JP2945153B2

JP2945153B2 - 静止型磁気冷凍機

Info

Publication number: JP2945153B2
Application number: JP3059637A
Authority: JP
Inventors: 吉郎佐治; 博章戸田; 鉄雄高木; 孝雄杉岡; 勝井上; 光平大谷; 学佐藤
Original assignee: KOATSU GASU KOGYO KK
Current assignee: KOATSU GASU KOGYO KK
Priority date: 1991-02-28
Filing date: 1991-02-28
Publication date: 1999-09-06
Anticipated expiration: 2014-09-06
Also published as: JPH04273956A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、強磁界発生用の超電導
コイルと寒冷を発生する磁性作動体との間に、励磁・消
磁過程の繰り返しを行う円筒状の磁気遮蔽体を設けて、
特に液体ヘリウム温度以下の極低温に適用される静止型
磁気冷凍機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の静止型磁気冷凍機では、超電導コ
イルが発生する強磁界中に磁性作動体が固定して配置し
てあり、その電磁石に電流を流して強磁界を発生させて
磁性作動体を励磁し、次いで、電磁石電流を遮断して、
磁性作動体を断熱消磁する方式のものが広く知られてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の静止型磁気冷凍
機は、励磁・消磁過程を繰り返すために、超電導コイル
に流す大電流の開閉を繰り返す必要があり、外部電源及
びその電源と超電導コイルとの間のリード線には、大電
流による多量のジュール熱が発生し、磁気冷凍機の熱効
率を低下させる大きな原因になっていた。このため、外
部電源やリード線の内部抵抗を極力低下させるには、電
源装置や配線が大掛かりなものとなり実用上解決すべき
問題として残されていた。

【０００４】本発明者らは、既に、超電導コイルと磁性
作動体との間に、磁性作動体を収容する中空部を有する
超電導性磁気遮蔽体を往復移動可能に配置して、磁気遮
蔽体の往復移動によって磁性作動体が強磁界中に曝露さ
れて励磁される過程と、当該磁気遮蔽体の中空部内に収
容されて消磁される過程とを繰り返す方式の静止型磁気
冷凍機を提案した（特願平２−３０５５８６号）。この
方式は、冷凍機運転中においても、超電導コイルへの電
流の開閉を全く要せず、完全に永久電流モードで使用で
き、機械的可動部としては、磁気遮蔽体を往復移動させ
る往復機構だけで足り、したがって、エネルギー効率の
高い、かつ冷凍能力に比して、コクパクトに構成できる
などの利点を有している。

【０００５】しかしながら、上記の磁気遮蔽体による静
止型磁気冷凍機においても、磁気遮蔽体を超電導コイル
の形成する磁束を切って移動させるため、往復移動に大
きな力を必要とし、従って、往復機構が大型化するとい
う難点を有していた。

【０００６】さらに、静止型磁気冷凍機には、固定され
た磁性作動体と、熱浴及び冷浴との間の熱移送を効率よ
く行う熱スイッチ機構が必要であるが、従来から熱スイ
ッチ機構として熱浴である小型のガス冷却機に接続され
た銅製の熱導体の先端部に水晶柱を往復移動可能に取付
け、当該水晶柱の端面と磁性作動体の一端面とを密接可
能に対面させて構成されたものが知られている。また冷
浴側に接続される低温側熱スイッチとしては、磁性作動
体を覆う管が冷浴槽と連通して、磁性作動体の表面と当
該被覆管の内面との間を、作動気体が対流し得ない程度
の挾隙とするように構成されており、磁性作動体の寒冷
により生じた当該作動ガスの液滴を冷浴槽に収容する方
式のものがある。

【０００７】水晶柱と磁性作動体との密着離脱による上
記熱スイッチは、別途水晶柱の往復機構を必要とし、ま
た磁性作動体を被覆する管による上記ヒートポンプ方式
は冷媒として気体を必要とし、作動が遅く、効率が低い
という難点があった。

【０００８】本発明は、上記諸問題に鑑み、超電導コイ
ルと磁性作動体との間に、超電導性磁気遮蔽体を介在さ
せて成る静止型磁気冷凍機において、当該磁気遮蔽体の
往復移動に要する駆動力を極力低減し、さらに当該磁気
遮蔽体の往復移動に連動して作動する熱スイッチ機構を
提供して、機械的可動部分が少なく、冷凍機の熱効率が
高く、その冷凍能力に比して、小型でかつコンパクトな
静止型磁気冷凍機を提供しようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の磁気冷凍機は、
強磁界を発生させる超電導コイルと当該超電導コイル
の中空部に配置された磁性作動体とから成る静止型磁気
冷凍機であるが、当該超電導コイルの中空部内には、筒
状の超電導性磁気遮蔽体が当該超電導コイルの当該中空
部の両開口面から内側の範囲内において往復移動可能に
且つ当該磁気遮蔽体の中空部に当該磁性作動体を収容す
ることができるように配置されており、当該磁気遮蔽体
を往復機構により往復移動することによって、当該磁性
作動体が当該磁気遮蔽体の当該中空部に収容されて消磁
される過程と当該中空部より抜き出されて励磁される過
程とを繰り返すようにしたことを特徴とするものであ
る。

【００１０】即ち、本発明の磁気冷凍機は、強磁界を発
生させる超電導ソレノイドコイルと、筒状の超電導性磁
気遮蔽体と、磁性作動体と、当該磁気遮蔽体を往復移動
させる往復機構とから成るものであって、当該磁気遮蔽
体は、当該ソレノイドコイルの中空部内において、当該
中空部の中心軸方向に往復移動可能に配置されており、
同時に当該磁性作動体は、当該ソレノイドの中空部であ
って、かつ当該磁気遮蔽体の中空部に収納可能に固定さ
れて構成されている。そして、当該往復機構によって、
当該磁性作動体が当該磁気遮蔽体の中空部から離脱して
当該強磁界中において励磁されて発熱する過程と、当該
磁性作動体が当該磁気遮蔽体の中空部に収容されて消磁
されて寒冷を発生する過程と、を繰り返して、その寒冷
を利用しようとする静止型の磁気冷凍機である。

【００１１】当該磁気作動体には、その一端面が高温側
熱スイッチ機構を介在させて、高温側液体浴槽と熱伝送
可能に接続され、当該磁性作動体の他端面が低温側熱ス
イッチ機構を介在させて、低温側浴槽と熱伝送可能に接
続されている。高温側熱スイッチには、上述のように熱
浴に接続された銅製の先端部に水晶柱を往復移動可能に
取付け、水晶柱の端面と磁性作動体の端面との密着・離
脱により構成される熱スイッチが利用できる。また低温
側熱スイッチには、同様に、前記のヒートポンプ方式の
ものが利用できる。

【００１２】特に本発明においては、当該高温側熱スイ
ッチ機構は、磁性体で形成された封端部が、高温側液体
浴槽に、弾性付勢を有するベローズを介して、その封端
部の内側に高温側液体が循環するように、接続されて、
且つ当該封端部の外面と当該磁性作動体の当該一端面と
が密接可能に対面するように配置されて成るものであ
る。

【００１３】また、当該低温側熱スイッチ機構は、超電
導体、特に超電導積層体で形成された封端部が低温側浴
槽に、弾性付勢を有するベローズを介して、その封端部
の内側に低温側液体が循環するように、接続されて、且
つ当該封端部の外面と当該磁性作動体の当該他端面とが
密接可能に対面するように配置されて成るものである。
当該ベローズは、消磁過程で、当該封端部を磁性作動体
に密接させるように、当該封端部に弾性力を付与するよ
うに調整される。超電導体板の背後には、即ち、当該磁
性作動体とは反対方向の当該超電導体板の近傍には、当
該超電導体板の周辺の磁界を僅かに低減させる環状の磁
気遮蔽体を配置することが好ましい。

【００１４】本発明の他の熱スイッチ機構については、
当該高温側熱スイッチ機構は、高温側熱浴が流体浴槽で
形成され、当該高温側の流体浴槽が磁性体で封止され
て、高温側封端部となし、当該高温側封端部の外面が当
該磁性作動体の表面と密接可能に対面するように当該高
温側封端部が当該磁性作動体に近接して配置されて構成
され、また当該低温側熱スイッチ機構は、低温側熱浴が
流体浴槽で形成され、当該低温側の流体浴槽が非磁性体
の熱伝導体で封止されて、低温側封端部となし、当該低
温側封端部の外面が当該磁性作動体の他の表面と密接可
能に対面するように当該低温側封端部が当該磁性作動体
に近接して配置されて構成されている。更に、当該磁性
作動体は、固定部材に固定された断熱性ベアリングを介
して往復移動自在に配置され、且つ、当該固定部材もし
くは当該ベアリングの固定側基部に一端を固定した断熱
性弾性体に接続されて、消磁過程では、当該低温封端部
の外面と密接するように当該弾性体により弾性付勢され
て成るものである。この熱スイッチ機構において、磁性
作動体の往復移動量は僅か１ｍｍ乃至１ｃｍ程度で充分
であるから、この熱スイッチ機構を利用する磁気冷凍機
はなお静止型と称して差し支えない。

【００１５】さらに、当該磁性作動体には、磁性体の薄
膜と熱伝導体の薄膜とから成るの積層体もしくは巻回体
が好ましく使用される。

【００１６】

【作用】超電導ソレノイドコイルの中空部内は、強磁界
が発生しており、当該ソレノイドコイル中に固定された
磁性作動体は励磁される。超電導体で形成された筒体
は、強磁界中にあっても、その中空部内は完全零磁界で
あるから、磁気遮蔽体として利用して、当該ソレノイド
コイルの中空部内において、当該磁気遮蔽体の中空部が
磁性作動体を収容するように配置すれば、当該磁性作動
体は消磁される。次いで、当該磁気遮蔽体の中空部から
磁性作動体が離脱するように当該磁気遮蔽体を、当該ソ
レノイドコイルの中心軸の方向に平行移動すれば、磁性
作動体は励磁される。当該磁気遮蔽体を往復機構によ
り、往復移動させることによって磁性作動体が励磁され
る過程と消磁される過程とを繰り返すことができる。超
電導コイルは、Ｎｂ−Ｔｉ合金の線やＹ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃
酸化物の銅被覆線をを巻回して、ソレノイド状にしたも
のが、超電導遷移温度以下に冷却されて使用される。ま
た、磁気遮蔽体は、当該合金や酸化物を常電導性の銅や
アルミニウムの薄板・箔との積層体にして、筒状に形成
して、同様に冷却されて、使用される。

【００１７】磁気遮蔽体は、その中空部が磁性作動体を
収容する過程と離脱させる過程とで移動しても、当該ソ
レノイドコイルの中空部内において配置されており、当
該ソレノイドコイルの中空部の開口面から外側へ突出も
しくは逸脱することがない。当該ソレノイドコイルの中
空部内は概ね一様磁場が形成されているから、当該一様
磁場中を、その磁力線方向と平行に、当該磁気遮蔽体で
ある超電導体を移動させても、超電導体には磁気作用力
は働かない。従って当該ソレノイドコイルの中空部内に
おいて、磁気遮蔽体を往復移動させる往復機構の駆動力
は、小さくて足りる。

【００１８】高温側熱スイッチ機構は、磁性作動体の励
磁過程で発生した熱を、高温側の熱浴槽に移送して逃が
し、かつ、消磁過程では、磁性作動体と高温側熱浴槽と
の熱移送を遮断する作用をする。低温側熱スイッチ機構
は、磁性作動体の消磁過程で発生した寒冷を低温側の熱
浴槽に移送して、当該熱浴槽を冷却し、かつ励磁過程で
は、当該低温側の熱浴槽とは熱的に遮断する作用を有す
るものである。

【００１９】本発明の高温側熱スイッチ機構と低温側熱
スイッチ機構とを一体に組み込まれた実施例で、熱スイ
ッチ機構を説明する。図５（Ａ）において、磁性作動体
２が保護管２８内に断熱部材２７により固定され、高温
側の熱浴槽４１の端部にベローズ４３を介して磁性体４
４が接続されて、高温側の封端部を構成し、その封端部
内には熱浴槽４１の液体が流通するようにされ、封端部
先端の磁性体４４の外面が磁性作動体２の一端と密接可
能に対面している。磁場がないときは、ベローズ４３の
収縮力により封端部先端の磁性体４４の外面は磁性作動
体２と離れて、適度の間隙Ｇが生ずるように調整されて
いる。間隙Ｇは１ｍｍ程度の狭隙で充分である。他方、
低温側の熱浴槽５１の端部には、ベローズ５２を介し
て、超電導体積層板５３が接続されて、低温側の封端部
を成し、封端部内は通常は低温側の熱浴槽５１からの気
体が充填されている。

【００２０】当該封端部の先端の超電導体積層板５３の
外面は当該磁性作動体２の他端面と密接可能に配置さ
れ、磁場がないときは、ベローズ５２の押圧力により、
超電導体積層板５３の外面は当該磁性作動体２と面接し
ているように調整されている。

【００２１】保護管２８内は常時高真空に保持されて管
内は断熱状態にある。

【００２２】図５（Ａ）に示した状態は、磁性作動体２
が消磁過程にあって、発生した寒冷は超電導体積層板５
３の外面を通過して、低温側の熱浴槽の流体を冷却する
が、高温側へは、当該間隙Ｇによって熱伝導が遮断され
ている。

【００２３】図５（Ｂ）は励磁過程を示しているが、こ
の図において、当該超電導体積層板５３の内面より高温
の熱浴の方向に当該保護管２８の外周面には、環状の超
電導体３１が固定されており、励磁過程で、当該超電導
体積層板５３の近傍の磁界を僅かに低減させるように配
置されている。励磁過程では、磁力線９により磁性作動
体２の励磁とともに高温側熱スイッチの磁性体４４が磁
化され、磁性体４４の外面は磁性作動体２と吸着されて
密接し、他方、低温側熱スイッチの当該超電導体積層板
５３は反磁性を示すので、環状の超電導体３１により磁
界の低減する方向に後退して、磁性作動体との間に間隙
Ｇを作るので、励磁によって発生した発熱は、高温側熱
浴４１にのみ移動して、磁性作動体２は冷却される。

【００２４】この熱スイッチ機構は、磁性体４４、磁気
遮蔽体２及び超電導積層板５３を透過する磁場９を、磁
気遮蔽体の往復移動により同時に制御できるから、本発
明の熱スイッチ機構は、何ら操作部を必要とせず、上記
磁気遮蔽体の往復移動のみによって、励磁・消磁過程の
繰り返しに連動して、適格に作動する。

【００２５】図６に示す熱スイッチは、磁性作動体２
が、保護管２８の内面から断熱性のボールベアリング６
１により、移動可能に保持され、高温側熱浴４１の端部
には、磁性体４４により封止され、当該磁性体４４の外
面は当該磁性作動体２の一端と密接可能に対面されてい
る。また、低温側熱浴５１の先端には熱伝導体６４によ
り封止されて、当該熱伝導体６４の外面は、磁性作動体
２の他端面と密接可能に対面している。図６（Ａ）に示
すように、消磁過程では、一端が当該ボールベアリング
６１の基部に、他端が当該磁性作動体２に固定されたベ
ローズ４３の押圧力により、当該磁性作動体２が低温側
の当該熱伝導体６４の外面と密接しており、従って、高
温側の当該磁性体４４とは分離して、間隙Ｇを作ってい
る。そこで、消磁過程で発生した寒冷は、低温側熱浴５
１を冷却することになる。

【００２６】励磁過程では、磁性作動体２とともに磁性
体４４も磁化されて互いに吸着し、他方、低温側の当該
熱伝導体６４の外面とは、間隙Ｇを作るから、磁性作動
体２の発熱は、高温側熱浴４１により冷却される。

【００２７】磁性作動体は、発生する発熱と寒冷をそれ
ぞれ高温側と低温側の熱浴に効率よく移送させる必要が
ある。この観点より、Ｇｄ−Ｇａ酸化物ガーネットは、
熱伝導率が高く、好都合であり、ガーネットを単結晶と
して熱散乱を減少させ、その外面に銀皮膜を形成させ
て、さらに磁性作動体の伝導率を高めることが可能であ
る。しかし、励磁・消磁過程での磁場の急激な変化によ
り、当該銀皮膜には渦電流が発生し、僅かであるがジュ
ール熱を発生して、消磁過程の熱効率を低下させる。本
発明の磁性作動体は、磁性体の薄膜と良熱伝導体の薄膜
とから成るの積層体もしくは巻回体であるから、当該薄
膜の面に平行な方向を磁力線の方向と概ね一致させれ
ば、良熱伝導体の薄膜に銀薄膜を使用しても、皮膜面に
は渦電流の発生は極めて少なくすることが可能である。
このとき、同時に当該薄膜の面の方向を熱スイッチの方
向と概ね一致させれば、当該磁性体から熱スイッチへの
熱伝導が良好になる。このような積層体もしくは巻回体
をもって円柱状の磁性作動体とすれば、当該薄膜の面に
平行な方向の方向を円柱の中心軸方向として、当該中心
軸方向を磁力線方向及び熱伝導方向と一致するように磁
性作動体を配置することが可能となり、円柱の高さを比
較的大きくしても熱伝導は阻害されない。

【００２８】磁性体の薄膜と良熱伝導体の薄膜とから成
るの積層体の製法は、例えば、良熱伝導体の薄膜として
銀箔膜を使用し、磁性体の薄膜は当該銀薄膜の表面に、
例えば、Ｇｄ−Ｇａ酸化物ガーネットを真空蒸着して銀
−ガーネット薄層を得て、この薄層を多数積層し、加熱
圧下して、積層体を形成する。また、帯状の銀箔に上記
ガーネットを蒸着して得た層状の帯を緻密に巻回して、
加熱焼鈍して、巻回体とする。

【００２９】

【実施例】本発明の実施例を、図面に基づき説明する。
図１は、液体ヘリウム温度以下の冷却能力を有する静止
型磁気冷凍機の断面図を示している。超電導ソレノイド
コイル１が液体ヘリウムを充満した断熱容器８内に固定
され、当該ソレノイドコイル１の中空部内に、円筒状の
磁気遮蔽体３が当該容器８の上蓋８１を貫通する支持棒
７１により懸垂されて、当該支持棒７１には昇降装置
（不示図）が取付けられており、当該磁気遮蔽体３は昇
降自在に配置されている。

【００３０】また、上蓋８１下面には、当該磁気遮蔽体
３の中空部に貫通するように、上蓋８１から垂下された
保護管２８が固定されている。保護管２８の内側上部
は、高温側液槽を構成しており、当該断熱容器８からの
液体ヘリウムが対流循環できるような開口部４５によっ
て液体ヘリウムで満たされ、その液体ヘリウムは、高温
側液槽の封端部４２が磁性体４４により封止された内部
空間まで至っている。

【００３１】当該保護管２８の下方には、円柱状の磁性
作動体２が、断熱性ボールベアリング６１により上下移
動可能に保持され、当該磁性作動体２の下方には、当該
ベアリング６１の基部６２に一端が接続されたベローズ
４３の他端が接続されており、当該磁性作動体２は常時
下方に弾性力が付与されている。上記高温側液槽の封端
部外面が、当該磁性作動体２の上面と対面するように近
接して配置され、高温側熱スイッチを構成している。

【００３２】また当該保護管の底部には、低温側液槽５
１が固定され、当該低温側液槽５１の上部は、熱伝導体
６４が気密的に取付けられ、当該熱伝導体６４の上面
は、上記磁性作動体２の下面と密接可能に対面するよう
に近接して配置されて低温側熱スイッチ機構が構成され
ている。また、当該熱伝導体６４の下面には寒冷を伝え
る熱伝送柱５４が、低温側液槽５１内に突出して設けら
れ、またこの低温側液槽５１には、ヘリウムガス供給用
細管５５とヘリウムガス排出用の細管５６が接続されて
いる。

【００３３】当該保護管の内側下部は、高真空に保持さ
れており、高温側熱スイッチ機構、磁性作動体２、低温
側熱スイッチ機構、及び低温側液槽５１は真空断熱状態
にある。

【００３４】磁気遮蔽体３は、昇降装置による上昇限に
おいては、当該磁気遮蔽体３の下端部が少なくとも高温
側熱スイッチの磁性体４４より高い位置にあることが必
要で、また下降限においては、図２に示すように当該磁
気遮蔽体３の中空部が、高温側熱スイッチの磁性体４４
及び磁性作動体２の双方を収容できる位置にあることが
必要である。従って、当該磁性体４４と当該磁性作動体
２との間の長さを基準にして磁気遮蔽体の高さと移動行
程が概ね定まる。さらに、超電導コイル１はその高さ
（当該コイル中空部の開口面間の距離）が、磁気遮蔽体
の高さと移動行程との和より大きくなるようなソレノイ
ド状コイルとする。

【００３５】本実施例においては超電導コイル１は、Ｎ
ｂ−Ｔｉ合金線を巻回したものである。磁気遮蔽体３は
Ｎｂ−Ｔｉ合金箔の円環板と金属アルミニウム箔の円環
板とを多数積重ねた積層体であって、液体ヘリウムに冷
却されて、超電導状態にある。

【００３６】磁性作動体２はＧｄ−Ｇａ酸化物ガーネッ
トの単結晶の柱体であって、外周面は熱伝導を良好にす
るため銀膜層２４によって被覆されている。もっとも、
励磁・消磁過程での渦電流の発生に伴う発熱を防止する
ために省略してもよい。また磁性作動体２の上面は、銀
膜層もしくは水晶薄板が被覆されている。高温側熱スイ
ッチの磁性体４４も同様にＧｄ−Ｇａ酸化物ガーネット
が使用されている。当該熱伝導体６４には、水晶が使用
され、次いで、銀製の輪環体が良い。

【００３７】図１は、本磁気冷凍機の励磁過程を示して
いるが、磁気遮蔽体３は昇降装置（不示図）により上昇
限にあって、磁性作動体２は超電導コイル１の強磁場に
より励磁されて、発熱する状態にある。高温側熱スイッ
チの磁性体４４も同様に磁化され、磁性作動体２は、ベ
ローズ４３の弾性力に抗して当該磁性体４４の下面に吸
引されて面着するので、磁性作動体２の熱は当該磁性体
４４を伝導して高温側液槽４１の封端部４１の液体ヘリ
ウムに吸収され、磁性作動体２は、冷却される。他方、
低温側熱スイッチの良伝熱体円板６４とは、磁性作動体
２の下面との間に空隙Ｇを形成するので、励磁による熱
は低温側液槽には伝導しない。

【００３８】図２は、昇降装置により当該磁気遮蔽体３
が下降限にある消磁過程を示しているが、磁性作動体２
は、磁気遮蔽体の中空部にあって消磁され寒冷を発す
る。高温側熱スイッチの磁性体４４も消磁されるので、
磁性作動体２との間には吸引力が減少し、従ってベロー
ズ４３の弾性力により、引き戻され磁性作動体の上面に
空隙Ｇを形成するので、寒冷を高温側液槽に失うことは
ない。

【００３９】他方、低温側熱スイッチの熱伝導体円板６
４は、何ら磁力線と作用しないから、ベローズ５２の押
進力によって、磁性作動体２の下面に当接し、磁性作動
体２の寒冷は、熱伝導体円板６４及び熱伝送柱５４を伝
導して、低温側の液槽５１のヘリウムガスを冷却液化さ
せ、液体ヘリウムが当該液槽にたまる。

【００４０】磁気遮蔽体の昇降を繰り返すだけで、上記
の励磁過程と消磁過程とを繰り返すことができ、低温側
液槽の液体ヘリウムの温度を超流動ヘリウムの平衡温度
以下に低下させることができ、極低温を利用することが
できる。

【００４１】人工衛星に搭載されて無重力状態で使用さ
れる場合には低温側液槽５１中には超流動ヘリウムが液
滴となって浮遊するので、熱伝送柱５４との熱伝達率が
低下する虞れがあるが、この場合には、熱伝送柱５４に
銅製の多孔性焼結体を使用し、焼結体内に浮遊液滴を補
束する担持体とするのがよい。

【００４２】図３は、人工衛星に搭載されて、宇宙空間
で使用される磁気冷凍機の低温側流体浴槽の周辺部断面
図である。保護管２８は、真空断熱容器８の底壁を貫通
して、宇宙空間に開口されており、当該流体槽５１の底
部は、熱伝導の良好な銅又は銀が使用されて、その外面
５１１は平面であって、赤外線撮像固体素子が貼着され
る。当該流体にヘリウムを使用して、当該撮像素子の温
度を１Ｋ以下に保持するので、熱雑音の少ない極めて良
好な赤外線画像が得られる。

【００４３】図４は、磁性作動体２，２’を二段に使用
して、超電導コイル１の強磁界を単一の磁気遮蔽体３の
昇降のよって制御し、磁性作動体２，２’を交互に励磁
過程と消磁過程とを繰り返すタンデム型の磁気冷凍機の
断面図を示している。本実施例では、液体ヘリウムの製
造・冷却用に設計されている。

【００４４】図４において、高温側熱浴４１には、小型
のガス冷却機が使用され、その下部の封端部内４２’に
は液体水素が運転中２０Ｋの温度で満たされて、封端部
内４２’の先端にはベローズ４３’を介在させて、磁性
体ＤｙＡｌ₂の円板４４’が接続されている。上段のＤ
ｙＡｌ₂の磁性作動体２’は、保護管２８に固定され、
当該磁性作動体２’の上面が上記磁性体の円板４４’と
対面して、上段の磁性作動体２’の高温側熱スイッチを
構成している。当該上段の磁性作動体２’の低温側熱ス
イッチは、水晶製の熱伝導体４７を介して接続されてい
る磁性体Ｇｄ−Ｇａガーネットの円盤４４によって構成
され、当該円盤４４は下側の磁性作動体２の上面と密接
可能に対面して配置されている。

【００４５】下側の磁性作動体２はＧｄ−Ｇａガーネッ
トの単結晶で形成されて、ポリエチレン製の断熱製ボー
ルベアリング６１を介して、保護管２８の内面に、上下
移動自在に保持されており、上面は上記の磁性体円板４
４の下面と、下面は、当該保護管２８の端部を封止して
いる熱伝導体６４と密接可能に対面し、当該熱伝導体６
４は、、上述の液体ヘリウム浴中に浸漬されて、当該液
体ヘリウム浴５１を冷却する。

【００４６】図４に図示する状態は、磁気遮蔽体３が、
下側の磁性作動体２だけを収容しており、上側の磁性作
動体２’が励磁過程にあり、上側の磁性作動体２’と磁
性体４４’とが密着して、その発熱は、ガス冷却機４１
に移送されている。他方下側の磁性作動体２は、消磁過
程にあって、発生した寒冷が、ヘリウム浴５１を冷却し
ている。磁気遮蔽体３を上昇させれば、上側の磁性作動
体２’が消磁されて寒冷を発し、励磁過程にある下側の
磁性作動体２の発熱を吸収して、冷却する。

【００４７】本実施例においても、上昇限及び下降限に
ある磁気遮蔽体３は、超電導コイル１の中空部内に完全
に収容されているので、磁気遮蔽体の昇降操作は、極め
て容易になされる。

【００４８】

【発明の効果】本発明の磁気冷凍機を実施すれば、次の
ような効果を奏することができる。

【００４９】超電導性磁気遮蔽体の往復移動によって、
磁性作動体の励磁過程と消磁過程とを繰り返すことがで
き、さらに超電導コイルの中空部の両開口面の範囲内に
当該磁気遮蔽体が往復移動するような超電導コイルとす
るので、往復移動の所要力は極めて小さくてよいから、
往復機構は小型化簡素化でき、結果として、エネルギー
効率が高く、冷凍能力に比して小型でコンパクトな静止
型磁気冷凍機とすることができる。

【００５０】磁性作動体の発生した熱を高温側熱浴に移
送する高温側熱スイッチ及び発生した寒冷を低温側熱浴
即ち冷浴に伝送する低温側熱スイッチは、ともに磁性作
動体を励磁・消磁する磁界の変化だけに感応して、的確
に作動し、かつ何ら人為的操作手段を要せず、誤動作が
少なく、小型・簡便に構成することができる。特に往復
移動する超電導性磁気遮蔽体の中空部に当該熱スイッチ
と磁性作動体とが収容されて消磁される構成にすれば、
磁気遮蔽体の往復移動のみによって、当該熱スイッチを
作動させることができるので、永久電流モードで超電導
コイルを使用する静止型冷凍機を構成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】磁気冷凍機の断面図であって、励磁過程にある
ことを示す。

【図２】消磁過程における磁気冷凍機の断面図。

【図３】宇宙空間で使用される磁気冷凍機の低温側熱浴
の部分断面図。

【図４】タンデム型磁気冷凍機の断面図。

【図５】磁性作動体と熱スイッチ機構の部分断面図。

【図６】磁性作動体と他の熱スイッチ機構の部分断面
図。

【符号の説明】

１超電導コイル２磁性作動体２８保護管３磁気遮蔽体３１環状の超電導体４１高温側流体浴槽４３ベローズ４４磁性体円盤５１低温側流体浴槽５２ベローズ５３超電導性円盤５４熱伝送柱５５ヘリウムガス供給管６１断熱性ボールベアリング６２断熱性ボールベアリング基部７１磁気遮蔽体昇降用の支持棒６４熱伝導体８真空断熱容器８３ヘリウム液面９磁力線Ｇ熱スイッチの間隙

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者杉岡孝雄大阪市北区堂山町１番５号高圧ガス工業株式会社内 (72)発明者井上勝大阪市北区堂山町１番５号高圧ガス工業株式会社内 (72)発明者大谷光平大阪市北区堂山町１番５号高圧ガス工業株式会社内 (72)発明者佐藤学大阪市北区堂山町１番５号高圧ガス工業株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F25B 21/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】強磁界を発生させる超電導コイルと当該
超電導コイルの中空部に配置された磁性作動体とから成
る静止型磁気冷凍機において、当該超電導コイルの中空
部内には、筒状の超電導性磁気遮蔽体が当該超電導コイ
ルの当該中空部の両開口面から内側の範囲内において往
復移動可能に且つ当該磁気遮蔽体の中空部に当該磁性作
動体を収容することができるように配置されて、当該磁
気遮蔽体を往復機構により往復移動することによって、
当該磁性作動体が当該磁気遮蔽体の当該中空部に収容さ
れて消磁される過程と当該中空部より抜き出されて励磁
される過程とを繰り返すようにしたことを特徴とする静
止型磁気冷凍機。
【請求項２】当該磁性作動体は、その一端面が高温側
熱スイッチ機構を介在させて、高温側熱浴と熱伝送可能
に接続され、当該磁性作動体の他端面が低温側熱スイッ
チ機構を介在させて低温側熱浴と熱伝送可能に接続され
ている請求項１記載の磁気冷凍機。
【請求項３】当該高温側熱スイッチ機構は、高温側熱
浴が流体浴槽で形成され、当該流体浴槽に弾性付勢力を
有するベローズが接続され、当該ベローズの他端が磁性
体により気密的に封止されて、封端部と成し、当該封端
部の外面が当該磁性作動体の表面と密接可能に対面する
ように当該封端部が当該磁性作動体に近接して配置され
て成ることを特徴とする請求項２記載の静止型磁気冷凍
機用。
【請求項４】当該低温側熱スイッチ機構は、低温側熱
浴が流体浴槽で形成され、当該流体浴槽に弾性付勢力を
有するベローズが接続され、当該ベローズの他端が超電
導体により気密的に封止されて、封端部と成し、当該封
端部の外面が当該磁性作動体の表面と密接可能に対面す
るように当該封端部が当該磁性作動体に近接して配置さ
れて成ることを特徴とする請求項２記載の静止型磁気冷
凍機。
【請求項５】当該高温側熱スイッチ機構は、高温側熱
浴が流体浴槽で形成され、当該高温側の流体浴槽が磁性
体で封止されて、高温側封端部となし、当該高温側封端
部の外面が当該磁性作動体の表面と密接可能に対面する
ように当該高温側封端部が当該磁性作動体に近接して配
置されて成り、当該低温側熱スイッチ機構は、低温側熱
浴が流体浴槽で形成され、当該低温側の流体浴槽が非磁
性体で封止されて、低温側封端部となし、当該低温側封
端部の外面が当該磁性作動体の他の表面と密接可能に対
面するように当該低温側封端部が当該磁性作動体に近接
して配置されて成り、当該磁性作動体は、固定部材に固
定された断熱性ベアリングを介して往復移動自在に配置
され、且つ、当該固定部材もしくは当該ベアリングの固
定側基部に一端を固定した断熱性弾性体に接続されて、
消磁過程では、当該低温側封端部の外面と密接するよう
に当該弾性体により弾性付勢されて成る請求項２記載の
静止型磁気冷凍機。
【請求項６】当該磁性作動体が、磁性体の薄膜と熱伝
導体の薄膜とから成る積層体もしくは巻回体である請求
項１記載の静止型磁気冷凍機。