JP2015502514A - 磁気熱量効果型熱発生器 - Google Patents

Abstract

本発明は、冷却液が通る少なくとも２つの磁気熱量モジュール（２、３）の少なくとも１つのアセンブリを備える磁気熱量効果型熱発生器であって、前記磁気熱量モジュール（２、３）の冷端部（Ｆ２、Ｆ３）は、冷移送回路（６）によって流体的に接続されること、温端部（Ｃ２、Ｃ３）は、温移送回路（７）によって流体的に接続されること、前記冷移送回路（６）は、前記冷却液の温度を変化させて、ある流出温度で一方の磁気熱量モジュール（２、３）の冷端部（Ｆ２、Ｆ３）から出る冷却液が、前記冷端部（Ｆ３、Ｆ２）の温度とほぼ等しいある流入温度でもう一方の磁気熱量モジュール（３、２）の冷端部（Ｆ３、Ｆ２）に入るように配置されること、および前記温移送回路（７）は、前記冷却液の温度を変化させて、ある流出温度で一方の前記磁気熱量モジュール（２、３）の温端部（Ｃ２、Ｃ３）から出る冷却液が、前記温端部（Ｃ３、Ｃ２）の温度とほぼ等しいある流入温度で、もう一方の磁気熱量モジュール（３、２）の温端部（Ｃ３、Ｃ２）に入るように配置されることを特徴とする磁気熱量効果型熱発生器（１）に関する。【選択図】図３

Description

本発明は、駆動手段によって循環させられる冷却液が通る少なくとも２つの磁気熱量モジュールの少なくとも１つのアセンブリを備える磁気熱量効果型熱発生器に関する。

室温での磁気冷却技術は２０数年以上前から知られ、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は、磁気熱量効果型熱発生器の性能を全面的に向上させようとして、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、様々なパラメータについて研究されている。

１つの磁気熱量効果型熱発生器が、磁場の作用を受けて加熱する能力がある磁気熱量材料であって、この磁場が縮小または減少した際に冷却する磁気熱量材料を備える。この磁気熱量効果という効果を利用して、熱発生器の温端部および冷端部という２つの端部の間に温度勾配を実現する。このようにするために、磁場が印加された際または増大した際に（熱発生器の温端部に向かう）第１の方向に、磁場が縮小または減少した際に（冷端部に向かう）逆の方向に、冷却液を磁気熱量材料を通して循環させることを交互に行う。

ところで、暖房、冷房、空調、温度調整システムなどの形態である外部適用物との熱交換を実現することには、磁気熱量材料の中心部で起こる温度勾配を低下させ限定する作用があり、これが熱発生器の中心部で熱エネルギーの損失を引き起こす。実際、温度勾配を再確立するためには、生成された熱エネルギーの一部を使用する必要があり、これによって利用できる有用な熱力が低減する。これについて図１Ａおよび図１Ｂを参照して説明すると、この図は、２つの磁気熱量層Ｍ１およびＭ２を備える磁気熱量アセンブリを示し、このアセンブリの冷端部は、熱的かつ流体的に、冷交換器ＥＦという熱交換器およびピストンＰ２に接続し、温端部は温交換器ＥＣという熱交換器およびピストンＰ１に接続している。２つの層の間にはもう１つのピストンＰ３が取り付けられている。温側にある磁気熱量層Ｍ１のみを考えると、磁気熱量サイクルの過程では、磁石Ａによって磁場を印加して磁気熱量層Ｍ１を加熱する段階の後に、磁気熱量層Ｍ１から出る流体は、温度が２０°Ｃで、温交換器ＥＣを通過し、温交換器ＥＣで実現される熱交換を経て、例えば温度１８°ＣでピストンＰ１に到達する（図１Ａを参照）。その後、磁場が逆になるとともに流体の移動方向も逆になる結果、次の冷却段階の後、流体はまず温交換器ＥＣを通過し、これによって、温交換器ＥＣで新たな熱交換を受けて温度１６°Ｃで磁気熱量層Ｍ１に到達する（図１Ｂを参照）。ところで、流体の温度（１６°Ｃ）は磁気熱量層Ｍ１の端部を構成する材料の温度（１８°Ｃ）よりも低いため、熱交換が起こり、この熱交換は、流体が磁気熱量層Ｍ１に到達した際に実現される。この熱交換が磁気熱量層Ｍ１内の温度勾配を下げて熱損失が起こり、これによって該当する方の熱発生器の有用な熱エネルギーが低減する。同じ実証が冷側にも当てはまる。

この種の構成にみられるもう１つの欠点が、冷却液を移動させるのに必要なピストンまたは駆動手段の数が多いことに関するもので、これによって体積寸法が大きくなり、作動させるのに大量のエネルギーが必要になる。

この寸法を縮小するための公知の解決法を図２に示している。この解決法は、図１Ａおよび図１Ｂの３つのピストンの３つのチャンバを合体させて、１つの作用のみを実現するというものである。したがって、この特定のピストンＰ４の温チャンバおよび冷チャンバが充填されると中間チャンバが空になり、この逆も同様のことが起こる。しかしながら、この解決法では、温チャンバ、冷チャンバおよび中間チャンバは、互いに接近してヒートブリッジを伴う位置にあり、これによって異なるチャンバどうしの間で熱交換が起こる可能性があり、その結果、磁気熱量効果型熱発生器の効率が低下するおそれがある。

非特許文献１および米国特許第４，７０４，８７１号明細書（特許文献１）では、熱発生器は、冷却液の閉回路内で直列に接続した２つの磁気熱量モジュールを備え、閉回路は熱交換器および前記流体の循環ポンプを有し、各モジュールは、１層の磁気熱量材料に限定されて、温度勾配が高くならないようになっている。

したがって、磁気熱量効果型熱発生器の寸法および同熱発生器が１つまたは複数の外部適用物と起こす熱交換を改善し最適にする必要がある。

さらに、磁気熱量効果型熱発生器において改善する余地のあるもう１つの局面が、前記熱発生器の生産性を改善するために磁気熱量効果型熱発生器の動作に必要となる合計エネルギーに関するものである。

最後に、利用可能なエネルギー効率を示さなければならない上に、磁気熱量効果型熱発生器は、例えば家電製品、車両などに組み入れられるほどサイズまたは体積寸法も小さくなければならない。

米国特許第４，７０４，８７１号明細書 仏国特許第２９３７７９３号

Ｃ．Ｍｕｌｌｅｒ ＜＜Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｍａｇｎｅｔｉｑｕｅ，ｕｎｅ ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｐｏｕｒ ｄｅｍａｉｎ？＞＞ （Ｒｅｖｕｅ ｐｒａｔｉｑｕｅ ｄｕ ｆｒｏｉｄ ｅｔ ｄｕ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｎｅｍｅｎｔ ｄ’ａｉｒ，ＰＹＣ Ｅｄｉｔｉｏｎ ＳＡ，Ｐａｒｉｓ，ＦＲ，ｎｏ．９２４ ｄｕ ０１／０４／２００４，ｐａｇｅｓ ５９−６３）

本発明は、前述の課題に応えるとともに、熱効率の高い磁気熱量効果型熱発生器を提供することを目的とする。

この目的のため、本発明は、冒頭に記載の磁気熱量効果型熱発生器であって、各磁気熱量モジュールは、（１つまたは複数の）磁気熱量材料からなる少なくとも２つの磁気熱量層を備え、前記少なくとも２つの層は、常に異なる磁気段階にあること、冷却液の前記駆動手段は、少なくとも１つの磁気熱量モジュールの前記磁気熱量層に流体的に接続されていること、磁気熱量層は、磁気熱量効果が全磁気熱量層でほぼ同じになるように配置された磁気熱量材料で構成されること、前記磁気熱量モジュールの冷端部は、前記冷却液が通る冷移送回路であって、熱交換器を介して外部回路と熱交換するようになっている冷移送回路によって流体的に接続していること、磁気熱量モジュールの温端部は、前記冷却液が通る温移送回路であって、熱交換器を介して外部回路と熱交換するようになっている温移送回路によって流体的に接続していること、熱交換器は、冷却液が前記熱交換器に入る温度と出る温度との差が磁気熱量効果に供されている磁気熱量層と接触している冷却液の温度変化にほぼ等しくなるように配置されることを特徴とする、磁気熱量効果型熱発生器に関する。磁気熱量効果とは、磁気熱量層の磁気段階が変化した際、つまり磁気熱量層が磁化段階に供されて加熱されている際、または消磁段階に供されて冷却されている際に、この磁気熱量層の温度が急下降したりずれたりすることを指す。

このようにして、移送回路によって接続されている２つの磁気熱量層間の温度差の半分を「引き出す」ことができる。これには、異なる磁気熱量層に存在する温度勾配を低下させないという効果があるほか、効率を低下させることなく熱発生器の外部と熱交換するという効果がある。

本発明によれば、熱交換器はこのように、前記冷移送回路が前記冷却液の温度を変化させて、ある流出温度で一方の磁気熱量モジュールの冷端部から出る冷却液が、前記冷端部の温度とほぼ等しいある流入温度で、該当する方のもう一方の磁気熱量モジュールの冷端部に入るように制御されるとともに、前記温移送回路が前記冷却液の温度を変化させて、ある流出温度で一方の前記磁気熱量モジュールの温端部から出る冷却液が、前記温端部の温度とほぼ等しいある流入温度で、該当する方のもう一方の磁気熱量モジュールの温端部に入るように制御される熱交換を実現することができる。

ほぼ等しいという表現は、磁気熱量効果（この効果自体は磁場に左右される）の４０パーセントに相当する最大温度差で、冷却液の温度が当該端部の温度に等しいことを指す。

その結果、磁気熱量サイクルのどの瞬間であっても、ピストンのチャンバに入る冷却液の平均温度は、ピストンの他のチャンバから出る冷却液の平均温度に等しくなる。

本発明によれば、前記磁気熱量モジュールは、少なくとも２つのサブ磁気熱量モジュールを備えることができ、各々のサブ磁気熱量モジュールは、少なくとも２つの磁気熱量層を有し、前記サブモジュールは、前記磁気熱量モジュール内に並列に取り付けられてよい。

好ましくは、前記駆動手段は、磁気熱量モジュールの冷側および温側に位置していない磁気熱量層の連続する端部どうしの間に接続されてよい。

本発明によれば、前記サブモジュールは、少なくとも２つの磁気熱量層群を備えることができ、前記群は、冷却液の駆動手段によって互いに流体的に接続され、各群内で磁気熱量層は、直列に接続されてよい。

一変形例では、前記群の２つの連続する磁気熱量層の間に中間熱交換器が配置されてよい。

さらに、前記中間熱交換器は、一方の前記移送回路の熱交換器に接続されてよい。このようにするために、磁気熱量効果型熱発生器の温側に位置する中間熱交換器の全部または一部は、温移送回路の熱交換器に接続されてよく、磁気熱量効果型熱発生器の冷側に位置する中間熱交換器の全部または一部は、冷移送回路の熱交換器に接続されてよい。

変形例では、冷移送回路に接続された群の中間熱交換器は、互いに接続されてよく、温移送回路に接続された群の中間熱交換器は、互いに接続されてよい。これによって、とりわけ磁気熱量効果型熱発生器の冷側と温側との間で温度勾配の達成を加速することができる。

一実施変形例では、前記駆動手段は、単動ピストンの形態で作製されてよく、各ピストンのチャンバは、磁気熱量モジュールの磁気熱量層に流体的に接続されてよい。

もう１つの変形例では、前記駆動手段は、複動ピストンの形態で作製されてよく、前記ピストンの各チャンバは、磁気熱量モジュールの磁気熱量層に流体的に接続されてよい。

本発明による熱発生器は、さらに、磁気熱量層を変動磁場に供して、冷端部に位置する磁気熱量層および温端部に位置する磁気熱量層が常に加熱段階または冷却段階という異なる段階にあるように配置された磁気装置を備えることができる。

さらに、本発明によれば、熱発生器の寸法を最適にするために、磁気熱量層は、ディスク形態の支持体に取り付けられてよく、各支持体は、各磁気熱量モジュールの少なくとも１つの磁気熱量層を有する。

本発明およびその利点は、添付の図を参照しながら、非限定的に例として挙げた実施形態に沿った次の説明文を読むことによりさらに明らかになるだろう。

先行技術による磁気熱量集合体が磁気熱量サイクルの連続する２段階のうちの一方の過程にある様子を示す概略図である。 先行技術による磁気熱量集合体が磁気熱量サイクルの連続する２段階のうちのもう一方の過程にある様子を示す概略図である。 先行技術によるもう１つの磁気熱量集合体の図である。 本発明による磁気熱量集合体が磁気熱量サイクルの第１の段階にある様子を示す概略図である。 図３の磁気熱量集合体が磁気熱量サイクルの次の段階にある様子を示す概略図である。 図３の磁気熱量集合体内に磁気熱量層の支持ディスクを概略的に示した図である。 本発明の一変形例による磁気熱量集合体の概略図である。 本発明のもう１つの変形例による磁気熱量集合体の概略図である。 図３および図４の熱発生器１の一変形例の概略図である。 図７の熱発生器の一変形例の概略図である。 図８の熱発生器の一変形例の概略図である。

図示した実施例では、同じ部品または部分には同一の符号を付している。

図３は、本発明による熱発生器１の２つの磁気熱量モジュール２、３のアセンブリを示している。各磁気熱量モジュール２、３は、２つの磁気熱量層２１０、２１１、３１０、３１１を備える。各磁気熱量層２１０、２１１、３１０、３１１は、磁場変動の作用を受けて冷却・加熱する能力を有する少なくとも１つの磁気熱量材料を備えている。

図３を参照して記載した実施例では、磁気熱量モジュール２、３は、サブモジュール２１、３１を１つのみ備え、このサブモジュールの方は、２つの磁気熱量層２１０、２１１、３１０、３１１を備える。しかし、本発明は、２つの磁気熱量層２１０、２１１、３１０、３１１を各々のサブ磁気熱量モジュール２１、３１に組み入れることとは関係がない。このような磁気熱量層２１０、２１１、３１０、３１１よりも多くの数を組み入れることを検討してもよい。同じように、並列に接続した少なくとも２つのサブ磁気熱量モジュールを各磁気熱量モジュールに組み入れることが可能である。このような構成をさらに詳細に図５および図６に示している。

磁気熱量層２１０、２１１、３１０、３１１は、冷却液、好ましくは液体によって流体的に接続している。このようにするために、磁気熱量層２１０、２１１、３１０、３１１は、冷却液を浸透させ、互いに間隔をあけた（１つまたは複数の）磁気熱量材料プレートのアセンブリでできた開口流体路を備えている。冷却液が前記磁気熱量層２１０、２１１、３１０、３１１を通過できるその他のあらゆる実施形態も、当然ながら適していることがある。さらに、本発明は、構造が添付の図３から図６に示したような直線形である磁気熱量層２１０、２１１、３１０、３１１の使用に限定されず、円形または円形と直線形とを組み合わせた構造など、これ以外のあらゆる構造にも及ぶ。

本発明によれば、２つの移送回路６および７によって２つの磁気熱量モジュール２、３を流体的に接続してなる以下に記載する特定の構成により、各々の前記磁気熱量層２１０、２１１、３１０、３１１で確立された温度勾配を低下させることなく、２つの外部回路との熱交換を実現できる。磁気熱量モジュール２と３との間のこの連結は、連続的かつ恒久的に実現される。つまり、前記磁気熱量モジュールは、移送回路６および７を介して互いに常に接続されている。

このようにするために、各サブ磁気熱量モジュール２１、３１の磁気熱量層２１０、２１１、３１０、３１１は、冷却液回路によって互いに接続され、冷却液回路には、サブ磁気熱量モジュール２１、３１の２つの磁気熱量層２１０、２１１、３１０、３１１の間に配置された単動ピストン２１２、３１２が備わり、冷却液を循環させている。換言すれば、各ピストン２１２、３１２のチャンバ２１３、３１３は、磁気熱量モジュール２、３の磁気熱量層２１０、２１２および３１０、３１１すべてに流体的に接続している。各サブ磁気熱量モジュール２１、３１では、２つの磁気熱量層２１０、２１１、３１０、３１１は、常に異なる磁気段階にある。つまり、前記磁気熱量層２１０、３１１のうちの一方が磁場の印加により温度上昇に供されているとき、もう一方の磁気熱量層２１１、３１０は、磁場の縮小または減少による温度低下に供されている。このようにするために冷却液は、２つの相反する方向に同時に循環して、各サブ磁気熱量モジュール２１、３１の該当する方の磁気熱量層２１０、２１１、３１０、３１１に流れる。このように、前記熱発生器の冷支流と温支流との間に並列アセンブリを得て、両支流はそれぞれ、前記冷交換器６１および温交換器７１に接続している磁気熱量層で構成される。流体が磁気段階に応じてこれらの層に循環していく方式については、本出願人の名で出願された仏国特許第２９３７７９３号（特許文献２）にさらに詳細に記載されており、これを参照することにより本願に組み入れる。

したがって、上記に説明し、図１Ａおよび図１Ｂに示した先行技術による熱発生器と比較して、流体の駆動手段またはピストン２１２、３１２は、サブモジュール２１、３１の磁気熱量層２１０、２１１、３１０、３１１の間にのみ取り付けられている。こうすることで、ピストンまたは冷却液を移動させられる装置の数を減らすことができ、よって熱発生器の部品数を減らすことができるとともに、熱発生器の寸法およびコストも減らすことができる。図３および図４に示した本発明による熱発生器１は、４つの磁気熱量層２１０、２１１、３１０、３１１に対して２つのピストン２１２、３１２を備えているのに対し、公知のいくつかの熱発生器では、冷却液を４つの熱層を通って移動させるために６つのピストンが使用されている。このように、この構成では、冷却液の移動に必要なエネルギーも減り、熱発生器の生産性を改善することができる。最後に、このような熱発生器１であれば、小型でありながら限定数の部品を使用しつつ、ピストンの異なるチャンバどうしの間に起こるヒートブリッジをなくすことができる。

磁気熱量層２１０、２１１、３１０、３１１は、冷却液の入口端部と出口端部との間に温度勾配を確立できる磁気熱量材料を備えている。この勾配は、
− 磁場を磁気熱量層に印加し、これによってこの磁気熱量層を加熱した後、磁気熱量層の「冷端部」という端部から「温端部」という端部へ冷却液を循環させ（サイクルの第１の段階）、その後、
− 磁場を縮小または減少させ、これによって磁気熱量層を冷却し、その後、磁気熱量層の温端部から冷端部へ冷却液を循環させる（サイクルの第２の段階）
ことからなる磁気熱量サイクルが連続して起こることによって得られる。

各サブ磁気熱量モジュール２１、３１では、磁気熱量層２１０、２１１、３１０、３１１は、温度勾配をずらして実現できる異なる磁気熱量材料を備え、熱層２１０、２１１、３１０、３１１はサブモジュール２１、３１に取り付けられているため、最も冷たい端部Ｆ２およびＦ３を備えている熱層２１１、３１１は、熱発生器の冷側（図３および図４の右に位置する側）に取り付けられ、冷移送回路６に直接接続し、最も温かい端部Ｃ２およびＣ３を備えている熱層２１０、３１０は、熱発生器の温側（図３および図４の左に位置する側）に取り付けられ、温移送回路７に直接接続している。

熱発生器１の冷側に位置している磁気熱量層２１１、３１１は、ほぼ同じ温度勾配および同じ磁気熱量効果を有する。つまり、確立した設定では、同じ磁気サイクルの場合、層２１１、３１１の２つの端部間の温度差は同じであると同時に、この磁気熱量層２１１、３１１を構成している材料の温度のずれまたは温度の急下降は同じである。これは、熱発生器１の温側に位置している磁気熱量層２１０、３１０についても同じである。さらに、磁気熱量効果、すなわち磁場の変動による温度の急下降またはずれは、この熱発生器１のどの磁気熱量層２１０、２１１、３１０、３１１でもほぼ同じである。

温端部および冷端部のそれぞれの磁気熱量層２１０、２１１および３１０、３１１は、温熱交換器および冷熱交換器７１、６１それぞれを備える移送回路７、６によって流体的に接続している。また、移送回路７、６によって接続している２つの磁気熱量層２１０、３１０および２１１、３１１は、常に異なる磁気熱量段階にある。つまり、一方の前記磁気熱量層２１０、３１１が（例えば１．２テスラの）磁場に供されているとき、移送回路７、６によって接続しているもう一方の磁気熱量層３１０、２１１は一切磁場に供されておらず、この逆も同様である。

磁気熱量層２１０、２１１、３１０、３１１に印加する磁場の強度の変更は、極性のある部品に結合しているまたは結合していない永久磁石であって、前記磁気熱量層２１０、２１１、３１０、３１１に対して相対的に移動する永久磁石を備える磁気装置８によって実現できるか、あるいは給電されたコイルもしくはその他のあらゆる同等の手段によって実現できる。

移送回路６、７の熱交換器６１、７１は、熱交換器の冷側と第１の外部回路（図示せず）との間および熱交換器の温側と第２の外部回路（図示せず）との間で、制御された熱交換を実現する。実際、本発明によれば、熱交換器６１、７１は、動作中に、移送回路６、７によって接続している磁気熱量層２１０、２１１および３１０、３１１の該当する方の２つの端部間の温度差に好ましくは対応するエネルギー量を、外部回路と交換するようにパラメータ化されている。このパラメータ化は、熱交換器６１、７１で本発明による熱発生器１内を循環する冷却液と交換されたエネルギーが、磁気熱量効果に供されている磁気熱量層２１０、２１１、３１０、３１１に冷却液が入る際にこの冷却液の温度差とほぼ一致し、流体がそこから出る際にこの流体の温度差とほぼ一致するように、熱交換器６１、７１の交換面積、交換容量の観点から決定する流体または冷却液の選択、その流体の流量に基づいて実現される。

このような措置により、移送回路６、７を通過した冷却液の温度を、該当する方の磁気熱量層２１０、２１１、３１０、３１１の端部の温度により一層近づけることができる。その結果、冷却液は、関連する方の磁気熱量層２１０、２１１、３１０、３１１内の温度勾配を乱さなくなるとともに、外部と交換された熱エネルギーが有効に利用されて、熱発生器１の効率に損失が起きない。

このようにするために、図３および図４には、磁気熱量層２１０、２１１、３１０、３１１の磁気熱量サイクルの２つの段階を示し、本発明による熱発生器１が動作した際に得られた温度を記載している（磁気熱量層の端部を形成する磁気熱量材料の温度に下線を引いている）。サブモジュール２１および３１は、流体的に、かつ熱交換器６１、７１を介して接続し、このサブモジュールの磁気熱量層２１０、２１１、３１０、３１１は、逆の磁気作用に供されている。

図３を検討すると、確立した設定では、磁気装置８によって磁場を印加して磁気熱量層２１０を再加熱した後、２０°Ｃの温度Ｔｓｆで磁気熱量層２１０から出る冷却液は、温移送回路７の熱交換器７１を通過することがわかる。冷却液はその後、１８°Ｃの温度Ｔｅｆで磁気熱量層３１０に再び入り、この温度は、熱交換器７１で実現された制御した熱交換によって、冷却に供された磁気熱量層３１０の該当する方の端部を構成している材料の温度に相当する。流体は、８°Ｃの温度で磁気熱量層３１０から出た後、ピストン３１２の共通チャンバ３１３まで流れる。同時に、冷却に供された磁気熱量層２１１から０°Ｃの温度Ｔｓｆで出る流体は、冷移送回路６の熱交換器６１を通過し、磁気熱量層３１１を２°Ｃの温度Ｔｅｆに同化させ、この温度は、加熱に供された磁気熱量層３１１の該当する方の端部を構成している材料の温度に相当する。冷却液は、１２°Ｃの温度で磁気熱量層３１１から出た後、ピストン３１２の共通チャンバ３１３まで流れ、磁気熱量層３１１から出た流体と合流する。そのため、この共通チャンバの流体の平均温度ＴＭは、１０°Ｃになる。

図４に示した次の段階では、磁場を印加して磁気熱量層３１０を再加熱した後、この磁気熱量層３１０に入る流体は、温度１０°Ｃである（共通チャンバ３１３の温度、および磁気熱量効果により２℃の温度上昇に供された磁気熱量層３１０の該当する方の端部を構成している材料の温度に相当する）。流体は、２０°Ｃの温度Ｔｓｆでこの磁気熱量層３１０から出て、熱交換器７１を通過し、１８℃の温度Ｔｅｆで磁気熱量層２１０に再び入り、この温度は、冷却サイクルに供されたこの磁気熱量層２１０の該当する方の端部を構成している材料の温度に相当する。流体は、８℃の温度でこの磁気熱量層２１０から出た後、ピストン２１２の共通チャンバ２１３まで流れる。同時に、磁気熱量層３１１に入る流体は、温度１０℃である（ピストン３１２のチャンバ３１３の温度、および磁気熱量効果により２℃の温度低下に供された磁気熱量層３１１の該当する方の端部を構成している材料の温度に相当する）。流体は、０℃の温度Ｔｓｆでこの磁気熱量層３１１から出て、熱交換器６１を通過し、２℃の温度Ｔｅｆで磁気熱量層２１１に再び入り、この温度は、加熱に供されたこの磁気熱量層２１１の該当する方の端部を構成している材料の温度に相当する。流体は、１２℃の温度で磁気熱量層２１１から出た後、ピストン２１２の共通チャンバ２１３まで流れる。そのため、この共通チャンバ２１３の流体の平均温度は、１０°Ｃになる。

本発明により、熱交換器６１、７１内にある冷却液の通路はこの流体を、流体が通過する磁気熱量層の端部を形成している材料の温度にほぼ一致する温度にできることがわかる。これによって、外部適用物との熱交換は、温側でも冷側でも熱発生器１の温度勾配に影響を及ぼさないため、一切の熱損失を引き起こさず、これは同様の公知の熱発生器の場合と同じである。当然ながら、この結果を確保するためには流体回路を断熱する必要がある。

さらに、２つの磁気熱量モジュール２および３が冷移送回路６および温移送回路７によって同モジュールの端部で接続しているこの構成であって、磁気熱量層２１０、２１１、３１０、３１１どうしの間のみで行われる流体の輸送に関連する構成により、ピストン２１２および３１２のチャンバ２１３および３１３内で流体の温度をほぼ同じにすることができる。

このほか、全般的に、磁気熱量モジュールが冷移送回路６および温移送回路７によって同モジュールの端部で接続しているこの構成により、寸法が最適で縮小した熱発生器を実現できる。実際、この構成により、複数の磁気熱量モジュールの同じ温側または冷側に位置する磁気熱量層を、例えばディスク形状に作製された共通の支持体内に組み入れることができる。

このようにするために、図４−１は、本発明による熱発生器１を示し、この熱発生器では、２つの支持ディスクＤ１およびＤ２が概略的に示され、この支持ディスクが２つのモジュールに属する磁気熱量層２１０および３１０ならびに２１１および３１１を支持している。磁気装置８は、図面、特に図４−１に概略的に示されている。実際、磁気熱量層を支持しているディスクＤ１およびＤ２は、固定されていて、磁場の変動は、永久磁石のアセンブリを移動させることによって実現される。そのため、この永久磁石は、磁気熱量層の両側に設置され、ディスクＤ１およびＤ２の外部に、図面に示したように磁気熱量層の左右であって、上ではなく下に設置されている。

熱発生器１は、好ましくは２つ以上の熱モジュール２、３を備え、磁気熱量層のアセンブリは、２つの支持ディスクＤ１およびＤ２に取り付けられる。したがって、冷移送回路６に接続される層はディスクＤ２に組み入れられ、温移送回路７に接続される層はディスクＤ１に組み入れられる。したがって、この２つのディスクＤ１およびＤ２は、温支流と冷支流との２つの支流を形成し、この支流は前記熱発生器に並列に取り付けられる。このようにして、高性能で小型の熱発生器１が得られる。

一実施変形例を図５に示している。熱発生器１０は、２つの磁気熱量モジュール４および５からなるアセンブリを備え、磁気熱量モジュールはそれぞれ３つのサブ磁気熱量モジュール４１、４２、４３および５１、５２、５３を備え、サブ磁気熱量モジュールは、該当する方のモジュール４、５内で互いに並列に接続されている。２つの磁気熱量モジュール４および５は、同モジュールの冷端部Ｆ４およびＦ５で冷移送回路６によって接続され、同モジュールの温端部Ｃ４およびＣ５で温移送回路７によって接続されている。２つの単動ピストン４１２および５１２が冷却液を熱発生器１０中に循環させる。このようにするために、各ピストン４１２および５１２のチャンバ４１３および５１３は、磁気熱量モジュール４および５の全磁気熱量層４１０、４１１、４２０、４２１、４３０、４３１および５１０、５１１、５２０、５２０、５３０、５３１に接続している。このような構成では、図３および図４の熱発生器１よりも多くの磁気熱量層を備えているものの、小型なままであり、冷却液の駆動手段を同熱発生器よりも多く必要とすることはなく、前記熱発生器１に関して記載した利点と同じ利点がある。ここでも同じく、全磁気熱量層４１０、４２０、４３０、５１０、５２０、５３０、および４１１、４２１、４３１、５１１、５２１、５３１を、図示していない２つの支持ディスクに取り付けて、熱発生器１０の体積寸法を最適にすることができる。

もう１つの実施変形例を図６に示している。この変形例は、図５の熱発生器１０とは冷却液の駆動手段が異なっている熱発生器１００を示している。実際、単一のピストン４２２が冷却液をこの熱発生器１００中に循環させる。このピストン４２２は、複動式であり、２つのチャンバ４２３および５２３を備え、各チャンバは、磁気熱量モジュール４および５の全磁気熱量層４１０、４１１、４２０、４２１、４３０、４３１および５１０、５１１、５２０、５２０、５３０、５３１に接続している。換言すれば、各チャンバ４２３、５２３が２つの磁気熱量モジュール４、５の全磁気熱量層４１０、４１１、４２０、４２１、４３０、４３１、５１０、５１１、５２０、５２１、５３０、５３１と連通している複動ピストン４２２の形態である唯一の駆動手段が、冷却液の駆動を実現する。そのため、熱発生器１００が小型性が増す。このような構成が可能なのは、前述したように、冷却液の温度がピストン４２２の２つのチャンバ４２３および５２３内でほぼ同じであり、その結果、隣接する２つのチャンバ４２３と５２３との間に存在するヒートブリッジがきわめて制限され（０．１°Ｃ未満）、熱発生器１００の生産性に負の作用を及ぼさないためである。当然ながら、この熱発生器１００は、図５に示した熱発生器１０に関して記載した利点と同じ利点を備えている。ここでも同じく、全磁気熱量層４１０、４２０、４３０、５１０、５２０、５３０、および４１１、４２１、４３１、５１１、５２１、５３１を２つの支持ディスクに取り付けて、熱発生器１００の体積寸法を最適にすることができる。

図７に示した熱発生器１’は、図３および図４の熱発生器１の一変形例である。この熱発生器は、図３および図４の熱発生器１と同じ利点を備えているが、図示した２つの熱モジュール２’、３’の各々に複数の磁気熱量層６１０、６１０’、６１１、６１１’、７１０、７１０’、７１１、７１１’がある点が本質的に異なる。この変形例でも同じく、熱モジュール２’および３’は、単一のサブモジュール２１’、３１’を備えている。これは図示していないことだが、本発明は、複数のサブモジュールを備えるモジュール２’、３’を作製することも想定している。磁気熱量層の数を増やすことで、熱発生器の温端部Ｃ６、Ｃ７と冷端部Ｆ６、Ｆ７との間で確立した設定で得られる温度勾配を増大することができる。このようにするために、サブモジュール２’、２１’および３’、３１’では、層は２つの群Ｇ１、Ｇ２およびＧ３、Ｇ４にまとめられ、直列に接続されている。温度勾配をさらに最適にするために、各モジュール２’、３’の磁気熱量層６１０、６１０’、６１１、６１１’、７１０、７１０’、７１１、７１１’は、キュリー温度が異なっていて、このキュリー温度が冷端部Ｆ６、Ｆ７から該当する方の温端部Ｃ６、Ｃ７へ向かって増大していく磁気熱量材料を備える。

ここでも同じく、全磁気熱量層６１０、６１０’、６１１、６１１’、７１０、７１０’、７１１、７１１’を支持ディスクに取り付けて、熱発生器１’の体積寸法を最適にすることができる。このようにするために、図７に示した熱発生器１’は、概略的に示し符号Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６で識別した４つのディスクを備えている。

熱発生器の小型性をさらに増すために、磁気熱量層６１０、６１０’、７１０、７１０’、および６１１、６１１’、７１１、７１１’を２つのディスクのみ、すなわち図８に概略的に示したディスクＤ７およびＤ８のみに取り付けることができる。

図９は、図７に示した変形例のもう１つの変形例による熱発生器１”を示し、この図では、中間熱交換器８１、９１が、前記群Ｇ１、Ｇ２を形成している磁気熱量層６１０と６１０’との間、７１０と７１０’との間、および６１１と６１１’との間、７１１と７１１’との間の流体回路に直列に配置されている。この中間熱交換器８１、９１は、例えばペルチェ効果またはこれに類似の効果を有する装置に接続されてよく、前記磁気熱量層６１０、６１０’、６１１、６１１’、７１０、７１０’、７１１、７１１’の温度を変化させることができる。この中間熱交換器８１、９１は、連続的に、または熱発生器１”の動作サイクルの一部のみの間に、熱交換を実現できる。したがって、この中間熱交換器は、熱発生器１”の始動時に冷交換回路６側に位置する磁気熱量層６１１、６１１’、７１１、７１１’を再度冷却するか、あるいは最適な初期温度にすることを目的とすることができ、その結果前記層は、同層のキュリー温度に近い温度、すなわち同層の磁気熱量効果が最も大きい温度により迅速に達する。同じように、温交換回路７側に位置する中間熱交換器８１は、熱発生器１”の始動時に温交換回路７側に位置する磁気熱量層６１０、６１０’、７１０、７１０’を再度加熱するか、あるいは最適な初期温度にする役割を果たすことができ、その結果、前記層は、同層のキュリー温度に近い温度、すなわち同層の磁気熱量効果が最も大きい温度により迅速に達する。このように最適な初期温度にすることで、確立した設定をより迅速に得ることができ、この設定で、熱発生器１”の温側と冷側との間の温度勾配を達成する。これによって、熱発生器１”で利用できる有用な出力を増大することができる。図示していない一実施変形例では、冷交換回路６側に位置する中間熱交換器８１を冷熱交換器６１と直列に接続し、温交換回路７側に位置する中間熱交換器９１を温熱交換器７１と直列に接続することができる。

このように、記載したような熱発生器１、１０、１００、１’、１”により、同熱発生器の熱交換を最適にできると同時に同熱発生器の寸法も最適にできる上に、同熱発生器の性能を先行技術に対して改善することができる。

本発明により設定目標、すなわち利用できるエネルギーを減損することも、異なる磁気熱量層内の温度勾配を低下させることもなく、磁気熱量効果型熱発生器の外部と熱エネルギーを交換して熱発生器の生産性を改善することを達成できることが、本明細書から明らかになる。これは、２つの磁気熱量モジュール２と３との間、２’と３’との間ならびに４と５との間に、流体連結および制御された熱交換があり、２つの磁気熱量モジュールが逆に働き、冷却液の温度に適切な方法で関わることのできる温移送回路７および冷移送回路６によって温端部Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７および冷端部Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５、Ｆ６、Ｆ７に接続していることによって可能になる。

さらに、本発明による熱発生器１、１０、１００、１’、１”は、限られた寸法で、冷却液を駆動するのに必要な部品が先行技術による公知の熱発生器よりも少なく、よってこれらの駆動手段を作動させるのに必要なエネルギーも少ない。さらに、本発明による熱発生器により、冷却液の駆動手段で起こるヒートブリッジの負の作用を避けて、同熱発生器の生産性を最適にすることもできる。

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。特に、記載した実施例は、２つの磁気熱量モジュール２、３、４、５、２’、３’からなる唯一のアセンブリを備えているが、本発明は、同じ熱発生器内のアセンブリ数を増やして、この熱発生器の熱力または同熱発生器の温端部と冷端部との間の温度差を増大する可能性も想定している。

Claims (11)

1. 駆動手段（２１２、３１２、４１２、５１２、４２２、２１２’、３１２’）によって循環させられる冷却液が通る少なくとも２つの磁気熱量モジュール（２、３、４、５、２’、３’）の少なくとも１つのアセンブリを備える磁気熱量効果型熱発生器であって、各磁気熱量モジュール（２、３、４、５、２’、３’）が、（１つまたは複数の）磁気熱量材料からなる少なくとも２つの磁気熱量層（２１０、２１１、３１０、３１１、４１０、４１１、４２０、４２１、４３０、４３１、５１０、５１１、５２０、５２１、５３０、５３１、６１０、６１０’、６１１、６１１’、７１０、７１０’、７１１、７１１’）を備え、前記少なくとも２つの層は、常に異なる磁気段階にあること、冷却液の前記駆動手段（２１２、３１２、４１２、５１２、４２２）は、少なくとも１つの磁気熱量モジュールの前記磁気熱量層に流体的に接続されていること、磁気熱量層（２１０、２１１、３１０、３１１、４１０、４１１、４２０、４２１、４３０、４３１、５１０、５１１、５２０、５２１、５３０、５３１、６１０、６１０’、６１１、６１１’、７１０、７１０’、７１１、７１１’）は、磁気熱量効果が全磁気熱量層でほぼ同じになるように配置された磁気熱量材料で構成されること、前記磁気熱量モジュール（２、３、４、５、２’、３’）の冷端部（Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５、Ｆ６、Ｆ７）は、前記冷却液が通る冷移送回路であって、熱交換器（６１）を介して外部回路と熱交換するようになっている冷移送回路（６）によって流体的に接続していること、前記磁気熱量モジュール（２、３、４、５、２’、３’）の温端部（Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７）は、前記冷却液が通る温移送回路であって、熱交換器（７１）を介して外部回路と熱交換するようになっている温移送回路（７）によって流体的に接続していること、および、熱交換器（６１、７１）は、冷却液が前記熱交換器（６１、７１）に入る温度と出る温度との差が磁気熱量効果に供されている磁気熱量層（２１０、２１１、３１０、３１１、４１０、４１１、４２０、４２１、４３０、４３１、５１０、５１１、５２０、５２１、５３０、５３１、６１０、６１０’、６１１、６１１’、７１０、７１０’、７１１、７１１’）と接触している冷却液の温度変化にほぼ等しくなるように配置されることを特徴とする、磁気熱量効果型熱発生器（１、１０、１００、１’、１”）。
2. 前記磁気熱量モジュール（２、３、４、５、２’、３’）は、少なくとも２つのサブ磁気熱量モジュール（２１、３１、４１、４２、４３、５１、５２、５３、２１’、３１’）を備え、各々のサブ磁気熱量モジュールは、少なくとも２つの磁気熱量層（２１０、２１１、３１０、３１１、４１０、４１１、４２０、４２１、４３０、４３１、５１０、５１１、５２０、５２１、５３０、５３１、６１０、６１０’、６１１、６１１’、７１０、７１０’、７１１、７１１’）を有すること、および前記サブ磁気熱量モジュール（２１、３１、４１、４２、４３、５１、５２、５３、２１’、３１’）は、前記磁気熱量モジュール（２、３、４、５、２’、３’）内に並列に取り付けられることを特徴とする、請求項１に記載の熱発生器。
3. 前記サブモジュール（２１’、３１’）は、磁気熱量層（６１０、６１０’、６１１、６１１’；７１０、７１０’、７１１、７１１’）の少なくとも２つの群（Ｇ１、Ｇ２）を備え、前記群（Ｇ１、Ｇ２）は、冷却液（２１２’、３１２’）の駆動手段によって互いに流体的に接続され、各群（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４）内で磁気熱量層（６１０、６１０’、６１１、６１１’；７１０、７１０’、７１１、７１１’）は、直列に接続され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. 前記群（Ｇ１、Ｇ２）の２つの連続する磁気熱量層（６１０および６１０’、７１０および７１０’、ならびに６１１および６１１’、７１１および７１１’）の間に中間熱交換器（８１、９１）が配置されることを特徴とする、請求項３に記載の熱発生器。
5. 前記中間熱交換器（８１、９１）は、一方の前記移送回路（６、７）の熱交換器（６１、７１）に接続されることを特徴とする、請求項４に記載の熱発生器。
6. 冷移送回路（６）に接続された群（Ｇ１、Ｇ３）の中間熱交換器（８１）は互いに接続され、温移送回路（７）に接続された群（Ｇ２、Ｇ４）の中間熱交換器（９１）は互いに接続されることを特徴とする、請求項４または５に記載の熱発生器。
7. 前記駆動手段（２１２、３１２、４１２、５１２）は、単動ピストンの形態で作製されること、および各ピストンのチャンバ（２１３、３１３、４１３、５１３）は、磁気熱量モジュール（２、３、４、５）の磁気熱量層（２０１、２１１、３１０、３１１、４１０、４１１、４２０、４２１、４３０、４３１；５１０、５１１、５２０、５２１、５３０、５３１）に流体的に接続され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（１、１０）。
8. 前記駆動手段（４２２）は、複動ピストンの形態で作製されること、および前記ピストン（４２２）の各チャンバ（４２３、５２３）は、磁気熱量モジュール（４、５）の磁気熱量層（４１０、４１１、４２０、４２１、４３０、４３１；５１０、５１１、５２０、５２１、５３０、５３１）に流体的に接続され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（１００）。
9. 磁気熱量層（２１０、２１１、３１０、３１１、４１０、４１１、４２０、４２１、４３０、４３１、５１０、５１１、５２０、５２１、５３０、５３１、６１０、６１０’、６１１、６１１’、７１０、７１０’、７１１、７１１’）を変動磁場に供して、冷端部（Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５）に位置する磁気熱量層（２１１、３１１、４１１、４２１、４３１、５１１、５２１、５３１）および温端部（Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５）に位置する磁気熱量層（４１０、４２０、４３０、５１０、５２０、５３０）が常に加熱段階または冷却段階という異なる段階にあるように配置された磁気装置を備えることを特徴とする、請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の熱発生器。
10. 磁気熱量層は、ディスク（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６、Ｄ７、Ｄ８、Ｄ７’、Ｄ８’）形態の支持体に取り付けられ、各支持体は、各磁気熱量モジュール（２、３、４、５、２’、３’）の少なくとも１つの磁気熱量層（２１０、２１１、３１０、３１１、４１０、４１１、４２０、４２１、４３０、４３１、５１０、５１１、５２０、５２１、５３０、５３１、６１０、６１０’、６１１、６１１’、７１０、７１０’、７１１、７１１’）を有することを特徴とする、請求項１〜９のうちいずれか一項に記載の熱発生器。
11. 前記駆動手段は、磁気熱量モジュールの冷側および温側に位置していない磁気熱量層の連続する端部どうしの間に接続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。