| 【発明の名称】 |
極低温冷凍機 |
| 【発明者】 |
【氏名】佐多 健一
【氏名】藤本 修二
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| 【要約】 |
【課題】磁気雑音の発生を大幅に低減する。
【解決手段】ＧＭ冷凍機２の第１段の冷却ステージ２１のシリンダ、第２段の冷却ステージ２２のシリンダ、第１段から第３段のＪＴ熱交換器３１、３２、３３の耐圧容器、アドソーバ３４の耐圧容器、ＪＴバルブ３５、ＪＴ回路３の配管の少なくとも１つ、好ましくはこれらの全てを非磁性材料で構成する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 冷媒の圧縮、断熱膨張を少なくとも１段で行って、該冷媒の温度を極低温にまで低下させる極低温冷凍機において、各段のシリンダ、熱交換器の耐圧容器、バルブ、配管の少なくとも一部を磁気雑音の発生を阻止すべく非磁性材料で構成したことを特徴とする極低温冷凍機。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、ＳＱＵＩＤなどの超伝導動作素子を超伝導動作可能な極低温にまで冷却させるために好適な極低温冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、ＳＱＵＩＤなどの超伝導動作素子を超伝導動作可能な極低温にまで冷却させるための極低温冷凍機が提案されている。
【０００３】そして、このような極低温冷凍機は、液体ヘリウムを用いて極低温を実現するものと、冷媒の圧縮、断熱膨張を複数段で行って、該冷媒の温度を極低温にまで低下させるものとに大別される。
【０００４】このうち、前者の極低温冷凍機を採用した場合には、液体ヘリウムの消費量が多いことに起因してランニングコストが著しく高くなってしまうだけでなく、液体ヘリウムを用いる関係上、有資格者が必要である。これに対して、後者の極低温冷凍機を採用する場合には、上記の不都合を解消できるのみならず、操作が容易であるから、後者の構成の極低温冷凍機の適用が種々の分野において検討され、あるいは実際の適用がなされ始めている。
【０００５】ここで、後者の極低温冷凍機としては、例えば、図１に示すように、真空容器１にＧＭ（ギフォード・マクマフォン）冷凍機２およびＪＴ（ジュール−トンプソン）回路３とを設けてなるものが例示される。前記ＧＭ冷凍機２は、従来公知の構成を有するものであり、互いに直列接続された第１段の冷却ステージ２１と第２段の冷却ステージ２２とを有している。前記ＪＴ回路３は従来公知の構成を有するものであり、第１段のＪＴ熱交換器３１、第２段のＪＴ熱交換器３２、第３段のＪＴ熱交換器３３、アドソーバ３４、ＪＴバルブ３５および最終段の冷却ステージ３６をこの順に直列接続してなるものである。また、第１段のＪＴ熱交換器３１から吐出されて第２段のＪＴ熱交換器３２に導入される冷媒は、両熱交換器の間において、ＧＭ冷凍機２の第１段の冷却ステージ２１で発生する寒冷により冷却される。第２段のＪＴ熱交換器３２から吐出されて第３段のＪＴ熱交換器３３に導入される冷媒は、ＧＭ冷凍機２の第２段の冷却ステージ２２で発生する寒冷により冷却される。そして、このように冷却された冷媒をアドソーバ３４およびＪＴバルブ３５を通して最終段の冷却ステージ３６に供給して断熱膨張させることにより、超伝導動作素子を超伝導動作させることができる極低温（例えば、約４Ｋ）を発生させることができる。
【０００６】また、図１に示す極低温冷凍機の多くの構成部分（特に、機械的強度が要求される構成部分）は、オーステナイト系のステンレス鋼で構成されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、図１に示す構成の極低温冷凍機を採用した場合には、機械的な動作部分などに起因する磁気雑音が発生するという不都合がある。
【０００８】さらに説明する。
【０００９】オーステナイト系のステンレス鋼は一般に室温では低い磁性を示すが、３０Ｋ前後に磁化率の極大点を持ち、比較的強い磁性を示す。したがって、オーステナイト系のステンレス鋼により構成される構成部分を有する極低温冷凍機は、冷却時に非冷却時よりも大きな磁気雑音を発生することになる。
【００１０】このように大きな磁気雑音が発生する極低温冷凍機を用いてＳＱＵＩＤ磁束計を極低温にまで冷却し、超伝導動作させる場合には、ＳＱＵＩＤが磁束を高感度に検出できるという特性を利用して微弱磁界を計測しようとするにも拘わらず、極低温冷凍機からの磁気雑音をも検出してしまい、ＳＱＵＩＤの特性を十分には活用することができない。
【００１１】図２中（Ａ）（Ｂ）は２Ｈｚの磁気雑音強度の測定結果（フラックスゲート磁束計にて運転中の磁気雑音の測定結果）を示す図である。また、図３（Ａ）（Ｂ）は、図２中（Ａ）（Ｂ）の横軸を説明する図である。
【００１２】これらの測定結果から分かるように、角度が約１００ｄｅｇの位置｛図３（Ａ）中の矢印参照｝で磁気雑音強度が約２．５ｎＴ（ｒｍｓ）であり、フランジから約３５０ｍｍの位置｛図３（Ｂ）中の矢印参照｝で磁気雑音強度が約３．０ｎＴ（ｒｍｓ）であった。
【００１３】また、図４に示すように、ＧＭ冷凍機を動作させ、このＧＭ冷凍機の上方において、図１の構成の極低温冷凍機を用いて極低温にまで冷却された３２個のＳＱＵＩＤ磁束計を配列してＧＭ冷凍機の磁気雑音を測定したところ、図５中（Ａ）〜（Ｇ）に示す測定結果が得られた。なお、図５において、縦軸は１目盛りが５ｐＴであり、横軸は０〜２秒である。
【００１４】また、図２、図５に見られるような周期的な磁気雑音は、ＧＭ冷凍機のシリンダ内の圧力変動に伴って磁性体に周期的な力が加わることによって発生していると思われる。さらに、図２において最も大きな磁気雑音を示す位置は、第２段の冷却ステージのシリンダの低温端のステンレスパイプと銅製の冷却ステージとの継ぎ目に最も大きな力が加わるため、およびこの付近の磁性が最も高くなっているためであると思われる。これに対して、ＪＴ回路では周期的な圧力の変動はないが、最終段の冷却ステージ（４Ｋステージ）で数十ｍＫに対応する低圧（ＪＴバルブより下流の圧力）の変動がある。このため、ＪＴ回路の系内の圧力が変化し、ステンレス鋼からなる部分から同様に磁気雑音（ＧＭ冷凍機に比べると小さい磁気雑音）が発生する。
【００１５】これらの測定結果から分かるように、数Ｋまでのクールダウンを行う場合において、３０Ｋ前後で磁気雑音が最も大きく、クールダウン後においてもある程度の磁気雑音がある。
【００１６】
【発明の目的】この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、冷媒の圧縮、断熱膨張を少なくとも１段で行って、該冷媒の温度を極低温にまで低下させるに当たって、磁気雑音の発生を低減することができる極低温冷凍機を提供することを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】請求項１の極低温冷凍機は、冷媒の圧縮、断熱膨張を少なくとも１段で行って、該冷媒の温度を極低温にまで低下させるものであって、各段のシリンダ、熱交換器の耐圧容器、バルブ、配管の少なくとも一部を磁気雑音の発生を阻止すべく非磁性材料で構成したものである。
【００１８】
【作用】請求項１の極低温冷凍機であれば、各段のシリンダ、熱交換器の耐圧容器、バルブ、配管の少なくとも一部を磁気雑音の発生を阻止すべく非磁性材料で構成しているので、極低温冷凍機により極低温を発生させた状態において、オーステナイト系のステンレス鋼で対応する部分を構成した場合と比較して磁気雑音の発生量を低減することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、この発明の極低温冷凍機の実施の態様を詳細に説明する。
【００２０】図１はこの発明の極低温冷凍機の一実施態様を示す概略図である。
【００２１】この極低温冷凍機は、真空容器１にＧＭ冷凍機２およびＪＴ回路３とを設けてなるものである。具体的には、これらは真空容器１のフランジ１ａに固定されている。前記ＧＭ冷凍機２は、従来公知の構成を有するものであり、互いに直列接続された第１段の冷却ステージ２１と第２段の冷却ステージ２２とを有している。そして、各段の冷却ステージは、シリンダの内部に往復動可能なピストン、蓄冷材などを有し、冷媒ガスの圧縮、断熱膨張を行って所定の寒冷を発生させる。前記ＪＴ回路３は従来公知の構成を有するものであり、第１段のＪＴ熱交換器３１、第２段のＪＴ熱交換器３２、第３段のＪＴ熱交換器３３、アドソーバ（ＪＴバルブの目詰まりを防止するためのフィルタ）３４、ＪＴバルブ３５および最終段の冷却ステージ３６をこの順に直列接続してなるものである。そして、第１段のＪＴ熱交換器３１から吐出されて第２段のＪＴ熱交換器３２に導入される冷媒は、両熱交換器の間において、ＧＭ冷凍機２の第１段の冷却ステージ２１で発生する寒冷により冷却される。第２段のＪＴ熱交換器３２から吐出されて第３段のＪＴ熱交換器３３に導入される冷媒は、ＧＭ冷凍機２の第２段の冷却ステージ２２で発生する寒冷により冷却される。なお、ＪＴバルブ３５は、外部操作部３５ａによって開度が調整される。
【００２２】また、ＧＭ冷凍機２の第１段の冷却ステージ２１のシリンダ、第２段の冷却ステージ２２のシリンダ、第１段から第３段のＪＴ熱交換器３１、３２、３３の耐圧容器、アドソーバ３４の耐圧容器、ＪＴバルブ３５、ＪＴ回路３の配管の少なくとも１つ、好ましくはこれらの全てを非磁性材料｛チタン、チタン合金、銅合金、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）など｝で構成している。ただし、発生する磁気雑音の大きさに着目すれば、ＧＭ冷凍機２の第２段の冷却ステージ２２のシリンダのみを非磁性材料で構成してもよく、またはＧＭ冷凍機２の第１段の冷却ステージ２１と第２段の冷却ステージ２２とのシリンダを非磁性材料で構成してもよい。
【００２３】上記の構成の極低温冷凍機の作用は次のとおりである。
【００２４】ＧＭ冷凍機２の図示しない圧縮機によって冷媒ガスを高圧ガスとして第１段の冷却ステージ２１、第２段の冷却ステージ２２に順次供給して各ピストンを動作させることによって、冷媒ガスの圧縮、断熱膨張を行い、断熱膨張により低圧になった冷媒ガスを圧縮機に戻すことによって、それぞれ第１の寒冷、第２の寒冷（数十Ｋ）を発生させる。
【００２５】また、ＧＭ冷凍機２の動作と同時にＪＴ回路２の図示しない圧縮機によって冷媒ガスを高圧ガスとして第１段のＪＴ熱交換器３１、第２段のＪＴ熱交換器３２、第３段のＪＴ熱交換器３３、アドソーバ３４、ＪＴバルブ３５および最終段の冷却ステージ３６にこの順に供給し、次いで低圧となった冷媒ガスを第３段のＪＴ熱交換器３３、第２段のＪＴ熱交換器３２、第１段のＪＴ熱交換器３１をこの順に通って圧縮機に戻す。この間において、第１段のＪＴ熱交換器３１、第２段のＪＴ熱交換器３２、第３段のＪＴ熱交換器３３では、それぞれ低温の低圧ガスと高圧ガスとの間で熱交換を行って、高圧ガスの温度を順次低下させる。また、第１段のＪＴ熱交換器３１と第２段のＪＴ熱交換器３２との間において、高圧ガスはＧＭ冷凍機２の第１段の冷却ステージ２１により冷却され、第２段のＪＴ熱交換器３２と第３段のＪＴ熱交換器３３との間において、高圧ガスはＧＭ冷凍機２の第２段の冷却ステージ２２により冷却される。したがって、第３段のＪＴ熱交換器３３から流出する高圧ガスはＧＭ冷凍機２の第２段の冷却ステージ２２の温度よりも低い温度になる。
【００２６】そして、第３段のＪＴ熱交換器３３から流出する高圧ガスはアドソーバ３４を通してＪＴバルブ３５に供給され、断熱膨張されることによって最終段の冷却ステージ３６において極低温（例えば、数Ｋ）を発生させることができる。
【００２７】また、以上の動作を行う間において、ＧＭ冷凍機２の第１段の冷却ステージ２１と第２段の冷却ステージ２２とのシリンダ、第１段から第３段のＪＴ熱交換器３１、３２、３３の耐圧容器、アドソーバ３４の耐圧容器、ＪＴバルブ３５、ＪＴ回路３の配管の少なくとも１つ、好ましくはこれらの全てを非磁性材料｛チタン、チタン合金、銅合金、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）など｝で構成し、または、ＧＭ冷凍機２の第２段の冷却ステージ２２のシリンダのみを非磁性材料で構成し、または、ＧＭ冷凍機２の第１段の冷却ステージ２１と第２段の冷却ステージ２２とのシリンダを非磁性材料で構成しているのであるから、これらの部分をオーステナイト系のステンレス鋼で構成する場合と比較して、磁気雑音の発生を抑制することができる。
【００２８】なお、以上には、ＧＭ冷凍機とＪＴ回路とを組み合わせてなるＧＭ／ＪＴ冷凍機のみについて説明したが、同様の構成を有するスターリン／ＪＴ冷凍機、パルス管／ＪＴ冷凍機にも同様に適用することができる。また、高温超伝導材料からなる超伝導動作素子を冷却する場合には、ＪＴ回路が不要であるから、ＧＭ冷凍機、スターリン冷凍機、パルス管冷凍機、ＪＴ冷凍機の何れかを採用することができ、これらの場合にも同様に適用することができる。さらに、冷却ステージの段数は３段には限られず、必要な極低温のレベルに応じて、３段未満、もしくは４段以上に設定することが可能である。
【００２９】
【発明の効果】請求項１の発明は、オーステナイト系のステンレス鋼で構成した場合と比較して磁気雑音の発生量を低減することができるという特有の効果を奏する。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００２８５３
【氏名又は名称】ダイキン工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年４月８日（１９９９．４．８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８７８０４
【弁理士】
【氏名又は名称】津川 友士
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| 【公開番号】 |
特開２０００−２９２０２３（Ｐ２０００−２９２０２３Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１０月２０日（２０００．１０．２０） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１０１３２５ |
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