(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転式直列磁気冷凍システムであって、
可動磁石と少なくとも１つの直立に設置された磁気ストリングとを含み、
前記磁気ストリングは順次直列に導通するように設置される断熱キャビティを含み、前記断熱キャビティの内部には磁気冷媒が設けられており、
可動磁石を固定装着する磁石装着フレームが設けられ、前記磁石装着フレームは、軸方向に回転可能に設置され、磁石装着フレームの両側には磁気ストリングにおける磁気冷媒に対し磁化・消磁を行う複数の磁気キャビティが位置ずれさせて固定され、前記磁気キャビティは、上下に固定設置される２つの可動磁石を含み、２つの可動磁石の間に磁気ストリングにおける磁気冷媒に対し磁化・消磁を行うキャビティが形成され、且つ
前記可動磁石は、繰り返し交互に磁気ストリングにおける磁気冷媒に対し磁化・消磁し、同一磁気ストリングにおけるいずれかの消磁状態にある磁気冷媒に対して、その隣接した上下の２つの磁気冷媒は必ず磁化状態にあり、
磁気ストリング内部の熱エネルギーが単方向に流動することを補助する熱流動構成をさらに含み、
前記熱流動構成は、それぞれ磁気ストリングの両端を連通し、磁気ストリングにおいて磁気冷媒が磁化されることにより発生した熱は、熱伝達作用と熱流動構成による補助で単方向に流動し、それにより、磁気ストリングの両端に低温端と高温端を形成させ、前記低温端が冷凍室に接続し、前記冷凍室が断熱箱内部に設けられていることを特徴とする回転式直列磁気冷凍システム。
【請求項２】
前記各断熱キャビティの間には隙間が設けられ、前記磁石装着フレームが回転し、可動磁石は、一定の周期で断熱キャビティの間の隙間を経由して、磁気キャビティは、一定の周期で交互に磁気ストリングにおける磁気冷媒に対し磁化・消磁を行い、それにより、各磁気ストリングの両端に低温端と高温端とを形成させることを特徴とする請求項１に記載の回転式直列磁気冷凍システム。
【請求項３】
前記熱流動構成は、磁気ストリングの両端を連通する管路を含み、前記管路と磁気ストリングとが連通し、管路と冷凍室内部には、いずれも熱エネルギーを伝達する冷媒が設けられ、前記管路の高温端に接近する箇所には放熱構造が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の回転式直列磁気冷凍システム。
【請求項４】
前記管路の低温端に接近する箇所には、管路内部における冷媒循環運動を速める補助循環ポンプが設けられていることを特徴とする請求項３に記載の回転式直列磁気冷凍システム。
【請求項５】
前記磁気ストリングにおける各断熱キャビティの間には冷媒の逆流を防止するための逆止め構成が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の回転式直列磁気冷凍システム。
【請求項６】
前記放熱構造は、一本の直立に設置される直立の長管により冷凍室に接続していることを特徴とする請求項３に記載の回転式直列磁気冷凍システム。
【請求項７】
前記磁気冷媒は、多孔状の構造であり、且つ外表面に皺が形成されることであるように設置されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の回転式直列磁気冷凍システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気冷凍装置に関し、特に回転式直列磁気冷凍システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気熱効果とは、磁性材料が磁化・消磁過程において、内部の磁気エントロピーの変化により材料の放熱と吸熱を引き起こす現象であり、それが材料の固有特性であり、磁気冷凍は、材料の磁気熱効果を利用して冷凍目的を実現する。
【０００３】
従来の磁気冷凍装置は、固定して設置される磁気冷媒と、磁気冷媒に対して繰り返して磁化・消磁する可動磁石とを含む。該技術の核心思想は、単一の磁気冷媒に対して、可動磁石を利用してそれを繰り返して磁化・消磁し、磁気熱効果に基づいて、磁気冷媒が磁化過程において放熱し、消磁過程において吸熱する。磁化発熱過程において、従来の磁気冷凍装置は、放熱構造により、単一の磁気冷媒が磁化時に発生した熱量をできるだけ排出させ、磁気冷媒が消磁して冷凍する過程において、磁気冷媒に多くの外部熱をできるだけ吸収させ、低温である空間を構築し、冷凍効果を実現する。具体的には、出願番号２００７１０３０５９９６．７である発明特許公開の室温磁気冷凍システムと、出願番号２０１３２０１０１３６９．２である実用新案特許公開の磁気冷凍部材及び磁気冷凍機を参照すると、この２つの特許文献に開示された磁気冷凍装置は、いずれも上記核心思想に基づいて成すものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
単一の磁気冷媒は、磁化と消磁という２つの過程において発生した温度差が小さく（一般的には、１−３℃である）、低温度差条件で熱伝導方式を採用しても、速度が遅く、効率が比較的低いので（導熱物質自身の熱容量があるため、冷凍効率を低下させる。）、システムは、磁気冷媒が磁化時に発生した微小熱をタイムリーに排出することができず、これらの熱が冷凍効果に対して悪影響を与え、最終的に従来のこの磁気冷凍装置の冷凍効果が極めて悪く、完全に従来の家庭用冷蔵庫の実用レベルの要求に達することができない。
【０００５】
そのため、既存技術は、さらに改良して発展させる必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の目的は、回転式直列磁気冷凍システムを提供して、従来の冷凍装置の冷凍効果が悪いという技術問題を解決する。
【０００７】
本発明の以下のような技術案を採用する。回転式直列磁気冷凍システムであって、可動磁石と少なくとも１つの直立に設置された磁気ストリングとを含み、前記磁気ストリングが順次直列に導通するように設置される断熱キャビティを含み、前記断熱キャビティ内部には磁気冷媒が設けられており、前記可動磁石は、繰り返し交互に磁気ストリングにおける磁気冷媒に対し磁化・消磁し、同一磁気ストリングにおけるいずれかの消磁状態にある磁気冷媒に対して、その隣接した上下の２つの磁気冷媒が必ず磁化状態にある。
【０００８】
磁気ストリング内部の熱エネルギーが単方向に流動することを補助する熱流動構成をさらに含み、前記熱流動構成は、それぞれ磁気ストリングの両端を連通し、磁気ストリングにおいて磁気冷媒が磁化されることにより発生した熱は、熱伝達作用と熱流動構成による補助で単方向に流動し、それにより、磁気ストリングの両端に低温端と高温端を形成させ、前記低温端が冷凍室に接続し、前記冷凍室が断熱箱の内部に設けられている。
【０００９】
前記回転式直列磁気冷凍システムにおいて、可動磁石を固定装着するための磁石装着フレームをさらに含み、前記磁石装着フレームが軸方向に回転可能に設置され、磁石装着フレームの両側には、磁気ストリングにおける磁気冷媒に対し磁化・消磁する複数の磁気キャビティが位置ずれさせて取り付けられ、前記磁気キャビティは、上下に固定設置された２つの可動磁石を含み、２つの可動磁石の間に磁気ストリングにおける磁気冷媒に対し磁化・消磁するためのキャビティが形成される。
【００１０】
前記各断熱キャビティ間には隙間が設けられ、前記磁石装着フレームが回転し、可動磁石が一定の周期で断熱キャビティ間の隙間を経由して、磁気キャビティが一定の周期で交互に磁気ストリングにおける磁気冷媒に対し磁化・消磁し、それにより、各磁気ストリングの両端に低温端と高温端を形成させる。
【００１１】
前記回転式直列磁気冷凍システムにおいて、前記熱流動構成は、磁気ストリングの両端を連通する管路を含み、前記管路と磁気ストリングとが連通し、管路と冷凍室内部には、いずれも熱エネルギーを伝達する冷媒が設けられ、前記管路の高温端に接近する箇所には放熱構造が設けられている。
【００１２】
前記回転式直列磁気冷凍システムにおいて、前記管路の低温端に接近する箇所には管路内部の冷媒循環運動を速める補助循環ポンプが設けられている。
【００１３】
前記回転式直列磁気冷凍システムにおいて、前記磁気ストリングおける各断熱キャビティの間には冷媒の逆流を防止する逆止め構造が設けられている。
【００１４】
前記回転式直列磁気冷凍システムにおいて、前記放熱構造は、一本の直立に設置される直立の長管により冷凍室に接続している。
【００１５】
前記回転式直列磁気冷凍システムにおいて、前記磁気冷媒は、多孔状の構造であり、且つ外表面に皺が形成されることであるように設置されている。
【００１６】
本発明は、以下の有利な効果を有する。本発明は、従来の磁気冷凍構成の実際の思想（従来の磁気冷凍機の設計思想は、いつもどのように磁気冷媒を発熱（磁化）過程においてより多くの熱を発させ、どのように作動媒体を冷凍（消磁）過程においてより多くの熱を吸収させるかに注目している）を脱離し、補助設備で１つの磁気冷媒が磁気熱効果により発生する冷凍効果を直接的に増幅させることはしないが、マクロな観点から問題を解決する。数十個の作動媒体を直列接続し、一部が磁化により発熱させ、別の一部が消磁により冷凍させ、両者が相互に協力して、磁気冷凍機の概念を「熱エネルギー向上装置」（熱エネルギー搬送）の概念に変え、磁気ストリングの両端に比較的大きな温度差を発生させ、高温端と低温端を形成し、その低温端の温度が完全に家庭用冷蔵庫の冷凍要求に符合する。
【００１７】
本発明は、進歩性を有する簡単な構成により、磁気熱効果を有する磁気冷媒を適用して、高実用価値を有する磁気冷凍を実現し、従来の磁気冷凍機の技術問題を解決する。従来の磁気冷凍技術において、磁化発熱効果はマイナス効果であり、消磁冷凍効果を相殺してしまう。本技術案において、磁化発熱と消磁冷凍とは共に冷凍循環に参加して、いずれも冷凍に有利な効果となり、冷凍効率を大幅に向上させることを実現すると共に、極大に冷凍効果を強化する。本発明の技術を適用することで、従来の圧縮機冷凍技術に対して、同等の冷凍量の情況で電気エネルギーの消耗を低下させると共に、従来の圧縮機冷凍方式による環境汚染問題を取り除くことができる。本発明の磁気冷凍構成は、使用寿命が長く、冷凍効果がよく、効率が高く、無汚染で、実用価値を有する磁気冷凍技術案である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は本発明に係る回転式直列磁気冷凍システムの概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の目的、技術案及びメリットをより明瞭にするために、以下、図面を参照して、実施例を挙げながら、本発明をさらに詳しく説明する。
【００２０】
人々の磁気冷凍技術についての研究は、もう半世紀を超えたが、実用段階に進む成功には至らない。その技術難点は、以下の通りである。１、消磁冷凍に現れる冷凍効果は微弱であり、明らかな効果を発生するまでには蓄積する必要がある。２、消磁冷凍効果と磁化発熱効果とが随伴関係を有し、消磁冷凍があると、必ず磁化発熱を発生し、２つの効果が交互に発生し、お互いに相殺する。従来の磁気冷凍機の設計思想は、いつもどのように磁気冷媒を磁化発熱過程においてより多くの熱を発させ、どのように作動媒体を消磁冷凍過程においてより多くの熱を吸収させるかに着眼している。この設計思想に基づいて、従来の磁気冷凍機は、構成が複雑であり、エネルギーを消耗し、冷凍効果が極めて悪く、一般的な冷蔵庫の冷凍要求を満足することができない。
【００２１】
本発明が提出した磁気冷凍構成は、どのようにして単一の磁気冷媒の冷凍効果を強化するかを考慮せずに、マクロな視点から問題を解決する。数十個の磁気冷媒を直列接続し、一部が磁化により発熱され、別の一部が消磁により冷凍され、両者が相互に協力して、磁気冷凍機の概念を「熱エネルギー向上装置」の概念に変え、磁気ストリングの両端に高温端と低温端を形成し、その低温端の温度が完全に冷凍効果に達することができる。
【００２２】
本発明の技術案をより容易に理解させるために、まず、「熱エネルギー向上装置」の概念について簡単に説明する。１つの物体に対して、その熱エネルギーを直接的に取り除くと、そのある場所の原子周囲の電子振動（エネルギー準位）を弱めて、最終的に該物体全体の電子振動（エネルギー準位）を弱める、これは、従来の冷凍原理である。仮に該物体に対して、その熱エネルギーを直接的に取り除くことなく、「熱エネルギー向上装置」（熱エネルギー搬送移動）だけで該物体の熱エネルギー分布を不均一にさせ、例えば、熱搬送により、物体底部の熱を絶えずに上へ搬送し、その下端の温度を２０℃低下させ、上端の温度を２０℃向上させることで、いわゆる低温端と高温端を発生させると、該物体に対して熱を「印加又は取り除く」ことなく（物体の総熱エネルギーが不変である）、低温端が完全に冷凍要求に達する。以下、本発明の技術案に対して、詳しく説明する。
【００２３】
上記原理に基づいて、本発明は、回転式直列磁気冷凍システムを開示しており、図１に示すように、磁気ストリング２００を含み、該磁気ストリング２００は、複数の連通して設置される断熱キャビティ２１０からなり、各断熱キャビティ２１０が上下に設置され、各断熱キャビティ内部には磁気冷媒２２０が設けられている。磁気ストリング２００の頂部には放熱構造３００が設けられ、その底部には冷凍室４００が設けられる。磁気ストリング２００は、管路５００により、それぞれ放熱構造３００と冷凍室４００に接続すると共に、放熱構造３００は、一本の直立に設置される直立の長管５１０により冷凍室４００に連通し、循環回路を形成する。該循環回路内部（管路、冷凍室、磁気ストリング及び直立の長管内部）には冷媒が充填され、冷媒が循環回路を循環して流動し、主に熱循環運動を駆動させることに用いられる。実際の応用において、外部の熱が冷凍室に進入することを防止するために、冷凍室は断熱箱４１０に入れて設置される。
【００２４】
図１に示すように、磁気ストリング２００の一側には可動磁石１１０を固定装着するための磁石装着フレーム１００が設けられ、磁石装着フレーム１００は、軸方向に回転可能に設置される（図面における矢印が回転方向を示す）。２つの可動磁石１１０を一組として、それぞれ上下に設置され、複数の磁気ストリング２００における磁気冷媒２２０に対し磁化・消磁を行うための磁気キャビティ１２０を形成し、これらの磁気キャビティ１２０は、磁石装着フレーム１００の両側に位置ずれさせて設けられている（図１を参照)。各断熱キャビティ２１０の間には隙間が設けられ、磁石装着フレーム１００が回転し、可動磁石１１０は、一定の周期で断熱キャビティ２１０の間の隙間を経由して、磁気キャビティ１２０は、一定の周期で交互に磁気ストリングにおける磁気冷媒に対し磁化・消磁し、それにより、各磁気ストリングの両端に低温端と高温端を形成させる。
【００２５】
本発明の磁気冷凍システムの作動過程は、以下の通りである。磁石装着フレーム１００は、軸方向に回転し、磁気キャビティ１２０は、一定の周期で交互に断熱キャビティ２１０内部の磁気冷媒２２０に対し磁化・消磁する。具体的には、図１に示すように、磁気冷媒に対して下から上に番号を付け、それぞれ第１磁気冷媒、第２磁気冷媒、第３磁気冷媒、第４磁気冷媒、第５磁気冷媒、第６磁気冷媒とする。初期状態では、磁気キャビティ１２０は、第１、３、５磁気冷媒に対し磁化を行い、磁気冷媒が放熱し、それに対応した断熱キャビティの温度が向上するが、第２、４、６磁気冷媒は、消磁状態であり、磁気冷媒が吸熱し、それに対応する断熱キャビティの温度が降下し、第１磁気冷媒に対応する断熱キャビティの温度は、略第２磁気冷媒に対応する断熱キャビティの温度より高い（順に第３、４、５、６磁気冷媒に対応した断熱キャビティ間の温度規則が類推される）。この時に熱伝達(又はその補助構成、方法）の協力で、第１磁気冷媒に対応した断熱キャビティにおける熱が上へ運動し、第２磁気冷媒に対応した断熱キャビティに進入し（それは、冷媒蒸気の上方への運動と表現する)、同様に、第３磁気冷媒に対応した断熱キャビティにおける熱が上方へ運動し、第４磁気冷媒に対応した断熱キャビティに進入し、第５磁気冷媒に対応した断熱キャビティにおける熱が上方へ運動し、第６磁気冷媒に対応した断熱キャビティに進入する。磁石固定フレームが半周に回転すると、磁気キャビティは、第２、４、６磁気冷媒に対し磁化し、その対応した断熱キャビティの温度が上昇するが、第１、３、５磁気冷媒は、消磁状態に進入し、それに対応した断熱キャビティの温度が降下し、冷凍器における熱が第１磁気冷媒に対応した断熱キャビティに進入し、第２磁気冷媒に対応した断熱キャビティにおける熱が第３磁気冷媒に対応した断熱キャビティに進入し、第４磁気冷媒に対応した断熱キャビティにおける熱が第５磁気冷媒に対応した断熱キャビティに進入し、第６磁気冷媒に対応した断熱キャビティの熱が放熱構造３００に進入し、これらの熱は、放熱構造の作用で、一部が外界に発し、残った少しの部分の熱が再び直立の長管５１０を経由して冷凍室に進入し、さらに上記ステップを行って、熱循環を形成する（熱の流動の表現形式が冷媒気液状態の変換及び流動である）。この構成により、熱の搬送効果を実現する。磁気キャビティは、一定の周期で、繰り返し交互に磁気冷媒に対し磁化・消磁を行った後に、動的平衡状態に達し、この時に磁気ストリングの底部に接近している断熱キャビティの温度は、比較的低く（第１磁気冷媒に対応した断熱キャビティと冷凍室の温度が最も低い）、磁気ストリングの頂部に接近している断熱キャビティの温度が比較的高く、低温端と高温端を形成し、理想状態で、低温端の温度が−２５℃に達することができ、高温端の温度が８０℃に達することができ、実験によれば、実際の状態で、低温端の温度が−５℃に達することができ、高温端の温度が５５℃に達することができることが検証された。
【００２６】
磁気冷凍の効率を最適化させ、本発明の磁気冷凍構成の磁気冷媒に対する要求を満たすために、各磁気冷媒のキュリー温度点がそれぞれ異なることが要求され、下から上へ漸進的に増加するという規則を呈している。それは、磁気冷媒がそのキュリー温度点付近に作動するだけで、本発明に係る磁気冷凍システムの最適性能を発揮することができる。それと同時に、磁気冷媒とそれに対応した断熱キャビティの熱交換効率を速めるために、磁気冷媒は、多孔状の構造であり、且つ外表面に皺が形成されることであるように設置される。
【００２７】
理想状態で、「熱エネルギー向上装置」の概念に基づけば（熱流動を実現し、それに低温端と高温端を形成させ、その現れる総熱量が不変である）、放熱構造を設置する必要がない。実際の生産と理想状態との差異を考慮すると共に、本発明に係る磁気冷凍システムの冷凍効率を向上させるために、磁気ストリングの頂端（高温端）に放熱構造を接続し、その作用は高温端の熱エネルギーの外界への放出効率を速めることである（即ち、システムの総熱エネルギーを絶えず減少させる）。放熱構造の設置は、熱の流動に対して影響を発生しない。実際の応用において、放熱構造は、様々なものであり、空気との接触面積を増加する方法（例えば、図１において、曲げた通路を採用する）、或いは放熱ファンを取り付ける方法を採用することができ、本発明は、放熱構造の具体的な構成に対して限定しない。
【００２８】
以上、本発明に係る磁気冷凍システムの作動過程についての説明において、「磁気ストリングの熱伝達を補助する構成及び方法」を言及したが、ここで、本発明は、２種を挙げたが、本発明は、具体的な補助構成及び方法に対して限定しない。本発明に係る磁気冷凍システムをより安定に作動させ、その磁気ストリングにおける熱伝達をより安定で、快速にさせ、各断熱キャビティの接続箇所には逆止め構成（図示せず）が設けられ、該逆止め構成の作用は、冷媒の逆流（冷媒冷凍が下から上へ運動し、即ち、熱が下から上へ伝達する）を防止することである。具体的には、逆止め構成は、逆止め弁を採用することができる。さらに、直立の長管の下端には補助循環ポンプ６００が設けられて、冷媒（熱）の循環効率を向上させる。
【００２９】
実際の応用において、磁気ストリングは、複数設置されることができ、磁石装着フレームの構成は、実際の生産に応じて設置することができ、磁石装着フレームの構成及び作動方式は可動磁石が一定の周期で繰り返し交互に磁気ストリングにおける磁気冷媒に対し磁化・消磁を行うことができればよいが、回転式の磁石装着フレーム構成であることが好ましい。同様に、磁気ストリングにおける磁気冷媒は、必要に応じて複数設置されることができ、磁気ストリングの具体的な設置方向は、限定されず、直立に設置されることが好ましい。磁気冷媒の製造材料は、例えば、フェライト材料、希土合金、金属ガドリニウムなどの複数種の材料を選択することができる。
【００３０】
また、実際の応用において、直立の長管の作用は、システムを補助して熱エネルギー循環構成を形成し、その内部の冷媒が重力の作用で、下方への圧力を形成して維持する。
【００３１】
実際の応用において、本発明を大型の工業冷凍システムに適用すると、その高温端が発生した温度は、比較的高く、この時には通常の方法を採用して高温端の熱エネルギーを利用することができる。
【００３２】
本発明は、進歩性を有する簡単な構成により、磁気熱効果を有する磁気冷媒を利用して、高実用価値を有する磁気冷凍を実現し、従来の磁気冷凍機の技術難題を解決する。本方案において、磁化発熱と消磁冷凍は、共に冷凍循環に参加し、いずれも冷凍に有利な効果となり、冷凍効率を大幅に向上させると共に、極大に冷凍効果を強化する。本発明の技術を応用すると、従来の圧縮機冷凍技術に対して、同等の冷凍量の情況で電気エネルギーの消耗を低下させると共に、従来の圧縮機冷凍方式による環境汚染問題を取り除くことができる。本発明の磁気冷凍構成は、使用寿命が長く、冷凍効果がよく、効率が高く、無汚染で、実用価値を有する磁気冷凍技術案である。
【００３３】
本発明は、上記実施例に限定されず、当業者は、上記説明に基づいて修正または変換することができ、すべての改良及び変換は、いずれも本発明の特許請求の範囲を超えない。
【図１】
0006336123.tif 000002