JPH0434065B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、磁気冷凍系を用いたヘリウム液化装
置に係り、特に、効率の向上化を図るようにした
ヘリウム液化装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来、磁性体の時期熱量効果を利用した磁気冷
凍系でヘリウム液化装置を構成したものが知られ
ている。磁気冷凍系は、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、通常の圧縮形冷凍系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、磁気冷凍系の場合には、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に発生した熱を外部
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
系を組込んで構成した従来のヘリウム液化装置に
あつては、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等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、
駆動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
を採用した磁気冷凍系を組込んだものにあつて、
作業物質を駆動する駆動機構を設けたことによつ
て起り易い、ヘリウム槽内への不純ガス混入を防
止できるとともに効率の低下を防止できるヘリウ
ム液化装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明に係るヘリウム液化装置は、ヘリウム槽
と、このヘリウム槽内に設けられて常時磁場を発
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前記ヘリウム
槽内に漂つているヘリウムガスを液化させる作業
物質と、前記ヘリウム槽内に配置されたシリンダ
と、このシリンダ内に往復動自在に収容されたピ
ストンと、このピストンの動きを前記作業物質に
伝達する運動伝達機構と、前記作業物質が前記磁
場内に位置しているときに上記作業物質を予冷す
る予冷冷凍機系と、この予冷冷凍機系で用いる高
圧ガスの一部を駆動ガスとし、この駆動ガスで前
記ピストンを往復移動させて前記作業物質を前記
磁場内および磁場外へと交互に位置させるピスト
ン駆動制御系とを具備してなることを特徴として
いる。

〔発明の効果〕

上記のように、シリンダ、ピストン、運動伝達
機構からなる、いわゆる駆動機構で作業物質を機
械的に移動させるようにするとともに、この駆動
機構をヘリウム槽内に設けるようにしている。し
たがつて、駆動機構を構成する要素でヘリウム槽
の壁を貫通させなければならない要素は、静止要
素であるガス案内管だけである。ヘリウム槽の壁
を貫通するようにガス案内管を設ける場合、貫通
部分のシールは、通常、いたつて簡単に、かつ確
実に行うことができる。したがつて、作業物質を
機械的に移動させる方式を採用したときに起こり
易い、ヘリウム槽内への不純ガスの侵入を防止す
ることができる。また、駆動機構における可動部
分がヘリウム槽の壁を貫通しないので、可動部分
を貫通させたときとは違つて、可動部分をシール
するシール部の圧力を小さくできる。したがつ
て、駆動機構における動力損失を少なくでき、動
力損失による効率低下を抑えることができる。さ
らに、予冷冷凍機系で用いる高圧ガスの一部を駆
動ガスとし、この駆動ガスで上述した駆動機構を
駆動するようにしているので、新たに駆動ガス源
を設ける必要がなく、それだけ効率の向上を図れ
るとともに構成の簡単化を図ることができる。

〔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、本発明の一実施例に係るヘリウム液
化装置を示すもので、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１７ａ，１
７ｂ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。

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，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６ａ、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せるシリンダ２
３ａが構成され、同様に孔２０ｂ、筒体２１ｂ、
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３
１ａ，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３６
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”を制御する。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６４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図中上方へ押し上げ
られる。そして、所定時間経過すると制御器６５
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、断熱消熱状態になる。
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、これら作業物質の外表面と部分７
ａ，７ｂの内表面とが直接接触したり、あるいは
両者間の隙間が非常に小さくなつたりする条件が
必ず形成される。この結果、作業物質３２ａ，３
２ｂで発生した熱は、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、作
業物質３２ａ，３２ｂを機械的に移動させる駆動
機構の可動部全体をヘリウム槽１内に収容するよ
うにしているので、駆動機構と外部とを連絡させ
るためにヘリウム槽１の壁を貫通させて設けられ
る要素の上記貫通部分のシールは極めて容易なも
のとなり、確実にシールすることができる。この
ため、機械的駆動方式を採用したときに起り易
い、不純ガスのヘリウム槽１内への侵入を確実に
防止することができる。また、上記のように駆動
機構の可動部全体をヘリウム槽１内に収容するよ
うにしているので、可動部分を、可動部用のシー
ル機構を介してヘリウム槽の壁を貫通するように
したものに較べて可動部分をシールするシール部
の圧力を小さくできる。したがつて、駆動機構に
おける動力損失を少なくでき、動力損失による効
率低下を抑えることができる。さらに、予冷冷凍
機Ｂで用いる高圧ガスの一部を駆動ガスとし、こ
の駆動ガスで上述した駆動機構を駆動するように
しているので、新たに駆動ガス源を設ける必要が
なく、それだけ効率の向上を図れるとともに構成
の簡単化を図ることができ、結局、前述した効果
が得られることになる。

なお、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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るヘリウム液化
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 ヘリウム槽と、このヘリウム槽内に設けられ
   て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
   て前記ヘリウム槽内に漂つているヘリウムガスを
   液化させる作業物質と、前記ヘリウム槽内に配置
   されたシリンダと、このシリンダ内に往復動自在
   に収容されたピストンと、このピストンの動きを
   前記作業物質に伝達する運動伝達機構と、前記作
   業物質が前記磁場内に位置しているときに上記作
   業物質を予冷する予冷冷凍機系と、この予冷冷凍
   機系で用いる高圧ガスの一部を駆動ガスとし、こ
   の駆動ガスで前記ピストンを往復移動させて前記
   作業物質を前記磁場内および磁場外へと交互に位
   置させるピストン駆動制御系とを具備してなるこ
   とを特徴とするヘリウム液化装置。 ２ 前記磁場発生装置と前記作業物質とを一組と
   する要素を一対備えるとともに各組の作業物質と
   前記ピストンとの間に上記ピストンの往復移動に
   連動させて上記各組の作業物質を前記磁場内およ
   び磁場外へと排他的に位置させる運動伝達機構を
   介在させてなることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載のヘリウム液化装置。