JP3310872B2 - 磁気冷凍機 - Google Patents

磁気冷凍機

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JP3310872B2
JP3310872B2 JP18465596A JP18465596A JP3310872B2 JP 3310872 B2 JP3310872 B2 JP 3310872B2 JP 18465596 A JP18465596 A JP 18465596A JP 18465596 A JP18465596 A JP 18465596A JP 3310872 B2 JP3310872 B2 JP 3310872B2
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憲治 中道
勝秀 大平
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2321/00Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B2321/002Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects by using magneto-caloric effects
    • F25B2321/0021Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects by using magneto-caloric effects with a static fixed magnet
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]

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  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は水素等の極低温流体
の液化に適用される磁気冷凍機に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図3は従来の磁気冷凍機の縦断面図であ
る。図において、1は侵入熱を低減するための断熱真空
容器、2は断熱真空容器のフランジ部、3は常温からの
輻射熱をシールドするための液体窒素槽、4は液体窒
素、5は液体窒素4の供給管、6は蒸発した液体窒素4
の気化したガスの逃気管、40は小型冷凍機、例えばギ
フォード・マクマホン冷凍機である。7は小型冷凍機4
0の第一段寒冷発生部、8は液体窒素槽3からの輻射侵
入熱を抑制するために第一段寒冷発生部7に取り付けら
れたシールド板、9は小型冷凍機40の第二段寒冷発生
部、符号11,12を付した部分は後述の磁性体20か
ら排熱するための接触式排熱スイッチである。11は排
熱スイッチの銅の部分である。12は排熱スイッチの絶
縁物の部分であり、後述の超伝導マグネット13の磁場
をパルス的に運転した時に発生するジュール発熱の影響
を少なくするためのもので、磁気冷凍サイクルの温度範
囲で熱伝導率の大きい水晶などが用いられる。10は上
記小型冷凍機の第二段寒冷発生部9と、排熱スイッチの
銅の部分11とを伝熱性良好に結合するための銅ブロッ
クである。
【0003】14は上下動機構を含んだステッピングモ
ータ、15はステッピングモータ14を支持するための
台、16は排熱スイッチ11,12とステッピングモー
タ14とを結ぶロッドである。17は排熱スイッチ1
1,12がステッピングモータにより上下動するときに
も、銅のブロック10と熱的な接触を保つための、容易
に変形の可能な銅製の網、18は排熱スイッチを収める
容器、19は同容器に満たされているヘリウムガス、2
0は磁性体、21は液化対象の極低温流体である。ヘリ
ウムガス19は磁性体20と排熱スイッチ12の接触時
の伝熱促進のためのものである。磁性体20は、例えば
液化しようとする液化対象極低温流体21が水素などの
場合はGGG(Gd3 Ga5 12:ガドリニウム・ガリ
ウム・ガーネット)または、DAG(Dy3 Al
5 12:ディスプロシウム・アルミニウム・ガーネッ
ト)等である。
【0004】22はシール、23は上記磁性体20を押
えシール22に必要な圧力を供給するためのバネ、24
はバネの力を受け止めるためのフランジ、25は液化対
象の極低温流体21の貯蔵用容器、26は磁性体20を
収める円筒状容器、27は上記磁性体20と円筒状容器
26との間の数mm程度のギャップである。
【0005】13は超伝導マグネット、28は超伝導マ
グネット13を冷却するための液体ヘリウム、29は液
体ヘリウム容器、30は液体ヘリウム28の注入管。3
1は液体ヘリウム28の気化したガスの逃気管である。
【0006】上記構成の磁気冷凍機においては、以下の
過程を繰り返すことによって低温を発生し、液化対象極
低温流体21を極低温化し液化する。 (1)断熱励磁過程:ステッピングモータ14により磁
性体20と排熱スイッチ11,12が接触しない状態で
超伝導マグネット13により磁場が印加されると、磁性
体20の温度は上昇する。 (2)等温磁化過程:ある温度まで磁性体20の温度が
上昇すると、ステッピングモータ14により、排熱スイ
ッチ11,12が下降し、磁性体20と接触した状態
で、磁性体20に印加される磁場を増加させる。このと
き磁性体20は温度一定のままで、排熱スイッチ11,
12に熱を放出する。 (3)断熱消磁過程:次にステッピングモータ14によ
り、排熱スイッチ11,12を上昇させ、磁性体から離
した状態で磁場を減少させる。このとき磁性体20の温
度は低下する。 (4)等温消磁過程:さらに磁場を減少させ、極低温流
体21の沸点まで磁性体20の温度が低下すると、蒸発
して気体となっていた極低温流体21は磁性体20の壁
面で液化し凝縮する。
【0007】以上のサイクルを繰り返すことによって、
磁気冷凍機は間欠的に極低温を発生することができる。
磁性体20の周囲の蒸発ガスは、励磁過程において加熱
され、等温消磁過程では磁性体20の大きな熱負荷とな
り、冷凍出力を低下させる。そこで、磁性体20の周囲
にある蒸発ガスの量を減らし、さらに磁性体20の周囲
を断熱真空槽で覆って磁性体20に対する熱負荷を低減
するようにしたものもある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上記の従来の磁気冷凍
機には解決すべき次の二つの課題があった。第一に磁性
体20がバネ23によりシール22へ押えつけられる構
造であるためシールが十分でなく、排熱スイッチ容器1
8に封入された高温のヘリウムガス19が極低温流体容
器25中に混入し、極低温流体21の冷凍出力が低下す
る。第二に熱スイッチ11,12と磁性体20は製作誤
差等により、片接触になりやすく、磁性体20からの排
熱が不十分となり、冷凍機の性能が低下する。
【0009】本発明は上記従来技術の欠点を解消し、シ
ール22に替る手段を用いて排熱スイッチ容器18内の
高温のヘリウムガス19が極低温流体容器25の中へ流
入しないようにし、また排熱スイッチ容器11,12と
磁性体20との片接触が生じないようにしようとするも
のである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
したものであって、磁性体、超伝導マグネット、接触式
排熱スイッチ、同排熱スイッチを収容する容器の下部に
接続された極低温流体貯蔵用容器を備えた磁気冷凍機に
おいて、次の特徴を有するものである。 (1) 上記排熱スイッチ容器の下端に上下動可能な可
撓性部材を介して熱伝導性材よりなる磁性体収容容器を
設置し、同磁性体収容容器の外壁を上記極低温流体貯蔵
用容器内の極低温流体の蒸気に暴露させ、この磁性体収
容容器内に上記磁性体を収容し、同磁性体収容容器と磁
性体との間に伝熱用の充填剤を満たし、上記磁性体収容
容器の外壁面で極低温流体を凝縮させる。 (2) 上記(1)項に記載の磁気冷凍機において、磁
性体収容容器の外壁の外側に隙間を保って真空断熱容器
を取り付けた。
【0011】
【発明の実施の形態】図1は本発明の実施の一形態に係
る磁気冷凍機の縦断面図、図2は図1の部分拡大図であ
る。図2において、32は排熱スイッチ容器の下端にベ
ローズ33を介して接続されている磁性体収容容器、2
0は同磁性体収容容器の中に収容されている磁性体、3
5は磁性体収容容器32と磁性体20との間に充填され
ている熱伝導率の高い伝熱用充填剤、34は磁性体収容
容器32の外側に間隔27を保って取り付けられている
円筒状の断熱真空容器である。磁性体収容容器32と断
熱真空容器34とは上部で接続している。したがって磁
性体20の移動に伴って磁性体収容容器32が移動した
時、断熱真空容器34も共に動くので、隙間27の間隔
は一定に保たれる。上記以外の部分の構成は従来技術
(図3)と同じである。
【0012】磁性体収容容器32としては、熱伝導率が
高く、かつ超伝導マグネット13の磁場がパルス状に変
化した場合に渦電流による熱の発生が抑えられるよう電
気抵抗の高い材料、例えばステンレス鋼、又はアルミニ
ウムなどが用いられる。
【0013】伝熱用充填剤35は磁性体20と磁性体収
容容器32との間の伝熱を促進するためのものであり、
磁性体20において発生した寒冷は、この充填剤によっ
て磁性体収容容器32に伝えられ、極低温流体21の蒸
発ガスを磁性体収容容器32の外壁面において凝縮させ
る。この凝縮液化量が大きくなるよう隙間27の寸法は
適切に選ばれる。
【0014】磁性体収容容器32はベローズ33を介し
て排熱スイッチ容器18に接続されているので、排熱ス
イッチ容器18と極低温流体貯蔵用容器25は磁性体収
容容器32とベローズ33とによって完全に区切られて
いる。したがって、排熱スイッチ容器18内のヘリウム
ガス19は、極低温流体貯蔵用容器25に流入すること
ができないので、上記ヘリウムガス19が極低温流体貯
蔵用容器25に流入することによって生じる液化効率の
低下を防止できる。
【0015】磁性体収容容器32には上部にベローズ3
3、下部にバネ23が取り付けられている。ベローズ3
3によって磁性体20は自由に排熱スイッチ12との接
触面の向きを変えることが可能であり、バネ23は磁性
体20が熱スイッチ12と接触して下方へ押し下げられ
た時に、磁性体20を上方へ押し戻すような反発力を発
生する。したがって、排熱スイッチ11,12が磁性体
の上端面に対して斜めに下降してきた場合に、磁性体2
0と排熱スイッチ12との間隙が大きい部分ほど上記バ
ネ23の反発力が働くので、磁性体20の上端面は、排
熱スイッチ12の下端面になじむように移動し、片接触
は起こらず、密着することが可能である。
【0016】励磁過程において、磁性体20によって加
熱された極低温流体21の蒸発ガスが磁性体20周囲に
多量に存在すると、磁性体20の寒冷発生時に磁性体2
0への熱負荷となり、冷凍出力が低下する。断熱真空容
器34は、磁性体20の周囲に存在する加熱された極低
温流体21の蒸発ガス量を減らし、冷凍出力を高めるた
めに設置されたものである。
【0017】この実施形態の磁気冷凍機は上述のような
構成作用をもっているので、排熱時の磁性体20と排熱
スイッチ12の片接触を防止し、排熱量を増大させるこ
とができる。また、排熱スイッチ容器18内のヘリウム
ガス19は、極低温流体貯蔵用容器25に流入すること
ができない構造となっているので、ヘリウムガス19が
極低温流体貯蔵用容器25に流入することによって生じ
る液化効率の低下を防止できる。さらに、断熱真空容器
34の存在によって、磁性体の周囲の加熱された極低温
流体21の蒸発ガス量を減らすので、冷凍出力を高める
ことができる。また極低温流体21を液化するための隙
間27は、磁性体20が移動した場合でも、一定の大き
さを保持できるので、極低温流体21の凝縮液化が効果
的に行われる。
【0018】
【発明の効果】本発明の磁気冷凍機においては、上記排
熱スイッチ容器の下端に上下動可能な可撓性部材を介し
て熱伝導性材よりなる磁性体収容容器を設置し、同磁性
体収容容器の外壁を上記極低温流体貯蔵用容器内の極低
温流体の蒸気に暴露させ、この磁性体収容容器内に上記
磁性体を収容し、同磁性体収容容器と磁性体との間に伝
熱用の充填剤を満たし、上記磁性体収容容器の外壁面で
極低温流体を凝縮させるので、排熱スイッチ容器内の高
温のヘリウムガスが極低温流体容器の中へ流入すること
が防がれ、かつ排熱スイッチと磁性体との片接触が防止
される。
【0019】また、上記磁性体収容容器の外壁の外側に
隙間を保って真空断熱容器を取り付けたものにおいて
は、磁性体の周囲の加熱された極低温流体の蒸発ガス量
を減らすことができるので、冷凍能力を高めることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の一形態に係る磁気冷凍機の縦断
面図。
【図2】図1の部分拡大図。
【図3】従来の磁気冷凍機の縦断面図。
【符号の説明】
1 断熱真空容器 2 フランジ部 3 液体窒素槽 4 液体窒素 5 液体窒素供給管 6 窒素ガス逃気管 7 小型冷凍機40の第一段寒冷発生部 8 シールド板 9 小型冷凍機40の第二段寒冷発生部 10 銅ブロック 11 排熱スイッチの銅の部分 12 排熱スイッチの絶縁物の部分 13 超伝導マグネット 14 ステッピングモータ 15 ステッピングモータの支持台 16 ステッピングモータのロッド 17 銅製の網 18 排熱スイッチ容器 19 ヘリウムガス 20 磁性体 21 極低温流体 22 シール 23 バネ 24 フランジ 25 極低温流体貯蔵用容器 26 円筒状容器 27 隙間 28 液体ヘリウム 29 液体ヘリウム容器 30 液体ヘリウム注入管 31 ヘリウムガス逃気管 32 磁性体収容容器 33 ベローズ 34 断熱真空容器 35 伝熱用充填剤 40 小型冷凍機
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F25B 21/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 磁性体、超伝導マグネット、接触式排熱
    スイッチ、同排熱スイッチを収容する容器の下部に接続
    された極低温流体貯蔵用容器を備えた磁気冷凍機におい
    て、上記排熱スイッチ容器の下端に上下動可能な可撓性
    部材を介して熱伝導性材よりなる磁性体収容容器を設置
    し、同磁性体収容容器の外壁を上記極低温流体貯蔵用容
    器内の極低温流体の蒸気に暴露させ、この磁性体収容容
    器内に上記磁性体を収容し、同磁性体収容容器と磁性体
    との間に伝熱用の充填剤を満たし、上記磁性体収容容器
    の外壁面で極低温流体を凝縮させることを特徴とする磁
    気冷凍機。
  2. 【請求項2】 磁性体収容容器の外壁の外側に隙間を保
    って真空断熱容器を取り付けたことを特徴とする請求項
    1に記載の磁気冷凍機。
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