JP4303879B2 - 磁気冷凍装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気熱量効果を利用した磁気冷凍装置に係り、特に常温磁気冷凍装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ある種の磁気作業物質は磁化あるいは消磁の際に大きな温度変化を示す。これは磁気熱量効果と呼ばれており、物理的には磁性体内部の磁気スピンの自由度が磁場によって影響を受け、その結果生じる磁気系のエントロピー変化に起因するものである。これを利用した冷凍機を磁気冷凍機と呼ぶ。
【０００３】
磁気冷凍機と、フロン等の気体を用いた気体冷凍機とを比較した場合、その違いとしては、気体冷凍機では冷凍サイクルを圧力と体積とによってコントロールしているのに対し、磁気冷凍機では磁場で制御していること、気体冷凍機では冷媒がガスであるのに対して、磁気冷凍機では冷媒の代わりに固体である磁気作業物質を使うことが挙げられる。
【０００４】
磁気作業物質が固体であることにより、磁気作業物質内部の温度は一様に、かつほぼ同時に変化する。また、気体冷凍機に比べてエントロピー密度が高くなる。このため、磁気冷凍機の特徴としては、（１）効率が高い、（２）フロンを用いない、（３）コンパクト化が可能、（４）圧縮器を用いないので騒音振動が少ないなどの長所がある。一方、（１）磁気作業物質に貯えられた高密度の熱量を外部に取り出す熱交換機構の工夫が必要であり、（２）大きな冷凍能力を得るためには現状の作業物質では超電導磁石による高磁場が必要になる等の短所がある。このため、これまではフロン等の冷媒を用いた気体の圧縮膨張による冷却技術では到達できない４Ｋ以下の、非常に低い温度を得るための限られた技術としてし知られていた。
【０００５】
ところが、磁性蓄冷材を用いた気体冷凍機が開発され、これにより４Ｋ領域が容易に得られるようになったことから、磁気冷凍機については実用機開発の展望が見出せないでいた。
【０００６】
一方、地球温暖化防止のために、フロンを用いない新しい冷凍技術の開発に期待が高まって来た。その一つとして常温磁気冷凍装置の実現が待望されている。磁気作業物質の原材料としては、その使用温度領域に応じて選択されるが、常温磁気冷凍機にはガドリニウム（Ｇｄ）系材料が利用でき、Ｇｄでは１回の励磁―減磁で約１Ｋ／磁場１テスラの温度低下である。したがって、磁場発生手段としては、高磁場（約１０テスラ）を発生できる超電導磁石が有利である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、４Ｋ近傍で運転する超電導磁石を維持するには大きな動力を要する冷凍機が必要になり、１００ＫＷクラスの冷凍機でないと実現は難しいとも言われている。
【０００８】
したがって、冷蔵庫や空気調和機等、冷凍能力が約１ｋｗ以下の磁気冷凍機の実現に際しては、超電導磁石を用いないコンパクトな磁気冷凍機が望まれる。
【０００９】
また、冷蔵庫や空気調和機等の常温で使用する磁気冷凍装置では、磁気作業物質に貯えられた高密度の熱量を外部に取り出す熱交換機構を含めた冷却システムの工夫が必要である等の課題があった。
【００１０】
そこで、本発明はフロンを用いない常温でも使用可能な磁気冷凍装置の実現に際しての上記課題を解決するためになされたもので、コンパクトで効率が高く取り扱い易い磁気冷凍装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明では、複数のドーナツ状永久磁石を同心に配設し、その永久磁石が特定の位置関係にある時はボアー部に磁場が発生し、いずれか一方を回動することによって各永久磁石によって形成される磁場が打ち消し合って中心ボアー部の磁場が消滅するように構成された永久磁石ユニットと、前記中心ボアー部に配設された磁気作業物質と、前記いずれかの永久磁石を回動させる回動機構と、前記磁気作業物質に冷却流体を循環させる循環機および前記磁気作業物質から熱を授受する排熱熱交換器を有する冷却流体循環装置と、前記磁気作業物質によって冷却された冷却流体で被冷却体を冷却する冷却器とを備えたことを特徴とする磁気冷凍装置を提供する。
【００２１】
請求項２に係る発明では、磁場発生手段は偶数個が平面的に配置され、磁気作業体は前記各磁場発生手段の磁場中にそれぞれ挿脱機構によって挿脱可能に偶数固配設され、かつ前記磁場発生手段に対して偶数個の半分が挿入、残りの半分が離脱状態となる設定とすることにより磁気作業物質に印加される磁場を増減させる構成としたことを特徴とする請求項１記載の磁気冷凍装置を提供する。
【００２２】
請求項３に係る発明では、挿脱機構は、磁気作業体に連結された駆動軸と、各駆動軸が固着された駆動板と、駆動板に取付けられ、磁気作業体とともに前記駆動板を往復動させる駆動機構とを備えたことを特徴とする請求項２記載の磁気冷凍装置を提供する。
【００２３】
請求項４に係る発明では、挿脱機構は、各磁気作業体に連結され、回転運動を直線運動に変換するネジ機構と、各ネジ機構の他端に取付けられ、回転駆動源と回転伝達可能に噛み合う回転伝達機構とを備えたことを特徴とする請求項２記載の磁気冷凍装置を提供する。
【００２４】
請求項５に係る発明では、循環機は、これより吐出された冷却流体が常に磁場発生手段から離脱して減磁された磁気作業物質側に流入するように、当該循環機の吐出部に流路切換え弁を有する構成としたことを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の磁気冷凍装置を提供する。
【００２５】
請求項６に係る発明では、冷却器に流入する冷却流体の流れ方向が常に１方向になるように、冷却流体の磁気作業物質からの吐出部に流路切換え弁を有する構成としたことを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載の磁気冷凍装置を提供する。
【００２６】
請求項７に係る発明では、複数台の磁気冷凍装置を、冷却流体の流路が直列または並列になるように組み合わせたものであることを特徴とする請求項１から６までのいずれかに記載の磁気冷凍装置を提供する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る磁気冷凍装置の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２８】
第１実施形態（図１〜図９）
図１は本発明の第１実施形態による磁気冷凍装置の構成図である。
【００２９】
図１に示すように、本実施形態では磁場発生手段１が超電導磁石２によって構成されている。超電導磁石２は、クライオスタット３内に超電導コイル４を収納した構成となっており、超電導コイル４を冷凍機５で約４Ｋに保持されている。
【００３０】
超電導磁石２のボアー部２ａには、一対の磁気作業物質６ａ，６ｂを収納したピストン７（７ａ，７ｂ）が上下配置で、昇降可能に挿入されている。磁気作業物質６ａ、６ｂは、例えば粉粒状のもので、後述する容器内に収容されて支持部材によりピストン７の上部内に懸垂され、磁気作業体６を構成している。また、低温配管９ａ，９ｂは図示しない断熱材を介してピストン７内に導入され、容器に接続されている。
【００３１】
これらのピストン７は図示しない駆動機構によって同時に上下動し、上側のピストン７ａはボアー部２ａの上方に脱する部位まで上昇でき、下側のピストン７ｂはボアー部２ａの下方に脱する部位まで下降できる。このようなピストン７およびその昇降駆動用の駆動部により、磁気作業物質６に印加される磁場を増減させる磁場増減手段８が構成される。
【００３２】
磁気作業物質６ａ，６ｂを容器内に収容してなる磁気作業体６には、ピストン７ａ，７ｂの外部に導出する低温配管９ａ，９ｂと高温配管１０ａ，１０ｂとがそれぞれ接続され、これら低温配管９ａ，９ｂおよび高温配管１０ａ，１０ｂが全体として閉ループを構成している。導出された低温配管９ａと９ｂ間には被冷却体１１を冷却するための冷却器１２が接続されている。一方、導出された高温配管１０ａ，１０ｂは流路切換え弁１３を介して循環機１４および排熱熱交換器１５からなる冷却流体循環装置１６に接続されている。
【００３３】
次に、このように構成された本実施形態の磁気冷凍装置の動作を説明する。
【００３４】
超電導磁石２のボアー２ａ内の超電導コイル４の高さＨ領域にはほぼ一様な強さの磁場が発生しており、超電導コイル４の高さＨの外側にいくにしたがって磁場は弱くなる。
【００３５】
いま、一対の磁気作業物質６ａ，６ｂのうち、一方の磁気作業物質６ａが超電導コイル４の軸方向の中心に、他方の磁気作業物質６ｂは超電導コイル４の下方外側の弱磁場位置になるように配設されている。この状態を挿入状態と呼び、一方駆動部８で上方にピストン７を引き抜くと、一方の磁気作業物質６ａは超電導コイル４の上方外側の弱磁場位置に、他方の磁気作業物質６ｂは超電導コイル４の中心位置になる。この状態を引き抜き状態と呼ぶ。
【００３６】
引き抜き状態から挿入状態にした時は一方の磁気作業物質６ａが増磁されて温度が上昇し、他方の磁気作業物資６ｂは減磁されて温度が低下する。この時は冷却流体を流路切換え弁１３により、「循環器１４→高温配管１０ｂ→磁気作業物質６ｂ→低温配管９ｂ→冷却器１２→低温配管９ａ→磁気作業物質６ａ→高温配管１０ａ→流路切換え弁１３→排熱熱交換器１５→循環器１４」のように循環する。
【００３７】
この時、６ｂで冷却された冷却流体は冷却器１２により被冷却体１１を冷却し、さらに増磁されて温度が上昇した６ａを冷却して排熱熱交換器１５に戻り、仕事分の熱量を放出する。
【００３８】
次に、挿入状態から引き抜き状態にした時は、流路切換え弁１３を切り換えて、「循環器１４→高温配管１０ａ→磁気作業物質６ａ→低温配管９ａ→冷却器１２→低温配管９ｂ→磁気作業物質６ｂ→高温配管１０ｂ→流路切換え弁１３→排熱熱交換器１５→循環器１４」のように循環する。この時、一方の磁気作業物質６ａで冷却された冷却流体は冷却器１２で被冷却体１１を冷却し、さらに増磁されて温度が上昇した他方の磁気作業物質６ｂを冷却して排熱熱交換器１５に戻り、仕事分の熱量を放出する。
【００３９】
このような挿入状態と引き抜き状態とを繰り返すことにより、磁気作業物質６ａ、６ｂの低温配管接続側の温度は冷却能力とバランスする温度まで低下する。
【００４０】
一方、磁気作業物質６ａ、６ｂの高温配管接続側の温度は、排熱熱交換器１５の冷却能力とバランスしてほぼ一定になる。なお、磁気作業物質は粉粒体を充填したもので構成されているので、冷却流体が容易に粉粒体間を貫流し、磁気作業物質と冷却流体とが十分に熱交換される。
【００４１】
図２は、上記構成の磁気冷凍装置で性能試験を行なった時の温度変化を示している。この時の試験条件は次の通りである。
【００４２】
【外１】

【００４３】
図２に示すように、挿入・引き抜き状態を繰り返すことによって低温側の温度は低下し続け、被冷却体１１の負荷とバランスして一定温度になる。８０ｗ負荷で被冷却体１１は０℃まで低下した。
【００４４】
本実施形態によれば、フロンを用いなくても低温を作り出し、磁気作業物質に貯えられた熱量を外部に取り出して、被冷却体を効率良く冷却することができる。
【００４５】
また、一対の磁気作業物質を挿脱することにより磁気作業物質と超電導コイル間に働く電磁力を相殺し、駆動部の駆動動力を低減することができ、かつコンパクト化が図れるようになる。さらに、挿入状態および引き抜き状態により、いずれかの磁気作業物質が冷却されるので、冷凍能力を向上できる。
【００４６】
本実施形態では、磁場発生手段として超電導磁石を例に説明したが、超伝導磁石に代えて常電導電磁石あるいは永久磁石を適用してもよい。また、磁場増減手段８についても、磁気作業物質６ａ，６ｂの上下動に限定されるものではなく、往復動、回転、あるいは磁場発生手段のＯＮ―ＯＦＦや移動等、磁場が増減できる手段は問わない。
【００４７】
特に、超電導磁石の場合は短時間でのＯＮ―ＯＦＦに難があるが、常電導磁石では十分に対応できる。さらに、冷却流体もその使用条件に応じて水、ガス、混合液など適宜選択することができる。
【００４８】
図３は、図１に示した構成の変形例である。この図３の構成が、図１のものと相違する点は、低温配管９ａ，９ｂと冷却器１２との間に流路切換え弁１３を具備したことにある。
【００４９】
図１の構成においては、低温配管９ａ，９ｂを流れる冷却流体は挿入状態、引き抜き状態で反転するため、冷却器内の冷却流体も反転流となり、冷却器の熱交換効率が低下する可能性がある。これに対し、図３によれば、各状態に合わせて流路切換え弁１３を切り換えることにより、冷却器を流れる冷却流体の流れ方向を常に１方向にすることができ、熱交換効率の向上が図れる。
【００５０】
さらに、磁気作業体６の構成については、磁気作業物質６ａ，６ｂの粉粒体を容器に収容したものに代え、種々の変更が可能である。
【００５１】
図４〜図１０は、このような各種変形例を示している。
【００５２】
図４に示したものは、磁気作業物質によって構成した多数枚の網（メッシュ）６４を積層して物質容器１７に収容したものである。
【００５３】
図５に示したものは、磁気作業物質によって構成した綿状のもの（メタルウール）６５を物質容器１７に収容したものである。
【００５４】
図６に示したものは極薄のテープ６６として多層に巻回したものを、さらに軸方向に積層したものである。
【００５５】
上記いずれの構成においても、粉粒体を充填したものと同様に、冷却流体の流路を形成することが可能であり、磁気作業物質と冷却流体との高い熱交換能力を得る事ができる。また、粉粒体よりも充填密度の調整が容易であり、冷却流体の圧力損失を低減できる。
【００５６】
また、磁気作業物質の高温側と低温側では大きな温度差を生じる。一般に磁気作業物質の磁気熱量効果はその温度に依存し、原材料によって磁気熱量効果が最大になる温度が異なる。
【００５７】
そこで、本実施形態では、図７〜図９に示すように、磁気作業体を種々の構成とすることができる。
【００５８】
図７に示したものは、使用温度により磁気熱量効果の異なる粉粒体を温度分布に適合する数種類の磁気作業物質６１，６２，６３を層状に配設したものである。各磁気作業物質６１，６２，６３、はそれぞれ磁気作業物質の粒径よりも細かい孔を有する網状物（メッシュ）で包まれている。このような構成によれば、各磁気作業物質６１，６２，６３が、それらの最適温度状態において、最大磁気熱量効果を発揮するので、冷凍能力が向上する。また、メッシュで各種類毎に包まれているので、可動中に種類の異なる各磁気作業物質が混合することを防止できる。
【００５９】
図８に示したものは、数種類の磁気作業物質６１，６２，６３をメッシュで包む代わりに、それぞれの粉粒体を拡散接合して雷おこし状に成形し、それらを層状に配設したものである。
【００６０】
図９に示したものは、数種類の磁気作業物質６１，６２，６３を層上に配設して、一体で拡散接合したものである。
【００６１】
第２実施形態（図１０，図１１）
図１０は、本発明の第２実施形態に係る磁気冷凍装置の一構成例を示し、図１１は他の例を示している。本実施形態が図１に示した第１実施形態と相違する点は、磁場発生手段に代えて磁場印加用として、別置きの強磁場発生装置の磁場を利用した点にある。他は第１の実施の形態と同様である。
【００６２】
図１０は、強磁場発生装置利用の一例として、超電導エネルギー貯蔵装置（ＳＭＥＳ）等、多数の超電導磁石をトロイダル状に配列した装置に適用した場合を示している。なお、図示しないが、直線状に配列したものを適用する場合もほぼ同様である。
【００６３】
ＳＭＥＳは、多数の超電導磁石を例えばトロイダル状に配列し、磁気エネルギーとして貯え、系統の安定化や負荷変動に対応して電気エネルギーとして取り出すものである。一般に、トロイダル磁場は数テスラ〜１０テスラであり、磁気冷凍機として十分利用可能な磁場である。
【００６４】
本実施形態においては、例えば電力系統の安定化のために設置されている各超電導コイル４ａの間に、磁気作業体６がそれぞれ設置されている。これらの磁気作業体６を、図１におけるピストン７に代えて適用するものである。ただし、本実施形態では第１実施形態のような積極的な磁場増減を行なうものではなく、別系統の運転時に発生する磁場を取り入れる形で適用される。
【００６５】
例えば系統安定化用のＳＭＥＳの場合は、一定の磁場が発生しており、この磁場により磁気作業体６の磁気作業物質を可動させ、磁気作業物質への印加磁場を増減することにより、冷凍が可能になる。
【００６６】
一方、負荷変動ＳＭＥＳの場合は、数秒サイクルで電気エネルギーを取り出すため、磁場は「数テスラ→ゼロテスラ」の変動磁場になる。このような場合には、磁気作業体６の磁気作業物質を可動させなくとも、磁気作業物質への印加磁場が増減することになり、冷凍が可能になる。この場合、第１実施形態で説明したように、減磁状態と増磁状態での冷却流体の流れ方向は、超電導コイル４ａの励磁、エネルギー放出の信号と連動制御される。
【００６７】
また、図１１に示したものは、強磁場発生装置として、一般的な超電導磁石例えば、単結晶引上げ装置、強磁場利用実験用等を利用した場合である。このような超電導磁石２においては、一般に中心ボアー部２ａは本来の利用目的で使用されている。この場合には超電導磁石２の漏洩磁場を利用する。１０テスラ級の超電導磁石２の漏洩磁場は超電導磁石２近傍で約１〜２テスラと永久磁石に匹敵する磁場を利用できる。この図１１の例では、１対の磁気作業体６，６をリング状の支持装置６７で支持させて、超電導磁石２のボアー部２ａ付近に設置し、支持装置６７を回動することにより、磁場の増減を行なうことができる。
【００６８】
このような本実施形態によれば、磁場発生手段が不要になり、コンパクト化は勿論、磁気冷凍装置としての運転コストの低減のみならず、冷凍装置としてプラントの空調や機器冷却に利用できるので、プラントの運転効率が向上でき、地球環境に優しいプラントを実現することができる。
【００６９】
第３実施形態（図１２、図１３）
次に、本発明の第３実施形態を説明する。図１２は本発明の第３実施形態の磁気冷凍装置で使用する磁場発生手段の断面図であり、図１３はその磁場発生手段の要部を平面的に示すとともに全体システムを示す説明図である。
【００７０】
図１２において、例えば垂直な軸２２で支持された水平な回転板１９の周上に、複数の磁場発生手段である永久磁石２０が取着されている。この永久磁石２０に対向して、固定側であるケーシング２１の内側に突出して複数（永久磁石の２倍）の磁気作業体が、永久磁石２０の回転を妨げない空隙を有して配設されている。回転板１９は軸２２に連結された駆動部８によって回転する。
【００７１】
図１３に示すように、各磁気作業体６には、ケーシング２１の外部に導出する低温配管９ａ、９ｂと高温配管１０ａ、１０ｂが接続されている。導出された低温配管９ａと９ｂの間には被冷却体１１を冷却するための冷却器１２が接続されている。一方、導出された高温配管１０ａ、１０ｂは流路切換え弁１３を介して循環機１４、排熱熱交換器１５からなる冷却流体循環装置１６に接続されている。なお、本実施形態では、磁気作業体６が４体取着されており、対象位置にある２体同士の高温配管１０ａと低温配管９ａ、高温配管１０ｂと低温配管９ｂとは、直列に接続されている。
【００７２】
次に、このように構成された第３実施形態の磁気冷凍装置の動作を説明する。
【００７３】
永久磁石２０が０度の位置（図１２の右側の位置）にある時、この０度の位置にある磁気作業体６およびそれと１８０度対向した位置にある磁気作業体６の磁気作業物質は、増磁されて温度が上昇する。一方、９０度位相が違う磁気作業体６の磁気作業物質６ｂは減磁されて温度が低下する。
【００７４】
この時は、冷却流体を流路切換え弁１３で「循環器１４→９０度位置の減磁状態にある磁気作業物質６ｂの高温配管１０ｂ→減磁状態にある磁気作業物質６ｂ→低温配管９ｂ→減磁状態にある２７０度位置の別の磁気作業物質６ｂの高温配管１０ｂ→別の磁気作業物質６ｂ→低温配管９ｂ→冷却器１２→増磁状態にある磁気作業物質６ａの低温配管９ａ→増磁状態にある磁気作業物質６ａ→高温配管１０ａ→増磁状態にある別の磁気作業物質６ａの低温配管９ａ→別の磁気作業物質６ａ→高温配管１０ｂ→流路切換え弁１３→排熱熱交換器１５→循環器１４」のように循環する。
【００７５】
このとき、磁気作業物質６ｂで冷却された冷却流体は、冷却器１２で被冷却体１１を冷却し、さらに増磁されて温度が上昇した磁気作業物質６ａを冷却して排熱熱交換器１５に戻り、仕事分の熱量を放出する。
【００７６】
次に、永久磁石を９０度回転させると、０度と１８０度の位置にある磁気作業物質６ａは、減磁され温度が低下する。このとき流路切換え弁１３を切換えて逆に０度位置の磁気作業物質６ａから冷却流体を循環させる。
【００７７】
この回転を繰り返すことによって、磁気作業物質６ａ、６ｂの低温配管９ａ、９ｂ接続側の温度は冷凍能力とバランスする温度まで低下する。一方、磁気作業物質６ａ、６ｂの高温配管１０ａ、１０ｂ接続側の温度は排熱熱交換器１５の冷凍能力とバランスしてほぼ一定になる。
【００７８】
本実施の形態によれば、磁場発生手段である永久磁石を回転させるので、磁気作業物質に接続された低温配管や高温配管は固定配管でよい。また、永久磁石を使用すると、励磁電源が不要でコンパクト化が可能となる。永久磁石では超電導磁石に比較して磁場が弱く、最大２テスラ程度であり、冷却能力が劣る欠点がある。しかし、磁気作業物質の材料開発によって、最近では従来の数倍の磁気熱量効果を有する新材料も出現しており、フロンを用いない低動力の磁気冷凍装置として期待できる。
【００７９】
なお、本実施形態では、永久磁石を２極、磁気作業物質を４体としたが、これらの数は冷凍能力に応じて選択される。また、磁気作業物質を流れる冷却流体を直列接続した例で説明したが、並列接続としてもよい。より低温の冷却流体が必要な場合は直列接続を採用し、より大きい流量の冷却流体が必要な場合は並列接続を採用するのが効果的である。
【００８０】
第４実施形態（図１４、図１５）
次に、本発明の第４実施形態を説明する。
【００８１】
図１４は本発明の第４実施形態に係る磁気冷凍装置の断面図、図１５は平面断面図である。
【００８２】
図１５において、複数本の放射上突出部を設けた回転子２３の突出部先端に永久磁石２０が取着されており、回転子２３の外周には回転子２３を包含するように磁場経路を形成する固定子２４が設置されている。固定子２４の内周には、複数の磁気作業体６が、永久磁石の回転可能な隙間を介して固定されている。回転子２３は軸２２に連結されており、軸２２は軸受２５を介して固定子２４に回転自由に支承されている。軸２２の一端には駆動部８が連結されている。なお、永久磁石２０の先端には、磁極片２６が具備され、永久磁石２０の固定や磁場の均一化が図れるようにしてある。
【００８３】
次に、このように構成された第４実施形態の磁気冷凍装置の動作を説明する。なお、冷却流体の経路や冷却流体循環装置の動作作用については、前述した第３実施形態と同様であるから、説明を省略する。
【００８４】
図１５に示すように、永久磁石２０と正対する４つの磁気作業体６の各磁気作業物質６ａは増磁状態、他の磁気作業体６の作業物質６ｂは減磁状態となる。
【００８５】
本実施形態では、回転子２３を４５度回転させると、増磁状態の磁気作業物質６ａは減磁状態となり、減磁状態の磁気作業物質６ｂは増磁状態となり、連続あるいは間欠に回転させる事により、磁気冷凍装置として働く。
【００８６】
本実施の形態によれば、第３実施形態の効果に加えて、永久磁石の軸方向長さを増大することにより、容易に冷凍能力を調整することができる。したがって、回転子の直径を小さくでき、必要駆動トルクを低減できるので、コンパクト化が可能となる。
【００８７】
なお、磁場発生手段としては、永久磁石２０に代え、常電導コイルを回転子２３の突出部に取付けて構成してもよい。また、常電導コイルを固定子側２４に取付けてもよい。さらに、常電導コイルの場合は、回転子２３を回転させる代わりに、常電導コイルをＯＮ−ＯＦＦするようにして、同様の機能を果たすものとすることができる。
【００８８】
第５実施形態（図１６，図１７）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。図１６および図１７は、本発明の第５実施形態に係る磁気冷凍装置の異なる構成例を示す断面図である。
【００８９】
図１６に示したものは、偶数個平面的に配置した磁場発生手段としての超電導磁石２と、磁場発生手段の磁場中にそれぞれ挿脱可能に配設された磁気作業体６と、各磁気作業体６を駆動する挿脱機構２７とにより構成されている。
【００９０】
この挿脱機構２７は、磁気作業体６に連結された連結軸２８と、各連結軸２８が固着された駆動板２９と、駆動板２９に取付けられ、磁気作業物質とともに駆動板２９を上下方向に往復動させる駆動機構８とによって構成されている。駆動機構２９は昇降機構であり、例えば垂直なガイドレール３０に沿って昇降動作する。
【００９１】
本実施形態では、磁気作業体６のうち偶数個の半分は磁場発生手段の磁場中に挿入され（図１６の左側）、残りの半分（図１６の右側）が離脱状態になるように挿脱機構２７に取着されている。
【００９２】
以上の構成において、磁気作業体６が昇降することにより、磁気作業物質に印加される磁場を増減させることができ、前記同様の作用を行うことができる。
【００９３】
図１７は他の構成例が示されている。
【００９４】
この図１７のものでは、挿脱機構２７ａとして、回転運動を直線運動に変換する駆動方式を採用したものである。すなわち、磁気作業体６を吊下する連結軸２８ａボールネジ等とし、ネジ機構を利用して昇降させるようにしたものである。例えば駆動部８をモータとし、ギア等の動力伝達機構３１ａ，３１ｂを介して連結軸２８に連結し、回転運動を上下方向の直線運動に変換する。これにより、図１６の場合と同様の作用を行なうようになっている。
【００９５】
本実施形態によれば、磁気作業体６の半数が挿入される時には残りの半数が引抜かれるため、駆動機構に働く力が相殺される。したがって駆動機構で必要とされる動力が少なくなるため、磁気冷凍機全体の効率が向上する。また、駆動機構の必要動力の低減により駆動機構のコンパクト化が可能となる。
【００９６】
第６実施形態（図１８）
次に、本発明の第６実施形態を説明する。図１８（ａ）は本発明の第６実施形態に係る永久磁石の平面図であり、図１８（ｂ）はこの永久磁石を用いた磁気冷凍装置の断面図である。
【００９７】
図１８（ａ）はＨａｌｂａｃｈ Ｃｙｌｉｎｄｅｒ（ＨＣ）と呼ばれる磁石の構成であり、環状に配置した永久磁石３２を図の各矢印方向に着磁して構成すると、永久磁石３２の回路中心に２テスラ程度の強力な磁場が形成される。
【００９８】
そして、図１８（ｂ）に示すように、永久磁石３２の磁場内に磁気作業体６を駆動部８により昇降可能に支持している。他の構成は前記実施形態と同様である。
【００９９】
このように構成された第本実施形態の磁気冷凍装置の作用は以下の通りである。磁気冷凍機の能力は磁場にほぼ比例して増えるが、通常の永久磁石では磁場が弱く、しかも磁石からの距離が離れると極端に磁場が減るため大容量の磁場空間を得にくい問題がある。しかし、ＨＣ磁石として構成することにより、通常の２倍の磁場を広い空間で発生させることができる。これを利用して磁気冷凍機の冷凍能力を格段に向上させることができる。
【０１００】
したがって、本実施形態によれば、永久磁石を用いて冷凍能力の大きな磁気冷凍機が製作可能となる。
【０１０１】
第７実施形態（図１９）
次に、本発明の第７実施形態を説明する。
【０１０２】
図１９（ａ）および図１９（ｂ）は本発明の第７実施形態に用いる永久磁石とその磁場を表わした平面図である。
【０１０３】
この永久磁石においては、前記のＨＣを複数、例えば２つ同軸上で組合せ、各ＨＣの磁場発生方向を同方向と逆方向とに設定することにより、磁場の増減を行なうものである。図１９（ａ）の例は２つのＨＣの磁場発生方向を同一とした場合の磁場を表し、図１９（ｂ）は２つのＨＣの磁場発生方向を逆方向とした場合の磁場を表したものである。
【０１０４】
図１９（ａ）の状況では２つのＨＣで作られる磁場は打ち消し合ってゼロになり、図１９（ｂ）の状況では強め合う。したがって、例えば２つのＨＣのうち、一方の磁石を回転させ他方を固定したままとすることにより、増磁、減磁が可能となり、これにより前記同様の作用を行なうことができる。
【０１０５】
すなわち、本実施形態においては、複数のドーナツ状永久磁石を同心に配設し、その永久磁石が特定の位置関係にある時はボアー部に磁場が発生し、いずれか一方を回動することによって各永久磁石によって形成される磁場が打ち消し合って中心ボアー部の磁場が消滅するように構成したものである。そして、永久磁石ユニットと、中心ボアー部に配設された磁気作業物質と、いずれかの永久磁石を回動させる回動機構と、磁気作業物質に冷却流体を循環させる循環機および磁気作業物質から熱を授受する排熱熱交換器を有する冷却流体循環装置と、磁気作業物質によって冷却された冷却流体で被冷却体を冷却する冷却器とにより、前記実施形態と同様の効果を奏することができる。
【０１０６】
第８実施形態（図２０）
次に、本発明の第８実施形態について説明する。本実施形態は、複数台の磁気冷凍装置を、冷却流体の流路が直列または並列になるように組み合わせたものである。
【０１０７】
図２０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、このような第８実施形態のバリエーションを例示したものである。
【０１０８】
図２０（ａ）のものは、複数台の磁気冷凍装置Ａを、高温配管１０ａ，１０ｂおよび低温配管９ａ，９ｂにより冷媒の流路が直列になるように組み合わせたものである。これにより、設計を変えることなく低い温度を達成することが可能になる。
【０１０９】
また図２０（ｂ）のものは、複数台の磁気冷凍装置Ａを、高温配管１０ａ，１０ｂおよび低温配管９ａ，９ｂにより、冷媒の流路が並列になるように組み合わせたものである。これにより、設計を変えることなくより冷凍能力の大きな冷凍機を製作できる。
【０１１０】
また図２０（ｃ）のものは、は同図（ａ）と同様に、高温配管１０ａ，１０ｂおよび低温配管９ａ，９ｂにより冷媒の流路が直列になるように組み合わせるとともに、中間温度の磁気冷凍装置Ａ’を各配管中に設けたものである。
【０１１１】
このような構成によれば、より低い温度の磁気冷凍機が得られるだけでなく、中間温度の冷却ステージが得られ、例えば冷蔵庫と冷凍庫のような冷却温度の異なるものを１つのシステムで冷却することが可能になる。この結果、それぞれ冷凍機を用意することに比べて、全体のシステムがコンパクトになる利点を得ることができる。
【０１１２】
なお、本実施形態では磁気冷凍機の詳細については触れていないが、前述したすべての磁気冷凍機およびその組合せを用いることが可能である。
【０１１３】
【発明の効果】
以上で詳述したように、本発明によれば、常温でも使用可能な磁気冷凍装置を実現することができ、これによりフロンを用いない冷凍機をコンパクトな構成によって提供できるとともに、常温でも使用可能な冷凍装置を得ることができる。しかも格別複雑な構成を必要とせずに効率が高く、取り扱い易い冷凍装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態による磁気冷凍装置を示す構成図。
【図２】前記実施形態の磁気冷凍機の性能試験結果を示す図。
【図３】前記実施形態における変形例を示す図。
【図４】前記実施形態におけるメッシュ状の磁気作業物質を示す図。
【図５】前記実施形態におけるメタルウール状の磁気作業物質を示す図。
【図６】前記実施形態における極薄テープ状の磁気作業物質を示す図。
【図７】前記実施形態における積層された磁気作業物質を示す図。
【図８】前記実施形態における拡散接合した磁気作業物質を示す図。
【図９】前記実施形態における一体に拡散接合した磁気作業物質を示す図。
【図１０】前記実施形態における磁気冷凍装置の構成図。
【図１１】本発明の第２実施形態による磁気冷凍装置の構成図。
【図１２】本発明の第３実施形態による磁気冷凍装置の断面図。
【図１３】本発明の第３実施形態による磁気冷凍装置の平面断面図。
【図１４】本発明の第４実施形態による磁気冷凍装置の断面図。
【図１５】本発明の第４実施形態による磁気冷凍装置の平面図。
【図１６】本発明の第５実施形態による磁気冷凍装置の断面図。
【図１７】本発明の第５実施形態による磁気冷凍装置の断面図。
【図１８】（ａ）は本発明の第６実施形態による永久磁石の平面図、（ｂ）は断面図。
【図１９】（ａ），（ｂ）は本発明の第７実施形態による永久磁石とその磁場を現した平面図。
【図２０】（ａ），（ｂ），（ｃ）本発明の第９実施形態による磁気冷凍システムの構成図。
【符号の説明】
１ 磁場発生手段
２ 超電導磁石
３ クライオスタット
４ 超電導コイル
５ 冷凍機
６ 磁気作業物質
７ ピストン
８ 磁場増減手段
９ 低温配管
１０ 高温配管
１１ 被冷却体
１２ 冷却器
１３ 流路切換え弁
１４ 循環器
１５ 排熱熱交換器
１６ 冷却流体循環装置
１７ 物質容器
１９ 回転版
２０ 永久磁石
２１ ケーシング
２２ 軸
２３ 回転子
２４ 固定子
２５ 軸受け
２６ 磁極片

Claims (7)

1. 複数のドーナツ状永久磁石を同心に配設し、その永久磁石が特定の位置関係にある時はボアー部に磁場が発生し、いずれか一方を回動することによって各永久磁石によって形成される磁場が打ち消し合って中心ボアー部の磁場が消滅するように構成された永久磁石ユニットと、前記中心ボアー部に配設された磁気作業物質と、前記いずれかの永久磁石を回動させる回動機構と、前記磁気作業物質に冷却流体を循環させる循環機および前記磁気作業物質から熱を授受する排熱熱交換器を有する冷却流体循環装置と、前記磁気作業物質によって冷却された冷却流体で被冷却体を冷却する冷却器とを備えたことを特徴とする磁気冷凍装置。
2. 磁場発生手段は偶数個が平面的に配置され、磁気作業体は前記各磁場発生手段の磁場中にそれぞれ挿脱機構によって挿脱可能に偶数固配設され、かつ前記磁場発生手段に対して偶数個の半分が挿入、残りの半分が離脱状態となる設定とすることにより磁気作業物質に印加される磁場を増減させる構成としたことを特徴とする請求項１記載の磁気冷凍装置。
3. 挿脱機構は、磁気作業体に連結された駆動軸と、各駆動軸が固着された駆動板と、駆動板に取付けられ、磁気作業体とともに前記駆動板を往復動させる駆動機構とを備えたことを特徴とする請求項２記載の磁気冷凍装置。
4. 挿脱機構は、各磁気作業体に連結され、回転運動を直線運動に変換するネジ機構と、各ネジ機構の他端に取付けられ、回転駆動源と回転伝達可能に噛み合う回転伝達機構とを備えたことを特徴とする請求項２記載の磁気冷凍装置。
5. 循環機は、これより吐出された冷却流体が常に磁場発生手段から離脱して減磁された磁気作業物質側に流入するように、当該循環機の吐出部に流路切換え弁を有する構成としたことを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の磁気冷凍装置。
6. 冷却器に流入する冷却流体の流れ方向が常に１方向になるように、冷却流体の磁気作業物質からの吐出部に流路切換え弁を有する構成としたことを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載の磁気冷凍装置。
7. 複数台の磁気冷凍装置を、冷却流体の流路が直列または並列になるように組み合わせたものであることを特徴とする請求項１から６までのいずれかに記載の磁気冷凍装置。

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