JP3026506B2 - ４ｋから２０ｋの温度範囲で高い熱容量を持つ磁性材料とこれを用いた蓄冷器及び磁気冷凍装置 - Google Patents
４ｋから２０ｋの温度範囲で高い熱容量を持つ磁性材料とこれを用いた蓄冷器及び磁気冷凍装置Info
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- JP3026506B2 JP3026506B2 JP2316573A JP31657390A JP3026506B2 JP 3026506 B2 JP3026506 B2 JP 3026506B2 JP 2316573 A JP2316573 A JP 2316573A JP 31657390 A JP31657390 A JP 31657390A JP 3026506 B2 JP3026506 B2 JP 3026506B2
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- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F1/00—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
- H01F1/01—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
- H01F1/012—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials adapted for magnetic entropy change by magnetocaloric effect, e.g. used as magnetic refrigerating material
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/003—Gas cycle refrigeration machines characterised by construction or composition of the regenerator
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- Hard Magnetic Materials (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、蓄冷器及び磁気冷凍機に係り、より詳しく
は、4Kから20Kの温度範囲で高い熱容量を持つ材料とこ
れを用いた蓄冷器及び磁気冷凍装置に関するもので、MR
I−CTや磁気浮上列車等における気化ヘリウムの回収再
液化装置に適する。
は、4Kから20Kの温度範囲で高い熱容量を持つ材料とこ
れを用いた蓄冷器及び磁気冷凍装置に関するもので、MR
I−CTや磁気浮上列車等における気化ヘリウムの回収再
液化装置に適する。
（従来の技術及び解決しようとする課題） ヘリウム液化装置の蓄冷器には、従来、一般に蓄冷材
として鉛（Pb）などが用いられていたが、ヘリウム液化
温度である4.2Kでは熱容量が減少し、十分な蓄冷作用を
行うことができない（第１図参照）。
として鉛（Pb）などが用いられていたが、ヘリウム液化
温度である4.2Kでは熱容量が減少し、十分な蓄冷作用を
行うことができない（第１図参照）。
そのため、4.2K付近で高い熱容量を持つ材料が研究さ
れ、有力な材料としてErRhが開発された（第１図参
照）。しかし、比熱ピーク（Tc）は4.2K以下であるもの
のピークがなだらかでなく、更にRh（ロジウム）が貴金
属で高価であり、硬度が高く、加工性が悪いため、蓄冷
器に用いることは困難である。
れ、有力な材料としてErRhが開発された（第１図参
照）。しかし、比熱ピーク（Tc）は4.2K以下であるもの
のピークがなだらかでなく、更にRh（ロジウム）が貴金
属で高価であり、硬度が高く、加工性が悪いため、蓄冷
器に用いることは困難である。
また、Er1-xDyxNi2（ここで、０≦ｘ＜1.0）が研究さ
れているが、この系で比熱が最高となる温度（Tc）は、
ｘの変化に伴い、6K≦Tc≦20Kの範囲で変化する。した
がって、6K以下の領域では有効でない（第２図参照）。
また、Er3Niも研究されているが、Tcに関しては同様な
ことが云える（第３図参照）。更に、前者は、比熱のピ
ークが鋭く、数段重ねて蓄冷器を構成した場合、温度制
御が行ないにくいという欠点がある。
れているが、この系で比熱が最高となる温度（Tc）は、
ｘの変化に伴い、6K≦Tc≦20Kの範囲で変化する。した
がって、6K以下の領域では有効でない（第２図参照）。
また、Er3Niも研究されているが、Tcに関しては同様な
ことが云える（第３図参照）。更に、前者は、比熱のピ
ークが鋭く、数段重ねて蓄冷器を構成した場合、温度制
御が行ないにくいという欠点がある。
なお、磁気冷凍装置に用いる磁気作動物質として、Er
Al2、EuS等々の強磁性材料が報告されているが（特開昭
59−21958号、特開昭59−122872号）、いずれも4.2K付
近では高い比熱が得られない。
Al2、EuS等々の強磁性材料が報告されているが（特開昭
59−21958号、特開昭59−122872号）、いずれも4.2K付
近では高い比熱が得られない。
本発明は、上記従来技術の欠点を解消して、4Kから20
Kの温度範囲で高い熱容量を持つ蓄冷材などを提供する
ことを目的とするものである。
Kの温度範囲で高い熱容量を持つ蓄冷材などを提供する
ことを目的とするものである。
（課題を解決するための手段） 本発明者は、前記課題を解決するため、Er−Ni2系、E
r3−Ni系についてより低温側でTcを有する新規な磁性材
料を見い出すべく鋭意研究を重ねた結果、ここに本発明
をなしたものである。
r3−Ni系についてより低温側でTcを有する新規な磁性材
料を見い出すべく鋭意研究を重ねた結果、ここに本発明
をなしたものである。
すなわち、本発明は、一般式 Er1-x-yDyxMyNi2 （但し、ＭはYb又はTmで、０＜ｙ＜0.5、０≦ｘ＜1.0） 又は （Er1-x-yDyxMy）3Ni （但し、ＭはYb又はTmで、０＜ｙ＜0.5、０≦ｘ＜1.
0） で表わされる磁性体からなることを特徴とする蓄冷材用
及び磁気冷凍用磁性材料を要旨とするものである。
0） で表わされる磁性体からなることを特徴とする蓄冷材用
及び磁気冷凍用磁性材料を要旨とするものである。
以下に本発明を更に詳細に説明する。
（作用） 本発明の磁性材料は、前述のように、一般式 Er1-x-yDyxMyNi2 （但し、ＭはYb又はTmで、０＜ｙ＜0.5、０≦ｘ＜1.0） 又は （Er1-x-yDyxMy）3Ni （但し、ＭはYb又はTmで、０＜ｙ＜0.5、０≦ｘ＜1.0） で表わされる磁性体である。
ここで、ｘが1.0以上のときは、RNi系或いはR3Ni系
（Ｒは希土類）化合物を構成し得なくなり、またｙが両
者の磁性材料の場合に0.5以上になると、磁性イオン
の持つ局在スピン（平均磁気モーメント）が小さくな
り、またYbやTmが高価で経済性の面からも不適当であ
る。ｙ＝０のときはYbやTmの作用（後述）を利用するこ
とができない。
（Ｒは希土類）化合物を構成し得なくなり、またｙが両
者の磁性材料の場合に0.5以上になると、磁性イオン
の持つ局在スピン（平均磁気モーメント）が小さくな
り、またYbやTmが高価で経済性の面からも不適当であ
る。ｙ＝０のときはYbやTmの作用（後述）を利用するこ
とができない。
これらの磁性材料のうち、Erの一部をYbで置換し、Dy
を含まないEr０・９Yb０・１Ni2の組成を持つ材料は、
第２図に示すように4.2K付近で大きな比熱ピーク値（T
c）を有している。
を含まないEr０・９Yb０・１Ni2の組成を持つ材料は、
第２図に示すように4.2K付近で大きな比熱ピーク値（T
c）を有している。
また、Er1-xDyxNi2中の磁性イオンErの一部をYb又はT
mに置換することにより、Tcをあまり変化させずに、比
熱の温度特性を比較的なだらかにすることができる（第
２図参照）。Yb及びTmは揮発性の強い元素であるために
不均一に分布し、Tcをなだらかにする作用があるのを効
果的に利用したものである。
mに置換することにより、Tcをあまり変化させずに、比
熱の温度特性を比較的なだらかにすることができる（第
２図参照）。Yb及びTmは揮発性の強い元素であるために
不均一に分布し、Tcをなだらかにする作用があるのを効
果的に利用したものである。
Er1-x-yDyxMyNi2系及び（Er1-yMy）3Ni系において、
組成を適正化することにより、前者は蓄冷材に適した比
熱ピーク（Tc）を4Kから20K領域で、また後者は6Kから1
4Kの範囲で、最適なTcを持つ蓄冷材を比熱の温度特性を
殆ど変えることなく実現することができる。
組成を適正化することにより、前者は蓄冷材に適した比
熱ピーク（Tc）を4Kから20K領域で、また後者は6Kから1
4Kの範囲で、最適なTcを持つ蓄冷材を比熱の温度特性を
殆ど変えることなく実現することができる。
本発明の高熱容量磁性材料は、ヘリウム液化機のよう
な冷凍機全般の蓄冷器として、従来、単体の蓄冷材Er3N
iを用いても0.2/hr程度であった液体ヘリウムの収量
を、〜５倍以上高めることができる。更に、ガスの流れ
に合わせて磁場を加えたり取り去ったりすることによ
り、冷凍出力を更に２倍程度高める能動的蓄冷器を実現
することができる。このような蓄冷器は、構成が単純な
ため、装置の小型化、軽量化、高い耐久性及び信頼性を
実現できる。そのため、NMR−CTや磁気浮上列車の気化
ヘリウム回収液化装置などに用いることができる。
な冷凍機全般の蓄冷器として、従来、単体の蓄冷材Er3N
iを用いても0.2/hr程度であった液体ヘリウムの収量
を、〜５倍以上高めることができる。更に、ガスの流れ
に合わせて磁場を加えたり取り去ったりすることによ
り、冷凍出力を更に２倍程度高める能動的蓄冷器を実現
することができる。このような蓄冷器は、構成が単純な
ため、装置の小型化、軽量化、高い耐久性及び信頼性を
実現できる。そのため、NMR−CTや磁気浮上列車の気化
ヘリウム回収液化装置などに用いることができる。
一方、エリクソン型磁気冷凍は、従来より、4.2K付近
で良好な特性を持つ磁気作業物質がなく、これが実用化
を遅らせる１つの原因となっていたが、本発明の磁性材
料を磁気冷凍の作動物質に用いることにより、広い温度
範囲で冷却効果の高い磁気冷凍装置を実現することがで
きる。
で良好な特性を持つ磁気作業物質がなく、これが実用化
を遅らせる１つの原因となっていたが、本発明の磁性材
料を磁気冷凍の作動物質に用いることにより、広い温度
範囲で冷却効果の高い磁気冷凍装置を実現することがで
きる。
次に本発明の一実施例を示す。
（実施例） 第４図にGM（ギホード−マクマホン法）冷凍器の概略
を示す。
を示す。
これは、ピストンの上下運動とコンプレッサーや弁
V1、弁V2を適当に操作し、高温圧縮及び低温膨張の２過
程の間を２つの等圧過程で結んだサイクル（但し、サイ
クル中でモル数は一定でない）を運転し、低温を得る。
蓄冷器は、このサイクル中、等圧過程で、高温ガスの冷
却或いは低圧ガスの昇温を行う。
V1、弁V2を適当に操作し、高温圧縮及び低温膨張の２過
程の間を２つの等圧過程で結んだサイクル（但し、サイ
クル中でモル数は一定でない）を運転し、低温を得る。
蓄冷器は、このサイクル中、等圧過程で、高温ガスの冷
却或いは低圧ガスの昇温を行う。
この蓄冷器を第５図（ａ）に示すように２段構成と
し、第１段目に銅を用い、第２段目を第５図（ｂ）に示
すように更に分割して上部に鉛、下部に第１表に示すよ
うに組成を適正化した数層のEr、Dy、Yb、Niからなる冷
却材を用いた。第５図（ｃ）は第１表に示す５つの層の
構成を説明する図である。
し、第１段目に銅を用い、第２段目を第５図（ｂ）に示
すように更に分割して上部に鉛、下部に第１表に示すよ
うに組成を適正化した数層のEr、Dy、Yb、Niからなる冷
却材を用いた。第５図（ｃ）は第１表に示す５つの層の
構成を説明する図である。
その熱容量（比熱）を第６図に示す。なお、図中の番
号は第１表の層番号に対応している。
号は第１表の層番号に対応している。
同図より、全体として大きな冷却効率を得ることがで
きることがわかる。
きることがわかる。
また、第５図（ｂ）に示すように、この蓄冷材の構成
を有する蓄冷器の周囲に磁場印加装置を設け、下から上
へガス（ヘリウム）が流れるときに磁場を加え、上から
下へガスが流れるときに磁場を取り去る操作（１回又は
複数回）により、ガス温度を低くできるので、蓄冷能率
を更に増加させることができる能動的蓄冷器が得られ
る。加える磁場の大きさは3T（テスラ）〜6T程度が目安
とされる。
を有する蓄冷器の周囲に磁場印加装置を設け、下から上
へガス（ヘリウム）が流れるときに磁場を加え、上から
下へガスが流れるときに磁場を取り去る操作（１回又は
複数回）により、ガス温度を低くできるので、蓄冷能率
を更に増加させることができる能動的蓄冷器が得られ
る。加える磁場の大きさは3T（テスラ）〜6T程度が目安
とされる。
なお、上記実施例では蓄冷材を上下に数段で構成した
が、順次に環状に構成する等々の変形も可能であり、ま
たGM冷凍機の場合について示したが、他の構造の冷凍機
にも適用できることは云うまでもない。
が、順次に環状に構成する等々の変形も可能であり、ま
たGM冷凍機の場合について示したが、他の構造の冷凍機
にも適用できることは云うまでもない。
（発明の効果） 以上詳述したように、本発明の磁性材料は、4Kから20
Kの温度範囲で高い熱容量を持つ磁性材料であり、適当
な磁性材料を多段積層型で用いると、蓄冷器として従来
の10倍以上の蓄冷効果を得ることができ、また磁気冷凍
装置として大きな冷却効率を得ることができ、小型化、
軽量化のほか、高い耐久性、信頼性が実現できる。また
この磁性材料は従来のErRhよりも安価である。したがっ
て、MRI−CTや磁気浮上列車等における気化ヘリウムの
回収再液化装置に好適である。
Kの温度範囲で高い熱容量を持つ磁性材料であり、適当
な磁性材料を多段積層型で用いると、蓄冷器として従来
の10倍以上の蓄冷効果を得ることができ、また磁気冷凍
装置として大きな冷却効率を得ることができ、小型化、
軽量化のほか、高い耐久性、信頼性が実現できる。また
この磁性材料は従来のErRhよりも安価である。したがっ
て、MRI−CTや磁気浮上列車等における気化ヘリウムの
回収再液化装置に好適である。
第１図〜第３図は比熱の温度特性を示す図、 第４図はGM冷凍器の構成を説明する概略図、 第５図は蓄冷器の構造を説明する図で、（ａ）は全体
図、（ｂ）は（ａ）の蓄冷材の構成の拡大図、（ｃ）は
（ｂ）の蓄冷材の低温側の構造を示す図であり、 第６図は実施例で用いた蓄冷材の比熱の温度特性を示す
図である。
図、（ｂ）は（ａ）の蓄冷材の構成の拡大図、（ｃ）は
（ｂ）の蓄冷材の低温側の構造を示す図であり、 第６図は実施例で用いた蓄冷材の比熱の温度特性を示す
図である。
Claims (5)
- 【請求項１】一般式 Er1-x-yDyxMyNi2 （但し、ＭはYb又はTmで、０＜ｙ＜0.5、０≦ｘ＜1.0） で表わされる磁性体からなることを特徴とする蓄冷材用
及び磁気冷凍用磁性材料。 - 【請求項２】一般式 （Er1-x-yDyxMy）3Ni （但し、ＭはYb又はTmで、０＜ｙ＜0.5、０≦ｘ＜1.0） で表わされる磁性体からなることを特徴とする蓄冷材用
及び磁気冷凍用磁性材料。 - 【請求項３】請求項１又は２に記載の磁性材料を他の適
当な蓄冷材料と組み合わせ、これらを多段に積層したこ
とを特徴とする蓄冷器。 - 【請求項４】請求項３に記載の蓄冷器の周囲に磁場印加
装置を設け、媒体ガスの出入りに合わせて磁場をオン、
オフすることにより冷却効果が高められることを特徴と
する能動的蓄冷器。 - 【請求項５】請求項４に記載の磁場印加装置をオン、オ
フする手段を備えたことを特徴とする磁気冷凍装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2316573A JP3026506B2 (ja) | 1990-11-21 | 1990-11-21 | ４ｋから２０ｋの温度範囲で高い熱容量を持つ磁性材料とこれを用いた蓄冷器及び磁気冷凍装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2316573A JP3026506B2 (ja) | 1990-11-21 | 1990-11-21 | ４ｋから２０ｋの温度範囲で高い熱容量を持つ磁性材料とこれを用いた蓄冷器及び磁気冷凍装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04186802A JPH04186802A (ja) | 1992-07-03 |
| JP3026506B2 true JP3026506B2 (ja) | 2000-03-27 |
Family
ID=18078602
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2316573A Expired - Fee Related JP3026506B2 (ja) | 1990-11-21 | 1990-11-21 | ４ｋから２０ｋの温度範囲で高い熱容量を持つ磁性材料とこれを用いた蓄冷器及び磁気冷凍装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3026506B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103216967A (zh) * | 2013-04-25 | 2013-07-24 | 浙江大学 | 采用全碳气凝胶的深低温排出器及斯特林制冷机 |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3293446B2 (ja) * | 1996-02-21 | 2002-06-17 | ダイキン工業株式会社 | 蓄冷器 |
| JP4950918B2 (ja) * | 2008-02-28 | 2012-06-13 | 株式会社東芝 | 磁気冷凍装置用磁性材料、熱交換容器および磁気冷凍装置 |
| JP4703699B2 (ja) | 2008-09-04 | 2011-06-15 | 株式会社東芝 | 磁気冷凍用磁性材料、磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システム |
| US9423160B2 (en) * | 2012-04-04 | 2016-08-23 | Sumitomo Heavy Industries, Ltd. | Regenerative refrigerator |
| CN103572097B (zh) * | 2012-07-23 | 2015-07-22 | 中国科学院物理研究所 | 用于磁制冷的材料及其制备方法和用途 |
| EP3564337A4 (en) * | 2016-12-28 | 2020-07-22 | Santoku Corporation | RARE-EARTH REGENERATOR MATERIAL, REGENERATOR AND REFRIGERATOR PROVIDED WITH EACH OF THIS MATERIAL |
| CN113373362B (zh) * | 2021-06-17 | 2022-06-28 | 北京科技大学 | 一种用于磁制冷的铥-镍材料及其制备方法 |
-
1990
- 1990-11-21 JP JP2316573A patent/JP3026506B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103216967A (zh) * | 2013-04-25 | 2013-07-24 | 浙江大学 | 采用全碳气凝胶的深低温排出器及斯特林制冷机 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04186802A (ja) | 1992-07-03 |
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Legal Events
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