JP5449104B2

JP5449104B2 - 熱交換容器ユニット、および熱サイクルユニット

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Publication number: JP5449104B2
Application number: JP2010219990A
Authority: JP
Inventors: 志織加治; 忠彦小林; 明子斉藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: EP2437010A2; US8904807B2; US20120073307A1; EP2437010A3; JP2012073006A

Description

発明の実施形態は、磁気熱量効果を利用した熱交換容器ユニットおよび熱サイクルユニットに関する。

現在、人間の日常生活に密接に関係する室温域の冷熱技術、たとえば冷蔵庫、冷凍庫、室内冷暖房などの大半は、気体の圧縮膨張サイクルを使用している。しかし、気体の圧縮膨張サイクルに基づく冷凍技術に関しては、特定フロンガスの環境排出に伴う環境破壊が大きな問題となり、代替フロンガスについてもその環境への影響が懸念されている。このような背景から、環境リスクの低い自然冷媒（ＣＯ_２、アンモニアなど）やイソブタンなどを用いた取り組みも行われており、作業ガスの廃棄に伴う環境破壊の問題がない、安全でクリーンで且つ効率の高い熱サイクルユニットの実用化が求められている。

環境配慮型で且つ効率の高い冷凍技術の一つとして、磁気冷凍への期待が高まり、室温域を対象とした磁気冷凍技術の研究開発が活発化してきている。磁気冷凍技術は、磁気熱量効果を基本原理としている。磁気熱量効果とは、断熱状態で磁性物質に対して外部印加磁場を変化させると、その磁性物質の温度が変化する現象である。

磁気熱量効果は、磁気転移温度近傍で最大であり、その温度から離れると温度変化は小さくなる。これを改善するために、異なる磁気転移温度を有する磁性物質が充填された熱交換容器を、多段で連結させて熱交換容器ユニットを形成することにより、熱交換容器ユニットから高熱あるいは冷熱を得る熱サイクルユニット全体の動作温度を広げる工夫が考えられる。

一方で、磁性物質の充填された多数の熱交換容器を液体冷媒で連結する場合、圧力損失が大きくなり、冷媒流の制御が困難となる。冷媒流が停滞する場合には、熱の滞留を招き、ひいてはシステムの効率低下につながる。

米国特許第４３３２１３５号

発明が解決しようとする課題は、冷凍技術に用いる熱交換容器ユニットおよび熱サイクルユニットの効率を高めることにある。

熱交換容器ユニットは、内部に磁性体粒子を有する複数の熱交換容器と、前記熱交換容器の間に設けられ、前記熱交換容器同士を接続する、中実部材または多孔質体、または中実部材と多孔質体の金属で形成されている結合物で形成され、前記金属を覆う断熱層を備える接続部と、を備える。前記接続部の一部は、接続する前記熱交換容器の内側に侵入している。

第１の実施形態に係る、熱サイクルユニットを表す図である。第１の実施形態に係る熱交換容器ユニットを示す断面拡大図である。第１の実施形態に係る接続部の拡大図である。第１の実施形態に係る熱交換容器の温度勾配を示す図である。第２の実施形態に係る熱交換容器を示す断面図である。第３の実施形態に係る熱交換容器を示す断面図である。第４の実施形態に係る熱交換容器を示す断面図である。熱交換容器の他の配置を示す斜視図である。

（第１の実施形態）
第１の実施形態について、図１、図２を使って説明する。図１は、熱サイクルユニットを表す断面図である。熱サイクルユニットは、熱交換容器ユニット１００と、熱交換容器ユニット１００を挟むように対向して設けられた永久磁石１０と、永久磁石１０を駆動させる駆動装置（不図示）と、熱交換容器ユニット１００に接続され低温側熱交換容器４０と、熱交換容器ユニット１００に接続された高温側熱交換容器５０とを有する。ここで熱交換容器ユニット１００内には、磁気熱量効果を有する磁性体粒子が設けられている。

さらに、熱サイクルユニットは、熱交換容器ユニット１００内に液体冷媒を流す冷媒ポンプ２０と、液体冷媒の流れの向きを切り替える切り替え手段３０とを有する。切り替え手段３０は、熱交換容器ユニット１００の両端と接続されており、冷媒ポンプ２０は切り替え手段３０に接続されている。液体冷媒は、熱交換容器ユニット１００内を低温側熱交換器４０側から高温側熱交換器５０側へ流れるか、あるいはその逆向きに流される。

図２は、図１で示した熱サイクルシステムの熱交換容器ユニット１００を示す断面拡大図である。熱交換容器ユニット１００は、複数の熱交換容器１１０を有する。図２においては、熱交換容器ユニット１００は３つの熱交換容器１１０から構成されていることとする。互いの隣接する熱交換容器１１０の同士は、接続部１２０で接続されている。それぞれの熱交換容器１１０は、例えば筒状とする。熱交換容器１１０の中央部分には、１対の隔壁１５０が設けられている。隔壁１５０としては、例えばメッシュ状の板を用いることができる。１対の隔壁１５０の内側には、磁性体粒子１３０が充填されている。磁性体粒子１３０の間および１対のメッシュの外側は液体冷媒１４０で満たされている。熱交換容器１１０の磁性体粒子１３０が設けられた部分よりも低温側熱交換器４０に接続される側を低温端１１０Ｔと称する。熱交換容器１１０の磁性体粒子１３０が設けられた部分よりも高温側熱交換器５０に接続される側を高温端１１０Ｋと称する。隣り合う２つの熱交換容器１１０の低温端１１０Ｔと高温端１１０Ｋが、接続部１２０で接続されている。熱交換容器１１０の低温端１１０Ｔと高温端１１０Ｋには開口ＯＰが設けられている。

それぞれの熱交換容器１１０の低温端１１０Ｔと高温端１１０Ｋの開口ＯＰにパイプ等で切り替え手段３０が接続されている。切り替え手段３０に接続されたポンプ２０によって熱交換容器１１０内を液体冷媒１４０が移動する。

図２に液体冷媒１４０が流れる向きを太矢印で示す。液体冷媒１４０は、熱交換容器１１０内を低温端側１１０Ｔから高温端１１０Ｋ側へ、あるいは高温端１１０Ｋ側から低温端１１０Ｔ側へ移動する。

３つの熱交換容器１１０それぞれには、異なる種類の磁性体粒子１３０が設けられている。磁性体粒子１３０は、種類によって発熱・吸熱する温度範囲（動作温度範囲）が異なる。従って、例えば低温側熱交換部４０に近い側の熱交換容器１１０には、動作温度が低い磁性体粒子１３０を設け、高温側熱交換部５０に近い熱交換容器１１０には、動作温度が高い磁性体粒子１３０を設けることができる。

すなわち、磁性体粒子１３０に用いる材料によって、熱交換容器１１０の高温端１１０Ｋと低温端１１０Ｔの温度が決まるので、接続部１２０で接続される熱交換容器１１０の端部１１０Ｔ，１１０Ｋ同士の温度が近い値になるように磁性体粒子１３０の材料を選択することができる。

熱交換容器１１０に対向する位置に永久磁石１０が配置されると、熱交換容器１１０内の磁性体粒子１３０に対して磁場が印加される。このため、磁気熱量効果を有する磁性体粒子１３０が発熱する。このとき、冷媒ポンプ２０と切り替え手段３０により、熱交換容器１１０内の液体冷媒１４０は、熱交換容器１１０の高温端１１０Ｋ側に移動させ、熱を高温端側１１０Kに輸送させる。

次に永久磁石１０を磁性体粒子１３０から遠い位置に移動することで、熱交換容器内の磁性体粒子１３０から磁場を除去する。このとき磁性体粒子１３０は吸熱する。このとき、冷媒ポンプ２０と切り替え手段３０により、熱交換容器１１０内の液体冷媒１４０を低温端１１０Ｔ側へ移動させ、熱を低温端１１０Ｔ側へ輸送させる。これらを繰り返すことで、熱交換容器１１０内に温度勾配が生じる。このとき発生した高熱は、高温端に挿入された接続部を介して放熱部に伝熱され、放熱される。冷熱も低温端に挿入された接続部を介して輸送され、冷却部が冷却される。すなわち、低温側熱交換器４０からは冷熱が得られ、高温側熱交換器５０からは高熱が得られる。

熱交換容器１１０に用いる容器の材料としては、例えば樹脂などが挙げられる。磁性体粒子１３０としては、例えばGd（ガドリニウム）、GdR(Rは希土類、すなわちSc、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)を用いることが可能である。また、その他にも、例えば、各種希土類元素と遷移元素から成る化合物、LaFe₁₃系化合物、LaFe₁₃H、MnAsSbなどを用いることも可能である。液体冷媒１４０としては、例えば水や不凍液、エタノール溶液又はそれらを混合したものが挙げられる。

熱交換容器１１０は、中実部材又は多孔体、又はそれらの結合物からなる接続部１２０で直列に接続されている。

接続部１２０の端部は、熱交換容器１１０の内側に進入しており、液体冷媒１４０と接触している。接続部１２０の材料としては、金属を用い、金属の中でも熱伝導性の観点から銅が特に良い。銅のほかにも、銅合金や無酸素銅・タフピッチ銅を用いることができる。無酸素銅やタフピッチ銅は、磁場による影響を受けにくく、耐食性・成形性も優れる。また、AlおよびAl合金に関しても、耐食性・成形性に優れ、軽量化が可能であることから、用いることができる。これらの金属を断熱層で覆うと、接続部１２０の周囲に熱エネルギーが拡散するのを防止することができる。断熱層の材料としては、例えば、ウレタンやポリスチレンなどの断熱材などが挙げられる。断熱層は、接続部のうち液体冷媒と接触する部分を除いて設けられる。すなわち、接続部のうち、熱交換容器の外側にある部分は断熱層で覆われている。金属は１本の棒状の部材でも良いが、繊維状の金属を複数束ねて用いることも可能である。

接続部１２０の端部が熱交換容器１１０の内側に侵入していることにより、接続部１２０によって接続された低温端１１０Ｔと高温端１１０Ｋの間で効率よく熱エネルギーを伝達することができる。

図３は、接続部１２０の端部の一例を示す断面斜視図である。前述したように、温熱又は冷熱の生成には磁場の印加除去を伴う。この変動磁場による渦電流は、ジュール熱を発生し、接続部による熱の伝熱効率を低下させ、ひいては磁気冷凍ユニット全体の効率の低下をもたらす。よって接続部は熱を伝えるとともに、前記渦電流を防止する構造をとる必要がある。渦電流を防止するためには、磁場に垂直な方向の断面積を小さくする。例えば、図３（a）は、断面が円である繊維状の金属１２０Ｍを束にして形成した接続部１２０である。金属の束１２０Ｍは、端部を除いて断熱層１２０Ｈで覆われている。繊維状の金属１２０Ｍの本数を増やすほど、接続部１２０で渦電流が発生することを抑制することができる。図３（b）は、複数の繊維状の金属を束ねて形成した接続部１２０である。繊維状の金属同士は、絶縁性の材料、たとえば絶縁体であり、高熱伝導性をもつＡｌＮなどによって絶縁されている。この接続部も、端部を除いて断熱層１２０Ｈで覆われている。図３（c）は、断面が長方形の繊維状の絶縁された金属１２０Ｍを重ねて断熱層１２０Ｈで覆った接続部である。

図４は、熱交換容器１１０を直線状に並べたときの、直線に沿った方向の温度勾配を示す図である。熱交換容器１１０同士は直列に接続されており、縦軸は温度を示す。横軸は熱交換容器の位置を示す。接続部１２０の一端の熱交換容器１１０内に生じた高温又は低温が、接続部１２０の他端の熱交換容器１１０の高温又は低温として伝導される。接続された３つの熱交換容器１１０は、低温側熱交換器４０に最も近い熱交換容器１１０の低温端１１０Ｔ側から高温側熱交換器５０側に最も近い熱交換容器１１０の高温端１１０Ｋに向かうにつれて温度が高くなる。

接続部１２０に中実部材、または多孔質体、または中実部材と多孔質体の結合物を用いることにより、接続部１２０の間で熱エネルギーが失われることを防止することができる。また、熱交換容器１１０同士の位置関係を自由に設計することができるので、熱サイクルシステムを設ける装置に併せて熱交換容器１１０を配置することができる。

１つの大きな熱交換容器１１０で熱交換容器ユニットを構成しようとすると、熱交換容器内で例えば磁性体粒子１３０の部分よる圧力損失が生じ、液体冷媒１４０を移動させることが困難になる。

しかしながら、複数の熱交換容器１１０で分担して温度勾配を生じさせれば、それぞれの熱交換容器で生じる圧力損失が小さくなるので、液体冷媒１４０を移動させやすい。

また、接続部１２０の代わりに管状の部材を用い、熱交換容器間に液体冷媒を流して熱エネルギーを伝達する場合には、熱交換容器と管状の部材の長さの総和が長くなるほど熱交換容器内の圧力損失が大きくなり、液体冷媒流の制御が困難となる。また、冷蔵庫、冷凍庫、室内冷暖房などの装置の形状に併せて熱交換容器を配置すると、管状の部材がＬ字状になったりカーブ状になったりする場合がある。このような管状の部材の中を冷媒が移動しようとすると、圧力損失はさらに大きくなる。液体冷媒流が停滞する場合には、熱の滞留を招き、ひいてはシステムの効率低下につながる。

しかしながら、接続部１２０として中実部材を用いる場合には、接続部１２０の形状が複雑であっても熱エネルギーを効率よく伝達することができる。中実部材の変わりに多孔質体、あるいは中実部材と多孔質体の結合物を接続部としても、効率よく熱エネルギーを伝達することができる。

このように、金属の接続部１２０を用いることにより、熱交換容器１１０の間で効率よく熱エネルギーを移動させることができる。また、特に金属である場合には、熱交換容器１１０を自由に配置することができる。従って、熱サイクルシステムを有する装置を小型化することができる。

接続部１２０はあくまで熱交換容器１１０間を熱的に接続することを目的とし、熱エネルギーを生成しない。よって熱交換容器１１０の両端部１１０Ｔ、１１０Ｋを結ぶ長さ、すなわち、熱交換容器１１０の２つの開口ＯＰの距離よりも長い接続部１１０では、熱交換容器１１０生成した熱エネルギーの外部への放熱を促進するだけでなく、接続部１２０自身の比熱による熱エネルギーのロスが生じる。また、例えば接続部１２０に接触する外気など、接続部１２０の外部からの熱の侵入を招くと考えられる。従って、接続部１２０の長さは、熱交換容器１１０の２つの開口ＯＰ間の距離以下であることが好ましい。なお、ここでいう接続部１２０の長さとは、一の熱交換容器１１０内に侵入する一端から他の熱交換容器１１０内に進入する他端までの長さを言う。

一方で、接続部１２０は、熱交換容器１１０内の液体冷媒１４０と接触する面積が小さすぎると、接続部１２０と液体冷媒１４０の間で熱エネルギーを交換しにくくなる。よって、接続部１２０は、長さに対してある程度の太さを必要とする。接続部１２０の液体冷媒１４０との接触する端部（１１０Ｔ、１１０Ｋ）の断面の最大径と長さのアスペクト比が１：４から１：１０程度の範囲内にあることが望ましい。

ここでいう接続部１２０の断面の最大径とは、接続部１２０の端部１１０Ｔ、１１０Ｋには断熱層１２０Ｈが設けられていないので、断熱層１２０Ｈの厚さを含まない。すなわち、図３（a）、（b）に示すように金属部分の断面が円形である場合には円形の直径を接続部１２０の太さとする。ただし、絶縁材料の部分の長さはこの直径には含めない。あるいは、図３（c）のように断面が長方形の金属繊維を積層させて接続部１２０を形成する場合には、この断面において積層方向に垂直な方向の長方形の１辺の長さ、あるいは、積層方向の各金属繊維の長さの和のいずれか長い方とする。

なお、本実施の形態では、熱サイクルユニットは熱交換容器１１０を３つ有する場合について説明したが、２つ以上の任意の数とすることができる。また、液体冷媒１４０は冷媒ポンプ２０で移動させることについて説明したが、熱交換容器１１０の端部１１０Ｔ，１１０Ｋにピストンを設けてピストンによって移動させることも可能である。

また、永久磁石を移動させる駆動装置の代わりに、永久磁石と熱交換容器ユニットの相対位置を変化させる機構を用いることも可能であり、例えば、熱交換容器ユニットを移動させる機構を用いても良い。

（第２の実施形態）
図５は、熱交換容器ユニット１００の他の形態を示す断面拡大図である。本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、それぞれの熱交換容器１１０内に磁性体粒子が２種類ずつ設けられている点である。第１の実施形態で示した１対の隔壁１５０の板の間には、さらに隔壁１５０が１枚設けられている。磁性体粒子１３０は、この真ん中の１枚の隔壁の板を境にして低温端側と高温端側にそれぞれ１種類ずつ設けられている。

他の構成については、第１の実施形態と同じであるので、同じ部分の詳細な説明は省略する。

磁性体粒子１３０を２種類にすると、熱交換容器１１０内で生じる温度勾配を調整することができる。例えば低温端１１０Ｔ側には動作温度が低い磁性体粒子１３０を設け、高温端１１０Ｋ側には動作温度が高い磁性体粒子１３０を設ける。１種類の磁性体粒子１３０を設ける場合よりも、２種類の磁性体粒子１３０を設ける場合の方が、１つの熱交換容器１１０で生じる温度勾配を広げることができる。

また、接続部１２０で接続された一方の熱交換容器１２０の高温端１１０Ｋと他方の熱交換容器１１０の低温端１１０Ｔは動作温度が近いことが望ましいので、２種類の磁性体粒子１３０を設けることにより接続される２つの熱交換容器の端部１１０Ｔ、１１０Ｋの温度を調整することができる。

このように、本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
図６は、熱交換容器ユニット１００の他の形態を示す断面拡大図である。本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、それぞれの熱交換容器１１０内に２種類の磁性体粒子１３０が混合して設けられている点である。２種類の混合された磁性体粒子１３０は、１対のメッシュ状の板の間に設けられている。

２種類の磁性体粒子１３０が混合して設けられていると、第２の実施形態と同様に、１つの熱交換容器１１０で生じる温度勾配を調整することができる。また、２種類の磁性体粒子１３０の混合比率を調整して、温度勾配を微調整することも可能である。

（第４の実施形態）
図７は、熱交換容器ユニット１００の他の形態を示す断面拡大図である。本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、それぞれの熱交換容器１１０が接続部１２０で並列に接続されている点である。すなわち、隣り合う熱交換容器１１０の高温端１１０Ｋ同士が接続部で接続されている。

なお、並列に接続する場合には、それぞれの熱交換容器内の磁性体粒子１３０は同じ種類のものとすることができる。

熱交換容器１１０を並列に接続すると、例えばこの熱サイクルユニットを冷蔵庫に用いる場合には大量の空気を冷却することができるなど、一度に大量のものを冷却したり加熱したりすることができる。大量の空気を１つの熱交換容器１１０で冷却する場合に比べて、複数の熱交換容器１１０で冷却する場合には液体冷媒流が停滞するおそれが少ない。

上記の実施形態はあくまで例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。図８に示すように、複数の熱交換容器を環状に配置して直列に接続する構成や、同様の配置で複数の熱交換容器を並列に接続する構成も用いることが出来る。このような環状の配置の場合には、磁場印加手段としてコイルを利用することが有効である。

また、実施の形態の説明においては、磁気冷凍装置用磁性材料、熱交換容器、磁気冷凍装置等で、説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる磁気冷凍装置用磁性材料、磁気冷凍装置等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての磁気冷凍装置用磁性材料、熱交換容器、磁気冷凍装置は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。

（実施例）
断熱層で覆われた１本の棒状の金属を接続部と仮定し、金属の熱伝導率と断熱層の熱伝導率、および金属の一端の温度をさまざまに設定して、接続部の両端に生じる温度差についてのシミュレーションを行った。設定した金属のアスペクト比は、１：４、１：８、１：１０それぞれに分けて競ってしてシミュレーションを行った。

外気温度は２５℃とし、断熱層で覆われた金属と空気との間で自然対流による熱伝達が行われると仮定した。断熱層の熱伝導率、金属部の熱伝導率を表１に示すとおりに仮定し、金属の一端の温度を変化させたときの接続部両端の温度差を求めた。ここで、断熱層の厚さは、金属の両端を結ぶ方向に対して垂直な断面の長さの１／５とした。断熱層と空気との熱交換以外の熱の流出入は無いとした。

金属のアスペクト比を１：４とした場合の実施例が実施例１乃至実施例３である。金属のアスペクト比を１：８とした場合の実施例が実施例４、５である。金属のアスペクト比を１：１０とした場合の実施例が実施例６、７である。それぞれの実施例について、金属の一端の温度を０℃、１０℃、１５℃とした場合の両端の温度差が表１に示されている。いずれの実施例においても、設定した金属の一端の温度に係らず、両端の温度差は５℃以下であった。上述したように接続部における温度変化は小さいことが望ましく、熱交換容器１１０で生じる温度勾配を鑑みて、接続部の両端の温度差は５℃以下となることが望ましい。

従って、実施形態で説明したような棒状、あるいは繊維状の金属部を断熱層で覆った接続部をつかって、熱交換容器間で効率よく熱エネルギーを伝達させることができる。

１０永久磁石、２０冷媒ポンプ、３０切り替え手段、４０低温側熱交換部、５０高温側熱交換部、１００熱交換容器ユニット、１１０熱交換容器、１１０Ｔ低温端、１１０Ｋ高温端、１２０接続部、１２０Ｍ金属部、１２０Ｈ断熱層、１３０磁性体粒子、１４０液体冷媒、１５０隔壁

Claims

内部に磁性体粒子を有する複数の熱交換容器と、
前記熱交換容器の間に設けられ、前記熱交換容器同士を接続する、中実部材または多孔質体、または中実部材と多孔質体の金属で形成されている結合物で形成され、前記金属を覆う断熱層を備える接続部とを備え、
前記接続部の一部は、接続する前記熱交換容器の内側に侵入している熱交換容器ユニット。
前記熱交換容器は、内部に前記磁性体粒子と冷媒とを有する請求項１に記載の熱交換容器ユニット。
前記接続部は、銅または銅を主たる構成元素とする銅合金で形成されている請求項１に記載の熱交換容器ユニット。
前記熱交換容器は対向する２つの開口を有し、
前記接続部の長さは、２つの開口の距離以下である請求項１に記載の熱交換容器ユニット。
前記接続部は、前記長さに垂直な断面の径に対する、接続する前記熱交換容器間の長さの比が１：４乃至１：１０の範囲内にある請求項１に記載の熱交換容器ユニット。
前記接続部は、複数の金属を束にして形成された請求項１に記載の熱交換容器ユニット。
請求項１に記載の熱交換容器ユニットと、
前記熱交換容器ユニットを挟んで対向する永久磁石と、
前記永久磁石と熱交換容器ユニットとの相対位置を変化させる機構と、
前記熱交換容器ユニットに接続され、前記熱交換容器ユニットの熱エネルギーを放出させる高温側熱交換部と、
前記熱交換容器ユニットに接続され、前記熱交換容器ユニットに熱エネルギーを供給する低温側熱交換部と、
を、備える熱サイクルユニット。