JP2009210165A - 磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システム - Google Patents

Abstract

【課題】小型化可能でかつ磁気冷凍効率を向上させる磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システムを提供する。
【解決手段】磁気熱量効果を有する磁性体粒子が充填された螺旋構造の熱交換容器１０と、磁気回路２０と、熱交換容器１０と磁気回路２２を相対的に移動させ、磁性体粒子への磁場の印加および除去を可能にする駆動部３０と、低温側熱交換部４０と、高温側熱交換部５０と、冷媒移動機構６０と、熱交換容器１０、低温側熱交換部４０、高温側熱交換部５０および冷媒移動機構６０とを配管７０により接続して形成され、冷媒を循環させる冷媒回路とを備えることを特徴とする磁気冷凍デバイスおよびこれを用いた磁気冷凍システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気熱量効果を有する磁性体を用いる磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システムに関する。

現在、人間の日常生活に密接に関係する室温域の冷凍技術、例えば、冷蔵庫、冷凍庫、室内冷暖房などの大半は、気体の圧縮膨張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環境破壊が大きな問題となっている。更に、代替フロンガスについてもその環境への影響が懸念されている。そこで、最近では、自然冷媒（ＣＯ２等）やイソブタンを用いた改良を行っている。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、室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。１８８１年、Ｗａｒｂｕｒｇによって鉄（Ｆｅ）における磁気熱量効果が見出された。磁気熱量効果とは、断熱状態で磁性物質に対して外部印加磁場を変化させると、その磁性物質の温度が変化する現象である。

磁気冷凍では、磁気熱量効果を利用して以下のように低温を生成している。磁性物質では、磁場印加時の状態と磁場除去時の状態の間で、電子磁気スピン系の自由度の相違に起因してエントロピーが変化する。このようなエントロピー変化に伴い、電子磁気スピン系と格子系との間で、エントロピーの移動が起こる。磁気冷凍では大きな電子磁気スピンを持った磁性物質を使用する。そして、磁場印加時と磁場除去時の間での大きなエントロピーの変化を利用し、電子磁気スピン系と格子系との間でエントロピーの授受を行わせ低温を生成している。

磁気冷凍システムは、１９００年代前半に磁気熱量効果を有する磁気冷凍作業物質としてＧｄ_２（ＳＯ_４）_３・８Ｈ_２Ｏなどの常磁性塩やＧｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２（ガドリニウム・ガリウム・ガーネット；ＧＧＧ）に代表される常磁性化合物を用いた冷凍デバイスが開発された。常磁性物質を使用した磁気冷凍を実現する冷凍デバイスでは、２０Ｋ以下の極低温領域に適用されるものが中心であり、超伝導磁石を用いて得ることができる１０テスラ程度の磁場が用いられている。

これに対して、より高温での磁気冷凍を実現すべく１９７０年代以降、強磁性物質における常磁性状態と強磁性状態との間の磁気相転移を利用した磁気冷凍の研究が盛んに行なわれた。そして、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｇｄなどのランタン系列の希土類元素単体やＧｄ−Ｙ、Ｇｄ−Ｄｙのような２種以上の希土類合金系材料、ＲＡｌ_２（Ｒは希土類元素を表す、以下において同じ）、ＲＮｉ_２、ＧｄＰｄなどの希土類金属間化合物など、単位体積当たりの電子磁気スピンが大きな希土類を含む磁性物質が数多く提案されている。

１９７４年に米国のＢｒｏｗｎは、強磁性相転移温度（Ｔｃ）が約２９４Ｋの強磁性物質Ｇｄを用いて、室温域における磁気冷凍を初めて実現した。しかしながら、Ｂｒｏｗｎの実験では、冷凍サイクルを連続的に運転したものの定常状態には至らなかった。１９８２年、米国のＢａｒｃｌａｙは、これまで室温域における磁気冷凍にとって阻害要因と位置付けられていた格子エントロピーを、むしろ積極的に利用することを考案し、磁気物質に、磁気熱量効果による磁気冷凍作業に加えて、この磁気冷凍作業により生成された冷熱を蓄える蓄熱効果を同時に担わせる冷凍方式を提案した（特許文献１参照）。この磁気冷凍方式は、ＡＭＲ方式（”Ａｃｔｉｖｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ”）と呼ばれている。これらの冷凍デバイスは、両者共に超伝導磁石を用いた強磁場下での動作である。

１９９７年、米国のＺｉｍｍ、Ｇｓｃｈｎｅｉｄｎｅｒ、Ｐｅｃｈａｒｓｋｙらは、細かい球形状のＧｄが充填された充填筒を用いてＡＭＲ方式の磁気冷凍デバイスを試作し、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た。これによると、室温域で、超伝導磁石を使用して磁場を０テスラから５テスラへ変化させることによって、約３０℃の冷凍に成功し、冷凍温度差（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。

２０００年にはスペインのＢｏｈｉｇａｓらにて永久磁石を用いた報告例もある。これは、固定された対向する永久磁石の空隙中に回転駆動系を伴う磁気冷凍作業物質を挿入した構造である。磁気冷凍作業物質にＧｄを用いて磁界強度：０．３Ｔ、冷媒：オリーブ油、回転数：４−５０ｒｐｍの条件で室温域環境にて１．５Ｋの冷却を実証している。しかし、回転駆動系に冷媒循環を内蔵させる複雑な構造と冷却能力不足が課題となっている。

以降、永久磁石を用いた室温磁気冷凍技術が活発に行われている。室温磁気冷凍技術における磁界の印加・除去手段は、大別すると概ね回転型と往復動型がある。回転型は、固定された磁気冷凍作業物質に対して磁石が回転する方式である。一方で、往復動型は、磁界を発生する磁気回路と磁気冷凍作業物質のいずれか一方を相対的に往復動作させる方式である。回転型では、配管系が複雑となり、往復動型では磁界の印加・除去に際して移動ストローク分の磁気的な遅れが生じる。
米国特許第４３３２１３５号明細書

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、小型化可能でかつ磁気冷凍効率を向上させる磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システムを提供することにある。

本発明の一態様の磁気冷凍デバイスは、磁気熱量効果を有する磁性体粒子が充填された螺旋構造の熱交換容器と、磁気回路と、これらの熱交換容器と磁気回路を相対的に移動させ、磁性体粒子への磁場の印加および除去を可能にする駆動部と、前記熱交換容器と独立した低温側熱交換部と、前記熱交換容器と独立した高温側熱交換部と、冷媒移動機構と、これらの熱交換容器、低温側熱交換部、高温側熱交換部および冷媒移動機構とを配管により接続して形成され、冷媒を循環させる冷媒回路と、を備えることを特徴とする。

本発明の一態様の磁気冷凍システムは、磁気熱量効果を有する磁性体粒子が充填された螺旋構造の熱交換容器と、磁気回路と、これらの熱交換容器と磁気回路を相対的に移動させ、磁性体粒子への磁場の印加および除去を可能にする駆動部と、前記熱交換容器と独立した低温側熱交換部と、前記熱交換容器と独立した高温側熱交換部と、冷媒移動機構とを有し、これらの熱交換容器、低温側熱交換部、高温側熱交換部および冷媒移動機構とを配管により接続して形成され、冷媒を循環させる冷媒回路を具備する磁気冷凍デバイスと、低温側熱交換部に熱的に接続される冷却部と、高温側熱交換部に熱的に接続される排熱部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、小型化可能でかつ磁気冷凍効率を向上させる磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システムを提供することが可能となる。

本明細書中、螺旋とは平面曲線（ｓｐｉｒａｌ）ではなく、空間曲線（ｈｅｌｉｘ）を意味するものとする。

（第１の実施の形態）
本実施の形態の磁気冷凍デバイスは、磁気熱量効果を有する磁性体粒子が充填された螺旋構造の熱交換容器と、磁気回路とを備えている。そして、この熱交換容器と磁気回路を相対的に移動させ、磁性体粒子への磁場の印加および除去を可能にする駆動部を備えている。さらに、熱交換容器と独立した低温側熱交換部と、熱交換容器と独立した高温側熱交換部と、冷媒移動機構とを備えている。そして、これらの熱交換容器、低温側熱交換部、高温側熱交換部および冷媒移動機構を配管により接続して形成され、冷媒を循環させる冷媒回路を備えている。

図１（ａ）は、本実施の形態の磁気冷凍デバイスの構造断面図、図１（ｂ）は熱交換容器の外観図、図１（ｃ）が磁気回路の構成要素である永久磁石の外観図である。図１に示すように、この磁気冷凍デバイスは、磁気熱量効果を有する磁性体粒子（図示せず）が充填された螺旋構造の熱交換容器１０と、この熱交換容器１０に非接触に配置される磁気回路２０を備えている。そして、磁気回路２０を熱交換容器１０に対して回転運動させることで、両者を相対的に移動させ、磁性体粒子への磁場の印加および除去を可能にする回転運動機構を備えた駆動部３０を有している。

さらに、この磁気冷凍デバイスは、デバイス外部と冷熱を交換する機能を有する低温側熱交換部３０と、デバイス外部と高熱を交換する機能を有する高温側熱交換部５０を備えている。加えて、冷媒を移動するための冷媒移動機構６０を備えている。熱交換容器１０、低温側熱交換部４０、高温側熱交換部５０、冷媒移動機構６０は、その内部に冷媒である、例えば水を通す配管７０によって接続され、冷媒が循環する冷媒回路を形成している。

熱交換容器１０は、図１（ｂ）に示すように中空の螺旋構造を有している。内部には、磁気熱量効果を有する、例えばＧｄ（ガドリニウム）のような磁性体粒子が充填されている。そして、白矢印で示すように、螺旋構造の熱交換容器１０の両端から、冷媒が流入、流出する構造となっている。図１（ａ）に示すように、熱交換容器１０は、螺旋構造の熱交換容器１０の低温端側配管７０ａにより低温側熱交換部４０に、高温端側配管７０ｂにより高温側熱交換部５０に接続される。

磁気回路２０は、熱交換容器１０と同一ピッチの螺旋構造を有する永久磁石２２と、磁気ヨーク２４を備えている。永久磁石２２の材料は、特に限定されるものではなく、例えば、ＮｄＦｅＢ磁石やＳｍＣｏ磁石、フェライト磁石等を用いることが可能である。また、磁気ヨーク２４の材料としては、例えば電磁軟鉄を用いることが可能である。

磁気ヨーク２４には、熱交換容器１０および永久磁石２２と同一ピッチの螺旋状凸部が永久磁石２２に対向するように設けられている。なお、磁気ヨーク２４は永久磁石で構成されていても構わない。また、螺旋状凸部は、永久磁石２２と磁気ヨーク２４間の空隙部の空間磁束密度をあげる観点から設けられているが、必ずしもこの形状が必須ではなく、螺旋状凸部のない磁気ヨークも適用可能で可能である。

そして、磁気回路２０の一端に固定され、磁気回路２０を図１（ａ）の矢印の方向に回転させる機能を備える駆動部３０には、例えば、電動式モータや油圧式モータが用いられる。また、低温側熱交換部４０は、例えば、低温の冷媒を貯留する貯留層と、その内部に冷媒に接するよう設けられる低温側熱交換器とで構成される。同様に、高温側熱交換部５０は、例えば、高温の冷媒を貯留する貯留層と、その内部に冷媒に接するよう設けられる高温側熱交換器とで構成される。冷媒移動機構６０は、例えば、ポンプと、冷媒の流れる方向を磁性体粒子への磁場の印加・除去に同期して切り替える切り替え弁で構成される。

次に、図１〜図３を参照しつつ、この磁気冷凍デバイスの動作原理を説明する。図２は、この磁気冷凍デバイス要部の断面図である。図２（ａ）は磁場除去時（回転角０度）、図２（ｂ）は磁場印加時（回転角１８０度）の磁気冷凍デバイスの要部断面図である。なお、回転角度は磁場除去時の位置の角度を０度と規定し、磁気回路が熱交換容器の周囲を１周した位置の角度を３６０度と規定する。また、図２においては、黒矢印で磁気回路の磁束の向きを示す。図３は、この磁気冷凍デバイスのＡＭＲサイクルチャートである。横軸は時間、縦軸は磁気回路の熱交換容器に対する回転角度を示している。

まず、図２（ａ）の場合、すなわち回転角度０度の場合、図に示すように永久磁石２２から磁気ヨーク２４に向かう磁束は、熱交換容器１０を横切らない。したがって、熱交換容器１０内の磁性体粒子には磁場が印加されず吸熱状態になる。この時、冷媒は冷媒移動機構により白矢印で示すように、高温端側配管７０ｂから低温側配管７０ａに向かう方向に流され冷熱を運搬する。この磁場除去状態の冷媒移動時間が、図３のＴｃ_ｆｌｏｗに相当する。

次に、駆動部３０により磁気回路２０を回転させていく。そして、図２（ｂ）の場合、すなわち回転角度１８０度の場合、図に示すように永久磁石２２から磁気ヨーク２４に向かう磁束が、熱交換容器１０の断面中心を横切ることになる。したがって、熱交換容器１０内の磁性体粒子に磁場が印加され、磁性体粒子が磁気熱量効果により発熱する。この時、冷媒は冷媒移動機構により白矢印で示すように、低温端側配管７０ａから高温側配管７０ｂに向かう方向に流され温熱を運搬する。この磁場印加状態の冷媒移動時間が、図３のＴｈ_ｆｌｏｗに相当する。

その後、さらに駆動部３０により磁気回路２０を回転させて、再度、図２（ａ）の磁場除去状態に戻す。なお、図３においては磁場除去状態から磁場印加状態に至る時間をＴ_ｏｎで示し、磁場印加状態から磁場除去状態に至る時間をＴ_ｏｆｆで表記している。ここで、Ｔｏｎ→Ｔｈ_ｆｌｏｗ→Ｔ_ｏｆｆ→Ｔｃ_ｆｌｏｗがＡＭＲサイクルの１サイクルであり、Ｔｏｎ＋Ｔｈ_ｆｌｏｗ＋Ｔ_ｏｆｆ＋Ｔｃ_ｆｌｏｗがＡＭＲサイクル時間となる。以上のＡＭＲサイクルを繰り返すことにより、熱交換容器の高温端と低温端で温度勾配（温度差）が生じ、冷媒による熱の移動で、図１の低温側熱交換部４０に熱的に接続される対象（冷却部）の冷却を可能にする。

本実施の形態の磁気冷凍デバイスによれば、小型化可能でかつ磁気冷凍効率を向上させる磁気冷凍デバイスの実現が可能となる。すなわち、熱交換容器を螺旋構造にすることで、温度勾配が生じる高温端と低温端の間の長さを容易に短くすることが出来るため、小型化可能であり、さらに扁平構造の磁気冷凍デバイスも実現できる。この磁気冷凍デバイスをたとえば家庭用冷凍冷蔵庫等に搭載する場合、省スペース性や搭載空間の制約が生じるが、螺旋構造にすることで外形の自由度が高いために容易に対応することが出来る。

また、本実施の形態の磁気冷凍デバイスは、回転型であるため往復動型に比べ、回転運動を直線運動に変換しない分、エネルギー効率が向上する。したがって、ＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ：ＣＯＰ＝冷凍出力÷入力エネルギー）が向上する。さらに、往復動型に比べ、ＡＭＲサイクルのサイクル周波数をより高くすることが可能であり、冷凍出力を大きくすることが可能である。

なお、磁気回路の回転方向は、駆動部のエネルギー効率をあげ、ＣＯＰを向上させる観点からは、常に一方向に回転させることが望ましい。しかし、磁場除去と磁場印加を逆方向回転で実現する構成としても構わない。

また、ここでは、磁気回路を回転させる場合を例に説明した。しかしながら、永久磁石や電磁軟鉄など比較的重量の大きい材料で構成される磁気回路にかえて、熱交換容器を回転させても構わない。この場合は、駆動部のエネルギー消費が低減でき、高いＣＯＰを実現することが可能となる。

図４は螺旋角度の定義を示す図である。本明細書中、螺旋角度（θ）とは螺旋の中心軸（図中の矢印）に対し、斜めに曲線を描く螺旋構造において、斜め曲線の接線（図中の線分）方向と、中心軸方向のなす角度をいう。本実施の形態において、螺旋構造の螺旋角度（θ）が１０度以上８０度以下であることが望ましい。１０度未満では、冷凍能力を確保するために必要な一定量の磁性体粒子を充填する場合、熱交換容器を軸方向に長くする必要が生じ、熱交換容器を螺旋構造にすることによる小型化の効果が十分得られないからである。また８０度より大きいと、螺旋ピッチ間隔が小さくなり、磁気回路による磁場の印加・除去の間隔も小さくなるため、漏洩磁界が大きくなり、磁性体粒子への磁束変化が低下するために冷凍能力が低下するからである。

また、熱交換容器内に異なる磁気転移温度を有する２種以上の磁性体粒子が、冷媒移動方向に積層して充填されることが望ましい。すなわち、熱交換容器の高温端側に磁気転移温度のより高い磁性体粒子を充填し、熱交換容器の低温端側に磁気転移温度のより低い磁性体粒子を充填することが望ましい。このように、異なる磁気転移温度を有する磁性体粒子を積層することで、磁気冷凍デバイスの動作温度範囲を拡大することが可能となる。

また、本実施の形態の磁気冷凍デバイスにおいては、磁性体の発熱・吸熱を冷媒で熱輸送することから、流路となる空間を確保しつつ、熱交換効率を大きくし、圧力損失を小さく設計する必要がある。ここで、磁性体粒子の充填率が低い場合には、冷媒との間での熱交換の際、冷媒の流れによって磁性体が振動・衝突が起こる。このような衝突は、磁性体粒子にクラックを生じさせ、更にその破壊を招く。磁性体粒子の破壊に伴う微細粉の発生は、冷媒の圧力損失を高め、冷凍能力を低下させる要因となる。

従って、このような事態を回避するために、磁性体は４０％以上７０％以下の体積充填率で充填することが好ましい。４０％未満では、磁性体粒子の充填量が下がり、さらに微細粉の発生が著しく、熱交換効率自体も著しく低下し、７０％を超えると冷媒の循環に際する圧力損失を著しく増大させる。さらには、５０％以上６５％以下の体積充填率で充填されることがより好ましい。

磁性体粒子は、粒径（長径）が０.１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが望ましい。高い冷凍能力を実現するためには、磁性体粒子と冷媒との熱交換が充分に行われることが重要である。熱交換を充分に行わせるためには、磁性体粒子の比表面積を大きくする必要がある。本発明の磁性体粒子の場合、比表面積を大きくするために、粒子径を小さく設定することが効果的である。但し、粒子径が小さ過ぎる場合には、冷媒の圧力損失が増大するので、これを勘案して、最適な粒径を選択する必要がある。ここで、磁気冷凍を行うための磁性体粒子の粒子径は、好ましくは、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下程度であり、更に好ましくは０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。

また、磁性体粒子の粒子形状は、表面に突起がない滑らかな形状であることが好ましく、例えば、球状または回転楕円体形状であることが好ましい。このような形状にすることによって、粒子の破壊に伴う微細粉の発生を防止するとともに、冷媒の圧力損失の増大を抑えることができる。

また、充填された磁性体粒子のうち、８０ｗｔ％以上の粒子が、アスペクト比が２以下の形状を有することが好ましい。これは、ほぼ球形状の粒子に、アスペクト比２以上の異形粒子を混在させて実験を行ったところ、異形粒子の混在量が２０％以上の場合には、冷媒の流れに長期間曝される結果、微細粉が発生し、流体の圧力損失が増大してしまったからである。磁性体粒子の粒径を０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の球状とし、その８０ｗｔ％以上を、アスペクト比が２以下である粒子を使用することで圧力損失と熱交換効率の両立が可能になる。

なお、磁性体粒子は、上述のＧｄに限らず、磁気熱量効果を発現する材料であれば、例えばＧｄ（ガドリニウム）に各種元素を混合したＧｄ化合物、各種希土類元素と遷移金属元素からなる金属間化合物、Ｎｉ_２ＭｎＧａ合金、ＧｄＧｅＳｉ化合物、ＬａＦｅ_１３系化合物、ＬａＦｅ_１３Ｈなどの磁性体粒子を用いることが可能である。

なお、冷媒としては、水が最も比熱が高く安価であるので適しているが、０℃以下の温度域では、鉱油やシリコン等のオイル系冷媒、エチレングリコール等のアルコール類などの溶剤系冷媒も使用することができる。冷凍サイクルの運転温度域に合わせて上記した、オイル系冷媒、溶剤系冷媒、水やこれらの混合液などを選択することができる。磁性体粒子の粒子径も、使用される冷媒の粘性（表面張力）や熱交換容器のサイズに応じて、上記の範囲内で最適な粒子径を選ぶことが望ましい。また、冷媒として気体を用いても良い。この場合、磁性体粒子の粒径は小さくすることが好ましい。これは、気体を用いることで圧力損失が低下するためであり、粒径を小さくすることで、磁性体粒子の充填量および全粒子表面積が大きくなるため、冷凍能力も高くなるからである。

図５は、上述の磁気冷凍デバイスを用いた磁気冷凍システムの構造断面図である。この磁気冷凍システムは、上述の磁気冷凍デバイスに加え、低温側熱交換部に熱的に接続される冷却部と、高温側熱交換部に熱的に接続される排熱部とを備えている。

低温側熱交換部４０は、低温の冷媒を貯留する低温側貯留層４２と、その内部に冷媒に接するよう設けられた低温側熱交換器４４とで構成される。同様に、高温側熱交換部５０は、高温の冷媒を貯留する高温側貯留層５２と、その内部に冷媒に接するよう設けられた高温側熱交換器５４とで構成される。そして、低温側熱交換器４４に熱的に冷却部８０が接続され、高温側熱交換器５４に熱的に排熱部９０が接続されている。

ここで、磁気冷凍システムを、例えば家庭用冷蔵庫に適用することができる。この場合、冷却部８０は、冷却される対象物である冷凍・冷蔵室であり、排熱部９０は、例えば、放熱板である。

ここで、この磁気冷凍システムは特に限定されるものではない。上述の家庭用冷凍冷蔵庫の他に、例えば、家庭用冷凍冷蔵庫、家庭用空調機、産業用冷凍冷蔵庫、大型冷凍冷蔵倉庫、液化ガス貯蔵・運搬用冷凍庫等の冷凍システムに適用することが可能である。それぞれ、適用場所によって必要な冷凍能力と制御温度域が異なる。しかし、磁性体粒子の使用量により冷凍能力を可変させることが出来る。さらに、制御温度域については、磁性体粒子の材質を制御することで磁気転移温度を可変させることが出来るため、特定の温度域に合わせることが可能である。さらに、磁気冷凍デバイスの排熱を暖房として利用した家庭用空調機、産業用空調機などの空調システムにも適用することが出来る。冷却と発熱の両方を利用したプラントに適用しても良い。

本実施の形態の磁気冷凍システムにより、小型化可能でかつ磁気冷凍効率を向上させる磁気冷凍システムの実現が可能となる。

（第２の実施の形態）
本実施の形態の磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システムは、駆動部が、磁気回路を熱交換容器に対し直線往復運動させる直線往復運動機構を有するいわゆる往復動型であること以外は、第１の実施の形態と同様である。したがって、重複する内容については記述を省略する。

図６は、本実施の形態の磁気冷凍デバイスの構造断面図である。図６に示すように、駆動部３０は、図中矢印の方向に磁気回路２０を直線往復運動させる直線往復運動機構を有している。この直線運動機構として、例えばモータ等による回転運動を直線往復運動に変換するクランク機構を適用することが可能である。

次に、図６、図７を参照しつつ、この磁気冷凍デバイスの動作原理を説明する。図７は、この磁気冷凍デバイス要部の断面図である。図７（ａ）は磁場除去時、図７（ｂ）は磁場印加時の磁気冷凍デバイスの要部断面図である。

まず、図７（ａ）の場合、図に示すように永久磁石２２から磁気ヨーク２４に向かう磁束は、熱交換容器１０を横切らない。したがって、熱交換容器１０内の磁性体粒子には磁場が印加されず吸熱状態になる。この時、冷媒は冷媒移動機構により白矢印で示すように、高温端側配管７０ｂから低温側配管７０ａに向かう方向に流され冷熱を運搬する。

次に、駆動部３０により磁気回路２０を駆動部３０方向（左方向）に直線移動させる。そして、図７（ｂ）の場合、図に示すように永久磁石２２から磁気ヨーク２４に向かう磁束が、熱交換容器１０の断面中心を横切ることになる。したがって、熱交換容器１０内の磁性体粒子に磁場が印加され、磁性体粒子が磁気熱量効果により発熱する。この時、冷媒は冷媒移動機構により白矢印で示すように、低温端側配管７０ａから高温側配管７０ｂに向かう方向に流され温熱を運搬する。

その後、さらに駆動部３０により磁気回路２０を駆動部３０から遠ざかる方向（右方向）に移動させて、再度、図７（ａ）の磁場除去状態に戻す。以上のＡＭＲサイクルを繰り返すことにより、熱交換容器の高温端と低温端で温度勾配（温度差）が生じ、冷媒による熱の移動で、図６の低温側熱交換部４０に熱的に接続される対象（冷却部）の冷却を可能にする

（第３の実施の形態）
本実施の形態の磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システムは、熱交換容器が、２つの螺旋部を組み合わせた２重螺旋構造を有し、２つの螺旋部が冷媒移動方向に直列接続されること以外は、第１の実施の形態と同様である。したがって、重複する内容については記述を省略する。

図８（ａ）は、本実施の形態の磁気冷凍デバイスの要部の構造断面図、図８（ｂ）は熱交換容器の外観図、図８（ｃ）が磁気回路の構成要素である永久磁石の外観図である。図８（ｂ）に示すように、熱交換容器は、２つの螺旋部１０ａ、１０ｂが組み合わされた多重螺旋構造を有している。ここで、螺旋部１０ａと螺旋部１０ｂは、破線矢印で示すように、端部が図示しない配管で接続されることにより直列接続されている。そして、互いに接続されていない側の端部では、螺旋部１０ａが低温端側配管７０ａに、螺旋部１０ｂが高温端側配管７０ｂに接続されている。そして、永久磁石２２は、図８（ｃ）に示すように、螺旋部１０ａ、１０ｂと同一のピッチで形成されている。

次に、図９を参照しつつ、この磁気冷凍デバイスの動作原理を説明する。図９は、この磁気冷凍デバイス要部の断面図である。図９（ａ）は磁場除去時（回転角０度）、図９（ｂ）は磁場印加時（回転角９０度）、図９（ｃ）は磁場除去時（回転角１８０度）、図９（ｄ）は磁場印加時（回転角２７０度）の断面図である。また、図９においては、黒矢印で磁束の向きを示す。

まず、図９（ａ）の場合、すなわち回転角度０度の場合、図に示すように永久磁石２２から磁気ヨーク２４に向かう磁束は、熱交換容器１０を横切らない。したがって、熱交換容器１０内の磁性体粒子には磁場が印加されず吸熱状態になる。この時、冷媒は冷媒移動機構により白矢印で示すように、高温端側配管７０ｂから低温端側配管７０ａに向かう方向に流され冷熱を運搬する。

次に、駆動部３０により磁気回路２０を回転させていく。そして、図９（ｂ）の場合、すなわち回転角度９０度の場合、図に示すように永久磁石２２から磁気ヨーク２４に向かう磁束が、熱交換容器の螺旋部１０ａの断面中心を横切ることになる。したがって、熱交換容器の螺旋部１０ａ内の磁性体粒子に磁場が印加され、磁性体粒子が磁気熱量効果により発熱する。この時、冷媒は冷媒移動機構により白矢印で示すように、低温端側配管７０ａから高温端側配管７０ｂに向かう方向に流され温熱を運搬する。

その後、さらに駆動部３０により磁気回路２０を回転させて、図９（ｃ）の場合、すなわち回転角度１８０度の場合、図に示すように永久磁石２２から磁気ヨーク２４に向かう磁束は、熱交換容器１０を横切らない。したがって、図９（ａ）の場合同様、熱交換容器１０内の磁性体粒子には磁場が印加されず吸熱状態になる。したがって、冷媒は冷媒移動機構により白矢印で示すように、高温端側配管７０ｂから低温側配管７０ａに向かう方向に流され冷熱を運搬する。

次に、駆動部３０により磁気回路２０を回転させていく。そして、図９（ｄ）の場合、すなわち回転角度２７０度の場合、図に示すように永久磁石２２から磁気ヨーク２４に向かう磁束が、熱交換容器の螺旋部１０ｂの断面中心を横切ることになる。したがって、熱交換容器の螺旋部１０ｂ内の磁性体粒子に磁場が印加され、磁性体粒子が磁気熱量効果により発熱する。この時、冷媒は冷媒移動機構により白矢印で示すように、低温端側配管７０ａから高温側配管７０ｂに向かう方向に流され温熱を運搬する。以上のＡＭＲサイクルを繰り返すことにより、熱交換容器の高温端と低温端で温度勾配（温度差）が生じる。

本実施の形態によれば、磁気回路が１回転する間に、２回の吸熱・発熱反応を繰り返すことになる。したがって、磁気冷凍効率の向上を図ることが可能となる。そして、高温端側の螺旋部１０ｂに磁気転移温度のより高い磁性体粒子を充填し、低温端側の螺旋部１０ｂに磁気転移温度のより低い磁性体粒子を充填することで、より広い温度領域で使用可能な磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システムを提供できる。また、螺旋部１０ａおよび螺旋部１０ｂに同じ磁気転移温度の磁性体粒子を充填する場合は、冷凍出力が単一螺旋構造の２倍となるため、大出力の磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システムが実現できる。

（第４の実施の形態）
本実施の形態の磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システムは、熱交換容器が、３つの螺旋部による３重螺旋構造を有し、３つの螺旋部が冷媒移動方向に直列接続されること以外は、第３の実施の形態と同様である。したがって、重複する内容については記述を省略する。

図１０は、本実施の形態の熱交換容器の外観図である。図１０に示すように、熱交換容器が３つの螺旋部１０ａ、１０ｂ、１０ｃが組み合わされた多重螺旋構造を有している。ここで、螺旋部１０ａ、螺旋部１０ｂおよび螺旋部１０ｃは、破線矢印で示す端部が図示しない配管で接続されることにより直列接続されている。そして、互いに接続されていない側の端部では、螺旋部１０ａが低温端側配管に、螺旋部１０ｃが高温端側配管に接続されている。

本実施の形態によれば、磁気回路が１回転する間に、３回の吸熱・発熱反応を繰り返すことになる。したがって、磁気冷凍効率を一層向上させることが可能となる。また、高温端側の螺旋部１０ｃに磁気転移温度のより高い磁性体粒子を充填し、螺旋部１０ｂに磁気転移温度がより低い磁性体粒子を充填し、低温端側の螺旋部１０ａに磁気転移温度のさらに低い磁性体粒子を充填することで、より広い温度領域で使用可能な磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システムを提供できる。一方、螺旋部１０ａ、螺旋部１０ｂおよび螺旋部１０ｃに同じ磁気転移温度の磁性体粒子を充填する場合は、冷凍出力が単一螺旋構造の３倍となるため、一層大出力の磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システムが実現できる。

（第５の実施の形態）
本実施の形態の磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システムは、磁気回路が円筒対向型磁気回路であること、および直線往復運動のストロークが長いこと以外は、第２の実施の形態と同様である。したがって、重複する内容については記述を省略する。

図１１（ａ）は、本実施の形態の磁気冷凍デバイスの構造断面図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＡ−Ａ’断面の拡大図である。図１１（ａ）に示すように、駆動部３０は、図中矢印の方向に磁気回路２０を直線往復運動させる直線往復運動機構を有している。また、図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示すように、本実施の形態の磁気回路２０は、円筒対向型磁気回路で構成されている。

次に、図１２を参照しつつ、この磁気冷凍デバイスの動作原理を説明する。図１２は、本実施の形態の磁気冷凍デバイス要部の断面図である。図１２（ａ）は磁場除去時、図１２（ｂ）は磁場印加時の断面図である。

まず、図１２（ａ）の場合、図に示すように永久磁石２２から磁気ヨーク２４に向かう磁束は、熱交換容器１０を横切らない。したがって、熱交換容器１０内の磁性体粒子には磁場が印加されず吸熱状態になる。この時、冷媒は冷媒移動機構により白矢印で示すように、高温端側配管７０ｂから低温端側配管７０ａに向かう方向に流され冷熱を運搬する。

次に、駆動部３０により磁気回路２０を駆動部３０方向（左方向）に直線移動させる。そして、図１１（ｂ）の場合、図に示すように永久磁石２２から磁気ヨーク２４に向かう磁束が、熱交換容器１０の断面中心を横切ることになる。したがって、熱交換容器１０内の磁性体粒子に磁場が印加され、磁性体粒子が磁気熱量効果により発熱する。この時、冷媒は冷媒移動機構により白矢印で示すように、低温端側配管７０ａから高温端側配管７０ｂに向かう方向に流され温熱を運搬する。

その後、さらに駆動部３０により磁気回路２０を駆動部３０から遠ざかる方向（右方向）に移動させて、再度、図１１（ａ）の磁場除去状態に戻す。以上のＡＭＲサイクルを繰り返すことにより、熱交換容器の高温端と低温端で温度勾配（温度差）が生じ、冷媒による熱の移動で低温側熱交換部に熱的に接続される対象（冷却部）の冷却を可能にする

本実施の形態によれば、熱交換容器を螺旋構造にすることで、直線構造の熱交換容器を用いる場合に比べて、直線往復運動のストロークが短くなる。したがって、小型化に有利であるとともに、ＣＯＰの向上も実現できる。さらに、円筒対向型磁気回路は磁石を着磁する際に、組み込み着磁が可能となるため安価に磁気回路を製造できるという利点がある。なお、ここで組み込み着磁とは、着磁前の磁石を使って対向する構造に組み立てた後に、パルス着磁を行う技術をいう。さらに、円筒対向型磁気回路を用いることで対向する磁界の位置精度を向上させることが可能となり、磁気冷凍動作を安定させることが可能となる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、実施の形態の説明においては、磁気冷凍デバイス、磁気冷凍システム等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる磁気冷凍デバイス、磁気冷凍システム等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての磁気冷凍デバイス、磁気冷凍システムは、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。

図１（ａ）は、第１の実施の形態の磁気冷凍デバイスの構造断面図、図１（ｂ）は熱交換容器の外観図、図１（ｃ）が磁気回路の構成要素である永久磁石の外観図である。 第１の実施の形態の磁気冷凍デバイス要部の断面図である。 第１の実施の形態の磁気冷凍デバイスのＡＭＲサイクルチャートである。 螺旋角度の定義を示す図である。 第１の実施の形態の磁気冷凍デバイスを用いた磁気冷凍システムの構造断面図である。 第２の実施の形態の磁気冷凍デバイスの構造断面図である。 第２の実施の形態の磁気冷凍デバイス要部の断面図である。 図８（ａ）は、第３の実施の形態の磁気冷凍デバイスの要部の構造断面図、図８（ｂ）は熱交換容器の外観図、図８（ｃ）が磁気回路の構成要素である永久磁石の外観図である。 第３の実施の形態の磁気冷凍デバイス要部の断面図である。 第４の実施の形態の熱交換容器の外観図である。 図１１（ａ）は、第５の実施の形態の磁気冷凍デバイスの構造断面図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＡ−Ａ’断面の拡大図である。 第５の実施の形態の磁気冷凍デバイス要部の断面図である。

符号の説明

１０ 熱交換容器
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 螺旋部
２０ 磁気回路
２２ 永久磁石
２４ 磁気ヨーク
３０ 駆動部
４０ 低温側熱交換部
４２ 低温側貯水槽
４４ 低温側熱交換器
５０ 高温側熱交換部
５２ 高温側貯水槽
５４ 高温側熱交換器
６０ 冷媒移動機構
７０ 配管
７０ａ 低温端側配管
７０ｂ 高温端側配管
８０ 冷熱部
９０ 排熱部

Claims (18)

1. 磁気熱量効果を有する磁性体粒子が充填された螺旋構造の熱交換容器と、
   磁気回路と、
   前記熱交換容器と前記磁気回路を相対的に移動させ、前記磁性体粒子への磁場の印加および除去を可能にする駆動部と、
   前記熱交換容器と独立した低温側熱交換部と、
   前記熱交換容器と独立した高温側熱交換部と、
   冷媒移動機構と、
   前記熱交換容器、前記低温側熱交換部、前記高温側熱交換部および冷媒移動機構とを配管により接続して形成され、冷媒を循環させる冷媒回路と、
   を備えることを特徴とする磁気冷凍デバイス。
2. 前記磁気回路を構成する永久磁石が螺旋構造を有することを特徴とする請求項１記載の磁気冷凍デバイス。
3. 前記駆動部は前記磁気回路を前記熱交換容器に対し回転運動させる回転運動機構を有することを特徴とする請求項１記載の磁気冷凍デバイス。
4. 前記駆動部は前記磁気回路を前記熱交換容器に対し直線往復運動させる直線往復運動機構を有することを特徴とする請求項１記載の磁気冷凍デバイス。
5. 前記熱交換容器内に、異なる磁気転移温度を有する２種以上の磁性体粒子が、冷媒移動方向に積層して充填されることを特徴とする請求項１記載の磁気冷凍デバイス。
6. 前記熱交換容器が、複数の螺旋部を組み合わせた多重螺旋構造を有し、前記螺旋部が冷媒移動方向に直列接続されることを特徴とする請求項１記載の磁気冷凍デバイス。
7. 前記螺旋部のそれぞれに、異なる磁気転移温度を有する磁性体粒子が充填されていることを特徴とする請求項６記載の磁気冷凍デバイス。
8. 前記螺旋構造の螺旋角度が１０度以上であることを特徴とする請求項１記載の磁気冷凍デバイス。
9. 前記磁性体粒子の粒径が０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の球状であり、前記磁性体粒子の前記熱交換容器に対する堆積充填率が４０％以上７０％以下であることを特徴とする請求項１記載の磁気冷凍デバイス。
10. 磁気熱量効果を有する磁性体粒子が充填された螺旋構造の熱交換容器と、磁気回路と、前記熱交換容器と前記磁気回路を相対的に移動させ、前記磁性体粒子への磁場の印加および除去を可能にする駆動部と、前記熱交換容器と独立した低温側熱交換部と、前記熱交換容器と独立した高温側熱交換部と、冷媒移動機構とを有し、前記熱交換容器、前記低温側熱交換部、前記高温側熱交換部および冷媒移動機構とを配管により接続して形成され、冷媒を循環させる冷媒回路を具備する磁気冷凍デバイスと、
    前記低温側熱交換部に熱的に接続される冷却部と、
    前記高温側熱交換部に熱的に接続される排熱部と、
    を備えることを特徴とする磁気冷凍システム。
11. 前記磁気回路を構成する永久磁石が螺旋構造を有することを特徴とする請求項１０記載の磁気冷凍システム。
12. 前記駆動部は前記磁気回路を前記熱交換容器に対し回転運動させる回転運動機構を有することを特徴とする請求項１０記載の磁気冷凍システム。
13. 前記駆動部は前記磁気回路を前記熱交換容器に対し直線往復運動させる直線往復運動機構を有することを特徴とする請求項１０記載の磁気冷凍システム。
14. 前記熱交換容器内に異なる磁気転移温度を有する２種以上の磁性体粒子が、冷媒移動方向に積層して充填されることを特徴とする請求項１０記載の磁気冷凍システム。
15. 前記熱交換容器が、複数の螺旋部を組み合わせた多重螺旋構造を有し、前記螺旋部が冷媒移動方向に直列接続されることを特徴とする請求項１０記載の磁気冷凍システム。
16. 前記螺旋部のそれぞれに、異なる磁気転移温度を有する磁性体粒子が充填されていることを特徴とする請求項１５記載の磁気冷凍システム。
17. 前記螺旋構造の螺旋角度が１０度以上であることを特徴とする請求項１０記載の磁気冷凍システム。
18. 前記磁性体粒子の粒径が０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の球状であり、前記磁性体粒子の前記熱交換容器に対する堆積充填率が４０％以上７０％以下であることを特徴とする請求項１０記載の磁気冷凍システム。
    
    
    
    
    
    
    

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