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公開番号2025172852
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-11-26
出願番号2025141364,2023576918
出願日2025-08-27,2023-01-24
発明の名称2段式の蓄冷型極低温冷凍機、クライオポンプ、及び希釈冷凍機
出願人株式会社Niterra Materials
代理人個人,個人,個人
主分類F25B 9/00 20060101AFI20251118BHJP(冷凍または冷却;加熱と冷凍との組み合わせシステム;ヒートポンプシステム;氷の製造または貯蔵;気体の液化または固体化)
要約【課題】高い体積比熱と高い強度を備える蓄冷材粒子を備える2段式の蓄冷型極低温冷凍機を提供する。
【解決手段】実施形態の2段式の蓄冷型極低温冷凍機は、真空容器と、真空容器の中に設けられた第1シリンダと、真空容器の中に設けられ、第1シリンダと同軸的に接続され、第1シリンダの径よりも径の小さい第2シリンダと、第1シリンダの中に設けられ、第1蓄冷材が収容された第1蓄冷器と、第2シリンダの中に設けられ、第2蓄冷材が収容された第2蓄冷器を備える。第2蓄冷材は、希土類元素を含む希土類酸硫化物と、希土類元素及びAlを含むガーネット型希土類酸化物と、酸化アルミニウムと、を含み、希土類酸硫化物のX線回折ピーク強度に対するガーネット型希土類酸化物のX線回折ピーク強度の比が0.1%以上40%以下の蓄冷材粒子である。
【選択図】図5
特許請求の範囲【請求項１】
真空容器と、
前記真空容器の中に設けられた第１シリンダと、
前記真空容器の中に設けられ、前記第１シリンダと同軸的に接続され、前記第１シリンダの径よりも径の小さい第２シリンダと、
前記第１シリンダの中に設けられ、第１蓄冷材が収容された第１蓄冷器と、
前記第２シリンダの中に設けられ、第２蓄冷材が収容され、前記第２蓄冷材は、蓄冷材粒子であり、
前記蓄冷材粒子は、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、及びＬｕからなる群から選ばれる少なくとも一つの希土類元素を含む希土類酸硫化物と、
Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、及びＬｕからなる群から選ばれる少なくとも一つの希土類元素及びＡｌを含むガーネット型希土類酸化物と、
酸化アルミニウムと、を含み、
前記希土類酸硫化物のＸ線回折ピーク強度に対する前記ガーネット型希土類酸化物のＸ線回折ピーク強度の比が０．１％以上４０％以下である、第２蓄冷器と、
を備える、２段式の蓄冷型極低温冷凍機。
続きを表示（約 800 文字）【請求項２】
前記蓄冷材粒子は、０．００１原子％以上１０原子％以下の第二族元素を更に含む、請求項１記載の２段式の蓄冷型極低温冷凍機。
【請求項３】
前記第二族元素が、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、及びＢａからなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である、請求項２記載の２段式の蓄冷型極低温冷凍機。
【請求項４】
前記蓄冷材粒子は、ペロブスカイト型希土類酸化物を更に含む、請求項１ないし請求項３いずれか一項記載の２段式の蓄冷型極低温冷凍機。
【請求項５】
前記蓄冷材粒子の粒径が５０μｍ以上３ｍｍ以下である、請求項１ないし請求項４いずれか一項記載の２段式の蓄冷型極低温冷凍機。
【請求項６】
前記蓄冷材粒子のアスペクト比が１以上５以下である、請求項１ないし請求項５いずれか一項記載の２段式の蓄冷型極低温冷凍機。
【請求項７】
前記第２蓄冷器に充填された複数個の前記蓄冷材粒子の投影像の周囲長さをＬとし、前記投影像の実面積をＡとしたとき、４πＡ／Ｌ
２
で表される円形度Ｒが０．５以下である前記蓄冷材粒子の比率が５％以下である、請求項１ないし請求項６いずれか一項記載の２段式の蓄冷型極低温冷凍機。
【請求項８】
前記第１蓄冷材は、Ｃｕメッシュである、請求項１ないし請求項７いずれか一項記載の２段式の蓄冷型極低温冷凍機。
【請求項９】
前記第２蓄冷器は、異なる種類の蓄冷材の複数の蓄冷材充填層を含み、前記蓄冷材粒子は、前記第２蓄冷器の低温側に充填される、請求項１ないし請求項８いずれか一項記載の２段式の蓄冷型極低温冷凍機。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９いずれか一項記載の２段式の蓄冷型極低温冷凍機を備えた、クライオポンプ。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、２段式の蓄冷型極低温冷凍機、クライオポンプ、及び希釈冷凍機に関する。
続きを表示（約 1,400 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、超電導技術の発展は著しく、その応用分野が拡大するに伴って高性能かつ信頼性の高い極低温冷凍機の開発が不可欠になってきている。かかる極低温冷凍機は、高い熱効率を長期間にわたり発揮することが要求されている。
【０００３】
極低温冷凍機では、複数の蓄冷材を蓄冷器の中に収容する。例えば、蓄冷材と、蓄冷器の中を通るヘリウムガスとの間で熱交換を行うことにより、寒冷を発生させる。例えば、超電導ＭＲＩ装置やクライオポンプなどにおいては、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）方式、スターリング方式、又はパルスチューブ方式などの冷凍サイクルによる冷凍機が用いられている。
【０００４】
また、磁気浮上列車にも超電導磁石を用いて磁力を発生させるために高性能な冷凍機が必須とされている。さらに、最近では、超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）、及び高品質のシリコンウェハーなどを製造する磁界印加式単結晶引上げ装置などにおいても高性能な冷凍機が用いられている。さらに高い信頼性が期待されているパルスチューブ冷凍機の開発及び実用化も積極的に進められている。
【０００５】
また、上記したような超電導磁石やＭＲＩ装置などにおいては、使用する液体ヘリウムが蒸発するため、液体ヘリウムの補給が問題となる。近年、ヘリウムの枯渇問題が深刻化し、入手困難な状態が発生し、産業界に影響を及ぼしている。
【０００６】
この液体ヘリウムの消費量を低減し、補給などのメンテナンスの負荷を軽減するため、蒸発したヘリウムを再凝縮するヘリウム再凝縮装置が実用化され、需要が高まっている。このヘリウム再凝縮装置にも、ヘリウムを液化するために、温度を４Ｋレベルに冷却するためにＧＭ式冷凍機やパルスチューブ式冷凍機が使用されている。
【０００７】
また、ヘリウム以外のガスの液化又は液化ガスの保存時に蒸発を防ぐために、ＧＭ式冷凍機やパルスチューブ式冷凍機を使用することができる。ヘリウム以外のガスとは、例えば水素である。液化水素の沸点は約２０Ｋであるため、温度を２０Ｋ以下に保てば液化水素の蒸発を低減させることができる。
【０００８】
蓄冷材を搭載する冷凍機においては、蓄冷材が収容された蓄冷器内を、圧縮されたヘリウム（Ｈｅ）ガスなどの作動媒質が一方向に流れて、その熱エネルギーを蓄冷材に供給する。そして、蓄冷器内を膨張した作動媒質が反対方向に流れ、蓄冷材から熱エネルギーを受け取る。こうした過程での復熱効果が良好になるに伴い、作動媒質サイクルでの熱効率が向上し、より低い温度を実現することが可能となる。
【０００９】
ここで蓄冷器に搭載する蓄冷材の単位体積当たりの比熱が高いほど、蓄冷材の蓄えることが可能な熱エネルギーが増加するため、冷凍機の冷凍能力が向上する。このため、蓄冷器の低温側には低温で高い比熱を有する蓄冷材を、高温側には高温で高い比熱を有する蓄冷材を搭載することが望ましい。
【００１０】
蓄冷材はその組成に依存して、特定の温度域で高い体積比熱を示す。このため、目的とする温度領域において高い体積比熱を示す、異なる組成の蓄冷材を組み合わせることで、蓄冷能力が高まり、冷凍機の冷凍能力が向上する。
（【００１１】以降は省略されています）

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