JPS59215562A - 磁気冷凍機 - Google Patents
磁気冷凍機Info
- Publication number
- JPS59215562A JPS59215562A JP8741083A JP8741083A JPS59215562A JP S59215562 A JPS59215562 A JP S59215562A JP 8741083 A JP8741083 A JP 8741083A JP 8741083 A JP8741083 A JP 8741083A JP S59215562 A JPS59215562 A JP S59215562A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- magnetic
- magnetic field
- refrigerator
- isothermal
- cycle
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2321/00—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
- F25B2321/002—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects by using magneto-caloric effects
- F25B2321/0021—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects by using magneto-caloric effects with a static fixed magnet
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は、磁気冷凍機に係シ、特に、超電導コイルの冷
却等継続した冷却を行なうのに適した磁気冷凍に関する
ものである。
却等継続した冷却を行なうのに適した磁気冷凍に関する
ものである。
磁性体からなる作業物質に、周期的に変化する磁束を加
えて作業物質から熱を取り出す磁気冷凍機は、例えば、
Ｕ Ｓ Ｆ ４，３３２，１３５等で知られている。
えて作業物質から熱を取り出す磁気冷凍機は、例えば、
Ｕ Ｓ Ｆ ４，３３２，１３５等で知られている。
この磁気冷凍機で、カルノーサイクル等の等温過程を含
む冷凍サイクルを連続的に行なわせるためには、作業物
質に印加する磁束の密度を周期的に変化させてする必要
がある。磁石を移動させる等の機械的方法や、界磁コイ
ルに流す電流を変える等の電気的な方法がある。
む冷凍サイクルを連続的に行なわせるためには、作業物
質に印加する磁束の密度を周期的に変化させてする必要
がある。磁石を移動させる等の機械的方法や、界磁コイ
ルに流す電流を変える等の電気的な方法がある。
従来知られている方法は、各サイクルにおいて、作業物
質に印加する磁束変化の・くターンが第１図に示すよう
に三角波状となっていた。
質に印加する磁束変化の・くターンが第１図に示すよう
に三角波状となっていた。
第１図において、磁界Ｂの単位は、テスラーであり、添
付ａｌｂｌ Ｃ１ｄはサイクル過程におけるＡ、Ｂ、
Ｃ，Ｄに対応する。
付ａｌｂｌ Ｃ１ｄはサイクル過程におけるＡ、Ｂ、
Ｃ，Ｄに対応する。
Ｑｂ、Ｑ。は熱伝達量で、それぞれの−周期当量が影響
される。今 ｄＢ（ｔ）が一定であるとき、ｄｔ Ｑｈ、ｑ、も一定でおると仮定する。磁界の変化パター
ンＢ（ｔ）が三角形であるとき、最大磁界Ｂ１（＝Ｂｂ
）が決まると、Ｑｈ＋Ｑａの一周期当シの積分値は決ま
り、放熱量Ｑｈはｑ ｂ （ｔｂ ｔａ）ｆｚは決
まってしまい、特にＢ１ （ミＢｂ）が小さくなればな
るほど、これらの比は小さくなり、結局Ｑｈ 、Ｑ。が
小さくなり、効率が低下するという欠点があった。
される。今 ｄＢ（ｔ）が一定であるとき、ｄｔ Ｑｈ、ｑ、も一定でおると仮定する。磁界の変化パター
ンＢ（ｔ）が三角形であるとき、最大磁界Ｂ１（＝Ｂｂ
）が決まると、Ｑｈ＋Ｑａの一周期当シの積分値は決ま
り、放熱量Ｑｈはｑ ｂ （ｔｂ ｔａ）ｆｚは決
まってしまい、特にＢ１ （ミＢｂ）が小さくなればな
るほど、これらの比は小さくなり、結局Ｑｈ 、Ｑ。が
小さくなり、効率が低下するという欠点があった。
このように、従来のパターンでは、作業物質と熱交換す
る過程の時間が一定の範囲に制限されるために、冷凍機
の効率を向上させるのが困難であった。
る過程の時間が一定の範囲に制限されるために、冷凍機
の効率を向上させるのが困難であった。
本発明の目的は、等温過程を含む冷凍サイクル下で動作
する磁気冷凍機において、高冷凍能力を有する磁気冷凍
機を提供することにある。
する磁気冷凍機において、高冷凍能力を有する磁気冷凍
機を提供することにある。
本発明は、等温過程を倉む冷凍サイクル下で動作する冷
凍機の作業物質に印加する磁束のパターンを、等温過程
での変化が小さく、その他の過程での変化を大きくシ、
もって等温過程にある時間を実質的に増加させ、磁気冷
凍機の冷凍能力を向上させるものである。
凍機の作業物質に印加する磁束のパターンを、等温過程
での変化が小さく、その他の過程での変化を大きくシ、
もって等温過程にある時間を実質的に増加させ、磁気冷
凍機の冷凍能力を向上させるものである。
第２図により、本発明が適用される磁気冷凍機の１例に
ついて、その基本構造を説明する。１は、作業物質の磁
性体である。２は、作業物質の磁性体１に周期的な磁界
を印加するだめのマグネットである。２０は、磁界制御
装置である。これらのマグネットによって、作業物質の
磁性体に印加する磁界を周期的に変化させる方法として
は、マグネットをソレノイドコイルで形成したとき、（
１）磁性体を静止した状態で、コイルに流す電流を変化
させる方法、（２）磁性体を静止状態とし、一定の亀流
全コイルに流し、定磁場を発生しである磁場分布を形成
した状態で、コイルを動かす方法、（３）上と反対に、
コイルを静止し、磁性体を動かす方法、（４）上記（１
）〜（３）の組合せになる方法等がある。磁性体１には
、２つの熱スイッチ３，４゛が接続されている。そして
、熱スイッチ３，４の一端のそれぞれには熱を外部へ放
出するための冷却ヘッド５（高温側）と実際に冷却され
る被冷却物体６（低温側）が接続されている。次に、そ
の動作について簡単に述べる。ここでは、第３図に示す
ように逆カルノー・サイクルで動作するものとする。そ
して、動作温度領域として低温側の温度Ｔｃを１．８に
、高温側の温度Ｔ１を４，２にと仮定する。
ついて、その基本構造を説明する。１は、作業物質の磁
性体である。２は、作業物質の磁性体１に周期的な磁界
を印加するだめのマグネットである。２０は、磁界制御
装置である。これらのマグネットによって、作業物質の
磁性体に印加する磁界を周期的に変化させる方法として
は、マグネットをソレノイドコイルで形成したとき、（
１）磁性体を静止した状態で、コイルに流す電流を変化
させる方法、（２）磁性体を静止状態とし、一定の亀流
全コイルに流し、定磁場を発生しである磁場分布を形成
した状態で、コイルを動かす方法、（３）上と反対に、
コイルを静止し、磁性体を動かす方法、（４）上記（１
）〜（３）の組合せになる方法等がある。磁性体１には
、２つの熱スイッチ３，４゛が接続されている。そして
、熱スイッチ３，４の一端のそれぞれには熱を外部へ放
出するための冷却ヘッド５（高温側）と実際に冷却され
る被冷却物体６（低温側）が接続されている。次に、そ
の動作について簡単に述べる。ここでは、第３図に示す
ように逆カルノー・サイクルで動作するものとする。そ
して、動作温度領域として低温側の温度Ｔｃを１．８に
、高温側の温度Ｔ１を４，２にと仮定する。
このとき、この温度領域で好適な磁性体の１つであるＧ
ｄ５ＧａｓＯｔ２１ ｇ ”’当りのエントロピー・
温度線図（第３図）をもとに考察してみる。ここで、Ｒ
はガス定数（８，３１４Ｊ ｍｏｔ−１に−” ）であ
る。第３図は、磁性体１に印加する最大磁界Ｂ。
ｄ５ＧａｓＯｔ２１ ｇ ”’当りのエントロピー・
温度線図（第３図）をもとに考察してみる。ここで、Ｒ
はガス定数（８，３１４Ｊ ｍｏｔ−１に−” ）であ
る。第３図は、磁性体１に印加する最大磁界Ｂ。
（＝Ｂｂ ）を４．０テスラとした場合について、理想
的な逆カルノー・サイクル（Ａ−＋Ｂ−Ｃ−Ｄ）を描い
ている。このとき、サイクルの各ＡＡ、Ｂ。
的な逆カルノー・サイクル（Ａ−＋Ｂ−Ｃ−Ｄ）を描い
ている。このとき、サイクルの各ＡＡ、Ｂ。
Ｃ，Ｄに対応する磁界Ｂ−，Ｂｂ、Ｂ−，Ｂａはそれぞ
れ約１．４，４．０，２．３．０テスラとなる。
れ約１．４，４．０，２．３．０テスラとなる。
このサイクル過程について、第２図の各要素の動作状態
を考慮しながら説明する。Ａ−Ｂは、等温的に磁性体ｌ
を磁化する過程で、このとき熱スイッチ３，４はそれぞ
れ閉、開となり、磁化するとき発生する熱は熱スィッチ
３を介して、冷却ヘッド５へと放出される。Ｂ−Ｃは、
断続的に減磁する過程で、このとき熱スイッチ３，４は
ともに開とされる。Ｃ−＋Ｄは、等温的に減磁する過程
で、このとき熱スイッチ３，４は開、閉とされ、熱スィ
ッチ４を介して、被冷却物体６に負荷される熱は磁性体
１の方へ吸熱される。Ｄ−＋Ａは、断熱的に磁化され、
このとき熱スイッチ３，４はともに開とされる。以上の
説明では、理想的なサイクル過程が進行した場合であっ
た。しかしながら、実際にはこのようなことは起り得な
い。特に、Ａ→Ｂ、Ｃ−Ｄの過程は、有限な熱輸送係数
のために準等温過程（第３図で破線で示す）とり、この
ときのエントロピー変化をΔＳと、そして高温側。
を考慮しながら説明する。Ａ−Ｂは、等温的に磁性体ｌ
を磁化する過程で、このとき熱スイッチ３，４はそれぞ
れ閉、開となり、磁化するとき発生する熱は熱スィッチ
３を介して、冷却ヘッド５へと放出される。Ｂ−Ｃは、
断続的に減磁する過程で、このとき熱スイッチ３，４は
ともに開とされる。Ｃ−＋Ｄは、等温的に減磁する過程
で、このとき熱スイッチ３，４は開、閉とされ、熱スィ
ッチ４を介して、被冷却物体６に負荷される熱は磁性体
１の方へ吸熱される。Ｄ−＋Ａは、断熱的に磁化され、
このとき熱スイッチ３，４はともに開とされる。以上の
説明では、理想的なサイクル過程が進行した場合であっ
た。しかしながら、実際にはこのようなことは起り得な
い。特に、Ａ→Ｂ、Ｃ−Ｄの過程は、有限な熱輸送係数
のために準等温過程（第３図で破線で示す）とり、この
ときのエントロピー変化をΔＳと、そして高温側。
低温側における理想的な場合に対する効率をφｈ。
φ、とすると、高温側における磁性体から外部へ放出さ
れる熱量は、サイクル周波数をｆ（Ｈ２）とすると、磁
性体１モル当りＱ＝＝φｂＴｈΔＳ＃Ｊ。
れる熱量は、サイクル周波数をｆ（Ｈ２）とすると、磁
性体１モル当りＱ＝＝φｂＴｈΔＳ＃Ｊ。
また同様に低温側における外部から吸収する熱量はＱ６
−φ。ＴｅΔ５ｆ（Ｗ） となる。
−φ。ＴｅΔ５ｆ（Ｗ） となる。
本発明は、サイクルの各過程における磁界Ｂの変化パタ
ーンＢ（ｔ）を第４図のように制御するものである。す
なわち、磁性体に印加する磁界Ｂを、断熱磁化過程（Ｄ
→Ａ）において、その変化速度を大きくシ、この過程に
かかる時間を出来る限り、短縮し、磁化過程（Ｄ−Ｂ）
における時間（１゜−ｔｄ）の中、等温磁化過程（Ａ→
Ｂ）にががる時間（ｔｂ−１，）を実質的に増加させる
。また、減磁過程（Ｂ−Ｄ）中において、断熱減磁過程
（Ｂ−Ｃ）で、磁界Ｂの変化速度を太きくシ、この過程
にかかる時間（ｔ。−ｔｂ）を実質的に短縮し、その結
果、等温減磁過程の時間（ｔ。−１６′）を相対的に増
加させる。各サイクル点Ａ、Ｂ、Ｃ。
ーンＢ（ｔ）を第４図のように制御するものである。す
なわち、磁性体に印加する磁界Ｂを、断熱磁化過程（Ｄ
→Ａ）において、その変化速度を大きくシ、この過程に
かかる時間を出来る限り、短縮し、磁化過程（Ｄ−Ｂ）
における時間（１゜−ｔｄ）の中、等温磁化過程（Ａ→
Ｂ）にががる時間（ｔｂ−１，）を実質的に増加させる
。また、減磁過程（Ｂ−Ｄ）中において、断熱減磁過程
（Ｂ−Ｃ）で、磁界Ｂの変化速度を太きくシ、この過程
にかかる時間（ｔ。−ｔｂ）を実質的に短縮し、その結
果、等温減磁過程の時間（ｔ。−１６′）を相対的に増
加させる。各サイクル点Ａ、Ｂ、Ｃ。
Ｄに対応する磁界Ｂは、低温側、高温側の動作点温度に
よって変化することは、前記第３図のエントロピー・温
度線図から明瞭である。本実施例によれば、サイクル過
程において、２つの等温過程、すなわち熱交換過程の時
間を実質的に増加できるので、磁性体の単位体積（例え
ば、Ｇｄ３ＧａＧｄ３Ｇａ５０１２ｔ７Ｊ）体積は４７
．６ ｃｍ３）の冷凍能力を大きく増加できるという効
果がある。
よって変化することは、前記第３図のエントロピー・温
度線図から明瞭である。本実施例によれば、サイクル過
程において、２つの等温過程、すなわち熱交換過程の時
間を実質的に増加できるので、磁性体の単位体積（例え
ば、Ｇｄ３ＧａＧｄ３Ｇａ５０１２ｔ７Ｊ）体積は４７
．６ ｃｍ３）の冷凍能力を大きく増加できるという効
果がある。
しかしながら、（ｔ、−ｔｄ）そして、（１ｅ−１ｂ）
の時間を短縮することは、この変化過程における磁界の
変化速度を大きくすることに相当する。こノヨうに、磁
界の変化速度を犬、きくすることば、技術的に可能であ
る。しかし、残念ながら、磁界の変化速度を大きくする
と、これに起因して、熱損失が大きくなる。
の時間を短縮することは、この変化過程における磁界の
変化速度を大きくすることに相当する。こノヨうに、磁
界の変化速度を犬、きくすることば、技術的に可能であ
る。しかし、残念ながら、磁界の変化速度を大きくする
と、これに起因して、熱損失が大きくなる。
例えば、マグネットによって、作業物質に印加する磁界
を同期的に変化させる方法として、前記した方法につい
て考えると、コイル電流を変化させる方法はコイルに交
流あるいはパルス電流を流すことになｐ、ＡＣ損失を生
じ、これが熱損失となる。また、コイルや磁性体を移動
させる方法は摩擦損失などがそのまま熱損失となる。こ
れらの損失は、磁界の変化を大きくすればするほど太き
くなる。周期Ｔ（ミＴａ ’ ｔａ ）、 ｔ”：（
ｔｄ’ ｔ、 ）＝（ｔｂ−ｔ、）として、を本／Ｔ
に対する放熱量Ｑｈ、 吸熱ｉＱ。、損失ＱＬ％パーセ
ントカルノーηの変化を第５図に示す。冷凍機の効率を
表わす指数パーセントカルノーηは次のように定義され
る。
を同期的に変化させる方法として、前記した方法につい
て考えると、コイル電流を変化させる方法はコイルに交
流あるいはパルス電流を流すことになｐ、ＡＣ損失を生
じ、これが熱損失となる。また、コイルや磁性体を移動
させる方法は摩擦損失などがそのまま熱損失となる。こ
れらの損失は、磁界の変化を大きくすればするほど太き
くなる。周期Ｔ（ミＴａ ’ ｔａ ）、 ｔ”：（
ｔｄ’ ｔ、 ）＝（ｔｂ−ｔ、）として、を本／Ｔ
に対する放熱量Ｑｈ、 吸熱ｉＱ。、損失ＱＬ％パーセ
ントカルノーηの変化を第５図に示す。冷凍機の効率を
表わす指数パーセントカルノーηは次のように定義され
る。
η＝ε／ε。
である。また、εは冷凍機の性能を表わす指数で、ε＝
Ｑ ｅ ／ Ｗａ ｃ ｆ ｕ ａＩＱｏは冷凍能力
、Ｗａ Ｃｆ ｕ ａ Ｉは、実入力仕事で、ｗａｃｆ
ｕａｌ ＝Ｑｎ Ｑ、＋Ｑしてある。
Ｑ ｅ ／ Ｗａ ｃ ｆ ｕ ａＩＱｏは冷凍能力
、Ｗａ Ｃｆ ｕ ａ Ｉは、実入力仕事で、ｗａｃｆ
ｕａｌ ＝Ｑｎ Ｑ、＋Ｑしてある。
第５図か叶」るように、ηにけｔ”］’−ｂＱ、８で極
大点を有することが判る。従って、冷凍機は、０．６（
ｔ”Ｔ＜０．９の範囲で動作するようにするのがよい。
大点を有することが判る。従って、冷凍機は、０．６（
ｔ”Ｔ＜０．９の範囲で動作するようにするのがよい。
すなわち、磁化過程Ｄ−＋Ａの時間を、Ｄ−＋Ｂの時間
の１０％以上４０％以下になるように磁界制御装置を制
御すればよい。同様に、磁化過程Ｂ→Ｃの時間ｆｆｉ、
Ｂ−Ｄの時間の１０％以上４０％以下になるように制御
すればよい。これらの制御は、Ｄ−＋Ａ−＋Ｂ−＋Ｃ−
＋Ｄの全過程に対して行ってもよく、半分の過程につい
てだけ行ってもよい。
の１０％以上４０％以下になるように磁界制御装置を制
御すればよい。同様に、磁化過程Ｂ→Ｃの時間ｆｆｉ、
Ｂ−Ｄの時間の１０％以上４０％以下になるように制御
すればよい。これらの制御は、Ｄ−＋Ａ−＋Ｂ−＋Ｃ−
＋Ｄの全過程に対して行ってもよく、半分の過程につい
てだけ行ってもよい。
本発明は、等温過程を含む他のサイクル、例えば、エリ
クソンサイクルやスターリングサイクルもしくはこれら
を変形したサイクルにも適用できる。
クソンサイクルやスターリングサイクルもしくはこれら
を変形したサイクルにも適用できる。
本発明によれば、１周期当りの熱損失を余り大きくせず
、冷凍能力を増大できるので、高効化できるという効果
がある。
、冷凍能力を増大できるので、高効化できるという効果
がある。
第１図は、従来の磁気冷凍機の制御パターン及び動作特
性を示す図、第２図は、本発明が適用される磁気冷凍機
を示す原理図、第３図は、磁性体（例として、Ｇｄ５Ｇ
ａｓＯｔｚ ）のエントロピー・温度線図、第４図は、
本発明の動作状態における磁界Ｂ、放熱量Ｑｈ、吸熱量
ｑ６の変化を示す図、第５図は磁気冷凍機の制御特性と
効率の関係を示す図である。 １・・・磁性体、２・・・マグネット、３・・・熱スィ
ッチ、４・・・熱スィッチ、訃・・冷却ヘッド、６・・
・被冷却物体。 第 ２ 図 第 、３ 図 丁ｅｍｐｅｒａ、ｔｕｒｅ、 Ｋ 采 ４ 図
性を示す図、第２図は、本発明が適用される磁気冷凍機
を示す原理図、第３図は、磁性体（例として、Ｇｄ５Ｇ
ａｓＯｔｚ ）のエントロピー・温度線図、第４図は、
本発明の動作状態における磁界Ｂ、放熱量Ｑｈ、吸熱量
ｑ６の変化を示す図、第５図は磁気冷凍機の制御特性と
効率の関係を示す図である。 １・・・磁性体、２・・・マグネット、３・・・熱スィ
ッチ、４・・・熱スィッチ、訃・・冷却ヘッド、６・・
・被冷却物体。 第 ２ 図 第 、３ 図 丁ｅｍｐｅｒａ、ｔｕｒｅ、 Ｋ 采 ４ 図
Claims (1)
- 磁気冷凍用作業物質とこの作業物質に印加する磁束密度
を周期的に変化させることができる磁界制御装置及び前
記作業物質に接続される熱交換装置よりなり、等温過程
を含む冷凍サイクルで動作する磁気冷凍機において、作
業物質のエントロピー・温度線図上に低温および高温側
の動作温度を設定した理想的な冷凍ザイクル図を描いた
とき、等温過程における磁束密度の変化を小さく、その
他の過程における磁束密度の変化を太きクシ、もって等
温程度に要する時間を１サイクル全体に要する時間の６
０〜９０％となるように磁界制御装置を制御することを
特徴とする磁気冷凍機。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8741083A JPS59215562A (ja) | 1983-05-20 | 1983-05-20 | 磁気冷凍機 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8741083A JPS59215562A (ja) | 1983-05-20 | 1983-05-20 | 磁気冷凍機 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59215562A true JPS59215562A (ja) | 1984-12-05 |
Family
ID=13914103
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8741083A Pending JPS59215562A (ja) | 1983-05-20 | 1983-05-20 | 磁気冷凍機 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS59215562A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9546803B2 (en) | 2011-04-26 | 2017-01-17 | Denso Corporation | Reciprocating magnetic heat pump apparatus with multiple permanent magnets in different configurations |
-
1983
- 1983-05-20 JP JP8741083A patent/JPS59215562A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9546803B2 (en) | 2011-04-26 | 2017-01-17 | Denso Corporation | Reciprocating magnetic heat pump apparatus with multiple permanent magnets in different configurations |
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