JP2013257104A

JP2013257104A - 磁気冷凍装置

Info

Publication number: JP2013257104A
Application number: JP2012134387A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Waki; 耕一郎脇; Yoshiki Miyazaki; 佳樹宮崎; Yuki Arai; 有気荒井; Katsutoshi Mizuno; 克俊水野; Keisuke Yoshizawa; 佳祐吉澤; Masaru Nagashima; 賢長嶋
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2013-12-26

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

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。
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。
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。