JPH068708B2 - Small cryogenic refrigerator - Google Patents

Small cryogenic refrigerator

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JPH068708B2
JPH068708B2 JP60040709A JP4070985A JPH068708B2 JP H068708 B2 JPH068708 B2 JP H068708B2 JP 60040709 A JP60040709 A JP 60040709A JP 4070985 A JP4070985 A JP 4070985A JP H068708 B2 JPH068708 B2 JP H068708B2
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magnetic
gas
refrigerator
heat
refrigerating material
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B25/00Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]

Landscapes

  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、クライオポンプやHe液化装置等に適用可能
な磁気冷凍を利用した小型極低温冷凍装置に関するもの
である。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a small cryogenic refrigerating apparatus using magnetic refrigeration applicable to a cryopump, a He liquefying apparatus, and the like.

[従来の技術] 従来の小型極低温冷凍装置は、シリンダ内にピストン状
のディスプレサーをスライド可能に嵌装し、このディス
プレサーを往復動作させることによって該ディスプレサ
ーと前記シリンダの低温端との間に形成される膨張室の
容積を増減させ、その膨張室の拡縮によりガスを順次膨
張させて所定の冷凍サイクルを営ませるようにしたもの
が一般的であるが、このようなものでは原理的に20K
〜15Kが熱の汲み上げ可能な温度限界であり、このた
め液体ヘリウム温度(4.2K)程度の極低温を実現す
るためには4Kから20Kへ熱を汲み出しを可能にする
冷凍手段と組み合せが必要である。
[Prior Art] In a conventional small cryogenic refrigeration system, a piston-shaped displacer is slidably fitted in a cylinder, and the displacer is reciprocated to move the displacer and the low temperature end of the cylinder. It is common to increase or decrease the volume of the expansion chamber formed between them and expand and contract the expansion chamber to sequentially expand the gas to carry out a predetermined refrigeration cycle. 20K
-15K is the temperature limit for pumping heat. Therefore, in order to realize the cryogenic temperature of liquid helium temperature (4.2K), it is necessary to combine it with a refrigerating means capable of pumping heat from 4K to 20K. Is.

かかるガスサイクルの小型冷凍機と組み合わされる冷凍
手段の一つとして、磁気冷凍材(極低温においてエント
ロピの変化特性が磁場の強さによって異なる物質)を利
用した磁気冷凍機の利用が案出されている。すなわち、
この磁気冷凍機ではその磁気冷凍材に消磁−励磁を繰り
返すサイクルを営ませると、消磁中は断熱消磁により温
度が下るとともにエントロピの増加に伴なって吸熱し、
励磁中は断熱励磁により温度が上るとともにエントロピ
の減少に伴なって放熱するヒートポンプの作用を発揮し
得るもので、最近の研究によれば4Kから20Kへの熱
の汲み上げに利用できることが実証されている。
As one of the refrigerating means to be combined with the small refrigerator of such a gas cycle, the use of a magnetic refrigerator using a magnetic refrigerating material (a substance whose entropy change characteristics differ depending on the strength of the magnetic field at extremely low temperatures) was devised. There is. That is,
In this magnetic refrigerator, when the magnetic refrigerating material is subjected to a cycle of repeating demagnetization-excitation, the temperature drops due to adiabatic demagnetization during demagnetization, and heat is absorbed as the entropy increases,
During excitation, it is possible to exert the effect of a heat pump that radiates heat as the temperature rises due to adiabatic excitation and entropy decreases, and recent research has demonstrated that it can be used for pumping heat from 4K to 20K. There is.

しかして、この磁気冷凍機を利用するものとして現在提
唱されている極低温冷凍装置は、前記の如きガスサイク
ルの小型冷凍機と磁気冷凍機とを各々独立したものに構
成し、両者を適宜のサーマルアンカーで結合して、磁気
冷凍機から常温への熱の汲み出しを行なうようにしてい
る。具体的には、ガス冷凍機のコールドヘッドと磁気冷
凍機の磁気冷凍材とを金属の熱伝導やHeガスの熱伝達
を介して熱的に連結するようにしている。しかし、この
ように両者を別々に構成して組み合わせるようにしたも
のでは、必然的に機構が複雑なものとなり、装置全体と
しての大型化も免れないのみならず、その伝熱部への外
部からの熱侵入が不可避であるから伝熱ロスに起因する
冷凍能力の低下も大きいという問題がある。
Therefore, the cryogenic refrigerating device currently proposed as a device utilizing this magnetic refrigerator is configured such that the small refrigerator of the gas cycle as described above and the magnetic refrigerator are each configured independently, and both are appropriately arranged. By connecting with a thermal anchor, heat is drawn from the magnetic refrigerator to room temperature. Specifically, the cold head of the gas refrigerator and the magnetic refrigerating material of the magnetic refrigerator are thermally coupled via heat conduction of metal and heat transfer of He gas. However, in the case where the two are separately configured and combined in this way, the mechanism is inevitably complicated, and not only is the size of the entire apparatus increased, but also the heat transfer section from outside However, there is a problem in that the refrigerating capacity is greatly reduced due to the heat transfer loss because the heat intrusion is unavoidable.

[発明が解決しようとする問題点] 本発明は、以上のような問題点に着目してなされたもの
であって、ガス冷凍機と磁気冷凍機とを組み合わせてH
e液化温度以下の極低温を実現できるようにした冷凍装
置として、上記諸問題点を同時に解決することができる
もの、即ち装置全体として小型化が図られ、またガス冷
凍機と磁気冷凍機との間の伝熱機構が簡易に構成され、
しかも伝熱ロスが少なくて冷凍性能の向上も期待できる
極低温冷凍装置を新たに提供することを目的としてい
る。
[Problems to be Solved by the Invention] The present invention has been made by focusing on the above-mentioned problems, and it is possible to combine a gas refrigerator and a magnetic refrigerator with H
e As a refrigerating device capable of realizing an extremely low temperature equal to or lower than the liquefaction temperature, a refrigerating device capable of simultaneously solving the above-mentioned problems, that is, downsizing of the entire device can be achieved, and a gas refrigerator and a magnetic refrigerator can be combined. The heat transfer mechanism between is simply configured,
Moreover, it is an object of the present invention to newly provide a cryogenic refrigeration system which has a small heat transfer loss and can be expected to improve the refrigeration performance.

[問題点を解決するための手段] 本発明は、このような目的を達成するために、極低温側
に当る最終段階膨張室の外壁を磁気冷凍材で形成すると
ともに、この磁気冷凍材の内面に対向し前記膨張室を拡
縮するピストン部材の端面を前記膨張室の排気工程毎に
該磁気冷凍材の内面に当接させるように構成した往復動
型冷凍機と、前記磁気冷凍材に磁界を可変自在に印加す
る磁界可変手段とを具備してなるものにし、この磁界可
変手段に、前記磁気冷凍材を前記ピストン部材が接近し
てくる際に励磁させ、一方前記ピストン部材が離反する
際に消磁させるためのタイミング制御部を設けたことを
特徴とする。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve such an object, the present invention forms the outer wall of the final stage expansion chamber on the cryogenic side with a magnetic refrigerating material and the inner surface of the magnetic refrigerating material. And a reciprocating refrigerator configured to bring the end surface of the piston member that expands and contracts the expansion chamber into contact with the inner surface of the magnetic refrigerating material for each exhaust step of the expansion chamber, and a magnetic field to the magnetic refrigerating material. And a magnetic field varying means for variably applying the magnetic refrigerating material to the magnetic field varying means when the piston member approaches, and when the piston member separates. A feature is that a timing control unit for degaussing is provided.

[作用] このように構成したものであれば、往復動型ガス冷凍機
の機種やこれに営ませる冷凍サイクルの種類にかかわら
ず、その最終段膨張室の外壁をなす磁気冷凍材がピスト
ン部材との接離を熱スイッチとして逆カルノーサイクル
に似た熱サイクルを営み、磁気冷凍材のまわりの極低温
域から吸熱しこれをガス冷凍機のピストン部材に直接放
熱するものとなる。すなわち、前記膨張室の外壁を兼ね
る磁気冷凍材は、ピストン部材が接近してくる際にタイ
ミング制御部に制御された磁界可変手段によって励磁さ
れるので、このときにはまず断熱励磁されて昇温して行
き、次いでピストン部材がその内面に当接して両者が接
触すると、熱伝導により該ピストン部材に熱を与えなが
ら等温励磁されることになる。また、ピストン部材が離
反する際にはタイミング制御部に制御された磁界可変手
段によって消磁されるので、このときにはまず磁気冷凍
材は断熱消磁されて降温して行き、次いでその温度がま
わりの極低温域の温度にまで下るとその周囲から熱を奪
って等温消磁されることになる。そして、このようなサ
イクルで汲み出された熱は、往復動型ガス冷凍機の冷凍
サイクルで常温側に汲み出されることになる。
[Operation] With such a configuration, the magnetic refrigerating material forming the outer wall of the final stage expansion chamber serves as the piston member regardless of the model of the reciprocating gas refrigerator and the type of refrigerating cycle operated therein. A heat cycle similar to the reverse Carnot cycle is carried out using the contact and separation of the heat switch as a heat switch to absorb heat from the cryogenic region around the magnetic refrigeration material and radiate it directly to the piston member of the gas refrigerator. That is, since the magnetic refrigerating material that also serves as the outer wall of the expansion chamber is excited by the magnetic field varying means controlled by the timing control section when the piston member approaches, at this time, it is first adiabatically excited to raise the temperature. Then, when the piston member comes into contact with the inner surface of the piston member and both of them come into contact with each other, the heat is conducted to the piston member so as to be isothermally excited. Also, when the piston member separates, it is demagnetized by the magnetic field varying means controlled by the timing control unit, so at this time, the magnetic refrigeration material is first adiabatically demagnetized and the temperature goes down, and then the temperature becomes extremely low. When it reaches the temperature of the region, it takes heat from its surroundings and is demagnetized isothermally. The heat pumped out in such a cycle is pumped to the room temperature side in the refrigeration cycle of the reciprocating gas refrigerator.

[実施例] 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。[Embodiment] An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図および第2図は、本発明に係る極低温装置の概略
構成を示す図であって、上方常温側に往復動型ガス冷凍
機1を、下方極低温側に磁気冷凍機2を配設してなるも
のである。
1 and 2 are schematic diagrams of a cryogenic device according to the present invention, in which a reciprocating gas refrigerator 1 is arranged on the upper normal temperature side and a magnetic refrigerator 2 is arranged on the lower cryogenic side. It will be installed.

往復動型ガス冷凍機1は、近時本発明者が開発し提案し
ている可動シェル型のもので、図ではこの種二段タイプ
のものを示している。そこで先ず、このガス冷凍機1の
構成について簡述すると、このものでは各段において、
内設蓄冷器3b、4bと、該蓄冷器3b、4bを包囲し
軸心方向にスライド可能な筒状の可動シェル5と、該シ
ェル5を外設蓄冷器3a、4aを介在せしめて包囲して
いる筒状のケーシング6とを配設してなるとともに、各
段の下端部において前記可動シェル5とその内外で対面
する部材との間につくられる容積空間に、この場合ピス
トン部材に相当する該可動シェル5の上下往復動で内外
交互に拡縮する膨張室7b、7a,8b、8aを形成し
てなるものである。さらに具体的に説明すると、まず第
1段の前記内設蓄冷器3bは可動シェル5内部へのガス
の流出入部材を兼ねる連通管10で連結されて常温端の
ベース9に支持されており、また第2の前記内設蓄冷器
4bはこの第1段の内設蓄冷器3bに支持されていてそ
れぞれ位置決め固定されている。また、第1段と第2段
の前記外設蓄冷器3a、4aは各々前記ケーシング6に
固持され、前記ベース9に支持されたケーシング6と共
に位置決め固定されている。なお、上記の各蓄冷器は言
う迄もなくガスの通気性をもち、流通ガスとの熱交換を
図るためのものである。さらに、前記可動シェル5はベ
ース9側の上端に蓋部を有し該蓋部から前記連通管10
を気密に貫通せしめているとともに、その上端部内外に
チャンバ11b.11aを形成している。そして、この
可動シェル5の内側には前記ベース9に設けた流出入ポ
ート12から前記連通管10を通して第1段の内設蓄冷
器3b中にガスが吸排できるようになっており(チャン
バ11b中へもガスが充満される)、また可動シェル5
の外側には前記ベース9に設けた流出入ポート13から
チャンバ11aを通してガスが吸排できるようになって
いる。
The reciprocating gas refrigerator 1 is a movable shell type that has recently been developed and proposed by the present inventor, and a two-stage type of this type is shown in the figure. Therefore, first, the structure of the gas refrigerator 1 will be briefly described.
The internal regenerators 3b and 4b, the cylindrical movable shell 5 that surrounds the regenerators 3b and 4b and is slidable in the axial direction, and the shell 5 is surrounded by the external regenerators 3a and 4a. And a cylindrical casing 6 that is disposed therein, and corresponds to a piston space member in this case, which is a volume space formed between the movable shell 5 and a member facing inside and outside thereof at the lower end of each step. Expansion chambers 7b, 7a, 8b, 8a are formed which expand and contract alternately inside and outside by the reciprocating movement of the movable shell 5 in the vertical direction. More specifically, first, the internal regenerator 3b of the first stage is connected to the base 9 at the room temperature end by being connected by a communication pipe 10 which also functions as a member for flowing gas in and out of the movable shell 5. The second internal regenerator 4b is supported by the internal regenerator 3b of the first stage and positioned and fixed. The external regenerators 3a, 4a of the first stage and the second stage are fixed to the casing 6, respectively, and positioned and fixed together with the casing 6 supported by the base 9. Needless to say, each of the above-mentioned regenerators has gas permeability and is for heat exchange with the circulating gas. Further, the movable shell 5 has a lid portion at the upper end on the base 9 side, and the communicating pipe 10 is provided from the lid portion.
Through the chamber 11b. 11a is formed. Inside the movable shell 5, gas can be sucked and discharged from the inflow / outflow port 12 provided in the base 9 through the communication pipe 10 into the internal regenerator 3b of the first stage (in the chamber 11b). It is also filled with gas), and the movable shell 5
Gas can be sucked and discharged from the outside of the chamber through an inflow / outflow port 13 provided in the base 9 through a chamber 11a.

そして、このような構成からなる可動シェル型のガス冷
凍機において、そのコールドヘッド側に後に述べる磁界
可変手段と共に磁気冷凍機2を一体的構成すべく、例え
ばGGG(ガドリウム・ガリウム・ガーネット)からな
る磁気冷凍材18を配設している。すなわち、この磁気
冷凍材18はガス冷凍機の極低温側に当る最終段の前記
膨張室8aの下端における外壁を形成するようにして設
けられるものであって、図示例の場合では下端が開口し
ている前記ケーシング6の開口部に厚手の磁気冷凍材1
8を嵌着して該開口部を気密に封鎖していると同時に、
その内面を最終段膨張室8aに露呈させ外面を外側の極
低温雰囲気に露呈せしめている。また、この磁気冷凍材
18からなる最終段膨張室8aの内面と対向する前記可
動シェル5の下端には、該シェル下端部19の蓄熱能力
を増大すべくこの部分を例えばPb製の厚手の蓄熱部材
で形成するようにしている。具体的には、図示例の場合
下端が開口している可動シェル5の開口部に別体の蓄熱
部材19を嵌着し該該開口部を気密に封鎖するようにし
ている。なお、この蓄熱部材19はそれ自体通気性を有
するものであってはならないが、例えばガス侵入孔を穿
設するなどして内外膨張室8b、8a内のガスとの熱交
換をできるだけ促進するようにするのが好適である。そ
して、上記の如く最終段膨張室8aを挟んで磁気冷凍材
18と蓄熱部材19とを配設しているとともに、可動シ
ェル5の外側の膨張室8a、7aの排気工程毎に、つま
りシェル下端部19が磁気冷凍材18に降下接近してく
る毎に、第1図に示すように、その上死点で両者を直接
当接させ、互いに面接触させるようにガス冷凍機1の往
復動を調整している。
Then, in the movable shell type gas refrigerator having such a configuration, it is made of, for example, GGG (gadolinium gallium garnet) in order to integrally configure the magnetic refrigerator 2 on the cold head side together with the magnetic field varying means described later. A magnetic refrigeration material 18 is provided. That is, this magnetic refrigerating material 18 is provided so as to form an outer wall at the lower end of the expansion chamber 8a at the final stage, which is on the cryogenic side of the gas refrigerator, and in the case of the illustrated example, the lower end is open. The thick magnetic refrigeration material 1 is placed in the opening of the casing 6
8 is fitted to seal the opening airtightly,
The inner surface is exposed to the final stage expansion chamber 8a, and the outer surface is exposed to the outer cryogenic atmosphere. Further, at the lower end of the movable shell 5 facing the inner surface of the final stage expansion chamber 8a made of the magnetic refrigeration material 18, this portion is made of, for example, thick heat storage made of Pb in order to increase the heat storage capacity of the shell lower end portion 19. It is made of a member. Specifically, in the illustrated example, a separate heat storage member 19 is fitted into the opening of the movable shell 5 whose lower end is open, and the opening is hermetically closed. Although the heat storage member 19 should not be breathable by itself, it should be possible to promote heat exchange with the gas in the inner and outer expansion chambers 8b and 8a as much as possible, for example, by forming a gas entry hole. Is preferred. As described above, the magnetic refrigerating material 18 and the heat storage member 19 are arranged with the final stage expansion chamber 8a interposed therebetween, and the expansion chambers 8a and 7a outside the movable shell 5 are exhausted, that is, the shell lower end. Each time the portion 19 descends and approaches the magnetic refrigerating material 18, as shown in FIG. 1, the reciprocating motion of the gas refrigerator 1 is performed so that the two come into direct contact with each other at the top dead center and are brought into surface contact with each other. I am adjusting.

このように構成した可動シェル型冷凍機1の駆動手段に
ついて概説すると、常温端側の前記ベース9に設けた流
出入ポート12、13には、コンプレッサ14の吐出口
と吸気口とに各々連通される給気系路15と排気系路1
6とがタイミングバルブ17を介して切換え可能に接続
され、このバルブ17の切換えによって可動シェル5内
外の膨張室7b、8b,7a、8aに必要な吸排気が交
互に行なわれると同時に、可動シェル5はその内外の吸
入ガス圧で自動的に往復動するものとなっている。すな
わち、可動シェル5はその内側に高圧ガスが導入される
ときには低温側と常温側の受圧面積の差(具体的にはチ
ャンバ11bでの前記連通管10の断面積分)により下
方に付勢され、逆にその外側に高圧ガスが導入されると
きには同じく低温側と常温側の受圧面積の差(具体的に
はチャンバ11aでの前記連通管10の断面積分)によ
り上方に付勢されるようになっているのである。そし
て、このような可動シェル5の1回の往復動につき、内
側の膨張室7b、8bと外側の膨張室7a、8aとが半
周期位相をずらしてそれぞれ拡縮するものとなる。
The drive means of the movable shell refrigerator 1 having the above-described structure will be briefly described. The inflow / outflow ports 12 and 13 provided in the base 9 on the room temperature end side are respectively connected to the discharge port and the intake port of the compressor 14. Supply system passage 15 and exhaust system passage 1
6 and 6 are switchably connected via a timing valve 17, and by switching the valve 17, intake and exhaust necessary for the expansion chambers 7b, 8b, 7a, 8a inside and outside the movable shell 5 are alternately performed, and at the same time, the movable shell is moved. 5 is automatically reciprocated by the suction gas pressure inside and outside thereof. That is, when the high pressure gas is introduced into the movable shell 5, the movable shell 5 is urged downward due to the difference in pressure receiving area between the low temperature side and the normal temperature side (specifically, the cross-section integral of the communication pipe 10 in the chamber 11b). On the contrary, when the high-pressure gas is introduced to the outside, it is also urged upward due to the difference in the pressure receiving area between the low temperature side and the normal temperature side (specifically, the cross-section integral of the communication pipe 10 in the chamber 11a). -ing Then, with such one reciprocating movement of the movable shell 5, the inner expansion chambers 7b and 8b and the outer expansion chambers 7a and 8a are expanded and contracted by shifting the half-cycle phase.

次いで、前記磁気冷凍機2の構成を説明すると、この磁
気冷凍機2は、上記ガス冷凍機1の下端にその最終段膨
張室8aの外壁を兼ねて設けた磁気冷凍材18と、該磁
気冷凍材18の周囲に配設される磁界可変手段20とか
ら構成される。そして、この場合磁界可変手段20は、
液化He等を貯留する液だめ20bをもった環状の可動
ケース20a内に超電導マグネット21を内設してなる
ものであって、該超電導マグネット21をその可動ケー
ス20aと一体にガス冷凍室1の前記タイミングバルブ
17の切換えに同期させて上下に往復動させることによ
り、前記磁気冷凍材18を所定のタイミングで励磁また
は消磁できるようにしている。つまり、その上下往復動
を司どる図示しない駆動機構に駆動方向切換えのタイミ
ングを与える前記タイミングバルブ17が本発明のタイ
ミング制御部をなしている。すなわち、前記可動シェル
5の磁気冷凍材18に接近してくる際には超電導マグネ
ット21を上昇させてこれを磁気冷凍材18のまわり近
づけて行き磁気冷凍材18を励磁させるようにし(第1
図の状態)、また逆に前記可動シェル5が磁気冷凍材1
8から離反する際には超電導マグネット21を下降させ
てこれを磁気冷凍材18から遠ざけ磁気冷凍材18を消
磁させるようにする(第2図の状態)。そして、この下
降時において超電導マグネット21はそのケース20a
ごと下方のデュワ22に貯留されている液化ガス23中
に浸漬され、この時その液だめ20bにLHe等が逐次
補給されることになる。なお、第1図において、24は
ガスの液化室であり、25は磁気冷凍機2およびガス冷
凍機1の低温側を包囲している真空室である。
Next, the structure of the magnetic refrigerator 2 will be described. In the magnetic refrigerator 2, the magnetic refrigerator 18 is provided at the lower end of the gas refrigerator 1 also as the outer wall of the final expansion chamber 8a, and the magnetic refrigerator 18. The magnetic field varying means 20 is provided around the material 18. In this case, the magnetic field changing means 20
A superconducting magnet 21 is internally provided in an annular movable case 20a having a liquid reservoir 20b for storing liquefied He and the like, and the superconducting magnet 21 is integrated with the movable case 20a in the gas freezing chamber 1. The magnetic refrigeration material 18 can be excited or demagnetized at a predetermined timing by reciprocating up and down in synchronization with the switching of the timing valve 17. That is, the timing valve 17 which gives the timing for switching the driving direction to the driving mechanism (not shown) that controls the vertical reciprocating movement constitutes the timing control section of the present invention. That is, when approaching the magnetic refrigerating material 18 of the movable shell 5, the superconducting magnet 21 is moved up to bring it close to the magnetic refrigerating material 18 to excite the magnetic refrigerating material 18 (first
(State shown in the figure), and conversely, the movable shell 5 is the magnetic refrigeration material 1
When separating from 8, the superconducting magnet 21 is lowered to move it away from the magnetic refrigerating material 18 so that the magnetic refrigerating material 18 is demagnetized (state of FIG. 2). Then, at the time of this descending, the superconducting magnet 21 has its case 20a.
Each of them is immersed in the liquefied gas 23 stored in the lower dewar 22, and at this time, LHe or the like is successively replenished to the liquid reservoir 20b. In FIG. 1, 24 is a gas liquefaction chamber, and 25 is a vacuum chamber surrounding the low temperature side of the magnetic refrigerator 2 and the gas refrigerator 1.

上記構成からなる冷凍装置の作動をHe液化に供する場
合を例に説明する。
The case where the operation of the refrigerating apparatus having the above-described configuration is used for He liquefaction will be described as an example.

各段の外側膨張室7a、8aの容積が最大で内側膨張室
7b、8bの容積が最小(第2図の状態)のとき、タイ
ミングバルブ17をB位置にして可動シェル5の内側を
給気系路15にその外側を排気系路16に連通させる
と、内側の膨張室7b、8bには蓄冷器3b、4bを通
って予冷されながら高圧ガスが導入され、他方外側の膨
張室7a、8aからは断熱膨張によって冷却されたガス
が蓄冷器3a、4aを冷やしながら排出されることにな
るが、これと同時に前述のような可動シェル5に作用す
るガス圧のアンバランスによって可動シェル5が降下し
て行き、ついには最終段膨張室8aにおいてその磁気冷
凍材18の内面にシェル下端部19が当接するに到る。
一方、前記タイミングバルブ17の切換えと同時に、前
記超電導マグネット21は下方の液体He中から磁気冷
凍材18のまわりの近接位置にまで上昇して該磁気冷凍
材18を磁場強さB=0からある強さB=Bにまで励
磁することになる。しかして、このときには第3図にお
いてI−IIに示すように、まず磁気冷凍材18が断熱励
磁(外部と熱の授受のない等エントロピ変化)によりそ
れ自身昇温して行き、次いでシェル下端部19が磁気冷
凍材18の内面に当接し両者が面接触すると、磁気冷凍
材18が接触熱伝導によってシェル下端部19に熱を奪
われるためシェル下端部19の温度が15Kであるなら
ば、磁気冷凍材18はこの温度を保って第3図のII−II
Iに示すように、等温励磁されることになる。
When the volume of the outer expansion chambers 7a, 8a of each stage is the maximum and the volume of the inner expansion chambers 7b, 8b is the minimum (the state of FIG. 2), the timing valve 17 is set to the B position to supply the inside of the movable shell 5. When the outside of the system passage 15 is communicated with the exhaust system passage 16, high pressure gas is introduced into the inside expansion chambers 7b and 8b while precooling through the regenerators 3b and 4b, while the outside expansion chambers 7a and 8a are outside. From this, the gas cooled by adiabatic expansion is discharged while cooling the regenerators 3a, 4a. At the same time, however, the movable shell 5 descends due to the imbalance of the gas pressure acting on the movable shell 5 as described above. Finally, the shell lower end portion 19 comes into contact with the inner surface of the magnetic refrigerating material 18 in the final stage expansion chamber 8a.
On the other hand, at the same time as the switching of the timing valve 17, the superconducting magnet 21 is moved up from the lower liquid He to a close position around the magnetic refrigerating material 18 so that the magnetic refrigerating material 18 has a magnetic field strength B = 0. It will excite up to strength B = B 1 . Then, at this time, as shown by I-II in FIG. 3, the magnetic refrigerating material 18 first rises in temperature by adiabatic excitation (isentropic change without heat exchange with the outside), and then the shell lower end portion. When 19 abuts on the inner surface of the magnetic refrigerating material 18 and both come into surface contact, the magnetic refrigerating material 18 is deprived of heat by the shell lower end portion 19 by contact heat conduction, so that if the temperature of the shell lower end portion 19 is 15K, The refrigerating material 18 is maintained at this temperature, and is II-II in FIG.
As indicated by I, it will be excited isothermally.

次に、シェル下端部19が磁気冷凍材18の内面に当接
する第1図の状態、即ち各段の外側膨張室7a、8aの
容積が最小で内側膨張室7b、8bの容積が最大の状態
から、タイミングバルブ17をA位置にして可動シェル
5の外側を給気系路15にその内側を排気系路16に連
通させると、内側の膨張室7b、8bからは断熱膨張に
よって冷却されたガスが蓄冷器3b、4b冷やしながら
排出され、他方外側の膨張室7a、8aからは高圧ガス
が蓄冷器3a、4aを通って予冷されながら導入される
ことになるが、これと同時に前述のような可動シェル5
に作用するガス圧のアンバランスによって可動シェル5
が今度は上昇して行き、ついには第2図のように最終段
膨張室8aにおいてそのシェル下端部19が磁気冷凍材
18の内面から最も離れた下死点の位置に到る。一方、
前記タイミングバルブ17の切換えと同時に、前記超電
導マグネット21は今度は磁気冷凍材18のまわりから
離れるように降下して下方の液化He23中に浸漬され
るから、これに伴ない該磁気冷凍材18を磁場強さB=
からB=0に消磁することになる。しかして、この
ときには第3図においてIII−IVに示すように、まず磁
気冷凍材18が断熱消磁(外部と熱の授受のない等エン
トロピ変化)によりそれ自身降温して行き、次いでその
温度がLHe温度4.2Kにまで下ると該磁気冷凍材1
8は周囲のガス液化室24のHeガスから熱を奪ってこ
れを液化しつつ、第3図のIV−Iに示すように等温消磁
されることになる。
Next, the lower end portion 19 of the shell is in contact with the inner surface of the magnetic refrigerating material 18 as shown in FIG. 1, that is, the outer expansion chambers 7a and 8a of each stage have the smallest volume and the inner expansion chambers 7b and 8b have the largest volume. Therefore, when the timing valve 17 is set to the A position so that the outside of the movable shell 5 communicates with the air supply system passage 15 and the inside of the movable shell 5 communicates with the exhaust system passage 16, the gas cooled by adiabatic expansion from the inside expansion chambers 7b, 8b. Is discharged while cooling the regenerators 3b and 4b, while high-pressure gas is introduced from the outside expansion chambers 7a and 8a while precooling through the regenerators 3a and 4a. Movable shell 5
Of the movable shell 5 due to the imbalance of the gas pressure acting on the
Then, as shown in FIG. 2, the lower end 19 of the shell finally reaches the bottom dead center position farthest from the inner surface of the magnetic refrigerating material 18 in the final stage expansion chamber 8a as shown in FIG. on the other hand,
Simultaneously with the switching of the timing valve 17, the superconducting magnet 21 is now lowered away from around the magnetic refrigerating material 18 and immersed in the liquefied He 23 below, so that the magnetic refrigerating material 18 is removed. Magnetic field strength B =
The demagnetization will be from B 1 to B = 0. Then, at this time, as shown by III-IV in FIG. 3, the magnetic refrigerating material 18 first lowers its temperature by adiabatic demagnetization (isentropic change with no heat exchange with the outside), and then the temperature is changed to LHe. When the temperature drops to 4.2K, the magnetic refrigeration material 1
8 draws heat from the He gas in the surrounding gas liquefaction chamber 24 to liquefy it and is demagnetized isothermally as shown by IV-I in FIG.

したがって、以上のサイクルによると、磁気冷凍材18
は逆カルノーサイクルに似た熱サイクルを営んで、極低
温側のガス液化室24(4.2K)からガス冷凍機1の
コールドヘッド(15K)に熱を汲み上げるヒートポン
プの役割を果すことになる(IV−Iで吸熱し、II−III
で放熱する)。しかもこの磁気冷凍材18からガス冷凍
機1への熱の移動は、磁気冷凍材18とシェル下端部と
の接触熱伝導と離反しているときの熱伝達の差により有
効な熱スイッチを実現して効率よく行なわれるものとな
る。そして、このようにして磁気冷凍材18によって
4.2Kの温度レベルから15Kの温度レベルのシェル
下端部19への熱伝導を介しコールドヘッド側に汲み上
げらてた熱は、ガス冷凍機1の冷凍サイクルによって常
温側に汲み出されることになる。なお、この可動シェル
型のものからなるガス冷凍機1には、作動説明で示した
ようなギフォードマクマホンサイクルに限らず、他の例
えばソルベーサイクルなどの冷凍サイクルを営ませるよ
うにしてもよい。
Therefore, according to the above cycle, the magnetic refrigeration material 18
Performs a heat cycle similar to the reverse Carnot cycle and plays a role of a heat pump for pumping heat from the gas liquefaction chamber 24 (4.2K) on the cryogenic side to the cold head (15K) of the gas refrigerator 1 ( Endothermic with IV-I, II-III
To radiate heat). Moreover, the transfer of heat from the magnetic refrigerating material 18 to the gas refrigerator 1 realizes an effective heat switch by the difference between the contact heat conduction between the magnetic refrigerating material 18 and the lower end of the shell and the heat transfer when they are separated. Will be done efficiently. Then, the heat pumped up to the cold head side through the heat conduction from the temperature level of 4.2K to the shell lower end portion 19 at the temperature level of 15K by the magnetic refrigerating material 18 in this way is refrigerated in the gas refrigerator 1. It will be pumped to the room temperature side by the cycle. The gas refrigerator 1 of the movable shell type is not limited to the Gifford-McMahon cycle as described in the operation description, but may be another refrigeration cycle such as a solve cycle.

このような構成および作用を有する冷凍装置であれば、
次のような効果が得られるものとなる。まず第1には、
このものでは従来のようにガス冷凍機と磁気冷凍機とを
独立して構成しこれら熱移動部材を介して熱的に連結す
る構造のものに比較すると、両者を有機的に一体結合し
て構成されるものであるからLHe温度(4.2K)程
度からの冷凍能力を備えたものとしては、従来に無い非
常に小型の極低温冷凍装置が実現できることである。ま
た第2には、上記の如くこのものでは別に熱移動部材を
要さず、ガス冷凍機の最終段膨張室の外壁を形成するよ
うにした磁気冷凍材からシェル下端部との接離を熱スイ
ッチとしてガス冷凍機のコールドヘッド側に直接熱が伝
えられるものであるから、従来のように熱的に連結する
ために機構が複雑化することもないし、同時にその伝熱
部に外部から熱侵入を来すおそれも除かれるから伝熱ロ
スに起因する冷凍効率の低下も最小に抑えられる。
If it is a refrigerating device having such a configuration and action,
The following effects can be obtained. First of all,
Compared to the conventional structure in which a gas refrigerator and a magnetic refrigerator are independently configured and are thermally connected via these heat transfer members, both are organically integrated and configured. Therefore, it is possible to realize a very small cryogenic refrigerating apparatus having a refrigerating capacity from the LHe temperature (4.2 K) or so, which has not been heretofore available. Secondly, as described above, this does not require a separate heat transfer member, and heats and separates the magnetic refrigerating material that forms the outer wall of the final expansion chamber of the gas refrigerator from the lower end of the shell. Since heat is directly transmitted to the cold head side of the gas refrigerator as a switch, the mechanism is not complicated due to the thermal connection as in the conventional system, and at the same time heat enters from the outside to the heat transfer section. Since the risk of heat loss is also eliminated, the reduction in refrigeration efficiency due to heat transfer loss can be minimized.

以上、一実施例について説明したが、本発明の小型極低
温冷凍装置はこれに限定されるものではなく、種々の態
様に改変して実施することが可能なものである。これに
ついて例示すれば、まず本発明で使用する磁気冷凍材は
必ずしも前記GGGに限定されるものではなく、要する
に極低温でエントロピの変化特性が磁場の強さ等によっ
て大きく変動する物質であれば広く利用できるものと予
想される。
Although one embodiment has been described above, the small cryogenic refrigeration system of the present invention is not limited to this, and can be modified into various modes for implementation. To illustrate this, first, the magnetic refrigerating material used in the present invention is not necessarily limited to the above GGG, and in short, it can be widely used as long as it is a substance whose entropy change characteristic greatly fluctuates depending on the strength of the magnetic field at cryogenic temperature. Expected to be available.

また、実施例ではその磁気可変手段として超電導マグネ
ットを固定位置の磁気冷凍材に対し移動させて、該磁気
冷凍材の磁場強さを変化させるようにしたが、これは磁
気冷凍材に対し固定位置に配設した電磁石のコイル電流
をON/OFFして励磁−消磁させるようにしてもよ
い。この場合、タイミング制御部はそのON−OFF切
換え用スイッチのタイミングを図るものであればよく、
例えば前記タイミングバルブ17を利用することができ
る。
Further, in the embodiment, as the magnetic variable means, the superconducting magnet is moved with respect to the magnetic refrigeration material at the fixed position to change the magnetic field strength of the magnetic refrigeration material. Alternatively, the coil current of the electromagnet disposed in the above may be turned on / off to excite and demagnetize. In this case, the timing control unit may be any device that measures the timing of the ON-OFF switch.
For example, the timing valve 17 can be used.

そして、本発明で使用されるガス冷凍機の種別について
も、基本的に往復動型のものであれば同様に実施可能な
ものと考えられる。すなわち、必ずしも可動シェル型の
ものと組み合せる場合に限定されない。しかし、実施例
のように特に可動シェル型のガス冷凍機と組み合せるよ
うにした場合では、次のような理由から本発明の利用価
値を一層高揚させることができる。すなわち、この新型
のものでは従来一般的な蓄冷器を一体に内有したディス
プレーサを往復動するタイプものに比較すると、その可
動シェルの一往復で内外膨張室がそれぞれ1サイクルを
営んで実質的に冷凍能力が倍増される特徴があるばかり
でなく、慣性質量の小さな可動シェルを往復動させるた
め、内部空間に蓄冷器を充填してその容積を最大限に活
用しても振動等の問題を惹起せず、それ故この種のガス
冷凍機として同一性能でも最もコンパクトなものが提供
できるのである。つまり、このことは磁気冷凍機との組
み合せで小型化を最大限に図る上に非常に好都合となる
のである。
Also, regarding the type of the gas refrigerator used in the present invention, basically, it is considered that the reciprocating type can be similarly implemented. That is, it is not necessarily limited to the case of combining with the movable shell type. However, particularly in the case of being combined with the movable shell type gas refrigerator as in the embodiment, the utility value of the present invention can be further enhanced for the following reasons. That is, in comparison with the type that reciprocates the displacer which has a conventional general regenerator integrally in this new type, the inner and outer expansion chambers each perform one cycle in one reciprocating movement of the movable shell, and substantially Not only has the feature of doubling the refrigeration capacity, but the movable shell with a small inertial mass is reciprocated, so even if the internal space is filled with a regenerator and the volume is maximized, problems such as vibration will occur. Therefore, the most compact gas refrigerating machine of the same performance can be provided. In other words, this is very convenient for maximizing miniaturization in combination with the magnetic refrigerator.

なお、この可動シェル型のものは実施例の場合のように
2段タイプのものに限らず、必要に応じ任意の段数に増
減できることは言う迄もない。また、実施例の場合磁気
冷凍材に当接するピストン部材の端面をなすシェル下端
部の構成材料には、該磁気冷凍材との接触面側を熱伝導
性が良くしかも軽量な材料で形成するようにした複合材
を用いるようにしてもよいし、さらに膨張ガスとの熱交
換を促進するため該膨張ガスと接する部位にフィンを設
けるようにしてもよい。
It is needless to say that the movable shell type is not limited to the two-stage type as in the case of the embodiment, and the number of stages can be increased or decreased as necessary. Further, in the case of the embodiment, the constituent material of the shell lower end portion forming the end surface of the piston member that abuts against the magnetic refrigerating material is such that the contact surface side with the magnetic refrigerating material is made of a material having good thermal conductivity and light weight. The composite material may be used, or a fin may be provided at a portion in contact with the expansion gas in order to promote heat exchange with the expansion gas.

[発明の効果] 本発明は、以上のような構成を具備してなるものである
から、液体ヘリウム温度程度の冷凍に利用される小型極
低温冷凍装置として、特に小型コンパクトに構成でき
て、しかも構造簡易であるとともに、磁気冷凍材からの
伝熱ロスに起因する効率低下のない高い冷凍能力を備え
たものが提供できたものである。
EFFECTS OF THE INVENTION Since the present invention is provided with the above-mentioned configuration, it can be particularly compactly configured as a small cryogenic refrigeration apparatus used for refrigeration at a liquid helium temperature, and It is possible to provide a product having a simple structure and a high refrigerating capacity in which the efficiency does not decrease due to heat transfer loss from the magnetic refrigerating material.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

図面は本発明の一実施例を示し、第1図は本発明に係る
冷凍装置の概略構成を示す断面図であり、第2図はその
可動シェルが第1図と異なる位置にあるときの同一部断
面図であり、第3図はこの冷凍装置の熱サイクルを示す
温度−エントロピ線図である。 1・・・ガス冷凍機 2・・・磁気冷凍機 3a、4a・・・外設蓄冷器 3b、4b・・・内設蓄冷器 5・・・可動シェル(ピストン部材) 6・・・ケーシング 7a、8a・・・外側膨張室(8a・・・最終段膨張
室) 7b、8b・・・内側膨張室 9・・・ベース 10・・・連通管 12、13・・・流出入ポート 15・・・給気系路 16・・・排気系路 17・・・タイミング制御部(タイミングバルブ) 18・・・磁気冷凍材 19・・・シェル下端部(蓄熱部材) 21・・・超電導マグネット(磁界可変手段)
The drawings show an embodiment of the present invention, FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a refrigerating apparatus according to the present invention, and FIG. 2 is the same when its movable shell is at a position different from that of FIG. FIG. 3 is a partial cross-sectional view, and FIG. 3 is a temperature-entropy diagram showing a heat cycle of this refrigeration system. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Gas refrigerator 2 ... Magnetic refrigerator 3a, 4a ... External regenerator 3b, 4b ... Internal regenerator 5 ... Movable shell (piston member) 6 ... Casing 7a , 8a ... outer expansion chamber (8a ... final expansion chamber) 7b, 8b ... inner expansion chamber 9 ... base 10 ... communication pipe 12, 13 ... inflow / outflow port 15 ...・ Supply system path 16 ・ ・ ・ Exhaust system path 17 ・ ・ ・ Timing control unit (timing valve) 18 ・ ・ ・ Magnetic refrigerating material 19 ・ ・ ・ Shell lower end (Heat storage member) 21 ・ ・ ・ Superconducting magnet (Variable magnetic field) means)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】極低温側に当る最終段膨脹室の外壁を磁気
冷凍材で形成するとともに、この磁気冷凍材の内面に対
向し前記膨脹室を拡縮するピストン部材の端面を前記膨
脹室の排気工程毎に該磁気冷凍材の内面に当接させるよ
うに構成した往復動型ガス冷凍機と、前記磁気冷凍材に
磁界を可変自在に印加する磁界可変手段とを具備してな
るものにし、この磁界可変手段に、前記磁気冷凍材を前
記ピストン部材が接近してくる際に励磁させ、一方前記
ピストン部材が離反する際に消磁させるためのタイミン
グ制御部を設けたことを特徴とする小型極低温冷凍装
置。
1. An outer wall of a final stage expansion chamber on the cryogenic side is formed of a magnetic refrigerating material, and an end surface of a piston member facing the inner surface of the magnetic refrigerating material to expand and contract the expansion chamber is exhausted from the expansion chamber. A reciprocating gas refrigerator configured to be brought into contact with the inner surface of the magnetic refrigerating material in each step, and magnetic field varying means for variably applying a magnetic field to the magnetic refrigerating material, A small cryogenic temperature characterized in that the magnetic field varying means is provided with a timing control unit for exciting the magnetic refrigeration material when the piston member approaches and demagnetizing the magnetic refrigeration material when the piston member separates. Refrigeration equipment.
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