JPS5969669A - 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〕 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。

〔技術とその問題漬〕

従来、磁性体の磁気熱量効果を利用した出気冷凍装置が
知られている。この磁気冷凍装置は、断熱消磁によって
冷えだ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９の冷凍
能力が高いと云う利点を備えている。

ところで、磁気冷凍装置の場合には、断熱磁化によって
磁性体、つま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′リ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浴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、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構成された装置にあっては、
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
機構を構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、簡嚇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、作業物質を周間的に磁界
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
いるとき上記　　　　゛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側と前記方
向性ヒートパイプの蒸発部側とを連通ずる連通管が設け
られて構成されている。

〔発明の効果〕

上記構成であると、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、両者間での熱損失を
なくすことができる。しだがって、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、作業物質
を機械的に移動させることな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。

四に、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
パイプの凝縮部側と蒸発部側を連通管で連通ずることに
より、この方向性ヒートパイプの環状の内部空間の半径
方向の厚みを５００．６ｍ以下にすることができるので
、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〕

以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

なお、この実施例は、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、図では、その要部だ
けを取り出して示している。。

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１の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、パルプ６
．７を介して小型水素冷凍機８の冷媒出口管９と冷媒入
口管１０とに接続されている。まだ、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パルプ１１が
接続されている。上記冷凍機８は、実際には２０　Ｋ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の外周面との間を５００μｍ以下
の像状の間隙Ｐとし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して上記ヘリウム槽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１２、作業物質１および超電導コイル２は図示
し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の付勢およびパルプ６　、７．１１
の開閉は制御装置２１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側と蒸発部１２ｂ
側とを連通する連通管１９がヒートパイプ１２に設けら
れている。

次に、上記のように構成された装置の動作を説明する。

１ず、パルプ６．７が１閉”に、パルプ１１が°′開″
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１００紅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を付勢し、続いて
、パルプ６．７を”開”に、パルプ１１を６閉”に制御
する。超電導コイル２が付勢されると、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２１は、パルプ１１を°°開”に、パ
ルプ６．７を６閉”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、作業物質１は出界外へ出る
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。この結果、ヘリウム槽１８内に位皺するヒート
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、４．２Ｋ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、この鳩舎には、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
わる熱量を十分小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おるヒートパイプ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ぜることかで
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。更に、ヒートパ
イプ１２の凝縮部１２ａ側と蒸発部１２ｂ側とを連通す
る連通管１９をヒートパイプ１２に設けることにより、
凝縮部１２ａと蒸発部１２ｂとの圧力差がなくなるので
間隙Ｐを実施例に示すように２００〜５００μｍに設定
すると、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。

壕だ、上述した実施例では、排熱過程時に作業物質１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、
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てもよい。まだ
、図に示した実施例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物を冷
媒させることなしに冷却することができる。

また、上述した実施例では、超電導コイルを付勢したり
、付勢を停止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
付勢したま＼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。捷だ、超電導コ
イルに限られるものでもない。まだ、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。

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
す碑成説明図である。

１・・・作業物質、２・・・超電導コイル、８・・・小
型水素冷凍機、１２・・・方向性のヒートパイプ、１２
ａ・・・凝縮部、１２ｂ・・・蒸発部、１９・・・連通
管、２１・・・制御装置。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）磁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円に位置させ
   る装置と、前記作業物質の表面の一部に向けて伝導する
   方向性ヒートパイプと、この方向性ヒートパイプの凝縮
   部側と蒸発部側を連通し、前記方向性ヒートパイプに設
   置された連通管と、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。
3. （３）前記環状の内部空間の半径方向の厚みは、５００
   μｍ以下に設定されたものであることを特徴とする特許
   請求の範囲第２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。
5. （５）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。