JPH0784957B2 - 低温蓄熱器 - Google Patents

低温蓄熱器

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JPH0784957B2
JPH0784957B2 JP13660289A JP13660289A JPH0784957B2 JP H0784957 B2 JPH0784957 B2 JP H0784957B2 JP 13660289 A JP13660289 A JP 13660289A JP 13660289 A JP13660289 A JP 13660289A JP H0784957 B2 JPH0784957 B2 JP H0784957B2
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陽一 東海
政司 佐橋
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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
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/003Gas cycle refrigeration machines characterised by construction or composition of the regenerator

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  • Hard Magnetic Materials (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、磁性体を蓄熱物質として充填した低温蓄熱器
に関する。
(従来の技術) 近年、超電導技術の発展は著しく、その応用分野が拡大
するに伴って小型で高性能の冷凍機の開発が不可欠にな
ってきている。かかる小型冷凍機は、軽量・小型で熱効
率の高いことが要求されている。
このようなことから、気体冷凍に代わる磁気熱量効果を
用いた熱サイクル(例えばカルノー、エリクソン)によ
る新たな冷凍方式(磁気冷凍)及びスターリングサイク
ルによる気体冷凍の高性能化の研究が盛んに行われてい
る。
前記スターリング等の熱サイクルによる気体冷凍機の高
性能化を図るには、蓄熱器、圧縮部及び膨張部の改良が
重要な課題となっている。特に、蓄熱器を構成する蓄熱
材料はその性能を大きく左右する。かかる蓄熱材料は、
銅や鉛の比熱が著しく低下する20K以下においても高い
比熱を有する材料が要望されており、これについても各
種の磁性体が検討されている。
また、前記蓄熱器は冷凍機に組込まれて使用されること
が多く、例えばスターリングサイクル作動する装置、ヴ
ィルマイアーサイクルで作動する装置或いはギフォード
−マクマホン型の装置に用いられている。これらの装置
においては、圧縮された作動媒質が蓄熱器内を一方向に
流れてその熱エネルギーを充填物質に供給し、ここで膨
張した作動媒質が反対方向に流れ、充填物質から熱エネ
ルギーを受取る。こうした過程で復熱効果が良好になる
に伴って作動媒質サイクルの熱効率が良好となり、一層
低い温度を実現することが可能となる。
ところで、低温蓄熱器においては従来より充填物質を鉛
又は青銅のボール、或いは銅、燐青銅の金網層から形成
している。しかしながら、かかる充填物質は比熱が20K
以下の極低温で過度に小さいため、上述した冷凍機での
作動に際して極低温下で1サイクル毎に充填物質に充分
な熱エネルギーを貯蔵することができず、かつ作動媒質
が充填物質から充分な熱エネルギーを受取ることができ
なくなる。その結果、前記充填物質を有する蓄熱器を組
込んだ冷凍機では極低温に到達させることができない問
題があった。
そこで、上記蓄熱器の極低温での復熱特性を向上する目
的で、充填物質として20K以下に比熱の最大値を有し、
かつその値が単位体積当りの比熱(体積比熱)で充分に
大きいR・Rhの金属間化合物(R;Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、
Er、Tm、Yb)を用いることが提案されている(特開昭51
−52378号)。しかしながら、かかる充填物質は一構成
成分としてRh(ロジウム)を用い、極めて高価であるた
め、数百グラムオーダで使用する蓄熱器の充填物質とし
ては実用化の点で問題である。また、前記金属間化合物
からなる充填物質は脆弱であるため、作動時に数十ミク
ロン以下の微粉末を発生し、ヘリウムガスシール等を阻
害する問題があった。
(発明が解決しようとする課題) 本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたも
ので、液体窒素温度以下のような極低温で優れた磁気熱
量効果を示し、かつ優れた熱伝達特性、復熱特性を有す
る比較的安価で、更に機械的特性の優れた高信頼性の磁
性体を蓄熱物質として充填された低温蓄熱器を提供しよ
うとするものである。
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 本発明の低温蓄熱器は、2種以上の構成物質からなる多
相体であって、主相が希土類金属の金属間化合物、副相
が希土類金属もしくはその固溶体である磁性体を蓄熱物
質として充填したことを特徴とするものである。
上記多相体を構成する希土類金属としては、例えばY、
La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、T
m、Ybから選ばれる少なくとも1種のものを挙げること
ができる。
上記主相を構成する希土類金属と金属間化合物を生成す
る金属としては例えばNi、Co、Cuを挙げることができ
る。この金属間化合物としては、Er3Niに代表されるFe3
C型斜方晶、Pr3Alに代表されるNi3Sn型六方晶、もしく
はP3Tlに代表されるCu3Au型立方晶等が挙げられる。ま
た、Ni、Co、Cuの一部をB、Al、Ga、In、Si等の非磁性
金属及びRh等の貴金属で置換してもよい。
上記多相体は、多数の粒子等の形で蓄熱器内に充填され
るが、個々の粒子の表面が副相である希土類金属で覆わ
れている等の形態で副相が表面に優先的に存在すること
が特に望ましい。副相を構成する希土類金属もしくはそ
の固溶体を、例えば希土類金属の単体、希土類−希土類
の固溶体、多相体中に含まれる元素(不純物を含む)と
の固溶体等を挙げることができる。
上記多相体を構成する主相と副相の割合は、主相70〜9
9.99重量%、副相0.01〜30重量%とすることが望まし
い。前記多相体の各相の割合を限定した理由は、副相の
割合を0.01重量%未満にすると機械的強度の高い多相体
(磁性体)を得ることが困難となり、一方副相の割合が
30重量%を越えると低温での比熱特性が低下する恐れが
あるからである。より好ましい範囲は、主相80〜99.9重
量%、副相0.1〜20重量%である。
上記多相体からなる磁性体は、平均粒径又は繊維径が1
〜2000μmの形状にすることが望ましい。この理由は、
その平均粒径又は繊維径を1μm未満にすると蓄熱器に
充填した際、高圧作動媒質(例えばヘリウムガス)と共
に蓄熱器の外部に流出し易くなり、かといってその平均
粒径又は繊維径が2000μmを越えると磁性体の熱伝導度
が(磁性体)/(作動媒質)間の熱伝達の律速要因とな
り、熱伝達性が著しく低下して復熱効果の低下を招く恐
れがあるからである。
上記磁性体は、三次元方向に規則的に充填して均一な熱
伝達性及び圧力損失の低減化を達成する観点から、特に
前記平均粒径の範囲にある球状、前記繊維径の範囲
にある繊維状の形状とするとこが望ましい。
また、本発明に係わる蓄熱物質は例えば合金をR3M(R;
希土類金属、M;金属、半金属)の金属間化合物組成より
Rが多い組成とすることによりR3Mの金属間化合物を生
成すると共にRを析出して多相体を作製し、この多相体
を蓄熱物質として蓄冷容器に充填することにより得るこ
とができる。前記Rの析出の際に熱処理を採用してもよ
いし、或いは該方法に限らず別の方法も適用できる。
上記RとMが例えばEr、Niの時の状態図を第1図に示
す。かかるEr−Niの組成系において、Niを25atom%未満
のEr−Ni系合金を用い、例えば700℃以上で熱処理を施
すことによりEr3Niの金属間化合物結晶が生成されると
共に、Erが析出凝集して多相体が造られる。
(作用) 本発明に使用する2種以上の構成物質からなる多相体で
あって、主相が希土類金属の金属間化合物、副相が希土
類金属である磁性体、10mW/cm K以上の優れた熱伝導度
を有し、かつ該磁性体を所定の粒径又は繊維径にして蓄
熱物質として充填することによって液体窒素温度以下
(特に40K以下)のような極低温で優れた格子比熱と磁
気熱量効果を示し、かつ優れた熱伝達特性、復熱特性を
有する比較的安価な低温蓄熱器を得ることができる。ま
た、前記多相体からなる磁性体は強靭性等の機械的特性
に優れ、特に耐磨耗性、耐磨滅性に優れているため、該
磁性体を蓄熱物質として充填して構成された低温蓄熱器
を蓄冷方式の冷凍機(GM、スターリング等)を運転した
場合、その優れた蓄冷特性を1万時間以上に亘って維持
できる。
(実施例) 以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
まず、アーク溶解炉を用いて25atom%Ni、残部Erの組成
比の合金、20atom%Ni、残部Erの組成比の合金を夫々調
製し、これら合金を700℃、24時間の均一熱処理を施し
た後、ブラウンミルで粉砕、分級して100〜200μmの粉
砕粉を作製した。つづいて、これらの粉砕粉200gを夫々
アルゴンガス雰囲気中にてプラズマスプレーすることに
より2種の磁性体を製造した。なお、このプラズマスプ
レーでの最終到達アルゴンガス圧は1.8気圧であった。
得られた2種の磁性体をSEMで観察したところ、平均粒
径が40〜100μmの球状体であることが確認された。
また、得られた各球状磁性体をX線回折にて同定した。
その結果、25atom%Ni、残部Erの組成比においてはEr3N
i(Fe3C型斜方晶)単相の回折パターンが得られるのみ
であった。これに対し、20atom%Ni、残部Erの組成比に
おいては副相であるErと主相であるEr3Niの回折パター
ンが得られ、かつその断面SEM象により表面にErが富ん
だ層が形成されていることが確認された。
更に、上記2種の球状磁性体(平均粒径100〜350μm)
をフェノール樹脂製の蓄冷容器に充填(充填率;63%)
した後、熱容量25J/Kのヘリウムガスを3g/secの質量流
量、16atmのガス圧の条件で供給するGM冷凍サイクルを
行い、て蓄冷効率の経時変化を測定した。その結果、25
atom%Ni、残部Erの組成比の球状磁性体を充填した蓄冷
器では同一平均粒径、充填率とした球状鉛(比較例)に
比べて40Kから4Kの温度域において効率が初期値として
8倍以上向上することが確認されたが、経時劣化が著し
かった。これに対し、20atom%Ni、残部Erの組成比の球
状磁性体(二相構造)では10000時間を越えてもその初
期特性が劣化しないことが確認された。
なお、上記実施例ではEr−Ni系の磁性体について説明し
たが、他の希土類系でも同様な結果が得られた。
[発明の効果] 以上詳述した如く、本発明によれば液体窒素温度以下の
ような極低温(特に40K以下)で優れた熱量効果を示
し、かつ優れた熱伝達特性、復熱特性、機械的特性を有
する比較的安価で信頼製の高い磁性体を蓄熱物質として
充填された低温蓄熱器を提供でき、ひいてはかかる低温
蓄熱器により長時間に亘って初期特性の劣化のないの運
転が可能な8K、4K級のGM冷凍機を実現できる等顕著な効
果を奏する。また、特に磁性体を所定の平均粒径の球状
や所定の繊維径の繊維状とすることによって、三次元方
向に規則的に充填でき、充填率、ヘリウムガス等の作動
媒質との熱伝達特性をより一層向上され、かつ圧力損失
の低減化を達成した低温蓄熱器を得ることが可能とな
る。更に、既述した優れた特性を有する低温蓄熱器を簡
単に製造し得る方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は各種のEr−Ni系金属間化合物を示す状態図であ
る。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】磁性体を蓄熱物質として充填した低温蓄熱
    器において、前記蓄熱物質は2種以上の構成物質からな
    る多相体であって、主相が希土類金属の金属間化合物、
    副相が主相より高濃度の希土類金属を含む相であること
    を特徴とする低温蓄熱器。
  2. 【請求項2】主相がFe3C型斜方晶、Ni3Sn型六方晶もし
    くはCu3Au型立方晶の希土類金属間化合物であることを
    特徴とする請求項1記載の低温蓄熱器。
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CH693284A5 (de) * 1997-11-26 2003-05-15 Albert Furrer Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen durch Aufhebungeiner Kristallfeldentartung.
US6334909B1 (en) 1998-10-20 2002-01-01 Kabushiki Kaisha Toshiba Cold-accumulating material and cold-accumulating refrigerator using the same

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