JP2015031472A - 磁気冷暖房装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷暖房効率を向上させた磁気冷暖房装置を提供する。
【解決手段】複数の磁性体ａ〜ｌを並べて一端部に低温側熱交換部、他端部に高温側熱交換部を配置して、それらの間に熱スイッチ部を設けた磁気冷暖房装置において、複数の磁性体は、それぞれ少なくとも２つの磁気熱量材料ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２、…、ｌ１、ｌ２を有している。この２つの磁気熱量材料は、それぞれのキュリー点（グラフのピーク））が低温側熱交換部に近い方ａ２、ｂ２、…、ｌ２が高く、高温側熱交換部に近い方ａ１、ｂ１、…、ｌ１が低いことを特徴とする磁気冷暖房装置である。
【選択図】図１０

Description

本発明は、磁気冷暖房装置に関し、詳しくは磁気熱量材料を使用した磁気冷暖房装置に関する。

従来用いられている室温域の冷凍装置、たとえば、冷蔵庫、冷凍庫、エアコンなどの冷凍装置の大半は、フロンガスや代替フロンガスなどの気体冷媒の熱伝導を利用している。最近では、フロンガスの排出に伴うオゾン層破壊の問題が露呈し、さらに、代替フロンガスの排出に伴う地球温暖化への影響も懸念されている。このため、フロンガスや代替フロンガスなどの気体冷媒を用いた冷凍装置に代わる、クリーンでかつ熱輸送能力の高い、革新的な冷凍装置の開発が強く望まれている。

このような背景から、最近になって注目されるようになった冷凍技術が磁気冷凍技術である。磁性体の中には、その磁性体に印加する磁界の大きさが変化すると、その変化に応じて自身の温度が変化する、いわゆる磁気熱量効果（ＭＣＥ：Ｍａｇｎｅｔｏｃａｌｏｒｉｃ Ｅｆｆｅｃｔ）を発現するものがある。このような磁気熱量効果により温度変化する磁性体は磁気熱量材料（ＭＣＭ：Ｍａｇｎｅｔｏｃａｌｏｒｉｃ Ｅｆｆｅｃｔ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）と称されている（磁気熱量効果材料と称されることもある）。そして、この磁気熱量効果を発現する磁性体を利用して熱を輸送する冷凍技術が磁気冷凍技術である。

磁気冷凍技術を応用したものとしては、たとえば、下記特許文献１に記載されているような、固体物質の熱伝導を利用して熱を輸送する磁気冷凍装置がある。この磁気冷凍装置は以下のような構成によって熱を伝導させる。

磁気を印加すると温度が上昇し、磁気を除去すると温度が下降する正の磁性体と、磁気を印加すると温度が下降し、磁気を除去すると温度が上昇する負の磁性体とを、所定の間隔で交互に配置する。正負一対の磁性体で１つの磁性体ブロックを形成する。この磁性体ブロックを環状に複数個配置して磁性体ユニットを形成する。磁性体ユニットに配置された正負の磁性体の間で挿脱される熱伝導部を正負の磁性体の間に配置する。この磁性体ユニットと同心で内径と外径が略等しいハブ状の回転体に永久磁石を配置して磁気回路を形成する。そして、永久磁石が配置されている回転体を磁性体ユニットと対向するように配置して磁性体ユニットに対し相対的に回転させる。この回転体の回転によって正負の磁性体に同時に磁気が印加されまた除去される。この回転体の回転に伴って熱伝導部を一定のタイミングで正負の磁性体の間に挿脱させる。磁気熱量効果により磁性体が発生する熱を、熱伝導部を介して磁性体が配置される一方向に輸送する。

このような磁気冷凍装置において、引用文献１の技術では、低温側熱交換手段が配置されている低温側から高温側熱交換手段が配置されている高温側へ向かう方向に順に作動温度が高くなる磁性体を用いている。

また、たとえば引用文献２の技術では、隣接する磁性体同士で、それぞれ作動温度範囲の異なるようにし、かつ、隣接する磁性体同士の作動温度範囲を重複するように並べている。

このように従来技術では、低温側から高温側へ向かう方向に順に作動温度が高くなるように、作動温度の異なる磁気熱量材料一つからなる磁性体を用いている。これによりそれぞれの磁性体が低温側から高温側まで、それぞれの作動温度範囲で効率よく磁気熱量効果を発現させて熱を移動できる。

特開２００７−１４７２０９号公報（段落００７２） 米国特許第６５８８２１５号（第１１欄第３０行〜第１２欄第３７行、ＦＩＧ．１１および１２）

しかしながら、各磁性体の温度変化を検討したところ、各磁性体内における温度分布は、必ずしも低温側から高温側に向かって温度が高くなっているものではないことがわかってきた。

そこで本発明の目的は、従来より冷暖房効率を向上させた磁気冷暖房装置を提供することである。

上記目的を達成するための本発明に係る磁気冷暖房装置は、間隔を設けて列状に配置された複数の磁性体と、この複数の磁性体のそれぞれに磁気を印加および除去する磁気印加部と、複数の磁性体の列の一端部に磁性体から間隔をあけて配置された低温側熱交換部と、複数の磁性体の前記列の他端部に磁性体から間隔をあけて配置された高温側熱交換部と、磁性体同士の間、磁性体と低温側熱交換部の間、および磁性体と前記高温側熱交換部の間のそれぞれに配置されて、これらの間の熱の伝達および断熱を行う熱スイッチ部と、を有する。そして、複数の磁性体は、それぞれが磁気の印加および除去により温度変化する少なくとも２つの磁気熱量材料を有している。この少なくとも２つの磁気熱量材料は、それぞれのキュリー点が低温側熱交換部に近い方が高く、高温側熱交換部に近い方が低いことを特徴とする。

本発明によれば、各磁性体を少なくとも２つの磁気熱量材料により構成し、それら少なくとも２つの磁気熱量材料は、それぞれのキュリー点が低温側熱交換部に近い方を高く、高温側熱交換部に近い方を低いものとした。これにより、一つひとつの磁性体を、その内部の温度分布に対応した最適な温度範囲で磁気熱量効果による温度変化を行わせることができるようになる。このため磁気冷暖房装置としての冷暖房効率が向上する。

本実施形態に係る磁気冷暖房装置の外観図である。 磁気冷暖房装置の内部構成を説明するための図であり、図１中Ａ−Ａ線に沿う部分断面図であって、略円筒形状の磁気冷暖房装置における半径部分を示している。 磁性体の配置を説明するための平面図である。 磁石の配置を説明するための平面図である。 内周冷媒通路および外周冷媒通路に通じている冷媒出入口を説明するための図であり、図５Ａは図３におけるＡ−Ａ線に沿う切断部端面図であり、図５Ｂは図３におけるＢ−Ｂ線に沿う切断部端面図である。 内周冷媒および外周冷媒を流す方向について説明するための説明図である。 内周冷媒および外周冷媒を流す方向について説明するための説明図である。 内周冷媒通路が高温側熱交換器、外周冷媒通路が低温側熱交換器とした場合における内周冷媒と外周冷媒のそれぞれの温度変化の仕方を説明するためのグラフであり、図８Ａは平流方式のときのグラフであり、図８Ｂは向流方式のときのグラフである。 並流方式の場合の一つの磁性体ブロックにおける磁性体を説明するための説明図である。 一つの磁性体ブロックにおける磁性体をそれぞれ構成する磁気熱量材料のキュリー点を示すグラフである。 磁性体の温度分布を説明するための説明図であり、図１１Ａは２つの磁性体が接続されているモデル図、図１１Ｂは、磁性体の温度分布を示す図である。 図１１Ａで示したモデルにおいて、２つの磁性体内部の温度変化を調べたシミュレーションによる温度グラフである。 並流方式の場合における各磁性体ブロックを構成する複数の磁気熱量材料のそれぞれのキュリー点を示すグラフである。 向流方式の場合の一つの磁性体ブロックにおける磁性体を説明するための説明図である。 向流方式の場合の一つの磁性体ブロックにおける磁性体をそれぞれ構成する磁気熱量材料のキュリー点を示すグラフである。 向流方式の場合における各磁性体ブロックを構成する複数の磁性体をそれぞれ構成する磁気熱量材料のキュリー点の平均値を示すグラフであり、横軸は低温側温度Ｔｃから高温側温度Ｔｈまでの温度であり、縦軸は各磁気熱量材料が変化する温度である。 熱スイッチ部の形態１を説明するための説明図である。 熱スイッチ部の形態２を説明するための説明図である。 熱スイッチ部の形態３を説明するための説明図である。 熱スイッチ部の形態４を説明するための説明図である。 熱スイッチ部の形態５を説明するための説明図である。 熱スイッチ部の形態６を説明するための説明図である。 熱スイッチ部の形態７を説明するための説明図である。 熱スイッチ部の形態８における熱スイッチ部の構成を説明するための熱スイッチ部分の断面図である。 熱スイッチ部の形態８における熱スイッチ部の構成を説明するための熱スイッチ部分の平面図である。 エレクトロウェッティングの原理を説明するための説明図である。 隙間における液体金属の移動を説明するための説明図で、隙間における液体金属部分の拡大図である。 図２４と同じ部分の断面図であり、液体金属が隙間を上がってきた状態、すなわち熱伝達状態を示している。 熱スイッチ部の形態９における熱スイッチ部の構成を説明するための平面図である。 第１の状態における磁気印加ディスク上の磁石の位置を示す概略平面図である。 第１の状態のときの磁性体ブロックの概略断面図である。 第１の状態から３０度回転した第２の状態における磁気印加ディスク上の磁石の位置を示す概略平面図である。 第２の状態のときの磁性体ブロックの概略断面図である。

第２の状態のときの磁性体ブロックの概略断面図である。
冷暖房システムに係る磁気冷暖房装置の空気の循環系統を示す図である。 冷暖房システムに係る磁気冷暖房装置の制御系のブロック図である。 図３５の空調情報入力部のさらに具体的な制御系のブロック図である。 磁気冷暖房装置の動作を制御する手順を示すフローチャートである。 実施形態２において、並流方式（図３８Ａ）と向流方式（図３８Ｂ）のそれぞれについて、一つの磁性体ブロックにおける磁性体をそれぞれ構成する磁気熱量材料のキュリー点を示すグラフである。 内周冷媒通路が低温側熱交換器、外周冷媒通路が高温側熱交換器とした場合における内周冷媒と外周冷媒のそれぞれの温度変化の仕方を説明するためのグラフであり、図３９Ａは平流方式のときのグラフであり、図３９Ｂは向流方式のときのグラフである。 内周冷媒通路が低温側熱交換器、外周冷媒通路が高温側熱交換器とした場合において、並流方式の場合における各磁性体ブロックでの各磁性体を構成する磁気熱量材料のキュリー点の平均値を示すグラフである。 内周冷媒通路が低温側熱交換器、外周冷媒通路が高温側熱交換器とした場合において、向流方式の場合における各磁性体ブロックでの各磁性体を構成する磁気熱量材料のキュリー点の平均値を示すグラフである。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面における各部材の大きさや比率は説明の都合上誇張または簡略化されており、実際の大きさや比率とは異なる。

〔実施形態１〕
［全体構成］
図１は本実施形態に係る磁気冷暖房装置の外観図である。図に示すように、磁気冷暖房装置５００は略円柱状の外形をしており、ハウジング５０によって覆われている。

ハウジング５０からは、内周冷媒通路４１（詳細後述）に接続されていて内周冷媒の入口または出口となる内周冷媒出入口４５と、外周冷媒通路４２（詳細後述）に接続されていて外周冷媒の入口または出口となる外周冷媒出入口４６が引き出されている。内周冷媒出入口４５および外周冷媒出入口４６は、直径方向の両端においてそれぞれが隣り合うように設けられている。

また、ハウジング５０の中心部には、ハウジング５０に対して回転自在となっている回転軸６０が出ている。

図２は磁気冷暖房装置の内部構成を説明するための図であり、図１中Ａ−Ａ線に沿う部分断面図であって、略円柱状の磁気冷暖房装置における半径部分を示している。図３は磁性体の配置を説明するための平面図である。図４は磁石の配置を説明するための平面図である。

ハウジング５０の内部には、磁気熱量効果を有する磁性体１と、熱を輸送するための熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂが交互に並べられた磁性体ブロックが入っている。この磁性体ブロックが熱輸送器となる。また、熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂは熱伝導部となる。

熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂは機能的には同じものであるが、熱伝達状態（オン状態）と断熱状態（オフ状態）が３０ａと３０ｂで互いに逆となる。熱スイッチ部３０ａと３０ｂのオン、オフの切り替えは、磁気印加ディスク（後述）の回転に合わせてどちらか一方の状態となるようにする。この熱スイッチ部３０ａと３０ｂのオン、オフを切り替えることで複数の磁性体１の熱を半径方向に輸送している。すなわち、環状に接続された磁性体ブロックＭＢの円周方向と交差する方向に熱を輸送するのである。

図３を参照して磁性体ブロック（熱輸送器）を説明する。一つの磁性体ブロックＭＢは、複数の磁性体１と熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂが半径方向に交互に配置されている。そして、磁性体ブロックＭＢは環状に間隔をあけて並列に１２個配置している。各磁性体ブロックＭＢの間（間隔の部分）は空気層または断熱材などにより断熱されている。この環状に並べた１２個の磁性体ブロックＭＢにより中空状で円盤形状となった熱生成ディスク１０が構成されている。

磁性体１については後に詳述するが、本実施形態では磁気熱量効果として磁気が印加されると発熱し磁気が除去されると吸熱する正の磁気熱量材料を用いている。そして、一つひとつの磁性体１は、それぞれが複数の磁気熱量材料によって構成されている。本実施形態では２つ磁気熱量材料により一つの磁性体１を構成している。

熱生成ディスク１０の内周に沿って内周冷媒通路４１が設けられている。内周冷媒通路４１は内周端にある磁性体１と熱スイッチ部３０ａを介して隣接されている。この内周冷媒通路４１は高温側熱交換器となるものである。

また、熱生成ディスク１０の外周に沿って外周冷媒通路４２が設けられている。外周冷媒通路４２は外周端にある磁性体１と熱スイッチ部３０ａを介して隣接している。外周冷媒通路４２は低温側熱交換器となるものである。

内周冷媒通路４１（高温側熱交換器）に流す冷媒を内周冷媒、外周冷媒通路４２（低温側熱交換器）に流す冷媒を外周冷媒と称する。

磁性体１、熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂ、内周冷媒通路４１、および外周冷媒通路４２は、磁性体基板１１上に固定されている（図２参照）。

このような内周冷媒通路４１と外周冷媒通路４２の配置とすることで、一つひとつの磁性体ブロックＭＢによって生成される熱による温度差が最も大きくなる磁性体ブロックの内周端と外周端に冷媒を流すことができるようになる。

熱生成ディスク１０は、図２に示したように、磁性体基板１１の内周端において内周冷媒通路４１ごと回転軸６０に対してボールベアリングなどの回転支持部材５１を介して回転軸６０の回転を妨げないように支持されている。一方、熱生成ディスク１０の磁性体基板１１外周端は外周冷媒通路４２ごとハウジング５０に固定されている。

熱生成ディスク１０の上下には、図２に示したように、磁気印加ディスク２０が配置されている。図４を参照して磁気印加ディスク２０を説明する。磁気印加ディスク２０上には、複数の磁石２が設けられている。各磁石２は、複数の磁性体１の半径方向一つおきに対峙するとともに、円周方向にも磁性体１に対して一つおきに対峙するように配置されている。このため磁気印加ディスク２０が熱生成ディスク１０に対して相対的に回転して３０度進むごとに、磁気が印加される磁性体１が次々に切り替わって行くことになる。各磁石２は磁石基板２１上に固定されている。

また、磁気印加ディスク２０は、図２に示すように、磁性体１と磁石２の間に隙間がある。磁気印加ディスク２０は中空状であり、その内周端は回転軸６０に固定されている。一方、磁気印加ディスク２０の外周端はハウジング５０との間に隙間があり、熱生成ディスク１０の外周部（おおむね外周冷媒通路４２部分）において、ボールベアリングなどの回転支持部材５２を介して回転自在に支持されている。これにより磁気印加ディスク２０は回転軸６０の回転によって、熱生成ディスク１０に対して相対的に回転することができるようになっている。

熱生成ディスク１０と、熱生成ディスク１０に対して図示上下側に配置された磁気印加ディスク２０が１セットとなって一つの層を形成している。このようなセット（層）が、図２に示したように、複数積層されている。積層方向中間部分にある磁気印加ディスク２０は、図２に示したように、磁気印加ディスク２０の一方側の磁性体１と対峙する磁石２を保持するとともに、他方の側の磁性体１と対峙する磁石２を保持している。そして、一方側の磁性体１に対峙する磁石２の位置と、他方の側の磁性体１に対峙する磁石２の位置が、磁気印加ディスク２０の回転方向に３０度ずれた配置となるようにしている。なお、積層方向の端にある磁気印加ディスク２０は、図２に示したように、磁性体１と対峙する磁石２を保持している。

１セットとなった熱生成ディスク１０と磁気印加ディスク２０の積層数は任意であり、積層数を多くすることで、冷媒の流速が同じであれば、磁気冷暖房装置全体に流すことのできる冷媒の量を多くすることができる。

［熱交換器］
内周冷媒通路および外周冷媒通路について説明する。

内周冷媒通路４１は高温側熱交換器となるものである。内周冷媒通路４１は熱生成ディスク１０のもっとも内周側に位置した磁性体１と熱スイッチ部３０ａを介して隣接している。内周冷媒通路４１は、図３に示したように、熱生成ディスク１０の内周に沿って２つの通路が設けられている。このために円周方向において２か所に仕切り板４１ａが設けられている。これにより２本の内周冷媒通路４１内を流れる冷媒（流体）は互いに混じることなく、熱生成ディスク１０の直径方向の一方端から入り、内周に沿って流れて半周したところで直径方向の他方端から出るように流れる。

外周冷媒通路４２は低温側熱交換器となるものである。外周冷媒通路４２は熱生成ディスク１０のもっとも外周側に位置した磁性体１と熱スイッチ部３０ａを介して隣接している。外周冷媒通路４２は、図３に示したように、熱生成ディスク１０の内周に沿って２つの通路が設けられている。このために円周方向において２か所に仕切り板４２ａが設けられている。これにより２本の外周冷媒通路４２内を流れる冷媒（流体）は互いに混じることなく、熱生成ディスク１０の直径方向の一方端から入り、外周に沿って流れて半周したところで直径方向の他方端から出るように流れる。

２つの内周冷媒通路４１を仕切る仕切り板４１ａと、２つの外周冷媒通路４２を仕切る仕切り板４２ａとは、熱生成ディスク１０の円周方向において同じ位置にある。これにより内周冷媒通路４１の内周冷媒出入口４５と、外周冷媒通路４２の外周冷媒出入口４６とがほぼ同じ位置で隣り合うように配置することができる。このような配置とすることで、後述するように、内周冷媒と外周冷媒が交差することなく流すことができる。そして、それらの流れを同じ方向とする平流方式と、互いに逆方向とする向流方式にすることができる。

図５は内周冷媒通路および外周冷媒通路に通じている冷媒出入口を説明するための図であり、図５Ａは図３におけるＡ−Ａ線に沿う切断部端面図であり、図５Ｂは図３におけるＢ−Ｂ線に沿う切断部端面図である。なお、図５においては一つの熱生成ディスク１０のみ示したが、他の熱生成ディスク１０も同様である。

図５Ａに示すように、内周冷媒出入口４５と外周冷媒出入口４６は、熱生成ディスク１０の外周端において隣り合うように設けられている。内周冷媒出入口４５は、磁性体ブロックＭＢの間を通って内周冷媒通路４１に接続されている（図３参照）。また、外周冷媒通路４２は図５Ｂから分かるように外壁４２ｂにより外周冷媒が取るための通路が形成されている。図示しないが内周冷媒通路４１も同様に外壁により形成されている。

各冷媒出入口４５、４６はパイプ状（円筒）部材である。しかし、各冷媒出入口４５、４６はパイプ形状に限らず、矩形状などであってもよい。

このように磁性体ブロックＭＢの内周と外周にそれぞれ沿うように冷媒を流す内周冷媒通路４１および外周冷媒通路４２を設けたことで、複数の熱生成ディスク１０を積層した場合に、各冷媒通路が層を跨がることがなくなる。このため層を跨る配管による余分な体積の増加がなく冷暖房装置全体としてコンパクトにすることができる。

ここで本実施形態１の磁気冷暖房装置５００は、内周冷媒の出口温度は、外周冷媒の出口温度より高くなるように構成している。このため各磁性体ブロックＭＢにおいて内周側が高温、外周側が低温となるように熱輸送しているのである。ここでいう低温、高温とは、相対的に内周側が外周側よりも高温（逆にいうと外周側が内周側よりも低温）という意味である。

内周冷媒および外周冷媒を流す方向について説明する。図６および７は、内周冷媒および外周冷媒を流す方向について説明するための説明図である。図中の矢印が例場合の流れる方向である。なお、図６および７においては熱生成ディスク１０のみを示した。また、図中「ＭＢ１」〜「ＭＢ６」は磁性体ブロックＭＢを識別するための符号であり、１２個の磁性体ブロックＭＢにおいて図示左右対称となるように付した。

内周冷媒および外周冷媒を流す方向は、図６に示すように共に同じ方向に流す並流方式と、図７に示すように互いに逆方向に流す向流方式とがある。本実施形態１では、いずれの方式においても、内周冷媒通路４１が高温側熱交換器、外周冷媒通路４２が低温側熱交換器である。

並流方式は、図６に示すように、熱生成ディスク１０の直径方向のＡ側（こちらを一端側とする）にある内周冷媒出入口４５と外周冷媒出入口４６からそれぞれの冷媒を入力する。そして直径方向のＡ側とは反対のＢ側（他端側）にある内周冷媒出入口４５と外周冷媒出入口４６からそれぞれの冷媒を出力するものである。したがって、平流方式においては、内周冷媒、外周冷媒共にＡ側からＢ側へ流すことになる。

このため内周冷媒はＡ側から入って磁性体ブロックＭＢ１〜ＭＢ６の熱を奪って暖かくなってＢ側から放出される。外周冷媒はＡ側から入って磁性体ブロックＭＢ１〜ＭＢ６により冷やされてＢ側から放出される。

向流方式は、図７に示すように、外周冷媒は、熱生成ディスク１０の直径方向のＡ側（（一端側）から入力してＢ側（他端側）から出力する。一方、内周冷媒は、Ｂ側（他端側）から入力してＡ側（一端側）から出力する。したがって、向流方式においては、外周冷媒はＡ側から入って磁性体ブロックＭＢ１〜ＭＢ６により冷やされてＢ側から放出される。内周冷媒はＢ側から入って磁性体ブロックＭＢ６〜ＭＢ１の熱を奪って暖かくなってＡ側から放出される。

図８は、内周冷媒通路が高温側熱交換器、外周冷媒通路が低温側熱交換器とした場合における内周冷媒と外周冷媒のそれぞれの温度変化の仕方を説明するためのグラフであり、図８Ａは平流方式のときのグラフであり、図８Ｂは向流方式のときのグラフである。これらグラフにおいて横軸は図６および７におけるＡ側からＢ側までの位置を示し、縦軸は温度を示す。

各グラフにおいて、内周冷媒および外周冷媒は、入口での温度が同じであり、ここではＴｂであるとする。また、グラフ中のＭＢ１〜ＭＢ６は各磁性体ブロック（図６および７参照）と温度の関係を示している。

並流方式は、図８Ａに示すように、内周冷媒が入口温度Ｔｂから出口温度Ｔｈにまで温度が上昇する。この温度変化を＋ΔＴ（＝Ｔｈ−Ｔｂ）とする。この＋ΔＴはたとえば３０Ｋである。一方、外周冷媒は入口温度Ｔｂから出口温度Ｔｃまで温度が下降する。この温度変化を−ΔＴ（＝Ｔｃ−Ｔｂ）とする。この−ΔＴはたとえば３０Ｋである。これにより、内周冷媒通路４１の出口における内周冷媒温度Ｔｈの方が外周冷媒通路４２の出口における外周冷媒温度Ｔｃより高い温度となる。

図８Ａのグラフからわかるように、並流方式では、磁性体ブロックＭＢ１においては、内周冷媒と外周冷媒の温度差がほとんど少ないが、磁性体ブロックＭＢ６に行くほどこの温度差が大きくなっている。したがって、磁性体ブロックＭＢ１は冷却（または加熱）する温度は少なくてもよいが、磁性体ブロックＭＢ６では２×ΔＴに相当する温度を冷却（または加熱）しなければならないことになる。

向流方式は、図８Ｂに示すように、内周冷媒が入口温度Ｔｂから出口温度Ｔｈにまで温度が上昇する。この温度変化を＋ΔＴ（＝Ｔｈ−Ｔｂ）とする。この＋ΔＴはたとえば３０Ｋである。一方、外周冷媒は入口温度Ｔｂから出口温度Ｔｃまで温度が下降する。この温度変化を−ΔＴ（＝Ｔｃ−Ｔｂ）とする。この−ΔＴはたとえば３０Ｋである。これにより、内周冷媒通路４１の出口における内周冷媒温度Ｔｈの方が外周冷媒通路４２の出口における外周冷媒温度Ｔｃより高い温度となる。

そして図８Ｂのグラフからわかるように、向流方式では、磁性体ブロックＭＢ１〜ＭＢ６はいずれも内周冷媒と外周冷媒の温度差に相当する温度範囲を冷却（または加熱）することになる。しかも磁性体ブロックＭＢ１〜ＭＢ６はそれぞれがΔＴに相当する温度を冷却（または加熱）すればよいことになる。

ここで、冷房効率の指標となるカルノーサイクルにおける成績係数（ＣＯＰ）を求める。ＣＯＰ＝（Ｔ低温）／（（Ｔ高温）−（Ｔ低温））である。式中（Ｔ高温）−（Ｔ低温）は、内周冷媒と外周冷媒における磁性体ブロックＭＢ１〜ＭＢ６のそれぞれの内周側と外周側の温度差である。

並流方式では、（（Ｔ高温）−（Ｔ低温））は、最大２×ΔＴということになる（ＭＢ６の内周側と外周側の温度差に相当する）。このことから並流方式の成績係数は、ＣＯＰ＝Ｔｃ／（２×ΔＴ）となる。

一方、向流方式では、（（Ｔ高温）−（Ｔ低温））はどの磁性体ブロックにおいてもΔＴということなる。このことから向流方式の成績係数は、ＣＯＰ＝Ｔｃ／ΔＴとなる。したがって、向流方式の方が並流方式より２倍冷却効率がよいことになる。

［磁性体］
磁性体について説明する。

磁性体１は、磁気の移動（印加、除去）により温度変化する磁気熱量材料を用いている。一つひとつの磁性体１は、少なくとも２つの磁気熱量材料によって構成されている。

磁気熱量材料は、磁気を移動させたときに変化する温度範囲が決まっている。この変化する温度範囲を作動温度という。作動温度は、磁気熱量材料が持つキュリー点に対応している。したがって、磁気熱量材料のキュリー点を、運転中にその磁性体が担う温度とすることで最も効率よく温度変化させることができる。

キュリー点は磁気熱量材料を構成する材料によって決まってくる。磁気熱量材料を構成する具体的な材料としては、たとえば、公知のＬａＦｅＳｉＨを用いることができる。ＬａＦｅＳｉＨは、その組成中の水素の量の変化で、キュリー点を変えることができる（たとえば参考文献１“Ｌａｒｇｅ ｍａｇｎｅｔｏｃａｌｏｒｉｃ ｅｆｆｅｃｔｓ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｌａ（ＦｅＳｉ）１３ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｈｙｄｒｉｄｅｓ” Ｋ． Ｆｕｋａｍｉｃｈｉら Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｌｌｏｙｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ４０８−４１２ （２００６） ｐ．３０７−３１２）。また、同様に、一般式：Ｌａ（Ｆｅ_1-xＭ_x）₁₃Ｈ_z（Ｍは、Ｓｉ、Ａｌからなるグループ中から選択された１種または２種以上の元素であり、ｘおよびｚの値は、それぞれ、０．０５≦ｘ≦０．２；０．３≦ｚ≦３；で規定される）であらわされる磁気熱量材料（特開２００３−９６５４７号公報）でも、前述したキュリー点を変えることができる。

本実施形態では、磁性体１の内部の温度分布に対応して、それぞれの磁性体を構成する各磁気熱量材料のキュリー点を変えている。

まず並流方式の場合について説明する。

図９は並流方式の場合の一つの磁性体ブロックにおける磁性体を説明するための説明図である。ここで図９Ａは一つの磁性体ブロックＭＢの概略平面図であり、図９Ｂは図９Ａ中の矢視Ａから見た概略側面図である。なお、図９においては、一つの磁性体ブロックＭＢを構成する複数の磁性体のそれぞれを区別するために内周側から外周側方向へａ〜ｌ（小文字のエル）の符号を付した。そして、一つひとつの磁性体を構成する磁気熱量材料は、内周側を１、外周側を２とする添え字を付した。すなわち、内周側から順にａ１およびａ２、ｂ１およびｂ２、…ｌ１およびｌ２とした。

また、図１０は、一つの磁性体ブロックＭＢにおける磁性体ａ〜ｌをそれぞれ構成する磁気熱量材料のキュリー点を示すグラフである。

図９に示すように、一つの磁性体ブロックＭＢを構成する磁性体ａ〜ｌは、それぞれが２つの磁気熱量材料ａ１およびａ２、ｂ１およびｂ２、…ｌ１およびｌ２よりなる。

そして図１０に示すように、それぞれの磁性体内の２つの磁気熱量材料のキュリー点は、それぞれ内周側である内周冷媒通路４１（高温側熱交換器側、すなわち高温側）側に位置するａ１、ｂ１、…ｌ１が低く、外周冷媒通路４２（低温側熱交換器側、すなわち低温側）側に位置するａ２、ｂ２、…ｌ２が高い。なお、ここで、高い低いとは、相対的なキュリー点の高低である。また、グラフのピークがキュリー点温度である。このキュリー点（ピーク）から広がる裾野の範囲がおおむね温度変化する作動温度範囲となるが、最も大きく温度変化する温度はキュリー点付近である。

一方、複数の磁性体ａ〜ｌを見れば、各磁性体ａ〜ｌを構成する２つの磁気熱量材料ａ１およびａ２、ｂ１およびｂ２、…ｌ１およびｌ２のそれぞれのキュリー点の平均値が外周冷媒通路４２（低温側熱交換器）から内周冷媒通路４１（高温側熱交換器）へ高くなるようにしている。図中の点線が平均値を結ぶ線である。つまり、磁気熱量材料ａ１およびａ２のキュリー点の平均値、ｂ１およびｂ２のキュリー点の平均値、…、ｌ１およびｌ２のキュリー点の平均値は、高温側に行くほど高いのである。

したがってこれらをまとめると、磁性体ａ〜ｌとしての作動温度は低温側から高温側へ高くなっていて、かつ、一つひとつの磁性体内ではそれぞれを構成する２つの磁気熱量材料のキュリー点が高温側に位置するものの方が低いのである。

このようなキュリー点を持つ磁気熱量材料の配置としたことの作用を説明する。図１１は、磁性体の温度分布を説明するための説明図であり、図１１Ａは２つの磁性体が接続されているモデル図、図１１Ｂは、磁性体の温度分布を示す図である。

図１１Ａに示したモデルでは、磁性体ＡおよびＢはいずれも単一の磁気熱量材料からなる。図中左側に低温熱交換器、右側に高温熱交換器側が接続されている。したがって、この図では左側ほど低温となる。また、このモデルでは、磁性体ＡおよびＢの上下を挟むように磁石を配置して、この磁石の移動により磁性体ＡおよびＢに対して、交互に磁気の印加（励磁）、除去（消磁）を行うものとしている。

このようなモデルにおいて、磁性体ＡおよびＢをそれぞれ交互に磁気の印加（励磁）、除去（消磁）を行うと、それぞれに発熱と吸熱が起こる。それらの温度変化は、図１１Ｂに示すように、磁性体Ａの温度は励磁によりＡＴＬからＡＴＨに変化し、消磁によりＡＴＨからＡＴＬに変化する。同様に磁性体Ｂの温度は励磁によりＢＴＬからＢＴＨに変化し、消磁によりＢＴＨからＢＴＬに変化する。そして、磁性体ＡおよびＢの平均温度は、相対的に高温側に位置する磁性体Ｂの方が高くなっている。

しかし個別の磁性体内の温度分布をみると、いずれも低温側の方が高温側より高くなっていることが分かったのである。

図１１Ａで示した２つの磁性体内部の温度変化をシミュレーションにより検討した。図１２は、図１１Ａで示したモデルにおいて、２つの磁性体内部の温度変化を調べたシミュレーションによる温度グラフである。

このシミュレーションでは、はじめ磁性体Ａ側に磁石があり、磁石を磁性体Ｂ側に移動させる。そしてこの磁石の移動に伴う各磁性体ＡおよびＢそれぞれの左側、中央、右側の温度をシミュレーションにより検証した。なお、図１１Ａに示したモデルのとおり、２つの磁性体はいずれも単一の磁気熱量材料からなる。また、図１１Ａに示したとおり２つの磁性体のさらに左の方に低温熱交換器、右の方に高温熱交換器が配置されている。したがってこのモデルによる装置全体としては、低温熱交換器（低温側）のある左側が、高温熱交換器（高温側）のある右側より相対的に低温である。

図１２に示したように、はじめのうち（サイクルタイム約１〜６（秒））、磁性体Ａは磁気が印加されているため全体としての温度は、磁気が印加されていない磁性体Ｂよりも高くなる。このとき磁性体Ａ内部の温度は左側が右側より高い。磁性体Ｂの内部温度も同様に左側が右側より高い。

続いて磁石が移動して磁性体Ｂ側へ移る（サイクルタイム約７〜１２（秒））。そうすると、磁性体Ａは磁気の印加がなくなるため温度が下がり、磁性体Ｂは磁気が印加されるため温度が上がる。このときも各磁性体ＡおよびＢの内部温度は、いずれも左側が右側より高い。

つまり、磁石による磁気印加の有無にかかわらず、一つひとつの磁性体内部においては、装置全体の低温側（左側）に位置する側が、高温側（右側）に位置する側よりも、常に温度が高いのである（すなわち図１１Ｂに示したとおりである）。すなわち、磁性体内部の温度分布の傾向は、装置全体の温度傾向と逆になっているのである。

このような磁性体内部の温度変化は、磁気エントロピーの変化によるものである。そしてこのシミュレーションでは、一つの磁性体（単一の磁気熱量材料）内部において、左側と右側で約２℃の違いがある。この２℃の違いは、磁気エントロピー変化量としては、５０%以上変わることになる。

ここで磁性体のエントロピー変化量を見積もった。ここでは装置全体としての高温側に位置する右側の温度を、その磁性体における作動温度範囲の中央値とした。この場合、一つの磁性体内において、右側（高温側）は、そのエントロピー変化量は最大１００％となる。しかし、右側よりも温度が２℃低い左側（低温側）ではエントロピー変化量は、最大の５０％程度となってしまう。また、中央部分でのエントロピー変化量は最大の８０％程度となる。したがってこの場合は、一つの磁性体としての平均エントロピー変化量は最大の７７％となる。

これに対して、磁性体内部を２つ楼域、すなわち、左側と右側の領域に区切り、それぞれの側に適した作動温度範囲となる２つ磁気熱量材料を使用した場合のエントロピー変化量を見積もった。つまり各磁性体内の各部位ごとの平均温度に対応した作動温度範囲の磁気熱量材料を用いたのである。このようにした場合、左側も右側も常に最適な温度変化範囲となるため、それぞれの側で１００％のエントロピー変化量を望むことができる。そうすると、磁性体内の一つの磁気熱量材料で構成した場合よりも磁気熱量効果によるエントロピー変化量が約３０％も大きくなる。したがって、装置全体としても冷暖房能力を３０％程度向上することできるようになる。

以上のことから、本実施形態は、一つの磁性体内を複数に分割して、分割部分ごとに適した温度変化が起こる磁気熱量材料を用いることしたのである。つまり、既に説明したように、一つひとつの磁性体を２つの磁気熱量材料により構成して、低温熱交換器側（低温側）の磁気熱量材料のキュリー点が高温熱交換機側（高温側）より高くなるようにしているのである。

そして、好ましくは、それぞれの磁性体を構成する２つの磁気熱量材料のキュリー点の平均値は、それぞれの磁性体が担う作動温度の中間温度と一致することである。これにより、一つひとつの磁性体を、磁気熱量効果を発現する１個の磁性体として見た場合でも、一つの磁性体が担う温度範囲を確実に２つの磁気熱量材料の組み合わせでもっとも効率的に作動させることができる。

なお、２つの磁気熱量材料のキュリー点の平均値と、それぞれの磁性体が担う作動温度の中間温度とはずれてもよい。これは、キュリー点として説明したグラフ（たとえば図１０）のように、磁気熱量材料が作動する温度範囲はキュリー点となる温度を中心として幅がある（それぞれの山形の波形の裾野の範囲）。この幅の範囲内であれば、効率的に磁気熱量効果を発揮できる。したがって、２つの磁気熱量材料の組み合わせた波形の範囲に、その２つの磁気熱量材料により構成された磁性体が担う温度範囲が入っていれば、キュリー点の平均値と、磁性体が担う作動温度の中間温度とがずれてもよいのである。

このように一つひとつの磁性体内の温度分布に合わせてきめ細かくキュリー点を設定した複数の磁気熱量材料を用いることで、効率よく冷暖房を行うことができるようになる。

次に、熱生成ディスク全体における各磁性体の温度変化範囲について説明する。

図１３は並流方式の場合における各磁性体ブロックを構成する複数の磁性体において、それぞれの磁性体を構成する２つの磁気熱量材料のキュリー点の平均値を示すグラフであり、横軸は低温側温度Ｔｃから高温側温度Ｔｈまでの温度であり、縦軸は各磁気熱量材料が変化する温度の平均値である。図１３におけるａ〜ｌ（小文字のエル）は図９で各磁性体に付した符号に対応する（内周側がａ、外周側がｌ（小文字のエル）である）。また、グラフ中の山形の複数の曲線のそれぞれのピークが、それぞれの磁性体を構成する２つの磁気熱量材料のキュリー点の平均値である。

図１３に示したように、並流方式の場合は、片側６個の磁性体ブロックＭＢ１〜ＭＢ６は全て、それぞれの磁性体ａ〜ｌを構成する磁気熱量材料のキュリー点の平均値が外周側（ｌ）から内周側（ａ）へ高くなるようにしている。これは、本実施形態においては内周冷媒が外周冷媒と比較して相対的に高温になるからである。磁性体ａ〜ｌを構成する磁気熱量材料のキュリー点の平均値をこのようにすることで、熱生成ディスク１０全体として最適な磁気熱量効果を得られるようになる。しかも並流方式の場合は、冷媒の入口側と出口側とで磁性体ブロックＭＢの内周側と外周側の温度差が異なるので、最も温度差が大きくなる出口における温度差２×ΔＴに合わせて、各磁性体ブロックＭＢを構成する複数の磁気熱量材料のキュリー点を設定した。これにより熱生成ディスク１０を構成する複数の磁性体ブロックＭＢは、磁性体ａ〜ｌが同じ構成となった磁性体ブロックを環状に１２個並列に並べている。このため後述する向流方式と対比すれば熱生成ディスク１０を製造する際のコストを低減することができる。

次に向流方式の場合について説明する。

向流方式の場合は、一つの磁性体ブロックＭＢにおいて内周側と外周側との温度差は、すべての磁性体ブロックＭＢで同じであり、既に説明したように（図８Ｂ）、ΔＴに相当する温度差を得られればよい（ただし各磁性体ブロックが担う温度領域が異なる（後述））。そして、このΔＴが最大温度差である。

ここで一つひとつの磁性体が担う温度差が並流方式と同じであると仮定する。並流方式では１２個の磁性体を用いて一つの磁性体ブロックＭＢを構成して、２×ΔＴの温度差となるようにしていた。これが向流方式の場合は磁性体ブロックの内周側と外周側でΔＴの温度差が得られればよいのであるから、一つの磁性体ブロックを６個の磁性体で構成すればよいことになる。このことは先に説明したＣＯＰが向流方式では並流方式の２倍あることからもわかる。

一つの磁性体ブロックにおける各磁性体の構成を説明する。図１４は、向流方式の場合の一つの磁性体ブロックにおける磁性体を説明するための説明図である。ここで図１４Ａは一つの磁性体ブロックＭＢの概略平面図であり、図１４Ｂは図１４Ａ中の矢視Ａから見た概略側面図である。なお、図１４においては、一つの磁性体ブロックＭＢを構成する複数の磁性体のそれぞれを区別するために内周側から外周側方向へａ〜ｆの符号を付した。そして、一つひとつの磁性体をそれぞれ構成する磁気熱量材料は、内周側を１、外周側を２とする添え字を付した。すなわち、内周側から順に、ａ１およびａ２、ｂ１およびｂ２、…ｆ１およびｆ２とした。

また、図１５は、一つの磁性体ブロックにおける磁性体をそれぞれ構成する磁気熱量材料のキュリー点を示すグラフである。

向流方式においても、一つの磁性体ブロックＭＢを構成する一つひとつの磁性体ａ〜ｆは、図１４に示すように、それぞれ２つの磁気熱量材料ａ１およびａ２、ｂ１およびｂ２、…ｆ１およびｆ２によって構成されている。

そして、図１５に示すように、それぞれ内周冷媒通路４１（高温側熱交換器、すなわち高温側）側に位置するａ１、ｂ１、…ｆ１が低く、外周冷媒通路４２（低温側熱交換器、すなわち低温側）側に位置するａ２、ｂ２、…ｆ２が高い。その理由は、並流方式において既に説明した通りである（特に図１１および１２参照）。また、磁気熱量材料ａ１およびａ２のキュリー点の平均値、ｂ１およびｂ２のキュリー点の平均値、…ｆ１およびｆ２のキュリー点の平均値は、高温側に行くほど高くなるようにしている。

次に向流方式の場合の一つの熱生成ディスク全体の磁性体の並びを説明する。図１６は向流方式の場合における各磁性体ブロックを構成する複数の磁性体をそれぞれ構成する磁気熱量材料のキュリー点の平均値を示すグラフであり、横軸は低温側温度Ｔｃから高温側温度Ｔｈまでの温度であり、縦軸は各磁気熱量材料が変化する温度である。図１６におけるａ〜ｆは、図１４で各磁気熱量材料に付した符号に対応する。また、グラフ中の山形の複数の曲線のそれぞれのピークがキュリー点の平均値である。

図１６に示すように、向流方式の場合も並流方式と同様に、各磁性体ブロックＭＢ１〜ＭＢ６を構成するそれぞれの複数の磁性体ａ〜ｆは、各磁性体を構成する磁気熱量材料のキュリー点の平均値が外周側（f）から内周側（a）へ高くなるようにしている。そして向流方式の場合はさらに片側６個の磁性体ブロックＭＢ１〜６のそれぞれが冷媒の温度変化域に対応して、異なる温度領域を担うようになっている。つまり、図８Ｂに示したように磁性体ブロックＭＢ１〜ＭＢ６の温度が異なることから、それに合わせて磁性体ブロックＭＢ１〜ＭＢ６のそれぞれが担う温度領域を変えているのである。このため向流方式では、一つひとつの磁性体ブロック中にある複数の磁性体を構成するそれぞれの磁気熱量材料のキュリー点の平均値が、磁性体ブロックＭＢ１〜ＭＢ６方向に低くなるようにしている。つまり、各磁気ブロックＭＢ１〜ＭＢ６を構成する磁性体を構成するすべての磁気熱量材料のキュリー点の平均値が、外周冷媒を基準としても、内周冷媒を基準としても、それらの入口から出口の方向に段階的に変化しているのである。

またこのことは、各磁気ブロックＭＢ１〜ＭＢ６における外周側に位置する磁性体ａを見れば、それを構成する磁気熱量材料ａ１およびａ２のキュリー点の平均値は外周冷媒の入口側（Ａ側、すなわちＭＢ１側）が高く、出口側（Ｂ側、すなわちＭＢ６側）が低くなるように配置されていることになる。また、内周側に位置する磁性体ｆを見れば、それを構成する磁気熱量材料ｆ１およびｆ２のキュリー点は内周冷媒の入口側（Ｂ側、すなわちＭＢ６側）が低く、出口側（Ａ側、すなわちＭＢ１側）が高くなるように配置されていることになる。

このように向流方向においては、各磁気ブロックＭＢ１〜ＭＢ６を構成する磁性体ａ〜ｆは外周側（低温側）から内周側（高温側）へ、段階的に磁性体ａ〜ｆを構成する磁気熱量材料のキュリー点の平均値が変化するようにしているのである。さらに、各磁気ブロックＭＢ１〜ＭＢ６を構成する磁性体ａ〜ｆ全体のキュリー点の平均値（すなわち磁性体ａ〜ｆに含まれるすべての磁気熱量材料のキュリー点の平均値）は、冷媒の入口から出口の方向に段階的に変化しているものとなっているのである。

これにより向流方式においては、磁気冷暖房装置５００として必要な温度差を平流方式と比較して、より少ない数の磁気熱量材料で得ることができる。

もちろん、向流方式においても、一つひとつの磁性体ブロックＭＢを構成する磁性体１の数を１２個としてもよい。その場合には、冷媒出口側における内周冷媒と外周冷媒の温度差を平流方式の約倍の温度差にすることができる。

なお、一つひとつの磁性体ブロックを構成する磁性体の数を６個とした場合の装置全体の構成については図示していないが、既に説明した１２個とした場合と同じである。

［熱スイッチ部］
次に熱スイッチ部について説明する。

熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂは、一つの磁性体ブロックＭＢ内において、内周冷媒通路４１と磁性体１の間、隣接する磁性体１同士の間、磁性体１と外周冷媒通路４２の間に配置されていて、これらの間の熱の伝達、遮断を行う熱伝達部である。この熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂについては、様々な形態がある。

＜熱スイッチ部の形態１＞
図１７は熱スイッチ部の形態１を説明するための説明図である（図においては途中の磁性体１を省略した）。

熱スイッチ部の形態１は、熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂとして磁気の印加、除去によって絶縁体、金属に相転移する転移体を使用した例である。

熱スイッチ部の形態１は、図１７に示すように、磁性体１の両面に熱スイッチ部３０ａと３０ｂが配置されている。熱スイッチ部３０ａ、３０ｂは、磁性体１の対向する両面に接合または接着によって一体化する。熱スイッチ部３０ａの磁性体１がない存在しない側には内周冷媒通路４１が接合または接着されることになる。熱スイッチ部３０ｂは、その両側とも磁性体１が接合または接着されることになる。そして同様に磁性体１の数だけ熱スイッチ部３０ａ、３０ｂが設けられて、最後に外周冷媒通路４２が熱スイッチ部３０ａに接合または接着される。

（熱スイッチ部３０ａの動作）
熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂとして用いた転移体は、たとえば９テスラ程度の磁気が印加されると、印加される前よりも熱伝導率が大きくなる。熱伝導率の大きさの変化は、１００倍から３０００倍の範囲である。したがって、熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂは、磁気が印加されなければ熱伝導率は極めて小さくなり、接続されている内周冷媒通路４１と磁性体１の間、磁性体１同士の間、磁性体１と外周冷媒通路４２の間でそれぞれ熱を伝導しない。一方、熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂに磁気が除去されると熱伝導率が極めて大きくなって、内周冷媒通路４１と磁性体１の間、磁性体１同士の間、磁性体１と外周冷媒通路４２の間でそれぞれ熱を伝導する。熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂへの磁気の印加、除去は、磁石２によって行えばよい。

転移体は、少なくとも１種類以上の電荷整列絶縁体を含む。したがって、転移体に磁気を印加すると金属に相転移して熱伝導率が相対的に大きくなる。また、転移体から磁気を除去すると絶縁体に相転移して熱伝導率が相対的に小さくなる。したがって、このような転移体を含む熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂに対して、一方に磁気を印加するとき、他方は磁気を印加しないようにすることで、互いに逆の状態、すなわち一方が熱伝導であれば他方は断熱状態にすることができる。

磁気を印加することで絶縁体から金属に相転移するメカニズムを解明する研究の結果によれば、次のような報告がなされた。

遷移金属の酸化物の中には、大量の電子が存在し電子間の相関が強い物質であるために、電子同士が反発し合い局在化した、電荷整列絶縁体という絶縁体が多く存在している。電荷整列絶縁体では、電子のスピンや軌道など、電荷以外の電子の持つ性質（自由度）に直接作用する外場が、電荷整列絶縁体という絶縁体を金属に相変化させる。特に、磁気が電子のスピンに作用すると、局在している大量の電子を雪崩のように動かし、絶縁体を金属に相変化させる。報告によると、ネオジウムストロンチウムマンガン酸化物を用いた場合、温度１０Ｋ（−２３６℃）２．４テスラの磁気では電気抵抗率が５００Ωｍと高い絶縁体状態であったが、９テスラの磁気では電気抵抗率が０．２Ωｍと４桁ほど減少したことが示された。本実施形態の熱スイッチ部３０ａはこの現象を積極的に利用して、磁気冷暖房装置５００を構成している。なお、本実施形態では、磁気を印加すると金属化する電荷整列絶縁体として、Ｇｄ_0.55Ｓｒ_0.45ＭｎＯ、Ｐｒ_0.5Ｃａ_0.5ＭｎＯ₃を用いる。

このように、熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂを、電荷整列絶縁体を含む転移体で形成すると、磁気の印加、除去によって、熱伝導率の大きさを大きく変えることができ、熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂとして機能させることができる。このような熱伝導率が変化する熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂを用いることで、隣接する磁性体１への磁石２による磁気の印加、除去と同時に、これら熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂへも磁気の印加、除去を行うことができる。

＜熱スイッチ部の形態２＞
図１８は熱スイッチ部の形態２を説明するための説明図である。

熱スイッチ部の形態２に係る熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂは、電圧の印加、除去により金属状態と絶縁状態に変化する相転移体を使用した例である。

熱スイッチ部の形態２に係る熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂは同じ形態であり、電極３１Ａおよび３１Ｂと、これら電極３１Ａおよび３１Ｂの間に取り付ける金属／絶縁相転移体３２とによって構成される。電極３１Ａの一方の面は磁性体１の一方の面に接合または接着によって取り付ける。電極３１Ｂの一方の面は他の磁性体１の一方の面に接合または接着によって取り付ける。したがって、熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂは、複数の磁性体１と電極３１Ａおよび３１Ｂと介して一体化されることになる。なお、内周冷媒通路４１と磁性体１の間、および磁性体１と外周冷媒通路４２と間においても同様に熱スイッチ部３０ａが接合または接着されて一体化される。

電極３１Ａ、３１Ｂは導電性の良好な、たとえばアルミニウムや銅などの金属（金属単体または合金でもよい）を用いる。磁性体１の間では電極３１Ａと３１Ｂを介して熱が伝導するので、電極３１Ａと３１Ｂは熱伝導率のより大きい金属を用いることが好ましい。

電極３１Ａ、３１Ｂを磁性体１および金属／絶縁相転移体３２に接着する接着剤は、熱伝導率の大きいものを用いる。たとえば、接着剤に金属粉を接着性が妨げられない程度に混ぜ込んだ熱伝導性を改善した接着剤を用いる。

金属／絶縁相転移体３２は、電圧を印加すると絶縁体から金属に相転移し、熱伝導率が大きくなり、逆に、電圧を遮断すると金属から絶縁体に相転移し、熱伝導率が小さくなる性質を持つものである。金属と絶縁体の相互間の相転移を示す絶縁体は、無機酸化物モット絶縁体または有機モット絶縁体がある。無機酸化物モット絶縁体は少なくとも遷移金属元素を含む。モット絶縁体としては、ＬａＴｉＯ₃、ＳｒＲｕＯ₄、ＢＥＤＴ−ＴＴＦ（ＴＣＮＱ）が知られている。金属と絶縁体の相互間の相転移が可能なデバイスとして現在知られているものは、ＺｎＯ単結晶薄膜電気二重層ＦＥＴ、ＴＭＴＳＦ／ＴＣＮＱ積層型ＦＥＴ素子がある。熱は、熱電子および格子結晶によって移送することができる。ＺｎＯ単結晶薄膜電気二重層ＦＥＴおよびＴＭＴＳＦ／ＴＣＮＱ積層型ＦＥＴ素子は、電圧を印加すると熱電子が活発に移動するようになる性質を利用する。ここでは、金属／絶縁相転移体３２に、少なくとも遷移金属元素を含む無機酸化物モット絶縁体、有機モット絶縁体、ＺｎＯ単結晶薄膜電気二重層ＦＥＴ、ＴＭＴＳＦ／ＴＣＮＱ積層型ＦＥＴ素子など、電圧の印加除去によって熱伝導率が大きく変化するものを用いる。

図１８に示すように、電極３１Ａと３１Ｂとの間に直流電圧Ｖを印加すると、金属／絶縁相転移体３２の熱伝導率が相対的に大きくなって、磁性体１と各冷媒通路４１および４２の間および磁性体１間で熱の移動が起こる。一方、電極３１Ａと３１Ｂとの間の直流電圧Ｖを除去すると、金属／絶縁相転移体３２の熱伝導率が相対的に小さくなって、磁性体１と各冷媒通路４１および４２の間および磁性体１間の熱の移動が阻止される。したがって、熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂは、電圧の印加、除去によって熱の移動を制御する熱スイッチ部となる。

このように熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂの熱伝導の断続は、電極３１Ａと３１Ｂに電圧を印加、除去することによってできる。電極３１Ａと３１Ｂを設けることで、金属／絶縁相転移体３２に容易に電圧を印加することができる。また、金属／絶縁相転移体３２に、少なくとも遷移金属元素を含む無機酸化物モット絶縁体、有機モット絶縁体、ＺｎＯ単結晶薄膜電気二重層ＦＥＴ、ＴＭＴＳＦ／ＴＣＮＱ積層型ＦＥＴ素子を用いると、熱伝導率の変化の応答性が良好になる。

この様な形態の熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂは磁性体１との並び方向にのみ熱を輸送できるため、熱的な損失が小さくできる。熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂは、電圧の印加、除去に応じて、磁性体１間をすべての接触面を使って接続できるので、熱輸送能力および熱輸送効率を向上させることができる。

＜熱スイッチ部の形態３＞
図１９は熱スイッチ部の形態３を説明するための説明図である。

熱スイッチ部の形態３に係る熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂは、熱スイッチ部の形態２で説明した熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂに、さらに補助電極３３Ａ、３３Ｂを追加している。その他の構成および動作は熱スイッチ部の形態２と同様である。

補助電極３３Ａと３３Ｂは、金属／絶縁相転移体３２に接合または接着によって取り付ける。補助電極３３Ａと３３Ｂは熱伝導性を考慮しなくてもよい。また補助電極３３Ａと３３Ｂを金属／絶縁相転移体３２に接着する接着剤も熱伝導性を考慮しなくてもよい。補助電極３３Ａと３３Ｂと接着剤には、熱電子が通過しないからである。

補助電極３３Ａと３３Ｂは、電極３１Ａと３１Ｂに対して、直交方向に電圧を印加する。補助電極３３Ａと３３Ｂとの間に直流電圧を印加すると、金属／絶縁相転移体３２内の電子の分布が補助電極３３Ａと３３Ｂの方向に偏る。このため、磁性体１との間を移動する熱電子の抵抗が減少し、熱電子が移動しやすくなる。つまり、補助電極３３Ａと３３Ｂを設けることで、金属／絶縁相転移体３２の熱伝導率をより大きくすることができる。

＜熱スイッチ部の形態４＞
図２０は熱スイッチ部の形態４を説明するための説明図である。

熱スイッチ部の形態４に係る熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂには、電極３１Ａと３１Ｂを、金属／絶縁相転移体３２と磁性体１との間には設けずに、金属／絶縁相転移体３２内を移動する熱電子の移動方向に対して直交する方向から電圧が印加できるように設けている。その他の構成および動作は熱スイッチ部の形態２と同様である。

したがって、金属／絶縁相転移体３２は、磁性体１および各冷媒通路４１および４２に直接取り付ける。金属／絶縁相転移体３２と磁性体１とは、接合または接着剤で取り付ける。このときに用いる接着剤は、熱伝導性の大きいものを用いる。

電極３１Ａと３１Ｂは、金属／絶縁相転移体３２に接合または接着によって取り付ける。電極３１Ａと３１Ｂは熱伝導性を考慮しなくてもよい。また電極３１Ａと３１Ｂを金属／絶縁相転移体３２に接着する接着剤も熱伝導性を考慮しなくてもよい。電極３１Ａと３１Ｂと接着剤には、熱電子が通過しないからである。

電極３１Ａと３１Ｂは、金属／絶縁相転移体３２内を移動する熱電子の移動方向に対して、直交方向に電圧を印加する。電極３１Ａと３１Ｂとの間に直流電圧を印加すると、金属／絶縁相転移体３２内の電子の分布が電極３１Ａと３１Ｂの方向に偏って相転移する。このため、磁性体１との間を移動する熱電子の抵抗が減少し、熱電子が移動しやすくなる。

熱スイッチ部の形態２、３の場合には、熱電子の通過方向に電極３１Ａ、３１Ｂが存在するので、熱電子にとっては電極３１Ａ、３１Ｂが障害物となる。このため、電極３１Ａ、３１Ｂの存在は熱伝導率を小さくする方向に働く。熱スイッチ部の形態４の場合には、金属／絶縁相転移体３２を磁性体１に直接取り付けるので、電極３１Ａ、３１Ｂの存在は熱伝導率を下げる方向には働かない。したがって、本形態に係る熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂの熱伝導率は、熱スイッチ部の形態２、３の場合と比較して、大きくなる。

＜熱スイッチ部の形態５＞
図２１は熱スイッチ部の形態５を説明するための説明図である。

熱スイッチ部の形態５に係る熱スイッチ部３０ａ、３０ｂは、金属／絶縁相転移体３２を磁性体１に直接取り付け、磁性体１に直流電圧を印加できるようにしたものである。金属／絶縁相転移体３２と磁性体１とは接合または接着剤で取り付ける。接着剤は熱伝導率の大きいものを用いる。その他の構成および動作は熱スイッチ部の形態２と同様である。

磁性体１を電極の代わりに用いると、構造が単純化され、また、部品点数の減少と製造工程の簡略化が図れる。また、熱スイッチ部の形態４の場合と同様に、熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂの熱伝導率は、熱スイッチ部の形態２、３の場合と比較して、大きくなる。

＜熱スイッチ部の形態６＞
図２２は熱スイッチ部の形態６を説明するための説明図である。

熱スイッチ部の形態６は、熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂに絶縁体３４を追加している。具体的には、図２２に示すように、熱電子の移動を妨げる絶縁体３４を電極３１Ａと金属／絶縁相転移体３２との間に設けている。図２２では、図１８の構成に絶縁体３４を追加しているが、図１９〜１７の構成に対して絶縁体３４を追加してもよい。その他の構成および動作は熱スイッチ部の形態２と同様である。

絶縁体３４は、熱電子以外の電子の移動を阻止するために設ける。電極３１Ａと３１Ｂとの間に直流電圧を印加すると、電極３１Ａと３１Ｂとの間に電流が流れるが、本来移動してほしい熱電子に加え、熱輸送に関与しない電子を過剰に移動させてしまう可能性がある。この熱輸送に関与しない電子の過剰の移動を防ぐために、絶縁体３４を金属／絶縁相転移体３２に取り付けることによって、金属／絶縁相転移体３２の熱伝導率の低下を防止できる。

＜熱スイッチ部の形態７＞
図２３は熱スイッチ部の形態７を説明するための説明図である。

熱スイッチ部の形態７は、熱スイッチ部の形態４に係る図２０の熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂに分極体３５を追加している。具体的には、電極３１Ａと金属／絶縁相転移体３２との間に熱電子の移動を促す分極体３５を配置する。分極体３５は、誘電体およびイオン性液体のうちの少なくとも１種類以上から形成する。その他の構成および動作は熱スイッチ部の形態４と同様である。

分極体３５は、金属／絶縁相転移体３２内を移動する電子を取り出したり、金属／絶縁相転移体３２内に電子を注入したりする。このため、金属／絶縁相転移体３２内の電子の分布状態が変化して、熱電子が流れやすくなる。分極体３５を配置することで、金属／絶縁相転移体３２の熱伝導率をより大きくすることができる。

＜熱スイッチ部の形態８＞
図２４は熱スイッチ部の形態８における熱スイッチ部の構成を説明するための熱スイッチ部分の断面図である。図２５は熱スイッチ部の形態８における熱スイッチ部の構成を説明するための熱スイッチ部分の平面図（図２４の矢視Ａの図）である。

本形態の熱スイッチ部３０は、電気濡れ（エレクトロウェッティング）効果を利用したものである。

ここでは、磁性体１とそれに隣接する磁性体１’の間に設けられた熱スイッチ部３０を例に説明する。なお、熱スイッチ部３０は、これまでに説明した熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂとなるものである。

熱スイッチ部３０は、磁性体１に接する第１電極構造体７１と、磁性体１’に接する第２電極構造体８１と、第１電極構造体７１および第２電極構造体８１の間の隙間９０と、この隙間９０に出し入れされる液体金属９５とを有する。また、隙間９０の一端には、液体金属９５を収容する液溜まり７７を有する。なお、隙間９０において、液溜まり７７を設けた一端の反対側の端部は開放端９２となっている。

第１電極構造体７１と第２電極構造体８１は、同じ構造を有していて、隙間９０を中心線とする対称構造である。第１電極構造体７１は、磁性体１側から順に、第１電極７２、誘電体７３、第２電極７４、撥液コート層７５を有する。第２電極構造体８１も同様に、磁性体１’側から順に、第１電極７２、誘電体７３、第２電極７４、および撥液コート層７５を有する。つまり、隙間９０を中心としてみれば、第１電極構造体７１も第２電極構造体８１も、隙間９０側から順に撥液コート層７５、第２電極７４、誘電体７３、第１電極７２となるように配置されているのである。

磁性体全体の下部には、下部基板７６を有する。この下部基板７６内に、隙間９０に連通した液溜まり７７を有している。

第２電極７４は、液溜まり７７内部にまで入っていて、液体金属９５と電気的に導通することができるようになっている。一方、第１電極７２は液溜まり７７からは絶縁されている。すなわち、第１電極７２は液体金属９５と絶縁されているのである。

これにより、第１電極７２と第２電極７４は、その間にある誘電体７３を介したキャパシター構造となっていて、これがそのまま液体金属９５と第１電極７２のキャパシターとして作用することになる（詳細後述）。

第１電極構造体７１と第２電極構造体８１の上部には、それぞれ第１および第２電極７２、７４から導かれた配線が形成される上部基板１００を有する。上部基板１００は、第１電極構造体７１側と第２電極構造体８１側とで、隙間９０の延長によって分離、絶縁され、第１電極構造体７１および第２電極構造体８１と同様に隙間９０によって対称な同じ構造である。上部基板１００は、それぞれ第１電極７２からの第１配線１１１と、第２電極７４からの第２配線１１２が絶縁層１１３によって絶縁されている。第１および第２配線１１１および１１２は、この熱スイッチ部３０を制御するために、磁気冷暖房装置５００の制御装置（不図示）に接続されている。そして制御装置が、磁気の移動に同期して、この熱スイッチ部３０による熱伝達状態と断熱状態を切り替えている。

以下さらにこの熱スイッチ部３０各部を詳細に説明する。

第１電極７２および第２電極７４は、たとえば、銅、アルミニウムなど、導電性のものであれば、特に限定されない。第１電極７２および第２電極７４の形状はともに同じであり、隙間９０の大きさ（隙間の間隔を除く）と一致する電極板となっている。

誘電体７３は、第１電極７２と第２電極７４の間にあって、たとえば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜など、誘電体７３であれば特に限定されない。誘電体７３の形状は第１電極７２および第２電極７４と同じ大きさであり、第１電極７２と第２電極７４が短絡しない形状となっている。

撥液コート層７５は、液体金属９５に対して撥液性を有する。また、撥液コート層７５は、導電性であることが好ましい。このような撥液コート層７５に用いる材料とは、たとえば、導電性酸化膜、導電性ガラス材、導電性セラミックス材、グラフェンなどが好ましい。

このように、撥液コート層７５が液体金属９５に対して撥液性となっていることで、電気を印加していない状態では、液体金属９５が容易に液溜まり７７内に収納されるようになる。また、導電性を有することで、第２電極７４に流した電気を液体金属９５に直接流すことができて効率がよい。また、第２電極７４に電気を流して液体金属９５を第１電極構造体７１と第２電極構造体８１の間の隙間９０に充填する際に、液溜まり７７内を空にできるので、液体金属９５使用量を少なくすることができる。

なお、液溜まり７７内に常に液体金属９５の一部が残留して、第２電極７４から液体金属９５に電気を流すことができれば、撥液コート層７５は撥液性を有するだけで、導電性のないものであってもよい。また、第２電極７４の隙間９０側の表面に極薄いシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの絶縁性の撥液性部材を形成してもよい。極薄いシリコン酸化膜やシリコン窒化膜であれば、これらが介在していても第２電極７４に電気を流したときにトンネル効果によって、液体金属９５に電気を流すことができる。

このような部材によって構成される撥液コート層７５の形状は第２電極７４を覆う大きさである。

さらに、第２電極７４自体を導電性で、かつ、その表面が撥液性となる部材を用いてもよい。つまり第２電極７４自体を導電性酸化膜、導電性ガラス材、導電性セラミックス材、グラフェンなどによって形成するのである。この場合、第２電極７４の隙間側表面に、撥液コート層を設ける必要がなくなる。

下部基板７６は、少なくとも第１および第２電極７２、７４との間で絶縁されているものであればよい。たとえば、全体が絶縁性を有する材料として、エポキシ基板、フェノール基板、ＡＢＳ樹脂基板などが用いられる。そして、これら基板に液溜まり７７を設ける。この場合、液体金属９５を液溜まり７７内に収納しやすいように、液溜まり内壁面を親液性にする。親液性を持たせるためには、液溜まり壁面に金属膜７９（たとえば銅、ニッケル、アルミニウムなどの金属膜）を形成することが好ましい。

また、下部基板７６としては、たとえばシリコン基板を用いることもできる。シリコン基板を用いた場合、まず液溜まり７７の形成後、液溜まり７７内部の壁面表面を含めて、すべての表面をシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などにより絶縁層（不図示）を形成する。そして、液溜まり７７内に親液性を持たせるために金属膜７９（たとえば銅、ニッケル、アルミニウムなどの金属膜、さらにシリコン基板とした場合は導電性を付与したポリシリコンなどでもよい）を形成することが好ましい。

液溜まり７７内に形成した金属膜７９は第２電極７４と導通するようにしてもよい。

なお、液溜まり７７内の金属膜７９はなくてもよい。上述したとおり、液溜まり７７内の金属膜７９は、液溜まり７７内壁面を親液性にすることで液体金属９５が下がったときに、液体金属９５が液溜まり７７内に収納されやすくするためのものである。このため、液溜まり７７の大きさが十分に大きく、液溜まり７７内壁面が親液性でなくても液体金属９５の収納がスムーズにゆく場合には金属膜７９はなくてもよい。

さらに、下部基板７６の液溜まり７７には、液体金属９５が漏れ出ない程度の空気穴９３が設けられている（空気穴９３の機能については後述）。

上部基板１００は、第１電極構造体７１側と第２電極構造体８１側で同じ構成であり、第１電極７２と電気的に接続された第１配線１１１と、第２電極７４と電気的に接続された第２配線１１２と、これらを絶縁分離する絶縁層１１３を有する。また、すでに説明したように、第１電極構造体７１側と第２電極構造体８１側は隙間９０によって絶縁、分離されているため、当然に上部基板１００も第１電極構造体７１側と第２電極構造体８１側でそれぞれ分離して同じ構成となるように設けられている。また、各第２配線１１２の隙間９０に面した部分は、撥液コート層７５が形成されている。また、隙間９０部分は、上から見ると、図２５に示すように、撥液コート層７５が隙間９０を取り囲むように形成されており、隙間９０の側面部分７５ａから液体金属９５が漏れないようになっている。なお、隙間９０の側面部分７５ａには、図示しないが、撥液コート層７５の外側に、隙間の側面部分（または磁性体１の側面を含めた側面全体）を覆う構造体（不図示）があってもよい。このような構造体は、たとえば樹脂やセラミックなど非磁性、非導電性の部材が好ましい。

上部基板１００で配線が対向した部分（図２４中のまるで囲った部分）は、開放端９２となっていて、液体金属９５の移動によって隙間９０内の圧力が上ったり下がったりしないようになっている。このため液体金属９５は、スムーズに隙間９０内を移動できる。

上部基板１００に用いられる配線１１１、１１２は、第１および第２電極７２および７４と同じく、銅、アルミニウムなどである。一方、絶縁層１１３は、少なくとも誘電体７３よりも誘電率の低い絶縁体（絶縁材）が好ましい。

配線１１１、１１２は、第１および第２電極７２および７４に対して電圧を印加するための配線である。このため配線が対向した部分（図２４中のまるで囲った開放端９２近傍部分）でも、第１および第２電極７２および７４と同じ電圧がかかる。そうすると、上部基板１００の絶縁層１１３として誘電率の高い材料が用いられていると、この部分でも液体金属９５と配線１１２との間がキャパシター構造となってしまう。そうすると液体金属９５が上昇してきたときに、その勢いで、まるで囲んだ部分からさらに上にまで液体金属９５が来て、吐出してしまう虞がある。これを防ぐために、この配線１１２同士が隙間９０を介して向き合う部分では、誘電率が低い絶縁材を用いることで、液体金属９５がこの配線１１２同士が対向する部分の隙間９０に入ってくるのを防止している。具体的には、たとえば、半導体装置において使用されている、いわゆるＬｏｗ−ｋ材料を使用することができる。たとえばシリコン酸化物にフッ素や炭素を添加したもの、有機ポリマーなどがある。そのほか、第１および第２電極７２、７４の間に用いた誘電体７３よりも誘電率が低い材料であればよい。これらＬｏｗ−ｋ材料であってもよい。これらのＬｏｗ−ｋ材料は、ＳｉＯ₂の比誘電率４．２〜４．０に対して、比誘電率３．０以下であることが知られている。

なお、絶縁体である絶縁層１１３を配置する開放端９２近傍部分は、配線１１２および１１３が絶縁される厚みであるが、たとえば隙間上端から誘電体７３の厚み程度の厚さ分もあれば、液体金属９５が上がってきたときに上端から吐出することはない。

そして、液体金属９５（導電性流体と称されることもある）は、少なくともこの磁気冷暖房装置５００が使用される温度範囲において液体の金属である。たとえば、ガリウム、インジウム、スズの共晶合金であるガリンスタンを用いることができる。ガリンスタンは、常温で液体の金属であり、ガリウム、インジウム、スズの組成よって融点が異なる。たとえば、ガリウム６８．５％、インジウム２１．５％、スズ１０％のガリンスタンは、融点：−１９℃、沸点：１３００℃以上、比重：６．４４ｇ／ｃｍ３、粘度：０．００２４Ｐａ・ｓ（ａｔ２０℃）、熱伝導率：１６．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。そのほかにも、周知の様々な液体金属９５を用いてもよく、熱伝達率が高いものが好ましい。

次に、このように構成された熱スイッチ部３０の作用を説明する。

本形態の熱スイッチ部３０においては、熱スイッチ部としての機能を隙間９０と液溜まり７７の間を行き来する液体金属９５により行っている。そして、液体金属９５を隙間９０と液溜まり７７の間を行き来させるためには、エレクトロウェッティングを用いている。エレクトロウェッティングによる液体金属９５の移動自体には、公知であり、たとえば、特開２００７−１０３３６３号公報などに開示されるので、ここでは本形態の理解のために必要な原理について説明する。

図２６はエレクトロウェッティングの原理を説明するための説明図である。

エレクトロウェッティングは、電極板３００上に設けられた誘電体３０１の表面に液体金属９５（ここでは液滴として示した）を乗せ、電極板３００と液体金属９５の間に電圧を印加することで、誘電体表面における液体金属９５との濡れ性を制御する技術である。

電極板３００と液体金属９５との間は誘電体３０１を介してキャパシターが形成されている。図２６Ａに示すように、電極板３００と液体金属９５との間に電圧を印加すると、このキャパシターの静電エネルギーが変化（増加）して、それに相当する液体金属９５の表面エネルギーが減少し、液体金属９５の表面張力が低下する。これにより液体金属９５の表面に対する接触角度θが変化する。ここで接触角度θとは、液体金属９５が乗っている誘電体３０１の表面における液体金属表面とのなす角をいう。この接触角度θは、液体金属９５の表面張力に応じて０°〜１８０°の範囲で変化する。

ここで図２６Ａに示すように（電圧印加時）、接触角度θが、０°から９０°までは、液体金属９５に対する表面の濡れ性がよい状態、すなわち親液性のある状態である。一方、図２６Ｂに示すように（電圧印加無しのとき）、接触角度θは、９０°を超えて１８０°であり、これが濡れ性の悪い状態、すなわち撥液性の状態である。このように誘電体表面に置いた液体金属９５の接触角度θを、電圧の印加によって変更できるのがエレクトロウェッティングである。

図２７は隙間における液体金属の移動を説明するための説明図で、隙間における液体金属部分の拡大図である。

本形態では、液体金属９５が移動する表面は、磁性体１と１’の間の隙間９０に対向するように設けられた撥液コート層７５である。この撥液コート層７５は、すでに説明したとおり、液体金属９５に対する撥液性を有する。このため、第１および第２電極７２、７４の間に電圧を印加しなければ、図２７Ａに示すように、液体金属９５は、撥液コート層７５の表面においてその接触角度は９０°以上となって撥液性（疎液性ともいう）となっている。

このように液体の接触面（撥液コート層７５の表面）と接触角度が９０°以上となることで、図２７Ａに示したように、液体金属９５の液面は、中央部分が凸となって、液体金属９５の撥液コート層７５表面との接触部分が下がった状態になる。このため液体金属９５が撥液コート層７５表面を伝って行く力が働かなくなり、液体金属９５が毛細管現象によって上昇してしまうことはない。

この状態は、熱スイッチ部３０全体としては図２４に示した状態であり、液体金属９５は、液溜まり７７内にあって、隙間９０は空気により満たされている。したがって、この空気で満たされた隙間９０によって磁性体１と１’の間は断熱状態となる。

一方、磁性体１と１’のそれぞれにある第１電極７２と第２電極７４の間に電圧を印加すると、第１電極７２と第２電極７４の間にある誘電体７３が分極して静電エネルギーが変化（増加）する。このとき第２電極７４と液体金属９５とは電気的導通がとられているため、結果的に、液体金属９５と第１電極７２とが誘電体７３を介してキャパシター構造となっている。この構造はエレクトロウェッティングの原理を説明した図２６の電極板３００と誘電体３０１を介した液体金属９５とによるキャパシター構造と同様の構造ということである。

このため、第１電極７２と第２電極７４の間に電圧を印加したことで、液体金属９５の表面エネルギーが増加して、それに伴い撥液コート層７５（誘電膜）表面における液体金属９５の表面張力が減少し、濡れ性がよくなる。そうすると、図２７Ｂに示すように、撥液コート層７５表面に接している液体金属９５表面の接触角度θが９０°以下になる。これにより、液体金属９５自体の表面張力は失われるものの、隙間９０を登ってゆく張力が働くことになる。図２７Ｂにおけるｈがもとの液面に位置（図２７Ａ）からの上昇量である。なお、図２７においてｄは隙間の間隔である。

図２８は、図２４と同じ部分の断面図であり、液体金属９５が隙間９０を上がってきた状態、すなわち熱伝達状態を示している。

図示するように、液体金属９５は隙間９０の頂上である上部基板１００の位置まで到達する。上部基板１００の隙間部分ではすでに説明したように、上部基板１００の第１配線１１１と第２配線１１２の間には誘電体が存在しない（または誘電率が低い）。このため、この部分での静電エネルギーはほとんど変化しないため、上昇した液体金属９５の濡れ性はよくならないので、これ以上液体金属９５が上昇することはない。

そして、液体金属９５が上昇したことにより、隙間９０は液体金属９５で満たされて磁性体１と１’間の熱の伝達が起きて熱伝達状態になる。

このようにして本形態の熱スイッチ部３０では、エレクトロウェッティングにより熱スイッチ部３０に設けた隙間９０に液体金属９５が充填された熱伝達状態と、隙間９０から液体金属９５を排除した断熱状態を、電気的に制御することができるのである。

熱スイッチ部３０を構成する各部の好ましいサイズは、ガリンスタンを液体金属９５として用いた場合、隙間９０の間隔が１０μｍ〜５０μｍが好ましいものとなる。下限値を１０としたのは、この程度の隙間９０をあけることで、液体金属９５が下がって隙間９０内に空気が入ったときに十分な断熱性を有するようにするためである。一方、上限の５０μｍは、液体金属９５が上がって隙間９０を満たした場合の熱伝達性能を保つためである。

なお、図２８に示したように、液体金属９５が隙間９０を上昇すると液溜まり７７内から液体金属９５が出てゆくことになる。このとき、仮に液溜まり７７が密閉状態だと、液溜まり７７内部が負圧（真空）になるため液体金属９５が液溜まり７７から隙間９０に出て行きづらくなる。そこで、本形態では、液溜まり７７の下部端に空気穴９３を設けたのである。空気穴９３の大きさは液体金属９５が漏れ出ない程度でかつ空気の流入、流出が起こる程度の大きさとする。なお、空気穴９３の位置は、液溜まり７７の下部端以外であってもよく、液体金属９５が液溜まり７７から隙間９０に出て行きやすくなるように配置されていればよい。

ここで、本形態においては、隙間９０を介して対向する第１および第２電極構造体７１および８１は、それぞれ第１電極７２と第２電極７４を、誘電体７３を介して平行に設けている。このうち、エレクトロウェッティングの作用しているのは、第１電極７２、液体金属９５、およびその間の誘電体７３によって構成されるキャパシターである。このため、エレクトロウェッティングの原理としては、液体金属９５に電圧を印加することができれば、第２電極７４はなくてもよい。たとえば、下部基板を通して、液体金属と電気的に接続される電極を設けるなどである。この場合、第２電極は隙間内に存在しないので、隙間の対向する面は誘電体となり、液体金属に対して撥液性があるので、撥液コート層もなくてよい。

ただし、このようにした場合（第２電極を省略した場合）、キャパシター構造としては、第１電極７２の対向電極となる液体金属９５が移動するため、電極面積が増減することになる。このため、エレクトロウェッティング作用を起こさせる誘電体での静電エネルギーも増減してしまうことになる。したがって、同じ電圧を印加していても液体金属の上昇量によってエレクトロウェッティング作用により液体金属を移動させる力が変わって、液体金属の上昇速度が変化するおそれがある。

本形態では、第１電極７２と第２電極７４を、誘電体７３を介して平行に設けているので、第１電極７２と第２電極７４によるキャパシターの大きさは、液体金属９５の移動によって変化しない。したがって、同じ電圧の印加でも、液体金属の移動によって液体金属の移動速度が変化したりせず安定的に熱伝達と断熱を切り替えることができる。なお、第２電極を省略した場合でも、液体金属の移動速度が若干不安定になるおそれはあるものの、第２電極を設けた場合と同様に、熱伝達と断熱の切り替えは可能である。

＜熱スイッチ部の形態９＞
図２９は熱スイッチ部の形態９における熱スイッチ部３０の構成を説明するための平面図であって、図２４中の矢視Ａに相当する方向から見た図である。

本形態の熱スイッチ部３０もまた、電気濡れ（エレクトロウェッティング）効果を利用したものである。したがって、熱スイッチ部の形態８の変形例となる。

熱スイッチ部の形態９は、熱スイッチ部３０の隙間９０に第１電極構造体７１側と第２電極構造体８１側のそれぞれの壁面、すなわち撥液コート層７５の表面にブレード８２を配置したものである。このブレード８２は、下部基板７６の液溜まり７７から上部基板１００方向に垂直に延びており、第１電極構造体７１側のブレード８２と第２電極構造体８１側のブレード８２は互い接触しない幅となっている。ブレード８２自体は、たとえば撥液コート層７５の材料をそのままブレード８２の構造となるように形成するとよい。

そのほかの構成は、熱スイッチ部の形態８と同じであるので説明を省略する。

このようにすることで、液体金属９５と第１電極構造体７１の壁面および第２電極構造体８１の壁面との接触表面積が大きくなって熱伝達効率が良くなる。また、第１電極構造体７１側のブレード８２と第２電極構造体８１側のブレード８２との間で隙間ｄ_Bが形成されるため、このブレード８２間の隙間ｄ_Bでもブレード壁面に液体金属９５の表面張力が働き、いっそう液体金属９５が上昇しやすくなる（電圧印加時）。ブレード８２間の隙間ｄ_Bもすでに説明したとおり、１０μｍ〜５０μｍ程度が好ましい。

以上説明した熱スイッチ部の形態１〜９は、いずれも、熱スイッチ部自身を移動させて、各冷媒通路４１および４２と磁性体１の間、磁性体１同士の間を挿脱させる必要がなくなるため、熱スイッチ部３０ａおよび３０ｂ（または３０）の耐久性が向上し、同時に信頼性も向上する。

本実施形態で好ましく適用し得る熱スイッチ部の形態を説明したが、本発明はこれらの熱スイッチ部の形態に限定されない。たとえば、従来技術のように各冷媒通路４１および４２と磁性体１の間、磁性体１同士の間を摺動する部材を設けてもよい。この場合、摺動部材が磁気印加ディスク２０の回転に同期して各冷媒通路４１および４２と磁性体１の間、磁性体１同士の間を挿脱することで熱伝達および断熱を行うことになる。

［全体動作］
磁気冷暖房装置５００の動作は、磁気印加ディスク２０を回転させることで磁気印加ディスク２０上の磁石２が、それに対峙する磁性体１に対して磁気を印加、除去することになる。

図３０は第１の状態における磁気印加ディスク上の磁石の位置を示す概略平面図であり、図３１はこの第１の状態のときの磁性体ブロックの概略断面図である。図３２は第１の状態から３０度回転した第２の状態における磁気印加ディスク上の磁石の位置を示す概略平面図であり、図３３はこの第２の状態のときの磁性体ブロックの概略断面図である。なお、図３１および図３３の概略断面図においては１セット（層）分のみ示し、ハウジング５０は省略した。また、各図において磁性体には説明のために内周側から順にａ〜ｌの符号を付した。

磁気印加ディスク２０が回転することで、磁石２の位置は第１の状態から第２の状態に移動することになる。まず、第１の状態（図３０、図３１）では、磁石２が磁性体ｂ、ｄ、ｆ、ｈ、ｊ、ｌに対峙する位置となっている。このため磁性体ｂ、ｄ、ｆ、ｈ、ｊ、ｌに磁気が印加される。本実施形態で用いている磁性体は磁気が印加（励磁）されると発熱し磁気が除去（消磁）されると吸熱する正の磁性体（２つの正の磁気熱量材料）である。したがって、磁気が印加された磁性体ｂ、ｄ、ｆ、ｈ、ｊ、ｌは発熱する。一方第１の状態のときに磁気が印加されていない磁性体ａ、ｃ、ｅ、ｇ、ｉ、ｋは吸熱となる。

この第１の状態のとき、磁気が印加された磁性体ｂ、ｄ、ｆ、ｈ、ｊ、ｌのそれぞれの内周側にある熱スイッチ３０ａおよび外周冷媒通路４２の内周側の熱スイッチ３０ａは、磁気の印加と同時にオン（熱伝達状態）にする。このとき熱スイッチ３０ｂはオフ（断熱状態）にする。これにより磁性体ｂ、ｄ、ｆ、ｈ、ｊ、ｌおよび外周冷媒通路４２と、それらの内周側にある部材が熱平衡になろうとする。すなわち、内周冷媒通路４１と磁性体ａ、磁性体ｂと磁性体ｃ、…、磁性体ｌと外周冷媒通路４２がそれぞれ同じ温度になろうとして熱が伝達される。

そして、磁気印加ディスク２０が回転して第２の状態（図３２、図３３）となれば、磁石２が磁性体ａ、ｃ、ｅ、ｇ、ｉ、ｋに対峙する位置となる。このため磁性体ａ、ｃ、ｅ、ｇ、ｉ、ｋに磁気が印加される。したがって、磁気が印加された磁性体ａ、ｃ、ｅ、ｇ、ｉ、ｋは発熱する。一方この第２の状態のときに磁気が印加されていない磁性体ｂ、ｄ、ｆ、ｈ、ｊ、ｌは吸熱となる。

この第２の状態のとき、磁気が印加された磁性体ａ、ｃ、ｅ、ｇ、ｉ、ｋのそれぞれの内周側にある熱スイッチ３０ｂを磁気の印加と同時にオンにする。このとき熱スイッチ３０ａはオフにする。これにより磁性体ａ、ｃ、ｅ、ｇ、ｉ、ｋと、それらの内周側にある部材は熱平衡になろうとする。すなわち、磁性体ａとｂ、磁性体ｃと磁性体ｄ、…、磁性体ｋとｌがそれぞれ同じ温度になろうとして熱が伝達される。

このように磁気印加ディスク２０を回転させることで、磁性体への磁気の印加と除去が行われ、同時に熱スイッチのオン／オフを繰り返すことで、各磁性体ブロックＭＢにおいて外周冷媒通路４２から内周冷媒通路４１方向へ熱が伝わって、外周冷媒通路４２側が冷却され、内周冷媒通路４１側が加熱されるようになるのである。

積層されている他の熱生成ディスク１０および磁気印加ディスク２０においても同じ動作となる。以上の動作によって、本実施形態の磁気冷暖房装置５００では、外周冷媒通路４２を通過した冷媒は温度が下降し、内周冷媒通路４１を通過した冷媒は温度が上昇するのである。

ここでは（図３０〜３３）、一つの磁性体ブロックＭＢにおいて磁性体１が１２個の場合を用いて説明したが、磁性体の数はいくつであっても同様の動作である。したがって、前述した向流方式を採用して一つの磁性体ブロックＭＢに磁性体が６個の場合も同じように動作することになる。

［冷暖房システム］
次に、本実施形態の磁気冷暖房装置５００を、たとえば自動車などの冷暖房システム（いわゆるエアコンディショナー）として用いた例を説明する。

図３４は冷暖房システムに係る磁気冷暖房装置５００の冷媒の循環系統を示す図である。図に示すように、磁気冷暖房装置５００には、低温側放熱器６３０、高温側放熱器７３０を接続する。低温側放熱器６３０は外周冷媒通路用ポンプ７８０を介して外周冷媒通路４２の外周冷媒出入口４６に接続する。高温側放熱器７３０は内周冷媒通路用ポンプ７９０を介して内周冷媒通路４１の内周冷媒出入口４５に接続する。ここで冷媒はたとえば空気である。なお、冷媒は空気に限らず、その他の気体や液体を使用してもよい。

外周冷媒通路用ポンプ７８０は外周冷媒通路４２を流れる冷媒の流量を制御する。内周冷媒通路用ポンプ７９０は内周冷媒通路４１を流れる冷媒の流量を制御する。

外周冷媒通路４２で冷やされた冷媒は低温側放熱器６３０に供給され、低温側放熱器用ファン６３０Ｆによって強制的に送風された外部の空気と熱交換される。熱交換された後の冷媒は再び外周冷媒通路４２に戻って冷却される。一方、内周冷媒通路４１で温められた冷媒は高温側放熱器７３０に供給され、高温側放熱器用ファン７３０Ｆによって強制的に送風された外部の空気と熱交換される。熱交換された後の冷媒は再び内周冷媒通路４１に戻って加熱される。このようにして低温側放熱器６３０は外部の空気を冷却し高温側放熱器７３０は外部の空気を加熱する。

ここで空調する空間が車室内などであれば、車室内を冷房する場合には、低温側放熱器６３０によって熱交換された冷風を車室内に供給する。一方、車室内を暖房する場合には、高温側放熱器７３０によって熱交換された温風を車室内に供給する。

図３５は、冷暖房システムの制御系のブロック図である。また、図３６は、図３５の空調情報入力部のさらに具体的な制御系のブロック図である。

図３５に示すように、冷暖房システムの制御系は、空調情報入力部１０００、空調制御部（制御部）１１００、モータ制御部１２００、回転軸用モータ７００、熱スイッチ制御部１３００、ポンプ制御部１４００、ファン制御部１５００を備える。空調制御部１１００およびモータ制御部１２００は制御部を形成する。

空調情報入力部１０００は空調に必要な情報を入力する。空調に必要な情報は、設定温度、外周流入冷媒温度、外周流出冷媒温度、内周流入冷媒温度、内周流出冷媒温度である。空調情報入力部１０００の具体的な説明は、後述の図３６に基づいて行う。

回転軸用モータ７００は、磁気印加ディスク２０を回転させるための回転軸６０を回転させるモータである。

空調制御部１１００は、本実施形態に係る磁気冷暖房装置５００の動作を総括的に制御する。空調制御部１１００の具体的な説明は、後述の図３７のフローチャートに基づいて行う。

モータ制御部１２００は、空調制御部１１００の指令を受けて、回転軸用モータ７００の回転速度を制御する。また、熱スイッチ制御部１３００は、磁性体基板９００Ａ−９００Ｆが有する磁性体１間に位置して設けられている熱スイッチのオン、オフを制御する。熱スイッチは磁性体１間の熱伝導を、磁気印加ディスク２０の回転に同期させて制御するスイッチである。

ポンプ制御部１４００は、図３４に示した外周冷媒通路用ポンプ７８０と内周冷媒通路用ポンプ７９０の動作を制御する。ポンプ制御部１４００は、より多くの冷房能力が要求されると外周冷媒通路用ポンプ７８０の冷媒流出量を増加させ、より多くの暖房能力が要求されると内周冷媒通路用ポンプ７９０の冷媒流出量を増加させる。

ファン制御部１５００は、図３４に示した低温側放熱器用ファン６３０Ｆと高温側放熱器用ファン７３０Ｆの動作を制御する。ファン制御部１５００は、より多くの冷房能力が要求されると低温側放熱器用ファン６３０Ｆの送風量を増加させ、より多くの暖房能力が要求されると高温側放熱器用ファン７３０Ｆの送風量を増加させる。

図３６に示すように、空調情報入力部１０００は、温度設定部１０１０、外周流入冷媒温度センサ１０２０、外周流出冷媒温度センサ１０３０、内周流入冷媒温度センサ１０４０、内周流出冷媒温度センサ１０５０、磁性体周囲温度センサ１０６０、冷媒通路温度センサ１０７０を備える。

温度設定部１０１０は、磁気冷暖房装置５００が空調する空間（たとえば車室内）の温度を設定する。外周流入冷媒温度センサ１０２０は、外周冷媒通路４２に流入する冷媒の温度を検出する。外周流出冷媒温度センサ１０３０は、外周冷媒通路４２から流出する冷媒の温度を検出する。内周流入冷媒温度センサ１０４０は、内周冷媒通路４１に流入する冷媒の温度を検出する。内周流出冷媒温度センサ１０５０は、内周冷媒通路４１から流出する冷媒の温度を検出する。磁性体周囲温度センサ１０６０は、磁性体１の周囲の温度を検出する。磁性体１の周囲の温度を検出するのは、磁性体１の周囲温度が、磁性体１の熱生成量に影響を与えるからである。冷媒通路温度センサ１０７０は、外周冷媒通路４２と内周冷媒通路４１の温度を検出する。

温度設定部１０１０、磁性体周囲温度センサ１０６０、冷媒通路温度センサ１０７０を設けるのは、磁気冷暖房装置５００でどの程度の熱量を発生させなければならないかを知るためである。外周流入冷媒温度センサ１０２０、外周流出冷媒温度センサ１０３０、内周流入冷媒温度センサ１０４０、内周流出冷媒温度センサ１０５０は、磁気冷暖房装置５００が、安定した温度を保ち続ける高温源および低温源を形成するために必要となる。

ここで、車室内を冷房するときには、外周流入冷媒温度センサ１０２０が磁気冷暖房装置５００に戻ってきて外周冷媒出入口４６に入る冷媒の温度を監視する流入冷媒温度監視部となる。また、このとき外周流出冷媒温度センサ１０３０は外周冷媒出入口４６から出て行く冷媒の温度を監視する流出冷媒温度監視部となる。

逆に車室内を暖房するときには、内周流入冷媒温度センサ１０４０が磁気冷暖房装置５００に戻ってきて内周冷媒出入口４５に入る冷媒の温度を監視する流入冷媒温度監視部となる。また、このとき内周流出冷媒温度センサ１０５０は内周冷媒出入口４５から出て行く冷媒の温度を監視する流出冷媒温度監視部となる。

磁気冷暖房装置５００が発生する熱量は、磁気印加ディスク２０の回転速度（周波数）に比例する。必要熱力が大きくなると磁気印加ディスク２０の回転速度を上昇させ、必要熱力が小さくなると磁気印加ディスク２０の回転速度を低下させる。磁気印加ディスク２０は回転軸用モータ７００によって駆動されるので、磁気印加ディスク２０の回転速度の制御は空調制御部１１００およびモータ制御部１２００が行う。つまり、空調制御部１１００およびモータ制御部１２００が回転軸用モータ７００の回転速度を制御することで磁気冷暖房装置５００が発生する熱量を調整する。

冷暖房システムに係る磁気冷暖房装置５００の動作を、図３７を参照しながら説明する。図３７は磁気冷暖房装置の動作を制御する手順を示すフローチャートである。

まず、操作者は、温度設定部１０１０から車室内（空調する空間）の設定温度を入力する。設定温度が入力されると、空調制御部１１００は、要求熱量と要求温度差を入力する（Ｓ１０）。

空調制御部１１００は、車室内の空間容量、現在の車室内の温度、車室内の設定温度を参照して、車室内を設定温度にするために必要な要求熱量を求める。また、外周冷媒通路４２から流出する冷媒の温度と内周冷媒通路４１から流出する冷媒の温度との差を求める。この求めた値を、要求熱量、要求温度差として入力する。

次に、空調制御部１１００は、入力した要求熱量と要求温度差をあらかじめ記憶しているマップと照合して、回転軸用モータ７００の回転速度、すなわち動作周波数ｆを入力する。また、磁性体周囲温度検出センサ１０６０が検出する温度から外周冷媒通路４２に流入する冷媒の温度の基準となる冷媒温度、磁性体周囲温度検出センサ１０６０が検出する温度と要求温度差の半分の温度から外周冷媒通路４２から流出する冷媒の温度、磁性体周囲温度検出センサ１０６０が検出する温度から内周冷媒通路４１に流入する冷媒の温度の基準となる冷媒温度、磁性体周囲温度検出センサ１０６０が検出する温度と要求温度差の半分の温度から内周冷媒通路４１から流出する冷媒の温度を入力する。また、外周冷媒通路４２に対して冷媒を供給する外周冷媒通路用ポンプ７８０の冷媒流量と、内周冷媒通路４１に対して冷媒を供給する内周冷媒通路用ポンプ７９０の冷媒流量も入力する。さらに、低温側放熱器用ファン６３０Ｆの風量と高温側放熱器用ファン７３０Ｆの風量も入力する（Ｓ２０）。

空調制御部１１００は磁気冷暖房装置５００を運転する。具体的には、空調制御部１１００は、入力した動作周波数ｆを実現するために、モータ制御部１２００に回転数の指示を出す。動作周波数ｆは、１つの磁性体１に対して１秒間に何回磁気の印加除去をするかを示すものである。たとえば、動作周波数ｆが６Ｈｚであったとすると、磁気印加ディスク２０が１秒間に１回転すると一つの磁性体１に対して６回の磁気の印加除去が行われる（磁気の印加と除去で１回）。このため、回転軸用モータ７００と磁気印加ディスク８００Ａが直結されていれば、回転軸用モータ７００に要求される回転数は６０ｒｐｍである。モータ制御部１１００にはこの回転数を指示する。

空調制御部１１００は、図示しない磁性体基板上の磁性体１の周囲温度を検出する磁性体周囲温度検出センサ１０６０により得られる磁性体１の周囲温度、外周冷媒通路４２と内周冷媒通路４１の温度を検出する冷媒通路温度センサ１０７０により得られる温度、動作周波数ｆの情報に基づき見積もられる磁気冷暖房装置５００が生成した熱量が要求熱量に対して誤差範囲にあるか否かを判断する（Ｓ３０）。誤差範囲はあらかじめ設定しておく。空調制御部１１００は、生成した熱量が誤差範囲になければ（Ｓ３０：ＮＯ）、誤差範囲内に収まるように、動作周波数ｆを変更する（Ｓ４０）。具体的には、磁気冷暖房装置５００が生成した熱量が要求熱量よりもかなり小さければ、生成する熱量を増加させるために、回転軸用モータ７００の回転速度を増加する。逆に、磁気冷暖房装置５００が生成した熱量が要求熱量よりも大きすぎれば、生成する熱量を減少させるために、回転軸用モータ７００の回転速度を低下する。

空調制御部１１００は、生成した熱量が誤差範囲内であれば（Ｓ３０：ＹＥＳ）、外周流入冷媒温度センサ１０２０によって検出された外周冷媒通路４２の流入口の冷媒の温度、および内周流入冷媒温度センサ１０４０によって検出された内周冷媒通路４１の流入口の冷媒の温度が、各々、外周冷媒通路および内周冷媒通路４１へ流入する冷媒の温度の基準となる冷媒温度と誤差内にありかつ外周流出冷媒温度センサ１０３０によって検出された外周冷媒通路４２の流出口の冷媒の温度、および内周流出冷媒温度センサ１０５０によって検出された内周冷媒通路４１の流出口の冷媒の温度が、各々、設定した外周冷媒通路および内周冷媒通路４１から流出する冷媒の温度と誤差内にあるか否かを判断する（Ｓ５０）。誤差範囲はあらかじめ設定しておく。空調制御部１１００は、外周冷媒通路４２および内周冷媒通路４１の流入口および流出口の冷媒の温度が誤差内になければ（Ｓ５０：ＮＯ）、誤差囲内に収まるように、ポンプ制御部１４００とファン制御部１５００に指令を出し、外周冷媒通路４２に対して冷媒を流す外周冷媒通路用ポンプ７８０と内周冷媒通路４１に対して冷媒を流す内周冷媒通路用ポンプ７９０の冷媒流量を変更するとともに、低温側放熱器用ファン６３０Ｆと高温側放熱器用ファン７３０Ｆの風量を変更する（Ｓ６０）。

空調制御部１１００は、外周冷媒通路および内周冷媒通路４１へ流入する冷媒の温度、および外周冷媒通路および内周冷媒通路４１から流出する冷媒の温度が誤差内であれば（Ｓ５０：ＹＥＳ）処理を終了する。

このように、冷暖房システムに係る磁気冷暖房装置５００によれば、回転軸用モータ７００の回転速度を制御することと、外周冷媒通路用ポンプ７８０、内周冷媒通路用ポンプ７９０による空気流量を制御することと、低温側放熱器用ファン６３０Ｆ、高温側放熱器用ファン７３０Ｆの風量を制御することによって、空調に利用される空気の温度を容易に調整することができる。

〔実施形態２〕
上述した実施形態１では内周冷媒通路４１が高温側熱交換器、外周冷媒通路４２が低温側熱交換器となる形態を説明した。しかし本発明はこのような形態に限らず、内周冷媒通路４１が低温側熱交換器、外周冷媒通路４２が高温側熱交換器となる形態であってもよい。この形態を実施形態２とする。

本実施形態２では、内周冷媒の出口温度は外周冷媒の出口温度より低くなる。このため各磁性体ブロックＭＢにおいて内周側が低温、外周側が高温となるように熱輸送しているのである。ここでいう低温、高温とは、相対的に内周側が外周側よりも低温（逆にいうと外周側が内周側よりも高温）という意味である。

したがって、磁気冷暖房装置の外観構成および各部の構成は、上述した実施形態１と同じであるが、磁性体ブロックＭＢ１〜ＭＢ６（各熱輸送器）および各磁性体ブロックを構成する磁性体ａ〜ｌ（またはａ〜ｆ）が担う温度範囲が異なる。

このためここでは、磁気冷暖房装置の外観構成および各部の構成は上述した実施形態１と同じであるのでそれらの説明は省略し、本実施形態２における磁性体ブロックＭＢ１〜ＭＢ６および各磁性体ブロックを構成する磁性体ａ〜ｌ（またはａ〜ｆ）が担う温度について説明する。

なお、本実施形態２においても、内周側から順に磁性体ａ〜ｌ（またはａ〜ｆ）とし、それぞれの磁性体を構成する磁気熱量材料は実施形態１と同じく１つの磁性体に２つである。並流方式においては図９と同様であり、向流方式においては図１４と同様である。すなわち、磁気熱量材料は内周側から順に、ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２、…ｌ１、ｌ２と並んでいる。そして、高温側に位置する磁気熱量材料のキュリー点が低温側に位置する磁気熱量材料のキュリー点より低い。これは、機能としては実施形態１同様である。

図３８は、実施形態２において、並流方式（図３８Ａ）と向流方式（図３８Ｂ）のそれぞれについて、一つの磁性体ブロックにおける磁性体をそれぞれ構成する磁気熱量材料のキュリー点を示すグラフである。実施形態２では、図に向かって左側が内周側で低温側熱交換器（すなわち低温側）となっていて、右側が外周側で高温側熱交換器（すなわち高温側）となっている。

このため、一つひとつの磁性体を構成する２つの磁気熱量材料のキュリー点は低温側に位置するａ２、ｂ２、…、ｌ２の方が高温側に位置するａ１、ｂ１、…ｌ１の方より高くなっている。また、磁性体を構成する２つの磁気熱量材料のキュリー点の平均値（すなわちａ１およびａ２の平均値、ｂ１およびｂ２の平均値、…、ｌ１およびｌ２の平均値）は、内周側の低温側熱交換器（すなわち低温側）から外周側の高温側熱交換器（すなわち高温側）へ向かって高くなる。

次に熱生成ディスクの構成を説明する。

図３９は、内周冷媒通路が低温側熱交換器、外周冷媒通路が高温側熱交換器とした場合における内周冷媒と外周冷媒のそれぞれの温度変化の仕方を説明するためのグラフであり、図３９Ａは平流方式のときのグラフであり、図３９Ｂは向流方式のときのグラフである。ここでも各グラフにおいては、内周冷媒および外周冷媒は、入口での温度が同じであり、ここではＴｂであるとする。また、グラフ中のＭＢ１〜ＭＢ６は各磁性体ブロック（図６および７参照）と温度の関係を示している。

まず、並流方式の場合を説明する。

並流方式の各冷媒の流れは、図６に示したものと同様であり、内周冷媒通路４１、外周冷媒通路４２ともに、各冷媒をＡ側から入れてＢ側から出す。

この場合は、図３９Ａに示すように、外周冷媒が入口温度Ｔｂから出口温度Ｔｈにまで温度が上昇する。温度変化は、＋ΔＴ（＝Ｔｈ−Ｔｂ）であり、＋ΔＴはたとえば３０Ｋである。一方、内周冷媒は入口温度Ｔｂから出口温度Ｔｃまで温度が下降する。温度変化は−ΔＴ（＝Ｔｃ−Ｔｂ）であり、−ΔＴはたとえば３０Ｋである。これにより、内周冷媒通路４１の出口における内周冷媒温度Ｔｃの方が外周冷媒通路４２の出口における外周冷媒温度Ｔｈより低い温度となる。

図３９Ａのグラフからわかるように、並流方式では、磁性体ブロックＭＢ１においては、内周冷媒と外周冷媒の温度差がほとんど少ないが、磁性体ブロックＭＢ６に行くほどこの温度差が大きくなっている。したがって、磁性体ブロックＭＢ１は冷却（または加熱）する温度は少なくてもよいが、磁性体ブロックＭＢ６では２×ΔＴに相当する温度を冷却（または加熱）しなければならないことになる。

このように並流方式では、外周冷媒と内周冷媒の温度変化が実施形態１（図８Ａ）と入れ替わっているだけで、磁性体ブロックＭＢ１〜ＭＢ６のそれぞれが担う温度域は図８Ａに示した場合と同じになる（ただし、磁性体ブロックＭＢ１〜ＭＢ６のそれぞれを構成する複数の磁性体のそれぞれが担う温度は異なる（詳細後述））。

次に向流方式における各冷媒の流れは、図７に示したものと同様であり、外周冷媒通路４ではＡ側から外周冷媒を入れてＢ側から出す。一方、内周冷媒通路４１ではＢ側から内周冷媒を入れてＡ側から出す。

この場合は、図３９Ｂに示すように、外周冷媒が入口温度Ｔｂから出口温度Ｔｈにまで温度が上昇する。この温度変化を＋ΔＴ（＝Ｔｈ−Ｔｂ）とする。この＋ΔＴはたとえば３０Ｋである。一方、内周冷媒は入口温度Ｔｂから出口温度Ｔｃまで温度が下降する。この温度変化を−ΔＴ（＝Ｔｃ−Ｔｂ）とする。この−ΔＴはたとえば３０Ｋである。これにより、内周冷媒通路４１の出口における内周冷媒温度Ｔｃの方が外周冷媒通路４２の出口における外周冷媒温度Ｔｈより低い温度となる。

図３９Ｂのグラフからわかるように、向流方式では、磁性体ブロックＭＢ１〜ＭＢ６はいずれも内周冷媒と外周冷媒の温度差に相当する温度範囲を冷却（または加熱）することになる。しかも磁性体ブロックＭＢ１〜ＭＢ６はそれぞれがΔＴに相当する温度を冷却（または加熱）すればよいことになる。

そして向流方式においては、磁性体ブロックＭＢ１〜ＭＢ６のそれぞれが担う温度域は図３９Ｂに示したように、磁性体ブロックＭＢ１からＭＢ６方向に高くなる。

また実施形態２においても、実施形態１同様に並流方式と向流方式を比べれば、カルノーサイクルにおける成績係数（ＣＯＰ）は、向流方式の方が並流方式より２倍冷却効率がよいことになる。

次に、本実施形態２における各磁性体ブロックを構成する各磁性体が担う温度について説明する。磁性体１は、実施形態１と同様に、磁気が印加されると発熱し磁気が除去されると吸熱する正の磁性体（磁気熱量材料）である。そして磁性体を構成する２つの磁気熱量材料のキュリー点の平均値を、その磁性体が担う温度範囲に合わせることで、効率よく温度変化させることができる。

まず、並流方式における各磁性体ブロックを構成する各磁性体が担う温度について説明する。図４０は、内周冷媒通路が低温側熱交換器、外周冷媒通路が高温側熱交換器とした場合において、並流方式の場合における各磁性体ブロックでの各磁性体を構成する磁気熱量材料のキュリー点の平均値を示すグラフであり、横軸は低温側温度Ｔｃから高温側温度Ｔｈまでの温度であり、縦軸は各磁性体が変化する温度である。ここで、図４０における一つの磁性体ブロックＭＢを構成する複数の磁性体は、図９と同じであり内周側から外周側方向へａ〜ｌとする。

図４０に示すように、並流方式の場合の一つの磁性体ブロックにおける磁性体ａ〜ｌは、内周側（低温側）から外周側（高温側）方向（すなわちａからｌ方向）へ、それらを構成する磁気熱量材料のキュリー点の平均値が高くなるように並べている。なお、並流方式の場合、各磁性体ブロックを構成する磁性体ａ〜ｌをそれぞれ構成する磁気熱量材料のキュリー点の平均値は同じである。

したがって、並流方式の場合は、本実施形態２においても磁性体ａ〜ｌが同じ構成となった磁性体ブロックＭＢを環状に１２個並列に並べればよい。このため向流方式と対比すれば熱生成ディスク１０を製造する際のコストを低減することができる。

次に、向流方式における各磁性体ブロックを構成する各磁性体が担う温度について説明する。図４１は本実施形態２において、内周冷媒通路４１が低温側熱交換器、外周冷媒通路４２が高温側熱交換器とした場合において、向流方式の場合における各磁性体ブロックでの各磁性体を構成する磁気熱量材料のキュリー点の平均値を示すグラフであり、横軸は低温側温度Ｔｃから高温側温度Ｔｈまでの温度であり、縦軸は各磁性体が変化する温度である。また、グラフ中の山形の複数の曲線のそれぞれのピークがキュリー点の平均値である。ここで、図４１における一つの磁性体ブロックＭＢを構成する複数の磁性体は、図１４と同じであり内周側から外周側方向へａ〜ｆとする。

実施形態２において、向流方式の場合は、図４１に示すように、各磁性体ａ〜ｆを構成する磁気熱量材料のキュリー点の平均値は、内周側（低温側）から外周側（高温側）方向（すなわちａからｆ方向）へ高くなるように並べている。そして、各磁性体ブロックＭＢ１〜ＭＢ６のそれぞれを構成する複数の磁性体ａ〜ｆのキュリー点の平均値は、各磁性体ブロックＭＢ１〜ＭＢ６方向に高くなるようにしている。つまり、各磁気ブロックＭＢ１〜ＭＢ６の磁性体ａ〜ｆをそれぞれ構成する磁気熱量材料のキュリー点の平均値が、外周冷媒を基準としても、内周冷媒を基準としても、それらの入口から出口の方向に段階的に変化しているのである。

このことは、各磁気ブロックＭＢ１〜ＭＢ６における内周側に位置する磁性体ａを見れば、そのキュリー点の平均値は内周冷媒の入口側（Ｂ側、すなわちＭＢ６側）が高く、出口側（Ａ側、すなわちＭＢ１側）が低くなるように配置されていることになる。また、外周側に位置する磁性体ｆを見れば、そのキュリー点の平均値は外周冷媒の入口側（Ａ側、すなわちＭＢ１側）が低く、出口側（Ｂ側、すなわちＭＢ６側）が高くなるように配置されていることになる。

したがって、本実施形態２も向流方向においては、各磁気ブロックＭＢ１〜ＭＢ６を構成する磁性体ａ〜ｆは内周側から外周側へ、段階的にキュリー点（作動温度）が変化するようにキュリー点の平均値が異なる磁性体を構成する熱磁気材料を用いているのである。さらに、各磁気ブロックＭＢ１〜ＭＢ６の磁性体ａ〜ｆを構成する磁気熱量材料のキュリー点の平均値は、冷媒の入口から出口の方向に段階的に変化しているものとなっているのである。

このように構成された向流方式では、本実施形態２においても、実施形態１と同様に、磁気冷暖房装置５００として必要な温度差を、平流方式と比較してより少ない数の磁性体で得ることができる。

また、本実施形態２では、内周冷媒通路の出口における内周冷媒の温度が外周冷媒通路の出口における外周冷媒の温度より低くなるようにした。すなわち、内周冷媒通路を低温側熱交換器とし、外周冷媒通路を高温側熱交換器としたものである。

磁気冷凍システムにおける磁気熱量材料の伝熱特性としては、ＱＨ＝ＱＬ＋Ｗ（ここで、ＱＨは発熱量、ＱＬは吸熱量、Ｗは１冷暖房サイクルでの仕事量）となることが知られている（参考文献：「Ｍａｉｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａ Ｂｒａｙｔｏｎ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｃｙｃｌｅ ｏｆ ｐａｒａｍａｇｎｅｔｉｃ ｓａｌｔ」 （Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ／ Ｖｏｌｕｍｅ ７５ Ｉｓｓｕｅ ３， ｐｐ．１２４９−１２５３， １ Ｆｅｂｒｕａｒｙ １９９４， Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ）の特に図２）。

この伝熱特性を実施形態２にあてはめれば、低温側の吸熱量ＱＬ、高温側の発熱量ＱＨとなる。このため高温側熱交換部に渡す熱量の方が、１冷暖房サイクルでの仕事量の分だけ、低温側熱交換部から受け取る熱量より大きくなる。このため高温側熱交換部が外周側にある場合は、内周側に比べて熱交換できる面積が大きくなるため、実施形態１と比較して、１サイクルで交換できる熱量を多くすることができる。

もちろん実施形態２においても、向流方式において一つひとつの磁性体ブロックＭＢを構成する磁性体１の数を１２個としてもよい。その場合には、冷媒出口側における内周冷媒と外周冷媒の温度差を平流方式の約倍の温度差にすることができる。

なおここで説明した実施形態２の磁気冷暖房装置を冷暖房システム（図３４参照）に用いた場合、外周冷媒と内周冷媒の作用が高温側と低温側とで逆になる。すなわち、低温側放熱器６３０は冷媒通路用ポンプ７８０を介して内外周冷媒通路４１の内周冷媒出入口４５に接続する。高温側放熱器７３０は冷媒通路用ポンプ７９０を介して外周冷媒通路４２の内周冷媒出入口４６に接続する。また、制御においては、外周冷媒と内周冷媒が逆になるだけであるので、説明は省略する。

以上説明した本発明を適用した実施形態の効果を説明する。

（１）実施形態によれば、複数の磁性体を間隔をあけて列状に並べ、その一端に低温側熱交換部、他端に高温側熱交換部を配置する。複数の磁性体の間、磁性体と低温側熱交換部との間、磁性体と高温側熱交換部の間に、磁性体の熱を輸送する熱スイッチ部と配置する。そして、各磁性体を少なくとも２つの磁気熱量材料に構成し、この少なくとも２つの磁気熱量材料のキュリー点を低温側熱交換部に近い方を高く、高温側熱交換部に近い方を低くした。

これにより、複数並べられた磁性体の一つひとつの内部温度分布と、その磁性体を構成する磁気熱量材料の作動温度を良く対応させることができる。このため、それぞれの磁性体は、内部温度の分布を考慮されて最も効率的に磁気熱量効果を発現できるようになって、磁気冷暖房装置としての効率が向上する。特に、磁気冷暖房装置としては、単に、磁性体の作動温度を装置全体の温度勾配に合わせた磁気熱量材料を用いただけの場合よりも、各段に効率が良くなる。

（２）実施形態では、複数の磁性体のそれぞれを構成する少なくとも２つの磁気熱量材料のキュリー点の平均値が、低温側熱交換部（すなわち低温側）から高温側熱交換部（すなわち高温側）方向に高くなるようにしている。これにより、磁性体が複数並べられた磁性体ブロック内のそれぞれの磁性体が効率的に温度変化することができるようになる。したがって、この磁性体ブロックを環状に配置した磁気冷暖房装置としての効率も向上する。

（３）実施形態では、好ましくは、それぞれの磁性体を構成する２つの磁気熱量材料のキュリー点の平均値は、それぞれの磁性体が担う作動温度の中間温度と一致することとした。これにより、一つひとつの磁性体を、磁気熱量効果を発現する１個の磁性体として見た場合でも、一つの磁性体が担う温度範囲を確実に２つの磁気熱量材料の組み合わせでもっとも効率的に作動させることができる。

（４）実施形態では、複数の磁性体のそれぞれを構成する少なくとも２つの磁気熱量材料を、すべて正の磁気熱量材料とした。これにより、たとえば、磁気熱量材料として公知のＬａＦｅＳｉＨ、または一般式：Ｌａ（Ｆｅ_1-xＭ_x）₁₃Ｈ_z（Ｍは、Ｓｉ、Ａｌからなるグループ中から選択された１種または２種以上の元素であり、ｘおよびｚの値は、それぞれ、０．０５≦ｘ≦０．２；０．３≦ｚ≦３；で規定される）であらわされる磁気熱量材料を用いることができる。そしてこれらは、ベースとなる材料に、キュリー点の変化をつけるための物質の量を変えることで、様々な温度のキュリー点を作り出し、一つの磁性体内の温度分布に適した磁気熱量材料とすることができる。

以上本発明を適用した実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。特に、一つひとつの磁性体を構成する磁気熱量材料は、２つに限らず、３つ、４つなど、さらに多くてもよい。たとえば、３つの磁気熱量材料で一つの磁性体を構成する場合、低温側にその中で最もキュリー点の高い磁気熱量材料を配置し、高温側にその中で最もキュリー点の低い磁気熱量材料する。そして、それらの間に中間的なキュリー点の磁気熱量材料を配置することになる。同様に、４つの磁気熱量材料で一つの磁性体を構成する場合は、低温側から高温側へ順に、キュリー点が高くなるように配置することになる。それ以上の場合も同様である。なお、一つの磁性体を構成する磁気熱量材料の数は、特に限定されないが、一つひとつの磁気熱量材料が磁気熱量効果を十分に発現できる程度の沖さとなるようにする必要がある。

また、磁性体ブロックＭＢを構成する磁性体の数は、何個であってもよい。たとえば最低は、内周冷媒通路と外周冷媒通路の間に、少なくとも２つ磁気熱材料で構成された１個の磁性体があればよい。また、内周冷媒通路と外周冷媒通路の間に１２個以上の磁性体を配置すれば、内周冷媒と外周冷媒のそれぞれの出口温度の差をより大きくすることができる。

そのほか、様々な変形形態が可能であり、本発明は、特許請求の範囲により規定した事項によって定められるものである。

１、ａ〜ｌ 磁性体、
ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２、…、ｌ１、ｌ２ 磁気熱量材料、
２ 磁石、
１０ 熱生成ディスク、
１１ 磁気熱量材料基板、
２０ 磁気印加ディスク、
２１ 磁石基板、３０ａ、
３０ｂ 熱スイッチ部、
４１ 内周冷媒通路、
４２ 外周冷媒通路、
４５ 内周冷媒出入口、
４６ 外周冷媒出入口、
５０ ハウジング、
６０ 回転軸、
５００ 磁気冷暖房装置、
６３０ 低温側放熱器、
７３０ 高温側放熱器、
７８０ 外周冷媒通路用ポンプ、
７９０ 内周冷媒通路用ポンプ、
７００ 回転軸用モータ、
１０００ 空調情報入力部、
１０２０ 外周流入空気温度センサ（流入冷媒温度監視部）、
１０３０ 外周流出空気温度センサ（流出冷媒温度監視部）、
１０４０ 内周流入空気温度センサ（流入冷媒温度監視部）、
１０５０ 内周流出空気温度センサ（流出冷媒温度監視部）、
１１００ 空調制御部（制御部）、
１２００ モータ制御部、
１３００ 熱スイッチ制御部、
１４００ ポンプ制御部、
１５００ ファン制御部、
ＭＢ、ＭＢ１〜ＭＢ６ 磁性体ブロック（熱輸送器）。

Claims (4)

1. 間隔を設けて列状に配置された複数の磁性体と、
   前記複数の磁性体のそれぞれに磁気を印加および除去する磁気印加部と、
   前記複数の磁性体の前記列の一端部に磁性体から間隔をあけて配置された低温側熱交換部と、
   前記複数の磁性体の前記列の他端部に磁性体から間隔をあけて配置された高温側熱交換部と、
   前記磁性体同士の間、前記磁性体と前記低温側熱交換部の間、および前記磁性体と前記高温側熱交換部の間のそれぞれに配置され、これらの間の熱の伝達および断熱を行う熱スイッチ部と、
   を有し、
   前記複数の磁性体は、それぞれが前記磁気の印加および除去により温度変化する少なくとも２つの磁気熱量材料を有して、当該少なくとも２つの磁気熱量材料は、それぞれのキュリー点が前記低温側熱交換部に近い方が高く前記高温側熱交換部に近い方が低いことを特徴とする磁気冷暖房装置。
2. 前記複数の磁性体のそれぞれを構成する前記少なくとも２つの磁気熱量材料のキュリー点の平均値は、前記低温側熱交換部から前記高温側熱交換部方向に高くなっていることを特徴とする請求項１に記載の磁気冷暖房装置。
3. それぞれの前記磁性体を構成する前記少なくとも２つの磁気熱量材料のキュリー点の平均値は、それぞれの前記磁性体が担う作動温度の中間温度であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気冷暖房装置。
4. 前記少なくとも２つの磁気熱量材料は、すべて磁気を印加すると発熱し除去すると吸熱する正の磁気熱量材料であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の磁気冷暖房装置。