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Lgap (mm)
磁性体への流入熱量 2
凝縮部隙間大きさ
図3 - 1 8
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の問で動作する磁気冷凍サイクルでのGGG温度， 磁場(最大5 T)， L
Hっ槽圧力の経時変化を示す。 励磁過程では、 磁性体が発熱すると排熱 スイッチを接触させて排熱し、 消磁過程では、 磁性体の温度が水素液化 温度(20.3 K)以下になると、 磁性体表面で水素ガスが凝縮し液化する。
このサイクルを繰り返し、 L H 2槽の圧力， 温度が整定するように、 冷 凍出力計測用ヒータの調整を行い水素液化量を測定する。
3.3.5 実験結果と考察
(a)熱スイッチ特性
図3 - 1 9に磁気冷凍サイクルにおける排熱スイッチ温度を示す。 本 研究で以前試作した排熱スイッチでは、 磁性体と熱スイッチの接触が不 十分なため、 熱スイッチの伝熱性能(単位温度差当たり排熱される熱量) は 0.07 W/Kであった。 (39) 図3 - 1 5に示す排熱スイッチでは、 ベロ
ーズとバネを用いて接触機構を改良し、 伝熱性能が0.34 W/K まで改善 された。
一方、吸熱スイッチであるヒートパイプの性能は実験結果より、6 W/K と推定される。 また液化効率(実験における吸熱量の理想サイクル吸熱 量に対する割合) は磁場励磁速度が0.36 T/sのとき78%であり、 磁性体 周囲の熱負荷による冷凍出力損失及びフラッディングの影響は低く抑え
られていると考えられ、 ヒートパイプの設計手法が妥当であったことを 示している。
(b)水素液化特性
磁場励磁速度をパラメータとして、 水素液化実験を実施した。 実験条 件は、 最大磁場5 T， 磁場励磁速度0.08 T/sから0.36 T/s， 排熱温度25 K である。 また磁場励磁速度， 熱スイッチ伝熱性能等の実測値を用いて、
液化サイクル計算を実施した。
図3 - 2 0 (a)は水素液化実験時に時間の経過と共にサイクルが整定
する様子を示している。 図3 - 2 0 (b)は整定条件で液化サイクル計算を 実施した結果である。 整定時の実験結果と計算結果が良く一致しており、
-84-排熱スイッチ等の性能データが得られれば、 実際の液化状況を充分予測 できることが判った。
図3 - 2 1は実験及び計算によって得られたカルノーサイクルをGG Gの温度- エ ントロ ピ線図上に示したもので ある。 実験と計算結果がサ イクル上でも良く一致すること、 磁性体への流入熱の影響によるサイク ルの歪みを良く表わしていることが確認された。
図3 - 2 2 に磁場励磁速度が冷凍サイクルに及ぼす影響について示す。
磁場励磁速度が遅い場合、 サイクルの歪みが大きくなり、 排熱温度が低 下して吸熱(液化)過程におけるエントロピ変化も減少し、 冷凍出力が 低下する。
図3 - 2 3は 最大磁場を5 T， 排熱温度を25 Kに固定し、 磁場励磁速 度Rを変化させたときの冷凍出力
Q
(液化量ジ)の影響を示している。実験結果は液化サイクル計算より算出した性能予測値とほぼ一致してい る。 磁場励磁速度の増加に伴って、 冷凍出力も増大し、 冷凍出力は 、 磁 場励磁速度が最も速い0.36 T/sのとき、 最大0.4 Wが得られた。 これは 液化量に換算すると3. 55 g/h (50 cc/h)に相当し、 このときのカルノー 効率は37%であった。
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磁場 80
圧力，
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磁気冷凍サイクルにおける温度，
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排熱スイッチ温度
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時間
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(a)液化実験結果
-計算条件最大磁場5T磁場励磁速度O.35(丁Is) 緋熱温度25K硲性体GGG(O.7mol) 15 3
協;ヒ過程Jイ ムム五三
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(b)液化計算結果
図3 - 2 0 液化実験結果と計算結果の比較
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87-磁気冷凍サイクルの実験結果と計算結果の比較 Sweep råte
0.35 T/s -・--- Experiment
-一一ーCalculation
Ideal Carnot Cycle
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T(K)
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Temperature
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図3 - 2 1
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T(K)
22
Temperature
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48 18 52
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磁性体の励磁速度によるサイクルの影響
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図3
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Sweep Rate R
(T/5)
図3 - 2 3 磁性体の励磁速度による冷凍出力変化 (実験条件:最大磁場5 T ， 排熱温度2 5 Kを固定)
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3.4 ホ白 百冊
超伝導変圧器と超伝導マグネットを組合せた励磁システムを製作し、 性 能評価実験を実施し、 以下の結論を得た。
(1)超伝導変圧器の電流増幅率は電源駆動モード運転時 ， 永久電流モード 運転時共にほぼ理論値に一致することを確認した。
(2)超伝導マグネットの電源駆動モード運転から永久電流モード運転への 移行方法が確認でき、 永久電流モード運転が可能であることを確認し た。
(3)超伝導マグネットの永久電流モード運転時の発生磁場について時間依 存性を測定した。 発生磁場減衰の原因は半田接続によるものと判明し た。 超伝導接続により必要な磁場の時間安定性が充分実現できると考 える。
磁気冷凍法による水素液化を目的として、 磁気冷凍装置を製作し、 水素 液化実験を実施した。 その結果、 以下の結論を得た。
(1)水素液化に使用する磁性体GGGの液体水素温度付近でのエントロピ 一特性を測定した。 測定値と分子場近似理論により計算した値は良く 一致しており、 例えば、 4テスラ， 20 Kでの両者の差は2%以下と小 さく、 分子場近似理論による計算値が実用上問題のないことが判った。
(2)水素液化に使用する熱サイフォン型ヒートパイプの設計において、 フ ラッディング発生限界と磁性体の熱容量損失を考慮して凝縮部隙聞を 決定する最適化手法を提案し、 実験にてその妥当性を確認した。
(3)ヒートパイプ方式にて水素の連続的な液化を確認した。 実験 で得られ た液化効率の最大値は78%， 最大カルノー効率は37%であり、 その時
の冷凍能力はGG G 0.7 molで0.4 W (液化量50cc/h)であった。
(4)熱スイッチの性能は高温排熱側0.34 W/K，低温吸熱側6 W/Kであり、
実用機のレベルに到達させるためには高温側排熱スイッチと磁性体の ンンフルな熱リンク機能の開発が更なる性能向上を図る 上で必要 であ る。
(5)液化サイクル計算と実験結果との比較を行なった結果、 サイクルを良 くシミュレートしており、 定量的によく一致することを確認した。
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