JP4921891B2 - 磁気冷凍装置 - Google Patents
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Description
そこで、本件出願人は、特許文献1において、磁場発生手段として永久磁石を用いた磁気冷凍装置を提案している。
これは、回転駆動する回転板の周上に永久磁石を取着する一方、ケーシングに、磁気作業物質が内設されて永久磁石に対向して近接する磁気作業体を配設し、各磁気作業体に接続した低温配管及び高温配管によって、磁気作業体間に冷却流体を通過させる循環経路を形成して、その循環経路の低温配管側に被冷却体を冷却する冷却器を、高温配管側に切換弁を介して、循環器及び排熱交換器を夫々接続したものである。
運転効率を向上させるためには、冷凍能力を大きくすることが考えられる。冷凍能力を大きくするための要因の一つは、磁気熱量効果の大きい磁気作業物質を利用することであるが、現状ではガドリニウム(Gd)レベルの磁気熱量効果にとどまり、磁気作業物質に依存した冷凍能力の向上は困難となっていた。
なお、本発明における「永久磁石間に形成される周方向の空間」とは、同極同士が周方向で対向する空間に限らず、異極同士が周方向で対向する空間も含む。すなわち、周方向で隣接する永久磁石間に形成される全ての周方向空間を言う。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2の発明に加えて、より高い運転効率を得るために、固定子の内面全周に磁気作業体を均一に配置して、固定子の内面全周を磁気的に軸対称として回転子のトルクを低減させたものである。
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3の何れかの発明に加えて、固定子の渦電流損失を低減して冷凍能力の向上を図るために、固定子の少なくとも一部を、円盤状の磁性板を絶縁手段を介して固定子の軸方向へ複数枚積層することで形成すると共に、絶縁手段を円盤状の絶縁板として、隣接する磁性板と互いに嵌合させたものである。
請求項2に記載の発明によれば、請求項1の効果に加えて、磁気作業体の形状の工夫により、磁場の増減変化によって誘起される渦電流値が一体型のダクトに比して格段に小さくなり、渦電流損失の低減に繋がる。よって、熱効率を向上させて冷凍能力を大きくすることができる。特に、管状ダクトの採用により冷却流体の耐圧力性も向上するため、結果的に管状ダクトの板厚を薄くできる。その分磁気隙間も減少するので、磁気作業体に作用する磁場強度が増加し、冷凍能力の一層の向上が期待できる。また、ダクトを管状とすることで矩形のダクトに比べ固定子との平均断熱距離が増加するので、固定子からの熱侵入量も軽減可能となる。従って、より高い運転効率が得られることになる。
また、絶縁材料の採用により、渦電流損失のより効果的な低減が期待できる。
請求項4に記載の発明によれば、請求項1乃至3の何れかの効果に加えて、固定子の積層構造によって渦電流値が小さくなって渦電流損失が低減される。よって、熱効率を向上させて冷凍能力をより大きくすることができる。また、磁性板と絶縁板との嵌合構造によって固定子の組立性を格段に向上させることができる。
《形態1》
図1は、磁気冷凍装置に用いられる装置本体の一例を示す縦断面図、図2は図1のA−A線断面図である。この装置本体1は、軸方向の前後端をフランジ3,3によって夫々閉塞し、内部を真空気密状態とした中空筒状の固定子2と、その固定子2内の軸心にあって、軸対称となる周面に一対の永久磁石5,5を放射状に取着した回転子4とを備える。回転子4は、前後端に同軸で連結した軸6,7が夫々フランジ3によって回転可能に軸支され、フランジ3を貫通した一方の軸6に減速機8を介して連結されたサーボモータ9によって回転制御される。同じくフランジ3を貫通した他方の軸7には、フランジ3の外面に固定されたロータリー弁10の弁体34が直結されている。
さらに、固定子2の内周で各磁気作業体14の間には、トルク低減手段として、磁気作業体14と磁気抵抗が等価となる円弧プレート状の補助磁性体17,17・・が固定されている。
また、弁体34は、コイルバネ35によって流出ポート33側へ押圧され、その押圧面側には、軸対称位置にある一組の流出ポート33,33同士を流入室31を介して連通させる一対の接続路36,36と、他の組の流出ポート33,33同士を連通させる連通路37とが夫々形成されている。よって、弁体34の90°回転毎に、循環機25から供給される冷却流体は、高温配管22A,22Bへ交互に供給されることになる。
まず永久磁石5,5が0°の位置(図4に示す位置)にある時、この0°及び180°の位置にある磁気作業体14A,14Aの磁気作業物質16A,16Aは、増磁されて温度が上昇する。一方、これと90°位相が異なる90°及び270°の位置にある磁気作業体14B,14Bの磁気作業物質16B,16Bは減磁されて温度が低下する。
この時、ロータリー弁10を介して冷却流体を、実線矢印で示すように、循環機25→90°位置の磁気作業体14Bの高温配管22B→当該位置の磁気作業体14B→低温配管21B→270°位置の磁気作業体14Bの高温配管22B→当該位置の磁気作業体14B→低温配管21B→冷却器23→180°位置の磁気作業体14Aの低温配管21A→当該位置の磁気作業体14A→高温配管22A→0°位置の磁気作業体14Aの低温配管21A→当該位置の磁気作業体14A→高温配管22A→ロータリー弁10→排熱交換器26→循環機25の順に循環させる。
よって、温度低下した磁気作業物質16Bで冷却された冷却流体は、冷却器23で被冷却体24を冷却した後、増磁されて温度が上昇した磁気作業物質16Aを冷却して排熱交換器26に戻り、仕事分の熱量を放出する。
この回転を繰り返すことによって、各磁気作業体14の低温配管21接続側の温度は冷凍能力と熱負荷とがバランスする温度まで低下する。一方、各磁気作業体14の高温配管22接続側の温度は排熱交換器26の排熱能力と冷凍能力とがバランスしてほぼ一定温度になる。
また、ここでは、トルク低減手段を、磁気作業体14と磁気抵抗が等価となる補助磁性体17を、磁気作業体14を除く固定子2内面に配置した構成としているため、トルク低減手段が簡単に形成可能となっている。
さらに、固定子2の一部を、磁性板11を絶縁手段を介して固定子2の軸方向へ複数枚積層することで形成したことで、固定子2での渦電流値が小さくなって渦電流損失が低減される。よって、熱効率を向上させて冷凍能力を大きくすることができる。特に、絶縁手段を円盤状の絶縁板12として、隣接する磁性板11と互いに嵌合させているので、固定子2の組立性が格段に向上する。
さらに、循環経路における冷却流体の切替を、回転子4で直結駆動するロータリー弁10で制御しているため、従来のような電磁弁作動のための電気動力が不要となって省エネに繋がる上、冷却流体の流路切替が機械的に行われるので、流路切替に際して位相がずれるおそれを回避できる。したがって、冷却流体を流量一定に運転でき、冷凍能力が向上する。
また、磁気作業体の間で固定子の内面を突出させて磁気的な軸対称を図っても差し支えない。
その他、磁気作業体や永久磁石の数や形態等も上記形態に限らず、適宜増減や設計変更することができる。
図7は、装置本体1の固定子2に設けられる磁気作業体40の説明図で、右側が全体を、左側がそのB−B線断面を夫々示す。
この磁気作業体40は、磁気作業物質16が充填されて冷却流体の流路を形成し、固定子2の軸方向と平行に並設される複数本(ここでは6本)の管状ダクト41,41・・と、その管状ダクト41の両端にあって端部同士を接続し、固定子2の内面に沿って湾曲する一対のジャケット42,42とで構成される。この状態で、隣設する管状ダクト41間には所定の隙間が形成されるようになっている。
よって、この磁気作業体40を用いた磁気冷凍装置20において冷却流体を循環させる際、冷却流体は、一方のジャケット42に供給された後、各管状ダクト41を均等に通過して他方のジャケット42から排出されることになる。
その他、管状ダクトの数の増減や横断面形状の変更(四角形や多角形ダクト等)、ジャケットの形態の変更は適宜可能である。
図8は、磁気冷凍装置に用いられる装置本体の他の例を示す縦断面図、図9(A)はC−C線断面図、(B)はD−D線断面図である。
図8に示す装置本体1aは、回転子4に取着する永久磁石5,5を固定子2の内面に近接するように設けて、回転子4における軸方向の前後両端で永久磁石5,5の外側に、固定子2の内径よりも一回り小さい外径を有する円盤状のヨーク部43,43を、回転子4と同軸で一体に形成して、そのヨーク部43の外周側で固定子2の内面に、ヨーク部43の外周面と近接する4つの磁気作業体14,14・・を配置したものである。
永久磁石5の表面磁束密度は1.5T程度である。総磁束数は磁束密度×面積で表されるので、ここでは永久磁石5に比して軸長が短尺な磁気作業体14及びヨーク部43に磁束が集中して大きな磁束密度が得られる。磁束密度は延設されたヨーク部43の長さに依存し、長さに反比例する。
従来構造では、磁気作業体14に付加される磁束密度は約0.7Tであったが、本形態によれば、約1.4Tを実現できる。
なお、上記形態では、ヨーク部を回転子の軸方向両端側に設けているが、何れか一方側にのみ設けることもできる。また、ヨーク部の形状の円盤状に限らず、永久磁石の突出形態に合わせて長円状とする等、他の形状に変更してもよい。
図10は、本発明の磁気冷凍装置に用いられる装置本体の一例を示す横断面図で、この装置本体1bにおいては、軸対称位置の磁気作業体14A,14Aに夫々対応して、回転子4に、永久磁石44,44及び45,45の一対ずつが軸対称に配設される。この永久磁石44,44及び45,45は、夫々同極が対向するように固定子2の半径方向へV字状に配置されて、両永久磁石44,44及び45,45間に形成される周方向の空間には、磁極46,46が夫々装着されている。同様に、永久磁石44,45間に形成される周方向の空間にも、磁極47,47が夫々装着されている。
但し、永久磁石44,44及び45,45間に形成されるV字の角度は、永久磁石の対向面の外端間の周方向距離が磁気作業体14の内面範囲を超えないように設定する必要がある。内面範囲を超えてしまうと、後述するような磁気作業体14に対する磁束の集中が得られないからである。
ここで、回転子4では、永久磁石44,45が同極を対向させた状態で一対ずつ配置されているので、永久磁石1個で構成された場合に比較して、磁極の反発による磁気回路が形成されることにより約2倍の磁石総磁束数の発生が可能となる。従って、磁極46には磁束が集中し、磁気作業体14に大きな磁束密度が付加される。
従来構造では、磁気作業体に付加される磁束密度は約0.7Tであったが、本形態によれば約1.1Tが得られる。
例えば、形態1で説明した補助磁性体や同じ磁気作業体の均一配置は、他の形態2〜4においても採用可能であるし、固定子の磁性板と絶縁板との積層構造や真空気密構造も形態2〜4において採用できる。同様に、形態2で説明した管状ダクト及びジョイントからなる磁気作業体の構造も、形態3,4において採用しても差し支えない。勿論2形態の組み合わせに限らず、例えば形態1に形態2,4の構成を同時に組み合わせることも可能である。
Claims (4)
- 駆動手段によって回転し、周面に永久磁石を固着した回転子と、その回転子を軸支し、内面側に、磁場の増減に応じて温度が変化する磁気作業物質を内設して前記永久磁石と近接する磁気作業体を配置した筒状の固定子とを有する装置本体と、
前記磁気作業体間を接続して形成される循環経路に冷却流体を循環させる冷却流体循環手段と、
前記循環経路に設けられ、前記冷却流体と被冷却体との間で熱交換を行う熱交換器と、を備えてなる磁気冷凍装置であって、
前記回転子の永久磁石を、同極同士が対向し、且つその対向面の外端間の周方向距離が前記磁気作業体の内面範囲を超えない角度となるように前記固定子の半径方向へV字状に一対配設したものとして、前記永久磁石間に形成される周方向の空間に磁極を介在させたことを特徴とする磁気冷凍装置。 - 磁気作業体を、磁気作業物質が充填されて固定子の軸方向と平行に並設される複数の管状ダクトと、その管状ダクトの両端側にあって当該側の端部同士を接続して前記固定子の内面に沿って湾曲し、冷却流体の出入口となる一対のジャケットとから形成すると共に、前記管状ダクト又は前記ジャケットの少なくとも一方を絶縁材料で形成した請求項1に記載の磁気冷凍装置。
- 固定子の内面全周に磁気作業体を均一に配置して、前記固定子の内面全周を磁気的に軸対称として回転子のトルクを低減させた請求項1又は2に記載の磁気冷凍装置。
- 固定子の少なくとも一部を、円盤状の磁性板を絶縁手段を介して前記固定子の軸方向へ複数枚積層することで形成すると共に、前記絶縁手段を円盤状の絶縁板として、隣接する前記磁性板と互いに嵌合させた請求項1乃至3の何れかに記載の磁気冷凍装置。
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