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JP2008249175A - Magnetic refrigerating device and method - Google Patents

Magnetic refrigerating device and method Download PDF

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JP2008249175A
JP2008249175A JP2007087624A JP2007087624A JP2008249175A JP 2008249175 A JP2008249175 A JP 2008249175A JP 2007087624 A JP2007087624 A JP 2007087624A JP 2007087624 A JP2007087624 A JP 2007087624A JP 2008249175 A JP2008249175 A JP 2008249175A
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Japan
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magnetic
magnetic field
fluid
refrigerant
refrigeration device
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JP2007087624A
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Japanese (ja)
Inventor
Tadahiko Kobayashi
忠彦 小林
Akiko Saito
明子 斉藤
Shiori Kaji
志織 加治
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic refrigerating device capable of reducing load to environment as it is free from chlorofluorocarbon, and having high efficiency though it is compact, and to provide a magnetic refrigerating method using the magnetic refrigerating device. <P>SOLUTION: This magnetic refrigerating device comprises magnetic fluid placed to be kept into contact with a magnetic body, a magnetic field applying means for applying magnetic field to the magnetic body, and a magnetic field applying/removing means for repeatedly applying and removing magnetic field to the magnetic body by reciprocating the magnetic field applying means in the prescribed direction. The magnetic fluid is heated and cooled by heat absorption and heat generation of the magnetic body caused by application and removal of magnetic field, and moved by magnetic attraction force caused by movement of the magnetic field applying means to form a high-temperature portion and a low-temperature portion at both ends of the magnetic body. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、磁気熱量効果を有する磁性体を用いて比較的低い磁場で室温域から−100℃程度の冷凍を実現できる磁気冷凍デバイス及び磁気冷凍方法に関する。   The present invention relates to a magnetic refrigeration device and a magnetic refrigeration method capable of realizing refrigeration from a room temperature range to about −100 ° C. with a relatively low magnetic field using a magnetic material having a magnetocaloric effect.

現在、人間の日常生活に密接に関係する室温域の冷凍技術;例えば、冷蔵庫、冷凍庫、室内冷暖房などの大半は、気体の圧縮膨張サイクルが使用されている。しかし、気体の圧縮膨張サイクルに基づく冷凍技術に関しては、特定フロンガスの環境排出に伴う環境破壊が大きな問題となり、更に、代替フロンガスについてもその環境への影響が懸念されている。最近では、自然冷媒(CO等)やイソブタンを用いた改良を行っている。 Currently, most of refrigeration technologies in the room temperature range, which are closely related to human daily life; for example, refrigerators, freezers, indoor air conditioning, etc., use gas compression / expansion cycles. However, with regard to the refrigeration technology based on the gas compression / expansion cycle, environmental destruction due to the environmental discharge of specific chlorofluorocarbon gas becomes a serious problem, and there is a concern about the influence of alternative chlorofluorocarbon gas on the environment. Recently, improvements have been made using natural refrigerants (CO 2 etc.) and isobutane.

このような背景から、作業ガスの廃棄に伴う環境破壊の問題がない、クリーンで且つ効率の高い冷凍技術の実用化が求められている。   Against this background, there is a demand for practical use of a clean and highly efficient refrigeration technique that does not have the problem of environmental destruction associated with the disposal of working gas.

近年、このような環境配慮型で且つ効率の高い冷凍技術の一つとして、磁気冷凍への期待が高まり、室温域を対象とした磁気冷凍技術の研究開発が活発化して来ている。1881年、Warburgによって鉄(Fe)における磁気熱量効果が見出された。磁気熱量効果とは、断熱状態で磁性物質に対して外部印加磁場を変化させると、その磁性物質の温度が変化する現象である。磁気冷凍では、磁気熱量効果を利用して以下のように低温を生成している。   In recent years, as one of such environmentally friendly and highly efficient refrigeration technologies, expectations for magnetic refrigeration have increased, and research and development of magnetic refrigeration technologies for room temperature regions have been activated. In 1881, Warburg discovered the magnetocaloric effect in iron (Fe). The magnetocaloric effect is a phenomenon in which, when an externally applied magnetic field is changed with respect to a magnetic substance in an adiabatic state, the temperature of the magnetic substance changes. In magnetic refrigeration, a low temperature is generated as follows using the magnetocaloric effect.

磁性物質では、磁場印加時の状態と磁場除去時の状態の間で、電子磁気スピン系の自由度の相違に起因してエントロピーが変化する。このようなエントロピー変化に伴い、電子磁気スピン系と格子系との間で、エントロピーの移動が起こる。磁気冷凍では大きな電子磁気スピンを持った磁性物質を使用して、磁場印加時と磁場除去時の間での大きなエントロピーの変化を利用して、電子磁気スピン系と格子系との間で、エントロピーの授受を行わせ、これによって低温を生成している。   In a magnetic substance, entropy changes due to the difference in the degree of freedom of the electron magnetic spin system between a state when a magnetic field is applied and a state when a magnetic field is removed. With such entropy change, entropy shift occurs between the electron magnetic spin system and the lattice system. Magnetic refrigeration uses a magnetic material with a large electron magnetic spin, and transfers entropy between the electron magnetic spin system and the lattice system by using a large entropy change between when the magnetic field is applied and when the magnetic field is removed. This produces a low temperature.

磁気冷凍システムは、1900年代前半に磁気熱量効果を有する磁気冷凍作業物質としてGd2(SO4)3・8H2Oなどの常磁性塩やGd3Ga5O12(ガドリニウム・ガリウム・ガーネット;GGG)に代表される常磁性化合物を用いた冷凍システムが開発された。常磁性物質を使用した磁気冷凍を実現する冷凍システムでは、20K以下の極低温領域に適用されるものが中心であり、超伝導磁石を用いて得ることができる10テスラ程度の磁場が用いられている。 The magnetic refrigeration system is a paramagnetic salt such as Gd 2 (SO 4 ) 3 / 8H 2 O and Gd 3 Ga 5 O 12 (gadolinium gallium garnet; GGG). A refrigeration system using paramagnetic compounds represented by) was developed. The refrigeration system that achieves magnetic refrigeration using paramagnetic substances is mainly applied to the cryogenic region below 20K, and uses a magnetic field of about 10 Tesla that can be obtained using a superconducting magnet. Yes.

これに対して、より高温での磁気冷凍をすべく1970年代以降、強磁性物質における常磁性状態と強磁性状態との間の磁気相転移を利用した磁気冷凍の研究が盛んに行なわれ、Pr、Nd、Dy、Er、Tm、Gdなどのランタン系列の希土類元素単体やGd−Y、Gd−Dyのような2種以上の希土類合金系材料、RAl2(Rは希土類元素を表す、以下において同じ)、RNi2、GdPdなどの希土類金属間化合物など、単位体積当たりの電子磁気スピンが大きな希土類を含む磁性物質が数多く提案されている。 In contrast, since the 1970s, magnetic refrigeration using a magnetic phase transition between a paramagnetic state and a ferromagnetic state in a ferromagnetic material has been actively conducted in order to achieve magnetic refrigeration at a higher temperature. Lanthanum rare earth elements such as Nd, Dy, Er, Tm, and Gd and two or more rare earth alloy materials such as Gd-Y and Gd-Dy, RAl 2 (R represents a rare earth element, The same), and many magnetic materials containing rare earths having a large electron magnetic spin per unit volume, such as rare earth intermetallic compounds such as RNi 2 and GdPd.

1974年に米国のBrownは、強磁性相転移温度(Tc)が約294Kの強磁性物質Gdを用いて、室温域における磁気冷凍を初めて実現した。しかしながら、Brownの実験では、冷凍サイクルを連続的に運転したものの定常状態には至らなかった。1982年、米国のBarclayは、これまで室温域における磁気冷凍にとって阻害要因と位置付けられていた格子エントロピーを、むしろ積極的に利用することを考案し、磁気物質に、磁気熱量効果による磁気冷凍作業に加えて、この磁気冷凍作業により生成された冷熱を蓄える蓄熱効果を同時に担わせる冷凍方式を提案した(US−Pat.4332135)。この磁気冷凍方式は、AMR方式(”Active Magnetic Refrigeration”)と呼ばれている。これらの冷凍システムは、両者共に超伝導磁石を用いた強磁場下での動作である。   In 1974, Brown in the United States realized magnetic refrigeration at room temperature for the first time using a ferromagnetic material Gd having a ferromagnetic phase transition temperature (Tc) of about 294K. However, in Brown's experiment, although the refrigeration cycle was operated continuously, it did not reach a steady state. In 1982, Barclay of the United States devised the active use of lattice entropy, which has been positioned as an impediment to magnetic refrigeration at room temperature, so that it can be used in magnetic refrigeration work using magnetocaloric effects. In addition, we proposed a refrigeration system that simultaneously bears the heat storage effect of storing the cold generated by this magnetic refrigeration operation (US-Pat. 4332135). This magnetic refrigeration method is called the AMR method ("Active Magnetic Refrigeration"). Both of these refrigeration systems operate under a strong magnetic field using a superconducting magnet.

1997年、米国のZimm,Gschneidner,Pecharskyらは、細かい球形状のGdが充填された充填筒を用いてAMR方式の磁気冷凍機を試作し、室温域における磁気冷凍サイクルの連続定常運転に成功した。これによると、室温域で、超伝導磁石を使用して磁場を0テスラから5テスラへ変化させることによって、約30℃の冷凍に成功し、冷凍温度差(ΔT)が13℃の場合に、非常に高い冷凍効率(COP=15;但し、磁場発生手段への投入パワーを除く)を得たことが報告されている。因みに、従来のフロンを用いた圧縮サイクルにおける家庭用冷蔵庫などの冷凍効率(COP)は1〜3程度である。   In 1997, Zimm, Gschneidner, Pecharsky et al. Of the United States made a prototype AMR magnetic refrigerator using a filled cylinder filled with fine spherical Gd, and succeeded in continuous steady operation of the magnetic refrigeration cycle at room temperature. . According to this, by changing the magnetic field from 0 Tesla to 5 Tesla by using a superconducting magnet in the room temperature range, when the freezing temperature difference (ΔT) is 13 ° C. It has been reported that very high refrigeration efficiency (COP = 15; except for the input power to the magnetic field generating means) was obtained. Incidentally, the refrigeration efficiency (COP) of a household refrigerator or the like in a compression cycle using conventional chlorofluorocarbon is about 1 to 3.

2000年にはスペインのBohigasらにて永久磁石を用いた報告例もある。これは、固定された対向する永久磁石の空隙中に回転駆動系を伴う磁気冷凍作業物質を挿入した構造である。磁気冷凍作業物質にGdを用いて磁界強度:0T,冷媒:オリーブ油,回転数:4−50rpmの条件で室温域環境にて1.5℃の冷却を実証しているものの、回転駆動系に冷媒循環を内蔵させる複雑な構造と冷却能力不足が課題である。
USP4,332,135
In 2000, there was a report using permanent magnets at Bohigas et al. In Spain. This is a structure in which a magnetic refrigeration working material with a rotational drive system is inserted into a gap between fixed opposing permanent magnets. Gd is used as the magnetic refrigeration material, and cooling at 1.5 ° C. is demonstrated in a room temperature environment under the conditions of magnetic field strength: 0 T, refrigerant: olive oil, and rotation speed: 4-50 rpm, but the refrigerant is used in the rotational drive system. The problem is a complicated structure with built-in circulation and insufficient cooling capacity.
USP4,332,135

本発明は、以上のような磁気冷凍技術の問題点である極低温域および超電導磁石の利用による大型化と大電力使用あるいは近年の永久磁石利用でも複雑構造と冷却能力不足や低効率などの課題が多く、これらの解決手段として考案されたものである。本発明の目的は、フロンレスなど環境への負荷が小さく、小型で効率が高い磁気冷凍デバイス及びこのような磁気冷凍デバイスを用いた磁気冷凍方法を提供することにある。   The present invention is a problem of the above-mentioned magnetic refrigeration technology, such as the use of ultra-low temperature regions and superconducting magnets to increase the size and use of large electric power or the use of permanent magnets in recent years. There are many, and it has been devised as a solution to these problems. An object of the present invention is to provide a magnetic refrigeration device that is small in size and high in efficiency, such as chlorofluorocarbon-free, and a magnetic refrigeration method using such a magnetic refrigeration device.

上記目的を達成すべく、本発明の一態様は、
磁気熱量効果を有する磁性体と、
前記磁性体と接触するようにして配置された構成された磁性流体と、
前記磁性体に対して磁界を印加するための磁界印加手段と、
前記磁界印加手段を所定の方向に往復させて前記磁性体に対する磁界の印加及び除去を繰り返す磁界印加除去手段とを具え、
前記磁性流体は、前記磁界の印加及び除去に起因した前記磁性体の吸熱及び発熱によって加熱及び冷却されるとともに、前記磁界印加手段の移動に起因した磁気吸引力によって移動することで、前記磁性体の両端に高温部と低温部とを生成することを特徴とする、磁気冷凍デバイスに関する。
In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention provides:
A magnetic material having a magnetocaloric effect;
A magnetic fluid configured to be in contact with the magnetic body;
A magnetic field applying means for applying a magnetic field to the magnetic body;
Magnetic field application removing means that repeats application and removal of the magnetic field to and from the magnetic body by reciprocating the magnetic field application means in a predetermined direction,
The magnetic fluid is heated and cooled by heat absorption and heat generation of the magnetic body resulting from application and removal of the magnetic field, and is moved by a magnetic attraction force resulting from movement of the magnetic field application means, whereby the magnetic body The present invention relates to a magnetic refrigeration device characterized in that a high-temperature part and a low-temperature part are generated at both ends.

上述したような従来のAMR方式においては、磁気冷凍デバイスを構成する磁性体に順次に磁界を印加及び除去すべく、磁界生成手段を駆動させるための制御装置、例えばアクチュエータと、前記磁性体中に冷媒を流し、前記磁性体の流れ方向において高温部及び低温部を生成するための冷媒駆動装置を別途に設ける必要があった。すなわち、AMR方式の磁気冷凍デバイスを実現させるためには、少なくとも磁界生成手段に対する駆動装置及び冷媒に対する駆動装置の双方を設け、これらを駆動させる必要があった。   In the conventional AMR system as described above, in order to sequentially apply and remove the magnetic field to and from the magnetic body constituting the magnetic refrigeration device, a control device for driving the magnetic field generating means, for example, an actuator, and the magnetic body It was necessary to separately provide a refrigerant driving device for flowing a refrigerant and generating a high temperature part and a low temperature part in the flow direction of the magnetic material. That is, in order to realize an AMR magnetic refrigeration device, it is necessary to provide at least both a driving device for the magnetic field generating means and a driving device for the refrigerant and drive them.

一方、上記本発明の態様においては、冷媒として磁性流体を用いているとともに、磁性体に磁界を印加するための磁界発生手段を具備した磁界印加除去手段なる単一の駆動装置を用い、この駆動装置を前記磁性体の長さ方向に移動させることにより、前記冷媒の移動を前記磁性体に印加及び除去される磁界に起因した前記磁性流体に対する磁気吸引力を利用して前記磁性体の長さ方向に移動させるようにしている。したがって、従来のAMR方式のように、前記磁性体の順次の吸熱及び発熱を利用して前記冷媒(磁性流体)を順次に加熱及び冷却することにより、前記磁性体の流れ方向において高温部及び低温部を生成することができ、磁気冷凍デバイスを構成することができる。   On the other hand, in the above aspect of the present invention, a magnetic fluid is used as the refrigerant, and a single driving device that is a magnetic field application removing unit provided with a magnetic field generating unit for applying a magnetic field to the magnetic material is used to drive this. By moving the apparatus in the length direction of the magnetic body, the magnetic body is moved by utilizing the magnetic attraction force with respect to the magnetic fluid caused by the magnetic field applied to and removed from the magnetic body. It moves in the direction. Therefore, as in the conventional AMR method, the refrigerant (magnetic fluid) is sequentially heated and cooled by utilizing the sequential heat absorption and heat generation of the magnetic material, so that the high temperature portion and the low temperature in the flow direction of the magnetic material. Part can be produced and a magnetic refrigeration device can be constructed.

しかしながら、本発明の上記態様においては、磁性体に磁界を印加するための磁界発生手段を具備した磁界印加除去手段なる単一の駆動装置を用いているのみであって、別途冷媒の駆動手段(装置)などを設ける必要がない。したがって、上述した従来の磁気冷凍デバイスに比較して、駆動装置の数を低減することができるので、小型で効率が高い磁気冷凍デバイスを提供することができる。   However, in the above-described aspect of the present invention, only a single driving device that is a magnetic field application removing unit including a magnetic field generating unit for applying a magnetic field to the magnetic body is used, and a separate refrigerant driving unit ( There is no need to provide a device. Therefore, since the number of drive devices can be reduced as compared with the above-described conventional magnetic refrigeration device, a small and highly efficient magnetic refrigeration device can be provided.

なお、本発明でいう“磁性体の長さ方向”とは磁性体の長軸方向を意味し、上述した磁界印加除去手段の前記磁性体に対する駆動方向と一致するものである。例えば、前記磁性体が磁性粒子であって所定の容器内に充填されており、前記磁界印加除去手段が前記容器の外周面長さ方向に沿って駆動するような場合は、前記容器の前記外周面長さ方向を意味するものである。   In the present invention, the “longitudinal direction of the magnetic material” means the long axis direction of the magnetic material, and coincides with the driving direction of the magnetic field application removing means with respect to the magnetic material. For example, when the magnetic substance is magnetic particles and is filled in a predetermined container, and the magnetic field application / removal means is driven along the outer peripheral surface length direction of the container, the outer periphery of the container It means the surface length direction.

本発明の他の態様では、前記磁性流体は感温性磁性流体とすることができる。この感温性磁性流体は、その磁性(磁化)が温度に依存して変化し、一般に温度上昇に伴って磁化が減少する傾向を示す。したがって、上述のように、磁性体に対して磁界生成手段から磁界を印加した後は、前記磁性体は前記磁界の印加による磁気熱量効果によって発熱し、前記磁性流体の温度が上昇するため磁気トルクが小さくなる。したがって、前記磁界生成手段からの磁界印加に比較して、前記磁性流体の移動は遅延するようになる。このような遅延時間を生成することにより、高温部と低温部との熱分離を効率的に行うことができるので、効率の高い磁気冷凍デバイスを提供することができるようになる。   In another aspect of the present invention, the magnetic fluid may be a temperature sensitive magnetic fluid. In this thermosensitive magnetic fluid, the magnetism (magnetization) changes depending on the temperature, and generally the magnetization tends to decrease as the temperature rises. Therefore, as described above, after the magnetic field is applied to the magnetic material from the magnetic field generating means, the magnetic material generates heat due to the magnetocaloric effect due to the application of the magnetic field, and the temperature of the magnetic fluid rises. Becomes smaller. Therefore, the movement of the magnetic fluid is delayed as compared with the application of the magnetic field from the magnetic field generating means. By generating such a delay time, the heat separation between the high temperature part and the low temperature part can be performed efficiently, so that a highly efficient magnetic refrigeration device can be provided.

また、本発明のその他の態様では、前記磁界生成手段は永久磁石回路とすることができる。この場合、磁界生成手段を小型化することができ、磁気冷凍デバイス全体の大きさを小型化することができる。   In another aspect of the invention, the magnetic field generating means may be a permanent magnet circuit. In this case, the magnetic field generating means can be reduced in size, and the overall size of the magnetic refrigeration device can be reduced.

さらに、本発明の他の態様では、前記磁性流体を、圧力差を利用して前記磁性体の長さ方向に移動させるための弁及び弁開閉機構を具えることができる。この場合、前記磁性流体の移動を上述したような磁気吸引力だけではなく、圧力差をも利用して磁性体の長さ方向に移動させることができるので、より効率的に磁性流体(冷媒)の移動を行うことができる。したがって、より効率の高い磁気冷凍デバイスを提供することができる。   Furthermore, in another aspect of the present invention, a valve and a valve opening / closing mechanism for moving the magnetic fluid in the length direction of the magnetic body using a pressure difference can be provided. In this case, since the movement of the magnetic fluid can be moved not only in the magnetic attraction force as described above but also in the length direction of the magnetic body using the pressure difference, the magnetic fluid (refrigerant) is more efficiently used. Can be moved. Therefore, a more efficient magnetic refrigeration device can be provided.

また、本発明のその他の態様では、前記弁開閉機構は、前記磁界印加除去手段と同期して前記弁の開閉を行うように構成する。これによって、磁性流体に対して磁気吸引力と弁開閉による圧力とが同時に印加されるようになるので、より効率的に磁性流体(冷媒)の移動を行うことができる。したがって、より効率の高い磁気冷凍デバイスを提供することができる。   In another aspect of the present invention, the valve opening / closing mechanism is configured to open and close the valve in synchronization with the magnetic field application removing means. As a result, the magnetic attractive force and the pressure due to opening and closing of the valve are simultaneously applied to the magnetic fluid, so that the magnetic fluid (refrigerant) can be moved more efficiently. Therefore, a more efficient magnetic refrigeration device can be provided.

さらに、上記態様においては、前記磁界印加除去手段はばね部材を含み、前記弁の開閉は前記ばね部材の伸縮に伴う機械的な遅延を伴って実施されるようにすることができる。この場合、前記磁性流体に対して磁気吸引力と弁開閉による圧力とが前記遅延を伴って印加されるようになるので、前記磁性流体(冷媒)の移動をより効果的に行うことができる。例えば、前記磁気吸引力が除去された後であっても、前記圧力が残存しているため、前記磁性流体(冷媒)は、この残存した圧力で移動させることができる。また、前記圧力が生じていない場合においても、前記磁気吸引力のみを先に印加させて前記磁性流体(冷媒)を移動させることができる。   Further, in the above aspect, the magnetic field application removing means includes a spring member, and the opening and closing of the valve can be performed with a mechanical delay accompanying expansion and contraction of the spring member. In this case, since the magnetic attractive force and the pressure due to opening and closing of the valve are applied to the magnetic fluid with the delay, the magnetic fluid (refrigerant) can be moved more effectively. For example, even after the magnetic attractive force is removed, the magnetic fluid (refrigerant) can be moved at the remaining pressure because the pressure remains. Even when the pressure is not generated, only the magnetic attractive force can be applied first to move the magnetic fluid (refrigerant).

以上説明したように、上述した本発明の態様によれば、フロンレスなど環境への負荷が小さく、小型で効率が高い磁気冷凍デバイス及びこのような磁気冷凍デバイスを用いた磁気冷凍方法を提供することができる。   As described above, according to the above-described aspects of the present invention, a magnetic refrigeration device having a small size and high efficiency, such as a freonless, and a magnetic refrigeration method using such a magnetic refrigeration device are provided. Can do.

以下に、本発明に係わる磁気冷凍デバイス及び磁気冷凍方法を具体的な実施形態に基づいて説明する。   Below, the magnetic refrigeration device and the magnetic refrigeration method concerning this invention are demonstrated based on specific embodiment.

図1は本発明の磁気冷凍デバイスの一例に係わる基本構成図である。図1において、1は磁気熱量効果を有する磁性体(磁性材料)であり、容器7中にセパレータ4で仕切って充填して用いる。磁気回路2は磁界発生手段であり、以下に示す磁性材料1への磁界の印加・除去を行う移動機構で動作させる。なお、この移動機構については、後の示す磁気冷凍デバイスの駆動システム図(説明図)に関連して詳述する。   FIG. 1 is a basic configuration diagram relating to an example of a magnetic refrigeration device of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a magnetic body (magnetic material) having a magnetocaloric effect, which is used by being partitioned and filled with a separator 4 in a container 7. The magnetic circuit 2 is a magnetic field generating means, and is operated by a moving mechanism that applies and removes a magnetic field to and from the magnetic material 1 described below. This moving mechanism will be described in detail with reference to a drive system diagram (an explanatory diagram) of the magnetic refrigeration device shown later.

容器7は、冷媒3で満たされており、図示しない冷媒移動部が取り付けられている。通常は、ポンプやピストンなどで冷媒を移動させるが、本実施形態では、以下に詳述するように、磁界生成手段を用いて冷媒を移動させる。一般に、冷媒には各種オイル系冷媒、エタノールなどを含めた溶剤系冷媒、水やこれらの混合液を用いるが、本実施形態では、磁性流体、好ましくは感温性磁性流体を用いる。   The container 7 is filled with the refrigerant 3, and a refrigerant moving unit (not shown) is attached thereto. Normally, the refrigerant is moved by a pump, a piston, or the like, but in this embodiment, the refrigerant is moved by using a magnetic field generation unit as described in detail below. Generally, various oil-based refrigerants, solvent-based refrigerants including ethanol, water, and a mixture thereof are used as the refrigerant. In this embodiment, a magnetic fluid, preferably a temperature-sensitive magnetic fluid is used.

磁気冷凍デバイスでの冷凍サイクルについて説明する。まず、磁気回路2を磁性材料1に対峙させることで、磁界が印加され磁性材料1の磁化が変化し、これに伴うエントロピー変化で磁性材料1の温度が高くなる。次に、左右どちらかの冷媒流方向に冷媒を移動させる。次に、磁性材料1から磁気回路2を遠ざけて、同様の磁気熱量効果により、磁性材料1の温度が低下する。次に、先ほどとは異なる冷媒流方向に冷媒を移動させる。これら一連の冷凍サイクルを繰り返すことで低温端および高温端には温度差が生じる。この方法は、AMR方式(”Active Magnetic Refrigeration”)と称されており、磁性体の磁気熱量効果による磁性体自身の温度変化と磁性体自身が蓄熱する効果の両方を利用するものである。   The refrigeration cycle in the magnetic refrigeration device will be described. First, when the magnetic circuit 2 is opposed to the magnetic material 1, a magnetic field is applied to change the magnetization of the magnetic material 1, and the temperature of the magnetic material 1 increases due to the entropy change associated therewith. Next, the refrigerant is moved in either the left or right refrigerant flow direction. Next, the magnetic circuit 2 is moved away from the magnetic material 1, and the temperature of the magnetic material 1 is lowered by the same magnetocaloric effect. Next, the refrigerant is moved in the refrigerant flow direction different from the previous one. By repeating these series of refrigeration cycles, a temperature difference occurs between the low temperature end and the high temperature end. This method is called an AMR method (“Active Magnetic Refrigeration”), and utilizes both the temperature change of the magnetic material itself due to the magnetocaloric effect of the magnetic material and the effect of the magnetic material itself storing heat.

ここで得られた低音端は、図示しない熱交換器で例えば冷凍庫内に低温を供給することが出来る。また、高温端は図示しない熱交換器で外気に放熱させる、あるいは物を暖める用途に用いることが出来る。   The low end obtained here can supply a low temperature, for example in a freezer, with a heat exchanger (not shown). Moreover, the high temperature end can be used for the purpose of radiating heat to the outside air with a heat exchanger (not shown) or heating an object.

図1の磁気冷凍デバイスの基本構成に対し、本実施形態における磁気冷凍デバイスの駆動システム図(説明図)を図2および図3に示す。図2は磁界印加時の動作状態を示すものであり、図3は磁界除去時の動作状態を示すものである。磁性材料1はGd球であり、セパレータ4で保持した構造の容器7に充填してある。冷媒3は、磁性流体である。   FIG. 2 and FIG. 3 show drive system diagrams (descriptions) of the magnetic refrigeration device in the present embodiment with respect to the basic configuration of the magnetic refrigeration device of FIG. FIG. 2 shows an operation state when a magnetic field is applied, and FIG. 3 shows an operation state when the magnetic field is removed. The magnetic material 1 is a Gd sphere and is filled in a container 7 having a structure held by a separator 4. The refrigerant 3 is a magnetic fluid.

リニア駆動アクチュエータ11に固定された磁気回路2が磁性材料1方向に移動すると、磁性材料1と磁気回路2とが同じ位置に来ることで磁界印加(磁界ON)となり、磁性材料1が磁気熱量効果により発熱し、磁性流体(冷媒)3の温度が上昇する。磁性流体(冷媒)3は磁気回路2の磁界による磁気トルク(磁気吸引力)を受けて、磁性材料1に接触するようにして右方向に移動する。このようにして、高温端6側の温度が上昇するようになる。   When the magnetic circuit 2 fixed to the linear drive actuator 11 moves in the direction of the magnetic material 1, the magnetic material 1 and the magnetic circuit 2 come to the same position, thereby applying a magnetic field (magnetic field ON), and the magnetic material 1 has a magnetocaloric effect. Generates heat and the temperature of the magnetic fluid (refrigerant) 3 rises. The magnetic fluid (refrigerant) 3 receives a magnetic torque (magnetic attractive force) due to the magnetic field of the magnetic circuit 2 and moves to the right so as to come into contact with the magnetic material 1. In this way, the temperature on the high temperature end 6 side increases.

次いで、図3に示すように、リニア駆動アクチュエータ11に固定された磁気回路2を磁性材料1から遠ざかる方向に移動させる。磁性材料1と磁気回路2が離れることで磁界除去(磁界OFF)となり、磁性材料1が磁気熱量効果により冷熱し、磁性流体(冷媒)3の温度も低下する。磁性流体(冷媒)3は磁気回路2の磁界による磁気トルクを受けて、磁気回路2の移動方向へ向けて移動する。このようにして、低温端5側の温度が低下するようになる。   Next, as shown in FIG. 3, the magnetic circuit 2 fixed to the linear drive actuator 11 is moved away from the magnetic material 1. When the magnetic material 1 and the magnetic circuit 2 are separated, the magnetic field is removed (magnetic field OFF), the magnetic material 1 is cooled by the magnetocaloric effect, and the temperature of the magnetic fluid (refrigerant) 3 is also lowered. The magnetic fluid (refrigerant) 3 receives the magnetic torque generated by the magnetic field of the magnetic circuit 2 and moves in the moving direction of the magnetic circuit 2. In this way, the temperature on the low temperature end 5 side is lowered.

上述したように、本実施形態の磁気冷凍デバイスにおいては、冷媒3を移動させる際に、磁気回路2を駆動させるためのリニア駆動アクチュエータに加えて、別途冷媒3の移動手段を設ける必要がないので、前記磁気冷凍デバイスを小型化することができるとともに、その効率を増大させることができる。   As described above, in the magnetic refrigeration device of this embodiment, when the refrigerant 3 is moved, it is not necessary to provide a moving means for the refrigerant 3 in addition to the linear drive actuator for driving the magnetic circuit 2. The magnetic refrigeration device can be miniaturized and its efficiency can be increased.

磁性流体(冷媒)3は、上述した磁気トルク(磁気吸引力)に加え、前記圧力差の起因した圧力の影響によっても磁性材料1に接触するようにして右方向(高温端側)に移動させることが可能である。   The magnetic fluid (refrigerant) 3 is moved to the right (high temperature end side) so as to be in contact with the magnetic material 1 due to the influence of the pressure due to the pressure difference in addition to the magnetic torque (magnetic attraction force) described above. It is possible.

磁気回路2の磁界により磁界感応型開閉弁8が開き、リニア駆動アクチュエータ11に固定されたピストン10により、リニア移動型開閉弁9が閉じる。このような弁の開閉によって、磁性材料1の長さ方向、すなわち高温端6と低温端5との間に圧力差(低温端5が高圧で高温端6が低圧)が生じる。換言すれば、本実施形態においては、磁気トルク(磁気吸引力)と圧力との影響を受けて、磁性流体(冷媒3)が右方向(高温端側)に移動することになる。結果として、より効率的に磁性流体(冷媒)3の移動を行うことができ、より効率の高い磁気冷凍デバイスを提供することができる。   The magnetic field sensitive on / off valve 8 is opened by the magnetic field of the magnetic circuit 2, and the linear moving on / off valve 9 is closed by the piston 10 fixed to the linear drive actuator 11. By opening and closing such a valve, a pressure difference (the low temperature end 5 is high pressure and the high temperature end 6 is low pressure) occurs in the length direction of the magnetic material 1, that is, between the high temperature end 6 and the low temperature end 5. In other words, in the present embodiment, the magnetic fluid (refrigerant 3) moves to the right (high temperature end side) under the influence of magnetic torque (magnetic attraction force) and pressure. As a result, the magnetic fluid (refrigerant) 3 can be moved more efficiently, and a magnetic refrigeration device with higher efficiency can be provided.

また、リニア駆動アクチュエータ11に固定されたピストン10がリニア移動型開閉弁9から離れることで弁が開き、さらに、磁気回路2の磁界が弱まり、磁界感応型開閉弁8が閉じることによって、高温端6と低温端5との間に圧力差(低温端5が低圧で高温端6が高圧)が生じる。したがって、磁性流体(冷媒)3は、上述した磁気トルク(磁気吸引力)とに加え、前記圧力差の起因した圧力の影響によっても磁性材料1に接触するようにして左方向(低温端側)に移動するようになる。換言すれば、本実施形態においては、磁気トルク(磁気吸引力)と圧力との影響を受けて、磁性流体(冷媒)3が右方向(低温端側)に移動することになる。結果として、より効率的に磁性流体(冷媒)3の移動を行うことができ、より効率の高い磁気冷凍デバイスを提供することができる。   Further, when the piston 10 fixed to the linear drive actuator 11 is separated from the linear moving on-off valve 9, the valve is opened, and further, the magnetic field of the magnetic circuit 2 is weakened, and the magnetic field sensitive on-off valve 8 is closed, so that the high temperature end. A pressure difference (low temperature end 5 is low pressure and high temperature end 6 is high pressure) is generated between 6 and the low temperature end 5. Therefore, the magnetic fluid (refrigerant) 3 is in the left direction (low temperature end side) so as to come into contact with the magnetic material 1 due to the influence of the pressure caused by the pressure difference in addition to the magnetic torque (magnetic attraction force) described above. To move on. In other words, in the present embodiment, the magnetic fluid (refrigerant) 3 moves to the right (low temperature end side) under the influence of magnetic torque (magnetic attraction) and pressure. As a result, the magnetic fluid (refrigerant) 3 can be moved more efficiently, and a magnetic refrigeration device with higher efficiency can be provided.

このように、図2及び3に示す操作、すなわち磁界のON-OFFサイクルを繰り返すことにより、加熱された磁性流体(冷媒)3は右方向(高温端)へ移動し、冷却された磁性流体(冷媒)3は左方向(低温端)へ移動するようになるので、低温端5と高温端6の温度差が開き、最終的には熱バランスした状態で定常状態となり、高温部と低温部との熱分離を実現して磁気冷凍デバイスを提供せしめることができるようになる。   2 and 3, that is, by repeating the magnetic field ON-OFF cycle, the heated magnetic fluid (refrigerant) 3 moves to the right (high temperature end), and the cooled magnetic fluid ( Since the refrigerant 3) moves in the left direction (low temperature end), the temperature difference between the low temperature end 5 and the high temperature end 6 opens, and finally becomes a steady state in a heat balanced state. Thus, it is possible to provide a magnetic refrigeration device.

図4及び図5は、上記実施形態の変形例を示す構成図である。なお、これらの図では特徴部分のみを拡大して示し、類似あるいは同一の構成要素に関しては同じ参照符号を用いている。   4 and 5 are configuration diagrams showing modifications of the above embodiment. In these drawings, only the characteristic part is enlarged and the same reference numerals are used for similar or identical components.

図4及び図5に示すように、本実施形態では、ばね装置12中にリニア移動型開閉弁9が収納されている。ばね装置12の前方(左方)にはばね部材12aが設けられ、後方(右方)にはばね部材12bが設けられている。なお、(ばね部材12aのばね定数)<(ばね部材12bのばね定数)なる関係がある。さらに、ばね装置12の上方及び下方には、弁9の移動に伴ってその内部に形成された磁性流体(冷媒)3の流通孔9aと連通するような、同じく磁性流体(冷媒)3の流通孔12c及び12dが設けられている。   As shown in FIGS. 4 and 5, in this embodiment, the linear movement type on-off valve 9 is accommodated in the spring device 12. A spring member 12a is provided on the front side (left side) of the spring device 12, and a spring member 12b is provided on the rear side (right side). Note that there is a relationship of (spring constant of the spring member 12a) <(spring constant of the spring member 12b). Further, above and below the spring device 12, the magnetic fluid (refrigerant) 3 circulates so as to communicate with the flow hole 9 a of the magnetic fluid (refrigerant) 3 formed therein as the valve 9 moves. Holes 12c and 12d are provided.

図4に示すように、リニア駆動アクチュエータ11が磁性材料1方向に移動すると、ピストン10によってばね装置12中のばね部材12a及び12bが圧縮される。すると、ばね装置12内の弁9は、ばね部材12a及び12bの伸縮力によってリニア駆動アクチュエータ11(ピストン10)の駆動と機械的に遅延した状態で駆動し、その流通孔9aの、ばね装置12の流通孔12c及び12dとの連通が解除されるようになる。この結果、弁9は閉となる。   As shown in FIG. 4, when the linear drive actuator 11 moves in the direction of the magnetic material 1, the spring members 12 a and 12 b in the spring device 12 are compressed by the piston 10. Then, the valve 9 in the spring device 12 is driven in a state mechanically delayed from the drive of the linear drive actuator 11 (piston 10) by the expansion and contraction force of the spring members 12a and 12b, and the spring device 12 in the flow hole 9a. The communication with the flow holes 12c and 12d is released. As a result, the valve 9 is closed.

一方、磁気回路2の磁界により磁界感応型開閉弁8が開くようになるので、磁性材料1の長さ方向、すなわち高温端6と低温端5との間に圧力差(低温端5が高圧で高温端6が低圧)が生じる。したがって、磁性流体(冷媒)3は、上述した磁気回路2からの磁界に起因した磁気トルク(磁気吸引力)とに加え、前記圧力差の起因した圧力の影響によっても磁性材料1に接触するようにして右方向(高温端側)に移動するようになる。   On the other hand, since the magnetic field sensitive on-off valve 8 is opened by the magnetic field of the magnetic circuit 2, the pressure difference between the length direction of the magnetic material 1, that is, between the high temperature end 6 and the low temperature end 5 (the low temperature end 5 is high pressure). The high temperature end 6 has a low pressure). Therefore, the magnetic fluid (refrigerant) 3 comes into contact with the magnetic material 1 not only by the magnetic torque (magnetic attractive force) caused by the magnetic field from the magnetic circuit 2 but also by the pressure caused by the pressure difference. And move to the right (high temperature end side).

次いで、図5に示すように、リニア駆動アクチュエータ11が磁性材料1から遠ざかるようにして移動すると、ピストン10によるばね装置12内のばね部材12a及び12bの押圧が解除され、弁9はばね装置12内の元の位置に戻るようになる。したがって、弁9が開となる。一方、磁気回路2の磁界が弱まり、磁界感応型開閉弁8が閉じることによって、高温端6と低温端5との間に圧力差(低温端5が低圧で高温端6が高圧)が生じる。したがって、磁性流体(冷媒)3は、上述した磁気トルク(磁気吸引力)とに加え、前記圧力差の起因した圧力の影響によっても磁性材料1に接触するようにして左方向(低温端側)に移動するようになる。   Next, as shown in FIG. 5, when the linear drive actuator 11 moves away from the magnetic material 1, the pressure of the spring members 12 a and 12 b in the spring device 12 by the piston 10 is released, and the valve 9 is moved to the spring device 12. It will return to its original position. Therefore, the valve 9 is opened. On the other hand, when the magnetic field of the magnetic circuit 2 is weakened and the magnetic field sensitive on-off valve 8 is closed, a pressure difference (the low temperature end 5 is low pressure and the high temperature end 6 is high pressure) is generated between the high temperature end 6 and the low temperature end 5. Therefore, the magnetic fluid (refrigerant) 3 is in the left direction (low temperature end side) so as to come into contact with the magnetic material 1 due to the influence of the pressure caused by the pressure difference in addition to the magnetic torque (magnetic attraction force) described above. To move on.

本実施形態では、弁9の開閉をばね部材12a及び12bを用いて実施しているので、磁性流体(冷媒)3に対して磁気トルク(磁気吸引力)と弁開閉による圧力とが前記遅延を伴って印加されるようになる。したがって、磁性流体(冷媒)3の移動をより効果的に行うことができる。実際、前記磁気トルク(磁気吸引力)が除去された後であっても、前記圧力差が残存しているため、磁性流体(冷媒)3は、この残存した圧力差で移動させることができる。また、前記圧力差が生じていない場合においても、前記磁気トルク(磁気吸引力)のみを先に印加させて前記磁性流体(冷媒)を移動させることができる。   In this embodiment, since the valve 9 is opened and closed using the spring members 12a and 12b, the magnetic torque (magnetic attractive force) and the pressure due to opening and closing of the magnetic fluid (refrigerant) 3 cause the delay. Along with this, it is applied. Therefore, the magnetic fluid (refrigerant) 3 can be moved more effectively. In fact, even after the magnetic torque (magnetic attractive force) is removed, the magnetic fluid (refrigerant) 3 can be moved by the remaining pressure difference because the pressure difference remains. Even when the pressure difference does not occur, the magnetic fluid (refrigerant) can be moved by applying only the magnetic torque (magnetic attractive force) first.

図6は、本実施形態の磁気冷凍デバイスにおける低温端5と高温端6の温度変化の時間依存性を示す。図6より、所定の時間が経過すると、磁界ON-OFによる冷媒移動サイクルにより、低温端5及び高温端6との間で徐々に温度差が生じ、熱分離が生じていることが分かる。   FIG. 6 shows the time dependence of the temperature change of the low temperature end 5 and the high temperature end 6 in the magnetic refrigeration device of this embodiment. As can be seen from FIG. 6, when a predetermined time elapses, a temperature difference is gradually generated between the low temperature end 5 and the high temperature end 6 due to the refrigerant transfer cycle by the magnetic field ON-OF, and heat separation occurs.

なお、磁気回路2は、NdFeB磁石やSmCo磁石、フェライト磁石などを用いる。また、この磁気回路2は磁気ヨークを用いた効率の良い閉磁路回路を用いることが好ましい。さらに、磁石の磁化容易軸を磁束方向に周回させた構造の大きな磁界を生じさせるハルバッハ型磁気回路でも良い。   The magnetic circuit 2 uses an NdFeB magnet, an SmCo magnet, a ferrite magnet, or the like. The magnetic circuit 2 is preferably an efficient closed magnetic circuit using a magnetic yoke. Furthermore, a Halbach magnetic circuit may be used that generates a large magnetic field having a structure in which the easy magnetization axis of the magnet circulates in the direction of the magnetic flux.

磁性材料1は、磁気熱量効果を発現する材料であり、上述したようにGd(ガドリニウム)球を用いることができる。球サイズは、例えば0.1mm径から2mm径の範囲とすることができ、あるいは粒径(長径)が0.1mm以上2mm以下であり、その80wt%以上が、アスペクト比が2以下である粒子とすることができる。このようなサイズに設定することにより、冷媒移動に伴う圧力損失と熱交換効率の最適化を図ることができる。すなわち、磁性材料1の比表面積の増大による冷媒との熱交換によって熱交換率を増大させることができるとともに、粒子径の減少による冷媒の圧力損失を抑制して、上述のような最適化を図ることができる。   The magnetic material 1 is a material that exhibits a magnetocaloric effect, and a Gd (gadolinium) sphere can be used as described above. The sphere size can be, for example, in the range of 0.1 mm diameter to 2 mm diameter, or the particle diameter (major axis) is 0.1 mm or more and 2 mm or less, and 80 wt% or more of the particles have an aspect ratio of 2 or less. It can be. By setting such a size, it is possible to optimize the pressure loss and heat exchange efficiency associated with the refrigerant movement. That is, the heat exchange rate can be increased by exchanging heat with the refrigerant by increasing the specific surface area of the magnetic material 1, and the pressure loss of the refrigerant due to the decrease in the particle diameter can be suppressed to achieve the above optimization. be able to.

なお、磁性材料1の好ましい粒子径は0.3〜0.9mm程度とする。   In addition, the preferable particle diameter of the magnetic material 1 shall be about 0.3-0.9 mm.

また、磁性材料1は各種元素を混合したGd化合物、Ni2MnGa合金、GdGeSi化合物、LaFe13系化合物、LaFe13H系化合物などの磁性材料を用いても良い。Gd単体ではキュリー温度〜294Kであり、磁気エントロピー変化量が最大となるが、294Kから低温あるいは高温になると磁気エントロピー変化量が小さくなり、冷凍効率が小さくなる。そこで、異なるキュリー温度の磁性材料を用いたハイブリッド構造にすることで広い温度領域でも冷凍効率を大きくすることが出来る。したがって、本磁気冷凍技術では複数の磁性材料を用いることが好ましい。 The magnetic material 1 may be a magnetic material such as a Gd compound, a Ni 2 MnGa alloy, a GdGeSi compound, a LaFe 13 compound, or a LaFe 13 H compound in which various elements are mixed. Gd alone has a Curie temperature to 294K, and the amount of change in magnetic entropy is maximized, but the amount of change in magnetic entropy is reduced from 294K to a low temperature or a high temperature, and refrigeration efficiency is reduced. Therefore, the refrigeration efficiency can be increased even in a wide temperature range by adopting a hybrid structure using magnetic materials having different Curie temperatures. Therefore, it is preferable to use a plurality of magnetic materials in this magnetic refrigeration technique.

なお、磁性流体(冷媒)3は、一般に酸化物磁性体が用いられており、例えば、マグネタイトやフェライトなど10nm〜数100nmの粒子の表面を界面活性剤分子で覆い、オイル系、水系、有機溶剤系、フッ素系などにけん濁させたものである。また、感温性磁性流体は酸化物磁性体のなかでも、M-Zn系フェライトで磁化の温度変化が大きいものを用いる。例えば、Ni1-zZnFeOやMn1-ZZnFeOであれば、zを増やすことでキュリー温度を低温にすることが出来る。本磁気冷凍デバイスでは、動作温度域に合わせたキュリー温度に制御して用いることが好ましい。 The magnetic fluid (refrigerant) 3 is generally made of an oxide magnetic material. For example, the surface of particles of 10 nm to several 100 nm such as magnetite and ferrite are covered with surfactant molecules, and oil-based, water-based, organic solvents are used. Suspended in a system or fluorine system. As the temperature-sensitive magnetic fluid, an M-Zn ferrite material having a large magnetization temperature change is used among oxide magnetic materials. For example, in the case of Ni 1-z Zn z Fe 2 O 4 or Mn 1-Z Zn z Fe 2 O 4 , the Curie temperature can be lowered by increasing z. In the present magnetic refrigeration device, it is preferable to control the Curie temperature according to the operating temperature range.

また、磁性流体(冷媒)3は、好ましくは感温性磁性流体を用いる。この場合、磁界ON-OFFサイクルに伴う磁性体自身の温度変化により、感温性磁性流体の温度特性に起因した磁化の変化が生じ、発生する磁気トルクの大きさが変化する。ここで、磁気トルクの大きさが変化することで、磁界ON-OFF時の冷媒移動に遅延を生じさせることが出来る。   The magnetic fluid (refrigerant) 3 is preferably a temperature-sensitive magnetic fluid. In this case, a change in magnetization due to the temperature characteristics of the temperature-sensitive magnetic fluid occurs due to a temperature change of the magnetic material itself accompanying the magnetic field ON-OFF cycle, and the magnitude of the generated magnetic torque changes. Here, a change in the magnitude of the magnetic torque can cause a delay in refrigerant movement when the magnetic field is turned on and off.

例えば、図2において、リニア駆動アクチュエータ11に固定された磁気回路2が磁性材料1方向に移動すると磁性流体(冷媒)3が磁気回路2の磁界による磁気トルクを受けて移動する。同時に、磁性材料1が磁気熱量効果により発熱し、(磁性流体)冷媒3の温度が上昇し、感温性磁性流体の温度特性により磁気トルクが小さくなり、リニア駆動アクチュエータ11の移動速度よりも遅くなる。この遅延時間は、高温部と低温部との熱分離を効率的に行い、効率の高い磁気冷凍デバイスを実現させることに必須のパラメータである。   For example, in FIG. 2, when the magnetic circuit 2 fixed to the linear drive actuator 11 moves in the direction of the magnetic material 1, the magnetic fluid (refrigerant) 3 moves by receiving magnetic torque due to the magnetic field of the magnetic circuit 2. At the same time, the magnetic material 1 generates heat due to the magnetocaloric effect, the temperature of the (magnetic fluid) refrigerant 3 increases, the magnetic torque decreases due to the temperature characteristics of the temperature-sensitive magnetic fluid, and is slower than the moving speed of the linear drive actuator 11. Become. This delay time is an indispensable parameter for efficiently performing heat separation between the high temperature portion and the low temperature portion and realizing a highly efficient magnetic refrigeration device.

同様に、図3において、リニア駆動アクチュエータ11に固定された磁気回路2が磁性材料1から遠ざかる方向に移動すると、磁性材料1と磁気回路2が離れ磁界除去(磁界OFF)となり、磁性材料1が磁気熱量効果により冷熱し、磁性流体(冷媒)3の温度も低下する。 磁性流体(冷媒)3の感温性磁性流体が磁気回路2の磁界による磁気トルクを受けて移動すると同時に感温性磁性流体の温度特性により磁気トルクが大きくなり、移動速度が速くなる。しかしながら、磁界感応型開閉弁8が閉じているために、磁性流体(冷媒)3が移動せずに滞留しており、磁気回路2の磁界が磁界感応型開閉弁8の閾値を越えた時点で開き、磁性流体(冷媒)3が移動し、低温端5に冷熱を蓄熱させることが出来る。この様にして、磁界除去と冷媒移動とに遅延時間を設けることが出来る。   Similarly, in FIG. 3, when the magnetic circuit 2 fixed to the linear drive actuator 11 moves in a direction away from the magnetic material 1, the magnetic material 1 and the magnetic circuit 2 are separated and the magnetic field is removed (magnetic field OFF). It cools by the magnetocaloric effect, and the temperature of the magnetic fluid (refrigerant) 3 also decreases. The temperature-sensitive magnetic fluid of the magnetic fluid (refrigerant) 3 moves by receiving the magnetic torque generated by the magnetic field of the magnetic circuit 2, and at the same time, the magnetic torque increases due to the temperature characteristics of the temperature-sensitive magnetic fluid, and the moving speed increases. However, since the magnetic field sensitive on / off valve 8 is closed, the magnetic fluid (refrigerant) 3 stays without moving, and when the magnetic field of the magnetic circuit 2 exceeds the threshold of the magnetic field sensitive on / off valve 8. It opens, the magnetic fluid (refrigerant) 3 moves, and the cold end 5 can store cold heat. In this way, a delay time can be provided for magnetic field removal and refrigerant movement.

AMR方式の冷凍サイクルでは、磁界ON→冷媒移動→磁界OFF→冷媒移動のステップが基本サイクルであり、磁界ON(OFF)と冷媒移動とが遅延を伴わないで同時に行われると、温度差が生じることが困難になる。これに対して、上述のような感温性磁性流体を用いることにより、磁界ON(OFF)と冷媒移動との間に遅延を形成することができ、効率の高い磁気冷凍デバイスが実現出来る。   In the AMR type refrigeration cycle, the steps of magnetic field ON → refrigerant movement → magnetic field OFF → refrigerant movement are basic cycles, and if the magnetic field ON (OFF) and the refrigerant movement are performed simultaneously without any delay, a temperature difference occurs. It becomes difficult. In contrast, by using the temperature-sensitive magnetic fluid as described above, a delay can be formed between the magnetic field ON (OFF) and the refrigerant movement, and a highly efficient magnetic refrigeration device can be realized.

図7は、上述した感温性磁性流体の一例であるMn-Zn系感温性磁性流体の、磁化の温度依存性を示すグラフである。図7に示すように、このような感温性磁性流体では、温度上昇に伴って磁化が減少していることが分かる。したがって、この様な性質を利用することにより、上述のように、磁界ON-OFF時の冷媒移動に遅延を生じさせることが出来る。   FIG. 7 is a graph showing the temperature dependence of magnetization of an Mn—Zn temperature-sensitive magnetic fluid which is an example of the above-described temperature-sensitive magnetic fluid. As shown in FIG. 7, in such a temperature-sensitive magnetic fluid, it can be seen that the magnetization decreases as the temperature rises. Therefore, by utilizing such a property, it is possible to cause a delay in refrigerant movement when the magnetic field is turned on and off as described above.

なお、磁界感応型開閉弁8はバネと気密のためのシール部材、流路および磁性体から構成され、磁界により磁性体が引き寄せられる磁気力とバネ力を任意のバランスで流路の開閉を行うものである。また、リニア移動型開閉弁9は、バネと気密のためのシール部材、流路および押し棒から構成され、押し棒を移動することでバネを押すと同時に流路を開閉させるものである。バネ力および変形量を任意に設定することで、開閉のタイミングを遅らせることも出来る。   The magnetic field sensitive open / close valve 8 is composed of a spring and a sealing member for airtightness, a flow path, and a magnetic body, and opens and closes the flow path with an arbitrary balance between the magnetic force attracted by the magnetic body by the magnetic field and the spring force. Is. The linear movement type on-off valve 9 includes a spring, a sealing member for airtightness, a flow path, and a push rod, and moves the push rod to open and close the flow passage simultaneously with pushing the spring. The opening / closing timing can be delayed by arbitrarily setting the spring force and the deformation amount.

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。   The present invention has been described in detail based on the above specific examples. However, the present invention is not limited to the above specific examples, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention.

例えば、上記実施形態では、磁性流体(冷媒)3の移動を磁気回路2からの磁気トルク(磁気吸引力)のみならず、開閉弁8、9を利用した圧力をも利用して実施しているが、前記圧力の利用は本発明において必須の構成要件ではなく、適宜削除することができる。   For example, in the above embodiment, the magnetic fluid (refrigerant) 3 is moved using not only the magnetic torque (magnetic attractive force) from the magnetic circuit 2 but also the pressure using the on-off valves 8 and 9. However, the use of the pressure is not an essential constituent element in the present invention, and can be appropriately deleted.

本発明の磁気冷凍デバイス及び磁気冷凍方法は、家庭用冷凍冷蔵庫および空調機、産業用冷凍冷蔵庫、大型冷凍冷蔵倉庫、液化ガス貯蔵・運搬用冷凍庫などの冷凍システムに適用しても良い。それぞれ、適用場所によって冷凍能力と制御温度域が異なるが、磁性材料の使用量により冷凍能力を可変させることが出来る。さらに、使用温度域については、磁性材料の材質を制御することで特定の温度域に合わせることが可能である。また、磁気冷凍デバイスの排熱を暖房として利用した家庭用空調機、産業用空調機などの空調システムにも適用することが出来る。冷却と発熱の両方を利用したプラントに適用しても良い。   The magnetic refrigeration device and the magnetic refrigeration method of the present invention may be applied to a refrigeration system such as a household refrigeration refrigerator and air conditioner, an industrial refrigeration refrigerator, a large-sized refrigerated refrigerator, a liquefied gas storage / transport refrigerator. Although the refrigeration capacity and the control temperature range differ depending on the application location, the refrigeration capacity can be varied depending on the amount of magnetic material used. Furthermore, the operating temperature range can be adjusted to a specific temperature range by controlling the material of the magnetic material. Further, the present invention can be applied to an air conditioning system such as a home air conditioner or an industrial air conditioner that uses the exhaust heat of the magnetic refrigeration device as heating. You may apply to the plant using both cooling and heat_generation | fever.

本発明の磁気冷凍デバイスの一例に係わる基本構成図である。It is a basic composition figure concerning an example of the magnetic refrigeration device of the present invention. 上記磁気冷凍デバイスの駆動システム図(磁界印加時)を示す図である。It is a figure which shows the drive system figure (at the time of a magnetic field application) of the said magnetic refrigeration device. 上記磁気冷凍デバイスの駆動システム図(磁界除去時)を示す図である。It is a figure which shows the drive system figure (at the time of magnetic field removal) of the said magnetic refrigeration device. 図1に示す磁気冷凍デバイスの変形例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the modification of the magnetic refrigeration device shown in FIG. 同じく、図1に示す磁気冷凍デバイスの変形例を示す構成図である。Similarly, it is a block diagram which shows the modification of the magnetic refrigeration device shown in FIG. 上記磁気冷凍デバイスにおける低温端と高温端との温度変化の時間依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the time dependence of the temperature change of the low temperature end and high temperature end in the said magnetic refrigeration device. Mn-Zn系感温性磁性流体の、磁化の温度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature dependence of magnetization of a Mn-Zn type thermosensitive magnetic fluid.

符号の説明Explanation of symbols

1…磁性体(磁性材料)
2…磁気回路
3…磁性流体(冷媒)
4…セパレータ
5…低温端
6…高温端
7…容器
8…磁界感応型開閉弁
9…リニア移動型開閉弁
10…ピストン
11…リニア駆動アクチュエータ
12…ばね装置
1 ... Magnetic material (magnetic material)
2. Magnetic circuit 3. Magnetic fluid (refrigerant)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 4 ... Separator 5 ... Low temperature end 6 ... High temperature end 7 ... Container 8 ... Magnetic field sensitive on-off valve 9 ... Linear movement type on-off valve 10 ... Piston 11 ... Linear drive actuator 12 ... Spring apparatus

Claims (6)

磁気熱量効果を有する磁性体と、
前記磁性体と接触するようにして配置された磁性流体と、
前記磁性体に対して磁界を印加するための磁界印加手段と、
前記磁界印加手段を所定の方向に往復させて前記磁性体に対する磁界の印加及び除去を繰り返す磁界印加除去手段とを具え、
前記磁性流体は、前記磁界の印加及び除去に起因した前記磁性体の吸熱及び発熱によって加熱及び冷却されるとともに、前記磁界印加手段の移動に起因した磁気吸引力によって移動することで、前記磁性体の両端に高温部と低温部とを生成することを特徴とする、磁気冷凍デバイス。
A magnetic material having a magnetocaloric effect;
A magnetic fluid disposed in contact with the magnetic body;
A magnetic field applying means for applying a magnetic field to the magnetic body;
Magnetic field application removing means that repeats application and removal of the magnetic field to and from the magnetic body by reciprocating the magnetic field application means in a predetermined direction,
The magnetic fluid is heated and cooled by heat absorption and heat generation of the magnetic body resulting from application and removal of the magnetic field, and is moved by a magnetic attraction force resulting from movement of the magnetic field application means, whereby the magnetic body A magnetic refrigeration device, characterized in that a high-temperature part and a low-temperature part are generated at both ends of the magnetic refrigeration device.
前記磁性流体は感温性磁性流体であることを特徴とする、請求項1に記載の磁気冷凍デバイス。   The magnetic refrigeration device according to claim 1, wherein the magnetic fluid is a temperature-sensitive magnetic fluid. 前記磁界生成手段は、永久磁石回路であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の磁気冷凍デバイス。   The magnetic refrigeration device according to claim 1, wherein the magnetic field generation unit is a permanent magnet circuit. 前記磁性流体を、圧力差を利用して前記磁性体の長さ方向に移動させるための弁及び弁開閉機構を具えることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一に記載の磁気冷凍デバイス。   The magnetism according to any one of claims 1 to 3, further comprising a valve and a valve opening / closing mechanism for moving the magnetic fluid in a length direction of the magnetic body using a pressure difference. Refrigeration device. 前記弁開閉機構は、前記磁界印加除去手段の駆動と同期して前記弁の開閉を行うように構成されたことを特徴とする、請求項4に記載の磁気冷凍デバイス。   5. The magnetic refrigeration device according to claim 4, wherein the valve opening / closing mechanism is configured to open and close the valve in synchronization with driving of the magnetic field application removing unit. 前記磁界印加除去手段はばね部材を含み、前記弁の開閉は前記ばね部材の伸縮に伴う機械的な遅延を伴ってなされることを特徴とする、請求項5に記載の磁気冷凍デバイス。   6. The magnetic refrigeration device according to claim 5, wherein the magnetic field application removing means includes a spring member, and the valve is opened and closed with a mechanical delay accompanying expansion and contraction of the spring member.
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