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JP7544418B1 - Magnetic Heat Pump - Google Patents

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JP7544418B1
JP7544418B1 JP2024025523A JP2024025523A JP7544418B1 JP 7544418 B1 JP7544418 B1 JP 7544418B1 JP 2024025523 A JP2024025523 A JP 2024025523A JP 2024025523 A JP2024025523 A JP 2024025523A JP 7544418 B1 JP7544418 B1 JP 7544418B1
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JP
Japan
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heat
magnetic
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working material
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JP2024025523A
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Japanese (ja)
Inventor
直樹 平野
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Inter University Research Institute Corp National Institute of Natural Sciences
Original Assignee
Inter University Research Institute Corp National Institute of Natural Sciences
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  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Abstract

【課題】 磁気作業物質に変動磁場を与えて冷却を行う際の省エネルギ化を実現する。【解決手段】 超伝導コイル31の内部に磁気作業物質30を配置する。超伝導コイル31には、スイッチ36を介してコンデンサ32を直列に接続する。またスイッチ37を介して超伝導コイル31の両端を接続する。こうすることで、電源33から超伝導コイル31に電流を流した後、電源33を切断しても、LC共振回路によって超伝導コイル31への電流を周期的に変化させ、磁気作業物質30を発熱状態、冷却状態に切り換えることができる。また、超伝導コイル31の両端を接続して一定の電流が流れ続ける状態、超伝導コイル31およびコンデンサ32をいずれも切り離して電流が流れない状態をとることで、一層、効果的な熱交換を実現する。以上により、変動磁場による冷却の省エネルギ化を実現できる。【選択図】 図1[Problem] To achieve energy saving when cooling a magnetic working material by applying a fluctuating magnetic field. [Solution] A magnetic working material 30 is placed inside a superconducting coil 31. A capacitor 32 is connected in series to the superconducting coil 31 via a switch 36. In addition, both ends of the superconducting coil 31 are connected via a switch 37. In this way, even if a current flows from a power source 33 to the superconducting coil 31 and then the power source 33 is cut off, the current to the superconducting coil 31 can be periodically changed by the LC resonant circuit, and the magnetic working material 30 can be switched between a heating state and a cooling state. In addition, by connecting both ends of the superconducting coil 31 to keep a constant current flowing, and by disconnecting both the superconducting coil 31 and the capacitor 32 to no current flowing, more effective heat exchange can be achieved. As a result, energy saving in cooling by a fluctuating magnetic field can be achieved. [Selected Figure] Figure 1

Description

特許法第30条第2項適用 2023年度秋期低温工学・超電導学会、海峡メッセ下関(山口県下関市)、2023年12月4日 〔刊行物等〕 2023年度秋期低温工学・超電導学会 講演概要集、公益社団法人低温工学・超電導学会、2023年12月4日発行、ISSN0919-5998Article 30, paragraph 2 of the Patent Act applies. 2023 Autumn Meeting of the Cryogenics and Superconductivity Society, Kaikyo Messe Shimonoseki (Shimonoseki City, Yamaguchi Prefecture), December 4, 2023 [Publications, etc.] 2023 Autumn Meeting of the Cryogenics and Superconductivity Society, Abstracts of Lectures, Cryogenics and Superconductivity Society of Japan, published December 4, 2023, ISSN 0919-5998

本発明は、磁気作業物質に対して、超伝導コイルを用いて生成される変動磁場を加えることで冷却を行う磁気ヒートポンプに関する。 The present invention relates to a magnetic heat pump that cools a magnetic working material by applying a fluctuating magnetic field generated by a superconducting coil.

従来、液体ヘリウム以下の極低温に適用される冷凍機として、磁場に応じて発熱、吸熱を行う磁性材料(以下、「磁気作業物質」という。)を利用した磁気冷凍機が知られている。
例えば、特許文献1は、超伝導コイルの中心部分に磁気作業物質を配置するとともに、超伝導コイルと磁気作業物質との間の空間に磁気遮蔽体を往復動させる静止型磁気冷凍機を開示している。当該技術では、磁気遮蔽体の往復動に応じて磁気作業物質に磁場を作用させたり遮断させたりすることにより、磁気作業物質の発熱/吸熱を変化させ、冷凍を実現する。
また、特許文献2は、超伝導コイルと、磁気遮蔽体とを積み重ね、その内部に磁気作業物質を配置した構造の磁気冷凍機を開示する。当該技術では、磁性遮蔽体を往復動させて、超伝導コイルの内部に配置した状態と、磁気遮蔽体の内部に配置した状態とを切り替えることにより、磁気作業物質の発熱/吸熱を変化させ、冷凍を実現する。
2. Description of the Related Art Conventionally, as refrigerators applicable to extremely low temperatures below liquid helium, magnetic refrigerators that use magnetic materials (hereinafter referred to as "magnetic working substances") that generate and absorb heat in response to a magnetic field are known.
For example, Patent Document 1 discloses a static magnetic refrigerator in which a magnetic working material is placed in the center of a superconducting coil and a magnetic shield is moved back and forth in the space between the superconducting coil and the magnetic working material. In this technology, a magnetic field is applied to the magnetic working material or blocked in response to the reciprocating motion of the magnetic shield, thereby changing the heat generation/absorption of the magnetic working material and realizing refrigeration.
Patent Document 2 discloses a magnetic refrigerator having a structure in which a superconducting coil and a magnetic shield are stacked and a magnetic working material is placed inside the stack. In this technology, the magnetic shield is reciprocated to switch between a state in which the magnetic working material is placed inside the superconducting coil and a state in which the magnetic shield is placed inside the superconducting coil, thereby changing the heat generation/absorption of the magnetic working material and realizing refrigeration.

特開平4-273956号公報Japanese Patent Application Publication No. 4-273956 特開平6-151983号公報Japanese Patent Application Publication No. 6-151983

従来の磁気冷凍技術では、超伝導コイルによる磁場の発生については、超伝導状態を維持するための冷却が必要となるが、通電損失がないことからエネルギ効率の向上が図られているものの、磁気遮蔽体または磁気作業物質の往復動自体にエネルギが必要となり、全体としてエネルギ効率について改善の余地が残されていた。従って、磁気作業物質に作用する磁場を省エネルギで変動させる技術が求められていた。
本発明は、かかる課題に鑑み、省エネルギで磁場を変動させ、磁気冷凍を実現可能とすることを目的とする。
In conventional magnetic refrigeration technology, the generation of a magnetic field by a superconducting coil requires cooling to maintain the superconducting state, and although the lack of current loss has improved energy efficiency, the reciprocating motion of the magnetic shield or magnetic working material itself requires energy, leaving room for improvement in overall energy efficiency. Therefore, there has been a demand for a technology that can vary the magnetic field acting on the magnetic working material in an energy-saving manner.
In view of the above problems, an object of the present invention is to vary a magnetic field in an energy-saving manner and to realize magnetic refrigeration.

本発明は、
被冷却物からの熱輸送を行う磁気ヒートポンプであって、
磁場の変動に伴い発熱状態または吸熱状態となる前記磁気作業物質と、
前記磁気作業物質に対して磁場を与える超伝導コイルと、
前記超伝導コイルとコンデンサとを直列に接続したLC共振回路と、
前記磁気作業物質と前記被冷却物との間で熱交換を行う熱交換機構とを備える磁気ヒートポンプと構成することができる。
The present invention relates to
A magnetic heat pump that transports heat from an object to be cooled,
The magnetic working material is in a heat generating or heat absorbing state in response to a change in a magnetic field;
a superconducting coil for applying a magnetic field to the magnetic working material;
an LC resonant circuit in which the superconducting coil and a capacitor are connected in series;
The magnetic heat pump may be provided with a heat exchange mechanism for exchanging heat between the magnetic working material and the object to be cooled.

本発明では、LC共振回路を備えるため、超伝導コイルに流れる電流が共振周波数に対応する周期で変動し、これによって磁気作業物質に加えられる磁界が変動するため、冷却を実現することができる。しかも、超伝導は電気抵抗がゼロとなるから、LC共振回路に流れる電流は、外からエネルギを与えなくても、理論的には、ほとんど減衰することなく継続して流れる。
従って、本発明によれば、磁気作業物質を用いた冷却に要するエネルギを非常に小さく抑えることが可能となるのである。
In the present invention, since the LC resonant circuit is provided, the current flowing through the superconducting coil fluctuates at a period corresponding to the resonant frequency, which fluctuates the magnetic field applied to the magnetic working material, thereby realizing cooling. Moreover, since the electrical resistance of superconductivity is zero, the current flowing through the LC resonant circuit theoretically continues to flow with almost no attenuation even without external energy being applied.
Therefore, according to the present invention, it is possible to greatly reduce the energy required for cooling using the magnetic working material.

本発明において磁気作業物質としては、ガドリニウム他、種々の物質を利用することができる。
また、熱交換機構において磁気作業物質との間で熱交換を実現する部分についての形状・構造も任意に決めることができる。例えば、熱交換機構の一部を磁気作業物質の塊で構成してもよいし、磁気作業物質を用いた細線をメッシュ状に編むなどして構成してもよい。かかる細線は、例えば、磁気作業物質を銅その他の熱伝導性の良い金属で包んだ、いわゆるパウダーインチューブ製造技術により製造してもよい。
熱交換機構において、被冷却物との間で熱交換を行う部分については、例えば、熱交換媒体を流す機構としてもよいし、金属その他の熱伝導を利用してもよい。その他種々の構成を適用可能である。
なお、LC共振回路は、熱交換を効果的に実現するよう共振周波数を設定し、それを実現するように超伝導コイルのインダクタンス、コンデンサの静電容量を設計すればよい。共振周波数は、任意に決めることができるが、例えば、0.1Hz程度に低い周波数とすることができる。
In the present invention, various substances such as gadolinium can be used as the magnetic working substance.
The shape and structure of the part of the heat exchange mechanism that exchanges heat with the magnetic working material can also be determined as desired. For example, a part of the heat exchange mechanism may be made of a mass of magnetic working material, or may be made of thin wires made of magnetic working material woven into a mesh shape. Such thin wires may be manufactured by a so-called powder-in-tube manufacturing technique, in which the magnetic working material is wrapped in copper or other metals with good thermal conductivity.
In the heat exchange mechanism, the portion that exchanges heat with the object to be cooled may be, for example, a mechanism for passing a heat exchange medium, or may utilize heat conduction of metal or other materials. Various other configurations are also applicable.
The LC resonant circuit is designed to set a resonant frequency so as to effectively realize heat exchange, and the inductance of the superconducting coil and the capacitance of the capacitor are designed to achieve this. The resonant frequency can be determined arbitrarily, but can be set to a low frequency of, for example, about 0.1 Hz.

本日発明において、
前記LC共振回路は、
前記超伝導コイルを回路から切り離した第1の状態、
前記コンデンサを回路から切り離し、前記超伝導コイルを含む閉回路を構成した第2の状態、
前記超伝導コイルと前記コンデンサとを直列に接続した第3の状態を相互に切り替えるための1以上のスイッチを備えても良い。
In the present invention,
The LC resonant circuit is
a first state in which the superconducting coil is disconnected from the circuit;
a second state in which the capacitor is disconnected from the circuit to form a closed circuit including the superconducting coil;
There may be one or more switches for switching between a third state in which the superconducting coil and the capacitor are connected in series.

こうすることにより、第1の状態では、超伝導コイルに電流が流れない状態を維持することが可能となる。第2の状態では、超伝導コイルに電流を一定方向に流し続けることが可能となる。第3の状態では、超伝導コイルに流す電流を変動させることができる。
このように、上記態様によれば、それぞれの状態を分けることにより、磁気作業物質に加える磁界を制御することが可能となる。
By doing so, in the first state, it is possible to maintain a state in which no current flows through the superconducting coil, in the second state, it is possible to continue to flow current in a fixed direction through the superconducting coil, and in the third state, it is possible to vary the current flowing through the superconducting coil.
In this manner, according to the above embodiment, by separating the states, it becomes possible to control the magnetic field applied to the magnetic working material.

第1~第3の状態を切換可能とする態様においては、
前記LC共振回路における前記第1の状態を第1の保持時間だけ保持し、前記第2の状態を第2の保持時間だけ保持するように前記スイッチを制御するスイッチ制御部を備えても良い。
In the embodiment in which the first to third states can be switched,
The power supply may further include a switch control unit that controls the switch so as to hold the first state in the LC resonant circuit for a first holding time and to hold the second state for a second holding time.

磁気作業物質は、磁界の変化に応じて発熱状態と冷却状態が発現する。この意味では、超伝導コイルに電流が流れない第1の状態、及び超伝導コイルに一方向に電流が流れ続ける第2の状態は、発熱、冷却のいずれにも寄与しないように思われる。しかしながら、実際には、磁界の変動が止まったからといって即時に発熱や冷却が停止する訳ではない。上記態様では、第1の状態及び第2の状態をそれぞれ保持するように電流を制御することにより、磁界の変動が止まった後も磁気作業物質の発熱状態、冷却状態を維持することができる利点がある。 The magnetic working material undergoes a heating or cooling state in response to changes in the magnetic field. In this sense, the first state, in which no current flows through the superconducting coil, and the second state, in which current continues to flow in one direction through the superconducting coil, do not appear to contribute to either heating or cooling. However, in reality, heating or cooling does not stop immediately just because the magnetic field fluctuations have stopped. The above embodiment has the advantage that the heating and cooling states of the magnetic working material can be maintained even after the magnetic field fluctuations have stopped by controlling the current to maintain the first and second states, respectively.

このように第1及び第2の状態を保持する場合においては、
前記熱交換機構は、熱交換媒体を前記磁気作業物質との間で熱交換可能な流路で流す機構とし、
前記第1および第2の保持時間は、それぞれ前記熱交換媒体が、前記流路のうち、前記磁気作業物質と熱交換する部分を通過するのに要する時間以上としてもよい。
In this way, when the first and second states are maintained,
The heat exchange mechanism is a mechanism for flowing a heat exchange medium through a flow path capable of heat exchange between the heat exchange medium and the magnetic working material,
The first and second retention times may each be equal to or longer than the time required for the heat exchange medium to pass through a portion of the flow path where the heat exchange medium exchanges heat with the magnetic working material.

こうすることにより、熱交換媒体が十分に熱交換を行うことができる利点がある。 This has the advantage that the heat exchange medium can perform sufficient heat exchange.

第1~第3の状態を切り替え可能とする場合、
前記スイッチは複数存在し、
前記スイッチ制御部は、前記第1~第3の状態の切り替えに際し、今まで開いていたいずれかの前記スイッチを閉じた後、今まで閉じていた前記スイッチを開くよう制御しても良い。
If you want to be able to switch between the first, second and third states,
There are a plurality of the switches,
When switching between the first to third states, the switch control section may perform control so as to close any of the switches that have been open and then open any of the switches that have been closed.

一般に、電流が流れている状態で、突然、スイッチを開放して、電流が流れないようにすると、スイッチの部分でアーク放電が生じることがある。上記態様では、いずれかのスイッチを閉じることで、電流が流れる状態を確保した上で、他のスイッチを開放するため、アーク放電の発生を防ぐことができる。 In general, if a switch is suddenly opened while a current is flowing to stop the current from flowing, an arc discharge may occur at the switch. In the above embodiment, one of the switches is closed to ensure that the current can flow before the other switch is opened, thereby preventing the occurrence of an arc discharge.

本発明においては、
前記熱交換機構は、熱交換媒体を前記磁気作業物質との間で熱交換可能な流路で流す機構であり、
該流路は、
前記磁気作業物質が前記発熱状態にあるときの発熱時流路と、
前記磁気作業物質が前記吸熱状態にあるときの吸熱時流路とを備えても良い。
In the present invention,
the heat exchange mechanism is a mechanism for flowing a heat exchange medium through a flow path capable of heat exchange between the heat exchange medium and the magnetic working material,
The flow path includes:
a heat generation flow path when the magnetic working material is in the heat generation state;
and a heat absorption flow path when the magnetic working material is in the heat absorption state.

磁気作業物質が発熱状態にあるときは、その熱を外部に排出するように熱交換を行うことが好ましい。一方、磁気作業物質が冷却状態にあるときは、被冷却物との間で熱交換を行うことが好ましい。上記態様では、それぞれの状態に適した流路を備えるため、発熱状態、冷却状態の双方において、適切な熱交換を実現するすることが可能となる。 When the magnetic working material is in a heat generating state, it is preferable to perform heat exchange so as to discharge the heat to the outside. On the other hand, when the magnetic working material is in a cooling state, it is preferable to perform heat exchange with the object to be cooled. In the above embodiment, since it is provided with a flow path suitable for each state, it is possible to realize appropriate heat exchange in both the heat generating state and the cooling state.

発熱時流路と吸熱時流路を備える場合、両者を個別の系統として備えても良いが、
前記発熱時流路と前記吸熱時流路は、一部が共通の流路となっており、
前記流路は、さらに、前記発熱時流路と前記吸熱時流路とを切り替える切替弁を備えるようにしても良い。
When a heat generation flow path and a heat absorption flow path are provided, they may be provided as separate systems.
The heat generation flow path and the heat absorption flow path are partially common to each other,
The flow path may further include a switching valve for switching between the heat generation flow path and the heat absorption flow path.

こうすることで、熱交換媒体やその流路を共用することができるから、発熱時流路と冷却時流路を個別に備えるよりも、簡易かつ低コストに構成することができる。 This allows the heat exchange medium and its flow path to be shared, making it easier and less costly to configure than having separate flow paths for heat generation and cooling.

発熱時流路と吸熱時流路を備える場合、
前記超伝導コイルへの通電状態に連動させて、前記発熱時流路と、前記吸熱時流路を使い分ける流路制御部を備えてもよい。
こうすることで、磁気作業物質の発熱、吸熱状態に同期して発熱時流路、吸熱時流路を使い分けることが可能となる。
When equipped with a heat generation flow path and a heat absorption flow path,
A flow path control unit may be provided that selectively uses the heat generation flow path and the heat absorption flow path in accordance with a state of current flow through the superconducting coil.
This makes it possible to selectively use the flow path during heat generation and the flow path during heat absorption in synchronization with the heat generation and heat absorption states of the magnetic working material.

このように通電状態に連動して流路の切換えを行う場合、
前記流路制御部は、前記超伝導コイルへの通電状態が、前記磁気作業物質を前記発熱状態にする通電状態から前記吸熱状態にする通電状態に変化するタイミングから、所定の時間遅らせて、前記発熱時流路から前記吸熱時流路への切り替えを行うようにしても良い。
When switching the flow path in this way in conjunction with the energized state,
The flow path control unit may switch from the heat generation flow path to the heat absorption flow path with a predetermined delay from the timing at which the current flow state to the superconducting coil changes from the current flow state that brings the magnetic working material to the heat generation state to the current flow state that brings the magnetic working material to the heat absorption state.

吸熱状態に変化した直後に、発熱時流路から吸熱時流路への切り替えを行うと、発熱時に熱を受けた熱媒体が、吸熱時流路に流れ込む恐れがある。上記態様によれば、吸熱状態に切り替えた後、しばらく遅らせてから切り替えを行うため、こうした弊害を回避することができる。 If the flow path is switched from the heat generation flow path to the heat absorption flow path immediately after the change to the heat absorption state, there is a risk that the heat medium that has received heat during the heat generation will flow into the heat absorption flow path. According to the above embodiment, the switching is performed after a delay of a while after the switch to the heat absorption state, so this kind of problem can be avoided.

本発明は、以上で説明した種々の特徴を全て備えている必要はなく、適宜、その一部を省略したり組み合わせたりして構成することができる。また、本発明は、磁気ヒートポンプの他、磁気作業物質を用いた磁気冷凍方法などの態様で構成してもよい。 The present invention does not need to have all of the various features described above, and can be configured by omitting or combining some of them as appropriate. In addition to the magnetic heat pump, the present invention may also be configured in the form of a magnetic refrigeration method using a magnetic working material.

磁気ヒートポンプの構成を示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of a magnetic heat pump. スイッチング態様を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing a switching mode. スイッチングのシーケンスを示す説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram showing a switching sequence.

以下、本発明の実施例について、超伝導コイルと磁気作業物質を利用した磁気ヒートポンプとしての構成を例にとって説明する。水素が被冷却物となり、これを再凝縮して液体水素として貯槽するシステムとしての構成例である。被冷却極低温において冷凍を行うシステムである。 The following describes an embodiment of the present invention, taking as an example a configuration of a magnetic heat pump that uses a superconducting coil and a magnetic working material. This is an example of a configuration of a system in which hydrogen is the object to be cooled, and this is recondensed and stored as liquid hydrogen. This is a system that performs refrigeration at extremely low temperatures.

図1は、磁気ヒートポンプの構成を示す説明図である。
密閉容器10内には、超伝導コイル31が設置されている。超伝導を実現するため超伝導コイル31は、冷却されているが、図の煩雑化を回避するため、この冷却機構は図示を省略した。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of a magnetic heat pump.
A superconducting coil 31 is placed in the sealed vessel 10. The superconducting coil 31 is cooled to achieve superconductivity, but this cooling mechanism is omitted from the drawing to avoid complicating the drawing.

超伝導コイル31の内部空間には、磁場の状態に応じて発熱/吸熱を生じる磁気作業物質30が設置されている。磁気作業物質30は、種々の素材で構成することができるが、本実施例では、ディスプロシウム合金(例えばDyNi)を用いるものとした。銅その他の熱伝導性の良好な素材で構成した中空の細線内にディスプロシウム合金の粉状体を充填した、いわゆるパウダーインチューブ製造技術により細線を製作し、これを編むことにより、磁気作業物質30を構成することができる。かかる構成に限らず、ディスプロシウム合金の塊などで構成しても差し支えない。もっとも、これらは一例であり、ガドリニウム合金(例えばGd5Ge4)を排除する趣旨ではない。 In the internal space of the superconducting coil 31, a magnetic working material 30 is installed, which generates heat/absorbs heat depending on the state of the magnetic field. The magnetic working material 30 can be made of various materials, but in this embodiment, a dysprosium alloy (e.g., DyNi) is used. The magnetic working material 30 can be made by filling a hollow thin wire made of copper or other material with good thermal conductivity with a powder of dysprosium alloy, producing a thin wire by a so-called powder-in-tube manufacturing technique, and weaving the thin wire. The magnetic working material 30 is not limited to such a configuration, and may be made of a lump of dysprosium alloy. However, these are only examples, and the gadolinium alloy (e.g., Gd 5 Ge 4 ) is not excluded.

熱交換媒体を流す流路21~24が磁気作業物質30を通り抜けるように設けられている。磁気作業物質30が、磁場の作用によって発熱/吸熱を生じると、それに応じた熱が、流路21~24内の熱交換媒体によって伝送される。 The flow paths 21-24 through which the heat exchange medium flows are provided to pass through the magnetic working material 30. When the magnetic working material 30 generates/absorbs heat due to the action of the magnetic field, the corresponding heat is transmitted by the heat exchange medium in the flow paths 21-24.

流路21、22の上方、密閉容器10の外部には、排熱部20が取り付けられている。磁気作業物質30が発熱状態にあるとき、その熱は、流路21、22を通じて排熱部20に伝送され、密閉容器10から外部に排出される。
一方、被冷却物である水素貯槽12と磁気作業物質30との間には、熱スイッチ25が取り付けられている。熱スイッチ25は、一方向にのみ熱が伝達する素子である。熱スイッチ25は、周知の種々の素子を利用可能であるため、詳細な説明は省略する。熱スイッチ25を設けることにより、磁気作業物質30が吸熱時には、水素貯槽12から磁気作業物質30に熱が流れ、水素貯槽12の冷却が行われることになる。逆に、磁気作業物質30が吸熱時には、水素貯槽12への熱伝達が遮断され、水素貯槽12の冷却が阻害されるのを防ぐことができる。
A heat exhaust unit 20 is attached to the outside of the sealed container 10 above the flow paths 21 and 22. When the magnetic working material 30 is in a heat generating state, the heat is transferred to the heat exhaust unit 20 through the flow paths 21 and 22 and is exhausted from the sealed container 10 to the outside.
Meanwhile, a thermal switch 25 is attached between the hydrogen storage tank 12, which is the object to be cooled, and the magnetic working material 30. The thermal switch 25 is an element that transfers heat in only one direction. Various well-known elements can be used for the thermal switch 25, and detailed description thereof will be omitted. By providing the thermal switch 25, when the magnetic working material 30 absorbs heat, heat flows from the hydrogen storage tank 12 to the magnetic working material 30, and the hydrogen storage tank 12 is cooled. Conversely, when the magnetic working material 30 absorbs heat, the transfer of heat to the hydrogen storage tank 12 is blocked, and it is possible to prevent the cooling of the hydrogen storage tank 12 from being hindered.

本実施例では、流路21~24は、一連の流路として熱交換媒体が循環するように構成した。その上で、流路の途中に切換機構26、27を設けた。
切換機構26は、排熱部20を迂回するように熱交換媒体を循環させるよう流路21、22間を短絡する機構である。磁気作業物質30が吸熱状態にあるときは、排熱部20を迂回することで、効果的に冷却を行うことができる。この状態は、吸熱時流路となる。
一方、切換機構27は、熱スイッチ25および水素貯槽12を迂回するように、流路23、24を短絡する機構である。磁気作業物質30が発熱状態にあるときは、被冷却物である水素貯槽12を迂回することで、水素貯槽12の冷却が阻害されることを防ぐことができる。この状態は、発熱時流路となる。
このように、吸熱時流路と発熱時流路とを切換可能とすることにより、吸熱時、発熱時の熱交換を効果的に行うことが可能となる。
実施例では、一連の流路の一部に切換機構26、27を設ける構成を示したが、吸熱時流路と発熱時流路とを個別の2系統の流路として構成しても差し支えない。
In this embodiment, the flow paths 21 to 24 are configured to circulate the heat exchange medium as a series of flow paths, and switching mechanisms 26 and 27 are provided midway through the flow paths.
The switching mechanism 26 is a mechanism for short-circuiting the flow paths 21 and 22 so as to circulate the heat exchange medium so as to bypass the heat exhaust section 20. When the magnetic working material 30 is in a heat absorption state, it can be effectively cooled by bypassing the heat exhaust section 20. This state is the heat absorption flow path.
On the other hand, the switching mechanism 27 is a mechanism for short-circuiting the flow paths 23, 24 so as to bypass the thermal switch 25 and the hydrogen storage tank 12. When the magnetic working material 30 is in a heat generating state, it is possible to prevent the cooling of the hydrogen storage tank 12 from being hindered by bypassing the hydrogen storage tank 12, which is the object to be cooled. This state is the heat generating flow path.
In this way, by making it possible to switch between the flow path during heat absorption and the flow path during heat generation, it becomes possible to effectively carry out heat exchange during heat absorption and heat generation.
In the embodiment, the switching mechanisms 26, 27 are provided in part of the series of flow paths, but the flow path for heat absorption and the flow path for heat generation may be configured as two separate flow paths.

超伝導コイル31は、電源33およびコンデンサ32を含む回路に接続されている。電源33は、系統電力、バッテリその他種々の電源を用いることができる。回路は、超伝導コイル31の両端に電源33およびコンデンサ32を並列に接続した状態となっている。また、超伝導コイル31とコンデンサ32の間には、両極を短絡する回路も形成されている。コンデンサ32と電源33との間にはスイッチ35が設けられ、短絡回路とコンデンサ32との間にはスイッチ36が設けられ、短絡回路にはスイッチ37が設けられている。これらのスイッチ35~37の開閉により、次の回路構成が実現される。
スイッチ35、36を閉じ、スイッチ37を開いた状態では、電源33および超伝導コイル31を接続する閉回路が形成される。スイッチ35を閉じるのは、この場合のみである。
スイッチ35~37を全て開いた状態では、超伝導コイル31、コンデンサ32、電源33のいずれも回路から切り離された状態となる。
スイッチ35、37を開き、スイッチ36を閉じた状態では、超伝導コイル31とコンデンサ32とを接続したLC共振回路が形成される。
スイッチ35、36を開き、スイッチ37を閉じた状態では、超伝導コイル31の両極を接続した回路が形成される。
The superconducting coil 31 is connected to a circuit including a power source 33 and a capacitor 32. The power source 33 can be a system power source, a battery, or any other type of power source. In the circuit, the power source 33 and the capacitor 32 are connected in parallel to both ends of the superconducting coil 31. In addition, a circuit is formed between the superconducting coil 31 and the capacitor 32, shorting both poles. A switch 35 is provided between the capacitor 32 and the power source 33, a switch 36 is provided between the short circuit and the capacitor 32, and a switch 37 is provided in the short circuit. By opening and closing these switches 35 to 37, the following circuit configuration is realized.
With the switches 35 and 36 closed and the switch 37 open, a closed circuit is formed connecting the power supply 33 and the superconducting coil 31. It is only in this state that the switch 35 is closed.
When the switches 35 to 37 are all open, the superconducting coil 31, the capacitor 32, and the power source 33 are all disconnected from the circuit.
When the switches 35 and 37 are open and the switch 36 is closed, an LC resonant circuit is formed by connecting the superconducting coil 31 and the capacitor 32 .
When the switches 35 and 36 are open and the switch 37 is closed, a circuit is formed connecting both poles of the superconducting coil 31 .

磁気ヒートポンプの動作は、制御装置40によって制御される。制御装置40は、内部にCPUおよびメモリを備えたコンピュータとして構成することができる。本実施例では、コンピュータプログラムをインストールすることによって、スイッチ35~37のスイッチングを行うスイッチング制御機能、および切換機構26、27を制御して発熱時流路、冷却時流路の切換を行う流路制御機能、排熱部20の動作を制御する排熱制御機能を、それぞれソフトウェア的に実現している。これらの機能の全部または一部をASICなどのハードウェアによって構成してもよい。 The operation of the magnetic heat pump is controlled by a control device 40. The control device 40 can be configured as a computer with an internal CPU and memory. In this embodiment, by installing a computer program, the following functions are realized in software: a switching control function for switching the switches 35-37, a flow path control function for controlling the switching mechanisms 26, 27 to switch between the flow paths for heat generation and the flow paths for cooling, and a heat exhaust control function for controlling the operation of the heat exhaust section 20. All or part of these functions may be configured by hardware such as an ASIC.

図2は、スイッチング態様を示す説明図である。
最初に、スイッチ35、36を閉じ、スイッチ37を開いた状態で、電源33と超伝導コイル31を接続する閉回路を形成すると、超伝導コイル31に電流が流れ、初期充電が行われる(この状態は図示していない)。初期充電が完了すると、図2のそれぞれのスイッチング態様に入る。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a switching mode.
First, when a closed circuit is formed between the power source 33 and the superconducting coil 31 with the switches 35 and 36 closed and the switch 37 open, a current flows through the superconducting coil 31 and initial charging is performed (this state is not shown). When the initial charging is completed, the respective switching modes of FIG. 2 are entered.

図2(a)に示すように、スイッチ37を閉じ、スイッチ36を開放すると、超伝導コイル31の両極を接続した閉回路が形成される。超伝導コイル31には既に電流が流れている状態なので、図2(a)では、一定方向(図中では時計回り)に電流が流れ続ける。 As shown in FIG. 2(a), when switch 37 is closed and switch 36 is opened, a closed circuit is formed connecting both poles of superconducting coil 31. Since current is already flowing through superconducting coil 31, in FIG. 2(a) the current continues to flow in a fixed direction (clockwise in the figure).

図2(b)に示すように、スイッチ37を開放し、スイッチ36を閉じると、超伝導コイル31とコンデンサ32を接続したLC共振回路が形成される。超伝導コイル31に時計回りに流れていた電流は、今度は、コンデンサ32を含んで時計回りに流れるようになり、コンデンサ32に図示するように電荷が充電される。
コンデンサ32への充電とともに、超伝導コイル31に流れる電流は減少し、やがて0となる。
2B, when switch 37 is opened and switch 36 is closed, an LC resonant circuit is formed connecting superconducting coil 31 and capacitor 32. The current that flowed clockwise through superconducting coil 31 now flows clockwise including capacitor 32, and capacitor 32 is charged as shown in the figure.
As the capacitor 32 is charged, the current flowing through the superconducting coil 31 decreases and eventually becomes zero.

このままで放置すれば、今度は、コンデンサ32から超伝導コイル31に逆向きに電流が流れ始め、LC共振回路による共振が開始されることになる。本実施例では、かかる共振を生じさせても差し支えないが、電流の流れる期間をより積極的に制御するため、超伝導コイル31への電流が0となった時点で、図2(c)に示すように、スイッチ36、37を開放する。こうすることで、超伝導コイル31、コンデンサ32の双方が回路から切り離された状態となり、コンデンサ32に充電されたまま、電流が流れない状態が維持される。 If left as is, current will then begin to flow in the opposite direction from capacitor 32 to superconducting coil 31, and resonance will begin due to the LC resonant circuit. In this embodiment, it is acceptable to allow such resonance to occur, but in order to more actively control the period during which current flows, switches 36 and 37 are opened as shown in Figure 2(c) when the current to superconducting coil 31 becomes zero. In this way, both superconducting coil 31 and capacitor 32 are disconnected from the circuit, and capacitor 32 remains charged while no current flows.

次に、図2(d)に示すようにスイッチ37を開放したまま、スイッチ36を閉じる。こうすること、コンデンサ32を電源として、超伝導コイル31への通電が行われ、図示するように反時計回りに電流が流れるようになる。この状態は、コンデンサ32の電荷が完全に放出されるまで継続する。 Next, as shown in FIG. 2(d), switch 36 is closed while switch 37 is left open. This causes current to flow through superconducting coil 31 using capacitor 32 as the power source, and current begins to flow counterclockwise as shown. This state continues until the charge in capacitor 32 is completely discharged.

このままで放置すれば、今度は、超伝導コイル31からコンデンサ32への充電が始まりLC共振回路による共振が開始されることになる。かかる共振を生じさせても差し支えないが、電流の流れる期間をより積極的に制御するため、コンデンサ32の電荷が放出された時点で、図2(e)に示すように、スイッチ36を開放して、スイッチ37を閉じる。こうすることで、超伝導コイル31に反時計回りの電流が流れ続ける。 If left as is, this time superconducting coil 31 will start charging capacitor 32, and resonance will begin with the LC resonant circuit. There is no harm in allowing this resonance to occur, but in order to more actively control the period during which current flows, as soon as the charge in capacitor 32 is released, switch 36 is opened and switch 37 is closed, as shown in Figure 2(e). This allows counterclockwise current to continue to flow through superconducting coil 31.

次に、図2(f)に示すように、スイッチ36を閉じ、スイッチ37を開放すると、超伝導コイル31とコンデンサ32を接続したLC共振回路が形成される。超伝導コイル31に反時計回りに流れていた電流は、今度は、コンデンサ32を含んで反時計回りに流れるようになり、コンデンサ32に図示するように電荷が充電される。
コンデンサ32への充電とともに、超伝導コイル31に流れる電流は現象し、やがて0となる。
2(f), when switch 36 is closed and switch 37 is opened, an LC resonant circuit is formed connecting superconducting coil 31 and capacitor 32. The current that had been flowing counterclockwise through superconducting coil 31 now flows counterclockwise including capacitor 32, and capacitor 32 is charged as shown in the figure.
As the capacitor 32 is charged, the current flowing through the superconducting coil 31 decreases and eventually becomes zero.

超伝導コイル31への電流が0となった時点で、図2(g)に示すように、スイッチ36、37を開放する。こうすることで、超伝導コイル31、コンデンサ32の双方が回路から切り離された状態となり、コンデンサ32に充電されたまま、電流が流れない状態が維持される。 When the current to the superconducting coil 31 becomes zero, the switches 36 and 37 are opened as shown in FIG. 2(g). This disconnects both the superconducting coil 31 and the capacitor 32 from the circuit, and the capacitor 32 remains charged with no current flowing through it.

次に、図2(h)に示すようにスイッチ37を開放したまま、スイッチ36を閉じる。こうすること、コンデンサ32を電源として、超伝導コイル31への通電が行われ、図示するように反時計回りに電流が流れるようになる。この状態は、コンデンサ32の電荷が完全に放出されるまで継続する。
そして、図2(a)の状態に戻る。
2(h), switch 36 is closed while switch 37 is left open. This causes current to flow through superconducting coil 31 using capacitor 32 as a power source, and current flows counterclockwise as shown in the figure. This state continues until the charge in capacitor 32 is completely discharged.
Then, the state returns to that shown in FIG.

以上のスイッチングを繰り返し実行する。図2(b)の状態は、超伝導コイル31への電流が減少する期間であるから、磁気作業物質30は冷却状態となる。図2(c)は電流が流れていないが、図2(b)での冷却状態がしばらく継続される。
図2(d)の状態は、超伝導コイル31への電流が増加する期間であるから、磁気作業物質30は発熱状態となる。図2(e)は電流が流れていないが、図2(d)での発熱状態がしばらく継続される。
同様に、図2(f)、図2(g)は冷却状態となり、図2(h)、図2(a)は発熱状態となる。
このように、本実施例では、図2に示したスイッチングを行うことにより、LC共振回路を利用して、外部からエネルギを加えなくても超伝導コイル31への電流を変化させることができ、磁気作業物質30を発熱状態、冷却状態に変化させることができる。
The above switching is repeated. In the state shown in Fig. 2(b), the current to the superconducting coil 31 is decreasing, so the magnetic working material 30 is in a cooled state. In Fig. 2(c), no current flows, but the cooled state shown in Fig. 2(b) continues for a while.
The state shown in Fig. 2(d) is a period in which the current to the superconducting coil 31 is increasing, and the magnetic working material 30 is in a heat generating state. In Fig. 2(e), no current is flowing, but the heat generating state shown in Fig. 2(d) continues for a while.
Similarly, Figs. 2(f) and 2(g) show the cooling state, and Figs. 2(h) and 2(a) show the heating state.
In this manner, in this embodiment, by performing the switching shown in FIG. 2, the current to the superconducting coil 31 can be changed by utilizing the LC resonant circuit without applying energy from the outside, and the magnetic working material 30 can be changed between a heating state and a cooling state.

図3は、スイッチングのシーケンスを示す説明図である。折れ線L36、L37にスイッチ36、37のON(閉)、OFF(開)の変化を示し、これに伴う電流の変化を曲線Cに模式的に示した。時間軸に付した(a)~(h)は、図2(a)~図2(h)の状態に対応している。
期間(a)(図2(a)に対応)では、スイッチ36がOFF、スイッチ37がONとなっており、電流は最大値で一定となっている。
期間(b)(図2(b)に対応)では、スイッチ36がON、スイッチ37がOFFとなり、コンデンサ32への充電とともに、電流が減っていく。これにより、磁気作業物質30は冷却状態となる。
期間(c)(図2(c)に対応)では、スイッチ36、37ともにOFFとなり、電流は0である。磁気作業物質30は冷却状態がしばらく維持される。
期間(d)(図2(d)に対応)では、スイッチ36がON、スイッチ37がOFFとなり、コンデンサ32を電源として逆方向の電流が徐々に増えていく。これにより、磁気作業物質は発熱状態となる。
期間(e)(図2(e)に対応)では、スイッチ36がOFF、スイッチ37がONとなり、逆向きの電流が最大値で一定となっている。磁気作業物質30は発熱状態がしばらく維持される。
期間(f)(図2(f)に対応)では、スイッチ36がON、スイッチ37がOFFとなり、コンデンサ32への充電とともに、逆向きの電流が減っていく。これにより、磁気作業物質30は冷却状態となる。
期間(g)(図2(g)に対応)では、スイッチ36、37ともにOFFとなり、電流は0である。磁気作業物質30は冷却状態がしばらく維持される。
期間(h)(図2(h)に対応)では、スイッチ36がON、スイッチ37がOFFとなり、コンデンサ32を電源として逆方向の電流が徐々に増えていく。これにより、磁気作業物質は発熱状態となる。
3 is an explanatory diagram showing a switching sequence. The broken lines L36 and L37 show the ON (closed) and OFF (open) changes of the switches 36 and 37, and the accompanying change in current is shown diagrammatically in curve C. (a) to (h) on the time axis correspond to the states in FIG. 2(a) to FIG. 2(h).
During period (a) (corresponding to FIG. 2(a)), switch 36 is OFF, switch 37 is ON, and the current is constant at the maximum value.
During a period (b) (corresponding to FIG. 2(b)), the switch 36 is ON and the switch 37 is OFF, and the current decreases as the capacitor 32 is charged. This causes the magnetic working material 30 to cool.
During a period (c) (corresponding to FIG. 2(c)), the switches 36 and 37 are both OFF, and the current is 0. The magnetic working material 30 is maintained in a cooled state for a while.
During a period (d) (corresponding to FIG. 2(d)), the switch 36 is ON, the switch 37 is OFF, and the current in the reverse direction increases gradually with the capacitor 32 as the power source. This causes the magnetic working material to generate heat.
During a period (e) (corresponding to FIG. 2(e)), the switch 36 is OFF, the switch 37 is ON, and the reverse current is constant at a maximum value. The magnetic working material 30 maintains a heated state for a while.
During a period (f) (corresponding to FIG. 2(f)), the switch 36 is ON and the switch 37 is OFF, and the reverse current decreases as the capacitor 32 is charged. This causes the magnetic working material 30 to cool.
During a period (g) (corresponding to FIG. 2(g)), the switches 36 and 37 are both OFF, and the current is 0. The magnetic working material 30 is maintained in a cooled state for a while.
During a period (h) (corresponding to FIG. 2(h)), the switch 36 is ON, the switch 37 is OFF, and the current in the reverse direction increases gradually with the capacitor 32 as the power source. This causes the magnetic working material to generate heat.

図の下側に、期間(a)から期間(b)への切換時におけるスイッチングの詳細な手順を拡大して示した。この切換では、スイッチ36をOFFからONに、スイッチ37をONからOFFに切り換える。この時、スイッチ37をOFFに切り換えるタイミングが、スイッチ36をONに切り換えるタイミングよりも一瞬でも早くなると、スイッチ36、37の双方がOFFとなる瞬間が生じる。期間(a)のように電流が流れている状態で、このように双方のスイッチが突然、OFFになるとアーク放電が生じることが通常である。本実施例では、これを回避するため、図示するように、まずスイッチ36をONにした後、微小な時間dtを経過してから、スイッチ37をOFFとするようにスイッチングを制御するのである。こうすることで、アーク放電の発生を回避することができる。微小時間dtは、アーク放電を回避できる範囲で任意に決めることができる。
このようにスイッチのOFFを遅らせる制御は、期間(e)から期間(f)への切り換えの際も同様に適用される。
The lower part of the figure shows an enlarged detailed switching procedure when switching from period (a) to period (b). In this switching, the switch 36 is switched from OFF to ON, and the switch 37 is switched from ON to OFF. At this time, if the timing of switching the switch 37 to OFF is even a moment earlier than the timing of switching the switch 36 to ON, an instant occurs when both the switches 36 and 37 are turned OFF. When a current is flowing as in period (a) and both switches are suddenly turned OFF in this manner, an arc discharge usually occurs. In this embodiment, in order to avoid this, as shown in the figure, the switching is controlled so that the switch 36 is first turned ON, and then the switch 37 is turned OFF after a very short time dt has elapsed. In this way, the occurrence of an arc discharge can be avoided. The very short time dt can be determined arbitrarily within a range in which an arc discharge can be avoided.
Such control of delaying the turning off of the switch is also applied when switching from period (e) to period (f).

図3には、切換機構26、27の切り換えのタイミングも黒の三角印B1~B4で示した。期間(a)から期間(b)に移行すると、磁気作業物質30は冷却状態となる。しかし、期間(a)では発熱状態にあるため、熱交換媒体は熱を受けた状態となっている。従って、期間(b)に入って直後に、熱交換媒体が被冷却物である水素貯槽12に流れる冷却時流路に切り換えを行うと、温度の高い熱交換媒体が水素貯槽12に流れるおそれがある。本実施例では、これを回避するため、期間(b)に移行して、しばらく経過したタイミングB1で冷却時流路への切り換えを行うようにした。移行から切り換えタイミングB1までの経過時間は、熱交換媒体の冷却状態などを踏まえて任意に決めることができる。 In FIG. 3, the timing of switching of the switching mechanisms 26, 27 is also indicated by black triangles B1 to B4. When the period (a) transitions to the period (b), the magnetic working material 30 is cooled. However, since the heat exchange medium is in a heat generating state during the period (a), the heat exchange medium is in a heated state. Therefore, if the flow path is switched to the cooling flow path in which the heat exchange medium flows into the hydrogen storage tank 12, which is the object to be cooled, immediately after the period (b) begins, there is a risk that the high-temperature heat exchange medium will flow into the hydrogen storage tank 12. In this embodiment, in order to avoid this, the flow path is switched to the cooling flow path at timing B1, some time after the transition to period (b). The time elapsed from the transition to the switching timing B1 can be determined arbitrarily, taking into account the cooling state of the heat exchange medium, etc.

次に、期間(c)から期間(d)への移行時には、磁気作業物質30は発熱状態となり、熱交換機構は、発熱時流路への切り換えを行うことになる。この場合は、水素貯槽12の冷却が阻害されるおそれがないため、移行と同時のタイミングB2で、発熱時流路への切り換えを行う。
もっとも、期間(c)から期間(d)への移行時にも、熱交換媒体の温度はしばらくは低いことを考慮し、タイミングB1と同様に、期間(d)への移行時から少し遅らせて切り換える方法を排除するものではない。
Next, when the period (c) transitions to the period (d), the magnetic working material 30 becomes in a heat generating state, and the heat exchange mechanism switches to the heat generating flow path. In this case, since there is no risk of impeding the cooling of the hydrogen storage tank 12, the heat exchange mechanism switches to the heat generating flow path at timing B2, which is the same as the transition.
However, taking into consideration that the temperature of the heat exchange medium will remain low for a while even during the transition from period (c) to period (d), a method of switching with a slight delay from the transition to period (d), as with timing B1, is not excluded.

期間(e)から期間(f)への切り換えも、タイミングB1と同じく、期間(f)に移行してしばらく経過してから冷却時流路への切り換えを行う。期間(g)から期間(h)への切り換えは、タイミングB2と同じく、期間(h)への移行と同時に発熱時流路への切り換えを行う。
こうすることにより、効果的な熱交換を実現することができる。
When switching from period (e) to period (f), similar to timing B1, the flow path is switched to the cooling flow path some time after the transition to period (f). When switching from period (g) to period (h), similar to timing B2, the flow path is switched to the heating flow path simultaneously with the transition to period (h).
In this way, effective heat exchange can be achieved.

図3で示した通り、本実施例のスイッチングのシーケンスでは、期間(a)、(e)のように一定の電流が流れる期間(これらを「最大電流保持期間」という)、および期間(c)、(g)のように電流が流れない期間(これらを「0電流保持期間」という)が設けられている。これらの期間は、磁気作業物質30への磁場は変化しないが、その直前の発熱状態、冷却状態が維持される。従って、最大電流保持期間、0電流保持期間を設けることにより、磁気作業物質30の発熱状態、冷却状態を十分に熱交換に利用することが可能となる。
最大電流保持期間、0電流保持期間は、任意に決めることができるが、磁気作業物質30の発熱状態、冷却状態を利用するためには、熱交換媒体が磁気作業物質30と熱交換を行う部分を流れるのに要する時間よりも長くすることが好ましい。
As shown in Fig. 3, the switching sequence of this embodiment has periods (a) and (e) during which a constant current flows (these are called "maximum current holding periods"), and periods (c) and (g) during which no current flows (these are called "zero current holding periods"). During these periods, the magnetic field to the magnetic working material 30 does not change, but the immediately preceding heated and cooled states are maintained. Therefore, by providing the maximum current holding periods and zero current holding periods, the heated and cooled states of the magnetic working material 30 can be fully utilized for heat exchange.
The maximum current holding period and the zero current holding period can be determined arbitrarily, but in order to utilize the heating and cooling states of the magnetic working material 30, it is preferable to set them longer than the time required for the heat exchange medium to flow through the part that exchanges heat with the magnetic working material 30.

また、磁気作業物質30が発熱状態または冷却状態になる時間は、期間(b)、(d)、(f)、(h)において電流の変化に要する時間で決まる。この時間は、超伝導コイル31のリアクタンスとコンデンサ32の静電容量で定まるLC共振回路の共振周波数によって決まることになる。従って、本実施例では、熱交換媒体との熱交換の時間を十分に確保できるように期間(b)、(d)、(f)、(h)を設定し、これを実現するようにLC共振回路を設計することが好ましい。期間(b)、(d)、(f)、(h)の時間は、少なくとも熱交換媒体が磁気作業物質30と熱交換を行う部分を流れるのに要する時間よりも長くすることが好ましい。 The time required for the magnetic working material 30 to become heated or cooled is determined by the time required for the current to change during periods (b), (d), (f), and (h). This time is determined by the resonant frequency of the LC resonant circuit, which is determined by the reactance of the superconducting coil 31 and the capacitance of the capacitor 32. Therefore, in this embodiment, it is preferable to set periods (b), (d), (f), and (h) so that there is sufficient time for heat exchange with the heat exchange medium, and to design the LC resonant circuit to achieve this. It is preferable that the times of periods (b), (d), (f), and (h) are at least longer than the time required for the heat exchange medium to flow through the portion where heat exchange with the magnetic working material 30 takes place.

以上で説明した実施例の磁気ヒートポンプによれば、超伝導コイル31に初期充電で貯蔵したエネルギを、超伝導コイル31とコンデンサ32のLC共振回路で周期的に流すことにより、外部からエネルギをほぼ供給しなくても、磁気作業物質30に与える磁場を変動させることができ、冷却に要するエネルギを抑制することができる利点がある。実際には、交流損失その他の要因により、LC共振回路を流れる電流は減衰していくが、これを補うためのわずかなエネルギ供給で冷却を維持することが可能となるのである。 According to the magnetic heat pump of the embodiment described above, the energy stored in the superconducting coil 31 by initial charging is periodically passed through the LC resonant circuit of the superconducting coil 31 and the capacitor 32, thereby making it possible to vary the magnetic field applied to the magnetic working material 30 with almost no external energy supply, and thus has the advantage of reducing the energy required for cooling. In reality, the current flowing through the LC resonant circuit decays due to AC losses and other factors, but it is possible to maintain cooling by supplying a small amount of energy to compensate for this.

以上で説明した種々の特徴は、必ずしも全てを備える必要はなく、適宜、その一部を省略したり組み合わせたりすることが可能である。
また、本発明は、上述の実施例に限らず、種々の変形例を構成することができる。実施例では、水素の凝縮のための磁気ヒートポンプとしての例を示したが、本発明は、その他の用途に用いることもできる。かかる用途としては、例えば、核融合用コイルや超伝導電力貯蔵システム用の冷却システムなど水素の凝縮を目的としない冷凍または冷却システムとしてもよい。
It is not necessary to provide all of the various features described above, and some of them may be omitted or combined as appropriate.
Furthermore, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, and various modifications can be made. In the embodiment, an example of a magnetic heat pump for condensing hydrogen is shown, but the present invention can be used for other purposes. For example, the present invention may be used as a refrigeration or cooling system that is not intended for condensing hydrogen, such as a cooling system for a nuclear fusion coil or a superconducting power storage system.

本発明は、超伝導コイルを用いた変動磁場を磁気作業物質に与えることによる冷却に適用することができる。 The present invention can be applied to cooling by applying a fluctuating magnetic field using a superconducting coil to a magnetic working material.

10 密閉容器
12 水素貯槽
20 排熱部
21、22、23、24 流路
25 熱スイッチ
26、27 切換機構
30 磁気作業物質
31 超伝導コイル
32 コンデンサ
33 電源
35、36、37 スイッチ
40 制御装置



10: sealed container 12: hydrogen storage tank 20: heat exhaust section 21, 22, 23, 24: flow path 25: thermal switch 26, 27: switching mechanism 30: magnetic working material 31: superconducting coil 32: capacitor 33: power source 35, 36, 37: switch 40: control device



Claims (8)

被冷却物からの熱輸送を行う磁気ヒートポンプであって、
磁場の変動に伴い発熱状態または吸熱状態となる磁気作業物質と、
前記磁気作業物質に対して磁場を与える超伝導コイルと、
前記超伝導コイルとコンデンサとを直列に接続したLC共振回路と、
前記磁気作業物質と前記被冷却物との間で熱交換を行う熱交換機構とを備え
前記LC共振回路は、
前記超伝導コイルを回路から切り離した第1の状態、
前記コンデンサを回路から切り離し、前記超伝導コイルを含む閉回路を構成した第2の状態、
前記超伝導コイルと前記コンデンサとを直列に接続した第3の状態を相互に切り替えるための1以上のスイッチを備える磁気ヒートポンプ。
A magnetic heat pump that transports heat from an object to be cooled,
a magnetic working material that becomes exothermic or absorbing in response to a change in a magnetic field;
a superconducting coil for applying a magnetic field to the magnetic working material;
an LC resonant circuit in which the superconducting coil and a capacitor are connected in series;
a heat exchange mechanism for exchanging heat between the magnetic working material and the object to be cooled ;
The LC resonant circuit is
a first state in which the superconducting coil is disconnected from the circuit;
a second state in which the capacitor is disconnected from the circuit to form a closed circuit including the superconducting coil;
A magnetic heat pump comprising one or more switches for switching between a third state in which the superconducting coil and the capacitor are connected in series .
請求項1記載の磁気ヒートポンプであって、
前記LC共振回路における前記第1の状態を第1の保持時間だけ保持し、前記第2の状態を第2の保持時間だけ保持するように前記スイッチを制御するスイッチ制御部を備える磁気ヒートポンプ。
2. The magnetic heat pump according to claim 1 ,
A magnetic heat pump comprising: a switch control unit that controls the switch so as to hold the first state in the LC resonant circuit for a first holding time and to hold the second state for a second holding time.
請求項2記載の磁気ヒートポンプであって、
前記熱交換機構は、熱交換媒体を前記磁気作業物質との間で熱交換可能な流路で流す機構であり、
前記第1および第2の保持時間は、それぞれ前記熱交換媒体が、前記流路のうち、前記磁気作業物質と熱交換する部分を通過するのに要する時間以上となっている磁気ヒートポンプ。
3. The magnetic heat pump according to claim 2 ,
the heat exchange mechanism is a mechanism for flowing a heat exchange medium through a flow path capable of heat exchange between the heat exchange medium and the magnetic working material,
A magnetic heat pump, wherein the first and second retention times are each equal to or longer than the time required for the heat exchange medium to pass through a portion of the flow path where the heat exchange medium exchanges heat with the magnetic working material.
請求項2記載の磁気ヒートポンプであって、
前記スイッチは複数存在し、
前記スイッチ制御部は、前記第1~第3の状態の切り替えに際し、今まで開いていたいずれかの前記スイッチを閉じた後、今まで閉じていた前記スイッチを開くよう制御する磁気ヒートポンプ。
3. The magnetic heat pump according to claim 2 ,
There are a plurality of the switches,
The switch control unit controls, when switching between the first to third states, to close any of the switches that have been open and then open the switch that has been closed.
請求項1記載の磁気ヒートポンプであって、
前記熱交換機構は、熱交換媒体を前記磁気作業物質との間で熱交換可能な流路で流す機構であり、
該流路は、
前記磁気作業物質が前記発熱状態にあるときの発熱時流路と、
前記磁気作業物質が前記吸熱状態にあるときの吸熱時流路とを備える磁気ヒートポンプ。
2. The magnetic heat pump according to claim 1,
the heat exchange mechanism is a mechanism for flowing a heat exchange medium through a flow path capable of heat exchange between the heat exchange medium and the magnetic working material,
The flow path includes:
a heat generation flow path when the magnetic working material is in the heat generation state;
a heat absorption flow path when the magnetic working material is in the heat absorption state.
請求項5記載の磁気ヒートポンプであって、
前記発熱時流路と前記吸熱時流路は、一部が共通の流路となっており、
前記流路は、さらに、前記発熱時流路と前記吸熱時流路とを切り替える切替弁を備える磁気ヒートポンプ。
6. The magnetic heat pump according to claim 5 ,
The heat generation flow path and the heat absorption flow path are partially common to each other,
The flow path further includes a switching valve that switches between the heat generation flow path and the heat absorption flow path.
請求項5記載の磁気ヒートポンプであって、
前記超伝導コイルへの通電状態に連動させて、前記発熱時流路と、前記吸熱時流路を使い分ける流路制御部を備える磁気ヒートポンプ。
6. The magnetic heat pump according to claim 5 ,
A magnetic heat pump comprising a flow path control unit that selectively uses the flow path during heat generation and the flow path during heat absorption in accordance with a current supply state to the superconducting coil.
請求項7記載の磁気ヒートポンプであって、
前記流路制御部は、前記超伝導コイルへの通電状態が、前記磁気作業物質を前記発熱状態にする通電状態から前記吸熱状態にする通電状態に変化するタイミングから、所定の時間遅らせて、前記発熱時流路から前記吸熱時流路への切り替えを行う磁気ヒートポンプ。
8. The magnetic heat pump according to claim 7 ,
The flow path control unit switches from the heat generation flow path to the heat absorption flow path with a predetermined delay from the timing when the current flow state to the superconducting coil changes from the current flow state that brings the magnetic working material to the heat generation state to the current flow state that brings the magnetic working material to the heat absorption state.
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