特開 2024-165955 極低温冷凍機用蓄冷材、極低温冷凍機用蓄冷器および極低温冷凍機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024165955

(43)【公開日】2024-11-28

(54)【発明の名称】極低温冷凍機用蓄冷材、極低温冷凍機用蓄冷器および極低温冷凍機

(51)【国際特許分類】

   C09K 5/14 20060101AFI20241121BHJP

   F25B 9/00 20060101ALI20241121BHJP

   C22C 12/00 20060101ALI20241121BHJP

   C22C 30/02 20060101ALN20241121BHJP

【ＦＩ】

C09K5/14 F

F25B9/00 D

C22C12/00

C22C30/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023082576

(22)【出願日】2023-05-18

(71)【出願人】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100116274

【弁理士】

【氏名又は名称】富所 輝観夫

(72)【発明者】

【氏名】許 名堯

(72)【発明者】

【氏名】林 小鋼

(57)【要約】

【課題】靱性を向上した極低温冷凍機用蓄冷材、およびこれを用いた極低温冷凍機用蓄冷器および極低温冷凍機を提供する。
【解決手段】極低温冷凍機１０用の蓄冷材、例えば高温側蓄冷材２８ａは、ビスマスを主成分として備えるとともに、多くとも１０重量％の銀を添加物として備える。また、極低温冷凍機１０用の蓄冷器、例えば第２蓄冷器２８は、ビスマスを主成分として備えるとともに、多くとも１０重量％の銀を添加物として備えるビスマス銀蓄冷材と、蓄冷器の軸方向においてビスマス銀蓄冷材とは異なる場所に配置された磁性蓄冷材と、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ビスマスを主成分として備えるとともに、
多くとも１０重量％の銀を添加物として備えることを特徴とする極低温冷凍機用蓄冷材。

【請求項2】

多くとも５重量％の銀を添加物として備えることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機用蓄冷材。

【請求項3】

多くとも２重量％の銀を添加物として備えることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機用蓄冷材。

【請求項4】

多くとも１重量％の銀を添加物として備えることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機用蓄冷材。

【請求項5】

銀のみを添加物として備えることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機用蓄冷材。

【請求項6】

粒状であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の極低温冷凍機用蓄冷材。

【請求項7】

ビスマスを主成分として備えるとともに、多くとも１０重量％の銀を添加物として備えるビスマス銀系蓄冷材と、
蓄冷器の軸方向において前記ビスマス銀系蓄冷材とは異なる場所に配置された磁性蓄冷材と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機用蓄冷器。

【請求項8】

蓄冷器の軸方向において前記ビスマス銀系蓄冷材に対して前記磁性蓄冷材と反対側に配置された亜鉛系蓄冷材をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の極低温冷凍機用蓄冷器。

【請求項9】

請求項７または８に記載の極低温冷凍機用蓄冷器を備えることを特徴とする極低温冷凍機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、極低温冷凍機用蓄冷材、およびこれを用いた極低温冷凍機用蓄冷器および極低温冷凍機に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、極低温冷凍機用の蓄冷材として、球状の鉛が用いられていた。鉛は、およそ５０Ｋ以下の低い温度領域で他の材料より高い比熱を持ち、安価でもあることから、過去において広く使われていた。しかしながら、現在では、環境および人体への悪影響を考慮して、鉛の使用は規制または禁止されている。鉛に代替する蓄冷材として、粒状に成形した純ビスマスを用いることが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１１－１３７６３２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

純ビスマスは脆いので、極低温冷凍機の製造工程において蓄冷器に充填する際に、粉状に割れてしまうことがある。また、極低温冷凍機の運転中に、蓄冷材間の空隙を流れる作動ガス（例えばヘリウムガス）から蓄冷材に加わる力によって、純ビスマスの蓄冷材が割れるリスクも想定される。

【0005】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、靱性を向上した極低温冷凍機用蓄冷材、およびこれを用いた極低温冷凍機用蓄冷器および極低温冷凍機を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のある態様によると、極低温冷凍機用蓄冷材は、ビスマスを主成分として備えるとともに、多くとも１０重量％の銀を添加物として備える。

【0007】

本発明のある態様によると、極低温冷凍機用蓄冷器は、ビスマスを主成分として備えるとともに、多くとも１０重量％の銀を添加物として備えるビスマス銀系蓄冷材と、蓄冷器の軸方向においてビスマス銀系蓄冷材とは異なる場所に配置された磁性蓄冷材と、を備える。

【0008】

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、上述の態様の極低温冷凍機用蓄冷器を備える。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、靱性を向上した極低温冷凍機用蓄冷材、およびこれを用いた極低温冷凍機用蓄冷器および極低温冷凍機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。

【図2】実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。

【図3】実施の形態に関連して、いくつかの金属材料の容積比熱を示すグラフである。

【図4】実施の形態に係り、極低温冷凍機の第２蓄冷器の軸方向温度プロファイルを示す模式図である。

【図5】実施の形態に係り、ビスマス銀系蓄冷材における銀の含有率と極低温冷凍機の第１段の冷却温度との関係を示すグラフである。

【図6】実施の形態に係り、ビスマス銀系蓄冷材における銀の含有率と極低温冷凍機の第２段の冷却温度との関係を示すグラフである。

【図7】変形例に係る極低温冷凍機の第２蓄冷器を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

【0012】

図１および図２は、実施の形態に係る極低温冷凍機１０を概略的に示す図である。極低温冷凍機１０は、一例として、二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機である。図１には、極低温冷凍機１０の外観を示し、図２には、極低温冷凍機１０の内部構造を示す。

【0013】

極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と、膨張機１４とを備える。圧縮機１２は、極低温冷凍機１０の作動ガスを膨張機１４から回収し、回収した作動ガスを昇圧して、再び作動ガスを膨張機１４に供給するよう構成されている。作動ガスは、冷媒ガスとも称され、通例はヘリウムガスであるが、適切な他のガスが用いられてもよい。

【0014】

膨張機１４は、冷凍機シリンダ１６と、ディスプレーサ組立体１８と、冷凍機ハウジング２０とを備える。冷凍機ハウジング２０は、冷凍機シリンダ１６と結合され、それにより、ディスプレーサ組立体１８を収容する気密容器が構成される。なお、冷凍機ハウジング２０の内部容積は圧縮機１２の低圧側に接続され、低圧に維持されてもよい。

【0015】

冷凍機シリンダ１６は、第１シリンダ１６ａ、第２シリンダ１６ｂを有する。第１シリンダ１６ａと第２シリンダ１６ｂは、一例として、円筒形状を有する部材であり、第２シリンダ１６ｂが第１シリンダ１６ａよりも小径である。第１シリンダ１６ａと第２シリンダ１６ｂは同軸に配置され、第１シリンダ１６ａの下端が第２シリンダ１６ｂの上端に剛に連結されている。

【0016】

ディスプレーサ組立体１８は、第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂとを有する。第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂは、一例として、円筒形状を有する部材であり、第２ディスプレーサ１８ｂが第１ディスプレーサ１８ａよりも小径である。第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂは同軸に配置されている。

【0017】

第１ディスプレーサ１８ａは、第１シリンダ１６ａに収容され、第２ディスプレーサ１８ｂは、第２シリンダ１６ｂに収容されている。第１ディスプレーサ１８ａは、第１シリンダ１６ａに沿って軸方向に往復移動可能であり、第２ディスプレーサ１８ｂは、第２シリンダ１６ｂに沿って軸方向に往復移動可能である。第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂは互いに連結され、一体に移動する。

【0018】

本書では、極低温冷凍機１０の構成要素間の位置関係を説明するために、便宜上、ディスプレーサの軸方向往復動の上死点に近い側を「上」、下死点に近い側を「下」と表記することとする。上死点は膨張空間の容積が最大となるディスプレーサの位置であり、下死点は膨張空間の容積が最小となるディスプレーサの位置である。極低温冷凍機１０の運転時には軸方向上方から下方へと温度が下がる温度勾配が生じるので、上側を高温側、下側を低温側と呼ぶこともできる。

【0019】

第１ディスプレーサ１８ａは、第１蓄冷器２６を収容する。第１ディスプレーサ１８ａの筒状の本体が、軸方向に延在する第１蓄冷器容器となる。第１蓄冷器２６は、第１ディスプレーサ１８ａの本体の中に、例えば銅などの金網またはその他適宜の第１蓄冷材を充填することによって形成されている。第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部および下蓋部は第１ディスプレーサ１８ａの本体とは別の部材として提供されてもよく、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部および下蓋部は、締結、溶接など適宜の手段で本体に固定され、それにより第１蓄冷材が第１ディスプレーサ１８ａに収容されてもよい。

【0020】

同様に、第２ディスプレーサ１８ｂは、第２蓄冷器２８を収容する。第２ディスプレーサ１８ｂの筒状の本体が、軸方向に延在する第２蓄冷器容器となる。第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部および下蓋部は第２ディスプレーサ１８ｂの本体部とは別の部材として提供されてもよく、第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部および下蓋部はそれぞれ、締結、溶接など適宜の手段で本体に固定され、それにより第２蓄冷材が第２ディスプレーサ１８ｂに収容されてもよい。

【0021】

第２蓄冷器２８は、少なくとも二種の蓄冷材、この例では、三種の蓄冷材を備え、これら蓄冷材は、第２ディスプレーサ１８ｂの軸方向に積層されている。図２に示されるように、第２蓄冷器２８は、軸方向に高温側から低温側へと順に、高温側蓄冷材２８ａ、中間蓄冷材２８ｂ、および低温側蓄冷材２８ｃを備える。極低温冷凍機１０の第２段の冷凍能力を高めるために、これらの蓄冷材としてはそれぞれ異なる温度で大きな比熱をもつ材料が選択される。

【0022】

高温側蓄冷材２８ａは、第２ディスプレーサ１８ｂの高温側の温度、例えば１０Ｋから５０Ｋの温度範囲またはその少なくとも一部において比較的高い容積比熱（例えば、銅よりも高い容積比熱）をもつ材料で形成されていてもよい。高温側蓄冷材２８ａは、この温度範囲で、上述のように第１ディスプレーサ１８ａで典型的に使用される蓄冷材である銅よりも高い容積比熱を有してもよい。また、高温側蓄冷材２８ａは、この温度範囲で後述の磁性蓄冷材よりも高い容積比熱を有してもよい。高温側蓄冷材２８ａは、非磁性の金属材料で形成されていてもよい。

【0023】

そのような高温側蓄冷材２８ａの例として、この実施の形態では、ビスマス銀系蓄冷材、例えばビスマス銀合金が使用される。ビスマス銀系蓄冷材は、ビスマスを主成分として備えるとともに、少量の銀を添加物として備える。

【0024】

ここで、「主成分」とは、蓄冷材組成物の全量のなかで最も多い成分（例えば、重量％が最大となる成分）を意味する。ビスマス銀系蓄冷材は、例えば、少なくとも８０重量％、または少なくとも９０重量％、または少なくとも９５重量％のビスマスを含んでもよい。ビスマス銀系蓄冷材は、添加物（すなわち銀）を除く残部をすべてビスマスとしてもよい。

【0025】

この実施の形態では、ビスマス銀系蓄冷材は、多くとも１０重量％の銀を添加物として含有する。なぜなら、銀の比率が１０重量％を超えると、ビスマス銀合金の製作が困難または不可能となるためである。ビスマス銀合金は固液共存温度域（２６２．５～３５０℃）が広いため、合金製作過程において溶液温度から冷却が始まるとデンドライト（樹枝状晶）を形成しながら凝固が進行する。このとき、デンドライトの成長に伴い、溶質となるビスマスが液相に排出される。その結果、デンドライト固体中ではビスマスが少なく、残った液相中ではビスマスが増加することになる。したがって、銀の含有率が１０重量％を超えるビスマス銀合金を安定的に製作することは、困難または不可能である。

【0026】

後述のように、ビスマス銀系蓄冷材は、例えば、多くとも５重量％、または多くとも２重量％、または多くとも１重量％の銀を添加物として含有してもよい。ビスマス銀系蓄冷材は、少なくとも０．００１重量％の銀を添加物として含有してもよい。ビスマス銀系蓄冷材は、銀のみを添加物として含有してもよい。

【0027】

中間蓄冷材２８ｂとしては、高温側蓄冷材２８ａとは別種の材料が用いられる。中間蓄冷材２８ｂは、第２ディスプレーサ１８ｂの軸方向中間部の温度、例えば５Ｋから１０Ｋの温度範囲またはその少なくとも一部において比較的高い容積比熱をもつ材料で形成されていてもよい。典型的には、中間蓄冷材２８ｂは、磁気相転移に伴う容積比熱のピークをこの温度範囲に有する磁性蓄冷材で形成されていてもよい。中間蓄冷材２８ｂは、例えばＨｏＣｕ_２、Ｅｒ_３Ｎｉなど、金属の磁性材料で形成されていてもよい。

【0028】

低温側蓄冷材２８ｃとしては、中間蓄冷材２８ｂとは別種の磁性蓄冷材が用いられる。低温側蓄冷材２８ｃは、第２ディスプレーサ１８ｂの低温側（すなわち、ディスプレーサ組立体１８で最も温度が低くなるディスプレーサ低温端）の温度、例えば１Ｋから５Ｋの温度範囲またはその少なくとも一部において比較的高い容積比熱をもつ磁性蓄冷材で形成されていてもよい。

【0029】

低温側蓄冷材２８ｃに適する磁性蓄冷材は、磁気相転移に伴う容積比熱のピークをこの温度範囲に有する。磁性蓄冷材は、非金属の磁性材料であってもよく、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）、若しくはＧｄ_ｘＡｌ_２－ｘＯ_３（１≦ｘ＜２）で表わされる磁性蓄冷材のうち少なくとも一種類を含んでもよい。希土類元素Ｒ、Ｒ′は、例えば、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であってもよい。

【0030】

低温側蓄冷材２８ｃに使用される磁性蓄冷材は、Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ（ＧＯＳとも呼ばれる）、Ｔｂ_２Ｏ_２Ｓ（ＴＢＯＳとも呼ばれる）、（Ｇｄ_１－ｙＴｂ_ｙ）_２Ｏ_２Ｓ（０＜ｙ＜１、ＧｄＴｂＯＳとも呼ばれる）、または、ＧｄＡｌＯ_３（ＧＡＰとも呼ばれる）であってもよく、またはこれらのうち少なくとも一種類を含んでもよい。

【0031】

こうした非金属の磁性蓄冷材は、知られているように、例えばＨｏＣｕ_２など金属の磁性蓄冷材に比べて、例えば１Ｋから５Ｋの温度範囲またはその少なくとも一部において高い（例えば数倍高い）容積比熱を有する。よって、低温側蓄冷材２８ｃは、この温度範囲の極低温冷却を提供する極低温冷凍機１０の冷凍能力を高めるのに好適である。

【0032】

なお、磁性蓄冷材の機械強度を改善するために、磁性蓄冷材に添加物が添加されてもよい。添加物は、例えば、ジルコニウムＺｒ、アルミニウムＡｌ、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）のうち少なくとも一種であってもよい。磁性蓄冷材に対する添加物の重量比は、例えば２０％以下、または１５％以下であってもよい。このようにすれば、磁性蓄冷材の容積比熱を大きく変えることなく（すなわち極低温冷凍機１０の冷凍能力に大きな影響を与えることなく）、磁性蓄冷材の硬度を高め、衝撃による破損や粉化のリスクを低減することができる。

【0033】

高温側蓄冷材２８ａ、中間蓄冷材２８ｂおよび低温側蓄冷材２８ｃは、粒状であってもよい。こうした粒状蓄冷材を構成する粒体は、例えば０．０１ｍｍ以上３ｍｍ以下の大きさの粒状に成形され、第２ディスプレーサ１８ｂに充填されてもよい。粒体の粒径は、例えば、０．１４ｍｍ以上１．６ｍｍ以下、好ましくは０．１５ｍｍ以上１．４ｍｍ以下、更に好ましくは０．２２ｍｍ以上１．３ｍｍ以下であってもよい。粒径が０．１４ｍｍ以上１．６ｍｍ以下の粒体の割合が全粒体に対して７０重量％以上であってもよい。粒径が０．１４ｍｍ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、作動ガス（例えばヘリウムガス）の通過抵抗が急激に増大しうることになる。また、粒径が１．６ｍｍを超える場合には、粒体と作動ガスとの間の熱交換効率が著しく低下しうることが懸念される。

【0034】

また、粒体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。よって、短径に対する長径の比が５以下である粒体の割合が全粒体に対して７０重量％以上であってもよい。

【0035】

こうした粒体の保護のために、その表面が例えば１～５０μｍの厚さのコーティング（例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、フッ素樹脂など）で被覆されてもよい。

【0036】

高温側蓄冷材２８ａと中間蓄冷材２８ｂを分けるために、高温側蓄冷材２８ａと中間蓄冷材２８ｂの境界２９ａに例えば金網などの仕切部材が配置されてもよい。また、必要に応じて、中間蓄冷材２８ｂと低温側蓄冷材２８ｃの境界２９ｂに仕切部材が配置されてもよい。

【0037】

図２を参照すると、ディスプレーサ組立体１８は、上部室３０、第１膨張室３２、第２膨張室３４を冷凍機シリンダ１６の内部に形成する。極低温冷凍機１０によって冷却すべき所望の物体または媒体との熱交換のために、膨張機１４は、第１冷却ステージ３３と第２冷却ステージ３５を備える。上部室３０は、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部と第１シリンダ１６ａの上部との間に形成される。第１膨張室３２は、第１ディスプレーサ１８ａの下蓋部と第１冷却ステージ３３との間に形成される。第２膨張室３４は、第２ディスプレーサ１８ｂの下蓋部と第２冷却ステージ３５との間に形成される。第１冷却ステージ３３は、第１膨張室３２を取り囲むように第１シリンダ１６ａの下部に固着され、第２冷却ステージ３５は、第２膨張室３４を取り囲むように第２シリンダ１６ｂの下部に固着されている。

【0038】

第１蓄冷器２６は、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部に形成された作動ガス流路３６ａを通じて上部室３０に接続され、第１ディスプレーサ１８ａの下蓋部に形成された作動ガス流路３６ｂを通じて第１膨張室３２に接続されている。第２蓄冷器２８は、第１ディスプレーサ１８ａの下蓋部から第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部へと形成された作動ガス流路３６ｃを通じて第１蓄冷器２６に接続されている。また、第２蓄冷器２８は、第２ディスプレーサ１８ｂの下蓋部に形成された作動ガス流路３６ｄを通じて第２膨張室３４に接続されている。

【0039】

第１膨張室３２、第２膨張室３４と上部室３０との間の作動ガス流れが、冷凍機シリンダ１６とディスプレーサ組立体１８との間のクリアランスではなく、第１蓄冷器２６、第２蓄冷器２８に導かれるようにするために、第１シール３８ａ、第２シール３８ｂが設けられていてもよい。第１シール３８ａは、第１ディスプレーサ１８ａと第１シリンダ１６ａとの間に配置されるように第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部に装着されてもよい。第２シール３８ｂは、第２ディスプレーサ１８ｂと第２シリンダ１６ｂとの間に配置されるように第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部に装着されてもよい。

【0040】

また、膨張機１４は、圧力切替バルブ４０と、駆動モータ４２とを備える。圧力切替バルブ４０は、冷凍機ハウジング２０に収容され、駆動モータ４２は、冷凍機ハウジング２０に取り付けられている。

【0041】

図２に示されるように、圧力切替バルブ４０は、高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂを備え、冷凍機シリンダ１６内に周期的圧力変動を発生させるように構成されている。圧縮機１２の作動ガス吐出口が高圧バルブ４０ａを介して上部室３０に接続され、圧縮機１２の作動ガス吸入口が低圧バルブ４０ｂを介して上部室３０に接続されている。高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂは、選択的かつ交互に開閉するように（すなわち、一方が開いているとき他方が閉じるように）構成されている。高圧（例えば２～３ＭＰａ）の作動ガスが圧縮機１２から高圧バルブ４０ａを通じて膨張機１４に供給され、低圧（例えば０．５～１．５ＭＰａ）の作動ガスが膨張機１４から低圧バルブ４０ｂを通じて圧縮機１２に回収される。理解のために、作動ガスの流れる方向を図２に矢印で示す。

【0042】

駆動モータ４２は、ディスプレーサ組立体１８の往復動を駆動するために設けられている。駆動モータ４２は、たとえばスコッチヨーク機構などの運動変換機構４３を介してディスプレーサ駆動軸４４に連結されている。運動変換機構４３は、圧力切替バルブ４０と同様に、冷凍機ハウジング２０に収容されている。ディスプレーサ駆動軸４４は、運動変換機構４３から冷凍機ハウジング２０を貫通して上部室３０の中へと延び、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋部に固定されている。上部室３０から冷凍機ハウジング２０（上述のように低圧に維持されている場合がある）への作動ガスのリークを防ぐために、第３シール３８ｃが設けられている。第３シール３８ｃは、冷凍機ハウジング２０とディスプレーサ駆動軸４４との間に配置されるように冷凍機ハウジング２０に装着されてもよい。

【0043】

駆動モータ４２が駆動されるとき、駆動モータ４２の回転出力は運動変換機構４３によってディスプレーサ駆動軸４４の軸方向往復動に変換され、ディスプレーサ組立体１８は冷凍機シリンダ１６内を軸方向に往復する。また、駆動モータ４２は、高圧バルブ４０ａと低圧バルブ４０ｂを選択的かつ交互に開閉するようにこれらバルブに連結されている。

【0044】

極低温冷凍機１０は、圧縮機１２および駆動モータ４２が運転されるとき、第１膨張室３２および第２膨張室３４において周期的な容積変動とこれに同期した作動ガスの圧力変動を発生させ、それにより冷凍サイクルが構成され、第１冷却ステージ３３および第２冷却ステージ３５が所望の極低温に冷却される。第１冷却ステージ３３は、例えば約３０Ｋ～約８０Ｋの範囲にある第１冷却温度に冷却されることができる。第２冷却ステージ３５は、第１冷却温度より低い第２冷却温度、例えば１Ｋ～２０Ｋに冷却されることができる。第２冷却温度は、約４．２Ｋの液体ヘリウム温度またはそれよりも低い温度であってもよい。

【0045】

実施の形態によると、上述のように、ビスマス銀系蓄冷材、例えばビスマス銀合金が使用される。以下に示す表は、実施の形態に係るビスマス銀合金からなる粒状蓄冷材についてのビッカース硬さの測定結果を示す。表には比較例として、従来の純ビスマスの粒状蓄冷材についてのビッカース硬さの測定結果も示されている。なお、本書において、純ビスマスとは、例えば純度９９．９９％以上、または純度９９．９９５％以上、または純度９９．９９７％以上のビスマスを指してもよい。

【0046】

【表1】

【0047】

実施の形態に係るビスマス銀合金の粒状蓄冷材は、比較例の純ビスマスの粒状蓄冷材に比べて、ビッカース硬さの測定値（ＨＶ）が大きいことが、表から理解される。すなわち、ビスマス銀合金の粒状蓄冷材は、純ビスマスの粒状蓄冷材よりも硬い。具体的には、純ビスマスの粒状蓄冷材のビッカース硬さが１９．９（ＨＶ）と測定されたのに対して、１１．０重量％の銀を添加したＢｉ－１．０％Ａｇの粒状蓄冷材のビッカース硬さは２１．９（ＨＶ）と測定され、２．０重量％の銀を添加したＢｉ－２．０％Ａｇの粒状蓄冷材のビッカース硬さは２８．９（ＨＶ）と測定され、５．０重量％の銀を添加したＢｉ－５．０％Ａｇの粒状蓄冷材のビッカース硬さは４０．９（ＨＶ）と測定されている。表には、各硬さ測定結果についての標準偏差も付記されている。

【0048】

このように、純ビスマスに少量の銀を添加することにより、硬度（ビッカース硬さ、ＨＶ）が向上される。つまり、実施の形態に係るビスマス銀合金の粒状蓄冷材は、比較例の純ビスマスの粒状蓄冷材に比べて、靱性（割れにくさ）が向上される。

【0049】

したがって、実施の形態によると、極低温冷凍機１０の製造工程において蓄冷器に充填する際に、粒状蓄冷材がつぶれる（粉砕される）リスクが低減される。同様に、極低温冷凍機１０の運転中に、蓄冷器内を流れる作動ガス（例えばヘリウムガス）から受ける力によって、粒状蓄冷材がつぶれるリスクが低減される。

【0050】

図３は、実施の形態に関連して、いくつかの金属材料の容積比熱を示すグラフである。図３には、７０Ｋ以下の温度範囲における鉛（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）の容積比熱の温度変化が示されている。

【0051】

鉛は約６０Ｋ以下の極低温で高い比熱をもつことから、過去において蓄冷材として広く利用されていたが、環境および人体への悪影響を考慮して現在では鉛の使用は規制または禁止されている。ビスマスは、鉛ほどではないものの、極低温（例えば約１０Ｋから約３０Ｋの温度範囲）で比較的高い比熱を有するため、鉛に代替する蓄冷材として近年利用されている。銀は、図示されるように、約３２Ｋを超える温度ではビスマスより比熱が高く、それより低い温度ではビスマスより比熱が低いことがわかる。銅は、知られているように、約６０Ｋを超える温度で高い比熱をもつが、それよりも低温では比熱がかなり小さくなる。

【0052】

実施の形態に係るビスマス銀系蓄冷材は、純ビスマスに少量（例えば多くとも１０重量％）の銀を添加したものであるから、その比熱は純ビスマスのそれに概ね等しいと考えられる。ただし、このビスマス銀合金の比熱は、約３２Ｋより低い温度では純ビスマスに比べてわずかに低くなり、約３２Ｋより高い温度では純ビスマスに比べてわずかに高くなると考えられる。

【0053】

図４は、実施の形態に係り、極低温冷凍機１０の第２蓄冷器２８の軸方向温度プロファイルを示す模式図である。図において縦軸は温度（Ｋ）を示し、横軸は正規化距離を示す。正規化距離は、第２蓄冷器２８の高温端（すなわち図２における上端）を０とし、第２蓄冷器２８の低温端（図２における下端）を１として、第２蓄冷器２８の軸方向位置を表す。例えば、正規化距離０．５は、軸方向において第２蓄冷器２８の高温端と低温端との中点（ちょうど１／２の位置）を表す。

【0054】

図４には、実施の形態に係る第２蓄冷器２８の軸方向温度プロファイルが一点鎖線で示され、比較例に係る第２蓄冷器２８の軸方向温度プロファイルが実線で示されている。実施の形態に係る第２蓄冷器２８では、正規化距離で０から０．５の範囲に高温側蓄冷材２８ａ、すなわち実施の形態に係るビスマス銀合金が充填されている。一方、比較例に係る第２蓄冷器２８では、正規化距離で０から０．５の範囲に高温側蓄冷材２８ａとして純ビスマスが充填されている。両者で共通して、正規化距離で０．５から０．７５の範囲に中間蓄冷材２８ｂが充填され、正規化距離で０．７５から１の範囲に低温側蓄冷材２８ｃが充填されている。

【0055】

図４に示される例では、第２蓄冷器２８の高温端（正規化距離で０の位置）での温度は、約３８Ｋである。第２蓄冷器２８の中間（正規化距離で０．５の位置）での温度は、実施の形態と比較例でわずかに異なるが、約７～８Ｋである。実施の形態に係るビスマス銀合金の比熱は、上述のように、この温度範囲の大半で（正確には約３２Ｋ以下の温度範囲で）、純ビスマスに比べて低くなる。

【0056】

したがって、図示されるように、実施の形態に係る高温側蓄冷材２８ａは、比較例に比べて温度が若干高くなる。より正確には、実施の形態に係る第２蓄冷器２８の軸方向温度プロファイル（一点鎖線）は、高温側蓄冷材２８ａに相当する軸方向範囲（正規化距離で０から０．５の範囲）で、比較例に係る第２蓄冷器２８の軸方向温度プロファイル（実線）よりも上方に遷移している。中間蓄冷材２８ｂおよび低温側蓄冷材２８ｃでの温度プロファイルは、両者で概ね一致している。

【0057】

極低温冷凍機１０の作動ガス（典型的にはヘリウムガス）は、室温から極低温へと温度が低くなるにつれて密度が増加する。極低温冷凍機１０の運転中、第２蓄冷器２８の温度は、第１蓄冷器２６に比べて低いから、第２蓄冷器２８でのガスの密度は、第１蓄冷器２６でのガスの密度に比べて大きくなる。そのため、第２蓄冷器２８の温度が低いほど、圧縮機１２から膨張機１４に供給される作動ガスのうちより多くのガスが第１蓄冷器２６から第２蓄冷器２８へと吸収（トラップ）されることになる。過剰に多くのガスが第２蓄冷器２８に偏って配分された場合には、極低温冷凍機１０の第１段の冷凍能力が低下することになるかもしれない。

【0058】

上述のように、実施の形態に係るビスマス銀系蓄冷材を高温側蓄冷材２８ａに使用することにより、比較例の純ビスマスに比べて、第２蓄冷器２８の温度プロファイルを上昇させることができる。これにより、第２蓄冷器２８にトラップされるガスの量を減らし、それに応じて第１蓄冷器２６で冷却に利用されるガスの量を増やすことができる。実施の形態によると、比較例に比べて、極低温冷凍機１０の第１段の冷凍能力を向上できる可能性がある。

【0059】

ただし、銀の含有率が高すぎる場合には、純ビスマスに対するビスマス銀系蓄冷材の比熱の低下量が大きくなり、それに起因して極低温冷凍機１０の冷凍能力が低下する可能性もある。

【0060】

図５は、実施の形態に係り、ビスマス銀系蓄冷材における銀の含有率と極低温冷凍機１０の第１段の冷却温度との関係を示すグラフである。図５には、第２蓄冷器２８の高温側蓄冷材２８ａとして使用されるビスマス銀合金における銀の含有率を、０％（つまり純ビスマス）、０．０１重量％、０．２５重量％、１．０重量％、２．０重量％、５．０重量％としたときの第１冷却ステージ３３の測定温度Ｔ１がプロットされている。

【0061】

なお、測定にあたり使用された極低温冷凍機１０は、住友重機械工業株式会社製４Ｋ－ＧＭ冷凍機（型番ＲＤＥ－４１２）および圧縮機（型番Ｆ－５０）である。作動ガスの封入圧は１．６ＭＰａである。極低温冷凍機１０は、商用電源の電源周波数で駆動され、無負荷運転とされている。運転中の圧力は、高圧側で２．２ＭＰａ、低圧側で０．５ＭＰａである。ビスマス銀系蓄冷材は、上述の数値範囲内の粒径をもつ粒状に成形されている。

【0062】

図５に示されるように、比較例では、つまり高温側蓄冷材２８ａとして純ビスマスが使用された場合には、第１冷却ステージ３３の測定温度Ｔ１は、約４０．２Ｋとなっている。

【0063】

これに対して、実施の形態に係るビスマス銀系蓄冷材では、銀の含有率にかかわらず、比較例に比べて測定温度Ｔ１が低いことがわかる。具体的には、測定温度Ｔ１は、約４０．０Ｋ（＠０．０１重量％Ａｇ）、約３８．９Ｋ（＠０．２５重量％Ａｇ）、約３９．４Ｋ（＠１．０重量％Ａｇ）、約３９．８Ｋ（＠２．０重量％Ａｇ）、約３９．２Ｋ（＠５．０重量％Ａｇ）となっている。

【0064】

このように、実施の形態に係るビスマス銀系蓄冷材では、銀の含有率を多くとも５重量％とすることにより、比較例の純ビスマス蓄冷材に比べて、極低温冷凍機１０の第１段の冷凍能力を同等に維持するか、または向上することができる。すなわち、ビスマスに銀を添加したことによる比熱の低下は、極低温冷凍機１０の冷凍能力に悪影響を及ぼしていない。

【0065】

第１段の冷凍能力を高め、第１段温度をより低くする観点から、実施の形態に係るビスマス銀系蓄冷材では、銀の含有率は、多くとも２重量％、または多くとも１重量％であってもよい。また、銀の含有率は、少なくとも０．０１重量％、または少なくとも０．１重量％、または少なくとも０．２５重量％であってもよい。

【0066】

図６は、実施の形態に係り、ビスマス銀系蓄冷材における銀の含有率と極低温冷凍機１０の第２段の冷却温度との関係を示すグラフである。図６には、第２蓄冷器２８の高温側蓄冷材２８ａとして使用されるビスマス銀合金における銀の含有率を、０％（つまり純ビスマス）、０．２５重量％、１．０重量％、２．０重量％、５．０重量％としたときの第２冷却ステージ３５の測定温度Ｔ２がプロットされている。なお、極低温冷凍機１０の運転条件は図５の測定と同様である。

【0067】

図６に示されるように、比較例では、つまり高温側蓄冷材２８ａとして純ビスマスが使用された場合には、第２冷却ステージ３５の測定温度Ｔ２は、約３．８６Ｋとなっている。これに対して、実施の形態に係るビスマス銀系蓄冷材では、銀の含有率にかかわらず、比較例に比べて測定温度Ｔ２が低いことがわかる。具体的には、測定温度Ｔ２は、約３．８３Ｋ（＠０．２５重量％Ａｇ）、約３．８２（＠１．０重量％Ａｇ）、約３．８３Ｋ（＠２．０重量％Ａｇ）、約３．８３Ｋ（＠５．０重量％Ａｇ）となっている。

【0068】

このように、実施の形態に係るビスマス銀系蓄冷材では、銀の含有率を多くとも５重量％とすることにより、比較例の純ビスマス蓄冷材に比べて、極低温冷凍機１０の第２段の冷凍能力を同等に維持するか、または向上することができる。第２段の冷凍能力を高め、第２段温度をより低くする観点から、実施の形態に係るビスマス銀系蓄冷材では、銀の含有率は、多くとも２重量％、または多くとも１重量％であってもよい。また、銀の含有率は、少なくとも０．０１重量％、または少なくとも０．１重量％、または少なくとも０．２５重量％であってもよい。

【0069】

図７は、変形例に係る極低温冷凍機の第２蓄冷器２８を示す模式図である。第２蓄冷器２８は、上述の実施の形態と同様に、高温側蓄冷材２８ａ、中間蓄冷材２８ｂ、および低温側蓄冷材２８ｃを備える。ただし、高温側蓄冷材２８ａは、高温側の第１領域２８ａ１と低温側の第２領域２８ａ２に区分けされている。第１領域２８ａ１には、亜鉛系蓄冷材が充填され、第２領域２８ａ２には、ビスマス銀系蓄冷材が充填されてもよい。亜鉛系蓄冷材は、亜鉛または亜鉛を主成分とする合金であってもよい。亜鉛系蓄冷材は、ビスマス銀系蓄冷材と同様に粒状に成形されていてもよい。亜鉛系蓄冷材は、第２蓄冷器２８の軸方向においてビスマス銀系蓄冷材に対して磁性蓄冷材（中間蓄冷材２８ｂおよび低温側蓄冷材２８ｃ）と反対側に配置されている。第１領域２８ａ１と第２領域２８ａ２を仕切るために、それらの境界に例えば金網などの仕切部材が配置されてもよい。

【0070】

ビスマス銀系蓄冷材の配置エリアは、軸方向の正規化距離で、０から０．６の範囲から選択されてもよい。ビスマス銀系蓄冷材に対して高温側に亜鉛系蓄冷材など他の蓄冷材が充填される場合、ビスマス銀系蓄冷材の配置エリアは、０．２から０．６の範囲から選択されてもよい。例えば、ビスマス銀系蓄冷材の配置エリアは、０．２５から０．５の範囲であってもよい。

【0071】

図７に示される第２蓄冷器２８を採用した場合にも、上述の実施の形態と同様の効果を奏することができる。

【0072】

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。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

【0073】

例えば、粒状蓄冷材の形状は、球状には限られない。粒状蓄冷材は、ブロック状、ペレット状、またはその他の形状を有してもよい。

【0074】

また、実施の形態に係るビスマス銀系蓄冷材は、粒状以外の形状を有してもよい。例えば、ビスマス銀系蓄冷材は、金網に加工されてもよいし、または、板状に成形されてもよい。ビスマス銀系蓄冷材は、母材（例えば銅など適宜の金属材料）で形成された金網または板状部材の表面に、たとえばめっきなどコーティングされてもよい。

【0075】

ビスマス銀系蓄冷材には、銀に加えて、銀と異なる第２の添加物が添加されてもよい。第２の添加物は、例えば、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）のうち少なくとも１つ、またはこれらの任意の混合物であってもよい。

【0076】

ある実施の形態においては、ビスマスを主成分として備える蓄冷材は、銀とともに、または銀に代えて、銅を添加物として備えてもよい。

【0077】

上述の実施の形態では、ＧＭ冷凍機を例として説明しているが、本発明はこれに限定されない。ある実施の形態においては、極低温冷凍機１０は、例えば、ソルベイ冷凍機、スターリング冷凍機、パルス管冷凍機など、他の形式の極低温冷凍機であってもよい。実施の形態に係る磁性蓄冷材の発泡体は、多段式の極低温冷凍機において任意の冷却段（例えば最低温の冷却段）の蓄冷器として用いられてもよい。

【0078】

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

【符号の説明】

【0079】

１０ 極低温冷凍機、 １４ 膨張機、 ２６ 第１蓄冷器、 ２８ 第２蓄冷器、 ２８ａ 高温側蓄冷材、 ２８ｂ 中間蓄冷材、 ２８ｃ 低温側蓄冷材。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】