JPH03122464A - 磁気冷凍機 - 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、磁気冷凍機に関する。

（従来の技術） 磁気冷凍機は、磁気作業物質、高温熱溜め（二次冷凍機
）、低温熱溜め、これら高温熱溜め、磁気作業物質及び
低温熱溜めを熱的に接続するだめのヘリウムガスからな
る熱スイッチ及び前記磁気作業物質に磁界を付与するた
めの超伝導マグネットから構成されている。かかる磁気
冷凍機の運転をカルノーザイクルを例にして説明すると
、（ａ）高温側および低温側の熱スイッチをオフ１−１
断熱磁化を行ない、（１〕）高温側熱スイッチをオンし
、等温排熱を行ない、（ｃ）両方の熱スイッチをオフし
、断熱消磁を行ない、（ｄ）低温側熱スイッチをオンし
、等温吸熱を行なう、４段階の上程を経てサイクルを作
る。

従来は、高温側熱スイッチとして、ヘリウムガスの供給
（オン）と排熱（オフ）を使っている。

しかしながら、こうした磁気冷凍機の操作においてはサ
イクル運転中での熱スイッチのオフ時の熱侵入による冷
凍ロスの問題が生じる。

このようなことから、磁気作業物質に熱伝導体からなる
端子を接触・非接触で伝熱状態と断熱状態を切替える熱
スイッチが知られている。かかる方式の熱スイッチでは
、スイッチのオフ時での熱侵入を零にできる。しかしな
がら、前記熱スイッチにおいて、熱はその端子と磁気作
業物質との接触を介して伝えられ、更に熱伝導体を通っ
て二次冷凍機に伝えられるが、この時に次のような問題
を生じる。磁気冷凍機の特徴の一つにエントロピー密度
が高いために単位体積当りの排熱量が多くなる。例えば
、４５ＩＩｌ＋ｎφＸ　５０ｍｒ６のガドリニウム・ガ
リウム・ガーネットを使用して高温熱浴の温度を１５に
１低温熱浴の温度を４．２にとし、０テスラー５テスラ
の断熱磁化を行なうと、排熱量は７４Ｊになる。こうし
た排熱に際して従来の接触・非接触型の熱スイッチは、
細い端子を介しての点接触、線接触により熱を伝えてい
たため、排熱時間が長くなってしまう。その結果、１サ
イクルに要する時間が長くなり、冷凍パワーを落とす問
題を生じる。また、接触部分に大きな温度差が生じて磁
気冷凍機は二次冷凍機の冷凍温度よりも高い温度で等温
排熱されるため、システム全体のロスが大きくなるとい
う問題があった。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたも
ので、熱スイッチの端子と磁気作業物質との間の熱伝達
を良好にすることにより、それらの接触部での温度差の
発生を抑制し、システム全体のロスを低減させた磁気冷
凍機を提供しようとするものである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、磁気作業物質に変動磁場を加え、熱スイッチ
により排熱を行ない、かつ該熱スイッチの端子を前記磁
気作業物質に対して接触・非接触により伝熱状態と断熱
状態を切替える磁気冷凍機において、前記磁気作業物質
と前記熱スイッチの端子の双方の接触面を０．５Ｓ以下
の鏡面としたことを特徴とする磁気冷凍機である。

上記熱スイッチの端子としては、例えば高熱伝導性をＨ
する人工サファイア、人工水晶などの非磁性の酸化物単
結晶等を挙げることができる。かかる端子と磁気作業物
質の双方の接触面を０．５Ｓ以下の鏡面とした理由は、
それら双方の接触面を０．５８を越える粗い面とすると
、伝熱時での熱伝達率が低下し、それらの接触面で温度
差が生じるからである。

上記熱スイッチ及び磁気作業物質の接触面において、接
触面積を増大させるためにいずれか一方を０．５８以下
の鏡面とした凸状曲面形状、他方を同鏡面とした凹状曲
面形状にしてもよい。

また、本発明では熱伝達時に磁気作業物質と熱スイッチ
の端子の双方の接触面をヘリウムガス雰囲気とし、一方
断熱時にヘリウムガスを排気して前記接触面へのヘリウ
ムガスの接触を断つような構成とする。この時のヘリウ
ムガスの温度は、高温熱浴の温度程度に設定することが
望ましい。

更に、本発明においては熱スイッチの端子側面を例えば
真空断熱槽等により断熱した構造とする。

（作用） 本発明によれば、磁気作業物質と熱スイッチの端子の双
方の接触而を０．５Ｓ以下の鏡面とすることによって、
それらの隙間を１μｍ以下に抑えることができ、熱伝達
率を向上できる。これにより、それら接触而での温度差
の発生を抑制できる。

例えば３４ｍｍφの断面で熱スイッチの端子と磁気作業
物質を１μｍの隙間で接触され、これら接触面を通して
７４３の熱を５秒間で排熱すると、１０ｍ　Ｋ以下にな
る。従って、磁気作業物質の等温排熱時間を短縮できる
と共に、熱ロスを低減できる。

また、磁気作業物質と熱スイッチの端子の双方の接触面
を０．５Ｓ以下の鏡面とすると共に、伝熱時にそれらの
接触面をヘリウムガス雰囲気とすることによって、熱伝
達率を飛躍的に向上できる。

例えば、熱スイッチの端子と磁気作業物質の双方の接触
面での隙間を変えた場合、第４図に示す特性図となり、
隙間が１μｍ以下にすると共にヘリウムガス雰囲気とす
ることによって熱伝達率を著しく向」二できる。従って
、磁気作業物質の等温排熱時間を著しく短縮できる。な
お、断熱時にはヘリウムガスを排気して磁気作業物質と
熱スイッチの端子との接触面からヘリウムガスの伝熱を
断つことが必要である。

但し、上記構造では熱スイッチの端子周囲をもヘリウム
ガス雰囲気となるため、磁気作業物質の保持とガスの気
密のための構造材への熱の出入りが生じる。かかる構造
材は、磁気作業物質と熱的に接触するため、構造材への
熱侵入は作業物質への熱侵入となる。この場合、熱スイ
ッチの端子側面を真空断熱槽で覆うことにより熱侵入を
減少でき、効率を一層向上できる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を第１図を参照して詳細に説明す
る。

図中の１は、底部に液体ヘリウムが溜められるヒートパ
イプである。このヒートバイブｌの上部には、ガドリニ
ウム・ガリウムφガーネット（ＧＧＧ）からなる磁気作
業物質２が配設されており、かつ該ヒートバイブ１側面
にはヘリウムガスを供給するための導入管（図示せず）
が連結されている。前記ＧＧＧからなる磁気作業物質２
の後述する熱スイッチの端子との接触面（上面）は０．
５Ｓに鏡面仕上げされている。なお、かかるヒートパイ
プ１は低温側熱スイッチを兼ねる構造になっている。ま
た、前記磁気作業物質２に対応する前記ヒートパイプｌ
の周囲には超電導マグネット　３が配設されている。前
記磁気作業物質２の上方には、熱スイッチ４が配設され
ている。この熱スイッチ４は、人エサファイからなる端
子４ａと、この端子４ａを矢印方向に上下動させて該端
子４ａの下端面を前記磁気作業物質２の上面に接触させ
たり、離したりするための駆動軸４ｂとから構成されて
いる。前記人工サファイアからなる端子４ａは、前記磁
気作業物質２との接触面が０．５８に鏡面仕上げされて
いる。前記駆動軸４ｂは、可撓性を有する材料から形成
またり、可撓性が付与されるように細い形状にすること
が望ましい。前記熱スイッチ４の端子４ａは、その上部
側面に取付けられた熱伝導体５を介して前段冷凍機６に
連結されている。

更に、前記ヒートパイプ１と熱スイッチ４の周囲には図
示しない所定の容器で囲繞され、該容器に連結した供給
管を通して前記作業物質２と熱スイッチ４の端子４ａと
の接触面の周囲に所定温度のヘリウムガスを供給したり
、排出したりできるようになっている。

次に、上記構成の磁気冷凍機の作用を説明する。

（ａ）まず、熱スイッチ４の駆動軸４ｂにより端子４ａ
を上方に移動させて磁気作業物質２と離間させ、オフに
した状態で超電導マグネット　３により磁気作業物質２
をたとえは５テスラで断熱磁化する。

かかる磁化により磁気作業物質２の温度が上昇する。

（ｂ）熱スイッチ４の駆動軸４ｂにより端子４ａを下方
に移動させて磁気作業物質２に接触させてオンさせると
共に、図示しない容器に連結した供給管から前段冷凍機
６の温度と同温度（例えば１５Ｋ　）のヘリウムガスを
供給して前記作業物質２と端子４ａとの接触部周囲を該
ヘリウムガスの雰囲気とし磁気作業物質２の熱を前段冷
凍機６に等）Ｈ排熱する。この時、磁気作業物質２と熱
スイッチ４の端子４ａとは双方０．５８の鏡面で接触さ
れていると共に、それらの接触部の雰囲気が１５にのヘ
リウムガス雰囲気となっているため、磁気作業物質２と
熱スイッチ４の端子４ａとの間の熱伝達が良好となるり
、該作業物質２との接触部で温度差が抑制されるため、
磁気作業物質２の熱を端子４ａを通して前段冷凍機６に
良好に等温排熱される。

（ｃ）容器内のヘリウムガスを排気して磁気作業物質２
と熱スイッチ４の端子４ａの接触面へのヘリウムガスの
接触を断つと同時に、熱スイッチ４の駆動軸４ｂにより
端子４ａを上方に移動させて磁気作業物質２と離間させ
、オフにした状態で超電導マグネット　３を０テスラと
して磁気作業物質２を断熱消磁する。かかる消磁過程に
おいて磁気作業物質２が冷却され、ヒートバイブｌ内の
低温側熱スイッチを兼ねるヘリウムガスが等温吸熱され
て凝縮し、ヒートパイプ１底部に液体ヘリウム７が溜め
られる。

従って、本発明の磁気冷凍機によれば磁気作業物質２と
熱スイッチ４の端子口の双方の接触面を０．５３の鏡面
とすることによって、それらの隙間を１μｍに抑えるこ
とができ、熱伝達率を向上でき、それら接触面での温度
差の発生を抑制できるため、磁気作業物質２から前段冷
凍機６への等温排熱時間を短縮でき、かつ熱ロスを低減
できる。

しかも、可撓性が付与された駆動軸４ｂを用いれば、駆
動軸４ｂにより熱スイッチ４の端子４ａを下方に移動さ
せて磁気作業物質２に接触させる際、該駆動軸４ｂが湾
曲して熱スイッチ４の端子４ａと磁気作業物質２とが点
接触になったり、線接触になったりすることなく面同志
で良好に接触するため、前記接触面での熱伝達率を一層
向上できる。

また、伝熱時に磁気作業物質２と熱スイッチ４の端子４
ａの双方の接触面をヘリウムガス雰囲気とすることによ
って、熱伝達率を飛躍的に向上でき、磁気作業物質２の
等温排熱時間を著しく短縮できる。

更に、熱スイッチ４の端子４ａを人エサファイにより形
成することによって、該端子４ａは低温において温度の
３乗に比例して熱伝導率が低下するので、それ自身が弱
い熱スイッチの役目をなし、断熱消磁過程で冷却された
磁気作業物質２が熱スイッチ４の端子４ａを通して前段
冷凍機６側から暖められるのを回避でき、効率を一層向
上できる。

なお、上記実施例においては熱スイッチの端子と磁気作
業物質との接触面を０．５８に鏡面仕上げした平坦な面
としたが、これに限定されない。例えば、第２図に示す
ように熱スイッチ４の端子４ａと磁気作業物質２との接
触面を０．５８に鏡面仕上げした凸状曲面、磁気作業物
質２の前記端子４ａとの接触面を０．５３に鏡面仕上げ
した凹状曲面としてもよい。かかる第２図に示す構造に
すれば、熱スイッチ４の端子４ａ及び磁気作業物質２の
接触面積を増大できるため、それら接触面での熱伝達率
を一層向上できる。

また、上記実施例においては熱スイッチの端子周囲をも
ヘリウムガス雰囲気となるため、磁気作業物質の保持と
ガスの気密のための構造材への熱の出入りが生じる。か
かる構造材は、磁気作業物質と熱的に接触するため、構
造材への熱侵入は作業物質への熱侵入となる。この場合
、第３図に示すように熱スイッチ４の端子４ａ側面を真
空断熱槽８で覆うことにより熱侵入を減少でき、効率を
一層向上できる。

［発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明によれば磁気作業物質と熱ス
イッチの端子との間の熱伝達を良好にし、それらの接触
部での温度差の発生を抑制して等温排熱時間の短縮化を
図ることが可能な磁気冷凍機を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す磁気冷凍機の概略図、
第２図及び第３図はそれぞれ本発明の他の実施例を示す
磁気冷凍機の概略図、第４図は接触面でのヘリウムガス
の雰囲気温度をＩＯＫ、　１５に、２０にとした時、磁
気作業物質と熱スイッチの端子との双方の接触面での隙
間を変えた時の熱伝達伝導率の変化を示す特性図である
。 １・・・ヒートバイブ、２・・・磁気作業物質、３・・
・超電導マグネット、４・・・熱スイッチ、４ａ・・・
端子、４ｂ・・・駆動軸、Ｇ・・・前段冷凍機、７・・
・液体ヘリウム、８・・・真空断熱槽。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）磁気作業物質に変動磁場を加え、熱スイッチによ
   り排熱を行ない、かつ該熱スイッチの端子を前記磁気作
   業物質に対して接触・非接触により伝熱状態と断熱状態
   を切替える磁気冷凍機において、前記磁気作業物質と前
   記熱スイッチの端子の双方の接触面を０．５Ｓ以下の鏡
   面としたことを特徴とする磁気冷凍機。
2. （２）熱スイッチの端子を磁気作業物質に接触させて伝
   熱を行なう時に該端子接触面にヘリウムガスを供給し、
   一方断熱時に前記ヘリウムガスを排気して前記端子への
   接触を断つことを特徴とする請求項１記載の磁気冷凍機
   。
3. （３）熱スイッチの端子側面を断熱した構造とすること
   を特徴とする請求項１記載の磁気冷凍機。