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JP2014095535A - Magnetic air-heating and cooling apparatus - Google Patents

Magnetic air-heating and cooling apparatus Download PDF

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JP2014095535A
JP2014095535A JP2012248690A JP2012248690A JP2014095535A JP 2014095535 A JP2014095535 A JP 2014095535A JP 2012248690 A JP2012248690 A JP 2012248690A JP 2012248690 A JP2012248690 A JP 2012248690A JP 2014095535 A JP2014095535 A JP 2014095535A
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Japan
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magnet
magnetic
magnetocaloric material
magnetocaloric
permanent magnets
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JP2012248690A
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Japanese (ja)
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Hidekazu Takahashi
秀和 高橋
Yutaka Tazaki
豊 田崎
Yoshiteru Yasuda
芳輝 保田
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic air-heating and cooling apparatus capable of applying intense magnetism with magneto-caloric materials.SOLUTION: Magneto-caloric materials 11 to 18 having two pieces in the radial direction (array direction), four arrays in the circumferential direction and eight pieces in the sum are arranged respectively at intervals, magnet structural bodies 21 and 25, 22 and 26, 23 and 27, and 24 and 28 which assume an upper and lower pair are arranged so as to hold the magneto-caloric materials 11 to 18 between the upper side and lower side upon magnetism application, in every other arrangement with respect to the array direction and the circumferential direction, and the respective magneto-caloric materials to constitute a magnetic circuit. In a magnetic air-heating and cooling apparatus, the respective magnet structural bodies 21 to 28 are made of a plurality of permanent magnets having a Halbach array in which directions of magnetization are different from each other and are arranged such that both directions of magnetic field lines formed by the magnet structural bodies get to the same direction between a pair of magnet structural bodies 21, 25.

Description

本発明は、磁気冷暖房装置に関する。   The present invention relates to a magnetic air conditioner.

従来用いられている室温域の冷凍装置、たとえば、冷蔵庫、冷凍庫、エアコンなどの冷凍装置の大半は、フロンガスや代替フロンガスなどの気体冷媒の熱伝達を利用している。最近では、フロンガスの排出に伴うオゾン層破壊の問題が露呈し、さらに、代替フロンガスの排出に伴う地球温暖化への影響も懸念されている。このため、フロンガスや代替フロンガスなどの気体冷媒を用いた冷凍装置に代わる、クリーンでかつ熱輸送能力の高い、革新的な冷凍装置の開発が強く望まれている。   Most of refrigeration apparatuses conventionally used at room temperature, such as refrigerators, freezers, and air conditioners, use heat transfer of gaseous refrigerants such as CFCs and CFCs. Recently, the problem of ozone depletion due to the emission of chlorofluorocarbons has been exposed, and there is also concern about the impact on global warming caused by the emission of alternative chlorofluorocarbons. For this reason, there is a strong demand for the development of an innovative refrigeration apparatus that is clean and has a high heat transport capability, replacing the refrigeration apparatus that uses a gaseous refrigerant such as chlorofluorocarbon gas or alternative chlorofluorocarbon gas.

このような背景から、最近になって注目されるようになった冷凍技術が磁気冷凍技術である。磁性体の中には、その磁性体に印加する磁界の大きさが変化すると、その変化に応じて自身の温度が変化する、いわゆる磁気熱量効果(MCE:Magnetocaloric Effect)を発現するものがある。このような磁気熱量効果により温度変化する磁性体は磁気熱量材料(MCM:Magnetocaloric Effect Materials)と称されている(磁気熱量効果材料と称されることもある)。そして、この磁気熱量効果を発現する磁性体を利用して熱を輸送する冷凍技術が磁気冷凍技術である。   Against this background, the refrigeration technology that has recently attracted attention is the magnetic refrigeration technology. Some magnetic materials exhibit a so-called magnetocaloric effect (MCE) in which the temperature of the magnetic material changes according to the change in the magnitude of the magnetic field applied to the magnetic material. Such a magnetic substance that changes in temperature due to the magnetocaloric effect is called a magnetocaloric material (MCM) (sometimes called a magnetocaloric effect material). A refrigeration technique that transports heat using a magnetic material that exhibits this magnetocaloric effect is a magnetic refrigeration technique.

磁気冷凍技術を応用したものとしては、たとえば、固体物質の熱伝達を利用して熱を輸送する磁気冷暖房装置がある(特許文献1)。この磁気冷暖房装置は以下のような構成によって熱を伝達させる。   As an application of the magnetic refrigeration technology, for example, there is a magnetic air conditioner that transports heat using heat transfer of a solid substance (Patent Document 1). This magnetic air conditioner transmits heat by the following configuration.

磁気を印加すると温度が上昇する正の磁気熱量材料と、磁気を印加すると温度が下降する負の磁気熱量材料とを、所定の間隔で交互に配置する。正負一対の磁気熱量材料で1つの磁気熱量材料ブロックを形成する。この磁気熱量材料ブロックを環状に複数個配置して磁気熱量材料ユニットを形成する。磁気熱量材料ユニットに配置された正負の磁気熱量材料の間で挿脱される熱伝達部材を正負の磁気熱量材料の間に配置する。この磁気熱量材料ユニットと同心で内径と外径が略等しいハブ状の回転体に永久磁石を配置して磁気回路を形成する。そして、永久磁石が配置されている回転体を磁気熱量材料ユニットと対向するように配置して磁気熱量材料ユニットに対し相対的に回転させる。この回転体の回転によって正負の磁気熱量材料に同時に磁気が印加されまた除去される。この回転体の回転に伴って熱伝達部材を一定のタイミングで正負の磁気熱量材料の間に挿脱させる。磁気熱量効果により磁気熱量材料が発生する熱を、熱伝達部材を介して磁気熱量材料が配置される一方向に輸送する。   A positive magnetocaloric material whose temperature increases when magnetism is applied and a negative magnetocaloric material whose temperature decreases when magnetism is applied are alternately arranged at predetermined intervals. One magnetocaloric material block is formed by a pair of positive and negative magnetocaloric materials. A plurality of magnetocaloric material blocks are arranged annularly to form a magnetocaloric material unit. The heat transfer member inserted and removed between the positive and negative magnetocaloric materials arranged in the magnetocaloric material unit is arranged between the positive and negative magnetocaloric materials. A permanent magnet is arranged on a hub-like rotating body that is concentric with the magnetocaloric material unit and has substantially the same inner diameter and outer diameter to form a magnetic circuit. And the rotary body in which the permanent magnet is arrange | positioned is arrange | positioned so as to oppose a magnetocaloric material unit, and it rotates relatively with respect to a magnetocaloric material unit. The rotation of the rotating body simultaneously applies and removes magnetism to the positive and negative magnetocaloric materials. As the rotating body rotates, the heat transfer member is inserted and removed between the positive and negative magnetocaloric materials at a fixed timing. The heat generated by the magnetocaloric material due to the magnetocaloric effect is transported in one direction in which the magnetocaloric material is disposed via the heat transfer member.

このような磁気冷暖房装置において、磁気熱量材料に磁気を印加するための磁気回路に磁化の向きを90°回転させて円環状ハルバッハ配列とした永久磁石を使用し、磁石の端部がなくなるように構成した技術がある(特許文献2)。   In such a magnetic air conditioner, a permanent magnet is used in which a magnetic circuit for applying magnetism to a magnetocaloric material is rotated by 90 ° in an annular Halbach array so that the end of the magnet is eliminated. There is a configured technology (Patent Document 2).

この技術では、対にした円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路を、互いの磁極が対向するように配置して、その間に磁気熱量材料を配置している。   In this technology, a pair of annular Halbach array permanent magnet magnetic circuits are arranged so that their magnetic poles face each other, and a magnetocaloric material is arranged therebetween.

特開2007−147209号公報JP 2007-147209 A 特開2011−226735号公報JP 2011-226735 A

しかしながら、特許文献2の技術では、対となった永久磁石の間の磁気熱量材料が配置されている部分では、それぞれの永久磁石によって形成される磁力線の向きが反対となる部分と磁力線の向きが同じになる部分ができる。磁力線の向きが反対となる部分では磁気熱量材料に作用する磁力が弱くなってしまうため、このような磁力線の向きが反対となる部分は、磁場印加には使えない。そこで従来技術では磁力線の向きが同じになる部分のみを使用して磁気熱量材料に磁気(磁場)を印加するようにしている。   However, in the technique of Patent Document 2, in the portion where the magnetocaloric material is disposed between the paired permanent magnets, the direction of the magnetic lines of force is opposite to the direction of the magnetic lines of force formed by the respective permanent magnets. The part which becomes the same is made. Since the magnetic force acting on the magnetocaloric material is weakened in the part where the direction of the magnetic field lines is opposite, the part where the direction of the magnetic field lines is opposite cannot be used for applying the magnetic field. Therefore, in the prior art, only the part where the direction of the magnetic field lines is the same is used to apply magnetism (magnetic field) to the magnetocaloric material.

このため、従来技術では、磁気熱量材料の使用量に対して大量の磁石を使うことになってしまい、永久磁石の利用効率がわるいものとなっている。   For this reason, in a prior art, a large amount of magnets will be used with respect to the usage-amount of a magnetocaloric material, and the utilization efficiency of a permanent magnet will be bad.

そこで本発明の目的は、磁気回路で強い磁場を発生させることができ、かつ永久磁石の利用効率のよい磁気冷暖房装置を提供することである。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a magnetic air conditioner that can generate a strong magnetic field with a magnetic circuit and has a high utilization efficiency of a permanent magnet.

上記目的を達成するための本発明に係る磁気冷暖房装置は、間隔を設けて列状に配置され、磁気の印加および除去により温度変化する複数の磁気熱量材料と、複数の磁気熱量材料のそれぞれへの磁気の印加および除去を行うための磁気回路と、を有する。そしてこの磁気回路は、磁気熱量材料に磁気を印加する状態において、磁気熱量材料を間に挟んで一対となる磁石構造体からなる。この磁石構造体は、磁化の向きが互いに異なるハルバッハ配列とした複数の永久磁石からなり、磁石構造体によって形成される磁力線の向きが、一対の磁石構造体の間において一対の磁石構造体の両方とも同じ方向である。   In order to achieve the above object, a magnetic air-conditioning apparatus according to the present invention is arranged in rows at intervals, and each of a plurality of magnetocaloric materials that change temperature by applying and removing magnetism and a plurality of magnetocaloric materials. And a magnetic circuit for applying and removing the magnetism. This magnetic circuit is composed of a pair of magnet structures sandwiching the magnetocaloric material in a state where magnetism is applied to the magnetocaloric material. This magnet structure is composed of a plurality of permanent magnets having a Halbach arrangement in which the directions of magnetization are different from each other, and the direction of the lines of magnetic force formed by the magnet structure is both between the pair of magnet structures. Both are in the same direction.

本発明に係る磁気冷暖房装置によれば、それぞれ磁化方向が異なるハルバッハ配列とした複数の永久磁石からなる磁石構造体を一対としてその間に磁気熱量材料を配置している。そして一対となった磁石構造体のそれぞれによって発生する磁力線の向きが、一対となった磁石構造体の間では同じ向きとなるようにした。これにより一対となった磁石構造体の間に作用する磁力は同じ向きとなるので、その間にある磁気熱量材料に対してより強い磁気を印加することができる。したがって、磁気熱量材料に対して、少ない永久磁石により効率良く、強い磁気(磁場)を印加できるようになる。   According to the magnetic air conditioner according to the present invention, a magnetocaloric material is disposed between a pair of magnet structures composed of a plurality of permanent magnets each having a Halbach array having different magnetization directions. And the direction of the magnetic force line which generate | occur | produces by each of a pair of magnet structure was made to become the same direction between a pair of magnet structures. Thereby, since the magnetic force which acts between a pair of magnet structures becomes the same direction, stronger magnetism can be applied to the magnetocaloric material between them. Therefore, a strong magnetism (magnetic field) can be efficiently applied to the magnetocaloric material with a small number of permanent magnets.

実施形態の磁気冷暖房装置の構成を説明するための概略斜視図である。It is a schematic perspective view for demonstrating the structure of the magnetic air conditioning apparatus of embodiment. 磁気冷暖房装置の半径方向の断面図である。It is sectional drawing of the radial direction of a magnetic air conditioning apparatus. 磁石構造体の構成を説明するための図であって、一対となった磁石構造体とその間の磁気熱量材料を示す断面図である。It is a figure for demonstrating the structure of a magnet structure, Comprising: It is sectional drawing which shows the magnet structure which became a pair, and the magnetocaloric material between them. ハルバッハ配列の磁石構造体の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the magnet structure of a Halbach arrangement. ハルバッハ配列の磁石構造体の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the magnet structure of a Halbach arrangement. ハルバッハ配列とした永久磁石の列の両端に軟磁性材料からなる部材を配置した例を示す図である。It is a figure which shows the example which has arrange | positioned the member which consists of a soft-magnetic material to the both ends of the row | line | column of the permanent magnet made into the Halbach arrangement | sequence. (a)は実施例1のモデルを示す図であり、(b)は実施例1のモデルによる磁場解析のシミュレーション結果である磁気特性プロファイルを示すコンピュータ出力された図である。(A) is a figure which shows the model of Example 1, (b) is the figure output by the computer which shows the magnetic characteristic profile which is a simulation result of the magnetic field analysis by the model of Example 1. FIG. (a)は比較例1のモデルを示す図であり、(b)は比較例1のモデルによる磁場解析のシミュレーション結果である磁気特性プロファイルを示すコンピュータ出力された図である。(A) is a figure which shows the model of the comparative example 1, (b) is the figure output by the computer which shows the magnetic characteristic profile which is the simulation result of the magnetic field analysis by the model of the comparative example 1. (a)は比較例2のモデルを示す図であり、(b)は比較例2のモデルによる磁場解析のシミュレーション結果である磁気特性プロファイルを示すコンピュータ出力された図である。(A) is a figure which shows the model of the comparative example 2, (b) is the figure output by the computer which shows the magnetic characteristic profile which is a simulation result of the magnetic field analysis by the model of the comparative example 2. (a)は実施例2のモデルを示す図であり、(b)は実施例2のモデルによる磁場解析のシミュレーション結果である磁気特性プロファイルを示すコンピュータ出力された図である。(A) is a figure which shows the model of Example 2, (b) is the figure output by the computer which shows the magnetic characteristic profile which is a simulation result of the magnetic field analysis by the model of Example 2. FIG. (a)は実施例3のモデルを示す図であり、(b)は実施例3のモデルによる磁場解析のシミュレーション結果である磁気特性プロファイルを示すコンピュータ出力された図である。(A) is a figure which shows the model of Example 3, (b) is the figure output by the computer which shows the magnetic characteristic profile which is a simulation result of the magnetic field analysis by the model of Example 3. FIG. 実施形態2における磁気暖房装置の直径方向断面図である。It is sectional drawing of the diameter direction of the magnetic heating apparatus in Embodiment 2. FIG. (a)は実施形態2における磁気熱量材料の配置を示す平面図、(b)は実施形態2における磁石構造体の配置を示す平面図である。(A) is a top view which shows arrangement | positioning of the magnetocaloric material in Embodiment 2, (b) is a top view which shows arrangement | positioning of the magnet structure in Embodiment 2. FIG. 実施形態2の作用を説明するための図で磁気暖房装置の部分拡大図である。It is a figure for demonstrating the effect | action of Embodiment 2, and is the elements on larger scale of a magnetic heating apparatus. 実施形態2と比較するためのヨーク付き積層形態の拡大図である。It is an enlarged view of a laminated form with a yoke for comparison with the second embodiment.

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and are different from the actual ratios.

(実施形態1)
図1は、実施形態の磁気冷暖房装置の構成を説明するための概略分解斜視図である。また図2は、磁気冷暖房装置の半径方向の断面図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic exploded perspective view for explaining the configuration of the magnetic air conditioner according to the embodiment. Moreover, FIG. 2 is sectional drawing of the radial direction of a magnetic air conditioning apparatus.

図示する磁気冷暖房装置1は、外形が円筒形状をなし、中心部から外周方向へ熱を移動する。このため半径方向(列方向)に2個、円周方向に4列、合計8個の磁気熱量材料11〜18がそれぞれ間隔をあけて配置されている。   The magnetic cooling / heating apparatus 1 shown in the figure has a cylindrical outer shape, and moves heat from the center to the outer circumferential direction. For this reason, a total of eight magnetocaloric materials 11 to 18 are arranged at intervals, two in the radial direction (row direction) and four in the circumferential direction.

そして、磁気熱量材料を磁気印加時に上下から挟むように、上下で一対となる磁石構造体21〜28が、円周方向および列方向にそれぞれ磁気熱量材料に対して一つおきとなるように配置されて磁気回路を構成している。ここでは、磁石構造体21と25、22と26、23と27、24と28がそれぞれ一対となっている(上側が21〜24、下側が25〜28)。たとえば、磁気熱量材料11および15の部分の半径方向断面を見れば、図2に示すように、一対となった磁石構造体21と25が磁気熱量材料11の上下に位置して、磁気熱量材料11に対して磁気を印加する状態となっている。   And so that the magnetocaloric material is sandwiched from above and below when magnetism is applied, a pair of upper and lower magnet structures 21 to 28 are arranged so as to be alternately arranged with respect to the magnetocaloric material in the circumferential direction and the column direction, respectively. This constitutes a magnetic circuit. Here, the magnet structures 21 and 25, 22 and 26, 23 and 27, and 24 and 28 are paired (the upper side is 21 to 24 and the lower side is 25 to 28). For example, when the radial cross section of the portions of the magnetocaloric materials 11 and 15 is viewed, a pair of magnet structures 21 and 25 are positioned above and below the magnetocaloric material 11 as shown in FIG. 11 is in a state in which magnetism is applied.

磁石構造体21〜24および25〜28はそれぞれが円盤状の基板20に固定されていて、各基板20が連動して回転することで磁気熱量材料11〜18に対して、その上下から磁気の印加、除去を行う。基板20は、低温側熱交換器41(後述)に対して、回転自在となるようにボールベアリングなどの軸受(不図示)によって接続されている。   Each of the magnet structures 21 to 24 and 25 to 28 is fixed to a disk-shaped substrate 20, and each substrate 20 rotates in conjunction with each other so that the magnetocaloric materials 11 to 18 are magnetized from above and below. Apply and remove. The board | substrate 20 is connected with respect to the low temperature side heat exchanger 41 (after-mentioned) by bearings (not shown), such as a ball bearing, so that rotation is possible.

この磁石構造体21〜28は、一つひとつの磁石構造体が複数の永久磁石をハルバッハ配列した構造となっている。磁石構造体の詳細な構造については後述する。   Each of the magnet structures 21 to 28 has a structure in which each magnet structure is a Halbach array of a plurality of permanent magnets. The detailed structure of the magnet structure will be described later.

磁気冷暖房装置の中心部には低温側熱交換器41、外周には高温側熱交換器42が備えられている(両者を区別しない場合は単に熱交換器という)。低温側熱交換器41は、たとえば円筒形の熱伝導部材、あるは円筒形の内部に流体を流すことでさらに熱を移動させることができるようにしてあってもよい。一方、高温側熱交換器42は、磁気冷暖房装置1を覆う外形が円筒形状の筐体(不図示)と接続され、外部に熱を放出する。円筒形状の筐体には放熱フィンを設けたり、あるいは高温側熱交換器42内に流体を流すことでさらに熱を移動させることができるようにしてあってもよい。   A low temperature side heat exchanger 41 is provided at the center of the magnetic air conditioner, and a high temperature side heat exchanger 42 is provided at the outer periphery (in the case where the two are not distinguished from each other, simply referred to as a heat exchanger). The low temperature side heat exchanger 41 may be configured such that, for example, heat can be further transferred by flowing a fluid through a cylindrical heat conducting member or inside the cylindrical shape. On the other hand, the high temperature side heat exchanger 42 is connected to a casing (not shown) whose outer shape covers the magnetic air conditioner 1 and discharges heat to the outside. The cylindrical housing may be provided with heat radiating fins, or the heat may be further transferred by flowing a fluid through the high temperature side heat exchanger 42.

低温側熱交換器41、磁気熱量材料11〜18、および高温側熱交換器42の、それぞれの列方向の間、すなわち、低温側熱交換器41と磁気熱量材料15の間、磁気熱量材料15と11の間、磁気熱量材料11と高温側熱交換器42の間には熱スイッチ31、32、33が設けられている。低温側熱交換器41と磁気熱量材料16の間、磁気熱量材料16と12の間、磁気熱量材料12と高温側熱交換器42の間、低温側熱交換器41と磁気熱量材料17の間、磁気熱量材料17と13の間、磁気熱量材料13と高温側熱交換器42の間、低温側熱交換器41と磁気熱量材料18の間、磁気熱量材料18と14の間、磁気熱量材料14と高温側熱交換器42の間(以下ではこれらの間を磁気熱量材料等の間という場合がある)にも、それぞれ中心側から順に熱スイッチ31、32、33が設けられているが、図1においては図面の見易さを考慮し、省略した。   Between the low-temperature side heat exchanger 41, the magnetocaloric materials 11 to 18 and the high-temperature side heat exchanger 42 in the respective column directions, that is, between the low-temperature side heat exchanger 41 and the magnetocaloric material 15, the magnetocaloric material 15 11, and between the magnetocaloric material 11 and the high temperature side heat exchanger 42, thermal switches 31, 32, 33 are provided. Between the low temperature side heat exchanger 41 and the magnetocaloric material 16, between the magnetocaloric material 16 and 12, between the magnetocaloric material 12 and the high temperature side heat exchanger 42, and between the low temperature side heat exchanger 41 and the magnetocaloric material 17 , Between the magnetocaloric material 17 and 13, between the magnetocaloric material 13 and the high temperature side heat exchanger 42, between the low temperature side heat exchanger 41 and the magnetocaloric material 18, between the magnetocaloric material 18 and 14, and the magnetocaloric material. 14 and the high temperature side heat exchanger 42 (hereinafter sometimes referred to as a magnetocaloric material, etc.) are also provided with thermal switches 31, 32, 33 in order from the center side. In FIG. 1, the illustration is omitted for the sake of easy viewing.

また、磁気熱量材料11〜18のそれぞれの円周方向の間は空間または断熱材によって互いに熱的に隔離されている。   Further, between the respective circumferential directions of the magnetocaloric materials 11 to 18 are thermally isolated from each other by a space or a heat insulating material.

以下、このように構成された磁気冷暖房装置の各部について説明する。   Hereinafter, each part of the magnetic air conditioning apparatus comprised in this way is demonstrated.

磁気熱量材料11〜18は、磁気を印加すると発熱し除去すると吸熱する正の磁気熱量材料を用いるか、磁気を印加すると吸熱し除去すると発熱する負の磁気熱量材料のいずれか一方のみを用いる。正の磁気熱量材料と負の磁気熱量材料とでは、発現される磁気熱量効果が正反対であり、磁気熱量効果の種類が異なる。本実施形態では、負の磁気熱量材料に比較して安価な正の磁気熱量材料を用いている。これは、負の磁気熱量材料は希少な磁気熱量材料から製造しなければならないのでコスト高になるし、負の磁気熱量材料の磁気熱量効果の大きさが正の磁気熱量材料の磁気熱量効果の大きさよりも小さいからである。   As the magnetocaloric materials 11 to 18, either a positive magnetocaloric material that generates heat and absorbs heat when applied with magnetism, or a negative magnetocaloric material that generates heat when absorbed and removed with magnetism is used. A positive magnetocaloric material and a negative magnetocaloric material are opposite in the magnetocaloric effect that is manifested, and differ in the type of magnetocaloric effect. In this embodiment, a positive magnetocaloric material that is cheaper than a negative magnetocaloric material is used. This is because the negative magnetocaloric material must be manufactured from a rare magnetocaloric material, which is costly and the magnitude of the magnetocaloric effect of the negative magnetocaloric material is that of the magnetocaloric effect of the positive magnetocaloric material. This is because it is smaller than the size.

熱スイッチ31〜33はいずれも同じものであり、磁気熱量材料等の間で、熱の伝達、遮断を行う。熱スイッチとしては、たとえば、金属/絶縁相転移体を用いることができる。金属/絶縁相転移体は、電圧を印加すると絶縁体から金属に相転移し、熱伝導率が大きくなり、逆に、電圧を遮断すると金属から絶縁体に相転移し、熱伝導率が小さくなる性質を持つものである。金属と絶縁体の相互間の相転移を示す絶縁体は、無機酸化物モット絶縁体または有機モット絶縁体がある。無機酸化物モット絶縁体は少なくとも遷移金属元素を含む。モット絶縁体としては、LaTiO、SrRuO、BEDT−TTF(TCNQ)が知られている。金属と絶縁体の相互間の相転移が可能なデバイスとして現在知られているものは、ZnO単結晶薄膜電気二重層FET、TMTSF/TCNQ積層型FET素子がある。熱は、熱電子および格子結晶によって移送することができる。ZnO単結晶薄膜電気二重層FETおよびTMTSF/TCNQ積層型FET素子は、電圧を印加すると熱電子が活発に移動するようになる性質を利用する。より具体的には、金属/絶縁相転移体に、少なくとも遷移金属元素を含む無機酸化物モット絶縁体、有機モット絶縁体、ZnO単結晶薄膜電気二重層FET、TMTSF/TCNQ積層型FET素子など、電圧の印加除去によって熱伝導率が大きく変化するものを用いることが好ましい。 The thermal switches 31 to 33 are all the same, and transfer and block heat between magnetocaloric materials and the like. As the thermal switch, for example, a metal / insulating phase transition body can be used. When a voltage is applied to a metal / insulating phase transition body, the phase transition from the insulator to the metal increases, and the thermal conductivity increases. Conversely, when the voltage is cut off, the phase transition from the metal to the insulator causes a decrease in thermal conductivity. It has a property. An insulator exhibiting a phase transition between a metal and an insulator is an inorganic oxide mott insulator or an organic mott insulator. The inorganic oxide Mott insulator includes at least a transition metal element. As the Mott insulator, LaTiO 3 , SrRuO 4 , and BEDT-TTF (TCNQ) are known. Currently known devices capable of phase transition between metal and insulator include a ZnO single crystal thin film electric double layer FET and a TMTSF / TCNQ stacked FET element. Heat can be transferred by thermionic and lattice crystals. The ZnO single crystal thin film electric double layer FET and the TMTSF / TCNQ stacked FET element utilize the property that the thermal electrons move actively when a voltage is applied. More specifically, an inorganic oxide Mott insulator, an organic Mott insulator, a ZnO single crystal thin film electric double layer FET, a TMTSF / TCNQ stacked FET element, etc. containing at least a transition metal element in a metal / insulating phase transition body, It is preferable to use a material whose thermal conductivity changes greatly by applying and removing voltage.

熱スイッチ31〜33は、このような金属/絶縁相転移体を用いたものに限定されるものではなく、そのほかさまざまな形態のものを使用してもよい。たとえば、磁石構造体を固定した円盤に取り付けて、円盤の回転により磁気熱量材料等の間を移動する熱伝導部材を用いてもよい。熱伝導部材としては、熱伝導のよい金属、たとえばアルミニウム、ニッケル、鉄、あるいはさまざまな金属の合金などを用いることができる。   The thermal switches 31 to 33 are not limited to those using such a metal / insulating phase transition body, and various other forms may be used. For example, you may use the heat conductive member attached to the disk which fixed the magnet structure, and moving between magnetocaloric materials etc. by rotation of a disk. As the heat conducting member, a metal having good heat conduction, such as aluminum, nickel, iron, or alloys of various metals can be used.

磁石構造体21〜28について説明する。図3は、磁石構造体の構成を説明するための図であって、一対となった磁石構造体とその間の磁気熱量材料を示す断面図である。   The magnet structures 21 to 28 will be described. FIG. 3 is a view for explaining the configuration of the magnet structure, and is a cross-sectional view showing a pair of magnet structures and a magnetocaloric material therebetween.

本実施形態で用いている一つひとつの磁石構造体は、それぞれ磁化方向の異なる複数の永久磁石を接合して一体化したものである。   Each magnet structure used in this embodiment is formed by joining and integrating a plurality of permanent magnets having different magnetization directions.

磁石構造体21は、90度ずつ漸次変化させたハルバッハ配列の3個の永久磁石を1セットとして、このセットを2セット連続して接合し、合計6個の永久磁石の列としている。各セット211と212における各永久磁石の磁化の向きは、磁化方向が変化する向きが互いに逆回転するようにしている。すなわち、第1セット211は、磁化の向きが上向き(これを0度とする)の永久磁石201から始まり、90度反時計回りに変化した永久磁石202、さらに90度反時計回りに変化した永久磁石203からなる。第2セット212は、磁化の向きが第1セット211とは逆回転するように変化している。すなわち、90度ずつ180度になるまで時計回りに変化するように3個の永久磁石201、204、203を配列している。図においては、永久磁石内の矢印が磁化の向きを示しており、磁化の向きが同じ永久磁石を同じ符号で示した(他の図においても同様)。   The magnet structure 21 includes three permanent magnets in a Halbach array that are gradually changed by 90 degrees as one set, and two sets of these magnets are joined in succession to form a row of a total of six permanent magnets. The direction of magnetization of each permanent magnet in each of the sets 211 and 212 is set so that the directions in which the magnetization direction changes are opposite to each other. That is, the first set 211 starts with a permanent magnet 201 whose magnetization direction is upward (this is assumed to be 0 degree), changes to 90 degrees counterclockwise, and further changes to 90 degrees counterclockwise. It consists of a magnet 203. The second set 212 changes so that the magnetization direction rotates in the reverse direction to the first set 211. In other words, the three permanent magnets 201, 204, and 203 are arranged so as to change clockwise until 90 degrees reaches 180 degrees. In the figure, arrows in the permanent magnets indicate the direction of magnetization, and permanent magnets having the same magnetization direction are denoted by the same reference numerals (the same applies to other figures).

磁石構造体21の対になる磁石構造体25は、同様にハルバッハ配列とした複数の永久磁石を2セット用いているが、各永久磁石の磁化方向は磁石構造体21と逆になるように配列してある。すなわち、磁石構造体25の第1セット251は、下向きの永久磁石203から始まり、時計回りに90度変化した永久磁石204、さらに90度時計回りに変化した永久磁石201となるように配列している。第2セット252は、これとは逆回転方向(反時計回り)に3個の永久磁石203、202、201と配列されている。   The magnet structure 25 that forms a pair with the magnet structure 21 uses two sets of a plurality of permanent magnets similarly arranged in a Halbach array, but is arranged so that the magnetization direction of each permanent magnet is opposite to that of the magnet structure 21. It is. That is, the first set 251 of the magnet structure 25 is arranged so as to be a permanent magnet 204 that changes 90 degrees clockwise, and a permanent magnet 201 that changes 90 degrees clockwise, starting from the downward permanent magnet 203. Yes. The second set 252 is arranged with three permanent magnets 203, 202, 201 in the reverse rotation direction (counterclockwise).

これにより一対となる磁石構造体21および25においては、それぞれを構成する永久磁石の磁化の向きが互いに対向する位置にある永久磁石同士で逆向きとなっているのである。   As a result, in the magnet structures 21 and 25 that form a pair, the permanent magnets that constitute each of the magnet structures 21 and 25 are in the opposite directions between the permanent magnets that are in positions facing each other.

このように構成された磁石構造体は、略8の字を横にした磁場が発生する。図においては、相対的に強い磁場を実線、弱い磁場を点線で示し、それらの矢印が発生する磁場における磁力線の方向を示している(後述の各図においても同様)。   The magnet structure configured in this manner generates a magnetic field with the shape of approximately 8 in the horizontal direction. In the figure, a relatively strong magnetic field is indicated by a solid line, a weak magnetic field is indicated by a dotted line, and the direction of the magnetic force lines in the magnetic field generated by these arrows is indicated (the same applies to each figure described later).

一つの磁石構造体21に着目すれば、左側の第1セット211は上で強く下で弱い磁場が発生し、右側の第2セット212は上で弱く下で強い磁場が発生する。   Focusing on one magnet structure 21, the first set 211 on the left side generates a strong magnetic field on the lower side and the second set 212 on the right side generates a weak magnetic field on the lower side.

一方、磁石構造体21に対して各永久磁石の磁化の向きを逆にした磁石構造体25においては、左側の第1セット251は上で強く下で弱い磁場が発生し、右側の第2セット212は上で弱く下で強い磁場が発生する。   On the other hand, in the magnet structure 25 in which the magnetization direction of each permanent magnet is reversed with respect to the magnet structure 21, the first set 251 on the left side generates a weak magnetic field on the upper side and the second set on the right side. 212 is weak at the top and a strong magnetic field is generated at the bottom.

すなわち、このようなハルバッハ配列とした複数の永久磁石によって磁石構造体は特定の方向、ここでは磁石構造体の上または下に強い磁場を形成することができるのである。   That is, the magnet structure can form a strong magnetic field in a specific direction, here, above or below the magnet structure, by a plurality of permanent magnets having such a Halbach array.

これにより上下一対の磁石構造体21および25の間、すなわち磁気熱量材料11が存在している部分では、それぞれの磁石構造体21および25により生じる磁場の磁力線の向きが同じになる。このため上下一対の磁石構造体21および25の間に配置される磁気熱量材料11には、上下一対の磁石構造体21および25によって強められた磁気(磁場)が印加されることになる。図では一対の磁石構造体21および25の間で左向きの磁力線となるようにしているが、これは逆向きとなるように一対の磁石構造体21および25を上下逆に配置してもよい。   As a result, the direction of the lines of magnetic force generated by the magnet structures 21 and 25 is the same between the pair of upper and lower magnet structures 21 and 25, that is, in the portion where the magnetocaloric material 11 is present. Therefore, the magnetism (magnetic field) strengthened by the pair of upper and lower magnet structures 21 and 25 is applied to the magnetocaloric material 11 disposed between the pair of upper and lower magnet structures 21 and 25. In the figure, the left magnetic field lines are formed between the pair of magnet structures 21 and 25. However, the pair of magnet structures 21 and 25 may be arranged upside down so as to be reversed.

このようなハルバッハ配列とする永久磁石の数は、6個に限定されるものではなく、多様なバリエーションが可能である。   The number of permanent magnets having such a Halbach array is not limited to six, and various variations are possible.

図4および図5は、ハルバッハ配列の磁石構造体の他の例を示す図である。   4 and 5 are diagrams showing another example of the magnet structure of the Halbach array.

たとえば、図4の例は一対の磁石構造体21および25をそれぞれ10個の磁石による構成したものである。   For example, in the example of FIG. 4, each of the pair of magnet structures 21 and 25 is constituted by 10 magnets.

磁石構造体21は、磁化の方向を45度ずつ、180度になるまで反時計回り方向に漸次変化させたハルバッハ配列の5個の永久磁石201,205,202,206,203を第1セット211とし、これに磁化方向が時計回りに漸次変化するようにした永久磁石201,207,204,208,203を第2セットとして接合している。発生する磁場は図において略8の字を横にした磁場となり、第1セット211では上で強く、下で弱い。第2セット212では下で強く、上で弱い。   The magnet structure 21 includes five permanent magnets 201, 205, 202, 206, and 203 in a Halbach array in which the magnetization direction is gradually changed by 45 degrees in a counterclockwise direction until reaching 180 degrees. The permanent magnets 201, 207, 204, 208, 203 whose magnetization direction gradually changes in the clockwise direction are joined as a second set. The generated magnetic field is a magnetic field in which a figure of 8 is placed horizontally, and is strong at the top in the first set 211 and weak at the bottom. In the second set 212, it is strong at the bottom and weak at the top.

磁石構造体25は、磁化の方向を45度ずつ、180度になるまで反時計回り方向に漸次変化させたハルバッハ配列の5個の永久磁石203,208,204,207,201を第1セット251とし、これに磁化方向が時計回りに漸次変化するようにした永久磁石203,206,204,208,201を第2セットとして接合している。発生する磁場は図において略8の字を横にした磁場であり、第1セット251では上で強く、下で弱い。第2セット252では下で強く、上で弱い。   The magnet structure 25 includes five permanent magnets 203, 208, 204, 207, 201 in a Halbach array in which the direction of magnetization is gradually changed by 45 degrees and counterclockwise until it reaches 180 degrees in a first set 251. The permanent magnets 203, 206, 204, 208, 201 whose magnetization direction gradually changes clockwise are joined as a second set. The generated magnetic field is a magnetic field in which the figure of 8 is placed horizontally, and is strong at the top in the first set 251 and weak at the bottom. The second set 252 is strong at the bottom and weak at the top.

このように、一つの磁石構造体を構成する永久磁石の数を増やしても、磁石構造体21および25の間では、磁力線が同じ方向を向いて強い磁場を得ることができる。   Thus, even if the number of permanent magnets constituting one magnet structure is increased, a strong magnetic field can be obtained between the magnet structures 21 and 25 with the lines of magnetic force directed in the same direction.

また図5(a)および(b)の例では、それぞれ1セットだけ使用した例である。図54(a)は、磁化方向を90度ずつずらしてハルバッハ配列とした3個の永久磁石201,202,203によって一つの磁石構造体21、同様に3個の永久磁石203,204,201によって一つの磁石構造体25を構成しこれらが一対となっている。   In the examples of FIGS. 5A and 5B, only one set is used. FIG. 54 (a) shows that one permanent magnet 201, 202, 203 has a magnetization structure shifted by 90 degrees to form a Halbach array, one magnet structure 21, and similarly three permanent magnets 203, 204, 201. One magnet structure 25 is formed and these are paired.

また、図5(B)は磁化の方向を45度ずつ、180度になるまで反時計回り方向に漸次変化させたハルバッハ配列の5個の永久磁石201,205,202,206,203で磁石構造体21を構成し、同様に5個の永久磁石203,208,204,207,201で磁石構造体25を構成している。   FIG. 5B shows a magnet structure including five permanent magnets 201, 205, 202, 206, and 203 in a Halbach array in which the magnetization direction is gradually changed by 45 degrees and counterclockwise until 180 degrees. The body 21 is comprised, and the magnet structure 25 is comprised similarly by the five permanent magnets 203,208,204,207,201.

このように1セット分の磁石構造体であっても、図3および図4で説明したものと同様に、上に強く、下に弱い磁場が発生し、結果的に磁石構造体21および25の間では、磁力線が同じ方向を向き強い磁場を得ることができる。   Thus, even with one set of magnet structures, a strong magnetic field is generated on the upper side and a weak magnetic field is generated on the lower side, as described with reference to FIGS. In between, a strong magnetic field can be obtained in which the magnetic field lines are directed in the same direction.

これら以外にも、1セット分をさらに多くの永久磁石で構成したり、一つの磁石構造体をさらに多くのセットにより構成してもよい。   In addition to these, one set may be composed of more permanent magnets, or one magnet structure may be composed of more sets.

図6は、ハルバッハ配列とした永久磁石の列の両端に軟磁性材料からなる部材を配置した例を示す図である。   FIG. 6 is a diagram showing an example in which members made of a soft magnetic material are arranged at both ends of a permanent magnet array in a Halbach array.

図6に示した一対の磁石構造体21および25は、磁石構造体21および25のそれぞれの永久磁石の列の両端に軟磁性材料の部材(軟磁性部材50という)を配置したものである。このように永久磁石の列の両端に軟磁性部材50を配置することで、磁気熱量材料11より外側に出る磁場を弱くして、その分、磁気熱量材料11に印加される磁力をいっそう強くすることができる。磁石構造体21および25の両端に設けた軟磁性部材50は、磁化させておく(すなわち磁石となっている)必要はない。   The pair of magnet structures 21 and 25 shown in FIG. 6 are members in which members of soft magnetic material (referred to as soft magnetic members 50) are arranged at both ends of the permanent magnet rows of the magnet structures 21 and 25, respectively. By arranging the soft magnetic members 50 at both ends of the row of permanent magnets in this way, the magnetic field that appears outside the magnetocaloric material 11 is weakened, and the magnetic force applied to the magnetocaloric material 11 is further increased accordingly. be able to. The soft magnetic members 50 provided at both ends of the magnet structures 21 and 25 do not need to be magnetized (that is, become magnets).

ここで軟磁性材料とは、保磁力が小さく透磁率が大きい材料である。たとえば、鉄、ケイ素鋼、パーマロイなどである。一方、軟磁性材料に対する用語として硬磁性材料があり、これは保磁力が大きい材料である。本実施形態においても、ハルバッハ配列させた永久磁石は硬磁性材料を用いている。ハルバッハ配列させた永久磁石として用いる硬磁性材料としては、たとえば、アルニコ磁石、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石、ネオジム磁石、サマリウム鉄窒素磁石など様々な磁石を用いることができる。   Here, the soft magnetic material is a material having a small coercive force and a large magnetic permeability. For example, iron, silicon steel and permalloy. On the other hand, there is a hard magnetic material as a term for the soft magnetic material, which is a material having a large coercive force. Also in the present embodiment, a hard magnet material is used for the permanent magnets arranged in the Halbach array. As a hard magnetic material used as a permanent magnet arranged in Halbach, various magnets such as an alnico magnet, a ferrite magnet, a samarium cobalt magnet, a neodymium magnet, and a samarium iron nitrogen magnet can be used.

なお、図6では、6個の永久磁石からなる磁石構造体を例に示したが、3個、5個、10個など他の永久磁石の列であっても同様にそれらの両端に軟磁性部材50を配置することで、磁気熱量材料11より外側に出る磁場を弱くして、その分、磁気熱量材料11に印加される磁力をいっそう強くすることができる。   In FIG. 6, a magnet structure composed of six permanent magnets is shown as an example. However, even in a row of other permanent magnets such as three, five, ten, etc., soft magnets are formed at both ends in the same manner. By disposing the member 50, the magnetic field that appears outside the magnetocaloric material 11 can be weakened, and the magnetic force applied to the magnetocaloric material 11 can be further increased accordingly.

このように構成された磁石構造体21および25における個々の永久磁石の並び方向(個々の永久磁石の磁化方向ではない)は、図1に示した磁気冷暖房装置においては、半径方向でもよいし、周方向でもよい。   In the magnetic structures 21 and 25 configured in this way, the arrangement direction of the individual permanent magnets (not the magnetization direction of the individual permanent magnets) may be the radial direction in the magnetic air conditioner shown in FIG. It may be in the circumferential direction.

以上、磁石構造体の構造について、磁気熱量材料11の上下に配置された一対の磁石構造体21および25を例に説明したが、他の一対の磁石構造体22と26、23と27、24と28についても同じ構造である。   As described above, the structure of the magnet structure has been described by taking the pair of magnet structures 21 and 25 arranged above and below the magnetocaloric material 11 as an example, but the other pair of magnet structures 22 and 26, 23 and 27, 24. And 28 have the same structure.

次に、これら本実施形態におけるハルバッハ配列の永久磁石列からなる磁石構造体21および25について、永久磁石の構成(永久磁石の磁化方向や配置、数など)を様々に変更して、磁場分布をシミュレーションした結果を説明する。   Next, with respect to the magnet structures 21 and 25 composed of the permanent magnet rows in the Halbach array in these embodiments, the configuration of the permanent magnets (magnetization direction, arrangement, number, etc. of the permanent magnets) is variously changed to change the magnetic field distribution. The simulation result will be described.

磁場解析は、2次元の有限要素法磁場解析ソフトであるFEMM4.2を使用した。計算は、このソフトを使用してメッシュを自動生成させた。解析対象の永久磁石は、このソフトがシミュレーションによって磁気特性プロファイルを生成すためにデフォルトで有するネオジム磁石(NdFeB)を用いた。また、永久磁石の磁化方向は、図3〜5などで矢印「→」で示した方向である。   For the magnetic field analysis, FEMM 4.2 which is a two-dimensional finite element method magnetic field analysis software was used. The calculation used this software to automatically generate a mesh. As a permanent magnet to be analyzed, a neodymium magnet (NdFeB) that this software has by default to generate a magnetic property profile by simulation is used. The magnetization direction of the permanent magnet is the direction indicated by the arrow “→” in FIGS.

(実施例1)
図7(a)は実施例1のモデルを示す図である。実施例1は、前述した図4と同様の構造の永久磁石の列をモデルとした。すなわち、一つの磁石構成体は、磁化方向を45度ずつずらしてハルバッハ配列させた5個の永久磁石を1セットとして磁化方向の回転を逆にして2セット連続させて接合した合計10個の永久磁石の列である。この磁石構成体を上下一対21および25とし、一対の磁石構成体21および25を構成する個々の永久磁石の磁化方向が互いに逆方向となるように隙間をあけて配置している。大きさは、一対の磁石構成体21および25ともに同じで、一つの磁石構成体の全体の長さが200mm、高さ20mmとした。また、永久磁石1個は1辺が長さ20mmでこれを並べて200mmとしている。上下の磁石構成体同士の間の間隔は2mmとした。なお、シミュレーションは2次元における磁力を解析するものであるため、このモデルにおいて奥行きはない(他の実施例、比較例のシミュレーションモデルにおいて同様)。
Example 1
FIG. 7A is a diagram illustrating a model of the first embodiment. In Example 1, a permanent magnet row having the same structure as that shown in FIG. 4 was used as a model. That is, in one magnet structure, a total of 10 permanent magnets joined together by reversing the rotation of the magnetization direction and joining 5 sets of 5 permanent magnets arranged in a Halbach array with the magnetization direction shifted by 45 degrees. A row of magnets. This magnet structure is made up of a pair of upper and lower parts 21 and 25, and is arranged with a gap so that the magnetization directions of the individual permanent magnets constituting the pair of magnet structures 21 and 25 are opposite to each other. The size was the same for the pair of magnet components 21 and 25, and the entire length of one magnet component was 200 mm and the height was 20 mm. One permanent magnet has a length of 20 mm on one side and is arranged to be 200 mm. The interval between the upper and lower magnet components was 2 mm. Since the simulation analyzes the magnetic force in two dimensions, there is no depth in this model (the same applies to the simulation models of other examples and comparative examples).

図7(b)は実施例1のモデルによる磁場解析のシミュレーション結果である磁気特性プロファイルを示すコンピュータ出力された図である。図示するように、磁石構成体の外側で発生する磁場の強度を示す磁力線が、上に位置する磁石構成体の左側の1セット部分の上部と、下に位置する磁石構成体の右側の1セット部分の下に僅かに張り出しているが、そのほかの部分ではほとんどないことがわかる。したがって、上下一対となっている磁石構造体の外への磁束の漏れが少ないことがわかる。なお、磁場の強さは磁束密度(T(テスラ)で示している)。   FIG. 7B is a computer output diagram showing a magnetic characteristic profile which is a simulation result of magnetic field analysis by the model of the first embodiment. As shown in the figure, the magnetic field lines indicating the strength of the magnetic field generated outside the magnet structure include the upper part of the left one set part of the magnet structure located above and the right set of the magnet structure located below. Although it overhangs slightly under the part, it turns out that there is almost no other part. Therefore, it can be seen that there is little leakage of magnetic flux to the outside of the paired upper and lower magnet structures. The strength of the magnetic field is the magnetic flux density (indicated by T (Tesla)).

(比較例1)
図8(a)は、比較例1のモデルを示す図である。この比較例1のモデルは、高さ200mm、全長200mmの一つの永久磁石である。そして、磁石100に対向するヨーク101を設けた。ヨークの寸法は高さ20mmである。ただし磁石100に対向部分のみ、磁石100に相当する厚さを持たせるため40mmとしている。磁石100とヨーク101の間隔は実施例1同様に2mmとした。また、磁石100の磁化方向(一つひとつの永久磁石の磁化方向)は、ヨーク101との隙間の方向としている。
(Comparative Example 1)
FIG. 8A is a diagram illustrating a model of the first comparative example. The model of Comparative Example 1 is one permanent magnet having a height of 200 mm and a total length of 200 mm. A yoke 101 facing the magnet 100 is provided. The yoke has a height of 20 mm. However, only the portion facing the magnet 100 is set to 40 mm in order to have a thickness corresponding to the magnet 100. The distance between the magnet 100 and the yoke 101 was 2 mm as in the first embodiment. Further, the magnetization direction of the magnet 100 (the magnetization direction of each permanent magnet) is the direction of the gap with the yoke 101.

図8(b)は、比較例1のモデルによる磁場解析のシミュレーション結果である磁気特性プロファイルを示すコンピュータ出力された図である。   FIG. 8B is a computer output diagram showing a magnetic characteristic profile which is a simulation result of magnetic field analysis using the model of Comparative Example 1.

図示するように、比較例1のモデルでは、永久磁石で発生する磁場を示す磁力線は、ほぼすべてがヨーク内を通っている。したがって、永久磁石とヨークとの間の隙間には強い磁場がある。   As shown in the figure, in the model of Comparative Example 1, almost all of the magnetic field lines indicating the magnetic field generated by the permanent magnet pass through the yoke. Therefore, there is a strong magnetic field in the gap between the permanent magnet and the yoke.

ここで、実施例1と比較例1を対比すると、ハルバッハ配列とした実施例1では、磁力線の通り道となるヨークを用いていないにもかかわらず、磁束の漏れが非常に少ない。したがって、ヨークを用いることなく磁気冷凍装置として磁気熱量材料に十分な磁気を与えることが可能となることがわかる。このため磁気冷暖房装置として小型軽量化に適している。   Here, when Example 1 is compared with Comparative Example 1, in Example 1 in which the Halbach array is used, the leakage of magnetic flux is very small even though the yoke that serves as a path of magnetic lines is not used. Therefore, it can be seen that sufficient magnetism can be applied to the magnetocaloric material as a magnetic refrigeration apparatus without using a yoke. For this reason, it is suitable as a magnetic air conditioner for reducing the size and weight.

ヨークは一般的に鉄材を用い、しかも図8(a)からわかるとおり、磁石以外の部分で磁力線の通り道を形成する必要からその分重量が増して大型化してしまう。一方、実施例1は、磁石のみで磁束の漏れをなくすことができるので、その分小型軽量化が可能となる。   The yoke generally uses an iron material, and, as can be seen from FIG. 8A, the weight increases and the size increases because it is necessary to form a path for the lines of magnetic force at portions other than the magnet. On the other hand, in Example 1, since leakage of magnetic flux can be eliminated with only a magnet, the size and weight can be reduced accordingly.

(比較例2)
さらにハルバッハ配列の上下一対の磁石構造体を用いて、上下の磁石構造体を形成する永久磁石の列における各永久磁石の磁化方向を同じにした場合についてシミュレーションを行った。
(Comparative Example 2)
Further, a simulation was performed for the case where the magnetization directions of the permanent magnets in the rows of permanent magnets forming the upper and lower magnet structures were made the same using a pair of upper and lower magnet structures in the Halbach array.

図9(a)は、比較例2のモデルを示す図である。図示するように、この比較例2では、上下の磁石構造体121および125を形成するそれぞれの永久磁石はハルバッハ配列とした10個の永久磁石を用いているが、一対の磁石構造体121および125は共に磁化方向が、同じになるようにしている。それ以外は、実施例1と同じである。各部の寸法も同じであるため図示省略した。   FIG. 9A is a diagram illustrating a model of the second comparative example. As shown in the drawing, in this comparative example 2, ten permanent magnets having a Halbach array are used as the permanent magnets forming the upper and lower magnet structures 121 and 125, but a pair of magnet structures 121 and 125 is used. Both have the same magnetization direction. The rest is the same as the first embodiment. Since the dimensions of each part are the same, they are not shown.

図9(b)は、比較例2のモデルによる磁場解析のシミュレーション結果である磁気特性プロファイルを示すコンピュータ出力された図である。   FIG. 9B is a computer output diagram showing a magnetic characteristic profile which is a simulation result of magnetic field analysis by the model of Comparative Example 2.

図示するように、比較例2では、実施例1よりも磁石の外側に出ている磁力線が多く、磁束の漏れが認められる。したがって、同じハルバッハ配列した一対の磁石構造体を用いた場合、実施例1のごとく、それぞれを構成する複数の永久磁石の磁化方向を上下で逆方向となるようにすることで、磁束を閉じ込める効果が高いことがわかる。   As shown in the drawing, in Comparative Example 2, there are more lines of magnetic force appearing outside the magnet than in Example 1, and leakage of magnetic flux is recognized. Therefore, when a pair of magnet structures arranged in the same Halbach array are used, the effect of confining the magnetic flux can be obtained by making the magnetization directions of the plurality of permanent magnets constituting each of them reverse in the vertical direction as in the first embodiment. Is high.

(実施例2)
図10(a)は、実施例2のモデルを示す図である。実施例2は、図3に示した構造と同様に、一つの磁石構成体を、磁化方向を90度ずつずらしてハルバッハ配列させた3個の永久磁石を1セットとして磁化方向を逆にして2セット連続させて接合した合計6個用いている。この磁石構成体を上下一対とし、この一対の磁石構成体21および25を構成する個々の永久磁石の磁化方向が互いに逆方向となるように隙間をあけて配置している。各部の寸法は、全長50mm、高さ5mmとした。隙間は5mmとした。各永久磁石の前兆方向の長さは全長50mmを6分割した大きさ(約8.3mm)である。
(Example 2)
FIG. 10A is a diagram illustrating a model of the second embodiment. In the second embodiment, similarly to the structure shown in FIG. 3, two permanent magnets in which one magnet structure is arranged in a Halbach array with the magnetization direction shifted by 90 degrees are set as one set, and the magnetization direction is reversed. A total of six pieces joined in series are used. The magnet constituents are paired up and down, and are arranged with a gap so that the magnetization directions of the individual permanent magnets constituting the pair of magnet constituents 21 and 25 are opposite to each other. The dimensions of each part were 50 mm in total length and 5 mm in height. The gap was 5 mm. The length of each permanent magnet in the precursor direction is a size (about 8.3 mm) obtained by dividing the total length of 50 mm into six.

図10(b)は、実施例2のモデルによる磁場解析のシミュレーション結果である磁気特性プロファイルを示すコンピュータ出力された図である。   FIG. 10B is a computer output diagram showing a magnetic characteristic profile which is a simulation result of magnetic field analysis using the model of the second embodiment.

図示するように、実施例2では、実施例1と比較すれば、磁束の漏れが認められる。しかし、磁束の多くは上下一対の磁石構造体21および25内に閉じ込められている。したがって、ハルバッハ配列させる永久磁石の数を減らしても、磁束を閉じ込める効果のあることがわかる。   As shown in the figure, in Example 2, the leakage of magnetic flux is recognized as compared with Example 1. However, most of the magnetic flux is confined in the pair of upper and lower magnet structures 21 and 25. Therefore, it can be seen that there is an effect of confining the magnetic flux even if the number of permanent magnets arranged in the Halbach array is reduced.

(実施例3)
次に、実施例3として、ハルバッハ配列した永久磁石列の両端に軟磁性材料を配置して接合したモデルを用いてシミュレーションを行った。軟磁性材料は鉄(Fe)を想定した。
(Example 3)
Next, as Example 3, a simulation was performed using a model in which a soft magnetic material was disposed and joined to both ends of a permanent magnet array arranged in Halbach. The soft magnetic material was assumed to be iron (Fe).

図11(a)は、実施例3のモデルを示す図である。実施例3は、一つの磁石構成体を、磁化方向を90度ずつずらしてハルバッハ配列させた3個の永久磁石を1セットとして磁化方向を逆にして2セット連続させて接合した合計6個の永久磁石からなる。この磁石構成体を上下一対とし、この一対の磁石構成体21および25を構成する個々の永久磁石の磁化方向が互いに逆方向となるように隙間をあけて配置している。そして、この永久磁石の列の両端に軟磁性部材50を接合した。   FIG. 11A is a diagram illustrating a model of the third embodiment. In Example 3, a total of six magnets were joined by joining two sets of three permanent magnets in which the magnetization directions were shifted by 90 degrees and arranged in Halbach as one set, and the magnetization directions were reversed. It consists of a permanent magnet. The magnet constituents are paired up and down, and are arranged with a gap so that the magnetization directions of the individual permanent magnets constituting the pair of magnet constituents 21 and 25 are opposite to each other. And the soft-magnetic member 50 was joined to the both ends of this row | line | column of this permanent magnet.

図11(b)は、実施例3のモデルによる磁場解析のシミュレーション結果である磁気特性プロファイルを示すコンピュータ出力された図である。   FIG. 11B is a computer output diagram showing a magnetic characteristic profile which is a simulation result of magnetic field analysis using the model of the third embodiment.

図示するように、実施例3では、実施例2と比較して、永久磁石列の両端における磁束の漏れが少なくなっていることがわかる。したがって、永久磁石列の両端に軟磁性材料を配置することで、いっそう磁気熱量材料11に対して多くの磁束を集中させうることが可能となる。   As shown in the drawing, it can be seen that in Example 3, the leakage of magnetic flux at both ends of the permanent magnet array is less than that in Example 2. Therefore, it is possible to concentrate more magnetic flux on the magnetocaloric material 11 by disposing the soft magnetic material at both ends of the permanent magnet row.

次に、磁気冷暖房装置の動作について説明する。ここではすでに説明したように正の磁気熱量材料を用いている。したがって、磁気熱量材料は、磁気が印加された励磁時に温度が上昇し、磁気が除去された消磁時に温度が下がる。   Next, the operation of the magnetic air conditioner will be described. Here, as already explained, a positive magnetocaloric material is used. Therefore, the magnetocaloric material increases in temperature when magnetized, and decreases in demagnetization when the magnetism is removed.

図1に示した状態では磁気熱量材料11、15の列に着目すると、磁気熱量材料11の上下に一対の磁石構造体21および25が位置している。このため磁気熱量材料11は磁気が印加された状態となっていて(励磁時)、磁気熱量材料11は温度が上昇する。一方、磁気熱量材料15には磁石構造体がなく磁気が印加されていない(消磁時)ため、磁気熱量材料15は温度が下がる。   In the state shown in FIG. 1, when focusing on the rows of the magnetocaloric materials 11 and 15, a pair of magnet structures 21 and 25 are positioned above and below the magnetocaloric material 11. For this reason, the magnetocaloric material 11 is in a state where magnetism is applied (at the time of excitation), and the temperature of the magnetocaloric material 11 rises. On the other hand, since the magnetocaloric material 15 has no magnet structure and no magnetism is applied (during demagnetization), the temperature of the magnetocaloric material 15 decreases.

この状態では、磁気熱量材料11と15の間の熱スイッチ32はオフであり、磁気熱量材料11と15の間は断熱されている。一方、熱交換器41および42との間の熱スイッチ31、32はオンとなって、低温側熱交換器41から磁気熱量材料15へ、磁気熱量材料11から高温側熱交換器42へとそれぞれ熱伝導されるようになる。   In this state, the thermal switch 32 between the magnetocaloric materials 11 and 15 is off and the magnetocaloric materials 11 and 15 are insulated. On the other hand, the heat switches 31 and 32 between the heat exchangers 41 and 42 are turned on, from the low temperature side heat exchanger 41 to the magnetocaloric material 15, and from the magnetocaloric material 11 to the high temperature side heat exchanger 42, respectively. Heat conduction is started.

次に、図1に示した状態の位置から基板20が45度回転する。これにより磁気熱量材料11の上下に位置していた一対の磁石構造体21および25が磁気熱量材料12の位置へ移動して、磁気熱量材料11の位置からなくなる。これと共に一対の磁石構造体24および28が磁気熱量材料15の位置にくる。磁気熱量材料11は磁気が除去されるため、消磁されて吸熱して温度が下がる。一方、磁気熱量材料15は磁気が印加されて、励磁され発熱して温度が上昇する。このとき熱スイッチ32はオンであり、磁気熱量材料11と15の間で熱伝導される。一方、熱交換器41および42との間の熱スイッチ31、32はオフとなって、低温側熱交換器41と磁気熱量材料15、磁気熱量材料11と高温側熱交換器42のそれぞれの間は断熱される。   Next, the substrate 20 rotates 45 degrees from the position shown in FIG. As a result, the pair of magnet structures 21 and 25 located above and below the magnetocaloric material 11 move to the position of the magnetocaloric material 12 and disappear from the position of the magnetocaloric material 11. At the same time, the pair of magnet structures 24 and 28 come to the position of the magnetocaloric material 15. Since the magnetocaloric material 11 is demagnetized, it is demagnetized and absorbs heat to lower the temperature. On the other hand, the magnetocaloric material 15 is magnetized and excited to generate heat and increase its temperature. At this time, the thermal switch 32 is on, and heat is conducted between the magnetocaloric materials 11 and 15. On the other hand, the heat switches 31 and 32 between the heat exchangers 41 and 42 are turned off, and between the low temperature side heat exchanger 41 and the magnetic heat quantity material 15 and between the magnetic heat quantity material 11 and the high temperature side heat exchanger 42, respectively. Is insulated.

以後、基板20が45度ずつ回転することでこの動作が繰り返されて、低温側熱交換器41から高温側熱交換器42へ熱の移動が行われる。他の磁気熱量材料の列(磁気熱量材料12と16、13と17、14と18)についても同様に動作して、装置全体として中心部にある低温側熱交換器41から外周の高温側熱交換器42へ熱の移動が行われる。   Thereafter, this operation is repeated by rotating the substrate 20 by 45 degrees, and heat is transferred from the low temperature side heat exchanger 41 to the high temperature side heat exchanger 42. The other rows of magnetocaloric materials (magnetocaloric materials 12 and 16, 13 and 17, 14 and 18) operate in the same manner, and the entire apparatus is heated from the low temperature side heat exchanger 41 at the center to the outer peripheral high temperature side heat. Heat is transferred to the exchanger 42.

(実施形態2)
図12は、実施形態2における磁気暖房装置の直径方向の概略断面図である。図13(a)は磁気熱量材料の配置を示す平面図、図13(b)は磁石構造体の配置を示す平面図である。
(Embodiment 2)
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view in the diameter direction of the magnetic heating device according to the second embodiment. Fig.13 (a) is a top view which shows arrangement | positioning of a magnetocaloric material, FIG.13 (b) is a top view which shows arrangement | positioning of a magnet structure.

実施形態2の磁気暖房装置2は、前述した実施形態1の磁気暖房装置を基本形として、磁気熱量材料11を半径方向(列方向)に6個、これを円周方向に12列並べて合計72個の磁気熱量材料11を円盤状に配置している。そしてこの円盤状に配置した磁気熱量材料11を、図においては4層積層している。なお積層数について制限はなく、何層積層してもよい。積層数が多いほど冷却能力が高くなる。   The magnetic heating device 2 of the second embodiment is based on the magnetic heating device of the first embodiment described above, and has a total of 72 magnetocaloric materials 11 arranged in the radial direction (row direction) and 12 in the circumferential direction. These magnetocaloric materials 11 are arranged in a disk shape. In the figure, four layers of the magnetocaloric material 11 arranged in a disk shape are laminated. There is no limit on the number of layers, and any number of layers may be stacked. The greater the number of layers, the higher the cooling capacity.

そして各円盤状に配置した磁気熱量材料11を上下から挟むように磁石構造体21および25を積層している。つまり、この磁気暖房装置2は、磁石構造体21、磁気熱量材料11、磁石構造体25、磁気熱量材料11、磁石構造体21、…磁石構造体21となるように、磁気熱量材料11と磁石構造体21および25が交互に積層されている。   Magnet structures 21 and 25 are stacked so as to sandwich the magnetocaloric material 11 arranged in a disk shape from above and below. That is, the magnetic heating device 2 includes the magnetocaloric material 11 and the magnet so that the magnet structure 21, the magnetocaloric material 11, the magnet structure 25, the magnetocaloric material 11, the magnet structure 21,. Structures 21 and 25 are alternately stacked.

円盤状に配置した磁気熱量材料11の半径方向(列方向)の間には、熱スイッチ30が配置されている。また、円盤の中心に低温側熱交換器41、円盤の外周に高温側熱交換器42が設けられている。この低温側熱交換器41と一番内側にある磁気熱量材料11の間にも熱スッチ30がある。同様に、高温側熱交換器42と一番外側にある磁気熱量材料11の間にも熱スイッチ30がある。   Between the radial direction (column direction) of the magnetocaloric material 11 arranged in a disk shape, a thermal switch 30 is arranged. Moreover, the low temperature side heat exchanger 41 is provided in the center of a disk, and the high temperature side heat exchanger 42 is provided in the outer periphery of the disk. There is also a heat switch 30 between the low temperature side heat exchanger 41 and the innermost magnetocaloric material 11. Similarly, there is a thermal switch 30 between the high temperature side heat exchanger 42 and the outermost magnetocaloric material 11.

また、磁気熱量材料11および熱スイッチ30からなる半径方向の列は、断熱材80などにより区切られていている。断熱材80については樹脂材料などを充填していてもよいし、隙間を開けた空気層であってもよい。   In addition, the radial rows of the magnetocaloric material 11 and the thermal switch 30 are separated by a heat insulating material 80 or the like. The heat insulating material 80 may be filled with a resin material or the like, or may be an air layer with a gap.

そして、磁気熱量材料11および熱スイッチ30、ならびに断熱材80は、円盤状に一体物となっていて、最内周に位置する熱スイッチ30を介して低温側熱交換器41に接続されている。   The magnetocaloric material 11, the heat switch 30, and the heat insulating material 80 are integrated into a disk shape and are connected to the low temperature side heat exchanger 41 via the heat switch 30 located on the innermost periphery. .

低温側熱交換器41の内部には流体を流すことができる。また、高温側熱交換器42は、内部が中空であり、高温側熱交換器42の端部に入口43a、出口43bが設けられていて、高温側熱交換器42の中に流体を流すことができるようになっている(図中矢印方向に流体が流れる)。   A fluid can flow inside the low temperature side heat exchanger 41. Further, the high temperature side heat exchanger 42 is hollow inside, and an inlet 43 a and an outlet 43 b are provided at the end of the high temperature side heat exchanger 42, and a fluid flows through the high temperature side heat exchanger 42. (The fluid flows in the direction of the arrow in the figure).

磁石構造体21および25は、それぞれ円盤状の基板20に固定されていて、列方向、円周方向ともに磁気熱量材料11に対して一つおきとなるように配置されている。   The magnet structures 21 and 25 are respectively fixed to the disk-shaped substrate 20 and arranged so as to be alternately arranged with respect to the magnetocaloric material 11 in both the column direction and the circumferential direction.

磁石構造体21および25は、既に説明したハルバッハ配列とした複数の永久磁石からなる。そして、磁石構造体21および25におけるハルバッハ配列とした複数の永久磁石における磁化方向が、互いに逆方向となっている。なお、磁石構造体21および25は、両端に軟磁性部材50があってもよい。   The magnet structures 21 and 25 are composed of a plurality of permanent magnets having the Halbach arrangement already described. And the magnetization directions in the plurality of permanent magnets having the Halbach array in the magnet structures 21 and 25 are opposite to each other. The magnet structures 21 and 25 may have soft magnetic members 50 at both ends.

磁石構造体21および25を固定しているそれぞれの基板20は、その内側で低温側熱交換器41に対して軸受618(たとえばボールベアリング)により回転自在に支持されている。一方、外側では高温側熱交換器42の上下に設けた軸受62(たとえばボールベアリング)により回転自在に支持されている。また、基板20の外周にはギヤ73が設けられている。このギヤ73には、モータ70および軸72によって回転するギヤ71が噛み合されている。ギヤ71は、軸72によって連動して回転する。これによりモータ70の回転によって、すべての基板20が同期して回転するようになっている。   Each substrate 20 to which the magnet structures 21 and 25 are fixed is rotatably supported by a bearing 618 (for example, a ball bearing) with respect to the low temperature side heat exchanger 41 inside thereof. On the other hand, the outer side is rotatably supported by bearings 62 (for example, ball bearings) provided above and below the high temperature side heat exchanger 42. A gear 73 is provided on the outer periphery of the substrate 20. The gear 73 is engaged with a gear 71 that is rotated by a motor 70 and a shaft 72. The gear 71 rotates in conjunction with the shaft 72. As a result, all the substrates 20 are rotated in synchronization with the rotation of the motor 70.

なお、積層方向の最上層および最下層の基板20は筐体の一部85に対して、軸受62により回転自在となるように支持されている。   The uppermost layer and the lowermost substrate 20 in the stacking direction are supported by a bearing 62 so as to be rotatable with respect to a part 85 of the housing.

このように構成された磁気暖房装置2の動作は、基本的に実施形態1と同じである。すなわち、基板20が回転することで、磁石構造体21および25が次々に磁気熱量材料11に対して磁気の印加、除去を行い、それに伴って磁気熱量材料11の発熱、吸熱が起きる。このとき各熱スイッチ30のオン(熱伝達状態)、オフ(非熱伝達状態)を連動させることで、内側から外側へ熱が伝わって、低温側熱交換器41から高温側熱交換器42に熱の移動が行われる。   The operation of the magnetic heating device 2 configured in this way is basically the same as that of the first embodiment. That is, when the substrate 20 is rotated, the magnet structures 21 and 25 successively apply and remove magnetism to the magnetocaloric material 11, and accordingly, the magnetocaloric material 11 generates heat and absorbs heat. At this time, heat is transferred from the inside to the outside by interlocking the on (heat transfer state) and off (non-heat transfer state) of each heat switch 30, and the low temperature side heat exchanger 41 to the high temperature side heat exchanger 42. Heat transfer takes place.

図14は、実施形態2の作用を説明するための図で磁気暖房装置の部分拡大図である。図15は実施形態2と比較するためのヨーク付き積層形態の拡大図である。   FIG. 14 is a partial enlarged view of the magnetic heating device for explaining the operation of the second embodiment. FIG. 15 is an enlarged view of a laminated form with a yoke for comparison with the second embodiment.

一つの磁気熱量材料11に着目すると、実施形態2では、図14に示すように、一つの磁気熱量材料11の上下に一対となる磁石構造体21および25が配置されている。これは各層においてすべて同じである。つまり、本実施形態2では、磁石構造体と磁気熱量材料が交互に積層されたものとなっているのである。   Focusing on one magnetocaloric material 11, in the second embodiment, a pair of magnet structures 21 and 25 are arranged above and below one magnetocaloric material 11, as shown in FIG. This is all the same in each layer. That is, in Embodiment 2, the magnet structure and the magnetocaloric material are alternately laminated.

一方、ヨーク付き積層形態は、図15に示すように、一つの磁気熱量材料11の上側に一つの永久磁石100を配置して、この永久磁石100の磁場が外に漏れないようにヨーク101を磁気熱量材料11の下側にまでめぐらした構造となる。そして磁気熱量材料11を複数層とするために、永久磁石100とヨーク101、およびその間の磁気熱量材料11を1セットとして複数積層することになる。これにより、一つひとつの磁気熱量材料11は、その上下から磁気を印加できるようになっている。   On the other hand, in the laminated form with yoke, as shown in FIG. 15, one permanent magnet 100 is arranged on the upper side of one magnetocaloric material 11, and the yoke 101 is arranged so that the magnetic field of this permanent magnet 100 does not leak outside. The structure reaches the lower side of the magnetocaloric material 11. In order to make the magnetocaloric material 11 into a plurality of layers, the permanent magnet 100, the yoke 101, and the magnetocaloric material 11 therebetween are stacked as a set. Thereby, each magnetocaloric material 11 can apply magnetism from the upper and lower sides.

実施形態2の構成とヨーク付き積層形態とを比較すると、実施形態2では、すでに説明したように、磁石構造体と磁気熱量材料が交互に積層されたものとなっているのである。しかも、磁石構造体21および25にハルバッハ配列による複数永久磁石を用いているため、磁束の漏れは少なくヨークを用いた場合と同程度となっている(前述したシミュレーションのとおり)。   Comparing the configuration of the second embodiment and the laminated form with yoke, in the second embodiment, as already described, the magnet structure and the magnetocaloric material are alternately laminated. In addition, since a plurality of permanent magnets having a Halbach array are used for the magnet structures 21 and 25, there is little leakage of magnetic flux, which is almost the same as when a yoke is used (as described above).

一方、ヨーク付き積層形態とでは、積層方向の上下から磁気熱量材料11に磁気を印加するために、ヨークが必要となっている。このため各層ごとに磁気熱量材料11の上に永久磁石100があり、下にヨーク101が配置されることになる。このため、ヨーク付き積層形態では積層方向の磁気熱量材料11の間に永久磁石とヨークが存在することなる。   On the other hand, in the laminated form with a yoke, a yoke is necessary to apply magnetism to the magnetocaloric material 11 from above and below in the lamination direction. Therefore, the permanent magnet 100 is provided on the magnetocaloric material 11 for each layer, and the yoke 101 is disposed below. For this reason, in the laminated form with a yoke, a permanent magnet and a yoke exist between the magnetocaloric materials 11 in the laminating direction.

このように、実施形態2では積層方向の磁気熱量材料11の間には永久磁石のみであるのに対して、ヨーク付き積層形態ではさらにヨークが存在することになる。したがって、ヨークが存在しない分、実施形態2の方が、磁気暖房装置全体としての厚みを薄くすることができる。   As described above, in the second embodiment, only the permanent magnet is provided between the magnetocaloric materials 11 in the stacking direction, whereas in the stacked form with the yoke, there is a yoke. Therefore, since the yoke does not exist, Embodiment 2 can reduce the thickness of the entire magnetic heating device.

またヨークは、図15に示したように、磁気熱量材料11の側方に突出させなければならない。一方、実施形態2では磁気熱量材料11の側方にこのような突出物は必要がないため、直径方向も小さくすることができる。   Further, as shown in FIG. 15, the yoke must be protruded to the side of the magnetocaloric material 11. On the other hand, in the second embodiment, since such a protrusion is not required on the side of the magnetocaloric material 11, the diameter direction can be reduced.

これらのことから、同程度の強さの磁気を印加することができるように構成した場合、実施形態2はヨークを用いた場合よりも、おおむね20%程度小型化することができ、またヨークのような重量物を配置しないため軽量にすることもできる。   From these facts, when configured to be able to apply the same level of magnetism, the second embodiment can be reduced in size by about 20% compared to the case where the yoke is used. Since such a heavy object is not disposed, the weight can be reduced.

なお、磁気熱量材料の数は、列方向、層方向ともに、実施形態2として示した以外に、さらに多くてもよいし、また少なくてもよい。これらは、所望する冷暖房能力と、磁気熱量材料の発熱、吸熱量などに応じて決定すればよいものである。   The number of magnetocaloric materials may be more or less than that shown in the second embodiment in both the column direction and the layer direction. These may be determined according to the desired cooling / heating capacity and the heat generation, heat absorption, etc. of the magnetocaloric material.

以上説明した実施形態の効果を説明する。   The effects of the embodiment described above will be described.

(1)本実施形態は、磁気熱量材料に磁気を印加する状態において、磁気熱量材料を間に挟んで一対となる磁石構造体を配置している。そしてこの磁石構造体は、磁化の向きが互いに異なるハルバッハ配列とした複数の永久磁石からなり、一対の磁石構造体における磁力線の向きがその間(すなわち磁気熱量材料が配置されている部分)において、両方とも同じ方向となるようにしている。これにより一対となった磁石構造体の間に作用する磁力は同じ向きとなるので、その間にある磁気熱量材料に対してより強い磁気(磁場)を印加することができる。しかも、一対となった磁石構造体の両方の磁気(磁場)を、その間に配置した磁気熱量材料に対して作用させることができるため、磁気熱量材料に対する永久磁石の利用効率も非常に良いものとなる。   (1) In this embodiment, in a state where magnetism is applied to the magnetocaloric material, a pair of magnet structures are arranged with the magnetocaloric material interposed therebetween. This magnet structure is composed of a plurality of permanent magnets having a Halbach arrangement with different magnetization directions, and the direction of the magnetic lines of force in the pair of magnet structures is in between (that is, the portion where the magnetocaloric material is disposed). Both are in the same direction. Thereby, since the magnetic force which acts between a pair of magnet structures becomes the same direction, stronger magnetism (magnetic field) can be applied to the magnetocaloric material in between. Moreover, since the magnetism (magnetic field) of the paired magnet structures can be made to act on the magnetocaloric material disposed between them, the efficiency of using the permanent magnet for the magnetocaloric material is very good. Become.

特に、実施形態2のように、複数の磁気熱量材料を積層した場合、その上下に位置する磁石構造体の間に必ず磁気熱量材料を配置することができるようになる。このような配置は、磁気熱量材料の間にある磁石構造体に着目すれば、その上下に磁気熱量材料が来ることになって、磁石構造体を構成する永久磁石の利用効率がいっそう高くなっているものである。   In particular, as in the second embodiment, when a plurality of magnetocaloric materials are stacked, the magnetocaloric material can always be arranged between the magnet structures positioned above and below the magnetocaloric material. In such an arrangement, if attention is paid to the magnet structure between the magnetocaloric materials, the magnetocaloric material comes above and below, and the utilization efficiency of the permanent magnets constituting the magnet structure is further increased. It is what.

(2)本実施形態においては、一つの磁石構造体は、複数の永久磁石によって構成され、複数の永久磁石はそれぞれの磁化の向きが180度になるまで漸次変化するように並べられている。このようなハルバッハ配列とした複数の永久磁石によって、磁石構造体は特定の方向、ここでは磁石構造体の上または下に強い磁場を形成することができ、一対となる磁石構造体の間に配置された磁気熱量材料に対して強い磁気を印加することができ、磁気回路で発生する強い磁場を効率良く、磁気熱量材料に印加できる。   (2) In the present embodiment, one magnet structure is composed of a plurality of permanent magnets, and the plurality of permanent magnets are arranged so as to gradually change until the respective magnetization directions become 180 degrees. With a plurality of permanent magnets arranged in such a Halbach arrangement, the magnet structure can form a strong magnetic field in a specific direction, here above or below the magnet structure, and is arranged between a pair of magnet structures. A strong magnetism can be applied to the generated magnetocaloric material, and a strong magnetic field generated by the magnetic circuit can be efficiently applied to the magnetocaloric material.

(3)本実施形態においては、磁化の向きが180度になるまで漸次変化するように並べられている複数の永久磁石を1セットとして、この1セットとなる複数の永久磁石を少なくとも1セット用いている。したがって、この1セットとなる複数の永久磁石だけでも一対の磁石構造体の間に配置された磁気熱量材料に対して強い磁気を印加することができる。そして、このセットを複数用いることで、様々な大きさの磁気熱量材料に磁石構造体の大きさを合わせることができる。   (3) In this embodiment, a plurality of permanent magnets arranged so as to gradually change until the direction of magnetization reaches 180 degrees is set as one set, and at least one set of the plurality of permanent magnets used as one set is used. ing. Therefore, it is possible to apply strong magnetism to the magnetocaloric material disposed between the pair of magnet structures with only one set of permanent magnets. Then, by using a plurality of sets, the size of the magnet structure can be matched to various sizes of magnetocaloric materials.

(4)本実施形態においては、磁石構造体の両端に、軟磁性材料からなる部材をさらに設けた。これにより、磁石構造体によって形成される磁場の方向をいっそう特定の方向にむけることができる。ここでは磁石構造体の上または下の方向へ磁場を形成することができる。   (4) In this embodiment, members made of a soft magnetic material are further provided at both ends of the magnet structure. Thereby, the direction of the magnetic field formed by the magnet structure can be directed to a more specific direction. Here, a magnetic field can be formed in the direction above or below the magnet structure.

(5)本実施形態においては、磁石構造体、磁気熱量材料、磁石構造体、磁気熱量材料、…磁石構造体となるように複数積層されており、磁気熱量材料の間にある磁石構造体は、その磁石構造体の一側に位置する磁気熱量材料と反対側に位置する磁気熱量材料に対して磁気を印加するようにした。このように、本実施形態では、磁気熱量材料と磁気熱量材料の間に磁石構造体があるだけで、ヨークがなくても磁気熱量材料に対して強い磁気を印加することができる。したがって、ヨーク構造を有する場合よりも小型軽量化を図ることができる。   (5) In the present embodiment, a magnet structure, a magnetocaloric material, a magnet structure, a magnetocaloric material,... Are stacked so as to be a magnet structure, and the magnet structure between the magnetocaloric materials is The magnetism is applied to the magnetocaloric material located on the opposite side to the magnetocaloric material located on one side of the magnet structure. As described above, in this embodiment, there is a magnet structure between the magnetocaloric material and the magnetocaloric material, and strong magnetism can be applied to the magnetocaloric material without a yoke. Therefore, the size and weight can be reduced as compared with the case where the yoke structure is provided.

以上、本発明を適用した実施形態を説明したが、本発明はここで説明した実施形態以外の構成であってもよく、本発明は特許請求の範囲により規定した事項によって定められる様々な変形形態が可能であることはいうまでもない。   Although the embodiment to which the present invention is applied has been described above, the present invention may have a configuration other than the embodiment described herein, and the present invention is various modifications defined by matters defined by the claims. Needless to say, this is possible.

11〜18 磁気熱量材料、
20 基板、
21〜28 磁石構造体、
30〜33 熱スイッチ、
50 軟磁性部材、
201〜208 永久磁石。
11-18 magnetocaloric material,
20 substrates,
21-28 magnet structure,
30-33 thermal switch,
50 soft magnetic members,
201-208 Permanent magnet.

Claims (5)

間隔を設けて列状に配置され、磁気の印加および除去により温度変化する複数の磁気熱量材料と、
前記複数の磁気熱量材料のそれぞれへの磁気の印加および除去を行うための磁気回路と、
を有し、
前記磁気回路は、
前記磁気熱量材料に磁気を印加する状態において、前記磁気熱量材料を間に挟んで一対となる磁石構造体からなり、
前記磁石構造体は、磁化の向きが互いに異なるハルバッハ配列とした複数の永久磁石からなり、
前記磁石構造体によって形成される磁力線の向きが、前記一対の磁石構造体の間において前記一対の磁石構造体の両方とも同じ方向であることを特徴とする磁気冷暖房装置。
A plurality of magnetocaloric materials arranged in rows at intervals and changing in temperature by applying and removing magnetism;
A magnetic circuit for applying and removing magnetism to each of the plurality of magnetocaloric materials;
Have
The magnetic circuit is:
In a state in which magnetism is applied to the magnetocaloric material, the magnetocaloric material comprises a pair of magnet structures with the magnetocaloric material sandwiched therebetween,
The magnet structure is composed of a plurality of permanent magnets having a Halbach array with different magnetization directions,
The direction of the magnetic force line formed by the said magnet structure is a magnetic air-conditioning / heating apparatus characterized by both the said pair of magnet structures being the same direction between the said pair of magnet structures.
前記複数の永久磁石は、その磁化の向きが180度になるまで漸次変化するように並べられていることを特徴とする請求項1に記載の磁気冷暖房装置。   The magnetic air conditioner according to claim 1, wherein the plurality of permanent magnets are arranged so as to gradually change until the direction of magnetization thereof reaches 180 degrees. 前記磁化の向きが180度になるまで漸次変化するように並べられている前記複数の永久磁石を1セットとして、前記磁石構造体は少なくとも前記1セットの前記複数の永久磁石を用いていることを特徴とする請求項2に記載の磁気冷暖房装置。   The plurality of permanent magnets arranged so as to gradually change until the magnetization direction reaches 180 degrees as one set, and the magnet structure uses at least one set of the plurality of permanent magnets. The magnetic air conditioner according to claim 2, wherein 前記磁石構造体の両端に、軟磁性材料からなる部材をさらに有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の磁気冷暖房装置。   The magnetic air conditioner according to any one of claims 1 to 3, further comprising a member made of a soft magnetic material at both ends of the magnet structure. 前記磁石構造体、前記磁気熱量材料、前記磁石構造体、前記磁気熱量材料、…前記磁石構造体となるように複数積層されており、磁気熱量材料の間にある前記磁石構造体は、その磁石構造体の一側に位置する磁気熱量材料と反対側に位置する磁気熱量材料に対して磁気を印加することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の磁気冷暖房装置。   The magnet structure, the magnetocaloric material, the magnet structure, the magnetocaloric material,... Are stacked so as to be the magnet structure, and the magnet structure between the magnetocaloric materials is the magnet. The magnetic air conditioner according to any one of claims 1 to 4, wherein magnetism is applied to a magnetocaloric material located on the opposite side of the magnetocaloric material located on one side of the structure.
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