KR100305249B1 - 극저온용축냉재및그를사용한냉동기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉동기 등에 사용되는 극저온용 축냉재, 및 그를 사용한 냉동기에 관한 것으로서, 자성축냉재입자체로 이루어진 극저온용 축냉재이고 자성축냉재입자체는 그것을 구성하는 자성축냉재입자 중, 자성축냉재입자체에 최대 가속도가 300m/s2인 단진동을 1×106회 가했을 때에 파괴되는 입자의 비율이 1중량% 이하이며 이와 같은 극저온용 축냉재는 기계적 진동이나 가속도 등에 대해서 뛰어난 기계적 특성을 갖고 있고, 냉동기는 상기한 바와 같은 극저온용 축냉재를 축냉용기에 충전하여 구성한 축냉기를 구비하는 것이며, 이와 같은 냉동기는 장기간에 걸쳐 뛰어난 냉동성능을 발휘하는 것을 특징으로 한다.

Description

극저온용 축냉재 및 그를 사용한 냉동기{CRYOGENIC REFRIGERANT AND REFRIGERATOR USING THE SAME}
최근, 초전도 기술의 발전은 현저하고 그 응용분야가 확대됨에 따라 소형이고 고성능의 냉동기의 개발이 불가결하게 되었다. 이와 같은 냉동기에는 경량·소형이고 열효율이 높은 것이 요구되고 있다.
예를 들어, 초전도 MRI장치나 크라이오펌프(cryopump) 등에서는 기포드 마크마혼(Gifford MacMahon)방식(GM방식)이나 스터링 방식(Stirling system)등의 냉동 사이클에 의한 냉동기가 사용되고 있다. 또한, 자기부상열차에도 고성능의 냉동기는 필수가 되고 있고 또한 일부의 단결정 인상(引上)장치 등에서도 고성능의 냉동기가 사용되고 있다.
이와 같은 냉동기에서는 축냉재가 충전된 축냉기 내를 압축된 He가스 등의 작동매질이 한방향으로 흐르고 그 열에너지를 축냉재에 공급하며, 여기에서 팽창한 작동매질이 반대방향으로 흘러 축냉재로부터 열에너지를 받아 들인다. 이러한 과정에서 복열효과가 양호해짐에 따라 동작매질 사이클의 열효율이 향상되고 한층 낮은 온도를 실현하는 것이 가능해진다.
상술한 바와 같은 냉동기에 사용되는 축냉재로서는 종래, Cu나 Pb등이 주로 사용되어 왔다. 그러나, 이와 같은 축냉재는 20K이하의 극저온에서 비열이 현저하게 작아지므로 상술한 복열효과가 충분히 기능하지 않아, 극저온을 실현하는 것이 곤란했다.
그래서, 최근에는 보다 절대영도에 가까운 온도를 실현하기 위해 극저온영역에서 큰 비열을 나타내는 Er3Ni, ErNi, ErNi2등의 Er-Ni계 금속간 화합물(일본국 공개특허공보 평1-310269호 참조)이나 ErRh와 같은 RRh계 금속간 화합물(R:Sm,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb등)(일본국 공개특허공보 소51-52378호 참조)등의 자성축냉재를 사용하는 것이 검토되고 있다.
그런데, 상술한 바와 같은 냉동기의 작동상태에서는 He가스 등의 작동매질이 고압, 고속에서 그 흐름의 방향이 빈번하게 바뀌도록 축냉기 내에 충전된 축냉재간의 공극을 통과한다. 이 때문에, 축냉재에는 기계적 진동을 비롯한 여러 가지 힘이 가해진다. 또한, 냉동기를 예를 들어 자기부상열차나 인공위성 등에 탑재하는 경우, 축냉재에는 큰 가속도가 작용한다.
이와 같이, 축냉재에는 여러 가지 힘이 작용하는 데에 대해 상술한 Er3Ni나 ErRh 등의 금속간 화합물로 이루어진 자성축냉재는 일반적으로 취성재료이므로, 상기한 운전중의 기계적 진동이나 가속도 등이 원인이 되어 미분화(微粉化)되기 쉬운 문제를 가지고 있었다. 발생한 미분은 가스시일을 저해하여 축냉기의 성능에 악영향을 미치고 더 나아가서는 냉동기의 능력을 저하시킨다.
본 발명의 목적은 기계적 진동이나 가속도 등에 대한 기계적 특성에 뛰어난 극저온용 축냉재 및 그와 같은 축냉재를 사용함으로써 장기간에 걸쳐 뛰어난 냉동성능을 발휘하게 하는 것을 가능하게 한 냉동기를 제공하는 데에 있다. 또한, 그와 같은 냉동기를 사용함으로써 장기간에 걸쳐 뒤어난 성능을 발휘하게 하는 것을 가능하게 한 MRI장치, 크라이오펌프, 자기부상열차, 및 자계인가식 단결정 인상장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명은 냉동기 등에 사용되는 극저온용 축냉재 및 그를 이용한 냉동기에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 자성축냉재입자체의 신뢰성 평가시험에 사용하는 진동시험용 용기의 한 예를 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 의한 자성축냉재입자체의 진동시험용 용기로의 충전율과 진동시험에 의해 파괴된 입자의 비율의 관계를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 한 실시예에서 제작한 GM 냉동기의 주요부 구성을 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 한 실시예에 의한 초전도 MRI장치의 개략 구성을 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 한 실시예에 의한 자기부상열차의 주요부 개략구성을 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 한 실시예에 의한 크라이오펌프의 개략 구성을 도시한 도면 및
도 7은 본 발명의 한 실시예에 의한 자계인가식 단결정 인상장치의 주요부 개략구성을 도시한 도면이다.
본 발명의 극저온용 축냉재는 자성축냉재입자체를 구비하는 극저온용 축냉재이고 상기 자성축냉재입자체를 구성하는 자성축냉재입자 중, 상기 자성축냉재입자체에 최대 가속도가 300m/s2의 단진동을 1×106회 가했을 때 파괴되는 상기 자성축냉재입자의 비율이 1중량% 이하인 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 본 발명의 냉동기는 축냉용기와 상기 축냉용기에 충전된 상기한 본 발명의 극저온용 축냉재를 갖는 축냉기를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 본 발명의 MRI(Magnetic Resonance Imaging)장치, 크라이오펌프, 자기부상열차 및 자계인가식 단결정 인상장치는 모두 상술한 본 발명의 냉동기를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 극저온용 축냉재는 자성축냉재입자체, 즉 자성축냉재입자의 집합체(집단)로 이루어진 것이다. 본 발명에 사용되는 자성축냉재로서는 예를 들어
(일반식 1)
RMz
(일반식 1 중, R은 Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm 및 Yb로부터 선택되는 적어도 한 종류의 희토류 원소를, M은 Ni,Co,Cu,Ag,Al 및 Ru로부터 선택되는 적어도 1종류의 금속원소를 나타내고, z는 0.001∼9.0의 범위의 수를 나타낸다. 이하 동일)
로 나타나는 희토류 원소를 포함하는 금속간 화합물이나,
(일반식 2)
RRh
로 나타나는 희토류 원소를 포함하는 금속간 화합물을 들 수 있다.
상술한 바와 같은 자성축냉재입자는 그 입자직경이 일정하고 형상이 구상에 가까울수록 가스의 흐름을 원활하게 할 수 있다. 이와 같은 것으로부터 자성축냉재입자체(전체입자)의 70중량% 이상을 입자직경이 0.01∼3.0㎜ 범위의 자성축냉재입자로 구성하는 것이 바람직하다. 자성축냉재입자의 입자직경이 0.01㎜ 미만이면 충전밀도가 지나치게 높아지고 헬륨 등의 작동매질의 압력손실이 증대할 우려가 높아진다. 한편, 입자직경이 3.0㎜를 초과하면 자성축냉재입자와 작동매질간의 전열면역이 작아지고 열전달효율이 저하된다. 따라서 이와 같은 입자가 자성축냉재입자체가 30중량%를 초과하면 축냉성능의 저하 등을 초래할 우려가 있다. 보다 바람직한 입자직경은 0.05∼2.0㎜의 범위에 있고 또한 바람직한 것은 0.1∼0.5㎜의 범위에 있다.
입자직경이 0.01∼3.0㎜ 범위의 입자의 자성축냉재입자체 중에서의 비율은 80중량%이상으로 하는 것이 바람직하고 더욱 바람직한 것은 90중량% 이상이다.
본 발명의 극저온용 축냉재는 상술한 바와 같은 자성축냉재입자의 집단에 대해서 최대 가속도가 300m/s2인 단진동을 1×106회 가했을 때 파괴되는 자성축냉재입자의 비율이 1중량% 이하인 자성축냉재입자체로 이루어진 것이다. 본 발명은 자성축냉재입자 개개의 기계적 강도가 불순물인 질소나 탄소의 양, 응고과정에서의 냉각속도나 금속조직, 형상 등과 복잡하게 관계하고 또한 집단으로 한 경우에 복잡한 응력집중이 발생하는 자성축냉재입자의 집단으로서의 기계적 강도에 착안한 것이다. 이와 같은 자성축냉재입자의 집단, 즉 자성축냉재입자체에 최대가속도가 300m/s2의 단진동을 1×106회 가했을 때에 파괴하는 입자의 비율을 측정함으로써 자성축냉재입자체의 기계적 강도에 대한 신뢰성을 평가하는 것이 가능해진다.
즉, 자성축냉재입자체에 최대가속도가 300m/s2의 단진동을 1×106회 가했을 때 파괴하는 입자의 비율이 1중량% 이하이면, 자성축냉재입자체의 제조 로트(lot) 또는 제조 조건 등이 다르다고 하여도, 냉동기 운전중의 기계적 진동이나 냉동기가 탑재된 시스템의 운동에 의한 가속도가 원인으로 미분화되는 자성축냉재입자가 거의 없다. 따라서, 이와 같은 기계적 특성을 갖는 자성축냉재입자체를 사용함으로써 냉동기에서의 가스시일의 저해 등의 발생을 방지할 수 있다. 자성축냉재입자체에 최대가속도가 300m/s2인 단진동을 1×106회 가했을 때 파괴되는 자성축냉재입자의 비율은 0.5중량% 이하인 것이 보다 바람직하고 더욱 바람직한 것은 0.1중량% 이하이다.
여기에서, 상기 진동시험(가속도 시험)에서의 최대가속도가 300m/s2미만이면 대부분의 자성축냉재입자가 파괴되지 않으므로 신뢰성을 평가할 수 없다. 또한, 최대가속도가 300m/s2인 단진동을 자성축냉재입자체에 가하는 횟수가 1×106회 미만이면, 냉동기가 탑재된 시스템의 운동에 의해 자성축냉재입자체에 작용하는 가속도 등에 대해서 충분히 실용적인 신뢰성을 평가할 수 없다. 본 발명에서는 상기한 진동시험의 조건이 중요하고 단진동의 최대가속도 및 진동횟수를 상기한 값으로 함으로써 비로소 자성축냉재입자체의 실사용조건에 대한 신뢰성을 평가하는 것이 가능해진다. 자성축냉재입자체의 신뢰성 평가는 최대 가속도가 400m/s2인 단진동을 1×106회 가했을 때, 또는 최대가속도가 300m/s2인 단진동을 1×106회 가했을 때, 또는 최대가속도가 300m/s2인 단진동을 1×107회 가했을 때 파괴되는 자성축냉재입자의 비율이 1중량% 이하인 것이 보다 바람직하다.
상술한 자성축냉재입자체의 신뢰성 평가시험(진동시험)은 이하와 같이 하여 실시한다. 우선, 입자직경 등을 규정범위로 한 자성축냉재입자체로부터 제조 로트마다 무작위로 일정량의 자성축냉재입자를 추출한다. 다음에 추출한 자성축냉재입자체를 도 1에 도시한 바와 같은 진동시험용 원통용기(1)에 충전하고 최대가속도가 300m/s2인 단진동을 1×106회 가한다. 진동시험용의 원통용기(1)의 재질에는 알루마이트 등이 사용된다. 진동시험후에 파괴된 자성축냉재입자를 체나 형상분급 등에 의해 선별하고 그 중량을 측정함으로써 자성축냉재입자의 집단으로서의 신뢰성을 평가한다.
여기에서, 진동시험용 용기중에 자성축냉재입자체를 충전하는 밀도(충전율)는 자성축냉재입자의 형상 및 입자직경 분포 등에 복잡하게 의존하지만, 충전율이 너무 낮으면 시험용 용기내에 자성 축냉재 입자가 회전할 수 있는 자유공간이 존재하고 자성축냉재입자체의 내진동 특성을 정확하게 평가할 수 없다. 한편, 충전율을 너무 높게 설정하면, 시험용 용기중에 자성축냉재입자를 충전할 때 눌러 넣을 필요가 생기고 그 때의 압축력으로 파괴될 가능성이 높아진다. 따라서, 충전율은 광범위하게 변화시켜 시험할 필요가 있다. 즉, 본 발명에서 진동시험에 의해 파괴된 자성축냉재입자의 비율은 한 개의 로트에 대해 충전율을 여러 가지 변화시켜 실험을 실시하고 그 중에서 파괴된 자성축냉재입자의 비율이 최저인 값을 측정값으로 하여 채용하는 것으로 한다.
본 발명의 극저온용 축냉재는 상술한 신뢰성 평가시험(진동시험)을 만족시키는 것이면 그 조성이나 형상 등이 특별히 한정되는 것은 아니지만, 기계적 진동이나 가속도 등에 의한 입자파괴의 한 요인이 되는 입자중의 불순물 농도 및 형상에 관해 이하의 조건을 만족시키는 것이 바람직하다.
(a)입자형상으로 가공한 상태에서 자성축냉재입자중의 불순물로서의 질소량을 0.3중량% 이하로 한다.
(b)입자형상으로 가공한 상태에서 자성축냉재입자중의 불순물로서의 탄소량을 0.1중량% 이하로 한다.
(c)자성축냉재입자체를 구성하는 입자 개개의 투영상 주위길이를 L, 투영상의 실면적을 A로 했을 때, L2/4πA로 나타나는 형상인자(R)가 1.5를 초과하는 입자의 존재비율을 5% 이하로 한다.
즉, 자성축냉재입자중의 불순물로서의 질소 및 탄소는 상술한 일반식 1이나 일반식 2로 나타나는 자성축냉재의 결정입계에 희토류 질화물이나 희토류 탄화물을 석출시켜 자성축냉재입자의 기계적 강도 저하 원인이 된다. 바꾸어 말하면, 이들 질소 및 탄소의 양을 감소시킴으로써 양호한 기계적 강도가 안정적으로 얻어지고 재현성이 좋으며 신뢰성 평가시험(진동시험)을 만족시키는 것이 가능해진다. 이와 같은 이유에서 자성축냉재입자 중의 불순물로서의 질소량은 0.3중량% 이하로 하는 것이 바람직하고, 또한 탄소량은 0.1중량% 이하로 하는 것이 바람직하다.
불순물로서의 질소량은 0.1중량% 이하로 하는 것이 보다 바람직하고 또한 바람직한것은 0.05중량% 이하이다. 또한, 불순물로서의 탄소량은 0.05중량% 이하로 하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직한 것은 0.02중량% 이하이다.
또한, 자성축냉재입자의 형상은 상술한 바와 같이 구상이 바람직하고 그 구상도가 높고 표면이 매끄러울수록 가스의 흐름을 원활하게 할 수 있는 동시에, 자성축냉재입자체에 기계적으로 진동 등을 가해졌을 때의 극도의 응력집중을 억제할 수 있다. 이에 의해 자성축냉재입자의 집단으로서의 기계적 강도를 높일 수 있다. 즉, 입자표면에 돌기물이 존재하는 등의 복잡한 표면형상을 갖는 입자일수록 자성축냉재입자가 힘을 받았을 때 응력집중이 생기기 쉽고 자성축냉재입자체의 기계적 강도에 악영향을 미친다.
그래서, 자성축냉재입자체를 구성하는 입자 개개의 투영상의 주위길이를 L, 투영상의 실면적을 A로 했을 때, L2/4πA로 나타나는 형상인자(R)가 1.5를 초과하는 입자의 존재비율을 5% 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 형상인자(R)는 예를 들어 자성축냉재입자체의 제조 로트마다 무작위로 100개 이상의 입자를 추출하고 이들을 화상처리하여 평가하는 것이 바람직하다. 입자의 추출수가 너무 적으면, 자성축냉재입자체 전체의 형상인자(R)를 정확하게 평가할 수 없을 우려가 있다.
상기한 형상인자(R)는 전체 형상으로서는 구상도가 높은 입자이어도, 표면에 돌기물 등이 존재하고 있으면 큰 값(부분 이형성이 대)이 된다. 한편, 표면이 비교적 매끄러우면 다소 구상도가 낮은 입자이어도 형상인자(R)는 낮은 값이 된다. 이와 같이 형상인자(R)는 표면에 돌기물 등이 존재하는 입자일수록 큰 값이 되는 경향을가지고 있다. 즉, 형상인자(R)가 작다는 것은 입자표면이 비교적 매끄러운(부분 이형성이 소) 것을 의미하고 입자의 부분형상의 평가에 효과적인 매개변수이다. 따라서, 이와 같은 형상인자(R)가 1.5를 초과하는 입자의 존재비율을 5% 이하로 함으로써 자성축냉재입자체의 기계적 강도의 향상을 도모하는 것이 가능해진다.
형상인자가 1.5를 초과하는 입자의 존재비율은 2% 이하인 것이 보다 바람직하고, 더욱 바람직한 것은 1% 이하이다. 또한, 형상인자(R)가 1.3을 초과하는 입자의 존재비율이 15% 이하인 것이 바람직하다. 형상인자(R)가 1.3을 초과하는 입자의 존재비율은 10% 이하인 것이 보다 바람직하고 더욱 바람직한 것은 5% 이하이다.
상술한 바와 같은 자성축냉재입자체의 제조방법은 특별히 한정되는 것은 아니고 여러종류의 제조방법을 적용할 수 있다. 예를 들어, 소정 조성의 용탕을 원심분무법, 가스아토마이즈법, 회전전극법 등에 의해 급냉 응고시켜 입자체화하는 방법을 적용할 수 있다. 이 때, 고순도의 원료를 사용하거나 급냉응고할 때의 분위기 중의 불순물 가스량을 감소시키는 등에 의해 자성축냉재입자중의 질소량 및 탄소량을 감소시킬 수 있다. 또한, 예를 들어 제조조건의 최적화나 경사진동법 등에 의한 형상분급을 실시함으로써 형상인자(R)가 1.5를 초과하는 입자의 존재 비율이 5%이하인 자성축냉재입자체를 얻을 수 있다.
본 발명의 냉동기는 축냉용기에 충전하는 극저온용 축냉재로서, 상술한 바와 같은 기계적 특성을 갖는 자성축냉재입자체, 즉 최대가속도가 300m/s2인 단진동을 1×106회 가했을 때에 파괴하는 입자의 비율이 1중량% 이하인 자성축냉재입자체를 사용한축냉기를 구비하는 것이다.
본 발명의 냉동기에서 사용하는 극저온용 축냉재는 상술한 바와 같이 냉동기 운전중의 기계적 진동이나 냉동기가 탑재된 시스템의 운동에 의한 가속도 등이 원인으로 미분화되는 자성축냉재입자가 거의 없기때문에, 냉동기의 가스시일의 저해 등을 초래하지 않는다. 따라서, 냉동성능을 장시간 안정적으로 유지하는 것이 가능해진다.
그리고, MRI장치, 크라이오펌프, 자기부상열차 및 자계인가식 단결정 인상장치는 모두 냉동기 성능이 각 장치의 성능을 좌우하여 냉동기를 사용한 본 발명의 MRI장치, 크라이오펌프, 자기부상열차 및 자계인가식 단결정 인상장치는 모두 장기간에 걸쳐 우수한 성능을 발휘하게 할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 설명한다.
실시예 1, 비교예 1
우선, 고주파 용해에 의해 Er3Ni 모합금을 제작했다. 상기 Er3Ni 모합금을 약 1263K에서 용해하고 상기 용탕을 Ar분위기 중(압력=약 80kPa)에서 회전 원반상에 적하하여 급냉응고시켰다. 얻어진 입자체를 형상분급 및 체에 걸러 입자직경 180∼250㎛의 구상 입자를 1㎏ 선별했다. 이 공정을 반복하여 실시하여 10로트의 구상 Er3Ni입자체를 얻었다.
다음에, 상기 10로트의 각 구상 Er3Ni 입자체로부터 무작위로 추출한 Er3Ni 입자를 각각 도 1에 도시한 진동시험용 용기(1)(D=15㎜, h=14㎜) 중에 충전하여 진동시험기에서 최대가속도가 300m/s2인 단진동을 1×106회 가했다. 시험후의 각 입자체를 적절하게 형상분급 및 체에 걸러, 파괴된 구상 Er3Ni 입자의 비율을 구했다. 각 로트마다의 파괴된 입자의 비율(파괴율)을 표 1에 나타낸다. 표 1로부터 밝혀진 바와 같이 시료 No1∼No8의 각 구상 Er3Ni 입자체가 실시예 1에 상당하고 시료 No9∼No10인 각 구상 Er3Ni 입자체가 비교예 1에 상당한다.
여기에서 Er3Ni 입자의 진동시험용 용기(1) 중으로의 충전율은 55∼66%의 범위에서 변화시키고 가장 낮은 파괴율을 그 로트의 파괴율로 했다. 도 2는 시료 No1의 구상 Er3Ni 입체의 진동시험용 용기로의 충전율과 진동시험에 의한 파괴율의 관계를 나타내고 있다. 도 2에서는 충전율 63.7%에서 파괴율이 0(검출한계이하)가 되었기 때문에, 이 값이 이 로트의 파괴율이 된다. 또한, 그 이상의 충전율에서는 시험을 실시하고 있지 않다.
상술한 Er3Ni로 이루어진 각 로트의 자성축냉재 구상 입자체를 축냉용기에 충전율 63.5∼63.8%로 충전하여 각각 축냉기를 제작하고 이 축냉기를 도 3에 구조를 도시한 2단식의 GM 냉동기에, 2단째 축냉기(제 2 축냉기(15))로서 각각 조립하여 냉동시험을 실시했다. 그 결과를 표 1에 함께 나타낸다.
시료No 진동시험에 의한 입자의 파괴율(wt%) 냉동능력(W)
초기값 7000시간후
실시예 1 1 0* 0.34 0.33
2 0.41 0.35 0.28
3 0.02 0.35 0.32
4 0* 0.34 0.34
5 0.76 0.36 0.26
6 0.55 0.35 0.25
7 0.03 0.35 0.33
8 0.25 0.36 0.29
비교예 1 9 1.59 0.34 0.07
10 2.17 0.36 0.04
*: 검출한계의 0.01중량% 이하는 0으로 했다.
표 1로부터 밝혀진 바와 같이 최대가속도가 300m/s2인 단진동을 1×106회 가했때 파괴하는 입자비율이 1중량% 이하인 자성축냉재입자체를 사용한 냉동기는 모두 뛰어난 냉동능력을 장기간에 걸쳐 유지할 수 있을 것을 알 수 있다.
또한, 도 3에 도시한 2단식 GM 냉동기(10)는 본 발명의 냉동기의 한 실시예를 도시한 것이다. 도 3에 도시한 2단식의 GM 냉동기(10)는 대직경의 제 1 실린더(11)와, 상기 제 1 실린더(11)와 동축적으로 접속된 소직경의 제 2 실린더(12)가 설치된 진공용기(13)를 갖고 있다. 제 1 실린더(11)에는 제 1 축냉기(14)가 왕복 자유롭게 배치되어 있고, 제 2 실린더(12)에는 제 2 축냉기(15)가 왕복 운동 자유롭게 배치되어 있다. 제 1 실린더(11)와 제 1 축냉기(14)의 사이 및 제 2 실린더(12)와 제 2 축냉기(15) 사이에는 각각 시일링(16,17)이 배치되어 있다.
제 1 축냉기(14)에는 Cu 메쉬 등의 제 1 축냉재(18)가 수용되어 있다. 제 2 축냉기(15)는 본 발명의 극저온용 축냉재가 제 2 축냉재(19)로서 수용되어 있다. 제 1 축냉기(4) 및 제 2 축냉기(15)는 제 1 축냉재(18)나 극저온용 축냉재(19)의 간격 등에 설치된 He 가스 등의 작동매질의 통로를 각각 갖고 있다.
제 1 축냉기(14)와 제 2 축냉기(15) 사이에는 제 1 팽창실(20)이 설치되어 있다. 또한, 제 2 축냉기(15)와 제 2 실린더(12)의 선단벽 사이에는 제 2 팽창실(21)이 설치되어 있다. 그리고, 제 1 팽창실(20)의 바닥부에 제 1 냉각단(Cooling stage)(22)이, 또한 제 2 팽창실(21)의 바닥부에 제 1 냉각단(22) 보다 저온의 제 2 냉각단(23)이 형성되어 있다.
상술한 바와 같은 2단식의 GM 냉동기(10)에는 컴프레서(24)로부터 고압의 작동매질(예를 들어 He가스)가 공급된다. 공급된 작동매질은 제 1 축냉기(14)에 수용된 제 1 축냉재(18) 사이를 통과하여 제 1 팽창실(20)에 도달하고 또한 제 2 축냉기(15)에 수용된 극저온용 축냉재(제 2 축냉재)(19) 사이를 통과하여 제 2 팽창실(21)에 도달한다. 이 때, 작동매질은 각 축냉재(18,19)를 지나 제 2 팽창실(21)에 도달한다. 이 때, 작동매질은 각 축냉재(18,19)에 열에너지를 공급하여 냉각된다. 각 축냉재(18,19) 사이를 통과한 작동매질은 각 팽창실(20,21)에서 팽창하여 냉기를 발생시키고, 각 냉각단(22,23)이 냉각된다. 각 축냉재(18,19) 사이를 통과한 작동매질은 각 팽창실(20,21)에서 팽창하여 냉기를 발생시켜, 각 냉각단(22,23)이 냉각된다. 팽창한 작동매질은 각 축냉재(18,19) 사이를 반대 방향으로 흐른다. 작동매질은 각 축냉재(18,19)로부터 열에너지를 받아 들인 후에 배출된다. 이러한 과정에서 복열효과가 양호해짐에 따라서 작동매질 사이클의 열효율이 향상되고 한층 더 낮은 온도가 실현된다.
실시예 2, 비교예 2
고주파 용해에 의해 HoCu2모합금을 제작했다. 상기 HoCu2모합금을 약 1323K에서 용융하고 이 용탕을 Ar분위기 중(압력=약 80kPa)에서 회전원반상에 적하하여 급냉응고시켰다. 얻어진 입자체를 체에 걸러, 입자직경을 180∼250㎛의 범위로 조정한 후, 경사진동판법에 의한 형상분급을 실시하고 구상 입자체를 1㎏ 선별했다. 이와 같은 공정을 복수회 실시하고 5로트의 구상 HoCu2입자체를 얻었다. 여기에서 형상분급의 조건, 예를 들어 경사각, 진동강도 등을 조정함으로써 각 로트의 구상도를 변화시켰다.
다음에, 이 5로트의 구상 HoCu2입자체로부터 무작위로 300개의 입자를 추출하고 개개의 입자의 투영상의 주위길이(L)와 투영상의 실면적(A)을 화상처리에 의해 측정하고 L2/4πA로 나타나는 형상인자(R)를 평가했다. 또한, 각 로트에 대해서 실시예 1과 동일하게 하여 진동실험을 실시하여 파괴된 구상 HoCu2입자의 비율을 구했다. 각 로트마다의 형상인자(R) 및 진동시험에 의한 입자의 파괴율을 표 2에 나타낸다. 표 2로부터 밝혀진 바와 같이, 시료 No1∼No4의 각 구상 HoCu2입자체가 실시예 2에 상당하고 시료 No5의 구상 HoCu2입자체는 비교예 2에 상당한다.
상술한 HoCu2로 이루어진 각 로트의 자성축냉재 구상 입자체를 각각 축냉용기의 저온측 1/2에 충전율 63.5∼64.0%로 충전하고 고온측 1/2에는 Pb구를 충전한 후, 실시예 1과 동일하게 2단식 GM 냉동기에 2단째 축냉기로서 조립하고 실시예 1과 동일한 냉동시험을 실시했다. 그 결과를 표 2에 함께 나타낸다.
시료No R＞1.5인입자의 비율(%) 진동시험에 의한입자의 파괴율(wt%) 냉동능력(W)
초기값 7000시간후
실시예 2 1 0.3 0.08 0.53 0.53
2 1.3 0.26 0.59 0.56
3 4.2 0.54 0.52 0.45
4 2.5 0.39 0.57 0.52
비교예 2 5 7.4 1.74 0.51 0.18
표 2로부터 밝혀진 바와 같이, 최대가속도가 300m/sz인 단진동을 1×106회 가했을 때 파괴되는 입자의 비율이 1중량% 이하인 자성축냉재입자체를 사용한 냉동기는 모두 우수한 냉동능력을 장기간에 걸쳐 유지할 수 있는 것을 알 수 있다.
실시예 3, 비교예 3
고주파용해에 의해 ErNi0.9Co0.1모합금을 제작했다. 이 ErNi0.9Co0.1모합금을 약 1523K에서 용융하고, 이 용탕을 Ar 분위기중(압력=약 80kPa)에서 회전원반상에 적하하여 급냉응고시켰다. 얻어진 입자체를 적절하게 형상 분급 및 체에 걸러 입자직경 180∼250인 구상 입자체를 1㎏ 선별했다. 이와 같은 공정을 복수회 실시하야5로트의 구상 ErNi0.9Co.1입자체를 얻었다.
여기에서는 모합금을 제작할 때의 원료 로트, 고주파 용해시의 분위기의 진공도, 급냉응고공정 중의 불순물 가스 농도 등이 다르므로, 구상 입자중의 불순물량이 다르다. 구상 입자중의 질소량 및 탄소량을 표 3에 나타낸다. 이 5로트의 구상 ErNi0.9Co0.1입자체에 대해서 실시예 1과 동일하게 하여 진동시험을 실시하고 파괴된 구상 ErNi0.9Co0.1입자의 비율을 구했다. 각 로트마다의 질소량 및 탄소량, 진동시험에 의한 입자의 파괴율을 표 3에 나타낸다. 표 3으로부터 밝혀진 바와 같이, 시료 No1∼No4의 각 구상 ErNi0.9Co0.1입자체가 실시예 3에 상당하고 시료 No5의 구상 ErNi0.9Co0.1입자체는 비교예 3에 상당한다.
상술한 ErNi0.9Co0.1로 이루어진 각 로트의 자성축냉재 구상 입자체를 각각 축냉용기의 저온측 1/2에 충전율 63.4∼64.0%로 충전하고 고온측 1/2에는 Pb구를 충전한 후 실시예 1과 동일하게 2단식 GM냉동기에 2단째 축냉기로서 조립하고, 실시예 1과 동일하게 냉동시험을 실시했다. 그 결과를 표 3에 함께 나타낸다.
시료 No 불순물량(wt%) 진동시험에 의한 입자의 파괴율(wt%) 냉동능력(W)
질소 탄소 초기값 7000시간후
실시예 3 1 0.02 0.01 0.02 0.68 0.67
2 0.22 0.02 0.06 0.62 0.59
3 0.06 0.04 0.33 0.67 0.61
4 0.12 0.07 0.79 0.61 0.50
비교예 3 5 0.35 0.15 1.31 0.67 0.24
표 3에서 밝혀진 바와 같이 최대가속도가 300m/s2인 단진동을 1×106회 가했을 때 파괴하는 입자의 비율이 1중량% 이하인 자성축냉재입자체를 사용한 냉동기는 모두 뛰어난 냉동능력을 장기간에 걸쳐 유지할 수 있는 것을 알 수 있었다.
실시예 4, 비교예 4
고주파 용해에 의해 ErNi모합금, Er3Co모합금, ErCu모합금, Ho2Al모합금을 각각 제작했다. 이 각 모합금을 약 1493K에서 용융하고 이 용탕을 Ar분위기 중(압력=약 80kPa)에서 회전 원반상에 적하하여 급냉 응고시켰다.
얻어진 각 입자체를 적절하게 형상분급 및 체에 걸러, 입자직경 180∼250㎛의 구상 입자체를 각각 1㎏ 선별했다. 이와 같은 공정을 복수회 실시하고 각각 5로트의 구상 입자체를 얻었다.
이 각 구상 입자체의 각 로트에 대해서, 실시예 1과 동일하게 하여 진동시험을 실시하여 파괴율을 측정하고 파괴율이 가장 낮았던 로트(실시예)와 가장 높았던 로트(비교예)를 각각 선택했다. 이 각 로트에 대해서 형상인자(R)의 측정과 질소 및 탄소의 분석을 실시했다. 이 결과를 표 4에 도시한다.
상술한 각 자성축냉재 구상 입자체를 이하와 같이 하여 냉동기에 조립한다. 우선, Er, Ni로 이루어진 자성축냉재 구상 입자체를, 각각 축냉용기의 저온측 1/2에 충전율 63.2∼64.0%로 충전하고 고온측 1/2에는 Er3Co, ErCu, 또는 Ho2Al로 이루어진 자성축냉재입자체를 각각 충전율 63.0∼64.1%로 충전한 후, 실시예 1과 동일하게 2단식 GM 냉동기에 2단째 축냉기로서 각각 조립하고 실시예 1과 동일하게 냉동시험을 실시했다. 그 결과를 표 4에 함께 나타낸다.
고온측 자성축냉재의 조성* R＞1.5인입자비율(%) 불순물량(wt%) 진동시험에 의한 입자의 파괴율(wt%) 냉동능력(W)
질소 탄소 초기값 7000시간 후
실시예 4 Er3Co 4.1 0.01 0.01 0.07 0.57 0.50
ErCu 0.5 0.24 0.05 0.18 0.67 0.61
Ho2Al 1.2 0.02 0.01 0.29 0.60 0.60
비교예 4 Er3Co 6.5 0.08 0.04 1.41 0.52 0.13
ErCu 0.8 0.32 0.14 1.52 0.66 0.26
Ho2Al 5.8 0.35 0.13 2.45 0.57 0.07
*저온측 자성축냉재는 모두 ErNi이다.
다음에, 본 발명의 MRI장치, 자기부상열차, 크라이오펌프 및 자계인가식 단결정 인상장치의 실시예에 대해서 설명한다.
도 4는 본 발명을 적용한 초전도 MRI장치의 개략 구성을 도시한 도면이다. 동 도면에 도시한 초전도 MRI장치(30)는 인체에 대해서 공간적으로 균일하고 시간적으로 안정적인 정자계(靜磁界)를 인가하는 초전도 정자계 코일(31), 발생자계의 불균일성을 보정하는 것에 대한 도시를 생략한 보정 코일, 측정영역에 자계균배를 부여하는 경사자계코일(32) 및 라디오파 송수신용 프로브(33) 등으로 구성되어 있다. 그리고, 초전도 정자계 코일(31)의 냉각용으로서 상술한 바와 같은 본 발명의 냉동기(34)가 사용되고 있다. 또한, 도면 중 "35"은 크라이오스탯(cryostat), "36"은 방사단열실드이다.
본 발명의 냉동기(34)를 사용한 초전도 MRI장치(30)에서는 초전도 정자계 코일(31)의 동작 온도를 장기간에 걸쳐 안정적으로 보증할 수 있으므로, 공간적으로 균일하고 시간적으로 안정적인 정자계를 장기간에 걸쳐 얻을 수 있다. 따라서, 초전도 MRI장치(30)의 성능을 장기간에 걸쳐 안정적으로 발휘하게 하는 것이 가능해진다.
도 5는 본 발명을 적용한 자기부상열차의 주요부 개략 구성을 도시한 도면이고 자기부상열차용 초전도 마그네트(40)의 부분을 도시하고 있다. 동 도면에 도시한 자기부상열차용 초전도 마그네트(40)는 초전도 코일(41), 상기 초전도 코일(41)을 냉각하기 위한 액체 헬륨탱크(42), 이 액체 헬륨의 휘산을 막는 액체질소탱크(43) 및 본 발명의 냉동기(44) 등으로 구성되어 있다. 또한, 도면 중 "45"는 적층단열재, "46"은 파워리드(Power lead), "47"은 영구전류 스위치이다.
본 발명의 냉동기(44)를 사용한 자기부상열차용 초전도 마그네트(40)에서는 초전도 코일(41)의 동작온도를 장기간에 걸쳐 안정적으로 보증할 수 있으므로, 열차의 자기부상 및 추진에 필요한 자계를 장기간에 걸쳐 안정적으로 얻을 수 있다. 특히, 자기부상열차용 초전도 마그네트(40)에서는 가속도가 작용하지만 본 발명의 냉동기(44)는 가속도가 작용한 경우에서도 장기간에 걸쳐 뛰어난 냉동능력을 유지할 수 있는 것으로부터, 자계강도 등의 장기 안정화에 크게 공헌한다.
따라서, 이와 같은 초전도 마그네트(40)를 사용한 자기부상열차는 그 신뢰성을 장기간에 걸쳐 발휘하게 하는 것이 가능해진다.
도 6은 본 발명을 적용한 크라이오펌프의 개략 구성을 도시한 도면이다. 동 도면에 도시한 크라이오펌프(50)는 기체 분자를 응축 또는 흡착하는 크라이오패널(51), 상기 크라이오패널(51)을 소정의 극저온으로 냉각하는 본 발명의 냉동기(52), 이 사이에 설치된 실드(53), 흡입구에 설치된 배플(54), 및 아르곤, 질소, 수소 등의 배기 속도를 변화시키는 링(55) 등으로 구성되어 있다.
본 발명의 냉동기(52)를 사용한 크라이오펌프(50)에서는 크라이오패널(51)의 동작온도를 장기간에 걸쳐 안정적으로 보증할 수 있다. 따라서, 크라이오펌프(50)의 성능을 장기간에 걸쳐 안정적으로 발휘하게 하는 것이 가능해진다.
도 7은 본 발명을 적용한 자계인가식 단결정 인상장치의 개략 구성을 도시한 도면이다. 동 도면에 도시한 자계 인가식 단결정 인상장치(60)는 원료용융용 도가니, 히터, 단결정 인상 기구 등을 갖는 단결정 인상부(61), 원료용액에 대해 정자계를 인가하는 초전도 코일(62) 및 단결정 인상부(61)의 승강기구(63) 등으로 구성되어 있다. 그리고, 초전도 코일(62)의 냉각용으로서 상술한 바와 같은 본 발명의 냉동기(64)가 사용되고 있다. 또한, 도면 중 "65"는 전류리드(Current lead), "66"은 열시일드판, "67"은 헬륨 용기이다.
본 발명의 냉동기(64)를 사용한 자계인가식 단결정 인상장치(60)에서는 초전도코일(62)의 동작온도를 장기간에 걸쳐 안정적으로 보증할 수 있으므로, 단결정의 원료용액의 대류를 억제하는 양호한 자계를 장기간에 걸쳐서 얻을 수 있다. 따라서, 자계인가식 단결정 인상장치(60)의 성능을 장기간에 걸쳐 안정적으로 발휘시키는 것이 가능해진다.
이상의 실시예로부터도 밝혀진 바와 같이, 본 발명의 극저온용 축냉재에 의하면 기계적 진동이나 가속도 등에 대해서 뛰어난 기계적 특성을 재현성 좋게 얻을 수 있다.
따라서, 이와 같은 극저온용 축냉재를 사용한 본 발명의 냉동기는 뛰어난 냉동성능을 재현성 좋게 장기간에 걸쳐 유지하는 것이 가능해진다. 또한, 그와 같은 냉동기를 갖는 본 발명의 MRI장치, 크라이오펌프, 자기부상열차 및 자계인가식 단결정 인상장치는 장기간에 걸쳐서 뛰어난 성능을 발휘하게 할 수 있다.

Claims (10)

  1. 희토류 원소를 함유하는 화합물을 구상화함으로써 얻어진 자성축냉재 입자체를 구비하는 극저온용 축냉재에 있어서,
    상기 자성축냉재 입자체는 그것을 구성하는 자성 축냉재 입자 개개의 촬영상의 주위 길이를 L, 상기 촬영상의 실면적을 A로 했을 때, L2/4πA로 나타나는 형상인자(R)가 1.5를 초과하는 상기 자성축냉재 입자의 비율이 5% 이하이고, 상기 자성축냉재 입자체에 최대가속도가 300m/s2의 단진동을 1×106회 가했을 때 파괴하는 상기 자성축냉재 입자의 비율이 1중량% 이하인 것을 특징으로 하는 극저온용 축냉재.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 자성축냉재 입자는 질소함유량이 0.3중량% 이하인 것을 특징으로 하는 극저온용 축냉재.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 자성축냉재 입자는 탄소함유량이 0.1중량% 이하인 것을 특징으로 하는 극저온용 축냉재.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 자성축냉재 입자는 상기 자성축냉재 입자의 70중량% 이상이 0.01∼3.0㎜의 범위의 입자직경을 갖는 극저온용 축냉재.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 자성축냉재 입자체는
    일반식: RMz
    (일반식 중, R은 Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm 및 Yb로부터 선택되는 적어도 1종류의 희토류 원소를, M은 Ni, Co, Cu, Ag, Al 및 Ru로부터 선택되는 적어도 1종류의 금속원소를 나타내고, z는 0.001∼9.0범위의 수를 나타낸다)
    또는
    일반식: RRh
    (일반식 중, R은 Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm 및 Yb로부터 선택되는 적어도 1종류의 희토류 원소를 나타낸다)
    로 나타나는 희토류 원소를 포함하는 금속간 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 극저온용 축냉재.
  6. 축냉용기와, 상기 축냉용기에 충전된 자성축냉재 입자체로 이루어진 극저온용 축냉재를 갖는 축냉기와,
    상기 자성축냉재 입자체와의 사이에서 열에너지의 수수를 실시하는 작동매질을, 상기 자성축냉재 입자체간을 통과시키는 수단을 구비하는 축냉식의 냉동기에 있어서,
    상기 자성축냉재 입자체는 희토류 원소를 함유하는 화합물을 구상화함으로써 얻어진 것이고, 상기 자성축냉재 입자체를 구성하는 자성축냉재 입자 개개의 투영상의 주위길이를 L, 상기 투영상의 실면적을 A로 했을 때, L2/4πA로 나타나는 형상인자(R)가 1.5를 초과하는 상기 자성축냉재 입자의 비율이 5% 이하임과 동시에 상기 자성축냉재 입자체에 최대 가속도가 300m/s2의 단진동을 1×106회 가했을 때 파괴하는 상기 자성축냉재 입자의 비율이 1중량% 이하인 것을 특징으로 하는 냉동기.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 자성축냉재 입자는 질소함유량이 0.3중량% 이하인 것을 특징으로 하는 냉동기.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 자성축냉재 입자는 탄소함유량이 0.1중량% 이하인 것을 특징으로 하는 냉동기.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 자성축냉재 입자체는 상기 자성축냉재 입자의 70중량% 이상이 0.01∼3.0㎜의 범위의 입자직경을 갖는 것을 특징을 하는 냉동기.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 자성축냉재 입자체는,
    일반식: RMz
    (일반식 중, R은 Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm 및 Yb로부터 선택되는 적어도 1종류의 희토류 원소를, M은 Ni, Co, Cu, Ag, Al 및 Ru로부터 선택되는 적어도 1종류의 금속원소를 나타내고, z는 0.001∼9.0의 범위의 수를 나타낸다)
    또는
    일반식: RRh
    (일반식 중, R은 Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm 및 Yb로부터 선택되는 적어도 1종류의 희토류 원소를 나타낸다)
    로 나타나는 희토류 원소를 포함하는 금속간 화합물로 이루어진 냉동기.
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