JP2008082663A - 磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍方法 - Google Patents

磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍方法 Download PDF

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Abstract

【課題】磁気冷凍材料への磁場の励磁・減磁の際の熱ロスを低減する構成を有する磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍方法を提供し、環境へのリスクが小さく、小型、簡便かつ高効率な冷凍システムを提供する。
【解決方法】リング状の内側ハルバッハ型磁石及び外側ハルバッハ型磁石を含み、これらから発生される磁場空間が互いに重畳するようにして同軸状に配置された２重構造の２重ハルバッハ型の磁石の内部空間内に磁気冷凍材料又は磁気冷凍材料を収納した磁気冷凍作業室を配置し、前記内側ハルバッハ型磁石を固定した状態で前記外側ハルバッハ型磁石を回転駆動させ、前記磁気冷凍材料に対して磁場の印加及び除去を行うことにより、前記磁気冷凍材料に磁気熱量効果を生ぜしめ、熱輸送を行う。
【選択図】図４

Description

本発明は、永久磁石を磁場発生手段として用いる磁気冷凍デバイス及び磁気冷凍方法に関し、特に、磁気冷凍材料への磁場の励磁・減磁の際の、磁気冷凍作業室への熱進入を低減した磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍方法に関する。
ある種の磁性物質に対して、断熱状態で印加磁場を変化させると、その温度が変化する現象は磁気熱量効果と呼ばれている。物理的には、磁性物質内部の磁気スピンの自由度が磁場によって変化し、これに起因して磁気スピン系（磁気を担う電子系）のエントロピーが変化する。このエントロピー変化に伴い、電子系と格子系との間で瞬時にエネルギーの移動が起こり、結果として磁性物質の温度が変化する。このような磁気熱量効果を利用して冷凍作業を行うものが磁気冷凍である。
現在、人間の日常生活に密接に関係する常温域の冷凍技術；例えば、冷蔵庫、冷凍庫、室内冷房などの大半は、気体の圧縮サイクルが使用されている。しかし、気体の圧縮・膨張サイクルに基づく冷凍技術に関しては、特定フロンガスの環境排出に伴うオゾン層破壊が大きな問題となり、更に、代替フロンガスについても地球温暖化などの観点から環境への影響が懸念されている。
このような背景から、作業ガスの廃棄に伴う環境破壊の問題がない、クリーンで且つ効率の高い冷凍技術の実用化が求められている。近年、このような環境配慮型で且つ効率の高い冷凍技術の一つとして、磁気冷凍への期待が高まり、常温域を対象とした磁気冷凍技術の研究開発が活発化して来ている。
常温域を対象とした磁気冷凍において、有用な冷凍方式としてＡＭＲ方式（”Active Magnetic Regenerative Refrigeration”）が、米国のBarclayによって提案されている（USP4,332,135）。米国のZimm, Gschneidner, Pecharsky らは、実際にＡＭＲ方式の磁気冷凍機を試作し、室温域における磁気冷凍サイクルの連続定常運転に成功している（１９９７年）。ここでは、磁気冷凍材料としてＧｄ（ガドリニウム）を使用し、超伝導磁石を用いて５Ｔ（テスラ）までの高い磁場を印加している。
ここでは、磁気冷凍材料は細かい(０.３ｍｍ程度)球形状に加工して容器の内部に充填され、容器の外部にはコイル状の超伝導磁石が設けられている。容器は可動式で、超伝導コイルのボア空間内からコイル軸方向に位置を大きく変位させることで、容器の内部に収納された磁気冷凍材料への印加磁場の大きさを変化させることが出来る構造となっている。一方、容器の両端には熱輸送冷媒の導入口と導出口が接続され、熱輸送冷媒が導出入できる構造となっており、熱輸送媒体として水または水とエタノールの混合溶液を使用している。
なお、上述のような磁気冷凍材料を含み、磁場の印加・除去を行って熱輸送を行う磁気冷凍作業を実施する容器構造は磁気冷凍作業室と呼ばれる。
ＡＭＲ方式の磁気冷凍は次のようなステップで行われている。(I) 磁気冷凍作業室を超電導磁石のボア空間に移動し、磁気冷凍材料に磁場を印加する。(II) 磁気冷凍作業室の一端から他端に向けて熱輸送冷媒を移動させ(流し)て熱を輸送する。(III) 磁気冷凍作業室を超電導磁石のボア空間から外部へ移動し、磁気冷凍材料に印加した磁場をとり除く。(IV) 磁気冷凍作業室の一端から他端に向けて（ステップ(II)での冷媒移動とは逆方向）熱輸送冷媒を移動させ(流し)て熱を輸送する。(I)〜(IV)の熱サイクルを繰り返し行うと、磁気冷凍作業室内部では、磁場の印加に伴って磁気冷凍材料粒子の温度が上昇し、次に、粒子と熱輸送冷媒との間で熱交換し、熱輸送冷媒が順方向に移動して、熱輸送冷媒と粒子との間で熱交換する。
次に、磁場の除去に伴って磁気冷凍材料粒子の温度が降下し、続いて、粒子と熱輸送冷媒との間で熱交換し、熱輸送冷媒が逆方向移動して、熱輸送冷媒と粒子との間で熱交換する。即ち、この熱サイクルの繰り返しにより、磁気熱量効果によって磁気冷凍材料で生まれた熱は熱輸送冷媒を介して一方向に輸送されて磁気冷凍材料粒子の蓄熱効果により熱流方向に温度勾配が生成し、定常状態では、磁気冷凍作業室の両端に大きな温度差を生じる。
Zimmらの例では、室温域で、超伝導磁石を使用して磁場を０から５Ｔ（テスラ）へ変化させることによって、磁気冷凍作業室の両端で冷凍温度差ΔＴ＝約３０℃の冷凍に成功した。また、ΔＴが１３℃の場合に、非常に高い冷凍効率；ＣＯＰ＝１５（但し、磁場発生手段への投入パワーを除く）を得たことが報告されている。因みに、従来のフロンを用いた圧縮・膨張サイクルにおける家庭用冷蔵庫などの冷凍効率；ＣＯＰは１〜３程度である。
このように、磁気冷凍によれば、フロンなどの動作気体を用いずに高い冷凍効率を実現できる可能性が示されている。
しかしながら、上述の例では、磁気冷凍作業物質（磁気冷凍材料）に５Ｔなどの大きな外部磁場を印加するために超伝導磁石を用いている。超伝導磁石を使用する場合には、現状では、１０Ｋ程度の極低温の動作環境が必要となるため、液体ヘリウムなどの寒剤を利用するか、極低温生成用冷凍機などを利用するので、磁気冷凍システムが非常に大型化するという問題がある。
また、冷凍生成を行うために、生成温度以下の極低温環境が必要となる場合には、それ自体が工学応用的なパラドックスでもあり、このようなシステムは現実的ではない。また、超伝導磁石とは別の磁場を発生する手段として電磁石がある。電磁石を用いる場合においても、１Ｔ以上の大きな磁場を生成するためには、大電流の投入が必要となり、ジュール熱による発熱を冷却するための水冷却系統が必要になるなど、簡便性に欠け、運転コストが嵩み、超伝導磁石の場合と同様に大型化するなどの問題がある。上述した磁場発生手段の大型化という課題を克服するためには、永久磁石を用いることが好適である。
最近では、小型で簡便な磁場の発生手段として永久磁石を用いた磁気冷凍システムの実験が試みられている。このような永久磁石を磁場発生手段とした磁気冷凍システムや磁気冷凍デバイスでは、永久磁石と磁気冷凍材料または磁気冷凍材料を収納した磁気冷凍作業室との相対位置を変化させることによって、磁気冷凍材料に磁場の印加・除去を行っている。
例えば、Nd-Fe-B系の材質からなる２つの永久磁石を、空間ギャップを介して対向させ、これらの対向する磁石を透磁率の高い材質からなる磁気ヨークで接続して形成したコの字型の対向型磁石（磁気ヨーク付）を用いて、磁気冷凍材料または磁気冷凍材料を収納した磁気冷凍容器を、前記コの字型の対向型磁石のギャップの磁場空間の中に配置することで磁気冷凍材料に磁場を印加し、磁場空間の外に磁場空間から離れて配置することで磁気冷凍材料から磁場を除去することができる。永久磁石と磁気冷凍材料または磁気冷凍材料を収納した磁気冷凍作業室との相対位置の変化は、永久磁石または磁気冷凍材料のどちらを可動することによっても可能である。
USP4,332,135 USP5,743,095 C. Zimm, et al., Advances in Cryogenic Engineering, Vol.43 (1998), p.1759
上述したように、永久磁石を磁場発生手段とした磁気冷凍デバイスでは、永久磁石と磁気冷凍材料または磁気冷凍材料を収納した磁気冷凍作業室の相対位置を変化させることによって、磁気冷凍材料に印加した磁場の大きさを変化させている。
しかしながら、永久磁石では５Ｔなどの高い磁場を発生させることは難しく、超電導磁石に比べて発生磁場の大きさは著しく小さなものとなってしまう。従って、永久磁石を磁場発生手段とした磁気冷凍デバイスでは、少しでも磁場を高く有効利用することが望まれる。永久磁石を用いて磁気冷凍材料に印加する磁場の大きさをできるだけ大きくするためには、例えば上述した対向型磁石（磁気ヨーク付）の場合では、生成される磁場空間のギャップを狭くすることが有効である。
他方、磁場空間を有効利用しようとすると、磁気冷凍材料を収納した磁気冷凍作業室を磁場空間に対してできる限り大きして利用することが有効である。従って、永久磁石を磁場発生手段とした磁気冷凍デバイスにおいて磁場を高めて有効に利用しようとすると、磁気冷凍材料を収納した磁気冷凍作業室と永久磁石との配置において、永久磁石が生成する磁場空間の内部に磁気冷凍作業室が位置する両者が最近接の相対位置であるときの、両者の距離を極めて近接させる必要がある。
しかしながら、両者を近接させて配置した場合、磁気冷凍材料へ磁場が印加された状態となる磁気冷凍作業室が対向型磁石のギャップ空間中に配置される工程において、永久磁石からの磁気冷凍作業室への熱輻射の影響が大きくなる。また、相対位置の変位稼動時には両者の接触やこれに伴う摩擦などが生じて熱の発生を招く可能性も高くなる。永久磁石は大きな熱浴であり、磁気冷凍材料または磁気冷凍材料を収納した磁気冷凍作業室に対する上記のような永久磁石からの熱の流出入（熱ロス）は、磁気冷凍作業にとって冷凍の効率を低下させる本質的で重大な阻害要因である。
本発明は、以上のような永久磁石を磁場発生手段として用いる磁気冷凍デバイスの問題点に鑑みなされたもので、本発明の目的は、磁気冷凍材料または磁気冷凍材料を収納した磁気冷凍作業室への磁場の励磁・減磁の際の熱ロスを低減する構成を有する磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍方法を提供し、環境へのリスクが小さく、小型、簡便かつ高効率な冷凍システムを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の一態様においては、
リング状の内側ハルバッハ型磁石及び外側ハルバッハ型磁石を含み、これらから発生される磁場空間が互いに重畳するようにして同軸状に配置された少なくとも１組の２重構造の２重ハルバッハ型の磁石と、
前記内側ハルバッハ型磁石の、内部空間内に配置された磁気冷凍材料又は磁気冷凍材料を収納した磁気冷凍作業室と、
前記内側ハルバッハ型磁石を固定した状態で前記外側ハルバッハ型磁石を回転駆動させるための回転機構と、
を具えることを特徴とする、磁気冷凍デバイスに関する。
また、本発明の一態様においては、
リング状の内側ハルバッハ型磁石及び外側ハルバッハ型磁石を含み、これらから発生される磁場空間が互いに重畳するようにして同軸状に配置された少なくとも１組の２重構造の２重ハルバッハ型の磁石の内部空間内に磁気冷凍材料又は磁気冷凍材料を収納した磁気冷凍作業室を配置する工程と、
前記内側ハルバッハ型磁石を固定した状態で前記外側ハルバッハ型磁石を回転機構により回転駆動させ、前記磁気冷凍材料に対して第１の磁場及びこの第１の磁場よりも磁場強度の小さい第２の磁場を印加することにより、前記磁気冷凍材料に磁気熱量効果を生ぜしめ、熱輸送を行う工程と、
を具えることを特徴とする、磁気冷凍方法に関する。
本発明によれば、リング状の内側ハルバッハ型磁石及び外側ハルバッハ型磁石を含み、これらから発生される磁場空間が互いに重畳するようにして同軸状に配置された少なくとも１組の２重構造の２重ハルバッハ型の磁石を準備し、前記内側ハルバッハ型磁石内に磁気冷凍材料または磁気冷凍材料を収納した磁気冷凍作業室を配置し、前記内側ハルバッハ型磁石及び磁気冷凍材料または磁気冷凍作業室の相対位置を固定した状態で前記外側ハルバッハ型磁石の回転運動に起因して発生した、大小の磁場強度を有する第１の磁場及び第２の磁場を印加することによって、前記磁気冷凍材料に磁気熱量効果を生ぜしめ、この磁気熱量効果を利用することによって熱輸送を行い、冷凍操作を行うようにしている。
したがって、従来のような永久磁石を使用することによる摩擦などに起因した熱流入を効果的に抑制することができ、冷凍効率を向上させることができるようになる。
なお、本発明の一態様においては、上述した熱輸送は前記磁気冷凍材料と接触して熱交換を生ぜしめるような熱輸送媒体を通じて行う。このような熱輸送媒体を用いれば、前記熱輸送を簡易に行うことができるようになる。
また、本発明の一態様においては、前記磁気冷凍材料を粒子状とする。これによって、上述のように熱輸送媒体などを用いた場合に、前記磁気冷凍材料と前記熱輸送媒体との接触面積を増大させることができ、熱輸送すなわち冷凍効率を増大させることができる。
さらに、本発明の一態様においては、前記磁気冷凍材料を、磁場の印加により温度が上昇し磁場の除去により温度が降下する磁気熱量効果を示す磁性材料Ａ、磁場の印加により温度が降下し磁場の除去により温度が上昇する磁気熱量効果を示す磁性材料Ｂ、磁場の印加により高熱伝導特性を示し磁場の除去により熱伝導特性が低下する材料ａ、及び磁場の印加により低熱伝導特性を示し磁場の除去により熱伝導特性が向上する材料ｂを含み、これらの材料がＡａＢｂまたはＡｂＢａの順に積層してなるユニットを少なくとも１ユニット以上積層した磁気冷凍層ユニットとして構成する。
この場合、上記磁気冷凍層ユニットに対して上記第１の磁場及び第２の磁場を印加した際の、各材料の交互に繰り返される発熱及び断熱を利用して、前記磁気冷凍層ユニットの一端から他端へ熱輸送を行うようにしている。したがって、本発明によれば、上記のような熱輸送媒体などを別途用いることなく、上記磁気冷凍層ユニットを構成する材料間で熱輸送を行うことができる。したがって、熱輸送媒体を用いることによる種々の問題、例えば磁気冷凍材料を粒子状とした場合に、これら粒子状の磁気冷凍材料同士の衝突による破壊などを抑制することができる。
上記磁気冷凍層ユニットにおいて、材料ａまたは材料ｂは、当該材料への印加磁場の大きさを変化させることで、金属状態から絶縁体状態へ相転移する物質を含むようにすることができる。また、前記材料ａまたは材料ｂは、当該材料への印加磁場の大きさを変化させることで、強磁性で金属の状態から非磁性で絶縁体の状態へ相転移する物質を含むようにすることができる。
以上説明したように、本発明によれば、磁気冷凍材料への磁場の励磁・減磁の際の熱ロスを低減する構成を有する磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍方法を提供し、環境へのリスクが小さく、小型、簡便かつ高効率な冷凍システムを提供することができる。
次に、本発明に係る磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一例に係る磁気冷凍デバイスの一部を模式的に示したものである。図１（a）は、上記磁気冷凍デバイスの断面図であり、図１（ｂ）は、上記磁気デバイスの上平面図である。なお、本明細書において、同一あるいは類似の構成要素に対しては同一の参照数字を用いて表している。
図１において、参照数字１は内側ハルバッハ型磁石を示し、参照数字２は外側ハルバッハ型磁石を示している。そして、これらが同軸上に配置されることにより、２重のハルバッハ型磁石を構成している。また、参照数字３は磁気冷凍材料を示している。この磁気冷凍材料３は図示しない容器内に収納するようにすることができる。
この場合、容器内に収納された磁気冷凍材料に対し、以下に詳述する磁場印加除去による熱輸送が行われることになるので、磁気冷凍材料３及び前記容器は磁気冷凍作業室を構成するようになる。
磁気冷凍材料３は内側ハルバッハ型磁石１の中空空間内に配置されている。また、外側ハルバッハ型磁石２は、同軸を中心として回転させることができる回転機構（図示しない）に接続されている。前記回転機構としては、例えばアウターモーターや、外側ハルバッハ型磁石２の外側に歯車を取り付けた、ギア式の回転機構とすることができる。
上記２重のハルバッハ型磁石において、外側ハルバッハ型磁石２を回転させる際に、内側ハルバッハ型磁石１と外側ハルバッハ型磁石２との間に摩擦が生じないように、空間が設けられている。また、磁気冷凍材料３あるいはこの磁気冷凍材料を収納した磁気冷凍作業室においては、内側ハルバッハ型磁石１との間で熱のやり取りがないように充分に断熱が図られている。具体的には、磁気冷凍材料３と内側ハルバッハ型磁石１とが接触しないように充分な空隙を設けても良いし、断熱部材を介して固着するようにすることができる。
次に、図１に示した磁気冷凍デバイスにおける磁気冷凍の熱サイクルに関して、図２に示す図を用いて説明する。
図２(ａ)は、図１（ａ）に対応した断面方向を示す図であり、図２（ｂ）は、図１（ｂ）に対応した平面状態を示す図である。これらの図において、参照数字４および５は、それぞれ内側ハルバッハ型磁石１および外側ハルバッハ型磁石２の各部位における磁気異方性の方向を示している。
図２(ｂ)の左側の図では、内側ハルバッハ型磁石１が中空部に生成する磁場６の向きと外側ハルバッハ型磁石２が中空部に生成する磁場７の向きが一致しており、内側のハルバッハ型磁石１の中空の空間には高い磁場が生成されている。図２(ｂ)の右側の図では、内側ハルバッハ型磁石１の生成する磁場６の向きと外側ハルバッハ型磁石２の生成する磁場７の向きとが反対であり、内側磁石と外側磁石の生成する磁場が互いの打ち消しあうため、内側のハルバッハ型磁石１の中空の空間では磁場が弱くなる。このとき、磁場の大きさは、両者がちょうどキャンセルするように設計することで、ほぼ零にすることもできる。
したがって、図２(ｂ)の左側に示す状態では、内側ハルバッハ型磁石１と外側ハルバッハ型磁石２との生成する磁場の向きが一致して、高い磁場が磁気冷凍材料３に印加されている。一方、図２(ｂ)の右側に示す状態では、内側ハルバッハ型磁石１と外側ハルバッハ型磁石２との生成する磁場の向きが反対で互いにキャンセルしており、磁気冷凍材料に印加された磁場はほぼ零の状態となっている。
外側ハルバッハ型磁石２を回転させると、内側ハルバッハ型磁石１と外側ハルバッハ型磁石２との生成する磁場の相対向きは回転に同期して変化するため、磁気冷凍材料３には、高い磁場が印加された状態からほぼ磁場零の状態まで変化し、外側ハルバッハ型磁石２の回転に同期して磁気冷凍材料３への印加磁場の状態を変化させることができる。
図３は、上記例に関する具体的な一例を示す構成図である。本例では、容器２０を準備し、その内部に細かい球形状に加工した粒子状の磁気冷凍材料３が充填されている。一方、容器２０の両端には熱輸送冷媒の導出入口１６が設置されて熱輸送冷媒が導出入できる構造となっている。また、容器２０の両端にはメッシュ状部材２０Ａを設けている。このようなメッシュ状部材２０Ａにより、上述した粒子状の磁気冷凍材料３は容器２０内に固定されるようになるとともに、上記熱輸送媒体はメッシュ状部材２０Ａを介し、導出入口１６を通って容器２０内を通過できるような構造となっている。この場合、磁気冷凍材料３及び容器２０は磁気冷凍作業室を構成する。
前記熱輸送媒体としては、容器２０の内部に充填された粒子状の磁気冷凍材料３の隙間を通って、容器２０への導出入ができ、磁気冷凍材料３の隙間を通る際に、磁気冷凍作業によって生成された熱を磁気冷凍材料３との熱交換によって授受し、媒体自身の位置の移動によって熱を輸送することができるような液体や気体を用いることができる。具体的には、上記熱輸送媒体は、磁気冷凍材料３で生成される熱量や磁気冷凍材料３の熱容量などを考慮して適宜選択することができる。
次に、図３に示す態様での磁気冷凍の方法について、図２及び４を参照しながら説明する。ここでは、磁気冷凍は次のようなステップで行われている。(I)２重のハルバッハ型磁石の外側ハルバッハ型磁石２を回転させて内側ハルバッハ型磁石１と外側ハルバッハ型磁石２との生成する磁場の向きを一致（図２(ｂ)左側の図参照）させて、磁気冷凍材料３に高い磁場を印加する。(II)容器（磁気冷凍作業室）の両端に設けられた媒体導出入口１６を通して、一端から他端に向けて熱輸送媒体を移動させ(流し)て熱を輸送する。(III)２重のハルバッハ型磁石の外側ハルバッハ型磁石２を回転させて内側ハルバッハ型磁石１と外側ハルバッハ型磁石２との生成する磁場の向きが反対（図２(ｂ)右側の図参照）となるように調整し、磁気冷凍材料３に印加した磁場をとり除く。(IV) 容器（磁気冷凍作業室）の両端に設けられた媒体導出入口１６を通して、一端から他端に向けて（ステップ(II)での冷媒移動とは逆方向）熱輸送媒体を移動させ(流し)て熱を輸送する。(I)〜(IV)の熱サイクルを繰り返し行うことにより磁気冷凍が実現する。
即ち、ステップ(I)および(II)において、容器２０（磁気冷凍作業室）内部では、磁場の印加に伴って磁気冷凍材料３の温度が上昇し、磁気冷凍材料３と熱輸送媒体との間で熱交換して前記熱輸送媒体の温度が上昇する。次いで、ステップ(III)および(IV)において、磁場の除去に伴って磁気冷凍材料３の温度が降下し、磁気冷凍材料３と熱輸送媒体との間で熱交換して前記熱輸送冷媒の温度が低下する。このような熱サイクルを繰り返すことにより、前記磁気冷凍材料及び前記熱輸送媒体中には、例えば図４に示すような矢印方向に温度勾配が生成するようになる。
したがって、矢印方向では熱を放出（排熱）し、容器２０（磁気冷凍作業室）の上側は高温になり下側は低温となるので、前記矢印と逆方向の、容器２０（磁気冷凍作業室）の下側に被冷却物質を熱的に接続することで、前記被冷却物質を冷凍することができる。
図５は、図３に示す磁気冷凍デバイスの変形例を示す構成図である。本例では、複数の容器２１〜２４を準備し、それぞれの容器中に図示のようにして磁気冷凍材料３１〜３５を封入する。そして、容器内に図示しない熱輸送媒体を各磁気冷凍材料と接触するようにして流す。なお、本例においては、各容器２１〜２４及び各磁気冷凍材料３１〜３５の組が個別の磁気冷凍作業室を構成することになる。また、容器２１〜２４及び磁気冷凍材料３１〜３５の全体でも総合的な磁気冷凍作業室を構成することになる。
本例の磁気冷凍デバイスでは、最初に、２重のハルバッハ型磁石の外側ハルバッハ型磁石２を回転させて内側磁石１と外側磁石２の生成する磁場の向きを一致（図２(ｂ)の左側の図参照）させて、磁気冷凍材料３１〜３５に高い磁場を印加すると、磁気冷凍材料３１〜３５の温度が上昇し、これにより容器２１〜２４内部に充填された熱輸送媒体は加熱されて気化して上部に移動する（図５(ａ) に矢印８で図示）。次に、２重のハルバッハ型磁石の外側ハルバッハ型磁石２を回転させて内側磁石１と外側磁石２の生成する磁場の向きが反対（図２(ｂ)の右側の図参照）となるように調整し、磁気冷凍材料３１〜３５に印加した磁場をとり除くと、磁気冷凍材料３１〜３５の温度が降下し、容器２１〜２４内部に充填された熱輸送媒体は冷されて液化して下部に移動する（図５(ｂ) に矢印８で図示）。
即ち、容器２１〜２４はある種の能動的なヒートパイプの機能を果たし、図５に示した例では、複数の能動的ヒートパイプが直列に接続配置された構成となっている。図５の高温ステージ１８から外部に設けられた放熱部位（図示しない）まで熱を輸送して排熱し、他方の低温ステージ１７を外部にある被冷却物質（図示しない）と熱的に接続することで、前記被冷却物質を冷却することができる。
図６は、本発明の磁気冷凍デバイスの他の例を模式的に示す断面図である。本例においては、磁気冷凍材料３を、磁場の印加により温度が上昇し磁場の除去により温度が降下する磁気熱量効果を示す磁性材料Ａ、磁場の印加により温度が降下し磁場の除去により温度が上昇する磁気熱量効果を示す磁性材料Ｂ、磁場の印加により高熱伝導特性を示し磁場の除去により熱伝導特性が低下する材料ａ、及び磁場の印加により低熱伝導特性を示し磁場の除去により熱伝導特性が向上する材料ｂを用いて、ＡａＢｂの順に積層してなるユニットから構成するようにしている。
本例では、磁気冷凍材料３に磁場が印加されると、磁性材料Ａは温度が上昇し、磁性材料Ｂは温度が降下する。このとき、材料ａは高熱伝導、材料ｂは低熱伝導の特性であることから、磁気冷凍材料３の内部では、磁性材料Ａから磁性材料Ｂに熱が流れる。一方、磁気冷凍材料３から磁場が取り除かれると、磁性材料Ａは温度が降下し、磁性材料Ｂは温度が上昇する。このとき、材料ａは低熱伝導、材料ｂは高熱伝導の特性であることから、磁気冷凍材料３の内部では、磁性材料Ｂから磁性材料Ａに熱が流れる。したがって、磁気冷凍材料３の全体で見た場合、図中矢印で示すような方向に熱勾配が生じる。
このため、高温ステージ１８から外部に設けられた放熱部位（図示しない）まで熱を輸送して排熱し、他方の低温ステージ１７を外部にある被冷却物質（図示しない）と熱的に接続することで、前記被冷却物質を冷却することができる。
図７に、図６に関する磁気冷凍デバイスの応用例を示す。図７（ａ）は、本例における磁気冷凍デバイスの構成を示す断面図であり、図７(ｂ)は、前記磁気冷凍デバイスの要部を示す上平面図である。
図７において、参照数字１は内側ハルバッハ型磁石、参照数字２は外側のハルバッハ型磁石、及び参照数字３は磁気冷凍材料（ユニット）を示す。内側ハルバッハ型磁石１は任意の盤面上に固定されており、外側ハルバッハ型磁石２は任意の盤面に、稼動可能な（例えばベアリング１４などを介した）機構を介して設置されている。また、外側ハルバッハ型磁石２の外側には歯車１１が接続されている。歯車１１と噛合うように歯車１３が設けられ、歯車１３は回転機構１２（モータなど）に接続されている。また、参照数字１０は被冷却物質、参照数字１５は放熱部分であり、何れも熱伝導部材９および９’を介して磁気冷凍層ユニット３と接続されている。
回転機構１２により歯車１３を回転させると、歯車１１を介して、外側ハルバッハ型磁石２が回転する。図６に関連して説明したように、外側ハルバッハ型磁石２を連続的に回転させると磁気冷凍の熱サイクル動作により磁気冷凍材料（ユニット）３は一方向に熱を移送し、被冷却部分１０から熱伝導部材９を介して熱を汲み上げて（図７に矢印８で図示）、熱伝導部材９’を介して放熱部分１５に熱を移動させる（図７に矢印８で図示）ことができ、被冷却物質１０は冷却される。
ここで、熱伝導部材９および９’は、熱伝導特性が良好で非磁性の材質であればよく、非磁性の金属やセラミックスまたは熱伝導特性を良好にする工夫をした樹脂でも構わない。放熱部分１５は、熱伝導特性が良好な材質で、比表面積が大きい形状とすることが好ましい。また、放熱部分１５においても磁場の影響を考慮すると非磁性の材質であることが好ましい。具体的には、ＣｕやＡｌまたはこれらをベースとした熱伝導特性の良好な材質が好ましく、形状は板であっても良いし、フィン構造やハニカム構造など比表面積を大きくするための立体的な形状としても良い。
上記例における磁性材料Ａは、磁場の印加により温度が上昇し磁場の除去により温度が降下する磁気熱量効果を示すのもで、磁場の印加によって常磁性状態から強磁性状態やフェリ磁性状態への秩序化が起こる物質が好ましく、その物質固有の磁気相転移温度近傍で利用する。具体的な例としては、希土類、希土類合金、希土類と遷移金属の金属間化合物などが好ましく、ＧｄやＧｄ合金、Ｒ２Ｆｅ１７、ＲＣｏ２、ＲＮｉ２、ＲＡｌ２などがある。ここで、“Ｒ”は任意の希土類元素を表している。
磁性材料Ｂは、磁場の印加により温度が降下し磁場の除去により温度が上昇する磁気熱量効果を示すもので、磁場の印加によって反強磁性状態から強磁性状態への秩序−秩序転移するものなどがあり、具体的な例としては、ＧｄＲｈやＭｎＧａ３Ｃなどが挙げられる。
さらに、材料ａは、磁場の印加により高熱伝導特性を示し磁場の除去により熱伝導特性が低下する性質を示すもので、磁場を印加すると非磁性で絶縁体の状態から強磁性で金属の状態へ相転移する物質などを用いることができる。
材料ｂは磁場の印加により低熱伝導特性を示し磁場の除去により熱伝導特性が向上する性質を示すものである。磁場の印加によって秩序状態が壊れて電子の散乱が大きくなって熱伝導が低下するような系や、磁場の印加によって格子構造が変化してフォノンによる熱伝導が低下するような系が考えられる。
図８及び９は、本発明の磁気冷凍デバイスのさらに他の例を示す図である。図６に関する例においては、磁気冷凍層ユニットとハルバッハ型磁石との相対位置を変化させることによって、磁気冷凍層ユニットへの磁場の印加・除去のサイクルを繰り返し行なっている。一方、磁気冷凍層ユニットを構成する磁性材料Ａや磁性材料Ｂは、上述したように、強磁性や反強磁性などを示すもので大きな磁気モーメントを有している。このような大きな磁気モーメントを持つ磁性材料は、磁石が生成する磁場空間に入たり出たりする際に、磁性材料と磁石の間に大きな磁気的引力や斥力が働く。このような磁気トルクに抗して両者の相対位置を変化させるためには、非常に大きな力が必要となる。
このような課題を解決するためには、本例に示すように、磁気冷凍層ユニットとハルバッハ型磁石の組とを複数用いて、熱サイクルの位相をずらしてそれぞれの磁気トルクが相互にキャンセルするような配置に構成することで、全体として磁気冷凍の熱サイクルを運転するための動力負荷を低減させることができる。
図８及び９に示す例では、外側ハルバッハ型磁石２はその中空空間に一定の向きの磁場を生成しているのに対して、内側ハルバッハ型磁石１は、それぞれの生成する磁場の向きが異なるように複数のハルバッハ型磁石１ａ〜１ｅを固定部材２５を介して配置している。即ち、外側ハルバッハ磁石２の発生する磁場の向き７と内側ハルバッハ型磁石１の発生する磁場の向き６の相対的な関係が異なるような構成となっている。したがって、外側ハルバッハ型磁石２を回転させて磁気冷凍層ユニット３への印加磁場を変化させるサイクル運転では、図８及び９のハルバッハ型磁石の組み（図８では１ａと２、１ｂと２、図９ では１ｃと２、１ｄと２、１ｅと２）の磁場の相対向きの位相がずれている。
このように、図８及び９に関する例では、内側ハルバッハ型磁石あるいは外側ハルバッハ型磁石を生成する磁場の向きが異なるような複数のハルバッハ型磁石の組から構成し、得られた複数の内側ハルバッハ型磁石及び／又は複数の外側ハルバッハ型磁石の発生する磁場の相対向きの位相をずらすように設置している。したがって、２重ハルバッハ型磁石の内側磁石と磁気冷凍層ユニットとを固定したまま外側ハルバッハ型磁石を回転させることで、生成する磁気トルクを相互にキャンセルことができ、全体を回転させるための動力負荷を低減することが可能となる。
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。
例えば、上記具体例においては、磁気冷凍材料を図６に示すようにＡａＢｂ順に積層してユニット化しているが、ＡｂＢａの順に積層してユニット化することもできる。この場合も、上述した磁場印加及び除去に伴って熱輸送が行われるが、磁気冷凍材料（ユニット）に磁場が印加されると磁性材料Ａは温度が上昇し、磁性材料Ｂは温度が降下する。このとき、材料ａは高熱伝導、材料ｂは低熱伝導の特性であることから、磁気冷凍層ユニット３の内部では、材料ｂによって磁性材料Ａ及び磁性材料Ｂは断熱され、熱が流れない。
一方、磁気冷凍層材料（ユニット）３に印加された磁場が取り除かれると、磁性材料Ａは温度が降下し、磁性材料Ｂは温度が上昇する。このとき、材料ａは低熱伝導、材料ｂは高熱伝導の特性であることから、磁気冷凍層ユニット３の内部では、磁性材料Ｂから磁性材料Ａに熱が流れる。
したがって、磁気冷凍層ユニットをＡｂＢａの順に積層した場合は、熱輸送は上記図中に示される矢印８とは逆向きに行われることになる。
本発明の一例に係る磁気冷凍デバイスの一部を模式的に示したものである。 図１に示した磁気冷凍デバイスにおける磁気冷凍の熱サイクルを説明するための図である。 図１に示す磁気冷凍デバイスの具体的な一例を示す構成図である。 図１に示した磁気冷凍デバイスにおける磁気冷凍の熱サイクルを説明するための図である。 図３に示す磁気冷凍デバイスの変形例を示す構成図である。 本発明の磁気冷凍デバイスの他の例を模式的に示す断面図である。 図６に関する磁気冷凍デバイスの応用例を示す構成図である。 本発明の磁気冷凍デバイスのその他の例を模式的に示す断面図である。 同じく、本発明の磁気冷凍デバイスのその他の例を模式的に示す断面図である。
符号の説明
１ 内側ハルバッハ型磁石
２ 外側ハルバッハ型磁石
３、３１〜３４ 磁気冷凍材料
４ 内側ハルバッハ型磁石における磁気異方性の方向を示す矢印
５ 外側ハルバッハ型磁石における磁気異方性の方向を示す矢印
６ 内側ハルバッハ型磁石が中空部に生成する磁場の向きを示す矢印
７ 外側ハルバッハ型磁石が中空部に生成する磁場の向きを示す矢印
８ 熱の流れの方向を示す矢印
９、９’ 熱伝導部材
１０ 被冷却部分
１２ 回転機構
１１、１３ 歯車
１４ （例えばベアリングなどを介した）可動可能な機構
１５ 放熱部分
１６ 熱輸送媒体の導出入口
１７ 低温ステージ
１８ 高温ステージ
２０〜２４ 磁気冷凍容器
Ａ 磁場の印加により温度が上昇し、磁場の除去により温度が降下する磁気熱量効果を示す磁性材料
Ｂ 磁場の印加により温度が降下し、磁場の除去により温度が上昇する磁気熱量効果を示す磁性材料
ａ 磁場の印加により高熱伝導特性を示し、磁場の除去により熱伝導特性が低下する材料
ｂ 磁場の印加により低熱伝導特性を示し、磁場の除去により熱伝導特性が向上する材料

Claims (12)

  1. リング状の内側ハルバッハ型磁石及び外側ハルバッハ型磁石を含み、これらから発生される磁場空間が互いに重畳するようにして同軸状に配置された少なくとも１組の２重構造の２重ハルバッハ型の磁石と、
    前記内側ハルバッハ型磁石の、内部空間内に配置された磁気冷凍材料又は磁気冷凍材料を収納した磁気冷凍作業室と、
    前記内側ハルバッハ型磁石を固定した状態で前記外側ハルバッハ型磁石を回転駆動させるための回転機構と、
    を具えることを特徴とする、磁気冷凍デバイス。
  2. 前記磁気冷凍材料と接触して熱交換を生ぜしめるような熱輸送媒体を具えることを特徴とする、請求項１に記載の磁気冷凍デバイス。
  3. 前記磁気冷凍材料は粒子状であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の磁気冷凍デバイス。
  4. 前記磁気冷凍材料は、磁場の印加により温度が上昇し磁場の除去により温度が降下する磁気熱量効果を示す磁性材料Ａ、磁場の印加により温度が降下し磁場の除去により温度が上昇する磁気熱量効果を示す磁性材料Ｂ、磁場の印加により高熱伝導特性を示し磁場の除去により熱伝導特性が低下する材料ａ、及び磁場の印加により低熱伝導特性を示し磁場の除去により熱伝導特性が向上する材料ｂを含み、これらの材料がＡａＢｂまたはＡｂＢａの順に積層してなるユニットを少なくとも１ユニット以上積層した磁気冷凍層ユニットとして構成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の磁気冷凍デバイス。
  5. 材料ａまたは材料ｂは、当該材料への印加磁場の大きさを変化させることで、金属状態から絶縁体状態へ相転移する物質を含むことを特徴とする、請求項４に記載の磁気冷凍デバイス。
  6. 前記材料ａまたは材料ｂは、当該材料への印加磁場の大きさを変化させることで、強磁性で金属の状態から非磁性で絶縁体の状態へ相転移する物質を含むことを特徴とする、請求項４に記載の磁気冷凍デバイス。
  7. リング状の内側ハルバッハ型磁石及び外側ハルバッハ型磁石を含み、これらから発生される磁場空間が互いに重畳するようにして同軸状に配置された少なくとも１組の２重構造の２重ハルバッハ型の磁石の内部空間内に磁気冷凍材料又は磁気冷凍材料を収納した磁気冷凍作業室を配置する工程と、
    前記内側ハルバッハ型磁石を固定した状態で前記外側ハルバッハ型磁石を回転機構により回転駆動させ、前記磁気冷凍材料に対して第１の磁場及びこの第１の磁場よりも磁場強度の小さい第２の磁場を印加することにより、前記磁気冷凍材料に磁気熱量効果を生ぜしめ、熱輸送を行う工程と、
    を具えることを特徴とする、磁気冷凍方法。
  8. 前記熱輸送は、前記磁気冷凍材料と接触して熱交換を生ぜしめるような熱輸送媒体を通じて行うことを特徴とする、請求項７に記載の磁気冷凍方法。
  9. 前記磁気冷凍材料を粒子状とすることを特徴とする、請求項７又は８に記載の磁気冷凍方法。
  10. 前記磁気冷凍材料は、磁場の印加により温度が上昇し磁場の除去により温度が降下する磁気熱量効果を示す磁性材料Ａ、磁場の印加により温度が降下し磁場の除去により温度が上昇する磁気熱量効果を示す磁性材料Ｂ、磁場の印加により高熱伝導特性を示し磁場の除去により熱伝導特性が低下する材料ａ、及び磁場の印加により低熱伝導特性を示し磁場の除去により熱伝導特性が向上する材料ｂを含み、これらの材料がＡａＢｂまたはＡｂＢａの順に積層してなるユニットを少なくとも１ユニット以上積層した磁気冷凍層ユニットとして構成することを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一に記載の磁気冷凍方法。
  11. 材料ａまたは材料ｂは、当該材料への印加磁場の大きさを変化させることで、金属状態から絶縁体状態へ相転移する物質を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の磁気冷凍方法。
  12. 前記材料ａまたは材料ｂは、当該材料への印加磁場の大きさを変化させることで、強磁性で金属の状態から非磁性で絶縁体の状態へ相転移する物質を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の磁気冷凍方法。
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