JP3766507B2

JP3766507B2 - refrigerator

Info

Publication number: JP3766507B2
Application number: JP10289197A
Authority: JP
Inventors: 英樹矢山; 彬昶友清
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1997-04-21
Filing date: 1997-04-21
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2017-04-21
Also published as: JPH10300251A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍機に関し、特に、蓄冷材としてＥｒＮｉを用い、前記蓄冷材に定常的に一定の磁場を印加する冷凍能力に優れた冷凍機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
極低温の冷凍機として、今日、ＧＭ（Ｇｉｆｆｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ）冷凍機が広く用いられている。
図５を参照して従来のＧＭ冷凍機の概略構成を説明すると、図中、１は蓄冷器、２はシリンダ３内に摺動自在に配置したピストン、４は熱交換器、５はコンプレッサー、Ｖ１、Ｖ２はバルブであり、これらによって構成された冷凍機は次のような動作をする。
【０００３】
最初ピストン２は、シリンダ３の底（図中下方）にあり、高圧のヘリウムガスがバルブＶ１を通してコンプレッサー５からシリンダ３内のＡ室と蓄冷器１の中に導入される。次にバルブＶ１を開けたままでピストン２を上昇させ、シリンダ３Ａ室内のヘリウムガスを蓄冷器１を通してＢ室に移す。これをホットブローと呼ぶ。この操作は、ヘリウムガスが蓄冷器１を通過する時にその体積が収縮するため、等圧条件を満足するようにバルブＶ１を開けたままで行う。
【０００４】
次にバルブＶ１を閉め、バルブＶ２を開いてシリンダ３内のＢ室の圧力を下げる。この過程でヘリウムガスは膨張し、温度が減少することにより冷凍が行われる。最後にピストン２を下げ、低温のヘリウムガスがシリンダ３内のＢ室からＡ室に熱交換器４と蓄冷器１を通して移動する。これをコールトブローと呼ぶ。上記冷凍機では上記のような過程を１サイクルとして運転が行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このシステムの中で、蓄冷器１に用いる材料「蓄冷材」としては比熱の大きな材料が要求されるが、従来のＧＭ冷凍機では、蓄冷材としてＥｒ₃ＮｉやＰｂが使用されていた。
しかし、Ｅｒ₃ＮｉやＰｂは蓄冷材として十分な比熱を有しているとは言えず、さらに大きな比熱を有する新しい蓄冷材が望まれていた。
【０００６】
こうした背景のなかで、本発明者等は、ＥｒＮｉが、常磁性から強磁性に転移する１０．５Ｋ付近で従来の蓄冷材Ｅｒ₃ＮｉやＰｂなどよりも大きな比熱を示し、蓄冷材として有望であることを確認し、本発明はこの知見に基づいてされたものである。図２に、ＥｒＮｉ蓄冷材の磁場中での比熱の実測値を示す。比較のために従来のＧＭ冷凍機で用いられて来たＥｒ₃ＮｉやＰｂのゼロ磁場での比熱も一緒に示す。この図からも明らかなようにＥｒＮｉが蓄冷材として極めて有望であることが判る。
【０００７】
本発明による冷凍機では、蓄冷材として比熱の大きいＥｒＮｉを使用したため、冷凍機の効率が向上するとともに、ＥｒＮｉに定常的に一定の磁場を印加することにより冷凍能力を著しく飛躍させることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、冷凍機の蓄冷器の蓄冷材としてＥｒＮｉを用いるとともに、前記蓄冷材に定常的に一定の磁場を印加することを特徴とする冷凍機である。
【０００９】
【実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明すると、図１は本発明の実施の形態に係る冷凍機の構成図であり、この冷凍機は前述した従来の冷凍機の蓄冷器１の付近に磁場を印加する磁場印加手段６を備えており、他の構成要件は従来と同様である。前記磁場印加手段６としては永久磁石や電磁石等の適宜磁石を使用することができ、また磁場印加手段６の磁場制御も適宜手段にて行うことができる。たとえば、永久磁石を使用した場合、蓄冷材に永久磁石を近づけたり遠ざけたりすることで磁場の強さを変えることができ、また永久磁石の移動手段として、各種のアクチュエータを使用することができる。
【００１０】
上記構成の冷凍機の蓄冷器１に使用する蓄冷材はＥｒＮｉであり、この蓄冷材には前述のように磁場印加手段により、種々の形態で磁場を印加できるようにしてある。
高熱源の温度を３０Ｋ、低熱源の温度を４Ｋとし、蓄冷材としてＥｒＮｉを用い、それに磁場を印加した場合の冷凍能力（Ｐ_r／Ｐ_i）のシミュレーションの結果を図３に示す。ここで、Ｐ_iは理想の、Ｐ_rは実際のＧＭ冷凍機の冷凍能力を表しており、Ｌ１は蓄冷機の全長、Ｌ２はその内の磁場を印加した部分の長さを表す。またＢ（Ｔ）は印加磁場をテスラの単位であらわす。図から明らかなように、Ｌ２／Ｌ１＝０．５５、Ｂ（Ｔ）＝２．１Ｔのときに最大値は０．６９５であり、この値は磁場を印加しないときの値０．５２に比べ１．３４倍となる。このようにＥｒＮｉは一定の磁場を印加することにより冷凍能力が増大することが明らかなった。
【００１１】
次に、コールドブローの前に蓄冷器に磁場Ｂ_Hを印加し、断熱励磁する。このとき発生した熱はその直後のコールドブロー時にヘリウムガスによって高熱源に運ばれる。逆にホットブローの前に蓄冷器にかかっている磁場Ｂ_Hを断熱減磁してＢ_Lにすることにより蓄冷器の温度を下げる。その直後にホットブローで蓄冷器を通過するヘリウムガスが冷却され、低熱源がより低温になる。この操作によってガス冷凍（ＧＭ冷凍）だけでなく、磁気冷凍の効果もプラスされるので冷凍能力が増大する。これは磁気冷凍とガス冷凍の「ハイブリッド冷凍機」ということができる。
【００１２】
図４は磁場Ｂ_HとＢ_Lの組み合わせと冷凍能力の関係を示したものである。Ｂ_L＝０．２Ｔ、Ｂ_H＝０．３９Ｔの時最大０．７７３を示す。この値は、磁場を印加しない時に比べて、１．５倍の冷凍能力になることを示している。
現在市販されている最強の永久磁石（Ｎｅ−Ｆｅ−Ｂ）の表面磁場は約０．３Ｔであるから、この磁石を用いる場合にはＢ_L＝０．１４Ｔ、Ｂ_H＝０．３Ｔとして、図から冷凍能力０．６８が得られる。この値は磁場を印加しない時の値０．５２に比べて１．３倍の冷凍能力になることを示している。このことは、磁石を冷凍サイクルに同期して蓄冷器に近づけたり遠ざけたりするだけで、容易に冷凍能力が１．３倍となることを示している。
【００１３】
上述したように本発明は、蓄冷材としてＥｒＮｉを用い、さらに蓄冷材に磁場を印加することにより、従来の冷凍機に比較して大幅に冷凍能力を増大することができる。この場合磁場を印加する手段として永久磁石に限らず、電磁石などを使用することができることは言うまでもない。また、蓄冷材に印加する磁場の強さは永久磁石を適宜手段により近づけたり遠ざけたりするばかりでなく、電磁石への電流制御等により行うこともできる。
なお、本発明はその精神また主要な特徴から逸脱することなく、他の色々な形で実施することができ、そのため前述の実施の形態は単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。更に特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。
【００１４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明によれば、比熱の高いＥｒＮｉを蓄冷材い、さらに同蓄冷材に印加する磁場を定常的に一定とすることで、従来のガス冷凍機に比較して冷凍能力を大幅に向上することができる、等の優れた効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるＧＭ冷凍機の概略構成図である。
【図２】ＥｒＮｉ蓄冷材の磁場中での比熱の実測値を示す図である。
【図３】蓄冷材としてＥｒＮｉを用い、それに磁場を印加した場合の冷凍能力（Ｐ_r／Ｐ_i）のシミュレーションの結果である。
【図４】磁場Ｂ_HとＢ_Lの組み合わせと冷凍能力の関係を示した図である。
【図５】従来のＧＭ冷凍機の概略構成図である。
【符号の説明】
１蓄冷器
２ピストン
３シリンダ
４熱交換器
５コンプレッサー
６磁場印加手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a refrigerator, and more particularly, to a refrigerator excellent in refrigerating capacity using ErNi as a cold storage material and applying a constant magnetic field constantly to the cold storage material .
[0002]
[Prior art]
Today, GM (Giffrd-McMahon) refrigerators are widely used as cryogenic refrigerators.
Referring to FIG. 5, a schematic configuration of a conventional GM refrigerator will be described. In the figure, 1 is a regenerator, 2 is a piston slidably disposed in the cylinder 3, 4 is a heat exchanger, 5 is a compressor, V1 and V2 are valves, and the refrigerator constituted by these operates as follows.
[0003]
The piston 2 is initially located at the bottom of the cylinder 3 (downward in the figure), and high-pressure helium gas is introduced from the compressor 5 into the chamber A and the regenerator 1 through the valve V1. Next, with the valve V1 kept open, the piston 2 is raised, and the helium gas in the cylinder 3A chamber is transferred to the B chamber through the regenerator 1. This is called hot blow. This operation is performed while the valve V1 is opened so as to satisfy the isobaric condition because the volume of the helium gas contracts when the helium gas passes through the regenerator 1.
[0004]
Next, the valve V1 is closed and the valve V2 is opened to lower the pressure in the B chamber in the cylinder 3. In this process, the helium gas expands, and the temperature is reduced, thereby freezing is performed. Finally, the piston 2 is lowered, and the low-temperature helium gas moves from the B chamber in the cylinder 3 to the A chamber through the heat exchanger 4 and the regenerator 1. This is called cold blow. The refrigerator is operated with the above process as one cycle.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In this system, a material having a large specific heat is required as the material “cool storage material” used for the regenerator 1, but Er ₃ Ni and Pb have been used as the cool storage material in the conventional GM refrigerator.
However, Er ₃ Ni and Pb cannot be said to have sufficient specific heat as a cold storage material, and a new cold storage material having a larger specific heat has been desired.
[0006]
Against this background, the present inventors have shown that the specific heat of ErNi is greater than that of conventional cold storage materials Er ₃ Ni and Pb at around 10.5 K where the transition from paramagnetism to ferromagnetism is promising as a cold storage material. The present invention has been confirmed based on this finding. In FIG. 2, the actual value of the specific heat in the magnetic field of an ErNi cool storage material is shown. For comparison, specific heat of Er ₃ Ni and Pb used in a conventional GM refrigerator in a zero magnetic field is also shown. As can be seen from this figure, ErNi is extremely promising as a cold storage material.
[0007]
In the refrigerator according to the present invention, due to the use of specific heat large ErNi as cold accumulating material, thereby improving the efficiency of the refrigerator, it is possible to greatly dramatically cooling capacity by applying a constantly a certain magnetic field to ErNi .
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
For this reason, the technical solution means which this invention employ | adopted is a refrigerator characterized by using ErNi as a cool storage material of the cool storage of a refrigerator, and applying a constant magnetic field to the said cool storage material steadily .
[0009]
Embodiment
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of a refrigerator according to an embodiment of the present invention. A magnetic field applying means 6 for applying a magnetic field is provided in the vicinity, and the other constituent elements are the same as in the prior art. As the magnetic field applying means 6, an appropriate magnet such as a permanent magnet or an electromagnet can be used, and the magnetic field control of the magnetic field applying means 6 can be performed by an appropriate means. For example, when a permanent magnet is used, the strength of the magnetic field can be changed by moving the permanent magnet closer to or away from the cold storage material, and various actuators can be used as means for moving the permanent magnet.
[0010]
The regenerator material used in the regenerator 1 of the refrigerator having the above-described configuration is ErNi, and a magnetic field can be applied to the regenerator material in various forms by the magnetic field application means as described above.
FIG. 3 shows the simulation results of the refrigerating capacity (P _r / P _i ) when the temperature of the high heat source is 30 K, the temperature of the low heat source is 4 K, ErNi is used as the cold storage material, and a magnetic field is applied thereto. Here, _Pi represents the ideal, _Pr represents the actual refrigeration capacity of the GM refrigerator, L1 represents the total length of the regenerator, and L2 represents the length of the portion to which the magnetic field is applied. B (T) represents the applied magnetic field in units of Tesla. As is apparent from the figure, when L2 / L1 = 0.55 and B (T) = 2.1T, the maximum value is 0.695, which is compared with the value 0.52 when no magnetic field is applied. 1.34 times. Thus, it has been clarified that ErNi increases its refrigeration capacity by applying a constant magnetic field.
[0011]
Next, before cold blow, a magnetic field B _H is applied to the regenerator and adiabatic excitation is performed. The heat generated at this time is carried to a high heat source by helium gas at the time of cold blow immediately thereafter. Conversely, the temperature of the regenerator is lowered by adiabatically demagnetizing the magnetic field B _H applied to the regenerator before hot blow to B _L. Immediately thereafter, the helium gas passing through the regenerator is cooled by hot blow, and the low heat source becomes cooler. By this operation, not only gas refrigeration (GM refrigeration) but also the effect of magnetic refrigeration is added, so that the refrigeration capacity is increased. This can be called a “hybrid refrigerator” of magnetic refrigeration and gas refrigeration.
[0012]
FIG. 4 shows the relationship between the combination of the magnetic fields B _H and B _L and the refrigerating capacity. A maximum of 0.773 is shown when B _L = 0.2T and B _H = 0.39T. This value indicates that the refrigerating capacity is 1.5 times that when no magnetic field is applied.
Since the surface magnetic field of the strongest permanent magnet (Ne-Fe-B) currently on the market is about 0.3 T, when using this magnet, B _L = 0.14 T, B _H = 0.3 T, A refrigerating capacity of 0.68 is obtained from the figure. This value indicates that the refrigerating capacity is 1.3 times that of 0.52 when no magnetic field is applied. This indicates that the refrigerating capacity can easily be increased 1.3 times simply by moving the magnet closer to or away from the regenerator in synchronization with the refrigeration cycle.
[0013]
As described above, the present invention can significantly increase the refrigerating capacity as compared with a conventional refrigerator by using ErNi as the regenerator and further applying a magnetic field to the regenerator. In this case, it goes without saying that the means for applying the magnetic field is not limited to a permanent magnet, but an electromagnet or the like can be used. Further, the strength of the magnetic field applied to the cold storage material can be determined not only by bringing the permanent magnet closer to or away from the appropriate means but also by controlling the current to the electromagnet.
It should be noted that the present invention can be implemented in various other forms without departing from the spirit and main features thereof, and therefore the above-described embodiment is merely an example and should not be interpreted in a limited manner. . Further, all modifications and changes belonging to the equivalent scope of the claims are within the scope of the present invention.
[0014]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, ErNi having a high specific heat is stored in the regenerator material , and the magnetic field applied to the regenerator material is made constant and constant, so that the refrigeration can be performed as compared with the conventional gas refrigerator. It is possible to achieve excellent effects such as greatly improving the ability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a GM refrigerator according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing actual measurement values of specific heat of ErNi regenerator material in a magnetic field.
FIG. 3 is a result of a simulation of refrigeration capacity (P _r / P _i ) when ErNi is used as a cold storage material and a magnetic field is applied thereto.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the combination of magnetic fields B _H and B _L and the refrigerating capacity.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a conventional GM refrigerator.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Regenerator 2 Piston 3 Cylinder 4 Heat exchanger 5 Compressor 6 Magnetic field application means

Claims

A refrigerator characterized in that ErNi is used as a regenerator material of a regenerator of a refrigerator and a constant magnetic field is constantly applied to the regenerator material .