JP4551867B2 - 磁性材料羽根を有する磁気冷凍装置 - Google Patents

Description

この発明は、磁性材料羽根を有する磁気冷凍装置に係り、特に、磁性材料羽根への磁場の印加を変化させて磁気転移を生じさせ、この磁気転移に基づく磁気熱量効果を利用して冷媒を冷却する磁気冷凍装置に関する。

従来、磁気熱量効果を示す磁性体を利用した磁気冷凍装置、即ち、冷凍機が特許文献１、２及び３で知られている。特許文献１に開示された冷凍機では、磁気熱量効果を示す磁性体を収容した第１及び第２のピストンは、冷媒が流れる配管に熱的に接続され、第１及び第２のピストンが連動して上下方向に往復運動をすることにより、各ピストンに印加される磁場が増減される。第１及び第２のピストンが熱的に接続された配管を流れる冷媒の流れる向きは、流路切り替え手段によりピストンの運動と連動して切り替えられる。第１及び第２のピストンが下側に位置するときには、上側の第１のピストンには、磁場が印加され、下側の第２のピストンは、磁場が殆ど印加されていない。磁気熱量効果により上側の第１のピストンは、発熱し、下側の第２のピストンは、吸熱し、冷却された冷媒が冷却器に送液される。また、第１及び第２のピストンが下方位置から上側に移動されて上側に位置するときには、上側の第１のピストンは、磁場から解放されて吸熱し、下側の第２のピストンは、磁場が印加されて発熱し、冷媒は、流路切り替え手段により第１及び第２のピストンが下側に位置するときとは逆の方向に流される。このように磁性体を収容した２つのピストンが上下動され、冷媒流路が切り替えられることにより、冷却器には常に低温の冷媒が供給され、冷却器内の水槽に入れられた缶ビール等の非冷却体が冷却される。
特開２００２−１０６９９９ 特開２００４−３６１０６１ 特開２００５−９０９２１

従来の冷凍機においては、２つのピストンの往復と、流路切り替え手段の動作を連動させなければならないため、機構が複雑となると同時に、機器を動作させるためのエネルギの損失が大きくなる問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みなされてものであり、その目的は、簡素化された機構を有し、機器を動作させるためのエネルギの損失が小さい磁気冷凍装置を提供することにある。

この発明によれば、
少なくとも一部が磁気熱量効果を有する磁性材料により作られる羽根を有するファンと、
第１の空間に磁場を印加する磁場発生部と、
少なくとも前記羽根の一部が前記第１空間中を通過し、また、前記磁場が印加されていない第２の空間中を通過するように前記ファンを回転させる回転駆動部と、
前記ファンの回転に伴い前記第１空間に冷媒を流通させる第１の流路規制部と、
前記ファンの回転に伴い前記第２空間に冷媒を流通させる第２の流路規制部と、
を具備することを特徴とする磁気冷凍装置が提供される。

また、この発明によれば、
冷媒を冷却する冷却部及び冷媒を加熱する加熱部を有する単段の冷凍装置が多段に接続された冷凍システムであって、前記冷却部が第１流路を介して互いに直列に接続され、前記冷媒が前記冷却部及び前記第１流路を介して流通され、前記加熱部は、前段の冷却部から分岐した第２流路を介して接続され、前記前段の冷却部及び前記第２流路を介して前記冷媒が供給される冷凍システムにおいて、
前記冷凍装置は、
少なくとも一部が磁気熱量効果を有する磁性材料により作られる羽根を有するファンと、
前記冷却部及び加熱部の一方を定める第１の空間に磁場を印加する磁場発生部と、
少なくとも前記羽根の一部が前記第１空間中を通過し、また、前記冷却部及び加熱部の他方を定める前記磁場が印加されていない第２の空間中を通過するように前記ファンを回転させる回転駆動部と、
前記ファンの回転に伴い前記第１空間に冷媒を流通させる第１の流路規制部と、
前記ファンの回転に伴い前記第２空間に冷媒を流通させる第２の流路規制部と、
を具備することを特徴とする冷凍システムが提供される。

更に、この発明によれば、
冷媒を冷却する冷却部及び冷媒を加熱する加熱部を有する単段の冷凍装置が多段に接続された冷凍システムであって、前記加熱部が第１流路を介して互いに直列に接続され、前記冷媒が前記加熱部及び前記第１流路を介して流通され、前記冷却部は、前段の加熱部から分岐した第２流路を介して接続され、前記前段の加熱部及び前記第２流路を介して前記冷媒が供給される冷凍システムにおいて、
前記冷凍装置は、
少なくとも一部が磁気熱量効果を有する磁性材料により作られる羽根を有するファンと、
前記冷却部及び加熱部の一方を定める第１の空間に磁場を印加する磁場発生部と、
少なくとも前記羽根の一部が前記第１空間中を通過し、また、前記冷却部及び加熱部の他方を定める前記磁場が印加されていない第２の空間中を通過するように前記ファンを回転させる回転駆動部と、
前記ファンの回転に伴い前記第１空間に冷媒を流通させる第１の流路規制部と、
前記ファンの回転に伴い前記第２空間に冷媒を流通させる第２の流路規制部と、
を具備することを特徴とする冷凍システムが提供される。

本発明の磁性材料羽根を有する磁気冷凍装置によれば、連続して一方向に駆動される単一の駆動要素により冷媒の輸送と、磁性材料への磁場の印加と除去を同時に行うことにより、エネルギの消費の小さい磁気冷凍装置を構成することができる。

以下、必要に応じて図面を参照しながら、この発明の一実施の形態に係る磁性材料羽根を有する磁気冷凍装置について説明する。

図１は、この発明の一実施の形態に係る磁性材料羽根を有する磁気冷凍装置を概略的に示す斜視図である。また、図２は、図１に示される磁気冷凍装置の分解斜視図及び図３は、図１及び図２に示される磁気冷凍装置の側断面図である。

図１に示される磁気冷凍装置は、回転軸４の周りに回転する磁気熱量効果を示す磁性材料羽根２を有するファン６から構成されている。磁性材料羽根２は、ガドリニウム合金等の磁気熱量効果を示す無垢の磁性体材料で作られている。磁性材料羽根２は、無垢の磁性体材料で作られる場合に限らず、羽根２の表面に磁気熱量効果を有する磁性体がコーティングされても良く、或いは、羽根２の表面に薄い板状の磁気熱量効果を有する磁性体が貼り付けられていても良い。磁気熱量効果を示す磁性材料羽根２は、磁界が印加されて発熱し、磁場から解放されて（磁場が印加されないと）吸熱する。ファン６は、モータ８によって回転され、ファン６によって外部から冷媒としての空気が導入される。

図１及び図２に示す磁気冷凍装置は、図３及び図４に示されるようにその円弧状上半部が冷却部１０及び円弧状下半部が加熱部１２に定められている。磁気冷凍装置外から導入される空気流を冷却部１０及び加熱部１２に導入する空気流１４，１６に分離するためにファン６の羽根２間には、リング１８が同一円周上に連接して配置されている。このリング１８によって区画されるファン６の内周部分が加熱部１２に吸気する為の空気取り入れ口に定められている。ファン６の上半部は、円弧状の上部筐体２４内に配置され、この上部筐体２４とリング１８とによって区画されるリング１８の外周のファン６の部分が冷却部１０に吸気する為の空気取り入れ口に定められている。

上部筐体２４は、ファン６の外周に配置される円弧状の外周側ダクト２０、ファン６の内周側前方及びその後方に配置される内周側ダクト２２で一体的に形成されている。内周側ダクト２２は、リング１８が配置される円周に沿って略円弧状に延出される円弧部２２Ａ及び円弧状の外周側ダクト２０の両端に接続される半径方向に延出される半径部２２Ｂから構成されている。従って、ファン６の上半円弧部は、外周側ダクト２０、内周側ダクト２２の円弧部２２Ａ及び半径部２２Ｂから構成される上部筐体２４で略囲繞され、図３に示されるように、この筐体２４の前方が冷却部１０に空気流１４を吸気する為の吸気口に定められ、この筐体２４の後方が冷却部１０で冷却された空気流２８を排気する為の排気口に定められている。

ファン６の下半部は、下部筐体２６内に配置され、下部筐体２６には、ファン６の内周部分から吸気された空気流１６が導入され、その下部筐体２６内にて加熱されて下部筐体２６の外周側に設けられた排気口３０を介して加熱された空気流３２として排気される。下部筐体２６は、複数の排気口３０が形成された円弧状外周側隔壁３８によって互いに対向された円弧状磁石３６が間隔を空けるように連結配置されて一体的に形成されている。円弧状磁石３６間の空間には、ファン６の回転する羽根２が配置され、一対の円弧状磁石３６間に生じる磁場を回転されるファン６が横切るように円弧状磁石３６が配置されている。

尚、羽根２は、円周状リング１８の配列の外周が磁気熱量効果を示す磁性体により作られれば良く、円周状リング１８の配列の内周側は、磁気熱量効果を示す磁性体により作られず、他の材料で作られても良い。また、円弧状磁石３６は、ファン６を横切るような磁場を発生するのであれば、永久磁石でも電磁石であっても良い。また、図１においては、筐体２４、２６を保持するための構造は省略している。

図１から図４に示される磁気冷凍装置においては、ファン６がモータ８によって回転されると、回転されるファン６によって空気流１４，１６が夫々冷却部１０及び加熱部１２に導入される。また、磁気熱量効果を示す磁性体で作られている羽根２が円弧状磁石３６間の加熱部１２の磁場空間に次々に進入され、次々に羽根２がこの磁場空間から磁場が印加されていない冷却部１０の空間に導かれる。磁性材料羽根２は、磁場を印加すると温度が上昇し、磁場を除去すると温度が低下する。従って、冷却部１０の空間では、磁性材料羽根２が導入された空気流１４から吸熱して冷却された空気流２６が装置から排気される。また、加熱部１２の空間では、磁性材料羽根２が導入された空気流１４を加熱して加熱された空気流３２が装置から排気される。より詳細には、冷却部１０に流入する冷却部吸気１６は、筐体２４とリング１８により区切られた流路を通って装置の前方から装置の後方側に流れる。装置の中心部から流入する加熱部吸気１６は、加熱部１２を通過後、温度が上昇された加熱部排気３２として、磁石６間の隔壁に設けられた排気孔３０から半径方向外側に排気される。冷却部１０では、羽根２は、軸流ファンとして動作し、加熱部１２では、羽根２は、遠心ファンとして動作する。このような磁気冷凍装置においては、冷却された空気流２６を利用することによってこの空気流２６が供給される空間を冷却することができ、また、加熱された空気流３２を利用することによってこの空気流３２が供給される空間を加熱することができる。

上述したように、この発明の実施の形態に係る磁気冷凍装置では、羽根を回転させる単一の回転駆動装置により、冷凍動作を実現でき、連続して冷却された冷媒の流れを得ることができる。

図１及び図２に示された磁気冷凍装置では、磁石３６が設けられた領域が円周の半分を占めているが、冷却された冷媒の流量並びに温度の要求仕様に応じて、磁石３６が円周上の領域を占める割合を適切に設定することができる。磁石３６で覆われた円周上の空間が増加すればする程、冷却された冷媒の流量は減少するが、温度の低下量は大きくなる。また、磁石３６で覆われた空間を減少させると、冷却された冷媒の流量は、増加するが、温度の低下量は小さくなる。また、図１及び図２に示された磁気冷凍装置では、磁石３６で定められる冷却部１０及び筐体２４で定められる加熱部１２は、夫々１８０°の円周上の領域を占有しているが、図５に示すように、円周上の領域が４５°毎の領域に分割され、この分割領域に磁石３６及び筐体２４が交互に配置されて冷却部１０及び加熱部１２が交互に配置されるように構成して良い。ここで、円周上の領域は、４５°で区分する場合に限らず、種々の角度が採用されても良いことは明らかである。

また、羽根２を構成する磁性材料は、以上説明したように磁場を印加すると温度が上昇するタイプではなく、磁場を印加すると温度が低下するタイプが用いられても良いことは明らかである。また、上述した実施の形態では、冷媒が空気であるとして説明されているが、空気に代えて冷媒として他の気体或いは水、不凍液、フロロカーボン、油等の液体であっても良いことは明らかである。

図６は、この発明の他の実施の形態に係る磁気冷凍装置を概略的に示す断面図である。

図６に示される磁気冷凍装置においては、加熱部１２は、冷却部１０と同様に装置前方から空気流１６を取り入れ、装置内で冷却された空気流３２を装置後方に排気している。即ち、冷却部１０及び加熱部１２において、羽根２は、軸流ファンとして動作されている。図３に示される装置においては、ファン６の軸方向（装置の軸方向に相当する。）に沿って磁石３６から磁場が印加されているが、図６に示す装置においては、ファン６の半径方向（装置の軸方向に直交する方向に相当する。）に沿って磁石３６から磁場が印加されている。即ち、羽根２には図３とは９０度異なる方向に磁場が加えられている。ファン６の磁性材料羽根２は、図３に示す磁性材料羽根６に比べて軸方向に延出された羽根部分を有し、この羽根部分を磁場が通過するように磁石３６が配置されている。従って、磁石３６は、装置正面からは見ると互いに対向された一対の略円弧状磁石部及びこの一対の磁石部を連結する排気孔３０を設けた連結部で構成されている。加熱部１２には、冷却部１０の上部筐体２４と同様の空気流が流通される空間を規定するように円弧状の外周側及び内周側ダクト４０、４２で構成される下部筐体２６が形成されている。

図６に示されるように上部筐体２４及び下部筐体２６には、ファン６の軸方向に沿って空気流１４、１６が流入され、一方の空気流１４は、冷却された空気流２６として排気され、他方の空気流１６は、加熱された空気流３２として排気される。

尚、図６に示される磁気冷凍装置においては、図３に示される装置における加熱部１２へ吸気口に相当する装置の中心部では、空気流が流入されないことが好ましい。従って、図６に示されるファン６の中心部には、羽根２が設けられず、単に羽根２を支持する支持軸が設けられれば良い。

図７は、図１〜図６に示された磁気冷凍装置が多段に配置された磁気冷凍システム５２を示している。図７に示されたシステム５２においては、第１〜第３段の磁気冷凍装置５０−１〜５０−３が直列に接続配列されて吸入された空気流が磁気冷凍装置５０−１〜５０−３で次々に冷却されて磁気冷凍システムから排気される。第１の磁気冷凍装置５０−１において、冷媒、例えば、温度変化が生じていない（相対温度０度）、流量１００（相対値）の空気流が冷却部１０−１及び加熱部１２−１に流入されると、冷却部１０−１では、流入された冷媒の温度が−１度（相対温度−１度）減少されて流量１００（相対値）の空気流が第２段の磁気冷凍装置５０−２に供給され、加熱部１２−１からは、流入された冷媒の温度が＋１度（相対温度＋１度）増加されて流量１００（相対値）の空気流がシステム５２外に排気される。第２の磁気冷凍装置５０−２には、相対温度−１度及び流量５０（相対値）の空気流が夫々その冷却部１０−２及び加熱部１２−２に供給される。第２段の磁気冷凍装置５０−２の冷却部１０−２からは、冷媒の温度が−２度（相対温度−２度）に減少された流量５０（相対値）の空気流が第３段の磁気冷凍装置５０−３に供給され、第２段の磁気冷凍装置５０−２の加熱部１２−２からは、流入された冷媒の温度が＋０度（相対温度＋０度）に増加されて流量５０（相対値）の空気流がシステム５２外に排気される。従って、第３の磁気冷凍装置５０−３には、相対温度−２度及び流量２５（相対値）の空気流が夫々その冷却部１０−３及び加熱部１２−３に供給される。第３段の磁気冷凍装置５０−３においては、冷却部１０−３で冷媒の温度が−３度（相対温度−３度）に減少された流量２５（相対値）の空気流がシステム５２外に供給され、第３段の磁気冷凍装置５０−３の加熱部１２−３からは、流入された冷媒の温度がー１度（相対温度-１度）に増加されて流量２５（相対値）の空気流がシステム５２外に排気される。図７において、相対温度には、その数値にアンダーラインを付し、冷媒が流れる経路の流量（小数点以下四捨五入）には、その数値にアンダーラインを付さずに両者を区別している。また、相対温度をあらわす数値には、ファン６の軸の駆動に使用されたエネルギが熱に変化されて冷媒温度を上昇されることは考慮されていないことに注意されたい。

図７に示されるシステム５２においては、磁気冷凍装置５０−１〜５０−３の冷却部１０−１〜１０−３から排出され、温度が低下した冷媒は、次の段の冷却部１０−１〜１０−３及び加熱部１２−１〜１２−３に分流されて供給されている。第１段の冷却部１０−１に供給された相対温度０度、流量１００（相対値）の空気流は、第３段の冷却部１０−１から相対温度-３度、流量２５（相対値）の空気流としてシステム５２から出力されることとなる。システム５２内の磁気冷凍装置の段数が増えるに従って得られる低温冷媒の流量（相対値）が減少し、温度が低下される。図７に示される磁気冷凍システムでは、冷却部１０と加熱部１２への冷媒の供給量を同量としているが、冷却部１０への冷媒の供給量の比率を増やしたり、逆に減らしたりしても良い。このように冷媒の流れを分流しながら多段化することにより、１段の磁気冷凍装置よりも低温の冷媒を得ることができる。

図８は、磁気冷凍システム５２の他の実施の形態を示している。図７に示される磁気冷凍システム５２には、加熱部１２−１〜１２−３を通過した冷媒はそのまま冷凍装置５０−１〜５０−３外に排出していたが、図８に示される磁気冷凍システム５２においては、第２及び第３段の加熱部１２−２，１２−３から排出された冷媒を前段の加熱部１２−１，１２−２に戻す経路を加えている。即ち、図８に示される磁気冷凍システム５２においては、相対温度０度、流量１００（相対値）の空気流が第１段の冷却部１０−１に流入され、相対温度０度、流量３３（相対値）の空気流が第１段の加熱部１２−１に流入されると、冷却部１０−１では、流入された冷媒の温度が−１度（相対温度−１度）減少されて流量１００（相対値）の空気流が第２段の磁気冷凍装置５０−２に供給される。第１段の磁気冷凍装置５０−１の加熱部１２−１には、第２段の磁気冷凍装置５０−２の加熱部１２−２から相対温度０度及び流量６７（相対値）の空気流が加熱部１２−１に戻され、加熱部１２−１に供給されている。従って、加熱部１２−１からは、相対温度＋１度、流量１００（相対値）の空気流がシステム５２外に排気される。

第２の磁気冷凍装置５０−２では、相対温度−１度及び流量６７（相対値）の空気流が冷却部１０−２に供給され、相対温度−１度及び流量３３（相対値）の空気流が加熱部１２−２に供給される。第２段の磁気冷凍装置５０−２の加熱部１２−２には、第３段の磁気冷凍装置５０−３の加熱部１２−３からは、相対温度−１度及び流量３４（相対値）の空気流が加熱部１２−２に戻され、加熱部１２−２に供給されている。第２段の磁気冷凍装置５０−２の冷却部１０−２からは、冷媒の温度が−２度（相対温度−２度）に減少された流量６７（相対値）の空気流が第３段の磁気冷凍装置５０−３に供給され、第２段の磁気冷凍装置５０−２の加熱部１２−２からは、相対温度＋０度、流量６７（相対値）の空気流が第１段の磁気冷凍装置５０−１の加熱部１２−１に供給されている。

第３の磁気冷凍装置５０−３においては、相対温度−２度、流量３３（相対値）の空気流が冷却部１０−３に供給され、また、相対温度−２度、流量３４（相対値）の空気流が加熱部１２−３に供給される。第３段の磁気冷凍装置５０−３においては、冷却部１０−３で冷媒の温度が−３度（相対温度−３度）に減少された流量３３（相対値）の空気流が排気され、この冷却された冷媒がシステム５２外に供給される。また、第３段の磁気冷凍装置５０−３の加熱部１２−３からは、流入された冷媒の温度がー１度（相対温度-１度）に減少されて流量３４（相対値）の空気流が加熱部１２−２に戻され、加熱部１２−２に供給されている。

図８に示すシステムにおいては、このように加熱部１２−２〜１２−３からの付加的な戻し流路を加えることによって低温の冷媒をより多く得ることができることとなる。

図９は、磁気冷凍システム５２の更に他の実施の形態を示している。図９に示される磁気冷凍システム５２においては、冷却部１０−１、１０―２を通過した冷媒を次の段の加熱部１２−２，１２−３に供給している。即ち、図９に示される磁気冷凍システム５２においては、システム５２外から相対温度０度、流量１００（相対値）の空気流が第１段の冷却部１０−１及び第１段の加熱部１２−１に流入されると、冷却部１０−１では、流入された冷媒の温度が−１度（相対温度−１度）減少されて流量１００（相対値）の空気流が第２段の磁気冷凍装置５０−２の冷却部１０−２に供給される。また、加熱部１２−１からは、相対温度＋１度、流量１００（相対値）の空気流がシステム５２外に排気されている。

第２の磁気冷凍装置５０−２では、システム５２外から相対温度０度及び流量１００（相対値）の空気流が冷却部１０−２に供給され、第１段の冷却部１０−１から相対温度−１度及び流量１００（相対値）の空気流が加熱部１２−２に供給される。第２段の磁気冷凍装置５０−２の冷却部１０−２からは、冷媒の温度が−１．５度（相対温度−１．５度）に減少された流量１００（相対値）の空気流が第３段の磁気冷凍装置５０−３の加熱部１２−３に供給され、第２段の磁気冷凍装置５０−２の加熱部１２−２からは、相対温度＋０．５度、流量１００（相対値）の空気流がシステム５２外に排気される。ここで、第２段の加熱部１２−２においては、第１段の冷却部１０−１から冷却されている冷媒が供給されていることから、磁性材羽根２がこの冷媒で冷却された状態で放熱されることから、第１段の冷却部１０−１に比べて第２段の冷却部１０−２における吸熱が大きくなり、第１段の冷却部１０−１からの冷媒に比べて低い相対温度−１．５度、流量１００（相対値）の空気流を第３段の磁気冷凍装置５０−３に供給することとなる。

第３の磁気冷凍装置５０−３においては、相対温度−１．５度、流量１００（相対値）の空気流が加熱部１２−３に供給され、また、相対温度０度、流量１００（相対値）の空気流が冷却部１０−３に供給される。第３段の磁気冷凍装置５０−３においては、冷却部１０−３で冷媒の温度が−１．７５度（相対温度−１．７５度）に減少された流量１００（相対値）の空気流が排気され、この冷却された冷媒がシステム５２外に供給される。また、第３段の磁気冷凍装置５０−３の加熱部１２−３からは、流入された冷媒の温度がー０．２５度（相対温度-０．２５度）に増加されて流量１００（相対値）の空気流がシステム５２外に供給される。第３段の加熱部１２−３においても、第２段の冷却部１０−２から冷却されている冷媒が供給されていることから、磁性材羽根２がこの冷媒で冷却された状態で放熱される。従って、第２段の冷却部１０−２に比べて第３段の冷却部１０−３における吸熱が大きくなり、第２段の冷却部１０−２からの冷媒に比べて低い相対温度−１．７５度、流量１００（相対値）の空気流が第３段の磁気冷凍装置５０−３からシステム５２外に供給される。

図９に示されるシステムにおいては、図７に示すシステムに比較して同一の段数であれば冷媒の温度の低下量は小さくなるが、各段を通過する冷媒の量が同一となるため、同じ形状あるいは動作条件の冷凍装置を接続することが可能である。

図１０は、加熱部１２−１〜１２−３を通って排出される冷媒の温度を高くするために、図８に示すシステムにおける加熱部１２−１〜１２−３と冷却部１０−１〜１０−３とが入れ替えられて互いに逆に配置されている。即ち、図８に示される磁気冷凍システム５２においては、相対温度０度、流量３３（相対値）の空気流が第１段の加熱部１２−１に流入され相対温度０度、流量１００（相対値）の空気流が第１段の冷却部１０−１に流入されると、加熱部１２−１では、流入された冷媒の温度が−１度（相対温度−１度）上昇されて流量１００（相対値）の空気流が第２段の磁気冷凍装置５０−２に供給される。第１段の磁気冷凍装置５０−１の冷却部１０−１には、第２段の磁気冷凍装置５０−２の冷却部１０−２から相対温度０度及び流量６７（相対値）の空気流が加熱部１２−１に戻され、冷却部１０−１に供給されている。従って、冷却部１０−１からは、相対温度＋１度、流量１００（相対値）の空気流がシステム５２外に排気される。

第２の磁気冷凍装置５０−２では、相対温度＋１度及び流量６７（相対値）の空気流が加熱部１２−２に供給され、相対温度＋１度及び流量３３（相対値）の空気流が冷却部１０−２に供給される。第２段の磁気冷凍装置５０−２の冷却部１０−２には、第３段の磁気冷凍装置５０−３の冷却部１０−３からは、相対温度＋１度及び流量３４（相対値）の空気流が冷却部１０−２に戻され、冷却部１０−２に供給されている。第２段の磁気冷凍装置５０−２の加熱部１２−２からは、冷媒の温度が＋２度（相対温度＋２度）に増加された流量６７（相対値）の空気流が第３段の磁気冷凍装置５０−３に供給され、第２段の磁気冷凍装置５０−２の冷却部１０−２からは、相対温度＋０度、流量６７（相対値）の空気流が第１段の磁気冷凍装置５０−１の冷却部１０−１に供給されている。

第３の磁気冷凍装置５０−３においては、相対温度＋２度、流量３３（相対値）の空気流が加熱部１２−３に供給され、また、相対温度＋２度、流量３４（相対値）の空気流が冷却部１０−３に供給される。第３段の磁気冷凍装置５０−３においては、加熱部１２−３で冷媒の温度が＋３度（相対温度＋３度）に増加された流量３３（相対値）の空気流が排気され、この加熱された冷媒がシステム５２外に供給される。また、第３段の磁気冷凍装置５０−３の冷却部１０−３からは、流入された冷媒の温度が＋１度（相対温度＋１度）に増加されて流量３４（相対値）の空気流が冷却部１０−２に戻され、冷却部１２−２に供給されている。

上述したように、図１０に示されるシステム５２においては、磁気冷凍装置５０−１〜５０−３の加熱部１２−１〜１２−３から排出され、温度が上昇された冷媒は、次の段の加熱部１２−１〜１２−３に分流されて供給されている。第１段の加熱部１２−１に供給された相対温度０度、流量１００（相対値）の空気流は、第３段の加熱部１２−１から相対温度＋３度、流量３３（相対値）の空気流としてシステム５２から出力されることとなる。システム５２内の磁気冷凍装置の段数が増えるに従って得られる加熱冷媒の流量が減少し、温度が上昇される。図１０に示される磁気冷凍システムでは、冷却部１０と加熱部１２への冷媒の供給量を同量としているが、冷却部１０への冷媒の供給量の比率を増やしたり、逆に減らしたりしても良い。このように冷媒の流れを分流しながら多段化することにより、１段の磁気冷凍装置よりも高い温度の冷媒を得ることができる。図１０に示す冷凍システムによれば、温度の低下が小さく流量の多い冷媒と、温度の上昇が大きく流量の少ない冷媒を供給することができる。

図１１は、図８に示す冷凍システム５２がエアコンとして室内６０に設置される場合の実例を示している。図１１に示されるように、室外から第１段の冷却部１０−１に供給される相対温度１．００度、流量３３．３３（相対値）の空気流６１は、図８に示す冷凍システム５２と同様に第１段の冷却部１２−１から相対温度−０．７５度、流量１００（相対値）の空気流６３としてシステム５２から室内６０に供給されることとなる。また、室内６０から第１段の加熱部１２−１に供給される相対温度０．００度、流量１００（相対値）の空気流６２は、第３段の加熱部１２−１から相対温度＋３．２５度、流量３３．３３（相対値）の空気流６４としてシステム５２から室外に排出されることとなる。

図１１に示されるエアコンのような冷凍システムでは、図８に示されるシステムのように３段に限定されるものでなく、また、冷却部と加熱部の流量の比率が１：１でなくても良い。流量及び温度は図示の数値から変化するものの、図１１に示されるエアコンシステムによれば、室内６０と室外から空気を吸い込み、室外に温度が上昇した空気を捨て、室内に冷却された空気を戻すことができる。

図８に示される冷媒の経路及び図１０に示される冷媒の経路を合わせて有し、適宜流路をバルブ等により変更できれば、バルブの操作により流路を図１０のような暖房動作も実行させることができる。このようなシステムによれば、室内６０の換気と室内６０の空気の冷却あるいは加熱を同時におこなうことができる。

図１２は、図８に示す冷凍システム５２が冷蔵庫に適用された具体例を示している。図１２に示されるように、食品７５，７６が保管された冷蔵庫７０は、床６８に載置され、この冷蔵庫７０外から第１段の冷却部１０−１に供給される空気流７１は、図８に示す冷凍システム５２と同様に第１段の冷却部１２−１から冷却された空気流７３としてシステム５２から冷蔵庫７０内に供給されることとなる。また、冷蔵庫７０内から第１段の加熱部１２−１に供給される空気流７２は、第３段の加熱部１２−１からの空気流７４としてシステム５２から冷蔵庫７０外に排出されることとなる。冷却された空気流７３は、冷蔵庫７０内を循環されて冷蔵庫７０内の食品７５，７６を冷却することとなる。

図１２に示される冷蔵庫システムでは、庫内の空気を吸い、温度の上昇した空気と、温度の低下した空気を排出している。温度の高い空気は、庫外へ排出され、排出された流量と同一の庫外の空気が冷凍装置の吸気に混ぜられることとなる。

以上のように、この発明によれば、簡素化された機構を有し、機器を動作させるためのエネルギの損失が小さい磁気冷凍装置を提供することができる。

この発明の実施の形態に係る磁性材料羽根を有する磁気冷凍装置を概略的に示す斜視図である。 図１に示される磁気冷凍装置を分解して示す分解斜視図である。 図１に示された磁気冷凍装置における冷却部及び加熱部の作用を概略的に示す断面図である。 図１に示される磁気冷凍装置における冷却部及び加熱部をブロックで示す略図である。 図１に示される磁気冷凍装置の変形例に係る磁気冷凍装置における冷却部及び加熱部をブロックで示す略図である。 この発明の他の実施の形態に係る磁気冷凍装置における冷却部及び加熱部の作用を概略的に示す断面図である。 図１から図６に示す磁気冷凍装置を多段化したこの発明の実施の形態に係る磁気冷凍システムを模式的に示すブロック図である。 図１から図６に示す磁気冷凍装置を多段化したこの発明の他の実施の形態に係る磁気冷凍システムを模式的に示すブロック図である。 図１から図６に示す磁気冷凍装置を多段化したこの発明の他の実施の形態に係る磁気冷凍システムを模式的に示すブロック図である。 図１から図６に示す磁気冷凍装置を多段化したこの発明の他の実施の形態に係る磁気冷凍システムを模式的に示すブロック図である。 図８に示す磁気冷凍システムがエアコンとして取り付けられた部屋を模式的に示す説明図である。 図８に示す磁気冷凍システムが組み込まれる冷蔵庫を模式的に示す説明図である。

符号の説明

２．．．磁性材料羽根、４．．．回転軸、６．．．ファン、８．．．モータ、１０、１０−１、１０−２、１０−３．．．冷却部、１２、１２−１，１２−２、１２−３．．．加熱部、１４、１６、２８、３２、１６、６２、６３、６４、７１、７２、７３、７４．．．空気流（冷媒）、１８．．．リング、２０、４０．．．外周側ダクト、２２、４２．．．内周側ダクト、２４．．．上部筐体、２６．．．下部筐体、３０．．．排気口、３６．．．円弧状磁石、３８．．．隔壁、５２．．．磁気冷凍システム、５０、５０−１、５０−２、５０−３．．．冷凍装置、６０．．．室内、７０．．．冷蔵庫、７５、７６．．．食品

Claims (9)

1. 少なくとも一部が磁気熱量効果を有する磁性材料により作られる羽根を有するファンと、
   第１の空間に磁場を印加する磁場発生部と、
   少なくとも前記羽根の一部が前記第１空間中を通過し、また、前記磁場が印加されていない第２の空間中を通過するように前記ファンを回転させる回転駆動部と、
   前記ファンの回転に伴い前記第１空間に冷媒を流通させる第１の流路規制部と、
   前記ファンの回転に伴い前記第２空間に冷媒を流通させる第２の流路規制部と、
   を具備することを特徴とする磁気冷凍装置。
2. 前記第２の流路規制部は、前記ファンの軸方向に沿って冷媒を流し、前記第１の流路規制部は、前記ファンの遠心方向に冷媒が流すことを特徴とする請求項１の磁気冷凍装置。
3. 前記第１及び第２の流路規制部は、夫々個別に前記ファンの軸方向に沿って冷媒を流すことを特徴とする請求項１の磁気冷凍装置。
4. 前記磁場発生部は、略前記ファンの回転軸に沿って前記第１の空間を横切る磁場を発生することを特徴とする請求項１又は請求項２の磁気冷凍装置。
5. 前記磁場発生部は、略前記ファンの回転軸に直交する方向沿って前記第１の空間を横切る磁場を発生することを特徴とする請求項１又は請求項３の磁気冷凍装置。
6. 冷媒を冷却する冷却部及び冷媒を加熱する加熱部を有する単段の冷凍装置が多段に接続された冷凍システムであって、前記冷却部が第１流路を介して互いに直列に接続され、前記冷媒が前記冷却部及び前記第１流路を介して流通され、前記加熱部は、前段の冷却部から分岐した第２流路を介して接続され、前記前段の冷却部及び前記第２流路を介して前記冷媒が供給される冷凍システムにおいて、
   前記冷凍装置は、
   少なくとも一部が磁気熱量効果を有する磁性材料により作られる羽根を有するファンと、
   前記冷却部及び加熱部の一方を定める第１の空間に磁場を印加する磁場発生部と、
   少なくとも前記羽根の一部が前記第１空間中を通過し、また、前記冷却部及び加熱部の他方を定める前記磁場が印加されていない第２の空間中を通過するように前記ファンを回転させる回転駆動部と、
   前記ファンの回転に伴い前記第１空間に冷媒を流通させる第１の流路規制部と、
   前記ファンの回転に伴い前記第２空間に冷媒を流通させる第２の流路規制部と、
   を具備することを特徴とする冷凍システム。
7. 前記加熱部は、第２流路を有し、前記加熱部からの冷媒が前記第２流路を介して前段加熱部或いは前記冷却部に供給されることを特徴とする請求項６の冷凍システム。
8. 冷媒を冷却する冷却部及び冷媒を加熱する加熱部を有する単段の冷凍装置が多段に接続された冷凍システムであって、前記加熱部が第１流路を介して互いに直列に接続され、前記冷媒が前記加熱部及び前記第１流路を介して流通され、前記冷却部は、前段の加熱部から分岐した第２流路を介して接続され、前記前段の加熱部及び前記第２流路を介して前記冷媒が供給される冷凍システムにおいて、
   前記冷凍装置は、
   少なくとも一部が磁気熱量効果を有する磁性材料により作られる羽根を有するファンと、
   前記冷却部及び加熱部の一方を定める第１の空間に磁場を印加する磁場発生部と、
   少なくとも前記羽根の一部が前記第１空間中を通過し、また、前記冷却部及び加熱部の他方を定める前記磁場が印加されていない第２の空間中を通過するように前記ファンを回転させる回転駆動部と、
   前記ファンの回転に伴い前記第１空間に冷媒を流通させる第１の流路規制部と、
   前記ファンの回転に伴い前記第２空間に冷媒を流通させる第２の流路規制部と、
   を具備することを特徴とする冷凍システム。
9. 前記冷却部は、第２流路を有し、前記冷却部からの冷媒が前記第２流路を介して前段加熱部或いは前記冷却部に供給されることを特徴とする請求項８の冷凍システム。

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