JP6884296B1

JP6884296B1 - 磁気冷凍装置

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Publication number: JP6884296B1
Application number: JP2021500131A
Authority: JP
Inventors: 敦小笠原; 俊殿岡; 松田　哲也; 哲也松田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-07-17
Filing date: 2020-07-17
Publication date: 2021-06-09
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Abstract

磁気冷凍装置（１００）は、磁気熱容器（１）と、磁界発生装置（８）と、高温側熱交換器（１１）と、低温側熱交換器（１２）と、ポンプ（１３）とを備えている。磁気熱容器（１）には、磁気熱量材料（２）が充填されている。ポンプ（１３）は、高温側熱交換器（１１）と低温側熱交換器（１２）との間で磁気熱容器（１）を経由して往復するように熱輸送媒体（４）を輸送可能に構成されている。磁気熱容器（１）は、同一平面上で渦巻くように構成された渦巻形状を有しており、かつ、ポンプ（１３）により輸送された熱輸送媒体（４）が渦巻形状に沿って流れるように構成されている。

Description

本開示は、磁気冷凍装置に関するものである。

磁気冷凍装置は、磁気熱量材料の磁気熱量効果を利用した冷却加熱システムである。磁気冷凍装置には、能動磁気再生（ＡＭＲ：Active Magnetic Regenerator）方式の磁気冷凍装置がある。ＡＭＲ方式の磁気冷凍装置は、磁気熱容器に充填された磁気熱量材料に磁界の変動を与えることで磁気熱量効果により磁気熱量材料から生じる温熱および冷熱を、熱輸送媒体を用いて輸送することで、磁気熱容器の一方を高温にし、磁気熱容器の他方を低温にするヒートポンプシステムである。能動磁気再生方式の磁気冷凍装置は、磁気熱量材料への磁界の変動と熱輸送媒体を用いた熱輸送とを周期とした磁気冷凍サイクルが繰り返されることで、連続運転可能なヒートポンプシステムとして機能する。

ＡＭＲ方式の磁気冷凍装置は、例えば特開２００９−２１０１６５号公報（特許文献１）に記載されている。この公報に記載された磁気冷凍装置は、螺旋構造の磁気熱容器を備えている。螺旋構造の磁気熱容器の内側および外側に配置された磁界発生装置が回転することで、磁気熱容器に充填された磁気熱量材料への磁界が変動する。

特開２００９−２１０１６５号公報

ＡＭＲ方式の磁気冷凍装置において、磁気熱容器の高温側と低温側との間で高い温度差を得る方法の一つに、磁気熱容器の流路を長くする方法がある。しかしながら、上記公報に記載されたＡＭＲ方式の磁気冷凍装置において、磁気熱容器の流路を長くすると、磁気熱容器の螺旋構造の中心軸が延びる方向に磁気熱容器の寸法が大きくなる。このため、磁気熱容器が大型化する。

本開示は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁気熱容器の高温側と低温側との間で高い温度差を得ることができるとともに、磁気熱容器を小型化することができる磁気冷凍装置を提供することである。

本開示の磁気冷凍装置は、磁気熱容器と、磁界発生装置と、高温側熱交換器と、低温側熱交換器と、ポンプとを備えている。磁気熱容器には、磁気熱量材料が充填されている。磁界発生装置は、磁気熱量材料が充填された磁気熱容器に印加する磁界を変動可能に構成されている。高温側熱交換器は、磁気熱容器に接続されている。低温側熱交換器は、高温側熱交換器とで磁気熱容器を挟むように磁気熱容器に接続されている。ポンプは、高温側熱交換器と低温側熱交換器との間で磁気熱容器を経由して往復するように熱輸送媒体を輸送可能に構成されている。磁気熱容器は、同一平面上で渦巻くように構成された渦巻形状を有しており、かつ、ポンプにより輸送された熱輸送媒体が渦巻形状に沿って流れるように構成されている。磁気熱容器は、渦巻形状の軸方向における第１寸法と、軸方向に直交する方向における第２寸法とを有している。第１寸法は、第２寸法よりも大きい。

本開示の磁気冷凍装置によれば、磁界発生装置は、磁気熱量材料が充填された磁気熱容器に印加する磁界を変動可能に構成されている。ポンプは、高温側熱交換器と低温側熱交換器との間で磁気熱容器を経由して往復するように熱輸送媒体を輸送可能に構成されている。磁気熱容器は、同一平面上で渦巻くように構成された渦巻形状を有しており、かつ、ポンプにより輸送された熱輸送媒体が渦巻形状に沿って流れるように構成されている。このため、磁気熱容器の高温側と低温側との間で高い温度差を得ることができるとともに、磁気熱容器を小型化することができる。

実施の形態１に係る磁気熱容器の構成を概略的に示す平面図である。実施の形態１に係る磁気熱容器の構成を概略的に示す正面図である。実施の形態１に係る磁気熱容器の構成を概略的に示す斜視図である。図１のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。実施の形態１に係る磁気熱容器および磁界発生装置の構成を概略的に示す斜視図である。実施の形態１に係る磁気冷凍装置の構成を概略的に示す構成図である。実施の形態２に係る磁気熱容器の構成を概略的に示す斜視図である。実施の形態２に係る磁気熱容器および磁界発生装置の構成を概略的に示す斜視図である。実施の形態２に係る磁気熱容器の変形例の構成を概略的に示す斜視図である。実施の形態２に係る磁気熱容器および磁界発生装置の変形例の構成を概略的に示す斜視図である。実施の形態３に係る磁気熱容器の第１層の構成を概略的に示す上面図である。実施の形態３に係る磁気熱容器の第２層の構成を概略的に示す下面図である。実施の形態３に係る磁気熱容器および磁界発生装置の構成を概略的に示す正面図である。実施の形態４に係る磁気熱容器の第１層の構成を概略的に示す上面図である。実施の形態４に係る磁気熱容器の第２層の構成を概略的に示す下面図である。実施の形態４に係る磁気熱容器の第３層の構成を概略的に示す上面図である。実施の形態４に係る磁気熱容器の第４層の構成を概略的に示す下面図である。実施の形態４に係る磁気熱容器および磁界発生装置の構成を概略的に示す正面図である。実施の形態５に係る磁気熱容器の構成を概略的に示す平面図である。実施の形態５に係る磁気熱容器および熱輸送経路の一部の構成を概略的に示す正面図である。実施の形態５に係る磁気熱容器および熱輸送経路の一部の変形例の構成を概略的に示す正面図である。実施の形態５に係る磁気熱容器、熱輸送経路の一部および磁界発生装置の構成を概略的に示す正面図である。実施の形態５に係る磁気熱容器、熱輸送経路の一部および磁界発生装置の構成を概略的に示す底面図である。実施の形態５に係る磁気熱容器、熱輸送経路の一部および磁界発生装置の変形例１の構成を概略的に示す正面図である。実施の形態５に係る磁気熱容器、熱輸送経路の一部および磁界発生装置の変形例１の構成を概略的に示す底面図である。実施の形態５に係る磁気熱容器、熱輸送経路の一部および磁界発生装置の変形例２の構成を概略的に示す正面図である。実施の形態５に係る磁気熱容器、熱輸送経路の一部および磁界発生装置の変形例２の構成を概略的に示す底面図である。実施の形態５に係る磁気熱容器、熱輸送経路の一部および磁界発生装置の変形例３の構成を概略的に示す正面図である。実施の形態５に係る磁気熱容器、熱輸送経路の一部および磁界発生装置の変形例３の構成を概略的に示す底面図である。

以下、実施の形態について図を参照して説明する。なお、以下においては、同一または相当する部分に同一の符号を付すものとし、重複する記載は繰り返さない。

実施の形態１．
図１〜図４を参照して、実施の形態１に係る磁気熱容器１の構成について説明する。実施の形態１に係る磁気熱容器１は、能動磁気再生（ＡＭＲ：Active Magnetic Regenerator）方式の磁気冷凍装置に用いられる磁気熱容器である。

図１〜図３に示されるように、磁気熱容器１は、渦巻形状ＳＰを有している。磁気熱容器１の全体が渦巻形状に構成されていてもよい。渦巻形状ＳＰは、同一平面上で渦巻くように構成されている。つまり、渦巻形状ＳＰは、仮想の平面上に渦巻くように構成されている。渦巻形状ＳＰの全体は渦軸が延びる方向（軸方向）に同じ幅を有していることが好ましい。

渦巻形状ＳＰは、第１渦巻部Ｓ１と、第２渦巻部Ｓ２とを含んでいる。第１渦巻部Ｓ１は、渦巻形状ＳＰの外周から渦巻形状ＳＰの中心ＣＰに向けて渦巻くように構成されている。第２渦巻部Ｓ２は、渦巻形状ＳＰの中心ＣＰから渦巻形状ＳＰの外周に向けて渦巻くように構成されている。第２渦巻部Ｓ２は、第１渦巻部Ｓ１と逆方向に渦巻くように構成されている。渦巻形状ＳＰの中心ＣＰは、渦軸上に配置されている。

本実施の形態では、磁気熱容器１は、図１において左向きに外周から内周に向かって同一平面上で渦巻状に巻かれ、渦中心にて左向きから右向きに巻方向を変え、右向きに内周から外周に向かって同一平面上で渦巻状に巻かれている。

磁気熱容器１の第１端（一方端）に高温側口６が設けられており、磁気熱容器１の第２端（他方端）に低温側口７が設けられている。高温側口６および低温側口７は、共に渦巻形状ＳＰの外周部ＯＰに位置している。高温側口６および低温側口７は、磁気熱容器１内部を通じて互いに繋がっている。

図１および図４に示されるように、磁気熱容器１は、管状に構成されている。磁気熱容器１内部には、内部空間が設けられている。磁気熱容器１には磁気熱量材料２が充填されている。磁気熱量材料２は、磁気熱量効果を有している。また、磁気熱容器１には熱輸送媒体が充填されている。熱輸送媒体４は、磁気熱容器１内部において磁気熱量材料２の隙間に充填されている。熱輸送媒体４は、磁気熱量材料から生じる熱を輸送するように構成されている。熱輸送媒体４は、熱輸送媒体４の流れ５の方向およびその逆方向に渦巻形状ＳＰに沿って自由に移動可能である。

一方で、磁気熱量材料２は、熱輸送媒体４の流れ５によって磁気熱容器１内を大きく移動しないようにすることが望ましい。そのため、磁気熱量材料２は、磁気熱容器１内に密に充填される。もしくは、磁気熱量材料２は、磁気熱容器１内で固定される。また、磁気熱量材料２は、磁気熱容器１内の流路に沿って等しく分布していることが望ましい。そのため、磁気熱容器１内の流路上に磁気熱量材料２が少ない区間を減らすように磁気熱量材料２が配置される。ここで、磁気熱容器１内の流路に沿って異なる特性の磁気熱量材料２が配置されてもよい。この異なる特性は、例えば、磁気熱量効果によるエントロピー変化の温度依存性、比熱、材料組成を意味している。

磁気熱容器１は、磁気熱容器１の渦巻形状ＳＰの流路において離れた位置にある磁気熱容器１の部位が隣接する構造を有している。磁気熱容器１の渦巻形状ＳＰによって隣接する部位の間に、断熱材３が配置されている。断熱材３は、渦巻形状ＳＰの互いに隣り合う部分の間に配置されている。断熱材３は、渦巻形状ＳＰによって隣接した磁気熱容器１の異なる部位への熱移動を阻害するように構成されている。断熱材３の代替として、磁気熱容器１の壁面が断熱素材で構成されていてもよい。この場合、渦巻形状ＳＰの互いに隣り合う部分は、断熱素材により構成されている。断熱素材は、例えば、管として機能する一般の防水性断熱材である。磁気冷凍において、磁気熱容器１内の流路に沿って高温側口６から低温側口７に向けて温度勾配が生じる。磁気熱容器１の渦間に配置された断熱材３によって、流路を短絡した熱伝導を阻害することで、渦巻形状ＳＰにおいても高い性能が得られる。また、渦巻形状ＳＰの互いに隣り合う部分が断熱素材により構成されていることでも、流路を短絡した熱伝導を阻害することで、渦巻形状ＳＰにおいても高い性能が得られる。

図３〜図５を参照して、実施の形態１に係る磁気熱容器１および磁界発生装置８の構成について説明する。

磁界発生装置８は、磁気熱容器１の渦巻面ＳＳに対向するように配置されている。磁界発生装置８は、磁気熱容器１全体を挟むように構成されている。磁界発生装置８は、磁気熱量材料２が充填された磁気熱容器１に印加する磁界を変動可能に構成されている。

磁界発生装置８は、磁気熱容器１の渦巻面ＳＳに対して垂直に一様な磁界９を通過させることで、磁気熱量材料２に比較的強い磁界を与えるように構成されている。磁気熱量材料２に磁界の変動を与えるためには、永久磁石を用いた磁界発生装置８を磁気熱容器１に対し水平に移動させ磁界発生装置８の磁界発生領域から磁気熱容器１を外す方法がある。また、磁界発生装置８を電磁石で構成し磁界の強さを電磁石の電流によって変動する方法がある。

ＡＭＲ方式の磁気冷凍において、磁気熱容器１内の全ての磁気熱量材料２に一様な磁界の変動を与えることで、磁気熱量材料２の熱（冷熱）を大きく取り出すことができる。例えば、磁気熱量材料２の一部だけ磁界の変動が弱い場合、該部分の磁気熱量材料２の磁気熱量効果による発熱（冷熱）量が少なくなるため、該部分が磁気冷凍の熱輸送におけるボトルネックとなる。このため、十分な性能が発揮されない。

図１および図６を参照して、実施の形態１に係る磁気冷凍装置１００の構成について説明する。

実施の形態１に係る磁気冷凍装置１００は、磁気熱容器１と、断熱材３と、磁界発生装置８と、熱輸送経路１０とを備えている。熱輸送経路１０は、高温側熱交換器１１と、低温側熱交換器１２と、ポンプ１３とを含んでいる。

磁気熱容器１の高温側口６および低温側口７の各々は、熱輸送経路１０に接続されている。高温側口６に接続された熱輸送経路１０に高温側熱交換器１１が含まれている。高温側熱交換器１１は、磁気熱容器１に接続されている。低温側口７に接続された熱輸送経路１０に低温側熱交換器１２が含まれている。低温側熱交換器１２は、高温側熱交換器１１とで磁気熱容器１を挟むように磁気熱容器１に接続されている。

高温側および低温側の熱輸送経路１０は、共通のポンプ１３に接続されている。熱輸送経路１０には、熱輸送媒体４が充填されている。ポンプ１３は、高温側熱交換器１１と低温側熱交換器１２との間で磁気熱容器１を経由して往復するように熱輸送媒体４を輸送可能に構成されている。磁気熱容器１は、ポンプ１３により輸送された熱輸送媒体４が渦巻形状ＳＰに沿って流れるように構成されている。ポンプ１３は、往復ポンプである。

図５および図６を参照して、実施の形態１に係る磁気冷凍装置１００の動作原理について説明する。

磁界発生装置８によって磁気熱容器１に比較的強い磁界が通過する状態を始点として、磁気冷凍装置１００の動作原理について説明する。

磁気熱容器１に比較的強い磁界が通過している状態は、磁界発生装置８が移動もしくは制御されることによって、磁気熱容器１全体に比較的弱い磁界９が通過する状態に変化する。このとき、磁気熱容器１内の磁気熱量材料２は、磁気熱量材料２を通過する磁界の減少によって磁気熱量効果により冷熱を生じる。つまり、磁気熱量材料２に印加されていた磁界の強度が小さくなることによって磁気熱量材料２は吸熱する。磁気熱量材料２の冷熱は、磁気熱量材料２に隣接した熱輸送媒体４に熱伝導する。

ポンプ１３によって、熱輸送経路１０および磁気熱容器１内の熱輸送媒体４が高温側熱交換器１１側から磁気熱容器１を経由して低温側熱交換器１２側へ輸送されることで、磁気熱量材料２の冷熱は、熱輸送媒体４によって低温側熱交換器１２へ運ばれる。一方、磁気熱量材料２に隣接した熱輸送媒体４は、高温側口６から流入した熱輸送媒体４であるため、前工程で冷熱を与えた熱輸送媒体４に比べて比較的高温の熱輸送媒体４となる。

次に、磁気熱容器１に比較的弱い磁界が通過する状態は、磁界発生装置８が移動もしくは制御されることによって、磁気熱容器１全体に比較的強い磁界９が通過する状態に変化する。このとき、磁気熱容器１内の磁気熱量材料２は、磁気熱量材料２を通過する磁界の増加によって磁気熱量効果により温熱を生じる。つまり、磁気熱量材料２に印加されていた磁界の強度が大きくなることによって磁気熱量材料２は発熱する。磁気熱量材料２の温熱は、磁気熱量材料２に隣接した熱輸送媒体４に熱伝導する。

ポンプ１３によって、熱輸送経路１０および磁気熱容器１内の熱輸送媒体４が低温側熱交換器１２側から磁気熱容器１を経由して高温側熱交換器１１側へ輸送されることで、磁気熱量材料２の温熱は、熱輸送媒体４によって高温側熱交換器１１へ運ばれる。一方、磁気熱量材料２に隣接した熱輸送媒体４は、低温側口７から流入した熱輸送媒体４であるため、前工程で温熱を与えた熱輸送媒体４に比べて比較的低温の熱輸送媒体４となる。

上記の工程が繰り返されることで、低温側熱交換器１２へ冷熱を運び、高温側熱交換器１１へ温熱を運ぶ磁気冷凍サイクルが実現する。

磁気冷凍サイクルで生じた温度勾配を基準とし、磁気冷凍サイクルが回されることで、大きい温度勾配を発生させることができる。磁気冷凍サイクルが繰り返されることで、磁気熱容器１内部で流路に沿って隣り合う磁気熱量材料２へ熱が渡され、磁気熱容器１内部にも温度勾配が生じる。

磁気冷凍サイクルが高速に回されることで、磁気冷凍の時間あたりの性能が向上する。そのためには、熱輸送媒体４の輸送を高速にすることが望ましい。磁気熱容器１に充填された磁気熱量材料２の充填密度は一般に高いため、熱輸送媒体４を輸送するためのポンプ１３の力に対する圧力損失が大きくなる。この圧力損失を考慮した出力量のポンプ１３が必要となる。

ポンプ１３の力に対する圧力損失の要因として磁気熱容器１に曲がり部が存在する場合、曲がり部において熱輸送媒体４の流れを阻害する圧力損失が生じるため、曲がり部は少ない方が望ましい。実施の形態１の磁気熱容器１では、渦巻形状ＳＰが円形状を有しているため、曲がり部の曲がる角度が緩やかである。また、渦巻形状ＳＰは四角形状であってもよい。渦巻形状ＳＰが四角形状であっても、各曲がり部は流路方向を９０度の角度で変化させれば十分である。このため、渦巻形状が四角形状であっても、圧力損失の観点から、曲がり部の曲がる角度が緩やかとなるように設計することが可能である。

実施の形態１に係る磁気冷凍装置１００の作用効果について説明する。
図１および図６を参照して、実施の形態１に係る磁気冷凍装置１００によれば、磁界発生装置８は、磁気熱量材料２が充填された磁気熱容器１に印加する磁界を変動可能に構成されている。ポンプ１３は、高温側熱交換器１１と低温側熱交換器１２との間で磁気熱容器１を経由して往復するように熱輸送媒体４を輸送可能に構成されている。このため、ＡＭＲ方式を用いることによって、磁気熱容器１の高温側と低温側との間で高い温度差を得ることができる。また、磁気熱容器１は、同一平面上に渦巻くように構成された渦巻形状ＳＰを有しており、かつ、ポンプ１３により輸送された熱輸送媒体が渦巻形状ＳＰに沿って流れるように構成されている。このため、渦巻形状ＳＰの渦軸が延びる方向に磁気熱容器１の寸法を小型化することができる。したがって、磁気熱容器１を小型化することができる。よって、磁気熱容器１の高温側と低温側との間で高い温度差を得ることができるとともに、磁気熱容器１を小型化することができる。また、磁気熱容器１を小型化することができるため、磁気熱容器１を備えた磁気冷凍装置１００を小型化することができる。

また、磁気熱容器１は、渦巻形状ＳＰを有しているため、磁気熱容器１内を流れる熱輸送媒体４の圧力損失の上昇を抑えつつ、一つの磁界変動領域により一様に磁界変動を与える磁気熱容器１の容積を大きくすることができる。また、細分化された磁界変動領域を有する磁気熱容器１に比べて磁気熱容器１の構造が簡易である。

実施の形態１に係る磁気冷凍装置１００によれば、断熱材３は、渦巻形状ＳＰの互いに隣り合う部分の間に配置されている。このため、断熱材３によって磁気熱容器１の渦巻形状ＳＰの互いに隣り合う部分の間での伝熱を抑制することができる。

実施の形態１に係る磁気冷凍装置１００によれば、渦巻形状ＳＰの互いに隣り合う部分は、断熱素材により構成されている。このため、断熱素材によって磁気熱容器１の渦巻形状ＳＰの互いに隣り合う部分の間での伝熱を抑制することができる。

実施の形態１に係る磁気冷凍装置１００によれば、渦巻形状ＳＰは、渦巻形状ＳＰの外周から渦巻形状ＳＰの中心に向けて渦巻くように構成された第１渦巻部Ｓ１と、渦巻形状ＳＰの中心から渦巻形状ＳＰの外周に向けて渦巻くように構成された第２渦巻部Ｓ２とを含んでいる。第２渦巻部Ｓ２は、第１渦巻部Ｓ１と逆方向に渦巻くように構成されている。したがって、磁気熱容器１の管口（高温側口６および低温側口７）が渦巻形状ＳＰの外周部ＯＰに位置するため、磁気熱容器１の管口（高温側口６および低温側口７）と熱輸送経路１０との接続が容易である。

実施の形態２．
実施の形態２に係る磁気熱容器１および磁気冷凍装置１００は、特に説明しない限り、実施の形態１に係る磁気熱容器１および磁気冷凍装置１００と同一の構成、動作および作用効果を有している。

図７を参照して、実施の形態２に係る磁気熱容器１の構成について説明する。
実施の形態２に係る磁気熱容器１は、渦巻形状ＳＰの軸方向Ｘの幅が軸方向Ｘに直交する方向Ｙの幅に比べて長くなるように構成されている。磁気熱容器１は、渦巻形状ＳＰの軸方向Ｘにおける第１寸法Ｄ１と、軸方向Ｘに直交する方向Ｙにおける第２寸法Ｄ２とを有している。第１寸法Ｄ１は、第２寸法Ｄ２よりも大きい。このため、軸方向Ｘにおける磁気熱容器１の容積を大きくすることができる。したがって、磁気熱量材料２が多く含まれた磁気熱容器１を設計することができる。

図８を参照して、実施の形態２に係る磁気熱容器１および磁界発生装置８の構成について説明する。

磁気熱容器１の渦巻形状ＳＰの軸方向Ｘにおける距離が長いため、磁界９の印加方向が磁気熱容器１の渦巻面ＳＳに対して平行となるように磁界発生装置８を配置することが設計上望まれる場合がある。磁界発生装置８は、磁気熱容器１の渦巻面ＳＳに対して平行に磁界９を印加するように構成されている。磁気熱容器１の渦巻面ＳＳは、渦巻形状ＳＰが渦巻いている平面である。磁気熱容器１の高温側口６および低温側口７の各々は、磁界発生装置８と干渉しない。つまり、磁気熱容器１の高温側口６および低温側口７の各々は、磁界発生装置８によって妨げられずに熱輸送経路１０に接続される。

図９を参照して、実施の形態２に係る磁気熱容器１の変形例の構成について説明する。実施の形態２に係る磁気熱容器１に変形例では、図７に示された磁気熱容器１に比べて磁気熱容器１の渦巻面ＳＳの向きが異なっている。

図９および図１０を参照して、実施の形態２に係る磁気熱容器１および磁界発生装置８の変形例の構成について説明する。実施の形態２に係る磁気熱容器１および磁界発生装置８の変形例では、磁気熱容器１の渦巻面ＳＳに対向するように磁界発生装置８が配置されている。

実施の形態２に係る磁気熱容器１および磁界発生装置８の変形例に示すように、実施の形態１と同様に、磁界発生装置８は、磁気熱容器１の渦巻面ＳＳに対して垂直に磁界９を印加することもできる。磁界発生装置８は、磁気熱容器１の渦巻面ＳＳに対して垂直に磁界９を印加するように構成されている。実施の形態２に係る磁気熱容器１および磁界発生装置８の変形例でも磁気熱容器１に高温側口６および低温側口７の各々は、磁界発生装置８と干渉しない。

実施の形態２に係る磁気冷凍装置１００の作用効果について説明する。
実施の形態２に係る磁気冷凍装置１００によれば、渦巻形状ＳＰの軸方向Ｘにおける第１寸法Ｄ１は、軸方向Ｘに直交する方向Ｙにおける第２寸法Ｄ２よりも大きい。このため、軸方向Ｘにおける磁気熱容器１の容積を大きくすることができる。したがって、磁気熱容器１に充填された磁気熱量材料２の量を多くすることができる。よって、磁気冷凍装置１００の性能を向上させることができる。なお、この場合でも、同じ長さの流路を有する螺旋構造の磁気熱容器に比べて、磁気熱容器１を小型化することができる。

実施の形態２に係る磁気冷凍装置１００によれば、磁界発生装置８は、磁気熱容器１の渦巻面ＳＳに対して平行または垂直に磁界を印加するように構成されている。このため、磁気熱容器１および磁界発生装置８の設計上の自由度を高めることができる。

実施の形態３．
実施の形態３に係る磁気熱容器１および磁気冷凍装置１００は、特に説明しない限り、実施の形態１に係る磁気熱容器１および磁気冷凍装置１００と同一の構成、動作および作用効果を有している。

図１１〜図１３を参照して、実施の形態３に係る磁気熱容器１の構成について説明する。

実施の形態３に係る磁気熱容器１は、２層構造を有している。磁気熱容器１は、第１層１４と、第２層１５とを含んでいる。第２層１５は、第１層１４に積層されている。第１層１４および第２層１５の各々は、渦巻形状ＳＰを有している。磁気熱容器１は、各層の平面上で一方向に渦巻状に巻かれている。磁気熱容器１の各層の口の片方は、渦巻形状ＳＰの外周部に位置する。磁気熱容器１の各層の口の他方は、渦巻形状ＳＰの内周部に位置する。

磁気熱容器１の渦巻形状ＳＰの中心ＣＰにおいて、第１層１４は、第２層１５に接続されている。第１層１４の内周部ＩＰは、接続口１８を経由し、隣接する第２層１５の内周部ＩＰと接続されている。磁気熱容器１の管口（高温側口６および低温側口７）は、第１層１４および第２層１５の各々の外周部ＯＰに配置されている。第１層１４の外周部ＯＰに高温側口６が配置されている。第２層１５の外周部ＯＰに低温側口７が配置されている。高温側口６および低温側口７の各々は、磁気冷凍装置１００の熱輸送経路１０（図６参照）に接続されている。

第１層１４および第２層１５の各々において、磁気熱容器１同士の隣接部には断熱材３が配置されている。断熱材３の代替として、断熱素材により構成されていることで、断熱機能を有する磁気熱容器１が使用されてもよい。

第１層１４および第２層１５の各々には磁気熱量材料２および熱輸送媒体４が充填されている。熱輸送媒体４は、磁気熱容器１内を自由に流れる。磁気熱量材料２は、熱輸送媒体４の流れに大きく流されないように磁気熱容器１内に充填もしくは固定されている。

第１層１４および第２層１５は層状に積み重なっている。第１層１４および第２層１５の間に断熱材３が配置されている。断熱材３の代替として、断熱素材により構成されていることで、断熱機能を有す磁気熱容器１が使用されてもよい。

第１層１４および第２層１５の各々に対してそれぞれ一様な磁界の変動を与えるため、第１層１４および第２層１５の各々の渦巻形状ＳＰに対して外周側から挟むように磁界発生装置８が配置されている。磁界発生装置８は、第１発生部８ａと、第２発生部８ｂとを含んでいる。第１発生部８ａは、第１層１４を外周側から挟むように構成されている。第２発生部８ｂは、第２層１５を外周側から挟むように構成されている。磁界発生装置８から印加された磁界９は、第１層１４および第２層１５の各々の内部において一様である。

本実施の形態では、第１発生部８ａと第２発生部８ｂとは磁界の向きが異なっている。具体的には、第１層１４および第２層１５の各々に印加された磁界９の向きは互いに反対である。なお、第１層１４および第２層１５の各々に印加された磁界９の向きは互い同じであってもよい。ただし、磁気冷凍の性能の観点から、磁気熱容器１内の磁気熱量材料２全体の発熱タイミングは一致することが望まれる。このため、磁界の強さは磁気熱容器１全体で一様であることが望ましい。

第１層１４の接続口１８は、第２層１５の接続口１８に接続部１９を介して接続されている。磁気熱容器１に充填された熱輸送媒体４（図６参照）は、図１１に示されるように第１層１４の熱輸送媒体４の流れ５の方向へ流れてから、図１２に示される第２層１５の熱輸送媒体４の流れ５の方向へ流れる。

実施の形態３に係る磁気冷凍装置１００の作用効果について説明する。
実施の形態３に係る磁気冷凍装置１００によれば、磁気熱容器１は、第１層１４と、第２層１５とを含んでいる。このため、磁気熱容器１の流路を長くすることが容易である。

実施の形態３に係る磁気冷凍装置１００によれば、磁気熱容器１の管口（高温側口６および低温側口７）は、第１層１４および第２層１５の各々の外周部ＯＰに配置されている。したがって、磁気熱容器１の管口（高温側口６および低温側口７）と熱輸送経路１０との接続が容易である。

実施の形態３に係る磁気冷凍装置１００によれば、磁界発生装置８は、第１発生部８ａと、第２発生部８ｂとを含んでいる。第１発生部８ａは、第１層１４を外周側から挟むように構成されている。第２発生部８ｂは、第２層１５を外周側から挟むように構成されている。第１発生部８ａと第２発生部８ｂとは磁界の向きが異なっている。このため、各層の渦巻形状ＳＰ毎に異なる磁界を仕様できるため、永久磁石ハルバッハ構造などの高磁界発生装置の使用が容易になる。

実施の形態４．
実施の形態４に係る磁気熱容器１および磁気冷凍装置１００は、特に説明しない限り、実施の形態３に係る磁気熱容器１および磁気冷凍装置１００と同一の構成、動作および作用効果を有している。実施の形態４に係る磁気熱容器１では、実施の形態３に係る磁気熱容器１に比べて磁気熱容器１の層数が増えている。

図１４〜図１８を参照して、実施の形態４に係る磁気熱容器１の構成について説明する。

実施の形態４に係る磁気熱容器１は、４層構造を有している。磁気熱容器１は、第１層１４と、第２層１５と、第３層１６と、第４層１７とを含んでいる。第２層１５は、第１層１４に積層されている。第３層１６は、第２層１５に積層されている。第４層１７は、第３層１６に積層されている。第１層１４、第２層１５、第３層１６および第４層１７の各々は、渦巻形状ＳＰを有している。

第１層１４の内周部ＩＰに設けられた接続口１８は、第２層１５の内周部ＩＰに設けられた接続口１８に接続部１９を介して接続されている。第２層１５の外周部ＯＰに設けられた接続口２０は、第３層１６の外周部ＯＰに設けられた接続口２０に接続部２１を介して接続されている。第３層１６の内周部ＩＰに設けられた接続口２２は、第４層１７の内周部ＩＰに設けられた接続口２２に接続部２３を介して接続されている。

第２層１５、第３層１６および第４層１７はそれぞれ第１層１４を回転もしくは反転させた形状に構成されている。第１層１４、第２層１５、第３層１６および第４層１７を積み上げることで任意の層数の磁気熱容器１が実現可能となる。

実施の形態４に係る磁気冷凍装置１００の作用効果について説明する。
実施の形態４に係る磁気冷凍装置１００によれば、磁気熱容器１は、第１層１４と、第２層１５と、第３層１６と、第４層１７とを含んでいる。このため、磁気熱容器１の流路をさらに長くすることが容易である。

実施の形態５．
実施の形態５に係る磁気熱容器１および磁気冷凍装置１００は、特に説明しない限り、実施の形態１に係る磁気熱容器１および磁気冷凍装置１００と同一の構成、動作および作用効果を有している。

図１９を参照して、実施の形態５に係る磁気熱容器１の構成について説明する。
磁気熱容器１は、平面上に一方向に巻かれた渦巻形状ＳＰを有している。磁気熱容器１の外周部ＯＰに高温側口６が設けられている。磁気熱容器１の内周部ＩＰに低温側口７が設けられている。

図２０を参照して、実施の形態５に係る磁気熱容器１および熱輸送経路１０の構成について説明する。渦巻形状ＳＰの中心にて、磁気熱容器１の低温側口７が熱輸送経路１０に接続されている。熱輸送経路１０は、渦巻形状ＳＰの軸方向へ延びる形状を有している。

図２１を参照して、実施の形態５に係る磁気熱容器１および熱輸送経路１０の変形例の構成について説明する。熱輸送経路１０は、磁気熱容器１の渦巻形状ＳＰの軸方向へ延びてから渦巻面ＳＳとは異なる平面にて渦巻面ＳＳと平行となる方向に延びる形状を有している。

図２２および図２３を参照して、実施の形態５に係る磁気熱容器１、熱輸送経路１０の一部および磁界発生装置８の構成について説明する。

磁界発生装置８は、図２０に示された磁気熱容器１の渦巻形状ＳＰの渦巻面ＳＳに対して垂直に磁界を印加するように構成されている。渦巻形状ＳＰの一方側の渦巻面ＳＳに対向する磁界発生装置８の一方側において、磁気経路２４は一方向である。渦巻形状ＳＰの他方側の渦巻面ＳＳに対向する磁界発生装置８の他方側において、磁気経路２４は分岐される。分岐された磁気経路２４の方向は互いに１８０度異なる。分岐した磁気経路２４は、磁界発生装置８を通って磁気熱容器１の外側から渦巻形状ＳＰの逆側に回り込んでから合流し、一方向の磁気経路２４となる。そして、再び渦巻形状ＳＰの一方側の渦巻面ＳＳに対して垂直に入射する閉じた磁気経路２４が構成される。

磁界発生装置８は、永久磁石、ヨーク、電磁石、超電導磁石などで構成されてもよい。
磁界発生装置８は、磁気経路２４を分岐する分岐部２５を含んでいる。分岐部２５には空隙２６が設けられている。この空隙２６は穴である。空隙２６を通って熱輸送経路１０が磁界発生装置８外部へ引き出される。したがって、空隙２６を通って熱輸送媒体が輸送される。

磁界発生装置８における分岐部２５は、磁界発生装置８の利用率が低い。このため、分岐部２５の一部が削られることで空隙２６が設けられても、磁界発生装置８の性能低下は抑制される。

図２４および図２５を参照して、実施の形態５に係る磁気熱容器１、熱輸送経路１０の一部および磁界発生装置８の変形例１の構成について説明する。

この変形例１では、図２０に示された磁気熱容器１が使用されている。磁界発生装置８の空隙２６はギャップ２６ｂである。空隙２６がギャップ２６ｂであるため、磁気熱容器１と磁界発生装置８との相対位置の移動が容易である。

図２６および図２７を参照して、実施の形態５に係る磁気熱容器１、熱輸送経路１０の一部および磁界発生装置８の変形例２の構成について説明する。

この変形例２では、図２０に示された磁気熱容器１が使用されている。磁界発生装置８の空隙２６はスリット２６ｃである。空隙２６がスリット２６ｃであるため、磁気熱容器１と磁界発生装置８との相対位置の移動が容易である。

図２８および図２９を参照して、実施の形態５に係る磁気熱容器１、熱輸送経路１０の一部および磁界発生装置８の変形例３の構成について説明する。

この変形例３では、図２１に示された磁気熱容器１が使用されている。磁界発生装置８の空隙２６はスリット２６ｃである。空隙２６がスリット２６ｃであるため、磁気熱容器１と磁界発生装置８との相対位置の移動が容易である。

実施の形態５に係る磁気冷凍装置１００の作用効果について説明する。
実施の形態５に係る磁気冷凍装置１００によれば、磁界発生装置８の分岐部２５に空隙２６が設けられており、空隙２６を通って熱輸送媒体が輸送される。このため、渦巻形状の中心から熱輸送経路１０が引き出される際、磁界発生装置８の磁気利用率の低い部分が削られることで空隙２６が設けられても、磁界発生装置８の性能低下を抑制しつつ、熱輸送経路１０を引き出して熱輸送媒体を輸送することができる。

また、上記の各実施の形態を適宜組み合わせることが可能である。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１磁気熱容器、２磁気熱量材料、３断熱材、４熱輸送媒体、６高温側口、７低温側口、８磁界発生装置、８ａ第１発生部、８ｂ第２発生部、１０熱輸送経路、１１高温側熱交換器、１２低温側熱交換器、１３ポンプ、１４第１層、１５第２層、１６第３層、１７第４層、２４磁気経路、２５分岐部、２６空隙、１００磁気冷凍装置、ＣＰ中心、Ｄ１第１寸法、Ｄ２第２寸法、ＩＰ内周部、ＯＰ外周部、Ｓ１第１渦巻部、Ｓ２第２渦巻部、ＳＰ渦巻形状、ＳＳ渦巻面、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に直交する方向。

Claims

磁気熱量材料が充填された磁気熱容器と、
前記磁気熱量材料が充填された前記磁気熱容器に印加する磁界を変動可能に構成された磁界発生装置と、
前記磁気熱容器に接続された高温側熱交換器と、
前記高温側熱交換器とで前記磁気熱容器を挟むように前記磁気熱容器に接続された低温側熱交換器と、
前記高温側熱交換器と前記低温側熱交換器との間で前記磁気熱容器を経由して往復するように熱輸送媒体を輸送可能に構成されたポンプとを備え、
前記磁気熱容器は、同一平面上で渦巻くように構成された渦巻形状を有しており、かつ、前記ポンプにより輸送された前記熱輸送媒体が前記渦巻形状に沿って流れるように構成されており、
前記磁気熱容器は、前記渦巻形状の軸方向における第１寸法と、前記軸方向に直交する方向における第２寸法とを有しており、
前記第１寸法は、前記第２寸法よりも大きい、磁気冷凍装置。
断熱材をさらに備え、
前記断熱材は、前記渦巻形状の互いに隣り合う部分の間に配置されている、請求項１に記載の磁気冷凍装置。
前記渦巻形状の互いに隣り合う部分は、断熱素材により構成されている、請求項１に記載の磁気冷凍装置。
前記渦巻形状は、前記渦巻形状の外周から前記渦巻形状の中心に向けて渦巻くように構成された第１渦巻部と、前記渦巻形状の前記中心から前記渦巻形状の前記外周に向けて渦巻くように構成された第２渦巻部とを含み、
前記第２渦巻部は、前記第１渦巻部と逆方向に渦巻くように構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気冷凍装置。
前記磁界発生装置は、前記磁気熱容器の渦巻面に対して平行または垂直に磁界を印加するように構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁気冷凍装置。
磁気熱量材料が充填された磁気熱容器と、
前記磁気熱量材料が充填された前記磁気熱容器に印加する磁界を変動可能に構成された磁界発生装置と、
前記磁気熱容器に接続された高温側熱交換器と、
前記高温側熱交換器とで前記磁気熱容器を挟むように前記磁気熱容器に接続された低温側熱交換器と、
前記高温側熱交換器と前記低温側熱交換器との間で前記磁気熱容器を経由して往復するように熱輸送媒体を輸送可能に構成されたポンプとを備え、
前記磁気熱容器は、同一平面上で渦巻くように構成された渦巻形状を有しており、かつ、前記ポンプにより輸送された前記熱輸送媒体が前記渦巻形状に沿って流れるように構成されており、
前記磁気熱容器は、第１層と、前記第１層に積層された第２層とを含み、
前記第１層および前記第２層の各々は、前記渦巻形状を有しており、
前記磁界発生装置は、前記第１層を外周側から挟むように構成された第１発生部と、前記第２層を外周側から挟むように構成された第２発生部とを含み、
前記第１発生部と前記第２発生部とは磁界の向きが異なっている、磁気冷凍装置。
前記渦巻形状の中心において、前記第１層は、前記第２層と接続されており、
前記磁気熱容器の管口は、前記第１層および前記第２層の各々の外周部に配置されている、請求項６に記載の磁気冷凍装置。
磁気熱量材料が充填された磁気熱容器と、
前記磁気熱量材料が充填された前記磁気熱容器に印加する磁界を変動可能に構成された磁界発生装置と、
前記磁気熱容器に接続された高温側熱交換器と、
前記高温側熱交換器とで前記磁気熱容器を挟むように前記磁気熱容器に接続された低温側熱交換器と、
前記高温側熱交換器と前記低温側熱交換器との間で前記磁気熱容器を経由して往復するように熱輸送媒体を輸送可能に構成されたポンプとを備え、
前記磁気熱容器は、同一平面上で渦巻くように構成された渦巻形状を有しており、かつ、前記ポンプにより輸送された前記熱輸送媒体が前記渦巻形状に沿って流れるように構成されており、
前記磁界発生装置は、前記磁気熱容器の渦巻面に対して垂直に磁界を印加するように構成されており、
前記磁界発生装置は、磁気経路を分岐する分岐部を含み、
前記分岐部には空隙が設けられており、
前記空隙を通って前記熱輸送媒体が輸送される、磁気冷凍装置。