45
物性測定用小 型
GM冷 凍機 の性能試験
増山新二
十
Performance Test of Small Size CIM Refrigerator for
Physical Properties Measurement
Shitti MASIVAMA
Abstract
The performance test of a sman size rettigerator has been done. Theち pe of the refrigerator
is two‐
stage Girord‐ McMahon(GD.
The electric power consumption is l.3 kW at60 Hz.
One ofthe purposes of this GM rehgerator is to usmg for physical properties measurement.
A hyb五 d type regenerator mate五 alis Elled in the 2nd‐ 8tage regenerator to obtain the cooling
temperature of 4 K level.
‐ e 2nd‐ stage of the GM rel己 gerator cooled fron■
■oom
temperature to 3.2 K in about 3.5 holl,s and the lst‐ stage telnperature was 33。 7K. The
c001ing power of the 2nd‐ stage was 50 1nW at 4.2K. It succeeded in the IIleasurement of the
resistivity characteristics depending on temperatllre of copper wire. This GM rel五
gerator
has the acryhc chamber instead of the stahiess steel chamber tO visuiahzing the 2nd‐ stage.
It win be enabled to carry outュ any experiments.
Kё ywords:Sman size GM rettigerato■ 4 K level,Physical properties measurement
1.は
じめ に
一 般 的 に 冷 凍 機 と呼 ばれ て い る もの は 、 150K
以 下 の 冷 凍温 度 を対 象 と して いる。 また 、そ の 冷
凍機 を動 作す るた め に必 要 な所 要 電 力が約 10kW
以 下 の も の を小型 冷 凍機 と い う。 小型 冷 凍機 は、
蓄 冷器 を用 い る方 式 と向流型 熱 交 換器 を用 い る方
式 に大 別 で き る。 本研 究 に用 い られ た 冷 凍機 は、
比較 的 小 型 の 実験 に 向 いて い る 蓄 冷器 方式 を利 用
した もので 、冷 凍 サ イ クル と して は 1959年 、
WE.
H.0.McMahonに よ り開発 [1]さ れ た
McMahon リトイ ク リレて,あ り 、Gifford‐
McMahon冷 凍機 、 また は GM冷 凍機 と呼 ばれ て
Giffordと
Gifford‐
い る。
近 年 、小型 冷 凍機 は、宇 宙 開発 や 衛 星通 信 、半
導体 製造 用 真 空装 置や 赤 外 線 セ ンサ の 冷却 、 また
超 電 導 体 の 冷 却 な どの 分 野 で 利 用 され て い る。
GM冷 凍機 は 、構 造 が簡 単 で 信頼 性 が 高 い ことよ
り、現 在 もっ と も普 及 して い る 冷 凍機 の一 つ で あ
る。
本研 究 で は、極 低 温 まで 冷却 可 能 な GM冷 凍機
を 使 用 し、そ の 性 能 試 験 お よび物 性 測 定 をお こな
った。
*電 子機械 工学科
2.GH冷 凛機
図 1に GM冷 凍機 の概略 図を示す。本研究 に使
用 した GM冷 凍機 は二つの冷却 ステ ー ジを持 ち、
2段 GM冷 凍機 と呼ばれて いる。 図左側 の冷凍機
部 は、肉薄ステ ンレスの シ リンダ内にデ ィスプ レ
ー サが 挿入 されてお り、そ の 内部 に蓄 冷器 がセ ッ
トされて い る。 さ らにそ の 内部 に冷却温度 と大 き
な関係 を持つ 蓄冷材が充填 されて いる構造 である。
1、 2段 デ ィス プ レー サ は同軸 上 に配置 されてお り、
シ リンダ内を上下 に往復運動 して、作業ガス の移
動 をお こな って い る。 この冷凍機部が室温 に置か
れた コ ンプ レ ッサ とフ レキ シブルチュープを介 し
て接続 され、 高 。低圧 ガスの出 し入れがお こなわ
れている。通 常 、作業 ガス には不活性気体 である
ヘ リウム 4を 使用す る。
蓄冷式冷凍機 の最低到達温度 を左右す る大 きな
要 因 の一つ と して、蓄 冷器 内 に充填 される蓄冷材
の物性値 、特 に体積 比熱が挙 げ られ る。膨張空 間
で 冷や されたガスは蓄冷材 と熱交 換 を しなが ら吐
出 され るため、蓄冷材 の 比熱が低温側 で大 きい こ
とは、 冷凍機 の到達温度 を低下 させ るため に有効
に働 く。通常 、2段 GM冷 凍機 の蓄冷材 として、
2004年 8月 25日 受付
46
独 立行政法人 国 立 高等 専門学校機構 大島商船 高等専 門学校紀要
1段 目に銅 メ ッ シ ュ、 2段 目に鉛 球 が 使用 され て
い る。図
2に 、銅 、鉛 お よび ヘ リウム の体 積 比熱
の 温 度依 存 性 を示 す 。 この 図か ら分 か るよ うに、
室 温 か ら 40K程 度 の 温 度 領 域 を補 う 1段 目蓄 冷材
に は銅 が 、そ れ 以下 の 温 度 用 域 を補 う 2段 目蓄 冷
材 に は鉛 が 適 して いる 。 しか しな が ら、鉛 の 比熱
冷器 が 開発 [8]さ れ た。 これ は、磁 性体 の比 熱 の ビ
ー クは半値 幅 が狭 く、40K程 度 の 広 い温 度 領域 に
渡 って 動作 す る蓄 冷器 を 一 種類 の磁性 体 で カバ ー
す るの は 困難 とな るた めで あ る。 本 冷凍機 と同様
に、近 年 で は 4K程 度 の 到達 温 度 を持 つ GM冷 凍
機 で は、 2段 目蓄 冷器 にハ イ プ リッ ト型が 使 用 さ
れ て い る。
〓 ︼ 曰
●
贅
ｏヽ ０● ヨ ０＞
” く コ 一■ 工 世﹄● お 一
は温度 の低下 とともに減少 す る。それ に対 し、10K
以下 の温度領域 で は、 ヘ リウム の 比熱 が急激 に上
昇す るため、鉛 の熱容量 で は補 いきれ な くなる。
したが つて、 2段 ロステー ジの到達温度 は、鉛 の
熱 容 量 とヘ リウム の比 熱 が温 度 的 につ りあ った
10K程 度が限界 とな って いた。
第 37号 (2004)
Tentperatu“ (K}
図
図
l GM冷 凍機 の概 略 図
3
各 種磁 性 体 の 比熱 の 温 度 依 存 性
本 研 究 で 使 用 し た 2段 GM冷 凍 機 は
SRDK‐ 101D、 コ ンプ レ ッサ は CNA‐ 11で 、 い ず
れ も住 友 重 工 業株 式 会 社 (SHI)製 で あ る。 2段
ロステ ー ジ 冷 凍能 力 は、4.2Kで 0。 lWの 仕 様 とな
が
穴Ｙ
ンプ レッサ の 消 費電 力が 60Hzの 周 波 数 で 1.3kW
で あ り、 また空 冷 タイ プで あ るた め、実験 。計測
が
が 手軽 にお こな え る ことで あ る。外 観写 真 を図 4
に 示 す 。従 来 は、図 1に 示 した よ うに、冷却 ステ
２
０
・
ー ジ を下 向 き に して 使 用す る。 しか しなが ら本研
究 で は、物 性 測 定 用 に利 用す るため 、試料 を設置
︲
０
︲
８ 目 選 Ｌ ∽七 彗 コタ
■ 薔 ︸一
って いる 。 また 、冷 凍機 の 外 側 を覆 うステ ン レス
の 真 空 チ ャ ンバ ー な どは、鈴木 商館 株 式 会 社 によ
り製作 され た もので あ る。本 冷 凍機 の 特徴 は、 コ
ユ
フ
シ
ト
∵
こチ ζ
‐
Temperaturc(K)
図
2
￨「
′￨￨ ヽ
銅 、鉛 、 ヘ リウム の 体 積 比熱 の温 度依 存 性
,′
そ こで 、鉛 の 換 わ りに極 低 温 で 比熱 の ピー ク を
持 つ 磁 性 体 を蓄 冷材 に用 い る こ とが提 案 [2,3,4]さ
れ た。図 3に 、代 表 的 な磁 性 体 蓄 冷材 の比 熱 の温
度 依 存 性 [5]を 示 す 。鉛 の 比熱 が 小 さ くな る温 度 領
域 にお いて 、磁 性 体 の比熱 は非常 に大 き くな って
い る こ とが分 か る。 これ を利 用 す る こ とによ り、
GM冷 凍機 で液 体 ヘ リウム温 度 (4.2K)が 得 られ
るよ うにな った [6,7]。 さ らに、蓄 冷材 を蓄 冷器 中
の 温 度勾 配 に 準 じて 、そ の 温 度 で 比熱 の ビー クを
持 つ 磁 性 体 を層状 に重 ね る方 法 、ハ イ ブ リッ ト蓄
図
4 GM冷 凍機 の外観写真
物性 測定用小型
GM冷 凍機 の性能 試験
47
(増 山)
01234
■ヽne Khr)
図
5 2段 目冷却 ステ ー ジ
図
しやす くす るため に、逆向 きで使用 して い る。冷
凍機 の全長 は約 620mm、 幅 は約 200mmで ある。
冷凍機 と コンプ レ ッサ は、 フ レキ シブル ホ ー ス に
よ り接続 されて いる。
3.性 能 試験結果
3.1 冷却試験結果
冷却試験 は、真空チ ャ ンバ ー 内 を真空ポ ンプで
lo‐ 2Pa程 度真空 引きを してか ら、お こな った。温
度 は、 1、 2段 ロステ ー ジに取 り付 け られた シ リ
コ ンダイ オ ー ド (LakeShore D■ 470)に よ り計
測 し、そ のデ ー タを PCに 取 り込 んだ。 本冷凍機
は、 コンプ レ ッサ の電源 スイ ッチ を押 せ ば 自動運
転す る。冷凍機 の運 転速度 は 70rpmで ある。図 6
に示 す よ うに、本冷凍機 の真空チ ャ ンバ ー は、ス
テ ンレスで 冷却 ステ ー ジを覆 うタイ プ と、2段 目
ステ ー ジを 目視で きるよ うに透 明なアク リル製 の
チ ャ ンバーの 2種 類 が用意 されて い る。図 7に ス
テ ン レスチ ャ ンバ ー を使用 した ときの冷却試験結
ＦＩ
冷却試験 (ス テ ンレスチ ャ ンパ ー )
果 を示す。 冷却 開始後 、 1段 ロステ ー ジの方が速
く温度 降下 して い るが、 3時 間程度で 2段 ロステ
ー ジの温度が 低 くな って いる ことが 分かる。 これ
は室温か ら冷却す る際 に、 この温度領域では 1段
ロステ ー ジの 冷凍能 力が大 きいためで ある。冷却
開始後、3.5時 間程度で 2段 ロステ ー ジが 3.2Kと
な り、以後温度が安定 して いる。 また 1段 ステ ー
ジは 33.7Kと な った。
冷凍機 を上下反転 させて、冷 却試験、冷凍能 力
試験 をお こな った結果 、上記 の結果 と同様な性能
が得 られ た。 したが って、本 冷凍機で は、本来 の
方 向 と逆 向き に使用 して いるが 、それ による影響
は無 い ことが 確認 され た。
図 8に ア ク リルチ ャ ンバー を使用 した ときの 冷
却試験結果 を示す。冷却 開始後 3時 間程度で 2段
ロステ ー ジが 23.9K、 1段 ロステ ー ジが 39.7Kと
な った。 2段 冷凍機 を運転す る場合、 1段 ロステ
ー ジに熱 的 にア ンカ ー され た輻射 シー ル ドで 2段
ロステ ー ジを覆 い、室温 部か らの輻射熱 を低減 さ
釉 ” 蜘 ｍ ∞
？︶２ 電﹄ａｇβ
，
も
7
ヽなけ
・
'
ア ク リル
0
1234
Time∝ r)
図
6
ス テ ン レス と ア ク リル チ ャ ンパ ー
図 8
冷却試験 (ア ク リルチ ャ ンバ ー )
48
第 37号 (2004)
独 立行 政法人 国 立高等専門学校機構 大 島商船 高等専 門学校紀要
せ る構 造 が取 られ る。 しか しなが ら、本 冷 凍機 で
ア ク リル チ ャ ンバ ー を使用 した場 合 、 2段 ロステ
ー ジ を 目視 で き る よ う に、 輻 射 シー ル ドは設 置 さ
チャンバー を開なければな らな い。
350
れ て いな い。 した が って 、室 温 部 か らの輻 射熱 が
大 きな熱 浸 入 にな って い る と考 え られ る。
こ こで 、輻 射 熱 につ いて 考 え る。真 空 断熱 層 を
2 250
隔てて向かい合った二つの表面の幅射熱 6レ は
暑
Qp - oAlE{Tr4
300
1st-stage
200
2nd'stage
R 150
-Tr4) twl
(1)
日
ど 100
とな る。 こ こで 、 σはステ フ ァ ン・ ボル ツ マ ン定
数 (5.67× 10‐ 8[Jノ (K4m23)])、 ス1は 受熱 側 の 表 面積 、
3、 ■ はそ れぞ れ 高温 、低温 側 の 表 面 の 温 度 、」
50
0
0
は両 表 面 の 輻 射 率 で あ る。表 1に は、代表 的 な低
温 材 料 の 輻射 率 [9]を 示 す 。実 際 の 幅 射 率 は汚 れ な
5
10
15
TImeい
どの影 響 によ り この 表 に示 され た値 よ り大 き くな
る。本 冷 凍機 の 2段 ロステ ー ジ は、金 メ ッキ が施
図
9
20
25
)
冷 凍 機 停 止 後 の温 度 上 昇
され てお り、そ れ を考 慮 して室温 部 か らの幅射 熱
を計 算 す る と 1∼ 2W程 度 の 熱 浸 入 が あ る と予
3.2冷 凍 能 力試 験 結 果
冷 凍能 力試験 は、 2段 ロステ ー ジ に ヒー タ を設
測 され る。
置 し、温 度 コ ン トロー ラ (LakeShore 331 Tem‐
perature Controller)に よ り、任 意 の 温 度 に設 定
表
1
代表 的低温材料 の幅射率
Surface
Copper
Surface Temperature (K)
4
77
0.005
0.008
300
0.018
Gold
Silver
0.01
0.02
0.008
0.02
Aluminum
0.018
0.03
した ときの ヒー タ入 力 を測 定 しなが らお こな った。
図 10に 、2段 ロステ ー ジの冷 凍能 力結果 を示す 。
4.2Kで 50mW程 度 の
い
こ
して
を有
る
とが
冷 凍能 力
分 か る。 この 値 は メ
ー カ仕 様 よ り低 い が 、そ の理 由は、温 度 計測用 な
どの リー ド線 が室 温 部 か ら多 数導 入 され て お り、
この 結果 よ り、本 冷 凍機 は
Chromium
0.08
0.08
そ の 熱 浸 入 によ るた めで あ る と考 え られ る。また 、
20Kで の 冷 凍能 力 を測 定 す る と 2.2Wと な った。
これ は、 ア ク リル チ ャ ンバ ー を使 用 した時 の室 温
部 か らの輻射 熱 値 とオ ー ダ ニ 的 に 良 い一 致 が見 ら
Nickel
0.022
0.04
れ た。したが って 、ア ク リル 使 用 時 の 到達温 度 は、
Rhodium
0.078
輻 射 熱 が 原 因 で あ る ことが理 解 で き る。
本 結 果 よ り、 物 性 測 定 用 の 冷 凍 機 と して 、 4K
レベル まで の 冷却 が 可能 で あ る こ とが 証 明 され た。
0.07
Magnesium
Lead
Tin
Zinc
0.012
0.036
0.05
0.012
0.013
0,05
0.026
0.05
Brass
Stainless steel
0.018
>0.9
︱︱︱キ
0.033
￨
図 9に 、冷却 試 験 後 、冷 凍機 の 動 作 を止 めて か
らの 温 度 上昇 の 様 子 を示 す 。 この 結果 よ り、 2段
ス テ ー ジが 4Kレ ベ ル か ら室 温 に戻 る まで約 20
時 間か か つて い る。 た だ し、 ヒー タ によ り加熱 す
れ ば、室 温 まで戻 る時 間 は 短 くな る と考 え られ る
が 、 い ず れ にせ よ 、室 温 まで 戻 りき って か ら真 空
／′
︱
︱
開側
︱
0.017
／／
0.032
Glass paints carbon
Silver plate on Copper
Nickel plate on Copper
0.08
ノノ
0.048
０“︶“ｏ ｐ﹄ ”“ヨｏｏい ●ぃ”︶∽︱一●０
，
50 Pb 50 Sn solder
0.035
10
Tom_ture(Ю
図
10
冷凍能 力特性
1∞
物性 測定用小型
GM冷 凍機 の性能試験
4.物
性麗定結果
本 冷 凍機 を使 用 して 、室 温 か ら 4Kレ ベ ル まで 、
銅 線 の 抵 抗 率 測定 をお こな った。 使用 され た銅 線
は 、直径 0.2mm φの ポ リウ レタ ン被 覆 銅 線 で あ る。
この 銅 線 を冷 凍機 の 2段 目冷却 ス テ ー ジ に固定 さ
れ た銅 柱 に 11.42m巻 き 付 けた。 抵抗 測定 は四 端
子 法 を用 い 、室 温 部 か ら 10mAの 定 電 流 を流 し、
出 力 電 圧 をデ ジ タル マ ル チ メ ー タ
(KEITHLEY
2000)で 読 み込 み PCに 保 存 した。各温 度 で測 定
され た抵 抗 値 を式 (2)を 使 って 抵 抗 率 へ 変 換 した 。
メの =Ю ・:Ю ・d
②
ここで、ρC)[Ω ・m]は 各温度における抵抗率、
■(r)[Ω ]は 各温 度 にお け る 抵 抗 値 、 五 [m]は 銅 線
の 長 さ、 S Im2]は 銅 線 の断 面積 で あ る。
各温 度 で得 られ た抵 抗 値 を抵抗 率 に換 算 した 結
果 を図 11に 示す 。 この 図 よ り、低温 で は 抵抗 率
が 一 定 にな る と い う銅 の 特 性 が得 られ て い る こ と
が 分 か る。 また 、本 冷 凍機 によ り、 この銅 線 の 残
留 抵 抗 比 (residual resistance ratio:RRR)が
100程 度 で あ る こ とが測 定 で きた 。
lE‐ 01
5。
49
(増 山)
ま とめ
100Vで 動 作 す る 小 型 2段 GM冷
凍 機 の性 能 評
価 をお こ な っ た 。 本 結 果 よ り、 冷 凍 機 は 冷 却 開 始
後 、約
能 力は
3.5時 間 で 最 低 温 度 3.2Kに 達 した 。 冷 凍
4.2Kで 50mWで あ っ た 。
物 性 測 定 を使 用 目的 の 一 つ と して お り、 そ れ を
実 証 す る た め 銅 線 の 抵 抗 率 測 定 をお こな っ た 結 果 、
銅 の 持 つ 特 性 を得 る こ とが で き た 。
また 本 冷 凍 機 は 、 真 空 チ ャ ンバ ー の一 部 を ア ク
リル 製 の チ ャ ンバ ー に取 り替 え る こ とが で き る。
この 場 合 、 輻 射 熱 の 浸 入 に よ り、 最 低 温 度 は 高 く
な るが 、 冷 却 ス テ ー ジ を 目視 で き る た め 、 さ ま ざ
まな 実 験 をお こ な う こ とが 可 能 とな っ て い る。
な お 、 本 冷 凍 機 シス テ ム は 、 平 成
14年 度 、 教
育 充 実 設 備 費 に よ り購 入 され た もの で あ る 。
参考文献
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Ｅ Ｅ Ｅ
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1
10
100
Tempertture(Ю
図
11
銅 線 の抵抗 率特性
1000
1261,1990
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Cryocooler Con■ ,495,1991
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667,1988
[9]松 原 洋 一 :冷 凍 49,40,1973
50
独 立行政法人国 立 高等 専門学校機構 大島商船 高等専 門学校 紀要
第 37号 (2004)
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