JP2006283987A

JP2006283987A - 磁気冷凍機

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Publication number: JP2006283987A
Application number: JP2005100309A
Authority: JP
Inventors: Tadahiko Kobayashi; 忠彦小林; Akiko Saito; 明子斉藤; Hideyuki Tsuji; 秀之辻
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: US7536866B2; JP4231022B2; US20060218936A1

Abstract

【課題】単純な構造で冷凍効率を向上できる磁気冷凍機を提供する。
【解決手段】ハウジングと、ハウジング内に固定され磁気熱量効果を有する磁性体粒子が充填された複数の熱交換器と、回転駆動部と、回転駆動部によって回転される回転軸と、回転軸に取り付けられ回転に伴って複数の熱交換器内の磁性体粒子への磁界の印加または除去を行う磁界発生手段と、回転軸の回転に伴って冷媒を循環させる冷媒ポンプと、回転軸の回転に伴って複数の熱交換器との間で冷媒の供給・排出を制御する回転式冷媒制御弁と、前記冷媒ポンプ、回転式冷媒制御弁、複数の熱交換器、冷却部および排熱部を接続して形成される冷媒回路を具備し、磁界発生手段による磁性体粒子への磁界の印加または除去と、回転式冷媒制御弁による複数の熱交換器との間での冷媒の供給・排出の制御が同期するように構成されていることを特徴とする磁気冷凍機。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気熱量効果を有する磁性体を用いる磁気冷凍機に関する。

現在、人間の日常生活に密接に関係する室温域の冷凍技術、たとえば冷蔵庫、冷凍庫、室内冷暖房などの大半は、気体の圧縮膨張サイクルを使用している。しかし、気体の圧縮膨張サイクルに基づく冷凍技術に関しては、特定フロンガスの環境排出に伴う環境破壊が大きな問題となり、代替フロンガスについてもその環境への影響が懸念されている。このような背景から、環境リスクの低い自然冷媒（ＣＯ₂、アンモニアなど）やイソブタンなどを用いた取り組みも行われており、作業ガスの廃棄に伴う環境破壊の問題がない、安全でクリーンで且つ効率の高い冷凍技術の実用化が求められている。

近年、このような環境配慮型で且つ効率の高い冷凍技術の一つとして、磁気冷凍への期待が高まり、室温域を対象とした磁気冷凍技術の研究開発が活発化してきている。磁気冷凍技術は、１８８１年にWarburgによって見出された鉄（Ｆｅ）における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。

磁気冷凍では、磁気熱量効果を利用して以下のように低温を生成している。磁性物質では、磁場印加時の状態と磁場除去時の状態の間で、電子磁気スピン系の自由度の相違に起因してエントロピーが変化する。このようなエントロピー変化に伴い、電子磁気スピン系と格子系との間で、エントロピーの移動が起こる。磁気冷凍では大きな電子磁気スピンを持った磁性物質を使用して、磁場印加時と磁場除去時の間での大きなエントロピーの変化を利用して、電子磁気スピン系と格子系との間でエントロピーの授受を行わせ、これによって低温を生成している。

１９００年代前半には、磁気熱量効果を有する磁性材料としてＧｄ₂（ＳＯ₄）₃・８Ｈ₂Ｏなどの常磁性塩やＧｄ₃Ｇａ₅Ｏ₁₂（ガドリニウム・ガリウム・ガーネット、ＧＧＧ）に代表される常磁性化合物を用いた磁気冷凍システムが開発された。常磁性物質を使用した磁気冷凍を実現する冷凍システムは、２０Ｋ以下の極低温領域に適用されるものが中心であり、超伝導磁石を用いて得ることができる１０テスラ程度の磁場が用いられている。

これに対して、より高温での磁気冷凍を実現するために、１９７０年代以降、強磁性物質における常磁性状態と強磁性状態との間の磁気相転移を利用した磁気冷凍の研究が盛んに行われた。これらの研究の結果として、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｇｄなどのランタン系列の希土類元素単体やＧｄ−Ｙ、Ｇｄ−Ｄｙのような２種以上の希土類合金系材料、ＲＡｌ₂（Ｒは希土類元素を表す、以下において同じ）、ＲＮｉ₂、ＧｄＰｄなどの希土類金属間化合物など、単位体積当たりの電子磁気スピンが大きな希土類を含む磁性物質が数多く提案されている。

１９７４年に米国のBrownは、強磁性相転移温度（Ｔｃ）が約２９４Ｋである強磁性物質Ｇｄを用いて、室温域における磁気冷凍を初めて実現した。しかし、Brownの実験では、冷凍サイクルの連続的な運転を達成したものの定常状態には至らなかった。１９８２年に米国のBarclayは、これまで室温域における磁気冷凍にとって阻害要因と位置付けられていた格子エントロピーをむしろ積極的に利用することを考案し、磁気物質に、磁気熱量効果による磁気冷凍作業に加えて、この磁気冷凍作業により生成された冷熱を蓄える蓄熱効果を同時に担わせる冷凍方式を提案した（特許文献１参照）。この磁気冷凍方式は、ＡＭＲ方式（"Active Magnetic Refrigeration"）と呼ばれている。これらの冷凍システムは、超伝導磁石を用いた強磁場下で動作するものである。

１９９７年に米国の Zimm, Gschneidner, Pecharsky らは、細かい球形状のＧｄを充填した充填筒を用いてＡＭＲ方式の磁気冷凍機を試作し、室温域における磁気冷凍サイクルの連続定常運転に成功した。具体的には、室温域で超伝導磁石を使用して磁場を０テスラから５テスラへ変化させることによって、約３０℃の冷凍に成功し、冷凍温度差（ΔＴ）が１３℃の場合に、非常に高い冷凍効率（Coefficient Of Performance、ＣＯＰ＝１５。ただし磁場発生手段への投入パワーを除く）を得たことが報告されている。ちなみに、従来のフロンを用いた圧縮サイクルにおける家庭用冷蔵庫などの冷凍効率は１〜３程度である。

２０００年にはスペインの Bohigas らにより永久磁石を用いた磁気冷凍システムが報告されている。この磁気冷凍システムは、固定された対向する永久磁石の間の空隙に回転駆動系を伴う磁性材料を挿入した構造を有する。磁性材料にＧｄを用いて、磁界強度：０．３Ｔ，冷媒：オリーブ油，回転数：４〜５０ｒｐｍの条件で、室温域環境で１．５Ｋの冷却を実証している。しかし、この磁気冷凍システムでは、回転駆動系に冷媒循環系を内蔵させる複雑な構造と冷却能力不足が課題であった。
米国特許第４３３２１３５号明細書

本発明の目的は、単純な構造で冷凍効率を向上できる磁気冷凍機を提供することにある。

本発明の実施形態に係る磁気冷凍機は、外部の冷却部および排熱部との間で冷媒を循環させて冷凍を行う磁気冷凍機であって、ハウジングと、前記ハウジング内に固定され、磁気熱量効果を有する磁性体粒子が充填された複数の熱交換器と、回転駆動部と、前記ハウジング内に配置され、前記回転駆動部によって回転される回転軸と、前記ハウジング内で前記回転軸に取り付けられ、回転に伴って前記複数の熱交換器内の磁性体粒子への磁界の印加または除去を行う磁界発生手段と、前記ハウジング内に設けられ、前記回転軸の回転に伴って冷媒を循環させる冷媒ポンプと、前記ハウジング内に設けられ、前記回転軸の回転に伴って前記複数の熱交換器との間で冷媒の供給・排出を制御する回転式冷媒制御弁と、前記冷媒ポンプ、前記回転式冷媒制御弁、前記複数の熱交換器、前記冷却部および前記排熱部を接続して形成される冷媒回路を具備し、前記磁界発生手段による前記磁性体粒子への磁界の印加または除去と、前記回転式冷媒制御弁による前記複数の熱交換器との間での冷媒の供給・排出の制御が同期するように構成されていることを特徴とする。

本発明の実施形態に係る磁気冷凍機によれば、単一の回転駆動部により、磁界発生手段による磁性体粒子への磁界の印加または除去と、回転式冷媒制御弁による冷媒の流通を同期させることができるので、小型で消費エネルギーが小さく冷凍効率ＣＯＰの向上した磁気冷凍素子を提供できる。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る磁気冷凍機について説明する。図１は本発明の一実施形態に係る磁気冷凍機の縦断面図である。図２（ａ）はある回転角位置における熱交換器と永久磁石との位置関係を示す平面図、図２（ｂ）はある回転角位置における回転式冷媒制御弁のロータと冷媒の導入口および排出口との位置関係を示す平面図である。図２（ｃ）は他の回転角位置における熱交換器と永久磁石との位置関係を示す平面図、図２（ｄ）は他の回転角位置における回転式冷媒制御弁のロータと冷媒の導入口および排出口との位置関係を示す平面図である。図３は冷媒循環ポンプの構成を示す平面図である。

図１に示すように、この磁気冷凍機は、シリンダー状のハウジング１内に収容されている。ハウジング１内の一端面には回転駆動部としてのモータ２が取り付けられている。モータ２としては、たとえば電動式モータ、油圧式モータなどが用いられる。このモータ２からハウジング１の他端面の中心部に設けられたベアリング３にわたって回転軸４が回転可能に設けられている。

ハウジング１のほぼ中央部において、内周面の４個所に熱交換器５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが設けられている。これらの熱交換器５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの内部には磁気熱量効果を有する磁性体粒子６が充填されている。

ハウジング１内において熱交換器５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの設置位置の前後に位置するように、回転軸４に一対の磁気ヨーク７、７が取り付けられている。磁気ヨーク７、７には熱交換器５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの設置位置を挟むように磁界発生手段としての一対の永久磁石８、８が空隙を隔てて取り付けられている。後に説明するように、永久磁石８、８は回転に伴って熱交換器５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ内の磁性体粒子６へ磁界を印加するかまたは磁界を除去する。磁気ヨーク７、７は永久磁石８、８から発生する磁束のリターンパスをなし磁気回路の効率を高める。なお、必ずしも一対の永久磁石８、８を設ける必要はなく、一方の磁気ヨークに１個の永久磁石を取り付け、この永久磁石に対して他方の磁気ヨークを対向させるようにしてもよい。

回転軸４には強制冷却用のファン９も取り付けられている。ファン９は、ハウジング１内の雰囲気を冷却させる効果を有する。

ハウジング１内には水密構造のケースを有する冷媒ポンプ１０が設けられており、図３に示すようにその内部に回転軸４に取り付けられた羽根１１が収容されている。この冷媒ポンプ１０は羽根１１の回転により冷媒を循環させる。また、この冷媒ポンプ１０は羽根１１が停止しているときには冷媒タンクとして機能する。

冷媒ポンプ１０はハウジング１の外側に設置することもできる。しかし、この場合には冷媒ポンプ１０から冷媒を循環させるために、別個に駆動源を必要とするので、冷媒ポンプ１０はハウジング１に内蔵させることが好ましい。

ハウジング１内には回転式冷媒制御弁１２が設けられており、図２（ｂ）および（ｄ）に示すようにその内部に回転軸４に取り付けられた四角形のロータ１３が収容されている。ロータ１３は四角形の各頂点に摺動部を有し、回転式冷媒制御弁１２のケース内面に接して摺動するようになっている。このロータ１３の回転により冷媒の導入・排出が制御される。

磁気冷凍機のハウジング１の外部には、冷却部１４と排熱部１５が設けられている。図３に示すように、冷媒ポンプ１０には、排熱部１５から冷媒を導入するための配管と、回転式冷媒制御弁１２へ冷媒を排出するための配管が接続されている。図２（ｂ）および（ｄ）に示すように、回転式冷媒制御弁１２には、回転式冷媒制御弁１２から冷媒を導入するための配管、排熱部１５へ冷媒を排出するための配管、吸熱ステージにある熱交換器へ冷媒を排出するための配管、および吸熱ステージ以外のステージにある熱交換器から冷媒を導入するための配管が接続されている。回転式冷媒制御弁１２のロータ１３の一辺の長さは、冷却部側の導入口と排出口との間の距離より長く、かつ排熱部側の導入口と排出口との間の距離より長い。

冷媒２０は、冷媒ポンプ１０、回転式冷媒制御弁１２、吸熱ステージにある熱交換器、冷却部１４、吸熱ステージ以外のステージにある熱交換器、回転式冷媒制御弁１２、排熱部１５、冷媒ポンプ１０を接続された冷媒回路を通して循環する。冷却部１４はたとえば断熱空間に配置され冷凍空間を得るようになっている。冷却部１４では低温冷媒が外気と熱交換して、冷媒の温度は高くなる。排熱部１５では、図示しない放熱板・強制冷却ファンなどによって高温冷媒が外気と熱交換して、冷媒の温度は低くなる。

図２（ａ）〜（ｄ）を参照して、本発明の実施形態に係る磁気冷凍機の動作原理を概略的に説明する。
図２（ａ）は、回転軸４の回転により、永久磁石８を熱交換器５ａに対向する回転角位置に配置させた状態を示している。この位置では、熱交換器５ａ内の磁性体粒子６に磁界が印加され、磁性体粒子６は発熱する。このとき、図２（ｂ）に矢印で示したように、冷媒を排熱部へ排出させる。

図２（ｃ）は、回転軸４の回転により、永久磁石８を時計回りに４５度回転させた回転角位置に移動させた状態を示している。この位置では、熱交換器５ａ内の磁性体粒子６から磁界が除去される。このときには、図２（ｄ）に示したように、排熱部への冷媒の排出を停止する。

図示しないが、その後、回転軸４の回転により、永久磁石８を時計回りにさらに４５度回転させ、磁性体粒子６の吸熱により冷却された冷媒を冷却部へ排出させ、冷却部１４での冷凍を行うことができる。

以上のように、本実施形態の磁気冷凍機によれば、１つのモータ２を用いて同一の回転軸４の回転に伴って、永久磁石８による磁性体粒子６への磁界の印加・除去と、回転式冷媒制御弁１２による熱交換器５ａ〜５ｄとの間での冷媒の供給・排出および冷媒の排熱部または冷却部への排出を同期させることができるので、モータ２の消費電力を低く抑えることができる。これは、本実施形態の磁気冷凍機の冷凍効率（ＣＯＰ）の向上に寄与する。また、駆動部として１つのモータ２のみを設けているので、磁気冷凍機自体を小型化することができる。さらに、回転軸４にファン９を設けたことにより、ハウジング１外に排熱を効率よく放散させることができることも、冷凍効率（ＣＯＰ）の向上に有利に働く。

一方、従来技術では、磁界発生手段のアクチュエータに加えて、冷媒の分岐制御のための電磁弁や冷媒循環のためのポンプを別に設けることが必要になり、複数の機器で電力消費が発生する。このことは入力エネルギーが大きくなることを意味し、冷凍効率（ＣＯＰ）の向上には不利である。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。
図４（ａ）は磁気ヨーク７および永久磁石８の形状を示す平面図、図４（ｂ）は２つの熱交換器５の形状を示す平面図である。図４（ａ）に示すように、回転軸４に磁気ヨーク７が取り付けられ、磁気ヨーク７に２つの永久磁石８が取り付けられている。なお、図１と同様に、縦断面で見ると、熱交換器５は一対の永久磁石８で挟まれるようになっている。したがって、実際には２つの熱交換器５を挟むように、一対の磁気ヨーク７に二対の永久磁石８が取り付けられている。なお、熱交換器５、磁気ヨーク７および永久磁石８の数をさらに増加させてもよい。

この実施形態では、永久磁石８および熱交換器５の断面形状はいずれも台形状である。熱交換器５と永久磁石８は同一サイズであるか、または熱交換器５のサイズが永久磁石８よりも小さいことが好ましい。これは、熱交換器５のサイズが永久磁石８よりも大きいと、磁界の有効活用が妨げられるためである。このように熱交換器５の断面形状を台形状にすると、熱交換器５中での磁性体粒子の充填率を高くすることができ、永久磁石８に対して最大限の磁性体粒子６を配置することができるので、より一層の小型化および高効率化を達成できる。

図５（ａ）は他の実施形態に係る熱交換器５の断面を示している。この図に示されるように、断面形状が台形状をなす熱交換器５の内部に磁性粒子６が充填されており、台形の上辺に供給側冷媒循環配管２１が、底辺に排出側冷媒循環配管２２がそれぞれ接続されている。この構成では、冷媒循環時の圧力損失を低減できる。

図５（ｂ）は他の実施形態に係る熱交換器５の断面を示している。この図に示されるように、熱交換器５の内部はメッシュ状の仕切り板１６により台形の高さ方向に沿って３つの領域に区画されており、それぞれの領域に磁性体粒子６ａ、６ｂ、６ｃが充填されている。メッシュ状の仕切り板１６としては、充填する磁性体粒子の粒径よりも小さい孔径を有するものを用い、熱交換器５内での磁性体粒子の拡散を防止するようにする。

この構成では、熱交換器５内部における磁性体粒子６の充填率を制御することができる。６ａ、６ｂ、６ｃの順に、充填率を高めるかまたは粒子サイズを変えることにより、冷媒循環時の圧力損失の分布を最適制御することができる。また、動作温度域を広げるために磁性体粒子６ａ、６ｂ、６ｃとして互いに異なる材料を充填してもよい。

図６は他の実施形態に係る回転式冷媒制御弁を示す平面図である。この図に示すように、回転式冷媒制御弁１２の内部には回転軸４に取り付けられた三角形のロータ１３が収容されている。ロータ１３は三角形の各頂点に摺動部１７を有し、回転式冷媒制御弁１２のケース内面に接して摺動するようになっている。回転式冷媒制御弁１２のケースには、冷媒２０を循環させるために供給側冷媒循環配管２１および排出側冷媒循環配管２２ａ、２２ｂが取り付けられている。発熱時には、供給側冷媒循環配管２１から一方の排出側冷媒循環配管２２ａへ冷媒２０が移動する。吸熱時には、供給側冷媒循環配管２１から他方の排出側冷媒循環配管２２ｂに冷媒２０が移動する。また、ロータ１３を一方向にのみ回転させてもよいし、ロータ１３を交互に一方向および逆方向に回転させてもよい。このように、冷媒循環配管２１、２２ａ、２２ｂを適切な幾何学的関係をなすように配置し、永久磁石８による磁性体粒子６への磁界の印加・除去と同期させることによって、より効率の高い磁気冷凍機を提供できる。さらに、供給側冷媒循環配管および排出側冷媒循環配管を複数設けることで冷媒制御弁を複数動作させることもできる。

以下、本発明の実施形態において用いられる材料について説明する。
永久磁石の材料としては、ＮｄＦｅＢ磁石やＳｍＣｏ磁石、フェライト磁石が挙げられる。

磁気冷凍作業物質である磁性材料としては磁気熱量効果を有するものが用いられる。このような磁性材料としては、たとえばＧｄ（ガドリニウム）、各種元素を混合したＧｄ化合物、各種希土類元素と遷移金属元素からなる２−１７相などの金属間化合物、Ｎｉ₂ＭｎＧａ合金、ＧｄＧｅＳｉ化合物、ＬａＦｅ₁₃系化合物、ＬａＦｅ₁₃Ｈ、ＭｎＡｓＳｂなどが挙げられる。

本発明の実施形態に係る磁気冷凍機においては、熱交換器中に、冷媒の流路となる空間が確保されるように磁性体粒子を充填する。熱交換器中での磁性体粒子の充填率が低すぎると、冷媒との間での熱交換するときに冷媒の流れによって磁性体粒子が振動し、磁性体粒子どうしの衝突・摩擦が起こる。このような力は、磁性体粒子にクラックや摩滅を生じさせる。磁性体粒子の破壊に伴う微細粉の発生は、冷媒の圧力損失を高め、冷凍能力を低下させる要因となる。したがって、このような事態を回避するために、熱交換器中での磁性体粒子の体積充填率を４０％以上８０％以下とすることが好ましい。体積充填率が４０％未満だと熱交換効率が著しく低下する。体積充填率が８０％を超えると冷媒の循環に際して圧力損失が増大させる。さらに、磁性体粒子の体積充填率を５０％以上７０％以下とすることがより好ましい。

高い冷凍能力を実現するためには、熱交換器の内部に充填された磁性体粒子と冷媒との熱交換が十分に行われることが重要である。そのためには、磁性体粒子の比表面積を大きくすることが好ましい。磁性体粒子の比表面積を大きくするためには粒径を小さく設定することが効果的である。一方、粒径が小さすぎると冷媒の圧力損失が増大する。また、冷媒の粘性（表面張力）、ポンプの能力・圧力損失、熱交換器のサイズなどの条件も、磁性体粒子の粒径の選択に影響を及ぼす。したがって、これらの点を考慮して磁性体粒子の最適な粒径を選択することが好ましい。本発明の実施形態において、磁性体粒子は粒径（長径）が０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましく、０．４ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることがより好ましい。また、磁性体粒子の形状は、表面に突起がない滑らかな形状であることが好ましく、たとえば球形または回転楕円体であることが好ましい。このような形状にすることによって、粒子の破壊に伴う微細粉の発生を防止するとともに、冷媒の圧力損失の増大を抑え、熱交換効率を維持することができる。具体的には、磁性体粒子の８０ｗｔ％以上がアスペクト比２以下であることが好ましい。これは、ほぼ球形状の粒子にアスペクト比２以上の異形粒子を混在させて実験を行ったところ、異形粒子の混在量が２０％以上の場合には冷媒の流れに長期間さらすことにより微細粉が発生し、冷媒の圧力損失が増大したからである。

長期信頼性の観点から、磁性体粒子の表面に厚さ１０μｍ以下のコーティング層を設けてもよい。コーティング層には熱伝導性、機械強度、耐食性などを保つことができる材料を用いることが好ましい。具体的には、コーティング層として、Ａｕメッキ、Ｃｒメッキ、パーマロイメッキ、Ａｌ蒸着膜、Ａｕ蒸着膜などが用いられる。また、樹脂類の塗布膜からなるコーティング層は低価格で耐食性にも優れている。

冷媒は、冷凍サイクルの運転温度域に合わせて、フッ素系熱冷媒、鉱物油、有機溶剤、エチレングリコール系、水、これらの混合液から選択することができる。冷媒としては、水が最も安全で比熱も高く安価であるので適している。ただし、０℃以下の温度域では、鉱物油やシリコーンなどのオイル系冷媒、エチレングリコール系やアルコール類などの有機溶剤系冷媒が使用される。水溶性の冷媒であれば水との混合比を適宜変更して用いることができる。磁性体粒子の粒径も、使用される冷媒の粘性（表面張力）や熱交換器のサイズに応じて、上記の範囲内で最適な粒径を選ぶことが望ましい。

本発明の実施形態に係る磁気冷凍機では冷凍機能に必要な主要構成部品がハウジング内にコンパクトに収納されているので、冷凍システムを小型化することができる。この磁気冷凍機は、家庭用冷凍冷蔵庫、空調機、産業用冷凍冷蔵庫、大型冷凍冷蔵倉庫、液化ガス貯蔵・運搬用冷凍庫などの冷凍システムに適用することができる。それぞれの適用場所によって冷凍能力と制御温度域が異なるが、磁性体粒子の使用量により冷凍能力を調整することができる。また、磁性材料の材質を選択することにより、特定の制御温度域に合わせることができる。さらに、本発明の実施形態に係る磁気冷凍機は、その排熱を暖房として利用する家庭用空調機、産業用空調機などの空調システムや、冷却と発熱の両方を利用するプラントにも適用することができる。

本発明の一実施形態に係る磁気冷凍機の縦断面図。本発明の一実施形態に係る磁気冷凍機について、熱交換器と永久磁石との位置関係を示す平面図、および回転式冷媒制御弁のロータと冷媒の導入口および排出口との位置関係を示す平面図。本発明の一実施形態に係る磁気冷凍機の冷媒循環ポンプの構成を示す平面図。本発明の他の実施形態に係る磁気冷凍機について、磁気ヨークおよび永久磁石の形状を示す平面図、および熱交換器の形状を示す平面図。本発明の他の実施形態に係る磁気冷凍機の熱交換器を示す断面図。本発明の他の実施形態に係る磁気冷凍機の回転式冷媒制御弁を示す平面図。

符号の説明

１…ハウジング、２…モータ、３…ベアリング、４…回転軸、５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ…熱交換器、６…磁性体粒子、７…磁気ヨーク、８…永久磁石、９…ファン、１０…冷媒ポンプ、１１…羽根、１２…回転式冷媒制御弁、１３…ロータ、１４…冷却部、１５…排熱部、１６…仕切り板、１７…摺動部材、２０…冷媒、２１…供給側冷媒循環配管、２２、２２ａ、２２ｂ…排出側冷媒循環配管。

Claims

外部の冷却部および排熱部との間で冷媒を循環させて冷凍を行う磁気冷凍機であって、
ハウジングと、
前記ハウジング内に固定され、磁気熱量効果を有する磁性体粒子が充填された複数の熱交換器と、
回転駆動部と、
前記ハウジング内に配置され、前記回転駆動部によって回転される回転軸と、
前記ハウジング内で前記回転軸に取り付けられ、回転に伴って前記複数の熱交換器内の磁性体粒子への磁界の印加または除去を行う磁界発生手段と、
前記ハウジング内に設けられ、前記回転軸の回転に伴って冷媒を循環させる冷媒ポンプと、
前記ハウジング内に設けられ、前記回転軸の回転に伴って前記複数の熱交換器との間で冷媒の供給・排出を制御する回転式冷媒制御弁と、
前記冷媒ポンプ、前記回転式冷媒制御弁、前記複数の熱交換器、前記冷却部および前記排熱部を接続して形成される冷媒回路を具備し、
前記磁界発生手段による前記磁性体粒子への磁界の印加または除去と、前記回転式冷媒制御弁による前記複数の熱交換器との間での冷媒の供給・排出の制御が同期するように構成されていることを特徴とする磁気冷凍機。
前記回転式冷媒制御弁は前記回転軸に取り付けられ頂点部がその内面に接して摺動する摺動部となっている多角形のロータを有し、前記回転式冷媒制御弁には冷媒の導入口と排出口とが接続され、前記ロータの一辺は前記冷媒の導入口と排出口との間の距離よりも長く設定されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気冷凍機。
前記磁性体粒子は０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の粒径を有し、前記熱交換器中での前記磁体粒子の体積充填率が４０％以上８０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁気冷凍機。
前記熱交換器は台形状の断面形状をなし、上辺に供給側冷媒循環配管が、底辺に排出側冷媒循環配管がそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気冷凍機。
前記回転式冷媒制御弁のロータは、一方向に回転するか、または交互に一方向および逆方向に回転するように制御されることを特徴とする請求項１に記載の磁気冷凍機。