JPS63129267A - 回転型磁気冷凍装置 - 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１回転型磁気冷凍装置に係り、特に。

ｇ−物質からの排熱効率を向上させることができるよう
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０
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、磁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直線動
型のものと２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。

回転型のものは回転ホイールの同一円周上に複数の作業
物質を配置する構成を採用できるので、原理的には一層
冷凍効率を向上させることができ。

しかも装置全体の小形化を図れる等の利点を備えている
。

しかしながら、従来の回転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、・回転型のものは２
通常９回転ホイールで作業物質を支持するようにし１作
業物質が通る円軌道の一部に磁場を印加して断熱磁化さ
せるようにしている。

前述の如く１作業物質が断熱磁化状態にあるときには１
作業物質で発生した熱を外部へ排熱する必要がある。こ
のため、従来の回転型磁気冷凍装置では、磁場内に位置
した作業物質の表面で回転ホイールの軸心線方向に位置
する両端面に充分近接させて熱導体を配置し、この熱導
体を介して排熱　。

させる方゛式を採用している。このような排熱゛路構成
であると１作業物質で発生した熱は作業物質と熱導体と
の間に存在するギャップを介して熱導体に導かれること
になる。上述したギャップ内には。

通常、被凝縮ガスが存在している。したがって。

作業物質で発生した熱は被凝縮ガス層を介して熱導体に
伝わることになるが、被凝縮ガス層の熱伝導率はそれ程
大きくはない。したがって、排熱効率が悪く、これが原
因して冷凍効率も低いと言う問題があった。

そこで、上記のような不具合を解消するために。

作業物質と熱導体との間の対向面積を広くすることが考
えられるが１回転型であるが故にそれ程広くすることは
できない。

（発明が解決しようとする問題点） 上述の如く、従来の回転型磁気冷凍装置にあっては、断
熱磁化時における排熱効率が悪く、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９回転型の特徴を損うことなく断熱磁化
時における排熱効率を向上させることができ、もって冷
凍効率を向上させることができる回転型磁気冷凍装置を
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） 本発明は１作業物質を回転ホイールで支持させる構成を
採用し１作業物質が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断熱容器外へ導く手段を備えた回転
型磁気冷凍装置を対象にしている。このような装置にお
いて９本発明では。

作業物質で発生した熱を断熱容器外へ導く手段が。

排熱系に熱的に接続された熱導体と、この熱導体との間
に５０μｍ以下の隙間を保って回転ホイールの軸心線と
平行する方向に移動自在に配置され回転ホイールに支持
されている作業物質に摺接する熱導片と、この熱導片と
熱導体との間に設けられ上記熱導片を上記熱導体で支持
させるとともに上記熱導片に摺接力を付与するばね部材
とで構成されている。

（作用） 断熱磁化時に作業物質で発生した熱は、熱導片に伝わっ
た後、熱導片と熱導体との間に存在する５０μｍ以下の
隙間に存在するガス層を経由して熱導体へと伝わって排
熱される。この場合２作業物質と熱導片との間の熱抵抗
は、ばね部材の復元力の設定で充分小さな値に設定でき
る。また、熱導片と熱導体との間の熱抵抗は２両者間の
対向面積を大きく設定することによって充分小ざな値に
設定できる。この設定は１回転型による影響や作業物質
の大きさの影響を受けず自由に行なえる。

したがって、排熱路全体の熱抵抗を充分小さくできる。

（実施例） 以下９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２本発明の一実施例に係る回転型磁気冷凍装置
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内に収容され液体ヘリウムＨを
直接収容するヘリウム容器３と。

このヘリウム容器３と外槽２との間に設けられたシール
ド板４とで構成されている。そして、外槽２とシールド
板４との間の空間５およびシールド板４とヘリウム容器
３との間の空間６は２、そむぞれ真空引きされて真空断
熱層に形成されている。

また、外槽２．ヘリウム容器３およびシールド板４は非
磁性材で形成されている。

シールド板４によって囲まれた空間内でヘリウム容器３
の上方位置には、外形が円板状に形成された補助容器７
が軸心線を上下方向に向けて配置されている。この補助
容器７は非磁性材で形成されている。そして、補助容器
７内とヘリウム容器３内とは偏心した位置において筒体
８によって接続されている。補助容器７の上壁中央部に
は孔９が設けてあり、この孔９の周縁部に固体１０の下
端部が気密に接続されている。この筒体１０の上端部は
、シールド板４を気密に貫通して外槽２の土壁に設けら
れた孔１１の周縁部に気密に接続されている。

一方、補助容器７内には２回転ホイール１２が軸心線を
上下方向に向けて回転自在に収容されている。この回転
ホイール１２は、熱伝導率の低い非磁性材で形成されて
おり、その下面中央部および上面中央部にそれぞれ軸１
３．１４を突設している。そして、軸１３は補助容器７
の下壁内面に固定された軸受１５によって支持され、ま
た軸１４は補助容器７の土壁内面に固定された軸受１６
によって支持されている。回転ホイール１２の周縁部で
同一円周上には、上下方向に延びる円柱状の透孔１７が
等間隔に複数設けてあり、これら透孔１７内には作業物
質１８がそれぞれ装着されている。

各作業物質１８は、たとえばガドリニウム・ガリウム・
ガーネットの単結晶体で形成され、軸方向の長さが回転
ホイール１２の厚さとほぼ等しく形成されている。そし
て、これら作業物質１８は。

それぞれ透孔１７内に装着された後、適宜な手段で回転
ホイール１２に固定されている。また９回転ホイール１
２に設けられた軸１４は、ｉ熱材で形成された連結軸１
９の一端部に接続されており。

この連結軸１９の他端部は前記筒体１０内を上方へ向け
て延びた侵、傘歯車２０．２１を介して外槽２の土壁外
面に固定されたモータ２２の回転軸に連結されている。

補助容器７内で、前記軸１３を中心にして前記筒体８が
接続されている側とは反対側空間には。

回転ホイール１２を上下に挟む関係に、たとえば鋼材な
どで形成された熱導体２３ａ、２３ｂが配置されており
、これら熱導体２３ａ、２３ｂは熱伝導ロッド２４に接
続されている。そして、熱伝導ロッド２４は、補助容器
７の土壁を気密に、かつ断熱状態に貫通して補助冷凍機
２５の吸熱部に接続されている。熱導体２３ａ、２３ｂ
の回転ホイール１２に対向する部分で１作業物質１８の
移動軌道面に対向する部分には０作業物質１８の径よ゛
り大きい内径の円柱状の透孔２６ａ、２６ｂが。

その軸心線を回転ホイール１２の軸心線に平行させて設
けられている。そして、これら透孔２６ａ。

２６ｂ内には、熱導片２７ａ、２７ｂが回転ホイール１
２の軸心線方向に移動自在に装着されている。これら熱
導片２７ａ、２７ｂは、熱伝導率の高い部材でほぼ円柱
状に形成されており、第２図に熱導片２７ｂだけを取り
出して示すように各透孔２６ａ、２６ｂの内面との間の
隙間Ｓが５０μｍ以下となる直径に形成されている。各
熱導片２７ａ、２７ｂの回転ホイール１２側に位置する
端面ば、第２図に示すように平坦に形成され２周縁部の
み滑らかな曲面に形成されている。また。

これら熱導片２７ａ、２７ｂの回転ホイール１２側とは
反対側に位置する部分は第２図に示すように小径に形成
されており、この小径部分が板ばね２ｓａ、２８ｂを介
して熱導体２３ａ、２３ｂに固定されている。各板ばね
２８ａ、２８ｂとしては、熱導片２７ａ、２７ｂを熱導
体２３ａ。

２３ｂに固定する機能と、熱導片２７ａ、２７ｂに回転
ホイール１２側へ向かう偏奇力を付与する機能とを発揮
するものが用いられている。

補助容器７の外側には、熱導片２７ａ、２７ｂの位置し
ている部分を取り囲む関係に磁場発生装置としての超電
導コイル２９が軸心線を回転ホイール１２の軸心線に直
交させて配置されている。

この超電導コイル２つは図示しない熱伝導路を介してヘ
リウム容器３内の液体ヘリウムＨによって冷却されるよ
うになっている。なお、第１図中３０は軸受を示し、３
１はシールリングを示している。

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２９は所定の温度に冷却されており
、しかも永久電流が流れているものとする。したがって
、熱導片２７ａ、２７ｂが位置している部分には磁場が
印加されている状態にある。

また、補助冷凍機２５が動作しているものとする。

補助冷凍機２５が動作すると、熱伝導ロッド２４を介し
て熱導体２３ａ、２３ｂおよび熱導片２７ａ、２７ｂが
充分低温に冷却される。

このような状態で、モータ２２を動作開始させると、連
結軸１９が回転し、これに伴って回転ホイール１２が回
転する。回転ホイール１２が回転すると、各作業物質１
８は、１つの円軌道上を移動して超電導コイル２９が発
生している磁場内と磁場外とに交互に位置することにな
る。作業物質１８が磁場内に入り込むと、この作業物質
１８は断熱磁化状態となって発熱する。また１作業物質
１８が磁場外に出ると、この作業物質１８は断熱消磁状
態となって吸熱する。

このように断熱消磁状態になると、ヘリウム容器３内の
液面上に漂い、補助容器７内に侵入しているヘリウムガ
スが作業物質１８の表面に凝縮する。この凝縮によって
生じた液滴は筒体８内を通ってヘリウム容器３内へと落
下する。したがって。

ここにヘリウムの液化が実現される。

一方、このとき断熱磁化状態にある作業物質１８は発熱
する。この熱は次のようにして外部へ排熱される。すな
わち２作業物質１８が磁場内に位置しているときは、こ
の作業物質１８の上、下端面に熱導片２７ａ、２７ｂが
摺接する。このため１作業物質１８で発生した熱は、ま
す熱導片２７ａ、２７ｂに伝わる。そして、これら熱導
片２７ａ、２７ｂに伝わった熱は、熱導片２７ａ。

２７ｂの外周面と透孔２６ａ、２６ｂの内周面との間に
存在する５０μｍ以下の隙間内のヘリウムガス層を介し
て熱導体２３ａ、２３ｂへと伝わり。

続いて熱伝導ロッド２４を介して補助冷凍機２５へと排
熱される。したがって２作業物質１８で発生した熱によ
って補助容器７内が温度上昇したり。

また断熱消磁時に作業物質１８の温度低下が阻害される
ようなことはなく、ここに良好な冷凍サイクルが実現さ
れる。

この場合、特に、板ばね２８ａ、２８ｂの復元力を調整
することによって０回転ホイール１２の回転特性に悪影
響を与えることなく作業物質１８と各熱導片２７ａ、２
７ｂとの間の熱抵抗を充分小さくすることは容易である
。また熱導片２７ａ。

２７ｂの外周面と熱導体２３ａ、２３ｂに設けられた透
孔２６ａ、２６ｂの内周面との間の対向面積を広くする
ことによって１回転ホイール１２の回転特性に悪影響を
与えることなく熱導片２７ａ。

２７ｂと熱導体２３ａ、２３ｂとの間の熱抵抗を充分小
さくすることも容易である。したがって。

回転型の特徴を損うことなく、排熱路全体の熱抵抗を充
分小さくすることができるので、排熱効率を向上させる
ことができ、結局、冷凍効率を向上させることができる
。ただし、熱導片２７ａ。

２７ｂと熱導体２３ａ、２３ｂとの間の隙間は５０μｍ
以下に設定する必要がある。もし、５０μｍを越える値
に設定すると、隙間における熱抵抗が急激に大きくなり
、たとえ両者間の対向面積を広くしても熱抵抗を小さく
することが困難となる。

なお２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磁場発生装置として
超電導コイルを使用しているが。

常電導コイルを使用してもよい。また、上述した実施例
は本発明に係る回転型磁気冷凍＠置をヘリウム液化装置
に組み込んだ例であるが、他のガスを液化する場合にも
使用できることは勿論である。

また、板ばねの代りにコイルばねを使用してもよく、さ
らには熱導体、熱導片およびばね部材からなる排熱部材
を片方だけに配置するようにしてもよい。その他９本発
明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形できることは勿論
である。

［発明の効果］ 以上述べたように５本発明によれば、排熱系に熱的に接
続された熱導体と、この熱導体との間に５０μＴｒＬ以
下の隙間を保って回転ホイールの軸心線と平行する方向
に移動自在に配置され回転ホイールに支持されている作
業物質に摺接する熱導片と。

この熱導片と熱導体との間に設けられ上記熱導片を上記
熱導体で支持させるとともに上記熱導片に摺接力を付与
するばね部材とからなる排熱路構成を採用しているので
、構成の複雑化を招くことなく、また回転型の特徴を損
うことなく断熱磁化時に作業物質から速やかに排熱させ
ることができ。

その結果として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回転型磁気冷凍装置を
ヘリウム液化装置に組み込んだ例を示す概略縦断面図、
１２図は同装置における要部だけを取り出して示す断面
図である。 １・・・ヘリウム槽、３・・・ヘリウム容器、７・・・
補助容器、１２・・・回転ホイール、１８・・・作業物
質、１９・・・連結軸、２２・・・モータ、２３ａ、２
３ｂ・・・熱導体、２５・・・補助冷凍機、２７ａ、２
７ｂ・・・熱導片。 ２８ａ、２８ｂ・・・板ばね、２９・・・超電導コイル
。 Ｈ・・・液体ヘリウム。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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、前記断熱容器内に配置され前記
   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作業物質と、この作業物質を支
   持する回転ホイールと、この回転ホイールを回転させて
   前記作業物質を前記磁場内および磁場外に交互に位置さ
   せる回転駆動手段と、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
   外へ導く手段とを備えた回転型磁気冷凍装置において、
   前記作業物質で発生した熱を前記断熱容器外へ導く手段
   は、一端側が前記磁場内に位置し、他端側が排熱系に熱
   的に接続された熱導体と、この熱導体との間に５０μｍ
   以下の隙間を保って前記回転ホイールの軸心線と平行す
   る方向に移動自在に配置され上記回転ホイールに支持さ
   れている前記作業物質に摺接する熱導片と、この熱導片
   と前記熱導体との間に設けられ上記熱導片を上記熱導体
   で支持させるとともに上記熱導片に摺接力を付与するば
   ね部材とを具備してなることを特徴とする回転型磁気冷
   凍装置。
2. （２）前記熱導体、前記熱導片および前記ばね部材から
   なる排熱部材が、前記回転ホイールの軸心線と平行する
   線上に上記回転ホイールを境にして少なくとも一対、対
   称関係に設けられてなることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の回転型磁気冷凍装置。