JP5602482B2 - 磁気冷凍装置 - Google Patents

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本発明は、磁気熱量効果に基づく磁気冷凍装置に関するものである。
強磁性体は、断熱的に磁場を印加すると発熱し、断熱的に磁場を除去すると吸熱する。これは磁気熱量効果と呼ばれ、強磁性・常磁性間の相転移温度（キュリー温度）の近傍において顕著である。強磁性体の磁気熱量効果と熱交換媒体の往復流動とを組み合わせて低温部と高温部を生成し、低温部を用いて他の物体を冷却できるようにしたものが磁気冷凍装置である。なお、キュリー温度は強磁性体に固有なので、磁気冷凍装置の使用したい温度領域にキュリー温度を持つような強磁性体の選択が必要である。また、磁気冷凍装置に使用される強磁性体は、磁気作業物質と呼ばれる。
磁気熱量効果を大きくして磁気冷凍装置の能力を高くするには、強い磁場を印加してその磁場を除去するとよい。また、磁気冷凍装置の構造を簡素化するためには、永久磁石の移動によって磁場の印加と除去を行うとよい。そこで、従来は、ある種のハルバッハ配列の永久磁石磁気回路を組み、これの回転によって磁場の印加と除去を行ってきた（下記特許文献１，２参照）。
図６は、永久磁石の磁化の向きを９０°回転させながら並べたハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の一例を示す模式図である。
特表２００７−５２２６５７号公報 特開２００８−０５１４１２号公報
しかしながら、上記特許文献１における永久磁石組立体は、複雑な形状をなしており、その製作及び取付けには問題があった。
また、上記特許文献１の図１５に示される永久磁石磁気回路は、回転軸に垂直な面上において回転軸を中心とする１８０°毎の磁極が回転体の軸方向に現れるように組んだものであり、上記特許文献２の図１０に示される永久磁石磁気回路は、回転軸に垂直な面上において、回転軸を中心とする１８０°毎の磁極が回転軸の径方向に現れるように組んだものである。何れもある種のハルバッハ配列となっているが、純然たるものではないので、磁場の強化が不十分である。また、ハルバッハ配列の部品となる永久磁石間に発生する反撥力を、接着によって抑え込まざるを得ない。そして、回転軸の近傍に永久磁石を配置することになるので、構造設計に対する制約が発生する。さらに、磁気回路を組んだ後は、磁場の印加と除去の可能な空間が固定化されてしまうので、磁場の強度や磁気作業物質の量の調整ができないといった問題があった。
本発明は、これらの問題を解決するために、共通回転軸に嵌合された円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の対を用いることにより、磁気熱量効果を大きくした高い能力の磁気冷凍装置を提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕非磁性の容器に収められた軸方向に磁極のある円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路を対にしてスペーサーにて間隔を設定した磁場空間を生成する永久磁石組立体と、この永久磁石組立体を嵌合する共通回転軸とを有する回転子と、前記磁場空間に、固定部材によって支持された磁気作業物質を収めたダクトを配置した固定子とを備え、前記磁気作業物質を収めたダクトへの前記磁場空間における磁場の作用により、磁気熱量効果に基づく磁気冷凍を行う磁気冷凍装置であって、前記スペーサーの寸法を調整することにより前記磁場の強さや前記磁気作業物質の量を調整するとともに、前記永久磁石組立体は、前記対になる永久磁石磁気回路を極性の異なる互いの磁極が対向するように配置することを特徴とする。
〔２〕上記〔１〕記載の磁気冷凍装置において、前記固定子と前記回転子の組み合わせを前記共通回転軸上に複数個直列に配置して機能を拡張することを特徴とする。
本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
（１）共通回転軸に嵌合された円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の対を用いることにより、能力の高い磁気冷凍装置を得ることができる。
（２）スペーサーの寸法を調整することにより、磁場の強度や磁気作業物質の量の調整ができる。
（３）共通回転軸に嵌合された円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の対を複数個直列に配置することにより、機能を拡張させることができる。
（４）地球温暖化の原因となるようなフロンを使用した気体冷凍装置を置き換えることができる。
本発明の第１実施例を示す磁気冷凍装置の全体模式図である。 本発明の第１実施例を示す磁気冷凍装置の円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の対を有する本体部分の断面図である。 本発明の第１実施例を示す磁気冷凍装置の円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の対を示す模式図である。 図３の円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の上面図である。 本発明の第２実施例を示す磁気冷凍装置の円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路を２対有する本体部分の断面図である。 永久磁石の磁化の向きを９０°回転させながら並べたハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の一例を示す模式図である。
本発明の磁気冷凍装置は、非磁性の容器に収められた軸方向に磁極のある円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路を対にしてスペーサーにて間隔を設定した磁場空間を生成する永久磁石組立体と、この永久磁石組立体を嵌合する共通回転軸とを有する回転子と、前記磁場空間に、固定部材によって支持された磁気作業物質を収めたダクトを配置した固定子とを備え、前記磁気作業物質を収めたダクトへの前記磁場空間における磁場の作用により、磁気熱量効果に基づく磁気冷凍を行う磁気冷凍装置であって、前記スペーサーの寸法を調整することにより前記磁場の強さや前記磁気作業物質の量を調整するとともに、前記永久磁石組立体は、前記対になる永久磁石磁気回路を極性の異なる互いの磁極が対向するように配置する。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例を示す磁気冷凍装置の全体模式図、図２はその磁気冷凍装置の円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の対を有する本体部分の断面図、図３はその円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の対を示す模式図、図４は図３の円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の上面図である。
図１は円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の対を有する本体部分を組み込んだ磁気冷凍装置の全体模式図であり、磁気作業物質を収めたダクト１２には、固定子Ｂの外部に導出される低温配管２１Ａ，２１Ｂと高温配管２２Ａ，２２Ｂとがそれぞれ接続され、熱交換媒体の循環経路が形成されている。ここでは、軸対象位置にある一方の対のダクト１２Ａとダクト１２Ｃとの間は、低温配管２１Ａ及び高温配管２２Ａで接続され、同じく軸対称位置にある他方の対のダクト１２Ｂとダクト１２Ｄとの間は、低温配管２１Ｂ及び高温配管２２Ｂで接続されている。一方、隣接する一対のダクト１２Ｃとダクト１２Ｄとの間は、被冷却体２４を冷却するための冷却器２３を介して、低温配管２１Ａ，２１Ｂで接続され、別の隣接する一対のダクト１２Ａとダクト１２Ｂとの間は、循環器３１及び排熱交換器３２を介して、高温配管２２Ａ，２２Ｂで接続され、更にロータリー弁３０が途中に設けられている。
よって、円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路を対にした永久磁石組立体１を有する回転子Ａが共通回転軸５の周りを回転することと、ロータリー弁３０の流路が切り換わることとにより、消磁して温度が低下したダクト１２で冷却された熱交換媒体は、冷却器２３で被冷却体を冷却した後、励磁して温度が上昇したダクト１２を冷却して排熱交換器３２に戻り、仕事分の熱量を放出する。
なお、ダクト１２の数を２組から増やすことは可能であり、ロータリー弁３０はダクト１２に対して順番に流路が切り換わるように構成すればよい。
次に、本発明の磁気冷凍装置の円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の対を有する本体部分について詳細に説明する。
図２に示すように、磁気冷凍装置の円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の対を有する本体部分の回転子Ａ側は、各永久磁石磁気回路を収める非磁性の容器１Ａ，１Ｂと、非磁性の容器１Ａに収められる第１の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路２と、非磁性の容器１Ｂに収められるとともに第１の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路２と対向する第２の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路３とを対にした永久磁石組立体１、第１の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路２と第２の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路３との間に配置されるスペーサー４、及び第１の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路２と第２の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路３とスペーサー４とを嵌合する共通回転軸５からなる。
一方、磁気冷凍装置の円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の対を有する本体部分の固定子Ｂ側は、第１の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路２と第２の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路３との対向面の間に極めて大きな磁場が生成され得る磁場空間１１に配置される磁気作業物質を収めたダクト１２、この磁気作業物質を収めたダクト１２を支持するホルダー１３、このホルダー１３を支持する支持柱１４、この支持柱１４を支持する側板１５、共通回転軸５と側板１５との間に配置される軸受１６、及び軸受１６を保持する軸受押さえ１７からなる。なお、上記した第１の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路２と第２の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路３との対向面側における磁場空間１１には極めて大きな磁場が生成され得るのに対して、第１の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路２と第２の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路３とが対向しない側には小さい磁場が生成されるに過ぎない。
そこで、図３及び図４に示すように、第１の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路２は、第１の磁極２Ａと第２の磁極２Ｂが対角位置にあり、それらの間に磁路を形成する部材２Ｃ，２Ｄが配置されている。また、第２の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路３は、第１の磁極３Ａと第２の磁極３Ｂが対角位置にあり、それらの間に磁路を形成する部材３Ｃ，３Ｄが配置されている。このように構成した第１の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路２と第２の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路３とを磁極が互いに対向するようにして配置することにより、対向する磁極間の磁場空間１１に極めて大きな磁場を生成することができる。なお、図３及び図４において、矢印は永久磁石の磁化の向きを示している。
このような２つの円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路２，３を磁極２Ａが磁極３Ａに、磁極２Ｂが磁極３Ｂにそれぞれ対向するようにして各々を非磁性の容器１Ａ，１Ｂへ収め、磁気吸引力に対抗して磁場空間１１を保つことができるようにスペーサー４を設け、非磁性の容器１Ａ，１Ｂを共通回転軸５に嵌合させて一対とする。この共通回転軸５は、その両端に軸受１６を配置することにより、側板１５に対して回転自在に支承される。また、この側板１５は、その中間に支持柱１４を配置することにより、一定間隔に保持される。
ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の一例として、図６に示したような、永久磁石の磁化の向きを９０°回転させながら並べたものがあるが、これに対して、本発明のハルバッハ配列の永久磁石磁気回路は、図４に示すように、円環状に並べて端部がなくなるように構成するので、磁場を弱くしてしまうような磁束の漏れが抑えられる。なお、磁極の数は任意なので、ここでは２としている。これを、図３に示すように、磁極２Ａと磁極３Ａ、磁極２Ｂと磁極３Ｂがそれぞれ対向するように構成したので、磁極の対向している空間では磁場が強く、それ以外の空間では磁場が弱くなるような磁場空間１１が生成される。この磁場空間（空隙）１１に、磁気作業物質が収められたダクト１２をホルダー１３及び支持柱１４で支持して設置し、この永久磁石磁気回路２と３の対を回転させることにより、ダクト１２内の磁気作業物質に対して強い磁場の印加と除去を行うことができる。
本発明によるハルバッハ配列の永久磁石磁気回路２，３は単純な円環の形状であるので、簡単に非磁性の容器１Ａ，１Ｂに収めることが可能になり、ハルバッハ配列の部品となる永久磁石間に発生する反撥力を、非磁性の容器１Ａ，１Ｂによって抑え込むことができる。また、共通回転軸５の近傍に永久磁石を配置しないことになるので、構造設計に対する制約が緩和される。そして、磁場空間（空隙）１１を保持するスペーサー４の寸法を変えることにより、磁場の印加と除去が可能な空間を変化させることができるので、磁場の強度や磁気作業物質の量の調整ができる。
このように、本発明によれば、単純な構造を備え、磁気作業物質に強力な磁場を作用させることができる共通回転軸に嵌合された円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の対を有する磁気冷凍装置を提供することができる。
図５は本発明の第２実施例を示す磁気冷凍装置の円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路を２対有する本体部分の断面図である。
この実施例では、上記した第１実施例に示したものと同様の円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路を対にした永久磁石組立体４１，４２を直列に並べて共通回転軸４３に嵌合させ、永久磁石組立体４１，４２それぞれの中間に磁気作業物質が収められたダクト４４と４５を配置して、機能を拡張するようにしたものである。なお、永久磁石組立体４１と４２との間の背面空間４７には弱い磁場しか生成されないので、比較的薄いスペーサー４６を配置するだけで十分である。
このように、第１実施例のような構成を基本単位として、第２実施例のように、複数の基本単位で構成するようにすれば、能力を一層高くすることができるので、装置としての拡張性が高い。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
本発明の磁気冷凍装置は、単純な構造を備え、磁気作業物質に強力な磁場を作用させることができる、共通回転軸に嵌合された円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路の対を有する磁気冷凍装置として利用可能である。よって、地球温暖化の原因となるようなフロンを使用した気体冷凍装置を本発明に置き換えることができる。
１，４１，４２ 円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路を対にした永久磁石組立体
１Ａ，１Ｂ 非磁性の容器
２ 第１の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路
２Ａ，３Ａ 第１の磁極
２Ｂ，３Ｂ 第２の磁極
２Ｃ，２Ｄ，３Ｃ，３Ｄ 磁路を形成する部材
３ 第２の円環状ハルバッハ配列永久磁石磁気回路
４，４６ スペーサー
５，４３ 共通回転軸
１１ 磁場空間
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，４４，４５ 磁気作業物質を収めたダクト
１３ ホルダー
１４ 支持柱
１５ 側板
１６ 軸受
１７ 軸受押さえ
２１Ａ，２１Ｂ 低温配管
２２Ａ，２２Ｂ 高温配管
２３ 冷却器
２４ 被冷却体
３０ ロータリー弁
３１ 循環器
３２ 排熱交換器
４７ 背面空間
Ａ 回転子
Ｂ 固定子

Claims (2)

  1. 非磁性の容器に収められた軸方向に磁極のある円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路を対にしてスペーサーにて間隔を設定した磁場空間を生成する永久磁石組立体と、該永久磁石組立体を嵌合する共通回転軸とを有する回転子と、前記磁場空間に、固定部材によって支持された磁気作業物質を収めたダクトを配置した固定子とを備え、前記磁気作業物質を収めたダクトへの前記磁場空間における磁場の作用により、磁気熱量効果に基づく磁気冷凍を行う磁気冷凍装置であって、前記スペーサーの寸法を調整することにより前記磁場の強さや前記磁気作業物質の量を調整するとともに、前記永久磁石組立体は、前記対になる永久磁石磁気回路を極性の異なる互いの磁極が対向するように配置することを特徴とする磁気冷凍装置。
  2. 請求項１記載の磁気冷凍装置において、前記固定子と前記回転子の組み合わせを前記共通回転軸上に複数個直列に配置して機能を拡張することを特徴とする磁気冷凍装置。
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