JPS63129271A - 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。

熱交換場において自然対流による損失を低下できるよう
にした磁気冷凍装置に関する。

（従来の技術） 従来、磁性体の磁気熱最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１
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０
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。

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型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、従来の回転型のもの
は、熱交換場内に回転ホイールを、その軸心線を重力方
向に向けて配置するとともに回転ホイールの周縁部に回
転ホイールの軸心線にほぼ平行する透孔を複数設け、こ
れら透孔内に作業物質を装着するようにしている。そし
て。

作業物質が通る円軌道の一部に磁場を印加し、この部分
で断熱磁化させるように、また上記部分とは１８０度異
なる位置において断熱消磁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作業物
質が発熱し、また断熱消磁状態にあるときには作業物質
が低温となる。したがって、熱交換場内には低温部分と
高温部分とが存在することになる。熱交換場内には１通
常。

被凝縮ガスが存在している。このため、従来の構成であ
ると、熱交換場内において自然対流が起こり易く、この
対流によって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、従来の回転型磁気冷凍装置にあっては、熱
交換場内に自然対流が起こり易く、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１回転型の特徴を損うことなく熱交換場
内における対流の発生を抑制でき、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、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を対象にしている。このような装
置において１本発明では前記回転ホイールの軸心線を重
力方向に対して傾斜させるとともに上記回転ホイールの
周縁部で上部位置部分に前記磁場発生装置で磁場を印加
す８ようにしている。

（作用） 上記構成であると１発熱の伴う断熱磁化作用域は断熱容
器内の上方部分に、また冷却の伴う断熱消磁域は断熱容
器内の下方部分に形成されることになる。つまり、断熱
容器内は下方が低温で。

上方が高温となる。断熱容器内がこのような温度分布で
あると、断熱容器内は自然対流が本質的に起こり難い状
態となる。したがって、高温のガスが自然対流で低温部
へ流れ込むのが防止され、この結果、対流に伴う冷凍損
失が大幅に抑制される。

（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。

因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内に収容され液体へ゛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、それ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
が軸心線を重力方向に対してたとえば４５度傾斜させて
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内の最下部とヘリウム容器
３内とは筒体８によって接続されている。補助容器７の
、いわゆる上壁中央部には孔９が設けてあり、この孔９
の周縁部に筒体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
、ざらに外槽２の側壁を気密に貫通して外部へ導かれて
いる。

補助容器７内には、この補助容器７の傾斜した上下壁内
面との間に僅かの隙間が存在する程度に比較的厚肉に形
成された回転ホイール１２が軸心線を４５度傾斜させて
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、軸１３によって支持されている。そして
、軸１３の下端部は補助容器７の下壁内面に固定された
軸受１４によって支持され。

また軸１３の上部は補助容器７の上壁内面に固定された
軸受１５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、軸１３と平行する方向に延び
る円柱状の透孔１６が等間隔に複数設けてあり、これら
透孔１６内には作業物質１７がそれぞれ装着されている
。

各作業物質１７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。また
１回転ホイール１２を支持する軸１３の上端部は、断熱
材で形成された連結軸１８の一端部に接続されており、
この連結軸１８の他端部は前記筒体１０内を上方へ向け
て延びた後、静止部に固定されたモータ１９の回転軸に
連結されている。

補助容器７内の上部、つまり前記軸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に位置する部分
には、たとえば鋼材などで形成された熱導体２０が前記
回転ホイール１２の回転に伴って円軌道上を移動する作
業物質１７の上下端面に近接して配置されている。そし
て、この熱導体２０は補助容器７の底壁を気密に貫通し
、熱伝導ロッド２１を介して補助冷凍機２２の吸熱部に
接続されている。

一方、補助容器７の外側には、熱導体２０が位置する部
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
２３が配置されている。この超電導コイル２３は熱伝導
材２４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。

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２３は所定の温度に冷却されており
、しかもこの超電導コイル２３に永久電流が流れている
ものとする。したがって、熱導体２０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２２が動作しているものとする。補助冷凍１２２が
動作すると。

熱伝導ロッド２１を介して熱導体２０が充分低温に冷却
される。

このような状態で、モータ１９を動作開始させると、連
結軸１８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
７は、１つの円軌道上を移動して超電導コイル２３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１７が磁場内に入り込むと、この作業物質
１７は断熱磁化状態となって発熱する。また１作業物質
１７が磁場外に出ると、この作業物質１７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１７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１７は発熱
する。この熱は、熱導体２０に伝わり。

続いて熱伝導ロッド２１を介して補助冷凍Ｒ２２へと排
熱される。したがって、ここに冷凍サイクルが実現され
ることになる。

このような構成であると、補助容器７内は上部が発熱を
伴う断熱磁化域に供され、また下部が低温に冷却される
断熱消磁域に供されることになる。

したがって、補助容器７内は、必然的に下部が低温で上
部が高温となる。このような温度分布は。

自然対流の起こり難い分布である。したがって。

自然対流で起こる冷凍損失を抑制することができ。

冷凍効率を向上させることができる。

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装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。

その伯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１本発明によれば９回転ホイールの軸
心線を重力方向に対して傾斜させるとともに傾いた回転
ホイールの上部域において、この回転ホイールに支持さ
れた作業物質に磁場を印加するようにしているので、熱
交換場内において起こり易い自然対流を本質的に抑制で
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】

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、１６・・・孔、１
７・・・作業物質、１８・・・連結軸、１９・・・モー
タ、２０・・・熱導体、２２・・・補助冷凍機、２３・
・・超電導コイル。 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、前記回転ホイールの軸心線を重力
   方向に対して傾斜させるとともに上記回転ホイールの周
   縁部で上部位置部分に前記磁場発生装置で磁場を印加し
   てなることを特徴とする回転型磁気冷凍装置。