JP6490152B2

JP6490152B2 - 蓄冷材および蓄冷式冷凍機

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Publication number: JP6490152B2
Application number: JP2017120336A
Authority: JP
Inventors: 名堯許; 田雷; 彰広土屋
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-06-20
Filing date: 2017-06-20
Publication date: 2019-03-27
Anticipated expiration: 2033-12-13
Also published as: JP2017156084A

Description

本発明は、蓄冷材およびその蓄冷材を備える蓄冷式冷凍機に関する。

ギフォード・マクマホン式（ＧＭ）冷凍機、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機、およびソルベー冷凍機等の蓄冷式冷凍機は、冷却対象物を、１００Ｋ（ケルビン）程度の低温から４Ｋの極低温までの範囲で冷却することができる。そのような蓄冷式冷凍機は、超電導磁石や検出器等の冷却、クライオポンプ等に用いられている。

例えば、ＧＭ冷凍機では、圧縮機で圧縮されたヘリウムガスなどの作動ガスが蓄冷器に導かれ、蓄冷器内の蓄冷材で予冷される。予冷された作動ガスが膨張室で断熱膨張することで作動ガスの温度がさらに下がる。低温の作動ガスは再び蓄冷器を通過し、圧縮機に戻る。この際、作動ガスは、次に誘導される作動ガスのため、蓄冷器内の蓄冷材を冷やしながら、蓄冷器を通過する。この行程を１サイクルとすることにより、周期的に冷却が行われる。

蓄冷式冷凍機では蓄冷材の熱交換効率が冷凍機の冷凍能力を大きく左右する。従来では、例えば本出願人は特許文献１において、ビスマスが塗布またはめっきされた金属網を積層することにより蓄冷材を形成することを提案している。

特開２００６−２４２４８４号公報

ビスマスの低温域における容積比熱は比較的大きいので、ビスマスを用いることで低温域における蓄冷材の熱容量を大きくすることができる。しかしながら、ビスマスをめっきすることは技術上困難であるか、またはできたとしても手間、コストがかかる。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱交換の効率を高めることができる蓄冷材およびその蓄冷材を備える蓄冷式冷凍機の提供にある。

本発明のある態様は、蓄冷材に関する。この蓄冷材は、蓄冷式冷凍機に使用される、積層構造を有する蓄冷材であって、各層には積層方向に沿って気体が通過できるように複数の孔が形成されており、少なくともひとつの層は基材と基材を覆うコーティング層とを含む。２０ケルビンから４０ケルビンの温度範囲におけるコーティング層の容積比熱は基材の容積比熱より大きい（ただし、コーティング層がビスマスを主成分とする場合を除く）。

本発明の別の態様もまた、蓄冷材である。この蓄冷材は、蓄冷式冷凍機に使用される、積層構造を有する蓄冷材であって、各層には積層方向に沿って気体が通過できるように複数の孔が形成されており、少なくともひとつの層には、ビスマスとスズとの合金またはアンチモンとスズとの合金またはビスマスとアンチモンとスズとの合金によるコーティングが施されている。

本発明のさらに別の態様は、上記の蓄冷材を備える蓄冷式冷凍機である。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を装置、方法、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、熱交換の効率を高めることができる蓄冷材およびその蓄冷材を備える蓄冷式冷凍機を提供できる。

実施の形態に係る蓄冷材を搭載したＧＭ冷凍機の概略的な構成図である。図１の第１段蓄冷材の構成を示す模式図である。低温側の金網の線材の断面図である。図４（ａ）、（ｂ）は、各種金属の容積比熱と温度との関係を示すグラフである。図１の第２段蓄冷材の構成を示す模式図である。図１のＧＭ冷凍機で実測した第１段冷却ステージの温度と冷凍能力との関係を示すグラフである。図１のＧＭ冷凍機で実測した第１段冷却ステージの４０Ｋにおける冷凍能力と線材の径の比との関係を示すグラフである。第１変形例に係る金網の線材の断面図である。第２変形例に係る金網の線材の断面図である。第２変形例に係る金網を２枚積層したときの断面図である。第１段蓄冷材の構成の他の一例を示す模式図である。図１２（ａ）、図１２（ｂ）、及び図１２（ｃ）はそれぞれ、第１の線材、第２の線材、及び第３の線材の一例を示す。図１３（ａ）、図１３（ｂ）、及び図１３（ｃ）はそれぞれ、第１の線材、第２の線材、及び第３の線材の他の一例を示す。図１４（ａ）、図１４（ｂ）、及び図１４（ｃ）はそれぞれ、第１の線材、第２の線材、及び第３の線材の他の一例を示す。

以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

＜ＧＭ冷凍機＞
図１は、実施の形態に係る蓄冷材を搭載したＧＭ冷凍機１の概略的な構成図である。ＧＭ冷凍機１は、ガス圧縮機３と、冷凍機として機能する２段式のコールドヘッド１０とを有する。コールドヘッド１０は、第１段冷却部１５と、第２段冷却部５０とを有し、これらの冷却部は、フランジ１２に同軸となるように連結されている。

第１段冷却部１５は、中空状の第１段シリンダ２０と、この第１段シリンダ２０内に、軸方向Ｑに往復運動可能に設けられた第１段ディスプレーサ２２と、第１段ディスプレーサ２２内に充填された実施の形態に係る第１段蓄冷材３０と、第１段シリンダ２０の低温端２３ｂ側の内部に設けられ、第１段ディスプレーサ２２の往復運動により容積が変化する第１段膨張室３１と、第１段シリンダ２０の低温端２３ｂ付近に設けられた第１段冷却ステージ３５とを有する。第１段シリンダ２０の内壁と第１段ディスプレーサ２２の外壁との間には、第１段シール３９が設けられている。

第１段シリンダ２０の高温端２３ａには、第１段蓄冷材３０に対してヘリウムガスを流出入させるため、複数の第１段高温側流通路４０−１が設けられている。また、第１段シリンダ２０の低温端２３ｂには、第１段蓄冷材３０および第１段膨張室３１にヘリウムガスを流出入させるため、複数の第１段低温側流通路４０−２が設けられている。

第２段冷却部５０は、第１段冷却部１５と略同様の構成を有し、中空状の第２段シリンダ５１と、第２段シリンダ５１内に軸方向Ｑに往復運動可能に設けられた第２段ディスプレーサ５２と、第２段ディスプレーサ５２内に充填された実施の形態に係る第２段蓄冷材６０と、第２段シリンダ５１の低温端５３ｂの内部に設けられ、第２段ディスプレーサ５２の往復運動により容積が変化する第２段膨張室５５と、第２段シリンダ５１の低温端５３ｂ付近に設けられた第２段冷却ステージ８５とを有する。第２段シリンダ５１の内壁と第２段ディスプレーサ５２の外壁との間には、第２段シール５９が設けられている。第２段シリンダ５１の高温端５３ａには、第２段蓄冷材６０に対してヘリウムガスを流出入させるため、第２段高温側流通路４０−３が設けられている。また、第２段シリンダ５１の低温端５３ｂには、第２段膨張室５５にヘリウムガスを流出入させるため、複数の第２段低温側流通路５４−２が設けられている。

ＧＭ冷凍機１において、ガス圧縮機３からの高圧のヘリウムガスは、高圧バルブ５および配管７を介して、第１段冷却部１５に供給され、また、低圧のヘリウムガスは、第１段冷却部１５から配管７および低圧バルブ６を介して、ガス圧縮機３に排気される。第１段ディスプレーサ２２および第２段ディスプレーサ５２は、駆動モータ８により、軸方向Ｑに沿って往復運動する。また、これに連動して、高圧バルブ５および低圧バルブ６の開閉が行われ、ヘリウムガスの吸排気のタイミングが制御される。

第１段シリンダ２０の高温端２３ａは、例えば室温に設定され、低温端２３ｂは、例えば２０Ｋ〜４０Ｋに設定される。第２段シリンダ５１の高温端５３ａは、例えば２０Ｋ〜４０Ｋに設定され、低温端５３ｂは、例えば４Ｋに設定される。

以上のように構成されたＧＭ冷凍機１の動作について説明する。
高圧バルブ５が閉、低圧バルブ６が閉の状態で、第１段ディスプレーサ２２および第２段ディスプレーサ５２が、それぞれ、第１段シリンダ２０および第２段シリンダ５１内の下死点にあるとする。

ここで、高圧バルブ５を開状態とし、バルブ６を閉状態とすると、ガス圧縮機３から、高圧のヘリウムガスが第１段冷却部１５に流入する。高圧のヘリウムガスは、第１段高温側流通路４０−１から第１段ディスプレーサ２２の内部に流入し、第１段蓄冷材３０によって所定の温度まで冷却される。冷却されたヘリウムガスは、第１段低温側流通路４０−２から第１段膨張室３１に流入する。

第１段膨張室３１へ流入した高圧のヘリウムガスの一部は、第２段高温側流通路４０−３から第２段ディスプレーサ５２の内部に流入する。このヘリウムガスは、第２段蓄冷材６０によって、さらに低い所定の温度まで冷却され、第２段低温側流通路５４−２から第２段膨張室５５に流入する。これらの結果、第１段膨張室３１および第２段膨張室５５内は、高圧状態となる。

次に、第１段ディスプレーサ２２および第２段ディスプレーサ５２が上死点に移動するとともに、高圧バルブ５が閉じられる。また、バルブ６が開かれる。これにより、第１段膨張室３１および第２段膨張室５５内のヘリウムガスは、高圧の状態から低圧の状態となり、体積が膨張する。その結果、第１段膨張室３１および第２段膨張室５５内のヘリウムガスの温度がさらに下がる。また、これにより、第１段冷却ステージ３５および第２段冷却ステージ８５がそれぞれ冷却される。

次に、第１段ディスプレーサ２２および第２段ディスプレーサ５２は、下死点に向かって移動される。これに伴い、低圧のヘリウムガスは、上記の逆の順路を通り、第１段蓄冷材３０および第２段蓄冷材６０をそれぞれ冷却しつつ、バルブ６および配管７を介してガス圧縮機３に戻る。その後、バルブ６が閉じられる。

以上の動作を１サイクルとし、上記動作を繰り返すことにより、第１段冷却ステージ３５、第２段冷却ステージ８５において、それぞれに熱接続された冷却対象物（不図示）から熱を吸収し、冷却することができる。

＜蓄冷材＞
図２は、第１段蓄冷材３０の構成を示す模式図である。第１段蓄冷材３０は、Ｎ枚（Ｎは２以上の自然数）のシート状の金網３２−１〜３２−Ｎを積層方向Ｐに沿って積層してなる積層構造を有する。積層方向Ｐはコールドヘッド１０の軸方向Ｑすなわち第１段ディスプレーサ２２の移動方向と略平行である。コールドヘッド１０は、ヘリウムガスが、第１段ディスプレーサ２２内を第１段ディスプレーサ２２の移動方向に沿って移動するよう構成されている。したがって、積層方向Ｐはヘリウムガスの移動方向と略平行である。言い換えると、ヘリウムガスは第１段蓄冷材３０を積層方向Ｐに沿って移動する。

各層を構成する金網３２−１〜３２−Ｎは所定の線径および所定の材質を有する線材を織り込むことにより形成されている。各層を構成する金網３２−１〜３２−Ｎによって規定される面は積層方向Ｐと略直交する。ヘリウムガスは、第１段蓄冷材３０を積層方向Ｐに沿って流れるとき、各層を構成する金網３２−１〜３２−Ｎの複数の開口３３を通過する。

Ｎ枚の金網３２−１〜３２−Ｎのうちの高温側の金網は銅またはステンレス鋼の線材３７を織り込むことにより形成されている。Ｎ枚の金網３２−１〜３２−Ｎのうちの低温側の金網は、高温側の金網の線材３７とは異なる線材３４を織り込むことにより形成されている。低温側の金網は、例えばＧＭ冷凍機１の通常動作時に５０Ｋ以下となる金網である。

図３は、低温側の金網の線材３４の断面図である。線材３４は、基材３４ａとその基材３４ａを覆うコーティング層３４ｂとを含む。基材３４ａは銅系材料またはステンレス鋼により形成される。銅系材料は例えばリン青銅、丹銅、純銅、タフピッチ銅または無酸素銅であってもよい。コーティング層３４ｂは、亜鉛、スズ、銀、インジウムまたは金のいずれかひとつもしくはそれらのうちの少なくとも２つを含む合金により形成される。特に、コーティング層３４ｂは基材３４ａをめっき処理することにより形成される。

基材３４ａおよびコーティング層３４ｂの材料を選択する際の思想は以下の通りである。
（１）２０ケルビンから４０ケルビンの温度範囲におけるコーティング層３４ｂの容積比熱（volumetric specific heat）を基材３４ａの容積比熱より大きくする。また、５０ケルビンにおけるコーティング層３４ｂの容積比熱を５０ケルビンにおける基材３４ａの容積比熱より大きくする。

図４（ａ）、（ｂ）は、各種金属の容積比熱と温度との関係を示すグラフである。これらのグラフを参照すると、２０ケルビンから４０ケルビンの温度範囲における亜鉛、スズ、銀、インジウムおよび金のそれぞれの容積比熱は銅の容積比熱より大きい。また、５０ケルビンにおける亜鉛、スズ、銀、インジウムおよび金のそれぞれの容積比熱は５０ケルビンにおける銅の容積比熱より大きく、かつ、５０ケルビンにおけるビスマスの容積比熱は５０ケルビンにおける銅の容積比熱より小さい。

（２）２０ケルビンから４０ケルビンの温度範囲における基材３４ａの熱伝導率をコーティング層３４ｂの熱伝導率より大きくする。

（３）コーティング層３４ｂの展性または延性もしくはその両方（すなわち、展延性）をビスマスのそれよりも高くする。展延性とは、固体の物質の力学的特性（塑性）の一種で、素材が破断せずに柔軟に変形する限界を示す。展延性は延性と展性に分けられる。物質科学において、延性は特に物質に引っ張る力を加えた際の変形する能力を指し、針金状に延ばせる能力で表されることが多い。一方展性は圧縮する力を加えた際の変形する能力を指し、鍛造や圧延で薄いシート状に成形できる能力で表されることが多い。ビスマスの展性は比較的低く、引っ張る力にも弱い。これに対して亜鉛、スズ、銀、インジウムおよび金はいずれも展性も延性も比較的高い。

なお、コーティング層３４ｂはスズめっきによって形成されることが好ましい。スズは古くからよく知られている、なじみ深い金属材料のひとつである。鉄板上の溶融スズめっきはブリキとして知られているし、鉛との合金ははんだとして金属同士の接合に古くから利用されている。近年、めっき浴の改良が進み、光沢性、はんだ性、防食性の一段と優れた光沢スズめっきが得られるようになっている。スズめっきの硬度を以下の表に示す。

この表に示されるように、光沢スズの硬度は３０〜６０Ｈｖであり、無光沢スズの３〜８Ｈｖよりも高い。したがって、基材３４ａをスズで光沢めっきすることによりコーティング層３４ｂを形成すると、コーティング層３４ｂの硬度を高めることができるので好ましい。

図５は、第２段蓄冷材６０の構成を示す模式図である。第２段蓄冷材６０は高温側の部分６２と低温側の部分６４とで異なる構成を有する。高温側の部分６２は第１段蓄冷材３０の低温側と同様に構成される。すなわち、高温側の部分６２は複数枚のシート状の金網を積層方向（すなわち、軸方向Ｑ）に沿って積層してなる積層構造を有する。この金網の線材は、基材３４ａに対応する基材とコーティング層３４ｂに対応するコーティング層とを含む。

低温側の部分６４は、ＨｏＣｕ_２等の磁性材料やビスマスや鉛の玉を複数含んで構成される。
第２段蓄冷材６０は、高温側の部分６２と低温側の部分６４との境界６６の温度がＧＭ冷凍機１の通常動作時に１０Ｋ程度となるよう構成される。

本実施の形態に係る蓄冷材３０、６０を備えるＧＭ冷凍機１によると、ＧＭ冷凍機１の通常動作時に１０Ｋ〜５０Ｋとなる蓄冷材３０、６０の部分の比熱を高めることができる。したがって、蓄冷材３０、６０における熱交換の効率を高めることができる。その結果、ＧＭ冷凍機１の冷凍能力を高めることができる。

図６は、ＧＭ冷凍機１で実測した第１段冷却ステージ３５の温度と冷凍能力との関係を示すグラフである。図６に示されるグラフにおいて、黒塗りの三角は第１段蓄冷材の金網にスズめっきを施さない場合のデータを示し、黒塗りの四角は第１段蓄冷材３０の低温側の金網にスズめっきを施した場合のデータを示す。このグラフから、５０Ｋ以下の温度範囲において、スズめっきを施した場合の第１段冷凍能力は、スズめっきを施さない場合の第１段冷凍能力よりも大幅に向上していることが分かる。特に、４０Ｋでの第１段冷凍能力は、めっき無しの場合の４６．８Ｗから、めっきを施すことにより５３．４Ｗに向上しており、率にして約１４％向上している。また、３０Ｋでの第１段冷凍能力はめっき無しの場合の１９．０Ｗから、めっきを施すことにより３６．４Ｗに向上しており、率にして約９１％向上している。

図７は、ＧＭ冷凍機１で実測した第１段冷却ステージ３５の４０Ｋにおける冷凍能力と線材３４の径の比との関係を示すグラフである。線材３４の断面における基材３４ａの直径をｄ１、コーティング層３４ｂの外径をｄ２（図３を参照）と称すとき、線材３４の径の比はｄ２／ｄ１で与えられる。冷凍能力は、ｄ２／ｄ１＝１．４を略中心とするピークを描いている。これは、コーティング層３４ｂが薄すぎるとコーティング層３４ｂによる比熱増大効果が薄れ、一方でコーティング層３４ｂが厚すぎると金網の開口が小さくなって流路抵抗が増大するかまたは基材３４ａが細くなって熱伝導が悪くなるからである。したがって、これらの影響が拮抗するようｄ２／ｄ１を１．３から１．５の範囲とすることがより好適である。

また、本実施の形態に係る蓄冷材３０、６０を備えるＧＭ冷凍機１では、２０ケルビンから４０ケルビンの温度範囲における基材３４ａの熱伝導率はコーティング層３４ｂの熱伝導率より大きい。したがって、基材３４ａの熱伝導率を比較的大きくすることで基材３４ａを通じた熱伝導を促進し、蓄冷材３０、６０の径方向（積層方向Ｐに直交する方向）における温度差を低減することができる。これは蓄冷材３０、６０における熱交換の効率の向上に寄与する。

すなわち、本実施の形態に係る蓄冷材３０、６０によると、蓄冷材３０、６０の熱容量を高めつつ熱伝導を高めて温度勾配を低減することができる。
なお、銅系材料のなかでもより熱伝導率が大きい材料、例えばリン青銅よりも熱伝導率が大きい丹銅、純銅、タフピッチ銅または無酸素銅を採用すると好適である。

また、本実施の形態に係る蓄冷材３０、６０を備えるＧＭ冷凍機１では、コーティング層３４ｂは比較的展延性の良い材料により形成される。したがって、金網をディスプレーサ２２、５２に充填する際、機械的接触や応力、こすれ等により金網のコーティング層３４ｂが破壊される可能性を低減できる。また、ＧＭ冷凍機１の通常動作中、蓄冷材３０、６０はディスプレーサ２２、５２と一緒に往復運動するが、その際に振動によってコーティング層３４ｂが破壊される可能性を低減することができる。

また、本実施の形態に係る蓄冷材３０、６０を備えるＧＭ冷凍機１では、第１段蓄冷材３０は、Ｎ枚のシート状の金網３２−１〜３２−Ｎを積層方向Ｐに沿って積層してなる積層構造を有する。したがって、蓄冷材として複数の玉を採用する場合と比較して圧力損失を低減することができる。

以上、実施の形態に係る蓄冷材３０、６０を備えるＧＭ冷凍機１の構成および動作について説明した。この実施の形態は例示であり、その各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施の形態では、Ｎ枚の金網３２−１〜３２−Ｎのうちの低温側の金網の線材３４について、コーティング層３４ｂが最外層である場合について説明したが、これに限られない。
図８は、第１変形例に係る金網の線材１３４の断面図である。金網の線材１３４は、基材３４ａに対応する基材１３４ａと、コーティング層３４ｂに対応するコーティング層１３４ｂと、コーティング層１３４ｂを覆う保護層１３４ｃと、を含む。保護層１３４ｃは、ビスマスまたはアンチモンもしくはそれらの合金により形成される。あるいはまた、保護層１３４ｃは光沢スズまたはクロムにより形成されてもよい。

本変形例によると、比較的軟らかいコーティング層１３４ｂを比較的硬い保護層１３４ｃで覆うので、コーティング層１３４ｂの損傷を低減することができる。
なお、アンチモンまたはビスマスをコーティング層１３４ｂの材料に混合させ、それらを同時にコーティングしてもよい。この場合、アンチモンまたはビスマスの体積配合比は０．０１％〜４９．９９％であることが好ましい。

実施の形態では、線材３４の断面は等方的すなわち円形である場合について説明したが、これに限られない。
図９は、第２変形例に係る金網の線材２３４の断面図である。線材２３４は、基材２３４ａとその基材２３４ａを覆うコーティング層２３４ｂとを含む。基材２３４ａは銅系材料またはステンレス鋼により形成される。銅系材料は例えばリン青銅、丹銅、純銅、タフピッチ銅または無酸素銅であってもよい。コーティング層２３４ｂは、亜鉛、スズ、銀、インジウムまたは金のいずれかひとつもしくはそれらのうちの少なくとも２つを含む合金により形成される。

線材２３４の断面の積層方向Ｐにおける幅Ｗ１は、断面内で積層方向Ｐと交差する、特に直交する直交方向Ｒにおける幅Ｗ２よりも小さい。特に線材２３４の表面は、積層方向Ｐで互いに対向する２つの平面部２３６、２３８を有する。このような線材２３４は、例えば断面が円形の基材を圧延処理し、そのように処理された基材をスズめっきすることにより形成されてもよい。

図１０は、第２変形例に係る金網を２枚積層したときの断面図である。線材２３４からなる金網を積層方向Ｐに沿って積層すると、上側の金網の線材２３４の下側平面部２３８と、下側の金網の線材２３４の上側平面部２３６とが接触する。このとき、それらの接触面積は、例えば線材の断面が円形の場合よりも大きくなる。したがって、充填時の接触応力を分散させることができ、コーティング層の損傷を低減することができる。

実施の形態では、コーティング層３４ｂの材料としてスズを使用する一方、コーティング層３４ｂはビスマスを主成分としない場合について説明したが、これに限られない。例えば、コーティング層は、ビスマスとスズとの合金またはアンチモンとスズとの合金またはビスマスとアンチモンとスズとの合金であってもよい。

スズには常温に近い温度にβスズとαスズの転移点が存在する。αスズへの転移では展性が失われ、同時に大幅に体積が増加する。通常の温度範囲では不純物などの影響によりこの転移はほとんど進まないが、極地方のような酷寒の環境においては転移が進行する場合があり、スズ製品が膨らんでぼろぼろになってしまう現象が生じる。この現象はスズ製品の一部分から始まりやがて全体に広がるため、伝染病に喩えてスズペストと呼ばれる。

スズではこの同素変態によってその物性が大きく変化する。βスズからαスズには物理的には摂氏１３．２度で変態するが、実際に反応が進むのは摂氏−１０度の低温領域からであり、摂氏−４５度でその反応速度は最大になる。本変形例によると、コーティング層はβスズにアンチモンまたはビスマスもしくはその両方を不純物として添加することにより形成される。したがって、上記のような同素変態を抑制することができる。なお、アンチモンまたはビスマスもしくはその両方の体積配合比は０．０１％から４９．９９％であることが好ましい。

実施の形態では、第１段蓄冷材３０及び／または第２段蓄冷材６０が低温側に高温側と異なる金網を有する場合（つまり、二種類の金網が積層されている場合）について説明したが、これに限られない。ある実施の形態においては、第１段蓄冷材３０及び／または第２段蓄冷材６０は、三種類またはそれより多数の種類の金網を有し、温度領域ごとに異なる種類の金網が積層されていてもよい。

例えば、図１１に示されるように、第１段蓄冷材１００は、最も高温側の第１部分１０１と、中間温度の第２部分１０２と、最も低温側の第３部分１０３と、を備えてもよい。第１部分１０１の低温側が第２部分１０２の高温側に隣接し、第２部分１０２の低温側が第３部分１０３の高温側に隣接する。

第１部分１０１、第２部分１０２、及び第３部分１０３はそれぞれ、少なくとも一枚の金網、通常は複数枚の金網を有する。第１部分１０１には、第１の線材で形成されている第１の金網が積層されている。同様に、第２部分１０２には第２の線材で形成されている第２の金網が積層され、第３部分１０３には第３の線材で形成されている第３の金網が積層されている。第１の線材、第２の線材、及び第３の線材は、いくつかの具体例を以下に説明するように、互いに異なっており、従って、第１の金網、第２の金網、及び第３の金網はそれぞれ異なる種類の金網である。

第１の線材、第２の線材、及び第３の線材は、基材に対するコーティングの容積比に関して互いに異なっており、具体的には、この容積比が低温側ほど大きい。例えば、線材の断面（正確には、線材の長手方向に垂直な平面による断面）における基材に対するコーティングの面積比が低温側ほど大きくなるように温度領域ごとに異なる種類の線材からなる金網が積層されて、第１段蓄冷材１００が構成されている。例えば、線材の断面が円形である場合には、上述のｄ２／ｄ１が低温側ほど大きくなる。したがって、第１段蓄冷材１００においては、低温側ほど、一層あたりのコーティング材料の量が多く、一層あたりの熱容量が大きい。このようにして、低温側での熱交換の効率を高め、ＧＭ冷凍機１の冷凍能力を向上させることができる。

図１２（ａ）、図１２（ｂ）、及び図１２（ｃ）はそれぞれ、第１の線材１０４、第２の線材１０５、及び第３の線材１０６の一例を示す。第１の線材１０４、第２の線材１０５、及び第３の線材１０６それぞれの断面が図示されている。

第１の線材１０４は、基材を備える。第１の線材１０４は、コーティングを有しない。第２の線材１０５は、基材１０５ａと、基材１０５ａを覆うコーティング層１０５ｂと、を備える。第３の線材１０６は、基材１０６ａと、基材１０６ａを覆うコーティング層１０６ｂと、を備える。

第１の線材１０４、第２の線材１０５の基材１０５ａ、及び第３の線材１０６の基材１０６ａは、同一の断面寸法を有する。よって、第１の線材１０４、第２の線材１０５の基材１０５ａ、及び第３の線材１０６の基材１０６ａは、外径が等しい。一方、第３の線材１０６のコーティング層１０６ｂは、第２の線材１０５のコーティング層１０５ｂよりも厚い。したがって、第２の線材１０５は第１の線材１０４より太く、第３の線材１０６は第２の線材１０５より太い。

第３の線材１０６が第２の線材１０５より太いので、第３の金網は線材間の開口が第２の金網より狭くなりうる。しかし、第３の金網は第２の金網より低温側に配置され、低温側ではヘリウムガスの粘度が低いので、第３部分１０３における圧力損失の増加（ひいては冷凍能力の低下）は抑制される。そのため、コーティングを厚くすることによる熱交換の効率改善は圧力損失の増加に優ると考えられる。よって、ＧＭ冷凍機１の冷凍能力を向上させることができる。

図１３（ａ）、図１３（ｂ）、及び図１３（ｃ）はそれぞれ、第１の線材１０４、第２の線材１０５、及び第３の線材１０６の他の一例を示す。図示されるように、第１の線材１０４は第２の線材１０５の基材１０５ａと同一の断面寸法を有するが、第３の線材１０６の基材１０６ａは第２の線材１０５の基材１０５ａより細い。よって、第３の線材１０６のコーティング層１０６ｂを第２の線材１０５のコーティング層１０５ｂより厚くすることができる。また、第３の線材１０６の基材１０６ａが細いので、第３の線材１０６は第２の線材１０５と太さを等しくすることができる。したがって、図１２（ｃ）に示す例に比べて、第３部分１０３における圧力損失の増加をさらに抑制することができる。なお、この場合、第３の線材１０６は第２の線材１０５より太くして、コーティング層１０６ｂをより厚くしてもよい。

図１４（ａ）、図１４（ｂ）、及び図１４（ｃ）はそれぞれ、第１の線材１０４、第２の線材１０５、及び第３の線材１０６の他の一例を示す。図示されるように、第２の線材１０５の基材１０５ａは第１の線材１０４より細く、第３の線材１０６の基材１０６ａは第２の線材１０５の基材１０５ａと同じである。このようにすれば、第２部分１０２における圧力損失の増加を抑制することができる。この場合、第２の線材１０５は、第１の線材１０４と太さが等しいかそれより太くてもよい。

実施の形態では、第１段蓄冷材３０は、Ｎ枚のシート状の金網３２−１〜３２−Ｎを積層方向Ｐに沿って積層してなる積層構造を有する場合について説明したが、これに限られない。例えば、第１段蓄冷材は、複数の孔が形成された金属板または多孔金属板を複数枚積層してなる積層構造を有してもよい。この場合、低温側の金属板にめっきによるコーティング層が設けられてもよい。第２段蓄冷材６０についても同様である。

実施の形態では、ＧＭ冷凍機１を例として説明したが、これに限られず、実施の形態に係る蓄冷材は他の種類の蓄冷式冷凍機、例えばＧＭ型またはスターリング型パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機、ソルベー冷凍機に搭載されてもよい。

実施の形態に係る蓄冷材を搭載したＧＭ冷凍機１は、超伝導マグネット、クライオポンプ、Ｘ線検出器、赤外線センサ、量子光子検出器、半導体検出器、希釈冷凍機、Ｈｅ３冷凍機、断熱消磁冷凍機、ヘリウム液化機、クライオスタット等における冷却手段または液化手段として使用されてもよい。

１ＧＭ冷凍機、３ガス圧縮機、１０コールドヘッド、１５第１段冷却部、２０第１段シリンダ、２２第１段ディスプレーサ、３０第１段蓄冷材、３５第１段冷却ステージ、５０第２段冷却部、５１第２段シリンダ、５２第２段ディスプレーサ、８５第２段冷却ステージ。

Claims

蓄冷式冷凍機に使用される、積層構造を有する蓄冷材であって、
各層には積層方向に沿って気体が通過できるように複数の孔が形成されており、
少なくともひとつの層は基材と前記基材を覆うコーティング層とを含み、
前記基材は、銅系材料またはステンレス鋼により形成され、
２０ケルビンから４０ケルビンの温度範囲における前記コーティング層の容積比熱は前記基材の容積比熱より大きく、前記コーティング層は、亜鉛、スズ、または銀のいずれかひとつもしくはそれらのうちの少なくとも２つを含む合金により形成される（ただし、前記コーティング層がビスマスを主成分とする場合を除く）ことを特徴とする蓄冷材。
前記温度範囲における前記コーティング層の熱伝導率は前記基材の熱伝導率より小さいことを特徴とする請求項１に記載の蓄冷材。
５０ケルビンにおける前記コーティング層の容積比熱は、５０ケルビンにおける前記基材の容積比熱より大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の蓄冷材。
前記少なくともひとつの層は網状の構造を有し、その線材の断面の積層方向における幅は、積層方向と交差する交差方向における幅よりも小さいことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の蓄冷材。
前記少なくともひとつの層の線材の表面は、積層方向で互いに接触する２つの平面部を有することを特徴とする請求項４に記載の蓄冷材。
前記少なくともひとつの層は網状の構造を有し、その線材の断面における基材の直径でコーティングの外径を除した値は１．３から１．５の範囲にあることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の蓄冷材。
請求項１から６のいずれかに記載の蓄冷材を備えることを特徴とする蓄冷式冷凍機。