WO2022158282A1 - エネルギー変換素子およびこれを用いた温度調節装置 - Google Patents

エネルギー変換素子およびこれを用いた温度調節装置 Download PDF

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WO2022158282A1
WO2022158282A1 PCT/JP2022/000002 JP2022000002W WO2022158282A1 WO 2022158282 A1 WO2022158282 A1 WO 2022158282A1 JP 2022000002 W JP2022000002 W JP 2022000002W WO 2022158282 A1 WO2022158282 A1 WO 2022158282A1
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magnetic
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magnetic field
magnetic working
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健二 香取
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健二 香取
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    • 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
    • F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]

Definitions

  • the present disclosure relates to an energy conversion element structure and constituent materials that convert kinetic energy into temperature difference energy, and a temperature control device using the same.
  • a vapor compression refrigerator which produces a low temperature when compressing a gaseous refrigerant and evaporating it, is known and widely used in refrigerators, air conditioners, and the like.
  • an absorption chiller is also known that uses a low pressure generated when another refrigerant is absorbed into a liquid having a high absorptive power.
  • a Peltier device that directly generates temperature difference energy from electrical energy has been developed and put into practical use. Research and development have also been made on a magnetic refrigerator using a magnetic working material that generates heat when a magnetic field is applied and absorbs heat when the magnetic field is removed.
  • the magnetic refrigeration method that has been researched and developed so far is a method of obtaining a refrigerating temperature range and refrigerating capacity by propagating the magnetocaloric effect of a magnetic material through a heat exchange fluid and driving a predetermined refrigerating cycle. This is generally called AMR (Active Magnetic Regenerator) refrigeration, and is recognized as an effective technique for magnetic refrigeration around room temperature (see Japanese Patent No. 5060602).
  • AMR Active Magnetic Regenerator
  • Japanese Patent No. 6960492 the present inventor has proposed an element that converts kinetic energy into temperature difference energy using a rotating magnetic working material.
  • Patent 5060602 Patent 6960492
  • All of the above cooling methods are methods of converting electrical energy, kinetic energy, or the like into temperature difference energy to generate a low-temperature portion and a high-temperature portion.
  • a Peltier element can be used to convert electric energy into temperature difference energy simply, but a complex structure is required to convert kinetic energy into temperature difference energy.
  • an AMR device that moves the refrigerant in synchronism with the application of a magnetic field was required.
  • a complex mechanism that accompanies noise and vibration such as refrigerant adjustment synchronized with the application of a magnetic field, is required.
  • Patent No. 6960492 is a method of converting kinetic energy into temperature difference energy. By inputting kinetic energy into the element, temperature difference energy is directly output without accompanying noise and vibration. It is an object of the present invention to further develop this technique.
  • the first disclosure is to place a liquid or An energy conversion element that is filled with a liquid in which fine particles are dispersed or a magnetic fluid, and conducts the amount of heat generated by the application of a magnetic field by a permanent magnet to the magnetic field application section, thereby outputting heat on the high temperature side through the magnetic field application section,
  • the same magnetic field is applied during operation of magnetic working substances having two temperature ranges connected in series so that the temperature of the low temperature state of one magnetic working substance is thermally connected to the high temperature state of the other magnetic working substance during operation.
  • It is the structure of the energy conversion element characterized by having arranged in the inside.
  • a second disclosure is that a liquid or a liquid in which fine particles are dispersed is placed between a magnetic working material that rotates or reciprocates and a magnetic field application unit that includes a permanent magnet for applying a magnetic field to the magnetic working material.
  • An energy conversion element that is filled with a magnetic fluid and conducts the heat generated by applying a magnetic field by a permanent magnet to the magnetic field applying part, and outputs the heat on the high temperature side through the magnetic field applying part.
  • arranging magnetic working substances having a plurality of different temperature regions connected in series such that the temperature of the low temperature state of one magnetic working substance is thermally connected to the high temperature state of the other magnetic working substance during operation. It is the structure of the energy conversion element characterized by
  • a third disclosure is that, in the energy conversion element of the second disclosure, a ferromagnetic material is used as a material that constitutes the rotating cylinder, and is part of a magnetic circuit by a magnet that is applied to heat the magnetic working material.
  • a ferromagnetic material is used as a material that constitutes the rotating cylinder, and is part of a magnetic circuit by a magnet that is applied to heat the magnetic working material.
  • a fourth disclosure is to place a liquid or a liquid in which fine particles are dispersed between a magnetic working material that rotates or reciprocates and a magnetic field application unit that includes a permanent magnet for applying a magnetic field to the magnetic working material.
  • An energy conversion element that is filled with a magnetic fluid and conducts the heat generated by the application of a magnetic field by a permanent magnet to the magnetic field application section, thereby outputting the heat on the high temperature side through the magnetic field application section, and the surface is made of a heat insulating material. It has a plurality of different temperature regions connected in series on both sides of a disk, cylindrical or conical base so that the temperature of one magnetic working substance in the low temperature state is thermally connected to the temperature of the other magnetic working substance in the high temperature state. It is a structure of an energy conversion element characterized by arranging a magnetic working material.
  • a fifth disclosure is a series connection of a plurality of energy conversion elements disclosed in the first to fourth disclosures by thermally connecting a low-temperature portion and a separate high-temperature portion directly or by means of a heat-conductive material, and laminating and bonding the elements.
  • the structure of the energy conversion element assembly is characterized by increasing the temperature range of heating and cooling and making it possible to output in a plurality of temperature ranges by installing heat exchangers also in the portions.
  • a sixth disclosure is a configuration of a temperature control device characterized by simultaneously performing temperature control in a plurality of temperature ranges by using a plurality of temperature range outputs of the energy conversion element assembly in a cooling section or a heating section.
  • the operating temperature can be increased more simply in a method that simply converts kinetic energy into temperature difference energy without noise and vibration and without complicated opening and closing of valves. Further, a heating or cooling device capable of providing a plurality of temperature ranges can be obtained more simply by using the energy conversion element. Note that the effects described herein are not necessarily limited, and may be any effect described in the present disclosure or an effect different from them.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of an energy conversion element according to an example embodiment of the present disclosure, in which a low thermal conductivity material is placed in the middle and a magnetic working material is placed on both sides in the same applied magnetic field. A cold portion of one magnetic working material is thermally connected to a hot portion of the other magnetic working material via a heat transfer ring.
  • FIG. 3 is a top view showing the configuration of the conversion element with the heat collecting plate removed; A temperature difference output terminal is thermally connected to the heat transfer ring. A ring having a plurality of different temperature regions connected in series such that the temperature of the low temperature state of one magnetic working substance is thermally connected to the high temperature state of the other magnetic working substance within the second identical disc of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of an energy conversion element characterized by disposing a magnetic working material in the form of a magnetic material; A cold portion of one magnetic working material is thermally connected to a hot portion of the other magnetic working material via a heat transfer ring.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of an energy conversion element characterized by disposing a magnetic working material in the form of a magnetic material; A cold portion of one magnetic working material is thermally connected to a hot portion of the other magnetic working material via a magnetic yoke.
  • FIG. 1 is a top view showing the structure of an energy conversion element characterized by disposing a magnetic working material in a shape;
  • FIG. A cold portion of one magnetic working material is thermally connected to a hot portion of the other magnetic working material via a magnetic yoke.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of an energy conversion element characterized by arranging ring-shaped magnetic working materials having different temperature ranges; A plurality of serially connected magnetic working substances on both sides of the disk composed of the fourth heat insulating material of the present disclosure so that the temperature of the low temperature state of one magnetic working substance is thermally connected to the high temperature state of the other magnetic working substance
  • FIG. 2 is a top view of an energy conversion element characterized by arranging ring-shaped magnetic working materials having different temperature ranges; Both sides of the disc composed of the fourth and fifth heat insulating materials of the present disclosure are connected in series so that the temperature of the low temperature state of one magnetic working material is thermally connected to the high temperature state of the other magnetic working material.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a laminated element in which an element in which ring-shaped magnetic working materials having a plurality of different temperature regions are arranged is further laminated, and a heat exchanger is installed also at the laminated junction portion of the element.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of an energy conversion element using a rotating disk-shaped magnetic working material;
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of an energy conversion element according to an example embodiment of the present disclosure, in which a low thermal conductivity material is placed in the middle and a magnetic working material is placed on both sides in the same applied magnetic field. A cold portion of one magnetic working material is thermally connected to a hot portion of the other magnetic working material via a heat transfer ring.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of an energy conversion element characterized by disposing a magnetic working material in the form of a magnetic material; A cold portion of one magnetic working material is thermally connected to a hot portion of the other magnetic working material via a magnetic yoke.
  • the left side of the dashed line is the cross section when the low temperature output is installed in the top and bottom stages, and the right side of the dashed line is the cross section when the high temperature output is installed in the top and bottom stages.
  • An upper surface of an energy conversion element characterized by using a ferromagnetic material for the material constituting the third rotating cylinder of the present disclosure and forming a part of a magnetic circuit by a magnet applied to heat a magnetic working material.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a permanent magnet portion; An energy conversion element characterized by using a ferromagnetic material for the material constituting the third and fifth rotating cylinders of the present disclosure and forming a part of the magnetic circuit by the magnet applied to heat the magnetic working material.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a laminated assembly
  • Magnetic Working Substance In the conventional AMR device, which has been researched and developed as a magnetic refrigeration technology, a particulate magnetic working substance is used to cause the refrigerant to reciprocate in this gap.
  • a magnetic working material with a shape or a conical shape is used.
  • a high-temperature output terminal having a strong magnetic field that heats the magnetic working material and a low-temperature output terminal that has a weak magnetic field that does not apply a magnetic field or does not heat the magnetic working material are provided by sandwiching the rotating magnetic working material between the rotating shafts.
  • Gd gadolinium
  • Mn manganesese
  • La lanthanum
  • a magnetic field is applied by installing a magnetic field applying unit that is attached to the rotary shaft and includes a permanent magnet necessary to heat the magnetic working material in a manner that sandwiches the rotating magnetic working material.
  • a liquid or a liquid in which fine particles are dispersed is introduced between the magnetic working material and the magnetic field applying section.
  • a magnetic fluid can be used as the liquid or the liquid in which fine particles are dispersed. Even if the magnetic working material rotates, the magnetic fluid is attracted to the magnetic field and stays in the magnetic field applying portion.
  • the magnetization directions of the magnetic working material are aligned by applying a magnetic field, the magnetic working material generates heat. This heat is transferred to the magnetic field application section through the liquid or the liquid in which fine particles are dispersed, and the magnetic field application section itself becomes a high-temperature output terminal, and high-temperature heat can be extracted from the magnetic field application section (Fig. 9).
  • Low temperature output terminal A magnetic working material coming out of a strong magnetic field is cooled because the direction of magnetization becomes random.
  • a low-temperature output terminal is installed to transfer the heat of the low-temperature state to the outside.
  • the cold output terminal does not apply a magnetic field or has a weak magnetic field between the gaps sandwiching the magnetic working material that does not heat the magnetic working material.
  • the magnetic working material and the low-temperature output terminal are heat-conducted by a liquid or a liquid in which fine particles are dispersed (Fig. 9).
  • Permanent magnets are installed on the rotating shaft so as to create a weak magnetic field of about 0.03 T in the form of sandwiching a rotating disc-shaped magnetic working material. A ferrofluid is introduced between the magnetic working material and the weak magnet.
  • the magnetic fluid is attracted to the magnetic field and stays in the magnet part.
  • the magnetite magnetic powder used for magnetic fluid is strongly attracted to the magnet even if it is about 0.03 T, and stays on the magnet part even if the magnetic working material rotates.
  • the magnetization directions of the magnetic working material are not sufficiently aligned, and the magnetic working material does not generate sufficient heat and is kept in a low temperature state. This low temperature is conducted through the ferrofluid to the magnet, and the magnet portion itself becomes the cold output terminal, through which other substances can be cooled.
  • the magnetic fluids filled in the high-temperature output terminal and the low-temperature output terminal, respectively, are attracted by their respective magnets and can maintain their high and low temperature states, respectively, without intermingling with each other (Fig. 9).
  • a low thermal conductivity material may be placed between the high temperature output terminal and the low temperature output terminal to more positively prevent the magnetic fluids from intersecting each other.
  • rotation of the magnetic working material has been shown so far, it may be a reciprocating motion between a high temperature output terminal and a low temperature output terminal.
  • Multi-pair thermal output terminal Multiple pairs of temperature difference output terminals can be installed on the same magnetic working material (Figs. 2, 5, 7, 13). By installing multiple pairs of temperature difference output terminals on the same magnetic working material, the magnetic working material will repeat high magnetic field and low magnetic field with less rotation speed, and the temperature difference generated per rotation of the magnetic working material will be Heat will increase.
  • the low temperature output terminal and the high temperature output terminal may be fan-shaped, arc-shaped, or cylindrical, respectively, following the shape of the magnetic working material.
  • Magnetic Working Materials in Two Temperature Regions in Same Magnetic Field In order to expand the temperature difference, the elements are laminated. In order to obtain a wide temperature difference, it is necessary to increase the number of stacked layers. However, since a magnetic field applying device is required for each magnetic working material, the number of magnetic field applying devices required increases when the temperature difference is increased.
  • a disk having a structure in which magnetic working materials are arranged on both sides with a low thermal conductivity material in the middle is placed in the same magnetic field, and a magnetic field is applied to this disc. By placing a low thermal conductivity material between the terminals, independent temperatures of the magnetic working material can be placed in the same magnetic field.
  • a heat transfer ring is installed on the outer periphery to serially connect the temperature differences generated by each magnetic working material.
  • the low-temperature part of one magnetic working material and the high-temperature part of the other magnetic working material become the same temperature through the heat transfer ring, so that the temperature difference obtained for a set of applied magnetic fields is approximately double. can do.
  • the operating temperature was increased by arranging the magnetic working material on both sides of the disk-shaped heat insulating material.
  • Fig. 3 A disk-shaped magnetic working material is divided into rings sandwiching a heat insulating material.
  • the magnetic yoke is also provided with heat insulating material to enable independent temperature operation within the same disk surface.
  • the operating temperature can be extended within the same disk plane.
  • the relative speed of the magnetic working material ring on the inner circumference side is lower than that on the outer circumference side, but by adjusting the ring width, the amount of heat generated can be made uniform.
  • a disk shape is shown, but a conical shape or a cylindrical shape may be used instead of the disk shape.
  • the technique of using a heat transfer ring in thermally joining different magnetic working materials was described.
  • the same magnetic yoke is provided with a place where the applying magnet is installed and a place where it is not installed.
  • the magnetic working material generates heat at the location where the applied magnet is installed and becomes a high-temperature output terminal, but the magnetic working material does not generate heat at the location where the impressed magnet is not installed, so it becomes a low-temperature output terminal.
  • the low temperature state of one magnetic working substance and the high temperature state of the other magnetic working substance can be achieved. can be thermally connected.
  • the cold output of the inner magnetic working material is thermally connected to the high temperature output of the intermediate magnetic working material through the magnetic yoke, and the cold output of the intermediate magnetic working material is connected to the high temperature output of the outer magnetic working material and the magnetic yoke. is thermally connected through In this way, it is possible to expand the temperature difference in three steps within the same disk.
  • the hot output terminal is placed in close proximity to the cold output terminal, so if the magnetic fluid is placed for thermal connection, the magnetic fluid may be attracted to a stronger magnetic field, so the cold output terminal , thermal connection can be made not by magnetic fluid but by liquid or liquid in which fine particles are dispersed.
  • a disk-shaped example was shown. Since an attractive force acts between the magnetic working material and the magnet for applying a magnetic field, it is necessary to ensure the strength of the disk.
  • an example of a cylindrical type that can secure more mechanical strength is shown.
  • a ring-shaped magnetic working material is placed around a cylindrical heat insulating material, and a magnetic field is applied from this circumference by a permanent magnet to generate heat in the magnetic working material (Figs. 12 and 13).
  • the outer circumference of the cylinder and the portion in contact with the magnetic working material are used as heat insulating material in order to retain the heat generated by the magnetic working material.
  • this yoke can be installed inside a rotating cylinder.
  • a ferromagnetic material preferably a ferrous material
  • the rotating cylinder becomes part of the magnetic circuit at the same time, thereby reducing the magnetic resistance.
  • a high-temperature output terminal and a low-temperature output terminal including a magnetic field applying device are alternately arranged around the cylinder.
  • the polarity of the magnetic field is not set to the same NS direction between the high temperature output terminals, but the polarity of the magnetic field is changed between the adjacent high temperature output terminals via the low temperature output terminal, so that the An efficient magnetic circuit can be constructed including the magnetic yoke installed in the
  • ⁇ 4 Fourth Embodiment> By combining 1 and 2 above, it is possible to further increase the operating temperature.
  • the operating temperature By arranging multiple ring-shaped magnetic working substances on both sides of a disk made of heat insulating material and thermally connecting these magnetic working substances in series, the operating temperature can be further expanded (Fig. 6). From these methods, the optimum method can be selected according to the required characteristics such as temperature difference, heat quantity, weight, volume, etc. of the required cooling device.
  • the magnetic working material used in each element need not be the same.
  • the temperature difference can be increased. An attractive force is generated between the magnetic working material and the applied magnet.
  • the disk In order to increase the strength of the disk, the disk may be made of metal and the surface thereof may be a heat insulating material.
  • a conical shape or a cylindrical shape may be used instead of the disk shape.
  • the temperature difference can be increased by connecting the energy conversion elements in series. By connecting the low temperature output terminal and the high temperature output terminal of the separate element with good thermal conductivity, the low temperature output terminal and the high temperature output terminal are at the same temperature. As a result, the temperature difference further increases between the output terminals on the unconnected side (Figs. 8 and 14). Although an example of two-stage connection is shown here, the number of laminations can be similarly increased as necessary to obtain a desired temperature difference. At this time, the magnetic working material used for each stacked element need not be the same. By arranging magnetic working materials with different optimum operating temperatures according to the operating temperature of each element, the temperature difference can be increased.
  • Multiple temperature range output When stacking elements, heat exchangers can also be installed at the joints (Figs. 8 and 14). This allows multiple temperatures to be output. By adjusting the amount of heat medium introduced into the heat exchanger in each temperature range, the output heat quantity in each temperature range can be adjusted independently.
  • the elements are connected in series with a difference in temperature. Further, if these elements are connected in series to increase the operating temperature difference, they can be used for applications such as air conditioners and refrigerators. Rotational kinetic energy can be directly converted into temperature difference energy, and conversion energy loss is small. Furthermore, as described in 5 above, heat output in a plurality of temperature ranges is easily possible from the joints of the laminated elements, so multiple heat output temperature control devices such as cooling and heating, freezing and refrigerating can be easily realized. . Because of its low noise, it can also be used for refrigerators and freezers in hotel rooms.
  • Example 1 A stainless steel shaft with a diameter of 5 mm and a length of 50 mm was prepared. A magnetic working material Gd (gadolinium) with a thickness of 0.8 mm was adhered to a 20-mm upper and lower peripheral portion of a disk-shaped polycarbonate with a thickness of 1.5 mm and a diameter of 40 mm. The center of this disc was fixed to the stainless steel shaft. The rotation of the shaft also rotates the magnetic working material. In order to apply a magnetic field to the magnetic working material, permanent magnets with yokes were installed so as to sandwich the disk-shaped magnetic working material. NdFeB magnets were used as permanent magnets, and the gap was set to 5.5 mm.
  • Gd gadolinium
  • the magnetic flux between gaps was set to 0.9T.
  • a heat insulator was installed in the middle of the yoke to keep the temperature independent of the top and bottom of the yoke.
  • a magnetic fluid consisting of magnetite magnetic powder was filled between the magnetic working material and the permanent magnet to form a high-temperature output terminal (Fig. 1).
  • a permanent magnet with a yoke was installed so as to sandwich the disk-shaped magnetic working material.
  • Sr-Ferrite magnets were used as permanent magnets, and the gap was set to 5.5 mm.
  • the magnetic flux between gaps was set to 0.03T.
  • a heat insulator was installed in the middle of the yoke to keep the temperature independent of the top and bottom of the yoke.
  • a magnetic fluid consisting of magnetite magnetic powder was filled between the magnetic working material and the permanent magnet to form a low-temperature output terminal (Fig. 1).
  • a heat transfer ring was installed on the outer circumference in order to connect the temperature difference between the upper and lower magnetic working materials in series. A low-temperature portion of one magnetic working material and a high-temperature portion of the other magnetic working material are thermally connected via a heat transfer ring and have similar temperatures.
  • the room temperature and initial element temperature were set to 23.0°C, the shaft was rotated at 5 rpm, and after 5 minutes, the temperatures of the high temperature output terminal and the low temperature output terminal at both ends of the energy conversion element were measured.
  • the temperatures of the high temperature output terminal and the low temperature output terminal at both ends were 24.8°C and 21.2°C, respectively.
  • a pair of applied magnetic fields produces a temperature difference equivalent to two steps.
  • Comparative example 1 A stainless steel shaft with a diameter of 5 mm and a length of 50 mm was prepared.
  • the disk-shaped magnetic working material also rotates due to the rotation of the shaft.
  • Gd (gadolinium) has a thermal conductivity of about 10.6 W/mK (300 K), whereas polycarbonate has a significantly lower thermal conductivity of about 0.19 W/mK (300 K). The heat conduction of the part not passing through the magnetic field decreased (Fig. 9).
  • a permanent magnet with a yoke was installed to sandwich the disk-shaped magnetic working material.
  • NdFeB magnets were used as permanent magnets, and the gap was set to 4.0 mm.
  • the magnetic flux between gaps was set to 0.9T.
  • a magnetic fluid consisting of magnetite magnetic powder is filled between the magnetic working material and the permanent magnet to form a high-temperature output terminal.
  • a permanent magnet with a yoke was installed so as to sandwich the disk-shaped magnetic working material.
  • Sr-Ferrite magnets were used as permanent magnets, and the gap was set to 4.0 mm.
  • the magnetic flux between gaps was set to 0.03T.
  • a magnetic fluid consisting of magnetite magnetic powder was filled between the magnetic working material and the permanent magnet to form a low-temperature output terminal (Fig. 9).
  • the room temperature and element constituent materials were all initially set to 23.0°C.
  • the disk-shaped magnetic working material fixed to the shaft was rotated by the rotation of the shaft.
  • the rotation speed was 5 rpm. It was confirmed that the magnetic fluid is fixed by the high temperature output terminal and the low temperature output terminal and does not move even when the magnetic working material rotates.
  • the temperature was measured 3 minutes after the start of rotation of the shaft, it was observed to be 24.0°C at the high temperature output terminal and 22.0°C at the low temperature output terminal.
  • Example 2 A stainless steel shaft with a diameter of 5 mm and a length of 50 mm was prepared. A ring-shaped magnetic working material Gd (gadolinium) with a thickness of 1.5 mm and a ring-shaped heat insulating material with a thickness of 1.0 mm were combined to form a disk (Fig. 6). Each magnetic working material operates in an independent temperature range. The center of this disc was fixed to the stainless steel shaft. The rotation of the shaft also rotates the magnetic working material. In order to apply a magnetic field to the magnetic working material, a plurality of permanent magnets with yokes were installed so as to sandwich the disk-shaped magnetic working material.
  • Gd gallium
  • a ring-shaped heat insulating material with a thickness of 1.0 mm
  • NdFeB magnets were used as permanent magnets, and the gap was set to 4.0 mm. The magnetic flux between gaps was set to 0.9T. Insulation was placed within the yoke to maintain multiple independent temperatures within the yoke. A magnetic fluid consisting of magnetite magnetic powder was filled between the magnetic working material and the permanent magnet to form a high-temperature output terminal (Fig. 3). Three high-temperature output terminals were installed at equal intervals on the same disc.
  • a permanent magnet with a yoke was installed so as to sandwich the disc.
  • a plurality of Sr-Ferrite magnets were used as permanent magnets, and the gap was set to 4.0 mm.
  • the magnetic flux between gaps was set to 0.03T.
  • Insulation was installed in the middle of the yoke to maintain an independent temperature within the yoke.
  • a magnetic fluid consisting of magnetite magnetic powder was filled between the magnetic working material and the permanent magnet to form a low-temperature output terminal (Fig. 3).
  • Fig. 3 As with the high temperature output terminals, three low temperature output terminals were installed on the same disk to form multiple input/output terminals.
  • Heat transfer rings were placed above and below the disk to connect the temperature differences between the magnetic working materials in the disk in series. A low-temperature portion of one magnetic working material and a high-temperature portion of the other magnetic working material are thermally connected via a heat transfer ring and have similar temperatures. One connection ring thermally connects three high temperature output terminals and three low temperature output terminals.
  • the room temperature and initial element temperature were set to 23.0°C, the shaft was rotated at 5 rpm, and after 5 minutes, the temperatures of the high temperature output terminal and the low temperature output terminal at both ends of the energy conversion element were measured.
  • the temperatures of the high temperature output terminal and the low temperature output terminal at both ends were 25.7°C and 20.3°C, respectively.
  • a temperature difference close to equivalent to three steps can be obtained with one element.
  • Example 3 A magnetic working substance and a heat insulating material composite disk similar to those in Example 2 were prepared and fixed to a shaft similar to that in Example 2.
  • a plurality of permanent magnets with yokes were installed so as to sandwich the ring-shaped magnetic working material.
  • a high-temperature output terminal and a low-temperature output terminal were alternately arranged between the magnetic yoke and the magnetic working material with and without NeFeB permanent magnets.
  • a heat insulating resin was introduced into the gap. Liquid heat conduction is assumed between the low-temperature output terminal and the ring-shaped magnetic working material.
  • a magnetic fluid was introduced between the high-temperature output terminal and the ring-shaped magnetic working material to serve as a heat conductor. Even if the magnetic working material rotates, the magnetic fluid stays in the NeFeB system permanent magnet and is not diffused.
  • a heat insulating material placed within the magnetic yoke provides a thermal series connection through the magnetic yoke such that the cold state temperature of one magnetic working material is thermally connected to the hot state temperature of the other magnetic working material.
  • Three low-temperature output terminals and high-temperature output terminals were installed on the same disk to form multiple input/output terminals (Figs. 4 and 5).
  • the room temperature and initial element temperature were set to 23.0° C., the shaft was rotated at 5 rpm, and the temperatures of the high temperature output terminal and the low temperature output terminal at both ends of the energy conversion element were measured after 5 minutes.
  • the temperatures of the high temperature output terminal and the low temperature output terminal at both ends were 25.5°C and 20.5°C, respectively.
  • Example 4 A stainless steel shaft with a diameter of 5 mm and a length of 50 mm was prepared. A cylindrical polycarbonate with a height of 8 mm and a diameter of 20 mm is placed around the axis, and a ring-shaped iron-based magnetic yoke material is placed around it. did. This cylinder was fixed to a stainless steel shaft as a three-tiered stack via polycarbonate discs. As the shaft rotates, so does the cylinder (Figs. 12, 13).
  • a plurality of permanent magnets with yokes were installed so as to sandwich the ring-shaped magnetic working material.
  • a NeFeB system permanent magnet was installed between the magnetic yoke and the magnetic working material as a high temperature output terminal. Places with permanent magnets and places without permanent magnets were alternately arranged to form a high-temperature output terminal and a low-temperature output terminal, respectively.
  • a heat insulating resin was introduced into the gap.
  • a ferrofluid was introduced between the high temperature output terminal and the magnetic working material.
  • the magnetic fluid stays between the high-temperature output terminal and the magnetic working material due to the force of the magnetic field even when the cylinder containing the magnetic working material rotates, and conducts the heat generated by the application of the magnetic field to the high-temperature output terminal. Liquid heat conduction is assumed between the low-temperature output terminal and the ring-shaped magnetic working material.
  • An iron-based magnetic yoke is introduced inside the cylinder.
  • a magnetic circuit is formed with high-temperature output terminals having different magnetic polarities through the cylinder and the magnetic yoke material installed on the outer circumference.
  • the permanent magnet for applying a magnetic field of 0.9 T is a NeFeB-based permanent magnet that weighs 20% less when the iron-based magnetic yoke is introduced inside the cylinder. It turned out that the introduction amount was sufficient.
  • the temperature of the low temperature state of one magnetic working material is thermally connected to the high temperature state of the other magnetic working material. series connection.
  • the middle high-temperature output terminal in FIG. 21 is thermally connected to the lower low-temperature output terminal through a heat transfer material, and the middle low-temperature output terminal is thermally connected to the upper high-temperature output terminal. In this way, it is possible to thermally connect in series on the same cylinder.
  • the room temperature and initial element temperature were set to 23.0° C., the shaft was rotated at 5 rpm, and the temperatures of the high temperature output terminal and the low temperature output terminal at both ends of the energy conversion element were measured after 5 minutes.
  • the temperatures of the high temperature output terminal and the low temperature output terminal at both ends were 25.5°C and 20.5°C, respectively.
  • Example 5 A stainless steel shaft with a diameter of 5 mm and a length of 50 mm was prepared. A 1.5 mm-thick disc-shaped polycarbonate, and 0.8 mm-thick ring-shaped magnetic working material Gd (gadolinium) were independently adhered to the upper and lower parts, 3 rings each for a total of 6 rings. The center of this disc was fixed to the stainless steel shaft. The rotation of the shaft also rotates the magnetic working material. In order to apply a magnetic field to the magnetic working material, permanent magnets with yokes were installed so as to sandwich the disk-shaped magnetic working material. NdFeB magnets were used as permanent magnets, and the gap was set to 5.5 mm.
  • Gd gadolinium
  • the magnetic flux between gaps was set to 0.9T.
  • a heat insulating material was installed inside the yoke.
  • a magnetic fluid consisting of magnetite magnetic powder was filled between the magnetic working material and the permanent magnet to form a high-temperature output terminal (Figs. 6 and 7).
  • Three high-temperature output terminals were installed at equal intervals on the same disc.
  • a permanent magnet with a yoke was installed so as to sandwich the disc.
  • a plurality of Sr-Ferrite magnets were used as permanent magnets, and the gap was set to 5.5 mm.
  • the magnetic flux between gaps was set to 0.03T.
  • a heat insulating material was installed inside the yoke.
  • a magnetic fluid consisting of magnetite magnetic powder was filled between the magnetic working material and the permanent magnet to form a low-temperature output terminal (Figs. 6 and 7).
  • three low temperature output terminals were installed on the same disk to form multiple input/output terminals.
  • Heat transfer rings were placed above and below the disk to connect the temperature differences between the magnetic working materials in the disk in series.
  • a low-temperature portion of one magnetic working material and a high-temperature portion of the other magnetic working material are thermally connected via a heat transfer ring and have similar temperatures.
  • One connection ring thermally connects three high-temperature output terminals on the top and bottom and three low-temperature output terminals on the top and bottom.
  • a heat transfer ring was installed around the perimeter in order to connect the temperature differences between the upper and lower magnetic working materials in series.
  • a low-temperature portion of one magnetic working material and a high-temperature portion of the other magnetic working material are thermally connected via a heat transfer ring and have similar temperatures.
  • the room temperature and initial element temperature were set to 23.0° C., the shaft was rotated at 5 rpm, and the temperatures of the high temperature output terminal and the low temperature output terminal at both ends of the energy conversion element were measured after 5 minutes.
  • the temperatures of the high temperature output terminal and the low temperature output terminal at both ends were 27.8°C and 18.2°C, respectively.
  • a temperature difference close to 6 steps can be obtained with one element.
  • Example 6 In the energy conversion elements shown so far, the temperature difference generated can be expanded by connecting the high temperature part of one element and the low temperature part of the other element thermally and connecting them in series. By installing heat exchangers in the low-temperature part and the high-temperature part of this laminated element, it is possible to easily output heat at an intermediate temperature (Figs. 8 and 14).
  • the heat-insulating disk double-sided composite element shown in Example 5 was laminated to expand the temperature difference region. At this time, heat exchangers were installed not only at the low temperature output part and the high temperature output part, but also at the joints. This results in multiple heat outputs (Fig. 8).
  • Gd Gdolin
  • other magnetic working materials can be adopted depending on the required temperature range, and the composition of the magnetic working material in the stack and in the element can be changed and a magnetic working material suitable for that temperature can be used.
  • Example 7 A temperature control device having multiple temperature outputs is obtained using the multi-heat exchanger stacked element. Using the energy conversion element assembly shown in FIG. 8, the heat exchanger connected to the high temperature output terminal was set to 23° C. with cooling water. The shaft was rotated at 5 rpm, and the temperature of the low-temperature output terminal of the energy conversion element laminate assembly was measured after 10 minutes. Here the heat output from the intermediate heat exchanger was 13.6°C and the heat output from the heat exchanger connected to the cold output terminal was 4.4°C. A device capable of cooling at multiple temperatures was obtained with only one laminated element. Although an example of a cooling device is shown here, a heating device capable of outputting a plurality of temperatures or a device capable of heating at the same time as cooling can be constructed.
  • the high temperature output terminal can be connected to a radiator for heat dissipation through a heat exchanger or the like, and the low temperature output terminal can be connected to a required cooling system through a heat exchanger or the like.
  • a heating system can be constructed in the same way. Since it is possible to output at multiple temperatures, it is possible to construct a cooling and heating device, or a cooling or heating device based on multiple temperature ranges. For this reason, it can be applied with high performance to various heating or cooling systems such as refrigerators and air conditioners that directly generate high and low temperatures from various transportation equipment such as automobiles that generate kinetic energy, and natural energy conversion devices such as water turbines and windmills.

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Abstract

【課題】騒音、振動が発生しない単純な構造を有する、運動エネルギーから温度差エネルギーへのエネルギー変換素子を提供する。生成温度差幅を拡大。エネルギー変換積層素子を用いて複数温度管理温度調節装置を構築する。 【解決手段】回転する円盤状、リング状の磁気作業物質と、これに磁場を印加する部分とを磁性流体を用いて熱的に接合し、磁場により発熱した熱量を永久磁石部分に誘導する。さらに冷間状態部分も流体により低温出力端子に熱的に接続する。これにより円盤状、リング状磁気作業物質の回転により高温部分と低温部分を取り出すことができる。素子内部で磁気作業物質を熱的に直列接続することにより高温と低温の温度差を拡大。エネルギー変換素子積層部分にも熱交換器を設置することで複数温度領域での熱出力可能。低騒音低振動で複数温度域温度調節装置を構築できる。

Description

エネルギー変換素子およびこれを用いた温度調節装置
本開示は、運動エネルギーから温度差エネルギーへ変換するエネルギー変換素子構造及び構成材料及びこれを用いた温度調節装置に関する。
　室温よりも低い低温を生み出す手法として、気体の冷媒を圧縮しこれを蒸発させる際に低温を生じさせる蒸気圧縮冷凍機が知られており冷蔵庫、エアコン等に広く普及している。また冷媒を気化させる手法として、吸収力の高い液体に別の冷媒を吸収させる際に生じる低圧を用いる吸収式冷凍機も知られている。
　さらに、電気エネルギーから直接的に温度差エネルギーを生じさせるペルチェ素子も開発され実用化されている。
　また、磁場を印加すると発熱し、磁場を除去すると吸熱する磁気作業物質を用いた磁気冷凍機が研究開発されている。これまで研究開発されてきた磁気冷凍方式とは、磁性体の磁気熱量効果を熱交換流体によって伝搬し、所定の冷凍サイクルを駆動することによって冷凍温度幅や冷凍能力を得る方法である。これは一般的にAMR(Active Magnetic Regenerator)冷凍法と呼ばれ、室温付近での磁気冷凍において有効な手法であると認識されている（特許5060602参照）。
本発明者は特許6960492において、回転する磁気作業物質を用いて運動エネルギーから温度差エネルギーへ変換する素子を提案している。
特許5060602 特許6960492
フロンレスを実現する磁気冷凍技術ー東芝、東芝レビュー62巻9号(2007年9月),https://www.toshiba.co.jp/tech/review/2007/09/62_09pdf/rd01.pdf
前記冷却手法はいずれも電気エネルギー、運動エネルギー等を温度差のエネルギーに変換し低温部分と高温部分を生じさせる手法である。電気エネルギーから温度差エネルギーへの変換に関してはペルチェ素子によりシンプルに変換可能であるが、運動エネルギーから温度差のエネルギーに関しては複雑な構造が必要とされる。すなわち騒音振動を伴うガスの圧縮、気化、あるいは磁気冷凍においては磁場の印加と同期して冷媒の移動を行うAMR装置が必要となっていた。AMR装置においては磁場の印加に同期した冷媒調整等騒音振動を伴う複雑な機構が必要とされる。
本発明者が開発した手法（特許6960492）は運動エネルギーから温度差エネルギーへ変換する手法において、磁気冷凍AMR等のような弁の開閉を含む複雑な動作を伴うことなく直接にエネルギー変換を行い、素子に運動エネルギーを入力することで騒音振動を伴うことなく直接的に温度差エネルギーを出力させる。この手法をより発展させることが本発明の目的である。
上述目的を達成するために、第１の開示は、回転あるいは往復運動をする磁気作業物質と、前記磁気作業物質に磁場を印加するための永久磁石を含む磁場印加部との間に液体をまたは微粒子が分散された液体をまたは磁性流体を充填し、永久磁石による磁場印加により発熱した熱量を磁場印加部に熱伝導することで高温側の熱の出力を磁場印加部を通して行うエネルギー変換素子において、運転中一方の磁気作業物質の低温状態の温度がもう一方の磁気作業物質の高温状態と熱的に接続されるように直列接続した2種の温度領域を有する磁気作業物質を運転中同一印加磁場中に配したことを特徴とするエネルギー変換素子の構造である。
第2の開示は、回転あるいは往復運動をする磁気作業物質と、前記磁気作業物質に磁場を印加するための永久磁石を含む磁場印加部との間に液体をまたは微粒子が分散された液体をまたは磁性流体を充填し、永久磁石による磁場印加により発熱した熱量を磁場印加部に熱伝導することで高温側の熱の出力を磁場印加部を通して行うエネルギー変換素子において、同一円盤内あるいは円筒内あるいは円錐内に運転中一方の磁気作業物質の低温状態の温度がもう一方の磁気作業物質の高温状態と熱的に接続されるように直列接続した複数の異なる温度領域を有する磁気作業物質を配したことを特徴とするエネルギー変換素子の構造である。
第3の開示は、第2の開示のエネルギー変換素子において、回転する円筒を構成する材料に強磁性体を用いて、磁気作業物質を発熱させるために印加する磁石による磁気回路の一部とすることを特徴とするエネルギー変換素子の構造である。
第4の開示は、回転あるいは往復運動をする磁気作業物質と、前記磁気作業物質に磁場を印加するための永久磁石を含む磁場印加部との間に液体をまたは微粒子が分散された液体をまたは磁性流体を充填し、永久磁石による磁場印加により発熱した熱量を磁場印加部に熱伝導することで高温側の熱の出力を磁場印加部を通して行うエネルギー変換素子において、表面が断熱材により構成された円盤あるいは円筒あるいは円錐状の基盤の両面に一方の磁気作業物質の低温状態の温度がもう一方の磁気作業物質の高温状態と熱的に接続されるように直列接続した複数の異なる温度領域を有する磁気作業物質を配したことを特徴とするエネルギー変換素子の構造である。
第5の開示は、第1-4の開示の複数のエネルギー変換素子をそれぞれ、低温部分と別個体の高温部分を直接あるいは伝熱性材料により熱的に接続し直列接続とし、かつ素子の積層接合部分にも熱交換器を設置することで、加熱、冷却の温度幅を増加させかつ複数の温度域の出力が可能であることを特徴とするエネルギー変換素子集合体の構造である。
第6の開示は前記エネルギー変換素子集合体の複数の温度域出力を冷却部あるいは加熱部に用いて、複数の温度域の温度調節を同時に行うことを特徴とする温度調節装置の構成である。
　本開示によれば、騒音振動を伴うことなく複雑な弁の開閉無しに単純に運動エネルギーを温度差エネルギーへ変換する手法において、さらに簡便に動作温度を拡大できる。また前記エネルギー変換素子を用いてより簡便に複数の温度域を提供可能な加熱あるいは冷却装置を得ることができる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果またはそれらとは異質な効果であってもよい。
本開示の第1の同一印加磁場中に低熱伝導率材料を中間として磁気作業物質を両面に配した構造とする例の実施形態に係るエネルギー変換素子の構成を示す断面図である。一方の磁気作業物質の低温部がもう一方の磁気作業物質の高温部と伝熱リングを介して熱的に接続される。 本開示の第1の同一印加磁場中に低熱伝導率材料を中間として磁気作業物質を両面に配し、かつ温度差出力端子を同一磁気作業物質上に複数対設置した例の実施形態に係るエネルギー変換素子の構成を示す集熱版をはずした上面図である。温度差出力端子は伝熱リングに熱的に接続される。 本開示の第2の同一円盤内に一方の磁気作業物質の低温状態の温度がもう一方の磁気作業物質の高温状態と熱的に接続されるように直列接続した複数の異なる温度領域を有するリング状磁気作業物質を配したことを特徴とするエネルギー変換素子の構造を示す断面図である。一方の磁気作業物質の低温部がもう一方の磁気作業物質の高温部と伝熱リングを介して熱的に接続される。 本開示の第2の同一円盤内に一方の磁気作業物質の低温状態の温度がもう一方の磁気作業物質の高温状態と熱的に接続されるように直列接続した複数の異なる温度領域を有するリング状磁気作業物質を配したことを特徴とするエネルギー変換素子の構造を示す断面図である。一方の磁気作業物質の低温部がもう一方の磁気作業物質の高温部と磁気ヨークを介して熱的に接続される。 本開示の第2の同一円盤内に一方の磁気作業物質の低温状態の温度がもう一方の磁気作業物質の高温状態と熱的に接続されるように直列接続した複数の異なる温度領域を有するリング状磁気作業物質を配したことを特徴とするエネルギー変換素子の構造を示す上面図である。一方の磁気作業物質の低温部がもう一方の磁気作業物質の高温部と磁気ヨークを介して熱的に接続される。 本開示の第4の断熱材により構成された円盤の両面に一方の磁気作業物質の低温状態の温度がもう一方の磁気作業物質の高温状態と熱的に接続されるように直列接続した複数の異なる温度領域を有するリング状磁気作業物質を配したことを特徴とするエネルギー変換素子の断面図である。 本開示の第4の断熱材により構成された円盤の両面に一方の磁気作業物質の低温状態の温度がもう一方の磁気作業物質の高温状態と熱的に接続されるように直列接続した複数の異なる温度領域を有するリング状磁気作業物質を配したことを特徴とするエネルギー変換素子の上面図である 本開示の第4,5の断熱材により構成された円盤の両面に一方の磁気作業物質の低温状態の温度がもう一方の磁気作業物質の高温状態と熱的に接続されるように直列接続した複数の異なる温度領域を有するリング状磁気作業物質を配した素子をさらに積層化して、かつ素子の積層接合部分にも熱交換器を設置した積層素子の断面図である。 回転する円盤状磁気作業物質を用いた場合のエネルギー変換素子の構成を示す断面図である。 本開示の第1の同一印加磁場中に低熱伝導率材料を中間として磁気作業物質を両面に配した構造とする例の実施形態に係るエネルギー変換素子の構成を示す断面図である。一方の磁気作業物質の低温部がもう一方の磁気作業物質の高温部と伝熱リングを介して熱的に接続される。 本開示の第2の同一円盤内に一方の磁気作業物質の低温状態の温度がもう一方の磁気作業物質の高温状態と熱的に接続されるように直列接続した複数の異なる温度領域を有するリング状磁気作業物質を配したことを特徴とするエネルギー変換素子の構造を示す断面図である。一方の磁気作業物質の低温部がもう一方の磁気作業物質の高温部と磁気ヨークを介して熱的に接続される。 本開示の第3の回転する円筒を構成する材料に強磁性体を用いて、磁気作業物質を発熱させるために印加する磁石による磁気回路の一部とすることを特徴とするエネルギー変換素子の断面図である。破線より左は最上段及び最下段に低温出力を、破線より右は最上段及び最下段に高温出力を設置した場合のそれぞれ断面である。 本開示の第3の回転する円筒を構成する材料に強磁性体を用いて、磁気作業物質を発熱させるために印加する磁石による磁気回路の一部とすることを特徴とするエネルギー変換素子の上面永久磁石部分の断面図である。 本開示の第3,5の回転する円筒を構成する材料に強磁性体を用いて、磁気作業物質を発熱させるために印加する磁石による磁気回路の一部とすることを特徴とするエネルギー変換素子積層集合体の断面図である。破線より左は最上段及び最下段に低温出力を、破線より右は最上段及び最下段に高温出力を設置した場合のそれぞれ断面である。
　本開示の実施形態について以下の順序で説明する。
1　第1の実施形態
2　第2の実施形態
3　第3の実施形態
4　第4の実施形態
5　第5の実施形態
6　第6の実施形態
＜１　第１の実施形態＞
「磁気作業物質」
　従来磁気冷凍技術として研究開発されているAMR装置においては、粒子状の磁気作業物質を用いてこの間隙に冷媒を往復させているが、本開示においては回転する軸に取り付けられた円盤状あるいは円筒状あるいは円錐状の磁気作業物質を用いる。回転軸により回転する磁気作業物質を挟み込むようにして、磁気作業物質を発熱させる強力な磁場を有する高温出力端子と、磁場を印加しないかあるいは磁気作業物質を発熱させない弱い磁場を有する低温出力端子を設置する。
　磁気作業物質にはGd（ガドリニウム）系合金、Mn(マンガン)系合金、La(ランタン)系合金、ホウ素化合物等を用いることができる。
「高温出力端子」
　回転軸に取り付けられ、回転する磁気作業物質を挟み込む形で磁気作業物質を発熱させるのに必要な永久磁石を含む磁場印加部を設置して磁場を印加する。磁気作業物質と磁場印加部との間に液体または微粒子が分散された液体を導入する。前記液体または微粒子が分散された液体には磁性流体を使用することができる。磁気作業物質が回転しても磁性流体は磁場に引き寄せられ磁場印加部に留まる。ここで磁場印加により磁気作業物質の磁化方向が揃うため磁気作業物質が発熱する。この発熱は液体または微粒子が分散された液体を通して磁場印加部へ熱伝導され、磁場印加部自体が高温出力端子となり、磁場印加部から高温熱量を取り出すことができる(図9)。
「低温出力端子」
　強力な磁場から出た磁気作業物質は磁化の方向がランダムになることから冷却される。この際の低温状態を外部に熱伝達するため、低温出力端子を設置する。低温出力端子は磁場を印加しないか、あるいは磁気作業物質を発熱させない弱い磁場を磁気作業物質を挟むギャップ間に有する。磁気作業物質と低温出力端子は液体または微粒子が分散された液体により熱伝導される(図9)。回転軸に取り付けられ、回転する円盤状の磁気作業物質を挟み込む形で0.03T程度の弱い磁場となるように永久磁石を設置する。磁気作業物質と弱い磁石との間に磁性流体を導入する。磁気作業物質が回転しても磁性流体は磁場に引き寄せられ磁石部分に留まる。磁性流体に用いられるマグネタイト磁性紛は0.03T程度であっても強力に磁石に吸い寄せられ、磁気作業物質が回転しても磁石部分にとどまる。一方0.03T程度の磁場では磁気作業物質の磁化方向は十分には揃わず、磁気作業物質に十分な発熱は生じることなく低温状態が保持される。この低温度は磁性流体を通して磁石へ伝導され、磁石部分自体が低温出力端子となり、磁石部分を通して他の物質を冷却することができる。
　高温出力端子と低温出力端子にそれぞれ充填された磁性流体はそれぞれの磁石により引き付けられお互いに交じり合うことなくそれぞれ高温状態と低温状態を維持できる(図9)。
　高温出力端子と低温出力端子の間に低熱伝導材を設置することで、より積極的にそれぞれの磁性流体が交わることを防止しても良い。
　これまで磁気作業物質の回転の例を示したが、高温出力端子と低温出力端子の間の往復運動としてもよい。
「複数対熱出力端子」
　温度差出力端子を同一磁気作業物質上に複数ペア設置することができる（図2,5,7,13)。温度差出力端子を同一磁気作業物質上に複数ペア設置することにより、より少ない回転数で、磁気作業物質は高磁場、低磁場を繰り返すことになり、磁気作業物質一回転あたりの発生する温度差熱量が増加することになる。
　低温出力端子、および高温出力端子は、それぞれ磁気作業物質の形状に沿った扇形、円弧、円筒状にしても良い。
「同一磁場内2種温度領域磁気作業物質」
温度差の拡大を図るためには、前記素子を積層化する。広範囲な温度差を得るためには積層の段数を増加する必要がある。しかし各磁気作業物質に対して磁場印加装置が必要になるため、温度差を拡大する場合には必要な磁場印加装置も多くなる。
　ここで低熱伝導率材料を中間として磁気作業物質を両面に配した構造とする円盤を同一磁場内に配置し、さらにこれに磁場を印加する高温、低温各熱出力端子において、N極、S極両端子の間に低熱伝導率材料を配置することにより、同一磁場中において独立した温度の磁気作業物質を配置することができる。これにより単一の印加磁場において2段の積層に相当する温度差を生じさせることが可能となる（図１,10）。ここでは各磁気作業物質で生じた温度差を直列接続とするために、伝熱リングを外周に設置する。一方の磁気作業物質の低温部分ともう一方の磁気作業物質の高温部分が伝熱リングを介して同温度となることで、一組の印加磁場に対して、得られる温度差は約2倍とすることができる。
　
＜2　第2の実施形態＞
　前記1では円盤型断熱材の両面に磁気作業物質を配することで、動作温度の拡大を狙ったが、円盤の面内で磁気作業物質をリング状とし、分割することで動作温度を拡大することができる（図3）。円盤状の磁気作業物質を分割し、断熱材を挟んだリング状とする。磁気ヨークにも断熱材を配して、同一円盤面内で独立温度作動が可能とする。さらに伝熱リングを介して一方の磁気作業物質の低温状態ともう一方の磁気作業物質の高温状態とを熱的に接続することにより、同一円盤面内で作動温度を拡張することが出来る。ここでは3分割の例を示したが、必要に応じて分割数を調整することができる。内周側の磁気作業物質リングが外周側に比較して相対速度が遅くなるが、リング幅を調整することにより、発生する熱量を均一化することができる。
ここでは円盤状の例を示したが、円盤状の代わりに円錐状、円筒状としても良い。
前記温度拡張例においては異なる磁気作業物質の熱的な接合において、伝熱リングを用いる手法を述べた。伝熱リングを用いないでも同一磁気ヨーク内で印加磁場の大小を調節することにより、磁気作業物質の熱的な接合が可能である(図4,11)。ここでは同一磁気ヨーク内で、印加磁石を設置する箇所と設置しない箇所を配する。印加磁石を設置する箇所では磁気作業物質の発熱が生じ、高温出力端子となるが、印加磁石を設置しない箇所では磁気作業物質の発熱が生じないため、低温出力端子となる。これら印加磁石を設置する箇所と設置しない箇所を交互に配し、かつ磁気ヨークに断熱材を適切に配置することにより、一方の磁気作業物質の低温状態ともう一方の磁気作業物質の高温状態とを熱的に接続することができる。図4においては内側の磁気作業物質の低温出力が中間の磁気作業物質の高温出力と磁気ヨークを通して熱接続され、さらに中間の磁気作業物質の低温出力が外側の磁気作業物質の高温出力と磁気ヨークを通して熱接続される。この様にして同一円盤内で3段の温度差拡大が可能になる。この手法においては低温出力端子の近接に高温出力端子が配置されるため、熱接続のために磁性流体を配置した場合、より強力な磁場に磁性流体が引き寄せられる可能性があるため、低温出力端子では磁性流体による熱接続ではなく、液体あるいは微粒子が分散された液体による熱接続とすることができる。
＜3　第3の実施形態＞
前記第2の実施形態においては円盤状の例を示した。磁気作業物質と磁場印加用磁石の間には引力が働くので、円盤の強度を確保する必要がある。ここではより機械的強度が確保出来る円筒型の例を示す。円筒状の断熱材の周囲にリング状の磁気作業物質を設置しこの周囲から永久磁石により磁場を印加することで磁気作業物質を発熱させる(図12,13)。円筒の外周、磁気作業物質が接する部分は断熱材として発熱した磁気作業物質の熱を保持するため断熱材とする。一方効率良く磁場を印加するためにヨークを設置する必要があり、このヨークを回転する円筒内に設置することが出来る。円筒内断熱材の内側に強磁性体、望ましくは鉄系材料を設置することにより回転する円筒が同時に磁気回路の一部となり、磁気抵抗を減少させる。円筒周辺には磁場印加装置を含んだ高温出力端子と低温出力端子を交互に配置する。高温出力端子の印加磁場においては、高温出力端子間で同一のN-S方向にはしないで、低温出力端子を介して隣の高温出力端子との間で磁場の極性を変えることにより、回転する円筒内に設置する磁気ヨークを含め効率的な磁気回路を構築出来る。
＜4　第4の実施形態＞　
 前記1,2を組み合わせることでさらなる動作温度拡大を図ることができる。断熱材からなる円盤の両側にリング状の磁気作業物質を複数配置して、これら磁気作業物質を熱的に直列に接続することで、動作温度をより拡張することができる(図6)。
これらの手法は要求される冷却装置等の温度差、熱量、重量、体積等の必要な特性に応じて最適な手法を選択することが出来る。この際、各素子内に用いる磁気作業物質は同一である必要は無い。最適動作温度の異なる磁気作業物質を各素子内の動作温度に従い配置し、より温度差の拡大を図ることができる。
磁気作業物質と印加する磁石の間には引力が発生する。円盤の強度を増強するために円盤を金属製として、その表面を断熱材としても良い。
ここでは円盤状の例を示したが、円盤状の代わりに円錐状、円筒状としても良い。
＜5　第5の実施形態＞
「積層」
 前記エネルギー変換素子を直列に接続することで温度差を拡大することができる。別個体の素子の低温出力端子と高温出力端子とを熱伝導性良く接続することにより前記低温出力端子と高温出力端子は同じ温度となる。このため接続されなかった側の出力端子間では温度差がさらに拡大する(図8,14)。ここでは2段接続の例を示したが、所望の温度差を得るために必要に応じて同様に積層数を増すことができる。この際、積層された各素子に用いる磁気作業物質は同一である必要は無い。最適動作温度の異なる磁気作業物質を各素子の動作温度に従い配置し、より温度差の拡大を図ることができる。
「複数温度域出力」
素子を積層する際、接合部分にも熱交換器を設置することができる（図8,14)。これにより複数の温度の出力が可能となる。各温度域の熱交換器へ導入する熱媒体の量を調整することにより、各温度領域における出力熱量を独立に調整することができる。
＜6　第6の実施形態＞
前記同一磁場内、同一円盤内でそれぞれ温度差的に直列接続され、さらにこれら素子を直列接続として動作温度差を広げるとエアコン、冷蔵庫等の用途にも用いることが出来る。回転運動エネルギーを直接温度差エネルギーへ変換可能であり、変換エネルギーロスも少ないため、エネルギーロスが少ない必要がある電気自動車の冷房、暖房に用いることが出来る。さらに前記5で述べたように積層素子の結合部分から容易に複数の温度領域の熱出力が可能であるため、冷却と加熱、冷凍と冷蔵等の複数熱出力温度調節装置も容易に可能となる。低騒音であるため、ホテル室内冷凍冷蔵庫等にも利用できる。
　以下、実施例により本開示を具体的に説明するが、本開示はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
　本実施例について以下の順序で説明する。
i  同一磁場中複合素子
ii　同一円盤複合素子
iii　同一円筒複合素子
iv　断熱円盤両面複合素子
v　複数熱交換器設置積層素子
vi　複数温度管理温度調節装置
〈i  同一磁場中複合素子での実施例〉
実施例１
　径5mm、長さ50mmのステンレス製軸を用意した。
円盤状ポリカーボネート厚さ1.5mm、直径40mmの上下周辺部分20mmの部分に磁気作業物質Gd(ガドリニウム）厚さ0.8mmを接着した。この円盤の中心を前記ステンレス製軸に固定した。軸回転により磁気作業物質も回転する。
　磁気作業物質に磁場を印加するため、円盤状磁気作業物質を挟み込むようにヨーク付きの永久磁石を設置した。永久磁石にはNdFeB系マグネットを用いてギャップ間隔は5.5mmとした。ギャップ間の磁束は0.9Tとした。ヨークの上下で独立した温度が保たれるために、ヨークの中間には断熱材を設置した。磁気作業物質と永久磁石の間にマグネタイト磁性紛からなる磁性流体を充填し、高温出力端子とした(図1)。
高温出力端子の円周反対側に低温出力端子を設置するため、円盤状磁気作業物質を挟み込むようにヨーク付きの永久磁石を設置した。永久磁石にはSr-Ferrite系マグネットを用いてギャップ間隔は5.5mmとした。ギャップ間の磁束は0.03Tとした。ヨークの上下で独立した温度が保たれるために、ヨークの中間には断熱材を設置した。磁気作業物質と永久磁石の間にマグネタイト磁性紛からなる磁性流体にを充填し、低温出力端子とした(図1)。
　上下各磁気作業物質で生じた温度差を直列接続とするために、伝熱リングを外周に設置した。一方の磁気作業物質の低温部分ともう一方の磁気作業物質の高温部分が伝熱リングを介して熱的に接続され近い温度となる。
　室温及び素子初期温度を23.0℃とし、軸を5rpmで回転させ、5分後にエネルギー変換素子の両端の高温出力端子、低温出力端子の温度を測定した。ここで両端の高温出力端子、低温出力端子の温度はそれぞれ24.8℃、21.2℃であった。一対の印加磁場で2段相当の温度差が得られる。
比較例１
径5mm、長さ50mmのステンレス製軸を用意した。
円盤状磁気作業物質Gd(ガドリニウム）厚さ1.5mm、直径40mmの中央部分、直径20mmの部分をGd(ガドリニウム）からポリカーボネートに置き換えた円盤の中心を前記ステンレス製軸に固定した。軸回転により円盤状磁気作業物質も回転する。Gd(ガドリニウム）の熱伝導率は約10.6W/mK（300K)であるのに対して、ポリカーボネートの熱伝導率は約0.19W/mK（300K)と大幅に低い。磁場を通過しない部分の熱伝導が低下した（図9）。
　磁気作業物質に磁場を印加するため、円盤状磁気作業物質を挟み込むようにヨーク付きの永久磁石を設置した。永久磁石にはNdFeB系マグネットを用いてギャップ間隔は4.0mmとした。ギャップ間の磁束は0.9Tとした。磁気作業物質と永久磁石の間にマグネタイト磁性紛からなる磁性流体を充填し、高温出力端子とした
　高温出力端子の円周反対側に低温出力端子を設置するため、円盤状磁気作業物質を挟み込むようにヨーク付きの永久磁石を設置した。永久磁石にはSr-Ferrite系マグネットを用いてギャップ間隔は4.0mmとした。ギャップ間の磁束は0.03Tとした。磁気作業物質と永久磁石の間にマグネタイト磁性紛からなる磁性流体にを充填し、低温出力端子とした(図9)。
　室温及び素子構成材料はすべて初期は23.0℃とした。軸の回転により軸に固定された円盤状の磁気作業物質を回転させた。回転数は5rpmとした。磁気作業物質の回転によっても磁性流体はそれぞれ高温出力端子、低温出力端子によって固定され移動しないことを確認した。軸の回転を始めて3分後に温度を測定したところ高温出力端子では24.0℃、低温出力端子では22.0℃と観察された。
〈ii　同一円盤複合素子〉
実施例2
　径5mm、長さ50mmのステンレス製軸を用意した。
厚さ1.5mmのリング状磁気作業物質Gd(ガドリニウム）と厚さ1.0mmのリング状断熱材を組み合わせ、円盤とした(図6)。磁気作業物質はそれぞれ独立した温度域で動作する。この円盤の中心を前記ステンレス製軸に固定した。軸回転により磁気作業物質も回転する。
磁気作業物質に磁場を印加するため、円盤状磁気作業物質を挟み込むようにヨーク付きの複数の永久磁石を設置した。永久磁石にはNdFeB系マグネットを用いてギャップ間隔は4.0mmとした。ギャップ間の磁束は0.9Tとした。ヨークの中で複数の独立した温度が保たれるために、ヨーク内には断熱材を設置した。磁気作業物質と永久磁石の間にマグネタイト磁性紛からなる磁性流体を充填し、高温出力端子とした(図3)。高温出力端子は同一円盤上に等間隔で3箇所設置した。
　高温出力端子の円周反対側に低温出力端子を設置するため、円盤を挟み込むようにヨーク付きの永久磁石を設置した。永久磁石には複数のSr-Ferrite系マグネットを用いてギャップ間隔は4.0mmとした。ギャップ間の磁束は0.03Tとした。ヨークの中で独立した温度が保たれるために、ヨークの中間には断熱材を設置した。磁気作業物質と永久磁石の間にマグネタイト磁性紛からなる磁性流体にを充填し、低温出力端子とした(図3)。低温出力端子は高温出力端子と同様に同一円盤上に3箇所設置し、複数入出力端子とした。
円盤内各磁気作業物質で生じた温度差を直列接続とするために、伝熱リングを円盤上下に設置した。一方の磁気作業物質の低温部分ともう一方の磁気作業物質の高温部分が伝熱リングを介して熱的に接続され近い温度となる。一つの接続リングは3箇所の高温出力端子と3箇所の低温出力端子を熱的に接続している。
　室温及び素子初期温度を23.0℃とし、軸を5rpmで回転させ、5分後にエネルギー変換素子の両端の高温出力端子、低温出力端子の温度を測定した。ここで両端の高温出力端子、低温出力端子の温度はそれぞれ25.7℃、20.3℃であった。一個の素子で3段相当に近い温度差が得られる。
実施例3
　実施例2と同様の磁気作業物質と断熱材複合円盤を用意し、実施例2と同様の軸に固定した。
磁気作業物質に磁場を印加するため、リング状磁気作業物質を挟み込むようにヨーク付きの複数の永久磁石を設置した。磁気ヨークと磁気作業物質の間にはNeFeB系永久磁石を設置する箇所と設置しない箇所を交互に配し、それぞれ高温出力端子、低温出力端子とした。空隙には断熱性樹脂を導入した。低温出力端子とリング状磁気作業物質の間は液体による熱伝導とした。高温出力端子とリング状磁気作業物質の間には磁性流体を導入し、熱伝導体とした。磁気作業物質が回転しても磁性流体はNeFeB系永久磁石に留まり、拡散されることは無い。
磁気ヨーク内に配置された断熱材により一方の磁気作業物質の低温状態の温度がもう一方の磁気作業物質の高温状態と熱的に接続されるように磁気ヨークを通して熱的な直列接続とした。低温出力端子と高温出力端子は同一円盤上に3箇所設置し、複数入出力端子とした（図4,5)。
室温及び素子初期温度を23.0℃とし、軸を5rpmで回転させ、5分後にエネルギー変換素子の両端の高温出力端子、低温出力端子の温度を測定した。ここで両端の高温出力端子、低温出力端子の温度はそれぞれ25.5℃、20.5℃であった。
前記は熱伝導に磁性流体を用いる例を示したが、磁気作業物質からの熱出力端子への熱伝導を熱伝導率が高い液体により行うことも可能である(図11)。
〈iii　同一円筒複合素子〉
実施例4
　径5mm、長さ50mmのステンレス製軸を用意した。高さ8mm直径20mmの円筒型ポリカーボネートを軸の周りに配置し、さらにその周りにリング状鉄系磁気ヨーク材料を設置、さらにその周囲にリング状ポリカーボネート、磁気作業物質Gd（ガドリニウム）の順で設置した。この円筒をポリカーボネートの円盤を介して3段重ねとしてステンレス製軸に固定した。軸が回転すると円筒も回転する(図12,13)。
リング状磁気作業物質に磁場を印加するため、リング状磁気作業物質を挟み込むようにヨーク付きの複数の永久磁石を設置した。磁気ヨークと磁気作業物質の間にはNeFeB系永久磁石を設置し高温出力端子とした。永久磁石を箇所と設置しない箇所を交互に配し、それぞれ高温出力端子、低温出力端子とした。空隙には断熱性樹脂を導入した。高温出力端子と磁気作業物質の間には磁性流体を導入した。磁性流体は、磁気作業物質を含む円筒が回転した場合でも磁場の力により高温出力端子ー磁気作業物質間に留まり、磁場印加により発生した熱を高温出力端子に伝導する。低温出力端子とリング状磁気作業物質の間は液体による熱伝導とした。
円筒内部には鉄系磁気ヨークを導入している。円筒を通して、さらに外周に設置した磁気ヨーク材を通して磁気極性の異なる高温出力端子と共に磁気回路が形成される。円筒内部に鉄系磁気ヨークを導入しない場合に比較して、0.9Tの磁場を印加するための永久磁石は円筒内部に鉄系磁気ヨークを導入した場合、20％少ない重量のNeFeB系永久磁石の導入量で済むことが判明した。
実施例3と同様にして断熱材と伝熱性材料を君合わせることにより一方の磁気作業物質の低温状態の温度がもう一方の磁気作業物質の高温状態と熱的に接続されるように上下で熱的な直列接続とした。図21の中段の高温出力端子は下段の低温出力端子と伝熱材を通して熱的に接続されており、中段の低温出力端子は上段の高温出力端子と熱的に接続されている。この様にして、同一円筒上で熱的に直列接続とすることが出来る。
室温及び素子初期温度を23.0℃とし、軸を5rpmで回転させ、5分後にエネルギー変換素子の両端の高温出力端子、低温出力端子の温度を測定した。ここで両端の高温出力端子、低温出力端子の温度はそれぞれ25.5℃、20.5℃であった。
〈iv　断熱円盤両面複合素子〉
実施例5
径5mm、長さ50mmのステンレス製軸を用意した。
円盤状ポリカーボネート厚さ1.5mm、上下の部分にリング状磁気作業物質Gd(ガドリニウム）厚さ0.8mmを独立に上下3リングづつ計6リング接着した。この円盤の中心を前記ステンレス製軸に固定した。軸回転により磁気作業物質も回転する。
　磁気作業物質に磁場を印加するため、円盤状磁気作業物質を挟み込むようにヨーク付きの永久磁石を設置した。永久磁石にはNdFeB系マグネットを用いてギャップ間隔は5.5mmとした。ギャップ間の磁束は0.9Tとした。ヨークの上下で独立した温度が保たれるために、ヨーク内には断熱材を設置した。磁気作業物質と永久磁石の間にマグネタイト磁性紛からなる磁性流体を充填し、高温出力端子とした(図6,7)。高温出力端子は同一円盤上に等間隔で3箇所設置した。
　高温出力端子の円周反対側に低温出力端子を設置するため、円盤を挟み込むようにヨーク付きの永久磁石を設置した。永久磁石には複数のSr-Ferrite系マグネットを用いてギャップ間隔は5.5mmとした。ギャップ間の磁束は0.03Tとした。ヨークの中で独立した温度が保たれるために、ヨーク内には断熱材を設置した。磁気作業物質と永久磁石の間にマグネタイト磁性紛からなる磁性流体にを充填し、低温出力端子とした(図6,7)。低温出力端子は高温出力端子と同様に同一円盤上に3箇所設置し、複数入出力端子とした。
円盤内各磁気作業物質で生じた温度差を直列接続とするために、伝熱リングを円盤上下に設置した。一方の磁気作業物質の低温部分ともう一方の磁気作業物質の高温部分が伝熱リングを介して熱的に接続され近い温度となる。一つの接続リングは上下それぞれ3箇所の高温出力端子と上下それぞれ3箇所の低温出力端子を熱的に接続している。上下各磁気作業物質で生じた温度差を直列接続とするために、伝熱リングを外周に設置した。一方の磁気作業物質の低温部分ともう一方の磁気作業物質の高温部分が伝熱リングを介して熱的に接続され近い温度となる。
室温及び素子初期温度を23.0℃とし、軸を5rpmで回転させ、5分後にエネルギー変換素子の両端の高温出力端子、低温出力端子の温度を測定した。ここで両端の高温出力端子、低温出力端子の温度はそれぞれ27.8℃、18.2℃であった。一個の素子で6段相当に近い温度差が得られる。
〈v　複数熱交換器設置積層素子〉
実施例6
これまで示したエネルギー変換素子は、一つの素子の高温部分ともう一つの素子の低温部分を熱的に接続し、直列接続とすることで生成する温度差を拡大することが出来る。この積層素子の低温部分及び高温部分に熱交換器を設置することにより、容易に中間の温度を熱出力することが出来る(図8,14）。
実施例5で示した断熱円盤両面複合素子を積層として温度差域を拡大した。この際、熱交換器を低温出力部、高温出力部のみでは無く、接合部分にも設置した。これにより複数の熱出力が得られる(図8)。
ここでは磁気作業物質としてGd(ガドリウム)を用いる例を示したが、必要とされる温度域によって他の磁気作業物質を採用することが出来、積層の中で、素子の中でも磁気作業物質の組成を変化させ、その温度に適した磁気作業物質を用いることが出来る。
〈vi　複数温度管理温度調節装置〉
実施例7
前記複数熱交換器設置積層素子を用いて、複数の温度出力を有する温度調節装置が得られる。図8に示すエネルギー変換素子集合体を用いて、高温出力端子に接続された熱交換器を冷却水により23℃に設定した。軸を5rpmで回転させ、10分後にエネルギー変換素子積層集合体の低温出力端子の温度を測定した。ここで中間の熱交換器からの熱出力は13.6℃であり、低温出力端子に接続された熱交換器からの熱出力は4.4℃であった。一つの積層素子のみで複数の温度で冷却可能な装置が得られた。ここでは冷却装置の例を示したが、複数の温度出力が可能な加熱装置、あるいは冷却と同時に加熱も可能な装置も構築出来る。
運動エネルギーを直接的に温度差エネルギーへ変換できるため、さらに気体の圧縮、弁の開閉等複雑な構造が不要であるために高信頼性、低騒音、低振動で加熱冷却システムが構築可能である。高温出力端子から熱交換器により冷媒等を通して放熱用ラジエターへ接続し、また低温出力端子から熱交換器により冷媒等を通して必要とされる冷却システムへ接続できる。同様にして加熱システム構築も可能である。複数の温度による出力も可能であるため、冷却と加熱、複数の温度域による冷却あるいは加熱装置も構築出来る。このため運動エネルギーを発生する自動車等各種輸送機器、水車、風車等自然エネルギー変換装置から直接的に高温、低温を発生させる冷蔵庫、エアコン等各種加熱あるいは冷却システムにより高性能に応用可能である。
1　磁気作業物質
2　磁性流体
3　NdFeB系永久磁石
4　鉄系磁気ヨーク材料
5　Srフェライト系永久磁石
6　磁気作業物質設置用ハブ
7　高温出力端子
8　低温出力端子
9　回転軸
10　伝熱性材料
11　断熱性材料
12　積層状態高温出力端子
13　積層状態低温出力端子
14　高温側集熱板
15　低温側集熱板
16　伝熱リング
17　伝熱性液体
18　熱交換器

Claims (6)

  1. 回転あるいは往復運動をする磁気作業物質と、前記磁気作業物質に磁場を印加するための永久磁石を含む磁場印加部との間に液体をまたは微粒子が分散された液体をまたは磁性流体を充填し、永久磁石による磁場印加により発熱した熱量を磁場印加部に熱伝導することで高温側の熱の出力を磁場印加部を通して行うエネルギー変換素子において、一方の磁気作業物質の低温状態の温度がもう一方の磁気作業物質の高温状態と熱的に接続されるように直列接続した2種の温度領域を有する磁気作業物質を運転中同一印加磁場中に配したことを特徴とするエネルギー変換素子。
  2. 回転あるいは往復運動をする磁気作業物質と、前記磁気作業物質に磁場を印加するための永久磁石を含む磁場印加部との間に液体をまたは微粒子が分散された液体をまたは磁性流体を充填し、永久磁石による磁場印加により発熱した熱量を磁場印加部に熱伝導することで高温側の熱の出力を磁場印加部を通して行うエネルギー変換素子において、同一円盤内あるいは円筒内あるいは円錐内に一方の磁気作業物質の低温状態の温度がもう一方の磁気作業物質の高温状態と熱的に接続されるように直列接続した複数の異なる温度領域を有する磁気作業物質を配したことを特徴とするエネルギー変換素子。
  3. 回転する円筒を構成する材料に強磁性体を用いて、磁気作業物質を発熱させるために印加する磁石による磁気回路の一部とすることを特徴とする請求項2記載のエネルギー変換素子。
  4. 回転あるいは往復運動をする磁気作業物質と、前記磁気作業物質に磁場を印加するための永久磁石を含む磁場印加部との間に液体をまたは微粒子が分散された液体をまたは磁性流体を充填し、永久磁石による磁場印加により発熱した熱量を磁場印加部に熱伝導することで高温側の熱の出力を磁場印加部を通して行うエネルギー変換素子において、断熱材により構成された円盤あるいは円筒あるいは円錐状の基盤の両面に一方の磁気作業物質の低温状態の温度がもう一方の磁気作業物質の高温状態と熱的に接続されるように直列接続した複数の異なる温度領域を有する磁気作業物質を配したことを特徴とするエネルギー変換素子。
  5. 〈請求項1-4〉記載の複数のエネルギー変換素子をそれぞれ、低温部分と別個体の高温部分を直接あるいは伝熱性材料により熱的に接続し熱的直列接続とし、かつ素子の積層接合部分にも熱交換器を設置することで、生成する温度差幅を増加させかつ複数の温度域の出力が可能であることを特徴とするエネルギー変換素子集合体。
  6. 〈請求項5〉記載のエネルギー変換素子集合体による複数の温度出力を用いることを特徴とする複数温度管理温度調節装置。
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