JPWO2012042632A1

JPWO2012042632A1 - 磁気冷凍システム

Info

Publication number: JPWO2012042632A1
Application number: JP2012536078A
Authority: JP
Inventors: 亮介八木; 斉藤　明子; 明子斉藤; 忠彦小林; 志織加治
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2014-02-03
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: JP5734991B2; WO2012042632A1

Abstract

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。この磁性材料は、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、磁場の印加および除去を行う磁場印加除去手段と、低温側熱交換部と、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の領域を挟む第２および第３の領域を有し、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。

Description

本発明の実施の形態は、磁気冷凍システムに関する。

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。

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（ＡｃｔｉｖｅＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅＲｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ）方式が提案されている。

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。

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。

特開２０１０−２５４３５号公報

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。

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。

第１の実施の形態の磁気冷凍システムの構成図である。第１の実施の形態の熱交換器の詳細図である。第１の実施の形態の冷凍サイクルのフローチャートである。第２の実施の形態の熱交換器の詳細図である。第３の実施の形態の熱交換器の詳細図である。第４の実施の形態の磁気冷凍システムの概念斜視図である。比較例１の熱交換器の図である。比較例２の熱交換器の図である。比較例３の熱交換器の図である。比較例４の熱交換器の図である。比較例１、比較例２、実施例１の結果を示す図である。比較例３、比較例４、実施例２の結果を示す図である。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

ここで、流線とは、ｙ方向の中心点をＹ_０，ｘとし、Ｙ_０，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Ｙ_ｒ，ｘ、Ｙ_{−ｒ，ｘ、}とした場合、Ｙ_０，ｘとＹ_ｒ，ｘとの距離が等距離となる軌跡を書いた線Ｌ１、および、Ｙ_０，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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Δδ_３０ａ、Δδ_３０ｂ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Δδ_３１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。

Δδ_３０ａ＜Δδ_３１式（１）
Δδ_３０ｂ＜Δδ_３１式（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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

（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。

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。

（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。

（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。

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。

（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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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

Claims

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、
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。
前記第２および第３の領域に磁気熱量効果材料が充填されることを特徴とする請求項１記載の磁気冷凍システム。
前記第１の領域に充填される磁気熱量効果材料が、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材料であることを特徴とする請求項２記載の磁気冷凍システム。
前記第２および第３の領域に充填される磁気熱量効果材料が、複数の粒子状材料であることを特徴とする請求項３記載の磁気冷凍システム。
前記第２および第３の領域に充填される磁気熱量効果材料が、前記第１の領域よりも板状材料間の間隔が狭い複数の板状材料であることを特徴とする請求項３記載の磁気冷凍システム。