JPS5969668A - 磁気冷凍装置 - Google Patents

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Ｊ 本発明は、冷凍効率の向上化を図れるようにした磁気冷
凍装置に関する。

〔技術とその問題点〕

従来、６１１性体の磁気熱量効果を利用した磁気冷凍装
置が知られている。この磁気冷凍装置は、断熱消磁によ
って冷えた磁性体で被冷却物から熱を奪わせるようにし
たもので、通常の気体冷凍装置に較べて単位体積当妙の
冷凍能力が高いという利点を備えてい４゜ ところで、磁気冷凍装置の場合Ｖｃｉｌ−ｉ、断熱磁化
によって６ｎ性体、つ捷り作業物質に発生した熱を外部
へ逃がす排熱過程と、断熱消磁によって冷えた作業物質
で被冷却物から熱を奪わせる吸熱過程との２つの熱交換
過程を交互に行なわせる必要がある。このように、２つ
の熱交換過程を交互に行なわせ、効率の高い冷凍サイク
ルを実現するには排熱過程では作業物質から被冷却物へ
の熱移動を確実に断つ必要があり、また吸熱過程では被
冷却物から作業物質へ向けて速やかに熱移動させる必要
がある。

このようなことから、従来装置にあっては、排熱過程を
実行する部屋と、吸熱過程を実行する部屋とを設け１作
業物質を両部屋に気密的に交互に進入させるようにして
いる。

しかしながら上記のように達成された装置にあっては１
作業物質を両部屋に気密的に交互に進入させるために信
頼性に富んだシール機構を必要とし、このようなシール
機構を達成することは実際問題として困難であることか
らして、冷凍効率の低下を免れ得ない問題があった。ま
た、最も重要な要素である作業物質を機構的に移動させ
る必要があるので構造の複雑化を免れ得ない問題もあっ
た。

〔発明の目的〕

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、そ
の目的とするところは、簡単な構成であるにも拘わらず
、高い冷凍効率を発揮し得る磁気冷凍装置を提供するこ
とにある。

〔発明の概要」 本発明に係る磁気冷凍装置は１作業物質を周期的に磁界
内に位置させる装置、前記作業物質の表面の一部を凝縮
面に兼用させ、かつ上記作業物質が磁界外に出ていると
き被冷却物の熱を上記作業物質に向けて伝導する方向性
ヒートパイプ、さらに、前記作業物質が磁界内に入って
いるとき」：記作業物質を冷却する冷却装置が設けられ
、前記方向性ヒートパイプの凝縮部にこの方向性ヒート
パイプの内部の周壁に清ってスペーサが設けられて構成
されている。

〔発明の効果〕

上記構成であると１作業物質と被冷却物との間に方向性
のヒートパイプを介在させて熱スィッチの機能を発揮さ
せているので、排熱過程時に、作業物質で発生した熱が
被冷却物に伝わるのを自動的に抑制することができる。

また、上記方向性ヒートパイプとして作業物質の表面の
一部を直接凝縮面に兼用させたものを用いているので、
吸熱過程時に、上記方向性ヒートパイプの凝縮面温度を
作業物質の表面温度と等しくでき１両者間での熱損失を
なくすことができる。

Ｉ−たがって、方向性ヒートパイプを使用したことと作
業物質の表面の一部を上記方向性ヒートパイプの凝縮面
に兼用させたこととが相俟って冷凍効率を大幅に向上さ
せることができる。また１作業物質を機械的に移動させ
ることたしに冷凍効率を高めることができるので、従来
装置に較べて構造も頗る簡単化できる。更に、前記作業
物質の外周面の一部もしくは全部を凝縮面に兼用させ、
かつ軸方向に延びる環状の内部空間を備えた構成の方向
性ヒートパイプとし、この方向性ヒートパイプの凝縮部
側の内部の周壁に宿ってスペーサが設けられることによ
り凝縮面を大幅に拡大化できるとともに排熱過程時にヒ
ートパイプ内のガスの移動を一層抑制できるので、冷凍
効率をさらに高めることができる。

〔発明の実施例ｊ 以下１本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

なお、これらの実施例は、本発明に係る装置をヘリウム
冷却装置に組込んだ例である。そして、［４では、その
要部だけを取り出して示１−でいる。

第１図において、１はたとえばガドリニウムガリウムガ
ーネットの単結晶塊体を円柱状に加工して形成され軸心
線を重力方向に対して平行させて配置された作業物質で
あり、この作業物質１０回りには上記作業物質１と同心
的に超電導コイル２が配置されている。。

しかして、作業物質１の上端面には、キャップ状の部材
３が固着されており、この部材３と作業物質１の上端面
との間に形成された空洞４は配管５ａ、５ｂ、バルブ６
．７を介して小型水素冷却機８の冷媒出口管９と冷媒入
口管１０とに接続されている。また、上記冷媒出口管９
と冷媒入口管１０との間にはバイパス用のバルブ１１が
接続されている。上記冷凍機８は、実際には２０に以下
のヘリウムガスを生成するものが用いられている。

一方、作業物質１の回りには上記作業物質１の外周面を
直接的にその凝縮面に兼用させた熱サイホン形一方向性
のヒートパイプ１２が配設されている。このヒートパイ
プ１２は、作業物質１の外周面との間に環状の間隙Ｐを
あけて同心的に配置され、上端部が前記部材３の外周縁
部に気密に接続されるとともに下端部が作業物質１の下
端面より下方に延出した金属材製の外筒１３と、外径が
作業物質１の外径と等しく形成され、上記作業物質１の
下端側に同軸的に配置されるとともに下端縁が前記外筒
１３の下端縁に気密に接続され上端縁が作業物質１の下
端面に密接して設けられた円板体１４の外周縁に気密に
接続された金属材製の内筒１５と、前記環状の間隙Ｐ内
に封入され４．２に以下の温度で動作を開始するヘリウ
ムガスおよび液体ヘリウム１６とで構成されている。そ
して。

ヒートパイプ１２の下端部は、内部に被冷却物である液
体ヘリウム１７を収容したヘリウム槽１８の土壁を気密
に貫通１〜で上記ヘリウム槽１８内に挿し込まれている
。なお、上記ヘリウム槽１８、ヒートパイプ１２１作業
物質１および超電導コイル２は図示し７ない真空容器内
に一体的に収容されている。そして、上記超電導コイル
２の付勢およびバルブ６．７．１１の開閉は制御装置２
１によって後述する関係に制御される。

又、ヒートパイプ１２の凝縮部１２ａ側の内部の周壁に
金属製、プラスチック製等のスペーサ】９が設けられて
いる。

次に、上記のように構成された装作の動作を説明する。

捷ず、バルブ６．７が１閉１に、バルブ１１が１開７に
保持されて、小型水素冷凍機８から排出された２０に以
下のヘリウムガスが冷媒用口管９〜バルブ１１〜冷媒入
口管１０の経路で循環しているものとする。

この状態で、制御装置２１に動作開始指令を与えると、
制御装置２１は、−まず超電導コイル２を付勢［２、続
いて、バルブ６．７を７開１に、バルブ１１を１閉１に
制御する。超電導コイル２が付勢されると１作業物質１
は磁界内に置かれることになるので、断熱磁化の状態と
なり発熱する。このとき、空洞４内には２０に以下のヘ
リウムガスが流れているので、作業物質１で発生した熱
はヘリウムガスによって直接的に奪われる。したがって
、作業物質１の温度上昇は抑えられ、排熱過程が実行さ
れる。

続いて、制御装置ｆ２１は、バルブ１１を嘗開曽にバル
ブ６．７を１閉１に制御し、次に超電導コイル２の付勢
を停止させる。この結果１作業物質１は磁界外へ出るこ
とになるので断熱消磁の状態となり、急速に温度降下す
る。そして、作業物質１の温度が４．２に以下まで低下
すると、ヒートパイプ１２が動作を開始し、間隙Ｐ内の
ヘリウムガスを作業物質１の外周面で再液化することに
よってヘリウム槽１８内の熱を作業物質１へ向けて伝導
するうこの結果、ヘリウム槽１８内に位置するヒートパ
イプ１２の外面にヘリウム槽１８の上部空間に漂ってい
るヘリウムガスが凝縮し、この凝縮したヘリウムは液滴
状になって落下する。したがって、吸熱過程が実行され
ることになる。そして、制御装置２１は、上述した一連
の制御を繰り返す。

したがって、ヘリウム槽１８内の液体ヘリウムは４．２
Ｋに保たれることになり、ここに冷凍装置としての、機
能が発揮される。

そして、この場合には１作業物質１と被冷却物であるヘ
リウム槽１８内のガスとの間を方向性をもったヒートパ
イプ１２で接続するようにしているので、断熱磁化時つ
まり排熱過程時に作業物質１からヘリウム槽１８内に伝
わる熱量を十分率さな値に抑えることができる。また、
吸熱過程時には熱媒体であるヒートパイプ１２内のヘリ
ウムガスを作業物質１の外周面で直接的に凝縮させてヘ
リウム槽１８から作業物質１へ向けて熱移動させるよう
にしているので、凝縮面部分での熱損失がない。したが
って、方向性を持ったヒートパイプ１２を使用したこと
と相俟って冷凍効率を大幅に向上させることができる。

なお、実施例のように作業物質１の外周面全体を一方向
性のヒートパイプ１２の凝縮面に兼用させれば冷凍効率
を非常に高めることができる。史に、ヒートパイプ１２
の凝縮部１２ａ側にスペーサ１９を設けているのでヘリ
ウムガスが」二昇してスペーサ１９の外側１９ａを通過
して、スペーサ１９の上端部の隙間１９ｂを通って、ス
ペーサ１９の内側１９ｃを通過するとき作業物質１の表
面によって液化されて滴化する。

このようなスペーサ１９の働きによって排熱過程時に上
記間隙Ｐ内のガスの移動を抑制できる。しノ たがって、ガスの移動に伴なう熱移動を抑制できるので
、なお−要冷凍効率の向上化を図ることができる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものでは
ない。すなわち、第２図に示すように。

ヒートパイプ２０の間隙Ｐを直接ヘリウム槽１８内と連
通させるようにしてもよい。このようにすると、熱交換
過程を１つ減らすことができるのでさらに冷凍効率を向
上させることができろうまた、上述した各実施例では、
排熱過程時に作業物質ｌの表面の一部に冷媒を接触通流
させるようにしているが１作業物質の表面の一部を蒸発
面に兼用させた方向性のヒートパイプと、この方向性の
ヒートパイプの凝縮部側を選択的に冷媒で冷却する装置
とで構成し７てもよい。また、第１図に示り、　ｆｃ実
施倒のヒートパイプの下端部に固体状の被冷却物を接触
させることによって固体状被冷却唆を冷媒に接触させる
ことなしに冷却することができる。

また、上述した各実施例では、超電導コイルを付勢１−
たり、付勢を停市することによって作業物質を磁界の内
外へ交互に出し入れするようにしているが、超電導コイ
ルを付勢しだま＼の状態にしておき、コイルを軸方向に
周期的に移動させることによって作業物質を磁界の内、
外へ交互に出し入れするようにしてもよい。また、超電
導コイルに限られるものでもない。また、コイルや作業
物質の支持は任意に設定できることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る磁気冷凍装置を組込ん
だヘリウム冷却装置における要部を一部切欠して示す構
成説明図、第２図は本発明の他の実施例に係る磁気冷凍
装置を組込んだヘリウム冷却装置における要部を一部切
欠１−で示す構成説明図である。 １・・・・作業物質　　　　　２・・・・超電導コイル
８・・・・小型水素冷凍機 １２．２０・・・・方向性のヒートパイプ１９・・・・
スペーサ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　ｆＩｉ界内に入ると発熱し、磁界外へ出ると
   吸熱する作業物質と、この作業物質を周期的に磁界内に
   位置させる装置と、前記作業物質の表面の一部を凝縮面
   に兼用させて設けられ上記作業物質が磁界外に出ている
   とき被冷却物の熱を上記作業物質に向けて伝導する方向
   性ヒートパイプと、このヒートパイプの凝縮部側の内部
   の周壁に沿って設けられたスペーサと、前記作業物質が
   磁界内に入っているとき上記作業物質を冷却する冷却装
   置とを具備してなることを特徴とする磁気冷凍装置。
2. （２）　　前記方向性ヒートパイプは、前記作業物質の
   外周面の一部もしくは全部を凝縮面に兼用させ、かつ軸
   方向に延びる環状の内部空間を備えたものであることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の磁気冷凍装置つ
3. （３）前記冷却装置は、前記作業物質の表面の一部に選
   択的に冷媒を接触通流させるものであることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の磁気冷凍装置。
4. （４）前記冷却装置は、前記作業物質の表面の一部を蒸
   発面に兼用させた方向性ヒートパイプと。 この方向性ヒートパイプの凝縮部側を選択的に冷媒で冷
   却する装置とで構成されたものであることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の磁気冷凍装置。