DE69200080T2

DE69200080T2 - Statisch magnetischer Kühler.

Info

Publication number: DE69200080T2
Application number: DE69200080T
Authority: DE
Inventors: Masaru Inoue; Kohei Otani; Yoshiro Saji; Manabu Sato; Takao Sugioka; Tetsuo Takagi; Hiroaki Toda
Original assignee: Koatsu Gas Kogyo Co Ltd
Current assignee: Koatsu Gas Kogyo Co Ltd
Priority date: 1991-01-22
Filing date: 1992-01-16
Publication date: 1994-11-10
Anticipated expiration: 2012-01-17
Also published as: DE69200080D1; JP2933731B2; CA2059383C; CA2059383A1; EP0496530B1; JPH04240361A; US5209068A; EP0496530A1

Description

Die Erfindung betrifft eine statische magnetische Kältemaschine, die eine magnetische Abschirmung zwischen einem Magneten, der ein Magnetfeld hoher Intensität erzeugt, und einem magnetischen Arbeitsmaterial aufweist und das magnetische Arbeitsmaterial zur Erzeugung von Kälte aktiviert.
Eine magnetische Kältemaschine ist eine Kältemaschine, die einen Magnetisierungsvorgang wiederholt, bei dem ein magnetisches Arbeitsmaterial, das in einem Magnetfeld hoher Intensität angeordnet ist, von dem Magnetfeld adiabatisch magnetisiert wird, und die ferner einen Vorgang wiederholt, bei dem das Magnetfeld rasch abgeschirmt und das magnetische Arbeitsmaterial adiabatisch entmagnetisiert wird, so daß das magnetische Arbeitsmaterial bei dem adiabatischen Entmagnetisierungsvorgang Kälte erzeugt.
Bei herkömmlichen magnetischen Kältemaschinen, wie sie beispielsweise in der US-PS 4 674 288 oder in der EP-A-187 078 beschrieben sind, werden supraleitende Spulen in großem Umfang für Magnete verwendet, die Magnetfelder hoher Intensität erzeugen. Die herkömmlichen magnetischen Kältemaschinen werden im allgemeinen unterteilt in einen statischen Typ, bei dem der Strom der supraleitenden Spule wiederholt einund ausgeschaltet wird, um ein Magnetfeld zu erzeugen, während das magnetische Arbeitsmaterial ortsfest ist, und einen nichtstatischen Typ, der einen Magnetisierungsvorgang, bei dem das magnetische Arbeitsmaterial in dem von der supraleitenden Spule gebildeten Magnetfeld höchster Intensität magnetisiert wird, und einen Vorgang wiederholt, bei dem das magnetische Arbeitsmaterial in eine von der Spule entfernte Magnetfeldposition einer Intensität von nahezu Null bewegt und entmagnetisiert wird, während ständig ein konstanter Strom in der supraleitenden Spule fließt.
Das statische magnetische Kälteerzeugungsverfahren, bei dem die Magnetisierung und Entmagnetisierung des magnetischen Arbeitsmaterials wiederholt werden, während gleichzeitig das magnetische Arbeitsmaterial ortsfest ist, eignet sich zur Wärmeübertragung zwischen dem magnetischen Arbeitsmaterial und einem Wärmeübertragungsmedium. Dieses Verfahren kann die nachstehend beschriebenen Probleme in bezug auf das Hin- und Herbewegen und Drehen des magnetischen Arbeitsmaterials lösen. Wenn jedoch die Magnetisierung und Entmagnetisierung unter Anwendung eines herkömmlichen Verfahrens wiederholt werden, ist es schwierig, den Strom ein- und auszuschalten, der in der supraleitenden Spule fließt, die das erzeugte Magnetfeld steuert. Außerdem verursacht das Ein- und Ausschalten des großen Stroms einen hohen Verlust an Joulescher Wärme in dem äußeren Stromversorgungssystem für das Verfahren. Das Verfahren ist daher für die großtechnische Anwendung nicht geeignet.
Bei dem Verfahren, bei dem die supraleitende Spule im Dauerstrombetrieb verwendet und das magnetische Arbeitsmaterial zwischen der Innenseite des Magnetfelds hoher Intensität, das ständig erzeugt wird, und einem von der magnetischen Feldspule erzeugten Magnetfeld einer Intensität von nahezu Null hin- und herbewegt oder gedreht wird, muß jedoch dann, wenn das magnetische Arbeitsmaterial bei dem Entmagnetisierungsvorgang zu einem von der magnetischen Feldspule entfernten Magnetfeld einer Intensität Null bewegt wird, die Strecke der Hin- und Herbewegung oder Drehbewegung des magnetischen Arbeitsmaterials sehr groß gemacht werden. Infolgedessen muß eine solche Kältemaschine vergleichsweise groß gebaut werden, während gleichzeitig ihre Kälteleistung relativ gering ist, und eine komplizierte Bewegungseinrichtung ist erforderlich.
Die Bewegungsstrecke wird daher auf einen für die Praxis zufriedenstellenden Wert eingestellt. In diesem Fall endet jedoch der Entmagnetisierungsvorgang in einem Restmagnetfeld, und die Magnetflußdichte in dem magnetischen Arbeitsmaterial ist nicht Null. Infolgedessen ist der Kühlwirkungsgrad bei einem solchen Entmagnetisierungsvorgang unvermeidlich geringer als bei dem Entmagnetisierungsvorgang, der in einem Magnetfeld einer Flußdichte Null durchgeführt wird. Die Abweichung des magnetischen Arbeitsmaterials von dem idealen magnetischen Carnotschen Kreisprozeßdiagramm wird daher groß, so daß der Wirkungsgrad der herkömmlichen magnetischen Kältemaschine herabgesetzt wird.
Ferner wird von der Bewegungseinrichtung des magnetischen Arbeitsmaterials Reibungswärme erzeugt, so daß der Wirkungsgrad der Kältemaschine herabgesetzt wird. Um die von der Kältemaschine erhaltene Kälte in der Praxis zu nutzen, muß das Kühlmittel der Kältemaschine bei den Magnetisierungs- und Entmagnetisierungsvorgängen im Kreislauf geführt werden. Es ist aber schwierig, eine Einrichtung herzustellen, die Wärme auf das hin- und herbewegte oder drehende magnetische Arbeitsmaterial dadurch überträgt, daß das Medium mit dem magnetischen Arbeitsmaterial in Kontakt gebracht wird, und die gleichzeitig die Zufuhr von Kühlmedium bei dem Magnetisierungsvorgang und die Zuführung des Kälteübertragungsmediums bei dem Entmagnetisierungsvorgang durch Schaltbetrieb wählt. Außerdem kann ein Austritt bzw. Leck des Mediums am Umfang des magnetischen Arbeitsmaterials nicht verhindert werden, was ein Grund für die Verringerung des thermischen Wirkungsgrads der Kältemaschine ist.
Als herkömmliche Technologie, etwa gemäß der Beschreibung in der US-PS 4 554 790, wobei die Bewegungsstrecke des magnetischen Arbeitsmaterials verkürzt und die Entmagnetisierung in einem Magnetfeld einer Intensität Null durchgeführt wird, gibt es ein bekanntes Verfahren, wobei eine supraleitende Hilfsspule, die koaxial in der Nähe der supraleitenden Hauptspule zur Erzeugung eines Magnetfelds hoher Intensität zur Magnetisierung angeordnet ist, ein entgegengesetztes Magnetfeld erzeugt, das das von der supraleitenden Hauptspule erzeugte Magnetfeld aufhebt, um einen Magnetfeldbereich einer Intensität Null zu bilden, indem die Aufhebung in einer Position sehr nahe an der Öffnung der supraleitenden Hauptspule erfolgt, und um das magnetische Arbeitsmaterial zwischen dem Magnetfeld hoher Intensität der supraleitenden Hauptspule und dem Magnetfeldbereich der Intensität Null hin- und herzubewegen.
Im Fall der vorgenannten statischen magnetischen Kältemaschine, bei der das magnetische Arbeitsmaterial ortsfest ist, ist ein Kältemaschinentyp am günstigsten, der die supraleitende Spule in der Dauerstrombetriebsart verwendet, um das magnetische Arbeitsmaterial zu magnetisieren und zu entmagnetisieren, weil diese Kältemaschine keine komplizierte Bewegungseinrichtung für das magnetische Arbeitsmaterial und keine supraleitende Spule benötigt und der Energie- Wirkungsgrad der Kältemaschine sehr gut ist.
Als Stand der Technik, bei dem diese Art von Kältemaschine vorgesehen ist, ist in der JP-Patentveröffentlichung Nr. 63-31716 eine Kältemaschlne angegeben, die das magnetische Arbeitsmaterial magnetisch abschirmt und entmagnetisiert, indem das magnetische Arbeitsmaterial außerhalb der Öffnung der supraleitenden Spule fest angeordnet ist und eine magnetische Abschirmung verwendet wird, die hin- und herbewegbar zwischen der supraleitenden Spule und dem magnetischen Arbeitsmaterial vorgesehen ist.
Die flache Ebene der magnetischen Abschirmung, die in dem Dokument beschrieben ist, hat die Gestalt einer kleinen Platte, die kleiner als die Öffnungsfläche der Spule ist. Da die plattenförmige magnetische Abschirmung kleiner als der Querschnittsbereich des Magnetfelds hoher Intensität ist, ist hinter der magnetischen Abschirmung kein magnetischer Abschirmungsraum gebildet. Es ist daher nahezu unmöglich, das magnetische Arbeitsmaterial zu entmagnetisieren.
Dieser Fall wird wie folgt erläutert. Wenn die Platte Magnetisinus hoher Intensität hat, gehen die magnetischen Kraftlinien einfach durch die Platte, und wenn die Platte eine supraleitende Platte ist, gehen die magnetischen Kraftlinien um die Platte herum zu ihrer Rückseite. Anders ausgedrückt, ein magnetischer Abschirmungsraum kann hinter einer plattenförmigen magnetischen Abschirmung nur gebildet werden, wenn die Oberfläche der Platte ausreichend größer ist als die Querschnittsfläche der Magnetfelderzeugungsquelle, die vor der Platte positioniert ist.
In einer separaten Anmeldung haben die Erfinder bereits eine magnetische Kältemaschine vorgeschlagen, die eine rohrförmige supraleitende magnetische Abschirmung zwischen der supraleitenden Spule und dem magnetischen Arbeitsmaterial hat, um das magnetische Arbeitsmaterial in dem Magnetfeld hoher Intensität der supraleitenden Spule adiabatisch zu magnetisieren und das magnetische Arbeitsmaterial adiabatisch zu entmagnetisieren, indem das magnetische Arbeitsmaterial in den hohlen Bereich der magnetischen Abschirmung, der nahe der Spule angeordnet ist, eingebracht oder darin aufgenommen wird [veröffentlichte JP-Patentanmeldungen Nr. 4-177 065 und 4-273 956, US-PS 5 156 003, veröffentlichte CA-Patentanmeldung 2 055 043 und EP-Patentveröffentlichung Nr. 0 487 130 Al].
Bei dieser Kältemaschine kann das magnetische Arbeitsmaterial, das in dem hohlen Bereich der magnetischen Abschirmung aufgenommen ist, vollständig entmagnetisiert werden durch Aktivieren der Hin- und Herbewegungseinrichtung zum Hin- und Herbewegen des magnetischen Arbeitsmaterials oder der magnetischen Abschirmung, und zwar unter Nutzung der Tatsache, daß in dem hohlen Bereich des supraleitenden Zylinders ein Magnetfeld einer Intensität Null auch dann erreicht werden kann, wenn das magnetische Arbeitsmaterial in einem Magnetfeld sehr hoher Intensität aufgenommen ist, das eine Magnetflußdichte von 5 T oder mehr erreichen kann.
Da außerdem die magnetische Abschirmung das Magnetfeld hoher Intensität auch dann vollständig abschirmen kann, wenn es sich in einer Position nahe oder in der Mitte der magnetischen Feldspule hoher Intensität befindet, kann die Hin- und Herbewegungsstrecke kürzer gemacht werden. Wenn ferner die magnetische Abschirmung hin- und herbewegt wird, kann das gleiche Ergebnis wie vorstehend beschrieben erreicht werden, indem das magnetische Arbeitsmaterial in einem konstanten Magnetfeld fixiert wird, das dann erzeugt wird, wenn die supraleitende Spule im Dauerstrombetrieb verwendet wird. Der Kühlbetrieb durch das Kühlmedium und die Zirkulation des Kühlmediums können daher äußerst vereinfacht werden, und die eingangs genannten Probleme, die durch das herkömmliche Verfahren bewirkt sind, können gelöst werden.
Aber auch bei dem Verfahren, das die zylindrische magnetische Abschirmung verwendet, ist noch eine Hin- und Herbewegungseinrichtung notwendig, auch wenn der Bewegungshub kurz ist. Durch Festlegen des magnetischen Arbeitsmaterials und Bewegen der magnetischen Abschirmung anstelle des magnetischen Arbeitsmaterials kann ferner das Betriebsverhalten der statischen magnetischen Kältemaschine überlegen gemacht werden. Dieser Fall führt jedoch ebenfalls zu Problemen: Beispielsweise ist eine große Kraft notwendig, um die magnetische Abschirmung in einem Magnetfeld hoher Intensität hin- und herzubewegen.
Die Erfindung richtet sich auf die Bereitstellung einer kompakten, vereinfachten, praktikablen statischen magnetischen Kältemaschine mit einer relativ hohen Kühlleistung durch Festlegen des magnetischen Arbeitsmaterials in einem dauerhaften konstanten Magnetfeld hoher Intensität und Anordnen einer periodisch arbeitenden Magnetisierungs- und Entmagnetisierungseinrichtung, die von derjenigen verschieden ist, die bei dem Hin- und Herbewegungsverfahren für die vorgenannte zylindrische supraleitende magnetische Abschirmung verwendet wird.
Ferner richtet sich die Erfindung auf eine Steigerung des Kälteerzeugungs-Wirkungsgrads der magnetischen Kältemaschine durch Realisierung eines kompletten Entmagnetisierungs-Zwischenraums für das magnetische Arbeitsmaterial, der von der plattenförmigen magnetischen Abschirmung nach dem Stand der Technik nicht realisiert werden kann.
Dementsprechend sieht die Erfindung eine statische magnetische Kältemaschine vor, die folgendes aufweist: einen Magneten, der ein Magnetfeld hoher Intensität erzeugt; ein magnetisches Arbeitsmaterial, das in dem Magnetfeld hoher Intensität angeordnet ist; eine supraleitende magnetische Abschirmung, die zwischen dem Magneten und dem magnetischen Arbeitsmaterial angeordnet ist; und eine Dreheinrichtung, um die supraleitende magnetische Abschirmung zu drehen, wobei die supraleitende magnetische Abschirmung ein Paar von supraleitenden Körpern aufweist, die fähig sind, sich gleichzeitig um das magnetische Arbeitsmaterial herum zu drehen, und die derart angeordnet sind, daß jeder der supraleitenden Körper im Abstand um das magnetische Arbeitsmaterial herum mit einem Zwischenraum und seitlichen magnetischen Durchgängen, die mit dem Zwischenraum in Verbindung stehen, angeordnet ist, so daß ein Magnetisierungsvorgang, bei dem das magnetische Arbeitsmaterial in dem Magnetfeld hoher Intensität durch Drehen der supraleitenden magnetischen Abschirmung um das magnetische Arbeitsmaterial herum in einer Position magnetisiert wird, die den Durchgang des Magnetfelds durch das magnetische Arbeitsmaterial durch die magnetischen Durchgänge und den Zwischenraum gestattet, und ein Entmagnetisierungsvorgang, bei dem das magnetische Arbeitsmaterial durch weiteres Drehen der supraleitenden magnetischen Abschirmung in einer anderen Position entmagnetisiert wird, die das Abschirmen des Magnetfelds durch die supraleitenden Körper gestattet, durch die Dreheinrichtung wiederholt werden, so daß das magnetische Arbeitsmaterial Kälte erzeugt.
Die supraleitenden Körper können ein Paar von plattenförmigen Supraleitern oder ein Paar von blockförmigen Supraleitern aufweisen.
Fig. 1(a) und 1(b) zeigen das Arbeitsprinzip der magnetischen Kältemaschine einer Ausführungsform der Erfindung, wobei eine magnetische Abschirmung ein Paar von flachen supraleitenden Platten aufweist;
Fig. 2(a) und 2(b) zeigen das Arbeitsprinzip der magnetischen Kältemaschine einer Ausführungsform der Erfindung, wobei eine magnetische Abschirmung ein Paar von gekrümmten supraleitenden Platten aufweist;
Fig. 3(a) ist eine Perspektivansicht einer magnetischen Abschirmung, die supraleitende gekrümmte Platten aufweist;
Fig. 4(a) und 4(b) sind Schnittansichten einer Ausführungsform der magnetischen Kältemaschine der Erfindung, die bei einer Temperatur unter der von flüssigem Helium verwendet wird, wobei ein magnetisches Arbeitsmaterial gerade magnetisiert wird;
Fig. 5(a) und 5(b) gleichen den Fig. 4(a) und 4(b), wobei das magnetische Arbeitsmaterial gerade entmagnetisiert wird;
Fig. 6 ist eine Schnittansicht eines anderen Beispiels der magnetischen Kältemaschine gemäß der Erfindung;
Fig. 7(a) und 7(b) sind Perspektivansichten von magnetischen Abschirmungen, die einen Sinterkörper aus Supraleiteroxid aufweisen;
Fig. 8(a) und 8(b) zeigen das Arbeitsprinzip der magnetischen Abschirmung der zweiten Ausführungsform, wobei die magnetische Abschirmung ein Paar von supraleitenden Blöcken aufweist;
Fig. 9(a), 9(b),9(c) und 9(d) sind Schnittansichten von zwei verschiedenen magnetischen Abschirmungen von Beispielen der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Die Erfindung wird nachstehend erläutert, indem die erste und die zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben werden, wobei eine supraleitende Abschirmung aus einem Paar von supraleitenden Körpern besteht. Die magnetische Abschirmung der statischen magnetischen Kältemaschine der ersten Ausführungsform besteht aus einem Paar von nahezu parallelen flachen Platten oder einem Paar von nach außen gekrümmten Platten, die einander zugewandt sind und aus Supraleitern bestehen, und das magnetische Arbeitsmaterial ist in dem von dem Paar von flachen oder gekrümmten Platten gebildeten Innenraum aufgenommen, so daß ein Magnetisierungsvorgang, bei dem das magnetische Arbeitsmaterial in dem Magnetfeld hoher Intensität durch Drehen der supraleitenden magnetischen Abschirmung in einer Position magnetisiert wird, die den Durchgang des Magnetfelds durch das Paar der flachen oder gekrümmten Platten gestattet, und ein Entmagnetisierungsvorgang, bei dem das magnetische Arbeitsmaterial durch weiteres Drehen der supraleitenden magnetischen Abschirmung in einer anderen Position entmagnetisiert wird, die das Abschirmen des Magnetfelds durch das Paar von flachen oder gekrümmten Platten gestattet, durch die Dreheinrichtung wiederholt wird, so daß das magnetische Arbeitsmaterial Kälte erzeugt. Die erste Ausführungsform nutzt den Zwischenraum zwischen dem Paar von supraleitenden Platten als einen magnetischen Durchgang und einen Raum um das magnetische Arbeitsmaterial herum.
Anstelle der flachen oder gekrümmten Platten der ersten Ausführungsform verwendet die zweite Ausführungsform supraleitende Blöcke als magnetische Abschirmung. Die magnetische Abschirmung besteht aus einem Paar von supraleitenden Blöcken, und das magnetische Arbeitsmaterial ist in dem von dem Paar von Blöcken gebildeten Innenraum aufgenommen, so daß ein Magnetisierungsvorgang, bei dem das magnetische Arbeitsmaterial in dem Magnetfeld hoher Intensität durch Drehen der supraleitenden magnetischen Abschirmung in einer Position magnetisiert wird, die den Durchgang des Magnetfelds durch das Paar von Blöcken gestattet, und ein Entmagnetisierungsvorgang, bei dem das magnetische Arbeitsmaterial durch weiteres Drehen der supraleitenden magnetischen Abschirmung in einer anderen Position entmagnetisiert wird, die die Abschirmung des Magnetfelds durch das Paar von Blöcken gestattet, von der Dreheinrichtung wiederholt werden, so daß das magnetische Arbeitsmaterial Kälte erzeugt.
Als Magnet für die magnetische Kältemaschine der Erfindung kann zwar ein elektrischer Magnet mit Eisenkern oder ein Permanentmagnet verwendet werden, aber eine supraleitende Spule wird bevorzugt verwendet, um ein Magnetfeld hoher Intensität zu erzeugen. Dabei ist ein Paar von supraleitenden Spulen koaxial parallel zueinander angeordnet, und das magnetische Arbeitsmaterial ist zwischen den supraleitenden Spulen angeordnet. Ein ebener supraleitender Magnet kann anstelle der supraleitenden Spule ebenfalls verwendet werden.
Die erste Ausführungsform wird nachstehend im einzelnen erläutert. Die magnetische Kältemaschine der ersten Ausführungsform weist grundsätzlich ein magnetisches Arbeitsmaterial auf, das in einem Magnetfeld konstanter Intensität fest angeordnet ist, und das magnetische Arbeitsmaterial ist so angeordnet, daß es in dem Innenraum aufgenommen ist, der von einem Paar von supraleitenden flachen Platten gebildet ist, so daß das Paar von flachen Platten eine magnetische Abschirmung bildet. Wenn die magnetische Abschirmung verwendet wird und wenn die Richtung der magnetischen Kraftlinien des Magnetfelds mit der Richtung der Oberflächen der parallelen flachen Platten koinzident ist, dringen die magnetischen Kraftlinien in den von den Innenflächen der parallelen flachen Platten gebildeten Innenraum ein und führen zu einem Magnetfeld hoher Intensität in dem Innenraum.
Wenn die magnetischen Kraftlinien jedoch zu den parallelen flachen Platten senkrecht sind, fließt ein Abschirmstrom durch die supraleitenden flachen Platten, um magnetische Kraftlinien zu erzeugen, die in der Richtung einer Aufhebung der senkrechten magnetischen Kraftlinien gebildet sind. Infolgedessen wird in dem Innenraum der supraleitenden parallelen flachen Platten kein Magnetfeld erzeugt, und es wird ein Magnetfeld einer Intensität von nahezu Null in dem Zwischenraum erhalten. Die magnetischen Kraftlinien von dem Magneten gehen um einen viereckigen Körper herum, dessen Oberflächen den Oberflächen des Paars von parallelen flachen Platten zugewandt sind.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1, die das Arbeitsprinzip der magnetischen Kältemaschine der ersten Ausführungsform zeigt, erläutert die nachstehende Beschreibung die Konstruktion der magnetischen Kältemaschine, die den magnetisch kommunizierenden Raum des Paars der koaxialen supraleitenden Spulen sowohl als Raum für die Magnetisierung als auch für die Entmagnetisierung des magnetischen Arbeitsmaterials nutzt.
Wie Fig. 1(a) zeigt, ist ein magnetisches Arbeitsmaterial 2 in dem magnetischen Verbindungsraum eines Paars von koaxialen supraleitenden Spulen 1 und 1' fest angeordnet. Wenn eine magnetische Abschirmung 3 so eingestellt ist, daß die Richtung der magnetischen Kraftlinien 9 zu den Oberflächen von flachen Platten 35, 35' parallel ist, verlaufen die magnetischen Kraftlinien durch den magnetischen Durchgang 34 und den Innenraum 33 zwischen den supraleitenden parallelen flachen Platten 35, 35', und das magnetische Arbeitsmaterial 2, das in dem Innenraum 33 angeordnet ist, wird magnetisiert.
Wenn die magnetische Abschirmung dann um 90º um das in dem Innenraum der magnetischen Abschirmung angeordnete magnetische Arbeitsmaterial herum gedreht wird, wie Fig. 1(b) zeigt, sind die parallelen flachen Platten 35, 35' senkrecht zu den magnetischen Kraftlinien 9. In diesem Fall verlaufen die magnetischen Kraftlinien 9 um die Außenseite des Paars von supraleitenden Platten 3, 3', die vor und hinter dem Arbeitsmaterial angeordnet sind, herum und dringen nicht in den Innenraum 33 der parallelen flachen Platten 35, 35' ein. Infolgedessen kann das in dem Raum 33 angeordnete magnetische Arbeitsmaterial 2 entmagnetisiert werden.
Da die flachen Platten 35, 35' von einer Dreheinrichtung (nicht gezeigt) gedreht werden, so daß die parallele und die orthogonale Stellung der supraleitenden flachen Platten 35, 35' zu der Richtung der magnetischen Kraftlinien 9 wiederholt wird, können die Magnetisierungs- und Entmagnetisierungsvorgänge des magnetischen Arbeitsmaterials wiederholt werden. Durch adiabatische Wiederholung dieser Vorgänge erzeugt das magnetische Arbeitsmaterial 2 während des Magnetisierungsvorgangs Wärme und erzeugt während des Entmagnetisierungsvorgangs Kälte, so daß die Funktion der magnetischen Kältemaschine erreicht wird.
Um das Eindringen des äußeren Magnetfelds zu verhindern, so daß in dem Innenraum 33 der flachen Platten 35, 35' ein Magnetfeld einer Intensität Null vorhanden sein kann, und um den Wert der maximalen magnetischen Abschirmung (die maximale Intensität des äußeren Magnetfelds, die fähig ist, das Magnetfeld der Intensität Null in dem Innenraum aufrechtzuerhalten) zu steigern, sollte die Entfernung zwischen den flachen Platten 35 und 35' kleiner als die Länge der Oberfläche der flachen Platte sein. Da die Entfernung d zwischen den rechteckigen flachen Platten 35, 35' kleiner als die Länge der kurzen Seite a der flachen Platten ist, wird der Wert der maximalen magnetischen Abschirmung verringert. Die Beziehung d < a wird daher im allgemeinen beibehalten.
Wenn die Entfernung zwischen den flachen Platten bei dem Entmagnetisierungsvorgang gemäß Fig. 1(b) größer ist, gehen einige wenige magnetische Kraftlinien durch kleine Zwischenräume an den Enden der flachen Platten 35 und 35'. Es ist daher schwierig, die Intensität des Magnetfelds in dem gesamten Innenraum der flachen Platten 35 und 35' vollständig auf Null zu verringern. Wenn die magnetische Abschirmung nicht von den supraleitenden flachen Platten, sondern von einem Paar von gekrümmten Platten 36, 36' gebildet ist, die einander gegenüberstehen, wie die Fig. 2(a) und 2(b) zeigen, um eine teilweise rohrförmige Oberfläche zu erhalten und die Zwischenräume zwischen den Enden der gekrümmten Platten zu verkürzen, werden die Zwischenräume bei dem Magnetisierungsvorgang als magnetische Durchgänge genutzt. Bei dem Entmagnetisierungsvorgang kann, da nur sehr wenige der magnetischen Kraftlinien in die Zwischenräume eintreten, die magnetische Restintensität an dem magnetischen Arbeitsmaterial weiter verringert werden.
Wenn die gekrümmten Platten 36, 36' verwendet werden, können außerdem die Außenflächen der gekrümmten Platten 36, 36' mit der drehenden zylindrischen Oberfläche nahezu ausgefluchtet werden, und dieses Merkmal ist insofern vorteilhaft, als die magnetische Abschirmung kompakt gebaut werden kann.
Die flachen Platten oder die gekrümmten Platten der magnetischen Abschirmung können nur aus supraleitenden Materialien bestehen. Der maximale magnetische Abschirmungswert ist größer, wenn die Dicke der supraleitenden Platte größer ist. Im Fall der flachen oder gekrümmten Platten aus einer gleichmäßigen Supraleiterlegierung fließt der Magnetfluß, der die Randbereiche der Platten durchdringt, rasch in das Innere der Platten und bewirkt eine Teilerwärmung.
Dieser Fluß des Magnetflusses erzeugt an den Vorderflächen der Platten eine Kettenreaktion, und die Temperatur der supraleitenden Platten steigt über ihre kritische Temperatur an. Schließlich besteht die Gefahr, daß ihre Supraleitfähigkeit verlorengeht. Diese Erscheinung wird als "Flußsprung" (Meißner-Ochsenfeld-Effekt) bezeichnet. Um dieses Problem zu lösen, sollte die supraleitende magnetische Abschirmung 3 der ersten Ausführungsform in Form der flachen oder gekrümmten Platten gebildet sein, und zwar unter Verwendung eines laminierten oder Schichtenkörpers, der dünne supraleitende Teile 31 und dünne Platten 32 aus einem Normalleiter oder einem Isolator aufweist, wie Fig. 3 zeigt.
Wenn der dünne supraleitende Teil 31 dünner gemacht wird, wird das Auftreten des Flußsprunges an der dünnen Supraleiterschicht erschwert. Selbst bei Auftreten des Flußsprunges ist dieser auf das Innere der dünnen Supraleiterschichten 31 begrenzt. Außerdem wird das Auftreten der Kettenreaktion des Flußsprunges erschwert. Wenn die dünne Normalleiterschicht 32 aus einem Metall mit hohem Wärmeübertragungsvermögen besteht, wird die erzeugte Wärme von der dünnen Normalleiterschicht 32 nach außen übertragen. Die Gefahr eines Temperaturanstiegs über die kritische Temperatur wird dadurch verringert. [Die oben genannten Erfindungen beziehen sich auf die US-PS 4 942 379, die EP-Veröffentlichung 0365171/A1 und die CA-Patentanmeldung Nr. 2000104-6; alle diese Anmeldungen wurden von der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung eingereicht.]
Die Gesamtplattendicke des Schichtenkörpers, der die dünnen Supraleiterschichten 31 aufweist, kann geringer als die eines Schichtenkörpers gemacht werden, der einen einzigen massiven Supraleiter aufweist, wenn Magnetfelder gleicher Intensität abzuschirmen sind. In diesem Fall müssen die Laminierungsoberflächen des Schichtenkörpers nahezu parallel zu den Oberflächen der flachen Platten 35, 35' oder der gekrümmten Platten 36, 36' sein, da es bei dem Entmagnetisierungsvorgang notwendig ist, einen Strom, der ein Magnetfeld zur Aufhebung der magnetischen Kraftlinien an den dünnen Supraleiterschichten der Schichtenkörperoberflächen erzeugt, senkrecht zu den magnetischen Kraftlinien fließen zu lassen.
Die magnetische Abschirmung 3 ist durch das vorgenannte Paar der flachen Platten 35, 35' oder der gekrümmten Platten 36, 36' aus einem einzigen massiven supraleitenden Körper oder einem Schichtenkörper gebildet. Insbesondere ist die magnetische Abschirmung aus einem metallischen Supraleiter, wie etwa einer Nb-Ti-Legierung oder einem Sinterkörper aus Supraleiteroxid gebildet. Wenn sie in Gebrauch ist, wird sie unter die kritische Temperatur abgekühlt, wobei ihr supraleitender Zustand erhalten werden kann. Ein Supraleiteroxid, das unterhalb der Temperatur von flüssigem Stickstoff verwendet werden kann, ist solches auf Basis von Y-Ba-Cu-O, wie etwa Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;-Oxid, auf Basis von Bi-Sr-Ca-Cu-O, wie etwa Bi1,5Pb0,5Sr&sub2;Ca&sub2;Cu&sub3;-Oxid oder auf Basis von Tl-Ba-Ca-Cu, wie etwa Tl&sub2;Ba&sub2;Ca&sub2;Cu&sub3;-Oxid. Ein einziger Sinterkörper aus einem solchen Supraleiteroxid hat eine ausreichende maximale Abschirmleistung, da das Oxid gegenüber einer instabilen Erscheinung infolge des Flußsprunges auch dann unempfindlich ist, wenn die Dicke der Platte größer gemacht wird. Insbesondere sollen die flachen Platten 35, 35' oder die gekrümmten Platten 36, 36', die aus einem solchen Sinterkörper des Supraleiteroxids bestehen, dünne Supraleiteroxidschichten 31 und die dünnen nichtmagnetischen metallischen Schichten 32 gemäß Fig. 7(a) bilden.
Als magnetisches Arbeitsmaterial 2 wird eine Substanz, wie etwa ein Gadolinium-Galliumoxid vom Granat-Typ, das bei den Magnetisierungs- und Entmagnetisierungsvorgängen eine große Entropieänderung erzeugt, zu einer vorbestimmten Gestalt geformt und verwendet, oder es wird eine Aluminiumverbindung eines Seltenerdmetalls zu einer vorbestimmten Gestalt geformt und bei einer hohen Temperatur von 20 K oder höher verwendet.
Die magnetische Kältemaschine der Erfindung mit der vorstehend angegebenen Struktur ist vom statischen Typ, bei dem das magnetische Arbeitsmaterial 2 ortsfest ist. Die Dreheinrichtung zum Drehen der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 und Lagerteile, die die magnetische Abschirmung abstützen, sind die einzigen beweglichen mechanischen Teile der magnetischen Kältemaschine. Außerdem wird die magnetische Abschirmung selber weder gedreht noch parallel bewegt. Die magnetische Kältemaschine kann daher kompakt und leicht gebaut werden.

BEISPIELE

Beispiele der magnetischen Kältemaschine der ersten Ausführungsform werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
Die Fig. 4(a), 4(b), 5(a) und 5(b) sind Schnittansichten von Beispielen bzw. Ausführungsformen der magnetischen Kältemaschine der Erfindung. Dabei sind supraleitende Spulen 1, 1' koaxial angeordnet und festgelegt. Ferner sind die supraleitenden Spulen 1, 1' durch Wickeln von Nb-Ti-Legierungsdrähten gebildet, die in flüssiges Helium eintauchen und dadurch gekühlt und in einem supraleitenden Zustand gehalten werden. Während des Kälteerzeugungsbetriebs fließt in den supraleitenden Spulen 1, 1' ständig ein Konstantstrom.
Wie Fig. 3 zeigt, weist die supraleitende magnetische Abschirmung 3 ein Paar von gekrümmten spuraleitenden Platten 36, 36' auf, die einander gegenüberstehen. Die Zwischenräume, die in Umfangsrichtung des Paars von gekrümmten Platten 36, 36' gebildet sind, sind mit nichtmagnetischen Verstärkungselementen 8, 8' zur Verstärkung der magnetischen Abschirmung 3 ausgefüllt. Die supraleitenden gekrümmten Platten 36, 36' sind laminierte bzw. Schichtenkörper, die eine Vielzahl von Nb-Ti-Legierungsfolienteilen mit einer Dicke von einigen um und eine Vielzahl von Aluminiumfolienteilen mit einer Dicke von einigen 10 um aufweisen. Die Verstärkungselemente 8, 8' bestehen aus nichtmagnetischem rostfreiem Stahl. Die supraleitenden gekrümmten Platten 36, 36' und die Verstärkungselemente 8, 8' bilden einen zylindrischen Körper, und die innere und äußere Umfangsfläche des zylindrischen Körpers sind mit nichtmagnetischen Röhren (nicht gezeigt) verstärkt.
Der vorgenannte zylindrische Körper, der die magnetische Abschirmung 3 aufweist, taucht in flüssiges Helium in einem ringförmigen Behälter 34, wird auf den supraleitenden Temperaturbereich heruntergekühlt und ist in dem Behälter 39 festgelegt. Der Behälter 39 ist an dem unteren Teil der Kältemaschine angeordnet und über ein Lagerelement 73 um die Mittelachse des zylindrischen Körpers herum drehbar. Bei diesem Beispiel drehen ein Motor 7 und Getrieberäder 71 und 72 den Behälter 34.
Im Inneren des ringförmigen Behälters 39, d. h. in dem Innenraum der magnetischen Abschirmung 3, ist das magnetische Arbeitsmaterial 2 durch ein adiabatisches Schutzrohr 28 befestigt. Das magnetische Arbeitsmaterial 2 hat die Gestalt eines Zylinders, der einen hohlen Abschnitt hat, der in Richtung seiner Mittelachse verläuft, und besteht aus Gd-Ga- Oxid-Granat. In den hohlen Abschnitt sind Stabkörper 61 aus Kristall (SiO&sub2;) eingesetzt, und beide Endflächen der Stabkörper 61 sind exakt bündig mit beiden zylindrischen Endflächen des magnetischen Arbeitsmaterials 2 und sind den Kristallverbindungsscheiben 62 und 63 zugewandt.
Eine tieftemperaturseitige Wärmequelle (Bad) 51, d. h. ein Kupferblock-Kaltbad 51, das bei diesem Beispiel gekühlt werden soll, ist mit dem adiabatischen Schutzrohr 28 befestigt. Die Oberfläche des Kaltbads 51 ist mit einer Endfläche eines ortsfesten Wärmeübertragungselements 65 aus Kristall in Kontakt, und die obere vertikale Oberfläche 691 des ortsfesten Wärmeübertragungselements 65 ist in engem Kontakt mit der unteren vertikalen Oberfläche 691 eines beweglichen Wärmeübertragungselements 64, so daß die Wärmeleitung zwischen dem ortsfesten Wärmeübertragungselement 65 und dem beweglichen Wärmeübertragungselement 64 nicht behindert wird. Wenn das bewegliche Wärmeübertragungselement 64 entlang der vertikalen Oberfläche 691 nach oben gleitet, gelangt die obere Endfläche des oberen Elements in engen Kontakt mit der unteren Endfläche der Scheibe 62 des magnetischen Arbeitsmaterials 2.
Wenn das bewegliche Wärmeübertragungselement 64 nach unten gleitet, wird zwischen der oberen Endfläche des Wärmeübertragungselements 64 und der unteren Endfläche der Scheibe 62 ein Spalt G gebildet. Wenn der Spalt G mit 50 um oder größer vorgegeben ist, wird bei einer Ultratieftemperatur von 20 K oder niedriger in einem Hochvakuum ein ausreichender adiabatischer Effekt erzielt. Der vertikale Gleitvorgang des beweglichen Wärmeübertragungselements 64 kann daher als Tieftemperatur-Wärmeschalter wirken.
Auf die gleiche Weise, wie oben beschrieben wurde, ist das magnetische Arbeitsmaterial 2 mit einer hochtemperaturseitigen Wärmequelle (einem Bad), z. B. einem kompakten Gaskühler 41, über ein bewegliches Wärmeübertragungselement 66 aus Kristall und ein ortsfestes Wärmeübertragungselement 67 über ein aus Kupfer bestehendes Wärmeübertragungselement 68 verbunden. Das bewegliche Wärmeübertragungselement 66 ist gleitfähig, um als Hochtemperatur-Wärmeschalter zu wirken.
Beide beweglichen Wärmeübertragungselemente 64 und 66 sind von einem Stab 77 gehalten und werden in Verbindung miteinander von einer Schneckeneinrichtung (nicht gezeigt), die von einem Schrittmotor 76 angetrieben wird, in Vertikalrichtung bewegt. Da durch eine Vertikalbewegungsstrecke von ca. 1 mm ein ausreichender Wärmeabschalteffekt erhalten wird, kann als Vertikalbewegungseinrichtung auch eine Nockeneinrichtung oder eine Solenoid-Schiebeeinrichtung verwendet werden. Die gesamte Vorrichtung ist in einem Vakuumgefäß angeordnet und wird in einem adiabatischen Zustand gehalten.
Die Fig. 4(a) und 4(b) zeigen den Magnetisierungsvorgang des magnetischen Arbeitsmaterlals 2. Das Paar von Verstärkungselementen 8, 8', die in die Zwischenräume zwischen den Enden der magnetisch abschirmenden supraleitenden gekrümmten Platten 36, 36' eingesetzt sind, sind auf der Mittelachse des Paars von Spulen positioniert. Da die Verstärkungselemente 8, 8' nichtmagnetisch sind, durchdringen die magnetischen Kraftlinien von dem Paar von Spulen das magnetische Arbeitsmaterial 2 und magnetisieren es. Zu diesem Zeitpunkt wird das magnetische Arbeitsmaterial 2 erwärmt.
Wenn der Stab 77 von einem Schrittmotor 76 nach unten geschoben wird, gelangt das bewegliche Wärmeübertragungselement 66 in Kontakt mit der oberen Scheibe 63, und Wärme kann zwischen dem magnetischen Arbeitsmaterial 2 und der Kühleinrichtung 41 geleitet werden, und das magnetische Arbeitsmaterial 2 kann somit abgekühlt werden. Andererseits wird das bewegliche Wärmeübertragungselement 64 ebenfalls nach unten geschoben, und das kalte Bad 51 wird durch den Spalt G zwischen dem Wärmeübertragungselement 64 und der unteren Scheibe 62 thermisch von dem magnetischen Arbeitsmaterial 2 getrennt, wodurch ein Temperaturanstieg des kalten Bads 51 verhindert wird.
Wenn die magnetische Abschirmung 3 von dem Motor 7 um 90º gedreht wird, wie die Fig. 5(a) und 5(b) zeigen, nehmen die supraleitenden gekrümmten Platten 36, 36' eine zu der Mittelachse der Spule orthogonale Lage ein und unterbrechen den Durchgang der magnetischen Kraftlinien zu dem Innenraum der Abschirmung. Das magnetische Arbeitsmaterial 2 wird daher adiabatisch entmagnetisiert und erzeugt Kälte, um sich seiber zu kühlen. Wenn der Stab 77 hochgezogen wird, wird das magnetische Arbeitsmaterial 2 von der Kühleinrichtung 41, die als Wärmebad dient, thermisch getrennt. Da andererseits das bewegliche Wärmeübertragungselement 64 in engem Kontakt mit der unteren Scheibe 62 ist und eine Wärmeleitung zu dem kalten Bad 51 erfolgen kann, kann das kalte Bad gekühlt werden. Da dieses Kühlen gemeinsam mit der Drehung durchgeführt wird, kann das kalte Bad 51 ständig im Kühlzustand gehalten werden, indem die vorstehenden Entmagnetisierungs- und Magnetisierungsvorgänge wiederholt werden, wodurch eine statische magnetische Kältemaschine gebildet wird.
Diese Art von magnetischer Kältemaschine kann bei Infrarotbild-Detektiereinheiten (nicht gezeigt) verwendet werden, die extrem geringe thermische Störungen erzeugen, indem ein IR-Festkörperbildsensor (nicht gezeigt) an dem Kupferblock des kalten Bads 51 angebracht und ein IR-Bild (das außen erzeugt wird) auf dem Bildsensor durch ein transparentes Schauglas 53 hindurch erzeugt wird.
Fig. 6 ist ein Schnitt durch eine magnetische Kältemaschine, die unterhalb der Temperatur von flüssigem Stickstoff verwendet wird. Die supraleitenden Spulen 1, 1', die supraleitende magnetische Abschirmung 3 und die drehenden Elemente 7, 71, 72 und 73 dieser Kältemaschine sind den entsprechenden Teilen der magnetischen Kältemaschine (gemäß den Fig. 4 und 5), die bei der vorgenannten Ultratieftemperatur arbeitet, nahezu gleich. Es wird jedoch Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;-Oxid als Supraleiter für die supraleitenden Drähte der supraleitenden Spulen und für die magnetische Abschirmung 3 verwendet. In diesem Fall ist der Aufbau der magnetischen Abschirmung 3 entsprechend Fig. 7(a). Dabei ist das Paar von gekrümmten Platten 36, 36' durch einen laminierten oder Schichtenkörper gebildet, der Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;-Oxidschichten 31 und Silberfolienschichten 32 aufweist. Die Verstärkungselemente 8, 8' aus nichtmagnetischem rostfreiem 18-8-Stahl sind in den Zwischenraum zwischen den Endflächen eingefügt und den gekrümmten Platten 36, 36' zugewandt, so daß eine zylindrische Gestalt gebildet ist.
Anstelle der Schichtenstruktur der gekrümmten Platten 36, 36' können die supraleitenden gekrümmten Platten 36, 36' verwendet werden, die aus dem vorher erwähnten einzigen Sinterkörper aus Supraleiteroxid bestehen, wie Fig. 7(b) zeigt.
Nach Fig. 6 tauchen die vorgenannten supraleitenden Spulen 1, 1' und die supraleitende magnetische Abschirmung 3 in flüssigen Stickstoff, so daß der supraleitende Zustand beibehalten werden kann.
Das magnetische Arbeitsmaterial 2 hat die Gestalt eines Zylinders mit einem hohlen Querschnitt und mit Öffnungen an beiden Zylinderenden. Wärmeübertragungsmedium wird durch ein Rohr 23 und den hohlen Querschnitt des magnetischen Arbeitsmaterials 2 geleitet und aus einem Rohr 24 durch einen Behälter 21 abgezogen, der die Außenfläche des magnetischen Arbeitsmaterials 2 bedeckt. Fig. 6 zeigt den Entmagnetisierungsvorgang des magnetischen Arbeitsmaterials 2, wobei das Paar von supraleitenden gekrümmten Platten 36, 36' in Richtung der Mittelachse der supraleitenden Spulen 1, 1' angeordnet ist. Das gasförmige Wärmeübertragungsmedium wird von einer Pumpe P zwischen dem Kältebad 51 und dem magnetischen Arbeitsmaterial 2 im Kreislauf gefördert und gekühlt. Flüssiggas wird dann am unteren Abschnitt des Kältebads 51 zum weiteren Gebrauch gespeichert.
Wenn bei dem Magnetisierungsvorgang die magnetische Abschirmung 3 um 90º aus dem Zustand nach Fig. 6 von den drehenden Elementen 7, 71, 72 und 73 wie oben beschrieben gedreht wird, wird das magnetische Arbeitsmaterial 2 magnetisiert und erwärmt. Zu diesem Zeitpunkt werden Ventile V1 und V2, die mit den Rohren 23 und 24 verbunden sind, umgeschaltet, und das magnetische Arbeitsmaterial 2 wird von dem gasförmigen Medium, das aus dem Wärmebad 41 zuzuführen ist, gekühlt.
Wenn bei diesem Beispiel als das magnetische Arbeitsmaterial 2 ein Sinterkörper aus einer DyAl&sub2;-Verbindung verwendet wird, Wasserstoff als das Wärmeübertragungsmedium dient und eine Kühleinrichtung, die billigen Flüssigstickstoff verwendet, als Wärmebad 41 verwendet wird, wird in dem Kältebad 51 flüssiger Wasserstoff mit einer Temperatur von 20 K erhalten. Kühlflüssigkeit oder -gas, wie Wasserstoff, Neon, Kohlenmonoxid, Argon, Stickstoff oder Sauerstoff, das als gasförmiges Medium zu verwenden ist, wird erhalten und als Kältemittel eingesetzt.
Im Fall dieses Beispiels der Kältemaschine können der magnetische Abschirmzustand und der Magnetfeld-Durchgangszustand des magnetischen Arbeitsmaterials 2 durch Drehen der supraleitenden magnetischen Abschirmung 3 um nur 90º entweder alternierend oder intermittierend wiederholt werden. Die magnetische Abschirmung 3 sollte nur dann rasch gedreht werden, wenn das magnetische Arbeitsmaterial 2 magnetisiert und entmagnetisiert wird, und die Drehung der magnetischen Abschirmung 3 sollte während des Wärmeaustauschs unter Verwendung von Gas unterbrochen und die Abschirmung ortsfest gehalten werden, um den Wärmewirkungsgrad der Kältemaschine zu steigern. Der Schaltbetrieb der Wählventile V1 und V2 kann mit der Drehung der magnetischen Abschirmung 3 gekoppelt sein.
Die zweite Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend beschrieben. Da die Konstruktion der magnetischen Kältemaschine der zweiten Ausführungsform grundsätzlich die gleiche ist, wie sie für die erste Ausführungsform mit Ausnahme des Aufbaus der supraleitenden magnetischen Abschirmung beschrieben wurde, werden nachstehend nur die speziellen Merkmale der zweiten Ausführungsform beschrieben.
Die supraleitende magnetische Abschirmung ist aus zwei supraleitenden Blöcken gebildet. Wie die Fig. 8(a) und 8(b) zeigen, sind zwei säulenartige Blöcke 37, 37' einander zugewandt angeordnet, um einen Raum 33 zwischen den Blöcken und außerdem einen magnetischen Durchgang 34 zu bilden, der mit dem Raum 33 in Verbindung ist. In dem Raum 33 ist ein zylindrisches magnetisches Arbeitsmaterial 2 fest angeordnet, und die magnetische Abschirmung wird von einer Dreheinrichtung (nicht gezeigt) um das magnetische Arbeitsmaterial 2 herum gedreht. Wenn der magnetische Durchgang 34 der magnetischen Abschirmung zu der Richtung der magnetischen Kraftlinien 9 nahezu parallel ist, wie Fig. 8(a) zeigt, gehen die magnetischen Kraftlinien 9 durch den magnetischen Durchgang 34, um das magnetische Arbeitsmaterial 2 zu magnetisieren.
Wenn die magnetische Abschirmung um 90º gedreht wird, wie Fig. 8(b) zeigt, werden die magnetischen Kraftlinien 9 von den supraleitenden Blöcken 37, 37' der magnetischen Abschirmung abgeschirmt. Die magnetischen Kraftlinien 9 können nicht durch den magnetischen Durchgang 34 gehen, der zu den magnetischen Kraftlinien 9 orthogonal ist, und das magnetische Arbeitsmaterial 2 wird entmagnetisiert. Infolgedessen kann durch Verwendung der vorstehenden supraleitenden Blöcke für die magnetische Kältemaschine, wie sie für die erste Ausführungsform beschrieben wurde, die magnetische Kältemaschine ohne weiteres realisiert werden.
Die Fig 9(a) und 9(b) zeigen Beispiele, bei denen das magnetische Arbeitsmaterial 2 zwischen den einander zugewandten Seitenflächen der supraleitenden Blöcke 38 und 38', die die Gestalt einer dreieckigen Säule haben, angeordnet ist.
Die Fig 9(c) und 9(d) zeigen Beispiele, bei denen die von den beiden supraleitenden Blöcken 37 und 37' gebildeten magnetischen Durchgänge 34, 34 zur Außenseite der magnetischen Abschirmung 2 hin erweitert sind. Da bei diesem Beispiel die magnetischen Kraftlinien am Erweiterungsbereich des magnetischen Durchgangs 34 bei dem Magnetisierungsvorgang konvergieren, kann die Magnetflußdichte des magnetischen Arbeitsmaterials 2 gesteigert werden. Infolgedessen kann die Änderung des Magnetflusses bei den Magnetisierungs- und Entmagnetisierungsvorgängen erhöht werden, so daß der Wirkungsgrad der magnetischen Kältemaschine gesteigert wird.
Die supraleitenden Blöcke können zwar aus einem supraleitenden Metall oder einer solchen Legierung bestehen, aber für magnetische Kältemaschinen, die in relativ hohen Temperaturbereichen eingesetzt werden, sollte ausschließlich ein Sinterkörper aus Supraleiteroxid verwendet werden. Die Blöcke können ohne weiteres hergestellt werden, indem das bei der Erläuterung der ersten Ausführungsform beschriebene Supraleiteroxid zu einer vorbestimmten Blockgestalt geformt und erhitzt wird, um den Formkörper bei hoher Temperatur zu sintern. Die beiden supraleitenden Blöcke 37, 37' können zu der magnetischen Abschirmung zusammengebaut werden, indem die Blöcke mit einem Verstärkungselement 8, wie etwa einem normalleitenden nichtmagnetischen Metall oder Keramikmaterial zusammengefügt werden, wie Fig. 9(a) zeigt. Bei dieser Konstruktion kann das Verstärkungselement 8 außerdem als der magnetische Durchgang 34 dienen.

Claims

1. Statische magnetische Kältemaschine, die folgendes aufweist:

einen Magneten (1, 1'), der ein Magnetfeld hoher Intensität erzeugt,

ein magnetisches Arbeitsmaterial (2), das in dem Magnetfeld hoher Intensität angeordnet ist,

eine supraleitende magnetische Abschirmung (3), die zwischen dem Magneten und dem magnetischen Arbeitsmaterial angeordnet ist, und

eine Dreheinrichtung, um die supraleitende magnetische Abschirmung zu drehen,

wobei die supraleitende magnetische Abschirmung ein Paar von supraleitenden Körpern (35, 35', 36, 36', 37, 37') aufweist, die fähig sind, sich gleichzeitig um das magnetische Arbeitsmaterial herum zu drehen, und die derart angeordnet sind, daß jeder der supraleitenden Körper im Abstand um das magnetische Arbeitsmaterial herum mit einem Zwischenraum (33) und seitlichen magnetischen Durchgängen (34), die mit dem Zwischenraum in Verbindung stehen, angeordnet ist, so daß ein Magnetisierungsvorgang, bei dem das magnetische Arbeitsmaterial in dem Magnetfeld hoher Intensität durch Drehen der supraleitenden magnetischen Abschirmung um das magnetische Arbeitsmaterial herum in einer Position magnetisiert wird, die den Durchgang des Magnetfelds durch das magnetische Arbeitsmaterial durch die magnetischen Durchgänge und den Zwischenraum gestattet, und ein Entmagnetisierungsvorgang, bei dem das magnetische Arbeitsmaterial durch weiteres Drehen der supraleitenden magnetischen Abschirmung in einer anderen Position entmagnetisiert wird, die das Abschirmen des Magnetfelds durch die supraleitenden Körper gestattet, durch die Dreheinrichtung wiederholt werden, so daß das magnetische Arbeitsmaterial Kälte erzeugt.

2. Statische magnetische Kältemaschine nach Anspruch 1, wobei die supraleitenden Körper ein Paar von nahezu parallelen flachen Platten (35, 35') oder ein Paar von nach außen gekrümmten Platten (36, 36') aufweisen, die einander zugewandt sind, und wobei das magnetische Arbeitsmaterial in dem Innenraum aufgenommen ist, der von dem Paar von flachen oder gekrümmten Platten gebildet wird.

3. Statische magnetische Kältemaschine nach Anspruch 1, wobei die supraleitenden Körper ein Paar von Blöcken (37, 37') aufweisen und das magnetische Arbeitsmaterial in dem Innenraum aufgenommen ist, der von dem Paar von Blöcken gebildet wird.

4. Statische magnetische Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die eine Endoberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials über eine Hochtemperatur-Wärmeschalteinrichtung mit einem Hochtemperatur-Wärmebad (41) verbunden ist, um eine Wärmeübertragung zu dem Hochtemperatur-Wärmebad zu gestatten, während die andere Endoberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials über eine Tieftemperatur-Wärmeschalteinrichtung mit einem Tieftemperatur-Wärmebad (51) verbunden ist, um eine Wärmeübertragung zu dem Tieftemperatur-Wärmebad zu gestatten.

5. Statische magnetische Kältemaschine nach Anspruch 4, wobei die Hochtemperatur-Wärmeschalteinrichtung derart angeordnet ist, daß ein bewegliches Wärmeübertragungselement (66) dicht bei dem magnetischen Arbeitsmaterial angeordnet und von einer Hin- und Herbewegungseinrichtung hin- und herbewegbar ist, so daß die Endoberfläche des beweglichen Wärmeübertragungselements mit einer Kontaktgleitfläche, die entlang der Kontaktgleitfläche gleitet, die an einem festen Wärmeübertragungselement vorgesehen ist, das mit dem Hochtemperatur-Wärmebad verbunden ist, um eine Wärmeübertragung zu gestatten, der einen Endoberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials zugewandt ist, so daß die Endoberfläche des beweglichen Wärmeübertragungselements in Abhängigkeit von der Wiederholung der Magnetisierungs- und Entmagnetisierungsvorgänge wiederholt in innigen Kontakt mit der einen Endoberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials gelangt und von dieser getrennt wird.

6. Statische magnetische Kältemaschine nach Anspruch 4, wobei die Tieftemperatur-Wärmeschalteinrichtung derart angeordnet ist, daß ein bewegliches Wärmeübertragungselement (64) dicht bei dem magnetischen Arbeitsmaterial angeordnet und von einer Hin- und Herbewegungseinrichtung hin- und herbewegbar ist, so daß die Endoberfläche des beweglichen Wärmeübertragungselements mit einer Kontaktgleitfläche, die entlang der Kontaktgleitfläche gleitet, die an einem festen Wärmeübertragungselement vorgesehen ist, das mit dem Tieftemperatur-Wärmebad verbunden ist, um eine Wärmeübertragung zu gestatten, der anderen Endoberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials zugewandt ist, so daß die Endoberfläche des beweglichen Wärmeübertragungselements in Abhängigkeit von der Wiederholung der Magnetisierungs- und Entmagnetisierungsvorgänge wiederholt in innigen Kontakt mit der anderen Endoberfläche des magnetischen Arbeitsmaterials gelangt und von ihr getrennt wird.

7. Statische magnetische Kältemaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die supraleitende magnetische Abschirmung ein Schichtenkörper oder laminierter Körper ist, der dünne supraleitende Schichten (31) und dünne normale Leiter- oder Isolierschichten (32) aufweist, die zu flachen oder gekrümmten Platten geformt sind.

8. Statische magnetische Kältemaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die supraleitende magnetische Abschirmung ein geformter Sinterkörper aus supraleitendem Oxidpulver oder ein geformter Sinterkörper ist, der dünne supraleitende Oxidschichten und dünne nichtmagnetische Metallschichten aufweist, die zu flachen oder gekrümmten Platten geformt sind.