JP2009281683A - 磁気冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ダクト内での冷却流体と磁気作業物質との熱交換効率を高くして冷凍能力を向上させる。
【解決手段】ダクトにおいて、磁気作業物質８が充填される中央ダクトの内壁面７ａには、磁気作業物質８が略半分嵌合する径及び深さとなる多数のディンプル２０，２０・・が凹設されている。よって、磁気作業物質８は、内壁面７ａではディンプル２０に嵌合して略半分が没入する格好で保持され、内壁面７ａに沿った冷却流体の流れに抵抗を生じさせる。よって、内壁面７ａに沿った冷却流体の流量割合が減少し、各充填室内の磁気作業物質８への冷却流体の接触量が増加する。
【選択図】図４

Description

本発明は、本発明は、磁気作業物質の磁気熱量効果を利用した磁気冷凍装置に関する。

フロン等の気体冷媒を使用した従来の気体冷凍装置に代わり、磁気作業物質が増磁或いは減磁の際に大きな温度変化を生じさせる性質（磁気熱量効果）を利用した磁気冷凍装置が近年注目されている。磁気作業物質に作用させる磁場発生手段としては、高磁場を発生できる超電導磁石等が有利であるが、４Ｋ（−２６９℃）近傍で運転する超電導磁石を維持するには大きな動力を要することから、冷蔵庫や空気調和機等冷凍能力が約１〜１０ｋＷ以下の磁気冷凍装置においては、磁界発生に動力の必要がない永久磁石を用いたコンパクトな形態が望まれている。
そこで、本件出願人は、特許文献１において、磁場発生手段として永久磁石を用いた磁気冷凍装置を提案している。

これは、駆動手段によって回転し、周面に永久磁石を固着した回転子と、その回転子を軸支し、内面側に、磁場の増減に応じて温度が変化する粒状の磁気作業物質を充填して永久磁石と近接するダクトを配置した筒状の固定子とを有する装置本体と、ダクト間を接続して形成される循環経路に冷却流体（水等）を循環させる冷却流体循環手段と、循環経路に設けられ、冷却流体と被冷却体との間で熱交換を行う熱交換器と、を備えてなる。
この磁気冷凍装置においては、回転子の回転に伴う永久磁石の接近により、磁気作業物質が増磁されて温度上昇し、永久磁石の離反により、磁気作業物質が減磁されて温度低下する。このタイミングに合わせて、冷却流体循環手段がダクト間を通るように冷却流体を循環させることで、ダクトの低温配管接続側の温度を冷凍能力と熱負荷とがバランスする温度まで低下させる一方、高温配管接続側の温度は排熱交換器の排熱能力と冷凍能力とがバランスした一定温度となる。

特開２００８−５１４０９号公報

しかし、ダクト内では、冷却流体は磁気作業物質が充填される中央側よりも、ダクトの内壁面側で流れやすくなり、現状では約３０％が内壁面に沿って流れる結果となっている。このため冷却流体と磁気作業物質との熱交換効率が低くなり、磁気冷凍装置の性能向上を阻害する要因となっている。

そこで、本発明は、ダクト内での冷却流体と磁気作業物質との熱交換効率を高くして、冷凍能力を向上させることができる磁気冷凍装置を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ダクトの内壁面に、冷却流体の内壁面に沿った流れに抵抗を生じさせる流れ抑制手段を設けたことを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、流れ抑制手段を簡単且つ合理的に構成するために、流れ抑制手段を、内壁面に凹設されて磁気作業物質を部分的に嵌合させる複数のディンプルとしたことを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２の構成において、好適な流れ抑制手段を得るために、流れ抑制手段を、磁気作業物質の粒径の１／２から粒径の間となる高さ寸法で内壁面に突設された複数の突起としたことを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかの構成において、流れ抑制手段を簡単に形成するために、流れ抑制手段を、内壁面に固着された磁気作業物質としたことを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によれば、流れ抑制手段の採用により、ダクト内での冷却流体と磁気作業物質との熱交換効率が高くなって冷凍能力を向上させることができる。
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加えて、磁気作業物質を利用した流れ抑制手段を簡単且つ合理的に構成することができる。
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２の効果に加えて、突起によって冷却流体を中央側へ導く効果的な抵抗を生じさせることができ、好適な流れ抑制手段を得ることが可能となる。
請求項４に記載の発明によれば、請求項１乃至３の何れかの効果に加えて、簡単な構成で流れ抑制手段を形成することができ、且つ流れ抑制手段が磁気作業物質であることから熱交換効率が向上する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、磁気冷凍装置の一例を示す全体図で、磁気冷凍装置１において、装置本体２は、軸方向の前後端が閉塞され、内部を真空気密状態とした中空筒状の固定子３と、その固定子３内の軸心にあって、軸対称となる周面に一対の永久磁石５，５を放射状に取着した回転子４とを備える。回転子４は、前後端が夫々固定子３によって回転可能に軸支されて、減速機を介して連結された図示しないサーボモータ（駆動手段）によって回転制御される。

また、固定子３の内周には、永久磁石５の２倍の個数である４つのダクト６，６・・が、永久磁石５の外周面に近接する状態で周方向に等間隔で固定されている。このダクト６は、図２に示すように、固定子３の内周に沿った円弧状で、内部に粒径が０．６〜１．０ｍｍの磁気作業物質（ここではガドリニウム（Ｇｄ））８，８・・が充填される中空の中央ダクト７と、その中央ダクト７の両端にボルト９，９・・で連結され、中央ダクト７と連続する円弧状となる中空の端部ダクト１０，１１とからなる。一方の端部ダクト１０の長手方向（固定子３の軸方向）の端部には、冷却流体の入口１２が、他方の端部ダクト１１における端部ダクト１０と反対側の端部には、冷却流体の出口１３が夫々形成されている。

さらに、中央ダクト７と端部ダクト１０，１１との互いに隣接する壁には、図３にも示すように、長円状の透孔１４，１４・・が夫々長手方向に三箇所並設されて、対向する透孔１４，１４同士により、中央ダクト７と端部ダクト１０，１１間を夫々連通させている。また、対向する透孔１４，１４の位置で両壁の間には、磁気作業物質８の径よりもメッシュの小さい金網１５，１５・・が挟持固定されて、中央ダクト７からの磁気作業物質８の流出を防止している。
一方、中央ダクト７の内部には、中央ダクト７内を厚み方向で二分する横板部１７と、その横板部１７へ直交状に連設され、中央ダクト７内を長手方向で１０分割する縦板部１８，１８・・とからなる仕切り板１６が設けられて、中央ダクト７の内部を、端部ダクト１０，１１間を接続する互いに平行な２０個の充填室１９，１９・・に区分している。磁気作業物質８は、各充填室１９へ等分に充填される。

そして、中央ダクト７の内壁面７ａには、壁面流れ抑制手段が形成されている。この壁面流れ抑制手段は、図４に示すように、中央ダクト７の内壁面７ａに凹設された多数のディンプル２０，２０・・で形成されるもので、各ディンプル２０は、磁気作業物質８が略半分嵌合する径及び深さとなっている。よって、各充填室１９に充填される磁気作業物質８は、中央ダクト７の内壁面７ａにおいては、一部がディンプル２０に嵌合して内壁面７ａへ略半分が没入する格好、換言すれば内壁面７ａから突出する格好で保持されることになる。

一方、装置本体２の各ダクト６には、固定子３の外部に導出される低温配管２１と高温配管２２とが夫々接続され、冷却流体（ここでは水）の循環経路が形成されている。ここでは、軸対称位置にある一組のダクト６Ａ，６Ａ（以下、位置を区別する際には構成部の符号にＡＢを付す）間では、低温配管２１Ａと高温配管２２Ａとが、他の組のダクト６Ｂ，６Ｂ間では、低温配管２１Ｂと高温配管２２Ｂとが夫々接続されている。一方、隣り合う一組のダクト６Ａ，６Ｂ間では、被冷却体２４を冷却するための冷却器２３を介して、低温配管２１Ａ，２１Ｂ同士が接続されている。また、隣接する他の組のダクト６Ａ，６Ｂの高温配管２２Ａ，２２Ｂは、ロータリー弁２５を介して、冷却流体循環手段である循環機２６及び排熱交換器２７に接続されている。

ロータリー弁２５は、背景技術で示した特許文献１に開示のものと同じ構造で、内設された流入室に連通する流入ポート２８と、流入室に連通して９０°間隔で配置される４つの流出ポート２９，２９，３０，３０とを夫々形成して、流入室内に設けた弁体を回転子４と同軸で形成された軸と一体回転可能に連結した構成となっている。ここでは流入ポート２８が循環機２６に接続され、４つの流出ポート２９，３０は、軸対称位置の一組２９，２９が高温配管２２Ｂに接続されて、他の組では、一方の流出ポート３０が高温配管２２Ａに、他方の流出ポート３０が排熱交換器２７に夫々接続されており、弁体の９０°回転毎に、循環機６から供給される冷却流体を、高温配管２２Ａ，２２Ｂへ交互に供給させるようになっている。

以上の如く構成された磁気冷凍装置１の作用を説明する。
まず永久磁石５，５が０°の位置（図１に示す位置）にある時、この０°及び１８０°の位置にあるダクト６Ａ，６Ａの磁気作業物質８Ａ，８Ａは、増磁されて温度が上昇する。一方、これと９０°位相が異なる９０°及び２７０°の位置にあるダクト６Ｂ，６Ｂの磁気作業物質８Ｂ，８Ｂは減磁されて温度が低下する。
この時、ロータリー弁２５を介して冷却流体を、実線矢印で示すように、循環機２６→９０°位置のダクト６Ｂの高温配管２２Ｂ→当該位置のダクト６Ｂ→低温配管２１Ｂ→２７０°位置のダクト６Ｂの高温配管２２Ｂ→当該位置のダクト６Ｂ→低温配管２１Ｂ→冷却器２３→１８０°位置のダクト６Ａの低温配管２１Ａ→当該位置のダクト６Ａ→高温配管２２Ａ→０°位置のダクト６Ａの低温配管２１Ａ→当該位置のダクト６Ａ→高温配管２２Ａ→ロータリー弁２５→排熱交換器２７→循環機２６の順に循環させる。
よって、温度低下した磁気作業物質８Ｂで冷却された冷却流体は、冷却器２３で被冷却体２４を冷却した後、増磁されて温度が上昇した磁気作業物質８Ａを冷却して排熱交換器２７に戻り、仕事分の熱量を放出する。

次に、回転子４を永久磁石５，５と共に９０°回転させる（図１の二点鎖線位置）と、０°と１８０°との位置にあるダクト６Ａ，６Ａの磁気作業物質８Ａ，８Ａは、減磁されて温度が低下し、９０°及び２７０°の位置にあるダクト６Ｂ，６Ｂの磁気作業物質８Ｂ，８Ｂは、増磁されて温度が上昇する。この時ロータリー弁２５も軸を介して弁体が９０°回転しているため、点線矢印で示すように、今度は逆に０°位置のダクト６Ａの高温配管２２Ａから冷却流体を循環させることになる。
この回転を繰り返すことによって、各ダクト６の低温配管２１接続側の温度は冷凍能力と熱負荷とがバランスする温度まで低下する。一方、各ダクト６の高温配管２２接続側の温度は排熱交換器２７の排熱能力と冷凍能力とがバランスしてほぼ一定温度になる。

そして、冷却流体の循環の際、各ダクト６内を流れる冷却流体は、入口１２から端部ダクト１０に供給された後、各透孔１４から中央ダクト７内に流れ込むが、中央ダクト７内は複数の充填室１９に区分されているため、冷却流体は各充填室１９へ略均等に分かれて中央ダクト７内を平行に流れ、反対側の各透孔１４から端部ダクト１１に流れて出口１３から流出することになる。従って、各充填室１９での圧力損失が等しくなって流れが均一になり、熱交換効率の向上に繋がる。また、各充填室１９内の磁気作業物質８は、狭い充填室１９内で遊動が抑制されるため、磁気作業物質８が中央ダクト７の内壁面や仕切り板１６に衝突したり、磁気作業物質８同士で衝突したりすることが起きにくくなる。
さらに、内壁面７ａ際を流れる冷却流体は、ディンプル２０に嵌合して中央ダクト７の内壁面７ａから突出する磁気作業物質８に当接するため、内壁面７ａに沿った流れに抵抗が生じて圧力損失が増大する。よって、内壁面７ａに沿った冷却流体の流量割合が減少し、各充填室１９内の磁気作業物質８への冷却流体の接触量が増加する。

このように、上記形態の磁気冷凍装置１によれば、ダクト６の内壁面に、冷却流体の内壁面に沿った流れに抵抗を生じさせる流れ抑制手段（ディンプル２０）を設けたことで、ダクト６内での冷却流体と磁気作業物質８との熱交換効率が高くなって冷凍能力を向上させることができる。
特にここでは、流れ抑制手段を、内壁面に凹設されて磁気作業物質８を部分的に嵌合させる複数のディンプル２０としたことで、磁気作業物質８を利用した流れ抑制手段を簡単且つ合理的に構成することができる。

なお、ディンプルの深さは、磁気作業物質の嵌合状態で部分的に内壁面から突出可能であれば、磁気作業物質の粒径の略半分に限らず、変更して差し支えない。
また、流れ抑制手段としては、上記形態のディンプルに限らず、例えば図５（Ａ）に示すように、中央ダクト７の内壁面７ａに半球状の突起３１，３１・・を直接突設したりしてもよい。勿論この突起も半球状に限らず、図５（Ｂ）に示すような円柱状の突起３２，３２・・としたり、図５（Ｃ）に示すように、冷却流体の流れに直交する方向に長くなる断面山形の突起３３，３３・・としたり等、適宜設計変更可能である。但し、このような突起を利用する場合は、内壁面からの突設高さを、磁気作業物質の粒径の１／２から粒径の間で設定すれば、冷却流体を中央側へ導く効果的な抵抗を生じさせることができる。なお、粒径が不均一の場合は、平均粒径（累積分布が５０％となる粒径）を目安にして突設高さを設定すればよい。

一方、このようなディンプルや突起に代えて、中央ダクトの内壁面に磁気作業物質を拡散接合や接着剤等を利用して固着することも考えられる。このようにしても流れ抑制手段は簡単に形成でき、且つ流れ抑制手段が磁気作業物質であることから熱交換効率が向上する。
さらに、磁気熱量効果の大きい材料を内壁面に複数固着することで、流れに抵抗を生じさせると共に熱交換効率の向上を図ることもできるし、内壁面にウール状や多孔体のスペーサを設けて流れの抵抗を図ることもできる。

そして、上記形態では、中央ダクトの内壁面のみに流れ抑制手段を設けているが、仕切り板の表面にもディンプルや突起等を設けても差し支えない。このようにすれば、各充填室において、仕切り板の表面際でも冷却流体の流れが抑制され、充填室内での磁気作業物質との接触量が増加する。また、流れ抑制手段は均等に設ける必要はなく、ディンプルや突起の密度を入口側で高くしたり、突起の高さ寸法を変えたり等、適宜変更して差し支えない。
さらに、流れ抑制手段は一種類の採用に限らず、例えば中央ダクトの内壁面ではディンプルを形成し、仕切り板の表面では突起を形成する等、ダクトの形態等に応じて複数種類の流れ抑制手段を併用することは可能である。
その他、ダクトの形態も上記構造に限らず、仕切り板を省略したり、入口及び出口の位置を変更したり、端部ダクトの間を複数の筒状の中央ダクトで接続したり等、適宜設計変更可能である。

磁気冷凍装置の全体構成図である。 ダクトの説明図で、（Ａ）は固定子の軸方向から見た平面、（Ｂ）が固定子の軸心側から見た断面を夫々示す。 （Ａ）はＡ−Ａ矢視図、（Ｂ）はダクトの横断面図である。 流れ抑制手段の説明図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は流れ抑制手段の変更例を示す説明図である。

符号の説明

１・・磁気冷凍装置、２・・装置本体、３・・固定子、４・・回転子、５・・永久磁石、６・・ダクト、７・・中央ダクト、７ａ・・内壁面、８・・磁気作業物質、１０，１１・・端部ダクト、１２・・入口、１３・・出口、１４・・透孔、１６・・仕切り板、１７・・横板部、１８・・縦板部、１９・・充填室、２０・・ディンプル、２１・・低温配管、２２・・高温配管、２３・・冷却器、２４・・被冷却体、３１〜３３・・突起。

Claims (4)

1. 駆動手段によって回転し、周面に永久磁石を固着した回転子と、その回転子を軸支し、内面側に、磁場の増減に応じて温度が変化する粒状の磁気作業物質を充填して前記永久磁石と近接するダクトを配置した筒状の固定子とを有する装置本体と、
   前記ダクト間を接続して形成される循環経路に冷却流体を循環させる冷却流体循環手段と、
   前記循環経路に設けられ、前記冷却流体と被冷却体との間で熱交換を行う熱交換器と、を備えてなる磁気冷凍装置であって、
   前記ダクトの内壁面に、前記冷却流体の前記内壁面に沿った流れに抵抗を生じさせる流れ抑制手段を設けたことを特徴とする磁気冷凍装置。
2. 前記流れ抑制手段を、前記内壁面に凹設されて前記磁気作業物質を部分的に嵌合させる複数のディンプルとしたことを特徴とする請求項１に記載の磁気冷凍装置。
3. 前記流れ抑制手段を、前記磁気作業物質の粒径の１／２から前記粒径の間となる高さ寸法で前記内壁面に突設された複数の突起としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気冷凍装置。
4. 前記流れ抑制手段を、前記内壁面に固着された前記磁気作業物質としたことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の磁気冷凍装置。

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