JPH0519062B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は高効率で冷凍能力の大きい磁気冷凍機
に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

Gd（ガドリニウム）等の希土類元素またはその
化合物に磁界を加えるとその温度が上昇し、また
上記磁界を除くと温度が再び元に戻ることが知ら
れている。このような物質の磁界による温度特性
を利用して従来磁気冷凍機が開発されている。こ
の磁気冷凍機は、例えば第１図に示すように、パ
ルス駆動される超電導磁石１が断続的に形成する
磁場空間内に上述した作業物質２を設けて該作業
物質２に冷凍サイクルを生起させ、この作業物質
２を設けた空間にヒートパイプ部３を介して連通
された液体ヘリウム槽４内のヘリウムを冷凍する
如く構成されている。予冷用冷凍機５はガス注入
弁６、ガス戻り弁７およびバイパス弁８からなる
弁機構を介して前記作業物質２を設けた空間部の
高温排熱部９に接続されており、前記作業物質２
が得た余分な熱を回収するようになつている。

かくしてこのように構成された磁気冷凍機にあ
つては、超電導磁石１を励磁して作業物質２に磁
界を加えると該作業物質２の温度が上昇する。こ
の時、バイパス弁８を閉じ、ガス注入弁６および
ガス戻り弁７を開いて前記予冷用冷凍機５から高
温排熱部９に冷却ガスを流して前記作業物質２の
余分な熱を回収する。しかる後、前記前記ガス注
入弁６およびガス戻り弁７を閉じ、バイパス弁８
を開けた後、前記超電導磁石１の励磁を停止して
磁場を無くす。この結果、前記作業物質２の温度
が下がり、その温度がヘリウムの液化点以下にな
ると作業物質２の表面でヘリウムが凝縮する。そ
して、この凝縮により液化したヘリウムは前記ヒ
ートパイプ部３を通つて液体ヘリウム槽４に落下
し、液体ヘリウム槽４内のヘリウムガスが前記作
業物質２の収納空間に送られる。以上の過程が繰
返して行われてヘリウムの液化が行われる。

磁気冷凍機はこのような冷凍作用を呈し、ヘリ
ウム等の液化処理に多大な効果を奏するものであ
る。

ところが上述したように冷凍機の動力源である
超電導磁石１は、作業物質２に断続的に磁界を印
加するべくパルス駆動される為、その損失が大き
いと云う問題を有している。この結果、冷凍機の
駆動効率が悪いことのみならず、その冷凍能力が
非常に悪いと云う問題があつた。

〔発明の目的〕

本発明はこのような事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、駆動効率および
冷凍能力の高い実用性に優れた磁気冷凍機を提供
することにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために、本発明に係る磁気
冷凍機は、被冷却ガスを収容したガス槽と、両端
部をそれぞれ前記ガス槽の上方に位置させるとと
もに中間部分を上記ガス槽内の上部空間に位置さ
せて設けられた熱交換器と、この熱交換器内に超
臨界圧状態または減圧状態に封入された熱交換媒
体と、前記熱交換器の前記ガス槽の上方に位置し
ている両端部を常時磁場内に位置させる２つの磁
場発生装置と、前記熱交換器内で前記両端部から
前記中間部分に至る経路にそれぞれ移動自在に配
置されて磁場内に位置したときには発熱し、磁場
外に位置したときには吸熱して前記熱交換媒体を
液化する２つの作業物質と、前記ガス槽の外に設
けられた１つの駆動源から動力を与えて前記２つ
の作業物質を前記経路で前記磁場内および磁場外
へと排他的に往復移動させる駆動手段と、前記熱
交換器の前記両端部内にそれぞれ吸込口と吐出口
とを位置させ、上記吸込口を介して吸込んだ前記
熱交換媒体の一部を冷却した後に上記吐出口を介
して上記両端部内に位置する前記作業物質に吹付
けて各作業物質の排熱を回収する排熱回収手段と
を備えている。

〔発明の効果〕

この冷凍機では磁場をパルス的に発生させる必
要がないので、磁場発生に伴つて生じる損失を僅
かな値に抑えることができる。この冷凍機を運転
するのに必要なパワーのほとんどは、２つの作業
物質を往復移動させるためのものである。しか
し、１つの駆動源を用いて２つの作業物質を排他
的に往復移動させているので、一方の作業物質が
磁場から離れようとしたときに他方の作業物質が
磁場に近付く関係となり、一方の作業物質と磁場
との間に生じる磁気的吸引力を他方の作業物質と
磁場との間に生じる磁気的吸引力で結果的に減少
させることができる。したがつて、２つの作業物
質を往復移動させるのに必要なパワーを十分少な
くでき、この結果、作業物質を固定した状態で磁
場をパルス発生させるようにしたものに較べて冷
凍効率を向上させることができる。また、液化さ
せようとする被冷却ガスと作業物質との間に前記
関係に熱交換器を介在させ、この熱交換器内に超
臨界圧状態または減圧状態に熱交換媒体を封入
し、作業物質の吸熱作業で熱交換媒体を液化さ
せ、この液と被冷却ガスとを熱交換器の管壁を介
して熱交換させているので、被冷却ガスとは異な
る熱交換媒体を使用でき、使用自由度を拡大でき
るばかりか、熱交換器内に超臨界圧状態または減
圧状態に熱交換媒体を封入したことによつて、こ
の媒体を効率よく液化でき、この点からも冷凍効
率を向上させることができる。

さらに、熱交換器の内径を選択することによつ
て、２つの作業物質の移動に伴なわせて熱交換器
内にガス流を生起させることができ、このガス流
で熱交換器内の底部に液化状態で存在している熱
交換媒体を強制的に波立たせることができる。こ
のように波立つと、必然的に熱交換媒体と熱交換
器構成壁との接触面積が増大する。このため、実
効的な熱交換面積を増加させることができる。し
たがつて、この面からも冷凍効率を向上させるこ
とができ、結局、総合冷凍効率を大幅に向上させ
ることができる。

さらにまた、熱交換器の両端部内にそれぞれ吸
込口と吐出口とを位置させ、吸込口を介して吸込
んだ熱交換媒体の一部を冷却した後に吐出口を介
して上記両端部内に位置する作業物質に吹付けて
各作業物質の排熱を回収する排熱回収手段を設け
ているので、熱交換器内の熱交換媒体を汚染する
ことなく、作業物質を直接的に冷却でき、作業物
質を移動させる方式を採用したときに問題となる
作業物質の予防を効率よく行うことができる。し
たがつて、冷凍能力を向上させることができる。
故に従来の欠点を解消した高効率で大きな冷凍能
力を持つ等の実用生性の高い磁気冷凍機をここに
提供することができる。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照して本発明の一実施例につき
説明する。

第２図は実施例に係る磁気冷凍機の概略構成図
である。

真空断熱容器１１の内側には被冷却媒体である
ヘリウムを収納した液体ヘリウム槽１２が設けら
れている。この液体ヘリウム槽１２の上部空間に
は、内部に超臨界圧状態または減圧状態のヘリウ
ムを熱交換媒体として収納した所謂ヒートパイプ
と称される熱交換器１３が設けられている。この
熱交換器１３は、両端部がそれぞれ液体ヘリウム
槽１２の上方に位置し、中間部分が液体ヘリウム
槽１２内の上部空間に位置するように設けられて
いる。この熱交換器１３はその中間部外面に設け
られたフイン部１３ａを介して前記ヘリウム槽１
２の熱を後述する第２の空間に移送するものであ
る。しかして前記真空断熱容器１１には、これに
挿通し、且つ前記熱交換器１３に連通してシリン
ダ１４が設けられており、このシリンダ１４内に
上下動自在にピストン１５を設けている。ピスト
ン１５はモータ１６の回転によりクランク機構１
７を介して前記シリンダ１４内を往復移動される
ものである。なお、２本のピストン１５は相互に
連動して互いに逆向き、つまり排他的に往復移動
されるようになつている。これにより、モータ１
６による前記ピストン１５の駆動力が最少に抑え
られるようになつている。

しかして前記ピストン１５の先端部にはGd等
の磁界を受けて磁気冷凍作用を呈する作業物質１
８が取付けられており、該作業物質１８はピスト
ン１５の往復移動に伴つて熱交換器１３内の上部
空間で磁場を形成した第１の空間と磁場の無い第
２の空間との間を往復移動されるものとなつてい
る。上記第１の空間は前記ピストン１５の下死点
位置に設けた超電導磁石１９により一定の磁場空
間を形成したもので、その磁場空間は超電導磁石
２０が発生する打消用磁場により前記ピストン１
５の上死点に定められた磁場の無い第２の空間の
磁気的に分離されている。つまり上記超電導磁石
２０は第１の空間に対して短い距離にある第２の
空間での磁場を零（０）とする為の打消し用の磁
場を発生しており、前記超電導磁石１９が発生す
る磁界の第２の空間に対する影響を除去してい
る。このような超電導磁石１９，２０により前記
ピストン１５（作業物質１８）の往復移動範囲に
一定の磁場を形成した第１の空間と磁場の無い第
２の空間とが形成され、これらの空間の間を前記
作業物質１８が往復移動して、該作業物質１８は
磁気冷凍サイクル作用を生起している。

また、熱交換器１３内の上部空間で、前記第１
の空間を囲む位置には高温排熱部２１が設けられ
ている。この高温排熱部２１には第１の空間に存
在している熱交換媒体、この例ではヘリウムガス
を吸込む吸込み口と第１の空間に向けてヘリウム
ガスを吹出す吹出し口とが設けられている。そし
て、吸込み口は循環ポンプ２２および予冷用冷凍
機２３を介して吹出し口に通じている。すなわ
ち、循環ポンプ２２の力を使つて吸込み口から第
１の空間に存在しているヘリウムガスを吸込み、
これを予冷用冷凍機２３で冷却し、この冷却され
たヘリウムガスを吹出し口から作業物質１８に向
けて吹付けるようにしている。この冷却ガスによ
り前記作業物質１８が強制的に、且つ効果的に冷
却され、その排熱は前記循環ポンプ２２から予冷
用冷凍機２３を介して外部に放出される。尚、前
記シリンダ１４の開口部に設けたパツキング２４
は該シリンダ１４の内部を常温状態にある外部と
シールするものである。また前記超電導磁石１
９，２０は液体ヘリウムに浸漬されて超電導状態
に保たれ、永久電流モードで一定の磁界を発生し
ている。

かくしてこのように構成された磁気冷凍機によ
れば、作業物質１８は一定の磁場を形成した第１
の空間と磁場の無い第２の空間との間を往復移動
して磁気冷凍作用を呈し、第２の空間にある熱を
吸収して第１の空間に移動して排熱する。このと
き第１の空間に移動された作業物質１８には前記
冷却ガスが吹付けられており、この冷却ガスによ
り強制的に熱交換されて作業物質１８からの排熱
は前記循環ポンプ２２、予冷用冷凍機２３を介し
て外部に放出されることになる。このとき、作業
物質１８に吹付けられる冷却ガスは、熱交換器１
３内に封入されているヘリウムガスの一部であ
り、したがつて熱交換器１３内が汚染されること
はない。また第２の空間には熱交換器１３の熱交
換媒体を介して液体ヘリウム槽１２内の熱が移送
されている。つまり液体ヘリウム槽１２の熱は熱
交換器１３を介して第２の空間に移送され、前記
作業物質１８の磁気冷凍作用により第２の空間か
ら第１の空間に移動された後、冷却ガスと熱交換
されて作業物質１８から排熱され、前記循環ポン
プ２２、予冷用冷凍機２３を介して外部に放出さ
れる。この結果、液体ヘリウム槽１２内の被冷却
物であるヘリウムガスがその液化点以下に冷却さ
れ、凝縮して液体ヘリウムとなつて同槽１２内に
溜ることになる。

このように、両端部がそれぞれ液体ヘリウム槽
１２の上方に位置し、中間部分が液体ヘリウム槽
１２内の上部空間に位置するように熱交換器１３
を設けるとともに、この熱交換器１３内に超臨界
圧状態または減圧状態に熱交換媒体を封入してい
る。そして、超電導磁石１９，１９で発生した磁
場内に熱交換器１３内の両端部を常時位置させる
とともに熱交換器１３内の両端部から中間部分に
至る経路にそれぞれ移動自在に２つの作業物質１
８，１８を配置し、これらを１つのモータ１６か
ら得た力を使つて磁場内および磁場外へと排他的
に往復移動させ、さらに熱交換器１３の両端部内
にそれぞれ吸込口と吐出口とを位置させ、吸込口
を介して吸込んだ熱交換媒体の一部を冷却した後
に吐出口を介して上記両端部内に位置する作業物
質１８，１８に吹付けて各作業物質の排熱を回収
する排熱回収系を設けている。

したがつて、超電導磁石１９，１９を永久電流
モードに移行させた後において、この冷凍機を運
転するに必要なパワーのほとんどは２つの作業物
質１８，１８を往復移動させるためのものとな
る。しかし、この例においては、１つのモータ１
６を用いて２つの作業物質１８，１８を排他的に
往復移動させているので、一方の作業物質が磁場
から離れようとしたときに他方の作業物質が磁場
に近付く関係となり、一方の作業物質と磁場との
間に生じる磁気的吸引力を他方の作業物質と磁場
との間に生じる磁気的吸引力で結果的に減少させ
ることができる。したがつて、２つの作業物質１
８，１８を往復移動させるのに必要なパワーを十
分少なくでき、この結果、作業物質を固定した状
態で磁場をパルス発生させるようにしたものに較
べて冷凍効率を向上させることができる。

また、液化させようとする被冷却ガスと作業物
質１８，１８との間に前記関係に熱交換器１３を
介在させ、この熱交換器１３内に超臨界圧状態ま
たは減圧状態に熱交換媒体を封入しているので、
被冷却ガスとは異なる熱交換媒体を使用でき、使
用自由度を拡大できるばかりか、作業物質１８，
１８の吸熱作業で効率よく熱交換媒体を液化で
き、この点からも冷凍効率を向上させることがで
きる。

さらに、熱交換器１３の内径を選択することに
よつて、２つの作業物質１８，１８の移動に伴な
わせて熱交換器１３内にガス流を生起させること
ができ、このガス流で熱交換器１３内の底部に液
化状態で存在している熱交換媒体を強制的に波立
たせることができる。このように波立つと、必然
的に熱交換媒体と熱交換器構成壁との接触面積が
増大する。このため、実効的な熱交換面積を増大
させることができる。したがつて、この面からも
冷凍効率を向上させることができ、結局、総合冷
凍効率を大幅に向上させることができる。

また、上記構成の排熱回収系を設けているの
で、熱交換器１３内の熱交換媒体を汚染すること
なく、作業物質１８，１８を直接的に冷却でき、
作業物質を移動させる方式を採用したときに問題
となる作業物質の予冷を効率よく行うことができ
る。したがつて、冷凍能力を向上させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の磁気冷凍機の概略構成図、第２
図は本発明の一実施例に係る磁気冷凍機の概略構
成図である。 １１……真空断熱容器、１２……液体ヘリウム
槽、１３……熱交換器、１４……シリンダ、１５
……ピストン、１６……モータ、１７……クラン
ク機構、１８……作業物質、１９……超電導磁
石、２１……高温排熱部、２２……循環ポンプ、
２３……予冷用冷凍機。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 被冷却ガスを収容したガス槽と、両端部をそ
   れぞれ前記ガス槽の上方に位置させるとともに中
   間部分を上記ガス槽内の上部空間に位置させて設
   けられた熱交換器と、この熱交換器内に超臨界圧
   状態または減圧状態に封入された熱交換媒体と、
   前記熱交換器の前記ガス槽の上方に位置している
   両端部を常時磁場内に位置させる２つの磁場発生
   装置と、前記熱交換器内で前記両端部から前記中
   間部分に至る経路にそれぞれ移動自在に配置され
   て磁場内に位置したときには発熱し、磁場外に位
   置したときには吸熱して前記熱交換媒体を液化す
   る２つの作業物質と、前記ガス槽の外に設けられ
   た１つの駆動源から動力を与えて前記２つの作業
   物質を前記経路で前記磁場内および磁場外へと排
   他的に往復移動させる駆動手段と、前記熱交換器
   の前記両端部内にそれぞれ吸込口と吐出口とを位
   置させ、上記吸込口を介して吸込んだ前記熱交換
   媒体の一部を冷却した後に上記吐出口を介して上
   記両端部内に位置する前記作業物質に吹付けて各
   作業物質の排熱を回収する排熱回収手段とを具備
   してなることを特徴とする磁気冷凍機。