JPH11294882A

JPH11294882A - 蓄冷材および蓄冷式冷凍機

Info

Publication number: JPH11294882A
Application number: JP10096239A
Authority: JP
Inventors: Takakuni Hashimoto; 巍洲橋本; Hiroshi Nakane; 央中根; Masami Okamura; 正巳岡村; Keisuke Hashimoto; 啓介橋本; Tomohisa Arai; 智久新井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-04-08
Filing date: 1998-04-08
Publication date: 1999-10-29

Abstract

(57)【要約】【課題】極低温域において顕著な冷凍能力を長期間に亘
って安定して発揮することが可能な蓄冷材およびそれを
用いた蓄冷式冷凍機等を提供する。【解決手段】一般式Ｈｏ_1-xＲ_x（Ｓｂ_1-yＭ_y）（但
し、ＲはＹ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅ
ｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，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Ａｇ，Ａｕ，
Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｂｉ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐ
ｔ，Ｚｎ，Ｃｏ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｒｕ，Ｃ
ｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，ＺｒおよびＨｆ
から選択される少なくとも１種の元素であり、ｘ，ｙは
それぞれ原子比で０≦ｘ≦０．５，０≦ｙ≦０．５を満
足する。）で表わされる磁性体から成ることを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は蓄冷材および蓄冷式
冷凍機に係り、特に１０Ｋ以下の極低温域において顕著
な冷凍能力を発揮できる蓄冷材およびその蓄冷材を使用
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，Ｅ
ｒＮｉ，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。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような冷凍機を各種システムに応用することが、より具
体的に検討されるに伴って、より規模が大きな冷却対象
物を長期間安定した状態で冷却する技術的要請が高ま
り、より一層の冷凍能力の向上が求められている。

【０００８】ところで、一般に複数の冷却段を有する蓄
冷式冷凍機の最終冷却段の蓄冷器、すなわち、２段膨張
式冷凍機の場合では第２段目の蓄冷器の内部において
は、作動媒質が流入する高温側端部の温度が３０Ｋ程度
である一方、下流低温側端部の温度が４Ｋ程度となるよ
うに、温度勾配が形成される。

【０００９】上記のような幅広い温度域の全域で体積比
熱が大きな蓄冷材は存在しないため、現実には蓄冷器内
部の温度分布に対応して各温度域に好適な比熱特性を有
する蓄冷材がそれぞれ充填されている。すなわち、蓄冷
器の低温側には、例えばＨｏＣｕ₂のように低温側ので
きるだけ幅広い温度領域で体積比熱が大きい蓄冷材を充
填する一方、高温側には、例えばＥｒ₃Ｎｉのように高
温側の幅広い温度領域で体積比熱が大きい蓄冷材が積層
されて充填されている。

【００１０】ここで４Ｋ程度の極低温域での冷凍機性能
に大きな影響を及ぼす主要因は、蓄冷器の低温側に充填
される蓄冷材の種類である。現在までに、上記蓄冷器の
低温側に充填する蓄冷材として、ＥｒＮｉ₂，ＥｒＮｉ
_0.9Ｃｏ_0.1，ＥｒＮｉ_0.8Ｃｏ_0.2，ＥｒＲｈおよび
ＨｏＣｕ₂などの種々の組成を有する蓄冷材が検討され
試用されている。これらの蓄冷材を通常の２段膨張式Ｇ
Ｍ冷凍機の第２段目蓄冷器に使用した場合に、４Ｋにお
ける冷凍能力が特に高くなるのがＨｏＣｕ₂であるが、
未だ４Ｋ領域における体積比熱が不十分であるため、冷
凍能力の顕著な向上は達成されていない。

【００１１】またＥｒＮｉ₂，ＥｒＮｉ_0.9Ｃｏ_0.1，
ＥｒＮｉ_0.8Ｃｏ_0.2などの強磁性体から成る蓄冷材
を、超電導システム用冷凍機に適用した場合には、超電
導磁石からの漏れ磁場の影響を受け易く、例えば冷凍機
の構成部品に磁力が作用して偏摩耗や変形を生じるおそ
れが高くなるという問題点もあった。

【００１２】一方、ＥｒＲｈから成る蓄冷材は反強磁性
体であり、上記漏れ磁場の影響を受けにくい長所がある
反面、構成成分としてのロジウム（Ｒｈ）が極めて高価
であり、数百グラムオーダーで使用する冷凍機の蓄冷材
として工業的に実用化することは極めて困難であるとい
う問題点もあった。

【００１３】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、特に極低温域において顕著な冷凍能力
を長期間に亘って安定して発揮することが可能な蓄冷材
およびそれを用いた蓄冷式冷凍機等を提供することを目
的とする。さらに、上記のような蓄冷式冷凍機を使用す
ることによって、長期間に亘って優れた性能を発揮させ
ることを可能にした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
置を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記目的を
達成するために、種々の組成および比熱特性を有する蓄
冷材を調製して冷凍機の蓄冷器に充填して、上記組成お
よび比熱特性が冷凍機の冷凍能力，蓄冷材の寿命，耐久
性に及ぼす影響を実験により比較検討した。

【００１５】その結果、特に４Ｋ付近の限られた温度域
において体積比熱が大きい蓄冷材を、その高温側の比熱
特性に応じて蓄冷器への充填方法を工夫することによ
り、４Ｋ温度域における冷凍機の冷凍能力が顕著に向上
するという知見を得た。例えば、４Ｋにおける比熱が高
い一方、１０Ｋでの比熱が低いような蓄冷材を使用する
場合には、蓄冷器内部の温度分布を考慮して蓄冷器の低
温側のみに上記蓄冷材を充填することにより、その蓄冷
材の４Ｋにおける高比熱特性が活かされることにより、
冷凍機性能が大幅に向上することが判明した。

【００１６】また上記のような比熱特性を実現するため
に、本発明者らは種々の組成を有する磁性蓄冷材を調製
し、その比熱特性を比較評価した。その結果、特にＨｏ
Ｓｂを基本組成とする磁性体が極低温度域で急峻な比熱
ピークを有し、蓄冷材として極めて有効であることが判
明し、さらにＨｏの一部を他の希土類元素で置換した
り、あるいはＳｂの一部を遷移金属等の元素で置換する
ことにより、目的とする低温度域での高い比熱特性を初
めて実現できることが判明した。本発明は上記知見に基
づいて完成されたものである。

【００１７】すなわち本発明に係る蓄冷材は、一般式Ｈ
ｏ_1-xＲ_x（Ｓｂ_1-yＭ_y）（但し、ＲはＹ，Ｌａ，Ｃ
ｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄ
ｙ，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Ａｇ，Ａｕ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，
Ｇｅ，Ｓｎ，Ｂｉ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｚｎ，Ｃｏ，Ｒ
ｈ，Ｉｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｒｕ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｎ
ｂ，Ｔａ，Ｔｉ，ＺｒおよびＨｆから選択される少なく
とも１種の元素であり、ｘ，ｙはそれぞれ原子比で０≦
ｘ≦０．５，０≦ｙ≦０．５を満足する。）で表わされ
る磁性体から成ることを特徴とする。

【００１８】また、磁性体は、反強磁性体であることが
望ましい。

【００１９】また本発明に係る蓄冷式冷凍機は、蓄冷材
を充填した蓄冷器から成る冷却段を複数個有し、各冷却
段の蓄冷器の上流高温側から作動媒質を流して上記作動
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、最終冷却段の
蓄冷器に充填される蓄冷材のうち、少なくとも一部の蓄
冷材が上記一般式Ｈｏ_1-xＲ_x（Ｓｂ_1-yＭ_y）で表わ
される蓄冷材から成ることを特徴とする。なお、この蓄
冷材は蓄冷器の下流低温側に充填されることが好まし
い。

【００２０】さらに、本発明に係るＭＲＩ（Magnetic R
esonance 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。

【００２１】本発明に係る蓄冷材は、その一般式から明
らかなようにＨｏＳｂなる磁性体、または、この基本組
成を有する磁性体のＨｏ成分の一部をＲ成分で置換した
り、Ｓｂ成分の一部をＭ成分で置換した磁性体から成
る。

【００２２】上記Ｒ成分は、Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎ
ｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，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Ａｇ，Ａｕ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｂ
ｉ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｚｎ，Ｃｏ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｍ
ｎ，Ｆｅ，Ｒｕ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔ
ｉ，ＺｒおよびＨｆから選択される少なくとも１種の元
素である。これらのＲ成分およびＭ成分は、いずれもＨ
ｏまたはＳｂの一部を置換した場合に、磁性体の体積比
熱ピークの温度位置をより低温側に移動させたり、ピー
クの半値幅を拡げたり、冷凍機の設計仕様に応じた比熱
特性の調整を行なうなどして蓄冷材として有効な比熱特
性を実現するために添加される。

【００２３】上記Ｒ成分およびＭ成分のＨｏおよびＳｂ
に対する置換量ｘ，ｙは、それぞれ原子比で０以上０．
５以下の範囲とされる。上記置換量ｘまたはｙが０．５
を超えると、体積比熱ピークの温度位置が大きく移動し
目的とする４Ｋ付近の温度領域での体積比熱が低下した
り、または比熱ピークの半値幅が拡がり過ぎ、ピーク高
さが低下し、極低温度域での磁性体の体積比熱が不十分
となり、蓄冷材としての機能が低下してしまう。

【００２４】Ｒ成分としては前記の各種希土類元素の少
なくとも１種が使用できるが、その中でＮｄ，Ｄｙ，Ｔ
ｂおよびＧｄが蓄冷材の比熱特性を改善する上で好適で
あり、さらにＤｙが特に好ましい。またＭ成分として
は、前記金属元素の中で、特にＢｉが好適である。

【００２５】また蓄冷材を充填した蓄冷器内を流れるヘ
リウムガスなどの作動媒質の流れを円滑にするととも
に、上記作動媒質と蓄冷材との熱交換効率を高め、かつ
熱交換機能を安定に維持するために、上記の蓄冷材は、
粒径が揃った球状磁性粒子から構成するとよい。具体的
には、上記蓄冷材を構成する全磁性粒子に対して、長径
の短径に対する比（アスペクト比）が５以下であり、か
つ０．０１mm以上３mm以下の粒径を有する磁性粒子の割
合が７０％重量以上となるように調整することが好まし
い。

【００２６】磁性粒子の粒径は粒子の強度、冷凍機の冷
却機能および伝熱特性に大きな影響を及ぼすファクター
であり、その粒径が０．０１mm未満となると、蓄冷器に
充填する際の密度が高くなり過ぎて、冷却媒体であるＨ
ｅガスの通過抵抗（圧力損失）が急激に増大する上に、
流通するＨｅガスに同伴されてコンプレッサ内に侵入し
て構成部品等を早期に摩耗させてしまう。

【００２７】一方、粒径が３mmを超える場合には、粒体
の結晶組織に偏析を生じて脆くなるとともに磁性粒子と
冷却媒体であるＨｅガスとの間の伝熱面積が小さくな
り、熱伝達効率が著しく低下してしまうおそれがある。
また、このような粗大な粒子が３０重量％を超えると、
蓄冷性能の低下を招くおそれがある。したがって平均粒
径は０．０１mm以上３mm以下に設定されるが、より好ま
しくは０．０５〜１．０mmの範囲であり、さらに０．１
mm以上０．５mm以下が好ましい。また冷却機能および強
度を実用上充分に発揮させるためには、磁性蓄冷材粒子
全体に対して、上記粒径の粒子が少なくとも７０重量％
以上、好ましくは８０重量％以上、さらに好ましくは９
０％以上占めることが好ましい。

【００２８】また磁性粒子の短径に対する長径の比（ア
スペクト比）は５以下好ましくは３以下、さらに好まし
くは２以下、なお一層好ましくは１．３以下に設定され
る。磁性粒子のアスペクト比は、粒子の強度および蓄冷
器に充填する際の充填密度および均一性に大きな影響を
及ぼすものであり、アスペクト比が５を超える場合に
は、機械的作用によって磁性粒子が変形破壊を起こし易
くなるとともに、空隙が均質となるように蓄冷器に均一
かつ高密度で充填することが困難となり、このような粒
子が蓄冷材全粒子の３０重量％を超えると、蓄冷効率の
低下を招くおそれがある。

【００２９】ここで溶湯急冷法によって調製した磁性粒
子の粒径のばらつきおよび短径に対する長径の比のばら
つきは、従来のプラズマスプレー法で調製した場合と比
較して大きく減少するため、上記粒径範囲外の磁性粒子
の割合が少ない。また、ばらつきが生じた場合において
も、それらを適宜分級して使用することも容易である。
この場合、蓄冷部に充填する全磁性粒子のうち、アスペ
クト比が上記範囲内の磁性粒子の割合を７０％以上、好
ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上とす
ることにより、充分に実用に耐える蓄冷材とすることが
できる。

【００３０】また溶湯急冷法によって調製した磁性粒子
の平均結晶粒径を０．５mm以下に設定することにより、
または少なくとも一部の金属組織を非晶質とすることに
より極めて高強度で寿命の長い磁性粒子を形成すること
ができる。

【００３１】また磁性粒子の表面粗さは、機械的強度、
冷却特性、冷却媒体の通過抵抗、蓄冷効率等に大きな影
響を及ぼす要因であり、一般にＪＩＳＢ０６０１で規
定する凹凸の最大高さＲ_maxで１０μｍ以下、好ましく
は５μｍ以下、さらに好ましくは２μｍ以下に設定する
ことが望ましい。なお、これらの表面粗さは走査トンネ
ル顕微鏡（ＳＴＭ粗さ計）によって測定することができ
る。

【００３２】表面粗さが１０μｍＲ_maxを超えると、粒
子に破壊の出発点となるマイクロクラックが発生し易く
なるとともに、冷却媒体の通過抵抗が上昇しコンプレッ
サの負荷が増大したり、特に充填された磁性粒子同士の
接触面積が増大し、磁性粒子間における冷熱の移動が大
きくなり蓄冷効率が低下してしまう。

【００３３】また磁性粒子の機械的強度に影響を与える
長さ１０μｍ以上の微小欠陥を有する磁性粒子の割合
は、全体の３０％以下、好ましくは１０％以下、さらに
好ましくは１０％以下にすることが実用上望ましい。

【００３４】上述したような磁性蓄冷材粒子の製造方法
は、特に限定されるものではなく、種々の汎用の合金粒
子製造方法を適用することができる。例えば、遠心噴霧
法，ガスアトマイズ法，回転電極法などに準拠して所定
組成を有する溶湯を分散すると同時に急冷凝固せしめる
方法（溶湯急冷法）を適用することができる。しかしな
がら、本願発明に係る蓄冷材の組成においては融点が高
くなるため、より効果的に球状の磁性蓄冷材粒子を形成
するためには、まず所定組成のインゴットを機械的に粉
砕し、得られた粉砕粉を高温プラズマ中で溶融させて球
状化する方法を採用することが好ましい。

【００３５】本発明に係る蓄冷式冷凍機は、複数の冷却
段を有する冷凍機の最終冷却段の蓄冷器の少なくとも一
部に、上記の磁性蓄冷材粒子を充填して構成される。例
えば、２段膨張式冷凍機においては、第２段目蓄冷器の
低温端側に、また３段膨張式冷凍機においては、第３段
目蓄冷器の低温端側に、本発明に係る磁性蓄冷材粒子を
充填する一方、他の蓄冷材充填空間には、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て構成さ
れる。

【００３６】上述の最終冷却段の蓄冷器における本発明
の磁性蓄冷材粒子の充填量が重量比率で１％未満と過少
な場合には、冷凍機の蓄冷効率の向上が認められない。
一方、充填量が８０重量％を超えるように過大になる
と、本発明の磁性蓄冷材粒子の欠点が顕著になり、同様
に蓄冷効率の低下を招く。すなわち、体積比熱がピーク
となる温度以外の温度域、特に高温側温度域における体
積比熱が、比較的に小さくなることが蓄冷器全体に悪影
響を及ぼす結果、蓄冷効率の低下を招く。したがって、
上記最終冷却段の蓄冷器に充填する全粒子重量に対する
本発明の磁性蓄冷材粒子の充填量は、１〜８０重量％の
範囲とされるが、好ましくは２〜７０重量％の範囲であ
り、さらに３〜５０重量％の範囲が特に望ましい。

【００３７】上記構成に係る蓄冷材によれば、極低温域
において急峻な体積比熱のピークを有するＨｏＳｂ磁性
材料、またはその構成成分の一部を他の希土類元素また
は遷移金属等で置換したＨｏＳｂ系磁性材料で構成して
いるため、体積比熱ピークの温度位置がより低温にシフ
トするとともに、比熱ピークの半値幅が拡大され、比熱
特性が良好な蓄冷材が得られる。そして、その蓄冷材を
冷凍機の最終冷却段の蓄冷器内の低温端側に充填するこ
とにより、温度４Ｋ領域における冷凍能力が高く、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。

【００３８】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Ｍ
ＲＩ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。

【００３９】

【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。

【００４０】実施例１〜６各種金属原料を配合し、アーク溶解法によって表１左欄
に示す各組成を有する母合金をそれぞれ調製した。この
各母合金をハンマーミルで機械的に粉砕することによ
り、磁性体粒子を作製した。得られた磁性体粒子からア
スペクト比が１．２以下の粒子を形状分級した後に篩分
し、粒径が０．２〜０．３mmの磁性体粒子を得た。この
粒子を約５０００℃の熱プラズマ中に供給し、加熱・溶
融せしめ、さらに表面張力の作用により球状化すること
により、表面が平滑な球状粒子から成る実施例１〜６に
係る蓄冷材を１００ｇずつ調製した。

【００４１】一方、上記のように調製した各蓄冷材の特
性を評価するために、図２に示すような２段膨張式ＧＭ
冷凍機を用意した。なお、図２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。図２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１
４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。

【００４２】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の低音
側には、本発明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１
５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ガス等の作動媒質の通路をそれぞれ有し
ている。

【００４３】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。

【００４４】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１
８，１９に熱エネルギーを供給して冷却される。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１
８，１９間を反対方向に流れる。作動媒質は各蓄冷材１
８，１９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。

【００４５】そして、前記のように調製した各実施例１
〜６に係る蓄冷材１００ｇを、上記２段膨張式ＧＭ冷凍
機の２段目蓄冷器の低温側に充填した。さらに、その高
温側にＨｏＣｕ₂を１００ｇとＥｒ₃Ｎｉ蓄冷材を１０
０ｇとを順に充填してそれぞれ実施例１〜６に係る冷凍
機を組み立て冷凍試験を実施し、３０００時間連続運転
後における冷凍能力を測定した。

【００４６】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。

【００４７】比較例Ｒ成分およびＳｂを添加せず、Ｈｏ，Ｃｕ金属原料を配
合し、高周波溶解法によってＨｏＣｕ_2.0なる組成を有
する母合金を調製した。この母合金を約１３５０Ｋで溶
融し、得られた合金溶湯を、圧力が９０ＫＰａのＨｅ雰
囲気中において１×１０⁴ｒｐｍの速度で回転する円盤
上に滴下して急冷凝固せしめることにより、磁性体粒子
を作製した。得られた磁性体粒子からアスペクト比が
１．２以下の粒子を形状分級した後に篩分し、粒径が
０．２〜０．３mmの球状磁性体粒子から成る比較例に係
る蓄冷材を２００ｇ選別した。

【００４８】次に得られた蓄冷材を、図１に示す２段膨
張式ＧＭ冷凍機の２段目蓄冷器の低温側に充填した。さ
らに、その高温側にＥｒ₃Ｎｉ蓄冷材を１００ｇ充填し
て比較例に係る冷凍機を組み立て冷凍試験を実施し、３
０００時間連続運転後における冷凍能力を測定した。

【００４９】各冷凍機における冷凍能力の測定結果を下
記表１にまとめて示す。

【００５０】

【表１】

【００５１】上記表１に示す結果から明らかなように、
ＨｏＳｂ磁性体（実施例１）またはＨｏの一部を他の希
土類元素で置換したり、あるいはＳｂの一部を遷移金属
元素等で置換した反強磁性体から成る各実施例の蓄冷材
を使用した冷凍機においては、比較例のものと比較し
て、いずれも４Ｋ領域における冷凍能力が３３〜４５％
も高くなることが確認できた。さらに各実施例に係る蓄
冷材を使用した冷凍機においては、蓄冷材の機械的強度
が高まるために劣化が少なく、長期間の連続運転後にお
いても冷凍能力の低下が少なく、安定した冷凍能力を維
持できることが判明した。

【００５２】図１は実施例１の蓄冷材を構成するＨｏＳ
ｂ磁性体および比較例である従来の蓄冷材を構成するＨ
ｏＣｕ₂磁性体の比熱特性を示すグラフである。図１か
ら明らかなように、実施例１に係る蓄冷材を構成するＨ
ｏＳｂは５．３Ｋ近辺の極低温度において急峻な比熱ピ
ークを有し、より高い蓄冷効果を実現できることが判明
した。

【００５３】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。

【００５４】図３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３に示す超電導Ｍ
ＲＩ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。

【００５５】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３
１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ＭＲ
Ｉ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。

【００５６】図４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４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４
１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。

【００５７】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。

【００５８】図５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
５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５
２、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。

【００５９】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。

【００６０】図６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６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６
５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。

【００６１】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。

【００６２】

【発明の効果】以上説明の通り、本発明に係る蓄冷材に
よれば、極低温域において高い体積比熱のピークを有す
るＨｏＳｂ磁性材料またはその構成成分の一部を他の希
土類元素または遷移金属元素等で置換したＨｏＳｂ系磁
性材料で構成しているため、極低温域で比熱特性が良好
な蓄冷材が得られる。そして、その蓄冷材を冷凍機の最
終冷却段の蓄冷器内の低温端側に充填することにより、
温度４Ｋ領域における冷凍能力が高く、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。

【００６３】したがって、このような極低温用蓄冷材を
用いた本発明の冷凍機は、優れた冷凍性能を再現性よく
長期間に亘って維持することが可能となる。また、その
ような冷凍機を有する本発明の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、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】本発明に係る蓄冷材の一実施例（ＨｏＳｂ）お
よび従来の蓄冷材（ＨｏＣｕ₂）の比熱特性を示すグラ
フ。

【図２】本発明に係る蓄冷式冷凍機（ＧＭ冷凍機）の要
部構成を示す断面図。

【図３】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４】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５】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６】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】

１０ＧＭ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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中根央東京都三鷹市大沢２−18−３ (72)発明者岡村正巳神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者橋本啓介神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者新井智久神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一般式Ｈｏ_1-xＲ_x（Ｓｂ_1-yＭ_y）
（但し、ＲはＹ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓ
ｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，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Ａｇ，
Ａｕ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｂｉ，Ｎｉ，Ｐ
ｄ，Ｐｔ，Ｚｎ，Ｃｏ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｒ
ｕ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｚｒおよ
びＨｆから選択される少なくとも１種の元素であり、
ｘ，ｙはそれぞれ原子比で０≦ｘ≦０．５，０≦ｙ≦
０．５を満足する。）で表わされる磁性体から成ること
を特徴とする蓄冷材。
【請求項２】磁性体は、反強磁性体であることを特徴
とする請求項１記載の蓄冷材。
【請求項３】蓄冷材を構成する磁性粒子の粒径が０．
０１〜３mmであることを特徴とする請求項１記載の蓄冷
材。
【請求項４】蓄冷材を構成する磁性粒子の長径の短径
に対する比（アスペクト比）が５以下であることを特徴
とする請求項１記載の蓄冷材。
【請求項５】蓄冷材を構成する全磁性粒子に対して、
長径の短径に対する比（アスペクト比）が５以下であ
り、かつ０．０１mm以上３mm以下の粒径を有する磁性粒
子の割合が７０％重量以上であることを特徴とする請求
項１記載の蓄冷材。
【請求項６】蓄冷材を構成する磁性粒子の表面粗さが
最大高さＲ_maxで１０μｍ以下であることを特徴とする
請求項１記載の蓄冷材。
【請求項７】蓄冷材を充填した蓄冷器から成る冷却段
を複数個有し、各冷却段の蓄冷器の上流高温側から作動
媒質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、最終冷却段の蓄冷器に充填される蓄冷材の少な
くとも一部の蓄冷材が請求項１記載の蓄冷材から成るこ
とを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項８】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９】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１０】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１１】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。