(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動ガスと熱的に接触する蓄冷材を備える極低温冷凍機であって、
少なくとも１つの冷却段において、前記蓄冷材が、錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金または錫−ガリウム合金を含む、極低温冷凍機。
【請求項２】
請求項１において、前記作動ガスがヘリウムである極低温冷凍機。
【請求項３】
請求項１において、前記極低温冷凍機がギフォード−マクマホン方式冷凍機、パルス管方式冷凍機およびスターリング方式冷凍機からなるグループから選択される極低温冷凍機。
【請求項４】
請求項１において、前記冷凍機によって冷却されてガスを凝縮または吸着する少なくとも１つの極低温パネルを有するクライオポンプを含む極低温冷凍機。
【請求項５】
請求項１において、前記少なくとも１つの冷却段が、少なくとも二層の蓄冷材を有する極低温冷凍機。
【請求項６】
請求項５において、少なくとも一層が錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含み、少なくとも一層が少なくとも１種の希土類元素を含む極低温冷凍機。
【請求項７】
請求項５において、少なくとも一層が錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含み、少なくとも一層が、少なくとも１種の希土類元素と希土類以外の金属との希土類金属間化合物を含む極低温冷凍機。
【請求項８】
請求項５において、少なくとも一層が錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含み、少なくとも一層が希土類元素固溶合金を含む極低温冷凍機。
【請求項９】
請求項１において、前記Ｓｎ−Ｓｂ合金に最低でも０．５重量％のアンチモンが含まれる極低温冷凍機。
【請求項１０】
請求項１において、前記Ｓｎ−Ｓｂ合金が球状の錫−アンチモン合金の粒子を有する極低温冷凍機。
【請求項１１】
請求項１において、前記少なくとも１つの冷却段が、さらに、前記作動ガスと熱的に直接接触するコールドステーションを有する極低温冷凍機。
【請求項１２】
請求項１１において、前記コールドステーションが、銅で構成されている極低温冷凍機。
【請求項１３】
請求項１において、前記蓄冷材が、一般公式Ｓｎ−Ｓｂ−Ｍで表される３成分合金であって、さらなる元素であるＭは、Ｂｉ，Ａｇ，Ｇｅ，Ｃｕ，Ｌａ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｎｄ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｋ，Ｒｈ，Ｓｍ，Ｓｅ，Ｓ，Ｙ，Ｆｅ，Ｉｎ，Ａｌ，Ｃｅ，Ｄｙ，Ｃｄ，Ｔｉ，Ａｕ，Ｐ，Ｐｒ，ＹｂおよびＺｎで構成されたグループから選択される少なくとも１種の元素である極低温冷凍機。
【請求項１４】
請求項１３において、前記Ｓｎ−Ｓｂ−Ｍ合金が、０．０１重量％から４０重量％のＭ、０．１重量％から４３重量％のＳｂ、および５０重量％から９９．５重量％のＳｎで構成される極低温冷凍機。
【請求項１５】
請求項１において、前記Ｓｎ−Ｇａ合金に最大で３．９重量％のガリウムが含まれる極低温冷凍機。
【請求項１６】
請求項５において、少なくとも一層が錫−ガリウム（Ｓｎ−Ｇａ）合金を含み、少なくとも一層が少なくとも１種の希土類元素を含む極低温冷凍機。
【請求項１７】
請求項５において、少なくとも一層が錫−ガリウム（Ｓｎ−Ｇａ）合金を含み、少なくとも一層が、少なくとも１種の希土類元素と希土類以外の金属との希土類金属間化合物を含む極低温冷凍機。
【請求項１８】
請求項５において、少なくとも一層が錫−ガリウム（Ｓｎ−Ｇａ）合金を含み、少なくとも一層が希土類元素固溶合金を含む極低温冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本願は、2008年4月4日付出願の米国仮特許出願第61/123,037号の優先権を主張するものである。
【０００２】
上記米国仮特許出願の全教示内容は、参照によって本願に組み入れたものとする。
【技術分野】
【０００３】
現時点で市場から入手可能な極低温真空ポンプ（クライオポンプ）は、どれも大体は共通の設計概念に基づいている。主な排気面は、通常４〜２５Ｋ（ケルビン）に設定された低温アレイで構成され、この低温アレイは、それよりも高い温度の通常６０〜１３０Ｋ（ケルビン）に設定された輻射シールドで囲まれている。この輻射シールドは、その低温アレイを輻射熱から保護している。輻射シールドは、一般的にハウジングを形成しており、そのハウジングは、一部の開口を除いて閉じた形状をしている。その開口には、主な排気面と真空排気用の作業チャンバとの間に、先行して排気を行う前部アレイが配置されている。
【０００４】
動作時には、まず、水蒸気などの高沸点気体が、上記前部アレイにおいて凝縮する。低沸点気体は、前部アレイを通過して輻射シールド内の体積空間に進入し、前述の低温アレイで凝縮する。当該体積空間内には、低温アレイ以下の温度に設定され、かつ、チャーコールやモレキュラーシーブなどの吸着材で被覆された排気面が、水素などの極低沸点気体を除去する目的で設けられる場合もある。これらの排気面に気体を凝縮および／または吸着させることにより、前述の作業チャンバ内を真空にすることができる。
【０００５】
閉サイクルの極低温冷却装置によって冷却されるシステムでは、当該冷却装置として二段式冷凍機が一般的であり、輻射シールドの後部または側部から突き出して配置されるコールドフィンガを備えている。圧縮機（コンプレッサ）から高圧ラインを介して冷凍機に一般的に高圧ヘリウム冷媒が供給される。冷却装置に用いられるディスプレーサの駆動モータは、一般的に圧縮機または制御装置を介して給電される。
【０００６】
輻射シールドは、第二段の極低温パネルを輻射熱から保護するために、冷凍機の第一段の最低温端部に設けられたヒートシンク（伝熱部；コールドステーションとも称する）に接続された状態で、その第二段の極低温パネルを囲んでいる。前記前部アレイは、輻射シールドの取付具を通して、第一段のヒートシンクによって冷却される。例えば、輻射シールドは、特許文献１に開示された伝熱支柱（thermal strut）を通して冷却される。
【０００７】
なお、極低温冷却装置の最低温の段である第二段のなかでも最も温度の低い部位は、コールドフィンガの先端部である。前述の主な排気面または極低温パネルは、第二段のこの最も低温端部（コールドフィンガの先端部）に設けられたヒートシンク（伝熱部）に接続される。この極低温パネルは、例えば、単なる金属製のプレートもしくはカップ状部材とからなるか、または第二段のヒートシンクを囲み接続された複数の金属製のバッフルであってもよい。また、この第二段の極低温パネルには吸着剤が担持されている。
【０００８】
クライオポンプの信頼性および効率を最大限に高めることを目的に研究かつ洗練された技術の一つとして、ギフォード−マクマホン方式、スターリング方式、パルス管方式等の極低温冷凍機用の蓄冷熱交換器の材料（蓄冷材）が挙げられ、好適な材料の選択に尽力が注がれている。一般的には、低温において高い体積比熱を示す蓄冷熱交換器が好ましいとされる。しかしながら、図１に示すように、大半の金属は、７５Ｋ（ケルビン）未満の温度において体積比熱が急激に減少する。これとは対照的に、ヘリウムの体積比熱は、２５Ｋ（ケルビン）未満で急激に上昇し、約１０Ｋ（ケルビン）でピークを迎える。図１における錫、アンチモン（Ｓｂ）、ヘリウム（Ｈｅ）および鉛の比熱数値は、非特許文献１および非特許文献２に記載されたデータから参照したものである。これら参考文献の全教示内容は、参照によって本願に取り入れたものとする。図１に示す数値のうち、２種類以上の金属の混合物の比熱については、その混合物に含まれる各種純金属の既知の体積比熱値を、混合物における含有率に基づいて算出した。典型的な極低温冷凍機は、第二段の蓄冷熱交換器の成分として鉛（Ｐｂ）を使用するが、これは、鉛（Ｐｂ）が極低温域において比較的高い体積比熱を有するからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第４３５６７０１号明細書
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Thermophysical Properties of Matter: Specific Heat: Metallic Elements and Alloys, Y. S. Touloukian and E. H. Buyco, Vol. 4
【非特許文献２】Specific Heat: Nonmetallic Liquids and Gases,Y. S. Touloukian and T. Makita, Vol. 6 (IFI/Plenum, New York 1970)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、鉛は有毒な金属であり、神経系（特に、幼児の神経系）にダメージを与えたり、血液疾患や脳障害の原因となり得る。鉛や鉛塩（特に、可溶性の鉛塩や強力な酸化剤であるＰｂＯ２）への長期間の曝露は、腎症や疝痛性の腹痛を引き起こす恐れがある。そのため、製品に鉛を使用することは、現在では禁止または制限されており、望ましくないとされる。
【００１２】
他の種類の蓄冷材にも短所がある。例えば、希土類を含む金属間化合物は極めて高価である。さらに、金属間化合物は、一般的な金属化合物に比べて硬質かつ脆弱なので、極低温冷凍機用の蓄冷熱交換器に要求される形状に加工するのが困難である。また、金属間化合物は、通常の冷凍機運転時の機械的な繰り返し衝撃によって容易に粉状に分解するので、その動作性能は比較的乏しい。候補の１つに挙げられるビスマスは、高い体積比熱を有する金属であるものの、極めて高価かつ脆弱なので、蓄冷材において必要とされる球状に加工するのが困難である。また、ビスマスは、容易に粉状に分解するという金属間化合物と同じ短所に加えて、ビスマスの粉末は可燃性であり、かつアルミニウム及び酸素と強く反応するという短所も有する。アルミニウムは極低温冷凍機の構造材料として一般的に使用されているので、冷凍機を分解した際に、ビスマスの粉末と空気の存在下で激しく反応する恐れがある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
したがって、高い体積比熱を有し、長期間の運転で劣化する恐れがなく、所望の形状に作製可能な、安全でしかも低コストの蓄冷熱交換器の材料（蓄冷材）が望まれている。
【００１４】
本発明の一実施形態は、作動ガスと熱的に接触する蓄冷材を備える極低温冷凍機であって、少なくとも１つの冷却段において、蓄冷材が、錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含む極低温冷凍機に関する。特定の一実施形態において、極低温冷凍機は、ギフォード−マクマホン方式である。他の実施形態において、極低温冷凍機は、パルス管方式である。さらに他の実施形態において、極低温冷凍機は、スターリング方式である。さらに他の実施形態において、前述の作動ガスはヘリウムである。ある実施形態において、前述の冷却段は、少なくとも二層の蓄冷材を有する。ある実施形態において、少なくとも一層は錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含み、少なくとも一層は少なくとも１種の希土類元素を含む。他の実施形態において、少なくとも一層は錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含み、少なくとも一層は、少なくとも１種の希土類元素と希土類以外の金属との希土類金属間化合物を含む。さらに他の実施形態において、少なくとも一層は錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含み、少なくとも一層は希土類元素固溶合金を含む。特定の一実施形態において、Ｓｎ−Ｓｂ合金には、最大で約４３重量％のアンチモン、好ましくは、最大で約９．６重量％のアンチモン、より好ましくは、最大で約６．７重量％のアンチモンが含まれる。他の実施形態において、Ｓｎ−Ｓｂ合金には、最低でも約０．５重量％のアンチモンが含まれる。他の実施形態において、Ｓｎ−Ｓｂ合金は、ほぼ球状の錫−アンチモン合金の粒子を有し、このほぼ球状の錫−アンチモン合金の粒子の直径は、約０．０１ｍｍから約３ｍｍである。
【００１５】
極低温冷凍機の他の実施形態において、前述の冷却段は、さらに、作動ガスと熱的に直接接触するコールドステーションを有する。特定の一実施形態において、このコールドステーションは、ほぼ銅で構成されている。
【００１６】
極低温冷凍機の他の実施形態において、前述の蓄冷材は、Ｓｎ−Ｓｂ−Ｍ合金を含む。前記Ｍには、例えば、Ｂｉ，Ａｇ，Ｇｅ，Ｃｕ，Ｌａ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｎｄ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｋ，Ｒｈ，Ｓｍ，Ｓｅ，Ｓ，Ｙ，Ｆｅ，Ｉｎ，Ｃｄ，Ｔｉ，Ａｌ．Ｃｅ，Ｄｙ，Ａｕ，Ｐ，Ｐｒ，ＹｂおよびＺｎで構成されたグループから選択される少なくとも１種の元素が含まれ、Ｓｎ−Ｓｂ−Ｍ合金は、例えば、約０．０１重量％から約４０重量％の前記Ｍ、約０．１重量％から約４３重量％のＳｂ、および約５０重量％から約９９．５重量％のＳｎで構成される。ある実施形態において、前述の冷却段は、少なくとも二層の蓄冷材を有する。ある実施形態において、少なくとも一層はＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金を含み、少なくとも一層は少なくとも１種の希土類元素を含む。他の実施形態において、少なくとも一層はＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金を含み、少なくとも一層は、少なくとも１種の希土類元素と希土類以外の金属との希土類金属間化合物を含む。さらに他の実施形態において、少なくとも一層はＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金を含み、少なくとも一層は希土類元素固溶合金を含む。特定の一実施形態において、Ｓｎ−Ｓｂ−Ｍ合金は、ほぼ球状のＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金の粒子を有し、このほぼ球状のＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金の粒子の直径は、約０．０１ｍｍから約３ｍｍである。
【００１７】
本発明の他の実施形態は、極低温冷凍機を備えるクライオポンプに関するものであり、その極低温冷凍機は、極低温冷媒として機能可能な作動ガスを含有し且つ少なくとも１つのコールドステーションと熱的に接触している少なくとも１つの冷却段と、錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含み且つ作動ガスと熱的に接触する蓄冷材と、前述の少なくとも１つのコールドステーションに接続され且つガスを凝縮または吸着するように構成された少なくとも１つの極低温パネルとを有する。特定の一実施形態において、Ｓｎ−Ｓｂ合金には、最大で約４３重量％のアンチモン、好ましくは、最大で約９．６重量％のアンチモン、より好ましくは、最大で約６．７重量％のアンチモンが含まれる。他の実施形態において、Ｓｎ−Ｓｂ合金には、最低でも約０．５重量％のアンチモンが含まれる。特定の一実施形態において、極低温冷凍機は、ギフォード−マクマホン方式である。他の実施形態において、極低温冷凍機は、パルス管方式である。さらに他の実施形態において、極低温冷凍機は、スターリング方式である。ある実施形態において、作動ガスはヘリウムである。他の実施形態において、クライオポンプは、Ｓｎ−Ｓｂ−Ｍ合金を含む蓄冷材を備える。前記Ｍには、例えば、Ｂｉ，Ａｇ，Ｇｅ，Ｃｕ，Ｌａ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｎｄ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｋ，Ｒｈ，Ｓｍ，Ｓｅ，Ｓ，Ｙ，Ｆｅ，Ｉｎ，Ｃｄ，Ｔｉ，Ａｌ．Ｃｅ，Ｄｙ，Ａｕ，Ｐ，Ｐｒ，ＹｂおよびＺｎで構成されたグループから選択される少なくとも１種の元素が含まれ、そのＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金は、例えば、約０．０１重量％から約４０重量％のＭ、約０．１重量％から約４３重量％のＳｂ、および約５０重量％から約９９．５重量％のＳｎで構成される。
【００１８】
本発明の他の実施形態は、ギフォード−マクマホン方式の極低温冷凍機を備えるクライオポンプに関するものであり、その極低温冷凍機は、互いに同軸である第一段および第二段を備える極低温蓄冷器と、この極低温蓄冷器内に設けられたディスプレーサであって、極低温冷媒として機能可能な作動ガスが圧縮と膨張とを交互にする往復動作に駆動されるディスプレーサと、このディスプレーサ内に配置され、錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含み、前述の作動ガスと熱的に接触する蓄冷材と、前述の同軸の第二段に接続され、ガスを凝縮または吸着する少なくとも１つの極低温パネルとを有する。特定の一実施形態において、錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金には、最大で約４３重量％のアンチモン、好ましくは、最大で約９．６重量％のアンチモン、より好ましくは、最大で約６．７重量％のアンチモンが含まれる。他の実施形態において、Ｓｎ−Ｓｂ合金には、最低でも約０．５重量％のアンチモンが含まれる。
【００１９】
ギフォード−マクマホン方式の極低温冷凍機を備えるクライオポンプの他の実施形態において、前述の蓄冷材は、Ｓｎ−Ｓｂ−Ｍ合金を含む。前記Ｍには、例えば、Ｂｉ，Ａｇ，Ｇｅ，Ｃｕ，Ｌａ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｎｄ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｋ，Ｒｈ，Ｓｍ，Ｓｅ，Ｓ，Ｙ，Ｆｅ，Ｉｎ，Ｃｄ，Ｔｉ，Ａｌ．Ｃｅ，Ｄｙ，Ａｕ，Ｐ，Ｐｒ，ＹｂおよびＺｎで構成されたグループから選択される少なくとも１種の元素が含まれ、そのＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金は、例えば、約０．０１重量％から約４０重量％の前記Ｍ、約０．１重量％から約４３重量％のＳｂ、および約５０重量％から約９９．５重量％のＳｎで構成される。
【００２０】
本発明のさらに他の実施形態は、パルス管方式の極低温冷凍機（パルス管冷凍機）を備えるクライオポンプに関するものであり、その極低温冷凍機は、極低温冷媒として機能可能な作動ガスを収容するバッファタンクと、このバッファタンクと流路連通する第１の熱交換領域と、この第１の熱交換領域と流路連通し、かつ、ガスの圧力波を当該パルス管に沿って伝達するパルス管と、このパルス管と流路連通する第２の熱交換領域と、この第２の熱交換領域と流路連通し、前述の作動ガスと熱的に接触する蓄冷材を収容する空洞部であって、その蓄冷材が錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含む空洞部と、ガスの圧力波を生成するガスの圧力源と、前述の第２の熱交換領域と接続され、ガスを凝縮または吸着する少なくとも１つの極低温パネルとを有する。特定の一実施形態において、前述のパルス管方式の極低温冷凍機を備えるクライオポンプは、さらに、バッファタンクと第１の熱交換領域とに流路連通する流量制限オリフィスを有する。他の実施形態において、流量制限オリフィスは、さらに、調節可能な開口を有する。さらに他の実施形態において、ガスの圧力源は、前述の作動ガスを圧縮と膨張とを交互にする往復動作に駆動されるディスプレーサである。ある実施形態において、前述の作動ガスはヘリウムである。他の実施形態において、前述の蓄冷材は、少なくとも二層の蓄冷材で構成される。さらに他の実施形態において、前述のパルス管方式の極低温冷凍機を備えるクライオポンプは、さらに、前述の作動ガスと熱的に直接接触するコールドステーションを備える。特定の一実施形態において、このコールドステーションは、ほぼ銅で構成されている。さらに他の実施形態において、前述のＳｎ−Ｓｂ合金には、最大で約４３重量％のアンチモン、好ましくは、最大で約９．６重量％のアンチモン、より好ましくは、最大で約６．７重量％のアンチモンが含まれる。他の実施形態において、前述のＳｎ−Ｓｂ合金には、最低でも約０．５重量％のアンチモンが含まれる。他の実施形態において、前述の蓄冷材は、Ｓｎ−Ｓｂ−Ｍ合金を含む。前記Ｍには、例えば、Ｂｉ，Ａｇ，Ｇｅ，Ｃｕ，Ｌａ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｎｄ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｋ，Ｒｈ，Ｓｍ，Ｓｅ，Ｓ，Ｙ，Ｆｅ，Ｉｎ，Ｃｄ，Ｔｉ，Ａｌ．Ｃｅ，Ｄｙ，Ａｕ，Ｐ，Ｐｒ，ＹｂおよびＺｎで構成されたグループから選択される少なくとも１種の元素が含まれ、前述のＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金は、例えば、約０．０１重量％から約４０重量％の前記Ｍ、約０．１重量％から約４３重量％のＳｂ、および約５０重量％から約９９．５重量％のＳｎで構成される。
【００２１】
本発明のさらに他の実施形態は、作動ガスと熱的に接触する蓄冷材を備える極低温冷凍機であって、蓄冷材が、少なくとも１つの冷却段において、錫−ガリウム（Ｓｎ−Ｇａ）合金を含む極低温冷凍機に関する。特定の一実施形態において、極低温冷凍機は、ギフォード−マクマホン方式である。他の実施形態において、極低温冷凍機は、パルス管方式である。さらに他の実施形態において、極低温冷凍機は、スターリング方式である。ある実施形態において、作動ガスはヘリウムである。ある実施形態において、前述の冷却段は、少なくとも二層の蓄冷材を有する。ある実施形態において、少なくとも一層は錫−ガリウム（Ｓｎ−Ｇａ）合金を含み、少なくとも一層は少なくとも１種の希土類元素を含む。他の実施形態において、少なくとも一層は錫−ガリウム（Ｓｎ−Ｇａ）合金を含み、少なくとも一層は、少なくとも１種の希土類元素と希土類以外の金属との希土類金属間化合物を含む。さらに他の実施形態において、少なくとも一層は錫−ガリウム（Ｓｎ−Ｇａ）合金を含み、少なくとも一層は希土類元素固溶合金を含む。特定の一実施形態において、Ｓｎ−Ｇａ合金には、最大で約３．９重量％のガリウムが含まれる。
【００２２】
本発明のさらに他の実施形態は、クライオポンプの極低温動作方法に関する。この方法は、クライオポンプの蓄冷部内において、ディスプレーサを往復動作させる過程を含む。このディスプレーサは、錫−アンチモン合金を含む蓄冷材を収容する。加圧下の作動ガスが蓄冷部内に導入され、ディスプレーサの作用によって膨張し、冷却される。そして、この冷却されたガスによって前述の蓄冷材が冷却される。特定の一実施形態において、作動ガスはヘリウムである。
【００２３】
本発明の他の実施形態は、クライオポンプの極低温動作方法に関するものであり、この方法は、極低温冷媒として機能可能な作動ガスを含有し且つ少なくとも１つのコールドステーションと熱的に接触する少なくとも１つの冷却段と、錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含む、前述の作動ガスと熱的に接触する蓄冷材とを用意する過程を備える。この方法は、さらに、前述の少なくとも１つのコールドステーションに接続された少なくとも１つの極低温パネルに、ガスを凝縮または吸着させる過程を含む。
【００２４】
さらに他の実施形態において、錫−アンチモン合金を含む蓄冷材は、動くディスプレーサ内には収容されず、固定床（fixed bed）に配置されており、圧力パルスにより、作動ガスが、この固定床に配置された蓄冷材を行き来する。特定の一実施形態において、その作動ガスはヘリウムである。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の利点は、高い体積比熱を有し、長期間の運転で劣化する恐れがなく、極低温冷凍機に使用するのに所望の形状に作製可能な、安全でしかも低コストの、錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含む蓄冷材を提供できることにある。本発明の蓄冷材を用いた極低温真空ポンプによって、鉛を含んでいない極低温冷凍機の一部として、半導体製造過程およびその他の電子製品製造過程における清浄な真空環境を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】数種類の金属、２種類以上の金属の組合せ、およびヘリウムガスについて、それらの温度に応じた体積比熱値を表したグラフである。
【図２】三層の蓄冷材および各層に対応する相対温度分布を示す断面図である。
【図３】本発明にかかる蓄冷材を収容したギフォード−マクマホン方式の極低温冷凍機の一実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明にかかる蓄冷材を収容したギフォード−マクマホン方式の極低温冷凍機を備えるクライオポンプの一実施形態を示す断面図である。
【図５】本発明にかかる蓄冷材を収容したパルス管方式の極低温冷凍機を備えるクライオポンプの一実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明にかかる蓄冷材を収容したスターリング方式の別体型極低温冷凍機の一実施形態を示す断面図である。
【図７】本発明にかかる蓄冷材を収容したスターリング方式の一体型極低温冷凍機の一実施形態を示す断面図である。
【図８】本発明にかかる蓄冷材を収容したスターリング方式の別体型極低温冷凍機を備えるクライオポンプの一実施形態を示す断面図である。
【図９】本発明にかかる蓄冷材を収容したスターリング方式の一体型極低温冷凍機を備えるクライオポンプの一実施形態を示す断面図である。
【図１０】９５重量％のＳｎおよび５重量％のＳｂの組成の蓄冷材を用いた場合と、鉛（Ｐｂ）の蓄冷材を用いた場合とについて、極低温冷凍機の第二段に加えられる熱負荷（ワット）に応じた第二段の温度（ケルビン）の変化を比較して表したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
前述の内容は、添付の図面を用いて行う本発明の実施形態についての以下の詳細な説明から、より明らかになる。異なる図をとおして、同一の符号は同一の構成要素または部位を指すものとする。図面は必ずしも縮尺どおりではなく、むしろ、本発明の実施形態を示すことに重点を置いている。
【００２８】
基本的に、金属錫（Ｓｎ）にはヒトに対する毒性がなく、長期間低濃度で摂取しても毒性は生じない。また、成分の錫も、ヒトの健康に影響を生じることはまずない。よって、錫は、クライオポンプ用の極低温冷凍機の蓄冷熱交換器の材料（蓄冷材）に使用される鉛の代替品として、図１に示すように体積比熱特性を著しく損なうことなく利用可能な、環境に配慮した材料といえる。
【００２９】
錫には、常圧及び常温で二種類の同素体が存在する：灰色錫（α錫）と白色錫（β錫）である。１３．２℃以下の温度において、錫は平衡条件下でα錫として存在する。α錫は、シリコンやゲルマニウムと同じく立方晶構造を有する。このα錫（灰色錫）は金属特性に乏しく、光沢のない灰色をした脆い材料である。１３．２℃よりも温度が高くなると、錫は平衡条件下で白色錫（β錫）に変化する。この白色錫（β錫）は展性を有する正方晶構造の金属である。α錫は、錫の展性が重要とされる用途では望ましくない作用を奏し、かつ、α錫への転移は、その転移に伴う体積変化の応力によって微粉化を生じる。また、１３．２℃未満の温度で長期間保持した場合、β錫からα錫への転移はゆっくりと生じる。α錫の形成の潜伏期間は、数ヶ月から１年以上と様々である。このような転移には、α相が表面部で核を形成する潜伏期間、およびα相が経時的にβ相に成長する成長期間（growth phase）の両方が含まれる。結果的に、白色錫の金属表面は、剥がれ易い灰色の微粉体によって被覆される。この過程は、錫病（tin disease）または錫ペストとして知られている。
【００３０】
灰色錫（α錫）の蓄冷材は、極低温の運転サイクルには適していない。というのも、極低温ポンプ（例えば、クライオポンプ）の低温面は、４〜７０ケルビン（−２６９℃から−２０３℃）で動作し、定期的な保守及び再生過程の際には、室温と低温動作温度との間を行ったり来たりするからである。灰色錫への転移は、所定の量のアンチモン（Ｓｂ）を添加し、錫とアンチモンの合金を形成させることで防げる。また、錫と、鉛、ビスマスもしくは両方とを含む錫合金であって、各組成の量または合金全体の量が好適である錫合金を使用することによっても、α錫への転移を防ぐことができる。また、体積比熱、展性などの特性を向上させて且つ熱伝導度を最小化することのできる元素が、合金の阻害元素とならない範囲（量）で添加されてもよい。添加可能な合金元素には、Ｉｎ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｄ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｂｉ，Ｇｅ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｋ，Ｒｈ，Ｓｅ，Ｓ，Ｙ，Ｆｅ，Ａｌ，Ｐ，Ｙｂ，Ｚｎおよび希土類元素が含まれるが、これらに限定されない。
【００３１】
したがって、本発明のある実施形態において、極低温冷凍機を動作させる蓄冷材は、錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含む。基本的に、この蓄冷材は、各々異なる組成比を有する複数の相、および酸化物や炭化物などの不純物相を含むものであってもよい。
【００３２】
一実施形態において、Ｓｎ−Ｓｂ合金には、Ｓｂが、最低でも約０．５重量％、最大で約９．６重量％（固溶限）含まれる。ただし、合金の組成には、最大で約４３重量％のＳｂが含まれてもよい。
【００３３】
他の実施形態において、極低温冷凍機を動作させる蓄冷材は、錫−ガリウム（Ｓｎ−Ｇａ）合金を含む。一実施形態において、前記Ｓｎ−Ｇａ合金には、最大で約３．９重量％（固溶限）のＧａが含まれる。
【００３４】
ある実施形態において、蓄冷材は、一般式：Ｓｎ−Ｓｂ−Ｍ（式中、Ｍは、Ｂｉ，Ａｇ，Ｇｅ，Ｃｕ，Ｌａ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｎｄ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｋ，Ｒｈ，Ｓｍ，Ｓｅ，Ｓ，Ｙ，Ｆｅ，Ｉｎ，Ａｌ，Ｃｅ，Ｄｙ，Ｃｄ，Ｔｉ，Ａｕ，Ｐ，Ｐｒ，Ｙｂ，Ｅｒ，Ｈｏ，ＧｄおよびＺｎで構成されたグループから選択される元素である）で表される三元合金である。ある実施形態において、前記Ｓｎ−Ｓｂ−Ｍ合金は、約０．０１重量％から約４０重量％のＭ、約０．１重量％から約４３重量％のＳｂ、および約５０重量％から約９９．５重量％のＳｎで構成される。
【００３５】
好ましくは、本発明にかかる蓄冷材は、ほぼ一様な直径を有する複数の球体で構成される。これにより、蓄冷材が充填された蓄冷部内における作動媒体（冷媒）（例えば、ヘリウム（Ｈｅ）ガス）の流れ方向の圧力損失を抑え、作動媒体と蓄冷材との熱交換効率を向上させ、さらに、蓄冷部内の熱交換率を一定に維持することができる。
【００３６】
蓄冷材の寸法は、冷凍機の冷却作用及び伝熱特性に大きな影響を及ぼすファクタの一つである。一実施形態において、ほぼ球状の蓄冷材の直径は、約０．０１ｍｍから約３ｍｍの範囲である。
【００３７】
図２に示す他の実施形態において、蓄冷材２００は、材料の層２１０，２２０，２３０を有しており、各層は、冷凍機の各箇所の温度（冷凍機の一端部２１０の高温ＴＨ、中央部２２０の中低温Ｔｌ、他端部２３０の低温ＴＬ）に適した、互いに異なる体積比熱（体積熱容量）を有している。この実施形態において、本発明にかかる蓄冷材は、前記複数の層のうちの少なくとも一層に含まれる。ある実施形態において、少なくとも一層は錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含み、少なくとも一層は少なくとも１種の希土類元素を含む。好適な希土類元素には、例えば、Ｓｃ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ、Ｌｕなどが含まれる。他の実施形態において、少なくとも一層は錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含み、少なくとも一層は、少なくとも１種の希土類元素と希土類以外の金属との希土類金属間化合物を含む。好適な希土類金属間化合物には、例えば、ＨｏＣｕ２、Ｅｒ３Ｎｉ、ＰｒＣｕ２、ＧｄＲｈ、ＧｄＥｒＲｈ、ＥｕＴｅなどが含まれる。さらに他の実施形態において、少なくとも一層は錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含み、少なくとも一層は希土類元素固溶合金を含む。好適な希土類元素固溶合金には、例えば、Ｅｒ−Ｐｒ、Ｌａ−Ｃｅ、Ｃｅ−Ｐｒ、Ｇｄ−Ｔｂ、Ｄｙ−Ｈｏ、Ｅｒ−Ｌａ、Ｈｏ−Ｅｒ、Ｎｄ−Ｓｍ、Ｎｄ−Ｙ、Ｇｄ−Ｙなどが含まれる。
【００３８】
本発明にかかる極低温冷凍機は、複数の冷却段で構成され、最終冷却段の蓄冷熱交換器の少なくとも一部に、合金材が充填されている。例えば、二段膨張方式の冷凍機の場合、本発明にかかる蓄冷材は、第二冷却段に配置された蓄冷器の低温端部に充填される。三段膨張方式の冷凍機の場合、本発明にかかる蓄冷材は、第三段に配置された蓄冷部における低温端部に充填される。この三段方式の冷凍機において、その他の２つの段に配置された蓄冷部は、第三段に比べてそれぞれ順々に高い温度で運転されており、好ましくは、各蓄冷部の運転温度において高い体積比熱を示す他の蓄冷材が充填されている。三段方式の冷凍機の第二段および／または第三段の少なくとも一部には、本発明にかかる蓄冷材が、各段の運転温度および所望の冷却を行うために必要な熱容量に応じて含まれていてもよい。本発明にかかる蓄冷材は、４つ以上の段を備えるシステムにも同様に使用可能である。
【００３９】
本発明にかかる極低温冷凍機には、ギフォード−マクマホン方式の極低温冷凍機、パルス管方式の極低温冷凍機、スターリング方式の極低温冷凍機が含まれる。本発明にかかるギフォード−マクマホン方式の極低温冷凍機の一実施形態を図３に示す。図３において、ギフォード−マクマホン方式の極低温冷凍機１００は、ハウジング１０５を有する。ハウジング１０５は、冷却段である大径の第一段ディスプレーサ（第一段のディスプレーサ）１１０、および第一段ディスプレーサ１１０に対して同軸に接続された冷却段である小径の第二段ディスプレーサ（第二段のディスプレーサ）１１５を備える。第一段のディスプレーサ１１０は、接続された第二段のディスプレーサ１１５と共に、ディスプレーサ用の駆動モータ１２０によって駆動され、シリンダー１０５内を二方向矢印１３１，１３２，１３３が示すように自在に往復動作する。
【００４０】
第一段のディスプレーサ１１０は、第一段の蓄冷材１５０を収容している。一実施形態において、第一段の蓄冷材１５０は、銅もしくはステンレス鋼の網状部材、またはその等価物を含む。
【００４１】
第二段のディスプレーサ１１５の低温側には、本発明にかかる蓄冷材で構成された、極低温用の第二段の蓄冷材１７０が含まれる。本発明のある実施形態において、極低温冷凍機を動作させる蓄冷材は、錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含む。本発明のある実施形態において、蓄冷材は、一般式：Ｓｎ−Ｓｂ−Ｍ（式中、Ｍは、Ｂｉ，Ａｇ，Ｇｅ，Ｃｕ，Ｌａ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｎｄ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｋ，Ｒｈ，Ｓｍ，Ｓｅ，Ｓ，Ｙ，Ｆｅ，Ｉｎ，Ａｌ，Ｃｅ，Ｄｙ，Ａｕ，Ｃｄ，Ｔｉ，Ｐ，Ｐｒ，ＹｂおよびＺｎで構成されたグループから選択される元素である）で表される三元合金である。第二段の蓄冷材１７０は、スクリーンなどの形態で第二段のディスプレーサ１１５内に収容されている。ある実施形態において、第一段の蓄冷材１５０と第二段の蓄冷材１７０は、いずれも、蓄冷器内の対応する箇所の温度に適した体積比熱を有する、少なくとも二層の蓄冷材で構成されている。
【００４２】
第１段ディスプレーサ１１０と第二段のディスプレーサ１１５との間には第１の膨張チャンバ１８０が設けられる。第二段のディスプレーサ１１５の下方に、第２の膨張チャンバ１８５が設けられる。第１の膨張チャンバ１８０の周りには、第一段のコールドステーション１６０が設けられ、第２の膨張チャンバ１８５の周りには、第一段のコールドステーション１６０よりも低い温度である第二段のコールドステーション１９０が設けられる。運転時や定期的な保守時に第一段の温度を上昇させるために、任意で、加熱源１９６を第一段のコールドステーション１６０に接して設けてもよい。同じく、運転時や定期的な保守時に第二段の温度を上昇させるために、任意で、加熱源１９５を第二段のコールドステーション１９０に接して設けてもよい。第二段のコールドステーション１９０の動作温度は約１０Ｋ（ケルビン）から約２５Ｋ（ケルビン）である。よって、第二段のコールドステーション１９０は、極めて低い温度域で凝縮するガスまたはそのような温度域で他の物質に吸着されるガスを排気する真空排気面である。一実施形態において、高い熱伝導度を有する第二段のコールドステーション１９０とヘリウムガスとの間には障害物がなく、そのため、第二段のコールドステーション１９０はヘリウムガスと熱的に直接接触する。他の実施形態において、第一段のコールドステーション１６０と第二段のコールドステーション１９０のいずれか、またはこれらの両方が、ヘリウムガスとの熱的接触の程度を向上させるために銅を含んでいる。
【００４３】
クライオポンプの極低温冷凍機用の作動ガス冷媒は循環している。図３に示す最も基本的なギフォード−マクマホン方式の極低温冷凍機では、圧縮ガス源（圧縮機）が吸気バルブＡを介してシリンダーの第１端部に接続されている。排気ラインの排気バルブＢは、この第１端部から圧縮機の低圧の吸気口へとつながっている。蓄冷器を備えるディスプレーサがシリンダーの第２端部に位置した状態で、排気バルブを閉じて吸気バルブを開くことにより、シリンダーに圧縮ガスが充填される。吸気バルブを開いた状態を維持したまま、ディスプレーサは第１端部へと移動し、これにより、圧縮ガスが蓄冷器を通って第２端部に強制的に追いやられる。ガスは、その蓄冷器を通る際に冷却される。吸気バルブを閉じて排気バルブを開くことにより、ガスは膨張して低圧の排気ラインへ入り、さらに冷却される。このようにしてシリンダー壁の第２端部に形成される温度勾配により、熱負荷からシリンダー内のガスに熱が移動する。排気バルブを開いて吸気バルブを閉じた状態を維持したまま、ディスプレーサは第２端部へと移動し、これにより、ガスが蓄冷器を再び通過するので、冷却ガスに、蓄冷器から熱が戻る。このようにして蓄冷器は冷却され、サイクルが終了する。
【００４４】
クライオポンプへの用途に必要な低温を生成するには、吸入されたガスを、その膨張前に冷却する必要がある。そのために、蓄冷器は、吸入されたガスから熱を取り出して蓄え、その熱を、排気流に放出する。蓄冷器は、ヘリウムが双方向に交互に通過する、反転流方式の熱交換器であるといえる。蓄冷器は、表面積が大きく、高い比熱と低い熱伝導度を有する材料からなる。したがって、蓄冷器は、ヘリウムの温度が高いとヘリウムから熱を受け取り、ヘリウムの温度が低いとヘリウムに熱を放出する。
【００４５】
また、図３に示すように、１０Ｋ（ケルビン）未満の温度を達成する第二の冷凍段（第二段）が、さらに追加されてもよい。図３の装置では、ヘリウムが吸気バルブＡを通って進入し、排気バルブＢを通って排出される。ディスプレーサ用の駆動モータ１２０が第一段のディスプレーサ１１０と第二段のディスプレーサ１１５のそれぞれを駆動する。第一段のディスプレーサ１１０は第一段の蓄冷器１５０を有し、第二段のディスプレーサ１１５は第二段の蓄冷器１７０を有する。第一段の熱負荷１１２と第二段の熱負荷１１７の両方から熱が取り出される。運転時や定期的な保守時に第一段の温度を上昇させるために、任意で、加熱源１９６が第一段に接して設けられてもよい。同じく、運転時や定期的な保守時に第二段の温度を上昇させるために、任意で、加熱源１９５が第二段に接して設けられてもよい。ギフォード−マクマホン方式の極低温冷凍機の基本的な動作は、「New Low-Temperature Gas Expansion Cycle, H. O. McMahon and W. E. Gifford」、「Proceedings of the Cryogenic Engineering Conference, Advances in Cryogenic Engineering, Vol. 5 Part 1, p. 354-372 (Boulder, CO, 1959)」、米国特許第2,906,101号明細書および米国特許第2,966,035号明細書に記載されている。これらの全教示内容は、参照によって本願に組み入れたものとする。
【００４６】
ギフォード−マクマホン方式の極低温冷凍機を備えるクライオポンプの一実施形態を図４に示す。図４において、ギフォード−マクマホン方式に基づくクライオポンプ３００は、真空容器フランジ３３０を有する真空容器３２０を備える。この真空容器３２０は、輻射シールド３２５と、輻射シールド３２５に接続された、前部の排気を行うクライオパネル（極低温パネル）のアレイ３４０と、第二段のコールドステーション１９０に接続されたクライオパネル（極低温パネル）のアレイ３５０とを収容している。なお、第二段のコールドステーション１９０は、極低温冷凍機１０５の第二段のディスプレーサ１１５に接続されている。第二段のディスプレーサ１１５の内側の低温側には、本発明の蓄冷材で構成された、極低温用の第二段の蓄冷材１７０（図４には示さず）が含まれている。図４には、極低温冷凍機１０５の駆動モータ１２０、作動ガスの吸気ラインＡ、排気ラインＢおよび第一段のコールドステーション１６０も示す。ギフォード−マクマホン方式に基づくクライオポンプの構成および動作は、米国特許第4,918,930号明細書に記載されており、その全教示内容は、参照によって本願に組み入れたものとする。
【００４７】
前述した他の実施形態と同じく、ギフォード−マクマホン方式に基づくクライオポンプのある実施形態において、第一段の蓄冷材（図４には示さず）と第二段の蓄冷材（図４には示さず）は、いずれも、蓄冷器内の各々の箇所の温度に適した体積比熱を有する、少なくとも二層で構成されている。本発明の他の実施形態において、極低温冷凍機を動作させる蓄冷材は、錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金または錫−ガリウム（Ｓｎ−Ｇａ）合金を含む。本発明の他の実施形態において、蓄冷材は、一般式：Ｓｎ−Ｓｂ−Ｍ（式中、Ｍは、Ｂｉ，Ａｇ，Ｇｅ，Ｃｕ，Ｌａ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｎｄ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｋ，Ｒｈ，Ｓｍ，Ｓｅ，Ｓ，Ｙ，Ｆｅ，Ｉｎ，Ａｌ，Ｃｅ，Ｄｙ，Ａｕ，Ｃｄ，Ｔｉ，Ｐ，Ｐｒ，ＹｂおよびＺｎで構成されたグループから選択される元素である）で表される三元合金である。
【００４８】
ギフォード−マクマホン方式に基づくクライオポンプのある実施形態において、高い熱伝導度を有する第二段のコールドステーション１９０と作動ガス（例えば、ヘリウム）との間には障害物がなく、これにより、第二段のコールドステーション１９０はヘリウムガスと熱的に直接接触する。他の実施形態において、第一段のコールドステーション１６０、第二段のコールドステーション１９０のいずれか、またはこれらの両方が、ヘリウムガスとの熱的接触の程度を向上させるために銅を含んでいる。
【００４９】
クライオポンプには、パルス管方式の冷凍機（パルス管冷凍機）を備えるものも存在する。パルス管冷凍機は、圧力波がバッファタンクと、パルス管と、蓄冷材を含む部位とを行き来する蓄冷型冷凍機である。圧力波は、ガスピストンとも称される振動気柱を生成し、この振動気柱が、圧縮自在のディスプレーサとして機能し、作動ガスを蓄冷材に通して双方向に行ったり来たりさせる。この過程において、パルス管の一端部が冷却されてコールドステーション領域を生成し、かつ、その反対側の端部の温度が上昇させられてホットステーション領域を生成し、このホットステーション領域を介して熱が冷凍機から放散される。圧力波は、高圧ガスライン及び低圧ガスラインによってパルス管冷凍機に接続された圧縮機によって生成されるか、または音響源やピストンなどの振動源によって生成される。つまり、パルス管冷凍機の低温端部は可動部材を有していない。一部のパルス管冷凍機は、ガスの運動と圧力波との間で適切な位相調節を行うための流動抵抗として機能するオリフィスを、パルス管とバッファタンクとの間に有する。パルス管冷凍機は、一段式でも多段式でもよい。パルス管冷凍機の基本的な動作は、「Development of the Pulse Tube Refrigerator as an Efficient and Reliable Cryocooler, R, Radebaugh, Proceedings of the Institute of Refrigeration, Vol. 96 (London, 1999/2000)」に記載されており、その全教示内容は、参照によって本願に組み入れたものとする。
【００５０】
パルス管方式の冷凍機（パルス管冷凍機）を備えるクライオポンプの一実施形態を図５に示す。図５に示すように、パルス管方式に基づくクライオポンプ４００は、真空フランジ４３０を有する真空容器４２０を備える。この真空容器４２０は、輻射シールド４２５と、前部の排気を行うクライオパネル（極低温パネル）のアレイ４４０と、クライオパネル（極低温パネル）のアレイ４５０とを収容している。パルス管冷凍機４０５は、バルブアセンブリ４５５に接続された高圧ガス吸気口Ａを有する。高圧ガス吸気口Ａは、第一段のパルス管冷凍機アセンブリ４１０と、バッファタンク５００と、第二段のパルス管冷凍機アセンブリ５１０と、低圧ガス排気口Ｂとに流路連通している。第一段のパルス管冷凍機アセンブリ４１０は、第一段のコールドステーション４６０に接続された第一段の蓄冷器１５０を含む。第一段のコールドステーション４６０は、第一段のパルス管４７０と、第一段のホットステーション４８０と、第一段の流量制限オリフィス４９０とに流路連通している。第二段のパルス管冷凍機アセンブリ５１０は、第二段のコールドステーション５６０に接続された第二段の蓄冷器１７０を含む。第二段のコールドステーション５６０は、第二段のパルス管５７０と、第二段のホットステーション５８０と、第二段の流量制限オリフィス５９０とに流路連通している。パルス管方式に基づくクライオポンプの構成品および動作は、米国特許第7,201,004号明細書に記載されており、その全教示内容は、参照によって本願に組み入れたものとする。
【００５１】
図５に示すクライオポンプの一実施形態において、第一段の蓄冷材１５０は、銅の網状部材、またはその等価物を含む。前述した他の実施形態と同じく、パルス管方式に基づくクライオポンプのある実施形態において、第一段の蓄冷材１５０と第二段の蓄冷材１７０は、いずれも、蓄冷器内の各々の箇所の温度に適した体積比熱を有する、少なくとも二層で構成されている。本発明の他の実施形態において、パルス管方式の冷凍機を動作させる蓄冷材は、錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金または錫−ガリウム（Ｓｎ−Ｇａ）合金を含む。本発明の他の実施形態において、蓄冷材は、一般式：Ｓｎ−Ｓｂ−Ｍ（式中、Ｍは、Ｂｉ，Ａｇ，Ｇｅ，Ｃｕ，Ｌａ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｎｄ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｋ，Ｒｈ，Ｓｍ，Ｓｅ，Ｓ，Ｙ，Ｆｅ，Ｉｎ，Ａｌ，Ｃｅ，Ｄｙ，Ａｕ，Ｃｄ，Ｔｉ，Ｐ，Ｐｒ，ＹｂおよびＺｎで構成されたグループから選択される元素である）で表される三元合金である。
【００５２】
パルス管方式に基づくクライオポンプのある実施形態において、高い熱伝導度を有する第二段のコールドステーション５６０と作動ガス（例えば、ヘリウム）との間には障害物がなく、そのため、第二段のコールドステーション５６０はヘリウムガスと熱的に直接接触する。他の実施形態において、第一段のコールドステーション４６０と、第二段のコールドステーション５６０のいずれか、またはこれらの両方が、ヘリウムガスとの熱的接触の程度を向上させるために銅を含んでいる。
【００５３】
クライオポンプには、スターリング方式の冷凍機を備えるものも存在する。スターリング方式の二段式極低温冷凍機の一実施形態を図６に示す。図６に示すように、スターリング方式の冷凍機６００は、圧力波源６１０、圧力波伝達ライン６２０、およびハウジング６２５を有する。ハウジング６２５は、大径の第一段ディスプレーサ（第一段のディスプレーサ）６３０、および第一段ディスプレーサ６３０に対して同軸に接続された小径の第二段ディスプレーサ（第二段のディスプレーサ）６４０を備える。
【００５４】
前述した他の実施形態と同じく、スターリング方式に基づくクライオポンプのある実施形態において、第一段の蓄冷材１５０と第二段の蓄冷材１７０は、いずれも、蓄冷器内の各々の箇所の温度に適した体積比熱を有する、少なくとも二層で構成されている。第一段のディスプレーサ６３０は、第一段の蓄冷材１５０を収容している。一実施形態において、第一段の蓄冷材１５０は、銅もしくはステンレス鋼の網状部材、またはその等価物を含む。
【００５５】
第二段のディスプレーサ６４０の低温側には、本発明にかかる蓄冷材で構成された、極低温用の第二段の蓄冷材１７０が含まれ、この第二段の蓄冷材１７０は、錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含む。
【００５６】
第一段のディスプレーサ６３０の端部であって、圧力波源６１０の遠位側の端部に、第一段のコールドステーション１６０が設けられ、第二段のディスプレーサ６４０の端部であって、第一段のコールドステーション１６０の遠位側の端部に、第一段のコールドステーション１６０よりも低い温度である第二段のコールドステーション１９０が設けられる。第二段のコールドステーション１９０の動作温度は約１０Ｋ（ケルビン）から約２５Ｋ（ケルビン）である。よって、第二段のコールドステーション１９０は、極めて低い温度域で凝縮するガスまたはそのような温度域で他の物質に吸着されるガスを排気する真空排気面である。第一段の熱負荷１１２と第二段の熱負荷１１７の両方から熱が取り出される。スターリング方式の極低温冷凍機の他の実施形態において、圧力波源６１０は、ピストンまたは音響源である。図７に示すスターリング方式の極低温冷凍機のさらに他の実施形態において、圧力波源６１０はハウジング６２５と一体的に構成され、このため、圧力波伝達ライン６２０が不要である。図７に示された全ての構成要素は、図６で既に上記されている。
【００５７】
スターリング方式の二段式極低温冷凍機を備えるクライオポンプの一実施形態を図８に示す。図８に示すように、クライオポンプ７００は、圧力波伝達ライン６２０に接続された圧力波源６１０と、真空容器フランジ３３０を有する真空容器３２０とを備える。この真空容器３２０は、輻射シールド３２５と、輻射シールド３２５に接続された、先行して排気を行うクライオパネル（極低温パネル）のアレイ３４０と、第二段のコールドステーション１９０に接続されたクライオパネル（極低温パネル）のアレイ３５０とを収容している。なお、第二段のコールドステーション１９０は、極低温冷凍機１０５の第二段のディスプレーサ１１５に接続されている。第二段のディスプレーサ１１５の内側の低温側には、本発明の蓄冷材で構成された、極低温用の第二段の蓄冷材１７０（図８には示さず）が含まれ、この第二段の蓄冷材１７０は、錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含む。スターリング方式の極低温冷凍機を備えるクライオポンプの他の実施形態において、圧力波源６１０は、ピストンまたは音響源である。図９に示すスターリング方式の極低温冷凍機に基づくクライオポンプのさらに他の実施形態において、圧力波源６１０は真空容器３２０と一体的に構成され、そのため、圧力波伝達ライン６２０が不要である。図９に示された全ての構成要素は、図８で既に上記されている。
【００５８】
［実施例］
９５重量％のＳｎおよび５重量％のＳｂの組成を有する直径０．２８ｍｍの小球（round shot）からなる蓄冷材を、標準的なギフォード−マクマホン方式の二段式冷凍機に用いて試験した。図３に示すギフォード−マクマホン方式の冷凍機１００の第二段のディスプレーサ１１５の熱交換器１７０内に、一様な寸法および組成を有する上記Ｓｎ−Ｓｂ蓄冷材を充填した。図３に示すように第二段は、銅製のコールドステーション１９０がヘリウムの作動ガス媒体と熱的に直接接触するように構成されている。試験条件には、第一段の様々な温度設定や、ディスプレーサ用の駆動モータ１２０（図３）の様々な往復動速度が含まれる。第一段の温度設定は、第一段への熱負荷を変化させ第一段の所望の温度を維持するように制御した。この状態で、第二段に対する熱負荷を徐々に増加させながら第二段の温度を監視した。図１０は、標準的なギフォード−マクマホン方式の冷凍機において、ディスプレーサを駆動させるモータ速度を７２回転毎分（ｒｐｍ）にして、９５重量％のＳｎおよび５重量％のＳｂの組成の蓄冷材を用いた場合と、鉛（Ｐｂ）の蓄冷材を用いた場合とについて、第二段に加えられる熱負荷（ワット）に応じた第二段の温度の変化を比較して表したグラフである。
【００５９】
本明細書で引用した全ての特許、特許出願公開公報および参考文献の全教示内容は、参照によって本願に組み入れたものとする。
【００６０】
［均等物］
本発明を、実施形態に基づいて詳細に図示かつ説明したが、当業者であれば本発明の範囲を逸脱することなく形態や細部に対して様々な変更が可能であり、そのような変更は、添付の特許請求の範囲に包含される。上記の実施形態はつぎの態様１〜１２８を含む。
［態様１］
作動ガスと熱的に接触する蓄冷材を備える極低温冷凍機であって、
少なくとも１つの冷却段において、前記蓄冷材が、錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含む、極低温冷凍機。
［態様２］
態様１において、前記極低温冷凍機がギフォード−マクマホン方式である極低温冷凍機。
［態様３］
態様１において、前記極低温冷凍機がパルス管方式である極低温冷凍機。
［態様４］
態様１において、前記極低温冷凍機がスターリング方式である極低温冷凍機。
［態様５］
態様１において、前記作動ガスがヘリウムである極低温冷凍機。
［態様６］
態様１において、前記少なくとも１つの冷却段が、少なくとも二層の蓄冷材を有する極低温冷凍機。
［態様７］
態様６において、少なくとも一層が錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含み、少なくとも一層が少なくとも１種の希土類元素を含む極低温冷凍機。
［態様８］
態様６において、少なくとも一層が錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含み、少なくとも一層が、少なくとも１種の希土類元素と希土類以外の金属との希土類金属間化合物を含む極低温冷凍機。
［態様９］
態様６において、少なくとも一層が錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含み、少なくとも一層が希土類元素固溶合金を含む極低温冷凍機。
［態様１０］
態様１において、前記Ｓｎ−Ｓｂ合金に最大で４３重量％のアンチモンが含まれる極低温冷凍機。
［態様１１］
態様１において、前記Ｓｎ−Ｓｂ合金に最大で９．６重量％のアンチモンが含まれる極低温冷凍機。
［態様１２］
態様１において、前記Ｓｎ−Ｓｂ合金に最大で６．７重量％のアンチモンが含まれる極低温冷凍機。
［態様１３］
態様１において、前記Ｓｎ−Ｓｂ合金に最低でも０．５重量％のアンチモンが含まれる極低温冷凍機。
［態様１４］
態様１において、前記Ｓｎ−Ｓｂ合金が球状の錫−アンチモン合金の粒子を有する極低温冷凍機。
［態様１５］
態様１４において、前記球状の前記錫−アンチモン合金の粒子の直径が、０．０１ｍｍから３ｍｍである極低温冷凍機。
［態様１６］
態様１において、前記少なくとも１つの冷却段が、さらに、前記作動ガスと熱的に直接接触するコールドステーションを有する極低温冷凍機。
［態様１７］
態様１６において、前記コールドステーションが、銅で構成されている極低温冷凍機。
［態様１８］
態様１において、前記蓄冷材が、Ｓｎ−Ｓｂ−Ｍ合金であって、前記Ｍは、Ｂｉ，Ａｇ，Ｇｅ，Ｃｕ，Ｌａ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｎｄ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｋ，Ｒｈ，Ｓｍ，Ｓｅ，Ｓ，Ｙ，Ｆｅ，Ｉｎ，Ａｌ，Ｃｅ，Ｄｙ，Ｃｄ，Ｔｉ，Ａｕ，Ｐ，Ｐｒ，ＹｂおよびＺｎで構成されたグループから選択される少なくとも１種の元素である極低温冷凍機。
［態様１９］
態様１８において、前記作動ガスがヘリウムである極低温冷凍機。
［態様２０］
態様１８において、前記少なくとも１つの冷却段が、少なくとも二層の蓄冷材を有する極低温冷凍機。
［態様２１］
態様２０において、少なくとも一層がＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金を含み、少なくとも一層が少なくとも１種の希土類元素を含む極低温冷凍機。
［態様２２］
態様２０において、少なくとも一層がＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金を含み、少なくとも一層が、少なくとも１種の希土類元素と希土類以外の金属との希土類金属間化合物を含む極低温冷凍機。
［態様２３］
態様２０において、少なくとも一層がＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金を含み、少なくとも一層が希土類元素固溶合金を含む極低温冷凍機。
［態様２４］
態様１８において、前記Ｓｎ−Ｓｂ−Ｍ合金が、０．０１重量％から４０重量％のＭ、０．１重量％から４３重量％のＳｂ、および５０重量％から９９．５重量％のＳｎで構成される極低温冷凍機。
［態様２５］
態様２４において、前記Ｓｎ−Ｓｂ−Ｍ合金が、球状のＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金の粒子を有する極低温冷凍機。
［態様２６］
態様２５において、前記球状のＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金の粒子の直径が、０．０１ｍｍから３ｍｍである極低温冷凍機。
［態様２７］
態様１８において、前記少なくとも１つの冷却段が、さらに、前記作動ガスと熱的に直接接触するコールドステーションを有する極低温冷凍機。
［態様２８］
態様２７において、前記コールドステーションが、銅で構成されている極低温冷凍機。
［態様２９］
極低温冷凍機を備えるクライオポンプであって、
前記極低温冷凍機が、
極低温冷媒として機能可能な作動ガスを含有し、少なくとも１つのコールドステーションと熱的に接触している少なくとも１つの冷却段と、
錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含み、前記作動ガスと熱的に接触する蓄冷材と、
前記少なくとも１つのコールドステーションに接続され、ガスを凝縮または吸着する少なくとも１つの極低温パネルと、
を有するクライオポンプ。
［態様３０］
態様２９において、前記極低温冷凍機がギフォード−マクマホン方式であるクライオポンプ。
［態様３１］
態様２９において、前記極低温冷凍機がパルス管方式であるクライオポンプ。
［態様３２］
態様２９において、前記極低温冷凍機がスターリング方式であるクライオポンプ。
［態様３３］
態様２９において、前記作動ガスがヘリウムであるクライオポンプ。
［態様３４］
態様２９において、前記少なくとも１つの冷却段が、少なくとも二層の蓄冷材を有するクライオポンプ。
［態様３５］
態様３４において、少なくとも一層が錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含み、少なくとも一層が少なくとも１種の希土類元素を含むクライオポンプ。
［態様３６］
態様３４において、少なくとも一層が錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含み、少なくとも一層が、少なくとも１種の希土類元素と希土類以外の金属との希土類金属間化合物を含むクライオポンプ。
［態様３７］
態様３４において、少なくとも一層が錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含み、少なくとも一層が希土類元素固溶合金を含むクライオポンプ。
［態様３８］
態様２９において、前記少なくとも１つの冷却段が、前記作動ガスと熱的に直接接触するコールドステーションを有するクライオポンプ。
［態様３９］
態様３８において、前記作動ガスと熱的に直接接触する前記コールドステーションが、銅で構成されているクライオポンプ。
［態様４０］
態様２９において、前記Ｓｎ−Ｓｂ合金に最大で４３重量％のアンチモンが含まれるクライオポンプ。
［態様４１］
態様２９において、前記Ｓｎ−Ｓｂ合金に最大で９．６重量％のアンチモンが含まれるクライオポンプ。
［態様４２］
態様２９において、前記Ｓｎ−Ｓｂ合金に最大で６．７重量％のアンチモンが含まれるクライオポンプ。
［態様４３］
態様２９において、前記Ｓｎ−Ｓｂ合金に最低でも０．５重量％のアンチモンが含まれるクライオポンプ。
［態様４４］
態様２９において、前記Ｓｎ−Ｓｂ合金が、球状の錫−アンチモン合金の粒子を有するクライオポンプ。
［態様４５］
態様４４において、前記球状の前記錫−アンチモン合金の粒子の直径が、０．０１ｍｍから３ｍｍであるクライオポンプ。
［態様４６］
極低温冷凍機を備えるクライオポンプであって、
前記極低温冷凍機が、
極低温冷媒として機能可能な作動ガスを含有し、少なくとも１つのコールドステーションと熱的に接触している少なくとも１つの冷却段と、
Ｓｎ−Ｓｂ−Ｍ合金であって、前記Ｍは、Ｂｉ，Ａｇ，Ｇｅ，Ｃｕ，Ｌａ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｎｄ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｋ，Ｒｈ，Ｓｍ，Ｓｅ，Ｓ，Ｙ，Ｆｅ，Ｉｎ，Ａｌ，Ｃｅ，Ｄｙ，Ｃｄ，Ｔｉ，Ａｕ，Ｐ，Ｐｒ，ＹｂおよびＺｎで構成されたグループから選択される少なくとも１種の元素であるＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金を含み、前記作動ガスと熱的に接触する蓄冷材と、
前記少なくとも１つのコールドステーションに接続され、ガスを凝縮または吸着する少なくとも１つの極低温パネルと、
を有するクライオポンプ。
［態様４７］
態様４６において、前記作動ガスがヘリウムであるクライオポンプ。
［態様４８］
態様４６において、前記少なくとも１つの冷却段が、少なくとも二層の蓄冷材を有するクライオポンプ。
［態様４９］
態様４８において、少なくとも一層がＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金を含み、少なくとも一層が少なくとも１種の希土類元素を含むクライオポンプ。
［態様５０］
態様４８において、少なくとも一層がＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金を含み、少なくとも一層が、少なくとも１種の希土類元素と希土類以外の金属との希土類金属間化合物を含むクライオポンプ。
［態様５１］
態様４８において、少なくとも一層がＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金を含み、少なくとも一層が希土類元素固溶合金を含むクライオポンプ。
［態様５２］
態様４６において、前記少なくとも１つの冷却段が、前記作動ガスと熱的に直接接触するコールドステーションを有するクライオポンプ。
［態様５３］
態様５２において、前記作動ガスと熱的に直接接触する前記コールドステーションが、銅で構成されているクライオポンプ。
［態様５４］
態様４６に記載の蓄冷材であって、前記Ｓｎ−Ｓｂ−Ｍ合金が、０．０１重量％から４０重量％のＭ、０．１重量％から４３重量％のＳｂ、および５０重量％から９９．５重量％のＳｎで構成される蓄冷材。
［態様５５］
態様５４に記載の極低温冷凍機であって、前記Ｓｎ−Ｓｂ−Ｍ合金が、球状のＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金の粒子を有する極低温冷凍機。
［態様５６］
態様５５に記載の極低温冷凍機であって、前記球状のＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金の粒子の直径が、０．０１ｍｍから３ｍｍである極低温冷凍機。
［態様５７］
極低温冷凍機を備えるクライオポンプであって、
前記極低温冷凍機が、
互いに同軸である第一段および第二段を有する蓄冷部内に設けられ、極低温冷媒として機能可能な作動ガスを、圧縮と膨張とを交互にする往復動作に駆動されるディスプレーサと、
前記ディスプレーサ内に配置され、錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含み、前記作動ガスと熱的に接触する蓄冷材と、
前記同軸の第二段に接続され、ガスを凝縮または吸着する少なくとも１つの極低温パネルと、
を有するクライオポンプ。
［態様５８］
態様５７において、前記作動ガスがヘリウムであるクライオポンプ。
［態様５９］
態様５７において、前記蓄冷材が、少なくとも二層の蓄冷材を含むクライオポンプ。
［態様６０］
態様５９において、少なくとも一層が錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含み、少なくとも一層が少なくとも１種の希土類元素を含むクライオポンプ。
［態様６１］
態様５９において、少なくとも一層が錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含み、少なくとも一層が、少なくとも１種の希土類元素と希土類以外の金属との希土類金属間化合物を含むクライオポンプ。
［態様６２］
態様５９において、少なくとも一層が錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含み、少なくとも一層が希土類元素固溶合金を含むクライオポンプ。
［態様６３］
態様５７において、前記同軸の第二段が、前記作動ガスと熱的に直接接触するコールドステーションを有するクライオポンプ。
［態様６４］
態様６３において、前記作動ガスと熱的に直接接触する前記コールドステーションが、銅で構成されているクライオポンプ。
［態様６５］
態様５７において、前記Ｓｎ−Ｓｂ合金に最大で４３重量％のアンチモンが含まれるクライオポンプ。
［態様６６］
態様５７において、前記Ｓｎ−Ｓｂ合金に最大で９．６重量％のアンチモンが含まれるクライオポンプ。
［態様６７］
態様５７において、前記Ｓｎ−Ｓｂ合金に最大で６．７重量％のアンチモンが含まれるクライオポンプ。
［態様６８］
態様５７において、前記Ｓｎ−Ｓｂ合金に最低でも０．５重量％のアンチモンが含まれるクライオポンプ。
［態様６９］
態様５７において、前記Ｓｎ−Ｓｂ合金が、球状の錫−アンチモン合金の粒子を有するクライオポンプ。
［態様７０］
態様６９において、前記球状の前記錫−アンチモン合金の粒子の直径が、０．０１ｍｍから３ｍｍであるクライオポンプ。
［態様７１］
極低温冷凍機を備えるクライオポンプであって、
前記極低温冷凍機が、
互いに同軸である第一段および第二段を有する蓄冷部内に設けられ、極低温冷媒として機能可能な作動ガスを、圧縮と膨張とを交互にする往復動作に駆動されるディスプレーサと、
前記ディスプレーサ内に配置され、Ｓｎ−Ｓｂ−Ｍ合金であって、前記Ｍは、Ｂｉ，Ａｇ，Ｇｅ，Ｃｕ，Ｌａ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｎｄ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｋ，Ｒｈ，Ｓｍ，Ｓｅ，Ｓ，Ｙ，Ｆｅ，Ｉｎ，Ａｌ，Ｃｅ，Ｄｙ，Ｃｄ，Ｔｉ，Ａｕ，Ｐ，Ｐｒ，ＹｂおよびＺｎで構成されたグループから選択される少なくとも１種の元素であるＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金を含み、前記作動ガスと熱的に接触する蓄冷材と、
前記同軸の第二段に接続され、ガスを凝縮または吸着する少なくとも１つの極低温パネルと、
を有するクライオポンプ。
［態様７２］
態様７１において、前記作動ガスがヘリウムであるクライオポンプ。
［態様７３］
態様７１において、前記蓄冷材が、少なくとも二層の蓄冷材を含むクライオポンプ。
［態様７４］
態様７３において、少なくとも一層がＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金を含み、少なくとも一層が少なくとも１種の希土類元素を含むクライオポンプ。
［態様７５］
態様７３において、少なくとも一層がＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金を含み、少なくとも一層が、少なくとも１種の希土類元素と希土類以外の金属との希土類金属間化合物を含むクライオポンプ。
［態様７６］
態様７３において、少なくとも一層がＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金を含み、少なくとも一層が希土類元素固溶合金を含むクライオポンプ。
［態様７７］
態様７１において、前記同軸の第二段が、前記作動ガスと熱的に直接接触するコールドステーションを有するクライオポンプ。
［態様７８］
態様７７において、前記作動ガスと熱的に直接接触する前記コールドステーションが、銅で構成されているクライオポンプ。
［態様７９］
態様７１に記載の蓄冷材であって、前記Ｓｎ−Ｓｂ−Ｍ合金が、０．０１重量％から４０重量％のＭ、０．１重量％から４３重量％のＳｂ、および５０重量％から９９．５重量％のＳｎで構成される蓄冷材。
［態様８０］
態様７９に記載の極低温冷凍機であって、前記Ｓｎ−Ｓｂ−Ｍ合金が、球状のＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金の粒子を有する極低温冷凍機。
［態様８１］
態様８０に記載の極低温冷凍機であって、前記球状のＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金の粒子の直径が、０．０１ｍｍから３ｍｍである極低温冷凍機。
［態様８２］
極低温冷凍機を備えるクライオポンプであって、
前記極低温冷凍機が、
極低温冷媒として機能可能な作動ガスを収容するバッファタンクと、
前記バッファタンクと流路連通する第１の熱交換領域と、
前記第１の熱交換領域と流路連通し、かつ、ガスの圧力波を当該パルス管に沿って伝達するパルス管と、
前記パルス管と流路連通する第２の熱交換領域と、
前記第２の熱交換領域と流路連通し、前記作動ガスと熱的に接触する蓄冷材を収容する空洞部であって、前記蓄冷材が錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含む空洞部と、
ガスの圧力波を生成する、ガスの圧力源と、
前記第２の熱交換領域と接続され、ガスを凝縮または吸着する少なくとも１つの極低温パネルと、
を有するクライオポンプ。
［態様８３］
態様８２において、さらに、
前記バッファタンクと前記第１の熱交換領域とに流路連通する流量制限オリフィスを有するクライオポンプ。
［態様８４］
態様８２において、前記流量制限オリフィスが、さらに、調節可能な開口を有するクライオポンプ。
［態様８５］
態様８２において、前記ガスの圧力源が、前記作動ガスを圧縮と膨張とを交互にする往復動作に駆動されるピストンであるクライオポンプ。
［態様８６］
態様８２において、前記作動ガスがヘリウムであるクライオポンプ。
［態様８７］
態様８２において、前記蓄冷材が、少なくとも二層の蓄冷材を含むクライオポンプ。
［態様８８］
態様８７において、少なくとも一層が錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含み、少なくとも一層が少なくとも１種の希土類元素を含むクライオポンプ。
［態様８９］
態様８７において、少なくとも一層が錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含み、少なくとも一層が、少なくとも１種の希土類元素と希土類以外の金属との希土類金属間化合物を含むクライオポンプ。
［態様９０］
態様８７において、少なくとも一層が錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含み、少なくとも一層が希土類元素固溶合金を含むクライオポンプ。
［態様９１］
態様８２において、前記第２の熱交換領域が、前記作動ガスと熱的に直接接触するコールドステーションを有するクライオポンプ。
［態様９２］
態様９１において、前記作動ガスと熱的に直接接触する前記コールドステーションが、銅で構成されているクライオポンプ。
［態様９３］
態様８２において、前記Ｓｎ−Ｓｂ合金に最大で４３重量％のアンチモンが含まれるクライオポンプ。
［態様９４］
態様８２において、前記Ｓｎ−Ｓｂ合金に最大で９．６重量％のアンチモンが含まれるクライオポンプ。
［態様９５］
態様８２において、前記Ｓｎ−Ｓｂ合金に最大で６．７重量％のアンチモンが含まれるクライオポンプ。
［態様９６］
態様８２において、前記Ｓｎ−Ｓｂ合金に最低でも０．５重量％のアンチモンが含まれるクライオポンプ。
［態様９７］
態様８２において、前記Ｓｎ−Ｓｂ合金が、球状の錫−アンチモン合金の粒子を有するクライオポンプ。
［態様９８］
態様９７において、前記球状の前記錫−アンチモン合金の粒子の直径が、０．０１ｍｍから３ｍｍであるクライオポンプ。
［態様９９］
極低温冷凍機を備えるクライオポンプであって、
前記極低温冷凍機が、
極低温冷媒として機能可能な作動ガスを収容するバッファタンクと、
前記バッファタンクと流路連通する第１の熱交換領域と、
前記第１の熱交換領域と流路連通し、かつ、ガスの圧力波を当該パルス管に沿って伝達するパルス管と、
前記パルス管と流路連通する第２の熱交換領域と、
前記第２の熱交換領域と流路連通し、前記作動ガスと熱的に接触する蓄冷材を収容する空洞部であって、前記蓄冷材がＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金であって、前記Ｍは、Ｂｉ，Ａｇ，Ｇｅ，Ｃｕ，Ｌａ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｎｄ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｋ，Ｒｈ，Ｓｍ，Ｓｅ，Ｓ，Ｙ，Ｆｅ，Ｉｎ，Ａｌ，Ｃｅ，Ｄｙ，Ｃｄ，Ｔｉ，Ａｕ，Ｐ，Ｐｒ，ＹｂおよびＺｎで構成されたグループから選択される少なくとも１種の元素であるＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金を含む空洞部と、
ガスの圧力波を生成するガスの圧力源と、
前記第２の熱交換領域と接続され、ガスを凝縮または吸着する少なくとも１つの極低温パネルと、
を有するクライオポンプ。
［態様１００］
態様９９において、さらに、
前記バッファタンクと前記第１の熱交換領域とに流路連通する流量制限オリフィスを有するクライオポンプ。
［態様１０１］
態様９９において、前記流量制限オリフィスが、さらに、調節可能な開口を有するクライオポンプ。
［態様１０２］
態様９９において、前記ガスの圧力源が、前記作動ガスを圧縮と膨張とを交互にする往復動作に駆動されるピストンであるクライオポンプ。
［態様１０３］
態様９９において、前記作動ガスがヘリウムであるクライオポンプ。
［態様１０４］
態様９９において、前記蓄冷材が、少なくとも二層の蓄冷材を含むクライオポンプ。
［態様１０５］
態様１０４において、少なくとも一層がＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金を含み、少なくとも一層が少なくとも１種の希土類元素を含むクライオポンプ。
［態様１０６］
態様１０４において、少なくとも一層がＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金を含み、少なくとも一層が、少なくとも１種の希土類元素と希土類以外の金属との希土類金属間化合物を含むクライオポンプ。
［態様１０７］
態様１０４において、少なくとも一層がＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金を含み、少なくとも一層が希土類元素固溶合金を含むクライオポンプ。
［態様１０８］
態様９９において、前記第２の熱交換領域が、前記作動ガスと熱的に直接接触するコールドステーションを有するクライオポンプ。
［態様１０９］
態様１０８において、前記作動ガスと熱的に直接接触する前記コールドステーションが、銅で構成されているクライオポンプ。
［態様１１０］
態様９９に記載の蓄冷材であって、前記Ｓｎ−Ｓｂ−Ｍ合金が、０．０１重量％から４０重量％のＭ、０．１重量％から４３重量％のＳｂ、および５０重量％から９９．５重量％のＳｎで構成される蓄冷材。
［態様１１１］
態様１１０に記載の極低温冷凍機であって、前記Ｓｎ−Ｓｂ−Ｍ合金が、球状のＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金の粒子を有する極低温冷凍機。
［態様１１２］
態様１１１に記載の極低温冷凍機であって、前記球状のＳｎ−Ｓｂ−Ｍ合金の粒子の直径が、０．０１ｍｍから３ｍｍである極低温冷凍機。
［態様１１３］
クライオポンプを極低温で動作させる方法であって、
前記クライオポンプの蓄冷部内において、錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含む蓄冷材を収容したディスプレーサを往復動作させる過程と、
加圧下の作動ガスを前記蓄冷部内に導入する過程と、
を含み、前記ディスプレーサの往復動作および前記作動ガスの圧力の低下により、当該作動ガスが膨張して冷却され、この冷却されたガスによって前記蓄冷材が冷却される、クライオポンプの極低温動作方法。
［態様１１４］
態様１１３において、前記作動ガスがヘリウムである、クライオポンプの極低温動作方法。
［態様１１５］
クライオポンプを極低温域で動作させる冷凍機であって、
クライオポンプの蓄冷部内において、錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含む蓄冷材を収容したディスプレーサを往復動作に駆動させる手段と、
加圧下の作動ガスを前記蓄冷部内に導入する手段と、
前記作動ガスと前記蓄冷材との間で熱交換する手段と、
を備える冷凍機。
［態様１１６］
態様１１５において、前記作動ガスがヘリウムである冷凍機。
［態様１１７］
クライオポンプを極低温で動作させる方法であって、
極低温冷媒として機能可能な作動ガスを含有し、少なくとも１つのコールドステーションと熱的に接触する少なくとも１つの冷却段と、錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金を含む、前記作動ガスと熱的に接触する蓄冷材とを用意する過程と、
前記少なくとも１つのコールドステーションに接続された少なくとも１つの極低温パネルに、ガスを凝縮または吸着させる過程と、
を含む、クライオポンプの極低温動作方法。
［態様１１８］
態様１１７において、前記作動ガスがヘリウムである、クライオポンプの極低温動作方法。
［態様１１９］
作動ガスと熱的に接触する蓄冷材を備える極低温冷凍機であって、
前記蓄冷材が、少なくとも１つの冷却段において、錫−ガリウム（Ｓｎ−Ｇａ）合金を含む極低温冷凍機。
［態様１２０］
態様１１９において、前記極低温冷凍機がギフォード−マクマホン方式である極低温冷凍機。
［態様１２１］
態様１１９において、前記極低温冷凍機がパルス管方式である極低温冷凍機。
［態様１２２］
態様１１９において、前記極低温冷凍機がスターリング方式である極低温冷凍機。
［態様１２３］
態様１１９において、前記作動ガスがヘリウムである極低温冷凍機。
［態様１２４］
態様１１９において、少なくとも１つの冷却段が、少なくとも二層の蓄冷材を有する極低温冷凍機。
［態様１２５］
態様１２４において、少なくとも一層が錫−ガリウム（Ｓｎ−Ｇａ）合金を含み、少なくとも一層が少なくとも１種の希土類元素を含む極低温冷凍機。
［態様１２６］
態様１２４において、少なくとも一層が錫−ガリウム（Ｓｎ−Ｇａ）合金を含み、少なくとも一層が、少なくとも１種の希土類元素と希土類以外の金属との希土類金属間化合物を含む極低温冷凍機。
［態様１２７］
態様１２４において、少なくとも一層が錫−ガリウム（Ｓｎ−Ｇａ）合金を含み、少なくとも一層が希土類元素固溶合金を含む極低温冷凍機。
［態様１２８］
態様１１９において、前記Ｓｎ−Ｇａ合金に最大で３．９重量％のガリウムが含まれる極低温冷凍機。
【符号の説明】
【００６１】
１００    極低温冷凍機
１１０  １１５    冷却段（ディスプレーサ）
１５０  １７０  ２００    蓄冷材
１６０  １９０    コールドステーション
３００    クライオポンプ
３５０    極低温パネル
５００    バッファタンク
【図１】
0005492184.tif 000002
【図２】
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【図３】
0005492184.tif 000004
【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】
0005492184.tif 000009
【図９】
0005492184.tif 000010
【図１０】
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