JPH02161260A - 蓄冷式極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ この発明は季土類金属を用いた合金または化合物を蓄冷
材とする蓄冷式極低温冷凍機に関するものである。

〔従来の技術１ 第７図は例えば、同一出願人による昭和６３年１１月９
日出願の明細書に示された従来の蓄冷式極低温冷凍機の
一種である三段膨脹式ＧＭ冷凍機を示す断面構成図であ
る。（１）は第３段蓄冷器で、蓄冷材として希土類を含
む合金または化合物、例えばＧｄＲｈ等が用いられてい
る。（２）は第２段蓄冷器で、蓄冷材として鉛工が用い
られ、（３）は第１段蓄冷器で、蓄冷材として銅金網が
用いられている。

（４）は第３段ディスプレーサ、（５）は第２段ディス
プレーサ、（６）は第１段デイスデＶ−サである。（力
は第３段ディスプレーサ（４）の外周からヘリウムガス
（１６）が漏れることを防ぐ第３段シール、（８）は第
２段ディスプレーサ（５）の外周からヘリウムガス（１
６）が漏れることを防ぐ第２段シール、（９）は第１段
ディスプレーサ（６）の外周からヘリウムガス（１６）
が漏れることを防ぐ第３段シール、（ｌＯ）はホーニン
グパイプで乍られ、３段になっているシリンダー（１１
）はヘリウム圧縮機（１３）で圧縮されたヘリウムガス
（１Ｇ）を導入する吸気パルプで、（１２）は同じくヘ
リウムガス（１６）を排出する排気パルプ、（１５）は
駆動モータ、（１４）は駆動モーター（１５）の回転を
直線運動に変換しこの動きに同期させて吸気パルプ（１
１）、排出パルプ（１２）を動作する駆動機構である。

（１７）はヘリウムガス（１６）が膨張する第３段塵室
、（１８）は同じく第２段膨張室、（１９）も同じく第
１段膨張室である。（２０）は第３段膨張室（１７）で
発生する冷凍により超電導磁石（図示せず）を冷却する
第３段サーマルステージ、（２１）は第１段サーマルス
テージ、（２２）は第１段サーマルステージである。

また（２３）は超電導磁石が発生する磁束である。

次に動作について説明する。第８図は各膨張室（１７）
〜（１９）のｐ−ｖＭＩ図である。縦軸は各膨張室（１
７）〜（１９）の圧力、横軸は同じく容積である。まず
第８図における■の状態ではディスプレーサ−（４）〜
（６）は最下端にあり、吸気パルプ（１１）が開き排気
バルブ（１２）が閉じているので各膨張室（１７）〜（
１９）の圧力は高圧ｐｕになっている。次に■−■では
ディスプレーサ−（４）〜（６）が上に動き、それに伴
い高圧のヘリウムガス（１６）がそれぞれの蓄冷器（１
）〜（３）を通じて、それぞれの膨張室に導入される。

この聞咎パルプ（１１）、（１２）は動かない。高圧の
ヘリウムガス（１６）はそれぞれの蓄冷器で冷却され、
所定の温度まで冷却される。金属の比熱はＩＯＫ以下に
なると一般に急激に小さくなる。しかし、ヘリウムの比
熱は逆に大きくなるので、第３段蓄冷器（１）の効率が
低下する。そこで４に台の温度を得るためには、希土類
金属を含む化合物または合金例えば、　ＧｄＲｈ等（以
後希土類物質と定義する。

）を第３段蓄冷器（１）の蓄冷材に用いる必要が生じる
。

第９図に蓄冷材の比熱を示す。希土類物質の比熱が大き
いのはキュリー点がこの付近の温度にあるからで比熱が
大きい状態では強磁性体になっている。第８図の■は膨
張室の容積が最大になった状態であり、この時吸気バル
ブ（１１）は閉じて排気バルブ（１２）が開く。この時
、高圧のヘリウムガス（１６）が低圧ガス部に膨張して
冷凍が発生し■の状態になる。■−■ではディスプレー
サ−（４）〜（６）が下方に移動し低圧のヘリウムガス
（１６）を排出する、この時の低圧のヘリウムガス（１
６）は各蓄冷器（１）〜（３）を冷却し、自身は昇温さ
れヘリウム圧縮機（１３）に戻る。■は膨張室の容積が
最少になった状態でこの時排気パルプ（１２）は閉じ、
吸気パルプ（１１）が開き膨張室（１７）〜（１９）の
圧力は低圧から高圧になって■の状態に戻る。

〔発明が解決しようとする課題１ 従来の蓄冷式極低温冷凍機は以上のように構成されてい
たので、超電導磁石を冷却する際に強磁性体である第３
段蓄冷器（１）の希土類物質が超電導磁石の発生する磁
場中を移動するので超電導磁石の発生する磁場を乱す問
題点があった。

また、第１０図に希土類物質であるＧｄｎ、５ｌｒＱ、
ｓＲｈのＢＨ左カーブ示す。図より、その特性はヒステ
リシスを示すが、この面積に比例した量の発熱があるの
で、磁場中で蓄冷式極低温冷凍機を動作させると、発熱
し、効率を低下させるという問題点もあった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、磁場中で動作しても超電導磁石の発生する磁
場を乱さず、また、発熱による効率の低下もない蓄冷式
極低温冷凍機を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段１ この発明に係る蓄冷式極低温冷凍機は希土類金属を用い
た合金または化合物よりなる蓄冷材の周囲に、強磁性体
または超電導体からなるｆａ磁気シールド部材設けたも
のである。

また、強磁性体からなる磁気シールド部材に、磁気シー
ルド部材における温度勾配方向の熱伝導を防ぐ手段を設
けてもよい。

〔作用１ この発明における蓄冷式極低温冷凍機は、外部からの磁
束が強磁性体からなる磁気Ｖ−ルド部材の中を通シ、シ
ールド内へ侵入しないので、外部磁場に対する影響は静
的なもののみで、蓄冷材の移動による影響は受けないた
め、対策が簡単となる。

また、外部磁場が侵入しないので、蓄冷器は発熱せず、
効率の低下がない。

また磁気シールド部材が完全反磁性体である超電導体で
あれば、Ｖ−ルド内に外部からの磁束は侵人できないの
で、上述と同様の作用がある。

また、磁気シールド部材は蓄冷器の周囲に設けられてい
るので両端部で温度の異なる二つの膨脹室に隣接するた
め、とくに強磁性体よりなる磁気シールド効果の場合は
温度勾配が生じる。そのため、強磁性体よりなる磁気シ
ールド部材に温度勾配方向の熱伝導を防ぐ手段を設けれ
ば冷凍効率が上昇する。

〔実施例ｊ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図（ａ）（ｂ）は各々この発明の一実施例による蓄冷式
極低温冷凍機を示す断面構成図及び第１図ω）のＢ−Ｂ
＠での断面図である。図において、（１１〜（２３）は
従来装置と同一のものである。（２４）は強磁性体から
なる円筒状の磁気シールド部材で、熱伝導率の低い材料
、例えばフェライト等よりなり、図に示すようにシリン
ダー（１０）の第３段部分より長くできている。

上記のように構成された蓄冷式極低温冷凍機においては
冷ｌＬ機の第３段蓄冷器（１）のまわシに強磁性体から
なる磁気シールド部材（２４）が取り付けであるので、
磁力線（２３）は第１図１、（ｂ）に示すように磁気シ
ールド部材の中を通り、シールド内に侵入することがで
きない。そこで強磁性を示す希土類物質からなる蓄冷材
を用いる第３段蓄冷器（１）が移動しても、外部磁界が
変動することはない。またシールド内に磁力線（２３）
が侵入しないので磁界がなく、希土類物質が発熱するこ
ともないので冷凍効率が向上する。

なお、磁気シールド部材（２４）は両端部で温度の異な
る二つの膨脹室（１７）　（１８）に隣接し、温度勾配
が生じるが、磁気シールド部材（２４）は熱伝導率の低
い材料でできているため、冷凍効率の低下を防ぐことが
できる。

第２図はこの発明の他の実施例による蓄冷式極低温冷凍
機を示す断面構成図であシ、強磁性体よりなる磁気シー
ルド部材（２４）にスリット（２５）を入れ、軸方向（
温度勾配方向）の熱伝導をさらに小さくしたものであり
、冷凍効率の低下をさらに防ぐものである。

さらに第３図はスリブ）　（２５）の入った磁気シール
ド部材（２４）を二重に設けたもので、各シールド部材
（２４）のスリット（２５）が重ならないようにして設
置されている。このようにすることにより熱伝導は小さ
く抑えられ、かつシールド効果は強くなる。

また第４図に示すように複数個以上の磁気シールド部材
（２４）を同軸上に設ければシールド効果が向上する。

また第５図（ａ）（ｂ）に示すように、磁気シールド部
材（２４）の材料として超電導体（例えばＮｂＴｉ　、
Ｎｂ３Ｓｂ　。

Ｎｂ３Ｇｅ、　Ｙ系高温超電導材、Ｂ１系高温超電導材
）を超電導状態で用いれば、完全反磁性を示すため、磁
束が排除されるので上記した実施例と同様の効果を示す
。

また第６図に示すように、第３段サーマルステージ（２
０）ト第２段サーマルステージ（２１）を強磁性を示し
比較的熱伝導率の高い材料（例えばコバルトニッケル）
で作り、かつＶりンダー（１０）のまわりは強磁性体で
熱伝導率の低い材料（例えばフェライト）を用い、複数
のリング状の磁気シールド部材（２４）をシリンダー（
１０）に密着させて設ければコンパクトでかつ上述と同
様の効果が得られる。

また上記実施例では３段膨脹式ＧＩＪ冷凍機について述
べたが、その他の希土類物質を蓄冷材に用いる冷凍機（
例えばスターリング冷凍機、ヴイマイヤー冷凍機、ソル
ベー冷凍機等）に適用できることはいうまでもない。

また上記実施例では超電導磁石の冷却に用いる冷凍機に
ついて述べたが、５ＱＵＩＤ等磁気的なノイズを嫌うセ
ンサー等の冷却にも使用できる。

〔発明の効果１ 以上のように、この発明によれば、希土類金属を用いた
合金または化合物よりなる蓄冷材の周囲に、強磁性体ま
たは超電導体からなるＦａ磁気シールド部材設けたので
、外部磁界を乱すことがなく、また、効率の高い蓄冷式
極低温冷凍機が得られる効果がある。

さらに、上記強磁性体よりなる磁気シールド部材に、磁
気シールド部材における温度勾配方向の熱伝導を防ぐ手
段を設けることＫより、冷凍効率の低下を防ぐ効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はこの発明の一実施例による蓄冷式極低温
冷凍機を示す断面構成図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）
＋７）Ｂ−Ｂ線テノ断面図、第２図、第３図、　＠４図
、第５図軸）、及び第６図は各々この発明の他の実施例
による蓄冷式極低温冷凍機を示す断面構成図、第５図（
ｂ）は第５図（ａ）のＢ−Ｂ線での断面図、第７図は従
来の蓄冷式極低温冷凍機を示す断面構成図、第８図は冷
凍サイクルを示すｐ−ｖ線図、第９図は蓄冷材の比熱の
温度特性を示す特性図、並びに第１０図はＧｄｏ、５Ｅ
ｒｎ、ｓｐｈのＢ）ｉ特性を示す特性図である。 （１）・・・第３段蓄冷器、（１７）・−・第３段蓄冷
器、（２４）・・・磁気シールド部材、（２５）・・・
スリットなお、図中、同一符号は同−又は相当部分を示
す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）希土類金属を用いた合金または化合物を蓄冷材と
   する蓄冷式極低温冷凍機において、上記蓄冷材の周囲に
   強磁体または超電導体からなる磁気シールド部材を設け
   たことを特徴とする蓄冷式極低温冷凍機。
2. （２）請求項１記載の強磁性体よりなる磁気シールド部
   材は、上記磁気シールド部材における温度勾配方向の熱
   伝導を防ぐ手段を有することを特徴とする蓄冷式極低温
   冷凍機。