JPH0520660B2 - - 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、前記各
作業物質が対応する磁場内に位置しているときに
前記熱交換器の前記両端部の壁を介して各作業物
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。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の駆動力が最小に抑え
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１５の上死点に定められ
た磁場の無い第２の空間と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の壁で前記第１の空間を囲
んでいる部分の外面には熱良伝導体からなる排熱
物２１が設けられている。この排熱物２１は、そ
の一部を予冷用冷凍機２２に接続し、前記作業物
質１８が前記第１の空間に移動されてその磁気冷
凍作用により放出した熱を回収し、これを前記冷
凍機２２に伝熱して外部に放出するものである。
つまり前記作業物質１８の排熱を回収するように
なつている。尚、前記シリンダ１４の開口部に設
けたパツキング２３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１９，２０は液体ヘリウムに
侵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、この熱を第１の空
間で排熱して排熱物２１、予冷用冷凍機２２を介
して外部に放出することになる。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
ヘリウム層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、作業物質１８から排熱されて前記排熱物２
１、予冷用冷凍機２２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。

つまり液体ヘリウム槽１２内のヘリウムガスの
熱は、熱交換媒体である超臨界圧状態または減圧
状態のヘリウムガスとの間で熱交換し、そのヒー
トパイプ作用により第２の空間に効果的に移送さ
れる。その上でピストン１５の移動を動力源とす
る作業物質１８の磁気冷凍作用により第２の空間
から第１の空間に熱移動されて外部に排熱され
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１
３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、さらに各作業物質１８，１８が
対応する磁場内に位置しているときに熱交換器１
３の前記両端部の壁を介し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
化状態が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。

尚、本発明は上述した実施例に限定されるもの
ではない。実施例ではヘリウムガスを冷却して液
体ヘリウム（−263℃）を生成する冷凍機につい
て説明したが、被冷却物として超流動ヘリウム
（−265℃以下）を冷却する冷凍機としてもよい。
また２本のピストン１５を移動駆動するに際し
て、モータ１６の回転をリンク機構やギヤ機構等
を介して相互に関連させて２本のピストン１５に
伝導するようにすればよい。またその駆動源はモ
ータ１６に限定されないことも云うまでもない。
要するに本発明はその要旨を逸脱しない範囲で
種々変形して実施することができる。

【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……排熱物、２２……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、前記各作業物
   質が対応する磁場内に位置しているときに前記熱
   交換器の前記両端部の壁を介して各作業物質の排
   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。