行う冷凍機に使用された場合でも、圧力損失が小さく、熱交換効率が高い蓄冷器が実現でき、ひいては冷凍能力が高い冷凍機を提供することができる。
【０１２３】
実施例１０
成型用金型の断面形状が図１０（ａ）に示すように三角形であり、その一辺の長さが７５μｍである成型用金型を使用した点以外は、実施例８と同一の手順を繰り返して、所定のセル構造を有する実施例１０用の蓄冷材を調製した。そして、実施例８と同様に蓄冷器に充填して、冷凍試験を実施した。
【０１２４】
その結果、４．２Ｋにおける冷凍能力は０．１４Ｗであった。また、この冷凍機を５００時間連続して運転した後に、４．２Ｋにおける冷凍能力を測定したところ、０．１４Ｗと安定した特性を示した。さらに運転終了後、セル構造を有する蓄冷材を蓄冷器から取り出して観察したところ、破損した隔壁は発見されなかった。
【０１２５】
実施例１１
成型用金型の断面形状が図１０（ｄ）に示すように円形であり、セルを形成する隔壁の厚さが９０μｍである成型用金型を使用した点以外は、実施例８と同一の手順を繰り返して、所定のセル構造を有する実施例１１用の蓄冷材を調製した。そして、実施例８と同様に蓄冷器に充填して、冷凍試験を実施した。
【０１２６】
その結果、４．２Ｋにおける冷凍能力は０．１１Ｗであった。また、この冷凍機を５００時間連続して運転した後に、４．２Ｋにおける冷凍能力を測定したところ、０．０５Ｗに低下していた。さらに運転終了後、セル構造を有する蓄冷材を蓄冷器から取り出して観察したところ、破損した隔壁が１９箇所観察され、微粉化した蓄冷材も検出された。
【０１２７】
次に、本発明に係る蓄冷式冷凍機を使用した超電導ＭＲＩ装置、磁気浮上列車用超電導磁石、クライオポンプ、および磁界印加式単結晶引上げ装置の実施例について述べる。
【０１２８】
図１６は、本発明を適用した超電導ＭＲＩ装置の概略構成を示す断面図である。図１６に示す超電導ＭＲＩ装置３０は、人体に対して空間的に均一で時間的に安定な静磁界を印加する超電導静磁界コイル３１、発生磁界の不均一性を補正する図示を省略した補正コイル、測定領域に磁界勾配を与える傾斜磁界コイル３２、およびラジオ波送受信用プローブ３３等により構成されている。そして、超電導静磁界コイル３１の冷却用として、前述したような本発明に係る蓄冷式冷凍機３４が用いられている。なお、図中３５はクライオスタット、３６は放射断熱シールドである。
【０１２９】
本発明に係る蓄冷式冷凍機３４を用いた超電導ＭＲＩ装置３０においては、超電導静磁界コイル３１の動作温度を長期間に亘って安定に保証することができるため、空間的に均一で時間的に安定な静磁界を長期間に亘って得ることができる。したがって、超電導ＭＲＩ装置３０の性能を長期間に亘って安定して発揮させることが可能となる。
【０１３０】
図１７は、本発明に係る蓄冷式冷凍機を使用した磁気浮上列車用超電導磁石の要部概略構成を示す斜視図であり、磁気浮上列車用超電導マグネット４０の部分を示している。図１７に示す磁気浮上列車用超電導マグネット４０は、超電導コイル４１、この超電導コイル４１を冷却するための液体ヘリウムタンク４２、この液体ヘリウムタンクの揮散を防ぐ液体窒素タンク４３および本発明に係る蓄冷式冷凍機４４等により構成されている。なお、図中４５は積層断熱材、４６はパワーリード、４７は永久電流スイッチである。
【０１３１】
本発明に係る蓄冷式冷凍機４４を用いた磁気浮上列車用超電導マグネット４０においては、超電導コイル４１の動作温度を長期間に亘って安定に保証することができるため、列車の磁気浮上および推進に必要な磁界を長期間に亘って安定して得ることができる。特に、磁気浮上列車用超電導マグネット４０では加速度が作用するが、本発明に係る蓄冷式冷凍機４４は加速度が作用した場合においても長期間に亘って優れた冷凍能力を維持できることから、磁界強度等の長期安定化に大きく貢献する。したがって、このような超電導マグネット４０を用いた磁気浮上列車は、その信頼性を長期間に亘って発揮させることが可能となる。
【０１３２】
図１８は、本発明に係る蓄冷式冷凍機を使用したクライオポンプの概略構成を示す断面図である。図１８に示すクライオポンプ５０は、気体分子を凝縮または吸着するクライオパネル５１、このクライオパネル５１を所定の極低温に冷却する本発明に係る蓄冷式冷凍機５２、これらの間に設けられたシールド５３、吸気口に設けられたバッフル５４、およびアルゴン、窒素、水素等の排気速度を変化させるリング５５等により構成されている。
【０１３３】
本発明に係る蓄冷式冷凍機５２を用いたクライオポンプ５０においては、クライオパネル５１の動作温度を長期間に亘って安定に保証することができる。したがって、クライオポンプ５０の性能を長期間に亘って安定して発揮させることが可能となる。
【０１３４】
図１９は、本発明に係る蓄冷式冷凍機を使用した磁界印加式単結晶引上げ装置の概略構成を示す斜視図である。図１９に示す磁界印加式単結晶引上げ装置６０は、原料溶融用るつぼ、ヒータ、単結晶引上げ機構等を有する単結晶引上げ部６１、原料融液に対して静磁界を印加する超電導コイル６２、および単結晶引上げ部６１の昇降機構６３等により構成されている。そして、超電導コイル６２の冷却用として、前述したような本発明に係る蓄冷式冷凍機６４が用いられている。なお、図中６５は電流リード、６６は熱シールド板、６７はヘリウム容器である。
【０１３５】
本発明に係る蓄冷式冷凍機６４を用いた磁界印加式単結晶引上げ装置６０においては、超電導コイル６２の動作温度を長期間に亘って安定に保証することができるため、単結晶の原料融液の対流を抑える良好な磁界を長期間に亘って得ることができる。したがって、磁界印加式単結晶引上げ装置６０の性能を長期間に亘って安定して発揮させることが可能となる。
【０１３６】
【発明の効果】
以上説明の通り、本発明に係る蓄冷器によれば、板状の蓄冷材を蓄冷器本体に充填して形成されており、かつ冷媒ガスが容易に通過でき蓄冷材との間で十分な熱交換が可能な空隙が確保されているため、スターリング冷凍機やパルスチューブ冷凍機などの高速運転を行う冷凍機の蓄冷器として使用した場合においても、圧力損失が小さく、長期間に亘り安定した冷凍特性を示す蓄冷器が得られる。そして、その蓄冷器を冷凍機の少なくとも一部の蓄冷器として使用することにより、冷凍能力が高く、かつ長期間に亘って安定した冷凍性能が維持できる冷凍機を提供することができる。
【０１３７】
そして、ＭＲＩ装置、クライオポンプ、磁気浮上列車用超電導磁石、および磁界印加式単結晶引上げ装置は、いずれも冷凍機性能が各装置の性能を左右することから、上述したような冷凍機を用いた本発明のＭＲＩ装置、クライオポンプ、磁気浮上列車用超電導磁石、および磁界印加式単結晶引上げ装置は、いずれも長期間に亘って優れた性能を発揮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る蓄冷器の一実施例を示す断面図。
【図２】図１に示す蓄冷器を部分的に破断して示す正面図。
【図３】本発明に係る蓄冷器の他の実施例を示す斜視図。
【図４】図３におけるＩＶ部の拡大断面図。
【図５】パルス管冷凍機の要素構成および温度分布を模式的に示す図。
【図６】本発明に係る蓄冷器の他の実施例を示す斜視図。
【図７】図６におけるＶＩＩ部の拡大斜視図。
【図８】本発明に係る蓄冷器の他の実施例を示す半断面図。
【図９】図８に示す蓄冷器の縦断面図。
【図１０】蓄冷材のセルの断面形状を示す図であり、図１０（ａ）は三角形状のセルを示す断面図，図１０（ｂ）は四角形状のセルを示す断面図，図１０（ｃ）は六角形状のセルを示す断面図および図１０（ｄ）は円形のセルを示す断面図。
【図１１】従来の蓄冷材の形状例を示す斜視図および断面図。
【図１２】図１１に示す蓄冷材を積層して蓄冷器本体中に挿入して蓄冷器を組み立てる操作を示す斜視図。
【図１３】蓄冷材の板厚と冷凍機能力との関係を示すグラフ。
【図１４】蓄冷材間の間隙寸法と冷凍機能力との関係を示すグラフ。
【図１５】蓄冷式冷凍機（ＧＭ冷凍機）の要部構成を示す断面図。
【図１６】本発明の一実施例による超電導ＭＲＩ装置の概略構成を示す断面図。
【図１７】本発明の一実施例による超電導磁石（磁気浮上列車用）の要部概略構成を示す斜視図。
【図１８】本発明の一実施例によるクライオポンプの概略構成を示す断面図。
【図１９】本発明の一実施例による磁界印加式単結晶引上げ装置の要部概略構成を示す斜視図。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ 蓄冷器
２，２ａ，２ｂ，２ｃ 蓄冷器本体
３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ，３ｇ 蓄冷材
４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ 冷媒ガス流路（セル）
５，５ａ 溝
６ 突起
７ 保持器（ホルダー）
８ フランジ部
１０ ＧＭ冷凍機（蓄冷式冷凍機）
１１ 第１シリンダ
１２ 第２シリンダ
１３ 真空容器
１４ 第１蓄冷器
１５ 第２蓄冷器
１６，１７ シールリング
１８ 第１蓄熱材
１９ 第２蓄熱材（極低温用蓄冷材）
２０ 第１膨張室
２１ 第２膨張室
２２ 第１冷却ステージ
２３ 第２冷却ステージ
２４ コンプレッサ
３０ 超電導ＭＲＩ装置
３１ 超電導静磁界コイル
３２ 傾斜磁界コイル
３３ ラジオ波送受信用プローブ
３４ 蓄冷式冷凍機
３５ クライオスタット
３６ 放射断熱シールド
４０ 超電導磁石（マグネット）
４１ 超電導コイル
４２ 液体ヘリウムタンク
４３ 液体窒素タンク
４４ 蓄冷式冷凍機
４５ 積層断熱材
４６ パワーリード
４７ 永久電流スイッチ
５０ クライオポンプ
５１ クライオパネル
５２ 蓄冷式冷凍機
５３ シールド
５４ バッフル
５５ リング
６０ 磁界印加式単結晶引上げ装置
６１ 単結晶引上げ部
６２ 超電導コイル
６３ 昇降機構
６４ 蓄冷式冷凍機
６５ 電流リード
６６ 熱シールド板
６７ ヘリウム容器
７０ パルス管型冷凍機
７１ 圧力振動源
７２ 位相調節機構
Claims (11)
- 蓄冷器本体内に蓄冷材を充填し、蓄冷器本体の一方向から他方向に冷媒ガスを流通せしめて低温度を達成する蓄冷器において、上記蓄冷材の少なくとも一部が、厚さ０．０３ｍｍ以上２ｍｍ以下の板状の蓄冷材であり、上記蓄冷材が、希土類元素を１０ａｔ％以上含有する合金から成り、上記冷媒ガスの流れ方向における板状の蓄冷材の長さが１ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、上記冷媒ガスの流れ方向と直交する方向に間隙をおいて複数の板状の蓄冷材が配設され、この間隙が０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下であると共に、上記複数の板状の蓄冷材が冷媒ガスの流路断面を仕切るように配置され、冷媒ガスが流通する複数のセルが形成されている一方、上記セルを形成する蓄冷材の厚さの平均値が０．０５ｍｍ以上、２ｍｍ以下であり、上記複数のセルの断面積の平均値が１×１０ −９ ｍ ２ 以上２×１０ −６ ｍ ２ 以下であり、上記複数のセルの平均長さが３ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることを特徴とする蓄冷器。
- 蓄冷器本体の内壁に溝が形成され、この溝に上記板状の蓄冷材の縁部が挿入されていることを特徴とする請求項１記載の蓄冷器。
- 蓄冷器本体の内壁に突起が形成され、この突起間に上記板状の蓄冷材の縁部が挿入されていることを特徴とする請求項１記載の蓄冷器。
- 複数の板状の蓄冷材が保持器によって固定されており、この保持器が蓄冷器本体内に挿入されていることを特徴とする請求項１記載の蓄冷器。
- 複数の板状の蓄冷材が冷媒ガスの流れ方向に配設されており、上記冷媒ガスの流れ方向に隣接する板状の蓄冷材の平板面がなす蓄冷器径方向の角度が０．５度以上であることを特徴とする請求項１記載の蓄冷器。
- 上記複数の板状の蓄冷材およびセルは、蓄冷材粉末とバインダーとの混合物の押し出し加工により形成されていることを特徴とする請求項１記載の蓄冷器。
- 蓄冷器の上流高温側から冷媒ガスを流して上記冷媒ガスと蓄冷材との熱交換によって蓄冷器の下流側にて、より低温度を得る蓄冷式冷凍機において、上記蓄冷器の少なくとも一部が請求項１ないし６のいずれかに記載の蓄冷器であることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
- 請求項７記載の蓄冷式冷凍機を具備したことを特徴とする超電導磁石。
- 請求項７記載の蓄冷式冷凍機を具備したことを特徴とするＭＲＩ（核磁気共鳴イメージング）装置。
- 請求項７記載の蓄冷式冷凍機を具備したことを特徴とするクライオポンプ。
- 請求項７記載の蓄冷式冷凍機を具備したことを特徴とする磁界印加式単結晶引上げ装置。
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