(57)【要約】本発明は連続作動反応で作動可能な、工業熱反応に応用可能であると同時に、高効率かつ低製造コストの回転磁気冷凍機/ヒートポンプに関する。回転磁気冷凍機（１０）には磁石（１１）、磁気熱環（１２）、および流体誘導分割組立品（１３）が含まれる。流体誘導分割組立品（１３）には、作用流体（１９，２０，２１，２２）の供給と退避に利用される、上（１７）、下（１８）定置ダクト内にベアリング（１５および１６）付き骨組で懸架される水平体勢回転ディスク（１４）が含まれる。回転ディスク（１４）は中空セクター（２３および２４）の各平滑面に近接する２つの円状配列を有する。すべての中空セクター（２３および２４）に近接する平滑面にはまた回転ディスク（１４）の周囲面のスロット（２５および２６）も含まれる。作用流体は、中空セクターの下部配列の周囲開口部まで放射方向に流れ出すと同時に中空セクターの上部配列の周囲開口部を通ってディスクに戻り、そこから、最終的に上部平滑面にある各中空セクターの開口部を通ってディスクを軸方向に出るために、下部中空セクター内へと軸方向に下部平滑面にある開口部を通って導入される。【選択図】図１A、図１B
2008544200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め決められた磁場発生用に設けられる少なくとも１台の磁気装置（１１）、前記の予め決められた磁場を貫通して回転する部分的に中空の回転磁気熱環部材（１２）、および作用流体の部分的中空回転磁気熱環部材（１２）内外誘導用の作用流体誘導分割組立品（１３）が含まれる連続回転磁気冷凍機またはヒートポンプにおいて、該作用流体誘導分割組立品（１３）に該作用流体が前記ディスクの回転軸（３０）に平行に前記分割組立品（１３）を出入りすると同時に、該磁気装置（１１）と前記回転磁気熱環部材（１２）との間に小さな間隙を定めるとともに、前記回転磁気熱環部材（１２）を支持できるように設計される中央回転ディスク（１４）が含まれ、この中央回転ディスクに少なくとも２つの中空セクター（２３，２４）の円形配列ならびに該中空セクター配列と連絡する手段が含まれることを特徴とする連続回転磁気冷凍機またはヒートポンプ（１０）
【請求項２】
中空セクター（２３，２４）の各配列にそれぞれ作用流体が導入するかまたは作用流体誘導分割組立品（１３）を軸方向に離れると同時に放射方向に前記回転ディスク（１４）を通って中空セクター（２３，２４）配列の周辺開口部まで流出することができるよう設置される開口部（２５，２６）が含まれることを特徴とする請求項１による連続回転磁気冷凍機またはヒートポンプ（１０）
【請求項３】
磁気装置（１１）と前記部分的中空回転磁気熱環部材（１２）間の間隙が０．５ミリ未満であることを特徴とする請求項１による連続回転磁気冷凍機またはヒートポンプ（１０）
【請求項４】
回転ディスク（１４）が水平に位置すると同時にベアリング（１５および１６）付きの骨組みで上部（１７）および下部（１８）の定置ダクト内に懸垂されることを特徴とする請求項１による連続回転磁気冷凍機またはヒートポンプ（１０）
【請求項５】
磁気熱環部材（１２）に少なくとも１台の流体分流器が含まれることを特徴とする請求項１による連続回転磁気冷凍機またはヒートポンプ（１０）
【請求項６】
前記回転ディスク（１４）に回転ディスク（１４）に取り付けられる回転磁気熱環部材（１２）内外の少なくとも１つの流体の流れをもたらす少なくとも１台の流体分流器が含まれることを特徴とする請求項１による連続回転磁気冷凍機またはヒートポンプ（１０）
【請求項７】
定置ダクト（１７，１８）が前記回転磁気熱環部材（１２）と前記回転ディスク（１４）が含まれるケーシングに取り付けられることを特徴とする請求項４による連続回転磁気冷凍機またはヒートポンプ（１０）
【請求項８】
定置ダクト（１７，１８）に少なくとも１台の分流器が含まれることを特徴とする請求項７による連続回転磁気冷凍機またはヒートポンプ（１０）
【請求項９】
磁気熱環（１２）が少なくとも１種の電磁熱材料製であることを特徴とする請求項１による連続回転磁気冷凍機またはヒートポンプ（１０）
【請求項１０】
電磁熱環（１２）が温度勾配方向に異なる電磁熱材料で層状化されることを特徴とする請求項９による連続回転磁気冷凍機またはヒートポンプ（１０）
【請求項１１】
電磁熱材料が粒子はまたは多孔性または断続性構造が詰め込まれた層であることを特徴とする請求項１０による連続回転磁気冷凍機またはヒートポンプ（１０）
【請求項１２】
各段階に異なる電磁熱材料が含まれる、および/または温度勾配の方向に層状化もされることを特徴とする、１つ以上の部分中空磁気熱環部材（１２）ならびに、数段階を有する直列装置が提供される決められた磁場の発生用に設置される１台以上の磁気装置（１１）が含まれる請求項１による連続回転磁気冷凍機またはヒートポンプ（１０）
【請求項１３】
間隙効果を減少させるために高磁気浸透流体が磁気熱環部材（１２）とハウジング間に挿入されることを特徴とする請求項１による連続回転磁気冷凍機またはヒートポンプ（１０）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はある部分中空回転磁気熱環部材、予め磁場を発生させるため設置される少なくとも１台の磁気装置が含まれて、前記回転磁気熱環部材が前記予め決められる磁場を通って回転するとともに、さらに作用流体の部分中空回転磁気熱環部材内外誘導用作用流体誘導分割組立品が含まれる連続回転磁気冷凍機又はヒートポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ブラウンＧＶ．（米国特許4,069,028、「磁気ヒートポンプイング」、および「室温付近の磁気ヒートポンピング」、J. App. Phys.誌、1976年 47号 p. 3673〜3680）が最初の室温磁気冷凍機を１９７６年に紹介しており、数多くの「室温」冷凍機が製造されると同時に特許化された。これらの冷凍機のアイデアには大部分とてつもない投資コストを要する超伝導磁石が含まれた。１９８０年代以来、数多くの様々な用途が２００１年に提案された。米国宇宙飛行士協力会（Zimm CB、 Sternberg A、Jastrab AG、Boeder AM, Lawton LM、 Chell JJによる米国特許5,743,095「回転台磁気冷凍処理と装置」）は世界で初めての磁石で作動する「室温」磁気冷凍機を報告した。
【０００３】
磁気冷凍機の開発と平行して、室温磁気冷凍機相応しい磁気熱材料に関する研究が進んできていると同時に、AMES Laboratoryにおける合金をベースとしたガドリニウムの発明以来等比級数的に増加してきた。（Gschneidner Jr. KA、Pecharsky VKによる米国特許5,743,095「Gd-Si-Ge材料をベースとした活性磁気冷却剤および冷凍処理と装置」、Pecharsky VK、Gschneidner Jr. KAによる「Gd5(Si2Ge2の巨大磁気熱効果に関する合金効果」J. Magnetism and Magnetic Materials」誌、1997年 167号 p.179〜184）
【０００４】
それとなくほのめかされてきた様々な電磁熱化合物の中で、強調する価値のあるものはマンガンが極めて大きな磁気熱効果を示すのでマンガンがベースにされている。（Bruck E、Tegus O、 Li XW、 de Boer FR、 Buschow KHJによる「室温用途に向かう磁気冷凍」、Physica B」誌 、2003年 327号 p.431〜437、Wada H, Tamabe Y.による「MnAs1-xSbxの巨大磁気熱効果」、Appl. Phy. Lett.誌、 2001 年 79巻、 No. 20、 p. 3302〜3304）  磁気冷凍機および磁気熱材料の様々なタイプに関するレビューは諸参考文献中に見つけることができる。（Yu BF, Gao Q, Zhang B, Meng XZ, Chen Zによる「室温磁気冷凍機研究に関するレビュー」、International Journal of Refrigeration誌、 2003, 26, p.1-15、Tishin AM, Spichkin Yl.による「電磁熱効果とその用途」、Institute of Physics報、Series in Condensed Matter Physics、Institute of Physics Publishing 2003年、Gschneidner KA, Pecharsky VK.による「磁気冷凍」、lntermetallic Compounds, Principles and Practice誌、 Vol.3, John Wiley & Sons社、 2002年 p.519〜539）
【０００５】
過去１０年間において、高キューリー温度と巨大磁気熱効果（ＭＣＥ）を伴う電磁熱材料と呼ばれる新たな電磁熱冷却剤合金の発見が磁気冷却向けの多くの用途の開発を生んだ。これらの開発は従来の冷却技術の用途に劇的に影響を及ぼす潜在性のある代替冷却技術の始まりであるかもしれない。環境に害のない従来の冷却剤を必要としない冷却技術を求めて、磁気冷凍装置が顕著な解決策を示しているのかも知れない。
【０００６】
この２０年の研究開発活動は磁気熱材料を使用すると同時に異なる熱力学サイクルで作動する多くの磁気冷凍機をもたらした。これまで、磁気熱材料の原理による多くの磁気冷凍機能は往復または回転動作で磁場を通り抜ける。初期の科学出版物の多くは、磁気熱効果による磁気熱材料の温度変化を誘導するための超伝導磁石の利用に触れている。最近、米国宇宙飛行士協会が世界で最初の永久磁石を利用して作動する「室温」磁場冷凍機の製造について報告したばかりである。（米国特許6,526,759, 2003、「回転床磁気冷凍装置」、CB. Zimm , A. Sternberg , A.G. Jastrab, A.M. Boeder, LM. Lawton, J.J. Chell）
【０００７】
永久磁石には超伝導または従来の電磁石と比べる場合、大きな利点がある。電磁石とは逆に、磁場を発生させる外部動力が必要ないだけでなく、電気エネルギーの消散による熱の発生もない。デュワーを使用する超伝導磁石はコストが高すぎるだけでなく、磁気冷凍におけるこれらの適用によってもこの技術の競争力は根底から壊れてしまう。既存の磁気熱材料が用いられる場合の運転再生サイクルと直列装置の可能性では、弱い磁場での永久磁石の使用すら可能となる。極めて強い磁場を利用した永久磁石もまた徐々に開発されており（K.H. Muller 、 G. Krabbes、, J. Fink、 S. Gruss 、 A. Kirchner 、 G. Fuchs 、 L. Schultzによる「新たな永久磁石」、Journal of Magnetism and Magnetic Materials誌、 2001 年 226〜230, p. 1370〜1376、およびKumada M.、 Iwashita Y.、 Antokhing E.Aによる「永久磁石問題」、NANOBEAM学会、 2002年、 Lausanne、 Switzerland、Conference web-proceedings報告を参照のこと）、将来のほぼ室温で作動する磁気冷凍機には永久磁石が含まれるだろうと予想するのが正当のように見える。既存の磁気冷凍技術に関する広範なレビューは、「Tishin」の書籍（A.M. Tishin, Y.I. Spichkin著、「磁気熱効果とその用途」、Institute of Physics報、Series in Condensed Matter Physics,、Institute of Physics Publishing 2003年）あるいはYuその他の論文（Yu B.F.、 Gao Q.、 Zhang B.、 Meng X.Z.、 Chen Z著、「室温磁気冷凍研究に関するレビュー」、International Journal of Refrigeration誌、 2003年 26号、 p.1〜15)）に見出すこともできる。
【０００８】
磁気熱材料により２つの浴槽、例えば、熱源浴槽とヒートシンク浴槽を通って回転する環が形成される先行技術の装置がUS 3,108,444に公開されている。この特許では、環が２つの浴槽、例えば、熱源浴槽とヒートシンク浴槽を通って回転する。磁気熱材料が小さな空間に閉じ込められると同時に、磁石が移動する日本国特許公開JP2001 -090953によって別の装置が公開されている。さらに磁石が移動すると同時に追加弁と特殊スイッチの設置が磁気熱材料を通過して作用流体が流れるよう必要とされる別の装置が世界公開WO03050456に公開されている。
【０００９】
作用流体が導管によって環と共に回転する床の加熱および冷却端部に接続される分散弁により再生床（磁気熱環が一緒に含まれる）の出入りに向けられる別の装置がＰＣＴ出願WO/0212800によって公開されている。限られた数の導管が作用流体を分散させるために利用され、該導管は磁気熱環に接続されて  流れは床を通って周囲に流れると同時に、様々な弁が必要とされる。
【００１０】
米国特許. 5,249,424では極低温貯蔵装置が冷却流体としてヘリウムガスと水素ガスを通常、使って作動させるということが述べられている。この装置には一つは大きいほうのまた一つは小さいほうの、例えば、装置の第一段階と第二段階の磁気材料の２つの床が含まれる。第一段階からの冷却エネルギーは、こうして、第一段階の暖かい部分に利用されるだけでなく、第二段階の冷たい部分にも向けられる。これによって一種の再生が各段階で行われる。従って、この装置は単一段階でも従来の再生タイプの冷凍機でもなく、再生と直列原理の一種の組み合わせ（二段階）を示すものである。
【００１１】
磁気熱材料の上部および下部を流れる流体のため、磁石と磁気熱材料間の間隔が極めて広くなる点もまた注目されよう。この間隙は極めて大きな磁気抵抗につながると同時に磁気熱材料の磁気誘導を減少させる。
【００１２】
本発明の対象は水素液化器ではなく、「記録的」材料がまだ磁気熱効果を示す温度までの任意の温度レベルで適用されうると同時に、多くの種類の流体が搬送流体として選択可能である、一般的用途の磁気冷凍機またはヒートポンプに関する。この発明の基本原理は一種の磁気熱材料環が含まれる一段階装置である。この一段階装置は再生段階装置であるよう変更されてもよい。
さらに、該装置はUS 5,249,424の発明の事例ではない従来装置におけると同様に直列としても設置が可能である。また、接続と連結により流体搬送と熱伝達構成が考えられ、熱源とシンクの位置決めがまったく異なる。
【００１３】
本発明の装置には磁気熱材料の一つの床と同時に最低一つの磁石を意味する単一磁気熱ディスクが含まれ、一段階が生じる。次にこの構成は多くの種類の再生によって変更可能である。さらに、磁気材料への作用流体の供給は特別に設計される回転ディスクを利用する方法によって行われる。このディスクにより回転軸に平行な装置からの作用流体の出入りが可能となる。これらの流体は流体力学に関する最適構成（曲げ）でこの特殊ディスクに取り付けられる環に詰め込まれる磁気熱材料を出入りする。
【００１４】
従って、タイプと形状だけでなく磁石によって誘導される磁場の生ずる領域もUS 5,249,424の発明では、本出願のものとは実質的に異なっている。
【００１５】
同一出願人からのＰＣＴ公開WO 2004/059221では、磁気熱材料で完全に満たされるかあるいはこれによって製作される円筒体が含まれる軸方向機械が説明されている。磁石は様々に位置決めされるので、流体は様々に流れる。従って、流体に関する自由交差断面は一定であると同時に、平均速度も下方流に変化しない。これに相反して、本特許出願では、ディスクの自由交差断面が減少するとともに、従って、質量の連続性によって、平均速度が減少する特別に設計された回転ディスクを通じて流体が放射方向に流れる。
【００１６】
本特許出願では、非常に小さな空隙の設計を可能にすると同時に、磁気熱環装置内で独特な前後流回路が採用される磁石熱環付近の磁石の位置決めを伴う特別な放射状機械が紹介されている。追加のエネルギーが消費されないだけでなく、弱い磁場誘導が示される永久磁石を使って良好な性能が得られる。従って、低い磁気抵抗が定められる永久磁石が含まれる機械では、この機械が経済的に運転可能であるように二ヶ所の間隙（磁気熱輪）の上部と下部）が必要である。
【００１７】
他の大きな違いは位置であると同時に磁石の形状でありまた作用磁場の方向でもある。本発明では磁場線がほぼディスクの軸に平行であるけれども、WO 2004/059221における磁石はほぼ軸に垂直かあるいはおよそアジマス方向の磁場線をなす。
【００１８】
さらに、本発明に紹介される装置の派生方向の温度方向に様々な材料が詰め込まれた床の製作はWO 2004/059221の装置とは全く異なる。これにより機械の性能係数が実質的に上昇するのでこの手順は重要である。
【００１９】
本出願は磁気冷凍機またはヒートポンプに関係するのに対して、特許出願55002872の概要で説明される本発明はサーボ弁作動装置に関係する。従って、磁性流体または高浸透性流体の用途目的は実質的に２つの発明で異なる。日本の装置ではこの流体の目的は電磁石の磁気移動力が磁性流体または高浸透性を示す流体を用いた間隙の充填によって小さくするという点にある。本出願では、間隙の高浸透性流体により磁気熱材料中の高磁気流れ密度が保証される。ここで、磁場は任意の磁石、超伝導磁石、電磁石または永久磁石によって誘導される。
【００２０】
本発明の目的は明らかに極めて様々である。例えば、磁性流体をベースとしたこの同様な方法は磁気弁または本磁気熱用途との関連が示されない拡声器にも適用される。
【特許文献１】米国特許4,069,028
【特許文献２】米国特許5,743,095
【特許文献３】米国特許6,526,759
【特許文献４】US 3,108,444
【特許文献５】日本国特許公開JP2001 -090953
【特許文献６】世界公開WO03050456
【特許文献７】ＰＣＴ出願WO/0212800
【特許文献８】米国特許. 5,249,424
【特許文献９】ＰＣＴ公開WO 2004/059221
【特許文献１０】日本国特許出願55002872
【特許文献１１】Wada H, Tamabe Y.による「MnAs1-xSbxの巨大磁気熱効果」、Appl. Phy. Lett.誌、 2001 年 79巻、 No. 20、 p. 3302〜3304
【非特許文献１】ブラウンＧＶ．「室温付近の磁気ヒートポンピング」、J. App. Phys.誌、1976年 47号 p. 3673〜3680
【非特許文献２】Pecharsky VK、Gschneidner Jr. KAによる「Gd5(Si2Ge2の巨大磁気熱効果に関する合金効果」J. Magnetism and Magnetic Materials」誌、1997年 167号 p.179〜184
【非特許文献３】Bruck E、Tegus O、 Li XW、 de Boer FR、 Buschow KHJによる「室温用途に向かう磁気冷凍」、Physica B」誌 、2003年 327号 p.431〜437
【非特許文献４】Yu BF, Gao Q, Zhang B, Meng XZ, Chen Zによる「室温磁気冷凍機研究に関するレビュー」、International Journal of Refrigeration誌、 2003, 26, p.1-15
【非特許文献５】Tishin AM, Spichkin Yl.による「電磁熱効果とその用途」、Institute of Physics、Series in Condensed Matter Physics、Institute of Physics Publishing 2003年
【非特許文献６】Gschneidner KA, Pecharsky VK.による「磁気冷凍」、lntermetallic Compounds, Principles and Practice誌、 Vol.3, John Wiley & Sons社、 2002年 p.519〜539
【非特許文献７】K.H. Muller 、 G. Krabbes、、J. Fink、 S. Gruss 、 A. Kirchner 、 G. Fuchs 、 L. Schultzによる「新たな永久磁石」、Journal of Magnetism and Magnetic Materials誌、 2001 年 226〜230, p. 1370〜1376
【非特許文献８】Kumada M.、 Iwashita Y.、 Antokhing E.Aによる「永久磁石問題」、NANOBEAM学会、 2002年、 Lausanne、 Switzerland、Conference web-proceedings
【非特許文献９】A.M. Tishin, Y.I. Spichkin著、「磁気熱効果とその用途」、Institute of Physics、Series in Condensed Matter Physics,、Institute of Physics Publishing 2003年
【非特許文献１０】Yu B.F.、 Gao Q.、 Zhang B.、 Meng X.Z.、 Chen Z著、「室温磁気冷凍研究に関するレビュー」、International Journal of Refrigeration誌、 2003年 26号、 p.1〜15
【発明の開示】
【００２１】
先行装置の前述の欠点を克服するため、本発明の目標は連続作動処理運転可能で、高効率かつ低コスト生産のＨＶＡＣ装置、冷凍機、ヒートポンプ、自動車、列車、航空宇宙機器などの工業用熱処理に適用可能な回転磁気冷凍機/ヒートポンプ（RMR/RMHP）を提供することにある。
【００２２】
まえがきで定められたような本発明の回転磁気冷凍機またはヒートポンプは、作用流体誘導分割組立品に、前記ディスクの回転軸に平行な前記分割組立品からの作用流体の出入りならびに磁気装置と前記回転磁気熱環部材間に小さな間隙を定める場合に前記回転時期熱環部材の支持が可能なように設計される中央回転ディスクが含まれ、この中央回転ディスクに少なくとも２つの中空セクターの円形配列および該中空セクターの配列と連絡する手段が含まれることを特徴としている。
【００２３】
本発明の好ましい実施例によると、中央回転ディスクの中空セクターの各配列にはそれぞれ作用流体が軸方向に導入されるかあるいは作用流体誘導分割組立品を離なれると同時に放射方向に中空セクターの配列周辺開口部を貫通して前記回転ディスクの中に流出可能なように設置される１つの開口部が含まれる。
【００２４】
磁気装置と前記部分中空回転磁気熱環部材との間に定められる間隙は０．５ミリ未満であることが都合がよい。
【００２５】
回転ディスクは水平に位置するとともに、上部および下部で定置ダクト内にベアリング付きの骨組により懸架されることが好ましい。
【００２６】
磁気熱環部材には少なくとも１台の流体分流器が含まれると同時に、前記回転ディスクには回転ディスクに取り付けられる回転磁気熱環部材からの少なくとも１種の流体の流れの出入りを提供する少なくとも１台の流体分流器が含まれるのが都合よい。
【００２７】
定置ダクトは前記回転磁気熱環部材および前記回転ディスクが含まれるケーシングに取り付けられるのが好ましい。これらの定置ダクトには最低１台の流体分流器が含まれる。
【００２８】
磁気熱環は少なくとも１種の磁気熱材料製であってよくあるいは温度勾配の方向に異なる磁気熱材料により層状化されてもよい。
【００２９】
磁気熱材料は詰め込み床の多孔性構造として、断続性構造として製作されてよい。
【００３０】
１つ以上の部分中空回転磁気熱環部材および複数段階を有する直列装置を提供する予め決められる磁場の発生用に設置される１台以上の磁気装置が含まれる、連続回転磁気冷凍機またはヒートポンプの実施例のある変型では、各段階に様々な磁気熱材料が含まれてよい、および/または、温度勾配の方向に層状化されてもよい。
【００３１】
間隙効果を減少させるよう磁気熱環部材とハウジング間に高磁気浸透性流体が挿入されることが好ましい。
【００３２】
図１Aと図１Bは主構成構造部品からなるその最も単純な構成の回転磁気冷凍機１０の概略設計を示す。この冷凍機の機能形態は３つの主機能構成集団および最低１種の作用流体の上に成り立つ。２つの作用流体、例えば、熱源とヒートシンク流体が利用されるとともに、これらはガス類、液体類、ナノ流体または懸濁液であるのが好ましい。３つの機能構成集団は磁石１１、この磁石によって回転する部分中空磁気熱環１２および流体誘導分割組立品１３である。流体誘導分割部品１３には、作用流体または矢印１９、２０、２１および２２によって指し示される作用流体の供給ならびに排出のために利用される、上部および下部の定置ダクト１７および１８内のベアリング１５および１６付きの骨組で懸架される水平配置回転ディスク１４が含まれる。回転ディスク１４にはその内部にその各平滑面に近接する中空セクター２３と２４の２つの円形配列が含まれる。中空セクターそれぞれ２３および２４のすべての配列はそれぞれ回転ディスク１４の隣接する平滑面および周囲面にスロット開口２５および２６を有している。これにより作動流体が中空セクター下部平滑面にある周囲開口部を通って中空セクター下部配列の中に軸方向に導入された後、該流体が中空セクター下部配列の周囲開口部まで放射方向に流出するとともに、中空セクター上部配列の周囲開口部を通ってディスクに戻り、そこからこれが最終的に上部平滑面にある各中空セクターの開口部を通って軸方向にディスクを出ることが可能となる。２種以上の作用流体がある場合には、これらは同一方向あるいは反対方向に流れてよい（例えば、図１では、矢印がその場合を示し、熱源およびヒートシンク流体が反対方向に流れる。）ディスク内側の回転方向であるアジマス方向の流体交流は望ましくなく隣接中空セクターの分流器２７を利用して防止される。回転ディスク内の中空セクターの数は冷凍機の用途に応じて変わる。分流器２７は必要ならば断熱されても良い。分流器は磁気熱環１２にも取り付けられると同時に、磁気熱材料製であってよい。分流器は定置ダクト内にも存在する。回転ディスク１４と定置ダクト１７および１８内の分流器の数は、磁気熱環１２内のこれらの幾何形状と合わせて冷凍機やヒートポンプの個別の用途に応じて変わる。
【００３３】
回転ディスク１４はその中央にある駆動車軸３０によって回転する。回転ディスク１４の周囲面に磁気熱環１２が取り付けられ、これがディスクを利用して回転する。この環には粒子の詰込み床か、多孔性の断続性構造のどちらかの形態の磁気熱材料が含まれる。磁気熱環１２にはアジマス方向の流体流防止用の分流器もある。磁気熱環との境界を通って回転ディスク１４の上部や下部（流体流れの方向に応じて変わる）の中空セクター配列を出る作用流体は、磁気熱材料の隙間の中に流れ、ここからこれが周囲面を通って回転ディスク１４の中空セクターの上部（または下部）配列に戻る。磁石１１は定置式であると同時に、磁気熱環１２が利用されて０．５ミリ未満の間隙がつくられる。冷凍機の用途に応じて一定あるいは変化する磁場を加えることも考えられる。磁石によって覆われる磁気熱環１２の角度範囲φは冷凍機の個別の用途応じて変動させて良い。
【００３４】
図２は１つの磁石１１または均一あるいは段階毎に増加する磁場を動かすこと考えられる11a、11b、11c、11d、11eの複数磁石のパッケージの例を示す。
【００３５】
図3A、3B、3Cは、図３Aの２つの対称磁石11aa、11bb、図３Bの１８０度の角度で展開された単一磁石11ccならびに、図３Cの５つの磁石セクター11dd、11ee、11ff、f11gg、11hhの追加磁石のありうる数配置例を示す。
【００３６】
図４A、図４B、図４Cは磁気熱環１２に取り付けられるその内部構造を伴った回転ディスク１４を示す。B-B線に沿った横断面図、図４Cの黒矢印４０は磁気熱環１２の構造を通る作用流体の流れを示す。回転ディスク１４と分流器２７は任意の材料製であってよいが、低熱伝導性材料のものであるのが好ましい。特別な場合には、分流器２７は断熱されてもよい。分流器２７の形状は様々なものであってよい。特別な場合には、これらはポンプあるいはタービンで用いられる羽根状形状であることもある。磁気熱環１２周囲のハウジングは任意種類の材料であってよいが、磁気熱材料であるのが好ましい。分流器２７は様々な種類の形状であってよい。これらの形状は磁気熱環内、回転ディスク内や定置ダクト内の分流器４１の間で異なる。これらの各分割構成部品の分流器の形状は冷凍機あるいはヒートポンプの個別の用途に応じて選定されなくてはならない。
【００３７】
図５A、図５B、図６Cおよび図５Dは磁気熱環内ならびに回転ディスク内の分流器４１の異なる形状の数例を示す。回転ディスクの下部部分の分流器の形状は回転ディスクの上部部分のものと異なってもよい。この点は定置ダクトについてもいえる。
【００３８】
図１Aに示される定置ダクト１７と１８がさらに詳しく図６Aと図６Bに示されている。各定置ダクトの片端には回転ディスク１４が取り付けられるシール部が含まれるベアリング６１および６２が設置される。これを利用して、磁気熱環１４と一緒にディスクが回転する間両ダクト１７，１８が停止状態となる。定置ダクト１７、１８にはこれらの外部配管への取付け用フランジ６３が含まれる。定置ダクト１７、１８は任意の材料製であってよいが、熱伝導率の極く低いものが好ましい。これらはまた断熱されても良い。定置ダクト内の分流器６４は一般的にアジマス方向の流体流れを防止するので、熱源とヒートシンク流体の混合も防止するかまたは異なる温度レベルの流体の混合も防止する。分流器６４の概念によりまた冷凍機の再生装置への変更の可能性が単純化される。分流器６４は冷凍機の個別の用途とその作動特性に応じて形状が異なってもよい。外部ダクト17aと内部ダクト17bにより、これらの間の空間を流れる作用流体を利用して同軸の一体組合せダクトが形成される。回転ディスク組立品１４および定置ダクト１７、１８には定置ダクト内分流器と回転ディスク１４延長部の平滑面との間の境界間隙が必要とされる。この間隙を通じて、定置ダクト１７、１８内の個々のセクター内のいくらかの量の流体がアジマス方向の隣接するセクターに漏出する恐れがある。これは望ましくないと同時に、回転部分と定置部分の接触防止に必要最小限の間隙の大きさを決めることによるかあるいは、回転と定置の部分間の間隙を通る漏出の最小限化に相応しいだけのシーリングを施すことによって、あるいは回転ディスク１４と定置ダクト１７、１８間の境界での分流器の幾何形状を適切に設計することによるかのいずれかによって回避が可能である。
【００３９】
図１Aおよび図１Bに示される冷凍機の様々な設計案が図７および図８に示される。両設計案では磁気熱環１２と一体の回転ディスク１４が、磁石１１の磁極に取り付けられ定置されているハウジング７１および７２内に封じ込まれている。磁極１１に取り付けられるハウジングの部分は高浸透材料からなるけれども、他の部分は任意の材料製であってもよい、が、極めて低い磁気浸透性のものであるのが好ましい。この場合、磁気流入線は磁化されなくてはならない磁気熱環の部分を貫通する方向にのみ向けられる。ハウジングと回転磁気熱環との間の間隙には、環の磁化に関する間隙の逆効果を減じる目的で高浸透流体が封じ込められる。回転ディスク１４と定置ハウジング７１、７２との間の相対移動により、不可避的に、これらの部品間の浸透性流体が「暖」と「冷」の領域を回転させると同時に混合させる。これは適当な位置においてハウジング内部の平滑面にシールを施すことによって防止されてもよいし、あるいは浸透性流体、磁場で捕捉されるシーリング部品が利用されてもよい。
【００４０】
図８は回転ディスク１４付の回転磁気冷凍機１０ならびにハウジング７１、７２内に位置すると同時に、作用流体ダクト１７、１８内でベアリング７３を使用して懸架される磁気熱環１２を示す。回転ディスク１４とハウジング７１、７２との間にシール部７４が設置される。この設計は製造しやすさと部品の組み立てやすさが特徴であって費用の削減を可能にする。
【００４１】
図３Bの構成を考えると、一定と仮定される磁場について、図９の右側の冷凍機概要図に４つの関連する作動段階が数えられる。図９の左側のT-S図式は、磁気熱材料がこれらの４作動段階に受ける場合に対応する熱力学サイクルを定性的に示している。２つの等角磁場（一定磁場）と２つの断熱曲線間で作動するブレイトンサイクルが仮定される。IV位置からI位置までは、磁場を受けない、磁気熱環部分の真空の空間を流れる熱源流体９１である作用流体がその環の部分に熱をもたらす。本反応では、磁気熱材料の温度は上昇するのに、作用流体の熱源のそれは下降する。磁気熱環が回転するにつれて、これは磁石が位置する地帯に入る。一定磁場（H1 = 0の位置IからH2 > H1の位置IIまで）のこの地帯に入り次第、磁場を受ける磁気熱材料は断熱磁化を受けると同時に磁気熱効果により加熱される。段階IIから段階IIIまでは、磁場を受ける磁気熱環部分の真空の部分を通って流れるヒートシンク流体９２である作用流体は、環部分の流体から熱を吸収する。この反応では、磁気熱材料の温度は低下するのに対し、ヒートシンク作用流体の温度は上昇する。図９の場合には、作用流体９１と９２の両方とも同一方向に流れるが逆の流れの流れもまたありえる。特別な配管配置を利用すると、ある別の流体方案も可能である。一定の磁場地帯を出て磁場のない地帯に入る（位置IIIから位置IVまで）と同時に、磁気熱材料は断熱脱磁化を受けるとともに、磁気熱効果により冷却される。作用流体に必要な外部配管装置は回転ディスク１４上下の定置ダクトに取付けられる。
【００４２】
磁気熱材料が４作動段階の間にエリクソン熱力学サイクルを受けるためには、装置は図１０に示される２つの等角磁場と２つの等温線との間で作動されなくてはならない。これは等温磁化（IからIIまで）と同時に、等温脱磁（IIIからIVまで）を意味する。等温磁化は磁気熱環が次に続く増加磁場地帯を通る必要がある（あるいは一定温度における磁化反応を必要とする）のに対して、等温脱磁は磁気熱環が次に続く減少磁場地帯を必要とする（または一定温度における脱磁反応を必要とする）。図１０の場合について、等温磁化と脱磁は１個以上の磁石の作用による増加磁場の利用によって行われると考えられる。図１０の右側には冷凍機の概要図で関連する４作動段階が数えられる。図１０の左側のT-S図式は磁気熱材料がこの４作動段階中に受ける当該エリクソン熱力学サイクルを定性的に示す。磁気熱環１４が回転するにつれて、第一磁石（セクターa）が位置する地帯に入る。この地帯に入り次第に磁場を受ける磁気熱材料が断熱磁化を受けると同時に、磁気熱効果により加熱される。磁場は次に続く各セクター内で位置II（セクターb、c、とIIからIIIまで）まで上昇する。従って、各セクターが磁場に入り次第、磁場熱材料は繰返し断熱磁化と磁気熱効果により加熱される。これは複数の磁石を利用して行われても良い。  磁気熱環１４はこれらの増加磁場のセクターを通過するにつれて、これらの磁気熱環部品の真空の部分を通って流れるヒートシンク作用流体が熱を磁気熱材料から取り出す。この反応において、磁気熱材料の温度は各磁化セクターで減少するのに対し、ヒートシンク作用流体は上昇する。このある一定の地帯にわたる手順の場合、磁気熱材料は、材料の磁化を増加させるにもかかわらずほぼ一定平均温度に保たれうる。この温度は冷凍機の高温側レベル温度を示す。
【００４３】
次に続く区間IIからIIIまででは、磁気熱材料の容積に保持されるヒートシンク作用流体が区間IVからIまでくみ上げられて内部再生サイクルが行われる。同時に、区間IVからIまで磁気熱材料の容積に保持される熱源流体は、内部再生反応のため区間IIからIIIまでくみ上げられる。再生のための流体交流の搬送機構は使用流体および冷凍機の個別の用途に応じて選択される。サイクル状態IIIからIVまでは、引き続き磁場が各セクターにおいて位置IV（セクターa'、b'、c'）まで減少する。各セクターの磁場に入り次第、磁気熱材料は繰返し脱磁と磁気熱効果により冷却される。磁気熱材料がこれらの減少磁場のセクターを通過するにつれて、これらの磁気熱環の部品の中で真空の空間を流れぬける熱源作用流体は熱を磁気熱材料に放出する。この反応では、磁気熱材料の温度は、熱源作用流体の温度が減少するにもかかわらず各材料の脱磁化セクター内では上昇する。この手順の場合、ある一定の地帯にわたり、磁気熱環材料が材料の脱磁化にもかかわらずほぼ一定の平均温度に維持されうる。この温度は冷凍機の低温側レベル温度を示す。
【００４４】
等温磁化を伴うエリクソンサイクルが行われるもう一つの可能性が、図１１（IからIIまで）ならびに、ヒートシンク流体は磁気熱環１４が磁場に入る直前の磁気熱環１４の一部ならびに磁気熱環１４が磁場に入った直後の磁気熱環１４の一部に入る脱磁（III からIVまで）に）によって示される。同様に、熱源流体は、これが磁場と磁気熱環の部分を出る直前、磁気熱環１４が磁場を出る直後に磁気熱環１４を通過する。
【００４５】
磁気熱材料が４作動段階中にカルノー熱力学サイクルを受けるためには、図１２によって示されるように装置は２つの等温線と断熱曲線との間で作動させなくてはならない。磁気熱材料が受ける反応は、カルノーサイクルの再生のない地帯を例外としてエリクソンサイクルのものに類似している。サイクルの「暖」および「冷」レベル温度が断熱磁化（IからIIまで）および脱磁（III からIVまで）によってそれぞれ生ずる。
【００４６】
図１１の場合と同様に、カルノーサイクルは図１３に示されるように行われうる。この場合には、ローマ数字が付されている地帯が均一な磁場（またはI地帯の場合にはゼロ磁場）を表す。この場合、熱源流体がIVとIの地帯にもたらされると同時に、ヒートシンク流体がIIおよびIII地帯に同時にもたらされる。III とIVの間、およびIと IIの間で、断熱脱磁と断熱磁化がそれぞれ生じる。
【００４７】
本文献に紹介されたすべての設計とサイクルの可能性は図１４に示されるように、再生を伴うかまたはこれらの組み合わせにおける装置の多段階装置に変更されて直列装置に採用可能である。直列装置では、２つ以上の磁気冷凍機１０が、片方の冷凍機の「冷」側を去る熱源流体が第２冷凍機の「暖」側に入るヒートシンク流体として利用されるように組み合わせられる。様々な電磁熱材料が各段階で採用可能である。この装置は従来の冷却技術ではよく知られている。しかしながら、磁気冷凍機を採用する場合、従来の直列装置における高次段階のエバポレータや低次段階のコンデンサーに生じるようなじかに熱交換器を通過する作用流体の必要はない。多次段階装置における磁気冷凍機は並列に接続されて冷却能力を増やす。
【００４８】
図１５Aや図１５Bに示される再生を伴う装置では、作用流体は、（あるいは低いほうの）磁場内にある磁気熱環の部分から磁場の外側にある磁気熱材料の部分に搬送される。また、この逆に、作用流体は磁場外側のあるいは低いほうの磁場の磁気熱材料部分から、磁場内にある磁気熱環部分まで搬送される。これが冷凍機の温度レベル差を増加させる。図１５Bに示される再生を伴うブレイトンサイクルは、図９でブレイトンサイクルについて述べられたように一定磁場である２つの等角磁場と２つの断熱曲線との間で作動する。図９に紹介された再生なしのブレイトンサイクルと比べて、再生を伴うものは冷凍機の「冷」側と「暖」側の温度レベルのより大きな差を示す。導管による再生のための作用流体の搬送手段は採用される流体ならびに冷凍機の個々の用途に応じて選定される。再生反応を行う、つまり、熱源とヒートシンク間の温度差を増やすためには、装置のほんの少しの部分だけヒートシンクあるは熱源として利用すればよい。この場合には、熱源流体は熱源から回転ディスクまで流れるとともに、磁気熱環に取付けられると同時に熱源まで戻って装置の反対側に存在する。ヒートシンク流体によって同一の作動が装置のもう一つ別の位置で行われる。他の部品は閉鎖されると同時に、これらの間の配管に接続される。これは冷却区間からの流体（熱源が加えられる部分の直後の）が暖区間まで流れる（熱源が加えられる部分直前に）こと等を意味する。区間間の再生を行うための流体の流れは様々な手段によって行われうる。
【００４９】
図１５Aと図１５Bにおけるような装置は異なる区間を通じて流体を汲み上げる１台以上のポンプを必要としよう。冷暖熱交換器と再生下の区間を弁が特別に設計される必要なしで１台のポンプ装置と連結する可能性もある点に注目しなくてはならない。
【００５０】
「１台ポンプ」方案についての多くの接続の可能性の中の一つが図１６に示されている。諸接続は流体流れの正確な方向でなく反応の原則を示しているだけである点に注意しなくてはならない。底面側の流体流れ接続は参照番号１６１で指し示されていて、上面側の流体流れ接続は参照番号１６２によって指し示されていると同時に、再生側の流体流れ接続は参照番号１６３で指し示されている。
【００５１】
説明目的用の装置である図１６によると、装置（導管）の静止部分に８つの別々の区間（分流器と間違われないよう）がある。これらの区間はアルファベットのAからHで表示されている。各区間に関する流入流体は索引マーク「入（in）」で表示されているとともに、各区間からの離散流体は索引マーク「出(out)」によって表示されている。CCHEXとHHEXは冷（熱源）熱交流器と暖（ヒートシンク）熱交流器をそれぞれ示す。陰影区域は磁場影響範囲を示す。この場合には質量保存法則では次の等式が必要とされる。
ｍAout + ｍHout = ｍAin + ｍBin
ｍBout + ｍGout = ｍHin + ｍCin
ｍCout + ｍFout = ｍGin + ｍDin
ｍDout + ｍCHEX = ｍFin + ｍEin
ならびに各区間についてｍout = ｍin 
【００５２】
図１７は図１６に示される方案に対応する一つのT-S図式を示す。この場合については、１種のブレイトンサイクルが示される。しかしながら、磁場内区間ならびに磁場の外のその後の区間への同一温度の流体提供はエリクソンに似たサイクルと結びつく可能性がある。点線は流体の温度レベルを示す一方で、実線は磁気熱材料温度を示すとともに細線は諸接続点を示す。
【００５３】
この発明の場合には、新型の磁気冷凍機（ヒートポンプ）が紹介されている。基本的にこれは磁場を通る磁気熱環回転原理により作動する。装置のカスタマーゼイションにより異なる熱力学サイクル内で、また直列装置または再生を伴う装置といった装置形態でもこれが作動されるのが可能となる。本装置はHVAC（暖冷房空調）装置、冷凍機、ヒートポンプ、自動車、列車、航空機、宇宙航空機器、その他の工業熱反応に適用可能である。
【００５４】
作用流体は回転軸に平行な装置に入った後、これが熱源またはヒートシンク流体の磁気熱環内外への流れを可能にする中空セクターの上下内部円状配列付の回転ディスクを通過するとともに、最終的にこれが再び回転軸に平行に装置を去る。こうして、本発明は一時的にも空間的にも中断されることのない流体流れを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１Ａ】本発明による単一段階回転磁気熱冷凍機またはヒートポンプの第一実施例を示す横断面図
【図１Ｂ】回転磁気熱冷凍機またはヒートポンプを図１Aの上面図である。
【図２】本発明による回転磁気熱冷凍機またはヒートポンプの第二実施例を示す部分図
【図３Ａ】は複数磁石の可能性のある配置を示す。
【図３Ｂ】は複数磁石の可能性のある配置を示す。
【図３Ｃ】は複数磁石の可能性のある配置を示す。
【図４Ａ】本発明による単一段階回転磁気熱冷凍機またはヒートポンプに取り付けられる磁気熱環回転ディスクの上面図
【図４Ｂ】図4AのA−A切断線に沿った横断面図
【図４Ｃ】図４AのB-B切断線に沿った横断面図
【図５Ａ】前記回転磁気熱環部材と前記中央回転ディスクの位置する分流器の様々な形状例を示す。
【図５Ｂ】前記回転磁気熱環部材と前記中央回転ディスクの位置する分流器の様々な形状例を示す。
【図５Ｃ】前記回転磁気熱環部材と前記中央回転ディスクの位置する分流器の様々な形状例を示す。
【図５Ｄ】前記回転磁気熱環部材と前記中央回転ディスクの位置する分流器の様々な形状例を示す。
【図６Ａ】図１のものと同様の回転磁気熱冷凍機またはヒートポンプの定置ダクトを示すそれぞれ横断面図と上面図
【図６Ｂ】図１のものと同様の回転磁気熱冷凍機またはヒートポンプの定置ダクトを示すそれぞれ横断面図と上面図
【図７】本発明による浸透流体を含むハウジング付きの単一段階回転磁気熱冷凍機またはヒートポンプの第三実施例を示す横断面図
【図８】本発明による単一段階回転磁気熱冷凍機またはヒートポンプの第四実施例を示す部分横断面図
【図９】ブレイトンサイクルを示す図式図および本発明による単一段階回転磁気熱冷凍機またはヒートポンプの構成部品を示す部分図
【図１０】エリクソン熱力学サイクル法と本発明による単一段階回転磁気熱冷凍機またはヒートポンプ構成部品を示す部分図を示す図式図
【図１１】別のエリクソン熱力学サイクル法を示す図式図
【図１２】カルノーサイクル法を示す図式図
【図１３】別のカルノーサイクル法を示す。
【図１４】本発明による３台の回転磁気熱冷凍機またはヒートポンプが含まれる直列装置を示す横断面図
【図１５Ａ】発明による冷凍磁気熱冷凍機またはヒートポンプ単一冷凍機装置のブレイトンサイクルを示す。
【図１５Ｂ】本発明による回転磁気熱冷凍機またはヒートポンプに取り付けられる複数冷凍機装置の場合のブレイトンサイクルを示す。
【図１６】ある一定数の静的導管の区間間の接合を利用したホンプ方案を示す。
【図１７】図１６の方案に相当する図式図を示す。
【図１Ａ】
2008544200.tif 000003
【図１Ｂ】
2008544200.tif 000004
【図２】
2008544200.tif 000005
【図３Ａ】
2008544200.tif 000006
【図３Ｂ】
2008544200.tif 000007
【図３Ｃ】
2008544200.tif 000008
【図４Ａ】
2008544200.tif 000009
【図４Ｂ】
2008544200.tif 000010
【図４Ｃ】
2008544200.tif 000011
【図５Ａ】
2008544200.tif 000012
【図５Ｂ】
2008544200.tif 000013
【図５Ｃ】
2008544200.tif 000014
【図５Ｄ】
2008544200.tif 000015
【図６Ａ】
2008544200.tif 000016
【図６Ｂ】
2008544200.tif 000017
【図７】
2008544200.tif 000018
【図８】
2008544200.tif 000019
【図９】
2008544200.tif 000020
【図１０】
2008544200.tif 000021
【図１１】
2008544200.tif 000022
【図１２】
2008544200.tif 000023
【図１３】
2008544200.tif 000024
【図１４】
2008544200.tif 000025
【図１５Ａ】
2008544200.tif 000026
【図１５Ｂ】
2008544200.tif 000027
【図１６】
2008544200.tif 000028
【図１７】
2008544200.tif 000029
【国際調査報告】
2008544200.tif 000030
2008544200.tif 000031
2008544200.tif 000032