JPS61147063A

JPS61147063A - 磁気冷凍装置

Info

Publication number: JPS61147063A
Application number: JP26770984A
Authority: JP
Inventors: 聡安田; 秀樹中込
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-12-19
Filing date: 1984-12-19
Publication date: 1986-07-04
Also published as: JPH0332711B2

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、磁気冷凍装置に係り、特に、回転形の磁気冷
凍装置の改良に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点）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。磁気冷凍装置は、断熱消磁によって冷え
た磁性体で被凝縮ガスを凝縮させるようにしたもので、
通常の圧縮形冷凍機に比べて単位体積当りの冷凍能力が
高いとい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
作業物質で発生した熱を外部に逃がす排熱過程と、磁場
内に位置している作業物質を磁場外に急速に導入して断
熱消磁させ、このときの吸熱作用で被凝縮ガスを凝縮さ
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。

このようなことから、従来の磁気冷凍装置にあっては、
作業物質を直線往復動させて、この作業物質を磁場内お
よび磁場外に交互に移動させる直線動形のものと、作業
物質を同一円周上に移動させることによって上記作業物
質を磁場内および磁場外に交互に位置させるようにした
回転形のものとが考えられている。このうち回転形のも
のは、回転ホイールの同一円周上に複数の作業物質を配
置させることができるので、理論的には一層、冷凍効率
を向上させることができる。

しかしながら、回転形の磁気冷凍装置にあっても次のよ
うな問題があった。すなわち、回転形のものは、通常、
回転ホイールで作業物質を支持している。この回転ホイ
ールには軸の一端側が接続されており、この軸の他端側
は常温に近い位置に配置された回転駆動源に連結されて
いる。このため、上記軸を通して作業物質が移動する空
間に侵入する熟思が多く、これが原因して冷却性能をそ
れ程向上させることができない問題があった。また、作
業物質から良好に熱を除去するために、作業物質が磁場
内に位置したとき排熱用熱導体を上記作業物質の表面に
近接もしくは接触させる必要があるが、前記軸と、この
軸を覆っている覆い部材との熱収縮量の差によって排熱
用熱導体と作業物質との間の間隔もしくは接触圧が変化
し、これが原因して良好な排熱特性を発揮させることが
できず、この点からもそれ程冷却性能を向上させること
ができない問題があった。さらに、上述した熱収縮量の
差によって、回転ホイールや軸受等に無理な力や変位が
生じ、これが原因して回転駆動動力や摩擦熱が増加する
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、回転形のものにおいて、軸を通
しての熱侵入を大幅に少なくできるとともに熱収縮量の
差によって起り易い排熱性能の低下や駆動動力の増大化
を防止でき、もって冷却性能向上化および回転駆動動力
の減少化を図れる磁気冷凍装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明によれば、磁場を発生させる磁場発生装置と、こ
の磁場発生装置で発生した磁場内に位置しているときに
は発熱し、磁場外に位置しているときには吸熱して外面
に被凝縮ガスを凝縮させる作業物質と、この作業物質を
支持する回転ホイールと、この回転ホイールに接続され
た軸と、この軸を介して前記回転ホイールを回転させ、
前記作業物質を前記磁場内および磁場外に交互に位置さ
せる回転駆動源と、前記作業物質が前記磁場内に位置し
ているとき上記作業物質で発生した熱を除去する手段と
を備えてなる磁気冷凍装置において、前記回転軸に、こ
の回転軸を軸方向に伸縮させるカップリングが介挿され
てなる磁気冷凍装置が提供される。そして、カップリン
グとしては、セレーション軸カップリングやベローズが
用いられる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、回転ホイールと回転駆動源とを連結す
る軸に、この軸を軸心線方向に実質的に２分割するとと
もに軸心線方向に伸縮自在に連結するカップリングを介
挿しているので、軸を一体的に形成したものに比べて軸
心線方向の熱抵抗を大きくできる。したがって、軸を通
して作業物質が移動する空間へ侵入する熱量を抑えるこ
とができるので、冷却性能を向上させることができる。

また、上記のようにカップリングを設けているので、軸
と、この軸を覆っている部材との間に熱収縮差が存在し
ていても、この差はカップリングの軸心線方向への伸縮
で吸収される。このため、上記熱収縮差によって回転ホ
イールに無理なカヤ変位が生じるようなことがなく、こ
の結果排熱性能が低下したり、また回転駆動動力が増大
したり、ｙＪ擦熱が増加するのを防止することができる
。

〔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、本発明に係る磁気冷凍装置をヘリウム液化装
置に組込んだ例を示すもので、この装置は、大きく別け
て、液化装置本体Ａと、予冷冷凍１１Ｂとで構成されて
いる。そして、液化装置本体Ａは、具体的には次のよう
に構成されている。

すなわち、図中１はヘリウム槽を示している。

このヘリウム槽１は、外槽２と、この外槽２内に収容さ
れた内槽３と、この内槽３内に配置されたヘリウム容器
４とで構成されている。そして、内槽３を取り囲んでい
る空間５およびヘリウム容器４を取り囲んでいる空間６
は、それぞれ真空引きされて真空断熱層に形成されてい
る。また、外槽２、内槽３およびヘリウム容器４は、そ
れぞれ熱伝導性の悪い非磁性材で形成されている。

へυラム容器４の上方には、偏平な円板状の外形に形成
された補助容器７が水平に配置されている。この補助容
器７は、全体が熱伝導性の悪い非磁性材で形成されてい
る。そして、補助容器７内とヘリウム容器４内とは、偏
心した位置において筒体８によって接続されている。補
助容器７の上壁中央部には孔９が設けてあり、この孔９
の縁部には筒体１０の下端部が気密に接続されている。

この筒体１０の上端部は内槽３の上壁および外槽２の上
部空間に水平に設けられた仕切り壁１１を気密に貫通し
ている。

補助容器７内には、回転ホイール１２が軸心線を上下方
向に向けて回転自在に装着されている。

この回転ホイール１２は、熱伝導率の悪い非磁性部材で
形成されたもので、その中央部には上下方向に向かう透
孔１３が形成されており、またその周縁部には同じく上
下方向に向かう透孔１４が等間隔に周方向に複数形成さ
れている。そして、各透孔１４内には、作業物質１５が
装着されている。

これら作業物質１５は、たとえばガドリニウム・ガリウ
ム・ガーネットの単結晶体を円柱状に加工して形成され
たもので、その直径が前記透孔１４の直径より小さく、
かつ軸方向の長さが回転ホイール１２の厚みとほぼ等し
く形成されている。これら作業物質１５の外周面１６は
、滑らかな面に形成されており、また上、下端面１８ａ
、１８ｂは平坦な面に形成されている。そして、各作業
物質１５は、透孔１４の内面との間に環状の間隙１９を
設けた状態で、その上、下端面１８ａ１１８ｂの周縁部
が支持材２０を介して回転ホイール１２に固定されてい
る。なお、支持材２０は、作業物質１５の上、下端面１
８ａ、１８ｂの周縁部に形成されたきり欠講と回転ホイ
ール１２の上、下端面に形成された切欠溝とにその両端
が完全に嵌入する形に設けられており、これによって支
持材２０が作業物質１５の上下端面および回転ホイール
１２の上下端面より突出しないようになっている。

回転ホイール１２の中央部に設けられた透孔１３には、
軸２１の下端部が挿設されており、この軸２１の回転ホ
イール１２より下方に突出した部分はピボット軸に形成
されている。そして、上記ピボット軸は、補助容器７の
底壁内面に形成された軸受部２２または特別に設けられ
た軸受によって支持されている。

上記軸２１は、軸要素２３ａと２３ｂとを軸心線方向に
結合して構成されたもので、軸要素２３ａと２３ｂとは
筒体１０内において第２図に示すようにセレーション軸
カップリング２４によって軸心線方向に伸縮自在に結合
されている。軸要素２３ｂの上部側は、筒体１０内を上
方に向けて延び、その上端部が外槽２の上壁に設けられ
た軸受２５によって支持されている。上記軸要素２３ｂ
の外周で前記外槽２の土壁と前記仕切り壁１１との間に
位置する部分には歯車２６が装着されている。歯車２６
は歯車２７と歯合しており、この歯車２７は外槽２の上
壁と仕切り壁１１とに固定された軸受２８．２９によっ
て回転自在に支持された軸３０に装着されている。そし
て軸３０の上端側は外槽２の土壁を貫通して上記上壁の
外面に固定されたモータ３１の回転軸に連結されている
。

前記補助容器７の側壁で、前記筒体８が設けられている
位置とは反対側に位置する部分には孔３２が設けてあり
、この孔３２を通して補助容器７内に熱伝導体３３が気
密に挿設されている。この熱伝導体３３は、非磁性良熱
伝導材、たとえば鋼材で形成されており、補助容器７内
に位置する部分には、回転ホイール１２に装着されてい
る作業物質１５の上、下端面１８ａ、１８ｔ）に弾性的
に摺接もしくは僅かの間隙をあけて対向する吸熱片３４
ａ、３４ｂが形成されている。そして、熱伝導体３３の
補助容器７外に位置している部分は内槽３内を所定の高
さまで上方に延びている。この上方に延びている部分の
上端には開口部を上方に向けた円柱状の凹部３５を有し
た接続部３６が形成されている。接続部３６の上端周縁
部には筒体３７の下端部が接続されており、この筒体３
７の上端側は内槽３の土壁を気密に貫通した後、外槽２
の土壁に設けられた孔３８の内面に気密に接続されてい
る。そして、上記筒体３７内には予冷冷凍機Ｂの吸熱導
体３９が差し込まれ、この吸熱導体３９の下端部が前記
凹部３５に嵌入している。

なお、吸熱導体３９のの外周には７ランジ部４０が形成
されており、この７ランジ部４０が図示しないシール材
を介して外槽２の土壁に固定され、これによって筒体３
７の開口部が気密に閉塞されるとともに予冷冷凍ｌ！ｌ
Ｂの固定がなされている。

一方、補助容器７の上方および下方位置で、かつ前記熱
伝導体３３の吸熱片３４ａ、３４ｂに対向する位置には
磁場発生装置としての超電導コイル４１．４２が同軸的
に配置されている。これら超電導コイル４１．４２は、
それぞれ非磁性良熱伝導材で偏平に形成されたケース４
３．４４と、これらケース４３．４４内に収容されたコ
イル本体４５．４６とで構成されている。そして、ケー
ス４３と４４とは良熱伝導体４７で接続されており、こ
の良熱伝導体４７の下端側はヘリウム容器４の土壁を気
密に貫通して上記ヘリウム容器４の底部に溜っている液
体ヘリウムＨ中に差し込まれている。すなわち、コイル
本体４５．４６は、ヘリウム容器４内に溜っている液体
ヘリウムＨを冷却源とし、良熱伝導体４７およびケース
４３．４４を介して所要の温度に冷却されるようになっ
ている。なお、第１図中、５１はシール機構を示し、５
２．５３は補助軸受を示している。

次に、上記のように構成されたヘリウム液化装置の動作
を説明する。

まず、超電導コイル４１．４２のコイル本体４５．４６
は所定の温度に冷却されており、かつコイル本体４５．
４６には発生磁場の方向が等しくなる向きの永久電流が
流れているものとする。

また、予冷冷凍１１Ｂが動作しているものとする。

予冷冷凍機Ｂが動作すると、吸熱導体３９を介して熱伝
導体３３が十分低温に冷却される。

このような状態で、モータ３１を動作開始させ葛と、軸
２１が回転し、これに伴って回転ホイール１２が回転す
る。回転ホイール１２が回転すると、各作業物質１５は
１つの円軌道上を移動し、超電導コイル４１，４２が発
生している磁場内と磁場外とを循環することになる。作
業物質１５が磁場内に入り込むと、磁束が一方の端面か
ら他方の端面に向かうように作業物質１５内を通り、こ
の作業物質１５は断熱磁化状態となって発熱する。

また、作業物質１５が磁場外に出ると、この作業物質１
５は断熱Ｉｌｌ状態となって吸熱する。

このように断熱消磁状態になると、液面上に漂い補助容
器７内に侵入しているヘリウムガスが作業物質１５の表
面に凝縮する。この凝縮によって形成された液滴は、ヘ
リウム容器４内へと自然落下する。したがって、ここに
ヘリウムの液化が実現される。

一方、断熱磁化状態のとき作業物質１５で発生した熱は
、次のようにして外部に導かれる。すなわち、作業物質
１５が磁場内に位置しているときには、この作業物質１
５の上、下端面１８ａ１１８ｂに吸熱片３４ａ、３４ｂ
が必ず接触もしくは近接している。このため、作業物質
１５で発生した熱は、上記吸熱片３４ａ、３４ｂから熱
伝導体３３に伝わり、続いて吸熱導体３９を介して速や
かに予冷冷凍機Ｂへと排熱される。したがって、作業物
質１５で発生した熱によってヘリウム容器４内が温度上
昇するようなことはなく、また、作業物質１５が常に所
定の低温に予冷され、ここに良好な冷凍サイクルが実現
される。

ところで、上記のような運転状態下においては、回転ホ
イール１２は低温に、また軸２１の上端側、つまり軸要
素２３ｂの上端側は常温に近い温度にある。このため、
軸２１を介して回転ホイール１２側に熱が侵入しようと
する。しかし、この実施例の場合には、軸２１の中途位
置にセレーション軸カップリング２４が介挿されている
。セレーション軸カップリング２４は山と谷とを歯合さ
せて回転力を伝達するように構成されているので、山と
谷との歯合部は通常、密着性が悪い。このため、歯合部
における熱抵抗が非常に大きい。したがって、軸２１を
介しての熱侵入量を、十分小さな値に抑えることができ
、軸を介しての侵入熱による冷却性能の低下を防止する
ことができる。また、冷凍運転が行われると各部に温度
差が生じ、この温度差によって各部の熱収縮量に差が生
じる。

特に、軸２１と、この軸２１を覆っている筒体１０との
間の熱収縮量に差が生じると、この差によって補助容器
７と回転ホイール１２との間の相対位置が変化し、吸熱
片３４ａ、３４ｂの作業物質１５への接触圧あるいは作
業物質１５との間の間隙長が変化しようとしたり、軸受
２２．２５．５２．５３等に無理な力が作用したりしよ
うとする。しかし、この実施例の場合には、前述のよう
に軸２１の中途位置にセレーション軸カップリング２４
を介在させているので、上述した熱収縮量の差はセレー
ション軸カップリング２４の軸心線方向への伸縮によっ
て吸収される。したがって、補助容器７と回転ホイール
１２との間の相対位置が変化するようなことはなく、こ
のため相対位置が変化したときに起り易い排熱性能の低
下や回転駆動動力の増大化および摩擦熱の増加を防止す
ることができ、結局、前述した本発明の効果を発揮する
ことになる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものでは
なく種々変形することができる。すなわち、上述した実
施例においてセレーション軸カップリングの全体または
歯合部分を断熱材で形成するようにしてもよい。また、
セレーション軸カップリングの代わりに第３図に示すよ
うに軸心線方向に伸縮自在なベローズ６１をカップリン
グとして用いてもよい。また、減速用の歯車を外槽外に
配置するようにしてもよい。

【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を組込ん
でなるヘリウム液化装置の縦断面図、第２図は同装置に
おける回転駆動用の軸を局部的に取り出して示す断面図
、第３図は同軸の変形例を示す局部的断面図である。Ａ・・・液化装置本体、Ｂ・・・予冷冷凍機、１・・・
ヘリウム槽、２・・・外槽、３・・・内槽、４・・・ヘ
リウム容器、７・・・補助容器、１０・・・筒体、１２
・・・回転ホイール、１５・・・作業物質、２１・・・
軸、２３ａ、２３ｂ・・・軸要素、２４・・・セレーシ
ョン軸カップリング、３１・・・モータ、３３・・・熱
伝導体、３４ａ、３４ｂ・・・吸熱片、４１．４２・・
・超電導コイル、６１・・・ベローズ。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第１図第２図第３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）磁場を発生させる磁場発生装置と、この磁場発生
装置で発生した磁場内に位置しているときには発熱し、
磁場外に位置しているときには吸熱して外面に被凝縮ガ
スを凝縮させる作業物質と、この作業物質を支持する回
転ホイールと、この回転ホイールに接続された軸と、こ
の軸を介して前記回転ホイールを回転させ、前記作業物
質を前記磁場内および磁場外に交互に位置させる回転駆
動源と、前記作業物質が前記磁場内に位置しているとき
上記作業物質で発生した熱を除去する手段とを備えてな
る磁気冷凍装置において、前記回転軸に、この回転軸を
軸方向に伸縮させるカップリングが介挿されてなること
を特徴とする磁気冷凍装置。
（２）前記カップリングは、セレーション軸カップリン
グで構成されてな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）前記セレーション軸カップリングは、少なくとも
歯合部が断熱材で形成されてなることを特徴とする特許
請求の範囲第２項記載の磁気冷凍装置。
（４）前記カップリングは、軸心線方向に伸縮自在なベ
ローズで構成されてな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。