JPH08219576A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、冷凍出力を向上できる冷凍装置を得
ることにある。 【構成】上下動可能な熱スイッチ45の下方に磁性体収納
容器54を設け、この容器54に超電導磁石36の内側空芯部
36a 内に配置される磁性体56を収納し、この磁性体56の
上端面56a に熱スイッチ45の下端面45a を接触させて超
電導磁石36の磁場の印加により発熱される磁性体56の熱
を、熱スイッチ45に放出する磁気式の冷凍装置を前提と
する。磁性体収納容器54をその下側からベローズ53で支
持して、このベローズ53の自由変形により磁性体56を収
納した磁性体収納容器54を傾き動き得るように設ける。
それにより、磁性体56の上端面56a に熱スイッチ45の下
端面45a が片当たりすることを防止して、磁性体56から
熱スイッチ45への排熱量を増加させることを特徴として
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷凍出力を向上させた
磁気式の冷凍装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気式の冷凍装置は磁気冷凍機とも通称
されており、その構成は図３に示されている。図３中１
は断熱真空容器、２は液体窒素３が収納される液体窒素
槽、４は液体窒素供給管、５は蒸発窒素排気管、６は超
電導磁石、７は超電導磁石６の液体ヘリウム６ａが収納
される液体ヘリウム槽、８は液体ヘリウム供給管、９は
蒸発ヘリウム排気管、１０は超電導空芯コイル、１１は
ヘリウムガス１２が封入された熱スイッチ収納容器、１
３は熱スイッチ、１４はギフォード・マクマホン型冷凍
機（以下ＧＭ型冷凍機と略称する。）、１５は磁性体収
納容器、１６は再液化しようとする液体水素などの極低
温流体１７が収納される極低温流体収納容器、１８は磁
性体、１９はパッキン、２０はばね受けフランジ、２１
はばね、２２は支持台２３に支持されたスイッチ昇降機
構、２４は銅ブロック、２５は銅の網である。

【０００３】この冷凍装置は、断熱励磁過程、等温磁化
過程、断熱消磁過程、および等温消磁過程からなる磁気
冷凍サイクルを繰り返して、間欠的に低温を発生する。
すなわち、断熱励磁過程は、熱スイッチ１３が磁性体１
８の平らな上端面１８ａの上方に離れた上昇位置にある
状態で、超電導磁石６によりその空芯部１０ａ内に位置
された磁性体１８に磁場を印加して、磁性体１８を発熱
させて温度上昇させる過程である。

【０００４】等温磁化過程は、磁性体１８の温度がある
温度まで上昇した後に実行され、スィッチ昇降機構２２
により熱スイッチ１３をその平らな下端面１３ａを磁性
体１８の上端面１８ａに接触させるとともに、磁性体１
８に印加する磁場の強さを増加させる過程である。この
過程では、磁性体１８は温度を一定に保ったまま熱スイ
ッチ１３に熱を放出（磁性体１８側からみて排熱）す
る。こうして放出された低温の熱、すなわち、冷凍出力
は、熱スイッチ１３に銅ブロック２４および網２５を介
して熱電動的に接続されたＧＭ型冷凍機１４に供給され
る。このＧＭ型冷凍機１４は、第１段寒冷発生部１４ａ
と第２段寒冷発生部１４ｂとを有して冷凍作用を営む。

【０００５】次に、実施される断熱消磁過程は、スイッ
チ昇降機構２２により熱スイッチ１３を上昇位置に上昇
させるとともに、超電導磁石６により磁性体１８に印加
する磁場の強さを減少させて、磁性体１８の温度を降下
させる過程である。

【０００６】最後に実施される等温消磁過程は、さらに
超電導磁石６により磁性体１８に印加する磁場の強さを
減少させて、磁性体１８の温度をさらに降下させる過程
である。ところで、前記磁性体収納容器１５と極低温流
体収納容器１６とは互いに連通しており、磁性体１８は
その上端面１８ａを前記容器１５から突出させるととも
に、前記容器１５の内周面との間に極低温流体のガスを
再液化するギャップ２６を形成して前記容器１５内に収
納されているから、前記等温消磁過程により磁性体１８
の温度が極低温流体１７の沸点以下に下がることによ
り、ギャップ２６において極低温流体１７のガスを再液
化できる。

【０００７】したがって、以上の磁気冷凍サイクルを繰
り返す磁気式冷凍装置は、間欠的に、言い換えれば、等
温磁化過程が実行されるたびに、低温を発生することが
できる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上のように磁気式冷
凍装置は、熱スイッチ１３の下端面１３ａを磁性体１８
の上端面１８ａに接触させることにより冷凍出力を得る
ものであるから、前記両面１３ａ、１８ａを正確に面接
触させることが重要である。

【０００９】しかし、熱スイッチ１３および磁性体１
８、ならびにこれらを支持するスイッチ昇降機構２２お
よび磁性体収納容器１５等の寸法や位置のばらつき等に
よる制作誤差があるにも拘らず、従来においては、この
制作誤差を吸収するための手段を何等講じていない。

【００１０】そのため、前記制作誤差に起因して磁性体
１８の上端面１８ａに対し熱スイッチ１３の下端面１３
ａが片当たりとなり易いから、磁性体１８から熱スイッ
チ１３への排熱性能が良くない。したがって、大きな冷
凍出力を得ることが難しいという問題があった。本発明
の目的は、冷凍出力を向上できる冷凍装置を得ることに
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、環状をなす超
電導磁石の上方に上下動可能な熱スイッチを設け、この
熱スイッチにギフォード・マクマホン型冷凍機を熱伝導
的に接続し、前記熱スイッチの下方に極低温流体を収納
する極低温流体収納容器を設け、この極低温流体収納容
器と前記熱スイッチとの間に前記極低温流体収納容器内
と連通する磁性体収納容器を設け、この磁性体収納容器
の上面から突出されるとともに前記熱スイッチの下端面
が接離する上端面を有して前記超電導磁石の内側に配置
される磁性体を、前記磁性体収納容器の内周面との間に
前記極低温流体のガスを再液化するギャップを形成して
前記磁性体収納容器に収納し、前記超電導磁石の磁場が
印加された前記磁性体に前記熱スイッチを接触させて、
この熱スイッチに前記磁性体の熱を放出する磁気式の冷
凍装置を前提とする。

【００１２】そして、前記目的を達成するために、前記
磁性体収納容器をその下側からベローズで支持して、こ
のベローズの自由変形により前記磁性体を収納した前記
磁性体収納容器を傾き動き得るように設けたものであ
る。

【００１３】

【作用】前記構成において、ベローズは、熱スイッチが
下降されて、その下端面が磁性体の上端面に当たること
により多少縮められる。その場合に、制作誤差により前
記両端面が片当たりするときには、ベローズはその自由
変形により磁性体収納容器を傾ける。それにより、前記
片当たりを解消して前記両端面を面接触させることがで
きる。

【００１４】

【実施例】以下、図１および図２を参照して本発明の一
実施例を説明する。図１は本発明の一実施例に係る磁気
式冷凍装置の構成を概念的に示す図であっる。図１中３
１は外部からの侵入熱を少なくするために用いる断熱真
空容器である。この容器３１は、有底筒状をなしている
とともに、その上端開口から外側に張り出すフランジ部
３１ａを有している。

【００１５】断熱真空容器３１内には、この容器３１の
内周面に沿って内張されるようにして常温からの輻射熱
をシールドする液体窒素槽３２が設けられている。液体
窒素槽３２には液体窒素３３が溜められる。この液体窒
素槽３２には、その上端部から液体窒素供給管３４が挿
入されているとともに、液体窒素槽３２の上端部には液
体窒素３３の蒸発分を外部に導く蒸発窒素排気管３５が
接続されている。これらの管３４、３５は、断熱真空容
器３１の上端開口を通って外部に導かれている。

【００１６】液体窒素槽３２の内側空間には環状をなす
超電導磁石３６が配置されている。この磁石３６は、超
電導物質から形成された超電導空芯コイル３７と、この
コイル３７を極低温に冷却保持するための冷却装置とで
形成されている。冷却装置は、超電導空芯コイル３７を
内蔵する環状の液体ヘリウム槽３８内に液体ヘリウム３
９を溜め、このヘリウム３９に前記コイル３７を浸して
形成されている。

【００１７】液体ヘリウム槽３８の上部には、液体ヘリ
ウム供給管４０と、液体ヘリウム３９の蒸発分を外部に
導く蒸発ヘリウム排気管４１とが夫々接続されている。
これらの管４０、４１は、断熱真空容器３１の上端開口
を通って外部に導かれている。

【００１８】液体窒素槽３２の内側空間には、超電導磁
石３６の内側空芯部３６ａを上下方向に貫通して格納容
器４２が配置されている。この容器４２は、円筒状であ
って、超電導磁石３６と同心的に設けられていて、その
下端には極低温流体収納容器４３が連結されている。極
低温流体収納容器４３には液体水素や液体ヘリウム等の
再液化しようとする極低温流体４４が溜められている。

【００１９】格納容器４２の上部には熱スイッチ４５が
収納されている。熱スイッチ４５は、無垢の円柱状をな
す銅製の基部４５ａの下面に絶縁物製からなる円柱状の
接離ヘッド部４５ｂを熱伝導的に連結して形成されてい
る。接離ヘッド部４５ｂは、超電導磁石３６が発生する
磁場がパルス的に出現するように超電導磁石３６を励磁
する時に発生するジュール熱の影響を少なくするために
設けられている。このヘッド部４５ｂには磁気冷凍サイ
クルの温度範囲内で熱伝導率が大きい絶縁物である水晶
などが使用されていて、その下端面４５ｃは平らに形成
されている。

【００２０】熱スイッチ４５はスイッチ昇降機構４６に
支持されている。この機構４６は、例えば断熱真空容器
３１の上端開口を横断して設けた支持台４７に、格納容
器４２の上端に対向してステッピングモータを駆動源と
して動作される昇降駆動部４８を取付け、この駆動部４
８に支持ロッド４９を昇降動自在に取付けて形成されて
いる。

【００２１】昇降ロッド４９の下部は格納容器４２の上
端壁を気密に貫通していて、熱スイッチ４５の基部４５
ａに連結して熱スイッチ４５を超電導磁石３６の上方位
置で吊持している。それにより、熱スイッチ４５は格納
容器４２内の上部に昇降動可能に支持されている。

【００２２】格納容器４２の上端部にはその周壁を気密
に貫通して銅製の伝熱ブロック５０が取付けられてい
る。このブロック５０の格納容器４２内に位置される端
部は前記基部４５ａに熱伝導的に接触されている。伝熱
ブロック５０に対して前記基部４５ａは摺動可能であ
る。また、伝熱ブロック５０と熱スイッチ４５の基部４
５ａとには、これらに渡って銅製の伝熱網５１が取付け
られている。この伝熱網５１は、熱スイッチ４５の昇降
に追従して容易に変形可能であって、熱スイッチ４５か
ら伝熱ブロック５０への熱的な接続を保持するために使
用されている。

【００２３】格納容器４２から突出された伝熱ブロック
５０の他端部にはＧＭ（ギフォード・マクマホン）型冷
凍機５２の第２段寒冷発生部５２ａが接続されている。
したがって、この冷凍機５２は伝熱ブロック５０と網５
１とを介して熱スイッチ４５と熱的に結合されている。
ＧＭ型冷凍機５２は、第１段寒冷発生部５２ｂと第２段
寒冷発生部５２ａとを備えていて、伝熱ブロック５０に
より供給された低温の熱を受けて、所定の冷凍動作を営
むものである。

【００２４】前記極低温流体収納容器４３とこの上方に
配置された熱スイッチ４５との間には、ベローズ５３に
より支持された磁性体収納容器５４が設けられている。
この格納容器４２の下部に収納配置される収納容器５４
は、円筒状をなす容器本体５４ａと、この本体５４ａの
下部に設けられたばね受け用の底板５５とを備え、底板
５５には通気孔５５ａが形成されている。

【００２５】ベローズ５３は、その上端面を底板５５の
周部に連結するとともに、下端部を格納容器４２の下端
部内周面に連結して設けられ、磁性体収納容器５４をそ
の下側から支持している。このベローズ５３は通気孔５
５ａを塞いでいない。したがって、極低温流体収納容器
４３とこの上方にベローズ５３を介して連続的に配置さ
れた磁性体収納容器５４とは、通気孔５５ａを通して連
通されている。

【００２６】磁性体収納容器５４には超電導磁石３６の
前記内側空芯部３６ａ内に配置される磁性体５６が収納
されている。磁性体５６は、ＧＧＧと通称されるガドリ
ニウム・ガリウム・ガーネット（Ｇd ₃ ・Ｇa ₅ ・
Ｏ₁₂）等からなり、上部に凸部を有し段付き円柱状をな
している。この凸部の上端面５６ｃは平らに形成されて
いる。この上端面５６ｃには、その真上に対向配置され
た熱スイッチ４５の下端面４５ｃが、熱スイッチ４５の
昇降により接離されるようになっている。これら両端面
４５ｃ、５６ｃの直径は同じである。

【００２７】磁性体５６は、その凸部を磁性体収納容器
５４の上面から突出させて、この容器５４に内蔵され、
内蔵された大径部分の外周面と磁性体収納容器５４の内
周面との間に環状をなすギャップｇを設けている。ギャ
ップｇは、蒸発した極低温流体４４を再液化するために
設けられていて、その幅は 0.5mm程度である。

【００２８】磁性体５６の上部には前記凸部を取巻くリ
ング型のシール５７が嵌合されており、これは磁性体収
納容器５４の上面との間に挟持されて、前記凸部の貫通
部分の気密を図っている。磁性体５６の下面と前記底板
５５との間にコイルばね５８が挟設されている。このば
ね５８は前記貫通部分の気密を図るためにシール５７に
必要な圧力を与えている。

【００２９】また、前記格納容器４２内にはヘリウムガ
ス５９が満たされている。なお、図１中６０は超電導磁
石３６、格納容器４２、極低温流体収納容器４４、およ
びＧＭ型冷凍機５２の第２段寒冷発生部５２ａまわりを
覆って前記液体窒素槽３２の内側に設けたシールド板で
あって、このシールド板６０はその内側に配された各種
の部品に対する液体窒素槽３２からの輻射侵入熱を抑制
するために設けられている。

【００３０】前記構成の磁気式冷凍装置は、断熱励磁過
程、等温磁化過程、断熱消磁過程、および等温消磁過程
からなる磁気冷凍サイクルを繰り返し営み、それによ
り、間欠的に低温を発生する。

【００３１】すなわち、断熱励磁過程は、スイッチ昇降
機構４６により熱スイッチ４５が、磁性体５６の平らな
上端面５６ｃの上方に離れた上昇位置に保持された状態
で、超電導磁石３６の超電導空芯コイル３７を励磁する
工程である。この励磁により超電導磁石３６が発生する
磁場は、この電磁石３６の内側空芯部３６ａ内に位置さ
れた磁性体５６に印加されるから、磁性体５６は発熱作
用を営み温度上昇する。

【００３２】等温磁化過程は、磁性体５６の温度がある
温度まで上昇した後に実行される工程であって、このと
きスイッチ昇降機構４６がその支持ロッド４９を下降さ
せるから、熱スイッチ４５が下降位置まで下降されてそ
の下端面４５ｃが磁性体５６の上端面５６ｃに接触され
る。また、この工程では、同時に超電導空芯コイル３７
に流れる電流を増やすことにより、磁性体５６に印加す
る磁場の強さを増加させる。

【００３３】そのため、この等温励磁過程では、磁性体
５６の温度を一定に保ったまま、この磁性体５６の熱が
熱スイッチ４５に放出される。こうして放出された低温
の熱、すなわち、冷凍出力は、熱スイッチ４５に伝熱ブ
ロック５０および伝熱網５１を介して熱的に結合された
ＧＭ型冷凍機５２に供給される。ＧＭ型冷凍機５２は、
低温の熱を受けて冷凍作用を営む。

【００３４】次に、実施される断熱消磁過程では、スイ
ッチ昇降機構４６がその支持ロッド４９を上昇させるか
ら、熱スイッチ４５が上昇位置に上昇されて、その下端
面４５ｃが磁性体５６の上端面５６ｃから離れる。ま
た、この過程では、同時に、超電導磁石３６が磁性体５
６に印加する磁場の強さを減少させる。それにより、磁
性体５６の温度は降下する。

【００３５】最後に実施される等温消磁過程は、さらに
超電導磁石３６により磁性体５６に印加する磁場の強さ
を減少させて、磁性体５６の温度をさらに降下させる工
程である。

【００３６】ところで、磁性体収納容器５４とその下側
に配置された極低温流体収納容器４３とは互いに連通し
ており、磁性体５６と磁性体収納容器５４の内周面との
間に極低温流体４４のガスを再液化するギャップｇが形
成されているから、この等温消磁過程により磁性体５６
の温度が極低温流体４４の沸点以下に下がると、ギャッ
プｇにおいて極低温流体４４のガスが再液化される。

【００３７】以上のような磁気冷凍サイクルにより、こ
の磁気式冷凍装置は、等温磁化過程が実行されるたび
に、したがって、間欠的に低温を発生することができ
る。ところで、前記磁気冷凍サイクル中、磁場が印加さ
れることにより発熱する磁性体５６に熱スイッチ４５を
接触させて冷凍出力を出す（磁性体５６が熱スイッチ４
５に排熱する。）等温磁化過程においては、その排熱量
を多くできる。

【００３８】詳しくは、磁性体５６が取付けられた磁性
体収納容器５４はその下側からベローズ５３で支持され
ているため、磁性体収納容器５４は、前記ギャップｇを
一定の大きさに保ったままで磁性体５６ごと、ベローズ
５３の自由変形により傾き動き得るように設けられてい
る。そのため、熱スイッチ４５の下端面４５ｃが磁性体
５６の上端面５６ｃに片当たりすることを防止できる。

【００３９】すなわち、図２（Ａ）〜（Ｃ）を参照して
説明する。図２（Ａ）は前記断熱励磁過程での前記両端
面４５ｃ、５６ｃの状態を示しており、これらの面４５
ｃ、５６ｃは接触していない。なお、この時、磁性体５
６は、その中心を、超電導磁石３６が発生する磁場より
受ける電磁力の釣り合いにより、磁場の中心位置に一致
させて保持される。

【００４０】そして、制作誤差等により熱スイッチ４５
の下端面４５ｃが多少傾けられていると、等温磁化過程
において下降する熱スイッチ４５の下端面４５ｃが、図
２（Ｂ）に示されるように磁性体５６の上端面５６ｃに
片当たりする。

【００４１】この当接点Ｄにおいては、熱スイッチ４５
の下方への推力Ａと、磁性体５６が前記中心に戻ろうと
する力Ｂとは釣り合うが、接触していない側においては
前記当接点Ｄを支点とするモーメントＣが働く。このモ
ーメントＣは、磁性体５６の上端面５６ｃを傾いた熱ス
イッチ４５の下端面４５ｃに面接触させる方向、図２で
は前記当接点Ｄを中心とする反時計回り方向に働く。

【００４２】したがって、このモーメントＣにより、図
２（Ｃ）に示されるように前記両接触面４５ｃ、５６ｃ
が面接触して、前記片当たりが解消される。このとき、
ベローズ５３は自由変形し、前記接触点の真下側部分で
は縮み、前記接触していない側では延びて、前記面接触
を実現するための磁性体収納容器５４の傾きを可能にす
る。

【００４３】以上のように磁気式冷凍装置によれば、そ
の各部品の制作誤差により前記両端面４５ｃ、５６ｃが
片当たりしても、ベローズ５３の自由変形により磁性体
収納容器５４を傾け、前記片当たりを解消して前記両端
面４５ｃ、５６ｃを面接触させることができる。

【００４４】したがって、前記制作誤差に拘らず等温磁
化過程において磁性体５６から熱スイッチ４５への熱伝
導による排熱量、言い換えれば、冷凍出力を増やすこと
ができ、それにより、高性能な磁気式冷凍装置を得るこ
とができる。また、前記片当たりの解消作用により、各
部品の部品公差や組立ての精度を厳しくする必要がない
ので、部品製作および組立てを容易にできる。

【００４５】なお、前記片当たりの解消作用は、磁性体
５６の上端面５６ｃに対して熱スイッチ４５の下端面４
５ｃがいずれの方向に傾いた場合も、同様に得られるも
のであるとともに、この逆に、熱スイッチ４５の下端面
４５ｃに対して磁性体５６の上端面５６ｃがいずれの方
向に傾いた場合も、同様に得られるものである。また、
両端面４５ｃ、５６ｃがいずれも傾いていた場合にも、
前記片当たりの解消作用を同様に得ることができる。

【００４６】

【発明の効果】以上詳記したように本発明に係る磁気式
の冷凍装置によれば、超電導磁石の磁場の印加により発
熱する磁性体の熱を熱スイッチに放出する際に、制作誤
差に基づき熱スイッチの下端面と磁性体の上端面とが片
当たりすることがあっても、ベローズの自由変形により
前記片当たりを解消して熱スイッチへの排熱量を大きく
できるので、冷凍出力を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る磁気式冷凍装置の構成
を概念的に示す図。

【図２】（Ａ）は同一実施例に係る磁気式冷凍装置にお
ける磁性体に対して熱スイッチが傾いて配置された状況
を説明するための図。（Ｂ）は同一実施例に係る磁気式
冷凍装置における熱スイッチが磁性体に片当たりした状
況を説明するための図。（Ｃ）は同一実施例に係る磁気
式冷凍装置における熱スイッチの磁性体への片当たりが
解消された状況を説明するための図。

【図３】従来例に係る磁気式冷凍装置の構成を概念的に
示す図。

【符号の説明】

３６…超電導磁石、 ３７…超電導空芯コイル、 ３６ａ…内側空芯部、 ４３…極低温流体収納容器、 ４４…極低温流体、 ４５…熱スイッチ、 ４５ｃ…熱スイッチの下端面、 ４６…スイッチ昇降機構、 ５２…ＧＭ（ギフォード・マクマホン）型冷凍機、 ５３…ベローズ、 ５４…磁性体収納容器、 ５６…磁性体、 ５６ｃ…磁性体の上端面、 ｇ…ギャップ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】環状をなす超電導磁石の上方に上下動可能
   な熱スイッチを設け、この熱スイッチにギフォード・マ
   クマホン型冷凍機を熱伝導的に接続し、前記熱スイッチ
   の下方に極低温流体を収納する極低温流体収納容器を設
   け、この極低温流体収納容器と前記熱スイッチとの間に
   前記極低温流体収納容器内と連通する磁性体収納容器を
   設け、この磁性体収納容器の上面から突出されるととも
   に前記熱スイッチの下端面が接離する上端面を有して前
   記超電導磁石の内側に配置される磁性体を、前記磁性体
   収納容器の内周面との間に前記極低温流体のガスを再液
   化するギャップを形成して前記磁性体収納容器に収納
   し、前記超電導磁石の磁場が印加された前記磁性体に前
   記熱スイッチを接触させて、この熱スイッチに前記磁性
   体の熱を放出する磁気式の冷凍装置において、 前記磁性体収納容器をその下側からベローズで支持し
   て、このベローズの自由変形により前記磁性体を収納し
   た前記磁性体収納容器を傾き動き得るように設けたこと
   を特徴とする冷凍装置。