JP5312844B2 - Magnetic refrigeration equipment - Google Patents
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Description
本発明は、本発明は、磁気作業物質の磁気熱量効果を利用した磁気冷凍装置に関する。 The present invention relates to a magnetic refrigeration apparatus using the magnetocaloric effect of a magnetic working material.
フロン等の気体冷媒を使用した従来の気体冷凍装置に代わり、磁気作業物質が増磁或いは減磁の際に大きな温度変化を生じさせる性質(磁気熱量効果)を利用した磁気冷凍装置が近年注目されている。磁気作業物質に作用させる磁場発生手段としては、高磁場を発生できる超電導磁石等が有利であるが、4K(−269℃)近傍で運転する超電導磁石を維持するには大きな動力を要することから、冷蔵庫や空気調和機等冷凍能力が約1〜10kW以下の磁気冷凍装置においては、磁界発生に動力の必要がない永久磁石を用いたコンパクトな形態が望まれている。
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。
In recent years, a magnetic refrigeration apparatus using a property (magnetocaloric effect) that causes a large temperature change when a magnetic working material is magnetized or demagnetized has been attracting attention in place of a conventional gas refrigeration apparatus using a gas refrigerant such as Freon. ing. As the magnetic field generating means that acts on the magnetic working substance, a superconducting magnet or the like that can generate a high magnetic field is advantageous, but it requires a large amount of power to maintain a superconducting magnet that operates near 4K (−269 ° C.). In a magnetic refrigeration apparatus having a refrigeration capacity of about 1 to 10 kW or less, such as a refrigerator or an air conditioner, a compact form using a permanent magnet that does not require power for generating a magnetic field is desired.
Therefore, the present applicant has proposed a magnetic refrigeration apparatus using a permanent magnet as magnetic field generating means in Patent Document 1.
これは、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粒状の磁気作業物質を充填して永久磁石と近接するダクトを配置した筒状の固定子とを有する装置本体と、ダクト間を接続して形成される循環経路に冷却流体(水等)を循環させる冷却流体循環手段と、循環経路に設けられ、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。
この磁気冷凍装置においては、回転子の回転に伴う永久磁石の接近により、磁気作業物質が増磁されて温度上昇し、永久磁石の離反により、磁気作業物質が減磁されて温度低下する。このタイミングに合わせて、冷却流体循環手段がダクト間を通るように冷却流体を循環させることで、ダクトの低温配管接続側の温度を冷凍能力と熱負荷とがバランスする温度まで低下させる一方、高温配管接続側の温度は排熱交換器の排熱能力と冷凍能力とがバランスした一定温度となる。
This consists of a rotor that is rotated by a driving means and has a permanent magnet fixed to the peripheral surface, and the rotor is pivotally supported, and the inner surface is filled with a granular magnetic working material whose temperature changes in accordance with the increase or decrease of the magnetic field. An apparatus main body having a cylindrical stator in which a duct adjacent to the permanent magnet is disposed, and a cooling fluid circulation means for circulating a cooling fluid (water, etc.) in a circulation path formed by connecting the ducts, A heat exchanger that is provided in the circulation path and performs heat exchange between the cooling fluid and the object to be cooled.
In this magnetic refrigeration apparatus, the magnetic working material is magnetized and the temperature rises due to the approach of the permanent magnet accompanying the rotation of the rotor, and the magnetic working material is demagnetized and the temperature falls due to the separation of the permanent magnet. In accordance with this timing, the cooling fluid circulating means circulates the cooling fluid so that it passes between the ducts, so that the temperature on the low-temperature piping connection side of the duct is lowered to a temperature where the refrigerating capacity and the heat load are balanced, The temperature on the pipe connection side is a constant temperature that balances the exhaust heat capacity and the refrigeration capacity of the exhaust heat exchanger.
磁気作業物質としては、ガドリウム系材料や、ランタン−鉄−シリコン化合物等が知られており、これらのうち、特性が異なる数種類の磁気作業物質を各ダクトごとに充填して複合的に用いることで、大きな温度差を得ることが可能となる。
しかし、循環経路においてダクト内で磁気作業物質と熱交換する冷却流体の流量が等しいため、高温側の磁気作業物質で大きな冷凍能力を確保するのが難しい。高温側ほど磁気作業物質を多く充填すれば冷凍能力の向上は可能となるが、反面多量の磁気作業物質が必要となって装置の大型化に繋がってしまう。
As magnetic working substances, gadolinium-based materials, lanthanum-iron-silicon compounds, etc. are known, and among these, several types of magnetic working substances with different characteristics are filled in each duct and used in combination. A large temperature difference can be obtained.
However, since the flow rate of the cooling fluid that exchanges heat with the magnetic working material in the duct is equal in the circulation path, it is difficult to ensure a large refrigeration capacity with the magnetic working material on the high temperature side. Refrigerating capacity can be improved by filling a larger amount of magnetic working material on the higher temperature side, but a large amount of magnetic working material is required, leading to an increase in the size of the apparatus.
そこで、本発明は、数種類の磁気作業物質を複合的に用いたいわゆるハイブリッド型において、磁気作業物質の量を増やすことなく、大きな温度差で大きな冷凍能力を得ることができる磁気冷凍装置を提供することを目的としたものである。 Therefore, the present invention provides a magnetic refrigeration apparatus capable of obtaining a large refrigeration capacity with a large temperature difference without increasing the amount of magnetic working material in a so-called hybrid type using several kinds of magnetic working materials in combination. It is for the purpose.
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、磁気作業物質を、循環経路の下流側ほど低温となるようにダクト毎に特性を変えて配設する一方、循環経路における各ダクトの出口側の配管に、下流側の循環経路をバイパスするバイパス管を夫々設けて、その各バイパス管に、当該バイパス管の流量を調整可能な流量調整手段を夫々設けたことを特徴とするものである。
請求項2に記載の発明は、請求項1の構成において、バイパス管での流量調整を適切に行うために、流量調整手段を流量調整弁としたことを特徴とするものである。
請求項3に記載の発明は、請求項1の構成において、バイパス管での流量調整を簡単に行うために、流量調整手段を固定オリフィスとしたことを特徴とするものである。
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3の何れかの構成において、一層の小型化に繋がる構成とするために、永久磁石を、駆動手段によって回転する回転子の周面に固着し、ダクトを、回転子を軸支する筒状の固定子の内面に配置して、回転子の回転に伴う永久磁石の接離により、磁気作業物質の温度が変化する構成としたことを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, the magnetic working substance is arranged with its characteristics changed for each duct so that the temperature becomes lower at the downstream side of the circulation path, while each duct in the circulation path is arranged. Each of the bypass pipes is provided with a bypass pipe for bypassing the downstream circulation path, and each of the bypass pipes is provided with a flow rate adjusting means capable of adjusting the flow rate of the bypass pipe. It is.
The invention according to
According to a third aspect of the present invention, in the configuration of the first aspect , the flow rate adjusting means is a fixed orifice in order to easily adjust the flow rate in the bypass pipe.
According to a fourth aspect of the present invention, in the configuration according to any one of the first to third aspects, the permanent magnet is fixed to the peripheral surface of the rotor that is rotated by the driving means in order to achieve a configuration that leads to further miniaturization. The duct is disposed on the inner surface of a cylindrical stator that pivotally supports the rotor, and the temperature of the magnetic working material is changed by the contact and separation of the permanent magnet accompanying the rotation of the rotor. To do.
請求項1に記載の発明によれば、複数種類の磁気作業物質を複合的に用いたいわゆるハイブリッド型において、磁気作業物質の量を増やすことなく、大きな温度差で大きな冷凍能力を得ることができる。よって、小型で高性能の磁気冷凍装置を提供可能となる。
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、流量調整弁の採用により、バイパス管内の流量調整を適切に行うことができる。
請求項3に記載の発明によれば、請求項1の効果に加えて、固定オリフィスの採用により、バイパス管内の流量調整を簡単に行うことができる。
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、磁気冷凍装置の一層の小型化が達成可能となる。
According to the first aspect of the present invention, in a so-called hybrid type using a plurality of types of magnetic working materials in combination, a large refrigeration capacity can be obtained with a large temperature difference without increasing the amount of magnetic working materials. . Therefore, a small and high-performance magnetic refrigeration apparatus can be provided.
According to the second aspect of the present invention, in addition to the effect of the first aspect, the flow rate adjustment in the bypass pipe can be appropriately performed by adopting the flow rate adjustment valve.
According to the third aspect of the invention, in addition to the effect of the first aspect, the flow rate in the bypass pipe can be easily adjusted by adopting the fixed orifice.
According to the invention described in
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、磁気冷凍装置の一例を示す全体図で、磁気冷凍装置1において、装置本体2は、軸方向の前後端が閉塞され、内部を真空気密状態とした中空筒状の固定子3と、その固定子3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、前後端が夫々固定子3によって回転可能に軸支されて、減速機を介して連結された図示しないサーボモータ(駆動手段)によって回転制御される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is an overall view showing an example of a magnetic refrigeration apparatus. In the magnetic refrigeration apparatus 1, an apparatus
また、固定子3の内周には、永久磁石5の2倍の個数である4つのダクト6,6・・が、永久磁石5の外周面に近接する状態で周方向に等間隔で固定されている。このダクト6,6・・のうち、周方向に隣接する一組のダクト6,6には、粒状の磁気作業物質7,7・・が、他の組のダクト6,6には粒状の磁気作業物質8,8・・が夫々充填されている。ここでは磁気作業物質7と磁気作業物質8とは種類が異なっており、磁場の増減に伴う温度変化が、磁気作業物質7の方が磁気作業物質8よりも低温側となっている。
Further, four
さらに、各ダクト6には、固定子3の外部に導出される低温配管9と高温配管10とが夫々接続されて、冷却流体(ここでは水)の循環経路が形成されている。ここでは軸対称位置にある一組のダクト6A,6B(以下、位置を区別する際には構成部の符号にAB・・を付す)間には、低温配管9Bと高温配管10Aとが、他の組のダクト6C,6D間には、高温配管10Cと低温配管9Dとが夫々接続されている。また、隣り合う一組のダクト6A,6C間では、被冷却体12を冷却するための冷却器11を介して低温配管9A,9C同士が接続され、他の組のダクト6B,6Dの高温配管10B,10Dは、ロータリー弁13を介して、循環機14及び排熱交換器15に接続されている。
Furthermore, a low-temperature pipe 9 and a high-
ロータリー弁13は、背景技術で示した特許文献1に開示のものと同じ構造で、内設された流入室に連通する流入ポート16と、流入室に連通して90°間隔で配置される4つの流出ポート17,17,18,18とを夫々形成して、流入室内に設けた弁体を回転子4と同軸で形成された軸と一体回転可能に連結した構成となっている。ここでは流入ポート16が循環機14に接続され、4つの流出ポート17,18は、軸対称位置の一組17,17が高温配管10Dに接続されて、他の組では、一方の流出ポート18が高温配管10Bに、他方の流出ポート18が排熱交換器15に夫々接続されており、弁体の90°回転毎に、循環機14から供給される冷却流体を、高温配管10B,10Dへ交互に供給させるようになっている。
The
そして、排熱交換器15に高温配管10が夫々接続される一組のダクト6B,6D間において、互いの低温配管9B,9D間には、流量調整弁20を備えた第1バイパス管19が接続されている。一方、冷却器11に低温配管9が夫々接続される他の組のダクト6A,6C間において、互いの低温配管9A,9C間にも、流量調整弁22を備えた第2バイパス管21が接続されている。よって、第1バイパス管19の流量調整弁20により、後段のダクト6A,6C及び冷却器11をバイパスして、第1バイパス管19に冷却流体を所定量流すことができ、第2バイパス管21の流量調整弁22により、後段の冷却器11をバイパスして、第2バイパス管21に冷却流体を所定量流すことができる。
And between 1 set of
以上の如く構成された磁気冷凍装置1の作用を説明する。
まず永久磁石5,5が0°の位置(図1の実線位置)にある時、この0°及び180°の位置にあるダクト6B,6Aの磁気作業物質7,8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°の位置にあるダクト6C,6Dの磁気作業物質7,8は減磁されて温度が低下する。
この時、ロータリー弁13を介して冷却流体を、実線矢印で示すように、循環機14→高温配管10D→ダクト6D→低温配管9D→高温配管10C→ダクト6C→低温配管9C→冷却器11→低温配管9A→ダクト6A→高温配管10A→低温配管9B→ダクト6B→高温配管10B→ロータリー弁13→排熱交換器15→循環機14の順に循環させる。
よって、温度低下した磁気作業物質7C,8Dで冷却された冷却流体は、冷却器11で被冷却体12を冷却した後、増磁されて温度が上昇した磁気作業物質7A,8Bを冷却して排熱交換器15に戻り、仕事分の熱量を放出する。
The operation of the magnetic refrigeration apparatus 1 configured as described above will be described.
First, when the
At this time, as indicated by the solid line arrow, the cooling fluid is passed through the
Therefore, the cooling fluid cooled by the
次に、回転子4を永久磁石5,5と共に90°回転させる(図1の二点鎖線位置)と、0°と180°との位置にあるダクト6A,6Bの磁気作業物質7A,8Bは、減磁されて温度が低下し、90°及び270°の位置にあるダクト6C,6Dの磁気作業物質7C,8Dは、増磁されて温度が上昇する。この時ロータリー弁13も軸を介して弁体が90°回転しているため、点線矢印で示すように、今度は逆に0°位置のダクト6Bの高温配管10Bから冷却流体を循環させることになる。
この回転を繰り返すことによって、各ダクト6の低温配管9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、各ダクト6の高温配管10接続側の温度は排熱交換器15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。
Next, when the
By repeating this rotation, the temperature of each
この冷却流体の循環の際、第1バイパス管19の流量調整弁20と第2バイパス管21の流量調整弁22とを開弁操作して、循環経路の正逆何れの場合も、高温側の磁気作業物質8が充填されるダクト6B,6Dの方が、低温側の磁気作業物質7が充填されるダクト6A,6Cよりも流量が大きくなるように設定しておく。すると、流量が大きくなるダクト6B,6Dによって大きな冷凍能力が得られると共に、流量が小さくなるダクト6A,6Cによって温度差が大きくとれることになる。
図2は、磁気作業物質における温度差ΔTと冷凍能力Pとの関係を示すグラフで、例えば磁気作業物質8の特性を点線のグラフa、磁気作業物質7の特性を一点鎖線のグラフbとした場合、流量の調整によって実線部分cでの複合的な特性が得られることになる。
During the circulation of the cooling fluid, the flow
FIG. 2 is a graph showing a relationship between the temperature difference ΔT and the refrigerating capacity P in the magnetic working material. For example, the characteristic of the magnetic working material 8 is a dotted line graph a, and the magnetic working material 7 is a one-dot chain line graph b. In this case, a composite characteristic at the solid line portion c is obtained by adjusting the flow rate.
このように、上記形態の磁気冷凍装置1によれば、磁気作業物質7,8を、循環経路の下流側ほど低温となるようにダクト6毎に特性を変えて配設する一方、循環経路における各ダクト6の出口側の配管に、下流側の循環経路をバイパスする第1、第2バイパス管19,21を夫々設けて、その各バイパス管に、当該バイパス管の流量を調整可能な流量調整手段(流量調整弁20,22)を夫々設けたことで、複数の磁気作業物質7,8を複合的に用いたいわゆるハイブリッド型において、磁気作業物質7,8の量を増やすことなく、大きな温度差で大きな冷凍能力を得ることができる。よって、小型で高性能の磁気冷凍装置1を提供可能となる。
As described above, according to the magnetic refrigeration apparatus 1 of the above embodiment, the magnetic working substances 7 and 8 are arranged with different characteristics for each
特にここでは、流量調整手段として流量調整弁を採用しているので、バイパス管での流量の調整が適切に行えるようになっている。
また、永久磁石5が、サーボモータによって回転する回転子4の周面に固着され、ダクト6が、回転子4を軸支する筒状の固定子3の内面に配置されて、回転子4の回転に伴う永久磁石5の接離により、磁気作業物質7,8の温度が変化する態様であるので、磁気冷凍装置1の一層の小型化が達成可能となる。
In particular, here, since a flow rate adjusting valve is employed as the flow rate adjusting means, the flow rate in the bypass pipe can be adjusted appropriately.
Further, the
なお、上記形態では、ダクトを4個配設しているが、永久磁石の個数によってはこれより多くても差し支えなく、この場合もダクト毎に異なる特性の磁気作業物質を充填すると共に、各ダクトの出口側にバイパス管を接続すればよい。また、循環経路も上記形態に限らず、例えば複数のダクトが並列に接続されて冷却流体が流れる場合でも出口側でバイパス管を接続すればよい。
また、流量調整手段としては流量調整弁に限らず、固定オリフィス等の他の手段も採用可能である。特に固定オリフィスを採用すれば流量調整が簡単に行える。勿論これらの手段を組み合わせて採用することも可能である。
In the above embodiment, four ducts are provided, but depending on the number of permanent magnets, there may be more than this, and in this case, each duct is filled with a magnetic working substance having different characteristics, and each duct What is necessary is just to connect a bypass pipe to the exit side. Further, the circulation path is not limited to the above form, and for example, even when a plurality of ducts are connected in parallel and the cooling fluid flows, a bypass pipe may be connected on the outlet side.
Further, the flow rate adjusting means is not limited to the flow rate adjusting valve, and other means such as a fixed orifice can be employed. In particular, if a fixed orifice is used, the flow rate can be easily adjusted. Of course, a combination of these means may be employed.
そして、上記形態では、固定子と回転子とを備えた一組の装置本体において磁気作業物質をハイブリッドにした構成となっているが、図3に示すように、複数の装置本体2,2・・間において、同じ位相のダクト間を配管23,23・・で直列に接続して冷却器等の熱交換器24に対して往復する循環経路を形成し、各回転子を同調回転させる磁気冷凍装置1aに対しても本発明は採用可能である。すなわち、ここでも各装置本体2のダクト6毎に磁気作業物質の特性を変えて、循環経路の下流側ほど低温となるように配設する一方、各装置本体2の出口側の配管23に、流量調整弁26を備えたバイパス管25を夫々接続すればよい。勿論この場合も、循環経路の形態やバイパス管の位置等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
And in the said form, although it becomes the structure which made the magnetic working material hybrid in the set of apparatus main body provided with the stator and the rotor, as shown in FIG. In between, the ducts having the same phase are connected in series by
1,1a・・磁気冷凍装置、2・・装置本体、3・・固定子、4・・回転子、5・・永久磁石、6・・ダクト、7,8・・磁気作業物質、9・・低温配管、10・・高温配管、11・・冷却器、12・・被冷却体、14・・循環機、15・・排熱交換器、19・・第1バイパス管、20,22,26・・流量調整弁、21・・第2バイパス管、23・・配管、25・・バイパス管。
1, 1a ··· Magnetic refrigeration device ··· Device body 3 ··
Claims (4)
前記磁気作業物質を、前記循環経路の下流側ほど低温となるように前記ダクト毎に特性を変えて配設する一方、前記循環経路における前記各ダクトの出口側の前記配管に、下流側の前記循環経路をバイパスするバイパス管を夫々設けて、その各バイパス管に、当該バイパス管の流量を調整可能な流量調整手段を夫々設けたことを特徴とする磁気冷凍装置。 A plurality of ducts filled with a magnetic working material whose temperature changes in accordance with the increase or decrease of the magnetic field is connected to a heat exchanger via a pipe to form a cooling fluid circulation path, and the permanent magnet is relative to the duct. A magnetic refrigeration apparatus that cools the cooling fluid by the magnetic working substance and cools the object to be cooled by the heat exchanger by circulating the cooling fluid through the circulation path.
The magnetic working substance is disposed with a different characteristic for each duct so that the temperature is lower at the downstream side of the circulation path, while the downstream pipe is connected to the pipe on the outlet side of each duct. A magnetic refrigeration apparatus comprising a bypass pipe for bypassing a circulation path, and a flow rate adjusting means capable of adjusting a flow rate of the bypass pipe in each bypass pipe.
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