特開 2024-179005 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】P2024179005

(43)【公開日】2024-12-26

(54)【発明の名称】極低温冷凍機

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/14 20060101AFI20241219BHJP

【ＦＩ】

F25B9/14 530Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023097479

(22)【出願日】2023-06-14

(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】吉田 潤

(57)【要約】

【課題】極低温冷凍機から発生する磁気ノイズを低減する。
【解決手段】極低温冷凍機１０は、膨張機モータ４０と、膨張機モータ４０に接続された減速機４１と、減速機４１を囲む磁気シールド５４と、を備える。磁気シールド５４は、膨張機モータ４０および減速機４１を囲んでもよい。極低温冷凍機１０は、磁気シールド５４の外に配置された相手部品をさらに備え、減速機４１は、磁気シールド５４の外へと延出し、磁性材料で形成された出力軸４１ａを備え、出力軸４１ａは、相手部品とキー結合されてもよい。出力軸４１ａと相手部品を結合するキーが、非磁性材料で形成されていてもよい。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電磁モータと、
前記電磁モータに接続された減速機と、
前記減速機を囲む磁気シールドと、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。

【請求項2】

前記磁気シールドは、前記電磁モータおよび前記減速機を囲むことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。

【請求項3】

前記極低温冷凍機は、前記磁気シールドの外に配置された相手部品をさらに備え、
前記減速機は、前記磁気シールドの外へと延出し、磁性材料で形成された出力軸を備え、
前記出力軸は、前記相手部品とキー結合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷凍機。

【請求項4】

前記出力軸と前記相手部品を結合するキーが、非磁性材料で形成されていることを特徴とする請求項３に記載の極低温冷凍機。

【請求項5】

前記キーを受けるキー溝が、前記出力軸上でその先端から前記磁気シールドに向けて形成されており、
前記キー溝の深さが、前記出力軸の前記先端で前記キー溝の幅の６０％以下であることを特徴とする請求項４に記載の極低温冷凍機。

【請求項6】

前記キーを受けるキー溝が、前記出力軸上でその先端よりも前記磁気シールドに近い位置から前記磁気シールドに向けて形成されていることを特徴とする請求項４に記載の極低温冷凍機。

【請求項7】

前記出力軸と前記相手部品を結合するキーが、磁性材料で形成され、
前記キーを受けるキー溝が、前記出力軸に形成されており、
前記出力軸からの前記キーの径方向突出高さが、前記出力軸の先端で、前記出力軸の径の７％以下であることを特徴とする請求項３に記載の極低温冷凍機。

【請求項8】

前記出力軸と前記相手部品を結合するキーが、磁性材料で形成され、
前記キーを受けるキー溝が、前記出力軸上でその先端よりも前記磁気シールドに近い位置から前記磁気シールドに向けて形成されていることを特徴とする請求項３に記載の極低温冷凍機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、極低温冷凍機に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機の膨張機において、減速機を介して駆動モータを圧力制御バルブに接続する構成が知られている。このような極低温冷凍機の主な用途の一つとして、超伝導磁石の冷却がある。超伝導磁石により作られる強い静磁場は、例えば磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）に利用されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１８－５９６４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明者らは、上述の極低温冷凍機について検討し、以下の課題を認識した。歯車や軸など減速機の回転部品には、十分な強度を確保するために、浸炭、窒化など表面硬化処理が施された鋼材が用いられることが多い。こうした鋼材は磁性材料であるから、高磁場環境で回転するとき磁気ノイズを発生させうる。磁気ノイズは、ＭＲＩによる撮像に悪影響を及ぼしうる。

【0005】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温冷凍機から発生する磁気ノイズを低減することにある。

【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、極低温冷凍機は、電磁モータと、電磁モータに接続された減速機と、減速機を囲む磁気シールドと、を備える。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、極低温冷凍機から発生する磁気ノイズを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【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】実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。

【図4】実施の形態に係るコールドヘッドの運動変換機構の要部の分解斜視図を概略的に示す図である。

【図5】図５（ａ）から図５（ｆ）は、キー結合の設計例を概略的に示す図である。

【図6】図６（ａ）から図６（ｆ）は、キー結合の設計例を概略的に示す図である。

【図7】キー結合の設計例を概略的に示す図である。

【図8】図５（ａ）から図５（ｆ）、図６（ａ）から図６（ｆ）、および図７に示されるキー結合の設計例について磁気ノイズの解析結果を示すグラフである。

【図9】実施の形態に係り、磁気ノイズの寸法依存性を示すグラフである。

【図10】実施の形態に係り、磁気ノイズの寸法依存性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

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。

【0010】

図１から図３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。図１には極低温冷凍機１０のコールドヘッドの外観が示され、図２にはコールドヘッドの低温部の内部構造が示される。図３にはコールドヘッドの駆動部の内部構造が示される。極低温冷凍機１０は通例、図示しない真空容器に、低温部が真空容器内に配置され駆動部が真空容器外の周囲環境（例えば室温大気圧環境）に配置されるようにして設置される。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。

【0011】

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。圧縮機１２と膨張機１４により極低温冷凍機１０の冷凍サイクルが構成され、それにより極低温冷凍機１０は所望の極低温冷却を提供することができる。膨張機１４は、コールドヘッドともしばしば称される。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。理解のために、作動ガスの流れる方向を図１に矢印で示す。

【0012】

なお、一般に、圧縮機１２から膨張機１４に供給される作動ガスの圧力と、膨張機１４から圧縮機１２に回収される作動ガスの圧力は、ともに大気圧よりかなり高く、それぞれ第１高圧及び第２高圧と呼ぶことができる。説明の便宜上、第１高圧及び第２高圧はそれぞれ単に高圧及び低圧とも呼ばれる。典型的には、高圧は例えば２～３ＭＰａである。低圧は例えば０．５～１．５ＭＰａであり、例えば約０．８ＭＰａである。理解のために、作動ガスの流れる方向を矢印で示す。

【0013】

膨張機１４は、冷凍機シリンダ１６と、ディスプレーサ組立体（以下では単にディスプレーサと呼ぶこともある）１８と、冷凍機ハウジング（以下、単にハウジングとも呼ぶ）２０とを備える。冷凍機シリンダ１６は、ディスプレーサ１８の直線往復運動をガイドするとともに、ディスプレーサ１８との間に作動ガスの膨張空間としての膨張室（３２、３４）を形成する。冷凍機シリンダ１６は冷凍機ハウジング２０に固定され、それにより、膨張機１４の筐体が構成され、ディスプレーサ１８を収容する気密空間が冷凍機シリンダ１６内に形成される。

【0014】

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。

【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、互いに連結された第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂを備え、これらは一体に移動する。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。

【0018】

図２に示されるように、第１ディスプレーサ１８ａは、第１蓄冷器２６を収容する。第１蓄冷器２６は、第１ディスプレーサ１８ａの筒状の本体部の中に、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の本体部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。

【0019】

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蓄冷器２８は、第２ディスプレーサ１８ｂの筒状の本体部の中に、例えばビスマスなどの非磁性蓄冷材、ＨｏＣｕ_２などの磁性蓄冷材、またはその他適宜の第２蓄冷材を充填することによって形成されている。第２蓄冷材は粒状に成形されていてもよい。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の上蓋部の下蓋部は、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２蓄冷材が第２ディスプレーサ１８ｂに収容されてもよい。

【0020】

ディスプレーサ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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

図３に示されるように、冷凍機ハウジング２０は、下部開口２１を有するハウジング本体２２と、下部開口２１を塞ぐ下部カバー２４とを備える。下部開口２１は、ハウジング本体２２の下面に形成されている。ハウジング本体２２と下部カバー２４によって形成されるハウジング内部容積２０ａは、図示されるように、圧縮機１２の低圧側に接続され、低圧に維持されてもよい。冷凍機ハウジング２０は、ステンレス鋼、アルミニウム合金などの非磁性材料で形成されている。

【0024】

下部カバー２４は、ハウジング内部容積２０ａと冷凍機シリンダ１６内のディスプレーサ収容空間（上部室３０）とを仕切る。下部カバー２４は全体として円板状の形状を有し、より具体的には、上側の大径部と下側の小径部とを有する。第１シール部材２５ａが冷凍機シリンダ１６の内部容積の気密性を保持するために下部カバー２４と冷凍機シリンダ１６との間に設けられ、第２シール部材２５ｂがハウジング内部容積２０ａの気密性を保持するために下部カバー２４とハウジング本体２２との間に設けられている。図示されるように、第１シール部材２５ａは、下部カバー２４の小径部に装着され、第２シール部材２５ｂは、下部カバー２４の大径部に装着されていてもよい。

【0025】

下部カバー２４は下部開口２１に取り外し可能に嵌め込まれ、冷凍機シリンダ１６の上部フランジ部がハウジング本体２２にボルト等の締結部材により締結される。こうして、下部カバー２４は、ハウジング本体２２と冷凍機シリンダ１６の上部フランジ部との間に挟み込まれている。下部カバー２４は、ハウジング本体２２に対し締結による固定はされていない。ただし、ハウジング本体２２と下部カバー２４がボルト等の締結部材により締結した構造が採用されてもよい。

【0026】

また、膨張機１４は、膨張機モータ４０と、減速機４１と、ロータリーバルブ４２と、運動変換機構４３とを備える。膨張機モータ４０と減速機４１は、冷凍機ハウジング２０ではなく、後述の磁気シールド５４に格納されている。ロータリーバルブ４２と運動変換機構４３は、磁気シールド５４の外に配置され、冷凍機ハウジング２０に収容されている。

【0027】

膨張機モータ４０は、ディスプレーサ１８およびロータリーバルブ４２の駆動源として膨張機１４に設けられている。膨張機モータ４０は、適宜の電磁モータであってもよく、モータ回転軸４０ａを一定の回転速度で回転させるように構成され、またはモータ回転軸４０ａの回転速度を可変に制御可能としてもよい。

【0028】

減速機４１は、膨張機モータ４０をロータリーバルブ４２および運動変換機構４３に接続する。膨張機モータ４０のモータ回転軸４０ａが減速機４１の入力軸に接続されており、モータ回転軸４０ａの回転が減速機４１によって予め定められた減速比で減速され、減速機４１の出力軸４１ａから出力される。減速機４１は、例えば、撓み噛合い式減速装置、偏心揺動型減速装置、単純遊星歯車装置、直交軸歯車装置、平行軸歯車装置など、任意の減速機構を適宜採用することができる。また、減速機４１は、歯車により減速を行うものに限定されることもなく、例えばトラクションドライブでもよい。極低温冷凍機１０の駆動部に減速機４１を組み込むことによって、膨張機モータ４０の小型化が可能となる。

【0029】

ロータリーバルブ４２は、圧縮機１２の高圧側と低圧側を交互に冷凍機シリンダ１６（つまり、上部室３０、第１膨張室３２および第２膨張室３４）に接続し、冷凍機シリンダ１６の吸気と排気とを周期的に切り替えるように構成されている。

【0030】

ロータリーバルブ４２は、バルブロータ４２ａとバルブステータ４２ｂを備え、バルブロータ４２ａは、バルブステータ４２ｂに対し摺動しながら回転するようにバルブステータ４２ｂと接触している。バルブロータ４２ａがハウジング本体２２に対し回転可能に支持され、バルブステータ４２ｂがハウジング本体２２に対し回転不能に支持されている。バルブステータ４２ｂとハウジング本体２２との間には、バルブロータ４２ａの回転軸の方向にバルブステータ４２ｂをバルブロータ４２ａに向かって押し付けるためのスプリングなどの弾性体が介在してもよい。

【0031】

冷凍機ハウジング２０にはロータリーバルブ４２を上部室３０に接続するハウジング内部流路２０ｂが形成されており、ロータリーバルブ４２のバルブロータ４２ａとバルブステータ４２ｂにはハウジング内部流路２０ｂを圧縮機１２の高圧側とハウジング内部容積２０ａに交互に接続するようにバルブ内部流路が形成されている。バルブ内部流路にはさまざまな公知の形態を採用することができ、ここでは詳述しない。

【0032】

運動変換機構４３は、減速機４１の出力軸４１ａの回転をロータリーバルブ４２に伝達するとともにディスプレーサ１８の直線往復動に変換するように、膨張機モータ４０をロータリーバルブ４２とディスプレーサ１８に連結するように構成されている。運動変換機構４３の一例は後述する。出力軸４１ａの一回転が運動変換機構４３を介してディスプレーサ１８の一往復をもたらし、それにより作動ガスの膨張空間の容積が周期的に変化する。同時に、出力軸４１ａの一回転が運動変換機構４３を介してロータリーバルブ４２の一回転をもたらし、それにより作動ガスの膨張空間の圧力が周期的に変化する。

【0033】

図４は、実施の形態に係るコールドヘッドの運動変換機構４３の要部の分解斜視図を概略的に示す図である。運動変換機構４３は、この実施の形態ではスコッチヨークであり、クランクピン４４ａを有するクランク４４と、スコッチヨーク軸４５と、クランクピン軸受４６とを備える。スコッチヨーク軸４５は、スコッチヨーク板４５ａと、上部ロッド４５ｂと、下部ロッド４５ｃとを備える。スコッチヨーク軸４５は、例えばステンレス鋼など金属材料で形成されてもよい。

【0034】

クランク４４は、減速機４１の出力軸４１ａに固定される。出力軸４１ａは、キー４１ｂによりクランク４４とキー結合されている。キー４１ｂは、特定形状のものには限られない。キー４１ｂは、例えば、平行キー、半月キー、滑りキー、またはＤカットなど、適宜のキー形状を有してもよい。また、クランクピン４４ａは、出力軸４１ａから偏心した位置で出力軸４１ａと平行に延在する。クランクピン４４ａは、クランク４４に対して出力軸４１ａとは反対側に向かってクランク４４から延出している。

【0035】

スコッチヨーク板４５ａは、横長窓４７を有する矩形の板状部材である。横長窓４７は、軸方向および減速機４１の出力軸４１ａに垂直な方向に延在する。この横長窓４７にクランクピン軸受４６が転動可能に配置される。クランクピン軸受４６は例えば、ころ軸受であってもよい。クランクピン軸受４６の中心には、クランクピン４４ａと係合する係合孔４６ａが形成されており、クランクピン４４ａが係合孔４６ａを貫通する。

【0036】

スコッチヨーク板４５ａに対してクランク４４と反対側には、ロータリーバルブ４２のバルブロータ４２ａがその中心軸を出力軸４１ａと一致させて配置されており、係合孔４６ａを貫通したクランクピン４４ａの先端はバルブロータ４２ａに固定される。

【0037】

上部ロッド４５ｂは、スコッチヨーク板４５ａの上枠中央から上方に延出し、下部ロッド４５ｃは、スコッチヨーク板４５ａの下枠中央から下方に延出し、これらロッドは同軸に配置されている。スコッチヨーク板４５ａと上部ロッド４５ｂは冷凍機ハウジング２０に収容され、下部ロッド４５ｃは下部カバー２４を貫通して冷凍機ハウジング２０外に延出している。下部ロッド４５ｃの先端は冷凍機シリンダ１６内でディスプレーサ１８に連結されている。

【0038】

第１摺動軸受４８ａが上部ロッド４５ｂとハウジング本体２２との間に設けられ、第２摺動軸受４８ｂが下部ロッド４５ｃと下部カバー２４との間に設けられている。ハウジング本体２２はその上部に上部ロッド４５ｂを受け入れる凹部を有しており、第１摺動軸受４８ａはこの凹部に配置され、上部ロッド４５ｂを軸方向に摺動可能に支持する。下部カバー２４は中心部に貫通穴を有しており、第２摺動軸受４８ｂはこの貫通穴に配置され、下部ロッド４５ｃを軸方向に摺動可能に支持する。第２摺動軸受４８ｂには、例えばスリッパーシールやクリアランスシールといったシール部が設けられ、気密に構成されており、そのためハウジング内部容積２０ａは上部室３０から隔離されている。ハウジング内部容積２０ａと上部室３０との直接のガス流通はない。

【0039】

ディスプレーサ１８に連結される下部ロッド４５ｃの先端には、固定ピン４９によりカラー部５０が固定されている。カラー部５０は、ディスプレーサ組立体１８の先端に連結される短筒状の部材である。下部ロッド４５ｃの先端およびカラー部５０には、軸方向に直交する方向に貫通穴が形成され、この貫通穴に固定ピン４９が嵌め込まれることでカラー部５０が下部ロッド４５ｃと固定される。

【0040】

第１ディスプレーサ１８ａは、蓋部５２ａと本体部５２ｂを有する。蓋部５２ａは、第１ディスプレーサ１８ａの上蓋であり、円板状の形状を有する。蓋部５２ａは、例えばアルマイト処理されたアルミニウム合金など、金属材料またはその他の材料で形成される。本体部５２ｂは、円筒状の形状を有し、その内部に蓄冷器を有する。本体部５２ｂは、合成樹脂材料またはその他の材料で形成され、例えばベークライトなどのフェノール樹脂で形成されてもよい。蓋部５２ａと本体部５２ｂの上端部とを軸方向に貫通して上述の作動ガス流路３６ａが形成されている。上述の第１シール３８ａは、蓋部５２ａと本体部５２ｂそれぞれの最外周部でこれらの間に挟み込まれてもよい。蓋部５２ａと本体部５２ｂは、例えばボルトなどの締結部材を用いて、または例えば接着など他の方法により、互いに固定される。

【0041】

蓋部５２ａの中心部には、下部ロッド４５ｃの先端およびカラー部５０を受け入れる貫通穴が形成されている。カラー部５０はその下端部に径方向外側に広がる鍔部を有し、この鍔部が第１ディスプレーサ１８ａの蓋部５２ａと本体部５２ｂに挟み込まれることで下部ロッド４５ｃおよびカラー部５０が第１ディスプレーサ１８ａに連結される。このようにして、ディスプレーサ１８は、スコッチヨーク軸４５に取り付けられる。

【0042】

したがって、膨張機モータ４０が駆動されモータ回転軸４０ａが回転すると、減速機４１を介して出力軸４１ａが回転する。膨張機モータ４０の回転は減速機４１によって減速され、ロータリーバルブ４２および運動変換機構４３へと伝達される。すなわち、膨張機モータ４０の出力トルクが減速機４１によって増幅され、増幅されたトルクでロータリーバルブ４２および運動変換機構４３が駆動される。減速機４１の出力軸４１ａの回転により、クランクピン４４ａと係合したクランクピン軸受４６は、円を描くように回転する。このときクランクピン軸受４６は、スコッチヨーク板４５ａの横長窓４７を往復移動し、それとともにスコッチヨーク軸４５およびディスプレーサ１８が軸方向に往復運動する。このようにして、膨張機モータ４０は、ディスプレーサ１８の軸方向往復動を駆動するとともに、これと同期してロータリーバルブ４２を回転させる。

【0043】

このようにして、同期した容積変動と圧力変動が膨張空間にもたらされ、極低温冷凍機１０の冷凍サイクルが構成され、それにより極低温冷凍機１０は所望の極低温冷却を提供することができる。第１冷却ステージ３３は、第１冷却温度に冷却され、第２冷却ステージ３５は、第１冷却温度より低い第２冷却温度に冷却されることができる。第１冷却温度は、例えば、約１０Ｋ～約１００Ｋの範囲、または約２０Ｋ～約４０Ｋの範囲にあってもよい。第２冷却温度は、例えば、約２０Ｋ以下、または約１０Ｋ以下、または約１Ｋ～約４Ｋの範囲にあってもよい。

【0044】

また、膨張機１４は、磁気シールド５４を備える。磁気シールド５４は、例えば鉄材などの磁性材料で形成されている。磁気シールド５４は、膨張機モータ４０および減速機４１を囲むケースであり、膨張機モータ４０の全体と減速機４１の大部分（すなわち、出力軸４１ａを除く減速機４１の残部）とが磁気シールド５４内に収容されている。磁気シールド５４は、ハウジング内部容積２０ａの気密性を保持するように、冷凍機ハウジング２０に気密接続されている。磁気シールド５４は、ハウジング本体２２の側面に取り付けられている。

【0045】

実施の形態に係る極低温冷凍機１０の冷却対象物の一例として、超伝導磁石がある。超伝導磁石は一般に強い磁場を発生させるために用いられる。このため、極低温冷凍機１０を超伝導磁石の冷却用に使用すると、極低温冷凍機１０およびその駆動部も超伝導磁石が発生する磁場にさらされることになる。

【0046】

しかしながら、極低温冷凍機１０には磁気シールド５４が設けられている。磁気シールド５４は、超伝導磁石の強磁場を遮蔽することができる。膨張機モータ４０は、磁気シールド５４の中に配置されているので、超伝導磁石の強磁場にさらされない。強磁場による膨張機モータ４０への悪影響（例えば、定格トルクの低減など）を防ぐことができ、ひいては極低温冷凍機１０の冷凍能力の低下も防がれる。

【0047】

歯車や軸など減速機４１の回転部品には、十分な強度を確保するために、浸炭、窒化など表面硬化処理が施された鋼材が用いられることが多い。こうした鋼材は磁性材料であるから、高磁場環境で回転するとき磁気ノイズ（回転の周波数をもつ磁場の変動成分）を発生させうる。超伝導磁石により作られる強い静磁場は、例えば磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）に利用されうる。減速機４１が発生させる磁気ノイズが周囲に広く伝播された場合には、磁気ノイズがＭＲＩによる撮像に悪影響を及ぼしうる。

【0048】

しかしながら、磁気シールド５４によって膨張機モータ４０だけでなく減速機４１も覆われている。したがって、減速機４１が発生させうる磁気ノイズを磁気シールド５４によって遮蔽し、磁気シールド５４の外部への伝播を防止しまたは低減することができる。

【0049】

この実施の形態では、極低温冷凍機１０は、磁気シールド５４の外に配置された相手部品（例えば運動変換機構４３）を備える。減速機４１の出力軸４１ａは、磁気シールド５４の外へと延出し、磁性材料（鉄材、例えばＳＳ４００などの炭素鋼）で形成されている。出力軸４１ａは、相手部品とキー結合されている。この例では、図４に示されるように、出力軸４１ａは、キー４１ｂによりクランク４４とキー結合されている。

【0050】

出力軸４１ａは磁気シールド５４によって覆われていないため、その回転により発生しうる磁気ノイズは、周囲に伝播しうる。とくに、キー構造によって出力軸４１ａの形状の回転対称性が崩されているため、この形状に基づく相応の磁気ノイズが発生し伝播することが懸念される。ひとつの対策として、膨張機モータ４０および減速機４１と同様に、減速機４１の出力軸４１ａとともに、出力軸４１ａと接続される相手部品も、磁気シールド５４で囲むことが考えられる。しかし、これは磁気シールド５４の大型化を招き、さらには、超伝導磁石の強磁場下で不所望の強い電磁力がこの大型化された磁気シールドに作用しうるというデメリットが生じうる。

【0051】

既存設計では典型的に、キー４１ｂもまた、出力軸４１ａと同様に、磁性材料で形成されている。本発明者の検討によると、出力軸４１ａおよびキー４１ｂが強磁場環境で回転するときキー４１ｂの先端に比較的大きな磁気飽和領域が発生しうる。出力軸４１ａおよびキー４１ｂの回転に伴いこの磁気飽和領域も回転し、これが磁気ノイズの原因となっている。したがって、キー４１ｂの先端での磁気飽和領域を小さくすることが磁気ノイズの低減につながるものと考えられる。本書では、このような着眼に基づいて、磁気ノイズを低減するためのいくつかの解決策を以下に提案する。

【0052】

図５（ａ）から図５（ｆ）、図６（ａ）から図６（ｆ）、および図７は、キー結合の設計例を概略的に示す図である。図５（ａ）から図５（ｆ）、および図６（ａ）から図６（ｆ）には、出力軸４１ａおよびキー４１ｂの上面図、正面図（出力軸４１ａの先端を示す）、および断面図（出力軸４１ａの中心軸を含む鉛直断面）が示されている。図７には、出力軸４１ａおよびキー４１ｂの斜視図が示されている。図８は、図５（ａ）から図５（ｆ）、図６（ａ）から図６（ｆ）、および図７に示されるキー結合の設計例について磁気ノイズの解析結果を示すグラフである。

【0053】

図５（ａ）に示されるケース１は、比較例として、既存設計でのキー結合の典型例を示す。１本のキー４１ｂが出力軸４１ａに形成されたキー溝に嵌め込まれている。出力軸４１ａは、例えば１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下の直径を有する。キー４１ｂは、基準長さＬ０（例えば２５ｍｍ）、基準幅Ｗ０（例えば４ｍｍ）、および基準高さＨ０（例えば４ｍｍ）を有する。出力軸４１ａは上述のように磁性材料で形成されている。キー４１ｂは、出力軸４１ａと同様に、磁性材料で形成されている（図５（ａ）では、磁性キー４１ｂｍと表記している。）。キー溝は、出力軸４１ａの先端５８から基部５９に向けて（つまり、図４に示されるように、磁気シールド５４に向けて）、出力軸４１ａの側面に形成されている。キー溝は、基準深さＤ０（例えば２．５ｍｍ）を有する。

【0054】

図５（ｂ）に示されるケース２は、キー４１ｂが非磁性材料で形成されている点で、ケース１と異なる（図５（ｂ）では、非磁性キー４１ｂｎと表記している。）。キー４１ｂを形成する非磁性材料は、例えば、ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０４などのオーステナイト系ステンレス鋼）である。あるいは、キー４１ｂは、アルミニウムまたはアルミニウム合金、真鍮など、他の非磁性金属材料で形成されてもよいし、または、エンジニアリングプラスチックなどの合成樹脂材料といった他の非磁性材料で形成されてもよい。出力軸４１ａおよびキー４１ｂの寸法などその他の特徴については、ケース２はケース１と同様である。

【0055】

図５（ｃ）に示されるケース３は、磁性キー４１ｂｍに複数の貫通穴５６が形成されている点で、ケース１と異なる。貫通穴５６は、出力軸４１ａの径方向に沿って磁性キー４１ｂｍを貫通している。出力軸４１ａおよびキー４１ｂの寸法などその他の特徴については、ケース３はケース１と同様である。

【0056】

図５（ｄ）に示されるケース４は、キー４１ｂが非磁性材料で形成されている点で、ケース１と異なる（図５（ｄ）では、非磁性キー４１ｂｎと表記している。）。また、キー４１ｂおよびこれを受けるキー溝は、ケース１での基準長さＬ０に比べて短い第１長さＬ１（例えば１２ｍｍ）を有する。その他の特徴については、ケース４はケース１と同様である。

【0057】

図５（ｅ）に示されるケース５は、２本の磁性キー４１ｂｍが用いられている点で、ケース１と異なる。出力軸４１ａには対向する２本のキー溝が形成され、各磁性キー４１ｂｍが対応するキー溝に嵌め込まれている。その他の特徴については、ケース５はケース１と同様である。

【0058】

図５（ｆ）に示されるケース６は、キー４１ｂが非磁性材料で形成されている点で、ケース５と異なる（図５（ｆ）では、非磁性キー４１ｂｎと表記している。）。その他の特徴については、ケース６はケース５と同様である。よって、ケース６においても、２本のキー４１ｂが用いられ、出力軸４１ａに対向する２本のキー溝が形成され、各キー４１ｂが対応するキー溝に嵌め込まれている。

【0059】

図６（ａ）に示されるケース７は、磁性キー４１ｂｍおよびこれを受けるキー溝の寸法がケース１と異なる。磁性キー４１ｂｍは、第１幅Ｗ１（例えば３ｍｍ）および第１高さＨ１（例えば３ｍｍ）を有する。第１幅Ｗ１は、ケース１での基準幅Ｗ０より短く、第１高さＨ１は、ケース１での基準高さＨ０より低い。磁性キー４１ｂｍの長さはケース１とケース７で等しい。また、キー溝は、ケース１での基準深さＤ０に比べて浅い第１深さＤ１（例えば１．８ｍｍ）を有する。その他の特徴については、ケース７はケース１と同様である。

【0060】

図６（ｂ）に示されるケース８は、キー４１ｂが非磁性材料で形成されている点で、ケース７と異なる（図６（ｂ）では、非磁性キー４１ｂｎと表記している。）。出力軸４１ａおよびキー４１ｂの寸法などその他の特徴については、ケース８とケース７で共通である。よって、ケース８においても、キー４１ｂは、第１幅Ｗ１および第１高さＨ１を有し、キー溝は、第１深さＤ１を有する。

【0061】

図６（ｃ）に示されるケース９は、磁性キー４１ｂｍの高さがケース１と異なる。磁性キー４１ｂｍは、ケース１での基準高さＨ０に比べて低い第２高さＨ２（例えば３．２ｍｍ）を有する。その他の特徴については、ケース９はケース１と同様である。キー溝の深さがケース９とケース１で同じであるため、ケース９では、出力軸４１ａからの磁性キー４１ｂｍの径方向突出高さ（すなわち、Ｈ２－Ｄ０）が、ケース１での磁性キー４１ｂｍの径方向突出高さ（すなわち、Ｈ０－Ｄ０）に比べて小さくなっている。

【0062】

図６（ｄ）に示されるケース１０は、キー４１ｂが非磁性材料で形成されている点で、ケース１と異なる（図６（ｄ）では、非磁性キー４１ｂｎと表記している。）。また、キー溝は、ケース１での基準深さＤ０に比べて浅い第２深さＤ２（例えば１．５ｍｍ）を有する。その他の特徴については、ケース１０はケース１と同様である。

【0063】

図６（ｅ）に示されるケース１１は、キー４１ｂが非磁性材料で形成されている点で、ケース１と異なる（図６（ｅ）では、非磁性キー４１ｂｎと表記している。）。また、キー溝は、ケース１での基準深さＤ０に比べて浅い第３深さＤ３（例えば１．０ｍｍ）を有する。第３深さＤ３は、ケース１０での第２深さＤ２よりも浅い。その他の特徴については、ケース１１はケース１と同様である。

【0064】

図６（ｆ）に示されるケース１２は、キー４１ｂが非磁性材料で形成されている点で、ケース１と異なる（図６（ｆ）では、非磁性キー４１ｂｎと表記している。）。また、キー溝は、出力軸４１ａの先端５８から形成されるのではなく、出力軸４１ａ上でその先端５８よりも基部５９（つまり磁気シールド５４）に近い溝開始位置６０から、出力軸４１ａの基部５９に向けて形成されている。キー４１ｂおよびキー溝の長さは、出力軸４１ａの先端５８から溝開始位置６０までの長さの分だけ、ケース１での基準長さＬ０よりも短くなっている（第２長さＬ２）。その他の特徴については、ケース１２はケース１と同様である。

【0065】

図７に示されるケース１３は、磁性キー４１ｂｍの形状についてケース１と異なる。磁性キー４１ｂｍは、出力軸４１ａの先端５８側と基部５９側とで形状が異なっている。具体的には、磁性キー４１ｂｍは、基部５９側に比べて先端５８側で高さが低くなっていて、出力軸４１ａの軸方向に先端５８から離間長さＡの位置に段部６１を有する。磁性キー４１ｂｍの先端５８側での高さＨ３は、出力軸４１ａからの磁性キー４１ｂｍの径方向突出高さが実質的にゼロとなるように定められている。その結果、出力軸４１ａの先端５８は、磁性キー４１ｂｍと組み合わされて，実質的に円形となっている。キー溝の寸法などその他の特徴については、ケース１３はケース１と同様である。

【0066】

なお、磁性キー４１ｂｍの先端５８側の部分は、磁性キー４１ｂｍから分離された別部品として用意され、出力軸４１ａの先端５８側でキー溝に嵌め込まれてもよい。この別部品は、磁性キー４１ｂｍと同様に、磁性材料で形成されている。

【0067】

図８には、図５（ａ）から図５（ｆ）、図６（ａ）から図６（ｆ）、および図７に示されるケース１からケース１３のそれぞれについて、規格化磁気ノイズ振幅が示されている。規格化磁気ノイズ振幅は、本発明者によるシミュレーションにより導出されたものであり、ケース１についての磁気ノイズの振幅に対するケース２からケース１３それぞれについての磁気ノイズの振幅の比を表す。

【0068】

図８から理解されるように、ケース２、ケース４、およびケース８からケース１３では、比較例であるケース１に比べて規格化磁気ノイズ振幅が小さく、すなわち、磁気ノイズが低減されている。例えば、ケース２、ケース４、ケース９、ケース１０では、規格化磁気ノイズ振幅がケース１に比べて４０％程度にまで低減されている。また、ケース８、ケース１１、ケース１２、ケース１３では、規格化磁気ノイズ振幅がケース１に比べて２０％程度にまで低減されている。一方、ケース３では、磁気ノイズはケース１と同程度であり、ケース５からケース７では、磁気ノイズはケース１を上回っている。

【0069】

したがって、磁気ノイズを低減するためには、出力軸４１ａと相手部品を結合するキー４１ｂが非磁性材料で形成されていることが有効である（ケース２、ケース４、ケース８、ケース１０、ケース１１、ケース１２）。キー４１ｂを形成する材料を磁性材料から非磁性材料に変更したことにより、キー４１ｂの先端に発生しうる磁気飽和領域が小さくなり、そのため磁気ノイズ振幅が小さくなっている。

【0070】

また、キー４１ｂが非磁性材料が形成されている場合には、キー溝の深さを比較的浅くすることも、磁気ノイズの低減に有効である。具体的には、例えば、キー溝の深さは、出力軸４１ａの先端５８でキー溝の幅（つまりキー４１ｂの幅）の６０％以下であってもよい（ケース８、ケース１０、ケース１１）。ケース８では、Ｄ１／Ｗ１＝０．６（＝１．８／３）であり、ケース１０では、Ｄ２／Ｗ０＝０．３７５（＝１．５／４）であり、ケース１１では、Ｄ３／Ｗ０＝０．２５（＝１／４）である。このようにキー溝の深さを比較的浅くすることにより、出力軸４１ａの先端５８の形状の回転対称性が改善され、磁気ノイズの低減に役立ちうる。この場合、出力軸４１ａと相手部品とのキー結合を確実にするために、キー溝の深さは、キー溝の幅の３％以上とすることが好ましい。

【0071】

なお、キー４１ｂが非磁性材料が形成されているケースのなかで、ケース６では、ケース１を上回る磁気ノイズが発生しうる。ケース６では、対向する２つのキー溝が出力軸４１ａに形成されている（出力軸４１ａの先端５８から見て、０時と６時の位置に溝が形成されている）。外部磁場が出力軸４１ａの中心軸と直交する方向に作用する状況を考える。出力軸４１ａが回転するとき、外部磁場がこれら２つの溝と直交する第１回転位置と、そこから９０度回転した第２回転位置とが交互に繰り返される。第１回転位置での２つの溝間の距離は、第２回転位置での出力軸４１ａの上下寸法（つまり出力軸４１ａの直径）に比べて短い。そうすると、磁気抵抗のために、第１回転位置で外部磁場により２つの溝間に働く磁束密度が、第２回転位置で出力軸４１ａに働く磁束密度に比べて小さくなる。このような磁束密度の周期的変動が出力軸４１ａの回転により発生するため、磁気ノイズが比較的大きくなるものと考えられる。したがって、磁気ノイズの低減のためには、出力軸４１ａに設けるキー４１ｂの本数は、２本ではなく、１本が好ましいことが示唆される。

【0072】

磁気ノイズを低減する他の対策として、キー４１ｂを受けるキー溝が、出力軸４１ａ上でその先端５８よりも基部５９（または磁気シールド５４）に近い溝開始位置６０から基部５９（磁気シールド５４）に向けて形成されていてもよい（ケース１２、ケース１３）。このようにすれば、出力軸４１ａの先端５８にキー溝が形成されないので、出力軸４１ａの先端５８の形状の回転対称性が改善される。好ましくは、出力軸４１ａの先端５８を実質的に円形とすることができる。これにより、出力軸４１ａの先端５８での磁気飽和領域を小さくすることができ、その回転に起因する磁気ノイズを低減することができる。

【0073】

この対策は、キー４１ｂが非磁性材料で形成されている場合（ケース１２）だけでなく、キー４１ｂが磁性材料で形成されている場合にも、有効である。したがって、ケース１２において、非磁性キー４１ｂｎに代えて、磁性キー４１ｂｍが使用されてもよい。言い換えれば、出力軸４１ａと相手部品を結合するキー４１ｂが、磁性材料で形成され、キー４１ｂを受けるキー溝が、出力軸４１ａ上でその先端５８よりも磁気シールド５４に近い位置から磁気シールド５４に向けて形成されていてもよい。

【0074】

図９は、実施の形態に係り、磁気ノイズの寸法依存性を示すグラフである。図９には、規格化磁気ノイズ振幅と離間長さＡとの関係が示されている。離間長さＡは、出力軸４１ａの軸方向における出力軸４１ａの先端５８からキー４１ｂ（またはキー溝）までの距離に相当する。ケース１２について言えば、離間長さＡは、出力軸４１ａの先端５８から溝開始位置６０までの出力軸４１ａの軸方向における距離を表す。ケース１３では、離間長さＡは、出力軸４１ａの先端５８からキー４１ｂの段部６１までの出力軸４１ａの軸方向における距離を表す。図９には、キー溝の幅が基準幅Ｗ０（例えば４ｍｍ）の場合についての解析結果が示されるが、キー溝の幅が異なる値の場合にも解析結果は同様の傾向を示すことが確認されている。

【0075】

図９に示されるように、規格化磁気ノイズ振幅は、離間長さＡが大きくなるほど減少することがわかる。図９において符号６２で示すように、離間長さＡが３．９ｍｍのとき（つまり、離間長さＡがキー溝幅Ｗ０と同程度のとき）、規格化磁気ノイズ振幅は０．５となり、ケース１に比べて半減させることができる。したがって、離間長さＡをキー溝幅（またはキー４１ｂの幅）よりも大きくすることにより、規格化磁気ノイズ振幅を実用上十分に低減されると評価することができる。

【0076】

図１０は、実施の形態に係り、磁気ノイズの寸法依存性を示すグラフである。図１０には、規格化磁気ノイズ振幅と出力軸４１ａからのキー４１ｂの径方向突出高さとの関係が示されている。図において縦軸は規格化磁気ノイズ振幅を表し、横軸は、規格化径方向突出高さ、すなわち、出力軸４１ａの直径に対するキー４１ｂの径方向突出高さの比を表す。キー４１ｂの径方向突出高さは、出力軸４１ａの先端５８で測定される。

【0077】

図１０に示されるように、規格化磁気ノイズ振幅は、出力軸４１ａからのキー４１ｂの径方向突出高さが小さくなるほど減少することがわかる。図１０には、比較例としてのケース１、ケース９、およびケース１３が示されている。ケース１では、規格化径方向突出高さが約０，１２５であるのに対して、ケース９では約０．０６（つまり約６％）であり、ケース１３ではゼロである。

【0078】

図１０において符号６４で示すように、規格化径方向突出高さが約０．０７（つまり約７％）のとき、規格化磁気ノイズ振幅は０．５となり、ケース１に比べて半減させることができる。したがって、規格化径方向突出高さを７％以下とすることにより、規格化磁気ノイズ振幅を実用上十分に低減されると評価することができる。言い換えれば、出力軸４１ａと相手部品を結合するキー４１ｂが、磁性材料で形成され、キー４１ｂを受けるキー溝が、出力軸４１ａに形成され、出力軸４１ａからのキー４１ｂの径方向突出高さが、出力軸４１ａの先端５８で、出力軸４１ａの径の７％以下であってもよい。

【0079】

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。

【0080】

上述の実施の形態では、減速機４１の出力軸４１ａが相手部品とキー結合される場合を例として説明しているが、出力軸４１ａと相手部品とは、例えばスプライン結合など他の方式で結合されてもよい。

【0081】

上述の実施の形態では、磁気シールド５４は、膨張機モータ４０と減速機４１の両方を囲んでいるが、これに代えて、減速機４１のみを囲んでもよい。膨張機モータ４０への外部磁場の影響が小さいと評価される場合、または、膨張機モータ４０が発生させる磁気ノイズが小さいと評価される場合には、膨張機モータ４０は、磁気シールド５４の外に配置されてもよい。

【0082】

上述の実施の形態では、極低温冷凍機１０がＧＭ冷凍機である場合を例として説明しているが、実施の形態に係る極低温冷凍機はＧＭ冷凍機に限られない。本発明は、膨張機の駆動に電磁モータを用いるタイプの極低温冷凍機であれば適用でき、例えばソルベイ冷凍機、パルス管冷凍機など他の形式の極低温冷凍機にも適用できる。

【0083】

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。

【符号の説明】

【0084】

１０ 極低温冷凍機、 ４０ 膨張機モータ、 ４１ 減速機、 ４１ａ 出力軸、 ４１ｂ キー、 ４２ ロータリーバルブ、 ４３ 運動変換機構、 ４４ クランク、 ５４ 磁気シールド。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】