JPH0371627B2 - - 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、全体の
小形化と効率の向上化と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冷却物から熱を奪わ
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冷却物を
冷却する吸熱過程との２つの熱交換過程を交互に
行なわせる必要がある。このため、このような磁
気冷凍装置にあつては、一般に、作業物質に固定
するとともに上記作業物質の回りに超電導コイル
からなる磁場発生装置を固定しておき、断熱磁化
のときには磁場発生装置を付勢するとともに排熱
系を動作させ、また断熱消磁のときには磁場発生
装置の付勢を停止させるとともに排熱系の動作を
停止させ、この制御を交互に行なわせるようにし
ている。

このような構成であると、電気的な制御だけで
冷凍サイクルを実行させることができるので全体
の小形化を図れること、作業物質が静止している
ので排熱行程の信頼性を高めることができること
などの利点がある。

しかしながら、反面、磁場発生装置、つまり超
電導コイルをパルス付勢するようにしているの
で、この超電導コイルの付勢時における損失が大
きく、冷凍効率が大幅に低いと言う問題があつ
た。

そこで、このような問題を解消するために、磁
場発生装置を常に付勢しておき、代わりに作業物
質を機械的に移動させて上記磁場発生装置で発生
した磁場内および磁場外に交互に位置させること
が考えられる。すなわち、直線動駆動機構を用い
て作業物質を磁場内と磁場外とに交互に移動させ
るとともに作業物質が磁場内に位置したとき、こ
の作業物質を排熱系に熱的に接触させることが考
えられる。しかし、このように構成すると、新た
に次のような問題が起り得る。すなわち、冷凍能
力を高めるには、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。このため、冷凍能力
を高めるには、複数の作業物質を設け、これに対
応させて複数の磁場発生装置を設ける必要があ
る。この場合、装置全体の小形化を図るには磁場
発生装置相互を近接させる必要があるが、このよ
うに近接させると、隣接する磁場発生装置で発生
した磁場の影響を受けて各磁場発生装置内を直線
動する各作業物質に磁気力が作用する。この磁気
力は、作業物質をガイドするガイド部や排熱系の
接触面に作業物質を押付けるように作用する。し
たがつて、このときに発生する摩擦熱および動力
損失によつて効率をそれ程向上させることができ
ない虞れが多分にある。

〔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、複数の磁場発生
装置を設け、これら磁場発生装置を常時付勢する
とともに上記各磁場発生装置に対応させて複数の
作業物質を設け、これら作業物質を対応する磁場
内および磁場外へと直線動させる方式を採用した
ものにあつて、冷凍効率の低下を招くことなく全
体の小形化を図れるようにした磁気冷凍装置を提
供することにある。

〔発明の概要〕

本発明に係る磁気冷凍装置は、常時磁場を発生
する複数の磁場発生装置と、これら磁場発生装置
をそれぞれ取囲むように設けられた複数の磁気シ
ールド体と、前記各磁場発生装置に一対一に対応
して設けられ上記各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被冷却物を冷却する複
数の作業物質と、これら作業物質を対応する前記
磁場内および磁場外へと交互に機械的に直線動さ
せる駆動機構と、前記各作業物質が前記各磁場内
に位置しているとき上記各作業物質に接触または
近接する複数の良熱伝導性部材と、前記各作業物
質で発生した熱を前記各良熱伝導性部材を介して
上記各作業物質の位置している空間の外部へ排熱
する手段とを具備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、各磁場発生装置
を取囲むように磁気シールド体を設けるようにし
ている。このため、上記磁気シールド体の存在に
よつて各磁場発生装置内を直線動する作業物質が
隣接する磁場発生装置で発生した磁場によつて影
響を受けるのを防止することができる。したがつ
て、磁場発生装置相互を近接させても摩擦熱の発
生や動力損失の増加が起こるようなことはなく、
結局、効率の低下を抑えた状態で全体の小形化を
実現できる。すなわち、本発明によれば、全体の
小形化を図れるとともに作業物質を移動させる方
式の特徴、つまり、この方式が本質的に備えてい
る冷凍効率が高い点を最大限に発揮させることが
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内を
上下方向に２分するように設けられた仕切り壁３
と、この仕切り壁３より下方の空間内に配置され
た内槽４とで構成されている。そして、内槽４を
取囲んでいる空間５は、真空引きされて真空断熱
層に形成されている。また、内槽４は、その上壁
４ａだけが肉厚の厚い非磁性良熱伝導材で形成さ
れており、残りの部分が熱伝導性の悪い部材で形
成されている。

上記内槽４の上壁４ａの２箇所には、上壁４ａ
の図中上側空間と下側空間とを連通させる筒部６
ａ，６ｂが下方に向けて平行に、かつ同一寸法に
突設されている。これら、筒部６ａ，６ｂは、上
壁４ａを構成している部材と同一材あるいはそれ
以上に熱伝導性の良い部材で厚肉に形成されたも
ので、その下端部から所定の長さの部分７ａ，７
ｂの内径が他の部分より小径に形成されている。
そして、部分７ａ，７ｂの上下内端縁はそれぞれ
テーパ面に形成されている。

内槽４内には、内槽４との間に真空断熱層を介
してヘリウム容器８が収容されている。このヘリ
ウム容器８は、非磁性良熱伝導材で全体が形成さ
れたもので、具体的には次のように構成されてい
る。すなわち、容器本体９と、この容器本体９内
を上下方向に２分するように設けられた仕切り壁
１０と、容器本体８の上壁１１に設けられ、前記
筒部６ａ，６ｂをそれぞれ非接触に嵌入させる孔
１２ａ，１２ｂと、これら孔１２ａ，１２ｂの縁
部を仕切り壁１０の上面まで延長させる筒体１３
ａ，１３ｂと、これら筒体１３ａ，１３ｂの外周
面に上下方向に２段構成に突設された鍔部１４
ａ，１４ｂおよび１５ａ，１５ｂとで構成されて
いる。そして、筒体１３ａ，１３ｂの外周で鍔部
１４ａ，１４ｂと上壁１１との間には主磁場発生
装置を構成する超電導コイル１６ａ，１６ｂが装
着されており、また、筒体１３ａ，１３ｂの外周
で鍔部１５ａ，１５ｂと仕切り壁１０との間には
補助磁場発生装置を構成する超電導コイル１７
ａ，１７ｂが装着されている。各超電導コイル１
６ａ，１６ｂおよび１７ａ，１７ｂはヘリウム容
器８内の底部に溜つている液体ヘリウムＨを冷却
源とし、ヘリウム容器構成材を介して所要の温度
に冷却される。超電導コイル１７ａ，１７ｂは、
超電導コイル１６ａ，１６ｂの発生磁場とは逆向
きの磁場を発生させ、これによつて超電導コイル
１６ａ，１６ｂで発生した磁場の下側強度勾配を
急峻化させるようにしている。そして、超電導コ
イル１６ａ，１７ａの外周には磁性材で筒状に形
成された磁気シールド体１８ａが装着されてお
り、また、超電導コイル１６ｂ，１７ｂの外周に
も磁性材で筒状に形成された磁気シールド体１８
ｂが装着されている。

仕切り壁１０の前記筒部６ａ，６ｂの下端面に
対向する位置には、部分７ａ，７ｂの内径より大
きく、かつ筒部６ａ，６ｂの外径より小さい孔１
９ａ，１９ｂが形成されている。そして、上記孔
１９ａ，１９ｂの内縁には、熱伝導性の悪い非磁
性部材で形成された筒体２０ａ，２０ｂの下端側
が接続されており、これら筒体２０ａ，２０ｂの
上端側は筒部６ａ，６ｂの下端面にそれぞれ気密
に接続されている。

前記仕切り壁３の前記筒部６ａ，６ｂに対向す
る位置には、筒体２０ａ，２０ｂの内径と同径の
孔２１ａ，２１ｂが同軸的に設けてある。そし
て、孔２１ａ，２１ｂの縁部と筒部６ａ，６ｂの
上縁部とは熱伝導性の悪い非磁性部材で形成され
た筒体２２ａ，２２ｂによつて気密に接続されて
いる。すなわち、孔２１ａ、筒体２２ａ、筒部６
ａ、筒体２０ａおよび孔１９ａが同軸的に接続さ
れて、仕切り壁３より上方の空間２３と液体ヘリ
ウムＨの収容されている空間とを連通させるシリ
ンダ２４ａが構成され、同様に孔２１ｂ、筒体２
２ｂ、筒体６ｂ、筒体２０ｂおよび孔１９ｂが同
軸的に接続されて同様のシリンダ２４ｂが構成さ
れているのである。

前記シリンダ２４ａ，２４ｂ内には前記空間２
３側からロツド３１ａ，３１ｂが昇降自在に挿設
されている。ロツド３１ａ，３１ｂは、それぞれ
熱伝導性の悪い非磁性部材で前述した筒部６ａ，
６ｂにおける部分７ａ，７ｂの内径より数100［μ
ｍ］小さい外径の円柱状に形成されている。そし
て、各ロツド３１ａ，３１ｂの下端部にはガドリ
ニウム・ガリウム・ガーネツト等の磁性体をロツ
ド３１ａ，３１ｂの外径と等しい外径の円柱状に
加工してなる作業物質３２ａ，３２ｂが直列に介
挿されている。

ロツド３１ａ，３１ｂの前記空間２３内に位置
する端部には支持材３３ａ，３３ｂが取付けてあ
り、これら支持材３３ａ，３３ｂの先端部には互
いに対面する関係にラツク３４ａ，３４ｂが固定
されている。そして、ラツク３４ａとラツク３４
ｂとの間の中心位置には、紙面と直交する方向に
延びる軸３５が図示しない軸受によつて回転自在
に支持されている。軸３５の外周でラツク３４ａ
とラツク３４ｂとの間に位置する部分には上記ラ
ツク３４ａ，３４ｂに共通に歯合するピニオン３
６が装着されている。なお、ピニオン３５と各ラ
ツク３４ａ，３４ｂとは次のような関係に歯合し
ている。すなわち、ロツド３１ａ，３１ｂの下端
部に介挿されている作業物質３２ａ，３２ｂが丁
度、第１図の作業物質３２ａのように筒部６ａ
（６ｂ）の部分７ａ（７ｂ）内に位置しているとき
を上死点とし、また、作業物質３２ｂのように仕
切り壁１０と液体ヘリウムＨの液面との間に位置
しているときを下死点とし、いずれかの作業物質
が上死点に位置しているときには他方の作業物質
が下死点に位置する関係が成立するように歯合し
ている。

軸３５の外周には第２図に示すように別のピニ
オン３７が装着されており、このピニオン３７は
ラツク３８と歯合している。ラツク３８の一端部
はロツド３９の一端側に連結されており、このロ
ツド３９の他端側はガス圧によつて動作する直線
動機構４０に連結されている。直線動機構４０
は、両端が閉じられたシリンダ４１と、このシリ
ンダ４１内に軸方向に摺動自在に収容されたピス
トン（図示せず。）と、シリンダ４１の両端部に
内部に通じる関係に接続されたガス案内管４２
ａ，４２ｂとで構成されている。そして、上記ガ
ス案内管４２ａ，４２ｂが外槽２の壁を気密に貫
通して外部に導き出されている。

内槽４の上壁４ａの周縁部には厚肉部５１が形
成されており、この厚肉部５１には開口部をたと
えば横方向に向けた円柱状の凹部５２が形成され
ている。外槽２の側壁で上記凹部５２に対向する
位置には、凹部５２より大径の孔５３が形成され
ており、この孔５３の周縁部には外方へ突出する
フランジ５４が気密に接続されている。そして、
上記フランジ５４内を通して前記凹部５２に予冷
冷凍機Ｂの吸熱部が熱的に接続されている。

予冷冷凍機Ｂは、蓄冷材として、たとえば鉛、
磁性材等を用いたギフオードマクマホン形の冷凍
機５５と、この冷凍機５５に圧縮された冷媒ガ
ス、たとえばヘリウムガスを循環供給する圧縮機
５６とで構成されている。なお、冷凍機５５には
接続用のフランジ５７が設けてあり、このフラン
ジ５７がシール部材を介してフランジ５４に接続
され、これによつて気密性が保たれている。

圧縮機５６のガス送出口Ｓおよびガス導入口Ｔ
は、第２図に示す駆動制御器６０を介して直線動
機構４０のガス案内管４２ａ，４２ｂに接続され
ている。駆動制御器６０は、圧縮機５６のガス送
出口Ｓを電磁弁６１を介してガス案内管４２ａに
接続し、また、ガス導入口Ｔを電磁弁６２を介し
てガス案内管４２ｂに接続し、さらに、ガス送出
口Ｓを電磁弁６３を介してガス案内管４２ｂに接
続し、ガス導入口Ｔを電磁弁６４を介してガス案
内管４２ａに接続し、これら電磁弁６１，６２，
６３，６４を制御器６５でオン、オフ制御するよ
うにしている。制御器６５は、電磁弁６１，６２
を一組とし、また、電磁弁６３，６４を一組とし
て、一方の組を“開”に制御しているときには他
方の組を“閉”に制御し、各組を交互に“開”に
制御する信号を送出するように構成されている。
なお、第１図中６６ａ，６６ｂ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１６ａ，１６ｂおよび１７
ａ，１７ｂには前述した関係の磁場を発生させ得
る永久電流が流れているものとする。また、圧縮
機５６が動作して予冷冷凍機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、内槽４の
上壁４ａが十分低温に冷却される。したがつて、
筒部６ａ，６ｂも低温に冷却される。

このような状態で、駆動制御器６０の制御器６
５を動作開始させると、次のようになる。すなわ
ち、制御器６５は、まず、電磁弁６３，６４を
“開”に制御する。この結果、圧縮機５６のガス
送出口Ｓから送り出された高圧ヘリウムガスの一
部が電磁弁６３を介してガス案内管４２ｂに供給
され、また、ガス案内管４２ａが電磁弁６４を介
してガス導入口Ｔに接続される。このため、直線
動機構４０のピストンは第２図中上方へと押し上
げられる。そして、所定時間経過すると制御器６
５は、電磁弁６３，６４を“閉”に制御し、代わ
つて電磁弁６１，６２を“開”に制御する。この
ため、ピストンは第２図中下方へと押し下げられ
る。このようにして、ピストンが周期的に往復動
するので、ラツク３８も第２図中実線Ｙで示すよ
うに往復動し、これに伴つて軸３５が図中実線矢
印Ｐで示すように往復回動する。この結果、ロツ
ド３１ａ，３１ｂが第１図中Q₁，Q₂で示すよう
に昇降する。すなわち、ロツド３１ａが下降を開
始するとロツド３１ｂが上昇を開始する関係にそ
れぞれが昇降する。このため、作業物質３２ａ，
３２ｂは、上死点と下死点との間を180度の位相
差をもつて昇降することになる。上死点に位置し
ているときには、第１図中の作業物質３２ａに見
られるように超電導コイルの発生する磁場内に完
全に位置している。したがつて、断熱磁化状態に
なる。この場合、超電導コイル１６ａ，１７ａは
磁気シールド体１８ａによつて囲まれており、ま
た、超電導コイル１６ｂ，１７ｂは磁気シールド
体１８ｂによつて囲まれているので、超電導コイ
ル１６ａ，１７ａ側で発生した磁場が超電導コイ
ル１６ｂ，１７ｂ内に位置する作業物質３２ｂに
磁気的な影響を与えることはないし、同様に、超
電導コイル１６ｂ，１７ｂ側で発生した磁場が超
電導コイル１６ａ，１６ｂ内に位置する作業物質
３２ａに磁気的な影響を与えるようなこともな
い。一方、下死点に位置しているときには、第１
図中の作業物質３２ｂに見られるように磁場外に
位置する。したがつて、断熱消磁状態になる。断
熱消磁状態では、作業物質３２ｂ（３２ａ）は吸
熱する。このため、液面上に漂つているヘリウム
ガスが作業物質３２ｂ（３２ａ）の表面に凝縮す
る。この凝縮によつて形成された液滴が自然落下
し、ここにヘリウムの液化が達成される。

一方、作業物質３２ａに見られるように断熱磁
化状態になると、作業物質３２ａ（３２ｂ）は発
熱する。この熱は次のようにして外部に導かれ
る。すなわち、作業物質３２ａ，３２ｂが上死点
に位置しているときには、必ず筒部６ａ，６ｂの
部分７ａ，７ｂ内に位置している。部分７ａ，７
ｂの内径は、作業物質３２ａ，３２ｂの外径より
僅かに大きい値に設定されている。このため、作
業物質３２ａ，３２ｂが部分７ａ，７ｂ内に位置
しているときには、これら作業物質３２ａ，３２
ｂは、部分７ａ，７ｂの内面に直接接触したり、
あるいは十分に近接した状態となる。したがつ
て、各作業物質３２ａ，３２ｂと部分７ａ，７ｂ
との間の熱抵抗が非常に小さくなる。この結果、
作業物質３２ａ，３２ｂで発生した熱は、部分７
ａ，７ｂ、筒部６ａ，６ｂ、上壁４ａ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３２ａ，３２ｂで発生した熱によつ
てヘリウム容器８内が温度上昇するようなことは
なく、また、作業物質３２ａ，３２ｂ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
実現されることになる。

そして、この場合には、常時磁場を発生させる
とともに作業物質３２ａ，３２ｂを移動させるよ
うにしたことによる効果は勿論のこと、特に、各
磁場発生装置をそれぞれ磁気シールド体１８ａ，
１８ｂで取囲むようにしているので、各磁場発生
装置内を移動する作業物質３２ａ，３２ｂが隣接
する磁場発生装置で発生した磁場の影響を受ける
のを防止することができる。このため、磁場発生
装置相互の間隔を狭くしても、作業物質３２ａ，
３２ｂの移動時に摩擦熱が発生したり、あるいは
動力損失が増加したりするようなことはない。し
たがつて、作業物質３２ａ，３２ｂを直線動させ
るようにしたことによる特徴を最大限に発揮させ
ることができるととに全体の小形化を実現でき、
結局、前述した効果が得られることになる。

なお、実施例のように主磁場発生装置と補助磁
場発生装置とを設け、補助磁場発生装置で磁場の
縁部の強度勾配を急峻化させるようにすると、作
業物質が磁場外へ出るのに必要な移動ストローク
を小さくできる。したがつて、装置全体の小形化
に寄与できる。また、実施例のように、２つの作
業物質を１つの駆動源を用いて排他的に昇降させ
る方式であると、一方の作業物質が磁場から離れ
ようとしたとき、他方の作業物質が磁場に近付く
関係となるので、一方の作業物質と一方の磁場と
の間に生じる磁気的吸引力で他方の作業物質と他
方の磁場との間に生じる磁気的吸引力を結果的に
減少させることができる。したがつて、駆動動力
を少なくできる利点もある。また、本発明は、上
述した実施例のものに限らず、駆動機構の主要部
を外槽外に位置させたものにも適用できることは
勿論である。また、ヘリウムの液化に限らず、各
種ガスの液化および各種物質の冷却用に使用でき
る。

【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
を組込んだヘリウム液化装置の主要部を一部切欠
して示す側面図、第２図は同装置のガス圧駆動系
を取出して示す図である。 Ａ……液化装置本体、Ｂ……予冷冷凍機、１…
…ヘリウム槽、２……外槽、４……内槽、６ａ，
６ｂ……良熱伝導材で形成された筒部、８……ヘ
リウム容器、１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂ…
…磁場発生装置としての超電導コイル、１８ａ，
１８ｂ……磁気シールド体、２４ａ，２６ｂ……
シリンダ、３１ａ，３１ｂ……ロツド、３２ａ，
３２ｂ……作業物質、３４ａ，３４ｂ，３８……
ラツク、３６，３７……ピニオン、４０……直線
動機構、５５……冷凍機、５６……圧縮機、６０
……駆動制御器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 常時磁場を発生する複数の磁場発生装置と、
   これら磁場発生装置をそれぞれ取囲むように設け
   られた複数の磁気シールド体と、前記各磁場発生
   装置に一対一に対応して設けられ上記各磁場発生
   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被
   冷却物を冷却する複数の作業物質と、これら作業
   物質を対応する前記磁場内および磁場外へと交互
   に機械的に直線動させる駆動機構と、前記各作業
   物質が前記各磁場内に位置しているとき上記各作
   業物質に接触または近接する複数の良熱伝導性部
   材と、前記各作業物質で発生した熱を前記各良熱
   伝導性部材を介して上記各作業物質の位置してい
   る空間の外部へ排熱する手段とを具備してなるこ
   とを特徴とする磁気冷凍装置。 ２ 前記駆動機構は、主要部が、シリンダと、こ
   のシリンダ内に収容され高圧ガスによつて往復動
   するピストンと、このピストンの動きを前記作業
   物質に伝達する機構とで構成されたものであるこ
   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。