JPS61197964A - Small-sized cryogenic refrigerator - Google Patents

Small-sized cryogenic refrigerator

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Publication number
JPS61197964A
JPS61197964A JP4071285A JP4071285A JPS61197964A JP S61197964 A JPS61197964 A JP S61197964A JP 4071285 A JP4071285 A JP 4071285A JP 4071285 A JP4071285 A JP 4071285A JP S61197964 A JPS61197964 A JP S61197964A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
magnetic
dewar
refrigeration material
heat
Prior art date
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Pending
Application number
JP4071285A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
英文 斎藤
昌尚 安藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shimadzu Corp
Original Assignee
Shimadzu Corp
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Filing date
Publication date
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Publication of JPS61197964A publication Critical patent/JPS61197964A/en
Pending legal-status Critical Current

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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】 [産業上の利用分野] 本発明は、クライオポンプやHe液化装置等に適用可能
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 [Industrial Application Field] 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.

[従来の技術] 従来の小型極低温冷?j!?c21は、シリンダ内にピ
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往復動作させることによって該ディ
スプレサーと前記シリンダの低温端との間に形成される
膨張室の容積を増減させ、その膨張室の拡縮によりガス
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が熱の汲み上げ可能な温度限
界であり。
[Conventional technology] Conventional compact cryogenic cooling? j! ? c21 has a piston-shaped displacer slidably fitted into the cylinder, and by reciprocating the displacer, the volume of the expansion chamber formed between the displacer and the low temperature end of the cylinder is increased or decreased. It is common that the expansion chamber expands and contracts to sequentially expand the gas to run a predetermined refrigeration cycle, but in principle such a device can pump heat of 20 to 15K. temperature limit.

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.

一方最近では、かかるガス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
用した磁気冷凍機の利用が脚光をあびている。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トロピ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、Jlt近の研究によれIf 4 K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。
On the other hand, recently, the use of magnetic refrigerators that utilize magnetic refrigeration materials (substances whose entropy changes depending on the strength of the magnetic field at extremely low temperatures) has been attracting attention as one type of refrigeration means that can be combined with such gas refrigerators. It is growing. In other words, in this magnetic refrigerator, when the magnetic refrigeration material is subjected to a repeating cycle of demagnetization and excitation, during demagnetization the temperature decreases due to adiabatic demagnetization and heat is absorbed as entropy 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 increases, and research by JLT has demonstrated that it can be used to pump heat from If 4 K to 20°C.

しかして、このような磁気冷凍機を利用する場合では、
4にレベルから20にレベルまで熱を汲み上げるこの磁
気冷凍機と、20Kから常温に熱を汲み上げるガス冷凍
機との熱的連結を所定のタイミングで間欠的に行なわる
ことが必要である。
However, when using such a magnetic refrigerator,
It is necessary to intermittently perform thermal connection at predetermined timings between this magnetic refrigerator, which pumps heat from a level of 4 to 20 degrees, and a gas refrigerator, which pumps heat from 20K to room temperature.

つまり、磁気冷凍材が断熱励磁によって昇温するときに
は該磁気冷凍機からガス冷凍機のコールドヘッド側に伝
熱させ、一方磁気冷凍材が断熱消磁によって降温すると
きには高温側から磁気冷凍材への熱の流入を断つ両者の
熱的連結の切換えが必要であって、このため現在ではそ
の具体的な手段として、Heを伝熱媒体としHeガスの
凝縮熱伝達とHeガス薄層との熱伝達との差により熱ス
ィッチを実現することが案出されている(特開昭58−
184471号公報参照)、シかし、このようなもので
はその熱スィッチの機構が複雑となり冷凍?:、置装体
としての大型化を招来するのみならず、そのスイッチ動
作が確実なものといえず、磁気冷凍材に対する高温側か
らの熱侵入も大きいと予想されるため磁気冷凍機の効率
が低下する問題がある。
In other words, when the temperature of the magnetic refrigeration material increases due to adiabatic excitation, heat is transferred from the magnetic refrigerator to the cold head side of the gas refrigerator, while when the temperature of the magnetic refrigeration material decreases due to adiabatic demagnetization, heat is transferred from the high temperature side to the magnetic refrigeration material. It is necessary to switch the thermal connection between the two to cut off the inflow of the He gas.Currently, the specific means for this purpose is to use He as a heat transfer medium and to transfer the condensation heat of the He gas and the heat transfer between the He gas thin layer. It was devised to realize a thermal switch by the difference in the
(Refer to Publication No. 184471) However, in such a product, the heat switch mechanism is complicated and refrigeration is difficult. : Not only does this lead to an increase in the size of the equipment, but the switch operation is not reliable, and it is expected that there will be a large amount of heat intrusion into the magnetic refrigeration material from the high temperature side, which will reduce the efficiency of the magnetic refrigerator. There is a problem of deterioration.

同時にまた2磁気冷凍機で汲み出された熱を20にレベ
ルから常温に汲み上げる手段には、ソルベーサイクル等
を営むの小型ガス冷凍機が用いることが考えられるが、
この種のものでは20にレベルで汲み出す熱量を十分大
きくできないという問題があった拳 [発明が解決しようとする問題点] 本発明は、以ヒ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
e液化温度以下の極低温を実現できるようにした小型極
低温冷凍装置として、上記問題点を同時に解決すること
ができるもの、即ち前記熱スィッチの0N−OFFが必
要なタイミングで確実に行なえ、しかも20にレベルか
らの熱の汲み出し能力も十分大きくできるものを新たに
提供することを目的としている。
At the same time, a small gas refrigerator operated by Solvay Cycle etc. may be used as a means to pump the heat pumped out by the two-magnetic refrigerator from the 20°C level to room temperature.
This type of fist had the problem of not being able to pump out a sufficient amount of heat at a level of 20 [Problems to be solved by the invention] The present invention was made by focusing on the following problems. H by combining a gas refrigerator and a magnetic refrigerator.
e A compact cryogenic refrigeration system capable of realizing cryogenic temperatures below the liquefaction temperature that can simultaneously solve the above problems, that is, turn on and off the thermal switch reliably at the required timing; The aim is to provide a new product with a sufficiently large ability to pump out heat from the 20 level.

[問題点を解決するための手段] 本発明は、このような目的を達成するために。[Means for solving problems] The present invention aims to achieve such an objective.

磁気冷凍材を第1デユワ内に臨設するとともにこのFi
i気冷凍材を周期的に励消磁する磁界可変手段をA罰し
てなる磁気冷凍機と、水素、ネオンもしくはネリウムガ
スをジュール・トムソン弁で自由膨張させてこの作動ガ
スの気液二相流を前記第1デユワと連接する第2デユワ
内で噴射せしめるようにしたガス冷凍機とを備え、前記
第1デユワと前記第2デユワの隔壁を前記磁気冷凍材で
形成するとともに、この磁気冷凍材の励磁サイクル毎に
前記ジュール・トムソン弁を開成して該磁、気冷凍材に
前記気液二相流を間欠的に噴射するようにしたことを特
徴としている。
A magnetic refrigeration material was installed inside the first dewar, and this Fi
i A magnetic refrigerator with variable magnetic field means for periodically excitation and demagnetization of a gas refrigerating material, and a gas-liquid two-phase flow of the working gas by freely expanding hydrogen, neon, or nerium gas with a Joule-Thomson valve. a gas refrigerator configured to inject gas into a second deyuwa connected to the first deyuwa; a partition wall between the first deyuwa and the second deyuwa is formed of the magnetic refrigeration material; The present invention is characterized in that the Joule-Thompson valve is opened for each excitation cycle to intermittently inject the gas-liquid two-phase flow into the magnetic and pneumatic refrigerating material.

〔作用〕[Effect]

このように構成したものであれば、磁気冷凍材が断熱励
磁して、昇温したときに該51%冷凍材にH?、Neも
しくはNe−He混合ガスの気液二相流を噴射すること
ができ、このと5のみガスの熱伝達に比較して遥かに大
きい液化作動ガスの気化熱伝達で磁気冷凍機とガス冷凍
機とが熱的に連結されることになる。したがって、この
ものでは磁気冷凍材の励消磁サイクルに応じて所定のタ
イ   ′ミングで熱の波れを確実に0N−OFFでき
る熱スィッチが実現でき、効率低下に直結する磁気冷凍
材への高温側からの熱侵入を著しく減少することがでさ
る。そして、この磁気冷凍材によって第1デユワからW
S2デユワに汲み出される熱は、第2デユワ内の気化ガ
スをva環してジュール−トムソン弁から気液二相流を
間欠的に噴射するガスサイクルにより常温側に汲み出さ
れるのであるが。
With this configuration, when the magnetic refrigerant is adiabatically excited and the temperature rises, the 51% refrigerant will have H? , a gas-liquid two-phase flow of Ne or Ne-He mixed gas can be injected, and the vaporization heat transfer of the liquefied working gas is much greater than the heat transfer of gas. The machine will be thermally connected to the machine. Therefore, with this device, it is possible to realize a thermal switch that can reliably turn on and off the heat wave at a predetermined timing according to the excitation/demagnetization cycle of the magnetic refrigeration material. It is possible to significantly reduce heat intrusion from the inside. By using this magnetic refrigeration material, the W
The heat pumped out to the S2 dewar is pumped out to the room temperature side by a gas cycle in which the vaporized gas in the second deyuwa is circulated by VA and a gas-liquid two-phase flow is intermittently injected from the Joule-Thompson valve.

このような自由膨張後の二相流を直接&i磁気冷凍材噴
射するようにしたガス冷凍機モあれば、小型のちのでも
20にレベルからの熱の汲み出し能力を著しく増大する
ことが可能になる。
If there is a gas refrigerator in which such a two-phase flow after free expansion is directly injected with magnetic refrigeration material, it will be possible to significantly increase the ability to pump out heat from a small size, even at a level of 20. .

[実施例〕 以下1本発明の一実施例を図面を参照して説明する。[Example〕 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図および第2図は1作動ガスとしてネオンガスを用
いヘリウムの再液化に利用される小型極低温冷凍装置の
概略構成を示す図であって、下方極低温側に磁気冷凍機
1を、上方常温側にガス冷凍機2を配設して構成されて
いる。
1 and 2 are diagrams showing a schematic configuration of a small cryogenic refrigerator used for reliquefaction of helium using neon gas as the working gas, in which a magnetic refrigerator 1 is placed on the lower cryogenic side, and a magnetic refrigerator 1 is placed on the upper cryogenic side. It is constructed by disposing a gas refrigerator 2 on the room temperature side.

81気冷凍$!11は1例えばにGG (ガドリウム会
ガリウム◆ガーネット)からなる磁気冷凍材3を液体ヘ
リウム4を貯留する第1デユワ5内に臨設するとともに
、この磁気冷凍材3を周期的に励消磁する磁界可変手段
6を具備してなるものである。すなわち、この場合磁界
可変手段6は、第1デユワ5内の液面上方に位置決め保
持される超電導マグネット7と、このマグネット7の中
心にセットされる磁気冷凍材3を上下に往復移動させる
可動手段8とにより構成されるものであって。
81 air frozen $! 11 is a magnetic refrigerating material 3 made of, for example, GG (Gallium◆Garnet), which is installed in the first dewar 5 that stores liquid helium 4, and a variable magnetic field that periodically excites and demagnetizes the magnetic refrigerating material 3. It is provided with means 6. That is, in this case, the magnetic field variable means 6 is a movable means that reciprocates the superconducting magnet 7 positioned and held above the liquid level in the first dewar 5 and the magnetic refrigerating material 3 set at the center of the magnet 7 up and down. 8.

具体的にはマグネット7がつくる磁場に対する磁気冷凍
材3の出入により該磁気冷凍材3に印加される&i場の
強さを可変できるようにしてあり、lt磁気冷凍材がマ
グネット7から確度して降下していくときには消磁され
、逆にマグネット7に近接するように上昇するときには
励磁されるものとなる。そして、磁気冷凍材3にかかる
往復動作を行なわせる可動手段8として、上方の常温側
から垂下されるピストンロッドを備え、該ピストンロッ
ド8下端に磁気冷凍材3をその上面3aで取着している
。なお、このピストンロッド8は図外のクランク機構な
どによって、その下端の磁気冷凍材3が上死点のとき下
方の液面に適当な距離をおく近接位置に降下し、下死点
のとき丁度マグネット7の高さ位置まで上昇するものと
なるように進退される。
Specifically, the strength of the &i field applied to the magnetic refrigeration material 3 can be varied by moving the magnetic refrigeration material 3 in and out of the magnetic field created by the magnet 7, and the magnetic refrigeration material is When it descends, it is demagnetized, and conversely, when it rises close to the magnet 7, it becomes excited. The movable means 8 for reciprocating the magnetic refrigeration material 3 is provided with a piston rod that hangs down from the room temperature side above, and the magnetic refrigeration material 3 is attached to the lower end of the piston rod 8 at its upper surface 3a. There is. The piston rod 8 is lowered by a crank mechanism (not shown) to a position in close proximity to the liquid level below when the magnetic refrigerating material 3 at its lower end is at the top dead center, and is positioned just at the bottom when the piston rod 8 is at the bottom dead center. It is advanced and retreated so that it rises to the height position of the magnet 7.

また、前記ガス冷凍機2は、前記第1デユワ5の上方に
1接される′S2デユワ9と、この第2デユワ9内にコ
ンプレッサ11かもジュール−トムソン弁12を介して
圧送されるNeガスを供給するための給気系路13と、
この第2デユワ9内のNeガスを前記コンブレフす11
に吸引させて循環するための排気系路14と、該排気系
路14を通るガスの冷熱を給気系路13を通るガスに移
送するための適数段の熱交換器15.18.17と、給
気系路13を通るガスの一部を導入しこれを断熱膨張に
よって冷却して排気系路14に戻す膨張タービン18と
からなり、前記コンプレフサ11から前記熱交換器is
、16.17を経由して十分に予冷された高圧ガスを最
終的に前記ジュール・トムソン弁12で自由膨張させる
と、第2デユワ9内に設けた噴射管19の先端ノズル1
9aからNeガス中にその液化ミストを含んだ気液二相
流GLが噴射される。
The gas refrigerator 2 also includes an 'S2 dewar 9 that is in contact with the upper part of the first deyuwa 5, and a compressor 11 in the second deyuwa 9. Ne gas is fed under pressure through a Joule-Thompson valve 12. an air supply system path 13 for supplying;
The Ne gas in this second dewar 9 is removed from the comb ref 11.
an exhaust system line 14 for sucking and circulating the gas, and heat exchangers 15, 18, and 17 of an appropriate number of stages for transferring the cold heat of the gas passing through the exhaust system line 14 to the gas passing through the supply air system line 13. and an expansion turbine 18 which introduces a part of the gas passing through the air supply system passage 13, cools it by adiabatic expansion, and returns it to the exhaust system passage 14, and connects the gas from the compressor 11 to the heat exchanger IS.
, 16 and 17, and is finally allowed to freely expand in the Joule-Thompson valve 12, the tip nozzle 1 of the injection pipe 19 provided in the second dewar 9
A gas-liquid two-phase flow GL containing the liquefied mist in Ne gas is injected from 9a.

しかして、前記Fii気冷凍機lの第1デユワ5とこの
上に連接される前記ガス冷凍機2の第2デユワ9とは、
前記磁気冷凍材3をもって直接両室を仕切る隔壁となし
、その下面3b@を第1デユワ5内に臨ませている一方
、上面3a側を第、2デュ上面3aに取着されている前
記ピストンロッド8をこの第2デユワ9内の中心を通し
て上方に気密に買出させているとともに、前記磁気冷凍
材3を吊持し第1デユワ5内に収容される第2デユワ9
の周壁一部を気密性を保持して伸縮可能なベローズ20
で形成するようにしている。そして又、第2デユワ9内
に設けられる前記噴射管19を該第2デユワ9の底壁を
なす磁気冷凍、材3の上面3aに対向させ、かつ前記ピ
ストンロッド8が下死点に到達してその下端の磁気冷凍
材3が前記マグネット7の位置まで上昇したときその先
端ノズル19aが磁気冷凍材3と所定の間隔で近接され
るようにし、さらにこのときに前記ジュールφトムソン
弁12が開成してノズル19aから磁気冷凍材3の上面
3aにNeの気液二相流GLが噴射されるように構成し
ている。なお、かかるジュール・トムソン弁12の開閉
は、ピストンロッド8の進退変位等に同調させて0N−
OFFさせるようにした弁駆動装置により自動的に行な
わしめることができる。
Therefore, the first deyuwa 5 of the Fii air refrigerator 1 and the second deyuwa 9 of the gas refrigerator 2 connected thereto are as follows:
The magnetic refrigeration material 3 is used as a partition wall that directly partitions both chambers, and its lower surface 3b faces into the first dew 5, while its upper surface 3a faces the piston, which is attached to the second dew upper surface 3a. The rod 8 is passed through the center of the second dewar 9 and extends upward in an airtight manner, and the second deyuwa 9 suspends the magnetic refrigeration material 3 and is accommodated in the first deyuwa 5.
A bellows 20 that can be expanded and contracted while keeping a part of the peripheral wall airtight.
I try to form it with Also, the injection pipe 19 provided in the second deyuwa 9 is made to face the upper surface 3a of the magnetic refrigeration material 3 forming the bottom wall of the second deyuwa 9, and the piston rod 8 reaches the bottom dead center. When the magnetic refrigeration material 3 at the lower end rises to the position of the magnet 7, its tip nozzle 19a is brought close to the magnetic refrigeration material 3 at a predetermined distance, and at this time, the Joule φ Thomson valve 12 is opened. The configuration is such that a gas-liquid two-phase flow GL of Ne is injected from the nozzle 19a onto the upper surface 3a of the magnetic refrigeration material 3. Note that the Joule-Thompson valve 12 is opened and closed at 0 N- in synchronization with the forward and backward displacement of the piston rod 8, etc.
This can be done automatically using a valve drive device that is turned off.

なお1図中21はこの冷凍装置の低温部を断熱するため
の真空室である。
Note that 21 in Figure 1 is a vacuum chamber for insulating the low temperature part of this refrigeration system.

次いで、この冷凍装置の作動を説明する。Next, the operation of this refrigeration system will be explained.

第1図に示すように、磁気冷凍材3がその上面3aに気
液二相流GLの噴射を受けた後、該磁気冷凍材3がピス
トンロッド8と共に第1デユワ5内に下降して行くサイ
クルにおいては、マグネット7の磁場から離脱して行く
ことになるため該磁気冷凍材3は消磁されることになる
のであるが、このさい磁気冷凍材3の両面3a、3b共
に気化ガスと接触されているためこれらガスとの熱伝達
は無視できる稈小さく、それ故磁気冷凍材3はまず断熱
消磁して降温することになる。そして、磁気冷凍材3の
温度がvS1デユワ5内の4にレベルまで下るとまわり
に充満しているHeガスがその下面3bで液化されて、
この液化に伴なう大きな熱伝達により磁気冷凍材3は第
1デユワ内のHeガスと熱的に連結され有効に熱を汲み
上げられるものとなる。このとき磁気冷凍材3の上面3
a側はNeガスとの熱伝達によるため熱的連結は断たれ
ている。
As shown in FIG. 1, after the magnetic refrigeration material 3 receives the injection of the gas-liquid two-phase flow GL onto its upper surface 3a, the magnetic refrigeration material 3 descends into the first dewar 5 together with the piston rod 8. During the cycle, the magnetic refrigerating material 3 is demagnetized as it leaves the magnetic field of the magnet 7, but at this time both surfaces 3a and 3b of the magnetic refrigerating material 3 are brought into contact with vaporized gas. Therefore, the heat transfer with these gases is negligible and small, so the magnetic refrigerating material 3 first undergoes adiabatic demagnetization to lower its temperature. Then, when the temperature of the magnetic refrigeration material 3 falls to the level 4 in the vS1 dewar 5, the He gas surrounding it is liquefied on its lower surface 3b.
Due to the large heat transfer accompanying this liquefaction, the magnetic refrigeration material 3 is thermally connected to the He gas in the first dewar and can effectively pump up heat. At this time, the upper surface 3 of the magnetic refrigeration material 3
Thermal connection on the a side is broken due to heat transfer with the Ne gas.

次に、第2図に示すような状態からピストンロッド8と
共に磁気冷凍材3が上昇してくるサイクルにおいては、
該&i磁気冷凍材がマグネット7の磁場に侵入していき
励磁されることになるのであるが、このさい磁気冷凍材
3の両面3a、3b共にやはり気化ガスと接触されてい
るため、まず磁気冷凍材3は断熱励磁されて昇温しで行
くことになる。そして、磁気冷凍材3がその下死点に到
達し第2デユワ9内の20にレベルまで温度が上昇する
と同時に、ジュールΦトムソン弁12がONして第2デ
ユワ9内でノズル19aからNeの気液二相流GLが磁
気冷凍材3の上面3aに噴射されるから、このときNe
ミストの気化に伴なう大きな熱伝達により磁気冷凍材3
は第2デユワ9内のNeの二相流と熱的に連結され有効
に放熱するものとなる。そして、このときには磁気冷凍
材3の下面3b側はHeガスとの熱伝達によるため熱的
連結は断たれている。
Next, in a cycle in which the magnetic refrigerating material 3 rises together with the piston rod 8 from the state shown in FIG.
The &i magnetic refrigeration material enters the magnetic field of the magnet 7 and becomes excited, but at this time, since both surfaces 3a and 3b of the magnetic refrigeration material 3 are also in contact with vaporized gas, the magnetic refrigeration material first The material 3 is adiabatically excited and its temperature increases. Then, at the same time that the magnetic refrigeration material 3 reaches its bottom dead center and the temperature rises to the level 20 in the second deyuwa 9, the Joule Φ Thomson valve 12 is turned on and Ne is discharged from the nozzle 19a in the second deyuwa 9. Since the gas-liquid two-phase flow GL is injected onto the upper surface 3a of the magnetic refrigerant 3, at this time Ne
Magnetic refrigerating material 3 due to large heat transfer due to vaporization of mist
is thermally connected to the two-phase flow of Ne in the second dewar 9 and effectively dissipates heat. At this time, the lower surface 3b side of the magnetic refrigeration material 3 is thermally disconnected due to heat transfer with the He gas.

したがって、このようなものであれば、実質的に、51
気冷凍材3が断熱消磁して降温・したときのみHeガス
と熱的に連結され、また断熱励磁して昇温したときのみ
Ne気液二相流と熱的に連結される所定のタイミングで
確実に0N−OF−Fできる熱スィッチが実現でき、こ
れによって磁気冷凍材への高温側がらの熱侵入を著しく
減少することができ、磁気冷凍機lの性能アップを図る
ことができるものとなる。そして、磁気冷凍材3によっ
て第1デユワ5から第2デユワ9に汲み出される熱は、
第2デユワ9内の気化ガスを循環してジュール・トムソ
ン弁12から気液二相?fiGLを間欠的に噴射するガ
スサイクルにより常温側に汲み出されるのであるが、こ
のような自由膨張後の二相流GLを直接81気冷凍材3
に噴射するようにしたガス冷凍機2であれば、小型のも
のでも20にレベルからの熱の汲み出し能力を著しく増
大することが可能になる。このため、この冷凍装置は小
型で構造簡単なものでありながら、4にレベルから20
にへの熱の汲み出し並びに20にレベルから常温への熱
の汲み出し能力共に大きく、全体とし。
Therefore, if it is like this, it is essentially 51
At a predetermined timing, the air refrigeration material 3 is thermally connected to the He gas only when it is adiabatically demagnetized and cooled down, and is thermally connected to the Ne gas-liquid two-phase flow only when it is adiabatically excited and heated up. A thermal switch that can reliably perform 0N-OF-F can be realized, which can significantly reduce heat intrusion from the high temperature side into the magnetic refrigeration material, and improve the performance of the magnetic refrigeration machine. . The heat pumped from the first deyuwa 5 to the second deyuwa 9 by the magnetic refrigeration material 3 is
Gas-liquid two-phase by circulating the vaporized gas in the second dewar 9 and passing through the Joule-Thompson valve 12? The fiGL is pumped out to the room temperature side by a gas cycle that intermittently injects it, and the two-phase flow GL after free expansion is directly transferred to the air refrigeration material 3.
Even if the gas refrigerator 2 is small in size, it is possible to significantly increase the ability to pump out heat from a level of 20. For this reason, although this refrigeration system is small and has a simple structure, it can
The ability to pump out heat from 20 to 20 degrees to room temperature is large, and the overall capacity is large.

て小型He液化装置としての冷凍能力を大幅に向上する
ことが可能である。
It is possible to significantly improve the refrigeration capacity of a small-sized He liquefaction device.

以上、一実施例について説明したが1本発明の小型極低
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、まず大発明で使用する磁気冷凍材は
必ずしも前記GdGに限定されるものでなく、要するに
極低温でエントロピの変化特性が磁場の強さ等によって
太き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。また、実施例ではその磁気可変手段として、超電
導マグネットを固定し磁気冷凍材を相対的に移動させる
手段を採用したが1.これは逆にマグネットを移動させ
るようにしてもよいし、あるいは8i気冷凍材に対し相
対的に変位しない電磁石のコイル電流を0N−OFFt
、て励磁−消磁させるようにしてもよい、そして1本発
明で使用されるガス冷凍機の構成についても、その熱交
換器や膨張器の種別1段数またガスの流路系路の構成は
、必要に応じ様々に変形実施回部である。
Although one embodiment has been described above, the small-sized cryogenic refrigeration apparatus of the present invention is not limited to this, but can be modified and implemented in various ways. To give an example of this, first of all, the magnetic refrigeration material used in the great invention is not necessarily limited to the above-mentioned GdG, but in other words, it can be any material whose entropy changes at extremely low temperatures depending on the strength of the magnetic field, etc. It is expected that it will be widely used. In addition, in the embodiment, a means for fixing a superconducting magnet and relatively moving the magnetic refrigerating material was adopted as the magnetic variable means, but 1. This can be done by moving the magnet in the opposite direction, or by changing the coil current of an electromagnet that does not move relative to the 8i air refrigeration material to 0N-OFFt.
The configuration of the gas refrigerator used in the present invention also depends on the type and number of stages of the heat exchanger and expander, and the configuration of the gas flow path system. It is possible to make various modifications as necessary.

なお1本発明において、その極低温部に当る第1デユワ
5には実施例のように液化ヘリウムを貯留するようにす
るのが好適であるが、一方ジュール・トムソン弁の口重
膨張により気液二相流として磁気冷凍材に噴射される作
動ガスには、実施例のネオンの他、水素ガスもしくはネ
オンとヘリウムとを8合したネリウムガスを使用しても
よい。
In the present invention, it is preferable to store liquefied helium in the first dewar 5, which corresponds to the cryogenic part, as in the embodiment. In addition to neon in the embodiment, hydrogen gas or nerium gas, which is a combination of neon and helium, may be used as the working gas injected to the magnetic refrigeration material as a two-phase flow.

なお、ジュール書トムソン弁に高圧ガスを送るコンプレ
ッサにターボ式のものを利用する場合ではその作動ガス
にNeガスを使用すると、その分子髪の違いからHeガ
スを使用する場合に比較して、コンブレフす質草の回転
速度は172.5にすることができ、χ車応力を軽減で
きるからそれだけ構造を簡単なものにできるという利点
も得られる。
In addition, when using a turbo type compressor to send high-pressure gas to the Joule Thomson valve, if Ne gas is used as the working gas, the comb reflux will be lower than when using He gas due to the difference in its molecular structure. The rotational speed of the grass can be set to 172.5, and the stress on the χ wheel can be reduced, so there is an advantage that the structure can be made simpler.

(発明の効果] 本発明は1以上のような構成を具備してなるものである
から、ヘリウムの液化など適用できる磁気冷凍機を利用
したものとして、該磁気冷凍機が低温レベルから高温レ
ベルに有効に熱を汲み上げるために必要とされる熱スィ
ッチにより確実な0N−OFFjj!能を有するものが
実現され、これによって4にレベルからの熱の汲み出し
効率を高めることができたものである。tた、これと同
時に20にレベルからの熱の汲み出し能力もアップされ
、全体として小型で構造簡易な特徴をもちながら冷凍能
力を大幅に改善した小型極低温冷凍装置を提供すること
ができたものである。
(Effects of the Invention) Since the present invention has one or more configurations, it is possible to use a magnetic refrigerator that can be applied to helium liquefaction, etc., so that the magnetic refrigerator changes from a low temperature level to a high temperature level. The heat switch required to pump heat effectively has a reliable ON-OFF function, which makes it possible to increase the efficiency of pumping heat from level 4. At the same time, the ability to pump out heat from the level was also increased to 20, making it possible to provide a compact cryogenic refrigeration system that was small overall and had a simple structure, but with significantly improved refrigeration capacity. be.

【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
磁気冷凍材が第1図と異なる位置にあるときの同一部断
面図である。 1拳・・磁気冷凍機 2・・・ガス冷7!II機 3・・−磁気冷凍材 3 A 1111 I上面、  3bφ−争下面4−−
寺液体ヘリウム 511−・第1デユワ 6・1111磁気可変手段 7・e・マグネット 8・・Φピストンロッド(可動手段) 9 s s *第2デユワ 12・や・ジュール−トムソン弁 13・・・給気系路、  14・・・排気系路19・・
・噴射管 19aゆ一−ノズル 2011・嗜ベローズ GL・・φ気液二相流
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 sectional view of the same part. 1 fist...magnetic refrigerator 2...gas cold 7! II machine 3...-Magnetic refrigeration material 3 A 1111 I upper surface, 3bφ-lower surface 4--
Temperature liquid helium 511-・1st deyuwa 6・1111 magnetic variable means 7・e・magnet 8・・Φ piston rod (movable means) 9 s s *2nd deyuwa 12・ya・Joule-Thomson valve 13・・supply Air system path 14...Exhaust system path 19...
・Injection pipe 19a Yuichi-nozzle 2011 ・Bellows GL・φ gas-liquid two-phase flow

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 磁気冷凍材を第1デュワ内に臨設するとともにこの磁気
冷凍材を周期的に励消磁する磁界可変手段を具備してな
る磁気冷凍機と、水素、ネオンもしくはネリウムガスを
ジュール・トムソン弁で自由膨張させてこの作動ガスの
気液二相流を前記第1デュワと連接する第2デュワ内で
噴射せしめるようにしたガス冷凍機とを備え、前記第1
デュワと前記第2デュワの隔壁を前記磁気冷凍材で形成
するとともに、この磁気冷凍材の励磁サイクル毎に前記
ジュール・トムソン弁を開成して該磁気冷凍材に前記気
液二相流を間欠的に噴射するようにしたことを特徴とす
る小型極低温冷凍装置。
A magnetic refrigerator is provided with a magnetic refrigeration material installed in a first dewar and a variable magnetic field means for periodically excitation and demagnetization of the magnetic refrigeration material, and hydrogen, neon, or nerium gas is freely expanded using a Joule-Thomson valve. a gas refrigerator configured to inject a gas-liquid two-phase flow of the working gas of the lever into a second dewar connected to the first dewar;
The dewar and the partition wall of the second dewar are formed of the magnetic refrigeration material, and the Joule-Thompson valve is opened every excitation cycle of the magnetic refrigeration material to intermittently apply the gas-liquid two-phase flow to the magnetic refrigeration material. A small cryogenic refrigeration device characterized by being designed to inject water into the air.
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