JP4284183B2 - 回転磁石式磁気冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、一般的に、磁気冷凍の分野、及び能動磁気熱交換冷凍装置に関する。

磁気熱量材料を作業要素として使用する磁気冷凍は、ガス圧縮及び膨張を利用する従来の冷凍技術に付随する重要な制限に対処すると期待される。磁気熱量材料は、磁界が印加された時に温度が変化するという特性を有する。強磁性状態から常磁性状態への遷移に近い材料の場合、この材料は、磁化された時に暖かくなり、消磁された時に冷たくなることになる。磁気冷凍は、環境に害を与える恐れがあるフロンガス（ＣＦＣ）のような揮発性流体の使用を避けることができる。磁気冷凍は、従来の冷凍技術よりもエネルギ効率が高いものになる可能性がある。磁気冷凍はまた、非常に低い温度を生じさせることができ、これは、例えば、輸送及び他の用途に向けた代替燃料として使用される液体水素のコスト効率の高い生産を可能にすることができる。すなわち、磁気冷凍のための効果的な装置を見出す必要性が長い間存在している。

多くの磁気冷凍は、能動磁気熱交換を作動原理として使用する。能動という用語は、磁界が磁気熱量材料に印加され、その後に除去されることを意味する。熱交換器は、熱交換サイクルの一段階中に熱を熱伝導媒体に伝達し、その後、熱交換サイクルの反対の段階中にその熱伝導媒体から熱を伝達させる熱装置である。能動磁気冷凍は、時間変動磁界及び熱伝導媒体の往復流を磁気熱量材料の細長い容器に加え、磁気熱量材料の容器に沿って温度勾配を作って熱伝導媒体に出入りする熱伝達を可能にする熱交換器を意味する。能動磁気熱交換を磁気冷凍機で用いて冷却をもたらすか、又はヒートポンプで用いて加熱をもたらすことができる。

一般的な能動磁気熱交換装置においては、熱伝導流体に対して浸透性の磁気熱量材料の床は、その床の磁化及び消磁をもたらし、一方の熱交換器から他方の熱交換器までの磁気熱量材料の床を通る往復流体の流れを達成するために設けられた機構を有する２つの熱交換器に結合される。一般的な能動磁気熱交換装置は、通常は、（１）磁気熱量効果によって床の磁気熱量材料の磁気熱量材料の温度を上げる床の磁化、（２）昇温した流体が床から流れ出て高温側熱交換器に入り、熱を放つことができる高温側方向への低温側における流体の移動、（３）磁気熱量効果によって床の磁気熱量材料の温度を下げる床の消磁、及び（４）冷却された流体が床から流れ出て低温側熱交換器に入り、熱を吸収することができる低温側方向への高温側における流体の移動という４つの基本的作動を実行する。

本発明によれば、磁気冷凍装置は、磁気熱量材料を含む磁気熱交換床、磁石、及び磁気熱交換床に隣接する経路内で磁石を移動させる手段を有し、それによって磁石の運動は、磁気熱交換床に磁界強度の変動が生じ、それは、次に磁気熱量材料の温度の変動をもたらす。
本発明の１つの態様では、磁気熱交換床は、リング状に配置された複数の室で構成され、磁石は、リング回りの経路で磁石を移動させる回転アセンブリに取り付けられる。
本発明の別の態様では、熱を伝達させる方法は、磁気熱量材料を包含する磁気熱交換室を有する環状容器回りに磁石を回転させる段階を含む。磁石の回転により、磁気熱交換室内に磁界強度の周期的変動が生成される。磁界強度の変動により、磁気熱交換室内に磁気熱量材料の温度の変動が引き起こされる。

本発明の別の態様では、熱伝達装置は、複数の磁気熱交換室を含む環状容器、環状容器の中心軸線回りに回転するように取り付けられた磁石、熱交換器、及びバルブを含む。各磁気熱交換室は、高温側と低温側を有し、熱伝導流体の流れが通ることを許す磁気熱量材料を包含する。バルブは、軸方向ポート、及び複数の半径方向ポートを有する。バルブの軸方向ポートは、パイプによって高温熱交換器に結合され、バルブの各半径方向ポートは、パイプによって磁気熱交換室の高温側に結合される。磁石の回転により、磁気熱交換室に磁界強度の周期的変動が生成される。磁界強度の変動により、磁気熱交換室に磁気熱量材料の温度の周期的変動が引き起こされる。熱伝達に関して磁気熱量材料の温度の周期的変動を利用するために、バルブは、適切な時間に熱伝導流体を磁気熱交換室から熱交換器を出入りするように流すために使用される。

本発明の別の態様では、熱伝達装置は、磁気熱量材料を包含する複数の磁気熱交換室の環状構成と、磁気熱交換室の環状構成の中心軸線回りに回転するように取り付けられた磁石と、軸方向ポート、回転内側アセンブリ、及び複数の半径方向ポートを有するバルブとを含み、回転内側アセンブリは、磁石の回転と同期して回転し、軸方向ポートと１つ又はそれ以上の半径方向ポートとの間で熱伝導流体の流れを結合する。

本発明のこのような好ましい実施形態による回転磁石式磁気冷凍機は、いくつかの望ましい特徴を有する。装置への作業入力は、一定速度とすることができる円運動を通じて為される。力は十分に均衡が取れており、そのために正味の駆動力は、主として冷凍処理を駆動するのに必要な力であり、この力はほぼ一定である。往復する流れが磁気熱量材料に対して起こり、熱交換サイクルの実行を可能にし、しかも、熱交換器内又は磁気熱量材料と熱交換器との間のデッドボリューム効果が最小限に抑えられる。最後に、バルブに使用するシールは、単純な設計のものとすることができ、シールが受ける磨耗は最小であり、発生する摩擦は最小である。
本発明の更なる目的、特徴、及び利点は、添付図面と共に以下の詳細な説明によって明らかになるであろう。

本発明による回転磁石式冷凍機の好ましい実施形態は、全体的に１０で示されているが、図１から図３に示すように、半径方向の境界１４によっていくつかの室１３（図１では１２個の室を示す）に分離された磁気熱量材料１２の定置型環状（リング形）容器１１を使用する。これらの半径方向の境界１４は、流体及び熱の流れを妨げるものである。各室１３は、低温側１５及び高温側１６を有し、そこにある磁気熱量材料１２は、流体の流れに対して浸透性があり、熱伝導流体１７が交互に低温側１５から高温側１６へ、又は高温側１６から低温側１５へ流れるようにすることができる。

図２及び図４に最も良く示すように、各室１３は、その低温側１５に、低温側入口ポート２２に結合した低温側入口パイプ２１と低温側出口パイプ２４に結合した低温側出口ポート２３とを含む一対の流体アクセスポート及び付随するパイプを有し、また、その高温側１６に、高温側入口パイプ３１及び高温側入口ポート３２と高温側出口ポート３４及び高温側出口パイプ３３とで構成された一対の流体アクセスポート及び付随するパイプを有する。

１つ又はそれ以上の磁石４０は、それらを磁気熱量材料１２の定置型環状容器１１回りに円形に駆動させるために、円運動ができるように取り付けられている。図５に最も良く示すように、各磁石４０は、回転磁石マウント４３上に取り付けることができ、回転磁石マウント４３は、モータ４４によって駆動させることができる。図６に最も良く示すように、各磁石４０は、磁気熱量材料１２を含む室１３を通る磁束を集束させる対向する面５３を有することができる。図５及び図６に最も良く示すように、磁石４０は、１つ又はそれ以上の永久磁化部分４１、及び１つ又はそれ以上の鉄部分４２で構成することができる永久磁石である。

図３に最も良く示すように、磁石のデザインは、面５３を通る磁石４０から発せられる磁束が磁石４０の最も近くの領域５０にある１つ又はそれ以上の室内に集中し、一方、磁石４０から離れた領域５１にある室１３にはほとんど磁束が入らないようなデザインである。中間レベルの磁束は、磁石４０から中間距離にある領域５２にある室１３に入ることができる。従って、磁石４０の動きにより、各室１３で磁界強度の周期的変動が生成され、次に、磁気熱量効果を通じて磁気熱量材料１２の温度の周期的変動をもたらす。所定の時間に、領域５０にある室１３は、磁界が相対的に高く、領域５１にある室１３は、磁界が相対的に低く、領域５２にある室１３は、中間の強度の磁界になることになる。

図４に最も良く示すように、熱伝導流体ポンプ４０は、一定の回転数で作動させることができるが、回路を満たす熱伝導流体１７、高温熱交換器６２、低温熱交換器６３、いくつかのバルブ７１〜７４、室１３、及び結合配管及びポートから成る流体流れ回路に結合される。磁気熱量材料床に関連したパイプの１／６のみが図１及び図４に示されている。
図５に最も良く示すように、モータ４４は、モータシャフト４５を含む。ポンプ駆動プーリ４６は、モータシャフト４５に取り付けることができ、ポンプ駆動ベルト６１は、熱伝導流体ポンプ６０を駆動させるのに使用することができる。また、減速器シャフト４８を含む減速器４７をモータシャフト４５に取り付けることができる。図１及び図５に最も良く示すように、バルブ駆動プーリ４９は、減速器シャフト４８に取り付けることができ、バルブ駆動ベルト７５は、バルブ７１〜７４を駆動させるのに使用することができる。

図１及び図４に最も良く示すように、磁石４０が領域５０に位置する室１３の上にある時、バルブ７１〜７４は、パイプ８３から軸方向ポート７６を通じてバルブ７３に入る熱伝導流体１７が、半径方向ポート７７を通じてバルブ７３によって案内されて低温側入口パイプ２１に、更に低温側入口ポート２２を通じて高い磁界にある領域５０にある室１３に至り、そこで、熱伝導流体１７が、磁気熱量材料１２によって昇温され、その後、高温側出口ポート３４及び高温側出口パイプ３３を通ってバルブ７１上の半径方向ポートに至り、それから、軸方向ポート７６を通ってパイプ８１及び流体ポンプ６０に至り、その後、パイプ８５を通って高温熱交換器６２に至り、そこで、熱が環境に放出されるように所定の位置に設定される。

図１及び図６に最も良く示すように、熱伝導流体は、高温熱交換器６２から出て、その後、パイプ８２を通ってバルブ７２上の軸方向ポート７６に至り、そこで、熱伝導流体１７は、半径方向ポート７７を通って案内されて高温側入口パイプ３１に至り、高温側入口ポート３２を通って低い磁界にある領域５１にある室１３に至り、そこで、熱伝導流体１７は冷却され、その後、低温側出口ポート２４及び低温側出口パイプ２３を通ってバルブ７４上の半径方向ポート７７に至り、それから、軸方向ポート７６及びパイプ８４を通って低温熱交換器６３に至り、そこで、熱負荷が冷却される。

磁石４０が定置型環状容器１１回りを移動する時、異なる室１３は、高い磁界及び低い磁界に露出され、バルブ７１〜７４の設定、従って配管及び室１３内の流れは、相応に変更される。バルブ７１〜７４は、高温及び低温熱交換器６２及び６３内と、流体ポンプ６０、バルブ７１〜７４、及び熱交換器６２及び６３間の各パイプ８１〜８５内との熱伝導流体１７の流れが単一方向になるように設定される。更に、室１３と熱交換器６２及び６３との間の配管内の熱伝導流体１７の流れは、各パイプ内の流れが固有の方向か又はゼロになるように設定される。

従って、バルブ７１〜７４の正しい設定により、室１３の内側を除く全ての場所で単一方向の流れを確保することによって熱交換器６２〜６３の影響を回避することが可能であり、正しくタイミングが取られた逆流が発生する。移動表面に露出され、従って、恐らくは摩擦による加熱を生じるシール７８のみが、バルブ７１〜７４及び恐らくはポンプ６０内にある。これらのシールは、小型のものであり、比較的低い表面速度に露出される。

本発明による磁気冷凍装置の代替実施形態については様々な可能性がある。
上述の実施形態では、２つの磁石４０が使用され、低温熱交換器６３からの流れは、バルブ７３の単一ポートを通じて高い磁界にある領域５０の単一の対の室１３に案内されるが、これは必要なものではない。磁石４０は、所定の時間に１つよりも多い対の室１３の上に高い磁界を投じることができ、その場合、低温熱交換器６３からの流れは、１つよりも多い対の室１３に同時に案内されることが有利である。これは、流れが複数の半径方向ポート７７を通じて同時に発生するようにバルブ７１〜７４を変更することによって上述のものと同一の配管システムで行うことができる。また、バルブ７１〜７４は、所定の半径方向ポート７７への流れが徐々に生じるように構成することができ、これは、対応する室１３における磁界の漸進的な増加又は減少と同期して発生させることができる。上述のものと類似の流れシステムによって異なる数の磁石４０又は異なる数の室１３に対処することができるが、バルブ及びパイプの構成は異なる。バルブ７１〜７４は、多重位置バルブ、二位置バルブ、又は、多重位置及びチェックバルブの組合せとすることができる。

好ましい実施形態では、本発明による装置は磁気冷凍機として使用することができるが、本装置の他の用途が可能である。例えば、本装置は、高温熱交換器６２を加熱すべき本体に結合することにより、かつ低温熱交換器６３を環境に結合することにより、加熱をもたらすヒートポンプとして作動することができる。同様に、本装置は、住宅の冷房をもたらすエアコン、又は、有用な結果をもたらすように熱伝達を利用する任意の用途に使用することができる。また、付加的な流れポート、熱交換器、又はポンプを使用することもできる。

好ましい実施形態では、上述のようなポートを有する室１３は、図１、図２、及び図４に最も良く示すように円周方向の流体の流れをもたらすが、これは必要なことではない。代替的に、定置型環状容器１１は、半径方向又は軸方向の流れが得られるように構成された室１３を有することができる。磁気熱量材料１２は、流れに対して浸透性がなければならないが、粒子、又は薄いシート、又は単一の物理的接点でパッケージ化されるか又は互いに結合された他の表面積の大きな形状の形態とすることができる。非結合粒子が使用された場合、入口及び出口ポートを覆うスクリーン又は微細な孔を有するシートを使用して、それらを室から逃げないようにすることができる。
好ましい実施形態では、熱伝導流体として液体を使用するが、熱伝達のための他の媒体を使用することもできる。例えば、ガスを熱伝導媒体として単独で又は液体との組合せで使用することもできるであろう。

好ましい実施形態では、いくつかの室１３に分離された磁気熱量材料１２の定置型環状（リング形）容器１１が使用されるが、磁気熱量材料１２の他の構成を使用することもできる。例えば、磁気熱量材料１２の容器１１は、中央の孔のないディスクとして成形することができる。室の数を加減することもでき、容器１１の磁気熱量材料１２を含む室１３間に隙間があってもよく、又は、磁気熱量材料１２を含まない容器１１の部分があってもよい。容器１１は、複数のセグメントで構成することができ、又は、環形状を近似する多角形を形成してもよい。
好ましい実施形態では、多重磁石部分及び多重鉄部分で構成された２つの磁石を使用するが、他の磁石構成を使用することもできる。例えば、磁石部分の数、鉄部分の数、又は磁石の数を加減することができるであろう。

好ましい実施形態では、磁気熱量材料は、強磁性から常磁性への遷移の近くにあり、その場合、磁気熱量材料は、磁化されると加熱され、消磁されると冷却されるが、磁化されると冷却され、消磁されると加熱される他の種類の磁気熱量材料を使用することもできる。後者の場合は、磁化された室と消磁された室内の流体流れの方向は、上述のものと逆になるであろう。
本発明は、本明細書で例示的に示した特定の実施形態に限定されず、特許請求の範囲に該当するその全ての形態を包含することが理解される。

本発明による回転磁石式磁気冷凍機の平面図である。 磁気熱量材料を包含する例示的な室の平面図である。 熱伝導流体構成要素が除去された図１の回転磁石式磁気冷凍機の平面図である。 図１の回転磁石式磁気冷凍機内の熱伝導流体構成要素の平面図である。 図１のほぼ線５−５に沿って切り取られた磁気冷凍機の断面図である。 図１の磁気冷凍機で使用される例示的な磁石の断面図である。 図１の磁気冷凍機内で使用される例示的なバルブの断面図である。

符号の説明

１０ 磁気冷凍装置
１１ 環状容器
１３ 磁気熱交換室
４０ 磁石
６０ ポンプ

Claims (12)

1. （ａ）中心軸線を有し、複数の磁気熱交換室（13）を含む環状容器（11）であって、各磁気熱交換室は熱伝導流体（17）の流れを通す磁気熱量材料（12）を含み、各磁気熱交換室（13）は高温側（16）及び低温側（15）を有する、前記環状容器、
   （ｂ）前記環状容器（11）の中心軸線の回りに回転するように取り付けられた磁石（40）であって、該磁石（40）は、第１の回転位置で、比較的高い磁界強度が前記複数の磁気熱交換室の第１の磁気熱交換室を通過し、比較的低い磁界強度が該複数の磁気熱交換室の第２の磁気熱交換室を通過する磁界を形成し、前記磁石は、第２の回転位置で、比較的低い磁界強度を前記第１の磁気熱交換室に通し、比較的高い磁界強度を前記第２の磁気熱交換室に通す、前記磁石、
   （ｃ）前記熱伝導流体（17）から熱を抽出する高温熱交換器（62）、及び、
   （ｄ）第１のポート（77）、第２のポート（77）、及び第３のポート（76）を有する、前記熱伝導流体（17）の流れを送るバルブ（71）であって、該バルブ（71）の前記第３のポート（76）は、第１のパイプ（81,85）によって前記高温熱交換器（62）に結合され、該バルブ（71）の前記第１のポート（77）は、第２のパイプ（33）によって前記第１の磁気熱交換室（13）の高温側（16）に結合され、該バルブ（71）の前記第２のポート（77）は、第３のパイプ（33）によって前記第２の磁気熱交換室（13）の高温側（16）に結合され、前記バルブ（71）は前記高温熱交換器（62）内の流れが確実に単一方向になるように設定される、前記バルブ、
   を含むことを特徴とする熱伝達装置（10）。
2. 前記熱伝導流体（17）は、前記第２の磁気熱交換室（13）を通って円周方向に流れることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. （ａ）中心軸線を有し、複数の磁気熱交換室（13）を含む環状容器（11）であって、各磁気熱交換室は熱伝導流体（17）の流れを通す磁気熱量材料（12）を包含し、各磁気熱交換室（13）は高温側（16）及び低温側（15）を有する、前記環状容器、
   （ｂ）前記環状容器（11）の前記中心軸線の回りに回転するように取り付けられた磁石（40）であって、該磁石（40）は、第１の回転位置で、比較的高い磁界強度が前記複数の磁気熱交換室の第１の磁気熱交換室を通過し、比較的低い磁界強度が該複数の磁気熱交換室の第２の磁気熱交換室を通過する磁界を形成し、前記磁石は、第２の回転位置で、比較的低い磁界強度を前記第１の磁気熱交換室に通し、比較的高い磁界強度を前記第２の磁気熱交換室に通す、前記磁石、
   （ｃ）前記熱伝導流体（17）へ熱を供給する低温熱交換器（63）、及び、
   （ｄ）第１のポート（77）、第２のポート（77）、及び第３のポート（76）を有する、前記熱伝導流体（17）の流れを送るバルブ（73）であって、該バルブ（73）の前記第３のポート（76）は、第１のパイプ（83）によって前記低温熱交換器（63）に結合され、該バルブ（73）の前記第１のポート（77）は、第２のパイプ（21）によって前記第１の磁気熱交換室（13）の低温側に結合され、該バルブ（73）の前記第２のポート（77）は、第３のパイプ（21）によって前記第２の磁気熱交換室（13）の低温側に結合され、前記バルブ（73）は前記低温熱交換器（63）内の流れが確実に単一方向になるように設定される、前記バルブ、
   を含むことを特徴とする熱伝達装置（10）。
4. 前記熱伝導流体（17）は、前記第１の磁気熱交換室を通って円周方向に流れることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記複数の磁気熱交換室（13）に偶数個の磁気熱交換室が存在することを特徴とする請求項１又は３に記載の装置。
6. 各磁気熱交換室の低温側（15）は、隣接する磁気熱交換室の低温側（15）に隣接し、
   各磁気熱交換室の高温側（16）は、隣接する磁気熱交換室の高温側（16）に隣接する、
   ことを特徴とする請求項１、３又は５に記載の装置。
7. 各磁気熱交換室（13）は、低温側入力ポート（22）を更に含み、
   前記各磁気熱交換室（13）の低温側入力ポート（22）は、隣接する磁気熱交換室（13）の低温側入力ポート（22）に隣接し、前記各磁気熱交換室（13）の低温側入力ポート（22）は、流体が流れるように、隣接する磁気熱交換室（13）の該隣接する低温側入力ポート（22）に開放されている、
   ことを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 各磁気熱交換室（13）は、低温側出力ポート（24）を更に含み、
   前記各磁気熱交換室の低温側出力ポート（24）は、隣接する磁気熱交換室の低温側出力ポート（24）に隣接し、前記各磁気熱交換室の低温側出力ポート（24）は、流体が流れるように、隣接する磁気熱交換室の該隣接する低温側出力ポート（24）に開放されている、
   ことを特徴とする請求項６に記載の装置。
9. 各磁気熱交換室は、高温側入力ポート（32）を更に含み、
   前記各磁気熱交換室の高温側入力ポート（32）は、隣接する磁気熱交換室の高温側入力ポート（32）に隣接し、前記各磁気熱交換室の高温側入力ポート（32）は、流体が流れるように、隣接する磁気熱交換室の該隣接する高温側入力ポート（32）に開放されている、
   ことを特徴とする請求項６に記載の装置。
10. 各磁気熱交換室は、高温側出力ポート（34）を更に含み、
    前記各磁気熱交換室の高温側出力ポート（34）は、隣接する磁気熱交換室の高温側出力ポート（34）に隣接し、前記各磁気熱交換室の高温側出力ポート（34）は、流体が流れるように、隣接する磁気熱交換室の該隣接する高温側出力ポート（34）に開放されている、
    ことを特徴とする請求項６に記載の装置。
11. 前記第３のポート（76）は軸方向ポートであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 前記第１のポート（77）及び前記第２のポート（77）は半径方向ポートであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。

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