(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性の容器に格納された作業物質の持つエントロピーが、磁場依存性を持つことを利用して、被冷却物を冷却するようにされた断熱消磁冷凍機において、
前記作業物質と被冷却物を結ぶ伝熱部材に、作業物質の溶液と接触する外側のクラッドが化学耐性の高い貴金属、内側の母材が熱伝導性の高い金属からなり、該内側の母材の面粗度が、前記外側のクラッドの厚みより小さい値にされたクラッド材を用いたことを特徴とする断熱消磁冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非磁性の容器に格納された作業物質の持つエントロピーが、磁場依存性を持つことを利用して、被冷却物を冷却するようにされた断熱消磁冷凍機に係り、特に、常磁性塩の断熱消磁による冷凍に用いるのに好適な、必要な化学耐性を確保しつつ、作業物質と被冷却物間の伝熱性能を向上させて、冷凍能力を向上することが可能な断熱消磁冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気冷凍機の一つに、ある一定の温度における磁気モーメントの系の不規則性の程度を表わすエントロピーが、磁場を作用させると、磁気モーメントが部分的に整列して低下するという原理に基づく断熱消磁冷凍機がある。この断熱消磁冷凍機は、熱の作業物質である磁性体の持つエントロピーが、磁場依存性を持つことを利用して、被冷却物を冷却する（特開平９−１４５１９５参照）。
【０００３】
この断熱消磁冷凍機は、図１に例示する如く、例えばＸ線検出器のような被冷却物１０を冷却するための、例えば常磁性塩からなる作業物質１４が格納された非磁性の容器（ソルトピルと称する）１２と、前記作業物質１４を磁化するための、例えば超伝導磁石１６と、前記ソルトピル１２を補助冷却するための、排熱用の補助冷凍機（例えば液体ヘリウム、ギフォードマクマホン（ＧＭ）冷凍機、スターリング冷凍機等）１８と、前記ソルトピル１２に対する補助冷凍機１８の熱的な接続状態をオン・オフするためのヒートスイッチ２０と、これらを収容するための断熱真空槽２２とを備えている。
【０００４】
この断熱消磁冷凍機においては、まず、補助冷凍機１８により断熱真空槽２２の内部を液体ヘリウム温度程度まで冷却する。次いで、１０分間程度、超伝導磁石１６を励磁すると共に、ヒートスイッチ２０をオンとして、補助冷凍機１８により磁化熱を捨てる。次いで、ヒートスイッチ２０をオフとし、ソルトピル１２を熱的に孤立させ、超伝導磁石１６を消磁することによって、３０〜５０ｍＫ程度の極低温が２４時間程度得られる。
【０００５】
ここで、作業物質１４は、目的とする温度によって異なるが、１０〜１００ｍＫの場合、常磁性塩が用いられる。例えば、５０ｍＫ前後であれば、磁気転移温度が２０ｍＫ程度の鉄明バンＦｅ（ＮＨ4）ＳＯ4・１２Ｈ2Ｏ（以下ＦＡＡ）、３０ｍＫ前後であれば、磁気転移温度が１０ｍＫ程度のクロムカリ明バンＣｒＫ（ＳＯ4）・１２Ｈ2Ｏ（以下ＣＰＡ）といった物質が用いられる。
【０００６】
このような物質では、結晶水が失われると、結晶構造が変化して、磁気的性質も変わってしまうために、被冷却物１０に直接接触させて、断熱真空槽２２内に設置するわけにはいかないため、非磁性の容器であるソルトピル１２に格納した状態で使用する。そこで、結晶と被冷却物１０を熱的につなぐ伝熱部材３０が必要とされる。更に、伝熱損失を減らすために、伝熱部材３０に直接、作業物質１４の結晶を成長させることが望ましい。
【０００７】
一方、結晶成長は、硫酸酸性水溶液から、再結晶法で析出させる。即ち、伝熱部材３０は、まず、硫酸耐性を持たなければならない。更に、酸化還元電位を勘案して、作業物質と電子のやり取りをしない物質でなければならない。
【０００８】
更に、冷凍機としての構造体を形成するために、いくつかの部品と接合する必要があるが、溶接（ＴＩＧ、電子ビーム、レーザーなど）を用いる。このため、溶接性も材料選択の要素となる。
【０００９】
伝熱部材３０としては、熱の良導体である銅を用いることが一般的であるが、例えばＦＡＡが作業物質であれば、ＦＡＡの硫酸酸性水溶液と銅が接触すると、銅は硫酸耐性を持つので、硫酸には溶けないが、三価の鉄イオンと銅の酸化還元電位を比較すると、次式に示す如くとなり、銅が溶け出す方向に反応が進む。
【００１０】
Ｆｅ3+  ＋  ｅ  ＝Ｆｅ2+  …０．７７１Ｖ
Ｃｕ2+  ＋  ２ｅ＝Ｃｕ    …０．３３７Ｖ
２Ｆｅ3+  ＋  Ｃｕ＝２Ｆｅ2+＋Ｃｕ2+…０．４３４Ｖ      …（１）
【００１１】
この対策としては、銅に金メッキを施すことが可能であるが、次に挙げるような問題をもっている。
【００１２】
即ち、もともと、メッキは高々１０μｍオーダーの層を作るだけであるので、図２に示す如く、母材３２の表面にそれ以上の凹凸がある場合には、メッキ３４でカバーされない場所３２Ａができる。特に、角線の場合、図３に示す如く、角部３２Ｃは、元来メッキが付き難いことが一般に知られている。
【００１３】
更に、メッキの場合、母材との接触部分が合金化しており、純度が下がっているため、リサイクルも困難である等の問題点を有しいた。
【００１４】
超低温での伝熱部材で、変動磁場に晒される場所は、渦電流による発熱を回避するために、薄い板や細い線状の銅が用いられる。断熱消磁冷凍機において、常磁性体塩と接する場所は、正に変動磁場に晒される場所であるから、銅線が用いられることが多い。前述の表面の状況やメッキの付き具合は、線材になっても同じである。
【００１５】
又、メッキの場合には、図４に示すような線材の束や、図５に示すような平板の積層の場合には、メッキ液が奥まで浸透しなかったり、逆に、例えばシアン入りの酸であるメッキ液が間に残ることがある。
【００１６】
この結果、例え金メッキを施した銅製部材であっても、銅の溶出は避けられず、銅が溶けてしまうことで、熱が流れる断面積が小さくなるだけでなく、本来目的としない結晶が析出することになり、当然磁気的性質が異なるので、冷凍機としての性能にも悪影響を及ぼす。
【００１７】
又、銀も、熱の良導体であるが、程度は異なるものの、同様の現象が発生する。
【００１８】
なお、金や銀の単体のソリッド線を用いることも考えられるが、前者は熱伝導が悪く、重いという問題があり、後者は、熱伝導が良すぎて溶接ができないという問題がある。
【００１９】
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、化学耐性を損なうことなく伝熱性能を向上して、冷凍性能を向上すると共に、母材の全表面がクラッドにより確実にカバーされるようにすることを課題とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、非磁性の容器に格納された作業物質の持つエントロピーが、磁場依存性を持つことを利用して、被冷却物を冷却するようにされた断熱消磁冷凍機において、前記作業物質と被冷却物を結ぶ伝熱部材に、作業物質の溶液と接触する外側のクラッドが化学耐性の高い貴金属、内側の母材が熱伝導性の高い金属からなり、該内側の母材の面粗度が、前記外側のクラッドの厚みより小さい値にされたクラッド材を用いることにより、前記課題を解決したものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
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。
【００２３】
本実施形態は、図１に示したような従来例と同様の断熱消磁冷凍機において、図６（縦断面図）、図７（図６のVII-VII線に沿う横断面図）及び図８（同じくVIII-VIII線に沿う横断面図）に示す如く、そのソルトピル１２内の、表面に常磁性体（例えば鉄明バン）結晶を成長させて、被冷却物１０へ熱を伝える多数の伝熱部材４０を、図９（縦断面図）及び図１０（横断面図）に示す如く、母材である熱伝導性の高い銅線４２の周囲を、例えば加圧接着や圧延によって、貴金属である金４４で被覆したクラッド材としたものである。
【００２４】
図６乃至８において、５０は、例えば銅製のクロスピース、５２は、該クロスピース５０を連結するねじシャフト、５４は、例えばＦＲＰ製のキャップ、５６は、被冷却物と接触されるサーマルリンク、５８は、伝熱部材４０を固定するためのグリッドプレート、６０は、結晶作成時の注入口である。
【００２５】
このようにして、ソルトピル１２内の伝熱部材４０を、金クラッド４４を施した銅線４２とすることによって、伝熱部材４０の化学耐性については、全く問題がなくなる。又、母材の面粗度をクラッドの厚みより十分小さな値にしてクラッドした材料を用いるので、加工過程で山谷が押しつぶされており、場所によってカバーされる、されないという問題は生じない。更に、図９に示す金４４と下地４２の接合部４６は、クラッド材にする過程が、熱間加工であるため、拡散接合状態となり、密着度も良好である。従って、金と下地間の熱の流れも良好である。
【００２６】
これにより、常磁性体結晶と非冷却物を熱的によくつなぐことが可能となる。
【００２７】
更に、全体を金とする場合に比べて軽量とすることができ、例えば人工衛星等に乗せる場合に有効である。
【００２８】
なお、前記実施形態においては、伝熱物質４０が銅線の回りに金をクラッドしたものとされていたが、母材やクラッド材の種類はこれに限定されず、例えば母材を銀としたり、クラッド材を金以外の貴金属材料とすることも可能である。
【００２９】
又、金は化学耐性が良好であるので、酸、アルカリ中や、酸化還元性雰囲気での熱交換、伝熱部材にも用いることができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、伝熱部材の化学耐性を損なうことなく、伝熱性能を向上することができ、冷凍能力を向上することができる。又、クラッド材はメッキ材よりも物質的な純度が保証されているので、リサイクルも容易である等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】断熱消磁冷凍機の全体構成を示す概略図
【図２】金メッキを施した従来の伝熱部材の問題点を説明するための縦断面図
【図３】同じく母材が角線である場合の問題点を説明するための横断面図
【図４】従来の多数配設された伝熱部材の問題点を説明するための、伝熱部材が線材である場合を示す横断面図
【図５】同じく平板の積層状態を示す横断面図
【図６】本発明に係る断熱消磁冷凍機のソルトピルの実施形態を示す縦断面図
【図７】図６のVII-VII線に沿う横断面図
【図８】図６のVIII-VIII線に沿う横断面図
【図９】前記実施形態で用いられている伝熱部材の構成を示す縦断面図
【図１０】同じく横断面図
【符号の説明】
１０…被冷却物
１２…ソルトピル（容器）
１４…作業物質
１６…超伝導磁石
１８…補助冷凍機
２０…ヒートスイッチ
２２…断熱真空槽
３０、４０…伝熱部材
４２…銅線（母材）
４４…金クラッド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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