JP3285751B2 - 磁気冷凍機 - Google Patents
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- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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- F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
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- F25B2321/00—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
- F25B2321/002—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects by using magneto-caloric effects
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-
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- F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F25D19/00—Arrangement or mounting of refrigeration units with respect to devices or objects to be refrigerated, e.g. infrared detectors
- F25D19/006—Thermal coupling structure or interface
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
Landscapes
- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
- Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は極低温流体の再液化
に適用される磁気冷凍機に関するものである。
に適用される磁気冷凍機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図３は従来の磁気冷凍機の縦断面図であ
る。図において、１は侵入熱を低減するための断熱真空
容器、２は断熱真空容器のフランジ部である。３は常温
からの輻射熱をシールドするための液体窒素槽、４は液
体窒素、５は液体窒素４の供給管、６は蒸発した液体窒
素４の気化したガスの逃気管である。４０はギフォード
・マクマホン冷凍機（以下ＧＭ冷凍機と略称する）、７
はＧＭ冷凍機の第一段寒冷発生部で、８は液体窒素槽３
からの輻射侵入熱を抑制するために第一段寒冷発生部７
に取り付けられたシールド板である。９はＧＭ冷凍機の
第二段寒冷発生部、１０は第二寒冷発生部９と、熱スイ
ッチの銅の部分１１とを熱的に結合させるための銅のブ
ロック。１２は超伝導マグネット１３の磁場をパルス的
に運転した時に発生するジュール発熱の影響を少なくす
るために用いられる絶縁物で、磁気冷凍サイクルの温度
範囲で熱伝導率の大きい水晶などを用いる。符号１１，
１２を付した部分から熱スイッチが構成されている。１
４は上下動機構を含んだステッピングモータ、１５はス
テッピングモータ１４を支持するための台、１６は熱ス
イッチ１１，１２とステッピングモータ１４とを結ぶロ
ッドである。１７は熱スイッチ１１，１２がステッピン
グモータにより上下動するときにも、銅のブロック１０
と熱的な接触を保つための、容易に変形の可能な銅製の
網、１８は熱スイッチを収める容器であり、ヘリウムガ
ス１９が満たされている。２０は液化用磁性体で、例え
ば液化しようとする液化対象極低温流体２１が水素など
の場合はＧＧＧ（Ｇｄ3 Ｇａ5 Ｏ12、ガドリニウム・ガ
リウム・ガーネット）等である。２２はシール、２３は
液化用磁性体２０を押え、シール２２に必要な圧力を供
給するためのバネ、２４はバネの力を受け止めるための
フランジである。２５は液化対象極低温流体２１を収め
るための容器、２６は液化用磁性体２０を収めるための
容器で、２７は０．５mm程度のギャップである。２８は
超伝導マグネット１３を冷却するための液体ヘリウム、
２９は液体ヘリウム容器、３０は液体ヘリウム２８の注
入管。３１は液体ヘリウム２８の気化したガスの逃気管
である。
る。図において、１は侵入熱を低減するための断熱真空
容器、２は断熱真空容器のフランジ部である。３は常温
からの輻射熱をシールドするための液体窒素槽、４は液
体窒素、５は液体窒素４の供給管、６は蒸発した液体窒
素４の気化したガスの逃気管である。４０はギフォード
・マクマホン冷凍機（以下ＧＭ冷凍機と略称する）、７
はＧＭ冷凍機の第一段寒冷発生部で、８は液体窒素槽３
からの輻射侵入熱を抑制するために第一段寒冷発生部７
に取り付けられたシールド板である。９はＧＭ冷凍機の
第二段寒冷発生部、１０は第二寒冷発生部９と、熱スイ
ッチの銅の部分１１とを熱的に結合させるための銅のブ
ロック。１２は超伝導マグネット１３の磁場をパルス的
に運転した時に発生するジュール発熱の影響を少なくす
るために用いられる絶縁物で、磁気冷凍サイクルの温度
範囲で熱伝導率の大きい水晶などを用いる。符号１１，
１２を付した部分から熱スイッチが構成されている。１
４は上下動機構を含んだステッピングモータ、１５はス
テッピングモータ１４を支持するための台、１６は熱ス
イッチ１１，１２とステッピングモータ１４とを結ぶロ
ッドである。１７は熱スイッチ１１，１２がステッピン
グモータにより上下動するときにも、銅のブロック１０
と熱的な接触を保つための、容易に変形の可能な銅製の
網、１８は熱スイッチを収める容器であり、ヘリウムガ
ス１９が満たされている。２０は液化用磁性体で、例え
ば液化しようとする液化対象極低温流体２１が水素など
の場合はＧＧＧ（Ｇｄ3 Ｇａ5 Ｏ12、ガドリニウム・ガ
リウム・ガーネット）等である。２２はシール、２３は
液化用磁性体２０を押え、シール２２に必要な圧力を供
給するためのバネ、２４はバネの力を受け止めるための
フランジである。２５は液化対象極低温流体２１を収め
るための容器、２６は液化用磁性体２０を収めるための
容器で、２７は０．５mm程度のギャップである。２８は
超伝導マグネット１３を冷却するための液体ヘリウム、
２９は液体ヘリウム容器、３０は液体ヘリウム２８の注
入管。３１は液体ヘリウム２８の気化したガスの逃気管
である。
【０００３】上記構成の磁気冷凍機においては、以下の
過程を繰り返すことによって低温を発生し、液化対象極
低温流体２１を極低温化する。 （１）断熱励磁過程：ステッピングモータ１４により磁
性体２０と熱スイッチ１１，１２が接触しない状態で超
伝導マグネット１３により磁場が印加されると磁性体２
０の温度は上昇する。 （２）等温磁化過程：ある温度まで磁性体２０の温度が
上昇すると、ステッピングモータ１４により、熱スイッ
チ１１，１２が下降し、磁性体２０と接触した状態で、
磁性体２０に印加される磁場を増加させる。このとき磁
性体２０は温度一定のままで、熱スイッチ１１，１２に
熱を放出する。 （３）断熱消磁過程：次にステッピングモータ１４によ
り、熱スイッチ１１，１２を上昇させ、磁性体から離し
た状態で磁場を減少させる。このとき磁性体２０の温度
は低下する。 （４）等温消磁過程：さらに磁場を減少させ、極低温流
体２１の沸点まで磁性体の温度が低下すると、極低温流
体２１はギャップ２７において液化される。
過程を繰り返すことによって低温を発生し、液化対象極
低温流体２１を極低温化する。 （１）断熱励磁過程：ステッピングモータ１４により磁
性体２０と熱スイッチ１１，１２が接触しない状態で超
伝導マグネット１３により磁場が印加されると磁性体２
０の温度は上昇する。 （２）等温磁化過程：ある温度まで磁性体２０の温度が
上昇すると、ステッピングモータ１４により、熱スイッ
チ１１，１２が下降し、磁性体２０と接触した状態で、
磁性体２０に印加される磁場を増加させる。このとき磁
性体２０は温度一定のままで、熱スイッチ１１，１２に
熱を放出する。 （３）断熱消磁過程：次にステッピングモータ１４によ
り、熱スイッチ１１，１２を上昇させ、磁性体から離し
た状態で磁場を減少させる。このとき磁性体２０の温度
は低下する。 （４）等温消磁過程：さらに磁場を減少させ、極低温流
体２１の沸点まで磁性体の温度が低下すると、極低温流
体２１はギャップ２７において液化される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の磁気冷凍機
では熱スイッチ１１，１２を上下動させるためのロッド
１６を介して、ＧＭ冷凍機寒冷ヘッド第２段に侵入熱が
あり、熱スイッチ１１，１２から熱を奪うためのＧＭ冷
凍機寒冷ヘッド第２段の寒冷発生量が減少していた。本
考案は以上の問題点を解決し、熱スイッチ可動部を動か
すための機械的手段を廃し、冷凍能力の大きい磁気冷凍
機を提供しようとするものである。
では熱スイッチ１１，１２を上下動させるためのロッド
１６を介して、ＧＭ冷凍機寒冷ヘッド第２段に侵入熱が
あり、熱スイッチ１１，１２から熱を奪うためのＧＭ冷
凍機寒冷ヘッド第２段の寒冷発生量が減少していた。本
考案は以上の問題点を解決し、熱スイッチ可動部を動か
すための機械的手段を廃し、冷凍能力の大きい磁気冷凍
機を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
したものであって、液化対象極低温流体の収容容器、同
液化対象極低温流体を液化するために上記収容容器内に
設けられた液化用磁性体、同液化用磁性体の周囲に設置
され同液化用磁性体に磁場を加える超伝導マグネット、
寒冷発生部を有するギフォード・マクマホン冷凍機、及
び上記ギフォード・マクマホン冷凍機の寒冷発生部に熱
的に接続され下端部において外力によって上下に移動し
て上記液化用磁性体に離接する可動部を備えている熱ス
イッチによって構成される磁気冷凍機において、次の特
徴を有する磁気冷凍機に関するものである。 （１）上記熱スイッチを、上端部が上記ギフォード・マ
クマホン冷凍機の寒冷発生部に熱的に接続されているヒ
ートパイプと、同ヒートパイプの下端部において上下移
動可能に支持され上記超伝導マグネットの磁場により上
下移動して上記液化用磁性体に離接し上記ヒートパイプ
に放熱する伝熱用磁性体からなる可動部とによって構成
し、上記ヒートパイプを、上記伝熱用磁性体を上下移動
可能に支持するベローズを設けた容器と、同容器内に封
入された上記液化対象極低温流体より沸点の高い伝熱用
極低温流体とから構成し、上記ヒートパイプと上記ギフ
ォード・マクマホン冷凍機の寒冷発生部とを接続する部
材としてその一部が上記ヒートパイプ内に位置する銅ブ
ロックを用いた。 （２）上記（１）項に記載の磁気冷凍機において、上記
銅ブロックの上記ヒートパイプ内に位置する部分に、蒸
発した伝熱用極低温流体を凝縮させるギャップを設け
た。
したものであって、液化対象極低温流体の収容容器、同
液化対象極低温流体を液化するために上記収容容器内に
設けられた液化用磁性体、同液化用磁性体の周囲に設置
され同液化用磁性体に磁場を加える超伝導マグネット、
寒冷発生部を有するギフォード・マクマホン冷凍機、及
び上記ギフォード・マクマホン冷凍機の寒冷発生部に熱
的に接続され下端部において外力によって上下に移動し
て上記液化用磁性体に離接する可動部を備えている熱ス
イッチによって構成される磁気冷凍機において、次の特
徴を有する磁気冷凍機に関するものである。 （１）上記熱スイッチを、上端部が上記ギフォード・マ
クマホン冷凍機の寒冷発生部に熱的に接続されているヒ
ートパイプと、同ヒートパイプの下端部において上下移
動可能に支持され上記超伝導マグネットの磁場により上
下移動して上記液化用磁性体に離接し上記ヒートパイプ
に放熱する伝熱用磁性体からなる可動部とによって構成
し、上記ヒートパイプを、上記伝熱用磁性体を上下移動
可能に支持するベローズを設けた容器と、同容器内に封
入された上記液化対象極低温流体より沸点の高い伝熱用
極低温流体とから構成し、上記ヒートパイプと上記ギフ
ォード・マクマホン冷凍機の寒冷発生部とを接続する部
材としてその一部が上記ヒートパイプ内に位置する銅ブ
ロックを用いた。 （２）上記（１）項に記載の磁気冷凍機において、上記
銅ブロックの上記ヒートパイプ内に位置する部分に、蒸
発した伝熱用極低温流体を凝縮させるギャップを設け
た。
【０００６】
【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の一形態に係
る磁気冷凍機の縦断面図である。図には従来技術と同一
の構成部材には同一の符号を付してあるので説明は省略
する。図において、３３はベローズ、３２は同ベローズ
３３に固定された伝熱用磁性体で、超伝導マグネット１
３がＯＮになると電磁力により下降する。３４は伝熱用
極低温流体で例えば液化対象極低温流体２１がヘリウム
の場合はヘリウムより沸点の高い水素が用いられる。３
５は蒸発した伝熱用極低温流体が凝縮する幅０．５mm程
度のギャップで、３６は蒸発した伝熱用極低温流体３４
からギャップ３５における凝縮によって奪った熱をＧＭ
冷凍機寒冷ヘッド二段９へ伝える銅ブロックである。本
装置における熱スイッチは銅ブロック３６、伝熱用極低
温流体３４、ベローズ３３および伝熱用磁性体３２から
なる部分を指している。また、伝熱用磁性体３２を上下
移動可能に支持するベローズ３３を設けた容器１８、銅
ブロック３６、伝熱用極低温流体３４はヒートパイプを
構成している。本実施形態においては、従来技術に設け
られていたステッピングモータ１４、支持台１５、ロッ
ド１６、熱スイッチ１１，１２は設けられていない。上
記以外の部分の構成は従来技術と同じである。
る磁気冷凍機の縦断面図である。図には従来技術と同一
の構成部材には同一の符号を付してあるので説明は省略
する。図において、３３はベローズ、３２は同ベローズ
３３に固定された伝熱用磁性体で、超伝導マグネット１
３がＯＮになると電磁力により下降する。３４は伝熱用
極低温流体で例えば液化対象極低温流体２１がヘリウム
の場合はヘリウムより沸点の高い水素が用いられる。３
５は蒸発した伝熱用極低温流体が凝縮する幅０．５mm程
度のギャップで、３６は蒸発した伝熱用極低温流体３４
からギャップ３５における凝縮によって奪った熱をＧＭ
冷凍機寒冷ヘッド二段９へ伝える銅ブロックである。本
装置における熱スイッチは銅ブロック３６、伝熱用極低
温流体３４、ベローズ３３および伝熱用磁性体３２から
なる部分を指している。また、伝熱用磁性体３２を上下
移動可能に支持するベローズ３３を設けた容器１８、銅
ブロック３６、伝熱用極低温流体３４はヒートパイプを
構成している。本実施形態においては、従来技術に設け
られていたステッピングモータ１４、支持台１５、ロッ
ド１６、熱スイッチ１１，１２は設けられていない。上
記以外の部分の構成は従来技術と同じである。
【０００７】図２は上記実施形態に用いられている熱ス
イッチの作動原理説明図であり、（ａ）は熱スイッチＯ
ＦＦの状態、（ｂ）は熱スイッチＯＮの状態を示してい
る。この熱スイッチは機械的に熱スイッチを上下動する
ためのロッド等の機構が無くてもＯＮ・ＯＦＦが可能な
熱スイッチである。
イッチの作動原理説明図であり、（ａ）は熱スイッチＯ
ＦＦの状態、（ｂ）は熱スイッチＯＮの状態を示してい
る。この熱スイッチは機械的に熱スイッチを上下動する
ためのロッド等の機構が無くてもＯＮ・ＯＦＦが可能な
熱スイッチである。
【０００８】図において、超伝導マグネット１３がＯＮ
になると、電磁力により伝熱用磁性体３２は超伝導マグ
ネット１３の磁場空間の中心に向かって下降するので、
伝熱用磁性体３２は液化用磁性体２０と接触し、熱スイ
ッチはＯＮとなる（図２の（ｂ））。このとき液化用磁
性体２０は発熱しているので、この熱は伝熱用磁性体３
２を介して伝熱用極低温流体３４に伝えられ、同伝熱用
極低温流体はさかんに蒸発する。蒸発した伝熱用極低温
流体３４はギャップ３５で凝縮し、蒸発した伝熱用極低
温流体３４から奪われた熱は、銅ブロック３６を介して
ＧＭ冷凍機寒冷ヘッド第二段９へ排熱される。次にふた
たび超伝導マグネットの磁場がＯＦＦになると、伝熱用
磁性体３２は液化用磁性体２０から離れ、熱スイッチは
ＯＦＦとなる（図２の（ａ））。上記の熱スイッチでは
超伝導マグネット１３と熱スイッチの先端にとりつけら
れた伝熱用磁性体３２の間の電磁力により熱スイッチの
ＯＮ・ＯＦＦを行うので、熱スイッチを上下動するため
のロッドが不要となり、ＧＭ冷凍機寒冷ヘッド第二段へ
の侵入熱を低減できる。
になると、電磁力により伝熱用磁性体３２は超伝導マグ
ネット１３の磁場空間の中心に向かって下降するので、
伝熱用磁性体３２は液化用磁性体２０と接触し、熱スイ
ッチはＯＮとなる（図２の（ｂ））。このとき液化用磁
性体２０は発熱しているので、この熱は伝熱用磁性体３
２を介して伝熱用極低温流体３４に伝えられ、同伝熱用
極低温流体はさかんに蒸発する。蒸発した伝熱用極低温
流体３４はギャップ３５で凝縮し、蒸発した伝熱用極低
温流体３４から奪われた熱は、銅ブロック３６を介して
ＧＭ冷凍機寒冷ヘッド第二段９へ排熱される。次にふた
たび超伝導マグネットの磁場がＯＦＦになると、伝熱用
磁性体３２は液化用磁性体２０から離れ、熱スイッチは
ＯＦＦとなる（図２の（ａ））。上記の熱スイッチでは
超伝導マグネット１３と熱スイッチの先端にとりつけら
れた伝熱用磁性体３２の間の電磁力により熱スイッチの
ＯＮ・ＯＦＦを行うので、熱スイッチを上下動するため
のロッドが不要となり、ＧＭ冷凍機寒冷ヘッド第二段へ
の侵入熱を低減できる。
【０００９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の磁気冷凍
機においては、超伝導マグネットの磁場のＯＮ・ＯＦＦ
にともなって上下動する伝熱用磁性体とヒートパイプを
組み合わせた熱スイッチを用いているので、機械的に熱
スイッチを上下動するためのロッドが不要となり、ＧＭ
冷凍機寒冷ヘッド第二段への侵入熱を低減し、熱スイッ
チから熱を奪うためのＧＭ冷凍機寒冷ヘッド第二段の寒
冷発生量を増加させる。したがって高性能な熱スイッチ
となっているので、磁気冷凍機の冷凍能力を増大させる
ことができる。
機においては、超伝導マグネットの磁場のＯＮ・ＯＦＦ
にともなって上下動する伝熱用磁性体とヒートパイプを
組み合わせた熱スイッチを用いているので、機械的に熱
スイッチを上下動するためのロッドが不要となり、ＧＭ
冷凍機寒冷ヘッド第二段への侵入熱を低減し、熱スイッ
チから熱を奪うためのＧＭ冷凍機寒冷ヘッド第二段の寒
冷発生量を増加させる。したがって高性能な熱スイッチ
となっているので、磁気冷凍機の冷凍能力を増大させる
ことができる。
【図１】本発明の実施の一形態に係る磁気冷凍機の縦断
面図。
面図。
【図２】上記実施形態に用いられている熱スイッチの作
動原理説明図。
動原理説明図。
【図３】従来の磁気冷凍機の縦断面図。
１ 断熱真空容器 ２ フランジ部 ３ 液体窒素槽 ４ 液体窒素 ５ 液体窒素供給管 ６ 窒素ガス逃気管 ７ ＧＭ冷凍機第一段寒冷発生部 ８ シールド板 ９ ＧＭ冷凍機第二段寒冷発生部 １０ 銅ブロック １３ 超伝導マグネット １８ 熱スイッチ容器 ２０ 液化用磁性体 ２１ 液化対象極低温流体 ２２ シール ２３ バネ ２４ フランジ ２５ 液化対象極低温流体収納容器 ２６ 液化用磁性体収納容器 ２７ ギャップ ２８ 液体ヘリウム ２９ 液体ヘリウム容器 ３０ 液体ヘリウム注入管 ３１ ヘリウムガス逃気管 ３２ 伝熱用磁性体 ３３ ベローズ ３４ 伝熱用極低温流体 ３５ ギャップ ３６ 銅ブロック ４０ ギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機
Claims (2)
- 【請求項１】 液化対象極低温流体の収容容器、同液化
対象極低温流体を液化するために上記収容容器内に設け
られた液化用磁性体、同液化用磁性体の周囲に設置され
同液化用磁性体に磁場を加える超伝導マグネット、寒冷
発生部を有するギフォード・マクマホン冷凍機、及び上
記ギフォード・マクマホン冷凍機の寒冷発生部に熱的に
接続され下端部において外力によって上下に移動して上
記液化用磁性体に離接する可動部を備えている熱スイッ
チによって構成される磁気冷凍機において、上記熱スイ
ッチを、上端部が上記ギフォード・マクマホン冷凍機の
寒冷発生部に熱的に接続されているヒートパイプと、同
ヒートパイプの下端部において上下移動可能に支持され
上記超伝導マグネットの磁場により上下移動して上記液
化用磁性体に離接し上記ヒートパイプに放熱する伝熱用
磁性体からなる可動部とによって構成し、上記ヒートパ
イプを、上記伝熱用磁性体を上下移動可能に支持するベ
ローズを設けた容器と、同容器内に封入された上記液化
対象極低温流体より沸点の高い伝熱用極低温流体とから
構成し、上記ヒートパイプと上記ギフォード・マクマホ
ン冷凍機の寒冷発生部とを接続する部材としてその一部
が上記ヒートパイプ内に位置する銅ブロックを用いたこ
とを特徴とする磁気冷凍機。 - 【請求項２】 上記銅ブロックの上記ヒートパイプ内に
位置する部分に、蒸発した伝熱用極低温流体を凝縮させ
るギャップを設けたことを特徴とする請求項１に記載の
磁気冷凍機。
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| JP02507696A JP3285751B2 (ja) | 1996-02-13 | 1996-02-13 | 磁気冷凍機 |
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| JP02507696A JP3285751B2 (ja) | 1996-02-13 | 1996-02-13 | 磁気冷凍機 |
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