DE69101539T2

DE69101539T2 - Magnetische Kühlvorrichtung.

Info

Publication number: DE69101539T2
Application number: DE69101539T
Authority: DE
Inventors: Masaru Inoue; Kohei Otani; Yoshiro Saji; Manabu Sato; Takao Sugioka; Tetsuo Takagi; Hiroaki Toda
Original assignee: Koatsu Gas Kogyo Co Ltd
Current assignee: Koatsu Gas Kogyo Co Ltd
Priority date: 1990-11-08
Filing date: 1991-11-06
Publication date: 1994-11-17
Anticipated expiration: 2011-11-07
Also published as: CA2055043A1; EP0487130B1; DE69101539D1; CA2055043C; US5156003A; EP0487130A1

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetische Kältemaschine, die eine magnetische Abschirmung zwischen einem Magneten, der ein Magnetfeld hoher Intensität erzeugt, und einem magnetischen Arbeitsmaterial aufweist und das magnetische Arbeitsmaterial, das in einem Magnetfeld einer Intensität von nahezu Null entmagnetisiert wird, aktiviert, um Kälte zu erzeugen.
Eine magnetische Kältemaschine, die ein adiabatisches Entmagnetisierungsverfahren, d. h. ein herkömmliches Verfahren zur Kühlung auf Ultratieftemperaturbereiche, anwendet, wird für Forschungszwecke in großem Umfang verwendet, sie wird jedoch für industrielle Zwecke in der Praxis nicht eingesetzt. Eine solche magnetische Kältemaschine weist grundsätzlich folgendes auf: einen Magneten, der ein großes Magnetfeld erzeugt, ein magnetisches Arbeitsmaterial, das bei einem adiabatischen Entmagnetisierungsvorgang Kälte erzeugt, einen Mechanismus zum wiederholten Magnetisieren und Entmagnetisieren des magnetischen Arbeitsmaterials sowie einen adiabatischen Behälter zur Aufnahme des magnetischen Arbeitsmaterials.
Als Magnet einer solchen magnetischen Kältemaschine kann ein supraleitender Magnet, der eine supraleitende Filamentspule aufweist, anstelle eines herkömmlichen Elektromagneten mit Eisenkern verwendet werden. Im Vergleich mit einer magnetischen Flußdichte von ca. 2 T, die von einem Elektromagneten erzeugt wird, kann in dem hohlen Bereich einer supraleitenden Spule ein Magnetfeld hoher Intensität von 5 T oder größer erzeugt werden.
Das magnetische Arbeitsmaterial wird adiabatisch in einem Magnetfeld hoher Intensität magnetisiert und erzeugt Wärme. In einem Magnetfeld der Intensität Null wird das Material adiabatisch entmagnetisiert und erzeugt Kälte. Gadolinium- Gallium-Granat oder Chromalaun wird als Material eingesetzt, desen Temperatur sich in Abhängigkeit von der Magnetflußdichte nahe der Temperatur von flüssigem Helium stark ändert. Außerdem werden verschiedene Materialien untersucht, die nahe der Temperatur von flüssigem Helium verwendbar sind.
Hinsichtlich der Methoden der Übertragung von Kälte, die durch Abkühlen der von dem magnetischen Arbeitsmaterial erzeugten Wärme erzeugt wird, sind verschiedene herkömmliche Methoden, wie etwa die Anwendung der Kreislaufführung von Gasen oder Flüssigkeiten, die Anwendung der Wärmeleitung von Feststoffen und ein Verfahren unter Verwendung von Wärmerohren untersucht worden.
Als Mittel zum wiederholten Magnetisieren und Entmagnetisieren des magnetischen Arbeitsmaterials stehen zwei herkömmliche Methoden zur Verfügung: ein Verfahren zur Steuerung des erzeugten Magnetfelds selbst durch wiederholtes Ein- und Ausschalten des Stroms zu einem Elektromagneten oder einer supraleitenden Spule und ein Verfahren zum wiederholten Bewegen des magnetischen Arbeitsmaterials aus einem Magnetfeldbereich hoher Intensität in einen Magnetfeldbereich niedriger Intensität in einem konstanten Magnetfeld.
Das Verfahren mit Ein-Ausschaltung des Spulenstroms wird angewandt, um eine statische magnetische Kältemaschine zu erhalten, bei der das magnetische Arbeitsmaterial ortsfest ist. Bei diesem Verfahren ist es aber schwierig, einen großen Strom ein- und auszuschalten. Bei Verwendung einer supraleitenden Spule fließt ein großer Strom auch in den elektrischen Drähten, die von der Spule zu einer äußeren Stromquelle führen, sowie in der äußeren Stromquelle selbst, wenn der Strom ein- und ausgeschaltet wird. Dadurch werden Joulesche Wärmeverluste erzeugt, und der Wärmewirkungsgrad der Kältemaschine wird verringert. Das Verfahren wird daher im wesentlichen für kleine Kältemaschinen angewandt.
Im Fall von praktisch verfügbaren magnetischen Kältemaschinen wurde ein Verfahren gründlich untersucht, bei dem eine supraleitende Spule im Dauerstrombetrieb verwendet wird, um ein Magnetfeld hoher Intensität ständig aufrechtzuerhalten, so daß das magnetische Arbeitsmaterial selbst in dem hohlen Bereich der Spule hin- und herbewegt oder gedreht oder aus der Nähe der Öffnung der Spule zu dem distalen Bereich der Spule bewegt oder gedreht wird.
Wenn aber im Fall des obigen Verfahrens mit einem Hin- und Herbewegen des magnetischen Arbeitsmaterials das magnetische Arbeitsmaterial zu einem Magnetfeld einer Intensität Null bewegt wird, muß das magnetische Arbeitsmaterial von der supraleitenden Spule weit genug in eine Position entfernt werden, in der die Intensität des Magnetfelds vernachlässigbar klein ist. Infolgedessen muß die Hin- und Herbewegungs- oder Drehbewegungsstrecke des magnetischen Arbeitsmaterials größer gemacht werden. Die Größe einer solchen Kältemaschine muß beachtlich sein, während gleichzeitig ihre Kälteerzeugungsleistung relativ gering ist.
Bei einer herkömmlichen Technologie wird die Bewegungsstrecke auf einen für die Praxis zufriedenstellenden Wert eingestellt. In diesem Fall endet der Entmagnetisierungsvorgang in dem von der Spule erzeugten Magnetfeld niedriger Intensität, und die Magnetflußdichte des magnetischen Arbeitsmaterials ist nicht Null. Wie aus dem Magnetisierungsdiagramm des Carnotschen Kreisprozesses deutlich wird, ist der Kälteerzeugungs-Wirkungsgrad der herkömmlichen Kältemaschine geringer als der einer idealen Kältemaschine, bei der die Entmagnetisierung in einem Magnetfeld der Intensität Null erfolgt.
Als herkömmliche Technologie, bei der die Bewegungsstrecke des magnetischen Arbeitsmaterials verkürzt ist und die Entmagnetisierung in einem Magnetfeld der Intensität Null durchgeführt wird, ist ein Verfahren beispielsweise gemäß US-PS 4 554 790 bekannt, wobei eine Hilfsspule, die koaxial in der Nähe der supraleitenden Hauptspule zur Erzeugung eines Magnetfelds hoher Intensität für die Magnetisierung angeordnet ist, ein entgegengesetztes Magnetfeld erzeugt, das das von der Hauptspule erzeugte Magnetfeld aufhebt, so daß durch die Aufhebung ein Magnetfeldbereich der Intensität Null an einer Position sehr nahe der Öffnung der Hauptspule gebildet wird.
Im Falle der oben genannten statischen magnetischen Kältemaschine, bei der das magnetische Arbeitsmaterial ortsfest ist, ist der Typ am günstigsten, der die supraleitende Spule im Dauerstrombetrieb zur Magnetisierung und Entmagnetisierung des magnetischen Arbeitsmaterials verwendet, weil dieser Typ keine komplizierte Bewegungseinrichtung für das magnetische Arbeitsmaterial und keine Ein-Ausschalteinrichtung für den Strom der supraleitenden Spule benötigt und der Energie-Wirkungsgrad der Kältemaschine sehr gut ist.
Als Stand der Technik für diese Art von Kältemaschine zeigt die JP-Patentveröffentlichung Nr. 63-31716 eine Kältemaschine, die das magnetische Arbeitsmaterial magnetisch abschirmt und entmagnetisiert durch Festlegen des magnetischen Arbeitsmaterials außerhalb der Öffnung der supraleitenden Spule und durch Verwendung einer magnetischen Abschirmung, die hin- und herbewegbar zwischen der supraleitenden Spule und dem magnetischen Arbeitsmaterial angeordnet ist. Die flache Ebene der magnetischen Abschirmung, die in dem Dokument beschrieben ist, hat die Gestalt einer kleinen Platte, die kleiner als die Öffnungsfläche der Spule ist.
Da die plattenförmige magnetische Abschirmung kleiner als die Querschnittsfläche des Magnetfelds hoher Intensität ist, wird hinter der magnetischen Abschirmung kein magnetischer Abschirmungsraum gebildet. Es ist daher nahezu unmöglich, das magnetische Arbeitsmaterial zu entmagnetisieren. Das kann wie folgt erklärt werden: Wenn die Platte Magnetismus hoher Intensität hat, gehen die magnetischen Kraftlinien einfach durch die Platte hindurch, und wenn die Platte supraleitend ist, gehen die magnetischen Kraftlinien um die Platte herum zu ihrer Rückseite. Anders ausgedrückt, hinter einer plattenförmigen magnetischen Abschirmung kann nur dann ein magnetischer Abschirmungsraum gebildet werden, wenn der Oberflächenbereich der Platte hinreichend größer als die Querschnittsfläche der Magnetfelderzeugungsquelle ist, die vor der Platte positioniert ist.
Außerdem benötigt die statische magnetische Kältemaschine eine Wärmeschalteinrichtung, die eine wirkungsvolle Wärmeübertragung zwischen dem ortsfesten magnetischen Arbeitsmaterial und einem Wärme- und einem Kältebad erreicht. Bei einer bekannten herkömmlichen Wärmeschalteinrichtung ist eine Kristallsäule hin- und herbewegbar an dem Vorderende eines Kupferwärmeleiters angebracht, der mit einem kleinen Gaskühler verbunden ist, der als Wärmebad dient, und die Endfläche der Kristallsäule ist einer Endfläche des magnetischen Arbeitsmaterials zugewandt, so daß sie in engen Kontakt miteinander gelangen können. Ein Tieftemperatur-Wärmeschalter, der mit dem Kältebad zu verbinden ist, ist vorgesehen. Der Schalter weist ein Rohr auf, das das magnetische Arbeitsmaterial abdeckt und mit dem Kältebad verbunden ist, so daß zwischen der Oberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials und der Innenfläche des Abdeckrohrs ein Raum derart gebildet ist, daß ein Arbeitsgas keine Konvektion in dem Raum bewirkt, und die Flüssigkeitströpfchen des Arbeitsgases, die durch Abkühlen des magnetischen Arbeitsmaterials erzeugt werden, werden in dem Kältebad aufgenommen.
Der vorgenannte Wärmeschalter, der durch den engen Kontakt und die Trennung zwischen Kristallsäule und magnetischem Arbeitsmaterial wirksam ist, benötigt eine zusätzliche Hin- und Herbewegungseinrichtung für die Kristallsäule. Außerdem benötigt die vorgenannte Wärmepumpe, die das Rohr zur Abdekkung des magentischen Arbeitsmaterials aufweist, Gas als Kältemittel und weist daher Nachteile, d.h. ein langsames Betriebsverhalten und einen geringen Wirkungsgrad, auf.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer kompakten magnetischen Kältemaschine mit einer relativ hohen Kälteleistung, die eine magnetische Abschirmung zur Entmagnetisierung des magnetischen Arbeitsmaterials verwendet, um die Bewegungsstrecke (die zur Magnetisierung und Entmagnetisierung des magnetischen Arbeitsmaterials notwendig ist) des magnetischen Arbeitsmaterials oder der magnetischen Abschirmung kürzer als beim Stand der Technik zu machen. Eine weitere Aufgabe (die mit der vorstehend angegebenen im Zusammenhang steht) der Erfindung ist die Bereitstellung einer magnetischen Kältemaschine, die einen höheren Kühl-Heiz-Wirkungsgrad hat.
Diese Aufgaben können gelöst werden durch Verwendung einer rohrförmigen magnetischen Abschirmung aus einem supraleitenden Material, durch Nutzen des hohlen Bereichs des Rohrs als Entmagnetisierungsraum, durch Aufnahme des magnetischen Arbeitsmaterials in dem hohlen Bereich und durch Erhalten eines Entmagnetisierungsraums mit einem Magnetfeld einer Intensität Null selbst in dem Magnetfeld hoher Intensität innerhalb der supraleitenden Spule.
Durch die Erfindung wird also eine magnetische Kältemaschine angegeben, die folgendes aufweist: einen Magneten, der ein Magnetfeld hoher Intensität erzeugt, ein magnetisches Arbeitsmaterial und eine Hin- und Herbewegungseinrichtung, um ein wiederholtes Magnetisieren und Entmagnetisieren des Arbeitsmaterials zu ermöglichen, um Kälte zu erzeugen, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemaschine ferner eine rohrförmige supraleitende magnetische Abschirmung mit einem hohlen Bereich aufweist, der fähig ist, das magnetische Material aufzunehmen, und daß die Hin- und Herbewegungseinrichtung das magnetische Material oder die supraleitende Abschirmung hin- und herbewegt, so daß das magnetische Material abwechselnd dadurch magnetisiert wird, daß es nicht abgeschirmt wird, und dadurch entmagnetisiert wird, daß es innerhalb des hohlen Bereichs der Abschirmung abgeschirmt wird.
Die für die Hin- und Herbewegung der magnetischen Abschirmung erforderliche Antriebskraft kann weitgehend verringert werden, und eine Wärmeschalteinrichtung, die mit der Hin- und Herbewegung der magnetischen Abschirmung gekoppelt wirksam ist, kann vorgesehen sein, um die von dem magnetischen Arbeitsmaterial erzeugte Kälte wirkungsvoll zu dem das Ziel darstellenden Kältebad zu übertragen, so daß die Zahl der mechanisch bewegten Teile verringert, der Wärme-Wirkungsgrad der Kältemaschine gesteigert und die Größe der magnetischen Kältemaschine im Vergleich mit ihrer Kälteerzeugungs-Kapazität kompakt gemacht wird.
Bei einer Ausführungsform ist eine statische magnetische Kältemaschine vorgesehen, wobei die rohrförmige magnetische Abschirmung hin- und herbewegbar zwischen der supraleitenden Spule und dem magnetischen Arbeitsmaterial angeordnet ist.
Bei einer zweiten Ausführungsform ist eine nichtstatische magnetische Kältemaschine vorgesehen, bei der das magnetische Arbeitsmaterial von einer Hin- und Herbewegungseinrichtung hin- und herbewegt wird, während gleichzeitig die magnetische Abschirmung nahe dem Magneten zur Erzeugung des Magnetfelds festgelegt ist. Die magnetische Abschirmung ist in einem Magnetfeld hoher Intensität angeordnet, um den Bewegungsbereich der magnetischen Abschirmung zu verringern.
Die Figuren 1(a), 1(b), 1(c) und 1(d) zeigen das Arbeitsprinzip der statischen magnetischen Kältemaschine der ersten Ausführungsform, wobei ein magnetisches Arbeitsmaterial in dem von einer supraleitenden Spule gebildeten Magnetfeld hoher Intensität ortsfest angeordnet ist. Die Fig. 1(a) und 1(b) zeigen den Magnetisierungs- bzw. den Entmagnetisierungsvorgang, wenn der hohle Bereich der supraleitenden Spule als Magnetisierungsraum genutzt wird. Die Fig. 1(c) und 1(d) zeigen den Magnetisierungs- bzw. Entmagnetisierungsvorgang, wenn der magnetische Durchgangsraum zwischen einem Paar von gegenüberstehenden supraleitenden Spulen als ein Magnetisierungsraum genutzt wird.
Die Figuren 2(a), 2(b), 2(c) und 2(d) gleichen den Figuren 1(a), 1(b), 1(c) und 1(d) und zeigen das Arbeitsprinzip der nichtstatischen magnetischen Kältemaschine der zweiten Ausführungsform, wobei ein magnetisches Arbeitsmaterial in dem von einer supraleitenden Spule gebildeten Magnetfeld hoher Intensität und in einem von einer supraleitenden magnetischen Abschirmung gebildeten Magnetfeld der Intensität Null hin- und herbewegt wird. Die Fig. 2(a) und 2(c) zeigen den Magnetisierungszustand des magnetischen Arbeitsmaterials. Die Fig. 2(b) und 2(d) zeigen den Entmagnetisierungszustand des magnetischen Arbeitsmaterials.
Figur 3 ist eine Perspektivansicht einer rohrförmigen supraleitenden magnetischen Abschirmung, die einen Schichtaufbau aus dünnen ringförmigen Supraleiterschichten und dünnen ringförmigen Normalleiterschichten aufweist, die der ersten und der zweiten Ausführungsform gemeinsam sind.
Figur 4 zeigt die Beziehung zwischen dem supraleitenden Rohr von Fig. 3 und dem äußeren Magnetfeld des Rohrs.
Die Figuren 5(a) und 5(b) zeigen die Beziehung zwischen einer rohrförmigen supraleitenden magnetischen Abschirmung, die durch abwechselndes Laminieren von dünnen bandförmigen Supraleiterschichten und dünnen bandförmigen Normalleiterschichten gebildet ist, und dem äußeren Magnetfeld der magnetischen Abschirmung, wobei diese Beziehung der ersten und der zweiten Ausführungsform gemeinsam ist. Fig. 5(a) zeigt eine vertikale Abschirmung, und Fig. 5(b) zeigt einen Schnitt in Querrichtung durch die supraleitende magnetische Abschirmung.
Figur 6 ist ein Schnitt eines Beispiels der statischen magnetischen Kältemaschine der ersten Ausführungsform, wobei der Magnetisierungszustand der Kältemaschine gezeigt ist.
Figur 7 ist ein Teilschnitt des Entmagnetisierungsvorgangs der Kältemaschine von Fig. 6.
Figur 8 ist ein Teilschnitt des magnetischen Arbeitsmaterials und des Wärmeschaltmechanismus der ersten Ausführungsform. Fig. 8(a) zeigt den Entmagnetisierungszustand des magnetischen Arbeitsmaterials, und Fig. 8(b) zeigt den Magnetisierungszustand des magnetischen Arbeitsmaterials.
Figur 9 ist ein Teilschnitt des Tieftemperatur-Wärmebads der magnetischen Kältemaschine der ersten Ausführungsform, die im Weltraum verwendet wird.
Figur 10 ist ein Schnitt der magnetischen Tandem-Kältemaschine der ersten Ausführungsform.
Die Fig. 11(a) und 11(b) sind Schnittansichten eines weiteren Beispiels der nichtstatischen magnetischen Kältemaschine der zweiten Ausführungsform. Fig. 11(a) zeigt den Magnetisierungsvorgang des magnetischen Arbeitsmaterials, und Fig. 11(b) zeigt den Entmagnetisierungsvorgang des magnetischen Arbeitsmaterials gemäß der zweiten Ausführungsform.
Figur 12 ist ein Schnitt eines Beispiels der nichtstatischen magnetischen Kältemaschine nach der zweiten Ausführungsform.
Die erste und die zweite Ausführungsform und die durch die Ausführungsbeispiele veranschaulichte Erfindung in ihrer allgemeinen Form werden nachstehend beschrieben.
Der Aufbau der statischen magnetischen Kältemaschine der ersten Ausführungsform wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1(a), 1(b), 1(c) und 1(d) erläutert, die das Arbeitsprinzip der statischen magnetischen Kältemaschine zeigen. Die Fig. 1(a) und 1(b) zeigen einen Aufbau, bei dem eine einzige supraleitende Spule 1 als Magnet verwendet wird. In Fig. 1(a) wird der hohle Bereich der supraleitenden Spule 1 als Entmagnetisierungsposition verwendet, und in Fig. 1(b) wird der hohle Bereich der supraleitenden Spule 1 als Magnetisierungsposition verwendet. Ein magnetisches Arbeitsmaterial 2 ist in dem hohlen Bereich der supraleitenden Spule 1 ortsfest angeordnet.
Eine rohrförmige supraleitende magnetische Abschirmung 3 ist mit einer Hin- und Herbewegungseinrichtung (nicht gezeigt) so verbunden, daß die rohrförmige supraleitende magnetische Abschirmung 3 in den hohlen Bereich der supraleitenden Spule 1 eingesetzt werden kann. Die rohrförmige supraleitende magnetische Abschirmung 3 ist außerdem mit der Hin- und Herbewegungseinrichtung so verbunden, daß der hohle Bereich 33 der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 das magnetische Arbeitsmaterial 2 aufnehmen kann. Ferner ist die supraleitende magnetische Abschirmung 3 so angeordnet, daß sie koaxial zu der supraleitenden Spule 1 bewegbar ist.
Gemäß Fig. 1(a) wird die supraleitende magnetische Abschirmung 3 aus dem hohlen Bereich der supraleitenden Spule 1 zurückgezogen, und das magnetische Arbeitsmaterial 2 wird in dem Magnetfeld hoher Intensität magnetisiert. Wenn die supraleitende magnetische Abschirmung 3 in den hohlen Bereich der supraleitenden Spule 1 von der Hin- und Herbewegungseinrichtung eingesetzt ist, wie Fig. 1(b) zeigt, ist das magnetische Arbeitsmaterial 2 in dem hohlen Bereich 33 der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 aufgenommen. Da in diesem Zustand das supraleitende Rohr das Magnetfeld am Eintritt in den hohlen Bereich 33 hindert, wird ein Magnetfeld einer Intensität von nahezu Null gebildet, und das magnetische Arbeitsmaterial 2 wird entmagnetisiert. Der Magnetisierungsvorgang gemäß Fig. 1(a) und der Entmagnetisierungsvorgang gemäß Fig. 1(b) können durch die Hin- und Herbewegung der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3, die von der Hin- und Herbewegungseinrichtung angetrieben wird, wiederholt werden. Das magnetische Arbeitsmaterial 2 erzeugt Wärme bei dem Magnetisierungsvorgang und Kälte bei dem Entmagnetisierungsvorgang. Die erzeugte Kälte wird für die Kältemaschine genutzt.
Die Fig. 1(c) und 1(d) zeigen einen Aufbau, bei dem der Raum zwischen einem Paar von koaxial angeordneten supraleitenden Spulen 1, 1' als Entmagnetisierungsposition bzw. als Magnetisierungsposition genutzt wird. Diese Konstruktion kann erhalten werden durch Verwendung eines Paars von Magnetpolen eines Elektromagneten mit Eisenkern anstelle der Verwendung des Paars von koaxial angeordneten supraleitenden Spulen 1, 1'.
Gemäß Fig. 1(c) ist die supraleitende magnetische Abschirmung 3 in dem Raum zwischen dem Paar von supraleitenden Spulen 1, 1' angeordnet und von dem magnetischen Arbeitsmaterial 2, das auf der Mittelachse der Spulen fest angeordnet ist, zurückgezogen. Das magnetische Arbeitsmaterial 2 wird daher in dem von den Spulen 1, 1' gebildeten Magnetfeld magnetisiert. Nach Fig. 1(d) ist die supraleitende magnetische Abschirmung 3 in den Raum zwischen den Spulen 1, 1' eingesetzt, so daß der hohle Bereich 33 der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 das magnetische Arbeitsmaterial 2 aufnimmt. Daher wird das magnetische Arbeitsmaterial 2 in dem Magnetfeld einer Intensität von nahezu Null in dem hohlen Bereich 33 entmagnetisiert. Somit kann das magnetische Arbeitsmaterial 2 durch die wiederholte Bewegung der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 unter Verwendung der Hin- und Herbewegungseinrichtung immer wieder magnetisiert und entmagnetisiert werden.
Der Aufbau der zweiten Ausführungsform wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 2(a), 2(b), 2(c) und 2(d) beschrieben, die das Arbeitsprinzip der magnetischen Kältemaschine der zweiten Ausführungsform zeigen. Die Fig. 2(a) und 2(b) zeigen einen Aufbau, bei dem eine einzige supraleitende Spule 1 als Magnet verwendet wird. In Fig. 2(a) wird der hohle Bereich der supraleitenden Spule 1 als Entmagnetisierungsposition genutzt, und in Fig. 2(b) wird der hohle Bereich der supraleitenden Spule 1 als Magnetisierungsposition genutzt. Eine rohrförmige supraleitende magnetische Abschirmung 3 ist nahe der Öffnung der supraleitenden Spule 1 koaxial zur Spule 1 angeordnet und festgelegt. Ein magnetisches Arbeitsmaterial 2 wird von einer Hin- und Herbewegungseinrichtung (nicht gezeigt) wiederholt von der Magnetfeldposition hoher Intensität in dem hohlen Bereich der supraleitenden Spule 1 zu der Position in dem hohlen Bereich 33 der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 bewegt. Das magnetische Arbeitsmaterial 2 wird in dem Magnetfeld hoher Intensität in dem hohlen Bereich der supraleitenden Spule 1 magnetisiert und wird in dem hohlen Bereich 33 der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 entmagnetisiert.
Die Fig. 2(c) und 2(d) zeigen einen Aufbau, bei dem das Magnetfeld hoher Intensität auf der Mittelachse eines Paars von supraleitenden Spulen 1, 1' in dem Raum zwischen dem Paar von supraleitenden Spulen 1, 1' als Magnetisierungsposition genutzt wird und der hohle Bereich 33 der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3, die in einer außermittigen Position zwischen dem Paar der supraleitfähigen Spulen 1, 1' angeordnet und festgelegt ist, als Entmagnetisierungsposition genutzt wird. Das magnetische Arbeitsmaterial 2 wird zwischen den beiden Positionen von einer Hin- und Herbewegungseinrichtung (nicht gezeigt) wiederholt bewegt.
Nachstehend werden die technischen Merkmale erläutert, die der ersten und der zweiten Ausführungsform gemeinsam sind.
Die einfachste supraleitende magnetische Abschirmung, die bei der Erfindung verwendet wird, ist ein einzelnes supraleitendes Rohr. Die magnetischen Kraftlinien eines äußeren Magnetfelds gehen nicht durch ein solches supraleitendes Rohr und seinen hohlen Bereich, und zwar unabhängig davon, ob die magnetischen Kraftlinien zu der Mittelachse des Rohrs parallel oder senkrecht sind, und in dem hohlen Bereich wird ein Magnetfeld einer Intensität von nahezu Null gebildet. Die Erklärung hierfür ist, daß ein Strom, der ein Magnetfeld erzeugt, das das äußere Magnetfeld aufhebt, in dem Innenquerschnitt des Rohrs senkrecht zu den magnetischen Kraftlinien fließt und verhindert, daß das äußere Magnetfeld durch den Supraleiter und seinen hohlen Bereich geht.
Die Erfindung verwendet eine rohrförmige supraleitende magnetische Abschirmung, weil das supraleitende Rohr selbst das Magnetfeld hoher Intensität ohne weiteres abschirmen kann, das die magnetischen Kraftlinien hat, deren Richtung mit der Mittelachsenrichtung des hohlen Bereichs des supraleitenden Rohrs ausgefluchtet ist. Wenn als magnetische Abschirmung nur eine rohrförmige magnetische Substanz hoher Intensität verwendet wird, können die magnetischen Kraftlinein leicht durch den hohlen Bereich der magnetischen Substanz gehen, so daß das Magnetfeld hoher Intensität erhalten bleibt und das magnetische Arbeitsmaterial überhaupt nicht entmagnetisiert wird.
Ferner verwendet die Erfindung das äußere Magnetfeld außerhalb des supraleitenden Rohrs als einen Magnetisierungsraum und nutzt außerdem das Magnetfeld der Intensität Null in dem hohlen Bereich des Rohrs als Entmagnetisierungsraum. Mit dieser Konstruktion können die Magnetisierung und die Entmagnetisierung sehr einfach wiederholt werden, indem das magnetische Arbeitsmaterial zwischen den Öffnungsbereich und den hohlen Bereich des Rohrs eingeführt und daraus herausgeführt wird. Es ist daher unvermeidlich, daß die Erfindung die rohrförmige supraleitende magnetische Abschirmung verwendet.
Das Rohr der supraleitenden magnetischen Abschirmung besteht aus einer Nb-Ti-Legierung oder einer Verbindung auf NbN-TiN- Basis, wenn das Rohr unterhalb der Temperatur von flüssigem Helium verwendet wird, oder besteht aus einem Typ-2-Supraleiter, wie etwa einem Oxid-Supraleiter auf der Basis von Y- Ba-Cu-O oder Bi-Sr-Cu-O, wenn das Rohr unterhalb der Temperatur von flüssigem Stickstoff verwendet wird.
Der maximale magnetische Abschirmungswert (die maximale Magnetfeldintensität des äußeren Magnetfelds, die das Magnetfeld der Intensität Null in dem hohlen Bereich aufrechterhalten kann) dieser Art von Rohr wird mit zunehmender Dicke des Rohrs größer. Im Fall eines Rohrs aus einer gleichmäßigen supraleitendne Legierung geht der Magnetfluß, der durch den Randbereich des Rohrs geht, rasch in das Innere des Rohrs und bewirkt eine teilweise Erwärmung. Dieser Magnetflußstrom erzeugt im Rohrinneren eine Kettenreaktion, und die Temperatur des supraleitenden Rohrs steigt über seine kritische Temperatur. Schließlich besteht die Gefahr, daß die Supraleitfähigkeit verlorengeht. Diese Erscheinung wird als Flußsprung ("Meißner-Ochsenfeld-Effekt") bezeichnet.
Um das Problem zu lösen, wird für die rohförmige supraleitende magnetische Abschirmung der Erfindung bevorzugt eine supraleitende magnetische Abschirmung in Gestalt eines Schichtenrohrs verwendet, das durch abwechselndes Laminieren von Supraleitern 31 (dünnen ringförmigen Stücken beispielsweise aus einer Nb-Ti-Legierung) und Normalleitern 32 (beispielsweise dünnen ringförmigen Aluminiumstücken) gemäß Fig. 3 hergestellt ist, oder eine supraleitende magnetische Abschirmung in Form eines anderen Schichtenrohrs verwendet, das durch abwechselndes Laminieren, Wickeln und Verbinden von dünnen bandförmigen Stücken von Supraleitern 31 und Normalleitern 32 (bevorzugt aus einem nichtmagnetischen Material hoher Wärmeleitfähigkeit) in der Form eines Rohrs gemäß Fig. 5 hergestellt ist. [Die vorgenannten beiden Schichtenrohre entsprechen der US-PS 4 942 379, der veröffentlichten CA-Patentanmeldung Nr. 2000104-6 und der veröffentlichten EP-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. 0365171/A1; alle diese Anmeldungen wurden von der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung eingereicht.]
Das Schichtenrohr, das dünne ringförmige Stücke aufweist, wird für den Typ der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 verwendet, die in den hohlen Bereich der supraleitenden Spule 1 gemäß den Fig. 1(a) und 1(b) oder Fig. 2(a) und 2(b) einzusetzen ist. Wie Fig. 4 zeigt, eignet sich dieser Typ dazu zu verhindern, daß die zu der Achse des Rohrs parallelen magnetischen Kraftlinien durch den hohlen Bereich 33 der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 gehen. Da jedes ringförmige Supraleiterstück zu den magnetischen Kraftlinien 9 senkrecht ist, fließt in jedem ringförmigen Stück ein Abschirmstrom, und es wird kein Magnetfeld in dem hohlen Bereich erzeugt.
Wenn das dünne ringförmige Stück dünner gemacht wird, wird das Auftreten des Flußsprunges an der dünnen Supraleiterschicht erschwert. Selbst bei Auftreten des Flußsprunges ist dieser auf das Innere des ringförmigen Stücks begrenzt. Da ferner das ringförmige Normalleiterstück zwischen den ringförmigen Supraleiterstücken das Fließen des Magnetflusses verhindert, kann die Kettenreaktion des Flußsprunges kaum auftreten. Da außerdem das ringförmige Normalleiterstück Wärme nach außen überträgt, wird die Gefahr eines Temperaturanstiegs über die kritische Temperatur verringert.
Im Fall des Schichtenrohrs, das dünne bandförmige Stücke gemäß Fig. 5(a) aufweist, fließt ein lokaler Abschirmstrom an den Schichtoberflächen des Rohrs, die Elemente haben, die zu den magnetischen Kraftlinien in dem Magnetfeld senkrecht sind, das in der zu der Mittelachse des Rohrs senkrechten Richtung existiert. Wie Fig. 5(b) zeigt, gehen die magnetischen Kraftlinien um die Oberfläche des Rohrs herum, und in dem hohlen Bereich 33 wird kein Magnetfeld erzeugt. Diese Art von Schichtenrohr, das die dünnen bandförmigen Stücke aufweist, eignet sich als rohrförmige supraleitende magnetische Abschirmung 3, die zwischen einem Paar von supraleitenden Spulen angeordnet ist, wie die Fig. 1(c) und 1(d) oder Fig. 2(c) und 2(d) zeigen.
Das Schichtenrohr der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 kann ohne weiteres eine magnetische Abschirmleistung von 5 T oder mehr haben, wenn die Dicke der dünnen Schicht einer Nb-Ti-Legierung 20 um oder weniger beträgt, die Dicke der dünnen Aluminiumschicht eebenfalls 20 um oder weniger beträgt und die Gesamtdicke aller Schichten des Laminats ca. 5 mm beträgt. Die magnetische Abschirmung 3 kann daher ohne weiteres ein Magnetfeld mit einer hohen Intensität von ca. 5 T abschirmen, das in dem hohlen Bereich der supraleitenden Spule existiert.
Als supraleitende magnetische Abschirmung 3 kann ein Sinterkörper aus vorgeformtem Supraleiteroxidpulver verwendet werden, alternativ kann ein Sinterkörper verwendet werden, der durch abwechselndes Laminieren, Wickeln und Sintern von bandförmigen dünnen Supraleiteroxidschichten und bandförmigen dünnen nichtmagnetischen Metallschichten in der Form eines Rohrs hergestellt ist. Ein solches einzelnes Sinterrohr, das durch Verwendung der Supraleiteroxidschichten hergestellt ist, hat eine ausreichende Abschirmleistung, da das Supraleiteroxid gegenüber einer Instabilitätserscheinung aufgrund des Flußsprunges auch dann unempfindlich ist, wenn die Rohrdicke größer ist.
Supraleiter, die durch Dotieren von Halogenelementen, Alkalimetallen oder Seltenerdelementen in Fulleren, das sphärische Cluster mit in sphärischer Gestalt angeordneten Kohlenstoffatomen aufweist, hergestellt sind, können ebenfalls als supraleitende magnetische Abschirmung 3 verwendet werden.
Als magnetisches Arbeitsmaterial der Erfindung wird eine Substanz, die eine große Entropieänderung bei einer Änderung der magnetischen Flußdichte und der Temperatur erzeugt, bei der Arbeitstemperatur des magnetischen Arbeitsmaterials verwendet. Bei einer Temperatur von 20 K oder weniger wird ein Gadolinium- oder Cadmiumoxid vom Granattyp verwendet. Bei einer hohen Temperatur von 20 K oder mehr wird eine Magnetsubstanz wie DyAl&sub2; oder eine Aluminiumverbindung eines Seltenerdmetalls wie RAl&sub2; verwendet.
Als magnetisches Arbeitsmaterial der Erfindung wird außerdem bevorzugt ein Schichtenkörper oder ein Wickelkörper verwendet, der dünne Magnetsubstanzschichten und dünne Wärmeleiterschichten aufweist.
Das magnetische Arbeitsmaterial muß erzeugte Wärme und Kälte mit hohem Wirkungssgrad zu dem Hochtemperatur-Wärmebad bzw. dem Tieftemperatur-Wärmebad übertragen. In dieser Beziehung ist Gd-Ga-Oxid-Granat ideal, da er eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat. Die Wärmeleitfähigkeit des magnetischen Arbeitsmaterials kann weiter gesteigert werden durch Verringern der Wärmediffusion bei Verwendung des Granats als Einkristall und Bilden einer Silberschicht auf der Außenfläche des Kristalls. Aufgrund der abrupten Änderung im Magnetfeld bei den Magnetisierungs- und Entmagnetisierungsvorgängen fließt jedoch ein Wirbelstrom in der Silberschicht und erzeugt geringfügige Joulesche Wärme, so daß der Wärmewirkungsgrad bei dem Entmagnetisierungsvorgang verringert wird.
Da das magnetische Arbeitsmaterial der ersten Ausführungsform ein Schichtenkörper oder ein Wickelkörper ist, der dünne Magnetsubstanzschichten und dünne Wärmeleiterschichten aufweist, kann die Erzeugung von Wirbelstrom weitgehend dadurch verringert werden, daß die Richtung parallel zu den Schichten mit der Richtung der magnetischen Kraftlinien nahezu ausgefluchtet wird, und zwar auch bei Verwendung solcher Silberschichten als dünne Wärmeleiterschichten.
Wenn unter dieser Bedingung die Richtung der Oberfläche der Schicht mit der Richtung des Wärmeschalters nahezu ausgefluchtet ist, wird die Wärmeleitung von der Magnetsubstanz zu dem Wärmeschalter gesteigert. Wenn diese Art von Schichtenkörper oder Wickelkörper verwendet wird, um ein rohrförmiges magnetisches Arbeitsmaterial zu bilden, ist es möglich, das magnetische Arbeitsmaterial so anzuordnen, daß die Richtung der Mittelachse der Säule (parallel zu der Oberfläche der dünnen Schicht) mit der Richtung der magnetischen Kraftlinien und der Wärmeleitungsrichtung ausgefluchtet wird. Selbst wenn die Höhe des Rohrs relativ größer gemacht wird, wird die Wärmeleitung nicht beeinträchtigt.
Ein Verfahren zur Herstellung des Schichtenkörpers weist folgendes auf: Herstellen z. B. einer Silberschicht als dünne, gut wärmeleitfähige Schicht und z. B. einer dünnen Silber-Granatschicht durch Vakuumaufdampfen von Gd-Ga-Oxid auf die Silberschicht zur Bildung der dünnen magnetischen Schicht, Laminieren dieser Schichten in einer Vielzahl von Schichten und Heißpressen des Laminats, um einen Schichtenkörper zu bilden. Stattdessen können auch die schichtförmigen Bänder verwendet werden, die durch Abscheiden des genannten Granats auf den bandförmigen Silberschichten, Wikkeln, Erwärmen und Glühen erhalten werden, um den Wickelkörper zu bilden.
Ein System, bei dem ein Übertragungsstab, der an der supraleitenden magnetischen Abschirmung oder dem magnetischen Arbeitsmaterial befestigt ist, direkt mit der Untersetzungsgetriebewelle eines Motors über eine Kurbelwelle, einen Nokkenmechanismus oder einen Hebelmechanismus verbunden ist, oder ein System, bei dem ein Antriebsstab mit dem Kolben eines Hydraulikzylinders direkt verbunden ist, wird als Hin- und Herbewegungseinrichtung verwendet. Jedes dieser Systeme benötigt einen Mechanismus, der die Übertragungsstange rasch bewegt und der anhält, um die Stange für eine konstante Zeitdauer in dem Entmagnetisierungs- bzw. dem Magnetisierungsvorgang zu halten.
Die erste Ausführungsform wird nachstehend weiter erläutert. Die magnetische Kältemaschine der ersten Ausführungsform betrifft eine statische magnetische Kältemaschine, die die supraleitende Spule 1 zur Erzeugung eines Magnetfelds hoher Intensität und das magnetische Arbeitsmaterial 2 aufweist, das in dem hohlen Bereich der supraleitenden Spule 1 angeordnet ist, wie die Fig. 1(a) und 1(b) zeigen. Unter Bezugnahme auf diese Figuren unterliegt während der Hin- und Herbewegung der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 zwischen dem hohlen Bereich der supraleitenden Spule 1 und der Außenseite der Öffnung der Spule die supraleitende magnetische Abschirmung 3 einer hohen Elastizität, wenn sie aus einem Magnetfeld geringer Intensität zu einem Magnetfeld hoher Intensität bewegt wird. Die Hin- und Herbewegungseinrichtung benötigt daher eine sehr große Betätigungskraft.
Zur Lösung dieses Problems bei der magnetischen Kältemaschine der ersten Ausführungsform ist die rohrförmige supraleitende magnetische Abschirmung 3 in dem hohlen Bereich der supraleitenden Spule 1 so angeordnet, daß die Abschirmung 3 innerhalb des Bereichs zwischen beiden Öffnungsenden des hohlen Bereichs der supraleitenden Spule 1 sich so hin- und herbewegen kann, daß der hohle Bereich der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 das magnetische Arbeitsmaterial 2 aufnehmen kann. Bei dem Magnetisierungsvorgang wird die supraleitende magnetische Abschirmung 3 innerhalb des Bereichs zwischen beiden Öffnungsenden von der Hin- und Herbewegungseinrichtung so hin- und herbewegt, daß der Entmagnetisierungsvorgang, bei dem das magnetische Arbeitsmaterial 2 in dem hohlen Bereich der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 aufgenommen und entmagnetisiert wird, und der Magnetisierungsvorgang, bei dem das magnetische Arbeitsmaterial 2 aus dem hohlen Bereich herausbewegt und magnetisiert wird, wiederholt werden.
Selbst wenn dabei der hohle Bereich 33 der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 bei dem Vorgang der Aufnahme des magnetischen Arbeitsmaterials 2 und bei dem Vorgang des Wegbewegens von dem magnetischen Arbeitsmaterial 2 bewegt wird, ist die supraleitende magnetische Abschirmung 33 in dem hohlen Bereich der supraleitenden Spule 1 angeordnet. Daher ragt die supraleitende magnetische Abschirmung 3 nicht nach außen durch die Öffnungsenden des hohlen Bereichs der supraleitenden Spule 1. Da in dem hohlen Bereich der Solenoidspule der supraleitenden Spule 1 ein nahezu gleichförmiges Magnetfeld gebildet wird, wird auf den Supraleiter keine magnetische Kraft aufgebracht, selbst wenn die magnetische Abschirmung, d.h. ein Supraleiter, parallel zur Richtung der magnetischen Kraftlinien in dem gleichförmigen Magnetfeld bewegt wird. Daher kann die Antriebskraft der Einrichtung zum Hin- und Herbewegen der magnetischen Abschirmung in dem hohlen Bereich der Solenoidspule klein gemacht werden.

Beispiel der ersten Ausführungsform

Ein Beispiel der ersten Ausführungsform wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Fig. 6 ist ein Schnitt durch die statische magnetische Kältemaschine der ersten Ausführungsform mit einer Kälteerzeugungs-Kapazität, um Kälte unterhalb der Temperatur von flüssigem Helium zu erzeugen. Eine supraleitende Spule 1 ist in einem adiabatischen Gefäß 8, das mit flüssigem Helium gefüllt ist, fest angeordnet, eine rohrförmige supraleitende magnetische Abschirmung 3 ist in dem hohlen Bereich der Spule 1 an Tragstäben 71 aufgehängt, die durch den oberen Deckel 81 des Gefäßes 8 gehen, und eine Hubeinrichtung (nicht gezeigt) ist mit den Tragstäben 71 verbunden, so daß die magnetische Abschirmung 3 nach oben und unten bewegbar ist.
An der unteren Oberfläche des oberen Deckels 81 ist ein Schutzrohr 28, das von dem oberen Deckel 81 nach unten verläuft, fest angeordnet, so daß das Schutzrohr 28 durch den hohlen Bereich der magnetischen Abschirmung 3 geht. Der innere obere Bereich des Schutzrohrs 28 bildet ein Hochtemperatur-Flüssigkeitsbad, das mit flüssigem Helium durch Öffnungen 45 gefüllt ist, die fähig sind, die Zirkulation von flüssigem Helium aus dem adiabatischem Behälter 8 durch Konvektion zuzulassen. Das flüssige Helium erreicht einen Innenraum, in dem der Abdichtendabschnitt 42 des Hochtemperatur-Flüssigkeitsbads von einer magnetischen Substanz 44 abgedichtet ist.
An dem unteren Bereich des Schutzrohrs 28 ist ein zylindrisches magnetisches Arbeitsmaterial 2 von einem adiabatischen Kugellager 61 auf- und abbewegbar gehalten. Ein Balg 43, dessen eines Ende mit dem Basisbereich 62 des Lagers 61 verbunden ist, ist so angeordnet, daß das andere Ende des Balgs 43 mit dem unteren Bereich des magnetischen Arbeitsmaterials 2 verbunden ist, um ständig eine elastische nach unten gerichtete Kraft auf das magnetische Arbeitsmaterial 2 aufzubringen. Die äußere Oberfläche des Abdichtendbereichs des vorgenannten Hochtemperatur-Flüssigkeitsbads ist nahe an der oberen Oberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials 2 dieser zugewandt angeordnet, um einen Hochtemperatur-Wärmeschalter zu bilden.
Am Boden des Schutzrohrs 28 ist ein Tieftemperatur-Flüssigkeitsbad 51 fest angeordnet, und ein Wärmeleiter 64 ist an dem oberen Bereich des Tieftemperatur-Flüssigkeitsbads 51 hermetisch angebracht. Die obere Oberfläche des Wärmeleiters 64 ist nahe der unteren Oberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials 2 angebracht und daher mit ihr in Kontakt bringbar zugewandt, um einen Tieftemperatur-Wärmeschalter zu bilden. An der unteren Oberfläche des Wärmeleiters 64 ragt eine Wärmeübertragungssäule 54 zur Übertragung von Kälte in das Tieftemperatur-Flüssigkeitsbad 51. Mit dem Tieftemperatur- Flüssigkeitsbad 51 sind ein schmales Rohr 55 zur Zuführung von Heliumgas und ein schmales Rohr 56 zum Ablassen von Heliumgas verbunden.
Der innere untere Bereich des Schutzrohrs 28 wird auf einem Hochvakuum gehalten. Die Hochtemperatur-Wärmeschalteinrichtung, das magnetische Arbeitsmaterial 2, die Tieftemperatur- Wärmeschalteinrichtung und das Tieftemperatur-Flüssigkeitsbad 51 befinden sich unter Vakuum- und adiabatischen Bedingungen.
An der Aufwärtsbewegungsgrenze der Hubeinrichtung muß das Unterende der supraleitenden magnetischen Abschirmung auf eine Position eingestellt sein, die höher als die magnetische Substanz 44 des Hochtemperatur-Wärmeschalters ist. Am Unterende der Hubeinrichtung muß der hohle Bereich der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 auf eine Position eingestellt sein, in der der hohle Bereich sowohl die magnetische Substanz 44 des Hochtemperatur-Wärmeschalters als auch das magnetische Arbeitsmaterial 2 aufnehmen kann, wie Fig. 7 zeigt.
Die Höhe und der Bewegungshub der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 können somit auf der Basis der Addition der Längen der magnetischen Substanz 44 und des magnetischen Arbeitsmaterials 2 grob festgelegt werden. Außerdem ist die supraleitende Spule 1 eine Solenoidspule, die so geformt ist, daß ihre Höhe (die Strecke zwischen den Öffnungsenden des hohlen Bereichs der Spule) größer als die Summe der Höhe und des Bewegungshubs der magnetischen Abschirmung ist.
Bei diesem Beispiel ist die supraleitende Spule 1 durch Wikkeln von Nb-Ti-Legierungsdrähten hergestellt.
Die supraleitende magnetische Abschirmung 3 ist ein Schichtenkörper, der eine Vielzahl von ringförmigen Stücken von Nb-Ti-Legierungsfolie und eine Vielzahl von ringförmigen Stücken von Aluminiumfolie aufweist, und wird von flüssigem Helium gekühlt und in einem supraleitenden Zustand gehalten.
Das magnetische Arbeitsmaterial 2 ist eine einkristalline Säule aus Gd-Ga-Oxidgranat, und seine Außenfläche ist mit einer Silberschicht 24 belegt, um seine Wärmeleitung zu steigern. Die Silberschicht 24 kann entfallen, um eine Wärmeerzeugung infolge von Wirbelstrom bei den Magnetisierungs- und Entmagnetisierungsvorgängen zu vermeiden. Außerdem ist die Oberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials 2 mit einer Silberschicht oder einer dünnen Kristallplatte belegt. Die magnetische Substanz 44 des Hochtemperatur-Wärmeschalters besteht ebenfalls aus Gd-Ga-Oxidgranat. Ein Kristall wird als Wärmeleiter 64 verwendet. Außer dem Kristall ist auch ein Silberring als Wärmeleiter 64 geeignet.
Fig. 6 zeigt den Magnetisierungsvorgang der magnetischen Kältemaschine der ersten Ausführungsform. Dabei wird die supraleitende magnetische Abschirmung 3 von der Hubeinrichtung (nicht gezeigt) bis zu ihrer oberen Bewegungsgrenze gehoben, und das magnetische Arbeitsmaterial 2 wird durch das Magnetfeld hoher Intensität der supraleitenden Spule 1 magnetisiert und erzeugt Wärme. Die magnetische Substanz 44 des Hochtemperatur-Wärmeschalters wird ebenfalls magnetisiert.
Da das magnetische Arbeitsmaterial 2 an die untere Oberfläche der magnetischen Substanz 44 gegen die Elastizität des Balgs 32 angezogen wird und mit der unteren Oberfläche in Kontakt gelangt, wird die Wärme des magnetischen Arbeitsmaterials 2 zu der magnetischen Substanz 44 geleitet und von dem flüssigen Helium in dem Abdichtendabschnitt 42 des Hochtemperatur-Flüssigkeitsbads 41 absorbiert, und das magnetische Arbeitsmaterial 2 wird gekühlt.
Da andererseits ein Zwischenraum G zwischen der Wärmeleiterscheibe 64 des Tieftemperatur-Wärmeschalters und der unteren Oberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials 2 gebildet wird, wird aufgrund der Magnetisierung erzeugte Wärme nicht zu dem Tieftemperatur-Flüssigkeitsbad 51 geleitet.
Fig. 7 zeigt den Entmagnetisierungsvorgang, bei dem die supraleitende magnetische Abschirmung 3 von der Hubeinrichtung bis zu ihrem unteren Bewegungsende gesenkt wird. Dabei wird das magnetische Arbeitsmaterial 2 in dem hohlen Bereich der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 aufgenommen, wird entmagnetisiert und erzeugt Kälte. Da die magnetische Substanz 44 des Hochtemperatur-Wärmeschalters ebenfalls entmagnetisiert wird, wird die Anziehungskraft zwischen der magnetischen Substanz 44 und dem magnetischen Arbeitsmaterial 2 geringer. Infolgedessen wird das magnetische Arbeitsmaterial 2 von der Elastizität des Balgs 43 zurückgezogen, und der Zwischenraum G wird über der oberen Oberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials 2 gebildet, und die Kälte wird von dem Hochtemperatur-Flüssigkeitsbad 41 nicht abgeführt.
Da andererseits die Wärmeleiterscheibe 64 des Tieftemperatur-Wärmeschalters überhaupt nicht auf die magnetischen Kraftlinien wirkt, gelangt die Scheibe 64 durch die Schubkraft des Balgs 43 in Kontakt mit der unteren Oberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials 2. Die Kälte des magnetischen Arbeitsmaterials 2 wird zu der Wärmeleiterscheibe 64 und zu der Wärmeübertragungssäule 54 geleitet und kühlt und verflüssigt das Heliumgas in dem Tieftemperatur-Flüssigkeitsbad 51, und das flüssige Helium sammelt sich in dem Flüssigkeitsbad.
Die oben erläuterten Magnetisierungs- und Entmagnetisierungsvorgänge können durch einfaches Wiederholen der Auf- und Abbewegung der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 wiederholt werden, und die Temperatur des flüssigen Heliums in dem Tieftemperatur-Flüssigkeitsbad 51 kann unter die Beharrungsstemperatur des ultrafluiden Heliums gesenkt werden. Die erhaltene Ultratieftemperatur kann daher genutzt werden.
Wenn die Kältemaschine in einen künstlichen Satelliten eingebaut und im Zustand der Schwerelosigkeit verwendet wird, schwebt das ultrafluide Helium als Tropfen in dem Tieftemperatur-Flüssigkeitsbad 51, so daß die Gefahr besteht, daß es die Wärmeleitung zu der Wärmeübertragungssäule 54 verringert. In diesem Fall kann eine poröse Sintersubstanz aus Kupfer bevorzugt für die Wärmeübertragungssäule 54 als Träger verwendet werden, um die schwebenden Flüssigkeitstropfen in der Sintersubstanz einzufangen.
Das magnetische Arbeitsmaterial 2 der oben angegebenen magnetischen Kältemaschine wird zwar bei den Magnetisierungs- und Entmagnetisierungsvorgängen bewegt, aber da die Bewegungsstrecke nur ca. 1 mm ist, kann die magnetische Kältemaschine als eine statische magnetische Kältemaschine bezeichnet werden. Im Gegensatz zu diesem Typ wird nachstehend eine Wärmeschalteinrichtung einer Struktur beschrieben, bei der das magnetische Arbeitsmaterial 2 vollständig ortsfest ist.
Die Fig. 8(a) und 8(b) zeigen ein Beispiel einer anderen Wärmeschalteinrichtung zur Verwendung mit einer statischen magnetischen Kältemaschine. Bei dem Hochtemperatur-Wärmeschalter von Fig. 8(a) ist das magnetische Arbeitsmaterial 2 von dem adiabatischen Element 27 in dem Schutzrohr 28 festgelegt, und die magnetische Substanz 44 ist mit dem Endabschnitt des Hochtemperatur-Wärmebads 41 über den Balg 43 verbunden, um einen Hochtemperatur-Abdichtendabschnitt zu bilden.
Das Innere des Abdichtendabschnitts ist ausgebildet, um ein Fließen des Fluids in dem Wärmebad 41 zuzulassen, und die äußere Oberfläche der magnetischen Substanz 44, die am Vorderende des Abdichtendabschnitts liegt, ist dem einen Ende des magnetischen Arbeitsmaterials 2 zugewandt, so daß die äußere Oberfläche mit dem Ende in innigen Kontakt gelangen kann. Wenn kein Magnetfeld anwesend ist, ist die äußere Oberfläche der magnetischen Substanz 44 von der Endoberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials 2 durch die Schrumpfkraft eines Balgs 43 getrennt und so eingestellt, daß sie einen geeigneten Zwischenraum G hat. Da das Innere des Schutzrohrs 28 auf einem Hochvakuum und in einem adiabatischen Zustand gehalten wird, genügt ca. 1 mm als Zwischenraum G.
Bei dem Tieftemperatur-Wärmeschalter dagegen sind Supraleiter-Schichtplatten 53 mit dem Endabschnitt des Tieftemperatur-Wärmebads 51 über einen Balg 52 verbunden, um den Abdichtendabschnitt auf der Tieftemperaturseite zu bilden. Das Innere des Abdichtendabschnitts ist mit Gas gefüllt, das von dem Tieftemperatur-Wärmebad 51 zugeführt wird. Die äußere Oberfläche der Supraleiter-Schichtplatten 53 ist dem anderen Ende des magnetischen Arbeitsmaterials 2 zugewandt, so daß die äußere Oberfläche in innigen Kontakt mit dem Ende gelangen kann. Wenn kein Magnetfeld anwesend ist, ist die äußere Oberfläche der Supraleiter-Schichtplatten 53 so eingestellt, daß sie mit dem anderen Ende des magnetischen Arbeitsmaterials 2 durch die Schubkraft des Balgs 52 in Kontakt tritt.
Ferner ist an der Außenseite des Schutzrohrs 28 ein Supraleiterring 35 so angeordnet, daß das Magnetfeld um die Supraleiter-Schichtplatten 53 des Tieftemperatur-Wärmeschalters herum einen geringfügig abnehmenden Intensitätsgradienten in Richtung des Tieftemperatur-Wärmebads 51 hat.
In dem in Fig. 8(a) gezeigten Zustand befindet sich das magnetische Arbeitsmaterial 2 im Entmagnetisierungsvorgang. Die in diesem Zustand erzeugte Kälte geht durch die äußeren Oberflächen der Supraleiter-Schichtplatten 53 und kühlt das Fluid in dem Tieftemperatur-Wärmebad 51, aber die Wärmeleitung der Kälte zu dem Hochtemperatur-Wärmebad 41 ist durch den Zwischenraum G blockiert.
In dem in Fig. 8(b) gezeigten Zustand befindet sich das magnetische Arbeitsmaterial 2 im Magnetisierungsvorgang. Dabei werden sowohl das magnetische Arbeitsmaterial 2 als auch die magnetische Substanz 44 des Hochtemperatur-Wärmeschalters von den magnetischen Kraftlinien 9 magnetisiert. Da die äußere Oberfläche der magnetischen Substanz 44 aufgrund der Anziehungskraft in innigem Kontakt mit dem Arbeitsmaterial 2 ist, wird die durch die Magnetisierung erzeugte Wärme von dem Hochtemperatur-Wärmebad 41 gekühlt. Da andererseits die Supraleiter-Schichtplatten 53 des Tieftemperatur-Wärmeschalters Diamagnetismus zeigen, ziehen sich die Platten 53 in Richtung einer Verringerung des von dem genannten Supraleiterring 35 erzeugten Magnetfelds zurück, d.h. in Richtung zu dem Tieftemperatur-Wärmebad 51. Infolgedessen wird ein Zwischenraum G zwischen den Supraleiter-Schichtplatten 53 und dem magnetischen Arbeitsmaterial 2 gebildet, um den Strom der erzeugten Wärme zu dem Tieftemperatur-Wärmebad 51 und den nachfolgenden Elementen zu blockieren.
Bei der oben beschriebenen Wärmeschalteinrichtung kann das Magnetfeld, das durch die magnetische Substanz 44, das magnetische Arbeitsmaterial 2 und die Supraleiter-Schichtplatten 53 geht, auch gleichzeitig durch die Hin- und Herbewegung der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 gesteuert werden. Daher wird kein Betätigungsbereich benötigt. Die Steuerung wird mit der Hin- und Herbewegung der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 präzise gekoppelt.
Fig. 9 ist ein Schnitt durch den Umfangsbereich des Tieftemperatur-Fluidbads der magnetischen Kältemaschine der ersten Ausführungsform, die im Weltraum verwendet wird. Das Schutzrohr 28 durchsetzt die Bodenwand des adiabatischen Vakumgefäßes 8 und öffnet sich zum Weltraum. Der Bodenbereich des Fluidbads 51 besteht aus Kupfer oder Silber, die hohe Wärmeleitfähigkeit haben. Die äußere Oberfläche 511 des Fluidbads 51 ist flach, und ein als IR-Bildsensor dienendes Halbleiterbauelement ist an der flachen Oberfläche angebracht. Da die Temperatur des Bildsensors durch Verwendung von Helium als Fluid auf 1 K oder weniger gehalten wird, können extrem überlegene IR-Bilder mit geringem Wärmerauschen erhalten werden.
Fig. 10 ist ein Schnitt durch die magnetische Tandem-Kältemaschine der ersten Ausführungsform, wobei die magnetischen Arbeitsmaterialien 2, 2' wiederholt magnetisiert und entmagnetisiert werden, indem die magnetischen Arbeitsmaterialien 2, 2' in zwei Stufen verwendet werden und das Magnetfeld hoher Intensität der supraleitenden Spule 1 über die Auf- und Abbewegung einer einzigen Einheit der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 gesteuert wird. Dieses Beispiel soll flüssiges Helium erzeugen und kühlen.
In Fig. 10 wird ein kompakter Gaskühler in dem Hochtemperatur-Wärmebad 41 verwendet. Das Innere 42' des Abdichtendabschnitts, der sich am unteren Abschnitts des Bads 41 befindet, ist mit flüssigem Wasserstoff einer Temperatur von 20 K während des Betriebs gefüllt. Eine Scheibe 44' aus magnetischer Substanz DyAl&sub2; ist mit dem Vorderende des Innenraums 42' des Abdichtendabschnitts über einen Balg 43' verbunden. Das magnetische Arbeitsmaterial 2' der oberen Stufe ist an dem Schutzrohr 28 festgelegt, und die obere Oberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials 2' ist der genannten Magnetsubstanzscheibe 44' zugewandt, um einen Hochtemperatur-Wärmeschalter für das magnetische Arbeitsmaterial 2' der oberen Stufe zu bilden. Der Tieftemperatur-Wärmeschalter für das magnetische Arbeitsmaterial 2' der oberen Stufe ist durch die Scheibe 44 gebildet, die aus einer magnetischen Substanz, Gd-Ga-Granat, besteht. Die Scheibe 44 ist der oberen Oberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials 2 der unteren Stufe zugewandt, so daß die Scheibe 44 in innigen Kontakt mit der oberen Oberfläche gelangen kann.
Das magnetische Arbeitsmaterial 2 der unteren Stufe besteht aus einem Einkristall aus Gd-Ga-Granat und ist über ein adiabatisches Kugellager 61 aus Polyethylen in dem Schutzrohr 28 auf- und abbewegbar gehalten. Die obere Oberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials 2 ist der unteren Oberfläche der vorgenannten Magnetsubstanzscheibe 44 zugewandt, so daß die obere Oberfläche in innigen Kontakt mit der unteren Oberfläche gelangen kann. Außerdem ist die untere Oberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials 2 dem Wärmeleiter 64 zugewandt, der den Endbereich des Schutzrohrs 28 abdichtet, so daß die untere Oberfläche in innigen Kontakt mit dem Wärmeleiter 64 gelangen kann. Der Wärmeleiter 64 taucht in das genannte flüssige Helium ein, um das flüssige Heliumbad 51 zu kühlen.
In dem in Fig. 10 gezeigten Zustand nimmt die supraleitende magnetische Abschirmung 3 nur das magnetische Arbeitsmaterial 2 der unteren Stufe auf, und das magnetische Arbeitsmaterial 2' der oberen Stufe befindet sich im Magnetisierungsvorgang. Das magnetische Arbeitsmaterial 2' der oberen Stufe ist in innigem Kontakt mit der Magnetsubstanzscheibe 44', und die erzeugte Wärme wird zu dem Gaskühler 41 überführt. Andererseits befindet sich das magnetische Arbeitsmaterial 2 der unteren Stufe im Entmagnetisierungsvorgang, und die erzeugte Kälte kühlt das Heliumbad 51.
Wenn die supraleitende magnetische Abschirmung 3 gehoben wird, wird das magnetische Arbeitsmaterial 2' der oberen Stufe entmagnetisiert, und es wird Kälte erzeugt. Die von dem magnetischen Arbeitsmaterial 2 der unteren Stufe, das sich im Magnetisierungsvorgang befindet, erzeugte Wärme wird zum Kühlen absorbiert.
Da bei diesem Beispiel die magnetische Abschirmung 3 vollständig in dem hohlen Bereich der supraleitenden Spule 1 aufgenommen ist, wenn sich die magnetische Abschirmung 3 in ihrer oberen Bewegungsendposition befindet und wenn sie sich in ihrer unteren Bewegungsendposition befindet, kann die magnetische Abschirmung 3 sehr leicht auf- und abbewegt werden.
Nachstehend wird nun die zweite Ausführungsform beschrieben. Bei der magnetischen Kältemaschine der zweiten Ausführungsform wird ein magnetisches Arbeitsmaterial zwischen dem Magnetfeldbereich hoher Intensität eines ortsfesten Magneten und dem Magnetfeldbereich der Intensität Null des hohlen Bereichs einer ortsfesten rohrförmigen supraleitenden magnetischen Abschirmung hin- und herbewegt. Da auf das magnetische Arbeitsmaterial auch dann keine spezielle Kraft aufgebracht wird, wenn sich das magnetische Arbeitsmaterial in dem Bereich bewegt, in dem sich die Intensität des Magnetfelds ändert, benötigt die Hin- und Herbewegungseinrichtung keine spezielle Antriebskraft.
Da ferner die rohrförmige supraleitende magnetische Abschirmung eine hohe magnetische Abschirmleistung hat, wie bereits gesagt wurde, kann der hohle Bereich der magnetischen Abschirmung ein Magnetfeld der Intensität Null auch dann aufrechterhalten, wenn die supraleitende magnetische Abschirmung an einem Teil des hohlen Bereichs angeordnet und festgelegt wird, was für den Fall der Anwendung des Magnetfelds extrem hoher Intensität des hohlen Bereichs der supraleitenden Spule gilt. Infolgedessen kann die Bewegungsstrecke des magnetischen Arbeitsmaterials zwischen dem Magnetfeld hoher Intensität und dem Magnetfeld der Intensität Null kürzer als die Bewegungsstrecke der Konstruktion ohne eine solche magnetische Abschirmung gemacht werden.

Beispiel der zweiten Ausführungsform

Die Fig. 11(a) und 11(b) sind Schnittansichten der zweiten Ausführungsform. Wie die Fig. 11(a) und 11(b) zeigen, ist ein Teil der rohrförmigen supraleitenden magnetischen Abschirmung 3, die einen supraleitenden Schichtenkörper aufweist, in den unteren Teil des hohlen Bereichs der supraleitenden Spule 1 eingesetzt, und die supraleitende magnetische Abschirmung 3 ist koaxial an der Spule 1 festgelegt. Das magnetische Arbeitsmaterial 2, das an dem Vorderende der Tragstange 71 der Hubeinrichtung 7 angebracht ist, ist bewegbar angeordnet, so daß das magnetische Arbeitsmaterial 2 bis zu der oberen Bewegungsgrenze, die in dem hohlen Bereich der Spule 1 liegt, und über den oberen Öffnungsbereich der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 gehoben und zu der unteren Bewegungsgrenzposition, die in dem hohlen Bereich 33 der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 liegt, gesenkt werden kann.
Die supraleitende Spule 1 ist durch Wickeln von Nb-Ti-Legierungsdrähten gebildet, und die gesamte Spule 1 taucht in flüssiges Helium. Der hohle Bereich der supraleitenden Spule 1 erzeugt ein permantes Magnetfeld hoher Intensität aufgrund von Dauerstrom.
Die supraleitende magnetische Abschirmung 3 ist in Form eines Rohrs gebildet durch Verwendung einer Vielzahl von geschichteten Nb-Ti-Legierungsfolienlagen und einer Vielzahl von geschichteten Aluminiumfolienlagen und taucht in flüssiges Helium und ist gemeinsam mit einem Rahmen (nicht gezeigt) festgelegt, der zum festen Anordnen des Schichtenkörpers verwendet wird.
Das magnetische Arbeitsmaterial 2 ist eine einkristalline Säule aus Gadolinium-Galliumoxid-Granat. Das Äußere des magnetischen Arbeitsmaterials 2 ist mit einer Silberschicht überzogen, und das Vorderende der vorgenannten Tragstange 71 ist an der oberen Oberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials 2 fest angeordnet.
Das Hochtemperatur-Wärmebad 41 ist über der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 in dem hohlen Bereich der supraleitenden Spule 1 angeordnet. In dem hohlen Bereich 33 der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 ist ein festes Kältebad 5 angeordnet, das als das zu kühlende Tieftemperatur-Wärmebad dient. Das Hochtemperatur-Wärmebad 41 ist ein Behälter aus einer nichtmagnetischen Aluminiumplatte. An seinem unteren Bereich hat das Bad 41 einen konkaven Bereich, der das magnetische Arbeitsmaterial 2 aufnehmen kann. Gasförmiges oder flüssiges Helium zirkuliert als Kältemittel zwischen dem Behälter und einem kompakten Kühler (nicht gezeigt). Das feste Tieftemperatur-Kältebad 5 besteht aus Saphir mit überlegener Leitfähigkeit bei Ultratieftemperatur. Die Kältemaschine selber ist in einem adiabatischen Vakuumgefäß (nicht gezeigt) aufgenommen und thermisch isoliert.
An der oberen Bewegungsgrenze des magnetischen Arbeitsmaterials 2 gelangt die obere Oberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials 2 in Kontakt mit der inneren Oberfläche des Hochtemperatur-Wärmebads 41 und wird gekühlt. An der unteren Bewegungsgrenze des magnetischen Arbeitsmaterials 2 ist das magnetische Arbeitsmaterial 2 in den hohlen Bereich der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 eingesetzt, und gleichzeitig ist die untere Oberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials 2 in Kontakt mit dem festen Kältebad 5.
Wenn das magnetische Arbeitsmaterial 2 zu seiner oberen Bewegungsgrenze gehoben und dort gehalten wird, wie Fig. 11(a) zeigt, wird das magnetische Arbeitsmaterial 2 magnetisiert und erzeugt Wärme. Diese Wärme wird auf eine konstante Temperatur abgekühlt, wenn das magnetische Arbeitsmaterial 2 in Kontakt mit dem Hochtemperatur-Wärmebad 41 ist. Das magnetische Arbeitsmaterial 2 wird dann von der Hubeinrichtung 7 rasch gesenkt, wie Fig. 11(b) zeigt, und in dem hohlen Bereich 33 der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 aufgenommen und gehalten, der an der unteren Bewegungsgrenze des magnetischen Arbeitsmaterials liegt. In dieser Position wird das magnetische Arbeitsmaterial 2 entmagnetisiert und erzeugt Kälte. Diese Kälte kühlt das feste Kältebad 5 (das Tieftemperatur-Wärmebad). Wenn das magnetische Arbeitsmaterial 2 erneut gehoben wird, aus dem hohlen Bereich 33 der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 austritt und dem Magnetfeld hoher Intensität ausgesetzt wird, erzeugt das magnetische Arbeitsmaterial 2 Wärme und wird von dem Hochtemperatur-Wärmebad 41 gekühlt. Das feste Kältebad 5 (Tieftemperatur-Wärmebad) wird durch diese Hin- und Herbewegung des magnetischen Arbeitsmaterials, das von der Hubeinrichtung angetrieben wird, ständig gekühlt, und die Temperatur des Bads 5 sinkt.
Bei diesem Beispiel der magnetischen Kältemaschine kann ein Magnetfeld der Intensität Null ohne weiteres in der Position des Magnetfelds hoher Intensität sehr nahe an der supraleitenden Spule 1 gebildet werden. Infolgedessen kann die Hin- und Herbewegungsstrecke des magnetischen Arbeitsmaterials 2 verkürzt werden, und die Magnetisierungs- und Entmagnetisierungsvorgänge können idealen magnetischen Kälteerzeugungsprozessen angenähert werden.
Bei diesem Beispiel kann die Temperatur des festen Kältebads 5 auf eine Ultratieftemperatur von ca. 1 K oder weniger eingestellt werden durch Zirkulation von flüssigem Helium einer Temperatur von ca. 4 K durch das Hochtemperatur-Wärmebad 41. Wenn an der Oberfläche des festen Kältebads 5 ein IR-Bildsensor angebracht ist, kann dieses Beispiel als IR-Bildaufnahmeeinheit mit geringem Rauschen verwendet werden.
Fig. 12 ist ein Schnitt durch ein Beispiel der magnetischen Kältemaschine der zweiten Ausführungsform, wobei die supraleitende magnetische Abschirmung 3, deren Innendurchmesser demjenigen der supraleitenden Spule 1 gleicht, koaxial außerhalb des Öffnungsbereichs der supraleitenden Spule 1 angeordnet ist. Da die supraleitende magnetische Abschirmung 3 nicht in den hohlen Bereich der supraleitenden Spule 1 eingesetzt ist, kann der Innendurchmesser der supraleitenden Spule 1 verringert werden. Diese Bauart ist vorteilhaft, weil die Intensität des Magnetfelds erhöht werden kann und nahezu alle Bereiche des Magnetfelds hoher Intensität an dem hohlen Bereich der supraleitenden Spule zur Magnetisierung des magnetischen Arbeitsmaterials 2 genutzt werden können.
Bei diesem Beispiel ist ein Heliumgasbad 5 in dem hohlen Bereich 33 der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 als das zu kühlende Tieftemperatur-Wärmebad 5 angeordnet. Die Oberfläche des Heliumgasbads 5, die mit dem magnetischen Arrbeitsmaterial 2 in Kontakt ist, ist flexibel ausgebildet, um die Wärmeübertragung zu verstärken. Außerdem ist eine Pumpe 6 zur Zirkulation von Heliumgas vorgesehen, um die Temperatur im Inneren des Bads zu vergleichmäßigen. Flüssiges Heliumgas wird durch Kühlen des Heliumgasbads 5 erzeugt.

Claims

1. Magnetische Kältemaschine, die folgendes aufweist:

einen Magneten (1), der ein Magnetfeld hoher Intensität erzeugt,

ein magnetisches Arbeitsmaterial (2) und eine Hin- und Herbewegungseinrichtung, um ein wiederholtes Magnetisieren und Entmagnetisieren des Arbeitsmaterials zu ermöglichen, um Kälte zu erzeugen,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Kältemaschine ferner eine rohrförmige supraleitende magnetische Abschirmung (3) mit einem hohlen Bereich (33) aufweist, der fähig ist, das magnetische Material aufzunehmen,

und daß die Hin- und Herbewegungseinrichtung das magnetische Material oder die supraleitende Abschirmung hin- und herbewegt, so daß das magnetische Material abwechselnd dadurch magnetisiert wird, daß es nicht abgeschirmt wird, und dadurch entmagnetisiert wird, daß es innerhalb des hohlen Bereichs (33) der Abschirmung abgeschirmt wird.

2. Magnetische Kältemaschine nach Anspruch 1, wobei das magnetische Arbeitsmaterial (2) in dem Magnetfeld hoher Intensität fest angeordnet ist und die Hin- und Herbewegungseinrichtung die supraleitende magnetische Abschirmung (3) hin- und herbewegt.

3. Magnetische Kältemaschine nach Anspruch 2, wobei eine supraleitende Spule (1) das Magnetfeld hoher Intensität erzeugt, das magnetische Arbeitsmaterial (2) in dem hohlen Bereich (33) der supraleitenden Spule angeordnet ist und die rohrförmige supraleitende magnetische Abschirmung in dem hohlen Bereich der supraleitenden Spule angeordnet und in einem Bereich zwischen den offenen Enden des hohlen Bereichs der supraleitenden Spule hin- und herbewegbar ist, derart, daß der hohle Bereich der supraleitenden magnetischen Abschirmung sich hin- und herbewegen kann, um das magnetische Arbeitsmaterial abwechselnd aufzunehmen und nicht abzudecken.

4. Magnetische Kältemaschine nach Anspruch 3, wobei eine Endoberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials über eine Hochtemperatur-Wärmeschalteinrichtung mit einem Hochtemperatur-Wärmebad (41) verbunden ist, um eine Wärmeübertragung zu dem Hochtemperatur-Wärmebad zu gestatten, während die andere Endoberläche des magnetischen Arbeitsmaterials über eine Tieftemperatur- Wärmeschalteinrichtung mit einem Tieftemperatur-Wärmebad (51) verbunden ist, um eine Wärmeübertragung zu dem Tieftemperatur-Wärmebad zu gestatten.

5. Magnetische Kältemaschine nach Anspruch 4, wobei die Hochtemperatur-Wärmeschalteinrichtung derart angeordnet ist, daß das Hochtemperatur-Wärmebad von einem Fluidbad gebildet ist, das eine Ende eines Balgs (43) mit Elastizität mit dem Fluidbad verbunden ist, das andere Ende des Balgs von einer magnetischen Substanz (44) hermetisch abgedichtet ist, um einen Abdichtendabschnitt (42) zu bilden, und wobei der Abdichtendabschnitt dicht bei dem magnetischen Arbeitsmaterial angeordnet ist, so daß die Außenoberfläche des Abdichtendabschnitts der Oberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials zugewandt ist und in innigen Kontakt mit ihr gelangen kann.

6. Magnetische Kältemaschine nach Anspruch 4, wobei die Tieftemperatur-Wärmeschalteinrichtung derart ausgebildet ist, daß das Tieftemperatur-Wärmebad von einem Fluidbad gebildet ist, das eine Ende eines Balgs (52) mit Elastizität mit dem Fluidbad verbunden ist, das andere Ende des Balgs (52) von einem Supraleiter hermetisch abgedichtet ist, um einen Abdichtendabschnitt zu bilden, und wobei der Abdichtendabschnitt dicht bei dem magnetischen Arbeitsmaterial angeordnet ist, so daß die Außenoberfläche des Abdichtendabschnitts der Oberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials zugewandt ist und in innigen Kontakt mit ihr gelangen kann.

7. Magnetische Kältemaschine nach Anspruch 4, wobei die Hochtemperatur-Wärmeschalteinrichtung derart ausgebildet ist, daß das Hochtemperatur-Wärmebad (41) von einem Fluidbad gebildet ist, das Hochtemperatur- Fluidbad von einer magnetischen Substanz (44) abgedichtet ist, um einen Hochtemperatur-Abdichtendabschnitt (42) zu bilden, und wobei der Hochtemperatur-Abdichtendabschnitt (42) dicht bei dem magnetischen Arbeitsmaterial (2) angeordnet ist, so daß die Außenoberfläche des Hochtemperatur-Abdichtendabschnitts der Oberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials zugewandt ist und mit ihr in innigen Kontakt gelangen kann, und wobei die Tieftemperatur-Wärmeschalteinrichtung derart angeordnet ist, daß das Tieftemperatur-Wärmebad (51) von einem Fluidbad gebildet ist, das Tieftemperatur-Fluidbad von einer nichtmagnetischen Substanz (64) abgedichtet ist, um einen Tieftemperatur-Abdichtendabschnitt zu bilden, und wobei der Tieftemperatur-Abdichtendabschnitt dicht bei dem magnetischen Arbeitsmaterial angeordnet ist, so daß die Außenoberfläche des Tieftemperatur-Abdichtendabschnitts der anderen Oberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials zugewandt ist und mit ihr in innigen Kontakt gelangen kann, und derart, daß das magnetische Arbeitsmaterial über ein adiabatisches Lager (61) angeordnet und hin- und herbewegbar ist, das an einem Befestigungselement (62) befestigt ist, welches mit einem adiabatischen elastischen Element (43) verbunden ist, von dem das eine Ende an dem Befestigungselement oder dem befestigungsseitigen Basisabschnitt des Lagers befestigt ist, und von dem elastischen Element bei dem Entmagnetisierungsvorgang elastisch erregt wird, so daß das magnetische Arbeitsmaterial in innigen Kontakt mit der Außenoberfläche des Tieftemperatur-Abdichtendabschnitts gelangt.

8. Magnetische Kältemaschine nach Anspruch 3 oder 4, wobei das magnetische Arbeitsmaterial ein Schichtenkörper oder ein Wickelkörper ist, der dünne Schichten aus magnetischen Substanzen und dünne Wärmeleiterschichten aufweist.

9. Magnetische Kältemaschine nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei die rohrförmige supraleitende magnetische Abschirmung ein Schichtenkörper ist, der dünne ringförmige Supraleiterstücke und dünne nichtmagnetische ringförmige Metallstücke aufweist.

10. Magnetische Kältemaschine nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei die rohrförmige supraleitende magnetische Abschirmung ein Schichtenkörper ist, der durch Wickeln von bandförmigen dünnen Supraleiterschichtstücken und bandförmigen dünnen nichtmagnetischen Metallschichtstücken in die Form eines Rohrs hergestellt ist.

11. Magnetische Kältemaschine nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei die rohrförmige supraleitende magnetische Abschirmung ein pulvergeformter Sinterkörper, der aus einem oxidierten Supraleiter hergestellt ist, oder ein Sinterkörper ist, der durch Wickeln von bandförmigen dünnen oxidierten Supraleiterschichtstücken und bandförmigen dünnen nichtmagnetischen Metallschichtstücken in die Form eines Rohrs hergestellt ist.

12. Magnetische Kältemaschine nach Anspruch 1, wobei die rohrförmige supraleitende magnetische Abschirmung einen hohlen Bereich dicht bei dem Magneten hat und das magnetische Arbeitsmaterial von der Hin- und Herbewegungseinrichtung hin- und herbewegt wird, um in dem hohlen Bereich aufgenommen zu werden.

13. Magnetische Kältemaschine nach Anspruch 12, wobei die magnetische Kältemaschine folgendes aufweist:

ein Hochtemperatur-Wärmebad (41) mit einer Oberfläche, die fähig ist, zumindest mit der einen Oberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials in Kontakt zu gelangen, das in dem Magnetfeld hoher Intensität magnetisiert worden ist, und

ein Tieftemperatur-Wärmebad (51) mit einer Oberfläche, die fähig ist, mit der anderen Oberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials in Kontakt zu gelangen, das in dem hohlen Bereich der supraleitenden magnetischen Abschirmung entmagnetisiert worden ist.

14. Magnetische Kältemaschine nach Anspruch 12 oder 13, wobei das magnetische Arbeitsmaterial ein Schichtenkörper oder ein Wickelkörper ist, der dünne Schichten aus magnetischen Substanzen und dünne Wärmeleiterschichten aufweist.

15. Magnetische Kältemaschine nach Anspruch 12 oder 13, wobei die rohrförmige supraleitende magnetische Abschirmung ein Schichtenkörper ist, der dünne ringförmige Supraleiterstücke und dünne normalleitende ringförmige Metallstücke aufweist.

16. Magnetische Kältemaschine nach Anspruch 12 oder 13, wobei die rohrförmige supraleitende magnetische Abschirmung ein Schichtenkörper ist, der durch Wickeln von bandförmigen dünnen Supraleiterschichtstücken und bandförmigen dünnen nichtmagnetischen Metallschichtstücken in die Form eines Rohrs hergestellt ist.

17. Magnetische Kältemaschine nach Anspruch 12 oder 13, wobei die rohrförmige supraleitende magnetische Abschirmung ein pulvergeformter Sinterkörper, der aus einem oxidierten Supraleiter hergestellt ist, oder ein Sinterkörper ist, der durch Wickeln von bandförmigen dünnen oxidierten Supraleiterschichtstücken und bandförmigen dünnen nichtmagnetischen Metallschichtstücken in die Form eines Rohrs hergestellt ist.