JPS60169059A - ヘリウム液化冷凍装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、磁気熱量効果を利用したヘリウム液化冷凍装
置に係シ、特に冷凍効率の向上化を図れるようにしたヘ
リウム液化冷凍装置に関する。

〔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ヘリウム液化冷
凍装置が知られている。この冷凍装置は、断熱消磁によ
って冷えだ磁性体で被冷却物であるヘリウムガスを凝縮
させるようにしたもので、通常の圧縮形冷凍装置べに較
べて単位体植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、このような冷凍装置の場合には、がトリニウ
ムガリウムガーネッ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（＋Ｌ置している作業物質を磁場外へ急速に導入
して断熱消ｈｍさせ、このときの作業物質の吸熱作用で
ヘリウムガスを冷却する吸熱過程との２つの熱交間過程
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１べさせたりす°る必
要がある。

このため、従来の装置にあっては、作業物質を固定する
とともに上記作業物質の回りに超′ｒｌｉ：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ＪＦＩ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
に行ガ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ザイ
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仁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１Ｌノリ
・コイルをパルス付勢するようにしているので、この超
電導コイルの付勢過程での損失が大きく、１凍効率が大
幅に低いと云う問題があった。

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、代シに作業物ｌ・ｆ　’ｃ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、移動する作業物質から排熱を
行なわなければならず、排熱系をどのように構成するか
と云う点が問題となる。

〔発明の目的〕

本発明は、このような事イ■に鑑みてなされたもので、
その目的とするところは、磁ＪＸＡ発生装置を常時付勢
するととも作業物質を機械的に移動させる方式を採用し
たものにあって、断熱磁化時に作業物質から良好に排熱
させることができ、もって冷凍効率の向上化を図れるヘ
リウム液化冷凍装置とｙを提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、ヘリウム４ｎの上刃に配ｊＨＪされた磁場発
生装置を常時付勢するとともにヘリウム格内に通じる空
間内において上記部（届発生装置で発生した磁場内およ
び磁場外に向けて作業物質を交互に機械的に移動させる
ようにしだものにおいて、作業物質が磁場内に位置して
いるとき上記作業物質に厚さ５００μｍ以下のヘリウム
ガス層を介して近接する良熱伝導性部材を設け、さらに
上記作業物質で発生した熱を上記へりラムガス層および
良熱伝導性部材を介して上記ヘリウム槽外へＪ、ＪＩ熱
する手段を設けたことを特徴としている。

〔発明の効果〕

移動する作業物質から熱を奪って排熱する場合、排熱さ
せるための系を作業物質と一体に移動させることは構造
の複雑化を免れ得す、また、断熱消磁時に排熱系から作
業物質へ向けて熱が侵入するのを免れ得ない。

しかし、本発明装置のように、作業物質が磁場内に位置
しているときだけ上記作業物質にヘリウムガス層を介し
て十分近接する良熱伝導性　゛部材を設け、上ｔ４ｃヘ
リウムガスノーおよび上記部Ｕを介して排熱するイ薄造
であると、上記良熱伝導性部材、つまり排熱系全体を作
業物（６と一体に移動させる必要はない。また、ヘリウ
ムガス層は熱伝導率が高く、特に上述した厚さのヘリウ
ムガス層は良好な熱伝導体として作用する。したがって
、４１ｑ造の複雑化を招くことなく良好な排熱を？Ｊ’
なわせることができる。また、断熱消磁ｉｑには、作業
物質と良熱伝導性１１μ材とを距１ζ１ｆ的に（帷すこ
とができる。このため、１′：）ｉ熱消磁時に良に−８
，に導性部材を介して作業物質に熱がｆフ入するのを防
止できる。したがって、イ荀造の複雑化や熱浸入を抑え
た状態で、作業物質を移動させる方式のｌ待機、つまり
、この方式が本質的に備えている冷凍効率が丙い点を最
大限に発輝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１曹２は、その上壁２ａだけが肉厚の厚い良熱
伝導拐で形成されており、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ＪΔに形成
されている。

上記内４１！１２の上壁２ａの２１１ん所には、上１：
た２１Ｎの図中上側と下側とを連通させる筒部４ａ・４
ｂ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４＆、４ｂは、上壁２８を４１４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５ｈ、５ｂの上下内端縁はそれぞれテーパ曲に
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ｊに
ｉ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４１９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
うに設けられた仕り壁８と、槽本体７の上壁９に設けら
れ、前記筒部４ａ、４ｂをそれぞれ非接触に嵌入させる
孔１１７ａ　、　１０ｈと、これら孔１０ａ。

１０ｂの縁１４１（を仕切壁８の上面棟でそれぞれ延長
させる筒体１１ａ、１１ｂと、これら筒体１１ａ、ｌｌ
ｂの外周面に上下方向に２段イ１”４成に突設された鍔
部１２ａ、１２ｂおよび１３ａ。

１３ｂとでイｉｉ７成されている。そして、「；１体１
１　ａ。

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「１を構成する超’）、ｔｌ’、　”２
コイル１４ａ、１４ｂが装着されており、捷だ筒体１１
ｈ、ｌｌｂの外周で鍔部１３ａ、１３ｂと仕切壁８との
間には補助磁場発生数値を１１４成するｌａ’ｉ　’Ｔ
ｆｆ、　ｉユニ４１１１５ｍ、１５ｂが装着されている
。各超′屯導コイル１４ｇ、１４ｂおよび１５ａ。

１５ｂは、ヘリウム槽６内の底部に謂っている液体ヘリ
ウムＩＩを冷却源とし、ヘリウム４ｉ’Ｊ　４＋５成材
を介して所要の温度に冷却さｇる。そして、超′ｌ柱導
コイル１５ａ、１５ｂは、超山：う淳コイル１４ａ、１
４ｂの発生磁場とｔま逆向きの磁場を発生させ、これに
よって、超ｉＬ樽コイル１４ａ。

１４ｈ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（層８の前記節部４ｍ　、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、１６
ｂ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（１１１１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の土壁
で節部４ｈ、４ｂに対向する位置には、ｆｔ’＋）体１
７ａ、１７ｂの内径と同径（Ｄ　孔１８ｈ、１８ｂが同
軸的に設けである。そして、孔１８ａ、１８ｂの縁部と
筒部４ａ、４ｂの上縁部とｋＪ、熱伝導性の悪い部材で
形成された筒体１９ｔｈ、１９ｂによって気密に接続さ
れている。

すなわち、孔１８ａ１筒体１９ａ１筒部４＆、筒体１７
ａおよび孔１６ｈが同軸的に接続されて、外部と液体ヘ
リウム）Ｉの収容されている空間とを連通させるシリン
ダ２０ｈが構成され、同様に孔１８ａ１筒体１９ａ１筒
部４ｂ、筒体ｉｖｂ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
らロッド２１ｈ、２１ｂが昇降自在に挿設されている。

ロッド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の内径より約２００μｍｎ
小さい外径の円柱状に形成されている。そして、首ロッ
ド２１ａ、２１ｂの下端部には、ガドリニウムガリウム
ガーネット等の磁性体をロッド２１ａ、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、２
２ｂが１１″：Ｌ列に介挿されている。

ロッド２１ｈ、２１ｂの外槽１外に位置する端部には支
持材２３ｈ、２３ｂが取り付けてあり、これら支持拐２
３　ａ　、　２３　ｂの先端部に互いに対向する関係に
ラック２４’ａ　、　２４　ｂが固定されている。そし
て、ラック２４ａとラック２４ｂとの間の中心位置には
、紙面と直焚する方向に延びる軸２５が図示しない軸受
によって回転自在に支持されている。軸２５の外周でラ
ック２４＆とラック２４ｂとの間に位１゛、する部分に
は上記ラック２４ａ、２４ｂに共通に噛合するビニオン
２６が固定され２Ｃいる。なお、ビニオン２６と各ラッ
ク２４１Ｌ、２４ｂとは次のような関係にＩＱ合してい
る。すなわち、ロッド２１　ａ　ｒ　２１　ｂの下端部
に介挿されている作業物′１＋（２２ａ　、　２ｚ　ｂ
が下肥、第１図の作業物質２２ａのように筒部４ａ（４
ｂ）の部分５ａ（５ｂ）内に位ｌｉｄ　しているときを
上死点とし、また作Ｃ１１物ｙ　２ｚ　ｂのように仕切
壁８と液体ヘリウムｊＩの液面との間に位置していると
きを下死点と１／、倒れかの作業物質が上死点に位置し
−〔いるときには他方の作業物質が下死点に位置する四
部が成立するように噛合している。軸２５の外周には図
示しない別のビニオンが固定されており、このビニオン
は図示しないラックと噛合している。そして、上記ラッ
クは図示しない往ｆ）動駆動源に連結されている。

しかして、内槽２の上壁２ａの周縁部には厚内部３１が
形成されており、との厚肉部３１には、開目部を横方向
に向けた円柱状の凹部３２が形成されている。外（臼１
の側壁で凹部３２に対向する位（？（には、四部３２よ
り大径の孔３３が形成されており、この孔３３の周縁部
には外方へ装出するフランジ３４が気警に接続されてい
る。そして、上記７ランー）３４内を通して前記四部３
２に良熱伝導材で形成された伝熱ロッド３５の一端側が
低大している。伝熱ロッド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３
４に＋Ｆ＋ｉｌ付は固定されている。そして、伝熱ロッ
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３８ｈ　、３８ｂは、シ
ール部材を示しているう 次に上記のように構成されたヘリウム液化冷凍数的−の
動作を説明する。

まず、超゛成導コイル１４ａ、１４ｂおよび１５１Ｌ、
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。まだ、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、伝熱ロッド３５ｆ：介して上
壁２ａの熱が奪われる。したがりて筒部４　ａ　、　４
　ｂも十分低温に保たれる。

このような状ＩＩ（１で、往復動駆動源を動作させると
、ビニオン２６が第１図中実線矢印Ｐで示すように往１
Ｍ動回動する。この結果、ロッド２１ｍ、２１ｂが第１
図中実線矢印Ｑ、、Ｑ、で示すように昇トｆする。すな
わち、ロッド２１ａが下降を開始すると口、ド２１ｂが
上昇を開始する１９ｊ係にそれぞれが昇降する。このた
め、作業物’４１１２２　ａ　、　２２　ｂは、上死点
と下死点との間を１８０度の位相差をもって昇降するこ
とになる。」二死点に位置しているときには、第１図中
の作業物質２２ｔｈに見られるように超゛亀導コイルの
発生ずる磁場内に完全に位置する。したがって、断熱Ｍ
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。したがって、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ｉ夜１笛上に漂よっているヘリウムガ゛スが作
業物ノ％５２．’ｂ（２，？ａ）の表１ＩＩｉに凝縮す
る。

この凝縮によって形成されだ液滴は自然落下し、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１甜になると、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％２２ａ、２２
ｂが上死点に位置しているときには、必ず部分５８．５
ｂ内に位ｉｉ二ｔしている。部分５ａ、５ｂの内径は、
この実施例では作業物質２２ａ、２２ｂの外征よシ約２
００μｍ大きい値に設屋されている。このため、作業物
％２２ｂ、２２ｂが部分５ｍ、５ｂ内に位置していると
きには、第２図に示すように部分５ａ（５ｂ）の内面と
作業物５ｉ２２ａ（２２ｂ）の外向との間に約１００μ
ｍの間隙Ｇが存在していることになる。部分５ｈ、５ｂ
内にはヘリウムガスが任仕しているので、作業物ｉｊＪ
　２２　ａ（２２ｂ）と部分５ａ（５ｂ）の内面との間
には約１００μｎ１厚のヘリウムガス層が存在する。

ヘリウムガス層の厚さと熱伝達率との間には、ｆ＋″−
３図に示す関係があり、ヘリウムガス層の厚さが５００
μｍ以下では極めて良好な熱伝達重性１ト１゛を示す。

このため、作業物質２２＆、２２ｂで発生した熱は、ヘ
リウムガス層、筒部４ａ。

４ｂおよび上壁２ａを介して速やかに外部へと排熱され
ることになる。したがって、作業物質２２ｔｈ、２２ｂ
で発生した熱によってヘリウム槽６内が温度上昇するよ
うなことはなく、ここに良好ｆ！：、？１１凍゛リーイ
クルが実現される。

このように、作業物質２２ｈ、２２ｂが断熱磁化状ｆ歴
にあるときだけ、これらの作条物質２’２ａ、２２ｂに
ヘリウムガス層を介して十分近接する熱伝導性部材を設
け、この熱伝導性部材を介して外ＩＸμへ排熱させるよ
うにしている。

したがっ−Ｃ１排熱系を作業物質と一緒に移動させるも
のとｔよ違って全体の梼造の単純化を図ることができる
。また、断熱消磁時には必然的に熱体２＃性部祠と作業
物質との間に長い断熱距離を確保することができる。し
たがって、断熱消磁時に上記熱伝導性部材を介して熱侵
入するようなこともなく、結局、前述した効果が摺られ
る。

なお、実施例−のように主磁場発生装置と補助磁場発生
装置ｆ２：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
たがって、装置全体の小型化にを与できる。また、実施
例のように、２つの作業物質を１つの駆動源を用いて排
他的に昇降させる方式であると、一方の作業物質が磁場
から離れようとしたとき、他方の作業物質が磁場に近づ
く関係にあるので、一方の磁場と作業物質との間に生じ
るイ社気的吸引力で他方の磁場と作業物質との間に生じ
る磁気的吸引力を結果的に減少させることができる。し
たがって、駆動動力を少なくできる刊点もある。また、
本発明は、上述した実施例めように昇降方式を採用した
ものに限らず回転方式を採用したものにも適用できる。

【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
、第３図はヘリウムガス層の熱伝Ｊ率特性を示す図であ
る。 １・・・夕日７す、２・・・内槽、６，４１・・・ヘリ
ウム槽、４ａ、４ｂ・・・良熱伝導拐で形成された筒部
、１４　ａ　、　１４　ｂ　、　１５　ａ　、　１５　
ｂ　・−・磁場発生装置としてのｊｔｉ’！　？ｌｔ　
男：コイル、２０ａ、２θｂ・・・シリンダ、２１８，
２１ｂ・・・ロッド、２２ａ。 ２２ｂ・・・作ｇ、＋３物夕＾、２４　ａ　、　２４　
ｂ　・−９ツク、２６・・・ピニオン、Ｇ・・・間隙。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　ヘリウム槽と、このヘリウム槽の上方に常時磁
   場を発生する磁場発生装置と、前記ヘリウム槽内に通じ
   た空間に配置され、前記磁場発生装置で発生した磁場内
   に位置したときには発熱し、磁場外に位置したときには
   吸熱して前記ヘリウム槽内のヘリウムガスを液化する作
   業物質と、前記ヘリウム槽外から動力を与えて前記作業
   物質を前記磁場内および磁場外へと交互に移動させる駆
   動手段と、前記作業物質が前記磁場内に位置していると
   き上記作業物質に厚さ５００μｍ以下のヘリウムガス層
   を介して近接する良熱伝導性部材と、前記作業物質で発
   生した熱を前記厚さのヘリウムガス層および前記良熱伝
   導性部材を介して前記ヘリウム槽外へ排熱する手段とを
   具備してなることを特徴とするヘリウム液化冷凍装置。
2. （２）前記磁場発生装置は、磁場終端部の強度勾配を急
   峻化させる補助磁場発生装置を備えたものであることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載のヘリウム液化冷
   凍装置。
3. （３）　前記磁場発生装置、前記作業物質および前記良
   熱伝導性部材からなる要素の組を少なくとも一対備え、
   対をなす各組の作業物質が１つの駆動手段によって各磁
   場発生装置で発生した磁場内および磁場外へと排他的に
   移動制御され　。 るものであることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載のヘリウム液化冷凍装置。