JPS6141858A

JPS6141858A - 磁気冷凍装置

Info

Publication number: JPS6141858A
Application number: JP16027284A
Authority: JP
Inventors: 秀樹中込; 聡安田
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1984-08-01
Filing date: 1984-08-01
Publication date: 1986-02-28
Also published as: JPH0371627B2

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、全体の小形化と
効率の向上化とを図れるようにした磁気冷凍装置に関す
る。

（発明の技術的背景とその問題点）従来、磁性体の磁気ＷＡｆｆｉ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、Ｉ！７ｉ然消磁
によって冷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、通常の圧縮形冷凍礪に較べて単位体積当
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つの熱交換過程を交互に行な
わせる必要がある。このため、このような磁気冷凍装置
にあっては、一般に、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せ、また断熱消磁のときに
は磁場発生装置の付勢を停止させるとともに排熱系の動
作を停止させ、このｔｔＪＩｌｌ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、電気的な制御だけで冷凍サイ
クルを実行させることができるので全体の小形化を図れ
ること、作業物質が静止しているので排熱行程の信頼性
を高めることができることなどの利点がある。

しかしながら、反面、磁場発生Ｈ置、つまり超ｉｆｔ？
コイルをパルス付勢するようにしているので、この超電
導コイルの付勢時における損失が大きく、冷凍効率が大
幅に低いと言う問題があった。

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、代わりに作業物質を機械的に移
動させて上記磁場発生装ごで発生した磁場内および磁場
外に交互に位ｔｉｌｌさせることが考えられる。すなわ
ち、直線動駆動（！欄を用いて作業物質を磁場内と磁場
外とに交互に移動させるとともに作業物質が磁場内に位
置したとき、この作業物質を排熱系に熱的に接触させる
ことが考　。

えられる。しかし、このように構成すると、新たに次の
ような問題が起り得る。すなわち、冷凍能力を高めるに
は、表面積の大きな作業物質を必要とする。しかし、代
表的な作業物質であるガドリニウム・ガリウム・ガーネ
ットは単結晶体であり、表面積の大きな、つまり大径の
単結晶体を得ることは一般に困難である。このため、冷
凍能力を高めるには、複数の作業物質を設け、これに対
応させて複数の磁場発生装置を設ける必要がある。この
場合、装置全体の小形化を図るには磁場発生装置相互を
近接させる必要があるが、このように近接させると、隣
接する磁場発生装置で発生した磁場の影響を受けて各磁
場発生装置内を直線動する各作業物質に磁気力が作用す
る。この磁気力は、作業物質をガイドするガイド部や排
熱系の接触面に作業物質を押付けるように作用する。し
たがって、このときに発生する摩擦熱および動力損失に
よって効率をそれ程向上させることができない虞れが多
分にある。

〔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、？ｉ敗の磁場発生装置を設け、
これら磁場発生装置を常時付勢するとともに上記各磁場
発生装置に対応させて複数の作業物質を設け、これら作
業物質を対応する磁場内および磁場外へと直線動させる
方式を採用したものにあって、冷凍効率の低下を招くこ
となく全体の小形化を図れるようにした磁気冷凍装置を
提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明に係る磁気冷凍装置は、常時ｌｆｉ場を発生する
複数の磁場発生装置と、これら磁場発生Ｈ置をそれぞれ
取囲むように設けられた複数の磁気シールド体と、前記
各磁場発生装置に一対一に対応して設けられ上記各磁場
発生ｉ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被冷却物を
冷却する複数の作業物質と、これら作業物質を対応する
前記磁場内および磁場外へと交互に機械的に！［線動さ
せる駆動機構と、前記各作業物質が前記各磁場内　。

に位置しているとき上記各作業物質に接触または近接す
る複数の良熱伝導性部材と、前記各作業物質で発生した
熱を前記各良熱伝導性部材を介して上記各作業物質の位
置している空間の外部へ排熱する手段とを興濡してなる
ことを特徴どしてし゛・る。

〔発明の効果〕

このように、本発明によれば、各磁場発生装置を取囲む
ように磁気シールド体を設けるようにしている。このた
め、上記磁気シールド体の存在によって各磁場発生装置
内を直線動する作業物質が隣接する磁場発生装ばで発生
した磁場によって影響を受けるのを防止することができ
る。したがって、磁場発生装置相互を近接させても摩擦
熱の発生や動力損失の増加が起こるようなことはなく、
結局、効率の低下を抑えた状態で全体の小形化を実現で
きる。すなわち、本発明によれば、全体の小形化を図れ
るとともに作業物質を移動させる方式の特徴、つまり、
この方式が本質的に備えている冷凍効率が高い点を最大
限に元厚させることができる。

（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［Ｂ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内を上下方
向に２分するように設けられた仕切り壁３と、この仕切
り壁３より下方の空間内に配置された内槽４とで構成さ
れている。そして、内Ｐａ４を取囲んでいる空間５は、
真空引きされて真空断熱層に形成されている。また、内
槽４は、その上壁４ａだけが肉厚の厚い非磁性良熱伝導
材で形成されており、残りの部分が熱伝導性の悪い部材
で形成されている。

上記内槽４の上壁４ａの２箇所には、上壁４ａの図中上
側空間と下側空間とを連通させる筒部６ａ、６ｂが下方
に向けて平行に、かつ同一寸法に突設されている。これ
ら、筒部６ａ、６ｂは、上壁４ａを構成している部材と
同一材あるいはそれ以上に熱伝導性の良い部材で厚肉に
形成されたもので、その下端部から所定の長さの部分７
ａ１７ｂの内径が他の部分より小径に形成されている。

そして、部分７ａ１７ｂの上下内端縁はそれぞれテーバ
面に形成されている。

内槽４内には、内槽４との間に真空断熱層を介し、てヘ
リウム容器８が収容されている。このヘリウム容器８は
、非磁性良熱伝導材で全体が形成されたもので、具体的
には次のように構成されている。すなわち、容器本体９
と、この容器本体９内を上下方向に２分するように設け
られた仕切り壁１０ど、容器本体８の上壁１１に設けら
れ、前記筒部６ａ、６ｂをそれぞれ非接触に嵌入させる
孔１２ａ、１２ｂと、これら孔１２ａ、１２ｂの縁部を
仕切り！！１０の上面まで延長させる筒体１３ａ、１３
ｂと、これら筒体１３ａ、１３ｂ１７）外周面に上下方
向に２段構成に突設された鍔部１４ａ、１４ｂ、ｉ５よ
び１５ａ、１５ｂとで構成されている。

そして、筒体１３ａ、１３ｂの外周で鍔部１４ａ１１４
ｂと上壁１１との間には主磁場発生装置を構成する超電
導コイル１６ａ、１６ｂが装着されており、また、筒体
１３ａ、１３ｂの外周で鍔部１５ａ、１５ｂと仕切り壁
１０との間には補助磁場発生装置を構成する超電導コイ
ル１７ａ、１７ｂが装看されている。各超電導コイル１
６ａ、１６ｂおよび１７ａ、１７ｂはヘリウム容器８内
の底部に溜っている液体ヘリウムＨを冷却源とし、へリ
ウム容器構成材を介して所要の温度に冷却される。超電
導コイル１７ａ１１７ｂは、超電導コイル１６ａ、１６
ｂの発生磁場とは逆向きの磁場を発生させ、これによっ
て超電導コイル１６ａ、１６ｂで発生した磁場の下側強
度勾配を急峻化させるようにしている。そして、超電導
コイル１６ａ、１７ａの外周には磁性材で筒状に形成さ
れた磁気シールド体１８ａが装着されており、また、超
電導コイル１６ｂ、１７ｂの外周にも磁性材で筒状に形
成された磁気シールド体１８ｂが装看されている。

仕切り壁１ｏの前記筒部６ａ、６ｂの下端面に対向する
位置には、部分７ａ、７ｂの内径より大きく、かつ筒部
６ａ、６ｂの外径より小さい孔１９ａ１１９ｂが形成さ
れている。そして、上記孔１９ａ、１９ｂの内縁には、
熱伝導性の悪い非磁性部材で形成された筒体２０ａ、２
０ｂの下端側が接続されており、これら同体２０ａ、２
０ｂの上端側は筒部５ａ、　ｑｂの下端面にそれぞれ気
密に接続されている。

前記仕切り壁３の前記筒部６ａ、６ｂに対向する位置に
は、筒体２０ａ、２０ｂの内径と同径の孔２１ａ、２１
ｂが同軸的に設けである。そして、孔２１ａ、２１ｂの
縁部と筒部６ａ、６ｂの上縁部とは熱伝導性の悪い非磁
性部材で形成された筒体２２ａ、２２ｂによって気密に
接続されている。

すなわら、孔２１ａ、筒体２２ａ、筒部６ａ、筒体２０
ａおよび孔１９ａが同軸的に接続されて、仕切り１３よ
り上方の空間２３と液体ヘリウムＨの収容されている空
間とを連通させるシリンダ２４ａが構成され、同様に孔
２１ｂ、筒体２２ｂ、筒部６ｂ、筒体２０ｂ、１５よび
孔１９ｂが同軸的に接続されて同様のシリンダ２４ｂが
構成されているのである。

前記シリンダ２４ａ、２４ｂ内には前記空間２３側から
ロッド３１ａ、３１ｂが昇降自在に挿設されている。ロ
ッド３１ａ、３１ｂは、それぞれ熱伝導性の悪い非磁性
部材で前述した筒部６ａ、６ｂにおける部分７ａ、７ｂ
の内径より数１ｏ。

〔μｍ］小さい外径の円柱状に形成されている。

そして、各ロッド３１ａ、３１ｂの下端部にはガドリニ
ウム・ガリウム・ガーネット等の磁性体をＯラド３１ａ
、３１ｂの外径と等しい外径の円柱状に加工してなる作
業物質３２ａ、３２ｂが直列に介挿されている。

ロッド３１ａ、３１ｂの前記空間２３内に位置する端部
には支持材３３ａ、３３ｂが取付けてあり、これら支持
材３３ａ、３３ｂの先端部には互いに対面する関係にラ
ック３４ａ、３４ｂが固定されている。そして、ラック
３４ａとラック３４ｂとの間の中心位置には、紙面と直
交する方向に延びる軸３５が図示しない軸受によって回
転自在に支持されている。軸３５の外周でラック３４ａ
とラック３４ｂとの間に位置する部分には上記ラック３
４ａ、３４ｂに共通に歯合するビニオン３６が装着され
ている。なお、とニオン３５と各ラック３４ａ、３４ｂ
とは次のような関係に歯合している。すなわち、ロッド
３１ａ、３１ｂの下端部に介挿されている作業物質３２
ａ、３２ｂが丁度、第１８の作業物質３２ａのように筒
８１Ｓ６ａ（６ｂ）の部分７ａ　（７ｂ）内に位置して
いるときを上死点とし、また、作業物質３２ｂのように
仕切り壁１ｏと液体ヘリウムＨの液面との間に位置して
いるときを下死点とし、いずれかの作業物質が上死点に
位置しているときには他方の作業物。　　質が下死点に
位置する関係が成立するように歯合している。

軸３５の外周には第２図に示すように別のビニオン３７
が装着されており、このビニオン３７はラック３８と歯
合している。ラック３８の一端部はロッド３９の一端側
に連結されており、このロッド３９の他端側はガス圧に
よって動作する直線動機構４０に連結されている。直線
動機構４０は、両端が閉じられたシリンダ４１と、この
シリンダ４１内に軸方向に贋動自在に収容されたピスト
ン（図示せず、）と、シリンダ４１の両端部に内部に通
じる関係に接続されたガス案内管４２ａ、４２ｂとで構
成されている。そして、上記ガス案内管４２ａ１４２ｂ
が外槽２の壁を気密に貫通し−て外部に導き出されてい
る。

内口４の上壁４ａの周縁部には厚肉部５１が形成されて
おり、この厚肉部５１には開口部をたとえば横方向に向
けた円柱状の凹部５２が形成されている。外槽２の側壁
で上記凹部５２に対向する位置には、凹部５２より大径
の孔５３が形成されており、この孔５３の周縁部には外
方へ突出するフランジ５４が気密に接続されている。そ
して、上記フランジ５４内を通して前記凹部５２に予冷
冷凍６１　Ｂの吸熱部が熱的に接続されている。

予冷冷凍ｔｌＢは、蓄冷材として、たとえば鉛、磁性材
等を用いたギフオードマクマホン形の冷凍礪５５と、こ
の冷凍曙５５に圧縮された冷媒ガス、たとえばヘリウム
ガスを循環供給する圧縮機５６とで構成されている。な
お、冷凍８１５５には接続用のフランジ５７が設けてあ
り、このフランジ５７がシール部材を介してフランジ５
４に接続され、これによって気昌性が保たれている。

圧１ｉ１ｔｌ１５６のガス送出口Ｓおよびガス導入口Ｔ
は、第２図に示す駆動制御器６０を介して直線動線１４
４０のガス案内管４２ａ、４２ｂに接続されテイル。駆
ｌ　ＩＩ　ｌ！ｐ！　６０　ハ、圧縮機５６のガス送出
口Ｓ＠’１１８４弁６１を介してガス案内管４２ａに接
続し、また、ガス導入口Ｔをｍｍ弁６２を介してガス案
内−Ｗ４２ｂに接続し、ざらに、ガス送出口Ｓを電磁弁
６３を介してガス案内管４２ｂに接続し、ガス導入口Ｔ
をｍｍ弁６４を介してガス案内管４２ａに接続し、これ
ら電磁弁６１．６２．６３．６４を制ｍ器６５でオン、
オフ制御するようにしている。　ＩＩ部器６５は、電磁
弁６１．６２を一組とし、また、′Ｒ磁弁６３．６４を
一組として、一方の組を“開”にｔｌＪＩＩｌでいると
きには他方の組を“閉”にＩＩＪＩＩＩＬ、各組を交互
にｕ　Ｒｓに制御する信号を送出するように構成されて
いる。

なお、Ｍ１図中６６ａ、６６ｂはシールｔｉＩ：Ｒ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１６ａ、１６ｂおよび１７ａ、１７
ｂには前述した関係のｒｉｌｍを発生させ得る永久電流
が流れているものとする。また、圧縮１ｆ１５６が動作
して予冷冷凍掘Ｂが動作しているものとする。予冷冷凍
１ｆｉＢが動作すると、内槽４の上壁４ａが十分低温に
冷却される。したがって、筒部６ａ、６ｂも低温に冷却
される。

このような状態で、駆動制御器６０の制御器６５を動作
開始させると、次のようになる。すなわち、制御器６５
は、まず、電磁弁６３．６４を開“に制御する。この結
果、圧縮機５６のガス送出口Ｓから送り出された高圧ヘ
リウムガスの一部が電磁弁６３を介してガス案内管４２
ｂに供給され、また、ガス案内管４２ａが電磁弁６４を
介してガス導入口下に接続される。このため、直線動機
構４０のピストンは第２図中上方へと押し上げられる。

そして、所定時間経過するとｔｌｌＪ　ｍ器６５は、電
磁弁６３．６４を“閉”に制御し、代わって？ｌｆ磁弁
６１．６２を“ｒ！＠”に制御する。このため、ピスト
ンは第２図中下方へと押し下げられる。このようにして
、ピストンが周期的に往復動するので、ラック３８も第
２図中下方Ｙで示すように往復動じ、これに伴って軸３
５が図中実線矢印Ｐで示すように往復回動する。この結
果、ロッド３１ａ、３１ｂが第１図中Ｑ　ｌ　％　Ｑ　
２で示すように昇降する。すなわち、ロッド３１ａが下
降を開始するとロッド３１ｂが上昇を開始する関係にそ
れぞれが昇降する。このため、作業物質３２ａ、３２ｂ
は、上死点と下死点との問を１８０度の位相差をもって
昇降することになる。１死点に位置しているときには、
第１因中の作業物質３２ａに見られるようにｆｆｌ電導
コイルの発生する磁場内に完全に位置している。したが
って、断熱磁化状態になる。この場合、超電導コイル１
６ａ１１７ａは磁気シールド体１８ａによって囲まれて
おり、また、超電導コイル１６ｂ、１７ｂは磁気シール
ド体１８ｂによって囲まれているので、超電導コイル１
５Ｂ、１７ａ側で発生した磁場が超電導コイル１６ｂ、
１７ｂ内に位置する作業物質３２ｂに磁気的な影響を与
えることはないし、同様に、超電導コイル１６ｂ、１７
ｂ側で発生した磁場が超電導コイル１６ａ、１６ｂ内に
位置する作業−物質３２ａに磁気的な影響を与えるよう
なこともない。一方、下死点に位置しているときには、
第１図中の作業物質３２ｂに見られるように磁場外に位
置する。したがって、断熱消磁状態になる。断熱消磁状
態では、作業物質３２ｂ　（３２ａ）は吸熱する。この
ため、液面上に漂っているヘリウムガスが作業物質３２
ｂ　（３２ａ）の表面に凝縮する。この凝縮によって形
成された液滴が自然落下し、ここにヘリウムの液化が達
成される。

一方、作業物質３２ａに見られるように断熱磁化状態に
なると、作業物質３２ａ（３２ｂ）は発　熱する。この
熱は次のようにして外部に導かれる。

すなわち、作業物質３２ａ、３２ｂが上死点に位置して
いるときには、必ず筒部６ａ、６ｂの部分７ａ、７ｂ内
に位置している。部分７ａ、７ｂの内径は、作業物質３
２ａ、３２ｂの外径より僅かに大、きい値に設定されて
いる。このため、作業物質３２ａ、３２ｂが部分７ａ、
７ｂ内に位置しているときには、これら作業物質３２ａ
１３２ｂは、部分７ａ、７ｂの内面に直接接触したり、
あるいは十分に近接した状態となる。したがって、各作
１Ａ物質３２ａ、３２ｂと部分７ａ、７ｂとの間の熱抵
抗が非常に小さくなる。この結果、作業物質３２ａ、３
２ｂで発生した熱は、部分７ａ、７ｂ、筒部６ａ１６ｂ
、上壁４ａを介して速やかに予冷冷凍ＩＢへと排熱され
る。したがって、作業物質３２ａ、３２ｂで発生した熱
によってヘリウム容器８内が温度上昇するようなことは
なく、また、作業物質３２ａ、３２ｂが所定の低温に常
に予冷され、ここに良好な冷凍サイクルが実現されるこ
とになる。

そして、この場合には、常時磁場を発生させるとともに
作業物質３２ａ１３２ｂを移動させるようにしたことに
よる効果は勿論のこと、特に、各磁場発生装置をそれぞ
れ磁気シールド体１８ａ、１８ｂで取囲むようにしてい
るので、各磁場発生装置内を移動する作業物質３２ａ、
３２ｂが隣接する磁場発生装置で発生した磁場の影響を
受けるのを防止することができる。このため、磁場発生
装置相互の間隔を狭くしても、作業物質３２ａ、３２ｂ
の移動時にａｍ熱が発生したり、あるいは動力損失が増
加したりするようなことはない。したがって、作業物質
３２ａ、３２ｂを直線動させるようにしたことによる特
徴を最大限に発揮させることができるととに全体の小形
化を実現でき、結局、前述した効果が得られることにな
る。

なお、実茄例のように主磁場発生装置と補助沿＠に主装
置とを設け、補助磁場発生装置で磁場の縁部の強度勾配
を急峻化させるようにすると、作業物質が磁場外へ出る
のに必要な移動ストロークを小ざくできる。したがって
、装置全体の小形化に寄与できる。また、実施例のよう
に、２つの作業物質を１つの駆動源を用いて排他的に昇
降させる方式であると、一方の作業物質が磁場から離れ
ようとしたとき、他方の作業物質が磁場に近付く関係と
なるので、一方の作Ｒ物質と一方のｊｆｌ　３Ｂとの間
に生じる磁気的吸引力で他方の作業物質と他方の１ｉ場
との間に生じる磁気的吸引力を結果的に減少させること
ができる。したがって、駆動助力を少なくできる利点も
ある。また、本発明は、上述した実ｆｌｌＩｙ４のもの
に限らず、！１ＡＩｔｆｆｌ溝の主式部を外槽外に位置
させたものにも適用できることは勿論である。また、ヘ
リウムの液化に限らず、各種ガスの液化および各種物質
の冷却用に使用できる。

【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を組込ん
だヘリウム液化装置の主要部を一部切欠して示す側面因
、第２図は同装置のガス圧駆動系を取出して示す図であ
る。Ａ・・・液化装、置本体、８・・・予冷冷凍掘、１・・
・ヘリウム槽、２・・・外槽、４・・・内槽、６ａ、６
ｂ・・・良熱伝導材で形成された筒部、８・・・ヘリウ
ム容器、１６ａ、１６ｂ１１７ａ、１７　ｂ　・・・磁
場発生装置としての超電導コイル、１８ａ、１８ｂ・・
・磁気シールド体、２４ａ、２４ｂ・・・シリンダ、３
１ａ１３１ｂ・・・ロッド、３２ａ、３２ｂ・・・作業
物質、３４ａ、３４ｂ、３８−・・ラック、３６．３７
　・・・ビニオン、４０・・・直線勤瀘構、５５・・・
冷凍礪、５６・・・圧Ｍ＊、　６０・−ＦＮ（ｌｌＩｉ
ｌＪＩｌｌ。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）常時磁場を発生する複数の磁場発生装置と、これ
ら磁場発生装置をそれぞれ取囲むように設けられた複数
の磁気シールド体と、前記各磁場発生装置に一対一に対
応して設けられ上記各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
きには吸熱して被冷却物を冷却する複数の作業物質と、
これら作業物質を対応する前記磁場内および磁場外へと
交互に機械的に直線動させる駆動機構と、前記各作業物
質が前記各磁場内に位置しているとき上記各作業物質に
接触または近接する複数の良熱伝導性部材と、前記各作
業物質で発生した熱を前記各良熱伝導性部材を介して上
記各作業物質の位置している空間の外部へ排熱する手段
とを具備してなることを特徴とする磁気冷凍装置。
（２）前記駆動機構は、主要部が、シリンダと、このシ
リンダ内に収容され高圧ガスによって往復動するピスト
ンと、このピストンの動きを前記作業物質に伝達する機
構とで構成され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。