JP2017155941A - 蓄熱型磁気ヒートポンプ - Google Patents

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Abstract

【課題】能動的蓄熱器（ＡＭＲ）から熱を取り出す熱交換流体を流すため、低温端、高温端に配管を接続した配管部において流体が一様な流れをしないため、温度の異なる熱交換流体が混合することによる混合損失が生じることがないようにして、冷凍能力および効率向上が図れる磁気ヒートポンプを提供する。
【解決手段】蓄熱型磁気ヒートポンプであって、ＡＭＲ１の入口配管および出口配管の代わりに蓄熱器３，３’，３’’を配置し、熱交換流体の一様な流れの乱れを防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気ヒートポンプの熱サイクルとして用いられる能動的蓄熱器（ＡＭＲ：Ａｃｔｉｖｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ）に蓄熱器を接続することで、磁気ヒートポンプの冷凍能力および効率向上に寄与する、蓄熱型磁気ヒートポンプに関するものである。
まず、磁気ヒートポンプについて説明する。
図３は磁気ヒートポンプの磁気熱量効果の説明図である。
磁気ヒートポンプ技術とは、フロンや代替フロンなどの気体を圧縮・膨張させる従来の気体冷凍とは異なり、磁性体１０１に永久磁石１０２による磁界を作用させたときの吸発熱現象（磁気熱量効果）を利用した冷凍技術で、気体冷凍よりもサイクル効率が高く省エネ効果がある他、フロンや代替フロンを用いないため環境にやさしく、圧縮機を用いないため静かで振動も少ないという特徴があり、将来の空調機器や冷蔵庫への利用が期待されている。磁気ヒートポンプに用いられる磁性体を磁気作業物質と呼ぶ。
次に、ＡＭＲサイクルについて説明する。
図４はＡＭＲの原理の説明図である。
この図において、２０１は永久磁石、２０２は高温端、２０３は低温端、２０４はピストン、２０５は磁気作業物質充填槽、２０６は磁気作業物質温度プロファイル、２０７、２０８は熱交換媒体（水など）である。
ＡＭＲでは磁気作業物質である磁性体を蓄熱器および再生器として用い、磁気熱量効果による磁気作業物質の温度変化を蓄積させ大きな冷却温度差を得るもので、現在室温磁気ヒートポンプを構成するために最も有効な方法とされている。図４の磁気作業物質充填槽には、磁気作業物質の空間的な温度プロファイルが示されている。図４（ａ）において、磁気作業物質は断熱的に励磁され、温度が上昇する。温度プロファイルは点線が励磁前、実線が励磁後を示す（断熱励磁）。その後、図４（ｂ）の過程で低温の熱交換流体（例えば水）と熱交換することにより、温度勾配が生じる（熱交換）。この状態で図４（ｃ）のように、断熱消磁を行うと、磁気作業物質の温度は勾配を保ったまま全体的に低下する（断熱消磁）。最後に図４（ｄ）の過程で高温側の熱交換流体と熱交換することにより、さらに温度勾配が拡大する（熱交換）。
図５はＡＭＲでの温度の混合損失を示す図である。
実際のＡＭＲでは、ＡＭＲの両端に接続された配管部（デッドボリューム）において流体が一様な流れをしないため、ＡＭＲで熱交換を終えた熱交換流体と、配管部に存在する熱交換流体の混合が生じる。ＡＭＲ内と配管部の熱交換流体の温度は異なるため、温度混合は損失となる。
このように、従来は、蓄熱器（ＡＭＲ）を用いたサイクルを採用しており、ＡＭＲから熱を取り出すために熱交換流体を流す必要がある。そのため低温端、高温端に熱交換流体を流すための配管を接続している。この配管部において流体が一様な流れをしないため、温度の異なる熱交換流体が混合することによる損失（混合損失）が生じる。
特開２０１１−２２６７３５号公報
Ｐ．Ｙ．ＪＩＮ，Ｊ．Ｈ．ＨＵＡＮＧ，Ｈ．Ｗ．ＹＡＮ，Ｙ．ＤＥＮＧ，"ＤＥＳＩＧＮ ＯＦ ＡＮ ＩＭＰＲＯＶＥＤ ＲＥＣＩＰＲＯＣＡＬ ＲＯＯＭーＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ ＭＡＧＮＥＴＩＣ ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＯＲ"，Ｆｉｆｔｈ−ＩＩＦ−ＩＩＲ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ａｔ Ｒｏｏｍ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，Ｔｈｅｒｍａｇ Ｖ Ｇｒｅｎｏｂｌｅ，Ｆｒａｎｃｅ，１７−２０ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２０１２
上記したように、ＡＭＲから熱を取り出すために熱交換流体を流す必要がある。そのため低温端、高温端に熱交換流体を流すための配管を接続している。この配管部において流体が一様な流れをしないため、温度の異なる熱交換流体が混合することによる損失（混合損失）が生じる。配管部における流体温度の混合損失は、磁気ヒートポンプの冷凍能力を３割程度減少させる。本発明による磁気ヒートポンプはこの損失を防止することができるため、理想的なＡＭＲ動作に近づくことで冷凍能力の増大が可能となる。
本発明は、上記状況に鑑みて、温度の混合損失が生じることがないように、新たに蓄熱器を接続することで、磁気ヒートポンプの冷凍能力および効率向上に寄与する、蓄熱型磁気ヒートポンプ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〕蓄熱型磁気ヒートポンプであって、ＡＭＲの入口配管および出口配管の代わりに蓄熱器を配置することにより、熱交換流体の一様な流れの乱れを防止することを特徴とする。
〔２〕蓄熱型磁気ヒートポンプであって、各蓄熱器に蓄熱器と一体に設計された熱交換器を接続することにより、外部との熱交換を行うことを特徴とする。
〔３〕蓄熱型磁気ヒートポンプであって、時間的に相互に励磁または消磁される２つのＡＭＲの両端および中央に蓄熱器を接続、配置することにより、温度の異なる熱交換流体が混合せず、一様な流れを維持する低温部または高温部を得ることを特徴とする。
〔４〕上記〔１〕から〔３〕の何れか一項記載の蓄熱型磁気ヒートポンプであって、前記蓄熱器の材料が磁性体であることを特徴とする。
〔５〕蓄熱型磁気ヒートポンプであって、時間的に相互に励磁または消磁される２つのＡＭＲの両端および中央に上記〔４〕記載の磁性体を用いた蓄熱器を配置することにより、磁気の吸引力による磁気トルクを低減することを特徴とする。
〔６〕上記〔１〕または〔２〕記載の蓄熱型磁気ヒートポンプであって、ＡＭＲの永久磁石が回転型永久磁石であることを特徴とする。
本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
（１）ＡＭＲの出口のデッドボリュームをなくすことで、混合損失をゼロにできる。
（２）ＡＭＲの低温側出口に蓄熱材を配置することで低温側温度を安定化することができる。
（３）蓄熱材として磁性蓄熱材（吸発熱作用小）を採用すれば、空間的な磁場変動が押さえ抑えられるため、磁石からの吸引力による磁気トルクも低減できる。
本発明の蓄熱型磁気ヒートポンプの基本構成を示す図である。 本発明の蓄熱型磁気ヒートポンプシステム（回転型永久磁石）を示す図である。 磁気ヒートポンプの磁気熱量効果の説明図である。 ＡＭＲの原理の説明図である。 ＡＭＲでの温度の混合損失を示す図である。
本発明の蓄熱型磁気ヒートポンプは、ＡＭＲの入口配管および出口配管の代わりに蓄熱器を配置することにより、熱交換流体の一様な流れの乱れを防止する。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明では、ＡＭＲの入口配管および出口配管の代わりに蓄熱器を配置することで一様な流れの乱れを防止するようにする。
図１は本発明の蓄熱型磁気ヒートポンプの基本構成を示す図である。
この図において、１はＡＭＲ、２はＡＭＲの部品である可動子としての永久磁石、３はＡＭＲの出口配管の代わりに配置される蓄熱器、４は熱交換器、５は熱交換流体の流れ方向を示している。
このように、ＡＭＲの入口配管および出口配管の代わりに蓄熱器３を配置するようにしたので、流体の乱れを防止することができる。
各蓄熱器３には蓄熱器３と一体に設計された熱交換器４を接続することで、外部との熱交換を行うことができる。
さらに、時間的に相互に励磁または消磁される２つのＡＭＲの両端および中央に蓄熱器３、３´、３´´を接続、配置することにより、均一な温度分布を持つ低温部または高温部を得ることができる。
蓄熱器３の材料としては、磁性体を用いることができ、磁気の吸引力による磁気トルクを低減することができる。
図２は本発明の蓄熱型磁気ヒートポンプシステム（回転型永久磁石）を示す図である。
この図において、１１は蓄熱型磁気ヒートポンプ、１２は回転型永久磁石、１３は蓄熱器、１４は往復型ポンプ、１５は配管である。
図１の蓄熱型磁気ヒートポンプは。図２のように回転型永久磁石１２と組み合わせることで配管部を最小とした構成をとることができる。なお、回転型永久磁石としては上記特許文献１に記載した構成が最適である。
上記してきた本発明の蓄熱型磁気ヒートポンプの利点は
（１）ＡＭＲの出口のデッドボリュームをなくすことで、混合損失をゼロにできる。
（２）ＡＭＲの低温側出口に蓄熱材を配置することで低温側温度を安定化することができる。
（３）蓄熱材として磁性蓄熱材（吸発熱作用小）を採用すれば、空間的な磁場変動が押さえ抑えられるため、磁石からの吸引力による磁気トルクも低減できる。
低温になると磁性体の磁化は強くなるが、磁性体充填密度を調整することで磁化による磁石からの吸引力による磁気トルクも低減できる。
低温になると磁性体の磁化は強くなるが、磁性体充填密度を調整することで磁化による磁石からの吸引力は調整可能となる。
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。
本発明の蓄熱型磁気ヒートポンプは、温度の混合損失が生じることがないように、新たに蓄熱器を接続することで、磁気ヒートポンプの冷凍能力および効率向上に寄与する、蓄熱型磁気ヒートポンプとして利用することができる。
１ ＡＭＲ
２ 永久磁石
３、３´、３´´、１３ 蓄熱器
４ 熱交換器
５ 熱交換流体の流れ方向
１１ 蓄熱型磁気ヒートポンプ
１２ 回転型永久磁石
１４ 往復型ポンプ
１５ 配管

Claims (6)

  1. ＡＭＲの入口配管および出口配管の代わりに蓄熱器を配置することにより、熱交換流体の一様な流れの乱れを防止することを特徴とする蓄熱型磁気ヒートポンプ。
  2. 各蓄熱器に蓄熱器と一体に設計された熱交換器を接続することにより、外部との熱交換を行うことを特徴とする蓄熱型磁気ヒートポンプ。
  3. 時間的に相互に励磁または消磁される２つのＡＭＲの両端および中央に蓄熱器を接続、配置することにより、温度の異なる熱交換流体が混合せず、一様な流れを維持する低温部または高温部を得ることを特徴とする蓄熱型磁気ヒートポンプ。
  4. 請求項１から３記載の何れか一項記載の蓄熱型磁気ヒートポンプであって、前記蓄熱器の材料が磁性体であることを特徴とする蓄熱型磁気ヒートポンプ。
  5. 時間的に相互に励磁または消磁される２つのＡＭＲの両端および中央に請求項４記載の磁性体を用いた蓄熱器を配置することにより、磁気の吸引力による磁気トルクを低減することを特徴とする蓄熱型磁気ヒートポンプ。
  6. 請求項１又は２記載の蓄熱型磁気ヒートポンプであって、ＡＭＲの永久磁石が回転型永久磁石であることを特徴とする蓄熱型磁気ヒートポンプ。
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