JPH0432305B2 - - 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、作業物質を固定
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。しかし、このように構成すると、
作業物質を機械的に移動させる必要があるので、
排熱系を如何に構成するかと言う点が問題とな
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、磁場発生装置を
常時付勢するとともに作業物質を移動させる方式
を採用したものにあつて、断熱磁化時に作業物質
から良好に排熱させることができ、もつて冷凍効
率の向上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〕

本発明に係る磁気冷凍装置は、常時磁場を発生
する一対の磁場発生装置と、これら磁場発生装置
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
却物を冷却する一対の作業物質と、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
物質に接触する一対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物質材
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、前記各磁場発生装
置は、一方の磁場発生装置で発熱した磁場が他方
の磁場発生装置で発生した磁場内に位置している
作業物質に対して磁気的影響を及ぼし得る相互間
隔もしくは発生磁場に設定されてなることを特徴
としている。

〔発明の効果〕

移動する作業物質から熱を奪つて排熱する場
合、排熱させるための系を作業物質と一体に移動
させることは構造の複雑化を免れ得ず、また断熱
消磁時に排熱系から作業物質に向けて熱が侵入す
るのを免れ得ない。

しかし、本発明装置のように、作業物質が磁場
内に位置しているときだけ上記作業物質に接触す
る良熱伝導性部材を設け、この部材を介して排熱
する構造であると、上記良熱伝導性部材、つまり
排熱系全体を作業物質と一体に移動させる必要は
ない。これに加え、本発明装置では、磁場発生装
置、作業物質および良熱伝導性部材からなる組を
２組設け、かつ各磁場発生装置の相互間隔もしく
は発生磁場を前記関係に設定しているので、一方
の磁場発生装置で発生した磁場内に入つた一方の
作業物質は他方の磁場発生装置で発生した磁場の
影響を受けて良熱伝導性部材に強制的に押付けら
れる。このため、作業物質と良熱伝導性部材との
間の熱抵抗を非常に小さくできる。このように、
磁場に、磁場本来の機能と、作業物質を良熱伝導
性部材に対して強制的に押付ける機能との両方の
機能を発揮させているので、作業物質を良熱伝導
性部材に対して押付けるための格別な機構を必要
としないし、また作業物質と良熱伝導性部材との
間の間隙を数10μmと言つたオーダーに設定する
必要もないので、構造の簡素化を図れるばかり
か、製作の容易化を図つた状態で良好な排熱を行
なわせることができる。また、断熱消磁時には、
作業物質と良熱伝導性部材とを距離的に離すこと
ができる。このため、断熱消磁時に良熱伝導性部
材を介して作業物質に熱が侵入するのを防止する
ことができる。このように、本発明によれば、構
造の複雑化や熱侵入を抑えた状態で、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との間に真空断熱槽を介
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。そして、超電導コイル１６ａと１
６ｂとは後述する作業物質が一方のコイル内に位
置しているとき、この作業物質に他方のコイルで
発生した磁場が影響を与え得る強度あるいは方向
の磁場を発生するように構成されている。また、
超電導コイル１７ａ，１７ｂは、超電導コイル１
６ａ，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。

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
８ａ，１８ｂが形成されている。そして、上記孔
１８ａ，１８ｂ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１９ａ，１９ｂの下端側
が接続されており、これら筒体１９ａ，１９ｂの
上端側は筒部６ａ，９ｂ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１９ａ，１９ｂの内径と同径の
孔２０ａ，２０ｂが同軸的に設けてある。そし
て、孔２０ａ，２０ｂ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２１ａ，２１ｂによつて気密に接続されて
いる。すなわち、孔２０ａ、筒体２１ａ、筒部６
ａ、筒体１９ａおよび孔１８ａが同軸的に接続さ
れて、仕切り壁３より上方の空間２２と液体ヘリ
ウムＨの収容されている空間とを連通されるシリ
ンダ２３ａが構成され、同様に孔２０ｂ、筒体２
１ｂ、筒部６ｂ、筒体１９ｂおよび孔１８ｂが同
軸的に接続されて同様のシリンダ２３ｂが構成さ
れているのである。

前記シリンダ２３ａ，２３ｂ内には前記空間２
２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
「μm」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２２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と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
壁位置０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、これによつて機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。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，７ｂ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。これに加え、部分
７ａ内に位置した作業物質３２ａには超電導コイ
ル１６ｂで発生した磁場が影響を与え、また、部
分７ｂ内に位置した作業物質３２ｂには超電導コ
イル１６ａで発生した磁場が影響を与える。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３２
ａ，３２ｂは、長尺のロツド３１ａ，３１ｂのた
わみも有効に手伝つて部分７ａ，７ｂの内表面に
磁気力によつて強制的に押付けられることにな
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７ａ，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、断
熱磁化時に作業物質３２ａ，３２ｂを隣接する磁
場発生装置の磁場を用いて部分７ａ，７ｂ、つま
り排熱用良熱伝導性部材に磁気力で押付けるよう
にしているので、良好な排熱行程を実現でき、作
業物質３２ａ，３２ｂで発生した熱の影響をなく
すことができるので、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、一対の磁場発生装置の相互間
隔の設定によつて磁場の影響を互いに及ぼしあわ
せるようにしてもよい。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、２３ａ，
２３ｂ……シリンダ、３１ａ，３１ｂ……ロツ
ド、３２ａ，３２ｂ……作業物質、３４ａ，３４
ｂ，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一対の磁場発生装置と、
   これら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一対の作業物質
   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する一対の良熱伝導
   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、前
   記各磁場発生装置は、一方の磁場発生装置で発生
   した磁場が他方の磁場発生装置で発生した磁場内
   に位置している作業物質に対して磁気的影響を及
   ぼし得る相互間隔もしくは発生磁場に設定されて
   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。 ３ 前記駆動機構は、１つの機構で前記各作業物
   質を、前記各磁場発生装置で発生した磁場内およ
   び磁場外へと排他的に移動制御するものであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２
   項記載の磁気冷凍装置。