JP2017526890A - 不等ブローを有する磁気冷凍システム - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2014年9月15日出願の米国仮特許出願第62/050,284号の利益を主張する2014年12月11日出願の米国特許出願第14/567,835号の優先権を主張し、参照によりそれら両方の全体が本明細書に組み込まれる。
本発明は、米国エネルギー省により与えられたDE−AR0000128のもと、政府の援助を受けて行われた。米国政府は、本発明において特定の権利を有する。
式1:QC=(TCi−TCo)ρCΦC
暖かい周囲環境に排出される熱QHは、以下の式2により表され得る。
式2:QH=(THo−THi)ρCΦH
式中、ρは、熱伝達流体の密度であり、Cは、その熱容量であり、ΦH、ΦCは、それぞれ高温ブロー及び低温ブローの間におけるシステムにわたっての平均体積流量である。本明細書において、記号ΔtH及びΔtCは、それぞれ高温ブローの持続期間及び低温ブローの持続期間を指すために使用される。AMRサイクルの4つの段階の実行のために必要とされる時間はサイクル周期と呼ばれ、その逆数はサイクル周波数として知られている。MRシステムの温度範囲は、入口流体温度間の差分、すなわちTHi−TCiとして定義される。
式3:Vhf=Hπ(R2 2−R1 2)D/360°
であると予想される。
式4:ΔtHΦH=ΔtCΦC
第1の実施形態
式5:A×L=ΔtHΦH=ΔtCΦC
リニアディスプレーサは、図に示されていない2つの別々のモータ(例えば、ステッパーモータ)により駆動される。各リニアディスプレーサは、流体が圧力下でディスプレーサから出現する出力ポート48及び50と、それを通して流体がディスプレーサの流体チャンバを満たし得る入口ポート52及び54とを有する。入力ポート及び出力ポートを通る一方向性の流れは、例えば逆止弁により、またはマイクロプロセッサにより制御される弁により確立され得る。
式6:vC=L/ΔtC
式7:vH=L/ΔtH
式8:ΦC=AvC=AL/ΔtC
一方、高温ブローの平均流量は、以下により与えられる。
式9:ΦH=AvH=AL/ΔtH
式8及び9から、低温ブローの持続期間及び高温ブローの持続期間のいかなる選択についても、式5の流量条件が満たされることが分かる。ひとたびこれらの持続期間が選択されると、ディスプレーサのパラメータA及びLの適切な選択により、任意の所望の高温ブローの流量及び低温ブローの流量が得られ得る。
第2の実施形態
式10:ΦH/ΦC=ΔtC/ΔtH
この関係を使用して、式4の流量条件を満たすことができる。したがって、ディスク弁の固定子溝穴に不等な角度範囲を使用すると、高温ブロー及び低温ブローの不等な持続期間及び流量が実現され、所望により式4の流量条件を満たす。ポンプにより確立されるほぼ一定の流量Φを調節することにより、高温ブローの流量ΦHまたは低温ブローの流量ΦCについて任意の所望の値が確立され得る。ひとたびこれらのブロー流量のうちの一方がΦの選択を通して確立されると、他方のブロー流量は式10により決定される。
第3の実施形態
式11:W=C(TH−TC)2/TC
式12:COP=QC/W=TC/(TH−TC)
実際の冷凍機は、相対的にそれほど効率的ではないことがあり、主要な損失は、冷媒の圧縮及び膨張における粘性損失により発生する。
式13:
結果として得られるCOPは、以下の通りである。
式14:COP=QC/W=(TH/(TH−TC)ln(TH/TC)−1)-1
当初は温かい流体流が低温の熱交換器に接触する際に発生するエントロピーの生成がもはや存在しないため、仕事入力は単段冷凍機よりも低い。TCがTHに接近している場合、最良の単段冷凍機は、理想的な多段チラーの2倍の仕事入力を必要とし得る。比率TH/TCが大きくなるにつれて、効率上のペナルティはわずかに増加し得る。例えば、TH=100°F及びTC=45°Fの場合、最良の単段冷凍機は、理想的な多段チラーの2.07倍の入力された仕事を消費し得る。
式15:ΔtHΦH=(1−f)ΔtCΦC
式中、ΦHは高温ブローの流量であり、ΦCは低温ブローの流量であり、ΔtH及びΔtCは高温ブローの持続期間及び低温ブローの持続期間であり、ならびにfは流体チラーHEXへと逸らされる低温ブロー流体の分画である。
Claims (30)
- 磁気冷凍システムであって、
各々が高温側及び低温側を有する1つ以上の磁気熱量材料のベッドと、
時間変動磁場を高状態及び低状態で前記1つ以上のベッドに印加するように構成された磁石と、
熱伝達流体と、
高温側熱交換器(HHEX)と、
低温側熱交換器(CHEX)と、
前記熱伝達流体を前記1つ以上のベッドと、前記HHEXと、前記CHEXとを通して循環させるように構成されたポンプと、
前記それぞれのベッドに印加される前記時間変動磁場が前記高状態である場合、持続期間ΔtHにわたって、前記1つ以上のベッドの前記低温側から前記HHEXを通して前記各ベッドの前記高温側への前記熱伝達流体の流れをΦHの平均流量に制御するように構成された弁と、を備え、
前記弁は、前記それぞれのベッドに印加される前記時間変動磁場が前記低状態である場合、持続期間ΔtCにわたって、前記1つ以上のベッドの前記高温側から前記CHEXを通して前記各ベッドの前記低温側への前記熱伝達流体の流れをΦCの平均流量に制御するように更に構成されており、
ΔtC>ΔtH、ΦC<ΦH、及びΔtHΦH=ΔtCΦC
である、磁気冷凍システム。 - ΔtH<0.8×ΔtCかつΦC<0.8×ΦHである、請求項1に記載の磁気冷凍システム。
- ΔtH<0.5×ΔtCかつΦC<0.5×ΦHである、請求項1に記載の磁気冷凍システム。
- 前記1つ以上のベッドに印加される前記時間変動磁場が、前記1つ以上のベッドと前記磁石の磁場との相対回転により達成される、請求項1に記載の磁気冷凍システム。
- 前記1つ以上のベッドと前記磁石の前記磁場との前記相対回転が、前記1つ以上のベッドを前記磁石の前記磁場の内側及び外側へ回転させることにより達成される、請求項4に記載の磁気冷凍システム。
- 前記1つ以上のベッドと前記磁石の前記磁場との前記相対回転が、前記磁石の前記磁場を前記1つ以上のベッドを中心として回転させることにより達成される、請求項4に記載の磁気冷凍システム。
- 前記磁石が、円環状ギャップの一部分を含み、
前記円環状ギャップの前記一部分が、前記磁石が前記時間変動磁場を前記高状態で前記1つ以上のベッドのうちのあるベッドに印加する持続時間に比例した角度範囲を有する、請求項1に記載の磁気冷凍システム。 - 前記円環状ギャップの前記角度範囲が170度未満である、請求項7に記載の磁気冷凍システム。
- 前記円環状ギャップの前記角度範囲が150度未満である、請求項7に記載の磁気冷凍システム。
- 前記円環状ギャップの前記角度範囲が130度未満である、請求項7に記載の磁気冷凍システム。
- 第1の濡れ直径を有する高温ブロー流体経路であって、前記熱伝達流体を前記1つ以上のベッドから前記HHEXへ方向付けるように構成される、高温ブロー流体経路と、
第2の濡れ直径を有する低温ブロー流体経路であって、前記熱伝達流体を前記1つ以上のベッドから前記CHEXへ方向付けるように構成される、低温ブロー流体経路と、を更に備え、
前記第1の濡れ直径が、前記第2の濡れ直径よりも大きい、請求項1に記載の磁気冷凍システム。 - 前記弁が、第1の回転子及び第1の固定子を備え、
前記第1の固定子が、内側溝穴及び外側溝穴を備え、
前記第1の回転子が、前記第1の固定子の前記内側溝穴に対応する内孔と、前記第1の固定子の前記外側溝穴に対応する外孔とを備え、
前記第1の固定子の前記内側溝穴が、前記第1の回転子の前記内孔の一部分を露出させるように構成され、前記第1の固定子の前記外側溝穴が、前記第1の回転子の前記外孔の一部分を露出させるように構成され、
前記第1の回転子の各内孔が、前記第1の回転子の外孔に対応し、
前記第1の回転子の内孔が前記第1の固定子の前記内側溝穴により露出される場合、前記第1の回転子の前記対応する外孔が前記第1の固定子の前記外側溝穴により露出されないように、かつ前記第1の回転子の外孔が前記第1の固定子の前記外側溝穴により露出される場合、前記第1の回転子の前記対応する内孔が前記第1の固定子の前記外側溝穴により露出されないように、前記第1の固定子及び前記第1の回転子が相互に対して回転するように構成されている、請求項1に記載の磁気冷凍システム。 - 前記第1の固定子の前記内側溝穴が、第1の角度範囲を有する第1の円環部の一部分を含み、
前記第1の固定子の前記外側溝穴が、第2の角度範囲を有する第2の円環部の一部分を含んでいる、請求項12に記載の磁気冷凍システム。 - 前記第1の角度範囲が、前記第2の角度範囲よりも大きい、請求項13に記載の磁気冷凍システム。
- 前記第1の角度範囲が、前記第2の角度範囲と重なり合わない、請求項13に記載の磁気冷凍システム。
- 前記弁が、第2の回転子及び第2の固定子を更に備え、
前記第2の固定子が、内側溝穴及び外側溝穴を備え、
前記第2の回転子が、前記第2の固定子の前記内側溝穴に対応する内孔と前記第2の固定子の前記外側溝穴に対応する外孔とを備え、
前記第2の固定子の前記内側溝穴が、前記第2の回転子の前記内孔の一部分を露出させるように構成され、前記第2の固定子の前記外側溝穴が、前記第2の回転子の前記外孔の一部分を露出させるように構成され、
前記第2の回転子の各内孔が、前記第2の回転子の外孔に対応し、
前記第2の回転子の内孔が前記第2の固定子の前記内側溝穴により露出される場合、前記第2の回転子の前記対応する外孔が前記第2の固定子の前記外側溝穴により露出されないように、かつ前記第2の回転子の外孔が前記第2の固定子の前記外側溝穴により露出される場合、前記第2の回転子の前記対応する内孔が前記第2の固定子の前記内側溝穴により露出されないように、前記第2の固定子及び前記第2の回転子が相互に対して回転するように構成されている、請求項12に記載の磁気冷凍システム。 - 前記第2の固定子の前記内側溝穴が、第3の角度範囲を有する第3の円環部の一部分を含み、
前記第2の固定子の前記外側溝穴が、第4の角度範囲を有する第4の円環部の一部分を含み、
前記第3の角度範囲が、前記第4の角度範囲よりも大きい、請求項16に記載の磁気冷凍システム。 - 磁気冷凍装置であって、
各々が高温側及び低温側を有する複数の磁気熱量材料のベッドと、
時間変動磁場を高状態及び低状態で前記複数のベッドに印加するように構成された磁石と、
熱伝達流体と、
高温側熱交換器(HHEX)と、
低温側熱交換器(CHEX)と、
前記熱伝達流体を前記複数のベッドと、前記HHEXと、前記CHEXとを通して循環させるように構成されたポンプと、
前記複数のベッドのうちのあるベッドの低温側に各々接続されている一連の孔を有する第1の部分と、前記CHEXに流体接続された溝穴を有する第2の部分と、を備える、第1の入口弁と、
前記複数のベッドのうちのあるベッドの高温側に各々接続されている一連の孔を有する第1の部分と、前記HHEXに流体接続された溝穴を有する第2の部分と、を備える、第1の出口弁と、
前記複数のベッドのうちのあるベッドの高温側に各々接続されている一連の孔を有する第1の部分と、前記HHEXに流体接続された溝穴を有する第2の部分と、を備える、第2の入口弁と、
前記複数のベッドのうちのあるベッドの低温側に各々接続されている一連の孔を有する第1の部分と、前記CHEXに流体接続された溝穴を有する第2の部分と、を備える、第2の出口弁と、を備え、
前記第1の入口弁内の前記溝穴と前記第1の出口弁内の前記溝穴とは、前記それぞれのベッドに印加される前記磁場が前記高状態である場合、持続期間ΔtHにわたって、前記ベッドの各々の前記低温側から前記ベッドの各々の前記高温側への前記熱伝達流体の流れをΦHの平均流量で許容するように構成され、
前記第2の入口弁内の前記溝穴と前記第2の出口弁内の前記溝穴とは、前記それぞれのベッドに印加される前記磁場が前記低状態である場合、持続期間ΔtCにわたって、前記ベッドの各々の前記高温側から前記ベッドの各々の前記低温側への前記熱伝達流体の流れをΦCの平均流量で許容するように構成され、
ΔtC>ΔtH、ΦC<ΦH、及びΔtHΦH=ΔtCΦC
である、磁気冷凍装置。 - 前記1つ以上のベッドに印加される前記時間変動磁場が、前記1つ以上のベッドと前記磁石の磁場との相対回転により達成される、請求項18に記載の磁気冷凍システム。
- 前記1つ以上のベッドと前記磁石の前記磁場との前記相対回転が、前記1つ以上のベッドを前記磁石の前記磁場の内側及び外側へ回転させることにより達成される、請求項19に記載の磁気冷凍システム。
- 前記1つ以上のベッドと前記磁石の前記磁場との前記相対回転が、前記磁石の前記磁場を前記1つ以上のベッドを中心として回転させることにより達成される、請求項19に記載の磁気冷凍システム。
- 前記磁石が、円環状ギャップの一部分を含み、
前記円環状ギャップの前記一部分が、前記磁石が前記時間変動磁場を前記高状態で前記1つ以上のベッドのうちのあるベッドに印加する持続時間に比例した角度範囲を有する、請求項18に記載の磁気冷凍システム。 - 磁気冷凍装置であって、
各々が高温側及び低温側を有する複数の磁気熱量材料のベッドと、
時間変動磁場を前記複数のベッドに印加するように構成された磁石と、
熱伝達流体と、
高温側熱交換器(HHEX)と、
低温側熱交換器(CHEX)と、
前記熱伝達流体を前記複数のベッドと、前記HHEXと、前記CHEXとを通して循環させるように構成されたポンプと、
低温側弁であって、前記低温側弁の中心からの第1の半径と、前記低温側弁の前記中心からの第2の半径とを有し、
前記第1の半径沿いの第1の一連の孔と前記第2の半径沿いの第2の一連の孔とを有する第1の部分であって、前記第1の一連の孔が各々、前記複数のベッドの各々の低温入口管に流体接続し、前記第2の一連の孔が各々、前記複数のベッドの各々の低温出口管に接続する、第1の部分と、
前記CHEXの出口に流体接続されている前記第1の半径沿いの第1の溝穴と、前記CHEXの入口に流体接続されている前記第2の半径沿いの第2の溝穴とを有する第2の部分と、を備えた低温側弁と、
高温側弁であって、前記高温側弁の中心からの第3の半径と、前記高温側弁の前記中心からの第4の半径とを有し、
前記第3の半径沿いの第3の一連の孔と前記第4の半径沿いの第4の一連の孔とを有する第1の部分であって、前記第3の一連の孔が各々、前記複数のベッドの各々の高温入口管に流体接続し、前記第4の一連の孔が各々、前記複数のベッドの各々の高温出口管に流体接続する、第1の部分と、
前記HHEXの出口に流体接続されている前記第3の半径沿いの第3の溝穴と、前記HHEXの入口に流体接続されている前記第4の半径沿いの第4の溝穴とを有する第2の部分と、を備えた高温側弁と、を備え、
前記第1の溝穴、前記第2の溝穴、前記第3の溝穴、及び前記第4の溝穴は、前記それぞれのベッドに印加される前記磁場が前記高状態である場合、持続期間ΔtHにわたって、前記複数のベッドの各々の前記低温側から前記それぞれのベッドの前記高温側への熱伝達流体の流れをΦHの平均流量で許容するように構成され、
前記第1の溝穴、前記第2の溝穴、前記第3の溝穴、及び前記第4の溝穴は、前記それぞれのベッドに印加される前記磁場が前記低状態である場合、持続期間ΔtCにわたって、前記複数のベッドの各々の前記高温側から前記それぞれのベッドの前記低温側への熱伝達流体の流れをΦCの平均流量で許容するように更に構成され、
ΔtC>ΔtH、ΦC<ΦH、及びΔtHΦH=ΔtCΦC
である、磁気冷凍装置。 - 前記1つ以上のベッドに印加される前記時間変動磁場が、前記1つ以上のベッドと前記磁石の磁場との相対回転により達成される、請求項23に記載の磁気冷凍システム。
- 前記1つ以上のベッドと前記磁石の前記磁場との前記相対回転が、前記1つ以上のベッドを前記磁石の前記磁場の内側及び外側へ回転させることにより達成される、請求項24に記載の磁気冷凍システム。
- 前記1つ以上のベッドと前記磁石の前記磁場との前記相対回転が、前記磁石の前記磁場を前記1つ以上のベッドを中心として回転させることにより達成される、請求項24に記載の磁気冷凍システム。
- 前記磁石が、円環状ギャップの一部分を含み、
前記円環状ギャップの前記一部分が、前記磁石が前記時間変動磁場を前記高状態で前記1つ以上のベッドのうちのあるベッドに印加する持続時間に比例した角度範囲を有する、請求項23に記載の磁気冷凍システム。 - 磁気冷凍及び流体チリング装置であって、
各々が高温側及び低温側を有する1つ以上の磁気熱量材料のベッドと、
時間変動磁場を高状態及び低状態で前記1つ以上のベッドに印加するように構成された磁石と、
熱伝達流体と、
高温側熱交換器(HHEX)と、
低温側熱交換器(CHEX)と、
流体チリング熱交換器(HEX)と、
前記熱伝達流体を前記複数のベッドと、前記HHEXと、前記CHEXと、前記HEXとを通して循環させるように構成されたポンプと、
前記それぞれのベッドに印加される前記磁場が前記高状態である場合、持続期間ΔtHにわたって、前記1つ以上のベッドの各々の前記低温側から前記HHEXを通して前記それぞれのベッドの前記高温側への前記熱伝達流体の流れをΦHの平均流量に制御するように構成された弁と、を備え、
前記弁は、前記それぞれのベッドに印加される前記磁場が前記低状態である場合、持続期間ΔtCにわたって、前記1つ以上のベッドの各々の前記高温側から前記CHEXを通して前記それぞれのベッドの前記低温側への前記熱伝達流体の流れをΦCの平均流量に制御するように更に構成されており、
前記弁は、前記それぞれのベッドに印加される前記磁場が前記低状態である場合、前記1つ以上のベッドの各々の前記低温側から出現する前記熱伝達流体のうちのある分画fを前記HEXに、及び前記それぞれのベッドの前記高温側に方向付けるように更に構成されており、
ΔtC>ΔtHかつΔtHΦH=(1−f)ΔtCΦC
である、磁気冷凍及び流体チリング装置。 - 複数の磁気熱量材料のベッドを磁石の磁場の内側及び外側へ回転させて、高状態及び低状態を有する時間変動磁場を作製するステップであって、前記時間変動磁場が前記複数のベッドの各々に印加される、作製するステップと、
前記それぞれのベッドに印加される前記時間変動磁場が前記高状態である場合、持続期間ΔtHにわたって、前記複数のベッドの各々の低温側から前記それぞれのベッドの高温側への熱伝達流体の流れをΦHの平均流量に制御するように弁を回転させるステップと、を含み、
前記弁を回転させるステップはまた、前記それぞれのベッドに印加される前記時間変動磁場が前記低状態である場合、持続期間ΔtCにわたって、前記複数のベッドの各々の前記高温側から前記それぞれのベッドの前記低温側への前記熱伝達流体の流れをΦCの平均流量に制御し、
ΔtC>ΔtH、ΦC<ΦH、及びΔtHΦH=ΔtCΦC
である、方法。 - 磁石の磁場を複数の磁気熱量材料のベッドを中心として回転させ、前記複数のベッドの各々に対して高状態及び低状態を有する時間変動磁場を作製するステップと、
前記それぞれのベッドに印加される前記時間変動磁場が前記高状態である場合、持続期間ΔtHにわたって、前記複数のベッドの各々の低温側から前記それぞれのベッドの高温側への熱伝達流体の流れをΦHの平均流量に制御するように弁を回転させるステップと、を含み、
前記弁を回転させるステップはまた、前記それぞれのベッドに印加される前記時間変動磁場が前記低状態である場合、持続期間ΔtCにわたって、前記複数のベッドの各々の前記高温側から前記それぞれのベッドの前記低温側への前記熱伝達流体の流れをΦCの平均流量に制御し、
ΔtC>ΔtH、ΦC<ΦH、ΔtHΦH=ΔtCΦC
である、方法。
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