JP5351275B2 - 磁気熱量効果材料を含む熱発生器 - Google Patents

Description

本発明は、冷却液が通過するように配列された磁気熱量効果素子と、磁気熱量効果素子の両側に配置される２つのチャンバであって、各チャンバが前記磁気熱量効果素子を通過する前記冷却液の移動手段を内包する加熱チャンバと冷却チャンバとで本質的に構成される少なくとも１つの熱モジュールと、前記磁気熱量効果素子に加熱サイクルと冷却サイクルを交互に生成するようにして前記磁気熱量効果素子に磁場変動を生成するように配列される磁化配列と、該当するチャンバへの往来の動きに応じた前記移動手段の駆動装置であって、磁場変動と同期化するように前記磁気熱量効果素子の両側の冷却液に動きを伝えて、前記磁気熱量効果素子の両端の間の温度勾配が発生したのちにそれを維持する駆動装置とを有する熱発生器に関する。

磁気冷却技術は２０数年以上前から知られており、環境配慮および持続可能な開発の観点でこの技術がもたらす利点は承知している。また、この技術の熱出力および効率には限度があることも知られている。そのため、この分野に関わる研究者はこぞってこのような発熱器の性能改善に取り組み、磁力、磁気熱量効果素子の性能、冷却液と磁気熱量効果素子との間の熱交換面積、熱交換器の性能など、さまざまなパラメータを研究している。

出願者の名による仏国特許第０７／０７６１２号には、磁気熱量効果素子によって発生した熱エネルギーが循環手段を介して前記磁気熱量効果素子を通って移動する冷却液と交換される仕組みになっている磁気熱量効果による熱発生器が記載されている。この循環手段は、特殊なカムプロファイルを有する制御カムの往来の動きに応じて駆動されるピストンの形状をしている。

しかし、この熱発生器にはこのピストンの駆動に固有の欠点がある。実際に、この駆動により接触する素子、つまりカムプロファイルとピストンが磨耗してしまい、これによって熱発生器の効率が早期に低下するおそれがある。その上、ピストンジャケットと駆動機構との間の気密性に問題が生じる。

仏国特許第０７／０７６１２号

本発明は、構成素子が少ない簡易な構成の磁気熱量効果による熱発生器であって、中で流体の循環手段が動くチャンバとこの循環手段の操作手段との間の気密性が失われるリスクを極度に抑えると同時に、寿命が延びて効率が維持される熱発生器を提供してこの欠点を緩和することを目的とする。

このために、本発明は、前述した類の熱発生器であって、駆動装置が、操作液が吸入・送出装置によって駆動されて前記加熱チャンバと冷却チャンバとに流体を介して連結している１つの閉鎖した流体回路と、磁化配列と同期化する少なくとも１つの切り替えインターフェースとを有して、加熱チャンバと冷却チャンバのそれぞれが前記吸入・送出装置の吸入側と送出側に交互に、またその逆に連結することを特徴とする熱発生器に関する。

したがって、熱発生器は冷却液の移動手段を駆動する単一の駆動装置を有する。前記切り替えインターフェースを使用することによって、切り替え弁やアナログ装置の使用を避けることができるため、熱発生器の構想が容易になる。さらに、このインターフェースを本発明による熱発生器に搭載することにより、この熱発生器の寸法を小さくすることができる。

本発明による熱発生器は、たとえば熱交換器などを介して連結させて（暖房、冷房、温度調節などに）使用する１つまたは複数の外部回路と熱エネルギーを交換するようになっている。

本発明によれば、操作液および冷却液は同じものであってもよい。

前記切り替えインターフェースは、前記熱発生器に取り付けられて前記熱モジュールの加熱チャンバまたは冷却チャンバのうちのいずれかに挿入される少なくとも１つの切り替え用台板と、吸入・送出装置の吸入側と送出側にそれぞれ吸入回路と送出回路を備える分配用フランジとを有することができるのが好ましい。

前記切り替え用台版は、前記加熱チャンバと冷却チャンバとの間、および分配用フランジの吸入回路と送出回路との間に流体が通過することができる横断通路を有することができる。

本発明の好適な実施形態では、熱発生器は、中心軸の周りで環状となる複数の熱モジュールを有する循環構造をとることができる。

この構成では、熱発生器は、１つの切り替え用台版をそれぞれに有する２つの切り替えインターフェースを有することができ、それに対応する前記切り替え用台板および分配用フランジも同じく環状とすることができ、前記分配用フランジの吸入回路と送出回路は、前記切り替え用台板に対面する面に設けられる２つの同心の溝の形態をとることができる。

第１の変形例では、磁化配列は、中心軸を同心として該軸の周りを回転駆動することができ、切り替え用台板および磁化配列は、同じ作動機によって前記軸の周りを回転駆動することができる。この構成により、熱発生器の容量を増大させることができる。

第２の変形例では、磁化配列は固定され、エネルギー源に連結する電磁石で構成されるようにすることができ、切り替え用台板は特殊な作動機によって前記軸の周りを回転駆動することができる。

さらに、切り替え用台板は同一のもので、各熱モジュールが加熱チャンバまたは冷却チャンバの周辺では分配用フランジの吸入回路に連結する切り替え用台版の横断通路に連結し、冷却チャンバまたは加熱チャンバの周辺では別の分配用フランジの送出回路に連結する別の切り替え用台版の横断通路に連結するように、互いに角度をずらして取り付けられる。

同一の切り替え用台板を搭載することにより、熱発生器の製造費を軽減することができる。

磁化配列に関していうと、この配列は、磁化領域と非磁化領域とを交互に有し、切り替え用台板の横断通路は前記交互の領域に応じて配置され、磁気熱量効果素子が磁場の影響を受けないときは加熱チャンバの各熱モジュールにある冷却液を冷却チャンバへ移動させることができ、磁気熱量効果素子が磁場の影響を受けるときは冷却チャンバから加熱チャンバへ移動させることができる。

さらに、本発明によれば、加熱チャンバ全体および冷却チャンバ全体は、熱交換器を構成することが可能なケーシングに内蔵することができる。

本発明およびその利点は、添付の図面を参照し、非限定的に例として挙げる実施形態に関する以下の説明を読めばさらに明らかになるだろう。

本発明による熱発生器を分割した斜視図である。 図１に示す熱発生器の長手方向の断面図である。 図１に示す熱発生器の分配用フランジの斜視図である。 図１に示す熱発生器の切り替え用台板の斜視図である。 図１に示す熱発生器の側面図である。

添付の図を参照すると、熱発生器１はほぼ環状の構成をしている。この熱発生器は、複数の熱モジュールであって、Ａ軸の周囲に円状に位置してそれぞれが加熱チャンバ４と冷却チャンバ５との間に配置される磁気熱量効果素子３を内包するモジュール２と、前記磁気熱量効果素子３を通過する冷却液の２つの移動手段６とを有する。この移動手段はピストン６の形状で（図２を参照）、加熱チャンバ４および冷却チャンバ５内で、両チャンバの背部と前記磁気熱量効果素子３の加熱端部９または冷却端部１０との間に配置されている。

加熱チャンバ４または冷却チャンバ５の背部とは、磁気熱量効果素子３とは反対側にある前記チャンバの端部のことである。

前記磁気熱量効果素子３は冷却液に対して透過性があり、１つまたは複数の磁気熱量効果材料で構成することができる。同素子は流体を通過させる通路を有し、この通路は、たとえば中実ブロックに加工されたり溝入りプレートを積層した集合体によって得られたりするミニチャンネルまたはマイクロチャンネルなどの多孔質材料の孔で構成することができる。

また、前記熱発生器１は、磁化領域および非磁化領域を有する磁化配列７を内包し、各磁気熱量効果素子３は磁場変動の影響を受けて磁気熱量効果素子３のそれぞれに加熱サイクルと冷却サイクルを交互に生成するように、作動機（図示せず）によって回転駆動する。ピストン６は、前記磁化配列７と同期化するよう動いて磁気熱量効果素子３のそれぞれに冷却液を順に循環させ、各磁気熱量効果素子３の両端部９と１０との間の温度勾配が発生したのちにそれを維持する。

本発明によれば、ピストン６は、加熱チャンバ４および冷却チャンバ５の背部に連結する閉鎖回路に統合される操作液を有する駆動装置８によって動き、この操作液は冷却液とは別のものであっても同じであってもよい。ピストン６のこの操作液および冷却液は同じものであることが好ましく、そうすることによって漏れが起きても熱発生器１の動作が妨げられずにすむ。

ピストン６の操作液は、単一の連続吸入・送出装置１１によって駆動される。この装置は連続的に作動し、吸入側１４および送出側１５を備えて操作液を連続的に吸入および送出する。このような装置は、たとえば遠心ポンプであってもよい。同装置は、切り替え用台版１２１、１２２を有する２つの切り替えインターフェース１２を介して循環する２方向にピストン６を交互に動かす。各同台板は、加熱チャンバ４または冷却チャンバ５の背部と、対応する２つの流体の分配用フランジ１６および１７に備えられる吸入回路１４１および送出回路１５１とを交互に連結する。この環状の分配用フランジ１６および１７は熱モジュール２の両側に配置され、吸入・送出装置１１との接続を可能にする端子２０、２１を有する。このために、分配用フランジ１６および１７の端子２０は、吸入回路１４１を吸入・送出装置１１の吸入側１４に連結し、分配用フランジ１６および１７の端子２１は、送出回路１５１を吸入・送出装置１１の送出側１５に連結する。

この分配用フランジ１６および１７は、同じく環状で磁化配列７の作動機と同じ作動機によって回転駆動する切り替え用台板１２１および１２２と協働する。同フランジは、熱モジュール２の加熱チャンバ４および冷却チャンバ５の背部と、分配用フランジ１６および１７のそれぞれの吸入回路１４１および送出回路１５１とを交互に通じる横断通路１８および１９を有する。前記分配用フランジ１６および１７の吸入回路１４１および送出回路１５１は、熱発生器１に取り付けられた状態で切り替え用台板１２１および１２２と対面する面に設けられる２つの同心の溝（図３を参照）で形成され、それぞれが横断通路１８および１９（図４を参照）に対面している。

当然のことだが、本発明の保護範囲を逸脱しない限り、この吸入回路１４１および送出回路１５１とは別の構成を想定してもよい。この場合、切り替え用台板１２１および１２２を前記回路と協働することができるように適応させる。

同じく、図示していない一構成では、磁化配列は、変動電場の影響を受ける電磁石によって作成することができ、切り替え用台板１２１および１２２を回転させるのには特殊な作動機を想定してもよい。

このため、たとえば図２の上方部に示した熱モジュール２を考えると、この熱モジュールの中にある冷却液は、前記図の右から左へと移動する。このようにするには、分配用フランジ１７の送出回路１５１に連結する切り替え用台版１２２の横断通路１９が冷却チャンバ５の正面に位置し、分配用フランジ１６の吸入回路１４１に連結する切り替え用台版１２１の横断通路１８が同じ熱モジュール２の加熱チャンバ４の正面に位置するようにする。すると冷却液は、前記熱モジュール２の磁気熱量効果素子３を冷却チャンバ５から加熱チャンバ４の方へ通過し、磁化配列７は前記磁気熱量効果素子３が磁場の影響を受けるように配置され、これによって前記磁気熱量効果素子３の加熱に至る。冷却液が磁気熱量効果素子３を通過する際は、熱交換器はこの両者の間で行われ、冷却液は対応する加熱チャンバ４に到達する前に加熱される。

次のサイクルでは、磁化配列７および切り替え用台板１２１および１２２が回転したあと、図２の上方部にある熱モジュール２の磁気熱量効果素子３はもはや磁場の影響を受けず、冷却液は左から右へ移動する。こうするためには、切り替え用台板１２１および１２２は、分配用フランジ１７の吸入回路１４１に連結する切り替え用台版１２２の横断通路１８が冷却チャンバ５の正面に位置し、分配用フランジ１６の送出回路１５１に連結する切り替え用台版１２１の横断通路１９が熱モジュール２の加熱チャンバ４の正面に位置するように回転する。冷却液は、前記熱モジュール２の磁気熱量効果素子３を加熱チャンバ４から冷却チャンバ５へと通過し、磁気熱量効果素子３は冷却される。冷却液が磁気熱量効果素子３を通過することによって、冷却チャンバ５へ向かう冷却液を冷却して両者間の熱交換を実現することができる。

加熱チャンバ４および冷却チャンバ５の背部は開口し、切り替え用台板１２１および１２２は両チャンバの気密性を確保することが好ましい。このため、ケーシング２３には加熱チャンバ４があり、ケーシング２４には冷却チャンバ５があるようにし、このケーシング２３および２４はそれぞれ対応する切り替え用台版１２１または１２２の側面と協働するようになっている環状の縁１３を備え、前記切り替え用台版１２１または１２２と対応する加熱チャンバ４または冷却チャンバ５との間を密閉するようにしてもよい。この素子の間にパッキンなどの密閉手段を配置することもできる。そのほかどのような形態の組み立ておよび密閉手段を想定してもよい。

このケーシング２３および２４は加熱チャンバ４および冷却チャンバ５と接触しているため、熱交換器として使用することができる。

図示していない変形例では、１つのみのケーシングが加熱チャンバ４および冷却チャンバ５全体を内包するとともに磁気熱量効果素子３全体も内包し、両チャンバの端部で前記環状縁１３を有するようにしてもよい。このようなケーシングはさらに、前記熱発生器１の長手軸の面に沿って組み合わさる２つの半円容器で構成してもよい。

さらに磁気熱量効果素子３は、添付の図に示すように、ケーシング２２に搭載することもできる。

図に示す実施例では、切り替え用台板１２１および１２２は同じものである。同台板は中実ディスクの形状をしており、このディスクは、吸入回路１４１に連結して熱発生器１に取り付けられた状態でこの台板の高さに、または台板に対面して設けられる横断通路１８のペアを有し、この通路のペアは、送出回路１５１に連結して熱発生器１に取り付けられた状態でこの台板の高さに、または台板に対面して設けられる横断通路１９のペアと交互に配置されている。前記切り替え用台板１２１、１２２は、角度が４５°ずれるように熱発生器１に取り付けられ、この角度は、磁化配列７の連続する２つの磁化領域を隔てる角度に相当する。このような配置によって、ピストン６が動く方向を変更することができ、それによって各熱モジュール２の磁気熱量効果素子３のところにある冷却液が動く方向を変更して前記磁気熱量効果素子３を動かす磁場の変動に同期化させることができる。

換言すると、熱モジュール２の磁気熱量効果素子３が磁場の影響を受けるときは、冷却液がこの熱モジュール２の冷却チャンバ５から加熱チャンバ４へ移動することができるように、切り替え用台板１２１および１２２はピストン６を駆動するように配置される。逆に、この同じ磁気熱量効果素子３が磁場の影響を受けずに冷却されるときは、冷却液がこの熱モジュール２の加熱チャンバ４から冷却チャンバ５へ移動することができるように、切り替え用台板１２１および１２２はピストン６を駆動するように配置される。

横断通路１８および１９は、常に吸入回路１４１および送出回路１５１と流体でつながっている関係にある。したがって、横断通路１８または１９が加熱チャンバ４または冷却チャンバ５の正面にくるときは、この通路に流体が吸入または送出されることによって、このチャンバの中に配置されているピストン６を動かすことができる。

添付の図面は全体に、中心軸Ａの周りに円状に配置される熱モジュール２の組み立て体で構成される単一の装置を有する熱発生器１を示しているが、本発明は、複数の装置で段状の構造をした熱発生器を作製することも想定している。このような構成にすることにより、本発明による熱発生器の効率を上げることが可能になる。

本明細書により、本発明が設定した目的、すなわち、簡易な構造で、熱モジュール２に冷却液を循環させるための操作部品数を抑えることにより場所を取らない熱発生器１を提案し、冷却液の移動手段を操作することによって気密性の問題を解決するという目的を達成することが可能であることが明らかとなる。

このような熱発生器１であれば、暖房、冷房、温度調節、冷却またはその他の分野で、競争に耐え得る費用かつ場所を取らない寸法で、工業用にも家庭用にも用途を見出すことができる。

さらに、この熱発生器１を構成する部品はすべて、再製可能な工業プロセスに従って作製することができる。

本発明は、記載した実施例に限定されるものではなく、添付の請求項に定義した保護範囲内である限り、当業者に自明のあらゆる修正および変形例も範囲に含まれる。

Claims (10)

1. 冷却液が通過するように配列された磁気熱量効果素子（３）と、該磁気熱量効果素子（３）の両側に配置される２つのチャンバであって、各チャンバが前記磁気熱量効果素子（３）を通過する前記冷却液の移動手段（６）を内包する加熱チャンバ（４）と冷却チャンバ（５）とで本質的に構成される少なくとも１つの熱モジュール（２）と、前記磁気熱量効果素子（３）に加熱サイクルと冷却サイクルを交互に生成するようにして前記磁気熱量効果素子（３）に磁場変動を生成するように配列される磁化配列（７）と、該当するチャンバ（４または５）への往来の動きに応じた前記移動手段（６）の駆動装置（８）であって、磁場変動と同期化するように前記磁気熱量効果素子（３）の両側の冷却液に動きを伝えて、前記磁気熱量効果素子（３）の両端（９および１０）の間に温度勾配が発生したのちにそれを維持する駆動装置とを有する熱発生器（１）において、前記駆動装置（８）が、操作液が吸入・送出装置（１１）によって駆動されて前記加熱チャンバ（４）と冷却チャンバ（５）とに流体を介して連結している１つの閉鎖した流体回路と、前記磁化配列（７）と同期化する少なくとも１つの切り替えインターフェース（１２）とを有して、前記加熱チャンバ（４）と冷却チャンバ（５）のそれぞれが前記吸入・送出装置（１１）の吸入側（１４）と送出側（１５）に交互に、またその逆に連結することを特徴とする熱発生器。
2. 前記操作液および前記冷却液は同じものであることを特徴とする、請求項１に記載の熱発生器。
3. 前記切り替えインターフェース（１２）は、前記熱発生器（１）に取り付けられて前記熱モジュール（２）の加熱チャンバ（４）または冷却チャンバ（５）のうちのいずれかに挿入される少なくとも１つの切り替え用台板（１２１、１２２）と、前記吸入・送出装置（１１）の前記吸入側（１４）と前記送出側（１５）にそれぞれ吸入回路（１４１）と送出回路（１５１）を備える分配用フランジ（１６、１７）とを有することを特徴とする、請求項１および２のいずれか一項に記載の熱発生器。
4. 前記切り替え用台版（１２１、１２２）は、前記加熱チャンバ（４）と冷却チャンバ（５）との間、および前記分配用フランジ（１６、１７）の前記吸入回路（１４１）と送出回路（１５１）との間に流体が通過することができる横断通路（１８および１９）を有することを特徴とする、請求項３に記載の熱発生器。
5. 中心軸（Ａ）の周りで環状に配置される複数の熱モジュール（２）を有する循環構造を呈する熱発生器であって、１つの切り替え用台版（１２１、１２２）をそれぞれに有する２つの切り替えインターフェース（１２）を有することと、それに対応する前記切り替え用台板（１２１および１２２）および前記分配用フランジ（１６、１７）も同じく環状であることと、前記分配用フランジ（１６、１７）の前記吸入回路（１４１）と前記送出回路（１５１）は、前記切り替え用台板（１２１、１２２）に対面する面に設けられる２つの同心の溝の形状であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱発生器。
6. 前記磁化配列（７）は、前記中心軸（Ａ）を同心として該軸（Ａ）の周りを回転駆動し、前記切り替え用台板（１２１、１２２）および前記磁化配列（７）は、同じ作動機によって前記軸（Ａ）の周りを回転駆動することを特徴とする、請求項５に記載の熱発生器。
7. 前記磁化配列は固定され、エネルギー源に連結する電磁石で構成されることと、前記切り替え用台板（１２１、１２２）は特殊な作動機によって前記軸（Ａ）の周りを回転駆動することとを特徴とする、請求項５に記載の熱発生器。
8. 前記切り替え用台板（１２１、１２２）は同一のもので、各熱モジュール（２）が加熱チャンバ（４）または冷却チャンバ（５）の周辺では分配用フランジ（１６または１７）の吸入回路（１４１）に連結する切り替え用台版（１２１または１２２）の横断通路（１８）に連結し、冷却チャンバ（５）または加熱チャンバ（４）の周辺では別の分配用フランジ（１７または１６）の送出回路（１５１）に連結する別の切り替え用台版（１２２または１２１）の横断通路（１９）に連結するように、互いに角度をずらして取り付けられることを特徴とする、請求項５〜７のいずれか一項に記載の熱発生器。
9. 前記磁化配列（７）は磁化領域と非磁化領域とを交互に有することと、前記切り替え用台板（１２１、１２２）の前記横断通路（１８、１９）は前記交互の領域に応じて配置され、磁気熱量効果素子（３）が磁場の影響を受けないときは前記加熱チャンバ（４）の各熱モジュール（２）にある冷却液を前記冷却チャンバ（５）へ移動させ、磁気熱量効果素子（３）が磁場の影響を受けるときは冷却チャンバ（５）から加熱チャンバ（４）へ移動させることとを特徴とする、請求項８に記載の熱発生器。
10. 前記加熱チャンバ（４）全体および前記冷却チャンバ（５）全体は、熱交換器を構成するケーシング（２３、２４）に内蔵されることを特徴とする、請求項５〜９のいずれか一項に記載の熱発生器。

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