JP2007147136A - 磁気冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】 動作の信頼性が高く、高速冷凍が可能で、かつコンパクトで取り扱い易い磁気冷凍機を提供する。
【解決手段】 筒状容器端部に磁場の増減に応じて温度を変化する磁気材料が設けられ、かつ冷媒を封入してなる熱サイフォン１ａ〜１ｅを直列に、かつ熱的に接続して配置した熱サイフォンユニット１００、このサイフォンユニットの一方端に設けられ被冷却物を冷却する冷却器３、熱サイフォンユニット１００の他方端に設けられ被冷却物の熱を放熱する放熱器４、熱サイフォンユニット１００に対向して配置可能に設けられ、熱サイフォン１ａ〜１ｅに対する磁場を増減させる円筒形の永久磁石２ａ、２ｂを具備。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気熱量効果を利用した磁気冷凍機に係り、特に室温磁気冷凍機に関するものである。

ある種の磁気材料は、磁化あるいは消磁の際に大きな温度変化を示すことが知られている。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。

従来、このような磁気熱量効果を利用した冷凍機として磁気冷凍機がある。この磁気冷凍機は、これまでのフロン等の気体を用いた気体冷凍機と比較すると、気体冷凍機では冷凍サイクルを冷媒の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が相違し、また、気体冷凍機では、冷媒がガスであるのに対し、磁気冷凍機では冷媒の代わりに固体である磁気材料を使うことが相違している。

磁気冷凍機は、磁気材料が固体であることにより、磁気材料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が挙げられる。

しかし、一方で、(１)磁気材料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磁気材料では超電導磁石による高磁場が必要になるなどの短所もある。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知られていた。

ところが、最近になって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、磁気材料を用いた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。

気体冷凍機の冷媒として用いられるフロンは、地球温暖化防止の観点から使用しない方向にあり、このため、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おり、その一つとして室温磁気冷凍機の実現が待望されている。

このような室温磁気冷凍機に用いられる磁気材料の原材料は、その使用温度領域に応じて選択されており、例えばガドリニウム(Ｇｄ)系材料が用いられている。Ｇｄは、１回の励磁と減磁で約１Ｋ／磁場１テスラの温度低下が得られる。したがって、Ｇｄに対する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とされている。しかし、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されていた。

しかしながら、現実には、冷蔵庫や空気調和機等、冷凍能力が約１ｋＷ以下の超電導磁石を用いないコンパクトな磁気冷凍機の実用化が期待され、さらに室温での使用を可能にするため磁気材料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開発が望まれている。

図７（ａ）（ｂ）は、従来の磁気冷凍機の一例を示す模式図である。同図に示す磁気冷凍機は、特許文献１に開示されるもので、磁気材料を充填した容器５１の周囲に磁場増減手段５２が配置され、磁場増減手段５２の外側に冷却器５３と放熱器５４が配置されている。容器５１には、切替え弁５７を介して冷却器５３及び放熱器５４が接続され、冷却器５３には、切替え弁５６を介してポンプ５５が接続され、また、ポンプ５５には、容器５１及び放熱器５４が接続されている。この場合、容器５１内部に充填される磁気材料は、磁場増減手段５２より磁場が印加された場合に発熱し、逆に消磁された場合に吸熱するようなものである。

このような構成において、まず、図７(ａ)に示すように、切替え弁５６を切替え、切替え弁５７により容器５１と放熱器５４の間の流路を開放して、放熱器側冷媒ループ５８を構成し、この状態で、磁場増減手段５２により、磁気材料を充填した容器５１に対し断熱状態で磁場を印加する。すると、磁気材料が発熱し、この熱はポンプ５５により駆動される冷媒により放熱器５４まで運ばれ大気中に放熱される。次に、図７(ｂ)に示すように、切替え弁５６を切替え、切替え弁５７により容器５１と冷却器５３と間の流路を開放して、冷却器側冷媒ループ５９を構成し、この状態で、磁場増減手段５２により断熱状態で消磁する。すると、磁気材料が吸熱することにより、ポンプ５５により駆動される冷媒により冷却器５３を冷却する。このようにして、図７(ａ)、(ｂ)の動作を交互に繰り返すことにより、磁気冷凍機として冷却器５３から放熱器５４に熱輸送が行われるようになる。
特開２００２-１０６９９９号公報

ところが、このような従来のものは、ポンプ５５による冷媒輸送や、切替え弁５６、５７による媒体流路の切替え動作などが行われ、ここには多くの駆動部品が用いられるため、大型で、装置製造のコストが高くなるとともに、動作の信頼性の低下を招くおそれがある。また、駆動部品が多いことから騒音振動の原因になり易いという問題があり、さらに、熱の輸送は冷媒の移動により行われるが、冷媒の移動はポンプ５５により行われるため、冷媒の流速には自ずと限界があり、所定の冷凍温度に達するまでに時間がかかるという問題もあった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、動作の信頼性が高く、高速冷凍が可能で、かつコンパクトで取り扱い易い磁気冷凍機を提供することを目的とする。

本発明に係る磁気冷凍機は、
磁場の増減に応じて温度を変化する磁気材料を有し、かつ冷媒を封入してなる熱サイフォンを複数個、直列に、かつ熱的に接続して配置した熱サイフォンユニットと、
前記熱サイフォンユニットの一方端に設けられ被冷却物を冷却する冷却手段と、
前記熱サイフォンユニットの他方端に設けられ前記被冷却物の熱を放熱する放熱手段と、
前記熱サイフォンユニットに対向して配置可能に設けられ、前記熱サイフォンに対する磁場を増減させる磁場増減手段とを具備したことを特徴とする。

本発明に係る磁気冷凍機は、
磁場の増減に応じて温度を変化する磁気材料を有し、かつ冷媒を封入してなる熱サイフォンを複数個、直列に、かつ熱的に接続して配置した熱サイフォンユニット、前記熱サイフォンユニットの一方端に設けられ被冷却物を冷却する冷却手段、前記熱サイフォンユニットの他方端に設けられ前記被冷却物の熱を放熱する放熱手段を有する複数の熱輸送デバイスと、
前記熱輸送デバイスに対する磁場を発生する磁場発生手段と、
前記磁場発生手段を回転可能に支持し、前記磁場発生手段を前記熱輸送デバイスに近接可能に移動させ、前記磁場発生手段の磁場を前記熱輸送デバイスに対し増減させる駆動手段と、を具備したことを特徴とする。

本発明によれば、動作の信頼性が高く、高速冷凍が可能で、かつコンパクトで取り扱い易い磁気冷凍機を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。

（第１の実施の形態）
図１（ａ）（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気冷凍機の概略構成を示している。図において、１ａ〜１ｅは、複数（図示例では５個）の熱サイフォンで、これら熱サイフォン１ａ〜１ｅは、鉛直方向に直列に、かつ熱的に接続され熱サイフォンユニット１００を構成している。この熱サイフォンユニット１００は、最下部に位置する熱サイフォン１ａの下端部に被冷却物を冷却する冷却手段として冷却器３が設けられ、また、最上部に位置する熱サイフォン１ｅの上端部に前記被冷却物の熱を放熱する放熱手段として放熱器４が設けられている。

各熱サイフォン１ａ〜１ｅは、筒状、ここでは両端部を閉塞した円筒状の容器１０１ａ〜１０１ｅを有している。これら容器１０１ａ〜１０１ｅには、磁場を遮断しない材質のものが好ましい。また、容器１０１ａ〜１０１ｅの内部には、水などの熱輸送用の冷媒（不図示）が封入されている。

最下部に位置する熱サイフォン１ａの容器１０１ａには、前記冷却器３が設けられる端部と反対側端部に磁気材料５ａが保持され、最上部に位置する熱サイフォン１ｅの容器１０１ｅにも、前記放熱器４が設けられる端部と反対側端部に磁気材料５ｅが保持されている。さらに、熱サイフォン１ａと１ｅの間に配置される各熱サイフォン１ｂ〜１ｄは、それぞれの容器１０１ｂ〜１ｄの両端部に磁気材料５ｂ１と５ｂ２、磁気材料５ｃ１と５ｃ２、磁気材料５ｄ１と５ｄ２が各別に保持されている。これら磁気材料５ａ、５ｂ１、５ｂ２、５ｃ１、５ｃ２、５ｄ１、５ｄ２、５ｅには、例えば直径約１ｍｍあるいは１ｍｍ以下の概ね球状の磁気材料により形成される内部に多数の空隙を有する多孔質体が用いられる。

各熱サイフォン１ａ〜１ｅの接続部の隣接する磁気材料、ここでは磁気材料５ａと５ｂ１、磁気材料５ｂ２と５ｃ１、磁気材料５ｃ２と５ｄ１、磁気材料５ｄ２と５ｅは、各熱サイフォン１ａ〜１ｅの端面を介して熱的に接続されている。これら磁気材料５ａ、５ｂ１、５ｂ２、５ｃ１、５ｃ２、５ｄ１、５ｄ２、５ｅは、同一成分の磁気材料が用いられている。ここで、磁気材料５ａと５ｂ１、磁気材料５ｂ２と５ｃ１、磁気材料５ｃ２と５ｄ１、磁気材料５ｄ２と５ｅがそれぞれ同一成分であっても良い。すなわち熱サイフォン１ａ〜１ｅの接続面においては，下方に配置された熱サイフォン内部の上端部と上方に配置された熱サイフォン内部の下端部に同一成分の磁気材料が配置されていてもよい。

これら磁気材料は、いずれも正の磁気熱量効果を有するもので、磁場が印加あるいは増加されると発熱し、磁場を取り去るあるいは減じると吸熱するような特性を有している。

なお、ここでの熱サイフォン１ｃ〜１ｄは、下方端部に位置される磁気材料５ｂ１、５ｃ１、５ｄ１を、冷媒を蒸発させる蒸発部に構成し、上方端部に位置される磁気材料５ｂ２、５ｃ２、５ｄ２を、冷媒蒸気を凝縮させる凝縮部に構成している。

熱サイフォン１ａ〜１ｅの周囲には、磁場増減手段として、２個の円筒形の永久磁石２ａ、２ｂが鉛直方向に所定距離離して配置されている。これら永久磁石２ａ、２ｂは、不図示の駆動手段により所定距離を保ったまま鉛直方向に移動可能にしたもので、このうち永久磁石２ａは、磁気材料５ａ、５ｂ１と磁気材料５ｂ２、５ｃ１に交互に対向するように移動し、永久磁石２ｂは、磁気材料５ｃ２、５ｄ１と磁気材料５ｄ２、５ｅに交互に対向するように移動してそれぞれ磁場を印加するようになっている。

次に、このように構成した実施の形態において、冷却器３から放熱器４に熱を輸送し、冷凍機として作用させる動作を説明する。

まず、図１(ａ)に示すように、永久磁石２ａを磁気材料５ｂ２及び５ｃ１に対向する位置に、永久磁石２ｂを磁気材料５ｄ２及び５ｅに対向する位置にそれぞれ移動させる。この状態で、永久磁石２ａより発生する磁場が磁気材料５ｂ２と５ｃ１に印加され、永久磁石２ｂより発生する磁場が磁気材料５ｄ２と５ｅに印加されると、磁気材料５ｂ２と５ｃ１、磁気材料５ｄ２と５ｅはともに発熱し、熱サイフォン１ｃ、１ｅがそれぞれ熱サイフォンとして動作する。この場合、熱サイフォン１ｃでは、磁気材料５ｂ２と５ｃ１の発熱により、熱サイフォン１ｃ内の不図示の冷媒が蒸発し、重力の作用により冷媒蒸気は熱サイフォン１ｃ内を上方に移動する。この際、磁気材料５ｂ２と５ｃ１で発熱した熱は蒸発潜熱として熱サイフォン１ｃ内を図示矢印Ａ１方向に輸送される。熱サイフォン１ｅについても同様で、磁気材料５ｄ２と５ｅの発熱により、熱サイフォン１ｅ内の不図示の冷媒が蒸発し、重力の作用により冷媒蒸気は熱サイフォン１ｅ内を上方に移動する。この場合も、磁気材料５ｄ２と５ｅで発熱した熱は蒸発潜熱として熱サイフォン１ｅ内を図示矢印Ａ２方向に輸送される。これにより、磁気材料５ｂ２と５ｃ１、磁気材料５ｄ２と５ｅでの発熱は、放熱器４まで達し、最終的に放熱器４から放熱される。

次に、図１(ｂ)に示すように、不図示の駆動手段により永久磁石２ａを磁気材料５ａ及び５ｂ１に対向する位置に、永久磁石２ｂを磁気材料５ｃ２及び５ｄ１に対向する位置にそれぞれ移動させる。この状態で、永久磁石２ａより発生する磁場が磁気材料５ａと５ｂ１に印加され、永久磁石２ｂより発生する磁場が磁気材料５ｃ２と５ｄ１に印加されると、これら磁気材料５ａと５ｂ１、磁気材料５ｃ２と５ｄ１はともに発熱する。一方、磁気材料５ｂ２と５ｃ１及び磁気材料５ｄ２と５ｅは、永久磁石２ａ、２ｂによる磁場が除去されたことにより吸熱する。これにより、今度は熱サイフォン１ｂおよび１ｄが熱サイフォンとして動作する。この場合、熱サイフォン１ｂでは、磁気材料５ａと５ｂ１の発熱により熱サイフォン１ｂ内の不図示の冷媒が蒸発し、重力の作用により冷媒蒸気は熱サイフォン１ｂ内を上方に移動する。この際、熱サイフォン１ｂ内の上部には、磁場を取り去られたことにより吸熱する磁気材料５ｂ２と５ｃ１があるため、冷媒蒸気は磁気材料５ｂ２、５ｃ１で凝縮する。この状態で、磁気材料５ａと５ｂ１で発熱した熱は蒸発潜熱として熱サイフォン１ｂ内を図示矢印Ｂ１方向に輸送される。熱サイフォン１ｄについても同様で、磁気材料５ｃ２と５ｄ１の発熱により、熱サイフォン１ｄ内の不図示の冷媒が蒸発し、重力の作用により冷媒蒸気は熱サイフォン１ｄ内を上方に移動する。この場合も熱サイフォン１ｄ内の上部には、磁場を取り去られたことにより吸熱する磁気材料５ｄ２と５ｅがあるため、冷媒蒸気は磁気材料５ｄ２と５ｅで凝縮し、また、磁気材料５ｃ２と５ｄ１で発熱した熱は蒸発潜熱として熱サイフォン１ｄ内を図示矢印Ｂ２方向に輸送される。

次に、再び図１（ａ）に示すように、不図示の駆動手段により永久磁石２ａを磁気材料５ｂ２と５ｃ１に対向する位置に、永久磁石２ｂを磁気材料５ｄ２と５ｅに対向する位置にそれぞれ移動させる。すると、前述したと同様に、熱サイフォン１ｃおよび１ｅが熱サイフォンとして動作し、図示矢印Ａ１、Ａ２方向に熱を輸送する。また、磁気材料５ａと５ｂ１及び磁気材料５ｃ２と５ｄ１は、永久磁石２ａ、２ｂによる磁場を取り去られたことにより吸熱し、冷媒蒸気を凝縮する。

以下、同様な動作を繰り返すことにより冷却器３から熱を吸収し、放熱器４に放熱する動作が連続して行われるようになり、全体として冷凍機として作用する。

したがって、このようにすれば、鉛直方向に直列に、かつ熱的に接続された熱サイフォン１ａ〜１ｅ周囲に、磁場増減手段として円筒形の永久磁石２ａ、２ｂを配置し、これら永久磁石２ａ、２ｂを鉛直方向に上下動させ、熱サイフォン１ｃと１ｅでの熱サイフォン動作と、熱サイフォン１ｂと１ｄでの熱サイフォン動作を交互に行なわせ、冷却器３から熱を吸収し、放熱器４に放熱する動作を連続して得られるようにしたので、従来のポンプや切替え弁などの多くの駆動部品を必要にしたものと比べ、駆動部を大幅に少なくでき、動作の信頼性を高くできる。また、駆動部分が少ないことから、騒音振動を抑えることができ、静かな運転を実現できる。さらに、磁気材料の磁気熱量効果による発熱、吸熱反応は瞬時に発生し、各熱サイフォン１ａ〜１ｅでは、理想的には音速での熱輸送が可能であるため、永久磁石２ａ、２ｂを高速で移動することにより、高速冷凍を実現することができる。さらに、駆動部を大幅に少なくできることから、装置全体をコンバクトに纏めることができ、取り扱いも簡単にできる。

（変形例１）
上述した第１の実施の形態では、磁場増減手段として永久磁石２ａ、２ｂを使用し、これら永久磁石２ａ、２ｂを上下方向に移動することにより磁場の増減を行っているが、永久磁石に限定されることなく、その他の方法として、例えば電磁石を使用し、電磁石への電力の供給を制御することで磁場の増減を行ってもよい。このような電磁石により磁場の増減を行えば、上述した永久磁石を用いる際の駆動手段を全く必要としないので、駆動時の騒音などを皆無にでき、静粛でより高速の磁場の増減が可能となり、さらなる高速冷凍が可能となる。

（変形例２）
上述した第１の実施の形態において、各熱サイフォン１ａ〜１ｅに用いられる磁気材料５ａ、５ｂ１、５ｂ２、５ｃ１、５ｃ２、５ｄ１、５ｄ２、５ｅは、内部に多数の空隙を形成した多孔質体のものについて述べたが、粒子状のものであってもよい。このような多孔質あるいは粒子状の磁気材料を使用すると、磁気材料内部にまで冷媒が入り込み、磁気材料が直接冷媒に接触するようになるので、冷媒の沸騰や凝縮の相変化過程において伝熱促進効果を期待でき、高い冷凍効率を得ることができる。

（変形例３）
上述した第１の実施の形態において、各熱サイフォン１ａ〜１ｅに用いられる磁気材料５ａ、５ｂ１、５ｂ２、５ｃ１、５ｃ２、５ｄ１、５ｄ２、５ｅは、すべて同一成分のものが用いているが、放熱器４から冷却器３に向かう方向に順に作動温度が低くなるように成分の異なるものを配置するようにしてもよい。つまり、磁気材料５ａ、５ｂ１の作動温度をＴａ、磁気材料５ｂ２、５ｃ１の作動温度をＴｂ、磁気材料５ｃ２、５ｄ１の作動温度をＴｃ、磁気材料５ｄ２、５ｅの作動温度をＴｄとしたとき、Ｔａ≦Ｔｂ≦Ｔｃ≦Ｔｄになるように、それぞれ成分の異なるものを用いれば、放熱器４から冷却器３に向かって作動温度が徐々に低くなるような冷凍機を構成することができる。

（変形例４）
上述した第１の実施の形態の熱サイフォン１ａ〜１ｅについて、放熱器４から冷却器３に向かう方向に順に作動温度が低くなるように各熱サイフォン１ａ〜１ｅ内の冷媒や圧力を調整するようにしても、放熱器４から冷却器３に向かって温度が徐々に低くなるような冷凍機を構成することができる。

その他、第１の実施の形態では、熱サイフォン１ａ〜１ｅを５個、永久磁石２ａ、２ｂを２個使用した例を述べたが、本発明では、これら熱サイフォン及び永久磁石の個数に限定されるものでない。また熱サイフォンの形状に関しても、円筒状である必要はなく、熱サイフォンとして機能すれば、その形状に限定を加えるものではない。この場合、磁気材料も熱サイフォンの形状に応じた形状のものが用いられることは勿論である。さらに、第１の実施の形態の熱サイフォン１ａ〜１ｅは、両端部を閉塞した円筒状容器を用いた例を述べたが、両端部を開口した容器を用い、これら容器の両端開口に円板状の磁気材料を嵌合させるようにしてもよい。この場合、磁気材料は、内部に冷媒が入り込まないようなものが用いられる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。

図２（ａ）（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態に係る磁気冷凍機の概略構成を示すもので、図１と同一部分には、同符号を付してその説明を省略する。

この場合、複数の熱サイフォン１ａ〜１ｅを有する熱サイフォンユニット１００は、最下部に位置する熱サイフォン１ａの冷却器３が設けられる端部と反対側端部に磁気材料６ａが保持され、最上部に位置する熱サイフォン１ｅの放熱器４が設けられる端部と反対側端部に磁気材料６ｅが保持されている。また、熱サイフォン１ａと１ｅの間に配置される各熱サイフォン１ｂ〜１ｄは、両端部に磁気材料６ｂ１と６ｂ２、磁気材料６ｃ１と６ｃ２、磁気材料６ｄ１と６ｄ２が各別に保持されている。この場合、磁気材料６ａと６ｂ１、磁気材料６ｃ２と６ｄ１は、それぞれ負の磁気熱量効果を有し、また、磁気材料６ｂ２と６ｃ１、磁気材料６ｄ２と６ｅは、それぞれ正の磁気熱量効果を有するものが用いられる。つまり、この第２の実施の形態では、熱サイフォン１ａと１ｂの間に負の磁気材料６ａと６ｂ１、熱サイフォン１ｂと１ｃの間に正の磁気材料６ｂ２と６ｃ１、熱サイフォン１ｃと１ｄの間に負の磁気材料６ｃ２と６ｄ１、熱サイフォン１ｄと１ｅの間に正の磁気材料６ｄ２と６ｅが交互に配置される。ここで、正の磁気熱量効果を有する磁気材料とは、磁場が印加あるいは増加されると発熱し、磁場を取り去るあるいは減じると吸熱するような特性を有し、また負の磁気熱量効果を有する磁気材料とは、磁場が印加あるいは増加されると吸熱し、磁場を取り去るあるいは減じると発熱するような特性を有している。

熱サイフォン１ａ〜１ｅの周囲には、磁場増減手段として、円筒形の永久磁石７が配置されている。この永久磁石７は、熱サイフォン１ａの磁気材料６ａから熱サイフォン１ｅの磁気材料６ｅまでの範囲が中空部内に位置するような大きさを有している。

図３（ａ）（ｂ）は、このような永久磁石７の概略構成を示している。この場合、永久磁石７は、円筒状の外側ハルバッハ型磁石７２の中空部に、円筒状の内側ハルバッハ型磁石７１を所定の間隔をおいて配置している。これら内側ハルバッハ型磁石７１及び外側ハルバッハ型磁石７２は、それぞれ各部位における磁気異方性の方向を符号７４、７５で示している。そして、図３(ａ)に示すように、内側ハルバッハ型磁石７１が中空部に生成する磁場７６の向きと外側ハルバッハ型磁石７２が中空部に生成する磁場７７の向きを一致させることで、内側ハルバッハ型磁石７１の中空部の空間７３に高い磁場を生成し、一方、図３(ｂ)に示すように、内側ハルバッハ型磁石７１が中空部に生成する磁場７６の向きと外側ハルバッハ型磁石７２が中空部に生成する磁場７７の向きを逆向きにして、内側ハルバッハ型磁石７１の生成する磁場７６と外側ハルバッハ型磁石７２の生成する磁場７７を互いに打ち消し合せることで、内側ハルバッハ型磁石７１の中空の空間７３に弱い磁場を生成するようにしている。これにより、内側ハルバッハ型磁石７１の生成する磁場７６と外側ハルバッハ型磁石７２の生成する磁場７７がキャンセルするように設計すれば、磁場の発生をほぼ零にすることもできる。

このような永久磁石７は、内側ハルバッハ型磁石７１あるいは外側ハルバッハ型磁石７２の何れかを不図示の回転駆動手段により回転可能にして、図３(ａ)(ｂ)の状態を選択的に得られるようにしており、熱サイフォン１ａ〜１ｅに対する磁場の印加および消磁を可能にしている。

このような構成において、まず、図２（ａ）に示すように永久磁石７により熱サイフォン１ａ〜１ｅに対して磁場を印加する。この場合、永久磁石７は、図３(ａ)に示す状態に設定する。つまり、内側ハルバッハ型磁石７１が中空部に生成する磁場７６の向きと外側ハルバッハ型磁石７２が中空部に生成する磁場７７の向きを一致させ、熱サイフォン１ａ〜１ｅに対して磁場を印加させる。この状態では、全ての磁気材料６ａ、６ｂ１、６ｂ２、６ｃ１、６ｃ２、６ｄ１、６ｄ２、６ｅに磁場が印加されるため、正の磁気熱量効果を有する磁気材料６ｂ２と６ｃ１及び磁気材料６ｄ２と６ｅが発熱し、負の磁気熱量効果を有する磁気材料６ａと６ｂ１及び磁気材料６ｃ２と６ｄ１が吸熱する。これにより、熱サイフォン１ａ、１ｃ及び１ｅが熱サイフォンとして動作し、冷却器３から矢印Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３に示すように磁気材料６ａ、６ｂ１、磁気材料６ｂ２、６ｃ１、磁気材料６ｃ２、６ｄ１さらに磁気材料６ｄ２、６ｅを介して放熱器４へと熱の輸送が行われる（図２（ａ）参照）。

次に、図２(ｂ)に示すように、永久磁石７による熱サイフォン１ａ〜１ｅに対する磁場を消磁する。この場合、永久磁石７は、図３(ｂ)に示す状態に設定する。つまり、内側ハルバッハ型磁石７１が中空部に生成する磁場７６の向きと外側ハルバッハ型磁石７２が中空部に生成する磁場７７の向きを逆向きにし、内側ハルバッハ型磁石７１の生成する磁場７６と外側ハルバッハ型磁石７２の生成する磁場７７をキャンセルさせて、磁場の発生をほぼ零にする。この状態では、全ての磁気材料６ａ、６ｂ１、６ｂ２、６ｃ１、６ｃ２、６ｄ１、６ｄ２、６ｅから磁場が取り除かれる。このため、正の磁気熱量効果を有する磁気材料６ｂ２と６ｃ１及び磁気材料６ｄ２と６ｅが扱熱し、負の磁気熱量効果を有する磁気材料６ａと６ｂ１及び磁気材料６ｃ２と６ｄ１が発熱する。これにより、熱サイフォン１ｂ及び１dが熱サイフォンとして動作し、冷却器３からの矢印Ｄ１、Ｄ２に示すように磁気材料６ａ、６ｂ１、磁気材料６ｂ２、６ｃ１、磁気材料６ｃ２、６ｄ１、さらに磁気材料６ｄ２、６ｅを介して放熱器４へと熱の輸送が行われる（図２（ｂ）参照）。

以下、同様な動作を繰り返すことにより、冷却器３から熱を吸収し放熱器４から放熱する動作が連続して行われるようになり、全体として冷凍機として作用する。

したがって、このようにすれば、熱サイフォン１ａ〜１ｅの周囲に配置される永久磁石７の磁場を増減させる動作を繰り返すことで、冷却器３から熱を吸収し、放熱器４に放熱する動作を連続して得られるようにしたので、この場合も、第１の実施の形態と同様な動作を得ることができる。また、永久磁石７には、外側ハルバッハ型磁石７２と内側ハルバッハ型磁石７１を有するハルバッハ型磁石が用いられ、これら内側ハルバッハ型磁石７１あるいは外側ハルバッハ型磁石７２の何れかを回転させるのみで、高速に磁場を増減させることができるので、さらなる高速冷凍が可能である。

（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。

図４（ａ）（ｂ）、図５（ａ）（ｂ）は、本発明の第３の実施の形態に係る磁気冷凍機の概略構成を示すもので、図２と同一部分には、同符号を付してその説明を省略する。

この場合、熱サイフォンユニット１００を構成する複数の熱サイフォン１ａ〜１ｅには、図２で述べたのと同様に負の磁気熱量効果を有する磁気材料６ａと６ｂ１、磁気材料６ｃ２と６ｄ１、正の磁気熱量効果を有する磁気材料６ｂ２と６ｃ１、磁気材料６ｄ２と６ｅが設けられている。また、このような熱サイフォンユニット１００は、周囲を断熱材９で覆われ、全体として熱輸送デバイス１０を構成している。

このような熱輸送デバイス１０は、図４（ｂ）に示すように中心Ｏから半径Ｒの円の円周方向に沿って等間隔に複数個（図示例では４個）配置されている。この場合、各熱輸送デバイス１０は、冷凍室１１上部に直立して設けられ、それぞれの冷却器３が断熱壁１２を貫通して冷凍室１１内部に位置するようになっている（図４（ａ）参照）。

冷凍室１１上部には、駆動手段を構成するモータ部１３が配置され、このモータ部１３を介して回転軸１４が直立して設けられている。この場合、回転軸１４は、前記中心Ｏ位置、つまり、複数個配置される熱輸送デバイス１０の中心位置に設けられるもので、モータ部１３により図示矢印Ｅ方向に回転可能になっている。

回転軸１４の先端部には、回転支持部１５が設けられている。この回転支持部１５は、前記熱輸送デバイス１０に対応させて複数（図示例では４本）の支持腕１５ａ〜１５ｄが水平方向に配置されている。つまり、図示例では、４個の熱輸送デバイス１０に対応して４本の支持腕１５ａ〜１５ｄが十字状に配置されている。

各支持腕１５ａ〜１５ｄには、磁場発生手段としての２個の永久磁石１６，１７が所定の間隔をおいて配置されている。この永久磁石１６，１７は、回転軸１４と一体に図示矢印Ｅ方向に回転するもので、熱輸送デバイス１０に近接して通過することで磁場の増減を行なう。この場合、図４に示すように永久磁石１６，１７の間に熱輸送デバイス１０が位置した状態で、永久磁石１６，１７の磁場を熱輸送デバイス１０に印加し、また、図５に示すように永久磁石１６，１７の間から熱輸送デバイス１０が外れた状態で永久磁石１６，１７の磁場を減じるようにしている。

このような構成において、モータ部１３により回転軸１４を回転する。この状態で、まず、図４（ａ）（ｂ）に示すように永久磁石１６，１７の間に熱輸送デバイス１０が位置されると、つまり、一対の永久磁石１６，１７が熱輸送デバイス１０と対向する位置に来ると、熱輸送デバイス１０に磁場が印加された状態となる。

この状態では、熱サイフォン１ａ〜１ｅの全ての磁気材料６ａ、６ｂ１、６ｂ２、６ｃ１、６ｃ２、６ｄ１、６ｄ２、６ｅに磁場が印加されるため、正の磁気熱量効果を有する磁気材料６ｂ２と６ｃ１及び磁気材料６ｄ２と６ｅが発熱し、負の磁気熱量効果を有する磁気材料６ａと６ｂ１及び磁気材料６ｃ２と６ｄ１が吸熱する。これにより、熱サイフォン１ａ、１ｃ及び１ｅが熱サイフォンとして機能し、図４（ａ）の矢印Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３に示すように冷却器３から磁気材料６ａ、６ｂ１、磁気材料６ｂ２、６ｃ１、磁気材料６ｃ２、６ｄ１、さらに磁気材料６ｄ２、６ｅを介して放熱器４へと熱の輸送が行われる。

次に、回転軸１４の回転により図５（ａ）（ｂ）に示すように永久磁石１６，１７の間から熱輸送デバイス１０が外れると、つまり、一対の永久磁石１６，１７が熱輸送デバイス１０と対向しない位置になると、熱輸送デバイス１０への磁場は減じられた状態となる。

この状態では、熱サイフォン１ａ〜１ｅの全ての磁気材料６ａ、６ｂ１、６ｂ２、６ｃ１、６ｃ２、６ｄ１、６ｄ２、６ｅから磁場が取り除かれるため、正の磁気熱量効果を有する磁気材料６ｂ２と６ｃ１及び磁気材料６ｄ２と６ｅが扱熱し、負の磁気熱量効果を有する磁気材料６ａと６ｂ１及び磁気材料６ｃ２と６ｄ１が発熱する。これにより、熱サイフォン１ｂ及び１ｄが熱サイフォンとして動作し、冷却器３から矢印Ｇ１、Ｇ２に示すように磁気材料６ａ、６ｂ１、磁気材料６ｂ２、６ｃ１、磁気材料６ｃ２、６ｄ１、さらに磁気材料６ｄ２、６ｅを介して放熱器４へと熱の輸送が行われる。

以下、同様にしてモータ部１３により回転軸１４を回転し続けることにより、冷却器３から熱を吸収し放熱器４から放熱する動作が連続して行われ、全体として冷凍機として作用し、冷凍室１１内部を冷却する。

したがって、このようにすれば、熱サイフォン１ａ〜１ｅを有する熱輸送デバイス１０を複数個配置し、回転軸１４の回転により永久磁石１６，１７を近接して移動させることで、熱輸送デバイス１０に対する磁場を増減させる動作を繰り返し、各熱輸送デバイス１０において、冷却器３から熱を吸収し、放熱器４に放熱する動作を連続して得られるようにしたので、この場合も、第１の実施の形態と同様な動作を得ることができ、さらに永久磁石１６，１７を回転軸１４とともに高速で回転することにより、さらなる高速冷凍が可能である。また、永久磁石１６，１７を支持する回転支持部１５の各支持腕１５ａ〜１５ｄは、ヨークの機能も果たしているので、永久磁石１６，１７からの磁場を効率よく熱輸送デバイス１０に印加することができる。

（変形例）
この変形例では、図６に示すように永久磁石１６，１７を回転駆動する回転軸１４に４枚の羽板１９が設けられている。この羽板１９は、回転軸１４とともに回転するもので、その回転に伴い発生する空気流により、放熱器４を冷却するようにしている。その他は、図４と同様で、同一部分には、同符号を付している。

このようにすると、通常、放熱器４には放熱用のファン等が必要で、個々に設けられているが、この羽板１９を放熱用ファンとして用いれば、これまで放熱器４毎に設けらていたファンを駆動部などを含めて不要となるので、全体構成を簡単化でき、動作上の信頼性も向上する。また、羽板１９による放熱用ファンを用いることで、より効率的な磁気冷凍機を実現できる。

なお、図６では４枚の羽板１９を用いたが、その枚数は、４枚に限定されるものでない。また放熱器４に冷却空気を供給するという機能を満たせば、羽板１９の取り付け方法や形状などに関しても、制限を加えるものではない。

その他、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。

さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。

本発明の第１の実施の形態に係る磁気冷凍機の概略構成を示す図。 本発明の第２の実施の形態に係る磁気冷凍機の概略構成を示す図。 第２の実施の形態に用いられる永久磁石の概略構成を示す図。 本発明の第３の実施の形態に係る磁気冷凍機の概略構成を示す図。 第３の実施の形態に係る磁気冷凍機の概略構成を示す図。 第３の実施の形態の変形例の要部の概略構成を示す図。 従来の磁気冷凍機の一例を示す模式図。

符号の説明

１ａ〜１ｅ…熱サイフォン、１０１ａ〜１０１ｅ…容器
１００…熱サイフォンユニット
２ａ．２ｂ…永久磁石、３…冷却器
４…放熱器、５ａ、５ｅ…磁気材料
５ｂ１、５ｂ２…磁気材料、５ｃ１、５ｃ２…磁気材料
５ｄ１、５ｄ２…磁気材料、６ａ、６ｅ…磁気材料
６ｂ１、６ｂ２…磁気材料、６ｃ１、６ｃ２…磁気材料
６ｄ１、６ｄ２．…磁気材料、７…永久磁石
７１…内側ハルバッハ型磁石
７２…外側ハルバッハ型磁石
７３…空間、７６…磁場、７７…磁場
９…断熱材、１０…熱輸送デバイス、１１…冷凍室
１２…断熱壁、１３…モータ部、１４…回転軸
１５…回転支持部、１５ａ〜１５ｄ…支持腕
１６．１７…永久磁石、１９…羽板

Claims (12)

1. 磁場の増減に応じて温度を変化する磁気材料を有し、かつ冷媒を封入してなる熱サイフォンを複数個、直列に、かつ熱的に接続して配置した熱サイフォンユニットと、
   前記熱サイフォンユニットの一方端に設けられ被冷却物を冷却する冷却手段と、
   前記熱サイフォンユニットの他方端に設けられ前記被冷却物の熱を放熱する放熱手段と、
   前記熱サイフォンユニットに対向して配置可能に設けられ、前記熱サイフォンに対する磁場を増減させる磁場増減手段と
   を具備したことを特徴とする磁気冷凍機。
2. 前記磁気材料は、前記複数の熱サイフォンのそれぞれの接続部に配置され、かつ隣接する磁気材料を同一成分により構成したことを特徴とする請求項１記載の磁気冷凍機。
3. 前記同一成分で構成され前記複数の熱サイフォンの接続部に配置される磁気材料は、磁場を印加すると温度が上昇し磁場を取り去ると温度が降下する正の磁気材料と、磁場を印加すると温度が降下し磁場を取り去ると温度が上昇する負の磁気材料を、前記各熱サイフォンを介して交互に配置したことを特徴とする請求項２記載の磁気冷凍機。
4. 前記磁場増減手段は、前記各熱サイフォンの接続部に配置される前記同一成分の磁気材料に対し磁場を増減させることを特徴とする請求項２記載の磁気冷凍機。
5. 前記磁場増減手段は、前記熱サイフォンユニットに対し磁場を増減させることを特徴とする請求項３記載の磁気冷凍機。
6. 前記磁場増減手段は、永久磁石からなることを特徴とする請求項４記載の磁気冷凍機。
7. 前記磁場増減手段は、電磁石からなることを特徴とする請求項５記載の磁気冷凍機。
8. 磁場の増減に応じて温度を変化する磁気材料を有し、かつ冷媒を封入してなる熱サイフォンを複数個、直列に、かつ熱的に接続して配置した熱サイフォンユニット、前記熱サイフォンユニットの一方端に設けられ被冷却物を冷却する冷却手段、前記熱サイフォンユニットの他方端に設けられ前記被冷却物の熱を放熱する放熱手段を有する複数の熱輸送デバイスと、
   前記熱輸送デバイスに対する磁場を発生する磁場発生手段と、
   前記磁場発生手段を回転可能に支持し、前記磁場発生手段を前記熱輸送デバイスに近接可能に移動させ、前記磁場発生手段の磁場を前記熱輸送デバイスに対し増減させる駆動手段と、
   を具備したことを特徴とする磁気冷凍機。
9. 前記駆動手段は、前記磁場発生手段とともに回転され前記放熱手段を冷却する羽根を設けたことを特徴とする請求項８記載の磁気冷凍機。
10. 磁気材料は、多孔質あるいは粒子状であることを特徴とする請求項１又は請求項８記載の磁気冷凍機。
11. 前記熱サイフォンユニットは、前記放熱器から冷却器に向かう方向に順に作動温度が低くなるように前記各熱サイフォンの磁気材料を配置したことを特徴とする請求項１又は８記載の磁気冷凍機。
12. 前記熱サイフォンユニットは、前記放熱器から冷却器に向かう方向に順に作動温度が低くなるように前記各熱サイフォン内の冷媒又は圧力を調整したことを特徴とする請求項１又は８記載の磁気冷凍機。

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