JPH02254264A - 極低温蓄熱器 - 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、蓄冷型冷凍機（スターリングサイクル冷凍機
、ギフオードマクマフオン冷凍機）に用いられる極低温
蓄熱器に関し、更に詳細には１０に以下の極低温を得る
蓄冷型冷凍機に用いられる極低温蓄熱器に関し、例えば
、超電導機器の冷却として、磁気浮上列車の超電導磁石
の冷却（ヘリウムの再液化用）、ＭＲＩ　（磁気共鳴イ
メージング）用の超電導磁石の冷却及び超電導素子の冷
却等に利用される。

（従来の技術） スターリングサイクル冷凍機やギフオードマクマフオン
冷凍機等のいわゆる蓄冷型冷凍機において、その性能及
び効率を決定する重要な要素は極低温熱交換器として働
く極低温蓄熱器である。極低温蓄熱器は、蓄冷材と呼ば
れる熱交換媒体を詰めた容器の中を作動ガスを流し、作
動ガスの熱を蓄冷材に与えたり、逆に蓄冷材から作動ガ
スへ熱を与える機能を有し、この蓄冷材には十分に大き
な熱容量と高い熱伝導度を有することが要件として求め
られる。

ところが、従来から極低温を生成する冷凍機。

液化機において、絶対温度がおよそ２０により低温にな
ると、蓄冷材の単位体積当たりの熱容量（比熱）が作動
ガスであるヘリウムに比べて温度の低下と共に小さくな
り、その冷凍効率が大きく低下するという問題があり、
従来より蓄冷材として広く用いられてきた鉛を用いても
せいぜい到達温度としてＩＯＫ程度が限界となっていた
。そこで、この問題を解決するために、これまで特公昭
５２−３０４７３号公報及び特開昭６１−８６４２０号
公報において、蓄冷材として磁性体の低温での磁気相転
移に伴う異常比熱を利用して２０に以下で比熱の鋭いピ
ークを有した種々の磁性物質が、鉛に替わるものとして
提案されている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記した従来の蓄冷材としての種々の磁
性物質は、その比熱の温度依存特性（比熱特性）が同公
報に示される如く、２０に以下で比熱の鋭いピークを有
していて、このような比熱特性はそのピークにあたる温
度で利用する時は良いが、その温度から外れた領域では
蓄冷材としての効果は消失してしまう、即ち、蓄冷材に
求められる比熱特性はできるだけ、広範囲な温度域に渡
り比熱が高いことであり、それに対しこれらの物質では
広範囲な温度域をカバーできないため、広範囲な温度域
をカバーするためには、比熱のピークの異なる複数種の
物質を夫々の比熱が効果を有する温度域に合わせて複合
して使わなければならないという問題があった。

そこで本発明は、蓄冷材に磁性体を用いながらも単一の
物質で広範囲な温度域をカバーできるようにすることを
、その技術的課題とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記した技術的課題を解決するために講じた手段は、当
該極低温冷凍機を、極低温冷凍機の圧縮ピストンと膨張
ピストン間を連通ずる管路に配されて極低温で磁気的な
相転移特性を有する磁性体から成る蓄冷材と、該蓄冷材
の外部より磁界を加える磁力発生手段とを備えて成る構
成とすることである。

前記磁力発生手段による磁界の強さの分布は前記蓄冷材
の温度分布に即して任意に設定可能とすることが望まし
い。

（作用） 磁性体の磁気相転移に伴う異常比熱の温度変化は、外部
磁界がない時には鋭いピークを有するが、第１図にＤｙ
Ｎ１ｚ、　ＥｒＮｆ□の比熱の磁場及び温度依存性を示
すように外部磁界が作用するとそのピークの値が低くな
って幅が広がり、且つそのピークは磁界が大きくなるに
従い温度の高い方へずれて行くことが知られている。（
参考文献：　Ａｄｖａｎｃｅｓｉｎ　Ｃｒｙｏｇｅｎｉ
ｃ　ｇｎｇｉｎｅｅｒｔｎｇ　Ｖｏｉ　３２　（１９８
６）　Ｐ、２９従って、上記した極低温蓄熱器の構成に
よれば、蓄冷材である磁性体の比熱を外部より任意の強
さの磁界を付与することにより、蓄冷材に磁性体を用い
ながらも単一の物質で広範囲な温度域をカバーすること
が可能となる。

（実施例） 以下、本発明に従った極低温蓄熱器の実施例を図面に基
づき説明する。

第２図において、スターリングサイクル極低温冷凍機１
０は、図示せぬ駆動ｌ！溝により所定の位相差で往復動
される膨張ピストン１１と圧縮ピストン１２を備えてい
る。膨張ピストン１１及び圧縮ピストン１２の上部には
夫々膨張空間１１ａ及び圧縮空間１２ａが形成されてお
り、雨空間は管路１３．蓄熱器１４及び放熱器１７を介
して連通されて閉空間である作動空間を形成している。

作動空間内には作動ガスであるヘリウムが充填されてい
て、また放熱器１７は他の冷媒１８により作動ガスを冷
却するようになっている。

蓄熱器１４は、本実施例においては蓄冷材１５としてＥ
ｒＮ　ｆ　ｚが用いられており、該蓄冷材１５中を作動
ガスが行き来するようになっている。蓄熱器１４（蓄冷
材１５）の外周には、電磁石１６が配設されている。電
磁石１６は蓄熱器１４の外周に巻回されて直流電源１９
に接続された電磁石コイルから成り、該電磁石コイルは
高温側である放熱器１７（圧縮空間１２ａ）側にいくに
つれその巻き数が大きくなるようにされている。

以上の構成からなる本実施例においては、極低温下では
、磁性体（ＥｒＮｔｚ　）からなる蓄冷材１５の磁気的
な相転移により第１図に示すように異常比熱（Ｂ、Ｔ−
０）が生じるが、電磁石１６の電磁石コイルに通電する
ことにより蓄冷材１５に高温側では強い磁界を、また低
温側では弱い磁界が外部より加えられ、これにより第１
図から明らかなように、高温側で強磁界中の比熱、低温
側では弱磁界中の比熱を利用できることになる。従って
、本実施例によれば、電磁石コイルの巻き方を調整する
ことで、第１図中の各磁界での比熱の温度変化の包路線
として得られるような比熱特性を有し、単一の物質で広
範囲な温度域をカバーすることが可能な蓄熱器を得るこ
とができる。

また、この時には電磁石コイルに流す電流によって、磁
界も大きく変化するが、それも冷却過程で適度な変化を
させることで効果的な予冷冷却が行える。

尚、本実施例においては蓄冷材として磁性体ＥｒＮｉ、
を用い、更に磁界の強さの分布を高温側にいくに従い強
くなるようにしたが、用いる磁性体（例えば、ＤｙＮｉ
、等、希土類金属等の磁性元素を含むある種の化合物）
や蓄冷材として機能させる温度域によって磁界の強さ及
びその分布は異なり、夫々に適した磁界分布を作り出す
ように電磁石コイル形状及び巻き数を決める必要がある
。また、電磁石コイルはできるだけ、発熱が少ない方が
冷凍機にとって良いことは明白であり、電磁石コイルの
材料は電気抵抗の小さいものが使われる必要がある。

また、ある温度以下になってから電磁石コイルに通電す
るという使い方であれば、その温度より高い温度に超電
導転移点を持つような超電導材料で電磁石コイルを形成
すれば、電磁石コイルからの発熱は全くなく、更に永久
電流モードで動作させれば、所要電力も通電後は不要に
できる。

第３図は本発明の変形例を示し、電磁石コイルからの発
熱が問題になる場合の極低温冷凍機の例を示す。第３図
において、冷凍機３０は膨張ピストン１１を収容する膨
張シリンダと膨張シリンダの外周に配置された蓄冷器１
４とを包囲する真空ケース３１を有し、該真空ケース３
１内において管路１３中に冷凍を発生するコールドヘッ
ド３２が設けられている。真空ケース３１の外周には第
２図に示す実施例と同様に電磁石１６が配設されており
、これにより本実施例においては、電磁石１６による磁
界は蓄冷材１５に伝えるが電磁石１６の電磁石コイルの
発熱は蓄冷材１５に伝えないようになっている。その他
の構成は第２図に示す実施例と実質的に同じであるので
、第２図で用いた番号符号と同じ番号符号を付し、説明
は省略する。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、極低温蓄熱器の
蓄冷材の比熱を外部から加える磁界で制御することによ
り、単一の物質で広範囲な温度域をカバーできる極低温
蓄熱器を得ることができると共に、冷凍機の冷却してい
く途中の状態でも最適な比熱の状態に容易にすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は磁性体（ＤｙＮｉｚ、　ＥｒＮ１ｚ）の種々の
磁場での比熱の温度依存性を示す特性図、第２図は大発
明に従った極低温蓄熱器の一実施例を示す構成図、第３
図は本発明の変形例を示す構成図である。 １０　・ トン、１ １４・・ 蓄冷材、 １９・・ ３１・・ ・極低温冷凍機、１１・・・膨張ビス ・・・圧縮ピストン、１３・・・管路、蓄熱器（極低温
蓄熱器）、１５・・・ ６・・・電磁石、１７・・・放熱器、 直流電源、３０・・・極低温冷凍機、 真空ケース。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）極低温冷凍機の圧縮ピストンと膨張ピストン間を
   連通する管路に配されて極低温で磁気的な相転移特性を
   有する磁性体から成る蓄冷材と、該蓄冷材の外部より磁
   界を加える磁力発生手段とを備えて成る極低温蓄熱器。
2. （２）前記磁力発生手段による磁界の強さの分布を前記
   蓄冷材の温度分布に即して任意に設定可能としたことを
   特徴とする請求項（１）に記載の極低温蓄熱器。