JPH0371626B2 - - 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、効率の
向上化を図れるようにした磁気冷凍装置に関す
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較べ
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
物質を磁場外へ急速に導入して断熱消磁させ、こ
のときの作業物質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、磁気冷凍装置における冷
凍効率および冷凍能力は、高温排熱時（断熱磁化
時）ならびに低温吸熱時（断熱消磁時）における
熱交換効率によつて大きく左右される。したがつ
て、冷凍効率および冷凍能力を向上させるには、
高温排熱時に作業物質で発生した熱を可及的速や
かに除去して作業物質を所要の低温に予冷する必
要があり、また、低温吸熱時に一度に多量の被凝
縮ガスを凝縮させる必要がある。

しかしながら、上述した要望は、作業物質側か
ら見ると互いに矛盾した要件を満たさなければな
らないことになる。すなわち、低温吸熱時に一度
に多量の被凝縮ガスを凝縮させるには、表面積の
大きな作業物質を必要とする。しかし、代表的な
作業物質であるガドリニウム・ガリウム・ガーネ
ツトは単結晶体であり、表面積の大きな、つまり
大径の単結晶体を得ることは一般に困難である。
そこで、小径、つまり表面積の小さい作業物質に
凹凸を設け、これによつて表面積を増加させるこ
とが考えられる。一方、高温排熱時の熱交換効率
を向上させるには、排熱用の熱伝導体を作業物質
に密接させる必要があるが、作業物質の表面に凹
凸が存在していると密接させることは困難であ
り、結局、２つの要望を同時に満足させることは
できない。このようなことが原因して従来のこの
種装置にあつては、冷凍効率、冷凍能力が低く、
改善が望まれているいるのが実状である。

〔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、冷凍効率ならび
に冷凍能力を大幅に向上させ得る磁気冷凍装置を
提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、常時磁場を発生する磁場発生装置
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、この作業物質と前記磁場発生装置とを
相対的に移動させて上記作業物質を磁場内および
磁場外へと交互に位置させる駆動機構と、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上記作業物質の位置している
空間の外部へ排熱する排熱系とを具備してなる磁
気冷凍装置において、前気駆動機構を、前記作業
物質を１つの円軌道に添わせて移動させて前記磁
場内と磁場外とに交互に位置させる回転駆動系で
構成するとともに上記作業物質の外面に付着して
いる凝縮液を遠心力で排除する回転速度に設定し
てなることを特徴としている。

〔発明の効果〕

このように、本発明によれば、作業物質の外面
に付着した凝縮液が遠心力で強制的に排除され
る。したがつて、この強制排除によつて、実質的
に、作業物質の外表面積を広くした場合と等価な
状態が得られることになる。つまり、作業物質の
外面に凹凸を設けた場合と等価な状態を作り出す
ことができるので、低温吸熱時の熱交換効率を向
上させることができる。すなわち、作業物質の外
面に凹凸を設けることなく低温吸熱時における熱
交換効率を向上させることができる。このため、
高温排熱時には作業物質に対して排熱用の熱伝導
体を密着させることが容易となり、高温排熱時に
作時物質で発生した熱を速やかに排熱させること
ができ、高温排熱時における熱交換効率も同時に
向上させることができるので、結局、冷凍効率な
らびに冷凍能力を大幅に向上させることができ
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
配置された内槽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の上端部は内槽３の上壁および外槽２
の上部空間に水平に設けられた仕切り壁１１を気
密に貫通している。

補助容器７内には、回転輪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
転輪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、その周辺部には
第２図にも示すように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
回転輪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は第３図に示す
ように滑らかな面に形成されており、また、上、
下両端面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１８ａ，１８ｂの周縁部が支持材２０
を介して回転輪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切欠溝と回転輪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
転輪１２の上下端面より突出しないようになつて
いる。

回転輪１２の中央部に設けられた透孔１３に
は、軸２１の下端部が挿設されており、この軸２
１の回転輪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、上記ピボツト軸
は補助容器７の底壁内面に形成された軸受部２２
によつて支持されている。また、軸２１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の上壁内面に設けられた軸受２３によつ
て支持されている。上記軸２１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２４が装着されている。歯車２４は歯
車２５と歯合しており、この歯車２５は外槽２の
上壁と仕切り壁１１とに固定された軸受２６，２
７によつて回転自在に支持された軸２８に装着さ
れている。そして、軸２８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
２９の回転軸に連結されている。モータ２９の回
転数は、前記歯車２５，２４の歯数との関連にお
いて前記各作業物質１５の外面に付着したヘリウ
ムの液滴を遠心力で排除し得る速度に前記回転輪
１２を回転させる値に設定されている。たとえ
ば、回転輪１２の中心から各作業物質１５までの
距離が20mmのときを例にとると回転輪１２を
10rpm以上で回転させるようにしている。

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
１が設けてあり、この孔３１を通して補助容器７
内に熱伝導体３２が気密に挿設されている。この
熱伝導体３２は、非磁性良熱伝導材、たとえば銅
材で形成されており、補助容器７内に位置する部
分には、回転輪１２に装着されている作業物質１
５の上、下端面１８ａ，１８ｂに弾性的に摺接す
る摺接部３３ａ，３３ｂが形成されている。そし
て、熱伝導体３２の補助容器７外に位置する部分
は内槽３内の空間を所定の高さまで上方に延び、
その上端には開口部を上方に向けた円柱状の凹部
３４を有した接続部３５が形成されている。接続
部３５の上端周縁部には筒体３６の下端部が接続
されており、この筒体３６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３７の内面に気密に接続されている。そし
て、上記筒体３６内には予冷冷凍機Ｂの吸熱導体
３８が差し込まれ、この吸熱導体３８の下端部が
前記凹部３４内に嵌入している。なお、吸熱導体
３８の外周にはフランジ部３９が形成されてお
り、このフランジ部３９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３６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３２の摺接部３３ａ，３３ｂ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とケース４４とは第４図に示すように良熱
伝導体４７で接続されており、この良熱伝導体４
７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４３，４４を介して所要の温度
に冷却されるようになつている。

なお、第１図中、５１，５２，５３はシール機
構を示している。

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は所定の温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３８を介して
熱伝導体３２が十分低温に冷却される。

このような状態で、モータ２９を動作開始させ
ると、軸２１が回転し、これに伴つて回転輪１２
が回転する。回転輪１２が回転を開始すると、各
作業物質１５は１つの円軌道上を移動し、超電導
コイル４１，４２が発生している磁場内と磁場外
との間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り吸熱する。

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内に進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
形成された液滴は遠心力によつて作業物質１５の
外面から排除された後、自然落下し、ここにヘリ
ウムの液化が達成される。そして、この場合に
は、特に、各作業物質１５の外面に付着したヘリ
ウムの凝縮液を遠心力によつて排除するようにし
ているので、実質的に各作業物質１５の表面積が
大幅に拡大化される。このため、１回の吸熱過程
で多量の液滴が生成されることになる。

一方、断熱磁化状態のとき作業物質１５に発生
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，１８
ｂに熱伝導体３２の摺接部３３ａ，３３ｂが必ず
接している。この結果、作業物質１５で発生した
熱は、上記摺接部３３ａ，３３ｂから熱伝導体３
２に伝わり、続いて吸熱導体３８を介して速やか
に予冷冷凍機Ｂへと排熱される。そして、この場
合には、特に、作業物質１５の上、下端面１８
ａ，１８ｂが平坦な面に形成されているので、作
業物質１５に対して摺接部３３ａ，３３ｂを十分
に密接させることができ、作業物質１５と摺接部
３３ａ，３３ｂとの間の熱抵抗を十分に小さくす
ることができる。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が所定
の低温に常に予冷され、ここに良好な冷凍サイク
ルが実現される。

このように、各作業物質１５と磁場発生装置と
を相対的に移動させる駆動機構として、各作業物
質１５を１つの円軌道に添わせて移動させる回転
駆動系を用い、かつ断熱消磁時に各作業物質１５
に付着したヘリウムの凝縮液を遠心力で排除し得
る回転速度に上記回転駆動系の回転数を設定して
いる。したがつて、各作業物質１５の外面に凹凸
を設けなくても低温吸熱時（断熱消磁時）におけ
る各作業物質１５の外表面積を実質的に大幅に拡
大化できる。このため、低温吸熱時における熱交
換効率を大幅に向上させることができる。また、
各作業物質１５の外面に格別に凹凸などを設けな
くても低温吸熱時の熱交換効率を向上させること
ができるので、高温排熱時（断熱磁化時）には排
熱用の熱伝導体を各作業物質１５に密接させるこ
とが容易となり、このため高温排熱時の熱交換効
率も大幅に向上させることができる。したがつ
て、単に凹凸だけを形成した場合とは違つて、高
温排熱時および低温吸熱時の熱交換効率を向上さ
せることができ、結局、前述した効果が得られる
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、上述した実施例では、作業物質を円柱状に形
成しているが、円柱状に限らず、角柱状でもよ
い。また、被凝縮ガスもヘリウムに限定されるも
のではない。

【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図は同装置の回転輪部分だけを取出して示す斜
視図、第３図は同装置に組込まれた作業物質の外
観図、第４図は同装置に組込まれた超電導コイル
を一部切欠して示す外観図である。 Ａ……液化装置本体、Ｂ……予冷冷凍機、１…
…ヘリウム槽、４……ヘリウム容器、７……補助
容器、１２……回転輪、１５……作業物質、１
８，１８ｂ……平坦な端面、２９……モータ、３
２……熱伝導体、３３ａ，３３ｂ……摺接部、４
１，４２……磁場発生装置としての超電導コイ
ル、Ｈ……液体ヘリウム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 常時磁場を発生する磁場発生装置と、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、
   この作業物質と前記磁場発生装置とを相対的に移
   動させて上記作業物質を磁場内および磁場外へと
   交互に位置させる駆動機構と、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
   した熱を上記作業物質の位置している空間の外部
   へ排熱する排熱系とを具備してなる磁気冷凍装置
   において、前記駆動機構は、前記作業物質を１つ
   の円軌道に添わせて移動させて前記磁場内と磁場
   外とに交互に位置させる回転駆動系で構成される
   とともに上記作業物質の外面に付着している凝縮
   液を遠心力で排除する回転速度に設定されてなる
   ことを特徴とする磁気冷凍装置。 ２ 前記排熱系は、前記磁場発生装置で発生した
   磁場内に前記作業物質が進行したとき上記作業物
   質の外面に機械的に接触する熱伝導体を備えたも
   であ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。