JP3749187B2 - Adiabatic demagnetizing refrigerator - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非磁性の容器に格納された作業物質の持つエントロピーが、磁場依存性を持つことを利用して、被冷却物を冷却するようにされた断熱消磁冷凍機に係り、特に、常磁性塩の断熱消磁による冷凍に用いるのに好適な、必要な化学耐性を確保しつつ、作業物質と被冷却物間の伝熱性能を向上させて、冷凍能力を向上することが可能な断熱消磁冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気冷凍機の一つに、ある一定の温度における磁気モーメントの系の不規則性の程度を表わすエントロピーが、磁場を作用させると、磁気モーメントが部分的に整列して低下するという原理に基づく断熱消磁冷凍機がある。この断熱消磁冷凍機は、熱の作業物質である磁性体の持つエントロピーが、磁場依存性を持つことを利用して、被冷却物を冷却する（特開平９−１４５１９５参照）。
【０００３】
この断熱消磁冷凍機は、図１に例示する如く、例えばＸ線検出器のような被冷却物１０を冷却するための、例えば常磁性塩からなる作業物質１４が格納された非磁性の容器（ソルトピルと称する）１２と、前記作業物質１４を磁化するための、例えば超伝導磁石１６と、前記ソルトピル１２を補助冷却するための、排熱用の補助冷凍機（例えば液体ヘリウム、ギフォードマクマホン（ＧＭ）冷凍機、スターリング冷凍機等）１８と、前記ソルトピル１２に対する補助冷凍機１８の熱的な接続状態をオン・オフするためのヒートスイッチ２０と、これらを収容するための断熱真空槽２２とを備えている。
【０００４】
この断熱消磁冷凍機においては、まず、補助冷凍機１８により断熱真空槽２２の内部を液体ヘリウム温度程度まで冷却する。次いで、１０分間程度、超伝導磁石１６を励磁すると共に、ヒートスイッチ２０をオンとして、補助冷凍機１８により磁化熱を捨てる。次いで、ヒートスイッチ２０をオフとし、ソルトピル１２を熱的に孤立させ、超伝導磁石１６を消磁することによって、３０〜５０ｍＫ程度の極低温が２４時間程度得られる。
【０００５】
ここで、作業物質１４は、目的とする温度によって異なるが、１０〜１００ｍＫの場合、常磁性塩が用いられる。例えば、５０ｍＫ前後であれば、磁気転移温度が２０ｍＫ程度の鉄明バンＦｅ（ＮＨ4）ＳＯ4・１２Ｈ2Ｏ（以下ＦＡＡ）、３０ｍＫ前後であれば、磁気転移温度が１０ｍＫ程度のクロムカリ明バンＣｒＫ（ＳＯ4）・１２Ｈ2Ｏ（以下ＣＰＡ）といった物質が用いられる。
【０００６】
このような物質では、結晶水が失われると、結晶構造が変化して、磁気的性質も変わってしまうために、被冷却物１０に直接接触させて、断熱真空槽２２内に設置するわけにはいかないため、非磁性の容器であるソルトピル１２に格納した状態で使用する。そこで、結晶と被冷却物１０を熱的につなぐ伝熱部材３０が必要とされる。更に、伝熱損失を減らすために、伝熱部材３０に直接、作業物質１４の結晶を成長させることが望ましい。
【０００７】
一方、結晶成長は、硫酸酸性水溶液から、再結晶法で析出させる。即ち、伝熱部材３０は、まず、硫酸耐性を持たなければならない。更に、酸化還元電位を勘案して、作業物質と電子のやり取りをしない物質でなければならない。
【０００８】
更に、冷凍機としての構造体を形成するために、いくつかの部品と接合する必要があるが、溶接（ＴＩＧ、電子ビーム、レーザーなど）を用いる。このため、溶接性も材料選択の要素となる。
【０００９】
伝熱部材３０としては、熱の良導体である銅を用いることが一般的であるが、例えばＦＡＡが作業物質であれば、ＦＡＡの硫酸酸性水溶液と銅が接触すると、銅は硫酸耐性を持つので、硫酸には溶けないが、三価の鉄イオンと銅の酸化還元電位を比較すると、次式に示す如くとなり、銅が溶け出す方向に反応が進む。
【００１０】
Ｆｅ³⁺ ＋ ｅ ＝Ｆｅ²⁺ …０．７７１Ｖ
Ｃｕ²⁺ ＋ ２ｅ＝Ｃｕ …０．３３７Ｖ
２Ｆｅ³⁺ ＋ Ｃｕ＝２Ｆｅ²⁺＋Ｃｕ²⁺…０．４３４Ｖ …（１）
【００１１】
この対策としては、銅に金メッキを施すことが可能であるが、次に挙げるような問題をもっている。
【００１２】
即ち、もともと、メッキは高々１０μｍオーダーの層を作るだけであるので、図２に示す如く、母材３２の表面にそれ以上の凹凸がある場合には、メッキ３４でカバーされない場所３２Ａができる。特に、角線の場合、図３に示す如く、角部３２Ｃは、元来メッキが付き難いことが一般に知られている。
【００１３】
更に、メッキの場合、母材との接触部分が合金化しており、純度が下がっているため、リサイクルも困難である等の問題点を有しいた。
【００１４】
超低温での伝熱部材で、変動磁場に晒される場所は、渦電流による発熱を回避するために、薄い板や細い線状の銅が用いられる。断熱消磁冷凍機において、常磁性体塩と接する場所は、正に変動磁場に晒される場所であるから、銅線が用いられることが多い。前述の表面の状況やメッキの付き具合は、線材になっても同じである。
【００１５】
又、メッキの場合には、図４に示すような線材の束や、図５に示すような平板の積層の場合には、メッキ液が奥まで浸透しなかったり、逆に、例えばシアン入りの酸であるメッキ液が間に残ることがある。
【００１６】
この結果、例え金メッキを施した銅製部材であっても、銅の溶出は避けられず、銅が溶けてしまうことで、熱が流れる断面積が小さくなるだけでなく、本来目的としない結晶が析出することになり、当然磁気的性質が異なるので、冷凍機としての性能にも悪影響を及ぼす。
【００１７】
又、銀も、熱の良導体であるが、程度は異なるものの、同様の現象が発生する。
【００１８】
なお、金や銀の単体のソリッド線を用いることも考えられるが、前者は熱伝導が悪く、重いという問題があり、後者は、熱伝導が良すぎて溶接ができないという問題がある。
【００１９】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、化学耐性を損なうことなく伝熱性能を向上して、冷凍性能を向上すると共に、母材の全表面がクラッドにより確実にカバーされるようにすることを課題とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、非磁性の容器に格納された作業物質の持つエントロピーが、磁場依存性を持つことを利用して、被冷却物を冷却するようにされた断熱消磁冷凍機において、前記作業物質と被冷却物を結ぶ伝熱部材に、作業物質の溶液と接触する外側のクラッドが化学耐性の高い貴金属、内側の母材が熱伝導性の高い金属からなり、該内側の母材の面粗度が、前記外側のクラッドの厚みより小さい値にされたクラッド材を用いることにより、前記課題を解決したものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２３】
本実施形態は、図１に示したような従来例と同様の断熱消磁冷凍機において、図６（縦断面図）、図７（図６のVII-VII線に沿う横断面図）及び図８（同じくVIII-VIII線に沿う横断面図）に示す如く、そのソルトピル１２内の、表面に常磁性体（例えば鉄明バン）結晶を成長させて、被冷却物１０へ熱を伝える多数の伝熱部材４０を、図９（縦断面図）及び図１０（横断面図）に示す如く、母材である熱伝導性の高い銅線４２の周囲を、例えば加圧接着や圧延によって、貴金属である金４４で被覆したクラッド材としたものである。
【００２４】
図６乃至８において、５０は、例えば銅製のクロスピース、５２は、該クロスピース５０を連結するねじシャフト、５４は、例えばＦＲＰ製のキャップ、５６は、被冷却物と接触されるサーマルリンク、５８は、伝熱部材４０を固定するためのグリッドプレート、６０は、結晶作成時の注入口である。
【００２５】
このようにして、ソルトピル１２内の伝熱部材４０を、金クラッド４４を施した銅線４２とすることによって、伝熱部材４０の化学耐性については、全く問題がなくなる。又、母材の面粗度をクラッドの厚みより十分小さな値にしてクラッドした材料を用いるので、加工過程で山谷が押しつぶされており、場所によってカバーされる、されないという問題は生じない。更に、図９に示す金４４と下地４２の接合部４６は、クラッド材にする過程が、熱間加工であるため、拡散接合状態となり、密着度も良好である。従って、金と下地間の熱の流れも良好である。
【００２６】
これにより、常磁性体結晶と非冷却物を熱的によくつなぐことが可能となる。
【００２７】
更に、全体を金とする場合に比べて軽量とすることができ、例えば人工衛星等に乗せる場合に有効である。
【００２８】
なお、前記実施形態においては、伝熱物質４０が銅線の回りに金をクラッドしたものとされていたが、母材やクラッド材の種類はこれに限定されず、例えば母材を銀としたり、クラッド材を金以外の貴金属材料とすることも可能である。
【００２９】
又、金は化学耐性が良好であるので、酸、アルカリ中や、酸化還元性雰囲気での熱交換、伝熱部材にも用いることができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、伝熱部材の化学耐性を損なうことなく、伝熱性能を向上することができ、冷凍能力を向上することができる。又、クラッド材はメッキ材よりも物質的な純度が保証されているので、リサイクルも容易である等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】断熱消磁冷凍機の全体構成を示す概略図
【図２】金メッキを施した従来の伝熱部材の問題点を説明するための縦断面図
【図３】同じく母材が角線である場合の問題点を説明するための横断面図
【図４】従来の多数配設された伝熱部材の問題点を説明するための、伝熱部材が線材である場合を示す横断面図
【図５】同じく平板の積層状態を示す横断面図
【図６】本発明に係る断熱消磁冷凍機のソルトピルの実施形態を示す縦断面図
【図７】図６のVII-VII線に沿う横断面図
【図８】図６のVIII-VIII線に沿う横断面図
【図９】前記実施形態で用いられている伝熱部材の構成を示す縦断面図
【図１０】同じく横断面図
【符号の説明】
１０…被冷却物
１２…ソルトピル（容器）
１４…作業物質
１６…超伝導磁石
１８…補助冷凍機
２０…ヒートスイッチ
２２…断熱真空槽
３０、４０…伝熱部材
４２…銅線（母材）
４４…金クラッド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an adiabatic demagnetization refrigerator configured to cool an object to be cooled by utilizing the fact that entropy of a working substance stored in a non-magnetic container has a magnetic field dependency, Adiabatic demagnetization that can improve the refrigeration capacity by improving the heat transfer performance between the work substance and the object to be cooled, while ensuring the necessary chemical resistance, suitable for refrigeration by adiabatic demagnetization of magnetic salt It relates to a refrigerator.
[0002]
[Prior art]
In one of the magnetic refrigerators, the entropy representing the degree of irregularity of the system of magnetic moments at a certain temperature is adiabatic based on the principle that when a magnetic field is applied, the magnetic moments are partially aligned and lowered. There is a degaussing refrigerator. This adiabatic demagnetization refrigerator cools an object to be cooled by utilizing the magnetic field dependence of the entropy of a magnetic material, which is a thermal work substance (see JP-A-9-145195).
[0003]
As illustrated in FIG. 1, this adiabatic demagnetization refrigerator is a non-magnetic container (for example, a paramagnetic salt containing a working substance 14 for cooling an object 10 to be cooled such as an X-ray detector). A salt pill (12), a superconducting magnet (16) for magnetizing the working material (14), and an auxiliary refrigerator for exhaust heat (for example, liquid helium, Gifford McMahon (GM) for auxiliary cooling of the salt pill (12)) ) Refrigerator, Stirling chiller, etc.) 18, a heat switch 20 for turning on / off the thermal connection state of the auxiliary chiller 18 to the salt pill 12, and an adiabatic vacuum chamber 22 for housing them I have.
[0004]
In this adiabatic demagnetization refrigerator, first, the interior of the adiabatic vacuum chamber 22 is cooled to about the liquid helium temperature by the auxiliary refrigerator 18. Next, the superconducting magnet 16 is excited for about 10 minutes, the heat switch 20 is turned on, and the magnetizing heat is discarded by the auxiliary refrigerator 18. Next, the heat switch 20 is turned off, the salt pill 12 is thermally isolated, and the superconducting magnet 16 is demagnetized, whereby a cryogenic temperature of about 30 to 50 mK is obtained for about 24 hours.
[0005]
Here, although the working substance 14 varies depending on the target temperature, a paramagnetic salt is used in the case of 10 to 100 mK. For example, if it is around 50 mK, the iron transition van Fe (NH4) SO4 · 12H2O (hereinafter referred to as FAA) having a magnetic transition temperature of about 20 mK, and if it is around 30 mK, the chromium transition vane CrK (SO4) having a magnetic transition temperature of about 10 mK. -Substances such as 12H2O (hereinafter CPA) are used.
[0006]
In such a material, when crystal water is lost, the crystal structure changes and the magnetic properties also change. Therefore, the material is placed in the adiabatic vacuum chamber 22 in direct contact with the object 10 to be cooled. Since it does not exist, it is used in the state stored in the salt pill 12 which is a non-magnetic container. Therefore, a heat transfer member 30 that thermally connects the crystal and the object to be cooled 10 is required. Furthermore, it is desirable to grow crystals of the working material 14 directly on the heat transfer member 30 in order to reduce heat transfer loss.
[0007]
On the other hand, crystal growth is precipitated from a sulfuric acid aqueous solution by a recrystallization method. That is, the heat transfer member 30 must first have resistance to sulfuric acid. Furthermore, it must be a substance that does not exchange electrons with the working substance in consideration of the oxidation-reduction potential.
[0008]
Furthermore, in order to form a structure as a refrigerator, it is necessary to join several parts, but welding (TIG, electron beam, laser, etc.) is used. For this reason, weldability is also an element of material selection.
[0009]
As the heat transfer member 30, it is common to use copper which is a good conductor of heat. For example, if FAA is a working substance, when the sulfuric acid aqueous solution of FAA comes into contact with copper, copper has resistance to sulfuric acid. Although it does not dissolve in sulfuric acid, the oxidation-reduction potentials of trivalent iron ions and copper are compared as shown in the following formula, and the reaction proceeds in the direction of copper dissolution.
[0010]
Fe ³⁺ + e = Fe 2 ⁺ … 0.771V
Cu ²⁺ + 2e = Cu ... 0.337V
2Fe ³⁺ + Cu = 2Fe ²⁺ + Cu 2 ⁺ ... 0.434 V (1)
[0011]
As a countermeasure, gold can be plated on copper, but it has the following problems.
[0012]
That is, originally, the plating only forms a layer of the order of 10 μm at most. Therefore, as shown in FIG. 2, when the surface of the base material 32 has more irregularities, a place 32A not covered with the plating 34 is formed. In particular, in the case of a square line, as shown in FIG. 3, it is generally known that the corner portion 32C is inherently difficult to be plated.
[0013]
Furthermore, in the case of plating, the contact portion with the base material is alloyed, and the purity is lowered, so that there are problems such as difficulty in recycling.
[0014]
In a heat transfer member at an extremely low temperature, a thin plate or thin linear copper is used in a place exposed to a varying magnetic field in order to avoid heat generation due to eddy current. In an adiabatic demagnetizing refrigerator, the place in contact with the paramagnetic salt is a place that is exposed to a fluctuating magnetic field, and thus a copper wire is often used. The above-mentioned surface conditions and plating conditions are the same even when the wire is used.
[0015]
In the case of plating, in the case of a bundle of wire rods as shown in FIG. 4 or a laminate of flat plates as shown in FIG. 5, the plating solution does not penetrate deeper, or conversely, for example, containing cyan. An acid plating solution may remain in between.
[0016]
As a result, even if it is a copper member plated with gold, elution of copper is unavoidable, and melting of copper not only reduces the cross-sectional area through which heat flows, but also precipitates crystals that are not originally intended. Of course, the magnetic properties are different, which adversely affects the performance of the refrigerator.
[0017]
Silver is also a good conductor of heat, but the same phenomenon occurs although the degree is different.
[0018]
Although it is conceivable to use a single solid wire of gold or silver, the former has a problem that heat conduction is poor and heavy, and the latter has a problem that heat conduction is too good to be welded.
[0019]
The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and improves heat transfer performance without impairing chemical resistance, improves refrigeration performance, and reliably covers the entire surface of the base material with the cladding. The challenge is to make it happen.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is an adiabatic demagnetization refrigerator configured to cool an object to be cooled by utilizing the fact that entropy of a working substance stored in a non-magnetic container has a magnetic field dependency, and the working substance and a heat transfer member connecting the object to be cooled, the precious metal outer cladding is highly chemical resistant to contact with a solution of the working substance, Ri is the inside of the preform Do of a highly thermally conductive metal, surface roughness of the inner side of the base material By using a clad material whose degree is smaller than the thickness of the outer clad , the above problem is solved.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0023]
This embodiment is a heat insulating demagnetization refrigerator similar to the conventional example as shown in FIG. 1, and FIG. 6 (vertical sectional view), FIG. 7 (transverse sectional view taken along line VII-VII in FIG. 6) and FIG. As shown in (a cross-sectional view taken along the line VIII-VIII), a paramagnetic material (for example, iron-light vane) crystal is grown on the surface of the salt pill 12 to transfer heat to the object 10 to be cooled. As shown in FIG. 9 (longitudinal sectional view) and FIG. 10 (transverse sectional view), the thermal member 40 is made of a noble metal around, for example, pressure bonding or rolling, around a copper wire 42 having high thermal conductivity as a base material. A clad material covered with a certain gold 44 is used.
[0024]
6 to 8, 50 is a cross piece made of copper, for example, 52 is a screw shaft for connecting the cross piece 50, 54 is a cap made of FRP, for example, 56 is a thermal link to be in contact with an object to be cooled, Reference numeral 58 denotes a grid plate for fixing the heat transfer member 40, and reference numeral 60 denotes an injection port for crystal production.
[0025]
Thus, by making the heat transfer member 40 in the salt pill 12 the copper wire 42 with the gold clad 44, there is no problem with respect to the chemical resistance of the heat transfer member 40. Further, since a material clad with the surface roughness of the base material set to a value sufficiently smaller than the thickness of the clad is used, there is no problem that peaks and valleys are crushed in the processing process and are not covered by places. Furthermore, the bonding portion 46 between the gold 44 and the base 42 shown in FIG. 9 is in a diffusion bonding state because the process of forming a clad material is hot working, and the degree of adhesion is also good. Therefore, the heat flow between the gold and the base is also good.
[0026]
Thereby, it becomes possible to thermally connect the paramagnetic crystal and the non-cooled material well.
[0027]
Furthermore, it can be made lighter than the case where the whole is made of gold, and is effective, for example, when it is mounted on an artificial satellite or the like.
[0028]
In the embodiment, the heat transfer material 40 is clad with gold around the copper wire. However, the type of the base material and the clad material is not limited to this, and for example, the base material is silver. The clad material can be a noble metal material other than gold.
[0029]
Further, since gold has good chemical resistance, it can be used for heat exchange and heat transfer members in an acid, alkali, or oxidation-reduction atmosphere.
[0030]
【The invention's effect】
According to the present invention, the heat transfer performance can be improved and the refrigerating capacity can be improved without impairing the chemical resistance of the heat transfer member. Further, since the clad material has a higher material purity than that of the plated material, the clad material has excellent effects such as easy recycling.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of an adiabatic demagnetization refrigerator. FIG. 2 is a longitudinal sectional view for explaining the problems of a conventional heat transfer member plated with gold. FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining a problem in a certain case. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a case where the heat transfer member is a wire for explaining a problem of a conventional heat transfer member arranged in large numbers. 5 is a cross-sectional view showing the laminated state of flat plates. FIG. 6 is a vertical cross-sectional view showing an embodiment of a salt pill of an adiabatic demagnetization refrigerator according to the present invention. FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line VII-VII in FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line VIII-VIII in FIG. 6. FIG. 9 is a vertical cross-sectional view showing the configuration of the heat transfer member used in the embodiment. FIG. Explanation】
10 ... object to be cooled 12 ... salt pill (container)
14 ... Working material 16 ... Superconducting magnet 18 ... Auxiliary refrigerator 20 ... Heat switch 22 ... Insulating vacuum tank 30, 40 ... Heat transfer member 42 ... Copper wire (base material)
44 ... Gold cladding

Claims (1)

非磁性の容器に格納された作業物質の持つエントロピーが、磁場依存性を持つことを利用して、被冷却物を冷却するようにされた断熱消磁冷凍機において、
前記作業物質と被冷却物を結ぶ伝熱部材に、作業物質の溶液と接触する外側のクラッドが化学耐性の高い貴金属、内側の母材が熱伝導性の高い金属からなり、該内側の母材の面粗度が、前記外側のクラッドの厚みより小さい値にされたクラッド材を用いたことを特徴とする断熱消磁冷凍機。In the adiabatic demagnetization refrigerator designed to cool the object to be cooled by utilizing the magnetic field dependence of the entropy of the working substance stored in the non-magnetic container,
A heat transfer member connecting the working substance and the object to be cooled, the precious metal outer cladding is highly chemical resistant to contact with a solution of working medium, Ri Do from the inside of the high base material thermal conductivity metal, the inner mother A heat insulating demagnetizing refrigerator using a clad material having a surface roughness less than the thickness of the outer clad .

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