JPS60259870A

JPS60259870A - 磁気冷凍装置

Info

Publication number: JPS60259870A
Application number: JP59114901A
Authority: JP
Inventors: 秀樹中込; 聡安田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-06-05
Filing date: 1984-06-05
Publication date: 1985-12-21
Also published as: JPH0332710B2; EP0170364A1; DE3566155D1; US4599866A; EP0170364B1

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、磁気冷凍装置に係り、特に、効率の向上化を
図れるようにした磁気冷凍装置に関する。

〔発明の技術的背明とその問題点〕

従来、磁性体の磁気熱量効果を利用した磁気冷凍装置か
知られている。磁気冷凍装置は、断熱消磁１こよって冷
えたｔｎ性体で被凝縮ガスを凝縮させるｊ：うにしたも
ので、通常の圧縮形冷凍１幾に較べて単位体（＾当りの
冷凍能力が高いという利点を備えている。

ところで、Ｅｆｔ気冷′ａ装置の場合には、ガドリニウ
ム・ガリウム・ガーネッ１〜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
のときに作業物質で発生した熱を外部に逃がす排熱過程
と、磁場内に位置している作業物質を磁場外へ急速に導
入して断熱消Ｕｆｉさせ、このときの作業物質の吸熱作
用で被凄縮ガスを凝縮させる吸熱過程どの２つの熱交換
過程を交互に行なわせる必要がある。

このようなことから、磁気冷凍装置における冷凍効率お
よび冷凍能力は、高温排熱時（断熱磁化時）ならびに低
温吸熱時（断熱消磁１時）における熱交換効率によって
大きく左右される。したがって、冷凍効率および冷凍能
力を向上させるにＩＪ、高温排熱時に作業物質で発生し
た熱を可及的速やかに除去して作業物質を所要の低温に
予冷する必要があり、また、低温吸熱時に一度に多口の
被凝縮ガスを凝縮させる必要がある。

し゛かしながら、上）ボした要望は、作業物質側から見
ると互いに矛盾した要件を満たさなければならないこと
になる。すなわち、低温吸熱時に一度に多量の被凝縮ガ
スを凝縮させるには、表面積の大きな作業物質を必要と
する。しかし、代表的な作業物質であるカドリニウム・
ガリウム・ガーネットは単結晶体であり、表面積の大ぎ
な、つまり大径の単結晶体を得ることは一般に困難であ
る。

このため、小径、つまり表面積の小さい作業物質に凹凸
を設け、これによって表面積を増加させる必要がある。

一方、高温排熱時の熱交換効率を向上させるには、排熱
用の熱伝導体を作業物質に密接させる必要があるが、作
業物質の表面に凹凸が存在していると密接させることは
困難であり、結局、２つの要望を同時に満足させること
はできない。このようなことが原因して従来のこのｆ！
装置にあっては、冷凍効率、冷凍能力が低く、改善が望
まれているいるのが実状である。

〔発明の目的〕

本発明ＩＪ、このような事情に鑑みてなされたもので、
その目的とするところは、冷凍効率ならびに冷凍能力を
大幅に向上させ得る磁気冷凍装置を提供することにある
。

〔発明の概要〕

本発明は、常時磁場を発生する磁場発生装置と、この磁
場発生装置で発生したｌａ磁場内位置しているときには
発熱し、磁場外に位置しているときには吸熱して外面に
被凝縮ガスを凝縮させる作業物質と、この作業物質と前
記磁場発生装置とを相対的に移動させて上記作業物質を
磁場内および磁場外へと交互に位置させる駆動機構と、
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
物質で発生した熱を上記作業物質の位置している空間の
外部へ排熱する排熱系とを具備してなる磁気冷凍装置に
おいて、前記作業物質に、前記排熱系に熱的に接続され
る平坦な外面部と、主として前記被凝縮ガスの凝縮面に
供される凹凸を有した外面５一部とを設けたことを特徴としている。

〔発明の効果〕

このように、本発明によれば、作業物質の外面に平坦部
と凹凸部とを設け、高温排熱時に上記平坦部を用いて排
熱させ、また、低温吸熱時に上記凹凸部を用いて凝縮さ
せるようにしている。したがって、高温排熱時には上記
平坦部と排熱用の熱伝導体との間の密着性が有効に作用
して速やかに排熱させることができ、また、低）品吸熱
時には凹凸による広い表面積が有効に作用して一度に多
量のガスを凝縮することができ、結局、冷凍効率ならび
に冷凍能力を大幅に向上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図は、本発明に係る磁気冷凍装置をヘリウム液化装
置に組込んだ例を示すもので、この装置は、大きく別け
て、液化装置本体Ａと、予冷冷凍ｔｌＢとで構成されて
いる。そして、液化装置本体Ａは、具体的には次のよう
に構成されている。

−〇− すなわち、図中１はヘリウム槽を示している。

このヘリウム槽１は、外槽２と、この外槽２内に配置さ
れた内＋ｉ　３と、この内槽３内に配置されたヘリウム
容器４どて構成されている。そして、内槽３を取囲んで
いる空間５および゛ヘリウム容器４を取り囲んでいる空
間６は、それぞれ真空引きされて真空断熱層に形成され
ている。また、外槽２、内槽３およびヘリウム容器４は
、それぞれ熱伝導性の悪い非磁性材で形成されている。

ヘリウム容器４の上方には、偏平な円板状の外形に形成
された補助容器７が水平に配置されている。この補助容
器７け、全体が熱伝導性の悪い非ｑｌ性材で形成されい
る。そして、補助容器７内とヘリウム容器４内とは、偏
心した位置において筒体８によって接続されている。補
助容器７の土壁中央部には孔９が設けてあり、この孔９
の縁部には同体１０の下端部が気密に接続されている。

この筒体１０の上端部は内槽３の上壁および外槽２の上
部空間に水平に設けられた仕切り壁１１を気密に貫通し
ている。

補助容器７内には、回転輪１２が軸心線を上下方向に向
けて回転自在に装着されている。この回転輪１２は、熱
伝導率の悪い非磁性部材で形成されたもので、その中央
部には上下方向に向かう透孔１３が形成されており、ま
た、その周辺部には第２図にも示すように上下方向に向
かう透孔１４が等間隔に複数形成されている。そして、
各透孔１４内には、作業物質１５が装着されている。こ
れら作業物質１５は、たとえばガドリニウム・ガリウム
・ガーネットの単結晶体を円柱状に加工して形成された
もので、その直径が前記透孔１４の直径より小さく、か
つ軸方向の長さが回転輪１２の厚みとほぼ等しく形成さ
れている。これら作業物質１５の外周面１６には、第３
図に示すように外周面１６に凹凸を付けるための、たと
えば深さ５〜５００［μｍ］の細い縦溝１７が周方向に
亙って複数形成されており、また、その上下両端面１８
ａ、１８ｂは平坦な面に形成されている。そして、各作
業物質１５は、透孔１４の内面との間に環状の間隙１９
を設けた状態で、その上下端面１８ａ、１８ｂの周縁部
が支持材２０を介して回転輪１２に固定されている。な
お、支持材２０は、作業物質１５の上下端面１８ａ、１
８ｂの周縁部に形成された切欠溝と回転輪１２の上下端
面に形成された切欠溝とにその両端が完全に嵌入する形
に設けられており、これによって支持１１２０が作業物
質１５の上下端面および回転１１１２の上下端面より突
出しないようになっている。

回転輪１２の中央部に設けられた透孔１３には、軸２１
の下端部が挿設されており、この軸２１の回転軸１２よ
り下方に突出した部分はピボット軸に形成されている。

そして、上記ビボッ１−軸は補助容器７の底壁内面に形
成された軸受部２２によって支持されている。また、軸
２１の上部側は、筒体１０内を上方に向けて延び、その
上端部が外１１２の土壁内面に設けられた軸受２３によ
って支持されている。上記軸２１の外周で前記外槽２の
上壁と前記仕切り壁１１との間に位置する部分には歯車
２４が装着されている。歯車２４は歯車２５と歯合して
おり、この歯車２５は外槽２の上壁９− と仕切り壁１１とに固定された軸受２６．２７によって
回転自在に支持された軸２８に装着されている。そして
、軸２８の上端側は外槽２の土壁を貫通して上記上壁の
外面に固定されたモータ２９の回転軸に連結されている
。

前記補助容器７の側壁で、前記筒体８が設【Ｊられてい
る位置とは反対側に位置する部分には孔３１が設けてあ
り、この孔３１を通して補助容器７内に熱伝導体３２が
気密に挿設されている。この熱伝導体３２は、非磁性良
熱伝導材、たとえば鋼材で形成されており、補助容器７
内に位置する部分には、回転輪１２に装着されている作
業物質１５の上下端面１８ａ、１８ｂに弾性的に摺接す
る摺接部３３ａ、３３ｂが形成されている。そして、熱
伝導体３２の補助容器７外に位置する部分は内槽３内の
空間を所定の高さまで上方に延び、その上端には開口部
を上方に向けた円柱状の凹部３４を有した接続部３５が
形成されている。接続部３５の上端周縁部には筒体３６
の下端部が接続されており、この筒体３６の上端側は内
ＩＩ　３の上壁を１０− 気密に目通した後、外槽２の土壁に設けられた孔３７の
内面に気密に接続されている。そして、上記筒体３Ｇ内
には予冷冷凍Ｉ幾Ｂの吸熱導体３８が差し込まれ、この
吸熱導体３８の下喘部が前記凹部３４内に嵌入している
。なお、吸熱導体３８の外周にはフランジ部３９が形成
されており、このフランジ部３９が図示しないシール材
を介して外槽２の土壁に固定され、これによって、筒体
３６の開口部が気密に閉塞されるとどもに予冷冷凍機Ｂ
の固定がなされている。

一方、補助容器７の上方および下方位置で、かつ前記熱
伝導体３２の１間接部３３ａ、３３ｂに対向する位置に
は１ｉｆｉ場発生装置としての超電導コイル４１．４２
が同軸的に配置されている。これら超電導コイル４１．
４２は、それぞれ非磁性良熱伝導材で偏平に形成された
ケース４３．４４と、これらケース４３．４４内に収容
されたコイル本体４５．４６とで構成されている。そし
て、ケース４３どケース４４とは第４図に示すように良
熱伝導体４７で接続されており、この良熱伝導体４７の
下端側はヘリウム容器４の土壁を気密に目通して上記ヘ
リウム容器４の底部に溜っている′ａ体ヘリウムＨ中に
差し込まれている。すなわち、コイル本体４５．４６は
、ヘリウム容器４内に溜っている液体ヘリウムＨを冷ｆ
ＡｒＡとし、良熱伝導体４７およびケース４３．４４を
介して所要の温度に冷却されるようになっている。

なお、第１図中、５１．５２．５３はシール機構を示し
ている。

次に上記のように構成されたヘリウム液化袋間の動作を
説明する。

まず、超電導コイル４１．４２のコイル本体４５．４６
は所定の温度に冷却されており、かつコイル本体４５．
４６には発生［ｎ場の方向が等しくなる向きの永久電流
が流れているものとする。また、予冷冷凍機Ｂが動作し
ているものとする。予冷冷凍機Ｂが動作すると、吸熱導
体３８を介して熱伝導体３２が十分低湿に冷却される。

このような状態で、モータ２９を動作開始させると、軸
２１が回転し、これに伴って回転輪１２が回転する。回
転輪１２が回転を開始すると、各作業物質１５は超電導
コイル４１．４２が発生している磁場内とＩｎ場外との
間を循環することになる。作業物質１５が磁場内に入り
込むと、磁束が一方の端面から他方の端面に向かうよう
に作業物質１５内を通り、この作業物質１５は断熱磁化
状態となって発熱する。また、作業物質１５が磁場外に
出ると、この作業物質１５は断熱消磁状態となり吸熱す
る。

このように断熱消磁状態になると、液面上に漂い補助容
器７内に進入しているヘリウムガスが作業物質１５の表
面に凝縮する。この凝縮によって形成された液滴は自然
落下し、ここにヘリウムの液化が達成される。そして、
この場合には、特に、各作業物質１５の外周面１６に縦
溝１７を複数段（プているので、各作業物質１５の表面
積は非常に広い。このため、１回の吸熱過程で多量の液
滴が生成される。

一方、断熱磁化状態のとき作業物質１５に発生した熱は
次のようにして外部に導かれる。すなわ１３− ち、作業物質１５が磁場内に位置しているときには、こ
の作業物質１５の上下端面１８ａ、１８ｂに熱伝導体３
２の摺接部３３ａ、３３ｂが必ず接している。この結果
、作業物質１５で発生した熱は、上記摺接部３３ａ、３
３ｂから熱伝導体３２に伝わり、続いて吸熱導体３８を
介して速やかに予冷冷凍機Ｂへと排熱される。そして、
この場合には、特に、作業物質１５の上下端面１８ａ、
１８ｂが平坦な面に形成されているので、作業物質１５
に対して摺接部３３ａ、３３ｂを十分に密接させること
ができ、作業物質１５と摺接部３３ａ、３３ｂとの間の
熱抵抗を十分に小さくすることができる。したがって、
作業物質１５で発生した熱によってヘリウム容器４内が
温度上昇するようなことはなく、また、作業物質１５が
所定の低温に常に予冷され、ここに良好な冷凍サイクル
が実現される。

このように、各作業物質１５の外面に、排熱系に熱的に
接続される平坦な面部分と、主として凝縮面に供される
凹凸を有した面部分とを設け、作１４− 桑物質１５のり（１面を＋；、ｌｌ能分１−Ｊするよう
にしている。

したがって、単に凹凸だけを形成した場合どは違って、
高温排熱ロー１および低）昌吸熱時の熱交換効率を大幅
に向上させることができ、結局、前）ホした効果が得ら
れることになる。

なお、本光明は上述した実施例に限定されるものではな
く種々変形することができる。すなわち、上）ホした実
施例では、ＵＮ１場光生装置を固定しておき、作業物質
を移動させるようにしているが、逆に、作業物質を固定
しておき、［１１場発生装詔を移動させるようにしても
よい。この場合、磁場発生装置の動きに応動させて断熱
消磁時には排熱系を断つ」：うにすればよい。また、作
業物質の外面に凹凸を形成する手段は溝にかぎられるも
のではなく、さらに作業物質の形状も円柱状に限らず、
角柱状でもよい。また、被凝縮ガスもヘリウムに限定さ
れるものではない。

【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を組込ん
でなるヘリウム液化装置の縦断面図、第２図は同装置の
回転輪部分だ（Ｊを取出して示す斜視図、第３図は同装
置に組込まれた作業物質の外観図、第４図は同装置に組
込まれた超電導コｒルを一部切欠して示す外観図である
。Ａ・・・液化装置本体、Ｂ・・・予冷冷凍機、１・・・
ｌ＼リウム槽、４・・・ヘリウム容器、７・・・補助容
器、１２・・・回転輪、１５・・・作業物質、１７・・
・縦渦、１８ａ、１８ｂ・・・平坦な端面、２９・・・
モータ、３２・・・熱伝導体、３３ａ、３３ｂ・＝−摺
接部、４１．４２・・・磁場発生装置としての超電導コ
イル、］−１・・・液体へ１１ウム。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第２図第３図第４図１

Claims

【特許請求の範囲】

（１）常時磁場を発生する磁場発生装置と、この磁場発
生装置で発生した磁場内に位置しているときには発熱し
、磁場外に位置しているどきには吸゛然して外面に被凝
縮ガスを凝縮させる作業物質と、この作業物質と前記磁
場発生装置とを相対的に移動させて上記作業物質を磁場
内および［ｎ場外へと交互に位置させる駆動機構と、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
質で発生した熱を上記作業物質の位置している空間の外
部へ排熱する排熱系とを具備してなる磁気冷凍装置にお
いて、前記作業物質は、前記排熱系に熱的に接続される
平坦な外面部と、主として前記被凝縮ガスの凝縮面に供
される凹凸を有した外面部とを備えてなるものであるこ
とを特徴とする磁気冷凍装置。
（２）前記作業物質は、円柱状もしくは角柱状に形成さ
れ、平行する両端面が前記排熱系に接続される平坦な面
に形成され、残りのタト面が凹凸を有した面に形成され
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
載の磁気冷凍装置。
（３）前記駆動機構は、前記作業物質の前記平坦な面を
前記磁場発生装置の発生磁場の方向に対して直交させて
上記作業物質を（浅域的に移動させるものであることを
特徴とする特許請求の範囲第２項記載の磁気冷凍装置。
（４）　前記排熱系は、前記磁場発生装置で発生した磁
場内に前記作業物質が進行したとき上記作業物質の前記
平坦な而に機械的に接触する熱伝導体を備えたちである
ことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の磁気冷凍
装置。