クライオ冷凍機とは？｜主要4方式の違いと2033年57億ドルへ伸びる市場の行方 #45

クライオ冷凍機は、−150℃以下の極低温を電気だけでつくり出す冷凍機だ。世界市場は2026年の33億ドルから2033年に57億ドルへ伸びるとの予測がある。本記事では、真空・冷却機器に関わる技術者に向けて、主要4方式の違いと、AI半導体の工場を支える真空装置という最大の出口を整理する。

目次

1. クライオ冷凍機とは｜冷媒の沸点に縛られずに極低温をつくる機械

冷蔵庫や空調機は、冷媒を圧縮して液化し、蒸発させるときに熱を奪う。この蒸気圧縮式は、到達できる温度が冷媒の沸点で決まってしまい、−150℃を下回る世界には届かない。

そこで使われるのがクライオ冷凍機（Cryocooler）だ。冷媒にはヘリウムなど極低温でも気体のままでいるガスを使い、液化させずに「圧縮と膨張」を繰り返して温度差をつくる。仕組みは大きく二つに分かれる。

一つは蓄冷型で、ガスを狭い空間の中で往復させる。その間、蓄冷器（リジェネレータ）と呼ばれる細かな金属の詰め物が熱を一時的に預かり、冷たさを低温側に溜めていく。小型機の多くはこの方式だ。もう一つは循環型で、ガスを配管の中で一方向に流し、膨張タービンなどで冷やす。

−150〜−200℃は従来、液体窒素（−196℃）を運んで使う温度域だった。冷凍機なら電源さえあればその場で極低温を得られ、液体の補給や保管が要らない。これがクライオ冷凍機の本質的な価値である。

2. 主要4方式の違い｜GM・パルス管・スターリング・ブライトンの得意分野

GM（ギフォード・マクマホン）冷凍機は、蓄冷型の代表だ。空調用に大量生産されている圧縮機を転用できるため、量産実績が厚く安価に作れる。住友重機械工業の4K級機には、液体ヘリウムと同じ4.2Kで1W級の冷凍能力を持つ製品がある。最大の用途は後述するクライオポンプで、MRIや研究装置にも広く使われる。

パルス管冷凍機は、GM冷凍機の低温部にある可動部品（ディスプレーサ）を、ガスの圧力の波で置き換えたものだ。低温側に動く部品がないため振動が小さく、振動を嫌う分析装置や観測機器に向く。4K級では、改良を重ねてGM冷凍機に迫る効率まで来ている。

スターリング冷凍機は、ピストンでガスを直接圧縮・膨張させる。小型・軽量で、赤外線センサーの冷却など防衛・宇宙用途に強い。

ブライトン冷凍機は循環型で、ターボ圧縮機と膨張タービンを使い、kW級以上の大出力を担う。さらに低い温度が要る場合は、弁からガスを噴き出させて冷やすジュール・トムソン（JT）膨張を組み合わせる。

3. 市場規模｜2025年に30億ドル台、GM方式が3分の1を占める

市場予測は調査機関によって幅がある。Grand View Research社は2026年の33億ドルから2033年に57億ドル（年平均成長率8.3%）、MarketsandMarkets社は2025年の34.8億ドルから2030年に49.0億ドル（同7.1%）と見込む。現状30億ドル台、年率5〜8%で伸びるという見方は共通だ。

方式別では、Grand View Research社の整理でGM冷凍機が2025年に33.2%と最大のシェアを持つ。用途別の首位は軍事・防衛（21.5%）で、医療、宇宙、半導体が続く。突出した用途がなく、複数の産業に薄く広く支えられている。

4. AI半導体を作る真空装置｜クライオポンプがGM冷凍機の最大の出口

データセンターに並ぶAI半導体と極低温の接点は、それを作る工場の中にある。成膜（スパッタリング）やイオン注入、有機ELの蒸着といった工程は、空気をほぼ完全に抜いた高真空の中で行う。この真空をつくる装置の一つがクライオポンプだ。

クライオポンプは、GM冷凍機で数十K以下に冷やした金属板（クライオパネル）に、気体分子を凍り付かせたり吸着させたりして取り除く。水蒸気や水素まで捕まえられ、油を使わないため装置内を汚さない。アルバックの技術報告では、大型の有機EL製造装置1台に約140台のクライオポンプを使う例が紹介されている。主なメーカーには国内のアルバック・クライオや住友重機械工業、海外ではAtlas Copco傘下のEdwardsなどがある。

需要を押し上げているのは、生成AIとデータセンターへの投資だ。業界団体のSEMIは、2026年の半導体製造装置の世界販売額が過去最高の1,659億ドルに達し、2028年には2,295億ドルまで伸びると予測し、その主因にAI向け投資を挙げる。

工場の「冷やす工程」は真空だけではない。3D NANDの深い穴を掘るエッチングでは、ウエハーを低温に冷やして加工する低温エッチング（東京エレクトロンの発表では−60℃）が広がり、Lam Researchは2024年7月の発表で同方式のチャンバーが約1,000台稼働しているとした。シリコン単結晶を引き上げる装置の超電導磁石も、液体ヘリウムではなく冷凍機で直接冷やす方式が使われている。極低温を「液体で運ぶ」から「その場でつくる」への置き換えが、製造現場で進んでいる。

5. 開発課題｜蓄冷材・振動・大出力化の3つの壁

第一の壁は蓄冷材だ。金属の比熱（温まりにくさ）は低温になるほど急激に小さくなり、10K以下では蓄冷器が熱を預かりきれなくなる。これを破ったのが、エルビウム・ニッケル（Er₃Ni）などの磁性蓄冷材だ。極低温でも比熱が大きく、4K級の冷却を実用的にした。

第二は振動と保守だ。GM冷凍機は低温部に可動部品を持つため、電子顕微鏡や高感度センサーの近くでは振動が問題になり、定期的な保守も要る。パルス管冷凍機が伸びている背景には、この低振動・低保守への需要がある。

第三は大出力化と効率だ。小型の蓄冷型が得意なのはW級から数百W級までで、それ以上ではブライトン冷凍機の出番が増える。ただし極低温で高速タービンを安定して回すには、軸受や断熱に高度な技術が要る。可動部の少ない熱音響冷凍機も研究されているが、実用化はこれからだ。

6. まとめ｜クライオ冷凍機は「液体で運ぶ冷たさ」を置き換える

クライオ冷凍機の市場は派手ではないが、液体窒素や液体ヘリウムを運んで使う前提を、電源さえあれば極低温が手に入る世界へ置き換えていく。その置き換えは、AI半導体の工場の真空装置で静かに進んでいる。

方式ごとに得意な温度、出力、振動のレベルは違う。どの温度帯で、どの程度の冷凍能力を、どれだけ静かに出したいのか。この三つの軸で用途を眺め直すと、自社の技術が入り込める余地が見えてくるはずだ。

本コラムは、これまでIBLCが蓄積してきた技術・市場に関する情報をもとに、IBLC専門家チームが独自の視点で整理・考察したものです。

▼【クライオ冷凍機に関する調査】

IBLCでは、クライオ冷凍機について、技術動向や市場性の調査から、参入・事業化に向けた戦略の検討まで、専門家チームが幅広くサポートします。