JPH07260270A - パルス管冷凍機 - Google Patents
パルス管冷凍機Info
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- JPH07260270A JPH07260270A JP15096194A JP15096194A JPH07260270A JP H07260270 A JPH07260270 A JP H07260270A JP 15096194 A JP15096194 A JP 15096194A JP 15096194 A JP15096194 A JP 15096194A JP H07260270 A JPH07260270 A JP H07260270A
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- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
- F25B9/145—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle pulse-tube cycle
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used
- F25B2309/1408—Pulse-tube cycles with pulse tube having U-turn or L-turn type geometrical arrangements
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- F25B2309/1418—Pulse-tube cycles with valves in gas supply and return lines
- F25B2309/14181—Pulse-tube cycles with valves in gas supply and return lines the valves being of the rotary type
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- F25B2309/1419—Pulse-tube cycles with pulse tube having a basic pulse tube refrigerator [PTR], i.e. comprising a tube with basic schematic
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- Thermal Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明は従来のパルス管冷凍機が−１００℃
程度以下の寒冷を発生しにくかった問題解決のため、磁
性体と超伝導マグネットを用いて更に低温発生を実現で
きるパルス管冷凍機を提供することを目的とする。 【構成】 本発明は蓄冷器、パルス管、ガス分配器、寒
冷発生部、ガス圧縮機等で構成され、高圧のガスを作動
媒体として用いるパルス管冷凍機において、前記パルス
管の高温端内部に設けられた磁性体と、高温端外部に高
温端冷却のために設けられた極低温流体容器と、同極低
温流体容器内に設けられた極低温流体で冷却される高温
超伝導材利用の超伝導マグネットと、前記磁性体に高磁
場を印加・除去する磁気冷凍機構とを具備してなること
を特徴とするパルス管冷凍機、を構成とする。
程度以下の寒冷を発生しにくかった問題解決のため、磁
性体と超伝導マグネットを用いて更に低温発生を実現で
きるパルス管冷凍機を提供することを目的とする。 【構成】 本発明は蓄冷器、パルス管、ガス分配器、寒
冷発生部、ガス圧縮機等で構成され、高圧のガスを作動
媒体として用いるパルス管冷凍機において、前記パルス
管の高温端内部に設けられた磁性体と、高温端外部に高
温端冷却のために設けられた極低温流体容器と、同極低
温流体容器内に設けられた極低温流体で冷却される高温
超伝導材利用の超伝導マグネットと、前記磁性体に高磁
場を印加・除去する磁気冷凍機構とを具備してなること
を特徴とするパルス管冷凍機、を構成とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、極低温機器の冷却に適
用されるパルス管冷凍機に関する。
用されるパルス管冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】図４は冷媒ガスにヘリウムを使用した従
来のパルス管冷凍機の模式的構成図である。
来のパルス管冷凍機の模式的構成図である。
【０００３】図４において、１は高圧ヘリウムガスを供
給する圧縮機、２は高圧（ヘリウム）ガス配管、３は低
圧（ヘリウム）ガス配管、４は（ヘリウム）ガスの流れ
を制御するためのロータリバルブ（ガス分配器）、５は
ロータリバルブ４に接続され、高圧（ヘリウム）ガスを
冷凍部に送ったり、低圧（ヘリウム）ガスを冷凍部から
戻すためのガス配管である。高圧ガスと低圧ガスの往復
は、ロータリバルブ４で周期的に１００回／分程度行な
われる。６はその一端がガス配管５に接続された蓄冷器
で蓄冷材として銅の金網（１００メッシュ〜４００メッ
シュ程度）または直径１mm以下の鉛球等が充填されてい
る。７は蓄冷器６の他端に接続されたガス配管である。
８は前記ガス配管７に接続された寒冷発生部で被冷却物
を取り付けて冷却する。９は寒冷発生部８に取付けられ
たセラミックス等多孔質の焼結金属部であって、ヘリウ
ムガスの整流作用と排出される低温・低圧のヘリウムガ
スの寒冷を充分回収するための熱交換作用を行なう。１
０はステンレス鋼等熱伝導のよくない材料で作られたパ
ルス管で焼結金属部９に連設されており、この管の内部
で高圧ヘリウムガスが上部へ移動し、次に低圧となった
時ヘリウムガスは下部へ移動する。１１はパルス管１０
の焼結金属部９と反対側の端部に取り付けられた放熱部
で、銅等熱伝導の良い材料で作られている。１２は放熱
部１１に取り付けられた放熱用熱交換器であり、１３は
冷媒を供給するための配管である。この冷媒として通
常、水が使用されている。１４は侵入熱を低減するため
の断熱用真空容器、１５は真空容器のフランジ部であ
る。
給する圧縮機、２は高圧（ヘリウム）ガス配管、３は低
圧（ヘリウム）ガス配管、４は（ヘリウム）ガスの流れ
を制御するためのロータリバルブ（ガス分配器）、５は
ロータリバルブ４に接続され、高圧（ヘリウム）ガスを
冷凍部に送ったり、低圧（ヘリウム）ガスを冷凍部から
戻すためのガス配管である。高圧ガスと低圧ガスの往復
は、ロータリバルブ４で周期的に１００回／分程度行な
われる。６はその一端がガス配管５に接続された蓄冷器
で蓄冷材として銅の金網（１００メッシュ〜４００メッ
シュ程度）または直径１mm以下の鉛球等が充填されてい
る。７は蓄冷器６の他端に接続されたガス配管である。
８は前記ガス配管７に接続された寒冷発生部で被冷却物
を取り付けて冷却する。９は寒冷発生部８に取付けられ
たセラミックス等多孔質の焼結金属部であって、ヘリウ
ムガスの整流作用と排出される低温・低圧のヘリウムガ
スの寒冷を充分回収するための熱交換作用を行なう。１
０はステンレス鋼等熱伝導のよくない材料で作られたパ
ルス管で焼結金属部９に連設されており、この管の内部
で高圧ヘリウムガスが上部へ移動し、次に低圧となった
時ヘリウムガスは下部へ移動する。１１はパルス管１０
の焼結金属部９と反対側の端部に取り付けられた放熱部
で、銅等熱伝導の良い材料で作られている。１２は放熱
部１１に取り付けられた放熱用熱交換器であり、１３は
冷媒を供給するための配管である。この冷媒として通
常、水が使用されている。１４は侵入熱を低減するため
の断熱用真空容器、１５は真空容器のフランジ部であ
る。
【０００４】以上のパルス管冷凍機において、圧縮機１
で高圧となったヘリウムガスは高圧ガス配管２、ロータ
リバルブ４、ガス配管５、および蓄冷器６を通って温度
−１００℃程度に冷却された後、ガス配管７、焼結金属
部９を通ってパルス管１０に入る。この時、最初パルス
管１０内部にあった低圧ヘリウムガスはパルス管１０下
部より入って来た高圧ヘリウムガスにより圧縮されなが
らパルス管１０上部へ移動する。最初あった低圧ヘリウ
ムガスの圧縮により発生する圧縮熱は放熱部１１を介し
て外部へ放出される。
で高圧となったヘリウムガスは高圧ガス配管２、ロータ
リバルブ４、ガス配管５、および蓄冷器６を通って温度
−１００℃程度に冷却された後、ガス配管７、焼結金属
部９を通ってパルス管１０に入る。この時、最初パルス
管１０内部にあった低圧ヘリウムガスはパルス管１０下
部より入って来た高圧ヘリウムガスにより圧縮されなが
らパルス管１０上部へ移動する。最初あった低圧ヘリウ
ムガスの圧縮により発生する圧縮熱は放熱部１１を介し
て外部へ放出される。
【０００５】次に、ロータリバルブ４が低圧側に切り替
わると、パルス管１０内部のガスは断熱膨張してさらに
温度が下がり、寒冷発生部８の温度も低下して寒冷を発
生する。低圧となったヘリウムガスはガス配管７を通
り、蓄冷器６で寒冷を回収されて常温となる。常温とな
った低圧ヘリウムガスはガス配管５、ロータリバルブ
４、低圧ガス配管３を通って圧縮機１へ戻る。
わると、パルス管１０内部のガスは断熱膨張してさらに
温度が下がり、寒冷発生部８の温度も低下して寒冷を発
生する。低圧となったヘリウムガスはガス配管７を通
り、蓄冷器６で寒冷を回収されて常温となる。常温とな
った低圧ヘリウムガスはガス配管５、ロータリバルブ
４、低圧ガス配管３を通って圧縮機１へ戻る。
【０００６】以上の冷凍サイクルを間欠的に１分間に約
１００回程度行なうことにより、−１００℃程度の寒冷
を継続して発生することができる。
１００回程度行なうことにより、−１００℃程度の寒冷
を継続して発生することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記従来のパルス管冷
凍機には解決すべき次の課題があった。
凍機には解決すべき次の課題があった。
【０００８】即ち、従来のパルス冷凍機では放熱部１１
の冷却用冷媒として通常水が使用されていること、さら
に高圧ガスの断熱膨張を利用しているため寒冷発生の効
率が悪いこととから発生寒冷温度が−１００℃程度であ
り、これ以下の温度の寒冷を発生しにくいという問題が
あった。
の冷却用冷媒として通常水が使用されていること、さら
に高圧ガスの断熱膨張を利用しているため寒冷発生の効
率が悪いこととから発生寒冷温度が−１００℃程度であ
り、これ以下の温度の寒冷を発生しにくいという問題が
あった。
【０００９】本発明は以上の問題点を解決することがで
きるパルス管冷凍機を提供することを目的とする。
きるパルス管冷凍機を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題の解決
手段として、次の（１）〜（４）に記載のパルス管冷凍
機、を提供しようとするものである。
手段として、次の（１）〜（４）に記載のパルス管冷凍
機、を提供しようとするものである。
【００１１】（１）．蓄冷器、パルス管、ガス分配器、
寒冷発生部、ガス圧縮機等で構成され、高圧のガスを作
動媒体として用いるパルス管冷凍機において、前記パル
ス管の高温端内部に設けられた磁性体と、高温端外部に
高温端冷却のために設けられた極低温流体容器と、同極
低温流体容器内に設けられた極低温流体で冷却される高
温超伝導材利用の超伝導マグネットと、前記磁性体に高
磁場を印加・除去する磁気冷凍機構とを具備してなるこ
とを特徴とするパルス管冷凍機。
寒冷発生部、ガス圧縮機等で構成され、高圧のガスを作
動媒体として用いるパルス管冷凍機において、前記パル
ス管の高温端内部に設けられた磁性体と、高温端外部に
高温端冷却のために設けられた極低温流体容器と、同極
低温流体容器内に設けられた極低温流体で冷却される高
温超伝導材利用の超伝導マグネットと、前記磁性体に高
磁場を印加・除去する磁気冷凍機構とを具備してなるこ
とを特徴とするパルス管冷凍機。
【００１２】（２）．上記（１）記載のパルス管冷凍機
において、磁性体をパルス管の高温端内部に固定設置し
てなることを特徴とするパルス管冷凍機。
において、磁性体をパルス管の高温端内部に固定設置し
てなることを特徴とするパルス管冷凍機。
【００１３】（３）．上記（１）記載のパルス管冷凍機
において、磁性体をパルス管の高温端内部に管軸方向に
沿って移動可能に設置してなることを特徴とするパルス
管冷凍機。
において、磁性体をパルス管の高温端内部に管軸方向に
沿って移動可能に設置してなることを特徴とするパルス
管冷凍機。
【００１４】（４）．上記（３）記載のパルス管冷凍機
において、磁性体を筒状容器内に収納し、同容器をパル
ス管の高温端内部に設けた移動部に移動可能に収容して
なることを特徴とするパルス管冷凍機。
において、磁性体を筒状容器内に収納し、同容器をパル
ス管の高温端内部に設けた移動部に移動可能に収容して
なることを特徴とするパルス管冷凍機。
【００１５】
【作用】本発明は上記のように構成されるので次の作用
を有する。
を有する。
【００１６】（１）．上記（１）の構成にあってはパル
ス管の高温端内部に設けられた磁性体と、高温端外部に
設けた極低温流体容器内に、極低温流体で冷却される高
温超伝導材利用の超伝導マグネットと、前記磁性体に高
磁場を印加・除去する磁気冷凍機構とを備えるため、パ
ルス管冷凍機の放熱部の冷却用冷媒として従来の常温の
水にかわり極低温流体（液体水素、液体窒素など）が使
用されること、さらに高圧ガス（ヘリウム等）の断熱膨
張だけでなく、磁気冷凍法（断熱消磁法）も併せて利用
されることにより冷凍能力が飛躍的に増大し、かつ、効
率が向上する。
ス管の高温端内部に設けられた磁性体と、高温端外部に
設けた極低温流体容器内に、極低温流体で冷却される高
温超伝導材利用の超伝導マグネットと、前記磁性体に高
磁場を印加・除去する磁気冷凍機構とを備えるため、パ
ルス管冷凍機の放熱部の冷却用冷媒として従来の常温の
水にかわり極低温流体（液体水素、液体窒素など）が使
用されること、さらに高圧ガス（ヘリウム等）の断熱膨
張だけでなく、磁気冷凍法（断熱消磁法）も併せて利用
されることにより冷凍能力が飛躍的に増大し、かつ、効
率が向上する。
【００１７】（２）．上記（２）の構成にあっては上記
（１）の構成の磁性体をパルス管の高温端内部に固定設
置するため、超伝導マグネットの磁気制御のみによって
磁性体の吸・発熱を一意的に制御できる。
（１）の構成の磁性体をパルス管の高温端内部に固定設
置するため、超伝導マグネットの磁気制御のみによって
磁性体の吸・発熱を一意的に制御できる。
【００１８】（３）．上記（３）の構成にあっては上記
（１）の構成の磁性体をパルス管の高温端内部に管軸方
向に沿って移動可能に設置するため、作動媒体であるガ
スの高・低圧制御によって磁性体の上流側と下流側とに
圧力差が生じ、その圧力差で磁性体が移動し、その移動
によって磁性体と超伝導マグネットとの距離に遠近が生
じ、相応して生じる磁性体との磁気熱量効果により上記
（１），（２）と同様の作用を果たす。即ち、超伝導マ
グネットの磁場を格別変化させずに上記（１），（２）
と同様の作用を奏することができる。
（１）の構成の磁性体をパルス管の高温端内部に管軸方
向に沿って移動可能に設置するため、作動媒体であるガ
スの高・低圧制御によって磁性体の上流側と下流側とに
圧力差が生じ、その圧力差で磁性体が移動し、その移動
によって磁性体と超伝導マグネットとの距離に遠近が生
じ、相応して生じる磁性体との磁気熱量効果により上記
（１），（２）と同様の作用を果たす。即ち、超伝導マ
グネットの磁場を格別変化させずに上記（１），（２）
と同様の作用を奏することができる。
【００１９】（４）．上記（４）の構成にあっては上記
（３）の構成の磁性体を筒状容器内に収納し、同容器を
パルス管の高温端内部の移動部に移動可能に収容した構
成を備えるため、たとえば磁性体自身は焼結合金のよう
な不定形体であってもそれを筒状容器に充填することに
よって定形体として恰もピストン状に高・低圧の作動媒
体の圧力支配に追随できる。
（３）の構成の磁性体を筒状容器内に収納し、同容器を
パルス管の高温端内部の移動部に移動可能に収容した構
成を備えるため、たとえば磁性体自身は焼結合金のよう
な不定形体であってもそれを筒状容器に充填することに
よって定形体として恰もピストン状に高・低圧の作動媒
体の圧力支配に追随できる。
【００２０】
【実施例】請求項１，２の発明に係る第１実施例を図１
〜図２により説明する。
〜図２により説明する。
【００２１】図１は本実施例に係るパルス管冷凍機の模
式的構成図、図２は磁気冷凍法を説明する磁気冷凍サイ
クル線図である。
式的構成図、図２は磁気冷凍法を説明する磁気冷凍サイ
クル線図である。
【００２２】尚、従来例（図４）と同一の構成部材には
同一符号を付し、説明を省略する。
同一符号を付し、説明を省略する。
【００２３】図１において、２１はパルス管１０の高温
端内部に設置された磁性体で粒径数mm程度の細粒状で充
填されている（ガスが通過して磁性体と熱交換が可能な
構造となっている。）。２２は液体水素、液体窒素など
を入れる極低温容器で、極低温容器２２の底部は放熱部
２５と兼用してパルス管の高温端部と熱的に接触してお
り、高温端部の冷却が可能な構造となっている。磁性体
２１の代表的なものとして、極低温流体が液体水素の場
合（温度２０Ｋレベル）はＧＧＧ（Ｇｄ3 Ｇａ 5 Ｏ12、
ガドリニウム・ガリウム・ガーネット）等がある。
端内部に設置された磁性体で粒径数mm程度の細粒状で充
填されている（ガスが通過して磁性体と熱交換が可能な
構造となっている。）。２２は液体水素、液体窒素など
を入れる極低温容器で、極低温容器２２の底部は放熱部
２５と兼用してパルス管の高温端部と熱的に接触してお
り、高温端部の冷却が可能な構造となっている。磁性体
２１の代表的なものとして、極低温流体が液体水素の場
合（温度２０Ｋレベル）はＧＧＧ（Ｇｄ3 Ｇａ 5 Ｏ12、
ガドリニウム・ガリウム・ガーネット）等がある。
【００２４】２３は液体水素（沸点２０Ｋ）、液体窒素
（沸点７７Ｋ）などの極低温流体、２４は絶対温度９０
Ｋ（−１８３℃）付近で超伝導となるセラミックス系の
高温超伝導材を利用した超伝導マグネットを示す。２６
は極低温流体の蒸発ガスを逃がすための逃気管を示す。
（沸点７７Ｋ）などの極低温流体、２４は絶対温度９０
Ｋ（−１８３℃）付近で超伝導となるセラミックス系の
高温超伝導材を利用した超伝導マグネットを示す。２６
は極低温流体の蒸発ガスを逃がすための逃気管を示す。
【００２５】図２に示す磁気冷凍法とは磁性体に強い外
磁場を加えた場合に磁性体が発熱し、その加えた外磁場
を除くと吸熱する磁気熱量効果と呼ばれる現象を利用し
たものである。即ち、図２においてサイクルを図に示す
１〜４の数で説明すると １→２：（等温磁化過程）等温（Ｔ1 一定）という条件
下で磁場をＨ1 からＨ2まで増加して磁性体を磁化す
る。磁性体は磁化される過程で磁気エントロピー（Δ
Ｓ）を高熱源に放出する（磁性体の放熱量Ｑ1 ）。
磁場を加えた場合に磁性体が発熱し、その加えた外磁場
を除くと吸熱する磁気熱量効果と呼ばれる現象を利用し
たものである。即ち、図２においてサイクルを図に示す
１〜４の数で説明すると １→２：（等温磁化過程）等温（Ｔ1 一定）という条件
下で磁場をＨ1 からＨ2まで増加して磁性体を磁化す
る。磁性体は磁化される過程で磁気エントロピー（Δ
Ｓ）を高熱源に放出する（磁性体の放熱量Ｑ1 ）。
【００２６】高熱源とは図１では極低温流体２３に相当
する。 ２→３：（断熱消磁過程）磁性体と外界との熱交換を遮
断（断熱）した後、磁場をＨ2 からＨ3 まで下げる。こ
の過程で磁性体の温度は下がる。（Ｔ1→Ｔ2 ） ３→４：（等温消磁過程）磁性体と低熱源（冷却しよう
とする物質）との間で熱交換を行わせる過程（等温）で
磁場をＨ3 からＨ4 まで減少していく。
する。 ２→３：（断熱消磁過程）磁性体と外界との熱交換を遮
断（断熱）した後、磁場をＨ2 からＨ3 まで下げる。こ
の過程で磁性体の温度は下がる。（Ｔ1→Ｔ2 ） ３→４：（等温消磁過程）磁性体と低熱源（冷却しよう
とする物質）との間で熱交換を行わせる過程（等温）で
磁場をＨ3 からＨ4 まで減少していく。
【００２７】（磁性体の吸熱量Ｑ2 ）低熱源とは図１で
はパルス管内部で断熱膨張を行うガスに相当する。 ４→１：（断熱磁化過程）磁場をＨ4 からＨ1 まで断熱
の条件下で増加する過程で、この過程で磁性体の温度が
Ｔ1 まで上昇する。
はパルス管内部で断熱膨張を行うガスに相当する。 ４→１：（断熱磁化過程）磁場をＨ4 からＨ1 まで断熱
の条件下で増加する過程で、この過程で磁性体の温度が
Ｔ1 まで上昇する。
【００２８】以上のような磁気カルノーサイクルをくり
返すことにより、高温源（温度Ｔ1の極低温流体）には
Ｑ1 の熱量を放熱し、低熱源（温度Ｔ2 の断熱膨張を行
うガス）にはＱ2 の熱量が吸熱され、従って断熱膨張以
外にＱ2 の寒冷がさらに発生することになる。カルノー
サイクルを採用しているため理論的にも寒冷発生効率は
高くなっている。
返すことにより、高温源（温度Ｔ1の極低温流体）には
Ｑ1 の熱量を放熱し、低熱源（温度Ｔ2 の断熱膨張を行
うガス）にはＱ2 の熱量が吸熱され、従って断熱膨張以
外にＱ2 の寒冷がさらに発生することになる。カルノー
サイクルを採用しているため理論的にも寒冷発生効率は
高くなっている。
【００２９】次に図１の構成での本実施例の作用につい
て説明する。
て説明する。
【００３０】ガスの圧縮機１で高圧となったヘリウムガ
スは高圧ガス配管２、ロータリーバルブ４、ガス配管５
および蓄冷器６を通って極低温流体２３の温度レベル以
下（液体水素の場合２０Ｋ以下、液体窒素の場合７７Ｋ
以下）まで冷却された後、ガス配管７、焼結金属部９を
通ってパルス管１０に入る。この時、最初パルス管１０
内部にあった低圧ヘリウムガスはパルス管１０下部より
入って来た高圧ヘリウムガスにより圧縮されながらパル
ス管１０上部（高温端）へ移動する。これと並行して超
伝導マグネット２４から発生する磁場をＨ1 からＨ2 に
増加して（図２の１→２）、磁性体２１を磁化し、磁性
体２１から発生する熱量Ｑ1 はパルス管１０内部を上部
へ移動するヘリウムガスにより放熱される。
スは高圧ガス配管２、ロータリーバルブ４、ガス配管５
および蓄冷器６を通って極低温流体２３の温度レベル以
下（液体水素の場合２０Ｋ以下、液体窒素の場合７７Ｋ
以下）まで冷却された後、ガス配管７、焼結金属部９を
通ってパルス管１０に入る。この時、最初パルス管１０
内部にあった低圧ヘリウムガスはパルス管１０下部より
入って来た高圧ヘリウムガスにより圧縮されながらパル
ス管１０上部（高温端）へ移動する。これと並行して超
伝導マグネット２４から発生する磁場をＨ1 からＨ2 に
増加して（図２の１→２）、磁性体２１を磁化し、磁性
体２１から発生する熱量Ｑ1 はパルス管１０内部を上部
へ移動するヘリウムガスにより放熱される。
【００３１】磁性体２１から放熱された熱量Ｑ1 と最
初、パルス管１０内部にあった低圧ヘリウムガスの圧縮
により発生する圧縮熱は放熱部２５を介して極低温流体
へ吸熱される。次に超伝導マグネット２４の磁場をＨ2
からＨ3 まで下げ、磁性体２１の温度を下げる（図２の
２→３）。
初、パルス管１０内部にあった低圧ヘリウムガスの圧縮
により発生する圧縮熱は放熱部２５を介して極低温流体
へ吸熱される。次に超伝導マグネット２４の磁場をＨ2
からＨ3 まで下げ、磁性体２１の温度を下げる（図２の
２→３）。
【００３２】さらに、ロータリバルブ４が低圧側に切り
替わると、パルス管１０内部のガスは断熱膨張して温度
が下がる。断熱膨張したガスはさらに温度の低い磁性体
２１と熱交換して低温となり、寒冷発生部８の温度も低
下して寒冷を発生する。この時、超伝導マグネット２４
の磁場をＨ3 からＨ4 まで減少させる（図２の３→
４）。低圧となったヘリウムガスはガス配管７を通り、
蓄冷器６で寒冷を回収されて常温となる。常温となった
低圧ヘリウムガスはガス配管５、ロータリバルブ４、低
圧ガス配管３を通って圧縮機１へ戻る。この時、超伝導
マグネット２４の磁場をＨ4 からＨ1 まで増加させ、磁
性体２１の温度が上昇する（図２の４→１）。以上で１
サイクルを完結する。
替わると、パルス管１０内部のガスは断熱膨張して温度
が下がる。断熱膨張したガスはさらに温度の低い磁性体
２１と熱交換して低温となり、寒冷発生部８の温度も低
下して寒冷を発生する。この時、超伝導マグネット２４
の磁場をＨ3 からＨ4 まで減少させる（図２の３→
４）。低圧となったヘリウムガスはガス配管７を通り、
蓄冷器６で寒冷を回収されて常温となる。常温となった
低圧ヘリウムガスはガス配管５、ロータリバルブ４、低
圧ガス配管３を通って圧縮機１へ戻る。この時、超伝導
マグネット２４の磁場をＨ4 からＨ1 まで増加させ、磁
性体２１の温度が上昇する（図２の４→１）。以上で１
サイクルを完結する。
【００３３】この冷凍サイクルを間欠的に繰り返すこと
により、極低温流体２３よりはるかに低温の寒冷を効率
良く継続して発生することができる。
により、極低温流体２３よりはるかに低温の寒冷を効率
良く継続して発生することができる。
【００３４】（第２実施例）請求項３，４の発明に係る
第２実施例を図２、図３により、説明する。図３は本実
施例に係るパルス管冷凍機の模式的構成図である。第１
実施例と本実施例の特徴的な差違は第１実施例では磁性
体２１が固定であったのに対し、本実施例で磁性体２１
ａが上下に移動する点である。
第２実施例を図２、図３により、説明する。図３は本実
施例に係るパルス管冷凍機の模式的構成図である。第１
実施例と本実施例の特徴的な差違は第１実施例では磁性
体２１が固定であったのに対し、本実施例で磁性体２１
ａが上下に移動する点である。
【００３５】図３において２１ａはパルス管１０の高温
端内部に設置された上下に移動可能な磁性体で粒径数mm
程度の細粒状で充填されている。（ガスが通過して磁性
体と熱交換が可能な構造となっている。）２８は磁性体
２１ａを収納する円筒状の容器、２９は磁性体２１ａを
収納する円筒状の容器２８が上下に移動する部分として
パルス管１０に設けた移動部であり、上部、下部の段差
（直径の変化）は円筒状の容器２８が移動する際のスト
ッパーとなっている。２７は円筒状の容器２８と移動部
２９の隙間をシーリングするためのシールであり、材質
として極低温でも弾性を保持するテフロン等が使用さ
れ、容器２８が滑らかに上下に移動できる構造となって
いる。
端内部に設置された上下に移動可能な磁性体で粒径数mm
程度の細粒状で充填されている。（ガスが通過して磁性
体と熱交換が可能な構造となっている。）２８は磁性体
２１ａを収納する円筒状の容器、２９は磁性体２１ａを
収納する円筒状の容器２８が上下に移動する部分として
パルス管１０に設けた移動部であり、上部、下部の段差
（直径の変化）は円筒状の容器２８が移動する際のスト
ッパーとなっている。２７は円筒状の容器２８と移動部
２９の隙間をシーリングするためのシールであり、材質
として極低温でも弾性を保持するテフロン等が使用さ
れ、容器２８が滑らかに上下に移動できる構造となって
いる。
【００３６】その他の構成は第１実施例と同様である。
【００３７】次に第２実施例の作用について説明する。
【００３８】図３の磁性体２１ａの位置「下死点」（実
線）と「上死点」（２点鎖線）は図２のサイクル線図の
「２」と「４」に相当する。
線）と「上死点」（２点鎖線）は図２のサイクル線図の
「２」と「４」に相当する。
【００３９】ガス圧縮機１で高圧となったヘリウムガス
は高圧ガス配管２、ロータリバルブ４、ガス配管５およ
び蓄冷器６を通って極低温流体２３の温度以下（液体水
素の場合２０Ｋ以下、液体窒素の場合７７Ｋ以下）まで
冷却された後、ガス配管７、焼結金属部９を通ってパル
ス管１０に入る。この時、最初パルス管１０内部にあっ
た低圧ヘリウムガスはパルス管１０下部より入って来た
高圧ヘリウムガスにより圧縮されながらパルス管１０上
部（高温部）へ移動する。この時磁性体２１ａは図３の
下死点上方（上死点と下死点の途中で磁場Ｈ1 の位置）
から下降して図３に示す下死点まで移動する。移動によ
り磁場がＨ1 からＨ2 に増加して（図２の１→２）磁性
体２１ａを磁化し、磁性体２１ａから発生する熱量Ｑ1
はパルス管１０内部を上部へ移動するヘリウムガスによ
り放熱される。磁性体２１ａから放熱された熱量Ｑ1 と
最初パルス管１０内部にあった低圧ヘリウムガスの圧縮
により発生する圧縮熱は放熱部２５を介して極低温流体
２３へ吸熱される。次に高圧ヘリウムガスの供給を完了
する直前の図３の状態では、磁性体２１ａの上流側と下
流側（図３では磁性体の下側と上側）で圧力差（磁性体
２１ａの圧損により発生する圧力差）が存在し、磁性体
２１ａは下流側（図３では上方、即ち上死点）へ移動を
開始する。磁性体２１ａが上方へ移動すると磁場が減少
し、（Ｈ2 →Ｈ3 ）磁性体２１ａの温度が下がる。（Ｔ
1 →Ｔ2 、図２の２→３）この間（２→３）ではロータ
リバルブ４から高圧ヘリウムガスの供給は殆んどない状
態である。
は高圧ガス配管２、ロータリバルブ４、ガス配管５およ
び蓄冷器６を通って極低温流体２３の温度以下（液体水
素の場合２０Ｋ以下、液体窒素の場合７７Ｋ以下）まで
冷却された後、ガス配管７、焼結金属部９を通ってパル
ス管１０に入る。この時、最初パルス管１０内部にあっ
た低圧ヘリウムガスはパルス管１０下部より入って来た
高圧ヘリウムガスにより圧縮されながらパルス管１０上
部（高温部）へ移動する。この時磁性体２１ａは図３の
下死点上方（上死点と下死点の途中で磁場Ｈ1 の位置）
から下降して図３に示す下死点まで移動する。移動によ
り磁場がＨ1 からＨ2 に増加して（図２の１→２）磁性
体２１ａを磁化し、磁性体２１ａから発生する熱量Ｑ1
はパルス管１０内部を上部へ移動するヘリウムガスによ
り放熱される。磁性体２１ａから放熱された熱量Ｑ1 と
最初パルス管１０内部にあった低圧ヘリウムガスの圧縮
により発生する圧縮熱は放熱部２５を介して極低温流体
２３へ吸熱される。次に高圧ヘリウムガスの供給を完了
する直前の図３の状態では、磁性体２１ａの上流側と下
流側（図３では磁性体の下側と上側）で圧力差（磁性体
２１ａの圧損により発生する圧力差）が存在し、磁性体
２１ａは下流側（図３では上方、即ち上死点）へ移動を
開始する。磁性体２１ａが上方へ移動すると磁場が減少
し、（Ｈ2 →Ｈ3 ）磁性体２１ａの温度が下がる。（Ｔ
1 →Ｔ2 、図２の２→３）この間（２→３）ではロータ
リバルブ４から高圧ヘリウムガスの供給は殆んどない状
態である。
【００４０】次に磁性体２１ａが下死点から上死点へ移
動する途中、即ち磁場の強さがＨ3となった時点で、ロ
ータリバルブ４は低圧側に切り替わり、パルス管１０内
部の高圧ヘリウムガスは断熱膨張して温度が下がる。磁
性体２１ａは慣性力により上死点側へ移動を続け、磁場
の減少（Ｈ3 →Ｈ4 ）によりさらに低温となる。（図２
の３→４）断熱膨張したヘリウムガスは磁性体２１ａと
熱交換してさらに温度が下がり、寒冷発生部８の温度も
低下して寒冷Ｑ2 を発生する。断熱膨張して低圧となっ
たヘリウムガスはガス配管７を通り、蓄冷器６で寒冷を
回収されて常温となる。磁性体２１ａが上死点に到達し
た時点でパルス管１０内部は殆んど低圧ヘリウムガスで
満されているが、磁性体２１ａの上下流で圧力差（圧損
による圧力差）が存在し、磁性体２１ａは下死点方向
（図３の下側方向）へ移動を開始する。磁性体２１ａが
移動（下降）するにつれ、磁場が増加し（Ｈ4 →
Ｈ1 ）、磁性体２１ａの温度も増加する（Ｔ2 →Ｔ1 、
図２の４→１）。
動する途中、即ち磁場の強さがＨ3となった時点で、ロ
ータリバルブ４は低圧側に切り替わり、パルス管１０内
部の高圧ヘリウムガスは断熱膨張して温度が下がる。磁
性体２１ａは慣性力により上死点側へ移動を続け、磁場
の減少（Ｈ3 →Ｈ4 ）によりさらに低温となる。（図２
の３→４）断熱膨張したヘリウムガスは磁性体２１ａと
熱交換してさらに温度が下がり、寒冷発生部８の温度も
低下して寒冷Ｑ2 を発生する。断熱膨張して低圧となっ
たヘリウムガスはガス配管７を通り、蓄冷器６で寒冷を
回収されて常温となる。磁性体２１ａが上死点に到達し
た時点でパルス管１０内部は殆んど低圧ヘリウムガスで
満されているが、磁性体２１ａの上下流で圧力差（圧損
による圧力差）が存在し、磁性体２１ａは下死点方向
（図３の下側方向）へ移動を開始する。磁性体２１ａが
移動（下降）するにつれ、磁場が増加し（Ｈ4 →
Ｈ1 ）、磁性体２１ａの温度も増加する（Ｔ2 →Ｔ1 、
図２の４→１）。
【００４１】以上で１サイクルを完了する。
【００４２】この冷凍サイクルを間欠的に繰り返すこと
により、極低温流体２３よりはるかに低温の寒冷を効率
良く継続して発生することができる。
により、極低温流体２３よりはるかに低温の寒冷を効率
良く継続して発生することができる。
【００４３】以上の通り、本実施例によれば超伝導マグ
ネット２４の磁場を変化させる必要がなく、磁場一定の
状態で磁性体２１ａとの距離により印加磁場を変化させ
ることができる。仮りに超伝導マグネット２４の発生磁
場を変化させるにはパルスマグネットが必要となるが、
パルスマグネットは電気系のシステムが複雑となり、高
価となり、また、交流損失があるため、エネルギ効率が
悪い、という問題を随伴するが、本実施例では超伝導マ
グネット２４の磁場を一定とすればよいので電気系のシ
ステムが簡単となり、安価となる、という利点がある。
ネット２４の磁場を変化させる必要がなく、磁場一定の
状態で磁性体２１ａとの距離により印加磁場を変化させ
ることができる。仮りに超伝導マグネット２４の発生磁
場を変化させるにはパルスマグネットが必要となるが、
パルスマグネットは電気系のシステムが複雑となり、高
価となり、また、交流損失があるため、エネルギ効率が
悪い、という問題を随伴するが、本実施例では超伝導マ
グネット２４の磁場を一定とすればよいので電気系のシ
ステムが簡単となり、安価となる、という利点がある。
【００４４】
【発明の効果】本発明は上記のように構成されるので次
の効果を有する。
の効果を有する。
【００４５】即ち、請求項１，２の発明ではパルス管の
高温端内部に磁性体を固定し、高温端外部には高温端冷
却のための極低温流体容器を設け、前記極低温流体容器
内には極低温流体（例えば、液体水素、液体窒素など）
で冷却される高温超伝導材利用の超伝導マグネットを設
置して前記磁性体に高磁場を印加したり、除去できるよ
うにしたため、発生寒冷温度を極低温流体温度よりはる
かに低く実現すると共に磁気冷凍効果と併せて効率の良
い寒冷発生ができる。
高温端内部に磁性体を固定し、高温端外部には高温端冷
却のための極低温流体容器を設け、前記極低温流体容器
内には極低温流体（例えば、液体水素、液体窒素など）
で冷却される高温超伝導材利用の超伝導マグネットを設
置して前記磁性体に高磁場を印加したり、除去できるよ
うにしたため、発生寒冷温度を極低温流体温度よりはる
かに低く実現すると共に磁気冷凍効果と併せて効率の良
い寒冷発生ができる。
【００４６】また、請求項３，４の発明では磁性体が筒
状容器に収納され、パルス管の移動部にあって、ピスト
ンの如くに作動媒体（ガス）によって上下移動し、超伝
導マグネットとの距離を変化させて磁気熱量効果を生じ
させ、上記請求項１，２と同等の効果を生じさせること
ができる。
状容器に収納され、パルス管の移動部にあって、ピスト
ンの如くに作動媒体（ガス）によって上下移動し、超伝
導マグネットとの距離を変化させて磁気熱量効果を生じ
させ、上記請求項１，２と同等の効果を生じさせること
ができる。
【００４７】従って、超伝導マグネットの磁場変化のた
めの格別のパルスマグネット等を用意する必要がない。
めの格別のパルスマグネット等を用意する必要がない。
【図１】本発明の一実施例に係るパルス管冷凍機の模式
的構成図、
的構成図、
【図２】上記実施例のカルノー型磁気冷凍サイクル線
図、
図、
【図３】本発明の第２実施例に係るパルス管冷凍機の模
式的構成図、
式的構成図、
【図４】従来のパルス管冷凍機を示す模式的構成図であ
る。
る。
１ 圧縮機 ４ ロータリバルブ（ガス分配器） ６ 蓄冷器 ８ 寒冷発生部 １０ パルス管 ２１，２１ａ 磁性体 ２２ 極低温容器 ２３ 極低温流体 ２４ 超伝導マグネット ２５ 放熱部 ２８ 容器 ２９ 移動部
Claims (4)
- 【請求項１】 蓄冷器、パルス管、ガス分配器、寒冷発
生部、ガス圧縮機等で構成され、高圧のガスを作動媒体
として用いるパルス管冷凍機において、前記パルス管の
高温端内部に設けられた磁性体と、高温端外部に高温端
冷却のために設けられた極低温流体容器と、同極低温流
体容器内に設けられた極低温流体で冷却される高温超伝
導材利用の超伝導マグネットと、前記磁性体に高磁場を
印加・除去する磁気冷凍機構とを具備してなることを特
徴とするパルス管冷凍機。 - 【請求項２】 請求項１記載のパルス管冷凍機におい
て、磁性体をパルス管の高温端内部に固定設置してなる
ことを特徴とするパルス管冷凍機。 - 【請求項３】 請求項１記載のパルス管冷凍機におい
て、磁性体をパルス管の高温端内部に管軸方向に沿って
移動可能に設置してなることを特徴とするパルス管冷凍
機。 - 【請求項４】 請求項３記載のパルス管冷凍機におい
て、磁性体を筒状容器内に収納し、同容器をパルス管の
高温端内部に設けた移動部に移動可能に収容してなるこ
とを特徴とするパルス管冷凍機。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15096194A JP3372350B2 (ja) | 1994-02-02 | 1994-07-01 | パルス管冷凍機 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6-10887 | 1994-02-02 | ||
| JP1088794 | 1994-02-02 | ||
| JP15096194A JP3372350B2 (ja) | 1994-02-02 | 1994-07-01 | パルス管冷凍機 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07260270A true JPH07260270A (ja) | 1995-10-13 |
| JP3372350B2 JP3372350B2 (ja) | 2003-02-04 |
Family
ID=26346249
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15096194A Expired - Fee Related JP3372350B2 (ja) | 1994-02-02 | 1994-07-01 | パルス管冷凍機 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3372350B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010007881A (ja) * | 2008-06-24 | 2010-01-14 | Fuji Electric Systems Co Ltd | 冷凍装置及び荷電粒子線装置 |
| CN105222387A (zh) * | 2015-09-18 | 2016-01-06 | 同济大学 | 一种脉管膨胀机 |
-
1994
- 1994-07-01 JP JP15096194A patent/JP3372350B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010007881A (ja) * | 2008-06-24 | 2010-01-14 | Fuji Electric Systems Co Ltd | 冷凍装置及び荷電粒子線装置 |
| CN105222387A (zh) * | 2015-09-18 | 2016-01-06 | 同济大学 | 一种脉管膨胀机 |
| CN105222387B (zh) * | 2015-09-18 | 2018-02-09 | 同济大学 | 一种脉管膨胀机 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3372350B2 (ja) | 2003-02-04 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
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