(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主流方向に流れる作動ガスの寒冷を蓄冷する、ヘリウム冷却式の蓄冷器であって、
当該ヘリウム冷却式の蓄冷器は、内部に蓄冷材となるヘリウムガスが収容される複数の第１の中空管および複数の第２の中空管を有し、
各中空管は、少なくとも一つの端部が開放されており、前記作動ガスは、前記中空管の内部に流通することが可能であり、
前記複数の第１の中空管および前記複数の第２の中空管は、前記主流方向に対して略垂直な方向に配列され、
前記複数の第１の中空管と、前記複数の第２の中空管は、網状の構造となるように相互に対して編み込まれた部分を有することを特徴とするヘリウム冷却式の蓄冷器。
【請求項２】
前記複数の第１の中空管は、実質的に同一の第１の延伸方向に沿って延伸し、および／または前記複数の第２の中空管は、実質的に同一の第２の延伸方向に沿って延伸し、
前記第１の延伸方向と前記第２の延伸方向は、異なることを特徴とする請求項１に記載のヘリウム冷却式の蓄冷器。
【請求項３】
前記第１の延伸方向は、前記第２の延伸方向と実質的に直交していることを特徴とする請求項２に記載のヘリウム冷却式の蓄冷器。
【請求項４】
前記網状の構造となるように相互に対して編み込まれた部分は、前記主流方向に圧延処理されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の蓄冷器。
【請求項５】
前記網状の構造となるように相互に対して編み込まれた部分は、前記主流方向に略垂直な複数の平面上に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の蓄冷器。
【請求項６】
さらに、内部に蓄冷材となるヘリウムガスが収容される複数の第３の中空管を有し、
各第３の中空管は、少なくとも一つの端部が開放されており、前記作動ガスは、前記第３の中空管の内部に流通することが可能であり、
前記複数の第３の中空管は、前記複数の第１の中空管および／または前記複数の第２の中空管に対して編み込まれた部分を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つ記載のヘリウム冷却式の蓄冷器。
【請求項７】
前記中空管の少なくとも一つは、両方の端部が開放されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つ記載のヘリウム冷却式の蓄冷器。
【請求項８】
前記中空管の少なくとも一つは、開放されている端部に、流路抵抗部を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一つ記載のヘリウム冷却式の蓄冷器。
【請求項９】
前記請求項１乃至８のいずれか一つに記載の蓄冷器を備える蓄冷式冷凍機であって、
当該蓄冷式冷凍機は、ＧＭ冷凍機、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機、およびソルベー冷凍機のいずれか一つであることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項１０】
前記請求項９に記載の蓄冷式冷凍機を備えるクライオポンプ。
【請求項１１】
被冷却対象は、超伝導マグネット、Ｘ線検出器、または赤外線検出器のいずれか一つであることを特徴とする請求項９に記載の蓄冷式冷凍機。
【請求項１２】
請求項９に記載の蓄冷式冷凍機によって予冷される冷凍装置であって、
当該冷凍装置は、希釈冷凍機、磁気冷凍機、Ｈｅ３冷凍機、またはＪＴ冷凍機を有することを特徴とする冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄冷器に関し、特に蓄冷式の冷凍機に使用され得る蓄冷器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ギフォード・マクマホン式（ＧＭ）冷凍機、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機、およびソルベー冷凍機等の蓄冷式冷凍機は、１００Ｋ程度の低温から４Ｋ（ケルビン）の極低温までの範囲の寒冷を発生することができ、超電導磁石や検出器等の冷却、クライオポンプ等に用いることができる。
【０００３】
例えば、ＧＭ冷凍機では、圧縮機で圧縮されたヘリウムガスのような作動ガスが蓄冷器に導かれ、蓄冷器内の蓄冷材で予冷される。さらに、作動ガスは、膨張室で膨張仕事に相当した寒冷を発生した後、再び蓄冷器を通過し、圧縮機に戻る。この際に、作動ガスは、次に誘導される作動ガスのため、蓄冷器内の蓄冷材を冷やしながら、蓄冷器を通過する。この行程を１サイクルとすることにより、周期的に寒冷が発生される。
【０００４】
このような蓄冷式冷凍機において、温度が３０Ｋ未満の極低温を発生させることが必要な場合、前述のような蓄冷器の蓄冷材として、ＨｏＣｕ２等の磁性材料が使用される。
【０００５】
また、最近では、ヘリウムガスを蓄冷器の蓄冷材として使用することが検討されている（このような蓄冷器は、ヘリウム冷却式の蓄冷器とも称される）。例えば、特許文献１には、内部にヘリウムガスが充填された多数の熱伝導性カプセルを蓄冷器の蓄冷材として使用することが示されている。
【０００６】
図１には、各温度におけるヘリウムガスとＨｏＣｕ２磁性材料の比熱の変化を示す。この図から明らかなように、約１０Ｋ前後の極低温域では、圧力が１．５ＭＰａ程度のヘリウムガスの比熱は、ＨｏＣｕ２磁性材料の比熱を上回る。従って、このような温度域では、ＨｏＣｕ２磁性材料の代わりにヘリウムガスを使用することにより、より効率的な熱交換を行うことが可能になる。
【０００７】
しかしながら、実際には、特許文献１のようなカプセルを製作することは容易ではない。例えば、４Ｋにおいてカプセル内のヘリウムガスが１．５ＭＰａ程度の圧力を有するためには、室温において、おおよそ１６０ＭＰａ程度の圧力が必要となる。このような高圧のヘリウムが充填されたカプセルは、簡単に製作することはできない。また、このような高圧に耐え得るカプセルを形成しようとすると、カプセルの肉厚がどうしても厚くなってしまい、熱伝導性が低下してしまう。
【０００８】
このため、蓄冷器の内部に、蓄冷器の温度勾配方向、すなわち高温端から低温端に沿って、細長い棒状の容器を配列することが提案されている（特許文献２）。これらの容器は、低温側の端部に孔を有する。従って、この穴を介して、装置の作動ガスとして使用されるヘリウムガスを容器内に流通させることにより、ヘリウム冷却式の蓄冷器を構成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−３７５８２号公報
【特許文献２】特許第２６５０４３７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献２に記載のヘリウム冷却式の蓄冷器では、細長い棒状の容器を、蓄冷器の温度勾配方向に沿って配列させる必要がある。しかしながら、このような配置では、各容器内のヘリウムガスにおいて、高温側から低温側に熱の侵入が生じやすくなる。また、このため、蓄冷器の温度勾配方向に沿って熱伝導が生じやすくなり、蓄冷器の熱損失が大きくなってしまうという問題がある。
【００１１】
本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、本発明では、従来のヘリウム冷却式の蓄冷器に比べて、より熱損失の少ないヘリウム冷却式の蓄冷器を提供することを目的とする。また、そのような蓄冷器を有する各種装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明では、主流方向に流れる作動ガスの寒冷を蓄冷する、ヘリウム冷却式の蓄冷器であって、
当該ヘリウム冷却式の蓄冷器は、内部に蓄冷材となるヘリウムガスが収容される複数の第１の中空管および複数の第２の中空管を有し、
各中空管は、少なくとも一つの端部が開放されており、前記作動ガスは、前記中空管の内部に流通することが可能であり、
前記複数の第１の中空管および前記複数の第２の中空管は、前記主流方向に対して略垂直な方向に配列され、
前記複数の第１の中空管と、前記複数の第２の中空管は、網状の構造となるように相互に対して編み込まれた部分を有することを特徴とするヘリウム冷却式の蓄冷器が提供される。
【００１３】
ここで、本発明によるヘリウム冷却式の蓄冷器において、前記複数の第１の中空管は、実質的に同一の第１の延伸方向に沿って延伸し、および／または前記複数の第２の中空管は、実質的に同一の第２の延伸方向に沿って延伸し、
前記第１の延伸方向と前記第２の延伸方向は、異なっていても良い。
【００１４】
また、本発明によるヘリウム冷却式の蓄冷器において、前記第１の延伸方向は、前記第２の延伸方向と実質的に直交していても良い。
【００１５】
また、本発明によるヘリウム冷却式の蓄冷器において、前記網状の構造となるように相互に対して編み込まれた部分は、前記主流方向に圧延処理されていても良い。
【００１６】
また、本発明によるヘリウム冷却式の蓄冷器は、前記主流方向に沿って、前記網状の構造となるように相互に対して編み込まれた部分の繰り返し構造を有しても良い。
【００１７】
また、本発明によるヘリウム冷却式の蓄冷器は、
さらに、内部に蓄冷材となるヘリウムガスが収容される複数の第３の中空管を有し、
各第３の中空管は、少なくとも一つの端部が開放されており、前記作動ガスは、前記第３の中空管の内部に流通することが可能であり、
前記複数の第３の中空管は、前記複数の第１の中空管および／または前記複数の第２の中空管に対して編み込まれた部分を有しても良い。
【００１８】
また、本発明によるヘリウム冷却式の蓄冷器において、前記中空管の少なくとも一つは、両方の端部が開放されていても良い。
【００１９】
また、本発明によるヘリウム冷却式の蓄冷器において、前記中空管の少なくとも一つは、開放されている端部に、流路抵抗部を有しても良い。
【００２０】
また、本発明では、前述のような蓄冷器を備える蓄冷式冷凍機であって、
当該蓄冷式冷凍機は、ＧＭ冷凍機、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機、およびソルベー冷凍機のいずれか一つであることを特徴とする蓄冷式冷凍機が提供される。
【００２１】
また、本発明では、そのような蓄冷式冷凍機を備えるクライオポンプが提供される。
【００２２】
また、本発明による蓄冷式冷凍機において、被被冷却対象は、超伝導マグネット、Ｘ線検出器、または赤外線検出器のいずれか一つであっても良い。
【００２３】
また、本発明では、前述のような蓄冷式冷凍機によって予冷される冷凍装置であって、
希釈冷凍機、磁気冷凍機、Ｈｅ３冷凍機、またはＪＴ冷凍機を有する冷凍装置が提供される。
【発明の効果】
【００２４】
本発明では、従来のヘリウム冷却式の蓄冷器に比べて、より熱損失の少ないヘリウム冷却式の蓄冷器を提供することができる。また、そのような蓄冷器を有する各種装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】各温度におけるヘリウムガスとＨｏＣｕ２磁性材料の比熱の変化を示したグラフである。
【図２】一般的なＧＭ冷凍機の構成を概略的に示した図である。
【図３】従来のヘリウム冷却式の蓄冷器の一例を概略的に示した図である。
【図４】本発明によるヘリウム冷却式の蓄冷器の一例を概略的に示した断面図である。
【図５】本発明によるヘリウム冷却式の蓄冷器を構成する中空管の一例を模式的に示した図である。
【図６】本発明によるヘリウム冷却式の蓄冷器において、各面上に配置された中空管の配列を示した図である。
【図７】本発明によるヘリウム冷却式の蓄冷器を構成する中空管の別の一例を概略的に示した断面図である。
【図８】本発明によるヘリウム冷却式の蓄冷器を構成する中空管のさらに別の一例を概略的に示した断面図である。
【図９】本発明による蓄冷器を有するパルスチューブ冷凍機の一構成例を概略的に示した図である。
【図１０】本発明による蓄冷器を有するスターリング冷凍機の一構成例を概略的に示した図である。
【図１１】本発明による蓄冷器を有するソルベー冷凍機の一構成例を概略的に示した図である。
【図１２】本発明による蓄冷器を有するクライオポンプの一構成例を概略的に示した図である。
【図１３】本発明による蓄冷式冷凍機により冷却される超伝導磁石を有する超伝導マグネット装置の一構成例を概略的に示した図である。
【図１４】本発明による蓄冷式冷凍機により冷却される放射線検出器を有する放射線検出装置の一構成例を概略的に示した図である。
【図１５】本発明による蓄冷式冷凍機を有する希釈冷凍機の一構成例を概略的に示した図である。
【図１６】本発明による蓄冷式冷凍機により予冷される磁気冷凍機の一構成例を概略的に示した図である。
【図１７】本発明による蓄冷式冷凍機により予冷されるＨｅ３冷凍機の一構成例を概略的に示した図である。
【図１８】本発明による蓄冷式冷凍機により予冷されるＪＴ冷凍機の一構成例を概略的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照して、本発明を説明する。
【００２７】
まず、本発明をより良く理解するため、ヘリウム冷却式の蓄冷器を有する一般的な蓄冷式冷凍機の構成について簡単に説明する。
【００２８】
図２には、蓄冷式冷凍機の一例として、ＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機の概略的な構成図を示す。
【００２９】
ＧＭ冷凍機１は、ガス圧縮機３と、冷凍機として機能する２段式のコールドヘッド１０とを有する。コールドヘッド１０は、第１段冷却部１５と、第２段冷却部５０とを有し、これらの冷却部は、フランジ１２に同軸となるように連結されている。
【００３０】
第１段冷却部１５は、中空状の第１段シリンダ２０と、この第１段シリンダ２０内に、軸方向に往復運動可能に設けられた第１段ディスプレーサ２２と、第１段ディスプレーサ２２内に充填された第１段蓄冷器３０と、第１段シリンダ２０の低温端２３ｂ側の内部に設けられ、第１段ディスプレーサ２２の往復運動により容積が変化する第１段膨張室３１と、第１段シリンダ２０の低温端２３ｂ付近に設けられた第１段冷却ステージ３５とを有する。第１段シリンダ２０の内壁と第１段ディスプレーサ２２の外壁との間には、第１段シール３９が設けられている。
【００３１】
第１段シリンダ２０の高温端２３ａには、第１段蓄冷器３０に対してヘリウムガスを流出入させるため、複数の第１段高温側流通路４０−１が設けられている。また、第１段シリンダ２０の低温端２３ｂには、第１段蓄冷器３０および第１段膨張室３１にヘリウムガスを流出入させるため、複数の第１段低温側流通路４０−２が設けられている。
【００３２】
第２段冷却部５０は、第１段冷却部１５と略同様の構成を有し、中空状の第２段シリンダ５１と、第２段シリンダ５１内に軸方向に往復運動可能に設けられた第２段ディスプレーサ５２と、第２段ディスプレーサ５２内に充填された第２段蓄冷器６０と、第２段シリンダ５１の低温端５３ｂの内部に設けられ、第２段ディスプレーサ５２の往復運動により容積が変化する第２段膨張室５５と、第２段シリンダ５１の低温端５３ｂ付近に設けられた第２段冷却ステージ８５とを有する。第２段シリンダ５１の内壁と第２段ディスプレーサ５２の外壁との間には、第２段シール５９が設けられている。第２段シリンダ５１の高温端５３ａには、第１段蓄冷器３０に対してヘリウムガスを流出入させるため、第２段高温側流通路４０−３が設けられている。また、第２段シリンダ５１の低温端５３ｂには、第２段膨張室５５にヘリウムガスを流出入させるため、複数の第２段低温側流通路５４−２が設けられている。
【００３３】
ＧＭ冷凍機１において、ガス圧縮機３からの高圧のヘリウムガスは、バルブ５および配管７を介して、第１段冷却部１５に供給され、また、低圧のヘリウムガスは、第１段冷却部１５から配管７およびバルブ６を介して、ガス圧縮機３に排気される。第１段ディスプレーサ２２および第２段ディスプレーサ５２は、駆動モータ８により、往復運動される。また、これに連動して、バルブ５およびバルブ６の開閉が行われ、ヘリウムガスの吸排気のタイミングが制御される。
【００３４】
第１段シリンダ２０の高温端２３ａは、例えば室温に設定され、低温端２３ｂは、例えば２０Ｋ〜４０Ｋに設定される。第２段シリンダ５１の高温端５３ａは、例えば２０Ｋ〜４０Ｋに設定され、低温端５３ｂは、例えば４Ｋに設定される。
【００３５】
次に、このような構成のＧＭ冷凍機１の動作について、簡単に説明する。
【００３６】
まず、バルブ５が閉、バルブ６が閉の状態で、第１段ディスプレーサ２２および第２段ディスプレーサ５２が、それぞれ、第１段シリンダ２０および第２段シリンダ５１内の下死点にあるとする。
【００３７】
ここで、バルブ５を開状態とし、排気バルブ６を閉状態とすると、ガス圧縮機３から、高圧のヘリウムガスが第１段冷却部１５に流入する。高圧のヘリウムガスは、第１段高温側流通路４０−１から第１段蓄冷器３０に流入し、第１段蓄冷器３０の蓄冷材によって所定の温度まで冷却される。冷却されたヘリウムガスは、第１段低温側流通路４０−２から第１段膨張室３１に流入する。
【００３８】
第１段膨張室３１へ流入した高圧のヘリウムガスの一部は、第２段高温側流通路４０−３から第２段蓄冷器６０に流入する。このヘリウムガスは、第２段蓄冷器６０の蓄冷材によって、さらに低い所定の温度まで冷却され、第２段低温側流通路５４−２から第２段膨張室５５に流入する。これらの結果、第１段膨張室３１および第２段膨張室５５内は、高圧状態となる。
【００３９】
次に、第１段ディスプレーサ２２および第２段ディスプレーサ５２が上死点に移動するとともに、バルブ５が閉じられる。また、バルブ６が開かれる。これにより、第１段膨張室３１および第２段膨張室５５内のヘリウムガスは、高圧の状態から低圧の状態となり、体積が膨張し、第１段膨張室３１および第２段膨張室５５に寒冷が発生する。また、これにより、第１段冷却ステージ３５および第２段冷却ステ−ジ８５がそれぞれ冷却される。
【００４０】
次に、第１段ディスプレーサ２２および第２段ディスプレーサ５２は、下死点に向かって移動される。これに伴い、低圧のヘリウムガスは、上記の逆の順路を通り、第１段蓄冷器３０および第２段蓄冷器６０をそれぞれ冷却しつつ、バルブ６および配管７を介してガス圧縮機３に戻る。その後、バルブ６が閉じられる。
【００４１】
以上の動作を１サイクルとし、上記動作を繰り返すことにより、第１段冷却ステージ３５、第２段冷却ステージ８５において、それぞれに熱接続された冷却対象物（図示されていない）から熱を吸収し、冷却することができる。
【００４２】
ここで、第２段冷却ステージ８５において、例えば、温度が３０Ｋ未満の極低温を形成することが必要な場合、第２段蓄冷器６０の蓄冷材として、ＨｏＣｕ２等の磁性材料が使用される。
【００４３】
また、最近では、ヘリウムガスを蓄冷器の蓄冷材として使用した、いわゆるヘリウム冷却式の蓄冷器を使用することも提案されている。
【００４４】
図３には、図２に示したようなＧＭ冷凍機１の第２段蓄冷器６０として使用される、従来のヘリウム冷却式の蓄冷器６０Ａの構成を、その周囲の部材とともに示す。図３において、図２と同様の部材には、図２と同一の参照符号が付されている。
【００４５】
図３に示すように、従来のヘリウム冷却式の蓄冷器６０Ａは、図２で示した第２段ディスプレーサ５２内の第２段蓄冷器として使用される。
【００４６】
ヘリウム冷却式の蓄冷器６０Ａは、多数の容器６２を有し、これらの容器６２は、それぞれが細長い棒状の形状を有し、蓄冷器６０Ａの温度勾配方向に沿って（すなわち、第２段シリンダ５１の高温端５３ａから低温端５３ｂに沿って）延伸している。各容器６２は、第２段シリンダ５１の低温端側に孔６５を有する。容器６２内には、蓄冷材として機能するヘリウムガス６８が存在する。
【００４７】
一般に、ヘリウムガスは、ＨｏＣｕ２等の磁性材料に比べて、１０Ｋ近傍での比熱が大きく、ヘリウムガスを蓄冷材として使用することにより、蓄冷器６０Ａ内に流通する作動ガス（ヘリウムガス）をより効率的に冷却させることができる。
【００４８】
しかしながら、このような構成の蓄冷器６０Ａでは、多数の細長い棒状の容器６２が、蓄冷器６０Ａの温度勾配方向に沿って配列されているため、各容器６２内のヘリウムガス６８において、高温端５３ａの側から低温端５３ｂの側に、熱の侵入が生じやすくなる。また、このため、蓄冷器６０Ａの温度勾配方向に沿って熱伝導が生じやすくなり、蓄冷器６０Ａの熱損失が大きくなってしまうという問題がある。
【００４９】
これに対して、本発明によるヘリウム冷却式の蓄冷器は、
内部に蓄冷材となるヘリウムガスが収容される複数の第１の中空管および複数の第２の中空管を有し、
各中空管は、少なくとも一つの端部が開放されており、前記作動ガスは、前記中空管の内部に流通することが可能であり、
前記複数の第１の中空管および前記複数の第２の中空管は、前記主流方向に対して略垂直な方向に配列され、
前記複数の第１の中空管と、前記複数の第２の中空管は、網状の構造となるように相互に対して編み込まれた部分を有することを特徴とする。
【００５０】
本発明による蓄冷器の構成では、内部に蓄冷材となるヘリウムガスが収容される各中空管は、蓄冷器の主流方向に対して垂直な方向に配列されている。また、第１の中空管と第２の中空管は、網状の構造となるように相互に対して編み込まれている。このため、第１の中空管と第２の中空管の間では、相互に接触している接触面積が小さくなり、蓄冷器内での主流方向と平行な方向におけるヘリウムガス（蓄冷材）の熱伝導を小さく抑制することができる。
【００５１】
従って、本発明では、従来のヘリウム冷却式の蓄冷器に比べて、より熱損失の少ないヘリウム冷却式の蓄冷器を提供することができる。
【００５２】
以下、本発明について詳しく説明する。
【００５３】
図４には、本発明によるヘリウム冷却式の蓄冷器の一例を概略的に示す。また、図５には、蓄冷器を構成する中空管の一例を模式的に示す。
【００５４】
図４に示すように、本発明によるヘリウム冷却式の蓄冷器１６０は、一例として、前述のＧＭ冷凍機１の第２段ディスプレーサ５２内に設置されている。
【００５５】
蓄冷器１６０には、第１の流路１６１および第２の流路１６２が設けられ、ヘリウムのような作動ガスは、例えば、第１の流路１６１から第２の流路１６２に向かって、あるいはその逆向きに、主流方向Ｐに沿って移動する。
【００５６】
蓄冷器１６０は、複数の第１の中空管１６５Ａと、複数の第２の中空管１６５Ｂと、これらの中空管１６５Ａ、１６５Ｂの存在しない領域に相当する空間部１７５とで構成される。中空管１６５Ａ、１６５Ｂ内には、蓄冷材となるヘリウムガスが収容される。また、空間部１７５には、作動ガスが流れる。
【００５７】
中空管１６５Ａは、図の上下方向に蛇行しながら、紙面に対して略垂直な方向に延伸している。一方、中空管１６５Ｂは、図の上下方向に蛇行しながら、図のＸ方向に沿って延伸している。
【００５８】
図４に示すように、蓄冷器１６０は、主流方向Ｐに沿って、複数の面１８０（１８０−１、１８０−２、１８０−３...１８０−ｎ）が積層された構成となっており、各面１８０は、中空管１６５Ａ、１６５Ｂの配列を有する。なお、面１８０とは、主流方向Ｐに対して実質的に平行な方向の、仮想上の平面である。
【００５９】
図５に示すように、各中空管１６５Ａ、１６５Ｂは、開放された両端部１６８ａ、１６８ｂと、内側部１７３とを有する。従って、中空管１６５は、両端部１６８ａ、１６８ｂを介して、空間部１７５と連通される。なお、図において、中空管１６５は、略円筒状の形状を有するが、中空管１６５の形状は、これに限られない。中空管１６５は、略四角形状の断面、多角形状の断面、または楕円形状の断面を有しても良い。
【００６０】
図６には、作動ガスの主流方向Ｐに沿って積層される各面１８０の分解構成図が示されている。この図に示すように、第１の面１８０−１には、相互に平行に設置された中空管１６５Ａの配列と、相互に平行に設置された中空管１６５Ｂの配列とを有する。中空管１６５Ａは、第１の方向に配向され、中空管１６５Ｂは、第２の方向に配向されている。
【００６１】
ここで、図６に示すように、各面１８０（１８０−１、１８０−２、１８０−３...１８０−ｎ）において、中空管１６５Ａと中空管１６５Ｂとは、相互に網状に編み込まれた状態で、配置されている。また、このような構成は、以下の第２の面１８０−２〜１８０−ｎにおいても同様であり、すなわち、蓄冷器１６０は、面１８０−１の繰り返し構造を有する。
【００６２】
このような網状構造を積層して構成される本発明による蓄冷器１６０では、主流方向Ｐにおいて、中空管１６５Ａ、１６５Ｂ同士が接触している部分は、極めて少なくなっている。従って、中空管１６５Ａ、１６５Ｂを介した、蓄冷材の高温端側から低温端側に向かう熱伝達は、有意に抑制される。また、この結果、熱損失の少ない蓄冷器１６０が得られる。
【００６３】
ここで、図６の例では、各面１８０における中空管１６５Ａ、１６５Ｂの配向方向は、他の面１８０の中空管１６５Ａ、１６５Ｂの配向方向と実質的に等しくなっている。さらに、図６の例では、第１の方向（中空管１６５Ａの延伸方向）と第２の方向（中空管１６５Ｂの延伸方向）は、実質的に直交している。
【００６４】
しかしながら、図６の構成は、一例であって、中空管１６５Ａ、１６５Ｂの配向方向は、面１８０ごとに異なっていても良い。また、一つの面１８０において、各中空管１６５Ａは、必ずしも同一の方向に配置されている必要はない。同様に、各中空管１６５Ｂは、必ずしも同一の方向に配置されている必要はない。
【００６５】
また、図６の例では、網状構造は、中空管１６５Ａに対して中空管１６５Ｂを編み込むことにより構成されている。しかしながら、網状構造は、さらに、中空管１６５Ａおよび／または中空管１６５Ｂに対して編み込まれた、第３、第４、...第ｎの中空管を有しても良い。
【００６６】
図７には、本発明による蓄冷器１６０に使用される中空管の別の構成を示す。この図の例では、中空管１６５−２は、両端部１６８ａ、１６８ｂに、「流路抵抗部」１７０を有する。ここで、「流路抵抗部」とは、作動ガスが蓄冷材として中空管内に流入し、または中空管内から蓄冷材が作動ガスとして流出する際に、何らかの障壁となる機能を有する部分の総称である。例えば、中空管のある部分が、他の部分に比べて寸法が狭小化されている場合、そのような場所は、「流路抵抗部」となる。
【００６７】
例えば、中空管の延伸軸に対して垂直な方向における流路抵抗部の最大寸法（例えば直径）は、中空管のその他の部分の同方向における最大寸法（例えば直径）に対して、１／２〜１／１０程度であっても良い。例えば、図７に示す例では、両端部１６８ａ、１６８ｂの延伸軸に対して垂直な方向における流路抵抗部１７０の最大寸法（例えば直径）は、中空管１６５−２の内側部１７３の同方向における最大寸法（例えば直径）に対して、１／４程度となっている。
【００６８】
このような流路抵抗部１７０は、作動ガスの中空管１６５−２への流入、中空管１６５−２からの流出に対する抵抗として機能する。従って、中空管１６５−２で構成された蓄冷器では、作動ガスが簡単に中空管内に流入したり、あるいは中空管内のヘリウムガスが簡単に外部に流出したりすることが抑制される。また、これにより、ヘリウムガスの圧力変動、およびそれによる温度変動を抑制することができる。
【００６９】
流路抵抗部１７０の構成態様にもよるが、中空管１６５−２を使用した蓄冷器では、蓄冷式冷凍機（例えばＧＭ冷凍機）の運転が安定化した際、中空管内のヘリウムガスの作動圧力は、０．０１ＭＰａ〜５．０ＭＰａ程度であることが試算されている。また、中空管内のヘリウムガスの圧力変動の振幅は、作動ガスの圧力変動の振幅に比べて十分に小さくなる（例えば１／１０以下となる）ことが試算されている。
【００７０】
なお、図７の例では、流路抵抗部１７０は、中空管１６５−２の両端部１６８ａ、１６８ｂにのみ形成されている。しかしながら、中空管１６５−２の内側部１７３の側に、一つ以上の流路抵抗部を設けても良い。
【００７１】
図８には、本発明による蓄冷器１６０に使用される中空管の別の構成を示す。この図の例では、中空管１６５−３は、一方の端部１６８ｂが封止されている。従って、この中空管１６５−３の場合、ヘリウムガスは、端部１６８ａを介して、空間部１７５と連通される。なお、図８の例では、中空管１６５−３は、一方の端部１６８ａに、流路抵抗部１７０を有する。しかしながら、これは、必ずしも必要ではない。また、中空管１６５−３の内側部１７３の側に、一つ以上の流路抵抗部が設けられても良い。
【００７２】
また、このような網状構造は、作動ガスの主流方向Ｐの側から圧延されていても良い。これにより、網状構造を構成する第１の中空管１６５Ａと第２の中空管１６５Ｂの各々が平坦化される。この場合、網状構造の高さが小さくなり、積層方向により多くの面１８０を積層することができ、より効率的な蓄冷器を構成することができる。
【００７３】
なお、以上の説明では、蓄冷器内において、蓄冷材がヘリウムガスのみで構成される場合）を例に、本発明の構成およびその効果について説明した。しかしながら、本発明において、蓄冷器は、複数の蓄冷材で構成されても良い。例えば、一つの蓄冷器において、高温側では、ＨｏＣｕ２磁性材料を使用し、中低温側では、ヘリウムを使用しても良い。さらに、より低温側に、第３の蓄冷材として、ＧｄＯ２Ｓ２のような磁性材料を使用しても良い。
【００７４】
（本発明による蓄冷器を有する冷凍機）
本発明による蓄冷器１６０は、ＧＭ冷凍機１の他、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機、およびソルベー冷凍機など、各種蓄冷式冷凍機に適用することができる。以下、そのような蓄冷式冷凍機への適用例について、簡単に説明する。
【００７５】
（パルスチューブ冷凍機）
図９には、本発明による蓄冷器を有するパルスチューブ冷凍機の一構成例を概略的に示す。
【００７６】
図９に示すように、このパルスチューブ冷凍機２００は、２段式のパルスチューブ冷凍機である。パルスチューブ冷凍機２００は、ガス圧縮機２１１と、ハウジング部２１０と、該ハウジング部２１０にフランジ２２１を介して連結されたコールドヘッド部２２０とを備えている。
【００７７】
ガス圧縮機２１１は、ハウジング部２１０さらにはコールドヘッド部２２０に、ヘリウムガスのような作動ガスを所定の周期で高圧流入させたり、低圧排気させたりする役割を有する。
【００７８】
ハウジング部２１０は、ハウジング２０５を有し、このハウジング２０５内には、第１段リザーバ２１５Ａ、第２段リザーバ２１５Ｂ、熱交換器２１８ａ、２１９ａ、バルブ２１２、バルブ２１３およびオリフィス２１７等が収容されている。バルブ２１２およびバルブ２１３は、ガス流路２１４を介して、ガス圧縮機２１１に接続されている。
【００７９】
コールドヘッド部２２０は、フランジ２２１に固定された第１段蓄冷管２３１、第１段パルス管２３６、第１段冷却ステージ２３０、第２段蓄冷管２４１、第２段パルス管２４６および第２段冷却ステージ２４０を有する。
【００８０】
第１段蓄冷管２３１は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ２３２と、その内部に設置された蓄冷器２３３を有する。第１段パルス管２３６は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ２３７で構成される。これらのシリンダ２３２、２３７の高温端２３２ａ、２３７ａは、フランジ２２１に接触、固定され、これらのシリンダ２３２、２３７の低温端２３２ｂ、２３７ｂは、第１段冷却ステージ２３０に接触、固定されている。第１段冷却ステージ２３０には、その内部にガス流通路２３８が形成されており、第１段パルス管２３６の低温端２３７ｂと第１段蓄冷管２３１の低温端２３２ｂとが熱交換器２１８ｂおよびガス流路２３８を介して接続されている。第１段冷却ステージ２３０は、図示しない被冷却対象に熱的および機械的に接続され、寒冷が被冷却対象に取り出される。
【００８１】
また、第２段蓄冷管２４１は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ２４２と、その内部に設置された蓄冷器２６０とを有する。第２段パルス管２４６は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ２４７で構成される。第２段蓄冷管２４１のシリンダ２４２の高温端２４２ａは、第１冷却ステージ２３０に接触、固定され、低温端２４２ｂは、第２段冷却ステージ２４０に接触、固定されている。第２段パルス管２４６のシリンダ２４７の高温端２４７ａは、フランジ２２１に接触、固定され、低温端２４７ｂは、第２段冷却ステージ２４０に接触、固定されている。第２段冷却ステージ２４０には、その内部にガス流通路２４８が形成されており、第２段パルス管２４６の低温端２４７ｂと第２段蓄冷管２４１の低温端２４２ｂとが、熱交換器２１９ｂおよびガス流路２４８を介して接続されている。第２段冷却ステージ２４０は、図示しない被冷却対象に熱的および機械的に接続され、寒冷が被冷却対象に取り出される。
【００８２】
パルスチューブ冷凍機２００では、ガス圧縮機２１１から、高圧の作動ガスがバルブ２１２およびガス流路２１４を介して第１段蓄冷管２３１に供給され、また、第１段蓄冷管２３１から低圧の作動ガスがガス流路２１４およびバルブ２１３を介してガス圧縮機２１１に排気される。第１段パルス管２３６の高温端２３７ａには、熱交換器２１８ａおよびオリフィス２１７を介して、第１段リザーバ２１５Ａが接続されている。また、第２段パルス管２４６の高温端２４７ａには、熱交換器２１９ａおよびオリフィス２１７を介して、第２段リザーバ２１５Ｂが接続されている。オリフィス２１７は、第１段パルス管２３６および第２段パルス管２４６において、周期的に変化する作動ガスの圧力変動と体積変化との位相差を調整する役割を果たす。
【００８３】
次に、このように構成されるパルスチューブ冷凍機２００の動作を説明する。まず、バルブ２１２が開状態、バルブ２１３が閉状態になると、高圧の作動ガスが、ガス圧縮機２１１から第１段蓄冷管２３１に流入する。第１段蓄冷管２３１内に流入した作動ガスは、蓄冷器２３３により冷却されて温度を下げながら、第１段蓄冷管２３１の低温端２３２ｂからガス流通路２３８を通り、第１段パルス管２３６の内部に流入する。この際に、第１段パルス管２３６の内部に予め存在していた低圧の作動ガスは、流入した高圧の作動ガスにより圧縮される。これにより、第１段パルス管２３６内の作動ガスの圧力は、第１段リザーバ２１５Ａ内の圧力よりも高くなり、作動ガスは、オリフィス２１７およびガス流路２１６を通って、第１段リザーバ２１５Ａに流入する。
【００８４】
また、第１段蓄冷管２３１で冷却された高圧の作動ガスの一部は、第２段蓄冷管２４１にも流入する。この作動ガスは、蓄冷器２６０によりさらに冷却されて温度を下げながら、第２段蓄冷管２４１の低温端２４２ｂからガス流通路２４８を通り、第２段パルス管２４６の内部に流入する。この際に、第２段パルス管２４６の内部に予め存在していた低圧の作動ガスは、流入した高圧の作動ガスにより圧縮される。これにより、第２段パルス管２４６内の作動ガスの圧力は、第２段リザーバ２１５Ｂ内の圧力よりも高くなり、作動ガスは、オリフィス２１７およびガス流路２１６を通って、第２段リザーバ２１５Ｂに流入する。
【００８５】
次に、バルブ２１２を閉じ、バルブ２１３を開くと、第１段パルス管２３６および第２段パルス管２４６内の作動ガスは、それぞれ、蓄冷器２３３および２６０を冷却しながら、第１段蓄冷管２３１および第２段蓄冷管２４１を通過する。また、第２段蓄冷管２４１を通過した作動ガスは、さらに第１段蓄冷管２３１を通過する。その後、作動ガスは、第１段蓄冷管２３１の高温端２３２ａから排気バルブ２１３を通り、ガス圧縮機２１１に戻る。ここで、第１段パルス管２３６および第２段パルス管２４６は、それぞれ、オリフィス２１７を介して、第１段リザーバ２１５Ａおよび第２段リザーバ２１５Ｂと接続されているため、作動ガスの圧力変動の位相と、作動ガスの体積変化の位相とは、一定の位相差で変化する。この位相差により、第１段パルス管２３６の低温端２３７ｂおよび第２段パルス管２４６の低温端２４７ｂにおいて、作動ガスの膨張による寒冷が発生する。パルスチューブ冷凍機２００は、上記の動作が反復されることで冷凍機として機能する。
【００８６】
ここで、パルスチューブ冷凍機２００の第２段蓄冷管２４１内の蓄冷器２６０には、前述のような本発明による蓄冷器が使用されている。従って、このパルスチューブ冷凍機２００においても、第２段蓄冷管２４１内の蓄冷器２６０において、蓄冷材の高温端側から低温端側に向かう熱伝達は、有意に抑制される。また、この結果、熱損失の少ない蓄冷器２６０が得られる。
【００８７】
（スターリング冷凍機）
図１０には、本発明による蓄冷器を有するスターリング冷凍機の一構成例を概略的に示す。
【００８８】
図１０に示すように、このスターリング冷凍機３００は、ガス圧縮機３１０と、ガス圧縮機３１０から作動ガスがキャピラリーチューブ３０１を介して吸排気され、冷凍機として機能するコールドヘッド３２０とを備える。
【００８９】
ガス圧縮機３１０は、ヨーク３１１、保圧容器３１２、および圧縮ピストン３１３を有する。ヨーク３１１は、圧縮ピストン３１３のシリンダとなる円筒状の溝３１８と、圧縮ピストン３１３に固定された可動コイル３１５が挿入される環状の溝３１９と、溝３１９の外側内壁に埋め込まれた環状の永久磁石３１６とを有する。図には示さないが、可動コイル３１５には、外部電源が接続される。
【００９０】
保圧容器３１２は、ヨーク３１１に固定されている。また、保圧容器３１２の内部には、圧縮ピストン３１３が収容され、ヘリウムガスが充填される保圧空間が形成される。圧縮ピストン３１３と保圧容器３１２とを連結するようにして、ピストン制御スプリング３１４が設けられ、これにより、圧縮ピストン３１３が保圧容器３１２の内壁に接触することが回避される。
【００９１】
コールドヘッド３２０は、ハウジング部３２１と、このハウジング部３２１に連結されたシリンダ３２２と、冷却ステージ３２８とを有する。シリンダ３２２の内部には、蓄冷器３６０が充填されたディスプレーサ３２３が設けられ、シリンダ３２２の低温端３２２ｂには、膨張室３２５が設置される。また、コールドヘッド３２０には、ディスプレーサ３２３を中立点に保つためのディスプレーサ制御スプリング３２４が設置される。
【００９２】
シリンダ３２２の高温端３２２ａの温度は、１０Ｋよりも高い温度に設定され、シリンダ３２２の低温端３２２ｂの温度は、１０Ｋよりも低い温度に設定されることが好ましい。
【００９３】
次に、このようなスターリング冷凍機３００の動作を簡単に説明する。
【００９４】
スターリング冷凍機３００において、外部電源から交流電流を可動コイル３１５に供給すると、圧縮ピストン３１３が紙面の横方向に往復運動する。これにより、溝３１９の空間と、膨張室３２５の空間と、これらを接続するガスが流通する空間とからなる領域において、ヘリウムガスの等温圧縮、等容移送、等温膨張、および等容移送の４行程からなるサイクルが繰り返される。これにより、膨張室３２５に寒冷が発生する。この寒冷は、冷却ステージ３２８を介して被冷却対象に伝えられ、被冷却対象を冷却することができる。
【００９５】
ここで、スターリング冷凍機３００の蓄冷器３６０には、前述のような本発明による蓄冷器が使用されている。従って、このスターリング冷凍機３００においても、ディスプレーサ３２３内の蓄冷器３６０において、蓄冷材の高温端側から低温端側に向かう熱伝達は、有意に抑制される。また、この結果、熱損失の少ない蓄冷器３６０が得られる。
【００９６】
（ソルベー冷凍機）
図１１には、本発明による蓄冷器を有するソルベー冷凍機の一構成例を概略的に示す。
【００９７】
図１１に示すように、このソルベー冷凍機４００は、ガス圧縮機４１１と、蓄冷管４３１と、シリンダ４３６と、冷却ステージ４３０と、バッファタンク４１５とを備える。
【００９８】
ガス圧縮機４１１には、ガス配管４１４を介して、バルブ４１２および４１３が設置される。ガス圧縮機４１１は、蓄冷管４３１に、ヘリウムガスのような作動ガスを所定の周期で高圧流入させたり、低圧排気させたりする役割を有する。
【００９９】
蓄冷管４３１は、高温端４３２ａおよび低温端４３２ｂを有し、蓄冷管４３１の内部には、蓄冷器４６０が設置されている。蓄冷管４３１の高温端４３２ａは、ガス配管４１４を介して、ガス圧縮機４１１と接続される。蓄冷管４３１の低温端４３２ｂは、冷却ステージ４３０に接触、固定されている。
【０１００】
シリンダ４３６は、高温端４３７ａおよび低温端４３７ｂを有し、シリンダ４３６の内部には、ディスプレーサ４５２が設置されている。シリンダ４３６の高温端４３７ａは、オリフィス４１７が設置された配管４１６を介して、バッファタンク４１５に接続されている。シリンダ４３６の低温端４３７ｂは、冷却ステージ４３０に接触、固定されている。シリンダ４３６は、冷却ステージ４３０内に設けられた流通路４３８を介して、蓄冷管４３１と接続されている。
【０１０１】
なお、ソルベー冷凍機４００の基本的な動作は、前述のパルスチューブ冷凍機２００と同様であるため、ここでは、その動作については説明しない。
【０１０２】
ソルベー冷凍機４００の蓄冷器４６０には、前述のような本発明による蓄冷器が使用されている。従って、このソルベー冷凍機４００においても、蓄冷器４６０において、蓄冷材の高温端側から低温端側に向かう熱伝達は、有意に抑制される。また、この結果、熱損失の少ない蓄冷器４６０が得られる。
【０１０３】
（クライオポンプ）
前述のような本発明による蓄冷器を備える蓄冷式冷凍機は、クライオポンプとしても使用することができる。
【０１０４】
図１２には、そのようなクライオポンプ５００の一構成例を概略的に示す。
【０１０５】
クライオポンプ５００は、排気対象の真空槽に吸気口を介して接続された本体部５５１、および冷凍機部５６０を有する。
【０１０６】
本体部５５１は、真空容器５５２を有し、その内部には、シールド部５５４、後述する冷凍機部５６０のコールド部、バッフル５５５、およびクライオパネル５５６等が配置される。なお、図には示していないが、真空容器５５２には、シールド部５５４、バッフル５５５、および／またはクライオパネル５５６等の温度を測定するため、温度計が設置される。また、真空容器５５２には、真空容器５５２の内圧が過度に上昇した際、ガスを真空容器５５２外に逃がすための安全弁等が設けられる。
【０１０７】
冷凍機部５６０は、前述のＧＭ冷凍機１と同様の構成を有する。すなわち、冷凍機部５６０は、圧縮された作動ガスを生成する圧縮器５６１およびＧＭ冷凍機５６３のコールド部を有する。コールド部は、第１段冷却部５７０および第２段冷却部５８０等を備える。
【０１０８】
第１段冷却部５７０は、シリンダ５７１を有する。図には示さないが、シリンダ５７１は、圧縮器５６１からガス流路５６２を介して供給される作動ガスを断熱膨張させるための第１の膨張室および第１の蓄冷器が設けられる。また、第２段冷却部５８０は、シリンダ５８１を有する。圧縮器５６１からガス流路５６２を介して供給される作動ガスを断熱膨張させるための第２の膨張室（図示されていない）および第２の蓄冷器５９０が設けられる。
【０１０９】
第１段冷却部５７０の先端には、８０Ｋ以下に冷却可能な第１段冷却ステージ５７５が設けられている。第２段冷却部５８０の先端には、１０Ｋ以下、例えば４Ｋに冷却可能な第２段冷却ステージ５８５が設けられている。
【０１１０】
シールド部５５４は、円筒状部５５４ａおよびフランジ５５４ｂを有する。フランジ５５４ｂは、第１冷却ステージ５７５に固定される。これにより、フランジ５５４ｂが第１冷却ステージ５７５と熱的に接触し、フランジ５５４ｂおよび円筒状部５５４ａは、第１冷却ステージ５７５と同等の温度まで冷却される。
【０１１１】
バッフル５５５は、シールド部５５４の吸気口側に配置される。バッフル５５５は、上
端および下端が開口されている。また、バッフル５５５は、中空の台錐形状部材で構成され、内径の異なる複数の台錐形状部材が組み合わされる。また、バッフル５５５は、図示されない梁材等によりシールド部５５４と熱接触するように組み合わされる。シールド部５５４は、第１冷却ステージ５７５と熱接触しているので、バッフル５５５に第１冷却ステージ５７５の寒冷が伝えられ、バッフル５５５は、例えば８０Ｋ程度まで冷却される。バッフル５５５は、本体部５５１の内部に流れるガスの方向を調整するとともに、ガスを冷却する役割を有する。バッフル５５５は、ガスに含まれる水蒸気を凝縮し、クライオパネル５５６への熱輻射を低減する。
【０１１２】
クライオパネル５５６は、その頂上部が第２冷却ステージ５８５上に固定され、その頂上部自体、および頂上部から下方に延びる円筒状部には、笠状に形成された金属板が複数、互いに離隔して配設される。クライオパネル５５６は、頂上部が第２冷却ステージ５８５と熱接触しているので、第２冷却ステージ５８５と略同等の温度に保たれる。
【０１１３】
クライオパネル５５６の裏面には、吸着パネルが形成されている。吸着パネルには、熱伝導性の良好なエポキシ樹脂により、活性炭等の吸着剤が固着されている。クライオパネル５５６で凝縮しきれないような水素、ネオン、ヘリウム等を吸着する働きを有する。なお、吸着パネルが形成される箇所は、クライオパネル５５６の裏面に限定されない。
【０１１４】
クライオポンプ５００において、第２段冷却部５８０の蓄冷器５９０には、前述のような本発明による蓄冷器が使用されている。従って、このクライオポンプ５００においても、前述のような本発明の効果を得ることができる。
【０１１５】
ここで、本発明による蓄冷器を有する蓄冷式冷凍機は、各種被冷却対象を冷却することができる。そのような被冷却対象は、超伝導マグネット、Ｘ線または赤外線のような放射線検出装置であっても良い。また、そのような被冷却対象は、蓄冷式冷凍機によって予冷される希釈冷凍機、磁気冷凍機、Ｈｅ３冷凍機、またはＪＴ冷凍機等であっても良い。以下、各構成について簡単に説明する。
【０１１６】
（超伝導マグネット装置）
図１３には、蓄冷式冷凍機により冷却される超伝導磁石を有する超伝導マグネット装置６００の一構成例を概略的に示す。
【０１１７】
超伝導マグネット装置６００は、真空容器６５１と、蓄冷式冷凍機６７０と、強磁場空間６６１に磁場を印加する超電導磁石６６０とを有する。蓄冷式冷凍機６７０は、真空容器６５１内に設置された天板６５２に、コールドヘッドが垂下された状態で設置される。
【０１１８】
蓄冷式冷凍機６７０は、２段式のＧＭ冷凍機であっても良く、図１３の例では、蓄冷式冷凍機６７０は、図２に示したＧＭ冷凍機１と同様の構成を有する。従って、蓄冷式冷凍機６７０の構成の詳細な説明は、省略する。
【０１１９】
蓄冷式冷凍機６７０の第１段冷却ステージ６８５は、熱シールド板６５３により、超電導磁石６６０の超電導コイル６５５に電流を供給する酸化物超電導電流リード６５８に、熱的機械的に接続されている。蓄冷式冷凍機６７０の第２段冷却ステージ６９５は、超電導コイル６５５のコイル冷却ステージ６５４に、熱的機械的に接続されている。コイル冷却ステージ６５４は、超電導コイル６５５に接触されており、第２段冷却ステージ６９５からの寒冷により、超電導コイル６５５は、超電導臨界温度以下に冷却される。
【０１２０】
なお、蓄冷式冷凍機６７０には、ＧＭ冷凍機の代わりに、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機、ソルベー冷凍機等を用いてもよい。
【０１２１】
（放射線検出装置）
図１４には、蓄冷式冷凍機により冷却される放射線検出器を有する放射線検出装置の一構成例を概略的に示す。
【０１２２】
放射線検出装置７００は、圧縮機７１０と、蓄冷式冷凍機７５０と、蓄冷式冷凍機７５０の冷却ステージ７２８に接触固定された放射線検出器７８０と、放射線検出器７８０からの信号を処理する信号処理部７９０とを有する。
【０１２３】
圧縮機７１０および蓄冷式冷凍機７５０は、図１０に示したスターリング冷凍機３００と同様の構成を有する。そのため蓄冷式冷凍機７５０の詳しい説明は、省略する。
【０１２４】
放射線検出器７８０は、各種半導体検出素子を有する。例えば、放射線検出器７８０がＸ線検出素子（例えばＳｉ検出素子、Ｇｅ検出素子）を有する場合、そのような放射線検出装置７００は、Ｘ線を検出するＸ線検出装置となる。また、放射線検出器７８０が赤外線検出素子（例えばＩｎＧａＡｓ  ＰＩＮフォトダイオード）を有する場合、そのような放射線検出装置７００は、赤外線を検出する赤外線検出装置となる。信号処理部７９０には、公知の信号処理回路を使用することができ、信号処理部７９０は、放射線検出器７８０の種類に応じて適宜選択される。
【０１２５】
放射線検出器７８０のそのような半導体検出素子を、冷凍機７５０により生じた寒冷により冷却することで、ノイズが少なくなり、信号対雑音比（ＳＮ比）が向上する。
【０１２６】
（希釈冷凍機装置）
図１５には、蓄冷式冷凍機を有する希釈冷凍機装置の一構成例を概略的に示す。
【０１２７】
希釈冷凍機装置８００は、ヘリウムガスを循環させるポンプ８０１と、蓄冷式冷凍機（ＧＭ冷凍機）８２２と、希釈冷凍機部分８５０とを有する。蓄冷式冷凍機（ＧＭ冷凍機）８２２は、本発明による蓄冷器を有する。
【０１２８】
ポンプ８０１は、トラップ８２１が接続された往路側流路８０２と、復路側流路８０３とに接続されている。従って、ポンプ８０１から送出された３Ｈｅガス（通常は室温）は、トラップ８２１を介して、往路側流路８０２を通り、復路側流路８０３を通って、ポンプ８０１に回収される。
【０１２９】
希釈冷凍機部分８５０は、第１伝熱部８２４ａ、分溜室８０６、第２伝熱部８０９、および混合室８１０を備える。
【０１３０】
分溜室８０６は、３Ｈｅと４Ｈｅとの飽和蒸気圧の差を利用して、３Ｈｅ−４Ｈｅの混合溶液中から３Ｈｅを選択的に取り出す役割を有する。分溜室８０６は、０．５Ｋ〜０．７Ｋに保持される。
【０１３１】
混合室８１０は、１００％の３Ｈｅの濃縮相と、３Ｈｅが４Ｈｅに溶け込んだ４Ｈｅ−６．４％３Ｈｅの希薄相とを有する。２相は、相互に分離しており、密度の差により、上相が濃縮相（３Ｈｅ液）で、下相が希薄相（４Ｈｅ−６．４％３Ｈｅ液）となっている。
【０１３２】
ＧＭ冷凍機８２２のコールドヘッド８２２ｂは、冷却ヘッド８２２ａに接続された伝熱板８２３により、希釈冷凍機部分８５０の第１伝熱部８２４ａと熱的に接続されている。従って、ＧＭ冷凍機８２２で発生した４Ｋ程度の寒冷は、冷却ヘッド８２２ａ〜伝熱板８２３を介して、第１伝熱部８２４ａに伝えられる。
【０１３３】
ＧＭ冷凍機８２２のコールドヘッド８２２ｂおよび希釈冷凍機部分８５０は、真空容器８２５内に収容される。
【０１３４】
往路側流路８０２は、ポンプ８０１〜トラップ８２１〜希釈冷凍機部分８５０の第１伝熱部８２４ａ内に設けられた第１熱交換器８２４〜コンデンサ８０４〜インピーダンス８０５〜分溜室８０６内に設けられた第２熱交換器８０７〜第２伝熱部８０９〜混合室８１０のラインで構成される。
【０１３５】
一方、復路側流路８０３は、混合室８１０〜第２伝熱部８０９〜分溜室８０６〜配管８０３ａ〜ポンプ８０１で構成される。配管８０３ａは、往路側流路８０２内のコンデンサ８０４〜インピーダンス８０５の部分を収容している。
【０１３６】
次に、このように構成された希釈冷凍機装置８００の動作について説明する。
【０１３７】
ポンプ８０１により送り出された３Ｈｅガスは、トラップ８２１を介して、往路側流路８０２に送り込まれる。前述のように、第１伝熱部８２４ａは、ＧＭ冷凍機８２２によって、４Ｋ程度まで冷却されている。このため、３Ｈｅガスは、第１伝熱部８２４ａを通過した際に、第１熱交換器８２４を介して予冷される。さらに、予冷された３Ｈｅガスは、コンデンサ８０４〜インピーダンス８０５を通り、凝縮／液化される。
【０１３８】
液化した３Ｈｅは、さらに、分溜室８０６に送られ、第２熱交換器８０７により、分溜室８０６に収容された液体と熱交換される。３Ｈｅは、０．５Ｋ〜０．７Ｋにまで冷却される。
【０１３９】
さらに、液体３Ｈｅは、第２伝熱部８０８を経て、１００ｍＫ程度にまで冷却され、混合室８１０に送られる。
【０１４０】
前述のように混合室８１０には、１００％の３Ｈｅの濃縮相（上側）と、３Ｈｅが４Ｈｅに溶け込んだ４Ｈｅ−６．４％３Ｈｅの希薄相（下側）とが収容されている。濃縮相側に３Ｈｅが導入されると、３Ｈｅが希薄相（下側相）に溶け込む際に、熱吸収が生じる。これにより、混合室８１０において、数十ｍＫの超低温が発生する。
【０１４１】
なお、分溜室８０６では、希薄相中の３Ｈｅ濃度を維持するため、混合室８１０内の希薄相中から分溜室８０６に向かって、３Ｈｅの移動が生じる。これに伴い、混合室８１０では、１００％３Ｈｅの濃縮相から希薄相への３Ｈｅの溶け込みが連続的に生じる。
【０１４２】
その後、３Ｈｅガスは、復路側流路８０３、すなわち分溜室８０６から配管８０３ａを通り、最終的にポンプ８０１に回収される。その途中で、３Ｈｅガスは、第２伝熱部８０９、および配管８０３ａ部分において、往路側流路８０２を通る３Ｈｅと熱交換される。
【０１４３】
（磁気冷凍機）
図１６には、蓄冷式冷凍機によって冷却される磁気冷凍機の一構成例を概略的に示す。
【０１４４】
磁気冷凍機９００は、パルス励磁される超電導磁石９０１と、この超電導磁石９０１によって形成される磁場空間内に設置された作業物質９０２と、ヒートパイプ９０３を介して、作業物質９０２の設置空間に連通された液体ヘリウム槽９０４とを備える。
【０１４５】
また、磁気冷凍機９００は、ガス注入弁９０６、ガス戻り弁９０７、およびバイパス弁９０８等で構成された弁機構を有し、この弁機構を介して、ＧＭ冷凍機のような予冷用冷凍機９０５と接続される。
【０１４６】
このような磁気冷凍機９００において、超電導磁石９０１を励磁して、作業物質９０２に磁界を加えると、作業物質９０２の温度が上昇する。この際、バイパス弁９０８を閉じ、ガス注入弁９０６およびガス戻り弁９０７を開くと、予冷用冷凍機９０５から、高温廃熱部９０９に冷却ガスが流れ、作業物質９０２の熱が回収される。
【０１４７】
その後、ガス注入弁９０６およびガス戻り弁９０７を閉じ、バイパス弁９０８を開け、超電導磁石の励磁を停止する。これにより、作業物質９０２の温度が低下する。また、作業物質９０２の温度がヘリウムの液化点以下になると、作業物質９０２の表面でヘリウムが凝縮する。
【０１４８】
この凝縮により生じた液体ヘリウムは、ヒートパイプ９０３を通って、液体ヘリウム槽９０４に落下する。また、これにより、液体ヘリウム槽９０４のヘリウムガスが作業物質９０２の収納空間に送られる。
【０１４９】
磁気冷凍機９００では、このような工程を繰り返すことにより、ヘリウムの液化、冷却を行うことができる。
【０１５０】
（Ｈｅ３冷凍機）
図１７には、Ｈｅ３冷凍機装置の一構成例を概略的に示す。
【０１５１】
Ｈｅ３冷凍機装置１０００は、蓄冷式冷凍機部分１００６およびＨｅ３冷凍機部分１０１０を備える。
【０１５２】
また、Ｈｅ３冷凍機装置１０００は、液体Ｈｅ４収容容器１００２を取り囲む第１の熱シールド１００１を有する。容器１００２には、超伝導マグネット１０２０が配置される。また、第１の熱シールド１００１を取り囲むようにして、第２の熱シールド１００４が配置される。これらのシールド１００１、１００４、および容器１００２は、外側真空チャンバ１００５内に収容され、中央孔１００３の周囲に配置される。中央孔１００３の内側にはサンプルが配置される。
【０１５３】
蓄冷式冷凍機部分１００６は、例えばＧＭ冷凍機のような蓄冷式冷凍機で構成される。
蓄冷式冷凍機部分１００６は、外側真空チャンバ１００５の第１のタレット１００７に取付けられる。蓄冷式冷凍機部分１００６は、第２の熱シールド１００４に熱が伝わるように結合された第１の冷却ステージ１００８と、第１の熱シールド１００１に熱が伝わるように結合された第２の冷却ステージ１００９と、を有する。
【０１５４】
蓄冷式冷凍機部分１００６の第１の冷却ステージ１００８は、第２のシールド１００４を約５０Ｋの温度に維持し、第２の冷却ステージ１００９は、第１の熱シールド１００１を約５Ｋに維持する。
【０１５５】
Ｈｅ３冷凍機部分１０１０は、外側真空チャンバ１００５の第２のタレット１０１１に取付けられる。Ｈｅ３冷凍機部分１０１０は、容器１００２の内側に配置された冷却ステージ１０１２を有する。Ｈｅ３冷凍機部分１０１０の第１の部分１０１３は、冷却ステージ１０１２よりも高温になっており、第１の熱シールド１００１と熱的に結合される。第２の部分１０１４は、第１の部分１０１３よりも高温であり、第２の熱シールド１００４と熱的に結合されている。
【０１５６】
Ｈｅ３冷凍機部分１０１０は、室温で作動するＨｅ３コンプレッサ（図示せず）によって駆動される。
【０１５７】
第２の冷却ステージ１００９は、Ｈｅ３冷凍機部分１０１０の第１の部分１０１３への熱伝達により、Ｈｅ３冷凍機部分１０１０を予備冷却するために用いられる。さらに、蓄冷式冷凍機部分１００６の第１の冷却ステージ１００８とＨｅ３冷凍機部分１０１０の第２の部分１０１４の間の熱伝達により、予備冷却が行われても良い。
【０１５８】
このような構成により、Ｈｅ３冷凍機部分１０１０の冷却ステージ１０１２が冷却され、容器１００２の内側において、約２．２Ｋのヘリウムが凝縮される。
【０１５９】
（ＪＴ冷凍機）
図１８には、蓄冷式冷凍機およびＪＴ冷凍機を有する冷凍装置の一構成例を概略的に示す。
【０１６０】
冷凍装置１１００は、圧縮機ユニット１１０１と、冷凍機ユニット１１０２とを備えている。圧縮機ユニット１１０１には、低段側圧縮機１１０３および高段側圧縮機１１０４が設けられている。冷凍機ユニット１１０２には、第１ヒートステーション１１１３および第２ヒートステーション１１１４を有するＧＭ冷凍機１１１２と、ＪＴ弁１１１６を有するＪＴ冷凍機１１１１とが設けられている。
【０１６１】
圧縮機ユニット１１０１において、高段側圧縮機１１０４の吐出側には吐出配管１１０５が接続され、低段側圧縮機１１０３の吸入側には吸入配管１１０９が接続されている。吐出配管１１０５には、油分離器１１０６と吸着器１１０７とが設けられている。吐出配管１１０５は、２本の高圧配管１１０８、１１１０に分岐し、第１の高圧配管１１０８は、ＪＴ冷凍機１１１１に接続され、第２の高圧配管１１１０は、ＧＭ冷凍機１１１２に接続されている。第１高圧配管１１０８には、流量制御弁１１３５と、装置の運転停止時に常温の作動ガスが冷凍機ユニット１１０２に流入することを防止するための開閉弁１１３４とが設けられている。なお、吸入配管１１０９にも、装置の運転停止時に常温の作動ガスが冷凍機ユニット１１０２に流入することを防止するための逆止弁１１２６が設けられている。
【０１６２】
冷凍機ユニット１１０２におけるＪＴ回路１１１５は、高圧ライン１１１７と低圧ライン１１１８とからなり、ＪＴ弁１１１６は、高圧ライン１１１７に設けられている。高圧ライン１１１７には、第１ヒートステーション１１１３に配置された第１予冷部１１１９と、第２ヒートステーション１１１４に配置された第２予冷部１１２０とが設けられている。また、ＪＴ回路１１１５には、高圧ライン１１１７を流れる高圧ヘリウムガスと低圧ライン１１１８を流れる低圧ヘリウムガスとを熱交換させる第１〜第３の熱回収用熱交換器１１２１〜１１２３が設けられている。
【０１６３】
第１高圧配管１１０８には、開閉弁１１２８が設けられ、吸入配管１１０９には、開閉弁１１３０が設けられている。
【０１６４】
冷却運転の際には、開閉弁１１２８および開閉弁１１３０が開放される。これにより、圧縮機１１０３、１１０４から吐出された高圧ヘリウムガスは、第１熱交換器１１２１→第１予冷部１１１９→第２熱交換器１１２２→第２予冷部１１２０→第３熱交換器１１２３の順に冷却された後、ＪＴ弁１１１６において膨張し、極低温レベルの液体ヘリウムとなって、ヘリウムタンク１１３６に流入する。ヘリウムタンク１１３６内で蒸発したヘリウムガスは、低圧ライン１１１８を通じて、圧縮機１１０３、１１０４の吸入配管１１０９に流れ込み、圧縮機１１０３、１１０４によって圧縮された後、再び上記循環動作を繰り返す。
【０１６５】
このような動作により、液体ヘリウムを冷却することができる。
【０１６６】
以上、本発明による蓄冷器の適用対象の一部について説明した。しかしながら、この他にも本発明による蓄冷器が様々な冷凍機に使用することができることは当業者には明らかであろう。
【産業上の利用可能性】
【０１６７】
本発明は、ＧＭ冷凍機、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機、およびソルベー冷凍機などの蓄冷式冷凍機に適用することができる。また、本発明は、そのような蓄冷式冷凍機によって構成または予冷される冷凍装置に適用することができる。
【符号の説明】
【０１６８】
１        ＧＭ冷凍機
３        ガス圧縮機
５、６    バルブ
７        配管
８        駆動モータ
１０      コールドヘッド
１２      フランジ
１５      第１段冷却部
２０      第１段シリンダ
２２      第１段ディスプレーサ
２３ａ    高温端
２３ｂ    低温端
３０      第１段蓄冷器
３１      第１段膨張室
３５      第１段冷却ステージ
３９      第１段シール
４０−１  流通路
４０−２  流通路
４０−３  流通路
５０      第２段冷却部
５１      第２段シリンダ
５２      第２段ディスプレーサ
５３ａ    高温端
５３ｂ    低温端
５４−２  流通路
５５      第２段膨張室
５９      第２段シール
６０      第２段蓄冷器
６０Ａ    従来のヘリウム冷却式の蓄冷器
６２      容器
６５      孔
６８      ヘリウムガス
８５      第２段冷却ステージ
１６０    本発明によるヘリウム冷却式の蓄冷器
１６１    第１の流路
１６２    第２の流路
１６５Ａ、１６５Ｂ  中空管
１６５−２、１６５−３  中空管
１６８ａ、１６８ｂ  端部
１７０    流路抵抗部
１７３    内側部
１７５    空間部
１８０−１  第１の面
１８０−２  第２の面
１８０−３  第３の面
２００    パルスチューブ冷凍機
２０５    ハウジング
２１０    ハウジング部
２１１    ガス圧縮機
２１２、２１３  バルブ
２１４    ガス流路
２１５Ａ  第１段リザーバ
２１５Ｂ  第２段リザーバ
２１７    オリフィス
２２０    コールドヘッド部
２２１    フランジ
２３０    第１段冷却ステージ
２３１    第１段蓄冷管
２３２    シリンダ
２３２ａ、２３７ａ  高温端
２３２ｂ、２３７ｂ  低温端
２３３    蓄冷器
２３６    第１段パルス管
２３７    シリンダ
２３８    ガス流通路
２４０    第２段冷却ステージ
２４１    第２段蓄冷管
２４２    シリンダ
２４２ａ、２４７ａ  高温端
２４２ｂ、２４７ｂ  低温端
２４６    第２段パルス管
２４８    ガス流通路
２４７    シリンダ
２６０    蓄冷器
３００    スターリング冷凍機
３０１    キャピラリーチューブ
３１０    ガス圧縮機
３１１    ヨーク
３１２    保圧容器
３１３    圧縮ピストン
３１４    ピストン制御スプリング
３１５    可動コイル
３１６    永久磁石
３１８、３１９  溝
３２０    コールドヘッド
３２１    ハウジング部
３２２    シリンダ
３２２ａ  高温端
３２２ｂ  低温端
３２３    ディスプレーサ
３２４    ディスプレーサ制御スプリング
３２５    膨張室
３２８    冷却ステージ
３６０    蓄冷器
４００    ソルベー冷凍機
４１１    ガス圧縮機
４１２、４１３  バルブ
４１４    ガス配管
４１５    バッファタンク
４１６    配管
４１７    オリフィス
４３０    冷却ステージ
４３１    蓄冷管
４３２ａ  高温端
４３２ｂ  低温端
４３６    シリンダ
４３７ａ  高温端
４３７ｂ  低温端
４３８    流通路
４５２    ディスプレーサ
４６０    蓄冷器
５００    クライオポンプ
５５１    本体部
５５２    真空容器
５５４    シールド部
５５４ａ  円筒状部
５５４ｂ  フランジ
５５５    バッフル
５５６    クライオパネル
５６０    冷凍機部
５６１    圧縮器
５６２    ガス流路
５６３    ＧＭ冷凍機
５７０    第１段冷却部
５７１    シリンダ
５７５    第１段冷却ステージ
５８０    第２段冷却部
５８１    シリンダ
５８５    第２段冷却ステージ
５９０    第２の蓄冷器
６００    超伝導マグネット装置
６５１    真空容器
６５２    天板
６５３    熱シールド板
６５４    コイル冷却ステージ
６５５    超電導コイル
６５８    酸化物超電導電流リード
６６０    超電導磁石
６６１    強磁場空間
６７０    蓄冷式冷凍機
６８５    第１段冷却ステージ
６９５    第２段冷却ステージ
７００    放射線検出装置
７１０    圧縮機
７２８    冷却ステージ
７５０    蓄冷式冷凍機
７８０    放射線検出器
７９０    信号処理部
８００    希釈冷凍機装置
８０１    ポンプ
８０２    往路側流路
８０３    復路側流路
８０３ａ  配管
８０４    コンデンサ
８０５    インピーダンス
８０６    分溜室
８０７    第２熱交換器
８０９    第２伝熱部
８１０    混合室
８２１    トラップ
８２２    ＧＭ冷凍機
８２２ａ  冷却ヘッド
８２２ｂ  コールドヘッド
８２３    伝熱板
８２４    第１熱交換器
８２４ａ  第１伝熱部
８２５    真空容器
８５０    希釈冷凍機部分
９００    磁気冷凍機
９０１    超電導磁石
９０２    作業物質
９０３    ヒートパイプ
９０４    液体ヘリウム槽
９０５    予冷用冷凍機
９０６    ガス注入弁
９０７    ガス戻り弁
９０８    バイパス弁
９０９    高温廃熱部
１０００  Ｈｅ３冷凍機装置
１００１  第１の熱シールド
１００２  液体Ｈｅ４収容容器
１００３  中央孔
１００４  第２の熱シールド
１００５  外側真空チャンバ
１００６  蓄冷式冷凍機部分
１００７  第１のタレット
１００８  第１の冷却ステージ
１００９  第２の冷却ステージ
１０１０  Ｈｅ３冷凍機部分
１０１１  第２のタレット
１０１２  冷却ステージ
１０１３  第１の部分
１０１４  第２の部分
１０２０  超伝導マグネット
１１００  冷凍装置
１１０１  圧縮機ユニット
１１０２  冷凍機ユニット
１１０３  低段側圧縮機
１１０４  高段側圧縮機
１１０５  吐出配管
１１０６  油分離器
１１０７  吸着器
１１０８、１１１０  高圧配管
１１０９  吸入配管
１１１１  ＪＴ冷凍機
１１１２  ＧＭ冷凍機
１１１３  第１ヒートステーション
１１１４  第２ヒートステーション
１１１５  ＪＴ回路
１１１６  ＪＴ弁
１１１７  高圧ライン
１１１８  低圧ライン
１１１９  第１予冷部
１１２０  第２予冷部
１１２１〜１１２３  熱回収用熱交換器
１１２６  逆止弁
１１２８、１１３０、１１３４  開閉弁
１１３５  流量制御弁。
【図１】
0005465558.tif 000002
【図２】
0005465558.tif 000003
【図３】
0005465558.tif 000004
【図４】
0005465558.tif 000005
【図５】
0005465558.tif 000006
【図６】
0005465558.tif 000007
【図７】
0005465558.tif 000008
【図８】
0005465558.tif 000009
【図９】
0005465558.tif 000010
【図１０】
0005465558.tif 000011
【図１１】
0005465558.tif 000012
【図１２】
0005465558.tif 000013
【図１３】
0005465558.tif 000014
【図１４】
0005465558.tif 000015
【図１５】
0005465558.tif 000016
【図１６】
0005465558.tif 000017
【図１７】
0005465558.tif 000018
【図１８】
0005465558.tif 000019