(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
能動型磁気再生冷却器装置であって、
第１の端部及び第２の端部を有する少なくとも１つの能動型磁気再生ベッドと、
第１の端部及び第２の端部を有する第１の熱交換器と、
前記第１の熱交換器の前記第１の端部を前記能動型磁気再生ベッドの前記第１の端部に流体的に接続する第１の管と、
前記第１の熱交換器の前記第２の端部を前記能動型磁気再生ベッドの前記第１の端部に流体的に接続する第２の管と、を備え、
前記第１の管が、前記能動型磁気再生ベッド上に設けられた２つ以上の副流路に接続し、
前記第２の管が、前記能動型磁気再生ベッド上に設けられた２つ以上の副流路に接続し、
前記第１の管及び前記第２の管の前記副流路が、前記能動型磁気再生ベッドで交互に配置される、能動型磁気再生冷却器装置。
【請求項２】
前記第１の管の前記副流路が、前記第１の管と実質的に垂直な方向の前記第１の管の延長部分である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記副流路が、スロットによって前記能動型磁気再生ベッドに流体的に接続する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
能動型磁気再生冷却器であって、
第１の端部及び第２の端部を有する少なくとも１つの能動型磁気再生ベッドと、
熱交換器と、
熱伝達流体と、
前記熱交換器の前記第１の端部を前記能動型磁気再生ベッドの前記第１の端部に流体的に接続する第１の管と、
前記熱交換器の前記第２の端部を前記能動型磁気再生ベッドの前記第１の端部に流体的に接続する第２の管と、
前記第１の管、前記第２の管、前記熱交換器、及び前記能動型磁気再生ベッドの細孔を通して前記熱伝達流体を送るように構成されたポンプと、を備え、
前記第１の管が、前記能動型磁気再生ベッドの前記第１の端部の第１の部分にわたって延在する第１のチャネルに接続され、前記第２の管が、前記能動型磁気再生ベッドの前記第１の端部の第２の部分にわたって延在する第２のチャネルに接続され、前記第１のチャネルが、前記第２のチャネルの一部の下に延在する前記第１のチャネルの下壁内に形成されるスロットを通して前記能動型磁気再生ベッドに流体的に接続され、前記第２のチャネルが、前記第１のチャネルの一部の下に延在する前記第２のチャネルの下壁内に形成されるスロットを通して前記能動型磁気再生ベッドに流体的に接続される、能動型磁気再生冷却器。
【請求項５】
能動型磁気再生冷却器であって、
第１の端部及び第２の端部を有する少なくとも１つの能動型磁気再生ベッドと、
第１の端部及び第２の端部を有する熱交換器と、
熱伝達流体と、
前記熱伝達流体の流れを送るように構成されたポンプと、
時間変動磁場を高状態及び低状態で前記能動型磁気再生ベッドに印加するように構成された磁石と、
前記熱交換器の第１の端部を前記能動型磁気再生ベッドの第１の端部に接続する第１の管と、
前記熱交換器の第２の端部を前記能動型磁気再生ベッドの第１の端部に接続する第２の管と、を備え、
第１の動作モードでは、前記第１の管は前記能動型磁気再生ベッド上の磁場が高状態であるときに前記熱伝達流体を前記熱交換器から前記能動型磁気再生ベッドへ向かう流れに方向付けるように構成され、前記第２の管は前記能動型磁気再生ベッド上の磁場が低状態であるときに前記熱伝達流体を前記能動型磁気再生ベッドから前記熱交換器へ向かう流れに方向づけるように構成され、
第２の動作モードでは、前記ポンプは、前記第１の管及び前記第２の管の中の前記熱伝達流体を反転させて、蓄積された汚染粒子を前記能動型磁気再生ベッドの第１の端部から排出するように構成されている、能動型磁気再生冷却器。
【請求項６】
能動型磁気再生冷却器装置であって、
低温端及び高温端を有する第１の能動型磁気再生ベッドであって、磁気熱量材料を含む、第１の能動型磁気再生ベッドと、
時間変動磁場を高状態及び低状態で前記第１の能動型磁気再生ベッドに印加するように構成された磁石と、
入口端及び出口端を有する低温熱交換器と、
入口端及び出口端を有する高温熱交換器と、
熱伝達流体と、
前記第１の能動型磁気再生ベッドに印加される前記時間変動磁場が前記高状態である場合、前記熱伝達流体の流れを前記第１の能動型磁気再生ベッドの前記低温端から前記第１の能動型磁気再生ベッドを通して前記第１の能動型磁気再生ベッドの前記高温端に方向付けるように構成された弁であって、前記第１の能動型磁気再生ベッドに印加される前記時間変動磁場が前記低状態である場合、前記熱伝達流体の流れを、前記高温熱交換器から、前記第１の能動型磁気再生ベッドの前記高温端に、前記第１の能動型磁気再生ベッドを通して、前記第１の能動型磁気再生ベッドの前記低温端に、及び前記低温熱交換器を通して方向付けるようにさらに構成された、弁と、
前記低温熱交換器の前記入口端を前記第１の能動型磁気再生ベッドの前記低温端に流体的に接続する第１の管であって、前記第１の能動型磁気再生ベッド上に設けられた２つ以上の副流路に接続する、第１の管と、
前記低温熱交換器の前記出口端を前記第１の能動型磁気再生ベッドの前記低温端に流体的に接続する第２の管であって、前記第１の能動型磁気再生ベッド上に設けられた２つ以上の副流路に接続する、第２の管と、
前記高温熱交換器の前記入口端を前記第１の能動型磁気再生ベッドの前記高温端に流体的に接続する第３の管であって、前記第１の能動型磁気再生ベッド上に設けられた２つ以上の副流路に接続する、第３の管と、
前記高温熱交換器の前記出口端を前記第１の能動型磁気再生ベッドの前記高温端に流体的に接続する第４の管であって、前記第１の能動型磁気再生ベッド上に設けられた２つ以上の副流路に接続する、第４の管と、
前記第１の能動型磁気再生ベッド、前記低温熱交換器、前記高温熱交換器、前記弁、前記第１の管、前記第２の管、前記第３の管、及び前記第４の管を通して前記熱伝達流体を送るように構成されたポンプと、を備える、能動型磁気再生冷却器装置。
【請求項７】
前記第１の管の前記副流路及び前記第２の管の前記副流路が、前記第１の能動型磁気再生ベッドで交互に配置され、
前記第３の管の前記副流路及び前記第４の管の前記副流路が、前記第１の能動型磁気再生ベッドで交互に配置され、
前記第１の管、前記第２の管、前記第３の管、及び前記第４の管のそれぞれの前記副流路の中で前記熱伝達流体の流れる方向が、それぞれ実質的に不変であり、
前記第１の能動型磁気再生ベッド中の前記熱伝達流体の流れが、実質的に双方向である、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
熱伝達流体を第１の管を通して第１の熱交換器の第１の端部から能動型磁気再生ベッドの第１の端部へポンプで注入するステップを含み、前記第１の管が前記能動型磁気再生ベッド上に設けられた２つ以上の副流路に接続し、
さらに、前記熱伝達流体を第２の管を通して前記第１の熱交換器の第２の端部へ前記能動型磁気再生ベッドの前記第１の端部からポンプで注入するステップを含み、前記第２の管が前記能動型磁気再生ベッド上に設けられた２つ以上の副流路に接続し、
前記第１の管及び前記第２の管の前記副流路が、前記能動型磁気再生ベッドで交互に配置される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１４年７月２８日出願の米国仮特許出願第６２／０２９６９７号の利益を主張し、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
連邦政府資金提供に関する記述
本発明は、米国エネルギー省により与えられたＤＥ−ＡＲ００００１２８のもと、政府の援助を受けて行われた。米国政府は、本発明において特定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
磁気冷却（ＭＲ）とは、一般的にある特定の磁気熱量材料の磁気熱量効果を利用する冷却システムを指す。磁気熱量効果は、一部には、磁気熱量材料を変化する磁場に曝すことによって生じる磁気熱量材料の温度変化を指す。現代の室温磁気冷却（ＭＲ）システムは、能動型磁気再生器（ＡＭＲ）サイクルを用いて冷却を行うことがある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本明細書に開示される主題は、ＡＭＲベッドとその熱源（低温側熱交換器（ＣＨＥＸ））またはヒートシンク（高温側熱交換器（ＨＨＥＸ））との間の熱伝達流体の運搬に関する。能動型磁気再生（ＡＭＲ）冷却器装置は、第１の端部及び第２の端部を有する少なくとも１つのＡＭＲベッドと、第１の端部及び第２の端部を有する第１の熱交換器（ＨＥＸ）と、を含み得る。ＡＭＲ冷却器は、第１のＨＥＸの第１の端部をＡＭＲベッドの第１の端部に流体的に接続する第１の管と、第１のＨＥＸの第２の端部をＡＭＲベッドの第１の端部に流体的に接続する第２の管と、も含み得る。第１の管は、ＡＭＲベッドで２つ以上の副流路に分かれてもよい。第２の管は、ＡＭＲベッドで２つ以上の副流路に分かれてもよい。第１の管及び第２の管の副流路は、ＡＭＲベッドで交互に配置されてもよい。
【０００５】
能動型磁気再生（ＡＭＲ）冷却器は、第１の端部及び第２の端部を有する少なくとも１つのＡＭＲベッドと、第１の端部及び第２の端部を有する第１の熱交換器（ＨＥＸ）と、熱伝達流体と、を含み得る。ＡＭＲ冷却器は、第１のＨＥＸの第１の端部をＡＭＲベッドの第１の端部に流体的に接続する第１の管と、第１のＨＥＸの第２の端部をＡＭＲベッドの第１の端部に流体的に接続する第２の管と、をさらに含み得る。ＡＭＲ冷却器は、第１の管、第２の管、第１のＨＥＸ、及びＡＭＲベッドの細孔を通して熱伝達流体を送るように構成されたポンプも含み得る。第１の管は、ＡＭＲベッドの第１の端部で第１の領域内に広がることができ、第２の管は、ＡＭＲベッドの第１の端部と第１の領域との間の第２の領域内の第２の副流路内に広がることができる。第１の領域は、第２の領域内の第２の副流路間に広がる第１の副流路によってＡＭＲベッドの第１の端部に流体的に接続されてもよい。
【０００６】
能動型磁気再生（ＡＭＲ）冷却器は、第１の端部及び第２の端部を有する少なくとも１つのＡＭＲベッドと、熱交換器（ＨＥＸ）と、熱伝達流体と、を含み得る。ＡＭＲ冷却器は、ＨＥＸの第１の端部をＡＭＲベッドの第１の端部に流体的に接続する第１の管と、ＨＥＸの第２の端部をＡＭＲベッドの第１の端部に流体的に接続する第２の管と、をさらに含み得る。ＡＭＲ冷却器は、第１の管、第２の管、ＨＥＸ、及びＡＭＲベッドの細孔を通して熱伝達流体を送るように構成されたポンプも含み得る。第１の管は、ＡＭＲベッドの第１の端部の第１の部分にわたって延在する第１のチャネルに接続され得、第２の管は、ＡＭＲベッドの第１の端部の第２の部分にわたって延在する第２のチャネルに接続され得る。第１のチャネルは、第２のチャネルの一部の下に延在する第１のチャネルの下壁内に形成されるスロットを通してＡＭＲベッドに流体的に接続され得る。第２のチャネルは、第１のチャネルの一部の下に延在する第２のチャネルの下壁内に形成されるスロットを通してＡＭＲベッドに流体的に接続され得る。
【０００７】
能動型磁気再生（ＡＭＲ）冷却器は、第１の端部及び第２の端部を有する少なくとも１つのＡＭＲベッドと、熱交換器（ＨＥＸ）と、熱伝達流体と、を含み得る。ＡＭＲ冷却器は、ＨＥＸをＡＭＲベッドの第１の端部に接続する第１の管をさらに含み得る。第１の管は、第１の動作モードでは熱伝達流体を一方向の流れに方向付けるように構成され得る。第１の管は、第２の動作モードでは熱伝達流体を第２の一方向の流れに方向付けるようにさらに構成され得る。ＡＭＲ冷却器は、熱伝達流体を第１の一方向の流れ及び第２の一方向の流れで送るように構成されたポンプをさらに含み得る。
【０００８】
能動型磁気再生（ＡＭＲ）冷却器装置は、低温端及び高温端を有する第１のＡＭＲベッドを含み得る。第１のＡＭＲベッドは、磁気熱量材料を含み得る。ＡＭＲ冷却器装置は、時間変動磁場を高状態及び低状態で第１のＡＭＲベッドに印加するように構成された磁石と、入口端及び出口端を有する低温熱交換器（ＣＨＥＸ）と、入口端及び出口端を有する高温熱交換器（ＨＨＥＸ）と、熱伝達流体と、をさらに含み得る。ＡＭＲ冷却器装置は、第１のＡＭＲベッドに印加される時間変動磁場が高状態である場合、熱伝達流体の流れを第１のＡＭＲベッドの低温端から第１のＡＭＲベッドを通して第１のＡＭＲベッドの高温端に方向付けるように構成された弁も含み得る。弁は、第１のＡＭＲベッドに印加される時間変動磁場が低状態である場合、熱伝達流体の流れを、ＨＨＥＸから、第１のＡＭＲベッドの高温端へ、第１のＡＭＲベッドを通して、第１のＡＭＲベッドの低温端へ、及びＣＨＥＸを通して方向付けるようにさらに構成され得る。ＡＭＲ冷却器装置は、ＣＨＥＸの入口端を第１のＡＭＲベッドの低温端に流体的に接続する第１の管をさらに含み得る。第１の管は、第１のＡＭＲベッドで２つ以上の副流路に分かれてもよい。ＡＭＲ冷却器装置は、ＣＨＥＸの出口端を第１のＡＭＲベッドの低温端に流体的に接続する第２の管も含み得る。第２の管は、第１のＡＭＲベッドで２つ以上の副流路に分かれてもよい。ＡＭＲ冷却器装置は、ＨＨＥＸの入口端を第１のＡＭＲベッドの高温端に流体的に接続する第３の管を含み得る。第３の管は、第１のＡＭＲベッドで２つ以上の副流路に分かれてもよい。ＡＭＲ冷却器装置は、ＨＨＥＸの出口端を第１のＡＭＲベッドの高温端に流体的に接続する第４の管をさらに含み得る。第４の管は、第１のＡＭＲベッドで２つ以上の副流路に分かれてもよい。加えて、ＡＭＲ冷却器装置は、第１のＡＭＲベッド、ＣＨＥＸ、ＨＨＥＸ、弁、第１の管、第２の管、第３の管、及び第４の管を通して熱伝達流体を送るように構成されたポンプを含み得る。
【０００９】
方法は、熱伝達流体を第１の管を通して第１の熱交換器（ＨＥＸ）の第１の端部から能動型磁気再生（ＡＭＲ）ベッドの第１の端部へポンプで注入することを含み得る。第１の管は、ＡＭＲベッドで２つ以上の副流路に分かれてもよい。方法は、熱伝達流体を第２の管を通して第１のＨＥＸの第２の端部へＡＭＲベッドの第１の端部からポンプで注入することも含み得る。第２の管は、ＡＭＲベッドで２つ以上の副流路に分かれてもよい。第１の管及び第２の管の副流路は、ＡＭＲベッドで交互に配置されてもよい。
【００１０】
方法は、時間変動磁場を第１の動作モードで能動型磁気再生（ＡＭＲ）ベッドに印加することと、時間変動磁場を第２の動作モードでＡＭＲベッドに印加することと、も含み得る。方法は、時間変動磁場が第１の動作モードであるとき、熱交換器（ＨＥＸ）をＡＭＲベッドの第１の端部に接続する第１の管を通して一方向の流れで熱伝達流体をポンプで注入することと、第２の動作モードでは第１の管を通して第２の一方向の流れで熱伝達流体をポンプで注入することと、を含み得る。第１の一方向の流れ及び第２の一方向の流れは、互いに反対であり得る。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１ａ】ＡＭＲサイクルを使用する磁気冷却器システムを示す。
【図１ｂ】ＡＭＲサイクルを使用する磁気冷却器システムを示す。
【図１ｃ】ＡＭＲサイクルを使用する磁気冷却器システムを示す。
【図１ｄ】ＡＭＲサイクルを使用する磁気冷却器システムを示す。
【図２ａ】周期運動中かつ第１の位置にある磁石を用いる２ベッド磁気冷却システムにおけるＡＭＲモード動作を例示する略図である。
【図２ｂ】周期運動中かつ第２の位置にある磁石を用いる２ベッド磁気冷却システムにおけるＡＭＲモード動作を例示する略図である。
【図３ａ】例示的実施形態に従って、配管において一方向の流れを用いて、周期運動中かつ第１の位置にある磁石を用いる２ベッド磁気冷却システムにおけるＡＭＲモード動作を例示する略図である。
【図３ｂ】例示的実施形態に従って、配管において一方向の流れを用いて、周期運動中かつ第２の位置にある磁石を用いる２ベッド磁気冷却システムにおけるＡＭＲモード動作を例示する略図である。
【図４】例示的実施形態に従って、流体流がベッドホイールの回転によって作動される弁によって制御される回転ベッド能動型磁気再生器冷却器を例示する略図である。
【図５】例示的実施形態に従って、各端部にプレナム領域を有するＡＭＲベッドを示し、各プレナムが入口流及び出口流の両方を運搬する。
【図６】例示的実施形態に従って、入口流及び出口流の分離を確実にする分流器を有するＡＭＲベッドを示す。
【図７】例示的実施形態に従って、図６のＡＭＲベッドの流れのシミュレーションの結果を示す。
【図８】例示的実施形態に従って、分流器ならびに互い違いの入口及び出口を有するＡＭＲベッドを示す。
【図９】例示的実施形態に従って、図８のＡＭＲベッド内の流れのシミュレーションの結果を示す。
【図１０】例示的実施形態に従って、各入口及び出口が、流れをより均一に分布させるように交互に配置される１１の副流路に分割される分流器を有するＡＭＲベッドを示す。
【図１１】例示的実施形態に従って、図１０と同様の構成のＡＭＲベッド内の流れのシミュレーションの結果を示す。
【図１２ａ】例示的実施形態に従って、交互に配置される複数の副流路管に分割される入口管及び出口管を有するＡＭＲベッドを示す。
【図１２ｂ】例示的実施形態に従って、交互に配置される複数の副流路管に分割される入口管及び出口管を有するＡＭＲベッドを示す。
【図１２ｃ】例示的実施形態に従って、交互に配置される複数の副流路管に分割される入口管及び出口管を有するＡＭＲベッドを示す。
【図１３ａ】例示的実施形態に従って、交互に配置される副流路指部に接続する入口チャネル及び出口チャネルを有するＡＭＲベッドを示す。
【図１３ｂ】例示的実施形態に従って、交互に配置される副流路指部に接続する入口チャネル及び出口チャネルを有するＡＭＲベッドを示す。
【図１３ｃ】例示的実施形態に従って、交互に配置される副流路指部に接続する入口チャネル及び出口チャネルを有するＡＭＲベッドを示す。
【図１４ａ】例示的実施形態に従って、交互に配置される縦方向の副流路スロットに分かれるＡＭＲベッドに近接する入口管及び出口管を有するＡＭＲベッドを示す。
【図１４ｂ】例示的実施形態に従って、交互に配置される縦方向の副流路スロットに分かれるＡＭＲベッドに近接する入口管及び出口管を有するＡＭＲベッドを示す。
【図１４ｃ】例示的実施形態に従って、交互に配置される縦方向の副流路スロットに分かれるＡＭＲベッドに近接する入口管及び出口管を有するＡＭＲベッドを示す。
【図１５ａ】例示的実施形態に従って、下方の入口領域を通過する複数の副流路管でＡＭＲベッドに接続する上方の入口領域を有するＡＭＲベッドを示す。
【図１５ｂ】例示的実施形態に従って、下方の入口領域を通過する複数の副流路管でＡＭＲベッドに接続する上方の入口領域を有するＡＭＲベッドを示す。
【図１５ｃ】例示的実施形態に従って、下方の入口領域を通過する複数の副流路管でＡＭＲベッドに接続する上方の入口領域を有するＡＭＲベッドを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ＡＭＲベッドとその熱源（もしくは低温側熱交換器（ＣＨＥＸ））またはヒートシンク（もしくは高温側熱交換器（ＨＨＥＸ））との間の熱伝達流体の運搬のための改善されたシステムが本明細書に記載される。例示的実施形態では、ＡＭＲサイクルを実装するための１つの方法は、磁気熱量材料の扇形状のベッドをホイールアセンブリ内に配置し、さらに扇形状の磁石を使用して磁場をホイールの扇形状の区分に印加することである。磁気熱量材料ベッドは、流体流に浸透しやすい。流体流を運搬するベッド内の細孔は、固体マトリクス中の結合した多孔体もしくはチャネル、または粒子、プレート、もしくはスクリーンのいずれかの間の結合した隙間を含む、多くの異なる形態であり得る。
【００１３】
例示的実施形態では、１組の弁及びポンプが設置され、流れがいずれかの方向でベッドを通して送られることを可能にする。ポンプは、時間式動作（ｔｉｍｅ  ｓｅｑｕｅｎｃｅｄ）弁を伴う連続して稼働するポンプであってもよく、またはポンプは、一方向弁を伴う往復ディスプレーサであってもよく、または代替の実施形態では、他の配置が使用されてもよい。ＡＭＲ動作のため、ホイールが回転するか、または磁石が回転する。この回転は、ベッド上の磁場を変化させ、流れの方向がホイールまたは磁石の位置に同調して弁によって切り替えられることにより、流れがベッドを通して方向付けられる。
【００１４】
ＡＭＲサイクルの早期実装は、米国特許第４，３３２，１３５号において見ることができ、その開示全体は参照により本明細書に組み込まれる。ＡＭＲサイクルは、図１ａ〜１ｄに概略的に示されるように４段階を有する。図１ａ〜１ｄにおけるＭＲシステムは、磁気熱量材料（ＭＣＭ）の多孔質ベッド１９０と、ＭＣＭベッド１９０を通って流れることによってＭＣＭと熱を交換する熱伝達流体と、を含む。図１ａ〜１ｄでは、ベッドの左側が低温側であり、右側が高温側である。代替の実施形態では、高温側及び低温側は入れ替えられてもよい。流体流のタイミング及び方向（高温から低温または低温から高温）は、磁場の印加及び除去と協調し得る。実例として、磁石界（ｍａｇｎｅｔ  ｆｉｅｌｄ）は、永久磁石、電磁石、または超電導磁石によって提供され得る。
【００１５】
ＡＭＲサイクルの実例である図１ａでは、サイクルの第１の段階である磁化が生じる。ＭＣＭベッド１９０中の流体が停滞している間に、磁場１９２がＭＣＭベッド１９０に印加され、ＭＣＭの温度が強磁性相転移の温度に近い場合、それを加熱させる。図１ａの磁化段階では、４つの弁は全て閉じられ、ＭＣＭベッド１９０を通る流体流を阻む。４つの弁は、低温入口弁１８２、低温出口弁１８４、高温出口弁１８６、及び高温入口弁１８８を含む。図１ｂでは、サイクルの第２の段階である低温から高温への流れが生じる。ＭＣＭベッド１９０にわたって磁場１９２が維持され、流体は温度ＴCi（低温入口温度）で、低温側から高温側へＭＣＭベッド１９０を通してポンプで注入される。低温入口弁１８２及び高温出口弁１８６は、この段階の間、ＭＣＭベッド１９０を通る流体の動きを促進するために開いている。この段階の間、低温出口弁１８４及び高温入口弁１８８は閉じている。流体はＭＣＭベッド１９０の各区分から熱を取り除き、より高い温度でプロセスが継続するＭＣＭベッド１９０の次の区分を通ることにより、ＭＣＭベッド１９０を冷却し、流体を温める。流体は、高温出口弁１８６を通ってＭＣＭベッド１９０を退出する際、最終的に温度ＴHo（高温出口温度）に達する。典型的には、この流体は、その熱を周囲環境に排気する高温側熱交換器（ＨＨＥＸ）１９４を通して循環する。図１ｃでは、第３の段階の脱磁が生じる。流体流は、低温入口弁１８２及び高温出口弁１８６が閉じると終結し、磁場１９２が除去される。この段階の間は、低温出口弁１８４及び高温入口弁１８８も閉じている。これは、ＭＣＭベッド１９０をさらに冷却させる。図１ｄでは、サイクルの最終段階である、高温から低温への流れが生じる。この最終段階の間、流体は温度ＴHi（高温入口温度）で、継続して磁場１９２がない状態で、ＭＣＭベッド１９０を通して高温側から低温側へポンプで注入される。またこの段階では、低温出口弁１８４及び高温入口弁１８８は開いているが、低温入口弁１８２及び高温出口弁１８６は閉じている。流体は、ＭＣＭベッド１９０の各区分に熱を追加し、プロセスがより低い温度で継続するＭＣＭベッド１９０の次の区分を通ることにより、ＭＣＭベッド１９０を温め、流体を冷却する。流体は、最終的に、サイクル中に流体が達する最低温度である温度ＴCo（低温出口温度）に達する。典型的には、このより冷たい流体は、冷却システムから熱を集める低温側熱交換器（ＣＨＥＸ）１９６を通して循環し、このシステムがその低温を維持することを可能にする。
【００１６】
ＡＭＲサイクルの大きな利点は、Ｋ．Ｌ．Ｅｎｇｅｌｂｒｅｃｈｔ，Ｇ．Ｆ  Ｎｅｌｌｉｓ，Ｓ．Ａ  Ｋｌｅｉｎ，ａｎｄ  Ｃ．Ｂ．Ｚｉｍｍ，Ｒｅｃｅｎｔ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ  ｉｎ  Ｒｏｏｍ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ａｃｔｉｖｅ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ，ＨＶＡＣ＆Ｒ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ，１３（２００７）ｐｐ．５２５−５４２（以後、「Ｅｎｇｅｌｂｒｅｃｈｔら」）に記載されており、その開示全体は参照により本明細書に組み込まれる。その利点とは、スパン（熱が排気される温度から熱が吸収される温度を引いたもの）が、磁場の印加時の磁気熱量材料の温度変化の絶対値（断熱性温度変化、Ｄｅｌｔａ−Ｔad）よりもはるかに大きくなり得ることである。
【００１７】
ＡＭＲサイクルの４つの段階の実行を完了するまでにかかる時間は、サイクル時間と称され、その逆数はサイクル周波数として既知である。ＭＲシステムの温度スパンは、入口流体温度の差であり、ＴHi−ＴCiと定義される。ＡＭＲサイクルは蒸気圧縮サイクルと類似しており、この場合、気体圧縮（気体を加熱させる）が磁化の役割を担い、気体の自由膨張（気体温度を低下させる）が脱磁の役割を担う。蒸気圧縮サイクルでは、熱伝達流体は、ＣＨＥＸ及びＨＨＥＸの相を変化させて、熱伝達を補助する。ＡＭＲサイクルのＣＨＥＸ及びＨＨＥＸではそのような相変化が生じる必要はないが、水等の高い単相熱伝導係数を有する流体が使用され得る。図１ａ〜１ｄは単一ベッドＭＲシステムの動作を例示したが、代替の実施形態では、各々が同じＡＭＲサイクルを経る複数のベッドが、冷却力を上昇させるため、システムの大きさを低減させるため、さもなければＡＭＲサイクルの実装を改善するために、単一システム内で組み合わせられてもよい。
【００１８】
図２ａ及び２ｂは、２つのＡＭＲベッドを有するＡＭＲサイクルの例示的実施形態を示す。図２ａ及び２ｂでは、ＭＣＭの温度は、常磁性から強磁性転移に近いことも想定され、この場合、ＭＣＭは、磁場が印加されると温かくなり、磁場が除去されると冷たくなる。反強磁性転移に近い温度でＭＣＭを使用することも可能であり、この場合、ＡＭＲサイクルは同様の様式で動作するが、ＭＣＭは、磁場が印加されると冷たくなり、磁場が除去されると温かくなる。
【００１９】
図２ａにおいて、ポンプ１は、高温側熱交換器（ＨＨＥＸ）２を通して高温出口温度Ｔhoで熱伝達流体（ＨＴＦ）を送り、ここでＨＴＦは、熱を周囲に放出し、高温入口温度Ｔhiまで冷える。ＨＴＦは、高温入口弁３に入る。高温入口弁３は、ＨＴＦを管１５及び１８を通して、磁石９の外側の位置１１に隣接する脱磁状態である磁気熱量材料（ＭＣＭ）の多孔質ベッド４の高温端に方向付ける。ＨＴＦは、ＭＣＭベッド４を通って流れることにより低温出口温度Ｔcoまで冷却され、管２２を通して低温側熱交換器（ＣＨＥＸ）６に方向付けられ、ここでＨＴＦは、負荷から熱を吸収し、低温入口温度Ｔciまで温まる。流体は、管２４を通して、磁化状態である磁石９の内部にあるＭＣＭの多孔質ベッド８の低温端に方向付けられる。ＭＣＭベッド８は、現在磁石９で占められている位置２０に隣接して磁化状態である。ＨＴＦは、ＭＣＭベッド８を通って流れることにより温度Ｔhoまで温められ、管２６及び１３を通して高温出口弁１０に方向付けられ、流体サイクルを完了する。一定時間Ｔbの後、磁石９をＭＣＭベッド８及び位置２０から取り外して、ＭＣＭベッド４に、及び位置１１内に移動し、弁１０及び３を交換し、図２ｂに示される状況を作り出す。再び、ポンプ１は、ＨＨＥＸ２を通して温度Ｔhoで熱伝達流体（ＨＴＦ）を送り、ここでＨＴＦは、熱を周囲に放出し、温度Ｔhiまで冷える。ＨＴＦは、高温入口弁３に入る。高温入口弁３は、ＨＴＦを管１７及び２６を通して、磁石９の外側の位置２０に隣接する脱磁状態であるＭＣＭベッド８の高温端に方向付ける。ＨＴＦは、ＭＣＭベッド８を通って流れることにより温度Ｔcoまで冷却され、管２４を通してＣＨＥＸ６に方向付けられ、ここでＨＴＦは、負荷から熱を吸収し、温度Ｔciまで温まる。次いで、ＨＴＦは、管２２を通して、現在位置１１を占めている磁石９の内部にある磁化状態であるＭＣＭベッド４の低温端に方向付けられる。ＨＴＦは、ＭＣＭベッド４を通って流れることにより温度Ｔhoまで温められ、管１８及び１９を通して高温出口弁１０に方向付けられ、流体サイクルを完了する。一定時間Ｔbの後、磁石９を再び位置１１及びＭＣＭベッド４から取り外して、位置２０及びＭＣＭベッド８に戻し、弁１０及び３を交換し、再び図２ａに示される状況を作り出す。
【００２０】
図２ａ及び２ｂに示される２つの流れの周期は、弁の交換ならびにＭＣＭベッド８からＭＣＭベッド４へ、及び再びＭＣＭベッド８へ戻す磁石９の移動と共に、１つのＡＭＲサイクルを構成する。
【００２１】
実質的な温度スパンにわたって熱を輸送する冷却器としてＡＭＲサイクルの効率的な動作は、２方向での流れがＭＣＭ材料全体を通して均衡であること、つまり、サイクル中の低温から高温への総流量が後続の高温から低温への総流量と同じ規模であることを必要とする。ＭＣＭは、通常は流体流に浸透性であるベッド（ＡＭＲベッド）の形態であり、実質的な磁気熱量効果を生むために磁場の大きな変化に供されなければならない。大きな磁場は、１つ以上の高価な高磁界磁石によって発生させることができる。磁化されたベッドと接続する任意のＨＥＸは、高磁場領域の多くを消費しないように、磁石のエアギャップの外側に位置するべきである。次にＨＥＸは、ある長さの配管でＡＭＲベッドに繋げられ得る。ＡＭＲに対する熱源及びシンクの位置に関する実施上の懸念点は、非常に長い配管の導管に関与することがある。一例は、大型ビルの空調装置であり、ＨＨＥＸはビルの屋上にある場合があり、複数のＣＨＥＸがビルの至る所に位置し得る。
【００２２】
ＡＭＲ型磁気冷却器内の流体流の説明に有用なパラメータは利用率であり、これは、ＡＭＲベッド内のＭＣＭの熱容量に対する、２分の１のサイクル中にＡＭＲベッドを通って流れる流体の熱容量の比率である。流体質量流量ｆ、半サイクルにおける流れ時間Ｔ、ＭＣＭ質量ｍ、ＭＣＭ平均比熱容量Ｃpm、流体比熱容量Ｃpfに対して、利用率は以下の通りである。
方程式１：Ｕ＝（ｆＴ  Ｃpf）／（ｍ  Ｃpb）
【００２３】
利用率が２よりもはるかに大きい場合、再生器として稼働しているＡＭＲベッドは、大きい温度スパンを支持することができない。反対に、利用率が０．１よりもはるかに小さい場合、１サイクル当たりの冷却負荷は比較的低く、磁場の変化及び流れの反転に関連付けられる摩擦損失は、ＡＭＲベッドの潜在的な冷却負荷の大部分を使い尽くす。
【００２４】
低密度の気体状熱伝達流体が使用される場合、低密度の気体状熱伝達流体の熱容積は固体磁気熱量材料の熱容積よりもはるかに少ないため、２分の１のサイクル中にＡＭＲベッド（複数可）を通して移動する流体の体積（行程体積）は、好適な利用率でのＡＭＲベッド（複数可）の体積よりもはるかに大きくなり得る。実質的な冷却力が必要とされる場合、ＡＭＲベッドを通した熱伝達流体の必要とされる高体積の移動における流動損失は大きくなり、ＡＭＲの効率を大きく低減する。この問題の解決策は、水等の高熱容積を有する液体の熱伝達流体を使用することである。しかしながら、この場合、好適な利用率での行程体積は、ＡＭＲベッドの体積と同位になり、さらにＡＭＲベッドをＨＥＸに接続する配管の体積とも同位になる。
【００２５】
行程体積が配管の体積よりもそこまで大きくなく、双方向の流れを伴う単一の管がＨＥＸをＡＭＲベッドに繋げる場合、その管内を流れる流体の大部分は、ＨＥＸ及びＡＭＲベッドの両方への実質的な曝露を経ず、このため、ＡＭＲベッドとＨＥＸとの間で熱を効果的に伝達しない。このタイプの損失は、一般的に、シャトル損失またはデッドボリューム損失と称される。例えば、行程体積が図２ａの管２４の体積よりも少ない場合、ベッド８が磁化されるとき、最初にＣＨＥＸ６内にある流体は、流体流周期の終了までにベッド８に達せず、このため熱をベッド８に伝達しない。配管デッドボリュームの悪影響を低減するための方法は、米国特許第５，９３４，０７８号（Ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ  ａｃｔｉｖｅ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ  ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ  ａｐｐａｒａｔｕｓ）において、及びその特許に基づくデバイスに関する論文（Ｃ．Ｚｉｍｍ，Ａ．Ｊａｓｔｒａｂ，Ａ．Ｓｔｅｒｎｂｅｒｇ，Ｖ．Ｐｅｃｈａｒｓｋｙ，Ｋ．Ｇｓｃｈｎｅｉｄｎｅｒ，Ｊｒ．，Ｍ．Ｏｓｂｏｒｎｅ，ａｎｄ  Ｉ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ，“Ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ａ  Ｎｅａｒ−Ｒｏｏｍ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ”，Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，４３，ｐｐ．１７５９−１７６６（１９９８）、以後Ｚｉｍｍ，Ｊａｓｔｒａｂら）において考察されている。その概念に対するさらなる改良点は、米国特許第６，５２６，７５９号（Ｒｏｔａｔｉｎｇ  ｂｅｄ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ  ａｐｐａｒａｔｕｓ）において、及びその特許に基づくデバイスに関する論文（Ｃ．Ｚｉｍｍ，Ａ．Ｂｏｅｄｅｒ，Ｊ．Ｃｈｅｌｌ，Ａ．Ｓｔｅｒｎｂｅｒｇ，Ａ．Ｆｕｊｉｔａ，Ｓ．Ｆｕｊｉｅｄａ，ａｎｄ  Ｋ．Ｆｕｋａｍｉｃｈｉ，“Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ａ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ  Ｒｏｔａｒｙ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ”，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ，Ｖｏｌ．２９，ｐｐ．１３０２−１３０６（２００６）、以後Ｚｉｍｍ，Ｂｏｅｄｅｒら）に記載された。この方法とは、ＡＭＲベッドの一端とＨＥＸとの間に２つの管を提供し、第１の管内の流体をＨＥＸ出口からＡＭＲベッドへ単一方向でのみ流れるようにし、第２の管内の流体をＡＭＲベッドからＨＥＸ入口へ単一方向でのみ流れるようにする弁または他の構成要素を使用することである。この一方向の管の流れの場合、ＨＥＸを通過する全ての流体が、最終的に第１の管も通過してＡＭＲベッドに達し、ＨＥＸへの途中でＡＭＲベッドを退出する全ての流体が、第２の管及びＨＥＸを通過する。
【００２６】
図３ａ及び３ｂは、２つのＡＭＲベッド及び配管内の一方向の流れを有するＡＭＲサイクルの例示的実施形態を示す。図３ａにおいて、ポンプ１は、高温側熱交換器（ＨＨＥＸ）２を通して高温出口温度Ｔhoで熱伝達流体（ＨＴＦ）を送り、ここでＨＴＦは、熱を周囲に放出し、高温入口温度Ｔhiまで冷える。ＨＴＦは、高温入口弁３に入る。高温入口弁３は、管１５を通して、磁石９の外側の位置１１に隣接する脱磁状態である磁気熱量材料（ＭＣＭ）の多孔質ベッド４の高温端にＨＴＦを方向付ける。ＨＴＦは、ＭＣＭベッド４を通って流れることにより低温出口温度Ｔcoまで冷却され、管２３を通して低温出口弁５に方向付けられる。低温出口弁５は、ＨＴＦを低温側熱交換器（ＣＨＥＸ）６に方向付け、ここでＨＴＦは、負荷から熱を吸収し、低温入口温度Ｔciまで温まる。流体は、低温入口弁７に入り、管２５を通して、磁化状態である磁石９の内部にあるＭＣＭの多孔質ベッド８の低温端に方向付けられる。ＭＣＭベッド８は、現在磁石９で占められている位置２０に隣接して磁化状態である。ＨＴＦは、ＭＣＭベッド８を通して温度Ｔhoまで温められ、管１３を通して高温出口弁１０に方向付けられ、流体サイクルを完了する。一定時間Ｔbの後、磁石９をＭＣＭベッド８及び位置２０から取り外して、ＭＣＭベッド４上に、及び位置１１内に移動し、弁１０、３、５、及び７を交換し、図３ｂに示される状況を作り出す。再び、ポンプ１は、ＨＨＥＸ２を通して温度Ｔhoで熱伝達流体（ＨＴＦ）を送り、ここでＨＴＦは、熱を周囲に放出し、温度Ｔhiまで冷える。ＨＴＦは、高温入口弁３に入る。高温入口弁３は、管１７を通して、磁石９の外側の位置２０に隣接する脱磁状態であるＭＣＭベッド８の高温端にＨＴＦを方向付ける。ＨＴＦは、ＭＣＭベッド８を通って流れることにより温度Ｔcoまで冷却され、管２９を通して低温出口弁５に方向付けられる。低温出口弁５は、ＨＴＦをＣＨＥＸ６に方向付け、ここでＨＴＦは、負荷から熱を吸収し、温度Ｔciまで温まる。ＨＴＦは、低温入口弁７に入り、管２７を通して、現在位置１１を占めている磁石９の内部の磁化状態であるＭＣＭベッド４の低温端に方向付けられる。ＨＴＦは、ＭＣＭベッド４を通して温度Ｔhoまで温められ、管１９を通して高温出口弁１０に方向付けられ、流体サイクルを完了する。一定時間Ｔbの後、磁石９を再び位置１１及びＭＣＭベッド４から取り外して、位置２０及びＭＣＭベッド８に戻し、弁１０及び３を交換し、再び図３ａに示される状況を作り出す。図３ａ及び３ｂに例示される管１３、１５、１７、１９、２３、２５、２７、及び２９の各々に関して、流れは一方向でのみ生じる。
【００２７】
転移領域は、熱交換器からベッドへの配管内の一方向の流れと、ＡＭＲベッド内の双方向の流れとの間に生じる。米国特許第５，９３４，０７８号では、熱交換器からの一方向の配管は、環状ベッドの内側半径で中央内腔を有する４つの区分で構成された（米国特許第５，９３４，０７８号の図４及び６）。一方向の流れから双方向の流れへの転移は、ＡＭＲベッドのすぐ外側で生じた。この配置は、低いデッドボリュームを有するが、低温ＨＥＸからの流れの大部分は、低温ＨＥＸへ進むためにその後ベッドから退出する流れとは異なる位置でベッドに入った。同様に、高温ＨＥＸからの流れの大部分は、高温ＨＥＸへ進むためにその後ベッドから退出する流れとは異なる位置でベッドに入った。結果として、入口及び出口に近接するＡＭＲベッドの部分は、一方向でのみ流れに曝された。一方向のみの流れを受けるＡＭＲベッドの領域は、ＡＭＲサイクルを正確に経ず、このためデバイスの冷却力に寄与しなかった。第２の問題は、ベッドの端部に近接した各方向での一方向の流れが、ベッドの端部に近接する領域の一部分にのみ集中し、このため単位断面積当たりより速い流速で流れ、はるかに高い圧力低下損失を生み、デバイス効率を低減させることであった。
【００２８】
米国特許第６，５２６，７５９号では、流量の分布領域が、一対の一方向の低温流管とベッドの低温端との間の転移領域に追加された（米国特許第６，５２６，７５９号の図２の項目４１）。以後プレナムと称される流量分布領域の導入は、低温ＨＥＸから流体を受容するベッドの入口領域が、低温ＨＥＸに流体を供給するベッドの退出領域と同じであることを確実にする。この配置は、ＡＭＲベッド全体を通して双方向の流れを可能にし、ベッドの端部領域における圧力低下を低減させるが、デバイスのプレナム内にデッドボリュームを作り出す。
【００２９】
米国特許第５，９３４，０７８号及び同第６，５２６，７５９号に示されるデッドボリューム問題を解決するための手法は、デッドボリュームの大きさを一方向の流れを被るＡＭＲベッドの領域の大きさと交換した。これらの特許に記載されている初期デバイスの両方において、各ＡＭＲベッドの内部の合計流路は比較的長く、米国特許第５，９３４，０７８号に記載されているデバイスでは１０ｃｍであり、米国特許第６，５２６，７５９号に記載されているデバイスでは６ｃｍである。両方の場合において、ベッド内の流路の長さは、ベッドの幅よりも大きかった。ベッドの幅に対するベッド内の流路の長さの比率であるアスペクト比は、両方のデバイスにおいて２よりも大きかった。このため、ベッド内部の一方向の流域の大きさ、またはベッドの入口におけるプレナムの大きさは、これらの過去のデバイスでは比較的小さいことがあった。磁気熱量材料の一単位質量当たりのより高い冷却力（より高い比冷却力）を有するより費用効果が高いＡＭＲデバイスを得ることは、ＡＭＲベッド内のより速い流速及びより短い流路を伴い、それらは、ＡＭＲベッド内のデッドボリューム及び一方向の流域の両方の悪影響をより深刻にする。このため、以前の方法は、将来の高比冷却力ＡＭＲデバイスに適切ではない場合がある。
【００３０】
実例では、図４は、磁場によって回転するホイールアセンブリ内にＭＣＭ材料のベッドが配置されたＡＭＲサイクルの実施形態を示す。磁気冷却器９３は、磁気熱量材料７２を含有する回転ベッド７１を含む。ベッド７１が磁石７３の隙間内で回転すると、磁場が印加される。ポンプ７０は、熱伝達流体７４の流れを、高温熱交換器７５を通して高温固定子ディスク７７上の内側スロット７６内に送る。次いで流体は、回転高温ディスク７９内の１組の内孔７８を通過し、流体をベッド７１の部分に運搬する高温流体入口管８０に入り、高温流体入口管８０は、磁石７３の外側にあり低磁場である。流体は、低磁場である磁気熱量材料７２の部分を通過し、次いで、流体を回転低温ディスク８３内の内孔８２に運搬する低温出口管８１を通ってベッドを退出することによって冷却される。次いで流体は、低温固定子ディスク８５内の内側スロット８４を通過し、低温熱交換器８６を通って低温固定子ディスク８５内の外側スロット８７に流れる。次いで流体は、低温回転ディスク８３内の外孔８８を通って、流体をベッド７１の部分に運搬する低温入口管８９に流れ、低温入口管８９は、磁石７３内にあり高磁場である。流体は、高磁場である磁気熱量材料７２の部分を通過し、次いで、流体を回転高温ディスク７９内の外孔９１に運搬する高温出口管９０を通ってベッドを退出することによって温められる。次いで流体は、高温固定子ディスク７７内の外側スロット９２を通過し、ポンプ７０に流れる。
【００３１】
磁場の変化に同調したベッドを通る流れの周期的な反転は、ＡＭＲサイクルの熱ポンプ注入能力を可能にするものである。場の存在下におけるベッドの低温側から高温側への流れは、熱をＨＨＥＸに送り、場の不在下におけるベッドの高温側から低温側への流れは、熱をＣＨＥＸから取り除く。磁場の変化は、磁石によって提供され、磁石の質量は高磁場の領域の体積に比例しなければならない（参照、Ｓ．Ｌ．Ｒｕｓｓｅｋ  ａｎｄ  Ｃ．Ｂ．Ｚｉｍｍ，Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  ｆｏｒ  ｃｏｓｔ  ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  ｍａｇｎｅｔｏｃａｌｏｒｉｃ  ａｉｒ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ，Ｖｏｌｕｍｅ  ２９，Ｉｓｓｕｅ  ８，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  ２００６，Ｐａｇｅｓ  １３６６−１３７３，（以後、「Ｒｕｓｓｅｋら」））。ＡＭＲ型の磁気冷却器の推定費用は、磁石が大半を占め、磁石の費用はその質量に比例する（Ｒｕｓｓｅｋら）。ＡＭＲベッドは、ＡＭＲサイクルを経るために磁石の高磁場領域を通過する。しかしながら、高磁界領域の体積及び磁石の費用を最小限にするために、ＣＨＥＸ及びＨＨＥＸを高磁場の領域の外側に位置付けることが有利である。熱交換器が磁場の外側に位置し、ベッドが磁場を通過する場合、配管を用いてベッドとＨＥＸとの間で流体を運搬する。例えば、図４では、磁気熱量ベッドとＨＥＸとの間で流体を運搬するために管８０、８１、８９、及び９０が提供される。
【００３２】
図５は、図４の構成と類似の構成のＡＭＲサイクルの実施形態のＭＣＭベッド及び関連する配管のさらなる詳細を示す。高温入口管８０は、上から降下し、ＡＭＲベッド７１の上側に接続する上部プレナム１０２で終結する。一実施形態では、ＡＭＲベッド７１は、０．２未満の平均アスペクト比（幅で除した流長）を有する。高温出口管９０も上部プレナムに接続し、上部プレナムから上昇する。低温入口管８９は、下方から上昇し、ＡＭＲベッド７１の底部側に接続する下部プレナム１０６で終結する。低温出口管８１も下部プレナム１０６に接続され、下部プレナム１０６から降下する。上部プレナム１０２及び下部プレナム１０６が十分な深度を有する場合、管８０からの入口流及び管８１からの出口流は、高温から低温への流れの間、ＡＭＲベッド７１の上面及び底面全体にわたって分布し、このためＡＭＲベッド７１はかなり均一な高温から低温への流れを経る。同様に、流れが反転すると、管８９及び９０からの流れはＡＭＲベッドの底面及び上面全体にわたって分布し、このためＡＭＲベッド７１はかなり均一な低温から高温への流れを経る。しかしながら、高温から低温への流れの最後に下部プレナム１０６内に残される流体は、低温ＨＥＸを通過せず、熱を吸収する。代わりに流体は、低温から高温への流れの間にＡＭＲベッド７１内に直接押し上げられるか、または低温ＨＥＸを出る流体と混合され、次いでＡＭＲベッド７１に押し上げられる。同様に、低温から高温への流れの最後に上部プレナム１０２に残される流体は、高温ＨＥＸを通過しない。代わりに流体は、高温から低温への流れの間にＡＭＲベッド７１内に押し下げられるか、または高温ＨＥＸを出る流体と混合され、次いでＡＭＲベッド７１に押し下げられる。このデッドボリューム効果は、デッドボリューム効果を埋め合わせるためにどのシステムパラメータが調整されるかに応じて、冷却力、または温度スパン、またはＡＭＲシステムの効率を低減する。図５のアセンブリの場合のようにベッドのアスペクト比が低い場合、デッドボリューム領域は、行程体積と比べて比較的大きくなり、このためデッドボリューム効果は、低アスペクト比のＡＭＲシステムの性能に深刻な影響を与える。
【００３３】
図６は、図５と同様の幾何学的配置であるが、障壁部品１１１及び１１２が、上部プレナム及び下部プレナムであった所に挿入され、プレナムの各々を２つの別個のチャネルに分割する。高温入口管８０は、上から降下し、ＡＭＲベッド７１の上部左側に接続する高温入口チャネル１１４で終結する。低温出口チャネル１１６は、ＡＭＲベッド７１の底部左側に接続し、低温出口チャネル１１６よりも下の低温出口管８１にも接続する。低温入口管８９は、下方から上昇し、ＡＭＲベッド７１の底部右側に接続する低温入口チャネル１１９で終結する。高温出口チャネル１１０は、ＡＭＲベッド７１の上部右側に接続し、高温出口チャネル１１０から上昇する高温出口管９０にも接続する。
【００３４】
有限要素流体流モデルは、図６の幾何学的配置から構築され、生じるべき流体流は、水の粘度及び密度を有する非圧縮性流体に対するナビエ−ストークス方程式に従って決定された。図７は、底部右側の低温入口管から入り、１４ｍｍの高さのＡＭＲベッドを通って流れ、上部右側の高温出口管から退出する流れの事例に対する計算結果を示す。一方の平面がベッドの上部よりも２ｍｍ下にあり、他方がベッドの底部の２ｍｍ上にある、ベッド内部の２つの平面を横断する流れの強度が示される。代替の実施形態では、異なる寸法が使用されてもよい。上部プレナム及び下部プレナムを入口領域及び出口領域に分割することによって、デッドボリューム効果が大幅に低減される。しかしながら、図７のベッド内部の流れの強度の検査をすると、ベッドの右側が、低温から高温への流れの大部分を経て、それに応じて次の半サイクルでは、ベッドの左側が、高温から低温への流れの大部分を経ることが明らかである。図６の障壁部品１１１及び１１２を通り抜ける中心面に近接していないベッドの部分は、ＡＭＲサイクルを実行するのに必要とされる正確に均衡のとれた双方向の流れを経ない。この効果は、ベッドの長さがベッドの幅よりも短い場合、最も深刻であり、ベッドを組み込むＡＭＲシステムの性能（埋め合わせるためにどのシステムパラメータが調整されるかに応じて、冷却力または温度スパンまたは効率）の大きな低下をもたらす。加えて、一方向のみの流れを示す入口及び出口に近接する領域は、流れがより小さい区域にわたって集中するため、より高い最大流量も受け、このため、より高い圧力低下を被る。
【００３５】
図８は、プレナムの各々を２つの別個のチャネルに分割する、上部プレナム及び下部プレナムであった所に挿入される障壁部品１１１及び１１２を有する、図５と同様の幾何学的配置である。この場合、入口及び出口は、ベッドの両側に対して互い違いである。高温入口管８０は、上から降下し、ＡＭＲベッド７１の上部右側に接続する高温入口チャネル１１４で終結する。低温出口チャネル１１６は、ＡＭＲベッド７１の底部左側に接続し、低温出口チャネル１１６よりも下の低温出口管８１にも接続する。低温入口管８９は、下方から上昇し、ＡＭＲベッド７１の底部右側に接続する低温入口チャネル１１９で終結する。高温出口チャネル１１０は、ＡＭＲベッド７１の上部左側に接続し、高温出口チャネル１１０から上昇する高温出口管９０にも接続する。
【００３６】
有限要素流体流モデルは、図８の幾何学的配置から構築され、生じるべき流体流は、水の粘度及び密度を有する非圧縮性流体に対するナビエ−ストークス方程式に従って決定された。図９は、上部右側の高温入口管から入り、ＡＭＲベッドを通って流れ、底部左側の低温出口管を退出する流れの事例に対する、一方が上部から２ｍｍであり、他方が底部から２ｍｍである２つの水平面のための１４ｍｍの高さのベッドに対する計算結果を示す。代替の実施形態では、異なる寸法が使用されてもよい。
【００３７】
図７及び９の流れの領域を比較すると、ベッドの両側に対して入口領域及び出口領域を互い違いにすることは、正確に均衡のとれたＡＭＲ流を経る領域を増加させることが明らかであり、これは、互い違いではない場合よりもベッドの性能を上昇させる。しかしながら、ベッドの上部左側及び底部右側に近接する領域よりも図９でより速い流れを示す図８のベッドの障壁部品１１１及び１２２に近接するベッドの領域では、著しい流れの不均一性が依然として生じる。反対方向で流れが生じるとき、障壁部品１１１及び１２２に近接するベッド内で同様の流量過多が出現し、ベッドの上部右側及び底部左側で流量不足が出現する。実質的に一方向のみで流れを示すベッドの領域は、ＡＭＲサイクルを適切に実行せず、このため、デバイスの性能への寄与を低下させる。加えて、より小さい区域にわたって集中するより高い最大流量を示すベッドの入口及び出口に近接する領域は、より高い圧力低下を被る。しかしながら、障壁部品１１１及び１１２による入口流及び出口流の分離は、デッドボリューム効果を実質的に低減させる。入口チャネルに入る流れの大部分はＨＥＸから生じ、続いてＡＭＲベッドに入る。出口チャネルに向けてＡＭＲベッドを出る流れの大部分は、続いてＨＥＸに達する。
【００３８】
図１０は、図５、６、及び８のものと類似の流れの配置を示すが、各入口及び出口チャネルは副流路に分かれ、１１個の別個のスロットにおいてＡＭＲベッド７１に接続する。代替の実施形態では、異なる数のスロットが使用されてもよい。流れの分離及び分布は、図６及び８において使用された障壁部品の代替である流れ挿入部１２２、１２３によって達成される。ＡＭＲベッド７１の上部の１１個の入口スロット１２４及び１１個の出口スロット１２５は交互に配置され、ベッド７１の底部の１１個の入口スロット１２６及び１１個の出口スロット１２７も交互に配置される。各スロットは、ベッド７１の右側及び左側の両方にわたって延在する。高温入口管８０は、上から降下し、ＡＭＲベッド７１の右部分にわたって延在して１１個のスロット１２４に接続する高温入口チャネル１１４で終結し、高温入口チャネル１１４は、入口チャネル１１４の下壁を通してＡＭＲベッド７１の上部右側に、及び高温出口チャネル１１０の下でスロットの続きを通してＡＭＲベッド７１の左側に接続する。低温出口チャネル１１６は、１１個のスロット１２７を介して、出口チャネル１１６の上壁を通してＡＭＲベッド７１の底部右部分に、及び低温入口チャネル１１２の下でスロットの続きを通してＡＭＲベッド７１の左側に接続し、低温出口チャネル１１６よりも下の低温出口管８１にも接続する。低温入口管８９は、下方から上昇し、低温入口チャネル１１２で終結し、低温入口チャネル１１２は、ＡＭＲベッド７１の左部分の下に延在し、チャネル１１２の上壁内の１１個のスロット１２６を介して、ＡＭＲベッド７１の底部左側部分に接続し、低温出口チャネル１１６の下のスロットの続きを通してＡＭＲベッド７１の底部右部分に接続する。高温出口チャネル１１０は、チャネル１１０の下壁に割り込む１１個のスロット１２５を介してＡＭＲベッド７１の上部左側に、及び高温入口チャネル１１４の下のスロット１２５の続きを通してＡＭＲベッド７１の上部右側に接続し、高温出口チャネル１１０から上昇する高温出口管９０にも接続する。
【００３９】
有限要素流体流モデルは、図１０のものと類似の交互に配置されたスロット構成を有する幾何学的配置から構築され、生じるべき流体流は、水の粘度及び密度を有する非圧縮性流体に対するナビエストークス方程式に従って決定された。図１１は、高温入口管（図１０の８０）に入り、１４ｍｍの長さのＡＭＲベッド７１を通って流れ、低温出口管８１を退出する流れに対応する事例に対する、一方が上部から２ｍｍであり、他方がベッドの底部から２ｍｍである２つの水平面を横断する流れの強度の計算結果を示す。
【００４０】
図１１の事例に関して、複数の低温入口スロットまたは複数の高温出口スロットに非常に近接するベッドの領域は、一方向のみ、すなわち高温から低温への若干多い流れを経るだろうことが予想されるだろう。しかしながら、流れのバラツキの量は、ベッドの端部と流れを示す平面との間の２ｍｍの距離において、既に非常に小さい違いまで低下されている。実質的に一方向のみの流れを示すベッドの領域による性能の損失は、これらの領域が非常に小さい体積を有するため、非常に小さい。加えて、入口スロット及び出口スロットに近接する集中した流れの領域の深度は非常に限定されているため、圧力低下の上昇はごくわずかである。さらに、流れ挿入部品１２２及び１２３による入口流及び出口流の分離は、デッドボリューム効果を低減させる。入口スロットに入る流れの大部分は、ＨＥＸから生じ、続いてＡＭＲベッドに入る。出口スロットに向けてＡＭＲベッドを出る流れの大部分は、続いてＨＥＸに達する。
【００４１】
１２個のＡＭＲベッドを有するＡＭＲ型磁気冷却器が、図４に示される構成を使用して、図５に示されるＡＭＲベッド入口及び出口の幾何学的配置を用いて構築された。ＣＨＥＸとＨＨＥＸとの間の配管中の流れは、実質的に一方向であったが、入口流及び出口流は、図５に示される上方プレナム１０２及び下方プレナム１０６において混合され得る。毎分１５リットルの流体流速で、冷却器は、２４．２Ｃのスパンで４９９．８ワットの冷却力を生み出した。次いで、図１０に示される入口及び出口の幾何学的配置を作り出すために、分流器がプレナム１０２及び１０６内に挿入された。流れ挿入部１２２及び１２３は、入口流及び出口流を分離するように設計された。毎分１５リットルの同じ流体流速及び２４．４Ｃの実質的に同じ温度スパンで、冷却力は６１１．７ワットまで２２％上昇した。
【００４２】
図１０は、入口流及び出口流を分離する２つ以上の交互に配置された副流路に分かれるＡＭＲベッドに近接する入口管及び出口管の一例を示す。入口流及び出口流の分離は、デッドボリューム損失を防ぎ、複数の交互に配置された副流路は、集中したまたは一方向の流れの領域を最小化することによって、ＡＭＲベッド内のより良好な流量分布を可能にする。適切な流れの分離及び適切な流量分布を達成するための入口及び出口の幾何学的配置を構成する複数の方法が存在する。他の例が、以下でより詳細に考察される。以下の図１２、１３、１４、及び１５では、ＡＭＲベッドの一方の端部（高温端等）における構造のみが示される。同様の構造が、ＡＭＲベッドの他方の端部（低温端等）に設置されるべきである。
【００４３】
図１２ａ、１２ｂ、及び１２ｃは、入口流及び出口流を分離するＡＭＲベッドに近接する入口管及び出口管の第２の例を示す。図１２ａは透視側面図であり、図１２ｂは実側面図であり、図１２ｃは、図１２ａに示される平面Ａ−Ａで切り取られた断面である。ＨＥＸからＡＭＲベッドに流れを運搬する主要入口管１３１は、副管１３２の形態であるいくつかのより小さい副流路に分かれ、その各々はＡＭＲベッド１３３に接続する。ＡＭＲベッドからＨＥＸに流れを運搬する主要出口管１３４は、副管１３５の形態であるいくつかのより小さい副流路に分かれ、その各々はＡＭＲベッド１３３に接続する。任意に、副管１３２及び１３５は、ＡＭＲベッド１３３に接続する前に複数のより小さい副管にさらに分かれてもよい。入口副管１３２及び出口副管１３５は交互に配置され、ＡＭＲベッド１３３のほぼ全てにわたって双方向の流れが発達するように流れを分布させる。管及び副管の配置は、最良の流量分布及び最小の圧力低下を得るためにフラクタル幾何学的配置に近づいてもよい。
【００４４】
図１３ａ及び１３ｂは、入口流及び出口流を分離するＡＭＲベッドに近接する入口管及び出口管の第３の例を示す。図１３ａは上面図であり、図１３ｂは、図１３ａに示される平面Ａ−Ａで切り取られた断面である。入口管１４１は、左側の入口チャネル１４２に接続し、左側の入口チャネル１４２は、入口チャネル１４２及び入口管１４１と実質的に垂直である入口指部１４３の形態で副流路に接続する。出口管１４４は、出口指部１４６の形態で副流路に接続する右側の出口チャネル１４５に接続する。入口指部１４３及び出口指部１４６は交互に配置され、ＡＭＲベッド１４７のほぼ全てにわたって双方向の流れが発達するように流れを分布させる。
【００４５】
磁石ギャップ内の空間は重要であるため、ＡＭＲベッドカバープレート、及び流れ分離器を含有するプレナム領域の両方の必要とされる体積を最小化することは有益である。図１３ｃでは、指状の流路が、複数の扇形状のＡＭＲベッド１５０を覆う同質のカバープレート１４８に割り込んでいる。入口管１４１は、入口指部１４３の形態で副流路に接続する入口チャネル１４２に接続する。出口管１４４は、出口指部１４６の形態で副流路に接続する出口チャネル１４５に接続する。アセンブリは、カバープレート１４８内のリリーフ副流路１４３及び１４６によって提供される流量分布を有する構造機能及び流体機能の両方に役立つ。カバープレートを終結させる平らな表面は、扇形状のＭＣＭベッド１５０の真下に位置することが意図され、円形の通路は流れのための効率的な導管として機能する。流体流の結果として流路内に内圧が生じ、流れを運搬する配管及び副流路の歪みをもたらすことがある。解放された流れの副流路１４３及び１４６の間に残される流れ分割障壁１４９は、リブ付きのベッド構造に典型的な様式で歪みに対してカバープレート１４８を硬化させるというさらなる目的に役立つ。
【００４６】
図１４ａ、１４ｂ、及び１４ｃは、入口流及び出口流を分離するＡＭＲベッドに近接する入口管及び出口管の第４の例を示す。図１４ａは、上位で取られた上面図であり、図１４ｂは、下位で取られた上面図であり、図１４ｃは、図１４ｂに示される平面Ａ−Ａで切り取られた断面である。入口管１５１は、横道の主要入口チャネル１５２、及びＡＭＲベッド１５４の上の入口指部１５３の形態の縦方向の副流路に接続する。指部１５３は、ＡＭＲベッド１５４の上方側に接続する。出口管１５５は、入口チャネル１５２の上及びＡＭＲベッド１５４の上の横道の主要出口チャネル１５６に接続する。出口チャネル１５６は、入口指部１５３の間を通る出口指部１５７の形態の縦方向の流路に接続し、ＡＭＲベッド１５４の上方側に接続する。指部１５３は、ベッド１５４内に流れを運搬し、指部１５７は、ＡＭＲベッド１５４の外に流れを運搬する。入口指部１５３及び出口指部１５７はベッド１５４で交互に配置され、ＡＭＲベッド１５４のほぼ全てにわたって双方向の流れが発達するように流れを分布させる。
【００４７】
図１５ａ、１５ｂ、及び１５ｃは、入口流及び出口流を分離するＡＭＲベッドに近接する入口管及び出口管の第５の例を示す。出口管１６１は、ＡＭＲベッド１６３に近接する上方出口プレナム１６２内に広がり、入口管１６４は、ＡＭＲベッド１６３と入口プレナム１６２との間の下方入口プレナム１６５内に広がる。出口プレナム１６２は、出口プレナム１６２の下面にわたって広がり、入口プレナム１６５を通過する複数の管１６６の形態の副流路によってベッド１６３に接続される。入口プレナム１６５は、入口プレナム１６２からの管１６６の間の区域１６７内の副流路内においてＡＭＲベッド１６３の低温端に接続する。入口領域１６６及び出口領域１６７は交互に配置され、ＡＭＲベッド１６３のほぼ全てにわたって双方向の流れが発達するように流れを分布させる。
【００４８】
汚染粒子の蓄積が、分離された入口流及び出口流を用いる延長動作中にＡＭＲベッドの表面上に生じ得る。入口からベッドにかけてＡＭＲシステム内の圧力を観察し、圧力の上昇時、流れの方向を短時間にわたり反転して、ＡＭＲベッドから生じる流れをフィルタに方向付けるという、この問題の解決策が発見されている。ＡＭＲベッドの入口表面上に留まる粒子は、反転された流れによって押し退けられ得、フィルタによって取り除かれ得る。流れの方向の反転は、正方向の圧力低下がその初期値を２０％超えて上昇したときに実行されてもよく、１００のＡＭＲフローサイクルにわたって続けられてもよい。
【００４９】
文章では「管」という用語を使用し、図のいくつかは本発明の構成要素間で流体流を運搬する管を示すが、構成要素間で流体を運搬する任意の好適な導管が使用されてもよい。例えば、導管は、射出成形されたアセンブリ中の流体流路であってもよく、または導管は付加製造によって作られたアセンブリ中の流体流路であってもよく、または導管は従来の管であってもよい。
【００５０】
例示的な実施形態を説明するために１つ以上のフロー図及び／またはブロック図が使用された。任意のフロー図の使用は、実施される動作の順序に対する制限であることを意図していない。例示的な実施形態の前述の説明は、例示及び説明のために提示された。開示される正確な形態に関して包括的または制限であることを意図するものではなく、修正及び変形が、上述の教示を踏まえて可能であるか、または開示される実施形態の実践から得ることができる。本発明の範囲は、本明細書に添付される特許請求の範囲及びそれらの均等物によって定義されることが意図される。
【図１ａ−ｄ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１２ｃ】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１３ｃ】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１４ｃ】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１５ｃ】
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