磁気熱量効果を適用した自己熱再生型熱循環システムの研究

本研究では圧縮機に替わり、磁性体を磁場変化に晒した時に得られるエントロピー変化を利用して可逆的な温度変化が得られる磁気熱量効果を用いた自己熱再生型熱循環システムの開発を目的としている。本年度の研究では磁気熱量材料の充填層を用いたAMR（Active Magnetic Regenerative）ヒートサーキュレーター実験装置の作成をし、その装置における熱伝達速度及び圧力損失の測定を行い、そのデータを元に数値モデルを構築した。実験装置により、室温である293 [K]付近にて最大約6.5 [K]の温度の範囲内で循環した熱量の約1.8[%]程度で熱循環を行うことに成功した。また、装置を利用し数値モデル作成に必要な温度及び圧力変化のデータの収集を行った。測定により得られたデータを基にAMRヒートサーキュレーター内のエネルギーバランスから数値モデルの構築を行った。数値モデルを用いた解析により、非常に小さな仕事の入力（循環する熱量の数%）によってプロセス流体の全ての熱を循環することができることを確認したものの、AMRヒートサーキュレーターの層内の温度の上下に使用される熱の循環を行うため、当初温度-エントロピー線図を利用した理論計算により期待されたエネルギー消費量よりも多くのエネルギーを必要とすることがわかった。数値モデルにより流速や層の大きさなどのパラメーターがエネルギー消費量及び熱循環することのできる温度範囲へ与える影響が明らかにされた。また、熱交換に必要な最小熱交換温度差が決定された際の最小エネルギー消費量と比較して2倍程度のエネルギー消費量でプロセス流体の熱を循環することができるがわかった。室温付近のガドリニウムでは励磁／消磁に伴う不可逆性が非常に小さいため、自己熱再生型プロセスに応用した際に断熱効率が低い小さな圧縮機を用いるよりも省エネルギー性が高くなる可能性を示した。

本研究では圧縮機に替わり、磁性体を磁場変化に晒した時に得られるエントロピー変化を利用して可逆的な温度変化が得られる磁気熱量効果を用いた自己熱再生型熱循環システムの開発を目的としている。本年度の研究では磁気熱量材料の充填層を用いたAMR（Active Magnetic Regenerative）ヒートサーキュレーター実験装置の作成をし、その装置における熱伝達速度及び圧力損失の測定を行い、そのデータを元に数値モデルを構築した。実験装置により、室温である293 [K]付近にて最大約6.5 [K]の温度の範囲内で循環した熱量の約1.8[%]程度で熱循環を行うことに成功した。また、装置を利用し数値モデル作成に必要な温度及び圧力変化のデータの収集を行った。測定により得られたデータを基にAMRヒートサーキュレーター内のエネルギーバランスから数値モデルの構築を行った。数値モデルを用いた解析により、非常に小さな仕事の入力（循環する熱量の数%）によってプロセス流体の全ての熱を循環することができることを確認したものの、AMRヒートサーキュレーターの層内の温度の上下に使用される熱の循環を行うため、当初温度-エントロピー線図を利用した理論計算により期待されたエネルギー消費量よりも多くのエネルギーを必要とすることがわかった。数値モデルにより流速や層の大きさなどのパラメーターがエネルギー消費量及び熱循環することのできる温度範囲へ与える影響が明らかにされた。また、熱交換に必要な最小熱交換温度差が決定された際の最小エネルギー消費量と比較して2倍程度のエネルギー消費量でプロセス流体の熱を循環することができるがわかった。室温付近のガドリニウムでは励磁／消磁に伴う不可逆性が非常に小さいため、自己熱再生型プロセスに応用した際に断熱効率が低い小さな圧縮機を用いるよりも省エネルギー性が高くなる可能性を示した。