JPH033139B2 - - Google Patents
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- JPH033139B2 JPH033139B2 JP58115820A JP11582083A JPH033139B2 JP H033139 B2 JPH033139 B2 JP H033139B2 JP 58115820 A JP58115820 A JP 58115820A JP 11582083 A JP11582083 A JP 11582083A JP H033139 B2 JPH033139 B2 JP H033139B2
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Landscapes
- Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は、20K以下の温度を発生する極低温冷
凍機に係り、特に高信頼性化および小型化に好適
な極低温冷凍機に関する。 〔発明の背景〕 従来の極低温冷凍機について、第1図によつて
説明する。1はギイフオード・マクマホン冷凍機
やスターリング冷凍機などの小型冷凍機である。
2は約80Kの冷却ステージ、3は約20Kの冷却ス
テージである。室温部に設置されたヘリウム圧縮
機4によつて、約15atmに圧縮されたヘリウムガ
ス5a(約300K)は、第1熱交換器6を経て、次
に熱交換部7によつて80K冷却ステージ2と熱交
換し、ヘリウムガスは約80Kとなる。次に、第2
熱交換器8を経て、熱交換部9によつて、20K冷
却ステージと熱交換し、ヘリウムガスは約20Kと
なり、第3熱交換器10(JT熱交換器と一般に
言われている)を介して、JT膨張弁11によつ
て、等エンタルピー膨張し、約4.4K(1.2atm)の
気液2相流となる。この気液2相流は、断熱され
た容器13に超電導コイルなどの被冷却物体14
がこれを浸漬して冷却する冷媒である液体ヘリウ
ム15とともに収納されている。液体ヘリウム1
5は、外部からの侵入熱によつて、蒸発し、ヘリ
ウムガス16となる。内外面フイン付管からなる
凝縮熱交換器12の内管側に、前記気液2相流を
流すことによつて、ヘリウムガス16は、凝縮熱
交換器の外管側の凝縮伝熱面で、凝縮し、再液化
される。このとき、前記気液2相流は、ほとんど
ガス化し、ガス単相流(4.4K、1.2atm)となり、
第3、第2、第1熱交換において、順次熱交換
し、ほぼ室温のヘリウムガス(約1atm)5bと
なり、圧縮機4へと循環される。小型冷凍機1単
体では、液体ヘリウム温度まで温度を下げること
は非常に困難である。そのため、液体ヘリウム温
度まで、温度を下げ、かつ液体ヘリウム温度で、
1〜10W程度の冷凍能力を得るには、必ず前述し
たような、圧縮機、熱交換器、JT膨張弁などで
構成される冷凍サイクルを、小型冷凍機は付属し
なければならない。このように、従来の極低温冷
凍機は、大型の圧縮機、さらに複数の熱交換器、
JT膨張弁などを必要とするので、複雑で、大型
になり、信頼性に欠けるという欠点があつた。 〔発明の目的〕 本発明の目的は、上記のような問題点を解決し
た小型で、高信頼性の極低温冷凍機を提供するこ
とにある。 〔発明の概要〕 本発明は、ギイフオード・マクマホン冷凍機や
スターリング冷凍機などの小型の気体冷凍機によ
つて、室温(約300K)から約20Kまでの冷凍を
行い、20Kの温度から、液体ヘリウム温度(約
4K)までは磁気冷凍機で、冷凍サイクルを構成
するもので、小型の気体冷凍機の20K冷却ステー
ジと磁気冷凍機との熱接続は、ヘリウムガスの熱
伝導で、また液体ヘリウム温度における熱伝導は
ヘリウムガスの凝縮熱伝達で行うものである。 〔発明の実施例〕 以下、本発明の一実施例を第2,3,4図によ
つて説明する。先ず、第2図によつて、冷凍サイ
クルの流れ図を示す。小型の気体冷凍機の部分に
ついては、従来例(第1図)と同様である。ま
た、被冷却物体の超電導コイル14、これを浸漬
して冷却する冷媒の液体ヘリウム15を収納する
容器13についても従来と同様である。小型の気
体冷凍機の20K冷却ステージ3と、液体ヘリウム
温度領域を接続するのに磁気冷凍機17を使用す
る。この磁気冷凍機17は、高温側は約20K、低
温側は約4Kで動作する。これは、高温側はヘリ
ウムガスの熱伝導によつて動作する熱伝達機構1
8で、小型の気体冷凍機の20K冷却ステージへ接
続される。そして、低温側は、ヘリウムガス16
の凝縮熱伝達機構19で、接続される。第3図に
よつて、具体的な構成を説明する。20は、小型
の気体冷凍機であり、約80K冷却ステージ21、
20K冷却ステージ22を有する。システム全体
は、真空容器23に収納される。24,25は断
熱真空層である。小型の気体冷凍機の80K冷却ス
テージには、輻射シールド板26が熱的に接続さ
れ、約80〜90Kの温度に保たれている。 27は被冷却物体である超電導コイル28、こ
れを冷却する液体ヘリウム29を収納する容器
で、支持体30,31によつて、真空容器23へ
荷重を支持されている。32は、室温の空間層
で、これに磁界を印加する試料などが入れられ
る。33は、23全体を支持するサポートであ
る。次に、磁気冷凍機部分について説明する。磁
気冷凍機の高温側の20Kステージ34は小型の気
体冷凍機の20K冷却ステージ22と、ワイヤメツ
シユ35などで熱的に接続され、約20Kに冷却さ
れる。セラミツクやガラスなどの熱絶縁物36と
磁気冷凍機の作業物質37(Gd3Ga5O12、
Gd3Al5O12、Dy3Ga5O12などの磁性体)を組み合
わせて、ピストン100とし、これは上下駆動棒
38を介して、カム機構39、電導機40へ接続
され、上下に駆動される。ピストン100と20K
冷却ステージ34の間の隙間には、5〜50μmに
設定される。この動作によつて、超電導マグネツ
ト41a,41bによつて形成される高磁界中に
出入りする。図示の状態は、作業物質37が下端
部にある状態で、このとき、作業物質37に印加
される磁界はほとんど零となる。42は、熱伝導
率の良い銅などのワイヤメツシユで、液体ヘリウ
ム29aと超電導マグネツト41a,41bを熱
的に接続し、これによつて超電導マグネツト41
a,41bは、約5K以下に保たれる。第4図に、
磁気冷凍機部分の詳細図を示す。43は、20K冷
却ステージ34と超電導マグネツト41a,41
bの間に設置される発泡スチロールのような熱絶
縁物または真空断納層で、ヘリウムガス44の対
流熱伝達によつて、20K冷却ステージから超電導
マグネツトへの熱侵入を低減するものである。ベ
ローズ45は、20K冷却ステージから液体ヘリウ
ム29aへの熱侵入を低減し、かつ熱歪を吸収す
るためのものである。 熱絶縁物36、作業物質37によつて形成され
るピストン100は、1個あるいは複数個配置さ
れ、そしてヘリウムガス44層間はそれぞれ圧力
的に連通され、またヘリウムガス38a層間もそ
れぞれ圧力的に連通される。上記ピストン100
が偶数個の場合、その半数ずつが上下動運動の
際、全く反対の動作をし、ヘリウムガス44層お
よびヘリウムガス38a層の圧力の脈動をなく
し、かつ、ヘリウムガス44層とヘリウムガス3
8a層の間に、隙間46を通してヘリウムガスの
流れが生じ、液体ヘリウム29aへ熱が侵入しな
いようになつている。また上記ピストン100が
奇数個の場合、ダミーのピストンが一個追加さ
れ、偶数個の場合と同様の動作を行わせる。 次に、例えば熱絶縁物36と作業物質37より
なるピストン100が1個の場合において、上記
で述べたダミーピストンを1個追加しないとき、
第5図に示すように、ヘリウムガス44層とヘリ
ウムガス38a層の間に、蓄冷器67を入れる。
ピストンの上下動によるヘリウムガス44層とヘ
リウムガス38aの間のヘリウムガスの流れは、
隙間46でなく、主に蓄冷器67を介して起り、
このガスの流れによる液体ヘリウム29aへの熱
侵入は著しく低減できる。 さて、本発明の磁気冷凍機部分の動作原理につ
いて説明する。 本実施例では、作業物質8の磁気エントロピー
を増減させる方法として、作業物質8に印加する
磁束の強度を変化させ、そして外界との熱のやり
とりをする方法で行う。即ち、この場合作業物質
37を上下に動かして、超電導マグネツト41
a,41bが形成する高磁界中へ出入れする構造
となつている。本発明の磁気冷凍機は、逆カルノ
ーサイクルで動作する。冷凍サイクルを第6図で
説明する。まず、−の過程で断熱的に磁束B
を増加する。次に、−の過程で、準等温的
に、作業物質8に加える磁束Bを増加して磁気エ
ントロピーを減少させる。作業物質37は、超電
導マグネツト41aの中に入つている。このと
き、作業物質37内で発生する熱量Qhは、作業
物質37と20K冷却ステージ34との隙間46
(5〜50μm)中のヘリウムガスの熱伝導によつ
て、作業物質37から、冷却ステージ34へ伝達
される。−−の過程で、作業物質37と液
体ヘリウム29aとの熱交換量は、ヘリウムガス
44の熱伝導でほぼ決り、熱交換が非常に悪く、
従つてこのとき作業物質37と液体ヘリウム29
aはほぼ断熱状態となる。 次に、上記のように、磁気エントロピーを減少
させた状態で、作業物質37を下端へ移動させて
ほぼ断熱的に磁界を減少させると、作業物質37
の温度は低下する。これが−−の過程で、
このとき、作業物質37と20K冷却ステージ34
との熱交換は、熱絶縁物36の固体伝導と間隙4
6中のヘリウムガスの熱伝導で、特に前者でほと
んど決まり、その熱交換量は非常に小さい。とこ
ろが液体ヘリウム29内に入る侵入熱量は、液体
ヘリウム29を蒸発させる。この蒸発したヘリウ
ムガスは−の過程で作業物質37の沸騰熱伝
達面(作業物質37の外表面)で、再凝縮し、熱
量Qcを作業物質37に伝える。この過程で、作
業物質37は、吸熱し、エントロピーは増加す
る。 以上述べたような、−−−−のサイ
クルを周期的に繰返すことによつて冷凍を行な
う。 作業物質としては、例えば4K−20Kの温度領
域で磁界によつて大きなエントロピー変化を起
し、かつ熱伝導率が良いなどのすぐれた特性をも
つGd3Ga5O12を用いるのがよい。 作業物質37として、上記Gd3Ga5O12を適用
し、高磁場側の磁界を7T(テスラー、Tesla)低
磁場側の磁界をほぼ0Tとし、高温側、低温側の
熱伝達効率をほぼ100%と仮定し、低温側高温側
の温度を4.4K、20Kとすると、作業物質単位体積
当り約0.15ν(W/cm3)の冷凍能力がある。但し、
νは冷凍サイクルの周波数である。 また、このときの放熱量は、0.70ν(W/cm3)で
ある。 以上の説明では、作業物質を上下動させること
によつて、高磁界中に出入れして、そして高温
側、低温側のそれぞれにおいて熱交換させる方式
であつた。 第7図に示す他の実施例について説明する。作
業物質47をセラミクス、ガラス、FRPなどの
熱絶縁物48の円周上に埋め込み、回転円板49
を形成する。50は、磁気冷凍機部分の20K冷却
ステージで、この部分には超電導マグネツト51
によつて、高磁界が印加されている。回転円板4
9は、図示しない電動機によつて、シヤフト52
を介して回転させることができる。回転円板49
と20K冷却ステージ50は、5〜50μmの隙間を
有していて、この隙間にはヘリウムガス44が常
に侵入している。こうして、回転円板49を回転
させることによつて、作業物質47は、高磁界中
に入つたり、出たりする。作業物質47が高磁界
中に入つていつた場合、冷却ステージ50と、磁
性体47は、これらの隙間中のヘリウムガスの伝
導によつて熱交換する(第6図の−−に相
当する)。次に、更らに回転して高磁界中から出
ていき、かつ冷却ステージ50からも出たとき、
作業物質の温度は、低下し、ヘリウムガス44と
凝縮熱伝達で熱交換を行い、ヘリウムガス44は
液化される(第6図の−−の過程に相当す
る)。回転円板49を連続的に回転させることに
よつて、以上の冷凍サイクルが連続的に動作され
る。 第8図も、第7図と全く同様である。回転円板
49aは、シヤフト52、歯車53、シヤフト5
4を介して、図示しない電動機で回転できる。5
5は、軸受である。 さて、以上の説明では、小型の気体冷凍機20
は、第3図のように被冷却物体の超電導コイル2
8や磁気冷凍機部分などともに、容器23の中に
一緒に納められていた。しかしながら、小型の気
体冷凍機20の駆動部分は、大きな振動や騒音の
原因となることがある。そこで、この気体冷凍機
20部分を、第9図に示すように、容器23とは
別の真空断熱容器56に収納する構成とする。
80K冷却ステージ21の冷熱は、フアンモータ5
7によつて駆動される80Kフアン58によつて、
断熱配管59中に封入されたヘリウムガス(1.5
〜5atm)を循環させる。循環されるヘリウムガ
スは、気体冷凍機の80K冷却ステージ21と熱交
換器60で熱交換して、約80Kに冷却される。こ
の冷却されたヘリウムガスは、容器23内の輻射
シールド26(第3図を参照)と熱交換器61を
介して、熱交換し、輻射シールド26を約80Kに
冷却する。同様に、20K冷却ステージ22の冷熱
はフアンモータ62によつて駆動される20Kフア
ン63によつて、断熱配管64中に封入されたヘ
リウムガス(1.5〜10atm)を循環させる。この
ように循環されるヘリウムガスは、気体冷凍機の
20K冷却ステージ22と熱交換器65を介して、
熱交換し、約20Kに冷却される。この冷却された
ヘリウムガスは、断熱配管64中を流れ、容器2
3内の磁気冷凍機部分の20K冷却ステージ34
(第3図を参照)と熱交換器66を介して熱交換
し、20K冷却ステーを約20Kに冷却する。67は
断熱真空層である。このように、小型の気体冷凍
機20の冷熱を容器23内の輻射シールドや磁気
冷凍機部分の20K冷却ステージに伝達することに
よつて、システムの本体部分である23と小型の
気体冷凍機を切り離せるので、システムの本体部
分23への振動、騒音を著しく低減できる。 〔発明の効果〕 本発明によれば、気体冷凍機部における高温
側、低温側の熱交換あるいは断熱が充分にできる
ので、高効率、信頼性の高い極低温冷凍機を得る
ことができる。
凍機に係り、特に高信頼性化および小型化に好適
な極低温冷凍機に関する。 〔発明の背景〕 従来の極低温冷凍機について、第1図によつて
説明する。1はギイフオード・マクマホン冷凍機
やスターリング冷凍機などの小型冷凍機である。
2は約80Kの冷却ステージ、3は約20Kの冷却ス
テージである。室温部に設置されたヘリウム圧縮
機4によつて、約15atmに圧縮されたヘリウムガ
ス5a(約300K)は、第1熱交換器6を経て、次
に熱交換部7によつて80K冷却ステージ2と熱交
換し、ヘリウムガスは約80Kとなる。次に、第2
熱交換器8を経て、熱交換部9によつて、20K冷
却ステージと熱交換し、ヘリウムガスは約20Kと
なり、第3熱交換器10(JT熱交換器と一般に
言われている)を介して、JT膨張弁11によつ
て、等エンタルピー膨張し、約4.4K(1.2atm)の
気液2相流となる。この気液2相流は、断熱され
た容器13に超電導コイルなどの被冷却物体14
がこれを浸漬して冷却する冷媒である液体ヘリウ
ム15とともに収納されている。液体ヘリウム1
5は、外部からの侵入熱によつて、蒸発し、ヘリ
ウムガス16となる。内外面フイン付管からなる
凝縮熱交換器12の内管側に、前記気液2相流を
流すことによつて、ヘリウムガス16は、凝縮熱
交換器の外管側の凝縮伝熱面で、凝縮し、再液化
される。このとき、前記気液2相流は、ほとんど
ガス化し、ガス単相流(4.4K、1.2atm)となり、
第3、第2、第1熱交換において、順次熱交換
し、ほぼ室温のヘリウムガス(約1atm)5bと
なり、圧縮機4へと循環される。小型冷凍機1単
体では、液体ヘリウム温度まで温度を下げること
は非常に困難である。そのため、液体ヘリウム温
度まで、温度を下げ、かつ液体ヘリウム温度で、
1〜10W程度の冷凍能力を得るには、必ず前述し
たような、圧縮機、熱交換器、JT膨張弁などで
構成される冷凍サイクルを、小型冷凍機は付属し
なければならない。このように、従来の極低温冷
凍機は、大型の圧縮機、さらに複数の熱交換器、
JT膨張弁などを必要とするので、複雑で、大型
になり、信頼性に欠けるという欠点があつた。 〔発明の目的〕 本発明の目的は、上記のような問題点を解決し
た小型で、高信頼性の極低温冷凍機を提供するこ
とにある。 〔発明の概要〕 本発明は、ギイフオード・マクマホン冷凍機や
スターリング冷凍機などの小型の気体冷凍機によ
つて、室温(約300K)から約20Kまでの冷凍を
行い、20Kの温度から、液体ヘリウム温度(約
4K)までは磁気冷凍機で、冷凍サイクルを構成
するもので、小型の気体冷凍機の20K冷却ステー
ジと磁気冷凍機との熱接続は、ヘリウムガスの熱
伝導で、また液体ヘリウム温度における熱伝導は
ヘリウムガスの凝縮熱伝達で行うものである。 〔発明の実施例〕 以下、本発明の一実施例を第2,3,4図によ
つて説明する。先ず、第2図によつて、冷凍サイ
クルの流れ図を示す。小型の気体冷凍機の部分に
ついては、従来例(第1図)と同様である。ま
た、被冷却物体の超電導コイル14、これを浸漬
して冷却する冷媒の液体ヘリウム15を収納する
容器13についても従来と同様である。小型の気
体冷凍機の20K冷却ステージ3と、液体ヘリウム
温度領域を接続するのに磁気冷凍機17を使用す
る。この磁気冷凍機17は、高温側は約20K、低
温側は約4Kで動作する。これは、高温側はヘリ
ウムガスの熱伝導によつて動作する熱伝達機構1
8で、小型の気体冷凍機の20K冷却ステージへ接
続される。そして、低温側は、ヘリウムガス16
の凝縮熱伝達機構19で、接続される。第3図に
よつて、具体的な構成を説明する。20は、小型
の気体冷凍機であり、約80K冷却ステージ21、
20K冷却ステージ22を有する。システム全体
は、真空容器23に収納される。24,25は断
熱真空層である。小型の気体冷凍機の80K冷却ス
テージには、輻射シールド板26が熱的に接続さ
れ、約80〜90Kの温度に保たれている。 27は被冷却物体である超電導コイル28、こ
れを冷却する液体ヘリウム29を収納する容器
で、支持体30,31によつて、真空容器23へ
荷重を支持されている。32は、室温の空間層
で、これに磁界を印加する試料などが入れられ
る。33は、23全体を支持するサポートであ
る。次に、磁気冷凍機部分について説明する。磁
気冷凍機の高温側の20Kステージ34は小型の気
体冷凍機の20K冷却ステージ22と、ワイヤメツ
シユ35などで熱的に接続され、約20Kに冷却さ
れる。セラミツクやガラスなどの熱絶縁物36と
磁気冷凍機の作業物質37(Gd3Ga5O12、
Gd3Al5O12、Dy3Ga5O12などの磁性体)を組み合
わせて、ピストン100とし、これは上下駆動棒
38を介して、カム機構39、電導機40へ接続
され、上下に駆動される。ピストン100と20K
冷却ステージ34の間の隙間には、5〜50μmに
設定される。この動作によつて、超電導マグネツ
ト41a,41bによつて形成される高磁界中に
出入りする。図示の状態は、作業物質37が下端
部にある状態で、このとき、作業物質37に印加
される磁界はほとんど零となる。42は、熱伝導
率の良い銅などのワイヤメツシユで、液体ヘリウ
ム29aと超電導マグネツト41a,41bを熱
的に接続し、これによつて超電導マグネツト41
a,41bは、約5K以下に保たれる。第4図に、
磁気冷凍機部分の詳細図を示す。43は、20K冷
却ステージ34と超電導マグネツト41a,41
bの間に設置される発泡スチロールのような熱絶
縁物または真空断納層で、ヘリウムガス44の対
流熱伝達によつて、20K冷却ステージから超電導
マグネツトへの熱侵入を低減するものである。ベ
ローズ45は、20K冷却ステージから液体ヘリウ
ム29aへの熱侵入を低減し、かつ熱歪を吸収す
るためのものである。 熱絶縁物36、作業物質37によつて形成され
るピストン100は、1個あるいは複数個配置さ
れ、そしてヘリウムガス44層間はそれぞれ圧力
的に連通され、またヘリウムガス38a層間もそ
れぞれ圧力的に連通される。上記ピストン100
が偶数個の場合、その半数ずつが上下動運動の
際、全く反対の動作をし、ヘリウムガス44層お
よびヘリウムガス38a層の圧力の脈動をなく
し、かつ、ヘリウムガス44層とヘリウムガス3
8a層の間に、隙間46を通してヘリウムガスの
流れが生じ、液体ヘリウム29aへ熱が侵入しな
いようになつている。また上記ピストン100が
奇数個の場合、ダミーのピストンが一個追加さ
れ、偶数個の場合と同様の動作を行わせる。 次に、例えば熱絶縁物36と作業物質37より
なるピストン100が1個の場合において、上記
で述べたダミーピストンを1個追加しないとき、
第5図に示すように、ヘリウムガス44層とヘリ
ウムガス38a層の間に、蓄冷器67を入れる。
ピストンの上下動によるヘリウムガス44層とヘ
リウムガス38aの間のヘリウムガスの流れは、
隙間46でなく、主に蓄冷器67を介して起り、
このガスの流れによる液体ヘリウム29aへの熱
侵入は著しく低減できる。 さて、本発明の磁気冷凍機部分の動作原理につ
いて説明する。 本実施例では、作業物質8の磁気エントロピー
を増減させる方法として、作業物質8に印加する
磁束の強度を変化させ、そして外界との熱のやり
とりをする方法で行う。即ち、この場合作業物質
37を上下に動かして、超電導マグネツト41
a,41bが形成する高磁界中へ出入れする構造
となつている。本発明の磁気冷凍機は、逆カルノ
ーサイクルで動作する。冷凍サイクルを第6図で
説明する。まず、−の過程で断熱的に磁束B
を増加する。次に、−の過程で、準等温的
に、作業物質8に加える磁束Bを増加して磁気エ
ントロピーを減少させる。作業物質37は、超電
導マグネツト41aの中に入つている。このと
き、作業物質37内で発生する熱量Qhは、作業
物質37と20K冷却ステージ34との隙間46
(5〜50μm)中のヘリウムガスの熱伝導によつ
て、作業物質37から、冷却ステージ34へ伝達
される。−−の過程で、作業物質37と液
体ヘリウム29aとの熱交換量は、ヘリウムガス
44の熱伝導でほぼ決り、熱交換が非常に悪く、
従つてこのとき作業物質37と液体ヘリウム29
aはほぼ断熱状態となる。 次に、上記のように、磁気エントロピーを減少
させた状態で、作業物質37を下端へ移動させて
ほぼ断熱的に磁界を減少させると、作業物質37
の温度は低下する。これが−−の過程で、
このとき、作業物質37と20K冷却ステージ34
との熱交換は、熱絶縁物36の固体伝導と間隙4
6中のヘリウムガスの熱伝導で、特に前者でほと
んど決まり、その熱交換量は非常に小さい。とこ
ろが液体ヘリウム29内に入る侵入熱量は、液体
ヘリウム29を蒸発させる。この蒸発したヘリウ
ムガスは−の過程で作業物質37の沸騰熱伝
達面(作業物質37の外表面)で、再凝縮し、熱
量Qcを作業物質37に伝える。この過程で、作
業物質37は、吸熱し、エントロピーは増加す
る。 以上述べたような、−−−−のサイ
クルを周期的に繰返すことによつて冷凍を行な
う。 作業物質としては、例えば4K−20Kの温度領
域で磁界によつて大きなエントロピー変化を起
し、かつ熱伝導率が良いなどのすぐれた特性をも
つGd3Ga5O12を用いるのがよい。 作業物質37として、上記Gd3Ga5O12を適用
し、高磁場側の磁界を7T(テスラー、Tesla)低
磁場側の磁界をほぼ0Tとし、高温側、低温側の
熱伝達効率をほぼ100%と仮定し、低温側高温側
の温度を4.4K、20Kとすると、作業物質単位体積
当り約0.15ν(W/cm3)の冷凍能力がある。但し、
νは冷凍サイクルの周波数である。 また、このときの放熱量は、0.70ν(W/cm3)で
ある。 以上の説明では、作業物質を上下動させること
によつて、高磁界中に出入れして、そして高温
側、低温側のそれぞれにおいて熱交換させる方式
であつた。 第7図に示す他の実施例について説明する。作
業物質47をセラミクス、ガラス、FRPなどの
熱絶縁物48の円周上に埋め込み、回転円板49
を形成する。50は、磁気冷凍機部分の20K冷却
ステージで、この部分には超電導マグネツト51
によつて、高磁界が印加されている。回転円板4
9は、図示しない電動機によつて、シヤフト52
を介して回転させることができる。回転円板49
と20K冷却ステージ50は、5〜50μmの隙間を
有していて、この隙間にはヘリウムガス44が常
に侵入している。こうして、回転円板49を回転
させることによつて、作業物質47は、高磁界中
に入つたり、出たりする。作業物質47が高磁界
中に入つていつた場合、冷却ステージ50と、磁
性体47は、これらの隙間中のヘリウムガスの伝
導によつて熱交換する(第6図の−−に相
当する)。次に、更らに回転して高磁界中から出
ていき、かつ冷却ステージ50からも出たとき、
作業物質の温度は、低下し、ヘリウムガス44と
凝縮熱伝達で熱交換を行い、ヘリウムガス44は
液化される(第6図の−−の過程に相当す
る)。回転円板49を連続的に回転させることに
よつて、以上の冷凍サイクルが連続的に動作され
る。 第8図も、第7図と全く同様である。回転円板
49aは、シヤフト52、歯車53、シヤフト5
4を介して、図示しない電動機で回転できる。5
5は、軸受である。 さて、以上の説明では、小型の気体冷凍機20
は、第3図のように被冷却物体の超電導コイル2
8や磁気冷凍機部分などともに、容器23の中に
一緒に納められていた。しかしながら、小型の気
体冷凍機20の駆動部分は、大きな振動や騒音の
原因となることがある。そこで、この気体冷凍機
20部分を、第9図に示すように、容器23とは
別の真空断熱容器56に収納する構成とする。
80K冷却ステージ21の冷熱は、フアンモータ5
7によつて駆動される80Kフアン58によつて、
断熱配管59中に封入されたヘリウムガス(1.5
〜5atm)を循環させる。循環されるヘリウムガ
スは、気体冷凍機の80K冷却ステージ21と熱交
換器60で熱交換して、約80Kに冷却される。こ
の冷却されたヘリウムガスは、容器23内の輻射
シールド26(第3図を参照)と熱交換器61を
介して、熱交換し、輻射シールド26を約80Kに
冷却する。同様に、20K冷却ステージ22の冷熱
はフアンモータ62によつて駆動される20Kフア
ン63によつて、断熱配管64中に封入されたヘ
リウムガス(1.5〜10atm)を循環させる。この
ように循環されるヘリウムガスは、気体冷凍機の
20K冷却ステージ22と熱交換器65を介して、
熱交換し、約20Kに冷却される。この冷却された
ヘリウムガスは、断熱配管64中を流れ、容器2
3内の磁気冷凍機部分の20K冷却ステージ34
(第3図を参照)と熱交換器66を介して熱交換
し、20K冷却ステーを約20Kに冷却する。67は
断熱真空層である。このように、小型の気体冷凍
機20の冷熱を容器23内の輻射シールドや磁気
冷凍機部分の20K冷却ステージに伝達することに
よつて、システムの本体部分である23と小型の
気体冷凍機を切り離せるので、システムの本体部
分23への振動、騒音を著しく低減できる。 〔発明の効果〕 本発明によれば、気体冷凍機部における高温
側、低温側の熱交換あるいは断熱が充分にできる
ので、高効率、信頼性の高い極低温冷凍機を得る
ことができる。
第1図は、従来の極低温冷凍機の流れ図であ
る。第2図は、本発明の極低温冷凍機の構成の概
略を示す図である。第3図は、本発明の一実施例
になる極低温冷凍システムの縦断面図、第4図及
び第5図は各々第3図の冷凍機の極低温部分を示
す詳細断面図、第6図は気体冷凍機部分の動作を
説明するエントロピー・温度線図上の冷凍サイク
ル図である。第7,8図は、磁気冷凍機部分の他
の実施例を示す斜視図、および断面図である。第
9図は、本発明の他の構成を示す図である。
る。第2図は、本発明の極低温冷凍機の構成の概
略を示す図である。第3図は、本発明の一実施例
になる極低温冷凍システムの縦断面図、第4図及
び第5図は各々第3図の冷凍機の極低温部分を示
す詳細断面図、第6図は気体冷凍機部分の動作を
説明するエントロピー・温度線図上の冷凍サイク
ル図である。第7,8図は、磁気冷凍機部分の他
の実施例を示す斜視図、および断面図である。第
9図は、本発明の他の構成を示す図である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 気体冷凍機と磁気冷凍機とから成り、該磁気
冷凍機は、常時磁場を発生する磁場発生装置と、
この磁場内に位置しているときには発熱し、磁気
外に位置しているときには吸熱して被冷却物を冷
却する作業物質と、この作業物質を前記磁場内お
よび磁場外へ交互に機械的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
き上記作業物質に近接する熱伝導性部材を具備
し、該熱伝導性部材は、前記作業物質で発生した
熱を上記作業物質の位置している空間の外部へ伝
熱すべく前記気体冷凍機の冷却ステージに接続さ
れていることを特徴とする極低温冷凍機。 2 前記作業物質と熱伝導性部材との間隙に熱交
換媒体となるヘリウムガスを介在させたことを特
徴とする特許請求の範囲第1項記載の極低温冷凍
機。 3 前記駆動手段は回転自在な軸によつて支持さ
れるとともに上記軸を境にして一方が前記磁場発
生装置で発生した磁場内に常に位置し、他方が磁
場外に常に位置するように設けられた回転部材か
らなり、前記作業物質はこの回転部材に固定され
た上記回転部材の回転に伴なつて前記磁場内に位
置したときには発熱し、磁場外に位置したときに
は吸熱して被冷却物を冷却し、この作業物質が位
置する空間内に位置する熱伝導性部材と、軸を介
して前記回転部材を回転駆動する手段と、前記作
業物質で発生した熱を前記熱伝導性部材を介して
前記作業物質が位置する空間外へ排熱する手段と
を具備してなることを特徴とする特許請求の範囲
第1項記載の極低温冷凍機。 4 前記作業物質が前記磁場内に位置していると
き、上記作業物質は主に前記ヘリウムガスの熱伝
導によつて放熱し、前記作業物質が前記磁場外に
位置しているとき、上記作業物質は、周囲のヘリ
ウムガスをその外表面に凝縮液化することによつ
て吸熱することを特徴とする特許請求の範囲第1
項記載の極低温冷凍機。 5 前記作業物質が前記磁場内に位置していると
き、上記ヘリウムガス層の厚さを5〜50μmとし
たことを特徴とする特許請求の範囲第4項記載の
極低温冷凍機。 6 ヘリウム槽と、このヘリウム槽の上部に設け
られ常時磁場を発生する磁場発生装置と、前記ヘ
リウム槽内の上部空間に通じた位置に設けられ前
記磁場内に位置しているときは発熱し、磁場外に
位置しているときには吸熱して前記空間に漂つて
いるヘリウムガスを液化させる作業物質と、この
作業物質を前記磁場内および磁場外へと交互に機
械的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接近
する熱伝導性部材と、ヘリウムガスに囲まれた空
間内において前記熱伝導性部材に吸熱部を嵌合接
続させて設けられ前記作業物質で発生した熱を上
記熱伝導性部材を介して上記作業物質の位置して
いる空間の外部へ排熱する補助冷凍機とを具備し
てなることを特徴とする極低温冷凍機。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11582083A JPS608674A (ja) | 1983-06-29 | 1983-06-29 | 極低温冷凍機 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11582083A JPS608674A (ja) | 1983-06-29 | 1983-06-29 | 極低温冷凍機 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS608674A JPS608674A (ja) | 1985-01-17 |
JPH033139B2 true JPH033139B2 (ja) | 1991-01-17 |
Family
ID=14671909
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP11582083A Granted JPS608674A (ja) | 1983-06-29 | 1983-06-29 | 極低温冷凍機 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS608674A (ja) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS60169064A (ja) * | 1984-02-13 | 1985-09-02 | 株式会社東芝 | 磁気冷凍装置 |
JPS60174466A (ja) * | 1984-02-21 | 1985-09-07 | 株式会社東芝 | 磁気冷凍装置 |
JPS60259870A (ja) * | 1984-06-05 | 1985-12-21 | 株式会社東芝 | 磁気冷凍装置 |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS58136958A (ja) * | 1982-02-08 | 1983-08-15 | 日本真空技術株式会社 | 冷凍機 |
-
1983
- 1983-06-29 JP JP11582083A patent/JPS608674A/ja active Granted
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS58136958A (ja) * | 1982-02-08 | 1983-08-15 | 日本真空技術株式会社 | 冷凍機 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS608674A (ja) | 1985-01-17 |
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