JPH0464877A - 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］ 本発明は極低温冷凍機にかかわるもので、とくに高効率
で、信頼性の高い、ヘリウム温度域（４，２Ｋ）以下の
極低温冷凍システムを実現可能な極低温冷凍機に関する
ものである。

［従来の技術］ 従来から、ギフオード・マタマホン冷凍サイクル（以ド
「ＧＭサイクル」という）を採用したＧＭ冷凍機などの
Ｍ冷型冷凍機は、その構造が簡単かつ信頼性が高い極低
温冷凍機として広く使用されている。このＭ冷４′（冷
凍機は蓄熱式熱交換型（蓄冷器）を使用している。

しかしながら、この種の冷凍機においては、極低温域で
」二記蓄冷冊の蓄冷材の比熱が減少するのに対して作動
流体であるヘリウムガスの比熱が逆に増大するために蓄
冷器が有効に作動しなくなること、および極低温ではヘ
リウムガスが理想気体としての性質からずれてくるため
に冷凍発生子。

そのものも小さくなることなどの理由から、８〜１、　
ＯＫ以下、ないしヘリウム温度（４・２■〈）以ドの冷
凍を発生させることができないという問題がある。

こうした問題に対処するために、４Ｋまで冷凍可能な冷
凍機として、ジュールトムソン回路にＧＭ冷凍機を組み
合わせたａ　Ｍ　＋　Ｊ　ｉ”冷凍機が市販されている
。

しかしながらこの方式の冷凍機では１．ＩＴ回路川用ヘ
リウムガス圧縮装：す１が必要であり、またヘリウムガ
ス中の不純物によりて、１１回路が閉塞し易いという点
で、装置全体が複雑化し、かつ信頼性の点でも問題があ
る。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は以ヒのような問題にかんがみてなされたもので
、高効率で、信頼性の高い、・＼リウｌ〜温度域（４，
，２Ｋ）以ドの極低温冷凍システムを実現可能な極低温
冷凍機を提供することをＦＩＩＲとする。

［課題を解決するためのｆ段］ すなわち木発明は、ＧＭサイクルと、磁性体の磁気熱量
効果を利用した冷却、すなわち内１８消磁冷却を行う磁
気冷凍サイクルとを組み合わせることに′Ｒ口したちの
であって、作動流体を圧縮する圧縮機、圧縮された作動
流体の流路を制御する弁、この作動流体を収容するシリ
ンダ、このシリンダ内を移動するディスプレーサ、およ
び蓄冷器を有するギフォード・マクマホン冷凍サイクル
と、磁性体、およびこの磁性体に所定周期で磁場を供給
する電磁石を有する磁気冷凍サイクルとを組み合わせる
とともに１両サイクルの作動流体を１１通のヘリウムガ
スとし、Ｑｉ−の′ＩＪＲ環ループを枯成したことを特
徴とする極低温冷凍機である。すなわち、Ｃ３Ｍサイク
ルの作動流体に、磁気冷凍サイクルの熱輸送流体として
の機能を持たせることにより両冷凍サイクルを組み合わ
せるものである。

なお、　に記ギフォード・マクマホン冷凍サイクルを一
段以−１−とし、！＆終段の蓄冷器の蓄冷１オを磁気熱
量効果の大きな一ヒ記磁性体とするとともに、この蓄冷
材のまわりに、］：、記電磁石を設け、この電磁石によ
る磁場を変動させることにより該磁性体に断熱消磁冷却
を発生させるようにすることができる。

また、ｌ；記磁性体による蓄冷材をシリンダの外部に配
置することにより、設置態様に両道性を持たせることが
できる。

さらに、土泥磁性体による蓄冷材をシリンダの内部にｉ
’ｌｔ！　置することにより全体を小型化することがで
きる。

［作用］ 本発明による極低温冷凍機においては、ＧＭサイクルと
磁気冷凍サイクルとを組み合わせるとともに、両サイク
ルの作動流体を共通のヘリウムガスとし、両サイクルを
ひとつの循環ループとすることにより、両サイクルによ
る冷凍効果を−・体化させ、高効率で液体ヘリウム温度
域の極低温を信頼性高く実現することができる。

すなわち、従来からのＧＭサイクルが、ガス（作動流体
）の断熱膨張を利用するとともに、ｊ）（に熱部りとし
て作用する蓄冷器を用いることにより冷凍を得るのに対
して、木発明においてはＧＭサイクルにおける蓄冷材と
して磁性体を用いてこれに磁場変化をグえることにより
、蓄冷器自体にも冷凍能力を持たせて（断熱消磁すなわ
ち磁気冷凍の原理）、つまり磁気冷凍サイクルの原理で
ある磁気熱量効果をも利用して冷凍を発生させることと
し、さらに０Ｍサイクルの作動流体に磁気冷凍サイクル
の熱輸送流体としての機能を持たせたので、冷凍能力な
いし冷凍効果を向１ユさせることができる。

［実施例］ つぎに、本発明の第一・の実施例による極低温冷凍機１
を第１図ないし第８図にもとづき説明する。

第り図は極低温冷凍ａｔ全全体示す概略断面図であって
、ヘリウム圧縮機２には高圧弁３および低圧弁４を設け
、配管５を介して作動流体としてのヘリウムガスをシリ
ンダ６に供給かつ循環可能とするとともに、その圧力お
よび流路を制御可能としている。このシリンダ６を図示
のように段階的に小径となるようにニー段階に細く形成
することにより極低温冷凍機１全体を三段式に構成し、
その内部にディスプレーサ７をＬＦ往復動可能に収容し
ている。

ディスプレーサ７は、最大径の一段目デイスプレーサ８
と、中径の二段目ディスプレーサ９と、最小径の三段目
ディスプレーサ１０とからこれを構成する。−・段目デ
ィスプレーサ８部分にリンク１１を接続することにより
モータ１２を用いてこれを」−下に往復動させる。　そ
れぞれの−段目デイスプレーサ８．二段目ディスプレー
サ９および三段目ディスプレーサ１０は、−段目蓄冷器
８Δ、゛°０段目蓄冷器９Ａおよび三段目蓄冷器ＬＯＡ
をそれぞれ有する。ただし、二段１Ｂ！９冷器１０Δの
みは二段目ディスプレーサ１０の外部にこれを設けであ
る。

一段目蓄冷器８Ａには銅網を採用し、−゛１段目蓄冷器
９Ａには微小球状の釦を採用する。さらに三段目蓄冷器
１．ＯＡには磁性体たとえばＧ　Ｇ　Ｇ（Ｇ　ｄ　２Ｇ
　Ｊｌ　ｒｈｏ　＋ｐ、ガドリニウム・ガリウム・ガー
ネット）を採用する。

シリンダ６とディスプレーサ７との開にそれぞれ一段目
膨張室１７、二段ｒ１シール１４および三段目シール１
５を設けることによって、シリンダ６内部を室温空１１
ｉ１１６．　−段目膨張室１７、二段目膨張室１８およ
び三段目膨張室１９に区画する。

なお、室温空間１６と一段目蓄冷器８Δとの開を第１の
連通路２０により連通ずる。−段目蓄冷Ｘｉｔ　８　Ａ
と一段目膨張室１７との間を第２の連通ｗｒ２１により
連通する。−段目蓄冷器８Ａと１１段目蓄冷器９Δとの
間を第３の連通路２２により連通する。ニー段目蓄冷Ｐ
ｅａ　５）Δとユニ段目膨張室１８との開を第４の連通
路２３により連通する。

１段［１？ｌＩ冷器１０Δは既述のように、　ら段１１
ディスプレーサ１０の外部に配置し、配管２４により二
段ロ膨張室Ｉ８と連通１７、配管２５により三段目膨張
室１９と連通するとともに、そのまわりに超電導マグネ
ット（超電導コイル）２６を配置する。

一段［１デイスプレーサ８の一段［１膨張室１−７の外
部に一段目冷凍負荷２７を配置する。二、段「１デイス
プレーサ９の一段目膨張室１７の外部に。

段目冷凍負荷２８を配置する。二段目ディスプレーサ１
０の配管２５に＝−段目冷凍負荷２９を配置する。

つぎに、冷凍サイクルをｗｉ環して示す第２図ないし′
ＭＳ７図、および第８図のグラフを参照しながら、極低
温冷凍機１の作用を説明する。第２図は過程「１」を、
第４図は過程［２」を、第５図は過程「３」を、第７図
は過程「／Ｕ」を、第３図は第２図と第４図との中間の
過程を、第６図は第５図と第７図との中間の過程をそれ
ぞれ示し、ｆｔ５８図の横軸には冷凍サイクルの過程を
取り、そ扛ぞれの過程の番号を付しである。

まず第７図に示す状態においてディスプレーサ７は最下
位置にあり、高圧弁３は「閉Ｊ、低圧弁は「開ｊの状態
にある、１　こうした状態から第２図に示すように、高
圧弁３を「閉」から「開」へ低圧弁４を「開」から「閉
」へと切り替え、また三段目蓄冷器］、ＯＡに作用する
超電導マグネット２６による磁場を減少させてゆくと（
第８図参照）、二段ロ蓄冷器１０Δの温度は磁気冷凍効
果により低下する。

同時に、子連のようなブ↑切り替えによって、ヘリウム
圧縮機２から高圧のヘリウムガスがシリンダ６内に流入
するため、−段目デイスプレーサ８−に７ｆβの室温令
聞１６内の圧力は、低圧（ヘリウム圧縮機２の吸込み圧
）ＰＬから高圧（ヘリウム圧縮機２の吐、＋１５圧）Ｐ
Ｔ（まで」−昇する（第８図参照）。

つぎに高圧弁３を「開ｊ、低圧弁４を「閉」のままで、
さらに磁場を減少させながら、第３図に示すようにディ
スプレーサ７を−１一方に移動さげることにより、！Ａ
温″！Ｘ！、ｎｎ］、ｅ内のヘリウムガスは、−段ｒＢ
Ｗ冷器８Ａ、　−段目蓄冷器９Ａおよび一！段目蓄冷器
１０Δを通り放熱して冷却され、−段目室Ｊ７．’、段
１゛１膨張室１８．および１１段１１膨張室」９に移動
する。高圧弁３は「開」のままであるので、シリンダ６
内のヘリウムガスの圧力は高圧ＰＨで一定である。

なおまた、十、述のように二段ロ蓄冷器１０Δに作用す
る磁場をさらに減少させてゆくと、この、：、段ｒｈｖ
ｔ冷器Ｊ、ＯＡはそれ自体の温度をさらに低下させるの
で（（Ｉｉ気冷凍効果）、第３図に示すように配管２４
を経て三段目蓄冷器１０Δ内を通過するヘリウムガスは
より−Ｍ冷却されてその温度が低ドした１−、で、゛孔
膜１゛１蓄冷器１０Δを出て配管２５の部分の二段目冷
凍負荷２９から吸熱し、三段目膨張室１９に入る。

第４図に示すようにディスプレーサ７が最１−位置にあ
る状態で、第５図に示すように高圧弁３を「閉」とし低
圧弁４を「開」とすると、−段目膨張室１７、二段目膨
張室１８および三段目膨張室」９内のヘリウムガスは高
圧ＰＨから低圧ＰＩ、まで断熱膨張してその温度を低ド
させる。

またこのとき、二段ｒＪ？ｆｆ冷１１７１ＯＡに作用す
る超電導マグネット２６による磁場を強くすると、三Ｆ
ツ１１蓄冷器］０Δ内の蓄冷材（磁性体）は発熱し、三
段目蓄冷器１０Δの温度は上昇する（磁気熱量効果）。

第５図に示すように高圧弁３を「閉」、低圧弁４を「開
」の状態のままで、第６図に示すようにディスプレーサ
７を最下位置まで移動させると、−・段目膨張室１７、
′−段段目張室１８および三段目膨張室１９内の低圧の
ヘリウムガスは一段口冷凍負荷２７、ニー段目冷凍負荷
２８および二段目冷凍負荷２９から吸熱したのち、　・
段目蓄冷器８Ａ。

二段ロ蓄冷器９Ａおよび三段目蓄冷器１０Ａを通ってそ
扛ぞれの蓄冷材を冷却し、ヘリウムガス自体はほぼ室温
まで界温して室温空１１［１］６内に移動し、さらにヘ
リウム圧縮Ｉａ２に吸収される。

なお、この過程で、三段Ｉ８１′Ｍ冷器１０Δに作用す
る磁場をさらに強めてゆくと、三段目蓄冷器１０Ａ内の
蓄冷材（磁性体）は磁気熱量効果によりさらに発熱し、
　二段１１？Ｒ冷器１０Δの温度は、１−昇するが、そ
の内部を通過するヘリウムガスによって−１−昇温度分
は吸収される。

第７図に示すようにディスプレーサ７が最下位置に至−
１）た状態で、冷凍サイクルの一周期が終了する。

こうした冷凍サイクルを繰り返すことにより、−段目冷
凍負荷２７の温度は６０に程度士で、二段目冷凍負荷２
８の温度はＩＯＫ程度まで、１段目冷凍負荷２９の温度
は４に以下（２Ｋ）程度にまで冷却することができる。

なお、この実施例による極低温冷凍機Ｉにおいては二段
ロ蓄冷器１０Δをシリンダ（５の外ｆ２（ｊに配置しで
あるので、設置態様に融通性を（！？だせることができ
るとともに、内部の蓄冷材の歌を適１１：変更すること
も可能である。

つぎに第９図ないし第１６図に基づき本発明の第一二の
実施例による極低温冷凍ａ：３０を説明する。ただし、
第１−図ないし第８図と同様の部分には同一・符号を付
し、その詳述はこれを省略する。

この極低温冷凍機３０は、前述の極低温冷凍機１と二段
目蓄冷器１．ＯＡの配置状態が異なるのみである。すな
わち第９図に示すように、前記二段目Ｗ６器９Ａと三段
目膨張室１９とを連通ずる第５の連通路３１を三段目デ
ィスプレーサ１０に形成する。この第５の連通路３１の
途中に１；記−！段目蓄冷器１．ＯＡを配置する。

この二段目蓄冷ａｌ　ＯＡの外周位置に、高磁場発生用
超電導マグネット３２および＃、磁場発生用ＭＭ、導マ
グネット３３をＮ（ｉける。

なお、前記二段「１冷凍負荷２９は二段口ディスプレー
サ１９の部分にこれを配置する。

こうした構成の極低温冷凍機３０の作用は前述の極低温
冷凍機Ｊの場合と事実１−同じであるので、第１０図な
いし第１５図、および第１６図にそれぞれの状態を示し
てその詳述はこれを省略する。

なお、三段目蓄冷器１０Δにかける磁場を変化させる手
段として高１場発生用超電導マグネット３２および低磁
場発生用超電導マグネット３２を用いており、この作用
について主に述べる。

冷凍サイクルの過程「４」　（第１５図）から「ＩＪ　
（第１０図）において、それぞれの磁場を１３１　Ｈか
らＢ　１１．　Ｉ−、へ、１３２ＨからＢ２Ｉ、（第１
６図）へ減少させると、蓄冷材（磁性体）は温度が低下
する。

つぎの過程「１」から「２Ｊ　（第１２図）において、
三段目蓄冷器１０Ａは上方に移動する結果、高磁場Ｂ　
Ｉ　Ｌの空間から低磁場ｎ　２　ｔ、の空間に移動する
ので消磁を受は蓄冷材の温度は低下する。このため三段
目蓄冷器１０Ａを通過するヘリウムガスはより　・層冷
却される。したがって、この二段目蓄冷器１０Δを出た
低温ヘリウムガスは二段ロ膨張室１９に入ってだ段目冷
凍負荷２９から吸熱する。

過程「２」から「３」　（第１３図）において、低磁場
発生用超電導マグネット３３による磁場をＢ　２　Ｉ、
からＢ２ＩＩへ増加させると、三段目蓄冷器１０Ａの蓄
冷材の温度は上習する。高磁場発生用超電導マグネット
３２によるｌｉｌ！場も、Ｂ　Ｉ　ＬからＢ　Ｉ　ＴＩ
に増加させておく。

過程「３」から「４Ｊ　（第１５図）において、二段目
蓄冷器１０Ａの蓄冷材は低磁場Ｂ２Ｈの空間から高磁場
Ｂ　１．　Ｈの空間に移動するので、増磁を受けてさら
に昇温しようとするが、通過する低温ヘリウムガスによ
り冷却される。

以上のように第一・の実施例と同様にしてＧＭ冷凍サイ
クルと磁気冷凍サイクルとを組み合わせた冷凍サイクル
を繰り返すことにより、高効率で冷凍効果を発生させる
ことができる。

なお、本発明においては、０Ｍサイクルおよび磁気冷凍
サイクルの段数は任意であり、少なくともその一段ずつ
を組み合わせることとすればよい。

［５Ｎ明の効果］ 以Ｊ−のように本発明によれば、ＧＭサイクルと磁気冷
凍サイクルを組み合わせることにより高効率かつ信頼性
１務く冷凍効果を発生させ、液体ヘリウム温度以下での
冷凍を発生させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例による極低温冷凍ｆｆ１
ｌの概略断面図、 第２図ないし第７図は同、冷凍サイクルの作用を説明す
るための、概略断面図であって、第２図は過程ｒｌＪを
、第４図は過程「２Ｊを、第５図は過程「３」を、第７
図は過程「４」を、ｆｆ１３図は第２図とｆｆ１４図と
の中間の過程を、第６図は第５図と第７図との中間の過
程をそれぞれ示し、 ｍ８図は冷凍サイクルの過程の進行にともなうデ・イス
プレーサ７の位置、高圧弁３および低圧弁４の開閉状態
、シリンダ６内のヘリウムガス圧力、シリンダ６内のヘ
リウムガスの流出入、および超電導マグネット２６によ
る磁場の関係を示すグラフ、 第９図は本発明の第一の実施例による極低温冷凍機３０
の概略断面図、 第１０図ないし第１５図は同、冷凍サイクルの作用を説
明するための、概略断面図であって、第１０図は過程「
１」を、第１２図は過程「２」を、第１３図は過程「３
」を、第１５図は過程「４」を、第１Ｊ図は第１０図と
第１２図との中間の過程を、第１４図は第１３図とｆｔ
ｓ　１．５図との中間の過程をそれぞれ示し、 第１６図は冷凍サイクルの過程の進行にともなうデ・ｒ
スプレーサ７の位置、高圧フｉ’　３および低圧弁４の
開閉状態、シリンダ６内の／＼リウムガス圧力、シリン
ダ６内のヘリウムガスの流出入、および超電導マグネッ
ト２６による磁喝の関係を示すグラフである。 １　、、、、、、極低温冷凍機 ２　、、、、、、／＼ツリウム縮機 ３・・・・・・高圧弁 ／Ｉ　、、、、、、低圧弁 ５−−−−−　、配管 ６、、、、、、シリンダ ７・・・・・・ディスプレーサ ８・・・・・パ段ｒ］ディスプレーサ ８Ａ、、、、〜段１１Ｗ冷器 ｑ　、、、、、、−’段目ディスプレーサ９Ａ、、、、
７１段ロ蓄冷器 １、０　、、、、、、三段目デイスプレー・す１０Δ、
１８．シ段ロ蓄冷器 １、　、Ｌ　、、、、、、リンク １．２．、、、、、モータ １３、、、、、、−一段目シール １４、、、、、、二段口シール １５　、、、、、、三段目シール ］　６．、、、、、室温空間 １７、、、、、、−段目膨張室 ＋　８．、、、、、二段］１＃張室 １９・・・・・・三段目膨張室 ２０、、、、、、第１の連通路 ２１　、、、、、、第２の連通路 ２２・・・・・、ＪＪ３の連通路 ２３・・・・・・第４の連通路 ２４．２５．配管 ２６　、、、、、、超電導マグネット（超電導コイル）
２７　、、、、、、・段目冷凍負荷 ２８　、、、、、、二段目冷凍負荷 ２９　、、、、、、二段目冷凍負荷 ３０　、、、、、、極低温冷凍機 ３１・・・・・・第５の連通路 ３２、、、、、、高磁場発生用Ｍ電導マグネット３３　
、、、、、、低磁場発生用超電導マグネットＰＨ，、、
、、、高圧（ヘリウム圧縮機２の吐出圧）Ｐｉ、、、、
、、、低圧（ヘリウム圧縮ｆｉ２の吸込み圧）ＢＩＴ４
１１４．高磁＠発生用超電導マグネット３２による低磁
場 ＲＩ　Ｉｌ、、、、同、高ｇ８場 ］１２Ｔ５１．２．低磁場発生用超電導マグネット３３
による低磁場 ＋１　：、’、　ＴＩ　、、、、同、　高磁場特詐出暉
人　住友ＩＦ、機械ｒＸ粟株式会社復代理人　弁Ｆｌ七
　地理　覚 第 図 第　　７　　図 （ｔＷ’４Ｊ） の 賊 Ｉ〆＼ く

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）作動流体を圧縮する圧縮機、圧縮された作動流体
   の流路を制御する弁、この作動流体を収容するシリンダ
   、このシリンダ内を移動するディスプレーサ、および蓄
   冷器を有するギフォード・マクマホン冷凍サイクルと、 磁性体、およびこの磁性体に所定周期で磁場を供給する
   電磁石を有する磁気冷凍サイクルとを組み合わせるとと
   もに、 両サイクルの作動流体を共通のヘリウムガスとし、単一
   の循環ループを構成したことを特徴とする極低温冷凍機
   。
2. （２）前記ギフォード・マクマホン冷凍サイクルを二段
   以上とし、最終段の蓄冷器の蓄冷材を前記磁性体とする
   とともに、この蓄冷材のまわりに前記電磁石を設け、こ
   の電磁石による磁場を変動させることにより該磁性体に
   断熱消磁冷却を発生させることを特徴とする請求項（１
   ）記載の極低温冷凍機。
3. （３）前記磁性体による蓄冷材をシリンダの外部に配置
   したことを特徴とする請求項（２）記載の極低温冷凍機
   。
4. （４）前記磁性体による蓄冷材をシリンダの内部に配置
   したことを特徴とする請求項（２）記載の極低温冷凍機
   。