JP2005069682A - 能動型磁気再生式熱交換器装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 再生式熱交換器と磁熱（磁気熱量）効果で動作する装置とを組み合わせた能動型磁気再生方式熱交換器装置であって、ホイールとシールとの滑り接触の速度を最小限に抑え、滑りシールの摩耗速度を減少させたものである。
【解決手段】 軸線回りに回転自在に設けられていて、リムを備えたホイールを有し、磁熱効果を発揮する材料で作られた複数の多孔質再生式熱交換器床ユニットを有し、各床ユニットは、高温ホットサイド及び低温コールドサイドを有し、床ユニットは、これを通る伝熱流体の軸方向流を可能にするようホイールのリム内に設けられており、ホイールは内側に形成された半径方向チャネルを有し、磁界をホイールのリムに取り付けられている再生式熱交換器床ユニットの一部に加えるよう設けられた磁石を有する能動型磁気再生式熱交換器装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は一般に、磁気冷凍の技術分野に関し、特に、能動型磁気再生式冷凍装置及び水素液化機に関する。

能動型磁気再生方式は、再生式熱交換器と磁熱（磁気熱量）効果で動作する装置とを組み合わせたものである。能動型磁気再生式熱交換器の動作原理は、バークレー等に付与された米国特許第４，３３２，１３５号明細書に記載されている。能動型磁気再生式熱交換器の実験モデルが構成されて試験されたが、これは、エー・ジェイ・デグレゴリア（A.J. DeGregoria）他著，「テスト・リザルツ・オブ・アン・アクティブ・マグネティック・リジェネレーティブ・リフリジェレータ（Test Results of An Active Magnetic Regenerative Refrigerator）」，アドヴァンシズ・イン・クライオジェニック・エンジニアリング（Advances in Cryogenic Engineering ），第３７Ｂ巻，１９９１年という論文に記載されている。能動型磁気再生式熱交換器の詳細なモデルが、アドヴァンシズ・イン・クライオジェニック・エンジニアリング（Advances in Cryogenic Engineering ），第３７Ｂ巻，１９９１年に所収のエー・ジェイ・デグレゴリア（A.J. DeGregoria）の論文に記載されている。

能動型磁気再生磁気熱交換器は、磁熱効果を利用した冷却器又はヒートポンプの一種である。磁熱効果を発揮する材料は、励磁時に暖まり、消磁時に冷え、又この逆の関係が成り立つ。基本的な能動型磁気再生式熱交換器（ＡＭＲ）装置では、伝熱流体に対して多孔性の磁性材料から成る床が、２つの熱交換器相互間に配置され、一方の熱交換器から他方の熱交換器への磁性材料の床を通る流体の流れの往復動を可能にする機構が設けられている。また、床を励磁させたり消磁させたりする機構も又設けられている。ＡＭＲサイクルには４つの部分があり、即ち、磁熱効果により床中の磁性材料及び流体を暖める床励磁の部分、ホットサイド熱交換器中で熱の放出が生じる状態で床を通るコールドサイドからホットサイドへの流体の流れの部分、床の消磁による床中の磁性材料及び流体の冷却の部分、冷却された流体がコールドサイド熱交換器で熱を吸収する状態で床を通るホットサイドからコールドサイドへの流体の流れの部分がある。

ＡＭＲ装置は、再生式熱交換器の技術的思想の発展例である。再生式熱交換器は、流体を互いに異なる温度の２つのリザーバ相互間で往復動方式で交換しているときに熱を回収するために用いられる。再生サイクルは、２つの部分、即ち、床を通るコールドリザーバからホットリザーバへの流れ、次の床を通るホットリザーバからコールドリザーバへの流れを有する。

再生式熱交換器装置では、シャトル流体は、一方向に流れ、次に逆方向に流れる流体の全量から成る。シャトル流体が床を何度も流通して往復した後、床材料は、低温材料が流入する側（コールドサイド）から高温流体が流入する側（ホットサイド）まで増大する温度プロフィールを呈する。流体は、コールドサイドからホットサイドに流れる間、温度Ｔ_c、即ち、コールドサイドリザーバ中の流体の温度になる。シャトル流体は、床を通過しているときに床により暖められ、ホットサイドリザーバの温度であるＴ_hよりも低い温度で床を出る。流体は、ホットサイドからコールドサイドに流れる際、床に温度Ｔ_hで流入し、そしてこれを通過しているときに床により冷却され、Ｔ_cよりも高い温度で床を出る。一サイクル全体では床は理論的には正味の熱を受け取らない。床は、中間熱リザーバとして働き、高温の流体から熱を吸収し、この熱を低温の流体に捨てる。シャトル流体がコールドリザーバに流入する温度とコールドリザーバ流体の温度Ｔ_cとの温度差Δｔは、ホットリザーバからコールドリザーバへの熱の流れを表している。最悪の場合、この差は、Ｔ_h−Ｔ_cになり、これは、再生式熱交換器が存在していない場合である。Δｔと（Ｔ_h−Ｔ_c）の比は、再生式熱交換器の無効性と呼ばれている。

ＡＭＲ装置は、流体がコールドサイドからホットサイドに流れる前に床を励磁して暖め、次に流体がホットサイドからコールドサイドに流れる前に床を消磁して冷やす。図１の略図に示すように、磁界を励磁された床に加えると、２つの対をなす床内での温度と床相対位置のプロフィールが得られ、一方は、床を励磁したときのものであり、他方は、床を消磁したときのものである。任意の場所における２つの床プロフィール相互間の差は、磁界の変化を受けた際の磁性材料の断熱温度変化である。断熱温度変化が十分大きければ、床のコールドサイドから出た流体は、コールドリザーバの温度よりも低い温度を有する場合があり、その結果、通常の再生式熱交換器の場合のようなホットリザーバからコールドリザーバへの熱の漏れが生じないで、コールドリザーバの正味の冷却が得られる。当然のことながら、熱力学の法則によれば、仕事は、熱がコールドリザーバからホットリザーバに流れることに鑑みてこのようなプロセスで行われなければならない。ＡＭＲの場合、仕事は、磁石及び（又は）床を互いに対して動かす駆動機構によって行われる。ホットサイドとコールドサイドの両方のところに熱交換器を利用することにより、熱をコールドサイド熱交換器からＡＭＲを介して取り出し、そしてホットサイド熱交換器を介して放出することができる。この熱伝達を達成する構造が、上述の米国特許第４，３３２，１３５号明細書に開示されている。

米国特許第４，４０８，４６３号明細書は、ホイール形磁気冷凍機を開示している。ホイールのリムは、強磁性材料又は常磁性材料で作られている。ホイールを、ホイールの軸線に垂直であり且つその回転方向に平行な磁界中を回転させる。流体をリムから圧送して熱負荷の冷凍を達成する。
米国特許第４，５０７，９２７号明細書は、磁界中を動く磁性材料のリングを利用した冷凍装置を開示している。伝熱物質を磁性材料中に通して熱負荷の冷凍を達成する。

最後の２つの特許文献に開示された冷凍機には、滑りシールの摩耗速度が高いという欠点がある。本発明の目的は、ホイールとシールとの滑り接触の速度を最小限に抑え、滑りシールの摩耗速度を減少させることにある。

本発明によれば、
能動型磁気再生式熱交換器装置であって、
（ａ）軸線回りに回転自在に設けられていて、リムを備えたホイールを有し、
（ｂ）磁熱効果を発揮する材料で作られた複数の多孔質再生式熱交換器床ユニットを有し、各床ユニットは、高温ホットサイド及び低温コールドサイドを有し、床ユニットは、これを通る伝熱流体の軸方向流を可能にするようホイールのリム内に設けられており、
（ｃ）ホイール内に形成されていて、ホイールの回転軸線の近くに入力ポートを形成する開口部から床ユニットの各々のホットサイドに至り、そして床ユニットの各々のコールドサイドから前記回転軸線の近くでホイールに出力ポートを形成する開口部に至る伝熱流体の経路を構成する半径方向チャネルを有し、
（ｄ）磁界をホイールのリムに取り付けられている再生式熱交換器床ユニットの一部に加えるよう設けられた磁石を有し、ホイールが回転して床ユニットを磁石の磁界中へ運ぶと、床ユニットに磁界が加えられ、ホイールが引き続き回転すると、磁石の磁界が床ユニットから取り去られ、従って、ホイールが回転すると、床ユニットに周期的に磁界が加えられるようになっており、
（ｅ）伝熱流体を入力ポートに送り、伝熱流体を出力ポートから受け取るようホイールと係合状態にある滑りシール付きポートを備えたマニホルドを有し、滑りシールは、伝熱流体を選択された再生式熱交換器床ユニットへ差し向けたりこれから差し向けるよう伝熱流体とホイール内の半径方向チャネルの選択的な連通を可能にし、マニホルドは、ホイール内のチャネルと協働して伝熱流体を磁石の磁界の範囲外に位置する床ユニットのコールドサイドからホットサイドにもたらすと共に伝熱流体を磁石の磁界の範囲内に位置する床ユニットのコールドサイドからホットサイドにもたらすことを特徴とする装置が提供される。

従来技術に開示された利点と比べた場合の本発明の顕著な利点は、入力及び出力ポートがホイールの回転軸線の近くに配置されているということにある。このようにすると、シールとホイールのポートとの滑り接触の速度を最小限に抑えることができ、しかもリム中の床ユニットの速度は高いままである。シールとポートの相対速度のこの減少の結果として、シールの摩耗が減少することになる。
滑りシールは、床への伝熱流体の流れを制御し、これら床は、ホイールが回転しているときに磁界に入ったり出たりする。シールは、ホイールのハブのところのマニホルドからホイールのリムのところの磁性材料床まで延びるチャネルを介して床と連通している。ホイールが回転しているとき、床ユニットは、磁界がほぼゼロである角度領域を通過する。マニホルドのシールは、ホットサイドからコールドサイドへの方向で床ユニットを通る伝熱流体の流れをもたらす。ホイールが回転すると、床部分は、磁界が増強する角度領域を通り、シールは、伝熱流体の流れをその領域に通さない。磁界が高く且つほぼ一定である角度領域を床ユニットが通ると、マニホルドのシールは、床部分のコールドサイドからホットサイドへの方向に流れをもたらす。ホイールが引き続き回転し、磁界が次第に弱くなる回転角度を通過すると、マニホルドのシールは、伝熱流体の流れを遮断する。このサイクルは、ホイールが回転し続けている間、繰り返される。

本発明の能動型磁気再生式熱交換器装置では、磁性材料の床を通る伝熱流体の流れは好ましくは、不均衡であり、したがってコールドサイドからホットサイドに床を通る量よりも多くの量の流体が床を通ってホットサイドからコールドサイドに流れる。過剰の伝熱流体は、流体のリザーバに逸らされ、これは床のホットサイドに流入することになる。このように、従来型ＡＭＲ装置と比較すると効率の向上が得られ、しかも逸らされた流体を熱交換器に通すと別の流体の冷却が可能になる。本発明の特定の用途では、伝熱流体はヘリウムであり、本装置は、極低温で作動され、熱交換器は、気体水素から熱を引き出して水素を液化させる。

本発明の装置は、能動型磁気再生式熱交換器の複数のステージを有し、各ステージは、磁性材料から成る２つの床を有している。各ステージは、漸減する温度で稼働される。磁界は、ステージの各々の組をなす床の一方又は他方に交互に加えられる。伝熱流体は、各ステージのホットサイドからコールドサイドに連続して各ステージの一方の組をなす消磁状態の床を通って流れ、次に各ステージのコールドサイドからホットサイドに各ステージの他方の組をなす励磁状態の床を通って連続的に流れる。しかしながら、各ステージ相互間では、床のコールドサイドから出た流れの一部は、次の一層低温のコールドステージのホットサイドから出た流れと混合するよう逸らされ、それにより流体を逸らしたステージの第２の床のコールドサイドに流入する流れが形成される。最後のステージの床のコールドエンドから出た流体は、一部が最後のステージの他方の床のコールドエンドに差し向けられ、一部は熱交換器に通され、ここで熱を吸収し、次に第１のステージのホットエンドから出た流体と混ぜ合わされる。第１のステージのホットエンドからの流体は、好ましくは流体によってピックアップされた熱のうちの幾分かを奪う熱交換器を通過した後、第１のステージの他方の熱の床のホットエンドにポンプで送り戻す。例えば、ヘリウムが循環伝熱流体として用いられている場合、ホットエンド熱交換器は、第１のステージの第１の床のホットエンドに戻されているヘリウムから熱を奪う７７Ｋの液体窒素の浴を有するのがよい。液化されるべき水素も又、液体窒素浴に通されて水素ガスを予備冷却し、その後、水素ガスは熱交換器に通され、ここで低温のヘリウムにより十分な熱がこの水素ガスから奪われて水素が液化する。熱交換器は好ましくは、熱伝達の最大効率が得られるよう熱交換器のコールドエンドからホットエンドまで温度勾配を維持する向流タイプのものである。

流体の流れを本発明の能動型磁気再生式熱交換器装置のコールドエンドから分流し、流れの一部をホットサイドに差し向け、流れの一部を熱交換器中に差し向け、次にホットサイドに戻した結果、床がいったん平衡熱勾配を達成すると、伝熱流体と床との温度差が局所的に非常に小さくなる。伝熱流体と床との僅かな局所温度差の結果として、冷却プロセスに非常に僅かなエントロピーが発生することになる。本発明の再生式熱交換器装置の多数のステージを利用することにより、床を通過する伝熱流体の温度範囲に最適な磁性材料を各ステージの床に利用しながら、比較的大きな温度スパンを達成できる。一方の床のコールドサイドから他方の床のコールドサイドへ流体を各ステージ間で部分的に逸らすと、この場合も又その結果として、各ステージでの伝熱流体と床との比較的僅かな局所温度差が得られ、それによりエントロピーの発生が最小限に抑えられる。その結果、本発明は、それ自体冷却プロセスの最終生成物である伝熱流体の非常に効率的な冷却又は冷却されるべき別の流体からの熱交換のための伝熱流体の循環を可能にする。本発明は、水素の液化のための極低温状態での動作に特に適している。
本発明の別の目的、特徴及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むと明らかになろう。

本発明の能動型磁気再生式熱交換器（ＡＭＲ）装置の動作原理を、図２の温度と床位置の関係を示す略図に関して説明する。この図では、線２０は、消磁状態のＡＭＲ床についての床位置と温度の関係を示し、線２１は、励磁状態における温度と床位置の関係を示す線である。伝熱流体は、床が消磁状態にあるとき、温度Ｔ₁で床のホットサイドに入り、線２３に沿って床により冷却されて温度Ｔ₂で床のコールドエンド又はサイドのところで出る。出ている流体の一部は、コールドサイド熱交換器２４に通され、流体は、ここで熱を受け取り（例えば、低温ステージから）、そして高い温度Ｔ₃で出る。伝熱流体は、温度Ｔ₃でＡＭＲ床のコールドサイドに再び入り、そして温度線２６を辿って温度Ｔ₄で励磁状態のＡＭＲ床から出る。温度Ｔ₄の流体は、ホットサイド熱交換器２７を通り、ここで熱が流体から（例えば、高温ステージに）奪われて熱交換器２７から出る流体が再び温度Ｔ₁に近い温度状態になる。温度Ｔ₂でＡＭＲ床のコールドエンドから出た流体の一部は、熱交換器２４を通らないよう逸らされる。この流体の量Δｍ_fは、冷却される流体を表している。この流体の量を増加させると、ＡＭＲのコールドエンドのところでの冷却が減少する。特定の量では、コールドサイド熱交換器のところでのそれ以上の冷却は生じないであろう（更に増加させると、コールドサイドの温度が上昇する）。この時点において、ＡＭＲは、純然たる流体の冷却器になる。量Δｍ_fの流体は、床を通過しているときに冷却されるが、この流体とこれを冷却している床の温度差はほんの僅かなので、生じるエントロピーはごく僅かであり、プロセスは非常に効率的である。

伝熱流体がＡＭＲ床を出る際の温度Ｔ₂が流体の液化点よりも低い場合、逸らされた流体の量Δｍ_f又はその何割かの部分は、ＡＭＲサイクルの最終生成物の場合があり、この場合、熱交換器２４は、利用されず、温度Ｔ₂の流体の一部は、貯蔵のため抜き取られる。一般的にいって、汚染の恐れを無くすため、液化最終生成物を熱交換器２４により伝熱流体から物理的に離すことが好ましい。
一般に、不均衡流れ方式のＡＭＲ装置で利用される磁性材料は、断熱温度変化が絶対温度と共に増大するような特性を備えているはずである。性質上強磁性である単一の鮮明な磁気秩序を受ける材料の断熱温度変化（ΔＴ_s）は、キュリー温度Ｔ₀で最大に達する。キュリー点がＡＭＲ装置のホットヒートシンク温度Ｔ_b以上である材料を用いることにより、断熱温度変化はＡＭＲ装置の動作範囲にわたり温度と共に単調に増大するようになる。強磁性材料の磁気熱容量の最大も又キュリー点で生じるので、キュリー点がＴ_bに非常に近い温度である材料を用いることが好ましい。

図３は、ヘリウム伝熱流体を装置中に動かすポンプを用いている。説明の便宜上、磁石は、１つの位置で示されており、ヘリウムは、磁石のこの位置に関して図３において矢印で示す方向に流れているものとして示されている。当然のことながら、或る期間が経過すると、磁石の位置及び床部分を通る流れは切り換えられなければならない。ＡＭＲ床３２のホットサイドから出る流れと熱交換器５７からのライン５９上の流れは、ライン７８のところで合流し、このラインは、ヘリウムをポンプ７９に送り、このポンプは、流体をライン８１上に圧送してこれを液体窒素浴７０内の熱交換器８２に至らせ、冷却されたヘリウムをライン８４上に戻してこれを第１のＡＭＲステージの床３１のホットサイドに至らせる。

液化効率は、標準温度及び圧力（ＳＴＰ）から水素を液化するのに必要な理想仕事をモデルでコンピュータ処理された現実の仕事で除算したものとして定義される。その現実の仕事の大部分は、消費した窒素を液化するのに行われた仕事から来ている。液体窒素プラントの効率は典型的には、約０．４５である。液化効率は、ポンプの非効率性、駆動装置の非効率性及び熱の漏れを無視している。綿密な設計では、これらの損失は、総合効率が約０．２５であるほど十分小さくすることができる。
材料ＧｄＮｉ₂は、７５Ｋキュリー点と４５Ｋとの間の温度ではほぼ線形の断熱温度変化（ΔＴ_s）を示し、それ故、流れの不均衡が僅かなステージに適している。材料ＧｄＰｄは、３８Ｋキュリー点以下の温度では直線的よりも非常に早く増大する断熱温度変化を示し、それ故、流れの不均衡が大きなステージに適している。各材料のキュリー点（Ｔ₀）以下で動作するＡＭＲステージに用いられるのに適した幾つかの強磁性材料が以下の表１に記載されている。

〔表１〕
表１：不均衡流れＡＭＲ液化機に適した強磁性冷媒
材 料 Ｔ ₀ （Ｋ） Ｔ ₀ （０〜７Ｔ）でのΔＴ _s
ＧｄＮｉ₂ ７５ ５．８
ＧｄＮｉ ７０ ７．５
ＧｄＮｉ_0.95Ｃｏ_0.05 ８１ ７．１
ＧｄＮｉ_0.2Ｃｕ_1.8 ５０ ４．６
ＧｄＰｄ_0.75Ｎｉ_0.25 ４５ ８．０
ＧｄＰｄ ３８ ８．７
Ｅｒ_0.8Ｌａ_0.2 ４５ ５．３
Ｅｒ_0.75Ｄｙ_0.25Ｎｉ ２５〜３０ ６．０
Ｅｒ_0.86Ｇｄ_0.14Ａｌ₂ ２０〜３０ ８．７
ＧｄＮｉ_1-xＣｏ_x ７０（ｘ＝０）〜
１２０（ｘ＝０．２５）
かかる材料、例えばＧｄＮｉ₂及びＧｄＮｉの共融混合物も又利用でき、ニッケルの一部に代えて少量のコバルトを用いることによりキュリー点は７７Ｋに増大する（例えば、コバルトは、Ｎｉのうち約１％〜５％について置き換えられる）。
再生式熱交換器床を磁性材料の小さな球形粒子で作るのがよく、床は、粒子相互間の隙間を通って流れる伝熱流体を加熱するよう多孔質である。

本発明の２ステージ回転式の能動型磁気再生式熱交換器装置の断面図が、図４に示されている。図４のＡＭＲ装置は、第１ステージホイール組立体１８０及び第２ステージホイール組立体１８１を有している。伝熱流体、例えばヘリウムガスが、ポンプ１８３により液体窒素浴１８５内の熱交換器１８４中に駆動され、ここからライン１８６により第１ステージホットサイド入力ポート１８７に送られる。伝熱流体は、第１ステージコールドサイド出力ポート１８８からライン１８９への経路を辿り、このライン１８９は、分流兼流量配分弁１９０に通じている。ライン１８９からの流れの一部は、この弁によりライン１９２に逸らされ、これから第２ステージホイール組立体１８１のホットサイド入力ポート１９３に差し向けられる。ホイール組立体１８１のコールドサイド出力ポート１９５からライン１９６に進んだヘリウムガスは、流量配分弁１９７によって、ライン１９８を通って第２ステージホイール組立体１８１のコールドサイド入力ポート１９９に至る第１の流れと、ライン２０１を通って熱交換器要素２０２に進んで水素ガスと熱交換をし、次に戻りライン２０３に通じる経路を辿る第２の流れに分割され、この戻りライン２０３は、別の入力ライン２０４と繋がってヘリウムをポンプ１８３の入力に戻す。ライン１９８から入力ポート１９９に進んだヘリウムの流れの部分は、第２ステージホットサイド出力ポート２０６のところでホイール組立体１８１を通過してライン２０７に進む。ライン２０７中の流体の流れは、流量配分弁１９０からのライン１９１中の流体の流れと合流し、この合流した流れは、第１ステージホイール組立体１８０のコールドサイド入力ポート２０９に送られる。ホイール組立体１８０のホットエンド又はサイド出力ポート２１０から出た伝熱流体ガスは、ライン２０４によりヘリウム循環ポンプ１８３の入力に送られる。液化されるべき水素ガスは、ライン２１４により液体窒素リザーバ１８５内の熱交換器２１５に通され、ここからライン２１６によりオルト−パラ変換器型ヘリウム／水素熱交換器２１７に送られ、そして排出ライン２１８により排出される。なお、この排出ライン２１８は、液化弁（図示せず）を有するのがよい。

本発明の２ステージ回転式ＡＭＲ装置の流路は好ましくは、以下の点を除けば往復動バージョンのものと実質的に同一である。異なる点は、回転バージョンが好ましくは、マニホルドシール２３５，２３８，２４０，２４３の作用に鑑みて回転ホイールの外部に切換弁が不要であるよう構成されていることにある。かくして、連結導管の全てを通る経路には単一方向に伝熱流体の連続した流れが存在する。
ＡＭＲステージ組立体１８０，１８１は各々、ホイールの内部構成部品を密閉する外側ハウジング２２０と、ハブ２２２及びＡＭＲ床部分２２４を収容したリム部分２２３を備えた内部回転ホイール２２１とを有している。ホイール２２１を回転自在に支持するために軸受２２７がハブ２２２とハウジング２２０との間に設けられている。密閉形又は気密封止形の駆動ユニット２３０、例えば電気モータが、出力シャフト２３１を有し、この出力シャフトは、シャフト２３１を回転させているときハブ２２２を回転させるようハブ２２２に連結されている。代表的には、ステージ組立体は、断熱目的で真空ジュワー壜内に密閉される。

滑りシール２３５を有するマニホルドは、入力シャフト１８７に流入するヘリウムとＡＭＲ床ユニット２２４まで外方へ延びるチャネル２３６とを連通させる。チャネル２３７がＡＭＲユニット２２４から滑りシール２３８を含むマニホルドまで延びており、この滑りシール２３８は、ヘリウムがこれを通って出力ポート１８８まで流れるようにする。これと同様に、滑りシール２４０は、第１のステージのコールドサイド入力ポート２０９とＡＭＲユニット２２４のうちの１つに通じるチャネル２４１とを連通させ、ＡＭＲユニットを通ったガスは、チャネル２４２に進み、これによってマニホルドの滑りシール２４３に差し向けられ、この滑りシール２４３は、流出中のガスを出力ポート２１０からライン２０４に差し向ける。同一形式のマニホルドシールが、第２ステージホイール組立体１８１に設けられている。レーストラック形磁石２５０，２５１，２５２が、第１ステージホイール組立体１８０の一方の側に沿ってぐるりと配置され、これらと同様な磁石が、第２ステージホイール組手体１８１の一方の側部に沿ってぐるりと配置されている。ホイール２２１が回転すると、ＡＭＲ床部分ユニットは、磁石２５０〜２５２からの磁界がほぼゼロになる角度領域を通過する。摺動部品の速度を減少させ、かくして摩耗を減少させるようハブの近くに設けられたシール２３５，２３８は、下向きの方向において磁界の外部に位置する床部分２２４を通る流れをもたらす。ホイールが引き続き回転すると、その床部分は、磁界が次第に強くなる角度領域を通過する。しかしながら、この時点では、シール２３５は、特定のＡＭＲ床部分ユニットに通じていた特定のチャネル２３６，２３７とは非整列状態にある。かくして、その時点では、ヘリウムは床部分ユニットを通っては流れることはない。次に、床部分は、磁界が強く且つほぼ一定である磁石２５０〜２５２相互間の領域に入る。その時点では、シール２４３，２４０は、チャネル２４１，２４２と連通してＡＭＲユニット２２４を通る上向きの流れを生じさせる。ＡＭＲユニット２２４が磁界が一定した領域から出ると、シール２４０，２４３は、チャネル２４１，２４２と非連通状態になり、かくして、磁界がその特定のＡＭＲユニットについて次第に減少している領域中のヘリウムの流れを遮断する。このようにして、特定のＡＭＲユニットのうちの１つに関する一サイクル全体が完了する。かくして、ＡＭＲユニットが磁界の範囲外にあるとき、ＡＭＲユニットを通る下向きの流れ、かくして、ホットサイドからコールドサイドへの流れが存在し、このＡＭＲユニットが磁界の範囲内に位置していると、このＡＭＲユニットを通る上向きの流れが生じ、かくして、ヘリウム流体の流れをコールドサイドからホットサイドにもたらすことが理解されよう。ライン１８９中の流れを部分的にライン１９１に逸らしてヘリウムが入力ポート２０９に入る前にライン２０７からの流れと合流させることにより、第１ステージのチャネル２４１に流入するガスの温度は、ＡＭＲ床ユニット２２４が磁界の範囲内にあるときのＡＭＲ床ユニット２２４のコールドサイドの近くの温度状態になることができ、したがって、ガスの温度が上昇する。ライン２０１を通る部分的流れをヘリウム−水素熱交換器に差し向けた結果として、熱交換器の水素側２１７を通る水素ガスが冷却されると共にヘリウムガスの温度は、ライン２０３中では、ヘリウムガスがＡＭＲホイールから上方に通過したライン２０４中の高温ヘリウムガスに近い温度状態まで上昇することになる。

図５は、単一のホイールが２組の磁石と共に利用されている回転式ＡＭＲ装置の変形実施形態の斜視図である。図５に示すように、ホイールの互いに反対側に位置する四分円上に２組の磁石２５０〜２５２が設けられている。上側入力ポート１８７及び下側出力ポート１８８は、２組の磁石２５０〜２５２から等間隔を置いた位置に配置されており、したがってこれらポートは、これら磁石からの磁界から完全に外れたところに位置したＡＭＲ床ユニットと連通するようになる。頂部出力ポート２１０及び底部入力ポート２０９が、磁石２５０〜２５２に隣接して配置されており、これら磁石の磁界の最大範囲内に位置する再生式熱交換器床ユニットと連通するようになっている。図５のホイール組立体の構造により、各再生式熱交換器床ユニット２２４が各回転中磁界を２度出たり入ったりし、流れが２つの床ユニットを各方向に同時に通過する限り、２倍の流量を達成することができ、しかも２つの磁石を用いることにより、ホイールに加わる磁力を実質的に均等化することができる。

ハウジングと内部マニホルド構造を備えたホイールとの間のマニホルド滑りシール構造は、図６及び図７に最もよく示されている。シール２３５，２３８，２４０，２４３は、密封を行うためにそれぞればね押しベローユニット２６０，２６１によりホイールハウジング２１の頂部及び底部に押し付けられている。ホイールが動くと、開口部２６３，２６４は、それぞれシール２３５，２３８のマニホルドチャネル２６５，２６６と連通する。マニホルドチャネル２６５，２６６は、完全な四分円よりも小さなシールの円弧にわたって延びていて、流体がシールから適当な開口部２６３，２６４にのみもたらされて流体とホイールの周囲リム内のＡＭＲユニットに通じる適当なチャネル２３６，２３７の連通をもたらすようになっている。図８に示すように、ホイールのリム２２３は好ましくは、中実リングとして形成され、組をなす個々のＡＭＲ床ユニット２２４がリング内の定位置に配置され、これらＡＭＲ床ユニットは、床ユニット２２４相互間に横方向の流体の流れが生じないよう互いに離されている。

本発明の能動型磁気再生式熱交換器装置の場合、極めて大型のガスサイクルプラントと同等の効率が得られる。さらに、ガスサイクルプラントで達成できるレベルよりもコンパクトな磁気水素液化機が得られる。さらに、本発明の磁気水素液化機は、７７Ｋ又はヒートシンクを容易に利用できる他の極低温から動作できる。大型プラントでの過剰キャパシティの液体窒素を利用可能な状態であれば活用することができる。追加のステージを付加することにより、磁気水素液化機は、天然ガスの通常の沸点である１１０Ｋから動作が可能である。かくして、液化天然ガスを沸騰させる場所を潜在的な冷却サイトとして利用できる。本発明の装置は、１又は２つのステージを追加することによりヘリウム液化機として機能するようにするために最低４Ｋまで動作するよう改造可能である。

本発明は、例示として本明細書に記載した特定の実施形態には限定されず、本発明の上記変形実施形態を特許請求の範囲に記載された本発明の範囲に属するものとして含むものである。

従来技術の能動型磁気再生式熱交換器の温度サイクルを示す図である。 本発明の能動型磁気再生式熱交換器装置中の伝熱流体の流れの理想化された温度サイクルの略図である。 水素の液化のための本発明のＡＭＲ装置の略図であり、ヘリウム伝熱流体サイクルの一部を示すと共にホットサイド熱伝達方式を示す図である。 本発明の２ステージ回転式ＡＭＲ水素液化装置の部分概略断面図である。 本発明の回転式ＡＭＲ装置の部分切除斜視図である。 図５の回転式ＡＭＲ装置のホイール組立体の部分切除斜視図である。 図５のＡＭＲ装置の切除詳細斜視図であり、ハウジングと回転ホイールとの間のインタフェースのところに設けられたシールを示す図である。 図５の回転式ＡＭＲ装置のホイールのリムを形成する磁性材料から成る床リングの斜視図である。

符号の説明

１８０ 第１ステージホイール組立体
１８１ 第２ステージホイール組立体
１８５ 液体窒素浴
１８７，１９３，１９９，２０９ 入力ポート
１８８，１９５，２０６，２１０ 出力ポート
２２０ ハウジング
２２１ ホイール
２２３ リム
２２４ 再生式熱交換器床ユニット
２３１ 出力シャフト
２３５，２３８，２４０，２４３ シール
２３６，２３７，２４１，２４２ チャネル
２５０，２５１，２５２ 磁石

Claims (6)

1. 能動型磁気再生式熱交換器装置であって、
   （ａ）軸線回りに回転自在に設けられていて、リム（２２３）を備えたホイール（２２１）を有し、
   （ｂ）磁熱効果を発揮する材料で作られた複数の多孔質再生式熱交換器床ユニット（２２４）を有し、各床ユニット（２２４）は、高温ホットサイド及び低温コールドサイドを有し、床ユニット（２２４）は、これを通る伝熱流体の軸方向流を可能にするようホイール（２２１）のリム（２２３）内に設けられており、
   （ｃ）ホイール（２２１）内に形成されていて、ホイールの回転軸線の近くに入力ポート（２０９）を形成する開口部から床ユニット（２２４）の各々のホットサイドに至り、そして床ユニットの各々のコールドサイドから前記回転軸線の近くでホイール（２２１）に出力ポート（２１０）を形成する開口部に至る伝熱流体の経路を構成する半径方向チャネル（２３６，２３７，２４１，２４２）を有し、
   （ｄ）磁界をホイール（２２１）のリム（２２３）に取り付けられている再生式熱交換器床ユニット（２２４）の一部に加えるよう設けられた磁石（２５０，２５１，２５２）を有し、ホイール（２２１）が回転して床ユニット（２２４）を磁石（２５０，２５１，２５２）の磁界中へ運ぶと、床ユニット（２２４）に磁界が加えられ、ホイール（２２１）が引き続き回転すると、磁石（２５０，２５１，２５２）の磁界が床ユニット（２２４）から取り去られ、従って、ホイール（２２１）が回転すると、床ユニット（２２４）に周期的に磁界が加えられるようになっており、
   （ｅ）伝熱流体を入力ポート（１８７，２０９）に送り、伝熱流体を出力ポート（１８８，２１０）から受け取るようホイール（２２１）と係合状態にある滑りシール（２３５，２３８，２４０，２４３）付きポートを備えたマニホルドを有し、滑りシールは、伝熱流体を選択された再生式熱交換器床ユニット（２２４）へ差し向けたりこれから差し向けるよう伝熱流体とホイール（２２１）内の半径方向チャネル（２４１，２４２）の選択的な連通を可能にし、マニホルドは、ホイール（２２１）内のチャネル（２３６，２３７，２４１，２４２）と協働して伝熱流体を磁石（２５０，２５１，２５２）の磁界の範囲外に位置する床ユニット（２２４）のコールドサイドからホットサイドにもたらすと共に伝熱流体を磁石（２５０，２５１，２５２）の磁界の範囲内に位置する床ユニット（２２４）のコールドサイドからホットサイドにもたらすことを特徴とする装置。
2. 入力及び出力を備えた伝熱流体のためのポンプ（１８３）と、磁界中の床ユニット（２２４）に通じているマニホルドの出力ポート（２１０）からポンプ（１８３）の入力まで、そしてポンプ（１８３）の出力から磁界の外部に位置する床ユニット（２２４）に通じているマニホルドの入力ポート（１８７）までの伝熱流体の経路を構成するライン（２０４，１８４）と、マニホルドの出力ポート（１８８）からポンプ（１８３）の入力ポートまでのライン（２０１，２０３）中に設けられている熱交換器（２０２）とを有し、熱交換器（２０２）は、冷却されるべき流体を通過させるようになっており、冷却されるべき流体が熱交換器を通過しているときに熱交換器（２０２）を通過している伝熱流体が前記流体から熱を受け取るようになっており、更に、マニホルドの出力ポート（１８８）からマニホルドの入力ポート（２０９）に至るまでの経路を構成するライン（１８９，１９１）を有していることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 伝熱流体は、ヘリウムガスであり、冷却されるべき流体は、水素ガスであることを特徴とする請求項２記載の装置。
4. ポンプ（１８３）の出力からマニホルドの入力ポート（１８７）に至るまでの経路（１８６）を構成するライン中に設けられた追加の熱交換器（１８４）を更に有し、追加の熱交換器（１８４）は、マニホルドの入力ポート（１８７）に供給される伝熱流体から熱を奪うことができることを特徴とする請求項２記載の装置。
5. 複数の床ユニット（２２４）を有する２つのホイール（２２１）が設けられ、各ホイール（２２１）について、磁界の範囲内にある床ユニット（２２４）及び磁界の範囲外にある床ユニット（２２４）にそれぞれ関連した入口ポート（１９３，１９９，２０９，１８７）及び出力ポート（１９５，２０６，２１０，１８８）をホイール（２２１）の各サイドに有するマニホルドが設けられ、各ホイール（２２１）について、磁界を床ユニット（２２４）の一部に加える磁石（２５０，２５１，２５２）が設けられ、入力及び出力を有する伝熱流体のためのポンプ（１８３）が設けられ、第１のホイール（２２１）の出力ポート（１８８）から第２のホイールの入力ポート（１９３）に至り、第２のホイールの出力ポート（１９５）からポンプ（１８３）の入力に至り、ポンプの出力から第１のホイールの入力ポート（１８７）に至り、第２のホイール（２２１）の出力ポート（１９５）からホイールの同一サイドの入力ポート（１９９）に至り、そして流体の一部を第１のホイールの出力ポート（１８８）から第１のホイールの入力ポート（２０９）に逸らすために第１のホイールの出力ポート（１８８）からホイールの同一サイドの第１のホイール（２２１）の入力ポート（２０９）に至る伝熱流体のための経路を構成するライン（１８９，１９２，１９６，２０１，２０３，２０４，１８６，１９８，１９１，２０７）が設けられていることを特徴とする請求項２記載の装置。
6. 第２のホイール（２２１）の出力ポート（１９５）からポンプ（１８３）の入力に至る流体の経路を構成するライン（２０１，２０３）中に設けられた熱交換器（２０２）を更に有し、熱交換器（２０２）は又、冷却されるべき流体を受け入れてこれを通過させ、熱交換器（２０２）を通過している伝熱流体が冷却されるべき流体から熱を受け取るようになっていることを特徴とする請求項５記載の装置。

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