(57)【要約】【課題】簡易な製造プロセスで製造可能な蓄冷材粒子を提供する。【解決手段】実施形態の蓄冷材粒子は、温度２０Ｋ以下における比熱の最大値が０．３Ｊ／ｃｍ３・Ｋ以上の複数の蓄冷物質粒子と、非水溶性の樹脂を含み、複数の蓄冷物質粒子を接着するバインダと、を備える。そして、粒径が５００μｍ以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度２０Ｋ以下における比熱の最大値が０．３Ｊ／ｃｍ３・Ｋ以上の複数の蓄冷物質粒子と、
非水溶性の樹脂を含み、前記複数の蓄冷物質粒子を接着するバインダと、を備え、
粒径が５００μｍ以下の蓄冷材粒子。
【請求項２】
前記複数の蓄冷物質粒子の占有率が６０体積％以上である請求項１記載の蓄冷材粒子。
【請求項３】
前記バインダの占有率が５体積％以上４０体積％以下である請求項１又は請求項２記載の蓄冷材粒子。
【請求項４】
空隙率が２０体積％未満である請求項１ないし請求項３いずれか一項記載の蓄冷材粒子。
【請求項５】
前記複数の蓄冷物質粒子の粒径の中央値が０．０１μｍ以上５０μｍ以下である請求項１ないし請求項４いずれか一項記載の蓄冷材粒子。
【請求項６】
前記樹脂は、ポリビニルブチラール樹脂、ポリアミド樹脂、又は、エポキシ樹脂である請求項１ないし請求項５いずれか一項記載の蓄冷材粒子。
【請求項７】
前記複数の蓄冷物質粒子は、酸化物を含む請求項１ないし請求項６いずれか一項記載の蓄冷材粒子。
【請求項８】
前記酸化物は、銀（Ａｇ）及び銅（Ｃｕ）の少なくともいずれか一方を含む請求項７記載の蓄冷材粒子。
【請求項９】
前記複数の蓄冷物質粒子は、第１の粒子と、前記第１の粒子と異なる化学組成の第２の粒子を有する請求項１ないし請求項８いずれか一項記載の蓄冷材粒子。
【請求項１０】
前記複数の蓄冷物質粒子は、第１の粒子と、前記第１の粒子と比熱が最大になる温度が異なる第２の粒子を有する請求項１ないし請求項８いずれか一項記載の蓄冷材粒子。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０いずれか一項記載の蓄冷材粒子が複数個、充填された蓄冷器。
【請求項１２】
請求項１１記載の蓄冷器を備えた冷凍機。
【請求項１３】
請求項１２記載の冷凍機を備えた超電導磁石。
【請求項１４】
請求項１２記載の冷凍機を備えた核磁気共鳴イメージング装置。
【請求項１５】
請求項１２記載の冷凍機を備えた核磁気共鳴装置。
【請求項１６】
請求項１２記載の冷凍機を備えたクライオポンプ。
【請求項１７】
請求項１２記載の冷凍機を備えた磁界印加式単結晶引上げ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、蓄冷材粒子、蓄冷器、冷凍機、超電導磁石、核磁気共鳴イメージング装置、核磁気共鳴装置、クライオポンプ、及び、磁界印加式単結晶引上げ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導機器の冷却などに用いられる極低温冷凍機には、低温領域で高い体積比熱を有する蓄冷材粒子が用いられる。ここでは、単位体積あたりの比熱を体積比熱と定義する。蓄冷材粒子には、例えば、鉛（Ｐｂ）やビスマス（Ｂｉ）などの金属、ＨｏＣｕ２、Ｅｒ３Ｎｉなどの希土類化合物、又は、Ａｇ２Ｏ、Ｃｕ２Ｏ、Ｇｄ２Ｏ２Ｓなどの酸化物が用いられる。
【０００３】
例えば、酸化物の蓄冷材粒子を製造する場合、粉末原料の造粒、高温での焼結、研磨による球状化など、多段階のプロセスが必要となる。したがって、製造プロセスが複雑であり高コスト化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１９９６５０号公報
【特許文献２】特開２０１７−５８０７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、簡易な製造プロセスで製造可能な蓄冷材粒子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の蓄冷材粒子は、温度２０Ｋ以下における体積比熱の最大値が０．３Ｊ／ｃｍ３・Ｋ以上の複数の蓄冷物質粒子と、非水溶性の樹脂を含み、上記複数の蓄冷物質粒子を接着するバインダと、を備える。そして、粒径が５００μｍ以下である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態の蓄冷材粒子の模式断面図。
【図２】第１の実施形態の蓄冷物質粒子の粒径の測定方法の説明図。
【図３】第１の実施形態の蓄冷材粒子の製造方法の第１の例の説明図。
【図４】第１の実施形態の蓄冷材粒子の製造方法の第１の例で用いるパンチングシードの上面図。
【図５】第１の実施形態の蓄冷材粒子の製造方法の第２の例の説明図。
【図６】第１の実施形態の蓄冷材粒子の製造方法の第３の例の説明図。
【図７】第２の実施形態の蓄冷材粒子の模式断面図。
【図８】第３の実施形態の冷凍機の要部構成を示す模式断面図。
【図９】第４の実施形態の超電導磁石の概略構成を示す斜視図。
【図１０】第５の実施形態の核磁気共鳴イメージング装置の概略構成を示す断面図。
【図１１】第６の実施形態のクライオポンプの概略構成を示す断面図。
【図１２】第７の実施形態の磁界印加式単結晶引上げ装置の概略構成を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一又は類似の部材などには同一の符号を付し、一度説明した部材などについては適宜その説明を省略する。
【０００９】
本明細書中、極低温とは、例えば、超電導現象を工業的に有用に利用できる温度域を意味する。例えば、２０Ｋ以下の温度域である。
【００１０】
（第１の実施形態）
第１の実施形態の蓄冷材粒子は、温度２０Ｋ以下における体積比熱の最大値が０．３Ｊ／ｃｍ３・Ｋ以上の複数の蓄冷物質粒子と、非水溶性の樹脂を含み、上記複数の蓄冷物質粒子を接着するバインダと、を備える。そして、蓄冷材粒子の粒径が５００μｍ以下である。
【００１１】
図１は、第１の実施形態の蓄冷材粒子の模式断面図である。第１の実施形態の蓄冷材粒子１０は、例えば、５Ｋ以下の極低温を実現する冷凍機に用いられる。
【００１２】
蓄冷材粒子１０の形状は、例えば、球状、俵状、回転楕円体状、不定形状であり、特に、限定されるものではない。図１は、蓄冷材粒子１０の形状が球状の場合を示す。
【００１３】
蓄冷材粒子１０の粒径（図１中のｄ）は、５００μｍ以下である。蓄冷材粒子１０の粒径ｄは、例えば、１００μｍ以上５００μｍ以下である。より好ましくは１５０μｍ以上３００μｍ以下である。更に好ましくは１８０μｍ以上２５０μｍ以下である。
【００１４】
蓄冷材粒子１０の粒径ｄは、円相当径である。円相当径は、光学顕微鏡画像又は走査電子顕微鏡画像（ＳＥＭ画像）などの画像で観察される図形の面積に相当する真円の直径である。蓄冷材粒子１０の粒径ｄは、例えば、光学顕微鏡画像又はＳＥＭ画像の画像解析により求めることが可能である。
【００１５】
蓄冷材粒子１０は、複数の蓄冷物質粒子１１と、バインダ１２を備える。蓄冷物質粒子１１とバインダ１２は組成が異なるため、例えばＳＥＭ−ＢＳＥのＣＯＭＰ像（走査電子顕微鏡−反射電子組成像：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ−Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｉｍａｇｅ）や、ＳＥＭ−ＥＤＸ（走査電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線分光法：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ−Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により区別することが可能である。
【００１６】
蓄冷物質粒子１１は、温度２０Ｋ以下における体積比熱の最大値が０．３Ｊ／ｃｍ３・Ｋ以上である。蓄冷材粒子１０の中の蓄冷物質粒子１１の個数は、例えば、１０個以上１万個以下である。
【００１７】
蓄冷物質粒子１１の形状は、例えば、球状、俵状、回転楕円体状、不定形状であり、特に、限定されるものではない。図１は、蓄冷物質粒子１１の形状が不定形状の場合を示す。
【００１８】
複数の蓄冷物質粒子１１の粒径の中央値は、例えば、０．０１μｍ以上５０μｍ以下である。
【００１９】
図２は、第１の実施形態の蓄冷物質粒子の粒径の測定方法の説明図である。図２は、特に、隣接する蓄冷物質粒子１１がバインダ１２を介さず、直接接触する部分が存在する場合を示す。
【００２０】
蓄冷物質粒子１１の粒径の中央値は、例えば、観察画像において、蓄冷材粒子１０中の蓄冷物質粒子１１の任意の１０点を選び、この点（図２中のＰ）を含みバインダ１２を含まない最大の円（図２中のＣ）を書いたときの直径の中央値とする。なお、選択点数が偶数個の場合、中央に最も近い２つの値の相加平均とする。例えば、ＳＥＭ画像の画像解析により、複数の蓄冷物質粒子１１の粒径、及び、粒径の中央値を求めることが可能である。
【００２１】
なお、隣接する蓄冷物質粒子１１の粒界が必ずしも明瞭でない場合であっても、蓄冷物質粒子１１の粒径は上記の定義に従って、例えば図２に示したように決めることができる。
【００２２】
蓄冷物質粒子１１は、例えば、酸化物を主成分として含む。蓄冷物質粒子１１に含まれる酸化物は、例えば、銀（Ａｇ）及び銅（Ｃｕ）の少なくともいずれか一方を含む。蓄冷物質粒子１１に含まれる酸化物は、例えば、Ａｇ２Ｏ、又は、Ｃｕ２Ｏである。Ａｇ２Ｏ、及び、Ｃｕ２Ｏは非磁性体である。
【００２３】
また、蓄冷物質粒子１１に含まれる酸化物は、例えば、ガドリニウム（Ｇｄ）及びイオウ（Ｓ）を含む。蓄冷物質粒子１１に含まれる酸化物は、例えば、Ｇｄ２Ｏ２Ｓである。Ｇｄ２Ｏ２Ｓは磁性体である。
【００２４】
蓄冷物質粒子１１は、例えば、希土類化合物を主成分として含む。蓄冷物質粒子１１に含まれる希土類化合物は、例えば、ＨｏＣｕ２、Ｅｒ３Ｎｉである。ＨｏＣｕ２、Ｅｒ３Ｎｉは磁性体である。
【００２５】
蓄冷物質粒子１１の組成分析は、例えば、エネルギー分散型Ｘ線分光法（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により行うことが可能である。
【００２６】
バインダ１２は、非水溶性の樹脂を主成分として含む。バインダ１２は、樹脂バインダである。バインダ１２は、蓄冷物質粒子１１を相互に接着する。
【００２７】
バインダ１２に含まれる非水溶性の樹脂は、例えば、ポリビニルブチラール樹脂（ＰＶＢ）、ポリアミド樹脂、又は、エポキシ樹脂である。ポリビニルブチラール樹脂（ＰＶＢ）は、温度サイクル耐性が高いため、好適である。また、エポキシ樹脂は、機械強度が高いため、好適である。
【００２８】
蓄冷材粒子１０に含まれる蓄冷物質粒子１１の占有率は、例えば、６０体積％以上９５体積％以下である。蓄冷材粒子１０に含まれるバインダ１２の占有率は、例えば、５体積％以上４０体積％以下である。
【００２９】
蓄冷材粒子１０の空隙率は、例えば、２０体積％未満である。蓄冷材粒子１０の空隙率は、蓄冷材粒子１０の中に存在する空隙の占有率である。
【００３０】
蓄冷材粒子１０に含まれる蓄冷物質粒子１１の占有率、蓄冷材粒子１０に含まれるバインダ１２の占有率、及び、蓄冷材粒子１０の空隙率は、例えば、光学顕微鏡画像又はＳＥＭ画像で観察される蓄冷物質粒子１１、バインダ１２、空隙の占める面積割合で代表させる。蓄冷材粒子１０に含まれる蓄冷物質粒子１１の占有率、蓄冷材粒子１０に含まれるバインダ１２の占有率、及び、蓄冷材粒子１０の空隙率は、例えば、光学顕微鏡画像又はＳＥＭ画像の画像解析により求めることが可能である。
【００３１】
次に、第１の実施形態の蓄冷材粒子１０の製造方法の第１の例について説明する。以下、蓄冷物質粒子１１がＡｇ２Ｏ、バインダ１２がポリビニルブチラール樹脂（ＰＶＢ）の場合を例に説明する。
【００３２】
図３は、第１の実施形態の蓄冷材粒子の製造方法の第１の例の説明図である。図４は、第１の実施形態の蓄冷材粒子の製造方法の第１の例で用いるパンチングシートの上面図である。
【００３３】
最初に、湿式でＡｇ２Ｏ粉末を合成する。
【００３４】
次に、ポリビニルブチラール樹脂と有機溶剤を、それぞれ秤量して混合し、ポリビニルブチラール樹脂を有機溶剤に溶かす。以下、この溶液をバインダ溶液と称する。
【００３５】
バインダ溶液中のポリビニルブチラール樹脂の量は、例えば、５重量％である。有機溶剤は、例えば、アセトン、又は、エタノールである。
【００３６】
次に、Ａｇ２Ｏ粉末とバインダ溶液を、それぞれ秤量して混合し、スラリー２８を作製する。次に、スラリー２８中の溶剤を揮発させながらスラリー２８を混合する。スラリー２８中の溶剤が揮発するにつれて、スラリー２８の粘度が高くなる。
【００３７】
次に、台座３０の上に、パンチングシート３２を載置する（図３（ａ））。次に、スラリー２８の粘度が高くなり、スラリー２８が粘土状になった段階で、スラリー２８をパンチングシート３２に埋め込む（図３（ｂ））。
【００３８】
パンチングシート３２は、例えば、図４（ａ）や図４（ｂ）に示すように、所定の大きさの孔３４が多数設けられた平板である。パンチングシート３２は、溶剤に対する耐性が高く、スラリー２８が固化して形成された粒子の取り外しが容易であることが好ましい。
【００３９】
次に、パンチングシート３２に埋め込んだスラリー２８を、金型３６を用いて加圧する（図３（ｃ）、図３（ｄ））。スラリー２８を加圧することで、スラリー２８が固化して形成される粒子の密度が高くなる。
【００４０】
例えば、パンチングシート３２に埋め込んだスラリー２８を、金型３６に代えて棒状の部材で押し込んで加圧しても構わない。また、例えば、スラリー２８を、パンチングシート３２ごと加圧しても構わない。
【００４１】
次に、スラリー２８が固化して形成された粒子をパンチングシート３２から取り外す。例えば、粒子を棒状の部材で押して取り外す。
【００４２】
次に、取り外した粒子を、バレル研磨などで研磨して角を落として球状化及び小径化を行う。研磨により所望の形状及び粒径の蓄冷材粒子１０が製造される。
【００４３】
次に、第１の実施形態の蓄冷材粒子１０の製造方法の第２の例について説明する。図４は、第１の実施形態の蓄冷材粒子の製造方法の第２の例の説明図である。
【００４４】
スラリー２８中の溶剤を揮発させながらスラリー２８を混合するまでは、第１の例と同様である。
【００４５】
スラリー２８の粘度が高くなり、スラリー２８が粘土状になった段階で、スラリー２８を金型の下型４０の上に載置する（図５（ａ））。金型の下型４０には、半球溝が並んでいる。
【００４６】
次に、スラリー２８を金型の下型４０と金型の上型４２で挟む（図５（ｂ））。金型の上型４２には、先端に凹型の半球溝が形成されている。
【００４７】
スラリー２８は、上型４２によって、金型の下型４０の半球溝内に押し込まれ、球状粒子が形成される（図５（ｃ））。
【００４８】
次に、第１の実施形態の蓄冷材粒子１０の製造方法の第３の例について説明する。図６は、第１の実施形態の蓄冷材粒子の製造方法の第３の例の説明図である。
【００４９】
スラリー２８中の溶剤を揮発させながらスラリー２８を混合するまでは、第１の例と同様である。
【００５０】
スラリー２８の粘度が高くなり、スラリー２８が粘土状になった段階で、容器５０の中に充填する。容器５０の中に充填したスラリー２８を、例えば、図示しない容器５０の中の押し出し板を用いて、孔の開いた板５２に圧力をかけて押し付ける。スラリー２８は、孔から棒状に出てくる。
【００５１】
また別の方法としては、例えば、図示しない容器５０の中に設けられたスクリュー構造の部材を回転させることで連続的にスラリー２８を供給しつつ孔の開いた板５２に圧力をかける。これにより孔から棒状に整形されたスラリー２８が連続的に出てくる。
【００５２】
なお、板５２の孔は図６のように一つでも良く、複数でも良い。また、板５２は平面でも球面でも良い。
【００５３】
棒状のスラリー２８を、例えば、カッター５４で切断することで、任意の長さで円柱形状の粒子が得られる。例えば、この粒子に力を加えたり、角を落としたりすることで球形状の粒子が得られる。
【００５４】
次に、第１の実施形態の蓄冷材粒子１０の製造方法の第４の例について説明する。以下、蓄冷物質粒子１１がＡｇ２Ｏ、バインダ１２がエポキシ樹脂の場合を例に説明する。
【００５５】
最初に、湿式でＡｇ２Ｏ粉末を合成する。
【００５６】
次に、エポキシ樹脂の主剤及び硬化剤の少なくとも一方に、Ａｇ２Ｏ粉末を分散させる。次に、主剤と硬化剤を混合する。
【００５７】
次に、真空引きにより、混合した主剤と硬化剤から脱泡する。混合した主剤と硬化剤をパンチングシートに埋め込む。
【００５８】
混合した主剤と硬化剤を、静置して硬化させる。加熱することで硬化時間を短縮することも可能である。
【００５９】
混合した主剤と硬化剤が効果し、粒子が形成された後、粒子をパンチングシートから取り外す。
【００６０】
次に、取り外した粒子を、バレル研磨などで研磨して角を落として球状化及び小型化を行う。研磨により所望の形状及び粒径の蓄冷材粒子１０が製造される。
【００６１】
以下、第１の実施形態の蓄冷材粒子１０の作用及び効果について説明する。
【００６２】
超電導機器の冷却に用いられる極低温冷凍機には、低温領域で高い体積比熱を有する蓄冷材粒子が用いられる。蓄冷材粒子には、例えば、鉛（Ｐｂ）やビスマス（Ｂｉ）などの金属、ＨｏＣｕ２、Ｅｒ３Ｎｉなどの希土類化合物、又は、Ａｇ２Ｏ、Ｃｕ２Ｏ、Ｇｄ２Ｏ２Ｓなどの酸化物が用いられる。
【００６３】
例えば、酸化物の蓄冷材粒子を製造する場合、粉末原料の造粒、高温での焼結、研磨による球状化など、多段階のプロセスが必要となる。したがって、製造プロセスが複雑になる。よって、蓄冷材粒子の製造コストが増大し、蓄冷材粒子が高価になる。
【００６４】
また、例えば、蓄冷材粒子を製造する場合、高温での焼結の際の反応により、蓄冷物質の化学組成や結晶構造が変化し、所望の特性が得られないおそれがある。例えば、蓄冷物質粒子１１がＧｄ２Ｏ２Ｓの場合では、高温にし過ぎると硫黄（Ｓ）が抜けるなどの問題がある。また、蓄冷物質粒子１１がＡｇ２Ｏの場合では、高温にし過ぎると酸素（Ｏ）が抜けるなどの問題がある。このため、組成が変化したり、異なる化合物になってしまったりした部分は、特性が劣化して蓄冷材粒子１０の特性が不安定になるおそれがある。
【００６５】
第１の実施形態の蓄冷材粒子１０は、樹脂のバインダ１２を用いて蓄冷物質粒子１１を結合する。このため、蓄冷材粒子１０を製造する際に、少なくとも、高温での焼結は不要となる。したがって、蓄冷材粒子１０簡易な製造プロセスで製造することが可能となる。よって、蓄冷材粒子の製造コストが低減し、蓄冷材粒子が安価になる。
【００６６】
また、蓄冷材粒子１０を製造する際に、高温での焼結は不要となるため、蓄冷物質の化学組成や結晶構造の変化が抑制される。よって、特性の安定した蓄冷材粒子１０が実現される。
【００６７】
バインダ１２に含まれる非水溶性の樹脂は、ポリビニルブチラール樹脂（ＰＶＢ）、ポリアミド樹脂、又は、エポキシ樹脂であることが好ましい。
【００６８】
表１は、バインダ１２に用いられる樹脂の評価結果を示す。バインダ１２の候補となる樹脂についての、温度サイクル試験の結果、蓄冷材粒子の機械強度の評価結果、及び、それぞれの結果を踏まえた総合評価結果を示す。
【００６９】
温度サイクル試験は、樹脂単体について、室温と７７Ｋで温度を変化させることを繰り返し、破壊に至るまでのサイクル回数を評価した。破壊に至るまでのサイクル回数が多い場合を「良」、特に多い場合を「優良」とした。
【００７０】
また、蓄冷材粒子の機械強度については、蓄冷材粒子の圧縮強度と振動強度を評価した。圧縮強度は、蓄冷材粒子を圧縮して破壊する強度を測定した。また、振動強度は、蓄冷材粒子を容器に入れて振動させ、破壊された蓄冷材粒子の個数の割合を評価した。圧縮強度及び振動強度が高い場合を「良」、特に高い場合を「優良」とした。
【００７１】
【表１】
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【００７２】
表１に示すように、ポリビニルブチラール樹脂、ポリアミド樹脂、及び、エポキシ樹脂について、良好な結果が得られた。特に、ポリビニルブチラール樹脂及びエポキシ樹脂について、非常に良好な結果が得られた。
【００７３】
ポリビニルブチラール樹脂、ポリアミド樹脂、及び、エポキシ樹脂をバインダ１２に用いることで、温度サイクルによる熱ストレスにも強く、機械的強度の高い蓄冷材粒子１０が実現できる。よって、ポリビニルブチラール樹脂、ポリアミド樹脂、及び、エポキシ樹脂をバインダ１２に用いることで、蓄冷材粒子１０の信頼性が向上する。
【００７４】
また、第１の実施形態の蓄冷材粒子１０は、バインダ１２に非水溶性の樹脂を含む。例えば、蓄冷材粒子１０は、蓄冷器に充填する時、あるいは、蓄冷器に充填された状態で蓄冷器のメインテナンスを行う際、大気中に曝される場合がある。
【００７５】
仮に、バインダ１２に水溶性の樹脂を用いると、大気中に曝された際に蓄冷材粒子１０は吸湿し易い。吸湿した蓄冷材粒子１０は、冷凍機を始動して室温から極低温まで温度が低下する過程で、吸湿した水分が氷結して体積膨張することにより蓄冷材粒子１０が割れてしまうおそれがある。また、バインダ１２に水溶性の樹脂を用いると、蓄冷材粒子１０への吸湿が大きい場合には樹脂が溶解してしまうおそれがある。
【００７６】
第１の実施形態の蓄冷材粒子１０は、バインダ１２に非水溶性の樹脂を用いることで、大気中に曝された際の吸湿が抑制される。
【００７７】
蓄冷材粒子１０に含まれる蓄冷物質粒子１１の占有率は、６０体積％以上であることが好ましく、７０体積％以上であることがより好ましく、８０体積％以上であることが更に好ましい。上記範囲を充足することで、高い蓄冷機能が実現できる。
【００７８】
蓄冷材粒子１０に含まれる蓄冷物質粒子１１の占有率は、９５体積％以下であることが好ましい。上記範囲を充足することで、蓄冷材粒子１０の機械強度が高くなる。
【００７９】
蓄冷材粒子１０に含まれるバインダ１２の占有率は、５体積％以上であることが好ましく８体積％以上であることがより好ましく、１０体積％以上であることがさらに好ましい。上記範囲を充足することで、蓄冷材粒子１０の機械強度が高くなる。
【００８０】
蓄冷材粒子１０に含まれるバインダ１２の占有率は、４０体積％以下であることが好ましく、３０体積％以下であることがより好ましく、２０体積％以下であることが更に好ましく、１０体積％以下であることが特に好ましい。上記範囲を充足することで、蓄冷物質粒子１１の占有率が高まり、高い蓄冷機能が実現できる。
【００８１】
蓄冷材粒子１０の空隙率は、２０体積％未満であることが好ましく、１５体積％未満であることがより好ましく、１２％体積未満であることが更に好ましく、１０体積％未満であることが特に好ましい。上記範囲を充足することで、蓄冷物質粒子１１の占有率が高まり、高い蓄冷機能が実現できる。
【００８２】
以上、第１の実施形態によれば、簡易な製造プロセスで製造可能な蓄冷材粒子が実現できる。したがって、蓄冷材粒子の製造コストが低減し、安価な蓄冷材粒子が実現できる。また、低温で形成可能なため、特性の安定した蓄冷材粒子が実現できる。
【００８３】
（第２の実施形態）
第２の実施形態の蓄冷材粒子は、複数の蓄冷物質粒子は、第１の粒子と、第１の粒子と異なる化学組成の第２の粒子を有する点で、第１の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。
【００８４】
図７は、第２の実施形態の蓄冷材粒子の模式断面図である。
【００８５】
蓄冷材粒子２０は、複数の蓄冷物質粒子１１と、バインダ１２を備える。蓄冷物質粒子１１は、第１の粒子１１ａと第２の粒子１１ｂを含む。第２の粒子１１ｂの化学組成は、第１の粒子１１ａの化学組成と異なる。
【００８６】
第１の粒子１１ａは、例えば、酸化物を主成分として含む。第２の粒子１１ｂは、例えば、希土類化合物を主成分として含む。
【００８７】
また、第１の粒子１１ａは、例えば、希土類化合物を主成分として含む。第２の粒子１１ｂは、例えば、例えば、金属を主成分として含む。
【００８８】
また、第１の粒子１１ａは、例えば、希土類化合物を主成分として含む。第２の粒子１１ｂは、例えば、第１の粒子１１ａと異なる希土類化合物を主成分として含む。
【００８９】
第２の実施形態の蓄冷材粒子２０は、異なる化学組成を有する第１の粒子１１ａと第２の粒子１１ｂを含む。言い換えれば、蓄冷材粒子２０は、異なる温度範囲で蓄冷機能を発現する第１の粒子１１ａと第２の粒子１１ｂを含む。したがって、広い温度範囲で蓄冷機能を有する蓄冷材粒子２０が実現できる。
【００９０】
第１の粒子１１ａと第２の粒子１１ｂは、例えば、比熱が最大になる温度が異なる。
【００９１】
第２の実施形態の蓄冷材粒子２０は、樹脂のバインダ１２を用いることで、異なる化学組成を有する第１の粒子１１ａと第２の粒子１１ｂを、一つの蓄冷材粒子２０の中に含めることが容易となる。
【００９２】
以上、第２の実施形態によれば、第１の実施形態同様、簡易な製造プロセスで製造可能な蓄冷材粒子が実現できる。したがって、蓄冷材粒子の製造コストが低減し、安価な蓄冷材粒子が実現できる。また、低温で形成可能なため、特性の安定した蓄冷材粒子が実現できる。また、広い温度範囲で蓄冷機能を有する蓄冷材粒子が実現できる。
【００９３】
（第３の実施形態）
第３の実施形態の冷凍機は、第１の実施形態又は第２の実施形態の蓄冷材粒子が複数充填された蓄冷器を備える冷凍機である。以下、第１の実施形態又は第２の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。
【００９４】
図８は、第３の実施形態の冷凍機の要部構成を示す模式断面図である。第３の実施形態の冷凍機は、超電導機器などの冷却に用いられる２段式の蓄冷型極低温冷凍機１００である。
【００９５】
蓄冷型極低温冷凍機１００は、第１シリンダ１１１、第２シリンダ１１２、真空容器１１３、第１蓄冷器１１４、第２蓄冷器１１５、第１シールリング１１６、第２シールリング１１７、第１蓄冷材１１８、第２蓄冷材１１９、第１膨張室１２０、第２膨張室１２１、第１冷却ステージ１２２、第２冷却ステージ１２３、コンプレッサ１２４を備える。
【００９６】
蓄冷型極低温冷凍機１００は、大径の第１シリンダ１１１と、第１シリンダ１１１と同軸的に接続された小径の第２シリンダ１１２とが設置された真空容器１１３を有している。第１シリンダ１１１には第１蓄冷器１１４が往復運動自在に配置されている。第２シリンダ１１２には、第３の実施形態の蓄冷器の一例である第２蓄冷器１１５が往復運動自在に配置されている。
【００９７】
第１シリンダ１１１と第１蓄冷器１１４との間には、第１シールリング１１６が配置されている。第２シリンダ１１２と第２蓄冷器１１５との間には、第２シールリング１１７が配置されている。
【００９８】
第１蓄冷器１１４には、Ｃｕメッシュなどの第１蓄冷材１１８が収容されている。第２蓄冷器１１５には、第１の実施形態の蓄冷材粒子１０又は第２の実施形態の蓄冷材粒子２０が、複数個、第２蓄冷材１１９として充填されている。
【００９９】
第１蓄冷器１１４及び第２蓄冷器１１５は、第１蓄冷材１１８や第２蓄冷材１１９の間隙などに設けられた作動媒質の通路をそれぞれ有している。作動媒質は、ヘリウムガスである。
【０１００】
第１蓄冷器１１４と第２蓄冷器１１５との間には、第１膨張室１２０が設けられている。また、第２蓄冷器１１５と第２シリンダ１１２の先端壁との間には、第２膨張室１２１が設けられている。そして、第１膨張室１２０の底部に第１冷却ステージ１２２が設けられている。また、第２膨張室１２１の底部に第１冷却ステージ１２２より低温の第２冷却ステージ１２３が形成されている。
【０１０１】
第１蓄冷器１１４と第２蓄冷器１１５との間には、第１膨張室１２０が設けられている。また、第２蓄冷器１１５と第２シリンダ１１２の先端壁との間には、第２膨張室１２１が設けられている。そして、第１膨張室１２０の底部に第１冷却ステージ１２２が設けられている。また、第２膨張室１２１の底部に第１冷却ステージ１２２より低温の第２冷却ステージ１２３が形成されている。
【０１０２】
上述した２段式の蓄冷型極低温冷凍機１００には、コンプレッサ１２４から高圧の作動媒質が供給される。供給された作動媒質は、第１蓄冷器１１４に収容された第１蓄冷材１１８間を通過して第１膨張室１２０に到達する。そして、第２蓄冷器１１５に収容された第２蓄冷材１１９間を通過して第２膨張室１２１に到達する。
【０１０３】
この際に、作動媒質は第１蓄冷材１１８及び第２蓄冷材１１９に熱エネルギーを供給して冷却される。第１蓄冷材１１８及び第２蓄冷材１１９の間を通過した作動媒質は、第１膨張室１２０及び第２膨張室１２１で膨張して寒冷を発生させる。そして、第１冷却ステージ１２２及び第２冷却ステージ１２３が冷却される。
【０１０４】
膨張した作動媒質は、第１蓄冷材１１８及び第２蓄冷材１１９の間を反対方向に流れる。作動媒質は第１蓄冷材１１８及び第２蓄冷材１１９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蓄冷型極低温冷凍機１００は構成されている。
【０１０５】
以上、第３の実施形態によれば、安価な蓄冷材粒子を用いることで安価な冷凍機が実現できる。また、極低温まで到達する大きな温度変化のサイクルに対して特性の安定した蓄冷材粒子を用いることで、長時間、安定して効率の高い冷凍性能を供することができる信頼性の高い極低温冷凍機が実現できる。
【０１０６】
（第４の実施形態）
第４の実施形態の超電導磁石は、第３の実施形態の冷凍機を備える。以下、第３の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。
【０１０７】
図９は、第４の実施形態の超電導磁石の概略構成を示す斜視図である。第４の実施形態の超電導磁石は、第３の実施形態の蓄冷型極低温冷凍機１００を備える磁気浮上列車用超電導磁石４００である。
【０１０８】
磁気浮上列車用超電導磁石４００は、超電導コイル４０１、この超電導コイル４０１を冷却するための液体ヘリウムタンク４０２、この液体ヘリウムタンク４０２の揮散を防ぐ液体窒素タンク４０３、積層断熱材４０５、パワーリード４０６、永久電流スイッチ４０７、及び、蓄冷型極低温冷凍機１００を備える。
【０１０９】
第４の実施形態によれば、安価な冷凍機を用いることで安価な超電導磁石が実現できる。また、特性の安定した冷凍機を用いることで、特性の安定した超電導磁石が実現できる。
【０１１０】
（第５の実施形態）
第５の実施形態の核磁気共鳴イメージング装置は、第３の実施形態の冷凍機を備える。以下、第３の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。
【０１１１】
図１０は、第５の実施形態の核磁気共鳴イメージング装置の概略構成を示す断面図である。第５の実施形態の核磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置は、第３の実施形態の蓄冷型極低温冷凍機１００を備える核磁気共鳴イメージング装置５００である。
【０１１２】
核磁気共鳴（ＮＭＲ）現象を用いる核磁気共鳴イメージング装置５００は、核磁気共鳴装置の一例である。
【０１１３】
核磁気共鳴イメージング装置５００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５０１、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５０２、ラジオ波送受信用プローブ５０３、クライオスタット５０５、及び、放射断熱シールド５０６を備える。そして、超電導静磁界コイル５０１の冷却用として、蓄冷型極低温冷凍機１００が用いられている。
【０１１４】
第５の実施形態によれば、安価な冷凍機を用いることで安価な核磁気共鳴イメージング装置及び核磁気共鳴装置が実現できる。また、特性の安定した冷凍機を用いることで、特性の安定した核磁気共鳴イメージング装置及び核磁気共鳴装置が実現できる。
【０１１５】
（第６の実施形態）
第６の実施形態のクライオポンプは、第３の実施形態の冷凍機を備える。以下、第３の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。
【０１１６】
図１１は、第６の実施形態のクライオポンプの概略構成を示す断面図である。第６の実施形態のクライオポンプは、第３の実施形態の蓄冷型極低温冷凍機１００を備えるクライオポンプ６００である。
【０１１７】
クライオポンプ６００は、気体分子を凝縮又は吸着するクライオパネル６０１、クライオパネル６０１を所定の極低温に冷却する蓄冷型極低温冷凍機１００、クライオパネル６０１と蓄冷型極低温冷凍機１００の間に設けられたシールド６０３、吸気口に設けられたバッフル６０４、及び、アルゴン、窒素、水素等の排気速度を変化させるリング６０５を備える。
【０１１８】
第６の実施形態によれば、安価な冷凍機を用いることで安価なクライオポンプが実現できる。また、特性の安定した冷凍機を用いることで、特性の安定したクライオポンプが実現できる。
【０１１９】
（第７の実施形態）
第７の実施形態の磁界印加式単結晶引上げ装置は、第３の実施形態の冷凍機を備える。以下、第３の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。
【０１２０】
図１２は、第７の実施形態の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。第７の実施形態の磁界印加式単結晶引上げ装置は、第３の実施形態の蓄冷型極低温冷凍機１００を備える磁界印加式単結晶引上げ装置７００である。
【０１２１】
磁界印加式単結晶引上げ装置７００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７０１、原料融液に対して静磁界を印加する超電導コイル７０２、単結晶引上げ部７０１の昇降機構７０３、電流リード７０５、熱シールド板７０６、及び、ヘリウム容器７０７を備える。そして、超電導コイル７０２の冷却用として、蓄冷型極低温冷凍機１００が用いられている。
【０１２２】
第７の実施形態によれば、安価な冷凍機を用いることで安価な磁界印加式単結晶引上げ装置が実現できる。また、特性の安定した冷凍機を用いることで、特性の安定した磁界印加式単結晶引上げ装置が実現できる。
【０１２３】
尚、第４、第５および第７の実施形態のように、超電導磁石を冷却するために冷凍機を用いる場合には、蓄冷物質粒子１１は非磁性体であることが特に好ましい。この理由は、第４および第７の実施形態では、磁性体が磁場中で力を受けることで冷凍機のシャフトが曲がるおそれがあるためである。また第５の実施形態では、磁性体が磁場中で往復運動することで磁気ノイズを発生させて核磁気共鳴の信号を阻害するおそれがあるためである。
【０１２４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換え又は変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１２５】
１０      蓄冷材粒子
１１      蓄冷物質粒子
１１ａ    第１の粒子
１１ｂ    第２の粒子
１２      バインダ
２０      蓄冷材粒子
１００    蓄冷型極低温冷凍機
４００    超電導磁石
５００    核磁気共鳴イメージング装置
６００    クライオポンプ
７００    磁界印加式単結晶引上げ装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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