(57)【要約】従来の金属系磁性蓄冷材に比べ、３〜１０Ｋでの冷凍能力を向上する。蓄冷材として、希土類元素と硫黄を含む、少なくとも一種類の磁性材を用いた蓄冷器を備える。
2003081145.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄冷材として、希土類元素と硫黄を含む、少くとも一種類の磁性材を用いたことを特徴とする極低温蓄冷器。
【請求項２】
前記磁性材が、酸素を含むことを特徴とする請求項１に記載の極低温蓄冷器。
【請求項３】
前記磁性材として、一般式ＲｘＯ２Ｓ又は（Ｒ１−ｙＲ´ｙ）ｘＯ２Ｓ（Ｒ、Ｒ´は少なくとも一種類の希土類元素、０．１≦ｘ≦９、０≦ｙ≦１）で表わされるものを用いることを特徴とする請求項２に記載の極低温蓄冷器。
【請求項４】
前記元素Ｒ及びＲ´が、イットリウムＹ、ランタンＬａ、セリウムＣｅ、プラセオジムＰｒ、ネオジムＮｄ、プロメチウムＰｍ、サマリウムＳｍ、ユーロピウムＥｕ、ガドリニウムＧｄ、テルビウムＴｂ、ジスプロシウムＤｙ、ホルミウムＨｏ、エルビウムＥｒ、ツリウムＴｍ、又は、イッテルビウムＹｂであることを特徴とする請求項３に記載の極低温蓄冷器。
【請求項５】
前記磁性材が、更に、添加物を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の極低温蓄冷器。
【請求項６】
前記添加物が、ジルコニウムＺｒ及び／又はアルミニウムＡｌであることを特徴とする請求項５に記載の極低温蓄冷器。
【請求項７】
少くとも一種類の前記磁性材を、他の磁性材と混合して用いることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の極低温蓄冷器。
【請求項８】
少くとも二種類の前記磁性材を混合して用いることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の極低温蓄冷器。
【請求項９】
少くとも一種類の前記磁性材が、顆粒状に加工されて、充填されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の極低温蓄冷器。
【請求項１０】
前記顆粒状の磁性材が、その表面を薄膜で覆われるように加工され、充填されていることを特徴とする請求項９に記載の極低温蓄冷器。
【請求項１１】
前記顆粒の大きさが、０．０１〜３ｍｍであることを特徴とする請求項９又は１０に記載の極低温蓄冷器。
【請求項１２】
少くとも一種類の前記磁性材が、ブロック状、ペレット状、又は、板状に焼結、加工されて、充填されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の極低温蓄冷器。
【請求項１３】
前記磁性材が、積層状に充填されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の極低温蓄冷器。
【請求項１４】
前記磁性材が、蓄冷器の最低温層に充填されていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の極低温蓄冷器。
【請求項１５】
前記磁性材を、蓄冷器の最低温層より高温の層に用い、且つ、それより低温の層に、４Ｋ付近又はそれ以下に大きな比熱を持つ別な磁性材を用いたことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の極低温蓄冷器。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれかに記載の蓄冷器を用いたことを特徴とする蓄冷型極低温冷凍機。
【請求項１７】
前記蓄冷器を最低温冷却段に用いたことを特徴とする請求項１６に記載の蓄冷型極低温冷凍機。
【請求項１８】
前記蓄冷器を、中間冷却段に用い、最終冷却段蓄冷器に、４Ｋ付近又はそれ以下に大きな比熱を持つ別な磁性材を用いたことを特徴とする請求項１６に記載の蓄冷型極低温冷凍機。
【請求項１９】
前記蓄冷器を、並列型蓄冷型極低温冷凍機の低温側冷却段に用いたことを特徴とする請求項１６乃至１８のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機。
【請求項２０】
４Ｈｅを作業流体とすることを特徴とする請求項１６乃至１９のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機。
【請求項２１】
３Ｈｅを作業流体とすることを特徴とする請求項１６乃至１９のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機。
【請求項２２】
３Ｈｅと４Ｈｅの混合ガスを作業流体とすることを特徴とする請求項１６乃至１９のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機。
【請求項２３】
請求項１６乃至２２のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いた予冷段と、
少くとも一つの他の冷却手段と、
を備えたことを特徴とする冷凍システム。
【請求項２４】
請求項１６乃至２３のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする寒剤生成装置。
【請求項２５】
請求項１６乃至２３のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする寒剤再凝縮装置。
【請求項２６】
請求項１６乃至２３のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項２７】
請求項２６に記載の超電導磁石装置を用いたことを特徴とする磁気共鳴イメージ（ＭＲＩ）装置。
【請求項２８】
請求項１６乃至２３のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする超電導素子冷却装置。
【請求項２９】
請求項１６乃至２３のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする低温パネル及び低温熱シールド装置。
【請求項３０】
請求項２９に記載の低温パネルを用いたことを特徴とするクライオポンプ。
【請求項３１】
請求項１６乃至２３のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする宇宙分野冷却装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、極低温蓄冷器及び冷凍機に係り、特に、ＧＭ（ギフォード・マクマフォン）サイクル冷凍機、スターリングサイクル冷凍機、パルス管冷凍機、ビルミエサイクル冷凍機、ソルベーサイクル冷凍機、エリクソンサイクル冷凍機、又は、これを予冷段に使った冷凍システム等に用いるのに好適な、新規な蓄冷材を用いて冷凍能力を向上させた極低温蓄冷器及び冷凍機、及び、これを用いた冷凍システム、寒剤生成装置、再凝縮装置、超電導磁石装置、超電導素子冷却装置、低温パネル、低温熱シールド、宇宙分野冷却装置に関する。
背景技術
従来の蓄冷型極低温冷凍機では、最終冷却段（最低温段）蓄冷器にＥｒ３ＮｉやＨｏＣｕ２等、金属系の磁性蓄冷材を充填して、１０Ｋ以下の温度での冷凍を実現している（特開平５−７１８１６）。
しかしながら、これらの金属系磁性蓄冷材は、図１にＨｏＣｕ２の例を示す如く、４．２Ｋ〜７Ｋ付近の比熱が充分大きくないため、４．２Ｋ付近での冷凍能力が充分ではない。又、これらの金属系磁性蓄冷材は、製造コストが高く、安価ではない等の問題点を有していた。
発明の開示
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、従来の金属系磁性蓄冷材に比べて、３〜１０Ｋとの冷凍性能を大きく改善可能な、新規な蓄冷材を用いた極低温蓄冷器、冷凍機、及び、これを用いた冷凍システム等を提供することを課題とする。
本発明は、極低温蓄冷器において、蓄冷材として、希土類元素と硫黄を含む、少くとも一種類の磁性材を用いることにより、前記課題を解決したものである。
又、前記磁性材が、酸素も含むようにしたものである。
又、前記磁性材として、一般式ＲｘＯ２Ｓ又は（Ｒ１−ｙＲ´ｙ）ｘＯ２Ｓ（Ｒ、Ｒ´は少なくとも一種類の希土類元素、０．１≦ｘ≦９、０≦ｙ≦１）で表わされるものを用いるようにしたものである。
又、前記元素Ｒ及びＲ´を、イットリウムＹ、ランタンＬａ、セリウムＣｅ、プラセオジムＰｒ、ネオジムＮｄ、プロメチウムＰｍ、サマリウムＳｍ、ユーロピウムＥｕ、ガドリニウムＧｄ、テルビウムＴｂ、ジスプロシウムＤｙ、ホルミウムＨｏ、エルビウムＥｒ、ツリウムＴｍ、又は、イッテルビウムＹｂとしたものである。
本発明に用いた磁性材の例（一般式ＲｘＯ２Ｓ、ＲはＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂから選択した少なくとも一種類の希土類元素、０．１≦ｘ≦９）Ｇｄ２Ｏ２Ｓ、Ｔｂ２Ｏ２Ｓの体積当たりの比熱を図１に示す。比較するため、従来の磁性蓄冷材ＨｏＣｕ２、及び、特開２００１−３１７８２４に開示された磁性蓄冷材ＧｄＡｌＯ３の比熱も示す。ＨｏＣｕ２に比べ、ＲｘＯ２Ｓの比熱ピーク値は２〜３倍以上ある。ＧｄＡｌＯ３に対しても、ＲｘＯ２Ｓは比熱が大きいだけでなく、比熱のピーク位置が４〜１０Ｋにあるので、３〜１０Ｋで大きな冷凍能力を得るのに好適である。
又、本発明に用いた磁性材の他の例（一般式（Ｒ１−ｙＲ´ｙ）ｘＯ２Ｓ、Ｒ、Ｒ´は少なくとも一種類の希土類元素、０．１≦ｘ≦９、０≦ｙ≦１）（ＧｄｙＴｂ１−ｙ）２Ｏ２Ｓ（ｙ＝０〜１）の体積当たりの比熱を図２に示す。（ＧｄｙＴｂ１−ｙ）２Ｏ２Ｓの比熱は、ピーク位置が４〜１０Ｋにあり、ピーク値が０．６Ｊ／ｃｍ３Ｋ以上である。これに対して、従来の磁性蓄冷材ＨｏＣｕ２の比熱ピーク値は０．４Ｊ／ｃｍ３Ｋ程度である。これら組成の材料であれば、どれも３〜１０Ｋで大きな冷凍能力を得るのに好適である。
本発明は、又、前記磁性材が、更にジルコニウムＺｒやアルミニウムＡｌまたはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の添加物を含むようにしたものである。
本発明に用いた磁性材の機械強度を改善するのに、添加物を添加することが有効である。図３に示すとおり、Ｇｄ３Ｏ２ＳにＡｌ又はＺｒ（Ｇｄ２Ｏ２Ｓに対する重量比１０％以下）を添加しても比熱の温度依存性を大きく変えることはなく、依然３〜１０Ｋで大きな冷凍能力を得るのに好適である。一方、この場合ＡｌとＺｒを添加することによって、Ｇｄ２Ｏ２Ｓの硬さを示すピッカーズ硬度は約４００から約９００まで改善され、冷凍機に使用される際に強い衝撃を受けても、剥離や粉化する可能性は著しく低減される。なお、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を添加物として用いる場合、Ｇｄ２Ｏ２Ｓに対する重量比は２０％以下が好適である。
本発明は、又、少くとも一種類の前記磁性材を、他の磁性材と混合して用いるようにしたものである。
又、少くとも二種類の前記磁性材を混合して用いるようにしたものである。
又、少くとも一種類の前記磁性材を、好ましくは０．０１〜３ｍｍの大きさの顆粒状に加工して、蓄冷器に充填するようにしたものである。
なお、前記の顆粒状に加工された磁性体が冷凍機に使用される際に衝撃を受けても、剥離や粉化が発生しないように、磁性体の表面を１μｍ〜５０μｍの薄膜で覆われるように加工して、蓄冷器に充填することが好ましい。薄膜は例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）やフッ素樹脂などの材料からできるだけ伝熱性の良いものを選び、例えばコーティングなどの方法で形成される。
又、少くとも一種類の前記磁性材を、ブロック状、ペレット状、又は、板状に焼結、加工して、蓄冷器に充填するようにしたものである。
又、前記各種磁性材を、蓄冷器に積層状に充填するようにしたものである。
又、前記各種磁性材を、蓄冷器の最低温層に充填するようにしたものである。
又、前記磁性材を、蓄冷器の最低温層より高温の層に用い、且つ、それより低温の層に、４Ｋ付近又はそれ以下に大きな比熱を持つ別な磁性材を用いるようにしたものである。
本発明は、又、前記磁性材を充填した前記蓄冷器を用いることを特徴とする蓄冷型極低温冷凍機を提供するものである。
又、前記磁性材を充填した前記蓄冷器を最低温冷却段に用いたことを特徴とする蓄冷型極低温冷凍機を提供するものである。
又、前記磁性材を充填した前記蓄冷器を中間冷却段に用い、最終冷却段蓄冷器に、４Ｋ付近又はそれ以下に大きな比熱を持つ別な磁性材を用いるようにしたものである。
又、前記磁性材を充填した前記蓄冷器を、並列型蓄冷型極低温冷凍機の低温側冷却段に用いるようにしたものである。
本発明は、又、４Ｈｅ、３Ｈｅ、又は、３Ｈｅと４Ｈｅの混合ガスを作業流体とすることを特徴とする前記の蓄冷型極低温冷凍機を提供するものである。
本発明は、又、前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いた予冷段と、少くとも一つの他の冷却手段とを備えたことを特徴とする、例えばジュール・トムソン冷凍機、３Ｈｅ−４Ｈｅ希釈冷凍機、断熱消磁冷凍システム、磁気冷凍機、吸着式冷凍システム等の冷凍システムを提供するものである。
又、前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする、液体４Ｈｅ、液体３Ｈｅ、又は、これらの混合液、超流動４Ｈｅ、超流動３Ｈｅ等の寒剤生成装置や寒剤再凝縮装置を提供するものである。
又、同じく前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする、ＭＲＩ（磁気共鳴イメージ）装置、ＮＭＲ装置、冷凍機伝導冷却超電導磁石、単結晶引き上げ装置、磁気分離装置、ＳＭＥＳ装置、物性測定装置等の超電導磁石装置を提供するものである。
又、同じく前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする、ＳＱＵＩＤ装置、ＳＩＳ素子、Ｘ線回折装置、電子顕微鏡、電圧標準装置等の超電導素子冷却装置を提供するものである。
又、同じく前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする、クライオポンプ、クライオパネル、サンプル冷却システム、物性測定装置、低温熱シールド、赤外線観測装置等の低温装置を提供するものである。
又、同じく前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする、Ｘ線観測装置、赤外線観測装置、電波観測装置、宇宙線観測装置等の宇宙分野冷却装置を提供するものである。
本発明では、４〜１０Ｋ付近に大きな比熱を持つセラミック磁性材を蓄冷器の蓄冷材として用いる。従って、従来の金属系磁性蓄冷材に比べて、３〜１０Ｋでの冷凍性能を大きく改善できる。
発明を実施するための最良の形態
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明の第１実施形態は、図４（全体図）、図５（冷却部詳細図）、図６（２段蓄冷器断面図）に示す如く、本発明を、２段式ＧＭ冷凍機に用いたものである。
図４において、圧縮機１１からの高圧ガスは、高圧ガス配管１２を経て２段式ＧＭ冷凍機１に供給され、低圧ガス配管１３を経て圧縮機１１の低圧口に回収される。図５に示す如く、１段シリンダ２５と２段シリンダ３５に、それぞれ収容された１段蓄冷器２と２段蓄冷器３は、図４に示す駆動モータ１４によって駆動され、上下に往復運動する。
蓄冷材２４、３４は、図５に示す如く、それぞれの蓄冷器外筒２３、３３の中に詰められ、本実施形態では、１段蓄冷材２４は銅合金の金網とされている。
２段蓄冷器３は、図６に示す如く、積層構造で、２段の低温側蓄冷材３４ｂに顆粒状の（Ｇｄ０．０５Ｔｂ０．９５）２Ｏ２Ｓが約２０％の体積比率で充填され、高温側蓄冷材３４ａに顆粒状のＰｂやＨｏＣｕ２などが約８０％の体積比率で充填されている。図６において、３８は蓄冷材仕切である。
冷凍機１の冷却部は、図４に示す如く、真空容器１６に収納され、２段冷却ステージ３７は熱シールド１７によって囲まれている。熱シールド１７は、銅製の板状の筒で、１段冷却ステージ２７によって約４０Ｋまで冷やされる。２段冷却ステージ３７には電気ヒータ１８が取り付けられ、その電気入力によって冷凍能力が測定される。
図４において、１５は、高低圧ガス切換弁と駆動機構が収容されたハウジングであり、図５において、２１は、１段蓄冷器２のガス通路、２２は、同じくシール、２６は、１段膨張空間、３１は、２段蓄冷器３のガス通路、３２は、同じくシール、３６は、２段膨張空間である。
図７に、本発明により、２段蓄冷器低温端の約２０％の体積に（Ｇｄ０．０５Ｔｂ０．９５）２Ｏ２Ｓを充填した場合と、従来の磁性蓄冷材ＨｏＣｕ２を充填した場合とを比較して示す。図から明らかなように、本発明により（Ｇｄ０．０５Ｔｂ０．９５）２Ｏ２Ｓを充填した場合、冷凍能力が約１５〜２０％向上することが確認できた。
次に、２段式パルス管冷凍機に適用した本発明の第２実施形態を図８（全体図）及び図９（２段蓄冷器断面図）に示す。
図８において、圧縮機４１からの高圧ガスは、高圧ガス配管４２と高低圧ガス切換バルブユニット４４と連結管４５を経て２段式パルス管冷凍機４に供給され、低圧ガス配管４３と同バルブユニット４４を経て圧縮機４１の低圧口に回収される。１段蓄冷器５１と２段蓄冷器６１は、図９に示す如く、それぞれ蓄冷器外管（ステンレス鋼管）５６、６６と、その内部に充填された蓄冷材５７、６７によって構成される。
各段蓄冷器５１、６１の低温端は、各段冷却ステージ５２、６２に連結され、各段冷却ステージ５２、６２内部のガス流路５８、６８を介して、各段のパルス管５３、６３へ通じている。各パルス管５３、６３の高温端には、連結管５５、６５を介して、各段の位相調節部５４、６４が連結されている。
各段の位相調節部５４、６４は、バッファタンクやオリフィス、又は周期的に開閉するバルブなどの組合せによって構成される。位相調節部５４、６４の働きは、高低圧ガス切換バルブユニット４４によって実現されたパルス管５３、６３内部の圧力変化と、ガスの変位との位相を最適に調節し、十分な冷凍能力を得ることである。
本実施形態では、１段蓄冷材５７は銅合金の金網（メッシュＮｏ．１００〜４００）とされている。
２段蓄冷器６１は３層の積層構造で、高温側蓄冷材６７ａに顆粒状の鉛（長短径０．１〜１ｍｍ）が約２０％の体積比率で充填され、中間蓄冷材６７ｂに顆粒状のＨｏＣｕ２（長短径０．１〜０．７ｍｍ）が充填され、低温側蓄冷材６７ｃに顆粒状のＧｄ２Ｏ２Ｓ（長短径０．１〜０．７ｍｍ）が充填されている。図９において、６９は蓄冷材仕切である。
冷凍機４の冷却部は、図８に示す如く、真空容器４６に収納され、２段冷却ステージ６２は熱シールド４７によって囲まれている。熱シールド４７は銅製の板状の筒で、１段冷却ステージ５２によって約４０Ｋまで冷やされている。２段冷却ステージ６２に電気ヒータ４８が取り付けられ、その電気入力によって冷凍能力が測定される。図８において、４９はハウジングである。
図１０に、２段蓄冷器６１の低温側蓄冷材６７ｃのＧｄ２Ｏ２Ｓを０％〜約５０％（体積比率）まで増やし、相応に中間蓄冷材６７ｂのＨｏＣｕ２を８０％〜３０％（体積比率）に減らした場合（高温側蓄冷材６９ａの鉛は体積比率２０％に固定）の４．２Ｋにおける冷凍能力を示す。冷凍能力が約１５％向上したことが確認できた。
本実施形態において、各段の蓄冷材５７、６７は直接蓄冷器外管５６、６６に充填されているが、組立や分解作業をし易くするために、第１実施形態のように、蓄冷材を一旦蓄冷器外筒（樹脂やステンレス鋼など熱伝導率の低い材料によって構成される）に充填してから、カートリッジの形として蓄冷器外管５６、６６に挿入してもよい。
次に、第２実施形態と同じく２段式パルス管冷凍機に適用した本発明の第３実施形態を詳細に説明する。
本実施形態は、第２実施形態と同じ２段式パルス管冷凍機４を用いる。第２実施形態との相違点は、２段蓄冷器６１の構成である。本実施形態の２段蓄冷器６１はやはり３層構造であるが、高温層（６７ａ）に顆粒状の鉛（体積比率５０％、長短径０．１〜１ｍｍ）を充填し、中間層（６７ｂ）に本発明にかかる顆粒状の磁性材Ｔｂ２Ｏ２Ｓ（体積比率３０％、長短径０．１〜０．７ｍｍ）を充填し、低温層（６７ｃ）に顆粒状のＧｄＡｌＯ３（体積比率２０％、長短径０．１〜０．６ｍｍ）を充填する。
ＧｄＡｌＯ３の比熱のピークは４Ｋ以下にあるので、これによって２〜４Ｋでの冷凍能力を更に向上することができる。
次に、３段式パルス管冷凍機に適用した本発明の第４実施形態を図１１（冷凍機断面図）及び図１２（各段蓄冷器断面図）に示す。
本実施形態の３段式パルス管冷凍機５は第２実施形態のパルス管冷凍機４と本質的に同じで、相違点は２段蓄冷器６１の先端に更に第３段の蓄冷器７１を直列に接続し、該３段蓄冷器７１の低温端を３段冷却ステージ７２を介して３段パルス管７３の低温端と連結したことである。３段蓄冷器７１、３段冷却ステージ７２、３段パルス管７３、及び、連結管７５で接続された３段位相調節部７４の構造は、第２実施形態で述べた、１段及び２段のそれぞれと同じである。図１２において、７６は３段蓄冷器外管、７７は３段蓄冷材、７８は３段冷却部ステージ７２内ガス流路、７９は蓄冷材仕切である。
本実施形態では、１段蓄冷材５７はステンレス鋼の金網（メッシュＮｏ．１００〜４００）とされている。
２段蓄冷器６１は２層構造で、高温側蓄冷材６７ａには顆粒状鉛を体積比率６０％で充填し、低温側蓄冷材６７ｃとしては本発明にかかるペレット状の磁性材（Ｇｄ０．１Ｔｂ０．９）２Ｏ２Ｓを体積比率４０％で充填する。３段蓄冷器７１には、４Ｋ以下に比熱ピークをもつＧｄＡｌＯ３（ペレット状）を体積比率１００％で充填する。これによって、２〜４Ｋでの冷凍能力を更に向上することができた。
なお、本実施形態においては、ペレット状の（Ｇｄ０．１Ｔｂ０．９）２Ｏ２ＳとＧｄＡｌＯ３を用いたが、焼結されたペレット状の材料では顆粒状の材料に比べ、寸法管理や蓄冷器の形状変化に対応しにくい反面、より高い充填率が実現できる利点がある。
次に、並列型パルス管冷凍機に適用した本発明の第５実施形態を図１３（冷凍機断面図）及び図１４（低温段蓄冷器断面図）に示す。
並列型パルス管冷凍機は、各々独立した複数の１段又は２段パルス管冷凍機を熱的に結合し、高温段と低温段を形成して、一つの多段式冷凍機の役割を果たすものである。本実施形態の並列型パルス管冷凍機６では、二つの独立した１段パルス管冷凍機を熱的に結合し、高温段冷却ステージ１０３と低温段冷却ステージ１１３を形成し、実質的に一つの２段式パルス管冷凍機の役割を果たしている。このような並列型冷凍機は、高温段と低温段とはガスの流れが独立しているため、片方の冷却ステージにおける温度や冷凍能力の変化が他方に影響しにくいため、より安定した冷却システムが得ることができる。
本実施形態では、高温段冷却ステージ１０３が熱シールド８６を冷やすと同時に、低温段蓄冷器１１１の中間も冷却している。これによって、低温段蓄冷器１１１の効率が高められ、結果的に低温段がより低い温度に到達することができる。又、本実施形態では、圧縮機８１、８２に、前記実施形態とは異なる、シリンダ（８１ａ、８２ｂ）・ピストン（８１ｂ、８２ｂ）型の圧縮機を用いている。これによって、高低圧ガス切換バルブユニットを用いずに、パルス管１０２、１１２に直接高低圧力の振動を送り込むことができる。図１３において、８３、８４は圧縮機連結管、８５は真空容器、１００、１１０はハウジング、１０１は高温段蓄冷器、１０４、１１４は位相調節部、１０５、１１５は連結管である。
本実施形態の低温段蓄冷器１１１は、図１４に示す如く、３層の積層構造とし、室温からの高温側蓄冷材１１７ａには銅合金の金網（メッシュＮｏ．１００〜４００、体積比率５０％）を充填し、中間蓄冷材１１７ｂには顆粒状の鉛合金（体積比率３０％、長短径０．１〜１ｍｍ）を充填し、低温側蓄冷材１１７ｃには顆粒状のＴｂ２Ｏ２ＳとＧｄ２Ｏ２Ｓとの混合材（混合比率６０％：４０％）（体積比率２０％、長短径０．１〜０．７ｍｍ）を充填する。これによって低温段冷却ステージ１１３において４〜１０Ｋの温度範囲で大きな冷凍能力を得ることができる。図１４において、１１６は低温段蓄冷器外管、１１８は蓄冷材仕切、１１９は低温段冷却ステージ１１３内ガス流路である。
なお、本実施形態では、高温段と低温段のパルス管１０２、１１２に別々の圧縮機８１、８２を用いていたが、システムの構成を簡略化するために、一つの圧縮機で同時に二つの並列パルス管に対しガスの供給と回収を行ってもよい。
又、本実施形態では、Ｔｂ２Ｏ２ＳとＧｄ２Ｏ２Ｓとの混合材を使ったが、混合材を使うことによって、見かけ上の比熱ピーク値は低くなるが、より広い温度範囲において見かけ上大きな比熱を得ることができ、結果的に積層の層数を減らすことができる。積層の層数が増えすぎると、蓄冷材仕切の占める空間が増えるばかりでなく、仕切が倒れ、冷凍性能の不安定を招く可能性も大きくなる。混合材を使うことで、これらの欠点を解消することができる。
次に、第１実施形態の２段式ＧＭ冷凍機１を予冷段に用い、他の冷却手段としてジュール・トムソン（ＪＴ）冷却回路８を追加した本発明の第６実施形態を図１５に示す。
２段式ＧＭ冷凍機１は第１実施形態と同じで、説明を省略するが、２段蓄冷器３の最低温段に、本発明の蓄冷材（Ｇｄ０．０５Ｔｂ０．９５）２Ｏ２Ｓを体積比率約２０％充填した。
追加したＪＴ冷却回路８では、ヘリウムガスが圧縮機１２０から高圧配管１２１を経て、第１対向流熱交換器１２８ａ、１段ステージ熱交換器１２９ａ、第２対向流熱交換器１２８ｂ、２段ステージ熱交換器１２９ｂ、第３対向流熱交換器１２８ｃを通過するとともに徐々に予冷される。予冷されたガスがＪＴ弁１２５（最適な開度は調節ハンドル１２６で調節される）を通過する際に、等エンタルピ的に膨張して寒冷を発生し、熱交換器１２９ｃを通過する際に、冷却対象物１２７から熱を奪い、それを冷却する。
更に、ガスが対向流熱交換器１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃを通過しながら、対向的に入ってくるガスを冷却しつつ、低圧配管１２２を経て圧縮機１２０に回収される。
図１５において、１２３は真空容器、１２４ａ、１２４ｂは熱シールドである。
本実施形態では、ＧＭ冷凍機１の冷凍能力が、本発明の磁性材によって約２０％向上されたため、ＪＴ冷却回路８を流れるガスの流量を増やすことが可能になり、結果的に熱交換器１２９ｃにおける冷却対象物１２７を冷却する能力を、約１０〜２０％向上することができた。
次に、同じく第１実施形態の２段式ＧＭ冷凍機を使った磁気共鳴イメージ（ＭＲＩ）装置である本発明の第７実施形態を図１６に示す。
本実施形態のＭＲＩ装置９では、磁場空間１３８を作り出すために超電導磁石１３５が用いられている。該超電導磁石１３５は、液体ヘリウム１３４に浸漬され、超電導状態まで冷やされている。液体ヘリウム容器１３３の外部に熱シールド１３２があり、更に外側には真空容器１３１がある。液体ヘリウムは注入口１３６から注入されるが、液体ヘリウム容器１３３内部に設けられている凝縮部１３７によって、気化したヘリウムは再び液に戻され、ヘリウムを長期間無補給で運転が可能である。
凝縮部１３７はＧＭ冷凍機１の２段冷却ステージ３７と熱的に結合され、継続的に寒冷が供給される。ＧＭ冷凍機１の１段冷却ステージ２７により熱シールド１３２が冷却されている。
本実施形態では、ＧＭ冷凍機１の冷凍能力が本発明にかかる磁性材によって約２０％向上されるので、液体ヘリウム１３４の再凝縮を、より効率的に行うことができ、ヘリウムの蒸発量がより大きなＭＲＩ装置にも対応可能になる。
なお、本実施形態では、冷凍機１を液体ヘリウム１３４の再凝縮に用いていたが、液体ヘリウムを無くし、冷凍機１が直接、超電導磁石１３５を熱伝導で冷却するように構成することもできる。又、熱シールドを一つ追加し、１段冷却ステージ２７と２段冷却ステージ３７が、それぞれ一つの熱シールドを冷やす、いわゆるシールド冷却型にすることもできる。
なお、前記実施形態においては、磁性材の一般式がＲｘＯ２Ｓ又は（Ｒ１−ｙＲ´ｙ）ｘＯ２Ｓ（Ｒ、Ｒ´は希土類元素）とされていたが、磁性材の種類はこれに限定されず、例えば酸素Ｏ２を含まないものを用いることもできる。
前記磁性材は、単独で用いることも、他の磁性材と混合して用いることもできる。又、少なくとも二種類の前記磁性材を混合して用いることもできる。
又、前記磁性材は、例えば顆粒状（０．０１ｍｍ〜３ｍｍ）に加工して、蓄冷器に充填することができる。顆粒状とした場合には、蓄冷器の形状変更に対応し易く、蓄冷器の寸法管理が容易で扱い易い。或いは、ブロック状、ペレット状、又は板状に焼結、加工して充填することもできる。この場合には、形を合わせることによって、蓄冷材の充填率を高めることができる。
なお、蓄冷型冷凍機の作業流体は、４Ｈｅ、３Ｈｅ、これらの混合ガス、或いは他の流体とすることができる。
前記実施形態においては、本発明がＧＭサイクル冷凍機、パルス管冷凍機、ジュール・トムソン冷凍機に適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、スターリングサイクル冷凍機、ビルミエサイクル冷凍機、ソルベーサイクル冷凍機、エリクソンサイクル冷凍機等の他の蓄冷型極低温冷凍機にも適用できることは明らかである。
又、本発明に係る蓄冷型極低温冷凍機を予冷段に使った冷凍システムは、第６実施形態のジュール・トムソン冷凍機に限定されず、３Ｈｅ−４Ｈｅ希釈冷凍機、断熱消磁冷凍システム、磁気冷凍機、吸着式冷凍システム等、他の冷凍システムにも同様に適用できることは明らかである。
又、本発明は、冷凍システム他、前記の蓄冷型極低温冷凍機を使った、液体４Ｈｅ、液体３Ｈｅ又はこれらの混合液、超流動４Ｈｅ、超流動３Ｈｅの寒剤生成装置や寒剤再凝縮装置にも同様に適用できる。
又、ＭＲＩ装置、ＮＭＲ装置、冷凍機伝導冷却超電導磁石、単結晶引き上げ装置、磁気分離装置、ＳＭＥＳ装置、物性測定装置等の超電導磁石装置にも同様に適用できる。
又、ＳＱＵＩＤ装置、ＳＩＳ素子、Ｘ線回折装置、電子顕微鏡、電圧標準装置等の超電導素子冷却装置にも同様に適用できる。
又、クライオポンプ、クライオパネル、サンプル冷却システム、物性測定装置、低温熱シールド、赤外線観測装置等の低温装置にも、同様に適用できる。
又、Ｘ線観測装置、赤外線観測装置、電波観測装置、宇宙線観測装置等の宇宙分野冷却装置にも同様に適用できる。
産業上の利用の可能性
本発明によれば、蓄冷材として、従来の金属系磁性蓄冷材に比べ、４〜１０Ｋの温度領域に大きな比熱を持つ磁性材を用いたため、ヘリウムガス等の作業ガスとの熱交換率効率が向上し、冷凍能力が向上する。
【図面の簡単な説明】
図１は、従来の金属系磁性蓄冷材と本発明で用いる磁性材の比熱の温度依存性を比較して示す線図である。
図２は、本発明で用いる他の磁性材の比熱の温度依存性を示す線図である。
図３は、本発明で用いる更に他の磁性材の比熱の温度依存性を示す線図である。
図４は、２段式ＧＭ冷凍機に適用された本発明の第１実施形態の全体構成を示す断面図である。
図５は、第１実施形態の冷却部の詳細を示す拡大断面図である。
図６は、同じく２段蓄冷器を示す拡大断面図である。
図７は、第１実施形態と従来例の冷凍能力を比較して示す線図である。
図８は、２段式パルス管冷凍機に適用した本発明の第２、第３実施形態の全体構成を示す断面図である。
図９は、第２、第３実施形態の２段蓄冷器を示す拡大断面図である。
図１０は、第２実施形態の冷凍能力を示す線図である。
図１１は、３段式パルス管冷凍機に適用した本発明の第４実施形態の要部構成を示す断面図である。
図１２は、第４実施形態の各段蓄冷器を示す拡大断面図である。
図１３は、並列型パルス管冷凍機に適用した本発明の第５実施形態の全体構成を示す断面図である。
図１４は、第５実施形態の低温段蓄冷器を示す拡大断面図である。
図１５は、ＧＭ−ＪＴ冷凍システムに適用した本発明の第６実施形態の全体構成を示す断面図である。
図１６は、ＭＲＩ装置に適用した本発明の第７実施形態の全体構成を示す断面図である。
【図１】
2003081145.tif 000003
【図２】
2003081145.tif 000004
【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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【図１３】
2003081145.tif 000015
【図１４】
2003081145.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年8月8日(2003.8.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄冷材として、希土類元素と硫黄を含む、少くとも一種類の磁性材を用いたことを特徴とする極低温蓄冷器。
【請求項２】
前記磁性材が、酸素を含むことを特徴とする請求項１に記載の極低温蓄冷器。
【請求項３】
前記磁性材として、一般式ＲｘＯ２Ｓ又は（Ｒ１−ｙＲ´ｙ）ｘＯ２Ｓ（Ｒ、Ｒ´は少なくとも一種類の希土類元素、０．１≦ｘ≦９、０≦ｙ≦１）で表わされるものを用いることを特徴とする請求項２に記載の極低温蓄冷器。
【請求項４】
前記元素Ｒ及びＲ´が、イットリウムＹ、ランタンＬａ、セリウムＣｅ、プラセオジムＰｒ、ネオジムＮｄ、プロメチウムＰｍ、サマリウムＳｍ、ユーロピウムＥｕ、ガドリニウムＧｄ、テルビウムＴｂ、ジスプロシウムＤｙ、ホルミウムＨｏ、エルビウムＥｒ、ツリウムＴｍ、又は、イッテルビウムＹｂであることを特徴とする請求項３に記載の極低温蓄冷器。
【請求項５】
前記磁性材が、更に、添加物を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の極低温蓄冷器。
【請求項６】
（補正後）前記添加物が、ジルコニウムＺｒ及び／又はアルミニウムＡｌ及び／又はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）であることを特徴とする請求項５に記載の極低温蓄冷器。
【請求項７】
少くとも一種類の前記磁性材を、他の磁性材と混合して用いることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の極低温蓄冷器。
【請求項８】
少くとも二種類の前記磁性材を混合して用いることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の極低温蓄冷器。
【請求項９】
少くとも一種類の前記磁性材が、顆粒状に加工されて、充填されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の極低温蓄冷器。
【請求項１０】
前記顆粒状の磁性材が、その表面を薄膜で覆われるように加工され、充填されていることを特徴とする請求項９に記載の極低温蓄冷器。
【請求項１１】
前記顆粒の大きさが、０．０１〜３ｍｍであることを特徴とする請求項９又は１０に記載の極低温蓄冷器。
【請求項１２】
少くとも一種類の前記磁性材が、ブロック状、ペレット状、又は、板状に焼結、加工されて、充填されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の極低温蓄冷器。
【請求項１３】
前記磁性材が、積層状に充填されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の極低温蓄冷器。
【請求項１４】
前記磁性材が、蓄冷器の最低温層に充填されていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の極低温蓄冷器。
【請求項１５】
前記磁性材を、蓄冷器の最低温層より高温の層に用い、且つ、それより低温の層に、４Ｋ付近又はそれ以下に大きな比熱を持つ別な磁性材を用いたことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の極低温蓄冷器。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれかに記載の蓄冷器を用いたことを特徴とする蓄冷型極低温冷凍機。
【請求項１７】
前記蓄冷器を最低温冷却段に用いたことを特徴とする請求項１６に記載の蓄冷型極低温冷凍機。
【請求項１８】
前記蓄冷器を、中間冷却段に用い、最終冷却段蓄冷器に、４Ｋ付近又はそれ以下に大きな比熱を持つ別な磁性材を用いたことを特徴とする請求項１６に記載の蓄冷型極低温冷凍機。
【請求項１９】
前記蓄冷器を、並列型蓄冷型極低温冷凍機の低温側冷却段に用いたことを特徴とする請求項１６乃至１８のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機。
【請求項２０】
４Ｈｅを作業流体とすることを特徴とする請求項１６乃至１９のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機。
【請求項２１】
３Ｈｅを作業流体とすることを特徴とする請求項１６乃至１９のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機。
【請求項２２】
３Ｈｅと４Ｈｅの混合ガスを作業流体とすることを特徴とする請求項１６乃至１９のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機。
【請求項２３】
請求項１６乃至２２のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いた予冷段と、
少くとも一つの他の冷却手段と、
を備えたことを特徴とする冷凍システム。
【請求項２４】
請求項１６乃至２３のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする寒剤生成装置。
【請求項２５】
請求項１６乃至２３のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする寒剤再凝縮装置。
【請求項２６】
請求項１６乃至２３のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項２７】
請求項２６に記載の超電導磁石装置を用いたことを特徴とする磁気共鳴イメージ（ＭＲＩ）装置。
【請求項２８】
請求項１６乃至２３のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする超電導素子冷却装置。
【請求項２９】
請求項１６乃至２３のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする低温パネル及び低温熱シールド装置。
【請求項３０】
請求項２９に記載の低温パネルを用いたことを特徴とするクライオポンプ。
【請求項３１】
請求項１６乃至２３のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする宇宙分野冷却装置。
【手続補正書】
【提出日】平成16年9月22日(2004.9.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極低温蓄冷器及び冷凍機に係り、特に、ＧＭ（ギフォード・マクマフォン）サイクル冷凍機、スターリングサイクル冷凍機、パルス管冷凍機、ビルミエサイクル冷凍機、ソルベーサイクル冷凍機、エリクソンサイクル冷凍機、又は、これを予冷段に使った冷凍システム等に用いるのに好適な、新規な蓄冷材を用いて冷凍能力を向上させた極低温蓄冷器及び冷凍機、及び、これを用いた冷凍システム、寒剤生成装置、再凝縮装置、超電導磁石装置、超電導素子冷却装置、低温パネル、低温熱シールド、宇宙分野冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の蓄冷型極低温冷凍機では、最終冷却段（最低温段）蓄冷器にＥｒ3ＮｉやＨｏＣｕ2等、金属系の磁性蓄冷材を充填して、１０Ｋ以下の温度での冷凍を実現している（特許文献１）。
【０００３】
しかしながら、これらの金属系磁性蓄冷材は、図１にＨｏＣｕ2の例を示す如く、４．２Ｋ〜７Ｋ付近の比熱が充分大きくないため、４．２Ｋ付近での冷凍能力が充分ではない。又、これらの金属系磁性蓄冷材は、製造コストが高く、安価ではない等の問題点を有していた。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−７１８１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、従来の金属系磁性蓄冷材に比べて、３〜１０Ｋとの冷凍性能を大きく改善可能な、新規な蓄冷材を用いた極低温蓄冷器、冷凍機、及び、これを用いた冷凍システム等を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、極低温蓄冷器において、蓄冷材として、希土類元素と硫黄を含む、少くとも一種類の磁性材を用いることにより、前記課題を解決したものである。
【０００７】
又、前記磁性材が、酸素も含むようにしたものである。
【０００８】
又、前記磁性材として、一般式ＲxＯ2Ｓ又は（Ｒ1-yＲ´y）xＯ2Ｓ（Ｒ、Ｒ´は少なくとも一種類の希土類元素、０．１≦ｘ≦９、０≦ｙ≦１）で表わされるものを用いるようにしたものである。
【０００９】
又、前記元素Ｒ及びＲ´を、イットリウムＹ、ランタンＬａ、セリウムＣｅ、プラセオジムＰｒ、ネオジムＮｄ、プロメチウムＰｍ、サマリウムＳｍ、ユーロピウムＥｕ、ガドリニウムＧｄ、テルビウムＴｂ、ジスプロシウムＤｙ、ホルミウムＨｏ、エルビウムＥｒ、ツリウムＴｍ、又は、イッテルビウムＹｂとしたものである。
【００１０】
本発明に用いた磁性材の例（一般式ＲxＯ2Ｓ、ＲはＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂから選択した少なくとも一種類の希土類元素、0.1≦ｘ≦９）Ｇｄ2Ｏ2Ｓ、Ｔｂ2Ｏ2Ｓの体積当たりの比熱を図１に示す。比較するため、従来の磁性蓄冷材ＨｏＣｕ2、及び、特開２００１−３１７８２４に開示された磁性蓄冷材ＧｄＡｌＯ3の比熱も示す。ＨｏＣｕ2に比べ、ＲxＯ2Ｓの比熱ピーク値は２〜３倍以上ある。ＧｄＡｌＯ3に対しても、ＲxＯ2Ｓは比熱が大きいだけでなく、比熱のピーク位置が４〜１０Ｋにあるので、３〜１０Ｋで大きな冷凍能力を得るのに好適である。
【００１１】
又、本発明に用いた磁性材の他の例（一般式（Ｒ1-yＲ´y）xＯ2Ｓ、Ｒ、Ｒ´は少なくとも一種類の希土類元素、０．１≦ｘ≦９、０≦ｙ≦１）（ＧｄyＴｂ1-y）2Ｏ2Ｓ（ｙ＝０〜１）の体積当たりの比熱を図２に示す。（ＧｄyＴｂ1-y）2Ｏ2Ｓの比熱は、ピーク位置が４〜１０Ｋにあり、ピーク値が０．６Ｊ／ｃｍ3Ｋ以上である。これに対して、従来の磁性蓄冷材ＨｏＣｕ2の比熱ピーク値は０．４Ｊ／ｃｍ3Ｋ程度である。これら組成の材料であれば、どれも３〜１０Ｋで大きな冷凍能力を得るのに好適である。
【００１２】
本発明は、又、前記磁性材が、更にジルコニウムＺｒやアルミニウムＡｌまたはアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等の添加物を含むようにしたものである。
【００１３】
本発明に用いた磁性材の機械強度を改善するのに、添加物を添加することが有効である。図３に示すとおり、Ｇｄ3Ｏ2ＳにＡｌ又はＺｒ（Ｇｄ2Ｏ2Ｓに対する重量比１５％以下）を添加しても比熱の温度依存性を大きく変えることはなく、依然３〜１０Ｋで大きな冷凍能力を得るのに好適である。一方、この場合ＡｌとＺｒを添加することによって、Ｇｄ2Ｏ2Ｓの硬さを示すピッカーズ硬度は約４００から約９００まで改善され、冷凍機に使用される際に強い衝撃を受けても、剥離や粉化する可能性は著しく低減される。なお、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を添加物として用いる場合、Ｇｄ2Ｏ2Ｓに対する重量比は２０％以下が好適である。
【００１４】
本発明は、又、少くとも一種類の前記磁性材を、他の磁性材と混合して用いるようにしたものである。
【００１５】
又、少くとも二種類の前記磁性材を混合して用いるようにしたものである。
【００１６】
又、少くとも一種類の前記磁性材を、好ましくは０．０１〜３ｍｍの大きさの顆粒状に加工して、蓄冷器に充填するようにしたものである。
【００１７】
なお、前記の顆粒状に加工された磁性体が冷凍機に使用される際に衝撃を受けても、剥離や粉化が発生しないように、磁性体の表面を１μｍ〜５０μｍの薄膜で覆われるように加工して、蓄冷器に充填することが好ましい。薄膜は例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）やフッ素樹脂などの材料からできるだけ伝熱性の良いものを選び、例えばコーティングなどの方法で形成される。
【００１８】
又、少くとも一種類の前記磁性材を、ブロック状、ペレット状、又は、板状に焼結、加工して、蓄冷器に充填するようにしたものである。
【００１９】
又、前記各種磁性材を、蓄冷器に積層状に充填するようにしたものである。
【００２０】
又、前記各種磁性材を、蓄冷器の最低温層に充填するようにしたものである。
【００２１】
又、前記磁性材を、蓄冷器の最低温層より高温の層に用い、且つ、それより低温の層に、４Ｋ付近又はそれ以下に大きな比熱を持つ別な磁性材を用いるようにしたものである。
【００２２】
本発明は、又、前記磁性材を充填した前記蓄冷器を用いることを特徴とする蓄冷型極低温冷凍機を提供するものである。
【００２３】
又、前記磁性材を充填した前記蓄冷器を最低温冷却段に用いたことを特徴とする蓄冷型極低温冷凍機を提供するものである。
【００２４】
又、前記磁性材を充填した前記蓄冷器を中間冷却段に用い、最終冷却段蓄冷器に、４Ｋ付近又はそれ以下に大きな比熱を持つ別な磁性材を用いるようにしたものである。
【００２５】
又、前記磁性材を充填した前記蓄冷器を、並列型蓄冷型極低温冷凍機の低温側冷却段に用いるようにしたものである。
【００２６】
本発明は、又、4Ｈｅ、3Ｈｅ、又は、3Ｈｅと4Ｈｅの混合ガスを作業流体とすることを特徴とする前記の蓄冷型極低温冷凍機を提供するものである。
【００２７】
本発明は、又、前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いた予冷段と、少くとも一つの他の冷却手段とを備えたことを特徴とする、例えばジュール・トムソン冷凍機、3Ｈｅ−4Ｈｅ希釈冷凍機、断熱消磁冷凍システム、磁気冷凍機、吸着式冷凍システム等の冷凍システムを提供するものである。
【００２８】
又、前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする、液体4Ｈｅ、液体3Ｈｅ、又は、これらの混合液、超流動4Ｈｅ、超流動3Ｈｅ等の寒剤生成装置や寒剤再凝縮装置を提供するものである。
【００２９】
又、同じく前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする、ＭＲＩ（磁気共鳴イメージ）装置、ＮＭＲ装置、冷凍機伝導冷却超電導磁石、単結晶引き上げ装置、磁気分離装置、ＳＭＥＳ装置、物性測定装置等の超電導磁石装置を提供するものである。
【００３０】
又、同じく前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする、ＳＱＵＩＤ装置、ＳＩＳ素子、Ｘ線回折装置、電子顕微鏡、電圧標準装置等の超電導素子冷却装置を提供するものである。
【００３１】
又、同じく前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする、クライオポンプ、クライオパネル、サンプル冷却システム、物性測定装置、低温熱シールド、赤外線観測装置等の低温装置を提供するものである。
【００３２】
又、同じく前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする、Ｘ線観測装置、赤外線観測装置、電波観測装置、宇宙線観測装置等の宇宙分野冷却装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００３３】
本発明では、４〜１０Ｋ付近に大きな比熱を持つセラミック磁性材を蓄冷器の蓄冷材として用いる。従って、従来の金属系磁性蓄冷材に比べて、３〜１０Ｋでの冷凍性能を大きく改善できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００３５】
本発明の第１実施形態は、図４（全体図）、図５（冷却部詳細図）、図６（２段蓄冷器断面図）に示す如く、本発明を、２段式ＧＭ冷凍機に用いたものである。
【００３６】
図４において、圧縮機１１からの高圧ガスは、高圧ガス配管１２を経て２段式ＧＭ冷凍機１に供給され、低圧ガス配管１３を経て圧縮機１１の低圧口に回収される。図５に示す如く、１段シリンダ２５と２段シリンダ３５に、それぞれ収容された１段蓄冷器２と２段蓄冷器３は、図４に示す駆動モータ１４によって駆動され、上下に往復運動する。
【００３７】
蓄冷材２４、３４は、図５に示す如く、それぞれの蓄冷器外筒２３、３３の中に詰められ、本実施形態では、１段蓄冷材２４は銅合金の金網とされている。
【００３８】
２段蓄冷器３は、図６に示す如く、積層構造で、２段の低温側蓄冷材３４ｂに顆粒状の（Ｇｄ0.05Ｔｂ0.95）2Ｏ2Ｓが約２０％の体積比率で充填され、高温側蓄冷材３４ａに顆粒状のＰｂやＨｏＣｕ2などが約８０％の体積比率で充填されている。図６において、３８は蓄冷材仕切である。
【００３９】
冷凍機１の冷却部は、図４に示す如く、真空容器１６に収納され、２段冷却ステージ３７は熱シールド１７によって囲まれている。熱シールド１７は、銅製の板状の筒で、１段冷却ステージ２７によって約４０Ｋまで冷やされる。２段冷却ステージ３７には電気ヒータ１８が取り付けられ、その電気入力によって冷凍能力が測定される。
【００４０】
図４において、１５は、高低圧ガス切換弁と駆動機構が収容されたハウジングであり、図５において、２１は、１段蓄冷器２のガス通路、２２は、同じくシール、２６は、１段膨張空間、３１は、２段蓄冷器３のガス通路、３２は、同じくシール、３６は、２段膨張空間である。
【００４１】
図７に、本発明により、２段蓄冷器低温端の約２０％の体積に（Ｇｄ0.05Ｔｂ0.95）2Ｏ2Ｓを充填した場合と、従来の磁性蓄冷材ＨｏＣｕ2を充填した場合とを比較して示す。図から明らかなように、本発明により（Ｇｄ0.05Ｔｂ0.95）2Ｏ2Ｓを充填した場合、冷凍能力が約１５〜２０％向上することが確認できた。
【００４２】
次に、２段式パルス管冷凍機に適用した本発明の第２実施形態を図８（全体図）及び図９（２段蓄冷器断面図）に示す。
【００４３】
図８において、圧縮機４１からの高圧ガスは、高圧ガス配管４２と高低圧ガス切換バルブユニット４４と連結管４５を経て２段式パルス管冷凍機４に供給され、低圧ガス配管４３と同バルブユニット４４を経て圧縮機４１の低圧口に回収される。１段蓄冷器５１と２段蓄冷器６１は、図９に示す如く、それぞれ蓄冷器外管（ステンレス鋼管）５６、６６と、その内部に充填された蓄冷材５７、６７によって構成される。
【００４４】
各段蓄冷器５１、６１の低温端は、各段冷却ステージ５２、６２に連結され、各段冷却ステージ５２、６２内部のガス流路５８、６８を介して、各段のパルス管５３、６３へ通じている。各パルス管５３、６３の高温端には、連結管５５、６５を介して、各段の位相調節部５４、６４が連結されている。
【００４５】
各段の位相調節部５４、６４は、バッファタンクやオリフィス、又は周期的に開閉するバルブなどの組合せによって構成される。位相調節部５４、６４の働きは、高低圧ガス切換バルブユニット４４によって実現されたパルス管５３、６３内部の圧力変化と、ガスの変位との位相を最適に調節し、十分な冷凍能力を得ることである。
【００４６】
本実施形態では、１段蓄冷材５７は銅合金の金網（メッシュＮｏ．１００〜４００）とされている。
【００４７】
２段蓄冷器６１は３層の積層構造で、高温側蓄冷材６７ａに顆粒状の鉛（長短径０．１〜１ｍｍ）が約２０％の体積比率で充填され、中間蓄冷材６７ｂに顆粒状のＨｏＣｕ2（長短径０．１〜０．７ｍｍ）が充填され、低温側蓄冷材６７ｃに顆粒状のＧｄ2Ｏ2Ｓ（長短径０．１〜０．７ｍｍ）が充填されている。図９において、６９は蓄冷材仕切である。
【００４８】
冷凍機４の冷却部は、図８に示す如く、真空容器４６に収納され、２段冷却ステージ６２は熱シールド４７によって囲まれている。熱シールド４７は銅製の板状の筒で、１段冷却ステージ５２によって約４０Ｋまで冷やされている。２段冷却ステージ６２に電気ヒータ４８が取り付けられ、その電気入力によって冷凍能力が測定される。図８において、４９はハウジングである。
【００４９】
図１０に、２段蓄冷器６１の低温側蓄冷材６７ｃのＧｄ2Ｏ2Ｓを０％〜約５０％（体積比率）まで増やし、相応に中間蓄冷材６７ｂのＨｏＣｕ2を８０％〜３０％（体積比率）に減らした場合（高温側蓄冷材６９ａの鉛は体積比率２０％に固定）の４．２Ｋにおける冷凍能力を示す。冷凍能力が約１５％向上したことが確認できた。
【００５０】
本実施形態において、各段の蓄冷材５７、６７は直接蓄冷器外管５６、６６に充填されているが、組立や分解作業をし易くするために、第１実施形態のように、蓄冷材を一旦蓄冷器外筒（樹脂やステンレス鋼など熱伝導率の低い材料によって構成される）に充填してから、カートリッジの形として蓄冷器外管５６、６６に挿入してもよい。
【００５１】
次に、第２実施形態と同じく２段式パルス管冷凍機に適用した本発明の第３実施形態を詳細に説明する。
【００５２】
本実施形態は、第２実施形態と同じ２段式パルス管冷凍機４を用いる。第２実施形態との相違点は、２段蓄冷器６１の構成である。本実施形態の２段蓄冷器６１はやはり３層構造であるが、高温層（６７ａ）に顆粒状の鉛（体積比率５０％、長短径０．１〜１ｍｍ）を充填し、中間層（６７ｂ）に本発明にかかる顆粒状の磁性材Ｔｂ2Ｏ2Ｓ（体積比率３０％、長短径０．１〜０．７ｍｍ）を充填し、低温層（６７ｃ）に顆粒状のＧｄＡｌＯ3（体積比率２０％、長短径０．１〜０．６ｍｍ）を充填する。
【００５３】
ＧｄＡｌＯ3の比熱のピークは４Ｋ以下にあるので、これによって２〜４Ｋでの冷凍能力を更に向上することができる。
【００５４】
次に、３段式パルス管冷凍機に適用した本発明の第４実施形態を図１１（冷凍機断面図）及び図１２（各段蓄冷器断面図）に示す。
【００５５】
本実施形態の３段式パルス管冷凍機５は第２実施形態のパルス管冷凍機４と本質的に同じで、相違点は２段蓄冷器６１の先端に更に第３段の蓄冷器７１を直列に接続し、該３段蓄冷器７１の低温端を３段冷却ステージ７２を介して３段パルス管７３の低温端と連結したことである。３段蓄冷器７１、３段冷却ステージ７２、３段パルス管７３、及び、連結管７５で接続された３段位相調節部７４の構造は、第２実施形態で述べた、１段及び２段のそれぞれと同じである。図１２において、７６は３段蓄冷器外管、７７は３段蓄冷材、７８は３段冷却部ステージ７２内ガス流路、７９は蓄冷材仕切である。
【００５６】
本実施形態では、１段蓄冷材５７はステンレス鋼の金網（メッシュＮｏ．１００〜４００）とされている。
【００５７】
２段蓄冷器６１は２層構造で、高温側蓄冷材６７ａには顆粒状鉛を体積比率６０％で充填し、低温側蓄冷材６７ｃとしては本発明にかかるペレット状の磁性材（Ｇｄ0.1Ｔｂ0.9）2Ｏ2Ｓを体積比率４０％で充填する。３段蓄冷器７１には、４Ｋ以下に比熱ピークをもつＧｄＡｌＯ3（ペレット状）を体積比率１００％で充填する。これによって、２〜４Ｋでの冷凍能力を更に向上することができた。
【００５８】
なお、本実施形態においては、ペレット状の（Ｇｄ0.1Ｔｂ0.9）2Ｏ2ＳとＧｄＡｌＯ3を用いたが、焼結されたペレット状の材料では顆粒状の材料に比べ、寸法管理や蓄冷器の形状変化に対応しにくい反面、より高い充填率が実現できる利点がある。
【００５９】
次に、並列型パルス管冷凍機に適用した本発明の第５実施形態を図１３（冷凍機断面図）及び図１４（低温段蓄冷器断面図）に示す。
【００６０】
並列型パルス管冷凍機は、各々独立した複数の１段又は２段パルス管冷凍機を熱的に結合し、高温段と低温段を形成して、一つの多段式冷凍機の役割を果たすものである。本実施形態の並列型パルス管冷凍機６では、二つの独立した１段パルス管冷凍機を熱的に結合し、高温段冷却ステージ１０３と低温段冷却ステージ１１３を形成し、実質的に一つの２段式パルス管冷凍機の役割を果たしている。このような並列型冷凍機は、高温段と低温段とはガスの流れが独立しているため、片方の冷却ステージにおける温度や冷凍能力の変化が他方に影響しにくいため、より安定した冷却システムが得ることができる。
【００６１】
本実施形態では、高温段冷却ステージ１０３が熱シールド８６を冷やすと同時に、低温段蓄冷器１１１の中間も冷却している。これによって、低温段蓄冷器１１１の効率が高められ、結果的に低温段がより低い温度に到達することができる。又、本実施形態では、圧縮機８１、８２に、前記実施形態とは異なる、シリンダ（８１ａ、８２ｂ）・ピストン（８１ｂ、８２ｂ）型の圧縮機を用いている。これによって、高低圧ガス切換バルブユニットを用いずに、パルス管１０２、１１２に直接高低圧力の振動を送り込むことができる。図１３において、８３、８４は圧縮機連結管、８５は真空容器、１００、１１０はハウジング、１０１は高温段蓄冷器、１０４、１１４は位相調節部、１０５、１１５は連結管である。
【００６２】
本実施形態の低温段蓄冷器１１１は、図１４に示す如く、３層の積層構造とし、室温からの高温側蓄冷材１１７ａには銅合金の金網（メッシュＮｏ．１００〜４００、体積比率５０％）を充填し、中間蓄冷材１１７ｂには顆粒状の鉛合金（体積比率３０％、長短径０．１〜１ｍｍ）を充填し、低温側蓄冷材１１７ｃには顆粒状のＴｂ2Ｏ2ＳとＧｄ2Ｏ2Ｓとの混合材（混合比率６０％：４０％）（体積比率２０％、長短径０．１〜０．７ｍｍ）を充填する。これによって低温段冷却ステージ１１３において４〜１０Ｋの温度範囲で大きな冷凍能力を得ることができる。図１４において、１１６は低温段蓄冷器外管、１１８は蓄冷材仕切、１１９は低温段冷却ステージ１１３内ガス流路である。
【００６３】
なお、本実施形態では、高温段と低温段のパルス管１０２、１１２に別々の圧縮機８１、８２を用いていたが、システムの構成を簡略化するために、一つの圧縮機で同時に二つの並列パルス管に対しガスの供給と回収を行ってもよい。
【００６４】
又、本実施形態では、Ｔｂ2Ｏ2ＳとＧｄ2Ｏ2Ｓとの混合材を使ったが、混合材を使うことによって、見かけ上の比熱ピーク値は低くなるが、より広い温度範囲において見かけ上大きな比熱を得ることができ、結果的に積層の層数を減らすことができる。積層の層数が増えすぎると、蓄冷材仕切の占める空間が増えるばかりでなく、仕切が倒れ、冷凍性能の不安定を招く可能性も大きくなる。混合材を使うことで、これらの欠点を解消することができる。
【００６５】
次に、第１実施形態の２段式ＧＭ冷凍機１を予冷段に用い、他の冷却手段としてジュール・トムソン（ＪＴ）冷却回路８を追加した本発明の第６実施形態を図１５に示す。
【００６６】
２段式ＧＭ冷凍機１は第１実施形態と同じで、説明を省略するが、２段蓄冷器３の最低温段に、本発明の蓄冷材（Ｇｄ0.05Ｔｂ0.95）2Ｏ2Ｓを体積比率約２０％充填した。
【００６７】
追加したＪＴ冷却回路８では、ヘリウムガスが圧縮機１２０から高圧配管１２１を経て、第１対向流熱交換器１２８ａ、１段ステージ熱交換器１２９ａ、第２対向流熱交換器１２８ｂ、２段ステージ熱交換器１２９ｂ、第３対向流熱交換器１２８ｃを通過するとともに徐々に予冷される。予冷されたガスがＪＴ弁１２５（最適な開度は調節ハンドル１２６で調節される）を通過する際に、等エンタルピ的に膨張して寒冷を発生し、熱交換器１２９ｃを通過する際に、冷却対象物１２７から熱を奪い、それを冷却する。
【００６８】
更に、ガスが対向流熱交換器１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃを通過しながら、対向的に入ってくるガスを冷却しつつ、低圧配管１２２を経て圧縮機１２０に回収される。
【００６９】
図１５において、１２３は真空容器、１２４ａ、１２４ｂは熱シールドである。
【００７０】
本実施形態では、ＧＭ冷凍機１の冷凍能力が、本発明の磁性材によって約２０％向上されたため、ＪＴ冷却回路８を流れるガスの流量を増やすことが可能になり、結果的に熱交換器１２９ｃにおける冷却対象物１２７を冷却する能力を、約１０〜２０％向上することができた。
【００７１】
次に、同じく第１実施形態の２段式ＧＭ冷凍機を使った磁気共鳴イメージ（ＭＲＩ）装置である本発明の第７実施形態を図１６に示す。
【００７２】
本実施形態のＭＲＩ装置９では、磁場空間１３８を作り出すために超電導磁石１３５が用いられている。該超電導磁石１３５は、液体ヘリウム１３４に浸漬され、超電導状態まで冷やされている。液体ヘリウム容器１３３の外部に熱シールド１３２があり、更に外側には真空容器１３１がある。液体ヘリウムは注入口１３６から注入されるが、液体ヘリウム容器１３３内部に設けられている凝縮部１３７によって、気化したヘリウムは再び液に戻され、ヘリウムを長期間無補給で運転が可能である。
【００７３】
凝縮部１３７はＧＭ冷凍機１の２段冷却ステージ３７と熱的に結合され、継続的に寒冷が供給される。ＧＭ冷凍機１の１段冷却ステージ２７により熱シールド１３２が冷却されている。
【００７４】
本実施形態では、ＧＭ冷凍機１の冷凍能力が本発明にかかる磁性材によって約２０％向上されるので、液体ヘリウム１３４の再凝縮を、より効率的に行うことができ、ヘリウムの蒸発量がより大きなＭＲＩ装置にも対応可能になる。
【００７５】
なお、本実施形態では、冷凍機１を液体ヘリウム１３４の再凝縮に用いていたが、液体ヘリウムを無くし、冷凍機１が直接、超電導磁石１３５を熱伝導で冷却するように構成することもできる。又、熱シールドを一つ追加し、１段冷却ステージ２７と２段冷却ステージ３７が、それぞれ一つの熱シールドを冷やす、いわゆるシールド冷却型にすることもできる。
【００７６】
なお、前記実施形態においては、磁性材の一般式がＲxＯ2Ｓ又は（Ｒ1-yＲ´y）xＯ2Ｓ（Ｒ、Ｒ´は希土類元素）とされていたが、磁性材の種類はこれに限定されず、例えば酸素Ｏ2を含まないものを用いることもできる。
【００７７】
前記磁性材は、単独で用いることも、他の磁性材と混合して用いることもできる。又、少なくとも二種類の前記磁性材を混合して用いることもできる。
【００７８】
又、前記磁性材は、例えば顆粒状（０．０１ｍｍ〜３ｍｍ）に加工して、蓄冷器に充填することができる。顆粒状とした場合には、蓄冷器の形状変更に対応し易く、蓄冷器の寸法管理が容易で扱い易い。或いは、ブロック状、ペレット状、又は板状に焼結、加工して充填することもできる。この場合には、形を合わせることによって、蓄冷材の充填率を高めることができる。
【００７９】
なお、蓄冷型冷凍機の作業流体は、4Ｈｅ、3Ｈｅ、これらの混合ガス、或いは他の流体とすることができる。
【００８０】
前記実施形態においては、本発明がＧＭサイクル冷凍機、パルス管冷凍機、ジュール・トムソン冷凍機に適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、スターリングサイクル冷凍機、ビルミエサイクル冷凍機、ソルベーサイクル冷凍機、エリクソンサイクル冷凍機等の他の蓄冷型極低温冷凍機にも適用できることは明らかである。
【００８１】
又、本発明に係る蓄冷型極低温冷凍機を予冷段に使った冷凍システムは、第６実施形態のジュール・トムソン冷凍機に限定されず、3Ｈｅ−4Ｈｅ希釈冷凍機、断熱消磁冷凍システム、磁気冷凍機、吸着式冷凍システム等、他の冷凍システムにも同様に適用できることは明らかである。
【００８２】
又、本発明は、冷凍システム他、前記の蓄冷型極低温冷凍機を使った、液体4Ｈｅ、液体3Ｈｅ又はこれらの混合液、超流動4Ｈｅ、超流動3Ｈｅの寒剤生成装置や寒剤再凝縮装置にも同様に適用できる。
【００８３】
又、ＭＲＩ装置、ＮＭＲ装置、冷凍機伝導冷却超電導磁石、単結晶引き上げ装置、磁気分離装置、ＳＭＥＳ装置、物性測定装置等の超電導磁石装置にも同様に適用できる。
【００８４】
又、ＳＱＵＩＤ装置、ＳＩＳ素子、Ｘ線回折装置、電子顕微鏡、電圧標準装置等の超電導素子冷却装置にも同様に適用できる。
【００８５】
又、クライオポンプ、クライオパネル、サンプル冷却システム、物性測定装置、低温熱シールド、赤外線観測装置等の低温装置にも、同様に適用できる。
【００８６】
又、Ｘ線観測装置、赤外線観測装置、電波観測装置、宇宙線観測装置等の宇宙分野冷却装置にも同様に適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明によれば、蓄冷材として、従来の金属系磁性蓄冷材に比べ、４〜１０Ｋの温度領域に大きな比熱を持つ磁性材を用いたため、ヘリウムガス等の作業ガスとの熱交換率効率が向上し、冷凍能力が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】従来の金属系磁性蓄冷材と本発明で用いる磁性材の比熱の温度依存性を比較して示す線図
【図２】本発明で用いる他の磁性材の比熱の温度依存性を示す線図
【図３】本発明で用いる更に他の磁性材の比熱の温度依存性を示す線図
【図４】２段式ＧＭ冷凍機に適用された本発明の第１実施形態の全体構成を示す断面図
【図５】第１実施形態の冷却部の詳細を示す拡大断面図
【図６】同じく２段蓄冷器を示す拡大断面図
【図７】第１実施形態と従来例の冷凍能力を比較して示す線図
【図８】２段式パルス管冷凍機に適用した本発明の第２、第３実施形態の全体構成を示す断面図
【図２】第２、第３実施形態の２段蓄冷器を示す拡大断面図
【図１０】第２実施形態の冷凍能力を示す線図
【図１１】３段式パルス管冷凍機に適用した本発明の第４実施形態の要部構成を示す断面図
【図１２】第４実施形態の各段蓄冷器を示す拡大断面図
【図１３】並列型パルス管冷凍機に適用した本発明の第５実施形態の全体構成を示す断面図
【図１４】第５実施形態の低温段蓄冷器を示す拡大断面図
【図１５】ＧＭ−ＪＴ冷凍システムに適用した本発明の第６実施形態の全体構成を示す断面図
【図１６】ＭＲＩ装置に適用した本発明の第７実施形態の全体構成を示す断面図
【符号の説明】
【００８９】
１…２段式ＧＭ冷凍機
２、５１…１段蓄冷器
３、６１…２段蓄冷器
４…２段式パルス管冷凍機
５…３段式パルス管冷凍機
６…並列型パルス管冷凍機
７…ＧＭ−ＪＴ冷凍システム
１１、４１、８１、８２、１２０…圧縮機
１６、４６、８５、１２３、１３１…真空容器
２４、５７…１段蓄冷材
２７、５２…１段冷却ステージ
３４…２段蓄冷材
３４ａ、６７ａ…高温側蓄冷材
３４ｂ、６７ｂ…低温側蓄冷材
３７、６２…２段冷却ステージ
５３…１段パルス管
６３…２段パルス管
６７ｂ…中間蓄冷材
７１…３段蓄冷器
７２…３段冷却ステージ
７３…３段パルス管
７７…３段蓄冷材
９８…ジュール・トムソン（ＪＴ）冷却回路
１０１、１１１…蓄冷器
１０２、１１２…パルス管
１０３、１１３…冷却ステージ
１１７ａ、１１７ｂ、１１７ｃ…低温段蓄冷材
１２５…ＪＴ弁
１２７…冷却対象
１３４…液体ヘリウム
１３５…超電導磁石
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１３】
2003081145.tif 000019
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１４】
2003081145.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成17年2月28日(2005.2.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】手続補正書
【補正対象項目名】手続補正１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】明細書【特許請求の範囲】【請求項１】  蓄冷材として、希土類元素と硫黄を含む、少くとも一種類の磁性材を用いたことを特徴とする極低温蓄冷器。【請求項２】  前記磁性材が、酸素を含むことを特徴とする請求項１に記載の極低温蓄冷器。【請求項３】  前記磁性材として、一般式ＲxＯ2Ｓ又は（Ｒ1-yＲ´y）xＯ2Ｓ（Ｒ、Ｒ´は少なくとも一種類の希土類元素、０．１≦ｘ≦９、０≦ｙ≦１）で表わされるものを用いることを特徴とする請求項２に記載の極低温蓄冷器。【請求項４】  前記元素Ｒ及びＲ´が、イットリウムＹ、ランタンＬａ、セリウムＣｅ、プラセオジムＰｒ、ネオジムＮｄ、プロメチウムＰｍ、サマリウムＳｍ、ユーロピウムＥｕ、ガドリニウムＧｄ、テルビウムＴｂ、ジスプロシウムＤｙ、ホルミウムＨｏ、エルビウムＥｒ、ツリウムＴｍ、又は、イッテルビウムＹｂであることを特徴とする請求項３に記載の極低温蓄冷器。【請求項５】  前記磁性材が、更に、添加物を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の極低温蓄冷器。【請求項６】  前記添加物が、ジルコニウムＺｒ及び／又はアルミニウムＡｌ及び/又はアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）であることを特徴とする請求項５に記載の極低温蓄冷器。【請求項７】  少くとも一種類の前記磁性材を、他の磁性材と混合して用いることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の極低温蓄冷器。【請求項８】  少くとも二種類の前記磁性材を混合して用いることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の極低温蓄冷器。【請求項９】  少くとも一種類の前記磁性材が、顆粒状に加工されて、充填されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の極低温蓄冷器。【請求項１０】  前記顆粒状の磁性材が、その表面を薄膜で覆われるように加工され、充填されていることを特徴とする請求項９に記載の極低温蓄冷器。【請求項１１】  前記顆粒の大きさが、０．０１〜３ｍｍであることを特徴とする請求項９又は１０に記載の極低温蓄冷器。【請求項１２】  少くとも一種類の前記磁性材が、ブロック状、ペレット状、又は、板状に焼結、加工されて、充填されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の極低温蓄冷器。【請求項１３】  前記磁性材が、積層状に充填されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の極低温蓄冷器。【請求項１４】  前記磁性材が、蓄冷器の最低温層に充填されていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の極低温蓄冷器。【請求項１５】  前記磁性材を、蓄冷器の最低温層より高温の層に用い、且つ、それより低温の層に、４Ｋ付近又はそれ以下に大きな比熱を持つ別な磁性材を用いたことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の極低温蓄冷器。【請求項１６】  請求項１乃至１５のいずれかに記載の蓄冷器を用いたことを特徴とする蓄冷型極低温冷凍機。【請求項１７】  前記蓄冷器を最低温冷却段に用いたことを特徴とする請求項１６に記載の蓄冷型極低温冷凍機。【請求項１８】  前記蓄冷器を、中間冷却段に用い、最終冷却段蓄冷器に、４Ｋ付近又はそれ以下に大きな比熱を持つ別な磁性材を用いたことを特徴とする請求項１６に記載の蓄冷型極低温冷凍機。【請求項１９】  前記蓄冷器を、並列型蓄冷型極低温冷凍機の低��側冷却段に用いたことを特徴とする請求項１６乃至１８のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機。【請求項２０】 4Ｈｅを作業流体とすることを特徴とする請求項１６乃至１９のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機。【請求項２１】 3Ｈｅを作業流体とすることを特徴とする請求項１６乃至１９のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機。【請求項２２】 3Ｈｅと4Ｈｅの混合ガスを作業流体とすることを特徴とする請求項１６乃至１９のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機。【請求項２３】  請求項１６乃至２２のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いた予冷段と、  少くとも一つの他の冷却手段と、  を備えたことを特徴とする冷凍システム。【請求項２４】  請求項１６乃至２３のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする寒剤生成装置。【請求項２５】  請求項１６乃至２３のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする寒剤再凝縮装置。【請求項２６】  請求項１６乃至２３のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする超電導磁石装置。【請求項２７】  請求項２６に記載の超電導磁石装置を用いたことを特徴とする磁気共鳴イメージ（ＭＲＩ）装置。【請求項２８】  請求項１６乃至２３のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする超電導素子冷却装置。【請求項２９】  請求項１６乃至２３のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする低温パネル及び低温熱シールド装置。【請求項３０】  請求項２９に記載の低温パネルを用いたことを特徴とするクライオポンプ。【請求項３１】  請求項１６乃至２３のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする宇宙分野冷却装置。【発明の詳細な説明】    【技術分野】    【０００１】  本発明は、極低温蓄冷器及び冷凍機に係り、特に、ＧＭ（ギフォード・マクマフォン）サイクル冷凍機、スターリングサイクル冷凍機、パルス管冷凍機、ビルミエサイクル冷凍機、ソルベーサイクル冷凍機、エリクソンサイクル冷凍機、又は、これを予冷段に使った冷凍システム等に用いるのに好適な、新規な蓄冷材を用いて冷凍能力を向上させた極低温蓄冷器及び冷凍機、及び、これを用いた冷凍システム、寒剤生成装置、再凝縮装置、超電導磁石装置、超電導素子冷却装置、低温パネル、低温熱シールド、宇宙分野冷却装置に関する。    【背景技術】    【０００２】  従来の蓄冷型極低温冷凍機では、最終冷却段（最低温段）蓄冷器にＥｒ3ＮｉやＨｏＣｕ2等、金属系の磁性蓄冷材を充填して、１０Ｋ以下の温度での冷凍を実現している（特許文献１）。    【０００３】  しかしながら、これらの金属系磁性蓄冷材は、図１にＨｏＣｕ2の例を示す如く、４．２Ｋ〜７Ｋ付近の比熱が充分大きくないため、４．２Ｋ付近での冷凍能力が充分ではない。又、これらの金属系磁性蓄冷材は、製造コストが高く、安価ではない等の問題点を有していた。    【０００４】    【特許文献１】特開平５−７１８１６号公報    【発明の開示】    【発明が解決しようとする課題】    【０００５】  本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、従来の金属系磁性蓄冷材に比べて、３〜１０Ｋとの冷凍性能を大きく改善可能な、新規な蓄冷材を用いた極低温蓄冷器、冷凍機、及び、これを用いた冷凍システム等を提供することを課題とする。    【課題を解決するための手段】    【０００６】  本発明は、極低温蓄冷器において、蓄冷材として、希土類元素と硫黄を含む、少くとも一種類の磁性材を用いることにより、前記課題を解決したものである。    【０００７】  又、前記磁性材が、酸素も含むようにしたものである。    【０００８】  又、前記磁性材として、一般式ＲxＯ2Ｓ又は（Ｒ1-yＲ´y）xＯ2Ｓ（Ｒ、Ｒ´は少なくとも一種類の希土類元素、０．１≦ｘ≦９、０≦ｙ≦１）で表わされるものを用いるようにしたものである。    【０００９】  又、前記元素Ｒ及びＲ´を、イットリウムＹ、ランタンＬａ、セリウムＣｅ、プラセオジムＰｒ、ネオジムＮｄ、プロメチウムＰｍ、サマリウムＳｍ、ユーロピウムＥｕ、ガドリニウムＧｄ、テルビウムＴｂ、ジスプロシウムＤｙ、ホルミウムＨｏ、エルビウムＥｒ、ツリウムＴｍ、又は、イッテルビウムＹｂとしたものである。    【００１０】  本発明に用いた磁性材の例（一般式ＲxＯ2Ｓ、ＲはＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂから選択した少なくとも一種類の希土類元素、0.1≦ｘ≦９）Ｇｄ2Ｏ2Ｓ、Ｔｂ2Ｏ2Ｓの体積当たりの比熱を図１に示す。比較するため、従来の磁性蓄冷材ＨｏＣｕ2、及び、特開２００１−３１７８２４に開示された磁性蓄冷材ＧｄＡｌＯ3の比熱も示す。ＨｏＣｕ2に比べ、ＲxＯ2Ｓの比熱ピーク値は２〜３倍以上ある。ＧｄＡｌＯ3に対しても、ＲxＯ2Ｓは比熱が大きいだけでなく、比熱のピーク位置が４〜１０Ｋにあるので、３〜１０Ｋで大きな冷凍能力を得るのに好適である。    【００１１】  又、本発明に用いた磁性材の他の例（一般式（Ｒ1-yＲ´y）xＯ2Ｓ、Ｒ、Ｒ´は少なくとも一種類の希土類元素、０．１≦ｘ≦９、０≦ｙ≦１）（ＧｄyＴｂ1-y）2Ｏ2Ｓ（ｙ＝０〜１）の体積当たりの比熱を図２に示す。（ＧｄyＴｂ1-y）2Ｏ2Ｓの比熱は、ピーク位置が４〜１０Ｋにあり、ピーク値が０．６Ｊ／ｃｍ3Ｋ以上である。これに対して、従来の磁性蓄冷材ＨｏＣｕ2の比熱ピーク値は０．４Ｊ／ｃｍ3Ｋ程度である。これら組成の材料であれば、どれも３〜１０Ｋで大きな冷凍能力を得るのに好適である。    【００１２】  本発明は、又、前記磁性材が、更にジルコニウムＺｒやアルミニウムＡｌまたはアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等の添加物を含むようにしたものである。    【００１３】  本発明に用いた磁性材の機械強度を改善するのに、添加物を添加することが有効である。図３に示すとおり、Ｇｄ3Ｏ2ＳにＡｌ又はＺｒ（Ｇｄ2Ｏ2Ｓに対する重量比１５％以下）を添加しても比熱の温度依存性を大きく変えることはなく、依然３〜１０Ｋで大きな冷凍能力を得るのに好適である。一方、この場合ＡｌとＺｒを添加することによって、Ｇｄ2Ｏ2Ｓの硬さを示すピッカーズ硬度は約４００から約９００まで改善され、冷凍機に使用される際に強い衝撃を受けても、剥離や粉化する可能性は著しく低減される。なお、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を添加物として用いる場合、Ｇｄ2Ｏ2Ｓに対する重量比は２０％以下が好適である。    【００１４】  本発明は、又、少くとも一種類の前記磁性材を、他の磁性材と混合して用いるようにしたものである。    【００１５】  又、少くとも二種類の前記磁性材を混合して用いるようにしたものである。    【００１６】  又、少くとも一種類の前記磁性材を、好ましくは０．０１〜３ｍｍの大きさの顆粒状に加工して、蓄冷器に充填するようにしたものである。    【００１７】  なお、前記の顆粒状に加工された磁性体が冷凍機に使用される際に衝撃を受けても、剥離や粉化が発生しないように、磁性体の表面を１μｍ〜５０μｍの薄膜で覆われるように加工して、蓄冷器に充填することが好ましい。薄膜は例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）やフッ素樹脂などの材料からできるだけ伝熱性の良いものを選び、例えばコーティングなどの方法で形成される。    【００１８】  又、少くとも一種類の前記磁性材を、ブロック状、ペレット状、又は、板状に焼結、加工して、蓄冷器に充填するようにしたものである。    【００１９】  又、前記各種磁性材を、蓄冷器に積層状に充填するようにしたものである。    【００２０】  又、前記各種磁性材を、蓄冷器の最低温層に充填するようにしたものである。    【００２１】  又、前記磁性材を、蓄冷器の最低温層より高温の層に用い、且つ、それより低温の層に、４Ｋ付近又はそれ以下に大きな比熱を持つ別な磁性材を用いるようにしたものである。    【００２２】  本発明は、又、前記磁性材を充填した前記蓄冷器を用いることを特徴とする蓄冷型極低温冷凍機を提供するものである。    【００２３】  又、前記磁性材を充填した前記蓄冷器を最低温冷却段に用いたことを特徴とする蓄冷型極低温冷凍機を提供するものである。    【００２４】  又、前記磁性材を充填した前記蓄冷器を中間冷却段に用い、最終冷却段蓄冷器に、４Ｋ付近又はそれ以下に大きな比熱を持つ別な磁性材を用いるようにしたものである。    【００２５】  又、前記磁性材を充填した前記蓄冷器を、並列型蓄冷型極低温冷凍機の低温側冷却段に用いるようにしたものである。    【００２６】  本発明は、又、4Ｈｅ、3Ｈｅ、又は、3Ｈｅと4Ｈｅの混合ガスを作業流体とすることを特徴とする前記の蓄冷型極低温冷凍機を提供するものである。    【００２７】  本発明は、又、前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いた予冷段と、少くとも一つの他の冷却手段とを備えたことを特徴とする、例えばジュール・トムソン冷凍機、3Ｈｅ−4Ｈｅ希釈冷凍機、断熱消磁冷凍システム、磁気冷凍機、吸着式冷凍システム等の冷凍システムを提供するものである。    【００２８】  又、前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする、液体4Ｈｅ、液体3Ｈｅ、又は、これらの混合液、超流動4Ｈｅ、超流動3Ｈｅ等の寒剤生成装置や寒剤再凝縮装置を提供するものである。    【００２９】  又、同じく前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする、ＭＲＩ（磁気共鳴イメージ）装置、ＮＭＲ装置、冷凍機伝導冷却超電導磁石、単結晶引き上げ装置、磁気分離装置、ＳＭＥＳ装置、物性測定装置等の超電導磁石装置を提供するものである。    【００３０】  又、同じく前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする、ＳＱＵＩＤ装置、ＳＩＳ素子、Ｘ線回折装置、電子顕微鏡、電圧標準装置等の超電導素子冷却装置を提供するものである。    【００３１】  又、同じく前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする、クライオポンプ、クライオパネル、サン��ル冷却システム、物性測定装置、低温熱シールド、赤外線観測装置等の低温装置を提供するものである。    【００３２】  又、同じく前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする、Ｘ線観測装置、赤外線観測装置、電波観測装置、宇宙線観測装置等の宇宙分野冷却装置を提供するものである。    【発明の効果】    【００３３】  本発明では、４〜１０Ｋ付近に大きな比熱を持つセラミック磁性材を蓄冷器の蓄冷材として用いる。従って、従来の金属系磁性蓄冷材に比べて、３〜１０Ｋでの冷凍性能を大きく改善できる。    【発明を実施するための最良の形態】    【００３４】  以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。    【００３５】  本発明の第１実施形態は、図４（全体図）、図５（冷却部詳細図）、図６（２段蓄冷器断面図）に示す如く、本発明を、２段式ＧＭ冷凍機に用いたものである。    【００３６】  図４において、圧縮機１１からの高圧ガスは、高圧ガス配管１２を経て２段式ＧＭ冷凍機１に供給され、低圧ガス配管１３を経て圧縮機１１の低圧口に回収される。図５に示す如く、１段シリンダ２５と２段シリンダ３５に、それぞれ収容された１段蓄冷器２と２段蓄冷器３は、図４に示す駆動モータ１４によって駆動され、上下に往復運動する。    【００３７】  蓄冷材２４、３４は、図５に示す如く、それぞれの蓄冷器外筒２３、３３の中に詰められ、本実施形態では、１段蓄冷材２４は銅合金の金網とされている。    【００３８】  ２段蓄冷器３は、図６に示す如く、積層構造で、２段の低温側蓄冷材３４ｂに顆粒状の（Ｇｄ0.05Ｔｂ0.95）2Ｏ2Ｓが約２０％の体積比率で充填され、高温側蓄冷材３４ａに顆粒状のＰｂやＨｏＣｕ2などが約８０％の体積比率で充填されている。図６において、３８は蓄冷材仕切である。    【００３９】  冷凍機１の冷却部は、図４に示す如く、真空容器１６に収納され、２段冷却ステージ３７は熱シールド１７によって囲まれている。熱シールド１７は、銅製の板状の筒で、１段冷却ステージ２７によって約４０Ｋまで冷やされる。２段冷却ステージ３７には電気ヒータ１８が取り付けられ、その電気入力によって冷凍能力が測定される。    【００４０】  図４において、１５は、高低圧ガス切換弁と駆動機構が収容されたハウジングであり、図５において、２１は、１段蓄冷器２のガス通路、２２は、同じくシール、２６は、１段膨張空間、３１は、２段蓄冷器３のガス通路、３２は、同じくシール、３６は、２段膨張空間である。    【００４１】  図７に、本発明により、２段蓄冷器低温端の約２０％の体積に（Ｇｄ0.05Ｔｂ0.95）2Ｏ2Ｓを充填した場合と、従来の磁性蓄冷材ＨｏＣｕ2を充填した場合とを比較して示す。図から明らかなように、本発明により（Ｇｄ0.05Ｔｂ0.95）2Ｏ2Ｓを充填した場合、冷凍能力が約１５〜２０％向上することが確認できた。    【００４２】  次に、２段式パルス管冷凍機に適用した本発明の第２実施形態を図８（全体図）及び図９（２段蓄冷器断面図）に示す。    【００４３】  図８において、圧縮機４１からの高圧ガスは、高圧ガス配管４２と高低圧ガス切換バルブユニット４４と連結管４５を経て２段式パルス管冷凍機４に供給され、低圧ガス配管４３と同バルブユニット４４を経て圧縮機４１の低圧口に回収され���。１段蓄冷器５１と２段蓄冷器６１は、図９に示す如く、それぞれ蓄冷器外管（ステンレス鋼管）５６、６６と、その内部に充填された蓄冷材５７、６７によって構成される。    【００４４】  各段蓄冷器５１、６１の低温端は、各段冷却ステージ５２、６２に連結され、各段冷却ステージ５２、６２内部のガス流路５８、６８を介して、各段のパルス管５３、６３へ通じている。各パルス管５３、６３の高温端には、連結管５５、６５を介して、各段の位相調節部５４、６４が連結されている。    【００４５】  各段の位相調節部５４、６４は、バッファタンクやオリフィス、又は周期的に開閉するバルブなどの組合せによって構成される。位相調節部５４、６４の働きは、高低圧ガス切換バルブユニット４４によって実現されたパルス管５３、６３内部の圧力変化と、ガスの変位との位相を最適に調節し、十分な冷凍能力を得ることである。    【００４６】  本実施形態では、１段蓄冷材５７は銅合金の金網（メッシュＮｏ．１００〜４００）とされている。    【００４７】  ２段蓄冷器６１は３層の積層構造で、高温側蓄冷材６７ａに顆粒状の鉛（長短径０．１〜１ｍｍ）が約２０％の体積比率で充填され、中間蓄冷材６７ｂに顆粒状のＨｏＣｕ2（長短径０．１〜０．７ｍｍ）が充填され、低温側蓄冷材６７ｃに顆粒状のＧｄ2Ｏ2Ｓ（長短径０．１〜０．７ｍｍ）が充填されている。図９において、６９は蓄冷材仕切である。    【００４８】  冷凍機４の冷却部は、図８に示す如く、真空容器４６に収納され、２段冷却ステージ６２は熱シールド４７によって囲まれている。熱シールド４７は銅製の板状の筒で、１段冷却ステージ５２によって約４０Ｋまで冷やされている。２段冷却ステージ６２に電気ヒータ４８が取り付けられ、その電気入力によって冷凍能力が測定される。図８において、４９はハウジングである。    【００４９】  図１０に、２段蓄冷器６１の低温側蓄冷材６７ｃのＧｄ2Ｏ2Ｓを０％〜約５０％（体積比率）まで増やし、相応に中間蓄冷材６７ｂのＨｏＣｕ2を８０％〜３０％（体積比率）に減らした場合（高温側蓄冷材６９ａの鉛は体積比率２０％に固定）の４．２Ｋにおける冷凍能力を示す。冷凍能力が約１５％向上したことが確認できた。    【００５０】  本実施形態において、各段の蓄冷材５７、６７は直接蓄冷器外管５６、６６に充填されているが、組立や分解作業をし易くするために、第１実施形態のように、蓄冷材を一旦蓄冷器外筒（樹脂やステンレス鋼など熱伝導率の低い材料によって構成される）に充填してから、カートリッジの形として蓄冷器外管５６、６６に挿入してもよい。    【００５１】  次に、第２実施形態と同じく２段式パルス管冷凍機に適用した本発明の第３実施形態を詳細に説明する。    【００５２】  本実施形態は、第２実施形態と同じ２段式パルス管冷凍機４を用いる。第２実施形態との相違点は、２段蓄冷器６１の構成である。本実施形態の２段蓄冷器６１はやはり３層構造であるが、高温層（６７ａ）に顆粒状の鉛（体積比率５０％、長短径０．１〜１ｍｍ）を充填し、中間層（６７ｂ）に本発明にかかる顆粒状の磁性材Ｔｂ2Ｏ2Ｓ（体積比率３０％、長短径０．１〜０．７ｍｍ）を充填し、低温層（６７ｃ）に顆粒状のＧｄＡｌＯ3（体積比率２０％、長短���０．１〜０．６ｍｍ）を充填する。    【００５３】  ＧｄＡｌＯ3の比熱のピークは４Ｋ以下にあるので、これによって２〜４Ｋでの冷凍能力を更に向上することができる。    【００５４】  次に、３段式パルス管冷凍機に適用した本発明の第４実施形態を図１１（冷凍機断面図）及び図１２（各段蓄冷器断面図）に示す。    【００５５】  本実施形態の３段式パルス管冷凍機５は第２実施形態のパルス管冷凍機４と本質的に同じで、相違点は２段蓄冷器６１の先端に更に第３段の蓄冷器７１を直列に接続し、該３段蓄冷器７１の低温端を３段冷却ステージ７２を介して３段パルス管７３の低温端と連結したことである。３段蓄冷器７１、３段冷却ステージ７２、３段パルス管７３、及び、連結管７５で接続された３段位相調節部７４の構造は、第２実施形態で述べた、１段及び２段のそれぞれと同じである。図１２において、７６は３段蓄冷器外管、７７は３段蓄冷材、７８は３段冷却部ステージ７２内ガス流路、７９は蓄冷材仕切である。    【００５６】  本実施形態では、１段蓄冷材５７はステンレス鋼の金網（メッシュＮｏ．１００〜４００）とされている。    【００５７】  ２段蓄冷器６１は２層構造で、高温側蓄冷材６７ａには顆粒状鉛を体積比率６０％で充填し、低温側蓄冷材６７ｃとしては本発明にかかるペレット状の磁性材（Ｇｄ0.1Ｔｂ0.9）2Ｏ2Ｓを体積比率４０％で充填する。３段蓄冷器７１には、４Ｋ以下に比熱ピークをもつＧｄＡｌＯ3（ペレット状）を体積比率１００％で充填する。これによって、２〜４Ｋでの冷凍能力を更に向上することができた。    【００５８】  なお、本実施形態においては、ペレット状の（Ｇｄ0.1Ｔｂ0.9）2Ｏ2ＳとＧｄＡｌＯ3を用いたが、焼結されたペレット状の材料では顆粒状の材料に比べ、寸法管理や蓄冷器の形状変化に対応しにくい反面、より高い充填率が実現できる利点がある。    【００５９】  次に、並列型パルス管冷凍機に適用した本発明の第５実施形態を図１３（冷凍機断面図）及び図１４（低温段蓄冷器断面図）に示す。    【００６０】  並列型パルス管冷凍機は、各々独立した複数の１段又は２段パルス管冷凍機を熱的に結合し、高温段と低温段を形成して、一つの多段式冷凍機の役割を果たすものである。本実施形態の並列型パルス管冷凍機６では、二つの独立した１段パルス管冷凍機を熱的に結合し、高温段冷却ステージ１０３と低温段冷却ステージ１１３を形成し、実質的に一つの２段式パルス管冷凍機の役割を果たしている。このような並列型冷凍機は、高温段と低温段とはガスの流れが独立しているため、片方の冷却ステージにおける温度や冷凍能力の変化が他方に影響しにくいため、より安定した冷却システムが得ることができる。    【００６１】  本実施形態では、高温段冷却ステージ１０３が熱シールド８６を冷やすと同時に、低温段蓄冷器１１１の中間も冷却している。これによって、低温段蓄冷器１１１の効率が高められ、結果的に低温段がより低い温度に到達することができる。又、本実施形態では、圧縮機８１、８２に、前記実施形態とは異なる、シリンダ（８１ａ、８２ｂ）・ピストン（８１ｂ、８２ｂ）型の圧縮機を用いている。これによって、高低圧ガス切換バルブユニットを用いずに、パルス管１０２、１１２に直接高低圧力の振動を送り込むことができる。図１３において、８３、８４は圧縮機連結管、８５は真空容器、１００、１１０はハウジング、１０１は高温段蓄冷器、１０４、１１４は位相調節部、１０５、１１５は連結管である。    【００６２】  本実施形態の低温段蓄冷器１１１は、図１４に示す如く、３層の積層構造とし、室温からの高温側蓄冷材１１７ａには銅合金の金網（メッシュＮｏ．１００〜４００、体積比率５０％）を充填し、中間蓄冷材１１７ｂには顆粒状の鉛合金（体積比率３０％、長短径０．１〜１ｍｍ）を充填し、低温側蓄冷材１１７ｃには顆粒状のＴｂ2Ｏ2ＳとＧｄ2Ｏ2Ｓとの混合材（混合比率６０％：４０％）（体積比率２０％、長短径０．１〜０．７ｍｍ）を充填する。これによって低温段冷却ステージ１１３において４〜１０Ｋの温度範囲で大きな冷凍能力を得ることができる。図１４において、１１６は低温段蓄冷器外管、１１８は蓄冷材仕切、１１９は低温段冷却ステージ１１３内ガス流路である。    【００６３】  なお、本実施形態では、高温段と低温段のパルス管１０２、１１２に別々の圧縮機８１、８２を用いていたが、システムの構成を簡略化するために、一つの圧縮機で同時に二つの並列パルス管に対しガスの供給と回収を行ってもよい。    【００６４】  又、本実施形態では、Ｔｂ2Ｏ2ＳとＧｄ2Ｏ2Ｓとの混合材を使ったが、混合材を使うことによって、見かけ上の比熱ピーク値は低くなるが、より広い温度範囲において見かけ上大きな比熱を得ることができ、結果的に積層の層数を減らすことができる。積層の層数が増えすぎると、蓄冷材仕切の占める空間が増えるばかりでなく、仕切が倒れ、冷凍性能の不安定を招く可能性も大きくなる。混合材を使うことで、これらの欠点を解消することができる。    【００６５】  次に、第１実施形態の２段式ＧＭ冷凍機１を予冷段に用い、他の冷却手段としてジュール・トムソン（ＪＴ）冷却回路８を追加した本発明の第６実施形態を図１５に示す。    【００６６】  ２段式ＧＭ冷凍機１は第１実施形態と同じで、説明を省略するが、２段蓄冷器３の最低温段に、本発明の蓄冷材（Ｇｄ0.05Ｔｂ0.95）2Ｏ2Ｓを体積比率約２０％充填した。    【００６７】  追加したＪＴ冷却回路８では、ヘリウムガスが圧縮機１２０から高圧配管１２１を経て、第１対向流熱交換器１２８ａ、１段ステージ熱交換器１２９ａ、第２対向流熱交換器１２８ｂ、２段ステージ熱交換器１２９ｂ、第３対向流熱交換器１２８ｃを通過するとともに徐々に予冷される。予冷されたガスがＪＴ弁１２５（最適な開度は調節ハンドル１２６で調節される）を通過する際に、等エンタルピ的に膨張して寒冷を発生し、熱交換器１２９ｃを通過する際に、冷却対象物１２７から熱を奪い、それを冷却する。    【００６８】  更に、ガスが対向流熱交換器１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃを通過しながら、対向的に入ってくるガスを冷却しつつ、低圧配管１２２を経て圧縮機１２０に回収される。    【００６９】  図１５において、１２３は真空容器、１２４ａ、１２４ｂは熱シールドである。    【００７０】  本実施形態では、ＧＭ冷凍機１の冷凍能力が、本発明の磁性材によって約２０％向上されたため、ＪＴ冷却回路８を流れるガスの流量を増やすことが可能になり、結果的に熱交換器１２９ｃにおける冷却対象物１２７を冷却する能力を、約１０〜２０％向上することができた。    【００７１】  次に、同じく第１実施形態の２段式ＧＭ冷凍機を使った磁気共鳴イメージ（ＭＲＩ）装置である本発明の第７実施形態を図１６に示す。    【００７２】  本実施形態のＭＲＩ装置９では、磁場空間１３８を作り出すために超電導磁石１３５が用いられている。該超電導磁石１３５は、液体ヘリウム１３４に浸漬され、超電導状態まで冷やされている。液体ヘリウム容器１３３の外部に熱シールド１３２があり、更に外側には真空容器１３１がある。液体ヘリウムは注入口１３６から注入されるが、液体ヘリウム容器１３３内部に設けられている凝縮部１３７によって、気化したヘリウムは再び液に戻され、ヘリウムを長期間無補給で運転が可能である。    【００７３】  凝縮部１３７はＧＭ冷凍機１の２段冷却ステージ３７と熱的に結合され、継続的に寒冷が供給される。ＧＭ冷凍機１の１段冷却ステージ２７により熱シールド１３２が冷却されている。    【００７４】  本実施形態では、ＧＭ冷凍機１の冷凍能力が本発明にかかる磁性材によって約２０％向上されるので、液体ヘリウム１３４の再凝縮を、より効率的に行うことができ、ヘリウムの蒸発量がより大きなＭＲＩ装置にも対応可能になる。    【００７５】  なお、本実施形態では、冷凍機１を液体ヘリウム１３４の再凝縮に用いていたが、液体ヘリウムを無くし、冷凍機１が直接、超電導磁石１３５を熱伝導で冷却するように構成することもできる。又、熱シールドを一つ追加し、１段冷却ステージ２７と２段冷却ステージ３７が、それぞれ一つの熱シールドを冷やす、いわゆるシールド冷却型にすることもできる。    【００７６】  なお、前記実施形態においては、磁性材の一般式がＲxＯ2Ｓ又は（Ｒ1-yＲ´y）xＯ2Ｓ（Ｒ、Ｒ´は希土類元素）とされていたが、磁性材の種類はこれに限定されず、例えば酸素Ｏ2を含まないものを用いることもできる。    【００７７】  前記磁性材は、単独で用いることも、他の磁性材と混合して用いることもできる。又、少なくとも二種類の前記磁性材を混合して用いることもできる。    【００７８】  又、前記磁性材は、例えば顆粒状（０．０１ｍｍ〜３ｍｍ）に加工して、蓄冷器に充填することができる。顆粒状とした場合には、蓄冷器の形状変更に対応し易く、蓄冷器の寸法管理が容易で扱い易い。或いは、ブロック状、ペレット状、又は板状に焼結、加工して充填することもできる。この場合には、形を合わせることによって、蓄冷材の充填率を高めることができる。    【００７９】  なお、蓄冷型冷凍機の作業流体は、4Ｈｅ、3Ｈｅ、これらの混合ガス、或いは他の流体とすることができる。    【００８０】  前記実施形態においては、本発明がＧＭサイクル冷凍機、パルス管冷凍機、ジュール・トムソン冷凍機に適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、スターリングサイクル冷凍機、ビルミエサイクル冷凍機、ソルベーサイクル冷凍機、エリクソンサイクル冷凍機等の他の蓄冷型極低温冷凍機にも適用できることは明らかである。    【００８１】  又、本発明に係る蓄冷型極低温冷凍機を予冷段に使った冷凍システムは、第６実施形態のジュール・トムソン冷凍機に限定されず、3Ｈｅ−4Ｈｅ���釈冷凍機、断熱消磁冷凍システム、磁気冷凍機、吸着式冷凍システム等、他の冷凍システムにも同様に適用できることは明らかである。    【００８２】  又、本発明は、冷凍システム他、前記の蓄冷型極低温冷凍機を使った、液体4Ｈｅ、液体3Ｈｅ又はこれらの混合液、超流動4Ｈｅ、超流動3Ｈｅの寒剤生成装置や寒剤再凝縮装置にも同様に適用できる。    【００８３】  又、ＭＲＩ装置、ＮＭＲ装置、冷凍機伝導冷却超電導磁石、単結晶引き上げ装置、磁気分離装置、ＳＭＥＳ装置、物性測定装置等の超電導磁石装置にも同様に適用できる。    【００８４】  又、ＳＱＵＩＤ装置、ＳＩＳ素子、Ｘ線回折装置、電子顕微鏡、電圧標準装置等の超電導素子冷却装置にも同様に適用できる。    【００８５】  又、クライオポンプ、クライオパネル、サンプル冷却システム、物性測定装置、低温熱シールド、赤外線観測装置等の低温装置にも、同様に適用できる。    【００８６】  又、Ｘ線観測装置、赤外線観測装置、電波観測装置、宇宙線観測装置等の宇宙分野冷却装置にも同様に適用できる。    【産業上の利用可能性】    【００８７】  本発明によれば、蓄冷材として、従来の金属系磁性蓄冷材に比べ、４〜１０Ｋの温度領域に大きな比熱を持つ磁性材を用いたため、ヘリウムガス等の作業ガスとの熱交換率効率が向上し、冷凍能力が向上する。    【図面の簡単な説明】    【００８８】    【図１】従来の金属系磁性蓄冷材と本発明で用いる磁性材の比熱の温度依存性を比較して示す線図    【図２】本発明で用いる他の磁性材の比熱の温度依存性を示す線図    【図３】本発明で用いる更に他の磁性材の比熱の温度依存性を示す線図    【図４】２段式ＧＭ冷凍機に適用された本発明の第１実施形態の全体構成を示す断面図    【図５】第１実施形態の冷却部の詳細を示す拡大断面図    【図６】同じく２段蓄冷器を示す拡大断面図    【図７】第１実施形態と従来例の冷凍能力を比較して示す線図    【図８】２段式パルス管冷凍機に適用した本発明の第２、第３実施形態の全体構成を示す断面図    【図９】第２、第３実施形態の２段蓄冷器を示す拡大断面図    【図１０】第２実施形態の冷凍能力を示す線図    【図１１】３段式パルス管冷凍機に適用した本発明の第４実施形態の要部構成を示す断面図    【図１２】第４実施形態の各段蓄冷器を示す拡大断面図    【図１３】並列型パルス管冷凍機に適用した本発明の第５実施形態の全体構成を示す断面図    【図１４】第５実施形態の低温段蓄冷器を示す拡大断面図    【図１５】ＧＭ−ＪＴ冷凍システムに適用した本発明の第６実施形態の全体構成を示す断面図    【図１６】ＭＲＩ装置に適用した本発明の第７実施形態の全体構成を示す断面図    【符号の説明】    【００８９】    １…２段式ＧＭ冷凍機    ２、５１…１段蓄冷器    ３、６１…２段蓄冷器    ４…２段式パルス管冷凍機    ５…３段式パルス管冷凍機    ６…並列型パルス管冷凍機    ７…ＧＭ−ＪＴ冷凍システム    １１、４１、８１、８２、１２０…圧縮機    １６、４６、８５、１２３、１３１…真空容器    ２４、５７…１段蓄冷材    ２７、５２…１段冷却ステージ    ３４…２段蓄冷材    ３４ａ、６７ａ…高温側蓄冷材    ３４ｂ、６７ｂ…低温側蓄冷材    ３７、６２…２段冷却ステージ    ５３…１段パルス管    ６３…���段パルス管    ６７ｂ…中間蓄冷材    ７１…３段蓄冷器    ７２…３段冷却ステージ    ７３…３段パルス管    ７７…３段蓄冷材    ９８…ジュール・トムソン（ＪＴ）冷却回路    １０１、１１１…蓄冷器    １０２、１１２…パルス管    １０３、１１３…冷却ステージ    １１７ａ、１１７ｂ、１１７ｃ…低温段蓄冷材    １２５…ＪＴ弁    １２７…冷却対象    １３４…液体ヘリウム    １３５…超電導磁石
【国際調査報告】
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