特許 5969140 磁気冷却システムの一方向流モードの使用

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5969140

(24)【登録日】2016年7月15日

(45)【発行日】2016年8月17日

(54)【発明の名称】磁気冷却システムの一方向流モードの使用

(51)【国際特許分類】

   F25B 21/00 20060101AFI20160804BHJP

   F25D 21/06 20060101ALI20160804BHJP

【ＦＩ】

   F25B21/00 A

   F25D21/06 L

【請求項の数】10

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2015-547987(P2015-547987)

(86)(22)【出願日】2013年12月13日

(65)【公表番号】特表2016-507714(P2016-507714A)

(43)【公表日】2016年3月10日

(86)【国際出願番号】US2013075009

(87)【国際公開番号】WO2014099663

(87)【国際公開日】20140626

【審査請求日】2015年6月26日

(31)【優先権主張番号】61/738,230

(32)【優先日】2012年12月17日

(33)【優先権主張国】US

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】503057053

【氏名又は名称】アストロノーティックス コーポレイション オブ アメリカ

(74)【代理人】

【識別番号】100092093

【弁理士】

【氏名又は名称】辻居 幸一

(74)【代理人】

【識別番号】100082005

【弁理士】

【氏名又は名称】熊倉 禎男

(74)【代理人】

【識別番号】100088694

【弁理士】

【氏名又は名称】弟子丸 健

(74)【代理人】

【識別番号】100103609

【弁理士】

【氏名又は名称】井野 砂里

(74)【代理人】

【識別番号】100095898

【弁理士】

【氏名又は名称】松下 満

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(72)【発明者】

【氏名】ジム カール ビー

(72)【発明者】

【氏名】ルセック スティーブン エル

(72)【発明者】

【氏名】ボーダー アンドレ

【審査官】 柿沼 善一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−１０６９９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００２−５０２９４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第４８７９４４９（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 国際公開第０３／０１６７９４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２００９−５４３０２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０１４６３００（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｂ ２１／００

Ｆ２５Ｄ ２１／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

デュアルモードの磁気冷蔵装置であって、
磁気熱量材料の１つまたは複数のベッドと、
時間変動磁場を磁気熱量材料の前記１つまたは複数のベッドに加える磁石と、
伝熱流体と、
前記伝熱流体を循環させるポンプと、
高温側熱交換器（ＨＨＥＸ）と、
低温側熱交換器（ＣＨＥＸ）と、
前記伝熱流体の流れを方向付ける１つまたは複数の弁と、
前記デュアルモードの磁気冷蔵装置が第１のモードおよび第２のモードで作動できるために、前記１つまたは複数の弁の周期的切替えを制御するように構成された制御装置であって、前記第１のモードでは、前記１つまたは複数の弁は、前記１つまたは複数のベッドに加えられた前記時間変動磁場が高いときに、前記伝熱流体を前記１つまたは複数のベッドの低温端に向け、前記１つまたは複数のベッドを通し、前記１つまたは複数のベッドの高温端に向け、前記ＨＨＥＸを通し、前記１つまたは複数のベッドに加えられた前記時間変動磁場が低いときに、前記１つまたは複数のベッドの前記高温端に向け、前記１つまたは複数のベッドを通し、前記１つまたは複数のベッドの前記低温端に向け、前記ＣＨＥＸを通すので、熱を前記ＣＨＥＸから前記ＨＨＥＸに伝達する、制御装置とを備え、
作動の前記第２のモードでは、前記１つまたは複数の弁の前記周期的切替えが中断されることにより、前記ＨＨＥＸ、前記１つまたは複数のベッド、および前記ＣＨＥＸを通る前記伝熱流体の一方向流が可能になるので、熱が前記ＨＨＥＸから前記ＣＨＥＸに伝達される、デュアルモードの磁気冷蔵装置。

【請求項2】

前記時間変動磁場のサイクル時間は前記第１のモードにおけるより前記第２のモードにおいて長い、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記１つまたは複数のベッドに加えられた前記時間変動磁場は、前記第２のモード中に中断される、請求項１に記載の装置。

【請求項4】

前記ＣＨＥＸの上に空気を向けるように構成されたファンをさらに備え、
前記制御装置は、前記第１のモード中に前記ＣＨＥＸの上に空気を向けるために前記ファンを制御するように構成され、
前記制御装置は、前記第２のモード中に前記ファンの作動を中断するように制御するように構成される、請求項１に記載の装置。

【請求項5】

前記磁石は、前記時間変動磁場をもたらすために、前記１つまたは複数のベッドに対して移動するように構成され、
前記制御装置は、前記第２のモードをもたらすために、前記１つまたは複数のベッドに対して前記磁石の移動を中断するように構成される、請求項１に記載の装置。

【請求項6】

前記１つまたは複数のベッドは、前記時間変動磁場をもたらすために前記磁石に対して移動するように構成され、
前記制御装置は、前記第２のモードをもたらすために、前記磁石に対して前記１つまたは複数のベッドの移動を中断するように構成される、請求項１に記載の装置。

【請求項7】

前記制御装置は、前記ＣＨＥＸによって冷却された第１の室から第２の室の中に冷気を導くように構成され、前記第１の室は前記制御装置により０℃未満の温度に維持され、前記第２の室は前記制御装置により０℃を超えた温度に維持される、請求項１に記載の装置。

【請求項8】

デュアルモードの磁気冷蔵装置であって、
磁気熱量材料の１つまたは複数のベッドと、
時間変動磁場を磁気熱量材料の前記１つまたは複数のベッドに加える磁石と、
伝熱流体と、
前記伝熱流体を循環させるポンプと、
高温側熱交換器（ＨＨＥＸ）と、
低温側熱交換器（ＣＨＥＸ）と、
前記伝熱流体の流れを方向付ける１つまたは複数の弁と、
前記デュアルモードの磁気冷蔵装置が第１のモードおよび第２のモードで作動できるために、前記１つまたは複数の弁の周期的切替えを制御するように構成された制御装置であって、前記第１のモードでは、前記１つまたは複数の弁は、前記１つまたは複数のベッドに加えられた前記時間変動磁場が高いときに、前記伝熱流体を前記１つまたは複数のベッドの低温端に向け、前記１つまたは複数のベッドを通し、前記１つまたは複数のベッドの高温端に向け、前記ＨＨＥＸを通し、前記１つまたは複数のベッドに加えられた前記時間変動磁場が低いときに、前記１つまたは複数のベッドの前記高温端に向け、前記１つまたは複数のベッドを通し、前記１つまたは複数のベッドの前記低温端に向け、前記ＣＨＥＸを通すので、前記ＨＨＥＸの環境が前記ＣＨＥＸの環境と同様であるか高い温度であるときに熱を前記ＣＨＥＸから前記ＨＨＥＸに伝達する、制御装置とを備え、
作動の前記第２のモードでは、前記１つまたは複数の弁の前記周期的切替えが中断されることにより、前記ＨＨＥＸ、前記１つまたは複数のベッド、および前記ＣＨＥＸを通る前記伝熱流体の一方向流が可能になるので、前記ＨＨＥＸの環境が前記ＣＨＥＸの環境より低い温度であるときに、熱が前記ＣＨＥＸから前記ＨＨＥＸに伝達される、デュアルモードの磁気冷蔵装置。

【請求項9】

前記時間変動磁場のサイクル時間は前記第１のモードにおけるより前記第２のモードにおいて長く、或いは、
前記１つまたは複数のベッドに加えられた前記時間変動磁場は、前記第２のモード中に中断される、請求項８に記載の装置。

【請求項10】

０℃より高く維持される冷蔵室と、
０℃未満に維持される冷凍室と、
制御装置と、
１つまたは複数の時間変動磁場を生成するように構成された１つまたは複数の磁石と、 前記冷蔵室のための第１の磁気冷蔵システムであって、
磁気熱量材料の１つまたは複数のベッドの第１の組と、
第１の伝熱流体（ＨＴＦ）と、
前記第１の伝熱流体の流れを駆動させるための第１のポンプと、
高温側熱交換器（ＨＨＥＸ）と、
第１の低温側熱交換器（ＣＨＥＸ）と、
段間熱交換器（ＩＨＥＸ）の第１の部分と、
前記第１の伝熱流体の流れを方向付けるための１つまたは複数の第１の弁とを備え、 前記制御装置は、前記１つまたは複数の弁の前記周期的切替えを制御するように構成されて、１つまたは複数のベッドの前記第１の組に加えられた前記時間変動磁場が高いときに、前記第１のＨＴＦを１つまたは複数のベッドの前記第１の組の低温端に向け、１つまたは複数のベッドの前記第１の組を通し、１つまたは複数のベッドの前記第１の組の高温端に向け、前記ＨＨＥＸを通し、１つまたは複数のベッドの前記第１の組に加えられた前記時間変動磁場が低いときに、１つまたは複数のベッドの前記第１の組の前記高温端に向け、１つまたは複数のベッドの前記第１の組を通し、１つまたは複数のベッドの前記第１の組の前記低温端に向け、前記第１のＣＨＥＸおよび前記ＩＨＥＸの前記第１の部分を通すので、熱を前記第１のＣＨＥＸおよび前記ＩＨＥＸの前記第１の部分から前記ＨＨＥＸに伝達する、第１の磁気冷蔵システムと、
前記冷凍室のための第２の磁気冷蔵システムであって、
磁気熱量材料の１つまたは複数のベッドの第２の組と、
前記第１の伝熱流体より低い氷点を有する第２の伝熱流体と、
前記第２の伝熱流体の流れを駆動させるための第２のポンプと、
第２のＣＨＥＸと、
前記ＩＨＥＸの第２の部分と、
前記第２の伝熱流体の流れを方向付けるための１つまたは複数の第２の弁とを備え、 前記制御装置は、前記１つまたは複数の弁の前記周期的切替えを制御するように構成されて、前記１つまたは複数のベッドに加えられた前記時間変動磁場が高いときに、前記第２の伝熱流体を１つまたは複数のベッドの前記第２の組の低温端に向け、１つまたは複数のベッドの前記第２の組を通し、１つまたは複数のベッドの前記第２の組の高温端に向け、前記ＩＨＥＸの前記第２の部分を通し、１つまたは複数のベッドの前記第２の組に加えられた前記時間変動磁場が低いときに、１つまたは複数のベッドの前記第２の組の前記高温端に向け、１つまたは複数のベッドの前記第２の組を通し、１つまたは複数のベッドの前記第２の組の前記低温端に向け、前記第２のＣＨＥＸを通すので、熱を前記第２のＣＨＥＸから前記ＩＨＥＸの前記第２の部分を介して前記ＩＨＥＸの前記第１の部分に伝達する、第２の磁気冷蔵システムとを備える、磁気冷蔵冷凍組合せ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、２０１２年１２月１７日に出願された米国特許仮出願第６１／７３８，２３０号の優先権を主張し、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる。

【背景技術】

【0002】

現代の室温磁気冷蔵（ＭＲ）システムは、冷却を実行するために能動式磁気再生器（ＡＭＲ）サイクルを利用することがある。ＡＭＲサイクルの初期の実装形態は、米国特許第４，３３２，１３５号に見出すことができ、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる。ＡＭＲサイクルは、図１ａ〜１ｄに概略的に示されたように４つの段階を有する。図１ａ〜１ｄにおけるＭＲシステムは、磁気熱量材料（ＭＣＭ）１９０の多孔性ベッドおよび伝熱流体を含み、伝熱流体がＭＣＭベッド１９０を通って流れる際に伝熱流体はＭＣＭと熱を交換する。図１ａ〜１ｄでは、ベッドの左側は低温側である一方で、高温側は右側である。代替実施形態では、高温側と低温側は逆でもよい。流体流れの時期および方向（高温−低温、または低温−高温）は、磁場の印加および除去で調整されてもよい。磁場は、永久磁石、電磁石、または超電導磁石のいずれによって提供されてもよい。

【0003】

図１ａのＡＭＲサイクルの説明用の例では、サイクルの第１段階「磁化」が起こる。ＭＣＭベッド１９０内の流体が停滞している間、磁場１９２はＭＣＭベッド１９０に加えられ、ＭＣＭベッド１９０を加熱させる。図１ａに示された磁化段階では、示された４つの弁がすべて閉じられて、流体がＭＣＭベッド１９０を通って流れるのを防止する。４つの弁は、低温吸入弁１８２、低温排出弁１８４、高温排出弁１８６、および高温吸入弁１８８を含む。図１ｂでは、サイクルの第２段階「低温−高温流れ」が起こる。ＭＣＭベッド１９０を超える磁場１９２は維持され、温度Ｔ_Ci（低温吸入温度）の流体は低温側からＭＣＭベッド１９０を通って高温側にポンプ供給される。低温吸入弁１８２および高温排出弁１８６は、ＭＣＭベッド１９０を通る流体の動きを促進するためにこの段階中は開いている。低温排出弁１８４および高温吸入弁１８８は、この段階中は閉じている。流体はＭＣＭベッド１９０の各部分から熱を除去し、流体がＭＣＭベッド１９０の隣の部分に移動するにつれてＭＣＭベッド１９０を冷却し流体を加熱し、このプロセスはより高温で続けられる。流体は最終的に温度Ｔ_Ho（高温排出温度）に達すると、流体は高温排出弁１８６を通ってＭＣＭベッド１９０から出る。通常、この流体は高温側熱交換器（ＨＨＥＸ）１９４を通って循環され、流体はその熱を周囲環境に排出する。図１ｃでは、第３段階「消磁化」が起こる。流体流れは、低温吸入弁１８２および高温排出弁１８６が閉じ、磁場１９２が除去されたときに終了する。また低温排出弁１８４および高温吸入弁１８８もこの段階中は閉じている。これによりＭＣＭベッド１９０をより冷却させる。図１ｄでは、サイクルの最終段階「高温−低温流れ」が起こる。ここでは温度Ｔ_Hi（高温吸入温度）の流体は、引き続き磁場１９２がない状態で高温側からＭＣＭベッド１９０を通って低温側にポンプ供給される。この段階では、低温排出弁１８４および高温吸入弁１８８は開いているが、低温吸入弁１８２および高温排出弁１８６は閉じている。流体はＭＣＭベッド１９０の各部分に熱を加え、流体がＭＣＭベッド１９０の隣の部分に移動するにつれてＭＣＭベッド１９０を加熱し流体を冷却し、このプロセスはより低温で続けられる。流体は最終的に温度Ｔ_Co（低温排出温度）に達し、温度Ｔ_Coはサイクルにおいて流体が達した最低温度である。通常、このより低温の流体は低温側熱交換器（ＣＨＥＸ）１９６を通って循環され、そこで低温流体が冷蔵システムから熱を捕捉することにより、このシステムはその低温を維持できる。

【0004】

ＡＭＲサイクルの主な利点は、Ｋ．Ｌ． Ｅｎｇｅｌｂｒｅｃｈｔ、Ｇ．Ｆ Ｎｅｌｌｉｓ、Ｓ．Ａ Ｋｌｅｉｎ、およびＣ． Ｂ． Ｚｉｍｍによる「Ｒｅｃｅｎｔ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｉｎ Ｒｏｏｍ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ａｃｔｉｖｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ」ＨＶＡＣ＆Ｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， １３ （２００７） ｐｐ．５２５−５４２（以下「Ｅｎｇｅｌｂｒｅｃｈｔら」と言う）に記載されており、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる。その利点は、（熱が排出された温度から熱が吸収された温度を減じた）範囲が、磁場を加えたときに（断熱温度変化Ｄｅｌｔａ−Ｔ_ad）磁気熱量材料の温度変化の絶対値よりはるかに大きいことが可能であることである。

【0005】

ＡＭＲサイクルの４つの段階の実行を完了するのにかかる時間はサイクル時間と呼ばれ、その逆はサイクル周波数として公知である。ＭＲシステムの「温度範囲」はＴ_Hi−Ｔ_Ciと定義され、これは吸入流体温度の差である。ＡＭＲサイクルは蒸気圧縮サイクルに類似しており、そこで気体圧縮（気体を加熱させる）は磁化の役割を果たし、気体の自由膨張（気体温度を下降させる）は消磁化の役割を果たす。蒸気圧縮サイクルにおいて、伝熱流体はＣＨＥＸおよびＨＨＥＸ内の相を変化させて伝熱に役立つ。ＡＭＲサイクルのＣＨＥＸおよびＨＨＥＸ内でこのような相変化が起こる必要はないが、水などの単相の伝熱係数が高い流体が使用されてもよい。図１ａ〜１ｄは単一のベッドのＭＲシステムの作動を示すが、代替実施形態では、それぞれが同じＡＭＲサイクルを受ける複数のベッドが、冷却力を増加させる、システムの大きさを低減させる、あるいはＡＭＲサイクルの実装を改良するために、単一システム内に組み合わされてもよい。

【発明の概要】

【0006】

デュアルモードの磁気冷蔵装置は、磁気熱量材料の１つまたは複数のベッドと、時間変動磁場を磁気熱量材料の１つまたは複数のベッドに加える磁石と、伝熱流体と、伝熱流体を循環させるポンプと、高温側熱交換器（ＨＨＥＸ）と、低温側熱交換器（ＣＨＥＸ）と、伝熱流体の流れを方向付ける１つまたは複数の弁と、装置が第１のモードおよび第２のモードで作動できるために１つまたは複数の弁の周期的切替えを制御するように構成された制御装置とを含む。第１のモードでは、１つまたは複数の弁は伝熱流体を、１つまたは複数のベッドに加えられた時間変動磁場が高いときに、１つまたは複数のベッドの低温端に向け、１つまたは複数のベッドを通し、１つまたは複数のベッドの高温端に向け、ＨＨＥＸを通し、１つまたは複数のベッドに加えられた時間変動磁場が低いときに、１つまたは複数のベッドの高温端に向け、１つまたは複数のベッドを通し、１つまたは複数のベッドの低温端に向け、ＣＨＥＸを通すので、熱をＣＨＥＸからＨＨＥＸに伝達する。作動の第２のモードでは、１つまたは複数の弁の周期的切替えが中断されることにより、ＨＨＥＸ、１つまたは複数のベッド、およびＣＨＥＸを通る伝熱流体の一方向流が可能になるので、熱がＨＨＥＸからＣＨＥＸに伝達される。

【0007】

デュアルモードの磁気冷蔵装置は、磁気熱量材料の１つまたは複数のベッドと、時間変動磁場を磁気熱量材料の１つまたは複数のベッドに加える磁石と、伝熱流体と、伝熱流体を循環させるポンプと、高温側熱交換器（ＨＨＥＸ）と、低温側熱交換器（ＣＨＥＸ）と、伝熱流体の流れを方向付ける１つまたは複数の弁と、装置が第１のモードおよび第２のモードで作動できるために、１つまたは複数の弁の周期的切替えを制御するように構成された制御装置とを含む。第１のモードでは、１つまたは複数の弁は伝熱流体を、１つまたは複数のベッドに加えられた時間変動磁場が高いときに、１つまたは複数のベッドの低温端に向け、１つまたは複数のベッドを通し、１つまたは複数のベッドの高温端に向け、ＨＨＥＸを通し、１つまたは複数のベッドに加えられた時間変動磁場が低いときに、１つまたは複数のベッドの高温端に向け、１つまたは複数のベッドを通し、１つまたは複数のベッドの低温端に向け、ＣＨＥＸを通すので、ＨＨＥＸの環境がＣＨＥＸの環境と同様であるか高い温度であるときに熱をＣＨＥＸからＨＨＥＸに伝達する。作動の第２のモードでは、１つまたは複数の弁の周期的切替えが中断されることにより、ＨＨＥＸ、１つまたは複数のベッド、およびＣＨＥＸを通る伝熱流体の一方向流が可能になるので、ＨＨＥＸの環境がＣＨＥＸの環境より低い温度であるときに熱がＣＨＥＸからＨＨＥＸに伝達される。

【0008】

バイパスを備えるデュアルモードの磁気冷蔵装置は、磁気熱量材料の１つまたは複数のベッドと、時間変動磁場を磁気熱量材料の１つまたは複数のベッドに加える磁石と、伝熱流体と、伝熱流体を循環させるポンプと、高温側熱交換器（ＨＨＥＸ）と、低温側熱交換器（ＣＨＥＸ）と、伝熱流体の流れを方向付ける１つまたは複数の弁と、装置が第１のモードおよび第２のモードで作動できるために１つまたは複数の弁の周期的切替えを制御するように構成された制御装置とを含む。第１のモードでは、１つまたは複数の弁は伝熱流体を、１つまたは複数のベッドに加えられた時間変動磁場が高いときに、１つまたは複数のベッドの低温端に向け、１つまたは複数のベッドを通し、１つまたは複数のベッドの高温端に向け、ＨＨＥＸを通し、１つまたは複数のベッドに加えられた時間変動磁場が低いときに、１つまたは複数のベッドの高温端に向け、１つまたは複数のベッドを通し、１つまたは複数のベッドの低温端に向け、ＣＨＥＸを通すので、熱をＣＨＥＸからＨＨＥＸに伝達する。作動の第２のモードでは、１つまたは複数の弁がバイパス配置内に維持されることにより、ＨＨＥＸおよびＣＨＥＸを通る伝熱流体の一方向流が可能になるので、熱がＨＨＥＸからＣＨＥＸに伝達され、伝熱流体は１つまたは複数のベッドを迂回する一方で、１つまたは複数の弁はバイパス配置内にある。

【0009】

バイパスを備えるデュアルモードの磁気冷蔵装置は、磁気熱量材料の１つまたは複数のベッドと、時間変動磁場を磁気熱量材料の１つまたは複数のベッドに加える磁石と、伝熱流体と、伝熱流体を循環させるポンプと、高温側熱交換器（ＨＨＥＸ）と、低温側熱交換器（ＣＨＥＸ）と、伝熱流体の流れを方向付ける１つまたは複数の弁と、装置が第１のモードおよび第２のモードで作動できるために１つまたは複数の弁の周期的切替えを制御するように構成された制御装置とを含む。第１のモードでは、１つまたは複数の弁は伝熱流体を、１つまたは複数のベッドに加えられた時間変動磁場が高いときに、１つまたは複数のベッドの低温端に向け、１つまたは複数のベッドを通し、１つまたは複数のベッドの高温端に向け、ＨＨＥＸを通し、１つまたは複数のベッドに加えられた時間変動磁場が低いときに、１つまたは複数のベッドの高温端に向け、１つまたは複数のベッドを通し、１つまたは複数のベッドの低温端に向け、ＣＨＥＸを通すので、ＨＨＥＸの環境がＣＨＥＸの環境と同様であるか高い温度であるときに熱をＣＨＥＸからＨＨＥＸに伝達する。作動の第２のモードでは、１つまたは複数の弁がバイパス配置内に維持されることにより、ＨＨＥＸおよびＣＨＥＸを通る伝熱流体の一方向流が可能になるので、ＨＨＥＸの環境がＣＨＥＸの環境より低い温度であるときに熱がＣＨＥＸからＨＨＥＸに伝達され、伝熱流体は１つまたは複数のベッドを迂回する一方で、１つまたは複数の弁はバイパス配置内にある。

【0010】

磁気冷凍冷蔵組合せ装置は、０℃より高く維持される冷蔵室と、０℃未満に維持される冷凍室と、制御装置と、１つまたは複数の時間変動磁場を生成するように構成された１つまたは複数の磁石とを含む。また装置は、磁気熱量材料の１つまたは複数のベッドの第１の組と、第１の伝熱流体（ＨＴＦ）と、第１の伝熱流体の流れを駆動させるための第１のポンプと、高温側熱交換器（ＨＨＥＸ）と、第１の低温側熱交換器（ＣＨＥＸ）と、段間熱交換器（ＩＨＥＸ）の第１の部分と、第１の伝熱流体の流れを方向付けるための１つまたは複数の第１の弁とを含む、冷蔵室のための第１の磁気冷蔵システムも含む。制御装置は１つまたは複数の弁の周期的切替えを制御するように構成されて、第１のＨＴＦを、１つまたは複数のベッドの第１の組に加えられた時間変動磁場が高いときに、１つまたは複数のベッドの第１の組の低温端に向け、１つまたは複数のベッドの第１の組を通し、１つまたは複数のベッドの第１の組の高温端に向け、ＨＨＥＸを通し、１つまたは複数のベッドの第１の組に加えられた時間変動磁場が低いときに、１つまたは複数のベッドの第１の組の高温端に向け、１つまたは複数のベッドの第１の組を通し、１つまたは複数のベッドの第１の組の低温端に向け、第１のＣＨＥＸを通し、ＩＨＥＸの第１の部分を通すので、熱を第１のＣＨＥＸおよびＩＨＥＸの第１の部分からＨＨＥＸに伝達する。また装置は、磁気熱量材料の１つまたは複数のベッドの第２の組と、第２の伝熱流体と、第２の伝熱流体の流れを駆動させる第２のポンプと、第２のＣＨＥＸと、ＩＨＥＸの第２の部分と、第２の伝熱流体の流れを方向付けるための１つまたは複数の第２の弁とを含む、冷凍室のための第２の磁気冷蔵システムも含む。制御装置は、１つまたは複数の弁の周期的切替えを制御するように構成されて、第２のＨＴＦを、１つまたは複数のベッドに加えられた時間変動磁場が高いときに、１つまたは複数のベッドの第２の組の低温端に向け、１つまたは複数のベッドの第２の組を通し、１つまたは複数のベッドの第２の組の高温端に向け、ＩＨＥＸの第２の部分を通し、１つまたは複数のベッドの第２の組に加えられた時間変動磁場が低いときに、１つまたは複数のベッドの第２の組の高温端に向け、１つまたは複数のベッドの第２の組を通し、１つまたは複数のベッドの第２の組の低温端に向け、第２のＣＨＥＸを通すので、熱を第２のＣＨＥＸからＩＨＥＸの第２の部分を介してＩＨＥＸの第１の部分に伝達する。

【0011】

例示的実施形態は、添付図面を参照して以下に説明される。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1a】例示的実施形態による、能動式磁気再生器（ＡＭＲ）サイクルの「磁化」段階を示す図である。

【図1b】例示的実施形態による、能動式磁気再生器（ＡＭＲ）サイクルの「低温−高温流れ」段階を示す図である。

【図1c】例示的実施形態による、能動式磁気再生器（ＡＭＲ）サイクルの「消磁化」段階を示す図である。

【図1d】例示的実施形態による、能動式磁気再生器（ＡＭＲ）サイクルの「高温−低温流れ」段階を示す図である。

【図2】例示的実施形態による、流体流れがベッドホイールの回転によって作動される弁によって制御される、回転ベッドの能動式磁気再生器冷蔵庫を示す図である。

【図3】例示的実施形態による、流体流れが磁石の回転によって作動される弁によって制御される、回転磁石の能動式磁気再生器冷蔵庫を示す図である。

【図4】例示的実施形態による、流体流れが磁石の回転によって作動される弁によって制御される、回転磁石の能動式磁気再生器冷蔵庫の流れ回路を示す図である。

【図5a】例示的実施形態による、磁石が周期的に移動し第１の位置にある、磁気冷蔵システム内のＡＭＲモードの作動を示す図である。

【図5b】例示的実施形態による、磁石が周期的に移動し第２の位置にある、磁気冷蔵システム内のＡＭＲモードの作動を示す図である。

【図6】例示的実施形態による、磁石が静止し弁が固定位置に残された、磁気冷蔵システム内の一方向流（ＵＤＦ）モードの作動を示す図である。

【図7a】例示的実施形態による、迂回されたＡＭＲベッドを備えた磁気冷蔵システム内の一方向流（ＵＤＦ）モードの作動を示す図である。

【図7b】例示的実施形態による、磁石が周期的に移動し第１の位置にあるＡＭＲベッドバイパスを備えた、磁気冷蔵システム内の一方向流（ＵＤＦ）モードの作動を示す図である。

【図7c】例示的実施形態による、磁石が周期的に移動し第２の位置にあるＡＭＲベッドバイパスを備えた、磁気冷蔵システム内の一方向流（ＵＤＦ）モードの作動を示す図である。

【図8a】例示的実施形態による、磁石が周期的に移動し第１の位置にあり、冷却が磁気冷蔵システムによって提供される、２つの冷蔵室および冷凍室を示す図である。

【図8b】例示的実施形態による、磁石が周期的に移動し第２の位置にあり、冷却が磁気冷蔵システムによって提供される、２つの冷蔵室および冷凍室を示す図である。

【図9】例示的実施形態による、冷凍庫の回路に対する磁石が静止し、冷却が磁気冷蔵システムによって提供される、２つの冷蔵室および冷凍室の冷凍庫の回路内の一方向流（ＵＤＦ）モードの作動を示す図である。

【図10】例示的実施形態による、磁石が静止し、冷却が磁気冷蔵システムによって提供される、２つの冷蔵室および冷凍室の両方の回路内の一方向流（ＵＤＦ）モードの作動を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

改良されたデフロスタなどの適用例に使用するための例示的磁気冷蔵システムが本明細書に説明されている。冷蔵システムでは、熱を周辺環境から除去する、または吸収する冷却要素は、上を氷で覆われることが多い可能性がある。これは、周辺環境が冷却要素上に凍結する水蒸気を含むときに起こることがあり、それによってその効率を下げ、環境を冷却するためにより多くのエネルギーを必要とする。結果として、デフロスト方法を使用して冷却要素上に堆積したあらゆる氷を溶かし、冷却要素の効率を回復させてもよい。デフロストシステムの例示的実施形態は、熱が高温側熱交換器（ＨＨＥＸ）から低温側熱交換器（ＣＨＥＸ）に伝達されるように、ＨＨＥＸからＣＨＥＸに伝熱流体（ＨＴＦ）の一方向流（ＵＤＦ）ができるために、システム内の弁の周期的切替えを中断することを含んでもよい。

【0014】

例示的実施形態では、ＡＭＲサイクルを実装するための一方法は、ホイール組立体内に磁気熱量材料の扇形状のベッドを配置し、扇形状の磁石を使用してホイールの扇形状部に磁場を加えることである。磁気熱量材料のベッドは流体流れのために多孔性である。例示的実施形態では、１組の弁およびポンプは、流れがベッドを通っていずれの方向にも送られることができるように設置される。代替実施形態では、他の配置が使用されてもよい。ＡＭＲ作動については、ホイールが回転されるか、または磁気が回転されることのいずれかにより、ベッド上で磁場を変化させ、流れはベッドを通って方向付けられ、流れ方向はホイールまたは磁石の位置と同調して弁によって切り替えられる。

【0015】

説明用の例では、図２はＡＭＲ作動を示し、この場合ＭＣＭ材料のベッドは、磁場を通って回転されるホイール組立体内に配置される。ホイール２３０は、３つのホイールセグメント２０５からなる。各ホイールセグメント２０５は、ＭＣＭの２つのベッドを含み、２つのベッドの低温端は、ホイールセグメントの中心で互いに面する。ホイールセグメント分割部２１０は、隣接したホイールセグメント２０５を分離し、２つの隣接したベッドの高温端も分離する。

【0016】

流体は、ポンプ２４０によりホイールセグメント２０５内に含まれたＭＣＭベッドを通って運ばれる。固定された弁ディスク２００および２１５は、流体がホイールセグメント２０５内に含まれたＭＣＭベッドを通ってポンプ供給されるとき、および流体がホイールセグメント２０５内に含まれたＭＣＭベッドを通ってポンプ供給される方向を制御するために使用される。また固定された弁ディスク２００および２１５は、高温側熱交換器（ＨＨＥＸ）２２５および低温側熱交換器（ＣＨＥＸ）２２０を通過する流体を制御するためにも使用される。またポンプ２４０は、流体をＨＨＥＸ２２５およびＣＨＥＸ２２０ならびに固定された弁ディスク２２０および２１５を通って駆動させる。最後に、ホイール２３０は、ホイールセグメント２０５内に含まれたＭＣＭベッドを加熱するために、磁石２３５によってもたらされた磁場を通って回転されることが可能である。

【0017】

別の説明用の例では、図３は、磁石がＭＣＭベッドの代わりに回転されることを除いて図２と同様のＡＭＲの作動を明示する。図３は固定位置にあるＭＣＭベッド３００を示す。磁石３０５はＭＣＭベッド３００の上で回転して、ＡＭＲサイクルの段階に依存してＭＣＭベッドを加熱または冷却する。ＭＣＭベッド３００を通る流体流れは、回転弁３１０によって制御される。図４は、弁および熱交換器がどのように図３のような装置内の様々なＭＣＭベッドと相互連結され得るかを明示する。

【0018】

磁気冷蔵庫への主なワーク投入は、ＡＭＲサイクル中に受ける磁力に対する磁石またはＭＣＭベッドの動きである。上に論じられた回転する磁気冷蔵庫については、主なワーク投入は、ホイールまたは磁石を回転させるために利用される。追加のワーク投入は、流体流れを駆動させるために利用される。

【0019】

磁場の変更に同調してベッドを通る流れの周期的な逆転は、ＡＭＲサイクルの熱ポンプ供給能力を可能にするものである。磁場が存在するベッドの低温側から高温側への流れは、熱をＨＨＥＸに駆動させる一方で、磁場が存在しないベッドの高温側から低温側への流れは、熱をＣＨＥＸから取り除く。例えば図１ａ〜１ｄ、５ａ、および５ｂを参照されたい。ＡＭＲサイクルの実際の効果は、ワークを消費し熱をＣＨＥＸからＨＨＥＸに駆動させることである。

【0020】

図５ａおよび５ｂは、ＡＭＲサイクルの例示的実施形態を示す。実装置では、伝熱流体（ＨＴＦ）は、装置の機能部品を連結する配管を通って流れている間、少量の熱を吸収するまたは失う。図５ａ〜８ｂの例示的実施形態では、配管は、配管内の吸収されたまたは失われた少量の熱が流体の温度を著しく変えないように、充分に良好に絶縁されている。加えて、弁は良好に絶縁され低摩擦を有し、その結果、弁を通過する流体は著しい温度変化をしない。またＭＣＭの温度は、ほぼ常磁性から強磁性転移であり、この場合、ＭＣＭは磁場が加えられると加熱し、磁場が取り除かれると冷却することも、図５ａ〜８ｂで想定される。またＭＣＭを反強磁性転移に近い温度で使用することも可能であり、この場合、ＡＭＲサイクルは同様の手法で作動するが、ＭＣＭは磁場が加えられると冷却し、磁場が取り除かれると加熱する。

【0021】

図５ａでは、ポンプ１は、伝熱流体（ＨＴＦ）を高温排出温度Ｔ_hoで高温側熱交換器（ＨＨＥＸ）２を通って駆動させ、そこでＨＴＦは熱を環境に放出し高温吸入温度Ｔ_hiに冷却する。ＨＴＦは高温吸入弁３に入る。高温吸入弁３はＨＴＦを、磁石９の外側の位置１１に隣接して消磁化状態である磁気熱量材料（ＭＣＭ）４の多孔性ベッドの高温端に向ける。ＨＴＦは、ＨＴＦがＭＣＭベッド４を通って流れると低温排出温度Ｔ_coに冷却され、低温排出弁５に向けられる。低温排出弁５は、ＨＴＦを低温側熱交換器（ＣＨＥＸ）６を通して方向付け、そこでＨＴＦは熱を負荷から吸収して低温吸入温度Ｔ_ciに加熱する。流体は低温吸入弁７に入り、磁化状態で磁石９の内側にあるＭＣＭ８の多孔性ベッドの低温端に向けられる。ＭＣＭベッド８は位置３０に隣接して磁化状態であり、位置３０は現在磁石９によって占拠されている。ＨＴＦは、ＨＴＦがＭＣＭベッド８を通って流れると温度Ｔ_hoに加熱され、高温排出弁１０に向けられて流体サイクルを完了する。一定期間Ｔ_b後、磁石９はＭＣＭベッド８および位置３０から取り除かれ、ＭＣＭベッド４を超えて位置１１に動かされ、弁１０、３、５、および７は切り替えられ、図５ｂに示された状況をもたらす。再度ポンプ１は伝熱流体（ＨＴＦ）を温度Ｔ_hoでＨＨＥＸ２を通して駆動させ、そこでＨＴＦは熱を環境に放出し温度Ｔ_hiに冷却する。ＨＴＦは高温吸入弁３に入る。高温吸入弁３はＨＴＦを、磁石９の外側の位置３０に隣接して消磁化状態であるＭＣＭベッド８の高温端に向ける。ＨＴＦは、ＨＴＦがＭＣＭベッド８を通って流れると温度Ｔ_coに冷却され、低温排出弁５に向けられる。低温排出弁５は、ＨＴＦをＣＨＥＸ６を通して方向付け、そこでＨＴＦは熱を負荷から吸収して温度Ｔ_ciに加熱する。ＨＴＦは低温吸入弁７に入り、磁化状態で磁石９の内側にあるＭＣＭベッド４の低温端に向けられる。磁石９は現在位置１１を占拠している。ＨＴＦは、ＨＴＦがＭＣＭベッド４を通って流れると温度Ｔ_hoに加熱され、高温排出弁１０に向けられ、流体サイクルを完了する。一定期間Ｔ_b後、磁石９は再度位置１１およびＭＣＭベッド４から取り除かれ、位置３０およびＭＣＭベッド８に戻され、弁１０、３、５、および７は切り替えられ、再度図５ａに示された状況をもたらす。

【0022】

図５ａおよび５ｂに示された２つの流れ期間は、弁の切替えおよびＭＣＭベッド８からＭＣＭベッド４に動きＭＣＭベッド８に再度戻る磁石９の動きと共に、１つのＡＭＲサイクルを構成する。例示的実施形態では、ＭＣＭおよび時間Ｔ_bの条件が課せられる。ＭＣＭの条件は、ＭＣＭが低温端で著しい磁気熱量効果を温度Ｔ_coで有し、ＭＣＭがベッドの高温端で著しい磁気熱量効果を温度Ｔ_hoで有するように、ＭＣＭベッド４および８が構築されてもよく、ベッド内のＭＣＭの中間層は著しい磁気熱量効果を中間温度で有してもよいことである。流れ時間Ｔ_bの条件は、ＭＣＭベッド４またはＭＣＭベッド８を時間Ｔ_bで通過するＨＴＦの総熱容量が、いずれのベッドにおいてもＭＣＭの熱容量より実質的に少ないように充分に短いことである。例えばその開示全体が参照により本明細書に組み込まれる、Ｓ． Ｊａｃｏｂｓ、Ｊ． Ａｕｒｉｎｇｅｒ、Ａ． Ｂｏｅｄｅｒ、Ｊ． Ｃｈｅｌｌ、Ｌ． Ｋｏｍｏｒｏｗｓｋｉ、Ｊ． Ｌｅｏｎａｒｄ、Ｓ． Ｒｕｓｓｅｋ、Ｃ． Ｚｉｍｍにより「Ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ ｌａｒｇｅ−ｓｃａｌｅ ｒｏｔａｒｙ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ」Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎに記載された磁気冷蔵庫については、ＩＳＳＮ ０１４０−７００７， ｈｔｔｐ：／／ｄｘ．ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１０１６／ｊ．ｉｊｒｅｆｒｉｇ．２０１３．０９．０２５で２０１３年９月２２日にオンラインで入手可能であり、したがってＴ_bは０．２秒未満であるべきである。

【0023】

Ｔ_hiとＴ_ciの所望の温度差がＭＣＭおよび装置設計の実行能力の範囲内であるときは、ＭＣＭベッド４および８における磁気熱量効果および再生の作動により、Ｔ_coがＴ_ciより小さくなりＴ_hoがＴ_hiより大きくなることが可能になり、ＣＨＥＸ６内の冷却負荷Ｑ_cを吸収し、ＨＨＥＸ２内の加熱負荷Ｑ_hを拒絶することが可能になる。Ｔ_hi−Ｔ_ciの温度差は、Ｅｎｇｅｌｂｒｅｃｈｔらに説明されたように、通常Ｄｅｌｔａ−Ｔ_adより数倍大きい。Ｄｅｌｔａ−Ｔ_adは、磁場が加えられるときの磁気熱量材料の温度変化の絶対値である。

【0024】

流れの周期的な逆転は中断されているが、その代わりに流れはベッドを通って単一方向（一方向流れ、ＵＤＦ）に維持される場合、ベッドのＡＭＲサイクル作動は終了し、高温流体はＨＨＥＸ２からＣＨＥＸ６に高温流から低温流を被るベッドを通って伝達され、低温流体はＣＨＥＸ６からＨＨＥＸ２に低温流から高温流を被るベッドを通って伝達される。これは、図５ａおよび５ｂに明示された熱の伝達の反対である。図５ａおよび５ｂでは、熱はＣＨＥＸ６からＨＨＥＸ２に伝達され、ＨＨＥＸ２はＣＨＥＸ６の周囲の環境を冷却する。一方、流れの周期的な逆転は中断されている（ＵＤＦモード）場合、熱はＨＨＥＸ２からＣＨＥＸ６に伝達される。これは冷凍庫または冷蔵庫の適用においてＣＨＥＸ６から氷をデフロストするなどの適用に有益である場合がある。このＵＤＦモードでは、周期的な弁の切替えを中断することによりＨＴＦの流れの逆転が終了し、ＡＭＲサイクルに比べてＵＤＦモードをもたらすために必要とされるワークを低減させる。

【0025】

図６は、ＵＤＦモードの作動の例示的実施形態を示す。示された構成要素は、図５ａおよび５ｂにおけるＡＭＲサイクルの例示的実施形態に使用された構成要素と同じであるが、図５ａおよび５ｂに示された弁の周期的切替えは中断されており、その代わりに弁は固定位置に残されている。ポンプ１は伝熱流体（ＨＴＦ）を高温側熱交換器（ＨＨＥＸ）２を通って高温吸入弁３の中に駆動させる。この実施形態では、ＨＴＦは、図５ａおよび５ｂに示されたように熱を排出する代わりにＨＨＥＸ２内の熱を吸収する。示された固定位置に残された高温吸入弁３は、ＨＴＦを位置１１に隣接して消磁化状態の磁石９の外側にあるＭＣＭベッド４の端部に向ける。ＨＴＦはＭＣＭベッド４を通って流れ、低温排出弁５に向けられる。示された固定位置に残された低温排出弁５は、ＣＨＥＸ６を通るＨＴＦを方向付ける。この実施形態では、ＨＴＦ流体は、図５ａおよび５ｂに示されたように熱を吸収する代わりにＣＨＥＸ６内の熱を排出する。この排出された熱は、ＵＤＦモードのデフロストの可能性をもたらす。流体は示された固定位置に残された低温吸入弁７に入り、磁石がＭＣＭベッド８の外側の位置３０を占拠するので、磁化状態で磁石９の内側にあるＭＣＭベッド８の端部に向けられる。ＨＴＦはＭＣＭベッド８を通って流れ、示された固定位置に残された高温排出弁１０に向けられて、流体サイクルを終了する。ＡＭＲサイクルとの違いは、流れが図５ａおよび５ｂを参照に論じられたように、時間Ｔ_b内に周期的に逆転されないことである。上に論じられた最大時間Ｔ_bより数倍長い、短い過渡期の後、ＡＭＲサイクルをもつ再生行為の可能性は終了し、ＭＣＭベッド４の端部間のあらゆる温度差は低下し、ＭＣＭベッド８の端部間のあらゆる温度差も低下する。例えばその開示全体が参照により本明細書に組み込まれる、Ｓ． Ｊａｃｏｂｓ、Ｊ． Ａｕｒｉｎｇｅｒ、Ａ． Ｂｏｅｄｅｒ、Ｊ． Ｃｈｅｌｌ、Ｌ． Ｋｏｍｏｒｏｗｓｋｉ、Ｊ． Ｌｅｏｎａｒｄ、Ｓ． Ｒｕｓｓｅｋ、Ｃ． Ｚｉｍｍにより「Ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ ｌａｒｇｅ−ｓｃａｌｅ ｒｏｔａｒｙ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ」Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎに記載された磁気冷蔵庫については、ＩＳＳＮ ０１４０−７００７， ｈｔｔｐ：／／ｄｘ．ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１０１６／ｊ．ｉｊｒｅｆｒｉｇ．２０１３．０９．０２５で２０１３年９月２２日にオンラインで入手可能であり、短い過渡期は約２秒であってもよい。図６では、ＭＣＭベッド４の吸入ラインおよび排出ラインにおけるＨＴＦは同じ温度Ｔ_hiを有するので、ＭＣＭベッド４を横切る温度差はない。またＭＣＭベッド８の吸入ラインおよび排出ラインにおけるＨＴＦは同じ温度Ｔ_ciを有するので、ＭＣＭベッド８を横切る温度差もない。しかし代替実施形態では、ＭＣＭベッド４および８内の温度は完全に低下しなくてもよい。完全な低下が起こらないこのような状況において、ＭＣＭベッド４の吸入ラインおよび排出ラインにおけるＨＴＦは、同じ温度に達しなくてもよい。同様にＭＣＭベッド８の吸入ラインおよび排出ラインにおけるＨＴＦは、同じ温度に達しなくてもよい。ＨＨＥＸ２およびＣＨＥＸ６が異なる温度Ｔ_hおよびＴ_cそれぞれにおいて大きい蓄熱体に連結される場合、ＨＨＥＸ２からＣＨＥＸ６への熱の流れは大きくなる（但しＴ_hおよびＴ_cは、それぞれＨＨＥＸ２の高い相対温度およびＣＨＥＸ６の低い相対温度を表す）。ｍ_dotが流体質量流量、Ｃ_fが流体熱容量、Ｔ_cがＣＨＥＸ６の温度、Ｔ_hがＨＨＥＸ２の温度である場合、ＵＤＦモード中に伝達される熱（Ｑ_udf）はほぼ以下の通りである。

【数1】

【0026】

このＵＤＦモードの熱伝導率は、正常冷却モードにおいてＡＭＲ冷蔵庫によって運ばれるより大きい。例えばその開示全体が参照により本明細書に組み込まれる、Ｓ． Ｒｕｓｓｅｋ、Ｊ． Ａｕｒｉｎｇｅｒ、Ａ． Ｂｏｅｄｅｒ、Ｊ． Ｃｈｅｌｌ、Ｓ． Ｊａｃｏｂｓ、Ｃ． Ｚｉｍｍにより２０１０年８月２３〜２８日にｔｈｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｆｏｕｒｔｈ ＩＩＦ−ＩＩＲ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ａｔ Ｒｏｏｍ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， Ｂａｏｔｏｕ， Ｃｈｉｎａから出版された「Ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ ｒｏｔａｒｙ ｍａｇｎｅｔ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｌａｙｅｒｅｄ ｂｅｄｓ」（以下「Ｒｕｓｓｅｋら」と言う）に報告されたように、ＡＭＲ冷却力は１４ケルビン（Ｋ）で毎分８リットル（ＬＰＭ）の流体流速で３８０ワットであった。方程式１より同じ範囲および流速におけるＵＤＦの熱伝導率は７８００ワットである。

【0027】

冷蔵の多くの実際の適用では、ＨＨＥＸからＣＨＥＸに熱を伝達する代わりに、ＣＨＥＸからＨＨＥＸへの熱の伝達を一部の時間中断することが有益である可能性がある。例えば食品貯蔵冷蔵庫内のＣＨＥＸは、通常水の氷点である０℃未満で作動してもよく、この場合霜はＣＨＥＸ上に堆積し、最終的にその作動を妨げる。この問題に対する１つの解決策は、堆積した霜を溶かすためにＣＨＥＸが０℃を超えて加熱される間、デフロストサイクルを実行することである。家庭用冷蔵庫のための従来のデフロストサイクルは、冷蔵サイクルの作動を中断し、ＣＨＥＸを電気的に加熱する。この手法の不利益は、Ｘジュールのエネルギーを使用して堆積した氷を溶かす場合、少なくともＸジュールの電気エネルギーを供給しなければならないことである。より効率的な代替手段は、消費される電力が流体をポンプ供給するために使用されるはずであるので、ＵＤＦモードを使用してＨＨＥＸからＣＨＥＸに熱を伝達することである。前の段落で論じたＲｕｓｓｅｋらの例の場合、８ＬＰＭでの流体路内の圧力降下は３８０キロパスカル（ｋＰａ）であり、流れを駆動させるために消費される電力は、ポンプ効率を４０％とすると１３０ワットであった。ＣＨＥＸに供給された熱が７８００ワットの上述のＵＤＦ熱伝導率は、流れを駆動させるために使用されるワーク投入より６０倍大きい。

【0028】

一部の冷蔵庫では、ファンは、正常な冷蔵サイクル中にＣＨＥＸから冷蔵された室に熱を伝達する支援をするために、ＣＨＥＸの上に空気を吹き込む。換言すると、ＣＨＥＸがその環境から熱を冷却または吸収するとき、プロセスをより効率的にまたは均一にさせるためにファンを使用してもよい。このような場合、ＵＤＦデフロストサイクル中にファンの作動は、デフロストモード中に冷蔵された室に伝達される熱量を最小にするために中断されてもよい一方で、依然としてＣＨＥＸの上に堆積した氷を溶かすためにＣＨＥＸ自体に伝達する熱は多いという利点を活かす。

【0029】

デフロストモードの時期は、複数の方法を使用して制御されてもよい。従来の冷蔵庫は、冷蔵された空間温度を維持するために１日に複数回スイッチをオンオフさせることが多い。冷蔵庫がオンされる時間の比率は、冷蔵庫のデューティサイクルと呼ばれる。デフロストモードを制御する１つの方法は、デューティサイクル時間の固定比率に対して冷蔵庫をデフロストモードに周期的に切り替えることであるはずであり、これはタイミング機構で達成されてもよい。例えばデフロストモードは１日に１回実行されてもよく、デフロストのための時間の固定比率はその日の磁気冷蔵システムの総作動時間の３〜１０％であることが可能である。別の手法は、図６の配置を使用して、測定された温度を使用してＡＭＲとデフロストモードとの間を切り替えることであろう。ＣＨＥＸ６から出るＨＴＦの温度Ｔ_ciおよびＣＨＥＸ６の周囲の冷蔵された空間の温度Ｔ_rは、監視されるはずである。Ｔ_r−Ｔ_ciの差が第１の閾値に達すると、冷蔵された空間からＣＨＥＸ６に入る熱を遮断する過度の氷の存在を示し、デフロストモードはオンされる。温度Ｔ_ciが水の氷点を超える第２の閾値に達すると、ほとんどの氷がＣＨＥＸ６から溶けたことを示し、デフロストモードはオフされる。第１の閾値は７℃であってもよく、第２の閾値は３℃であってもよい。

【0030】

ＵＤＦモードが有益であり得る別の例は、屋外の温度に大きいばらつきがある際に冷却している建物内である。建物は電気機器などの大きい内部発熱源を有することがあり、したがって常に屋外に熱を運ぶ必要がある。屋外の温度が所望の内部の建物の温度（設定点）より高いとき、ＡＭＲ冷却を使用して建物の内部の１つまたは複数のＨＥＸから流体流れを介して建物の外部の１つまたは複数のＨＥＸに熱を運ぶことができる。しかし屋外の温度が設定点より実質的に下がると（これは夜または冬期に起こる可能性がある）、ＡＭＲサイクルを使用しなくてもよい。ＵＤＦモードは、内部のＨＥＸから流体流れにより外部のＨＥＸに熱を運ぶために、ワーク投入を大幅に低減する望ましい方法である。ＡＭＲサイクルに対して伝熱流体内に相変化は起こらないので、同じ熱交換器および流体ループを正常な冷却およびＵＤＦモードのどちらにも使用してもよい。正常な冷却モードに起こる相変化は、屋外の温度が低いときに適切な温度では起こらないことがあるので、従来の蒸気サイクルシステムに、補助流体ループおよび単相の熱交換器が必要とされることがある。

【0031】

上述のようなＵＤＦモードは、ＡＭＲベッド自体を通りＣＨＥＸおよびＨＨＥＸを通る一方向流れに関与する。同様の伝熱で機能するはずである代替手段は、ＣＨＥＸをＨＨＥＸに連結し、ベッドを迂回する一方向流れを使用することであろう。図７ａおよび７ｂに示されたようなＡＭＲベッドを迂回する直接連結は、多孔性ベッドを通る流れから降下する圧力はないはずであるので、必要とされる流れワークは低減するはずである。場合によっては、ＡＭＲベッドを迂回するための配置は、流れ回路がより複雑であるという不利益を有する可能性がある。例えばベッド４および８を通るＵＤＦ流れを使用する構成のための図６における弁３、５、７および１０は二方弁であるが、ベッド４および８を迂回する流れを使用する構成に対する図７における弁４０、４５、５０および５５は、より複雑な三方弁である。

【0032】

図７ａおよび７ｂでは、バイパスを備えたＵＤＦモードおよびＡＭＲモードが例示的実施形態に示されている。図７ａおよび７ｂにおける構成要素は、弁を除いて図５ａおよび５ｂにおけるＡＭＲサイクルの例示的実施形態に使用された構成要素と同じである。図７ａおよび７ｂに示されたそれぞれの弁は、図５ａおよび５ｂに示された弁に対する２つの可能な流れ設定の代わりに、３つの可能な流れ設定を有する。別の実施形態では、ここには示されていないが、図７ａおよび７ｂの同様の態様を達成するためにそれぞれの弁が３つの可能な流れ設定をもつ代わりに、それぞれが２つの可能な流れ設定をもつ１組の複数の弁を使用してもよい。図７ａには、バイパス配置内に弁を備えるＵＤＦモードが示されている。ポンプ１からの伝熱流体（ＨＴＦ）は、高温側熱交換器ＨＨＥＸ２を通って流れ高温吸入弁４０に入り、バイパス管３５を通って低温排出弁４５に向けられる。ＨＴＦは、ＣＨＥＸ６を通って低温吸入弁５０に流れ、そこでＨＴＦはバイパス管１２を通って高温排出弁５５に向けられポンプ１に向けられる。ＨＴＦは、ＵＤＦバイパスモード中にＭＣＭベッド４および８を通って流れない。磁石９は固定位置に残されてもよく、またはＭＣＭベッド４と８の間を往復運動することができる。ＡＭＲ作動がＵＤＦモードの代わりに所望される際は、図７ｂおよび７ｃでは、バイパス管３５および１２へのＨＴＦの流れが遮断されるように、弁４０、４５、５０、および５５は切り替わり、流れは代わりに図５ａおよび５ｂに示された手法と同じ手法で向けられる。図７ｂおよび７ｃに示されたＡＭＲモードでは、磁石９をＭＣＭベッド４と８との間で往復運動させる。１つの磁石位置が図７ｂおよび７ｃのそれぞれに示されており、そこで磁石は（図７ｂにおけるように）位置３０または（図７ｃにおけるように）位置１１のいずれかを占拠する。

【0033】

ＡＭＲサイクル中に使用される変動磁場は、ＵＤＦモード中には使用されない。したがってこれは時間変動磁場を中断する役に立つことがある。磁場が永久磁石に由来する場合は、時間変動磁場の中断は、磁石とベッドとの間の相対運動を中断することによって行われてもよい。磁場が電磁石に由来する場合は、時間変動磁場の中断は、磁石とベッドとの間の相対運動を中断することによって、または電磁石の励起を中断することによって行われてもよい。ＡＭＲサイクルに対する変動磁場は、磁石と磁気熱量ベッドとの間の相対運動によって生成されてもよい。高温から低温へのＵＤＦの影響を受けたベッドはほとんど高温であることがあり、したがってかなり低い透磁率であり、低温から高温へのＵＤＦの影響を受けたベッドはほとんど低温であり、したがって比較的高い透磁率であることがあるので、大きい温度範囲が存在するときに磁石とベッドとの間の相対運動は、変動磁力に対して動くものであり、変動磁力はエネルギー投入を必要とすることがある。したがって磁石とベッドとの間の相対運動を中断することが有利であることがある。図２、３および４に示された実施形態などのベッドホイールまたは磁石が回転する磁気冷蔵庫については、流れの逆転は磁石とベッドとの間の相対運動を生成する回転に結合された回転弁で行われることが可能である。これらの場合にポンプが個別の駆動機構を有する場合、ＡＭＲモードからＵＤＦモードへの変更はホイールまたは磁石の回転を止めることによって達成されてもよく、ホイールまたは磁石の回転は磁場の変化および流れの逆転の両方を止める。ＵＤＦの高められた伝熱が達成される必要がある場合、流体流れは一方向だが維持される。

【0034】

またＵＤＦモードは複数の段階の冷却適用に有益であることがある。一例は冷凍冷蔵組合せ装置であり、冷凍冷蔵組合せ装置は、０℃をわずかに超えて維持される生鮮食品のための１つの冷蔵室、および０℃未満に維持される冷凍食品のためのもう１つの冷凍室を有する。この電化製品の正常な冷却作動は、冷凍室を直接冷却し、冷凍室から冷気を選択的に導くことにより冷蔵室の温度を維持する、単一段階のＡＭＲを使用して獲得できる。このような１段階の装置は、上述のＵＤＦモードを使用してＣＨＥＸをデフロストできる。しかし図８ａおよび８ｂの例示的実施形態に示されたように、２つのＡＭＲ流体回路、ＡＭＲ回路１２０およびＡＭＲ回路１８５、低温側熱交換器（ＣＨＥＸ）９５、低温側熱交換器（ＣＨＥＸ）１５５、高温側熱交換器（ＨＨＥＸ）６５、流体−流体段間熱交換器（ＨＥＸ）９０、ポンプ６０、およびポンプ１３０の使用により、ＡＭＲ回路１２０の冷蔵部上のほぼ純水の混合物の使用が可能になり、粘性不凍混合物がＡＭＲ回路１８５の約０℃の冷凍ループに使用されてポンプワークを低減するはずである。例えば冷蔵部１２０は、０℃で約２．５ｘ１０^-3ｋｇ／（ｍ−ｓ）の粘度を有する１０％のエチレングリコールの溶液を水中に使用することができ、冷凍部１８５は、０℃で約５．３ｘ１０^-3ｋｇ／（ｍ−ｓ）の粘度を有する４０％のエチレングリコールの溶液を水中に使用することができる。冷凍回路は気体−流体ＣＨＥＸ１５５を約−２０℃で低温側に、また流体−流体段間ＨＥＸ９０を０℃よりわずかに高い暖端に有することができる。生鮮食品のＡＭＲ回路１２０は、生鮮食品室を冷却するために気体−流体ＣＨＥＸ９５を約０℃でＡＭＲ回路１２０の低温排出に有することができ、また冷凍庫のＡＭＲ回路１８５から熱を捕捉するために流体−流体ＨＥＸ９０に連結することができる。生鮮食品のＡＭＲ回路１２０は、ＨＨＥＸ６５を介して電化製品の外側の周囲空気に熱を排出する。ＡＭＲサイクルの作動中、磁石１１５は生鮮食品のＡＭＲ回路１２０の多孔性ＭＣＭベッド１０５（位置１１０の隣）と７５（位置８０の隣）との間を循環し、磁石１７５は冷凍ループのＡＭＲ回路１８５（図８ａおよび８ｂに明示されたように）の多孔性ＭＣＭベッド１６５（位置１７０の隣）と１４０（位置１５０の隣）との間を循環する。またＡＭＲサイクルの作動中、弁１２５、７０、８５、１００、１３５、１８０、１４５、および１６０は、図８ａおよび８ｂに示された流れを生成するために周期的に切り替わる。

【0035】

図８ａおよび８ｂに示された例示的実施形態は、異なるＵＤＦモードにも使用することができる。ＵＤＦモードを使用する図８ａおよび８ｂにおけるシステムの一例は図９に明示されている。冷凍庫のＡＭＲ回路１８５のためのデフロストサイクル中、生鮮食品の段階のＡＭＲ回路１２０は、ＭＣＭベッド７５および１０５内の流体流れの方向の逆転を生成するために、弁７０、８５、１００および１２５を周期的に切り替えて正常に実行し続けることができ、ＭＣＭベッド１０５の隣の位置１１０とＭＣＭベッド７５の隣の位置８０との間を磁石１１５が引き続き移動することができる。弁１３５、１４５、１６０および１８０の切替えは中断され、冷凍庫のＡＭＲ回路１８５内の流体流れをＵＤＦモードに変更し、冷凍庫のＡＭＲサイクルを短絡するので、熱は生鮮食品流体ループのＡＭＲ回路１２０に連結された流体−流体段間ＨＥＸ９０から冷凍庫のＣＨＥＸ１５５に移動されて、生鮮食品ループのＡＭＲ回路１２０からの熱に加えて冷凍庫の段階のポンプ１３０からの流れワークを使用して霜を溶かす。ＭＣＭベッド１０５を磁化した生鮮食品ループのＡＭＲの低温側に戻る流体の温度は、ＭＣＭベッド７５を消磁化した生鮮食品の低温側から出る流体よりわずかに低いので、生鮮食品の段階のＡＭＲ回路１２０へのワーク投入はＡＭＲ回路１８５のデフロストモード中は非常に小さくなる。

【0036】

より大きい加熱率が冷凍庫のＣＨＥＸ１５５または生鮮食品のＣＨＥＸ９５をデフロストするために所望される場合は、生鮮食品のＡＭＲ回路１２０もＵＤＦモードに設置されることが可能である。ＡＭＲ回路１８５およびＡＭＲ回路１２０の両方がＵＤＦモードにあることを明示する実施形態は、図１０に示されている。ＵＤＦモードを使用する総合的利点は、従来の電熱デフロストのために使用される電力消費より、デフロスト中にはるかに低い電力消費であることであるはずである。

【0037】

流体流れを止めることによるＡＭＲ作動の中断は、ＨＨＥＸからＣＨＥＸに熱を伝達するのに充分であることがある。この場合、ＨＨＥＸとＣＨＥＸとの間で熱を伝達するために静電誘導が利用可能になる。しかし磁気熱量材料の多孔性ベッドを通して熱を伝達するこの静電誘導は、非常に小さいことがある。したがって熱交換器間の大量の熱を交換するために、流動流れを利用してもよい。この一実施形態はＵＤＦを利用する。

【0038】

ＡＭＲの磁場の周期的循環が例えばホイールまたは磁石の運動を停止することによって停止されるが、ベッド内の流体流れは周期的に逆転されて継続される場合、ＣＨＥＸからＨＨＥＸへの伝熱の冷蔵効果は終了し、その代わりに熱はＨＨＥＸからＣＨＥＸに流れる。逆転は充分に多いので、半周期中に各ベッドを通って流れる流体の熱容量が、ベッド充填材料の熱容量より小さくなり、流れは充分に遅いので流体とベッド充填材料との間で効率的な伝熱が可能であり、流体およびベッド充填材料はＡＭＲの作動下で通常の条件である場合は、ベッドは従来の熱再生器として作用し（Ｆｒａｎｋ Ｗ． ＳｃｈｍｉｄｔおよびＡ． Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｌｍｏｔｔ、「Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ」、ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ Ｉｎｃ．、（１９８１））（その全体が参照により本明細書に組み込まれる）、交互に熱の貯蔵と放出をする。やはりこれらの条件下でＡＭＲの高温側から低温側に伝達される熱の量は比較的小さくなる。したがって大量の熱を伝達するために、流れが利用されるだけでなく、正常なＡＭＲ作動の逆流も中断される。この一方向の流れモードの作動により、ＡＭＲ磁気冷蔵庫の正常なＨＨＥＸであるものから正常なＣＨＥＸであるものに大量の熱の伝達が可能になる。

【0039】

ＨＨＥＸから磁化されたベッド（複数可）を通ってＣＨＥＸへの流れ、およびＣＨＥＸから消磁化されたベッド（複数可）を通ってＨＨＥＸへの流れに、逆転して磁気冷蔵庫を稼動することにより、ＣＨＥＸを効率的にデフロストすることもできる。しかしＡＭＲ冷蔵庫に適用される際は、熱伝導率は冷蔵庫の冷却力とほぼ同じであるはずであり、これはＵＤＦモードを介して伝達できる冷却力よりはるかに小さい。これは逆転して磁気冷蔵庫を稼動することにより往復する流れおよび再生を維持するためであるので、ＣＨＥＸに加えられる加熱は以下の通りである。

【数2】

一方、ＵＤＦモードを介して加えられる熱は以下の通りである。

【数3】

通常のＡＭＲ磁気冷蔵庫は以下の通りである。

【数4】

上式で、Ｄｅｌｔａ−Ｔ_adは磁場が加えられたときの磁気熱量材料の温度変化の絶対値であり、ｍ_dotは流体質量流量であり、Ｃ_fは流体熱容量、Ｔ_cはＣＨＥＸの温度であり、Ｔ_hはＨＨＥＸの温度であり、Ｑ_revは冷蔵庫が逆転して稼動しているときに伝達される熱であり、Ｑ_udfはＵＤＦモード中に伝達される熱である。

【0040】

例示的実施形態では、前述の実施形態およびモードのすべては制御装置の使用を通して達成され得る。このような制御装置は、弁をオンオフし、冷蔵システムの構造および較正に基づいて時系列で磁石またはＭＣＭベッドを動かすように構築された電子機械装置であってもよい。制御装置の別の変形形態は、電子装置を含んでもよく、これは集積回路および／または様々な電気的に制御された弁、ポンプ、モータ、および磁石を制御するコンピューティングデバイスを含んでもよい。コンピュータ可読命令を使用して、コンピューティングデバイスは、本明細書に論じられた様々な実施形態の機能を実行するために冷蔵装置の構成要素に制御信号を提供してもよい。このような制御装置は、弁をオンオフするために電気信号を送信し、様々なポンプ、モータ、および磁石をオンし、様々なポンプ、モータ、および磁石をオフし、または様々なポンプ、モータもしくは磁石の速度もしくは設定を調節してもよい。

【0041】

例示的実施形態では、本明細書に説明されたあらゆるオペレーションは、コンピュータ可読媒体またはメモリ上に記憶されたコンピュータ可読命令の少なくとも一部として実装されることが可能である。コンピュータ可読命令を制御装置によって実行させると、コンピュータ可読命令によりコンピューティングデバイスがオペレーションを実行させることができる。

【0042】

例示的実施形態の上記の説明は、例示および説明の目的のため提示されている。上記の記載は、網羅的であること、または開示されたそのままの形式に限定することが意図されてはおらず、修正形態および変形形態は、上記の教示を考慮して可能であるか、または開示された実施形態の実施から得られてもよい。本発明の範囲は、本明細書に添付された特許請求の範囲およびそれらの等価物によって定義されることが意図される。

【図3】

【図1a】

【図1b】

【図1c】

【図1d】

【図2】

【図4】

【図5a】

【図5b】

【図6】

【図7a】

【図7b】

【図7c】

【図8a】

【図8b】

【図9】

【図10】