JPH033139B2 - - Google Patents

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。

【図面の簡単な説明】

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。

Claims (1)

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。