JP2020038026A - Magnetic refrigeration device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気冷凍装置に関する。 The present invention relates to a magnetic refrigerator.
近年、冷凍技術の一つとして磁気冷凍装置への注目が高まっている。磁気冷凍装置は、フロンガス等を使用せず、環境への影響が少ないと言われている。 In recent years, attention has been paid to a magnetic refrigerator as one of refrigeration techniques. It is said that the magnetic refrigerating apparatus does not use Freon gas or the like and has little influence on the environment.
磁気冷凍装置に用いられる磁気冷凍技術の一つとしてAMR(Active Magnetic Regenerative Refrigeration)方式が知られている(例えば、特許文献1)。AMR方式は、磁気熱量効果と蓄熱効果とを利用した冷凍技術である。 An AMR (Active Magnetic Regenerative Refrigeration) method is known as one of the magnetic refrigeration techniques used for a magnetic refrigeration apparatus (for example, Patent Document 1). The AMR method is a refrigeration technology using a magnetocaloric effect and a heat storage effect.
磁気熱量効果は、磁性体内の磁気エントロピーの変化に伴い、磁性体が発熱又は吸熱する物理現象である。断熱状態で磁性体に磁場を印加すると、磁気エントロピーは減少する。その結果、磁性体は発熱し、磁性体の温度が上がる。他方、磁性体に印加していた磁場を取り去ると、磁気エントロピーは増加する。その結果、磁性体は吸熱し、磁性体の温度が下がる。 The magnetocaloric effect is a physical phenomenon in which a magnetic material generates or absorbs heat with a change in magnetic entropy in the magnetic material. When a magnetic field is applied to a magnetic body in an adiabatic state, the magnetic entropy decreases. As a result, the magnetic body generates heat, and the temperature of the magnetic body rises. On the other hand, when the magnetic field applied to the magnetic body is removed, the magnetic entropy increases. As a result, the magnetic material absorbs heat, and the temperature of the magnetic material decreases.
他方、蓄熱効果は、磁性体内の結晶格子のエントロピーの変化を利用する物理現象である。断熱状態で磁性体に磁場を印加すると結晶格子のエントロピーは増加し、磁場を取り去ると、結晶格子のエントロピーは減少する。室温域における磁気冷凍にとって阻害要因となりうる結晶格子のエントロピーを積極的に利用することで、発生した冷熱を効率的に蓄えることができる。 On the other hand, the heat storage effect is a physical phenomenon utilizing a change in entropy of a crystal lattice in a magnetic body. When a magnetic field is applied to the magnetic material in an adiabatic state, the entropy of the crystal lattice increases, and when the magnetic field is removed, the entropy of the crystal lattice decreases. By actively utilizing the entropy of the crystal lattice, which can be a hindrance to magnetic refrigeration in the room temperature range, the generated cold heat can be efficiently stored.
また特許文献2には、永久磁石が固着された回転子と、磁気作業物質を有する磁気作業体を内面側に有する固定子と、を有する磁気冷凍装置が記載されている。回転子が固定子の内部で回転すると、磁気作業物質に磁場を印加する印加状態と、磁気作業物質に加わる磁場を除去する非印加状態との2状態が生み出される。磁気作業物質は、印加状態から非印加状態に移行する際に、被冷却体を冷却する。 Patent Literature 2 describes a magnetic refrigeration apparatus including a rotor to which a permanent magnet is fixed, and a stator having a magnetic working body having a magnetic working substance on an inner surface side. When the rotor rotates inside the stator, two states are created: an applied state in which a magnetic field is applied to the magnetic working material and a non-applied state in which the magnetic field applied to the magnetic working material is removed. The magnetic working material cools the object to be cooled when transitioning from the applied state to the non-applied state.
特許文献2に記載の磁気冷凍装置は、永久磁石の磁極面を、対向する固定子の内周面を反映した円弧状としている。磁極面が所定の円弧を描くと、磁極面と磁気作業体との距離が磁極面の位置ごとで変化する。例えば、中心における永久磁石の磁極面と磁気作業体との距離は、端部における永久磁石の磁極面と磁気作業体との距離より短くなる。永久磁石の磁束密度は、永久磁石の磁極面と磁気作業体との距離の影響を受ける。永久磁石の中心における磁束密度は高く、永久磁石の端部における磁束密度は低くなる。つまり、磁場が印加された印加状態において、磁気作業物質を貫く磁束密度分布がばらついている。 In the magnetic refrigeration apparatus described in Patent Literature 2, the magnetic pole surface of the permanent magnet has an arc shape reflecting the inner peripheral surface of the opposed stator. When the pole face draws a predetermined arc, the distance between the pole face and the magnetic work body changes for each position of the pole face. For example, the distance between the pole face of the permanent magnet and the magnetic work body at the center is shorter than the distance between the pole face of the permanent magnet and the magnetic work body at the end. The magnetic flux density of the permanent magnet is affected by the distance between the magnetic pole surface of the permanent magnet and the magnetic working body. The magnetic flux density at the center of the permanent magnet is high and the magnetic flux density at the end of the permanent magnet is low. That is, in the applied state where the magnetic field is applied, the magnetic flux density distribution penetrating the magnetic work material varies.
磁束密度分布にばらつきがある永久磁石が回転すると、励磁時の磁気エントロピー変化に時差が生じる。この時差は、発熱した磁気作業物質から温熱を除去する際に、磁気作業物質の一部が吸熱現象を起こすという問題を引き起こす。発熱現象と吸熱現象とが同時に生じると、全体としての磁気熱量効果が低下する。 When a permanent magnet having a variation in magnetic flux density distribution rotates, a time difference occurs in a change in magnetic entropy at the time of excitation. This time difference causes a problem that a part of the magnetic working material causes an endothermic phenomenon when removing heat from the heated magnetic working material. When the heat generation phenomenon and the heat absorption phenomenon occur simultaneously, the magnetocaloric effect as a whole decreases.
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、磁気作業物質を貫く磁束の密度分布のばらつきを抑制することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to suppress variations in the density distribution of magnetic flux penetrating a magnetic work material.
本発明者らは、鋭意検討の結果、磁束の発生源である永久磁石の形状を調整することで、磁気作業体を貫く磁束の密度分布のばらつきを抑制できることを見出した。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
As a result of intensive studies, the present inventors have found that by adjusting the shape of the permanent magnet that is the source of the magnetic flux, it is possible to suppress variations in the density distribution of the magnetic flux penetrating the magnetic working body.
That is, the present invention provides the following means in order to solve the above problems.
(1)第1の態様にかかる磁気冷凍装置は、開口部を有するヨークと、前記ヨークの内周面に位置し、磁気作業物質を含む磁気作業体と、前記ヨークの前記開口部の内部に位置し、回転軸を中心に回転する回転子と、を備え、前記回転子は、前記回転軸が延在する回転軸方向から見て径方向のいずれかの方向に着磁され、着磁方向の端部に磁極面を有する永久磁石を備え、前記回転軸を基準に前記磁極面の周方向の中心における前記磁極面と前記磁気作業体との対向距離は、前記周方向の端部における前記磁極面と前記磁気作業体との対向距離より長い。 (1) A magnetic refrigeration apparatus according to a first aspect, wherein a yoke having an opening, a magnetic working body located on an inner peripheral surface of the yoke and containing a magnetic working material, and a yoke having an opening inside the opening of the yoke. And a rotor that rotates about a rotation axis, wherein the rotor is magnetized in one of radial directions as viewed from the rotation axis direction in which the rotation axis extends, and has a magnetization direction. A permanent magnet having a magnetic pole surface at an end of the magnetic pole, and a facing distance between the magnetic pole surface and the magnetic work body at a center in a circumferential direction of the magnetic pole surface with respect to the rotation axis is the distance at the end in the circumferential direction. It is longer than the facing distance between the magnetic pole surface and the magnetic work body.
(2)上記態様にかかる磁気冷凍装置において、前記磁極面は、前記回転軸から見て平坦面又は凸面であってもよい。 (2) In the magnetic refrigerator according to the above aspect, the magnetic pole surface may be a flat surface or a convex surface viewed from the rotation axis.
(3)上記態様にかかる磁気冷凍装置において、前記磁極面と前記磁気作業体との対向距離が、前記磁極面の前記周方向の中心から端部に向かって漸近的に短くなってもよい。 (3) In the magnetic refrigeration apparatus according to the above aspect, a facing distance between the magnetic pole surface and the magnetic working body may be asymptotically shorter from the center of the magnetic pole surface in the circumferential direction toward an end.
(4)上記態様にかかる磁気冷凍装置において、前記回転子は、磁束制御部をさらに備え、前記回転軸を基準に前記磁極面の外側に位置し、磁性体を有してもよい。 (4) In the magnetic refrigerating apparatus according to the above aspect, the rotor may further include a magnetic flux control unit, and may be located outside the magnetic pole surface with respect to the rotation axis and include a magnetic body.
(5)上記態様にかかる磁気冷凍装置において、前記磁束制御部の前記周方向の中心における厚さは、前記磁束制御部の前記周方向の端部における厚さより厚くてもよい。 (5) In the magnetic refrigeration apparatus according to the above aspect, a thickness of the magnetic flux control unit at the center in the circumferential direction may be larger than a thickness of the magnetic flux control unit at an end in the circumferential direction.
(6)上記態様にかかる磁気冷凍装置において、前記磁束制御部の厚さが、前記周方向の中心から端部に向かって漸近的に薄くなっていてもよい。 (6) In the magnetic refrigeration apparatus according to the above aspect, the thickness of the magnetic flux control section may be asymptotically reduced from the center in the circumferential direction toward the end.
上記態様にかかる磁気冷凍装置によれば、磁気作業物質を貫く磁束の密度分布のばらつきを抑制できる。 According to the magnetic refrigeration apparatus of the above aspect, it is possible to suppress the variation in the density distribution of the magnetic flux penetrating the magnetic work material.
以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。 Hereinafter, the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. In the drawings used in the following description, a characteristic part may be enlarged for convenience in order to make the characteristic easy to understand, and the dimensional ratio of each component may be different from the actual one. The materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are merely examples, and the present invention is not limited thereto, and can be appropriately modified and implemented within a range in which the effects of the present invention are exhibited.
「第1実施形態」
(磁気冷凍システム)
図1は、第1実施形態にかかる磁気冷凍システムの模式図である。図1に示す磁気冷凍システム200は、磁気冷凍装置100と、ポンプ110と、切り替え部120,121と、冷却室130と、貯留槽140と、流路150と、を備える。磁気冷凍装置100、ポンプ110、切り替え部120,121、冷却室130及び貯留槽140は、流路150により接続されている。
"First Embodiment"
(Magnetic refrigeration system)
FIG. 1 is a schematic diagram of a magnetic refrigeration system according to the first embodiment. The
ポンプ110は、熱交換媒体を循環させる。熱交換媒体は、水に限られず、他の溶液、空気等でもよい。ポンプ110から排出された熱交換媒体は、流路150を介して切り替え部120に供給される(流れF1)。
切り替え部120,121は、磁気冷凍装置100のどの位置に熱交換媒体を供給するかを制御し、流路150の接続を切り替える。切り替え部120から排出された熱交換媒体は、流路150を介して磁気冷凍装置100に供給される(流れF2)。熱交換媒体は、磁気冷凍装置100における磁場が印加されていない磁気作業体20に供給され、熱交換媒体が冷却される。
The
冷却室130は、冷却部132を有する。冷却された熱交換媒体は、流路150を介して冷却室130の冷却部132に供給される(流れF3)。熱交換媒体は、冷却室130の内部を冷やし、吸熱する。吸熱した熱交換媒体は、磁気冷凍装置100に再度供給される(流れF4)。熱交換媒体は、磁気冷凍装置100における磁場が印加されている磁気作業体20に流路150を介して供給される。流路150は、切り替え部121により選択される。磁気作業体20は、熱交換媒体を温める。熱交換媒体に熱を伝えることで、磁気作業体20の温度が高くなることを抑制する。温められた熱交換媒体は、流路150を介して貯留槽140に供給される(流れF5)。
The
貯留槽140は、熱交換媒体を貯留する。磁気作業体20により温められた熱交換媒体は、貯留槽140で室温まで冷却される。室温まで冷却された熱交換媒体は、貯留槽140からポンプ110に至る(流れF6)。上述の流れF1から流れF6を経て、磁気冷凍システム200は一回循環する。磁気冷凍システム200は、この循環を繰り返し、冷却室130内の被冷却体を冷却する。
The
(磁気冷凍装置)
図2は、第1実施形態にかかる磁気冷凍装置100の断面模式図である。図2は、後述する回転軸32に対して垂直な断面で磁気冷凍装置100を切断した断面に対応する。磁気冷凍装置100は、ヨーク10と、磁気作業体20と、回転子30とを備える。
(Magnetic refrigerator)
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the
ヨーク10は、内部に開口部10Aを有する。ヨーク10は、図1に示すように一方向に延在する円管状の部材である。ヨーク10は、磁性体からなる。ヨーク10には、例えば、一般構造用鉄鋼材(SS400)、ケイ素鋼板、機械構造用炭素材等を用いることができる。
The
磁気作業体20は、ヨーク10の内周面10aに位置する。磁気作業体20は、ヨーク10の内周面10aと接触していてもよいし、間隔をあけて配置されてもよい。
The magnetic working
図2に示す磁気作業体20は、ヨーク10の延在方向と同じ方向に延在する仕切り板22により複数の領域に区分されている。磁気作業体20は、図2に示すようにヨーク10の内周面10a全面に設けてもよいし、その一部にのみ設けてもよい。例えば、ヨーク10の内周面10aに、磁気作業体20を一定の間隔をあけて複数配設してもよい。
The magnetic working
磁気作業体20は、磁気作業物質を有する。磁気作業物質は、磁気熱量効果を発現する材料からなる。磁気作業物質は、断熱状態で磁場が印加されると発熱し、印加していた磁場を取り去ると吸熱する。磁場を印加する印加状態と、印加されていた磁場を除去する非印加状態とで、磁気作業物質の磁気エントロピーは変化し、磁気作業物質が発熱又は吸熱する。
The magnetic working
磁気作業物質は、例えば、Gd5Si2Ge2系物質、Mn(As-Sb)系物質、MnFe(P-As)系物質、La(Fe-Si)H系物質等を用いることができる。 Magnetic working substance, for example, can be used Gd 5 Si 2 Ge 2 based materials, Mn (As-Sb) based material, MnFe (P-As) based material, a La (Fe-Si) H-based material or the like.
回転子30は、ヨーク10の開口部10A内に位置する。図2に示す回転子30は、永久磁石31と回転軸32とを備える。回転軸32の軸中心は、ヨーク10の中心と一致する。回転子30は、回転軸32を中心に回転する。
The
永久磁石31は、回転軸32が延在する回転軸方向から見て径方向に着磁されている。着磁方向(径方向)の端部には、磁極面31aを有する。磁極面31aは、永久磁石31の外表面のうち磁束が貫く面である。
The
図2に示す永久磁石31は、回転軸方向から見て長軸と短軸とを有する。永久磁石31の断面形状はこの場合に限られない。図2に示す永久磁石31における第1方向は、永久磁石31の長軸方向であり、長軸方向に着磁されている。
The
永久磁石31の周方向の中心における磁極面31aと磁気作業体20との対向距離L1は、周方向の端部における磁極面31aと磁気作業体20との対向距離L2より長い。ここで対向距離とは、磁極面31aから磁気作業体20に向かって着磁方向に沿って下した垂線の距離を意味する。磁極面31aは、永久磁石31の端部を通り、磁気作業体20と等距離にある基準面S1より回転軸32側に位置する。
The facing distance L1 between the
磁気作業体20の各位置における磁束密度は、永久磁石31が生み出す起磁力と、磁極面31aと磁気作業体20との距離と、によって決定される。
The magnetic flux density at each position of the magnetic working
磁極面31aが基準面S1に位置する場合、磁極面31aと磁気作業体20との着磁方向における距離は、周方向の中央部より端部において長くなる。磁気作業体20の各位置における磁束密度は、磁極面31aと磁気作業体20との距離に応じて変化する。磁気作業体20の各位置における磁束密度は、磁極面31aの端部と対向する位置より中央部と対向する位置において強く、磁気作業体20の各位置における磁束密度がばらつく。
When the
これに対し、図2に示す磁気冷凍装置100は、周方向の中心における磁極面31aと磁気作業体20との対向距離L1は、周方向の端部における磁極面31aと磁気作業体20との対向距離L2より長い。つまり、磁極面31aから磁気作業体20に至るまでに、磁束は磁極面31aの周方向の中心において周方向の端部より拡散する。
On the other hand, in the
したがって、磁極面31aと磁気作業体20との距離を制御することで、磁極面31aと対向する磁気作業体20の各位置における磁束密度のばらつきが抑制される。
Therefore, by controlling the distance between the
図2に示す永久磁石31の磁極面31aは、回転軸32から見て突出する凸面である。磁極面31aの形状は、図2に示すように、周方向の中心から端部に向かって漸近的に変化することが好ましい。磁極面31aの形状が漸近的に変化することで、磁極面31aと磁気作業体20との対向距離が、磁極面31aの周方向の中心から端部に向かって漸近的に短くなる。ここで「漸近的」とは、徐々に変化することを意味し、磁極面31aの形状及び対向距離が段階的に変化する場合も含む。磁極面31aの形状及び対向距離が、漸近的に変化することで、磁極面31aと対向する磁気作業体20の各位置における磁束密度のばらつきがより抑制される。
The
図3は、第1実施形態にかかる磁気冷凍装置100の動作を模式的に示した図である。磁気冷凍装置100は、回転子30が回転することで、磁気作業体20の内部の磁気作業物質が発熱、吸熱し、磁気作業体20内部を流通する熱交換媒体を加熱、冷却する。
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating the operation of the
図3(a)はある任意の時間における磁気冷凍装置100の断面を模式的に示した図である。図3に示す磁気作業体20は、6つの領域に区分されている。磁束線は、磁極面31aとヨーク10との間で発生する。そのため、ある任意の時間において磁場は、区分された6つの領域のうち第1領域20Aにおける磁気作業体20の内部の磁気作業物質に印加される。第1領域20Aの内部の磁気作業物質の磁気エントロピーは減少する。つまり、第1領域20Aの内部の磁気作業物質は、発熱する。
FIG. 3A is a diagram schematically illustrating a cross section of the
磁極面31aは径方向に二つあるため、第1領域20Aも対向する位置に2つ存在する。以下、時計回りに第1領域20Aの隣の領域を第2領域20B、さらに隣の領域を第3領域20Cとする。
Since there are two magnetic pole surfaces 31a in the radial direction, two
次いで、回転子30が回転すると、磁気冷凍装置100は図3(a)の状態から図3(b)の状態に移行する。図3(b)は別の任意の時間における磁気冷凍装置100の断面を模式的に示した図である。図3(b)の状態において磁場は、第2領域20Bの内部の磁気作業物質に印加される。第2領域20Bの内部の磁気作業物質は、発熱する。
Next, when the
一方で、図3(a)において第1領域20Aに印加されていた磁場は除去される。したがって、第1領域20Aの内部の磁気作業物質の磁気エントロピーは増加する。その結果、第1領域20Aの内部の磁気作業物質は、吸熱する。
On the other hand, the magnetic field applied to the
図3(a)の状態から図3(b)の状態に移行する際に、切り替え部120から磁気冷凍装置100に熱交換媒体を供給する流路150を第1領域20Aに接続し、磁気冷凍装置100から切り替え部120に熱交換媒体を排出する流路150を第2領域20Bに接続する。
When shifting from the state of FIG. 3A to the state of FIG. 3B, the
第1領域20Aにおける磁気作業物質は、この瞬間において吸熱反応を示すため、磁気冷凍装置100に供給された熱交換媒体は冷却される。冷却された熱交換媒体は、冷却室130に供給され、被冷却体を冷却する。第2領域20Bにおける磁気作業物質は、この瞬間において発熱反応を示すが、貯留槽140に戻る熱交換媒体を加熱することで高温になることが抑制されている。
Since the magnetic working material in the
回転子30が回転することで、磁気作業体20の磁場が印加される領域は、第1領域20A、第2領域20B、第3領域20Cと順次変化する。この変化に応じて切り替え部120、121によって流路150を切り替える。冷却室130に向かう熱交換媒体は常に冷却され、被冷却体は効率的に冷却される。
As the
第1実施形態にかかる磁気冷凍装置100は、第1領域20A、第2領域20B、第3領域20Cに印加される磁束密度のばらつきが少ない。つまり磁気作業物質に磁場を印加する印加状態と、磁気作業物質に加わる磁場を除去する非印加状態と、の2状態の切り替わりが明確になり、一つの領域内で発熱現象と吸熱現象とが同時に生じることを抑制できる。その結果、磁気作業体20全体としての磁気熱量効果が効率的に発現する。
The
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 As described above, the preferred embodiments of the present invention have been described in detail, but the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications may be made within the scope of the present invention described in the appended claims. Can be modified and changed.
図4は、第1実施形態にかかる磁気冷凍装置の別の例の断面模式図である。図4に示す磁気冷凍装置101は、永久磁石33の形状が図2に示す磁気冷凍装置100と異なる。その他の構成は、図2に示す磁気冷凍装置100と同一である。同一の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of another example of the magnetic refrigerator according to the first embodiment. The
図4に示す永久磁石33は、回転軸方向から見て長軸と短軸とを有する長方形である。そのため、磁極面33aは回転軸32から見て平坦面である。
The
図4に示す永久磁石33は、磁極面33aの周方向の中心における着磁方向の厚さと、磁極面33aの周方向の端部における着磁方向の厚さとが一致する。周方向の中心における磁極面33aと磁気作業体20との対向距離L1は、周方向の端部における磁極面33aと磁気作業体20との対向距離L2より長い。つまり、磁極面33aから磁気作業体20に至るまでに、磁束は周方向の中心において周方向の端部より拡散する。
In the
この場合、磁極面33aの第2方向の中心と対向する位置における磁気作業体20の磁束密度は、磁極面33aの第2方向の端部と対向する位置における磁気作業体20の磁束密度より小さくなる。しかしながら、磁極面33aが基準面S1に位置する場合よりは、磁極面31aと対向する磁気作業体20の各位置における磁束密度のばらつきが抑制される。
In this case, the magnetic flux density of the magnetic working
ここまで磁極面31aが回転軸32に対して凸形状の場合(図2)と、磁極面33aが平坦面の場合(図4)とについて説明した。磁極面の形状は、効果を奏する範囲で回転軸32に対して凹形状でもよい。一方で、磁束密度を高め、ばらつきを抑える観点では、上述のように磁極面が平坦、または凸形状であることが好ましい。
The case where the
また図5は、第1実施形態にかかる磁気冷凍装置の別の例の断面模式図である。図5に示す磁気冷凍装置102は、回転子40の形状が図2に示す磁気冷凍装置100と異なる。その他の構成は、図2に示す磁気冷凍装置100と同一である。同一の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of another example of the magnetic refrigerator according to the first embodiment. The
図5に示す回転子40は、回転軸42と、支持体43と、複数の永久磁石44とを有する。複数の永久磁石44は、支持体43によって支持される。支持体43の4辺で永久磁石44を支持することで、永久磁石44は回転軸42を基準に径方向の4方向に突出する。複数の永久磁石44は、それぞれ支持体43からの突出方向に着磁している。
The
複数の永久磁石44は、それぞれ磁気作業体20と対向する位置に磁極面44aを有する。それぞれの磁極面44aにおいて、周方向の中心における磁極面44aと磁気作業体20との対向距離L1は、周方向の端部における磁極面44aと磁気作業体20との対向距離L2より長い。つまり、磁極面44aから磁気作業体20に至るまでに、磁束は周方向の中心において周方向の端部より拡散する。その結果、磁極面44aと対向する磁気作業体20の各位置における磁束密度のばらつきが抑制される。
Each of the plurality of
なお、磁気冷凍装置における磁極面の数は、図2及び図4に示す2つの場合、及び、図5に示す4つの場合に限られるものではなく、任意の数を選択できる。 The number of magnetic pole faces in the magnetic refrigerator is not limited to the two cases shown in FIGS. 2 and 4 and the four cases shown in FIG. 5, but an arbitrary number can be selected.
「第2実施形態」
図6は、第2実施形態にかかる磁気冷凍装置103の断面模式図である。第2実施形態にかかる磁気冷凍装置103は、回転子30が磁束制御部35をさらに備える点が、第1実施形態にかかる磁気冷凍装置100、101と異なる。その他の構成は、図2に示す磁気冷凍装置100と同一である。同一の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
"Second embodiment"
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the
回転子30は、回転軸32と、永久磁石34と、磁束制御部35と、を備える。図6に示す永久磁石34は、回転軸方向から見て長軸と短軸とを有する長方形であり、磁極面34aは平坦面である。周方向の中心における磁極面34aと磁気作業体20との対向距離L1は、周方向の端部における磁極面34aと磁気作業体20との対向距離L2より長い。永久磁石34の回転軸方向からの平面視形状は、図2に示す永久磁石31と同様でもよい。
The
磁束制御部35は、回転軸32を基準に磁極面34aの外側に位置する。磁束制御部35は、強磁性体を有する。
The magnetic
磁束制御部35が強磁性体の場合、強磁性体の透磁率は空気の透磁率より高い。つまり、強磁性体を設けない場合と比較して、磁極面34aから対向面35aに至る間における磁束密度の変化が少なくなる。その結果、磁極面34aの周方向の中心を貫通した磁束が磁気作業体20に至るまでに拡散することが抑制される。磁束の拡散が抑制されると、磁気作業体20の磁極面34aの第2方向の中心と対向する位置における磁束密度が小さくなることが抑制され、磁束密度のばらつきがより抑制される。
When the magnetic
磁束制御部35の周方向の中心における厚さは、磁束制御部35の周方向の端部における厚さより厚いことが好ましく、周方向の中心から端部に向かって漸近的に薄くなることが好ましい。例えば、図6に示すように磁束制御部35の対向面35aが円弧を描くことが好ましい。
The thickness at the circumferential center of the magnetic
磁束制御部35の対向面35aの位置は、基準面S1と一致していてもよいし、基準面S1より回転軸32側に位置していてもよいし、基準面S1より回転軸32から離れた位置に位置していてもよい。また第2実施形態においても磁極面34aの数は、2つに限られるものではない。
The position of the opposing
上述のように、第2実施形態にかかる磁気冷凍装置103によれば、磁極面34aと対向する磁気作業体20の各位置における磁束密度のばらつきをより抑制できる。
As described above, according to the
図7〜図9は、磁束密度分布をシミュレーションする際に用いたモデルである。シミュレーションは、三次元有限要素法電磁界解析ソフトウェアを用いて行った。計算を容易にするために、回転軸32を中心に半円のみをモデリングし、シミュレーションを行った。また磁束密度分布に大きな影響を及ぼさない磁気作業体は、モデルから除去した。以下、図7のモデルをAタイプ、図8のモデルをBタイプ、図9のモデルをCタイプという。
7 to 9 show models used for simulating the magnetic flux density distribution. The simulation was performed using three-dimensional finite element method electromagnetic field analysis software. In order to facilitate the calculation, only a semicircle centered on the
ヨーク10は、厚さD10が33mmの一般構造用鉄鋼材(SS400)とした。Aタイプ、Bタイプ及びCタイプのいずれも回転子30は、回転軸32と第1部分36と第2部分37と第3部分38とからなる。第1部分36はネオジム磁石(NEOREC50B)からなり、第3部分38はSS400からなるとした。また第2部分37の対向面37aとヨーク10の内周面との距離は一定とし、第2部分37の構成は実施例ごとに変化させた。
The
Aタイプの磁極面36aは、円弧と平坦面とが組み合わさった面である。Bタイプの磁極面36aは、円弧からなる面である。Cタイプの磁極面36aは、円弧と傾斜面とが組み合わさった面である。いずれのタイプにおいても、周方向の中心における磁極面36aとヨーク10との対向距離L3は、周方向の端部における磁極面36aとヨーク10との対向距離L4より長い。磁気作業体は、ヨークの内周面に沿って存在するため、磁極面36aとヨーク10との対向距離は、磁極面36aと磁気作業体との対向距離に対応する。
The A-type
「実施例1」
実施例1は、Aタイプにおいて第2部分37を空隙とした。すなわち、回転子30の第2部分37を削って除去した場合に対応する。周方向の中心における磁極面36aとヨーク10との対向距離L3は22.5mmとし、周方向の端部における磁極面36aとヨーク10との対向距離L4は17.0mmとした。また永久磁石である第1部分36の周方向の中心における厚みD1は52.0mmとし、第2方向の端部における厚みD2は47.5mmとした。
"Example 1"
In Example 1, the
「実施例2」
実施例2は、Aタイプにおいて第2部分37を一般構造用鉄鋼材(SS400)とした点が実施例1と異なる。その他の条件は実施例1と同様にした。
"Example 2"
The second embodiment differs from the first embodiment in that the
「実施例3」
実施例3は、Bタイプにおいて第2部分37を空隙とした。すなわち、回転子30の第2部分37を削って除去した場合に対応する。周方向の中心における磁極面36aとヨーク10との対向距離L3は20.5mmとし、周方向の端部における磁極面36aとヨーク10との対向距離L4は17.0mmとした。また永久磁石である第1部分36の周方向の中心における厚みD1は54.1mmとし、周方向の端部における厚みD2は47.5mmとした。
"Example 3"
In Example 3, the
「実施例4」
実施例4は、Bタイプにおいて第2部分37を一般構造用鉄鋼材(SS400)とした点が実施例3と異なる。その他の条件は実施例3と同様にした。
"Example 4"
The fourth embodiment is different from the third embodiment in that the
「実施例5」
実施例5は、Cタイプにおいて第2部分37を空隙とした。すなわち、回転子30の第2部分37を削って除去した場合に対応する。周方向の中心における磁極面36aとヨーク10との対向距離L3は17.5mmとし、周方向の端部における磁極面36aとヨーク10との対向距離L4は17.0mmとした。また永久磁石である第1部分36の周方向の中心における厚みD1は57.0mmとし、周方向の端部における厚みD2は47.5mmとした。
"Example 5"
In Example 5, the
「実施例6」
実施例6は、Cタイプにおいて第2部分37を一般構造用鉄鋼材(SS400)とした点が実施例5と異なる。その他の条件は実施例5と同様にした。
"Example 6"
The sixth embodiment is different from the fifth embodiment in that the
「比較例1」
比較例1は、Aタイプにおける第2部分37をネオジム磁石とした。すなわち、第1部分36と第2部分37とはいずれもネオジム磁石からなり、一体化している。この場合の磁極面は、第2部分37の対向面37aとなる。周方向の中心における対向面37a(磁極面)とヨーク10との対向距離L3は14.5mmとし、周方向の端部における対向面37a(磁極面)とヨーク10との対向距離L4は17.0mmとした。また永久磁石である第1部分36及び第2部分37を合わせた部分の周方向の中心における厚みD1は60.0mmとし、第2方向の端部における厚みD2は47.5mmとした。なお、Bタイプ又はCタイプにおける第2部分37をネオジム磁石とした場合も比較例1と同一となる。
"Comparative Example 1"
In Comparative Example 1, the
以下の表1に、実施例1〜実施例6及び比較例1の各構成をまとめた。また実施例1〜実施例6及び比較例1においてヨークの内周面近傍における磁束密度分布を測定した結果を、図10にまとめた。図10に示すように、いずれの実施例も比較例1と比較して、磁場が印加されている部分における磁束密度のばらつきが抑制された。 Table 1 below summarizes each configuration of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1. FIG. 10 summarizes the results of measuring the magnetic flux density distribution in the vicinity of the inner peripheral surface of the yoke in Examples 1 to 6 and Comparative Example 1. As shown in FIG. 10, in each of the examples, the variation of the magnetic flux density in the portion where the magnetic field was applied was suppressed as compared with Comparative Example 1.
10 ヨーク
10a 内周面
10A 開口部
20 磁気作業体
20A 第1領域
20B 第2領域
20C 第3領域
22 仕切り板
30 回転子
31、33、34、44 永久磁石
31a、33a、34a、36a、44a 磁極面
32、42 回転軸
43 支持体
35 磁束制御部
35a、37a 対向面
36 第1部分
37 第2部分
38 第3部分
100、101、102、103 磁気冷凍装置
110 ポンプ
120、121 切り替え部
122 ロータリー弁
130 冷却室
132 冷却部
140 貯留槽
150 流路
F1、F2、F3、F4、F5、F6 流れ
S1 基準面
L1、L2 対向距離
D1、D2 厚さ
10
Claims (6)
前記ヨークの内周面に位置し、磁気作業物質を含む磁気作業体と、
前記ヨークの前記開口部の内部に位置し、回転軸を中心に回転する回転子と、を備え、
前記回転子は、前記回転軸が延在する回転軸方向から見て径方向のいずれかの方向に着磁され、着磁方向の端部に磁極面を有する永久磁石を備え、
前記回転軸を基準に前記磁極面の周方向の中心における前記磁極面と前記磁気作業体との対向距離は、前記周方向の端部における前記磁極面と前記磁気作業体との対向距離より長い、磁気冷凍装置。 A yoke having an opening,
A magnetic working body located on the inner peripheral surface of the yoke and including a magnetic working material;
A rotor that is located inside the opening of the yoke and rotates around a rotation axis,
The rotor is provided with a permanent magnet that is magnetized in any direction in a radial direction when viewed from a rotation axis direction in which the rotation axis extends, and has a pole face at an end in the magnetization direction.
The facing distance between the magnetic pole surface and the magnetic working body at the center in the circumferential direction of the magnetic pole surface with respect to the rotation axis is longer than the facing distance between the magnetic pole surface and the magnetic working body at the circumferential end. , Magnetic refrigeration equipment.
前記磁束制御部は、前記回転軸を基準に前記磁極面の外側に位置し、磁性体を有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の磁気冷凍装置。 The rotor further includes a magnetic flux control unit,
The magnetic refrigeration apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the magnetic flux control unit is located outside the magnetic pole surface with respect to the rotation axis and has a magnetic body.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018164913A JP2020038026A (en) | 2018-09-03 | 2018-09-03 | Magnetic refrigeration device |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN115516258A (en) * | 2020-05-14 | 2022-12-23 | 三菱电机株式会社 | Magnetic refrigerator |
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2018
- 2018-09-03 JP JP2018164913A patent/JP2020038026A/en active Pending
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