(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場の増減に応じて温度が変化する磁気作業物質が充填される複数のダクトを、配管を介して熱交換器に接続して冷却流体の循環経路を形成し、永久磁石を前記ダクトへ相対的に接離させると共に、前記冷却流体を前記循環経路に循環させることで、前記磁気作業物質によって前記冷却流体を冷却して前記熱交換器で被冷却体を冷却させる磁気冷凍装置であって、
前記磁気作業物質を、前記循環経路の下流側ほど低温となるように前記ダクト毎に特性を変えて配設する一方、前記循環経路における前記各ダクトの出口側の前記配管に、下流側の前記循環経路をバイパスするバイパス管を夫々設けて、その各バイパス管に、当該バイパス管の流量を調整可能な流量調整手段を夫々設けたことを特徴とする磁気冷凍装置。
【請求項２】
前記流量調整手段を流量調整弁としたことを特徴とする請求項１に記載の磁気冷凍装置。
【請求項３】
前記流量調整手段を固定オリフィスとしたことを特徴とする請求項１に記載の磁気冷凍装置。
【請求項４】
前記永久磁石が、駆動手段によって回転する回転子の周面に固着され、前記ダクトが、前記回転子を軸支する筒状の固定子の内面に配置されて、前記回転子の回転に伴う前記永久磁石の接離により、前記磁気作業物質の温度が変化することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の磁気冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、本発明は、磁気作業物質の磁気熱量効果を利用した磁気冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
フロン等の気体冷媒を使用した従来の気体冷凍装置に代わり、磁気作業物質が増磁或いは減磁の際に大きな温度変化を生じさせる性質（磁気熱量効果）を利用した磁気冷凍装置が近年注目されている。磁気作業物質に作用させる磁場発生手段としては、高磁場を発生できる超電導磁石等が有利であるが、４Ｋ（−２６９℃）近傍で運転する超電導磁石を維持するには大きな動力を要することから、冷蔵庫や空気調和機等冷凍能力が約１〜１０ｋＷ以下の磁気冷凍装置においては、磁界発生に動力の必要がない永久磁石を用いたコンパクトな形態が望まれている。
そこで、本件出願人は、特許文献１において、磁場発生手段として永久磁石を用いた磁気冷凍装置を提案している。
【０００３】
これは、駆動手段によって回転し、周面に永久磁石を固着した回転子と、その回転子を軸支し、内面側に、磁場の増減に応じて温度が変化する粒状の磁気作業物質を充填して永久磁石と近接するダクトを配置した筒状の固定子とを有する装置本体と、ダクト間を接続して形成される循環経路に冷却流体（水等）を循環させる冷却流体循環手段と、循環経路に設けられ、冷却流体と被冷却体との間で熱交換を行う熱交換器と、を備えてなる。
この磁気冷凍装置においては、回転子の回転に伴う永久磁石の接近により、磁気作業物質が増磁されて温度上昇し、永久磁石の離反により、磁気作業物質が減磁されて温度低下する。このタイミングに合わせて、冷却流体循環手段がダクト間を通るように冷却流体を循環させることで、ダクトの低温配管接続側の温度を冷凍能力と熱負荷とがバランスする温度まで低下させる一方、高温配管接続側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た一定温度となる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−５１４０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
磁気作業物質としては、ガドリウム系材料や、ランタン−鉄−シリコン化合物等が知られており、これらのうち、特性が異なる数種類の磁気作業物質を各ダクトごとに充填して複合的に用いることで、大きな温度差を得ることが可能となる。
しかし、循環経路においてダクト内で磁気作業物質と熱交換する冷却流体の流量が等しいため、高温側の磁気作業物質で大きな冷凍能力を確保するのが難しい。高温側ほど磁気作業物質を多く充填すれば冷凍能力の向上は可能となるが、反面多量の磁気作業物質が必要となって装置の大型化に繋がってしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、数種類の磁気作業物質を複合的に用いたいわゆるハイブリッド型において、磁気作業物質の量を増やすことなく、大きな温度差で大きな冷凍能力を得ることができる磁気冷凍装置を提供することを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、磁気作業物質を、循環経路の下流側ほど低温となるようにダクト毎に特性を変えて配設する一方、循環経路における各ダクトの出口側の配管に、下流側の循環経路をバイパスするバイパス管を夫々設けて、その各バイパス管に、当該バイパス管の流量を調整可能な流量調整手段を夫々設けたことを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、バイパス管での流量調整を適切に行うために、流量調整手段を流量調整弁としたことを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１の構成において、バイパス管での流量調整を簡単に行うために、流量調整手段を固定オリフィスとしたことを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかの構成において、一層の小型化に繋がる構成とするために、永久磁石を、駆動手段によって回転する回転子の周面に固着し、ダクトを、回転子を軸支する筒状の固定子の内面に配置して、回転子の回転に伴う永久磁石の接離により、磁気作業物質の温度が変化する構成としたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、複数種類の磁気作業物質を複合的に用いたいわゆるハイブリッド型において、磁気作業物質の量を増やすことなく、大きな温度差で大きな冷凍能力を得ることができる。よって、小型で高性能の磁気冷凍装置を提供可能となる。
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加えて、流量調整弁の採用により、バイパス管内の流量調整を適切に行うことができる。
請求項３に記載の発明によれば、請求項１の効果に加えて、固定オリフィスの採用により、バイパス管内の流量調整を簡単に行うことができる。
請求項４に記載の発明によれば、請求項１乃至３の何れかの効果に加えて、磁気冷凍装置の一層の小型化が達成可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、磁気冷凍装置の一例を示す全体図で、磁気冷凍装置１において、装置本体２は、軸方向の前後端が閉塞され、内部を真空気密状態とした中空筒状の固定子３と、その固定子３内の軸心にあって、軸対称となる周面に一対の永久磁石５，５を放射状に取着した回転子４とを備える。回転子４は、前後端が夫々固定子３によって回転可能に軸支されて、減速機を介して連結された図示しないサーボモータ（駆動手段）によって回転制御される。
【００１０】
また、固定子３の内周には、永久磁石５の２倍の個数である４つのダクト６，６・・が、永久磁石５の外周面に近接する状態で周方向に等間隔で固定されている。このダクト６，６・・のうち、周方向に隣接する一組のダクト６，６には、粒状の磁気作業物質７，７・・が、他の組のダクト６，６には粒状の磁気作業物質８，８・・が夫々充填されている。ここでは磁気作業物質７と磁気作業物質８とは種類が異なっており、磁場の増減に伴う温度変化が、磁気作業物質７の方が磁気作業物質８よりも低温側となっている。
【００１１】
さらに、各ダクト６には、固定子３の外部に導出される低温配管９と高温配管１０とが夫々接続されて、冷却流体（ここでは水）の循環経路が形成されている。ここでは軸対称位置にある一組のダクト６Ａ，６Ｂ（以下、位置を区別する際には構成部の符号にＡＢ・・を付す）間には、低温配管９Ｂと高温配管１０Ａとが、他の組のダクト６Ｃ，６Ｄ間には、高温配管１０Ｃと低温配管９Ｄとが夫々接続されている。また、隣り合う一組のダクト６Ａ，６Ｃ間では、被冷却体１２を冷却するための冷却器１１を介して低温配管９Ａ，９Ｃ同士が接続され、他の組のダクト６Ｂ，６Ｄの高温配管１０Ｂ，１０Ｄは、ロータリー弁１３を介して、循環機１４及び排熱交換器１５に接続されている。
【００１２】
ロータリー弁１３は、背景技術で示した特許文献１に開示のものと同じ構造で、内設された流入室に連通する流入ポート１６と、流入室に連通して９０°間隔で配置される４つの流出ポート１７，１７，１８，１８とを夫々形成して、流入室内に設けた弁体を回転子４と同軸で形成された軸と一体回転可能に連結した構成となっている。ここでは流入ポート１６が循環機１４に接続され、４つの流出ポート１７，１８は、軸対称位置の一組１７，１７が高温配管１０Ｄに接続されて、他の組では、一方の流出ポート１８が高温配管１０Ｂに、他方の流出ポート１８が排熱交換器１５に夫々接続されており、弁体の９０°回転毎に、循環機１４から供給される冷却流体を、高温配管１０Ｂ，１０Ｄへ交互に供給させるようになっている。
【００１３】
そして、排熱交換器１５に高温配管１０が夫々接続される一組のダクト６Ｂ，６Ｄ間において、互いの低温配管９Ｂ，９Ｄ間には、流量調整弁２０を備えた第１バイパス管１９が接続されている。一方、冷却器１１に低温配管９が夫々接続される他の組のダクト６Ａ，６Ｃ間において、互いの低温配管９Ａ，９Ｃ間にも、流量調整弁２２を備えた第２バイパス管２１が接続されている。よって、第１バイパス管１９の流量調整弁２０により、後段のダクト６Ａ，６Ｃ及び冷却器１１をバイパスして、第１バイパス管１９に冷却流体を所定量流すことができ、第２バイパス管２１の流量調整弁２２により、後段の冷却器１１をバイパスして、第２バイパス管２１に冷却流体を所定量流すことができる。
【００１４】
以上の如く構成された磁気冷凍装置１の作用を説明する。
まず永久磁石５，５が０°の位置（図１の実線位置）にある時、この０°及び１８０°の位置にあるダクト６Ｂ，６Ａの磁気作業物質７，８は、増磁されて温度が上昇する。一方、これと９０°位相が異なる９０°及び２７０°の位置にあるダクト６Ｃ，６Ｄの磁気作業物質７，８は減磁されて温度が低下する。
この時、ロータリー弁１３を介して冷却流体を、実線矢印で示すように、循環機１４→高温配管１０Ｄ→ダクト６Ｄ→低温配管９Ｄ→高温配管１０Ｃ→ダクト６Ｃ→低温配管９Ｃ→冷却器１１→低温配管９Ａ→ダクト６Ａ→高温配管１０Ａ→低温配管９Ｂ→ダクト６Ｂ→高温配管１０Ｂ→ロータリー弁１３→排熱交換器１５→循環機１４の順に循環させる。
よって、温度低下した磁気作業物質７Ｃ，８Ｄで冷却された冷却流体は、冷却器１１で被冷却体１２を冷却した後、増磁されて温度が上昇した磁気作業物質７Ａ，８Ｂを冷却して排熱交換器１５に戻り、仕事分の熱量を放出する。
【００１５】
次に、回転子４を永久磁石５，５と共に９０°回転させる（図１の二点鎖線位置）と、０°と１８０°との位置にあるダクト６Ａ，６Ｂの磁気作業物質７Ａ，８Ｂは、減磁されて温度が低下し、９０°及び２７０°の位置にあるダクト６Ｃ，６Ｄの磁気作業物質７Ｃ，８Ｄは、増磁されて温度が上昇する。この時ロータリー弁１３も軸を介して弁体が９０°回転しているため、点線矢印で示すように、今度は逆に０°位置のダクト６Ｂの高温配管１０Ｂから冷却流体を循環させることになる。
この回転を繰り返すことによって、各ダクト６の低温配管９接続側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、各ダクト６の高温配管１０接続側の温度は排熱交換器１５の排熱能力と冷凍能力とがバランスしてほぼ一定温度になる。
【００１６】
この冷却流体の循環の際、第１バイパス管１９の流量調整弁２０と第２バイパス管２１の流量調整弁２２とを開弁操作して、循環経路の正逆何れの場合も、高温側の磁気作業物質８が充填されるダクト６Ｂ，６Ｄの方が、低温側の磁気作業物質７が充填されるダクト６Ａ，６Ｃよりも流量が大きくなるように設定しておく。すると、流量が大きくなるダクト６Ｂ，６Ｄによって大きな冷凍能力が得られると共に、流量が小さくなるダクト６Ａ，６Ｃによって温度差が大きくとれることになる。
図２は、磁気作業物質における温度差ΔＴと冷凍能力Ｐとの関係を示すグラフで、例えば磁気作業物質８の特性を点線のグラフａ、磁気作業物質７の特性を一点鎖線のグラフｂとした場合、流量の調整によって実線部分ｃでの複合的な特性が得られることになる。
【００１７】
このように、上記形態の磁気冷凍装置１によれば、磁気作業物質７，８を、循環経路の下流側ほど低温となるようにダクト６毎に特性を変えて配設する一方、循環経路における各ダクト６の出口側の配管に、下流側の循環経路をバイパスする第１、第２バイパス管１９，２１を夫々設けて、その各バイパス管に、当該バイパス管の流量を調整可能な流量調整手段（流量調整弁２０，２２）を夫々設けたことで、複数の磁気作業物質７，８を複合的に用いたいわゆるハイブリッド型において、磁気作業物質７，８の量を増やすことなく、大きな温度差で大きな冷凍能力を得ることができる。よって、小型で高性能の磁気冷凍装置１を提供可能となる。
【００１８】
特にここでは、流量調整手段として流量調整弁を採用しているので、バイパス管での流量の調整が適切に行えるようになっている。
また、永久磁石５が、サーボモータによって回転する回転子４の周面に固着され、ダクト６が、回転子４を軸支する筒状の固定子３の内面に配置されて、回転子４の回転に伴う永久磁石５の接離により、磁気作業物質７，８の温度が変化する態様であるので、磁気冷凍装置１の一層の小型化が達成可能となる。
【００１９】
なお、上記形態では、ダクトを４個配設しているが、永久磁石の個数によってはこれより多くても差し支えなく、この場合もダクト毎に異なる特性の磁気作業物質を充填すると共に、各ダクトの出口側にバイパス管を接続すればよい。また、循環経路も上記形態に限らず、例えば複数のダクトが並列に接続されて冷却流体が流れる場合でも出口側でバイパス管を接続すればよい。
また、流量調整手段としては流量調整弁に限らず、固定オリフィス等の他の手段も採用可能である。特に固定オリフィスを採用すれば流量調整が簡単に行える。勿論これらの手段を組み合わせて採用することも可能である。
【００２０】
そして、上記形態では、固定子と回転子とを備えた一組の装置本体において磁気作業物質をハイブリッドにした構成となっているが、図３に示すように、複数の装置本体２，２・・間において、同じ位相のダクト間を配管２３，２３・・で直列に接続して冷却器等の熱交換器２４に対して往復する循環経路を形成し、各回転子を同調回転させる磁気冷凍装置１ａに対しても本発明は採用可能である。すなわち、ここでも各装置本体２のダクト６毎に磁気作業物質の特性を変えて、循環経路の下流側ほど低温となるように配設する一方、各装置本体２の出口側の配管２３に、流量調整弁２６を備えたバイパス管２５を夫々接続すればよい。勿論この場合も、循環経路の形態やバイパス管の位置等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】磁気冷凍装置の全体構成図である。
【図２】温度差と冷凍能力との関係を示すグラフである。
【図３】磁気冷凍装置の変更例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２２】
１，１ａ・・磁気冷凍装置、２・・装置本体、３・・固定子、４・・回転子、５・・永久磁石、６・・ダクト、７，８・・磁気作業物質、９・・低温配管、１０・・高温配管、１１・・冷却器、１２・・被冷却体、１４・・循環機、１５・・排熱交換器、１９・・第１バイパス管、２０，２２，２６・・流量調整弁、２１・・第２バイパス管、２３・・配管、２５・・バイパス管。
【図１】
0005312844.tif 000002
【図２】
0005312844.tif 000003
【図３】
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