JP2011069508A - 磁気温度調整装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気作業物質に有効磁束密度を十分に作用させて熱交換効率の向上を図ることができる磁気温度調整装置を提供する。
【解決手段】磁気作業物質６ａ，６ｂが充填された２つの熱交換槽５ａ，５ｂを有し、上側コア７Ｕと下側コア７Ｄとの間に熱交換槽５ａ，５ｂを挟んで固定配置される作業物質側コア２と、作業物質側コア２の外周側に、間に永久磁石１９を挟むと共に、作業物質側コア２と軸方向において所定の空隙を有して配置される磁石側コア３と、熱交換槽５ａ，５ｂに連通する配管１５〜１７及びポンプ１２を含んで構成されて熱交換槽５ａ，５ｂに熱伝達媒体を流通させる媒体循環機構２５と、磁石側コア３を、作業物質側コア２の周方向に回転させる回転駆動部２０とを備えて磁気温度調整装置１を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、印加される外部磁界の変化に応じて温度変化する磁気作業物質が充填された１つ以上の熱交換器と、この熱交換器に熱伝達媒体を流通させる媒体循環機構とを備えた磁気温度調整装置に関する。

外部磁界の変化に応じて温度変化する磁気作業物質を用いて熱交換を行う磁気温度調整装置の一例が、特許文献１に開示されている。この磁気温度調整装置では、磁気作業物質を複数のグループに分けて軸方向に配置し、固定した永久磁石と磁気作業物質との間に磁気遮蔽体を配置している。磁気遮蔽体は、磁気遮蔽部と磁気通過部とを有しており、グループ分けされた磁気作業物質に印加される磁界が順次遅れて変化するように構成されている。これにより、磁気作業物質と温度調整媒体との熱交換を連続的に効率良く行うことを狙っている。

特開２００６−３０８１９７号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、永久磁石と磁気作業物質との間に磁気遮蔽体を配置しているため、永久磁石と磁気作業物質との距離が必然的に大きくなり、磁気作業物質に作用する有効磁束密度が低下する。したがって、熱交換効率を十分に向上させることができないという問題がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁気作業物質に有効磁束密度を十分に作用させて熱交換効率の向上を図ることができる磁気温度調整装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の磁気温度調整装置は、印加される外部磁界の変化に応じて温度変化する磁気作業物質が充填された１つ以上の熱交換器と、
夫々円環状をなす第１コアと第２コアとの間の一部に、前記熱交換器を挟むように固定配置され、且つ、前記第１コア及び第２コアが周方向において複数に分割されている作業物質側コアと、
この作業物質側コアの外周側において、２部材の一端が永久磁石の両端にそれぞれ接すると共に、他端が前記作業物質側コアと軸方向において所定の空隙を有するように配置される磁石側コアと、
前記熱交換器に連通する媒体流通路及び媒体循環用ポンプを含んで構成され、前記熱交換器に熱伝達媒体を流通させる媒体循環機構と、
前記磁石側コアを、前記作業物質側コアの周方向に回転させる回転駆動機構とを備えたことを特徴とする。

請求項１記載の磁気温度調整装置によれば、作業物質側コアに対して磁石側コアを回転させることで、熱交換器に対して磁界を連続的に変化させるので、熱交換効率を十分に向上させることができる。

第１実施例を示す磁気温度調整装置の縦断正面図 磁気温度調整装置の斜視図 （ａ）は作業物質側コアを構成する上側コアの平面図、（ｂ）は同下側コアと熱交換槽とを示す平面図、（ｃ）は作業物質側コア２を（ａ），（ｂ）の左方向から見た図 媒体循環機構をモデル化して直線状に配置した状態を示す図 第１状態，第２状態を交互に切り換える場合に、熱交換槽に発生する熱的変化と、ポンプが熱伝達媒体を送出，吸引することで変化する熱輸送状態とを示す図 熱交換槽の中央部に印加される磁束密度の変化をｘ，ｙ，ｚの３軸方向について測定した一例を示す図 第２実施例を示す図２相当図 図６相当図

（第１実施例）
以下、第１実施例について図１ないし図６を参照して説明する。図１は、磁気温度調整装置の縦断正面図、図２は同斜視図である。磁気温度調整装置１は、外形が概ね中空の円筒状をなす作業物質側コア２と、この作業物質側コア２を間に挟んで図１中左右両側に配置され、断面形状がそれぞれ逆コ字状，コ字状をなして、作業物質側コア２の上端側並びに下端側をそれぞれ所定の空隙を有して挟むように配置される磁石側コア３，短絡コア（磁気短絡用コア）４を備えている。

作業物質側コア２の円筒状の内部における左右両側には、それぞれ熱交換槽（熱交換器）５ａ，５ｂが配置されており、熱交換槽５ａ，５ｂの内部には、磁気作業物質６ａ，６ｂがそれぞれ充填されている。磁気作業物質６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）系等の磁性体であり、粒径が数μｍ程度の微細な粒子（球状粒子、細粒子（粒体））状をなしている。熱交換槽５ａ，５ｂの内部には、粒子状の磁気作業物質６，６ｂが多数充填されている。磁気作業物質６は、外部より加えられた磁界（磁場）が増加している間は温度が上昇し、逆に、加えられた磁界が取り去られて減少する間はその温度が下降するという磁気熱量効果を有する材料である。

作業物質側コア２は、鉄やフェライト等の磁性材料によって概ね円環状に構成されている上側コア（第１コア）７Ｕと、下側コア（第２コア）７Ｄとを有し、これらのコア７Ｕ，７Ｄにより熱交換槽５ａ，５ｂを上下に挟み込むように構成されている。また、上側コア７Ｕは、円環の途中部位の２箇所に空隙（スリット部）８ａ，８ｂが形成されており、２つに分割されている。

図３（ａ）は、上側コア７Ｕの平面図であり、図３（ｂ）は、上側コア７Ｕを取り除いて下側コア７Ｄと熱交換槽５ａ，５ｂとを示す平面図である。下側コア７Ｄも上側コア７Ｕと同様に、円環の途中部位の２箇所に空隙（スリット部）９ａ，９ｂが形成されて２つに分割されている。ただし、空隙９ａ，９ｂは、上側コア７Ｕの空隙８ａ，８ｂの形成位置と異なるように形成されている。
また、図３（ｃ）は、作業物質側コア２を、図３（ａ），（ｂ）の左方向から見た図である。上側コア７Ｕは、下方に凸となる凸部１０ａを有し、下側コア７Ｄは上方に凸となる凸部１１ａを有している。そして、凸部１０ａ，１１ａの間に挟まれて熱交換槽５ａが位置している。

再び、図１を参照する。熱交換槽５ａ，５ｂは、配管を介してポンプ（媒体循環用ポンプ）１２，排熱部１３，吸熱部１４が接続されており、例えば水などの熱伝達媒体がこれらの間で輸送されるようになっている。ポンプ１２から延びる配管１５は、先端側がＴ字型に分岐しており、その一方が熱交換槽５ａ側に，他方が熱交換槽５ｂ側に連通している。熱交換槽５ａを経由した熱伝達媒体は、配管１６を介して吸熱部１４に輸送され、熱交換槽５ｂを経由した熱伝達媒体は、配管１７を介して排熱部１３に輸送される。尚、配管１５〜１７は、図３（ｂ）にも二点鎖線で図示している。

磁石側コア３は、上側コア１８Ｕと下側コア１８Ｄとにより、例えばネオジム磁石などの永久磁石１９を間に挟んで構成されている。永久磁石１９は直方体状であり、上側コア１８Ｕ及び下側コア１８Ｄは、縦断面形状が何れもＬ字状となっている。そして、下側コア１８Ｄの上端部と、上側コア１８Ｕの下端部との間に永久磁石１９が保持されている。また、下側コア１８Ｄの先端部が、磁石側コア３の下側コア７Ｄ側に延びており、上側コア１８Ｕの先端部が、磁石側コア３の上側コア７Ｕ側に延びている。下側コア１８Ｄ，上側コア１８Ｕの先端部の形状は、上方から見て次第に幅狭となっており、先端面は、磁石側コア３の上側コア７Ｕの内周面とほぼ面一となる円弧状をなしている。

一方、短絡コア４は、外形が磁石側コア３と同様であり、磁性材料によって一体に構成されており、磁石側コア３に対向して作業物質側コア２の右側に配置されている。尚、図３（ａ）には、磁石側コア３の上側コア１８Ｕと、短絡コア４の上部とを二点鎖線で図示している。また、空隙８ａ，８ｂが上側コア７Ｕに形成されている角度，並びに空隙９ａ，９ｂが下側コア７Ｄに形成されている角度は、磁石側コア３が回転して上側コア１８Ｕの周方向端面１８Ｕｓと交差する際に、両者が所定の角度をなすように設定されている。これは、下側コア１８Ｄについても、更に同じ形状の短絡コア４についても同様の関係になっている。

そして、図１に示すように、磁石側コア３及び短絡コア４は、回転駆動部（回転駆動機構）２０に連結されて、作業物質側コア２の外周側を回転するように配置されている。回転駆動部２０は、例えばギアヘッド付きステッピングモータ等からなるモータ２１，このモータ２１から上方に延びて、ベアリング２２より回転可能に支持される回転軸２３，この回転軸２３に固定された状態で、磁石側コア３及び短絡コア４を支持するハウジング２４を備えている。ハウジング２４の形状は、磁石側コア３及び短絡コア４の下端側を収容するため、矩形のトレイ型に構成されている。

一方、作業物質側コア２については、例えば、配管１５〜１７が伸びている上方側より図示しない支持部材が中空部に挿入されて、その支持部材の先端がコア７に固定されることで、上方より吊持された状態で固定されている。尚、ポンプ１２，排熱部１３，吸熱部１４，配管（媒体流通路）１５〜１７は、媒体循環機構２５を構成している。尚、図２では、回転駆動部２０及び媒体循環機構２５の図示を省略している。

次に、本実施例の作用について図４ないし図６も参照して説明する。図４は、ポンプ１２，熱交換槽５ａ及び５ｂ，排熱部１３，吸熱部１４の構成をモデル化して、直線状に配置した状態を示すものである。（ａ）は熱交換槽５ｂ側に磁界が印加されている場合において、ポンプ１２が熱伝達媒体を排熱部１３，吸熱部１４側に送出した状態を示しており、（ｂ）は熱交換槽５ａ側に磁界が印加されている場合において、ポンプ１２が熱伝達媒体を吸引した状態を示している。

また、図５は、回転駆動部２０が磁石側コア３及び短絡コア４を回転させて第１状態，第２状態を交互に切り換える場合に、熱交換槽５ａ，５ｂに発生する熱的変化と、ポンプ１２が熱伝達媒体を送出，吸引することで変化する熱輸送状態とを示すものである。

まず、磁石側コア３が熱交換槽５ｂ側に位置する過程で、熱交換槽５ｂの磁気作業物質６ｂに印加される磁界は、例えば最大で０．８Ｔ程度の磁束密度まで上昇する。すると、その上昇の過程において、磁気作業物質６ｂはその粒子の格子系の電子スピンが磁場の方向に揃った状態になるため磁気エントロピーが小さくなり、エネルギーが格子系に与えられて格子振動が激しくなり磁性体の温度が上昇し、温熱を発生する（第１状態，図５中に丸数字で示す）。

この時、熱交換槽５ａの磁気作業物質６ａ側に印加される磁界は略０Ｔとなり、逆の作用によって冷熱を発生する（第２状態）。そして、ポンプ１２が熱伝達媒体を排熱部１３，吸熱部１４側に送出すると、熱交換槽５ｂを経由した熱伝達媒体は磁気作業物質６ｂが発した熱を受けて高温となり、排熱部１３に至る（温熱輸送）。一方、熱交換槽５ａを経由した熱伝達媒体は磁気作業物質６ａによって熱が吸収され低温となり、吸熱部１４に至る（冷熱輸送）。

そして、上記の状態から、回転駆動部２０が磁石側コア３及び短絡コア４を１８０°回転させると、その過程で今度は熱交換槽５ａの磁気作業物質６ａが温熱を発生し（第１状態）、熱交換槽５ｂの磁気作業物質６ｂは冷熱を発生する（第２状態）。この時、磁気作業物質６ｂに与えられていた磁束密度が減少して略０Ｔとなるため、その減少の過程において、磁気作業物質６ｂはその粒子の格子系の電子スピンがランダムな向きの状態をとり、磁気エントロピーが大きくなり、磁気作業物質６ｂは吸熱する。
この状態から、ポンプ１２が熱伝達媒体を吸引すると、排熱部１３に位置していた熱伝達媒体は、温度が低下した熱交換槽５ｂを通過することで温度が下がり、吸熱部１４に位置していた熱伝達媒体は、温度が上昇した熱交換槽５ａを通過することで温度が上昇する。この時、排熱部１３及び吸熱部１４の内部は負圧となる。

ここで図６は、熱交換槽５の中央部に印加される磁束密度の変化をｘ，ｙ，ｚの３軸方向について測定した一例を示している。熱交換槽５が第１状態となった場合のｚ軸方向磁束密度は０．７９Ｔであり、熱交換槽５が第２状態となった場合の同磁束密度は０．０３Ｔとなっている。尚、ｘ，ｙ軸方向の磁束密度は０Ｔからほとんど変化しない。
上記過程を交互に繰り返すことで、排熱部１３側では、熱伝達媒体の温度変化における勾配が正となって温度が次第に上昇する。一方、吸熱部１４側では、熱伝達媒体の温度変化における勾配が負となって温度が次第に低下する。その結果、排熱部１３側では加熱を行うことができ、吸熱部１４側では冷却を行うことが可能となる。すなわち、磁気温度調整装置１は、必要に応じて加熱装置，冷却装置の何れにも使用できる。

以上のように本実施例によれば、磁気作業物質６ａ，６ｂが充填された２つの熱交換槽５ａ，５ｂを有し、上側コア７Ｕと下側コア７Ｄとの間に熱交換槽５ａ，５ｂを挟んで固定配置される作業物質側コア２と、作業物質側コア２の外周側に、間に永久磁石１９を挟むと共に、作業物質側コア２と軸方向において所定の空隙を有して配置される磁石側コア３と、熱交換槽５ａ，５ｂに連通する配管１５〜１７及びポンプ１２を含んで構成されて熱交換槽５ａ，５ｂに熱伝達媒体を流通させる媒体循環機構２５と、磁石側コア３を、作業物質側コア２の周方向に回転させる回転駆動部２０とを備えて磁気温度調整装置１を構成した。そして、作業物質側コア２に対して磁石側コア３を回転させて熱交換槽５ａ，５ｂに作用する磁界を連続的に変化させるので、熱交換効率を十分に向上させることができる。

この場合、作業物質側コア２を、上側コア１８Ｕの分割位置と下側コア１８Ｄの分割位置とが異なるようにしたので、磁石側コア３を回転させた場合に発生するコギングトルクを低減することができる。そして、作業物質側コア２を介して磁石側コア３と対向する位置に短絡コア４を配置したので、第２状態となる熱交換槽５側に漏れる磁束を短絡して作用する磁束密度を低下させることができる。その結果、第１状態，第２状態において作用する磁束密度のダイナミックレンジをより大きくできるので、熱交換効率を向上させることができる。

また、磁石側コア３を、永久磁石１９に接している部分の断面積よりも、作業物質側コア２に対向する部分の断面積が小さくなるように構成したので、永久磁石１９が発生させた磁束を熱交換槽５により集中させて印加することができる。更に、磁石側コア３の周方向端面と、作業物質側コア２を分割している空隙８ａ，８ｂ並びに空隙９ａ，９ｂとを、前記磁石側コアが前記回転駆動機構により回転されて両者が交差する場合、互いに所定の角度をなすように構成した。

これにより、磁石側コア３が回転して、上側コア１８Ｕの周方向端面１８Ｕｓが上側コア７Ｕの空隙８ａ，８ｂと交差する場合には、互いに所定の角度をもって徐々に交差するようになる（また、下側コア１８Ｄの周方向端面と下側コア７Ｄの空隙９ａ，９ｂについても同様）。したがって、磁石側コア３と作業物質側コア２との間に作用する磁気的吸引力が徐々に変化するので、両者が交差する場合に生じるコギングトルクが低減でき、モータ２１をスムーズ回すことが可能となり、モータ２１の負荷を低減できる。

（第２実施例）
図７及び図８は第２実施例であり、第１実施例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に示すように、第２実施例の磁気温度調整装置３１は、第１実施例の構成より短絡コア４を取り除いたものである。図８は、図６相当図であるが、この場合、熱交換槽５が第１状態となった場合のｚ軸方向磁束密度は０．８０Ｔであり、熱交換槽５が第２状態となった場合の同磁束密度は０．１１Ｔとなっている。何れも若干増加しているが、第２状態の場合の磁束密度の上昇率がより大きくなっている。

第１実施例の場合、磁束密度の最大／最小比は、７９／３≒２６．３であるのに対し、第２実施例の場合、同比は８０／１１≒７．３である。したがって、第１実施例の磁気温度調整装置１に比較して熱交換効率は若干低下するが、斯様に構成される磁気温度調整装置３１による場合も、ほぼ同様の効果を得ることができる。

本発明は上記し又は図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
熱交換槽５は、１つのみでも、若しくは３つ以上配置しても良い。
永久磁石１９は、ネオジム磁石に限ることなく、必要な磁力が得られるものを適宜選択して使用すれば良い。
回転駆動部２０を構成するモータ２１は、例えばブラシレスＤＣモータのような永久磁石型モータであっても良い。
媒体循環機構２５の構成は、例示したものに限ることはなく、個別の設計に応じて適宜変更して良い。
また、作業物質側コア２や磁石側コア３の具体形状についても、適宜変形して実施して良い。

図面中、１は磁気温度調整装置、２は作業物質側コア、３は磁石側コア、４は短絡コア（磁気短絡用コア）、５ａ，５ｂは熱交換槽、６ａ，６ｂは磁気作業物質、７Ｕは上側コア（第１コア）、７Ｄは下側コア（第２コア）、８ａ，８ｂは空隙（スリット部）、９ａ，９ｂは空隙（スリット部）、１２はポンプ（媒体循環用ポンプ）、１３は排熱部、１４は吸熱部、１５〜１７は配管（媒体流通路）、２０は回転駆動部（回転駆動機構）、２５は媒体循環機構、３１は磁気温度調整装置を示す。

Claims (5)

1. 印加される外部磁界の変化に応じて温度変化する磁気作業物質が充填された１つ以上の熱交換器と、
   夫々円環状をなす第１コアと第２コアとの間の一部に、前記熱交換器を挟むように固定配置され、且つ、前記第１コア及び第２コアが周方向において複数に分割されている作業物質側コアと、
   この作業物質側コアの外周側において、２部材の一端が永久磁石の両端にそれぞれ接すると共に、他端が前記作業物質側コアと軸方向において所定の空隙を有するように配置される磁石側コアと、
   前記熱交換器に連通する媒体流通路及び媒体循環用ポンプを含んで構成され、前記熱交換器に熱伝達媒体を流通させる媒体循環機構と、
   前記磁石側コアを、前記作業物質側コアの周方向に回転させる回転駆動機構とを備えたことを特徴とする磁気温度調整装置。
2. 前記作業物質側コアは、前記第１コアの分割位置と前記第２コアの分割位置とが異なるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の磁気温度調整装置。
3. 前記作業物質側コアを介して前記磁石側コアと対向する位置に、前記作業物質側コアと軸方向において所定の空隙を有するように配置される磁気短絡用コアを備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の磁気温度調整装置。
4. 前記磁石側コアは、前記永久磁石に接している部分の断面積よりも、前記作業物質側コアに対向する部分の断面積が小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の磁気温度調整装置。
5. 前記磁石側コアの周方向端面と、前記作業物質側コアを分割しているスリット部とは、前記磁石側コアが前記回転駆動機構により回転されて両者が交差する場合、互いに所定の角度をなすように構成されていることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の磁気温度調整装置。

Images