JPS60191162A - 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、回転形の磁気冷凍装置に係り、特に冷凍効率
の向上化を図れるようにした磁気冷凍装置に関する。

〔発明の背見技術とその問題点」 従来、磁性体の磁気熱叶効果を利用した磁気冷凍装置が
知られＣいる。この磁気冷凍装置は、断熱消磁によって
伶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、つまり作業物質を
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つの熱交換過８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
り、磁場外に位置さぜた９する必要がある。

このため、従来の装置にあっては、作業物質を固定する
とともに上記作業物質の回りに超電導コイルからなる磁
場発生装置を固定しておき、断熱磁化のときには、磁場
発生装置を付勢するとともに排熱系を動作さぜ、また断
熱消磁のときには磁場発生装置の付勢を停止するととも
に排熱糸の動作を停止させ、この制御を交互に行なわせ
るようにしている。

このような構成であると、電気的な開側ｊだけで冷凍サ
イクルを実行させることができるので全体の小型化を図
れるなどの利点がある。

しかしながら、反面、磁場発生装置、つ１り超電導コイ
ルをパルス付勢するようにしているので、この超電導コ
イルでの損失か大きく、冷凍効率が大幅に低いと云う問
題があった。

そこで、このような問題を解消するために、磁場発生装
置を常に付勢しておき、代りに作業物質を機械的に移動
させて上記磁場発生装置で発生した磁場内および磁場外
に交互に位置させることか考えられる。そして、この場
合には、作業物質を直線的に往復動させる方式と、作業
物質を１つの円軌道に沿って移動させる回転方式とが考
えられる。往復動方式は、動きそのものか段階的となる
ので、各部に無理な力が加わり易く、また駆動機構も作
業物質の移動ストロークと同程度以上の外形のものを必
要とする。

これに対して回転方式のものは、連続回転を行なわせる
ことができるので無理な力や騒音の発生する虞れがなく
、しかも駆動機構の小型化も図ることができる。

しかし、回転方式のものにあっては、熱伝導性の悪い部
材で形成された回転部材に作業物質を固定するとともに
上記回転部材を軸を介して回転駆動源に連結する必要が
あり、しかも軸のたわみ等によって回転性能が損なわれ
るのを防止するために回転部材の近傍位置において軸受
で軸を同転自在に支持させる必要がある。軸受は、通常
、運転時に発熱するので、上記のように軸受が作業物質
の位置している部分に近接していると軸受で発生した熱
が被冷却物に侵入し易い。このため、上記熱侵入を何ら
かの手段で防止し、これによってさらに効率の向上ケ図
ることが望まれている。

〔発明の目的〕

本発明は、このような事情に鑑みてなきれたもので、そ
の目的とするところは、磁場発生装置を常時付勢すると
ともに作業物質を１つの円軌道に沿って移動させる回転
方式を採用したものにあって、回転支持系に設けられる
軸受の発熱で効率が低下するのを確実に防止できる磁気
冷凍装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、軸を回転自在に支持する軸受を俯えた良熱伝
導性部材を設けるとともに上記良熱伝導性部材を介して
上記軸受で軸止した熱を作業物質が位置する架間外へ排
熱する手段を設けたことを特徴とする。

〔発明の効果〕

上述した良熱伝導性部材および排熱手段の存在によって
、軸受で発生した熱が冷却作用梁間に侵入するのを防止
できる。したがって軸受で発生した熱で冷凍効率が低ヰ
するのを防止でき、回転形の特徴を最大限に発揮させる
ことができる。

〔発明の実施例〕

以干、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。

すなわち、同図において、１は外槽を示し、２は外槽１
内に収各された内槽を示し、３は内槽２の上方に内槽２
と連辿する関係に設けられた補助槽を示している。そし
て、外槽１と内槽２および補助槽３との間に存在する空
間４は真空引きされて真空断熱へ層に形成されている。

外槽１および補助槽３は共に全体が熱伝導性の低い材料
で形成されている。また、内槽２は、その底壁２ａ、側
壁２ｂおよび上壁２ｃの上記側壁２ｂにつながった周縁
部が肉厚の比較的厚い熱伝導性の高い拐料で形成されて
おり、上壁２ｃの残りの部分が熱伝導性の低い材料で形
成されている。ずなわち、上壁２ｃは、側壁２ｂの上節
縁から中心方向に所定距離たけ延びた部分５と、この部
分５につながって下方に向けて筒状に勉びた部分６と、
この部分６の下端を閉塞する部分７とで構成されており
、部分６の中途位置から下方に位置する構成壁が熱伝導
性の低い月別で形成されている。ぞして、側壁２ｂの内
面上方位置で補助槽３の真槓に位Ｆする部分には、鍔８
が突設され１おり、この鍔８上に磁場発生装置である超
電導コイル９が支持されている。この超電導コイル９は
、内槽２内の底部に溜っている液体ヘリウムＨを冷却源
とし、内槽２の側壁２ｂを介して所要の温度に冷却され
る。

しかして、内槽２の上壁２ｃにおける部分７の中央部に
は、紙面と直交する方向に延びるスリット状の孔１０が
形成されており、この孔１０を通して補助槽３が内槽２
内と連通する関係に上記部分７に接続されている。

浦助槽３内には、逆Ｕ字形の縦断面形状に形成され良熱
伝導性の部材１１が開口部を孔１０に対向させ、かつ図
示しない支持部材を介して補助槽３に固定されている。

そして、部材１１の両辺下端部には、それぞれ水平方向
に同軸的に延びてすべり軸受を構成する透孔１２ａ、１
２ｂが形成されている。これら透孔１２ａ、１２ｂには
軸１３が回転自在に支持されている。

この軸１３の一端側は、一端部が部材１１の側面に気密
に接続され他端側が補助槽３の側壁、内層２の上壁２ｃ
における部分６、内槽２の側壁２ｂおよび外槽１の側壁
を気密に貫通して設けられた低熱伝導製の案内筒１４内
を通して外部に轡き出されている。そして、外槽１外に
位置する軸１３の端部は図示しない回転駆動源に連結き
れている。

しかして、軸１３の外周で部材１１の両片間に位置する
部分には、その一部分が前記孔１０を通して内槽２内の
上部空間に侵入する大きさの回転輪１５が装置されてい
る。この回転輪１５は、熱伝導性の悪い部月で前記孔１
０の内面との間に僅かの隙間を存在させうる程度の厚み
および直径に形成されている。この回転輪１５の周辺部
には、軸１３と平行する孔１６が周方向に亙って複数形
成されており、これら孔１６内にはガドリニウムガリウ
ムガーネットを円柱状に加工してなる作業物質１７が回
転輪１５の側面と面一になる関係に装置されている。

一方、部材１１の上面には有底の孔１８が形成されてお
り、この孔１８には伝熱ロッド１９の一端側が嵌合して
いる。そして、伝熱ロッド１９の他端側は、補助槽３の
上端開口を閉塞するように設けられた補助冷凍機２０に
熱的に接続されている。また、補助冷凍機２０の冷媒導
入部は外槽１の土壁を気密に貫通して外部に導かれでい
る。なお、第１図中２１は外槽１と内漕２との間に装着
された断熱スペーサを示し、２２はシール部材を示し、
また、２３は作業物質１７が部材１１内に位置したとき
部材１１の内面を作業物質１７の端面に数１０ミクロン
のオーダに接近させる突部を示している。

つぎに、上記のように構成された磁気伶凍装置の動作を
説明する。

まず、超電導コイル９には、磁場を発生させうる永久電
流か流れているものとする。また補助冷凍機２０が動作
状態にあるものとする。補助冷凍機２０が動作すると伝
熱ロッド１９を介して部材１１が冷却される。したがっ
て、すベり軸受を構成する透孔１２ａ、１２ｂの部分も
十分低温に保たれる。

このような、状態で回転駆動源を動作させると、軸１３
が回転し、回転輪１５も回転する。

回転輪１５が回転すると、この回転輪１５に支持されて
いる作業物質１７は、回転輪１５の回転に伴って補助槽
３内と内槽２内とに交互に位置することになる。補助槽
３内は超電導コイル９で発生した磁場内に位置し、また
、内槽２内は磁場外に位置している。したがって、作業
物質１７が補助槽３内に位置したとき、この作業物質１
７は断熱磁化状態となり、また、内槽２内に位置したと
き断熱消磁状態となる。断熱消磁状態では、作業物質１
７が吸熱する。このため液面上に漂っているヘリウムガ
スが作業物質１７の載面に凝縮する。この凝縮によっ又
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。

一方、上記のように補助槽３内に位置して断熱消磁状態
になると、作業物質１７は発熱する。

この熱は次のようにして外部にみちびかれる。

すなわち、作業物質１７が部材１１内を移動すると、作
業物質１７の端面と部材１１に形成された突部２３とが
数１０ミクロンで近接する条件が必ず形成される。部材
１１は補助冷凍機２０によって冷却されており、また作
業物質１７と突部２３との間にはヘリウムガスが存在し
ている。ヘリウムガスはたとえば２１にの条件下では第
２図に示すように高い熱伝導特性を示す。したがって、
作業物質１７で発生した熱はヘリウムガス層を介して部
材１１に伝わり、補助冷凍機２０へと伝わる。このため
、作業物質１７で発生した熱が内槽２内に伝わるような
ことはない。

また上記のように運転が開始されると軸１３を支持して
いる透孔１２ａ、１２ｂの部分で発熱する。しかし、こ
の場合には、透孔１２ａ、１２ｂが部材１１に設けてあ
り、しかも部材１１は熱伝導性の高い材料で形成されて
いて補助冷凍機２０に熱的に接続されている。このため
、いわゆる軸受部で発生した熱は速やかに補助冷凍機２
０によって奪われることになる。したがって、軸受部で
発生した熱が内槽２内に侵入するようなこともない。こ
のように、回転方式を採用したときに起りやすい軸受部
からの熱侵入を防止することができ、この熱侵入に伴う
効率低下を防止することができるので、結局、前述した
効果が得られることになる。

なお、本発明は、上述した実施例に駆足されるものでは
なく、たとえは、透孔１２ａ、１２ｂ内にコロガリ軸受
が装置したものにも適用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の縦断面
図、第２図はヘリウムガスの熱伝導特性を示す図である
。 １…外槽、２…内槽、３…補助槽、９…磁場発生装置と
しての超電導コイル、１１…高熱伝導材で形成された部
材、１２ａ、１２ｂ…軸受用の透孔、１３…軸、１５…
回転輪、１７…作業物質、２０…補助冷凍機。 出願人代理人弁理士鈴江武彦 第１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）常時磁場を発生する磁場発生装置と、回転自在な
   軸によって支持されるとともに上記軸を境にして一方が
   前記磁場発生装置で発生した磁場内に常に位置し、他方
   が磁場外に常に位置するように設けられた断熱材製の回
   転部材と、この回転部材に固定され上記回転部材の回転
   に伴々って前記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して被冷却物を冷却する作業
   物質と、この作業物質が位置するを間内に位置して前記
   軸を回転自在に支持する軸受を備えた良熱伝導性部材と
   、前記軸を介して前記回転部材を回転駆動する手段と、
   前記軸受で発生した熱を前記良熱伝導性部材を介して前
   記作業物質が位置する空間外へ排熱する手段とを具備し
   てなることを特徴とする磁気冷凍装置。
2. （２）前記良熱伝導性部材は、前記作業物質が前記磁場
   内に位置したときの発熱を排熱する排熱路を兼ねたもの
   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。