JP2010112606A - Magnetic temperature regulator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気熱量効果を利用して熱交換を行う磁気式温度調整装置に関する。 The present invention relates to a magnetic temperature control device that performs heat exchange using a magnetocaloric effect.
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)。この特許文献1の技術思想によれば、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。
There is provided a technique for performing heat exchange using this type of magnetocaloric effect (see, for example, Patent Document 1). According to the technical idea of
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るためである。
しかしながら、特許文献1の構造ではCOP(熱量対消費電力:Coefficient Of Performance)に劣ってしまう。また、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。
However, the structure of
本発明の目的は、COPを向上できるようにし、また、磁気遮蔽体を設けることなく小型化できるようにした磁気式温度調整装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a magnetic temperature control device that can improve COP and can be miniaturized without providing a magnetic shield.
請求項1に係る発明は、ギャップを介して磁界を発生する磁界発生手段と、印加磁界の変化により温度変化する磁気熱量効果を有する磁気作業物質が充填され当該磁気作業物質に媒体を通過させることにより熱交換する熱交換器と、前記磁気作業物質をギャップ中に配設するように調整制御することにより前記磁界発生手段が磁界を前記磁気作業物質に印加する第1状態と、前記磁気作業物質以外の磁気通過物質をギャップ中に配設するように調整制御することにより前記磁界発生手段により前記磁気作業物質に印加された磁界を低減する第2状態と、に繰り返し制御する制御手段とを備えたことを特徴としている。 According to the first aspect of the present invention, a magnetic field generating means for generating a magnetic field through a gap and a magnetic working material having a magnetocaloric effect that changes in temperature due to a change in the applied magnetic field are filled and the medium is passed through the magnetic working material. A first state in which the magnetic field generating means applies a magnetic field to the magnetic working material by adjusting and controlling the magnetic working material to be disposed in the gap, and a magnetic working material. Control means for repeatedly controlling to a second state in which a magnetic field applied to the magnetic working material is reduced by the magnetic field generating means by adjusting and controlling so that a magnetically permeable substance other than that is disposed in the gap. It is characterized by that.
本発明の一態様によれば、COPを向上できる。
また本発明の一態様によれば、磁気遮蔽体を設けることなく小型化できる。
According to one embodiment of the present invention, COP can be improved.
According to one embodiment of the present invention, the size can be reduced without providing a magnetic shield.
(第1の実施形態)
以下、本発明を磁気冷凍装置に適用した第1の実施形態について図1ないし図12を参照しながら説明する。
(First embodiment)
A first embodiment in which the present invention is applied to a magnetic refrigeration apparatus will be described below with reference to FIGS.
図1は、磁気冷凍装置の内部構造の正面図を概略的に示している。この図1に示すように、磁気冷凍装置Aは、制御手段としての制御回路1と、円筒状のハウジング2内に取り付けられた回転駆動部としてのモータ3と、回動軸(回転軸)4と、熱交換器5と、回動子6と、ベアリング7とを備えて構成されている。
FIG. 1 schematically shows a front view of the internal structure of the magnetic refrigeration apparatus. As shown in FIG. 1, a magnetic refrigeration apparatus A includes a
モータ3は、例えばギヤヘッド付きのステッピングモータにより構成され、制御回路1からの制御信号に基づいて回動制御可能に構成されている。尚、永久磁石式モータで構成されていても良い。このモータ3の中心には回動軸4が挿通されており、当該回動軸4の周方向(Y軸周り)に回動可能に構成されている。
The
ハウジング2にはベアリング7が固着されており、回動軸4はベアリング7に支承されている。モータ3は、回動軸4を介して回動子6に連結されており、回動子6が回動軸4の周方向に回動可能になっている。回動子6は、内側ヨーク8、内側磁石9、外側ヨーク10、外側磁石11が互いにハウジング12によって連結されることにより構成されている。
A
図2は、回動子の構造およびそのX方向に沿う周辺の配設構造を概略的に示す横断面図である。また、図3は、図1に示すハウジング2内を下側からみたモータ、回動子およびその周辺の具体的構造と、それらの配設位置関係を概略的に示す斜視図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the rotor and the surrounding arrangement structure along the X direction. FIG. 3 is a perspective view schematically showing a specific structure of the motor, the rotor and its periphery, and their arrangement positional relationship when the inside of the
図3に示すように、回動子6の内側ヨーク8は回動軸4に連接して構成されている。図2に示すように、内側ヨーク8および内側磁石9は、回動軸4の中心側に内側ヨーク8を配設すると共にその外側に内側磁石9を配設して連結され、内側磁石9は回動軸4を中心として中央から放射状をなして突設するように偶数個(4つ)構成されている。これらの複数の内側磁石9は、回動軸4を中心として周方向に所定間隔づつ離間して構成されている。尚、内側磁石9の数は偶数であれば良く、4つに限られない。
As shown in FIG. 3, the
また、これらの内側磁石9の突設方向の外方に離間して、外側磁石11および外側ヨーク10がそれぞれ構成されている。複数の外側磁石11および外側ヨーク10は、回動軸4の中心側に外側磁石11を配設すると共にその外側に外側ヨーク10を配設して連結され、回動軸4の軸中心方向に向けて突設するように構成されている。外側ヨーク10は、複数の外側磁石11を回動軸4の周方向に沿って互いに連結して構成されている。
In addition, the
複数の内側磁石9の外方突設端と複数の外側磁石11の内方突設端とはそれぞれ互いに対向して構成されており、複数の内側磁石9と複数の外側磁石11との間にはそれぞれギャップ13が設けられる。対向する内側磁石9および外側磁石11は互いに異極の永久磁石により構成されている。これらの内側磁石9、外側磁石11は、それぞれ、回動軸4を中心とした所謂円孤状に形成されている。尚、回動軸4の周方向に離間して隣り合う内側磁石9、9によりギャップ13に与えられる磁極は互いに異極に設定されており、周方向に隣り合う外側磁石11、11によりギャップ13に与えられる磁極は互いに異極に設定されている。
The outer projecting ends of the plurality of
複数のギャップ13間は、フレーム(図示せず)により連結されており、複数のギャップ13間は、フレーム内側に設けられる連通孔14により回動軸4の周方向に沿って連通されている。この連通孔14内には、磁気作業物質充填ブロック15(以下、単にブロックと称す)と補助磁性体16とが、それぞれ、例えば内側磁石9または外側磁石11の偶数個数分(本実施形態では4つ)設けられている。
The plurality of
連通孔14内には、回動軸4の周方向に沿って、ブロック15、補助磁性体16、ブロック15、補助磁性体16…、が順に互い違いに配設されている。これらのブロック15と補助磁性体16との間には連通孔14の一部となる空間14aが存在可能になっており、補助磁性体16は、複数のギャップ13間を渡るフレームに沿って連通孔14内を移動自在に構成されている。
In the
複数のブロック15は、それぞれ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)系等の磁性体により磁気熱量効果を奏する磁気作業物質15aをブロック化して構成されている。磁気作業物質15aは、例えば球状粒子、細粒子により構成されている。複数のブロック15は、それぞれ、アクリルなどの外壁材15bの内部に磁気作業物質15aが充填されることにより構成されている。尚、複数のブロック15はそれぞれハウジング2に固定設置形態で設けられている。
Each of the plurality of
補助磁性体16は、磁気通過物質、磁気保持物質として機能するもので、例えば磁気特性が磁気作業物質15aと同一の磁性材料で構成されていることが望ましく、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)系等の磁性体により構成されていると良い。補助磁性体16は、その回動軸4の周方向長さに対応した円孤角度が、ギャップ13の周方向長さに対応した円孤角度(例えば30°)と同一角度に設定されている。
The auxiliary
図1に戻って、熱交換器5は、ブロック15、ポンプ17、配管18、19、媒体20、排熱部21、冷熱部22を備えて構成されている。ポンプ17はハウジング2内に配設されており、回動軸4にはポンプ17が取り付けられている。尚、ポンプ17はハウジング2外に設置されていても良い。
Returning to FIG. 1, the
モータ3は回動軸4を介してポンプ17と連結されており、当該ポンプ17を駆動する機能を備えている。これにより、ハウジング2の外部に他のポンプ17の駆動源を設ける構成に比較して小型化できる。ポンプ17には配管18が接続されており、配管18はブロック15の外壁材15bの上部に接続されている。外壁材15bは、多数の通孔(図示せず)を図1中の上下(Y方向)両端に備えており、ポンプ17の作用により配管18を通じて媒体20を外壁材15b内外に流動(流入/流出)可能に構成されている。媒体20は、例えば水などの液体による。
The
また、配管19がブロック15の外壁材15bの下部に接続されており、ポンプ17の作用により配管19を通じて媒体20を外壁材15b内外に流動(流入/流出)可能に構成されている。水などの媒体20が外壁材15bの通孔を通じて外壁材15b内に流入し媒体20が磁気作業物質15aに接すると、当該磁気作業物質15aへの磁気印加状態に応じて媒体20が温熱または冷熱する。
A
配管18は弁(図示せず)を介して排熱部21に接続されており、配管19は弁(図示せず)を介して冷熱部22に接続されている。排熱部21および冷熱部22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22は冷熱を蓄積し排熱部21から温熱を排熱するように構成されている。
The piping 18 is connected to the exhaust heat unit 21 via a valve (not shown), and the piping 19 is connected to the
熱交換器5は、ポンプ17の作用により、媒体20が温熱を蓄熱したタイミングで配管18を通じて媒体20の温熱を排熱部21に排熱し、媒体20が冷熱を蓄熱したタイミングで配管19を通じて媒体20の冷熱を冷熱部22に蓄積させることで熱交換することができる。
The
図4は、熱交換器の配管の接続形態の一例を概略的に示している。本実施形態では、図4(a)に示すように、ポンプ17と複数のブロック15との間を配管18、19により並列に接続して形成されている。尚、図4(b)に示すように、ポンプ17と複数のブロック15との間を直列に接続した形態に適用しても良い。図4に示すように、媒体20は図示Y方向(XZ方向と直交方向)に流動可能になっている。
FIG. 4 schematically shows an example of a connection form of piping of the heat exchanger. In the present embodiment, as shown in FIG. 4A, the
図5は、熱交換時のブロック(磁気作業物質)への磁界印加タイミングと熱輸送タイミングの具体例を概略的に示している。ブロック15内の磁気作業物質15aに強い磁束密度(例えば、1.2T)で磁界が印加されると磁気作業物質15aは発熱する(図5の(1))。制御回路1は、この状態でモータ3を駆動制御することでポンプ17を駆動しブロック15の外壁材15b内に媒体20を通過させて温熱を排熱部21に輸送する(図5の(2))。
FIG. 5 schematically shows a specific example of the magnetic field application timing and heat transport timing to the block (magnetic working substance) during heat exchange. When a magnetic field is applied to the magnetic working
また、ブロック15内の磁気作業物質15aに印加された磁束密度が低減されると、磁気作業物質15aは吸熱する(図5の(3))。制御回路1は、この状態でモータ3を駆動制御することでポンプ17を駆動しブロック15の外壁材15b内に媒体20を通過させて冷熱を冷熱部22に輸送する(図5の(4))。このような熱輸送サイクル、熱交換サイクルを繰り返すことで冷熱を冷熱部22に蓄積し、磁気冷凍装置Aを構成することができる。
Further, when the magnetic flux density applied to the magnetic working
尚、磁気作業物質15aが発生する熱量を効率良く得るためには、磁界を磁気作業物質15aに印加した場合と、磁界を磁気作業物質15aから低減した場合とでは、最大磁束密度と最小磁束密度との間の磁束密度差を大きく得ることが望ましい。本実施形態では、図1〜図4に示す構造を採用することで磁束密度差を極力大きくできるように構成している。
In order to efficiently obtain the amount of heat generated by the magnetic working
図6〜図9は、ブロックと補助磁性体と回動体との配設位置関係を角度に応じて概略的に示している。
ギャップ13は、対向する内側磁石9および外側磁石11(以下、内外磁石9、11と略す)間が連通孔14内で一定間隔となるように設けられており、内外磁石9、11間のギャップ13に静磁場が発生する。
6 to 9 schematically show the arrangement positional relationship among the block, the auxiliary magnetic body, and the rotating body according to the angle.
The
図6(a)に示すように、閉磁路(磁気回路:図示磁力線参照)の主経路B1は、所定の第1外側磁石11→第1ギャップ13→第1外側磁石11に対向する第1内側磁石9→ 内側ヨーク8→第1内側磁石9の周方向隣りの第2内側磁石9→第2ギャップ13→第2内側磁石9に対向した第2外側磁石11→外側ヨーク10→第1外側磁石11の順に渡って形成される。第1ギャップ13、第2ギャップ13には回転軸4から放射方向に沿ってそれぞれ一定の強磁界(例えば1.2T)が印加される。
As shown in FIG. 6A, the main path B1 of the closed magnetic circuit (magnetic circuit: see magnetic field lines shown) is a first inner side facing a predetermined first
したがって、制御回路1が、回動子6をブロック15および補助磁性体16に対して相対的に回動軸4の周方向(ギャップ13に対する磁界発生方向とは直交交差方向)に回動制御することによって、ブロック15と、補助磁性体16と、内外磁石9、11との間の配設位置関係を調整制御でき、各磁気的要素15(15a)、16に印加する磁場を調整制御できる。
Accordingly, the
具体的には、本実施形態では以下のように配設位置関係を制御している。図6〜図9に示すように、ブロック15と、補助磁性体16と、内外磁石9、11の配設位置関係は、複数の内外磁石9、11間(つまりギャップ13間)およびその周辺で同期しており、これらは回動子6が回動しても複数の各ギャップ13間およびその周辺で同一の配設位置関係となる。したがって以下の説明では、1つのギャップ13内およびその周辺の磁界に着目して説明を行う。
Specifically, in this embodiment, the arrangement positional relationship is controlled as follows. As shown in FIGS. 6 to 9, the arrangement positional relationship among the
図6(a)に示す状態を角度0°と規定する。この状態は、内外磁石9、11間の1つのギャップ13中に1つのブロック15のみが配設されており、当該ブロック15に強磁界(例えば1.2T)が印加される状態となっている。
The state shown in FIG. 6A is defined as an angle of 0 °. In this state, only one
次に、制御回路1は回動子6を回動制御し、図6(b)に示す角度15°の状態に配設位置関係を調整制御する。この場合、第1ブロック15はその一部(一端側の中央付近まで)がギャップ13外に相対的に移動するようになり、その代わりに補助磁性体16がギャップ13に進入する。補助磁性体16は、内外磁石9、11の磁力によってギャップ13の周方向中央に引きつけられるため、ギャップ13は第1ブロック15および補助磁性体16間の隣接接触状態を保持しながら回動軸4の周方向に移動するようになる。
Next, the
次に、制御回路1は回動子6を回動制御し、図7(c)に示す角度30°の状態に配設位置関係を調整制御する。この場合、第1ブロック15はその全体がギャップ13外に相対的に移動するようになり、その代わりに補助磁性体16がギャップ13の円孤方向(周方向)全体を埋設するようになる。すると、内外磁石9、11の発生磁界はほぼ補助磁性体16に印加されるようになり、後述するように、第1ブロック15の磁気作業物質15aの印加磁界が低減される。
Next, the
次に、制御回路1は回動子6を回動制御し、図7(d)に示す角度45°の状態に配設位置関係を調整制御する。この場合、補助磁性体16は、内外磁石9,11の磁力によって引きつけられるため、複数のギャップ13間を回動軸4の周方向に渡るフレーム(図示せず)内側の連通孔14を通じて周方向に移動(摺動)する。この場合、補助磁性体16が例えば塊状の成型状態に加工されていると、フレームとの間の摩擦の影響を受けるため、例えば塊状の成型状態に比較して摩擦係数が低い成型状態(例えば、回動軸4の周方向(移動方向)に対して断面円形状、磁性流体)に形成されていると良い。その他、例えば補助磁性体16は複数物体(複数の円柱物)により形成されていると良い。
すると、補助磁性体16の移動方向の逆方向に発生する摩擦を極力低減することができ、モータ3が回動子6を回動するのに必要なトルクを極力抑制でき、消費電力を低減できるようになる。
Next, the
Then, the friction generated in the direction opposite to the moving direction of the auxiliary
次に、制御回路1は回動子6を回動制御し、図8(e)に示す角度60°の状態に配設位置関係を調整制御する。この場合、補助磁性体16は、第1ブロック15に隣り合う別の第2ブロック15の端部に当接する。
Next, the
次に、制御回路1は回動子6を回動制御し、図8(f)に示す角度75°の状態に配設位置関係を調整制御する。この場合、補助磁性体16はその一部がギャップ13外に相対的に移動するようになり、その代わりにブロック15がギャップ13に進入する。前述と同様に補助磁性体16は内外磁石9、11の磁力によってギャップ13の周方向中央に引きつけられるため、第2ブロック15と補助磁性体16との間の隣接接触状態を保持しながらギャップ13が回動軸4の周方向に移動する。
Next, the
次に、制御回路1は回動子6を回動制御し、図9(g)に示す角度90°の状態に配設位置関係を調整制御する。この場合、補助磁性体16はその全部がギャップ13外に相対的に移動するようになり、その代わりに第2ブロック15がギャップ13に進入する。尚、補助磁性体16は内外磁石9、11の磁力およびフレームとの微小な摩擦に応じて第2ブロック15との間の隣接接触状態が保持される。
Next, the
次に、制御回路1は回動方向を逆方向にして回動子6を回動制御し、第1および第2ブロック15、補助磁性体16、ギャップ13の配設位置関係を調整制御する。この後の位置調整制御は、90°(図9(g))→75°(図8(f))→60°(図8(e))→45°(図7(d))→30°(図7(c))→15°(図6(b))→0°(図6(a))の順に行われ、この後は、0°→90°→0°…の順に繰り返すように制御する。したがって本実施形態においては、制御回路1は回動子6を揺動制御することになる。
Next, the
図10は、角度に応じた配設位置関係と磁束密度の解析結果とを示している。尚、図10においては、図6〜図9に「0°」と示した位置を横軸の「0°」とし、この位置から図示右回転(正転方向)の回転位置を横軸とし、その位置における磁束密度を縦軸とした図を示している。この図10において、ギャップ13の位置は、横軸0°〜15°、75°〜90°の領域となっており、15°〜75°の間は連通孔14が設けられている領域となっている。
FIG. 10 shows the arrangement positional relationship according to the angle and the analysis result of the magnetic flux density. In FIG. 10, the position indicated as “0 °” in FIGS. 6 to 9 is defined as “0 °” on the horizontal axis, and the rotational position of the clockwise rotation (forward direction) illustrated from this position is defined as the horizontal axis. The figure which made the vertical axis | shaft the magnetic flux density in the position is shown. In FIG. 10, the position of the
角度0°の場合、図10(a)に示すように、内外磁石9、11間のギャップ13(横軸0°〜15°、75°〜90°)にはブロック15が位置しており、ギャップ13には周方向に均一な最大磁束密度B2(ほぼ1.2T)が印加されていることがわかる。これは、内外磁石9、11が互いに異極の永久磁石により構成され、また、ブロック15がギャップ13内の周方向全てに配設されているためであり、磁気作業物質15aに均一な磁界を印加することができる。
When the angle is 0 °, as shown in FIG. 10A, the
角度0°においては、図10(a)に示すように、補助磁性体16が第1ブロック15に隣接接触し、該補助磁性体16には漏れ磁束が発生している。この漏れ磁束の磁束密度は磁気作業物質15aに印加される最大磁束密度の約半分となる約0.6T程度発生している。
At an angle of 0 °, as shown in FIG. 10A, the auxiliary
この漏れ磁束に起因して閉磁路が前述の主経路B1とは別経路(例えば、図10(a)中の補助磁性体16からその右方に位置する第2ブロック15を通じて形成される経路)が生じる虞があるものの、補助磁性体16は、空間14aを介して第2ブロック15とは相当距離離間しているため、補助磁性体16および第2ブロック15間には内外磁石9、11間の強い磁気結合に比較して弱い磁気結合しか生じることはなく、漏れ磁束は外側磁石11→補助磁性体16→内側磁石9の磁路を通じて主経路B1に導かれる。したがって、複数のブロック15には独立して強い磁界が与えられることになる。
Due to this leakage magnetic flux, the closed magnetic path is different from the above-mentioned main path B1 (for example, a path formed through the
角度15°においては、図10(b)に示すように、第1ブロック15と補助磁性体16とが隣接接触し、その境界位置がギャップ13の周方向のほぼ中央付近(図10(b)の0°または90°)に位置している。この場合、ブロック15および補助磁性体16の配設方向に渡り大方連続的に磁束密度が変化している。
At an angle of 15 °, as shown in FIG. 10B, the
角度30°においては、図10(c)に示すように、補助磁性体16がギャップ13の周方向全体に渡って配設され、ブロック15はギャップ13外に移動する。補助磁性体16は、内外磁石9、11から磁界が与えられるものの、ブロック15内の磁気作業物質15aに印加されていた磁界が低減されるようになる。
At an angle of 30 °, as shown in FIG. 10C, the auxiliary
角度35°、40°においては、それぞれ、図10(d)、図10(e)に示すように、補助磁性体16がギャップ13の周方向全体に渡って配設され、ブロック15はギャップ13外に移動しブロック15への印加磁界は徐々に低減していることがわかる。
At angles of 35 ° and 40 °, the auxiliary
角度45°においては、図10(f)に示すように、隣り合う補助磁性体16、16間の中央にブロック15が位置するようになる。ブロック15には、印加磁界が低減された状態となる最小磁束密度B3(磁束密度0.2〜0.4T)で印加されるようになる。
At an angle of 45 °, as shown in FIG. 10 (f), the
尚、仮に、補助磁性体16がブロック15の周方向両脇の連通孔14内に全て充設されているときには、図10(f)中に点線で概略的に示すように、最小磁束密度B4は0.6T程度に得られている。この場合でも、最大磁束密度(1.2T)と最小磁束密度(0.6T)との間の差は0.6T程度であり、磁気熱量効果を得るための磁束密度差を十分に確保できる。
If the auxiliary
しかし、補助磁性体16がブロック15の周方向両脇の連通孔14内に充設されていると、ブロック15と複数の補助磁性体16との間で前記の主経路B1とは別経路の磁路が形成されてしまうため、最大磁束密度と最小磁束密度との間の差を大きく確保するという観点では、最小磁束密度を得るときの配設位置関係としてブロック15と補助磁性体16との間に空間14a(空気)を設けることが望ましい。
However, when the auxiliary
特に、ブロック15の中央部が、隣り合う補助磁性体16の中間点に位置するようにすることが望ましい。すると、最小磁束密度を極力低下させることができ、磁気作業物質15aの吸熱効率を最大限高くすることができ、これにより熱交換効率を高くすることができる。尚、45°を超える角度の場合には、0°〜45°の場合の磁束密度変化とほぼ同様であるため、その説明を省略する。
In particular, it is desirable that the central portion of the
前述したように、制御回路1は、モータ3を駆動制御することにより、回動子6の角度を0°〜90°に徐々に正転方向に変化させて回動子6、磁気作業物質15a、補助磁性体16の配設位置関係を調整制御し、続いて90°〜0°に徐々に反転方向に変化させて回動子6、磁気作業物質15a、補助磁性体16の配設位置関係を調整制御することで往復揺動制御している。尚、制御回路1による移動制御中には、ギャップ13にはブロック15(磁気作業物質15a)または補助磁性体16の何れかが位置しているため、磁気エネルギーの変化を小さく保つことができコギングトルクを小さくできる。
As described above, the
このとき、磁気作業物質15aが温熱を発生した状態でポンプ17により媒体20をブロック15内に通過させて温熱部21に温熱を輸送し、磁気作業物質15aが冷熱を発生した状態でポンプ17により媒体20をブロック15内に通過させることにより冷熱部22に冷熱を輸送して繰り返し蓄積させる。これにより、熱交換器5は効率良く熱交換することができる。
At this time, the medium 20 is passed through the
尚、角度90°を回動した後に、補助磁性体16のみが正転方向に引き続き30°回転するようにしても良い。すると、30°回転した後には図面中の角度0°の状態と同様の配置関係となり、引き続き正転動作を継続させるようにしても良い。
In addition, after rotating 90 degrees, only the auxiliary
本実施形態によれば、制御回路1は、モータ3を駆動制御することによって、ブロック15をギャップ13中に配設するように調整制御して内外磁石9、11が磁界をブロック15内の磁気作業物質15aに印加する状態と、補助磁性体16をギャップ13中に配設するように調整制御して内外磁石9、11により磁気作業物質15aに印加された磁界を低減する状態とを繰り返し制御している。
According to the present embodiment, the
このため、例えば特許文献1が示す技術思想のように磁気作業物質と磁気発生手段との間に磁気遮蔽体を設ける必要がなくなり、小型化できる。また、磁気作業物質15aに印加される最大磁束密度と最小磁束密度との間の磁束密度差を十分に確保することができ、COP(熱量対消費電力:Coefficient Of Performance)を向上しながら熱交換器5が熱交換することができる。
For this reason, for example, it is not necessary to provide a magnetic shield between the magnetic working substance and the magnetism generating means as in the technical idea shown in
制御回路1は、内外磁石9、11がギャップ13に発生させる磁界の発生方向と例えば直交して交差する方向(本実施形態では回動軸4の周方向)に沿ってブロック15、補助磁性体16に対してギャップ13を相対的に移動制御することで配設位置関係を調整制御しているため、回動子6の構造を利用しながら前述と同様の作用効果が得られる。
The
補助磁性体16は磁性体により形成されているため、ブロック15に代わり補助磁性体16をギャップ13中に配設することができ、磁界を補助磁性体16に通過させることでブロック15に印加される磁界を低減することができる。したがって、磁気作業物質15aに印加される最小磁束密度を低下させることができ、COPを向上できる。
Since the auxiliary
制御回路1が、ブロック15をギャップ13中からギャップ13外に移動調整制御するときには補助磁性体16がブロック15に隣接してギャップ13中に進入するようにギャップ13の位置を調整制御できるため、当該調整に伴うトルクを低減することができ、消費電力を低減できCOPを向上できる。
When the
制御回路1が、ブロック15をギャップ13外に移動調整制御することで内部磁束密度を低減させるときには、補助磁性体16との間に空間14aが設けられるように補助磁性体16の配設位置を調整制御しているため、磁気作業物質15aに補助磁性体16を通じて印加される磁界を低減することができ、最大磁束密度と最小磁束密度との間の幅を広くできる。これにより、COPを向上できる。
When the
補助磁性体16は磁気作業物質15aの構成材料と同一材料により構成されていると良い。
補助磁性体16は複数のギャップ13間を移動自在に支持されているため、内外磁石9、11によりギャップ13に生じる磁界を安定的に保つことができる。
補助磁性体16は移動自在な方向に沿う断面が円形状に形成されていると、摩擦を少なくすることができトルクを低減できる。これにより消費電力を低減でき、COPを向上できる。
The auxiliary
Since the auxiliary
When the auxiliary
内外磁石9、11は2つの異極の永久磁石が対向配置されることによってギャップ13を構成しているため、ギャップ13に均一な磁束密度を形成できる。制御回路1はブロック15および補助磁性体16がギャップ13を揺動するように配設位置関係を調整制御している。また制御回路1は、回動軸4を中心としてギャップ13を周方向に回動制御することで配設位置関係を調整制御している。このため位置制御が容易となる。
Since the inner and
ギャップ13内のブロック15(磁気作業物質15a)および補助磁性体16の配設位置関係は、複数のギャップ13間で同期しているため、磁気作業物質15aに発生した冷熱/温熱について媒体20を通じて同時に熱交換することができ、熱交換タイミングを同期させることができる。これにより熱交換器5の機構を簡単化できる。
Since the positional relationship between the block 15 (magnetic working
ラジアル型に回動子6を構成しているため、連続的に動作させることができる。
尚、本実施形態では、内外磁石9、11の円孤角度は30°であり、ブロック15(磁気作業物質15a)、補助磁性体16の配設領域の円孤角度もそれぞれ30°に設定されている。
Since the
In this embodiment, the arc angle of the inner and
一般に、補助磁性体16は磁気エネルギーが最小となる安定位置に向けてトルクが作用し、内外磁石9、11の円孤中心に補助磁性体16の円孤中心が合致するようにトルクが作用する。例えば、補助磁性体16の円孤角度が内外磁石9、11の円孤角度よりも小さい場合にはトルクが大きく作用する。したがって、補助磁性体16の円孤角度が内外磁石8、11の円孤角度を超える角度に設定されていると、補助磁性体16が内外磁石9、11の円孤角度以上にはみ出した部分に対するトルク作用はほとんどなくなる。したがって、トルクを最小化する上では、補助磁性体16の円孤角度を内外磁石9、11の円孤角度以上に構成することがより望ましい。
Generally, torque acts on the auxiliary
まとめると、補助磁性体16は、移動方向に沿う方向のギャップ13の長さと同等以上に形成されていると良く、本実施形態では、補助磁性体16は、その回動軸4の周方向長さに対応した円孤角度が、ギャップ13の周方向長さに対応した円孤角度(例えば30°)以上に設定されていると良い。特に、30°を超える円孤角度に設定されていると、周方向移動に伴うトルクを低減でき、消費電力を低減することでCOPを向上できる。
In summary, the auxiliary
(第2の実施形態)
図11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、アキシャル型にしているところにある。前述実施形態と同一部分については同一符号を付して説明を省略し、同一機能を有するが形態が異なる部分についても同一符号を付して異なる説明を付加して説明する。
(Second Embodiment)
FIG. 11 shows a second embodiment of the present invention. The difference from the previous embodiment is that it is an axial type. The same parts as those of the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted, and parts having the same function but different forms are denoted by the same reference numerals and different descriptions are added and described.
図11は、アキシャル型に配置した一例を示している。この図11には回動子6に代わる回動子23を示している。回動子23は、回動軸4の軸中心から径方向に所定間隔離間した領域に内外磁石9、11が配置されており、この内外磁石9、11は、回動軸4の伸張方向に沿って対向するように配設されており、回動軸4の伸張方向に沿ってギャップ13に磁場を発生させる。
FIG. 11 shows an example of arrangement in an axial type. FIG. 11 shows a
尚、回動軸4の周方向に沿って連通孔14が設けられており、この連通孔14内に、前述実施形態と同様にブロック15、補助磁性体16、ブロック15…が順に繰り返し配設されている。ブロック15は回動軸4の周方向に動作不能に固定的に配置されており、補助磁性体16は隣り合うブロック15、15間の連通孔14内を回動軸4の周方向に移動自在に構成されている。尚、図11では、各磁気的要素9、11、14〜16が、回動軸4から径方向に所定距離離間して配置されている図を示しているが、これらの各磁気的要素9、11、14〜16が回動軸4の軸中心から放射状に延設するような配設形態であってもよい。
In addition, a
このようなアキシャル型の構成を適用しても前述実施形態とほぼ同様の作用効果をそうする。尚、第1および第2実施形態に示した回動型に適用すると、ヨーク8、10が連続的に磁気回路を構成するため、磁束分布を周期的に構成でき、後述実施形態のリニア型に比較してヨーク8、10を全体的に薄肉化できる。
Even if such an axial type configuration is applied, the same effect as in the above-described embodiment is achieved. When applied to the rotary type shown in the first and second embodiments, since the
(第3の実施形態)
図12は、本発明の第3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、リニア型に適用しているところにある。前述実施形態と同一部分については同一符号を付して説明を省略し、同一機能を有するが形態が異なる部分については同一符号を付して異なる説明を付加して説明する。
(Third embodiment)
FIG. 12 shows a third embodiment of the present invention. The difference from the previous embodiment is that it is applied to a linear type. The same parts as those in the previous embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted, and parts having the same function but different forms are denoted by the same reference numerals and different descriptions are added.
図12は、リニア型に配置した一例を示している。この図12には回動子6に代わる移動子24を示している。この図12では、リニア型のヨーク8、10を適用している。前述実施形態のモータ3、回動軸4に代えてリニア型のモータ(図示せず)が設けられており、制御回路1は、ヨーク8、10、磁石9、11を図示左右方向に移動調整制御可能に設けられている。したがって、ギャップ13が図示左右方向の一直線上に複数設けられている。ブロック15は図示左右方向に動作不能に固定的に配置されており、補助磁性体16は隣り合うブロック15、15間の連通孔14内を図示左右方向に移動自在に構成されている。
FIG. 12 shows an example of a linear arrangement. FIG. 12 shows a
このようなリニア型の構成を適用しても前述実施形態とほぼ同様の作用効果を奏する。また、リニア型に構成することで筐体を直方体に形成することができ、製品組み込み時のデッドスペースを削減でき、製品容積を拡大でき製品全体を小型化できる。 Even if such a linear configuration is applied, the same effects as those of the above-described embodiment can be obtained. In addition, the linear type casing can be formed in a rectangular parallelepiped, and the dead space when the product is assembled can be reduced, the product volume can be increased, and the entire product can be downsized.
(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。
回動子6とポンプ17とが回動軸4により連結された実施形態を示しているが、磁界印加/除去のタイミングと熱輸送タイミングとを適切に制御できれば、ポンプ17の駆動制御と回動子6の駆動制御とを同期して行っても独立して行っても良い。この場合、各種弁(ロータリ弁など)を用いることで適切な熱輸送タイミングを図ることができる。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above embodiment, and for example, the following modifications or expansions are possible.
Although an embodiment in which the
前述実施形態において、ギャップ13中にブロック15、補助磁性体16の何れかを常に配設するように調整制御しなくても良い。つまり、連通孔14の空間14aには例えば空気が満たされているが、磁気通過物質としての空気をギャップ13中に配設制御する形態に適用しても良い。
In the embodiment described above, adjustment control may not be performed so that either the
磁気冷凍装置1の実施形態を示したが、磁気温熱装置、磁気冷蔵装置などに適用しても良いし、これらの機能を兼ね備えた構成に適用しても良い。すなわち磁気式温度調整装置に適用できる。
Although the embodiment of the
尚、補助磁性体16の材質として他の強磁性体(例えば鉄)、常磁性体を適用しても良い。補助磁性体16の形態としては、磁性流体、バルク状、粒状に構成しても良い。また、補助磁性体16が外部磁力により保持可能な磁性体により構成されていると、当該補助磁性体16をブロック15と隣接させることが容易になるため望ましい。
As the material of the auxiliary
補助磁性体16が移動自在な方向は、内外磁石9、11が発生する磁界の方向と交差していれば直交方向に限られない。補助磁性体16の移動自在な方向に沿う断面は円形に限られない。補助磁性体16を、磁気作業物質15aと異なる材質で構成しても良い。補助磁性体16は、複数のブロック15間の全てに充填されていても良い。補助磁性体16に代えて空気のみを磁気通過物質として適用しても良い。
The direction in which the auxiliary
内外磁石9、11として、互いに異極の対向する永久磁石を適用したが、一方が永久磁石、他方が鉄などの強磁性体を適用しても良い。
前述実施形態では、補助磁性体16、ブロック15の配設位置関係についてギャップ13を揺動制御することで調整する実施形態を示しているが、一方向(所定方向)に通過、回転制御する構成でも良い。
As the inner and
In the above-described embodiment, an embodiment in which the positional relationship between the auxiliary
ブロック15の配置を固定して制御回路1がギャップ13を移動制御する実施形態を示しているが、ギャップ13を固定してブロック15(磁気作業物質15a)、補助磁性体16の少なくとも何れか一方を移動制御する形態に適用しても良い。補助磁性体16がハウジング2等に固定設置されており、制御回路1がブロック15を移動調整制御する形態に適用しても良い。すなわち、ギャップ13、ブロック15(磁気作業物質15a)、補助磁性体16の何れかを移動制御できれば何れの形態に適用しても良い。
In the embodiment, the
図面中、Aは磁気冷凍装置(磁気式温度調整装置)、1は制御回路(制御手段)、2はハウジング、3はモータ、4は回動軸、5は熱交換器、6は回動子、7はベアリング、8は内側ヨーク、9は内側磁石(磁界発生手段)、10は外側ヨーク、11は外側磁石(磁界発生手段)、12はハウジング、13はギャップ、14は連通孔、14aは空間(磁気通過物質)、15は磁気作業物質充填ブロック、15aは磁気作業物質、15bは外壁材、16は補助磁性体(磁気通過物質)、17はポンプ、18、19は配管、20は媒体、21は排熱部、22は冷熱部を示す。 In the drawings, A is a magnetic refrigeration apparatus (magnetic temperature control apparatus), 1 is a control circuit (control means), 2 is a housing, 3 is a motor, 4 is a rotating shaft, 5 is a heat exchanger, and 6 is a rotor. , 7 is a bearing, 8 is an inner yoke, 9 is an inner magnet (magnetic field generating means), 10 is an outer yoke, 11 is an outer magnet (magnetic field generating means), 12 is a housing, 13 is a gap, 14 is a communication hole, 14a is Space (magnetically permeable material), 15 is a magnetic working material filling block, 15a is a magnetic working material, 15b is an outer wall material, 16 is an auxiliary magnetic material (magnetically permeable material), 17 is a pump, 18 and 19 are piping, and 20 is a medium. , 21 is an exhaust heat section, and 22 is a cold heat section.
Claims (22)
印加磁界の変化により温度変化する磁気熱量効果を有する磁気作業物質が充填され当該磁気作業物質に媒体を通過させることにより熱交換する熱交換器と、
前記磁気作業物質をギャップ中に配設するように調整制御することにより前記磁界発生手段が磁界を前記磁気作業物質に印加する第1状態と、前記磁気作業物質以外の磁気通過物質をギャップ中に配設するように調整制御することにより前記磁界発生手段により前記磁気作業物質に印加された磁界を低減する第2状態と、に繰り返し制御する制御手段とを備えたことを特徴とする磁気式温度調整装置。 Magnetic field generating means for generating a magnetic field through the gap;
A heat exchanger that is filled with a magnetic working material having a magnetocaloric effect that changes in temperature due to a change in the applied magnetic field and that exchanges heat by passing the medium through the magnetic working material;
A first state in which the magnetic field generating means applies a magnetic field to the magnetic working material by adjusting and controlling the magnetic working material to be disposed in the gap, and a magnetically permeable material other than the magnetic working material in the gap. Magnetic temperature characterized by comprising: control means for repeatedly controlling to a second state in which the magnetic field applied to the magnetic working substance by the magnetic field generating means is reduced by adjusting and arranging the magnetic working material. Adjustment device.
前記補助磁性体の円弧角度は、当該補助磁性体の移動方向となる周方向において前記磁界発生手段を構成する永久磁石の円孤角度と同等以上に形成されていることを特徴とする請求項4ないし10の何れかに記載の磁気式温度調整装置。 The magnetic field generating means is constituted by a permanent magnet provided in a circular arc shape,
5. The arc angle of the auxiliary magnetic body is formed to be equal to or greater than an arc angle of a permanent magnet constituting the magnetic field generating means in a circumferential direction that is a moving direction of the auxiliary magnetic body. Thru | or 10 the magnetic-type temperature control apparatus in any one.
前記補助磁性体は、前記磁気作業物質の充填複数ブロック間の全てに充填されていることを特徴とする請求項4ないし15の何れかに記載の磁気式温度調整装置。 The magnetic working material is provided in a plurality of blocks,
16. The magnetic temperature control device according to claim 4, wherein the auxiliary magnetic body is filled in all of the plurality of blocks filled with the magnetic working substance.
前記制御手段は、前記複数のギャップ、前記磁気作業物質、前記磁気通過物質の少なくとも一つについて軸を中心として軸の周方向に回動することで前記複数のギャップ、前記磁気作業物質および前記磁気通過物質の配設位置関係を調整制御することを特徴とする請求項1ないし19の何れかに記載の磁気式温度調整装置。 A plurality of gaps of the magnetic field generating means are provided at a predetermined distance from the central axis around the axis,
The control means rotates at least one of the plurality of gaps, the magnetic working material, and the magnetically permeable material in the circumferential direction of the shaft around an axis, thereby allowing the plurality of gaps, the magnetic working material, and the magnetic material to rotate. 20. The magnetic temperature adjusting device according to claim 1, wherein the positional relationship of the passing substance is adjusted and controlled.
前記制御手段は、前記複数のギャップ、前記磁気作業物質、前記磁気通過物質の少なくとも一つを一直線状に移動することで、前記複数のギャップ、前記磁気作業物質および前記磁気通過物質の配設位置関係を調整制御することを特徴とする請求項1ないし20の何れかに記載の磁気式温度調整装置。 A plurality of gaps of the magnetic field generating means are provided in a straight line,
The control means moves at least one of the plurality of gaps, the magnetic working material, and the magnetically permeable material in a straight line, thereby arranging the plurality of gaps, the magnetic working material, and the magnetically permeable material. 21. The magnetic temperature adjusting device according to claim 1, wherein the relationship is adjusted and controlled.
前記ギャップ中の前記磁気作業物質および前記磁気通過物質の配設位置の関係は、前記複数のギャップ間で同期していることを特徴とする請求項1ないし21の何れかに記載の磁気式温度調整装置。 A plurality of gaps of the magnetic field generating means are provided,
The magnetic temperature according to any one of claims 1 to 21, wherein a relationship between positions of the magnetic working substance and the magnetically permeable substance in the gap is synchronized between the plurality of gaps. Adjustment device.
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