JP2013533456A - 磁気熱量材料を有する熱発生器 - Google Patents

磁気熱量材料を有する熱発生器 Download PDF

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Abstract

本発明は、少なくとも2つの磁気熱量素子(111、112)を備える少なくとも1つの熱モジュール(110)を有する熱発生器(100)に関する。本熱発生器(100)は:少なくとも2つの磁気集合体(131、132)を備え、それぞれの磁気集合体が、前記熱モジュール(110)の少なくとも1つの磁気熱量素子(111、112)を磁気位相の交替に供すること、および磁気集合体(131、132)を互いに絶縁し、磁気集合体(131、132)およびその磁気熱量素子(111、112)を備える断熱セル(141、142)を形成する絶縁手段を備えることを特徴とする。
【選択図】図2A

Description

本発明は、少なくとも2つの磁気熱量素子を備える少なくとも1つの熱モジュールを有する熱発生器に関する。
室温での磁気冷却技術は20数年以上前から知られており、環境配慮および持続可能な開発の点でこの技術がもたらす利点が認識されている。また、この技術の有用な発熱力および効率には限度があることも知られている。そのため、この分野に関わる研究でこのような熱発生器の性能が改善される傾向にあり、磁力、磁気熱量材料の性能、冷却液と磁気熱量材料との間の熱交換面積、熱交換器の性能など、さまざまなパラメータについて研究されている。
磁気熱量材料の選択は決定的なものであり、磁気熱量効果型熱発生器の性能に直接影響を及ぼす。磁気熱量効果は、磁気熱量材料のキュリー温度の前後で最大になる。磁気熱量効果型熱発生器を幅広い温度範囲で動作させるために、キュリー温度の異なる複数の磁気熱量材料を接続することが知られている。
したがって、多くの磁気熱量効果型熱発生器は、冷却液を前記磁気熱量材料に沿わせてまたはこの材料を通って、逆の2方向に、磁気熱量材料が供される磁場の増加位相および磁場の減少位相に応じて循環させて、複数の磁気熱量素子の磁気熱量効果を利用したものである。このような熱発生器を始動させると、冷却液が循環することにより磁気熱量材料の両端間に温度勾配を達成することができる。この温度勾配の達成は、初期温度、冷却液の流量、磁気熱量材料の磁気熱量効果の強度、キュリー温度および長さなど、様々な要素に左右される。磁気熱量効果材料の初期温度およびキュリー温度が近いほど温度勾配が速く達成され、熱発生器は、この温度勾配を基に動作し、熱エネルギーを生成するまたは外部回路と熱エネルギーを交換することができる。ただし、冷却液および磁気熱量材料の初期温度は制御されず、熱発生器の外部温度と同じである。この温度は、たとえば−20から+60℃までの非常に幅広い範囲に及ぶ可能性がある。これは、温度勾配の達成、すなわち磁気熱量効果型熱発生器の動作段階が、長くなる可能性があるということである。
このほか、幅広い温度範囲に対して働かせるということは、一般に永久磁石の集合体で構成される磁気システムが大きな温度変化を受けるということである。実際、磁気熱量材料は、一般に磁気システムのエアギャップ内に配置されるため、熱対流によって磁気システムに温度変化をもたらす。図1Aおよび図1Bは、このようにするための熱発生器を示し、この熱発生器は、エアギャップGを形成する2つの磁石M1およびM2で構成される磁気システムを有し、このエアギャップ内を2つの磁気熱量材料MC1およびMC2が移動する。エアギャップの体積はほぼすべて、磁気熱量材料MC1またはMC2で交互に充填される。前記磁気熱量材料MC1およびMC2のうちの一方がエアギャップ内にあるとき、磁石M1、M2と前記磁気熱量材料MC1、MC2との間には、発熱力を増加させるための最低限のスペースしかない。第1の磁気熱量材料MC1は、キュリー温度が0℃、動作範囲または推移範囲が−10℃から+10℃であり、第2の磁気熱量材料MC2は、キュリー温度が20℃、動作範囲または推移範囲が+10℃から+30℃である。図1Aは、第1の磁気熱量材料MC1が増加する磁場に供され、第2の磁気熱量材料MC2が減少する磁場に供される、第1のサイクル段階を示し、図1Bは、第1の磁気熱量材料MC1が減少する磁場に供され、第2の磁気熱量材料MC2が増加する磁場に供される第2のサイクル段階を示す。磁石によって受ける温度幅は、40℃(−10℃から+30℃まで)である。熱慣性を伴う磁石は、磁気熱量材料MC1およびMC2の温度勾配に有害な影響を及ぼす:磁石は、前記磁気熱量材料MC1およびMC2と熱交換を行い、これによって磁気熱量材料の温度勾配が小さくなる。その結果、この温度勾配と関係のある磁気熱量効果型熱発生器の性能は低下する。
本発明は、熱効率を向上させた熱発生器を提供して、前述の欠点を緩和することを目的とする。
このようにするために、本発明による熱発生器は、
− 少なくとも2つの磁気集合体を備え、それぞれの磁気集合体は、前記熱モジュールの少なくとも1つの磁気熱量素子を磁気位相の交替に供すること、および
− 磁気集合体を互いに絶縁し、磁気集合体およびその磁気熱量素子を備える断熱セルを形成する絶縁手段を備えること
を特徴とする。
好ましくは、前記少なくとも2つの磁気熱量素子は、キュリー温度が異なるものにでき、この素子のキュリー温度が高くなっていく順序に並べたこの素子の端または端部で互いに流体連通することができる。前記熱モジュールは、キュリー温度が最も低い磁気熱量素子の低温端または低温端部と、キュリー温度が最も高い磁気熱量素子の高温端または高温端部との間の温度差に相当する温度勾配を生じることができる。前記少なくとも2つの磁気熱量素子は、好ましくは熱モジュールの温度勾配をカバーすることができ、その結果、互いに流体連通している2つの磁気熱量素子の温度は近く、前記少なくとも2つの磁気熱量素子は、常に冷却液と接触した状態で、磁場の増加および減少にそれぞれが交互に供されることもできるため、流れる方向は、磁気位相が変化するたびに、前記磁気熱量素子の一方の端または端部からもう一方の端または端部へ変化する。
磁気熱量素子は、磁気熱量材料または磁気熱量素子がこの素子の温度上昇(記載した磁気熱量素子の場合、磁場の増加位相)に供される段階に相当する磁気サイクルの第1の段階では、この素子の低温端からこの素子の高温端へ循環し、磁気熱量材料または磁気熱量素子がこの素子の温度低下(記載した磁気熱量素子の場合、磁場の減少位相)に供される段階に相当する磁気サイクルの第2の段階では、この素子の高温端からこの素子の低温端へ循環する冷却液と熱接触するようになっている。逆の磁気熱量効果を有する材料の場合、磁場が増加することによって、この材料の温度が下がり、磁場が減少することによって、この材料の温度が上昇する。冷却液と磁気熱量素子との間の熱接触は、冷却液を磁気熱量材料に沿わせてまたはこの材料を通って移動させることによって実現することができる。このようにするために、磁気熱量素子は、1つまたは複数の磁気熱量材料で構成されることができ、冷却液に対して透過性のあるものとすることができる。磁気熱量素子は、磁気熱量材料の両端間に延びる流体循環経路を備えてもよい。これらの経路は、磁気熱量材料の多孔性、または加工された管路もしくは磁気熱量材料からなるプレートの集合体により得られる管路により実現されることができる。
冷却液は、液体であることが好ましい。このようにするために、例えば、純水もしくは凍結防止剤を添加した水、グリコール剤または塩水を使用することができる。
このほか、本発明によれば、流体連通している磁気熱量素子の端は、温度が近い、すなわち連通している2つの端の間の温度差はわずかであり、この2つの端は、好ましくは同じ温度である。
1つの磁気位相が、磁場の増加または減少に対応する。したがって、磁気熱量素子の影響を受ける1回の磁気サイクルは、前記磁気熱量素子内の磁場の増加および減少に対応し、これに対応する(または逆の)前記磁気熱量素子の温度の上昇および低下を起こす。
磁気集合体は、図示したもののように永久磁石を組み合わせたものまたは電磁石を備えることができる。永久磁石を用いる場合、磁気位相の変化は、例えば、磁気集合体とこれに対応する磁気熱量素子との相対的な動きによって達成することができる。当然ながら、磁場を変動させることができる他の可能性が本発明から排除されるわけではない。
本発明によれば、前記熱モジュールの場合、磁気熱量素子に磁気集合体を割り当てることができる。
本熱発生器は、少なくとも2つの熱モジュールを備えることもでき、少なくとも1つの共用の磁気集合体は、少なくとも2つの熱モジュールの磁気熱量素子を、交互に入れ替わる磁気位相に供することができる。
絶縁手段は、それぞれの磁気集合体およびその磁気熱量素子の周囲に配置される、少なくとも1つの断熱材の層で作製されることができる。
絶縁手段は、磁気集合体に固定されてもよい。
本発明によれば、前記断熱セルは、密閉性の囲壁とすることができる。
したがって、前記断熱セルは、真空状態とすることができる。
前記断熱セルは、熱伝導性の低いガスまたは様々なガスの混合物で充填されてもよい。このガスは、例えば、アルゴンまたはクリプトンとすることができる。
第1の変形例では、前記断熱セル内に含まれるガスの圧力は、大気圧と等しいものにすることができる。
もう1つの変形例では、前記断熱セル内に含まれるガスは、加圧状態にすることができる。
このほか、それぞれの磁気集合体とその磁気熱量素子との間に、断熱材の層を配置することができる。
本発明およびその利点は、添付の図面を参照して、非限定的な例として挙げた実施形態に沿って説明した以下の説明文を読めば明らかになるであろう。
先行技術による熱発生器の概略図であり、連続する2つの磁気位相のうちの一方を示す図である。 先行技術による熱発生器の概略図であり、連続する2つの磁気位相のうちのもう一方を示す図である。 本発明の第1の実施形態による熱発生器の2つの磁気熱量素子を備える熱モジュールの概略図であり、連続する2つの磁気位相のうちの一方を示す図である。 本発明の第1の実施形態による熱発生器の2つの磁気熱量素子を備える熱モジュールの概略図であり、連続する2つの磁気位相のうちのもう一方を示す図である。 本発明の第2の実施形態による熱発生器の熱モジュールの概略図であり、連続する2つの磁気位相のうちの一方を示す図である。 本発明の第2の実施形態による熱発生器の熱モジュールの概略図であり、連続する2つの磁気位相のうちのもう一方を示す図である。 図3Aの熱発生器の正面立面図の概略図である。 図3Bの熱発生器の正面立面図の概略図である。 本発明の第3の実施形態による熱発生器の2つの熱モジュールの概略図であり、連続する2つの磁気位相のうちの一方を示す図である。 本発明の第3の実施形態による熱発生器の2つの熱モジュールの概略図であり、連続する2つの磁気位相のうちのもう一方を示す図である。
図示した実施形態では、同一の部分には同じ符号を付している。
図2Aおよび図2Bは、本発明の第1の実施形態による熱発生器100の熱モジュール110の概略図である。この熱モジュール110は、2つの磁気熱量素子111および112を備える。熱モジュール110の低温端C11は、図2Aおよび図2Bの左側に位置する第1の磁気熱量素子111の端に相当し、熱モジュール110の高温端H11は、図2Aおよび図2Bの右側に位置する第2の磁気熱量素子112の端に相当する。磁気熱量素子111および112はそれぞれ、131、132に相当する磁気集合体が達成する磁気サイクルに供される。第1の磁気交代(図2Aを参照)では、冷却液Fは、磁場の増加に供されている磁気熱量素子111の低温端C11からこの磁気熱量素子111のもう一方の端(その高温端)に向かって流れ、磁場の減少に供されている磁気熱量素子112の高温端H11から磁気熱量素子112のもう一方の端(その低温端)に向かって流れ、第2の磁気交代の際は、この循環方向が逆になる。
磁気集合体131、132はそれぞれ、互いに対面して配置された2つの永久磁石で構成されている。これによって、断熱セル141および142を作製して、2つの磁気集合体131、132の間をその磁気熱量材料111および112で断熱することができる。この断熱は、磁気集合体131、132の周囲に配置される、非常に強力な絶縁材の層によって実現される。この例では、磁気集合体を移動させて磁場の変化を起こす。
磁気熱量素子111および112は、図1Aおよび図1Bに示す先行技術の熱発生器に対して記載した磁気熱量素子MC1およびMC2と同じ特徴を有する。しかしながら、本発明の熱発生器100の効率の方が高い。なぜなら、アクティブでない磁石131、132の塊が及ぼす熱の影響は、2つの断熱セル141および142があることにより低減されるからである。したがって、セル141および142内では、磁気集合体131および132によって受ける温度勾配が20度であるのに対し(それぞれ−10℃から+10℃までおよび+10℃から+30℃まで)、先行技術の熱発生器では、40度である。したがって、磁気熱量材料111および112とこれに対応するその磁気集合体131、132との間の温度差も小さくなり、その結果、熱発生器の効率は上昇する。
図3Aおよび図3Bは、本発明の第2の実施形態による熱発生器200の熱モジュール210の概略図である。この例は、磁気集合体231、232、233が熱発生器200の長手軸5の周りに回転するシャフトに固定されている、回転式熱発生器200用に特に適応されたものである。図4Aおよび図4Bは、この熱発生器200の簡易化した正面立面図であり、特に、図3Aおよび図3Bの位置とそれぞれ対応する位置にある磁気集合体231の一部を示している。
この図4Aおよび図4Bは、この熱発生器200の磁気集合体231と8つの熱モジュール210、1210、2210、3210、4210、5210、6210および7210の磁気熱量素子211、1211、2211、3211、4211、5211、6211および7211との間の相互作用を示している。磁気集合体231、232、233はそれぞれ、互いに対面して配置された4つの永久磁石からなる2つのグループで構成され、磁気ギャップ6を形成し、この中に、対応する熱モジュールの磁気熱量材料が設置される。これらの永久磁石は、磁気熱量効果型熱発生器200の長手軸5の周りに規則的な間隔をあけて配置され、その結果、放射状の4つの磁気区画が作製され、これらの区画は、放射状の4つの非磁気区分で隔てられる(特に図4Aおよび図4Bを参照)。したがって、シャフトまたは軸5が回転することによって、磁気集合体231、232、233は、対応する磁気熱量素子を磁場変動に供し、これによって、その磁気位相に応じて磁気熱量素子の温度を上昇・低下させる。
熱モジュール210は、3つの磁気熱量素子211、212および213を有し、これらの素子は、前記磁気熱量素子211、212、213を通って循環する冷却液を介して連通している。この例では、図3Aおよび図3Bの左に配置された磁気熱量材料211は、キュリー温度が最も低く、その低温端と高温端との間に−10℃から0℃までの温度勾配を生み出す能力がある。この磁気熱量材料は、熱モジュール210の中央に設置された磁気熱量材料212と流体接触しており、その高温端と低温端との間に0℃から+10℃までの温度勾配を生み出す能力がある。最後に、キュリー温度が最も高い第3の磁気熱量材料213は、第2の磁気熱量材料212と連通し、+10℃から+20℃までの温度勾配を達成する能力がある。
この実施形態は、8つの熱モジュール210、1210、2210、3210、4210、5210、6210および7210を備え、磁気熱量材料は、シャフトの周りに放射状に配置され、その結果、磁気熱量材料が磁気集合体のエアギャップ(すなわち2つの永久磁石の間)にあるとき、隣接する2つの磁気熱量材料は、エアギャップの外部にあり、この逆も同様である。このような構成にすると、磁気集合体231、232、233が達成する磁場を連続的に利用して、熱発生器200の大きさを最適にすることができる。このようにするために、図3A、図3Bおよび図4A、図4Bは、磁気熱量材料により受ける2つの連続する磁気位相を示す。
この第2の実施形態では、磁気集合体231、232、233は、絶縁性能の高い発泡体の層を前記磁気集合体231、232、233上(長手方向の絶縁用)かつ熱発生器200の周囲(半径方向の絶縁用)に置くことによって絶縁され、その結果、断熱された24個のセルが作製される(セル241、242および243のみを図示)。このような状態では、絶縁されたそれぞれのセル241、242、243内では、磁気熱量材料211、212、213とこれに対応する磁気集合体231、232、233との間の温度差はわずかで、磁気熱量材料の温度勾配には影響を及ぼさない。換言すると、磁気熱量材料211、212、213の磁気集合体231、232、233は、区画で区切られ、個別に絶縁されたセル241、242、243を形成し、これらのセルは、該セルをすべて通って循環する流体のみと熱交換することができる。この断熱は、絶縁性の高い発泡体などの断熱材の層によって実現される。この層を、別の構成部品または熱発生器200内部の骨組みの上に載せて、これらの断熱セルを作製してもよい。
この第2の実施形態では、3つの磁気集合体および8つの熱モジュールを有する構成を記載しているが、本発明はこの数の磁気集合体および磁気熱量材料に限定されるものではない。他の構成も可能であり、その構成は、磁気熱量効果型熱発生器に関連する用途、磁気熱量効果型熱発生器に対して可能な大きさなどに左右されてよい。
逆の2方向に流れる冷却液の移動は、それぞれの熱モジュール210に接続されているピストン2によって実現されるが、適応した別の装置を使用してもよい。ピストン2は、対応する磁気熱量材料が加熱されている間に、冷却液を熱モジュール210の高温端H21の方向に移動させ(図3A)、対応する磁気熱量材料が冷却されている間に、熱モジュール210の低温端C21の方向に冷却液を移動させる(図3B)。
したがって、図3Aでは、熱モジュール210は、温度上昇を受ける。なぜなら、磁気熱量材料211、212、213は、対応する磁気集合体231、232、233のエアギャップ6内に配置され、冷却液は、キュリー温度が最も低い熱モジュール210の磁気熱量材料211の低温端C21から、キュリー温度が最も高い磁気熱量材料213の高温端H21に向かって移動するからである。図3Bでは、熱モジュール210は、温度低下を受ける。なぜなら、磁気熱量材料211、212、213は、磁気集合体231、232、233のエアギャップの外部にあり、冷却液は、キュリー温度が最も高い熱モジュール210の磁気熱量材料213の高温端H21から、キュリー温度が最も低い磁気熱量材料211の低温端C21に向かって移動するからである。流体の循環方向がこのように交互に変化することにより、熱モジュール210内に温度勾配を達成し、これを保持することができる。
本発明によれば、磁気集合体231、232、233を熱的に分離し、限定した温度範囲にわたって動作することができる1つまたは複数の磁気熱量材料を当てることには、主に2つの利点がある。1つは、熱発生器の始動時に、磁気熱量材料211、212、213が、2つの磁気位相の間の温度を維持し、熱モジュール210内の全体的な温度勾配が最速で達成されるという点である。断熱することによって、磁気熱量材料211、212、213の熱慣性を有効利用することができる。もう1つは、熱発生器200の性能が向上するという点である。なぜなら、磁石の各ペア231、232、233内で起こる温度勾配には限度があるため、この磁石は、対応する磁気熱量材料211、212、213の温度勾配に対してそれほど熱の影響を及ぼさず、前記磁気熱量材料に最大の温度勾配を再度得るためのエネルギーが一切使用されないからである。断熱することによって、磁気集合体231、232、233の熱慣性を有効利用することもできる。
さらに、絶縁セル241、242、243を密閉性の囲壁として作製し、このセルを真空にするか、または、例えばアルゴンまたはクリプトン、もしくはこれらのガスの混合物など、熱伝導性の低いガスで充填することができる。このガスの圧力は、大気圧と等しいことが好ましい。このガスは、加圧されてもよい。囲壁外部との連結(電気的連結、機械的連結など)をすべて確保した上で、囲壁の密閉性を保持するために、パッキン箱のある密閉システムを用いることができる。
本発明により絶縁したセルは、特に記載したもののような構成に作製することができる。なぜなら、磁気熱量素子内の流体の循環方向は、磁場変動の方向に対して垂直だからである。
第1の実施形態に対して前述した利点と同じ利点が、この第2の実施形態にも適用される。
図5Aおよび図5Bは、図2Aおよび図2Bの熱発生器100の一実施変形例による熱発生器300を示す。この変形例では、磁気集合体131、132とこれに対応するその磁気熱量素子111、112との間に断熱材151、152を介在させることを提案する。図5Aおよび図5Bでは、この絶縁材151、152は、発泡体の層であり、磁気熱量素子111、112上に置かれる。絶縁材は、エーロゲルタイプの材料であってもよい。しかしながら、本発明は、この種の構成とは関係がなく、発泡体は、例えば磁気集合体131、132上に施されてもよい。この好適な構成により、磁気集合体が磁気熱量素子111、112に及ぼす熱作用をさらに低減させることができる。
本熱発生器100、200、300は、加熱、温度調節、冷却または空調を必要とするあらゆる技術分野でその適用が見出される。
本発明は、記載した実施例に限定されるものではなく、添付の請求項に定義した保護範囲内である限り、当業者に自明のあらゆる修正および変形例も範囲に含まれる。

Claims (11)

  1. 少なくとも2つの磁気熱量素子(111、112、211、212、213)を備える少なくとも1つの熱モジュール(110、210)を有する熱発生器(100、200、300)であって:
    − 少なくとも2つの磁気集合体(131、132、231、232、233)を備え、それぞれの磁気集合体(131、132、231、232、233)は、前記熱モジュール(110、210)の少なくとも1つの磁気熱量素子(111、112、211、212、213)を磁気位相の交替に供すること、および
    − 磁気集合体(131、132、231、232、233)を互いに絶縁し、磁気集合体(131、132、231、232、233)およびその磁気熱量素子(111、112、211、212、213)を備える断熱セル(141、142、241、242、243)を形成する絶縁手段を備えること
    を特徴とする、熱発生器(100、200、300)。
  2. 前記熱モジュール(110、210)の場合、磁気集合体(131、132、231、232、233)を磁気熱量素子(111、112、211、212、213)に当てることができることを特徴とする、請求項1に記載の熱発生器。
  3. 少なくとも2つの熱モジュール(210、1210、2210、3210、4210、5210、6210、7210)を備えること、および少なくとも1つの共用の磁気集合体(231、232、233)は、少なくとも2つの熱モジュール(210、1210、2210、3210、4210、5210、6210、7210)の磁気熱量素子を磁気位相の交替に供することを特徴とする、請求項1または2に記載の熱発生器。
  4. 前記絶縁手段は、それぞれの磁気集合体(131、132、231、232、233)およびその磁気熱量素子(111、112、211、212、213)の周囲に配置される、少なくとも1つの断熱材の層によって作製されることを特徴とする、請求項1〜3のうちいずれか一項に記載の熱発生器。
  5. 前記絶縁手段は、前記磁気集合体に固定されることを特徴とする、請求項1〜4のうちいずれか一項に記載の熱発生器。
  6. 前記断熱セル(141、142、241、242、243)は、密閉性の囲壁であることを特徴とする、請求項1〜5のうちいずれか一項に記載の熱発生器。
  7. 前記断熱セル(141、142、241、242、243)は、真空状態であることを特徴とする、請求項6に記載の熱発生器。
  8. 前記断熱セル(141、142、241、242、243)は、熱伝導性の低いガスまたはガス混合物で充填されることを特徴とする、請求項6に記載の熱発生器。
  9. 前記断熱セル(141、142、241、242、243)内に含まれる前記ガスの圧力は、大気圧と等しいことを特徴とする、請求項8に記載の熱発生器。
  10. 前記断熱セル(141、142、241、242、243)内に含まれる前記ガスは、加圧状態であることを特徴とする、請求項8に記載の熱発生器。
  11. それぞれの磁気集合体(131、132)とその磁気熱量素子(111、112)との間に、断熱材(151、152)の層が配置されることを特徴とする、請求項1〜10のうちいずれか一項に記載の熱発生器。
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