JPH0317055B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、スターリングサイクル冷凍機、ギフ
オードマクマホンサイクル冷凍機等の蓄冷器を用
いた冷凍機に係わり、特に最低到達温度の引上げ
を図つた冷凍機に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、超電導現象を利用した各種の電気機器、
エネルギー発生装置等の開発が活発化してきた。
これに伴なつて、たとえばHe液化装置等の極低
温生成装置のニーズも高まつている。

極低温生成装置として、従来、知られているも
のに、スターリング冷凍サイクル、ギフオードマ
クマホン冷凍サイクル等を利用した冷凍機があ
る。これらの冷凍機は、蓄冷材にヘリウムガス等
の冷媒を通流させて、冷媒の冷却を行うものであ
り、冷媒の最低到達温度を引下げるためには、蓄
冷効果の大きい蓄冷材が必要不可欠となる。従
来、このような冷凍機の蓄冷材には鉛が用いられ
ていたが、鉛は、10〓以下の温度において、その
比熱がヘリウムガスの比熱に比べ急激に低下して
しまい、蓄冷材としての機能を果たさなくなると
いう不具合があつた。このため、このような冷凍
機では20〓程度までの冷却が限度であり、利用範
囲が限定されてしまうという問題があつた。

〔発明の目的〕

本発明は、かかる問題点に鑑みなされたもので
あり、その目的とするところは、絶対零度近傍に
おいても、高い比熱を維持できる蓄冷器を用い、
冷媒の最低到達温度の引下げを図つた冷凍機を提
供することにある。

〔発明の概要〕

本発明に係る冷凍機では、蓄冷器が、希土類磁
性体で形成された蓄冷材と、この蓄冷材に対して
上記蓄冷材の温度・比熱特性を望むべき特性に改
め得る強さの磁場を与える手段とで構成されてい
る。

蓄冷材として使用できる希土類磁性体として
は、ガドリニウムガリウムガーネツト （Gd₃Ga₅O₁₂）、デイスプロシウムアルミガーネ
ツト（Dy₃Al₅O₁₂）、デイスプロシウムガリウム
ガーネツト（Dy₃Ga₅O₁₂）、ガドリニウムアルミ
ガーネツト（Gd₃Al₅O₁₂）、リン酸デイスプロシ
ウム（DyPO₄）、流酸ガドリニウム（Gd₂
（SO₄）₃・8H₂O）、硫化ユウロピウム（EuS）が
挙げられる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、希土類磁性体からなる蓄冷材
を所定の磁場内で用いるようにしている。このた
め、５〓以下の蓄冷温度においても、蓄冷材の高
い比熱を維持させることができる。ちなみに、希
土類磁性体であるガドリニウムガリウムガーネツ
トを種々の強さの磁場中に置いた場合と、磁場中
に置かない場合（Ｂ＝0T、ただし、Ｔはテスラ
である。）との温度・比熱特性を第１図ｂに示し
ている。同様に、硫化ユウロピウムの温度・比熱
特性を第１図ｃに示し、デイスプロシウムアルミ
ガーネツトの温度・比熱特性を第１図ｄに示し、
またデイスプロシウムガリウムガーネツトの温
度・比熱特性を第１図ｅに示している。なお、図
には示していないが、ガドリニウムアルミガーネ
ツト、リン酸デイスプロシウム、硫酸ガドリニウ
ムも低温領域におい高い比熱を示し、しかも磁場
を与えると温度・比熱特性が変化する。さらに、
比較のために第１図ａ中に鉛の温度・比熱特性を
ｂ曲線で示し、20atmにおけるヘリウムの温度・
比熱特性をｅ曲線で示している。

第１図ａから判るように、鉛は15K以下で比熱
が急激に低下する。これに対して、第１図ｂ，
ｃ，ｄ，ｅに示した希土類磁性体は、所定の強さ
の磁場Ｂ中の置かれると、15K以下の温度領域に
おいても高い比熱を維持し、しかも磁場Ｂの強さ
によつて上記温度領域における温度・比熱特性が
変化する。したがつて、磁場Ｂの強さを選択する
ことによつて、目標温度領域において、希土類磁
性体に鉛を越える温度・比熱特性を発揮させるこ
とができる。

このように、本発明によれば、蓄冷材の高い蓄
熱効果を得ることができ、冷凍機の最低到達温度
を大幅に引下げることができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の詳細を図示の実施例に基づき説
明する。

第２図はスターリングサイクル冷凍機を示した
ものであり、図中１はデイスプレーサである。こ
のデイスプレーサ１は、シリンダ２と、このシリ
ンダ２内を往復運動するピストン３とで形成され
る２つの空間４および５を有し、これら空間４と
空間５とを連通する流路には、冷却器６、蓄冷器
７および寒冷取出し用熱交換器８が直列に接続さ
れている。また、上記空間４と冷却器６との間に
は圧縮機９からの流路が接続されている。

蓄冷機７は、たとえばガドリニウムガリウムガ
ーネツトからなる蓄冷材８と、この蓄冷材１０に
3Tの磁場を与える励磁装置１１とから構成され
ている。しかして、蓄冷材１０には絶対零度近傍
までの蓄冷がなされている。なお、冷媒にはヘリ
ウムガスが使用される。

このように構成されたスターリングサイクル冷
凍機の動作について説明する。

スターリング冷凍サイクルでは、通常、４つの
過程によつて冷却が行われる。第１の過程では、
初め、デイスプレーサ１のピストン３は下死点、
すなわち、空間４が最大容積となる位置にあり、
圧縮機９のピストン１２は上死点にある。圧縮機
９のピストン１２は下死点へ向けて移動し、冷媒
を圧縮する。この時、発生する圧縮熱は冷却器６
において、たとえば水冷によつて取り去られる。

第２の過程では、圧縮機９のピストン１２は下
死点に静止し、デイスプレーサ１のピストン３が
上死点へ向けて移動する。これによつて、冷媒は
空間４〜冷却器６〜蓄冷器７〜熱交換器８〜空間
５の順に等容積的に移動する。蓄冷器７を通流し
た冷媒は、室温近傍から急激に冷却されて空間５
へ送り込まれる。この時、冷媒は等容積変化を行
うため理想気体の法則に従い、圧力が低下する。

第３の過程では、圧縮機９のピストン１２は上
死点へ向けて移動し、冷媒の圧力がさらに低下す
る。これによつて、熱交換器８に寒冷が発生し、
冷却対象の冷却がなされる。

そして、第４の過程では、デイスプレーサ１の
ピストン３が下死点に戻り、冷媒は空間５〜熱交
換器８〜蓄冷器７〜冷却器６〜空間４の順に等容
積的に移動する。これによつて１周期が終了す
る。

このように、スターリングサイクル冷凍機で
は、蓄冷器の蓄冷効果によつて、その冷却性能が
左右されるか、本実施例によれば、蓄冷器７がガ
ドリニウムガリウムガーネツトからなる蓄熱材１
０が3Tの磁場中に設置されているので、前述し
た如く５〓以下の極低温においても高い蓄冷効果
を維持することが可能となる。このため、最低到
達温度を大幅に引下げることが可能な冷凍機が提
供できる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるもので
はない。たとえば蓄冷材１０にデイスプロシウム
アルミガーネツト、デイスプロシウムガリウムガ
ーネツト、ガドリニウムアルミガーネツト、リン
酸デイスプロシウム、磁酸ガドリニウムまたは硫
化ユウロピウム等の希土類磁性体を用いてもよ
い。

また、本発明は、上記スターリングサイクル冷
凍機に限らず、たとえばギフオードマクマホンサ
イクル冷凍機等の他の冷凍機、すなわち作動ガス
を蓄冷器と寒冷取出し用熱交換器との直列流路に
往復通流させる系を備えた冷凍機にも、もちろん
適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは鉛とヘリウムの温度・比熱特性を示
す図、第１図ｂは種々の強さの磁場中に置かれた
ガドリニウムガリウムガーネツトの温度・比熱特
性を示す図、第１図ｃは種々の強さの磁場中に置
かれた硫化ユウロピウムの温度・比熱特性を示す
図、第１図ｄは種々の強さの磁場中に置かれたデ
イスプロシウムアルミガーネツトの温度・比熱特
性を示す図、第１図ｅは種々の強さの磁場中に置
かれたデイスプロシウムガリウムガーネツトの温
度・比熱特性を示す図、第２図は本発明の一実施
例に係るスターリングサイクル冷凍機の構成を示
す図である。 １……デイスプレーサ、２……シリンダ、３，
１２……ピストン、４，５……空間、６……冷却
器、７……蓄冷器、８……寒冷取出し用熱交換
器、９……圧縮器、１０……蓄冷材、１１……励
磁装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 作動ガスを蓄冷器と寒冷取出し用熱交換器と
   の直列流路に往復通流させる系を備えた冷凍機に
   おいて、前記蓄冷器は、希土類磁性体で形成さ
   れ、往復通流する前記作動ガスに接触するように
   設けられた蓄冷材と、この蓄冷材に対して上記蓄
   冷材の温度・比熱特性を望むべき特性に改め得る
   強さの磁場を与える手段とを具備してなることを
   特徴とする冷凍機。 ２ 前記蓄冷材は、ガドリニウムガリウムガーネ
   ツト（Gd₃Ga₅O₁₂）、デイスプロシウムアルミガ
   ーネツト（Dy₃Al₅O₁₂）、デイスプロシウムガリ
   ウムガーネツト（Dy₃Ga₅O₁₂）、ガドリニウムア
   ルミガーネツト（Gd₃Al₅O₁₂）、リン酸デイスプ
   ロシウム（DyPO₄）、硫酸ガドリニウム（Gd₂
   （SO₄）₃・8H₂O）、硫化ユウロビウム（EuS）の
   中から選ばれた一種で形成されていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の冷凍機。