JPS61265464A - 磁気冷凍装置 - Google Patents
磁気冷凍装置Info
- Publication number
- JPS61265464A JPS61265464A JP10580185A JP10580185A JPS61265464A JP S61265464 A JPS61265464 A JP S61265464A JP 10580185 A JP10580185 A JP 10580185A JP 10580185 A JP10580185 A JP 10580185A JP S61265464 A JPS61265464 A JP S61265464A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- magnetic
- magnetic field
- temperature
- heat
- helium
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- Granted
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-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2321/00—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
- F25B2321/002—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects by using magneto-caloric effects
- F25B2321/0021—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects by using magneto-caloric effects with a static fixed magnet
Landscapes
- Devices That Are Associated With Refrigeration Equipment (AREA)
- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は、磁気冷凍装置に係り、特に高温側の動作温度
を１０〜２０Ｋに設定でき、超流動ヘリウム（約２．２
Ｋ以下）を生成するのに好適な磁気冷凍装置に関する。
を１０〜２０Ｋに設定でき、超流動ヘリウム（約２．２
Ｋ以下）を生成するのに好適な磁気冷凍装置に関する。
従来の磁気冷凍装置は、アドバンス イン クライオジ
ェニック エンジニアリング、ボリューＡ ２７ 、１
９８２ （Ａｄｖａｒｘｃｅｓ ｉｎ Ｃｒｙｏｇｅｎ
ｉｃ Ｅｎ−ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 、 ｖｏｔ２７ 、
１９８２ ）に示された装置のように、高温側の動作温
度が大気圧下の液体ヘリウム温度（約４２Ｋ）に限定さ
れる構造となっていて、高温側の動作温度を４．２Ｋ以
上に設定することができないので、効率をさらに向上さ
せることができない。
ェニック エンジニアリング、ボリューＡ ２７ 、１
９８２ （Ａｄｖａｒｘｃｅｓ ｉｎ Ｃｒｙｏｇｅｎ
ｉｃ Ｅｎ−ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 、 ｖｏｔ２７ 、
１９８２ ）に示された装置のように、高温側の動作温
度が大気圧下の液体ヘリウム温度（約４２Ｋ）に限定さ
れる構造となっていて、高温側の動作温度を４．２Ｋ以
上に設定することができないので、効率をさらに向上さ
せることができない。
本発明の目的は、高温側の動作温度を大気圧下の飽和液
体ヘリウムの温度４．２Ｋより高く設定できる磁気冷凍
装置を提供することにある。
体ヘリウムの温度４．２Ｋより高く設定できる磁気冷凍
装置を提供することにある。
磁場を加えて磁化すると発熱し、磁場を除去して減磁す
ると吸熱する磁気作業物質を、４．２Ｋ以上の温度では
飽和ヘリウムガス層中において動作し、一方、４．２Ｋ
以下の温度では飽和液体ヘリウム中において動作するよ
うにして、高温側の動作。
ると吸熱する磁気作業物質を、４．２Ｋ以上の温度では
飽和ヘリウムガス層中において動作し、一方、４．２Ｋ
以下の温度では飽和液体ヘリウム中において動作するよ
うにして、高温側の動作。
温度を例えば１０〜２０Ｋに設定し、低温側の動作温度
を超流動ヘリウム温度２．１６に以下にするようにする
。このとき、飽和ヘリウムガス中において動作する磁気
作業物質は、磁化されたときはヘリウムガスを介して熱
伝導により高温側のヒートシンクに放熱し、減磁される
と、周囲の飽和ヘリウムガスを凝縮しながら吸熱する。
を超流動ヘリウム温度２．１６に以下にするようにする
。このとき、飽和ヘリウムガス中において動作する磁気
作業物質は、磁化されたときはヘリウムガスを介して熱
伝導により高温側のヒートシンクに放熱し、減磁される
と、周囲の飽和ヘリウムガスを凝縮しながら吸熱する。
また、飽和液体ヘリウム中において動作する別の磁気作
業物質は、磁化されたとき飽和液体ヘリウム中に液体ヘ
リウムの沸騰熱伝達によって放熱し、減磁されるときは
、超流動ヘリウム槽に移動し、この超流動ヘリウムと熱
交換して吸熱する。このように、それぞれの磁気作業物
質が、別々の磁気冷凍サイクルを同期して形成するよう
にして、２０に温度域と２．２Ｋ以下の超流動ヘリウム
温度間で、磁気冷凍サイクルを実行させるようにする。
業物質は、磁化されたとき飽和液体ヘリウム中に液体ヘ
リウムの沸騰熱伝達によって放熱し、減磁されるときは
、超流動ヘリウム槽に移動し、この超流動ヘリウムと熱
交換して吸熱する。このように、それぞれの磁気作業物
質が、別々の磁気冷凍サイクルを同期して形成するよう
にして、２０に温度域と２．２Ｋ以下の超流動ヘリウム
温度間で、磁気冷凍サイクルを実行させるようにする。
以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。１は
飽和液体ヘリウム、２は飽和ヘリウムガスで、それぞれ
の温度はともに約４．２Ｋである。
飽和液体ヘリウム、２は飽和ヘリウムガスで、それぞれ
の温度はともに約４．２Ｋである。
磁気作業物質は、１つのピストン３に二つ配置すれ、上
側の磁気作業物質４は飽和ヘリウムガス２中にあシ、下
側の磁気作業物質５は、飽和液体ヘリウムｌ中にある。
側の磁気作業物質４は飽和ヘリウムガス２中にあシ、下
側の磁気作業物質５は、飽和液体ヘリウムｌ中にある。
これら磁気作業物質４，５の位置は、前記ピストン３が
最上方にある場合に相当し、ピストン３が最下方に移動
しているときには、これらの磁気作業物質の位置は４
／ 、 ｓ ／となる。磁気作業物質４，５は、Ｇｄ５
ＧａｓＯｔ□やＤ）’５Ａ４ｓｏｔｚなどの単結晶や焼
結体を使用する。
最上方にある場合に相当し、ピストン３が最下方に移動
しているときには、これらの磁気作業物質の位置は４
／ 、 ｓ ／となる。磁気作業物質４，５は、Ｇｄ５
ＧａｓＯｔ□やＤ）’５Ａ４ｓｏｔｚなどの単結晶や焼
結体を使用する。
永久電流モードにある超電導ンレノイドコイル６゜７．
８，９によって、ピストン３の軸上には、第２図に示す
ような高低の磁場分布が形成される。
８，９によって、ピストン３の軸上には、第２図に示す
ような高低の磁場分布が形成される。
コイル７．９は磁場分布を補正するためのものでアシ、
高磁場は主に６と８のコイルによって形成される。
高磁場は主に６と８のコイルによって形成される。
ｌＯは、図示しない通常の小型ヘリウムガス冷凍機によ
って、１０〜２０にの温度に冷却されたヒートシンクで
ある。断熱層１１によって包囲された熱交換室内の超流
動ヘリウム１２は、主冷却室１３内の超流動ヘリウム１
４と、連通部１５によって、接続されている。この主冷
却室１３および連通部１５は、断熱層によって包囲され
ている。
って、１０〜２０にの温度に冷却されたヒートシンクで
ある。断熱層１１によって包囲された熱交換室内の超流
動ヘリウム１２は、主冷却室１３内の超流動ヘリウム１
４と、連通部１５によって、接続されている。この主冷
却室１３および連通部１５は、断熱層によって包囲され
ている。
１６．１７は、超流動ヘリウム１２と飽和液体ヘリウム
１とを、熱的２機械的にシールする隙間シールである。
１とを、熱的２機械的にシールする隙間シールである。
ピストン３は、図示しない往復動駆動源によって、シャ
ツ）１８を介して上下動される。このときの軸受は、軸
受１９，２０．２１によって行われ、特に軸受１９は、
単なるガイド的な役目を果し、軸受効果は主に軸受２０
，２１によって作用する。
ツ）１８を介して上下動される。このときの軸受は、軸
受１９，２０．２１によって行われ、特に軸受１９は、
単なるガイド的な役目を果し、軸受効果は主に軸受２０
，２１によって作用する。
次に、動作原理を説明する。ピストン３の周期的な上下
動運動によって、前記ピストン３に固定された２個の磁
気作業物質４，５はこの運動に従って上下に移動を繰シ
返す。先ず、飽和ヘリウムガス中にある磁気作業物質４
に注目する。磁気作業物質４は、ピストン３が最上方に
あるとき、超電導ルノイドコイル６の中に入シ、即ちこ
のコイルによって主に発生されている最大磁場ａＴｅｓ
ｌａ中に入シ、磁化される。磁化されると、磁気作業物
質４は発熱して、温度が１５に以上となる。ヒートシン
ク１０の温度が小型のヘリウムガス冷凍機によって１５
Ｋに冷却されているので、磁気作業物質４とヒートシン
ク１０との約２０〜５０μｍの隙間中のヘリウムガスの
熱伝導によって、磁気作業物質４中に発生した熱はヒー
トシンク１０へ放熱される（等温磁化）。次に、ピスト
ン３が最下方側へ移動すると、磁気作業物質４′は補正
用の超電導ソレノイドコイル７の近くに移動し、磁気作
業物質４′に印加される磁場はほぼゼロとなり、消磁さ
れる。このように消磁されると、磁気作業物質４′の温
度は、飽和ヘリウムガス２の温度（約４．２ Ｋ ）よ
り低くなり、その結果飽和ヘリウムガス２は、磁気作業
物質４′の表面に凝縮して液化される（等温消磁）。以
上のように、磁気作業物質４′は飽和ヘリウムガス中に
常にあシ、磁化されるとヒートシンク１０へ放熱し、消
磁されると、飽和ヘリウムガスを凝縮液化して吸熱して
、磁気冷凍サイクル（カルノーサイクル）を完成する。
動運動によって、前記ピストン３に固定された２個の磁
気作業物質４，５はこの運動に従って上下に移動を繰シ
返す。先ず、飽和ヘリウムガス中にある磁気作業物質４
に注目する。磁気作業物質４は、ピストン３が最上方に
あるとき、超電導ルノイドコイル６の中に入シ、即ちこ
のコイルによって主に発生されている最大磁場ａＴｅｓ
ｌａ中に入シ、磁化される。磁化されると、磁気作業物
質４は発熱して、温度が１５に以上となる。ヒートシン
ク１０の温度が小型のヘリウムガス冷凍機によって１５
Ｋに冷却されているので、磁気作業物質４とヒートシン
ク１０との約２０〜５０μｍの隙間中のヘリウムガスの
熱伝導によって、磁気作業物質４中に発生した熱はヒー
トシンク１０へ放熱される（等温磁化）。次に、ピスト
ン３が最下方側へ移動すると、磁気作業物質４′は補正
用の超電導ソレノイドコイル７の近くに移動し、磁気作
業物質４′に印加される磁場はほぼゼロとなり、消磁さ
れる。このように消磁されると、磁気作業物質４′の温
度は、飽和ヘリウムガス２の温度（約４．２ Ｋ ）よ
り低くなり、その結果飽和ヘリウムガス２は、磁気作業
物質４′の表面に凝縮して液化される（等温消磁）。以
上のように、磁気作業物質４′は飽和ヘリウムガス中に
常にあシ、磁化されるとヒートシンク１０へ放熱し、消
磁されると、飽和ヘリウムガスを凝縮液化して吸熱して
、磁気冷凍サイクル（カルノーサイクル）を完成する。
これに対して、常に液体ヘリウム中におる磁気作業物質
５が実行する磁気冷凍サイクル（カルノーサイクル）に
ついて説明する。ピスト／３が最下方にあるとき、磁気
作業物質５′は超電導ソレノイドコイル８の中に入り、
これが発生する約３Ｔｅｓ ｌ ａの磁場によって磁化
されて、発熱する。その結果、磁気作業物質５′の温度
は、飽和液体ヘリウムエの温度（約４２Ｋ）よりも高く
なり、磁気作業物質５′の表面で飽和液体ヘリウム１の
沸騰が起シ、磁気作業物質５′に発生した熱は、この沸
騰熱伝達によって、飽和液体ヘリウムｌ中に放熱される
。次に、ピストン３が最上方側へ移動すると、磁気作業
物質５は、熱交換室中の超流動ヘリウム１２の中に入り
、この部分はほぼゼロ磁場となっているので、磁気作業
物質５は消磁され、その温度は、超流動ヘリウム１２の
温度より低くなり、前記超流動ヘリウム１２から、その
境界面のカビツツアの熱輸送によって吸熱する。冷却室
１３の中の超流動ヘリウム１４の中に被塗物体である極
低温デバイス２２を入れる。
５が実行する磁気冷凍サイクル（カルノーサイクル）に
ついて説明する。ピスト／３が最下方にあるとき、磁気
作業物質５′は超電導ソレノイドコイル８の中に入り、
これが発生する約３Ｔｅｓ ｌ ａの磁場によって磁化
されて、発熱する。その結果、磁気作業物質５′の温度
は、飽和液体ヘリウムエの温度（約４２Ｋ）よりも高く
なり、磁気作業物質５′の表面で飽和液体ヘリウム１の
沸騰が起シ、磁気作業物質５′に発生した熱は、この沸
騰熱伝達によって、飽和液体ヘリウムｌ中に放熱される
。次に、ピストン３が最上方側へ移動すると、磁気作業
物質５は、熱交換室中の超流動ヘリウム１２の中に入り
、この部分はほぼゼロ磁場となっているので、磁気作業
物質５は消磁され、その温度は、超流動ヘリウム１２の
温度より低くなり、前記超流動ヘリウム１２から、その
境界面のカビツツアの熱輸送によって吸熱する。冷却室
１３の中の超流動ヘリウム１４の中に被塗物体である極
低温デバイス２２を入れる。
以上の説明を第３図の磁気作業物質のエントロピー・温
度線図上でまとめる。このエントロピー・温度線図は％
Ｇｄ！Ｇａ１ｉ０１２の単結晶に対するものである。
度線図上でまとめる。このエントロピー・温度線図は％
Ｇｄ！Ｇａ１ｉ０１２の単結晶に対するものである。
磁気作業物質４と５は、同一の物質とする必要はないが
、ここでは共にＧｄ ３Ｇａ ５０ｔｚでおるとして説
明する。磁気作業物質４は、理想的にはカルノーサイク
ルＡ→Ｂ−＋Ｃ−＋Ｄを描き、ＡＢ過程で放熱し、ＣＤ
過程で吸熱する。一方、磁気作業物質５は、理想的には
カルノーサイクルＢ −＋ ｌ） ４ Ｃ＋ ｄを描き
、ａｂ過程で放熱し、ｃｄ過程で吸熱する。さて、磁気
作業物質４が放熱過程、吸熱過程にあるときは、磁気作
業物質５はそれぞれ吸熱過程、放熱過程にあシ、これら
の磁気冷凍サイクルは完全に位相が１８００ずれて動作
することになる。
、ここでは共にＧｄ ３Ｇａ ５０ｔｚでおるとして説
明する。磁気作業物質４は、理想的にはカルノーサイク
ルＡ→Ｂ−＋Ｃ−＋Ｄを描き、ＡＢ過程で放熱し、ＣＤ
過程で吸熱する。一方、磁気作業物質５は、理想的には
カルノーサイクルＢ −＋ ｌ） ４ Ｃ＋ ｄを描き
、ａｂ過程で放熱し、ｃｄ過程で吸熱する。さて、磁気
作業物質４が放熱過程、吸熱過程にあるときは、磁気作
業物質５はそれぞれ吸熱過程、放熱過程にあシ、これら
の磁気冷凍サイクルは完全に位相が１８００ずれて動作
することになる。
最後に、ピストンジの駆動力について説明する。
磁気作業物質は、磁場勾配中に配置すると、磁場が増加
する方向に力を受ける。そのため、これらの力に抗して
、ピストンを駆動する必要がある。
する方向に力を受ける。そのため、これらの力に抗して
、ピストンを駆動する必要がある。
このＸ方向に作用する力は、次式で表現できる。
Ｂ
Ｆｘ＝ＶＭ−
ｄ）（
ここで、■は磁気作業物質の体積（ｍ”）、Ｍは磁化（
Ａｍ”）、Ｂは磁場（’ｌ’ｅｓｌａ）、ＸはＸ方向を
表す座標（ｍ）であるっ（）ｄ ３ （） ５０ｘ ｚ
の磁化Ｍは、４にの温度で約６ Ｘ １０ ’ Ａｍ−
１となり、１５にの温度では約３Ｘ１０’Ａｍ−’で、
４にの場合の約１／２となる。磁気作業物質４．５の体
積はそれぞれ同じようにする。磁気作業物質４，５が経
験する磁場勾配はそれぞれｄ Ｂ／ ｄ ｘ ＝ ６０
Ｔｍ−’ 。
Ａｍ”）、Ｂは磁場（’ｌ’ｅｓｌａ）、ＸはＸ方向を
表す座標（ｍ）であるっ（）ｄ ３ （） ５０ｘ ｚ
の磁化Ｍは、４にの温度で約６ Ｘ １０ ’ Ａｍ−
１となり、１５にの温度では約３Ｘ１０’Ａｍ−’で、
４にの場合の約１／２となる。磁気作業物質４．５の体
積はそれぞれ同じようにする。磁気作業物質４，５が経
験する磁場勾配はそれぞれｄ Ｂ／ ｄ ｘ ＝ ６０
Ｔｍ−’ 。
３Ｑ’ｌ’ｍ−’となる。そのため、ピストン３の上下
駆動中に磁気作業物質４，５に作用する磁力は、それぞ
れ反対で、かつその大きさはほぼ同じとなり、その結果
駆動力は、ピストン３の自重のみを上下するに必要な力
で充分となる。よって、駆動系は非常に小容量で小製の
ものとなる。
駆動中に磁気作業物質４，５に作用する磁力は、それぞ
れ反対で、かつその大きさはほぼ同じとなり、その結果
駆動力は、ピストン３の自重のみを上下するに必要な力
で充分となる。よって、駆動系は非常に小容量で小製の
ものとなる。
本発明によれば、高低２つの温度域で別々の磁気冷凍テ
ィクルを１８００の位相がずれた状態で実行する個々の
磁気作業物質を、高温域側を担う磁気作業物質は飽和ヘ
リウムガス中で、磁化・消磁金繰り返し、−万、低温域
側を担う磁気作業物質は液体ヘリウム中で、磁化・消磁
金繰り返すことによって、１０に以上の温度と２．２Ｋ
以下の超流動ヘリウム温度間を磁気冷凍で組むことがで
きるので、高効率な冷凍システムを得ることができる効
果がある。
ィクルを１８００の位相がずれた状態で実行する個々の
磁気作業物質を、高温域側を担う磁気作業物質は飽和ヘ
リウムガス中で、磁化・消磁金繰り返し、−万、低温域
側を担う磁気作業物質は液体ヘリウム中で、磁化・消磁
金繰り返すことによって、１０に以上の温度と２．２Ｋ
以下の超流動ヘリウム温度間を磁気冷凍で組むことがで
きるので、高効率な冷凍システムを得ることができる効
果がある。
第１図は、本発明の縦断面図、第２図は、本発明のピス
トン軸方向に形成された磁場分布を示す図、第３図は％
Ｇｄ ｓ Ｇａ５Ｏｘ ｚのエントロピー・温度線上
における磁気冷凍サイクル図を示す図である。
トン軸方向に形成された磁場分布を示す図、第３図は％
Ｇｄ ｓ Ｇａ５Ｏｘ ｚのエントロピー・温度線上
における磁気冷凍サイクル図を示す図である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 磁場を加えると発熱し、磁場を除去すると吸熱する磁気
冷凍用作業物質と、高磁場，低磁場の磁場分布を形成で
きる静止状態にある電磁石と、前記作業物質を前記磁場
分布中を移動させて、高磁場，低磁場を周期的に加える
ことができる機構より成る磁気冷凍装置において、 飽和ヘリウムガス中に高低の磁場分布、液体ヘリウム中
にも高低の磁場分布を形成し、１つの磁気作業物質は、
４．２Ｋ以上の温度域で飽和ヘリウムガス中で磁場分布
中を移動し、磁化や消磁を繰り返して、磁気冷凍サイク
ルを実行し、一方、他の磁気作業物質は４．２Ｋ以下の
温度域で液体ヘリウム中の磁場分布中を移動し、磁化や
消磁を繰り返して、磁気冷凍サイクルを実行し、４．２
Ｋ以上のヘリウムガス温度と４．２Ｋ以下の温度間を磁
気冷凍サイクルを組むことによつて、広い温度範囲で動
作することを特徴とする磁気冷凍装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10580185A JPH0663675B2 (ja) | 1985-05-20 | 1985-05-20 | 磁気冷凍装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10580185A JPH0663675B2 (ja) | 1985-05-20 | 1985-05-20 | 磁気冷凍装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61265464A true JPS61265464A (ja) | 1986-11-25 |
| JPH0663675B2 JPH0663675B2 (ja) | 1994-08-22 |
Family
ID=14417216
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10580185A Expired - Lifetime JPH0663675B2 (ja) | 1985-05-20 | 1985-05-20 | 磁気冷凍装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0663675B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008051411A (ja) * | 2006-08-24 | 2008-03-06 | Chubu Electric Power Co Inc | 磁気冷凍装置 |
| JP2008051412A (ja) * | 2006-08-24 | 2008-03-06 | Chubu Electric Power Co Inc | 磁気冷凍装置 |
| JP2008051409A (ja) * | 2006-08-24 | 2008-03-06 | Chubu Electric Power Co Inc | 磁気冷凍装置 |
| JP2008051410A (ja) * | 2006-08-24 | 2008-03-06 | Chubu Electric Power Co Inc | 磁気冷凍装置 |
| JP2012237496A (ja) * | 2011-05-11 | 2012-12-06 | Denso Corp | 磁気冷凍システム及び該磁気冷凍システムを用いた空気調和装置 |
-
1985
- 1985-05-20 JP JP10580185A patent/JPH0663675B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008051411A (ja) * | 2006-08-24 | 2008-03-06 | Chubu Electric Power Co Inc | 磁気冷凍装置 |
| JP2008051412A (ja) * | 2006-08-24 | 2008-03-06 | Chubu Electric Power Co Inc | 磁気冷凍装置 |
| JP2008051409A (ja) * | 2006-08-24 | 2008-03-06 | Chubu Electric Power Co Inc | 磁気冷凍装置 |
| JP2008051410A (ja) * | 2006-08-24 | 2008-03-06 | Chubu Electric Power Co Inc | 磁気冷凍装置 |
| JP2012237496A (ja) * | 2011-05-11 | 2012-12-06 | Denso Corp | 磁気冷凍システム及び該磁気冷凍システムを用いた空気調和装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0663675B2 (ja) | 1994-08-22 |
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