JPH04186802A - ４ｋから２０ｋの温度範囲で高い熱容量を持つ磁性材料とこれを用いた蓄冷器及び磁気冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、蓄冷器及び磁気冷凍機に係り、より詳しくは
、４Ｋから２０にの温度範囲で高い熱容量を持つ材料と
これを用いた蓄冷器及び磁気冷凍装置に関するもので、
ＭＲＩ−ＣＴや磁気浮上列車等における気化ヘリウムの
回収再液化装置に適する。

（従来の技術及び解決しようとする課題）ヘリウム液化
装置の蓄冷器には、従来、一般に蓄冷材として鉛（ｐｂ
）などが用いられていたが、ヘリウム液化温度である４
、２にでは熱容量が減少し、十分な蓄冷作用を行うこと
ができない（第１図参照）。

そのため、４．２に付近で高い熱容量を持つ材料が研究
され、有力な材料としてＥｒＲｈが開発された（第１図
参照）。しかし、比熱ピーク（Ｔｃ）は４．２に以下で
あるもののピークがなたらがでなく、更にＲｈ（ロジウ
ム）が貴金属で高価であり、硬度が高く、加工性が悪い
ため、蓄冷器に用いることは困難である。

また、Ｅｒｘ−ＸＤｙＸＮＬ（ここで、０≦ｘ＜１．０
）が研究されているが、この系で比熱が最高となる温度
（Ｔｃ）は、Ｘの変化に伴い、６ＫＳＴｃ≦２ＯＫの範
囲で変化する。したがって、６に以下の領域では有効で
ない（第２図参照）。また、Ｅ　ｒ、　Ｎ　ｉも研究さ
れているが、Ｔｃに関しては同様なことが云える（第３
図参照）。更に、前者は、比熱のピークが鋭く、数段重
ねて蓄冷器を構成した場合、温度制御が行ないにくいと
いう欠点がある。

なお、磁気冷凍装置に用いる磁気作動物質として、Ｅｒ
ＡＱ２、ＥｕＳ等々の強磁性材料が報告さ、れているが
（特開昭５９−２１９５８号、特開昭５９−１２２８７
２号）、いずれも４．２に付近では高い比熱が得られな
い。

本発明は、上記従来技術の欠点を解消して、４Ｋから２
０にの温度範囲で高い熱容量を持つ蓄冷材などを提供す
ることを目的とするものである５（課題を解決するため
の手段） 本発明者は、前記課題を解決するため、Ｅｒ−Ｎ１□系
、Ｅｒ３−Ｎｉ系についてより低温側でＴｃを有する新
規な磁性材料を見い出すへく鋭意研究を重ねた結果、こ
こに本発明をなしたものである。

すなわち、本発明は、一般式 ％式％ （但し、ＭはＹｂ又はＴｍで、Ｏ＜　ｙ　＜　０　、５
．０≦ｘ　＜　１　、０　） 又は （Ｅ　ｒ　ｘ　　　Ｄ　ｙｙ　Ｍ　ｙ　）　３　Ｎ　ｊ
ｘ−ｙ （但し、ＭはＹｂ又はＴｍで、０＜ｙ＜０．５．０≦ｘ
　＜　１　、０　） で表わされる磁性体からなることを特徴とする蓄冷材用
及び磁気冷凍用磁性材料を要旨とするものである。

以下に本発明を更に詳細に説明する。

（作用） 本発明の磁性材料は、前述のように、一般式％式％ （但し、ＭはＹｂ又はＴｍで、Ｏ＜　ｙ　＜　０　、５
．０≦Ｘく１．○） 又は （Ｅ　ｒｘ　−ｘ　ｙ　Ｄ　ｙｘ　Ｍ　ｙ　）　３　Ｎ
ｌ（但し、ＭはＹｂ又はＴｍで、Ｏ＜　ｙ　＜　０　、
５、Ｏ≦ｘ＜１．０） で表わされる磁性体である。

ここで、Ｘが１．０以上のときは、ＲＮｉ系或いはＲ，
Ｎｉ系（Ｒは希土類）化合物を構成し得なくなり、また
ｙが両者の磁性材料の場合に０．５以上になると、■磁
性イオンの持つ局在スピン（平均磁気モーメント）が小
さくなり、また■ｙｂやＴｍが高価で経済性の面からも
不適当である。ｙ＝ＱのときはＹｂやＴｍの作用（後述
）を利用することができない。

これらの磁性材料のうち、Ｅｒの一部をｙｂで置換し、
Ｄｙを含まないＥｒｏ、、Ｙｂｏ、１Ｎｉ２の組成を持
つ材料は、第２図に示すように４．２に付近で大きな比
熱ピーク値（Ｔｃ）を有している。

また、ＥｒニーＸＤｙｘＮｉ２の中の磁性イオン（Ｅｒ
、Ｄｙ）の一部をｙｂ又はＴｍに置換し、或いは上記系
列にｙｂ又はＴｍを添加することにより、Ｔｃをあまり
変化させずに、比熱の温度特性を比較的なだらかにする
ことができる（第２図参照）。ｙｂ及びＴｍは揮発性の
強い元素であるために不均一に分布し、Ｔｃをなだらか
にする作用があるのを効果的に利用したものである。

Ｅ　ｒ、ｘ−ｙＤ　ｙＸＭｙＮ　Ｌ系及び（Ｅ　ｒｌ−
ｙＭ、、）３Ｎ　ｉ系において、組成を適正化すること
により、前者は蓄冷材に適した比熱ピーク（Ｔｃ）を４
Ｋがら２０に＠域で、また後者は６Ｋから１４にの範囲
で。

最適なＴｃを持つ蓄冷材を比熱の温度特性を殆ど変える
ことなく実現することができる。

本発明の高熱容量磁性材は、ヘリウム液化機のような冷
凍機全般の蓄冷器として、従来、単体の蓄冷材Ｅｒ３Ｎ
ｉを用いても０．２Ｒ／ｈｒ程度であった液体ヘリウム
の収量を、〜５倍以上高めることができる。更に、ガス
の流れに合わせて磁場を加えたり取り去ったりすること
により、冷凍出力を更に２倍程度高める能動的蓄冷器を
実現することができる。このような蓄冷器は、構成が単
純なため、装置の小型化、軽量化、高い耐久性及び信頼
性を実現できる。そのため、ＮＭＲ−ＣＴや磁気浮上列
車の気化ヘリウム回収液化装置などに用いることができ
る。

一方、エリクソン型磁気冷凍は、従来より、４゜２に付
近で良好な特性を持つ磁気作業物質がなく。

これが実用化を遅らせる１つの原因となっていたが、本
発明の磁性材料を磁気冷凍の作動物質に用いることによ
り、広い温度範囲で冷却効果の高い磁気冷凍装置を実現
することができる。

次に本発明の一実施例を示す。

（実施例） 第４図にＧＭ（ギホートーマクマホン法）冷凍器の概略
を示す。

これは、ピストンの上下運動とコンプレッサーや弁ｖ１
、弁ｖ２を適当に操作し、高温圧縮及び低温膨張の２過
程の間を２つの等圧過程で結んだサイクル（但し、サイ
クル中でモル数は一定でない）を運転し、低温を得る。

蓄冷器は、このサイクル中、等圧過程で、高温ガスの冷
却或いは低圧ガスの昇温を行い。

この蓄冷器を第５図（ａ）に示すように２段構成とし、
第５図（ｂ）に示すように第１段目に銅を用い、第２段
目を更に分割して上部に釦、下部に第１表に示すように
組成を適正化した数層のＥｒ、Ｄｙ−Ｙｂ、Ｎｉからな
る冷却材を用いた。第５図（Ｃ）は５つの層の構成を説
明する図である。

その熱容量（比熱）を第６図に示す。なお、図中の番号
は第１表の層番号に対応している。

同図より、全体として大きな冷却効率を得ることができ
ることがわかる。

また、第５図（ｂ）に示すように、この蓄冷材の構成を
有する蓄冷器の周囲に磁場印加装置を設りす、下から上
へガス（ヘリウム）が流れるときに磁場を加え、上から
下へガスが流れるときに磁場を取り去る操作（１回又は
複数回）により、ガス温度を低くできるので、蓄冷能率
を更に増加させることカニできる能動的蓄冷器が得られ
る。加える磁場の大きさは３Ｔ（テスラ）〜６Ｔ程度が
目安とされる。

なお、上記実施例では蓄冷材を上下に数段で構成したが
、順次に環状に構成する等々の変形も可能であり、また
ＧＭ冷凍機の場合について示したが、他の構造の冷凍機
にも適用できることは云うまでもない。

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明の磁性材料は、４Ｋから２
０にの温度範囲で高い熱容量を持つ磁性材料であるので
、蓄冷器として従来の１０倍以上の蓄冷効果を得ること
ができ、また磁気冷凍装置として大きな冷却効率を得る
ことができ、ｉＪｓ型化、軽量化のほか、高い耐久性、
信頼性が実現できる。

またこの磁性材料は従来のＥｒＲｈよりも安価である。

したがって、ＭＲＩ−ＣＴや磁気浮上列車等における気
化ヘリウムの回収再液化装置に好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は比熱の温度特性を示す図、第４図はＧ
Ｍ冷凍器の構成を説明する概略図、第５図は蓄冷器の構
造を説明する図で、（ａ）は全体図、（ｂ）は（ａ）の
蓄冷材の構成の拡大図、（Ｃ）は（ｂ）の蓄冷材の低温
側の構造を示す図であり、第６図は実施例で用いた蓄冷
材の比熱の温度特性を示す図である。 第１図 ５２太（Ｋ） 第２図 第３図 温厚（Ｋ） 第４図 コンプルγサー 仔―鵜 第５図（Ｑ） ｒ イ医　↓

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）一般式 Ｅｒ＿１＿−＿ｘ＿−＿ｙＤｙ＿ｘＭ＿ｙＮｉ＿２（但
   し、ＭはＹｂ又はＴｍで、０＜ｙ＜０．５、０≦ｘ＜１
   ．０） で表わされる磁性体からなることを特徴とする蓄冷材用
   及び磁気冷凍用磁性材料。
2. （２）一般式 （Ｅｒ＿１＿−＿ｘ＿−＿ｙＤｙ＿ｘＭ＿ｙ）＿３Ｎｉ
   （但し、ＭはＹｂ又はＴｍで、０＜ｙ＜０．５、０≦ｘ
   ＜１．０） で表わされる磁性体からなることを特徴とする蓄冷材用
   及び磁気冷凍用磁性材料。
3. （３）請求項１又は２に記載の磁性材料を多段に積層し
   てなることを特徴とする蓄冷器。
4. （４）請求項１又は２に記載の磁性材料を他の蓄冷材料
   と組合せて用いることを特徴とする蓄冷器。
5. （５）請求項１又は２に記載の磁性材料に磁場を印加す
   る手段を設け、媒体ガスの出入りに合わせて磁場をオン
   、オフすることにより冷却効果を高めた構成にしたこと
   を特徴とする能動的蓄冷器。
6. （６）請求項１又は２に記載の磁性材料に磁場をオン、
   オフする手段を設けたことを特徴とする磁気冷凍装置。