JPH068708B2 - 小型極低温冷凍装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、クライオポンプやＨｅ液化装置等に適用可能
な磁気冷凍を利用した小型極低温冷凍装置に関するもの
である。

［従来の技術］ 従来の小型極低温冷凍装置は、シリンダ内にピストン状
のディスプレサーをスライド可能に嵌装し、このディス
プレサーを往復動作させることによって該ディスプレサ
ーと前記シリンダの低温端との間に形成される膨張室の
容積を増減させ、その膨張室の拡縮によりガスを順次膨
張させて所定の冷凍サイクルを営ませるようにしたもの
が一般的であるが、このようなものでは原理的に２０Ｋ
〜１５Ｋが熱の汲み上げ可能な温度限界であり、このた
め液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）程度の極低温を実現す
るためには４Ｋから２０Ｋへ熱を汲み出しを可能にする
冷凍手段と組み合せが必要である。

かかるガスサイクルの小型冷凍機と組み合わされる冷凍
手段の一つとして、磁気冷凍材（極低温においてエント
ロピの変化特性が磁場の強さによって異なる物質）を利
用した磁気冷凍機の利用が案出されている。すなわち、
この磁気冷凍機ではその磁気冷凍材に消磁−励磁を繰り
返すサイクルを営ませると、消磁中は断熱消磁により温
度が下るとともにエントロピの増加に伴なって吸熱し、
励磁中は断熱励磁により温度が上るとともにエントロピ
の減少に伴なって放熱するヒートポンプの作用を発揮し
得るもので、最近の研究によれば４Ｋから２０Ｋへの熱
の汲み上げに利用できることが実証されている。

しかして、この磁気冷凍機を利用するものとして現在提
唱されている極低温冷凍装置は、前記の如きガスサイク
ルの小型冷凍機と磁気冷凍機とを各々独立したものに構
成し、両者を適宜のサーマルアンカーで結合して、磁気
冷凍機から常温への熱の汲み出しを行なうようにしてい
る。具体的には、ガス冷凍機のコールドヘッドと磁気冷
凍機の磁気冷凍材とを金属の熱伝導やＨｅガスの熱伝達
を介して熱的に連結するようにしている。しかし、この
ように両者を別々に構成して組み合わせるようにしたも
のでは、必然的に機構が複雑なものとなり、装置全体と
しての大型化も免れないのみならず、その伝熱部への外
部からの熱侵入が不可避であるから伝熱ロスに起因する
冷凍能力の低下も大きいという問題がある。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は、以上のような問題点に着目してなされたもの
であって、ガス冷凍機と磁気冷凍機とを組み合わせてＨ
ｅ液化温度以下の極低温を実現できるようにした冷凍装
置として、上記諸問題点を同時に解決することができる
もの、即ち装置全体として小型化が図られ、またガス冷
凍機と磁気冷凍機との間の伝熱機構が簡易に構成され、
しかも伝熱ロスが少なくて冷凍性能の向上も期待できる
極低温冷凍装置を新たに提供することを目的としてい
る。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、このような目的を達成するために、極低温側
に当る最終段階膨張室の外壁を磁気冷凍材で形成すると
ともに、この磁気冷凍材の内面に対向し前記膨張室を拡
縮するピストン部材の端面を前記膨張室の排気工程毎に
該磁気冷凍材の内面に当接させるように構成した往復動
型冷凍機と、前記磁気冷凍材に磁界を可変自在に印加す
る磁界可変手段とを具備してなるものにし、この磁界可
変手段に、前記磁気冷凍材を前記ピストン部材が接近し
てくる際に励磁させ、一方前記ピストン部材が離反する
際に消磁させるためのタイミング制御部を設けたことを
特徴とする。

［作用］ このように構成したものであれば、往復動型ガス冷凍機
の機種やこれに営ませる冷凍サイクルの種類にかかわら
ず、その最終段膨張室の外壁をなす磁気冷凍材がピスト
ン部材との接離を熱スイッチとして逆カルノーサイクル
に似た熱サイクルを営み、磁気冷凍材のまわりの極低温
域から吸熱しこれをガス冷凍機のピストン部材に直接放
熱するものとなる。すなわち、前記膨張室の外壁を兼ね
る磁気冷凍材は、ピストン部材が接近してくる際にタイ
ミング制御部に制御された磁界可変手段によって励磁さ
れるので、このときにはまず断熱励磁されて昇温して行
き、次いでピストン部材がその内面に当接して両者が接
触すると、熱伝導により該ピストン部材に熱を与えなが
ら等温励磁されることになる。また、ピストン部材が離
反する際にはタイミング制御部に制御された磁界可変手
段によって消磁されるので、このときにはまず磁気冷凍
材は断熱消磁されて降温して行き、次いでその温度がま
わりの極低温域の温度にまで下るとその周囲から熱を奪
って等温消磁されることになる。そして、このようなサ
イクルで汲み出された熱は、往復動型ガス冷凍機の冷凍
サイクルで常温側に汲み出されることになる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図および第２図は、本発明に係る極低温装置の概略
構成を示す図であって、上方常温側に往復動型ガス冷凍
機１を、下方極低温側に磁気冷凍機２を配設してなるも
のである。

往復動型ガス冷凍機１は、近時本発明者が開発し提案し
ている可動シェル型のもので、図ではこの種二段タイプ
のものを示している。そこで先ず、このガス冷凍機１の
構成について簡述すると、このものでは各段において、
内設蓄冷器３ｂ、４ｂと、該蓄冷器３ｂ、４ｂを包囲し
軸心方向にスライド可能な筒状の可動シェル５と、該シ
ェル５を外設蓄冷器３ａ、４ａを介在せしめて包囲して
いる筒状のケーシング６とを配設してなるとともに、各
段の下端部において前記可動シェル５とその内外で対面
する部材との間につくられる容積空間に、この場合ピス
トン部材に相当する該可動シェル５の上下往復動で内外
交互に拡縮する膨張室７ｂ、７ａ，８ｂ、８ａを形成し
てなるものである。さらに具体的に説明すると、まず第
１段の前記内設蓄冷器３ｂは可動シェル５内部へのガス
の流出入部材を兼ねる連通管１０で連結されて常温端の
ベース９に支持されており、また第２の前記内設蓄冷器
４ｂはこの第１段の内設蓄冷器３ｂに支持されていてそ
れぞれ位置決め固定されている。また、第１段と第２段
の前記外設蓄冷器３ａ、４ａは各々前記ケーシング６に
固持され、前記ベース９に支持されたケーシング６と共
に位置決め固定されている。なお、上記の各蓄冷器は言
う迄もなくガスの通気性をもち、流通ガスとの熱交換を
図るためのものである。さらに、前記可動シェル５はベ
ース９側の上端に蓋部を有し該蓋部から前記連通管１０
を気密に貫通せしめているとともに、その上端部内外に
チャンバ１１ｂ．１１ａを形成している。そして、この
可動シェル５の内側には前記ベース９に設けた流出入ポ
ート１２から前記連通管１０を通して第１段の内設蓄冷
器３ｂ中にガスが吸排できるようになっており（チャン
バ１１ｂ中へもガスが充満される）、また可動シェル５
の外側には前記ベース９に設けた流出入ポート１３から
チャンバ１１ａを通してガスが吸排できるようになって
いる。

そして、このような構成からなる可動シェル型のガス冷
凍機において、そのコールドヘッド側に後に述べる磁界
可変手段と共に磁気冷凍機２を一体的構成すべく、例え
ばＧＧＧ（ガドリウム・ガリウム・ガーネット）からな
る磁気冷凍材１８を配設している。すなわち、この磁気
冷凍材１８はガス冷凍機の極低温側に当る最終段の前記
膨張室８ａの下端における外壁を形成するようにして設
けられるものであって、図示例の場合では下端が開口し
ている前記ケーシング６の開口部に厚手の磁気冷凍材１
８を嵌着して該開口部を気密に封鎖していると同時に、
その内面を最終段膨張室８ａに露呈させ外面を外側の極
低温雰囲気に露呈せしめている。また、この磁気冷凍材
１８からなる最終段膨張室８ａの内面と対向する前記可
動シェル５の下端には、該シェル下端部１９の蓄熱能力
を増大すべくこの部分を例えばＰｂ製の厚手の蓄熱部材
で形成するようにしている。具体的には、図示例の場合
下端が開口している可動シェル５の開口部に別体の蓄熱
部材１９を嵌着し該該開口部を気密に封鎖するようにし
ている。なお、この蓄熱部材１９はそれ自体通気性を有
するものであってはならないが、例えばガス侵入孔を穿
設するなどして内外膨張室８ｂ、８ａ内のガスとの熱交
換をできるだけ促進するようにするのが好適である。そ
して、上記の如く最終段膨張室８ａを挟んで磁気冷凍材
１８と蓄熱部材１９とを配設しているとともに、可動シ
ェル５の外側の膨張室８ａ、７ａの排気工程毎に、つま
りシェル下端部１９が磁気冷凍材１８に降下接近してく
る毎に、第１図に示すように、その上死点で両者を直接
当接させ、互いに面接触させるようにガス冷凍機１の往
復動を調整している。

このように構成した可動シェル型冷凍機１の駆動手段に
ついて概説すると、常温端側の前記ベース９に設けた流
出入ポート１２、１３には、コンプレッサ１４の吐出口
と吸気口とに各々連通される給気系路１５と排気系路１
６とがタイミングバルブ１７を介して切換え可能に接続
され、このバルブ１７の切換えによって可動シェル５内
外の膨張室７ｂ、８ｂ，７ａ、８ａに必要な吸排気が交
互に行なわれると同時に、可動シェル５はその内外の吸
入ガス圧で自動的に往復動するものとなっている。すな
わち、可動シェル５はその内側に高圧ガスが導入される
ときには低温側と常温側の受圧面積の差（具体的にはチ
ャンバ１１ｂでの前記連通管１０の断面積分）により下
方に付勢され、逆にその外側に高圧ガスが導入されると
きには同じく低温側と常温側の受圧面積の差（具体的に
はチャンバ１１ａでの前記連通管１０の断面積分）によ
り上方に付勢されるようになっているのである。そし
て、このような可動シェル５の１回の往復動につき、内
側の膨張室７ｂ、８ｂと外側の膨張室７ａ、８ａとが半
周期位相をずらしてそれぞれ拡縮するものとなる。

次いで、前記磁気冷凍機２の構成を説明すると、この磁
気冷凍機２は、上記ガス冷凍機１の下端にその最終段膨
張室８ａの外壁を兼ねて設けた磁気冷凍材１８と、該磁
気冷凍材１８の周囲に配設される磁界可変手段２０とか
ら構成される。そして、この場合磁界可変手段２０は、
液化Ｈｅ等を貯留する液だめ２０ｂをもった環状の可動
ケース２０ａ内に超電導マグネット２１を内設してなる
ものであって、該超電導マグネット２１をその可動ケー
ス２０ａと一体にガス冷凍室１の前記タイミングバルブ
１７の切換えに同期させて上下に往復動させることによ
り、前記磁気冷凍材１８を所定のタイミングで励磁また
は消磁できるようにしている。つまり、その上下往復動
を司どる図示しない駆動機構に駆動方向切換えのタイミ
ングを与える前記タイミングバルブ１７が本発明のタイ
ミング制御部をなしている。すなわち、前記可動シェル
５の磁気冷凍材１８に接近してくる際には超電導マグネ
ット２１を上昇させてこれを磁気冷凍材１８のまわり近
づけて行き磁気冷凍材１８を励磁させるようにし（第１
図の状態）、また逆に前記可動シェル５が磁気冷凍材１
８から離反する際には超電導マグネット２１を下降させ
てこれを磁気冷凍材１８から遠ざけ磁気冷凍材１８を消
磁させるようにする（第２図の状態）。そして、この下
降時において超電導マグネット２１はそのケース２０ａ
ごと下方のデュワ２２に貯留されている液化ガス２３中
に浸漬され、この時その液だめ２０ｂにＬＨｅ等が逐次
補給されることになる。なお、第１図において、２４は
ガスの液化室であり、２５は磁気冷凍機２およびガス冷
凍機１の低温側を包囲している真空室である。

上記構成からなる冷凍装置の作動をＨｅ液化に供する場
合を例に説明する。

各段の外側膨張室７ａ、８ａの容積が最大で内側膨張室
７ｂ、８ｂの容積が最小（第２図の状態）のとき、タイ
ミングバルブ１７をＢ位置にして可動シェル５の内側を
給気系路１５にその外側を排気系路１６に連通させる
と、内側の膨張室７ｂ、８ｂには蓄冷器３ｂ、４ｂを通
って予冷されながら高圧ガスが導入され、他方外側の膨
張室７ａ、８ａからは断熱膨張によって冷却されたガス
が蓄冷器３ａ、４ａを冷やしながら排出されることにな
るが、これと同時に前述のような可動シェル５に作用す
るガス圧のアンバランスによって可動シェル５が降下し
て行き、ついには最終段膨張室８ａにおいてその磁気冷
凍材１８の内面にシェル下端部１９が当接するに到る。
一方、前記タイミングバルブ１７の切換えと同時に、前
記超電導マグネット２１は下方の液体Ｈｅ中から磁気冷
凍材１８のまわりの近接位置にまで上昇して該磁気冷凍
材１８を磁場強さＢ＝０からある強さＢ＝Ｂ_１にまで励
磁することになる。しかして、このときには第３図にお
いてＩ−IIに示すように、まず磁気冷凍材１８が断熱励
磁（外部と熱の授受のない等エントロピ変化）によりそ
れ自身昇温して行き、次いでシェル下端部１９が磁気冷
凍材１８の内面に当接し両者が面接触すると、磁気冷凍
材１８が接触熱伝導によってシェル下端部１９に熱を奪
われるためシェル下端部１９の温度が１５Ｋであるなら
ば、磁気冷凍材１８はこの温度を保って第３図のII−II
Iに示すように、等温励磁されることになる。

次に、シェル下端部１９が磁気冷凍材１８の内面に当接
する第１図の状態、即ち各段の外側膨張室７ａ、８ａの
容積が最小で内側膨張室７ｂ、８ｂの容積が最大の状態
から、タイミングバルブ１７をＡ位置にして可動シェル
５の外側を給気系路１５にその内側を排気系路１６に連
通させると、内側の膨張室７ｂ、８ｂからは断熱膨張に
よって冷却されたガスが蓄冷器３ｂ、４ｂ冷やしながら
排出され、他方外側の膨張室７ａ、８ａからは高圧ガス
が蓄冷器３ａ、４ａを通って予冷されながら導入される
ことになるが、これと同時に前述のような可動シェル５
に作用するガス圧のアンバランスによって可動シェル５
が今度は上昇して行き、ついには第２図のように最終段
膨張室８ａにおいてそのシェル下端部１９が磁気冷凍材
１８の内面から最も離れた下死点の位置に到る。一方、
前記タイミングバルブ１７の切換えと同時に、前記超電
導マグネット２１は今度は磁気冷凍材１８のまわりから
離れるように降下して下方の液化Ｈｅ２３中に浸漬され
るから、これに伴ない該磁気冷凍材１８を磁場強さＢ＝
Ｂ_１からＢ＝０に消磁することになる。しかして、この
ときには第３図においてIII−IVに示すように、まず磁
気冷凍材１８が断熱消磁（外部と熱の授受のない等エン
トロピ変化）によりそれ自身降温して行き、次いでその
温度がＬＨｅ温度４．２Ｋにまで下ると該磁気冷凍材１
８は周囲のガス液化室２４のＨｅガスから熱を奪ってこ
れを液化しつつ、第３図のIV−Ｉに示すように等温消磁
されることになる。

したがって、以上のサイクルによると、磁気冷凍材１８
は逆カルノーサイクルに似た熱サイクルを営んで、極低
温側のガス液化室２４（４．２Ｋ）からガス冷凍機１の
コールドヘッド（１５Ｋ）に熱を汲み上げるヒートポン
プの役割を果すことになる（IV−Ｉで吸熱し、II−III
で放熱する）。しかもこの磁気冷凍材１８からガス冷凍
機１への熱の移動は、磁気冷凍材１８とシェル下端部と
の接触熱伝導と離反しているときの熱伝達の差により有
効な熱スイッチを実現して効率よく行なわれるものとな
る。そして、このようにして磁気冷凍材１８によって
４．２Ｋの温度レベルから１５Ｋの温度レベルのシェル
下端部１９への熱伝導を介しコールドヘッド側に汲み上
げらてた熱は、ガス冷凍機１の冷凍サイクルによって常
温側に汲み出されることになる。なお、この可動シェル
型のものからなるガス冷凍機１には、作動説明で示した
ようなギフォードマクマホンサイクルに限らず、他の例
えばソルベーサイクルなどの冷凍サイクルを営ませるよ
うにしてもよい。

このような構成および作用を有する冷凍装置であれば、
次のような効果が得られるものとなる。まず第１には、
このものでは従来のようにガス冷凍機と磁気冷凍機とを
独立して構成しこれら熱移動部材を介して熱的に連結す
る構造のものに比較すると、両者を有機的に一体結合し
て構成されるものであるからＬＨｅ温度（４．２Ｋ）程
度からの冷凍能力を備えたものとしては、従来に無い非
常に小型の極低温冷凍装置が実現できることである。ま
た第２には、上記の如くこのものでは別に熱移動部材を
要さず、ガス冷凍機の最終段膨張室の外壁を形成するよ
うにした磁気冷凍材からシェル下端部との接離を熱スイ
ッチとしてガス冷凍機のコールドヘッド側に直接熱が伝
えられるものであるから、従来のように熱的に連結する
ために機構が複雑化することもないし、同時にその伝熱
部に外部から熱侵入を来すおそれも除かれるから伝熱ロ
スに起因する冷凍効率の低下も最小に抑えられる。

以上、一実施例について説明したが、本発明の小型極低
温冷凍装置はこれに限定されるものではなく、種々の態
様に改変して実施することが可能なものである。これに
ついて例示すれば、まず本発明で使用する磁気冷凍材は
必ずしも前記ＧＧＧに限定されるものではなく、要する
に極低温でエントロピの変化特性が磁場の強さ等によっ
て大きく変動する物質であれば広く利用できるものと予
想される。

また、実施例ではその磁気可変手段として超電導マグネ
ットを固定位置の磁気冷凍材に対し移動させて、該磁気
冷凍材の磁場強さを変化させるようにしたが、これは磁
気冷凍材に対し固定位置に配設した電磁石のコイル電流
をＯＮ／ＯＦＦして励磁−消磁させるようにしてもよ
い。この場合、タイミング制御部はそのＯＮ−ＯＦＦ切
換え用スイッチのタイミングを図るものであればよく、
例えば前記タイミングバルブ１７を利用することができ
る。

そして、本発明で使用されるガス冷凍機の種別について
も、基本的に往復動型のものであれば同様に実施可能な
ものと考えられる。すなわち、必ずしも可動シェル型の
ものと組み合せる場合に限定されない。しかし、実施例
のように特に可動シェル型のガス冷凍機と組み合せるよ
うにした場合では、次のような理由から本発明の利用価
値を一層高揚させることができる。すなわち、この新型
のものでは従来一般的な蓄冷器を一体に内有したディス
プレーサを往復動するタイプものに比較すると、その可
動シェルの一往復で内外膨張室がそれぞれ１サイクルを
営んで実質的に冷凍能力が倍増される特徴があるばかり
でなく、慣性質量の小さな可動シェルを往復動させるた
め、内部空間に蓄冷器を充填してその容積を最大限に活
用しても振動等の問題を惹起せず、それ故この種のガス
冷凍機として同一性能でも最もコンパクトなものが提供
できるのである。つまり、このことは磁気冷凍機との組
み合せで小型化を最大限に図る上に非常に好都合となる
のである。

なお、この可動シェル型のものは実施例の場合のように
２段タイプのものに限らず、必要に応じ任意の段数に増
減できることは言う迄もない。また、実施例の場合磁気
冷凍材に当接するピストン部材の端面をなすシェル下端
部の構成材料には、該磁気冷凍材との接触面側を熱伝導
性が良くしかも軽量な材料で形成するようにした複合材
を用いるようにしてもよいし、さらに膨張ガスとの熱交
換を促進するため該膨張ガスと接する部位にフィンを設
けるようにしてもよい。

［発明の効果］ 本発明は、以上のような構成を具備してなるものである
から、液体ヘリウム温度程度の冷凍に利用される小型極
低温冷凍装置として、特に小型コンパクトに構成でき
て、しかも構造簡易であるとともに、磁気冷凍材からの
伝熱ロスに起因する効率低下のない高い冷凍能力を備え
たものが提供できたものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示し、第１図は本発明に係る
冷凍装置の概略構成を示す断面図であり、第２図はその
可動シェルが第１図と異なる位置にあるときの同一部断
面図であり、第３図はこの冷凍装置の熱サイクルを示す
温度−エントロピ線図である。 １・・・ガス冷凍機 ２・・・磁気冷凍機 ３ａ、４ａ・・・外設蓄冷器 ３ｂ、４ｂ・・・内設蓄冷器 ５・・・可動シェル（ピストン部材） ６・・・ケーシング ７ａ、８ａ・・・外側膨張室（８ａ・・・最終段膨張
室） ７ｂ、８ｂ・・・内側膨張室 ９・・・ベース １０・・・連通管 １２、１３・・・流出入ポート １５・・・給気系路 １６・・・排気系路 １７・・・タイミング制御部（タイミングバルブ） １８・・・磁気冷凍材 １９・・・シェル下端部（蓄熱部材） ２１・・・超電導マグネット（磁界可変手段）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】極低温側に当る最終段膨脹室の外壁を磁気
   冷凍材で形成するとともに、この磁気冷凍材の内面に対
   向し前記膨脹室を拡縮するピストン部材の端面を前記膨
   脹室の排気工程毎に該磁気冷凍材の内面に当接させるよ
   うに構成した往復動型ガス冷凍機と、前記磁気冷凍材に
   磁界を可変自在に印加する磁界可変手段とを具備してな
   るものにし、この磁界可変手段に、前記磁気冷凍材を前
   記ピストン部材が接近してくる際に励磁させ、一方前記
   ピストン部材が離反する際に消磁させるためのタイミン
   グ制御部を設けたことを特徴とする小型極低温冷凍装
   置。