JPH0255696B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、磁気熱量効果を利用したヘリウム液
化冷凍装置に係り、特に冷凍効率の向上化を図れ
るようにしたヘリウム液化冷凍装置に関する。

〔発明の背景技術とその問題点〕

従来、磁性体の磁気熱量効果を利用したヘリウ
ム液化冷凍装置が知られている。この冷凍装置
は、断熱消磁によつて冷えた磁性体で被冷却物で
あるヘリウムガスを凝縮させるようにしたもの
で、通常の圧縮形冷凍装置に較べて単位体積当り
の冷凍能力が高いと云う利点を備えている。

ところで、このような冷凍装置の場合には、ガ
ドリニウムガリウムガーネツトで代表される磁性
体、つまり作業物質を磁場内に急速に導入して断
熱磁化させ、このときに作業物質に発生した熱を
外部へ逃がす排熱過程と、磁場内に位置している
作業物質を磁場外へ急速に導入して断熱消磁さ
せ、このときの作業物質の吸熱作用でヘリウムガ
スを冷却する吸熱過程との２つの熱交換過程を交
互に行なわせる必要がある。つまり、作業物質を
磁場内に位置させたり、磁場外に位置させたりす
る必要がある。

このため、従来の装置にあつては、作業物質を
固定するとともに上記作業物質の回りに超電導コ
イルからなる磁場発生装置を固定しておき、断熱
磁化のときには磁場発生装置を付勢するとともに
排熱系を動作させ、また断熱消磁のときには磁場
発生装置の付勢を停止するとともに排熱系の動作
を停止させ、この制御を交互に行なわせるように
している。

このような構成であると、電気的な制御だけで
冷凍サイクルを実行させることができるので全体
の小型化を図れること、作業物質が静止している
ので排熱工程の信頼性を高めることができること
などの利点がある。

しかしながら、反面、磁場発生装置、つまり超
電導コイルをパルス付勢するようにしているの
で、この超電導コイルの付勢過程での損失が大き
く、冷凍効率が大幅に低いと云う問題があつた。

そこで、このような問題を解消するために、磁
場発生装置を常に付勢しておき、代りに作業物質
を機械的に移動させて上記磁場発生装置で発生し
た磁場内および磁場外に交互に位置させることが
考えられる。しかし、このように構成すると、移
動する作業物質から排熱を行なわなければなら
ず、排熱系をどのように構成するかと云う点が問
題となる。

〔発明の目的〕

本発明は、このような事情に鑑みてなされたも
ので、その目的とするところは、磁場発生装置を
常時付勢するとともに作業物質を機械的に移動さ
せる方式を採用したものにあつて、断熱磁化時に
作業物質から良好に排熱させることができ、もつ
て冷凍効率の向上化を図れるヘリウム液化冷凍装
置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、ヘリウム槽の上方に配置された磁場
発生装置を常時付勢するとともにヘリウム槽内に
通じる空間内において上記磁場発生装置で発生し
た磁場内および磁場外に向けて作業物質を交互に
機械的に移動させるようにしたものにおいて、作
業物質が磁場内に位置しているとき上記作業物質
に厚さ500μｍ以下のヘリウムガス層を介して近
接する良熱伝導性部材を設け、さらに上記作業物
質で発生した熱を上記ヘリウムガス層および良熱
伝導性部材を介して上記ヘリウム槽外へ排熱する
手段を設けたことを特徴としている。

〔発明の効果〕

移動する作業物質から熱を奪つて排熱する場
合、排熱させるための系を作業物質と一体に移動
させることは構造の複雑化を免れ得ず、また、断
熱消磁時に排熱系から作業物質へ向けて熱が侵入
するのを免れ得ない。

しかし、本発明装置のように、作業物質が磁場
内に位置しているときだけ上記作業物質にヘリウ
ムガス層を介して十分近接する良熱伝導性部材を
設け、上記ヘリウムガス層および上記部材を介し
て排熱する構造であると、上記良熱伝導性部材、
つまり排熱系全体を作業物質と一体に移動させる
必要はない。また、ヘリウムガス層は熱伝導率が
高く、特に上述した厚さのヘリウムガス層は良好
な熱伝導体として作用する。したがつて、構造の
複雑化を招くことなく良好な排熱を行なわせるこ
とができる。また、断熱消磁時には、作業物質と
良熱伝導性部材とを距離的に離すことができる。
このため、断熱消磁時に良熱伝導性部材を介して
作業物質に熱が侵入するのを防止できる。したが
つて、構造の複雑化や熱侵入を抑えた状態で、作
業物質を移動させる方式の特徴、つまり、この方
式が本質的に備えている冷凍効率が高い点を最大
限に発揮させることができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説
明する。

第１図において、１は外槽を示し、２は外槽１
内に収容された内槽を示している。外槽１は、全
体が熱伝導性の悪い部材で形成されている。ま
た、内槽２は、その上壁２ａだけが肉厚の厚い良
熱伝導材で形成されており、残りの部分が熱伝導
性の悪い部材で形成されている。そして、外槽１
と内槽２との間に存在する空間３は真空引きされ
て真空断熱層に形成されている。

上記内槽２の上壁２ａの２個所には、上壁２ａ
の図中上側と下側とを連通させる筒部４ａ，４ｂ
が下方に向けて平行に、かつ同一寸法に突設され
ている。これら筒部４ａ，４ｂは、上壁２ａを構
成している部材と同一材あるいはそれ以上に熱伝
導性の良い部材で厚肉に形成されたもので、その
下端部から所定の長さの部分５ａ，５ｂの内径が
他の部分より小径に形成されている。そして、部
分５ａ，５ｂの上下内端縁はそれぞれテーパ面に
形成されている。

しかして、内槽２内には、内槽２との間に真空
断熱層を介してヘリウム槽６が収容されている。
このヘリウム槽６は、非磁性良熱伝導材で全体が
形成されたもので、具体的には次のように構成さ
れている。すなわち、槽本体７と、この槽本体７
内を上下方向に２分するように設けられた仕切壁
８と、槽本体７の上壁９に設けられ、前記筒部４
ａ，４ｂをそれぞれ非接触に嵌入させる孔１０
ａ，１０ｂと、これら孔１０ａ，１０ｂの縁部を
仕切壁８の上面までそれぞれ延長させる筒体１１
ａ，１１ｂと、これら筒体１１ａ，１１ｂの外周
面に上下方向に２段構成に突設された鍔部１２
ａ，１２ｂおよび１３ａ，１３ｂとで構成されて
いる。そして、筒体１１ａ，１１ｂの外周で鍔部
１２ａ，１２ｂと上壁９との間には主磁場発生装
置を構成する超電導コイル１４ａ，１４ｂが装着
されており、また筒体１１ａ，１１ｂの外周で鍔
部１３ａ，１３ｂと仕切壁８との間には補助磁場
発生装置を構成する超電導コイル１５ａ，１５ｂ
が装着されている。各超電導コイル１４ａ，１４
ｂおよび１５ａ，１５ｂは、ヘリウム槽６内の底
部に溜つている液体ヘリウムＨを冷却源とし、ヘ
リウム槽構成材を介して所要の温度に冷却され
る。そして、超電導コイル１５ａ，１５ｂは、超
電導コイル１４ａ，１４ｂの発生磁場とは逆向き
の磁場を発生させ、これによつて、超電導コイル
１４ａ，１４ｂで発生した磁場の下側強度勾配を
急峻化させるようにしている。

しかして、仕切壁８の前記筒部４ａ，４ｂの下
端面に対向する位置には、部分５ａ，５ｂの内径
より大きく、かつ筒部４ａ，４ｂの外径より小さ
い孔１６ａ，１６ｂが形成されている。そして、
上記孔１６ａ，１６ｂの内縁には、熱伝導性の悪
い部材で形成された筒体１７ａ，１７ｂの下端側
が接続されており、これら筒体１７ａ，１７ｂの
上端側は筒部４ａ，４ｂの下端面にそれぞれ気密
に接続されている。また、外槽１の上壁で筒部４
ａ，４ｂに対向する位置には、筒体１７ａ，１７
ｂの内径と同径の孔１８ａ，１８ｂが同軸的に設
けてある。そして、孔１８ａ，１８ｂの縁部と筒
部４ａ，４ｂの上縁部とは熱伝導性の悪い部材で
形成された筒体１９ａ，１９ｂによつて気密に接
続されている。すなわち、孔１８ａ、筒体１９
ａ、筒部４ａ、筒体１７ａおよび孔１６ａが同軸
的に接続されて、外部と液体ヘリウムＨの収容さ
れている空間とを連通させるシリンダ２０ａが構
成され、同様に孔１８ａ、筒体１９ａ、筒部４
ｂ、筒体１７ｂおよび孔１６ｂが同軸的に接続さ
れて同様のシリンダ２０ｂが構成されているので
ある。

しかして、前記各シリンダ２０ａ，２０ｂ内に
は外部からロツド２１ａ，２１ｂが昇降自在に挿
設されている。ロツド２１ａ，２１ｂはそれぞれ
熱伝導性の悪い部材で前述した筒部４ａ，４ｂに
おける部分５ａ，５ｂの内径より約200μｍ小さ
い外径の円柱状に形成されている。そして、各ロ
ツド２１ａ，２１ｂの下端部には、ガドリニウム
ガリウムガーネツト等の磁性体をロツド２１ａ，
２１ｂの外径と等しい外径の円柱状に加工してな
る作業物質２２ａ，２２ｂが直列に介挿されてい
る。

ロツド２１ａ，２１ｂの外槽１外に位置する端
部には支持材２３ａ，２３ｂが取り付けてあり、
これら支持材２３ａ，２３ｂの先端部に互いに対
面する関係にラツク２４ａ，２４ｂが固定されて
いる。そして、ラツク２４ａとラツク２４ｂとの
間の中心位置には、紙面と直交する方向に延びる
軸２５が図示しない軸受によつて回転自在に支持
されている。軸２５の外周でラツク２４ａとラツ
ク２４ｂとの間に位置する部分には上記ラツク２
４ａ，２４ｂに共通に噛合するピニオン２６が固
定されている。なお、ピニオン２６と各ラツク２
４ａ，２4bとは次のような関係に噛合している。
すなわち、ロツド２１ａ，２１ｂの下端部に介挿
されている作業物質２２ａ，２２ｂが丁度、第１
図の作業物質２２ａのように筒部４ａ，４ｂの部
分５ａ，５ｂ内に位置しているときを上死点と
し、また作業物質２２ｂのように仕切壁８と液体
ヘリウムＨの液面との間に位置しているときを下
死点とし、何れかの作業物質が上死点に位置して
いるときには他方の作業物質が下死点に位置する
関係が成立するように噛合している。軸２５の外
周には図示しない別のピニオンが固定されてお
り、このピニオンは図示しないラツクと噛合して
いる。そして、上記ラツクは図示しない往復動駆
動源に連結されている。

しかして、内槽２の上壁２ａの周縁部には厚肉
部３１が形成されており、この厚肉部３１には、
開口部を横方向に向けた円柱状の凹部３２が形成
されている。外槽１の側壁で凹部３２に対向する
位置には、凹部３２より大径の孔３３が形成され
ており、この孔３３の周縁部には外方へ突出する
フランジ３４が気密に接続されている。そして、
上記フランジ３４内を通して前記凹部３２に良熱
伝導材で形成された伝熱ロツド３５の一端側が嵌
入している。伝熱ロツド３５の外周には鍔部３６
が設けてあり、この鍔部３６がシール材を介して
フランジ３４に締付け固定されている。そして、
伝熱ロツド３５の他端側は小型冷凍機等の冷却器
３７に熱的に接続されている。なお、第１図中３
８ａ，３８ｂは、シール部材を示している。

次に上記のように構成されたヘリウム液化冷凍
装置の動作を説明する。

まず、超電導コイル１４ａ，１４ｂおよび１５
ａ，１５ｂには前述した関係の磁場を発生させ得
る永久電流が流れているものとする。また、冷却
器３７が動作状態にあるものとする。冷却器３７
が動作すると、伝熱ロツド３５を介して上壁２ａ
の熱が奪われる。したがつて筒部４ａ，４ｂも十
分低温に保たれる。

このような状態で、往復動駆動源を動作させる
と、ピニオン２６が第１図中実線矢印Ｐで示すよ
うに往復動回動する。この結果、ロツド２１ａ，
２１ｂが第１図中実線矢印Q₁，Q₂で示すように
昇降する。すなわち、ロツド２１ａが下降を開始
するとロツド２１ｂが上昇を開始する関係にそれ
ぞれが昇降する。このため、作業物質２２ａ，２
２ｂは、上死点と下死点との間を180度の位相差
をもつて昇降することになる。上死点に位置して
いるときには、第１図中の作業物質２２ａに見ら
れるように超電導コイルの発生する磁場内に完全
に位置する。したがつて、断熱磁化状態となる。
一方、下死点に位置しているときには、第１図中
の作業物質２２ｂが見られるように磁場外に位置
する。したがつて、断熱消磁状態となる。断熱消
磁状態では、作業物質２２ｂ，２２ａが吸熱す
る。このため液面上に漂よつているヘリウムガス
が作業物質２２ｂ，２２ａの表面に凝縮する。こ
の凝縮によつて形成された液滴は自然落下し、こ
こにヘリウムの液化が達成されることになる。

しかして、上記のように断熱磁化状態になる
と、作業物質２２ａ，２２ｂは発熱する。この熱
は次のようにして外部に導かれる。すなわち、作
業物質２２ａ，２２ｂが上死点に位置していると
きには、必ず部分５ａ，５ｂ内に位置している。
部分５ａ，５ｂの内径は、この実施例では作業物
質２２ａ，２２ｂの外径より約200μｍ大きい値
に設定されている。このため、作業物質２２ａ，
２２ｂが部分５ａ，５ｂ内に位置しているときに
は、第２図に示すように部分５ａ，５ｂの内面と
作業物質２２ａ，２２ｂの外面との間に約100μ
ｍの間隙Ｇが存在していることになる。部分５
ａ，５ｂ内にはヘリウムガスが存在しているの
で、作業物質２２ａ，２２ｂと部分５ａ，５ｂの
内面との間には約100μｍ厚のヘリウムガス層が
存在する。ヘリウムガス層の厚さと熱伝導率との
間には、第３図に示す関係があり、ヘリウムガス
層の厚さが500μｍ以下では極めて良好な熱伝導
率特性を示す。このため、作業物質２２ａ，２２
ｂで発生した熱は、ヘリウムガス層、筒部４ａ，
４ｂおよび上壁２ａを介して速やかに外部へと排
熱されることになる。したがつて、作業物質２２
ａ，２２ｂで発生した熱によつてヘリウム槽６内
が温度上昇するようなことはなく、ここに良好な
冷凍サイクルが実現される。

このように、作業物質２２ａ，２２ｂが断熱磁
化状態にあるときだけ、これらの作業物質２２
ａ，２２ｂにヘリウムガス層を介して十分近接す
る熱伝導性部材を設け、この熱伝導性部材を介し
て外部へ排熱させるようにしている。したがつ
て、排熱系を作業物質と一緒に移動させるものと
は違つて全体の構造の単純化を図ることができ
る。また、断熱消磁時には必然的に熱伝導性部材
と作業物質との間に長い断熱距離を確保すること
ができる。したがつて、断熱消磁時に上記熱伝導
性部材を介して熱侵入するようなこともなく、結
局、前述した効果が得られる。

なお、実施例のように主磁場発生装置と補助磁
場発生装置とを設け、補助磁場発生装置で磁場の
縁部の強度勾配を急峻化させるようにすると、作
業物質が磁場外へ出るのに必要な移動ストローク
を小さくできる。したがつて、装置全体の小型化
に寄与できる。また、実施例のように、２つの作
業物質を１つの駆動源を用いて排他的に昇降させ
る方式であると、一方の作業物質が磁場から離れ
ようとしたとき、他方の作業物質が磁場に近づく
関係にあるので、一方の磁場と作業物質との間に
生じる磁気的吸引力で他方の磁場と作業物質との
間に生じる磁気的吸引力を結果的に減少させるこ
とができる。したがつて、駆動動力を少なくでき
る利点もある。また、本発明は、上述した実施例
のように昇降方式を採用したものに限らず回転方
式を採用したものにも適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る磁気冷凍装置
の縦断面図、第２図は同装置の要部だけを取り出
して示す断面図、第３図はヘリウムガス層の熱伝
達率特性を示す図である。 １……外槽、２……内槽、６，４１……ヘリウ
ム槽、４ａ，４ｂ……良熱伝導材で形成された筒
部、１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ……磁場発
生装置としての超電導コイル、２０ａ，２０ｂ…
…シリンダ、２１ａ，２１ｂ……ロツド、２２
ａ，２２ｂ……作業物質、２４ａ，２４ｂ……ラ
ツク、２６……ピニオン、Ｇ……間隙。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ヘリウム槽と、このヘリウム槽の上方に常時
   磁場を発生する磁場発生装置と、前記ヘリウム槽
   内に通じた空間に配置され、前記磁場発生装置で
   発生した磁場内に位置したときには発熱し、磁場
   外に位置したときには吸熱して前記ヘリウム槽内
   のヘリウムガスを液化する作業物質と、前記ヘリ
   ウム槽外から動力を与えて前記作業物質を前記磁
   場内および磁場外へと交互に移動させる駆動手段
   と、前記作業物質が前記磁場内に位置していると
   き上記作業物質に厚さ500μｍ以下のヘリウムガ
   ス層を介して近接する良熱伝導性部材と、前記作
   業物質で発生した熱を前記厚さのヘリウムガス層
   および前記良熱伝導性部材を介して前記ヘリウム
   槽外へ排熱する手段とを具備してなることを特徴
   とするヘリウム液化冷凍装置。 ２ 前記磁場発生装置は、磁場終端部の強度勾配
   を急峻化させる補助磁場発生装置を備えたもので
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   のヘリウム液化冷凍装置。 ３ 前記磁場発生装置、前記作業物質および前記
   良熱伝導性部材からなる要素の組を少なくとも一
   対備え、対をなす各組の作業物質が１つの駆動手
   段によつて各磁場発生装置で発生した磁場内およ
   び磁場外へと排他的に移動制御されるものである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のヘ
   リウム液化冷凍装置。