JP2021181865A - 磁気冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気冷凍材料を用いたＡＭＲ方式の磁気冷凍システムにおいて磁気冷凍効率を向上させる磁気冷凍装置を提供すること。
【解決手段】 磁気冷凍材料１２が封入された充填管１１の外側に送風管１３を配置して送風路１４を形成し、そこに送風生成器１９で生成した空気を、切換弁１８ａ，１８ｂを用いて温冷熱輸送媒体と流れの向きを揃えて送り込む構造とする。そして、その空気を用いて充填管１１から放出される温冷熱を回収して熱交換器１６ａ，１６ｂに送ることで、取り出す温冷熱量を増やし、磁気冷凍装置の効率を向上させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気熱量効果を有する磁性体を用いた磁気冷凍装置に関する。

現在、日常生活に密接に関係する冷凍技術、例えば、冷蔵庫、冷凍庫、及び、室内空調を行う冷暖房エアコンなどの大半は、冷媒の気化熱を利用した蒸気圧縮膨張サイクルが使用されている。

しかし、この蒸気圧縮膨張サイクルに基づく冷凍技術に関しては、特定フロンガスの排出に伴うオゾン層破壊などの環境破壊が大きな問題となっている。また、その対策として考案された代替フロンガスについても、地球温暖化に対する環境影響が懸念されている。そこで、最近では、ＣＯ_２又はイソブタンなどの自然冷媒を用いる機器が開発されている。このような背景から、動作ガスの排出に伴う環境破壊の問題が無いクリーンでかつ高効率な冷凍技術の実用化が求められている。

近年、このような環境配慮型でかつ高効率な冷凍技術の一つとして、磁気冷凍への期待が高まっており、室温域での磁気冷凍技術の研究開発が活発化してきている。この磁気冷凍技術は、１８８１年にワールブルク（Ｗａｒｂｕｒｇ）によって発見された鉄における磁気熱量効果が基本となっている。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の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。磁性物質では、磁場印加時の状態と磁場除去時の状態と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発生する。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、磁場印加時と磁場除去時との間で大きなエントロピー変化を得ることで、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て低温を生成する。

磁気冷凍装置は、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常磁性体を用いた開発が進められたが、２０Ｋ以下の極低温領域に適用されるに止まっていた。それに対して、１９７０年代以降、単位体積当たりの電子磁気スピンが大きな様々な磁性物質が数多く提案され、１９７４年には米国のブラウン（Ｂｒｏｗｎ）が常温で常磁性体から強磁性体への磁気相転移を生じる物質を用いることによって室温域における磁気冷凍を初めて実現した。さらに、１９８２年に米国のバークレイ（Ｂａｒｃｌａｙ）は、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、冷凍サイクル運転を定常状態にすることを可能にした（特許文献１参照）。この磁気冷凍方式はＡＭＲ方式（Ａｃｔｉｖｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ）と呼ばれ、現在の磁気冷凍装置の基本となっている。

その後、２０００年頃には、永久磁石を用いたＡＭＲ方式の磁気冷凍デバイスが報告されるなど、永久磁石を用いた室温磁気冷凍技術が活発に行われている。２００６年には、永久磁石の配置最適化、熱交換機構の構造改善などによって５４０Ｗもの冷凍能力を達成したとの発表もされている（非特許文献１参照）。

米国特許第４３３２１３５号明細書

中部電力株式会社、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、"室温磁気冷凍システムの開発について"、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成１８年１１月７日、中部電力プレスリリースバックナンバー（２００６年）、［２０１９年１２月１７日検索］、インターネット<URL: https://www.chuden.co.jp/corpo/publicity/press2006/1107_1.html>

しかしながら、前記従来の磁気冷凍装置において、磁気冷凍作業により生成された熱は蓄積されず磁気冷凍物質近傍から外部に放出されるものがあり、一般の冷蔵庫又はエアコンへの搭載に向けて更なる効率向上が望まれるため、その放出される冷熱の利用が必要である。

本発明は、上記課題を考慮してなされるもので、磁気冷凍効率を向上させる磁気冷凍装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の１つの態様にかかる磁気冷凍装置は、磁気冷凍材料に対する磁石の接近及び退避移動によって磁場の印加及び除去を繰り返して前記磁気冷凍材料の温度を変化させ、温冷熱輸送媒体と熱のやり取りを行って温冷熱を生成する磁気冷凍装置において、
前記磁気冷凍材料が封入された充填管と、
前記充填管の外面を一定の隙間を設けて覆うように配置された送風管と、
前記充填管と前記送風管との間に形成される前記隙間で形成された送風路に送り込む空気の流れを生成する送風生成器と、
前記送風路に流れる前記空気の風の向きを切り換える切換え機構とを備え、
前記充填管の中の前記温冷熱輸送媒体の流れの向きと前記送風路の中を流れる前記空気の流れの向きとが同じである。

以上のような本発明の前記態様にかかる磁気冷凍装置によれば、磁気冷凍材料が封入された充填管の外側の送風路に、送風生成器で生成した空気を温冷熱輸送媒体と流れの向きを揃えて送り込み、その空気を用いて充填管から放出される温冷熱を回収して熱交換器に送るように構成している。このように構成することで、効率良く温熱もしくは冷熱を取り出すことができ、小型化が可能でかつ磁気冷凍効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態１における磁気冷凍装置の外観図 本発明の実施の形態１における磁気冷凍装置の充填管及び送風管の斜視図 本発明の実施の形態１における磁気冷凍装置の充填管及び送風管の断面正面図 本発明の実施の形態１における磁気冷凍装置において磁場が印加されていない状態の充填管及び送風管の断面側面図 本発明の実施の形態１における磁気冷凍装置において磁場が印加された状態の充填管及び送風管の断面側面図 本発明の実施の形態１における磁気冷凍装置の送風生成器の図で、（ａ）は図１におけるＡ−Ａ断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図 本発明の実施の形態１における磁気冷凍装置の送風生成器の動作を示した図３（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図で、（ａ）は送風生成器に磁場が印加された状態の図、（ｂ）は送風生成器に磁場が印加されていない状態の図 本発明の実施の形態１における磁気冷凍装置の送風生成器の動作を示した図１におけるＡ−Ａ断面図で、（ａ）は送風生成器に磁場が印加された状態の図、（ｂ）は送風生成器に磁場が印加されていない状態の図 本発明の実施の形態１における磁気冷凍装置の空気の流れを示した外観図で、（ａ）は送風生成器に磁場が印加された状態の図、（ｂ）は送風生成器に磁場が印加されていない状態の図 本発明の実施の形態２における送風路を示した充填管の外観図 本発明の実施の形態３における送風路を示した充填管の外観図 本発明の実施の形態４における磁気冷凍装置の空気及び温冷熱輸送媒体の流れを示した外観図で、（ａ）は磁石が送風生成器のところに位置する状態の図、（ｂ）は磁石が磁気冷凍材料のところに位置する状態の図 本発明の実施の形態４における磁気冷凍装置の磁石の動きを示した図９におけるＣ−Ｃ断面図で、（ａ）は磁石が送風生成器のところに位置する状態の図、（ｂ）は磁石が磁気冷凍材料のところに位置する状態の図

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図１から図６を用いて説明する。

まず、本発明の実施の形態１の構成について図１から図３を用いて説明する。

図１は本発明の実施の形態１における磁気冷凍装置の外観図である。磁気冷凍装置は、充填管１１と、送風管１３と、送風生成器１９と、切換え機構１８とを備えている。

送風生成器１９は、充填管１１と送風管１３との間に形成される送風路１４に送り込む空気の流れを生成する。

切換え機構１８は、送風路１４に流れる風の向きを切り換える。

円筒状の充填管１１の軸方向の中央部１１ａには、磁気冷凍材料１２が充填されている。充填管１１は例えば円筒状の部材であり、その中央部１１ａには、材料収納部の一例として機能して磁気冷凍材料１２が充填されるとともに、充填管１１の全体の内部は温冷熱輸送媒体で満たされている。ただし、材料収納部である中央部１１ａでは、磁気冷凍材料１２の隙間が温冷熱輸送媒体で満たされている。

磁気冷凍材料１２は、磁気熱量効果を発揮する材料、例えば、希土類金属であるＧｄ（ガドリニウム）とその合金等である。
充填管１１内の中央部１１ａの磁気冷凍材料１２を充填管１１の外側から覆うように、充填管１１の外側に円筒状の送風管１３が設置されている。

ここで、送風管１３は、充填管１１の中央部１１ａの外面を一定の間隔の円筒状の隙間９０を設けて覆うように配置されている。すなわち、充填管１１の中央部１１ａと送風管１３との間の隙間９０は、円筒状の送風路１４として形成されている。

充填管１１の軸方向の両端には温冷熱輸送媒体配管１５がそれぞれ接続されている。２本の温冷熱輸送媒体配管１５のうちの一方（例えば図１の充填管１１の左端部）には、第１の熱交換器１６ａが接続され、他方（例えば図１の充填管１１の右端部）には第２の熱交換器１６ｂが接続されて、各々に温冷熱輸送媒体が充填管１１から送られる。すなわち、第１の熱交換器１６ａと充填管１１と第２の熱交換器１６ｂとの間でポンプなどの輸送装置９５の駆動により温冷熱輸送媒体が移動するようにしている。

第１の熱交換器１６ａ及び第２の熱交換器１６ｂには、磁気冷凍装置外部から風が送られ、第１の熱交換器１６ａ及び第２の熱交換器１６ｂ内のそれぞれの温冷熱輸送媒体と風（例えば磁気冷凍装置外部の空気）との間で熱交換する構造になっている。
温冷熱輸送媒体は、磁気冷凍装置の使用環境温度で凝固及び蒸発が起きない液体、例えば、水、アルコール、又は、不凍液などである。
一方、送風管１３の軸方向の両端に空気配管１７がそれぞれ接続され、切換え機構１８の例としての２つの切換弁１８を介して送風生成器１９が２つの空気配管１７で送風管１３に接続されている。

また、２つの切換弁１８と第１の熱交換器１６ａと第２の熱交換器１６ｂとが空気配管１７でそれぞれ接続されている。

また、図２Ａと図２Ｂとは本発明の実施の形態１における磁気冷凍装置から充填管１１と送風管１３と空気配管１７とを抜き出した図である。図２Ａは送風管１３を設置した部分の斜視図、図２Ｂは送風管１３を設置した部分の縦断面図になっている。図２Ｂに示すように、磁気冷凍材料１２の外周を覆うように送風路１４が形成され、その両端に空気配管１７それぞれが接続されている。

また、図２Ｃ及び図２Ｄに示すように、例えば１対の温度変化用磁石４０が、充填管１１の中央部１１ａから退避した第２位置Ｆから充填管１１の中央部１１ａを挟む第１位置Ｅに移動するとき、中央部１１ａ内の磁気冷凍材料１２は磁気熱量効果によって温度が上昇し、１対の磁石４０が第１位置Ｅから中央部１１ａから外れた第２位置Ｆに移動するとき、中央部１１ａ内の磁気冷凍材料１２は磁気熱量効果によって温度が低下する。この磁石４０の移動は、手動でもよいし、又は、モータの正逆回転によりボールネジが直線的に進退移動する公知の移動装置で実施してもよい。

一方、１対の磁石４０の動きに応じて、ポンプなどの輸送装置９５を駆動して、充填管１１の内部の温冷熱輸送媒体を充填管１１の軸方向に進退移動できるようになっている。そのように構成することで、中央部１１ａ内の磁気冷凍材料１２によって加熱された温冷熱輸送媒体を、例えば、充填管１１の中央部１１ａから一方の端部を介して第１の熱交換器１６ａに移動させる一方、中央部１１ａ内の磁気冷凍材料１２によって冷却された温冷熱輸送媒体を、充填管１１の中央部１１ａから他方の端部を介して第２の熱交換器１６ｂに移動させて、充填管１１の内部の温冷熱輸送媒体を高温と低温とに分けることができ、温熱もしくは冷熱を利用することができるようになる。

また、図３は本発明の実施の形態１における送風生成器１９である。図３（ａ）は図１におけるＡ−Ａ断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。図３（ａ）において、円筒状のシリンダの一例としての筐体筒３１の両端には空気配管１７がそれぞれ挿入されており、筐体筒３１の内部には例えば円柱体形状の回転子３２が収納されている。円筒状の筐体筒３１の内壁には、らせん状のガイド溝３３が形成され、回転子３２の表面には、らせん状のガイド突起３４が形成されており、ガイド溝３３とガイド突起３４とは互いに嵌め合わされて摺動可能となっている。このような構成に限定されずに、筐体筒３１の内壁には、らせん状のガイド突起３４が形成され、回転子３２の表面には、らせん状のガイド溝３３が形成されていてもよい。らせん状のガイド突起３４とらせん状のガイド溝３３との縦断面は、一例として三角形となっている。よって、回転子３２が筐体筒３１内で軸方向に進退移動しようとすると、らせん状のガイド突起３４とらせん状のガイド溝３３との嵌め合いにより、回転子３２が筐体筒３１に対して軸方向回りに強制的に正逆回転させられることになる。

また、回転子３２の中央部には、軸直交方向の縦断面が長方形状の棒状の回転子磁石３５が軸方向沿いに固定されている。回転子３２の一方の端面からは、回転子磁石３５が軸方向に突出している。

さらに、筐体筒３１の一方の端面の内面と回転子３２との間には第１の支持ばね３６ａが縮んで配置されている。筐体筒３１の他方の端面の内面と回転子磁石３５との間には第２の支持ばね３６ｂが縮んで配置されて、ばね力が回転子３２に常時作用するように構成している。よって、回転子３２と回転子磁石３５とが一体となって第１の支持ばね３６ａと第２の支持ばね３６ｂとによって筐体筒３１の両端間の中間に支持されている。回転子３２は、回転子３２が磁化して回転精度が落ちる等、十分な機能を果たせない可能性があるので、非磁性体が好ましい。

また、図４に示すように、送風生成器１９の軸方向と直交する方向において、例えば長方形板状の第１の磁石４１と例えば長方形板状の第２の磁石４２とが送風生成器１９を挟んで回転子３２と回転子磁石３５とに磁場を印加する回転駆動位置Ａと、回転駆動位置Ａから退避して第１の磁石４１と第２の磁石４２とが送風生成器１９を挟んでおらず回転子３２と回転子磁石３５とから磁場を除去する退避位置Ｂとの間で、第１の磁石４１と第２の磁石４２とが移動するように構成している。この第１の磁石４１と第２の磁石４２との移動は、手動でもよいし、又は、モータの正逆回転によりボールネジが直線的に進退移動する公知の移動装置で実施してもよい。

詳しくは後述するが、この第１の磁石４１と第２の磁石４２との進退移動による磁場の印加及び除去により、回転子磁石３５が回転子３２とともに、磁場印加時には２つのばね力に打ち勝って、軸回りに回転しつつ軸方向に初期位置Ｃ（例えば図５（ｂ）参照）と送り出し位置Ｄ（例えば図５（ａ）参照）との間で進退移動させ、空気を送ることができる。

このように構成することで、第１の支持ばね３６ａのばね力と第２の支持ばね３６ｂのばね力と磁力とによって、回転子３２は、軸方向回りに正逆回転をしながら筐体筒３１内を軸方向に進退移動可能となる。また、図３（ｂ）に示すように、回転子磁石３５は、回転子３２の一方の端面に回転子３２の軸と回転子磁石３５の中心とが一致するように配置されて、以下に説明するように、磁力で回転子磁石３５が中心回りに回転するとき、回転子３２も軸回りに回転子磁石３５と一体的に回転するように構成している。

次に、本発明の実施の形態１の磁気冷凍装置の動作について、図４から図６を用いて説明する。

まず、図４及び図５を用いて、送風生成器１９の動作について説明する。

送風生成器１９は、磁石４１，４２の移動によって磁場を印加及び除去することで回転子３２を軸方向の初期位置Ｃから送り出し位置Ｄまで進ませて空気を送る機構になっている。図４は図３（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図であり、（ａ）と（ｂ）とは回転子３２の送り出し位置Ｄと初期位置Ｃとの間での軸回りの正逆回転の動きを示している。図５は図１におけるＡ−Ａ断面図であり、（ａ）と（ｂ）とは回転子３２の軸方向の送り出し位置Ｄと初期位置Ｃとの間での進退の動きを示している。

図４（ａ）においては、送風生成器１９の軸直交方向から送風生成器１９を挟むように第１の磁石４１と第２の磁石４２とが退避位置Ｂから回転駆動位置Ａに移動して位置しており、第１の磁石４１の対向面４１ａの磁極と第２の磁石４２の対向面４２ａの磁極とが反対になっている。このとき、回転子磁石３５は、一方の端部３５ａの磁極と第１の磁石４１の対向面４１ａの磁極とが反対になっている。従って、回転子磁石３５の他方の端部３５ｂの磁極と第２の磁石４２の対向面４２ａの磁極とも反対になっている。

このように構成することで、前記移動時に、端部３５ａが対向面４１ａに引き付けられるとともに端部３５ｂが対向面４２ａに引き付けられて、回転子３２が軸回りに回転させられつつ軸方向にも進行して、初期位置Ｃから送り出し位置Ｄまで移動するとともに、図４（ａ）に示す回転駆動位置Ａの状態になる。例えば、端部３５ａがＳ極のとき、端部３５ｂはＮ極になり、それぞれ、対向面４１ａがＮ極でかつ対向面４２ａがＳ極となるように、第１の磁石４１と第２の磁石４２とを配置する。

一方、図４（ｂ）は、第１の磁石４１及び第２の磁石４２が、送風生成器１９から外れた退避位置Ｂに移動した状態を表している。この退避位置Ｂでは、回転子磁石３５には、第１の磁石４１及び第２の磁石４２からの磁力がかからないため、磁力による回転子３２は軸回りの回転及び軸方向の進行を停止する。すると、第１の支持ばね３６ａのばね力と第２の支持ばね３６ｂのばね力とが、常時、回転子３２に作用しており、磁力が作用しているときには、磁力がばね力に打ち勝っている。しかしながら、磁力が無くなると、これら２つのばね力のみが回転子３２に作用し、送り出し位置Ｄから２つのばね力が釣り合う位置（例えば図５（ｂ）の釣り合い位置（すなわち初期位置）Ｃ）まで回転子３２が回転しつつ軸方向に後退する。実施の形態１の場合は、一例として、図４（ａ）と図４（ｂ）との間で９０度の回転としているが、１８０度を超えなければ、第１の磁石４１と第２の磁石４２とによる磁場の印加及び除去により図４（ａ）と図４（ｂ）とに示す姿勢がそれぞれ再現できる。

次に、図５（ａ）は、図４（ａ）の状態に対応した送風生成器１９の図１におけるＡ−Ａ断面図である。この状態では、前記した磁力により回転子３２が軸回りに回転し、ガイド突起３４がガイド溝３３に沿って滑ることで、回転子３２が図５（ａ）の左方向に初期位置Ｃから送り出し位置Ｄまで移動する。それによって、図５（ａ）の回転子３２の左側の第１空間８１が狭くなり、空気が圧縮されて、図５（ａ）に示す矢印８３の方向に空気が送り出される。このとき、回転子３２が移動した方向にある第１の支持ばね３６ａは圧縮され、反対方向にある第２の支持ばね３６ｂは伸ばされる。

一方、図５（ｂ）は、図４（ｂ）の状態に対応した送風生成器１９の図１におけるＡ−Ａ断面図である。この状態では、磁力が除去されて回転子３２は第１の支持ばね３６ａのばね力と第２の支持ばね３６ｂのばね力とによって図５（ｂ）の右側に移動し、第１の支持ばね３６ａのばね力と第２の支持ばね３６ｂのばね力とが釣り合う釣り合い位置Ｃになる。このとき、回転子３２の図５（ｂ）の右側の第２空間８２が圧縮されることになり、図５（ｂ）の矢印８４の方向に空気が送り出される。

なお、筐体筒３１の内壁面、及び、回転子３２の表面は、樹脂もしくはフッ素樹脂等で加工されていることが摩擦抵抗低減のため望ましいが、これに限定されるものではない。また、ガイド溝３３とガイド突起３４との間には、グリス等の潤滑剤が塗布されていることが耐摩耗及び空気漏れ低減のため望ましい。

次に、図４及び図５に示す送風生成器１９の動作により送り出された空気の流れと本発明の実施の形態１の効果とについて図６を用いて説明する。図６は本発明の実施の形態１の磁気冷凍装置の外観図であり、矢印Ｘが空気の流れを、矢印Ｙが温冷熱輸送媒体の流れを表しており、第１の切換弁１８ａが空気配管１７を介して第１の熱交換器１６ａに接続され、第２の切換弁１８ｂが空気配管１７を介して第２の熱交換器１６ｂに接続されている。図６（ａ）は、送風生成器１９が図４（ａ）及び図５（ａ）の状態のときの空気の流れを示している。図６（ｂ）は、送風生成器１９が図４（ｂ）及び図５（ｂ）の状態のときの空気の流れを示している。

図６（ａ）において、送風生成器１９から矢印８３で空気配管１７に送り出された空気は、第１の切換弁１８ａの切り換えにより空気配管１７を介して送風管１３に送られ、送風管１３の第１の熱交換器１６ａに近い側の端部から送風路１４に送り込まれる。送り込まれた空気は、送風路１４を通って、送風管１３の第２の熱交換器１６ｂに近い側の端部から出て、第２の切換弁１８ｂの切り換えによって空気配管１７を介して第２の熱交換器１６ｂに送られる。これに合わせて、温冷熱輸送媒体は、ポンプ等の輸送装置９５により第１の熱交換器１６ａ側から第２の熱交換器１６ｂ側に充填管１１内を移動する。このとき、温冷熱輸送媒体の移動に合わせて、磁石４１，４２とは別の温度変化用磁石４０によって磁気冷凍材料１２に対して磁場の印加及び除去が行われる。実施の形態１では、図６（ａ）において、印加されていた磁場が除去されているとする。

磁気冷凍材料１２は、磁場の除去による磁気熱量効果により温度が低下し、それによって冷やされた温冷熱輸送媒体が充填管１１から第２の熱交換器１６ｂに送られ、第２の熱交換器１６ｂにおいて、磁気冷凍装置外部から送られる風と温冷熱輸送媒体との間で熱交換することで冷熱が活用できる。これとともに、空気が送風路１４内を温冷熱輸送媒体の流れに合わせて同じ向きに流れることで、磁気冷凍材料１２によって冷やされた充填管１１の表面から冷熱を吸収して空気の温度が下がり、第２の熱交換器１６ｂに送られ、冷熱の活用量を増やすことができる。

一方、図６（ｂ）において、送風生成器１９から矢印８４で空気配管１７に送り出された空気は、第２の切換弁１８ｂの切り換えにより空気配管１７を介して送風管１３に送られ、送風管１３の第２の熱交換器１６ｂに近い側の端部から送風路１４に送り込まれる。送り込まれた空気は、送風路１４を通って、送風管１３の第１の熱交換器１６ａに近い側の端部から出て、第１の切換弁１８ａの切り換えによって空気配管１７を介して第１の熱交換器１６ａに送られる。これに合わせて、温冷熱輸送媒体は、ポンプ等の輸送装置９５により第２の熱交換器１６ｂ側から第１の熱交換器１６ａ側に充填管１１内を移動する。このとき、温冷熱輸送媒体の移動に合わせて、温度変化用磁石４０によって磁気冷凍材料１２に対して磁場の印加が行われる。図６（ｂ）においては、除去されていた磁場が印加されているとする。

磁気冷凍材料１２は、磁場の印加による磁気熱量効果により温度が上昇し、それによって温められた温冷熱輸送媒体が充填管１１から第１の熱交換器１６ａに送られ、第１の熱交換器１６ａにおいて、磁気冷凍装置外部から送られる風と温冷熱輸送媒体との間で熱交換することで温熱が活用できる。これとともに、空気が送風路１４内を温冷熱輸送媒体の流れに合わせて同じ向きに流れることで、磁気冷凍材料１２によって温められた充填管１１の表面から温熱を吸収して空気の温度が上がり、第１の熱交換器１６ａに送られ、温熱の活用量を増やすことができる。そして、これらの繰り返しにより図６（ａ）と図６（ｂ）の状態に交互になるように動作して、温熱と冷熱とが作られる。

前記のように、本発明の実施の形態１によれば、磁気冷凍材料１２が封入された充填管１１の外側に送風管１３を配置して送風路１４を形成し、そこに送風生成器１９で生成した空気を、切換弁１８ａ，１８ｂを用いて温冷熱輸送媒体と流れの向きを揃えて送り込む構造とする。そして、その空気を用いて充填管１１から放出される温冷熱を回収して熱交換器１６ａ，１６ｂに送るように構成している。このように構成することで、従来において充填管１１の表面から放出されていた温冷熱を回収することができ、磁気冷凍装置の効率を向上させることができる。

なお、送風生成器１９において、ガイド溝３３とガイド突起３４とによって回転子３２の軸回転を並進方向の動きに変換しているため、回転子３２を定まった位置に制御できることと、空気配管１７又は切換弁１８ａ，１８ｂなどで生じる圧力損失に対して大きな力で回転子３２を動かせるため、常に一定量の空気を送り出すことができる。

また、送風生成器１９については、モータを用いて回転子３２を移動させてもよく、さらに別の手段で空気を、実施の形態１に示すタイミングと方向とに送り出しても成立する。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２について、図７を用いて説明する。図７は充填管１１と送風路１４の部分を抜き出した図であり、図７に示すもの以外の磁気冷凍装置の構造及び動作に関しては、実施の形態１と同様である。

図７において、送風路１４内に、円環状の第１の仕切板７１ａと円環状の第２の仕切板７１ｂと円環状の第３の仕切板７１ｃとが一定の間隔を置いて配置され、送風路１４の空間が区切られている。このとき、各仕切板７１には、各々スリット７０が設けられており仕切板７１で区切られる空間が前記スリット７０で繋がっている。また、第１の仕切板７１ａのスリット７０と第２の仕切板７１ｂのスリット７０とは、充填管１１の中心軸に対して１８０度の異なった回転位相の位置にあり、第２の仕切板７１ｂのスリット７０と第３の仕切板７１ｃのスリット７０とは充填管１１の中心軸に対して１８０度の異なった回転位相の位置にある。

このように構成することで、空気配管１７から送風路１４に送られた空気は、充填管１１の中心軸に対して１８０度の位置にある仕切板７１のスリット７０の間を流れるため、充填管１１の表面に対してより広い面積で接することになる。

よって、充填管１１の表面から放出される温冷熱をより効率的に回収することができ、より高効率な磁気冷凍装置を実現できる。

なお、仕切板７１の枚数は３枚に限定されるものではなく、冷熱回収の効率と圧力損失との関係によって、２枚又は４枚以上の任意の枚数に設計することができる。

また、第１の仕切板７１ａのスリット７０と第２の仕切板７１ｂのスリット７０との位置関係、及び、第２の仕切板７１ｂのスリット７０と第３の仕切板７１ｃのスリット７０との位置関係は充填管１１の中心軸に対して１８０度であることが望ましいが、その角度に限定されるものではなく、それ以外の角度であっても効率向上の効果は期待できる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３について、図８を用いて説明する。図８は充填管１１と送風路１４の部分を抜き出した図であり、図８に示すもの以外の磁気冷凍装置の構造及び動作に関しては実施の形態１と同様である。

図８において、送風路１４内にらせん帯状の仕切板７２が設置されている。このとき、空気配管１７から送風路１４に送られた空気は、らせん状仕切板７２によって充填管１１表面に作られる風路を、周方向に複数回らせん状に周りながら流れる。

このように構成することで、送風路１４を流れる空気は、充填管１１の表面に対してより広い面積で接することになる。

よって、充填管１１の表面から放出される温冷熱をより効率的に回収することができ、より高効率な磁気冷凍装置を実現できる。

なお、らせん状仕切板７２の旋回数は、冷熱回収の効率と製作コスト等との関係により、任意の旋回数に設計することができる。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４について、図９及び図１０を用いて説明する。

図９は本発明の実施の形態４の磁気冷凍装置の外観図で、板状磁石９１が加えられている以外は実施の形態１の磁気冷凍装置と同じである。また、図１０は図９のＣ−Ｃ断面図であって、図９（ａ）の断面が図１０（ａ）であり、図９（ｂ）の断面が図１０（ｂ）である。

本発明の実施の形態４においては、実施の形態１では、磁気冷凍材料に磁場を与える手段と送風生成器に磁場を与える手段とは、異なる磁石４０と磁石４１，４２とで実施していたのに対して、同じ長方形板状磁石９１を用いており、図９（ａ）と図９（ｂ）は、板状磁石９１の位置の違いを表している。そして、図９（ａ）のＣ−Ｃ断面が図１０（ａ）であり、図９（ｂ）のＣ−Ｃ−断面が図１０（ｂ）となっている。

図９（ａ）及び図１０（ａ）において、板状磁石９１は送風生成器１９のところに位置し、図１０（ａ）に示すように、板状磁石９１は送風生成器１９を挟むように位置している。また、図９（ｂ）及び図１０（ｂ）おいて、板状磁石９１は磁気冷凍材料１２のところに位置し、図１０（ｂ）に示すように、板状磁石９１は磁気冷凍材料１２を挟むように位置している。本発明の実施の形態４の磁気冷凍装置は、図９（ａ）及び図１０（ａ）と図９（ｂ）及び図１０（ｂ）の状態に交互になるように板状磁石９１が図示しない駆動源によって移動する。

図９（ａ）及び図１０（ａ）において、磁気冷凍材料１２は板状磁石９１によって磁場が除去されたため磁気熱量効果により温度が低下し、その冷熱が温冷熱輸送媒体によって第２の熱交換器１６ｂに運ばれる。同時に、図１０（ａ）に示すように、回転子３２が板状磁石９１との磁力によって回転してＸ方向に空気が送り出され、送風路１４において充填管１１からの放出される冷熱を回収して第２の熱交換器１６ｂに送り込まれる。そうすることで第２の熱交換器１６ｂでの熱交換量を増加させ熱交換効率を向上させる。

一方、図９（ｂ）及び図１０（ｂ）において、磁気冷凍材料１２は板状磁石９１によって磁場が印加されたため磁気熱量効果により温度が上昇し、その温熱が温冷熱輸送媒体によって第１の熱交換器１６ａに運ばれる。同時に、図１０（ｂ）に示すように、回転子３２が支持ばね３６によって回転してＸ方向に空気が送り出され、送風路１４において充填管１１からの放出される温熱を回収して第１の熱交換器１６ａに送り込まれる。そうすることで第１の熱交換器１６ａでの熱交換量を増加させ熱交換効率を向上させる。

そうすることで、実施の形態１と同様に磁気冷凍装置の高効率化が図れ、同様の効果が１対の磁石で可能となるため、駆動源の削減と装置の小型化に有利になる。

なお、実施の形態２、及び、実施の形態３においても同様の効果が得られる。

なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。

本発明の前記態様にかかる磁気冷凍装置は、小型で効率良く温冷熱を生成することを可能にするもので、冷凍機、冷凍冷蔵装置、空調機、又は、給湯空調複合装置などに対して活用するにあたり有利になる。

１１ 充填管
１１ａ 中央部
１２ 磁気冷凍材料
１３ 送風管
１４ 送風路
１５ 温冷熱輸送媒体配管
１６ａ 第１の熱交換器
１６ｂ 第２の熱交換器
１７ 空気配管
１８ａ，１８ｂ 切換弁
１９ 送風生成器
３１ 筐体筒
３２ 回転子
３３ ガイド溝
３４ ガイド突起
３５ 回転子磁石
３６ａ 第１の支持ばね
３６ｂ 第２の支持ばね
４０ 温度変化用磁石
４１，４２ 磁石
７０ スリット
７１ａ，７１ｂ，７１ｃ 仕切板
７２ らせん状仕切板
８１ 第１空間
８２ 第２空間
８３ 矢印
８４ 矢印
９０ 隙間
９１ 板状磁石
Ａ 回転駆動位置
Ｂ 退避位置
Ｃ 初期位置
Ｄ 送り出し位置
Ｅ 第１位置
Ｆ 第２位置

Claims (4)

1. 磁気冷凍材料に対する磁石の接近及び退避移動によって磁場の印加及び除去を繰り返して前記磁気冷凍材料の温度を変化させ、温冷熱輸送媒体と熱のやり取りを行って温冷熱を生成する磁気冷凍装置において、
   前記磁気冷凍材料が封入された充填管と、
   前記充填管の外面を一定の隙間を設けて覆うように配置された送風管と、
   前記充填管と前記送風管との間に形成される前記隙間で形成された送風路に送り込む空気の流れを生成する送風生成器と、
   前記送風路に流れる前記空気の風の向きを切り換える切換え機構とを備え、
   前記充填管の中の前記温冷熱輸送媒体の流れの向きと前記送風路の中を流れる前記空気の流れの向きとが同じである、磁気冷凍装置。
2. 前記送風生成器が、
   円筒状のシリンダと、
   前記シリンダ内を軸回りに回転しながら軸方向に進退移動可能な円柱状の回転子と、
   前記回転子に固定された回転子磁石と、
   前記回転子に接近し前記磁場を印加して前記回転子磁石により前記回転子が回転駆動される回転駆動位置と、前記回転子から退避し前記磁場を除去する退避位置との間で移動可能な駆動用磁石と、
   前記磁場を除去するとき、前記シリンダの軸方向の中間部に前記回転子をばね力で戻すように移動させて支持する支持ばねと、
   を備え、
   前記シリンダの内表面と前記回転子の外表面とに又は前記回転子の外表面と前記シリンダの内表面とに、互いに嵌め合いが可能で、かつ、互いに滑ることが可能ならせん状の突起とらせん状の溝とを有し、前記磁場の印加により前記シリンダ内を前記回転子が回転して進退移動可能なように前記回転子が前記シリンダに配設されている、請求項１に記載の磁気冷凍装置。
3. 前記送風路内に前記充填管の周方向に繋がった仕切板が、前記送風路において入口から出口に空間が繋がるように配置されている、請求項１または請求項２に記載の磁気冷凍装置。
4. 前記駆動用磁石が、前記磁気冷凍材料に前記磁場を印加する磁石である、請求項２又は３に記載の磁気冷凍装置。
   

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