JP2010101576A

JP2010101576A - 回転型磁気式温度調整装置

Info

Publication number: JP2010101576A
Application number: JP2008274280A
Authority: JP
Inventors: Tadahiro Nakayama; 忠弘中山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-10-24
Filing date: 2008-10-24
Publication date: 2010-05-06

Abstract

【課題】磁気遮蔽体を設けることなく小型化できるようにする。
【解決手段】磁気作業物質１５ａ〜１５ｃが、永久磁石モータ３の磁気回路途中であるヨーク１０の配設領域脇に周方向に沿って配設されている。磁気作業物質１５ａ〜１５ｃに印加する磁場を連続的に変化させながら、熱交換器は磁気作業物質１５ａ〜１５ｃに水などの媒体をポンプ１３によって流動させることで熱交換する。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁気熱量効果を利用して熱交換を行う回転型磁気式温度調整装置に関する。

この種の磁気熱量効果を利用して熱交換を行う技術が供されている（例えば、特許文献１参照）。この技術は、磁気作業物質に磁界（磁場）を印加したり磁界を取り去ったりすることで、磁気エントロピーを大きく変化させて磁気熱量効果を生じさせ、熱交換器により熱交換する技術を示している。

特許文献１に記載された技術思想によれば、複数の磁気作業物質を複数のグループに分けて温度調整媒体用配管に沿って配置し、磁気遮蔽部と磁気通過部とを備えた磁気遮蔽体が、磁気作業物質に磁界が印加されている状態から磁界の印加が阻止された状態に変化する時期が、各グループの、温度調整媒体供給装置側に配置されている磁気作業物質から、被温度調整体側に配置されている磁気作業物質の方向に、順次遅れるように構成されている。これは、磁気作業物質が不連続に存在するときに磁気遮蔽体の回転時に発生するコギングトルクを少なくすることができ熱交換を連続的に効率よく行うことができるためである。
特開２００６−３０８１９７号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術思想を適用すると、磁気遮蔽体やグループ分けした磁気冷凍材毎の配管等が必要となってしまい、装置が大型化してしまう。
本発明は、磁気遮蔽体を設けることなく小型化できるようにした回転型磁気式温度調整装置を提供することにある。

請求項１に係る発明は、永久磁石モータにより構成された回転駆動部と、印加される外部磁場の変化によって温度変化する磁気作業物質が、前記永久磁石モータの磁気回路途中であるヨークまたは／およびティースまたはその配設領域付近に配設され、前記磁気作業物質に媒体をポンプにより流動させて熱交換する熱交換器とを備え、前記回転駆動部は、前記永久磁石モータを構成する回転子の回転に応じて前記磁気作業物質に印加する磁場を連続的に変化させることを特徴としている。

本発明によれば、磁気遮蔽体を設けることなく小型化できる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図１ないし図６を参照しながら説明する。図１は、回転型磁気式温度調整装置の縦断面構成を概略的に示している。この図１に示すように、回転型磁気式温度調整装置１は、ハウジング２内に取り付けられた回転駆動部としてのモータ３を主として構成されている。モータ３は、所謂永久磁石モータにより構成されている。このモータ３の中心には回転軸４が挿通されている。ハウジング１にはベアリング５が固着されており、回転軸４はベアリング５に支承されている。

図２は、モータ内の横断面構造を概略的に示している。モータ３は、回転子６、固定子７を有している。回転子６は、筒中心を回転軸４が貫通して圧入または接着された円筒状の回転子コア８と、回転子コア８の外周に例えば等間隔で配設または埋設された複数の永久磁石９とを備えており、複数の永久磁石９は回転軸４の回転方向に隣り合う磁石の極性（Ｎ，Ｓ）が異なるように接着固定されている。これにより、回転軸４は回転子６の回転に応じて回転可能になっている。複数の永久磁石９は必ずしも等間隔に配置されていなくても良い。

これらの複数の永久磁石９は、それぞれ回転子コア８の外周面に沿って固着されており、永久磁石９はそれぞれその中央が厚く両端にかけて次第に薄くなる形状をなしている。これにより、コギングトルクを極力小さくできる。尚、本実施形態では、図２に示すように４極６スロット構成を示しているが、コギングトルクが小さくなる８極９スロット構成に適用しても良い。すなわち、極数とスロット数との組合せは特に限られない。

回転子６と離間して固定子７が配設されている。この固定子７は、例えば所定形状に打ち抜いた電磁鋼板などの磁性体により構成されており、ヨーク１０と、複数のティース１１とを備えている。ヨーク１０は、例えば円環状に構成されフレーム（図示せず）によって固定子７の外周囲に沿って連結されている。ヨーク１０のフレームは後述する磁気作業物質１５ａ〜１５ｃを固定するために設けられている。

複数のティース１１は、それぞれ、ヨーク１０の円環の周方向に互いに等間隔で離間した位置において、その中心側の回転軸４の軸中心方向に向けて構成されており、当該ティース１１の内端が回転子６を構成する永久磁石９と所定のエアギャップを介して対向するように配設されている。複数のティース１１にはそれぞれ固定子巻線１２が巻回されており、当該固定子巻線１２には図示しない駆動装置から通電可能に構成され回転軸４を中心に回転子６を回転可能に構成されている。

図１に示すように、ポンプ１３がハウジング１内に配設されており、回転軸４にはポンプ１３が取り付けられている。したがって、モータ３は回転軸４を介してポンプ１３と連結されており、当該ポンプ１３を駆動する機能を備えている。これにより、ハウジング１の外部に他のポンプ１３の駆動源を設ける構成に比較して小型化できる。ポンプ１３には配管１４が接続されており、当該配管１４中には媒体１４ａ、１４ｂ、１４ｃが流動可能になっている。媒体１４ａ、１４ｂ、１４ｃは例えば水などの液体による。

図２に示すように、複数のティース１１の外端間に位置したヨーク１０を連結するフレーム内には、熱交換器１５の一部がヨーク１０の円環の周方向に沿って配設されている。当該領域に配設された熱交換器１５の外壁は、多数の通孔を有するアクリルなどによって構成され、当該外壁内には磁気作業物質１５ａ、１５ｂ、１５ｃが充填されている。言いかえると、磁気作業物質１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、それぞれ、ティース１１、１１の外端にそれぞれ接続されたヨーク１０、１０の対向領域に構成されている。これらの磁気作業物質１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、互いに１つのティース１１の配設領域を周方向に挟んで互いに離間して配設されている。磁気作業物質１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、例えばガドリニウム（Ｇｄ）強磁性体、もしくは、ランタン−鉄−シリコン（Ｌａ−Ｆｅ−Ｓｉ）系等の磁性体によって多数の球状粒子、細粒子による磁気熱量効果を有する材質により構成されている。

ポンプ１３には配管１４を通じて冷熱部１６が接続されており、冷熱部１６の配置領域の熱交換器１５を挟んだ逆側には配管１４を通じて排熱部１７が接続されている。冷熱部１６および排熱部１７は互いに離間してハウジング２の外部に配設され、冷熱部１６は冷熱を蓄積し排熱部１７から温熱を排熱するように構成されている。

図１には図示していないが、図３に示すように、ポンプ１３には配管１４を通じてロータリ弁１８が接続されており、媒体１４ａ〜１４ｃをそれぞれ磁気作業物質１５ａ〜１５ｃにロータリ弁１８を通じて流動可能に構成されている。

図４は、ロータリ弁１８の構造の一例を概略的に示している。図４に示すように、ロータリ弁１８は、外周を覆うケーシング１９と、当該ケーシング１９の内側において軸中心に周回可能に配設されたロータ２０とを備えており、ロータ２０の外縁には複数（偶数）の切欠部２０ａ、２０ｂが形成されている。複数の切欠部２０ａ、２０ｂは、ロータ２０の軸２０ｃを中心として当該ロータ２０の外縁の対向位置に設けられている。尚、ロータ２０の軸２０ｃを回転軸４と連結しモータ３の駆動に応じてロータ２０を回転させると良い。

ポンプ１３が作動すると同時にロータリ弁１８のロータ２０が回動すると、当該回動作用に応じて、切欠部２０ａ、２０ｂは、磁気作業物質１５ａに通ずる媒体１４ａ、磁気作業物質１５ｂに通ずる媒体１４ｂ、磁気作業物質１５ｃに通ずる媒体１４ｃ、の入口および出口を順次開閉可能になっている。

ロータリ弁１８は、媒体１４ａが磁気作業物質１５ａの配設領域への流入口に流入可能になるときには媒体１４ａが磁気作業物質１５ａの配設領域からの流出口を経て流出可能になり、他の磁気作業物質１５ｂ、１５ｃに対する流動（流入／流出）を不可とする。また、媒体１４ｂの磁気作業物質１５ｂに対する流動、媒体１４ｃの磁気作業物質１５ｃに対する流動についても同様になっている。尚、ロータリ弁１８は、３つの流動口（流入口／流出口）のうち１つの流動口が通ずるときには他の２つの流動口を閉鎖するように切欠部２０ａ、２０ｂの位置を調整しているが、３つの流動口のうち２つの流動口を同時に通ずるように切欠部２０ａ、２０ｂ等を形成し、このとき１つの流動口が閉鎖するように構成しても良い。

回転軸４が回転すると、磁気作業物質１５ａ〜１５ｃにそれぞれ媒体１４ａ〜１４ｃが流動する。また、磁気作業物質１５ａ〜１５ｃが永久磁石モータ３の磁気回路途中に配設されているため、各磁気作業物質１５ａ〜１５ｃに印加される磁界が回転軸４の回転に合わせて変化する。

図５は、この磁界印加タイミングと熱輸送タイミングとを合わせて示しており、図６は、磁気作業物質の配設領域に印加される磁束密度の解析結果を示している。図６に示すように、磁束密度は通常のモータの特性と同様に電気角（回転角）の位置に応じて例えば０Ｔ〜所定値（例えば１．２Ｔ）程度まで連続的に変化する。

図２に示すように、磁気作業物質１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ａ、１５ｂ、１５ｃが、それぞれ６極のティース１１を連結するヨーク１０の対向位置に配設されていると、図５に示すように、印加される磁場が互いに１２０度のズレを生じることになる。磁気作業物質１５ａ〜１５ｃは、磁束密度が例えば１．２Ｔ程度の最高値まで高くなるときに温熱を発熱し、例えば０Ｔ付近の最低値まで低くなるときに冷熱を発する。

ロータリ弁１８が、この磁場の変化に合わせて媒体１４ａ〜１４ｃを磁気作業物質１５ａ〜１５ｃに流動（流入／流出）させるように動作する。すると、熱交換器１５は、ポンプ１３により媒体１４ａ〜１４ｃを磁気作業物質１５ａ〜１５ｃ内外の冷熱部１６、排熱部１７に配管１４を通じて流動（流出／流入）させることで熱交換することができる。

図５を用いて具体的に説明する。磁気作業物質１５ａに磁界が印加されると、磁気作業物質１５ａは発熱し（図５の（１Ａ））、その後、磁場が最大となる回転角付近においてロータリ弁１８の作用により媒体１４ａが磁気作業物質１５ａに流入し、媒体１４ａを排熱部１７に流動することで温熱を輸送する（図５の（２Ａ））。

その後、磁気作業物質１５ａに印加される磁場が低下すると同時にモータ３の電気角の違いに応じて磁気作業物質１５ｂに印加される磁場が高くなる。ロータリ弁１８は磁気作業物質１５ａ〜１５ｃに媒体１４ａ〜１４ｃを非流動状態とする。磁気作業物質１５ａは吸熱する（図５の（３Ａ））が、この吸熱期間とほぼ同時に磁気作業物質１５ｂは発熱する（図５の（３Ｂ））。

その後、磁気作業物質１５ａへの印加磁場が最低となる付近では、ロータリ弁１８の作用により媒体１４ａが磁気作業物質１５ａに流入し、媒体１４ａを冷熱部１６に流出することで冷熱を輸送する（図５の（４Ａ））。他方、磁気作業物質１５ｂに対する印加磁場が最大となる付近ではロータリ弁１８の作用により媒体１４ｂが磁気作業物質１５ｂに流入し、媒体１４ｂを排熱部１７に流出することで温熱を輸送する（図５の（４Ｂ））。

その後、磁気作業物質１５ｂに印加される磁場が低下すると同時にモータ３の電気角の違いに応じて磁気作業物質１５ｃに印加される磁場が高くなる。ロータリ弁１８は磁気作業物質１５ａ〜１５ｃに媒体１４ａ〜１４ｃを非流動状態とする。磁気作業物質１５ａは吸熱する（図５の（５Ｂ））が、この吸熱期間とほぼ同時に磁気作業物質１５ｃは発熱する（図５の（５Ｃ））。

磁気作業物質１５ｂへの印加磁場が最低となる付近では、ロータリ弁１８の作用により媒体１４ｂが磁気作業物質１５ｂに流入し冷熱部１６に流出することで冷熱を輸送する（図５の（６Ｂ））。他方、磁気作業物質１５ｃに対する印加磁場が最大となる付近ではロータリ弁１８の作用により媒体１４ｃが磁気作業物質１５ｃに流入し、媒体１４ｃを排熱部１７に流出することで温熱を輸送する（図５の（６Ｃ））。このような動作が繰り返されることで冷却装置１は冷熱を輸送することができる。

本実施形態によれば、磁気作業物質１５ａ〜１５ｃが永久磁石モータ３の磁気回路途中であるヨーク１０の配設領域脇（ヨーク１０を連結するフレーム内）に周方向に沿って配設され、磁気作業物質１５ａ〜１５ｃにそれぞれ印加する磁場を連続的に変化させながら、熱交換器１５は磁気作業物質１５ａ〜１５ｃにそれぞれ媒体１４ａ〜１４ｃをポンプ１３により流動させて熱交換するため、磁気遮蔽体を設ける必要がなくなり小型化できる。ハウジング２内に一体化されているため、従来構成に比較して配管１４の長さを短くすることができる。

また、媒体１４ａ〜１４ｃを流動させるポンプ１３は、回転軸４を介して永久磁石モータ３と連結され、当該モータ３はポンプ１３を駆動して媒体１４ａ〜１４ｃを流動させているため、ポンプ１３の駆動機構を磁気冷凍用の磁界発生装置と兼用できるようになり、ポンプ１３を駆動する駆動機構を別途設けることなく構成でき、より小型化できる。

また、ロータリ弁１８は、回転軸４を介してポンプ１３と連結され、モータ３による回転に応じてロータリ弁１８を開閉する場合には、ロータリ弁１８の駆動機構を磁気冷凍用の磁界発生装置と兼用できるため、ロータリ弁１８を駆動する駆動機構を別途設けることなく構成でき、より小型化できる。
また、４極６スロット構成、または８極９スロット構成を適用して構成する場合には、コギングトルクを小さくすることができ、回転駆動用のモータ３を小型化できる。

（第２の実施形態）
図７および図８は、本発明の第２の実施形態を示すもので、前述実施形態と異なるところは、磁気作業物質をティースの配設領域付近に設置しているところにある。前述実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し以下異なる部分について説明する。

図７は、モータ３に代わるモータ２１の内部構造を概略的に示している。
図７に示すように、ヨーク１０は円環状に連設して構成されている。前述実施形態に示したように、ティース１１は、周方向に離間して所定個（例えば６個）配設されているが、隣り合う２個のティース１１間の周方向中央には当該ティース１１とは別に１つの突極部２２が他のティースとしてそれぞれ構成され、当該突極部２２は回転中心側に位置する回転軸４の方向に向けて構成されている。

突極部２２の内端は回転子６を構成する永久磁石９と所定のエアギャップを介して対向するように配設されている。複数のティース１１にはそれぞれ固定子巻線１２が巻回されているものの、突極部２２には固定子巻線１２が巻回されておらず、突極部２２の周囲には磁気作業物質１５ａ〜１５ｃが配設されている。

図８は、突極部およびその周辺の磁束密度を電気角に応じて概略的に示している。この図８に示すように、突極部２２の磁束密度は電気角に応じて変化する。したがって、固定子巻線１２に通電されると、磁気作業物質１５ａ〜１５ｃに印加される磁場も連続的に変化し、前述実施形態とほぼ同様の作用効果を奏することになる。
本実施形態によれば、磁気作業物質１５ａ〜１５ｃが突極部２２の周囲に配設されているため、印加する磁束密度を連続的に変化させることができ、前述実施形態とほぼ同様の作用効果を奏する。

（他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に示す変形または拡張が可能である。
冷却のみを行う冷却装置１に適用したが、排熱部１７を温熱に利用することができるため、回転型磁気式温熱装置に適用しても良いし、冷却および温熱の両効果または何れか一方の効果を備えた回転型温度調整装置に適用できる。

４極６スロット構成、または、８極９スロット構成に限らず、２×ｍ極、３×ｎスロット構成（ｍ、ｎは整数）に適用できる。
回転子６の構造は、ラジアルエアギャップ形またはアキシャルエアギャップ形の何れでも良い。また前述では内転型に適用した実施形態を示したが、内側に固定子を配置し当該固定子の外側を覆うように回転子を配置し、複数のティースを回転軸に対して中央から放射状に配設した構造をなす外転型に適用しても良い。また、モータ３、２１として表面磁石型（ＳＰＭ）、内部磁石型（ＩＰＭ）の何れを適用しても良い。ポンプ１３を、ハウジング２外に設置しても良い。この場合、ポンプ１３の駆動源となるモータをハウジング２の外部に設けると良い。また、ロータリ弁１８の駆動用モータをハウジング２の外部に設けても良い。

ヨーク１０の円環の周方向に沿う領域のみ、突極部２２の周囲のみに磁気作業物質１５ａ〜１５ｃを配設した実施形態を示したが、固定子７を構成するヨーク１０を円環の周方向に連設し、磁気作業物質１５ａ〜１５ｃをヨーク１０の周囲に直接取り付けて構成した形態に適用しても良いし、ティース１１に直接取り付けるように配設しても良い。ヨーク１０およびティース１１の両者に配設されていても良いし、それらの両者の周辺に配設されていても良い。磁気作業物質１５ａ〜１５ｃが永久磁石モータ３により構成される磁気回路途中に配設されていればどのように配置しても良い。

本発明の第１の実施形態について冷却装置の縦断面構造を概略的に示す図永久磁石モータの横断面図ロータリ弁の動作説明図ロータリ弁の構造説明図磁場の変化と温熱／冷熱の輸送等のタイミングを示すタイミングチャート磁気作業物質に印加される磁束密度の特性図本発明の第２の実施形態について示す図２相当図図６相当図

符号の説明

図面中、１は冷却装置（磁気式温度調整装置）、３、２１はモータ（回転駆動部、永久磁石モータ）、１０はヨーク、１１、２２はティース、１２は巻線、１３はポンプ、１４ａ〜１４ｃは媒体、１５ａ〜１５ｃは磁気作業物質を示す。

Claims

永久磁石モータにより構成された回転駆動部と、
印加される外部磁場の変化によって温度変化する磁気作業物質が、前記永久磁石モータの磁気回路途中であるヨークまたは／およびティースまたはその配設領域付近に配設され、前記磁気作業物質に媒体をポンプにより流動させて熱交換する熱交換器とを備え、
前記回転駆動部は、前記永久磁石モータを構成する回転子の回転に応じて前記磁気作業物質に印加する磁場を連続的に変化させることを特徴とする回転型磁気式温度調整装置。
前記ポンプは前記回転駆動部に回転軸を介して連結され、
前記回転駆動部は、前記ポンプを駆動する機能を兼ねていることを特徴とする請求項１記載の回転型磁気式温度調整装置。
前記ポンプと回転軸を介して連結されたロータリ弁を備え、
前記回転駆動部による回転駆動位置に応じて前記ロータリ弁を開閉することを特徴とする請求項１または２記載の回転型磁気式温度調整装置。
前記回転駆動部として、２×ｍ極、３×ｎスロット構成（ｍ、ｎは整数）の永久磁石モータを適用したことを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の回転型磁気式温度調整装置。