JP5734991B2 - Magnetic refrigeration system - Google Patents
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Description
本発明の実施の形態は、磁気冷凍システムに関する。 Embodiments of the present invention relate to a magnetic refrigeration system.
近年、環境配慮型でか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来ている。 In recent years, expectations for magnetic refrigeration have increased as one of environmentally friendly and highly efficient refrigeration technologies, and research and development of magnetic refrigeration technologies for room temperature regions have been activated.
磁気冷凍技術の一つとして、室温域における磁気冷凍にとって阻害要因と位置付けられていた格子エントロピーを、むしろ積極的に利用し、磁気物質に、磁気熱量効果による磁気冷凍作業に加えて、この磁気冷凍作業により生成された冷熱を蓄える蓄熱効果を同時に担わせるAMR(Active Magnetic Regenerative Refrigeration)方式が提案されている。 As one of the magnetic refrigeration technologies, the lattice entropy, which has been positioned as an impediment to magnetic refrigeration in the room temperature range, is used rather positively. There has been proposed an AMR (Active Magnetic Regenerative Refrigeration) system that simultaneously bears a heat storage effect for storing cold heat generated by work.
AMR方式では、例えば、従来のフロンを用いた圧縮サイクルによる冷凍方式に比べ高い冷凍効率が得られることが期待されている。 In the AMR system, for example, it is expected that a high refrigeration efficiency can be obtained as compared with a conventional refrigeration system using a compression cycle using Freon.
もっとも、省エネルギー化の観点から、さらに冷凍効率の高い磁気冷凍技術の開発が望まれている。冷凍効率を向上させる方法の一つとして、磁気熱量効果材料から熱輸送媒体への熱輸送量を増加させることが挙げられる。 However, development of magnetic refrigeration technology with higher refrigeration efficiency is desired from the viewpoint of energy saving. One way to improve the refrigeration efficiency is to increase the amount of heat transport from the magnetocaloric effect material to the heat transport medium.
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、磁気熱量効果材料から熱輸送媒体への熱輸送量を増加させることで、冷凍効率が向上する磁気冷凍システムを提供することにある。 The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and the object of the present invention is to increase the refrigeration efficiency by increasing the amount of heat transport from the magnetocaloric effect material to the heat transport medium. Is to provide.
実施の形態の磁気冷凍システムは、両端部に熱輸送媒体の流入出口を有し、内部に磁気熱量効果材料を有する熱交換器と、熱交換器の外部に設けられ、磁気熱量効果材料への磁場の印加および除去を行う磁場印加除去手段と、熱交換器の一方の流入出口に配管を介して接続され、熱交換器から冷熱が輸送される低温側熱交換部と、熱交換器の他方の流入出口に配管を介して接続され、熱交換器から温熱が輸送される高温側熱交換部と、流入出口を通して、熱交換器へ熱輸送媒体の流入出を行う媒体移動機構と、を備えている。そして、熱交換器内に、第1の領域と、第1の領域に対し一方の流入出口側に設けられる第2の領域と、第1の領域に対し他方の流入出口側に設けられる第3の領域とを有し、第1の領域に第1の領域への熱輸送媒体の流入面と、第1の領域からの熱輸送媒体の流出面とを結ぶ流線に対し、長軸が平行な複数の板状の磁気熱量効果材料が充填され、熱輸送媒体が通過する際の第2および第3の領域における圧力損失が、第1の領域における圧力損失よりも高い。 The magnetic refrigeration system of the embodiment has a heat transport medium inlet / outlet at both ends, a heat exchanger having a magnetocaloric material inside, a heat exchanger provided outside the heat exchanger, Magnetic field application / removal means for applying and removing a magnetic field, a low-temperature side heat exchanging unit connected to one inflow / outlet of the heat exchanger via a pipe and transporting cold from the heat exchanger, and the other of the heat exchanger A high temperature side heat exchanging part connected to the inlet and outlet of the heat exchanger through which the heat is transported from the heat exchanger, and a medium moving mechanism for flowing the heat transport medium into and out of the heat exchanger through the inlet and outlet. ing. In the heat exchanger, a first region, a second region provided on one inflow / outlet side with respect to the first region, and a third region provided on the other inflow / outlet side with respect to the first region. The major axis is parallel to the streamline connecting the inflow surface of the heat transport medium to the first region and the outflow surface of the heat transport medium from the first region in the first region. The pressure loss in the second and third regions when the plurality of plate-like magnetocaloric effect materials are filled and the heat transport medium passes is higher than the pressure loss in the first region.
(第1の実施の形態)
第1の実施の形態の磁気冷凍システムは、両端部に熱輸送媒体の流入出口を有し、内部に磁気熱量効果材料を有する熱交換器と、熱交換器の外部に設けられ、磁気熱量効果材料への磁場の印加および除去を行う磁場印加除去手段と、熱交換器の低温端側の流入出口に配管を介して接続され、熱交換器から冷熱が輸送される低温側熱交換部と、熱交換器の高温端側の流入出口に配管を介して接続され、熱交換器から温熱が輸送される高温側熱交換部と、流入出口を通して、熱交換器へ熱輸送媒体の流入出を行う媒体移動機構と、を備える。そして、熱交換器内に、第1の領域と、第1の領域に対し低温端側に設けられる第2の領域と、第1の領域に対し高温端側に設けられる第3の領域とを有し、第1の領域に磁気熱量効果材料が充填され、熱輸送媒体が通過する際の第2および第3の領域における圧力損失が、第1の領域における圧力損失よりも高くなるよう構成されている。(First embodiment)
The magnetic refrigeration system of the first embodiment includes a heat exchanger having an inflow / outlet of a heat transport medium at both ends, a magnetocaloric effect material inside, and a magnetocaloric effect provided outside the heat exchanger. Magnetic field application removing means for applying and removing the magnetic field to the material, a low temperature side heat exchanging unit connected to the inlet / outlet on the low temperature end side of the heat exchanger via a pipe, and transporting cold heat from the heat exchanger, The heat transport medium flows into and out of the heat exchanger through a high temperature side heat exchange section that is connected to the inflow / outlet on the high temperature end side of the heat exchanger via a pipe and transports the heat from the heat exchanger, and the inflow / outlet. A medium moving mechanism. In the heat exchanger, a first region, a second region provided on the low temperature end side with respect to the first region, and a third region provided on the high temperature end side with respect to the first region are provided. And the first region is filled with a magnetocaloric effect material, and the pressure loss in the second and third regions when the heat transport medium passes is higher than the pressure loss in the first region. ing.
本実施の形態の磁気冷凍システムは、熱交換器内の両端部に圧力損失が高い領域を設けることで、熱交換器内の熱輸送媒体の流れを整流させることが可能となる。したがって、熱交換器内の磁気熱量効果材料の表面が熱交換に効果的に寄与し、磁気熱量効果材料から熱輸送媒体への熱輸送量を増加させることできる。よって、冷凍効率が向上する磁気冷凍システムを提供することが可能となる。 In the magnetic refrigeration system of the present embodiment, it is possible to rectify the flow of the heat transport medium in the heat exchanger by providing regions with high pressure loss at both ends in the heat exchanger. Therefore, the surface of the magnetocaloric effect material in the heat exchanger effectively contributes to heat exchange, and the amount of heat transport from the magnetocaloric effect material to the heat transport medium can be increased. Therefore, it is possible to provide a magnetic refrigeration system with improved refrigeration efficiency.
図1は、本実施の形態の磁気冷凍システムの構成図である。磁気冷凍システム100は、内部に磁気熱量効果材料を有する熱交換器1と、熱交換器1の外部に設けられ、熱交換器1への磁場の印加および除去を行う磁場印加除去手段を備えている。磁場印加除去手段は、磁場を発生する磁場発生手段2と、熱交換器1と磁場発生手段2の相対位置を変化させる磁場移動手段3で構成される。そして、磁場印加除去手段により、熱交換器1内に充填される磁気熱量効果材料への磁場の印加および除去が行われる。
FIG. 1 is a configuration diagram of the magnetic refrigeration system of the present embodiment. The
さらに、磁気冷凍システム100は、熱交換器1へ熱輸送媒体の流出入を行う媒体移動機構4と、高温側熱交換部5と、低温側熱交換部6と、を備える。そして、熱交換器1と高温側熱交換部5、熱交換器1と低温側熱交換部6、高温側熱交換部5と低温側熱交換部6をそれぞれ接続する配管7を備える。
Furthermore, the
ここで、磁場発生手段2は、熱交換器1に磁場を与える役割を果たし、例えば、永久磁石が用いられる。永久磁石としては、NdFeB磁石、SmCo磁石、フェライト磁石等を用いることができる。
Here, the magnetic field generation means 2 plays a role of applying a magnetic field to the
磁場移動手段3は、熱交換器1と磁場発生手段2の相対位置を変化させるために、磁場発生手段2に機械的変動を与える役割を果たし、例えばモーターを用いることができる。
In order to change the relative position of the
ここで、相対位置を変化させるとは、磁場発生手段2が熱交換器1を覆う領域「ON」と、覆わない領域「OFF」とが切り替えられるよう、熱交換器1と磁場発生手段2の相対位置を変化させることを意味する。領域ONにある場合、熱交換器1に磁場が印加され、領域OFFにある場合、磁場が除去される。
Here, changing the relative position means that the
ここで、図1では磁場発生手段2に機械的変動を与えているが、熱交換器1に対して機械的変動を与えても良い。この場合、磁場移動手段3は熱交換器1と接続される。
Here, although mechanical fluctuation is given to the magnetic field generating means 2 in FIG. 1, mechanical fluctuation may be given to the
熱交換器1への熱輸送媒体の流出入を行う媒体移動機構4は、熱交換器1内に含まれる熱輸送媒体を移動させる役割を果たす。例えば、ポンプを用いることができる。
The medium moving mechanism 4 that moves the heat transport medium into and out of the
高温側熱交換部5は、熱交換器1の高温端側の流入出口50bに配管7を介して直列に接続される。そして、熱交換器1から熱輸送媒体により輸送された高温の熱(温熱)と、熱供給先との熱交換を行う役割を果たす。例えば、高温の熱輸送媒体と空気を熱交換することで、空気を加熱することができる。
The high temperature side
低温側熱交換部6は、熱交換器1の低温端側の流入出口50aに配管7で直列に接続され、熱交換器1から熱輸送媒体により輸送された低温の熱(冷熱)と、熱供給先との熱交換を行う役割を果たす。例えば、低温の熱輸送媒体と空気を熱交換することで、空気を冷却することができる。
The low temperature side
図2は、本実施の形態の熱交換器の詳細図である。ここで、熱輸送媒体の巨視的に見た移動方向をx方向と定義し、それと垂直な任意の方向をy方向と定義する。図1では、後述する磁気熱量効果材料11が複数枚並列配置されており、この磁気熱量効果材料の並列配置方向をx方向としている。
FIG. 2 is a detailed view of the heat exchanger of the present embodiment. Here, the moving direction of the heat transport medium viewed macroscopically is defined as an x direction, and an arbitrary direction perpendicular thereto is defined as a y direction. In FIG. 1, a plurality of
熱交換器1には、両端部に熱輸送媒体13の流入出口が設けられている。すなわち、熱交換器1の低温端側の流入出口50aと、熱交換器1の高温端側の流入出口50bとが設けられている。
The
低温端側の流入出口50aには接続部12aを介して配管7が接続される。高温端側の流入出口50bには接続部12bを介して配管7が接続される。
The pipe 7 is connected to the inflow /
熱交換器1内には、第1の領域21と、第1の領域21に対し低温端側に設けられる第2の領域20aと、第1の領域に対し高温端側に設けられる第3の領域20bとが設けられている。第1の領域21には、磁気熱量効果材料11が充填される。また、第2および第3の領域20a、20bには、磁気熱量効果材料10a、10bが充填される。
In the
熱交換器1の外形、内部形状は、特に限定されるものではなく、仕様に応じて最適な形状を選択すればよい。例えば、直方体状、円筒状等の形状を採用できる。また、湾曲または屈曲しているものであってもかまわない。
The external shape and internal shape of the
媒体移動機構4を操作し、流入出口50aから熱輸送媒体13が流入した場合、熱輸送媒体13は、流入出口50a、第2の領域20a、第1の領域21、第3の領域20b、流入出口50bを通して熱交換器1から流出する流れが形成される。
When the medium transport mechanism 4 is operated and the
一方、媒体移動機構4を操作し、流入出口50bから熱輸送媒体13が流入した場合、熱輸送媒体13は、流入出口50b、第3の領域20b、第1の領域21、第2の領域20a、流入出口50aを通して熱交換器1から流出する流れが形成される。
On the other hand, when the medium transport mechanism 4 is operated and the
熱輸送媒体13は流体であれば良く、例えば水もしくはエチレングリコール水溶液などを用いることができる。磁気熱量効果材料10a、10b、11は、例えば、Gd(ガドリニウム)を含むような磁性体で作られている。
The
本実施の形態の磁気熱量効果材料10a、10b、11は特に限定されるものではない。上述のGdを含むような磁性体に限らず、磁気熱量効果を発現する磁性体であれば、例えばGd(ガドリニウム)に各種元素を混合したGd化合物、各種希土類元素と遷移金属元素からなる金属間化合物、Ni2MnGa合金、GdGeSi化合物、LaFe13系化合物、LaFe13H、R2Fe17系化合物(Rは希土類元素)などの磁性体粒子を用いることが可能である。
The
第2の領域20a、および第3の領域20bは、第1の領域21に対し、熱輸送媒体13が透過する時の圧力損失が高くなるよう、磁気熱量効果材料10a、磁気熱量効果材料10b、磁気熱量効果材料11が配置されている。ここで、圧力損失が高いとは、第2の領域20a、第3の領域20b、第1の領域21、各々を熱輸送媒体13が通過するのに必要な圧力で定義され、各領域における熱輸送媒体流入部と流出部との間の圧力降下量を差圧計で測定することで求めることができる。
In the
第2の領域20a、および、第3の領域20bの磁気熱量効果材料10a、10bの形状は、本実施の形態においては複数の粒子状材料であるが、その他平板状などでも本発明の圧力損失が高くなる構成であればなんら限定されるものではない。この磁気熱量効果材料10a、10bの形状は、本実施の形態の効果をより得るために、粒子状形状が望ましい。この粒子状材料は、粒子の長軸と短軸とのアスペクト比が5以下であることが望ましく、球状であることがより望ましい。磁気熱量効果材料10a、10bが充填されることで、第2の領域20a、第3の領域20bを形成する。
The shape of the
一方、磁気熱量効果材料11は、第1の領域21への熱輸送媒体13の流入面と、第1の領域21からの熱輸送媒体の流出面を結ぶ流線に対し、長軸が平行である形状を呈する。例えば、平板の板状材料である。
On the other hand, the
この磁気熱量効果材料11が、第1の領域21への熱輸送媒体13の流入面と、第1の領域21からの熱輸送媒体の流出面を結ぶ流線に対し、複数枚並列配置されることで第1の領域21を形成する。
A plurality of
ここで、流線とは、y方向の中心点をY0,xとし、Y0,xと同じx位置におけるy方向の端点(熱交換器1の壁面と接する点)をYr,x、Y−r,x、とした場合、Y0,xとYr,xとの距離が等距離となる軌跡を書いた線L1、および、Y0,xとY−r,xとの距離が等距離となる軌跡を描いた線L2、で定義する。例えば、熱交換器1の断面が図2のような長方形の場合、L1、L2はx軸方向に平行であり、磁気熱量効果材料11がx軸方向に平行に配列される。Here, the streamline is defined as Y 0, x at the center point in the y direction, and the end point in the y direction (the point in contact with the wall surface of the heat exchanger 1) at the same x position as Y 0, x is Y r, x, Y -r, if you x, a, Y 0, x and Y r, the line distance between x wrote a locus equal distance L1, and, Y 0, x and Y- r, the distance between x It is defined by a line L2 depicting a locus that is equidistant. For example, when the cross section of the
図3は、本実施の形態の冷凍サイクルのフローチャートである。図1および図3を参照して、本実施の形態の磁気冷凍システムの運転方法を説明する。 FIG. 3 is a flowchart of the refrigeration cycle of the present embodiment. With reference to FIG. 1 and FIG. 3, the operating method of the magnetic refrigeration system of this Embodiment is demonstrated.
図3のフローチャートにおけるステップS01にて、磁場移動手段3を操作し、磁場発生手段2が熱交換器1に磁場を与えるON領域に移動されると、熱交換器1内に含まれる磁気熱量効果材料が発熱する。この熱は接する熱輸送媒体13に吸収され、熱輸送媒体13の温度が上昇する。
When the magnetic field moving means 3 is operated in step S01 in the flowchart of FIG. 3 and the magnetic field generating means 2 is moved to an ON region that applies a magnetic field to the
次に、ステップS02にて媒体移動機構4を操作し、熱輸送媒体13を高温熱交換器5側に予め定められたストローク距離だけ移動させる。すると、ステップS01で吸熱した熱輸送媒体13は高温熱交換器5側に輸送される。
Next, in step S02, the medium moving mechanism 4 is operated to move the
次に、ステップS03にて磁場移動手段3を操作し、磁場発生手段2が熱交換器1から離れたOFF領域に移動される。すると、熱交換器1内に含まれる磁気熱量効果材料が吸熱し、接する熱輸送媒体13から熱を吸収し、熱輸送媒体13の温度が低下する。
Next, in step S03, the magnetic field moving means 3 is operated, and the magnetic field generating means 2 is moved to the OFF region away from the
次に、ステップS04にて媒体移動機構4を操作し、熱輸送媒体13を低温熱交換器6側に予め定められたストローク距離だけ移動させる。すると、ステップS03で温度が低下した熱輸送媒体13は低温熱交換器6側に輸送される。
Next, in step S04, the medium moving mechanism 4 is operated to move the
以上ステップS01〜S04の冷凍サイクルを繰り返すことで、高温熱交換器5に流入する熱輸送媒体13の温度は上昇し、低温熱交換器6に流入する熱輸送媒体13の温度は低下する。よって、高温熱交換器5から熱を取り出すことで、暖房熱の利用ができ、低温熱交換器6から熱を取り出すことで、冷房熱が利用できる。
By repeating the refrigeration cycle of steps S01 to S04 as described above, the temperature of the
ここで、暖房熱・冷房熱の熱量を増加させるには、冷凍サイクルの単位時間あたりのサイクル数(周波数)を増加させる。しかし、周波数を増加させると、ステップS02、ステップS04における熱輸送媒体の移動速度が増加する。 Here, in order to increase the amount of heat of heating / cooling heat, the number of cycles (frequency) per unit time of the refrigeration cycle is increased. However, when the frequency is increased, the moving speed of the heat transport medium in steps S02 and S04 increases.
移動速度が増加すると、熱輸送媒体を移動させるときの圧力損失が増加し、媒体移動機構4の負荷が増加するという問題がある。媒体移動機構4を、電気を駆動源として動かす場合、負荷の増加は消費電力の増加につながり、磁気冷凍システムの冷暖房効率を低下させてしまう。 When the moving speed increases, there is a problem that the pressure loss when moving the heat transport medium increases and the load of the medium moving mechanism 4 increases. When the medium moving mechanism 4 is moved using electricity as a drive source, an increase in the load leads to an increase in power consumption, which reduces the cooling / heating efficiency of the magnetic refrigeration system.
そこで本実施の形態では、磁気熱量効果材料11が第1の領域21への熱輸送媒体13の流入面と、第1の領域21からの熱輸送媒体の流出面を結ぶ流線に対し、長軸が平行である形状をとる。そして、この磁気熱量効果材料11が、第1の領域21への熱輸送媒体13の流入面と、第1の領域21からの熱輸送媒体の流出面を結ぶ流線に対し、複数枚並列配置されることで第1の領域21を形成している。磁気熱量効果材料11の長軸が流線に対して平行であるため、圧力損失を大幅に低減させることができる。
Therefore, in the present embodiment, the
ここで、磁気熱量効果材料11の長軸が流線に対して平行であることが、圧力損失を低減させる観点からもっとも望ましい。しかし、必ずしも平行でなくとも、長軸が流線に対して30度以下、望ましくは10度以下であれば、圧力損失を低減させることができる。
Here, it is most desirable that the major axis of the
一方、長軸が流線に対して平行である平板の板状材料の磁気熱量効果材料11で形成される第1の領域21では、熱輸送媒体との接触面積が、磁気熱量効果材料11を、例えば、球形状の粒子とした場合に比べて減少する。
On the other hand, in the
熱輸送媒体との接触面積の減少は、熱輸送量の低下を招く。本実施の形態では第2の領域20a、第3の領域20bにて球形状の磁気熱量効果材料10a、10bを充填している。このため、第2および第3の領域20a、20bを流れる熱輸送媒体との接触面積が増加し、単位サイクルあたりの熱伝達量を増加させることが可能となる。
A decrease in the contact area with the heat transport medium causes a decrease in the amount of heat transport. In the present embodiment, the
また、熱交換器1では、流入出口50a、流入出口50bの径または面積が、熱交換器内のy方向径またはx方向に垂直な断面積に対し、小さくなっている。いいかえれば、流入出口50a、流入出口50bのサイズが、熱交換器1の内部の流線に垂直方向のサイズよりも小さくなっている。すなわち、流入出口50a、流入出口50bから熱交換器1内部に向けて、輸送媒体の流れる面積が広がる構成となっている。
Moreover, in the
このような場合、特に、流入出口50a、50b近傍で熱輸送媒体の流れに乱れが生じる。熱輸送媒体の流れに乱れが生じると、x方向への熱輸送媒体の移動が不均一になる。よって、熱交換器1内の磁気熱量効果材料の表面が、効果的に熱交換に寄与できず、熱交換量が低下するという問題が生ずる。
In such a case, the flow of the heat transport medium is disturbed particularly in the vicinity of the inlet /
本実施の形態においては、熱交換器1の端部である第2の領域20a、および、第3の領域20bに球形状の磁気熱量効果材料10aおよび10bを充填することで、流入出口50a、50b近傍の圧力損失を第1の領域21より増加させ、熱輸送媒体の流れを整流させることが可能となる。第2および第3の領域20a、20bで整流させることにより、第1の領域21をx方向に移動する熱輸送媒体は、y軸方向に対して均一に流れる。したがって、磁気熱量効果材料11と熱輸送媒体との熱交換量を高めることが可能となる。
In the present embodiment, the
以上、本実施の形態によれば、第1の領域21で熱交換器内を流れる熱交換間媒体の圧力損失を低減することで、熱輸送媒体の移動速度を促進させる。また、第2および第3の領域20a、20bの圧力損失を高くし、熱輸送媒体が熱交換器内を均一に流れるようにすることで、磁気熱量効果材料から熱輸送媒体への熱輸送量を増加させることが可能となる。
As mentioned above, according to this Embodiment, the moving speed of a heat transport medium is accelerated | stimulated by reducing the pressure loss of the medium between heat exchanges which flows the inside of a heat exchanger in the 1st area |
本実施の形態において、熱交換器1内の圧力損失を適正化する観点から、第1の領域は、熱交換器1内の50%以上の体積を占めることが望ましい。また、十分な整流作用
を得る観点から、第2および第3の領域20a、20bの粒子の占有率は50%以上であることが望ましい。In the present embodiment, it is desirable that the first region occupies 50% or more of the volume in the
(第2の実施の形態)
本実施の形態の磁気冷凍システムは、熱交換器のx方向に垂直な断面積が、一方の端部で他方の端部より小さくなっていること以外は第1の実施の形態と同様である。したがって、第1の実施の形態と重複する内容については記述を省略する。(Second Embodiment)
The magnetic refrigeration system of this embodiment is the same as that of the first embodiment except that the cross-sectional area perpendicular to the x direction of the heat exchanger is smaller at one end than at the other end. . Therefore, the description overlapping with that of the first embodiment is omitted.
図4は、本実施の形態の熱交換器の詳細図である。本実施の形態の熱交換器101は、接続部12a側の端部から接続部12b側の端部に向けて、熱交換器のx方向に垂直な断面積が、小さくなっている。
FIG. 4 is a detailed view of the heat exchanger of the present embodiment. In the
そして、磁気熱量効果材料11が、平板の板状材料であり、第1の領域21への熱輸送媒体13の流入面と、第1の領域21からの熱輸送媒体の流出面を結ぶ流線に対し、複数枚平行配置されることで第1の領域21を形成する。
The
なお、本実施の形態のように、第2の領域20a、第3の領域20b、第1の領域21のy方向長さが一定にならず、第2の領域20aのy方向長さより、第3の領域20bのy方向長さが短い台形形状の場合、L1、L2は図4に示すような形で定義されることになる。
Note that, as in the present embodiment, the y-direction lengths of the
媒体移動機構4を操作し、流入出口50aから熱輸送媒体13が流入した場合、熱輸送媒体13は、流入出口50a、第2の領域20a、第1の領域21、第3の領域20b、流入出口50bを通して熱交換器101から流出する流れが形成される。
When the medium transport mechanism 4 is operated and the
一方、媒体移動機構4を操作し、流入出口50bから熱輸送媒体13が流入した場合、熱輸送媒体13は、流入出口50b、第3の領域20b、第1の領域21、第2の領域20a、流入出口50aを通して熱交換器101から流出する流れが形成される。
On the other hand, when the medium transport mechanism 4 is operated and the
磁気冷凍システムの動作中、熱交換器内には温度差が生じるため、熱輸送媒体13の物性、例えば、粘性が、一方の端部と他方の端部で変化する場合がある。さらに、熱交換機の両端のX軸方向に垂直な断面積を異ならせることにより、熱交換器内での場所による熱輸送媒体13の粘性の変化が熱交換器内での熱輸送媒体13の流動に有効な影響を生じるような場合であっても、第2および第3の領域20a、20bの圧力損失の最適化を図ることが可能となる。なお、本実施の形態では、前記効果以外に、第1の実施の形態と同様の効果が得られる。
During the operation of the magnetic refrigeration system, a temperature difference occurs in the heat exchanger, so that the physical properties, for example, the viscosity of the
(第3の実施の形態)
本実施の形態の磁気冷凍システムは、熱交換器内の磁気熱量効果材料の形状と配置が異なること以外は第1の実施の形態と同様である。したがって、第1の実施の形態と重複する内容については記述を省略する。(Third embodiment)
The magnetic refrigeration system of the present embodiment is the same as that of the first embodiment except that the shape and arrangement of the magnetocaloric effect material in the heat exchanger are different. Therefore, the description overlapping with that of the first embodiment is omitted.
図5は、本実施の形態の熱交換器の詳細図である。図5において、熱輸送媒体の移動方向をx方向と定義し、それと垂直な任意の方向をy方向と定義する。 FIG. 5 is a detailed view of the heat exchanger of the present embodiment. In FIG. 5, the moving direction of the heat transport medium is defined as the x direction, and an arbitrary direction perpendicular to the moving direction is defined as the y direction.
熱交換器102には、両端部に熱輸送媒体13の流入出口が設けられている。すなわち、熱交換器102の低温端側の流入出口50aと、熱交換器102の高温端側の流入出口50bとが設けられている。
The
低温端側の流入出口50aには接続部12aを介して配管7が接続される。高温端側の流入出口50bには接続部12bを介して配管7が接続される。
The pipe 7 is connected to the inflow /
熱交換器102内には、第1の領域41と、第1の領域41に対し低温端側に設けられる第2の領域40aと、第1の領域に対し高温端側に設けられる第3の領域40bとが設けられている。第1の領域41には、磁気熱量効果材料31が充填される。また、第2および第3の領域には、磁気熱量効果材料30a、30bが充填される。
In the
媒体移動機構4を操作し、流入出口50aから熱輸送媒体13が流入した場合、熱輸送媒体13は、流入出口50a、第2の領域40a、第1の領域41、第3の領域40b、流入出口50bを通して熱交換器102から流出する流れが形成される。
When the medium transport mechanism 4 is operated and the
一方、媒体移動機構4を操作し、流入出口50bから熱輸送媒体13が流入した場合、熱輸送媒体13は、流入出口50b、第3の領域40b、第1の領域41、第2の領域40a、流入出口50aを通して熱交換器102から流出する流れが形成される。
On the other hand, when the medium transport mechanism 4 is operated and the
媒体移動機構4を操作し、流入出口50aから熱輸送媒体13が流入した場合、熱輸送媒体13は、流入出口50a、第2の領域40a、第1の領域41、第3の領域40b、流入出口50bを通して熱交換器102から流出する流れが形成される。
When the medium transport mechanism 4 is operated and the
磁気熱量効果材料30a、30b、31は、例えば、Gd(ガドリニウム)を含むような磁性体で作られている。本実施の形態の磁気熱量効果材料30a、30b、31は特に限定されるものではない。上述のGdを含むような磁性体に限らず、磁気熱量効果を発現する磁性体であれば、例えばGd(ガドリニウム)に各種元素を混合したGd化合物、各種希土類元素と遷移金属元素からなる金属間化合物、Ni2MnGa合金、GdGeSi化合物、LaFe13系化合物、LaFe13Hなどの磁性体粒子を用いることが可能である。
The
磁気熱量効果材料30a、磁気熱量効果材料30bは、例えば、断面が矩形状の平板の板状材料である。断面が矩形状の磁気熱量効果材料30a、30bが複数枚並列配置されることで第2および第3の領域40a、40bを形成する。磁気熱量効果材料30a、30bの矩形長軸方向は、x軸に対して平行でなくても良い。
The
一方、磁気熱量効果材料31は第1の領域41への熱輸送媒体13の流入面と、領域41からの熱輸送媒体の流出面を結ぶ流線に対し、長軸が平行である平板の板状形状をとる。この磁気熱量効果材料31が、第1の領域41への熱輸送媒体13の流入面と、第1の領域41からの熱輸送媒体の流出面を結ぶ流線に対し、複数枚並列配置されることで第1の領域41を形成する。本実施の形態においては、第1の領域41の磁気熱量効果材料31は、x方向に2分割された構成を採用しているが、この構成に限定されず、分割されていない構成、あるいは3分割以上の構成を、意図する効果に応じて適宜採用することが可能である。
On the other hand, the
磁気熱量効果材料30aおよび30bが複数枚並列配置される場合のy方向最小間隔をΔδ30a、Δδ30bとし、磁気熱量効果材料31が複数枚並列配置される場合のy方向最小間隔をΔδ31とした場合、下記、式(1)、式(2)を充足するよう、磁気熱量効果材料30a、30b、31が配置される。The minimum y-direction interval when a plurality of
Δδ30a<Δδ31 式(1)
Δδ30b<Δδ31 式(2)Δδ 30a <Δδ 31 formula (1)
Δδ 30b <Δδ 31 formula (2)
上記式(1)、式(2)の関係が充足されることにより、第2および第3の領域40a、40bにおける圧力損失が、第1の領域41における圧力損失よりも高くなる。
By satisfying the relationship of the above formulas (1) and (2), the pressure loss in the second and
さらに、第2の領域40a、および第3の領域40bは、第1の領域41に対し、熱輸送媒体13が透過する時の圧力損失が高くなるよう、第2の領域40aおよび第3の領域40bと、第1の領域41との熱交換器102内での磁気熱量効果材料の占有率を調整することが可能である。具体的には、x方向の長さ比率で調整する。
Furthermore, the
以上のようにして、接続部12a、12bと接続された流入出口50a、50b近傍の熱輸送媒体の流れを整流させることが可能となる。
As described above, it is possible to rectify the flow of the heat transport medium in the vicinity of the inflow /
第2および第3の領域40a、40bで整流させることにより、第1の領域41を流れる熱輸送媒体はy方向に対して均一に流れ、磁気熱量効果材料31との熱交換量を高めることが可能となる。
By rectifying in the second and
なお、磁気熱量効果材料30a、30b、31は、上記条件を満たす限り、図5に示すようにx軸方向に複数分割してもよい。磁気熱量効果材料内の温度勾配方向の熱伝導を、複数分割により遮断し、磁気冷凍効率を向上させることが可能となる。また、磁気熱量効果材料の製造が容易になる、あるいは、熱交換器の湾曲や屈曲が容易になる等の利点もある。
The
以上、本実施の形態によれば、第1の領域41で熱交換器内を流れる熱交換間媒体の圧力損失を低減することで、熱輸送媒体の移動速度を促進させる。また、第2および第3の領域40a、40bの圧力損失を高くし、熱輸送媒体が熱交換器内を均一に流れるようにすることで、磁気熱量効果材料から熱輸送媒体への熱輸送量を増加させることが可能となる。なお、本実施の形態では、前記効果以外に、第1の実施の形態と同様の効果が得られる。
As mentioned above, according to this Embodiment, the moving speed of a heat transport medium is accelerated | stimulated by reducing the pressure loss of the medium between heat exchanges which flows in the inside of a heat exchanger in the 1st area |
(第4の実施の形態)
本実施の形態の磁気冷凍システムは、複数の熱交換器を備える磁気冷凍システムである。(Fourth embodiment)
The magnetic refrigeration system of the present embodiment is a magnetic refrigeration system including a plurality of heat exchangers.
図6は、本実施の形態の磁気冷凍システムの概念斜視図である。図2で示したような熱交換器1が同一円周上に4個形成されている。また、2対の永久磁石60a、60bが設けられている。2個の永久磁石60aは上部回転板70aに固定され、2個の永久磁石60bは下部回転板70bに固定される。
FIG. 6 is a conceptual perspective view of the magnetic refrigeration system of the present embodiment. Four
上部回転板70aと下部回転板70bは、回転軸72に固定され、この回転軸72を中心に同期して回転可能に構成されている。この回転に伴い永久磁石60a、60bが熱交換器1への接近と離脱を繰り返し、熱交換器1への磁場の印加・除去を行うことになる。この回転軸72の回転は、例えば、図示せぬモーターによって行われる。
The upper
本実施の形態によれば、複数の熱交換器1を備えることにより、磁気冷凍システムの出力を増大させることが可能となる。なお、複数の熱交換器1は、直列に接続されるものであっても、並列に接続されるものであってもかまわない。
According to the present embodiment, by providing a plurality of
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、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。また、各実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもかまわない。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. The above embodiment is merely given as an example, and does not limit the present invention. Further, the constituent elements of the respective embodiments may be appropriately combined.
例えば、磁気熱量効果材料については、粒子状および板状の場合を例に説明したが、円柱状や線状の形状でもかまわない。線状の場合、例えばメッシュ状にして冷媒の流れる方向に積層して熱交換器に充填してもかまわない。 For example, the magnetocaloric effect material has been described by taking the case of a particle shape and a plate shape as an example, but may be a cylindrical shape or a linear shape. In the case of a linear shape, for example, it may be meshed and stacked in the direction in which the refrigerant flows to fill the heat exchanger.
また、実施の形態では、第2の領域、第3の領域に磁気熱量効果材料が充填される場合を例に説明した。熱輸送冷媒との接触面積を増大させ、磁気冷凍システムの効率を向上させる観点からはこの形態が望ましい。しかし、第2の領域、第3の領域に磁気熱量効果材料を充填するのではなく、例えば、銅やアルミニウム等の金属のメッシュや、ハニカム構造のセラミックスを挿入するなどして、第1の領域よりも圧力損失を高くする構成であってもかまわない。 In the embodiment, the case where the magnetocaloric effect material is filled in the second region and the third region has been described as an example. This form is desirable from the viewpoint of increasing the contact area with the heat transport refrigerant and improving the efficiency of the magnetic refrigeration system. However, the second region and the third region are not filled with the magnetocaloric effect material, but the first region is formed by inserting, for example, a metal mesh such as copper or aluminum or a ceramic having a honeycomb structure. The pressure loss may be higher than that.
そして、実施の形態の説明においては、磁気冷凍システムで、本発明の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システムに関わる要素を適宜選択して用いることができる。 In the description of the embodiment, the description of the magnetic refrigeration system that is not directly necessary for the description of the present invention is omitted, but the elements related to the required magnetic refrigeration system are appropriately selected and used. be able to.
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システムは、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。 In addition, all magnetic refrigeration systems that include the elements of the present invention and that can be appropriately modified by those skilled in the art are included in the scope of the present invention. The scope of the present invention is defined by the appended claims and equivalents thereof.
以下、実施例を詳細に説明する。熱交換器における熱交換量と熱輸送媒体移動時の圧力損失の比較を計算により行った。なお、表1には、各実施例および比較例の実験条件を表示する。全実施例・比較例とも、磁気熱量効果材料の使用重量は同じとした。 Examples will be described in detail below. A comparison was made between the amount of heat exchange in the heat exchanger and the pressure loss during movement of the heat transport medium by calculation. In Table 1, the experimental conditions of each example and comparative example are displayed. The weight used of the magnetocaloric effect material was the same in all examples and comparative examples.
(実施例1)
第3の実施の形態として、図5に示した熱交換器の特徴を備える熱交換器を用いた。熱交換器の内部形状は直方体とし、直方体のx方向端部に、x方向長さ100mm、y方向長さ21mm、z軸方向長さ1mmの磁気熱量効果材料で形成された平板をy方向に対して0.5mm間隔で計14枚並列に配置した領域40a、40bと、領域40a、40bとの間に、磁気熱量効果材料で形成された平板をy方向に対して1mm間隔で計10枚並列に配置した領域41とを設けた。領域40a、40bと、領域41のx軸方向の長さ比率は、領域40a:領域41:領域40b=3:10:3となるように設定した。Example 1
As a third embodiment, a heat exchanger having the characteristics of the heat exchanger shown in FIG. 5 was used. The internal shape of the heat exchanger is a rectangular parallelepiped, and a flat plate made of a magnetocaloric effect material having an x-direction length of 100 mm, a y-direction length of 21 mm, and a z-axis direction length of 1 mm is arranged in the y-direction at the x-direction end of the rectangular parallelepiped. On the other hand, a total of 10 flat plates made of magnetocaloric effect material are arranged at 1 mm intervals in the y direction between the
熱交換器に対し、熱輸送媒体を矩形波、移動周波数1Hz、振幅0.01mで移動させた場合を想定し、この移動速度にて、熱輸送媒体を移動させた時の圧力損失、および熱交換量を計算により求めた。熱輸送媒体としては水(25℃)を利用し、熱交換量は、水と磁気熱量効果材料表面との接触面積に比例すると仮定した。 Assuming that the heat transport medium is moved with a rectangular wave, a moving frequency of 1 Hz, and an amplitude of 0.01 m with respect to the heat exchanger, the pressure loss when the heat transport medium is moved at this moving speed, and heat The exchange amount was calculated. Water (25 ° C.) was used as the heat transport medium, and the heat exchange amount was assumed to be proportional to the contact area between water and the magnetocaloric effect material surface.
磁気冷凍効率を示す指標として、ここでは単位圧力損失あたりの熱交換量(=熱交換量/圧力損失)を用いた。結果は、図11に示す。縦軸は任意単位であり、リニアスケールである。 Here, the heat exchange amount per unit pressure loss (= heat exchange amount / pressure loss) was used as an index indicating the magnetic refrigeration efficiency. The results are shown in FIG. The vertical axis is an arbitrary unit, which is a linear scale.
(比較例1)
図7に示した熱交換器の特徴を備える熱交換器を用いた。直方体の中に、x軸方向に平行で、y方向厚さ1mm、z方向高さ1mmの磁気熱量効果材料80で形成された平板を、y方向に対して1mm間隔で計10枚並列に配置した。(Comparative Example 1)
A heat exchanger having the characteristics of the heat exchanger shown in FIG. 7 was used. A total of 10 flat plates made of
上記以外の条件は、実施例1と同様にして計算を行った。結果を図11に示す。 Conditions other than the above were calculated in the same manner as in Example 1. The results are shown in FIG.
(比較例2)
図8に示した熱交換器の特徴を備える熱交換器を用いた。直方体のx軸方向中央領域に、磁気熱量効果材料80で形成された平板をy方向に対して0.5mm間隔で計14枚並列に第1の領域41に配置し、領域41の両端部に、磁気熱量効果材料80で形成された平板をy方向に対して1mm間隔で計10枚並列に配置した領域40a、40bとを設けた。領域40a、40bと、領域41のx軸方向の長さ比率は、領域40a:領域41:領域40b=5:6:5となるように設定した。(Comparative Example 2)
A heat exchanger having the characteristics of the heat exchanger shown in FIG. 8 was used. In the central region of the rectangular parallelepiped in the x-axis direction, a total of 14 flat plates formed of the
上記以外の条件は、実施例1と同様にして計算を行った。結果を図11に示す。 Conditions other than the above were calculated in the same manner as in Example 1. The results are shown in FIG.
(実施例2)
第1の実施の形態として、図2に示した熱交換器の特徴を備える熱交換器を用いた。熱交換器の内部形状は直方体とし、直方体のx軸方向中央領域に、磁気熱量効果材料で形成された直径1mmの粒子を充填率60%で充填した領域20a、20bと、領域20aと領域20bとの間に、x軸方向に平行で、y方向厚さ1mm、z方向高さ1mmの磁気熱量効果材料で形成された平板を、y方向に対して1mm間隔で計10枚並列に配置した領域21とを設けた。領域20a、20bと、領域21のx軸方向の長さ比率は、領域20a:領域21:領域20b=2:5:2となるように設定した。(Example 2)
As the first embodiment, a heat exchanger having the characteristics of the heat exchanger shown in FIG. 2 was used. The internal shape of the heat exchanger is a rectangular parallelepiped, and the
上記以外の条件は、実施例1と同様にして計算を行った。結果を図12に示す。縦軸は任意単位であり、リニアスケールである。 Conditions other than the above were calculated in the same manner as in Example 1. The results are shown in FIG. The vertical axis is an arbitrary unit, which is a linear scale.
(比較例3)
図9に示した熱交換器の特徴を備える熱交換器を用いた。直方体の中に磁気熱量効果材料80で形成された直径1mmの粒子を、充填率60%で充填した。 (Comparative Example 3)
A heat exchanger having the characteristics of the heat exchanger shown in FIG. 9 was used. Particles having a diameter of 1 mm formed of the
上記以外の条件は、実施例1と同様にして計算を行った。結果を図12に示す。 Conditions other than the above were calculated in the same manner as in Example 1. The results are shown in FIG.
(比較例4)
図10に示した熱交換器の特徴を備える熱交換器を用いた。直方体のx軸方向端部に、磁気熱量効果材料80で形成された直径1mmの粒子を充填率60%で充填した領域21と、領域21の外側に、x軸方向に平行で、y方向厚さ1mm、z方向高さ1mmの磁気熱量効果材料80で形成された平板の板状材料を、y方向に対して1mm間隔で計10枚並列に配置した領域20a、20bとを設けた。領域20a、20bと、領域21のx軸方向の長さ比率は、領域20a:領域21:領域20b=2.5:4:2.5となるように設定した。(Comparative Example 4)
A heat exchanger having the characteristics of the heat exchanger shown in FIG. 10 was used. A
上記以外の条件は、実施例1と同様にして計算を行った。結果を図12に示す。 Conditions other than the above were calculated in the same manner as in Example 1. The results are shown in FIG.
実施例1では、比較例1に対し、単位圧力損失あたりの熱交換量を高めることが可能となった。また、比較例2に対してもその値を高めることができ、圧力損失の高い領域40a、40bを端部に導入することで、その効果が確認できた。
In Example 1, the heat exchange amount per unit pressure loss can be increased compared to Comparative Example 1. Moreover, the value was able to be raised also with respect to Comparative Example 2, and the effect could be confirmed by introducing the
実施例2では、比較例3に対して単位圧力損失あたりの熱交換量を高めることが可能となった。また、比較例2に対してもその値を高めることができ、圧力損失の高い領域20a、20bを端部に導入することで、その効果が確認できた。
In Example 2, the heat exchange amount per unit pressure loss can be increased compared to Comparative Example 3. Moreover, the value was able to be raised also with respect to Comparative Example 2, and the effect could be confirmed by introducing the
以上、第1の実施の形態および第2の実施の形態の特徴を有する熱交換器を用いた結果、磁気熱量効果材料から熱輸送媒体への熱輸送量の増加と、熱輸送媒体の圧力損失の低減が可能となり、磁気冷凍効率の向上が図れることが確認された。 As described above, as a result of using the heat exchanger having the characteristics of the first embodiment and the second embodiment, an increase in the amount of heat transport from the magnetocaloric effect material to the heat transport medium and the pressure loss of the heat transport medium. It has been confirmed that the magnetic refrigeration efficiency can be improved.
1 熱交換器
2 磁場発生手段
3 磁場移動手段
4 媒体移動機構
5 高温側熱交換部
6 低温側熱交換部
7 配管
10a 磁気熱量効果材料
10b 磁気熱量効果材料
11 磁気熱量効果材料
12a 接続部
12b 接続部
13 熱輸送媒体
20a 第2の領域
20b 第3の領域
21 第1の領域
30a 磁気熱量効果材料
30b 磁気熱量効果材料
31 磁気熱量効果材料
40a 第2の領域
40b 第3の領域
41 第1の領域
50a 流入出口
50b 流入出口
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記熱交換器の外部に設けられ、前記磁気熱量効果材料への磁場の印加および除去を行う磁場印加除去手段と、
前記熱交換器の一方の流入出口に配管を介して接続され、前記熱交換器から冷熱が輸送される低温側熱交換部と、
前記熱交換器の他方の流入出口に配管を介して接続され、前記熱交換器から温熱が輸送される高温側熱交換部と、
前記流入出口を通して、前記熱交換器へ熱輸送媒体の流入出を行う媒体移動機構と、を備え、
前記熱交換器内に、第1の領域と、前記第1の領域に対し前記一方の流入出口側に設けられる第2の領域と、前記第1の領域に対し前記他方の流入出口側に設けられる第3の領域とを有し、前記第1の領域に前記第1の領域への前記熱輸送媒体の流入面と、前記第1の領域からの前記熱輸送媒体の流出面とを結ぶ流線に対し、長軸が平行な複数の板状の磁気熱量効果材料が充填され、前記熱輸送媒体が通過する際の前記第2および第3の領域における圧力損失が、前記第1の領域における圧力損失よりも高いことを特徴とする磁気冷凍システム。 A heat exchanger having an inlet / outlet of a heat transport medium at both ends and a magnetocaloric effect material inside;
A magnetic field application removing means which is provided outside the heat exchanger and applies and removes the magnetic field to the magnetocaloric effect material;
A low temperature side heat exchange part connected to one inflow / outlet of the heat exchanger via a pipe, and from which the cold heat is transported,
A high-temperature side heat exchange unit connected to the other inflow / outlet of the heat exchanger via a pipe, and warm heat is transported from the heat exchanger;
A medium moving mechanism that allows the heat transport medium to flow into and out of the heat exchanger through the inflow and outlet,
In the heat exchanger, a first region, a second region provided on the one inflow / outlet side with respect to the first region, and a second inflow / outlet side with respect to the first region A flow region connecting the inflow surface of the heat transport medium to the first region and the outflow surface of the heat transport medium from the first region in the first region. Filled with a plurality of plate-like magnetocaloric effect materials whose major axes are parallel to the line, the pressure loss in the second and third regions when the heat transport medium passes is Magnetic refrigeration system characterized by higher than pressure loss.
The magnetocaloric effect material filled in the second and third regions is a plurality of plate-like materials having a space between the plate-like materials narrower than that of the first region. Magnetic refrigeration system.
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