JP2005090854A

JP2005090854A - 極低温蓄冷器及び冷凍機

Info

Publication number: JP2005090854A
Application number: JP2003324378A
Authority: JP
Inventors: Toru Maruyama; 徹丸山
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-09-17
Filing date: 2003-09-17
Publication date: 2005-04-07

Abstract

【課題】蓄冷材として、磁性蓄冷材とＧＯＳを併用することにより、誘起磁場の影響を低減した上で、優れた冷凍能力を発揮できるようにする。
【解決手段】蓄冷材３２として、鉛３２Ａ以外に、体積比率で１２〜３０％のＨｏＣｕ₂（磁性蓄冷材）３２Ｂと、１５〜３１％のＧＯＳ３２Ｃを充填した２段蓄冷器３１が内蔵された極低温冷凍機１とする。
【選択図】図１

Description

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・マクマホン）冷凍機、パルスチューブ冷凍機、スターリングサイクル冷凍機、ビルミエサイクル冷凍機、ソルベイサイクル冷凍機、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、極低温蓄冷器及び冷凍機、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。

ＧＭ冷凍機やパルスチューブ冷凍機、スターリングサイクル冷凍機等の極低温蓄冷式冷凍機に使われている蓄冷器には、蓄冷材として鉛球や磁性蓄冷材球が採用されている。

一般に、液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）程度の冷却を実現する極低温冷凍機では、内蔵される蓄冷器の内部に、異種の蓄冷材がハイブリッドで充填されており、しかも各蓄冷材の組合せ方やその量によって冷凍能力に多大な影響を与えることが知られている。

又、このような冷凍機では、冷凍機能を発現させる際に、蓄冷器を往復動作させるため、磁性蓄冷材が充填されている場合は、冷凍機の周囲に磁場を誘起することになり、例えば客先の装置に磁場による影響を与えることになるという問題があった。

そこで、近年、従来の磁性蓄冷材に比べて低温での磁化率の弱いＧＯＳセラミックス蓄冷材が開発され、これを充填することにより客先装置への影響を低減できることが明らかになった。このＧＯＳ（＝Ｇｄ₂Ｏ₂Ｓ）蓄冷材は、例えば特許文献１に開示されている。

特開２００３−７３６６１号公報

しかしながら、蓄冷材として鉛とハイブリッド充填していた磁性蓄冷材を完全にＧＯＳに置き換えてしまうと、冷凍能力が極端に低下して仕様を満たさなくなるという問題がある。

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、鉛以外の蓄冷材として、磁性蓄冷材とＧＯＳ蓄冷材を併用することにより、誘起磁場の影響を低減した上で、優れた冷凍能力を発揮することができる極低温蓄冷器及び冷凍機等を提供することを課題とする。

本発明は、蓄冷材として、鉛以外に、体積比率で１２〜３０％のＨｏＣｕ₂と１５〜３１％のＧＯＳを充填したことにより、前記課題を解決したものである。

本発明は、又、上記極低温蓄冷器において、ＨｏＣｕ₂の体積比率をａ％、ＧＯＳの体積比率をｂ％とした場合、
ａ＋０．４ｂ＜３５
とすることが好ましく、又、前記蓄冷材を、高温側から鉛、ＨｏＣｕ₂及びＧＯＳの順に積層することが好ましい。

本発明は、又、極低温冷凍機において、前記極低温蓄冷器を備えたことにより、同様に前記課題を解決したものである。

本発明によれば、鉛以外の蓄冷材として、ＨｏＣｕ₂とＧＯＳを適切な体積比率で併用することにより、誘起磁場の影響を低減した上で、優れた冷凍能力を発揮させることができた。

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、圧縮器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３１は、図示する如く、２段蓄冷材３２として、高温側（上方）から順に、鉛３２Ａ、ＨｏＣｕ₂３２Ｂ及びＧＯＳ３２Ｃが積層充填されている。

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、２段冷却ステージ３３には電気ヒータ（図示せず）が取り付けられ、その電気入力によって熱負荷を印加することにより、該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の間の気密シールは省略してある。

本発明者は、鉛以外に充填する蓄冷材として、ＧＯＳと磁性蓄冷材とを併用することにより、誘起磁場の影響を低減でき、しかも優れた冷凍能力を発揮することができる蓄冷型冷凍機を開発するべく鋭意検討した結果、内蔵する蓄冷器に、蓄冷材として、体積比率でＨｏＣｕ₂を１２〜３０％、ＧＯＳを１５〜３１％充填し、残りの７３〜３９％に鉛（Ｐｂ）を充填することが有効であることを知見した。

図２には、本発明の根拠となった蓄冷器における蓄冷材の充填パターンを示す。

本発明は、前記図１に示した２段式のＧＭ冷凍機１において、低温側の２段蓄冷器に、上記各配合割合の蓄冷材３２を充填して、試験評価を行なうことにより知見し得たものである。なお、この蓄冷器内において、図２に示した配合割合は、全ての蓄冷材が充填されている空間体積を１００％とした場合の体積比率である。

図２に（１）〜（６）で示した各配合割合（体積％）の具体的な値を次表に示す。

使用した各蓄冷材の粒径範囲は、鉛球が０．４０〜０．４８ｍｍφ、ＨｏＣｕ₂が０．１５〜０．５０ｍｍφ、ＧＯＳが０．２０〜０．３５ｍｍφであった。

又、（４）の例について、６本の蓄冷器筒を用意して、各蓄冷材の配合のばらつきを測定した結果を、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示す。この図から、各蓄冷材とも±２％の上下限の範囲に収まっていることが分かる。図示は省略するが、他の例の場合も同様であった。

前記冷凍機１に、（１）〜（６）の各パターンの配合割合に蓄冷材が充填された蓄冷器を適用して得られた、３．４Ｋ〜４．５Ｋの温度範囲における冷凍能力を図４に示す。

前記図２（表１）において、（１）は、鉛球と磁性蓄冷材ＨｏＣｕ₂（磁性蓄冷材）の２層構造からなる従来の場合であり、ＧＭ冷凍機における蓄冷器内の空間体積割合（比率）は鉛球が約６５％、ＨｏＣｕ₂が約３５％である。一般に、ＧＭ冷凍機では、蓄冷器と共に磁性蓄冷材が往復動作するので、磁場が誘起されることになるが、この従来の場合はそれが大きいために、客先装置の発生磁場を乱す原因となり問題になっていた。

そこで、本発明者は、ＧＯＳを併用して磁性蓄冷材を減らすことにより誘起磁場の低減を図るべく検討した結果が、前記図４である。この図に示されるように、冷凍能力においても、（４）は（１）の従来よりも優れ、（５）は従来と同程度発揮している。又、（２）と（６）は、冷凍能力の面では従来より若干劣ってはいるが、誘起磁場が低減できている点で従来より勝っている。即ち、本発明に、（２）（４）（５）（６）の充填パターンが含まれる。

従って、本発明の蓄冷器は、蓄冷材として、体積比率でＨｏＣｕ₂を１２〜３０％、好ましくは１４〜２５％充填し、ＧＯＳを１５〜３１％、好ましくは１７〜２９％充填し、鉛（Ｐｂ）を７３〜３９％、好ましくは６９〜４８％充填する構成とする。

又、ＧＯＳは、低温（約２〜１０Ｋ）における磁化率がＨｏＣｕ₂の半分以下（約４０％）である。そこで、ＨｏＣｕ₂及びＧＯＳの体積比率をそれぞれａ％及びｂ％とした場合、両者の誘起磁場の合計が従来の（１）のＨｏＣｕ₂単独の場合より小さくするために、
ａ＋０．４ｂ＜３５
となるように、両蓄冷材の体積比率を決定する。

以上のように、本実施形態によれば、従来より冷凍能力が向上する場合を含め、優れた冷凍能力が得られると共に、磁性蓄冷材であるＨｏＣｕ₂の量を削減し、削減した空間を磁化率の低いＧＯＳで補うようにしたので、ＧＭ冷凍機において蓄冷器の往復動作に伴って発生する磁気ノイズを低減することができる。

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５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と共に、該ＭＲＩ装置に対する誘起磁場の影響を低減することが可能となる。

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、パルスチューブ冷凍機、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、蓄冷材としてＧＯＳを併用することにより、優れた冷凍能力を発揮させ、しかも誘起磁場の影響を低減することができる。

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本発明の根拠となった蓄冷材の配合割合の一例を示すグラフ上記蓄冷材の配合割合のばらつきの程度を示すグラフ図２の配合割合の蓄冷材を使用した場合の冷凍能力を示す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

蓄冷材として、鉛以外に、体積比率で１２〜３０％のＨｏＣｕ₂と１５〜３１％のＧＯＳを充填したことを特徴とする極低温蓄冷器。
ＨｏＣｕ₂の体積比率をａ％、ＧＯＳの体積比率をｂ％とした場合、
ａ＋０．４ｂ＜３５
とすることを特徴とする請求項１に記載の極低温蓄冷器。
前記蓄冷材を、高温側から鉛、ＨｏＣｕ₂及びＧＯＳの順に積層することを特徴とする請求項１又は２に記載の極低温蓄冷器。
請求項１、２又は３に記載の極低温蓄冷器を備えたことを特徴とする極低温冷凍機。
請求項４に記載の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４に記載の極低温冷凍機を備えたことを特徴とするＭＲＩ装置。
請求項４に記載の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４に記載の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。