JP2019518928A - 冷却装置および冷却方法 - Google Patents

Abstract

冷却装置が、磁気熱量材料（１１０）と、磁化装置（１２０）と、磁気熱量材料（１１０）に圧力（Ｐ）または張力を印加するための変換装置（１３０）と、磁気熱量材料（１１０）を移動させるための移動手段とを有する。磁気熱量材料（１１０）は、外部磁場（Ｈ）の変化時および印加される圧力（Ｐ）の変化時に、その温度を変化させる。移動手段が、磁気熱量材料（１１０）を外部磁場（Ｈ）および圧力（Ｐ）の変化に交互に曝すように移動させることで、磁気熱量材料（１１０）に周期的な温度変化を生じさせ、したがって低温の期間を冷却に使用することができる。

Description

本発明は、冷却装置および冷却方法に関し、さらに詳しくは、熱ヒステリシスの利用による磁気熱量（ｍａｇｎｅｔｏｃａｌｏｒｉｃ）冷却原理に基づく冷却装置に関する。

多くの技術分野において、材料または空間を可能な限り効率的に冷却することが重要である。例えば、空調装置や冷蔵庫が、かなりの量のエネルギを消費する。したがって、既存の冷却技術を改善することや、冷却について代替の冷却コンセプトを使用することが、常に試みられている。

このような冷却方法は、磁場を印加することによる材料の温度変化に基づくいわゆる磁気熱量効果（ＭＣＥ）を利用する。さまざまな材料が広く適している。しかしながら、既知の磁気熱量冷却ユニットは、必要な磁場を生成するためにきわめて大型の磁石を必要とし、したがって永久磁石が使用される。この理由で、この種の既存の冷却ユニットは、典型的には、従来の圧縮機に基づくシステムと比べて何倍もの大きさまたは重さである。加えて、関連の材料コストも無視することができない。したがって、磁気冷却は、現時点において、従来の冷却技術に太刀打ちできない。

他方で、磁気冷却方法は、これらのシステムにおいて、とりわけ圧縮機または他の油圧−空気圧システムを必要とせずに冷却効果を達成できるため、高効率を約束する。

図５が、既知のＡＭＲ装置（ＡＭＲ＝能動型磁気蓄冷装置（ａｃｔｉｖｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ））の動作原理を示している。磁場が印加されたときに温度が変化する磁気熱量材料３１０（ＭＣＥ材料）が、２つの磁気ユニット３２０の間にリングの形態で回転可能に配置される。この従来のＡＭＲ装置における磁気ユニット３２０は、典型的には永久磁石であり、磁気熱量材料３１０がＭＣＥ材料３１０の顕著な温度変化を達成するための充分に強い磁場に曝されるように設計されている。

効率的な動作のために、図５に示されるＭＣＥ材料３１０は回転する。しかしながら、磁石ユニット３２０が回転することも可能である。２つの熱交換段階、すなわち（１）磁場内での放熱、および（２）磁場が存在しないときの熱の吸収が存在する。ＭＣＥ材料３１０が磁気ユニット３２０を離れるとき、ＭＣＥ材料３１０の温度が上昇し、放熱が可能である。この目的のために、例えば、環状のＭＣＥ材料３１０を通って交換流体をポンピングすることができる。達成された磁気熱量効果を無駄にしないよう、磁場は、ポンピングプロセスの全体を通して維持される。ＭＣＥ材料３１０の温度が周囲温度に適合した場合に限り、磁場（または、磁気ユニット３２０）が取り除かれ、逆磁気熱量効果が生じる。磁気熱量効果は、交換流体を使用して環境へと放出できる磁化加熱を引き起こしているため、（磁場がオフにされたときの）逆磁気熱量効果は、（冷却に使用することができる）冷却を達成する。システムが位置するサイクルに応じて、交換流体を、異なる方向にポンピングすることができる。

従来の磁気熱量凝集体においては、典型的には、高い可逆性を有する材料が使用される。高い可逆性を可能にし、したがって冷却損失をできる限り少なくすることができるように、これらの冷却ユニットにおいては、熱ヒステリシスを有さず、あるいは熱ヒステリシスができるだけ小さい材料が使用される。これらの特性を有する材料は、常に改良されており、例えば、ガドリニウム、Ｌａ（Ｆｅ，Ｓｉ，Ｃｏ）１３、Ｌａ（Ｆｅ，Ｓｉ，Ｍｎ）１３Ｈｘ、またはＦｅ２Ｐ合金を含む。

上述したように、これは、強力な磁場を可能な限り広範囲にＭＣＥ材料３１０へと作用させることを可能にするために必要とされる大型の永久磁石を有するこれらのシステムの欠点である。例えば、磁気熱量材料３１０の体積の半分が、磁場に曝されている。したがって、該当の冷却ユニットは、重くなるだけでなく、巨額のコストも伴う。

したがって、大型の永久磁石を必要とせず、磁気冷却をより安価にする代替の磁気冷却技術が、必要とされている。

上述の課題は、請求項１に記載の冷却装置または請求項１１に記載の冷却方法によって克服される。従属請求項は、独立請求項の対象のさらなる好都合な実施形態に関する。

本発明は、磁気熱量材料と、外部磁場を形成するための磁化装置と、磁気熱量材料に圧力または張力を印加するための変換装置とを有する冷却装置に関する。磁気熱量材料は、外部磁場の変化時および印加される圧力の変化時に、その温度を変化させるように選択される。冷却装置は、磁気熱量材料を磁化手段および変換手段に対して移動させるように構成された移動手段をさらに有することで、磁気熱量材料を外部磁場の変化および圧力／張力の変化に交互に曝し、磁気熱量材料に周期的な温度変化を生じさせる。これにより、低温の期間を冷却に使用することができる。

さらなる実施形態において、磁気熱量材料は、第１の相および第２の相を有し、熱ヒステリシスを介する第１の相と第２の相との間の相転移が、外部磁場および／または圧力／張力の変化によって引き起こされる。とくには、これらの相転移は、磁気熱量材料における構造変化（例えば、結晶構造の変化）への転移が存在する一次磁気構造相転移である。したがって、磁化装置および変換装置は、第１の相と第２の相との間のこの相転移および関連する構造変化を引き起こすように設計される。これは、可能であれば磁気熱量材料の全断面にわたって、変換プロセスおよび変換プロセスに関連する相転移を開始させるために充分に、圧力（または、張力）ならびに磁場が変化することを意味する。さもなければ、圧力（または、張力）ならびに／あるいは磁場が不充分である場合、相転移は、磁気熱量材料の一部分においてのみ生じ得る（あるいは、一方の表面においてのみ生じ得る）。

磁場の周期的変化に起因する所定の周期的な温度変化は、熱ヒステリシスの通過に対応する。本発明の実施形態は、ヒステリシスをとくに利用し、なぜならば、このやり方によれば、逆プロセスをすぐに開始させることなく、磁場を短い時間期間についてのみ印加すればよく、あるいは空間的に局所化できるからである。

磁気熱量材料は、通常の磁気熱量効果または逆磁気熱量効果を示すことができる。通常の磁気熱量効果においては、磁化の設定時の温度が非磁気の場合と比べて高くなる一方で、逆磁気熱量材料においては、磁気熱量材料が外部磁場に曝されたときに温度が低下する。温度低下の原因は、材料における磁気構造変化である。原理的にはどちらの材料も使用可能であるが、さらなる実施形態によれば、逆磁気熱量効果を有する磁気熱量材料が好ましい。

本発明の実施形態において、より高い温度についての安定相（高温相）が、磁化相である一方で、より低い温度についての安定相（低温相）は、磁化がなく、あるいは磁化が少ない相である。

さらなる実施形態において、磁気熱量材料は少なくとも部分的に線形（直線的）に形成され、移動手段は、磁気熱量材料において周期的な温度変化を達成するための交互運動をもたらすために磁気熱量材料を交互に往復移動させるように構成された平行移動装置を有する。

他の実施形態において、磁気熱量材料は環状であり、移動手段は、環状の磁気熱量材料を回転させて、環状の磁気熱量材料の各部分に周期的な温度変化を達成するように構成された回転装置を含む。この実施形態において、移動手段および変換装置は、１つのユニットを形成することができる。例えば、モータによって駆動され、圧力を加えることによって磁気熱量材料を前方に移動させる圧力ローラを使用することができる。ここで、加えられる圧力を、磁気熱量材料の転移相を生じさせるために充分に強くなるように選択することができる。したがって、移動手段としてのモータは、圧力を加えつつ、磁気熱量材料を移動させることができる。随意により、磁気熱量材料を静止させたままで、磁化装置および変換装置を移動させることもできる。多くの場合、最初の例の方が実施が容易である。回転は、一方向にのみ生じることができ、あるいは交互に反対方向に生じることができる。

したがって、他の実施形態において、磁化装置は少なくとも１つの磁気ユニットを有し、変換装置は少なくとも１つの圧力ローラを有し、移動手段は、磁気熱量材料を少なくとも１つの圧力ローラおよび少なくとも１つの磁気ユニットを通って交互に移動させる。したがって、磁気熱量材料は、移動の際に熱ヒステリシスを経ることができ、少なくとも１つの圧力ローラが最小圧力を及ぼし、少なくとも１つの磁気ユニットが磁気熱量材料に最小磁場強度を印加して、第１の相と第２の相との間の転移を引き起こす。

圧力ローラの使用は、磁気熱量材料の支持も同時にもたらすことができるという利点を有する。例えば、２つ以上の圧力ローラを、環状の磁気熱量材料に沿って（例えば、対称的に）設定することができる。磁化装置は、磁気熱量材料に直接接触する必要はない。例えば、磁気熱量材料は、２つの対向する磁極シューの間のギャップを通って移動し、２つの対向する磁極シューの間には、やはりヒステリシスループを横断するために充分に強力である強い磁場が形成される。

さらなる実施形態において、冷却装置は、磁気熱量材料に熱的に結合し、磁気熱量材料の低温部分を加熱し、高温部分を冷却するように構成された少なくとも１つの交換流体をさらに有する。

さらなる典型的な実施形態において、交換流体は、磁気熱量材料へと送られ、磁気熱量材料から送られる水である。低温領域は、例えば、第１の交換流体を介して冷却すべき媒体に接続され、したがって熱を吸収することができる。他方で、高温領域は、第２の交換流体を介して周囲の領域（例えば、冷蔵庫の外側または空調ユニットの周辺領域）へと熱を放出することができる。水を、例えば、両方の回路の交換流体として使用することができる。

さらなる典型的な実施形態において、磁気熱量材料は、例えば、以下の材料、すなわちＧｄ−Ｓｉ−Ｇｅ、Ｌａ−Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ−Ｈ、Ｆｅ−Ｐ、ホイスラまたは準ホイスラ合金、Ｆｅ−Ｒｈ、Ｍｎ−Ｇａ、あるいはこれらの組み合わせのうちの１つを含む。

さらに、本発明は、上記定義の冷却装置のうちの少なくとも１つを有する冷却ユニットに関する。随意により、２つ以上の冷却装置が、温度の低下を倍増させるために互いに直列に接続されて存在できる。

さらに、本発明は、冷却方法に関する。この方法は、以下のステップ、すなわち磁気熱量材料を移動させるステップ、外部磁場を形成するステップ、および磁気熱量材料に圧力または張力を印加するステップを含む。磁気熱量材料は、外部磁場によってその温度を変化させ、印加された圧力の結果としてその温度を変化させる。移動により、磁気熱量材料は外部磁場および圧力に交互に曝され、したがって磁気熱量材料内において周期的な温度変化が達成され、低温の期間を冷却に使用することができる。

さらなる典型的な実施形態において、外部磁場の形成は、断熱磁化を含み、圧力の印加は、圧力の変化（例えば、圧力の上昇および／または圧力の低下）を含む。この方法は、随意により、以下のステップ、すなわち断熱磁化、断熱消磁、冷却チャンバからの熱の吸収、断熱圧力上昇、断熱圧力低下、および周囲領域への熱の放出のうちの少なくとも１つを含むことができる。断熱消磁の際に、ヒステリシスゆえに温度は変化する必要がない。

本発明は、方法の各ステップの特定の順序に限定されない。さらなる典型的な実施形態において、方法の各ステップは、別の順序でも実行可能である。

このように、説明される典型的な実施形態は、機械的な張力（または、圧力）と組み合わせて一次転移を有する磁気熱量材料の熱ヒステリシスを意図的に利用することによって、上述の技術的効果を達成する。この手法は、コストおよび重量の大幅な削減が達成できるという利点を提供する。したがって、該当の冷却ユニットは、従来のＡＭＲ装置よりも大幅に低いコストで製造され、永久磁石を、冷却回路の効率の向上と同時に劇的に削減することができる。

本発明の典型的な実施形態は、種々の典型的な実施形態の以下の詳細な説明および添付の図面によってよりよく理解されるが、それらの実施形態は、説明および理解に役立つにすぎず、本開示を特定の実施形態に限定するものと理解されてはならない。

本発明の典型的な実施形態による冷却装置の概略図を示している。 形成された磁場に関する磁気熱量材料の温度依存性を示している。 リングの形態の磁気熱量材料が２つの磁気および圧力ユニットの間に回転可能に取り付けられたヒステリシスに基づく冷却装置の概略の設計を示している。 典型的な実施形態によるヒステリシスに基づく冷却回路の概略の動作原理を例示している。 従来のＡＭＲ装置の概略の設計を示している。

図１が、磁気熱量材料１１０と、磁場Ｈを形成するための磁化装置１２０と、磁気熱量材料１１０に圧力Ｐ（または、張力）を印加するための変換装置１３０とを有する冷却装置の典型的な実施形態を示している。さらに、冷却装置は、磁気熱量材料１１０に周期的な温度変化を生じさせることにより、より低温の期間を冷却に使用することができるよう、磁気熱量材料１１０が外部磁場Ｈの変化および圧力Ｐの変化に交互に曝されるように、磁気熱量材料１１０を磁化装置１２０および／または変換装置１３０に対して移動させるための移動手段を有する。

この移動は、例えば、交互の前方および後方移動であってよく、直線にて移動することができ、したがって磁場Ｈおよび圧力Ｐの所望の交互変化をもたらす。

磁気熱量材料１１０は、外部の磁場Ｈの形成時および印加される圧力Ｐの変化時に、温度が変化するように設計される。従来のシステムとは異なり、本発明の典型的な実施形態は、熱ヒステリシスをおそらくは含まないいかなる材料も使用せず、むしろ、ヒステリシスを意図的に利用することができる材料を使用する。さらに、典型的な実施形態は、とくには、磁場の形成時に冷め、圧力または張力の印加時に温度が上昇する逆磁気熱量材料を使用する。これにより、冷却回路を容易に実現することができる。

図２は、典型的な２Ｔの磁場Ｈが形成され、再び除去される場合の（ホイスラ合金の例としての）典型的な逆磁気熱量材料Ｎｉ−Ｍｎ−Ｉｎ−Ｃｏの温度Ｔの変化を示している。温度シーケンスの下方に、磁場Ｈの対応する時間シーケンスが示されている。この例示の逆磁気熱量材料１１０においては、約６Ｋの冷却が観察される。この変化は熱ヒステリシスによって生じるため、この温度低下は、たとえ磁場が再び除去されても維持される（グラフ表示の右側の実線）。

比較のために、完全に可逆な変化を有する従来のＡＭＲシステムにおいて使用されるときのサンプルの温度シーケンスも、図２に示されている（点線）。可逆性の結果として、これらの従来のシステムにおいては、磁場を再び完全にオフにした後に温度が上昇し、初期の状態が再び達成される。

従来のＡＭＲシステムとは異なり、典型的な実施形態は、ヒステリシス効果を意図的に使用する。したがって、ポンピングプロセスの最中に磁場Ｈを維持する必要はない。磁気熱量効果は、典型的な実施形態においては不可逆であり、すなわち、磁化曲線は、相間の変化に関して種々の経路に沿って進行する（以下の図４を参照）。

ヒステリシスの使用は、磁場Ｈがきわめて小さい領域または体積においてのみ必要であるという利点をもたらす。冷却効果は、この領域において生じる。したがって、磁場はきわめて強く集中し、きわめて大きな体積を磁化しなければならない図５からの従来のＡＭＲ装置において可能であるよりも著しく強い磁場を生成することができる。

したがって、典型的な実施形態は、大型の永久磁石を必要としないにもかかわらず、依然として顕著に強い磁場を生成することができる。磁気熱量効果、すなわち磁場における温度変化は、磁場の強さにつれて大きくなるため、効率の向上が可能になる。

図３が、ヒステリシスを使用する冷却装置の概略の設計を示しており、リングの形態の磁気熱量材料１１０が、２つの磁気ユニット１２１，１２２（磁化装置１２０）および２つの圧力ユニット１３１，１３２（変換装置１３０）の間に回転可能に取り付けられている。

第１の磁気ユニット１２１は、磁気熱量材料１１０の各側に取り付けられ、磁気熱量材料１１０が位置するギャップを形成する第１の磁気シュー１２１ａおよび第２の磁極シュー１２１ｂを有する。磁極シュー１２１ａ、１２１ｂは、このギャップに磁場を集中させ、強い磁場強度Ｈで磁気熱量材料１１０を磁化する。第２の磁気ユニット１２２も、第１の磁極シュー１２２ａおよび第２の磁極シュー１２２ｂを有することができ、第２の磁気ユニット１２２の磁極シュー１２２ａ、１２２ｂの間に、磁気熱量材料１１０を位置させ、磁場Ｈへと曝すことができるギャップがやはり形成される。磁極シュー１２２ａ、１２２ｂ、１２１ａ、１２１ｂの間のギャップに必要な磁場を形成するために、第１の磁気ユニット１２１および第２の磁気ユニット１２２を永久磁石または電磁石に接続することができる。

変換装置１３０は、図３においては転がりシステムとして設計されており、第１の圧力ユニット１３１が、磁気熱量材料１１０に圧力Ｐを加えるために磁気熱量材料１１０の各側に回転可能に取り付けられた第１の圧力ローラ１３１ａおよび第２の圧力ローラ１３１ｂを有する。第２の圧力ユニット１３２が、やはり磁気熱量材料１１０の各側に回転可能に取り付けられ、磁気熱量材料１１０に圧力Ｐを加える第１の圧力ローラ１３２ａおよび第２の圧力ローラ１３２ｂを有する。

圧力ローラ１３１ａ、１３１ｂ、１３２ａ、１３２ｂを、任意により、圧力Ｐが加えられた時に磁気熱量材料１１０を（例えば、図３に示されるように反時計方向に）移動させるための移動手段（図示せず）によって動作させることができる。相対移動が充分であるため、移動手段を、磁気熱量材料１１０を所定の位置に保持する一方で、圧力ユニット１３１，１３２および磁気ユニット１２１，１２２を移動させるように設計してもよい。

さらなる典型的な実施形態において、３つ以上の圧力ユニット１３１，１３２および／または３つ以上の磁気ユニット１２１，１２２が存在してもよく、本発明が特定の数に限定されるべきではないことを、理解すべきである。さらに、第１の圧力ユニット１３１および第２の圧力ユニット１３２は、図３に示されるように、リングの形態の磁気熱量材料１１０の完全に対向する位置に取り付けることが可能である。したがって、磁気熱量材料１１０は、同時に、機械的に保持され得る。

図５からの従来の構成と比較して、磁石（または、典型的な永久磁石材料）のきわめて顕著な削減が可能になる。さらに、磁極シュー１２１，１２２を、磁場Ｈの集中が達成されるように設計することができる。さらに、全体的なプロセスを周期的に生じさせることができるため、２つの転がりシステム１３１、１３２が、圧力Ｐを加えると同時に、磁気熱量材料１１０を初期の状態へと戻すために使用される（限られた磁化）。周期的な全体としてのプロセスは、一次転移の最中の進行する構造変化を、圧力または機械的張力を加えるによって引き起こすことができるため、可能である。

図４は、磁化−温度図における６つの状態で概略的に例示することができる周期的な冷却プロセスの概略の動作原理を例示している。Ｎｉ−Ｍｎ−Ｉｎ−Ｃｏを、例えば、磁気熱量材料として使用することができる。

磁化−温度図は、２つの安定相、すなわち低温相および高温相を示している。低温相が、低温（図中のヒステリシス曲線の左側）において安定な相である一方で、高温相は、高温（図中のヒステリシス曲線の右側）において安定な相である。相間の転移は、図示のヒステリシス曲線を通って生じる。以前の履歴に関連して、高温相が、低温相が（依然として）安定である温度よりも低い温度のヒステリシス領域にも存在できることを、理解すべきである。

プロセスは、例えば、状態１（図４の左上）にて始まる。磁気熱量材料１１０は、ここでは初期温度Ｔ０の低磁化の低温相に位置する。

外部磁場の印加Ｓ１１０により、断熱磁化が生じ、ヒステリシス曲線が左方へとシフトする。高温相への転移が、高い磁化で生じる（状態２）。断熱磁化Ｓ１１０は、この転移の最中に温度が低下することを保証する（周囲との熱交換がまったく、またはほとんど生じない）。磁場を形成することによって、温度を例えば初期温度Ｔ_０から温度Ｔ_１まで下げることができる。曲線が左方へとシフトしているため、磁気熱量材料１１０は、たとえ逆ＭＣＥの結果として磁気熱量材料１１０における温度が低下したとしても、依然として高温相にある。

熱ヒステリシスゆえに、低温相への復帰は、たとえ外部磁場Ｈがオフにされ、断熱消磁Ｓ１２０がＳ１２０に続く場合でも、自然には生じない。これは、状態３の場合であり、したがって温度は値Ｔ_１にとどまる。断熱消磁Ｓ１２０が、図３において磁気熱量材料１１０が磁極シュー１２１，１２２の間のギャップを離れるときに生じる。消磁は外部磁場に関連すると理解される。当然ながら、磁気熱量材料１１０を、外部磁場をオフにした後にさらに磁化することも可能である。

断熱状態の変化自体は、周囲との熱交換を伴わずに生じる。交換流体は、例えば次のステップＳ１２５まで、低温の磁気熱量材料１１０を通って送られることはなく、冷却チャンバを冷却するために（すなわち、熱吸収のために）使用される。したがって、磁気熱量材料１１０の温度は、状態３から状態４へと再び上昇し、例えば、状態４（図４の右下において見て取ることができる）において、初期温度Ｔ_０を再び達成する。しかしながら、必ずしも初期温度Ｔ_０が状態４において再び達成される必要はない。

磁気熱量材料１１０は、状態４において、依然として高温相（ヒステリシス曲線の上側の線）にある。磁気熱量材料１１０を低温相へと復帰させるために、圧力Ｐ（例えば、約１ｋｂａｒ）が、後にステップＳ１３０において加えられる。圧力の高まりによって、ヒステリシス曲線は右方にシフトする（図４の下部の２つの図を参照）。この復帰は、結果として生じる状態５（図４の左下）において磁気熱量が温度Ｔ_２＞Ｔ_０を有するように、特定の温度上昇をもたらす。

余分な熱を、後のステップＳ１３５において（例えば、対応するポンプを使用することによって）交換流体によって吸収し、周囲の領域へと放出することができる。したがって、状態６が達成される。

最後のステップＳ１３７において、圧力Ｐが減らされ、材料は再び初期温度Ｔ_０の低温相に位置する（状態１）。

上述のステップは、時間において少なくとも部分的に重なり合って並列に実行されてよく、あるいは発生でき、必ずしも互いに時間的に分離される必要はない。

この循環プロセスを、例えば磁気熱量材料１１０を円にて移動（図３を参照）させ、交換流体で熱を磁気熱量材料１１０から運び去り、あるいは（例えば、冷却されるべき媒体から）磁気熱量材料１１０へと移動させることで、継続的に実行することが可能である。交換流体は、図示されていないが、例えば水であってよい。

このように、全体としての磁気熱量材料１１０は、単一のブレイトン型熱力学サイクルを経て、冷却に寄与する。従来のＡＭＲサイクルにおいては温度勾配が形成され、磁場のオフ後に可逆転移がすぐに始まるため、冷却に実際に寄与できるのは、磁気熱量材料のわずかな部分に限られる。従来のユニットにおいては、ＭＣＥ材料のわずかな部分のみが内部空間の冷却をもたらすにすぎないため、より大きな温度間隔を達成することがほとんど不可能であり、あるいは冷却能力を犠牲にしない限りは不可能である。これとは異なり、本発明の典型的な実施形態において、達成すべき温度間隔は、磁場Ｈにおける磁気熱量材料１１０の温度変化によって決定される。ヒステリシスを使用する回路においては、従来のＡＭＲ装置よりも著しく強い磁場が可能であるため、より大きな温度変化が利用可能である。さらに、ＭＣＥ材料の全体が、本発明においては冷却に寄与する。したがって、典型的な実施形態は、冷却時に著しく高い効率を達成する。

例えば２Ｔの磁場Ｈで、８Ｋの温度変化をホイスラ合金において達成することができる。したがって、互いに直列に接続された２つのモデルを有し、さまざまな動作温度で動作する冷却ユニットが、例えば１６Ｋの温度低下を達成することができる。これは、例えば、食料雑貨類を室温から１０℃を大きく下回る温度まで冷却することができる単純な冷却ユニットを構成するために、充分であると考えられる。

さらに、本発明の典型的な実施形態は、磁気熱量材料の半分がそのようなバイモジュラー装置の冷却チャンバの冷却に積極的に寄与するため、従来のＡＭＲデバイスよりも効率が著しく高いという利点を有する。

各々の磁気熱量材料が、操作可能な熱ヒステリシスおよび／または設定可能な転移温度が存在する限りにおいて、ヒステリシスを用いた磁気冷却に本質的に適する。これは、例えば以下の材料、すなわちＧｄ−Ｓｉ−Ｇｅ、Ｌａ−Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ−Ｈ、Ｆｅ−Ｐ、ホイスラまたは準ホイスラ合金、Ｆｅ−Ｒｈ、Ｍｎ−Ｇａ、など、磁気構造一次転移を有するすべての材料に当てはまる。逆磁気熱量材料、例えば、Ｍｎ−Ｇａ、Ｆｅ−Ｒｈ、とりわけホイスラ合金が、磁場の形成時に温度が低下し、したがって技術的理由で達成される冷却をより簡単に利用できるため、注目されるべきである一方で、従来の磁気熱量材料においては磁化時に温度が上昇する。

本明細書、特許請求の範囲、および図面に開示された本発明の特徴は、個別または任意の組み合わせにて、本発明の実施に重要となり得る。

１１０ 磁気熱量材料
１２０ 磁化装置
１２１，２２２ 磁気ユニット（磁極シュー）
１３０ 変換装置
１３１， １３２ 圧力ローラ
３１０ 従来の磁気熱量材料
３２０ 従来の磁化装置

Claims (13)

1. 外部磁場（Ｈ）の変化時に温度（Ｔ）が変化し、付加される圧力（Ｐ）または張力の変化時に温度が変化する磁気熱量材料（１１０）と、
   外部磁場（Ｈ）を形成するための磁化装置（１２０）と、
   前記磁気熱量材料（１１０）に圧力（Ｐ）または張力を付加するための変換装置（１３０）と、
   前記磁気熱量材料（１１０）に周期的な温度変化を生じさせることによって低温の期間が冷却に使用され得るよう前記磁気熱量材料（１１０）が前記外部磁場（Ｈ）ならびに圧力（Ｐ）または張力の変化に交互に曝されるように、前記磁気熱量材料（１１０）を前記磁化装置（１２０）および前記変換装置（１３０）に対して移動させるように設けられた移動手段と
   を有する、冷却装置。
2. 前記磁気熱量材料（１１０）は、第１の相および第２の相と、前記外部磁場（Ｈ）および／または前記圧力（Ｐ）若しくは前記張力の変化によって生じさせることができる熱ヒステリシスを介する前記第１の相と前記第２の相との間の一次磁気構造相転移と、を呈し、
   前記磁化装置（１２０）および前記変換装置（１３０）は、前記第１の相と前記第２の相との間の相転移の最中に構造変化を生じさせるように設計されている、請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記磁気熱量材料（１１０）は、逆磁気熱量効果を呈する、請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記磁気熱量材料（１１０）は、リングの形状に構成され、前記移動手段は、前記リングの形状の磁気熱量材料（１１０）を回転させる回転装置を有し、回転運動によって前記リングの形状の磁気熱量材料（１１０）の各部分の周期的な温度変化を達成する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷却装置。
5. 前記磁化装置（１２０）は、少なくとも１つの磁気ユニット（１２１、１２２）を有し、前記変換装置（１３０）は、少なくとも１つの圧力ローラ（１３１、１３２）を有し、前記移動手段は、前記少なくとも１つの圧力ローラ（１３１、１３２）および前記少なくとも１つの磁気ユニット（１２１、１２２）を通って交互に移動し、前記磁気熱量材料（１１０）は、前記移動の際に熱ヒステリシスを通過し、
   前記磁気熱量材料（１１０）の全断面にわたって前記第１の相と前記第２の相との間の転移を生じさせるために、前記磁気熱量材料（１１０）に対して、前記少なくとも１つの圧力ローラ（１３１、１３２）は最小圧力（Ｐ）を付加し、前記少なくとも１つの磁気ユニット（１２１、１２２）は最小磁場強度（Ｈ）を印加する、請求項２〜４のいずれか一項に記載の冷却装置。
6. 前記磁気熱量材料（１１０）は、少なくとも一部分において直線を形成し、前記移動手段は、前記磁気熱量材料（１１０）を交互に往復移動させるように設計された平行移動装置を有し、前記交互の移動によって前記磁気熱量材料（１１０）における周期的な温度変化を達成する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷却装置。
7. 前記磁気熱量材料（１１０）に熱的に結合し、前記磁気熱量材料（１１０）の低温部分を加熱し、高温部分を冷却するように構成された少なくとも１つの交換流体をさらに有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の冷却装置。
8. 前記交換流体は、水を含み、当該冷却装置は、前記磁気熱量材料（１１０）へと水を送り、前記磁気熱量材料（１１０）から水を送るためのポンプをさらに有する、請求項７に記載の冷却装置。
9. 前記磁気熱量材料（１１０）は、以下の材料、すなわちＧｄ−Ｓｉ−Ｇｅ、Ｌａ−Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ−Ｈ、Ｆｅ−Ｐ、ホイスラまたは準ホイスラ合金、Ｆｅ−Ｒｈ、およびＭｎ−Ｇａのうちの少なくとも１つを含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の冷却装置。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の冷却装置を少なくとも１つ有する冷却ユニット。
11. 前記少なくとも１つの冷却装置は、達成可能な温度低下を増大させるために互いに連続的に接続された異なる動作温度を有する２つの冷却装置を含む、請求項１０に記載の冷却ユニット。
12. 外部磁場（Ｈ）の変化時に温度（Ｔ）が変化し、付加される圧力（Ｐ）または張力の変化時に温度が変化する磁気熱量材料（１１０）を移動させるステップと、
    前記外部磁場（Ｈ）を生成するステップ（Ｓ１１０）と、
    前記圧力（Ｐ）または張力を前記磁気熱量材料（１１０）へと付加するステップ（Ｓ１３０）と
    を含んでおり、
    前記磁気熱量材料（１１０）を前記外部磁場（Ｈ）の変化および圧力（Ｐ）または張力の変化に交互に曝すことで、前記磁気熱量材料（１１０）に周期的な温度変化を生じさせ、低温の期間が冷却に使用され得る、冷却方法。
13. 前記外部磁場（Ｈ）を生成するステップ（Ｓ１１０）は、断熱磁化を含み、前記圧力を付加するステップ（Ｓ１３０）は、圧力の上昇および圧力の低下を含み、
    当該方法は、以下のステップ、すなわち
    断熱消磁（Ｓ１２０）、
    冷却チャンバからの熱の吸収（Ｓ１２５）、および
    周囲領域への熱の放出（Ｓ１３５）
    をさらに含む、請求項１２に記載の方法。