JP2013204984A - 回転型永久磁石磁気冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 共通回転軸に嵌合された円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の対を用い、この対の永久磁石を固定する部位を磁性金属体からなる蓋板で構成し、磁気回路付近の磁場を強化し、磁場分布を整えることができる回転型永久磁石磁気冷凍装置を提供する。
【解決手段】 回転型永久磁石磁気冷凍装置において、共通回転軸に嵌合された円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の対を用い、この対の永久磁石を固定する部位に蓋板５を配置し、この蓋板５を磁性金属体で構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気熱量効果に基づく回転型永久磁石磁気冷凍装置に関するものである。

強磁性体は、断熱的に磁場を印加すると発熱し、断熱的に磁場を除去すると吸熱する。これは磁気熱量効果と呼ばれ、強磁性・常磁性間の相転移温度（キュリー温度）の近傍において顕著である。強磁性体の磁気熱量効果と熱交換媒体の往復流動とを組み合わせて低温部と高温部を生成し、低温部を用いて他の物体を冷却できるようにしたものが磁気冷凍装置である。なお、キュリー温度は強磁性体に固有なので、磁気冷凍装置の使用したい温度領域にキュリー温度を持つような強磁性体の選択が必要である。また、磁気冷凍装置に使用される強磁性体は、磁気作業物質と呼ばれる。

磁気熱量効果を大きくして磁気冷凍装置の能力を高くするには、強い磁場を印加してその磁場を除去するとよい。また、磁気冷凍装置の構造を簡素化するためには、永久磁石の移動によって磁場の印加と除去を行うとよい。そこで、従来は、ある種のハルバッハ配列の永久磁石磁気回路を組み、これの回転によって磁場の印加と除去を行ってきた（下記特許文献１，２参照）。

また、本願の発明者らによって、既に、この種の磁気冷凍装置が提案されている（下記特許文献３参照）。

特表２００７−５２２６５７号公報 特開２００８−０５１４１２号公報 特開２０１１−２２６７３５号公報

上記した特許文献３の磁気冷凍装置を参考に従来の磁気冷凍装置について説明する。
図７は従来の磁気冷凍装置の全体模式図、図８はその円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の対を有する本体部分の断面図、図９はその円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の対を示す模式図、図１０は図９の円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の上面図である。

図７に示すように、円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路を対にした永久磁石組立体１０１を有する回転子Ａが共通回転軸１０５の周りを回転すること、およびロータリー弁１３０の流路が切り換わることにより、消磁して温度が低下したダクト１１２Ａ〜Ｄで冷却された熱交換媒体は、冷却器１２３で被冷却体を冷却した後、励磁して温度が上昇したダクト１１２Ａ〜Ｄを冷却して排熱交換器１３２に戻り、仕事分の熱量を放出する。なお、図１において、Ｂは固定子、１２１Ａ，Ｂは低温配管、１２２Ａ，Ｂは高温配管、１２４は被冷却体、１３１は循環器をそれぞれ示す。

より具体的には、図８に示すように、磁気冷凍装置の円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の対を有する本体部分の回転子Ａ側は、各永久磁石磁気回路を収める非磁性の容器１０１Ａ′，１０１Ｂ′と、非磁性の容器１０１Ａ′に収められる第１の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路１０２と、非磁性の容器１０１Ｂ′に収められるとともに第１の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路１０２と対向する第２の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路１０３とを対にした永久磁石組立体１０１、第１の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路１０２と第２の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路１０３との間に配置されるスペーサー１０４、及び第１の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路１０２と第２の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路１０３とスペーサー１０４とを嵌合する共通回転軸１０５からなる。

一方、磁気冷凍装置の円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の対を有する本体部分の固定子Ｂ側は、第１の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路１０２と第２の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路１０３との対向面の間に極めて大きな磁場が生成され得る磁場空間１１１に配置される磁気作業物質を収めたダクト１１２、この磁気作業物質を収めたダクト１１２を支持するホルダー１１３、このホルダー１１３を支持する支持柱１１４、この支持柱１１４を支持する側板１１５、共通回転軸１０５と側板１１５との間に配置される軸受１１６、及び軸受１１６を保持する軸受押さえ１１７からなる。

そして、上記したように永久磁石磁気回路において、永久磁石が脱落防止しないように非磁性体、例えば３ｍｍの非磁性の板１０１Ａ，１０１Ｂで固定されるようになっているために磁気回路の磁場分布の調整が難しいとともに、磁気回路でのギャップ内での磁場の強化の面でも問題があった。
本発明は、これらの問題を解決するために、共通回転軸に嵌合された円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の対を用い、この対の永久磁石を固定する部位を磁性金属体からなる蓋板で構成し、磁気回路付近の磁場を強化し、磁場分布を整えることができる回転型永久磁石磁気冷凍装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕共通回転軸に嵌合された円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の対を用い、この対の永久磁石を固定する部位に蓋板を配置し、この蓋板を磁性金属体で構成することを特徴とする回転型永久磁石磁気冷凍装置。
〔２〕請求項１記載の回転型永久磁石磁気冷凍装置において、前記蓋板の周辺部にテーパー面を形成し、該テーパー面を枠板で押さえるように構成したことを特徴とする回転型永久磁石磁気冷凍装置。

〔３〕請求項１記載の回転型永久磁石磁気冷凍装置において、前記蓋板の周辺部に段部を形成し、該段部を枠板で押さえるように構成したことを特徴とする回転型永久磁石磁気冷凍装置。
〔４〕請求項１記載の回転型永久磁石磁気冷凍装置において、前記蓋板が鉄板からなることを特徴とする回転型永久磁石磁気冷凍装置。

本発明によれば、従来の共通回転軸に嵌合された円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の対を用い、この対の永久磁石を固定する部位の非磁性体の板に代えて、蓋板を配置し、この蓋板を磁性金属体で構成し、磁気回路付近の磁場を強化し、磁場分布を整えることができる。

本発明の第１実施例を示す共通回転軸に嵌合された円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の永久磁石の固定部の断面模式図である。 本発明の第１実施例を示す共通回転軸に嵌合された円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の永久磁石組立体の上面模式図である。 本発明の第２実施例を示す共通回転軸に嵌合された円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の永久磁石の固定部の断面模式図である。 本発明の第２実施例を示す共通回転軸に嵌合された円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の永久磁石組立体の上面模式図である。 従来例の磁気回路の磁場解析結果を示す図である。 本発明の磁気回路の磁場解析結果を示す図である。 従来の磁気冷凍装置の全体模式図である。 従来の磁気冷凍装置の円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の対を有する本体部分の断面図である。 従来の磁気冷凍装置の円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の対を示す模式図である。 図９の円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の上面図である。

本発明の回転型永久磁石磁気冷凍装置は、共通回転軸に嵌合された円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の対を用い、この対の永久磁石を固定する部位に蓋板を配置し、この蓋板を磁性金属体で構成する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例を示す共通回転軸に嵌合された円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の永久磁石の固定部の断面模式図、図２はその共通回転軸に嵌合された円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の永久磁石組立体の上面模式図である。
これらの図において、１は永久磁石組立体、２は永久磁石組立体１を構成する永久磁石（例えば、ＮｄＦｅＢ）、３は永久磁石２を収納する枠体（例えば非磁性体又は金属体（ＳＵＳやアルミニウム）、４は永久磁石２の飛び出しを押さえるテーパ４Ａが形成された押さえ枠板〔厚さ３ｍｍの、例えば非磁性体又は金属体（ＳＵＳやアルミニウム）〕、５は永久磁石２の飛び出しを押さえる、テーパ５Ａが形成された蓋板（厚さ２．８ｍｍの磁性金属板：例えば鉄板）、６は蓋板５を固定するために枠体３に押さえ枠板４を固定するためのネジ部材である。

図３は本発明の第２実施例を示す共通回転軸に嵌合された円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の永久磁石の固定部の断面模式図、図４はその共通回転軸に嵌合された円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の永久磁石組立体の上面模式図である。
これらの図において、１１は永久磁石組立体、１２は永久磁石組立体１１を構成する永久磁石（例えば、ＮｄＦｅＢ）、１３は永久磁石１２を収納する枠体〔厚さ３ｍｍの枠板：非磁性体又は金属体（ＳＵＳやアルミニウム）〕、１４は永久磁石１２の飛び出しを押さえる段部１４Ａが形成された押さえ枠板〔厚さ３ｍｍの枠板：例えば非磁性体又は金属体（ＳＵＳやアルミニウム）〕、１５は永久磁石１２の飛び出しを押さえる、段部１５Ａが形成された蓋板（厚さ２．８ｍｍの磁性金属板：鉄板）、１６は蓋板１５を固定するために枠体１３に押さえ枠板１４を固定するためのネジ部材である。

本発明によれば、上記したように永久磁石組立体を構成する永久磁石の蓋板の鉄への置換を行った。そこで、従来例（ギャップ長さ２２ｍｍ）と、永久磁石の直前に厚さ３ｍｍの例えば鉄製の蓋板が配置された発明（ギャップ長さ１６ｍｍ＝永久磁石間２２ｍｍ−鉄板の厚さ３ｍｍ×２）について磁場の空間分布を計算した。計算上は、鉄板の厚さを２．８ｍｍとし、鉄板と永久磁石の狭間を０．２ｍｍ確保した。鉄の種類はＳＳ４００とした。尚、これらは、永久磁石をＮ４０ＳＨとした場合での値であり、永久磁石をＮ４８Ｍに変更した場合に磁場は１．１倍、力は１．２倍する必要がある。

図５は従来例の磁気回路の磁場解析結果を示す図、図６は本発明の磁気回路の磁場解析結果を示す図である。
（１）磁気回路の計算（エルフ）の結果、従来例（ギャップ長さ＝２２ｍｍ）でのギャップ中央における最大磁場は９８１０Ｇであり、本発明（ギャップ長さ＝１６ｍｍ）でのギャップ中央における最大磁場は９０４０Ｇであった。このように、ギャップ中央における最大磁場について、従来例に比べて本発明の方が小さくなることが分かった。ただし、従来例に比べると本発明は磁場の空間分布が凹凸の少ない台形であり、回転によって滑らかな励消磁が実現できる。また、図６に示す磁場が０．８Ｔを超える領域に相当する図の扇形形状中央の部分（Ａ）が広くなり、より綺麗な扇型形状になっている。なお、本発明におけるギャップ長さ１６ｍｍは磁石間長さ２２ｍｍ−蓋板の厚さ３ｍｍ×２である。また、これらは、永久磁石をＮ４０ＳＨとした場合の値であり、Ｎ４８Ｍに変更した場合は１．１倍となる。

（２）磁気回路に働く力について、従来例に比べて本発明は大きくなることが分かる。すなわち、従来例の場合、磁気回路に働く力は２７２ｋｇｆであるのに対し、本発明の場合は２９５ｋｇｆであった。ただし、本発明の場合に磁気回路に働く力は、磁石４５１ｋｇｆ−鉄製の蓋板１５６ｋｇｆで算出した。また、これらは永久磁石をＮ４０ＳＨとした場合の値であり、Ｎ４８Ｍに変更した場合には１．２倍となる。

（３）磁石の後方２５ｍｍと側方７５ｍｍにおける漏れ磁場について、従来例に比べて本発明は大きくなることが分かった。すなわち、従来例の場合、後方最大磁場は１５７０Ｇ、側方最大磁場は７０Ｇであるのに対し、本発明の場合、後方最大磁場は１６２０Ｇ、側方最大磁場は８０Ｇであった。なお、これらは永久磁石をＮ４０ＳＨとした場合の値であり、Ｎ４８Ｍに変更した場合には１．１倍となる。

（４）他にも、ギャップ中央に挿入したＧｄダクトのＺ方向最大磁気吸引応力について、従来例に比べて本発明は小さくなることが分かった。また、上記したように従来例に比べて本発明は応力の空間分布が凹凸の少ない台形であり、回転による応力変動が抑えられたものになる。すなわち、従来例の場合、Ｚ方向最大磁気吸引応力は４４６ｋＰａであるのに対し、本発明の場合は３８０ｋＰａであった。なお、これらは永久磁石をＮ４０ＳＨとした場合の値であり、Ｎ４８Ｍに変更した場合には１．２倍となる。

このように、従来例と比較して、本発明の回転型永久磁石磁気冷凍装置は、磁気回路付近の磁場を強化し、磁場分布を整えることができる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の回転型永久磁石磁気冷凍装置は、磁気回路付近の磁場を強化し、磁場分布を整えることができる回転型永久磁石磁気冷凍装置として利用可能である。

１，１１ 永久磁石組立体
２，１２ 永久磁石
３，１３ 永久磁石を収納する枠体
４，１４ 押さえ枠板
４Ａ テーパ
５，１５ 蓋板
５Ａ テーパ
６，１６ ネジ部材
１４Ａ 段部
１５Ａ 段部

Claims (4)

1. 共通回転軸に嵌合された円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の対を用い、該対の永久磁石を固定する部位に蓋板を配置し、該蓋板を磁性金属体で構成することを特徴とする回転型永久磁石磁気冷凍装置。
2. 請求項１記載の回転型永久磁石磁気冷凍装置において、前記蓋板の周辺部にテーパー面を形成し、このテーパー面を枠板で押さえるように構成したことを特徴とする回転型永久磁石磁気冷凍装置。
3. 請求項１記載の回転型永久磁石磁気冷凍装置において、前記蓋板の周辺部に段部を形成し、該段部を枠板で押さえるように構成したことを特徴とする回転型永久磁石磁気冷凍装置。
4. 請求項１記載の回転型永久磁石磁気冷凍装置において、前記蓋板が鉄板からなることを特徴とする回転型永久磁石磁気冷凍装置。