JPH0668417B2 - 極低温冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は極低温冷凍機に係り、特に、蓄冷式冷凍機に関
する。

（従来の技術） 極低温冷凍機のうち、蓄冷器を有する蓄冷式冷凍機には
ギフォード・マクマホン（GM）冷凍機、スターリング冷
凍機等の種々のタイプがあるが、これらの中で、GM冷凍
機の構成を第５図に示す。

即ち、このGM冷凍機は大きく分けてコールドヘッド１と
冷媒ガス導排出系２とで構成されている。コールドヘッ
ド１は閉じられたシリンダ11と、このシリンダ内に往復
動自在に収容されたディスプレーサ12と、シリンダ11に
通じる部屋内に配置されて上記ディスプレーサ12の往復
動に必要な動力を与えるモータ13とで構成されている。

シリンダ11は大径の第１シリンダ14と、この第１シリン
ダ14に同軸的に接続された小径の第２シリンダ15とで構
成されている。そして、第１シリンダ14と第２シリンダ
15との境界壁部分で冷却面としての１段ステージ16を構
成し、またシリンダ15の先端壁部分で１段ステージ16よ
り低温の２段ステージ17を構成している。

ディスプレーサ12は、第１シリンダ14内を往復動する第
１ディスプレーサ18と第２シリンダ15内を往復動する第
２ディスプレーサ19とで構成されている。第１ディスプ
レーサ18と第２ディスプレーサ19とは、連結部材20によ
って軸方向に連結されている。第１ディスプレーサ18の
内側には、軸方向に延びる流体通路21が形成されて第１
蓄冷器35を構成しており、第１蓄冷器35内には銅メッシ
ュ等で形成された蓄冷材22が収容されている。同様に、
第２ディスプレーサ19の内側にも軸方向に延びる流体通
路23が形成されており、第２蓄冷器36を構成している。
第２蓄冷器36内には鉛やその他の金属、金属間化合物等
の球あるいは粉等で構成された蓄冷材24が収容されてい
る。第１ディスプレーサ18の外周面と第１シリンダ14の
内周面との間および第２ディスプレーサ19の外周面と第
２シリンダ15の内周面との間には、それぞれシール機構
25,26が装着されている。

第１ディスプレーサ18の図中上端は、連結ロッド27、ス
コッチヨークあるいはクランク軸28を解してモータ13の
回転軸に連結されている。従って、モータ13の回転軸が
回転するとこの回転に同期してディスプレーサ12が図中
実線矢印29で示すように往復動する。

第１シリンダ14の側壁上部には冷媒ガスの導入口30と排
出口31とが設けてあり、これら導入口30と排出口31は冷
媒ガス導排出系２に接続されている。冷媒ガス導排出系
２は、シリンダ11を経由したヘリウムガス循環系を構成
するもので、排出口31を低圧弁32、コンプレッタ33、高
圧弁34を介して導入口30に接続したものとなっている。
即ち、この冷媒ガス導排出系２は、低圧（約6atm）ヘリ
ウムガスをコンプレッサ33で高圧（約18atm）に圧縮し
てシリンダ11内に送りこむものである。そして、低圧弁
32、高圧弁34の開閉はディスプレーサ12の往復動との関
連において後述する関係に制御される。

この様に構成された冷凍機の動作を簡単に説明すると以
下の通りである。この冷凍機では寒冷の発生する部分、
つまり冷却面に供される部分は第１ステージ16と第２ス
テージ17とである。これらは熱負荷のない場合にそれぞ
れ30Kと8K程度まで冷える。このため、第１蓄冷器35の
上下端間には常温（300K）から30Kまでの温度勾配がつ
き、また第２蓄冷器36の図中上下端間には30Kから8Kま
での温度勾配がつく。ただし、この温度は各段の熱負荷
によって変化し、通常第１ステージ16では30〜80K、２
段ステージ17では８〜20K程度となる。

モータ13が回転を開始すると、ディスプレーサ12は上死
点と下死点の間を往復動する。ディスプレーサ12が下死
点にあるとき、高圧弁34が開いて高圧のヘリウムガスが
コールドヘッド１内に流入する。次に、ディスプレーサ
12が上死点へと移動する。前述の如く、第１ディスプレ
ーサ18の外周面と第１シリンダ14の内周面との間および
第２ディスプレーサ19の外周面と第２シリンダ15の内周
面との間にはそれぞれシール機構25,26が装着されてい
る。このため、ディスプレーサ12が上死点へと向かう
と、高圧のヘリウムガスは第１蓄冷器35および第２蓄冷
器36を通って、第１ディスプレーサ18と第２ディスプレ
ーサ19との間に形成された１段膨張室39および第２ディ
スプレーサ19と第２シリンダ15の先端壁との間に形成さ
れた２段膨張室40へと流れる。この流れに伴って、高圧
のヘリウムガスは蓄冷材22,24によって冷却され、結
局、１段膨張室39に流れ込んだ高圧ヘリウムガスは30K
程度に、また２段膨張室40に流れ込んだ高圧ヘリウムガ
スは8K程度に冷却される。ここで、高圧弁34が閉じ、低
圧弁32が開く。このように低圧弁32が開くと、１段膨張
室39内および２段膨張室40内の高圧ヘリウムガスが膨張
して寒冷を発生する。この寒冷によって第１ステージ16
および第２ステージ17が冷却される。そして、ディスプ
レーサ12が再び下死点へと移動し、これに伴って１段膨
張室39内および２段膨張室40内のヘリウムガスが排除さ
れる。膨張したヘリウムガスは蓄冷器35,36を通る間に
蓄冷材22,24によって暖められ、常温となって排出され
る。以下、上述したサイクルが繰返されて冷凍運転が行
われる。

このタイプの冷凍機は、超電動マグネットの冷却や赤外
線センサの冷却や、あるいはまたクライオポンプの冷却
源として使用されている。

更に、第２蓄冷器36内の蓄冷材24として鉛の変わりにあ
る種の磁性体、例えばEr3Ni,EuS,GdRh等を相当量使用す
ることにより、冷凍機の最低温度を下げ、低温（10K以
下）での冷凍能力を増加させることができる。これは温
度の低下と共に、鉛の比熱が下がり、蓄冷材として熱を
蓄える能力が減少してしまい、蓄冷器としての熱交換効
率が大幅に下がるためである。従って、低温で鉛よりも
比熱の大きい材料を用いることによって、蓄冷効率の向
上を図り、最低温度の低下と低温での冷凍能力の向上が
現実されている。例えば、第２蓄冷器内の鉛の代りに、
Er3Niを使用すると最低温度が8Kから5Kまで下がり、10K
で冷凍能力も3Wから5Wまで向上している。

しかしながら、上記のように構成された従来の冷凍機に
あっては次のような問題があった。即ち、第２蓄冷器36
内の蓄例材24の一部あるいは全部に磁性体を使用した場
合、鉛のように球状に加工あるいは第１ディスプレーサ
18内の蓄冷材22のようにメッシュ状に加工することは非
常に困難である。従って、通常は溶融後のバルク状のも
のを粉砕後、ふるい等によりある大きさ（100〜500μｍ
程度）に揃えたものが、蓄冷材として使用されている。
しかし、粉砕後のこれらの材料は数μｍ程度の細かい角
や突起を有しており、それらの角が、冷凍機運転中に欠
けて取れてしまう。蓄冷材24は第２ディスプレーサ19に
よりこぼれないように両端でメッシュ等によって蓋をし
ているが、それらにも数10μｍ程度の隙間が開いてお
り、磁性体の細かい粉は、ヘリウムガスとともに抜けで
てしまう。反面両端のメッシュ等の蓋の隙間を細かくす
ることは、ヘリウムガスの圧力損失を増大させることに
つながり得策ではない。また、第２蓄冷器36から出た磁
性体の微粉はシール25に付着し、シールの漏れ量を増大
させ冷凍能力を大幅に低減させてしまう。また、第１蓄
冷器35、バルブ32を通って、コンプレッサ33に至り、バ
ルブ32の目詰りやコンプレッサ33の破損にもつながる。
このように、従来のような粉砕したままの磁性体を蓄冷
材として使用した場合、冷凍機の能力低下や冷凍機の破
損を生むという問題点があった。

（発明が解決しようとする課題） 上述の如く、粉砕した磁性体を蓄冷材として使用した蓄
冷式冷凍機にあっては、冷凍機運転中に欠けて生じた磁
性体の粉砕が蓄冷器より出てくることによって、冷凍機
の冷凍能力低下を招き、ひいては冷凍機の破損まで引起
こすという問題点があった。

そこで本発明は、磁性体蓄冷材が冷凍機の運転によって
も、微粉を生じない形とし、もって冷凍機能力の低下を
招くことのないような極低温冷凍機を提供することを目
的としている。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は、圧縮した冷媒ガスを蓄冷器を用いて冷却した
後、低温部で膨張させることによって寒冷を発生させる
極低温冷凍機において、前記蓄冷器内の蓄冷材に粒子状
の磁性体を複数用い、この磁性体を他の金属膜によって
被覆し、当該被覆した磁性体を独立状態にて蓄冷器の容
器内に充填されるように収容したことを特徴とするもの
である。

（作用） 粒子状の磁性体を他の金属膜によって被覆を行っている
ため、細かい角をはじめとする磁性体の欠け落ちやすい
部分は、一つは金属膜によって固定されること、さらに
金属膜によって形状が丸みを帯びかつ金属膜が潤滑層あ
るいはクッションとなり、応力集中を受けなくなること
の二つの作用により欠けにくいものとなる。

（実施例） 以下、図面を参照しながら実施例を説明する。第１図に
本発明の一実施例に係る冷凍機が示されている。この図
では第５図と同一部分が同一符号で示されている。従っ
て、重複する部分の説明は省略する。

この実施例に係る冷凍機が従来の冷凍機と異なる点は、
第２蓄冷器36内の蓄冷材24に使用している磁性体にあ
る。

磁性体Ｍは溶融後、粉砕しふるい等によって適当な大き
さ（100〜500μｍ）に選別する。この状態の磁性体には
数十μｍから数μｍ程度の細かい角が多数ついている。

第３図に粉砕・選別後の磁性体Ｍの様子を示す。これら
の角41が冷凍運転を行う内に、欠けて冷凍機内に漏れて
しまう。そこで、磁性体Ｍに金属でメッキ被覆すること
によってこれらの細かい角を金属膜Ｓで包む。

この金属は磁性体Ｍより靭性に優れたものであり、熱伝
導率も磁性体Ｍに近いものが望ましく磁性体Ｍに、被覆
する加工のしやすさに優れたものがよい。

例えば、金、銀、銅、ニッケル、モリブデン等である。
金属膜Ｓはメッキ、蒸着等によって形成する。

金属膜Ｓで被覆された磁性体Ｍは、第１図に示すよう
に、複数、第２蓄冷器（容器）36内に収容される。この
収容は、個々の磁性体粒子が独立状態、つまり、互いに
点接触する程度に容器36内に充填されることによって行
なわれるものである。

第２図（ａ）にミキシング後の磁性体Ｍの様子を示す。
第２図（ｂ）に見られるように細かい角41はメッキによ
って包まれており、この磁性体Ｍを蓄冷材として使用す
ると運転中に磁性体の微粉が第２蓄冷器36よりこぼれて
シール等に付着し冷凍性能を落とすことがなくなる。こ
れは角41は金属膜Ｓによって固定され、さらに金属膜Ｓ
によって角41が丸みを帯び、かつ金属膜Ｓが潤滑層ある
いはクッションとなって応力集中を受けなくなり角41の
欠落が防止されるからである。

第４図に磁性体Ｍを粉砕したのみで蓄冷材に使用した極
低温冷凍機と、粉砕後、メッキを行った磁性体Ｍを蓄冷
材に使用した極低温冷凍機の運転後100時間を経過した
時の冷凍能力曲線を示す。横軸は第２ステージ17の温度
（Ｋ）を示し、縦軸は第２ステージ17に加えた熱負荷
（Ｗ）を示している。双方共運転開始直後の冷凍能力曲
線は一致していたが、100時間経過後には第４図のよう
に能力に差が生じている。本発明実施例の冷凍機に関し
ては運転開始直後と全く等しい冷凍能力を示した。ま
た、運転後分解調査を行った所、粉砕したのみの磁性体
Ｍを蓄冷材24に使用した冷凍機ではシール26に磁性体の
粉砕が付着していたが、本発明実施例の冷凍機ではその
ような微粉は見られなかった。従って、付着した磁性体
の微粉がシール26の漏れ量を増加させ、第４図に見られ
るような冷凍能力の低下を持たらしたものと考えられ、
メッキを行った磁性体を蓄冷材として使用することの効
果が理解できる。

なお、上述した実施例では、冷凍機の構造はGM冷凍機と
していたが、GM冷凍機に限らず、スターリング冷凍機や
改良型ソルベーサイクル冷凍機、ビルミヤ冷凍機などの
蓄冷式極低温冷凍機においても本発明は適用される。ま
た、磁性体の形状も粒状のみならず、粉体、繊維状磁性
体（例えばメッシュ等の形状）、多孔質等の他の形状を
持つ磁性体においても適用される。

〔発明の効果〕 以上述べたように本発明によれば、蓄冷材として使用し
ている磁性体から微粉が生じることをなくすことができ
る。従って、極低温冷凍機の冷凍能力の低下や破損を招
くことを未然に防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る極低温冷凍機を局部的
に切り欠きして示す構成図、第２図（ａ）は同極低温冷
凍機に組込まれた磁性体蓄冷材を拡大して見た図、第２
図（ｂ）は第２図（ａ）の一部拡大断面図、第３図は従
来の磁性体蓄冷材を拡大して見た図、第４図は本発明実
施例に係る極低温冷凍機の特性を従来の極低温冷凍機の
それと比較して示した図、第５図は従来の極低温冷凍機
の構成図である。 35……第１蓄冷器 36……第２蓄冷器 24……蓄冷材 Ｍ……磁性体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮した冷媒ガスを蓄冷器を用いて冷却し
   た後、低温部で膨張させることによって寒冷を発生させ
   る極低温冷凍機において、前記蓄冷器内の蓄冷材に粒子
   状の磁性体を複数用い、この磁性体を他の金属膜によっ
   て被覆し、当該被覆した磁性体を独立状態にて蓄冷器の
   容器内に充填されるように収容したことを特徴とする極
   低温冷凍機。
2. 【請求項２】前記金属膜は前記磁性体の靭性よりよい金
   属で形成したものであることを特徴とする請求項１記載
   の極低温冷凍機。
3. 【請求項３】前記金属膜は前記磁性体の熱伝導率とほぼ
   等しい熱伝導率を有する金属で形成したものであること
   を特徴とする請求項１記載の極低温冷凍機。