JPH0332711B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、磁気冷凍装置に係り、特に、回転形
の磁気冷凍装置の改良に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来、磁性体の磁気熱量効果を利用した磁気冷
凍装置が知られている。磁気冷凍装置は、断熱消
磁によつて冷えた磁性体で被凝縮ガスを凝縮させ
るようにしたもので、通常の圧縮形冷凍機に比べ
て単位体積当りの冷凍能力が高いという利点を備
えている。

ところで、磁気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で発生した熱を
外部に逃がす排熱過程と、磁場内に位置している
作業物質を磁場外に急速に導入して断熱消磁さ
せ、このときの吸熱作用で被凝縮ガスを凝縮させ
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。

このようなことから、従来の磁気冷凍装置にあ
つては、作業物質を直線往復動させて、この作業
物質を磁場内および磁場外に交互に移動させる直
線動形のものと、作業物質を同一周上に移動させ
ることによつて上記作業物質を磁場内および磁場
外に交互に位置させるようにした回転形のものと
が考えられている。このうち回転形のものは、回
転ホイールの同一円周上に複数の作業物質を配置
させることができるので、理論的には一層、冷凍
効率を向上させることができる。

しかしながら、回転形の磁気冷凍装置にあつて
も次のような問題があつた。すなわち、回転形の
ものは、通常、回転ホイールで作業物質を支持し
ている。この回転ホイールには軸が接続されてお
り、この軸の両端は軸受によつて支持されてい
る。作業物質から良好に熱を除去するために、作
業物質が磁場内に位置したとき排熱用熱導体を上
記作業物質の表面に近接もしくは接触させる必要
があるが、前記軸と、この軸を覆うとともに前記
軸受を支持している覆い部材との熱収縮量の差に
よつて排熱用熱導体と作業物質との間の間隔もし
くは接触圧が変化し、これが原因して良好な排熱
特性を発揮させることができず、それ程冷却性能
を向上させることができない問題があつた。さら
に、上述した熱収縮量の差によつて、回転ホイー
ルや軸受等に無理な力や変位が生じ、これが原因
して回転駆動動力や摩擦熱が増加する問題もあつ
た。

〔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、回転形のものに
おいて、軸と、この軸を覆うとともに上記軸の両
端を支持する軸受を支持した覆い部材との間の熱
収縮量の差によつて起り易い排熱性能の低下や駆
動動力の増大化を防止でき、もつて冷却性能向上
化および回転駆動動力の減少化を図れる磁気冷凍
装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明によれば、磁場を発生させる磁場発生装
置と、この磁場発生装置で発生した磁場内に位置
しているときには発熱し、磁場外に位置している
ときには吸熱して外面に被凝縮ガスを凝縮させる
作業物質と、この作業物質を支持する回転ホイー
ルと、この回転ホイールに接続された回転軸と、
この回転軸の両端を軸方向に移動不能に拘束した
状態で支持する軸受と、前記回転軸を介して前記
回転ホイールを回転させ、前記作業物質を前記磁
場内および磁場外に交互に位置させる回転駆動源
と、前記作業物質が前記磁場内に位置していると
き上記作業物質で発生した熱を除去する手段とを
備えてなる磁気冷凍装置において、前記回転軸
に、この回転軸を軸方向に伸縮させるカツプリン
グが介挿されてなる磁気冷凍装置が提供される。
そして、カツプリングとしては、セレーシヨン軸
カツプリングやベローズが用いられる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、回転ホイールと回転駆動源と
を連結する回転軸に、この回転軸を軸心線方向に
伸縮自在に連結するカツプリングを介挿している
ので、回転軸と、この回転軸を覆うとともに上記
回転軸の両端を支持する軸受を支持する覆い部材
との間に熱収縮差が存在していても、この差はカ
ツプリングの軸心線方向への伸縮で吸収される。
このため、上記熱収縮差によつて回転ホイールに
無理な力や変位が生じるようなことがなく、この
結果排熱性能が低下したり、また回転駆動動力が
増大したり、摩擦熱が増加するのを防止すること
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図は、本発明に係る磁気冷凍装置をヘリウ
ム液化装置に組込んだ例を示すもので、この装置
は、大きく別けて、液化装置本体Ａと、予冷冷凍
機Ｂとで構成されている。そして、液化装置本体
Ａは、具体的には次のように構成されている。

すなわち、図中１はヘリウム槽を示している。
このヘリウム槽１は、外槽２と、この外槽２内に
収容された内槽３と、この内槽３内に配置された
ヘリウム容器４とで構成されている。そして、内
槽３を取り囲んでいる空間５およびヘリウム容器
４を取り囲んでいる空間６は、それぞれ真空引き
されて真空断熱層に形成されている。また、外槽
２、内槽３およびヘリウム容器４は、それぞれ熱
伝導性の悪い非磁性材で形成されている。

ヘリウム容器４の上方には、偏平な円板状の外
形に形成された補助容器７が水平に配置されてい
る。この補助容器７は、全体が熱伝導性の悪い非
磁性材で形成されている。そして、補助容器７内
とヘリウム容器４内とは、偏心した位置において
筒体８によつて接続されている。補助容器７の上
壁中央部には孔９が設けてあり、この孔９の縁部
には筒体１０の下端部が気密に接続されている。
この筒体１０の上端部には内槽３の上壁および外
槽２の上部空間には水平に設けられた仕切り壁１
１を気密に貫通している。

補助容器７内には、回転ホイール１２が軸心線
を上下方向に向けて回転自在に装着されている。
この回転ホイール１２は、熱伝導率の悪い非磁性
部材で形成されたもので、その中央部には上下方
向に向かう透孔１３が形成されており、またその
周縁部には同じく上下方向に向かう透孔１４が等
間隔に周方向に複数形成されている。そして、各
透孔１４内には、作業物質１５が装着されてい
る。これら作業物質１５は、たとえばガドリニウ
ム・ガリウム・ガーネツトの単結晶体を円柱状に
加工して形成されたもので、その直径が前記透孔
１４の直径より小さく、かつ軸方向の長さが回転
ホイール１２の厚みとほぼ等しく形成されてい
る。これら作業物質１５の外周面１６は、滑らか
な面に形成されており、また上、下端面１８ａ，
１８ｂは平坦な面に形成されている。そして、各
作業物質１５は、透孔１４の内面との間に環状の
間隙１９を設けた状態で、その上、下端面１８
ａ，１８ｂの周縁部が支持材２０を介して回転ホ
イール１２に固定されている。なお、支持材２０
は、作業物質１５の上、下端面１８ａ，１８ｂの
周縁部に形成されたき切欠溝と回転ホイール１２
の上、下端面に形成された切欠溝とにその両端が
完全に嵌入する形に設けられており、これによつ
て支持材２０が作業物質１５の上下端面および回
転ホイール１２の上下端面より突出しないように
なつている。

回転ホイール１２の中央部に設けられた透孔１
３には、軸２１の下端部が挿設されており、この
軸２１の回転ホイール１２より下方に突出した部
分はピボツト軸に形成されている。そして、上記
ピポツト軸は、補助容器７の底壁内面に形成され
た軸受部２２または特別に設けられた軸受によつ
て支持されている。

上記軸２１は、軸要素２３ａと２３ｂとを軸心
線方向に結合して構成されたもので、軸要素２３
ａと２３ｂとは筒体１０内において第２図に示す
ようにセレーシヨン軸カツプリング２４によつて
軸心線方向に伸縮自在に結合されている。軸要素
２３ｂの上部側は、筒体１０内を上方に向けて延
び、その上端部が外槽２の上壁に設けられた軸受
２５によつて支持されている。上記軸要素２３ｂ
の外周で前記外槽２の上壁と前記仕切り壁１１と
の間に位置する部分には歯車２６が装着されてい
る。歯車２６は歯車２７と歯合しており、この歯
車２７は外槽２の上壁と仕切り壁１１とに固定さ
れた軸受２８，２９によつて回転自在に支持され
た軸３０に装着されている。そして軸３０の上端
側は外槽２の上壁を貫通して上記上壁の外面に固
定されたモータ３１の回転軸に連結されている。

前記補助容器７の側壁で、前記筒体８が設けら
れている位置とは反対側に位置する部分には孔３
２が設けてあり、この孔３２を通して補助容器７
内に熱伝導体３３が気密に挿設されている。この
熱伝導体３３は、非磁性良熱伝導材、たとえば銅
材だ形成されており、補助容器７内に位置する部
分には、回転ホイール１２に装着されている作業
物質１５の上、下端面１８ａ，１８ｂに弾性的に
摺接もしくは僅かな間隙をあけて対向する吸熱片
３４ａ，３４ｂが形成されている。そして、熱伝
導体３３の補助容器７外に位置している部分は内
槽３内を所定の高さまで上方に延びている。この
上方に延びている部分の上端には開口部を上方に
向けた円柱状の凹部３５を有した接続部３６が形
成されている。接続部３６の上端周縁部には筒体
３７の下端部が接続されており、この筒体３７の
上端側は内槽３の上壁を気密に貫通した後、外槽
２の上壁に設けられた孔３８の内面に気密に接続
されている。そして、上記筒体３７内には予冷冷
凍機Ｂの吸熱導体３９が差し込まれ、この吸熱導
体３９の下端部が前記凹部３５に嵌入している。
なお、吸熱導体３９の外周にはフランジ部４０が
形成されており、このフランジ部４０が図示しな
いシール材を介して外槽２の上壁に固定され、こ
れによつて筒体３７の開口部が気密に閉塞される
とともに予冷冷凍機Ｂの固定がなされている。

一方、補助容器７の上方および下方位置で、か
つ前記熱伝導体３３の吸熱片３４ａ，３４ｂに対
向する位置には磁場発生装置としての超電導コイ
ル４１，４２が同軸的に配置されている。これら
超電導コイル４１，４２は、それぞれ非磁性良熱
伝導材で偏平に形成されたケース４３，４４と、
これらケース４３，４４内に収容されたコイル本
体４５，４６とで構成されている。そして、ケー
ス４３と４４とは良熱伝導体４７で接続されてお
り、この良熱伝導体４７の下端側はヘリウム容器
４の上壁を気密に貫通して上記ヘリウム容器４の
底部に溜つている液体ヘリウムＨ中に差し込まれ
ている。すなわち、コイル本体４５，４６は、ヘ
リウム容器４内に溜つている液体ヘリウムＨを冷
却源とし、良熱伝導体４７およびケース４３，４
４を介して所要の度に冷却されるようになつてい
る。なお、第１図中、５１はシール機構を示し、
５２，５３は補助軸受を示している。

次に、上記のように構成されたヘリウム液化装
置の動作を説明する。

まず、超電導コイル４１，４２のコイル本体４
５，４６は所定の度に冷却されており、かつコイ
ル本体４５，４６には発生磁場の方向が等しくな
る向きの永久電流が流れているものとする。ま
た、予冷冷凍機Ｂが動作しているものとする。予
冷冷凍機Ｂが動作すると、吸熱導体３９を介して
熱伝導体３３が十分低温に冷却される。

このような状態で、モータ３１を動作開始させ
ると、軸２１が回転し、これに伴つて回転ホイー
ル１２が回転する。回転ホイール１２が回転する
と、各作業物質１５は１つの円軌道上に移動し、
超電導コイル４１，４２が発生している磁場内と
磁場外とを循環することになる。作業物質１５が
磁場内に入り込むと、磁束が一方の端面から他方
の端面に向かうように作業物質１５内を通り、こ
の作業物質１５は断熱磁化状態となつて発熱す
る。また、作業物質１５が磁場外に出ると、この
作業物質１５は断熱消磁状態となつて吸熱する。

このように断熱消磁状態になると、液面上に漂
い補助容器７内に浸入しているヘリウムガスが作
業物質１５の表面に凝縮する。この凝縮によつて
形成された液滴は、ヘリウム容器４内へと自然落
下する。したがつて、ここにヘリウムの液化が実
現される。

一方、断熱磁化状態のとき作業物質１５で発生
した熱は、次のようにして外部に導かれる。すな
わち、作業物質１５が磁場内に位置しているとき
には、この作業物質１５の上、下端面１８ａ，１
８ｂに吸熱片３４ａ，３４ｂが必ず接触もしくは
近接している。このため、作業物質１５で発生し
た熱は、上記吸熱片３４ａ，３４ｂから熱伝導体
３３に伝わり、続いて吸熱導体３９を介して速や
かに予冷冷凍機Ｂへと排熱される。したがつて、
作業物質１５で発生した熱によつてヘリウム容器
４内が温度上昇するようなことはなく、また、作
業物質１５が常に所定の低温に予冷され、ここに
良好な冷凍サイクルが実現される。

ところで、上記のような運転状態下において
は、回転ホイール１２は低温に、また軸２１の上
端側、つまり軸要素２３ｂの上端側は常温に近い
温度にある。このため、軸２１を介して回転ホイ
ール１２側に熱が侵入しようとする。しかし、こ
の実施例の場合には、軸２１の中途位置にセレー
シヨン軸カツプリング２４が介挿されている。セ
レーシヨン軸カツプリング２４は山と谷とを噛合
させて回転力を伝達するように構成されているの
で、山と谷との噛合部は通常、密着性が悪い。こ
のため、噛合部における熱抵抗が非常に大きい。
したがつて、軸２１を介しての熱侵入量を、十分
小さな値に抑えることができ、軸を介しての侵入
熱による冷却性能の低下を防止することができ
る。また、冷凍運転が行われると各部に温度差が
生じ、この温度差によつて各部の熱収縮量に差が
生じる。特に、軸２１と、この軸２１を覆つてい
る筒体１０との間の熱収縮量に差が生じると、軸
２１は軸方向の移動を軸受２２，２５によつて拘
束されているので、上記熱収縮量の差によつて補
助容器７と回転ホイール１２との間の相対位置が
変化し、吸熱片３４ａ，３４ｂの作業物質１５へ
の接触圧あるいは作業物質１５との間の間隙長が
変化しようとしたり、軸受２２，２５，５２，５
３等に無理な力が作用したりしようとする。しか
し、この実施例の場合には、前述のように軸２１
の中途位置にセレーシヨン軸カツプリング２４を
介在させているので、上述した熱収縮量の差はセ
レーシヨン軸カツプリング２４の軸心線方向への
伸縮によつて吸収される。したがつて、補助容器
７と回転ホイール１２との間の相対位置が変化す
るようなことはなく、このため相対位置が変化し
たときに起り易い排熱性能の低下や回転駆動動力
の増大化および摩擦熱の増加を防止することがで
き、結局、前述した本発明の効果を発揮すること
になる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定される
ものではなく種々変形することができる。すなわ
ち、上述した実施例においてセレーシヨン軸カツ
プリングの全体または噛合部分を断熱材で形成す
るようにしてもよい。また、セレーシヨン軸カツ
プリングの代わりに第３図に示すように軸心線方
向に伸縮自在なベローズ６１をカツプリングとし
て用いてもよい。また、減速用の歯車を外槽外に
配置するようにしてもよい。

【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
を組込んでなるヘリウム液化装置の縦断面図、第
２図は同装置における回転駆動用の軸を局部的に
取り出して示す断面図、第３図は同軸の変形例を
示す局部的断面図である。 Ａ…液化装置本体、Ｂ…予冷冷凍機、１…ヘリ
ウム槽、２…外槽、３…内槽、４…ヘリウム容
器、７…補助容器、１０…筒体、１２…回転ホイ
ール、１５…作業物質、２１…軸、２３ａ，２３
ｂ…軸要素、２４…セレーシヨン軸カツプリン
グ、３１…モータ、３３…熱伝導体、３４ａ，３
４ｂ…吸熱片、４１，４２…超電導コイル、６１
…ベローズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 磁場を発生させる磁場発生装置と、この磁場
   発生装置で発生した磁場内に位置しているときに
   は発熱し、磁場外に位置しているときには吸熱し
   て外面に被凝縮ガスを凝縮させる作業物質と、こ
   の作業物質を支持する回転ホイールと、この回転
   ホイールに接続された回転軸と、この回転軸の両
   端を軸方向に移動不能に拘束した状態で支持する
   軸受と、前記回転軸を介して前記回転ホイールを
   回転させ、前記作業物質を前記磁場内および磁場
   外に交互に位置させる回転駆動源と、前記作業物
   質が前記磁場内に位置しているときに上記作業物
   質で発生した熱を除去する手段とを備えてなる磁
   気冷凍装置において、前記回転軸に、この回転軸
   の軸方向の伸縮を吸収するカツプリングが介挿さ
   れてなることを特徴とする磁気冷凍装置。 ２ 前記カツプリングは、セレーシヨン軸カツプ
   リングで構成されてなることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の磁気冷凍装置。 ３ 前記セレーシヨン軸カツプリングは、少なく
   とも噛合部が断熱材で形成されてなることを特徴
   とする特許請求の範囲第２項記載の磁気冷凍装
   置。 ４ 前記カツプリングは、軸心線方向に伸縮自在
   なベローズで構成されてなることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の磁気冷凍装置。