JP2004361061A

JP2004361061A - 磁気冷凍方法とその磁気冷凍機

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Publication number: JP2004361061A
Application number: JP2003191448A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Hiramatsu; 繁平松
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】磁気作業体には常温付近での磁気転移を行う部材を使用するとともに、前記磁気作業体の磁化と消磁をする磁場の増減には、機械的手段を使用することなく静止状態で行う電磁的自動手段により形成される交流回転磁界に固定磁界を重畳させた合成磁界を使用した、静止型磁気冷凍方法とそれを使用した磁気冷凍機を提供する。
【構成】本発明の磁気冷凍機は静止型構成よりなり、磁気作業体１０と、磁気作業体を磁場内に断熱状に収納する静止断熱格納体１１と、前記磁気作業体の磁化及び消磁をする磁場形成用の磁場発生部１２と、磁気作業体１０に発生する磁気エントロピー熱を外部へ取り出す放熱取り出し部１４と、等温消磁過程において消磁された磁気作業体より発生する冷熱を取り出す冷熱取り出し部２０と、より構成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転磁界と固定磁界により形成された一方向に増減するパルス状合成磁界により、磁場を増減させ、該増減により惹起される磁気作業体の磁気転移による磁気熱量効果を利用した常温でも使用可能の磁気冷凍方法とその磁気冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気冷凍方法は、磁化あるいは消磁の際に大きな温度変化を示す磁気熱量効果の大なる磁気作業物質からなる磁性体を使用し、これを磁化して、高温側で放熱させ、次に磁化した磁性体を消磁して低温側から冷熱を吸熱させるという、少なくとも二つの過程を含むサイクルよりなる。
なお、上記磁気熱量効果は磁性体内部の磁気スピンの自由度が磁場によって影響を受け、その結果生じる磁気系のエントロピー変化に起因するものである。
上記磁性体の磁化と消磁を行う方式については、磁性体静止型と磁性体移動型に大別される。それぞれ下記特徴と問題点を持っている。
【０００３】
磁性体静止型は、作業物質である磁性体は磁場中に静止させておき、磁場を零から約七ステラまでの間を増減変動させる。
この場合は、機械的操作が無く総て電磁操作で出来るため高信頼性が得られる。
然し、磁場を形成する磁石の電流制御により磁化の状態と消磁の状態とを現出させるため、磁場に超電導の永久電流モードの使用ができない。
【０００４】
磁性体移動型は、磁場は永久電流モードの超電導磁石を使用し、磁性体を最高磁場空間と零磁場空間との間で往復運動をさせる。
この磁性体移動型には、上下動型と回転型に分類できる。そして、図４に示す上下動型に見るように、高温熱交換部６１ａ、６１ｂ、低温熱交換室６１ｃにはガスや液体等の流体を使用し、この高温と低温のそれぞれの熱交換部または熱交換室の間を熱を伝えにくい物質で磁性体だけが通過できる通路を作り、磁性体１の６２ａ、磁性体ＩＩの６２ｂが二つの熱交換部の間を交互に移動する方式がとられている。
この場合、高温の熱交換部６１ａ、６１ｂは強磁場空間であり、低温の熱交換室６１ｃでは零磁場空間になるように磁場勾配をつけておく。磁性体が上下に一往復すると、等温磁化、断熱消磁、等温消磁、断熱磁化のカルノーサイクルを形成する。（図５参照）
【０００５】
前記磁性体静止型につき、図５、図６によりその概要を説明する。
図５は、磁性体の磁気エントロピー対温度曲線上におけるカルノーサイクルを示す図で、図６は低温磁気冷凍におけるカルノーサイクルのブロック図である。
図５に示す等温磁化過程▲１▼Ｂ→Ｃを行う場合は、図６において熱スイッチ５２ａを閉じ、熱スイッチ５２ｂを開いた状態で磁場Ｈ_１からＨ_２まで増加し、磁性体５０の発熱分を高熱源（外界）５３に放熱する。
ついで、図５に示す断熱消磁過程▲２▼Ｃ→Ｄでは、熱スイッチ５２ａ、５２ｂを開き、外界との熱交換を遮断した断熱状態にしＨ_２からＨ_３まで磁場を減少させる。この場合は、外界から磁性体５０への熱流入がないので、磁性体の温度はＴ_１からＴ_２へ低下する。
ついで、等温消磁過程▲３▼Ｄ→Ａでは熱スイッチ５２ａを開き、熱スイッチ５２ｂを閉じて磁場をＨ_３からＨ_４へ減少する。この過程で磁性体５０は低熱源５４から吸熱する。則ち低熱源側の被冷却物を冷却する。
最後に、断熱磁化過程▲４▼Ａ→Ｂで、熱スイッチ５２ａ、５２ｂを開き磁性体５０を断熱状態で磁化する。磁性体５０の温度はＴ_２からＴ_１へ上昇する。
以上が１サイクルに行う各過程で、以後これを繰り返せし磁気冷凍を行う。
【０００６】
ところで、磁気冷凍機はフロン等の冷媒を使用した気体冷凍機に比較した場合、磁気冷凍機は固体である磁気作業体を使用するため、磁気作業物質内部の温度は一様に且つ同時に変化する。また、気体冷凍機に比較しエントロピー密度が高く、そのため、地球温暖化を招来するフロンを使用することなく、高効率のコンパクトで且つ騒音や振動を伴わない冷凍機を提供できる。しかし、大きな冷凍能力を得るためには現状の磁気作業体では超電導磁石による高磁場を必要とする短所を持っている。このため、従来はフロン等の冷媒による気体冷凍技術では到達できない４Ｋ以下の極低温の技術に限定されていた。
しかし、上記フロンを使用しない点からも常温磁気冷凍装置の実現が待望され、最近上記待望に対応する提案がされている。（例えば特許文献１参照）
【０００７】
上記提案は、常温でも使用可能な磁気冷凍装置を実現し、フロンを用いない冷凍機をコンパクトな構成によって常温でも使用可能なものとし、且つ複雑な構成を必要とせず効率が高く、取り扱いやすいものとしたものである。
従って、冷蔵庫や空気調和機等、冷凍能力が約１ｋｗ以下の磁気冷凍機に対応するべく、超電導磁石を使用しないコンパクト構成と、磁気作業物質に貯えられた高密度の熱量を外部へ取り出す熱交換機構の実現を課題としたものである。
そにため、図７に示すように、磁場を発生する磁場発生手段７１と、磁場の増減に応じて温度が変化する磁気作業物質７６ａ、７６ｂを有し磁場発生手段７１によって形成される磁場中に配設される磁気作業体７６と、前記磁気作業物質に印加される磁場を増減させる磁場増減手段７８と、磁気作業物質に冷却流体を循環させる循環器８４および磁気作業物質から熱を授受する排熱熱交換器８６を有する冷却流体循環装置８７と、磁気作業物質より発生する冷熱により冷却された冷却媒体で被冷却体を冷却する冷却器８２を備える。
【０００８】
なお、上記提案は、磁性体移動型に属するもので、該提案の第一の実施形態として上下動型（図７参照）に付き記載され、さらに回転型に属する別の実施形態が示され、さらに磁場構成を図８（Ａ）に示すＨａｌｂａｃｈＣｙｌｉｎｄｅｒ（ＨＣ）呼ばれる磁石を使用する構成とし、環状に配置した永久磁石を９２を図の矢印方向に着磁して構成すると、永久磁石９２の回路中心に２ステラ程度の強力磁場を形成する。
そして、図８（Ｂ）に示すように、永久磁石９２の磁場内に磁気作業体９６を駆動部９８により昇降可能に支持している。
この場合は、磁気冷凍機の能力は磁場に比例して増えるが、通常の永久磁石では磁場が弱く、しかも磁石からの距離が離れると磁場が極端に減るため、大容量の磁場空間を得にくい問題がある。しかしＨＣ使用の場合は通常に２倍の磁場を広い空間に発生させることができ、冷凍能力を格段に向上できる。
【０００９】
なお、室温付近で大きな磁気熱量効果を呈する磁気作業物質及びそれを使用した蓄冷式熱交換器ならびに磁気冷凍装置に関する下記提案がある。（例えば特許文献２参照）
上記提案は、従来の気体の断熱膨張あるいはジュール・トムソン効果を用いたフロンガスを冷媒として使用した冷凍技術に代わり、環境破壊の問題を持つフロンガスの不使用と騒音と振動を伴わない高効率の冷凍を可能とした磁気冷凍技術に関するものである。
これまで知られている磁気熱量効果を示す作業物質は、比較的広い温度範囲で磁気熱量効果を有する反面、その効果は比較的小さく、実用的な冷凍能力を出力するためには超電導磁石などで可能の５Ｔ（テスラ）以上の強磁場の印加を必要とする。このため、多大のエネルギを消費して省エネルギ上問題になっていた。
本提案はこの問題を解決のためなされたもので、キューリ温度で強磁性相から常磁性相に磁気転移をする物質は、磁気熱量効果を示す温度範囲が比較的狭い反面、磁気熱量効果が比較的大きく、このような磁気転移をする磁気作業物質を使用して永久磁石による磁界での使用をした蓄冷式熱交換器及び磁気冷凍装置に関しなされたものである。
【００１０】
上記提案に係わる磁気作業物質の構成は、
そのため、強磁性相においてＮｉＡｓ型六方晶構造を有し、第一元素としてのＭｎと、第二元素としてのＡｓと、第二元素と置換可能の第三元素とを含み、２３０Ｋ以上３１８Ｋ未満の温度範囲で磁気転移を起こすようにしたものである。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−１０６９９９号公報
【特許文献２】
特開２００３−２８５３２号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、地球温暖化防止のためにもフロンを必要としない常温磁気冷凍装置の出現が期待されているが、磁気作業物質原材料としてはその使用温度領域に応じて選択されるが、常温磁気冷凍機としてはガドリニウム（Ｇｄ）系材料が適当であるが、そのためには大きな冷凍機を必要とする超電導磁石の装着を必要とし、常温使用の冷蔵庫や空調機等への使用は不可能である。
【００１３】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、フロンを使用しない磁気冷凍による冷凍手段の使用を前提とし、磁気作業体には常温付近での磁気転移を行う部材を使用するとともに、前記磁気作業体の磁化と消磁をする磁場の増減には、機械的手段を使用することなく静止状態で行う電磁的自動手段により形成される交流回転磁界に固定磁界を重畳させた合成磁界を使用して、磁性体を静止状態で行う静止型磁気冷凍方法に行うようにした、磁気冷凍方法とその磁気冷凍機の提供を目的としたものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の磁気冷凍方法は、
平衡多相交流よりなる回転磁界に、該回転磁界と同一磁界強度を持つ固定磁界を回転磁界の回転軸芯を過るラジアル方向に重畳させ、該重畳により零より立ち上げ零に終る一方向に増減するパルス状合成磁界を形成させ、該合成磁界により磁気作業体を磁化させて、強磁性相と常磁性相との間で磁気転移を惹起させ、該磁気転移による磁気熱量効果を介してカルノーサイクルを形成させ、冷熱の形成を可能としたことを特徴とする。
【００１５】
上記発明は、本発明の目的である、強磁性相と常磁性相との間の磁気転移による磁気熱量効果を形成させる磁場の増減を、交流回転磁界と固定磁界の重畳による一方向にのみ増減を可能とした合成磁界を使用する構成としたもので、
重畳する固定磁界の磁界強度は回転磁界の磁界強度と同等の磁界強度を持つ構成とし、形成された合成磁界は、図３に示すように回転磁界が１回転する毎に零磁場Ａより立ち上がり零磁場Ａ_１に終わるパルス状の山形の合成磁界を構成する。
則ち、零磁場の点Ａから立ち上がり、低磁場域Ｂを経由して、前記回転磁界の２倍値を山形の頂点に持つ強磁場域Ｃを経由し、以後減磁過程に入り低磁場域Ｄを経由し、零磁場の点Ａ_１で消磁する構成にしてある。
そして上記山形の合成磁界により磁気作業体を磁化させ、カルノーサイクルを形成させ、磁気作業体を磁化する磁場を増減させ冷熱を得るようにしている。
【００１６】
また、上記本発明の磁気冷凍方法における、
前記カルノーサイクルは、磁界零より立ち上がる低磁場による磁化作業体の磁化過程を断熱磁化過程とし、
前記断熱磁化過程経過後磁気エントロピー熱を放出しながら強磁場空間による磁化の過程を等温磁化過程とし、以後断熱状態で磁場を減磁して磁気作業体の温度を下げる断熱消磁過程と、消磁した磁気作業体より冷熱を取り出す等温消磁過程とよりなる構成が好ましい。
【００１７】
上記発明は、前記山形のパルス状合成磁界により形成されるカルノーサイクルについて説明したもので、前記図３、図５に見るように、零磁場の点Ａより低磁場域Ｂまでを断熱状態で磁化する過程を断熱磁化過程▲４▼とし、低磁場域Ｂより高磁場域Ｃに至り高磁場の印加をする過程を磁気エントロピー熱を放出しながら磁化される等温磁化過程▲１▼とし、高磁場域Ｃより低磁場域Ｄに至る過程を断熱状態で減磁する断熱消磁過程▲２▼とし、低磁場域Ｄより零磁場の点Ａ_１至る過程を消磁された磁気作業体に発生する冷熱により被冷却物を冷却する等温消磁過程▲３▼より構成する。
【００１８】
また、上記本発明の磁気冷凍方法における、
前記磁気作業体は、磁気転移温度が常温付近にあるモーメントの大きい、ガドリニウム、ディスプロシウム等の稀土類イオンを含んだ化合物よりなる構成が好ましい。
【００１９】
上記発明は、本発明に使用する磁気作業体を構成する磁気作業物質に付き、記載したもので、磁気転移温度を常温付近にあるものを選び、常温での磁場の磁界強度をなるべく小さく押さえる粒状化合物より構成したものである。
【００２０】
そして、上記本発明の磁気冷凍方法を使用した好適な磁気冷凍機は、
磁性体を形成する磁気作業体を磁場内に静止させ磁場の増減を受ける静止型磁気冷凍機において、
前記増減する磁場を発生する磁場発生手段と、前記磁場の増減に応じて温度変化をする磁気作業体と、該磁気作業体と熱交換媒体を収納して断熱状に磁場内に格納する静止断熱格納体と、前記磁気作業体より磁化時のエントロピー熱を熱交換媒体を介して取り出す温熱取り出し部と、前記磁気作業体よりの消磁時の冷熱を熱交換媒体を介して取り出す冷熱取り出し部とより構成し、
前記磁場発生手段は、平衡多相交流により形成された回転磁界に固定磁界を重畳させ、前記回転磁界の回転軸芯を過るラジアル方向に形成された合成磁界により磁気作業体に印加する磁場の増減を可能とする構成したことを特徴とする。
【００２１】
上記発明は、本発明の磁気冷凍方法を使用した磁気冷凍機の構成について記載したもので、磁場発生手段と、磁気作業体と該作業体より発生する冷温熱を取り出す熱交換媒体とを周囲より断熱状態で格納する静止断熱格納体と、該格納体に収納される磁気作業体と、等温磁化時に磁気作業体より発生する磁気エントロピー熱を前記熱交換媒体を介して外部へ取り出す放熱取り出し部と、等温消磁過程での磁気作業体より発生する冷熱を前記熱交換媒体を介して外部へ取り出す冷熱取り出し部とより構成し、
前記磁場発生部は、平衡多相交流により形成される回転磁界に、直流磁界よりなる固定磁界を前記回転磁界の回転軸芯を過りラジアル方向に重畳させるとともに、重畳する固定磁界の磁界強度を回転磁界の磁界強度と同等の大きさに構成し、前記軸芯を過りラジアル方向に一方向に磁界強度が増減して零磁場（磁界強度が零）より回転磁界の２倍の磁界強度を持つ高磁場域との間を増減する合成磁界を形成させたものである。
そして、磁場内の静止断熱格納体に格納された磁気作業体に増減する磁場により、磁気転移を形成させ、磁気熱量効果により冷熱を発生させ、該冷熱を前記冷熱取り出し部に蓄熱して所用の冷熱を得る構成にしてある。
【００２２】
上記本発明の磁気冷凍機における、
前記合成磁界は、多相交流巻き線が作る回転磁界に、該回転磁界の回転軸芯を過りラジアル方向に前記回転磁界と同一の磁界強度を持つ固定磁界を重畳させ、零から立ち上げ零に終わる一方向に増減する磁場よりなるパルス状合成磁界を形成させる構成が好ましい。
また、上記本発明の磁気冷凍機における、
前記磁気作業体は、磁気転移温度が常温付近にある、モーメントの大きい、ガドリニウム、ディスプロシウム等の稀土類イオンを含んだ化合物よりなる構成が好ましい。
【００２３】
また、上記本発明の磁気冷凍機における、
前記温熱取り出し部は、前記磁気作業体と熱交換器との間を結び熱交換する熱交換媒体を循環させる放熱回路と、前記熱交換器を内蔵する放熱部とよりなる構成が好ましく。
前記冷熱取り出し部は、前記磁気作業体と熱交換器との間を結び熱交換する熱交換媒体を循環させる吸熱回路と、前記熱交換器を内蔵する蓄冷槽とよりなる構成が好ましい。
【００２４】
上記発明は、前記等温磁化過程における温熱取り出し部と、等温消磁過程における冷熱取り出し部の構成について記載したもので、
それぞれ前記静止断熱格納体に磁気作業体とともに充填収納されている熱交換媒体を介して、それぞれ循環ポンプと開閉バルブと熱交換器を備えた放熱回路と吸熱回路により行い、前記放熱回路においては前記熱交換器を介して冷水シャワー等による放熱部により温熱の取り出しを可能とし、前記吸熱回路においては熱交換器に付設した蓄冷槽により冷熱を蓄積取り出す構成にしてある。
【００２５】
また、上記本発明の磁気冷凍機における、
前記固定磁界は直流磁界よりなる構成が好ましい。
【００２６】
上記発明は、回転磁界に重畳する固定磁界について記載したものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の磁気冷凍機の概略構成を示すブロック図で、図２は図１の磁場発生手段の概略構成を示す図で、図３は図２の磁場発生手段により形成された合成磁界生成の情況を示す図である。
【００２８】
図１に示すように、本発明の磁気冷凍機は静止型構成よりなり、図に見るように、磁気作業体１０と、前記磁気作業体を磁場内に収納して所用の断熱磁化、等温磁化、断熱消磁、等温消磁の一連のカルノーサイクルをさせる静止断熱格納体１１と、前記磁気作業体の磁化及び消磁をする磁場を形成する磁場発生部１２と、磁気作業体１０に発生する磁気エントロピー熱を熱交換媒体と熱交換器を介して外部へ放熱する放熱取り出し部１４と、等温消磁過程において零磁場において消磁された磁気作業体より発生する冷熱を熱交換媒体と熱交換器を介して外部へ取り出す冷熱取り出し部２０と、より構成する。
なお、前記熱交換媒体は前記磁気作業体とともに前記静止断熱格納体に充填する構成にしてある。
【００２９】
上記磁場発生部は、図２に示すように平衡三相交流電源１３ａの励磁により形成される回転磁界Ｈに直流励磁電源１３ｂの励磁により形成され且つ前記回転磁界と同等の磁界強度を持つ直流磁界Ｈｄを前記回転磁界の回転軸芯を過りラジアル方向に重畳させ合成磁界を形成させる構成としたもので、
前記回転磁界Ｈは、前記交流各相の作る磁界の最大値をＨｍの３／２倍の値で示され、得られた合成磁界の最大値はＨｍの３倍の値を持つ山形のパルス状の磁場を形成する。
なお、回転磁界生成用電源は平衡三相交流に限らず平衡多相交流電源を使用しても良い。
また、直流電源による直流磁界は超電導磁石を使用しても良い。
【００３０】
上記山形のパルス状磁場は、図３に示すように、前記回転磁界が１回転するごとに、磁界強度零の点Ａより立ち上がり、低磁界域Ｂを経由して最大値３Ｈｍの高磁場域Ｃを経由し、その後減磁過程に入り低磁場域Ｄを経由して磁場零の点Ａ_１に終わる、一方向に増減する山形のパルス状磁場を形成する。
そして上記山形の合成磁界による磁場を磁気作業体１０に印加することにより、図５に示すように、磁気作業体の温度と磁気エントロピー（Ｓ_Ｍ）との間にカルノーサイクルを形成させる。則ち、
▲１▼等温磁化過程（Ｂ→Ｃ）
等温条件下で、磁場をＨ_１からＨ_２まで増加して、磁性体である磁気作業体を磁化する。磁気作業体は磁化されていく過程で発生する磁気エントロピーを熱の形で高熱源に放出する。
▲２▼断熱消磁過程（Ｃ→Ｄ）
磁気作業体と外界との熱交換を遮断（断熱）した後、磁場をＨ_２からＨ_３まで下げる。この過程ではエントロピーは一定であるので温度はＴ_１からＴ_２まで下がる。
▲３▼等温消磁過程（Ｄ→Ａ）
磁気作業体と被冷却物質との間で熱交換を行なわせる等温過程で磁場をＨ_３からＨ_４まで減少していく。磁場が弱くなっていく過程で冷熱を放出しながらエントロピーを増す。
▲４▼断熱磁化過程（Ａ_１→Ｂ）
磁場をＨ_４からＨ_１まで断熱下で増加させる過程である。
【００３１】
前記放熱取り出し部１４は、前記等温磁化過程において磁気作業体１０に発生する温熱を前記磁気作業体とともに静止断熱格納体１１内に充填してある熱交換媒体を介して行い、該熱交換媒体と熱交換する放熱用の熱交換器１５と循環ポンプ１７と開閉バルブ１７ａとよりなる放熱回路１７ｂと、前記熱交換器を冷却する冷水シャワー１６とより構成する。
【００３２】
冷熱取り出し部２０は、等温消磁過程において磁気作業体１０より発生する冷熱を前記熱交換媒体を介して蓄冷槽２１に設けてある熱交換器２２により行う構成とし、前記蓄冷槽２１に蓄熱して、所用に冷熱を得るようにしたもので、熱交換器２２と、該熱交換器２２と磁気作業体１０との間で熱交換媒体を循環させる循環ポンプ２３と、開閉バルブ２３ａとよりなる吸熱回路２３ｂと、サイクル毎に冷熱を貯留する蓄冷槽２１とより構成する。
【００３３】
上記構成により、等温磁化過程では吸熱回路２３ｂの開閉バルブ２３ａを閉鎖し、放熱取り出し部１４を駆動させ、磁化過程にある静止断熱格納体１１に収容されている磁気作業体１０より発生するエントロピー熱を熱交換媒体と該媒体を循環させる放熱回路１７ｂを介して放熱する。
ついで断熱消磁過程で前記磁化された磁気作業体１０の断熱消磁を行い磁気作業体の温度を降温させる。ついで等温消磁過程で零磁界の磁場に置かれた作業体１０よりの冷熱の取り出しを、冷熱取り出し部２０を介して冷熱を取り出し蓄冷槽２１に貯留し、所定の低温を得るようにしてある。
そして、冷熱を取り出した磁気作業体１０は断熱磁化過程を経て昇温させ、次サイクルの等温磁化過程開始状態に移行させる。
なお、前記断熱消磁過程と断熱磁化過程においては、前記放熱回路１７ｂと吸熱回路２３ｂに設けた開閉バルブ１７ａ、２３ａはそれぞれ閉鎖し熱的断熱状態に置く。
なお、前記開閉バルブ１７ａ、２３ａの開閉は前記回転磁界の回転に対応して電磁開閉手段により自動的に行う構成とする。
【００３４】
前記磁気作業体１０は、磁気転移温度が常温付近にあるモーメントの大きい、ガドリニウム、ディスプロシウム等の稀土類イオンを含んだ粒状化合物より構成し、前記熱交換媒体が磁気作業体の内部まで浸透循環される構成が好ましい。
【００３５】
【発明の効果】
本発明は、上記構成により、磁場発生手段には平衡多相交流による回転磁界に直流磁界を重畳させる構成により、磁気作業体の磁化から消磁に至る磁場の増減を電気磁気的に行ない、機械的操作を不用とする構成としたため、低温冷却に大きなエネルギ消費を伴う超電導磁石を使用することなく常温における安定した冷凍運転を可能とした。また、静止型磁器冷凍の構成により断熱消磁、断熱磁化過程における完全断熱処理により効率的磁器冷凍を可能にしている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気冷凍機の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１の磁場発生手段の概略構成を示す図である。
【図３】図２の磁場発生手段により形成された合成磁界生成の情況を示す図で、
【図４】従来の磁気冷凍機の磁性体移動型に属する上下動型の概略構成を示す図である。
【図５】磁性体の磁気エントロピー（Ｓ_Ｍ対温度Ｔ）曲線上におけるカルノーサイクルを示す図である。
【図６】従来の静止形磁気冷凍機の基本構成を示す図である。
【図７】従来の常温磁気冷凍機の概略の構成を示すずである。
【図８】図７における磁気冷凍機において（Ａ）は永久磁石により磁場を形成した場合の磁場の断面図で、（Ｂ）はこの磁場を使用した場合の磁気冷凍装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１０磁気作業体
１１静止断熱格納体
１２磁場発生部
１３ａ回転磁界発生用三相交流電源
１３ｂ直流磁界発生用直流電源
１４放熱取り出し部
１５、２２熱交換器
１６シャワー
１７、２３循環ポンプ
１７ｂ放熱回路
２３ｂ吸熱回路
２０冷熱取り出し部
２１蓄冷槽

Claims

平衡多相交流よりなる回転磁界に、該回転磁界と同一磁界強度を持つ固定磁界を回転磁界の回転軸芯を過るラジアル方向に重畳させ、該重畳により零より立ち上げ零に終る一方向に増減するパルス状合成磁界を形成させ、該合成磁界により磁気作業体を磁化させて、強磁性相と常磁性相との間で磁気転移を惹起させ、該磁気転移による磁気熱量効果を介してカルノーサイクルを形成させ、冷熱の形成を可能としたことを特徴とする磁気冷凍方法。
前記カルノーサイクルは、磁界零より立ち上がる低磁場による磁化作業体の磁化過程を断熱磁化過程とし、
前記断熱磁化過程経過後磁気エントロピー熱を放出しながら強磁場空間による磁化の過程を等温磁化過程とし、以後断熱状態で磁場を減磁して磁気作業体の温度を下げる断熱消磁過程と、消磁した磁気作業体より冷熱を取り出す等温消磁過程とよりなる構成としたことを特徴とする請求項１記載の磁気冷凍方法。
前記磁気作業体は、磁気転移温度が常温付近にあるモーメントの大きい、ガドリニウム、ディスプロシウム等の稀土類イオンを含んだ化合物で構成されたことを特徴とする請求項１記載の磁気冷凍方法。
磁性体を形成する磁気作業体を磁場内に静止させ磁場の増減を受ける静止型磁気冷凍機において、
前記増減する磁場を発生する磁場発生手段と、前記磁場の増減に応じて温度変化をする磁気作業体と、該磁気作業体と熱交換媒体を収納して断熱状に磁場内に格納する静止断熱格納体と、前記磁気作業体より磁化時のエントロピー熱を熱交換媒体を介して取り出す温熱取り出し部と、前記磁気作業体よりの消磁時の冷熱を熱交換媒体を介して取り出す冷熱取り出し部とより構成し、
前記磁場発生手段は、平衡多相交流により形成された回転磁界に固定磁界を重畳させ、前記回転磁界の回転軸芯を過るラジアル方向に形成された合成磁界により磁気作業体に印加する磁場の増減を可能とする構成したことを特徴とする磁気冷凍機。
前記合成磁界は、多相交流巻き線が作る回転磁界に、該回転磁界の回転軸芯を過りラジアル方向に前記回転磁界と同一の磁界強度を持つ固定磁界を重畳させ、零から立ち上げ零に終わる一方向に増減する磁場よりなるパルス状合成磁界を形成させる構成としたことを特徴とする請求項４記載の磁気冷凍機。
前記磁気作業体は、磁気転移温度が常温付近にある、モーメントの大きい、ガドリニウム、ディスプロシウム等の稀土類イオンを含んだ粒状化合物で構成されたことを特徴とする請求項４記載の磁気冷凍機。
前記温熱取り出し部は、前記磁気作業体と熱交換器との間を結び熱交換する熱交換媒体を循環させる放熱回路と、前記熱交換器を内蔵する放熱部とより構成したことを特徴とする請求項４記載の磁気冷凍機。
前記冷熱取り出し部は、前記磁気作業体と熱交換器との間を結び熱交換する熱交換媒体を循環させる吸熱回路と、前記熱交換器を内蔵する蓄冷槽とより構成したことを特徴とする請求項４記載の磁気冷凍機。
前記固定磁界は直流磁界により構成したことを特徴とする請求項４記載の磁気冷凍機。