JP7170337B2 - Variable magnetic field generation system and static magnetic refrigeration system using the same - Google Patents

Variable magnetic field generation system and static magnetic refrigeration system using the same Download PDF

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Description

本発明は、超電導コイルを用いて変動磁場を生成するシステムおよびこれを用いた静止型磁気冷凍システムに関する。 The present invention relates to a system for generating a varying magnetic field using superconducting coils and a static magnetic refrigeration system using the system.

従来、液体ヘリウム以下の極低温に適用される冷凍機として、磁場に応じて発熱、吸熱を行う磁性材料(以下、「磁気作業物質」という。)を利用した磁気冷凍機が知られている。
例えば、特許文献1は、超電導コイルの中心部分に磁気作業物質を配置するとともに、超電導コイルと磁気作業物質との間の空間に磁気遮蔽体を往復動させる静止型磁気冷凍機を開示している。当該技術では、磁気遮蔽体の往復動に応じて磁気作業物質に磁場を作用させたり遮断させたりすることにより、磁気作業物質の発熱/吸熱を変化させ、冷凍を実現する。
また、特許文献2は、超電導コイルと、磁気遮蔽体とを積み重ね、その内部に磁気作業物質を配置した構造の磁気冷凍機を開示する。当該技術では、磁性遮蔽体を往復動させて、超電導コイルの内部に配置した状態と、磁気遮蔽体の内部に配置した状態とを切り換えることにより、磁気作業物質の発熱/吸熱を変化させ、冷凍を実現する。
いずれの技術においても、超電導コイルを利用している。超電動コイルは強力な磁場を発生することができることから、医療用の画像診断装置や輸送用としての磁気浮上列車に応用されている。また、超電動コイルを用いたシステムとして、SMES(Superconducting Magnetic Energy Storage)と呼ばれる技術が知られている。即ち、超電導は電気抵抗がゼロになるという特徴を有しているため、コイルに電流を流した状態でコイルの両端を閉じて閉回路とするとコイル内を電流が減衰せずに流れ続け、電流が作る磁場が発生し続けるのである。SMESは、このように磁気エネルギとして電力を貯蔵する技術である。
2. Description of the Related Art Conventionally, a magnetic refrigerator using a magnetic material that generates heat and absorbs heat in response to a magnetic field (hereinafter referred to as "magnetic working material") is known as a refrigerator that is applied to cryogenic temperatures below liquid helium.
For example, Patent Literature 1 discloses a stationary magnetic refrigerator in which a magnetic working material is arranged in the central portion of a superconducting coil and a magnetic shield is reciprocated in the space between the superconducting coil and the magnetic working material. . In this technology, refrigeration is realized by changing heat generation/absorption of the magnetic working material by applying or blocking a magnetic field to the magnetic working material according to the reciprocating motion of the magnetic shield.
Further, Patent Document 2 discloses a magnetic refrigerator having a structure in which a superconducting coil and a magnetic shield are stacked and a magnetic working material is arranged inside. In this technology, by reciprocating the magnetic shield and switching between a state in which it is arranged inside the superconducting coil and a state in which it is arranged inside the magnetic shield, the heat generation/absorption of the magnetic working material is changed, and refrigeration is performed. Realize
Both technologies utilize superconducting coils. Since superelectric coils can generate strong magnetic fields, they are applied to medical diagnostic imaging equipment and magnetic levitation trains for transportation. A technology called SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage) is also known as a system using superelectric coils. That is, since superconductivity has the characteristic of zero electrical resistance, when both ends of the coil are closed to form a closed circuit with current flowing through the coil, the current continues to flow through the coil without attenuation. The magnetic field created by continues to occur. SMES is a technique for storing power as magnetic energy in this way.

特開平4-273956号公報JP-A-4-273956 特開平4-327479号公報JP-A-4-327479

従来の磁気冷凍技術では、超電導コイルによる磁場の発生については、超電導状態を維持するための冷却が必要となるが、通電損失がないことからエネルギ効率の向上が図られているものの、磁気遮蔽体または磁気作業物質の往復動自体にエネルギが必要となり、全体としてエネルギ効率について改善の余地が残されていた。従って、磁気作業物質に作用する磁場を省エネルギで変動させる技術が求められていた。
磁場を変動させる技術は、磁気冷凍のみならず、広い分野での応用が期待できる。
本発明は、かかる課題に鑑み、省エネルギで磁場を変動させる技術を提供すること、およびこれを活用した磁気冷凍技術を提供することを目的とする。
In conventional magnetic refrigeration technology, the generation of a magnetic field by a superconducting coil requires cooling to maintain the superconducting state. Alternatively, energy is required for the reciprocating motion of the magnetic working material itself, leaving room for improvement in energy efficiency as a whole. Therefore, there has been a demand for a technique for changing the magnetic field acting on the magnetic working material while saving energy.
The technology to change the magnetic field is expected to be applied not only to magnetic refrigeration but also to a wide range of fields.
SUMMARY OF THE INVENTION In view of such problems, it is an object of the present invention to provide an energy-saving technique for varying a magnetic field, and to provide a magnetic refrigeration technique utilizing the technique.

本発明は、
複数の超電導コイルによって変動する磁場を生成する変動磁場生成システムであって、
複数の超電導コイルと、
前記超電導コイルと電源とを接続、切断する初期充電回路と、
前記電源と切り離された状態で、前記複数の超電導コイルのそれぞれに流れる電流を任意に変化させ得るエネルギ移送回路と、
前記初期充電回路およびエネルギ移送回路を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記超電導コイルを電源に接続し、予め所定の電流が流れる初期充電が達成された後、前記電源と切断するよう初期充電回路を制御する初期充電制御部と、
前記初期充電が達成された後、予め設定されたシーケンスで、前記超電導コイルのそれぞれに流れる電流を変化させるよう前記エネルギ移送回路を制御するエネルギ移送制御部とを備える変動磁場生成システムと構成することができる。
The present invention
A fluctuating magnetic field generation system that generates a fluctuating magnetic field by a plurality of superconducting coils,
a plurality of superconducting coils;
an initial charging circuit that connects and disconnects the superconducting coil and a power supply;
an energy transfer circuit capable of arbitrarily changing the current flowing through each of the plurality of superconducting coils while being disconnected from the power source;
a control unit that controls the initial charging circuit and the energy transfer circuit;
The control unit
an initial charging control unit that connects the superconducting coil to a power source and controls an initial charging circuit to disconnect the power source after initial charging with a predetermined current is achieved;
an energy transfer controller for controlling the energy transfer circuit to vary the current flowing through each of the superconducting coils in a preset sequence after the initial charging is achieved. can be done.

本発明によれば、超電導コイルに初期充電されたエネルギを超電導コイル間で移送することにより、それぞれの超電導コイルに発生する磁場を変動させることができる。従って、変動磁場を生成させるための外部からのエネルギ供給をほとんど必要としない程度まで抑制することが可能となる。 According to the present invention, the magnetic field generated in each superconducting coil can be varied by transferring the energy initially charged in the superconducting coils between the superconducting coils. Therefore, it is possible to suppress the supply of energy from the outside for generating the fluctuating magnetic field to the extent that it is almost unnecessary.

本発明の変動磁場生成システムにおいては、
前記複数の超電導コイルは、偶数本備えられているものとしてもよい。
In the variable magnetic field generation system of the present invention,
An even number of the plurality of superconducting coils may be provided.

超電導コイルの本数は任意であるが、このように偶数本備える場合、超電導コイルをバランス良く配置することができる。こうすれば、システム全体の構成のコンパクト化を図ることができ、また、超電導コイルによって生じる磁場をバランスよく配置させることが可能となる。配置は、点対称または線対称とすることがより好ましい。 Although the number of superconducting coils is arbitrary, when an even number of superconducting coils are provided, the superconducting coils can be arranged in a well-balanced manner. By doing so, it is possible to reduce the size of the entire system, and to arrange the magnetic fields generated by the superconducting coils in a well-balanced manner. The arrangement is more preferably point-symmetrical or line-symmetrical.

本発明の変動磁場生成システムであって、
前記複数の超電導コイルは、3本以上備えられており、
前記エネルギ移送制御部は、近接する超電導コイルに逆向きの電流を流すものとしてもよい。
A variable magnetic field generation system of the present invention,
The plurality of superconducting coils are provided with three or more,
The energy transfer control unit may apply a current in the opposite direction to adjacent superconducting coils.

こうすることにより、逆向きの電流を流した超電導コイルで生成される磁場同士が打ち消し合い、外部への磁場の漏洩を抑制することができる。
逆向きの電流を流す超電導コイルは、任意に選択することができる。必ずしも相互の距離が最短のものを選択する必要はない。上述の「近接」とは、磁場を打ち消し合う相互作用が得られる範囲内であることを意味する。また、電流を流す超電導コイルの本数も任意に設定できるが、偶数本とすれば、磁場を打ち消し合う相互作用を比較的効果的に得ることができる利点がある。
By doing so, the magnetic fields generated by the superconducting coils through which currents flow in opposite directions cancel each other out, and leakage of the magnetic field to the outside can be suppressed.
A superconducting coil that allows a current to flow in the opposite direction can be arbitrarily selected. It is not always necessary to select the one with the shortest mutual distance. The above-mentioned "proximity" means within a range in which interaction that cancels out the magnetic fields can be obtained. Also, the number of superconducting coils through which a current is passed can be set arbitrarily, but if the number is even, there is an advantage that the interaction of canceling out the magnetic fields can be obtained relatively effectively.

本発明の変動磁場生成システムにおいては、
前記エネルギ移送制御部は、前記複数の超電導コイルのうち所定数をグループとし、該グループ内の超電導コイルに1本ずつ順番に最大の電流を流すものとしてもよい。
In the variable magnetic field generation system of the present invention,
The energy transfer control unit may group a predetermined number of the plurality of superconducting coils, and sequentially apply the maximum current to each superconducting coil in the group.

こうすることにより、各超電導コイルに流れる電流は、最大とゼロとの間で変化することになるから、最大の磁場変動を得ることができる。
グループを構成する所定数は、任意に決めることができる。例えば、複数の超電導コイル全体を一つのグループと考えてもよい。これらを2つまたは3つ以上の同数のグループに分けても良い。また、異なる数のグループに分けてもよい。
By doing so, the current flowing through each superconducting coil changes between the maximum and zero, so that the maximum magnetic field fluctuation can be obtained.
The predetermined number of groups can be determined arbitrarily. For example, all of a plurality of superconducting coils may be considered as one group. You may divide these into the same number of groups of 2 or 3 or more. They may also be divided into different numbers of groups.

本発明の変動磁場生成システムにおいては、
前記初期充電における所定の電流は、前記複数の超電導コイルの一部にあたる所定の本数に100%の電流を流した基準状態における磁気エネルギを前記複数の超電導コイル全体で貯蔵するために必要となる電流値であるものとしてもよい。
In the variable magnetic field generation system of the present invention,
The predetermined current in the initial charging is the current required to store the magnetic energy in the entirety of the plurality of superconducting coils in a reference state in which 100% of the current flows through a predetermined number of the plurality of superconducting coils corresponding to a part of the plurality of superconducting coils. It may be a value.

超電導コイルに貯蔵されるエネルギは、リアクタンスをL、電流をiとするとき、0.5Liで求められる。従って、所定の本数n本に100%の電流を流した基準状態に対して、超電導コイルが全体でM本あるとすれば、一本当たりの電流値は、最大電流×(n/M)0.5と求めることができる。こうすることにより、予め超電導コイルに、必要なエネルギを過不足なく貯蔵することができる。 The energy stored in the superconducting coil is given by 0.5Li 2 where L is the reactance and i is the current. Therefore, assuming that there are M superconducting coils in total in a reference state in which 100% current is passed through a predetermined number n of coils, the current value per coil is the maximum current×(n/M) 0 .5 . By doing so, the necessary energy can be stored in the superconducting coil in advance in just the right amount.

本発明は、変動磁場生成システムとしての構成の他、これを利用した種々のシステムとして構成することができる。
例えば、本発明は、
磁気熱量効果を利用した静止型磁気冷凍システムであって、
上述のいずれか記載の変動磁場生成システムと、
少なくとも一つの前記超電導コイルの内部に配置された、磁場の変動により発熱/吸熱を生じる磁気作業物質で構成された熱交換体とを備える静止型磁気冷凍システムとして構成することができる。
The present invention can be configured as a variable magnetic field generation system, or as various systems using this system.
For example, the present invention provides
A stationary magnetic refrigeration system using the magnetocaloric effect,
A varying magnetic field generating system according to any of the above;
A static magnetic refrigeration system comprising a heat exchanger made of a magnetic working material that generates heat/absorption due to fluctuations in the magnetic field and is disposed inside at least one of the superconducting coils.

先に説明した通り、本発明の変動磁場生成システムは、省エネルギで磁場を変動させることができるため、省エネルギで磁気冷凍を実現することができる。
本発明において磁気作業物質としては、ガドリニウム他、種々の物質を利用することができる。また、熱交換体の形状も任意に決めることができる。熱交換体は磁気作業物質の塊で構成してもよいし、磁気作業物質を用いた細線をメッシュ状に編むなどして構成してもよい。かかる細線は、例えば、磁気作業物質を銅その他の熱伝導性の良い金属で包んだ、いわゆるパウダーインチューブ製造技術により製造してもよい。
As described above, the fluctuating magnetic field generating system of the present invention can fluctuate the magnetic field while saving energy, so that magnetic refrigeration can be realized while saving energy.
Various substances other than gadolinium can be used as the magnetic working substance in the present invention. Also, the shape of the heat exchange body can be arbitrarily determined. The heat exchange body may be composed of a lump of the magnetic working material, or may be composed of fine wires using the magnetic working material woven into a mesh. Such thin wires may be manufactured by, for example, a so-called powder-in-tube manufacturing technique in which a magnetic working material is wrapped in copper or other metal with good thermal conductivity.

本発明の静止型磁気冷凍システムにおいては、
前記磁気作業物質は、全ての前記複数の超電導コイルの内部に配置されているものとしてもよい。
In the stationary magnetic refrigeration system of the present invention,
The magnetic working material may be arranged inside all of the plurality of superconducting coils.

こうすることにより、各超電導コイルに生じる変動磁場を効率的に冷凍に用いることができる。 By doing so, the fluctuating magnetic field generated in each superconducting coil can be efficiently used for refrigeration.

本発明は、以上で説明した種々の特徴を全て備えている必要はなく、適宜、その一部を省略したり組み合わせたりして構成することができる。また、本発明は、静止型磁気冷凍システムの他、変動磁場生成システムを利用した種々のシステムとして構成することができる。さらに、本発明は、変動磁場の生成方法、静止型磁気冷凍方法などの態様で構成してもよい。 The present invention does not need to have all of the various features described above, and can be configured by omitting or combining some of them as appropriate. Moreover, the present invention can be configured as various systems using a variable magnetic field generation system in addition to the static magnetic refrigeration system. Furthermore, the present invention may be configured in aspects such as a method for generating a varying magnetic field and a static magnetic refrigeration method.

静止型磁気冷凍システムの構成を示す説明図である。1 is an explanatory diagram showing the configuration of a static magnetic refrigeration system; FIG. エネルギ移送のシーケンス(1)を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing a sequence (1) of energy transfer; エネルギ移送のシーケンス(2)を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing a sequence (2) of energy transfer; 超電導コイルの配置を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing the arrangement of superconducting coils; 磁場解析の結果(1)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the result (1) of magnetic field analysis. 磁場解析の結果(2)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the result (2) of magnetic field analysis. 磁場解析の結果(3)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the result (3) of magnetic field analysis. 磁場解析の結果(4)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the result (4) of magnetic field analysis.

以下、本発明の実施例について、超電導コイルと磁気作業物質を利用した静止型磁気冷凍システムとしての構成を例にとって説明する。水素を再凝縮して液体水素として貯槽するシステムとしての構成例である。極低温において冷凍を行うシステムである。 Embodiments of the present invention will now be described with reference to the configuration of a static magnetic refrigeration system using a superconducting coil and a magnetic working material. This is a structural example of a system for recondensing hydrogen and storing it as liquid hydrogen. It is a system that performs refrigeration at extremely low temperatures.

図1は、静止型磁気冷凍システムの構成を示す説明図である。
密閉容器40内には、超電導コイルを用いた冷却装置50が4基設置されている。右下に冷却装置50の構造を示した。
冷却装置50においては、密閉容器40の内部に、超電導コイル51が設置されている。超電導を実現するため超電導コイル51は、冷却されているが、図の煩雑化を回避するため、この冷却機構は図示を省略した。
超電導コイル51の内部空間には、磁場の状態に応じて発熱/吸熱を生じる磁気作業物質52が設置されている。本実施例では、円柱状の形状としたが、任意の形状としてよい。磁気作業物質52は、種々の素材で構成することができるが、本実施例では、ガドリニウム合金(例えばGd5Ge4)を用いるものとした。銅その他の熱伝導性の良好な素材で構成した中空の細線内にガドリニウム合金の粉状体を充填した、いわゆるパウダーインチューブ製造技術により細線を製作し、これを編むことにより、磁気作業物質52を構成することができる。かかる構成に限らず、ガドリニウムの塊などで構成しても差し支えない。
磁気作業物質52には、熱伝送柱54が接触するように設けられている。熱伝送柱54は、熱をよく伝える固体で構成することができる。磁気作業物質52が、磁場の作用によって発熱/吸熱を生じると、それに応じた熱が、熱伝送柱54を伝送される。熱伝送柱54の上端には排熱用冷却装置55が取り付けられている。磁気作業物質52が発熱状態にあるとき、その熱は、熱伝送柱54を通じて排熱用冷却装置55に伝送され、密閉容器40から外部に排出される。熱伝送柱54の途中には、熱スイッチ53が取り付けられている。熱スイッチ53は、熱スイッチ53から熱伝送柱54の一方向にのみ熱が伝達する素子である。熱スイッチ53は、周知の種々の素子を利用可能であるため、詳細な説明は省略する。熱スイッチ53を設けることにより、磁気作業物質52が吸熱時には、熱スイッチ53から排熱用冷却装置55を通じて熱が流れ、水素ガスを液化する凝縮部57が冷却されることになる。
冷却装置50の下部には、水素貯槽56が取り付けられている。冷却装置50に、水素が供給されると、水素は磁気冷凍により低温となった凝縮部57に接することで再液化され、液体として水素貯槽56に貯留されることになる。
上記構成において、熱伝送柱54は、内部を循環するように熱交換の媒体を封入した配管で構成してもよい。この場合は、熱スイッチ53は、媒体の循環方向を切り換えるためのスイッチとすればよい。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of a static magnetic refrigeration system.
Four cooling devices 50 using superconducting coils are installed in the sealed container 40 . The structure of the cooling device 50 is shown in the lower right.
In the cooling device 50 , a superconducting coil 51 is installed inside the sealed container 40 . The superconducting coil 51 is cooled to realize superconductivity, but this cooling mechanism is omitted from the drawing to avoid complication of the drawing.
In the internal space of the superconducting coil 51, a magnetic working material 52 that generates heat/absorbs heat according to the state of the magnetic field is installed. In this embodiment, the shape is cylindrical, but it may be any shape. The magnetic working material 52 can be composed of various materials, but in this embodiment, a gadolinium alloy (eg, Gd 5 Ge 4 ) is used. A fine wire is produced by a so-called powder-in-tube manufacturing technique in which gadolinium alloy powder is filled in a hollow fine wire made of a material having good thermal conductivity such as copper. can be configured. It is not limited to such a configuration, and may be composed of gadolinium lumps or the like.
A heat transfer post 54 is provided in contact with the magnetic working material 52 . The heat transfer post 54 can be constructed of a solid that conducts heat well. When the magnetic working material 52 generates heat/endotherm under the action of the magnetic field, the corresponding heat is transferred through the heat transfer column 54 . An exhaust heat cooling device 55 is attached to the upper end of the heat transfer column 54 . When the magnetic working material 52 is in an exothermic state, the heat is transferred to the exhaust heat cooling device 55 through the heat transfer column 54 and discharged from the sealed container 40 to the outside. A thermal switch 53 is attached in the middle of the heat transfer column 54 . The thermal switch 53 is an element that transfers heat only in one direction from the thermal switch 53 to the heat transfer column 54 . Since the thermal switch 53 can use various well-known elements, detailed description thereof will be omitted. By providing the thermal switch 53, when the magnetic working material 52 absorbs heat, heat flows from the thermal switch 53 through the exhaust heat cooling device 55, and the condenser 57 that liquefies the hydrogen gas is cooled.
A hydrogen storage tank 56 is attached to the lower portion of the cooling device 50 . When hydrogen is supplied to the cooling device 50 , the hydrogen is reliquefied by coming into contact with the condensation section 57 that has been cooled down by magnetic refrigeration, and is stored in the hydrogen storage tank 56 as a liquid.
In the above configuration, the heat transfer column 54 may be configured by a pipe in which a heat exchange medium is sealed so as to circulate inside. In this case, the thermal switch 53 may be a switch for switching the circulation direction of the medium.

密閉容器40の内部には、以上で説明した冷却装置50が4本配置されている。冷却装置50の本数および配置は任意に決めることができる。全体のバランスなどを考慮すると、冷却装置50を偶数本用意することが好ましい。 The four cooling devices 50 described above are arranged inside the sealed container 40 . The number and arrangement of the cooling devices 50 can be arbitrarily determined. Considering the overall balance, etc., it is preferable to prepare an even number of cooling devices 50 .

それぞれの冷却装置50は、超電導コイル51と電源24とを接続、切断するための初期充電回路22に接続されている。本実施例では、電源24として系統電力を用いたが、これに限るものではない。
また、それぞれの冷却装置50は、電源24と切り離された状態で、4本の超電導コイル51に流れる電流を任意に変化させ得るエネルギ移送回路20と接続されている。エネルギ移送回路20は、超電導コイル51の両端を、任意に接続、切断可能な複数のスイッチによって構成されている。本実施例では、超電導コイル51に流れる電流の向きを逆向きに変えることも可能な回路構成となっている。
Each cooling device 50 is connected to an initial charging circuit 22 for connecting and disconnecting the superconducting coil 51 and the power supply 24 . In this embodiment, grid power is used as the power supply 24, but the power supply is not limited to this.
Each cooling device 50 is connected to an energy transfer circuit 20 that can arbitrarily change the current flowing through the four superconducting coils 51 while being disconnected from the power supply 24 . The energy transfer circuit 20 is composed of a plurality of switches that can arbitrarily connect and disconnect both ends of the superconducting coil 51 . In this embodiment, the circuit configuration is such that the direction of the current flowing through the superconducting coil 51 can be reversed.

初期充電回路22およびエネルギ移送回路20の動作は、制御装置10によって制御される。制御装置10は、内部にCPUおよびメモリを備えたコンピュータとして構成することができる。本実施例では、図示する機能を実現するためのコンピュータプログラムをインストールすることによって、ソフトウェア的に制御装置10を構成しているが、これらの機能の全部または一部をASICなどのハードウェアによって構成してもよい。 The operation of initial charging circuit 22 and energy transfer circuit 20 is controlled by controller 10 . The control device 10 can be configured as a computer having an internal CPU and memory. In this embodiment, the control device 10 is configured by software by installing a computer program for realizing the functions shown in the figure, but all or part of these functions are configured by hardware such as ASIC. You may

設定入力部11は、オペレータからの指示を入力する機能を奏する。本実施例では、例えば、初期充電において、超電導コイル51に流すべき電流値や、充電完了後に、超電導コイル51間でのエネルギの移送のシーケンスなどの設定を入力することになる。
初期充電制御部12は、超電導コイル51と電源24とを接続し、超電導コイル51に所定値の電流が流れたところで、電源24から切り離して、超電導コイル51の両端を接続する制御を行う。超電導コイル51は、電気抵抗がゼロという特徴を有しているため、初期充電によって所定値の電流が流れ続けることになる。
エネルギ移送制御部13は、初期充電が完了した後、所定のシーケンスに従って、それぞれの超電導コイル51に流れる電流を変化させる。こうすることにより、各超電導コイル51で発生する磁場を変動させることができる。
The setting input unit 11 has a function of inputting instructions from the operator. In this embodiment, for example, settings such as a current value to be supplied to the superconducting coils 51 in the initial charging and a sequence of energy transfer between the superconducting coils 51 after the completion of charging are input.
The initial charging control unit 12 connects the superconducting coil 51 and the power supply 24 , disconnects the superconducting coil 51 from the power supply 24 when a predetermined current flows through the superconducting coil 51 , and connects both ends of the superconducting coil 51 . Since the superconducting coil 51 has a characteristic of zero electrical resistance, a current of a predetermined value continues to flow due to initial charging.
After the initial charging is completed, the energy transfer control section 13 changes the current flowing through each superconducting coil 51 according to a predetermined sequence. By doing so, the magnetic field generated by each superconducting coil 51 can be varied.

本実施例では、4本の超電導コイル51に流れる電流を変化させることにより、それぞれの超電導コイル51で発生する磁場を変動させ、その結果、磁気作業物質52の発熱/吸熱を変化させ、冷却を実現する。以下、この磁場を変動させるためのシーケンスの例を説明する。
図2は、エネルギ移送のシーケンス(1)を示す説明図である。図2(a)は、初期充電が完了した時点における各超電導コイルの電流およびエネルギの状態を示している。図中の4つの超電導コイルA~Dに対して、左側のハッチングを付したグラフは電流を表し、右側のぬりつぶしたグラフはエネルギを表している。図2(a)の状態では、4本の超電導コイルA~Dに等しく、最大電流の約50%の電流が流れている状態を示している。超電導コイル51に貯蔵されるエネルギは、電流の2乗に比例するから、電流が50%である場合、エネルギは25%となる。
In this embodiment, by changing the current flowing through the four superconducting coils 51, the magnetic field generated by each superconducting coil 51 is changed, and as a result, the heat generation/heat absorption of the magnetic working material 52 is changed, and cooling is performed. come true. An example of a sequence for varying this magnetic field will be described below.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the energy transfer sequence (1). FIG. 2(a) shows the state of the current and energy of each superconducting coil when the initial charging is completed. For the four superconducting coils A to D in the figure, the hatched graph on the left represents current, and the filled graph on the right represents energy. The state of FIG. 2(a) is equivalent to the four superconducting coils A to D, and shows a state in which about 50% of the maximum current is flowing. Since the energy stored in the superconducting coil 51 is proportional to the square of the current, the energy is 25% when the current is 50%.

図2(b)は、エネルギ移送の一つのステップとして、超電導コイルAに全エネルギを移送させた状態を表している。即ち、超電導コイルAに100%の電流を流し、エネルギを100%移送するとともに、超電導コイルB~Dは、電流、エネルギともにゼロの状態である。図2(b)の状態においても、エネルギの総和は、図2(a)の状態と同一である。
同様に、図2(c)は超電導コイルBに全エネルギを移送させた状態、図2(d)は超電導コイルCに全エネルギを移送させた状態、図2(e)は超電導コイルDに全エネルギを移送させた状態を表している。図2(e)の後は、図2(b)以降が繰り返し実行される。
図2で示したシーケンスでは、図2(b)~図2(e)のように、4つの超電導コイルに一つずつ順番に100%の電流を流していく移送状態となる。
かかるシーケンスによれば、一つずつの超電導コイルにエネルギ100%の状態の磁場と、ゼロの状態とが発生するため、大きな磁場変動を生じさせることができ、この結果、磁気作業物質の温度変化を大きくすることができる利点がある。
FIG. 2(b) shows a state in which all energy is transferred to the superconducting coil A as one step of energy transfer. That is, 100% of the current is passed through the superconducting coil A and 100% of the energy is transferred, while the superconducting coils B to D are in a state of zero current and zero energy. Also in the state of FIG. 2(b), the total energy is the same as in the state of FIG. 2(a).
Similarly, FIG. 2(c) shows a state in which all energy is transferred to superconducting coil B, FIG. 2(d) shows a state in which all energy is transferred to superconducting coil C, and FIG. It represents a state in which energy is transferred. After FIG. 2(e), the steps after FIG. 2(b) are repeatedly executed.
In the sequence shown in FIG. 2, as shown in FIGS. 2(b) to 2(e), the four superconducting coils are in a transfer state in which a 100% current is supplied to each of the four superconducting coils in order.
According to such a sequence, a magnetic field with energy of 100% and a magnetic field of zero energy are generated in each superconducting coil, so that a large magnetic field fluctuation can be generated, resulting in a temperature change of the magnetic working material. has the advantage of being able to increase

図2のシーケンスにおいては、一つの超電導コイルに100%のエネルギを移送することを前提として、初期充電を行うことになる。従って、100%のエネルギを4本に均等に分けた状態、即ち1本あたり25%のエネルギ状態を実現するため、それぞれの超電導コイルに50%の電流を流した状態が初期充電となるのである。 In the sequence of FIG. 2, initial charging is performed on the assumption that 100% energy is transferred to one superconducting coil. Therefore, in order to realize a state in which 100% energy is evenly divided into four coils, that is, a state of 25% energy per coil, the initial charge is a state in which 50% of the current is passed through each superconducting coil. .

図3は、エネルギ移送のシーケンス(2)を示す説明図である。図3(a)は、初期充電を示した。この例では、超電導コイルA~Dに、それぞれ約70%の電流を流し、50%のエネルギが貯蔵されている。
図3(b)は、エネルギ移送の一つのステップとして、超電導コイルA、Cに対して100%の電流を流し、100%のエネルギを移送した状態である。図3(c)は、その後、超電導コイルB、Dに対して100%の電流を流し、100%のエネルギを移送する。このように、図3のシーケンスでは、2本のコイルを組にして、100%の電流、100%のエネルギを移送するのである。
図3のシーケンスでは、2本の超電導コイルに100%のエネルギを移送するため、合計で200%分のエネルギが必要となる。初期充電では、これを4本の超電導コイルに蓄えるため、1つの超電導コイルに50%のエネルギを貯蔵することとなり、約70%の電流を流すことになるのである。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the energy transfer sequence (2). FIG. 3(a) showed the initial charging. In this example, superconducting coils A to D each carry approximately 70% of the current and store 50% of the energy.
FIG. 3(b) shows a state in which 100% current is passed through the superconducting coils A and C and 100% energy is transferred as one step of energy transfer. In FIG. 3(c), 100% of the current is then applied to the superconducting coils B and D to transfer 100% of the energy. Thus, in the sequence of FIG. 3, two coils are paired to transfer 100% current and 100% energy.
In the sequence of FIG. 3, 200% of the energy is required in total to transfer 100% of the energy to the two superconducting coils. In the initial charge, since this is stored in four superconducting coils, 50% of the energy is stored in one superconducting coil, and about 70% of the current flows.

なお、図3(b)、図3(c)では、超電導コイルA、Bと超電導コイルC、Dのハッチングの傾きが異なっている。これは、電流の方向が逆向きであることを表している。即ち、図3(b)では、超電導コイルA、Cに逆向きの電流を流し、図3(c)では、超電導コイルB、Dに逆向きの電流を流すのである。このように逆向きの電流を流すことにより、超電導コイルに発生する磁場同士が打ち消し合って、外部への磁場の漏洩を抑制することが可能となる。 3(b) and 3(c), the superconducting coils A, B and C, D have different hatching gradients. This indicates that the direction of the current is reversed. That is, in FIG. 3(b), the superconducting coils A and C are supplied with opposite currents, and in FIG. 3(c), the superconducting coils B and D are supplied with opposite currents. By passing currents in opposite directions in this way, the magnetic fields generated in the superconducting coil cancel each other out, making it possible to suppress leakage of the magnetic field to the outside.

超電導コイルに流す電流により発生する磁場の解析結果について以下、説明する。
図4は、超電導コイルの配置を示す説明図である。図4(a)に平面図を示し、図4(b)に斜視図を示した。
本解析では、超電導コイルの内径d1を100mm、外径d2を200mmとし、高さhを100mm、x方向の間隔dx、y方向の間隔d2をそれぞれ50mmとし、コイル巻数を500、電流値を600Aとして解析を行った。
Analysis results of the magnetic field generated by the current flowing through the superconducting coil will be described below.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the arrangement of superconducting coils. A plan view is shown in FIG. 4(a), and a perspective view is shown in FIG. 4(b).
In this analysis, the inner diameter d1 of the superconducting coil is 100 mm, the outer diameter d2 is 200 mm, the height h is 100 mm, the spacing dx in the x direction and the spacing d2 in the y direction are each 50 mm, the number of coil turns is 500, and the current value is 600 A. was analyzed as

図5は、磁場解析の結果(1)を示す説明図である。最上段の図は、超電導コイルAにのみ通電をした状態を示している。超電導コイルA,Bと、超電導コイルC,Dの間の領域Sについて、磁場解析を行った結果を中段に示した。超電導コイルAの影響が領域Sに現れていることが判る。下段には、中段の左右方向の磁場の強さを表すグラフを示した。中段の図で若干色濃くなっている部分が、下段のグラフのx=0.1付近、即ち磁場の絶対値が最も大きくなっているところに対応する。 FIG. 5 is an explanatory diagram showing the result (1) of the magnetic field analysis. The uppermost figure shows a state in which only the superconducting coil A is energized. The results of the magnetic field analysis of the region S between the superconducting coils A and B and the superconducting coils C and D are shown in the middle row. It can be seen that the influence of the superconducting coil A appears in the region S. The lower part shows a graph showing the strength of the magnetic field in the horizontal direction in the middle part. A slightly darker portion in the middle diagram corresponds to the vicinity of x=0.1 in the lower graph, that is, the area where the absolute value of the magnetic field is the largest.

図6は、磁場解析の結果(2)を示す説明図である。最上段の図は、4本の超電導コイルへの通電状態を示している。超電導コイルA,Dと、超電導コイルB,Cで逆方向に50%の電流を通電している。
中段には、超電導コイル間の領域Sの磁場解析結果である。図5と比較で判る通り、超電導コイルで発生している磁場の影響が顕著に表れている様子はうかがわれない。下段には、領域Sの部分の磁場の強さを表すグラフを示した。図示する通り、磁場は激しく変動しているもののその範囲はプラスマイナス0.2T内であるから、磁場の強さは概ねゼロであると評価できる。このように、超電導コイルに電流を流す方向を逆にすることで、磁場が打ち消しあうため、外部への磁場の漏れを少なくすることができると考えられる。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the result (2) of the magnetic field analysis. The uppermost figure shows the state of energization to four superconducting coils. The superconducting coils A and D and the superconducting coils B and C pass 50% of the current in opposite directions.
The middle row shows the magnetic field analysis results of the region S between the superconducting coils. As can be seen from the comparison with FIG. 5, the effect of the magnetic field generated by the superconducting coil does not appear to be significant. A graph showing the strength of the magnetic field in the region S is shown in the lower part. As shown in the figure, although the magnetic field fluctuates violently, the range is within plus or minus 0.2 T, so it can be evaluated that the strength of the magnetic field is approximately zero. In this way, by reversing the direction in which the current flows through the superconducting coil, the magnetic fields cancel each other out, so it is thought that leakage of the magnetic field to the outside can be reduced.

図7は、磁場解析の結果(3)を示す説明図である。最上段は、通電の状態を表しており、全超電導コイルが同一の濃さで表されていることから、同一方向の電流を流した状態であることが判る。初期充電の状態がこれに相当する。中段には、超電導コイルの間の領域Sの磁場解析結果を示した。超電導コイルA、C間、および超電導コイルB,D間に色が濃い部分が現れており、磁場が大きく影響を受けていることが判る。下段に、磁場の強さを表すグラフを示した。中段の図と対応して、磁場の絶対値が大きい箇所が2カ所現れていることが判る。 FIG. 7 is an explanatory diagram showing the result (3) of the magnetic field analysis. The top row represents the state of energization, and since all the superconducting coils are represented with the same density, it can be seen that the current is flowing in the same direction. The initial charge state corresponds to this. The middle row shows the magnetic field analysis results of the region S between the superconducting coils. Dark colored portions appear between superconducting coils A and C and between superconducting coils B and D, indicating that the magnetic field is greatly affected. A graph showing the strength of the magnetic field is shown at the bottom. It can be seen that there are two places where the absolute value of the magnetic field is large, corresponding to the middle figure.

図8は、磁場解析の結果(4)を示す説明図である。最上段は、4本の超電導コイルへの通電状態を示しており、図6で示したのと同様、超電導コイルA,Dと、超電導コイルB,Cで逆方向に電流を通電している。ただし、図6よりも電流値は大きく、100%の電流を通電している。
中段には、超電導コイル間の領域Sの磁場解析結果である。図6と同様、超電導コイルで発生している磁場の影響が顕著に表れている様子はうかがわれない。下段には、領域Sの部分の磁場の強さを表すグラフを示した。図6と同様、磁場の強さは概ねゼロであると評価できる。このように、超電導コイルに電流を流す方向を逆にすることで、電流値が大きい場合であっても、磁場が打ち消しあうため、外部への磁場の漏れを少なくすることができると考えられる。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the result (4) of the magnetic field analysis. The top row shows the state of energization to the four superconducting coils. As shown in FIG. However, the current value is larger than that in FIG. 6, and 100% of the current is supplied.
The middle row shows the magnetic field analysis results of the region S between the superconducting coils. As in FIG. 6, it does not appear that the influence of the magnetic field generated by the superconducting coil is significant. A graph showing the strength of the magnetic field in the region S is shown in the lower part. Similar to FIG. 6, the strength of the magnetic field can be estimated to be approximately zero. In this way, by reversing the direction in which the current flows through the superconducting coil, the magnetic fields cancel each other out even when the current value is large, so it is thought that leakage of the magnetic field to the outside can be reduced.

以上の解析結果によれば、超電導コイルへの通電状態に応じて、コイル外部の磁場が大きく影響を受けることが判る。一般に、外部への磁場の漏れは少ない方が好ましいと考えられるため、かかる観点からは、図6、8で示したように、2本の超電導コイルに逆方向の電流を流すことが好ましいと言える。
ただし、超電導コイルへの通電は、他の要素も考慮して任意に決めればよい。このとき、解析結果で示したように、外部の磁場が影響を受けるため、かかる影響も考慮して超電導コイルへの通電を決定することが好ましい。
According to the above analysis results, it can be seen that the magnetic field outside the coil is greatly affected by the energization state of the superconducting coil. In general, it is considered preferable that the leakage of the magnetic field to the outside is small. From this point of view, it can be said that it is preferable to pass currents in opposite directions to the two superconducting coils as shown in FIGS. .
However, the energization of the superconducting coil may be arbitrarily determined in consideration of other factors. At this time, as shown by the analysis results, the external magnetic field is affected, so it is preferable to determine the energization of the superconducting coil in consideration of such influence.

以上で説明した実施例の静止型磁気冷凍システムによれば、超電導コイルに初期充電で貯蔵したエネルギを、移送することにより、超電導コイルの磁場を変動させることができる。外部からほとんどエネルギを供給する必要がないため、非常に省エネルギで変動磁場を生成できる利点がある。
また、これを利用した静止型磁気冷凍システムは、従来の磁気冷凍システムで必要となっていた駆動機構、即ち、磁気遮蔽体または磁気作業物質を往復動させる機構が不要であるため、これらを駆動するためのエネルギも不要となる。さらに、駆動機構が不要であるため、構造が簡素化できる利点もある。
According to the stationary magnetic refrigeration system of the embodiment described above, the magnetic field of the superconducting coil can be changed by transferring the energy stored in the superconducting coil by the initial charge. Since it is almost unnecessary to supply energy from the outside, it has the advantage of being able to generate a fluctuating magnetic field with very low energy consumption.
In addition, the static magnetic refrigeration system using this does not require the drive mechanism required in the conventional magnetic refrigeration system, that is, the mechanism for reciprocating the magnetic shield or the magnetic working material. No energy is required to do so. Furthermore, since no drive mechanism is required, there is also the advantage that the structure can be simplified.

以上で説明した種々の特徴は、必ずしも全てを備える必要はなく、適宜、その一部を省略したり組み合わせたりすることが可能である。
また、本発明は、上述の実施例に限らず、種々の変形例を構成することができる。実施例では、静止型磁気冷凍システムとしての例を示したが、本発明は、その他の用途に用いることもできる。かかる用途としては、例えば、核融合用コイルや電力安定化貯蔵システム用の冷却システムなど水素の凝縮を目的としない冷凍または冷却システムとしてもよい。また、変動磁場は、永久磁石の着磁などに適用してもよい。
All of the various features described above are not necessarily provided, and some of them can be omitted or combined as appropriate.
Moreover, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be configured. In the embodiments, an example as a stationary magnetic refrigeration system was shown, but the present invention can also be used for other applications. Such applications may include, for example, refrigeration or cooling systems not intended to condense hydrogen, such as fusion coils and cooling systems for power stabilization and storage systems. Also, the variable magnetic field may be applied to magnetization of permanent magnets.

本発明は、超電導コイルを用いた変動磁場の生成、およびこれを用いた静止型磁気冷凍に適用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to generation of a varying magnetic field using superconducting coils and static magnetic refrigeration using the same.

10 制御装置
11 設定入力部
12 初期充電制御部
13 エネルギ移送制御部
20 エネルギ移送回路
22 初期充電回路
24 電源
40 密閉容器
50 冷却装置
51 超電導コイル
52 磁気作業物質
53 熱スイッチ
54 熱伝送柱
55 排熱用冷却装置
56 水素貯槽
57 凝縮部
10 Control device 11 Setting input unit 12 Initial charging control unit 13 Energy transfer control unit 20 Energy transfer circuit 22 Initial charging circuit 24 Power source 40 Sealed container 50 Cooling device 51 Superconducting coil 52 Magnetic working material 53 Thermal switch 54 Heat transfer column 55 Exhaust heat cooling device 56 hydrogen storage tank 57 condenser

Claims (6)

磁気熱量効果を利用した静止型磁気冷凍システムであって、
複数の超電導コイルと、
前記超電導コイルと電源とを接続、切断する初期充電回路と、
前記電源と切り離された状態で、前記複数の超電導コイルのそれぞれに流れる電流を任意に変化させ得るエネルギ移送回路と、
前記初期充電回路およびエネルギ移送回路を制御する制御部と、
少なくとも一つの前記超電導コイルの内部に配置された、磁場の変動により発熱/吸熱を生じる磁気作業物質とを備え、
前記制御部は、
前記超電導コイルを電源に接続し、予め所定の電流が流れる初期充電が達成された後、前記電源と切断するよう初期充電回路を制御する初期充電制御部と、
前記初期充電が達成された後、予め設定されたシーケンスで、前記超電導コイルのそれぞれに流れる電流を変化させるよう前記エネルギ移送回路を制御するエネルギ移送制御部とを備える静止型磁気冷凍システム。
A stationary magnetic refrigeration system using the magnetocaloric effect,
a plurality of superconducting coils;
an initial charging circuit that connects and disconnects the superconducting coil and a power supply;
an energy transfer circuit capable of arbitrarily changing the current flowing through each of the plurality of superconducting coils while being disconnected from the power supply;
a controller for controlling the initial charging circuit and the energy transfer circuit;
a magnetic working material that generates heat/absorbs heat due to fluctuations in the magnetic field and is placed inside at least one of the superconducting coils;
The control unit
an initial charging control unit that connects the superconducting coil to a power source and controls an initial charging circuit to disconnect the power source after initial charging with a predetermined current is achieved;
an energy transfer controller for controlling said energy transfer circuit to vary the current through each of said superconducting coils in a preset sequence after said initial charge is achieved.
請求項1記載の静止型磁気冷凍システムであって、
前記複数の超電導コイルは、偶数本備えられている静止型磁気冷凍システム。
The stationary magnetic refrigeration system of claim 1, wherein
The stationary magnetic refrigeration system, wherein an even number of the plurality of superconducting coils are provided.
請求項1または2記載の静止型磁気冷凍システムであって、
前記複数の超電導コイルは、3本以上備えられており、
前記エネルギ移送制御部は、近接する超電導コイルに逆向きの電流を流す静止型磁気冷凍システム。
The stationary magnetic refrigeration system according to claim 1 or 2,
The plurality of superconducting coils are provided with three or more,
The energy transfer control unit is a static magnetic refrigeration system in which a current is applied in the opposite direction to the adjacent superconducting coil.
請求項1または2記載の静止型磁気冷凍システムであって、
前記エネルギ移送制御部は、前記複数の超電導コイルのうち所定数をグループとし、該グループ内の超電導コイルに1本ずつ順番に最大の電流を流す静止型磁気冷凍システム。
The stationary magnetic refrigeration system according to claim 1 or 2,
The energy transfer control unit groups a predetermined number of the plurality of superconducting coils and sequentially applies a maximum current to each superconducting coil in the group.
請求項1~4いずれか記載の静止型磁気冷凍システムであって、
前記初期充電における所定の電流は、前記複数の超電導コイルの一部にあたる所定の本数に100%の電流を流した基準状態における磁気エネルギを前記複数の超電導コイル全体で貯蔵するために必要となる電流値である静止型磁気冷凍システム。
The stationary magnetic refrigeration system according to any one of claims 1 to 4,
The predetermined current in the initial charging is the current required to store the magnetic energy in the entirety of the plurality of superconducting coils in a reference state in which 100% of the current flows through a predetermined number of the plurality of superconducting coils corresponding to a part of the plurality of superconducting coils. stationary magnetic refrigeration system that is value.
請求項1記載の静止型磁気冷凍システムであって、
前記磁気作業物質は、全ての前記複数の超電導コイルの内部に配置されている静止型磁気冷凍システム。
The stationary magnetic refrigeration system of claim 1, wherein
The stationary magnetic refrigeration system, wherein the magnetic working material is arranged inside all of the plurality of superconducting coils.
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