2025-58510 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】P2025058510

(43)【公開日】2025-04-09

(54)【発明の名称】極低温冷凍機

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20250402BHJP

【ＦＩ】

F25B9/00 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023168492

(22)【出願日】2023-09-28

(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】望月 健生

(57)【要約】

【課題】セラミックス系磁性蓄冷材を内蔵した極低温冷凍機の性能低下を抑制する。
【解決手段】極低温冷凍機１０は、第１熱伝導率を有し、軸方向に延在する第２シリンダ１６ｂと、第１熱伝導率よりも高い第２熱伝導率を有し、ステージ末端部３５ａと、ステージ末端部３５ａを第２シリンダ１６ｂに軸方向に接続するステージ筒部３５ｂとを備える第２冷却ステージ３５と、第２シリンダ１６ｂ内で軸方向に往復動可能であり、ステージ末端部３５ａとの間に第２膨張室３４を形成し、上死点にて第２膨張室３４が最大容積をとる第２ディスプレーサ１８ｂと、第２ディスプレーサ１８ｂに収容され、第２ディスプレーサ１８ｂが上死点にあるときステージ筒部３５ｂと軸方向に重なるように第２ディスプレーサ１８ｂ内での軸方向位置が定められているセラミックス系磁性蓄冷材２８ｃと、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１熱伝導率を有し、軸方向に延在するシリンダと、
前記第１熱伝導率よりも高い第２熱伝導率を有する冷却ステージであって、ステージ末端部と、前記ステージ末端部を前記シリンダに前記軸方向に接続するステージ筒部とを備える冷却ステージと、
前記シリンダ内で前記軸方向に往復動可能であり、前記ステージ末端部との間に膨張空間を形成し、上死点にて前記膨張空間が最大容積をとるディスプレーサと、
前記ディスプレーサに収容されたセラミックス系磁性蓄冷材であって、前記ディスプレーサが前記上死点にあるとき前記ステージ筒部と前記軸方向に重なるように前記ディスプレーサ内での軸方向位置が定められているセラミックス系磁性蓄冷材と、を備えることを特徴とする極低温冷凍機。

【請求項2】

前記ディスプレーサに収容された金属系磁性蓄冷材であって、前記ディスプレーサが前記上死点にあるとき前記ステージ筒部と前記軸方向に重ならないように前記ディスプレーサ内での軸方向位置が定められている金属系磁性蓄冷材をさらに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。

【請求項3】

前記ディスプレーサは、前記膨張空間を挟んで前記ステージ末端部に対向するディスプレーサキャップを備え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】

前記ディスプレーサキャップは、前記冷却ステージに比べて電気抵抗率の大きい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】

前記ディスプレーサキャップは、セラミックス系磁性蓄冷材で形成された蓄冷体を備え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6】

前記蓄冷体は、前記膨張空間に露出されていることを特徴とする請求項５に記載の極低温冷凍機。

【請求項7】

前記セラミックス系磁性蓄冷材は、前記ディスプレーサ内で前記ディスプレーサキャップに前記軸方向に隣接して配置され、
前記ディスプレーサ内での前記セラミックス系磁性蓄冷材の軸方向位置は、前記軸方向における前記ディスプレーサの往復動のストローク長をＳ、前記ディスプレーサキャップの軸方向高さをＨｃ、前記ディスプレーサキャップから前記セラミックス系磁性蓄冷材の上端までの軸方向高さをＨｓとするとき、Ｈｓ＞Ｓ－Ｈｃを満たすように定めら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8】

前記ディスプレーサ内での前記セラミックス系磁性蓄冷材の軸方向位置は、Ｈｓ＞（３／４）Ｓ－Ｈｃを満たすように定められていることを特徴とする請求項７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】

一般に、約１０Ｋ以下（例えば約４．２Ｋの液体ヘリウム温度）の極低温への冷却を提供する極低温冷凍機には、磁気相転移に伴う大きな比熱のピークをこの温度域に有する磁性蓄冷材を備えた蓄冷器が搭載されている。磁性蓄冷材は、こうした極低温での極低温冷凍機の冷凍能力の向上に役立っている。磁性蓄冷材には大きく二種類あり、ＨｏＣｕ_２などの金属系磁性蓄冷材と、Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ（ＧＯＳとも呼ばれる）などのセラミックス系磁性蓄冷材が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５－１８３９７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

例えばギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機のように、蓄冷材を内蔵したディスプレーサが軸方向に移動する極低温冷凍機では、ディスプレーサの軸方向移動に伴って、蓄冷材の温度が、冷凍機自身に生じている軸方向温度分布に影響されてわずかに変動しうる。ＧＯＳをはじめとして多くのセラミックス系磁性蓄冷材では、比熱が温度にかなり敏感であり、つまり比熱のピークが非常にシャープである。そのため、セラミックス系磁性蓄冷材における温度変動は、たとえそれがわずかであっても、比熱の顕著な変動、例えば大幅な低下につながりうる。これにより、セラミックス系磁性蓄冷材の蓄冷性能、ひいては極低温冷凍機の性能に影響が生じるかもしれない。

【0005】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、セラミックス系磁性蓄冷材を内蔵した極低温冷凍機の性能低下を抑制することにある。

【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、第１熱伝導率を有し、軸方向に延在するシリンダと、第１熱伝導率よりも高い第２熱伝導率を有する冷却ステージであって、ステージ末端部と、ステージ末端部をシリンダに軸方向に接続するステージ筒部とを備える冷却ステージと、シリンダ内で軸方向に往復動可能であり、ステージ末端部との間に膨張空間を形成し、上死点にて膨張空間が最大容積をとるディスプレーサと、ディスプレーサに収容されたセラミックス系磁性蓄冷材であって、ディスプレーサが上死点にあるときステージ筒部と軸方向に重なるようにディスプレーサ内での軸方向位置が定められているセラミックス系磁性蓄冷材と、を備える。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、セラミックス系磁性蓄冷材を内蔵した極低温冷凍機の性能低下を抑制することができる。

【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】代表的な磁性蓄冷材の比熱の温度変化を示す図である。

【図4】比較例に係る極低温冷凍機の一部を概略的に示す図である。

【図5】図５（ａ）および図５（ｂ）は、実施の形態に係り、ディスプレーサ組立体の軸方向往復動を概略的に示す図である。

【図6】実施の形態に係り、ディスプレーサキャップの一例を概略的に示す図である。

【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。

【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。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。

【0012】

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。

【0013】

冷凍機シリンダ１６は、軸方向に延在する第１シリンダ１６ａおよび第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。

【0014】

図２に示されるように、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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。以下では説明の便宜上、第２ディスプレーサ１８ｂの下蓋部をディスプレーサキャップ４６と呼ぶことにする。

【0019】

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、非磁性蓄冷材２８ａ、金属系磁性蓄冷材２８ｂ、およびセラミックス系磁性蓄冷材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。

【0020】

非磁性蓄冷材２８ａは、第２ディスプレーサ１８ｂの高温側に、すなわち、第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部に軸方向に隣接して第２ディスプレーサ１８ｂ内に配置される。非磁性蓄冷材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。非磁性蓄冷材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、非磁性蓄冷材２８ａ、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。

【0021】

非磁性蓄冷材２８ａは、例えばビスマス、亜鉛、鉛、またはこれらのうち少なくとも一種を含有する合金など、非磁性の金属材料で形成されていてもよい。非磁性蓄冷材２８ａとして二種の材料が積層されて用いられてもよく、例えば、第２ディスプレーサ１８ｂの上蓋部に軸方向に隣接して亜鉛の蓄冷材が配置され、亜鉛の蓄冷材に軸方向に隣接してビスマスの蓄冷材が配置されてもよい。

【0022】

金属系磁性蓄冷材２８ｂは、第２ディスプレーサ１８ｂの中間部に、すなわち、非磁性蓄冷材２８ａに軸方向に隣接して第２ディスプレーサ１８ｂ内に配置される。金属系磁性蓄冷材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、金属系磁性蓄冷材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。金属系磁性蓄冷材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。

【0023】

セラミックス系磁性蓄冷材２８ｃは、第２ディスプレーサ１８ｂの低温部に、すなわち、ディスプレーサキャップ４６に軸方向に隣接して第２ディスプレーサ１８ｂ内に配置される。セラミックス系磁性蓄冷材２８ｃは、金属系磁性蓄冷材２８ｂとディスプレーサキャップ４６との間に配置される。セラミックス系磁性蓄冷材２８ｃは、ディスプレーサキャップ４６と直接隣接していてもよい。あるいは、セラミックス系磁性蓄冷材２８ｃとディスプレーサキャップ４６は、それらの間に整流層を挟んで隣接していてもよい。

【0024】

セラミックス系磁性蓄冷材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。典型的には、セラミックス系磁性蓄冷材２８ｃ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。

【0025】

セラミックス系磁性蓄冷材２８ｃは、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。

【0026】

よって、セラミックス系磁性蓄冷材２８ｃ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。

【0027】

こうした組成を持つセラミックス系磁性蓄冷材２８ｃ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、セラミックス系磁性蓄冷材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。

【0028】

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。

【0029】

非磁性蓄冷材２８ａ、金属系磁性蓄冷材２８ｂおよびセラミックス系磁性蓄冷材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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

非磁性蓄冷材２８ａと金属系磁性蓄冷材２８ｂを分けるために、非磁性蓄冷材２８ａと金属系磁性蓄冷材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、金属系磁性蓄冷材２８ｂとセラミックス系磁性蓄冷材２８ｃの境界２９ｂに仕切部材が配置されてもよい。

【0033】

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。冷却ステージは、熱負荷フランジと呼ばれることもある。

【0034】

第１シリンダ１６ａと第２シリンダ１６ｂが第１熱伝導率を有する材料で形成されるのに対して、第１冷却ステージ３３と第２冷却ステージ３５は、第１熱伝導率よりも高い第２熱伝導率を有する材料で形成される。例えば、第１シリンダ１６ａと第２シリンダ１６ｂは、例えばステンレス鋼など、熱伝導率が比較的小さい金属材料で形成され、第１冷却ステージ３３と第２冷却ステージ３５は、例えば、銅（例えば、無酸素銅、タフピッチ銅などの純銅）などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成されてもよい。

【0035】

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の下部に固着されている。

【0036】

第２冷却ステージ３５は、ステージ末端部３５ａと、ステージ末端部３５ａを第２シリンダ１６ｂに軸方向に接続するステージ筒部３５ｂとを備える。第２冷却ステージ３５は、ステージ末端部３５ａとステージ筒部３５ｂを有する単一部品として提供されてもよい。あるいは、ステージ末端部３５ａとステージ筒部３５ｂは、別の部材として提供されてもよく、これらが互いに接続されて、第２冷却ステージ３５が形成されてもよい。

【0037】

第２膨張室３４は、第２ディスプレーサ１８ｂの下蓋部すなわちディスプレーサキャップ４６と、第２冷却ステージ３５との間に形成される。より具体的には、ディスプレーサキャップ４６は、第２膨張室３４を挟んでステージ末端部３５ａに対向し、ステージ筒部３５ｂ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、ディスプレーサキャップ４６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】

作動ガス流路３６ｄは、軸方向流路３６ｄ１と径方向流路３６ｄ２を有してもよい。軸方向流路３６ｄ１は、セラミックス系磁性蓄冷材２８ｃの軸方向下端からディスプレーサキャップ４６内を軸方向下方に延びている。径方向流路３６ｄ２は、軸方向流路３６ｄ１の下端からディスプレーサキャップ４６内を径方向に延びている。径方向流路３６ｄ２は、第２冷却ステージ３５のステージ筒部３５ｂに向けられている。作動ガスをディスプレーサキャップ４６から周方向に均等に吹き出すために、複数の径方向流路３６ｄ２が軸方向流路３６ｄ１から延びていてもよい。よって、セラミックス系磁性蓄冷材２８ｃから軸方向流路３６ｄ１に入った作動ガスは、径方向流路３６ｄ２からステージ筒部３５ｂに向かって吹き出し、ディスプレーサキャップ４６とステージ筒部３５ｂとの間の径方向クリアランスを通って第２膨張室３４に流れる。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

図３は、代表的な磁性蓄冷材の比熱の温度変化を示す図であり、より具体的には、極低温領域におけるＨｏＣｕ_２およびＧＯＳの比熱の温度変化を示すグラフである。図３に示すように、ＨｏＣｕ_２およびＧＯＳは、温度が４Ｋ程度から１０Ｋ程度の範囲、すなわち、第２蓄冷器２８のうちＨｏＣｕ_２やＧＯＳが収容される領域の温度範囲に、比熱が極大となるピークを持つ。例えば、ＨｏＣｕ_２の比熱は、温度が約６Ｋおよび約９Ｋの２箇所において比熱が極大となる。また、ＧＯＳの比熱は約５Ｋにおいて、非常に先鋭なピークを持つ。他の種類のセラミックス系磁性蓄冷材も、ＧＯＳと同様に、約５Ｋ以下のある特定の温度に鋭いピークを持つものが多い。

【0047】

図４は、比較例に係る極低温冷凍機の一部を概略的に示す図である。図４には、極低温冷凍機の最低温部、すなわち第２冷却ステージ１３５と、第２冷却ステージ１３５から軸方向に上方に延在する第２シリンダ１１６ｂの低温側と、ディスプレーサキャップ１４６を含む第２ディスプレーサ１１８ｂの低温側とが示されている。第２冷却ステージ１３５は、末端部１３５ａと、末端部１３５ａを第２シリンダ１１６ｂに軸方向に接続する筒部１３５ｂとを備える。第２ディスプレーサ１１８ｂの低温側には、磁性蓄冷材、例えばセラミックス系磁性蓄冷材１２８ｃが収容されている。ディスプレーサキャップ１４６には、軸方向流路１３６ｄ１と径方向流路１３６ｄ２を有する作動ガス流路１３６ｄが形成されている。作動ガス流路１３６ｄを通じてセラミックス系磁性蓄冷材１２８ｃと第２膨張室１３４が接続されている。

【0048】

図４に示される状態では、第２ディスプレーサ１１８ｂが上死点に位置する。よって、ディスプレーサキャップ１４６は軸方向に最も上方にあり、第２膨張室１３４は最大容積をとる。典型的に、ディスプレーサキャップ１４６の作動ガス流路１３６ｄの既存の設計では、第２ディスプレーサ１１８ｂが上死点に位置するとき、図示されるように、作動ガスの出口である作動ガス流路１３６ｄの径方向流路１３６ｄの軸方向位置が、第２冷却ステージ１３５の筒部１３５ｂの軸方向上端（または第２シリンダ１６ｂの軸方向下端）と同じになっている。このように、径方向流路１３６ｄと第２冷却ステージ１３５の筒部１３５ｂの上端部に軸方向高さが揃えられている。

【0049】

そのため、ディスプレーサキャップ１４６の軸方向上方に隣接するセラミックス系磁性蓄冷材１２８ｃは、第２ディスプレーサ１１８ｂが上死点に位置するとき、第２冷却ステージ１３５の筒部１３５ｂよりも軸方向上方に位置し、第２シリンダ１１６ｂに囲まれている。このように、第２ディスプレーサ１１８ｂの上死点では、セラミックス系磁性蓄冷材１２８ｃは、図４に破線で示される、第２冷却ステージ１３５で囲まれる空間１４８の外に位置することになる。

【0050】

極低温冷凍機の運転中、ディスプレーサキャップ１４６とこれに隣接するセラミックス系磁性蓄冷材１２８ｃの下端部は、第２冷却ステージ１３５と同様に、極低温冷凍機における最低温度にある。一方、第２シリンダ１１６ｂには、軸方向に上方に向かうほど温度が高くなる軸方向温度分布が形成されている。そのため、第２ディスプレーサ１１８ｂが上死点にあるときセラミックス系磁性蓄冷材１２８ｃを囲む第２シリンダ１１６ｂの部分は、セラミックス系磁性蓄冷材１２８ｃよりもいくらか高い温度をもつ。このようなセラミックス系磁性蓄冷材１２８ｃとそれを囲む第２シリンダ１１６ｂとの温度差の影響により、第２ディスプレーサ１１８ｂの軸方向往復動に伴って、セラミックス系磁性蓄冷材１２８ｃに周期的な温度変動が生じるかもしれない。

【0051】

図３に示されるように、セラミックス系磁性蓄冷材１２８ｃ、例えばＧＯＳの比熱は温度に非常に敏感である。セラミックス系磁性蓄冷材１２８ｃにおける温度変動は、たとえそれがわずかであっても、比熱の顕著な変動、例えば大幅な低下につながりうる。これに起因して、比較例の極低温冷凍機では、セラミックス系磁性蓄冷材１２８ｃの蓄冷性能、ひいては極低温冷凍機の性能に影響が生じるかもしれない。

【0052】

図５（ａ）および図５（ｂ）は、実施の形態に係り、ディスプレーサ組立体１８の軸方向往復動を概略的に示す図である。図５（ａ）には、ディスプレーサ組立体１８が上死点に位置するときの膨張機１４が概略的に示され、図５（ｂ）には、ディスプレーサ組立体１８が下死点に位置するときの膨張機１４が概略的に示されている。なお、図２においては、ディスプレーサ組立体１８は、上死点と下死点との間の中間位置にある。

【0053】

上述のように、第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂが上死点にあるとき、第１膨張室３２と第２膨張室３４はそれぞれ最大容積となり、第１ディスプレーサ１８ａと第２ディスプレーサ１８ｂが下死点にあるとき、第１膨張室３２と第２膨張室３４はそれぞれ最小容積となる。第１ディスプレーサ１８ａが下死点にあるときの第１ディスプレーサ１８ａと第１冷却ステージ３３との軸方向クリアランスは、理想的にはゼロである。ただし、現実の設計では、両者の接触を回避するために、例えば約０．１ｍｍから約１ｍｍの軸方向クリアランスが設定される。同様に、第２ディスプレーサ１８ｂが下死点にあるときの第２ディスプレーサ１８ｂと第２冷却ステージ３５のステージ末端部３５ａとの軸方向クリアランスは、例えば約０．１ｍｍから約１ｍｍの範囲内に設定されうる。

【0054】

逆に、上部室３０は、第１ディスプレーサ１８ａが上死点にあるとき最小容積となり、第１ディスプレーサ１８ａが下死点にあるとき最大容積となる。第１ディスプレーサ１８ａが上死点にあるときの上部室３０の軸方向高さ、つまり冷凍機ハウジング２０と第１ディスプレーサ１８ａとの軸方向クリアランスは、理想的にはゼロであり、実際には例えば約０．１ｍｍから約１ｍｍの範囲内に設定されうる。これにより、上部室３０での死容積を最小化することができる。

【0055】

この実施の形態では、図５（ａ）に示されるように、セラミックス系磁性蓄冷材２８ｃは、第２ディスプレーサ１８ｂが上死点にあるときステージ筒部３５ｂと軸方向に重なるように第２ディスプレーサ１８ｂ内での軸方向位置が定められている。よって、第２ディスプレーサ１８ｂが上死点に位置するとき、セラミックス系磁性蓄冷材２８ｃの少なくとも一部、例えば、セラミックス系磁性蓄冷材２８ｃの軸方向下部は、第２冷却ステージ３５のステージ筒部３５ｂの上端５０よりも軸方向下方に位置し、ステージ筒部３５ｂに囲まれている。同様に、ディスプレーサキャップ４６も、ステージ筒部３５ｂに囲まれている。

【0056】

このように、第２ディスプレーサ１１８ｂの上死点では、第２ディスプレーサ１８ｂの下端部、すなわち、セラミックス系磁性蓄冷材１２８ｃの少なくとも一部とディスプレーサキャップ４６は、図５（ａ）に破線で示される、第２冷却ステージ３５で囲まれる空間４８の中に位置することになる。

【0057】

また、第２ディスプレーサ１８ｂが下死点にあるときには、図５（ｂ）に示されるように、第２ディスプレーサ１８ｂは、第２冷却ステージ３５で囲まれる空間４８にさらに入り込む。第２ディスプレーサ１１８ｂの下死点では、セラミックス系磁性蓄冷材２８ｃのより多くの部分がディスプレーサキャップ４６とともに、ステージ筒部３５ｂに囲まれ、空間４８の中に位置することになる。

【0058】

したがって、第２ディスプレーサ１８ｂが上死点にあるとき第２ディスプレーサ１８ｂ内でのセラミックス系磁性蓄冷材２８ｃの軸方向位置をステージ筒部３５ｂと軸方向に重なるように定めることにより、第２ディスプレーサ１８ｂの軸方向往復動のストローク長Ｓの全体にわたり、セラミックス系磁性蓄冷材１２８ｃの少なくとも一部が、第２冷却ステージ３５で囲まれる空間４８の中に保持される。

【0059】

極低温冷凍機の運転中、ディスプレーサキャップ４６とこれに隣接するセラミックス系磁性蓄冷材２８ｃの下端部は、第２冷却ステージ３５と同様に、極低温冷凍機における最低温度にある。したがって、図４に示される比較例とは異なり、この実施の形態では、セラミックス系磁性蓄冷材２８ｃは、第２冷却ステージ３５に囲まれることで、温度を安定化することができる。これにより、セラミックス系磁性蓄冷材２８ｃで生じうる温度変動による蓄冷性能、ひいては極低温冷凍機１０の性能への影響を抑制することができる。

【0060】

また、この実施の形態では、金属系磁性蓄冷材２８ｂは、第２ディスプレーサ１８ｂが上死点にあるときステージ筒部３５ｂと軸方向に重ならないように第２ディスプレーサ１８ｂ内での軸方向位置が定められている。よって、第２ディスプレーサ１１８ｂが上死点に位置するとき、図５（ａ）に示されるように、金属系磁性蓄冷材２８ｂは、ステージ筒部３５ｂよりも軸方向上方に位置し、第２シリンダ１６ｂに囲まれている。このように、第２ディスプレーサ１８ｂの上死点では、金属系磁性蓄冷材２８ｂは、第２冷却ステージ３５で囲まれる空間４８の外に位置することになる。

【0061】

極低温冷凍機１０は、超伝導磁石の冷却の用途など、強磁場下で使用されることがある。金属系磁性蓄冷材２８ｂが磁場分布中で運動するとき、金属系磁性蓄冷材２８ｂの内部に渦電流が誘起され、渦電流は金属系磁性蓄冷材２８ｂ自身が持つ抵抗により熱に変換されうる。したがって、金属系磁性蓄冷材２８ｂを第２冷却ステージ３５から軸方向に離れた場所に配置することにより、金属系磁性蓄冷材２８ｂの発熱による第２冷却ステージ３５の温度上昇を抑えることができる。

【0062】

加えて、金属系磁性蓄冷材２８ｂは、第２ディスプレーサ１８ｂが下死点にあるときステージ筒部３５ｂと軸方向に重ならないように第２ディスプレーサ１８ｂ内での軸方向位置が定められていてもよい。よって、第２ディスプレーサ１１８ｂが下死点に位置するとき、図５（ｂ）に示されるように、金属系磁性蓄冷材２８ｂは、ステージ筒部３５ｂよりも軸方向上方に位置し、第２シリンダ１６ｂに囲まれ、空間４８の外に位置してもよい。

【0063】

これを実現するために、第２ディスプレーサ１８ｂ内でのセラミックス系磁性蓄冷材２８ｃの軸方向位置は、軸方向における第２ディスプレーサ１８ｂの往復動のストローク長をＳ、ディスプレーサキャップ４６の軸方向高さをＨｃ、ディスプレーサキャップ４６からセラミックス系磁性蓄冷材２８ｃの上端（すなわち境界２９ｂ）までの軸方向高さをＨｓとするとき、Ｈｓ＞Ｓ－Ｈｃを満たすように定められていてもよい。

【0064】

このようにして、第２ディスプレーサ１８ｂの軸方向往復動のストローク長Ｓの全体にわたり、金属系磁性蓄冷材２８ｂが、第２冷却ステージ３５で囲まれる空間４８の外に保持される。したがって、金属系磁性蓄冷材２８ｂの発熱による第２冷却ステージ３５の温度上昇を抑えることができる。

【0065】

第２ディスプレーサ１８ｂの軸方向往復動の速度は、上死点と下死点の近傍で遅く、軸方向中間部で速くなる。第２ディスプレーサ１８ｂの移動速度が速いほど、金属系磁性蓄冷材２８ｂに働く磁場の時間変化が大きくなり、渦電流による発熱量も大きくなりうる。軸方向中間部は、例えば、ストローク長Ｓのうち１／４から３／４の範囲にあたる。そこで、この範囲を避けて金属系磁性蓄冷材２８ｂを配置するために、第２ディスプレーサ１８ｂ内でのセラミックス系磁性蓄冷材２８ｃの軸方向位置は、Ｈｓ＞（３／４）Ｓ－Ｈｃを満たすように定められてもよい。

【0066】

ディスプレーサキャップ４６は、第２冷却ステージ３５に比べて電気抵抗率の大きい材料で形成されていてもよい。このようにすれば、第２ディスプレーサ１８ｂが磁場分布中で運動するとき、ディスプレーサキャップ４６の内部に誘起されうる渦電流を低減し、それによるディスプレーサキャップ４６からの発熱も低減することができる。

【0067】

第２冷却ステージ３５は、上述のように、典型的には銅で形成される。よって、ディスプレーサキャップ４６は、ステンレス鋼、ニクロムやインコネル（登録商標）などのニッケル合金、チタン合金といった、銅よりも電気抵抗率の大きい金属で形成されてもよい。あるいは、ディスプレーサキャップ４６は、例えば、フェノール樹脂など、合成樹脂材料で形成されてもよい。あるいは、ディスプレーサキャップ４６は、例えば、ＧＯＳなど、セラミックス系磁性蓄冷材で形成されてもよい。

【0068】

図６は、実施の形態に係り、ディスプレーサキャップ４６の一例を概略的に示す図である。ディスプレーサキャップ４６は、本体４６ａと、蓄冷体４６ｂとを備えてもよい。本体４６ａは、上述のように、例えばステンレス鋼など、第２冷却ステージ３５に比べて電気抵抗率の大きい材料で形成されていてもよい。本体４６ａには、作動ガス流路３６ｄが形成されていてもよい。蓄冷体４６ｂは、例えばＧＯＳなど、セラミックス系磁性蓄冷材で形成されていてもよい。このように、ディスプレーサキャップ４６に蓄冷体４６ｂを設けることで、ディスプレーサキャップ４６の温度上昇を抑え安定化することができる。

【0069】

蓄冷体４６ｂは、第２膨張室３４に露出されていてもよい。例えば、蓄冷体４６ｂは、ステージ末端部３５ａに対向するように、ディスプレーサキャップ４６の外面に固定されていてもよい。本体４６ａには、蓄冷体４６ｂを受け入れる凹みが形成されていてもよく、蓄冷体４６ｂは、ニトフィックス（登録商標）などの極低温用の接着剤を用いて本体４６ａに接着されていてもよい。あるいは、蓄冷体４６ｂの外周面にねじが形成され、本体４６ａに対応するねじ穴が形成され、蓄冷体４６ｂが本体４６ａのねじ穴にねじ込まれて固定されてもよい。

【0070】

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。

【0071】

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、ソルベイ冷凍機など、セラミックス系磁性蓄冷材を内蔵したディスプレーサが軸方向に往復動する他の形式の極低温冷凍機であってもよい。

【0072】

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】

【0073】

１０ 極低温冷凍機、 １６ 冷凍機シリンダ、 １６ａ 第１シリンダ、 １６ｂ 第２シリンダ、 １８ ディスプレーサ組立体、 １８ａ 第１ディスプレーサ、 １８ｂ 第２ディスプレーサ、 ２８ｂ 金属系磁性蓄冷材、 ２８ｃ セラミックス系磁性蓄冷材、 ３２ 第１膨張室、 ３３ 第１冷却ステージ、 ３４ 第２膨張室、 ３５ 第２冷却ステージ、 ３５ａ ステージ末端部、 ３５ｂ ステージ筒部、 ４６ ディスプレーサキャップ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】