JP2002188866A - 蓄冷材およびそれを用いた冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高強度を有し、微粉化するおそれが少なく耐熱
衝撃性および耐久性に優れ、低温度域において顕著な冷
凍能力を発揮できる蓄冷材およびその蓄冷材を使用した
蓄冷式冷凍機等を提供する。 【解決手段】多数の磁性粒子から成る蓄冷材であり、各
磁性粒子の平面への投影像の面積をＡとする一方、投影
像の周囲長をＬとしたときに、４πＡ／Ｌ^２で定義され
る円形度係数Ｒの平均値が０．７以上であり、その円形
度係数Ｒの標準偏差が０．１以下であることを特徴とす
る蓄冷材である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は蓄冷材およびその蓄
冷材を用いた冷凍機等に係り、特に微粉化するおそれが
少なく機械的強度および耐久性に優れ、低温度域におい
て顕著な冷凍能力を発揮できる蓄冷材およびその蓄冷材
を使用した冷凍機等に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、超電導技術の発展は著しく、その
応用分野が拡大するに伴って小型で高性能の冷凍機の開
発が不可欠になってきている。かかる小型冷凍機は、軽
量・小型で熱効率の高いことが要求されており、種々の
応用分野において実用化が進められている。

【０００３】例えば、超電導ＭＲＩ装置やクライオポン
プなどにおいては、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）方
式やスターリング方式やパルスチューブ冷凍機などの冷
凍サイクルによる冷凍機が用いられている。また、磁気
浮上列車にも超電導磁石を用いて磁力を発生させるため
に高性能な冷凍機が必須とされている。さらに、最近で
は、超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）、および高品質の
シリコンウェハーなどを製造する磁場中単結晶引き上げ
装置などにおいても高性能な冷凍機が用いられている。
さらに高い信頼性が期待されているパルスチューブ冷凍
機の開発・実用化も積極的に進められている。

【０００４】このような冷凍機においては、蓄冷材が充
填された蓄冷器内を、圧縮されたＨｅガスなどの作動媒
質が一方向に流れて、その熱エネルギーを蓄冷材に供給
し、ここで膨張した作動媒質が反対方向に流れ、蓄冷材
から熱エネルギーを受け取る。こうした過程での復熱効
果が良好になるに伴い、作動媒質サイクルでの熱効率が
向上し、より低い温度を実現することが可能となる。

【０００５】上述したような冷凍機に使われる蓄冷材と
しては、従来、ＣｕやＰｂなどが主に用いられてきた。
しかし、このような蓄冷材は、２０Ｋ以下の極低温で比
熱が著しく小さくなるため、上述した復熱効果が十分に
機能せず、冷凍機での作動に際して極低温下で１サイク
ル毎に蓄冷材に充分な熱エネルギーを貯蔵することがで
きず、かつ作動媒質が蓄冷材から充分な熱エネルギーを
受け取ることができなくなる。その結果、前記蓄冷材を
充填した蓄冷器を組み込んだ冷凍機では極低温に到達さ
せることができない問題があった。

【０００６】そこで、最近では前記蓄冷器の極低温での
復熱特性を向上し、より絶対零度に近い冷凍温度を実現
するために、特に２０Ｋ以下の極低温域において体積比
熱の極大値を有し、かつその値が大きなＥｒ_３Ｎｉ，Ｅ
ｒＮｉ，ＨｏＣｕ_２などのように希土類元素と遷移金属
元素とから成る金属間化合物を主体とした磁性蓄冷材が
使用されている。このような磁性蓄冷材をＧＭ冷凍機に
用いることにより、４Ｋでの冷凍が実現されている。

【０００７】上記のような冷凍機を各種冷却システムに
現実に応用することが検討されるに伴って、より大規模
な冷却対象物を安定に冷却する必要性から、冷凍機に
は、より一層の冷凍能力の向上が求められている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、スター
リング冷凍機やパルスチューブ冷凍機などのように高速
運転を行う冷凍機においては、磁性蓄冷粒子を充填した
蓄冷器での圧力損失が大きくなり、十分な冷凍能力が実
現できない問題点があった。またＧＭ冷凍機などにおい
ては、冷凍機の運転中に作用する高圧ヘリウムガスの圧
力振動や各種応力や衝撃力によって磁性体粒子が損傷し
たり微粉化して冷媒ガスの通気抵抗を高め、熱交換効率
が急激に低下するなどの不具合が発生し易い難点があっ
た。

【０００９】特に、ＧＭ冷凍機の場合には、さらにディ
スプレーサ（冷媒圧縮用ピストン）の往復運動による応
力が蓄冷材に作用し、影響が大きい。また、冷凍機の始
動時には、室温付近から４Ｋ付近の極低温温度まで短時
間に温度が降下するため、大きな熱衝撃が蓄冷材に作用
する。

【００１０】ところが、一般に磁性体粒子は脆性を示
し、機械的強度が十分ではなく、また熱衝撃にも弱いた
め、冷凍機の運転中に蓄冷材が破壊したり、蓄冷材表面
の一部が剥離したりして、微粉を発生させる。この微粉
は冷凍機のシール部を損傷するため、結果として冷凍機
の能力を短時間の運転で著しく低下させる問題点があ
る。

【００１１】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであり、特に高強度を有し、微粉化するおそれ
が少なく耐熱衝撃性および耐久性に優れ、低温度域にお
いて顕著な冷凍能力を長時間に亘って発揮できる蓄冷材
およびその蓄冷材を使用した蓄冷式冷凍機等を提供する
ことを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本願発明に係る蓄冷材は、多数の磁性粒子から成る
蓄冷材であり、各磁性粒子の平面への投影像の面積をＡ
とする一方、投影像の周囲長をＬとしたときに、４πＡ
／Ｌ^２で定義される円形度係数Ｒの平均値が０．７以上
であり、その円形度係数Ｒの標準偏差が０．１以下であ
ることを特徴とする。

【００１３】また、上記蓄冷材において、前記磁性粒子
が希土類元素を含むことが好ましい。

【００１４】また、本発明に係る冷凍機は、蓄冷器の上
流高温側から冷媒ガスを流して上記冷媒ガスと蓄冷器に
充填した蓄冷材との熱交換によって蓄冷器の下流側に
て、より低温度を得る冷凍機において、上記蓄冷器に充
填された蓄冷材の少なくとも一部が上記本発明の蓄冷材
であることを特徴とする。

【００１５】さらに、本発明に係るＭＲＩ（Ｍａｇｎｅ
ｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ）装置、
磁気浮上列車用超電導磁石、クライオポンプおよび磁界
印加式単結晶引上げ装置は、いずれも上記した本発明に
係る冷凍機を具備することを特徴としている。

【００１６】本発明に係る蓄冷材の組成は、特に限定さ
れるものではないが、少なくとも一部の粒子状蓄冷材が
希土類元素を含有することが好ましい。具体的には、上
記粒子状蓄冷材は、 一般式ＲＭｚ……（１） （但し、ＲはＹ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓ
ｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍおよび
Ｙｂから選択される少なくとも１種の希土類元素であ
り、ＭはＮｉ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｒｕ，Ｉｎ，
Ｇａ，Ｇｅ，ＳｉおよびＲｈから選択される少なくとも
１種の希土類元素であり、ｚは原子比で０≦ｚ≦９．０
を満足する。）で表わされる希土類元素単体または希土
類元素を含む金属間化合物で構成することが好ましい。
上記蓄冷材のうち、ＨｏＣｕ_２が特に好ましい。

【００１７】本発明に係る蓄冷材は、２０Ｋ以下の極低
温領域において比熱ピークを有する酸化物を主体とする
多数の磁性粒子から構成してもよい。この磁性粒子を構
成する酸化物としては、例えば下記一般式（２），
（３），（４）で示す組成物が好適に使用できる。

【００１８】 すなわち、一般式：ＲＭＯ_３ ……（２） （但し、Ｒは、Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓ
ｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍおよび
Ｙｂから選択される少なくとも１種の希土類元素であ
り、Ｍは３Ｂ族元素から選択される少なくとも１種の元
素である。）で表わされるペロブスカイト系酸化物； 一般式：ＡＢ_２Ｏ_４ ……（３） （但し、Ａは、２Ｂ族元素から選択される少なくとも１
種の元素であり、Ｂは少なくともＣｒを含む遷移金属元
素である。）で表わされるスピネル系酸化物；および 一般式：ＣＤ_２Ｏ_６ ……（４） （但し、ＣはＭｎおよびＮｉから選択される少なくとも
１種の元素であり、ＤはＮｂおよびＴａから選択される
少なくとも１種の元素である。）で表わされる酸化物な
どが好適に用いられる。

【００１９】これらの希土類元素系磁性粒子から成る蓄
冷材は、２０Ｋ以下に比熱の最大値を有し、かつその値
が単位体積当りの比熱（体積比熱）として十分に大きい
ため、より極低温の到達が可能となることから、本発明
に好適な蓄冷物質である。

【００２０】本発明に係る蓄冷材を構成する磁性粒子の
円形度係数Ｒの平均値は０．７以上の範囲とされる。こ
こで上記円形度係数Ｒは磁性粒子の平面への投影像の面
積をＡとする一方、投影像の周囲長さをＬとしたとき
に、４πＡ／Ｌ^２で与えられる値として定義される。

【００２１】上記円形度係数Ｒ（＝４πＡ／Ｌ^２）は磁
性粒子の丸さの度合を表わす係数であり、係数値が１に
近いほど粒子断面形状が真円に近いことになり、粒子形
状が完全に球である場合には、１となる値である。しか
しながら、ほぼ球体の磁性粒子表面に微細な突起部が形
成されている場合には、ある程度の高い円形度係数Ｒが
得られるものの、この突起部が冷凍機の運転中に作用す
る振動や衝撃力によって脱落して、磁性粒子の粉砕粉と
同様に作用して冷凍機のシール部分を損傷させるおそれ
が依然として高い。

【００２２】上記突起部の有無は、円形度係数Ｒのばら
つきの大小として計測される。そこで本発明に係る蓄冷
材においては、微粉化を防止し機械的強度および耐久性
を高めるために、蓄冷材を構成する多数の磁性粒子の円
形度係数Ｒの平均値を所定値（０．７）以上に規定する
とともに、その円形度係数Ｒの標準偏差を０．１以下に
規定している。この円形度係数Ｒの標準偏差は、磁性粒
子の丸さの度合いのばらつきを示す値であり、この標準
偏差が小さいほど、磁性粒子群の形状が一様で揃ってい
ることを意味する。

【００２３】そして各磁性粒子の平面への投影像形状が
真円に近く、かつ破壊の起点となる突起や凹陥部が少な
くて上記標準偏差が小さい磁性粒子の集合体である場合
に、蓄冷材としての構造強度が高くなり、蓄冷器に充填
した状態での磁性粒子の集合体としての耐久性も高くな
る。

【００２４】上記円形度係数Ｒの平均値が０．７未満の
場合は、蓄冷材を構成する磁性粒子の形状が真球状態か
ら離れて不規則形状になる。そのため、磁性粒子間の接
触部位が一定せず、蓄冷器に高い充填密度で均一に充填
することが困難になり、また冷媒ガスとの接触効率にも
むらを生じるため、冷熱の交換効率が低下し、冷凍機と
しての能力が低下してしまう。したがって上記円形度係
数Ｒの平均値は０．７以上に規定されるが、０．８以上
がより好ましく、さらに０．９以上が望ましい。

【００２５】また蓄冷材を構成する全磁性粒子に対し
て、円形度係数Ｒが０．７以上の磁性粒子が占める割合
は７０質量％以上とすることが好ましい。さらには８０
質量％以上がより好ましく、９０質量％以上が望まし
い。

【００２６】また蓄冷材を構成する磁性粒子の円形度係
数Ｒの標準偏差σが０．１を超えるように、円形度係数
Ｒのばらつきが大きくなる磁性粒子は、破壊の起点とな
る突起などが形成されたものである。そのような磁性粒
子を蓄冷器に充填した場合、球状の磁性粒子においてブ
リッジ（架橋構造）が形成される傾向が高くなり、その
ようなブリッジ化した磁性粒子を含む集合体においては
ブリッジ部分で破壊が生じ易くなり、蓄冷材としての信
頼性が低下してしまう。そのため、上記円形度係数Ｒの
標準偏差は０．１以下に規定されるが、より蓄冷材とし
ての耐久性および強度を確保するために、標準偏差は
０．０６以下がより好ましく、さらには０．０３５以下
がさらに好ましい。

【００２７】上記磁性粒子の円形度係数Ｒおよびその標
準偏差σは、無作為に選別した約１００個の磁性粒子を
平板上に載置した状態で光学顕微鏡によって投影像を撮
影し、得られた粒子投影画像を画像処理することにより
迅速に測定することができる。上記画像処理を実施する
ための画像処理装置としては、例えばピアス社製画像処
理装置（型番：ＰＩＡＳ−ＩＩＩ）が好適に使用でき
る。

【００２８】また、蓄冷材を構成する磁性粒子の粒径
は、伝熱特性等に大きな影響を及ぼすものであるため、
本発明においては全粒体の７０重量％以上を粒径が０．
０１〜３ｍｍの蓄冷物質粒子で構成することが好まし
い。ここで、本発明でいう粒径とは、粒子を内包するこ
とができる最小球の直径を意味する。蓄冷物質粒子の粒
径が０．０１ｍｍ未満であると、充填密度が高くなりす
ぎることから圧力損失の増大等を招くおそれがあり、ま
た粒径が３．０ｍｍを超えると、伝熱面積が小さくなる
ことから熱伝達効率の低下を招き易くなる。よって、こ
のような粒子が全粒体の３０重量％を超えると、蓄冷性
能の低下を招くおそれがある。より好ましい粒径は、
０．０３〜１．０ｍｍの範囲である。さらに好ましくは
０．０５〜５ｍｍの範囲である。粒径が０．０１〜３．
０ｍｍの範囲の粒子の全粒体中における比率は、８０重
量％以上とすることがより好ましく、さらに好ましくは
９０重量％以上である。

【００２９】また、多数の磁性粒子から成る本発明の蓄
冷材において、上記磁性粒子表面に長さ１０μｍ以上の
亀裂が２個以上存在している磁性粒子の全磁性粒子に対
する質量割合を２０％以下とすることが好ましい。

【００３０】蓄冷材を構成する磁性粒子表面に複数の亀
裂が存在すると、冷凍機運転中に作用する振動や衝撃力
によって亀裂が進展し易く、粒子が破壊する可能性が高
くなる。具体的には、磁性粒子表面に長さが１０μｍ以
上の亀裂が２個以上存在する磁性粒子の存在比率（個数
比）が２０％を超えると、粒子の破壊割合が増加する。
その結果、発生した微粉が冷凍機のシール部等を損傷せ
しめ、冷凍機の性能を著しく低下させる。

【００３１】したがって長さが１０μｍ以上の亀裂が２
個以上存在する粒子の存在比率は２０％以下とすること
が好ましいが、より好ましくは１０％以下であり、さら
に好ましくは５％以下が望ましい。また測定対象とする
亀裂は、長さ５μｍ以上の亀裂とすることがより好まし
く、さらには長さ３μｍ以上の亀裂を測定対象とするこ
とが望ましい。

【００３２】また、多数の磁性粒子から成る蓄冷材にお
いて、上記磁性粒子の表面粗さの最大高さが１０μｍ以
上である磁性粒子の全磁性粒子に対する質量割合を３０
％以下と規定することが好ましい。

【００３３】磁性粒子の表面粗さが大きい場合には、突
起や段差が形成された部分で応力集中が起き易く、その
応力集中部を起点として粒子が破壊してしまう。その現
象を防止するため、表面粗さの程度を示す最大高さが１
０μｍ以上である磁性粒子の割合を３０％以下に規定す
ることが好ましい。上記最大高さが１０μｍ以上である
粒子割合が２０％以下であることが好ましく、さらには
１０％以下であることがより望ましい。また評価対象と
する表面粗さの最大高さは５μｍ以上とすることが好ま
しく、さらには３μｍ以上とすることがより望ましい。
なお上記表面粗さは、電子顕微鏡などの観察手段によっ
て表面組織を撮影し、得られた表面組織の断面曲線か
ら、日本工業規格（ＪＩＳ−Ｂ０６０１）に準拠して測
定することができる。

【００３４】本発明に係る蓄冷材の製造方法は、特に限
定されるものではなく、従来から金属粉末を調製する際
に利用される回転ディスク法，回転電極法，ガスアトマ
イズ法，水アトマイズ法，双ロール法，単ロール法等の
溶湯急冷凝固法により製造することが可能である。な
お、上記溶湯急冷凝固法によれば、比較的に円形度（球
形度）が高い磁性粒子が得られるが、製造条件によって
は、円形度係数Ｒのばらつき（標準偏差）が大きい磁性
粒子が形成され易い。この場合には、適宜得られた磁性
粒子に対して形状選別を実施して、所定範囲内のみの円
形度係数Ｒおよび標準偏差を有する粒子群を本発明に係
る蓄冷材として選定する。

【００３５】また、本発明に係る蓄冷材は、以下のよう
な粉末冶金法に従って製造することも可能である。例え
ば原料粉末をボールミルなどを用いて混合して原料混合
体を調製し、得られた原料混合体を転動造粒法，攪拌造
粒法，押し出し法，噴霧法（スプレー法）またはプレス
成形法などにより球状に成形（造粒）した後に、得られ
た球状成形体を焼結することにより製造できる。

【００３６】上記製造方法で使用される原料粉末は、
０．３〜３０μｍの粒径を有する粉末であることが望ま
しい。より好ましい粒径範囲は０．４〜１０μｍであ
り、さらには０．５〜８μｍの粒径範囲がさらに好まし
い。

【００３７】なお、前記転動造粒法，攪拌造粒法，押し
出し法，噴霧法（スプレー法）などの各種造粒法で成形
された粒子は、成形密度が低く、そのまま焼結した場合
に良好な焼結体になり難い場合がある。

【００３８】そこで本願発明では次のような製造方法を
採用することも可能である。

【００３９】すなわち、原料粉末を造粒して造粒粒子を
形成し、得られた造粒粒子を冷間静水圧（ＣＩＰ）加圧
処理することにより、球状の緻密化粒子を調製し、得ら
れた緻密化粒子を焼結処理することにより多数の磁性粒
子から成る蓄冷材を調製するような蓄冷材の製造方法を
採用することもできる。

【００４０】上記製造方法において、焼結処理として熱
間静水圧（ＨＩＰ）加圧処理を実施してもよい。すなわ
ち、造粒した粒子に冷間静水圧加圧（ＣＩＰ）処理また
は熱間静水圧加圧（ＨＩＰ）処理を実施することによ
り、成形体の密度をさらに向上させることができる。さ
らに、この高密度成形体を焼結することにより、高密度
で割れや空隙が少ない磁性粒子が効果的に得られる。

【００４１】また、上記製造方法において、酸化物粉末
に対してバインダを５〜３０重量％添加して造粒するこ
とにより、成形密度をより高めることが可能である。

【００４２】上記バインダーとしては、水、エチルアル
コール、カルボキシルメチルセルロース、ヒドロキシプ
ロピルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリビニル
ブチラール、ポリエチレングリコール、ポリアクリル酸
エステルなどが好適に使用できる。

【００４３】原料粉末に対するバインダーの添加量が５
重量％未満と過少な場合には、粉末同士を高強度で結合
して密度を高める効果が不十分となる。一方、添加量が
３０重量％を超えるように過量になると、成形体におけ
る蓄冷材原料粉末の比率が過度に低くなり、成形密度が
低下してしまう。そのため、バインダーの添加量は５〜
３０重量％の範囲に規定される。

【００４４】添加されたバインダーは、造粒後に成形体
の脱脂処理により除去され、さらに脱脂成形体を焼結す
ることにより、本願発明に係る蓄冷材が調製される。

【００４５】球状の磁性粒子を調製する方法として、前
記のように原料粉末を転動造粒法などにより球状に造粒
した後に焼結する方法の他に、次のような熱プラズマを
利用して球状化する方法も採用できる。

【００４６】すなわち、原料粉末を、熱プラズマ中を通
過せしめて溶融させ、溶融液の表面張力により球状化し
た状態で凝固させることにより、多数の磁性粒子から成
る蓄冷材を調製するような蓄冷材の製造方法も採用でき
る。

【００４７】ここで、熱プラズマとは高温気体が放電し
た状態を意味し、数ＭＨｚから数ＧＨｚの高周波電磁波
または直流電流による気体の放電により発生させること
ができる。

【００４８】図３は熱プラズマ装置の構成を示す。この
熱プラズマ装置８０は、反応容器８１と、高周波発信器
８２と、コイル８３と、プラズマ発生部外囲筒８６と、
反応容器８１の頂部にて発生したプラズマフレーム８５
に対向して開口する粉体供給口８６と、粉体供給器８７
に貯留された反応容器８１に搬送するキャリアガス供給
ボンベ８８と、プラズマ発生用ガス源８９と、生成した
粒子を分離するサイクロン９０と、反応容器８１を冷却
する冷却ガス源９１とを備えて構成される。

【００４９】上記熱プラズマ装置８０において、高周波
発信器８２から発信された電磁波がコイル８３によって
増幅される一方、プラズマ発生用ガス源８９から供給さ
れたガスの放電により、反応容器８１の頂部に高温度の
プラズマフレーム８５が形成される。このフレーム部８
５のガス温度は数千℃から約１万℃に達する。この高温
状態のプラズマフレーム８５中に、キャリアガスと共に
粉体供給器８７から供給された原料粉末を投入すると、
粒子全体または表面を含む一部が溶融する。溶融した原
料粉末はその表面張力により球状化する。そして、冷却
ガス源９１から供給された冷却ガスによって急冷凝固す
る。生成した球状の磁性粒子はサイクロン９０によって
分離回収される。このように少なくとも一部が溶融して
球状化した状態で急冷凝固しているため、粒子表面に亀
裂が発生せず、かつ表面が平滑で表面粗さが小さい上
に、内部に空隙がない磁性粒子が得られる。

【００５０】なお、上記のような粉末冶金法や熱プラズ
マ法によって形成された磁性粒子においても、その製造
条件によっては、円形度係数Ｒのばらつき（標準偏差）
が大きい磁性粒子が形成される場合がある。その場合に
は得られた磁性粒子群に対して下記に示すような傾斜型
ベルトコンベアを使用した形状分別装置を使用して形状
選別を実施するとよい。

【００５１】すなわち上記形状分別装置は、搬送ベルト
が斜め上方に駆動されるように傾斜させたベルトコンベ
アを必要に応じて複数段直列に配置した構成を有し、球
状物および異形物の形状に応じた転がり易さの相違に基
づいて球状物と異形物とを分別するものである。また、
被処理物である球状物および異形物に対して、その転が
る方向とは異なる方向に振動を与える加振装置が付設さ
れている。すなわち、斜め上方に駆動される搬送ベルト
上に球状物および異形物が混合した磁性粒子群を供給す
ると、より円形度係数Ｒが大きく転がり易い球形状の磁
性粒子は搬送ベルト面上を下方に転がる一方、円形度係
数Ｒが小さく転がりにくい異形状の磁性粒子は搬送ベル
トとの摩擦力によって上方に搬送される。また円形度係
数Ｒが大きい場合でも表面に突起等を有する磁性粒子は
突起等と搬送ベルトとの引掛りを生じて上方に搬送され
る。その結果、球状物と異形物とはコンベアの下方側と
上方側とにおいて分別される。特にベルトコンベアの傾
斜角度、配設段数、搬送ベルトの材質、搬送速度等を適
宜調整することにより、分別精度を変更することができ
る。上記形状分別装置を使用した形状選別を実施するこ
とにより、本願発明で規定する円形度係数Ｒおよびその
標準偏差を有する磁性粒子群を蓄冷材として選定するこ
とができる。

【００５２】本発明に係る蓄冷式冷凍機は、蓄冷材の少
なくとも一部として、上記の蓄冷材を充填した蓄冷器を
使用して構成される。なお、所定の冷却段の蓄冷器とし
て、本発明に係る蓄冷材を充填した蓄冷器を装填する一
方、他の蓄冷器として、その温度分布に応じた比熱特性
を有する他の蓄冷材を充填した蓄冷器を併用して構成し
てもよい。

【００５３】上記構成に係る蓄冷材によれば、磁性粒子
の円形度係数および標準偏差を所定の範囲に規定してい
るため、機械的強度や熱伝導率が高く、耐熱衝撃性が優
れており、微粉化のおそれも少ない。そのため、スター
リング冷凍機やパルスチューブ冷凍機などの高速運転を
行う冷凍機用の蓄冷材として使用した場合においても、
圧力損失が小さく、長期間に亘り安定した冷凍特性を示
す蓄冷材が得られる。そして、その蓄冷材を冷凍機の少
なくとも一部の蓄冷材として使用することにより、冷凍
能力が高く、かつ長期間に亘って安定した冷凍性能が維
持できる冷凍機を提供することができる。

【００５４】そして、ＭＲＩ装置、クライオポンプ、磁
気浮上列車用超電導磁石、および磁界印加式単結晶引上
げ装置は、いずれも冷凍機性能が各装置の性能を左右す
ることから、上述したような冷凍機を用いた本発明のＭ
ＲＩ装置、クライオポンプ、磁気浮上列車用超電導磁
石、および磁界印加式単結晶引上げ装置は、いずれも長
期間に亘って優れた性能を発揮させることができる。

【００５５】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態について以
下に示す実施例に基づいて具体的に説明する。

【００５６】実施例１〜５ ＨｏＣｕ_２なる組成を有する原料合金を高周波溶解法に
より溶解し、得られた合金溶湯を遠心噴霧急冷法により
処理し、球状の磁性粒子を調製した。得られた磁性粒子
を篩分法により篩い分けして、表１に示すような粒径範
囲を有する磁性粒子を得た。

【００５７】引き続き、前記したような傾斜型のベルト
コンベアを３台直列に配置した形状分別装置の搬送ベル
ト上に上記磁性粒子を供給した。このとき得られる磁性
粒子の円形度係数Ｒおよびその標準偏差を変化させるた
めに、形状分別装置のベルトコンベアの傾斜角度および
ベルト搬送速度を調節して磁性粒子の形状選別を実施す
ることにより、ほぼ球状の磁性粒子から成る実施例１〜
５に係る蓄冷材をそれぞれ製造した。

【００５８】実施例６ Ｅｒ_３Ｎｉなる組成を有する原料合金を使用した以外は
実施例１と同一条件で処理して実施例６に係る蓄冷材を
製造した。

【００５９】実施例７ 平均粒径１．５μｍのＡｌ_２Ｏ_３粉末とＧｄ_２Ｏ_３粉末
とをエチルアルコール中でボールミルを用いて２４時
間、混合粉砕して原料混合体を調製した。次に得られた
原料混合体を乾燥した後に、温度１５００℃で１２時間
仮焼結することにより、酸化物焼結体としてのＧｄＡｌ
Ｏ_３を合成した。

【００６０】次に得られた焼結体を、さらにエチルアル
コール中でボールミルを用いて６時間粉砕した。粉砕粉
を乾燥後、転動造粒機を用いて造粒することにより、粒
径が０．１〜０．４ｍｍの造粒粒子を調製した。さら
に、得られた造粒粒子を温度１７００℃で１２時間焼結
することにより、ほぼ球状の磁性粒子から成る実施例７
に係る蓄冷材を製造した。

【００６１】比較例１ 一方、上記形状分別処理を実施せずに遠心噴霧急冷法に
より調製した磁性粒子をそのまま採用した点を除き実施
例１と同一条件で処理することにより、比較例１に係る
磁性粒子群から蓄冷材を調製した。

【００６２】比較例２ 平均粒径１０μｍのＨｏＣｕ_２合金粉末を転動造粒機を
用いて造粒することにより、粒径が０．１〜０．４ｍｍ
の造粒粒子を調製した。さらに、得られた造粒粒子を図
３に示す熱プラズマ装置で発生したプラズマフレーム中
に供給して溶融せしめ、さらに球状状態のまま急冷凝固
させることにより、ほぼ球状の磁性粒子から成る比較例
２に係る蓄冷材を製造した。

【００６３】比較例３ 平均粒径１０μｍのＨｏＣｕ_２合金粉末をガスアトマイ
ズ法により処理することにより、比較例３に係る蓄冷材
を製造した。

【００６４】次に上記のように調製した各実施例および
比較例に係る蓄冷材から無作為に１００個の磁性粒子を
選別し、平板ガラス上に載置した状態で光学顕微鏡によ
って投影像を撮影し、得られた各投影画像について、画
像処理装置（ピアス社製、型番：ＰＩＡＳ−ＩＩＩ）を
使用して画像解析を実施することにより、円形度係数
（Ｒ）およびその標準偏差（σ）を測定した。測定結果
は、表１に示す。

【００６５】次に上記のように調製した蓄冷材の特性を
評価するため、図１に示すような２段膨張式ＧＭ冷凍機
を用意した。なお、図１に示す２段式のＧＭ冷凍機１０
は、本発明の冷凍機の一実施例を示すものである。図１
に示す２段式のＧＭ冷凍機１０は、大径の第１シリンダ
１１と、この第１シリンダ１１と同軸的に接続された小
径の第２シリンダ１２とが設置された真空容器１３を有
している。第１シリンダ１１には第１蓄冷器１４が往復
動自在に配置されており、第２シリンダ１２には第２蓄
冷器１５が往復動自在に配置されている。第１シリンダ
１１と第１蓄冷器１４との間、および第２シリンダ１２
と第２蓄冷器１５との間には、それぞれシールリング１
６，１７が配置されている。

【００６６】第１蓄冷器１４には、Ｃｕメッシュ等の第
１蓄冷材１８が収容されている。第２蓄冷器１５には、
本発明の蓄冷器に使用される板状の極低温用蓄冷材が第
２蓄冷材１９として収容されている。第１蓄冷器１４お
よび第２蓄冷器１５は、第１蓄冷材１８や極低温用蓄冷
材１９の間隙等に設けられたＨｅガス等の作動媒質（冷
媒ガス）の通路をそれぞれ有している。

【００６７】第１蓄冷器１４と第２蓄冷器１５との間に
は、第１膨張室２０が設けられている。また、第２蓄冷
器１５と第２シリンダ１２の先端壁との間には、第２膨
張室２１が設けられている。そして、第１膨張室２０の
底部に第１冷却ステージ２２が、また第２膨張室２１の
底部に第１冷却ステージ２２より低温の第２冷却ステー
ジ２３が形成されている。

【００６８】上述したような２段式のＧＭ冷凍機１０に
は、コンプレッサ２４から高圧の作動媒質（例えばＨｅ
ガス）が供給される。供給された作動媒質は、第１蓄冷
器１４に収容された第１蓄冷材１８間を通過して第１膨
張室２０に到達し、さらに第２蓄冷器１５に収容された
極低温用蓄冷材（第２蓄冷材）１９間を通過して第２膨
張室２１に到達する。この際に、作動媒質は各蓄冷材１
８，１９に熱エネルギーを供給して冷却される。各蓄冷
材１８，１９間を通過した作動媒質は、各膨張室２０，
２１で膨張して寒冷を発生させ、各冷却ステージ２２，
２３が冷却される。膨張した作動媒質は、各蓄冷材１
８，１９間を反対方向に流れる。作動媒質は各蓄冷材１
８，１９から熱エネルギーを受け取った後に排出され
る。こうした過程で復熱効果が良好になるに従って、作
動媒質サイクルの熱効率が向上し、より一層低い温度が
実現されるように構成されている。

【００６９】そして、前記のように調製した実施例およ
び比較例に係る各蓄冷材を、図１に示す２段膨張式ＧＭ
冷凍機１０の２段目蓄冷器（内径３８ｍｍ）に充填し
た。すなわち、実施例１〜５および比較例１〜３におい
ては、各ＨｏＣｕ_２から成る蓄冷材を単独で充填した。
一方、実施例６においては蓄冷器の高温側に２００ｇの
Ｅｒ_３Ｎｉ製蓄冷材を充填する一方、低温側には、実施
例１で調製した２００ｇのＨｏＣｕ_２製蓄冷材を充填し
た。さらに、実施例７においては、高温側に実施例１で
調製した２００ｇのＨｏＣｕ_２製蓄冷材を充填する一
方、低温側にはＧｄＡｌＯ_３製蓄冷材を２００ｇ充填し
て実施例および比較例に係る冷凍機をそれぞれ組み立て
冷凍試験を実施し、４．２Ｋにおける冷凍能力を測定し
た。

【００７０】なお本実施例における冷凍能力は、冷凍機
運転時にヒータによって第２冷却段に熱負荷を作用さ
せ、第２冷却段の温度上昇が４．２Ｋで停止したときの
熱負荷で定義した。なお、冷凍能力は運転開始直後にお
ける初期値と１０００時間連続運転後の値との双方で測
定した。測定結果を下記表１に示す。

【００７１】

【表１】

【００７２】上記表１に示す結果から明らかなように、
磁性粒子の円形度係数Ｒおよびその標準偏差σを適正な
範囲に調製した磁性粒子群で構成した各実施例の蓄冷材
を充填した冷却機においては、４．２Ｋにおける冷凍能
力の初期値が高く、また、１０００時間連続運転後の冷
凍能力も高く、長時間運転した後も冷凍能力の低下が少
なく、安定した冷凍性能が確認できた。さらに、運転終
了後に蓄冷器を分解して蓄冷材を取り出して外観を観察
したが、破壊された磁性粒子や微粉の発生は認められな
かった。

【００７３】一方、磁性粒子の円形度係数Ｒおよびその
標準偏差σの少なくとも一方が、本発明で規定する範囲
外である磁性粒子群で構成した各比較例に係る蓄冷材を
充填した冷凍機においては、４．２Ｋにおける冷凍能力
の初期値が実施例と比較して低下した。また、１０００
時間連続運転後の冷凍能力も大幅に低下しており、冷凍
性能の低下が顕著であった。さらに、運転終了後に蓄冷
器から蓄冷材を取り出して外観を観察したところ、粉々
に破壊された粒子や微粉の発生が認められた。そしてそ
の一部の冷凍機のシール部が破損していることも確認さ
れた。

【００７４】以上の実施例および比較例から明らかなよ
うに、円形度係数Ｒの平均値およびその標準偏差を適正
に規定した各実施例に係る蓄冷材を使用した冷凍機によ
れば、運転中に蓄冷材が破損して微粉化することが少な
く、安定した冷凍能力を長期間に亘って維持できる冷凍
機が実現できる。

【００７５】以上説明した各実施例では、本発明に係る
蓄冷材をＧＭ冷凍機に適用した例を示しているが、本発
明の蓄冷材は図２に示すようなパルス管型冷凍機７０に
も適用可能である。

【００７６】図２に１段式パルスチューブ冷凍機の基本
構成を示す。このパルスチューブ冷凍機７０の最大の構
造的特徴は、前述したＧＭ冷凍機では必須となっている
寒冷発生用の往復動ピストンを具備しないことである。
そのため、機械的信頼性および低振動性に優れる長所を
有し、特に素子やセンサー冷却用冷凍機として期待を担
っている。

【００７７】パルスチューブ冷凍機７０は蓄冷式冷凍機
の一種であり、冷媒ガスとして一般にヘリウムガスが用
いられる。基本的な構成として、冷凍機は蓄冷器１の他
にヘリウムガスを圧縮する圧力振動源７１、および冷媒
ガスの圧力変動と位置変動（変位）の時間差を制御する
位相調節機構７２から成る。

【００７８】ＧＭ冷凍機やスターリング冷凍機において
は、上記位相調節機構７２は低温部に配置された往復動
ピストン機構であるのに対して、パルスチューブ冷凍機
７０では、それが室温部に配置され、蓄冷器１の低温端
と室温部の位相調節機構７２との間がパルス管と呼ばれ
る配管で連結され、冷媒ガスの圧力波の位相の遠隔制御
がなされる。そして圧力変動による冷媒ガスと蓄冷材と
の間のエントロピー授受が変位との適当なタイミングで
進行することにより、エントロピーが一方向へ順次汲み
上げられ、蓄冷器１の低温部において、より低温度の冷
熱が得られる。

【００７９】次に、本発明に係る蓄冷式冷凍機を使用し
た超電導ＭＲＩ装置、磁気浮上列車用超電導磁石、クラ
イオポンプ、および磁界印加式単結晶引上げ装置の実施
例について述べる。

【００８０】図４は、本発明を適用した超電導ＭＲＩ装
置の概略構成を示す断面図である。図４に示す超電導Ｍ
ＲＩ装置３０は、人体に対して空間的に均一で時間的に
安定な静磁界を印加する超電導静磁界コイル３１、発生
磁界の不均一性を補正する図示を省略した補正コイル、
測定領域に磁界勾配を与える傾斜磁界コイル３２、およ
びラジオ波送受信用プローブ３３等により構成されてい
る。そして、超電導静磁界コイル３１の冷却用として、
前述したような本発明に係る蓄冷式冷凍機３４が用いら
れている。なお、図中３５はクライオスタット、３６は
放射断熱シールドである。

【００８１】本発明に係る蓄冷式冷凍機３４を用いた超
電導ＭＲＩ装置３０においては、超電導静磁界コイル３
１の動作温度を長期間に亘って安定に保証することがで
きるため、空間的に均一で時間的に安定な静磁界を長期
間に亘って得ることができる。したがって、超電導ＭＲ
Ｉ装置３０の性能を長期間に亘って安定して発揮させる
ことが可能となる。

【００８２】図５は、本発明に係る蓄冷式冷凍機を使用
した磁気浮上列車用超電導磁石の要部概略構成を示す斜
視図であり、磁気浮上列車用超電導マグネット４０の部
分を示している。図５に示す磁気浮上列車用超電導マグ
ネット４０は、超電導コイル４１、この超電導コイル４
１を冷却するための液体ヘリウムタンク４２、この液体
ヘリウムタンクの揮散を防ぐ液体窒素タンク４３および
本発明に係る蓄冷式冷凍機４４等により構成されてい
る。なお、図中４５は積層断熱材、４６はパワーリー
ド、４７は永久電流スイッチである。

【００８３】本発明に係る蓄冷式冷凍機４４を用いた磁
気浮上列車用超電導マグネット４０においては、超電導
コイル４１の動作温度を長期間に亘って安定に保証する
ことができるため、列車の磁気浮上および推進に必要な
磁界を長期間に亘って安定して得ることができる。特
に、磁気浮上列車用超電導マグネット４０では加速度が
作用するが、本発明に係る蓄冷式冷凍機４４は加速度が
作用した場合においても長期間に亘って優れた冷凍能力
を維持できることから、磁界強度等の長期安定化に大き
く貢献する。したがって、このような超電導マグネット
４０を用いた磁気浮上列車は、その信頼性を長期間に亘
って発揮させることが可能となる。

【００８４】図６は、本発明に係る蓄冷式冷凍機を使用
したクライオポンプの概略構成を示す断面図である。図
６に示すクライオポンプ５０は、気体分子を凝縮または
吸着するクライオパネル５１、このクライオパネル５１
を所定の極低温に冷却する本発明に係る蓄冷式冷凍機５
２、これらの間に設けられたシールド５３、吸気口に設
けられたバッフル５４、およびアルゴン、窒素、水素等
の排気速度を変化させるリング５５等により構成されて
いる。

【００８５】本発明に係る蓄冷式冷凍機５２を用いたク
ライオポンプ５０においては、クライオパネル５１の動
作温度を長期間に亘って安定に保証することができる。
したがって、クライオポンプ５０の性能を長期間に亘っ
て安定して発揮させることが可能となる。

【００８６】図７は、本発明に係る蓄冷式冷凍機を使用
した磁界印加式単結晶引上げ装置の概略構成を示す斜視
図である。図７に示す磁界印加式単結晶引上げ装置６０
は、原料溶融用るつぼ、ヒータ、単結晶引上げ機構等を
有する単結晶引上げ部６１、原料融液に対して静磁界を
印加する超電導コイル６２、および単結晶引上げ部６１
の昇降機構６３等により構成されている。そして、超電
導コイル６２の冷却用として、前述したような本発明に
係る蓄冷式冷凍機６４が用いられている。なお、図中６
５は電流リード、６６は熱シールド板、６７はヘリウム
容器である。

【００８７】本発明に係る蓄冷式冷凍機６４を用いた磁
界印加式単結晶引上げ装置６０においては、超電導コイ
ル６２の動作温度を長期間に亘って安定に保証すること
ができるため、単結晶の原料融液の対流を抑える良好な
磁界を長期間に亘って得ることができる。したがって、
磁界印加式単結晶引上げ装置６０の性能を長期間に亘っ
て安定して発揮させることが可能となる。

【００８８】

【発明の効果】以上説明の通り、本発明に係る蓄冷材に
よれば、磁性粒子の円形度係数およびその標準偏差を所
定の範囲に規定しているため、機械的強度や熱伝導率が
高く、耐熱衝撃性が優れており、微粉化のおそれも少な
い。そのため、スターリング冷凍機やパルスチューブ冷
凍機などの高速運転を行う冷凍機用の蓄冷材として使用
した場合においても、圧力損失が小さく、長期間に亘り
安定した冷凍特性を示す蓄冷材が得られる。そして、そ
の蓄冷材を冷凍機の少なくとも一部の蓄冷材として使用
することにより、冷凍能力が高く、かつ長期間に亘って
安定した冷凍性能が維持できる冷凍機を提供することが
できる。

【００８９】そして、ＭＲＩ装置、クライオポンプ、磁
気浮上列車用超電導磁石、および磁界印加式単結晶引上
げ装置は、いずれも冷凍機性能が各装置の性能を左右す
ることから、上述したような冷凍機を用いた本発明のＭ
ＲＩ装置、クライオポンプ、磁気浮上列車用超電導磁
石、および磁界印加式単結晶引上げ装置は、いずれも長
期間に亘って優れた性能を発揮させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】蓄冷式冷凍機（ＧＭ冷凍機）の要部構成を示す
断面図。

【図２】パルス管冷凍機の要素構成および温度分布を模
式的に示す図。

【図３】熱プラズマ装置の構成を示す図。

【図４】本発明の一実施例による超電導ＭＲＩ装置の概
略構成を示す断面図。

【図５】本発明の一実施例による超電導磁石（磁気浮上
列車用）の要部概略構成を示す斜視図。

【図６】本発明の一実施例によるクライオポンプの概略
構成を示す断面図。

【図７】本発明の一実施例による磁界印加式単結晶引上
げ装置の要部概略構成を示す斜視図。

【符号の説明】

１ 蓄冷器 １０ ＧＭ冷凍機（蓄冷式冷凍機） １１ 第１シリンダ １２ 第２シリンダ １３ 真空容器 １４ 第１蓄冷器 １５ 第２蓄冷器 １６，１７ シールリング １８ 第１蓄熱材 １９ 第２蓄熱材（極低温用蓄冷材） ２０ 第１膨張室 ２１ 第２膨張室 ２２ 第１冷却ステージ ２３ 第２冷却ステージ ２４ コンプレッサ ３０ 超電導ＭＲＩ装置 ３１ 超電導静磁界コイル ３２ 傾斜磁界コイル ３３ ラジオ波送受信用プローブ ３４ 蓄冷式冷凍機 ３５ クライオスタット ３６ 放射断熱シールド ４０ 超電導磁石（マグネット） ４１ 超電導コイル ４２ 液体ヘリウムタンク ４３ 液体窒素タンク ４４ 蓄冷式冷凍機 ４５ 積層断熱材 ４６ パワーリード ４７ 永久電流スイッチ ５０ クライオポンプ ５１ クライオパネル ５２ 蓄冷式冷凍機 ５３ シールド ５４ バッフル ５５ リング ６０ 磁界印加式単結晶引上げ装置 ６１ 単結晶引上げ部 ６２ 超電導コイル ６３ 昇降機構 ６４ 蓄冷式冷凍機 ６５ 電流リード ６６ 熱シールド板 ６７ ヘリウム容器 ７０ パルス管型冷凍機 ７１ 圧力振動源 ７２ 位相調節機構 ８０ 熱プラズマ装置 ８１ 反応容器 ８２ 高周波発信器 ８３ コイル ８４ プラズマ発生部外囲筒 ８５ プラズマフレーム ８６ 粉体供給口 ８７ 粉体供給器 ８８ キャリアガス供給ボンベ ８９ プラズマ発生用ガス源 ９０ サイクロン ９１ 冷却ガス源

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多数の磁性粒子から成る蓄冷材であり、
   各磁性粒子の平面への投影像の面積をＡとする一方、投
   影像の周囲長をＬとしたときに、４πＡ／Ｌ ^２で定義さ
   れる円形度係数Ｒの平均値が０．７以上であり、その円
   形度係数Ｒの標準偏差が０．１以下であることを特徴と
   する蓄冷材。
2. 【請求項２】 前記磁性粒子が希土類元素を含むことを
   特徴とする請求項１記載の蓄冷材。
3. 【請求項３】 蓄冷器の上流高温側から冷媒ガスを流し
   て上記冷媒ガスと蓄冷器に充填した蓄冷材との熱交換に
   よって蓄冷器の下流側にて、より低温度を得る冷凍機に
   おいて、上記蓄冷器に充填された蓄冷材の少なくとも一
   部が請求項１または請求項２に記載の蓄冷材であること
   を特徴とする冷凍機。
4. 【請求項４】 請求項３記載の冷凍機を具備したことを
   特徴とする超電導磁石。
5. 【請求項５】 請求項３記載の冷凍機を具備したことを
   特徴とするＭＲＩ（核磁気共鳴イメージング）装置。
6. 【請求項６】 請求項３記載の冷凍機を具備したことを
   特徴とするクライオポンプ。
7. 【請求項７】 請求項３記載の冷凍機を具備したことを
   特徴とする磁界印加式単結晶引上げ装置。