JPH0663675B2 - 磁気冷凍装置 - Google Patents
磁気冷凍装置Info
- Publication number
- JPH0663675B2 JPH0663675B2 JP10580185A JP10580185A JPH0663675B2 JP H0663675 B2 JPH0663675 B2 JP H0663675B2 JP 10580185 A JP10580185 A JP 10580185A JP 10580185 A JP10580185 A JP 10580185A JP H0663675 B2 JPH0663675 B2 JP H0663675B2
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- JP
- Japan
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- magnetic
- magnetic field
- helium
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- temperature
- Prior art date
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- Expired - Lifetime
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2321/00—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
- F25B2321/002—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects by using magneto-caloric effects
- F25B2321/0021—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects by using magneto-caloric effects with a static fixed magnet
Landscapes
- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
- Devices That Are Associated With Refrigeration Equipment (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、磁気冷凍装置に係り、特に高温側の動作温度
を１０〜２０Ｋに設定でき、超流動ヘリウム（約2.2Ｋ
以下）を生成するのに好適な磁気冷凍装置に関する。
を１０〜２０Ｋに設定でき、超流動ヘリウム（約2.2Ｋ
以下）を生成するのに好適な磁気冷凍装置に関する。
従来の磁気冷凍装置は、アドバンス イン クライオジ
エニツク エンジニアリング，ボリユーム２７，１９８
２（Advances in Cryogenic En-gineering，ｖｏ27,1
982）に示された装置のように、高温側の動作温度が大
気圧下の液体ヘリウム温度（約4.2Ｋ）に限定される構
造となつていて、高温側の動作温度を4.2Ｋ以上に設定
することができないので、効率をさらに向上させること
ができない。
エニツク エンジニアリング，ボリユーム２７，１９８
２（Advances in Cryogenic En-gineering，ｖｏ27,1
982）に示された装置のように、高温側の動作温度が大
気圧下の液体ヘリウム温度（約4.2Ｋ）に限定される構
造となつていて、高温側の動作温度を4.2Ｋ以上に設定
することができないので、効率をさらに向上させること
ができない。
本発明の目的は、高温側の動作温度を大気圧下の飽和液
体ヘリウムの温度4.2Ｋより高く設定できる磁気冷凍装
置を提供することにある。
体ヘリウムの温度4.2Ｋより高く設定できる磁気冷凍装
置を提供することにある。
本発明の磁気冷凍装置は、ヘリウムガス中及び液体ヘリ
ウム中に高低の磁場分布を夫々形成し、第１の磁気作業
物質はヘリウムガス中の磁場分布中を移動し、磁化や消
磁を繰り返して磁気冷凍サイクルを形成し、一方第２の
磁気作業物質は液体ヘリウム中の磁場分布中を第１の磁
気作業物質と同期して移動し、磁化や消磁を繰り返して
磁気冷凍サイクルを形成し、ヘリウムの飽和温度以上の
温度と飽和温度以下の温度間にまたがる磁気冷凍サイク
ルを備え、かつ各冷凍サイクルを１８０°位相がずれた
状態で作動させることを特徴とする。磁場を加えて磁化
すると発熱し、磁場を除去して減磁すると吸熱する磁気
作業物質を、4.2Ｋ以上の温度では飽和ヘリウム層中に
おいて動作し、一方、4.2Ｋ以下の温度では飽和液体ヘ
リウム中において動作するようにして、高温側の動作温
度を例えば１０〜２０Ｋに設定し、低温側の動作温度を
超流動ヘリウム温度2.16Ｋ以下にするようにする。この
とき、飽和ヘリウムガス中において動作する磁気作業物
質は、磁化されたときはヘリウムガスを介して熱伝導に
より高温側のヒートシンクに放熱し、減磁されると、周
囲の飽和ヘリウムガスを凝縮しながら吸熱する。また、
飽和液体ヘリウム中において動作する別の磁気作業物質
は、磁化されたとき飽和液体ヘリウム中に液体ヘリウム
の沸騰熱伝達によつて放熱し、減磁されるときは、超流
動ヘリウム槽に移動し、この超流動ヘリウムと熱交換し
て吸熱する。このように、それぞれの磁気作業物質が、
別々の磁気冷凍サイクルを同期して形成するようにし
て、２０Ｋ温度域と2.2Ｋ以下の超流動ヘリウム温度間
で、磁気冷凍サイクルを実行させるようにする。
ウム中に高低の磁場分布を夫々形成し、第１の磁気作業
物質はヘリウムガス中の磁場分布中を移動し、磁化や消
磁を繰り返して磁気冷凍サイクルを形成し、一方第２の
磁気作業物質は液体ヘリウム中の磁場分布中を第１の磁
気作業物質と同期して移動し、磁化や消磁を繰り返して
磁気冷凍サイクルを形成し、ヘリウムの飽和温度以上の
温度と飽和温度以下の温度間にまたがる磁気冷凍サイク
ルを備え、かつ各冷凍サイクルを１８０°位相がずれた
状態で作動させることを特徴とする。磁場を加えて磁化
すると発熱し、磁場を除去して減磁すると吸熱する磁気
作業物質を、4.2Ｋ以上の温度では飽和ヘリウム層中に
おいて動作し、一方、4.2Ｋ以下の温度では飽和液体ヘ
リウム中において動作するようにして、高温側の動作温
度を例えば１０〜２０Ｋに設定し、低温側の動作温度を
超流動ヘリウム温度2.16Ｋ以下にするようにする。この
とき、飽和ヘリウムガス中において動作する磁気作業物
質は、磁化されたときはヘリウムガスを介して熱伝導に
より高温側のヒートシンクに放熱し、減磁されると、周
囲の飽和ヘリウムガスを凝縮しながら吸熱する。また、
飽和液体ヘリウム中において動作する別の磁気作業物質
は、磁化されたとき飽和液体ヘリウム中に液体ヘリウム
の沸騰熱伝達によつて放熱し、減磁されるときは、超流
動ヘリウム槽に移動し、この超流動ヘリウムと熱交換し
て吸熱する。このように、それぞれの磁気作業物質が、
別々の磁気冷凍サイクルを同期して形成するようにし
て、２０Ｋ温度域と2.2Ｋ以下の超流動ヘリウム温度間
で、磁気冷凍サイクルを実行させるようにする。
以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。１は
飽和液体ヘリウム、２は飽和ヘリウムガスで、それぞれ
の温度はともに約4.2Ｋである。磁気作業物質は、１つ
のピストン３に二つ配置され、上側の磁気作業物質４は
飽和ヘリウムガス２中にあり、下側の磁気作業物質５
は、飽和液体ヘリウム１中にある。これら磁気作業物質
４，５の位置は、前記ピストン３が最上方にある場合に
相当し、ピストン３が最下方に移動しているときには、
これらの磁気作業物質の位置は４′，５′となる。磁気
作業物質４，５は、Gd3Ga5O12やDy3A5O12などの単結
晶や焼結体を使用する。永久電流モードにある超電導ソ
レノイドコイル６，７，８，９によつて、ピストン３の
軸上には、第２図に示すような高低の磁場分布が形成さ
れる。コイル７，９は磁場分布を補正するためのもので
あり、高磁場は主に６と８のコイルによつて形成され
る。
飽和液体ヘリウム、２は飽和ヘリウムガスで、それぞれ
の温度はともに約4.2Ｋである。磁気作業物質は、１つ
のピストン３に二つ配置され、上側の磁気作業物質４は
飽和ヘリウムガス２中にあり、下側の磁気作業物質５
は、飽和液体ヘリウム１中にある。これら磁気作業物質
４，５の位置は、前記ピストン３が最上方にある場合に
相当し、ピストン３が最下方に移動しているときには、
これらの磁気作業物質の位置は４′，５′となる。磁気
作業物質４，５は、Gd3Ga5O12やDy3A5O12などの単結
晶や焼結体を使用する。永久電流モードにある超電導ソ
レノイドコイル６，７，８，９によつて、ピストン３の
軸上には、第２図に示すような高低の磁場分布が形成さ
れる。コイル７，９は磁場分布を補正するためのもので
あり、高磁場は主に６と８のコイルによつて形成され
る。
１０は、図示しない通常の小型ヘリウムガス冷凍機によ
つて、１０〜２０Ｋの温度に冷却されたヒートシンクで
ある。断熱層１１によつて包囲された熱交換室内の超流
動ヘリウム１２は、主冷却室１３内の超流動ヘリウム１
４と、連通部１５によつて、接続されている。この主冷
却室１３および連通室１５は、断熱層によつて包囲され
ている。１６，１７は、超流動ヘリウム１２と飽和液体
ヘリウム１とを、熱的，機械的にシールする隙間シール
である。ピストン３は、図示しない往復動駆動源によつ
て、シヤフト１８を介して上下動される。このときの軸
受は、軸受１９，２０，２１によつて行われ、特に軸受
１９は、単なるガイド的な役目を果し、軸受効果は主に
軸受２０，２１によつて作用する。
つて、１０〜２０Ｋの温度に冷却されたヒートシンクで
ある。断熱層１１によつて包囲された熱交換室内の超流
動ヘリウム１２は、主冷却室１３内の超流動ヘリウム１
４と、連通部１５によつて、接続されている。この主冷
却室１３および連通室１５は、断熱層によつて包囲され
ている。１６，１７は、超流動ヘリウム１２と飽和液体
ヘリウム１とを、熱的，機械的にシールする隙間シール
である。ピストン３は、図示しない往復動駆動源によつ
て、シヤフト１８を介して上下動される。このときの軸
受は、軸受１９，２０，２１によつて行われ、特に軸受
１９は、単なるガイド的な役目を果し、軸受効果は主に
軸受２０，２１によつて作用する。
次に、動作原理を説明する。ピストン３の周期的な上下
動運動によつて、前記ピストン３に固定された２個の磁
気作業物質４，５はこの運動に従つて上下に移動を繰り
返す。先ず、飽和ヘリウムガス中にある磁気作業物質４
に注目する。磁気作業物質４は、ピストン３が最上方に
あるとき、超電導ソレノイドコイル６の中に入り、即ち
このコイルによつて主に発生されている最大磁場６Tesl
a中に入り、磁化される。磁化されると、磁気作業物質
４は発熱して、温度が１５Ｋ以上となる。ヒートシンク
１０の温度が小型のヘリウムガス冷凍機によつて１５Ｋ
に冷却されているので、磁気作業物質４とヒートシンク
１０との約２０〜５０μｍの隙間中のヘリウムガスの熱
伝導によつて、磁気作業物質４中に発生した熱はヒート
シンク１０へ放熱される（等温磁化）。次に、ピストン
３が最下方側へ移動すると、磁気作業物質４′は補正用
の超電導ソレノイドコイル７の近くに移動し、磁気作業
物質４′に印加される磁場はほぼゼロとなり、消磁され
る。このように消磁されると、磁気作業物質４′の温度
は、飽和ヘリウムガス２の温度（約4.2Ｋ）より低くな
り、その結果飽和ヘリウムガス２は、磁気作業物質４′
の表面に凝縮して液化される（等温消磁）。以上のよう
に、磁気作業物質４′は飽和ヘリウムガス中に常にあ
り、磁化されるとヒートシンク１０へ放熱し、消磁され
ると、飽和ヘリウムガスを凝縮液化して吸熱して、磁気
冷凍サイクル（カルノーサイクル）を完成する。
動運動によつて、前記ピストン３に固定された２個の磁
気作業物質４，５はこの運動に従つて上下に移動を繰り
返す。先ず、飽和ヘリウムガス中にある磁気作業物質４
に注目する。磁気作業物質４は、ピストン３が最上方に
あるとき、超電導ソレノイドコイル６の中に入り、即ち
このコイルによつて主に発生されている最大磁場６Tesl
a中に入り、磁化される。磁化されると、磁気作業物質
４は発熱して、温度が１５Ｋ以上となる。ヒートシンク
１０の温度が小型のヘリウムガス冷凍機によつて１５Ｋ
に冷却されているので、磁気作業物質４とヒートシンク
１０との約２０〜５０μｍの隙間中のヘリウムガスの熱
伝導によつて、磁気作業物質４中に発生した熱はヒート
シンク１０へ放熱される（等温磁化）。次に、ピストン
３が最下方側へ移動すると、磁気作業物質４′は補正用
の超電導ソレノイドコイル７の近くに移動し、磁気作業
物質４′に印加される磁場はほぼゼロとなり、消磁され
る。このように消磁されると、磁気作業物質４′の温度
は、飽和ヘリウムガス２の温度（約4.2Ｋ）より低くな
り、その結果飽和ヘリウムガス２は、磁気作業物質４′
の表面に凝縮して液化される（等温消磁）。以上のよう
に、磁気作業物質４′は飽和ヘリウムガス中に常にあ
り、磁化されるとヒートシンク１０へ放熱し、消磁され
ると、飽和ヘリウムガスを凝縮液化して吸熱して、磁気
冷凍サイクル（カルノーサイクル）を完成する。
これに対して、常に液体ヘリウム中にある磁気作業物質
５が実行する磁気冷凍サイクル（カルノーサイクル）に
ついて説明する。ピストン３が最下方にあるとき、磁気
作業物質５′は超電導ソレノイドコイル８の中に入り、
これが発生する約３Teslaの磁場によつて磁化されて、
発熱する。その結果、磁気作業物質５′の温度は、飽和
液体ヘリウム１の温度（約4.2Ｋ）よりも高くなり、磁
気作業物質５′の表面で飽和液体ヘリウム１の沸騰が起
り、磁気作業物質５′に発生した熱は、この沸騰熱伝達
によつて、飽和液体ヘリウム１中に放熱される。次に、
ピストン３が最上方側へ移動すると、磁気作業物質５
は、熱交換室中の超流動ヘリウム１２の中に入り、この
部分はほぼゼロ磁場となつているので、磁気作業物質５
は消磁され、その温度は、超流動ヘリウム１２の温度よ
り低くなり、前記超流動ヘリウム１２から、その境界面
のカピツツアの熱輸送によつて吸熱する。冷却室１３の
中の超流動ヘリウム１４の中に被冷物体である極低温デ
バイス２２を入れる。
５が実行する磁気冷凍サイクル（カルノーサイクル）に
ついて説明する。ピストン３が最下方にあるとき、磁気
作業物質５′は超電導ソレノイドコイル８の中に入り、
これが発生する約３Teslaの磁場によつて磁化されて、
発熱する。その結果、磁気作業物質５′の温度は、飽和
液体ヘリウム１の温度（約4.2Ｋ）よりも高くなり、磁
気作業物質５′の表面で飽和液体ヘリウム１の沸騰が起
り、磁気作業物質５′に発生した熱は、この沸騰熱伝達
によつて、飽和液体ヘリウム１中に放熱される。次に、
ピストン３が最上方側へ移動すると、磁気作業物質５
は、熱交換室中の超流動ヘリウム１２の中に入り、この
部分はほぼゼロ磁場となつているので、磁気作業物質５
は消磁され、その温度は、超流動ヘリウム１２の温度よ
り低くなり、前記超流動ヘリウム１２から、その境界面
のカピツツアの熱輸送によつて吸熱する。冷却室１３の
中の超流動ヘリウム１４の中に被冷物体である極低温デ
バイス２２を入れる。
以上の説明を第３図の磁気作業物質のエントロピー・温
度線図上でまとめる。このエントロピー・温度線図は、
Gd3Ga5O12の単結晶に対するものである。磁気作業物質
４と５は、同一の物質とする必要はないが、ここでは共
にGd3Ga5O12であるとして説明する。磁気作業物質４
は、理想的にはカルノーサイクルＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄを描
き、ＡＢ過程で放熱し、ＣＤ過程で吸熱する。一方、磁
気作業物質５は、理想的にはカルノーサイクルａ→ｂ→
ｃ→ｄを描き、ａｂ過程で放熱し、ｃｄ過程で吸熱す
る。さて、磁気作業物質４が放熱過程，吸熱過程にある
ときは、磁気作業物質５はそれぞれ吸熱過程，放熱過程
にあり、これらの磁気冷凍サイクルは完全に位相が１８
０°ずれて動作することになる。
度線図上でまとめる。このエントロピー・温度線図は、
Gd3Ga5O12の単結晶に対するものである。磁気作業物質
４と５は、同一の物質とする必要はないが、ここでは共
にGd3Ga5O12であるとして説明する。磁気作業物質４
は、理想的にはカルノーサイクルＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄを描
き、ＡＢ過程で放熱し、ＣＤ過程で吸熱する。一方、磁
気作業物質５は、理想的にはカルノーサイクルａ→ｂ→
ｃ→ｄを描き、ａｂ過程で放熱し、ｃｄ過程で吸熱す
る。さて、磁気作業物質４が放熱過程，吸熱過程にある
ときは、磁気作業物質５はそれぞれ吸熱過程，放熱過程
にあり、これらの磁気冷凍サイクルは完全に位相が１８
０°ずれて動作することになる。
最後に、ピストン３の駆動力について説明する。磁気作
業物質は、磁場勾配中に配置すると、磁場が増加する方
向に力を受ける。そのため、これらの力に抗して、ピス
トンを駆動する必要がある。このｘ方向に作用する力
は、次式で表現できる。
業物質は、磁場勾配中に配置すると、磁場が増加する方
向に力を受ける。そのため、これらの力に抗して、ピス
トンを駆動する必要がある。このｘ方向に作用する力
は、次式で表現できる。
ここで、Ｖは磁気作業物質の体積（m3）、Ｍは磁化（Am
-1）、Ｂは磁場（Tesla）、ＸはＸ方向を表す座標
（ｍ）である。Gd3G5O12の磁化Ｍは、４Ｋの温度で約６
×１０５Am-1となり、１５Ｋの温度では約３×１０５Am
-1で、４Ｋの場合の約1/2となる。磁気作業物質４，５
の体積はそれぞれ同じようにする。磁気作業物質４，５
が経験する磁場勾配はそれぞれｄＢ／ｄｘ＝６０Tm-1，
３０Tm-1となる。そのため、ピストン３の上下駆動中に
磁気作業物質４，５に作用する磁力は、それぞれ反対
で、かつその大きさはほぼ同じとなり、その結果駆動力
は、ピストン３の自重のみを上下するに必要な力で充分
となる。よつて、駆動系は非常に小容量で小型のものと
なる。
-1）、Ｂは磁場（Tesla）、ＸはＸ方向を表す座標
（ｍ）である。Gd3G5O12の磁化Ｍは、４Ｋの温度で約６
×１０５Am-1となり、１５Ｋの温度では約３×１０５Am
-1で、４Ｋの場合の約1/2となる。磁気作業物質４，５
の体積はそれぞれ同じようにする。磁気作業物質４，５
が経験する磁場勾配はそれぞれｄＢ／ｄｘ＝６０Tm-1，
３０Tm-1となる。そのため、ピストン３の上下駆動中に
磁気作業物質４，５に作用する磁力は、それぞれ反対
で、かつその大きさはほぼ同じとなり、その結果駆動力
は、ピストン３の自重のみを上下するに必要な力で充分
となる。よつて、駆動系は非常に小容量で小型のものと
なる。
本発明によれば、高低２つの温度域で別々の磁気冷凍サ
イクルを１８０°の位相がずれた状態で実行する個々の
磁気作業物質を、高温域側を担う磁気作業物質は飽和ヘ
リウムガス中で、磁化・消磁を繰り返し、一方、低温域
側を担う磁気作業物質は液体ヘリウム中で、磁化・消磁
を繰り返すことによつて、１０Ｋ以上の温度と2.2Ｋ以
下の超流動ヘリウム温度間を磁気冷凍で組むことができ
るので、高効率な冷凍システムを得ることができる効果
がある。
イクルを１８０°の位相がずれた状態で実行する個々の
磁気作業物質を、高温域側を担う磁気作業物質は飽和ヘ
リウムガス中で、磁化・消磁を繰り返し、一方、低温域
側を担う磁気作業物質は液体ヘリウム中で、磁化・消磁
を繰り返すことによつて、１０Ｋ以上の温度と2.2Ｋ以
下の超流動ヘリウム温度間を磁気冷凍で組むことができ
るので、高効率な冷凍システムを得ることができる効果
がある。
第１図は、本発明の縦断面図、第２図は、本発明のピス
トン軸方向に形成された磁場分布を示す図、第３図は、
Gd3Ga5O12のエントロピー・温度線上における磁気冷凍
サイクル図を示す図である。
トン軸方向に形成された磁場分布を示す図、第３図は、
Gd3Ga5O12のエントロピー・温度線上における磁気冷凍
サイクル図を示す図である。
Claims (1)
- 【請求項１】磁場を加えると発熱し、磁場を除去すると
吸熱する磁気冷凍用作業物質と、高磁場，低磁場の磁場
分布を形成できる静止状態にある電磁石と、前記作業物
質を前記磁場分布中に移動させて、高磁場，低磁場を周
期的に加えることができる機構より成る磁気冷凍装置に
おいて、ヘリウムガス中及び液体ヘリウム中に高低の磁
場分布をそれぞれ形成し、第１の磁気作業物質はヘリウ
ムガス中の磁場分布中を移動し、磁化や消磁を繰り返し
て磁気冷凍サイクルを形成し、一方、第２の磁気作業物
質は液体ヘリウム中の磁場分布中を第１の磁気作業物質
と同期して移動し、磁化や消磁を繰り返して、磁気冷凍
サイクルを形成し、ヘリウムの飽和温度以上の温度と飽
和温度以下の温度間にまたがる磁気冷凍サイクルを備
え、かつ各冷凍サイクルを１８０°位相がずれた状態で
作動させることを特徴とする磁気冷凍装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10580185A JPH0663675B2 (ja) | 1985-05-20 | 1985-05-20 | 磁気冷凍装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10580185A JPH0663675B2 (ja) | 1985-05-20 | 1985-05-20 | 磁気冷凍装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61265464A JPS61265464A (ja) | 1986-11-25 |
| JPH0663675B2 true JPH0663675B2 (ja) | 1994-08-22 |
Family
ID=14417216
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10580185A Expired - Lifetime JPH0663675B2 (ja) | 1985-05-20 | 1985-05-20 | 磁気冷凍装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0663675B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4917386B2 (ja) * | 2006-08-24 | 2012-04-18 | 中部電力株式会社 | 磁気冷凍装置 |
| JP4917385B2 (ja) * | 2006-08-24 | 2012-04-18 | 中部電力株式会社 | 磁気冷凍装置 |
| JP4921891B2 (ja) * | 2006-08-24 | 2012-04-25 | 中部電力株式会社 | 磁気冷凍装置 |
| JP4921890B2 (ja) * | 2006-08-24 | 2012-04-25 | 中部電力株式会社 | 磁気冷凍装置 |
| JP5724603B2 (ja) * | 2011-05-11 | 2015-05-27 | 株式会社デンソー | 磁気冷凍システム及び該磁気冷凍システムを用いた空気調和装置 |
-
1985
- 1985-05-20 JP JP10580185A patent/JPH0663675B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61265464A (ja) | 1986-11-25 |
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