JPS6141859A

JPS6141859A - 磁気冷凍装置

Info

Publication number: JPS6141859A
Application number: JP16152084A
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: 1984-08-02
Filing date: 1984-08-02
Publication date: 1986-02-28
Also published as: JPH0432305B2

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、効率の向上化を
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、磁性体の磁気熱伍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
た磁性体で被冷却物から熱を奪わぜるようにしたもので
、通常の圧縮形冷凍機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ｖｔｌ！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ｌ１ｌｉｌｌ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
−だけで冷凍サイクルを実行させることができるので全
体の小形化を因れること、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、磁場発生装置、つまり超電導コイ
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、ｍ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置で発生した磁場内および磁場
外に交互に位置させることが考えられる。しかし、この
ように構成すると、作業物質を機械的に移動させる必要
があるので、排熱系を如何に構成するかと言う点が問題
となる。

〔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、磁場発生ｉ置を常時付勢すると
ともに作業物質を移動させる方式を採用したものにあっ
て、断熱磁化時に作業物質から良好に排熱させることが
でき、もって冷凍効率の向上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〕本発明に係る磁気冷凍装置は、常時磁場を発生する一対
の磁場発生装置と、これら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一対の作業物質と、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
触する一対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、
前記各磁場発生装置は、一方の磁場発生装置で発生した
磁場が他方の磁場発生装置で発生した磁場内に位置して
いる作業物質に対して磁気的影響を及ぼし得る相互間隔
もしくは発生磁場に設定されてなることを特徴としてい
る。

〔発明の効果〕

移動する作業物質から熱を奪って排熱する場合、排熱さ
せるための系を作業物質と一体に移動させることは構造
の複雑化を免れ得す、また断熱消磁時に排熱系から作業
物質に向けて熱が侵入するのを免れ得ない。

しかし、本発明装置のように、作業物質が磁場内に位置
しているときだけ上記作業物質に接触する良熱伝導性部
材を設け、この部材を介して排熱する構造であると、上
記良熱伝導性部材、つまり排熱系全体を作業物質と一体
に移動させる必要はない。これに加え、本発明装置では
、磁場発生装置、作業物質および良熱伝導性部材からな
る組を２組設け、かつ各磁場発生装置の相互間隔もしく
は発生磁場を前記関係に設定しているので、一方の磁場
発生装置で発生した磁場内に入った一方の作業物質は他
方の磁場発生装置で発生した磁場の影響を受けて良熱伝
導性部材に強制的に押付けられる。このため、作業物質
と良熱伝導性部材との間の熱抵抗を非常に小さくできる
。したがって、構造の複雑化をｊＢ　＜ことなく良好な
排熱を行なわせることができる。また、断熱消磁時には
、作業物質と良熱伝導性部材とを距離的に離すことがで
きる。このため、断熱消磁時に良熱伝導性部材を介して
作業物質に熱が浸入するのを防止することができる。こ
のように、本発明によれば、構造の複雑化や熱侵入を抑
えた状態で、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欝えている冷凍効率が高い点を最
大限に発揮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１ｆｆｉ本体Ａと、予冷冷凍［１１８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はヘリウム櫂を示している。

このヘリウム１！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、内槽４を取囲んでいる空ＩＪ１５
は、真空引きされて真！２匹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の土壁４ａの２１ｉ所には、土壁４ａの図中
上側空間と下側空間とを連通させる筒部６ａ１６ｂ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Ｍ４ａ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
７ａ、７ｂ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７ａ、７ｂの上下内端縁はそれぞれテーパ
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と、容器本体８の上Ｗ１１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
切り壁１０の上面まで延長させる筒体１３ａ、１３ｂと
、これら筒体１３ａ、１３ｂの外周面に上下方向に２段
構成に突設された鍔部１４ａ、１４ｂおよび１５ａ、１
５ｂとで構成されている。

そして、筒体１３ａ、１３ｂの外周で鍔部１４ａ、１４
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、１３ｔ）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、Ｉｊｂがｉｔされている。各超電導コイル
１６ａ、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、ヘ
リウム容器構成材を介して所要の温度に冷却される。そ
して、超電導コイル１６ａと１６ｂとは後述する作業物
質が一方のコイル内に位置しているとき、この作業物質
に他方のコイルで発生した磁場が影響を与え得る強度あ
るいは方向の磁場を発生するように構成されている。ま
た、超７４導コイル１７ａ、１７ｂは、超電導コイル１
６ａ、１６ｂ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′！Ｉｉ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。

仕切り壁１０の前記筒部６ａ、６ｂの下端面に対向する
位置には、部分７　ａ　１７　ｂの内径より大きく、か
つ筒部６ａ、６ｂの外径より小さい孔１８ａ、１８ｂが
形成されている。そして、上記孔１８ａ、１８ｂ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１９
ａ、１９ｂの下端側が接続されており、これら筒体１９
ａ、１９ｂの上端側はＩ２！１部５ａ、６ｂの下端面に
それぞれ気密に接続されている。

前記仕切りＭ２Ｓの前記筒部６ａ、６ｂに対向する位置
には、筒体１９ａ、１９ｂの内径と同径の孔２０ａ、２
０ｂが同軸的に設けである。そ、して、孔２０ａ、２０
ｂ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２１ａ、２１ｂによって気
密に接続されている。

すなわち、孔２０ａ、筒体２１ａ１筒部６ａ、筒体１９
ａおよび孔１８ａが同軸的に接続されて、仕切り１３よ
り上方の空間２２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２３ａが構成され、同様に孔
２０ｂ、筒体２１ｂ１筒部６ｂ、筒体１９ｂおよび孔１
８ｔ）が同軸的に接続されて同様のシリンダ２３ｂが構
成されているのである。

前記シリンダ２３ａ、２３ｂ内には前記空間２２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１００［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ロッド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２２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、Ｏラド
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１図の作業物質３２ａのように筒
部６ａ（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１０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Ｖｉ看されており、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
Ｉｉ！助機構４ｏは、両端が閉じられたシリンダ４１と
、このシリンダ４１内に軸方向に運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４２　ａ　、−
４２ｂとで構成されている。そして、上記ガス案内管４
２ａ、４２ｂ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。

内槽４の上壁４ａの周縁部には厚肉部５１が形成されて
おり、この厚内部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ｔｉＢの吸熱部が熱的に接続されている。

予冷冷凍１１Ｂ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凛礪５５と、こ
の冷凍礪５５に圧縮された冷媒ガス、たとえばヘリウム
ガスを循環供給フる圧縮＝ＳＣとで構成されている。な
お、冷連礪５５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５４
に接続され、これによって気密性が保たれている。

圧縮握５６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を介して直線動機構４０のガス
案内管４２ａ、４２ｂに接続されている。駆１１Ｊ　１
１　ＩＩＩ器６０は、圧Ｎは５６のガス送出口Ｓを電磁
弁６１を介してガス案内管４２ａに接続し、また、ガス
導入口Ｔ＠ｌ！１弁６２を介してガス案内管４２ｂ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ｉｆ磁弁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を制御器６５でオン、オフ制御するよ
うにしている。ｉｌｌ　１０器６５は、電磁弁６１．６
２を一組とし、また、電磁弁６３．６４を一組として、
一方の組を°開”に制御しているときには他方の組を閉
”に制御し、各組を交互に゛開′°に１１Ｊ　ＩＩＩす
る信号を送出するように構成されている。

なお、第１図中６６ａ、６６ｂはシール機構を示してい
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、１６ｂＩ３よび１７ａ、１
７ｂに１ｊ前述した関係の磁場を発生させ得る永久Ｎ　
、ｌが流れているものとする。また、圧縮微５６が動作
して予冷冷凍ＴＩＮＢが動作しているものとする。予冷
冷ｉ１！搬Ｂが動作すると、内個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、１ｌＪＩＩ
ｌ器６５は、まず、′Ｒ磁弁６３．６４を１ｉｆ１″に
制御する。この結果、圧縮１１１５６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ｉｆ【…弁６
３を介してガス案内管４２ｂに供給され、また、ガス案
内管４２ａが′Ｒ磁弁６４を介してガス導入口Ｔに接続
される。このため、ｉ櫟動樋僧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
と制御器６５は、電磁弁６３．６４を“閉”に制御し、
代わって電磁弁６１．６２を“開”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、ラン
ク３８も第２図中実１ｉＹで示すように往復動じ、これ
に伴って軸３５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２図中下方
　、Ｑ２で示すように昇降する。すなわち、ロッド３１
ａ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間を１８０度の位相差を
もって昇降することになる。上死点に位置しているとき
には、第１図中の作業物質３２ａに見られるように超電
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。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３２ｂ（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。これに加え、部分７ａ内に位置した作業物質３２ａ
には超′！ｆｉ導コイル１６ｂで発生した磁場が影響を
与え、また、部分７ｂ内に位置した作業物質３２ｂには
超電導コイル１６ａで発生した磁場が影響を与える。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、３２ｂ
は、長尺のロッド３１ａ１３１ｂのたわみも有効に手伝
って部分７ａ、７ｂの内表面に磁気力によって強制的に
押付けられることになる。

したがって、各作業物質３２ａ、３２ｂと部分７ａ、７
ｂ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、３２ｂで発生した熱は、部分７ａ、７ｂ、
ｒｉＡ部６ａ、６ｂ、上１４ａ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、３２
ｂ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３２ａ、３２ｂ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、断熱磁化時に作業物質３
２ａ、３２ｂを隣接する磁場発生装置の磁場を用いて部
分７ａ、７ｂ、つまり排熱用良熱伝導性部材に磁気力で
押付けるようにしているので、良好な排熱行程を実現で
き、作業物質３２ａ、３２ｂで発生した熱の影響をなく
すことができるので、結局、前述した効果が得られるこ
とになる。

なお、実施例のように主磁場発生装置と補助磁場発生装
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さくできる。したがって
、Ｉ！全全体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、一方の作業物質と一方の１ｉ場との間に生じ
る磁気的吸引力で他方の作業ｖＩＪ質と他方の磁場との
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、駆動動力を少なくできる利点もある
。また、本発明は、上述した実施例のものに限らず、駆
動改構の主要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、一対の磁場発生装置の相互
間隔の設定によって磁場の影響を互いに及ぼしあわせる
ようにしてもよい。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図
、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、Ｂ・・・予冷冷凍ｄ、１・・・
ヘリウム（ａ、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、１６ｂ、１７ａ、１７ｂ−ＦＩＬ場発
生装置としての超電導コイル、２３ａ、２３ｂ・・・シ
リンダ、３１ａ、３１　ｂ−・・ロッド、３２ａ、３２
　ｂ　−・・作業物質、３４ａ、３４ｂ、３８　・・・
ラック、３６．３７・・・ビニオン、４０・・・直線動
礪溝、５５・・・冷凍則、５６・・・圧縮曙、６ｏ・・
・駆動制御器。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 −３と

Claims

【特許請求の範囲】

（１）常時磁場を発生する一対の磁場発生装置と、これ
ら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
冷却する一対の作業物質と、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する一対の良熱伝導性
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、前記各磁場発生装置は、
一方の磁場発生装置で発生した磁場が他方の磁場発生装
置で発生した磁場内に位置している作業物質に対して磁
気的影響を及ぼし得る相互間隔もしくは発生磁場に設定
され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。
（３）前記駆動機構は、１つの機構で前記各作業物質を
、前記各磁場発生装置で発生した磁場内および磁場外へ
と排他的に移動制御するものであることを特徴とする特
許請求の範囲第１項または第２項記載の磁気冷凍装置。