JP5060602B2

JP5060602B2 - 磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システム

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Application number: JP2010176336A
Authority: JP
Inventors: 忠彦小林; 明子斉藤; 志織加治
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Priority date: 2010-08-05
Filing date: 2010-08-05
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Description

本発明の実施形態は、磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システムに関する。

近年、環境配慮型でかつ効率の高い冷凍技術の一つとして、磁気冷凍への期待が高まり、室温域を対象とした磁気冷凍技術の研究開発が活発化して来ている。

磁気冷凍技術の一つとして、室温域における磁気冷凍にとって阻害要因と位置付けられていた格子エントロピーを、むしろ積極的に利用し、磁気物質に、磁気熱量効果による磁気冷凍作業に加えて、この磁気冷凍作業により生成された冷熱を蓄える蓄熱効果を同時に担わせるＡＭＲ（ＡｃｔｉｖｅＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ）方式が提案されている。

ＡＭＲ方式では、例えば、従来のフロンを用いた圧縮サイクルによる冷凍方式に比べ高い冷凍効率が得られることが期待されている。

もっとも、省エネルギー化の観点から、さらに冷凍効率の高い磁気冷凍技術の開発が望まれている。

特開２０１０−２５４３５号公報

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、冷凍効率が向上する磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システムを提供することにある。

実施の形態の磁気冷凍デバイスは、冷媒が充填された固定容器を備えている。また、固定容器内に設けられ、磁性体が充填され、固定容器内を移動可能な磁性体容器を備えている。そして、磁性体容器の移動方向の端部に設けられた弾性体を備えている。さらに、固定容器の外部に設けられ、磁性体への磁場の印加および除去と、磁性体容器への上記移動方向の磁気トルク発生とを可能にする磁場印加除去機構を備えている。

第１の実施の形態の磁気冷凍デバイスの主要部の模式的構造断面図である。第１の実施の形態の磁気冷凍デバイスの模式的斜視図である。第１の実施の形態の磁気冷凍デバイスの動作説明図である。第１の実施の形態の磁気冷凍システムの模式的構造平面図である。第２の実施の形態の磁気冷凍デバイスの主要部の模式的構造断面図である。第３の実施の形態の磁気冷凍システムの模式的構造平面図である。第４の実施の形態の磁気冷凍システムの模式的構造平面図である。第５の実施の形態の磁気冷凍デバイスの主要部の模式的構造断面図である。第６の実施の形態の磁性体容器の模式的構造断面図である。実施例の測定結果を示す図である。

以下、図面を用いて実施の形態を説明する。

（第１の実施の形態）
本実施の形態の磁気冷凍デバイスは、冷媒が充填された固定容器と、固定容器内に設けられ、磁性体が充填され、固定容器内を移動可能な磁性体容器と、磁性体容器の移動方向の端部に設けられた弾性体と、固定容器の外部に設けられ、磁性体への磁場の印加および除去と、磁性体容器への移動方向の磁気トルク発生とを可能にする磁場印加除去機構と、
を有する。

本実施の形態の磁気冷凍デバイスは、上記構成を備えることで、冷媒を移動させるためのポンプ等の動力源は不要となる。したがって、冷凍効率が向上する磁気冷凍デバイスを提供することが可能となる。また、本実施の形態の磁気冷凍デバイスを用いることで、冷凍効率が向上する磁気冷凍システムを提供することが可能となる。

図１は、本実施の形態の磁気冷凍デバイスの主要部の模式的構造断面図である。この磁気冷凍デバイスは、固定容器１０と、磁性体容器１２と、弾性体１４ａ、１４ｂと、永久磁石１６ａ、１６ｂとを備えている。

固定容器１０は、非磁性体であり、例えば、プラスチック等の樹脂で形成される。強度を上げるためにアルミニウム等の金属を用いることも可能であるが、磁場の印加除去に伴う渦電流の発生を抑制する観点からは電気抵抗の高い樹脂等の適用が望ましい。

また、固定容器１０には冷媒１８が充填されている。冷媒１８は、磁気熱量効果によって生じた熱を輸送する機能を担う。冷媒１８は、例えば、水や、エチレングリコール水溶液等の不凍液である。

磁性体容器１２には、磁気熱量効果を有する磁性体粒子２０が充填されている。磁性体粒子は例えばＧｄ（ガドリニウム）である。また、磁性体容器１２は、固定容器１０内の移動が可能となるよう構成されている。磁性体容器１２は、固定容器１０内を図１中、白矢印の方向に移動する。そして、磁性体容器１２の両端部は、磁性体粒子２０を容器内に保持しつつ、冷媒１８と磁性体粒子２０の相対移動が可能となるよう、メッシュ状の仕切り板２２ａ、２２ｂで構成される。

また、磁性体容器１２は、非磁性体であり、例えば、プラスチック等の樹脂で形成される。強度を上げるためにアルミニウム等の金属を用いることも可能であるが、磁場の印加除去に伴う渦電流の発生を抑制する観点からは電気抵抗の高い樹脂等の適用が望ましい。

弾性体１４ａ、１４ｂは、磁性体容器１２の移動方向の端部と、固定容器１０の上記移動方向の内壁との間に設けられる。弾性体１４ａ、１４ｂの復元力（弾性力）と永久磁石１６ａ、１６ｂの磁気トルクにより、磁性体容器１２が移動する。弾性体１４ａ、１４ｂには、例えば、コイルばね（スプリングばね）が用いられる。

磁場印加除去機構の一構成要素である永久磁石１６ａ、１６ｂは、固定容器１０の外部に、２つの永久磁石１６ａ、１６ｂで磁性体容器１２を挟みこむように設けられ、磁気回路を構成する。永久磁石１６ａ、１６ｂは、図示せぬ移動機構により、図１中黒矢印の方向に移動することが可能である。

永久磁石１６ａ、１６ｂが、移動することにより、磁性体粒子２０への磁場の印加および除去が可能になる。また、磁性体容器１２に対し、永久磁石１６ａ、１６ｂおよび磁性体容器１２の移動方向と同一方向の磁気トルク発生を可能にする。

さらに、固定容器１０には、磁性体容器１２の移動を制限するストッパー２４ａ、２４ｂを備えている。また、固定容器１０の一端側に高温側熱交換部２６が設けられる。また、固定容器の他端側に低温側熱交換部２８が設けられる。

高温側熱交換部２６および低温側熱交換部２８は例えば、熱伝導率の高いＣｕ（銅）で形成される。磁気冷凍サイクルで冷媒１８に生じる温熱と冷熱が、高温側熱交換部２６、低温側熱交換部２８それぞれに伝達される。後に詳述するように、本実施の形態の磁気冷凍デバイスを用いた磁気冷凍システムでは、高温側熱交換部２６および低温側熱交換部２８から、温熱および冷熱が、さらに排熱部および冷却部へと輸送されることになる。

図２は、本実施の形態の磁気冷凍デバイスの模式的斜視図である。まず、図１で示したような固定容器１０が同一円周上に４個形成されている。また、２対の永久磁石１６ａ、１６ｂが設けられている。２個の永久磁石１６ａは上部回転板３０ａに固定され、２個の永久磁石１６ｂは下部回転板３０ｂに固定される。

上部回転板３０ａと下部回転板３０ｂは、固定容器１０外に設けられる回転軸３２に固定され、この回転軸３２を中心に同期して回転可能に構成されている。この回転に伴い永久磁石１６ａ、１６ｂが固定容器１０への接近と離脱を繰り返すことになる。この回転軸３２の回転は、例えば、図示せぬモータによって行われる。

図３は、本実施の形態の磁気冷凍デバイスの動作説明図である。まず、図２で示したような上部回転板３０ａおよび下部回転板３０ｂの回転運動により、図３（ａ）に示すように、永久磁石１６ａ、１６ｂが固定容器１０に接近し、磁性体容器１２を挟み込む位置に到達する。

この時、永久磁石１６ａ、１６ｂと磁性体容器１２との間に、磁気トルク（磁気吸引力）が発生し、永久磁石１６ａ、１６ｂのさらなる移動に伴い、磁性体容器１２が固定容器１０内を白矢印の方向に移動する。

図３（ｂ）に示すように、固定容器１０内を移動した磁性体容器１２は、ストッパー２４ａにより移動が止まる。この時、永久磁石１６ａ、１６ｂにより、磁性体粒子２０に磁場が印加されおり、磁性体粒子２０が発熱し、磁性体粒子２０に接する冷媒１８の温度が上昇する。この温熱が高温側熱交換部２６へ輸送される。

さらに、永久磁石１６ａ、１６ｂが黒矢印の方向に移動すると、磁気トルク（磁気吸引力）が弱まり、弾性体１４ａ、１４ｂの復元力により、逆方向に磁性体容器１２が移動する。そして、図３（ｃ）に示すように、ストッパー２４ｂにより移動が止まる。この時、磁性体粒子２０には磁場が印加されておらず、磁性体粒子２０は吸熱する。したがって、磁性体粒子２０に接する冷媒１８の温度は低下する。この冷熱が低温側熱交換部２８へ輸送される。

上部回転板３０ａおよび下部回転板３０ｂの回転運動により、図３（ａ）〜図３（ｃ）の動作が繰り返され、ＡＭＲ方式の冷凍サイクルによる磁気冷凍が実現される。

なお、永久磁石１６ａ、１６ｂと磁性体容器１２との間に生ずる磁気トルクよりも、小さな弾性力を有する弾性体１４aを用いる。また、磁場除去後に、磁性体容器１２を弾性体１４ａの復元力で逆方向に移動させるためには、弾性体１４ａの復元力を、冷媒１８中を磁性体容器１２が移動する際に生ずる圧力損失および弾性体１４ｂの弾性力の総和よりも大きな復元力にする。

また、弾性体１４ａの弾性力を最適化することで、弾性体１４ｂを省略してもかまわない。この場合、ストッパー２４ｂと磁性体容器１２の衝突力を最小化するよう弾性力を最適化することが好ましい。ストッパー２４ｂと磁性体容器１２の衝突力を緩和するために、ストッパー２４ｂ表面に樹脂などの弾性体を挿入することが、機械的信頼性を向上させる観点から望ましい。

なお、弾性体１４ａ、１４ｂは非磁性材であることが好ましい。非磁性材であれば、磁場の印加除去の際に、磁気トルクが生じないからである。また、樹脂であることが、さらに望ましい。磁場の印加除去に伴う、磁気的な損失が生じないとともに、渦電流の影響もないからである。もっとも、樹脂の場合は、冷凍サイクルの繰り返しによる材料の劣化を考慮する必要がある。

弾性体１４ａ、１４ｂはコイルばねに限らず、例えば、板ばね、シリコンゴム等も用いることが可能である。弾性体の材料は、冷凍サイクル周波数や磁性体容器の移動距離、環境温度、冷媒の種類等に応じて適宜最適な材料を選択すれば良い。

また、磁性体容器１２の外周に、固定容器１０の内周面と接触するＯリングを設けることが望ましい。これは、固定容器１０の内表面と、磁性体容器１２外表面との間隙を冷媒１８が移動し、冷凍性能が劣化することを防止できるからである。

また、磁性体容器１２の外表面と、固定容器１０の内表面との間は、磁性体容器１２の移動を容易にし、摩擦熱の発生をおさえるため低摩擦であることが望ましい。例えば、それぞれの表面をテフロン（登録商標）樹脂で形成することが好ましい。

冷媒１８としては、水が最も比熱が高く安価であるので適しているが、０℃以下の温度域では、鉱油やシリコン等のオイル系冷媒、不凍液であるエチレングリコール等のアルコール類などの溶剤系冷媒も使用することができる。冷凍サイクルの運転温度域に合わせて上記した、オイル系冷媒、溶剤系冷媒、水やこれらの混合液などの中から適宜最適な冷媒を選択することができる。

磁性体粒子の平均粒子径も、使用される冷媒の粘性（表面張力）や固定容器のサイズに応じて、最適な粒子径を選ぶことが望ましい。さらに、熱輸送冷媒の潤滑性能を高めることで、固定容器内表面と磁性体容器外表面との移動に伴う摩擦熱が軽減できる効果が得られる。

ここで、本実施の形態の磁気熱量効果を有する磁性体は特に限定されるものではなく、上述のようなＧｄに限らず、磁気熱量効果を発現する磁性体であれば、例えばＧｄ（ガドリニウム）に各種元素を混合したＧｄ化合物、各種希土類元素と遷移金属元素からなる金属間化合物、Ｎｉ_２ＭｎＧａ合金、ＧｄＧｅＳｉ系化合物、ＬａＦｅ_１３系化合物、ＬａＦｅ_１３Ｈ系化合物などの磁性体を用いることが可能である。また磁性体の形状は粒状、板状、線状等が用いられる。

磁気冷凍デバイスでは、原理上、磁性体の吸発熱が熱輸送冷媒を介して大きな温度差を生成するため、磁性体と熱輸送冷媒との間で熱交換させる必要がある。磁性体形状が本実施の形態のように、圧塊粉やアトマイズ法、ＲＥＰ法、ＲＤＰ法などの粒子を作製する各種プロセスで得られる球状粒子であれば、容器の中に充填した後メッシュ状の仕切り板で固定することにより熱輸送冷媒が磁性体容器中を移動できる。この場合、粒子サイズや充填方法で充填率が調整できるが、磁性体容器に対する磁性体粒子の体積充填率は、４０％以上７０％以下であることが望ましい。

上記範囲を下回ると、熱交換に必要な面積の低下を招き、温度差が大幅に低減するからである。また、上記範囲を下回ると、熱輸送冷媒の流れによる磁性体粒子の振動・衝突がおこり微細粉が発生し、目詰まりによる圧力損失も生じやすくなるからである。また、上記範囲を上回ると、圧力損失の増大により、熱輸送冷媒の移動を束縛して温度差が減少するからである。なお、体積充填率は、５０％以上６５％以下、より好ましくは５５％以上６０％以下であることがより望ましい。

体積充填率を決める因子となる磁性体粒子サイズは、略球状で平均粒子径が１００μｍΦ以上２０００μｍΦ以下であることが望ましい。この磁性体粒子の平均粒径の測長は、目視下でのノギス等、あるいは、顕微鏡下での直接観察や顕微鏡写真での測定によることで評価可能である。

圧力損失を低下させ、表面積を大きくして熱交換効率を高くするには、略球状の形状が適している。また、平均粒子径が、上記範囲より小さくなると、圧力損失が著しく増大して熱輸送冷媒の移動が妨げられ、磁気冷凍デバイスの冷凍効率が低下する。また、上記範囲を上回ると、表面積が小さくなり熱交換効率を大幅に低下させる。

圧力損失を低減し、熱交換効率を向上させる観点からは、磁性体粒子の８０ｗｔ％以上のアスペクト比が２以下であり、かつ、磁性体粒子径（長径）が１００μｍΦ以上２０００μｍΦ以下であることが望ましい。また、温度差をさらに、大きくする観点から、平均粒子径は２００μｍΦ以上８００μｍΦ以下であることがより望ましい。

球状粒子を磁性体容器に充填する際、冷凍サイクルで生成される温度差に対応した温度勾配が磁性体容器内に生じるが、この温度勾配に合わせてキュリー温度（磁気転移温度）の異なる磁性体を層状に配置した多層構造にすることが好ましい。球状粒子では、層状間にメッシュ状の仕切り板を設けることが好ましい。

また、本実施の形態においては、回転板に取り付けられる永久磁石を２対としているが、２対に限らず、１対または３対以上であってもかまわない。もっとも、回転板の回転を安定させる観点からは、複数対であることが望ましい。

また、本実施の形態においては、同一円周上に配置する固定容器を４個としているが、４個に限らず、１個〜３個、または、５個以上であってもかまわない。

次に、本実施の形態の磁気冷凍システムについて説明する。本実施の形態の磁気冷凍システムは、図１〜図３を用いて説明した磁気冷凍デバイスと、この磁気冷凍デバイスの高温側熱交換部に熱的に接続される排熱部と、低温側熱交換部に熱的に接続される冷却部と、を有する。

図４は、本実施の形態の磁気冷凍システムの模式的構造平面図である。４個の固定容器１０が上部および下部回転板の回転軸３２を中心とする同一円周上に配置されている。

そして、それぞれの固定容器１０の高温側熱交換部２６が熱的に並列に排熱部３４に接続されている。また、それぞれの固定容器１０の低温側熱交換部２８が熱的に並列に冷却部３６に接続されている。

磁気冷凍サイクルにより高温側熱交換部２６生じた温熱は、例えば熱交換器を介して、排熱部３４に輸送される。一方、磁気冷凍サイクルにより低温側熱交換部２８生じた冷熱は、例えば熱交換器を介して、冷却部３６に輸送される。

図中実線および点線で示す、温熱および冷熱の排熱部３４、冷却部３６への輸送は、公知の熱交換ガスや液体、固体熱伝導等を利用することで実現可能である。

本実施の形態の磁気冷凍システムは、例えば、家庭用エアコンである。この場合、排熱部３４は、例えば放熱板であり、冷却部３６が冷却する室内となる。

本実施の形態の磁気冷凍システムは、固体容器を熱的に並列に接続している。したがって、大きな温度差は求められないが、熱容量が比較的大きい対象物の冷却または暖房に好適である。

以上のように、本実施の形態の磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システムは、永久磁石の運動と弾性体の弾性力とにより、固定容器内の冷媒に対して磁性体を相対移動させる。したがって、冷媒自体を移動させるための動力源が不要となり、冷凍効率の高い磁気冷凍が実現可能となる。

（第２の実施の形態）
本実施の形態の磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システムは、磁性体容器の端部に磁性部材が設けられること以外は、第１の実施の形態と同様である。したがって、第１の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。

図５は、本実施の形態の磁気冷凍デバイスの主要部の模式的構造断面図である。この磁気冷凍デバイスは、図１の磁気冷凍デバイスに加え、さらに、磁性体容器１２の端部に磁性部材４０を備えている。

磁性部材４０は、磁場の印加除去で生じる磁気トルク（磁気吸引力）の変化に対して磁性体容器１２の移動タイミングを決める部材であり、強磁性体が用いられる。磁性部材４０を設けることで、磁性体容器１２に対して補助的な磁気トルクを発生させ、最適な位置と時間に、磁性体容器を移動させるように調整する。これにより、冷凍効率をさらに向上することが可能となる。

強磁性体としては、鉄などの一般的な強磁性体に限らず、硬質磁性材料（磁石材料）や軟質磁性材料（フェライト、アモルファス材料、パーマロイ、センダスト、圧粉鉄心、けい素鋼板など）を用いることが好ましい。特に、軟質磁性材料は磁気冷凍サイクルで生じる磁場の印加除去の際に渦電流や鉄損（ヒステリシス損失）の発生に対して効果を発揮する。

すなわち、磁気冷凍サイクルが高周波数になれば損失により大きなジュール熱が発生し、磁性体容器の低温端側低熱が加熱され、冷凍性能が低下する。このジュール熱を低減させるためには、磁性部材の抵抗を大きくし、低保磁力、低鉄損であることが求められるためである。

一方、暖房装置として磁性体容器の高温端側温熱を利用する場合は、上記ジュール熱を積極的に用いることが出来る。すなわち、磁性部材に低抵抗、高損失材料を用いることで、発生したジュール熱が高熱に加わり、より高い温度となるためである。

磁性部材４０は、磁性体容器の両端に設けても良く、固定容器と永久磁石とが接近・離脱する相対移動方向が交互に向きを変える往復動作では特に有効である。この場合、磁性体容器両端の磁性部材４０は、移動タイミングの調整のため左右異なる形状や材質にする必要がある。さらに、磁性部材が永久磁石であり、固定容器と永久磁石とが接近・離脱する際の磁気吸引力に対して吸引・反発力を移動タイミングの調整に利用しても良い。

（第３の実施の形態）
本実施の形態の磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システムは、固定容器が環状かつ直列に配列され、複数の固定容器の内、末端部の固定容器の末端側に高温側熱交換部が設けられ、他方の末端部の固定容器の末端側に低温側熱交換部が設けられ、末端部の固定容器の磁性体の磁気転移温度が、他方の末端部の固定容器の磁性体の磁気転移温度よりも高い構成となっている。上記以外の構成は、第１の実施の形態と同様である。したがって、第１の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。

図６は、本実施の形態の磁気冷凍システムの模式的構造平面図である。固定容器１０が８個、回転板の回転軸３２を中心とする同一円周上に環状かつ直列に配列されている。ここで、直列とは熱的に直列に配列されていることを意味する。

隣接する固定容器１０の端部は、接続配管４２でそれぞれ接続されている。接続配管４２を介して隣接する固定容器１０内の冷媒１８がつながっている。

８個の固定容器の内、末端部の固定容器１０の末端側に高温側熱交換部２６が設けられている。また、他方の末端部の固定容器１０の末端側に低温側熱交換部２８が設けられている。

さらに、高温側熱交換部２６を備える末端部の固定容器１０の磁性体の磁気転移温度が、低温側熱交換部２８を備える他方の末端部の磁気冷凍デバイスの磁性体の磁気転移温度よりも高い構成となっている。例えば、高温側熱交換部２６を備える末端部の固定容器１０の磁性体から、隣接する固定容器１０内の磁性体の磁気転移温度が順次低くなっていき、低温側熱交換部２８を備える他方の末端部の磁気冷凍デバイスの磁性体が最低の磁気転移温度を有するよう構成する。

本実施の形態の磁気冷凍システムでは、上記構成の磁気冷凍デバイスの高温側熱交換部２６が熱的に排熱部３４に接続されている。また、低温側熱交換部２８が熱的に冷却部３６に接続されている。

本実施の形態によれば、異なる磁気転移温度を有する磁性体が充填された固定容器を直列に接続することで、高い磁気冷凍温度差を実現することが可能となる。したがって、本実施の形態の磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システムは、高い冷凍温度差が必要とされるシステム、例えば、冷凍庫等への応用に好適である。

（第４の実施の形態）
本実施の形態の磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システムは、隣接する固定容器の端部は、接続配管ではなく、固体部材でそれぞれ接続されていること以外は、第３の実施の形態と同様である。したがって、第３の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。

図７は、本実施の形態の磁気冷凍システムの模式的構造平面図である。第３の実施の形態同様、固定容器１０が８個、回転板の回転軸３２を中心とする同一円周上に環状かつ直列に配列されている。ここで、直列とは熱的に直列に配列されていることを意味する。

隣接する固定容器１０の端部は、固体部材４４でそれぞれ接続されている。固体部材４４を介して隣接する固定容器１０間の熱伝導性が確保される。

固体部材４４は熱伝導性の高い金属材料、例えば、Ｃｕ（銅）等を適用することが可能である。

本実施の形態の磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システムは、それぞれの固定部材１０間で冷媒１８の行き来はなく、固定容器１０の独立性が高い。したがって、第３の実施の形態の効果に加え、例えば、デバイスおよびシステムのメンテナンス性が高いという効果が得られる。

（第５の実施の形態）
本実施の形態の磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システムは、永久磁石の運動にかえて、電磁石で発生する磁気トルクにより、固定容器内の磁性体容器を移動させる。なお、第１ないし第４の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。

図８は、本実施の形態の磁気冷凍デバイスの主要部の模式的構造断面図である。本実施の形態の磁気冷凍デバイスは、磁場印加除去機構の一構成要素として電磁石４６ａ、４６ｂを備えている。そして、電磁石４６ａ、４６ｂは、磁場印加除去を独立に制御可能な複数の小ブロック４８に分割されている。

本実施の形態の磁気冷凍デバイスの動作においては、電磁石４６ａ、４６ｂの小ブロック４８を、図８の黒矢印の方向に順次オン・オフを切り替えていくことにより磁性体容器１２に対する磁気トルクを調整し、第１の実施の形態で永久磁石を移動させると同様の作用を得ることができる。したがって、ＡＭＲ方式の磁気冷凍サイクルが実現可能である。

本実施の形態によれば、磁石の物理的な移動が不要なため、磁気冷凍デバイスの構成が簡略化でき、デバイスの小型化が容易である。

（第６の実施の形態）
本実施の形態の磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システムは、磁性体として板状磁性体を用いること以外は第１の実施の形態と同様である。したがって、第１の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。

図９は、本実施の形態の磁性体容器の模式的構造断面図である。磁性体容器１２内には、板状磁性体５０が充填されている。図は、板状磁性体５０の最も広い面に対して垂直な断面である。なお、本実施の形態の場合、磁場の印加方向は、板状磁性体の最も広い面に平行な方向、すなわち、紙面に対し垂直な方向であることが、渦電流による損失を低減する観点から望ましい。

本実施の形態によれば、磁性体粒子に比べ、冷媒と磁性体との間で生ずる圧力損失が低減される。また、板状磁性体の積層構造を図９のように分割することで、熱伝導による磁性体内の熱輸送を防止することができる。

また、図９のように板状磁性体５０の積層を互い違いにすることで、冷媒の流れに乱流を生じさせることが可能となる。したがって、冷媒と板状磁性体５０の熱交換に寄与する見かけ上の接触面積が大きくなる。よって、冷凍効率が向上する。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、各実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもかまわない。

例えば、磁性体については、粒子および板状の場合を例に説明したが、円柱状や線状の形状でもかまわない。線状の場合、例えばメッシュ状にして冷媒の流れる方向（磁性体容器の移動する方向）に積層して磁性体容器に充填してもかまわない。

また、磁場印加除去機構について、永久磁石が回転運動する場合を例に説明したが、永久磁石を固定容器に対して往復運動させてもかまわない。この場合、回転運動を直線運動に変換するリニア駆動アクチュエータやカム機構を用いることが好ましい。さらに、永久磁石と固定容器との相対運動は手動であったり、自動車の駆動力を分岐させて利用したり、風力・波力・水力などの自然エネルギーを直接利用させることも可能である。

そして、実施の形態の説明においては、磁気冷凍デバイス、磁気冷凍システム等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる磁気冷凍デバイス、磁気冷凍システムに関わる要素を適宜選択して用いることができる。

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

以下、実施例について説明する。第２の実施の形態と同様の磁気冷凍デバイスを用いて、冷凍特性を評価した。

樹脂製円筒構造の磁性体容器に略０．５ｍｍΦのＧｄ球を充填した。この磁性体容器は、Ｇｄ球が出ないで冷媒が流れるような金網で両端を仕切って固定してある。磁性体容器の外周部にＯリングを固定している。磁性体容器の端部には、Ｇｄ球充填部から少し離れた位置に磁性部材として鉄製のリングを固定している。

樹脂製円筒構造の固定容器内に磁性体容器を挿入し、磁性体容器が滑らかに移動することを確認した。磁性体容器外周のＯリングは、固定容器と磁性体容器との隙間を流れる冷媒移動を抑制している。固定容器と磁性体容器との間で生じる摩擦を低減させるために、摩擦係数の小さなテフロン（登録商標）樹脂を用いて摩擦発生部に固定した。

磁性体容器の両端にコイルばねを挿入して固定容器の両端から予圧縮状態（ばねを少し縮めた状態）で固定してある。この固定は、冷媒としての不凍液を満たした状態でＯリングによる水密構造となっている。

磁界発生手段の一例として、空隙を設けて対向するように磁石を鉄ヨークで固定した磁気回路が回転するようにモータと連結してある。モータが回転することで磁性体容器と磁石の相対位置が一致したときに磁界ＯＮとなり、遠ざかることで磁界ＯＦＦとなる。

空隙磁界と磁性体容器には磁気トルク（吸引力）が生じる。このとき、空隙磁界から磁性体容器を引き抜く力を脱出トルクとした場合、バネのたわみ量で生じるバネ荷重は脱出トルクよりも小さく設定している。バネ荷重を脱出トルクより大きくすれば、磁性体容器の移動を妨げてしまうためである。

磁気回路が磁性体容器と相対して磁気トルクが生じ、磁性体容器が磁気回路移動方向に引きずられて高温端側の位置まで冷媒中を移動する。さらに引きずられて、磁気トルクが無くなるとバネにより押し戻されて低温端側に移動する。このとき、磁性体容器端部に固定した磁性部材である鉄製リングは、磁気回路で引きずられる際の補助的な磁気トルクを生じさせるもので、バネで押し戻される時のタイミング（時間と位置）が調整できる。必要な磁気トルクに合わせて、材質や体積を設定する。

磁気回路の移動による磁界ＯＮ−ＯＦＦと磁性体容器の移動を調整した状態で、モータ停止からモータを駆動させて回転数９０ｒｐｍで連続回転させたときの温度の時間変化を評価した。なお、温度測定は、磁性体容器の両端に熱電対を差込み、高温端および低温端近傍の温度を測定した。

図１０は、測定結果を示す図である。高温端および低温端の温度はモータ停止状態で一定の温度を示している。次に、モータを駆動させることでＡＭＲ冷凍サイクル動作が繰り返される。なお、両者のズレは熱電対出力のバラツキによるもので本質的な問題はない。これに伴い、高温端側はモータ停止状態の温度から高温側に上昇する。また、低温端側では、低温側に下降している。これにより、低温端温度を冷熱利用に用い、高温端温度を大気排熱や暖房として利用することが出来ることが確認された。

１０固定容器
１２磁性体容器
１４ａ、ｂ弾性体
１６ａ、ｂ永久磁石
１８冷媒
２０磁性体粒子
２６高温側熱交換部
２８低温側熱交換部
３２回転軸
３４排熱部
３６冷却部

Claims

冷媒が充填された固定容器と、
前記固定容器内に設けられ、磁性体が充填され、前記固定容器内を移動可能な磁性体容器と、
前記磁性体容器の移動方向の端部に設けられた弾性体と、
前記固定容器の外部に設けられ、前記磁性体への磁場の印加および除去と、前記磁性体容器への前記移動方向の磁気トルク発生とを可能にする磁場印加除去機構と、
を有することを特徴とする磁気冷凍デバイス。
前記磁場印加除去機構が、前記移動方向に移動可能な永久磁石を有することを特徴とする請求項１記載の磁気冷凍デバイス。
前記弾性体がコイルばねであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の磁気冷凍デバイス。
前記永久磁石が前記固定容器外に設けられる回転軸を中心に回転し、回転に伴い前記固定容器への接近と離脱を繰り返すことを特徴とする請求項２記載の磁気冷凍デバイス。
前記磁性体容器の端部に磁性部材が設けられることを特徴とする請求項１ないし請求項４いずれか一項記載の磁気冷凍デバイス。
前記固定容器および前記磁性体容器が非磁性体で形成されることを特徴とする請求項１ないし請求項５いずれか一項記載の磁気冷凍デバイス。
前記固定容器の一端側に設けられる高温側熱交換部と、
前記固定容器の他端側に設けられる低温側熱交換部と、
をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項６いずれか一項記載の磁気冷凍デバイス。
複数の前記固定容器が環状かつ直列に配列され、前記複数の固定容器の内、末端部の固定容器の末端側に高温側熱交換部が設けられ、他方の末端部の固定容器の末端側に低温側熱交換部が設けられ、前記末端部の固定容器の前記磁性体の磁気転移温度が、前記他方の末端部の固定容器の前記磁性体の磁気転移温度よりも高いことを特徴とする請求項１ないし請求項６いずれか一項記載の磁気冷凍デバイス。
請求項７または請求項８記載の磁気冷凍デバイスと、
前記高温側熱交換部に熱的に接続される排熱部と、
前記低温側熱交換部に熱的に接続される冷却部と、
を有することを特徴とする磁気冷凍システム。