JP2005075963A

JP2005075963A - 極低温蓄冷材、蓄冷器及び冷凍機

Info

Publication number: JP2005075963A
Application number: JP2003309512A
Authority: JP
Inventors: Toshimi Sato; 敏美佐藤
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2003-09-02
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2023-09-02
Also published as: JP4445230B2

Abstract

【課題】環境に優しい材料からなる優れた冷却能力を有する極低温蓄冷材、それが充填された蓄冷器及びそれを備えた冷凍機を提供する。
【解決手段】冷凍機１が有する２段蓄冷器３１に充填されている２段蓄冷材３２の高温側蓄冷材３２Ａを、環境に優しいビスマスで構成し、低温側蓄冷材３２ＢをＨｏＣｕ₂で構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、極低温蓄冷材、蓄冷器及び冷凍機に係り、特に、ＧＭ（ギフォード・マクマホン）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材、蓄冷器及び冷凍機、並びに、これを用いた超伝導電磁石装置、ＭＲＩ装置、クライオポンプ等に関する。

極低温冷凍機としてはＧＭ（サイクル）冷凍機やスターリング（サイクル）冷凍機等の極低温蓄冷器を内蔵する蓄冷式冷凍機がある。

これらの蓄冷式冷凍機に使われている極低温蓄冷器には、例えば５０Ｋ以下に大きな蓄冷能力のある極低温蓄冷材が充填されているが、この蓄冷材としては低温における体積比熱が大きく、しかも安価である等の理由により鉛（Ｐｂ）が多く用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特開平３−９９１６２号公報

しかしながら、近年、環境に対する配慮が世界的に求められるようになってきていることから、毒性がある鉛に代わる優れた冷凍能力のある極低温蓄冷材の開発が望まれていた。

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、環境に優しい材料からなる極低温蓄冷材を提供し、且つそれが充填された極低温蓄冷器及びそれを用いた蓄冷型極低温冷凍機等を提供することを課題とする。

本発明は、極低温蓄冷材を、ビスマス又はビスマスを主成分とする合金から形成したことにより、前記課題を解決したものである。

本発明は、上記極低温蓄冷材において、ＨｏＣｕ₂からなる磁性蓄冷材を併用するようにしてもよい。又、この場合は、一般式Ｒ_ｘＯ_２Ｓ又は（Ｒ_１−ｙＲ´_ｙ）_ｘＯ_２Ｓ（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、例えばＧｄ_２Ｏ_２Ｓ等の磁性蓄冷材を、更に併用するようにしてもよい。

本発明は、又、前記極低温蓄冷材を充填した極低温蓄冷器とすることにより、同様に前記課題を解決したものである。

本発明は、又、前記極低温蓄冷器を備えた極低温冷凍機とすることにより、同様に前記課題を解決したものである。

本発明によれば、環境に優しい材料からなる極低温蓄冷材を提供することができ、又、その蓄冷材を充填した極低温蓄冷器、更にその蓄冷器を備えた蓄冷型極低温冷凍機を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１には、本発明に係る第１実施形態の蓄冷型極低温冷凍機の概略を模式的に示す。この冷凍機は、本発明を２段式ＧＭ冷凍機に適用したものである。

本実施形態の冷凍機１は、図示する如く、圧縮機１１から高圧の冷媒ガスが高圧ガス配管１２と高圧バルブ１３を経て供給され、低圧バルブ１４と低圧ガス配管１５を経て低圧ガスとして回収される。この冷凍機１では、１段シリンダ２と２段シリンダ３に、１段蓄冷器２１と２段蓄冷器３１がそれぞれ収容され、両蓄冷器２１、３１が、駆動モータ１６によって駆動され、上下方向に往復動作することにより、各冷却器の下端側が冷却される。

前記１段蓄冷器２１と２段蓄冷器３１の中には、それぞれ１段蓄冷材２２と２段蓄冷材３２が充填されている。１段蓄冷材２２は、銅製の金網を、例えば９００枚積層して形成されている。

２段蓄冷器（ディスプレーサ）３１は、図示する如く、２段蓄冷材３２が、体積比でほぼ同量の位置で仕切られた上下２層の積層構造であり、２層目の低温側蓄冷材３２Ｂに顆粒状のＨｏＣｕ₂が充填され、１層目の高温側蓄冷材３２Ａに顆粒状のＢi（ビスマス）が充填されている。

本実施形態の冷凍機１の冷却部は、一体的に連続形成された前記１段シリンダ２と２段シリンダ３にそれぞれ収容された１段冷却器２１と２段冷却器３１とで構成され、１段シリンダの下端（低温端）の１段冷却ステージ２３は約４０Ｋまで冷やされ、２段シリンダの下端の２段冷却ステージ３３は、例えば７Ｋ以下まで冷やされる。又、１段冷却ステージ２３と２段冷却ステージ３３には電気ヒータ（図示せず）がそれぞれ取り付けられ、その電気入力によって熱負荷が印加され、各ステージの冷凍能力が測定できるようになっている。

なお、図１において、２４は１段蓄冷器２１のガス通路、２５は１段シリンダ２との間を気密にするためのシール、２６は１段膨張空間、３４は２段蓄冷器のガス通路、３６は２段膨張空間である。但し、２段蓄冷器３１と２段シリンダ３の間のシールは省略してある。

本実施例において、高温側の蓄冷材３２Ａとして充填される顆粒状のビスマスは、例えば純度９９．９９％とすることができ、その粒径は０．０１〜３ｍｍ、好ましくは０．１〜１ｍｍ、更に好ましくは０．３〜０．５ｍｍである。

粒径が０．０１ｍｍ未満の場合は、蓄冷器に充填する際の密度が高くなりすぎ、冷却媒体であるＨｅガスの通過抵抗が急激に増大することになる。又、粒径が３ｍｍを超える場合には、粒体と冷却媒体との間の熱交換性が著しく低下してしまう恐れがある。

又、本実施形態のビスマス製蓄冷材の最小径に対する最大径の比（アスペクト比）は、３次元の任意の方向について５以下、好ましくは３以下、更に好ましくは２以下、更に可能な限り球形に近づけることが好ましい。アスペクト比が５を超える場合には、機械的に変形破壊を起こし易くなると共に、高密度で充填することが困難となるため、冷却効率が低下する。

なお、以下に示す本実施形態の４．２Ｋ冷凍機を使用した実験では、ビスマス製蓄冷材は純度９９．９％以上、粒径０．３〜０．５ｍｍ、アスペクト比５以下の顆粒状のものを使用し、特に断らない限りは、モータ１６による運転サイクルは６０ｒｐｍ、ディスプレーサのストロークは２０ｍｍである。

まず、図２には、本発明が蓄冷材の素材として使用するビスマスの低温域における体積比熱の特性を、他の蓄冷材として利用されている材料と対比させて示す。ビスマスは、化粧品の材料にも使われていることから毒性がなく、環境汚染の心配もないと考えられ、しかも安価である。一般に、蓄冷材としては、目的とする極低温域における体積比熱が大きいことが要求されるが、図２をみる限りビスマスは鉛に及ばない。但し、１５Ｋ以上の領域では、磁性蓄冷材であるＨｏＣｕ₂とほぼ一致している特徴を有している。

又、参考のために、図３には、鉛を使用している試験用の４．２Ｋ−ＧＭ冷凍機を使用した場合と、その鉛の代わりに蓄冷材として本実施形態のビスマスを使用した場合とについて、１段冷却ステージに熱負荷をかけて温度（横軸）を変化させた際の２段冷却ステージにおける冷凍能力（縦軸）を対比して示す。但し、この例では、ＨｏＣｕ₂とＧＯＳ（＝Ｇｄ₂Ｏ₂Ｓ）とを併用している。ストロークは３０ｍｍである。

図中Ｑ₁は、１段冷却ステージに対する熱負荷を示し、左下から右上に向かって０Ｗから５０Ｗまで（但し、鉛：Ｐｂは４０Ｗまで）、それぞれプロットしたものである。この図から、本実施形態の高純度ビスマスからなる蓄冷材は、従来の鉛よりすぐれた冷却能力を示している。

又、図４には、図３とは異なるシリンダーを用いて、前記図１に示した本実施形態のビスマスを使用した４．２Ｋ冷凍機１の場合と、ビスマスの代わりに鉛を使用した従来の場合とを、運転サイクルを６０ｒｐｍ、８４ｒｐｍに設定した場合について、２段冷却ステージの冷凍能力の、１段冷却ステージの温度依存性をそれぞれ示す。

この図から、６０ｒｐｍ、８４ｒｐｍのいずれの場合も、本実施形態のビスマスの方が従来の鉛より優れた性能を発揮していることが分かり、１段冷却ステージの温度５０Ｋ付近では鉛よりビスマスの方が１５％ほど大きな冷凍能力を発揮していることが示されている。この優れた冷凍能力は、前述したように１５Ｋ以上ではビスマスはＨoＣu₂と体積比熱が非常に近い、即ち比熱の連続性が高いことが要因になっていると考えられる。

又、２段蓄冷材３２として本実施形態のビスマスの単独使用、即ち２段蓄冷器３１に、前記図１に示したような２層構造にせず、ビスマスのみ充填した場合と、その代わりに鉛のみ充填した場合とについて、１段冷却ステージには熱負荷をかけず（Ｑ₁＝０Ｗ）、２段冷却ステージに縦軸に示す０〜５Ｗの熱負荷（＝Ｑ₂）をそれぞれかけた場合の２段冷却ステージの温度変化を図５に示す。又、１段冷却ステージ２３の熱負荷Ｑ₁＝０の他に、Ｑ₁＝１０Ｗの場合についても、２段冷却ステージの熱負荷Ｑ₂＝０、０．５、１、２、３、５（Ｗ）にそれぞれ設定した場合について、１段冷却ステージと２段冷却ステージの各温度の関係（冷凍能力線図）を、図６にそれぞれ示す。図６における各コーナーの測定点には、（Ｑ₁，Ｑ₂）を付記してある。

図５から、２段蓄冷器３１においては磁性蓄冷材を併用しない、即ち蓄冷材を単独使用する場合は、ビスマスは鉛にその性能が及ばないことが分かる。一方、図６では、蓄冷材の性能としては、１段及び２段の各冷却ステージとも測定温度が低い方が良いことから、全体として低く且つ左に寄っている測定パターンの方が好ましいことになる。この観点からすると、一概にビスマスが鉛により劣るとも言い切れない。従って、磁性蓄冷材を併用しない蓄冷型冷凍機にも、本発明の蓄冷材を適用可能であることはいうまでもない。

以上のように、本実施形態のビスマスからなる蓄冷材は、鉛のような毒性がないことから環境に優しい点で優れている上に、例えばＨｏＣｕ₂、Ｇｄ₂Ｏ₂Ｓ等の磁性蓄冷材や更に他の種類の蓄冷材と併用する等の工夫を施すことにより、従来の鉛以上の蓄冷材として活用することが可能となる。

又、ＨｏＣｕ_２と共に併用できる磁性蓄冷材としては、前記Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓに限らず、一般式Ｒ_ｘＯ_２Ｓ又は（Ｒ_１−ｙＲ´_ｙ）_ｘＯ_２Ｓ（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挙げることができる。この場合、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としてもよい。

又、以上の実施形態では、蓄冷材がビスマス単独の顆粒状（粒体）からなる場合を示したが、本発明の蓄冷材としては、ビスマス単独に限らず、ビスマスを主成分とする合金であってもよい。合金成分としてはアンチモン（Ａｂ）や錫（Ｓｎ）があり、これを、例えば５〜１０％程度まで含有させてもよく、このような合金にすることにより硬度を上げることができるという利点もある。

又、ビスマス又はビスマスを主成分とする合金からなる顆粒状の蓄冷材は、溶融金属を回転円板やロール、回転ノズル等を使用し、粒状化と同時に急冷する溶融金属急冷法によって製造してもよく、又、プラズマスプレー法やガスアトマイズ法等任意の製法により製造するようにしてもよい。

次に、前記第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２実施形態を図７に示す。

本実施形態のＭＲＩ装置４では、磁場空間４８を作り出すために超電導磁石４５が用いられている。該超電導磁石４５は、液体ヘリウム４４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４３の外部に熱シールド４２があり、更に外側には真空容器４１がある。液体ヘリウムは注入口４６から注入されるが、液体ヘリウム容器４３内部に設けられている凝縮部４７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４７はＧＭ冷凍機１の２段冷却ステージ３３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２３により熱シールド４２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蓄冷材によって向上されるので、液体ヘリウム４４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４４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４５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２３と２段冷却ステージ３３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。

以上の実施形態においては、本発明がＧＭサイクル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、パルス管冷凍機、ジュール・トムソン冷凍機、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使ったシステムとしては、前記第２実施形態のＭＲＩ装置に限らず、ＮＭＲ装置、超電導磁石装置、クライオポンプ、ジョセフソン電圧標準装置にも、同様に適用できることは明らかである。

以上説明したとおり、本発明によれば、環境に優しい材料からなる優れた性能を有する極低温蓄冷材を提供することが可能となり、又、該蓄冷材を充填した極低温蓄冷器、更に該蓄冷器を備えた極低温冷凍機を提供することが可能とり、更には該冷凍機を使用する各種システムを提供することも可能となる。

本発明に係る第１実施形態の極低温冷凍機の概要を模式的に示す説明図蓄冷材を構成する材料の体積比熱を示す線図本発明による優れた冷凍能力の効果を示す線図本発明による優れた冷凍能力の効果を示す他の線図２段蓄冷器にビスマス及び鉛のみをそれぞれ充填した場合の冷凍能力を対比して示す線図２段蓄冷器にビスマス及び鉛のみをそれぞれ充填した場合の冷凍能力線図を対比して示す他の線図本発明の冷凍機をＭＲＩ装置に適用した第２実施形態の全体構成を示す概略断面図

符号の説明

１…冷凍機
２…１段シリンダ
３…２段シリンダ
２１…１段蓄冷器
２２…１段蓄冷材
２３…１段冷却ステージ
３１…２段蓄冷器
３２…２段蓄冷材
３２Ａ…高温側蓄冷材
３２Ｂ…低温側蓄冷材
３３…２段冷却ステージ

Claims

ビスマス又はビスマスを主成分とする合金から形成したことを特徴とする極低温蓄冷材。
ＨｏＣｕ₂からなる磁性蓄冷材を併用することを特徴とする請求項１に記載の極低温蓄冷材。
一般式Ｒ_ｘＯ_２Ｓ又は（Ｒ_１−ｙＲ´_ｙ）_ｘＯ_２Ｓ（Ｒ、Ｒ´は少なくとも一種類の希土類元素、０．１≦ｘ≦９、０≦ｙ≦１）で表わされる磁性蓄冷材を、更に併用することを特徴とする請求項２に記載の極低温蓄冷材。
請求項１、２又は３に記載の極低温蓄冷材を充填したことを特徴とする極低温蓄冷器。
請求項４に記載の極低温蓄冷器を備えたことを特徴とする蓄冷型極低温冷凍機。
請求項５に記載の蓄冷型極低温冷凍機を備えたことを特徴とする超電導磁石装置。
請求項５に記載の蓄冷型極低温冷凍機を備えたことを特徴とするＭＲＩ装置。
請求項５に記載の蓄冷型極低温冷凍機を備えたことを特徴とするクライオポンプ。
請求項５に記載の蓄冷型極低温冷凍機を備えたことを特徴とするジョセフソン電圧標準装置。