JP2013257104A - 磁気冷凍装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 磁気冷凍装置のダクト内に収納される棒形状又は板形状の磁気作業物質を、反磁場や渦電流が抑えられるように配列することによる、効率の高い磁気冷凍装置を提供する。
【解決手段】 磁気作業物質が収納されるダクト(1)を組み立て、固定状態に配置されるダクト組み立て体(21)と、該ダクト組み立て体(21)を挟むように配置され、磁場空間を生成し、回転可能に配置される磁気回路対(30)と、前記ダクト(1)に接続されるロータリー弁(51〜54)とを備え、前記ロータリー弁(51〜54)の動作を伴う前記ダクト組み立て体(21)への前記磁場空間における磁場の作用により、磁気熱量効果に基づく磁気冷凍を行う磁気冷凍装置において、前記ダクト(1)内に棒形状の磁気作業物質(101)を収納し、前記棒形状の磁気作業物質(101)の長さ方向を前記磁場(102)の方向へ合わせるように配列することにより、反磁場や渦電流を抑える。
【選択図】 図1

Description

本発明は、磁気熱量効果に基づく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て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流動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。ここで、キュリー温度は強磁性体に固有なので、磁気冷凍装置を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。なお、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。
磁気冷凍装置の効率を高くするには、磁気作業物質に対する磁場の印加や除去に合わせて熱交換媒体を流動させ、熱交換の効率を高くして磁気熱量効果を最大限に引き出すとよい。そこで、従来は、熱交換媒体流動用配管が接続されるダクトに磁気作業物質を収め、このダクトを磁場の印加と除去が可能な空間に配置してきた(下記特許文献1及び2参照)。
また、本願の特許出願人は、かかる磁気冷凍装置において、空間利用率を高めるダクトと、熱交換の効率を高めるロータリー弁と、メンテナンスを行いやすいホルダーを用いることにより、効率と利便性を高めた磁気冷凍装置を提案している(下記特許文献3参照)。
特開2002−106999号公報 特開2008−304183号公報 特開2012−047385号公報
上記した磁気作業物質は、品質の均一性を確保するために粒の形状とし、この集合体をダクトに収めるようにすることが多かった。しかし、この方式には欠点があり、熱交換媒体を流動させるための圧力損失が大きい。圧力損失を抑えるためには、磁気作業物質を棒形状又は板形状とし、間隔を維持しながらダクトに収めればよい。但し、この場合も配列を工夫しないと、反磁場のために磁気熱量効果が弱まったり、磁場の印加や除去に伴う渦電流のために熱的損失や力学的損失が生じたりしてしまうという問題がある。
本発明は、上記状況に鑑みて、磁気冷凍装置のダクト内に収納される棒形状または板形状の磁気作業物質を、反磁場や渦電流が抑えられるように配列することにより、効率の高い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〕磁気作業物質が収納されるダクト(1)を組み立て、固定状態に配置されるダクト組み立て体(21)と、このダクト組み立て体(21)を挟むように配置され、磁場空間を生成し、回転可能に配置される磁気回路対(30)と、前記ダクト(1)に接続されるロータリー弁(51〜54)とを備え、前記ロータリー弁(51〜54)の動作を伴う前記ダクト組み立て体(21)への前記磁場空間における磁場の作用により、磁気熱量効果に基づく磁気冷凍を行う磁気冷凍装置において、前記ダクト(1)内に棒形状又は板形状の磁気作業物質(101,111,121,131,141,151,161,171)を収納し、前記棒形状の磁気作業物質(101,121,131,141)の長さ方向又は前記板形状の磁気作業物質(111,151,161,171)の面内方向を前記磁場(102,112,123,134,143,153,163,173)の方向へ合わせるように配列することにより、反磁場や渦電流を抑えることを特徴とする。
〔2〕上記〔1〕記載の磁気冷凍装置において、前記磁気作業物質の占積率を前記ダクトの内周側では小さくすることを特徴とする。
〔3〕上記〔1〕記載の磁気冷凍装置において、前記ダクトに径方向の仕切り(133,163)を用意することにより、内周側において熱交換媒体の流路を折り返すように構成することを特徴とする。
本発明によれば、効率の高い磁気冷凍装置が提供されるので、地球温暖化の原因となるフロンを使用した気体冷凍装置の代替とすることができる。
本発明の要部を示すダクトに収納される棒形状の磁気作業物質について、その長さ方向を磁場の方向へ合わせるように配列した図である。 本発明の要部を示すダクトに収納される板形状の磁気作業物質について、その面内方向を磁場の方向へ合わせるように配列した図である。 本発明の実施例を示す磁気冷凍装置の図である。 本発明の実施例を示す磁気冷凍装置の回転する磁気回路対に挟まれて固定されたダクト組み立て体を示す図である。 本発明の実施例を示す棒形状の磁気作業物質の長さ方向を磁場の方向へ合わせるように配列して収めたダクトにおいて、径方向又は近似の方向へ熱交換媒体を流動させる図である。 本発明の他の実施例を示す棒形状の磁気作業物質の長さ方向を磁場の方向へ合わせるように配列して収めたダクトに径方向の仕切りを用意することにより、内周側において熱交換媒体の流路を折り返すように構成した図である。 本発明の他の実施例を示す棒形状の磁気作業物質の長さ方向を磁場の方向へ合わせるように配列して収めたダクトにおいて、周方向または近似の方向へ熱交換媒体を流動させる図である。 本発明の他の実施例を示す板形状の磁気作業物質の面内方向を磁場の方向と径方向へ合わせるように配列して収めたダクトにおいて、径方向へ熱交換媒体を流動させる図である。 本発明の他の実施例を示す板形状の磁気作業物質の面内方向を磁場の方向と径方向へ合わせるように配列して収めたダクトに径方向の仕切りを用意することにより、内周側において熱交換媒体の流路を折り返すように構成した図である。 本発明の他の実施例を示す板形状の磁気作業物質の面内方向を磁場の方向と周方向へ合わせるように配列して収めたダクトにおいて、周方向へ熱交換媒体を流動させる図である。
本発明の磁気冷凍装置は、磁気作業物質が収納されるダクト(1)を組み立て、固定状態に配置されるダクト組み立て体(21)と、このダクト組み立て体(21)を挟むように配置され、磁場空間を生成し、回転可能に配置される磁気回路対(30)と、前記ダクト(1)に接続されるロータリー弁(51〜54)とを備え、前記ロータリー弁(51〜54)の動作を伴う前記ダクト組み立て体(21)への前記磁場空間における磁場の作用により、磁気熱量効果に基づく磁気冷凍を行う磁気冷凍装置において、前記ダクト(1)内に棒形状又は板形状の磁気作業物質(101,111,121,131,141,151,161,171)を収納し、前記棒形状の磁気作業物質(101,121,131,141)の長さ方向又は前記板形状の磁気作業物質(111,151,161,171)の面内方向を前記磁場(102,112,123,134,143,153,163,173)の方向へ合わせるように配列することにより、反磁場や渦電流を抑える。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
一般に磁性体、特に強磁性体へ磁場を印加すると、強磁性体は磁場の向きに磁化し、この磁化に伴って逆向きの磁場が生じる。この逆向きの磁場は反磁場と呼ばれ、強磁性体の内部の磁場を弱めることになるので、強磁性体である磁気作業物質の磁気熱量効果が弱まってしまう。そこで、本発明では反磁場を抑えるために、棒形状または板形状の磁気作業物質とし、棒形状の磁気作業物質はその長さ方向を、板形状の磁気作業物質はその面内方向を磁場の方向へ合わせるように構成する。
また、磁気作業物質が金属であれば、磁場の印加や除去を妨げるように渦電流が生じる。渦電流は、磁気作業物質を発熱させたり、磁気作業物質に電磁力を作用させたりするので、損失が生じてしまう。そこで、本発明では渦電流を抑えるためにも、棒形状または板形状の磁気作業物質とし、反磁場を抑えるためと同じく、棒形状の磁気作業物質はその長さ方向を、板形状の磁気作業物質はその面内方向を磁場の方向へ合わせるように構成する。
図1は本発明の要部を示すダクトに収納される棒形状(突起があってもよい)の磁気作業物質について、その長さ方向を磁場の方向へ合わせるように配列した図である。
図1において、101はダクト内に配列される棒形状(突起があってもよい)の磁気作業物質、102は棒形状の磁気作業物質101の長さ方向へ印加される磁場である。
図2は本発明の要部を示すダクトに収納される板形状(溝が切ってあってもよい)の磁気作業物質について、その面内方向を磁場の方向へ合わせるように配列した図である。
図2において、111はダクト内に配列される板形状(溝が切ってあってもよい)の磁気作業物質、112は板形状の磁気作業物質111の面内方向へ印加される磁場である。
図3は、上記した本発明の実施例を示す磁気冷凍装置の図である(上記特許文献3の図8参照)。また、図4は本発明の実施例を示す磁気冷凍装置の回転する磁気回路対に挟まれて固定されたダクト組み立て体を示す図である。
図3において、51はサプライ系の高温側ロータリー弁、52はリターン系の高温側ロータリー弁、53はサプライ系の低温側ロータリー弁、54はリターン系の低温側ロータリー弁、55は消磁下のために吸熱するダクト、56は消磁下のために吸熱するダクト55に接続するサプライ系の高温側ロータリー弁51のダクト毎のポート、57は消磁下のために吸熱するダクト55に接続するリターン系の高温側ロータリー弁52のダクト毎のポート、58は消磁下のために吸熱するダクト55に接続するサプライ系の低温側ロータリー弁53のダクト毎のポート、59は消磁下のために吸熱するダクト55に接続するリターン系の低温側ロータリー弁54のダクト毎のポート、61はサプライ系の高温側の配管、62はリターン系の高温側の配管、63はサプライ系の低温側の配管、64はリターン系の低温側の配管、65は励磁下のために発熱するダクト、66は励磁下のために発熱するダクト65に接続するサプライ系の高温側ロータリー弁51のダクト毎のポート、67は励磁下のために発熱するダクト65に接続するリターン系の高温側ロータリー弁52のダクト毎のポート、68は励磁下のために発熱するダクト65に接続するサプライ系の低温側ロータリー弁53のダクト毎のポート、69は励磁下のために発熱するダクト65に接続するリターン系の低温側ロータリー弁54のダクト毎のポート、71は排熱交換器、72は放熱器、73は貯槽、74はポンプ、81は冷却器、82は低温利用部である。
図3における消磁下のために吸熱するダクト55とは、図4に示すような回転する磁気回路対30に挟まれて固定状態に配置されるダクト組み立て体21という円盤を構成する12個のダクト1の内、磁場が除去されたものである。また、励磁下のため発熱するダクト65とは、同じく、ダクト1の内、磁場が印加されたものである。磁気回路対30は、第1の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路31と第2の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路32を共通回転軸に嵌合させたものであり、対向する磁極間の2領域において磁場が強く、その磁場は共通回転軸の方向である。従って、磁気回路対30の回転により、12個のダクト1へは順々に磁場の印加と除去が繰り返される。
各ダクト1には、サプライ系の高温側ロータリー弁51とサプライ系の低温側ロータリー弁53とリターン系の高温側ロータリー弁52とリターン系の低温側ロータリー弁54がダクト毎のポートによって各々接続されている。各ロータリー弁51〜54は、図4に示すような、磁気回路対30の共通軸へプーリー接続することによって、磁気回路対30に同期して回転する。ただし、サプライ系のロータリー弁51,53が開となるのは、消磁下のために吸熱するダクト55に対してであり、図4に示すような回転する磁気回路対30を配置した場合、消磁の位相が互いに同期している2組4個のダクト1がそれに該当(図3には1個しか示していない)し、サプライ系のロータリー弁51,53が回転するのに伴って、該当するダクト1が交替する。また、リターン系のロータリー弁52,54が開となるのは、励磁下のために発熱するダクト65に対してであり、同様に、励磁の位相が互いに同期している2組4個のダクトがそれに該当(図3には1個しか示していない。)し、リターン系のロータリー弁52,54が回転するのに伴って、該当するダクト1が交替する。すなわち、ダクト55,65と排熱交換器71や冷却器81を接続する配管の往路用(サプライ系)と復路用(リターン系)が別々になるようにしてロータリー弁51〜54を用いているため、往路と復路の流れの向きが各々一定となり、配管が長くなってもダクト55,65における磁気作業物質の発熱や吸熱を運び切ることが可能である。
本発明では、このダクト1の各々に収納した棒形状の磁気作業物質121,131,141または板形状の磁気作業物質151,161,171を図5から図10に示すように配列する。
図5は、本発明の実施例を示す棒形状の磁気作業物質121の長さ方向を磁場123の方向へ合わせるように配列して収めたダクト122において、径方向または近似の方向へ熱交換媒体124を流動させる図である。このとき、流路を確保するため、ダクト122における棒形状の磁気作業物質121の占積率を内周側は小さくする。ここでは、棒形状の磁気作業物質121の本数の密度を小さくすることで実現している。また、図6のように、棒形状の磁気作業物質131の長さ方向を磁場134の方向へ合わせるように配列して収めたダクト132に径方向の仕切り133を用意することにより、内周側において熱交換媒体135の流路を折り返すようにしてもよい。図7は、本発明の他の実施例を示す棒形状の磁気作業物質141の長さ方向を磁場143の方向へ合わせるように配列して収めたダクト142において、周方向または近似の方向へ熱交換媒体144を流動させる図である。
図8は、本発明の他の実施例を示す板形状の磁気作業物質151の面内方向を磁場153の方向と径方向へ合わせるように配列して収めたダクト152において、径方向へ熱交換媒体154を流動させる図である。このとき、流路を確保するため、ダクト152における板形状の磁気作業物質151の占積率を内周側は小さくする。ここでは、板形状の磁気作業物質151の長さを短くしたものを併用することで実現している。また、図9のように、板形状の磁気作業物質161の面内方向を磁場164の方向と径方向へ合わせるように配列して収めたダクト162に径方向の仕切り163を用意することにより、内周側において熱交換媒体165の流路を折り返すようにしてもよい。図10は、本発明の他の実施例を示す板形状の磁気作業物質171の面内方向を磁場173の方向と周方向へ合わせるように配列して収めたダクト172において、周方向へ熱交換媒体174を流動させる図である。
このように、磁気作業物質(101,111,121,131,141,151,161,171)は棒形状又は板形状の磁気作業物質であり、その長さ方向又は面内方向を磁場(102,112,123,134,143,153,164,173)の方向に合わせるように配列するようにした。
なお、上記実施例では、図3において、放熱器72、低温利用部82とした磁気冷凍装置について述べたが、ロータリー弁51〜54の開閉について、消磁と励磁を逆にすれば、放熱器72は吸熱器となり、低温利用部82を高温利用部とすることにより、磁気温熱装置(両方合わせると磁気ヒートポンプ)として適用させることもできる。
また、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。
本発明の磁気冷凍装置は、磁気冷凍装置のダクト内に収納される棒形状又は板形状の磁気作業物質を、反磁場や渦電流が抑えられるように配列することによる、効率の高い磁気冷凍装置として利用可能である。
1,122,132,142,152,162,172 ダクト
21 固定状態に配置されるダクト組み立て体
30 磁気回路対
31 第1の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路
32 第2の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路
51 サプライ系の高温側ロータリー弁
52 リターン系の高温側ロータリー弁
53 サプライ系の低温側ロータリー弁
54 リターン系の低温側ロータリー弁
55 消磁下のために吸熱するダクト
56 消磁下のために吸熱するダクトに接続するサプライ系の高温側ロータリー弁のダクト毎のポート
57 消磁下のために吸熱するダクトに接続するリターン系の高温側ロータリー弁のダクト毎のポート
58 消磁下のために吸熱するダクトに接続するサプライ系の低温側ロータリー弁のダクト毎のポート
59 消磁下のために吸熱するダクトに接続するリターン系の低温側ロータリー弁のダクト毎のポート
61 サプライ系の高温側の配管
62 リターン系の高温側の配管
63 サプライ系の低温側の配管
64 リターン系の低温側の配管
65 励磁下のために発熱するダクト
66 励磁下のために発熱するダクトに接続するサプライ系の高温側ロータリー弁のダクト毎のポート
67 励磁下のために発熱するダクトに接続するリターン系の高温側ロータリー弁のダクト毎のポート
68 励磁下のために発熱するダクトに接続するサプライ系の低温側ロータリー弁のダクト毎のポート
69 励磁下のために発熱するダクトに接続するリターン系の低温側ロータリー弁のダクト毎のポート
71 排熱交換器
72 放熱器
73 貯槽
74 ポンプ
81 冷却器
82 低温利用部
101,121,131,141 棒形状の磁気作業物質
102,112,123,134,143,153,164,173 磁場
111,151,161,171 板形状の磁気作業物質
124,135,144,154,165,174 熱交換媒体
133,163 径方向の仕切り

Claims (3)

  1. 磁気作業物質が収納されるダクト(1)を組み立て、固定状態に配置されるダクト組み立て体(21)と、該ダクト組み立て体(21)を挟むように配置され、磁場空間を生成し、回転可能に配置される磁気回路対(30)と、前記ダクト(1)に接続されるロータリー弁(51〜54)とを備え、前記ロータリー弁(51〜54)の動作を伴う前記ダクト組み立て体(21)への前記磁場空間における磁場の作用により、磁気熱量効果に基づく磁気冷凍を行う磁気冷凍装置において、前記ダクト(1)内に棒形状又は板形状の磁気作業物質(101,111,121,131,141,151,161,171)を収納し、前記棒形状の磁気作業物質(101,121,131,141)の長さ方向又は前記板形状の磁気作業物質(111,151,161,171)の面内方向を前記磁場(102,112,123,134,143,153,163,173)の方向へ合わせるように配列することにより、反磁場や渦電流を抑えることを特徴とする磁気冷凍装置。
  2. 請求項1記載の磁気冷凍装置において、前記磁気作業物質の占積率を前記ダクトの内周側では小さくすることを特徴とする磁気冷凍装置。
  3. 請求項1記載の磁気冷凍装置において、前記ダクトに径方向の仕切り(133,163)を用意することにより、内周側において熱交換媒体の流路を折り返すように構成することを特徴とする磁気冷凍装置。
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