JP2022165236A - 磁気冷凍システム - Google Patents

Abstract

【課題】単位時間あたりの磁場作用回数を大きくすることができる磁気冷凍システムを提供する。【解決手段】磁気冷凍システム１０は、一様磁場中に配置された磁気熱量効果を有する磁気作業物質１３と、磁気作業物質１３に対し磁場を印加する位置に配置され、一様磁場を生成する第一の磁石１１と、第一の磁石１１による磁気作業物質１３への磁場印加をシールド可能な第二の磁石１２と、第二の磁石１２を回転させる回転軸２０と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、磁気冷凍システムに関する。

脱炭素社会に向けたエネルギー源として、太陽光・風力・水力等の自然エネルギーの他、水素の利用が考えられている。水素をエネルギー源として活用するには、安定した製造・運搬・貯蔵のサプライチェーンが構築される必要がある。水素をエネルギー源として運搬・貯蔵する場合、エネルギー密度の高い液化水素を利用することが望ましい。
近年、磁性体のエントロピーと温度の依存性から生じる熱交換（磁気熱量効果）を利用した高効率な水素液化技術が開発されている。磁気熱量効果を利用することで、一定温度で磁気作業物質に磁場を印加した際に磁気モーメントが整列してエントロピーが減少する状態と、断熱状態にして磁場を取り除くことで外部から熱を吸収して磁気モーメントが不均一となりエントロピーが増加する状態を繰り返すことで冷却することが可能となる。

磁気熱量効果を利用した磁気冷凍装置では、磁気作業物質に対して磁場を印加する状態（励磁）と磁場を取り除いた状態（消磁）を繰り返すこと、および、磁気作業物質と熱交換する作業流体の制御が必要である。

特許文献１には、ギャップを介して磁界を発生する磁界発生手段と、印加磁界の変化により温度変化する磁気熱量効果を有する磁気作業物質が充填され当該磁気作業物質に媒体を通過させることにより熱交換する熱交換器と、磁気作業物質をギャップ中に配設するように調整制御することにより磁界発生手段が磁界を磁気作業物質に印加する第１状態と、磁気作業物質以外の磁気通過物質をギャップ中に配設するように調整制御することにより磁界発生手段により磁気作業物質に印加された磁界を低減する第２状態と、に繰り返し制御する制御手段と、を備える磁気式温度調整装置が記載されている。特許文献１記載の磁気式温度調整装置では、磁石が回転体に備えられ、回転位置に応じて磁気作業物質の励磁および消磁が繰り返される。

特開２０１０－１１２６０６号公報

エネルギー源として液体水素を利用するためには、大容量の水素を効率よく液化し、安定した供給を確保することが必要である。そのため磁気熱量効果を利用した水素液化装置には、大量の磁気作業物質に対し、高い磁場での励磁／消磁が求められ、かつ、単位時間あたりの磁場作用回数を増やすことが求められる。すなわち、水素と熱交換するために磁気冷凍材料に磁場を印加する（磁場体積）×（磁場強度）×（単位時間あたりの磁場切替）を大きくすることが求められる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、単位時間あたりの磁場作用回数を大きくすることができる磁気冷凍システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の磁気冷凍システムは、一様磁場中に配置された磁気熱量効果を有する磁気作業物質と、前記磁気作業物質に対し磁場を印加する位置に配置され、一様磁場を生成する第一の磁石と、前記第一の磁石による前記磁気作業物質への磁場印加をシールド可能な第二の磁石と、前記第二の磁石を回転させる回転軸と、を備えることを特徴とする。
本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。

本発明によれば、単位時間あたりの磁場作用回数を大きくすることができる磁気冷凍システムを提供する。

本発明の第１の実施形態に係る磁気冷凍システムの<励磁・排熱時>の軸方向断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る磁気冷凍システムの<消磁・吸熱時>の軸方向断面図である。 図１のＡ－Ａ断面図である。 図１のＢ－Ｂ断面図である。 図１のＣ－Ｃ断面図である。 図２のＡ－Ａ断面図である。 図２のＢ－Ｂ断面図である。 図２のＣ－Ｃ断面図である。 図１の<励磁・排熱時>の磁束の流れを示す模式図である。 図２の<消磁・吸熱時>の磁束の流れを示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る磁気冷凍システムの第一の磁石、第二の磁石および磁気作業物質の位置関係を示す模式図（その１）である。 本発明の第１の実施形態に係る磁気冷凍システムの第一の磁石、第二の磁石および磁気作業物質の位置関係を示す模式図（その２）である。 本発明の第１の実施形態に係る磁気冷凍システムの第一の磁石、第二の磁石および磁気作業物質の位置関係を示す模式図（その３）である。 本発明の第１の実施形態に係る磁気冷凍システムの第一の磁石、第二の磁石および磁気作業物質の位置関係を示す模式図（その４）である。 本発明の第１の実施形態に係る磁気冷凍システムの第一の磁石、第二の磁石および磁気作業物質の位置関係を示す模式図（その５）である。 本発明の第１の実施形態に係る磁気冷凍システムの第一の磁石、第二の磁石および磁気作業物質の位置関係を示す模式図（その６）である。 図７Ａ－Ｆに示す第一の磁石、第二の磁石および磁気作業物質の位置関係において、磁気作業物質に印加される磁界の状態および第二の磁石に流れる電流の関係を示すタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る磁気冷凍システムを模式的に示す軸方向断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る磁気冷凍システムを複数段重ねる際の各段の構成例である。 本発明の第３の実施形態に係る磁気冷凍システムを模式的に示すＡ－Ａ断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る磁気冷凍システムを模式的に示すＢ－Ｂ断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る磁気冷凍システムを模式的に示すＣ－Ｃ断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る磁気冷凍システムの第一の磁石、第二の磁石１２Ａ、第二の磁石１２Ｂおよび磁気作業物質の位置関係を示す模式図（その１）である。 本発明の第３の実施形態に係る磁気冷凍システムの第一の磁石、第二の磁石１２Ａ、第二の磁石１２Ｂおよび磁気作業物質の位置関係を示す模式図（その２）である。 本発明の第３の実施形態に係る磁気冷凍システムの第一の磁石、第二の磁石１２Ａ、第二の磁石１２Ｂおよび磁気作業物質の位置関係を示す模式図（その３）である。 本発明の第４の実施形態に係る磁気冷凍システムの第一の磁石、第二の磁石１２Ａ、第二の磁石１２Ｂおよび磁気作業物質の位置関係を示す模式図（その４）である。 本発明の第４の実施形態に係る磁気冷凍システムの第一の磁石、第二の磁石１２Ａ、第二の磁石１２Ｂおよび磁気作業物質の位置関係を示す模式図（その５）である。 本発明の第４の実施形態に係る磁気冷凍システムの第一の磁石、第二の磁石１２Ａ、第二の磁石１２Ｂおよび磁気作業物質の位置関係を示す模式図（その６）である。 図１２Ａ－Ｆに示す第一の磁石、第二の磁石１２Ａ、第二の磁石１２Ｂおよび磁気作業物質の位置関係において、磁気作業物質に印加される磁界の状態および第二の磁石に流れる電流の関係を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１および図２は、本発明の第１の実施形態に係る磁気冷凍システム１０を模式的に示す軸方向断面図である。図１は、磁気冷凍システム１０の<励磁・排熱時>の軸方向断面図であり、図２は、磁気冷凍システム１０の<消磁・吸熱時>の軸方向断面図である。
図３Ａ，Ｂ，Ｃは、磁気冷凍システム１０の<励磁・排熱時>の円周方向断面図であり、図３Ａは、図１のＡ－Ａ断面図、図３Ｂは、図１のＢ－Ｂ断面図、図３Ｃは、図１のＣ－Ｃ断面図である。
図４Ａ，Ｂ，Ｃは、磁気冷凍システム１０の<消磁・吸熱時>の円周方向断面図であり、図４Ａは、図２のＡ－Ａ断面図、図４Ｂは、図２のＢ－Ｂ断面図、図４Ｃは、図２のＣ－Ｃ断面図である。

［磁気冷凍システムの構成］
図１～図４に示すように、磁気冷凍システム１０は、一様磁場中に配置された磁気熱量効果を有する磁気作業物質１３と、磁気作業物質１３に対し磁場を印加する位置に配置され、一様磁場を生成する第一の磁石１１と、第一の磁石１１による磁気作業物質１３への磁場印加をシールド可能な第二の磁石１２（図２、図４Ｂ参照）と、第二の磁石１２を回転させる回転軸２０と、を備える。

第一の磁石１１は、励磁コイルであり、一様磁界を生成する。第一の磁石１１は、永久磁石、または、永久電流モード運転の超電導磁石である。第一の磁石１１は、ヨークを兼ねたフレーム２１に備えられる。本実施形態では、第一の磁石１１は、それぞれ同じ寸法・形状（円環状）のものである。

第二の磁石１２は、遮蔽コイルであり、磁気作業物質１３および磁気作業物質１３に印加される磁界を遮蔽する。第二の磁石１２は、環状のコイルである。第二の磁石１２は、回転軸２０に備えられる（第二の磁石１２は回転軸２０の拡径した部分（円板状又は鍔状の部分）に固定されている）。本実施形態では、第二の磁石１２も、それぞれ同じ寸法・形状（円環状）のものである。
第一の磁石１１および第二の磁石１２は、例えば超電導線材で構成されたコイルである。ちなみに、図３Ａや図４Ａ等などでは、図１等における第一の磁石１１や第二の磁石１２の断面を図示している。

磁気作業物質１３は、磁気熱量効果を奏する磁性体（例えば、Ｍｎ３ＧａＮ、ＭｎＡｓ）である。磁気作業物質１３は、ブロック化して構成されている。
磁気作業物質１３は、第一の磁石１１と軸方向で対向する位置に配置される。
磁気作業物質１３は、磁気作業物質１３と熱交換する作業流体を流す吸排気通路である冷媒配管１４の中に置かれる。作業流体である冷媒として、例えば水素が用いられる。

図３Ａ，Ｂ，Ｃおよび図４Ａ，Ｂ，Ｃに示すように、第一の磁石１１と磁気作業物質１３は、回転軸２０の同軸上に重ねて同数配置される。第二の磁石１２は、図３Ｂに示すように、回転方向（図３Ｂの矢印１７参照）に回転軸２０と共に回転する。

図３Ａ，Ｂ，Ｃは、磁気作業物質１３が励磁されている状態の図１のＡ－Ａ断面図、図１のＢ－Ｂ断面図、１のＣ－Ｃ断面図を示す。
図４Ａ，Ｂ，Ｃは、磁気作業物質１３が消磁されている状態の図２のＡ－Ａ断面図、図２のＢ－Ｂ断面図、図２のＣ－Ｃ断面図を示す。

このように、磁気冷凍システム１０は、第一の磁石１１、第二の磁石１２、および、磁気作業物質１３が、回転軸２０の軸方向で各層に分かれている。また、各層に分かれている、第一の磁石１１、第二の磁石１２、および、磁気作業物質１３が、同心円状に（かつ、本実施形態では等間隔で）配置される。

［磁気冷凍システム内の磁束の流れ］
磁気冷凍システム１０内の磁束の流れについて説明する。
図５および図６は、磁気冷凍システム１０内の磁束の流れを示す模式図であり、図５は、図１の<励磁・排熱時>の磁束の流れ（矢印３０参照）を示し、図６は、図２の<消磁・吸熱時>の磁束の流れ（矢印３１参照）を示す。
図５に示す<励磁・排熱時>の状態時、図３Ｃに示す方向（矢印１５参照）に作業流体（冷媒）を流すことで排熱する。また、図６に示す<消磁・吸熱時>の状態時、図４Ｃに示す方向（矢印１６参照）に作業流体を流すことで吸熱する。作業流体の熱は、図示しない熱交換器によって熱交換される。上記、磁気作業物質１３の励磁／消磁を切り替えにより、磁気冷凍システム１０が構築される。

［磁気作業物質の励磁／消磁を切り替える原理説明］
磁気作業物質１３の励磁／消磁を切り替える原理について説明する。
図７Ａ－Ｆは、第一の磁石１１、第二の磁石１２および磁気作業物質１３の位置関係を示す模式図である。図８は、図７Ａ－Ｆに示す第一の磁石１１、第二の磁石１２および磁気作業物質１３の位置関係において、磁気作業物質１３に印加される磁界の状態および第二の磁石１２に流れる電流Ｉ（Ａ）の関係を示すタイミングチャートである。

図７Ａ－Ｆにおいて、一点鎖線の符号４０は、第一の磁石１１の左端内側と第二の磁石１２の内側（先頭側）が一致する位置を示す。同様に、符号４１は、磁気作業物質１３の左端と第二の磁石１２の内側（先頭側）が一致する位置を示し、符号４２は、磁気作業物質１３の右端と第二の磁石１２の内側（先頭側）が一致する位置を示す。また、符号４３は、第一の磁石１１の左端内側と第二の磁石１２の内側（後方側）が一致する位置を示し、符号４３は、第一の磁石１１の右端外側と第二の磁石１２の内側（先頭側）が一致する位置を示す。また、第二の磁石１２は、回転軸２０の回転により図７Ａ－Ｆの矢印１７に示す方向に移動する。

図８において、Ｔ０は、第二の磁石１２が位置（図７Ａ－Ｆの符号４０参照）に在る時刻を示し、Ｔ１は、第二の磁石１２が位置（図７Ａ－Ｆの符号４１参照）に在る時刻を示す。Ｔ２は、第二の磁石１２が位置（図７Ａ－Ｆの符号４２参照）に在る時刻を示し、Ｔ３は、第二の磁石１２が位置（図７Ａ－Ｆの符号４３参照）に在る時刻を示し、Ｔ４は、第二の磁石１２が位置（図７Ａ－Ｆの符号４４参照）に在る時刻を示す。また、図８の符号５０は、磁気作業物質１３に印加される磁束を示し、図８の符号５１は、第二の磁石１２に流れる電流を示す。

図７Ａに示すように、第二の磁石１２が位置（図７Ａの符号４０参照）に在るとき（図８の時刻Ｔ０参照）、磁気作業物質１３は磁界が印加された状態（図８の符号５０参照）である。

次に図７Ｂに示すように、回転軸２０の回転によって、第二の磁石１２が位置（図７Ｂの符号４１参照）まで移動する間（図８の時刻Ｔ０～Ｔ１参照）、第二の磁石１２内の磁束変化を打ち消す方向に電流（図８の符号５１のＩ（Ａ：ampere）参照）が流れるが、磁気作業物質１３には磁界が印加された状態（図８の符号５０のＢ（Ｔ：tesla）参照）が保持される。

次に図７Ｂから図７Ｄに示すように、第二の磁石１２が位置（図７Ｂ－Ｄの符号４１参照）から位置（図７Ｂ－Ｄの符号４３参照）に移動している間（図８の時刻Ｔ１～Ｔ３参照）、磁気作業物質１３に印加させる磁束が第二の磁石１２が生成する磁束と相殺され、磁気作業物質１３に印加される磁束はゼロになり、消磁された状態（図８の符号５０のＢ＝０（Ｔ）参照）になる。

次に図７Ｄから図７Ｅに示すように、第二の磁石１２が位置（図７Ｄの符号４３参照）から位置（図７Ｅの符号４４参照）に移動している間（図８の時刻Ｔ３～Ｔ４参照）、第二の磁石１２内の磁束は変化しないため、第二の磁石１２の電流（図８の符号５１のＩ＝０（Ａ）参照）はゼロになり、磁気作業物質１３は再び磁界が印加された状態（図８の符号５０のＢ（Ｔ）参照）となる。

次に図７Ｆに示すように、第二の磁石１２が位置（図７Ｆの符号４４参照）から移動し、第一の磁石１１の下から出ていく間（図８の時刻Ｔ４以降参照）、第二の磁石１２内の磁束変化を打ち消す方向に電流（図８の符号５１の－Ｉ（Ａ）参照）が流れる。

このように、磁気冷凍システム１０は、第一の磁石１１が生成する一様磁場中に磁気作業物質１３が配置され、回転軸２０の回転によって、第二の磁石１２がこの一様磁場の外および中を交互に移動する。つまり、空間磁場に対し、第二の磁石１２を移動させ、ゼロ磁場を生成する。
第二の磁石１２が生成する磁束の中を磁気作業物質１３が出入りする（消磁⇔励磁）と、磁気モーメントが乱雑状態と整列状態が繰り返され、エントロピー差分の吸熱（冷却）が生じる。磁気作業物質１３（磁性体）に励磁／消磁（ゼロ磁場）を繰返すことで冷凍サイクルを実現する。

以上説明したように、磁気冷凍システム１０は、一様磁場中に配置された磁気熱量効果を有する磁気作業物質１３と、磁気作業物質１３に対し磁場を印加する位置に配置され、一様磁場を生成する第一の磁石１１と、第一の磁石１１による磁気作業物質１３への磁場印加をシールド可能な第二の磁石１２と、第二の磁石１２を回転させる回転軸２０と、を備える。
すなわち、磁気冷凍システム１０は、第一の磁石１１（磁場発生部）および磁気作業物質１３（磁性体）を固定し、第二の磁石１２（消磁コイル／遮蔽コイル）のみを可動させ、ゼロ磁場を生成させる。

特許文献１の装置では、磁性体の消磁は補助磁性体に磁束を集中させることで実現しているため、構造が複雑で機械的接触部分による損失、信頼性・耐久性低下がある。

これに対して、本実施形態では、第二の磁石１２（消磁コイル／遮蔽コイル）のみを回転させればよく、ゼロ磁場生成が容易である。また、多段構成とすることが可能である。その結果、磁気冷凍による大容量水素液化システムを実現できる。

磁気冷凍システム１０は、第二の磁石１２のみを可動させ、第一の磁石１１および磁気作業物質１３は固定するという構造上の利点から、第一の磁石１１の磁石に、超電導磁石を用いることが容易である。第一の磁石１１の磁石に、超電導磁石を用いることで、大きな磁場空間、磁場強度を実現することができる。

磁気冷凍システム１０は、第一の磁石１１、第二の磁石１２、および、磁気作業物質１３が、回転軸２０の軸方向で各層に分かれている回転型とし、第二の磁石１２（消磁コイル／遮蔽コイル）を回転軸２０に備えることで、シールド効果を利用して高速に磁束をオンオフさせることができる。すなわち、第二の磁石１２のみの可動であり、かつ、この可動が回転軸２０による回転によるものであるため、高速に磁束をオンオフさせることができる。その結果、単位時間あたりの磁場作用回数を大きくすることができる。

本実施形態では、第一の磁石１１、第二の磁石１２および磁気作業物質１３を同数としたが、第一の磁石１１と磁気作業物質１３が同数であればよく、第二の磁石１２の数は変更可能である。ただし、第二の磁石１２の個数は、第一の磁石１１と同数、または、整数倍が望ましい。

（第２の実施形態）
図９は、本発明の第２の実施形態に係る磁気冷凍システム１０を模式的に示す軸方向断面図である。
第２の実施形態の磁気冷凍システム１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、図１に示す磁気冷凍システム１０が、回転軸２０の同軸上に多段（ここでは三段）配置される。すなわち、第２の実施形態の磁気冷凍システム１０は、一段目の磁気冷凍システム１０Ａと、二段目の磁気冷凍システム１０Ｂと、三段目の磁気冷凍システム１０Ｃと、を備える。各段の磁気冷凍システム１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、同一構成であり、対応する部材には同一符号（ただし、添え字ａ，ｂ，ｃで区別）を付している。

図１０Ａ，Ｂ，Ｃは、第２の実施形態に係る磁気冷凍システム１０を複数段重ねる際の各段の構成例である。図３Ａおよび図４Ａと同一構成部分には同一符号を付している。
図１０Ａは、一段目の磁気冷凍システム１０Ａの第一の磁石１１ａの配置を、図１０Ｂは、二段目の磁気冷凍システム１０Ｂの第一の磁石１１ｂの配置を、図１０Ｃは、三段目の磁気冷凍システム１０Ｃの第一の磁石１１ｃの配置を、それぞれ示している。

一段目の磁気冷凍システム１０Ａの第一の磁石１１ａと軸方向で対向する位置に、磁気作業物質１３（図３Ｃおよび図４Ｃ参照）が配置される。二段目の磁気冷凍システム１０Ｂの第一の磁石１１ｂと軸方向で対向する位置に、磁気作業物質１３（図示省略）が配置され、三段目の磁気冷凍システム１０Ｃの第一の磁石１１Ｃと軸方向で対向する位置に、磁気作業物質１３（図示省略）が配置される。

図１０Ａに示す一段目の磁気冷凍システム１０Ａの第一の磁石１１ａおよびその磁気作業物質１３（図３Ｃおよび図４Ｃ参照）と、図１０Ｂに示す二段目の磁気冷凍システム１０Ｂの第一の磁石１１ｂおよびその磁気作業物質１３（図示省略）と、図１０Ｃに示す三段目の磁気冷凍システム１０Ｃの第一の磁石１１ｃおよびその磁気作業物質１３（図示省略）とは、軸方向において位置が回転して（各段で位相を変えて）配置される。

図１０Ａに示す第一の磁石１１ａおよびその磁気作業物質１３（図３Ｃおよび図４Ｃ参照）の配置を、基準座標（０(rad)）（図１０Ａの符号６０参照）とする。この基準座標（０(rad)）からの回転角を、基準座標から回転させる角度（例えばπ／６(rad)）（図１０Ｂの符号６１参照）、角度（例えばπ／３(rad)）（図１０Ｃの符号６２参照）とする。

図１０Ａ，Ｂ，Ｃに示すように、第２の実施形態に係る磁気冷凍システム１０は、各段の磁気冷凍システム１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃにおいて、第一の磁石１１および磁気作業物質１３の位相を変える構成を採る。この構成により、回転軸２０を回転させる際のコギングを低減することが可能となる。

各段の位相差（θ）は、第一の磁石１１の個数（α）および段数（β）を用いて次式（１）で求める。図９の例では、α＝４，β＝３であり、各段はπ／６(rad)の位相差を設けている。
θ＝２π／αβ（rad） …（１）
ここで、各段の磁束の流れは、図５および図６で示したように独立しており、共通の回転軸２０を用いて磁気冷凍システム１０を構築することが可能である。

第２の実施形態の磁気冷凍システム１０は、回転型かつ多段とすることで大容量水素液化装置を実現することができる。
各段の磁気冷凍システム１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃにおいて、第一の磁石１１および磁気作業物質１３の位相をずらすことで、回転軸２０を回転させる際のコギングを低減し、小さな力で回転させることができる。

（第３の実施形態）
図１１Ａ，Ｂ，Ｃは、本発明の第３の実施形態に係る磁気冷凍システムを模式的に示す軸方向断面図である。図４Ａ，Ｂ，Ｃと同一構成部分には同一符号を付して重複部分の説明を省略する。
第３の実施形態の磁気冷凍システムは、第二の磁石１２の個数を、図４Ｂに示す４個から、図１１Ｂに示す８個に変更した例である。
図１１Ｂに示すように、第３の実施形態の磁気冷凍システムは、図４Ｂに示す第二の磁石１２と同様の位置に、第二の磁石１２Ａを配置すると共に、第二の磁石１２Ａに対してπ／４ずらした位置に第二の磁石１２Ｂを配置する。この構成により、第二の磁石１２Ａと第二の磁石１２Ｂとは、同心円状で均等かつ交互に８個が配置される。

図１２Ａ－Ｆは、第一の磁石１１、第二の磁石１２Ａ、第二の磁石１２Ｂおよび磁気作業物質１３の位置関係を示す模式図である。図７Ａ－Ｆと同様の表記をしている。図１２Ａ－Ｆの右図が、第一の磁石１１、第二の磁石１２Ａおよび磁気作業物質１３の位置関係を示し、図１２Ａ－Ｆの左図が、第一の磁石１１、第二の磁石１２Ｂおよび磁気作業物質１３の位置関係を示す。

図１３は、図１２Ａ－Ｆに示す第一の磁石１１、第二の磁石１２Ａ、第二の磁石１２Ｂおよび磁気作業物質１３の位置関係において、磁気作業物質１３に印加される磁界Ｂ（Ｔ）の状態、第二の磁石１２Ａおよび第二の磁石１２Ｂに流れる電流Ｉ（Ａ）の関係を示すタイミングチャートである。

図１２Ａ－Ｆにおいて、一点鎖線の符号４０は、第一の磁石１１の左端内側と第二の磁石１２Ａ，１２Ｂの内側（先頭側）が一致する位置を示す。同様に、符号４１は、磁気作業物質１３の左端と第二の磁石１２Ａ，１２Ｂの内側（先頭側）が一致する位置を示し、符号４２は、磁気作業物質１３の右端と第二の磁石１２Ａ，１２Ｂの内側（先頭側）が一致する位置を示す。また、符号４３は、第一の磁石１１の左端内側と第二の磁石１２Ａ，１２Ｂの内側（後方側）が一致する位置を示し、符号４３は、第一の磁石１１の右端外側と第二の磁石１２Ａ，１２Ｂの内側（先頭側）が一致する位置を示す。

図１３の中段図において、Ｔ０Ａは、第二の磁石１２Ａが位置（図１２Ａ－Ｆの符号４０参照）に在る時刻を示し、Ｔ１Ａは、第二の磁石１２Ａが位置（図１２Ａ－Ｆの符号４１参照）に在る時刻を示す。Ｔ２Ａは、第二の磁石１２Ａが位置（図１２Ａ－Ｆの符号４２参照）に在る時刻を示し、Ｔ３Ａは、第二の磁石１２Ａが位置（図１２Ａ－Ｆの符号４３参照）に在る時刻を示し、Ｔ４Ａは、第二の磁石１２Ａが位置（図１２Ａ－Ｆの符号４４参照）に在る時刻を示す。図１３の中段図の符号５１Ａは、第二の磁石１２Ａに流れる電流Ｉ（Ａ）を示す。

図１３の下段図において、Ｔ０Ｂは、第二の磁石１２Ｂが位置（図１２Ａ－Ｆの符号４０参照）に在る時刻を示し、Ｔ１Ｂは、第二の磁石１２Ｂが位置（図１２Ａ－Ｆの符号４１参照）に在る時刻を示す。Ｔ２Ｂは、第二の磁石１２Ｂが位置（図１２Ａ－Ｆの符号４２参照）に在る時刻を示し、Ｔ３Ｂは、第二の磁石１２Ｂが位置（図１２Ａ－Ｆの符号４３参照）に在る時刻を示し、Ｔ４Ｂは、第二の磁石１２Ｂが位置（図１２Ａ－Ｆの符号４４参照）に在る時刻を示す。図１３の下段図の符号５１Ｂは、第二の磁石１２Ｂに流れる電流Ｉ（Ａ）を示す。
図１３の上段図の符号５０は、磁気作業物質１３に印加される磁束Ｂ（Ｔ）を示している。

図１２Ａに示すように、第二の磁石１２Ａが位置（図１２Ａの符号４０参照）に在るとき（図１３の中段図の時刻Ｔ０Ａ参照）、磁気作業物質１３は磁界が印加された状態（図１３の上段図の符号５０参照）である。

次に図１２Ｂに示すように、第二の磁石１２Ａが位置（図１２Ｂの符号４１参照）まで移動する間（図１３の中段図の時刻Ｔ０Ａ～Ｔ１Ａ参照）、第二の磁石１２Ａ内の磁束変化を打ち消す方向に電流（図１３の中段図の符号５１ＡのＩ（Ａ）参照）が流れるが、磁気作業物質１３には磁界が印加された状態（図１３の上段図の符号５０のＢ（Ｔ）参照）が保持される。

次に図１２Ｂから図１２Ｄに示すように、第二の磁石１２Ａが位置（図１２Ｂ－Ｄの符号４１参照）から位置（図１２Ｂ－Ｄの符号４３参照）に移動している間（図１２の中段図の時刻Ｔ１Ａ～Ｔ３Ａ参照）、磁気作業物質１３に印加させる磁束が第二の磁石１２Ａが生成する磁束と相殺され、磁気作業物質１３に印加される磁束はゼロになり、消磁された状態（図１３の中段図の符号５０のＢ＝０（Ｔ）参照）になる。

次に図１２Ｄから図１２Ｅに示すように、第二の磁石１２Ａが位置（図１２Ｄの符号４３参照）から位置（図１２Ｅの符号４４参照）に移動している間（図１３の中段図の時刻Ｔ３Ａ～Ｔ４Ａ参照）、第二の磁石１２Ａ内の磁束は変化しないため、第二の磁石１２Ａの電流（図１３の中段図の符号５１ＡのＩ＝０（Ａ）参照）はゼロになり、磁気作業物質１３は再び磁界が印加された状態（図１３の上段図の符号５０のＢ（Ｔ）参照）となる。

次に図１２Ｆに示すように、第二の磁石１２Ａが位置（図１２Ｆの符号４４参照）から移動し、第一の磁石１１の下から出ていく間（図１３の中段図の時刻Ｔ４Ａから時刻Ｔ０Ｂに続く参照）、第二の磁石１２Ａ内の磁束変化を打ち消す方向に電流（図１３の中段図の符号５１Ａの－Ｉ（Ａ）参照）が流れる。

第二の磁石１２Ａが第一の磁石１１を通過後、第二の磁石１２Ｂが再び第一の磁石１１へ侵入し、第二の磁石１２Ａが移動したときと同様な順序で磁気作業物質１３の励磁／消磁が切り替わる。

すなわち、図１２Ａに示すように、第二の磁石１２Ｂが位置（図１２Ａの符号４０参照）に在るとき（図１３の下段図の時刻Ｔ０参照）、磁気作業物質１３は磁界が印加された状態（図１３の上段図の符号５０参照）である。

次に図１２Ｂに示すように、第二の磁石１２Ｂが位置（図１２Ｂの符号４１参照）まで移動する間（図１３の下段図の時刻Ｔ０Ｂ～Ｔ１Ｂ参照）、第二の磁石１２Ｂ内の磁束変化を打ち消す方向に電流（図１３の下段図の符号５１ＢのＩ（Ａ）参照）が流れるが、磁気作業物質１３には磁界が印加された状態（図１３の上段図の符号５０のＢ（Ｔ）参照）が保持される。

次に図１２Ｂから図１２Ｄに示すように、第二の磁石１２Ｂが位置（図１２Ｂ－Ｄの符号４１参照）から位置（図１２Ｂ－Ｄの符号４３参照）に移動している間（図１２の下段図の時刻Ｔ１Ｂ～Ｔ３Ｂ参照）、磁気作業物質１３に印加させる磁束が第二の磁石１２Ｂが生成する磁束と相殺され、磁気作業物質１３に印加される磁束はゼロになり、消磁された状態（図１２の上段図の符号５０のＢ＝０（Ｔ）参照）になる。

次に図１２Ｄから図１２Ｅに示すように、第二の磁石１２が位置（図１２Ｄの符号４３参照）から位置（図１２Ｅの符号４４参照）に移動している間（図１３の下段図の時刻Ｔ３Ｂ～Ｔ４Ｂ参照）、第二の磁石１２Ｂ内の磁束は変化しないため、第二の磁石１２の電流（図１３の下段図の符号５１ＢのＩ＝０（Ａ）参照）はゼロになり、磁気作業物質１３は再び磁界が印加された状態（図１３の上段図の符号５０のＢ（Ｔ）参照）となる。

次に図１２Ｆに示すように、第二の磁石１２Ｂが位置（図１２Ｆの符号４４参照）から移動し、第一の磁石１１の下から出ていく間（図１３の下段図の時刻Ｔ４Ｂ以降参照）、第二の磁石１２Ｂ内の磁束変化を打ち消す方向に電流（図１３の下段図の符号５１Ｂの－Ｉ（Ａ）参照）が流れる。

第３の実施形態の磁気冷凍システムは、磁気冷凍システム複数個において、各段の第一の磁石１１および磁気作業物質１３の個数、および／または、第二の磁石１２の個数を異ならせる（本実施形態では、第二の磁石１２の個数を８個に変更）ことで、図８と図１３のタイミングチャートを比較して分かるように、より少ない回転軸２０の回転により、高速に磁束をオンオフさせることができる。その結果、単位時間あたりの磁場作用回数をより一層大きくすることができる。

本発明は上記の各実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
また、ある実施形態例の構成の一部を他の実施形態例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態例の構成に他の実施形態例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０ 磁気冷凍システム
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 各段の磁気冷凍システム
１１ 第一の磁石
１２，１２Ａ，１２Ｂ 第二の磁石
１３ 磁気作業物質
１４ 冷媒配管
２０ 回転軸
２１ フレーム
３０ 磁束の流れ（励磁時）
３１ 磁束の流れ（消磁時）
４０ 第一の磁石左端内側と第二の磁石内側（先頭側）が一致する位置
４１ 磁気作業物質の左端と第二の磁石内側（先頭側）が一致する位置
４２ 磁気作業物質の右端と第二の磁石内側（先頭側）が一致する位置
４３ 第一の磁石左端内側と第二の磁石内側（後方側）が一致する位置
４４ 第一の磁石右端外側と第二の磁石内側（先頭側）が一致する位置
５０ 磁気作業物質に印加される磁束
５１，５１Ａ，５１Ｂ 第二の磁石に流れる電流
６０ 基準座標
６１，６２ 磁気冷凍システムを基準座標から回転させる角度
Ｔ０ 第二の磁石が位置（図７Ａ－Ｆの符号４０）に在る時刻
Ｔ１ 第二の磁石が位置（図７Ａ－Ｆの符号４１）に在る時刻
Ｔ２ 第二の磁石が位置（図７Ａ－Ｆの符号４２）に在る時刻
Ｔ３ 第二の磁石が位置（図７Ａ－Ｆの符号４３）に在る時刻
Ｔ４ 第二の磁石が位置（図７Ａ－Ｆの符号４４）に在る時刻
Ｔ０Ａ 第二の磁石１２Ａが位置（図１２Ａ－Ｆの符号４０）に在る時刻
Ｔ１Ａ 第二の磁石１２Ａが位置（図１２Ａ－Ｆの符号４１）に在る時刻
Ｔ２Ａ 第二の磁石１２Ａが位置（図１２Ａ－Ｆの符号４２）に在る時刻
Ｔ３Ａ 第二の磁石１２Ａが位置（図１２Ａ－Ｆの符号４３）に在る時刻
Ｔ４Ａ 第二の磁石１２Ａが位置（図１２Ａ－Ｆの符号４４）に在る時刻
Ｔ０Ｂ 第二の磁石１２Ｂが位置（図１２Ａ－Ｆの符号４０）に在る時刻
Ｔ１Ｂ 第二の磁石１２Ｂが位置（図１２Ａ－Ｆの符号４１）に在る時刻
Ｔ２Ｂ 第二の磁石１２Ｂが位置（図１２Ａ－Ｆの符号４２）に在る時刻
Ｔ３Ｂ 第二の磁石１２Ｂが位置（図１２Ａ－Ｆの符号４３）に在る時刻
Ｔ４Ｂ 第二の磁石１２Ｂが位置（図１２Ａ－Ｆの符号４４）に在る時刻

Claims (9)

1. 一様磁場中に配置された磁気熱量効果を有する磁気作業物質と、
   前記磁気作業物質に対し磁場を印加する位置に配置され、一様磁場を生成する第一の磁石と、
   前記第一の磁石による前記磁気作業物質への磁場印加をシールド可能な第二の磁石と、
   前記第二の磁石を回転させる回転軸と、を備える
   ことを特徴とする磁気冷凍システム。
2. 前記第一の磁石が、永久磁石、または、永久電流モード運転の超電導磁石である
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気冷凍システム。
3. 前記第二の磁石が、環状のコイルである
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気冷凍システム。
4. 前記第一の磁石、前記第二の磁石、および、前記磁気作業物質が、前記回転軸の軸方向で各層に分かれている
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気冷凍システム。
5. 前記各層に分かれている、前記第一の磁石、前記第二の磁石、および、前記磁気作業物質が、同心円状に配置される
   ことを特徴とする請求項４に記載の磁気冷凍システム。
6. 請求項１に記載の磁気冷凍システムを複数個、前記回転軸の軸方向に重ねて各段に配置する
   ことを特徴とする磁気冷凍システム。
7. 請求項６に記載の磁気冷凍システムを複数個配置した場合において、各段の前記第一の磁石および前記磁気作業物質の個数を異ならせる
   ことを特徴とする磁気冷凍システム。
8. 請求項６に記載の磁気冷凍システムを複数個配置した場合において、各段の前記第二の磁石の個数を異ならせる
   ことを特徴とする磁気冷凍システム。
9. 請求項６に記載の磁気冷凍システムを複数個配置した場合において、各段の前記第一の磁石および前記磁気作業物質の個数と段数とに基づいて、各段の前記第一の磁石および前記磁気作業物質の位相を変更する
   ことを特徴とする磁気冷凍システム。

Images