成果報告書詳細
管理番号20140000000577
タイトル平成23年度-平成25年度成果報告書 磁気ヒートポンプ技術の研究開発
公開日2015/5/27
報告書年度2011 - 2013
委託先名中部電力株式会社 公益財団法人鉄道総合技術研究所 株式会社三徳 サンデン株式会社
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約 本研究開発は、磁気熱量効果を用いたヒートポンプ技術の実用化に向けた開発に取り組むもので、業務用冷凍空調設備などの消費エネルギーの大幅削減に貢献するものである。磁気作業物質熱交換部の伝熱促進および圧力損失低減技術の開発では、平板積層型の熱交換部を構築し、冷凍特性および圧力損失挙動に関して検討し、圧力損失は平板積層構造熱交換部に比べ粒子充填層構造が2-3桁高くなることが明らかとなった。磁気回路の形状・配置最適化の開発では、ハルバッハ配列永久磁石を設計・製作し、磁極表面で目標とする1.5Tの発生磁場を達成した。磁気ヒートポンプ被冷却用熱交換器の研究開発では、被冷却部に熱交換器を設置しその伝熱性能評価を行った。もっとも伝熱性能が良かったマイクロチャンネル熱交換器の伝熱性能を10%促進できた。磁気熱量効果伝熱シミュレーション技術の開発では、熱交換器内部の三次元流れ構造と伝熱についてシミュレーションできる数値流体力学モデルを構築し、熱交換器内部の流速分布、温度分布などを明らかにすることができ、ダクト形状と磁気作業物質の充填構造などが伝熱効率や流動損失に及ぼす影響を明らかにした。また、一次元熱流体解析モデルを構築し、温度スパンの拡大にはキュリー点の異なる磁気作業物質を適切にカスケード配列することが有効であることを確認した。磁気作業物質については、MnFe系材料とLaFe系材料を水素熱処理する材料を対象に開発した。MnFe系材料については(MnFe)2(PSi)化合物に着目し、熱ヒステリシスの幅が格子定数と相関していることが明らかにした。Ru置換は格子定数を増大するため熱ヒステリシスを低減するのに都合がよく、Ru置換物質の冷凍性能はGdの1.6-1.9倍であることを明らかにした。水素熱処理LaFe系材料については、ストリップキャスティング法で作製されたLa(Fe1-xSix)13(x=0.10, 0.12)を評価し、合金組成ならびに水素化処理温度の適正化を行なうことにより、室温で高い磁気特性を有するLaFe系磁気作業物質を製造できることが確認された。磁気作業物質の任意形状加工技術の開発では、粉末粒子径やバインダー混合比などの適正化により、板厚が約0.5mmのLa(Fe0.84Co0.06Si0.10)13と水素化La(Fe0.88Si0.12)13の平面薄板を製造した。磁気作業物質の耐久性評価については、冷媒に防錆剤を添加することで耐久性が確保できる見通しを得た。数kW級磁気ヒートポンプの試作・性能評価では、複数の磁気作業物質をカスケード接続することで、最大冷凍能力数kW級、温度差16℃以上における性能効率がCOP:6以上を目指した磁気ヒートポンプの設計・製作を行った。U磁極表面で1.5 Tの磁束密度を有するハルバッハ配列永久磁石を磁気ヒートポンプに組み込み、磁気作業物質としてGd系合金を充填した磁気ヒートポンプシステムの最大冷凍能力、最大温度差はそれぞれ1.4 kW、21 Kを得ることができた。最大温度差については、磁気作業物質を数種類組み合わせ磁気作業物質との熱交換を磁石回転軸方向としたシステムにおいて、最大27 Kを確認している。加えて、磁気ヒートポンプシステムに充填する磁気作業物質を、粒子形状から平板形状に変更した際の特性を評価するため、Gd、LaFe系の平板試験片を作成し、要素試験装置に組み込み、圧力損失低減効果を評価した。磁気ヒートポンプの実用化検討では、実用化に向けて考えられる全ての課題の洗い出しと検討を行った。
英文要約Title: Energy Conservation Innovation Technology Development Project / Lead Study (Integrated Type Preliminary Study) / Magnetic Heat Pumps Technology Research and Development (FY2011- FY2013) Final Report
This project is associated with largely decreasing consumption energy in systems such as industrial refrigeration. In the developments of heat-transfer enhancement and pressure loss reduction technology for the heat exchange parts of magnetocaloric material (MCM), the flat laminate type AMR (Active Magnetic Regenerator) heat exchange parts were designed and the cooling characteristics and pressure loss were evaluated. The tests have revealed that the pressure loss of particle-packed bed type is two or three orders of magnitude higher than that of the flat-laminate type AMRs. To optimize the shape and arrangement of magnetic circuits, a new Halbach array permanent magnet was designed for kW-class magnetic heat pumps (MHPs). It was achieved to generate a target magnetic field of 1.5 T on the surface of the magnetic pole. As for heat exchangers for cooling MHPs, the heat-transfer performance of the microchannel heat exchanger was increased by 10%. A numerical fluid dynamics model was proposed to simulate the three-dimensional flow structure and heat transfer in AMR heat exchangers. We have successfully simulated flow velocity distribution and temperature distribution. We also discussed the effects of duct shapes and the packing structures of MCM on heat transfer efficiency and flow loss. MnFe-based and LaFe-based materials were developed as candidate materials with high performance for MCM. We focus on (MnFe)2(PSi) compounds in MnFe-based materials. It has been found that and thermal hysteresis width strongly depends on lattice constants. The Ru substitution for Fe is a good approach for reducing thermal hysteresis. We obtained the cooling performance of the Ru substituted material is 1.6 to 1.9 times as large as that of Gd. As for the LaFe-based materials, the magnetic entropy change, ΔS was evaluated for La(Fe1-xSix)13. We developed arbitrary shape processing technology for MCM and successfully obtained flat thin plates of La(Fe0.84Co0.06Si0.12)13 with the size of about 0.5 mm in thickness and flat plates of hydrogenated La(Fe0.88Si0.12)13. An evaluation on the durability of MCM has shown that adding a rust-preventive agent to a refrigerant can improve durability of MCM drastically. A prototype MHP with a maximum cooling capacity in kW-class with COP of 6 or more in performance efficiency with a temperature difference of 16-C was designed and constructed by adopting multiple MCMs in a cascade. We obtained the maximum cooling capacity of 1.4 kW and maximum temperature difference of 21 K, when the Halbach array permanent magnet was installed in the MHP and Gd alloys were used as MCMs. In addition, flat-plate Gd and LaFe-based test specimens were prepared and embedded in an element testing device and the pressure loss reduction effects were observed. All issues for the practical application and commercialization of MHPs were specified and discussed.
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