JP2022108091A - Magnetic heat exchange material, heat exchange device, and magnetic heat exchange device including the same - Google Patents

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孝雄 澤
Takao Sawa
勝幸 工藤
Katsuyuki Kudo
巧也 渡部
Takuya Watabe
駿太 近藤
Shunta Kondo
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Abstract

To provide a magnetic heat exchange material that has high magnetic heat exchange properties and also has high mechanical strength and practical corrosion resistance.SOLUTION: A magnetic heat exchange material has a main phase having NaZn13 type crystal structure, represented by general formula (1) or (2): La1-aRa(Fe1-b-cSibTc)eHf (1) La1-aRa(Fe1-b-cSibTcCod )eHf (2), which have common definitions: R denotes at least one selected from Sm and Y, T denotes at least one selected from V, Cr, Mn, Ni and Cu, the subscripts a, b, c, e and f satisfy 0<a≤0.30, 0.09≤b≤0.14, 12.5≤e≤13.5, and 1.3≤f≤2.3, and the formula (1) satisfies 0<c≤0.04 and formula (2) satisfies 0<c≤0.05, 0<d≤0.03.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、大きな磁気熱量効果を有し、実用に適した室温域で用いる磁気熱交換材料、それが装着されている熱交換デバイス、およびそれを用いた磁気熱交換装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a magnetic heat exchange material that has a large magnetocaloric effect and is suitable for practical use in a room temperature range, a heat exchange device equipped with the same, and a magnetic heat exchange apparatus using the same.

日常生活に密接に関係する室温域の冷凍技術、たとえば冷蔵庫、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を使用している。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り、代替フロンガスも環境への影響が懸念されている。このような背景から、環境リスクの低い自然冷媒(CO、アンモニアなど)やイソブタンなどを用いた取り組みも行われている。つまり、作業ガスの廃棄に伴う環境破壊の問題がない、安全で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。 Most of the refrigeration technologies in the room temperature range, which are closely related to daily life, such as refrigerators, freezers, and indoor air conditioners, use a gas compression-expansion cycle. However, refrigeration technology based on a gas compression-expansion cycle poses a major problem of environmental destruction due to the release of specific CFCs into the environment. Against this background, efforts are being made to use natural refrigerants (CO 2 , ammonia, etc.) and isobutane, which have low environmental risks. In other words, there is a demand for practical use of a safe, clean, and highly efficient refrigeration technology that does not have the problem of environmental destruction associated with the disposal of working gas.

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進んでいる。磁気冷凍技術は、Feの磁気熱量効果を基本原理としている。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。磁気熱量効果を有するGd(SO・8HO、GdGa12に代表される常磁性塩および常磁性化合物を用いた冷凍システムが開発された。しかしながら、これらは20K以下の極低温領域に適用されるものが中心であり、超伝導磁石による10T程度の磁場が必要であった。 As one of such environment-friendly and highly efficient refrigeration technologies, expectations are rising for magnetic refrigeration, and research and development of magnetic refrigeration technology targeting the room temperature range is progressing. Magnetic refrigeration technology is based on the magnetocaloric effect of Fe. The magnetocaloric effect is a phenomenon in which the temperature of a magnetic substance changes when an externally applied magnetic field is changed to the magnetic substance in an adiabatic state. Refrigeration systems using paramagnetic salts and compounds typified by Gd 2 (SO 4 ) 3.8H 2 O and Gd 3 Ga 5 O 12 having magnetocaloric effects have been developed. However, these are mainly applied to the cryogenic region of 20 K or less, and a magnetic field of about 10 T by a superconducting magnet was required.

その後、高温領域での磁気冷凍の実現にむけて強磁性物質における常磁性状態と強磁性状態間の磁気転移を利用した研究が盛んに行われてきた。その結果としてPr、Nd、Dy、Er、Tm、Gdなどのランタン系列の希土類元素単体、Gd-Y、Gd-Dyのような二種類以上の希土類合金系材料、RAlおよびRNi(R:希土類元素)、GdPdなどの希土類金属間化合物などの磁性材料が見出された。 Since then, many studies have been conducted to realize magnetic refrigeration in the high-temperature region using magnetic transitions between paramagnetic and ferromagnetic states in ferromagnetic materials. As a result, lanthanum series rare earth elements such as Pr, Nd, Dy, Er, Tm and Gd, two or more rare earth alloy materials such as Gd--Y and Gd--Dy, RAl 2 and RNi 2 (R: magnetic materials such as rare earth elements) and rare earth intermetallic compounds such as GdPd.

常温域を対象とした磁気冷凍のシステムは、1982年に磁気冷凍用材料に磁気熱量効果に加えて蓄熱効果も同時に担わせるAMR(“Active Magnetic Regenerative Refrigeration”)方式が米国のBarclayによって提案された(特許文献1)。このAMR方式は、従来室温域における磁気冷凍にとって阻害要因と位置づけられていた格子エントロピーをむしろ積極的に利用しようとするものである。 In 1982, Barclay of the United States proposed the AMR ("Active Magnetic Regenerative Refrigeration") method, in which the magnetic refrigeration material has a heat storage effect in addition to the magnetocaloric effect. (Patent Document 1). This AMR method is intended to positively utilize the lattice entropy, which has conventionally been regarded as an impediment to magnetic refrigeration in the room temperature range.

AMR方式による磁気冷凍は以下のようなステップで行われている。
(1)磁気冷凍作業物質に磁場を印加する。
(2)(1)により発生した温熱を冷媒により一端から他端へ輸送する。
(3)磁気冷凍作業物質の磁場を取り除く。
(4)(3)により発生した冷熱を(2)で熱を輸送した方とは逆の一端に輸送する。
(1)~(4)の熱サイクルを繰り返すことにより、熱交換デバイス(磁気冷凍作業室内部)では磁気冷凍用材料で生まれた熱が熱輸送媒体を介して一方向に輸送されることになり、熱流方向に温度勾配が生成し、両端では大きな温度差が生じることにより冷凍作業が行われる。
Magnetic refrigeration by the AMR method is performed in the following steps.
(1) Applying a magnetic field to the magnetic refrigeration working material.
(2) The heat generated in (1) is transported from one end to the other by the refrigerant.
(3) removing the magnetic field of the magnetic refrigeration working material;
(4) The cold energy generated in (3) is transported to the end opposite to the one where the heat was transported in (2).
By repeating the heat cycle of (1) to (4), the heat generated by the magnetic refrigeration material is transported in one direction through the heat transport medium in the heat exchange device (inside the magnetic refrigeration work chamber). , a temperature gradient is generated in the direction of heat flow, and a large temperature difference is generated at both ends to perform the refrigeration operation.

その後、室温域における磁気冷凍用材料としてGd(ガドリニウム)を用い、上記AMR方式を用いた磁気冷凍機に超伝導磁石により5Tまでの高磁場を印加することで、磁気冷凍サイクルの連続運転実施が報告された。 After that, by using Gd (gadolinium) as a magnetic refrigeration material in the room temperature range and applying a high magnetic field of up to 5 T by a superconducting magnet to the magnetic refrigerator using the AMR method, the magnetic refrigeration cycle can be continuously operated. Reported.

一方、Gd以外にも室温域の磁気冷凍用材料は開発されている。たとえば、(Hf,Ta)Fe、(Ti,Sc)Fe、(Nb,Mo)Fe、La(Fe,Si)13系などの磁性材料では大きな磁気エントロピー変化量を呈するとともに、安価なFeを主構成元素としており、さらには磁気相転移の昇温降温時のヒステリシスが小さいことが特徴となり、開発が進められてきた。 On the other hand, other than Gd, materials for magnetic refrigeration in the room temperature range have been developed. For example, magnetic materials such as (Hf, Ta) Fe 2 , (Ti, Sc) Fe 2 , (Nb, Mo) Fe 2 and La(Fe, Si) 13 systems exhibit a large magnetic entropy change and are inexpensive. It is characterized by having Fe as the main constituent element and having a small hysteresis during temperature rise and fall of the magnetic phase transition, and has been developed.

このような磁気冷凍用材料を用いた磁気冷凍装置では、磁気冷凍用材料の磁気熱量効果を応用して低温を生成する。たとえば、強磁性物質では、強磁性相転移温度(キュリー温度;Tc)の近傍において外部磁界を印加することによって、電子磁気スピンを常磁性状態から強磁性状態へ磁気相転移させたときのエントロピー変化を利用して低温化を実現している。 In a magnetic refrigerator using such a magnetic refrigeration material, a low temperature is generated by applying the magnetocaloric effect of the magnetic refrigeration material. For example, in a ferromagnetic material, the entropy change when the electron magnetic spin undergoes a magnetic phase transition from the paramagnetic state to the ferromagnetic state by applying an external magnetic field in the vicinity of the ferromagnetic phase transition temperature (Curie temperature; Tc) is used to achieve low temperature.

このような磁性材料の中でも、特にFeの一部をSiで置換することで形成する、NaZn13型結晶構造を有するLa(Fe1-xSi13は特に大きな磁気エントロピー変化量を示すことがわかっている。この結晶構造を有する物質ではZnに相当するサイトに主としてFeが、Naに相当するサイトに主としてLa等の希土類元素が入る。 Among such magnetic materials, La(Fe 1-x Si x ) 13 having a NaZn 13 -type crystal structure, which is formed by partially substituting Fe with Si, exhibits a particularly large amount of magnetic entropy change. I know In the substance having this crystal structure, Fe mainly enters the sites corresponding to Zn, and rare earth elements such as La mainly enter the sites corresponding to Na.

磁性材料をAMR方式等の磁気冷凍に適用するためには、熱交換のために実用的な球状粒子等の小片形状に加工する必要がある。たとえば、特許文献2では、球状化したLa(Fe1-xSi13合金のキュリー温度向上のために水素化処理を行う技術を開示している。 In order to apply magnetic materials to magnetic refrigeration such as the AMR system, it is necessary to process them into small pieces such as spherical particles that are practical for heat exchange. For example, Patent Literature 2 discloses a technique of hydrotreating a spheroidized La(Fe 1-x Si x ) 13 alloy to improve the Curie temperature.

米国特許第4332135号U.S. Pat. No. 4,332,135 特開2003-96547号公報JP-A-2003-96547

しかしながら、上記従来技術には、以下のような問題がある。特許文献2に開示の技術では、水素化の際、格子間に入った水素により格子が膨張して、場合によってはクラックが入る場合がある。従って、このような状態のLa(Fe1-xSi13系磁性材料粒子を磁気冷凍装置の熱交換デバイス内に充填し、冷媒との間で熱交換を生ぜしめて冷凍を実現しようとした場合、前記磁性材料粒子は熱交換の際に冷媒の流れや磁界の印加および除去に伴い、冷媒の流れや磁界印加の周波数と合わせて振動する可能性がある。 However, the above conventional technology has the following problems. In the technique disclosed in Patent Literature 2, during hydrogenation, the lattice expands due to hydrogen entering between the lattices, and cracks may occur in some cases. Therefore, the La(Fe 1-x Si x ) 13 -based magnetic material particles in such a state were charged into the heat exchange device of the magnetic refrigeration apparatus, and heat exchange with the refrigerant was attempted to achieve refrigeration. In this case, the magnetic material particles may vibrate in accordance with the frequency of the flow of the refrigerant and the application and removal of the flow of the refrigerant and the application of the magnetic field during heat exchange.

このような状態が比較的長く続くと、上述した振動に伴って磁性材料同士が互いに衝突・摩擦を引き起し、磁性材料の破壊に伴う微細粉が発生する。微細粉の発生は冷媒の圧力損失を高めるなど、熱交換の効率低下による冷凍能力低下の要因となる。 If such a state continues for a relatively long time, the magnetic materials will collide and friction with each other due to the vibration described above, and fine powder will be generated as a result of destruction of the magnetic materials. The generation of fine powder causes a decrease in refrigerating capacity due to a decrease in efficiency of heat exchange, such as an increase in pressure loss of the refrigerant.

本発明は上記問題を鑑みて、高い磁気冷凍効果を含む磁気熱交換特性と耐久性、つまり、耐割れ性や耐食性を併せ持つ磁気熱交換材料を提供することを目的としている。また、その磁気熱交換材料が装着された熱交換デバイスおよびそれを用いた磁気熱交換装置を提供する。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a magnetic heat exchange material having both magnetic heat exchange properties including a high magnetic refrigeration effect and durability, that is, crack resistance and corrosion resistance. Also provided is a heat exchange device equipped with the magnetic heat exchange material and a magnetic heat exchange apparatus using the same.

上記目的を達成するため、磁気熱交換材料に用いられる磁性材料について、高い磁気冷凍効果を含む磁気熱交換特性と耐久性を兼ね備えるものとすることを鋭意研究した結果、少なくとも、希土類元素、鉄、ケイ素および水素を含む材料が高い磁気熱交換特性と耐久性を実現させることを見出し、本発明を開発するに至った。 In order to achieve the above object, as a result of intensive research on the magnetic material used for the magnetic heat exchange material to have both magnetic heat exchange characteristics including high magnetic refrigeration effect and durability, we found that at least rare earth elements, iron, The inventors have found that a material containing silicon and hydrogen achieves high magnetic heat exchange characteristics and durability, leading to the development of the present invention.

すなわち、上記課題を解決し、上記の目的を実現するため開発した本発明にかかる磁気熱交換材料は、主相がNaZn13型結晶構造を有する磁気熱交換材料であって、下記一般式(1)式で表されることを特徴とする。
La1-a(Fe1-b-cSi ・・・(1)
ここで、上記(1)式中の
R:SmおよびYから選ばれる少なくとも1種、
T:V、Cr、Mn、NiおよびCuから選ばれる少なくとも1種、
また、添字a、b、c、eおよびfは、
0<a≦0.30、
0.09≦b≦0.14、
0<c≦0.04、
12.5≦e≦13.5、
1.3≦f≦2.3
の条件を満たす。
That is, the magnetic heat exchange material according to the present invention developed to solve the above problems and achieve the above objects is a magnetic heat exchange material having a NaZn 13 -type crystal structure as a main phase, and is represented by the following general formula (1 ) is characterized by being represented by the formula:
La 1-a R a (Fe 1-b-c Si b T c ) e H f (1)
Here, R in the above formula (1): at least one selected from Sm and Y,
T: at least one selected from V, Cr, Mn, Ni and Cu;
Subscripts a, b, c, e and f are
0<a≦0.30,
0.09≦b≦0.14,
0<c≦0.04,
12.5≦e≦13.5,
1.3≤f≤2.3
satisfy the conditions of

また、上記課題を解決し、上記の目的を実現するため開発した本発明にかかる磁気熱交換材料は、主相がNaZn13型結晶構造を有する磁気熱交換材料であって、下記一般式(2)式で表されることを特徴とする。
La1-a(Fe1-b-cSiCo ・・・(2)
ここで、上記(2)式中の
R:SmおよびYから選ばれる少なくとも1種、
T:V、Cr、Mn、NiおよびCuから選ばれる少なくとも1種、
また、添字a、b、c、d、eおよびfは、
0<a≦0.30、
0.09≦b≦0.14、
0<c≦0.05、
0<d≦0.03、
12.5≦e≦13.5、
1.3≦f≦2.3
の条件を満たす。
Further, a magnetic heat exchange material according to the present invention developed to solve the above problems and achieve the above objects is a magnetic heat exchange material having a NaZn 13 -type crystal structure as a main phase, and is represented by the following general formula (2 ) is characterized by being represented by the formula:
La 1-a R a (Fe 1-bc Si b Tc Co d ) e H f (2)
Here, R in the above formula (2): at least one selected from Sm and Y,
T: at least one selected from V, Cr, Mn, Ni and Cu;
Subscripts a, b, c, d, e and f are
0<a≦0.30,
0.09≦b≦0.14,
0<c≦0.05,
0<d≦0.03,
12.5≦e≦13.5,
1.3≤f≤2.3
satisfy the conditions of

なお、本発明にかかる磁気熱交換材料は、
(a)Cu-Kα線をX線源とするX線回折測定において、NaZn13型結晶構造をもつLa(Fe1-xSi13の相(422)面の回折線強度に対する、Fe相の(110)面の回折線強度の比が、7%以下であること、
(b)Cu-Kα線をX線源とするX線回折測定において、NaZn13型結晶構造をもつLa(Fe1-xSi13の相(422)面の回折線強度に対する、CeFeSi型結晶構造をもつLaFeSi相の(101)面の回折線強度の比が、7%以下であること、
(c)前記磁気熱交換材料は、アスペクト比が2以下の球状粒子であること、
(d)前記磁気熱交換材料の平均粒径が、0.05mm以上1mm以下であること、
などが、より好ましい解決手段になり得るものと考えられる。
In addition, the magnetic heat exchange material according to the present invention is
(a) X-ray diffraction measurement using a Cu—Kα ray as an X-ray source shows the relationship between the diffraction line intensity of the phase (422) plane of La(Fe 1-x Si x ) 13 having a NaZn 13 -type crystal structure and the Fe phase The ratio of the diffraction line intensity of the (110) plane of is 7% or less,
(b) In X-ray diffraction measurement using Cu—Kα rays as the X-ray source, the diffraction line intensity of the phase (422) plane of La(Fe 1-x Si x ) 13 having a NaZn 13 type crystal structure is compared with the CeFeSi type The ratio of the diffraction line intensity of the (101) plane of the LaFeSi phase having a crystal structure is 7% or less,
(c) the magnetic heat exchange material is spherical particles having an aspect ratio of 2 or less;
(d) the magnetic heat exchange material has an average particle size of 0.05 mm or more and 1 mm or less;
etc. is considered to be a more preferable solution.

また、上記課題を解決し、上記の目的を実現するため開発した本発明にかかる熱交換デバイスは、上記いずれかの磁気熱交換材料が装着されていることを特徴とする。 Further, a heat exchange device according to the present invention, which has been developed to solve the above problems and achieve the above objects, is equipped with any one of the above magnetic heat exchange materials.

また、上記課題を解決し、上記の目的を実現するため開発した本発明にかかる磁気熱交換装置は、上記熱交換デバイスを備えてなることを特徴とする。 Further, a magnetic heat exchange apparatus according to the present invention, which has been developed to solve the above problems and achieve the above objects, is characterized by comprising the above heat exchange device.

以上説明したように、本発明によれば、高い磁気熱交換特性を呈するとともに高い機械的強度および実用的な耐食性をもつ磁気熱交換材料を提供することができる。また、本発明の磁気熱交換材料を用いることにより、実用に適した、熱交換効率の高い熱交換デバイス、およびこれを用いた高効率の磁気熱交換装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a magnetic heat exchange material that exhibits high magnetic heat exchange properties, high mechanical strength, and practical corrosion resistance. Moreover, by using the magnetic heat exchange material of the present invention, it is possible to provide a practically suitable heat exchange device with high heat exchange efficiency and a highly efficient magnetic heat exchange apparatus using the same.

本発明にかかる磁気熱交換材料を用いた磁気熱交換装置の一実施形態を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a magnetic heat exchange device using a magnetic heat exchange material according to the present invention; FIG. 上記実施形態に磁気熱交換装置の動作の概略を示す断面図である。It is a sectional view showing an outline of operation of a magnetic heat exchange device to the above-mentioned embodiment. 本発明にかかる磁気熱交換材料を用いた磁気熱交換装置の他の実施形態を示す概念図である。FIG. 4 is a conceptual diagram showing another embodiment of a magnetic heat exchange device using the magnetic heat exchange material according to the present invention; 上記他の実施形態にかかる磁気熱交換部の詳細図である。It is a detailed view of the magnetic heat exchange unit according to the other embodiment. 本発明にかかる磁気熱交換材料のX線回折測定結果の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the X-ray-diffraction measurement result of the magnetic heat exchange material concerning this invention.

以下、本発明のその他の特徴および利点について、実施の形態に基づいて説明する。 Other features and advantages of the present invention will be described below based on the embodiments.

本発明の磁気熱交換材料は、主相がNaZn13型結晶構造を有する磁気熱交換材料であって、下記一般式(1)式で表されるものである。
La1-a(Fe1-b-cSi ・・・(1)
ここで、上記(1)式中の
R:SmおよびYから選ばれる少なくとも1種、
T:V、Cr、Mn、NiおよびCuから選ばれる少なくとも1種、
また、添字a、b、c、eおよびfは、
0<a≦0.30、
0.09≦b≦0.14、
0<c≦0.04、
12.5≦e≦13.5、
1.3≦f≦2.3
の条件を満たす。
The magnetic heat exchange material of the present invention is a magnetic heat exchange material whose main phase has a NaZn 13 -type crystal structure, and is represented by the following general formula (1).
La 1-a R a (Fe 1-b-c Si b T c ) e H f (1)
Here, R in the above formula (1): at least one selected from Sm and Y,
T: at least one selected from V, Cr, Mn, Ni and Cu;
Subscripts a, b, c, e and f are
0<a≦0.30,
0.09≦b≦0.14,
0<c≦0.04,
12.5≦e≦13.5,
1.3≤f≤2.3
satisfy the conditions of

また、本発明の磁気熱交換材料は、主相がNaZn13型結晶構造を有する磁気熱交換材料であって、下記一般式(2)式で表されるものである。
La1-a(Fe1-b-cSiCo ・・・(2)
ここで、上記(2)式中の
R:SmおよびYから選ばれる少なくとも1種、
T:V、Cr、Mn、NiおよびCuから選ばれる少なくとも1種、
また、添字a、b、c、d、eおよびfは、
0<a≦0.30、
0.09≦b≦0.14、
0<c≦0.05、
0<d≦0.03、
12.5≦e≦13.5、
1.3≦f≦2.3
の条件を満たす。
Further, the magnetic heat exchange material of the present invention is a magnetic heat exchange material whose main phase has a NaZn 13 -type crystal structure, and is represented by the following general formula (2).
La 1-a R a (Fe 1-bc Si b Tc Co d ) e H f (2)
Here, R in the above formula (2): at least one selected from Sm and Y,
T: at least one selected from V, Cr, Mn, Ni and Cu;
Subscripts a, b, c, d, e and f are
0<a≦0.30,
0.09≦b≦0.14,
0<c≦0.05,
0<d≦0.03,
12.5≦e≦13.5,
1.3≤f≤2.3
satisfy the conditions of

以下、本発明の一般式(1)および(2)で表される磁気熱交換材料の成分組成を限定する理由について説明する。 The reasons for limiting the component compositions of the magnetic heat exchange materials represented by the general formulas (1) and (2) of the present invention will be described below.

R:RはLaを置換する希土類の元素であって、SmおよびYから選ばれる少なくとも1種である。また、RのLaとの合計に対する原子比率aは、0超え0.30以下の範囲である。本発明に用いる磁気熱交換材料は、NaZn13型構造を主相としており、Naサイトの元素として、希土類元素を含有する。希土類元素はLaを基本とするが、その一部をSmおよびYから選ばれる少なくとも1種で置換することにより、耐久性が向上する。それゆえ、実際に熱交換装置、たとえば、冷凍機に搭載して実動させた時の信頼性向上に有効である。その量は、Laの少なくとも一部をこれらの元素で置き換え、上限は0.30である。置換比率aが0.30を超えるとNaZn13型結晶構造以外の相、たとえば、α-Fe相、R-Fe相などが生成しやすくなり、結果として磁気熱量効果が小さくなってしまう。好ましくは、0.25以下である。希土類元素としてのPrやNdは積極的に活用しないが、不可避不純物レベルで含有していてもよい。 R: R is a rare earth element that substitutes for La and is at least one selected from Sm and Y; Further, the atomic ratio a to the sum of R and La is in the range of more than 0 and 0.30 or less. The magnetic heat exchange material used in the present invention has a NaZn 13 -type structure as a main phase, and contains rare earth elements as elements at the Na site. The rare earth element is based on La, but by partially substituting it with at least one selected from Sm and Y, the durability is improved. Therefore, it is effective in improving the reliability when it is actually mounted on a heat exchange device, for example, a refrigerator and put into operation. The amount replaces at least part of La with these elements, and the upper limit is 0.30. When the substitution ratio a exceeds 0.30, phases other than the NaZn 13 -type crystal structure, such as the α-Fe phase and the R-Fe phase, tend to form, resulting in a reduced magnetocaloric effect. Preferably, it is 0.25 or less. Although Pr and Nd as rare earth elements are not actively used, they may be contained at the level of unavoidable impurities.

Si:Siは、Feを置換して、NaZn13型構造を安定的に形成するのに必須元素であるとともに、大きな磁気熱量効果を得られる。Feを置換するSiの原子比率bは、0.09以上0.14以下の範囲である。置換比率bが、0.09未満ではNaZn13型構造を形成しにくくなり、大きな磁気熱量効果が得られにくくなる。一方、0.14を超えるとNaZn13型構造は維持するものの磁気熱量効果が小さくなり、実用的でなくなる。好ましくは、0.10以上0.13以下の範囲である。なお、Siの一部を原子比で1/2までAlで置き換えることができる。 Si: Si is an essential element for substituting Fe to stably form a NaZn 13 -type structure, and provides a large magnetocaloric effect. The atomic ratio b of Si substituting Fe is in the range of 0.09 or more and 0.14 or less. If the substitution ratio b is less than 0.09, it becomes difficult to form a NaZn 13 -type structure, making it difficult to obtain a large magnetocaloric effect. On the other hand, when it exceeds 0.14, although the NaZn 13 -type structure is maintained, the magnetocaloric effect is reduced, making it impractical. Preferably, it is in the range of 0.10 or more and 0.13 or less. Note that part of Si can be replaced with Al up to 1/2 in atomic ratio.

T:Tは、Feを置換して磁気転移温度の制御に有効な遷移金属元素であり、V、Cr、Mn、NiおよびCuから選ばれる少なくとも1種である。また、元素によっては耐食性向上効果も得られる。Feを置換するTの原子比率cは、Coを用いない(1)式の場合、0超え0.04以下の範囲であり、Coを用いる(2)式の場合、0超え0.05以下である。置換比率cが、上限超えでは磁気転位温度が低くなりすぎるおそれがある。好ましくは、0.03以下である。 T: T is a transition metal element that replaces Fe and is effective in controlling the magnetic transition temperature, and is at least one selected from V, Cr, Mn, Ni and Cu. In addition, depending on the element, an effect of improving corrosion resistance can also be obtained. The atomic ratio c of T that replaces Fe is in the range of more than 0 and 0.04 or less in the case of formula (1) that does not use Co, and in the case of formula (2) that uses Co, it is more than 0 and 0.05 or less. be. If the substitution ratio c exceeds the upper limit, the magnetic transition temperature may become too low. Preferably, it is 0.03 or less.

Co:Coは(2)式で用い、Feを置換して、磁気転移温度の制御、特に高温に設定するのに有効な遷移金属元素である。Feを置換するCoの原子比率dは、0超え0.03以下の範囲である。上限を超えると二次相転移の寄与が大きくなり、磁気熱量効果が低下し始めることと、磁気転移温度が高くなりすぎるおそれがある。好ましくは、0.005以上0.025以下の範囲である。また、Coの存在は水素の導入が比較的容易となり、この点からも有効な元素である。 Co: Co is a transition metal element that is used in the formula (2) to replace Fe and is effective in controlling the magnetic transition temperature, especially setting it to a high temperature. The atomic ratio d of Co substituting Fe is in the range of more than 0 and 0.03 or less. If the upper limit is exceeded, the contribution of the second-order phase transition becomes large, and the magnetocaloric effect may start to decrease and the magnetic transition temperature may become too high. Preferably, it is in the range of 0.005 or more and 0.025 or less. In addition, the presence of Co makes it relatively easy to introduce hydrogen, and is an effective element from this point of view as well.

希土類元素と遷移金属元素の原子比e:希土類元素と遷移金属元素の原子比eは12.5以上13.5以下である。この範囲でNaZn13構造が安定的に得られる。下限未満ではThMn12構造、ThZn17構造などが生成しやすくなり、磁気熱量効果に寄与しない相が増え、十分な熱交換効率が得られなくなる。一方、上限を超えると、熱処理前に生成しているFe相が消失しにくく、NaZn13相単相化が困難になるため、磁気熱量効果が低下する。好ましくは12.6以上13.4以下の範囲である。 Atomic ratio e between the rare earth element and the transition metal element: The atomic ratio e between the rare earth element and the transition metal element is 12.5 or more and 13.5 or less. Within this range, the NaZn 13 structure is stably obtained. Below the lower limit, the ThMn 12 structure, the Th 2 Zn 17 structure, etc. are likely to form, and the number of phases that do not contribute to the magnetocaloric effect increases, making it impossible to obtain sufficient heat exchange efficiency. On the other hand, when the upper limit is exceeded, the Fe phase generated before the heat treatment is less likely to disappear, making it difficult to form a single NaZn 13 phase, resulting in a decrease in the magnetocaloric effect. It is preferably in the range of 12.6 or more and 13.4 or less.

H:H(水素)は磁気転移温度が室温近辺になるように制御するとともに、磁気熱量効果を増大するのに有効な元素である。希土類の総和に対するHの原子比率fは、1.3以上2.3以下の範囲で適正な磁気転移温度になる。好ましくは、1.5以上2.2以下の範囲である。 H: H (hydrogen) is an element effective in controlling the magnetic transition temperature to be near room temperature and increasing the magnetocaloric effect. When the atomic ratio f of H to the sum of rare earth elements is in the range of 1.3 or more and 2.3 or less, the magnetic transition temperature becomes appropriate. Preferably, it is in the range of 1.5 or more and 2.2 or less.

本実施形態の磁気熱交換材料は、磁気熱量効果に伴う温度ヒステリシスが少ないので、磁気熱交換装置として熱交換サイクルを構成する材料となる場合にも、運転を安定的に行うことができる。また、主たる構成部材がFeであり、従来の磁気熱交換材料と比べて大幅に製造コストが低く、広く活用することができる。 Since the magnetic heat exchange material of the present embodiment has little temperature hysteresis due to the magnetocaloric effect, it can stably operate even when used as a material constituting a heat exchange cycle as a magnetic heat exchange device. In addition, since the main component is Fe, the production cost is significantly lower than that of conventional magnetic heat exchange materials, and it can be widely used.

また、磁気熱交換材料の形状は、たとえば球状粒子であることが好ましい。ここで、「球状」とは、真球状のみならず、楕円状等の略球状、これらの表面に凹凸があるものなども含む。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、熱交換媒体の圧力損失の増大を抑え、熱交換効率を維持することができる。具体的には、磁気熱交換材料の80質量%以上がアスペクト比(長径と短径の比)2以下であることが好ましい。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%以上の場合には熱交換媒体の流れに長期間さらすことにより微細粉が発生し、熱交換媒体の圧力損失が増大するからである。 Moreover, the shape of the magnetic heat exchange material is preferably spherical particles, for example. Here, the term “spherical” includes not only true spheres, but also substantially spherical shapes such as elliptical shapes, and those having irregularities on their surfaces. Such a shape can prevent generation of fine powder due to breakage of particles, suppress an increase in pressure loss of the heat exchange medium, and maintain heat exchange efficiency. Specifically, 80% by mass or more of the magnetic heat exchange material preferably has an aspect ratio (ratio of major axis to minor axis) of 2 or less. Experiments were carried out by mixing deformed particles with an aspect ratio of 2 or more in almost spherical particles, and when the mixed amount of deformed particles was 20% or more, exposure to the flow of the heat exchange medium for a long period of time resulted in This is because fine powder is generated and the pressure loss of the heat exchange medium increases.

上記磁気熱交換材料を以下に示すような磁気熱交換装置に対して用い、高い熱交換能力を実現するためには、その熱交換デバイスの内部に充填された磁気熱交換材料と熱交換媒体との熱交換が十分に行われることが重要である。そのためには、磁気熱交換材料の比表面積を大きくすることが好ましい。磁気熱交換材料の比表面積を大きくするためには磁気熱交換材料を粒子状にし、粒径を小さく設定することが効果的である。一方、粒径が小さすぎると熱交換媒体の圧力損失が増大する。また、熱交換媒体の粘性(表面張力)、磁気熱交換装置に設けられたポンプの能力・圧力損失、熱交換デバイスのサイズなどの条件も、磁気熱交換材料の粒径の選択に影響を及ぼす。これらの点を考慮して、体積平均粒径(長径)が0.05mm以上1mm以下の範囲であることが好ましく、0.08mm以上0.8mm以下の範囲であることがより好ましい。 In order to use the above magnetic heat exchange material in a magnetic heat exchange device as shown below and achieve a high heat exchange capacity, the magnetic heat exchange material and the heat exchange medium filled inside the heat exchange device must be: It is important that the heat exchange is sufficiently performed. For that purpose, it is preferable to increase the specific surface area of the magnetic heat exchange material. In order to increase the specific surface area of the magnetic heat exchange material, it is effective to granulate the magnetic heat exchange material and set the particle size to be small. On the other hand, if the particle size is too small, the pressure loss of the heat exchange medium increases. In addition, conditions such as the viscosity (surface tension) of the heat exchange medium, the capacity and pressure loss of the pump provided in the magnetic heat exchange device, and the size of the heat exchange device also affect the selection of the particle size of the magnetic heat exchange material. . In consideration of these points, the volume average particle diameter (major diameter) is preferably in the range of 0.05 mm or more and 1 mm or less, more preferably 0.08 mm or more and 0.8 mm or less.

本実施形態の磁気熱交換材料は一般的に知られている方法を用いて得ることが可能である。具体的にはアーク溶解法、鋳造法などによる合金作製および、合金に対する熱処理を行うことで得ることが出来る。更に、ロール急冷法やアトマイズ法などの速い冷却速度を持つ合金作製法を用いることで熱処理時間が大幅に短縮でき、さらに材料の薄帯化や球状化も可能となる。 The magnetic heat exchange material of this embodiment can be obtained using a generally known method. Specifically, it can be obtained by preparing an alloy by an arc melting method, a casting method, or the like, and heat-treating the alloy. Furthermore, by using an alloy preparation method with a high cooling rate such as a roll quenching method or an atomizing method, the heat treatment time can be greatly shortened, and the material can be made into thin strips or spheroids.

たとえば、次のような方法によって磁気熱交換材料を製造することができる。
まず、原料となる各構成元素の比率を所定の範囲で調合し、溶解によって均一化させる。原料の種類および配合比は、目的とする磁気熱交換材料の組成比(各元素の含有量)を考慮して決定する。
For example, a magnetic heat exchange material can be produced by the following method.
First, the ratio of each constituent element as a raw material is blended within a predetermined range and homogenized by melting. The types and compounding ratios of the raw materials are determined in consideration of the composition ratio (the content of each element) of the target magnetic heat exchange material.

次に、これらの素材を不活性雰囲気下で、高周波誘導炉で溶解した後、鋳込んで母合金とする。この時点では、多量のFe相と少量のLaFeSi相、La(Fe1-xSi13相が含まれており、1000~1300℃で100~500時間の不活性雰囲気下で熱処理して、La(Fe1-xSi13(NaZn13型結晶構造)のほぼ単相化が出来る。 Next, these materials are melted in a high-frequency induction furnace under an inert atmosphere and then cast into a master alloy. At this point, a large amount of Fe phase, a small amount of LaFeSi phase, and La(Fe 1-x Si x ) 13 phase are included, and heat treatment is performed at 1000 to 1300° C. for 100 to 500 hours in an inert atmosphere, Almost single-phase La(Fe 1-x Si x ) 13 (NaZn 13 -type crystal structure) can be obtained.

一方、溶融後の冷却速度を制御することで、上記単相化の時間を短くすることができる。具体的には、ロール急冷法やアトマイズ法で冷却することで、組織の微細化を行うことができ、その後の熱処理による単相化させる時間を大幅に短くすることができる。たとえば、1100~1300℃で5~24時間程度でほぼ単相化が可能となる。 On the other hand, by controlling the cooling rate after melting, the single phase time can be shortened. Specifically, by cooling by a roll quenching method or an atomizing method, the structure can be refined, and the time for single phase formation by the subsequent heat treatment can be greatly shortened. For example, at 1100 to 1300° C. for about 5 to 24 hours, a single phase can be obtained.

また、熱処理前には構成相としてFe相が最も多く、LaFeSi相も存在していたが、熱処理による原子拡散で、ほぼLa(Fe1-xSi13相が得られ、若干、Fe相とLaFeSi相が残存する。その量は、Cu-Kα線をX線源とするX線回折測定において、NaZn13型結晶構造をもつLa(Fe1-xSi13相の(422)面の回折線強度に対する、Fe相の(110)面の回折線強度の比が、7%以下であること、CeFeSi型結晶構造をもつLaFeSi相の(101)面の回折線強度の比が、7%以下であることが好ましい。いずれも上限超えでは磁気熱量効果が低下する。残部が主相であるNaZn13型結晶構造のLa(Fe1-xSi13相であり、磁気熱量効果に影響を与えない不可避不純物レベルの他の相を含む。 In addition, before the heat treatment, the Fe phase was the most abundant constituent phase, and the LaFeSi phase was also present. and the LaFeSi phase remain. The amount of Fe The ratio of the diffraction line intensity of the (110) plane of the phase is preferably 7% or less, and the ratio of the diffraction line intensity of the (101) plane of the LaFeSi phase having the CeFeSi type crystal structure is preferably 7% or less. . In either case, if the upper limit is exceeded, the magnetocaloric effect is lowered. The remainder is the La(Fe 1-x Si x ) 13 phase of the NaZn 13 -type crystal structure, which is the main phase, and contains other phases of unavoidable impurity levels that do not affect the magnetocaloric effect.

熱交換デバイス中に磁気熱交換材料を設置し、液体熱交換媒体による熱交換を行う際に、体積平均粒径が50μm以下であれば、圧力損失が大きくなり、熱交換効率が低下する。一方、体積平均粒径が1mmを超えると圧力損失は小さくなるが、磁気熱交換材料の表面積が減少するため、熱交換する場が減少し、熱交換効率が低下する傾向になる。また、圧力損失の観点から、磁気熱交換材料は、アスペクト比(長径と短径の比)が2以下の球状粒子となる形状が好ましい。その製造方法としては、ガスアトマイズ法、回転ディスク法、回転電極法など、特にプロセスは限定しない。 When a magnetic heat exchange material is installed in a heat exchange device and heat is exchanged with a liquid heat exchange medium, if the volume average particle diameter is 50 μm or less, pressure loss increases and heat exchange efficiency decreases. On the other hand, if the volume average particle diameter exceeds 1 mm, the pressure loss will be small, but the surface area of the magnetic heat exchange material will be reduced, so the heat exchange field will be reduced and the heat exchange efficiency will tend to decrease. From the viewpoint of pressure loss, the magnetic heat exchange material preferably has a shape of spherical particles having an aspect ratio (ratio of major axis to minor axis) of 2 or less. As the manufacturing method thereof, there is no particular limitation on the process, such as a gas atomization method, a rotating disk method, and a rotating electrode method.

特に、ガスアトマイズ法で作製すると球状粉を作製することが出来るため、組織の微細化による単相化の短時間化とともに、上記したとおり、実際に使用する場合、効率的な熱交換を行うのに適した構造が得られる。 In particular, when the gas atomization method is used, spherical powder can be produced. A suitable structure is obtained.

一方、ロール急冷法でも同様の微細組織が得られ、単相化は比較的容易に得られる。実際に熱交換デバイスとして用いる場合は、この形態の試料から球状試料を得るにはコストがかかりすぎるため、この場合はブロック状に焼結後、溝加工などを行い、熱交換の場とすることが好ましい。 On the other hand, a similar fine structure can be obtained by the roll quenching method, and a single phase can be obtained relatively easily. When actually used as a heat exchange device, it would be too costly to obtain a spherical sample from this form of sample. is preferred.

磁気熱交換材料への水素の導入は、NaZn13型結晶構造にほぼ単相化したLa(Fe1-xSi13試料を250~400℃の温度範囲、0.01~1MPaの水素雰囲気下で1~10時間処理することで、水素化が出来る。 Hydrogen is introduced into the magnetic heat exchange material by heating a La(Fe 1-x Si x ) 13 sample having a nearly single-phased NaZn 13 type crystal structure in a temperature range of 250 to 400 ° C. in a hydrogen atmosphere of 0.01 to 1 MPa. Hydrogenation can be performed by treating for 1 to 10 hours under a low temperature environment.

本発明の磁気熱交換材料を用いる例として、液体熱交換媒体を用いるAMR方式の磁気熱交換装置をあげる。これは磁気熱交換材料が充填された熱交換デバイスと、磁気熱交換材料への磁場の印加および除去を行う磁場発生手段と、低温側熱交換部と、高温側熱交換部を備えている。さらに、熱交換デバイス、低温側熱交換部および高温側熱交換部を接続して形成され、液体熱交換媒体を循環させる熱交換回路を備えている。そして、熱交換デバイスに充填された磁気熱交換材料の少なくとも一部が、本発明の磁気熱交換材料である。なお、熱交換デバイスへの本発明の磁気熱交換材料の装填は一種の磁気転移温度を持ったものでもいいが、複数種の磁気転移温度を持つ複数種の磁気熱交換材料を装填すると熱交換効率の良い熱交換デバイスになる。 An example of using the magnetic heat exchange material of the present invention is an AMR type magnetic heat exchange device using a liquid heat exchange medium. It comprises a heat exchange device filled with a magnetic heat exchange material, magnetic field generating means for applying and removing a magnetic field to the magnetic heat exchange material, a low temperature side heat exchange section, and a high temperature side heat exchange section. Furthermore, a heat exchange circuit is formed by connecting the heat exchange device, the low temperature side heat exchange section, and the high temperature side heat exchange section, and circulates the liquid heat exchange medium. At least part of the magnetic heat exchange material filled in the heat exchange device is the magnetic heat exchange material of the present invention. The magnetic heat exchange material of the present invention may be loaded into the heat exchange device with one type of magnetic transition temperature. It becomes an efficient heat exchange device.

図1は、本発明の一実施形態にかかる磁気熱交換装置の模式的断面図である。この磁気熱交換装置は、液体熱交換媒体として、たとえば、水を用いる。熱交換デバイス10の低温端側LTには低温側熱交換部21が、高温端側HTには高温側熱交換部31が設けられている。そして、低温側熱交換部21と高温側熱交換部31との間には、熱交換媒体の流れる方向の切り替え手段40が設けられている。さらに熱交換媒体輸送手段である熱交換媒体ポンプ50が切り替え手段40に接続されている。そして、熱交換デバイス10、低温側熱交換部21、切り替え手段40、高温側熱交換部31は、配管によって接続され、液体熱交換媒体を循環させる熱交換回路を形成している。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a magnetic heat exchange device according to one embodiment of the present invention. This magnetic heat exchange device uses, for example, water as a liquid heat exchange medium. A low temperature side heat exchange section 21 is provided on the low temperature end side LT of the heat exchange device 10, and a high temperature side heat exchange section 31 is provided on the high temperature end side HT. Between the low temperature side heat exchange section 21 and the high temperature side heat exchange section 31, a switching means 40 for switching the flow direction of the heat exchange medium is provided. Further, a heat exchange medium pump 50 as heat exchange medium transport means is connected to the switching means 40 . The heat exchange device 10, the low temperature side heat exchange section 21, the switching means 40, and the high temperature side heat exchange section 31 are connected by piping to form a heat exchange circuit that circulates the liquid heat exchange medium.

熱交換デバイス10には、磁気熱量効果を有する本発明の磁気熱交換材料12が充填されている。熱交換デバイス10の外側には、水平移動可能な永久磁石14が磁場発生手段として配置されている。 The heat exchange device 10 is filled with a magnetic heat exchange material 12 of the present invention having a magnetocaloric effect. A horizontally movable permanent magnet 14 is arranged outside the heat exchange device 10 as a magnetic field generating means.

次に、図2を用いて磁気熱交換装置の動作の概略を説明する。熱交換デバイス10に対向する位置(図2に示す位置)に永久磁石14が配置されると、熱交換デバイス10内の磁気熱交換材料12に対して磁場が印加される。このため、磁気熱量効果を有する磁気熱交換材料12が発熱する。この時、熱交換媒体ポンプ50と切り替え手段40の動作により、液体熱交換媒体を熱交換デバイス10から高温側熱交換部31に向かう方向に循環させる。磁気熱交換材料12の発熱により温度の上昇した液体熱交換媒体により、温熱が高温側熱交換部31に輸送される。高温側熱交換部31は高温側熱交換器32と高温側貯水槽34を有し、放熱器36に熱を輸送する。 Next, the outline of the operation of the magnetic heat exchange device will be described with reference to FIG. A magnetic field is applied to the magnetic heat exchange material 12 in the heat exchange device 10 when the permanent magnet 14 is placed at a position facing the heat exchange device 10 (the position shown in FIG. 2). Therefore, the magnetic heat exchange material 12 having the magnetocaloric effect generates heat. At this time, the heat exchange medium pump 50 and the switching means 40 operate to circulate the liquid heat exchange medium from the heat exchange device 10 toward the high temperature side heat exchange section 31 . Thermal heat is transported to the high temperature side heat exchange section 31 by the liquid heat exchange medium whose temperature has increased due to the heat generated by the magnetic heat exchange material 12 . The high temperature side heat exchange section 31 has a high temperature side heat exchanger 32 and a high temperature side water tank 34 and transfers heat to a radiator 36 .

その後、永久磁石14を熱交換デバイス10に対向する位置から移動し、磁気熱交換材料12に対する磁場を除去する。磁場を除去することで、磁気熱交換材料12は吸熱する。この時、熱交換媒体ポンプ50と切り替え手段40を動作により、液体熱交換媒体を熱交換デバイス10から低温側熱交換部21に向かう方向に循環させる。磁気熱交換材料12の吸熱により冷却された液体熱交換媒体により、冷熱が低温側熱交換部21に輸送される。低温側交換部21は、低温側熱交換器22と低温側貯水槽24を有し、低温消費器26に冷熱を輸送する。 The permanent magnet 14 is then moved from its position facing the heat exchange device 10 to remove the magnetic field on the magnetic heat exchange material 12 . By removing the magnetic field, the magnetic heat exchange material 12 absorbs heat. At this time, the liquid heat exchange medium is circulated from the heat exchange device 10 toward the low temperature side heat exchange section 21 by operating the heat exchange medium pump 50 and the switching means 40 . Cold heat is transported to the low temperature side heat exchange section 21 by the liquid heat exchange medium cooled by the heat absorption of the magnetic heat exchange material 12 . The low-temperature side exchange section 2 1 has a low-temperature side heat exchanger 22 and a low-temperature side water tank 24 and transports cold heat to a low-temperature consumer 26 .

永久磁石14の移動を繰り返し、熱交換デバイス10内の磁気熱交換材料12に対する磁場の印加・除去を繰り返すことにより、熱交換デバイス10内の磁気熱交換材料12に温度勾配が生じる。そして、磁場の印加・除去に同期した液体熱交換媒体の移動により、低温側熱交換部21の冷却を継続する。 By repeatedly moving the permanent magnet 14 and repeatedly applying and removing a magnetic field to and from the magnetic heat exchange material 12 in the heat exchange device 10 , a temperature gradient is generated in the magnetic heat exchange material 12 in the heat exchange device 10 . Then, the cooling of the low temperature side heat exchange section 21 is continued by the movement of the liquid heat exchange medium in synchronization with the application/removal of the magnetic field.

磁気熱交換装置は、磁気熱交換動作温度での磁気熱量効果の大きな磁気熱交換材料を用いることで、高い熱交換効率を実現することができる。 A magnetic heat exchange device can achieve high heat exchange efficiency by using a magnetic heat exchange material having a large magnetocaloric effect at a magnetic heat exchange operating temperature.

他の磁気熱交換装置の例として図3に概略図を示し、また図4には磁気熱交換部の詳細を示す。この図で、100は磁気熱交換材料、200は熱交換デバイス、300は熱交換媒体導入配管、400は熱交換媒体排出配管、500aおよび500bは永久磁石、600aおよび600bは回転盤、250は低温消費器、260は放熱器を表す。熱交換媒体は、たとえば、水を使用することができる。 As an example of another magnetic heat exchange device, a schematic diagram is shown in FIG. 3, and details of the magnetic heat exchange section are shown in FIG. In this figure, 100 is a magnetic heat exchange material, 200 is a heat exchange device, 300 is a heat exchange medium introduction pipe, 400 is a heat exchange medium discharge pipe, 500a and 500b are permanent magnets, 600a and 600b are rotating discs, and 250 is a low temperature. A consumer, 260, represents a radiator. A heat exchange medium can be, for example, water.

図4に示すように、熱交換デバイス200は、矩形断面の筒型の形状を備えており、内部の磁気熱交換材料100は、たとえば、体積平均粒径0.3mmの球状であり、熱交換デバイス200内に58%の容積充填率で充填されている。熱交換デバイス200の一方端には、熱交換媒体の導入配管300が、他端には排出配管400が接続されている。なお、この図では同一形状の二つの熱交換デバイス200が設けられ、互いに平行に配置されている。 As shown in FIG. 4 , the heat exchange device 200 has a cylindrical shape with a rectangular cross section, and the magnetic heat exchange material 100 inside is, for example, spherical with a volume average particle diameter of 0.3 mm. It is filled into the device 200 with a volumetric fill factor of 58%. A heat exchange medium inlet pipe 300 is connected to one end of the heat exchange device 200, and an exhaust pipe 400 is connected to the other end. In this figure, two heat exchange devices 200 having the same shape are provided and arranged parallel to each other.

二つの熱交換デバイス200を間に挟むように、一対の回転盤600a、600bが設けられ、回転盤600a、600bは共通軸700で支持されている。この軸700は二つの熱交換デバイス200の中央に位置している。回転盤600a、600bの周縁近傍の内側には、それぞれ永久磁石500a、500bが設置されている。永久磁石500a、500bは、互いに対向するとともに、ヨーク(図示せず)を介して互いに結合されている。これによって、互いに対を成す永久磁石500a、500bの間隙部分に、強い磁場空間が形成される。この例では、二つの熱交換デバイス200にそれぞれ対応するように、二対の永久磁石500a、500bが設けられ、軸700を中央に挟んで配置されている。 A pair of rotating discs 600 a and 600 b are provided so as to sandwich the two heat exchange devices 200 , and the rotating discs 600 a and 600 b are supported by a common shaft 700 . This axis 700 is located in the middle of the two heat exchange devices 200 . Permanent magnets 500a and 500b are installed inside the rotating discs 600a and 600b in the vicinity of their rims, respectively. The permanent magnets 500a, 500b face each other and are coupled to each other via a yoke (not shown). As a result, a strong magnetic field space is formed in the gap between the paired permanent magnets 500a and 500b. In this example, two pairs of permanent magnets 500a and 500b are provided so as to correspond to the two heat exchange devices 200, respectively, and are arranged with the axis 700 sandwiched between them.

回転盤600a、600bを90度回転させる毎に、永久磁石500a、500bが熱交換デバイス200に対して接近および離反を繰り返す。各一対の永久磁石500a、500bが各熱交換デバイス200の側壁に最も接近した状態では、永久磁石500a、500bの間に形成された磁場空間の中に熱交換デバイス200が入り、その中に収容されている磁気熱交換材料100に磁場が印加される。 The permanent magnets 500a and 500b repeatedly approach and separate from the heat exchange device 200 each time the rotary discs 600a and 600b are rotated by 90 degrees. With each pair of permanent magnets 500a, 500b closest to the sidewalls of each heat exchange device 200, the heat exchange device 200 enters and is housed within the magnetic field space formed between the permanent magnets 500a, 500b. A magnetic field is applied to the magnetic heat exchange material 100 .

磁気熱交換材料100に対して磁場が印加された状態から、除去された状態に切り替わる際、電子磁気スピン系のエントロピーが増加し、格子系と電子磁気スピン系の間でエントロピーの移動が起こる。それによって、磁気熱交換材料100の温度が低下し、それが熱交換媒体に伝達され、熱交換媒体の温度が低下する。このようにして温度が低下した熱交換媒体は、熱交換デバイス200から排出配管400を通って排出され、外部の低温消費器(250:図4)に熱交換媒体として供給される。 When the magnetic heat exchange material 100 switches from a state in which a magnetic field is applied to a state in which the magnetic field is removed, the entropy of the electron magnetic spin system increases, and an entropy transfer occurs between the lattice system and the electron magnetic spin system. Thereby, the temperature of the magnetic heat exchange material 100 is lowered, which is transferred to the heat exchange medium, and the temperature of the heat exchange medium is lowered. The heat exchange medium whose temperature has been lowered in this manner is discharged from the heat exchange device 200 through the discharge pipe 400 and supplied to an external low temperature consumer (250: FIG. 4) as heat exchange medium.

なお、上記実施の形態において、熱交換デバイス10内の磁気熱交換材料12、あるいは磁気熱交換作業室(熱交換デバイス)200の中の磁気熱交換材料100については、同一組成の1種の磁気熱交換材料が均一に充填されるものでも、異なる2種以上の組成を有する磁気熱交換材料が充填されるものであっても構わない。 In the above-described embodiment, the magnetic heat exchange material 12 in the heat exchange device 10 or the magnetic heat exchange material 100 in the magnetic heat exchange working chamber (heat exchange device) 200 is a single magnetic material having the same composition. The heat exchange material may be uniformly filled, or may be filled with magnetic heat exchange materials having two or more different compositions.

たとえば、磁気熱交換材料として、複数種の磁性材料が熱交換デバイス内に混合して充填されていても構わない。また、磁気熱交換材料として、複数の磁性材料が熱交換デバイス内に層状に充填されていても構わない。 For example, as the magnetic heat exchange material, a plurality of types of magnetic materials may be mixed and filled in the heat exchange device. Also, as the magnetic heat exchange material, a plurality of magnetic materials may be filled in layers in the heat exchange device.

上記磁気熱交換材料を用いた磁気熱交換装置は、たとえば、冷凍システムを小型化することができるため、家庭用冷凍冷蔵庫、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・運搬用冷凍庫などの冷凍システム、または、暖房システムに適用することができる。 Magnetic heat exchange devices using the above magnetic heat exchange materials can, for example, reduce the size of refrigeration systems, so they can be used for household freezer refrigerators, air conditioners, industrial freezer refrigerators, large freezer refrigerators, liquefied gas storage and transportation. It can be applied to refrigeration systems such as commercial freezers, or heating systems.

表1-1および1-2に示す組成比の合金を調製後、真空誘導溶解炉にて溶製した。その後、得られた合金を再溶解し、ガスアトマイズ法で球状粉を作製した。いずれの合金ともアスペクト比が2以下で、体積平均粒径が100~150μmの範囲の球状粒子に作製出来ていた。作製した球状粉は1150℃で12時間熱処理して、NaZn13型結晶構造のLa(Fe1-xSi13相比率を増やすとともにFe相、LaFeSi相を減少させた。この後、300℃、5時間、0.5MPaの水素雰囲気下で水素を吸蔵させ、室温まで冷却した。なお、発明例は試料No.1~22、比較例は試料No.23~32である。 After preparing alloys having composition ratios shown in Tables 1-1 and 1-2, they were melted in a vacuum induction melting furnace. After that, the obtained alloy was melted again, and a spherical powder was produced by a gas atomization method. All of the alloys had an aspect ratio of 2 or less and could be formed into spherical particles with a volume average particle diameter in the range of 100 to 150 μm. The produced spherical powder was heat-treated at 1150° C. for 12 hours to increase the La(Fe 1-x Si x ) 13 phase ratio of the NaZn 13 type crystal structure and reduce the Fe phase and LaFeSi phase. Thereafter, hydrogen was occluded in a hydrogen atmosphere of 0.5 MPa at 300° C. for 5 hours, and cooled to room temperature. In addition, the invention example is sample No. 1 to 22, and sample Nos. for comparative examples. 23-32.

水素化処理したサンプルを取り出し、X線回折測定、水素量の分析を行った。Cu-Kα線をX線源とするX線回折測定において、NaZn13型結晶構造をもつLa(Fe1-xSi13相の(422)面の回折線強度に対するFe相の(110)面の回折線強度比、およびCeFeSi型結晶構造をもつLaFeSi相の(101)面の回折線強度比を表1に示す。また、水素吸蔵量も組成式で表している。なお、図5に一例として、試料No.3のX線回折パターンを示す。図中で、●はLa(Fe1-xSi13相の(422)面、▲はLaFeSi相の(101)面、×はFe相の(110)面である。 The hydrogenated sample was taken out and subjected to X-ray diffraction measurement and hydrogen content analysis. In the X-ray diffraction measurement using Cu—Kα rays as the X-ray source, the diffraction line intensity of the (422) plane of the La(Fe 1-x Si x ) 13 phase having the NaZn 13 type crystal structure is compared with the (110) plane of the Fe phase. Table 1 shows the diffraction line intensity ratio of the plane and the diffraction line intensity ratio of the (101) plane of the LaFeSi phase having the CeFeSi type crystal structure. In addition, the hydrogen storage capacity is also represented by the compositional formula. In addition, sample No. is shown in FIG. 5 as an example. 3 shows the X-ray diffraction pattern of 3. In the figure, ● is the (422) plane of the La(Fe 1-x Si x ) 13 phase, ▴ is the (101) plane of the LaFeSi phase, and × is the (110) plane of the Fe phase.

また、水素化処理して得られた、おおむね直径100μmの球状粉50個について、水素吸蔵による球状粉内のクラック数について調べた。50個中、クラック発生が2個以下のサンプルを「無」、3個以上のサンプルを「有」として表している。これらのサンプルについて、熱交換デバイスを想定した所定の治具に装てんした後、振動を一定時間与えて、その後、割れ具合を調べたところ、クラックが入っていた数と同等の球状粉の割れが確認できた。 In addition, 50 spherical powder particles having a diameter of about 100 μm obtained by hydrogenation were examined for the number of cracks in the spherical powder due to hydrogen absorption. Among the 50 samples, samples with 2 or less cracks are indicated as "absent", and samples with 3 or more cracks are indicated as "present". These samples were mounted in a predetermined jig assuming a heat exchange device, and after being subjected to vibration for a certain period of time, the degree of cracking was examined. It could be confirmed.

なお、水素化した試料について、磁化曲線の温度特性からキュリー温度(Tc)を測定するとともに、各温度で磁化の磁場依存性を測定し、外部印加磁場を0~2Tの間で変化させた時の磁化の値から、電子磁気スピン系のエントロピー変化量ΔSを下記数式1で求めた。 For the hydrogenated sample, the Curie temperature (Tc) was measured from the temperature characteristics of the magnetization curve, and the magnetic field dependence of magnetization was measured at each temperature. From the magnetization value of , the entropy change ΔS of the electron magnetic spin system was obtained by the following formula 1.

Figure 2022108091000002
Figure 2022108091000002

結果を試料No.23を1として相対値で表1-1および1-2に示す。この表から明らかなとおり、いずれも電子磁気スピン系のエントロピー変化量ΔSは、発明例ではNo.23とほぼ同等、あるいはそれ以上の値が得られており、磁気熱交換の実用性能面では優位性が確認できる。 The result is sample no. Tables 1-1 and 1-2 show relative values with 23 as 1. As is clear from this table, the entropy variation ΔS of the electron magnetic spin system is No. 1 in the invention examples. A value approximately equal to or higher than that of No. 23 was obtained, and superiority can be confirmed in terms of practical performance of magnetic heat exchange.

Figure 2022108091000003
Figure 2022108091000003

Figure 2022108091000004
Figure 2022108091000004

以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容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。 Although the present invention has been described in detail based on the embodiments of the present invention while giving specific examples, the present invention is not limited to the above contents, and can be modified in any way without departing from the scope of the present invention. Change is possible.

10 熱交換デバイス
12 磁気熱交換材料
14 永久磁石
21 低温側熱交換部
22 低温側熱交換器
24 低温側貯水槽
26 低温消費器
31 高温側熱交換部
32 高温側熱交換器
34 高温側貯水槽
36 放熱器
40 切り替え手段
50 熱交換媒体ポンプ
100 磁気熱交換材料
200 熱交換デバイス
250 低温消費器
260 放熱器
300 熱交換媒体導入配管
400 熱交換媒体排出配管
500a、500b 永久磁石
600a、600b 回転盤
700 回転軸
HT 高温場
LT 低温場
10 Heat Exchange Device 12 Magnetic Heat Exchange Material 14 Permanent Magnet 21 Low Temperature Side Heat Exchange Unit 22 Low Temperature Side Heat Exchanger 24 Low Temperature Side Water Tank 26 Low Temperature Consumer 31 High Temperature Side Heat Exchange Unit 32 High Temperature Side Heat Exchanger 34 High Temperature Side Water Tank 36 radiator 40 switching means 50 heat exchange medium pump 100 magnetic heat exchange material 200 heat exchange device 250 low temperature consumer 260 radiator 300 heat exchange medium introduction piping 400 heat exchange medium discharge piping 500a, 500b permanent magnets 600a, 600b rotating disk 700 Axis of rotation HT High temperature field LT Low temperature field

Claims (8)

主相がNaZn13型結晶構造を有する磁気熱交換材料であって、
下記一般式(1)式で表されることを特徴とする磁気熱交換材料。
La1-a(Fe1-b-cSi ・・・(1)
ここで、上記(1)式中の
R:SmおよびYから選ばれる少なくとも1種、
T:V、Cr、Mn、NiおよびCuから選ばれる少なくとも1種、
また、添字a、b、c、eおよびfは、
0<a≦0.30、
0.09≦b≦0.14、
0<c≦0.04、
12.5≦e≦13.5、
1.3≦f≦2.3
の条件を満たす。
A magnetic heat exchange material in which the main phase has a NaZn 13 -type crystal structure,
A magnetic heat exchange material characterized by being represented by the following general formula (1).
La 1-a R a (Fe 1-b-c Si b T c ) e H f (1)
Here, R in the above formula (1): at least one selected from Sm and Y,
T: at least one selected from V, Cr, Mn, Ni and Cu;
Subscripts a, b, c, e and f are
0<a≦0.30,
0.09≦b≦0.14,
0<c≦0.04,
12.5≦e≦13.5,
1.3≤f≤2.3
satisfy the conditions of
主相がNaZn13型結晶構造を有する磁気熱交換材料であって、
下記一般式(2)式で表されることを特徴とする磁気熱交換材料。
La1-a(Fe1-b-cSiCo ・・・(2)
ここで、上記(2)式中の
R:SmおよびYから選ばれる少なくとも1種、
T:V、Cr、Mn、NiおよびCuから選ばれる少なくとも1種、
また、添字a、b、c、d、eおよびfは、
0<a≦0.30、
0.09≦b≦0.14、
0<c≦0.05、
0<d≦0.03、
12.5≦e≦13.5、
1.3≦f≦2.3
の条件を満たす。
A magnetic heat exchange material in which the main phase has a NaZn 13 -type crystal structure,
A magnetic heat exchange material characterized by being represented by the following general formula (2).
La 1-a R a (Fe 1-bc Si b Tc Co d ) e H f (2)
Here, R in the above formula (2): at least one selected from Sm and Y,
T: at least one selected from V, Cr, Mn, Ni and Cu;
Subscripts a, b, c, d, e and f are
0<a≦0.30,
0.09≦b≦0.14,
0<c≦0.05,
0<d≦0.03,
12.5≦e≦13.5,
1.3≤f≤2.3
satisfy the conditions of
Cu-Kα線をX線源とするX線回折測定において、NaZn13型結晶構造をもつLa(Fe1-xSi13相の(422)面の回折線強度に対する、Fe相の(110)面の回折線強度の比が、7%以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の磁気熱交換材料。 In the X -ray diffraction measurement using Cu—Kα rays as the X -ray source, the ( 110 3. The magnetic heat exchange material according to claim 1, wherein the diffraction line intensity ratio of the ) plane is 7% or less. Cu-Kα線をX線源とするX線回折測定において、NaZn13型結晶構造をもつLa(Fe1-xSi13相の(422)面の回折線強度に対する、CeFeSi型結晶構造をもつLaFeSi相の(101)面の回折線強度の比が、7%以下であることを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載の磁気熱交換材料。 In the X-ray diffraction measurement using Cu-Kα rays as the X-ray source, the CeFeSi type crystal structure is compared with the diffraction line intensity of the (422) plane of the La(Fe 1-x Si x ) 13 phase having the NaZn 13 type crystal structure. 4. The magnetic heat exchange material according to any one of claims 1 to 3, wherein the ratio of the diffraction line intensity of the (101) plane of the LaFeSi phase is 7% or less. 前記磁気熱交換材料は、アスペクト比が2以下の球状粒子であることを特徴とする、請求項1~4のいずれか一項に記載の磁気熱交換材料。 The magnetic heat exchange material according to any one of claims 1 to 4, characterized in that said magnetic heat exchange material is spherical particles having an aspect ratio of 2 or less. 前記磁気熱交換材料の体積平均粒径が、0.05mm以上1mm以下であることを特徴とする、請求項1~5のいずれか一項に記載の磁気熱交換材料。 The magnetic heat exchange material according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the volume average particle diameter of the magnetic heat exchange material is 0.05 mm or more and 1 mm or less. 請求項1~6のいずれか一項に記載の磁気熱交換材料が装着されていることを特徴とする熱交換デバイス。 A heat exchange device equipped with the magnetic heat exchange material according to any one of claims 1 to 6. 請求項7に記載の熱交換デバイスを備えてなることを特徴とする磁気熱交換装置。
A magnetic heat exchange apparatus comprising the heat exchange device according to claim 7 .
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