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JPS6316335B2 - - Google Patents
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JPS6316335B2 - - Google Patents

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Publication number
JPS6316335B2
JPS6316335B2 JP59215236A JP21523684A JPS6316335B2 JP S6316335 B2 JPS6316335 B2 JP S6316335B2 JP 59215236 A JP59215236 A JP 59215236A JP 21523684 A JP21523684 A JP 21523684A JP S6316335 B2 JPS6316335 B2 JP S6316335B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
magnetic
thermal conductivity
garnet
refrigeration
gadolinium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
JP59215236A
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English (en)
Other versions
JPS6197132A (ja
Inventor
Hiroshi Maeda
Michinori Sato
Hideo Kimura
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KAGAKU GIJUTSUCHO KINZOKU ZAIRYO GIJUTSU KENKYU SHOCHO
Original Assignee
KAGAKU GIJUTSUCHO KINZOKU ZAIRYO GIJUTSU KENKYU SHOCHO
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KAGAKU GIJUTSUCHO KINZOKU ZAIRYO GIJUTSU KENKYU SHOCHO filed Critical KAGAKU GIJUTSUCHO KINZOKU ZAIRYO GIJUTSU KENKYU SHOCHO
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Publication of JPS6197132A publication Critical patent/JPS6197132A/ja
Publication of JPS6316335B2 publication Critical patent/JPS6316335B2/ja
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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Hard Magnetic Materials (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野 本発明は極低温用磁気冷凍機の磁性体作業物質
に関する。 従来技術 最近、超電導技術の進歩に伴い極低温用の実用
化範囲が拡がり、極低温環境下での冷凍効率のよ
いものが要望されるようになつた。 従来の気体の圧縮・膨張を繰返す冷凍法では、
20K以下になると効率が著しく低下し、特に液体
ヘリウムム(4.2K)から超流動ヘリウム(2.0K)
を得るには、大きな減圧ポンプを必要とする問題
点があつた。そこで、全く新しい原理に基づく磁
気冷凍法が注目されるようになつた。一般に磁性
体を強磁界中に挿入し、磁気スピンを整列状態に
すると発熱が起こる。この熱を外部に取去つた
後、逆に強磁界から磁性体を引出して、磁気スピ
ンを擾乱状態にすると吸熱が起こり、外部の冷凍
対象物から熱を奪い冷凍する。磁気冷凍法はこの
原理を利用したもので、機構的には、磁気冷凍に
おける磁気スピンの整列、乱れが気体冷凍におけ
る気体の圧縮・膨張に対応し、高い冷凍効率が得
られる。 この磁気冷凍法は、従来の気体冷凍法に比較し
て、圧縮機が不要となるため騒音や振動が減り、
小型軽量化やコンピユータ制御ができ、かつヘリ
ウム資源の節約ができるなどの多くの優れた特徴
を持つている。このような優れた磁気冷凍法を実
用化するためには、高性能の磁気冷凍作業物質の
開発が不可欠である。 20K以下の温度領域における磁気冷凍作業物質
には、(1)磁気モーメントが大きいこと、(2)磁気変
態点が低いこと、(3)熱伝導率が大きいこと、(4)比
熱が小さいことの特性が要求される。特に重要な
特性は、大きな磁気モーメントと高い熱伝導率で
ある。磁気モーメントが大きいほど、1回の冷凍
サイクルで冷凍対象物から吸収する熱量が大きく
なる。また熱伝導率は磁気冷凍機の動作速度を決
定する主要な因子で、それが高いほど冷凍機のサ
イクル数を高くすることができる。また、この熱
伝導率は物質固有の性質に依存すると共に、結晶
中の欠陥や結晶粒界と密接に関係し、欠陥が少な
いほど熱伝導率は高くなる。 これらの観点から、磁気モーメントの大きい希
土類金属のガドリニウム(Gd)やデイスプロシ
ウム(Dy)を含む化合物が有望視されている。 現在、20K以下の温度領域における磁気冷凍作
業物質としては、Gd3Ga5O12ガーネツトが優れた
特性を持つものとされ、これを用いた磁気冷凍試
験が行われている。その結果、冷凍サイクルの低
いところでは、高い冷凍効率が得られ、その最大
冷凍効率は磁界強度3テラス(T)、サイクル0.3
Hz近傍にある。冷凍能力を高めるために、磁界強
度や冷凍機サイクル数を高めると、却つて冷凍機
効率が低下する。これは作業物質の形状が直径20
mmφ以上、長さ40mm以上が必要なため、磁化、消
磁に伴う発熱・吸熱の熱交換が十分に行われない
ことに起因する。 発明の目的 本発明は従来のGd3Ga5O12ガーネツトの欠点を
解消し、該ガーネツトより熱伝導率の高い磁気冷
凍作業物質を提供することを目的とする。 発明の構成 本発明者らは前記目的を達成すべく研究の結
果、Gd3Ga5O12ガーネツトのGaの1部をAlで置
換した一般式Gd3(Ga1−xAlx)5O12(ただし、X
は0.01〜0.6を表わす)で示されるガドリニウ
ム・ガリウム・アルミニウム・ガーネツトは高い
熱伝導率を有する磁気冷凍作業物質として有用で
あることを究明し得た。また、該ガーネツトに
AgあるいはCuを1〜20重量%結晶粒界に分布さ
せると、熱伝導率を更に高め得られる。更に、熱
伝導を妨げる結晶粒界の存在しない単結晶化によ
つて熱伝導率が著しく高め得られ、冷凍能力を高
め得られることを究明し得た。これらの知見に基
いて本発明を完成した。 本発明の要旨は、 (1) 一般式Gd3(Ga1−xAlx)5O12(ただし、Xは
0.01〜0.6を表わす)で示されるガドリニウ
ム・ガリウム・アルミニウム・ガーネツトから
なる極低温用磁気冷凍作業物質。 (2) 一般式Gd3(Ga1−xAlx)5O12(ただし、Xは
0.01〜0.6を表わす)で示されるガドリニウ
ム・ガリウム・アルミニウム・ガーネツトに
AgあるいはCuを1〜20重量%配合させたもの
からなる極低温用磁気冷凍作業物質。 (3) 一般式Gd3(Ga1−xAlx)5O12(ただし、Xは
0.01〜0.6を表わす)で示されるガドリニウ
ム・ガリウム・アルミニウム・ガーネツトの単
結晶からなる極低温用磁気冷凍作業物質。 にある。 Gd3Ga5O12ガーネツトのGaをAlで置換する量
は前記一般式におけるXが0.01〜0.6の範囲であ
ることが必要である。Xが0.01より少ないと熱伝
導率の向上に殆んど効果を現わさない。一方Xが
0.6を超えるとガーネツト構造中にペロブスカイ
ト構造のGdAlO3相が晶出し、熱伝導率が低下す
る。好ましい範囲は、Xが0.3〜0.5である。 本発明のガドリニウム・ガリウム・アルミニウ
ム・ガーネツトの結晶粒界に熱伝導率の高いAg
あるいはCuを1〜20重量%分布させると、熱伝
導率を更に高くすることができる。その量が1重
量%より少ないと熱伝導率の向上の効果が殆んど
なく、一方20重量%を超えると熱伝導率は上昇す
るが、他方磁気熱量が低下するので、1〜20重量
%の範囲内であることが必要である。 また、単結晶にすると、熱伝導を妨げる結晶粒
界が存在しないので、熱伝導率を著しく高くする
ことができる。 本発明のガドリニウム・ガリウム・アルミニウ
ム・ガーネツトは、その組成の成分原料を配合、
混練し、ホツトプレスで焼結することによつて製
造し得られる。またその単結晶は例えば、前記焼
結体を高周波加熱等によつて溶解し、これに種結
晶を浸し、0〜3%の酸素ガスを含む窒素ガス雰
囲気中で所定の結晶軸方向に引上げる方法、所謂
引上げ法によつて製造し得られる。 実施例 実施例 1 直径約5μm、純度99.99%の酸化ガドリニウム
(Gd2O3)、酸化ガリウム(Ga2O3)、酸化アルミ
ニウム(Al2O3)の粉末を表1に示すように配合
したもの420gを、混練し、ホツトプレスを用い
て1350℃で焼結し、直径30mmφのGd3(Ga1
xAlx)5O12ガーネツトを製造した。
【表】 これらの試料から断面4×4mm、長さ35mmの角
形棒状試料及び直径25mmφ、高さ8mmの円筒状試
料を作り、それぞれ熱伝導率及び磁気熱量を測定
した。その結果は前記表1に示す通りであつた。
熱伝導率は、棒状試料の温度を4.2Kあるいは20K
に調整した後、その一端にヒーターによつて熱を
与え、その熱が他端に向つて定常的に流れるよう
にして、試料の2箇所で温度を測定し、その温度
差から算出する定常熱流法によつて求めた。 磁気熱量は円筒状試料を超電導磁石中に固定
し、5テラス(T)の磁界をかけて磁化した後、
試料の温度を4.2Kあるいは20Kに調整し、0テラ
ス(T)まで5秒間の速度で消磁した時、試料に
生ずる温度変化から算出する断熱消磁法によつて
求めた。 該表1が示すように、Xが0.01より小さいと熱
伝導率の向上が殆んど認められない。一方Xが
0.6を超えると急激に熱伝導率が低下する。0.3〜
0.5の範囲が高い熱伝導率を示す。 実施例 2 実施例1と同じ原料粉末を、Gd3(Ga0.6Al0.4
5O12の組成になるように配合・混練し、プレスし
た後1250℃で焼結し、これをボールミルで直径約
5μmの粉末に粉砕した。この粉末に表2に示す
量のAgあるいはCu粉末を混練し、420gをホツト
プレスを用いて1100℃で焼結し、直径30mmφの試
料を作つた。 この試料から実施例1と同じ大きさの試料を作
製し、同じ方法で熱伝導率及び磁気熱量を測定し
た。その結果を表2に示す。
【表】 この結果が示すように、1重量%未満では熱伝
導の向上は殆んどみられないがそれ以上になる
と、熱伝導が向上する。 一方、20重量%を超えると、磁気熱量の減少が
大きくなるため冷凍効率が低下する。従つて、
AgあるいはCuの配合量は1〜20重量%であるこ
とがよいことが分かる。 実施例 3 実施例1と同じ原料粉末を用い、下記の表3に
示す組成になるように配合・混練し、プレス後
1250℃で焼成してガーネツト構造のものを作つ
た。この420gをイリジウムるつぼ(直径50mmφ、
高さ50mm)中で高周波加熱によつて溶解し、これ
に種結晶を浸し、0〜3%の酸素ガスを含む窒素
ガス雰囲気中で<111>結晶軸方向に引上げ、直
径約28mmφ、長さ約50mmの単結晶を製造した。 得られた単結晶(X=0.3の時)は第1図に示
す通りであつた。 これらの単結晶から実施例1と同じ大きさの試
料を作製し、同じ方法で熱伝導率及び磁気熱量を
測定した。その結果は表3に示す通りであつた。
【表】 この結果を焼結試料における結果の表1と比較
すれば明らかなように、単結晶では結晶粒界が存
在せず、欠陥が極めて少ないため、焼結試料より
熱伝導率が著しく高くなる。また、組成に対する
特性の変化は、実施例1とほぼ同様の傾向を示
す。 なお、単結晶育成中の窒素ガス雰囲気中に含ま
れる酸素ガスは、融液からGa2O3の蒸発を防止
し、結晶中の組成変動をなくする。Xの増加と共
に酸素ガス濃度を減少させることができるため、
イリジウムるつぼの酸化による消耗が少なくなつ
ている。 発明の効果 以上のように、本発明のGd3(Ga1−xAlx)5O12
(ただし、Xは前記と同様)ガーネツトは、磁気
熱量効果が大きく、磁気変態温度が低い磁気性質
を有し、その上熱伝導率が高い。従つて、液体ヘ
リウムや超流動ヘリウムを製造するような極低温
環境を作る磁気冷凍機の作業物質に用いると、磁
気冷凍機は高い冷凍サイクルで運転が可能にな
り、冷凍能力と効率を向上させることができる。 さらに、本発明のガーネツトは、従来の
Gd3Ga5O12ガーネツトの高価なGaを安価なAlで
置換するため、価格を低下させることができる。
しかも、従来の製造装置及び技術をそのまま利用
することができる優れた効果を奏し得られる。 さらに、単結晶の育成においては、Xの増加と
共に育成窒素ガス雰囲気中に含まれる酸素濃度を
減少させることができるため、高価なイリジウム
るつぼの酸化による消耗が減少し、製造費の低減
ができる。(なお、ガーネツトのような1700℃以
上の高融点を持つ酸化物の単結晶を引上げ法で育
成するには、高融点のイリジウムるつぼを必要と
している。)
【図面の簡単な説明】
第1図はX=0.3のときの単結晶の写真を示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 一般式Gd3(Ga1−xAlx)5O12(ただし、Xは
    0.01〜0.6を表わす)で示されるガドリニウム・
    ガリウム・アルミニウム・ガーネツトからなる極
    低温用磁気冷凍作業物質。 2 一般式Gd3(Ga1−xAlx)5O12(ただし、Xは
    0.01〜0.6を表わす)で示されるガドリニウム・
    ガリウム・アルミニウム・ガーネツトにAgある
    いはCuを1〜20重量%配合させたものからなる
    極低温用磁気冷凍作業物質。 3 一般式Gd3(Ga1−xAlx)5O12(ただし、Xは
    0.01〜0.6を表わす)で示されるガドリニウム・
    ガリウム・アルミニウム・ガーネツトの単結晶か
    らなる極低温用磁気冷凍作業物質。
JP59215236A 1984-10-16 1984-10-16 磁気冷凍作業物質 Granted JPS6197132A (ja)

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JP59215236A JPS6197132A (ja) 1984-10-16 1984-10-16 磁気冷凍作業物質

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JPS6197132A JPS6197132A (ja) 1986-05-15
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JP2001262134A (ja) * 2000-03-21 2001-09-26 National Institute For Materials Science 酸化物蓄冷材および蓄冷器
KR100951690B1 (ko) * 2008-01-23 2010-04-07 한국세라믹기술원 가넷 결정 구조의 저열전도성 세라믹 소재 및 그 제조방법

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