JPH0370153B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は回転子内に強磁性材を配置し、この回
転子の回転に伴ない前記強磁性材が交互に固定磁
場に進入し、再び退出するようにし、磁場外に位
置することにより冷却されている強磁性材、即
ち、冷却負荷と、次いで、磁場内に位置すること
により加熱されている強磁性材、及び外部冷熱源
と順次熱交換接触する作用ガスの循環回路を設け
た磁気熱量式冷却装置に係わる。

〔従来の技術〕

磁場から引出されると強磁性材が冷却されるこ
とは公知である。強磁性材の消磁に際して発生す
る冷却エネルギを冷却負荷に供給し、これに続く
磁化に際して発生する熱を奪うことができるな
ら、上記行程を周期的に繰返すことにより連続的
な冷却効果が得られる。このような装置を実際に
構成する場合、作用ガスを強磁性材と熱接触する
よう流動させることで熱量伝達を試みるのである
が、磁場に進入し、次いでこの磁場から退出する
ように強磁性材を移動させねばならないから、多
大の困難を伴なう。低温においては、作用ガスに
対して確実なシールを形成することは極めて困難
か、あるいは全く不可能である。

そこで一方の領域が常に固定磁場内に位置し、
これと対向する他方の領域が磁場外に位置するよ
うに強磁性材から成るリングを回転させる方式が
すでに試みられている。このリングは多孔質強磁
性材から成り、作用ガスがこの多孔質強磁性材を
円周方向に貫通し、再びリングから放出される。
この場合、作用ガスは外部冷熱源から先ず磁場の
ないリング部分に導入され、ここで冷却されてか
ら冷却負荷と熱交換接触し、次いでリングの磁場
領域に移行し、ここで発生した熱を吸収し、最後
にこの熱が外部冷熱源に供給される（1978年３月
刊、J.Appl.Phys.49(3)、第1216ページ以下）。こ
の方法は理論上有効に作用するかに見えるが、実
用となると、シールの問題と関連して特に低温域
において著しい困難に直面する。

〔発明の解決しようとする問題点〕

本発明の目的は低温域におけるシールの難点を
克服できるように頭書の装置を改良することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明はこの目的を、頭書のような装置におい
て、回転子周縁に沿つて強磁性材から成る不連続
な物体を角度間隔を保つて配置し、２個ずつの強
磁性体を、回転子内に設けた作用ガス流路を介し
て１対として連結し、前記作用ガスが回転子の外
面から各対の一方の強磁性体と熱接触しながら回
転子の中央に流入し、ここから前記対の他方の強
磁性体と熱接触しながら再び回転子の外面にむか
つて進むようにし、回転子の外面に終端が密封固
設されている供給管及び同じく回転子の外面に起
端が密封固設されている排出管を少なくとも１本
ずつ設け、回転子が所定回転位置に来ると両管が
１対の流路と連通するようにし、それぞれの排出
管に固定磁場を連携させ、所定回転位置において
排出管に隣接する強磁性体がこの固定磁場内に位
置し、同じ対に属する他方の強磁性体がこの固定
磁場外に位置するようにし、回転子の中空支持軸
を冷却管が貫通し、回転子の中央部で作用ガスと
熱接触する、冷却負荷として作用する冷却媒がこ
の冷却管を貫流するように構成することによつて
達成する。

このように構成することにより、低温側の作用
ガス回路がすべて回転子内部に収納され、回転子
内部には相対運動する部分は皆無である。シール
は回転子の外面、即ち、作用ガス回路の高温側だ
けに必要であるから、低温に起因するシール上の
問題は起こらない。

本発明の好ましい実施例では、ｎが整数を表わ
すとして、流路の１対の起端及び終端が360°／2nの 内周角を挟み、周縁に沿つてｎ本の供給管及びｎ
本の排出管を互い違いに設け、それぞれの排出管
に固定磁場を連携させ、各排出管の上流側に設け
た強磁性体が前記磁場内に位置するように構成す
る。

このように構成すれば、回転子が１回転するご
とに各強磁性材が複数回に亘つて磁化及び消磁さ
れ、これを利用することで別々の作用ガス流路を
介して、回転子中央部を通る冷却媒を冷却するこ
とができる。従つて、冷却媒をほぼ連続的に奪熱
することができ、奪熱の均一性はｎを増大させる
ことで高めることができる。

複数の供給管及び複数の排出管を互いに並例に
接続すると共に、外部冷熱源と接続することが特
に好ましい。このように構成すれば、外側でもほ
ぼ連続的な動作が得られる。

すべての対の流路が供給管及び排出管と同時に
連通するように回転子周縁に沿つて最大限ｎ対を
配置することによつて奪熱の均一性を高めること
ができる。例えば、合計４個の強磁性体を、円周
方向に90°の間隔で回転子内に設けることができ
る。この場合、回転子が１回転するごとに、各対
の各マグネツトが２回に亘つて磁場に進入する。
即ち、４個のマグネツトのそれぞれが１回転ごと
に２回磁化され、２回消磁されるから、１回転ご
とに合計４回冷却された作用ガスが冷却媒と熱接
触する。

不連続な物体を多孔質強磁性材で形成し、これ
が流路の断面積をふさぎ、作用ガスが多孔質強磁
性材を貫流するように構成することが好ましい。

この場合、強磁性材から成る物体を、流路が貫
通している回転子チエンバ内に配置し、前記物体
を収納している２つのチエンバの間に、これらを
通過させ、回転子の中空支持軸を通る熱交換チユ
ーブを設けるという構成も可能である。

この熱交換チユーブはらせん状を呈することが
好ましい。

好ましい実施例では、回転子の外面に密着する
固設シールで供給管及び排出管を囲む。このよう
に構成すれば、回転子が所定回転位置に来ると供
給管及び排出管が個々の対の流路とそれぞれ連通
し、その他の回転位置では供給管及び排出管が回
転子外面によつて閉鎖される。

以下、添付図面に沿つて本発明の好ましい実施
例を詳細に説明する。

〔実施例〕

底壁２、頂壁３及び円筒形側壁４を有する固定
子筐体１内に中心中空軸６を介して円板状回転子
５を回転自在に支持してある。底壁２及び頂壁３
は適当な軸受リング８を取付けた中心孔７を具備
する。中空軸６は円板状回転子５の内部空間９と
連通している。図面には詳細な態様を示してない
が、中空軸６は固定子筐体１の外部において給気
手段及び排気手段と密封連結されているから、以
下に冷却媒と呼称する気体が中空軸６及び内部空
間９を流動する。

円板状回転子５の内壁に沿つて90°間隔で、例
えばガドリニウム・ガリウム・グラネートGd₃・
Ga₅・O₁₂のような多孔質強磁性材から成る物体
１１を充填した４つのチエンバ１０を配置されて
いる。

各チエンバ１０は隔壁１２によつて回転子の内
部空間９から分離されている。互いに隣接する２
つのチエンバ１０は内部空間９内に設けたらせん
状熱交換チユーブ１３を介して互いに接続してい
るから、中空軸６及び内部空間９内を流動する冷
却媒が熱交換チユーブ１３と熱交換接触する。

各チエンバ１０は半径方向に外方へ、回転子５
の内周面に達する孔１４を具備する。

固定子筐体１の側壁４には、回転子中間平面の
高さに、直径方向に互いに対向する作用ガスの２
本の供給管１５及び２本の排出管１６を設けてあ
る。供給管１５及び排出管１６の貫通箇所は側壁
４に固定されてその端面が回転子の周面１８と密
着する環状シール１７でそれぞれ囲まれている。
供給管と排出管は互いに直交し、円周方向に90°
の間隔で供給管と排出管が交互に配置されている
ことになる。

供給管１５は分岐した共通の導管１９を介して
熱交換器２０の出口と接続し、同様に、排出管１
６は２つの合流する導管２１を介して熱交換器２
０の入口と接続する。作用ガスを送るため、循環
ポンプ２２またはコンプレツサを設ける。熱交換
器２０において、詳しくは図示しない低熱源との
熱接触が行われる。この低熱源としては、例えば
高温で作用する磁気熱量式冷却段またはその他の
冷却手段が考えられる。

回転子５の上下に２つずつ超導電マグネツトの
それぞれ直径方向に対向するコイル２３，２４を
設け、回転子５の上下に配置されたコイルが回転
子の周縁域を貫通する磁場を形成する。コイル２
３，２４はチエンバ１０が排出管１６と連通する
と、チエンバ１０がこれに充填されている強磁性
物体１１と共に磁場に入るように配置されている
（第２図）。

作動中、中空軸６内を絶えず冷却媒が流動す
る。回転子５が、チエンバ１０の孔１４が供給管
１５または排出管１６と整列する回転位置に来る
と、作用ガスが供給管１５を通つて非磁性チエン
バ１０に流入し、チエンバ内の強磁性材を貫流す
る。この強磁性材は磁場から後退して消磁されて
いるから低温状態にあり、貫通する作用ガスを冷
却する。作用ガスは次いで熱交換チユーブ１３に
おいて中空軸６及び内部空間９を流動する冷却媒
に冷却エネルギーを供給し、その分だけ加熱され
たのち、磁場内に位置する隣接のチエンバ１０に
達する。磁性化により強磁性材の温度が上昇し、
作用ガスがこの強磁性材を貫通しながら加熱さ
れ、外部熱交換器２０へ熱を搬送し、この熱交換
器２０においてこの熱が作用ガスから再び除かれ
る。作用ガスがこのように循環するのは、回転子
が、チエンバの孔１４が供給管１５及び排出管１
６とそれぞれ整列する回転位置を占める時に限ら
れる。回転子がこの位置を越えて回転すると、
90°回転してチエンバの孔１４が供給管及び排出
管と再び整列するまで、排出管及び供給管が閉鎖
される。この回転で、それまで磁場内にあつたチ
エンバが磁場のないゾーンに達し、磁場外にあつ
たチエンバが磁場内に来る。同時に、それまで供
給管と連通していたチエンバは排出管と連通し、
排出管と連通していたチエンバは供給管と連通す
る。再び作用ガスが循環すると、すでに述べた態
様で作用ガスの冷却、冷却媒への冷却エネルギー
伝達、磁化された強磁性材からの除熱及び外部熱
交換器２０への熱放出が行われる。この場合、熱
交換チユーブ１３を介して互いに連通している２
つのチエンバ１０内の強磁性材はそれまでの位置
とは機能が入れ替わる。さらに90°回転すると、
あらためて両チエンバの機能が入れ替わる。従つ
て、強磁性材を充填され、熱交換チユーブ１３を
介して互いに連通している２つのチエンバ１０は
交互に磁化、消磁され、常に一方が磁化、他方が
消磁された状態にある１対を構成する。

この場合、作用ガスの高温領域、即ち、消磁さ
れた強磁性材で冷却される前と、磁化された強磁
性材を貫通したあとの領域には必らずシール１７
を設けることが好ましい。回転子の中心低温域に
はシールを設ける必要はない。

第３図の実施例は第１及び２図の実施例とほぼ
同じ構成であり、従つて、同じ部分には共通の参
照番号を付してある。ただし、第２図の構成と異
なる点として、回転子はその周縁に等間隔で配置
された合計８つのチエンバを具備し、互いに隣接
するチエンバは熱交換チユーブ１３を介して互い
に連通している。従つて90°間隔で４本の供給管
１５及び90°間隔で４本の排出管１６を配置する
と共に、同じく90°間隔で４個のコイルを設ける。
周縁に沿つて配置する強磁性物体１１の数及び周
縁に沿つて発生させる磁場の数をこのように倍増
することにより、回転子が１回転するごとに各対
における磁気冷却効果が８倍になるから、１回転
ごとに各熱交換チユーブ１３において８倍の冷却
エネルギーを冷却媒に作用させることができる。
従つて、極めて均等化された作用効果が得られ
る。即ち、冷却媒体をほぼ連続的に冷却すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は４個の強磁性体を有する磁気熱量式冷
却装置の断面図；第２図は作用ガス循環回路を示
す第１図２−２線における断面図；第３図は周縁
に８個の強磁性体を配置した回転子を示す第２図
と同様の断面図である。 １……固定子筐体、２……底壁、３……頂壁、
４……側壁、５……回転子、６……中空軸、９…
…内部空間、１０……チエンバ、１１……強磁性
体、１３……熱交換チユーブ、１５……供給管、
１６……排出管、２０……熱交換器、２２……循
環ポンプ、２３，２４……コイル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転子内に強磁性材を配置し、この回転子の
   回転に伴ない前記強磁性材が交互に固定磁場に進
   入し、再び退出するようにし、磁場外に位置する
   ことにより冷却されている強磁性材、即ち、冷却
   負荷と、次いで、磁場内に位置することにより加
   熱されている強磁性材、及び外部冷熱源と順次熱
   交換接触する作用ガスの循環回路を設けた磁気熱
   量式冷却装置において、回転子周縁に沿つて強磁
   性材から成る不連続な物体１１を角度間隔を保つ
   て配置したことと、２個ずつの強磁性体１１を、
   回転子５内に設けた作用ガス流路（熱交換チユー
   ブ１３）を介して１対として連結し、前記作用ガ
   スが回転子５の外面１８から各対の一方の強磁性
   体１１と熱接触しながら回転子５の中央に流入
   し、ここから前記対の他方の強磁性体１１と熱接
   触しながら再び回転子５の外面１８にむかつて進
   むことと、回転子５の外面１８に終端が密封固設
   されている供給管１５及び同じく回転子５の外面
   １８に起端が密封固設されている排出管１６を少
   なくとも１本ずつ設け、回転子５が所定回転位置
   に来ると両管が１対の流路と連通するようにした
   ことと、それぞれの排出管１６に固定磁場を連携
   させ、所定回転位置において排出管１６に隣接す
   る強磁性体１１がこの固定磁場内に位置し、同じ
   対に属する他方の強磁性体１１がこの固定磁場外
   に位置するようにしたことと、回転子５の中空支
   持軸６を冷却管が貫通し、回転子５の中央部で作
   用ガスと熱接触する、冷却負荷として作用する冷
   却媒がこの冷却管を貫流することを特徴とする磁
   気熱量式冷却装置。 ２ ｎが整数を表わすとして、流路の１対の起端
   及び終端が360°／2nの内周角を挟むことと、周縁に 沿つてｎ本の供給管１５及びｎ本の排出管１６を
   互い違いに設けたことと、それぞれの排出管１６
   に固定磁場を連携させ、各排出管１６の上流側に
   設けた強磁性体１１が前記磁場内に位置するよう
   にしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の装置。 ３ 複数の供給管１５及び複数の排出管１６を互
   いに並列に接続すると共に、外部冷熱源２０と接
   続したことを特徴とする特許請求の範囲第２項に
   記載の装置。 ４ すべての対の流路が供給管１５及び排出管１
   ５，１６とそれぞれと連通するように周縁に沿つ
   て配置した最大限ｎ対を回転子５が具備すること
   を特徴とする特許請求の範囲第２項または第３項
   に記載の装置。 ５ 物体１１が多孔質強磁性材から成り、流路の
   断面積をふさぎ、作用ガスがこの多孔質強磁性材
   を貫流することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項から第４項までのいずれかに記載の装置。 ６ 強磁性材から成る物体１１を、流路が貫通し
   ている回転子チエンバ１０内に配置したことと、
   物体１１を収納している２つのチエンバ１０の間
   に、これらを通過させ、回転子５の中空支持軸６
   を通る熱交換チユーブ１３を設けたことを特徴と
   する特許請求の範囲第５項に記載の装置。 ７ 熱交換チユーブ１３がらせん状であることを
   特徴とする特許請求の範囲第６項に記載の装置。 ８ 回転子５の外面１８に密着する固設シール１
   ７で供給管１５及び排出管１６を囲んだことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項から第７項までの
   いずれかに記載の装置。