JP7690200B2 - Magnetic refrigeration system using all-solid-state heat switch and method for manufacturing heat switch material - Google Patents
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Description
本発明は、全固体熱スイッチを用いた磁気冷凍システムおよび熱スイッチ用材料の製造方法に関する。 The present invention relates to a magnetic refrigeration system using an all-solid-state thermal switch and a method for manufacturing materials for the thermal switch.
磁性体等の物質に磁場を付加または除去することによって、物質が発熱または吸熱する現象を利用した磁気冷凍システムは、従来の気体の圧縮・膨張による発熱または吸熱現象を利用した熱サイクルシステムに代わるものとして注目されている。磁場を付加したまたは除去した場合に発熱、吸熱した磁性体の熱量変化を用いた冷却対象物の冷却の方法はこれまで、気体、または液体の冷媒を一方向に流動させることによって、行われてきた。具体的には、磁性体が発熱した場合には、冷媒をある方向に流動させ、磁性体が吸熱した場合にはその反対方向へ冷媒を流動させることにより、熱量を一方向に輸送するものであった。 Magnetic refrigeration systems, which utilize the phenomenon in which materials such as magnetic materials generate or absorb heat by applying or removing a magnetic field to them, are attracting attention as an alternative to conventional heat cycle systems that utilize the phenomenon of heat generation or absorption caused by the compression and expansion of gases. Until now, cooling of objects to be cooled using the change in heat generated or absorbed by magnetic materials when a magnetic field is applied or removed has been achieved by flowing a gas or liquid refrigerant in one direction. Specifically, when the magnetic material generates heat, the refrigerant is made to flow in one direction, and when the magnetic material absorbs heat, the refrigerant is made to flow in the opposite direction, transporting heat in one direction.
他方で、再生可能エネルギーを貯蔵する候補の1つとして考えられている液体水素の冷却法として、磁気冷凍の期待が高まり、極低温度を対象として磁気冷凍技術の研究開発が活発化してきている。また、水素液化温度よりも低温領域でも、近年の量子デバイスの実用化に伴い、極低温度における効率的な冷却法の需要が高まっている。磁気冷凍技術は、磁気熱量効果を基本原理としている。磁気熱量効果とは、断熱状態で磁性物質に対して外部印加磁場を変化させると、その磁性物質の温度が変化する現象である。 On the other hand, expectations are rising for magnetic refrigeration as a cooling method for liquid hydrogen, which is considered to be one of the candidates for storing renewable energy, and research and development of magnetic refrigeration technology targeting extremely low temperatures is becoming more active. Furthermore, with the recent practical application of quantum devices, there is an increasing demand for efficient cooling methods at extremely low temperatures, even in the range lower than the hydrogen liquefaction temperature. The basic principle of magnetic refrigeration technology is the magnetocaloric effect. The magnetocaloric effect is a phenomenon in which the temperature of a magnetic material changes when an external magnetic field is applied to the magnetic material in an adiabatic state.
磁気冷凍のシステムとしては、AMR(Active Magnetic Regenerative Refrigeration)方式が提案されている(特許文献1参照)。このAMR方式は、磁性材料に磁気熱量効果によって生じる熱を液体、または気体の冷媒を流動させ、磁性材料と熱交換することによって熱を一方向に輸送する方法である。AMRはこれまで室温から、水素液化温度付近までの温度範囲において実証されている。
さらに、接触型熱スイッチに関しては、無冷媒超伝導マグネット冷却の目的として利用されている(特許文献2参照)。特許文献3では、熱スイッチとして単結晶のベリリウムを用いることが提案されている。
As a magnetic refrigeration system, the AMR (Active Magnetic Regenerative Refrigeration) system has been proposed (see Patent Document 1). The AMR system is a method of transporting heat in one direction by flowing a liquid or gas refrigerant and exchanging heat with the magnetic material, which generates heat due to the magnetocaloric effect in the magnetic material. AMR has been demonstrated in the temperature range from room temperature to near the hydrogen liquefaction temperature.
Furthermore, a contact type thermal switch is used for the purpose of cooling a cryogen-free superconducting magnet (see Patent Document 2). Patent Document 3 proposes using single crystal beryllium as a thermal switch.
極低温度における熱流制御は、水素液化技術や量子デバイス実装において重要な役割を担っている。現状では、極低温度領域における熱流制御は、ガスギャップ熱スイッチ、超伝導熱スイッチ、接触型熱スイッチがおもに利用されている。ガスギャップ熱スイッチは、熱流の制御をガスの出入りによって行うため装置が高速のon/offが困難である。超伝導熱スイッチは動作温度が1K以下の極低温度に限られる。また、接触型熱スイッチは極低温での機械的反復動作が必要となるほか装置が大型化するなどの難点がある。 Heat flow control at extremely low temperatures plays an important role in hydrogen liquefaction technology and quantum device implementation. Currently, gas gap heat switches, superconducting heat switches, and contact-type heat switches are mainly used to control heat flow in the extremely low temperature range. Gas gap heat switches control heat flow by allowing gas to flow in and out, making it difficult to quickly turn the device on and off. Superconducting heat switches are limited to extremely low temperatures of 1 K or less in operating temperature. Furthermore, contact-type heat switches have drawbacks such as the need for repeated mechanical operations at extremely low temperatures and the large size of the device.
また、非特許文献1~3や特許文献3において、大きな熱伝導率の磁場変化を得るために高純度単結晶の熱スイッチが提案されて来た。一方で、熱スイッチは、磁気冷凍システムやその他の冷却装置に組み込む際に、熱スイッチにおいて熱流を制御するために様々な形状へ加工することが求められる。しかし、単結晶材料は、加工性が乏しく、熱スイッチ用の材料として用いるには実用上の問題があった。
純金属多結晶に関しても報告はあったが、熱スイッチの性能を示す熱伝導率比Δκが4程度と小さく実用的ではないという課題があった。また、1K以下の温度領域においては純金属多結晶が超伝導熱スイッチとして、利用されているが、水素液化温度(20.3K)近傍や、広い温度範囲を冷却することが必要な、量子デバイス冷却(数十mK~数十K)をターゲットした場合に、超伝導熱スイッチは利用できないという課題があった。
In addition, in Non-Patent Documents 1 to 3 and Patent Document 3, high-purity single crystal thermal switches have been proposed to obtain a magnetic field change with a large thermal conductivity. On the other hand, when the thermal switch is incorporated into a magnetic refrigeration system or other cooling device, it is required to process it into various shapes in order to control the heat flow in the thermal switch. However, single crystal materials have poor processability, and there are practical problems in using them as materials for thermal switches.
There have been reports on pure metal polycrystals, but the thermal conductivity ratio Δκ, which indicates the performance of the thermal switch, is small and impractical, at about 4. In addition, pure metal polycrystals are used as superconducting thermal switches in the temperature range below 1K, but there is an issue that superconducting thermal switches cannot be used near the hydrogen liquefaction temperature (20.3K) or when targeting quantum device cooling (tens of mK to tens of K), which requires cooling over a wide temperature range.
本発明は上述する課題を解決したものもので、水素液化温度(20.3K)近傍や、十K乃至数十K程度の広い温度範囲を冷却する場合に用いて好適な、冷媒としてガスを用いることなく、動作温度範囲も広く、コンパクトで、磁場によって極低温度での熱流を制御できる、磁場駆動による全固体熱スイッチ用いた磁気冷凍システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and aims to provide a magnetic refrigeration system that uses a magnetic field-driven all-solid-state heat switch, does not use a gas as a refrigerant, is compact, has a wide operating temperature range, and can control heat flow at extremely low temperatures using a magnetic field, and is suitable for cooling a wide temperature range, such as near the hydrogen liquefaction temperature (20.3 K) or a wide range of temperatures from tens to several tens of K.
〔1〕本発明の磁気冷凍システムは、例えば図1に示すように、低温側熱浴37と、低温側熱浴37よりも高い温度の高温側熱浴38と、低温側熱浴37から高温側熱浴38側に熱を汲み上げる磁性体30と、低温側熱浴37と磁性体30との熱的接続をオンオフする第1の熱スイッチ34と、高温側熱浴38と磁性体30との熱的接続をオンオフする第2の熱スイッチ30と、磁性体30並びに第1及び第2の熱スイッチ(34、30)に磁場を同時に印加し励磁を行う磁場印加部42と、を備える。
このように構成された本発明の磁気冷凍システムによれば、第1及び第2の熱スイッチ(34、30)のオンオフを協調制御することで、低温側熱浴37から高温側熱浴38に熱を連続的にポンプアップすることができ、低温側熱浴37である被冷却部を連続的に冷却できる。
〔2〕本発明の磁気冷凍システム〔1〕または〔2〕において、好ましくは、さらに、磁性体30が励磁によって発熱した場合に、低温側熱浴37と接続した第1の熱スイッチ34がオフ、高温側熱浴38と接続した第2の熱スイッチ30がオンし、磁性体30が消磁によって吸熱した場合には、低温側熱浴37と接続した第1の熱スイッチ34がオン、高温側熱浴38と接続した第2の熱スイッチ30がオフするように制御する熱スイッチ制御部44を備えるとよい。
[1] As shown in FIG. 1, for example, the magnetic refrigeration system of the present invention comprises a low-temperature side heat bath 37, a high-temperature side heat bath 38 which is at a higher temperature than the low-temperature side heat bath 37, a magnetic body 30 which pumps up heat from the low-temperature side heat bath 37 to the high-temperature side heat bath 38, a first thermal switch 34 which turns on and off the thermal connection between the low-temperature side heat bath 37 and the magnetic body 30, a second thermal switch 30 which turns on and off the thermal connection between the high-temperature side heat bath 38 and the magnetic body 30, and a magnetic field application unit 42 which simultaneously applies a magnetic field to the magnetic body 30 and the first and second thermal switches (34, 30) to excite them.
According to the magnetic refrigeration system of the present invention configured in this manner, by controlling the on/off of the first and second thermal switches (34, 30) in a coordinated manner, heat can be continuously pumped up from the low-temperature side heat bath 37 to the high-temperature side heat bath 38, and the cooled part, which is the low-temperature side heat bath 37, can be continuously cooled.
[2] In the magnetic refrigeration system [1] or [2] of the present invention, it is preferable to further provide a heat switch control unit 44 which controls the first heat switch 34 connected to the low-temperature side heat bath 37 to be turned off and the second heat switch 30 connected to the high-temperature side heat bath 38 to be turned on when the magnetic material 30 generates heat due to excitation, and controls the first heat switch 34 connected to the low-temperature side heat bath 37 to be turned on and the second heat switch 30 connected to the high-temperature side heat bath 38 to be turned off when the magnetic material 30 absorbs heat due to demagnetization.
〔3〕本発明の磁気冷凍システム〔1〕または〔2〕において、好ましくは、第1の熱スイッチ34または第2の熱スイッチ30の少なくとも一方は、タングステン(W)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、または亜鉛(Zn)の何れか1つ、並びに不可避的不純物からなる金属多結晶物質を用いるとよい。
〔4〕本発明の磁気冷凍システム〔3〕において、好ましくは、前記不可避的不純物は、重量比で1000ppm以下であるとよい。不可避的不純物の含有量が1000ppm以下であれば、金属多結晶の純度が99.9%以上の金属多結晶のタングステン(W)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、または亜鉛(Zn)を用いることになり、磁場印加時に熱伝導率が大きく変化するので、第1の熱スイッチ34または第2の熱スイッチ30の少なくとも一方に用いて好適である。
さらに好ましくは、不可避的不純物の含有量が100ppm以下であって、金属多結晶の純度が99.99%以上の金属多結晶のタングステン(W)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、または亜鉛(Zn)を用いるとよく、もっと好ましくは不可避的不純物の含有量が10ppm以下であって、金属多結晶の純度が99.999%以上の金属多結晶のタングステン(W)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、または亜鉛(Zn)を用いるとよく、最適には不可避的不純物の含有量が1ppm以下であって、金属多結晶の純度が99.9999%以上の金属多結晶のタングステン(W)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、または亜鉛(Zn)を用いるとよい。
〔5〕本発明の磁気冷凍システム〔3〕または〔4〕において、好ましくは、前記金属多結晶のタングステン(W)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、または亜鉛(Zn)は、15Kにおけるゼロ磁場の熱伝導率{κ(H=0)}と、15Kにおける8.5Tの磁場の熱伝導率{κ(H=8.5T)}との熱伝導率比{κ(H=0)/κ(H=8.5T)}が4以上であるとよい。
〔6〕本発明の磁気冷凍システム〔3〕または〔4〕において、好ましくは、前記金属多結晶のタングステン(W)、銅(Cu)、または亜鉛(Zn)は、15Kにおけるゼロ磁場の熱伝導率{κ(H=0)}と、15Kにおける8.5Tの磁場の熱伝導率{κ(H=8.5T)}との熱伝導率比{κ(H=0)/κ(H=8.5T)}が6以上であるとよい。
〔7〕本発明の磁気冷凍システム〔3〕ないし〔6〕において、好ましくは、前記第1または第2の熱スイッチ(34、30)の少なくとも一方は、タングステン(W)並びに不可避的不純物からなる金属多結晶物質であって、300Kの残留抵抗値{R(300K)}と4Kの残留抵抗値{R(4K)}での残留抵抗値との比{R(300K)/R(4K)}が100以上であるとよい。
〔8〕本発明の磁気冷凍システム〔1〕~〔7〕において、好ましくは、さらに、低温側熱浴の設定温度は、水素液化温度(20.3K)±2Kの範囲にあるとよい。
[3] In the magnetic refrigeration system [1] or [2] of the present invention, preferably, at least one of the first thermal switch 34 and the second thermal switch 30 uses a metallic polycrystalline material consisting of any one of tungsten (W), copper (Cu), aluminum (Al), or zinc (Zn), as well as unavoidable impurities.
[4] In the magnetic refrigeration system [3] of the present invention, the unavoidable impurities are preferably 1000 ppm or less by weight. If the content of the unavoidable impurities is 1000 ppm or less, tungsten (W), copper (Cu), aluminum (Al), or zinc (Zn) having a purity of 99.9% or more is used as a polycrystalline metal, and the thermal conductivity of the polycrystalline metal changes significantly when a magnetic field is applied, so that the polycrystalline metal is suitable for use in at least one of the first thermal switch 34 and the second thermal switch 30.
More preferably, polycrystalline metal tungsten (W), copper (Cu), aluminum (Al), or zinc (Zn) having an unavoidable impurity content of 100 ppm or less and a polycrystalline metal purity of 99.99% or more is used, even more preferably, polycrystalline metal tungsten (W), copper (Cu), aluminum (Al), or zinc (Zn) having an unavoidable impurity content of 10 ppm or less and a polycrystalline metal purity of 99.999% or more is used, and most preferably, polycrystalline metal tungsten (W), copper (Cu), aluminum (Al), or zinc (Zn) having an unavoidable impurity content of 1 ppm or less and a polycrystalline metal purity of 99.9999% or more is used.
[5] In the magnetic refrigeration system [3] or [4] of the present invention, preferably, the metal polycrystalline tungsten (W), copper (Cu), aluminum (Al), or zinc (Zn) has a thermal conductivity ratio {κ(H=0)/κ(H=8.5T)} of the thermal conductivity in zero magnetic field at 15K {κ(H=0)} to the thermal conductivity in a magnetic field of 8.5T at 15K {κ(H=8.5T)}, which is 4 or more.
[6] In the magnetic refrigeration system [3] or [4] of the present invention, preferably, the metal polycrystalline tungsten (W), copper (Cu), or zinc (Zn) has a thermal conductivity ratio {κ(H=0)/κ(H=8.5T)} of the thermal conductivity in zero magnetic field at 15K {κ(H=0)} to the thermal conductivity in a magnetic field of 8.5T at 15K {κ(H=8.5T)} is 6 or more.
[7] In the magnetic refrigeration systems [3] to [6] of the present invention, preferably, at least one of the first and second thermal switches (34, 30) is a metal polycrystalline material consisting of tungsten (W) and unavoidable impurities, and the ratio of the residual resistance value at 300 K {R(300 K)} to the residual resistance value at 4 K {R(4 K)} {R(300 K)/R(4 K)} is 100 or more.
[8] In the magnetic refrigeration systems [1] to [7] of the present invention, it is preferable that the set temperature of the low-temperature side heat bath is in the range of the hydrogen liquefaction temperature (20.3 K) ±2 K.
〔9〕本発明の熱スイッチ用材料の製造方法は、磁気冷凍システム〔3〕~〔7〕に使用される第1または第2の熱スイッチ(34、30)の少なくとも一方に使用される熱スイッチ用材料の製造方法であって、前記金属多結晶のタングステン(W)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、または亜鉛(Zn)は、真空中または還元雰囲気において熱処理されたものである。
〔10〕本発明の熱スイッチ用材料の製造方法〔9〕において、好ましくは、第1の熱スイッチ34は、タングステン(W)並びに不可避的不純物からなる金属多結晶物質であって、800℃以上、2300℃以下で熱処理されたものであるとよい。
純タングステンは1300~1500Kで一次再結晶し、引き続き1500K~1800Kで二次再結晶するためである。
〔11〕本発明の熱スイッチ用材料の製造方法〔10〕において、好ましくは、金属多結晶のタングステン(W)は、900℃以上、1600℃以下で熱処理されたものであるとよい。
〔12〕本発明の熱スイッチ用材料の製造方法〔9〕において、好ましくは、第1の熱スイッチは、銅(Cu)並びに不可避的不純物からなる金属多結晶物質であって、250℃以上、800℃以下で熱処理されたものであるとよい。
〔13〕本発明の磁気冷凍システム〔12〕において、好ましくは、前記金属多結晶の銅(Cu)は、300℃以上、600℃以下で熱処理されたものであるとよい。
〔14〕本発明の磁気冷凍システム〔9〕~〔13〕において、好ましくは、前記熱処理の時間は、10秒以上48時間以下であるとよい。更に好ましくは、10分以上36時間以下がよく、最適範囲としては6時間以上30時間以下であるとよい。熱処理の時間が、10秒未満では再結晶化が十分に起こらない。熱処理の時間が、48時間超えは、熱処理炉の操業の観点から、熱処理コストが高騰して、工業的に好ましくない。
熱処理における冷却速度に関しては、好ましくは、0.2℃/分以上2000℃/秒以下がよく、更に好ましくは、0.4℃/分以上500℃/分以下がよく、最適範囲としては0.8℃/分以上30℃/分以下がよい。
熱処理における昇温速度に関しては、好ましくは、0.2℃/分以上1000℃/分以下がよく、更に好ましくは、0.4℃/分以上500℃/分以下、最適範囲としては0.8℃/分以上30℃/分以下がよい。
[9] The present invention relates to a method for producing a thermal switch material for at least one of the first and second thermal switches (34, 30) used in the magnetic refrigeration systems [3] to [7], wherein the metallic polycrystalline tungsten (W), copper (Cu), aluminum (Al), or zinc (Zn) is heat-treated in a vacuum or in a reducing atmosphere.
[10] In the manufacturing method [9] for a thermal switch material of the present invention, the first thermal switch 34 is preferably a metallic polycrystalline material consisting of tungsten (W) and unavoidable impurities, and is heat-treated at 800°C or more and 2300°C or less.
This is because pure tungsten undergoes primary recrystallization at 1300 to 1500K, followed by secondary recrystallization at 1500 to 1800K.
[11] In the method for producing a thermal switch material of the present invention [10], the metallic polycrystalline tungsten (W) is preferably heat-treated at 900°C or higher and 1600°C or lower.
[12] In the manufacturing method [9] for a thermal switch material of the present invention, preferably, the first thermal switch is a metal polycrystalline material consisting of copper (Cu) and unavoidable impurities, and is heat-treated at 250°C or more and 800°C or less.
[13] In the magnetic refrigeration system [12] of the present invention, preferably, the metallic polycrystalline copper (Cu) is heat-treated at 300° C. or more and 600° C. or less.
[14] In the magnetic refrigeration systems [9] to [13] of the present invention, the heat treatment time is preferably 10 seconds or more and 48 hours or less. More preferably, it is 10 minutes or more and 36 hours or less, and the optimum range is 6 hours or more and 30 hours or less. If the heat treatment time is less than 10 seconds, recrystallization does not occur sufficiently. If the heat treatment time exceeds 48 hours, the heat treatment cost increases from the viewpoint of the operation of the heat treatment furnace, and it is not industrially preferable.
The cooling rate in the heat treatment is preferably 0.2° C./min to 2000° C./sec, more preferably 0.4° C./min to 500° C./min, and optimally 0.8° C./min to 30° C./min.
The heating rate in the heat treatment is preferably 0.2° C./min to 1000° C./min, more preferably 0.4° C./min to 500° C./min, and optimally 0.8° C./min to 30° C./min.
本発明の磁気冷凍システムによれば、液体や気体の冷媒を用いることなく、全て固体の材料を用いた全固体冷却素子をもちいて冷却するシステムを構築できる。
本発明の磁気冷凍システムは、全固体素子を用いることによって、従来のAMRシステムに組み込まれていたガス流動用のコンプレッサーなどの複雑な機器を利用する必要がなくなり、またガスと磁性体の熱交換効率を向上させるために行っていた磁性体材料を球状にする必要がなくなるため、極めてシステムが単純化される。さらに、従来のAMRでは液体やガスを流動させるために熱交換に一定の時間が要されていたが、本発明では固体の熱伝導を用いるため、極めた高速な熱サイクルを実現することが可能となる。
According to the magnetic refrigeration system of the present invention, a system can be constructed that performs cooling using an all-solid cooling element made of all solid materials, without using a liquid or gas refrigerant.
The magnetic refrigeration system of the present invention uses all-solid-state elements, which eliminates the need to use complex equipment such as a compressor for gas flow that was incorporated in conventional AMR systems, and also eliminates the need to make the magnetic material spherical to improve the heat exchange efficiency between the gas and the magnetic material, resulting in an extremely simplified system. Furthermore, while conventional AMR systems require a certain amount of time for heat exchange to move liquid or gas, the present invention uses the thermal conduction of solids, making it possible to achieve extremely high-speed heat cycles.
図1は、本発明の一実施例を示す、磁気冷凍システムの概要を説明する構成図である。
図において、本発明の磁気冷凍システムは、断熱真空容器10、12、14、16、磁気冷凍システム収容容器18、冷凍機20、冷凍機コールドヘッド22、熱伝達部品24、電磁石40、水素ガス導入管50、熱交換器52、液体水素収容容器54を備えている。磁気冷凍システム収容容器18に収容される磁気冷凍機は、三段構成の全固体冷却素子を用いた第2の熱スイッチ30a、30b、30c、磁性体(磁気冷凍材料)32a、32b、32c、第1の熱スイッチ34a、34b、34c、熱浴36a、36b、36cを備えている。
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an outline of a magnetic refrigeration system according to an embodiment of the present invention.
In the figure, the magnetic refrigeration system of the present invention includes heat-insulating vacuum vessels 10, 12, 14, and 16, a magnetic refrigeration system housing vessel 18, a refrigerator 20, a refrigerator cold head 22, a heat transfer component 24, an electromagnet 40, a hydrogen gas inlet pipe 50, a heat exchanger 52, and a liquid hydrogen housing vessel 54. The magnetic refrigerator housed in the magnetic refrigeration system housing vessel 18 includes second thermal switches 30a, 30b, and 30c using a three-stage all-solid-state cooling element, magnetic bodies (magnetic refrigeration materials) 32a, 32b, and 32c, first thermal switches 34a, 34b, and 34c, and heat baths 36a, 36b, and 36c.
断熱真空容器は、例えばステンレス鋼等を用いた真空二重構造によって断熱された容器で、真空断熱により高い保温性を持ち、液体窒素などの冷媒でも熱湯を入れても周囲に与える影響を最低限に抑えることができる。断熱真空容器は、円筒状周壁部10、連結底板12、磁気冷凍機収容周壁部14、底板部16で構成されている。円筒状周壁部10には、冷凍機コールドヘッド22、熱伝達部品24、熱交換器52が収容されている。連結底板12は、円筒状周壁部10と磁気冷凍機収容周壁部14との内径の相違を吸収して、真空状態を保持することを可能とする構造になっている。磁気冷凍機収容周壁部14の内側には、磁気冷凍機と液体水素収容容器54が収容されている。底板部16は、磁気冷凍機収容周壁部14の底板に相当する。
冷凍機20は、冷凍機コールドヘッド22、熱伝達部品24を介して接続された磁気冷凍機の第2の熱スイッチ30aと、熱的に接続されている。冷凍機20は、磁気冷凍機の上端を冷却することで、磁気冷凍機の下端から液体水素を生成することを可能としているもので、例えばGM(ギフォード・マクマホン)冷凍機が用いられる。
The insulated vacuum vessel is a vessel insulated by a vacuum double structure using, for example, stainless steel, and has high heat retention due to vacuum insulation, and can minimize the impact on the surroundings even if a refrigerant such as liquid nitrogen or hot water is poured into it. The insulated vacuum vessel is composed of a cylindrical peripheral wall portion 10, a connecting bottom plate 12, a magnetic refrigerator-accommodating peripheral wall portion 14, and a bottom plate portion 16. The cylindrical peripheral wall portion 10 accommodates a refrigerator cold head 22, a heat transfer part 24, and a heat exchanger 52. The connecting bottom plate 12 is structured to absorb the difference in inner diameter between the cylindrical peripheral wall portion 10 and the magnetic refrigerator-accommodating peripheral wall portion 14 and to maintain a vacuum state. The magnetic refrigerator and a liquid hydrogen storage vessel 54 are accommodated inside the magnetic refrigerator-accommodating peripheral wall portion 14. The bottom plate portion 16 corresponds to the bottom plate of the magnetic refrigerator-accommodating peripheral wall portion 14.
The refrigerator 20 is thermally connected to a second thermal switch 30a of the magnetic refrigerator connected via a refrigerator cold head 22 and a heat transfer part 24. The refrigerator 20 is capable of producing liquid hydrogen from the bottom end of the magnetic refrigerator by cooling the top end of the magnetic refrigerator, and a GM (Gifford McMahon) refrigerator, for example, is used.
磁気冷凍機は、ここでは、全固体冷却素子を用いた第2の熱スイッチ30、磁性体(磁気冷凍材料)32、第1の熱スイッチ34を直列の三段構成としており、各段の全固体冷却素子を添え字a、b、cで表している。熱浴36は各段の全固体冷却素子の間に位置しており、全固体冷却素子の両端の温度に応じて、図4で説明する低温側熱浴と高温側熱浴に相当する。
電磁石40は、磁気冷凍機収容周壁部14の周面に配置されたもので、磁気冷凍機を構成する全固体冷却素子に磁場を印加する。電磁石40による全固体冷却素子への磁場の印加は、オンオフ制御することができ、この磁場のオンオフ制御によって、各段の全固体冷却素子は交互に吸熱、排熱を繰り返すので、一方の磁性体の排熱過程とそれより高温の磁気冷凍サイクルで動く磁性体の吸熱過程を組み合わせることができる。即ち、磁性体に電磁石40が発生する磁界を作用させると、磁性体は発熱し、この過程ではその磁性体の高温側の熱スイッチは磁界の外にあり、熱伝導がオン状態となって良好となるので発熱を高温側の磁性体に伝え、高温側の磁性体がこの熱を次のサイクルで排熱することになる。
水素ガス導入管50、熱交換器52、液体水素収容容器54は、磁気冷凍機に水素ガスを送り、生成した液体水素を蓄える経路である。
The magnetic refrigerator here has a three-stage configuration in which a second thermal switch 30 using an all-solid-state cooling element, a magnetic body (magnetic refrigeration material) 32, and a first thermal switch 34 are connected in series, and the all-solid-state cooling elements in each stage are represented by the subscripts a, b, and c. A heat bath 36 is located between the all-solid-state cooling elements in each stage, and corresponds to the low-temperature side heat bath and the high-temperature side heat bath described in Fig. 4 according to the temperatures at both ends of the all-solid-state cooling element.
The electromagnet 40 is disposed on the peripheral surface of the magnetic refrigerator housing peripheral wall 14, and applies a magnetic field to the all-solid-state cooling element that constitutes the magnetic refrigerator. The application of the magnetic field to the all-solid-state cooling element by the electromagnet 40 can be controlled on and off, and by controlling the on and off of the magnetic field, the all-solid-state cooling elements of each stage alternately absorb and release heat, so that it is possible to combine the heat release process of one magnetic body with the heat absorption process of a magnetic body operating in a magnetic refrigeration cycle at a higher temperature. In other words, when the magnetic field generated by the electromagnet 40 is applied to a magnetic body, the magnetic body generates heat, and in this process, the heat switch on the high-temperature side of the magnetic body is outside the magnetic field, and heat conduction is turned on and good, so the heat is transmitted to the magnetic body on the high-temperature side, and the magnetic body on the high-temperature side releases this heat in the next cycle.
The hydrogen gas introduction pipe 50, the heat exchanger 52, and the liquid hydrogen storage vessel 54 form a path for sending hydrogen gas to the magnetic refrigerator and storing the generated liquid hydrogen.
このように構成された装置においては、次のように動作する。
水素ガス導入管50から送られた水素ガスは、冷凍機20または、液体窒素などによって室温から50K程度(液体窒素の場合は77K)まで、熱交換器52で、予冷される。
予冷された水素ガスを磁気冷凍機に導入し、熱スイッチ2―磁性体―熱スイッチ1の単位で構成される全固体冷却素子を多段に積み重ねて、水素ガスを段階的に冷却する。
最低段にある熱浴36cが20K以下となる様に冷却すると、水素ガスが液化され、液体水素収容容器54に溜まる。
The device configured in this manner operates as follows.
The hydrogen gas sent from the hydrogen gas inlet pipe 50 is pre-cooled in the heat exchanger 52 from room temperature to about 50 K (77 K in the case of liquid nitrogen) using the refrigerator 20 or liquid nitrogen or the like.
Pre-cooled hydrogen gas is introduced into a magnetic refrigerator, and the hydrogen gas is cooled in stages by stacking all-solid-state cooling elements consisting of a thermal switch 2-magnetic material-thermal switch 1 unit in multiple stages.
When the heat bath 36 c in the lowest stage is cooled to 20 K or less, the hydrogen gas is liquefied and collected in the liquid hydrogen storage vessel 54 .
図2は、本発明の一実施例を示す、磁気冷凍システムの概要を説明する構成図で、(A)は電磁石への駆動電流をオンすることで磁場をオンする場合の説明図、(B)電磁石への駆動電流をオフすることで磁場をオフする場合の説明図である。
熱スイッチ制御部44としての電磁石への駆動回路44は、オン状態44aとオフ状態44bを切り替えている。
FIG. 2 is a block diagram illustrating an outline of a magnetic refrigeration system according to one embodiment of the present invention, in which (A) is an explanatory diagram for the case where the magnetic field is turned on by turning on the drive current to the electromagnet, and (B) is an explanatory diagram for the case where the magnetic field is turned off by turning off the drive current to the electromagnet.
A drive circuit 44 for the electromagnet, which serves as a thermal switch control section 44, switches between an on state 44a and an off state 44b.
図3は、本発明の別の実施例を示す、磁気冷凍システムの概要を説明する構成図で、電磁石と全固体冷却素子を相対的に動かすことで磁場をオンオフする場合の説明図である。
全固体冷却素子を用いた第2の熱スイッチ30、磁性体(磁気冷凍材料)32、第1の熱スイッチ34を直列の三段構成とする磁気冷凍機に対して、電磁石40の位置を上下動させることで、印加磁場をオンオフしている。なお、図1~図3の実施例では、全固体冷却素子を直列の三段構成とする磁気冷凍機を示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、直列の二段構成とする磁気冷凍機でもよく、また4段以上で構成する磁気冷凍機でもよい。
このように複数の磁性体の磁気冷凍サイクルの吸熱過程と排熱過程を組み合わせることで熱を順次伝導せしめ、最も高温側の磁性体の排熱には冷凍機20に浸された排熱スイッチを用いることが可能となるので、水素ガスの液化に用いて好適である。
FIG. 3 is a block diagram illustrating an outline of a magnetic refrigeration system according to another embodiment of the present invention, and is an explanatory diagram of a case in which a magnetic field is turned on and off by moving an electromagnet and an all-solid-state cooling element relatively.
The magnetic field applied to the magnetic refrigerator having a three-stage series configuration of a second thermal switch 30 using an all-solid-state cooling element, a magnetic body (magnetic refrigeration material) 32, and a first thermal switch 34 is turned on and off by vertically moving the position of the electromagnet 40. Note that, although the embodiment in Figures 1 to 3 shows a magnetic refrigerator having three stages of all-solid-state cooling elements in series, the present invention is not limited to this, and may be a magnetic refrigerator having two stages in series, or may be a magnetic refrigerator having four or more stages.
In this way, by combining the heat absorption process and heat exhaust process of the magnetic refrigeration cycle of multiple magnetic bodies, heat can be conducted sequentially, and a heat exhaust switch immersed in the refrigerator 20 can be used to exhaust the heat of the magnetic body with the highest temperature, making it suitable for use in liquefying hydrogen gas.
図4は、本発明の一実施例を示す、全固体冷却法を用いた磁気冷凍システムの概要を説明する構成図である。
図において、一段の全固体冷却素子は、磁気冷凍材料32、第1の熱スイッチ34、第2の熱スイッチ30で構成されている。なお、水素液化温度からLNG液化温度や常温までのように、より広温度範囲において低温側熱浴37から高温側熱浴38へ熱を汲み上げる場合には、磁気冷凍材料32、第1の熱スイッチ34、第2の熱スイッチ30からなる一段の全固体冷却素子を多段に構成するとよい。
低温側熱浴37と高温側熱浴38は、上述の図1に示すように、例えば3段に構成された全固体冷却素子の間に熱浴36a、36b、36cとして設けられる。各段の熱浴36a、36b、36cに関しては、各段の全固体冷却素子の端部となる熱浴の温度関係によって、当該段における低温側熱浴37か高温側熱浴38となるかが定まる。磁場印加部42と熱スイッチ制御部44は、全固体冷却素子の各段に対して、共通に設けられている。
FIG. 4 is a block diagram illustrating an outline of a magnetic refrigeration system using an all-solid-state cooling method according to an embodiment of the present invention.
In the figure, a single-stage all-solid-state cooling element is composed of a magnetic refrigeration material 32, a first heat switch 34, and a second heat switch 30. When pumping heat from a low-temperature side heat bath 37 to a high-temperature side heat bath 38 in a wider temperature range, such as from the hydrogen liquefaction temperature to the LNG liquefaction temperature or room temperature, it is preferable to configure a single-stage all-solid-state cooling element composed of the magnetic refrigeration material 32, the first heat switch 34, and the second heat switch 30 in multiple stages.
The low-temperature side heat bath 37 and the high-temperature side heat bath 38 are provided as heat baths 36a, 36b, and 36c between the all-solid-state cooling elements configured in three stages, as shown in Fig. 1. The heat baths 36a, 36b, and 36c in each stage are determined to be the low-temperature side heat bath 37 or the high-temperature side heat bath 38 in that stage depending on the temperature relationship of the heat baths at the ends of the all-solid-state cooling elements in each stage. The magnetic field application unit 42 and the thermal switch control unit 44 are provided in common to each stage of the all-solid-state cooling elements.
低温側熱浴37、高温側熱浴38には、数十Kにおいて大きな比熱をしめす鉛やタンタルなどの材料を用いる。ここで、熱浴(Heat Bath)とは、比熱が大きく、熱が入ったり、出たりしても、その温度Tが変化しない理想的な熱源をいう。
磁気冷凍材料32は、数十Kの温度領域において大きな磁気熱量効果を示すHoB2やHoなどの物質を用いる。
第1の熱スイッチ34には、磁場によって熱伝導率が大きく変化する後述するような高純度金属多結晶材料(W、Cu、Al、Zn)を用いる。
第2の熱スイッチ30には、磁場によって熱伝導率があまり変化せず、温度を変化させた場合に大きな熱伝導率変化を示す材料(高純度アルミナ材料など)を用いる。
The low-temperature heat bath 37 and the high-temperature heat bath 38 are made of materials such as lead and tantalum that have a large specific heat at several tens of K. Here, the heat bath refers to an ideal heat source that has a large specific heat and whose temperature T does not change even when heat is input or output.
The magnetic refrigeration material 32 is made of a substance such as HoB2 or Ho that exhibits a large magnetocaloric effect in the temperature range of several tens of K.
The first thermal switch 34 is made of a high-purity metal polycrystalline material (W, Cu, Al, Zn) as described below, whose thermal conductivity changes significantly depending on the magnetic field.
The second thermal switch 30 is made of a material (such as a high-purity alumina material) whose thermal conductivity does not change significantly with a magnetic field and whose thermal conductivity changes significantly when the temperature is changed.
磁場印加部42は、磁性体30並びに第1及び第2の熱スイッチ(34、30)に磁場を同時に印加し励磁を行うもので、例えば電磁石が用いられる。なお、磁場印加部42に永久磁石を用いる場合には、永久磁石と磁性体30並びに第1及び第2の熱スイッチ(34、30)の相対的な位置関係を変化させて、磁場印加のオンオフ状態を変化させてもよい。
熱スイッチ制御部44は、磁性体30が励磁によって発熱した場合に、低温側熱浴37と接続した第1の熱スイッチ34がオフ、高温側熱浴38と接続した第2の熱スイッチ30がオンし、磁性体30が消磁によって吸熱した場合には、低温側熱浴37と接続した第1の熱スイッチ34がオン、高温側熱浴38と接続した第2の熱スイッチ30がオフするように制御する。
The magnetic field application unit 42 simultaneously applies a magnetic field to the magnetic body 30 and the first and second thermal switches (34, 30) to excite them, and may be, for example, an electromagnet. When a permanent magnet is used for the magnetic field application unit 42, the on/off state of the magnetic field application may be changed by changing the relative positional relationship between the permanent magnet and the magnetic body 30 and the first and second thermal switches (34, 30).
The thermal switch control unit 44 controls the first thermal switch 34 connected to the low-temperature side heat bath 37 to be turned off and the second thermal switch 30 connected to the high-temperature side heat bath 38 to be turned on when the magnetic body 30 generates heat due to excitation, and controls the first thermal switch 34 connected to the low-temperature side heat bath 37 to be turned on and the second thermal switch 30 connected to the high-temperature side heat bath 38 to be turned off when the magnetic body 30 absorbs heat due to demagnetization.
<実施例1>
真空中で熱処理した純度99.999%の多結晶タングステンワイヤーの熱伝導率の温度変化、磁場変化を、異なる熱処理温度において測定した。なお、実施例1~5において、熱処理時間は、24時間としている。熱処理後の冷却では、基本的にクエンチをしておらず、ゆっくり冷やしている。一番速くて約20℃/分、通常は約1.0℃/分で冷却した。
図5は、タングステン多結晶ワイヤーの熱伝導率温度変化の熱処理温度依存性を示す図で、磁場はゼロ磁場および8.5Tである。熱処理温度が800℃以上において熱伝導率の磁場変化が顕著に増加する。
図6は、タングステン多結晶ワイヤーの熱伝導率磁場変化(温度15K)の熱処理温度依存性を示す図である。熱処理温度が800℃以上において熱伝導率の磁場変化が顕著に増加する。図5に示すように、ゼロ磁場における熱伝導率が磁場印加によって大きく減少する。
Example 1
The thermal conductivity of a 99.999% pure polycrystalline tungsten wire heat-treated in a vacuum was measured for temperature and magnetic field changes at different heat treatment temperatures. In Examples 1 to 5, the heat treatment time was 24 hours. The wire was cooled slowly after heat treatment without quenching. The fastest cooling rate was about 20°C/min, and the normal rate was about 1.0°C/min.
5 is a graph showing the heat treatment temperature dependence of the thermal conductivity temperature change of a tungsten polycrystalline wire, where the magnetic field is zero and 8.5 T. When the heat treatment temperature is 800° C. or higher, the magnetic field change of the thermal conductivity increases significantly.
Fig. 6 is a diagram showing the heat treatment temperature dependence of the thermal conductivity of a tungsten polycrystalline wire on the magnetic field (temperature 15 K). The magnetic field dependence of the thermal conductivity increases significantly when the heat treatment temperature is 800°C or higher. As shown in Fig. 5, the thermal conductivity in zero magnetic field is greatly reduced by the application of a magnetic field.
表1は、純金属タングステン多結晶ワイヤーの15Kにおけるゼロ磁場熱伝導率と磁場変化を示すものである。表1に示したように、タングステンワイヤーでは800℃を超える温度で熱処理を行うことによって熱スイッチの性能を特徴付ける、ゼロ磁場と磁場中の熱伝導率の比率(Δκ(H)=κ(H=0)/κ(H))は急激に増加しており、熱処理によって熱スイッチの性能が飛躍的に向上する。たとえば真空中の熱処理温度が600℃未満の場合、15Kにおいて熱伝導率比Δκ(H=8.5T)~3程度であるが、800℃を超えると急激に熱伝導率比Δκは増加し、1000℃ではいくつかの単結晶熱スイッチ材料を超える熱伝導率比Δκ=20となる。
また、800℃以上の温度で熱処理を行うことによって、300Kの残留抵抗値{R(300K)}と4Kの残留抵抗値{R(4K)}での残留抵抗値との比{R(300K)/R(4K)}として100以上が得られる。
Furthermore, by performing heat treatment at a temperature of 800° C. or higher, the ratio of the residual resistance value at 300 K {R(300 K)} to the residual resistance value at 4 K {R(4 K)} {R(300 K)/R(4 K)} is 100 or more.
<実施例2>
真空中で熱処理した純度99.9999%の多結晶銅ワイヤーの熱伝導率の温度変化、磁場変化を、異なる熱処理温度において測定した。図7は、銅多結晶板材の熱伝導率温度変化の熱処理温度依存性を示す図である。磁場はゼロ磁場及び8.5Tである。熱処理温度が400℃において熱伝導率の磁場変化が顕著に増加する。図8は、銅多結晶板の熱伝導率磁場変化(温度15K)の熱処理温度依存性を示す図である。熱処理温度が400℃において熱伝導率の磁場変化が顕著に増加する。図7に示すように、ゼロ磁場における熱伝導率が磁場印加によって大きく減少する。
Example 2
The temperature change and magnetic field change of the thermal conductivity of a 99.9999% pure polycrystalline copper wire heat-treated in a vacuum were measured at different heat treatment temperatures. Figure 7 is a diagram showing the heat treatment temperature dependence of the thermal conductivity temperature change of a copper polycrystalline plate. The magnetic field is zero magnetic field and 8.5 T. The magnetic field change of the thermal conductivity increases significantly at a heat treatment temperature of 400°C. Figure 8 is a diagram showing the heat treatment temperature dependence of the thermal conductivity magnetic field change (temperature 15K) of a copper polycrystalline plate. The magnetic field change of the thermal conductivity increases significantly at a heat treatment temperature of 400°C. As shown in Figure 7, the thermal conductivity in zero magnetic field is greatly reduced by the application of a magnetic field.
表2は、純金属銅多結晶ワイヤーの15Kにおけるゼロ磁場熱伝導率と磁場変化を示すものである。表2に示したように、銅ワイヤーでは300℃を超える温度で熱処理を行うことによって熱スイッチの性能を特徴付けるΔκ(H)は急激に増加する。たとえば真空中の熱処理温度が200℃未満の場合、15Kにおいて熱伝導率比Δκ(H=8.5T)~3程度であるが、300℃以上では熱伝導率比Δκは7以上となり、400℃においては熱伝導率比Δκ=14.0まで増加し、単結晶の銅熱スイッチ材料の性能を超える。
<実施例3>
真空中で熱処理した純度99.9999%の多結晶銅板の熱伝導率の温度変化、磁場変化を、異なる熱処理温度において測定した。図9は、銅多結晶板材の熱伝導率温度変化の熱処理温度依存性を示す図である。磁場はゼロ磁場及び8.5Tである。熱処理温度が300℃から600℃において熱伝導率の磁場変化が顕著に増加する。図10は、銅多結晶板の熱伝導率磁場変化(温度15K)の熱処理温度依存性を示す図である。熱処理温度が300℃から600℃において熱伝導率の磁場変化が顕著に増加する。図9に示すように、ゼロ磁場における熱伝導率が磁場印加によって大きく減少する。
Example 3
The temperature change and magnetic field change of the thermal conductivity of a polycrystalline copper plate with a purity of 99.9999% that was heat-treated in a vacuum were measured at different heat treatment temperatures. Figure 9 is a diagram showing the heat treatment temperature dependence of the thermal conductivity temperature change of the copper polycrystalline plate material. The magnetic field is zero magnetic field and 8.5 T. The magnetic field change of the thermal conductivity increases significantly when the heat treatment temperature is from 300 ° C to 600 ° C. Figure 10 is a diagram showing the heat treatment temperature dependence of the thermal conductivity magnetic field change (temperature 15 K) of the copper polycrystalline plate. The magnetic field change of the thermal conductivity increases significantly when the heat treatment temperature is from 300 ° C to 600 ° C. As shown in Figure 9, the thermal conductivity in zero magnetic field is greatly reduced by the application of a magnetic field.
表3は、純金属銅板の15Kにおけるゼロ磁場熱伝導率と磁場変化を示すものである。表3に示したように、銅板では300℃を超える温度で熱処理を行うことによって熱スイッチの性能を特徴付ける熱伝導率比Δκ(H)は急激に増加し、700℃を超える熱処理を行うと、Δκ(H)は減少する。たとえば真空中の熱処理温度が200℃未満の場合、15KにおいてΔκ(H=8.5T)~3程度であるが、300℃から700℃の間ではΔκは9以上まで増加し、単結晶の銅熱スイッチ材料の性能を超える。
<実施例4>
真空中で熱処理した純度99.999%の多結晶アルミニウム板の熱伝導率の温度変化、磁場変化を、異なる熱処理温度において測定した。ゼロ磁場における熱伝導率が磁場印加によって大きく減少する。
表4は、純金属アルミニム板の15Kにおけるゼロ磁場熱伝導率と磁場変化を示すものである。表4に示したように、アルミニウム板では熱処理によって大きな熱伝導率比Δκの変化はみられなかった。単結晶の亜鉛熱スイッチ材料の性能に匹敵する。
The thermal conductivity of a 99.999% pure polycrystalline aluminum plate was measured at different heat treatment temperatures in a vacuum. The thermal conductivity at zero magnetic field was significantly reduced by the application of a magnetic field.
Table 4 shows the zero magnetic field thermal conductivity and magnetic field change of the pure metal aluminum plate at 15 K. As shown in Table 4, the aluminum plate did not show a large change in the thermal conductivity ratio Δκ due to heat treatment. The performance is comparable to that of single crystal zinc thermal switch material.
<実施例5>
真空中で熱処理した純度99.99%の多結晶亜鉛板の熱伝導率の温度変化、磁場変化を、異なる熱処理温度において測定した。ゼロ磁場における熱伝導率が磁場印加によって大きく減少する。
表5は、純金属亜鉛板の15Kにおけるゼロ磁場熱伝導率と磁場変化を示すものである。表5に示したように、亜鉛板では熱処理によって大きな熱伝導率比Δκの変化はみられなかった。単結晶の亜鉛熱スイッチ材料の性能に匹敵する。
The thermal conductivity of a 99.99% pure polycrystalline zinc plate was measured at different heat treatment temperatures in a vacuum. The thermal conductivity at zero magnetic field was significantly reduced by the application of a magnetic field.
Table 5 shows the zero magnetic field thermal conductivity and magnetic field change of the pure metal zinc plate at 15 K. As shown in Table 5, the zinc plate did not show a large change in the thermal conductivity ratio Δκ due to heat treatment. The performance is comparable to that of single crystal zinc thermal switch material.
<比較例>
磁場駆動熱スイッチの従来技術では、タングステン純金属単結晶を用いた熱スイッチ製造の試みが行われている(例えば、非特許文献1参照)。
図11は、タングステン単結晶に磁場を印加した際の熱伝導率の磁場依存性である。ゼロ磁場4.2Kの温度では、熱伝導率は約4W/cmK(=400W/mK)程度であった熱伝導率が、3Tの磁場下では約0.2W/cmKに減少している。
Comparative Example
In the prior art of magnetically actuated thermal switches, attempts have been made to manufacture thermal switches using pure tungsten metal single crystals (see, for example, Non-Patent Document 1).
Fig. 11 shows the magnetic field dependence of thermal conductivity when a magnetic field is applied to a tungsten single crystal. At a temperature of 4.2K in zero magnetic field, the thermal conductivity was about 4W/cmK (=400W/mK), but it decreased to about 0.2W/cmK under a magnetic field of 3T.
一方、タングステンの他にも純金属単結晶、または銅の多結晶において、磁場印加による熱伝導率の減少は報告されている。表6は、純金属単結晶における熱伝導率の磁場変化量を示すもので、引用元も明示してある。
また、1K以下の温度領域においては純金属が超伝導熱スイッチとして利用されているが(非特許文献2、3参照)、水素液化温度(20.3K)近傍や、広い温度範囲を冷却することが必要な、量子デバイス冷却(数十mK~数十K)をターゲットした場合に、超伝導熱スイッチは利用できない。 In addition, pure metals are used as superconducting heat switches in the temperature range below 1 K (see non-patent documents 2 and 3), but superconducting heat switches cannot be used near the hydrogen liquefaction temperature (20.3 K) or when targeting quantum device cooling (tens of mK to tens of K), which requires cooling a wide temperature range.
純金属多結晶に関しても報告はあったが、熱スイッチの性能を示す熱伝導率比Δκが4程度と小さく実用的ではない。(図12) There have been reports on pure metal polycrystals, but the thermal conductivity ratio Δκ, which indicates the performance of the thermal switch, is small at around 4, making it impractical. (Figure 12)
なお、実施例1-5及び比較例の熱伝導率および電気抵抗の測定は、次の様にして測定された。図13は、熱伝導率および電気抵抗の測定方法を説明する電気的回路図である。
熱伝導率測定については、4つのリード線(銅)2を測定試料4に銀ペースト3によって接着し、10-4torr以下の断熱条件に置き、ヒーター源1によって熱量を供給する。この際に、第1と第2の温度センサー6、7によって温度差(Th-Tl)を測定する。4つ目のリード線2は低温熱浴5に接地されている。入力された熱量、測定された温度差、予め測定されている電極間の距離および厚みを用いて、熱伝導率を算出する。
The thermal conductivity and electrical resistance of Examples 1 to 5 and the comparative example were measured as follows: Fig. 13 is an electrical circuit diagram for explaining the method of measuring the thermal conductivity and electrical resistance.
For the thermal conductivity measurement, four lead wires (copper) 2 are attached to the measurement sample 4 with silver paste 3, and placed under adiabatic conditions of 10 -4 torr or less, with heat supplied by a heater source 1. At this time, the temperature difference (Th-Tl) is measured by first and second temperature sensors 6, 7. The fourth lead wire 2 is grounded to a low-temperature heat bath 5. The thermal conductivity is calculated using the input heat amount, the measured temperature difference, and the distance and thickness between the electrodes that have been measured in advance.
電気抵抗測定については、熱伝導率測定と同様の配置により、ヒーター源1から低温熱浴5に電流を流し、その際に第1と第2の温度センサー6,7に生じる電圧を測定し、電気抵抗を測定する。
なお、熱伝導率測定と電気抵抗測定の共通事項として、試料4を5Kから300Kの間の温度変化、および0Tから8.5Tまでの磁場発生を可能とするクライオマグネットに挿入し、温度変化を測定する。磁場の方向は試料4に流れる熱流方向に垂直方向である。残留抵抗比は4Kでの電気抵抗値を300Kでの電気抵抗値で除した値である。
For the electrical resistance measurement, a current is passed from the heater source 1 to the low-temperature heat bath 5 in the same arrangement as in the thermal conductivity measurement, and the voltage generated in the first and second temperature sensors 6, 7 at that time is measured to measure the electrical resistance.
As a common feature between the thermal conductivity measurement and the electrical resistance measurement, the sample 4 is inserted into a cryomagnet capable of generating a temperature change between 5 K and 300 K and a magnetic field between 0 T and 8.5 T, and the temperature change is measured. The direction of the magnetic field is perpendicular to the direction of the heat flow through the sample 4. The residual resistance ratio is the value obtained by dividing the electrical resistance value at 4 K by the electrical resistance value at 300 K.
本発明の磁気冷凍システムは、極低温度における熱流制御が必要とされる、水素液化技術や量子デバイス実装に用いて好適である。
本発明の熱スイッチ用材料の製造方法は、水素液化技術や量子デバイス実装に用いて好適な磁気冷凍システム用の熱スイッチ用材料に用いて好適である。
The magnetic refrigeration system of the present invention is suitable for use in hydrogen liquefaction technology and quantum device implementation, which require heat flow control at extremely low temperatures.
The method for producing a thermal switch material of the present invention is suitable for use in a thermal switch material for a magnetic refrigeration system suitable for use in hydrogen liquefaction technology and quantum device implementation.
10、12、14、16 断熱真空容器
18 磁気冷凍媒体収容容器
20 冷凍機
30、30a、30b、30c 第2の熱スイッチ
32、32a、32b、32c 磁性体(磁気冷凍材料)
34、34a、34b、34c 第1の熱スイッチ
36、36a、36b、36c 熱浴
37 低温側熱浴(被冷却部)
38 高温側熱浴
40 磁石
42 磁場印加部
44 熱スイッチ制御部
50 水素ガス導入管
52 熱交換器
54 液体水素収容容器
10, 12, 14, 16: Insulated vacuum container 18: Magnetic refrigeration medium container 20: Refrigerator 30, 30a, 30b, 30c: Second heat switch 32, 32a, 32b, 32c: Magnetic body (magnetic refrigeration material)
34, 34a, 34b, 34c First heat switch 36, 36a, 36b, 36c Heat bath 37 Low temperature side heat bath (cooled part)
38 High temperature side heat bath 40 Magnet 42 Magnetic field application unit 44 Thermal switch control unit 50 Hydrogen gas introduction pipe 52 Heat exchanger 54 Liquid hydrogen storage vessel
Claims (13)
前記低温側熱浴よりも高い温度の高温側熱浴と、
前記低温側熱浴側から前記高温側熱浴側に熱を汲み上げる磁性体と、
前記低温側熱浴と前記磁性体との熱的接続をオンオフする第1の熱スイッチと、
前記高温側熱浴と前記磁性体との熱的接続をオンオフする第2の熱スイッチと、
前記磁性体、並びに前記第1及び第2の熱スイッチに磁場を同時に印加し励磁を行う磁場印加部と、
を備え、第1及び第2の熱スイッチのオンオフを協調制御して、前記低温側熱浴から前記高温側熱浴に熱を連続的にポンプアップすることによって、前記低温側熱浴である被冷却部を連続的に冷却するように構成されていると共に、
前記第1または第2の熱スイッチの一方は、タングステン(W)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、または亜鉛(Zn)の何れか1つ、並びに不可避的不純物からなる金属多結晶物質を用いることを特徴とする、磁気冷凍システム。 A low-temperature side heat bath;
A high-temperature side heat bath having a higher temperature than the low-temperature side heat bath;
A magnetic body that pumps heat from the low-temperature side heat bath to the high-temperature side heat bath;
a first thermal switch that turns on and off a thermal connection between the low-temperature side heat bath and the magnetic body;
a second thermal switch that turns on and off the thermal connection between the high-temperature side heat bath and the magnetic body;
a magnetic field applying unit that simultaneously applies a magnetic field to the magnetic body and the first and second thermal switches to excite them;
The first and second thermal switches are controlled to be turned on and off in a coordinated manner to continuously pump up heat from the low-temperature side heat bath to the high-temperature side heat bath, thereby continuously cooling the cooled part which is the low-temperature side heat bath.
A magnetic refrigeration system, wherein one of the first and second thermal switches uses a metal polycrystalline material made of any one of tungsten (W), copper (Cu), aluminum (Al), or zinc (Zn), as well as unavoidable impurities .
前記第2の熱スイッチが発熱によってオン、吸熱によってオフになるようなスイッチである、
請求項1に記載の磁気冷凍システム。 a heat switch control unit that controls the first heat switch connected to the low-temperature side heat bath to be turned off and the second heat switch connected to the high-temperature side heat bath to be turned on when the magnetic body generates heat due to excitation, and controls the first heat switch connected to the low-temperature side heat bath to be turned on and the second heat switch connected to the high-temperature side heat bath to be turned off when the magnetic body absorbs heat due to demagnetization ;
The second thermal switch is a switch that is turned on by heat generation and turned off by heat absorption.
The magnetic refrigeration system according to claim 1 .
前記金属多結晶のタングステン(W)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、または亜鉛(Zn)は、真空中または還元雰囲気において熱処理されたものである熱スイッチ用材料の製造方法。 A method for manufacturing a thermal switch material used in one of the first and second thermal switches used in the magnetic refrigeration system according to any one of claims 1 to 7 , comprising the steps of:
The method for producing a thermal switch material, wherein the metallic polycrystalline tungsten (W), copper (Cu), aluminum (Al), or zinc (Zn) is heat-treated in a vacuum or in a reducing atmosphere.
The method for producing a thermal switching material according to any one of claims 8 to 12 , wherein the heat treatment time is from 10 seconds to 48 hours.
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