JPH11325628A

JPH11325628A - 蓄冷材および蓄冷式冷凍機

Info

Publication number: JPH11325628A
Application number: JP12770798A
Authority: JP
Inventors: Masami Okamura; 正巳岡村; Tomohisa Arai; 智久新井; Keisuke Hashimoto; 啓介橋本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-05-11
Filing date: 1998-05-11
Publication date: 1999-11-26

Abstract

(57)【要約】【課題】機械的強度が高く、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で
あり、かつ高い製造歩留りで安価に量産可能な蓄冷材お
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ＲＭ_ｚ（但し、ＲはＹ，Ｌａ，Ｃ
ｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄ
ｙ，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に対して、Ｂ，Ｓｉお
よびＣから選択される少なくとも１種の元素を０．００
５〜５原子％添加した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２０Ｋ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】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】しかしながら、前記Ｅｒ₃Ｎｉ，ＥｒＮ
ｉ，ＨｏＣｕ₂などの希土類元素と遷移金属元素とから
成る金属間化合物で構成される従来の磁性蓄冷材は、一
般に脆性材料である。そのため、運転中に蓄冷材に振
動，加速度，繰り返し応力が長期間作用するような用途
においては、蓄冷材粒子がさらに粉砕されて微粉化し、
冷凍機の冷媒としてのヘリウムガスの通気抵抗を高めて
冷凍機の能力を低下させたり、また微粉が冷凍機の部品
に混入して損傷を起こし、冷凍機の耐久性を低下させる
問題点があった。

【０００９】そこで、上記のような磁性蓄冷材の実用化
に際しては、例えば特許第２６０９７４７号に開示され
ているように、遠心噴霧法などの溶湯急冷技術を用い
て、極めて微細な結晶組織や滑かな表面を有する球状ま
たは球状に近似した形状の磁性蓄冷材を調製して、機械
的強度の向上を図っている。

【００１０】一方、冷凍機の冷媒として使用されるヘリ
ウムガスの蓄冷器における流れを円滑にするためにも、
粒径にばらつきが少なく比較的に粒径が揃った球状の磁
性蓄冷材粒子が求められている。しかしながら、従来の
遠心噴霧法などの溶湯急冷法を用いて球状の磁性蓄冷材
を製造する方法では、表面が平滑で真球度が高い磁性蓄
冷材粒子が得られる反面、粒径のばらつきが大きく、所
定粒径範囲の磁性蓄冷材粒子の製造歩留りが低くなり、
蓄冷材の製造コストを引き上げる大きな要因になってい
る。

【００１１】また、上記のような磁性蓄冷材を用いた極
低温用冷凍機を磁気浮上列車や宇宙ロケットなどに搭載
する場合には、より大きな加速度が作用するために、蓄
冷材についても、さらに機械的強度が高く長期の信頼性
を確保できる蓄冷材が要求されているが、未だに不十分
な段階である。

【００１２】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。

【００１３】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。

【００１４】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、特に機械的強度が高く、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
ことが可能であり、かつ高い製造歩留りで安価に量産可
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。

【００１５】

【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、蓄冷材を構成する材料に種々の元素を
添加して新しい組成を有する各種磁性蓄冷材を調製し、
添加する元素の種類や量が磁性蓄冷材の機械的特性，製
造歩留り，寿命，耐久性，冷凍機の冷凍能力に及ぼす影
響を実験により比較検討した。

【００１６】その結果、特に磁性蓄冷材への添加元素と
してほう素（Ｂ），けい素（Ｓｉ）および炭素（Ｃ）を
微量添加したときに、磁性蓄冷材の機械的強度が向上し
て耐久性および寿命が良好な蓄冷材が得られるという知
見が得られた。

【００１７】また、上記Ｂ，Ｓｉ，Ｃを微量添加した蓄
冷材の溶湯をアトマイズ法などで処理して蓄冷材粒子を
調製した場合には、溶湯の粘度が低下してアスペクト比
が小さい球状粒子が、高い製造歩留りで量産できるとい
う効果も確認できた。本発明は上記知見に基づいて完成
されたものである。

【００１８】すなわち本発明に係る蓄冷材は、一般式Ｒ
Ｍ_ｚ（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
化合物に対して、Ｂ，ＳｉおよびＣから選択される少な
くとも１種の元素を０．００５〜５原子％添加した磁性
体から成ることを特徴とする。

【００１９】さらに、上記Ｂ，ＳｉおよびＣから選択さ
れる少なくとも１種の元素の添加量が、０．１〜１原子
％の範囲であることがより好ましい。また、磁性体は、
反強磁性体であることが望ましい。

【００２０】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ＲＭｚにＢ，Ｓｉ，Ｃの少なくとも１
種を所定量添加した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。

【００２１】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。

【００２２】本発明に係る蓄冷材は、その一般式から明
らかなようにＲＭ_ｚ（０≦ｚ≦９．０）なる希土類元素
単体、または、希土類元素を含む金属間化合物に対し
て、Ｂ，ＳｉおよびＣから選択される少なくとも１種の
元素を所定量添加した磁性体から成る。

【００２３】上記Ｒ成分は、Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎ
ｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｄ
ｙ，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，Ｒ
ｕ，Ｉｎ，ＧａおよびＲｈから選択される少なくとも１
種の元素である。

【００２４】上記Ｍ成分のＲ成分に対する配合比ｚを
０．００１未満にすると、希土類原子間の直接交換相互
作用により比熱のピークを示す温度が７７Ｋ以上の高温
になる。一方、ｚが９．０を超えると磁性原子である希
土類原子の密度が著しく低下して比熱が小さくなる。ｚ
の好ましい範囲は、０．１≦ｚ≦６であり、さらに好ま
しくは０．２≦ｚ≦４である。特に好ましい具体的組成
は、Ｅｒ₃Ｎｉ，Ｅｒ₃Ｃｏ，ＥｒＮｉ，ＥｒＮｉ_0.9
Ｃｏ_0.1，ＨｏＣｕ₂，ＥｒＩｎ₃，ＨｏＳｂ，Ｈｏ₂
Ａｌである。なお、ＥｒＮｉのＮｉの一部をＣｏに置換
したＥｒＮｉ_0.9Ｃｏ_0.1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。

【００２５】Ｂ，Ｓｉ，Ｃはいずれも磁性蓄冷材の機械
的強度を向上させる効果があり、本願発明ではＲＭ_ｚな
る磁性材料に対して０．００５〜５原子％（at％）と微
量添加される。Ｂ，Ｓｉ，Ｃの添加量が０．００５at％
未満と過少な場合には、蓄冷材の機械的強度の改善効果
が少ない一方、添加量が５at％を超えるように過量とな
ると、蓄冷材の比熱特性の劣化が顕著になる。したがっ
て、Ｂ，Ｓｉ，Ｃの少なくとも１種の元素の添加量は、
０．００５〜５at％の範囲とされるが、０．０２〜４at
％の範囲が好ましく、さらに０．０５〜３at％が好まし
く、さらに好ましくは０．１〜１at％の範囲が望まし
い。なお、上記添加元素Ｂ，Ｓｉ，Ｃのうちでは、Ｂが
最も好ましい。

【００２６】ここで、上記Ｂ，Ｓｉ，Ｃを添加すること
により、磁性蓄冷材の機械的強度が向上するメカニズム
については、必ずしも明確に解明されてはいないが、磁
性粒子の結晶粒界に偏析したＢ，Ｓｉ，Ｃが粒界構造に
変化をもたらし、粒界の機械的強度が改善されるためで
あると考えられる。

【００２７】また、上記Ｂ，Ｓｉ，Ｃを添加した蓄冷材
の溶湯では粘度が低下する効果があり、溶湯急冷処理な
どにより磁性体粒子を製造した場合に、粒径のばらつき
が少なくなり、アスペクト比が低い球状の磁性体粒子を
高い製造歩留りで効率的に製造することが可能になり、
蓄冷材の製造コストを大幅に低減できる効果も発揮され
る。なお、上記Ｂ，Ｓｉ，Ｃの添加量が５原子％を超え
た場合には、高融点のほう化物，けい化物，炭化物の影
響が表われ、蓄冷材の製造歩留りが却って低下してしま
う。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。なお、上
記遠心噴霧法などのアトマイズ法を用いる場合には、溶
湯の粘性が低い方が磁性体粒子のアスペクト比が小さく
なり易い。本願によれば、Ｂ，Ｓｉ，Ｃを微量添加して
いるため、特に溶湯の粘性が低下し、アスペクト比が小
さく粒径のばらつきが小さい磁性体粒子を高い製造歩留
まりで量産することができる。

【００３８】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
に、また３段膨張式冷凍機においては、第３段目蓄冷器
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。

【００３９】上記構成に係る蓄冷材によれば、ほう素
（Ｂ），けい素（Ｓｉ），炭素（Ｃ）の少なくとも１種
の元素が微量添加されているため、機械的強度が向上
し、長期間に亘り安定した特性を示す蓄冷材が得られ
る。また、上記Ｂ，Ｓｉ，Ｃの微量添加により、蓄冷材
の溶湯の粘度が低下して、アスペクト比が小さい球状粒
子が高い製造歩留りで安価に製造することができる。そ
して、その蓄冷材を冷凍機の最終冷却段の蓄冷器内の少
なくとも一部に充填することにより、極低温領域におけ
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。

【００４０】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。

【００４１】

【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。

【００４２】実施例１高周波溶解法を使用して、Ｂを１at％添加したＨｏＣｕ
₂合金を調整した。得られた１at％Ｂ−ＨｏＣｕ₂母合
金２kgを温度約１３５０Ｋで溶融し、得られた溶湯を、
圧力が９０ＫＰａのアルゴン（Ａｒ）雰囲気中におい
て、１×１０⁴rpm の回転数で回転する円盤上に滴下し
て急冷凝固せしめ磁性体粒子を作製した。得られた磁性
体粒子を篩い分けならびに形状分級することにより、粒
径が０．２〜０．３mmの球状粒子から成る実施例１に係
る蓄冷材を５６０ｇ得た。蓄冷材の製造歩留りは２８％
であった。

【００４３】一方、上記のように調製した蓄冷材の特性
を評価するために、図１に示すような２段膨張式ＧＭ冷
凍機を用意した。なお、図１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１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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】そして、前記のように調製した実施例１に
係る蓄冷材１５０ｇを、上記２段膨張式ＧＭ冷凍機の２
段目蓄冷器に充填した。さらに、その高温側にＥｒ₃Ｎ
ｉ蓄冷材を１５０ｇとを順に充填して実施例１に係る冷
凍機を組み立て加振冷凍試験を実施し、加振冷凍試験前
後における冷凍能力を測定した。上記加振冷凍試験は、
最大加速度が５Ｇである振動を冷凍機に１０万回付与し
ながら冷凍機を冷凍サイクル運転する方法で実施した。

【００４８】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。

【００４９】その結果、４．２Ｋにおける冷凍能力の初
期値として５４６ｍＷが得られ、また加振冷凍試験後に
おける冷凍能力も５４２ｍＷと極めて安定した性能であ
った。また、加振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、蓄冷材粒
子に損傷は認められなかった。

【００５０】実施例２Ｂに代えてＳｉを２at％添加した点以外は実施例１と同
様に処理することにより、２at％Ｓｉ−ＨｏＣｕ₂磁性
体粒子を実施例２に係る蓄冷材として作製した。この蓄
冷材の製造歩留りは２６％であった。

【００５１】そして作製した実施例２に係る蓄冷材１５
０ｇを前記２段膨張式ＧＭ冷凍機の２段目蓄冷器に充填
して実施例２に係る冷凍機を組み立て、実施例１と同一
条件の加振冷凍試験を実施し、試験前後における冷凍能
力を測定した。

【００５２】その結果、４．２Ｋにおける冷凍能力の初
期値として５４４ｍＷが得られ、また加振冷凍試験後に
おける冷凍能力も５４０ｍＷと極めて安定した性能であ
った。また、加振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、蓄冷材粒
子に損傷は認められなかった。

【００５３】実施例３Ｂに代えてＣを０．６at％添加した点以外は実施例１と
同様に処理することにより、０．６at％Ｃ−ＨｏＣｕ₂
磁性体粒子を実施例３に係る蓄冷材として作製した。こ
の蓄冷材の製造歩留りは２２％であった。

【００５４】そして作製した実施例３に係る蓄冷材１５
０ｇを前記２段膨張式ＧＭ冷凍機の２段目蓄冷器に充填
して実施例３に係る冷凍機を組み立て、実施例１と同一
条件の加振冷凍試験を実施し、試験前後における冷凍能
力を測定した。

【００５５】その結果、４．２Ｋにおける冷凍能力の初
期値として５４１ｍＷが得られ、また加振冷凍試験後に
おける冷凍能力も５３８ｍＷと極めて安定した性能であ
った。また、加振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、蓄冷材粒
子に損傷は認められなかった。

【００５６】比較例１Ｂ，Ｓｉ，Ｃを全く添加しない点以外は実施例１と同様
に処理することにより、ＨｏＣｕ₂磁性体粒子を比較例
１に係る蓄冷材として作製した。この蓄冷材の製造歩留
りは１１％であった。

【００５７】そして作製した比較例１に係る蓄冷材１５
０ｇを前記２段膨張式ＧＭ冷凍機の２段目蓄冷器に充填
して比較例１に係る冷凍機を組み立て、実施例１と同一
条件の加振冷凍試験を実施し、試験前後における冷凍能
力を測定した。

【００５８】その結果、４．２Ｋにおける冷凍能力の初
期値として５４５ｍＷが得られたが、加振冷凍試験後に
おける冷凍能力は４３２ｍＷと大幅に低下していた。ま
た、加振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ところ、蓄冷材粒子の
一部（約０．５重量％）に割れが認められた。

【００５９】実施例４高周波溶解法を使用して、Ｂを５．０at％添加したＥｒ
₃Ｎｉ合金を調整した。得られた５．０at％Ｂ−Ｅｒ₃
Ｎｉ母合金２kgを温度約１２５０Ｋで溶融し、得られた
溶湯を、圧力が９０ＫＰａのアルゴン（Ａｒ）雰囲気中
において、１×１０⁴rpm の回転数で回転する円盤上に
滴下して急冷凝固せしめ磁性体粒子を作製した。得られ
た磁性体粒子を篩い分けならびに形状分級することによ
り、粒径が０．２〜０．３mmの球状粒子から成る実施例
４に係る蓄冷材を５８０ｇ得た。蓄冷材の製造歩留りは
２９％であった。

【００６０】そして作製した実施例４に係る蓄冷材１５
０ｇを前記２段膨張式ＧＭ冷凍機の２段目蓄冷器に充填
して実施例４に係る冷凍機を組み立て、実施例１と同一
条件の加振冷凍試験を実施し、試験前後における冷凍能
力を測定した。

【００６１】その結果、４．２Ｋにおける冷凍能力の初
期値として４７６ｍＷが得られ、また加振冷凍試験後に
おける冷凍能力も４７０ｍＷと極めて安定した性能であ
った。また、加振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、蓄冷材粒
子に損傷は認められなかった。

【００６２】比較例２Ｂを５．３at％と過量に添加した点以外は実施例４と同
様に処理することにより、５．３at％Ｂ−Ｅｒ₃Ｎｉ磁
性体粒子を比較例２に係る蓄冷材として作製した。この
蓄冷材の製造歩留りは１７％であった。

【００６３】そして作製した比較例２に係る蓄冷材１５
０ｇを前記２段膨張式ＧＭ冷凍機の２段目蓄冷器に充填
して比較例２に係る冷凍機を組み立て、冷凍試験を実施
したところ、４．２Ｋにおける冷凍能力の初期値は４２
７ｍＷであった。

【００６４】実施例５高周波溶解法を使用して、Ｂを０．００５at％添加した
ＥｒＮｉ合金を調整した。得られた０．００５at％Ｂ−
ＥｒＮｉ母合金２kgを温度約１５００Ｋで溶融し、得ら
れた溶湯を、圧力が９０ＫＰａのアルゴン（Ａｒ）雰囲
気中において、１×１０⁴rpm の回転数で回転する円盤
上に滴下して急冷凝固せしめ磁性体粒子を作製した。得
られた磁性体粒子を篩い分けならびに形状分級すること
により、粒径が０．２〜０．３mmの球状粒子から成る実
施例５に係る蓄冷材を４６０ｇ得た。蓄冷材の製造歩留
りは２３％であった。

【００６５】そして作製した実施例５に係る蓄冷材１５
０ｇを前記２段膨張式ＧＭ冷凍機の２段目蓄冷器に充填
して実施例５に係る冷凍機を組み立て、実施例１と同一
条件の加振冷凍試験を実施し、試験前後における冷凍能
力を測定した。

【００６６】その結果、４．２Ｋにおける冷凍能力の初
期値として５０３ｍＷが得られ、また加振冷凍試験後に
おける冷凍能力も４９８ｍＷと極めて安定した性能であ
った。また、加振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、蓄冷材粒
子に損傷は認められなかった。

【００６７】比較例３Ｂを０．００４at％と過少に添加した点以外は実施例５
と同様に処理することにより、０．００４at％Ｓｉ−Ｅ
ｒＮｉ磁性体粒子を比較例３に係る蓄冷材として作製し
た。この蓄冷材の製造歩留りは１４％であった。

【００６８】そして作製した比較例３に係る蓄冷材１５
０ｇを前記２段膨張式ＧＭ冷凍機の２段目蓄冷器に充填
して比較例３に係る冷凍機を組み立て、実施例１と同一
条件の加振冷凍試験を実施し、試験前後における冷凍能
力を測定した。

【００６９】その結果、４．２Ｋにおける冷凍能力の初
期値として５０２ｍＷが得られたが、加振冷凍試験後に
おける冷凍能力は４０３ｍＷに低下していた。また、加
振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ところ、蓄冷材粒子の一部
（約０．６重量％）に割れが認められた。

【００７０】実施例６高周波溶解法を使用して、Ｂを０．３at％添加したＥｒ
Ｎｉ_0.9Ｃｏ_0.1合金を調整した。得られた０．３at％
Ｂ−ＥｒＮｉ_0.9Ｃｏ_0.1母合金２kgを温度約１５００
Ｋで溶融し、得られた溶湯を、圧力が９０ＫＰａのアル
ゴン（Ａｒ）雰囲気中において、１×１０⁴rpm の回転
数で回転する円盤上に滴下して急冷凝固せしめ磁性体粒
子を作製した。得られた磁性体粒子を篩い分けならびに
形状分級することにより、粒径が０．２〜０．３mmの球
状粒子から成る実施例６に係る蓄冷材を４８０ｇ得た。
蓄冷材の製造歩留りは２４％であった。

【００７１】そして作製した実施例６に係る蓄冷材１５
０ｇを前記２段膨張式ＧＭ冷凍機の２段目蓄冷器に充填
して実施例６に係る冷凍機を組み立て、実施例１と同一
条件の加振冷凍試験を実施し、試験前後における冷凍能
力を測定した。

【００７２】その結果、４．２Ｋにおける冷凍能力の初
期値として５０５ｍＷが得られ、また加振冷凍試験後に
おける冷凍能力も５０２ｍＷと極めて安定した性能であ
った。また、加振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、蓄冷材粒
子に損傷は認められなかった。

【００７３】比較例４Ｂ，Ｓｉ，Ｃを全く添加しない点以外は実施例６と同様
に処理することにより、ＥｒＮｉ_0.9Ｃｏ_0.1磁性体粒
子を比較例４に係る蓄冷材として作製した。この蓄冷材
の製造歩留りは１８％であった。

【００７４】そして作製した比較例４に係る蓄冷材１５
０ｇを前記２段膨張式ＧＭ冷凍機の２段目蓄冷器に充填
して比較例４に係る冷凍機を組み立て、実施例６と同一
条件の加振冷凍試験を実施し、試験前後における冷凍能
力を測定した。

【００７５】その結果、４．２Ｋにおける冷凍能力の初
期値として５０３ｍＷが得られたが、加振冷凍試験後に
おける冷凍能力は４１７ｍＷに低下していた。また、加
振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ところ、蓄冷材粒子の一部
（約０．３重量％）に割れが認められた。

【００７６】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。

【００７７】図２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２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。

【００７８】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。

【００７９】図３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３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。

【００８０】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。

【００８１】図４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
４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。

【００８２】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。

【００８３】図５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５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。

【００８４】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。

【００８５】

【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、ほう素（Ｂ），けい素（Ｓｉ），炭素（Ｃ）の
少なくとも１種の元素が微量添加されているため、機械
的強度が向上し、長期間に亘り安定した特性を示す蓄冷
材が得られる。また、上記Ｂ，Ｓｉ，Ｃの微量添加によ
り、蓄冷材の溶湯の粘度が低下して、アスペクト比が小
さい球状粒子が高い製造歩留りで安価に製造することが
できる。そして、その蓄冷材を冷凍機の最終冷却段の蓄
冷器内の少なくとも一部に充填することにより、極低温
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。

【００８６】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。

【図面の簡単な説明】

【図１】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２】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３】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４】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５】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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一般式ＲＭ_ｚ（但し、ＲはＹ，Ｌａ，Ｃ
ｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄ
ｙ，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に対して、Ｂ，Ｓｉお
よびＣから選択される少なくとも１種の元素を０．００
５〜５原子％添加した磁性体から成ることを特徴とする
蓄冷材。
【請求項２】上記Ｂ，ＳｉおよびＣから選択される少
なくとも１種の元素の添加量が、０．１〜１原子％の範
囲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】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４】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５】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６】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７】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８】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９】請求項８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１０】請求項８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１１】請求項８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１２】請求項８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。