JPH0481100B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は高効率で冷凍能力の大きい磁気冷凍機
に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

Gdガドリニウム等の希土類元素またはその化
合物に磁界を加えるとその温度が上昇し、また上
記磁界を除くと温度が再び元に戻ることが知られ
ている。このような物質の磁界による温度特性を
利用して従来磁気冷凍機が開発されている。この
磁気冷凍機は、例えば第１図に示すように、パル
ス駆動される超電導磁石１が断続的に形成する磁
場空間内に上述した作業物質２を設けて該作業物
質２に冷凍サイクルを生起させ、この作業物質２
を設けた空間にヒートパイプ部３を介して連通さ
れた液体ヘリウム槽４内のヘリウムを冷凍する如
く構成されている。予冷用冷凍機５はガス注入弁
６、ガス戻り弁７およびバイパス弁８からなる弁
機構を介して前記作業物質２を設けた空間部の高
温排熱部９に接続されており、前記作業物質２が
得た余分な熱を回収するようになつている。

かくしてこのように構成された磁気冷凍機にあ
つては、超電導磁石１を励磁して作業物質２に磁
界を加えると該作業物質２の温度が上昇する。こ
の時、バイパス弁８を閉じ、ガス注入弁６および
ガス戻り弁７を開いて前記予冷用冷凍機５から高
温排熱部９に冷却ガスを流して前記作業物質２の
余分な熱を回収する。しかる後、前記ガス注入弁
６およびガス戻り弁７を閉じ、バイパス弁８を開
けた後、前記超電導磁石１の励磁を停止して磁場
を無くす。この結果、前記作業物質２の温度が下
がり、その温度がヘリウムの液化点以下になると
作業物質２の表面でヘリウムが凝縮する。そし
て、この凝縮により液化したヘリウムは前記ヒー
トパイプ部３を通つて液体ヘリウム槽４に落下
し、液体ヘリウム槽４内のヘリウムガスが前記作
業物質２の収納空間に送られる。以上の過程が繰
返して行われてヘリウムの液化が行われる。

磁気冷凍機はこのような冷凍作用を呈し、ヘリ
ウム等の液化処理に多大な効果を奏するものであ
る。

ところが上述したように冷凍機の動力源である
超電導磁石１は、作業物質２に断続的に磁界を印
加するべくパルス駆動される為、その損失が大き
いと云う問題を有している。この結果、冷凍機の
駆動効率が悪いことのみならず、その冷凍能力が
非常に悪いと云う問題があつた。

〔発明の目的〕

本発明はこのような事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、駆動効率および
冷凍能力の高い実用性に優れた磁気冷凍機を提供
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
冷凍機では、被冷却ガスを収容したガス槽と、こ
のガス槽内の上部に通じた２箇所の空間に常時磁
場を発生する２つの磁場発生装置と、前記各空間
から前記ガス槽内の上部に至る経路に移動自在に
設けられて磁場内に位置したときには発熱し、磁
場外である前記ガス槽内の上部に位置したときに
は吸熱して上記ガス槽内の被冷却ガスを液化する
２つの作業物質と、前記ガス槽の外に設けられた
１つの駆動源から動力を与えて前記２つの作業物
質を前記空間内および前記ガス槽内の上部への排
他的に往復移動させる駆動手段と、前記各空間内
にそれぞれ吸込口と吐出口とを位置させ、上記吸
込口を介して吸込んだ前記被冷却ガスの一部を冷
却した後に上記吐出口を介して前記空間内に位置
する前記作業物質に吹付けて各作業物質の排熱を
回収する排熱回収手段とを備えている。

〔発明の効果〕

かくして本発明によれば、磁場の形成空間と磁
場の無い空間との間を作業物質が往復移動して冷
凍サイクルを呈するので上記磁場を形成する超電
導磁石等を従来のようにパルス駆動する必要がな
い。すなわち、この冷凍機を運転するのに必要な
パワーのほとんどは２つの作業物質を往復移動さ
せるためのものであるが、１つの駆動源を用いて
２つの作業物質を排他的に往復移動させているの
で、一方の作業物質が磁場から離れようとしたと
きに他方の作業物質が磁場に近付く関係となり、
一方の作業物質と磁場との間に生じる磁気的吸引
力を他方の作業物質と磁場との間に生じる磁気的
吸引力で結果的に減少させることができる。した
がつて、２つの作業物質を往復移動させるのに必
要なパワーを十分少なくでき、この結果、冷凍効
率を向上させることができる。また特に、磁場の
印加されている各空間内にそれぞれ吸込口と吐出
口とを位置させ、吸込口を介して吸込んだ被冷却
ガスの一部を冷却した後に上記吐出口を介して空
間内に位置する作業物質に吹付けて各作業物質の
排熱を回収する排熱回収手段を設けているので、
ガス槽内の被冷却ガスを汚染することなく、各作
業物質を直接的に予冷でき、作業物質を移動させ
る方式を採用したときに問題となる作業物質の予
冷を効率よく行わせることができる。したがつ
て、冷凍効率の向上は勿論のこと、冷凍能力の向
上も図ることができる。故に従来の欠点を解消し
た高効率で大きな冷凍能力を持つ等の実用性に優
れた磁気冷凍機をここに提供することができる。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照して本発明の一実施例につき
説明する。

第２図は実施例に係る磁気冷凍機の概略構成図
である。

真空断熱容器１１の内側には被冷却媒体である
ヘリウムを収納した液体ヘリウム槽１２が設けら
れている。しかして前記真空断熱容器１１には、
これに挿通し、且つ前記液体ヘリウム槽１２に連
通して２本のシリンダ１４が設けられており、こ
のシリンダ１４内には上下自在にピストン１５が
設けられている。ピストン１５はモータ１６の回
転によりクランク機構１７を介して前記シリンダ
１４内を往復移動されるものである。なお、２本
のピストン１５は相互に連動して互いに逆向き、
つまり排他的に往復移動させるようになつてい
る。これにより、モータ１６による前記ピストン
１５の駆動力が最少に抑えられるようになつてい
る。

しかして前記ピストン１５の先端部にはGd等
の磁界を受けて磁気冷凍作用を呈する作業物質１
８が取付けられており、該作業物質１８はピスト
ン１５の往復移動に伴つて一定の磁場を形成した
第１の空間と磁場の無い第２の空間との間を往復
移動されるものとなつている。上記第１の空間は
前記ピストン１５の下死点位置に設けた超電導磁
石１９により一定の磁場空間を形成したもので、
その磁場空間は超電導磁石２０が発生する打消用
磁場により前記ピストン１５の上死点に定められ
た磁場の無い第２の空間と磁気的に分離されてい
る。つまり上記超電導磁石２０は第１の空間に対
して短い距離にある第２の空間での磁場を零
（０）とする為の打消し用の磁場を発生しており、
前記超電導磁石１９が発生する磁界の第２の空間
に対する影響を除去している。このような超電導
磁石１９，２０により前記ピストン１５（作業物
質１８）の往復移動範囲に一定の磁場を形成した
第１の空間と磁場の無い第２の空間とが形成さ
れ、これらの空間の間を前記作業物質１８が往復
移動して、該作業物質１８は磁気冷凍サイクル作
用を生起している。

しかして上記磁場の無い第２の空間は前記液体
ヘリウム槽１２に連通して、或いは前記液体ヘリ
ウム槽１２の上部空間として形成されており、該
第２の空間には被冷却物であるヘリウムガスが導
かれている。また、液体ヘリウム槽１２内の上部
空間で、前記第１の空間を囲む位置には高温排熱
部２１が設けられている。この高温排熱部２１に
は第１の空間に存在しているヘリウムガスを吸込
む吸込み口と第１の空間に向けてヘリウムガスを
吹出す吹出し口とが設けられている。そして、吸
込み口は循環ポンプ２２および予冷用冷凍機２３
を介して吹出し口に通じている。すなわち、循環
ポンプ２２の力を使つて吸込み口から第１の空間
に存在しているヘリウムガスを吸込み、これを予
冷用冷凍機２３で冷却し、この冷却されたヘリウ
ムガスを吹出し口から作業物質１８に向けて吹付
けるようにしている。この冷却ガスにより前記作
業物質１８が強制的に、且つ効果的に冷却され、
その排熱は前記循環ポンプ２２から予冷用冷凍機
２３を介して外部に放出される。尚、前記シリン
ダ１４の開口部に設けたパツキング１３は該シリ
ンダ１４の内部を常温状態にある外部とシールす
るものである。また前記超電導磁石１９，２０は
液体ヘリウムに侵漬されて超電導状態に保たれ、
永久電流モードで一定の磁界を発生している。

かくしてこのように構成された磁気冷凍機によ
れば、作業物質１８は一定の磁場を形成した第１
の空間と磁場の無い第２の空間との間を往復移動
して磁気冷凍作用を呈し、第２の空間に導かれた
被冷却物であるヘリウムの熱を吸収して第１の空
間に移動し、この熱を第１の空間にてその磁気冷
凍作用により排熱する。そしてこの熱は前記作業
物質１８に吹付けられる冷却ガスにより強制的に
熱交換されて循環ポンプ２２、予冷用冷凍機２３
を介して外部に放出されることになる。この件
果、液体ヘリウム槽１２内の被冷却物であるヘリ
ウムガスがその液化点以下に冷却され、凝縮して
液体ヘリウムとなつて同槽１２内に溜ることにな
る。

つまり液体ヘリウム槽１２内のヘリウムガスは
第２の空間に導かれて、ピストン１５の移動を動
力源とする作業物質１８の磁気冷凍作用により熱
交換される。そして該作業物質１８により第２の
空間から第１の空間に熱移動された後、前記冷却
ガスの吹付けにより強制的、且つ効果的に熱交換
されて外部に排熱される。故に被冷却物であるヘ
リウムは、モータ１６によるピストン１５の往復
移動と云う少ない動力源で効率良く冷却されるこ
とになる。換言すれば、本構成の磁気冷凍機は高
い冷凍効率と、高い冷凍能力を有すると言える。
また上述したように超電導磁石１９，２０はそれ
ぞれ一定の磁場を発生ずれば良く、従来のものと
は異なつてパルス駆動する必要が無いので、その
駆動源の構成の大幅な簡素化を図ることができ
る。しかも超電導磁石１９，２０を永久電流モー
ドで動作させるように構成することにより、駆動
エネルギの省力化を図り得る。また上述した構成
によれば駆動源としてモータ１６によるピストン
１５の移動力を必要とするが、前述したように２
本のピストン１５を用い、これらのピストン１５
が相互に逆向きに往復移動する如く構成すること
により２本のピストン１５の異なる向きへの移動
力を相殺してモータ１６に必要な駆動力を最少に
抑えることができ、その駆動効率を高めることが
できる。

尚、本発明は上述した実施例に限定されるもの
ではない。例えばモータ１６の回転による２本の
ピストン１５の移動駆動手段は、適宜リング機構
やギヤ機構等を介して相互に関連させて２本のピ
ストン１５に伝達するようにすればよいものであ
り、そのメカニズムは種々変形できる。またその
駆動源はモータ１６に限定されないことも云うま
でもない。要するに本発明はその要旨を逸脱しな
い範囲で種々変形して実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の磁気冷凍機の概略構成図、第２
図は本発明の一実施例に係る磁気冷凍機の概略構
成図である。 １１……真空断熱容器、１２……液体ヘリウム
槽、１３……パツキング、１４……シリンダ、１
５……ピストン、１６……モータ、１７……クラ
ンク機構、１８……作業物質、１９……超電導磁
石、２１……高温排熱部、２２……循環ポンプ、
２３……予冷用冷凍機。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 被冷却ガスを収容したガス槽と、このガス槽
   内の上部に通じた２箇所の空間に常時磁場を発生
   する２つの磁場発生装置と、前記各空間から前記
   ガス槽内の上部に至る経路に移動自在に設けられ
   て磁場内に位置したときには発熱し、磁場外であ
   る前記ガス槽内の上部に位置したときには吸熱し
   て上記ガス槽内の被冷却ガスを液化する２つの作
   業物質と、前記ガス槽の外に設けられた１つの駆
   動源から動力を与えて前記２つの作業物質を前記
   空間内および前記ガス槽内の上部へと排他的に往
   復移動させる駆動手段と、前記各空間内にそれぞ
   れ吸込口と吐出口とを位置させ、上記吸込口を介
   して吸込んだ前記被冷却ガスの一部を冷却した後
   に上記吐出口を介して前記空間内に位置する前記
   作業物質に吹付けて各作業物質の排熱を回収する
   排熱回収手段とを具備してなることを特徴とする
   磁気冷凍機。