成果報告書詳細
管理番号20090000000271
タイトル平成20年度成果報告書 エネルギー使用合理化技術戦略的開発/エネルギー有効利用基盤技術先導研究開発(事前調査)/超高効率磁気冷凍技術の研究開発
公開日2009/9/16
報告書年度2008 - 2008
委託先名中部電力株式会社
プロジェクト番号P03033
部署名省エネルギー技術開発部 研究開発グループ
和文要約冷凍空調システムの省エネルギーを図るため、ノンフロンで高効率な磁気冷凍技術を研究開発することを目指し、平成20年度は磁気冷凍技術の優位性や位置付けを明らかにするとともに、COP:10を超える極めて高効率なシステムの実現可能性を検証することを目的に以下の成果を得た。(1)冷凍技術動向ならびに市場調査冷凍技術について研究開発の動向を調査し、磁気冷凍技術の位置づけを明確にするとともに、磁気冷凍システムが適用可能な市場に対して、市場規模や要求される仕様についてメーカへの訪問等による分析調査を実施した。その結果、磁気冷凍は次世代冷凍機として大きな魅力があり、欧米において積極的な研究開発が本格的に始まっていることが分かった。また、磁気冷凍技術は温度差が比較的小さく、従来型の冷凍機(ヒートポンプ)が不得意とする領域への適用が有望であり、数種類の磁気作業物質をカスケード接続することで広い温度に対して動作可能なシステムの実現により、一層の市場拡大が期待されることも分かった。(2)新規磁気作業物質調査 遷移金属主体の磁性体に着目し、大きな磁気熱量効果を示すMnAs1-xSbx、La(Fe-Si)13系化合物やFe2P型構造を有するMn化合物などの新磁気冷凍材料の調査、新材料の探索を行った。MnAs1-xSbxでは組成をうまくコントロールしてハイブリッド化することによりGdの冷凍能力の1.7倍が達成されることが分かった。また、La(Fe1-xSix)13化合物で室温で巨大磁気熱量効果を得るためには、格子定数だけでなく微妙な電子状態の変化が必要であることが判明し、このためには種々の元素置換が必要であることを再認識した。Mn系に関して、5Ge0.5化合物がFe2P型構造をとることを新たに見出し、PをGeで50%置換した物質は室温以上にTCをもつ強磁性体であることを明らかにした。加えて、磁気冷凍システムに組み込む材料として、最適動作温度の違う複数の性能の高い材料を組み合わせる設計指針を確立した。(3)超高効率磁気冷凍システム実現性検討調査 室温磁気冷凍システムの性能を予測するために、熱流動性特性に関する数値解析コードを開発した。本解析コードを使った計算から、磁場を1.4Tに増加して、熱交換率を40%向上させるとともに熱交換ダクトを円周方向に均一に配列して磁石回転トルクを5Nmまで低減すると、数100W級の磁気冷凍機のCOPは3(@温度差16℃:23℃-7℃)になると見積もられた。この結果から、10kW級にスケールアップすることで、ポンプ効率が飛躍的に向上(約10%→約40%)することを考慮し、COP:6の10kW級冷凍システムの基礎設計を完了した。さらに、すでに実験室レベルでは開発されているGd合金の2.5倍の磁気熱効果を有する磁性材料を適用すれば、COPは12を超えることが予測され、COP:10を超える磁気冷凍システムの実現可能性を確認した。更なる高効率化のためには、熱交換器の構造の最適化を図る必要があり、壁面バイパス流の影響や磁気作業物質を箔積層構造とした場合の圧力損失及び熱交換性能を検討し、高効率な磁気冷凍システム開発の今後の方向性を確認した。
英文要約Title:Development of Room Temperature Magnetic Refrigerator(FY2008) Final Report Refrigeration Technology Trends and Marketing Research: We studied the research and development trends related to refrigeration technology in order to determine the relevance of magnetic refrigeration technology. We also conducted analytical research by visiting different manufacturers to determine the market size and required specifications for the applicable scope of magnetic refrigeration systems. Results indicated that magnetic refrigeration has potential as a next-generation refrigeration technology. We also found that active research is already underway in the Europe and the United States. Study of New Magnetic Working Materials: We focused on magnetic bodies that consist mainly of transition metals, and researched new magnetic refrigeration materials such as MnAs1-xSbx and La (Fe-Si)13 chemical compounds and Mn chemical compounds. It was found that when the composition of MnAs1-xSbx is hybrid, it has a refrigeration capacity 1.7 times higher than that of Gd. It was also found that in addition to the grid constant, the slight changes in the electron state are necessary in order to achieve a large magnetocaloric effect by using the chemical compound La (Fe1-xSix) 13 at room temperature. Recently, it was discovered that the chemical compound MnRuP0.5Ge0.5 has a Fe2P type structure, and that when 50% of the P in the material is substituted with Ge, the material becomes a ferromagnetic material with a higher TC than at room temperature. We also established design guidelines for materials used in magnetic refrigeration systems by combining multiple high-performance materials with different operation temperatures. Feasibility Study for Ultra-High-Efficiency Magnetic Refrigeration Systems: We developed a numerical analysis code related to thermal flow characteristics in order to estimate magnetic refrigeration system performance at room temperature. When the magnetic field increases to 1.4T, the heat exchanger effectiveness is improved to 40%, and when magnetic rotary torque is reduced to 15Nm after the heat exchange duct is installed circumferentially, it is estimated that the COP for sub-1000W magnetic refrigerators is 3 (at a temperature difference of 16oC: 23oC to 7oC). Based on this, it is believed that when a magnetic refrigerator is scaled up to the 10kW class, pump efficiency will greatly improve (from about 10% to about 40%). Therefore, we completed a fundamental design for a 10kW class refrigeration system with a COP of 6. In addition, it is believed that COP can be increased to over 12 by using a magnetic material with a magnetothermal effect that is 2.5-times higher than Gd alloys, which have already been developed in laboratories. In order to improve efficiency, it is necessary to optimize the configuration of the heat exchanger. Therefore, we studied the impact of wall bypass flow, pressure loss, and heat exchanger performance when using a magnetic working material with a foil laminated structure.
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