JPH046352A - 冷凍方法、蓄冷器および液化機 - 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） 本発明は気体冷凍に使用される蓄冷法、蓄冷器ならびに
ヘリウム（Ｈｅ）の液化機に関するものである。

蓄冷器は、暖かい気体を蓄冷器内部の蓄冷材により冷却
して外部に排出し、逆に冷たい気体は蓄冷材により暖め
て外部に排出するユニットである。蓄冷器をＨｅの冷凍
に使用する具体的な構成は第６図に示す如きものであり
、定常動作状態では上部を高温に、下部を低温にした容
器１の上部から高温高圧のヘリウム（Ｈｅ）ガスを流入
させると、このガスが容器１内を上部から下部に通過す
る過程で粒状の蓄冷材２と熱交換し、低温ガスとなって
容器１外に排出される。蓄冷材２を冷却する状態では、
低温低圧のガスが下部から容器１内に入り、蓄冷材２の
熱を奪いながら自身の温度を上げ、上部から容器１外に
排出される。一般に、蓄冷器の入口側および出口側には
熱交換器３ｂ、３ａが配置され、適当な流体との熱交換
を行って蓄冷材２による冷却および加熱の負担を軽減す
るような構成となっている。

蓄冷器は、コンプレッサー（ディスプレーサ−と言われ
ることもある）と組合わされれてギフオード・マクマホ
ン（Ｇｉｆｆｏｒｄ−Ｍｃｍａｈｏｎ　（Ｇ−Ｍ）　）
冷凍機、スターリング冷凍機などによるヘリウムの液化
サイクルに使用されており、高効率サイクルには欠かせ
ないものである。

（従来の技術） 上述のように蓄冷材による奪熱および蓄冷材自身の加熱
のいずれの過程においても、蓄冷器の動作効率は蓄冷材
の温度変化がない場合に最大になる。この状態を実現す
るためにはＨｅガスの熱容量に比較して蓄冷材の熱容量
が大きいことが必須である。従来、空気冷凍用の蓄冷材
にはアルミニウムまたは亜鉛めっき鋼板などが使用され
ていたが、Ｈｅ冷凍用には経済性と加工性も考慮して鉛
（ｐｂ）が使用されている。しかしながらｐｂの比熱は
原子の格子振動に起因するために、極低温域で急激に低
下し、第７図に示すようにＩＯＫ以下ではＨｅガスの比
熱より遥かに小さくなり、蓄冷材としての用をなさなく
なる。図中、ＳＵＳはステンレス鋼を表す。

ｐｂに代わる蓄冷材として最近磁性体の使用が検討され
ている。しかし、磁性体（例えば、Ｅｒ　１−ｘＤｙＪ
ｔｚ）は確かにＴｃ（キュリー点）付近では大きい磁気
比熱を有するが、異常増加を示す温度幅は狭く鋭いピー
クを作っている。上記磁性体（Ｅｒ＋−ｘＤｙＪ１２）
のＸをＯ〜１．０で適当に変化させると、第８図に示す
ように約５〜２０にの温度範囲の任意の温度において高
い磁気比熱を得、この温度範囲での蓄冷に対応できる。

しかし磁気比熱のピークが鋭い蓄冷材ではガスの温度が
予定温度より僅かに高くともあるいは低（とも所定の冷
却を行うことができない欠点もある。さらに、実際にＧ
−Ｍ冷凍機への適用を考えた場合、その鋭い磁気比熱ピ
ークは平滑なＧ−Ｍサイクルの構成を妨げ、温度制御を
複雑になる等の新たな欠点を生み出す。

（発明が解決しようとする課題） 気体の液化法として良（知られているＧｉｆｆｏｒｄ−
Ｍｃｍａｈｏｎ　（Ｇ−Ｍ）サイクルを用いると１０〜
１２に迄の液化が可能になっている。しかしこれより低
温には蓄冷器の比熱が急激に低下するために、到達する
ことができない。一般のヘリウム液化機においては、最
終段にジュール・トムソン弁を付加して、ヘリウムを液
化している。しかし、このジュール・トムソン過程は、
熱力学的には非可逆過程であるので、これを使用してい
る冷凍機の低効率の主要な原因の一つとなっている。そ
の結果、今後、金属実用超伝導の応用域の拡大に伴い、
高効率かつ簡便な小型ヘリウム液化機の重要性が痛感さ
れているにも拘らず、これに応えられていないのが現状
である。

本発明は上記のような問題を解消した冷凍法、蓄冷器お
よびヘリウム液化機を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明の方法は、極低温温度範囲にキュリー点（Ｔｃ）
を有する１種または２種以上の磁性体に、該キュリー点
およびその近傍の温度において外部磁場を印加し、該１
種または２種以上の磁性体とガスを接触させてガスを冷
却することを特徴とする冷凍方法である。

また、本発明の蓄冷器は、ガスの流入孔と流出孔を有す
る容器内に蓄冷材が収納してなる蓄冷器において、前記
蓄冷材を極低温にキュリー点を有する１種または２種以
上の磁性体とするとともに、前記蓄冷材に磁場を加える
手段を該容器内および／または容器外に設けたことを特
徴とする。

本発明の液化機は、２０に以下において０．３Ｊ／に−
ｃｍ”以上の比熱を有する磁性体を備えた請求項２の蓄
冷器と、気体圧縮用コンプレッサーとを、該コンプレッ
サで圧縮されたヘリウムを前記蓄冷器の高温側に流入さ
せるように接続してなり、ジュール・トムソン弁を有し
ないことを特徴とする特 （作用） 強磁性体であるＥｕＳ　（Ｔｃ＝１６．３Ｋ。

θ０　（デバイ温度）＝２３０Ｋ）に外部磁場を５Ｔ（
テスラ）以下で加えた時の磁気比熱を測定した結果を第
９図に示す。このグラフから、強磁性体に外部磁場が加
えられると、Ｔｃ近傍の比熱は磁場の増加にともない、
鋭いピークがなだらかな凸状の曲線に変化し、ピーク位
置が高温側にずれて行くことが分かる。したがって、数
種の磁性体を用い一定磁場を該磁性体に加えるようにす
るか、あるいは１種の磁性体を用い所望の温度に対応す
る一定磁場を加えるかもしくは電磁石により磁場を冷却
サイクルの運転状況に応じて変化させるようにすること
により、広い範囲の温度について高い比熱を利用するこ
とができるようになる。

数種の磁性体を使用する時はこれらの磁性体のＴｃが定
常動作時におけるガスの流れ方向に沿って順次低下する
ように種類を選択すると、流入ガスは、次第に低温に位
置するピーク値の磁気比熱により次第に冷却される。

本発明と同じ技術分野において断熱消磁という技術があ
る。この技術では、ＩＫ程度の極低温において常磁性体
に外部磁場を印加し電子のスピンの方向を一定方向に揃
えるとともに熱を放出させ、つぎにエントロピー無変化
（Δ５＝Ｏ）の断熱条件で外部磁場を取り除きＩＫ以下
の温度に冷却を行う。この技術と本発明は、磁性体と外
部磁場を利用している点は共通しているが、本質的に異
なるものである。本発明は本来磁気比熱の転移点近傍の
異常増大を熱溜に利用するものであり、磁場は単にその
鋭いピークの鈍化にのみ使用されるものである。一方の
断熱消磁は、外磁場で磁性体のエントロピーを制御し、
磁性体を直接冷媒に使用するものであり、原理的に両者
は全く異なるものである。

本発明においては、用いる外部磁場としては、Ｔｃ近傍
の温度で磁性体の磁化を飽和させるに必要な１〜３Ｔの
磁場の約１／１０〜１／３程度の磁場を加えることによ
り比熱のピーク必要な程度に鈍化することができる。た
だし、外部磁場が飽和磁化の１／２を超えると比熱のピ
ークが目立たなくなり好ましくない。好ましい外部磁化
の具体的範囲は、ＥｕＳについては、０．１〜ＩＴに相
当し、この程度の磁場強度は希土類コバルト磁石やＮｄ
−Ｆｅ−Ｂｔａ石により容易に発生でき、超伝導磁石等
特殊な磁石を使用する必要はない。また、ＴｃがＥｕＳ
より低いＥｒＮ１ｔを基板とする系などについては好ま
しい外部磁場の範囲は０．１〜０．５７になる。

外部磁場を加えるためには容器内で磁性体を挟むように
永久磁石を配置するか、円筒容器の側面に電磁石のＮ極
とＳ極を配置して直径方向に磁場を加える方法を採用で
きる。

以下、本発明の詳細な説明する。

（実施例） 本発明の好ましい適用分野は４〜２０にの極低温におけ
る冷凍方法および蓄冷器である。この場合、ＥｕＳなど
Ｔｃが上記温度範囲内にある材料やＥ　ｕ　　（Ｅｒ＋
−ｘＤｙ＋＋Ｎ１ｇ）、Ｅｒ（ＮＬ＋−ｘｃＯｘ）ｘ　
、Ｒ−Ｒｈなど組成を変化させることによりＴｃを上記
温度範囲で変化させることができる材料が蓄冷材に使用
される・もちろん、上記温度範囲より高温の２０〜３０
にの温度範囲においても本発明を実施することができる
。蓄冷材として使用する磁性体の形状はガスが通過でき
る任意のものであってよ（、例えば直径が０．１〜１．
２ｍｍの微粒子などを使用することができる。

これらの磁性体に外部磁場を印加するための手段として
は、小型で高磁場を発生することができる永久磁石が好
ましいが、小容量の蓄冷器については電磁石も使用する
ことができる。磁石等による磁気回路を設計するときは
磁性体の中心部までの全部に所定磁場が加わり、全体で
比熱のピークがなだらかになるようにする必要がある。

このためには、第１図（ａ）に示すように、磁性体４ａ
〜Ｃをガスの流れ方向に分割し、その間に永久磁石５ａ
、５ｂを挟む構造にすることが好ましい。

また、各材料のＴｃは第１図（ｂ）に示すようにガスの
流れ方向で順次変化するようにする。ここで高温側の蓄
冷材（４ｃ）には従来のｐｂを使用してもよい。

本発明の特に好ましい用途はＨｅの液化冷凍装置の蓄冷
器である。かかる液化装置においては、Ｇ−Ｍサイクル
やスターリングサイクルなどの公知の液化装置に本発明
の蓄冷器を使用してヘリウムの液化を行う。なお、Ｇ−
Ｍサイクルやスターリングサイクルなどの公知であるの
で、「極低温と超伝導」哲学出版１９８６年４月２０日
発行の１０２〜１１３頁、Ｈ，０，ＭｃＭａｈｏｎ　ａ
ｎｄ　Ｗ、Ｅ、　Ｇｉｆ−ｆｏｒｄ：Ａｄｖａｎｃｅｓ
　ｉｎ　Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
、　５．３３４（１９６０）、　　ｒ磁気冷凍と磁性材
料の応用」工業調査会出版、１９８７年７月２０日発行
、第８５−９０頁、１１３−１１６頁を引用する。かか
る用途の蓄冷器に使用される好ましい磁性体は温度が２
０に以下において０　、３　Ｊ／に−ｃｍ”以上の磁気
比熱をもつ材料である。磁気比熱がこの値を下回るとヘ
リウムの比熱との差が大きくなるので蓄冷効果が低下し
てゆく。

Ｈｅ液化装置に使用する蓄冷器の実施態様を第２図およ
び第３図に示す。この蓄冷器では、Ｔｃの異なる４層の
磁性体、すなわち磁性体１（４ａ）、磁性体２（４ｂ）
、磁性体３　（４ｃ）、磁性体４　（４ｄ）を１対づつ
密着配置し、多対の間および上下の磁性体の両側に密着
させて円盤状永久磁石５ａ、５ｂ、５ｃを配置した構成
とする。永久磁石と磁性体の間には数カ所で銅メツシュ
アを挟み、Ｈｅガスが均一に磁性体に流れるようにし、
また磁性体の粉の移動も妨げるようにする。永久磁石は
円盤の面に垂直方向に異方性をつけた高性能の永久磁石
であり、各磁石のＮ極とＳ極が向かい合い磁石の間に強
力な磁場が発生するように配列される。

永久磁石には第３図に示すように円盤の面を貫通する多
数の細孔６が開けられており、Ｈｅガスを通り抜けさせ
る。１から４の磁性体のＴｃはＴｃ　Ｎｌ　＞Ｔｃ　＋
２１　＞Ｔｃ　＋３１　＞Ｔｃ　＋４１の関係にある。

上下の永久磁石と接して、多数のフィンの間にガスの通
路を形成した熱交換器７ａ、７ｂが近接配置されている
。熱交換器７ａでは１０〜３０にのＨｅとの熱交換を行
い、熱交換器７ｂでは４〜６に程度に冷却されているＨ
ｅとの熱交換を行う。以上で説明した各要素４〜７の全
体が、上下にそれぞれＨｅの入口８ａ、出口８ｂ（定常
状態の出入口）を備えた鋳鉄管８の中に隙間なく収納さ
れている。鋳鉄管８全体は図示されていない断熱材より
囲まれている。

以下、実施例１．２によりさらに詳しく本発明を説明す
る。

実施例１ 第４図に示す蓄冷器では、それぞれ粒状の磁性体４ａと
してＥｒＮ１ｚ　　（Ｔ　ｃ　＝〜６　Ｋ）を１粒状磁
性体４ｂとしてＥｒａ、　ｔｓＤ’ｉｏ、　ｘｓＮｉｔ
　　（Ｔ　Ｃ＝　”−１０Ｋ）を、粒状磁性体４ｃとし
てはｐｂをそれぞれ用い、各磁性体４ａ〜４ｃを多数の
細孔を形成したＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系内盤状永久磁石５ａ、
５ｂ。

５Ｃを配置した構成とした。磁性体４ａ、４ｂ。

４ｃの容積比率を０．３：０．３：０．４とした。さら
に、鋳鉄管８の上下に熱交換器７ａおよび７ｂを配置し
た。

第４図に示した蓄冷器のガス入口（８ａ）側に、高圧二
〜１９気圧、低圧：６気圧、流量：５　ｍ３／ｈｒの条
件で運転されるＧ−Ｍ冷凍機で加圧された温度２０にの
Ｈｅを流入させた。この結果４．２にのＨｅが出口８ｂ
から流出し、ジュールトムソン弁を使わないでＨｅの液
化が可能になった。冷却する温度ＴＬ、Ｈｅガスと蓄冷
材との間の熱容量比、高圧過程と低圧過程の圧力比で表
される冷凍機出力は数１００ｍＷであった。

Ｇ−Ｍ冷凍機の出力が数１００ｍＷのばらつきがあった
ので、冷凍装置全体でも数１００ｍＷのばらつきが生じ
た。

実施例２ 第５図に示す蓄冷器において、磁性体４ａとしてＥｒＲ
ｈを、磁性体４ｂとしてＥｒｏ、ａ　Ｄ３’ｏ、Ｊｉｚ
を、磁性体４ｃとしてはＥｒａ、ｓ　Ｄｙｏ＠ＮＬを、
磁性体４ｄとしてはＥｒａ、　ｘ　Ｄｙｏ、　５Ｎｉｚ
を、それぞれ粒状で使用し、各磁性体の間および上下に
は多数の細孔を形成したＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系内盤状永久磁
石５８〜５ｅを配置した構成とした。各磁性体４８〜４
ｄの容積比率を以下の範囲とした。

磁性体４ａ容積（ｘ）＝０．２　〜０．３５磁性体４ｂ
容積（ｙ）＝０．２　〜０．３磁性体４ｃ容積（ｗ）＝
０．１５〜０．３磁性体４ｄ容積（ｚ）＝０．１５〜０
．２５ただし、Ｘ＋ｙ＋ｗ＋ｚ＝１．００ 実施例１と同様に鋳鉄管８の上下に熱交換器７ａおよび
７ｂを配置した。

第４図に示した蓄冷器のガス入口側に加圧された温度２
０にのＨｅを流入させたところ、Ｈｅの液化が可能にな
った。

出力は実施例１の数倍になった。

（発明の効果） 以上説明したように本発明の冷凍方法および蓄冷器によ
ると、磁気比熱のピークが緩やかになるために従来より
も低温での冷凍・蓄冷が可能になる。

また、本発明によるＨｅの液化装置によれば、従来の小
型冷凍機が低効率である主要原因であるジュールトムソ
ン弁を用いずにＨｅの液化が可能になり、冷凍機の高効
率化および高性能化が達成される。

さらに、強磁性体微粒子をを比較的強い磁場の中に置く
ので容器中の微粒子の位置変化が抑えられる効果もある
。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および（ｂ）は本発明原理を説明するため
の図面、 第２図Ｈｅ液化に使用する蓄冷器の実施態様を示す図面
、 第３図は永久磁石の平面図、 第４図および第５図は本発明の詳細な説明する図面、 第６図は蓄冷器の原理説明図面、 第７図は１０気圧Ｈｅ、Ｐｂ、ステンレス鋼の定圧比熱
の温度変化を示すグラフ、 第８図はＥｒ＋−＋＋ＤｘｘＮｉｚの比熱の温度変化を
Ｘをパラメータとして示すグラフ、 第９図はＥｕＳの比熱の温度変化を外部磁場の強度をパ
ラメータとして示すグラフである。 ４−磁性体、５−永久磁石、７−熱交換器耕明の斤理−
診明図 第１図（（１） ／ＸＸ滞日０月１に理１えＢ８図 第１図（ｂ） 第４図 第５図 第２図 第 図 Ｈｅη″ス 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、極低温温度範囲にキュリー点（Ｔｃ）を有する１種
   または２種以上の磁性体に、該キュリー点およびその近
   傍の温度において外部磁場を印加し、該１種または２種
   以上の磁性体とガスを接触させてガスを冷却することを
   特徴とする冷凍方法。 ２、ガスの流入孔と流出孔を有する容器内に蓄冷材を収
   納してなる蓄冷器において、前記蓄冷材を極低温にキュ
   リー点（Ｔｃ）を有する磁性体とするとともに、前記蓄
   冷材に磁場を加える手段を該容器内および／または容器
   外に設けたことを特徴とする蓄冷器。 ３、２０Ｋ以下において０．３Ｊ／Ｋ・ｃｍ＾３以上の
   比熱を有する磁性体を備えた請求項２の蓄冷器と、気体
   圧縮用コンプレッサーとを、該コンプレッサで圧縮され
   たヘリウムを前記蓄冷器の高温側に流入させるように接
   続してなり、ジュール・トムソン弁を有しないことを特
   徴とするヘリウムの液化機。