JP2019117027A - 磁気冷凍ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】作業室に複数種類の磁性材料を積層させた構成であっても、低温取り出し側での熱伝導媒体の粘性増大による、熱伝導媒体の流通ロスを抑える。【解決手段】中心軸周りに回転可能な永久磁石３と、上記永久磁石３の外周側に円環状に配置されると共に磁性材料を収容する複数の作業室２が円周方向に並列し、上記各作業室２にはそれぞれ、キュリー点が異なる複数の磁性材料が軸方向に沿って積層されている磁気冷凍ヒートポンプ装置である。永久磁石３が無い状態で、上記作業室２に熱伝導媒体を圧送した場合に、軸方向に沿って、キュリー点が高い磁性材料を収容した部分の圧力損失よりも、キュリー点が低い磁性材料を収容した部分の圧力損失が小さくなるように、上記作業室２の断面及び磁性材料の密度の少なくとも一方を調節した。【選択図】図２

Description

本発明は、磁気冷凍ヒートポンプ装置に関する技術である。

磁気冷凍ヒートポンプ装置は、特許文献１に記載のように、回転軸に固定された永久磁石３の外周側に円周方向に沿って複数の作業室２が配列し、各作業室２にそれぞれ磁性材料６が収納されている（図１参照）。また、永久磁石３の回転に同期して、作業室２内の磁性材料６に対する熱伝導媒体（水などの作業流体）の流入・流出を調節する弁を備える。
各作業室２の軸方向端部の開口部は、例えば特許文献１や図１に示す、連通孔プレート１で閉塞され、その連通孔プレート１（バルブプレート）に各作業室２への連通孔１ａ、１ｂが形成されている。連通孔１ａ、１ｂは、例えば外周側の流出用連通孔と内周側の流入用連通孔を構成する。

図１では、その連通孔プレート１の前側には、ロータリー弁の回転ディスク４を備える場合が例示されている。回転ディスク４は永久磁石３と同期をとって回転する。その回転ディスク４には、円周方向に延びるスリット状の切欠き４ａ、４ｂが弁のポートとして形成され、その切欠き４ａ、４ｂを介して各作業室への熱伝導媒体の流出入制御が行われる。ここで例えばスリット状の切欠き４ａ、４ｂのうち、外周側が流出用であり、内周側が流入用である。
ここで、本発明が適用される磁気冷凍ヒートポンプ装置に適用される弁は、ロータリー弁でなくても良い。
また、熱交換効率を向上させる目的で、特許文献２に記載のように、作業室に対し複数種類の磁性材料をカスケード状（直列に）積層するように充填することも行われている。

特許第５４８８５８０号公報 特開２０１６−４０５１２号公報

磁気冷凍ヒートポンプ装置では、永久磁石による作業室内の磁性材料への消磁と励磁の繰り返しと同期させる形で、熱伝導媒体を作業室に圧送することで、消磁領域においては低温を、励磁領域においては高温を取り出す。
しかし、特許文献２のように複数種類の磁性材料を積層させた場合、磁性材料のキュリー点の違いから、例えば同一の作業室を励磁して消磁した際に、その１つの作業室内で軸方向に低温部と高温部とが生じ、その温度差は例えば４０℃以上にもなる。このため、その作業室に圧送した熱伝導媒体の温度が軸方向に沿って温度が異なることとなる。熱伝導媒体が、温度によって粘度が変化する物性を有している場合、冷凍能力を上げるために温度差を大きく設定するほど、高温側と低温側で熱伝導媒体の流れやすさに違いが発生し、具体的には低温側で流れ難くなる（圧力損失が大きくなる）。このことは、低温取り出し側において、低温取り出しのロスに繋がったり、磁気冷凍ヒートポンプ装置から取り出す熱伝導媒体の脈動が大きくなる原因になったりする。

例えば熱伝導媒体として、０℃以下の領域で凍結しないように不凍液を含有させる場合がある。不凍液としては、エチレングリコールやシリコーン系の液体などが使用されるが、不凍液は、熱容量が小さく低温では粘性が大きくなる。冷凍能力を向上させて、不凍液を含むような熱伝導媒体を使用した場合に、特に上記の問題が顕著となる。
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、作業室に複数種類の磁性材料を直列に積層させた構成であっても、低温取り出し側での熱伝導媒体の粘性増大による、低温取り出し時のロスを抑えることを目的とする。

課題を解決するために、本発明の一態様は、中心軸周りに回転可能な永久磁石と、上記永久磁石の外周側に円環状に配置されると共に磁性材料を収容する複数の作業室が円周方向に並列して設けられ、上記各作業室にはそれぞれ、キュリー点が異なる複数の磁性材料が軸方向に沿って直列に積層し、上記作業室に熱伝導媒体が供給される磁気冷凍ヒートポンプ装置であって、上記永久磁石が無い状態で上記作業室に熱伝導媒体を圧送した場合に、キュリー点が高い磁性材料を収容した部分の圧力損失よりも、キュリー点が低い磁性材料を収容した部分の圧力損失が小さくなるように、上記作業室の断面及び磁性材料の密度の少なくとも一方を設定したことを要旨とする。

本発明の一態様によれば、作業室に複数種類の磁性材料を積層させた構成であっても、低温取り出し側での熱伝導媒体の粘性増大による、低温取り出し時のロスを抑えることが可能となる。これによって、本発明の一態様によれば、磁気冷凍ヒートポンプ装置の冷凍能力を向上させても、スムーズな熱伝導媒体の流通を可能とすることに繋がる。

磁気冷凍ヒートポンプ装置の構成を説明する概略分解図である。 本発明に基づく第１の実施形態に係る磁気冷凍ヒートポンプ装置の主要構成を説明する模式的断面図である。 本発明に基づく第２の実施形態に係る磁気冷凍ヒートポンプ装置の主要構成を説明する模式的断面図である。

次に本発明に実施形態について図面を参照して説明する。
＜第１の実施形態＞
（構成）
本実施形態の磁気冷凍ヒートポンプ装置の基本構成は、図１に示す従来構成と同様であるが、周方向に配列した作業室の構造が異なる。
本実施形態の磁気冷凍ヒートポンプの基本構成は、図２に示すように、不図示のモータで回転駆動される回転軸１０に永久磁石３が固定されている。永久磁石３の外周には、それぞれ磁性材料が収容された複数の作業室２が配置されている。複数の作業室２は、回転軸１０と同心の円環状となるように、円周方向に沿って配列している。更に複数の作業室２の外周側には、円環状のヨーク（不図示）が設けられている。

各作業室２の軸方向端部の開口部は、それぞれ連通孔プレート１で閉塞され、その連通孔プレート１（バルブプレート）に各作業室２への連通孔が形成されている（図１参照）。その連通孔プレート１の前側には、永久磁石３の回転と共に回転するロータリー弁の回転ディスク４が配置される（図１参照）。回転ディスク４には、円周方向に延びるスリット状の切欠きが弁のポートとして開口し、そのスリットを介して熱伝導媒体の流出入制御が行われる。例えばスリットのうち、外周側が流出用であり、内周側が流入用である（図１参照）。

作業室２には、複数の磁性材料Ｍが、キュリー点の低い材料から順番（図２では、紙面右側から左側に向けてキュリー点の温度順）に収容されている。図２では、収容される複数の磁性材料Ｍが４種類の場合を例示し、その４種類の磁性材料Ｍのキュリー点が下記のような関係にあるものとする。
Ｍ１ ＞ Ｍ２ ＞Ｍ３ ＞ Ｍ４
作業室２は、円周方向の構造については従来と同様に、内径側円環部と外径側円環部との間の円筒状の空間が所定間隔毎に隔壁で区画されて構成されている。ただし、本実施形態の作業室２は、図２に示すように、軸方向に沿って径方向の高さが、相対的に、キュリー点が高い磁性材料を収容した位置よりも、キュリー点が低い磁性材料を収容した位置の方が大きくなるように設定した。すなわち外径側円環部のプロフィルが、円錐台状の形状となっている。ここで図２中、破線位置が従来の径方向高さ位置を示す。

これによって、キュリー点が高い磁性材料を収容した部分の断面積よりも、キュリー点が低い磁性材料を収容した部分の断面積の方が大きく設定される。すなわち、永久磁石３が無い状態で、作業室２に熱伝導媒体を圧送した場合に、作業室２の軸方向に沿って、キュリー点が高い磁性材料を収容した部分の圧力損失よりも、キュリー点が低い磁性材料を収容した部分の圧力損失が小さくなるように作業室２の断面が設定されている。
また、本実施形態では、作業室２の高さを軸方向に沿って連続して高く構成したのに伴い、作業室２内の磁性材料に均一の磁力を印加するために、作業室２の外径側にも外径側永久磁石２０を設けている。また外径側永久磁石２０を永久磁石３と同期をとって回転するように、外径側永久磁石２０も回転軸１０に連結した。本実施形態では、回転軸１０に固定されている回転ディスク４の外周側に外径側永久磁石２０を連結することで、外径側永久磁石２０が永久磁石３と同期をとって回転するように設定した。外径側永久磁石２０と永久磁石３とは、回転軸１０に対して磁極が並ぶように配置されている。

（動作その他）
永久磁石３及び外径側永久磁石２０の回転に伴い、永久磁石３の磁極に近い側の磁性材料に磁場が印加（励磁）されて加熱されると共に、永久磁石３の磁極から離れて消磁された磁性材料では温度が下がって低温となる。
このとき、相対的にキュリー点が高い磁性材料Ｍ１とキュリー点が低い磁性材料Ｍ４とでは、例えば４０℃以上の温度差が発生し、その温度差は冷凍能力を高くするほど大きくなる、そして、供給された熱伝導媒体も、接触する磁性材料と同様の温度差となる。

ここで、作業室２に流す熱伝導媒体としては、０℃以上の熱交換条件では熱容量の大きい水を使用することが、磁気冷凍ヒートポンプ装置としては有利である。しかし、冷凍能力を高めた場合、０℃未満の熱交換条件では水が凍結してしまうため、熱伝導媒体に不凍液を含有させる必要がある。不凍液としては、エチレングリコールやシリコーン系の液体が例示できる。しかし不凍液は、熱容量が小さく低温ほど粘性があがり圧力損失が増加する原因となる。
このため、作業室２について、キュリー点が高い磁性材料Ｍ１を収容している部分と、キュリー点が低い磁性材料Ｍ４を収容している部分の断面積が同じ場合、高温側と低温側とで圧力損失に大きさ差が発生して、軸方向において、作業室２内における熱伝導媒体の流れやすさが大きく変わってしまう。

これに対し、本実施形態では、相対的にキュリー点が高い磁性材料Ｍ１を収容している部分よりも、キュリー点が低い磁性材料Ｍ４を収容している部分の断面積を大きく設計して、磁性材料Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４を収容した部分での圧力損失を、磁性材料Ｍ１を収容した部分での圧力損失に近づくように変更した。この結果、同一作業室２での高温側と低温側の圧力損失の差が小さくなり、ロスの少ない冷凍能力の取り出しが可能となる。
消磁の際に、熱伝導媒体が磁性材料Ｍを通過するときに、熱伝導媒体の粘度に対応した作業室の断面積に調整して、軸方向に沿った圧力損失ができるだけ均一となるように設定することが好ましい。

例えば、エチレングリコールを熱伝導媒体として使用し、磁性材料Ｍ１で０℃、磁性材料Ｍ４で４０℃となるとした場合、エチレングリコールの粘性は、０℃で１３．１ｍＰａ・ｓであり、４０℃で２．０ｍＰａ・ｓであるので、磁性材料Ｍ１を収容する位置の開口断面積に対し、磁性材料Ｍ４を収容する位置での開口断面積が６．５倍となるように設定する。
ここで、図２において作業室２の高さを、磁性材料Ｍの配置に併せて階段状に設定しても良いが、段差部で流体の乱流が必要以上に発生するため、断面輪郭形状を、軸方向に沿って滑らかな斜面となるように設定している。斜面は直線状である必要は無く、曲線状であってもよい。

＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について図面を参照して説明する。
第１の実施形態では、軸方向に沿った作業室２の断面積を変更することで、キュリー点の違いによる圧力損失の違いを小さくした例である。これに対し、第２の実施形態では、キュリー点に応じて磁性材料Ｍの密度を調整して、複数の磁性材料Ｍのキュリー点違いによる圧力損失の違いを小さくした例である。
本実施形態では、作業室２の軸方向に沿った磁性材料の密度について、キュリー点が高い磁性材料Ｍ１部分の密度よりも、キュリー点が低い磁性材料部分の密度の方を小さくなるように設定した。

図３が、第２実施形態の構成例である。この例では、３種類の磁性材料Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３を直列に配置した例であり、そのキュリー点の値の関係は次の通りとする。
Ｍ１ ＞ Ｍ２ ＞ Ｍ３
そして、磁性材料が粒状の場合には、磁性材料の平均粒径を次の関係の通りとした。
Ｍ１ ＜ Ｍ２ ＜ Ｍ３
また、磁性材料が、薄板やハニカム形状などのブロック体である場合には、作業室内の空間ピッチ（作業室内の断面での間隙率）をキュリー点が低い材料ほど広くなるように設定した。

このように、本実施形態では、作業室２内において、軸方向に沿って、キュリー点が低い磁性材料の収容位置ほど材料充填率を低く設定した。
本実施形態の作用効果は、第１の実施形態と同様である。
ここで、第１の実施形態の圧力損失の調整方法と第２の実施形態の圧力損失の調整方法を併せて採用しても構わない。

２ 作業室
３ 永久磁石
４ 回転ディスク
１０ 回転軸
２０ 外径側永久磁石
Ｍ 磁性材料

Claims (4)

1. 中心軸周りに回転可能な永久磁石と、上記永久磁石の外周側に円環状に配置されると共に磁性材料を収容する複数の作業室が円周方向に並列して設けられ、上記各作業室にはそれぞれ、キュリー点が異なる複数の磁性材料が軸方向に沿って直列に積層し、上記作業室に熱伝導媒体が供給される磁気冷凍ヒートポンプ装置であって、
   上記永久磁石が無い状態で上記作業室に熱伝導媒体を圧送した場合に、キュリー点が高い磁性材料を収容した部分の圧力損失よりも、キュリー点が低い磁性材料を収容した部分の圧力損失が小さくなるように、上記作業室の断面及び磁性材料の密度の少なくとも一方を設定したことを特徴とする磁気冷凍ヒートポンプ装置。
2. 上記作業室の断面積について、キュリー点が高い磁性材料を収容した部分の断面積よりも、キュリー点が低い磁性材料を収容した部分の断面積の方を大きく設定したことを特徴とする請求項１に記載した磁気冷凍ヒートポンプ装置。
3. 上記作業室の軸方向に沿った上記作業室の磁性材料の密度について、キュリー点が高い磁性材料部分の密度よりも、キュリー点が低い磁性材料部分の密度の方を小さく設定したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した磁気冷凍ヒートポンプ装置。
4. 上記熱伝導媒体は、不凍液を含有していることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載した磁気冷凍ヒートポンプ装置。

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