JPS61197962A - Small-sized cryogenic refrigerator - Google Patents

Small-sized cryogenic refrigerator

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JPS61197962A
JPS61197962A JP60040709A JP4070985A JPS61197962A JP S61197962 A JPS61197962 A JP S61197962A JP 60040709 A JP60040709 A JP 60040709A JP 4070985 A JP4070985 A JP 4070985A JP S61197962 A JPS61197962 A JP S61197962A
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    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B25/00Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]

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。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 「#業上の利用分野」 本発明は、クライオポンプやHe液化装訝等に適用可能
な磁気冷凍を利用した小型極低温冷凍装置に関するもの
である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a small-sized cryogenic refrigeration system that uses magnetic refrigeration and is applicable to cryopumps, He liquefaction equipment, and the like.

L従来の技術j 従来の小型極低温冷凍装置は、シリング内にピストン状
のディスプレサーをスライド可能に嵌装し、このディス
プレサーを任復動作させることによって該ディスグレサ
ーと前記シリンダの低温端との間に形成されるl!!i
It室の容積を増減させ、その膨張室の拡縮によりカス
を順次膨張させて所定の冷凍サイクルを営ませるように
したものが一般的であるが、このようなものでは原理的
に20に〜15Kが熱の汲み1げ可能な温度限界であり
L Prior Art j A conventional small cryogenic refrigeration system has a piston-shaped displacer slidably fitted in a cylinder, and by repeatedly operating the displacer, the distance between the displacer and the low-temperature end of the cylinder is established. l formed between! ! i
It is common that the volume of the It chamber is increased or decreased, and the expansion and contraction of the expansion chamber sequentially expands the waste to run a predetermined refrigeration cycle. is the temperature limit at which heat can be pumped.

このため液体ヘリウム温度(4,2K)程度の極低温を
実現するためには4Kから20にへ熱を汲み出しを可能
にする冷凍手段と組み合せが必要である。
Therefore, in order to realize an extremely low temperature of about the liquid helium temperature (4.2K), a combination with a freezing means that can pump heat from 4K to 20K is required.

かかるガスサイクルの小型冷凍機と組み合わされる冷凍
手段の一つとして、磁気冷凍材(極低温においてエント
ロピの変化特性が磁場の強さによって異なる物質)を利
用したm気冷凍機の利用が案出されている。すなわち、
この磁気冷凍機ではその磁気冷凍材に消磁−励磁を繰り
返すサイクルを営ませると、消磁中は断熱消磁により温
度が下るとともにエンドC1どの増加に伴なって吸熱し
、励磁中は断熱励磁により温度が上るとともにエントロ
ピの減少に伴なって放熱するヒートポンプの作用を発揮
し得るもので、最近の研究によれば4Kから20にへの
熱の汲み上げに利用できることが実証されている。
As one of the refrigeration means to be combined with the small refrigerator of such a gas cycle, the use of an m-air refrigerator that uses a magnetic refrigeration material (a material whose entropy change characteristics differ depending on the strength of the magnetic field at extremely low temperatures) was devised. ing. That is,
In this magnetic refrigerator, when the magnetic refrigeration material undergoes a repeating cycle of demagnetization and excitation, during demagnetization the temperature decreases due to adiabatic demagnetization and heat is absorbed as the end C1 increases, and during excitation the temperature decreases due to adiabatic excitation. It can act as a heat pump, dissipating heat as the entropy decreases as the temperature rises, and recent research has demonstrated that it can be used to pump heat from 4K to 20K.

しかして、この磁気冷凍機を利用するものとして現在提
唱されている極低温冷凍装置は、前記の如きカスサイク
ルの小型冷凍機と磁気冷凍機とを各々独立したものに構
成し、両者を適宜のサーマルアンカーで結合して、磁気
冷凍機から常温への熱の汲み出しを行なうようにしてい
る。具体的には、ガス冷凍機のコールドヘッドと磁気冷
凍機の磁気冷凍材とを金属の熱伝導やHeガスの熱伝達
を介して熱的に連結するようにしている。しかし、この
ように両者を別々に構成して組み合わせるようにしたも
のでは、必然的に機構が複雑なものとなり、装置全体と
しての大型化も免れないのみならす、その伝熱部への外
部からの熱侵入が不11finであるから伝熱ロスに起
因する冷7!l!能力の代Fも大きいという問題がある
Therefore, the currently proposed cryogenic refrigeration equipment that utilizes this magnetic refrigerator consists of the above-mentioned small-sized cass cycle refrigerator and magnetic refrigerator, each of which is constructed independently, and the two are connected as appropriate. They are connected with a thermal anchor to pump heat from the magnetic refrigerator back to room temperature. Specifically, the cold head of the gas refrigerator and the magnetic refrigeration material of the magnetic refrigerator are thermally connected through metal heat conduction or He gas heat transfer. However, if the two are constructed separately and combined in this way, the mechanism will inevitably be complicated, and the overall size of the device will inevitably increase. Since the heat intrusion is not 11fin, the cold caused by heat transfer loss is 7! l! There is a problem in that the capacity margin F is also large.

[発明が解決しようとする問題点」 本発明は、以北のような問題点に着目してなされたもの
であって、ガス冷凍機と磁気冷凍機とを組み合わせてH
eg&化温度以ドの極低温を実現できるようにした冷凍
装置として、上記諸問題点を同時に解決することができ
るもの、即ち装置全体として小型化が図られ、またガス
冷凍機と磁気冷凍機との間の伝熱機構が筺易に構成され
、しかも伝熱ロスが少なくて冷凍性能の向上も期待でき
る極低温冷凍装置を新たに提供することを目的としてい
る。
[Problems to be Solved by the Invention] The present invention has been made by focusing on the above-mentioned problems, and combines a gas refrigerator and a magnetic refrigerator to
As a refrigeration system that can realize extremely low temperatures below the EG&C temperature, it is possible to solve the above problems at the same time, that is, the overall size of the system has been made smaller, and a gas refrigerator and a magnetic refrigerator have been developed. The purpose of the present invention is to provide a new cryogenic refrigeration device in which the heat transfer mechanism between the two is easily constructed, there is little heat transfer loss, and improvement in refrigeration performance can be expected.

L問題点を解決するための手段1 本発明は、このような目的を達成するために。Measures to solve the L problem 1 The present invention aims to achieve such an objective.

極低温側に当る最終段膨張室の外壁を磁気冷凍材で形成
するとともに、この磁気冷凍材の内面に対向し前記膨張
室を拡縮するピストン部材の端面を前記膨張室の排気T
程毎に該磁気冷凍材の内面に当接させるように構成した
往復動型冷凍機と、前記磁気冷凍材に磁界を可変自在に
目顔する磁界可変手段とを具備してなるとともに、前記
a&磁気冷凍材前記ピストン部材が接近してくる際に励
磁させ、−万前記ピストン部材が離反する際に消磁させ
るようにしたことを特徴とする。
The outer wall of the final stage expansion chamber on the extremely low temperature side is formed of a magnetic refrigeration material, and the end face of the piston member facing the inner surface of the magnetic refrigeration material and expanding and contracting the expansion chamber is connected to the exhaust T of the expansion chamber.
a reciprocating refrigerator configured to come into contact with the inner surface of the magnetic refrigeration material at every step; and a magnetic field variable means for variably applying a magnetic field to the magnetic refrigeration material; The magnetic refrigeration material is characterized in that it is energized when the piston member approaches, and demagnetized when the piston member moves away.

〔作用] このように構成したものであれば、往復動型ガス冷凍機
の機種やこれに営ませる冷凍サイクルの種類にかかわら
ず、その最終段膨張室の外壁をなす磁気冷凍材がピスト
ン部材との接離を熱スィッチとして逆カルノーサイクル
に似た熱サイクルを営み2磁気冷凍材のまわりの糧低温
域から吸熱しこれをガス冷凍機のピストン部材に直接放
熱するものとなる。すなわち、前記膨張室の外壁を兼ね
る磁気冷凍材は、ピストン部材が接近してくる際に励磁
されるので、このときにはまず断熱励磁されて昇温して
行き、次いでピストン部材がその内面に当接して両者が
接触すると、熱伝導により該ピストン部材に熱を与えな
がら等温励磁されることになる。また、ピストン部材が
離反する際には消磁されるので、このときにはまず磁気
冷凍材は断熱消磁されて降温して行さ、次いでその#A
度がまわりの極低温域の温度にまで下るとその周囲から
熱を奪って等温Jn&iされることになる。そして、こ
のようなサイクルで汲み出された熱は、往復動型ガス冷
凍機の冷凍サイクルで常温側に汲み出されることになる
[Function] With this configuration, regardless of the type of reciprocating gas refrigerator or the type of refrigeration cycle operated by it, the magnetic refrigeration material forming the outer wall of the final stage expansion chamber is compatible with the piston member. A thermal cycle similar to a reverse Carnot cycle is carried out by using the contact and separation of the magnetic refrigerating material as a thermal switch, which absorbs heat from the low temperature region around the two magnetic refrigerating materials and radiates this heat directly to the piston member of the gas refrigerator. That is, the magnetic refrigeration material, which also serves as the outer wall of the expansion chamber, is excited when the piston member approaches, so at this time, it is first adiabatically excited and heated up, and then the piston member comes into contact with its inner surface. When the two come into contact, heat is applied to the piston member due to thermal conduction, and the piston member is isothermally excited. Also, when the piston member separates, it is demagnetized, so at this time, the magnetic refrigeration material is first adiabatically demagnetized and cooled, and then the #A
When the temperature drops to the temperature of the surrounding cryogenic region, heat is taken away from the surrounding area and the temperature becomes isothermal. The heat pumped out in such a cycle is then pumped out to the room temperature side in the refrigeration cycle of the reciprocating gas refrigerator.

〔実施例] 以下1本発明の一要施例を図面を参照して説明する。〔Example] Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図および第2図は1本発明に係る極低温装置の概略
構成を示す図であって、上方常温側に往復動型ガス冷凍
機lを 下方極低温側に磁気冷凍機2を配設してなるも
のである。
1 and 2 are diagrams showing a schematic configuration of a cryogenic apparatus according to the present invention, in which a reciprocating gas refrigerator 1 is arranged on the upper normal temperature side and a magnetic refrigerator 2 is arranged on the lower cryogenic temperature side. This is what happens.

往復動型ガス冷′81槻lは、近時本発明者が開発し提
案している可動シェル型のもので、図ではこの種二段タ
イプのものを示している。そこで先ず、このガス冷凍機
1のJI!i或について簡述すると、このものでは各段
において、内設蓄冷器3b、4bと、該蓄冷器3b、4
bを包囲し軸心万向にスライド0工能な筒状のu■動ク
シエル5.該シェル5を外設蓄冷器3a、4aを介在せ
しめて包囲している筒状のケーシング6とを配設してな
るとともに、各段の下端部において前記可動シェル5と
その内外で対面する部材との間につくられる容積空間に
、この場合ピストン部材に相当する該可動シェル5の上
下往復動で内外交Wに拡縮する膨張室7b、7a、8b
、8aを形成してなるものである。さらに具体的に説明
すると、まず第1段のR4i記内設蓄冷器3bは可動シ
ェル5内部へのガスの流出入部材を兼ねる連通管lOで
連結されて常1!端のベース9に支持されており、また
第2の前記内設蓄冷器4bはこの第1段の内股蓄冷器3
bに支持されていてそれぞれ位置決め固定されている。
The reciprocating gas-cooled cylinder is a movable shell type recently developed and proposed by the present inventor, and the figure shows this type of two-stage type. So, first of all, let's talk about the JI of this gas refrigerator 1! To briefly explain about i, in this one, each stage has internal regenerators 3b, 4b, and regenerators 3b, 4.
5. A cylindrical u moving cylinder that surrounds b and can slide in all directions on its axis. A cylindrical casing 6 surrounds the shell 5 with external regenerators 3a and 4a interposed therebetween, and a member facing the movable shell 5 inside and outside at the lower end of each stage. In the volumetric space created between the
, 8a. To explain more specifically, first stage R4i internal regenerator 3b is connected by a communication pipe IO which also serves as a gas inflow/outflow member into the movable shell 5. The second internal regenerator 4b is supported by the base 9 at the end, and the second internal regenerator 4b is supported by the inner regenerator 3 of the first stage.
b, and are each positioned and fixed.

また、第1投と第2段の前記外設蓄冷器3a、4aは各
々前記ケーシング6に固持され、前記ベース9に支持さ
れたケーシング6と共に位置決め固定されている。なお
、上記の各蓄冷器は言う迄もなくガスの通気性をもち、
流通ガスとの熱交換を図るためのものである。さらに、
前記L1丁動シェル5はベース9gAのL端に虚部を有
し該蓋部から前記連通管10を気密に貫通せしめでいる
とともに、その上端部内外にチャンバ11b、11aを
形成している。そして、このI=(動シェル5の内側に
は前記ベース9に設けた流出入ボート12から前記連通
管10を通して第1殴の内設蓄冷器3b中にガスが吸排
できるようになっており(チャンバttb中へもガスが
充満される)、また可動シェル5の外側には前記ベース
9に設けた流出入ボー)13からチャツバllaを通し
てガスが吸排できるようになっている。
Further, the first and second stage external regenerators 3a and 4a are each firmly supported by the casing 6, and are positioned and fixed together with the casing 6 supported by the base 9. It goes without saying that each of the above regenerators has gas permeability,
This is to exchange heat with the circulating gas. moreover,
The L1 pivoting shell 5 has an imaginary part at the L end of the base 9gA, through which the communicating pipe 10 passes airtight from the lid part, and chambers 11b and 11a are formed inside and outside the upper end thereof. Then, inside the movable shell 5, gas can be sucked and discharged from the inflow/outflow boat 12 provided on the base 9 through the communication pipe 10 into the internal regenerator 3b of the first punch ( Gas is also filled into the chamber ttb), and gas can be sucked in and discharged from the outside of the movable shell 5 through an inlet/outlet bow 13 provided on the base 9 through a chatuba lla.

そして、このような構成からなる可動シェル型のガス冷
凍機において、そのコールドへ7ド偏に少に述べる磁界
可変手段と共に磁気冷凍41!2を一体的41JJtす
べく、例えばGGG (ガドリウム會ガリウム・ガーネ
ー2ト)からなる51%冷凍材18を配設している。す
なわち、この磁気冷凍材18はガス冷凍機の極低温側に
当る最終段の前記膨張室8aのド端における外壁を形成
するようにして設けられるものであって1図示例の場合
では下端が開口している前記ケーシング6の開口部に厚
手の磁気冷凍材18を嵌着して該開口部を気密に封鎖し
ていると同時に、その内面を最終段膨張室8aに露呈さ
せ外面を外側の極低温雰囲気に露呈せしめている。また
、この磁気冷凍材18からなる最終段膨張室8aの内面
と対向する前記可動シェル5の下端には、該シェル下端
部19の蓄熱能力を増大すべくこの部分を例えばPb製
の厚手の蓄熱・部材で形成するようにしている。具体的
には、図示例の場合下端が開口しているar効クシエル
5開口部に別体の蓄熱部材19を嵌着し該該開口部を気
密に封鎖するようにしている。なお、この蓄熱部材19
はそれ目体通気性先有するものであってはならないが1
例えばガス侵入孔を穿設するなどして内外膨張室8b、
aa内のガスとの熱交換をできるだけ促進するようにす
るのが好適である。
In the movable shell type gas refrigerator having such a configuration, in order to integrate the magnetic refrigeration 41!2 with the magnetic field variable means which will be described in detail in the cold section, for example, GGG (gadolium gallium A 51% refrigerating material 18 made of garnet 2) is provided. That is, this magnetic refrigeration material 18 is provided so as to form an outer wall at the end of the expansion chamber 8a in the final stage on the extremely low temperature side of the gas refrigerator, and in the case of the illustrated example, the lower end is open. A thick magnetic refrigerating material 18 is fitted into the opening of the casing 6 to airtightly seal the opening, and at the same time, its inner surface is exposed to the final stage expansion chamber 8a and its outer surface is connected to the outer pole. It is exposed to a low temperature atmosphere. In addition, at the lower end of the movable shell 5 facing the inner surface of the final stage expansion chamber 8a made of the magnetic refrigeration material 18, in order to increase the heat storage capacity of the lower end portion 19 of the shell, this portion is made of, for example, a thick heat storage material made of Pb.・It is made of parts. Specifically, in the illustrated example, a separate heat storage member 19 is fitted into the opening of the AR effect cylinder 5, which is open at the lower end, to airtightly close the opening. Note that this heat storage member 19
It must not have air permeability to the eye and body.1
For example, by drilling a gas inlet hole, the inner and outer expansion chambers 8b,
It is preferable to promote heat exchange with the gas in the aa as much as possible.

そして、上記の如く最終段膨張室8aを挟んで磁気冷凍
材18と蓄熱部材19とを配設しているとともに、可動
シェル5の外側の膨張室8a、7aの排気工程毎に、つ
まりシェル下端部19が磁気冷凍材18にF&上下近し
てくる毎に、第1図に示すように、そのに死点で両者を
直接当接させ、Wいに面接触させるようにガス冷葆機l
の往復動を調整している。
As described above, the magnetic refrigeration material 18 and the heat storage member 19 are arranged with the final stage expansion chamber 8a in between, and each time the expansion chambers 8a and 7a on the outside of the movable shell 5 are exhausted, Each time the part 19 approaches the magnetic refrigerating material 18 in the F& top and bottom, as shown in FIG.
Adjusts the reciprocating movement of the

このように構成した=T動クシエル型冷凍機1駆動手段
について概説すると、常?!!端側の前記ベース9に設
けた流出入ポー)12.13には、コンプレッサ14の
吐出口と吸気口とに各々連通される給気系路15と排気
系路16とがタイミングパルプ17を介して!、lノ#
え回部に接続され、このバルブ17の切換えによって可
動シェル5内外の膨張室7b、8b、7a、8aに必要
な吸排気が交尾に行なわれると同時に、b[動シェル5
はその内外の吸入ガス圧で目動的に往復動するものとな
っている。すなわち、口■動シェル5はその内側に高r
上ガスが4人されると5には低温側と常温側の受圧面積
の差(具体的にはナヤンパllbでの前記連通管10の
断面積分)により下方に付勢され。
An overview of the driving means of the T-motion Kusiel type refrigerator 1 configured as described above is as follows. ! ! An air supply system passage 15 and an exhaust system passage 16, which are connected to the discharge port and intake port of the compressor 14, respectively, are connected to the inflow/outflow port 12.13 provided in the base 9 on the end side via a timing pulp 17. hand! ,lノ#
By switching this valve 17, the intake and exhaust air necessary for mating is performed in the expansion chambers 7b, 8b, 7a, and 8a inside and outside the movable shell 5.
is designed to reciprocate visually depending on the suction gas pressure inside and outside. That is, the mouth motion shell 5 has a high r
When the upper gas is supplied to 4 people, 5 is urged downward due to the difference in the pressure receiving area between the low temperature side and the normal temperature side (specifically, the cross-sectional area of the communication pipe 10 at Nayampa Ilb).

逆にその外側に高圧ガスが導入されるときには回じ〈低
温側と常温側の受圧面積の差(珪体的にはチャンバll
aでの前記連通管10の断面積分)により北方に付勢さ
れるようになっているのである。そして、このような可
動シェル5の1回の往復動につき、内側の膨張室7b、
8bと外側の膨張室7a、8aとか半周期位相をずらし
てそれぞれ拡縮するものとなる。
On the other hand, when high-pressure gas is introduced to the outside of the
The cross-sectional area of the communicating pipe 10 at point (a) is biased northward. For each reciprocating movement of the movable shell 5, the inner expansion chamber 7b,
8b and the outer expansion chambers 7a, 8a are expanded and contracted with a half-cycle phase shift.

次いで、前記磁気冷凍112の構成を説明すると、この
磁気冷凍機2は、上記ガス冷凍機lの下端にその最終段
膨張室8aの外壁を兼ねて設けた磁気冷凍材18と、該
磁気冷凍材18の周囲に配設される磁界可変手段20と
から構成される。そして、この場合磁界可変手段20は
、液化He等を貯留する液だめ20bをもった環状の可
動ケース20a内に超電導マグネット21を内設してな
るものであって、該超電導マグネット21をそのri(
動ケース20aと一体にガス冷凍機lの前記タイミング
バルブ17の切換えに同期させて上下に往復動させるこ
とにより、前記磁気冷凍材18を所定のタイミングで励
磁または消磁できるようにしている。すなわち、前記可
動シェル5の磁気冷凍材18に接近してくる際には超電
導マクネット21を上昇させてこれtl−磁気冷凍材1
8のまわり近づけて行き磁気冷凍材18をwJJ磁させ
るようにしく第1図の状態)、また逆に前記Onシェル
5がfii気冷凍材18から離反する際には超電導マグ
ネット21を下降させてこれを磁気冷凍材18から遠ざ
け磁気冷凍材18を消磁させるようにする(第2図の状
態)、そして、この下降時において超電導マグネット2
1はそのケース20aごと下刃のデユワ22に貯留され
ている液化ガス23中に浸漬され、この時その液だめ2
0bにLHe等が逐次補給されることになる。なお、第
1図において、24はガスの液化室であり、25は磁気
冷凍機2およびガス冷凍機1の低温側を包囲している真
空室である。
Next, the structure of the magnetic refrigerator 112 will be explained. This magnetic refrigerator 2 includes a magnetic refrigerating material 18 provided at the lower end of the gas refrigerator l which also serves as the outer wall of the final stage expansion chamber 8a, and a magnetic refrigerating material 18 provided at the lower end of the gas refrigerator l, 18 and magnetic field variable means 20 disposed around the magnetic field variable means 18. In this case, the magnetic field variable means 20 is formed by disposing a superconducting magnet 21 inside an annular movable case 20a having a liquid reservoir 20b for storing liquefied He, etc. (
The magnetic refrigerating material 18 can be excited or demagnetized at a predetermined timing by reciprocating up and down in synchronization with the switching of the timing valve 17 of the gas refrigerator l together with the moving case 20a. That is, when approaching the magnetic refrigeration material 18 of the movable shell 5, the superconducting mucket 21 is raised and the tl-magnetic refrigeration material 1
8 to make the magnetic refrigeration material 18 magnetized wJJ (the state shown in FIG. The superconducting magnet 2 is moved away from the magnetic refrigeration material 18 to demagnetize the magnetic refrigeration material 18 (the state shown in Fig. 2), and during this descent, the superconducting magnet 2
1 is immersed together with its case 20a in the liquefied gas 23 stored in the deyuwa 22 of the lower blade, and at this time the liquid reservoir 2
LHe and the like will be sequentially supplied to 0b. In FIG. 1, 24 is a gas liquefaction chamber, and 25 is a vacuum chamber surrounding the low temperature side of the magnetic refrigerator 2 and the gas refrigerator 1.

上記構成からなる冷凍装置の作動をHe液化に供する場
合を例に説明する。
The operation of the refrigeration system having the above configuration will be explained using an example in which the refrigeration system is used for He liquefaction.

各段の外側膨張室7a、8aの容積が最大で内側膨張室
7b、8bの容積が最小(第2図の状態)のとき、タイ
ミングバルブ17をB位置にしてri[動シェル5の内
側を給気系路15にその外側を排気系路16に連通させ
ると、内側の膨張室7b、8bには′a冷器3b、4b
を通って予冷されなから高圧ガスが導入され、他方外側
の膨張室7a、8aからは断熱膨張によって冷却された
ガスが蓄冷器3a、4aを冷やしながら排出されること
になるが、これと同時に前述のような可動シェル5に作
用するガス圧のアンバランスによって可動シェル5が降
下して行き、ついには最終段膨張室8aにおいてその磁
気冷凍材18の内面にシェル下端部19が当接するに到
る。一方、前記タイミングバルブ17の+j1換えと同
時に、前記超電導マグネット21は下方の液体He中か
ら磁気冷凍材18のまわりの近接位置にまで上昇して該
磁気冷凍材18を磁場強さB=0からある強さB=B、
にまで励磁することになる。しかして、このときには第
3図においてI−IIに示すように、まず&1気冷凍材
18が断熱励磁(外部と熱の授受のない等エントロピ変
化)によりそれ自身昇温して行き、次いでシェル下端部
19が磁気冷凍材18の内面に当接し両者が面接触する
と、磁気冷凍材18が接触熱伝導によってシェル下端部
19に熱を奪われるためシェル下端部19の温度が15
にであるならば、磁気冷凍材18はこの温度を保って第
3図の1l−IIIに下すように、等温助磁されること
になる。
When the volume of the outer expansion chambers 7a, 8a of each stage is the maximum and the volume of the inner expansion chambers 7b, 8b is the minimum (the state shown in FIG. 2), the timing valve 17 is set to the B position, When the outside of the air supply system path 15 is communicated with the exhaust system path 16, the inside expansion chambers 7b, 8b are provided with coolers 3b, 4b.
High-pressure gas is introduced through the expansion chambers 7a, 8a without being pre-cooled, and gas cooled by adiabatic expansion is discharged from the outer expansion chambers 7a, 8a while cooling the regenerators 3a, 4a. Due to the unbalanced gas pressure acting on the movable shell 5 as described above, the movable shell 5 descends until the lower end 19 of the shell comes into contact with the inner surface of the magnetic refrigeration material 18 in the final stage expansion chamber 8a. Ru. On the other hand, at the same time as the timing valve 17 is changed to +j1, the superconducting magnet 21 rises from the liquid He below to a position close to the magnetic refrigeration material 18 and moves the magnetic refrigeration material 18 from the magnetic field strength B=0. A certain strength B=B,
It will be excited up to. At this time, as shown by I-II in FIG. 3, the &1 air refrigerating material 18 first raises its temperature by adiabatic excitation (isentropic change without exchange of heat with the outside), and then the lower end of the shell When the part 19 comes into contact with the inner surface of the magnetic refrigeration material 18 and the two come into surface contact, the magnetic refrigeration material 18 loses heat to the shell lower end 19 through contact heat conduction, so that the temperature of the shell lower end 19 increases to 15.
If so, the magnetic refrigerating material 18 is subjected to isothermal fertilization so as to maintain this temperature and drop it to 1l-III in FIG.

次に、シェル下端部19が磁気冷凍材18の内面に当接
する第1図の状態、即ち各段の外備膨肇室7a、8aの
容積が最小で内側膨張室7b、8bの容積が最大の状態
から、タイミングバルブ17を人位置にして可動シェル
5の外側を給気系路15にその内側を排気系路16に連
通させると、内側の膨張室7b、8bからは断熱膨張に
よって冷却されたガスが蓄冷器3b、4b冷やしながら
排出され、他方外側の膨張室7a、8aからは高圧ガス
が蓄冷W3a、4aを通って予冷されながら導入される
ことになるが、これと同時に前述のような可動シェル5
に作用するガス圧のアンバランスによってor動クシエ
ル5今度は上昇して行き、ついには第2図のように最終
段膨張室8aにおいてそのシェルF端部19が磁気冷凍
材18の内面から最も離れた下死点の位置に到る。−万
、iji記タイミングバルブ17のジノ換えと同時に、
前記超電導マグネット21は今度は磁気冷凍材18のま
わりから躍れるように降ドしてF方の液化He23中に
浸漬されるから、これに伴ない該磁気冷凍材18を&i
磁場強B=BlからB=0に消磁することになる。しか
して、このときには第3図において■−■に示すように
、まず磁気冷凍材18が断熱消&(外部と熱の授受のな
い等↓ントロビ変化)によりそれ自身降温して行き1次
いでその温度がLHe温度4.2Kにまで下ると該磁気
冷凍材18は周囲のガス液化室24のHeガスから熱を
奪ってこれを液化しつつ、第3図のN−1に示すように
等温消磁されることになる。
Next, in the state shown in FIG. 1 in which the shell lower end 19 is in contact with the inner surface of the magnetic refrigerating material 18, the volume of the external expansion chambers 7a and 8a of each stage is the minimum and the volume of the inner expansion chambers 7b and 8b is the maximum. When the timing valve 17 is set to the human position and the outside of the movable shell 5 is connected to the air supply line 15 and the inside thereof is connected to the exhaust line 16, the inner expansion chambers 7b and 8b are cooled by adiabatic expansion. The stored gas is discharged from the regenerators 3b and 4b while being cooled, and high-pressure gas is introduced from the outer expansion chambers 7a and 8a while being precooled through the regenerators W3a and 4a. movable shell 5
Due to the unbalance of the gas pressure acting on the gas pressure, the operating cylinder 5 rises again, and finally, as shown in FIG. reached the bottom dead center position. -At the same time as replacing the timing valve 17,
The superconducting magnet 21 then falls down from around the magnetic refrigeration material 18 and is immersed in the liquefied He 23 on the F side, so that the magnetic refrigeration material 18 is
The magnetic field strength B=Bl is demagnetized to B=0. At this time, as shown by ■-■ in Fig. 3, the magnetic refrigerating material 18 first lowers its temperature due to adiabatic extinction (i.e., no exchange of heat with the outside, etc.), and then the temperature When the LHe temperature drops to 4.2K, the magnetic refrigeration material 18 absorbs heat from the He gas in the surrounding gas liquefaction chamber 24 and liquefies it, while being isothermally demagnetized as shown at N-1 in FIG. That will happen.

したがって1以上のサイクルによると、磁気冷凍材18
は逆カルノーサイクルに似た熱サイクルを営んで、極低
温側のガス液化室24 (4,2K)からガス冷?![
1のコールドヘッド(15K)に熱を汲み上げるヒート
ポンプの役割を果すことになる(IV−Tで吸熱し、L
I−[11で放熱する)。しかもこの磁気冷凍材18か
らガス冷凍機lへの熱の移動は、磁気冷711!材18
とシェル下端部との接触熱伝導と#、反しているときの
熱伝達の差により有効な熱スィッチを実現して効率よく
行なわれるものとなる。そして、このようにして磁気冷
凍材18によって4,2にの温度レベルから15にの温
度レベルのシェルF端部19への熱伝導を介しコールド
ヘッド側に汲み旧げらてた熱は、カス冷凍機lの冷凍サ
イクルによって常温側に汲み出されることになる。なお
、この+i(勤シェル型のものからなるガス冷凍@lに
は、作動説明で示したようなギフオードマクマホンサイ
クルに限らず、他の例えばソルベーサイクルなどの冷凍
サイクルを営ませるようにしてもよい。
Therefore, according to one or more cycles, the magnetic refrigeration material 18
operates a thermal cycle similar to the reverse Carnot cycle, and gas cooling is carried out from the gas liquefaction chamber 24 (4.2K) on the cryogenic side. ! [
It will play the role of a heat pump that pumps heat to the cold head (15K) of 1 (IV-T absorbs heat, and L
I- [radiate heat with 11). Moreover, the transfer of heat from this magnetic refrigeration material 18 to the gas refrigerator l is magnetic cooling 711! Material 18
The difference between the contact heat conduction between the shell and the lower end of the shell and the heat transfer when the shell is facing the opposite direction realizes an effective heat switch and is carried out efficiently. In this way, the heat pumped up to the cold head side by the magnetic refrigerating material 18 from the temperature level 4, 2 to the temperature level 15 through heat conduction to the shell F end 19 is transferred to the cold head side. It will be pumped out to the room temperature side by the refrigeration cycle of the refrigerator 1. Note that this gas refrigeration system consisting of a +i shell type is not limited to the Gifford-McMahon cycle as shown in the operation explanation, but can also be operated with other refrigeration cycles such as the Solvay cycle. good.

このような構成および作用を有する冷凍装置であれば、
次のような効果が得られるものとなる。
If the refrigeration equipment has such a configuration and function,
The following effects will be obtained.

ます5Slには、このものでは従来のようにガス冷凍機
と磁気冷凍機とを独立して構成しこれら熱移動部材を介
して熱的に連結する構造のものに比較すると3両者を有
機的に一体結合して構成すれるものであるからLHe温
度(4,2K)程度からの冷凍能力を備えたものとして
は、従来に無い非常に小型の極低温冷凍装aが実現でき
ることである。また第2には、を記の如くこのものでは
別に熱移動部材を要ざ丁、ガス冷凍機の最終段膨張室の
外壁を形成するようにした磁気冷凍材からシェル下端部
との接離を熱スィッチとじてガス冷凍機のコールドヘッ
ド側に直接熱が伝えられるものであるから、従来のよう
に熱的に連結するために機構が複雑化することもないし
、同時にその伝熱部に外部から熱侵入を来すおそれも除
かれるから伝熱ロスに起因する冷凍効率の低下も最小に
抑えられる。
Compared to the conventional structure in which a gas refrigerator and a magnetic refrigerator are configured independently and are thermally connected via a heat transfer member, 5Sl has a structure that allows both to be organically connected. Since they are integrally connected, it is possible to realize an extremely compact cryogenic refrigerator a, which has never been seen before, and has a refrigerating capacity from about the LHe temperature (4.2 K). Second, as described above, this device requires a separate heat transfer member to connect and separate the magnetic refrigeration material that forms the outer wall of the final stage expansion chamber of the gas refrigerator from the lower end of the shell. Since the heat switch directly transfers heat to the cold head side of the gas refrigerator, there is no need to complicate the mechanism due to the thermal connection required in the past. Since the risk of heat intrusion is also eliminated, the decrease in refrigeration efficiency due to heat transfer loss is also minimized.

以上、一実施例について説明したが、未発明の小型極低
温冷凍装置はこれに限定されるものではなく、種々の態
様に改変して実施することが可能なものである。これに
ついて例示すれば、まず本発明で使用する磁気冷凍材は
必ずしも前記GGGに限定されるものでなく、要するに
極低温でエントロどの変化特性が磁場の強さ等によって
大きく変動する物質であれば広く利用できるものと予想
される。
Although one embodiment has been described above, the uninvented small-sized cryogenic refrigeration device is not limited to this, and can be modified and implemented in various ways. To give an example of this, first of all, the magnetic refrigeration material used in the present invention is not necessarily limited to the above-mentioned GGG, but can be broadly used as long as it is a material whose entropy or other characteristics change greatly depending on the strength of the magnetic field at extremely low temperatures. expected to be available.

また、実施例ではその磁気可変手段として超電導マグネ
ットを固足位置の磁気冷凍材に対し移動させて、該&1
気冷凍材の磁場強さを変化させるようにしたが、これは
磁気冷凍材に対し固定位置に配設した*磁石のコイル電
流を0N−OFFして励磁−消磁させるようにしてもよ
い。
In addition, in the embodiment, as the magnetic variable means, a superconducting magnet is moved relative to the magnetic refrigerating material at the fixed position, and the &1
Although the magnetic field strength of the air refrigeration material is changed, this may be done by turning ON/OFF the coil current of a *magnet disposed at a fixed position with respect to the magnetic refrigeration material to excite and demagnetize it.

そして1本発明で使用されるガス冷凍機の種別について
も、基本的に往復動型のものであれば同様に実施’T 
fkなものと考えられる。すなわち、必ずしも可動シェ
ル型のものと組み合せる場合に限定されない、しかし、
実施例のように特に可動シェル型のガス冷凍機と組み合
せるようにした場合では1次のような理由から本発明の
利用価値を一層高揚させることができる。すなわち、こ
の新型のものでは従来一般的な蓄冷器を一体に内有した
ディスプレーサを往復動するタイプものに比較すると、
その+jJ動シェルの一往復で内外膨張室がそれぞれl
サイクルを営んで実質的に冷凍能力が倍増される特徴が
あるばかりでなく、慣性質量の小さな可動シェルを往復
動させるため、内部空間に蓄冷器を充填してその容積を
最大限に活用しても振動等の問題を惹起せず、それ故こ
の種のガス冷凍機として同一性能でも最もコンパクトな
ものが提供できるのである。つまり、このことは磁気冷
凍機との組み合せで小型化を最大限に図る上に非常に好
都合となるのである。
1. Regarding the type of gas refrigerator used in the present invention, if it is basically a reciprocating type, the same procedure can be carried out.
It is considered to be fk. In other words, it is not necessarily limited to the case where it is combined with a movable shell type, but
Especially when the present invention is combined with a movable shell type gas refrigerator as in the embodiment, the utility value of the present invention can be further enhanced for the following reasons. In other words, this new model has a reciprocating displacer that incorporates a regenerator, which is common in the past.
With one round trip of the +jJ moving shell, the inner and outer expansion chambers are respectively l.
Not only does it run a cycle, effectively doubling its refrigeration capacity, but it also reciprocates a movable shell with a small inertial mass, so the internal space is filled with a regenerator to make the most of its volume. However, it does not cause problems such as vibration, and therefore it is the most compact gas refrigerator of this type with the same performance. In other words, this is very convenient for maximizing downsizing when combined with a magnetic refrigerator.

なお、この可動シェル型のものは実施例の場合のように
2段タイプのものに限らず、必要に応じ任意の段数に増
減できることは言う迄もない、また、実施例の場合磁気
冷凍材に当接するピストン部材の端面をなすシェル下端
部の構成材料には。
It goes without saying that this movable shell type is not limited to the two-stage type as in the case of the example, but can be increased or decreased to any number of stages as required. The constituent material of the lower end of the shell, which forms the end surface of the piston member that comes into contact with it.

該磁気冷凍材との接触面側を熱伝導性が良くしかも軽量
な材料で形成するようにした複合材を用いるようにして
もよいし、さらに膨張ガスとの熱交換を促進するため該
膨張ガスと接する部位にフィンを設けるようにしてもよ
い。
A composite material may be used in which the surface in contact with the magnetic refrigeration material is made of a material that has good thermal conductivity and is lightweight. A fin may be provided at a portion in contact with.

(発明の効果] 本発明は、以」:のような構成を具備してなるものであ
るから、液体ヘリウム温度程度の冷凍に利用される小型
極低温冷凍装置として、特に小型コンパクトに構成でき
て、しかも構造簡易であるとともに、磁気冷凍材からの
伝熱ロスに起因する効率低下のない高い冷凍能力を備え
たものが提供できたものである。
(Effects of the Invention) Since the present invention has the following configuration, it can be constructed particularly small and compact as a small cryogenic refrigeration device used for freezing around the temperature of liquid helium. Furthermore, it has been possible to provide a device that has a simple structure and has a high refrigerating capacity without a decrease in efficiency due to heat transfer loss from the magnetic refrigerating material.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

図面は本発明の一実施例を示し、第1図は本発明に係る
冷凍装置の概略構成を示す断面図であり、第2図はその
可動シェルが第1図と異なる位置にあるときの同一部断
面図であり、第3図はこの冷凍装置の熱サイクルを示す
温度−エントロピ線図である。 1・・・ガス冷凍機 2−・番磁気冷凍機 3a、4a命・会外設蓄冷器 3b、4b・・拳内股蓄冷器 5・・働可動シェル(ピストン部材) 6・・・ケーシング 7a、8a・会・外側膨張室(8a*・・最終7b、8
b・・・内側膨張室   段膨張室)9・・骨ベース lO・・e連通管 12.13・自・流出入ボート 15・・・給気系路 16@・拳排気系路 17・φ・タイミングパルプ 18・・−磁気冷凍材
The drawings show one embodiment of the present invention, and FIG. 1 is a cross-sectional view showing the schematic configuration of the refrigeration system according to the present invention, and FIG. It is a partial sectional view, and FIG. 3 is a temperature-entropy diagram showing the thermal cycle of this refrigeration apparatus. 1...Gas refrigerator 2--Magnetic refrigerator 3a, 4a life/external regenerator 3b, 4b...Kenuchi regenerator 5...Working movable shell (piston member) 6...Casing 7a, 8a・Meeting・Outside expansion chamber (8a*...Final 7b, 8
b...Inner expansion chamber Stage expansion chamber) 9...Bone base lO...e communication pipe 12.13...Inflow/outflow boat 15...Air supply system path 16@・Fist exhaust system path 17・φ・Timing pulp 18...-Magnetic refrigeration material

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 極低温側に当る最終段膨張室の外壁を磁気冷凍材で形成
するとともに、この磁気冷凍材の内面に対向し前記膨張
室を拡縮するピストン部材の端面を前記膨張室の排気工
程毎に該磁気冷凍材の内面に当接させるように構成した
往復動型ガス冷凍機と、前記磁気冷凍材に磁界を可変自
在に印加する磁界可変手段とを具備してなるとともに、
前記磁気冷凍材を前記ピストン部材が接近してくる際に
励磁させ、一方前記ピストン部材が離反する際に消磁さ
せるようにしたことを特徴とする小型極低温冷凍装置。
The outer wall of the final stage expansion chamber on the extremely low temperature side is formed of a magnetic refrigeration material, and the end surface of a piston member that faces the inner surface of the magnetic refrigeration material and expands and contracts the expansion chamber is made of magnetic refrigeration material every time the expansion chamber is evacuated. A reciprocating gas refrigerator configured to abut against an inner surface of a refrigerating material, and a magnetic field variable means for variably applying a magnetic field to the magnetic refrigerating material,
A small cryogenic refrigeration apparatus characterized in that the magnetic refrigeration material is energized when the piston member approaches, and demagnetized when the piston member moves away.
JP60040709A 1985-02-28 1985-02-28 Small cryogenic refrigerator Expired - Lifetime JPH068708B2 (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0464877A (en) * 1990-07-02 1992-02-28 Sumitomo Heavy Ind Ltd Cryogenic refrigerating machine

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH0464877A (en) * 1990-07-02 1992-02-28 Sumitomo Heavy Ind Ltd Cryogenic refrigerating machine

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