JPS59183264A

JPS59183264A - 連続磁気冷凍装置

Info

Publication number: JPS59183264A
Application number: JP5701483A
Authority: JP
Inventors: 裕渡辺
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1983-04-01
Filing date: 1983-04-01
Publication date: 1984-10-18

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（発明の技術分野）本発明は周期的に励磁、消磁を繰シ返す磁場内に置かれ
た常磁性塩の磁場強度変化によるエントロピ変化を利用
した連続磁気冷凍装置に関する。

（発明の技術的背景）従来、常磁性塩の磁場強度変化によるエントロピ変化を
利用する磁気冷凍装置としては、第１図に示すものが提
案されている。図において、１は磁場を発生する超電導
マグネット、２はこの磁場内に置かれた円柱状の常磁性
塩、３は常磁性塩２を磁場の内、外へ周期的に移動させ
るための操作機構、４は常磁性塩２が励磁により発生す
る熱を吸収するだめの高温冷媒（例えば温度’ｒ２＝　
４．２°にの液体ヘリウム）、５は冷凍対象としての図
示しない機器を冷却するための低温冷媒（例えば温度Ｔ
！＝１．８°にの液体ヘリウム）で、常磁性塩２が下降
時消磁による吸熱（温度低下作用）を示す際の熱供給源
である。

また、６は温度の異なる上記各冷媒４，５を分離し、且
つ常磁性塩２をスムーズに通過させるための摺動装置を
示すものである。

かかる磁気冷凍装置において、いま常時励磁されている
超電導マグネット１内に操作機構３の操作にて常磁性塩
２が進入してくると、第２図に示すように常磁性塩２は
励磁されることにより、図示状態Ａから略断熱変化にて
温度が上昇する。そして、所定の磁場強度に達する過程
（図ではＯＴｅ５ｌａから５　Ｔｅａｌａまで）におい
て高温冷媒４によシ冷却されるため、常磁性塩ｊの温度
は励磁終了時には略高温冷媒４の温度Ｔ２になシ、状態
Ｂを経由して状態Ｃとなる。この場合、図示Ａ−Ｂの過
程が断熱変化、Ｂ−Ｃの過程が放熱変化であシ、またこ
こで言う励磁終了時とは常磁性塩２が、略１００／ｆ−
セント超電導マグネツト１の磁場内に収容された状態で
ある。

一方、上記状態Ｃよシ常磁性塩２を操作機構３の操作に
て超電導マグネット１の磁場外へ移動させると、消磁効
果により常磁性塩２の温度が断熱的に低下する。そして
、低温冷媒５中に没するとこれから熱（図示し人い冷凍
対象機器を冷却することによシ上昇する熱量の一部）を
吸収し、消磁終了時には常磁性塩２の温度は略低温冷媒
５の温度Ｔｌ（状態Ａ）となる。これによシ、常磁性塩
２は１サイクルを完了し元の状態Ａに復帰する。なお第
２図において、斜線を付した領域ＥＡＤＦは１サイクル
毎の冷凍熱量、同じく領域ＦＢＣＦは高温冷媒４に排、
出される熱量を示すものである。

（背景技術の問題点）熟年ら、上述した磁気冷凍装置においては、高温、低温
の温度の異なった２つの冷媒４，５を分離する摺動装置
６を通して２つの冷媒４゜５の混合が発生するため、冷
凍エネルギーの損失が発生することが最内ｐ１点となっ
ている。

特に、極低温領域にて使用される磁気冷凍装置では冷媒
４．５として液体ヘリウムを用いる場合が多く、上記摺
動装置６からの冷媒の漏れがともすると冷凍熱量を上回
シ、低温冷媒５を所定温度Ｔ、（＝１．８°Ｋ）に保持
することが不可能となる。また、常磁性塩２０表面伝熱
面積が限定されている為、励磁、消磁の発、吸熱時にお
ける冷媒４，５と常磁性塩２との間の温度差が大きく力
らざるを得す、サイクル効率が低下する。従って、結果
的に従来の磁気冷凍装置では良好な冷凍能力を得ること
ができないという問題がある。

（発明の目的）本発明は上記のような事情に鑑みて成されたもので、そ
の目的は冷媒と常磁性塩との間の温度差を小さくし且つ
サイクル効率を向上させて冷凍能力を高めることが可能
な連続磁気冷凍装置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では、常磁性塩を多孔
質形状としこれを断熱容器内、に設置し、マグネットの
励磁、消磁に同期させて前記断熱容器内に強制的に循環
させるとともに、かかる単位磁気冷凍装置を２組用い、
かつこれらを半サイクル周期をずらして運転させ、一方
の凍装置内の常磁性塩を収納する断熱容器を連結する冷
媒循環装置により、互いの断熱容器内におる高温、低温
の冷媒を一定時間、環流あるいは交換するとともに、お
互いのマグネット間の通電電流移送を可能ならしめるよ
うに構成したことを特徴とする。

（発明の実施例）以下、本発明を図面に示す一実施例について説明する。

第３図は、本発明による連続磁気冷凍装置の構成例を示
すものである。図において、７は励磁電流の通電によシ
磁場を発生する超電導マグネット、８は多孔性形状を有
する常磁性塩であシ、断熱容器内に収納して上記超電導
マグネット７の発生する磁場によシ励磁可能に配置して
いる。また、９は常磁性塩８が励磁により発生する熱を
吸収するための容器に収容された高温冷媒（例えば温度
Ｔ２＝４．２°にの液体ヘリウム）で、配管に設けられ
た高温側の冷媒循環ポンプ１０Ｉｉによシストツブバル
ブＩＩＨを介して、上記高温冷媒９を常磁性塩８に対流
循環させるようにしている。さらに、１２は冷凍対象と
しての図示しない機器を冷却するだめの容器に収容され
た低温冷媒（例えば温度’ｌ’１＝ｌ、８０にの液体ヘ
リウム）で、配管に設けられた低温側の冷媒循環ポンプ
１０ＬによシストツブバルブＩＩＬを介して、上記低温
冷媒１２を常磁性塩８に対流循環させるようにしている
。さらにまた、１３は上記常磁性塩８の温度を検出する
温度検出器であシ、例えば熱電対、ダルマニウム抵抗温
度計、白金抵抗温度計等を用いる。

第３図に示される２組の単位磁気冷凍装置はお互いに半
サイクル周期をずらせた状態で運転されている。従って
、一方が消磁過程を終了した時点で他方は励磁過程を終
了している。この状態の時、一方の断熱容器内にある高
温冷媒と他方の断熱容器にある低温冷媒とを交換あるい
は環流させる。１４はその為のループであシ、ループに
は消磁過程（あるいは励磁過程）の終了を検知し、作動
する循環ポンｆ１５とストップバルブ１６を具備する。

一方、１７は制御器であシリ下の機能を有する。

（ａ）　　上記超電導マグネット７に対する励磁電流を
周期的に変化させる、つまシ例えば励磁強度がＯＴｅ５
ｌａ　〜５　Ｔｏｓｌｍの範囲で励磁、消磁をサイクリ
ックに繰シ返す機能。

（ｂ）　　上記励磁、消磁に同期させて上記冷媒循環Δ
？ポンプ０ｍ　＋１０ｔ、＋　１５およびストップバル
ブ”Ｉｊ　ｒ　ＩＩＬＨ１６を駆動制御する、つまり励
磁時上記温度検出器１３の検出温度が上記高温冷媒９の
温度Ｔ２と一致した時、また消磁時同じく検出温度が上
記低温冷媒１２の温度Ｔ１と一致した時に、前者は高温
側のまた後者は低温側の冷媒循環ポンプＩＯＨＨ１０Ｌ
およびストップバルブＩＩＨ＋　ｌｌＬを、夫々運転お
よび開制御する機能および励磁終了および消磁終了を超
電導マグネット７の供給電流値および温度検出値より感
知し、循環ポンプ１５およびストップバルブ１６を運転
および開制御する機能。

次に、かかる連続磁気冷凍装置の作用について第４図を
用いて述べる。第４図は、常磁性塩８の１サイクル中の
変化を閉曲線ＡＡ’ＢＣＣ’ＤＡによシ示したものであ
る。

例えば、いま一方の冷凍装置が状態Ａで他方の冷凍Ｐｍ
がＣの状態から冷却作用が開始されたとする。制御器１
４によシ、循環ポンプ１５が動作すると共にストッグノ
々ルプ１６が開となシ、断熱容器内の低温（Ｔ＋＝１．
８Ｋ）冷媒と高温（Ｔ！　＝　４．２　）冷媒は、管路
１４を通シ循環し反対装置の常磁性環内に入シ、熱交換
をおこない相対する冷凍装置での常磁性垣間の温度差は
急速に解消される。従って、状態Ａにあった常磁性塩は
温度上昇し状態Ａ′に、他方、状態Ｃにあった常磁性塩
は温度降下し状態Ｃ′となる。温度検出装置１３によシ
、それぞれの常磁性塩８が所定温度に違っしたことを確
認した後循環゛ポンプ１５を停止すると共にストップバ
ルブ１６を閉とする。その後、制御器１４によシ一方の
冷凍装置の超電導マグネット７の励磁が開始されると、
該マグネット７にて発生する磁場によって常磁性塩８が
励磁され、その温度が励磁電流の変化に伴なって上昇す
る。この場合、常磁性塩８′は多孔性形状であるため、
その空間部に存在する冷媒のために断熱的には変化せず
、エントロピーが減少して図示Ａ′〜Ｂのように右下シ
に変化する。そして、励磁が進んで常磁性塩８の温度が
高温冷媒９の温度Ｔ２に等しくなる（状態Ｂ）と、温度
検出器１３からの出力信号を基に制＃器１４から、高温
側の冷媒循環ポンプＩＯＨおよびストップパルプ１１五
に対して制御信号が力えられる。これによシ、冷媒循環
ポンプＩＯＨが運転を開始すると共にストップパルプＩ
ＩＢが開いて高温冷媒ループが形成され、高温冷媒９が
常磁性塩８を通して循環し、励磁に伴なって常磁性塩８
の発生する熱が取シ去られる。そして、上記励磁によっ
て磁場強度が高磁場強度（本例では５　Ｔｅａｌｍ　）
に達する（状態Ｃ）と、励磁終了と同時に冷媒循環ポン
プＩＯＨが運転停止かつストソノバルブＩＩＨが閉とな
り、この時には常磁性塩８の温度は略高温冷媒９の温度
Ｔ２となる。

一方、同じ時期に他方の冷凍装置は、消磁過程にあシ、
消磁が開始されると、励磁電流の減小に伴なって、常磁
性塩は温度を降下させる。

前記した様に、この場合も常磁性塩の形状が多孔質であ
る為にその空隙に存在する冷媒によ）常磁性塩８の温度
は断熱的には変化せず、図示Ｃ′〜Ｄのように左上シに
変化する。そして、消磁が進んで常磁性塩８の温度が低
温冷媒１２の温度Ｔ１に等しくなる（状態Ｄ）と、上述
同様に制御器１４から低温側の冷凍循環ポンプ１０Ｌお
よびストップバルブＪＪＩＩＣ対して制御信号が与えら
れる。これにより、冷媒循環ポンプ１０Ｌが運転を開始
すると共にストツノバルブ１１Ｌが開いて低温冷媒ルー
プが形成され、低温冷媒１２が常磁性塩８を通して循環
する０モの結果、図示しない冷凍対象機器を冷却するこ
とにより流入した熱量の一部を常磁性塩８にて吸収する
。消磁によって磁場強度が低磁場強度（本例では０Ｔｅ
ｓｌａ）に達する（状態Ａ）と、消磁終了と同時に冷媒
循環４ンプＩＯＬが運転停止かつストップパルプ１１Ｌ
が閉となり、この時には常磁性塩８の温度は略低温玲媒
１２の温度ＴＩとなる。かかる消磁工程においても、前
述同様の理由によシ冷媒１２と常磁性塩８との間の温度
差は小さく抑えることができる。従って、一方の冷凍装
置が状態Ａ　−＋　Ａ’→１３−＋Ｃと変化する際他方
の冷凍装置はその状態をＣ−＋Ｃ’→Ｄ−＋Ａと変化さ
せ、２つの冷凍装置は半サイクル周期をずらせた運転を
おこなう。その後の過程は立場を入れかえて同様の過程
をおこない、それぞれの冷凍装置が１サイクルを完成す
る。これを繰シ返しておこなうことによシ低温冷媒１２
の温度はＴｌに保たれる。

上述したように、本連続磁気冷凍装置においては、常磁
性塩８を多孔性形状のものとして伝熱面積を拡大し、且
つ高温、低温冷媒９．１２の混合を最小限に抑えるよう
にしていることによシ、各冷媒９，１２と常磁性塩８と
の間の温度差を小さくしてサイクル効率を向上させるこ
とが可能となると共に、１サイクル当りの冷凍熱量（Ｅ
ＡＤＦ　）を大幅に増大させることができる。

尚、本発明は上記実施例に限られるものではなく、次の
ようにしても実施することができるーものである。

（、）　　第５図に示すように、前記第３図におけるス
トソノバルブＩＩＩＩ、Ｉｌｂに代えて、配管の圧力差
によシ自動的に開閉動作するチェックバルブ１８Ｈ，１
９Ｌを設けるようにしてもよい。

この場合にはチェックバルブの動作を確実にする為に冷
媒ループは閉ルーグとしループ内に熱交換器２０を具備
し、これを通じてループ内作動流体（例えば液体ヘリウ
ム）と外部の高温冷媒９あるいは低温冷媒１２と熱交換
をおこなうようにする。かかる構成とすることにより、
・々ルブの小形化および熱容量の縮小化が可能となる。

第５図ではけん雑さを避ける為制御系は省略して示して
いる。この場合には当然のことながらチェックバルブの
制御はおこなわない。

（ｂ）　　多孔質常磁性塩８の形状としては、海綿状で
あってもあるいは微小球状常磁性塩を圧着させたような
おこし状であってもかまわない。

がこの場合、空隙の常磁性塩外形体積に対して占める割
合は、２〜４パ一セント程度が最も効率がよい。

（ｃ）　　上記実施例では超電導マグネットを用いたが
、常電導マグネットを用いるようにしてもよい。

（ｄ）　　第３図の実施例では、励磁、消磁工程におい
て冷媒９，１２を直接常磁性塩８に対して循環したが、
例えば第５図に示すように常磁性塩８には作動冷媒（液
体ヘリウム等）を循環させ、これを熱交換器２１Ｈ，２
１Ｌにおいて各高温。

低温冷媒９，１２と熱交換を行なわせ、間接的に冷媒を
循環させるようにしてもよいものである。

（発明の効果）以上説明したように本発明によれば、常磁性塩を多孔質
のものとし、これを断熱容器内に設置してマグネットの
励磁、消磁に同期させて冷媒を通過させるようにしたの
で、冷媒と常磁性塩との間の温度差を小さくシ、且つサ
イクル効率を向上させると共に、２組の単位磁気冷凍装
置間で冷媒を循環させることによシ熱交換をお′こなわ
せるようにしたので、１サイクル当シの冷凍量を増大さ
せ、冷凍能力を高めることが可能な、極めて信頼性の高
い連続磁気冷凍装置が

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の磁気冷凍装置の構成を示す図、第２図は
第１図における常磁性塩の冷凍サイクルを説明するため
の図、第３図は本発明の一実施例を示す構成図、第４図
は第３図における常磁性塩の冷凍サイクルを示す構成図
、第５図は本発明の他の実施例を示す構成図である。１．７・・・超電導マグネット、２，８・・・常磁性塩
、３・・・操作機構、４，９・・・高温冷媒、５．１２
・・・低温冷媒、６・・・摺動装置、ＩＯＨ，ＩＯＬ、
１５・・・冷媒循環ポンダ、１１．、ＩＩＬ　　、１６
・・・ストップパルプ、１３・・・温度検出器、１４・
・・冷媒環流ループ、１７・・・制御器、１８Ｈ＊１９
Ｌ・・・チェックパルプ、２０Ｂ、２０Ｌ・・・熱交換
器。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）励磁電流の通電によシ磁場を発生するマ　　グネ
ットと、断熱容器に収納され前記マグネッ　　トの発生
する磁場内に配置された多孔質の常磁性塩と、容器内に
収容された所定温度の高温冷媒と、冷凍対象要素を冷却
する容器内に収容された前記高温冷媒よシも低温度の低
温冷媒と、前記常磁性塩の温度を検出する温度検出器と
、前記マグネットに対する励磁電流を周期的に変化させ
ると共に、前記温度検出器の検出温度を基に前記励磁電
流の変化に伴なうマグネットの励磁、消磁に同期させて
前記常磁性塩に前記高温、低温冷媒を循環させる手段と
から成る２組の単位磁気冷凍装置を備え、この各装置を
互いに運転モードを約半サイクルずらして運転し、前記
マグネットの励磁電流を前記２組の単位磁気冷凍装置間
で互いに交換するとともに、２組■単位磁気冷凍装置間
でそれぞれが励磁終了時と消磁終了時にある時に、前記
断熱容器内の前記多孔質の常磁性塩周囲にある高温ある
いは低弧の冷媒を、前記２組の単位磁気冷凍装置を連晴
する冷媒管路によシ交換可能とする手段を具備して成る
ことを特徴とする連続磁気冷凍装置。
（２）　　マグネットとしては超電導マグネットを用い
るようにした特許請求の範囲第（１）項記載の連続磁気
冷凍装置。