JP2013050284A - 磁気冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁石の回転トルクを低減させ、運転効率を高めることができるとともに、磁石の回転を円滑にして安定した運転を行うことができる磁気冷凍装置を提供する。
【解決手段】磁気冷凍装置１０を構成する固定子１１は円筒状に形成され、その固定子１１内の軸心位置には永久磁石１７が回転可能に支持されている。前記固定子１１と永久磁石１７との間には磁性材料２１が充填されるとともに、冷却水が流通する複数の熱交換用ダクト２２が配置されている。該熱交換用ダクト２２内の周方向中央位置には非磁性材料で形成されたダミーダクト板２４が、固定子１１の半径方向に延び、熱交換用ダクト２２内を区画するように配置されている。このダミーダクト板２４には、冷却水が流通する複数の連通孔が開口されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば冷凍庫、冷蔵庫等の家電製品、ガス液化装置等に好適に使用され、磁気熱量効果を利用した磁気冷凍装置に関し、特に永久磁石を回転させることにより磁界変化を得る構造を備えた磁気冷凍装置に関する。

冷媒としてフロン系ガスを用いる気体冷凍技術はオゾン層破壊等の環境問題を引き起こす一方、冷媒として磁性材料を用いる磁気冷凍技術はそのような問題を発生しないことから近年注目されている。この磁気冷凍技術では、磁性材料に磁界変化を与える必要があるとともに、磁気冷凍装置を小型化するために永久磁石を回転させる方式が開発されている。

この種の磁気冷凍装置が例えば特許文献１に記載されている。この磁気冷凍装置は、永久磁石を固着した回転子と、磁場の増減に応じて温度が変化する磁気作業物質を含む磁気作業体を内周に配置した固定子とを有する装置本体と、磁気作業体間の循環経路に冷却流体を循環させる冷却流体循環手段と、前記循環経路に設けられた熱交換器とを備えている。そして、磁気作業体を固定子の内面全周が磁気的に軸対称になるように配置して回転子のトルクを低減させるようになっている。さらに、固定子内面の磁気作業体間には、磁気作業体と磁気抵抗が等価となる補助磁性体が配置されている。

特開２００８−５１４１２号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている従来構成の磁気冷凍装置においては、固定子内面に複数配置された磁気作業体間、或いは磁気作業体と補助磁性体間には狭い隙間、すなわち非磁性空間が存在する。このような非磁性空間が存在することにより、永久磁石の電磁力反抗トルクが回転角度で不均一となり、大きく変動する。

その結果、永久磁石の回転トルクを上げるために余分な動力を必要とし、動力効率が低下する。加えて、トルク変動によって回転速度も変化して不均一回転するため、円滑な回転が得られなくなるという問題があった。

本発明はこのような従来技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的とするところは、磁石の回転トルクを低減させ、運転効率を高めることができるとともに、磁石の回転を円滑にして安定した運転を行うことができる磁気冷凍装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明の磁気冷凍装置は、円筒状をなす固定子内の軸心位置に磁石を回転可能に支持するとともに、前記固定子と磁石との間には磁性材料が充填され冷却媒体が流通する複数の熱交換用ダクトを配置した磁気冷凍装置であって、前記熱交換用ダクト内には非磁性材料で形成されたダミーダクト体を、熱交換用ダクト内が区画されるように配設したことを特徴とする。

請求項２に記載の発明の磁気冷凍装置は、請求項１に係る発明において、前記ダミーダクト体は、熱交換用ダクト内が均等に区画されるように配置されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明の磁気冷凍装置は、請求項１又は請求項２に係る発明において、前記ダミーダクト体はダミーダクト板で構成され、固定子の半径方向に延びるように配置されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明の磁気冷凍装置は、請求項３に係る発明において、前記ダミーダクト板には、冷却媒体が流通する複数の連通孔が開口されていることを特徴とする。
請求項５に記載の発明の磁気冷凍装置は、請求項３又は請求項４に係る発明において、前記ダミーダクト板は、各熱交換用ダクト内の周方向の中央位置に配置されていることを特徴とする。

請求項６に記載の発明の磁気冷凍装置は、請求項１から請求項５のいずれか一項に係る発明において、前記熱交換用ダクトは、周方向に均等長さで配置されていることを特徴とする。

請求項７に記載の発明の磁気冷凍装置は、請求項１から請求項６のいずれか一項に係る発明において、前記熱交換用ダクトは、固定子内の軸心に対して斜め方向に延びるように配置されていることを特徴とする。

請求項８に記載の発明の磁気冷凍装置は、請求項１から請求項６のいずれか一項に係る発明において、前記磁石は、固定子内の軸心に対して斜め方向に延びるように配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、次のような効果を発揮することができる。
請求項１に記載の発明の磁気冷凍装置では、円筒状をなす固定子内の軸心位置に磁石が回転可能に支持されるとともに、前記固定子と磁石との間には磁性材料が充填され冷却媒体が流通する複数の熱交換用ダクトが配置されている。そして、熱交換用ダクト内には非磁性材料で形成されたダミーダクト体が熱交換用ダクト内を区画するように配設されている。このため、熱交換用ダクト内はダミーダクト体によって形成される非磁性部により複数に分割され、複数の熱交換用ダクトを配置したときと同等の機能が得られ、磁場変動によるトルクを軽減させることができる。従って、磁石は少ない回転トルクで滑らかに回転することができる。

よって、本発明の磁気冷凍装置によれば、磁石の回転トルクを低減させ、運転効率を高めることができるとともに、磁石の回転を円滑にして安定した運転を行うことができるという効果を奏する。

実施形態における磁気冷凍装置を示す側断面図。 磁気冷凍装置を示す正断面図。 熱交換用ダクト内のダミーダクト板を示す断面図。 ダミーダクト板を示す正面図。 磁気冷凍装置の側面を示す図であって、図２の左側面図。 回転子とその周囲に配置された熱交換用ダクトを示す斜視図。 鉄芯と永久磁石とよりなる回転子を示す斜視図。 熱交換用ダクトの別例を示す斜視図。 鉄芯と永久磁石とよりなる回転子の別例を示す斜視図。

以下、本発明の磁気冷凍装置を具体化した実施形態について図１〜図７に基づいて詳細に説明する。
図１及び図２に示すように、本実施形態の磁気冷凍装置１０においては、円筒状をなす固定子１１が脚部１２によって支持されるとともに、該固定子１１の両端部には円板状をなす側板１３が接合されている。前記固定子１１と両側板１３とにより密閉空間１４が形成され、該密閉空間１４内において前記固定子１１内の軸心位置には回転子１５を構成する永久磁石１７が両側板１３に支持されるように配置されている。

図７に示すように、回転子１５は四角柱状をなす鉄芯１６の両側面に、同じく四角柱状をなし外周面が断面円弧状に形成された永久磁石１７が接合されて構成されている。そして、図２に示すように、鉄芯１６と永久磁石１７とにより構成された回転子１５は、駆動手段１８により回転可能になっている。

図２及び図５に示すように、両側板１３には各々４つの流通用長孔１９が開口され、冷却媒体としての冷却水が流通できるようになっている。両側板１３の流通用長孔１９はそれぞれ周方向に４５度異なる位置に設けられている。

図１及び図６に示すように、前記固定子１１と永久磁石１７との間の円環状の環状空間２０には、粒子状の磁性材料２１が充填されるとともに、冷却媒体の冷却水が流通する複数（本実施形態では８個）の熱交換用ダクト２２が均等長さで配置されている。磁性材料２１としては、ランタン、鉄、コバルト及びケイ素の化合物、ガドリニウム等が使用される。隣接する熱交換用ダクト２２間にはわずかの隙間が形成され、非磁性空間２３となっている。そして、前記永久磁石１７の回転により、熱交換用ダクト２２内の磁性材料２１に磁界を発生させるように構成されている。

図３に示すように、前記各熱交換用ダクト２２内の周方向中央位置には、非磁性材料で形成されたダミーダクト体としてのダミーダクト板２４が固定子１１の半径方向に延び、熱交換用ダクト２２内が２つの区画室２５に均等に区画されるように接合されている。すなわち、ダミーダクト板２４は、周方向に均等間隔となるように配置されている。非磁性材料としては、アクリル樹脂、塩化ビニル樹脂等の合成樹脂、ガラス、セラミックス等が用いられる。

図３及び図４に示すように、前記ダミーダクト板２４には、冷却水が流通する多数の連通孔２６が一定間隔をおいて開口され、両区画室２５内の冷却水が相互に出入りできるようになっている。

図１の実線に示すように、永久磁石１７が対向する位置にある熱交換用ダクト２２内の磁性材料２１は増磁されて高温になり、冷却水の温度が上がる一方、永久磁石１７が対向しない位置にある熱交換用ダクト２２内の磁性材料２１は減磁されて低温になり、冷却水の温度が下がる。前記磁気冷凍装置１０の外部には、図示しない冷却装置が配設され、前記温度が低下した冷却水が図示しない循環ポンプにより循環経路を循環して冷却装置内の被冷却物が冷却されるように構成されている。

次に、上記のように構成された磁気冷凍装置１０の作用について説明する。
さて、図１の実線に示すように、永久磁石１７が対向する位置（０°及び１８０°）にある高温側の熱交換用ダクト２２内の磁性材料２１は増磁されて温度が上昇する。その一方、それらと例えば９０°異なる位置（９０°及び２７０°）にある低温側の熱交換用ダクト２２内の磁性材料２１は減磁されて温度が低下する。このとき、低温側の熱交換用ダクト２２内を流通する冷却水が図示しない外部の冷却装置内へ流れ、被冷却物を冷却する。被冷却物を冷却した冷却水は前記高温側の熱交換用ダクト２２内へと流れ、循環する。この冷却装置内からの冷却水は高温側の熱交換用ダクト２２内の冷却水を冷却し、外部の図示しない排熱交換器に到り、そこで所定の熱量が放出される。

続いて、図１の二点鎖線に示すように、永久磁石１７を９０°回転させると、０°及び１８０°の位置にある低温側の熱交換用ダクト２２内の磁性材料２１は減磁されて温度が低下する。一方、永久磁石１７が９０°及び２７０°の位置にある高温側の熱交換用ダクト２２内の磁性材料２１は増磁されて温度が上昇する。このため、低温側の熱交換用ダクト２２内の冷却水によって冷却装置の被冷却物が冷却される。

このように、永久磁石１７の回転を繰り返すことにより、低温側の冷却水の温度は、冷凍能力と熱負荷とがバランスする温度まで低下する。一方、高温側の冷却水の温度は、排熱交換器の排熱能力と冷凍能力とがバランスして一定温度に達する。

この間、各熱交換用ダクト２２内には非磁性材料で形成されたダミーダクト板２４が熱交換用ダクト２２内を２分の１に区画するように配設されている。このため、各熱交換用ダクト２２内はダミーダクト板２４によって形成される非磁性部により２等分され、２つの熱交換用ダクト２２を配置したときと同等の機能が発現され、磁場変動に伴なうトルクが軽減される。従って、永久磁石１７は少ない回転トルクで滑らかに回転することができる。

以上詳述した実施形態の磁気冷凍装置１０によって発揮される効果を以下にまとめて記載する。
（１）本実施形態における磁気冷凍装置１０では、円筒状をなす固定子１１内の軸心位置に永久磁石１７が回転可能に支持されるとともに、前記固定子１１と永久磁石１７との間には磁性材料２１が充填され冷却水が流通する複数の熱交換用ダクト２２が配置されている。そして、熱交換用ダクト２２内には非磁性材料で形成されたダミーダクト板２４が熱交換用ダクト２２内を区画するように配設されている。このため、熱交換用ダクト２２内はダミーダクト板２４によって形成される非磁性部により複数に分割され、複数の熱交換用ダクト２２を配置したときと同等の効果が得られ、磁場変動によるトルクを抑制することができる。

よって、本実施形態の磁気冷凍装置１０によれば、永久磁石１７の回転トルクを低減させ、運転効率を高めることができるとともに、永久磁石１７の回転を円滑にして安定した運転を行うことができるという効果を発揮することができる。
（２）前記ダミーダクト板２４は、熱交換用ダクト２２内が均等に区画されるように配置されている。このため、熱交換用ダクト２２内に同じ大きさの区画室２５が形成され、永久磁石１７の回転を一層円滑にすることができ、安定性の高い運転を行うことができる。
（３）前記ダミーダクト体はダミーダクト板２４で構成され、固定子１１の半径方向に延びるように配置されている。そのため、ダミーダクト板２４は永久磁石１７の延びる方向に位置し、熱交換用ダクト２２の区画室２５内の磁性材料２１が永久磁石１７の回転方向において均等に配置されている。従って、永久磁石１７の回転にむらがなく、一定速度の回転が得られるとともに、回転トルクを減少させることができる。
（４）前記ダミーダクト板２４には、冷却水が流通する複数の連通孔２６が開口されている。このため、熱交換用ダクト２２の区画室２５内の冷却水の移動が円滑に行われ、磁気冷凍装置１０の冷凍効率を維持することができる。
（５）前記ダミーダクト板２４は、各熱交換用ダクト２２内の周方向の中央位置に配置されている。そのため、各熱交換用ダクト２２内をダミーダクト板２４により均等に２分割して同じ容積の区画室２５を形成することができ、同じ大きさの熱交換用ダクト２２を２つ形成したときの働きが得られる。従って、磁場変動によるトルクを軽減させることができ、運転効率を著しく向上させることができる。
（６）前記熱交換用ダクト２２は、周方向に均等長さで配置されている。このため、熱交換用ダクト２２内に充填された磁性材料２１が周方向に均一に配置され、永久磁石１７の回転むらを抑制し、安定性の高い運転を継続することができる。

なお、前記実施形態を次のように変更して具体化することも可能である。
・ 図８に示すように、各熱交換用ダクト２２を固定子１１の軸心に対して斜め方向（螺旋方向）に延びるように構成することも可能である。この斜め方向の傾斜角度は任意に設定することができる。このように構成した場合、各熱交換用ダクト２２内に充填された磁性材料２１が永久磁石１７から受ける磁場の変化の時間を連続的に長くすることができるとともに、磁場変化の均一性を高めることができ、前記実施形態の効果を一層向上させることができる。

・ 図９に示すように、鉄芯１６と永久磁石１７とからなる回転子１５を固定子１１の軸心に対して斜め方向（螺旋方向）に延びるように構成することも可能である。なお、永久磁石１７の外周面は常に図９の二点鎖線に示す円柱上に位置している。この場合にも、斜め方向の傾斜角度を自由に設定することができる。この構成によれば、各熱交換用ダクト２２内に充填された磁性材料２１が永久磁石１７から受ける磁場の変化の時間を連続的に長くすることができるとともに、磁場変化の均一性を高めることができ、前記実施形態の効果を一層向上させることができる。

・ 前記回転子１５を、鉄芯１６を用いることなく、永久磁石１７のみで構成することもできる。
・ 前記ダミーダクト板２４を熱交換用ダクト２２内に均等間隔で複数配置することも可能である。

・ 前記ダミーダクト体として、ダミーダクト板２４以外に薄いシート状に形成したものや厚いブロック状に形成したものを使用することもできる。また、ダミーダクト板２４の厚さを熱交換用ダクト２２間の非磁性空間２３と同じ厚さに設定し、非磁性部分を固定子１１の全周に亘って均等に形成することもできる。

１０…磁気冷凍装置、１１…固定子、１７…永久磁石、２１…磁性材料、２２…熱交換用ダクト、２４…ダミーダクト体としてのダミーダクト板、２６…連通孔。

Claims (8)

1. 円筒状をなす固定子内の軸心位置に磁石を回転可能に支持するとともに、前記固定子と磁石との間には磁性材料が充填され冷却媒体が流通する複数の熱交換用ダクトを配置した磁気冷凍装置であって、
   前記熱交換用ダクト内には非磁性材料で形成されたダミーダクト体を、熱交換用ダクト内が区画されるように配設したことを特徴とする磁気冷凍装置。
2. 前記ダミーダクト体は、熱交換用ダクト内が均等に区画されるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気冷凍装置。
3. 前記ダミーダクト体はダミーダクト板で構成され、固定子の半径方向に延びるように配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の磁気冷凍装置。
4. 前記ダミーダクト板には、冷却媒体が流通する複数の連通孔が開口されていることを特徴とする請求項３に記載の磁気冷凍装置。
5. 前記ダミーダクト板は、各熱交換用ダクト内の周方向の中央位置に配置されていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の磁気冷凍装置。
6. 前記熱交換用ダクトは、周方向に均等長さで配置されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の磁気冷凍装置。
7. 前記熱交換用ダクトは、固定子内の軸心に対して斜め方向に延びるように配置されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の磁気冷凍装置。
8. 前記磁石は、固定子内の軸心に対して斜め方向に延びるように配置されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の磁気冷凍装置。

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