(57)【要約】  本発明は、換熱アッセンブリ（１１０）及び少なくとも１つの回転型磁界発生器（１５０）を伴う磁気熱量ヒートポンプ（１００）に関し、−回転軸（１２５）に沿って配置され且つ上記換熱アッセンブリ（１１０）の換熱ボディ（１３０）の軸方向の開口部内に差し込まれると共に上記少なくとも１つの磁界発生器（１５０）の少なくとも１つの発生器ボディ（１５０’）の軸方向の開口部内に差し込まれたシャフト（１６０）と、上記少なくとも１つの発生器ボディ（１５０’）が上記回転軸（１２５）の周囲の周辺に配置され、上記発生器ボディ（１５０’）が上記回転軸（１２５）に関して互いに直径方向に対向するように配置された第１及び第２磁気リング部（１５１’、１５１”）を備え、上記第１及び第２リング部（１５１’、１５１”）が夫々第１及び第２永久磁石（１５２’、１５２”）を備え、且つ個々の上記磁界発生器（１５０）の上記第１及び第２永久磁石（１５２’、１５２”）の夫々が支持構造（１５３）上に架設され、上記支持構造（１５３）が第１及び第２ヨークボディ（１５４’、１５４”）を伴う第１及び第２ヨーク部（１５３’、１５３”）を備え、上記第１及び第２ヨークボディ（１５４’、１５４”）が上記回転軸（１２５）に関して互いに直径方向に対向するように配置され、且つ上記磁界発生器（１５０）は上記シャフト（１６０）に取付けられている、上記少なくとも１つの磁界発生器（１５０）と、−上記換熱ボディ（１３０）が回転軸（１２５）の周囲の周辺に配置され、上記換熱ボディ（１３０）が該換熱ボディ（１３０）内に分配された磁気熱量材料（１２０）を含み、且つ上記換熱アッセンブリ（１３０）が上記シャフト（１６０）の周りに配置された、上記換熱アッセンブリ（１１０）と、を備える。【特許請求の範囲】
【請求項１】
換熱アッセンブリ（１１０）及び少なくとも１つの回転型磁界発生器（１５０、１５５）を伴う磁気熱量ヒートポンプ（１００）において、
−回転軸（１２５）に沿って配置され且つ前記換熱アッセンブリ（１１０）の換熱ボディ（１３０）の軸方向の開口部内に差し込まれると共に前記少なくとも１つの磁界発生器（１５０）の少なくとも１つの発生器ボディ（１５０’）の軸方向の開口部内に差し込まれたシャフト（１６０）と、
−前記少なくとも１つの磁界発生器（１５０）であって、前記少なくとも１つの発生器ボディ（１５０’）が前記回転軸（１２５）の周囲の周辺に配置され、前記発生器ボディ（１５０’）が前記回転軸（１２５）に関して互いに直径方向に対向するように配置された第１及び第２磁気リング部（１５１’、１５１”）を備え、前記第１及び第２リング部（１５１’、１５１”）が夫々第１及び第２永久磁石（１５２’、１５２”）を備え、且つ個々の前記磁界発生器（１５０）の前記第１及び第２永久磁石（１５２’、１５２”）の夫々が支持構造（１５３）上に架設され、前記支持構造（１５３）が第１及び第２ヨークボディ（１５４’、１５４”）を伴う第１及び第２ヨーク部（１５３’、１５３”）を備え、前記第１及び第２ヨークボディ（１５４’、１５４”）が前記回転軸（１２５）に関して互いに直径方向に対向するように配置され、且つ前記少なくとも１つの磁界発生器（１５０）は前記シャフト（１６０）に取付けられている磁界発生器と、
−前記換熱アッセンブリ（１１０）であって、前記換熱ボディ（１３０）が回転軸（１２５）の周囲の周辺に配置され、前記換熱ボディ（１３０）が該換熱ボディ（１３０）内に分配された磁気熱量材料（１２０）を含み、且つ前記換熱アッセンブリ（１３０）が前記シャフト（１６０）の周りに配置された換熱アッセンブリと、を備え、
−前記換熱ボディ（１３０）は、リングボディの形を成し、且つ前記磁気熱量材料（１２０）は、前記リングボディ内に、特に区分的だが均等に、規則正しく分配され、且つ
−前記永久磁石（１５２’、１５２”）の内部磁界（４２０、４２５）として、磁界部が主として前記第１及び第２ヨークボディ（１５４’、１５４”）内に案内され、前記永久磁石（１５２’、１５２”）の外部磁界（４１０、４１５）として、更なる磁界部が、前記第１及び第２磁気リング部（１５１’、１５１”）の範囲内で、前記磁界発生器（１５０）から伸長し、その結果、
−前記換熱ボディ（１３０）と前記発生体ボディ（１５０’）の相対回転位置に依存する前記外部磁界（４１０、４１５）に前記磁気熱量材料（１２０）が影響を受ける
ことを特徴とする磁気熱量ヒートポンプ。
【請求項２】
前記少なくとも１つの磁界発生器（１５０）の前記第１及び第２磁気リング部（１５１’、１５１”）の夫々は、前記個々の磁界発生器（１５０）の全周の５０％未満、好ましくは３０％未満で周方向に沿って伸長することを特徴とする請求項１に記載の磁気熱量ヒートポンプ（１００）。
【請求項３】
前記夫々の支持構造（１５３）は、夫々のヨークボディ（１５４’、１５４”）が磁界調和部（１９２、１９４、１９６、１９８）を経て前記個々の永久磁石（１５２’、１５２”）に接合するように配置された２つの磁界調和部（１９２、１９４、１９６、１９８）を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気熱量ヒートポンプ（１００）。
【請求項４】
前記磁界発生器（１５０）は、多面体形状の要素、特に多面体形状の第１及び第２永久磁石（１５２’、１５２”）及び基本的多面体形状の第１及び第２ヨークボディ（１５４’、１５４”）を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の磁気熱量ヒートポンプ（１００）。
【請求項５】
前記第１及び第２ヨークボディ（１５４’、１５４”）は、同等に形成されると共に、前記磁気リング部（１５１’、１５１”）内の前記永久磁石（１５２’、１５２”）の前記内部磁界（４２０、４２５）を合焦するための個別対応部（１５４ｔ’、１５４ｔ”）を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の磁気熱量ヒートポンプ（１００）。
【請求項６】
前記磁気熱量材料（１２０）は、前記換熱アッセンブリ（１１０）の内部周辺ラインで区分的に前記換熱ボディ（１３０）内に分配され及び／又は前記換熱アッセンブリ（１１０）の外部周辺ラインで区分的に前記換熱ボディ（１３０）内に分配されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の磁気熱量ヒートポンプ（１００）。
【請求項７】
前記磁気熱量材料（ＭＣＭ）（１２０）は、個別の中間部（１２４）で分離された少なくとも２つのＭＣＭ区分（１２２）を形成し、及び／又は、中間部（１２４）は、三角形の頂点で互いに接触する、隣接する２つの長方形のＭＣＭ区分（１２２）を許容するプリズム形状を有することを特徴とする請求項６に記載の磁気熱量ヒートポンプ（１００）。
【請求項８】
前記換熱アッセンブリは、少なくとも１つの換熱キャリヤ（１３５）を有し、前記少なくとも１つの換熱キャリヤ（１３５）は、少なくとも１つの換熱ボディ（１３０）を搬送するように適合されることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の磁気熱量ヒートポンプ（１００）。
【請求項９】
更に第１及び第２磁界発生器（１５５）を備え、少なくとも前記第１磁界発生器（１５０）はシャフト（１６０）に取付けられると共に、前記換熱アッセンブリ（１１０）は前記第１及び第２磁界発生器（１５０、１５５）の間に配置される、請求項１乃至７の何れか１項に記載の磁気熱量ヒートポンプ（１００）。
【請求項１０】
前記シャフト（１６０）への外部アクセスを提供するように調整された収容体（１７０、１７５）を有することを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の磁気熱量ヒートポンプ（１００）。
【請求項１１】
前記換熱アッセンブリ（１１０）は、前記換熱キャリヤ（１３５）を経て前記収容体（１７０、１７５）と連結されることを特徴とする請求項９に記載の磁気熱量ヒートポンプ（１００）。
【請求項１２】
前記磁界発生器（１５０）は第１及び第２取付部（１９３、１９７）によって前記シャフト（１６０）に取付けられ、前記第１及び第２取付部（１９３、１９７）は前記回転軸（１２５）に関して互いに直径方向に配置され、及び／又は、前記第１及び第２取付部（１９３、１９７）は、前記磁界部を前記シャフト（１６０）周りの前記永久磁石（１５２’、１５２”）の内部磁界（４２０、４２５）として案内するように配置されたことを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の磁気熱量ヒートポンプ（１００）。
【請求項１３】
前記換熱アッセンブリ（１１０）は、前記シャフト（１６０）周りに配置された少なくとも１つの更なる換熱ボディ（１３０）及び更なる換熱材料（１２０）を有する、請求項１乃至１１の何れか１項に記載の磁気熱量ヒートポンプ（１００）。
【請求項１４】
−請求項１乃至１２の少なくとも１項に記載の磁気熱量ヒートポンプ（１００）と、
−前記回転軸（１２５）周りの前記シャフト（１６０）と共に前記磁界発生器（１５０）を回転させるために配置されたモータ（５１０）と、
−流体を流体案内システム（１４０）に供給するように構成及び配置された少なくとも第１及び第２供給パイプシステム（５２２、５２４、５２６、５２８）と、
−前記第１及び第２供給パイプシステム（５２２、５２４、５２６、５２８）に流体を提供し且つ前記冷却装置（５００）から熱を移送するように調整された少なくとも１つのホットリザーバ（５４０）及び少なくとも１つのコールドリザーバ（５３０）と、
−前記磁気熱量材料（１２０）を通じて流体を汲み上げるように配置及び構成されたポンプと、を備えた冷却装置（５００）。
【請求項１５】
前記冷却装置（５００）は、前記ポンプを制御するように調整された２つの能動型バルブ、及び、前記流体案内システム（１４０）への流体の供給を制御及び維持するように調整された２つの受動型バルブを含む少なくとも４つのバルブを更に備え、特に前記２つの能動型バルブは、好ましくはカムシャフトシステムによって機械的に活性化されるように構成され、及び／又は、該２つのバルブは磁気的に活性化されるように構成されることを特徴とする請求項１４に記載の冷却装置（５００）。
【請求項１６】
磁気熱量ヒートポンプ、特に、請求項１〜１２の何れか１項に記載の磁気熱量ヒートポンプの操作方法において、以下のステップ、即ち、
−回転軸周りに分配された磁気熱量材料を伴う換熱アッセンブリを準備するステップと、
−永久磁石の内部磁界として磁界部が主として第１及び第２ヨークボディ内に案内され、前記永久磁石の外部磁界として更なる磁界部が第１及び第２磁気リング部の範囲内で主として磁界発生器から伸長する少なくとも１つの磁界発生器を準備するステップであって、
−前記磁気熱量材料が、前記換熱ボディ及び前記発生器ボディの相対回転位置に依存して主に前記外部磁界に作用するステップと、
−前記磁気熱量材料に付加される前記永久磁石の前記外部磁界の回転に対し、前記回転軸に関して少なくとも１つの磁界発生器を回転するステップと、
−前記磁界発生器の回転周波数に依存する流体供給周期での、前記磁気熱量材を通じた周期的流体流を伴う前記磁気熱量材料を準備するステップと、
を備える操作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部分に係る磁気熱量ヒートポンプ、請求項１４の前提部分に係る冷却装置に関し、また更に請求項１６の前提部分に係る磁気熱量ヒートポンプの操作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気熱量材料は、外部磁界の付加と除去でそれらの温度が変わることから、熱の汲み上げに使用することができる。
【０００３】
磁気熱量効果は、適応する磁気熱量材料に外部磁界が付加されており、且つ周辺温度がそのキュリー温度近傍であるときに発生する。この付加された外部磁界は、無秩序な常磁性相から強磁性規則相への磁気熱量材料の無作為に配列された磁気モーメントの整列、及び周辺温度より高いその材料のキュリー温度の誘導性増加とも表され得る、その結果としての磁気相転移をもたらす。この磁気相転移は、磁気エントロピーΔＳmagにおける減少を示唆し、また、断熱プロセス（周辺温度からの熱的隔離）において、断熱状況下でエントロピーを保存するためのフォノン生成による磁気熱量材料の結晶格子のエントロピー寄与率における増加を導く。従って、外部磁界の付加の結果として、磁気熱量材料の温度上昇（ΔＴ）が生じる。
【０００４】
技術的な冷却の応用においては、この付加的な熱は、周囲に形成されているヒートシンクへの熱伝達又は熱媒体によって、その材料から除去される。水は、磁気熱量材料から熱を除去するために使用される熱媒体の一例である。
【０００５】
その後の外部磁界の除去は、磁気熱量材料が初期温度より低く下がる、キュリー温度の低減とも記述することができ、その結果、磁気モーメントが無作為配列に戻るのを許容する。この外部磁界は、一般的に、断熱と考えられる状況下、しかしながら磁気熱量材料と熱媒体との間で熱交換が存続し、系内に存在する全エントロピーが殆ど変化しないことを意味する状況下で除去される。磁気エントロピーは、外部磁界なしで開始レベルに増加するので、磁気熱量材料自体の結晶格子のエントロピー寄与率は減少し、また、従って、断熱状況下で、磁気熱量材料を周辺温度より低く冷却する結果となる。
【０００６】
磁化及び消磁を含む上記プロセスサイクルは、典型的に、デバイス応用で周期的に実行される。
【０００７】
「永久磁石能動磁気冷凍機の改良設計」の見込みが、International Journal of Refrigeration Vol.37 (2014) pg. 99-105におけるD.S. Arnoldらの夫々の記事に記述されている。その中で、能動冷凍機では、磁気配列は３つの同心円筒で構成される。夫々の円筒は、１２の永久磁石区分を用いて構成される。その内側磁石配列は静止し、一方、中間及び外側磁気配列は、磁気熱量材料のハルバッハ配列に関して、定常磁場方向と共に正弦波磁界波形が生成されるために、反対方向に回転するように設計される。
【０００８】
US 2014/0165594 A1は、連続回転型熱交換器内に配置された磁気熱量材料を有するヒートポンプの考察によるもう一つのデバイス応用を記述する。回転熱交換器としての磁気熱量材料は、その材料の一部分が磁界の内外を連続的に循環するように企画される。伝熱流体は、材料への及び材料からの双方の熱の伝達を循環的に提供するために、少なくとも２つの経路に沿って磁気熱量材料を通って同時に循環される。この磁気熱量材料は、磁界に対する応答性の温度範囲が異なる区域を含み得る。
【０００９】
International Journal of Refrigeration Vol.43 (2014) pg. 111-122におけるC. Apreaらの記事には、「永久磁石回転型磁気冷凍機のための最初の実験結果」が記述される。その中で、永久磁石のダブルＵ構造に基づく二極磁気システムが使用され、その磁気熱量冷媒は、磁石の回転に伴って交互に磁化及び消磁される８個の換熱封入容器内に封入される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
この従来の構成は改良され得る。本発明の目的は、改良された磁気熱量ヒートポンプ及び改良された冷却装置を創生することにある。特に、本発明は、異なる冷凍性能を最適化し、同時にコストの観点からも有利であることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的は、請求項１で規定される磁気熱量ヒートポンプを伴う本発明の第１の形態によって達成される。
【００１２】
本発明は、換熱アッセンブリ及び少なくとも１つの回転型磁界発生器を伴う磁気熱量ヒートポンプを提供し、それは、
−回転軸に沿って配置され且つ換熱アッセンブリの換熱ボディの軸方向の開口部内に差し込まれると共に少なくとも１つの磁界発生器の少なくとも１つの発生器ボディの軸方向の開口部内に差し込まれたシャフトと、
−上記少なくとも１つの磁界発生器であって、少なくとも１つの発生器ボディが上記回転軸の周囲の周辺に配置され、上記発生器ボディが回転軸に関して互いに直径方向に対向するように配置された第１及び第２磁気リング部を備え、その第１及び第２リング部が夫々第１及び第２永久磁石を備え、また個々の磁界発生器の第１及び第２永久磁石の夫々が支持構造上に架設され、その磁界発生器は上記シャフトに取付けられている磁界発生器と、
−上記換熱アッセンブリであって、上記換熱ボディが回転軸の周囲の周辺に配置され、上記換熱ボディが換熱ボディ内に分配された磁気熱量材料を含み、そして換熱アッセンブリが上記シャフトの周りに配置された換熱アッセンブリと、を備え、
−上記支持構造は、第１及び第２ヨークボディを伴う第１及び第２ヨーク部を備え、その第１及び第２ヨークボディが上記回転軸に関して互いに直径方向に対向するように配置される。
【００１３】
本発明によれば、それは、
−換熱アッセンブリは、リングボディの形をなし、上記磁気熱量材料は、そのリングボディ内に分配され、また
−永久磁石の内部磁界として、磁界部が主として第１及び第２ヨークボディ内に案内され、永久磁石の外部磁界として、更なる磁界部が、第１及び第２磁気リング部内で、磁界発生器から伸長し、その結果、
−磁気熱量材料は、換熱ボディと発生体ボディの相対回転位置に依存する外部磁界に影響を受ける。
【００１４】
従って、磁気熱量材料（ＭＣＭ）は、回転軸の周囲に、特に区分的だが均等に規則正しく分配される。しかしながら、磁界部は、主として永久磁石の内部磁界として、好ましくは第１及び第２ヨークボディ内にのみ案内され、一方、更なる磁界部は、主として永久磁石の外部磁界として、好ましくは第１及び第２磁気リング部の範囲内のみにおいて、磁界発生器から伸長する。いわば、磁界は主として第１及び第２磁気リング部の範囲内の外部にあり、一方、磁気熱量材料は規則正しく分配される。従って、支持構造は、不可避磁界損失を除き、ヨーク部での外部磁界の伸長を防止する。
【００１５】
磁気熱量材料に関して磁界発生器を回転することにより、上述のような磁気熱量材料の範囲の磁化及び消磁が発生すると共に、磁気熱量材料の部分の周辺温度より低い一時的な冷凍を引き起こす。本発明に関し、磁気熱量材料は、外部磁界に影響を受ける。その換熱ボディ及び発生器ボディの相対回転位置に依存して、磁気熱量材料は、主として、第１及び第２磁気リング部の範囲内、即ち、いわば外部磁界の高磁界領域内で外部磁界に影響を受け、一方、双方の磁気リング部の範囲内にない磁気熱量材料は、主に不可避磁界損失によって形成される、外部磁界の低磁界領域に影響を受けるとみなし得る。
【００１６】
本発明は、ＭＣＭ比に対する磁石の最適化を許容し、その結果、磁気熱量ヒートポンプの規定された性能に対する全装置費用を最小化する。それによって、規定の冷却性能に対する費用は、同様に低減され得る。一般的に、能動換熱アッセンブリでは、磁気熱量材料の費用は、永久磁石材料と比較して小さい。従って、磁界容積に比例するＭＣＭの容積の増加は有利であり得る。
【００１７】
本発明の第１の態様に係る磁気熱量ヒートポンプは、磁気熱量材料の容積と磁界発生器の磁界に一時的に付加される容量との間の関係を有利に変え得る。従って、これらの容積間の関係は最適化され得る。
【００１８】
更に、磁界発生器は、第１及び第２ヨーク部が磁界部を永久磁石の内部磁界として第１及び第２ヨークボディ内に案内することに起因して有利に形成される。これは、不可避磁界損失を除き、磁気ボディのみにおける磁界発生器から伸長する、永久磁石のほぼ厳密な外部磁界という結果になる。そのため、磁界発生器の回転は、磁気熱量材料の特定部分に対して、磁気熱量材料に関する永久磁石の外部磁界のオン−オフのような磁界挙動を理想化し得る、明確に規定された磁界露出が好ましくは短時間間隔となるように導く。これは、永久磁石の量の可能な低減と同時に換熱アッセンブリの性能を一定に保持するという観点から、そしてその結果、簡易で安価な製造に至ることから有利である。
【００１９】
第１の形態に関する本発明の更なる有利は、磁気熱量材料のリング軸に配向された、シャフトにおける換熱アッセンブリの及び磁界発生器の組付は、非常に小型で頑健な磁気熱量ヒートポンプの構造につながる。このシャフトは、例えば磁界を回転させるためのような、更なる外部装置への機械的接続を提供し得る。
【００２０】
特許請求された磁気熱量ヒートポンプは、冷却システムの異なる大きさに容易に適応し得る。磁石の材料よりＭＣＭが安価であることが一般的であるために、高出力が提供され、同時に磁気熱量ヒートポンプの容積を低減し得る。これは、磁気熱量ヒートポンプのコストの低減につながる。
【００２１】
永久磁石の使用は、永久磁石のほぼ厳密な外部磁界を生成するための更なる電子手段を必要としない、更なる有利を示す。
【００２２】
換熱ボディ内のＭＣＭは、周辺環境に抗してＭＣＭを保護する、又は磁気熱量材の製造プロセスで副産物としてＭＣＭに配置された、外層又は殻を備えることができる。以下では、この外層又は殻は、明瞭さの理由で、ＭＣＭの一部とみなす。
【００２３】
本発明の第２の形態に関して、請求項１３に規定されるような冷却装置が提供される。本発明に係る冷却装置は、更に、
−特に請求項１〜１２の少なくとも１項に記載の本発明に係る磁気熱量ヒートポンプと、
−上記回転軸周りの上記シャフトと共に上記磁界発生器を回転させるために配置されたモータと、
−流体を流体案内システムに供給するように構成及び配置された少なくとも第１及び第２供給パイプシステムと、
−上記第１及び第２供給パイプシステムに流体を提供し且つ冷却装置の外部に熱を移送するように調整された少なくとも１つのホットリザーバ及び少なくとも１つのコールドリザーバと、
−磁気熱量材料を通じて流体を汲み上げるように配置及び構成されたポンプとを備える。
【００２４】
この冷却装置の使用は、対応する磁気熱量ヒートポンプの文脈と全くみなし得るので、この冷却装置の有利は、上記磁気熱量ヒートポンプのそれらと同等である。
【００２５】
本発明の第２の形態に係る冷却装置は、特に、磁界発生器の回転によって磁気熱量材料の磁化及び消磁を実現する。少なくとも２つの供給パイプシステムの１つの供給パイプは、少なくとも１つのコールドリザーバから流体を磁気熱量材料に供給する。この流体は、磁気熱量材料の磁化中に加熱され、また上記ポンプにより磁気熱量材料から少なくとも１つのホットリザーバ内に汲み上げられる。このホットリザーバは、消磁プロセス中に両供給パイプシステムの１つである更なる供給パイプを経て上記磁気熱量材料内にもたらされ且つ少なくとも１つのコールドリザーバからの流体と混合される、少しだけ加熱された流体を導いて、周囲との熱交換が提供されるように構成及び配置される。この消磁後の混合された流体は、少なくとも１つのコールドリザーバからの流体よりも低温である。従って、それは、更に少なくとも１つのコールドリザーバに導かれて、その少なくとも１つのコールドリザーバの温度を低下する。
【００２６】
上に記述されるように、磁界発生器の回転により実現される、磁化及び消磁を含むプロセスサイクルは、少なくとも１つのコールドリザーバの冷却をもたらす。
【００２７】
本発明の第３の形態に係り、請求項１５で規定される磁気熱量ヒートポンプの操作方法は、特に、請求項１〜１２の何れか１項に記載の磁気熱量ヒートポンプを備える。
【００２８】
この方法は、以下のステップ、即ち、
−回転軸周りに分配された磁気熱量材料を伴う換熱アッセンブリを準備するステップと、
−永久磁石の内部磁界として磁界部が主として第１及び第２ヨークボディ内に案内され、永久磁石の外部磁界として更なる磁界部が第１及び第２磁気リング部の範囲内で主として磁界発生器から伸長する少なくとも１つの磁界発生器を準備するステップであって、
−磁気熱量材料が、換熱ボディ及び発生器ボディの相対回転位置に依存する主に外部磁界に作用するステップと、
−磁気熱量材料に付加される永久磁石の外部磁界の回転に対し、回転軸に関して少なくとも１つの磁界発生器を回転するステップと、
−磁界発生器の回転周波数に依存する流体供給周期での、磁気熱量材を通じた周期的流体流を伴う磁気熱量材料を準備するステップとを備える。
【００２９】
上記第１の形態に係る磁気熱量ヒートポンプが本発明の第３の形態に係る上記磁気熱量ヒートポンプの操作方法を包含するので、この磁気熱量ヒートポンプの操作方法の有利は、上記磁気熱量ヒートポンプのそれらと同じである。
【００３０】
以下では、本発明の第１の形態に係る磁気熱量ヒートポンプの発展が記述される。
【００３１】
第１の発展では、磁気発生器がリング状構造を備える。上記磁気熱量ヒートポンプの操作中の磁界発生器の回転の点から、リング状構造は、この磁気熱量ヒートポンプの小型化を許容する。
【００３２】
本発明の第１の形態に係る磁気熱量ヒートポンプの発展では、少なくとも１つの磁界発生器の第１及び第２磁気リング部は、夫々、個々の磁界発生器の全周の５０％未満、好ましくは３０％未満で、周方向に沿って伸長する。原則的に、磁気熱量材料の要求される磁化及び消磁のためにはほぼ厳密な外部磁界が要求されるだけなので、この発展に係る磁気熱量ヒートポンプは、永久磁石材料の使用数を低減する。
【００３３】
磁気熱量ヒートポンプの関連する発展では、個々の磁界発生器の周の極角を超えて測定された周辺磁界部の磁界長は、夫々の磁気リング部に対し、６０°未満の半値全幅を有する。
【００３４】
この磁気熱量ヒートポンプのもう一つの発展では、夫々の支持構造は、夫々のヨークボディが磁界調和部を経て個々の永久磁石に接合するように配置された２つの磁界調和部を有する。この実施の形態の磁界調和部は、永久磁石の内部磁界としての磁界部の第１及び第２ヨークボディ内への案内を支持する。この実施の形態の変形では、磁界調和部は、第１及び第２ヨークボディと同じ材料で構成されると共に、個々の永久磁石に向けて配向された周方向内で断面積が増加する、その適正な形状により磁界部を案内する。変形例では、個々の磁界調和部は、常磁性材料によって、又は更なる永久磁石によって形成される。
【００３５】
この磁気熱量ヒートポンプの発展では、磁界発生器は、基本的に多面体形状の要素、特に基本的多面体形状の第１及び第２永久磁石及び基本的多面体形状の第１及び第２ヨークボディを有する。多面体は、この発展において、磁界発生器の要素が、好ましくは長方形又はプリズム形状につながる直線状又は曲線状のヘリを有することを意味する。特に、この磁界発生器は、基本的に多面体形状の要素のみ、好ましくは基本的に長方形の要素のみを有する。本発明の第１の形態に関し、この基本的に多面体形状の要素は、上記回転軸の周囲に配置される。基本的に多面体形状の要素は、有利に製造することができる。
【００３６】
この磁気熱量ヒートポンプの発展では、上記第１及び第２ヨークボディは、同等に形成されると共に、磁気リング部内の永久磁石の内部磁界を合焦するための個別対応部を有する。変形例では、この個別対応部は、個々の永久磁石に向かう方向で、その断面積が増加する。この発展の更なる変形では、上記第１及び第２永久磁石もまた同等に形成され、また磁界発生器は、回転軸と直角で且つ対称な第１及び第２軸に関して対称である。
【００３７】
もう一つの発展では、上記磁気熱量材料は、換熱アッセンブリの内部周辺ラインで区分的に換熱ボディ内に分配され及び／又は換熱アッセンブリの外部周辺ラインで区分的に換熱ボディ内に分配される。好ましくは、この磁気熱量材料（ＭＣＭ）は、個別の中間部で分離された少なくとも２つのＭＣＭ区分を形成し、及び／又は、中間部は、三角形の頂点で互いに接触する、隣接する２つの長方形のＭＣＭ区分を許容するプリズム形状を有する。この発展の変形では、ＭＣＭ区分は、一様な表面を有するブロックを形成する。もし、磁気熱量材料の多数が永久磁石のほぼ厳密な外部磁界に露出されるならば、より高い冷却パワーで、その結果、より高効率な磁気熱量ヒートポンプが提供され得る。従って、それは、特に、換熱アッセンブリの内部周囲で連続的に分布された磁気熱量材料を提供するという有利である。
【００３８】
更なる発展では、この磁気熱量ヒートポンプの換熱アッセンブリは、少なくとも１つの換熱キャリヤを有し、その少なくとも１つの換熱キャリヤは、少なくとも１つの換熱ボディを搬送するように適合される。この発展の換熱キャリヤはまた、磁気熱量材料に通じる流体流れを提供するための流体案内システムのための手段を提供する。更に、換熱キャリヤ内の換熱ボディの配置は、プロセスサイクル中の磁気熱量材料内における断熱条件、即ち周辺温度からの熱的隔離を提供する効果的な手法を提供し得る。
【００３９】
好ましい発展では、磁気熱量ヒートポンプは、第１及び第２磁界発生器を有し、少なくとも第１磁界発生器は上記シャフトに取付けられ、上記換熱アッセンブリは、第１及び第２磁界発生器の間に配置される。この発展は、両磁界発生器の永久磁石によってより精密に配向された、より強い磁界の点で特に有利である。この発展の変形では、両磁界発生器の一方だけが上記シャフトに取付けられる一方、他方は、外部磁界を経て取付けられた磁界発生器に接続される。これは、磁気熱量ヒートポンプ内の摩擦の影響を低減し、そして、その結果、熱産生及びパワー損失の回避を促進する。この発展の更なる変形では、両磁界発生器は、コスト低減を促進することができるように同等に形成されると同時に、この発展の上述の有利を保持し続ける。更に、同等に形成された磁界発生器は、回転軸と直角な両磁界発生器間の平面に関して対称な、有利に分配された外部磁界の結果をもたらし得る。
【００４０】
この磁気熱量ヒートポンプのもう一つの発展では、上記換熱アッセンブリ及び相応する換熱ボディはリング状構造を有する。
【００４１】
第１の形態に係る本発明の更なる発展では、この磁気熱量ヒートポンプは、更に、シャフトが外部とアクセスできるように調整された収容体を有する。この磁気熱量ヒートポンプの操作中に回転する磁界発生器を考慮すると、この磁気熱量ヒートポンプを使用する周辺装置の他の部分によって妨げられる、回転する磁界発生器を収容体が保護する。このシャフトとの外部アクセスは、周辺装置に対し、磁界発生器の回転、及び／又は磁気冷却を準備するための流体を伴う流体案内システムの提供を許容する。
【００４２】
先の発展に係る磁気熱量ヒートポンプの発展では、換熱アッセンブリは、換熱キャリヤを経て収容体と連結される。従って、この発展では、シャフトは、換熱アッセンブリの回転を伴わずに回転するよう配置されると同時に、換熱アッセンブリは、収容体に取付けられることによりその位置を保持する。この発展の変形では、流体案内システムは、換熱アッセンブリ内に備えられると共に、流体を換熱アッセンブリに提供すると同時に換熱アッセンブリに関してシャフトが回転するように構成・配置されたシャフトロータリバルブを介してシャフト内の管に接続される。
【００４３】
磁気熱量ヒートポンプの更なる発展では、上記磁界発生器及び更なる磁界発生器が上記シャフトに取付けられる。この発展の変形では、この２つの磁界発生器はシャフトに取付けられると共に、換熱アッセンブリは、両磁界発生器の間に配置されると共に、換熱キャリヤを経て収容体に接合される。従って、この変形例では、シャフトは、換熱アッセンブリの回転を伴わずに２つの上記磁界発生器を回転するように配置され、従って、先に記述された磁気熱量冷却のために要求されるような、換熱アッセンブリに関して２つの磁界発生器の周期運動を提供する。更なる有利は、シャフトによって提供される機械的結合の点で２つの磁界発生器を精密に整列することができ、更に少なくとも２つの磁界発生器間の磁束による機械的トルクの伝達に起因する磁気結合が、２つの磁界発生器を有する第１及び第２形態に係る本発明のすべての発展で提供されることである。この第１及び第２磁界発生器間の磁気結合は、シャフトの応力を有利に低減し得る。
【００４４】
好ましくは、この磁界発生器は、第１及び第２取付区域によってシャフトに取付けられ、その第１及び第２取付区域は、上記回転軸に関して互いに直径方向に配置され、及び／又は、その第１及び第２取付区域は、上記磁界部をシャフト周りの永久磁石の内部磁界として案内するように配置される。この形態の変形では、この第１及び第２取付区域は、長方形に形成された構成要素によって形成される。更なる変形例では、この第１及び第２取付区域は、常磁性材料により、又は個別の更なる永久磁石により形成される。
【００４５】
この磁気熱量ヒートポンプの発展では、上記シャフトは、更に、シャフトへの外部アクセスを提供するように配置された、歯車、ギヤボックス、プーリー、又はベルトを有する。この歯車、ギヤボックス、プーリー、又はベルトは、更なる歯車を回転する外部モータのために、シャフトへの外部アクセスを提供することができる。この発展に係る磁気熱量ヒートポンプは、外部装置への機械的接続を提供することもできる。
【００４６】
本発明の第１の形態に係る磁気熱量ヒートポンプの発展では、換熱アッセンブリは、シャフト周りに配置された少なくとも１つの更なる換熱ボディ及び更なる換熱材料を有する。好ましくは、この発展の磁気熱量ヒートポンプは、奇数個のディスク状に形成された換熱ボディを有する。従って、この発展では、単一の換熱ボディの場合よりも、磁気熱量材料のより大きな容積が、磁界発生器のほぼ厳密な外部磁界に露出される。より多くの換熱ボディは、より効果的なプロセスサイクルに、及び磁気熱量ヒートポンプの結果的な熱流のより大きな均一性につながり得る。より多くの換熱ボディの使用は、より多くの容積の磁気熱量材料が流体によって包囲されるので、プロセスサイクル中の冷凍流体の容積を増大することもできる。この発展の複数の換熱ボディは、好ましくは、第１及び第２磁界発生器の間に配置される。更なる好ましい変形例では、複数の磁界発生器が提供され、複数の換熱ボディの夫々の換熱ボディは、磁界発生器の個々の対の間に配置される。この複数の換熱ボディ及び詳細な形状は、複数の換熱ボディの比透磁率の非均一性によって生じ得る磁気トルクの最小化のための、及び磁気熱量ヒートポンプの冷却サイクル、冷却パワー及び効率の最適化のための可能な要求に基づいて変化する。特に、複数の換熱ボディの選択によって、磁気熱量材料に影響を与える外部磁界のない両磁石が磁気熱量材料に相対する位置に同時に存在するのを防止する。この発展の変形では、複数の換熱ボディ間又はその換熱ボディを含む複数の換熱キャリヤ間の隙間は、複数の換熱ボディとして同等の比透磁率を備え得る断熱材料によって満たされる。これは、複数の換熱ボディ間の磁気トルクを有利に低減することができる。この発展の更なる変形では、複数の換熱ボディの数は奇数であり、それは、更なる換熱ボディの数が偶数であることを意味する。これも、複数の換熱ボディ間の磁気トルクを有利に低減することができる。
【００４７】
磁気熱量材料の対向位置への複数の磁界発生器の配備は、２つの磁界発生器間の隙間内への換熱アッセンブリの配置とも記述することができる。この隙間は、換熱アッセンブリの換熱キャリヤ内の磁気熱量材料が磁界発生器の外部磁界に付加されるのを確保するために十分小さくなければならない。
【００４８】
適切な磁気熱量材料の適切な選択を可能とするために、ここで、国際特許出願PCT/EP2010/061025の全文がこの記述内に含まれる。
【００４９】
このヒートポンプは、更に、熱が系から汲み出され、その結果、系の周囲の平均温度が増加し得るという特性の点から、加熱目的のために使用され得る。
【００５０】
以下では、本発明の第２の形態に係る冷却装置の発展が記述される。
【００５１】
この冷却装置の第１の発展では、磁気熱量材料の各部は、単一回転の時間の半分より短い時間周期で磁界発生器が１回転する間にほぼ厳密な外部磁界に付加される。磁気熱量材料の要求される磁化及び消磁のためにほぼ厳密な外部磁界が必要なだけなので、この発展に係る冷却装置は、永久磁石材料の使用数を低減する。
【００５２】
本発明の第２の形態に係る冷却装置の発展では、その冷却装置は、磁気熱量材料を通じた流体の循環流が提供されるように配置・構成された少なくとも１つのポンプを有する。磁気熱量材料内への流体の能動的なポンピングは、個別のリザーバ内への及び換熱アッセンブリ内に帰還される熱い又は冷たい流体のより素早い伝熱につながるので、このポンプは、冷却装置が磁気熱量材料の磁化及び消磁のプロセスサイクルをスピードアップするのを可能とする。
【００５３】
この冷却装置の好ましい発展では、この冷却装置は、更に、第１ポンプを制御するように調整された２つの能動型バルブと、流体案内システムへの流体の供給を制御及び維持するように調整された２つの受動型バルブを含む少なくとも４つのバルブを備え、特にその２つの能動型バルブは、好ましくはカムシャフトシステムによって機械的に活性化されるように構成され、及び／又は、その２つのバルブは磁気的に活性化されるように構成される。上に記述されるように、磁気熱量材料から少なくとも１つのホットリザーバ内への熱い流体のポンピングは、循環流の第１部としてのポンプによって提供される。２つの受動型バルブは、更に、コールドリザーバの流入と流出を制御するように調整される。２つの能動型バルブは、循環流の第１部を制御し、その結果、ホットリザーバの流入と流出を規制するように調整される。能動型バルブの使用は、ホットリザーバ内の高圧の点で有利である。バルブの使用の有利は、磁気熱量材料への熱い又は冷たい流体の望ましからぬ逆流の低減である。更に、バルブは、稼働中の磁気熱量ヒートポンプのプロセスサイクルに対して要求される、案内流を提供する。この発展の変形では、２つの能動型バルブは、機械的に、好ましくはカムシャフトによって、及び／又は、磁気的に活性化されるように構成される。磁気的に活性化されたバルブは、磁界発生器の外部磁界の交替を利用する。磁気的に活性化されたバルブの更なる有利は、機械的な活性化中に生じる摩擦力を低減し得ることである。この冷却装置の要求されるプロセスサイクルの点で、永久磁石の極位置及び能動型バルブの位置は相関されるので、磁気的に活性化されたバルブは、磁界発生器を回転するモータに有利に接続される。回転型バルブより複雑でなく、その結果、長寿命と高信頼性を提供するので、カムシャフトバルブの使用は、特に有利である。
【００５４】
更なる発展では、少なくとも１つのホットリザーバに第１熱交換器が機械的に接続される。この第１熱交換器は、ホットリザーバと周囲の間の熱交換を改善することができる。従って、この第１熱交換器は、冷却装置の全冷却の改善につながる。更なる発展では、少なくとも１つのコールドリザーバに第２熱交換器が機械的に接続される。この第２熱交換器は、コールドリザーバと周囲の間の熱交換を改善することができる。従って、この第２熱交換器は、冷却装置の全冷却の改善につながる。この発展の変形では、第１及び第２ファンが第１及び第２熱交換器に配置される。従って、この変形では、伝熱が改善される。
【００５５】
本発明の第２の形態に係る冷却装置の発展では、冷却装置は、第１及び第２ホットリザーバ及び第１及び第２コールドリザーバを備える。この実施の形態に係る冷却装置は、上記第１熱交換器によって達成され得る周囲との熱交換の遂行の後に第１ホットリザーバの熱い流体を第２ホットリザーバに移動するための第２ホットリザーバを備えるように調整される。その後、第２ホットリザーバの少しだけ加熱された流体が、少なくとも２つの供給パイプの第２パイプを経て磁気熱量材料内に還流される。更に、この実施の形態に係る冷却装置は、上記第２熱交換器によって達成され得る周囲との熱交換の遂行の後に第１コールドリザーバの冷たい流体を第２コールドリザーバに移動するための第２コールドリザーバを備えるように調整される。その後、第２コールドリザーバの少しだけ冷たい流体が、少なくとも２つの供給パイプの第１パイプを経て磁気熱量材料内に還流され、そして、新たなプロセスサイクルが始まる。従って、この発展に係る冷却装置は、２つのリザーバを有する冷却装置よりも、冷却装置のより効果的な冷却を提供する。
【００５６】
この冷却装置の更なる発展では、冷却装置は、第１環境との第１熱交換の後に第１ホットリザーバの熱い流体を第２ホットリザーバに提供するように配置・構成された第１熱交換器、及び第２環境との第２熱交換の後に第１コールドリザーバの冷たい流体を第２コールドリザーバに提供するように配置・構成された第２熱交換器を備える。この発展では、上記第１環境は周囲の部屋とすることができ、一方、上記第２環境は、この冷却装置によって冷却された容器とすることができる。この発展の変形では、上記第１環境及び第２環境は同じである。
【００５７】
この冷却装置の更なる発展では、上記少なくとも１つのコールドリザーバは、換熱キャリヤ内部に配置された統合コールドリザーバである。このような統合されたコールドリザーバは、より小さな冷却装置及び／又はより速い循環流につながる。
【００５８】
本発明は、以下に記述される実施の形態を参照にして説明され、それから明らかにされるだろう。
【００５９】
以下で、図示する。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１の形態に係る磁気熱量ヒートポンプの第１の実施の形態の分解図であり、磁気熱量ヒートポンプは第１及び第２磁界発生器及び収容体を備える。
【図２】本発明の第１の形態に係る磁気熱量ヒートポンプの第１の実施の形態の図であり、磁気熱量ヒートポンプは第１及び第２磁界発生器及び収容体を備える。
【図３】本発明の第１の形態に係る磁気熱量ヒートポンプの第１の実施の形態の図であり、可視化の理由で発生器ボディは描かれていない。
【図４】本発明の第１の形態に係る磁気熱量ヒートポンプの第１の実施の形態の磁界分布である。
【図５】本発明の第２の形態に係る冷却装置の第１の実施の形態の概略図である。
【図６】本発明の第２の形態に係る冷却装置の更なる実施の形態のプロセスサイクルの概略図である。
【図７】本発明の第３の形態に係る磁気熱量ヒートポンプの操作方法のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００６１】
図１は、本発明の第１の形態に係る磁気熱量ヒートポンプ１００の第１の実施の形態の分解図であり、磁気熱量ヒートポンプ１００は第１及び第２磁界発生器１５０、１５５及び収容体１７０、１７５を備える。
【００６２】
この磁気熱量ヒートポンプ１００は、回転軸１２５の周囲に位置され且つ環状体として形成された換熱ボディ１３０内に分配された磁気熱量材料１２０を有する、換熱アッセンブリ１１０を備える。この換熱ボディ１３０は、更に、磁気熱量材料１２０を通じて回転軸１２５と直角な方向に流体を案内する半径部分１４５を含む、流体案内システム１４０を備える換熱キャリヤ１３５内に配置される。更に、上記回転軸１２５の周囲に位置される周辺発生器ボディ１５０’、１５５’を夫々備える第１及び第２磁界発生器１５０，１５５があり、上記発生器ボディ１５０’、１５０”は、好ましくは直径方向に対向配置された第１及び第２磁気リング部１５１’、１５１”、１５６’、１５６”を備え、第１及び第２磁気リング部の夫々は、永久磁石１５２’、１５２”、１５７’、１５７”によって形成され、また夫々の磁界発生器１５０、１５５の第１及び第２永久磁石の夫々は、第１及び第２ヨークボディ１５４’、１５４”、１５９’を有する、好ましくは直径方向に対向配置される第１及び第２ヨーク部１５３’、１５３”、１５８’を備えた支持構造１５３、１５８上に架設され、第１及び第２磁界発生器１５０，１５５は、回転軸１２５上の磁気熱量材料１２０の対向方向に回転可能に配置される。
【００６３】
この磁気熱量ヒートポンプ１００のこれらの部の間の接続として、回転軸１２５に沿って位置され且つ換熱アッセンブリ１１０内及び第１及び第２磁界発生器１５０、１５５内に挿入されるべく配置され且つ流体を流体案内システム１４０に提供するように調整された少なくとも第１及び第２管１６４、１６８を備えたシャフト１６０が描かれる。
【００６４】
更に、歯車１８０を経たシャフト１６０への外部アクセスを提供するように配置された第１及び第２開口部１７２、１７７を有する収容体１７０、１７５を備えた、この実施の形態の磁気熱量ヒートポンプ１００が描かれる。
【００６５】
描写される実施の形態の第１及び第２磁界発生器１５０、１５５、換熱アッセンブリ１１０及び換熱ボディ１３０は、リング状構造を示す。この換熱アッセンブリ１１０は、特に、全ての換熱ボディ及び全ての磁気熱量材料を含むホイール又はリングであると理解することができる。更に、第１及び第２磁界発生器１５０、１５５は、特に、永久磁石１５２’、１５２”、１５７’、１５７”によって形成される磁気リング部１５１’、１５１”、１５６’、１５６”を含む第１及び第２完全ディスクであると理解することができる。
【００６６】
この磁気熱量材料１２０は、ガドリニウムを含む。
【００６７】
ヨークボディ１５４’、１５４”、１５９’の形状は、永久磁石１５２’、１５２”、１５７’、１５７”の内部磁界としての磁界部の第１及び第２ヨークボディ１５４’、１５４”、１５９’内への案内につながると同時に、永久磁石１５２’、１５２”、１５７’、１５７”のほぼ厳密な外部磁界異としての更なる磁界部は、主として、個々の磁界発生器１５０、１５５から、好ましくは磁気リング部１５１’、１５１”、１５６’、１５６”のみで伸長する。
【００６８】
図１にも示すように、夫々の磁界発生器１５０、１５５の第１及び第２磁気リング部１５１’、１５１”、１５６’、１５６”は、個々の磁界発生器１５０の周長の５０％未満を形成する。
【００６９】
更に、第１及び第２磁界発生器１５０、１５５の夫々は、ヨークボディ１５４’、１５４”、１５９’、１５９”が磁界調和部１９２、１９４、１９６、１９８を経て個々の永久磁石１５２’、１５２”、１５７’、１５７”に接合するように配置された４つの（視覚化の理由から第１磁界発生器１５０のみに符号が付された）磁界調和部１９２、１９４、１９６、１９８を有する。
【００７０】
図１にも描かれるように、この第１及び第２磁界発生器１５０，１５５は夫々、磁界部をシャフト１６０周りの永久磁石１５２’、１５２”、１５７’、１５７”の内部磁界として案内するように配置された直径方向に対向する（第２磁界発生器１５５に対しては表示していない）第１及び第２取付部１９３、１９７によってシャフト１６０に取付けられている。この取付部１９３、１９７は、上記磁界調和部１９２、１９４、１９６、１９８と同様に、第１及び第２磁界発生器１５０、１５５の多面体形状要素を形成すると共に、夫々、更なる永久磁石によって形成される。
【００７１】
第１及び第２ヨーク部１５３’、１５３”、１５８’内の第１及び第２ヨークボディ１５４’、１５４”、１５９’の夫々は、同等に形成されると共に、磁気リング部１５１’、１５１”、１５６’、１５６”内の永久磁石の内部磁界を合焦するための（視覚化の理由から他の個別対応部は符号が付されていない）第１及び第２個別対応部１５４ｔ’、１５４ｔ”の夫々を有する。
【００７２】
磁気熱量材料１２０は、区分的に分配され、それにより、２つの隣接するＭＣＭ区分１２２が互いに接触するのにつながる楔形状を夫々有し、個々の中間部１２４によって分離される、ＭＣＭ区分１２２を形成する。
【００７３】
図１には示さないが、発生器キャリヤ１３５は、流体を換熱アッセンブリ１１０及び特に流体案内システム１４０に提供するように構成・配置されたシャフトロータリバルブによってシャフト１６０と機械的に接続されると同時に、換熱アッセンブリ１１０に関してシャフト１６０が回転する。
【００７４】
表示される磁気熱量ヒートポンプ１００を用いた冷却プロセスが、プロセスサイクルの概略図が描かれた図４を背景に説明されるだろう。
【００７５】
本発明の第１の形態に係る磁気熱量ヒートポンプの表示されない実施の形態では、少なくとも２つの換熱ボディ、特に奇数個の換熱ボディが磁気熱量ヒートポンプ内で使用される。これら少なくとも２つの換熱ボディは、個々の回転軸に関する第１及び第２磁界発生器の間に配置される。
【００７６】
図２は、本発明の第１の形態に係る磁気熱量ヒートポンプ１００の第１の実施の形態を示す図であり、その磁気熱量ヒートポンプ１００は、第１及び第２磁界発生器１５０、１５５及び収容体１７０、１７５を有する。
【００７７】
図１に示す分解図とは対照的に、図２では、磁気熱量ヒートポンプ１００の組付状態が描かれる。従って、磁気熱量材料１２０は、換熱キャリヤ１３０によって取り囲まれており、従ってこの図では見ることができない。それは、換熱キャリヤ１３５を経て収容体１７０、１７５に取付けられている換熱アッセンブリ１１０として示される。更に、収容体１７０、１７５は、半透明であり、従ってシャフト１６０に取付けられた２つの磁界発生器１５０、１５５の認識を許容する。従って、表示される実施の形態では、シャフト１６０は、換熱アッセンブリ１１０の回転を伴うことなく、第１及び第２磁界発生器１５０、１５５を回転するように調整され、その結果、上述のような磁気熱量冷却に対して要求される、換熱アッセンブリ１１０に関する第１及び対２磁界発生器１５０、１５５の周期運動が提供される。更に、磁気熱量ヒートポンプ１００の実施の形態では、第１及び第２磁界発生器１５０、１５５間の磁束による機械的トルクの伝達に起因する磁気結合が提供されるとはいえ、第１及び第２磁界発生器１５０、１５５は、シャフト１６０によって提供される機械的接続の点で、精密に整列され得る。
【００７８】
本発明の第１の形態に係る磁気熱量ヒートポンプ１００の特性は、個々の環境冷却装置に関して変化し得るけれども、以下では、表示される実施の形態を完全に記述するための描写される磁気熱量ヒートポンプ１００の特性が与えられる。
【００７９】
この磁気熱量ヒートポンプ１００は、１００ｍｍ〜５００ｍｍの間、好ましくは２６０ｍｍの全直径、及び８０ｍｍ〜２５０ｍｍの間、好ましくは１６０ｍｍの全高を有する。換熱ボディ１３０は、２５ｍｍ〜８０ｍｍの間、好ましくは４０ｍｍの高さを示す。磁気熱量材料は、１０ｍｍ〜４０ｍｍの間、好ましくは２０ｍｍの高さ、５０ｍｍ〜５００ｍｍの間、好ましくは１６０ｍｍの内径、及び１００ｍｍ〜６００ｍｍの間、好ましくは２４０ｍｍの外径を有する。更に、描写される実施の形態に係る磁気熱量ヒートポンプ１００の性能は、約１Ｔの第１及び第２磁界発生器１５０、１５５の平均高磁界及び約０Ｔの平均低磁界に対して、約１ＫＷの最大冷却パワーＱcを示すと推定され得る。
【００８０】
図３は、本発明の第１の形態に係る磁気熱量ヒートポンプ１００の第１の実施の形態の図を示し、発生器ボディ１３０は、視覚化の理由で示されていない。それは、第１及び第２磁界発生器１５０、１５５に関して磁気熱量材料１２０が如何に配置されるかを示す。
【００８１】
永久磁石１５２’、１５２”、１５７’のほぼ厳密な外部磁界は、主として、磁界発生器１５０、１５５から、好ましくは磁気リング部１５１’、１５１”、１５６’のみで伸長し、またそれにより磁気熱量材料１２０によって形成されるＭＣＭ区分１２２に直接的に接続される。
【００８２】
図４は、本発明の第１の形態に係る磁気熱量ヒートポンプ１００の第１の実施の形態に対する磁界分布を示す。
【００８３】
描写されるグレースケール色調は、永久磁石１５２’、１５２”に起因して存在する磁界強度に比例し、黒っぽい色調は弱い磁界強度を意味し、淡い色調は高磁界強度を意味する。永久磁石１５２’、１５２”のほぼ厳密な外部磁界４１０、４１５は、主として、磁界発生器１５０から、好ましくは磁気リング部１５１’、１５１”のみで伸長する。ヨーク部１５３’、１５３”は、図４によって図示されるように、永久磁石の内部磁界４２０、４２５として磁界部を第１及び第２ヨークボディ１５４’、１５４”内に案内するように形成される。
【００８４】
更に、図４では、シャフト１６０周りの永久磁石１５２’、１５２”の内部磁界４３０として磁界部を案内するように配置された直径方向に対向する第１及び第２取付部１９３、１９７を有する磁界発生器１５０が示される。
【００８５】
図５は、本発明の第２形態に係る冷却装置５００の第１の実施の形態の概略図を示す。
【００８６】
この冷却装置５００は、先に図１及び図２内に描写された磁気熱量ヒートポンプ１００の実施の形態を備える。更に、磁気熱量ヒートポンプ１００の第１及び第２磁界発生器１５０、１５５を回転軸１２５に関して回転するように配置されたモータ５１０が表示される。流体を（図１に示す）流体案内システムに供給するように構成され、第１供給パイプシステムの第１及び第２パイプ５２２、５２４及び第２供給パイプシステムの第１及び第２供給パイプ５２６、５２８を備えた第１及び第２供給パイプシステムは、コールドリザーバ５３０と換熱アッセンブリ１１０との間、及びホットリザーバ５４０と換熱アッセンブリ１１０との間の接続として与えられる。ポンプ５５０は、磁気熱量材料１２０から熱い流体を汲み上げるように配置・構成される。
【００８７】
この冷却装置５００は、第１及び第２磁界発生器１５０、１５５の回転によって磁気熱量材料１２０の磁化及び消磁を提供する。第１供給パイプシステムの第１供給パイプ５２２は流体をコールドリザーバ５３０から磁気熱量材料１２０に供給する。この流体は、磁気熱量材料１２０の磁化の間に加熱され、そしてポンプ５５０により、磁気熱量材料１２０から第２供給パイプシステムの第１供給パイプ５２６を通ってホットリザーバ５４０内に汲み上げられる。このホットリザーバ５４０は、消磁プロセスの間に第２供給パイプシステムの第２供給パイプ５２８を経て磁気熱量材料１２０内にもたらされ、コールドリザーバ５３０からの流体と混合される、少しだけ加熱された流体につながる、周囲との熱交換を提供するように構成・配置される。消磁後の混合された流体は、コールドリザーバ５３０内の流体より冷たい。従って、更に、コールドリザーバ５３０の温度より低い流体が、第１供給パイプシステムの第２供給パイプ５２４を経てコールドリザーバ５３０にもたらされる。
【００８８】
従って、描写される冷却装置５００によって実現される、第１及び第２磁界発生器１５０、１５５の回転による磁化及び消磁を含むプロセスサイクルは、コールドリザーバ５３０の更なる冷却の結果をもたらす。
【００８９】
この冷却装置の表示されない実施の形態では、この冷却装置は、更に、第１ポンプを制御するように調整された２つの能動型バルブと、流体案内システムへの流体の供給を制御及び維持するように調整された２つの受動型バルブを含む少なくとも４つのバルブを備える。更なる表示されない実施の形態では、その２つの能動型バルブは、好ましくはカムシャフトシステムによって機械的に及び／又は磁気的に活性化されるように構成される。
【００９０】
図６は、本発明の第２の形態に係る冷却装置６１０の更なる実施の形態のプロセスサイクル６００の概略図を示す。このプロセスサイクル６００の重要なステップを図示するために、磁気熱量ヒートポンプ１００に含まれるものと同等の冷却装置６１０の多くの部材が省略される。
【００９１】
この冷却装置６１０は、第１及び第２ホットリザーバ６２２、６２６及び第１及び第２コールドリザーバ６３２、６３６を備える。この実施の形態に係る冷却装置６１０は、第１熱交換器６４２による周囲との熱交換の遂行の後に第１ホットリザーバ６２２の熱い流体を第２ホットリザーバ６２６内に移動するための第２ホットリザーバ６２６を備えるように調整される。その後、第２ホットリザーバ６２６の少しだけ加熱された流体が、第１及び第２供給パイプ６６２、６６６の第１セットを経て磁気熱量材料６５０内に還流される。その後、その流体は、第１コールドリザーバ６３２内に流れる。この実施の形態に係る冷却装置６１０は、第２熱交換器６４６によって達成され得る周囲との熱交換の遂行の後に第１コールドリザーバ６３２の冷たい流体を第２コールドリザーバ６３６に移動するための第２コールドリザーバ６３６を備えるように調整される。その後、第２コールドリザーバの少しだけ冷たい流体が、第１及び第２供給パイプ６７２、６７６第２セットを経て磁気熱量材料６５０内に還流される。磁気熱量材料６５０の磁化の後、加熱された流体が第１ホットリザーバ６２２内に汲み上げられると共に、新たなプロセスサイクル６００が始まる。従って、この冷却装置６１０は、第２熱交換器６４６の周囲の効果的な冷却を提供する。
【００９２】
図７は、本発明の第３の形態に係る磁気熱量ヒートポンプの操作方法のブロック図を示す。
【００９３】
この方法は、第１ステップ７１０として、本発明の第１の形態に係るヒートポンプの準備を有する。
【００９４】
続くステップ７２０として、この方法は、第１及び第２ヨークボディへの永久磁石の内部磁界としての磁界部の案内を有する。
【００９５】
その後、磁気熱量材料に取付けられた永久磁石のほぼ厳密な外部磁界の回転のための回転軸に関する磁界発生器の回転が、この発明の第３ステップ７３０を形成する。
【００９６】
最終ステップ７４０では、この方法は、磁気熱量材料を通じた流体流れの周期的な磁気熱量材料への提供を有し、流体供給の周期は、磁界発生器の回転周波数に依存する。
【符号の説明】
【００９７】
１００      磁気熱量ヒートポンプ
１１０      換熱アッセンブリ
１２０      磁気熱量材料
１２２      ＭＣＭ区分
１２４      中間部
１２５      回転軸
１３０      換熱ボディ
１３５      換熱キャリヤ
１４０      流体案内システム
１４５      半径部分
１５０      第１磁界発生器
１５０’    第１発生器ボディ
１５１’     第１磁界発生器の第１磁気リング部
１５１”     第１磁界発生器の第２磁気リング部
１５２’    第１磁界発生器の第１永久磁石
１５２”    第１磁界発生器の第２永久磁石
１５３      第１磁界発生器の支持構造
１５３’    第１磁界発生器の第１ヨーク部
１５３”    第１磁界発生器の第２ヨーク部
１５４’    第１磁界発生器の第１ヨークボディ
１５４”    第１磁界発生器の第２ヨークボディ
１５４ｔ’  第１個別対応部
１５４ｔ”  第２個別対応部
１５５      第２磁界発生器
１５５’    第２発生器ボディ
１５６’    第２磁界発生器の第１磁気リング部
１５６”    第２磁界発生器の第２磁気リング部
１５７’    第２磁界発生器の第１永久磁石
１５７”    第２磁界発生器の第２永久磁石
１５８      第２磁界発生器の支持構造
１５８’    第２磁界発生器の第１ヨーク部
１５８”    第２磁界発生器の第２ヨーク部
１５９’    第２磁界発生器の第１ヨークボディ
１５９”    第２磁界発生器の第２ヨークボディ
１６０      シャフト
１６４      シャフトの第１管
１６８      シャフトの第２管
１７０      収容体の前部
１７２      第１開口部
１７５      収容体の後部
１７７      第２開口部
１８０      歯車
１９２、１９４、１９６、１９８  第１磁界発生器の磁界調和部
１９３      第１取付部
１９７      第２取付部
４１０      第１永久磁石のほぼ厳密な外部磁界
４１５      第２永久磁石のほぼ厳密な外部磁界
４２０      第１ヨークボディの内部磁界
４２５      第２ヨークボディの内部磁界
４３０      シャフトの周囲に案内された内部磁界
５００      冷却装置
５１０      モータ
５２２      第１供給パイプシステムの第１供給パイプ
５２４      第１供給パイプシステムの第２供給パイプ
５２６      第２供給パイプシステムの第１供給パイプ
５２８      第２供給パイプシステムの第２供給パイプ
５３０      コールドリザーバ
５４０      ホットリザーバ
５５０      ポンプ
６００      プロセスサイクル
６１０      更なる実施の形態に係る冷却装置
６２２      更なる実施の形態の第１ホットリザーバ
６２６      更なる実施の形態の第２ホットリザーバ
６３２      更なる実施の形態の第１コールドリザーバ
６３６      更なる実施の形態の第２コールドリザーバ
６４２      第１熱交換器
６４６      第２熱交換器
６５０      更なる実施の形態の磁気熱量材料
６６２      上記第１セットの第１供給パイプ
６６６      上記第１セットの第２供給パイプ
６７２      上記第２セットの第１供給パイプ
６７６      上記第２セットの第２供給パイプ
７１０      上記方法の第１ステップ
７２０      上記方法の次のステップ
７３０      上記方法の第３ステップ
７４０      上記方法の最終ステップ
【図１】
2018533717.tif 000002
【図２】
2018533717.tif 000003
【図３】
2018533717.tif 000004
【図４】
2018533717.tif 000005
【図５】
2018533717.tif 000006
【図６】
2018533717.tif 000007
【図７】
2018533717.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成29年8月2日(2017.8.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
換熱アッセンブリ（１１０）及び少なくとも１つの回転型磁界発生器（１５０、１５５）を伴う磁気熱量ヒートポンプ（１００）において、
−回転軸（１２５）に沿って配置され且つ前記換熱アッセンブリ（１１０）の換熱ボディ（１３０）の軸方向の開口部内に差し込まれると共に前記少なくとも１つの磁界発生器（１５０）の少なくとも１つの発生器ボディ（１５０’）の軸方向の開口部内に差し込まれたシャフト（１６０）と、
−前記少なくとも１つの磁界発生器（１５０）であって、前記少なくとも１つの発生器ボディ（１５０’）が前記回転軸（１２５）の周囲の周辺に配置され、前記発生器ボディ（１５０’）が前記回転軸（１２５）に関して互いに直径方向に対向するように配置された第１及び第２磁気リング部（１５１’、１５１”）を備え、前記第１及び第２リング部（１５１’、１５１”）が夫々第１及び第２永久磁石（１５２’、１５２”）を備え、且つ個々の前記磁界発生器（１５０）の前記第１及び第２永久磁石（１５２’、１５２”）の夫々が支持構造（１５３）上に架設され、前記少なくとも１つの磁界発生器（１５０）は前記シャフト（１６０）に取付けられている磁界発生器と、
−前記換熱アッセンブリ（１１０）であって、前記換熱ボディ（１３０）が回転軸（１２５）の周囲の周辺に配置され、前記換熱ボディ（１３０）が該換熱ボディ（１３０）内に分配された磁気熱量材料（１２０）を含み、且つ前記換熱アッセンブリ（１３０）が前記シャフト（１６０）の周りに配置された換熱アッセンブリと、を備え、
−前記支持構造（１５３）は、第１及び第２ヨークボディ（１５４’、１５４”）を伴う第１及び第２ヨーク部（１５３’、１５３”）を備え、前記第１及び第２ヨークボディ（１５４’、１５４”）は、前記回転軸（１２５）に関して互いに直径方向に対向するように配置され、
−前記換熱ボディ（１３０）は、リングボディの形を成し、且つ前記磁気熱量材料（１２０）は、前記リングボディ内に、特に区分的だが均等に、規則正しく分配され、且つ
−前記永久磁石（１５２’、１５２”）の内部磁界（４２０、４２５）として、磁界部が主として前記第１及び第２ヨークボディ（１５４’、１５４”）内に案内され、前記永久磁石（１５２’、１５２”）の外部磁界（４１０、４１５）として、更なる磁界部が、前記第１及び第２磁気リング部（１５１’、１５１”）の範囲内で、前記磁界発生器（１５０）から伸長し、その結果、
−前記換熱ボディ（１３０）と前記発生体ボディ（１５０’）の相対回転位置に依存する前記外部磁界（４１０、４１５）に前記磁気熱量材料（１２０）が影響を受ける
ことを特徴とする磁気熱量ヒートポンプ。
【請求項２】
前記少なくとも１つの磁界発生器（１５０）の前記第１及び第２磁気リング部（１５１’、１５１”）の夫々は、前記個々の磁界発生器（１５０）の全周の５０％未満、好ましくは３０％未満で周方向に沿って伸長することを特徴とする請求項１に記載の磁気熱量ヒートポンプ（１００）。
【請求項３】
前記夫々の支持構造（１５３）は、夫々のヨークボディ（１５４’、１５４”）が磁界調和部（１９２、１９４、１９６、１９８）を経て前記個々の永久磁石（１５２’、１５２”）に接合するように配置された２つの磁界調和部（１９２、１９４、１９６、１９８）を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気熱量ヒートポンプ（１００）。
【請求項４】
前記磁界発生器（１５０）は、多面体形状の要素、特に多面体形状の第１及び第２永久磁石（１５２’、１５２”）及び基本的多面体形状の第１及び第２ヨークボディ（１５４’、１５４”）を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の磁気熱量ヒートポンプ（１００）。
【請求項５】
前記第１及び第２ヨークボディ（１５４’、１５４”）は、同等に形成されると共に、前記磁気リング部（１５１’、１５１”）内の前記永久磁石（１５２’、１５２”）の前記内部磁界（４２０、４２５）を合焦するための個別対応部（１５４ｔ’、１５４ｔ”）を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の磁気熱量ヒートポンプ（１００）。
【請求項６】
前記磁気熱量材料（１２０）は、前記換熱アッセンブリ（１１０）の内部周辺ラインで区分的に前記換熱ボディ（１３０）内に分配され及び／又は前記換熱アッセンブリ（１１０）の外部周辺ラインで区分的に前記換熱ボディ（１３０）内に分配されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の磁気熱量ヒートポンプ（１００）。
【請求項７】
前記磁気熱量材料（ＭＣＭ）（１２０）は、個別の中間部（１２４）で分離された少なくとも２つのＭＣＭ区分（１２２）を形成し、及び／又は、中間部（１２４）は、三角形の頂点で互いに接触する、隣接する２つの長方形のＭＣＭ区分（１２２）を許容するプリズム形状を有することを特徴とする請求項６に記載の磁気熱量ヒートポンプ（１００）。
【請求項８】
前記換熱アッセンブリは、少なくとも１つの換熱キャリヤ（１３５）を有し、前記少なくとも１つの換熱キャリヤ（１３５）は、少なくとも１つの換熱ボディ（１３０）を搬送するように適合されることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の磁気熱量ヒートポンプ（１００）。
【請求項９】
更に第１及び第２磁界発生器（１５５）を備え、少なくとも前記第１磁界発生器（１５０）はシャフト（１６０）に取付けられると共に、前記換熱アッセンブリ（１１０）は前記第１及び第２磁界発生器（１５０、１５５）の間に配置される、請求項１乃至７の何れか１項に記載の磁気熱量ヒートポンプ（１００）。
【請求項１０】
前記シャフト（１６０）への外部アクセスを提供するように調整された収容体（１７０、１７５）を有することを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の磁気熱量ヒートポンプ（１００）。
【請求項１１】
前記換熱アッセンブリ（１１０）は、前記換熱キャリヤ（１３５）を経て前記収容体（１７０、１７５）と連結されることを特徴とする請求項９に記載の磁気熱量ヒートポンプ（１００）。
【請求項１２】
前記磁界発生器（１５０）は第１及び第２取付部（１９３、１９７）によって前記シャフト（１６０）に取付けられ、前記第１及び第２取付部（１９３、１９７）は前記回転軸（１２５）に関して互いに直径方向に配置され、及び／又は、前記第１及び第２取付部（１９３、１９７）は、前記磁界部を前記シャフト（１６０）周りの前記永久磁石（１５２’、１５２”）の内部磁界（４２０、４２５）として案内するように配置されたことを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の磁気熱量ヒートポンプ（１００）。
【請求項１３】
前記換熱アッセンブリ（１１０）は、前記シャフト（１６０）周りに配置された少なくとも１つの更なる換熱ボディ（１３０）及び更なる換熱材料（１２０）を有する、請求項１乃至１１の何れか１項に記載の磁気熱量ヒートポンプ（１００）。
【請求項１４】
−請求項１乃至１２の少なくとも１項に記載の磁気熱量ヒートポンプ（１００）と、
−前記回転軸（１２５）周りの前記シャフト（１６０）と共に前記磁界発生器（１５０）を回転させるために配置されたモータ（５１０）と、
−流体を流体案内システム（１４０）に供給するように構成及び配置された少なくとも第１及び第２供給パイプシステム（５２２、５２４、５２６、５２８）と、
−前記第１及び第２供給パイプシステム（５２２、５２４、５２６、５２８）に流体を提供し且つ前記冷却装置（５００）から熱を移送するように調整された少なくとも１つのホットリザーバ（５４０）及び少なくとも１つのコールドリザーバ（５３０）と、
−前記磁気熱量材料（１２０）を通じて流体を汲み上げるように配置及び構成されたポンプと、を備えた冷却装置（５００）。
【請求項１５】
前記冷却装置（５００）は、前記ポンプを制御するように調整された２つの能動型バルブ、及び、前記流体案内システム（１４０）への流体の供給を制御及び維持するように調整された２つの受動型バルブを含む少なくとも４つのバルブを更に備え、特に前記２つの能動型バルブは、好ましくはカムシャフトシステムによって機械的に活性化されるように構成され、及び／又は、該２つのバルブは磁気的に活性化されるように構成されることを特徴とする請求項１４に記載の冷却装置（５００）。
【請求項１６】
磁気熱量ヒートポンプ、特に、請求項１〜１２の何れか１項に記載の磁気熱量ヒートポンプの操作方法において、以下のステップ、即ち、
−回転軸周りに分配された磁気熱量材料を伴う換熱アッセンブリを準備するステップと、
−永久磁石の内部磁界として磁界部が主として第１及び第２ヨークボディ内に案内され、前記永久磁石の外部磁界として更なる磁界部が第１及び第２磁気リング部の範囲内で主として磁界発生器から伸長する少なくとも１つの磁界発生器を準備するステップであって、
−前記磁気熱量材料が、前記換熱ボディ及び前記発生器ボディの相対回転位置に依存して主に前記外部磁界に作用するステップと、
−前記磁気熱量材料に付加される前記永久磁石の前記外部磁界の回転に対し、前記回転軸に関して少なくとも１つの磁界発生器を回転するステップと、
−前記磁界発生器の回転周波数に依存する流体供給周期での、前記磁気熱量材を通じた周期的流体流を伴う前記磁気熱量材料を準備するステップと、
を備える操作方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2018533717.tif 000009