JP6305193B2 - 蓄冷式冷凍機、一段蓄冷器、及び二段蓄冷器 - Google Patents

Description

本発明は、蓄冷式冷凍機、一段蓄冷器、及び二段蓄冷器に関する。

蓄冷式冷凍機は、冷却対象物を例えば１００Ｋ（ケルビン）程度から４Ｋ程度までの範囲で冷却するために使用される。蓄冷式冷凍機には、例えば、ギフォード・マクマホン式（ＧＭ）冷凍機、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機、ソルベー冷凍機などがある。蓄冷式冷凍機の用途は例えば、超電導磁石や検出器等の冷却、あるいは、クライオポンプである。蓄冷式冷凍機の冷凍能力は蓄冷材の熱交換効率に左右される。

特開２０１２−２５５５９０号公報 特開２００３−２８５２６号公報

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、蓄冷式冷凍機の冷凍能力を向上することにある。

本発明のある態様によると、作動ガスを予冷する蓄冷器部と、前記蓄冷器部により予冷された作動ガスを膨張させることにより前記作動ガスを冷却する膨張機と、を備える蓄冷式冷凍機が提供される。前記蓄冷器部は、亜鉛又は亜鉛を主成分とする合金からなる亜鉛系蓄冷材を備える。

本発明のある態様によると、第１蓄冷材を備える高温部と、前記第１蓄冷材と異なる第２蓄冷材を備える低温部と、を備える一段蓄冷器が提供される。前記第２蓄冷材は、亜鉛又は亜鉛を主成分とする合金からなる亜鉛系蓄冷材を備える。

本発明のある態様によると、第２蓄冷材を備える高温部と、前記第２蓄冷材と異なる第３蓄冷材を備える低温部と、を備える二段蓄冷器が提供される。前記第２蓄冷材は、亜鉛又は亜鉛を主成分とする合金からなる亜鉛系蓄冷材を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、蓄冷式冷凍機の冷凍能力を向上することができる。

本発明のある実施の形態に係る蓄冷式冷凍機を概略的に示す図である。 各種金属の容積比熱と温度との関係を示すグラフである。 本発明のある実施の形態に係る一段蓄冷器の構成を示す模式図である。 本発明のある実施の形態に係る一段蓄冷器の低温側の線材の断面図である。 本発明のある実施の形態に係る二段蓄冷器の構成を示す模式図である。 本発明のある実施の形態に係る蓄冷式冷凍機の冷凍能力を示すグラフである。 本発明のある実施の形態に係る二段蓄冷器の構成を示す模式図である。 本発明のある実施の形態に係る蓄冷式冷凍機の性能試験の結果を示すグラフである。 本発明のある実施の形態に係る二段蓄冷器の温度プロファイルの一例を示す図である。 本発明のある他の実施形態に係る金網の線材の断面図である。 図１０に示す線材を有する金網を２枚積層したときの断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

図１は、本発明のある実施の形態に係る蓄冷式冷凍機を概略的に示す図である。ＧＭ冷凍機１のような蓄冷式冷凍機は、蓄冷器部、膨張機、及び圧縮機を備える。たいていの場合、蓄冷器部は膨張機に設けられている。蓄冷器部は、作動ガス（例えばヘリウムガス）を予冷するよう構成されている。膨張機は、蓄冷器部により予冷された作動ガスをさらに冷却するために、予冷された作動ガスを膨張させる空間を備える。蓄冷器部は、膨張により冷却された作動ガスによって冷却されるよう構成されている。圧縮機は、蓄冷器部から作動ガスを回収し圧縮して、蓄冷器部に再び作動ガスを供給するよう構成されている。

図示のＧＭ冷凍機１のような二段式の冷凍機においては、蓄冷器部は、一段蓄冷器と二段蓄冷器とを備える。一段蓄冷器は、圧縮機から供給される作動ガスを一段蓄冷器の低温端温度へと予冷するよう構成されている。二段蓄冷器は、一段蓄冷器により予冷された作動ガスを二段蓄冷器の低温端温度へと予冷するよう構成されている。

ＧＭ冷凍機１は、圧縮機として機能するガス圧縮機３と、膨張機として機能する二段式のコールドヘッド１０とを有する。コールドヘッド１０は、一段冷却部１５と、二段冷却部５０とを有し、これらの冷却部は、フランジ１２に同軸となるように連結されている。一段冷却部１５は一段高温端２３ａ及び一段低温端２３ｂを備え、二段冷却部５０は二段高温端５３ａ及び二段低温端５３ｂを備える。一段冷却部１５は二段冷却部５０と直列に接続されている。従って一段低温端２３ｂは二段高温端５３ａに相当する。

一段冷却部１５は、一段シリンダ２０、一段ディスプレーサ２２、一段蓄冷器３０、一段膨張室３１、及び一段冷却ステージ３５を備える。一段シリンダ２０は中空の気密容器である。一段ディスプレーサ２２は、軸方向Ｑに往復運動可能であるように一段シリンダ２０内に設けられている。一段蓄冷器３０は、一段ディスプレーサ２２内に充填された一段蓄冷材を備える。従って一段ディスプレーサ２２は、一段蓄冷材を収容する容器である。一段膨張室３１は、一段低温端２３ｂにおいて一段シリンダ２０内に形成される。一段膨張室３１は、一段ディスプレーサ２２の往復運動により容積が変化する。一段冷却ステージ３５は、一段低温端２３ｂにおいて一段シリンダ２０の外側に取り付けられている。

一段高温端２３ａ、具体的には一段蓄冷器３０の高温側には、一段蓄冷器３０にヘリウムガスを流出入させるために複数の一段高温側流通路４０−１が設けられている。一段低温端２３ｂ、具体的には一段蓄冷器３０の低温側には、一段蓄冷器３０と一段膨張室３１との間でヘリウムガスを流出入させるために複数の一段低温側流通路４０−２が設けられている。一段シリンダ２０と一段ディスプレーサ２２との間には、一段シリンダ２０の内面と一段ディスプレーサ２２の外面との隙間のガス流れを封じる一段シール３９が設けられている。従って、一段高温端２３ａと一段低温端２３ｂとの間の作動ガス流れは一段蓄冷器３０を経由する。

二段冷却部５０は、二段シリンダ５１、二段ディスプレーサ５２、二段蓄冷器６０、二段膨張室５５、及び二段冷却ステージ８５を備える。二段シリンダ５１は中空の気密容器である。二段ディスプレーサ５２は、軸方向Ｑに往復運動可能であるように二段シリンダ５１内に設けられている。二段蓄冷器６０は、二段ディスプレーサ５２内に充填された二段蓄冷材を備える。従って二段ディスプレーサ５２は、二段蓄冷材を収容する容器である。二段膨張室５５は、二段低温端５３ｂにおいて二段シリンダ５１内に設けられている。二段膨張室５５は、二段ディスプレーサ５２の往復運動により容積が変化する。二段冷却ステージ８５は、二段低温端５３ｂにおいて二段シリンダ５１の外側に取り付けられている。

二段高温端５３ａ、具体的には二段蓄冷器６０の高温側には、二段蓄冷器６０にヘリウムガスを流出入させるために二段高温側流通路４０−３が設けられている。図示されるＧＭ冷凍機１においては、二段高温側流通路４０−３は、一段膨張室３１を二段蓄冷器６０に接続する。二段低温端５３ｂ、具体的には二段蓄冷器６０の低温側には、二段膨張室５５にヘリウムガスを流出入させるために複数の二段低温側流通路５４−２が設けられている。二段シリンダ５１と二段ディスプレーサ５２との間には、二段シリンダ５１の内面と二段ディスプレーサ５２の外面との隙間のガス流れを封じる二段シール５９が設けられている。従って、二段高温端５３ａと二段低温端５３ｂとの間の作動ガス流れは二段蓄冷器６０を経由する。なお、二段冷却部５０は、二段シリンダ５１と二段ディスプレーサ５２との隙間にいくらかのガス流れが許容されるよう構成されていてもよい。

ＧＭ冷凍機１は、ガス圧縮機３とコールドヘッド１０とを接続する配管７を備える。配管７には高圧バルブ５及び低圧バルブ６が設けられている。ＧＭ冷凍機１は、高圧のヘリウムガスがガス圧縮機３から高圧バルブ５及び配管７を介して一段冷却部１５に供給されるよう構成されている。また、ＧＭ冷凍機１は、低圧のヘリウムガスが一段冷却部１５から配管７及び低圧バルブ６を介してガス圧縮機３に排気されるよう構成されている。

ＧＭ冷凍機１は、一段ディスプレーサ２２及び二段ディスプレーサ５２の往復運動のための駆動モータ８を備える。駆動モータ８により、一段ディスプレーサ２２及び二段ディスプレーサ５２は軸方向Ｑに沿って一体に往復運動する。また、駆動モータ８は、この往復運動に連動して高圧バルブ５の開弁と低圧バルブ６の開弁とを選択的に切り替えるように高圧バルブ５及び低圧バルブ６に連結されている。このようにして、ＧＭ冷凍機１は、作動ガスの吸気行程と排気行程とを適切に切り替えられるよう構成されている。

以上のように構成されたＧＭ冷凍機１の動作について説明する。まず、一段ディスプレーサ２２及び二段ディスプレーサ５２がそれぞれ一段シリンダ２０及び二段シリンダ５１内の下死点またはその近傍に位置するとき、高圧バルブ５が開かれる。一段ディスプレーサ２２及び二段ディスプレーサ５２は下死点から上死点に向けて移動する。この間、低圧バルブ６は閉じられている。

ガス圧縮機３から、高圧のヘリウムガスが一段冷却部１５に流入する。高圧のヘリウムガスは、一段高温側流通路４０−１から一段ディスプレーサ２２の内部に流入し、一段蓄冷器３０によって所定の温度まで冷却される。冷却されたヘリウムガスは、一段低温側流通路４０−２から一段膨張室３１に流入する。一段膨張室３１へ流入した高圧のヘリウムガスの一部は、二段高温側流通路４０−３から二段ディスプレーサ５２の内部に流入する。このヘリウムガスは、二段蓄冷器６０によって、さらに低い所定の温度まで冷却され、二段低温側流通路５４−２から二段膨張室５５に流入する。これらの結果、一段膨張室３１及び二段膨張室５５内は、高圧状態となる。

一段ディスプレーサ２２及び二段ディスプレーサ５２がそれぞれ一段シリンダ２０及び二段シリンダ５１内の上死点またはその近傍に到達すると、高圧バルブ５が閉弁される。それと概ね同時に低圧バルブ６が開かれる。一段ディスプレーサ２２及び二段ディスプレーサ５２は、今度は上死点から下死点に向けて移動する。

一段膨張室３１及び二段膨張室５５内のヘリウムガスは減圧され膨張する。その結果、ヘリウムガスが冷却される。また、一段冷却ステージ３５及び二段冷却ステージ８５がそれぞれ冷却される。低圧のヘリウムガスは、上記と逆の順路を通り、一段蓄冷器３０及び二段蓄冷器６０をそれぞれ冷却しつつ、低圧バルブ６及び配管７を介してガス圧縮機３に戻る。

一段ディスプレーサ２２及び二段ディスプレーサ５２がそれぞれ一段シリンダ２０及び二段シリンダ５１内の下死点またはその近傍に到達すると、低圧バルブ６が閉弁される。それと概ね同時に高圧バルブ５が再び開かれる。

ＧＭ冷凍機１は、以上の動作を１サイクルとし、これを繰り返す。こうして、ＧＭ冷凍機１は、一段冷却ステージ３５、二段冷却ステージ８５においてそれぞれに熱接続された冷却対象物（不図示）から熱を吸収し、冷却することができる。

一段高温端２３ａの温度は、例えば室温である。一段低温端２３ｂ及び二段高温端５３ａ（すなわち一段冷却ステージ３５）の温度は、例えば約２０Ｋ〜約４０Ｋの範囲にある。二段低温端５３ｂ（すなわち二段冷却ステージ８５）の温度は、例えば約４Ｋである。

このようにして、ＧＭ冷凍機１は、約３０Ｋから約８０Ｋまでの中間温度域に冷却される部位（以下では、中間温度部と称することがある）を備える。ある実施形態においては、一段冷却部１５による一段冷却ステージ３５の冷却温度は、約３０Ｋと約８０Ｋの間である。この場合、中間温度部は一段冷却部１５と二段冷却部５０とに分割される。例えば、一段冷却ステージ３５の冷却温度が約４０Ｋである場合、中間温度部のうち高温側の約４０Ｋから約８０Ｋの温度域は一段冷却部１５の低温側に形成され、中間温度部のうち低温側の約３０Ｋから約４０Ｋの温度域は二段冷却部５０の高温側に形成される。

なお、一段冷却部１５の冷却温度が約３０Ｋより低温である場合には、一段冷却部１５が中間温度部を有する。一段冷却部１５の冷却温度が約８０Ｋより高温である場合には、二段冷却部５０が中間温度部を有する。なお中間温度部は、約３０Ｋから約６５Ｋまでの温度域に冷却される部位であってもよい。

図２は、各種金属の容積比熱と温度との関係を示すグラフである。図２によると、亜鉛の容積比熱と銅の容積比熱とは８０Ｋにおいてほぼ等しい。８０Ｋより低温においては、亜鉛の容積比熱が銅の容積比熱より大きい。また、３０Ｋにおいて亜鉛の容積比熱はビスマス及びスズの容積比熱にほぼ等しく、３０Ｋより高温において亜鉛の容積比熱はビスマス及びスズの容積比熱より大きい。ビスマス及びスズは、鉛代替蓄冷材として約５Ｋから約３０Ｋの温度において使用可能である代表的な物質である。

そこで、本発明のある実施形態に係る蓄冷器部は、第１蓄冷材を備える高温部と、第２蓄冷材を備える中間温度部と、第３蓄冷材を備える低温部と、を備える。詳しくは後述するが、第２蓄冷材は、亜鉛系蓄冷材（zinc based regenerator material）を備える。第１蓄冷材は、第２蓄冷材と異なる蓄冷材であり、８０Ｋ（または６５Ｋ）より高い温度域に適する材料で形成されている。第１蓄冷材は、この高い温度域の少なくとも一部において亜鉛系蓄冷材よりも高い比熱を有する材料で形成されている。第３蓄冷材は、第２蓄冷材と異なる蓄冷材であり、３０Ｋより低い温度域に適する材料で形成されている。第３蓄冷材は、この低い温度域の少なくとも一部において亜鉛系蓄冷材よりも高い比熱を有する材料で形成されている。

図３は、本発明のある実施の形態に係る一段蓄冷器３０の構成を示す模式図である。一段蓄冷器３０は、Ｎ枚（Ｎは２以上の自然数）の層状の一段蓄冷材を積層方向Ｐに沿って積層してなる積層構造を有する。一段蓄冷材は、例えば金網３２−１〜３２−Ｎを有する。積層方向Ｐは作動ガスの流れ方向と略平行である。言い換えると、作動ガスは一段蓄冷器３０を積層方向Ｐに沿って移動する。また、積層方向Ｐは、コールドヘッド１０の軸方向Ｑすなわち一段ディスプレーサ２２の移動方向と略平行である（図１参照）。

各層を構成する金網３２−１〜３２−Ｎは所定の線径及び所定の材質を有する線材を織り込むことにより形成されている。各層を構成する金網３２−１〜３２−Ｎによって規定される面は積層方向Ｐと略直交する。ヘリウムガスは、一段蓄冷器３０を積層方向Ｐに沿って流れるとき、各層を構成する金網３２−１〜３２−Ｎの複数の開口３３を通過する。

金網３２−１〜３２−Ｎは、約１００メッシュ以上の金網であることが望ましい。知られているように、メッシュは１インチあたりの網目の数を表す単位である。約１００メッシュ未満の金網が使用される場合、空間を占める線材の体積が小さくなり、蓄冷材として有効でない。また、製造上の理由により、金網３２−１〜３２−Ｎは、約４００メッシュまたは約２５０メッシュ以下の金網であることが望ましい。

一段蓄冷器３０は、高温側の部分４２と低温側の部分４４とで異なる構成を有する。一段蓄冷器３０は、高温側の部分４２と低温側の部分４４との境界４６の温度が蓄冷式冷凍機（例えばＧＭ冷凍機１）の通常動作時に８０Ｋ程度（または６５Ｋ程度）となるよう構成される。境界４６は作動ガスの流れ方向と略垂直である。

高温側の部分４２に配置される一段蓄冷材は、銅系蓄冷材を備える。銅系蓄冷材は、銅又は銅を主成分とする合金からなる。銅系蓄冷材は、例えばリン青銅、丹銅、純銅、タフピッチ銅または無酸素銅で形成されていてもよい。また、高温側の部分４２に配置される一段蓄冷材は、ステンレス鋼のような鉄系蓄冷材を備えてもよい。したがって、Ｎ枚の金網３２−１〜３２−Ｎのうちの高温側の金網はこうした銅系または鉄系の線材３７で形成されている。線材３７は、銅系または鉄系の基材と、基材を被覆するコーティング層と、を備えてもよい。コーティング層は、基材を保護するために設けられていてもよい。コーティング層は、クロムを含んでもよい。

低温側の部分４４に配置される一段蓄冷材は、亜鉛系蓄冷材を備える。亜鉛系蓄冷材は、亜鉛又は亜鉛を主成分とする合金（これらを以下では亜鉛系金属と総称することがある）からなる。亜鉛系蓄冷材が亜鉛からなる場合には、亜鉛系蓄冷材は不可避不純物を含んでもよい。亜鉛を主成分とする合金は、少なくとも約５０質量パーセントの亜鉛を含んでもよい。亜鉛を主成分とする合金は、クロムを含んでもよい。

ある実施形態においては、Ｎ枚の金網３２−１〜３２−Ｎのうちの低温側の金網は、こうした亜鉛系の線材３４で形成されている。線材３４は、亜鉛系の基材と、基材を被覆するコーティング層と、を備えてもよい。コーティング層は、基材を保護するために設けられていてもよい。コーティング層は、クロムを含んでもよい。

また、他のある実施形態においては、線材３４は、基材と、基材を被覆する亜鉛系金属の層と、を備えてもよい。これを図４に例示する。図４は、本発明のある実施の形態に係る一段蓄冷器３０の低温側の線材３４の断面図である。図４に示すように、線材３４は、基材３４ａと、基材３４ａを被覆する亜鉛系金属の層３４ｂと、を備えてもよい。基材３４ａは、高温側と同様に、銅系または鉄系の線材で形成される。亜鉛系金属の層３４ｂは、基材３４ａをめっき処理することにより形成される。なお、層３４ｂの上に、層３４ｂを保護するための更なるコーティング層が形成されてもよい。

層３４ｂが薄すぎると、層３４ｂによる比熱増大効果が薄れる。一方で層３４ｂが厚すぎると金網の開口が小さくなって流路抵抗が増大するかまたは基材３４ａが細くなって熱伝導が悪くなる。したがって、線材３４の断面における基材３４ａの直径をｄ１、層３４ｂの外径をｄ２（図４を参照）と称すとき、線材３４の径の比はｄ２／ｄ１は、例えば、１．３から１．５の範囲とすることが好ましい。

ある実施形態においては、上述の中間温度域における基材３４ａの熱伝導率を層３４ｂの熱伝導率より大きくしてもよい。基材３４ａは、銅系材料のなかでもより熱伝導率が大きい材料、例えばリン青銅よりも熱伝導率が大きい丹銅、純銅、タフピッチ銅または無酸素銅を採用すると好適である。基材３４ａの熱伝導率を比較的大きくすることで基材３４ａを通じた熱伝導を促進し、蓄冷材の径方向（積層方向Ｐに直交する方向）における温度差を低減することができる。これは一段蓄冷器３０における熱交換の効率の向上に寄与する。

ある実施形態においては、低温側の部分４４に配置される一段蓄冷材は、球状に形成されている亜鉛系蓄冷材を備えてもよい。

図５は、本発明のある実施の形態に係る二段蓄冷器６０の構成を示す模式図である。二段蓄冷器６０は、高温側の部分６２と低温側の部分６４とで異なる構成を有する。二段蓄冷器６０は、高温側の部分６２と低温側の部分６４との境界６６の温度が蓄冷式冷凍機（例えばＧＭ冷凍機１）の通常動作時に３０Ｋ程度となるよう構成される。

二段蓄冷材は、例えば球状に形成されている粒子からなる。よって、高温側の部分６２と低温側の部分６４とを仕切るための仕切部材が境界６６に設けられていてもよい。境界６６は作動ガスの流れ方向と略垂直である。粒子径は例えば、０．１ｍｍから１ｍｍの範囲、または０．２ｍｍから０．５ｍｍの範囲にある。高温側の部分６２における粒子径が低温側の部分６４における粒子径より大きくてもよい。

高温側の部分６２に配置される二段蓄冷材は、亜鉛系蓄冷材を備える。亜鉛系蓄冷材は上述のように、亜鉛系金属からなる。よって二段蓄冷器６０の高温側には、例えば球状の亜鉛粒が充填されている。ある他の実施形態においては、高温側の部分６２は一段蓄冷器３０の低温側と同様に構成されてもよい。つまり、高温側の部分６２は、亜鉛系金属で形成されている部分（例えば、基材または層）を有する金網を備えてもよい。

低温側の部分６４に配置される二段蓄冷材は、ＨｏＣｕ_２等のいわゆる磁性蓄冷材であってもよい。磁性蓄冷材は、極低温での磁気相転移に伴って比熱が増大する磁性体を蓄冷材として用いたものである。あるいは、低温側の部分６４に配置される二段蓄冷材は、ビスマス、スズ、または鉛などのような二段低温端５３ｂの温度における高比熱材料で形成されていてもよい。

なお、環境保護の側面から、亜鉛系蓄冷材は、（不可避不純物である場合を除き）鉛を含有しないことが望ましい。同様に、亜鉛系蓄冷材以外の蓄冷材についても、（不可避不純物である場合を除き）鉛を含有しないことが望ましい。

本実施形態によると、冷凍機の高温部、中間温度部、及び低温部にそれぞれ高温用蓄冷材、中間温度用蓄冷材、及び低温用蓄冷材が配置されている。とりわけ、中間温度部に亜鉛系蓄冷材を用いることにより、一段蓄冷器３０の低温部及び二段蓄冷器６０の高温部の比熱を高めることができる。その結果、一段蓄冷器３０及び二段蓄冷器６０における熱交換の効率、ひいては冷凍機の冷凍能力を高めることができる。

付言すると、３０Ｋから８０Ｋの温度域において蓄冷式冷凍機の蓄冷材として亜鉛又は亜鉛を主成分とする合金を利用することはこれまで知られていない。既述の銅系材料のうち丹銅は、銅を主成分とする銅と亜鉛の合金である。丹銅は一般に、約９０％の銅と約１０％の亜鉛を含む。亜鉛の割合は多くとも約２０％である。よって、丹銅は、亜鉛を主成分とする合金ではない。

図６は、本発明のある実施の形態に係る蓄冷式冷凍機の冷凍能力を示すグラフである。図６には、ＧＭ冷凍機１で実測した一段冷却ステージ３５の温度と冷凍能力との関係が示されている。図６に示されるグラフにおいて、丸印は一段蓄冷器３０の金網に亜鉛めっきを施さない場合の測定結果を示し、四角は一段蓄冷器３０の低温側の金網に亜鉛めっきを施した場合の測定結果を示す。

このグラフから、約５０Ｋ以下の温度範囲において、亜鉛めっきを施した場合の一段冷凍能力は、亜鉛めっきを施さない場合の一段冷凍能力より向上することが分かる。例えば、４０Ｋでの一段冷凍能力は、めっき無しの場合の４６．６Ｗから、めっきを施すことにより５１．６Ｗに向上しており、率にして約１１％向上している。低温ほど亜鉛めっきの効果が大きい。例えば３０Ｋでの一段冷凍能力はめっき無しの場合の１８．７Ｗから、めっきを施すことにより３０．０Ｗに向上しており、率にして約６０％向上している。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

上述の実施形態においては、二段蓄冷器が亜鉛系蓄冷材とは異なる蓄冷材を低温側に備えるが、これに限られない。二段蓄冷器は、低温側に亜鉛系蓄冷材を備えてもよい。この場合、二段蓄冷器の全体が例えば球状の亜鉛粒で形成されていてもよい。こうした亜鉛粒は安価に入手することができる。よって、ビスマスなどの鉛代替蓄冷材を使用する場合に比べて、二段蓄冷器を安価に製造することができる。このような構成は、二段低温端の温度が約１０Ｋより高温である冷凍機に好適である。

ところで、作動ガスとして用いられるヘリウムの比熱のピークは１０Ｋ程度である。また、ヘリウムの密度差のピークも比熱のピークとほぼ同様の１０Ｋ程度である（ここで、ヘリウムの密度差とは、ヘリウムが高圧（圧縮機からの供給圧）であるときの密度と、ヘリウムが低圧（膨張後の圧力）であるときの密度との差をいう。）。したがって、二段蓄冷器の低温端が４Ｋレベルまで冷却される場合、ヘリウムの比熱及び密度差のピークが軸方向（ヘリウムの流れ方向）において二段蓄冷器の中間部分に現れる。

本発明者は、作動ガスの比熱及び高圧／低圧の密度差のピーク領域において蓄冷材の比熱を小さくすることにより、蓄冷式冷凍機の冷凍能力を高めることができることを見いだした。上記中間部分に比較的小さい比熱の蓄冷材を設けることにより、当該部分の温度を比較的高くすることができる（これは、比較的大きい比熱の蓄冷材で二段蓄冷器の全体を構成する場合に比べて、二段蓄冷器の温度プロファイルを緩くすることに相当する。）。このように中間部分の温度を高くすることにより、当該部分に滞在するガス量を減らすことができる。そのため、二段膨張室に流入するガス量を増やすことができ、結果として冷却効果を高めることができると考えられる。

したがって、ある他の実施形態においては、二段蓄冷器６０は、約５Ｋから約３０Ｋ（または約２０Ｋ）までの温度域に冷却される部位を備え、当該部位が亜鉛系蓄冷材を備えてもよい。この場合、二段蓄冷器６０は、高温側の部分６２と低温側の部分６４との境界６６の温度が蓄冷式冷凍機（例えばＧＭ冷凍機１）の通常動作時に５Ｋ程度（例えば５Ｋ以上８Ｋ以下）となるよう構成される。また、二段蓄冷器６０は、もう１つの境界を、境界６６より高温側（２０Ｋより高温に）に備えてもよい。このもう１つの境界の低温側には亜鉛系蓄冷材が設けられ、高温側には当該温度にて亜鉛系蓄冷材より比熱の大きい蓄冷材が設けられてもよい。あるいは、二段蓄冷器６０は、当該もう１つの境界の高温側に亜鉛系蓄冷材を備え、低温側には当該温度にて亜鉛系蓄冷材より比熱の大きい蓄冷材が設けられてもよい。

図７は、本発明のある実施の形態に係る二段蓄冷器１６０の構成を示す模式図である。二段蓄冷器１６０は、高温側蓄冷部１６２と低温側蓄冷部１６４とを備える。高温側蓄冷部１６２と低温側蓄冷部１６４とは互いに隣接する。二段蓄冷器１６０は、高温側蓄冷部１６２と低温側蓄冷部１６４との境界１６６の温度が蓄冷式冷凍機（例えばＧＭ冷凍機１）の通常動作時に例えば約５Ｋ〜約１０Ｋとなるよう構成される。

高温側蓄冷部１６２は、第１区画１６８と、第１区画１６８の低温側に隣接する第２区画１７０と、を備える。高温側蓄冷部１６２は、第１区画１６８と第２区画１７０との境界１７２を有する。第１区画１６８は亜鉛系蓄冷材（例えば亜鉛等の亜鉛系金属）を備える。第２区画１７０は、亜鉛系蓄冷材とは異なる非磁性蓄冷材を備える。この非磁性蓄冷材は、第２区画１７０または境界１６６の温度（例えば約１０Ｋ）における容積比熱が亜鉛系蓄冷材（例えば亜鉛）の容積比熱よりも大きい。非磁性蓄冷材は、例えばビスマスである。ある実施形態においては、非磁性蓄冷材は、スズであってもよい。あるいは、ある実施形態においては、非磁性蓄冷材は、ビスマス及び／またはスズを含有してもよい。

低温側蓄冷部１６４は、第３区画１７４と、第３区画１７４の低温側に隣接する第４区画１７６と、を備える。低温側蓄冷部１６４は、第３区画１７４と第４区画１７６との境界１７８を有する。第３区画１７４及び第４区画１７６には磁性蓄冷材が充填されている。第３区画１７４には第１の磁性蓄冷材例えばＨｏＣｕ_２が充填され、第４区画１７６には第１の磁性蓄冷材と異なる第２の磁性蓄冷材例えばＧｄ_２Ｏ_２Ｓ（ＧＯＳ）が充填されている。ある実施形態においては、低温側蓄冷部１６４には一種類の磁性蓄冷材が充填されていてもよい。

二段蓄冷材は、例えば球状に形成されている粒子からなる。よって、仕切部材が境界１６６、１７２、１７８のそれぞれに設けられていてもよい。境界１６６、１７２、１７８は作動ガスの流れ方向と略垂直である。

図８は、本発明のある実施の形態に係る蓄冷式冷凍機の性能試験の結果を示すグラフである。図８には、図７に示す二段蓄冷器１６０を備えるＧＭ冷凍機１で実測した一段冷却ステージ３５及び二段冷却ステージ８５それぞれの温度と、高温側蓄冷部１６２における第１区画１６８の容積比（すなわち、高温側蓄冷部１６２の総容積に対する第１区画１６８の容積の占める割合）との関係が示されている。一段冷却ステージ３５及び二段冷却ステージ８５それぞれにある熱負荷が与えられている。一段冷却ステージ３５の測定温度が菱形のマークで図示され、二段冷却ステージ８５の測定温度が正方形のマークで図示されている。

この実施形態においては、高温側蓄冷部１６２の第１区画１６８に亜鉛が充填され、高温側蓄冷部１６２の第２区画１７０にビスマスが充填されている。よって、図８に示される第１区画１６８の容積比が、１である場合、高温側蓄冷部１６２は亜鉛のみから成り、ビスマスを含まない。容積比が０である場合には逆に、高温側蓄冷部１６２はビスマスのみから成り、亜鉛を含まない。容積比が例えば、０．５である場合、高温側蓄冷部１６２のうち高温側の半分に亜鉛が充填され、高温側蓄冷部１６２のうち低温側の半分にビスマスが充填される。

図８に示されるように、高温側蓄冷部１６２における第１区画１６８の容積比（つまり、高温側蓄冷部１６２における亜鉛系蓄冷材または亜鉛の容積比）が０から１へと大きくなるとともに、一段冷却ステージ３５の温度は低下する。これは、図６を参照して説明した一段冷凍能力の向上と同様の理由による。一方、高温側蓄冷部１６２における第１区画１６８の容積比が大きくなるとともに、二段冷却ステージ８５の温度はいくらか上昇する。

したがって、図示されるように、一段冷却ステージ３５の温度及び二段冷却ステージ８５の温度の両者をともに比較的低温とするためには、高温側蓄冷部１６２における第１区画１６８の容積比に最適値が存在する。高温側蓄冷部１６２における第１区画１６８の容積比は、好ましくは０．４から０．８の範囲から選択され、より好ましくは０．５から０．７の範囲から選択される。こうした容積比を用いて高温側蓄冷部１６２を亜鉛とビスマスとの二層構造とすることにより、一段冷却ステージ３５及び二段冷却ステージ８５をともに良好に冷却することができる。

図９は、本発明のある実施の形態に係る二段蓄冷器１６０の温度プロファイルの一例を示す図である。図９には、二段蓄冷器１６０の高温端から低温端に至るまでの距離を１として正規化した場合における二段蓄冷器１６０の温度プロファイルを示す。二段蓄冷器１６０の温度プロファイルは、高温端から低温端に向けて線形に減少するものではなく、高温端において大きな温度低下を有する。図９に示すように、二段蓄冷器１６０の高温端（正規化距離が０）では温度は４０Ｋ程度であり、低温端（正規化距離が１）では温度が５Ｋ未満である。二段蓄冷器１６０の温度プロファイルは、正規化距離で例えば０．２〜０．４の範囲において１０Ｋ程度まで下がる。

図９には、高温側蓄冷部１６２に充填される非磁性蓄冷材が異なる４つの場合を示す。そのうち３つにおいては、高温側蓄冷部１６２に一種類の蓄冷材（鉛（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、亜鉛（Ｚｎ））が充填されている。残りの１つは、高温側蓄冷部１６２における第１区画１６８の容積比が０．５の場合である（Ｚｎ：Ｂｉ＝１：１）。

図からわかるように、Ｚｎ：Ｂｉ＝１：１の場合に、正規化距離で約０．２〜約０．４の範囲における温度が最も高い。それにより、最も「緩やかな」温度プロファイルを得ることができる。したがって、上述のように二段冷凍能力を向上することができる。

上述の実施形態においては、線材３４の断面は等方的すなわち円形である場合について説明したが、これに限られない。図１０は、本発明のある他の実施形態に係る金網の線材２３４の断面図である。線材２３４は、基材２３４ａと、その基材２３４ａを覆う亜鉛系金属の層２３４ｂと、を備える。基材２３４ａは、図４に示す基材３４ａと同様に、銅系または鉄系の線材で形成される。線材２３４の断面の積層方向Ｐにおける幅Ｗ１は、断面内で積層方向Ｐと交差する方向（例えば、積層方向Ｐに直交する方向Ｒ）における幅Ｗ２よりも小さい。特に線材２３４の表面は、積層方向Ｐで互いに対向する２つの平面部２３６、２３８を有する。このような線材２３４は、例えば、断面が円形の基材に圧延処理を施し、そのように処理された基材を亜鉛系金属で被覆することにより形成されてもよい。

図１１は、図１０に示す線材２３４を有する金網を２枚積層したときの断面図である。線材２３４からなる金網を積層方向Ｐに沿って積層すると、上側の金網の線材２３４の下側平面部２３８と、下側の金網の線材２３４の上側平面部２３６とが接触する。このとき、それらの接触面積は、例えば線材の断面が円形の場合よりも大きくなる。したがって、充填時の接触応力を分散させることができ、コーティング層の損傷を低減することができる。

上述の実施形態においては、一段蓄冷器３０は、Ｎ枚の金網３２−１〜３２−Ｎを積層方向Ｐに沿って積層してなる積層構造を有する場合について説明したが、これに限られない。例えば、一段蓄冷材は、複数の孔が形成された金属板または多孔金属板を複数枚積層してなる積層構造を有してもよい。この場合、低温側の金属板にめっきによるコーティング層が設けられてもよい。二段蓄冷器６０についても同様に、こうした有孔の金属板を備えてもよい。

上述の実施形態においては、ＧＭ冷凍機１を例として説明したが、これに限られず、実施の形態に係る蓄冷器部は他の種類の蓄冷式冷凍機、例えばＧＭ型またはスターリング型パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機、ソルベー冷凍機に搭載されてもよい。

また、上述の実施形態においては、二段式の蓄冷式冷凍機を例として説明したが、これに限られず、実施の形態に係る蓄冷器部は、単段式または三段以上の蓄冷式冷凍機に搭載されてもよい。単段式の場合、亜鉛系蓄冷材による冷凍能力の向上を得るためには、８０Ｋ以下の冷却温度を提供するよう構成されている蓄冷式冷凍機であることが望ましい。

実施の形態に係る蓄冷材を搭載したＧＭ冷凍機１又はその他の蓄冷式冷凍機は、超伝導マグネット、クライオポンプ、Ｘ線検出器、赤外線センサ、量子光子検出器、半導体検出器、希釈冷凍機、Ｈｅ３冷凍機、断熱消磁冷凍機、ヘリウム液化機、クライオスタット等における冷却手段または液化手段として使用されてもよい。

１ ＧＭ冷凍機、 １５ 一段冷却部、 ２０ 一段シリンダ、 ２２ 一段ディスプレーサ、 ２３ａ 一段高温端、 ２３ｂ 一段低温端、 ３０ 一段蓄冷器、 ３１ 一段膨張室、 ３２ 金網、 ３４ 線材、 ３４ａ 基材、 ３４ｂ 層、 ３５ 一段冷却ステージ、 ５０ 二段冷却部、 ５１ 二段シリンダ、 ５２ 二段ディスプレーサ、 ５３ａ 二段高温端、 ５３ｂ 二段低温端、 ５５ 二段膨張室、 ６０ 二段蓄冷器。

Claims (14)

1. ３０Ｋから８０Ｋまでの温度域に冷却され、中間温度用蓄冷材が配置される中間温度部と、前記中間温度部よりも低温に冷却され、前記中間温度用蓄冷材と異なる低温用蓄冷材が配置される低温部とを有し、作動ガスを予冷する蓄冷器部と、
   前記蓄冷器部により予冷された作動ガスを膨張させることにより前記作動ガスを冷却する膨張機と、を備え、
   前記中間温度用蓄冷材は、亜鉛又は少なくとも５０質量パーセントの亜鉛を含む合金からなる亜鉛系蓄冷材を備え、前記低温用蓄冷材は、前記亜鉛系蓄冷材とは異なる非磁性蓄冷材、磁性蓄冷材、またはその両方を備えることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
2. 前記蓄冷器部は、高温側蓄冷部を備える二段蓄冷器を備え、
   前記高温側蓄冷部は、前記亜鉛系蓄冷材を備えることを特徴とする請求項１に記載の蓄冷式冷凍機。
3. 前記二段蓄冷器の前記高温側蓄冷部は、前記亜鉛系蓄冷材が充填された第１区画と、前記第１区画の低温側に隣接し、前記亜鉛系蓄冷材とは異なる非磁性蓄冷材が充填された第２区画とを備えることを特徴とする請求項２に記載の蓄冷式冷凍機。
4. 前記高温側蓄冷部における前記第１区画の容積比は、０．４から０．８の範囲にあることを特徴とする請求項３に記載の蓄冷式冷凍機。
5. 前記高温側蓄冷部における前記第１区画の容積比は、０．５から０．７の範囲にあることを特徴とする請求項３に記載の蓄冷式冷凍機。
6. 前記二段蓄冷器は、前記高温側蓄冷部の低温側に隣接する低温側蓄冷部を備え、
   前記低温側蓄冷部は、磁性蓄冷材を備えることを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載の蓄冷式冷凍機。
7. 前記亜鉛系蓄冷材とは異なる非磁性蓄冷材は、ビスマスまたはスズを備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の蓄冷式冷凍機。
8. 作動ガスを予冷する蓄冷器部と、
   前記蓄冷器部により予冷された作動ガスを膨張させることにより前記作動ガスを冷却する膨張機と、を備え、
   前記蓄冷器部は、一段蓄冷器を備え、一段低温端温度が３０Ｋから８０Ｋまでの温度域にあり、
   前記一段蓄冷器は、亜鉛又は少なくとも５０質量パーセントの亜鉛を含む合金からなる亜鉛系蓄冷材を低温側に備えることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
9. 前記一段蓄冷器は、高温側に、前記亜鉛系蓄冷材とは異なる蓄冷材を備えることを特徴とする請求項８に記載の蓄冷式冷凍機。
10. 前記亜鉛系蓄冷材は、球状に又は層状に形成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の蓄冷式冷凍機。
11. 前記亜鉛系蓄冷材は、基材を被覆する亜鉛又は少なくとも５０質量パーセントの亜鉛を含む合金の層を備えることを特徴とする請求項１０に記載の蓄冷式冷凍機。
12. 前記亜鉛系蓄冷材は、鉛を含まないことを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の蓄冷式冷凍機。
13. 一段低温端温度が３０Ｋから８０Ｋまでの温度域にある蓄冷式冷凍機の一段蓄冷器であって、
    第１蓄冷材を備える高温部と、前記第１蓄冷材と異なる第２蓄冷材を備える低温部と、を備え、前記第２蓄冷材は、亜鉛又は少なくとも５０質量パーセントの亜鉛を含む合金からなる亜鉛系蓄冷材を備えることを特徴とする一段蓄冷器。
14. 二段高温端温度が３０Ｋから８０Ｋまでの温度域にある蓄冷式冷凍機の二段蓄冷器であって、
    第２蓄冷材を備える高温部と、前記第２蓄冷材と異なる第３蓄冷材を備える低温部と、を備え、前記第２蓄冷材は、亜鉛又は少なくとも５０質量パーセントの亜鉛を含む合金からなる亜鉛系蓄冷材を備え、前記第３蓄冷材は、前記亜鉛系蓄冷材とは異なる非磁性蓄冷材、磁性蓄冷材、またはその両方を備えることを特徴とする二段蓄冷器。

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