JPS60169065A

JPS60169065A - 磁気冷凍装置

Info

Publication number: JPS60169065A
Application number: JP59022769A
Authority: JP
Inventors: 秀樹中込; 聡安田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-02-13
Filing date: 1984-02-13
Publication date: 1985-09-02
Also published as: EP0153144A3; EP0153144A2; US4554790A; EP0153144B1; DE3562526D1

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】〔発明の技術分野〕本発明は、冷凍効率の向上死金図れるようにした磁気冷
凍装置に関する。

〔発明の背景技術とその問題点〕

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。この磁気冷凍装置は、断熱消磁によって
冷えｆｃ磁性体で被冷却物から熱を奪わせるようにした
もので、通常の気体冷凍装置に較べて単位体積当シの冷
凍能力が高いと云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、つまシ作業物質を
磁場内に急速に導入して断熱磁化させ、このときに作業
物質に発生した熱を外部へ逃がす排熱過程と、４Ａ場内
に位置している作業物質を磁場外へ急速に導入して断熱
消磁させ、このときの作業物質の吸熱作用で被冷却物を
冷却する吸熱過程との２つの熱交換過程を交互に行なわ
せる必要がある。つまシ、作業物質を磁場内に位置させ
たシ、磁場外に位置させたシする必要がある。

このため、従来の装置にあっては、作業物質を固定する
とともに上記作業物質のクシに超電導コイルからなる磁
場発生装置を固定しておき、断熱磁化のときには磁場発
生装置を伺勢するとともに排熱系を動作させ、また断熱
消磁のときには磁場発生装置の（；Ｊ勢を停止するとと
もに排熱系の動作を停止させ、この制御を交互に行なわ
ぜるようにしている。

このよりなｔ！＃成であると、電気的な制御たりて冷凍
サイクルを実行させることができるので全体の小型化を
図れること、作業物質が静止しているので排熱工程の信
頼性？尚めることかできることなどの利点がある。

しかしながら、反面、磁場発生装置、つまシ超眠導コイ
ルを・ぐルス伺勢うるようにしているので、この超−導
コイル金付勢するに際しての損失が大きく、冷凍効率が
大幅に吐いと云う問題があった。

そこで、このような問題を解消するために、磁場発生装
置を常に付勢しておき、代りに作業物質を機械的に移動
させて上記磁場発生装置工で発生しｆｃ磁場内および磁
場外に交互に位置させることが考えられる。この場合、
作業物質の移動車＃７１ｔを大きくすることは全体の大
型化を招くことからしで好゛ましいことではない。そこ
で、磁場の端縁）１μの、いわゆる低磁場部をなくし、
強磁場部と磁鳴の存在していない部分との間の距離ケ短
かクシ、これによって作業物質の移動車ｈ（Ｌを９．す
かくすることが考えられる。しかし、このように構成し
た場合には次のことが予想される。すなわち、強磁場部
と磁場の存在していない場とが近接して存在しているこ
とになるので、作業物質が移動する過程で、作業物質の
一部分が磁Ｉ劫の存在していない鴨に位置しても残りの
）１１６分が強磁場内に位置している状態が必ず形成さ
れる。作業物質は、磁場の存在していない嚇に位置する
と急速に温度低下するが、上述した状態下では、一部分
が強磁場内に位置して発熱しているので、結局、発熱部
分の熱が低温部分に移動し、作業物質内だけでの熱の移
動にエネルギのほとんどが費やされ、冷凍効率をそれ程
向」二さぜることができない問題がある。

〔発明の目的」本・発明でしょ、このような４ｊ１ｉ１に艦みてなされ
たもので、その目的とするところは、ｌｊｉ　’ＪＡ発
生装置を常時付勢するとともに作業物質盆（凌械的に直
線！１３υさせる方式を採用したものにあって、って常
時磁場発生方式の特徴を最大限に発ｊ１トさぜ得る磁気
冷凍装置を提供することにある。

〔発明の檄猥〕

本発明に係る磁気冷凍装置ｄは、作業物質を断熱材で移
動方向に複数に区分したことを特徴としている。

〔発明の効果〕

強磁場とこれに近、接した磁場の任仕していない場との
苗量内で作業物質を移動させると、移動の過程で、作業
’４’ａ質は一部分が強磁場内に、また７Ａυの部分が
磁場の存在していない場内に位置する形態が形成される
。このような状態−トでば、強両、鳴内に（ｉ　ｔＬし
ている部分が発熱し、磁場外に泣１６．シている部分が
冷却され、両部分間での熱移動が生じる。しかし、本発
明のように、作業物質を断熱材で移動方向に複数に区分
した構成であると、断熱材の存在によって上述した熱移
動の発生を防止することができる。したがって、作業物
質内での熱移動によって起こる効率の低下を防止できる
。つｔ、ｂ、作業物質の移動ストロークを短かく設定し
た、ときに起こり易い効率低下を防止できる。このため
、全体の大型化を招くことなく、常時磁場発生方式の特
徴を最大限に発揮させることができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照しながら１況明する
。

；Ｉ’ｌ　１図は本発明をヘリウム液化用の磁気冷凍装
置１１に適用した例を示すものである。

すなわち、同図において、１は外槽全示し、２は外−ｉ
！１内に収容された内槽を示している。

外ｔａｉｌ　１は、全体が熱伝導性の悪い部材で形＝ｉ
れている。また、内槽２は、その上壁２ａだけが肉厚の
厚い良熱伝導椙で形成されて幹９、残シの部分が熱伝導
性の悪い部材で形成されている。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壁断熱層
に形成されている。

上記内槽２の上壁２ａの２個所には、上壁２ａの図中上
側と下側とを連通させる筒部４ａ。

４ｂが下方に向けて平行に、かつ同一寸法に突設されて
いる。これら筒部４ａ　、４ｂは、上壁２ａを構成して
いる部材と同−利するいはそれ以上に熱伝導性の良い部
月で厚肉に形成されたもので、その下端部から所定の長
さの部分５ａ。

５ｂの内径が他の部分よシ小径に形成されている。そし
て、部分５ｈ、５ｂの上下内端縁はそれぞれテーノｆ面
に形成されている。

しかして、内槽２内には、内槽２との間に真空断熱層を
介してヘリウム槽６が収容されている。このヘリウム槽
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４１′４成されている。すなわち、槽
本体７と、この一槽本体ｚ内を上下方向に２分するよう
に設けられた仕切壁８と、槽本体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ぜる
孔１０ａ、１０ｂと、これら孔１θａ。

ｉｏｂの縁部を仕切壁８の上面までそれぞれ延長させる
筒体１１＆、ｌｌｂと、これら筒体１１ａ、ｌｌｂの外
周面に上下方向に２段構成に突設された鍔部１２ａ、１
２ｂおよび１３ａ。

１３ｂとで構成されている。そして、筒体ノｌａ、ｌｌ
ｂの外周で鍔部１２ｈ、１２ｂ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
着されておシ、また筒体１１ａ、ｌｌｂの外周で鍔部１
３ａ。

１３ｂと仕切壁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１５ａ、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
リウム槽６内の底部に溜っている液体ヘリウムＨを冷却
源とし、ヘリウム槽構成劇を介して所要の温度に冷却さ
れる。そして、超電導コイル１５ａ、１５ｂは、超電導
コイル１４ａ、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式せるようにして
いる。

しかして、仕切壁８の前記筒部４ａ　＋　４ｂの下端面
に対向する位置には、部分５ｈ、５ｂの内径より大きく
、かつ筒部４ａ、４ｂの外径よシ小さい孔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シ、これら筒体１７ａ、
１７ｂの上端１１ｕは筒部４ａ　、４ｂの下端面にそれ
ぞれ気密に接続されている。ま／ζ、外槽１の上壁で筒
部４　ａ　＋　４　ｂに対向する位置に＆ツ１、筒体１
７ａ１．１７ｂの内径と同径の孔１８ａ、１８ｂが同軸
的に設けである。そして、孔１８ａ、１８ｂの縁部と筒
部４　ａ　＋　４　ｂの上縁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。

すなわぢ、孔１８ａ１筒体１９ａ１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
７リンダ２０ａが構成され、同様に孔１８ａ、筒体１９
ａ、筒部４ｂＸｆＭ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が構成されているので
ある。

しかして、前記各シリンダ２０ａ、２θｂ内には外部か
らロッド２１’　ａ　、　２　ｌ　ｂが昇降自在にＪ中
段されている。ロッド２１ａ、２１ｂはそれぞれ熱伝導
性の悪い部材で前述した筒部４ａ。

４ｂにおけるｌ′τｉｓ分５ａ、５ｂの内径よυ数１０
０μｍ小さい外径の円柱状に形成されている。そして、
名ロッド２１ａ、２１ｂの下端部には、力゛トリニウム
ガリウムガーネット等の磁性体をロッド２１ａ、２１ｂ
の外径と等しい外径の円柱状に加工してなる作業物質２
２　ａ、２２　ｂが直列に介挿式れている。

これら作業物質２２ａ、２２ｂは、第２図に示すように
、４つの作業物質片Ｗ□、Ｗ、　、Ｗ３゜１ノＶ４紫そ
れぞ；／Ｌ　ＬＤＩｉ、ノにＬ）ノｒ　？；；’＜板■
□、　Ｉ２．　ｉ、を介在させて軸方向に直列に接続し
たものとなっているっロッド２１ａ、２１ｂの外槽１外に立置する！’ｌｌｊ
　ｊ’ＡＩには支ｊ′￥材２３ａ、２３ｂが取シ伺けて
あり、これら支持材２３　ａ　、　２３　ｂの先ｉＪ部
に互いに対面する関係にラック２４ａ、２４ｂが固定さ
７している。そして、ラック２４ａとラック２４ｂとの
間の中心位置には、紙面と直交する方向に延びるｉｉ（
！＋　２５が図示し汗い軸受によって回転自在に支持さ
れている。軸２５の外周でラック２４ａとラック２４ｂ
との同に位置する部分には上記ラック２４ａ　、２４ｂ
に共通に噛合するビニオン２６が固定されている。なお
、ビ０ニオン２６と谷ラック２４ａ、２４ｂとは仄のよ
うな関係に噛合している。すなわち、ロッド２１ａ、２
１ｂ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（４
ｂ）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’Ａ　２２ｂのように仕切壁８と液体
ヘリウムＨの液面との間に位置しているときを下死点と
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２５の外周にＱｊ、図示しない別の
ビニオンが固定されておシ、このビニオンは図示しない
ラックと噛合している・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。

しかして、内槽２の上壁２ａの周縁部には厚肉１′１１
〜３１が形成されておシ、この厚肉部３１には、開１」
部を横方向に向けた円柱状の四部３２が形成され−〔い
る。外槽１の側壁で凹部３２に対向する位１ｔｌｔには
、四部３２よシ大径の孔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、上記フランジ３４内を通して
前、１（シ凹ｉ％ｉ　３２に良熱伝導材で形成された伝
熱ロッド３５の一端側が嵌入している。伝熱ロッド３５
の外周には鍔部３６が設けてあシ、この鍔部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。そ
して、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３８８，
３８ｂは、シール部材を示している。

次に上記のように４１４成された磁気冷凍装置の動作を
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３２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。したがつ−Ｃ筒部４ｈ、４ｂも十
分低温に保たれる。

このような状態で、往復動駆動源を動作婆せると、ビニ
オン２６．が第１図中実線矢印Ｐで示すように往復動回
動する。この結果、ロッド２１ａ、２１ｂが第１図中実
線矢印Ｑｌ、Ｑ２で示すように昇降する。すなわち、ロ
ッド２１ａが下降を開始するとロッド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、作業物質
２２ａ、２２ｂは、上死点と下死点との間を１８０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１
ｉａｒ、　しているときには、第１図中の作業物質２２
ｂに見られるように磁嚇外に位置する。したがって、断
熱消磁状態となる。断熱消磁状態では、作業物質２２ｂ
（２２ａ）が吸熱する。

このため液面上に漂よっているヘリウムガスが作業物質
２２ｂ（２２ａ）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ことになる。

しかして、上記のように断熱磁化状態になると、作業物
質２２ａ　（２２ｂ　）は発熱する。この熱は次のよう
にして外部に導かれる。すなわち、作業物質２２ａ、２
２ｂ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、作
業物質２２ａ、２２ｂの外径よシ僅かに大きい程度に設
定されている。このため、作業物質２，２　ａ　。

２２ｂが部分５ａ、５ｂ内に位置しているときには、部
分５ａ（５ｂ）の内面と作業物質２２ａ（２２ｂ）とが
直接接触したシ、あるいは両者間の隙間が非常に小さく
なったシする粂件が必ず形成される。このため、作業物
質２２ａ、２２ｂで発生した熱は、筒部４　ａ、４　ｂ
、上壁２ａを介して速やかに外部へと排熱されることに
なる。したがって、作業物質２２ａ、２２ｂで発生した
熱によってヘリウム槽６内が温度上昇するようなことは
なく、ここに良好な冷凍サイクルが実現される。

ところで、上記のように作業物質２２ａ、２２ｂが磁場
内および磁場外へと交互に移動すると、この移動する過
程に２いて、作業物質の一部分が磁場内に位置し、残り
の部分が磁場外に位置する形態が形成される。磁場内に
位置すると発熱し、磁場外に位ＩＲすると吸熱するので
、作業物ノｄｉ、　２２　ａ　、　２２　ｂ内においＣ
熱の移動が起こシ、このため吸熱都がヘリウムの液化に
寄与しない期間が生じる虞れがある。しかし、この実施
例のように、各作業物質２２ａ、２２ｂが断熱板１１．
Ｉ、　、Ｉ、によって、軸方向、つま９移動方向に複数
に区分されたものであると、上記断熱板Ｉ、　、Ｉ、　
、Ｉ３の存在によって作業物質２２ａ、２２ｂ内での軸
方向の熱移動全防止することができる。したがって、吸
熱している部分で良好にヘリウムの液化を行なわせるこ
とができる。このことは次のような意味をもつ。すなわ
ち、実施例のように補助磁場発生装置である超′ｒｋ導
コイル１５ａ、１５ｂを設けると強磁場と磁場の存在し
ていない場とを接近させることができ、これによって作
業物質２２ａ　、２２ｂが必要とする移動ストロークを
、たとえば１０（７）以内とすることができる。しかし
、このようにすると、前述した如く、作業物質２２　ａ
、２２　ｂが移動する過程で、これら作業物質２２ａ、
２２ｂに発熱した部分と冷却された部分とが存在し、こ
れによって効率が悪くなシ易い。しかしながら、この実
施例では、断熱板Ｉ、、Ｉ２．Ｉ３の存在によって作業
物質内での軸方向の熱移動を防止できるので、結局、移
動ストロークを短かくしたことによって新たに生じる不
具合を解消することができる。つまシ、作業物ｙｉ２２
ａ、２２ｂの移動ストロークを短かくした状態で、なお
かつ効率を向上させることができ、結局、前述した効果
をイＩＩることかできる。

なお、実施例のように、筒部４ａ、４ｂの部分５ａ、５
ｂの内径をＯｙド２１ａ、２１ｂの外径よシ僅かに大き
く設定しておけば、部分５ａ　、５ｂにｔｆｆｆｆラド
２１ａ１ｂを案内するためのガイド体の機能も発揮させ
ることができる。実施例のイ１°ｑ成であると必然的に
ロッド２１ａ、２１ｂが長くなるので、このロッド２１
ｖ、、２１ｂを滑らかに昇降させるには伺らかのガイド
体を必要とする。実施例のように部分５ａ、５ｂの内径
を上述し／ヒ関係に設定すると、部分５ａ、５ｂにガイ
ド体としての機６にも発揮させることができるので、そ
れだけ部品数を減らずことができる。また、部分５ａ、
５ｂ内をロッド２１ａ、２１ｂが昇降すると、摺動摩擦
によって発熱するが、部分５ａ、５ｂは冷却さ７してい
るので、発熱の影響を回避することができる。また、実
施例のように、２つの作業物質を１つの駆動源を用いて
排他的に昇降させる方式であると、一方の作業物質が磁
場から離れようとしたとき、他方の作業物質が磁場に近
づく関係にあるので、一方の磁場と作業物質との間に生
じる磁気的吸引力で他方の磁場と作業物質との間に生じ
る磁気的吸引力を結果的に減少させることができる。し
たがって、駆動動力を少なくできる利点もある。また、
本発明は、上述した実施例に駆足されるものではなく、
そ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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る磁気冷凍装置の縦断ｊ
７１」図、第２図は同装置の要部だけを取り出して示す
側面図である。１・・・外槽、２・・・内槽、６，４１・・・ヘリウム
槽、４　ａ、　、　４　ｂ・・・良熱伝尋材で形成され
た筒部、１４　ａ　、　１４　ｂ　、　１５　ａ　、　
１５　ｂ　・・・磁４発生装置Ｋとしての超電導コイル
、２０ａ、２０ｂ・・・シリンダ、２１ａ、２１ｂ・＝
Ｏｙ　ド、２２　ａ　、　２２　ｂ　一作業物質、２４
ａ、２４ｂ・・・ラック、２６・・・ビニオン、Ｗｌ、
ｗ２．ｗ３．ｗ４・・・作業物質片、Ｉ、　、、　Ｉ２
．　Ｉ３・・・絶縁板。

Claims

【特許請求の範囲】（リ　常時磁場を発生する磁場発生装置と、この磁場発
生装置で発生した磁場内に位置したときには発熱し、磁
場外に位置したときには吸熱して被冷却物を冷却する作
業物質と、この作業物質を前記磁場内および磁場外へと
交互に機砿的に直線動させる手段と、前記作業物質を前
記直線動の方向に複数に区分する断熱材とを具備してな
ることを特徴とする磁気冷凍装置。（２）前記磁場発生装置は、前記作業物質が移動する経
路上の磁場境界部における磁場強度勾配を急峻化させる
補助磁場発生装置を備えたものであることを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の磁気冷凍装置。