JP2015141016A - 磁気冷却器およびこれを含む冷却装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、効率を改善して冷凍能力を高めることができる磁気冷却器およびこれを含む冷却装置を提供する。【解決手段】本発明の一実施形態による磁気冷却器は、高温端熱交換器と、低温端熱交換器と、前記高温端熱交換器と前記低温端熱交換器の間で温度勾配を形成する磁性体と、熱交換媒質と、を含み、下記関係式1を満たす。[関係式1]k=Th/Tc=ΔSc/ΔSh>1(前記式中、Thは、高温端熱交換器の温度であり、Tcは、低温端熱交換器の温度であり、ΔShは、Thにおける磁性体のエントロピー変化量であり、ΔScは、Tcにおける磁性体のエントロピー変化量である。)【選択図】図3
Description
本発明は、磁気冷却器およびこれを含む冷却装置に関する。
冷蔵庫または冷凍庫のような冷却装置は、冷媒が圧縮−凝縮−膨張−蒸発する冷凍サイクルを繰り返すことによって温度を低くした状態にする装置であって、低温低圧のガス冷媒を高温高圧のガス冷媒へ昇温および昇圧する段階と、前記高温高圧の冷媒を外気により凝縮させる段階と、前記凝縮された冷媒を減圧させる段階と、前記減圧された冷媒を低圧状態で蒸発させて熱を吸収する段階とを含む。このような冷却装置は、温室効果が大きいガス冷媒を用いているため、環境的な観点で限界がある。
したがって、ガス冷媒を用いない、環境に優しいながらも高効率である冷却装置に対する研究が活発に行われている。このような方案の一つとして、磁性体(magnetic material)と永久磁石を用いる磁気冷却器に対する研究が行われている。
磁気冷却器は、磁性体が磁場によりスピン整列が変化しながら加熱または冷却される磁気熱効果(magnetocaloric effect)を利用して冷却する方式として、環境に優しく、低騒音および高効率を達成できる新たな冷却技術として脚光を浴びている。
磁気冷却器の一種で能動型磁気蓄冷器(active magnetic regenerator)があり、能動型磁気蓄冷器を常温で適用するための研究が進められている(特許文献1参照)。
本発明は、効率を改善して冷凍能力を高めることができる磁気冷却器を提供する。
また、前記磁気冷却器を含む冷却装置を提供する。
また、前記磁気冷却器を含む冷却装置を提供する。
本発明は、高温端熱交換器と、低温端熱交換器と、前記高温端熱交換器と前記低温端熱交換器の間で温度勾配を形成する磁性体と、熱交換媒質と、を含み、下記関係式1を満たす磁気冷却器を提供する。
[関係式1]
k=Th/Tc=ΔSc/ΔSh>1
前記式中、
Thは、高温端熱交換器の温度であり、
Tcは、低温端熱交換器の温度であり、
ΔShは、Thにおける磁性体のエントロピー変化量であり、
ΔScは、Tcにおける磁性体のエントロピー変化量である。
[関係式1]
k=Th/Tc=ΔSc/ΔSh>1
前記式中、
Thは、高温端熱交換器の温度であり、
Tcは、低温端熱交換器の温度であり、
ΔShは、Thにおける磁性体のエントロピー変化量であり、
ΔScは、Tcにおける磁性体のエントロピー変化量である。
前記磁性体は、金属、半金属、これらの合金、これらの酸化物またはこれらの組み合わせを含むことができる。
前記磁性材料は、鉄(Fe)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ニオブ(Nb)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユーロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ホウ素(B)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、ガリウム(Ga)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、テルル(Te)、リン(P)、およびビスマス(Bi)から選ばれた少なくとも一つ、これらの合金、これらの酸化物、これらの窒化物またはこれらの組み合わせを含むことができる。
前記磁性体は、粒子形態で含まれてもよい。
前記磁性体は、前記高温端熱交換器と前記低温端熱交換器の間で体積または質量を変化させて前記関係式1のエントロピー変化量を調節することができる。
前記磁性体は、前記高温端熱交換器と前記低温端熱交換器の間でエントロピー変化量が線形的に変化することができる。
前記磁性体は、前記低温端熱交換器から前記高温端熱交換器までエントロピー変化量が線形的に減少することができる。
前記磁性体は、磁気相転移温度が相異なる2種類以上を含むことができる。
前記磁気冷却器は、1<k≦1.2を満たすことができる。
前記磁気冷却器は、1<k≦1.15を満たすことができる。
他の発明によれば、前記磁気冷却器を含む冷却装置を提供する。
磁気冷却器の効率を改善して冷凍能力を高めることができる。
以下、本発明の実施形態について本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳しく説明する。しかし、本発明は、多様な異なる形態に実現することができ、ここで説明する実施形態に限定されない。
次に、一実施形態に係る磁気冷却器について図1を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る磁気冷却器を示す概略図である。
図1を参照すれば、一実施形態に係る磁気冷却器は、高温端熱交換器(hot−end heat exchanger)10と、低温端熱交換器(cold−end heat exchanger)20と、高温端熱交換器10と低温端熱交換器20の間で温度勾配を形成する磁性体30と、熱交換媒質(図示せず)とを含む。
磁気冷却器は、能動型磁気蓄冷器(active magnetic regenerator:AMR)であってもよく、磁性体が磁気熱量物質(magnetocaloric material)で用いられ、熱交換媒質が磁気冷却器の内部を往復しながら熱伝達できる。磁気熱量エントロピーによる磁気熱量物質の熱は、外部磁場が適用されることによって変化することができ、そのために、高温端熱交換器10と低温端熱交換器20の間に温度差が発生し得る。外部磁場は、例えば、超伝導磁石、電磁石または永久磁石を用いて印加されてもよく、例えば永久磁石であり得る。前記永久磁石は、磁性体30との相対的な往復運動を通じて磁性体30を磁化または脱磁化することができる。
磁性体30は、磁気相転移(magnetic phase transition)による磁気熱効果を奏することができる磁気熱物質(magnetocaloric material)であれば限定されず、例えば金属、半金属、これらの合金、これらの酸化物またはこれらの組み合わせを含むことができる。磁性体30は、例えば鉄(Fe)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ニオブ(Nb)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユーロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ホウ素(B)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、ガリウム(Ga)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、テルル(Te)、リン(P)、 およびビスマス(Bi)から選択された少なくとも一つ、これらの合金、これらの酸化物、これらの窒化物またはこれらの組み合わせを含むことができる。
磁性体30は、常温(約300K)近傍で磁気相転移温度(magnetic phase transition temperature)を有することができる。磁気相転移温度は、磁気熱物質が強磁性状態から常磁性状態へ変化する地点の温度で、磁気相転移温度よりも低い温度では強磁性状態で存在し、磁気相転移温度よりも高い温度では常磁性状態へ変化し得る。したがって、常温近傍で磁気相転移温度を有することによって冷蔵庫またはエアコンのような冷却装置に有用に適用可能である。
磁性体30は、粒子(particle)形態で含まれてもよく、前記粒子は、例えば微細結晶粒子であり得る。
磁性体30は、約1nm乃至1000μmの粒径を有することができる。前記範囲の粒径を有することによって磁気履歴および熱履歴によるクラックの発生を防止乃至緩和することができるため、磁気冷却効率および寿命特性を改善することができる。前記範囲内で約10nm乃至700μmの粒径を有することができ、前記範囲内で約100nm乃至600μmの粒径を有することができる。
磁性体30は、粒径が相異なる2種類以上を含むことができ、この時、粒径偏差は約30μm以下、例えば約5nm乃至30μmであり得る。前記範囲の粒径偏差を有することによって磁気履歴および熱履歴によるクラックの発生を防止乃至緩和することができるため、磁気冷却効率および寿命特性を改善することができる。前記範囲内で約20nm乃至20μmの粒径偏差を有することができ、前記範囲内で約100nm乃至10μmの粒径偏差を有することができる。
前記熱交換媒質は、例えば、水、エチレングリコールまたはこれらの組み合わせであり得るが、これに限定されない。
前記磁気冷却器は、下記関係式1を満たすように磁性体30を配置することができる
[関係式1]
k=Th/Tc=ΔSc/ΔSh>1
前記式中、
Thは、高温端熱交換器の温度であり、
Tcは、低温端熱交換器の温度であり、
ΔShは、Thにおける磁性体のエントロピー変化量であり、
ΔScは、Tcにおける磁性体のエントロピー変化量である。
[関係式1]
k=Th/Tc=ΔSc/ΔSh>1
前記式中、
Thは、高温端熱交換器の温度であり、
Tcは、低温端熱交換器の温度であり、
ΔShは、Thにおける磁性体のエントロピー変化量であり、
ΔScは、Tcにおける磁性体のエントロピー変化量である。
前記関係式1は、磁気冷却器の最高温度、つまり高温端熱交換器の温度と、磁気冷却器の最低温度、つまり低温端熱交換器の温度と、前記温度らにおける磁性体のエントロピー変化量間の関係を究明して磁気冷却器の効率を改善する方案を模索することができる。
理論的に、磁気冷却器の内部の熱量Qと外部で与えられる仕事Wは、下記関係式2で表され得る。
[関係式2]
Qh=Qc+W
前記式中、Qhは、高温端熱交換器における熱量であり、Qcは、低温端熱交換器における熱量であり、Wは、外部で与えられる仕事である。
[関係式2]
Qh=Qc+W
前記式中、Qhは、高温端熱交換器における熱量であり、Qcは、低温端熱交換器における熱量であり、Wは、外部で与えられる仕事である。
ここで、QhとQcは、それぞれ下記関係式2−1および2−2で定義され得る。
[関係式2−1]
Qh=Th×ΔSh
[関係式2−2]
Qc=Tc×ΔSc
前記式2−1および2−2中、
Qhは、高温端熱交換器における熱量であり、
Qcは、低温端熱交換器における熱量であり、
Thは、高温端熱交換器の温度であり、
ΔShは、Thにおける磁性体のエントロピー変化量であり、
Tcは、低温端熱交換器の温度であり、
ΔScは、Tcにおける磁性体のエントロピー変化量である。
[関係式2−1]
Qh=Th×ΔSh
[関係式2−2]
Qc=Tc×ΔSc
前記式2−1および2−2中、
Qhは、高温端熱交換器における熱量であり、
Qcは、低温端熱交換器における熱量であり、
Thは、高温端熱交換器の温度であり、
ΔShは、Thにおける磁性体のエントロピー変化量であり、
Tcは、低温端熱交換器の温度であり、
ΔScは、Tcにおける磁性体のエントロピー変化量である。
前記関係式2、2−1および2−2で、1サイクルにおいて外部で仕事が供給されずにサイクルが完結することを考慮すれば、W=0と仮定することができる。W=0は、外部仕事を最小とする場合で、最高効率である場合を仮定することができる。
この時、前記関係式2、2−1および2−2は下記関係式3を満たすことができ、そのために、下記関係式4が成立することができる。
[関係式3]
Th×ΔSh=Tc×ΔSc
[関係式4]
Th/Tc=ΔSc/ΔSh
前記関係式4をパラメータkと定義するとき、kは、高温端熱交換器10と低温端熱交換器20の磁性体エントロピー変化の比率または低温端熱交換器20の温度と高温端熱交換器10の温度の比率で定義することができる。
[関係式3]
Th×ΔSh=Tc×ΔSc
[関係式4]
Th/Tc=ΔSc/ΔSh
前記関係式4をパラメータkと定義するとき、kは、高温端熱交換器10と低温端熱交換器20の磁性体エントロピー変化の比率または低温端熱交換器20の温度と高温端熱交換器10の温度の比率で定義することができる。
図2は、パラメータkに対するエントロピー変化量を示すグラフである。
図2を参照すれば、前記関係式1のようにk>1である場合、エントロピー変化は温度に応じて線形的に変化することができ、具体的には低温端熱交換器20から高温端熱交換器10までエントロピー変化量が線形的に減少することができる。
磁気冷却器の冷凍能力は、k値に依存してk>1である場合、磁気冷却器の冷凍能力が顕著に改善され得る。したがって、k>1を満たすように高温端熱交換器10と低温端熱交換器20の間の磁性体30のエントロピー変化量を調節することができ、例えば高温端熱交換器10と低温端熱交換器20の間で磁性体30の体積または質量を変化させてエントロピー変化量を調節することができる。
前記範囲内で1<k≦1.2を満たすことができ、前記範囲内で1<k≦1.15を満たすことができ、前記範囲内でkは約1.15であり得る。
このように磁性体30のエントロピー変化量に基づいて磁性体30の配置を決定することによって磁気冷却器内部で熱量を一定に調節することができ、そのために、効率を改善することができる。
一般に磁性体のエントロピー変化(ΔS)は、磁気相転移温度の近傍でピーク(peak)を有し、それ以外の温度へ行きながら減少する傾向にある。そのために、エントロピー変化(ΔS)に応じて発生する熱量であるQ=T×ΔSは、磁気冷却器の内部の温度に応じて一定でないこともあり、このような熱量の不均一は、磁気冷却器の内部で熱損失を発生させて効率を落とし得る。本実施形態では最も高い効率を得られる磁性体のエントロピー変化を設定し、それに合わせて磁性体を配置することによって磁気冷却器の効率低下を防止し、効率上昇を図ることができる。
磁性体30は、磁気相転移温度が相異なる2種類以上を含むことができる。そのために、冷却効果を奏することができる温度区間を拡大することができ、その結果、作動温度範囲を拡大することができる。
前記磁気冷却器は、磁気熱効果が要求される多様な装置に適用可能であり、例えば磁気冷却装置、磁気熱発電機および磁気熱ポンプに適用可能であるが、これに限定されない。
以下、本記載の実施例を記載する。しかし、下記実施例は本記載の一実施例に過ぎず、本記載が下記実施例により限定されない。
(実施例1)
表1の条件により磁気冷却器を設定してサイクルシミュレーションを実行した。
表1の条件により磁気冷却器を設定してサイクルシミュレーションを実行した。
ここで磁性体は、0.2mmの粒径を有するGd磁性体を用い、前記関係式1を満たすように磁気冷却器の内部の温度勾配に応じて磁性体を積層する。
(実施例2)
0.3mmの粒径を有するGd磁性体を用いたことを除いては、実施例1と同様な方法で磁気冷却器を設定してサイクルシミュレーションを実行した。
0.3mmの粒径を有するGd磁性体を用いたことを除いては、実施例1と同様な方法で磁気冷却器を設定してサイクルシミュレーションを実行した。
(実施例3)
0.4mmの粒径を有するGd磁性体を用いたことを除いては、実施例1と同様な方法で磁気冷却器を設定してサイクルシミュレーションを実行した。
0.4mmの粒径を有するGd磁性体を用いたことを除いては、実施例1と同様な方法で磁気冷却器を設定してサイクルシミュレーションを実行した。
(実施例4)
0.6mmの粒径を有するGd磁性体を用いたことを除いては、実施例1と同様な方法で磁気冷却器を設定してサイクルシミュレーションを実行した。
0.6mmの粒径を有するGd磁性体を用いたことを除いては、実施例1と同様な方法で磁気冷却器を設定してサイクルシミュレーションを実行した。
(評価)
図3は、実施例1乃至4に係る磁気冷却器のkによる冷凍能力を示すグラフである。
図3は、実施例1乃至4に係る磁気冷却器のkによる冷凍能力を示すグラフである。
図3を参照すれば、粒径と関係なくk>1である場合、冷凍能力が急激に上昇することが確認できる。具体的には、k>1の場合は、k=1である場合と比較して冷凍能力が顕著に改善されることが確認でき、kが約1.15である場合、冷凍能力が約20%改善することが確認できる。
この結果から、磁気冷却器が最適効率を得るエントロピー変化量を有するように磁性体を配置することによって、磁気冷却器の大きさを大きくしたり磁性体の含有量を高くしたりしなくても冷凍能力を改善させることができるため、小型および軽量の磁気冷却器を実現することができる。
以上で本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されず、特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の多様な変形および改良形態も本発明の権利範囲(技術的範囲)に属する。
10…高温端熱交換器
20…低温端熱交換器
30…磁性体
20…低温端熱交換器
30…磁性体
Claims (11)
- 高温端熱交換器と、
低温端熱交換器と、
前記高温端熱交換器と前記低温端熱交換器の間で温度勾配を形成する磁性体と、
熱交換媒質と、
を含み、
下記関係式1を満たす磁気冷却器。
[関係式1]
k=Th/Tc=ΔSc/ΔSh>1
(前記式中、
Thは、高温端熱交換器の温度であり、
Tcは、低温端熱交換器の温度であり、
ΔShは、Thにおける磁性体のエントロピー変化量であり、
ΔScは、Tcにおける磁性体のエントロピー変化量である。) - 前記磁性体は、金属、半金属、これらの合金、これらの酸化物またはこれらの組み合わせを含む、請求項1に記載の磁気冷却器。
- 前記磁性材料は、鉄(Fe)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ニオブ(Nb)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユーロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ホウ素(B)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、ガリウム(Ga)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、テルル(Te)、リン(P)、およびビスマス(Bi)から選ばれた少なくとも一つ、これらの合金、これらの酸化物、これらの窒化物またはこれらの組み合わせを含む、請求項2に記載の磁気冷却器。
- 前記磁性体は、粒子形態で含まれている、請求項1に記載の磁気冷却器。
- 前記磁性体は、前記高温端熱交換器と前記低温端熱交換器の間で体積または質量を変化させて前記関係式1のエントロピー変化量を調節する、請求項1に記載の磁気冷却器。
- 前記磁性体は、前記高温端熱交換器と前記低温端熱交換器の間でエントロピー変化量が線形的に変化する、請求項1に記載の磁気冷却器。
- 前記磁性体は、前記低温端熱交換器から前記高温端熱交換器までエントロピー変化量が線形的に減少する、請求項1に記載の磁気冷却器。
- 前記磁性体は、磁気相転移温度が相異なる2種類以上を含む、請求項1に記載の磁気冷却器。
- 1<k≦1.2を満たす、請求項1に記載の磁気冷却器。
- 1<k≦1.15を満たす、請求項1に記載の磁気冷却器。
- 請求項1〜10のいずれか一項に記載の磁気冷却器を含む冷却装置。
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country | Link |
---|---|
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