JPH0423184B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、冷凍効率の向上化を図れるようにし
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
熱消磁によつて冷えた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り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ツトで代表される磁性体、つ
まり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、磁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、従来の装置にあつては、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おき、断熱
磁化のときには磁場発生装置を付勢するとともに
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。

このような構成であると、電気的な制御だけで
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付勢するようにしているの
で、この超電導コイルでの損失が大きく、冷凍効
率が大幅に低いと云う問題があつた。

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、新
たに次のような問題が発生する。すなわち、作業
物質は磁性材である。したがつて、この作業物質
と磁場との間には大きな磁気的吸引力が作用す
る。このため、作業物質を磁場外へ移動させると
きに大きな駆動力を必要とし、この駆動動力の存
在が冷凍効率を低下させる原因となる。

〔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、被凝縮ガスを凝
縮させる用途で、しかも磁場発生装置を常時付勢
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つて、作業物質を移動させる
のに必要な動力を大幅に低減でき、もつて冷凍効
率の向上化を図れる磁気冷凍装置を提供すること
にある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために、本発明に係る磁気
冷凍装置は、断熱容器と、この断熱容器内に発生
磁場の中心軸をほぼ平行させて設けられた第１お
よび第２の磁場発生装置と、前記第１の磁場発生
装置の前記中心軸に沿つて移動自在に設けられる
とともに一端側を前記断熱容器の外へ気密に突出
させた第１のロツドと、前記第１の磁場発生装置
の前記中心軸に沿つて移動自在に設けられるとと
もに一端側を前記断熱容器の外へ気密に突出させ
た第２のロツドと、前記第１のロツドの他端側に
支持され、前記第１の磁場発生装置の発生してい
る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外面で被凝縮ガスを凝縮
させる第１の作業物質と、前記第２のロツドの他
端側に支持され、前記第２の磁場発生装置の発生
している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外面で被凝縮ガス
を凝縮させる第２の作業物質と、前記第１の作業
物質が前記第１の磁場発生装置の発生している磁
場内に位置しているときに上記第１の作業物質に
接触または近接する第１の良熱伝導性部材と、前
記第２の作業物質が前記第２の磁場発生装置の発
生している磁場内に位置しているときに上記第２
の作業物質に接触または近接する第２の良熱伝導
性部材と、前記第１および第２の良熱伝導性部材
に伝わつた熱を前記断熱容器外へ排熱する手段
と、前記第１および第２のロツドの前記一端側に
それぞれ連結されるとともに互いに対向関係に配
置された第１および第２のラツクと、前記第１の
ラツクと前記第２のラツクとの間に配置されて上
記第１および第２のラツクに共通に噛合するピニ
オンと、このピニオンを交互に正転、逆転駆動し
て前記第１および第２の作業物質を前記第１およ
び第２の磁場発生装置の発生している磁場内およ
び磁場外へ交互に位置させる駆動手段とを備えて
いる。

〔発明の効果〕

本発明装置のように、２つの作業物質を１つの
駆動源を用いて排他的に移動させる構造である
と、一方の作業物質が一方の磁場から離れようと
したときに、他方の作業物質が他方の磁場に近づ
く関係を形成することができるので、結果的に、
一方の作業物質と一方の磁場との間に生じる磁気
的吸引力を他方の作業物質と他方の磁場との間に
生じる磁気的吸引力で減少させることができる。
したがつて、作業物質を移動させるのに必要な動
力を少なくすることができ、この結果、冷凍効率
を向上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説
明する。

第１図は本発明をヘリウム液化用の磁気冷凍装
置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は外槽を示し、２
は外槽１内に収容された内槽を示している。外槽
１は、全体が熱伝導性の悪い部材で形成されてい
る。また、内槽２は、その上壁２ａだけが肉厚の
厚い良熱伝導材で形成されており、残りの部分が
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
きされて真空断熱層に形成されている。

上記内層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一材あるいはそれ以上に熱伝
導性の良い部材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
他の部分より小径に形成されている。そして、部
分５ａ，５ｂの上下内端縁はそれぞれテーパ面に
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構成さ
れている。すなわち、槽本体７と、この槽本体７
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４
ａ，４ｂをそれぞれ非接触に嵌入させる孔１０
ａ，１０ｂと、これら孔１０ａ，１０ｂ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
ａ，１１ｂと、これら筒体１１ａ，１１ｂの外周
面に上下方向に２段構成に突設された鍔部１２
ａ，１２ｂおよび１３ａ，１３ｂとで構成されて
いる。そして、筒体１１ａ，１１ｂの外周で鍔部
１２ａ，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が発生
磁場の中心軸をほぼ平行させるように装着されて
おり、また筒体１１ａ，１１ｂの外周で鍔部１３
ａ，１３ｂと仕切壁３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
つている液体ヘリウムＨを冷却源とし、ヘリウム
槽構成材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、これによつて超電導コイル１４ａ，１
４ｂで発生した磁場の下側強度勾配を急峻化させ
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５ａ，５ｂの内径
より大きく、かつ筒部４ａ，４ｂの外径より小さ
い孔１６ａ，１６ｂ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
接続されており、これら筒体１７ａ，１７ｂの上
端側は筒部４ａ，４ｂの下端面にそれぞれ気密に
接続されている。また、外槽１の上壁で筒部４
ａ，４ｂに対向する位置には、筒体１７ａ，１７
ｂの内径と同径の孔１８ａ，１８ｂが同軸的に設
けてある。そして、孔１８ａ，１８ｂの縁部と筒
部４ａ，４ｂ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によつて気密に接
続されている。すなわち、孔１８ａ、筒体１９
ａ、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シリンダ２０ａが構
成され、同様に孔１８ａ、筒体１９ａ、筒部４
ｂ、筒体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，２０ｂ内に
は外部からロツド２１ａ，２１ｂが昇降自在に挿
設されている。ロツド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
おける部分５ａ，５ｂの内径より数100μｍの小
さい外径の円柱状に形成されている。そして、各
ロツド２１ａ，２１ｂの下端部には、ガドリニウ
ムガリウムガーネツト等の磁性体をロツド２１
ａ，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２２ａ，２２ｂが直列に介挿され
ている。

ロツド２１ａ，２１ｂの外槽１外に位置する端
部には支持材２３ａ，２３ｂが取り付けてあり、
これら支持材２３ａ，２３ｂの先端部に互いに対
面する関係にラツク２４ａ，２４ｂが固定されて
いる。そして、ラツク２４ａとラツク２４ｂとの
間の中心位置には、紙面と直交する方向に延びる
軸２５が図示しない軸受によつて回転自在に支持
されている。軸２５の外周でラツク２４ａとラツ
ク２４ｂとの間に位置する部分には上記ラツク２
４ａ，２４ｂに共通に噛合するピニオン２６が固
定されている。なお、ピニオン２６と各ラツク２
４ａ，２４ｂとは次のような関係に噛合してい
る。すなわち、ロツド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図の作業物質２２ａのように筒部４ａ（４ｂ）
の部分５ａ（５ｂ）内に位置しているときを上死
点とし、また作業物質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
の外周には図示しない別のピニオンが固定されて
おり、このピニオンは図示しないラツクと噛合し
ている。そして、上記ラツ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
部３１が形成されており、この厚肉部３１には、
開口部を横方向に向けた円柱状の凹部３２が形成
されている。外槽１の側壁で凹部３２に対向する
位置には、凹部３２より大径の孔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内を通して前記凹部３２に良熱
伝導材で形成された伝熱ロツド３５の一端側が嵌
入している。伝熱ロツド３５の外周には鍔部３６
が設けてあり、この鍔部３６がシール材を介して
フランジ３４に締付け固定されている。そして、
伝熱ロツド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３
８ａ，３８ｂは、シール部材を示している。

次に上記のように構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１５
ａ，１５ｂ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３７
が動作すると、伝熱ロツド３５を介して上壁２ａ
の熱が奪われる。したがつて筒部４ａ，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させる
と、ピニオン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、ロツド２１ａ，
２１ｂが第１図中実線矢印Q₁、Q₂で示すように
昇降する。すなわち、ロツド２１ａが下降を開始
するとロツド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，２
２ｂは、上死点と下死点との間を180度の位相差
をもつ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。したがつて、断熱磁化状態となる。
一方、下死点に位置しているときには、第１図中
の作業物質２２ｂに見られるように磁場外に位置
する。したがつて、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つているヘリウムガス
が作業物質２２ｂ（２２ａ）の表面に凝縮する。
この凝縮によつ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，２２ｂ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が部分
５ａ，５ｂ内に位置しているときには、第２図中
に２点鎖線で示すように部分５ａ（５ｂ）の内面
と作業物質２２ａ（２２ｂ）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つたりす
る条件が必ず形成される。このため、作業物質２
２ａ，２２ｂで発生した熱は、筒部４ａ，４ｂ、
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。したがつて、作業物質２２ａ，２２ｂ
で発生した熱によつてヘリウム槽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。

このように、中心軸がほぼ平行するように、磁
場発生装置としての超電導コイル１４ａ，１４ｂ
を配置し、これら超電導コイル１４ａ，１４ｂの
中心軸に沿つて移動自在にロツド２１ａ，２１ｂ
を設け、さらにロツド２１ａ，２１ｂで作業物質
２２ａ，２２ｂを支持させ、これら作業物質２２
ａ，２２ｂを超電導コイル１４ａ，１４ｂが発生
している磁場内および磁場外へと排他的に移動さ
せるべくロツド２１ａ，２１ｂを駆動する駆動手
段を設けている。

したがつて、上記構造であると、作業物質２２
ａが超電導コイル１４ａの発生している磁場から
離れようとしたときには、作業物質２２ｂが超電
導コイル１４ｂの発生している磁場に近づこうと
する関係が形成される。また、逆に作業物質２２
ｂが超電導コイル１４ｂの発生している磁場から
離れようとしたときには、作業物質２２ａが超電
導コイル１４ａの発生している磁場に近づこうと
する関係が形成される。このため、一方の作業物
質と一方の磁場との間に生じる磁気的吸引力を他
方の作業物質と他方の磁場との間に生じる磁気的
吸引力で減少させることができる。したがつて、
作業物質を移動させるのに必要な動力、特に作業
物質を磁場外に移動させるのに必要な動力を少な
くすることができ、結局、前述した効果を発揮さ
せることができる。

なお、実施例のように、筒部４ａ，４ｂの部分
５ａ，５ｂの内径をロツド２１ａ，２１ｂの外径
より僅かに大きく設定しておけば、部分５ａ，５
ｂにロツド２１ａ，２１ｂ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
構成であると必然的にロツド２１ａ，２１ｂが長
くなるので、このロツド２１ａ，２１ｂを滑らか
に昇降させるには何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
した関係に設定すると、部分５ａ，５ｂにガイド
体としての機能も発揮させることができるので、
それだけ部品数を減らすことができる。また、部
分５ａ，５ｂ内をロツド２１ａ，２１ｂが昇降す
ると、摺動摩擦によつて発熱するが、部分５ａ，
５ｂは冷却されているので、発熱の影響を回避す
ることができる。また、実施例のように主磁場発
生装置と補助磁場発生装置とを設け、補助磁場発
生装置で磁場の縁部の強度勾配を急峻化させるよ
うにすると、作業物質が磁場外へ出るのに必要な
移動ストロークを小さくできる。したがつて、装
置全体の小型化に寄与できる。

【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
の縦断面図、第２図は同装置の要部だけを取り出
して示す断面図である。 １……外槽、２……内槽、６……ヘリウム槽、
４ａ，４ｂ……良熱伝導材で形成された筒部、１
４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ……磁場発生装置
としての超電導コイル、２０ａ，２０ｂ……シリ
ンダ、２１ａ，２１ｂ……ロツド、２２ａ，２２
ｂ……作業物質、２４ａ，２４ｂ……ラツク、２
６……ピニオン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 断熱容器と、この断熱容器内に発生磁場の中
   心軸をほぼ平行させて設けられた第１および第２
   の磁場発生装置と、前記第１の磁場発生装置の前
   記中心軸に沿つて移動自在に設けられるとともに
   一端側を前記断熱容器の外へ気密に突出させた第
   １のロツドと、前記第１の磁場発生装置の前記中
   心軸に沿つて移動自在に設けられるとともに一端
   側を前記断熱容器の外へ気密に突出させた第２の
   ロツドと、前記第１のロツドの他端側に支持さ
   れ、前記第１の磁場発生装置の発生している磁場
   内に位置したときには発熱し、磁場外に位置した
   ときには吸熱して外面で被凝縮ガスを凝縮させる
   第１の作業物質と、前記第２のロツドの他端側に
   支持され、前記第２の磁場発生装置の発生してい
   る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外面で被凝縮ガスを凝縮
   させる第２の作業物質と、前記第１の作業物質が
   前記第１の磁場発生装置の発生している磁場内に
   位置しているときに上記第１の作業物質に接触ま
   たは近接する第１の良熱伝導性部材と、前記第２
   の作業物質が前記第２の磁場発生装置の発生して
   いる磁場内に位置しているときに上記第２の作業
   物質に接触または近接する第２の良熱伝導性部材
   と、前記第１および第２の良熱伝導性部材に伝わ
   つた熱を前記断熱容器外へ排熱する手段と、前記
   第１および第２のロツドの前記一端側にそれぞれ
   連結されるとともに互いに対向関係に配置された
   第１および第２のラツクと、前記第１のラツクと
   前記第２のラツクとの間に配置されて上記第１お
   よび第２のラツクに共通に噛合するピニオンと、
   このピニオンを交互に正転、逆転駆動して前記第
   １および第２の作業物質を前記第１および第２の
   磁場発生装置の発生している磁場内および磁場外
   へ交互に位置させる駆動手段とを具備してなるこ
   とを特徴とする磁気冷凍装置。 ２ 前記第１および第２の磁場発生装置は、磁場
   終端の強度勾配を急峻化させる補助磁場発生装置
   をそれぞれ備えてい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。