WO2003081145A1 - Dispositif de stockage a temperature cryogenique et refrigerateur - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a cryogenic regenerator and a refrigerator, and in particular, a GM (Gifde 'McMaphon) cycle refrigerator, a starring cycle refrigerator, a pulse tube refrigerator, a Billyer cycle refrigerator, a Solvay cycle refrigerator, Ultra-low-temperature regenerator and refrigerator with improved refrigeration capacity using a novel regenerator material that is suitable for use in a ferricycle cycle refrigerator, or a refrigeration system using this in a pre-cooling stage, and
- the present invention relates to a refrigeration system, a cryogen generator, a recondensing device, a superconducting magnet device, a superconducting element cooling device, a low temperature panel, a low temperature heat shield, and a space cooling device.
- the final cold stage (lowest temperature stage) is filled with a metallic magnetic cold storage material such as Er 3 N i or H o C u 2 in the cold storage, and the temperature is 10 K or less. Freezing at temperature is realized (Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-7, 8 1 6).
- these metal-based magnetic regenerator materials as the example of H o C u 2 shown in Fig. 1, has a specific heat capacity around 4.2 to 7 K is not large enough. Is not enough. In addition, these metal-based magnetic regenerator materials have problems such as high manufacturing cost and low cost. Disclosure of the invention
- the present invention was made to solve the above-mentioned conventional problems, and uses a novel cold-storage material capable of greatly improving the refrigeration performance with 3 to 10 K compared to conventional metallic magnetic cold-storage materials. It is an issue to provide a cryogenic regenerator, a refrigerator, and a refrigeration system using the same.
- the present invention solves the above-mentioned problems by using at least one type of magnetic material containing a rare earth element and sulfur as a cold storage material in a cryogenic regenerator.
- the magnetic material may contain oxygen.
- the elements R and R ′ are selected from the group consisting of yttrium Y, lanthanum La, cerium Ce, praseodymium P r, neodymium N d, promethium Pm, samarium hum, europium Eu, gadolinium G d, terbium T b, dysprosium D y, horole m H o, enolev E r, thulium Tm, or ytterbium Y b.
- Examples of magnetic materials used in the present invention (general formula R x 0 2 S, R is Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, D Diagram of specific heat per volume of at least one rare earth element selected from y, H o, E r, T m and Y b, 0. I x ⁇ 9) G d 2 O 2 S, T b 2 O 2 S Shown in 1.
- the specific heats of the conventional magnetic regenerator material H o C u 2 and the magnetic regenerator material G d A 10 3 disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-317024 are also shown. Compared to H o C u 2, the specific heat peak value of Rx 0 2 S is 2-3 times more.
- R xO 2 S is not only the specific heat is large, the specific heat of the peak positions. 4 to 1 0 K near Runode, to obtain a large refrigerating capacity. 3 to 1 0 K Preferred.
- the specific heat per unit is shown in Figure 2.
- the specific heat of (G d y T b)) 2 0 2 S has a peak position of 4 to: L 0 K and a peak value of 0.6 J / cm 3 K or more.
- the specific heat peak value of the conventional magnetic regenerator material H o C u 2 is about 0.4 J no cm 3 K. Any material of these compositions is suitable for obtaining a large refrigeration capacity at 3 to 10 K.
- the magnetic material further contains an additive such as zirconium Z r, aluminum A 1 or alumina ( ⁇ 1 2 3 ).
- the addition of A 1 or Z r (10% or less of the weight ratio to G d 2 0 2 S) to G d 3 O 2 S does not significantly change the temperature dependence of the specific heat. It is still preferred to obtain a large refrigeration capacity at 3 to 10 K.
- a 1 and Z r Pikkazu hardness indicating the hardness of the G d 2 0 2 S is improved from about 4 0 0 to about 9 0 0, when used in the refrigerator The possibility of exfoliation and dusting is significantly reduced, even if it is strongly impacted.
- the weight ratio G d 2 0 2 S is suitably 2 0% or less.
- the present invention is also the one in which at least one kind of the magnetic material is mixed with another magnetic material and used.
- At least two kinds of the magnetic materials are mixed and used.
- At least one kind of the magnetic material is preferably processed into granules of a size of 0.01 to 3 mm and filled in a regenerator.
- the surface of the magnetic body is 1 m to 50 ⁇ m so that peeling or powdering does not occur even when the granular magnetic body processed into the granular form is subjected to an impact when used in a refrigerator. It is preferable to process it so that it is covered with a thin film and to fill the regenerator.
- the thin film is made of, for example, alumina ( ⁇ 1 2 ⁇ 3 ) or fluorocarbon resin, whichever has the best heat conductivity, and is formed by a method such as coating.
- At least one kind of the magnetic material may be in the form of block, pellet or It is sintered in a plate shape, processed, and filled in a regenerator.
- the various magnetic materials are filled in a regenerator in a laminated manner.
- the various magnetic materials are filled in the lowest temperature layer of the regenerator.
- the present invention also provides a cold storage type cryogenic refrigerator using the above-mentioned regenerator filled with the above-mentioned magnetic material.
- the present invention also provides a cold storage type cryogenic refrigerator characterized in that the regenerator charged with the magnetic material is used for the lowest temperature cooling stage.
- regenerator charged with the magnetic material is used in the intermediate cooling stage, and another magnetic material having a large specific heat near 4 K or less is used as the final cooling stage regenerator. .
- regenerator charged with the magnetic material is used for the low temperature side cooling stage of a parallel-type regenerative cold storage cryogenic refrigerator.
- the present invention also, 4 H e, 3 H e, or is to provide a 3 H e and 4 wherein the regenerative cryogenic refrigerator a mixed gas of H e, characterized in that the working fluid .
- the present invention is also characterized in that it comprises a pre-cooling stage using the above-mentioned cold storage type cryogenic refrigerator and at least one other cooling means, for example, a Joule Thomson refrigerator, 3 He
- a refrigeration system such as a 4 He dilution refrigerator, an adiabatic demagnetization refrigeration system, a magnetic refrigerator, an adsorption type refrigeration system, etc. is provided, and the above-mentioned cold storage type cryogenic refrigerator is used.
- liquid 4 H e, liquid 3 H e or is to provide a mixture thereof, superfluid 4 H e, the cryogen generator and cryogen recondensing apparatus such as superfluid 3 H e.
- an MRI (Magnetic Resonance Image) apparatus an NMR apparatus, a refrigerator conduction cooled superconducting magnet, a single crystal pulling apparatus, a magnetic separation apparatus, and a SMES apparatus, which are also characterized by using the above-mentioned cold storage type cryogenic refrigerator.
- the present invention provides a superconducting magnet apparatus such as a physical property measuring apparatus.
- the present invention provides a superconducting element cooling device such as a SQU ID device, an S I S element, an X-ray diffraction device, an electron microscope, a voltage standard device, etc., characterized by using the above-mentioned regenerative cold type cryogenic refrigerator.
- a superconducting element cooling device such as a SQU ID device, an S I S element, an X-ray diffraction device, an electron microscope, a voltage standard device, etc.
- the present invention also provides a low temperature apparatus such as a cryopump, a cryopanel, a sample cooling system, a physical property measuring apparatus, a low temperature heat shield, an infrared observation apparatus, etc., characterized by using the above-mentioned cold storage type cryogenic refrigerator. is there. Also, the present invention provides a cooling device of the space field such as an X-ray observation device, an infrared observation device, a radio wave observation device, and a cosmic ray observation device, which is characterized by using the above-mentioned cold storage type cryogenic refrigerator as well.
- a cooling device of the space field such as an X-ray observation device, an infrared observation device, a radio wave observation device, and a cosmic ray observation device, which is characterized by using the above-mentioned cold storage type cryogenic refrigerator as well.
- a ceramic magnetic material having a large specific heat in the vicinity of 4 to 10 K is used as a regenerator material of a regenerator. Therefore, the refrigeration performance at 3 to 10 K can be greatly improved compared to conventional metal-based magnetic regenerator materials.
- FIG. 1 is a graph showing the temperature dependency of the specific heat of a conventional metal-based magnetic regenerator material and the magnetic material used in the present invention in comparison.
- FIG. 2 is a graph showing the temperature dependency of the specific heat of another magnetic material used in the present invention.
- FIG. 3 is a graph showing the temperature dependency of the specific heat of another magnetic material used in the present invention.
- FIG. 4 is a cross-sectional view showing the entire configuration of the first embodiment of the present invention applied to a two-stage GM refrigerator.
- FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing the details of the cooling unit of the first embodiment.
- FIG. 6 is an enlarged sectional view showing a two-stage regenerator, similarly.
- FIG. 7 is a diagram showing the comparison of the refrigeration capacities of the first embodiment and the conventional example.
- FIG. 8 is a second and third embodiment of the present invention applied to a two-stage pulse tube refrigerator. It is sectional drawing which shows the whole structure.
- FIG. 9 is an enlarged sectional view showing a two-stage regenerator of the second and third embodiments.
- FIG. 10 is a diagram showing the refrigeration capacity of the second embodiment.
- FIG. 11 is a cross-sectional view showing an essential configuration of a fourth embodiment of the present invention applied to a three-stage pulse tube refrigerator.
- FIG. 12 is an enlarged sectional view showing each stage regenerator of the fourth embodiment.
- FIG. 13 is a cross-sectional view showing the overall configuration of a fifth embodiment of the present invention applied to a parallel pulse tube refrigerator.
- FIG. 14 is an enlarged sectional view showing a low temperature stage regenerator according to a fifth embodiment.
- FIG. 15 is a cross-sectional view showing the overall configuration of a sixth embodiment of the present invention applied to a G M-J T refrigeration system.
- FIG. 16 is a cross-sectional view showing the overall configuration of a seventh embodiment of the present invention applied to a MR I device.
- FIG. 4 entire view
- FIG. 5 cooling unit detail view
- FIG. 6 two-stage regenerator cross-sectional view
- the high pressure gas from the compressor 11 is supplied to the two-stage GM refrigerator 1 via the high pressure gas pipe 12 and is recovered to the low pressure port of the compressor 11 via the low pressure gas pipe 13 Ru.
- the one-stage regenerator 2 and the two-stage regenerator 3 respectively stored in the one-stage cylinder 25 and the two-stage cylinder 35 are driven by the drive motor 14 shown in FIG. Reciprocate.
- the regenerator materials 24 and 34 are packed in the respective regenerator outer cylinders 23 and 33.
- the one-stage regenerator material 24 is a copper alloy wire mesh. ing.
- the two-stage regenerator 3 has a laminated structure and granular (G d.,. 5 T b .. 95 ) 2 0 2 S of about 2 low-temperature side cold storage materials 34 b. It is charged at a volume ratio of 20%, and granular P b and H 2 O 2 Cu 2 are filled at a volume ratio of about 80% on the high temperature side cold storage material 34 a.
- 38 is a cold storage material partition.
- the cooling unit of the refrigerator 1 is housed in a vacuum vessel 16 as shown in FIG. 4, and a two-stage cooling stage 37 is surrounded by a heat shield 17.
- the heat shield 17 is a plate-like cylinder made of copper and cooled to about 40 K by the first stage cooling stage 27.
- An electrical heater 18 is attached to the two-stage cooling stage 37, and its electrical input measures the refrigeration capacity.
- FIG. 4 15 is a housing in which the high and low pressure gas switching valve and the drive mechanism are housed, and in FIG. 5, 21 is a gas passage of a one-stage regenerator 2, 22 is a seal, 2 6 is a one-stage expansion space, 31 is a gas passage of a two-stage regenerator 3, 32 is a seal as well, and 36 is a two-stage expansion space.
- FIG. 8 overall view
- FIG. 9 two-stage regenerator cross-sectional view
- the high pressure gas from the compressor 41 is supplied to the two-stage pulse tube refrigerator 4 through the high pressure gas pipe 42, the high pressure gas switching valve manifold 44 and the connecting pipe 45, Pipe 4 3 and valve 4 4 through pressure Recovered to the low pressure port of the compressor 41.
- the first-stage regenerators 5 1 and the second-stage regenerators 6 1 are regenerators (stainless steel pipes) 5 6 and 6 6 respectively, and regenerators 5 7 and 6 7 filled therein.
- each stage regenerator 51, 61 is connected to each stage cooling stage 52, 62, and through the gas flow paths 58, 68 inside each stage cooling stage 52, 62. , It leads to the pulse tube 5 3, 6 3 of each stage.
- the high temperature end of each pulse tube 53, 63 is connected with the phase control unit 54, 64 of each stage via a connecting tube 55, 65.
- the phase control units 54, 64 of each stage are configured by a combination of a buffer tank, an orifice, or a valve that opens and closes periodically.
- the functions of the phase adjustment units 54 and 64 optimally adjust the phase of the pressure change inside the pulse tube 5 3 and 6 3 realized by the high and low pressure gas switching valve unit 4 4 and the displacement of the gas, It is to obtain sufficient freezing capacity.
- the one-stage cold storage material 57 is a copper alloy wire mesh (mesh No. 1 00 to 4 0 0).
- the two-stage regenerator 61 is a three-layer laminated structure, in which high-temperature storage material 6 7 a is filled with granular lead (long and short diameters 0.1 l to l mm) at a volume ratio of about 20%, intermediate storage Granular H o C u 2 (long and short diameters 0.1 to 0.7 mm) is filled in the cold material 67 b, granular G d 2 O 2 S (long and short diameters) in the low temperature side cold storage material 67 c 0. 1 to 0.7 mm) is filled.
- 69 is a cold storage material partition.
- the cooling unit of the refrigerator 4 is housed in a vacuum vessel 46, as shown in FIG.
- the two-stage cooling stage 62 is surrounded by a heat shield 47.
- the heat shield 47 is a plate-like cylinder made of copper and is cooled to about 40 K by the single-stage cooling stage 52.
- An electrical heater 48 is attached to the two-stage cooling stage 62, and its electrical input measures the refrigeration capacity.
- 49 is a housing.
- FIG. 10 2-stage regenerator 61 1 low temperature side regenerator material 6 7 c G d 2 O 2 S 0%
- high temperature side storage material 6 9 a Indicates a refrigeration capacity at 4.2 K (fixed to a volume ratio of 20%). It has been confirmed that the freezing capacity has improved by about 15%.
- regenerator materials 57, 67 in each stage are directly filled in the regenerator outer tubes 56, 66.
- the regenerator materials 57, 67 in each stage are used.
- the regenerator material Once the regenerator material has been filled into the regenerator outer cylinder (made of a material with low thermal conductivity such as resin or stainless steel), it is then put into the regenerator outer tubes 5 6 and 6 6 in the form of a cartridge. You may insert it.
- the present embodiment uses the same two-stage pulse tube refrigerator 4 as the second embodiment.
- the difference from the second embodiment is the configuration of the two-stage regenerator 61.
- the two-stage regenerator 61 of this embodiment also has a three-layer structure, but a high temperature layer (67 a) is filled with granular lead (volume ratio 50%, long and short diameters 0.1 to 1 mm)
- the middle layer (67 b) is filled with granular magnetic material T b 2 0 2 S (volume ratio 30%, long / short diameter 0.1 to 0.7 mm) according to the present invention, low temperature layer (6 7 c) into granules of G d a 1 0 3 (volume ratio 2 0%, long and short diameter 0. 1 to 0. 6 mm) to be Hama charge.
- FIG. 11 cross-sectional view of a refrigerator
- the three-stage pulse tube refrigerator 5 of this embodiment is essentially the same as the pulse tube refrigerator 4 of the second embodiment, and the difference is that a third-stage regenerator 7 is further provided at the tip of the two-stage regenerator 61. 1 is connected in series, and the low temperature end of the three-stage regenerator 71 is connected to the low temperature end of the three-stage pulse tube 73 via a three-stage cooling stage 72. 3
- the structure of the stage regenerator 7 1, the stage 3 cooling stage 72, the stage 3 pulse tube 73, and the stage conditioning section 74 connected by the connecting tube 75 are the same as those described in the second embodiment, 1 Same as stage and 2 stage respectively.
- 76 is a 3-stage regenerator outer tube
- 77 is a 3-stage regenerator
- 78 is a 3-stage cooling unit stage 72 inner gas flow path
- 79 is a regenerator partition.
- the one-stage cold storage material 57 is a stainless steel wire mesh (mesh No. 1 00 to 40 0).
- the two-stage regenerator 61 has a two-layer structure, in which granular lead is filled at a volume ratio of 60% in the high temperature side regenerator material 67a, and the low temperature side regenerator material 67c is used according to the present invention.
- a pellet-like magnetic material 2 0 2 S is filled at a volume ratio of 40%.
- 3 stage regenerator 71 fills the G d A 1 0 3 having a specific heat peak in 4 K (pellet-like) at a volume ratio of 1 0 0%. As a result, the freezing capacity at 2 to 4 K could be further improved.
- pellet-shaped (G d ⁇ T b c. G) 2 O z was used S and G d A 1 0 3, granular in pellet-like material which has been sintered Compared to the above materials, it is difficult to cope with dimensional control and shape change of regenerator, but it has the advantage of realizing higher filling rate.
- FIG. 13 cross-sectional view of a refrigerator
- FIG. 14 cross-sectional view of a low temperature regenerator
- a parallel type pulse tube refrigerator thermally couples a plurality of independent one-stage or two-stage pulse tube refrigerators, forms a high temperature stage and a low temperature stage, and plays the role of one multi-stage refrigerator It is.
- two independent one-stage pulse tube refrigerators are thermally coupled to form a high temperature stage cooling stage 103 and a low temperature stage cooling stage 113.
- Substantially plays the role of one two-stage pulse tube refrigerator.
- the gas flow is independent between the high-temperature stage and the low-temperature stage, so changes in temperature and refrigeration capacity in one cooling stage are less likely to affect the other, so more stability is achieved.
- a cooling system can be obtained.
- the compressors 81 and 82 are different from the embodiments described above using cylinders (81a and 82b) and pistons (8 lb and 82b) type compressors. There is. As a result, high and low pressure oscillations can be sent directly to the pulse tubes 102 and 112 without using the high and low pressure gas switching valve unit.
- 83, 84 are connecting pipes of compressor
- 85 are vacuum vessels
- 100, 110 are housings
- 101 is a high temperature stage regenerator
- 104, 114 are phases.
- the control unit, 105, 115 are connecting pipes.
- the low temperature stage regenerator 11 1 of this embodiment has a three-layer laminated structure as shown in FIG. 14 and a high temperature side cold storage material 1 17 a from room temperature is a copper alloy wire mesh (mesh N 100 0 to 400, volume ratio 50 0)), intermediate storage material 1 1 7 b granular lead alloy (volume ratio 30 0, long and short diameter 0.1 to 1 mm)
- the cold storage material 1 1 7 c is a mixture of granular T b 2 0 2 S and G d 2 0 2 S (mixing ratio 60%: 40%) (volume ratio 20) %, Long and short diameter 0.1 to 0.7 mm).
- 116 is a low temperature stage regenerator outer pipe
- 1 18 is a cold storage material partition
- 1 19 is a gas flow path in a low temperature stage cooling stage 113.
- separate compressors 81 and 82 are used for the high temperature and low temperature pulse tubes 102 and 112, but in order to simplify the system configuration, one compressor is used.
- the compressor may supply and recover gas to two parallel pulse tubes simultaneously.
- a sixth embodiment of the present invention is shown in which a two-stage type GM refrigerator 1 of the first embodiment is used as a pre-cooling stage and a Joule-Thomson (JT) cooling circuit 8 is added as another cooling means. Shown in 5.
- JT Joule-Thomson
- the two-stage type GM refrigerator 1 is the same as the first embodiment, and the description thereof is omitted.
- the cold storage material of the present invention (G d., 5 T b .. 95 in the lowest temperature stage of the two-stage regenerator 3. ) 2 0 2 S was filled at a volume ratio of about 20%.
- the helium gas passes from the compressor 120 through the high pressure pipe 12 1, the first countercurrent heat exchanger 1 2 8 a, the first stage heat exchanger 1 2 9 a, the second It is gradually precooled while passing through the counterflow heat exchanger 1 2 8 b, the two-stage heat exchanger 1 2 9 b, and the third counterflow heat exchanger 1 2 8 c.
- the precooled gas passes through the JT valve 1 2 5 (optimum opening is adjusted with the adjustment handle 1 2 6), it expands in an isenthalpic manner to generate refrigeration, and the heat exchanger 1 2 When passing 9 c, take heat from the object to be cooled 1 2 7 and cool it.
- the low pressure piping 1 2 2 passes through the compressor 1 Recovered to 20.
- reference numeral 123 denotes a vacuum vessel
- reference numerals 124a and 124b denote heat shields.
- the refrigeration capacity of the GM refrigerator 1 is improved by about 20% by the magnetic material of the present invention, the flow rate of gas flowing through the JT cooling circuit 8 is increased. As a result, the ability to cool the object to be cooled 1 2 7 in the heat exchanger 1 2 9 c was able to be improved by about 10 to 20%.
- FIG. 16 shows a seventh embodiment of the present invention, which is a magnetic resonance imaging (MRI) device that also uses the two-stage GM refrigerator of the first embodiment.
- MRI magnetic resonance imaging
- a superconducting magnet 135 is used to create a magnetic field space 138.
- the superconducting magnet 135 is immersed in a liquid helix 134 and cooled to a superconducting state.
- the liquid helium is injected from the injection port 1 36.
- the condensation section 1 3 7 provided inside the liquid helium container 1 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 the vaporized helium is returned to the liquid again.
- Helium can be operated without supply for a long period of time ( Condensing part 13 is thermally coupled to GM refrigerator 1's two-stage cooling stage 37, and cold is continuously supplied.
- the heat shield 132 is cooled by the first stage cooling stage 2 7 of the GM refrigerator 1.
- the refrigeration capacity of the GM refrigerator 1 is improved by about 20% by the magnetic material according to the present invention, recondensation of lithium in the liquid can be performed more efficiently. This will also be compatible with MR I devices with larger amounts of evaporation of helium.
- the refrigerator 1 is used for recondensing the liquid helium 134, the liquid helium is eliminated, and the refrigerator 1 directly cools the superconducting magnet 135 by heat conduction.
- the refrigerator 1 directly cools the superconducting magnet 135 by heat conduction.
- one heat shield may be added, and the one-stage cooling stage 27 and the two-stage cooling stage 37 may be so-called shield cooling type, which cools one heat shield each.
- the general formula of the magnetic material is R, O 2 S or (R 1-y R 'y ) X 0 2 S (R, R' is a rare earth element), but has been considered, the magnetic material types are not limited to, the use of which does not include, for example, oxygen 0 2 You can also.
- the magnetic material may be used alone or in combination with other magnetic materials. Also, at least two kinds of the magnetic materials can be mixed and used.
- the magnetic material can be processed into, for example, a granular form (0.01 mm to 3 mm) and filled in a regenerator.
- a granular form it is easy to cope with the shape change of the regenerator, and the dimensional control of the regenerator is easy and easy to handle.
- it can be sintered, processed and filled into a block, pellet or plate shape. In this case, the filling rate of the regenerator material can be increased by matching the shapes.
- the working fluid of the cold storage type refrigerator, 4 H e, 3 H e can be a mixture of these gases, or other fluids.
- the present invention is applied to a GM cycle refrigerator, a pulse tube refrigerator, and a Joule 'Thomson refrigerator, but the application of the present invention is not limited to this, and a Stirling cycle refrigerator, It is clear that it can also be applied to other cold storage type cryogenic refrigerators such as Birmille cycle refrigerator, Solvay cycle refrigerator and Erichson cycle refrigerator.
- the refrigeration system of the regenerative cryogenic refrigerator according to the present invention using a pre-cooling stage is not limited to the six embodiment Joule 'Thomson refrigerator, 3 H e - 4 H e dilution refrigerator, magnetic refrigeration It is obvious that the same can be applied to other refrigeration systems such as refrigeration systems, magnetic refrigerators, adsorption type refrigeration systems and the like.
- the present invention relates to a freezing system, etc., a cryogen of liquid 4 He , liquid 3 He or a mixture thereof, superfluid 4 He , superfluid 3 He using the above-mentioned cold storage type cryogenic refrigerator The same applies to generators and cryogen recondensers.
- the present invention can be similarly applied to superconducting magnetic devices such as MRI devices, NMR devices, refrigerator conduction cooled superconducting magnets, single crystal pulling devices, magnetic separation devices, SMS devices, and physical property measuring devices.
- superconducting element cooling devices such as SQUID devices, SIS devices, X-ray diffraction devices, electron microscopes, and voltage standard devices.
- low temperature devices such as cryopumps, cryopanels, sample cooling systems, physical property measurement devices, low temperature heat shields, and infrared observation devices.
- the present invention can be similarly applied to space cooling devices such as X-ray observation devices, infrared observation devices, radio wave observation devices, and cosmic ray observation devices.
- regenerator material a magnetic material having a large specific heat in the temperature range of 4 to 10 K is used as compared with the conventional metallic magnetic regenerator material, so heat exchange with a working gas such as helium gas is performed. Efficiency will be improved and refrigeration capacity will be improved.
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Description
明細書
極低温蓄冷器及び冷凍機 技術分野
本発明は、 極低温蓄冷器及び冷凍機に係り、 特に、 GM (ギフォー ド ' マクマフォン) 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、 ェ 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 温蓄冷器及び冷凍機、 及び、 これを用いた冷凍システム、 寒剤生成装置, 再凝縮装置、 超電導磁石装置、 超電導素子冷却装置、 低温パネル、 低温 熱シールド、 宇宙分野冷却装置に関する。 背景技術
従来の蓄冷型極低温冷凍機では、 最終冷却段 (最低温段) 蓄冷器に E r 3N iや H o C u2等、 金属系の磁性蓄冷材を充填して、 1 0 K以下の 温度での冷凍を実現している (特開平 5— 7 1 8 1 6) 。
しかしながら、 これらの金属系磁性蓄冷材は、 図 1に H o C u2の例 を示す如く、 4. 2 :〜 7 K付近の比熱が充分大きくないため、 4. 2 K付近での冷凍能力が充分ではない。 又、 これらの金属系磁性蓄冷材は、 製造コス トが高く、 安価ではない等の問題点を有していた。 発明の開示
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、 従来の 金属系磁性蓄冷材に比べて、 3〜 1 0 Kとの冷凍性能を大きく改善可能 な、 新規な蓄冷材を用いた極低温蓄冷器、 冷凍機、 及び、 これを用いた 冷凍システム等を提供することを課題とする。
本発明は、 極低温蓄冷器において、 蓄冷材と.して、 希土類元素と硫黄 を含む、 少く とも一種類の磁性材を用いることにより、 前記課題を解決 したものである。
又、 前記磁性材が、 酸素も含むようにしたものである。
又、 前記磁性材として、 一般式 Rx02S又は (R^yR ' y) x02 S (R、 R 一は少なく とも一種類の希土類元素、 0. 1 ^ χ ^ 9、 0≤ y≤ 1 ) で表わされるものを用いるようにしたものである。
又、 前記元素 R及び R ' を、 イッ トリ ウム Y、 ランタン L a、 セリウ ム C e、 プラセオジム P r、 ネオジム N d、 プロメチウム Pm、 サマリ ゥム Sm、 ユーロピウム E u、 ガドリニウム G d、 テルビウム T b、 ジ スプロシゥム D y、 ホノレミ ゥム H o、 エノレビゥム E r、 ツリ ウム Tm、 又は、 イッテルビウム Y b としたものである。
本発明に用いた磁性材の例 (一般式 Rx02S、 Rは Y、 L a、 C e、 P r、 N d、 P m、 S m、 E u、 G d、 T b、 D y、 H o、 E r、 Tm、 Y bから選択した少なく とも一種類の希土類元素、 0. I x≤ 9 ) G d 2O2S、 T b2O2Sの体積当たりの比熱を図 1に示す。 比較するため、 従来の磁性蓄冷材 H o C u2、 及び、 特開 2 0 0 1 — 3 1 7 8 2 4に開 示された磁性蓄冷材 G d A 1 03の比熱も示す。 H o C u2に比べ、 Rx 02Sの比熱ピーク値は 2〜 3倍以上ある。 G d A 1 03に対しても、 R xO2Sは比熱が大きいだけでなく、 比熱のピーク位置が 4〜 1 0 Kにあ るので、 3〜 1 0 Kで大きな冷凍能力を得るのに好適である。
又、 本発明に用いた磁性材の他の例 (一般式 (R R Z y) xO2S、
R、 R 'は少なく とも一種類の希土類元素、 0. 1 ^ χ≤ 9、 0≤ y≤ 1 ) (G dyT b 1-y) 2O2S (y = 0〜 l ) の体積当たりの比熱を図 2 に示す。 (G d yT b卜 ) 202 Sの比熱は、 ピーク位置が 4〜: L 0 Kに あり、 ピーク値が 0. 6 J / c m3K以上である。 これに対して、 従来 の磁性蓄冷材 H o C u2の比熱ピーク値は 0. 4 Jノ c m3K程度である。
これら組成の材料であれば、 どれも 3〜 1 0 Kで大きな冷凍能力を得る のに好適である。
本発明は、 又、 前記磁性材が、 更にジルコニウム Z rやアルミニウム A 1 またはアルミナ (Α 12Ο3) 等の添加物を含むようにしたものであ る。
本発明に用いた磁性材の機械強度を改善するのに、 添加物を添加する ことが有効である。 図 3に示すとおり、 G d3O2Sに A 1又は Z r (G d 202 Sに対する重量比 1 0 %以下) を添加しても比熱の温度依存性を 大きく変えることはなく、 依然 3〜 1 0 Kで大きな冷凍能力を得るのに 好適である。 一方、 この場合 A 1 と Z rを添加することによって、 G d 202 Sの硬さを示すピッカーズ硬度は約 4 0 0から約 9 0 0まで改善さ れ、 冷凍機に使用される際に強い衝撃を受けても、 剥離や粉化する可能 性は著しく低減される。 なお、 アルミナ (A 1203) を添加物と して用 いる場合、 G d 202 Sに対する重量比は 2 0 %以下が好適である。
本発明は、 又、 少く とも一種類の前記磁性材を、 他の磁性材と混合し て用いるようにしたものである。
又、 少く とも二種類の前記磁性材を混合して用いるようにしたもので ある。
又、 少く とも一種類の前記磁性材を、 好ましくは 0. 0 1〜 3 mmの 大きさの顆粒状に加工して、 蓄冷器に充填するようにしたものである。 なお、 前記の顆粒状に加工された磁性体が冷凍機に使用される際に衝 撃を受けても、 剥離や粉化が発生しないように、 磁性体の表面を 1 m 〜 5 0 μ mの薄膜で覆われるように加工して、 蓄冷器に充填することが 好ましい。 薄膜は例えばアルミナ (Α 12Ο3) やフッ素樹脂な.どの材料 からできるだけ伝熱性の良いものを選び、 例えばコーティングなどの方 法で形成される。
又、 少く とも一種類の前記磁性材を、 ブロック状、 ペレッ ト状、 又は、
板状に焼結、 加工して、 蓄冷器に充填するようにしたものである。
又、 前記各種磁性材を、 蓄冷器に積層状に充填するようにしたもので ある。
又、 前記各種磁性材を、 蓄冷器の最低温層に充填するようにしたもの である。
又、 前記磁性材を、 蓄冷器の最低温層より高温の層に用い、 且つ、 そ れょり低温の層に、 4 K付近又はそれ以下に大きな比熱を持つ別な磁性 材を用いるようにしたものである。
本発明は、 又、 前記磁性材を充填した前記蓄冷器を用いることを特徴 'とする蓄冷型極低温冷凍機を提供するものである。
又、 前記磁性材を充填した前記蓄冷器を最低温冷却段に用いたことを 特徴とする蓄冷型極低温冷凍機を提供するものである。
又、 前記磁性材を充填した前記蓄冷器を中間冷却段に用い、 最終冷却 段蓄冷器に、 4 K付近又はそれ以下に大きな比熱を持つ別な磁性材を用 レヽるようにしたものである。
又、 前記磁性材を充填した前記蓄冷器を、 並列型蓄冷型極低温冷凍機 の低温側冷却段に用いるようにしたものである。
本発明は、 又、 4 H e、 3 H e、 又は、 3 H e と 4 H eの混合ガスを作業 流体とすることを特徴とする前記の蓄冷型極低温冷凍機を提供するもの である。
本発明は、 又、 前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いた予冷段と、 少く と も一つの他の冷却手段とを備えたことを特徴とする、 例えばジュール · トムソン冷凍機、 3 H e— 4 H e希釈冷凍機、 断熱消磁冷凍システム、 磁 気冷凍機、 吸着式冷凍システム等の冷凍システムを提供するものである 又、 前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする、 液体4 H e、 液体3 H e、 又は、 これらの混合液、 超流動 4 H e、 超流動 3 H e等 の寒剤生成装置や寒剤再凝縮装置を提供するものである。
又、 同じく前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする、 M R I (磁気共鳴イメージ) 装置、 N M R装置、 冷凍機伝導冷却超電導磁 石、 単結晶引き上げ装置、 磁気分離装置、 S M E S装置、 物性測定装置 等の超電導磁石装置を提供するものである。
又、 同じく前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする、 S Q U I D装置、 S I S素子、 X線回折装置、 電子顕微鏡、 電圧標準装置 等の超電導素子冷却装置を提供するものである。
又、 同じく前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする、 ク ライォポンプ、 クライオパネル、 サンプル冷却システム、 物性測定装置、 低温熱シールド、 赤外線観測装置等の低温装置を提供するものである。 又、 同じく前記の蓄冷型極低温冷凍機を用いたことを特徴とする、 X 線観測装置、 赤外線観測装置、 電波観測装置、 宇宙線観測装置等の宇宙 分野冷却装置を提供するものである。
本発明では、 4〜 1 0 K付近に大きな比熱を持つセラミ ック磁性材を 蓄冷器の蓄冷材として用いる。 従って、 従来の金属系磁性蓄冷材に比べ て、 3〜 1 0 Kでの冷凍性能を大きく改善できる。 図面の簡単な説明
図 1は、 従来の金属系磁性蓄冷材と本発明で用いる磁性材の比熱の温 度依存性を比較して示す線図である。
図 2は、 本発明で用いる他の磁性材の比熱の温度依存性を示す線図で ある。
図 3は、 本発明で用いる更に他の磁性材の比熱の温度依存性を示す線 図である。
図 4は、 2段式 G M冷凍機に適用された本発明の第 1実施形態の全体 構成を示す断面図である。
図 5は、 第 1実施形態の冷却部の詳細を示す拡大断面図である。
図 6は、 同じく 2段蓄冷器を示す拡大断面図である。
図 7は、 第 1実施形態と従来例の冷凍能力を比較して示す線図である, 図 8は、 2段式パルス管冷凍機に適用した本発明の第 2、 第 3実施形 態の全体構成を示す断面図である。
図 9は、 第 2、 第 3実施形態の 2段蓄冷器を示す拡大断面図である。 図 1 0は、 第 2実施形態の冷凍能力を示す線図である。
図 1 1は、 3段式パルス管冷凍機に適用した本発明の第 4実施形態の 要部構成を示す断面図である。
. 図 1 2は、 第 4実施形態の各段蓄冷器を示す拡大断面図である。
図 1 3は、 並列型パルス管冷凍機に適用した本発明の第 5実施形態の 全体構成を示す断面図である。
図 1 4は、 第 5実施形態の低温段蓄冷器を示す拡大断面図である。 図 1 5は、 G M— J T冷凍システムに適用した本発明の第 6.実施形態 の全体構成を示す断面図である。
図 1 6は、 M R I装置に適用した本発明の第 7実施形態の全体構成を 示す断面図である。 発明を実施するための最良の形態
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。
本発明の第 1実施形態は、 図 4 (全体図) 、 図 5 (冷却部詳細図) 、 図 6 ( 2段蓄冷器断面図) に示す如く、 本発明を、 2段式 G M冷凍機に 用いたものである。
図 4において、 圧縮機 1 1からの高圧ガスは、 高圧ガス配管 1 2を経 て 2段式 G M冷凍機 1に供給され、 低圧ガス配管 1 3を経て圧縮機 1 1 の低圧口に回収される。 図 5に示す如く、 1段シリンダ 2 5 と 2段シリ ンダ 3 5に、 それぞれ収容された 1段蓄冷器 2と 2段蓄冷器 3は、 図 4 に示す駆動モータ 1 4によって駆動され、 上下に往復運動する。
蓄冷材 2 4、 3 4は、 図 5に示す如く、 それぞれの蓄冷器外筒 2 3、 3 3の中に詰められ、 本実施形態では、 1段蓄冷材 2 4は銅合金の金網 とされている。
2段蓄冷器 3は、 図 6に示す如く、 積層構造で、 2段の低温側蓄冷材 3 4 bに顆粒状の (G d。,。5T b。.95) 202 Sが約 2 0 %の体積比率で充 填され、 高温側蓄冷材 3 4 aに顆粒状の P bや H o C u2などが約 8 0 %の体積比率で充填されている。 図 6において、 3 8は蓄冷材仕切で ある。
冷凍機 1の冷却部は、 図 4に示す如く、 真空容器 1 6に収納され、 2 段冷却ステージ 3 7は熱シールド 1 7によって囲まれている。 熱シール ド 1 7は、 銅製の板状の筒で、 1段冷却ステージ 2 7によって約 4 0 K まで冷やされる。 2段冷却ステージ 3 7には電気ヒータ 1 8が取り付け られ、 その電気入力によって冷凍能力が測定される。
図 4において、 1 5は、 高低圧ガス切換弁と駆動機構が収容されたハ ウジングであり、 図 5において、 2 1は、 1段蓄冷器 2のガス通路、 2 2は、 同じくシール、 2 6は、 1段膨張空間、 3 1は、 2段蓄冷器 3の ガス通路、 3 2は、 同じくシール、 3 6は、 2段膨張空間である。
図 7に、 本発明により、 2段蓄冷器低温端の約 2 0 %の体積に (G d o.05T b 0.95) 202 Sを充填した場合と、 従来の磁性蓄冷材 H o C u2を 充填した場合とを比較して示す。 図から明らかなように、 本発明により (G d0.05T b0.95) 2O2Sを充填した場合、 冷凍能力が約 1 5〜 2 0 % 向上することが確認できた。
次に、 2段式パルス管冷凍機に適用した本発明の第 2実施形態を図 8 (全体図) 及び図 9 ( 2段蓄冷器断面図) に示す。
図 8において、 圧縮機 4 1からの高圧ガスは、 高圧ガス配管 4 2 と高 低圧ガス切換バルブュニッ ト 4 4と連結管 4 5を経て 2段式パルス管冷 凍機 4に供給され、 低圧ガス配管 4 3と同バルブュニッ ト 4 4を経て圧
縮機 4 1の低圧口に回収される。 1段蓄冷器 5 1 と 2段蓄冷器 6 1は、 図 9に示す如く、 それぞれ蓄冷器外管 (ステンレス鋼管) 5 6、 6 6と、 その内部に充填された蓄冷材 5 7、 6 7によって構成される。
各段蓄冷器 5 1、 6 1の低温端は、 各段冷却ステージ 5 2、 6 2に連 結され、 各段冷却ステージ 5 2、 6 2内部のガス流路 5 8、 6 8を介し て、 各段のパルス管 5 3、 6 3へ通じている。 各パルス管 5 3、 6 3の 高温端には、 連結管 5 5、 6 5を介して、 各段の位相調節部 5 4、 6 4 が連結されている。
各段の位相調節部 5 4、 6 4は、 バッファタンクやオリフィス、 又は 周期的に開閉するバルブなどの組合せによって構成される。 位相調節部 5 4、 6 4の働きは、 高低圧ガス切換バルブユニッ ト 4 4によって実現 されたパルス管 5 3、 6 3内部の圧力変化と、 ガスの変位との位相を最 適に調節し、 十分な冷凍能力を得ることである。
本実施形態では、 1段蓄冷材 5 7は銅合金の金網 (メ ッシュ N o . 1 0 0〜 4 0 0 ) とされている。
2段蓄冷器 6 1は 3層の積層構造で、 高温側蓄冷材 6 7 aに頼粒状の 鉛 (長短径 0. l〜 l mm) が約 2 0 %の体積比率で充填され、 中間蓄 冷材 6 7 bに顆粒状の H o C u 2 (長短径 0. 1〜0. 7 mm) が充填 され、 低温側蓄冷材 6 7 cに顆粒状の G d2O2 S (長短径 0. 1〜0. 7 mm) が充填されている。 図 9において、 6 9は蓄冷材仕切である。 冷凍機 4の冷却部は、 図 8に示す如く、 真空容器 4 6に収納され、 2 段冷却ステージ 6 2は熱シ一ルド 4 7によって囲まれている。 熱シール ド 4 7は銅製の板状の筒で、 1段冷却ステージ 5 2によって約 4 0 Kま で冷やされている。 2段冷却ステージ 6 2に電気ヒータ 4 8が取り付け られ、 その電気入力によって冷凍能力が測定される。 図 8において、 4 9はハウジングである。
図 1 0に、 2段蓄冷器 6 1の低温側蓄冷材 6 7 cの G d 2O2Sを 0 %
〜約 5 0 % (体積比率) まで増やし、 相応に中間蓄冷材 6 7 bの H o C u2を 8 0 %〜 3 0 % (体積比率) に減らした場合 (高温側蓄冷材 6 9 aの鉛は体積比率 2 0 %に固定) の 4. 2 Kにおける冷凍能力を示す。 冷凍能力が約 1 5 %向上したことが確認できた。
本実施形態において、 各段の蓄冷材 5 7、 6 7は直接蓄冷器外管 5 6、 6 6に充填されているが、 組立や分解作業をし易くするために、 第 1実 施形態のように、 蓄冷材を一旦蓄冷器外筒 (樹脂やステンレス鋼など熱 伝導率の低い材料によって構成される) に充填してから、 カートリ ッジ の形として蓄冷器外管 5 6、 6 6に挿入してもよい。
次に、 第 2実施形態と同じく 2段式パルス管冷凍機に適用した本発明 の第 3実施形態を詳細に説明する。
本実施形態は、 第 2実施形態と同じ 2段式パルス管冷凍機 4を用いる。 第 2実施形態との相違点は、 2段蓄冷器 6 1の構成である。 本実施形態 の 2段蓄冷器 6 1はやはり 3層構造であるが、 高温層 (6 7 a ) に顆粒 状の鉛 (体積比率 5 0 %、 長短径 0. l〜 l mm) を充填し、 中間層 ( 6 7 b ) に本発明にかかる顆粒状の磁性材 T b 202 S (体積比率 3 0 %、 長短径 0. 1〜0. 7 mm) を充填し、 低温層 (6 7 c ) に顆粒 状の G d A 1 03 (体積比率 2 0 %、 長短径 0. 1〜0. 6 mm) を充 填する。
G d A 1 03の比熱のピークは 4 K以下にあるので、 これによつて 2 〜 4 Kでの冷凍能力を更に向上することができる。
次に、 3段式パルス管冷凍機に適用した本発明の第 4実施形態を図 1 1 (冷凍機断面図) 及び図 1 2 (各段蓄冷器断面図) に示す。
本実施形態の 3段式パルス管冷凍機 5は第 2実施形態のパルス管冷凍 機 4と本質的に同じで、 相違点は 2段蓄冷器 6 1の先端に更に第 3段の 蓄冷器 7 1を直列に接続し、 該 3段蓄冷器 7 1の低温端を 3段冷却ステ ージ 7 2を介して 3段パルス管 7 3の低温端と連結したことである。 3
段蓄冷器 7 1、 3段冷却ステージ 7 2、 3段パルス管 7 3、 及び、 連結 管 7 5で接続された 3段位相調節部 7 4の構造は、 第 2実施形態で述べ た、 1段及び 2段のそれぞれと同じである。 図 1 2において、 7 6は 3 段蓄冷器外管、 7 7は 3段蓄冷材、 7 8は 3段冷却部ステージ 7 2内ガ ス流路、 7 9は蓄冷材仕切である。
本実施形態では、 1段蓄冷材 5 7はステンレス鋼の金網 (メ ッシュ N o . 1 0 0〜4 0 0 ) とされている。
2段蓄冷器 6 1は 2層構造で、 高温側蓄冷材 6 7 aには顆粒状鉛を体 積比率 6 0 %で充填し、 低温側蓄冷材 6 7 c と しては本発明にかかるぺ レッ ト状の磁性材 2 02 Sを体積比率 4 0 %で充填する。 3段蓄冷器 7 1には、 4 K以下に比熱ピークをもつ G d A 1 03 (ペレ ッ ト状) を体積比率 1 0 0 %で充填する。 これによつて、 2〜4 Kでの 冷凍能力を更に向上することができた。
なお、 本実施形態においては、 ペレッ ト状の (G d ^ T b c. g ) 2 O z S と G d A 1 0 3を用いたが、 焼結されたペレッ ト状の材料では顆粒状の 材料に比べ、 寸法管理ゃ蓄冷器の形状変化に対応しにくい反面、 より高 い充填率が実現できる利点がある。
次に、 並列型パルス管冷凍機に適用した本発明の第 5実施形態を図 1 3 (冷凍機断面図) 及び図 1 4 (低温段蓄冷器断面図) に示す。
並列型パルス管冷凍機は、 各々独立した複数の 1段又は 2段パルス管 冷凍機を熱的に結合し、 高温段と低温段を形成して、 一つの多段式冷凍 機の役割を果たすものである。 本実施形態の並列型パルス管冷凍機 6で は、 二つの独立した 1段パルス管冷凍機を熱的に結合し、 高温段冷却ス テージ 1 0 3と低温段冷却ステージ 1 1 3を形成し、 実質的に一つの 2 段式パルス管冷凍機の役割を果たしている。 このような並列型冷凍機は、 高温段と低温段とはガスの流れが独立しているため、 片方の冷却ステー ジにおける温度や冷凍能力の変化が他方に影響しにくいため、 より安定
した冷却システムが得ることができる。
本実施形態では、 高温段冷却ステージ 1 0 3が熱シールド 8 6を冷や すと同時に、 低温段蓄冷器 1 1 1の中間も冷却している。 これによつて、 低温段蓄冷器 1 1 1の効率が高められ、 結果的に低温段がより低い温度 に到達することができる。 又、 本実施形態では、 圧縮機 8 1、 8 2に、 前記実施形態 は異なる、 シリンダ (8 1 a、 8 2 b ) ' ピス トン ( 8 l b、 8 2 b ) 型の圧縮機を用いている。 これによつて、 高低圧ガス切 換バルブユニッ トを用いずに、 パルス管 1 0 2、 1 1 2に直接高低圧力 の振動を送り込むことができる。 図 1 3において、 8 3、 8 4は圧縮機 連結管、 8 5は真空容器、 1 0 0、 1 1 0はハウジング、 1 0 1は高温 段蓄冷器、 1 0 4、 1 1 4は位相調節部、 1 0 5、 1 1 5は連結管であ る。
本実施形態の低温段蓄冷器 1 1 1は、 図 1 4に示す如く、 3層の積層 構造とし、 室温からの高温側蓄冷材 1 1 7 aには銅合金の金網 (メ ッシ ュ N o . 1 0 0〜4 0 0、 体積比率 5 0 %) を充填し、 中間蓄冷材 1 1 7 bには顆粒状の鉛合金 (体積比率 3 0 %、 長短径 0. l〜 l mm) を 充填し、 低温側蓄冷材 1 1 7 cには顆粒状の T b 202 Sと G d2〇2 Sと の混合材 (混合比率 6 0 % : 4 0 %) (体積比率 2 0 %、 長短径 0. 1 〜0. 7 mm) を充填する。 これによつて低温段冷却ステージ 1 1 3に おいて 4〜 1 0 Kの温度範囲で大きな冷凍能力を得ることができる。 図 1 4において、 1 1 6は低温段蓄冷器外管、 1 1 8は蓄冷材仕切、 1 1 9は低温段冷却ステージ 1 1 3内ガス流路である。
なお、 本実施形態では、 高温段と低温段のパルス管 1 0 2、 1 1 2に 別々の圧縮機 8 1、 8 2を用いていたが、 システムの構成を簡略化する ために、 一つの圧縮機で同時に二つの並列パルス管に対しガスの供給と 回収を行ってもよい。
又、 本実施形態では、 T b2O2Sと G d 2O2 Sとの混合材を使ったが、
混合材を使うことによって、 見かけ上の比熱ピーク値は低くなるが、 よ り広い温度範囲において見かけ上大きな比熱を得ることができ、 結果的 に積層の層数を減らすことができる。 積層の層数が増えすぎると、 蓄冷 材仕切の占める空間が増えるばかりでなく、 仕切が倒れ、 冷凍性能の不 安定を招く可能性も大きくなる。 混合材を使うことで、 これらの欠点を 解消することができる。
次に、 第 1実施形態の 2段式 GM冷凍機 1を予冷段に用い、 他の冷却 手段と してジュール . トムソン ( J T) 冷却回路 8を追加した本発明の 第 6実施形態を図 1 5に示す。
2段式 GM冷凍機 1は第 1実施形態と同じで、 説明を省略するが、 2 段蓄冷器 3の最低温段に、 本発明の蓄冷材 (G d。,。5T b。.95) 202 Sを 体積比率約 2 0 %充填した。
追加した J T冷却回路 8では、 ヘリ ゥムガスが圧縮機 1 2 0から高圧 配管 1 2 1を経て、 第 1対向流熱交換器 1 2 8 a、 1段ステージ熱交換 器 1 2 9 a、 第 2対向流熱交換器 1 2 8 b、 2段ステージ熱交換器 1 2 9 b、 第 3対向流熱交換器 1 2 8 cを通過するとともに徐々に予冷され る。 予冷されたガスが J T弁 1 2 5 (最適な開度は調節ハン ドル 1 2 6 で調節される) を通過する際に、 等ェンタルピ的に膨張して寒冷を発生 し、 熱交換器 1 2 9 cを通過する際に、 冷却対象物 1 2 7から熱を奪い、 それを冷却する。
更に、 ガスが対向流熱交換器 1 2 8 a、 1 2 8 b、 1 2 8 cを通過し ながら、 対向的に入ってく るガスを冷却しつつ、 低圧配管 1 2 2を経て 圧縮機 1 2 0に回収される。
図 1 5において、 1 2 3は真空容器、 1 2 4 a、 1 2 4 bは熱シール ドである。
本実施形態では、 GM冷凍機 1の冷凍能力が、 本発明の磁性材によつ て約 2 0 %向上されたため、 J T冷却回路 8を流れるガスの流量を増や
すことが可能になり、 結果的に熱交換器 1 2 9 cにおける冷却対象物 1 2 7を冷却する能力を、 約 1 0〜 2 0 %向上することができた。
次に、 同じく第 1実施形態の 2段式 GM冷凍機を使った磁気共鳴ィメ ージ (MR I ) 装置である本発明の第 7実施形態を図 1 6に示す。
本実施形態の MR I装置 9では、 磁場空間 1 3 8を作り出すために超 電導磁石 1 3 5が用いられている。 該超電導磁石 1 3 5は、 液体ヘリ ゥ ム 1 3 4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 1 3 3の外部に熱シールド 1 3 2があり、 更に外側には真空容器 1 3 1がある。 液体へリ ウムは注入口 1 3 6.から注入されるが、 液体へリ ゥ ム容器 1 3 3内部に設けられている凝縮部 1 3 7によって、 気化したへ リ ゥムは再び液に戻され、 ヘリ ゥムを長期間無補給で運転が可能である ( 凝縮部 1 3 7は GM冷凍機 1の 2段冷却ステージ 3 7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 2 7 により熱シールド 1 3 2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磁性材に よって約 2 0 %向上されるので、 液体へリ ウム 1 3 4の再凝縮を、 より 効率的に行うことができ、 ヘリ ゥムの蒸発量がより大きな MR I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 1 3 4の再凝縮に用 いていたが、 液体へリ ウムを無く し、 冷凍機 1が直接、 超電導磁石 1 3 5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 2 7と 2段冷却ステージ 3 7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 さる。
なお、 前記実施形態においては、 磁性材の一般式が R,O2S又は (R 1-yR ' y) X02S (R、 R ' は希土類元素) とされていたが、 磁性材の 種類はこれに限定されず、 例えば酸素 02を含まないものを用いること
もできる。
前記磁性材は、 単独で用いることも、 他の磁性材と混合して用いるこ ともできる。 又、 少なく とも二種類の前記磁性材を混合して用いること もできる。
又、 前記磁性材は、 例えば顆粒状 (0. 0 1 mm〜 3 mm) に加工し て、 蓄冷器に充填することができる。 顆粒状とした場合には、 蓄冷器の 形状変更に対応し易く、 蓄冷器の寸法管理が容易で扱い易い。 或いは、 ブロック状、 ペレッ ト状、 又は板状に焼結、 加工して充填することもで きる。 この場合には、 形を合わせることによって、 蓄冷材の充填率を高 めることができる。
なお、 蓄冷型冷凍機の作業流体は、 4H e、 3H e、 これらの混合ガス、 或いは他の流体とすることができる。
前記実施形態においては、 本発明が GMサイクル冷凍機、 パルス管冷 凍機、 ジュール ' トムソン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、 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 かである。
又、 本発明に係る蓄冷型極低温冷凍機を予冷段に使った冷凍システム は、 第 6実施形態のジュール ' トムソン冷凍機に限定されず、 3H e — 4 H e希釈冷凍機、 断熱消磁冷凍システム、 磁気冷凍機、 吸着式冷凍シス テム等、 他の冷凍システムにも同様に適用できることは明らかである。 又、 本発明は、 冷凍システム他、 前記の蓄冷型極低温冷凍機を使った、 液体4 H e、 液体 3 H e又はこれらの混合液、 超流動 4 H e、 超流動 3 H eの寒剤生成装置や寒剤再凝縮装置にも同様に適用できる。
又、 MR I装置、 NMR装置、 冷凍機伝導冷却超電導磁石、 単結晶引 き上げ装置、 磁気分離装置、 SME S装置、 物性測定装置等の超電導磁 石装置にも同様に適用できる。
又、 S Q U I D装置、 S I S素子、 X線回折装置、 電子顕微鏡、 電圧 標準装置等の超電導素子冷却装置にも同様に適用できる。
又、 クライオポンプ、 クライオパネル、 サンプル冷却システム、 物性 測定装置、 低温熱シールド、 赤外線観測装置等の低温装置にも、 同様に 適用できる。
又、 X線観測装置、 赤外線観測装置、 電波観測装置、 宇宙線観測装置 等の宇宙分野冷却装置にも同様に適用できる。 産業上の利用の可能性
本発明によれば、 蓄冷材として、 従来の金属系磁性蓄冷材に比べ、 4 〜 1 0 Kの温度領域に大きな比熱を持つ磁性材を用いたため、 ヘリ ウム ガス等の作業ガスとの熱交換率効率が向上し、 冷凍能力が向上する。
Claims
1. 蓄冷材として、 希土類元素と硫黄を含む、 少く とも一種類の磁性材 を用いたことを特徴とする極低温蓄冷器。
2. 前記磁性材が、 酸素を含むことを特徴とする請求項 1に記載の極低 温蓄冷器。
3. 前記磁性材として、 一般式 Rx02S又は (R R ' ) X02S (R、 R 'は少なく とも一種類の希土類元素、 0. 1 ≤ χ≤ 9、 0≤ y≤ 1 ) で表わされるものを用いることを特徴とする請求項 2に記載の極低温蓄 冷器。
4. 前記元素 R及び R ' ί イッ トリ ウム Υ、 ランタン L a、 セリ ウ ム C e、 プラセオジム P r、 ネオジム N d、 プロメチウム Pm、 サマリ ゥム Sm、 ユーロピウム E u、 ガドリニウム G d、 テルビウム T b、 ジ スプロシゥム D y、 ホルミ ウム H o、 エノレビゥム E r、 ツリ ウム Tm、 又は、 イッテルビウム Y bであることを特徴とする請求項 3に記載の極 低温蓄冷器。
5. 前記磁性材が、 更に、 添加物を含むことを特徴とする請求項 1乃至 4のいずれかに記載の極低温蓄冷器。
6. 前記添加物が、 ジルコニウム Z r及び Z又はアルミニウム A 1 であ ることを特徴とする請求項 5に記載の極低温蓄冷器。
7. 少く とも一種類の前記磁性材を、 他の磁性材と混合して用いること を特徴とする請求項 1乃至 6のいずれかに記載の極低温蓄冷器。
8. 少く とも二種類の前記磁性材を混合して用いることを特徴とする請 求項 1乃至 6のいずれかに記載の極低温蓄冷器。
9. 少く とも一種類の前記磁性材が、 顆粒状に加工されて、 充填されて いることを特徴とする請求項 1乃至 8のいずれかに記載の極低温蓄冷器。
1 0. 前記顆粒状の磁性材が、 その表面を薄膜で覆われるように加工さ れ、 充填されていることを特徴とする請求項 9に記載の極低温蓄冷器。
1 1. 前記顆粒の大きさが、 0. 0 1〜 3 mmであることを特徴とする 請求項 9又は 1 0に記載の極低温蓄冷器。
1 2. 少く とも一種類の前記磁性材が、 ブロック状、 ペレッ ト状、 又は、 板状に焼結、 加工されて、 充填されていることを特徴とする請求項 1乃 至 8のいずれかに記載の極低温蓄冷器。
1 3. 前記磁性材が、 積層状に充填されていることを特徴とする請求項 1乃至 1 2のいずれかに記載の極低温蓄冷器。
1 4. 前記磁性材が、 蓄冷器の最低温層に充填されていることを特徴と する請求項 1乃至 1 3のいずれかに記載の極低温蓄冷器。
1 5. 前記磁性材を、 蓄冷器の最低温層より高温の層に用い、 且つ、 そ れょり低温の層に、 4 K付近又はそれ以下に大きな比熱を持つ別な磁性 材を用いたことを特徴とする請求項 1乃至 1 3のいずれかに記載の極低 温蓄冷器。
1 6. 請求項 1乃至 1 5のいずれかに記載の蓄冷器を用いたことを特徴 とする蓄冷型極低温冷凍機。
1 7. 前記蓄冷器を最低温冷却段に用いたことを特徴とする請求項 1 6 に記載の蓄冷型極低温冷凍機。
1 8. 前記蓄冷器を、 中間冷却段に用い、 最終冷却段蓄冷器に、 4 K付 近又はそれ以下に大きな比熱を持つ別な磁性材を用いたことを特徴とす る請求項 1 6に記載の蓄冷型極低温冷凍機。
1 9. 前記蓄冷器を、 並列型蓄冷型極低温冷凍機の低温側冷却段に用い たことを特徴とする請求項 1 6乃至 1 8のいずれかに記載の蓄冷型極低 温冷凍機。
2 0. 4H eを作業流体とすることを特徴とする請求項 1 6乃至 1 9の いずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機。
2 1. 3H eを作業流体とすることを特徴とする請求項 1 6乃至 1 9の いずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機。
2 2 . 3 H e と 4 H eの混合ガスを作業流体とすることを特徴とする請求 項 1 6乃至 1 9のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機。
2 3 . 請求項 1 6乃至 2 2のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用 いた予冷段と、
少く とも一つの他の冷却手段と、
を備えたことを特徴とする冷凍システム。
2 4 . 請求項 1 6乃至 2 3のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用 いたことを特徴とする寒剤生成装置。
2 5 . 請求項 1 6乃至 2 3のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用 いたことを特徴とする寒剤再凝縮装置。
2 6 . 請求項 1 6乃至 2 3のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用 いたことを特徴とする超電導磁石装置。
2 7 . 請求項 2 6に記載の超電導磁石装置を用いたことを特徴とする磁 気共鳴イメージ (M R I ) 装置。
2 8 . 請求項 1 6乃至 2 3のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用 いたことを特徴とする超電導素子冷却装置。
2 9 . 請求項 1 6乃至 2 3のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用 いたことを特徴とする低温パネル及び低温熱シールド装置。
3 0 . 請求項 2 9に記載の低温パネルを用いたことを特徴とするクライ ォポンプ。
3 1 . 請求項 1 6乃至 2 3のいずれかに記載の蓄冷型極低温冷凍機を用 いたことを特徴とする宇宙分野冷却装置。
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