JPH0256579B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は磁性体の断熱消磁によつて冷凍を発生
する磁気冷凍機に係り、特に超流動ヘリウムの発
生に好適な磁気冷凍機に関する。

従来の磁気冷凍機としては往復動型および回転
型のものが知られている。往復動型のものは磁性
体を高磁界中に往復動によつて出し入れするもの
であるが、磁性体をモータで駆動する場合、回転
運動を直線運動に変換する機構を要し、かつスト
ロークが大きくなるため駆動部分が複雑かつ大形
になる。また、回転型のものは、回転体中に作動
流体を流すが、気密性に大きな問題があり、液体
の循環手段を要してきわめて複雑なものになつて
いた。

本発明の目的は、このような問題点を解決する
ために、磁性体を内蔵する円板を回転させること
によつて冷凍サイクルを構成する磁気冷凍機を提
供することにある。

この磁気冷凍機は少なくとも一面が外表面に露
出した状態で円板に磁性体を埋めこみ、これが静
止高磁界部と寒冷取出部を交互に通過するように
回転させ、かつ円板との間に極めて小さい間隙を
保持するように静止板を対向させるもので、特に
高温部では磁性体を4.2Kの液体ヘリウムに露出
させ、低温部では磁性体を2K以下の超流動ヘリ
ウムに露出させて超流動ヘリウムを発生させるの
に好適なものである。

以下、本発明の実施例を第１図により説明す
る。１ａ及び１ｂは磁性体で例えばGd₃、Ga₅、
O₁₂（ガドニリウム・ガリウム、ガーネツト）単
結晶などを円筒状に加工したもので、厚さ20mm位
の円板２に接着剤等で固定されている。この円板
２としては、アルミナセラミツク、結晶化ガラ
ス、繊維強化樹脂など磁性体１ａ，１ｂと同程度
の膨張係数をもちかつ熱伝導率の低いものが望ま
しい。第１図では円柱状の磁性体１ａ，１ｂの両
端面が円板２の表面と同一面上になるよう加工さ
れている。３ａ及び３ｂは、円板２に接触しない
程度の微小間〓（たとえば10μｍ〜20μｍ）を保
つて円板２と対向している平板である。平板３
ａ，３ｂはステンレス鋼、セラミツク、結晶化ガ
ラス、繊維強化樹脂など熱伝導率の低いものから
なる。間〓は円板２と同一材質のスペーサ４で設
定されている。円板２は軸５に固定され、ベアリ
ング６ａ，６ｂを介して平板３ａ，３ｂとの位置
的関係を保持する。ベアリング６ａ，６ｂとして
は、極低温でも動作する無給油型のものを用い
る。７はポールピース、８はコイル（とくに超電
導コイル）で、ポールピース７のギヤツブに高磁
界を発生させる。９は寒冷取出部で、断熱配管１
０で必要な部署に連結されている。

第２図は、第１図に示した実施例の上部平面図
である。

このような構成において、ポールピース７のギ
ヤツプ部分には平板３ａ，３ｂに開口１１ａ，１
１ｂがあけてあり、磁性体１ｂ中で発生した磁化
熱を周囲の液体ヘリウム１２で冷却する。冷却が
完了すると、円板２は180°回転して磁性体１ａの
位置に来ると消磁されて吸熱する。その結果、寒
冷取出部９内の液体ヘリウム１３が冷却される。
このようなサイクルを繰り返して液体ヘリウム１
３は2K以下に冷却され超流動ヘリウムとなる。
液体ヘリウム１３と液体ヘリウム１２の間は上述
の如くきわめて小さな間〓に保たれているため、
超流動ヘリウムの良好な熱伝導特性が阻害され、
両者が熱的に隔離されている。回転の速度は磁性
体が高磁界部または寒冷発生部に滞在する時間を
長くとり、その間を移動する時間は短くなるよう
に制御する。

第３図は本発明の別の実施例で磁性体を４ヶ使
用したものである。磁性体の数は、偶数個に限定
する必要はなく、また４ヶ以上を用いてもよい。
基本的な構成はすべて第１図及び第２図に示した
ものと同じである。

ポールピース７、コイル８、寒冷取出部９はい
ずれも２倍に増えている。高磁場領域を複数にす
ることによつて、磁性体に作用する電磁力が回転
軸の一方向のみに加わるのを避けることができ、
軸対称に配置することによつて前記回転軸に作用
する力を著しく低減できるので、軸受の耐久性を
高めることができる。

この場合、回転が90°きざみになるので、回転
数を下げることができ、ベアリング等の耐久性を
高めることができる。同様にして円板の径を大き
くすれば多数の磁性体を埋め込むことが可能なの
で多極化した低速回転の磁気冷凍機が得られる。

第４図は、本発明による磁気冷凍機を超電導マ
グネツトに適用したシステムを示す。１４が円板
を内蔵する冷凍機の本体、７はコイル８と一体化
したポールピース、９は寒冷取出用配管、１５は
駆動用モータで、モータを除く冷凍機本体は液体
ヘリウム１２（温度4.2K、圧力大気圧）に浸漬
されている。いつぽう、１６は冷却すべき超電導
マグネツトで、配管９内と連通した超流動ヘリウ
ム１３中に浸漬されている。１７は安全弁、１８
は破壊板、１９は電流リードである。２０は液体
ヘリウム１２と同一温度レベルのシールド、２１
は液体窒素温度レベルのシールド、２２は真空容
器で、空間２３は真空である。このような構成に
より、超電導マグネツト１６及びその周辺での熱
負荷は高熱伝導性の超流動ヘリウム１３を経由し
て冷凍機の本体１４で寒冷を受けとることができ
る。冷凍発生に要するエネルギー（磁化熱、回転
にともなう摩擦熱等）は液体ヘリウム１２が沸騰
して吸収する。このために要する液体の補給、お
よび気化ガスの回収は別の冷凍システムで行う。

第５図は本発明の他の実施例を示す断面図で、
高温の液体ヘリウム１２と超流動性の液体ヘリウ
ム１３とを仕切り板２４で隔離したものである。
磁性体１ａ，１ｂは円板２に埋め込まれ、平板２
５ａと２５ｂに囲まれている。円板２は軸５、ベ
アリング６ａ，６ｂを介して平板２５ａ，２５ｂ
との位置関係を保つている。８はソレノイド超電
導コイルで、磁性体１ｂ部に高磁界を発生させ
る。平板２５ａには液体ヘリウム１２側に、また
平板２５ｂには超流動ヘリウム１３側に開口があ
る。

この図の場合、磁化による発熱除去面と、消磁
中の吸熱面が第１図に示したような同一面ではな
いが、第１図に示したものと全く同じ冷凍サイク
ルを呈する。

第６図は磁性体の他の形状を示す。断面が扇形
をした磁性体１が円板２に放射状に４個埋め込ま
れている様子を示す。このような形状は、磁性体
単結晶の原材料が円筒状を呈し、これより小片に
切り出して使用する場合、素材の無駄が少ない。

以上述べた実施例は高温側放熱源を4.2K、低
温側吸熱源を1.8Kとしたサイクルを対象とした
が、特にこの温度に限定するものではない。

なお、これらのシステムを多段に重ねて同一駆
動機構で運転すれば大きな冷凍出力を得ることが
できる。

本発明によれば、磁性体を回転させるだけで寒
冷を発生することが可能であり、構造が極めて単
純化されるという大きな効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の磁気冷凍機の一実施例を示す
断面図、第２図は第１図の平面図、第３図は本発
明の別の実施例を示す部分斜視図、第４図は本発
明の実施例を適用した例を示す概念断面図、第５
図は本発明の別の実施例を示す断面図、第６図は
本発明における円板部分の他の例を示す平面図で
ある。 １，１ａ，１ｂ……磁性体、２ａ，２ｂ……円
板、３ａ，３ｂ……平板、８……コイル、９……
寒冷取出配管、１２……液体ヘリウム、１３……
超流動ヘリウム、１５……駆動モータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ １個ないし複数個の磁性体が、少なくともそ
   の一面が露出するように低熱伝導性部材中に埋め
   こまれた回転円板と、前記磁性体が露出している
   側に小さな間隙を保つて前記回転円板に対向する
   と共にこの回転円板を回転自在に支持する低熱伝
   導性の静止平板と、前記回転円板の局部に高磁界
   を作用させるための静止磁界発生部と、前記静止
   平板の局部に開口をもつ寒冷取出部とを有し、前
   記磁性体の露出面は前記静止磁界発生部側に位置
   するときには液体ヘリウムに露出し、前記寒冷取
   出部に位置するときには超流動ヘリウムに露出す
   るように配置してなることを特徴とする磁気冷凍
   機。