(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍機の蓄冷器の蓄冷材としてＥｒＮｉを用いるとともに、前記蓄冷材に定常的に一定の磁場を印加することを特徴とする冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍機に関し、特に、蓄冷材としてＥｒＮｉを用い、前記蓄冷材に定常的に一定の磁場を印加する冷凍能力に優れた冷凍機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
極低温の冷凍機として、今日、ＧＭ（Ｇｉｆｆｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ）冷凍機が広く用いられている。
図５を参照して従来のＧＭ冷凍機の概略構成を説明すると、図中、１は蓄冷器、２はシリンダ３内に摺動自在に配置したピストン、４は熱交換器、５はコンプレッサー、Ｖ１、Ｖ２はバルブであり、これらによって構成された冷凍機は次のような動作をする。
【０００３】
最初ピストン２は、シリンダ３の底（図中下方）にあり、高圧のヘリウムガスがバルブＶ１を通してコンプレッサー５からシリンダ３内のＡ室と蓄冷器１の中に導入される。次にバルブＶ１を開けたままでピストン２を上昇させ、シリンダ３Ａ室内のヘリウムガスを蓄冷器１を通してＢ室に移す。これをホットブローと呼ぶ。この操作は、ヘリウムガスが蓄冷器１を通過する時にその体積が収縮するため、等圧条件を満足するようにバルブＶ１を開けたままで行う。
【０００４】
次にバルブＶ１を閉め、バルブＶ２を開いてシリンダ３内のＢ室の圧力を下げる。この過程でヘリウムガスは膨張し、温度が減少することにより冷凍が行われる。最後にピストン２を下げ、低温のヘリウムガスがシリンダ３内のＢ室からＡ室に熱交換器４と蓄冷器１を通して移動する。これをコールトブローと呼ぶ。上記冷凍機では上記のような過程を１サイクルとして運転が行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このシステムの中で、蓄冷器１に用いる材料「蓄冷材」としては比熱の大きな材料が要求されるが、従来のＧＭ冷凍機では、蓄冷材としてＥｒ3 ＮｉやＰｂが使用されていた。
しかし、Ｅｒ3 ＮｉやＰｂは蓄冷材として十分な比熱を有しているとは言えず、さらに大きな比熱を有する新しい蓄冷材が望まれていた。
【０００６】
こうした背景のなかで、本発明者等は、ＥｒＮｉが、常磁性から強磁性に転移する１０．５Ｋ付近で従来の蓄冷材Ｅｒ3 ＮｉやＰｂなどよりも大きな比熱を示し、蓄冷材として有望であることを確認し、本発明はこの知見に基づいてされたものである。図２に、ＥｒＮｉ蓄冷材の磁場中での比熱の実測値を示す。比較のために従来のＧＭ冷凍機で用いられて来たＥｒ3 ＮｉやＰｂのゼロ磁場での比熱も一緒に示す。この図からも明らかなようにＥｒＮｉが蓄冷材として極めて有望であることが判る。
【０００７】
本発明による冷凍機では、蓄冷材として比熱の大きいＥｒＮｉを使用したため、冷凍機の効率が向上するとともに、ＥｒＮｉに定常的に一定の磁場を印加することにより冷凍能力を著しく飛躍させることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、冷凍機の蓄冷器の蓄冷材としてＥｒＮｉを用いるとともに、前記蓄冷材に定常的に一定の磁場を印加することを特徴とする冷凍機である。
【０００９】
【実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明すると、図１は本発明の実施の形態に係る冷凍機の構成図であり、この冷凍機は前述した従来の冷凍機の蓄冷器１の付近に磁場を印加する磁場印加手段６を備えており、他の構成要件は従来と同様である。前記磁場印加手段６としては永久磁石や電磁石等の適宜磁石を使用することができ、また磁場印加手段６の磁場制御も適宜手段にて行うことができる。たとえば、永久磁石を使用した場合、蓄冷材に永久磁石を近づけたり遠ざけたりすることで磁場の強さを変えることができ、また永久磁石の移動手段として、各種のアクチュエータを使用することができる。
【００１０】
上記構成の冷凍機の蓄冷器１に使用する蓄冷材はＥｒＮｉであり、この蓄冷材には前述のように磁場印加手段により、種々の形態で磁場を印加できるようにしてある。
高熱源の温度を３０Ｋ、低熱源の温度を４Ｋとし、蓄冷材としてＥｒＮｉを用い、それに磁場を印加した場合の冷凍能力（Ｐr ／Ｐi ）のシミュレーションの結果を図３に示す。ここで、Ｐi は理想の、Ｐr は実際のＧＭ冷凍機の冷凍能力を表しており、Ｌ１は蓄冷機の全長、Ｌ２はその内の磁場を印加した部分の長さを表す。またＢ（Ｔ）は印加磁場をテスラの単位であらわす。図から明らかなように、Ｌ２／Ｌ１＝０．５５、Ｂ（Ｔ）＝２．１Ｔのときに最大値は０．６９５であり、この値は磁場を印加しないときの値０．５２に比べ１．３４倍となる。このようにＥｒＮｉは一定の磁場を印加することにより冷凍能力が増大することが明らかなった。
【００１１】
次に、コールドブローの前に蓄冷器に磁場ＢH を印加し、断熱励磁する。このとき発生した熱はその直後のコールドブロー時にヘリウムガスによって高熱源に運ばれる。逆にホットブローの前に蓄冷器にかかっている磁場ＢH を断熱減磁してＢL にすることにより蓄冷器の温度を下げる。その直後にホットブローで蓄冷器を通過するヘリウムガスが冷却され、低熱源がより低温になる。この操作によってガス冷凍（ＧＭ冷凍）だけでなく、磁気冷凍の効果もプラスされるので冷凍能力が増大する。これは磁気冷凍とガス冷凍の「ハイブリッド冷凍機」ということができる。
【００１２】
図４は磁場ＢH とＢL の組み合わせと冷凍能力の関係を示したものである。  ＢL ＝０．２Ｔ、ＢH ＝０．３９Ｔの時最大０．７７３を示す。この値は、磁場を印加しない時に比べて、１．５倍の冷凍能力になることを示している。
現在市販されている最強の永久磁石（Ｎｅ−Ｆｅ−Ｂ）の表面磁場は約０．３Ｔであるから、この磁石を用いる場合にはＢL ＝０．１４Ｔ、ＢH ＝０．３Ｔとして、図から冷凍能力０．６８が得られる。この値は磁場を印加しない時の値０．５２に比べて１．３倍の冷凍能力になることを示している。このことは、磁石を冷凍サイクルに同期して蓄冷器に近づけたり遠ざけたりするだけで、容易に冷凍能力が１．３倍となることを示している。
【００１３】
上述したように本発明は、蓄冷材としてＥｒＮｉを用い、さらに蓄冷材に磁場を印加することにより、従来の冷凍機に比較して大幅に冷凍能力を増大することができる。この場合磁場を印加する手段として永久磁石に限らず、電磁石などを使用することができることは言うまでもない。また、蓄冷材に印加する磁場の強さは永久磁石を適宜手段により近づけたり遠ざけたりするばかりでなく、電磁石への電流制御等により行うこともできる。
なお、本発明はその精神また主要な特徴から逸脱することなく、他の色々な形で実施することができ、そのため前述の実施の形態は単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。更に特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。
【００１４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明によれば、比熱の高いＥｒＮｉを蓄冷材い、さらに同蓄冷材に印加する磁場を定常的に一定とすることで、従来のガス冷凍機に比較して冷凍能力を大幅に向上することができる、等の優れた効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるＧＭ冷凍機の概略構成図である。
【図２】ＥｒＮｉ蓄冷材の磁場中での比熱の実測値を示す図である。
【図３】蓄冷材としてＥｒＮｉを用い、それに磁場を印加した場合の冷凍能力（Ｐr ／Ｐi ）のシミュレーションの結果である。
【図４】磁場ＢH とＢL の組み合わせと冷凍能力の関係を示した図である。
【図５】従来のＧＭ冷凍機の概略構成図である。
【符号の説明】
１            蓄冷器
２            ピストン
３            シリンダ
４            熱交換器
５            コンプレッサー
６            磁場印加手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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