JPS60191163A - ヘリウム液化装置 - 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】 Ｃ発明の技術分野〕 本発明は、ヘリウム液化装置の改良に関する。

〔発明の技術的背珀とその問題点〕

従来、磁性体の磁気熱量効果を利用したヘリウム液化装
置が知られている。このヘリウム液化装置は、断熱消磁
によって冷えた（：１ｉ＋生体で被冷却物であるヘリウ
ムカスから熱を奪４つせるようにしたちので、通常の圧
縮式液化装置に比べて冷凍能力が高いど８う利貞を廂え
ている。

ところで、磁気冷凍方式を採用したヘリウム液化装置の
場合には、ガドリニウムカーネットで代表される磁性体
、つまり作業物質を磁場内に怨速に導入して断熱磁ＩＬ
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磁場外に
急速に導入して断熱消磁させ、このときの作業物質の吸
熱作用でヘリウムガスを凝縮する吸熱過程との２つの熱
交換過程を交互に行なわせる必要がある。つまり、作業
物質を磁場内に位置させたり、磁場外に位置させたりす
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回りに超電導コイルからなる磁
場発生装置を固定してＪ３き、断熱磁化のときには磁場
発生装置を（＝Ｊ勢ツ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付勢を停止すると
ともに排熱系の動作を停止させ、この制御を交互に行な
わせるようにしている。

このような偶成であると、電気的な制御だけで冷凍リイ
クルを実（ｊさヒることができるので全体の小形化を図
れること、作業物質が静止しているので排熱行稈の信頼
性を高めることが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、つまり超電導コイ
ルをパルス（＝Ｉ　ｌ　ｔｌるようにしているので、こ
の付勢に際しての損失が大きく、冷凍効率が大幅に低い
と言う問題が有った。

そこで、このような油照を解消するために、磁場発生装
置を常にｆ１勢しＣおき、代わりに作業物質を機械的に
移動させて上記磁場発生装置で発生した磁場内および磁
場外に交互に位置させることが考えられる。

しかし、このように構成すると、移動する作業物質から
排熱を行なわなければならず、排熱系をどのように構成
するかと言う点が問題となる。

〔発明の目的〕

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、そ
の目的とするところは、磁場発生装置を常時ｆ」勢する
とともに作業物質を機械的に移動させる方式を採用した
ものにあって、機械的にも熱的にも影響を与えずに、断
熱磁化時に作業物質から良好に排熱させることができ、
もって冷凍効率が高く、しかも信頼性に富／Ｖだヘリウ
ム液化装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明に係るヘリウム液化装置は、ヘリウム槽ど、この
ヘリウム槽の上部に設けられ常時磁場を発生する磁場発
生装置と、前記ヘリウム槽内の上部空間に通じた位置に
設けら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
熱して前記空間に漂っているヘリウムガスを液化させる
作業物質と、この作業物質を前記磁場内および磁場外へ
ど交互に機械的に移動させる駆動手段と、前記作業物質
が前記磁場内に位置しているどき上記作業物質に接触ま
たは近接する良熱伝導性部材と、ヘリウムガスに囲まれ
た空間内において前記良熱伝導性部材に吸熱部を嵌合さ
せて段けられ前記作業物質で発生じた熱を上記良熱伝導
性部材を介して上記作業物質の位置し−Ｃいる空間の外
部へ（）１熱する補助冷凍（幾とを具備してなることを
特徴としている。

〔発明の効果〕

移８ｇ′る作業物質から熱を奪って排熱する場合、杖熱
させるための系を作業物質と一体に（３動させることは
構造の１９雑化をまぬがれ得す、また断熱消ｖｊ１１Ｉ
￥に排熱系から１′［業物質へ向（Ｊて熱が受入するの
をまぬがれ得ない。

しかし、本発明装置のように、作業物質が１１場内に位
置しているときだけ上記作業物質に接触または十分近接
する良熱伝導性部材を設け、この部材を介して排熱する
構造であると上記良熱伝導性部材、つまり排熱系全体を
作業物質と一体に移動させる必要はない。したがって、
構造の複雑化を招くことなく良好な排熱を行なわせるこ
とができる。また断熱消磁時には、作業物質と良熱伝導
性部材とを距離的に離すことができる。このため、断熱
消磁時に良熱伝導性部材を介して作業物質に熱が侵入す
るのを防止することができる。また、良熱伝導性部材と
補助冷凍機の吸熱部とをヘリウムガスで囲まれた空間内
において嵌合状態に接続するようにしているので、両者
に熱収縮が生じると自動的に嵌合度が変化する。このた
め、熱収縮時に各部に機械的な無理な力が加わるのを防
止することができる。また、このとき嵌合度の変化によ
って嵌合部に間隙が発生すると、この隙皿にヘリウムガ
スが侵入する。ヘリウムガスは、他のカスに比べて熱伝
導率が非常に高い。このため、上記のように隙間が発生
した場合でも良熱伝導性部材と補助冷凍（；１との間の
熱的接続状態が低下するようなことしない。したがって
、本発明のｌｒ４３ｍであると、ｉｎ造の複雑化１９熱
侵入を抑えた状態で、なｄ３かつ全体に無理なツクが加
わらない状態で、１ｖ業物質を移動さける特徴、つまり
この方式が本質的に協えている冷凍ａ）率が高い利点を
最大限に発揮させることがＣきる。

（発明の実施例） 以下、本弁明の実施例を図面を参照しながら説明りる。

？ｊＩｉ図におい−（、′１は外１ｈを示し５２はヘリ
ウム槽を示している。外＋Ｈ’ｌおよびｌ＼リウム漕２
は共に熱伝導性の低い月１’ｌて形成され−Ｃいる。Ｊ
：た、外槽１とヘリウム（ｇ２どの間に存在づる空間３
は真空引きされて真空断熱層に形成されている。

ヘリウム槽２の上壁２ａの２箇所には、同径の孔４ａ、
４ｂがそれぞれ設（］てあり、また、外外槽の上壁’Ｉ
　Ｅｌ−Ｃ上記孔／Ｉａ、４ｂに対向ＪるＧＬ置にも孔
５ａ、５（〕が設けられ−Ｃいる。そして、上記孔４ａ
ど孔５ａとが筒体６ａによって気密に接続されており、
また上記孔４ｂと孔５ｂとが筒体６ｂににって気密に接
続されている。筒体６ａ。

６ｂはぞれぞれ熱伝導性の低い非磁性材料で形成されて
あり、その中途位置にそれぞれ大径部７ａ、７ｂが形成
されている。そして、大径部７ａ、７ｂの下端縁にはそ
れぞれＳｉ　８　ａ、８ｂが突設されており、これら鍔
８ａ、８ｂに支持される関係に磁場発生装置としての超
電導コイル９ａ、９ｂが大径部７ａ、７ｂの外周に装着
されている。

しかして、各人１￥、部７ａ、７ｂの上端部は連結筒１
０によって）■結されている。連結筒１０の、いわゆる
土壁部で中央位置には孔１１が設（プてあり、また外槽
１の上壁１ａで上記孔１１に対向する位置には孔１２が
設りられている。そして、上記孔１２ど孔１１どは筒体
１３によつＣ気密に接続されＣいる。上記大径部７ａ、
７ｂ、連弘筒１０および筒体１３で囲まれた空間内に（
Ｊ１熱伝導性の高い材料で逆Ｖ字状に形成された部材１
４が装着されている。この部材１４の各大径部７ａ、７
ｂ内に位置する部分にはそれぞれ孔４ａ、４ｂより小径
な透孔１５ａ、１５ｂがそれぞれ大径部７ａ、７ｂと同
心的に設けられている。また、部材１４の中央部上端に
は開口部を上方に向けた凹部１６が形成されている。そ
して、この四部１６には孔１２を気密に閉塞するように
外槽１の上壁１ａに装着された補助冷凍機１８の伝熱ロ
ッド１９が嵌合している。

しかして、筒体６ａ、６ｂ内には透孔１５ｃ）、１５ｂ
を口通りる関１系に外部からロット２１　ａ、２１ｂが
貸降自在に挿設されている。ロット２１ａ、２１ｂはそ
れで゛れ熱伝導性の悪い月利で上述した透孔１５ａ、１
５ｂの内径より数１００［μｍ　］小さい外径の円柱状
に形成されている。そして各ロット２１ａ、２１ｂの下
端部には、カドリニウムカーネジ１〜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
Ｃなる作業物質２２ａ、２２ｂが直列に介挿されでいる
。

ロット２１ａ、２１ｂの外（ｌ！１外に位置ツる端部は
図示しない直線動駆動装置に連結されている。

この直線動駆動装置は、ロフト２１ａ、２１ｂの下端部
に介挿されている作業物質２２ａ、２２ｂが丁度第１図
中の作業物質２２ｂのように部材１４の透孔１５ｂ内に
位置しているときを上死点とし、また作業物１ｉ　２２
　ａのようにヘリウム槽２の上壁２ｂ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、いずれ
かの作業物質が上死点に位置しているときには他方のＩ
Ｙ業動物質下死点に位＠づる関係が成立し、かつこれら
作業物′ＰＸ２２ａ、２２ｂを昇降さＵるように構成さ
れている。なお、第１図中２３８．２３Ｌ）はシール部
（Ａを示し、また２４は断熱スペ−４）を示している。

次に上記に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９ａ、９ｂには磁場を発生させつる
永久電流が流れているものとする。また、補助冷凍１１
１８が動作状態にあるものとする。補助冷凍機１８が動
作すると伝熱ロット１９を介して部材１４が十分低温に
保たれる。

このような状態で直線動駆動装置を動作させると、ロッ
ト２１ａ、２１ｂが第１図中Ｐ’ｌ、Ｐ２て示づように
昇降する。ずなわち、ロッド２１　ａが下降を開始する
どロッド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、１′［業物質２２ａ、２２ｂは上死点
と下死点との間を１８０度の位相差をもつで昇降する。

上死点に位置しているときには第１図中の作業物質２２
ｂに見られるように超電導コイルの発生ｊる磁場内に完
全に位置する。したがって、断熱磁化状態どなる。

一方、下死点に位置しでいるときには、第１図中の作業
物質２２ａに見られるように［１１場外に位置する。し
たがっＣ１断熱消磁状態となる。

断熱消磁状態では作業物質２２ａ、２２ｂが吸熱する。

このため液面上に漂っているヘリウムカスが作業物質２
２ａ、２２ｂ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。

一方、上記のように断熱磁化状態になると、作業物τ１
２２ａ、２２ｂは光熱する。この熱は次のようにして外
部へ導かれる。すなわち、作業物質２２ａ、２２ｂが上
死点に位置しているときには必ず透孔１５ａ、１５ｂ内
に位置している。透孔１５　ａ　ｚ　１５　ｂの内径は
作業物質２２ａ、２２ｂの外径より僅かに大きい程度に
設定されている。

このため、作業物質２２ａ、２２ｂが透孔１５ａ１１５
ｂ内に位置しているときには透孔１５ａ、１５ｂの内面
ど作業物１ｔ２２ａ、２２ｂの外面とが直接接触したり
、あるいは両者間の隙間が非常に小さくなったりする条
件が必ず形成される。このため、作業物質２２ａ、２２
ｂてＪｆｆｌ生した熱は部材１４を介して補助冷凍機１
８に奪われることになり、結局、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、２２
’　ｂて発生した熱によってヘリウム槽２内が湿度上昇
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、運転状態に入ると、装置を構成している各部
構成材が冷却されるので、これら構成材が熱収縮する。

この場合、特に良熱伝導材で形成されている部材１４お
よび伝熱ロッド１９の収縮が大きく、この収縮にＪ：っ
て各部に無理な力が加わろうとづる。しかし、この装置
の場合には部材１４と伝熱ロッド１９とが嵌合関係に連
結されているので収縮力が作用するど上記嵌合部の嵌合
度が変化し、この変化によって収縮力が吸収される。

したがって、収縮力によって各部が破損り゛るようなこ
とはない。また、このとき、！■嵌合度変化す゛ると部
材′１４と１云熱ロツド１９どの間の熱伝導時）生が変
化しようとりる。しかし、このＪＲ合に（ま筒１本６ａ
、６ｂ、３Ｅ結商ｆｔ　１０　Ｊｊよび同体′１３て囲
まれＩ；部分（二ｌ＼リウｌいカスか存在してＪｊす、
嵌合１真の変化で部（ｌＪ１４と１云熱Ｌ１ソド１９と
の間に、たとえは隙間が生じた１８台にはこの隙間にへ
りｒクムカスが浸入づる。ｌ＼す「クムカス１ま第２図
に２１１（の場合のｌｆｆ１を承りよ〕に他のカスの場
合に比べて熱伝導率が非６１１）に良い。したがって、
嵌合度が変化しても部材１　／ｌと伝熱［１ソト１つど
の間の熱伝導特性が変化り−るようなこともない。した
がって、前述した効果が１９られることになる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものてはな
い。ずなわら、上述した実施例Ｉよ本発明を直線動形の
ものに）台用した例であるか本発明は回転形のものにも
適用できるころは勿論である。

また、嵌合部を取囲むように密閉空間を形成し、この空
間内にヘリウムガスを封入するようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るヘリウム液化装置の要
部縦断・面図、第２図はヘリウムカスの熱伝導特性を示
す図である。 １・・・外槽、２・・・ヘリウム槽、９ａ、９ｂ・・・
磁場に主装置どしての超電導コイル、１４・・・良熱伝
導材で形成された部材、１８・・・補助冷凍機、２２ａ
、２２　ｂ・・・作業物質、Ｈ・・・液体ヘリウム。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１トＩ ヘリウムＤ”ス贋咋厚、ｌ＋（ｐｍ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ｌ＼シリウムａど、この／＼リウム槽の上部に設けられ
   常時磁場を発生づる磁場発生装置と、０り記ヘリウム（
   ｎ内の上部空間に通じた（η置に設けられ前記磁場発生
   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前記空間に漂っ
   ているｌ＼リウム万スを液化させる作業物質と、この作
   業物質を前記磁場内Ｊ３よび磁場外へと交互に機械的に
   移動させる駆動手段と、前記作業１力質がｎｔｉ記ｆｉ
   ｌ場内に位置しているどき上記作業物質に接触または近
   接する良熱伝導性部材と、ヘリウムカスに囲まれた空間
   内にＪｊいて前記良熱伝導性部材に吸熱部を嵌合接続さ
   せて設（ブられ前記作業物質で発生した熱を上記良熱伝
   導性部材を介し−Ｃ上記（’Ｖ業動物質位置している空
   間の外部へ排熱する補助冷凍驕とを具備してなることを
   特徴とするヘリウム液化装置。