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JP7478694B2 - 回転磁場発生装置、磁気冷凍装置、および水素液化装置 - Google Patents

回転磁場発生装置、磁気冷凍装置、および水素液化装置 Download PDF

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Description

本発明は、回転磁場発生装置、磁気冷凍装置、および水素液化装置に関する。
昨今、脱炭素社会に向けた重要なエネルギー源として水素の利用が考えられている。水素は、酸素と化学結合させて発電したり、燃焼させて熱エネルギーとして利用したりすることができる。
水素社会実現のためには、水素を社会に供給するために、水素の製造、貯蔵、輸送の水素サプライチェーンが構築される必要がある。水素エネルギーの貯蔵、輸送を考えるとき、水素ガスはエネルギー密度が低いことから、水素ガスの４～５倍密度が高く体積が１／４～１／５になる液体水素の形態を利用することが有用である。
しかし、液体水素の液化温度はマイナス253度であることから水素のエネルギーのおよそ1/3が液化および冷温保持のために使われてしまうことになる。
したがって、液体水素の生成効率が十分に高くなければそのメリットを活かすことができない。既存の水素液化プラントの効率は20～40％とされており、さらなる効率の改善が望まれている。
近年、磁気熱量効果を利用した高効率の水素液化が脚光を浴びている。磁気熱量効果とは、磁性体のエントロピーと温度の依存性から生じる性質である。一定温度で磁性体に磁場を印加すると、磁性体の磁気モーメントが磁場によって整列しエントロピーが減少する。一方、断熱状態にして磁場を取り除くと外部から熱を吸収して磁気モーメントはランダムになる。これをカルノーサイクル的に運転すれば断熱消磁による冷却となる。
磁気熱量効果を利用した磁気冷凍装置では、磁気作業物質(磁性体)に対して磁場を印加する、取り去るということを繰り返すことと、磁気作業物質(磁性体)と熱交換をする作業流体の制御とが必要である。
非特許文献１には、能動的蓄冷式磁気冷凍(AMR; Active Magnetic Regenerative)について解説がされている。
AMRの動作は、下記の４つのステップからなる。
１）磁場を磁気作業物質に印加する。２）作業流体を一方向から流入して熱交換する。３）磁場を取り除く。４）作業流体を逆方向に流して冷熱を回収する。
非特許文献１では、固定された永久磁石に対して、磁気作業物質を詰め込んだユニットが、永久磁石がつくる磁場空間を往復運動することによって、磁気作業物質に対し磁場の印加と除去を繰り返している。
特許文献１および特許文献２では、固定された磁気作業物質に対して磁界発生装置が回転することによって磁場の印加と除去を繰り返している。
また、磁気冷凍機を用いた水素液化機については同じく非特許文献１に多段のAMRと水素凝縮用のカルノーサイクル磁気冷凍機(CMR; Carnot Magnetic Refrigerator)を組み合わせた液化装置が開示されている。
特開２００６－３０８１９７号公報 特開２００７－１４７２０９号公報
TEION KOGAKU (J. Cryo. Super. Soc. Jpn.) Vol.50 No.2 (2015)
ところで、水素の貯蔵、運搬を液体水素で担おうとするならば、液化効率のみならず十分な液化生産の能力が必要となる。
磁気冷凍装置では、体積当たりの熱容量の関係で磁気作業物質の体積で熱交換量が制限されることから、磁気作業物質を大量に設置できることが必要である。大量の磁気作業物質に対して磁場を印加するためには、大量の磁気作業物質の体積に対して大きな磁場作用空間が必要である。また、磁気作業物質を有効に作動させるためにはなるべく磁場は高い方が望ましい。
また、単位時間の熱交換回数を増やすためには、単位時間当たりの磁場作用回数を増やす必要がある。
従来技術によると、磁場作用空間の構成は永久磁石の片側ポールから流出する磁束によって形成された単層の磁場空間であり、磁場空間のスケールアップが難しい。
また、永久磁石では磁場強度が制限されることからソレノイド超電導電磁石を使った磁気冷凍装置の原理実証も行われているが。超電導磁石を使うと磁束密度２Ｔ(テスラ)以上の磁場を発生できるが、磁場空間がソレノイドコイルの内側空間となるため、磁気作業物質への磁場印加、除去するためには、磁気作業物質もしくは超電導磁石を往復運動させる必要があり、単位時間の熱交換回数が制限される。
本発明は上記実状に鑑み創案されたものであり、磁気冷凍装置に対して単位時間あたりの磁気作用体積を増大することが可能な回転磁場発生装置、磁気冷凍装置、および水素液化装置の提供を目的とする。
前記課題を解決するため、本発明の回転磁場発生装置は、周状に複数の磁石が配置された円板と、前記複数の磁石がそれぞれ対向するように間隔を空けて前記円板を積層することによって形成される磁場作用空間と、前記積層された円板が固定されその中心軸に設置されたシャフトとを有する磁場発生ユニットと、前記円板の積層方向の両端部に設けられた磁性体ヨークと、前記磁場発生ユニットが内部に設置される断熱真空容器と、室温領域に設置され前記シャフトを回転させる駆動機構と、を備え、前記磁性体ヨークは前記シャフトに接している。
本発明によれば、磁気冷凍装置に対して単位時間あたりの磁気作用体積を増大することが可能な回転磁場発生装置、磁気冷凍装置、および水素液化装置を提供することができる。
水素液化のフローの一例を示すダイヤグラム図。 本発明に係る実施形態の水素液化装置の概念図。 実施形態の回転磁場発生装置の斜視図。 実施形態の回転磁場発生装置の斜視図。 実施形態の磁石円板の平面図。 実施形態の回転磁場発生装置における磁束の流れを側方から見た概念図。 モジュールコイルの概念回路図。 モジュールコイルを使った励磁回路の回路図。 実施形態のAMRRユニットの配置の上面図を示す。 実施形態のAMRRユニットの配置の側面図を示す。 実施形態のAMRRユニットの概略構造の斜視図を示す。 変形例の複数の回転磁場発生装置を有する水素液化装置の概念図。 変形例１の適切な磁場強度が異なる磁気作業物質を有するAMRRユニットの配置を示す図。 変形例２の回転磁場ユニットのAMRRユニットと磁石との位置関係の上面図。 変形例３の回転磁場ユニットのAMRRユニットと磁石との位置関係の上面図。
本発明は、磁気熱量効果を利用した磁気冷凍装置に関し、特に磁気作業物質に対して繰り返して磁場印加、除去を多層に行う磁石装置に係る。
以下、本発明の一実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明は以下説明する実施形態に限定されるものではなく、適宜組み合わせや改良、改変が可能である。
最初に、水素を貯蔵、輸送するために、水素の体積を縮小する水素液化の工程について説明する。
* <水素液化のダイヤグラム>
図１に、水素液化のフローダイヤグラムを示す。
水素液化の過程では、予冷ステージｒ１から水素の液化（凝縮）のステージｒ３まで多段階の冷却装置を使って冷却して低温化し、水素の液化が行われる。なお、図１では、予冷ステージｒ１、ｒ２を２段、液化ステージｒ３を１段で図示している。
予冷ステージｒ１、ｒ２は、動作温度の違うAMRR（Active Magnetic Regenerative Refrigeration：能動的蓄冷式磁気冷凍機）が２段直列に接続されている。予冷ステージｒ１のAMRRの高温端は、室温大気、LNG、液体窒素等のヒートシンクｈに接続されている。
それぞれのAMRRR(予冷ステージｒ１、ｒ２)では、磁場の印加、除去と熱を運ぶ作動流体の制御により熱が移動して温度勾配が形成される。多段接続された各AMRR(予冷ステージｒ１、ｒ２)を順次低温端と高温端を熱的に結合（熱交換）することによって、全体として大きな温度差を得ることができる。移動した熱は最終的に高温端のヒートシンクｈに捨てられる。
水素ガスは多段接続されたAMRRの予冷ステージｒ１、ｒ２で冷却されながら、最後の冷却ステージ(液化ステージｒ３)で潜熱を回収することによって液化される。ここでは、カルノーサイクル磁気冷凍機を図示しているが、AMRRであってもよい。
* <実施形態の水素液化装置Ｅの概略図>
図２に、本発明に係る実施形態の水素液化装置Ｅの概念図を示す。図３に、実施形態の回転磁場発生装置８の斜視図を示す。
実施形態の水素液化装置Ｅは、磁気作業物質に対して磁場を印加して発熱させるとともに磁場を除去して吸熱させることを繰り返すことを多層に行い、水素の磁気冷却を行う装置である。磁気作業物質は磁気熱量効果を有している。
水素液化装置Ｅは、磁石駆動用のモータ１０と真空容器１１とを具備している。
真空容器１１には、モータ１０で駆動される回転磁場発生装置８が収納されている。
図３に示すように、回転磁場発生装置８には、例えば複数の超電導電磁石(４ａ、１ａ)、(４ｂ、１ｂ)、(４ｃ、１ｃ)、(４ｄ、１ｄ)が各円板３に設けられている。超電導コイル１a、１ｂ、１ｃ、１ｄは、冷却装置１５(図２参照)によって、超電導状態に冷却される。
室温中におかれた磁石駆動用のモータ１０には、熱絶縁トルクチューブ９が接続されている。
熱絶縁トルクチューブ９を介して、真空容器１１内に回転磁場発生装置８が備え付けられている。熱絶縁トルクチューブ９はモータ１０に結合されて、モータ１０により回転させられる。回転磁場発生装置８は、熱絶縁トルクチューブ９を介して、モータ１０により回転駆動される。
真空容器１０と熱絶縁トルクチューブ９との間には真空保持可能でかつ摺動可能なカップリング（例えば磁性流体シール）が設置されている（図示せず）。
* <回転磁場発生装置８>
図３に示すように、円板(３ａ～３ｋ)には、磁場発生手段(４ａ、１ａ)、(４ｂ、１ｂ)、(４ｃ、１ｃ)、(４ｄ、１ｄ)が複数取り付けられている。なお、図中では符号３ｈ～３ｋまでは記載を省略している。
回転磁場発生装置８は、円板(３ａ～３ｋ)を、磁場発生手段(４ａ、１ａ)、(４ｂ、１ｂ)、(４ｃ、１ｃ)、(４ｄ、１ｄ)が互いに対向するようにギャップｇ(図２参照)を空けて積層されている。
磁場発生手段は、例示した超電導電磁石(４ａ、１ａ)、(４ｂ、１ｂ)、(４ｃ、１ｃ)、(４ｄ、１ｄ)や永久磁石である。本実施形態では、磁場発生手段として超電導電磁石(４ａ、１ａ)、(４ｂ、１ｂ)、(４ｃ、１ｃ)、(４ｄ、１ｄ)を用いた例を説明する。磁石(４a、１a)、(４ｂ、１ｂ)、(４ｃ、１ｃ)、(４ｄ、１ｄ)として超電導磁石を用いることで、エネルギー消費を削減できる。
積層される磁場発生手段(４ａ、１ａ)、(４ｂ、１ｂ)、(４ｃ、１ｃ)、(４ｄ、１ｄ)の間に、前記のとおり、磁気作業物質に磁場を印加するための磁場作用空間のギャップｇが形成される。
磁場作用空間とは、例えば、超電導電磁石(４ａ、１ａ)、(４ｂ、１ｂ)、(４ｃ、１ｃ)、(４ｄ、１ｄ)が取り付けられた円板(３ａ)と超電導電磁石(４ａ、１ａ)、(４ｂ、１ｂ)、(４ｃ、１ｃ)、(４ｄ、１ｄ)が取り付けられた円板(３ｂ)との間の空間である。また、超電導電磁石(４ａ、１ａ)、(４ｂ、１ｂ)、(４ｃ、１ｃ)、(４ｄ、１ｄ)が取り付けられた円板(３ｂ)と超電導電磁石(４ａ、１ａ)、(４ｂ、１ｂ)、(４ｃ、１ｃ)、(４ｄ、１ｄ)が取り付けられた円板(３ｃ)との間の空間等々である。
円板３(３ａ～３ｋ)は熱伝導シャフト６によって一体化されており、モータ１０(図２参照)により駆動される。回転磁場発生装置８の円板３ａ～３ｋの回転に伴い、磁場作用空間(ギャップｇ)は回転して移動する。
図２に示すように、円板３ａ、３ｂ間、円板３ｂ、３ｃ間、……の磁場作用空間のギャップｇには磁気作業物質が充填されたAMRR(４１a、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、…)が挿入される。
AMRR(４１a、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、…)は、動作温度領域に合わせた磁気作業物質が選定されている。磁気作業物質は、温度領域ごとにグルーピングされて回転磁気発生装置８の軸方向(シャフト６の方向)に回転位相が揃うように一列に並べられている。AMRR(４１a、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、…)の高温端、低温端は揃うように並べられており、熱交換器２１、２２で一体化されている。
室温から導入された水素(Ｈ２)ガスは高温側のAMRR(４１a、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、…)の熱交換器２１を通り予冷される。その後、水素(Ｈ２)ガスは、最終段の熱交換器２２(図２参照)で冷却され液化され、液体水素容器１２に貯められる。液体水素容器１２の内部の液体水素の一部は蒸発するが、熱交換機２２で再凝縮される。
* <回転磁場発生装置８>
回転磁場発生装置８について説明する。
図４に、実施形態の回転磁場発生装置８の斜視図を示す。図５に、実施形態の磁石円板３の平面図を示す。
回転磁場発生装置８は、磁場を発生させる磁石円板３ａ～３ｋを備えている。
各磁石円板３ａ～３ｋは、鉄芯４a、４ｂ、４ｃ、４ｄを芯として、それぞれ平板状に巻き回された超電導コイル１a、１ｂ、１ｃ、１ｄが鉄製もしくはステンレス製の円板２に９０度ピッチで配置されている。
超電導コイル１a、１ｂ、１ｃ、１ｄは、それぞれ電流を通電した際に隣接する超電導コイル１a、１ｂ、１ｃ、１ｄの発生する磁場が、図６に示すように、互いに逆向きになるように配置されている。図６に、実施形態の回転磁場発生装置８における磁束の流れを側方から見た概念図を示す。
磁石円板３(３ａ～３ｋ)は、前記のとおり、ギャップｇを空けて積層されている。
図３に示すように、磁石円板３ａ～３ｋを上下方向に積層する際、下記のようにする。
超電導コイル１a、１ｂ、１ｃ、１ｄの作る磁束が、回転磁場発生装置８の軸方向(熱伝導シャフト６の延在方向)に連続するように、磁石円板３の位相を配置する。そして、磁石円板３を、熱伝導シャフト６を軸にして機械的に一体化する。
熱伝導シャフト６は、シャフトを利用して軸方向に超電導コイル１a、１ｂ、１ｃ、１ｄに冷熱を分配する機能を有するものであり、銅製である。
熱伝導シャフト６は、磁石円板３の機械的一体化と、磁石円板３への回転力の伝達、および超電導磁石(鉄芯４a、４ｂ、４ｃ、４ｄ、超電導コイル１a、１ｂ、１ｃ、１ｄ)の冷却伝熱パスの機能を有する。熱伝導シャフト６は、必ずしも銅製でなくともよく、機械的強度を有する材料、例えばステンレスやFRP(Fiber Reinforced Plastics)と熱伝導が良好な高純度アルミテープなどを組合せて構成してもよい。
磁石円板３を構成する円板２は、磁石間の吸引力を支持するために、強度のある鉄またはステンレス製としたが、電磁力が問題にならない場合には円板２は熱伝導率の大きな銅を使ってもよい。
円板２が銅の場合には、円板２を利用して超電導コイル１a、１ｂ、１ｃ、１ｄを冷却できるので望ましい。
円板２がステンレス製で熱伝導が良好ではない場合、超電導コイル１a、１ｂ、１ｃ、１ｄを伝導冷却するために適切な冷却パス、例えば、銅テープやアルミテープを設置し、熱伝導シャフト６と熱的に結合する（図示せず）。
図３に示す磁石円板３には、円板周方向に磁石(４a、１a)、(４ｂ、１ｂ)、(４ｃ、１ｃ)、(４ｄ、１ｄ)の極性が、図６に示すように、交互になるように並べられている。
回転磁場発生装置８のある位相に着目すると、磁束は軸方向に連続しており一つの棒磁石のように見える。回転磁場発生装置８を全体として見ると、棒磁石が極性を変えて並んでいるように見える。
図６に示すように、磁石全体として磁気モーメントがゼロとなるように構成すると、磁気ロスが無いので回転磁場発生装置８(図４参照)の全体としての漏洩磁場を小さく抑えることができる。
回転磁場発生装置８の軸方向の端部に鉄製の円板のエンドヨーク７を設置すると、磁界が磁性体のエンドヨーク７内を密度高く通り、端部からの磁場の漏洩を抑制できる。
また、回転磁場発生装置８の端部に近い磁場作用空間の磁場強度をエンハンス(強化)するので有利である。また、銅酸化物超電導材料のテープ線材で磁石円板３を構成する場合には、超電導体の超電導コイル１a、１ｂ、１ｃ、１ｄはテープ面に対して垂直方向の磁場によって超電導電流輸送特性が低下する。エンドヨーク７によって磁界がエンドヨーク７の延在方向に沿って集中して通り、端部の超電導コイル１a、１ｂ、１ｃ、１ｄに加わる垂直成分の磁場強度を低減できる。そのため、より多くの電流を超電導コイル１a、１ｂ、１ｃ、１ｄに流すことができるので、磁場を発生させる上で有利となる。
磁石の形状は平板状であることが望ましい。磁石の開口面積(各鉄芯４a、４ｂ、４ｃ、４ｄを磁束が垂直に通る面積)に対して磁石間ギャップ(ギャップｇ)が広い場合には、磁束が磁石の外側に拡散してしまうため、磁気作業物質が動作するのに十分な強度の磁場を磁場作用空間に生成するのは難しくなる。そこで、磁石開口部の寸法は磁石間ギャップの４倍以上が望ましく、一方、磁石高さ(各鉄芯４a、４ｂ、４ｃ、４ｄを磁束が通る方向寸法)と磁石間ギャップ(ギャップｇ)は同程度であることが望ましい。
上述の回転磁場発生装置８によれば、磁石円板３が多層に構成されるため、大量の磁気作用物質の励磁、消磁が可能である。そのため、狭い容積で多段に冷却できる。
* <磁石の種類>
磁石円板３の構成として、超電導コイル１a、１ｂ、１ｃ、１ｄを例示したが、磁気作業物質の種類により磁気作用空間に発生すべき磁場は異なる。１Ｔ未満の磁場で良い場合には永久磁石を利用することが簡便でよい。２Ｔ程度の磁場であればMgB2超電導材料がコストメリットから適切である。３－５Ｔの磁場が必要な場合にはＲＥＢＣＯ(銅酸化物超伝導体)などの酸化物高温超電導材料を用いたコイルを利用する。
電磁石（１a、４a）、（１ｂ、４ｂ）、（１ｃ、４ｃ）、（１ｄ、４ｄ）を使う場合には外部から電流を供給する必要がある。しかし、回転磁場発生装置８を回転させることから、スリップリングを利用して超電導コイル１a、１ｂ、１ｃ、１ｄに通電するのは超電導コイル１a、１ｂ、１ｃ、１ｄとの摺動による発熱およびジュール発熱等が発生し、磁気冷凍装置(水素液化装置Ｅ)の環境に入熱するため望ましくない。
超電導コイル１a、１ｂ、１ｃ、１ｄを使う場合には、永久電流モード運転を行い、超電導コイル１a、１ｂ、１ｃ、１ｄがあたかも永久磁石のような状態にして動作するように構成する。
* <モジュールコイル>
図７、図８に超電導電磁石を永久磁石として取り扱う、モジュールコイルの概念を示す。
図７に、モジュールコイル３０の概念回路図を示す。
モジュールコイル３０(３０a、３０ｂ、３０ｃ)とは超電導コイル１a、１ｂ、１ｃ、１ｄが永久電流スイッチ３２で短絡された単位のコイルである。
図８に、モジュールコイル３０a、３０ｂ、３０ｃを使った励磁回路の回路図を示す。
モジュールコイル３０a、３０ｂ、３０ｃ間をつなぐ回路は常電導であり電気抵抗３３a、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、３３eを有する。モジュールコイル３０a、３０ｂ、３０ｃは永久電流モード運転され永久磁石のように振舞う。モジュールコイル３０a、３０ｂ、３０ｃの運転中は電源３４が切り離され電気回路としては個別の回路となる。
磁石装置である回転磁場発生装置８のようにコイル(超電導コイル１a、１ｂ、１ｃ、１ｄ)の個数が多く、また、コイル(超電導コイル１a、１ｂ、１ｃ、１ｄ)間の配線が複雑となる磁石装置の場合、それぞれのコイル(超電導コイル１a、１ｂ、１ｃ、１ｄ)間を超電導配線でつなぎ、かつ、超電導接続を行うことは非常に困難である。永久電流モード運転するモジュール化された超電導コイル１a、１ｂ、１ｃ、１ｄ間を常電導で接続することにより、簡便に磁石を構成することができる。永久電流モード運転することで、抵抗が０となるため電力が必要ない。
磁石円板３を構成する超電導磁石の場合、コイル単位で永久電流モードをするように構成してもよいし、一枚の磁石円板３に搭載される超電導コイル１a、１ｂ、１ｃ、１ｄの全体を永久電流モード運転するように構成してもよい。
モジュールコイル３０a、３０ｂ、３０ｃ、…であっても励磁するためには励磁電源の外部電源３４をつないで電流を供給する必要がある。回転磁場発生装置８の磁石では、熱伝導シャフト６にモジュールコイル３０a、３０ｂ、３０ｃ、…を励磁するためのパワーリードが設置され（図示せず）、これを通じて各モジュールコイル３０a、３０ｂ、３０ｃ、…が励磁される。各モジュールコイル３０a、３０ｂ、３０ｃ、…を励磁する瞬間には回転磁場発生装置８は停止している。図８に示すように、励磁電源の外部電源３４をつないでモジュールコイル３０a、３０ｂ、３０ｃ、…を励磁した後、外部電源３４を取り外してから回転磁場発生装置８を、回転をさせる。
外部電源３４が切り離された永久電モード運転するそれぞれのモジュールコイル３０a、３０ｂ、３０ｃ、…は永久磁石と等価である。
外部から完全に切り離されて磁石(４a、１a)、(４ｂ、１ｂ)、(４ｃ、１ｃ)、(４ｄ、１ｄ)(図３参照)が運転することから、超電導コイル１a、１ｂ、１ｃ、１ｄがクエンチした時の蓄積エネルギーは磁石内部で消費することが必要である。超電導コイル１a、１ｂ、１ｃ、１ｄは無絶縁巻線としておいてセルフプロテクションとなっていることが望ましい。
* <AMRR(４０)の設置>
図９、図１０にAMRR(４０)と回転磁場発生装置８の位置関係を示す。
図９に、実施形態のAMRRユニット４０の配置の上面図を示す。
図１０に、実施形態のAMRRユニット４０の配置の側面図を示す。
図１１に、実施形態のAMRRユニット４０の概略構造の斜視図を示す。
図９に示す各AMRRユニット４０(４０a、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ)は、図１０、図１１に示すように、磁気作業物質が充填される単位AMRR４１a、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、……が一方向に並んで集積されている。
単位AMRR４１a、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、……には、磁気作業物質とともに磁気作業物質の熱を運ぶ作動流体が入れられている。
磁気作業物質は、例えばＤｙＡＯ２、ＧｄＮｉ２、ＥｒＣＯ２等が用いられる。
作動流体は例えばヘリウムガス等が用いられる。
図１１の白抜き矢印は、作動流体が移動することで冷熱を運び高温側と低温側にする様子を示す。
図１１に示すように、高温側のAMRRユニット４０ｋと低温側のAMRRユニット４０ｔを熱結合して一体化して、AMRRユニット４０（４０a、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ）が構成されている。
図１１に示すそれぞれの単位AMRR４１ａ～４１i（図１１では符号４１ａ～４１ｄを記載している）は、図１０に示すように、回転磁場発生装置８の磁石円板３の間に挿入できるように櫛の歯のようにギャップｇ１を設けている。単位AMRR４１ａ～４１iは、磁石円板３とは接触しないように、磁石円板３の間に挿入、設置されている。この構成により、多量の磁気作用物質の励磁、消磁が可能となっている。また、単位AMRR４１a、４１ｂ、４１ｃ、……を軸方向に並べることで取り出せる冷熱が大きくとれる。
図９に示すように、AMRRユニット４０（４０a、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ）は、円板磁石３の磁石位置に対応するように周方向に配置されている。この構成により、効率よく磁石(４a、１a)、(４ｂ、１ｂ)、(４ｃ、１ｃ)、(４ｄ、１ｄ)の磁場を使うことができる。
それぞれのAMRRユニット４０a、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄはある温度範囲の冷却を受け持ち、図９に示すように水素ガスの流れ(図９の白抜き矢印)に沿って高温側から低温側に配置される。AMRRユニット４０a、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄが複数あることで冷却過程を大きくできる。図９の白抜き矢印の元側が高温側で、図９の白抜き矢印の先側が低温側である。
図１１に示すように、単位AMRR４１ａ～４１iに入れられる作動流体は矢印のように移動することで、磁気作用物質の冷熱を高温側から低温側に移動させる。
具体的には、回転磁場発生装置８の磁石円板３が回転して、AMRRユニット４０が磁石(４a、１a)、(４ｂ、１ｂ)、(４ｃ、１ｃ)、(４ｄ、１ｄ)で励磁されている際には、磁気作業物質は発熱するので、図９の白抜き矢印とは逆方向に作動流体を移動させて、熱を温度が高い方に移動させる。
一方、AMRRユニット４０が磁石(４a、１a)、(４ｂ、１ｂ)、(４ｃ、１ｃ)、(４ｄ、１ｄ)が移動して消磁されている際には、磁気作業物質は吸熱するので、図９の白抜き矢印の方向に作動流体を移動させて、冷熱を温度が低い方に移動させる。これにより、AMRRユニット４０の励磁と消磁との繰り返しにより作動流体を移動させて、図９の白抜き矢印方向に温度勾配を生じさせている。作動流体の移動は、バルブの開閉により圧力を加えて移動させている。
組み立て上の理由から、AMRRユニット４０は回転磁場発生装置８の外周側から挿入して設定できることが望ましい。したがって、同じ温度を受け持つ単位AMRR４１a、４１ｂ、４１ｃ、……は軸方向に集積される。しかし必ずしもこの限りではなく、周方向に同じ温度を受け持つ単位AMRR４１ａ～４１iが配置される形態であってもよい。
なお、一つの回転磁場発生装置８に、水素液化までの温度範囲を受け持つ複数の磁気作業物質を配置したが、必ずしも複数の温度領域のAMRRユニット４０a、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄを備える必要はなく、単一のAMRRユニット４０を設置してもよい。
上述の水素液化装置Ｅによれば、磁気熱量効果を利用した磁気冷凍装置において、単位時間あたりの磁気作用体積を増大することができる。そのため、大量の水素を効率よく液化できる。
＜変形例＞
図１２に、変形例の複数の回転磁場発生装置１０８ａ、１０８ｂを有する水素液化装置２Ｅの概念図を示す。変形例は、実施形態の構成要素を百番台の符号で示し、同様な構成の説明を省略する。
変形例の水素液化装置２Ｅは、図１２に示すように一つの断熱真空容器１１１の中に複数の回転磁場ユニット１０８a、１０８ｂを設置している。
そして、回転磁場ユニット１０８aに対して、運転温度領域の異なるAMRRユニット１２１a、１２１ｂを配置する。また、回転磁場ユニット１０８ｂに対して、運転温度領域の異なるAMRRユニット１２２a、１２２ｂを配置する。
* <ＲＥＢＣＯの場合の磁場の計算例>
短辺間距離１５０ｍｍ、長辺間距離８０ｍｍの矩形コイルを、鉄芯に幅４ｍｍの超電導テープ線材でダブルパンケーキコイルを巻き回し、ギャップ２０ｍｍを開けて磁石を構成した場合、コイル電流密度を２００Ａ／ｍｍ2とすると、回転磁場発生装置８の中央部での発生磁場はおよそ３．５Ｔ、端部側ではおよそ２．７Ｔの作業磁場空間を形成することができる。
＜変形例１＞
図１３に、変形例１の適切な磁場強度が異なる磁気作業物質を有するAMRRユニット１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄの配置を示す。
磁気作業物質によって適切な磁場強度を設定する必要がある。磁気作業物質が比較的高い磁場を必要とする場合には、その磁気作業物質を利用するAMRRユニット１４０ａ、１４０ｂは磁石の中央側に配置する。磁気作業物質が比較的低い磁場を必要とするAMRRユニット１４０ｃ、１４０ｄは磁石の端部側に配置する。このように、磁気作業物質に応じて、適切な磁場強度になるように配置する方が磁場利用の観点から望ましい。
その場合、図１３に示すように、AMRRユニット１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄは軸方向に対して複数の温度領域に対応するように分割されて設置される。
変形例１によれば、AMRRユニット１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄを適合する磁場強度に配置することができる。
* <トルクの脈動低減による外部動力の低減>
実施形態の磁気冷凍装置(水素液化装置Ｅ)では、外部動力のモータ１０によって回転磁場ユニット８を回転させ、磁気作業物質に磁場を作用させて冷凍動作を行っている。磁気作業物質は磁性体である。外部から投入されるエネルギーによって、磁気作業物質の磁化を変化させることで、液化対象の除熱、液化が行われる。
磁石(４a、１a)、(４ｂ、１ｂ)、(４ｃ、１ｃ)、(４ｄ、１ｄ)と磁性体(磁気作業物質)とが相互作用によって力が発生するため、回転磁場発生装置８を回転させるためにはトルクが必要となる。冷却に寄与しない、磁石と磁気作業物質との間に働く吸引力に逆らってする仕事は、仕事をしていないため可逆的であるはずだが、実際には駆動するモータ１０などの損失によって、冷却に寄与しないトルクによって損失が発生する。
損失低減のためには、トルクの発生を小さくすることが重要で、磁石円板３に配置される磁石(４a、１a)、(４ｂ、１ｂ)、(４ｃ、１ｃ)、(４ｄ、１ｄ)はなるべく中心軸に近くに配置してトルクを小さくすることが望ましい。また、トルクの脈動を抑えることも効果的である。
トルクの脈動を抑えるためには、磁石(４a、１a)、(４ｂ、１ｂ)、(４ｃ、１ｃ)、(４ｄ、１ｄ)と磁気作業物質との間に働く力が一定となるように、磁石と磁気作業物質との位置関係を調整することが効果的である。
＜変形例２＞
図１４に、変形例２の回転磁場ユニット２８のAMRRユニット２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃ、２４０ｄと磁石(４a、１a)、(４ｂ、１ｂ)、(４ｃ、１ｃ)、(４ｄ、１ｄ)との位置関係の上面図を示す。
変形例２では、回転磁場ユニット２８のAMRRユニット２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃ、２４０ｄのそれぞれに充填される磁気作業物質の位相を磁石(４a、１a)、(４ｂ、１ｂ)、(４ｃ、１ｃ)、(４ｄ、１ｄ)とずらして配置している。この配置によって、磁石円板３が回転した際に、どの回転位置においても、AMRRユニット２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃ、２４０ｄの磁気作業物質と磁石(４a、１a)、(４ｂ、１ｂ)、(４ｃ、１ｃ)、(４ｄ、１ｄ)との重なり具合が一定になるように配置したものである。
変形例２によれば、回転磁場ユニット２８のトルクの脈動を抑えることができる。
＜変形例３＞
図１５に、変形例３の回転磁場ユニット３８のAMRRユニット３４０ａ、３４０ｂ、３４０ｃと磁石(４a、１a)、(４ｂ、１ｂ)、(４ｃ、１ｃ)、(４ｄ、１ｄ)との位置関係の上面図を示す。
変形例３では、回転磁場ユニット３８の磁石円板３に搭載されている磁石(４a、１a)、(４ｂ、１ｂ)、(４ｃ、１ｃ)、(４ｄ、１ｄ)は４ポールであるが、AMRRユニット３４０ａ、３４０ｂ、３４０ｃの数を３としている。
磁石円板３の磁石(４a、１a)、(４ｂ、１ｂ)、(４ｃ、１ｃ)、(４ｄ、１ｄ)とAMRRユニット３４０ａ、３４０ｂ、３４０ｃとの数を異ならせることで、AMRRユニット３４０ａ、３４０ｂ、３４０ｃに加わる磁力を平滑化している。これにより、磁石円板３に作用するトルクを平滑化してトルクの脈動を抑制する。
＜＜その他の実施形態＞＞
１．前記した実施形態では、磁石(４a、１a)、(４ｂ、１ｂ)、(４ｃ、１ｃ)、(４ｄ、１ｄ)として超伝導電磁石を例示したが、永久磁石でもよい。永久磁石を用いれば、冷却機構が必要なく、製造が簡便である。
２．前記した超伝導電磁石(４a、１a)、(４ｂ、１ｂ)、(４ｃ、１ｃ)、(４ｄ、１ｄ)は、説明したように複数でもよいし、単数でもよい。
３．本発明は、前記した実施形態、変形例の構成に限られることなく、添付の特許請求の範囲内で様々な変形形態、具体的形態が可能である。
本発明の電磁石装置は，磁気熱量効果を利用した磁気冷凍用の磁石装置であり液体水素の液化に利用できる。
１a、１ｂ、１ｃ、１ｄ 超電導コイル(磁石、超電導磁石、磁極)
２ 円板
３ 磁石円板(円板)
４a、４ｂ、４ｃ、４ｄ 磁極(磁石、超電導磁石、磁極)
６ 伝熱シャフト(シャフト)
８ 回転磁場発生装置(磁場発生ユニット)
１０ モータ(駆動機構)
１１ 真空容器(断熱真空容器)
２１、２２ 熱交換機(熱交換機構)
３０、３０a、３０ｂ、３０ｃ モジュールコイル(超電導コイル)
３１ 超電導コイル
４０、４０a、４０b、４０c、４０d AMRRユニット(磁気冷却機構)
５０、５０a、５０b、５０c、５０d、５０e、５０ｆ、５０g、５０h、５０i 熱交換器(熱交換機構)
１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄ AMRRユニット(磁気冷却機構)
３４０ａ、３４０ｂ、３４０ｃ AMRRユニット(磁気冷凍機構)
Ｅ 水素液化装置(回転磁場発生装置、磁気冷凍装置)
ｇ ギャップ(磁場作用空間)

Claims (12)

  1. 周状に複数の磁石が配置された円板と、
    前記複数の磁石がそれぞれ対向するように間隔を空けて前記円板を積層することによって形成される磁場作用空間と、
    前記積層された円板が固定されその中心軸に設置されたシャフトとを有する磁場発生ユニットと、
    前記円板の積層方向の両端部に設けられた磁性体ヨークと、
    前記磁場発生ユニットが内部に設置される断熱真空容器と、
    室温領域に設置され前記シャフトを回転させる駆動機構と、を備え、
    前記磁性体ヨークは前記シャフトに接していることを特徴とする回転磁場発生装置。
  2. 前記円板に配置された複数の磁石は、前記円板の周方向において前記磁石の極性が交互になるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回転磁場発生装置。
  3. 前記磁石は、永久磁石、または、永久電流モード運転の超電導磁石である
    ことを特徴とする請求項１記載の回転磁場発生装置。
  4. 一枚の前記円板に搭載される複数の磁石における一つもしくは複数は、超電導磁石であり、永久電流モード運転がなされており、
    全体で複数の永久電流モードの超電導磁石を備えている
    ことを特徴とする請求項１記載の回転磁場発生装置。
  5. 請求項１から請求項４のうちの何れか一項に記載の回転磁場発生装置と、
    前記磁場作用空間に、磁気熱量効果を有する磁気作業物質を配置される複数の磁気冷却機構とを具備している
    ことを特徴とする磁気冷凍装置。
  6. 前記磁気冷却機構は、前記回転磁場発生装置の軸方向に熱的に結合されている
    ことを特徴とする請求項５記載の磁気冷凍装置。
  7. 前記磁気冷却機構は、前記回転磁場発生装置の軸方向に熱的に結合され、
    前記磁気冷却機構は、複数備えられている
    ことを特徴とする請求項５記載の磁気冷凍装置。
  8. 前記磁気冷却機構は、前記回転磁場発生装置の軸方向に熱的に結合され、
    前記磁気冷却機構は、複数備えられ、
    前記複数の磁気冷却機構には、動作温度の異なる磁気作業物質が充填されている
    ことを特徴とする請求項５記載の磁気冷凍装置。
  9. 前記磁気冷却機構は、前記回転磁場発生装置の軸方向に熱的に結合され、
    前記磁気冷却機構は、複数備えられ、
    前記複数の磁気冷却機構には、動作温度の異なる磁気作業物質が充填され、
    動作温度の異なる前記磁気冷却機構は、前記回転磁場発生装置に対して周方向に温度の異なるものが配置されている
    ことを特徴とする請求項５記載の磁気冷凍装置。
  10. 前記磁気冷却機構は、前記回転磁場発生装置の軸方向に熱的に結合され、
    前記磁気冷却機構は、複数備えられ、
    前記複数の磁気冷却機構には、動作温度の異なる磁気作業物質が充填され、
    動作温度の異なる前記磁気冷却機構は、前記回転磁場発生装置に対して軸方向に温度の異なるものが配置されている
    ことを特徴とする請求項５記載の磁気冷凍装置。
  11. 請求項５記載の磁気冷凍装置において、
    前記円板の磁極の配置個数と前記磁気冷却機構の周方向配置の個数とが整数倍ではない
    ことを特徴とする磁気冷凍装置。
  12. 請求項５記載の磁気冷凍装置を備えるとともに、
    外部から導入した水素ガスとの熱交換するための熱交換機構を備えている
    ことを特徴とする水素液化装置。
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