JPS60174466A

JPS60174466A - 磁気冷凍装置

Info

Publication number: JPS60174466A
Application number: JP59030697A
Authority: JP
Inventors: 秀樹中込; 聡安田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-02-21
Filing date: 1984-02-21
Publication date: 1985-09-07

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、小型で、かつ効率よく極低温まで冷却できる
ようにした磁気冷凍装置に関する。

〔発明の背景技術とその問題点〕

従来、磁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だも
ので、通常の圧縮形冷凍装置に較べて単位体積当りの冷
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、ガドリニウムガリ
ウムガーネットで代表される磁性体、つマシ作業物質を
磁場内に急速に導入して断熱磁化させ、このときに作業
物質に発生した熱を外部へ逃がす排熱過程と、磁場内に
位置している作業物質を磁場外へ急速に導入して断熱消
磁させ、このときの作業物質の吸熱作用で被冷却物を冷
却する吸熱過程との２つの熱又換過程を交互に行なわせ
る必要がある。つまり、作業物質を磁場内に位置させた
シ、磁場外に位置させたりする必要がある。

このような磁気冷凍装置にあって、冷凍可能な最低温度
は、磁場の強さと作業物質が磁場内に位置しているとき
の作業物質の温度とによって左右される。このため、従
来の装置にあっては、この装置を使って、たとえば超流
動液体ヘリウム（２，１７Ｋ）を得る場合には、予冷冷
凍機を設け、この予冷冷凍機で磁場内に位置している作
業物質を１５に程度まで予冷するとともに強力な磁場発
生装置を用いて強磁場′ｆ：発生させる方式を採用して
いる。

しかしながら、このように構成された従来の装置にあっ
ては、次のような問題があった。すなわち、この種の装
置に組込壕れる磁場発生装置は、効率よく強磁場を発生
させる必要上、通常、超電導コイルで構成される。しか
し、超電導コイルで５Ｔ（テスラ）以上の磁界を発生さ
せようとすると、超電導コイルが大型化し、これが原因
して装置全体の大型化を免れ得ないものとなる。

そこで、このような不具合を解消するために予冷冷凍様
の能力をアップさせて作業物質を１５に以下の温度に予
冷することか考えられる。

しかしながら、従来のものでは予冷冷凍機で作業物質を
１５に以下に予冷しようとすると、予冷冷凍機そのもの
が大型化し、結局、この場合も装置全体が大型化する問
題があった。

〔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、磁場発生装置の小型化および予
冷冷凍機の小型化を図れ、もって全体の小型化を図れる
とともに効率よく極低温冷凍を実現できる磁気冷凍装置
を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、作業物質が磁場内に位置しているとき上記作
業物質を冷却する予冷冷凍機を設けたものにあって、予
冷冷凍機を多段構成とし、かつ最終段を蓄冷材として磁
性材を用いたスターリングサイクルまたはギフオードマ
クマホンサイクル形のもので構成し、この予冷冷凍機で
作業物質を１５〜５Ｋに予冷するようにしたことを特徴
としている。

〔発明の効果〕

蓄冷材として磁性材、たとえば硫化ユウロピウム（Ｅｕ
Ｓ）やガドリニウムロジウム（Ｇｄ’Ｒｈ）を用いたス
ターリングサイクル形あるいはギフオードマクマホンサ
イクル形の冷凍機は、“上述した磁性料が５に程度の温
度においても旨い比熱を維持する。したがって、この冷
凍機は、小型でかつ最低到達温度を低くすることができ
る。本発明装置においては、予冷冷凍機の最終段を、上
述した蓄冷材を組込んでなるスターリングサイクル形あ
るいはギフオードマクマホンサイクル形のもので構成し
ているので、小型の予冷冷凍機で作業物質を５に程度ま
で簡単に予冷することかできる。このように、予冷冷凍
機で作業物質を十分な低温せで予冷することができるの
で、たとえば超流動ヘリウム温度を得る場合でも、それ
根強磁場を必要としない。つまシ、小型の磁場発生装置
で事足りることになる。したがって、予冷冷凍機を小型
化できることと磁場発生装置を小型化できることとが相
俟って装置全体の小型化を図れ、しかも全体の効率を向
上させることができる。

〔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。

第１図は本発明をヘリウム液化用の磁気冷凍装置に適用
した例を示すものである。

この装置は、大きく分けて、磁気冷凍装置本体Ａと、こ
の本体Ａの作業物質を予冷する予冷冷凍機Ｂとで構成さ
れている。

磁気冷凍装置本体Ａは、具体的には次のように構成され
ている。

すなわち、１は外槽を示し、２は外槽１内に収容された
内槽を示している。外槽１は、全体が熱伝導性の悪い部
材で形成されている。また、内槽２は、その上壁２ａだ
けが肉厚の厚い良熱伝導材で形成されておシ、残りの部
分が熱伝導性の悪い部材で形成されている。そして、外
槽１と内槽２との間に存在する空間３は真空引きされて
真空断熱層に形成されている。

上記内槽２の上壁２ａの２個所には、上壁２ａの図中上
側と下側とを連通させる筒部４ｈ。

４ｂが下方に向けて平行に、かつ同一寸法に突設されて
いる。これら筒部４　ａ　＊　４　ｂは、上壁２ａを構
成している部材と同一部あるいはそれ以上に熱伝導性の
良い部材で厚肉に形成されたもので、その下端部から所
定の長さの部分５ａ。

５ｂの内径が他の部分よシ小径に形成されている。そし
て、部分５ｈ、５ｂの上下内端縁はそれぞれチーΔ面に
形成されている。

しかして、内槽２内には、内槽２との間に真空断熱層を
介してヘリウム槽６が収容されている。このヘリウム槽
６は、非磁性良熱伝導材で全体が形成されたもので、具
体的には次のように構成されている。すなわち、槽本体
７と、この槽本体７内を上下方向に２分するように設け
られた仕切壁８と、槽本体７の上壁９に設けられ、前記
筒部４ａ　、４ｂをそれぞれ非接触に嵌入させる孔１０
ａ、１０ｂと、これら孔１０ａ。

１０ｂの縁部を仕切壁８の上面までそれぞれ延長させる
筒体１１ａ＊１１ｂと、これら筒体１１ａ、ｌｌｂの外
周面に上下方向に２段構成に突設された鍔部１２ａ、１
２ｂおよび１３ａ。

１３ｂとで構成されている。そして、筒体１１ａ。

１１ｂの外周で鍔部１２ｈ　、１２ｂと上壁９との間に
は主磁場発生装置を構成する超電導コイル１４ａ、１４
ｂが装着されており、また筒体１１ａ、１１ｂの外周で
鍔部１．９ａ　、　１３ｂと仕切壁８との間には補助磁
場発生装置を構成する超電導コイル１５ａ、１５ｂが装
着されている。各超電導コイル１４ａ、１４ｂおよび１
５　ａ　＋　１５　ｂは、ヘリウム槽６内の底部に溜っ
ている液体ヘリウムＨを冷却源とし、−＼リウム槽構成
材を介して所要の温度に冷却される。

そして、超電導コイル１５ａ、１５ｂは、超電導コイル
１４ａ、１４ｂの発生磁場とは逆向きの磁場を発生させ
、これによって、超電導コイル１４ｈ、１４ｂで発生し
た磁場の下側強度勾配を急峻化させるようにしている。

しかして、仕切壁８の前記筒部４ａ　、４ｂの下端面に
対向する位置には、部分５ａ、５ｂの内径よシ大きく、
かつ筒部４ａ　＋　４ｂの外径よシ小さい孔１６ａ、１
６ｂが形成されている。

そして、上記孔１６ａ、１６ｂの内縁には、熱伝導性の
悪い部材で形成された筒体１７ａ。

１７ｂの下端側が接続されておシ、これら筒体１７ａ　
、　１７ｂの上端側は筒部４ａ、４ｂの下端面にそれぞ
れ気密に接続されている。また、外槽ノの土壁で筒部４
ａ、４ｂに対向する位置には、筒体１７ａ、Ｉ７ｂの内
径と同径の孔１８ａ、１８ｂが同軸的に設けである。そ
して、孔１８ａ、１８ｂの縁部と筒部４　ａ　＋　４　
ｂの上縁部とは熱伝導性の悪い部材で形成された筒体１
９ａ、１９ｂによって気密に接続されている。

すなわち、孔１８゛ａ、筒体１９ａ、筒部４ａ。

筒体１７ａおよび孔１６ａが同軸的に接続されて、外部
と液体ヘリウムＨの収容されている空間とを連通させる
シリンダ２０ｈが構成され、同様に孔１８ａ、筒体Ｊ４
？ａ、筒部４ｂ、筒体１７ｂおよび孔１６ｂが同軸的に
接続されて同様のシリンダ２０ｂが構成されているので
ある。

しかして、前記各シリンダ２０Ｂ、２０ｂ内には外部か
らロッド２１ａ、２１ｂが昇降自在に挿設されている。

ロゾド２１ａ、２１ｂはそれぞれ熱伝導性の悪い部材で
前述した筒部４ａ。

４ｂにおける部分５ａ　＋　５１）の内径より数１０μ
ｍ小さい外径の円柱状に形成されている。そして、各ロ
ッド２１ａ、２１ｂの下端部には、ガドリニウムガーネ
ット等の磁性体をロッド２１ａ。

２１ｂの外径と等しい外径の円柱状に加工してなる作業
物質２２ａ、２２ｂが直列に介挿されている。

ロッド２１ａ、２１ｂの外槽１外に位置する端部には支
持材２３ａ、２３ｂが取シ付けてあり、これら支持材２
３ａ、２３ｂの先端部に互いに対面する関係にラック２
４ａ、２４ｂが固定されている。そして、ラック２４ａ
とラック２４ｂとの間の中心位置には、紙面と直交する
方向に延びる軸２５が図示しない軸受によって回転自在
に支持されている。軸２５の外周でラック２４ａとラッ
ク２４ｂとの間に位置する部分には上記ラック２４ａ、
２４ｂに共通に噛合するビニオン２６が固定されている
。なお、ビニオン２６と各ラック２４ａ、２４ｂとは次
のような関係に噛合している。すなわち、ロッド２１ａ
、２１ｂの下端部に介挿されている作業物質２２ｔｓ、
２２ｂが丁度、第１図の作業物質２２ａのように筒部４
ａ（４ｂ）の部分５ａ（５ｂ）内に位置しているときを
上死点とし、また作業物質２２ｂのように仕切壁８と液
体ヘリウムＨの液面との間に位置しているときを下死点
とし、何れかの作業物質が上死点に位置しているときに
は他方の作業物質が下死点に位置する関係が成立するよ
うに噛合している。軸２５の外周には図示しない別のビ
ニオンが固定されておシ、このビニオンは図示しないラ
ックと噛合している。そして、上記ラックは図示しない
往復動駆動源に連結されている。

しかして、内槽２の上壁２ａの周縁部には厚肉部３１が
形成されてお９、この厚肉部３１には、開口部を横方向
に向けた円柱状の凹部３２が形成されている。外槽１の
側壁で凹部３２に対向する位置には、凹部３２より大径
の孔３３が形成されておシ、この孔３３の周縁部には外
方へ突出するフランジ３４が気密に接続されている。そ
して、上記７ランソ３４内を通して前記凹部３２に予冷
冷凍機Ｂが熱的に接続され°ている・・予冷冷凍機Ｂは、最終段冷凍温度を１５〜５Ｋに保持で
きる３段式に構成されており、上２段の冷凍機４１．４
２が冷媒としてヘリウムを用いた断熱膨張式のもので構
成されており、最終段の冷凍機４３が蓄冷材として磁性
材、たとえばＥｕＳを用いたスターリングサイクル形の
もので構成されている。そして、冷凍機４３の吸熱用熱
交換器には良熱伝導材で形成された仮燃ロッド４４の一
端側が熱的に接続されており、この伝熱ロッＰ４４の他
端側は前記孔３３全通して凹部３２に嵌入している。１
なお、冷凍機４３には接続用のフランジ４５が設けてあ
り、このフランジ４５とフランジ３４とがシール材を介
して気密に連結されている。また、第１図中４６ａ、４
６ｂはシール部材を示している。

次に上記すように構成された磁気冷凍装置の動作を説明
する。

まず、超電導コイル１４　ａ　＋　１４　ｂおよび１５
ａ、１５ｂには前述した関係の磁場を発生させ得る永久
電流が流れているものとする。また、予冷冷凍機Ｂが動
作状態にあるものとする。

予冷冷凍機Ｂが動作すると、伝熱ロッド４４を介して上
壁２ａの熱が奪われる。したがって筒部４　ａ　＋　４
　ｂも十分低温つまり１５〜５Ｋに保たれる。

このような状態で、往復動駆動源を動作させると、ビニ
オン２６が第１図中実線矢印Ｐで示すように往復動回動
する。この結果、ロッド２１ａ、２１ｂが第１図中火紳
矢印Ｑｌ　、Ｑ２で示すように昇降する。すなわち、ロ
ッド２１ａが下降を開始するとロッド２１ｂが上昇を開
始する関係にそれぞれが昇降する。このため、作業物質
２２ａ、２２ｂは、上死点と下死点との間を１８０度の
位相差をもって昇降することになる。上死点に位置して
いると−きには、第１図中の作業物質２２＆に見られる
ように超電導コイルの発生する磁場内に完全に位置する
。したがって、断熱磁化状態となる。一方、下死点に位
置しているときには、第１図中の作業物質２２ｂに見ら
れるように磁場外に位置する。したがって、断熱消磁状
態となる。断熱消磁状態では、作業物質２２ｂ（２，？
ａ）が吸熱する。

このため液面上に漂よっているヘリウムガスが作業物質
２２ｂ　（２２ａ）の表面に凝縮する。

この凝縮によって形成されだ液滴は自然落下し、ここに
ヘリウムの液化が達成されることになる。

しかして、上記のように断熱磁化状態になると、作業物
質２２ａ（２２ｂ）は発熱する。この熱は次のようにし
て外部に導かれる。すなわち、作業物質２２ａ、２２ｂ
が上死点に位置しているときには、必ず部分５ａ、５ｂ
内に位置している。部分５　Ｂ　ｒ　５ｂの内径は、作
業物質２２　ａ、、　２２　ｂの外径よシ僅かに大きい
程度に設定されている。このため、作業物質２２ａ。

２２ｂが部分５　ａ　＋　５ｂ内に位置しているときに
は、第２図中に２点鎖線で示すように部分５ａ（５ｂ）
の内面と作業物質２２ａ’Ｃ２２ｂ）とが直接接触した
り、あるいは両者間の隙間が非常に小さくなったシする
条件が形成される。

′このため、作業物質２２＆、２２ｂで発生した熱は、
作業物質２２ａ（２；！ｂ）〜部分５ａ（５ｂ）〜筒部
４ａ（４ｂ）〜上壁２ａ〜伝熱ロッド４４〜予冷冷凍機
Ｂの経路あるいは作業物質２２ａ（２２ｂ）〜作業物質
と部分５ａ（５ｂ）との間に存在するヘリウムガス層〜
部分５ａ（５ｂ）〜′ｉＳＩ郁４ａ（４ｂ）〜上壁２ａ
〜伝熱ロッド４４〜予冷冷凍機Ｂの経路で外部に排熱さ
れる。このため、作業物質２２　ａ、２２ｂが磁界内に
位置するときには、これら作業物質２２ｈ　、２２ｂは
常に、１５〜５Ｋに保たれる。

したがって、作業物質２２ａ、２２ｂで発生した熱によ
ってヘリウム槽６内が温度上昇するようなこともなく、
また、作業物質２２　ａ、２２ｂが１５〜５Ｋに予冷さ
れていることからして、ヘリウム槽６内に上記温度以下
の液体ヘリウムが生成されることになる。

このように、予冷冷凍機Ｂの最終段に、蓄冷材として磁
性料を用いたスターリングサイクル形のものを用いるよ
うにしている。スターリングサイクル形の冷凍機は、蓄
冷材として磁性材を用いると、全体の大型化を招くこと
なく、最低到達温度を低くできる。したがって、小型の
予冷冷凍機で作業物質２２ａ、２２ｂを十分低温、たと
えば８に程度に簡単に予冷することかできる。このこと
は、大型の磁場発生装置を用いなくても作業物質２２　
ａ　、　２２　ｂの最低到達温度を２．１５に程度まで
簡単に下げることができる。つ１勺、実施例の装置では
、装置全体の大型化を招くことなく、超流動ヘリウム温
度程度の冷凍を実現でき、結局、前述した効果が得られ
る。

なお、実施例のように、筒部４ａ、４ｂの部分５ａ、５
ｂの内径を口、ｙＹ２１ａ、２１ｂの外径よシ僅かに大
きく設定しておけば、部分５ａ、５ｂにロッド２１ａ、
２１ｂを案内するだめのガイド体の機能も発揮させるこ
とができる。実施例の構成であると必然的にロッド２１
ａ。

２１ｂが長くなるので、とのロッド２１ａ。

２１ｂを滑らかに昇降させるには何らかのガイド体を必
要とする。実施例のように部分５ａ。

５ｂの内径を上述した関係に設定すると、部分５ａ　、
５ｂにガイド体としての機能も発揮させることができる
ので、それだけ部品数を減らすことができる。また、部
分５ａ、５ｂ内をロッド２１ｔｈ、２１ｂが昇降すると
、摺動摩擦によって発熱するが、部分５ｔｈ、５ｂは冷
却されているので、発熱の影響を回避することができる
。

また、実施例のように主磁場発生装置と補助磁場発生装
置とを設け、補助磁場発生装置で磁場の縁部の強度勾配
を急峻化させるようにすると、作業物質が磁場外へ出る
のに必要な移動ストロークを小さくできる。したがって
、装置全体の小型化に寄与できる。また、実施例のよう
に、２つの作業物質を１つの駆動源を用いて排他的に昇
降させる方式であると、一方の作業物質が磁場から離れ
ようとしたとき、他方の作業物質が磁場に近づく関係に
あるので、一方の磁場と作業物質との間に生じる磁気的
吸引力で他方の磁場と作業物質との間に生じる磁気的吸
引力を結果的に減少させることができる。したがって、
駆動動力を少なくできる利点もある。壕だ、本発明は、
上述した実施例のように昇降方式を採用したものに限ら
ず回転方式あるいは完全静止方式を採用したものにも適
用できる。さらに、予冷冷凍機の最終段は、スターリン
グサイクル形に限らず、蓄冷材として磁性材を用いたギ
フォーＰマクマホンサイクル形としてもよい。

【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の縦断面
図、第２図は同装置の要部だけを取ｐ出して示す図であ
る。Ａ・・・磁気冷凍装置本体、Ｂ・・・予冷冷凍機、１・
・・外槽、２・・・′内槽、６．４１・・・ヘリウム槽
、４ａ、４ｂ・・・良熱伝導材で形成された筒部、１４
　ａ　、　１４　ｂ　、　１５　ａ　、　１５　ｂ　−
磁場発生装置としての超電導コイル、２０ａ、２０ｂ・
・・シリンダ、２１　ａ　、　２　ｌ　ｂ−ロッド、２
２ａ。２２ｂ・・・作業物質、２４ＩＬ、２４ｂ・・・ラック
、２６・・・ビニオン。

Claims

【特許請求の範囲】

磁場内に位置したときには発熱し、磁場外に位置したと
きには吸熱する作業物質を冷却源とする磁気冷凍装置本
体と、この本体の前記作業物質が磁場内に位置している
とき上記作業物質を１５〜５Ｋまで予冷する予冷冷凍機
とを具備し、前記予冷冷凍機は、多段式に構成されると
ともに最終段が蓄冷材として磁性材を用いたスターリン
グサイクルまたはギフオードマクマホンサイクル形のも
のであることを特徴とする磁気冷凍装置。