JPS63129265A - 往復動型磁気冷凍装置 - Google Patents

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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、往復動型磁気冷凍装置に係り、特に２作業物
質を支持するピストンの移動に伴って高温のガスが低温
部へ流れ込むのを抑制できるようにした磁気冷凍装置に
関する。

（従来の技術） 従来、磁性体の磁気熱量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
た磁性体で被凝縮ガスを凝縮させるようにしたもので９
通常の圧縮型冷凍機に比べて単位体積当りの冷凍能率が
高いと言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。

つまり作業物質を急速に磁場内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へ逃がす排熱
過程と、ｍ場内に位置している作業物質を急速に磁場外
に導入して断熱消磁させ、このときの吸熱作用で被凝縮
ガスを凝縮させる吸熱過程との２つの熱交換過程を交互
に行なわせる必要がある。

このようなことから、従来の磁気冷凍装置にあっては２
作業物質を直線往復動させ、この往復動で作業物質を磁
場内および磁場外に交互に位置させるようにした往復動
型のものと１作業物質を円軌道に沿って移動させること
により１作業物質を磁場内および磁場外に交互に位置さ
せるようにした回転型のものとが考えられている。

このうち往復動型のものは１通常、断熱容器と。

この断熱容器内の一部に磁場を発生させる磁場発生装置
と、この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
て外面に被凝縮ガスを凝縮させる円柱状の作業物質と、
この作業物質を支持するピストンと、このピストンを上
下動させて前記作業物質を前記磁場内および上記磁場内
より下方の磁場外へ交互に位置させる往復動駆動手段と
。

前記作業物質が前記磁場内に位置しているとき上記作業
物質で発生した熱を前記断熱容器外へ導く排熱筒とを主
体に構成されている。

しかしながら、従来の往復動型磁気冷凍装置にあっては
次のような問題があった。すなわち、往復動型のものは
２作業物質を磁場内と磁場外とに交互に位置させるため
に、ピストンの往復動ストロークを長く設定する必要が
ある。前述の如く。

作業物質が断熱磁化状態にあるときには作業物質が発熱
し、これに伴って前述した排熱筒に通じた部分に存在す
るガスも温度上昇する。このため。

ピストンが大きなストロークで移動すると、これに伴っ
てピストンの回りに存在している高温のガスも移動し、
この高温のガスが低温部へ流れ込み。

これが原因して冷凍効率が低いと言う問題があった。

（発明が解決しようとする問題点） 上述の如く、従来の往復動型磁気冷凍装置にあっては、
ピストンの動きに伴って高温のガスが低温部へ流れ込み
易く、これが原因して冷凍効率が低いと言う問題があっ
た。

そこで本発明は、ピストンが移動したときに高温のガス
が低温部へ流れ込むのを抑制でき、もって冷凍効率を向
上させることができる往復動型磁気冷凍装置を提供する
ことを目的としている。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明に係る往復動型磁気冷凍装置では９作業物質の上
下部外周に、この作業物質と排熱筒との間の隙間を塞ぐ
シールリングを設けている。

（作用） 上記構成であると９作業物質を支持するピストンが上下
動しても、このピストンと排熱筒およびこれに通じた部
分に存在するガスの動きがシールリングによって抑制さ
れる。したがって、高温のガスが低温部へ流れ込むのを
抑制でき、これによって冷凍効率の低下を防止できる。

（実施例） 以下１本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

第１図は本発明の一実施例に係る往復動型磁気冷凍装置
をヘリウム液化装置に組み込んだ例を示すものである。

図中１は外槽を示し、２は外槽１内に収容された内槽を
示している。外槽１は、全体が熱伝導性の悪い部材で形
成されている。また、内槽２は。

その上壁２ａだけが厚肉の良熱伝導材で形成されており
、残りの部分は熱伝導性の悪い材料で形成されている。

そして、外槽１と内槽２との間に存在する空間３は真空
引きされて真空断熱層に形成されている。

内槽２の上壁２ａの２箇所には、上壁２ａの図中上側と
下側とを連通させる筒部ｊａ、４ｂが下方向に向けて平
行に、かつ同一寸法に突設されている。これら筒部４ａ
、４ｂは排熱筒を構成するもので、上壁２ａを構成して
いる部材と同一材あるいはそれ以上の熱伝導性の良い部
材で厚肉に形成されている。そして、その下端部から所
定長さの部分５ａ、５ｂの内径が他の部分より小径に形
成されている。

内槽２内には、内槽２との間に真空断熱層を介してヘリ
ウム容器６が収容されている。このヘリラム容器６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７と
、この容器本体７内を上下方向に２分するように設けら
れた仕切り壁８と、容器本体７の上壁９に設けられ、前
記筒部４ａ、４ｂをそれぞれ非接触に嵌入させる孔１０
ａ、１０ｂと、これら孔１０ａ、１０ｂの縁部を仕切り
壁８の上面まで延長させる筒体１１ａ。

１１ｂと、これら筒体１１８．１１ｂの外周面に上下方
向に２段構成に突設された鍔部１２ａ。

１２ｂおよび１３ａ、１３ｂとで構成されている。

そして、筒体１１ａ、１１ｂの外周で、鍔部１２ａ、１
２ｂと上壁９との間には主磁場発生装置を構成する超電
導コイル１４ａ、１４ｂが装着されており、また筒体１
１ａ、１１ｂの外周で鍔部１３ａ、１３ｂと仕切り壁８
との間には補助磁場発生装置を構成する超電導コイル１
５ａ。

１５ｂが装着されている。各超電導コイル１４ａ。

１４ｂおよび１５ａ、１５ｂは、ヘリウム容器６内の底
部に溜っている液体ヘリウムＨを冷却源として所要の温
度に冷却される。そして、超電導コイ）Ｉｉ１５　ａ、
　１５　ｂハ、超電導’：］イＡｚ１４ａ。

１４ｂ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１４ａ、１４ｂ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。

前記筒部４ａ、４ｂの下端面に対向する仕切り壁８の部
分には筒部４ａ、４ｂの内径より大径な孔１６ａ、１６
ｂが形成されている。そして、上記孔１６ａ、１６ｂの
内縁には熱伝導性の悪い部材で形成された筒体１７ａ、
１７ｂの下端側が接続されており、これら筒体１７ａ、
１７ｂの上端側は筒部４ａ、４ｂの〜下端面にそれぞれ
接続されている。なお、筒体１７ａ、１７ｂは、筒部４
ａ。

４ｂ側に位置する部分の内径が筒部４ａ、４ｂの内径と
等しく形成され、下部側の部分Ｓはそれより大径に形成
されている。外槽１の上壁で筒部４ａ、４ｂに対向する
位置には、筒部４ａ、４ｂの内径より大きい孔１８ａ、
１８ｂが同軸的に設けてけある。そして、孔１８ａ、１
８ｂの縁部と筒部４ａ、４ｂの上端部とは熱伝導性の悪
い部材で形成された筒体１９ａ、１９ｂによって気密に
接続されている。すなわち、孔１８−ａ、筒体１９ａ、
筒部４ａ、筒体１７ａおよび孔１６ａが同軸的に接続さ
れて外部と液体ヘリウムＨの収容されている空間とを連
通させるシリンダ２０ａが構成され、同様に孔１８ｂ、
筒体１９ｂ、筒部４ｂ、筒体１７ｂおよび孔１６ｂが同
軸的に接続されて同様のシリンダ２０ｂが構成されてい
る。

各シリンダ２０ａ、２Ｏｂ内には外部からピストン２１
８．２１ｂが昇降自在に挿設されている。

ピストン２１８．２１ｂは、それぞれ熱伝導性の悪い材
料で前述した筒部４ａ、４ｂにおける部分５ａ、５ｂの
内径より数１００μｍ小さい外径に形成されている。ピ
ストン２１ａ、２１ｂ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ピストン２１８．２１
ｂの外径と等しい外径の円柱状に加工してなる作業物質
２２ａ。

２２ｂが直列に介挿されている。そして、各作業物質２
２ａ、２２ｂの上下部外周には、第２図に示すように、
内部に金属製のばね材を埋め込んだ。

たとえばテフロン製のシールリング２３ａ。

２３ｂが装着されている。このシールリング２３ａ、２
３ｂとしては、各ピストン２１ａ。

２１ｂと、筒部４ａ、４ｂにおける部分５ａ。

５ｂおよび筒体１７ａ、１７ｂの上部との間に存在する
隙間を塞ぎ得る肉厚のものが用いられている。

ピストン２１ａ、２１ｂの外槽１外に位置する端部には
支持材２４ａ、２４ｂが取付けてあり。

これら支持材２４ａ、２４ｂの先端部には互いに対面す
る関係にラック２５ａとラック２５ｂとが固定されてい
る。そして、ラック２５ａ、２５ｂ間の中心位置には１
紙面と直交する方向に延びる軸２６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２６の外周でラッ
ク２５ａとラック２５ｂとの間に位置する部分には上記
ラック２５ａ、２５ｂに共通に噛合うビニオン２７が固
定されている。なお、ビニオン２７とラック２５ａ、２
５ｂとは次のような関係に噛合している。すなわち、ピ
ストン２１ａ、２１ｂの下端部に介挿されている作業物
質２２ａ、２２ｂが丁度。

第１図の作業物質２２ａのように筒部４ａ、４ｂの部分
５ａ、５ｂ内に位置しているときを上死点とし、また作
業物質２２ａ、２２ｂが第２図に示す筒体１７ａ、１７
ｂの下部に形成されている大径の部分Ｓ内で、かつシー
ルリング２３ａがシリンダ２０ａ、２０ｂの内面から離
れる直前位置まで低下した位置を下死点とし、何れかの
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噛合してい
る。軸２６の外周には図示しない別のビニオンが固定さ
れており、このビニオンは図示しないラックと噛合って
いる。そして、上記ラックは図示しない往復動駆動源に
連結されている。

内槽２の上壁２ａの周縁部には厚肉部３１が形成されて
おり、この厚肉部３１には、開口部を横方向に向けた円
柱状の凹部３２が形成されている。

外槽１の側壁で凹部３２に対向する位置には、凹部３２
より大径の孔３３が形成されており、この孔３３の周縁
部には外方へ突出するフランジ３４が気密に接続されて
いる。そして、上記７ランジ３４内を通して前記凹部３
２に良熱伝導材で形成されて伝熱ロッド３５の一端側が
嵌入している。

伝熱ロッド３５の外周には鍔３６が設けてあり。

この鍔３６がシール材を介してフランジ３４に締付は固
定されている。伝熱ロッド３５の他端側は小型冷凍機等
の冷却器３７に熱的に接続されている。なお、第１図中
３８ａ、３８ｂはシール材を示している。

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１４ａ、１４ｂおよび１５ａ、１５
ｂには前述した関係の磁場を発生させ得る永久電流が流
れているものとする。また。

冷却器３７が動作状態にあるものとする。冷却器３７が
動作すると、伝熱ロッド３５を介して上壁２ａの熱が奪
われる。したがって、筒部４ａ。

４ｂも充分低温に保たれる。

このような状態において、往復動駆動源を動作させると
、ビニオン２７が第１図中実線矢印Ｐで示すように往復
動する。この結果、ピストン２１ａ、２１ｂが第１図中
実線矢印Ｑ１．Ｑ２で示すように昇降する。すなわち、
ピストン２１ａが下降を開始するとピストン２１ｂが上
昇を開始する関係にそれぞれが昇降する。このため２作
業物質２２ａ、２２ｂは、上死点と下死点との間を１８
０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２２ａ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
する。したがって、断熱磁化状態となる。一方、下死点
に位置しているときには磁場外に位置する。したがって
、断熱消磁状態となる。断熱消磁状態では２作業物質２
２ａ。

２２ｂ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２２ａ、２２ｂの表面に凝縮する。

この凝縮によって形成された液滴は自然落下し、ここに
ヘリウムの液化が達成される。

一方、前述のように断熱磁化状態になると１作業物質２
２ａ、２２ｂは発熱する。この熱は次のようにして外部
へ導かれる。すなわち９作業物質２２ａ、２２ｂが上死
点に位置しているときには。

必ず部分５ａ、５ｂ内に位置している。部分５ａ。

５ｂの内径は１作業物質２２ａ、２２ｂの外径より僅か
に大きい程度に設定されている。このため。

作業物質２２ａ、２２ｂで発生した熱は、筒部４ａ、４
ｂ、上壁２ａを介して速やかに外部へ排熱されることに
なり、ここに冷凍サイクルが実現されることになる。

ところで、上記のようにピストン２１ａ。

２１ｂが昇降動作すると、この動きに伴ってピストン２
１ａ、２１ｂの回りに存在しているヘリウムガスが移動
する。ピストン２１ａ、２１ｂの回りに存在するヘリウ
ムガスの一部は９作業物質２２ａ、２２ｂの断熱磁化時
における発熱で高温のガスとなっている。したがって、
ピストン２１ａ、２１ｂが昇降すると、これに伴って上
述した高温のヘリウムガスが仕切り壁８より下方の低温
空間へ流れ込もうとする。しかし、この実施例から判か
るように９本発明装置ではシリンダ２０ａ、２０ｂとピ
ストン２１８．２１ｂとの間の隙間を塞ぐように各作業
物質２２ａ、２２ｂの上下部外周にシールリング２３ａ
、２３ｂを装着しているので、上述したガスの動きを規
制することができ、この結果、低温部に高温のガスが流
れ込むことによって起こる冷凍損失を抑制でき、冷凍効
率を向上させることができる。

なお１本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。すなわち、上述した実施例では、ピストンを一対設
けているが、ピストンを１つだけ設けたものにも本発明
を適用することができる。

［発明の効果］ 以上述べたように０本発明によれば、ピストンの回りに
存在する高温のガスがピストンの動きに伴って低温部へ
流れ込むのを阻止するシールリングを作業物質の上下部
外周に装着しているので。

上述した高温のガスの低温部への流入によって起こる冷
凍損失を抑制でき、この結果、冷凍効率を向上させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る往復動型磁気冷凍装置
をヘリウム液化装置に組み込んだ例の概略縦断面図、第
２図は同装置における要部だけを取出して示す図である
。 １・・・外槽、２・・・内槽、６・・・ヘリウム容器。 ４ａ、４ｂ・・・排熱筒を構成する筒部、１４ａ。 １４ｂ、１５ａ、１５ｂ・・・磁場発生装置としての超
電導コイル、２０ａ、２０ｂ・・・シリンダ。 ２１ａ、２１ｂ−・・ピストン、２２ａ、２２ｂ・・・
作業物質、２３ａ、２３ｂ・・・シールリング、２５ａ
。 ２５ｂ・・・ラック、２７・・・ビニオン、Ｈ・・・液
体ヘリウム。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 断熱容器と、この断熱容器内の一部に磁場を発生させる
   磁場発生装置と、この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
   きには吸熱して外面に被凝縮ガスを凝縮させる円柱状の
   作業物質と、この作業物質を支持するピストンと、この
   ピストンを上下動させて前記作業物質を前記磁場内およ
   び上記磁場内より下方の磁場外へ交互に位置させる往復
   動駆動手段と、前記作業物質が前記磁場内に位置してい
   るとき上記作業物質で発生した熱を前記断熱容器外へ導
   く排熱筒とを備えた往復動型磁気冷凍装置において、前
   記作業物質の上下部外周に上記作業物質と前記排熱筒と
   の間の隙間を塞ぐシールリングが設けられてなることを
   特徴とする往復動型磁気冷凍装置。