JP5677351B2 - 磁気冷凍デバイス及び磁気冷凍システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、磁気冷凍デバイス及び磁気冷凍システムに関する。

近年、環境配慮型で、且つ、冷凍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、ＡＭＲ（Active Magnetic Refrigeration）方式が提案されている。このＡＭＲ方式では、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る格子エントロピーが積極的に利用され、磁性体に、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ている。

代表的なＡＭＲ方式の装置は、例えば、粒子状の磁性体を充填した磁性体容器中を水などの熱交換流体が流通する構造を有し、磁性体容器に対する磁場の印加及び除去に同期させて、熱交換流体を往復移動させることにより、冷凍サイクルが実現されている。

ＡＭＲ方式の冷凍サイクルでは、コンプレッサが不要で動力が少なくて済むため、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。

特開２００８−８２６６２号公報

上述したように、ＡＭＲ方式の冷凍サイクルでは、コンプレッサが不要で動力が少なくて済むため、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。

しかしながら、小型化、高出力化のために磁気冷凍サイクルを高速化すると、磁性体容器内を高速で熱交換流体を流通させる必要があるため、流体圧損が高くなり、逆に冷凍効率が下がってしまう問題がある。

実施形態は、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、小型化及び高出力化でき、冷凍効率が向上する磁気冷凍デバイス及び磁気冷凍システムを提供することにある。

実施形態によれば、
磁気熱量効果を有する磁性体及び蓄熱効果を有する固体蓄熱材の一方で作られている固定部であって、当該隣接する固定部が対向され、この対向される固定部間に間隙が設けられるように並列配置されている複数の固定部と、
前記磁気熱量効果を有する前記磁性体及び前記蓄熱効果を有する前記固体蓄熱材の他方で作られ、前記間隙内で前記対向される固定部に向けて可動されて当該固定部に熱的に接触可能なように並列配置されている複数の可動部と、
前記磁性体に対し外部からの磁場を印加し、また、印加された磁場を除去することが可能な磁場印加部と、
前記磁場印加部の磁場の印加及び除去に同期して前記可動部を前記固体部に選択的に接触させる可動機構と、
を具備する磁気冷凍デバイスが提供される。

また、他の実施の態様によれば、
磁気熱量効果を有する磁性体及び蓄熱効果を有する固体蓄熱材の一方で作られている固定部であって、当該隣接する固定部が対向され、この対向される固定部間に間隙が設けられるように並列配置されている複数の固定部と、及び
前記磁気熱量効果を有する前記磁性体及び前記蓄熱効果を有する前記固体蓄熱材の他方で作られ、前記間隙内で前記対向される固定部に向けて可動されて当該固定部に熱的に接触可能なように並列配置されている複数の可動部と、
から各々が構成され、略円周に沿って配列されている複数の磁気冷凍デバイス部と、
前記複数の磁気冷凍デバイス部の前記円周上及び又は前記円周下で前記円周に沿って配置され、回転される１又は複数の磁場印加部であって、当該磁場印加部の回転に伴い前記磁性体に磁場を印加し、また、印加された磁場を除去している磁場印加部と、
前記磁場印加部の磁場の印加及び除去に同期して前記可動部を前記固体部に選択的に接触させる可動機構と、
を具備する磁気冷凍システムが提供される。

第１の実施形態に係る磁気冷凍デバイスの主要部の構造を模式的に示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、図１に示す可撓性が与えられた磁性体の他の構造を概略的に示す断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、図１に示す第１の実施形態の磁気冷凍デバイスの動作を説明する為の模式的に示す断面図である。 第２の実施形態に係る磁気冷凍デバイスの動作を説明する為の模式的に示す断面図である。 第３の実施形態に係る磁気冷凍デバイスの単位構成を模式的に示す断面図である。 図５に示される単位構成が積層された第４の実施形態に係る磁気冷凍デバイスの構造を模式的に示す断面図である。 図６に示される磁気冷凍デバイスの動作を説明する為の模式的断面図である。 図６に示される磁気冷凍デバイスの動作を説明する為の模式的断面図である。 第４の実施形態の変形例に係る磁気冷凍デバイスの構造を模式的に示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、第４の実施形態の他の変形例に係る磁気冷凍デバイスの単位構造における動作を模式的に示す断面図である。 第５の実施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。 実施形態に係る磁気冷凍システムを模式的に示す斜視図である。 他の実施形態に係る磁気冷凍システムの配置構造を模式的に示す平面図である。 更に他の実施形態に係る磁気冷凍システムの配置構造を模式的に示す平面図である。

以下、実施形態に係る磁気冷凍デバイス及び磁気冷凍デバイスを備えた磁気冷凍システムについて、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１には、第１の実施形態に係る磁気冷凍システムが示されている。この磁気冷凍システムは、磁気冷凍デバイス１を備えている。この磁気冷凍デバイス１では、蓄熱効果を有し、剛性を有するプレート状の固体蓄熱材３が固定部を構成し、隣接する固体蓄熱材３（固定部）が対向され、この対向される固体蓄熱材間に間隙が設けられるように並列配置され、互いに対向する固体蓄熱材３の間の間隙４には、磁気熱量効果を有し、可撓性を有するプレート状の磁性体２が間隙４内で対向される固体蓄熱材３に向けて可動されて固定部４に熱的に接触可能なように並列配置されている可動部として設けられ、固体蓄熱材３及び磁性体２が交互に長手方向に沿って配置される構造を有している。互いに対向する固体蓄熱材３の周辺部には、間隙４を規定するスペーサ５が設けられ、このスペーサ５には、プレート状の磁性体２の基部が支持固定されている。

各プレート状の磁性体２は、互いに対向する一方の固体蓄熱材３の内面３−１に対向する第１の面２−１及び互いに対向する他方の固体蓄熱材３−２の内面に対向する第２の面２−２を有している。磁気冷凍システムには、この固体蓄熱材３に対してプレート状の磁性体２を矢印Ｎ方向に可動可能とする接触駆動部１０が設けられている。この接触駆動部１０は、一例として、プレート状の磁性体２を静電的に駆動する電圧駆動機構、或いは、後に述べるようなプレート状の磁性体２を磁気的に駆動する電圧駆動機構で構成される。

静電的駆動機構では、外部から磁性体２及び固体蓄熱材３に切り替え可能な第１電圧及び第２電圧の一方の電圧が印可される。磁性体２及び固体蓄熱材３に第１電圧が印可されると、一方の固体蓄熱材３の内面３−１に磁性体２の第１の面２−１が接触される。ここで、印加電圧が第１電圧から第２電圧に切り替えられると、磁性体２が他方の固体蓄熱材３の内面３−２に向けて変形されて他方の固体蓄熱材３の内面３−２に磁性体２の第２の面２−２が接触される。また、印加電圧が第２電圧から第１電圧に切り替えられると、磁性体２が一方の固体蓄熱材３の内面３−１に向けて変形されて一方の固体蓄熱材３の内面３−１に磁性体２の第１の面２−１が接触される。

ここで、磁気冷凍デバイス１の動作を詳述して説明する。磁性体２に発熱作用が生じる際に、一方の固体蓄熱材３の内面３−１に磁性体２の第１の面２−１が接触される。従って、磁性体２から一方の固体蓄熱材３に熱が伝達されて固体蓄熱材３の温度が上昇する。また、磁気冷凍デバイス１の動作を詳述して説明されるように、磁性体２に吸熱作用が生じる際には、他方の固体蓄熱材３の内面３−２に磁性体２の第２の面２−２が接触される。従って、磁性体２によって他方の固体蓄熱材３から熱が奪われて他方の固体蓄熱材３が冷却される。

磁気冷凍デバイス１の一方の最外側に配置される固体蓄熱材３は、高温側熱交換部７に熱的に接触固定され、また、磁気冷凍デバイス１の他方の最外側に配置される固体蓄熱材３は、低温側熱交換部８に熱的に接触固定されている。上述したように磁気冷凍デバイス１において吸熱及び放熱がなされる場合には、低温側熱交換部８側から高温側熱交換部７側に向けて熱が伝達され、低温側熱交換部８が最も熱を奪われて冷却され、高温側熱交換部７が最も温度が上昇されて熱が外部に放熱される。

この磁気冷凍デバイス１の長手方向に相当する移動方向Ｍに沿って移動可能に磁場印可部６Ａ、６Ｂが配置されている。この磁場印可部６Ａ、６Ｂは、移動方向Ｍに沿った移動に伴い磁性体２に外部からの磁場を印加し、当該磁性体２から遠ざかるに従って印加した磁場を除去している。この磁場印加部１０からの磁場の印加及び除去に同期して上述した接触駆動機構が動作して磁性体２が固体蓄熱材３の一方或いは他方に接触される。従って、磁性体２で生じた吸熱作用或いは発熱作用によって磁気冷凍デバイス１において熱が伝達され、低温側熱交換部８が冷却され、高温側熱交換部７で放熱される。

この実施形態の磁気冷凍デバイスは、上述したように、冷媒を移動させるためのポンプ等の動力源が不要で、冷凍サイクルの高速化が可能になる。従って、小型化及び高出力化できる磁気冷凍デバイスを提供することができる。また、本実施形態の磁気冷凍デバイスを用いることで、小型化、及び高出力化できる磁気冷凍システムを提供することが可能となる。

尚、図１に示した磁気冷凍デバイス１では、磁性体２が可撓性を有する可動片として構成されているが、磁性体２が剛性を有し、可動不能に固定され、固体蓄熱材３が変形可能な可撓性を有するような可動片として構成されても良い。即ち、図１に示される磁気冷凍デバイス１において、固体蓄熱材３と磁性体２とが入れ替えられて固体蓄熱材３に矢印Ｎ方向に変形可能な可撓性が与えられて固体蓄熱材３が矢印Ｎ方向に移動可能に構成され、固体蓄熱材３が変形されて剛性を有する対向する磁性体２に交互に接触されても良い。

また、図１に示す磁気冷凍デバイス１では、可動片である磁性体２が基部で変形可能な可撓性が与えられている単一材料で作られた構造を有しているが、磁性体２が図２（ａ）に示すように固定片としての固体蓄熱材３に接触する接触部分２Ａと接触部分２Ａを支持する支持部２Ｂとの複合構造で構成されても良い。例えば、支持部２Ｂは、好ましくは、繰返し応力を受けることになるため、鉄などの疲労に強い材料で、柔軟な構造に構成されても良い。

また、疲労破壊を防ぐためには、図２（ｂ）に示すように、可動片である磁性体２の支持部２Ｂが固定されずに、スペーサ５に代えて長手方向（矢印Ｎ方向）に延出するガイド９に沿って磁性体２が可動可能で、固体蓄熱材３に接触するように可動されるように構成されても良い。更に、図２（ｃ）に示すように可動片である磁性体２が全く固定されずに、間隙４内でスペーサ５上を滑らかに長手方向（矢印Ｎ方向）に移動可能に構成されても良い。

上述したように、磁性体２に代えて固体蓄熱材３に可撓性が与えられる場合には、図２（ａ）〜（ｃ）に示す磁性体２と同様に固体蓄熱材３が図２（ａ）〜（ｃ）に示す構造或いは構成が与えられても良い。

本実施形態の磁気熱量効果を有する磁性体２は、特にその材料が限定されるものではなく、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）や、Ｇｄ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、プレート状（板状）に限らず、箔状或いは上述した例のように可撓性を与えることができる他の形態に形成されても良い。

本実施形態の固体蓄熱材３は、特に材料が限定されるものではなく、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ｆｅ（鉄）、ステンレス等の金属や、シリコンやカーボンなどの非金属材料、ＡｌＮ（窒化アルミ）やＳｉＣ（炭化ケイ素）、アルミナなどのセラミックス、及びそれらの複合材料などを用いることが可能である。ただし、磁気冷凍サイクルの高速化を考えると、熱伝導率の高い材料を選定することが好ましい。また、固体蓄熱材３の形状は、プレート状（板状）に限らず、箔状等に形成されても良く、変形実施形態として説明したように可撓性を与える場合には、上述した例のような可撓性を与えることができる他の形態に形成されても良い。

磁性体２と固体蓄熱材３の形状は、熱の受け渡しを考慮すると、熱容量がほぼ同等になるように厚みや面積に設計されることが好ましい。

磁場印加部６Ａ、６Ｂは、磁気冷凍デバイス１の外部に、２つの磁場印加部６Ａ、６Ｂで磁気冷凍デバイス１を挟み、磁気回路を構成するように配置構成されている。磁場印加部６Ａ、６Ｂは、永久磁石或いは電磁石で構成することができる。

磁場印加部６Ａ、６Ｂは、図示しない移動機構により、図１に示す矢印Ｍの方向に移動することが可能で、既に説明したように、磁場印加部６Ａ、６Ｂが移動することにより、磁性体２への磁場の印加及び除去が可能になる。

磁場印加部６Ａ、６Ｂが電磁石で構成される場合には、磁場印加部６Ａ、６Ｂが移動されなくても、電磁石を流れる電流がオン／オフされることにより、磁性体２への磁場の印加及び除去が可能となる。従って、電磁石で構成される磁場印加部６Ａ、６Ｂにあっては、移動機構は不要となる。

図３（ａ）及び（ｂ）を参照して、より詳細に磁気冷凍デバイス１における基本的な熱輸送の原理を説明する。

図３（ａ）は、磁場印加部６Ａ、６Ｂにより磁性体２に磁場が印加された状態を示している。磁場印加部６Ａ、６Ｂから磁性体２に磁場が印加されると、磁気熱量効果により磁性体２の温度が上昇される。このとき、磁性体２は、固体蓄熱材３Ａに接触されている状態にあり、生じた熱が固体蓄熱材３Ａに移動される。次に、図３（ｂ）に示すように磁場印加部６Ａ、６Ｂが移動して或いは磁場印加部６Ａ、６Ｂが磁場を発生しなくなって、磁場が除去されると、磁気熱量効果により、磁場の除去に伴い磁性体の温度が低下される。この磁性体の温度が低下に同期して、磁性体２が固体蓄熱材３Ｂに接触されると、固体蓄熱材３Ｂから磁性体２に熱が移動される。この動作が断熱状態で繰り返されると、熱が固体蓄熱材３Ｂから固体蓄熱材３Ａに輸送され、蓄熱効果により固体蓄熱材３Ａ及び固体蓄熱材３Ｂとの間に温度差が与えられることとなる。

図１に示した磁気冷凍デバイス１は、図３に示す単位構造が積層された積層構造に構成され、単位構造で生じた温度差が積層構造に積み重ねられている。従って、磁気冷凍デバイス１では、両端でより大きな温度差を生成することができる。

そして、磁気冷凍デバイス１においては、積層構造の端部まで輸送された熱は、高温側熱交換部７を介して外部に放熱され、反対に、低温側の端部では、低温側熱交換部８を介して外部から熱が吸熱される。高温側熱交換部７及び低温側熱交換部８は、例えば、熱伝導率の高いＣｕ（銅）で形成される。

（第２の実施形態）
図４を参照して第２の実施形態に係る磁気冷凍システムを説明する。図４に示される磁気冷凍システムにおいては、磁気冷凍デバイス１内の磁性体２（可動部）は、外部磁場から与えられる磁気吸引力で一方の固体蓄熱材３から離間され、他方の固体蓄熱材３（固定部）に接触される。即ち、磁性体対の切り替えが外部磁場から与えられる磁気吸引力に基づく駆動力で実現される。

図４に示される第２の実施形態に係る磁気冷凍システムにおける磁気冷凍デバイス１では、磁性体２を可動片として構成される。磁場印加部６Ａ、６Ｂが移動することにより、磁性体２への磁場の印加及び除去がおこなわれ、磁気熱量効果により磁性体２の温度が上昇され、また、低下される。同時に、磁場印加部６Ａ、６Ｂと磁性体２との間には磁気吸引力が働く。従って、図４に示すように磁場印加部６Ａ、６Ｂが図面左から右へ移動する場合、磁場印加部６Ａ、６Ｂが接近すると、可動片である磁性体２の温度が上昇される。また、磁場印加部６Ａ、６Ｂの磁気吸引力によって、磁場印加部６Ａ、６Ｂに磁性体２が引き寄せられて磁性体２の基部が変形される。従って、磁性体２自体が矢印Ｌで示すように左に移動され、固体蓄熱材３の右面に接触して熱を放熱する。更に、磁場印加部６Ａ、６Ｂが移動して磁性体２から遠ざかると、可動片である磁性体２の温度が低下される。また、磁性体２から遠ざかる磁場印加部６Ａ、６Ｂからの磁気吸引力によって矢印Ｒで示すようで示すように右に移動され、固体蓄熱材３の面に接触されて固体蓄熱材３から熱を吸熱する。このような一連の動作で、熱が低温側熱交換部８から高温側熱交換部７に輸送されるとともに、蓄熱効果により両端の固体蓄熱材３の間に温度差が与えられることとなる。

（第３の実施形態）
図５を参照して第３の実施形態に係る磁気冷凍システムを説明する。図５に示される磁気冷凍システムにおける磁気冷凍デバイス１においては、磁性体２（可動部）の駆動力が静電力で与えられ、一方の固体蓄熱材３から他方固体蓄熱材３（固定部）への磁性体２の接触が切り替えられる。

図５には、磁気冷凍デバイス１の単位構成が示されている。この磁気冷凍デバイス１は、磁性体２と固体蓄熱材３のどちらを可動片として構成されても良いが、図５に示される実施形態では、磁性体２が可動片とされている。磁性体２及び固体蓄熱材３Ａ、３Ｂには、両者間に静電力を発生するための電圧が印加される。固体蓄熱材３Ａ、３Ｂは、電極として導電性を有するような材料が選定され、磁性体２に対向される対向面には、絶縁体層（誘電体層）９が設けられている。ここで、磁性体２、若しくは、固体蓄熱材３Ａ、３Ｂの電圧極性が切り替え可能なスイッチング回路１２で構成される駆動回路が接続されている。

図５に示される回路においては、電圧源１３の正極及び負極側がスイッチング回路１４の固定側端子に接続され、また、磁性体２が電圧源１３の正極に接続されている。スイッチング回路１４の可動側の端子には、固体蓄熱材３Ａ、３Ｂが接続されている。このスイッチング回路１４の可動側は、連動して切り替えられる可動子を有し、電圧源１３の正極が固体蓄熱材３Ａ、３Ｂの一方に接続されると電圧源１３の負極側が固体蓄熱材３Ａ、３Ｂの他方に接続され、また、電圧源１３の正極が固体蓄熱材３Ａ、３Ｂの他方に接続されると電圧源１３の負極側が固体蓄熱材３Ａ、３Ｂの一方に接続されるように切り替えられるように構成されている。図５に示す例では、スイッチング回路１４の可動側は、磁性体２及び他方の固体蓄熱材３Ｂに正のバイアスが印加され、一方の固体蓄熱材３Ａに負のバイアスが印加されるように可動子が可動側接点に接続されている。この状態では、静電力により磁性体２と固体蓄熱材３Ｂとの間には、斥力が働き、磁性体２と固体蓄熱材３Ａとの間には引力が働き、可動片である磁性体２は、固体蓄熱材３Ａに接触される。逆に、スイッチング回路１４の可動側が切り替えられて磁性体２及び一方の固体蓄熱材３Ａに正のバイアスが印加され、他方の固体蓄熱材３Ｂに負のバイアスが印加されるように可動子が可動側接点に接続されて固体蓄熱材３Ａ、３Ｂに印加するバイアスが反転されると、磁性体２は、固体蓄熱材３Ｂに接触するように可動される。

このように静電力によって可動片である磁性体２の動作を、図３及び図４に示すように磁場の印加・除去に同期させることによって、磁気冷凍サイクルが実現される。

図５に示す第３の実施形態の磁気冷凍デバイス１においては、固体蓄熱材３の表面に絶縁層９が形成されているが、この絶縁層９は、磁性体２の表面に、或いは、磁性体２の表面及び固体蓄熱材３の表面に形成されても良い。絶縁層９を磁性体及び/もしくは固体蓄熱材の表面に一体に形成することで、熱抵抗を低減することができる。絶縁層９は、ダイヤモンドライクカーボンなどの熱伝導率が高い材料が好ましい。

（第４の実施形態）
図６を参照して第４の実施形態に係る磁気冷凍システムを説明する。図６に示される磁気冷凍システムにおける磁気冷凍デバイス１においては、磁性体２（可動部）の駆動力が静電力で与えられ、一方の固体蓄熱材３（固定部）から他方固体蓄熱材３への磁性体２の接触が切り替えられる。

図６に示される磁気冷凍デバイスは、図５の基本単位の構成を積層した磁気冷凍デバイスとして構成される。この図６に示される積層した磁気冷凍デバイスでは、全ての可動片としての磁性体２が同時に動作されて矢印Ｎに示すように一方向或いは他方向に向けて切り替えられる。この構成での動作例が図７及び図８に示されている。図７には、磁気冷凍デバイス１に磁場印加部６Ａ及び６Ｂから磁場が印加されている状態が示されている。図７の状態においては、磁性体２は、磁気熱量効果により温度が上昇され、静電力で磁性体２の左側にある固体蓄熱材３に接触され、熱が磁性体２から固体蓄熱材３に放熱される。図８には、磁気冷凍デバイス１に磁場印加部６Ａ及び６Ｂからの磁場が除去された状態（磁場の消出された状態）が示されている。この磁場が除去された状態では、磁性体２は磁気熱量効果により温度が低下しており、静電力で磁性体２の右側の固体蓄熱材３に接触され、熱が磁性体２から固体蓄熱材３に吸熱される。このような一連の動作で、熱が低温側熱交換部８から高温側熱交換部７に輸送されるとともに、蓄熱効果により両端の固体蓄熱材３の間に温度差が与えられる。

第４の実施形態の変形例として、磁場印加部６Ａ、６Ｂが移動され、この磁場印加部６Ａ、６Ｂの移動に応じて磁気冷凍デバイス１内の個々の可動片としての磁性体２の動きを制御したい実施形態では、図９に示すように固定片としての固体蓄熱材３（固定部）を第１及び第２の固定片３Ａ、３Ｂの２層構造とすることにより、この可動片としての磁性体２（可動部）を独立して動作させることができる。ここで、第１及び第２の固定片としての固体蓄熱材３Ａ及び３Ｂは、スイッチング回路１２で正又は負の極性電圧を独立に印加することができるように構成することによって実現される。第１及び第２の固定片としての固体蓄熱材３Ａ及び３Ｂに正のバイアスが印加されれば、正のバイアスが印加されている磁性体２が第１及び第２の固定片としての固体蓄熱材３Ａ及び３Ｂから離間するように移動され、第１及び第２の固定片としての固体蓄熱材３Ａ及び３Ｂに負のバイアスが印加されれば、正のバイアスが印加されている磁性体２が第１及び第２の固定片としての固体蓄熱材３Ａ及び３Ｂに接触するように移動される。

また、実施形態２及び実施形態３を参照して説明した磁気吸引力及び静電引力が併用されて可動片としての磁性体２が効率的に移動させても良い。図１０（ａ）〜（ｃ）は、磁気吸引力及び静電引力を併用して可動片としての磁性体２（可動部）を可動する動作説明が示されている。磁気冷凍デバイス１には、図１０（ａ）に示すように磁場印加部６の進行方向Ｍの前方に静電引力が働くようにバイアスが印加されている。具体的には、磁性体２及び磁場印加部６の進行方向Ｍの後方に位置する固体蓄熱材３Ａ(固定部：図示の例では、左側に位置する固体蓄熱材３Ａ）に正電位が与えられ、磁場印加部６の進行方向Ｍに位置する固体蓄熱材３Ｂ(図示の例では、右側に位置する固体蓄熱材３Ｂ）に負電位が与えられている。従って、磁性体２と左側に位置する固体蓄熱材３Ａとの間には、静電的な反発力が発生され、磁性体２と右側に位置する固体蓄熱材３Ｂとの間には、静電的な吸引力が発生され、磁性体２は、右側に位置する固体蓄熱材３Ｂに接触される。ここで、磁場印加部６が発生する磁気吸引力は、静電引力より大きくなるように設計される。従って、このような磁気冷凍デバイスにおいて、磁場印加部６が磁性体２に接近すると、図１０（ｂ）に示すように、磁性体２に磁場が印加されて発熱するとともに、静電引力より磁気吸引力が勝って右側に位置する固体蓄熱材３Ｂに接触していた磁性体２が磁場印加部６の接近方向（矢印Ｌで示す方向）に移動して固体蓄熱材３Ａに接触される。更に、磁場印加部６が移動されて磁性体２に印加される磁場が弱まると、図１０（ｃ）に示すように磁性体２の温度が低下されるとともに、静電引力が磁気吸引力より大きくなって磁性体２が、磁場印加部６の進行方向（矢印Ｒで示す方向）に移動して固体蓄熱材３Ｂに磁性体２が接触される。この動作の繰り返しで、熱が低温側熱交換部８から高温側熱交換部７に輸送される。

図１０に示す実施態様では、磁場印加部６が一方向に磁性体２上を通過するシステムについて説明しているが、磁場印加部６が磁性体２上を往復運動するようなシステムにも当然にこの可動片としての磁性体２を動作させることができる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態に係る磁気冷凍システムにおいては、磁気冷凍デバイス１内の間隙４内の空間が減圧されて低圧状態に維持されている。磁気冷凍デバイス１内の間隙４が減圧されることにより間隙の熱抵抗が増加され、高温側から低温側への熱の逆流が抑制され、熱輸送効率が向上される。

第５の実施形態に係る磁気冷凍システムは、例えば、図１１に示すように磁気冷凍デバイス１を密閉する減圧容器２１の中に収納することによって実現される。

減圧容器１０は、非磁性体で、例えば、プラスチック等の樹脂で形成される。減圧容器１０の強度を上げるためにアルミニウム等の金属を用いても良い。しかし、磁場の印加除去に伴う渦電流の発生を抑制する観点や、断熱性能の観点からは、減圧容器１０の材料としては、電気抵抗の高い樹脂等の適用が望ましい。

図１〜図１１に示される磁気冷凍デバイスは、図１２に示される磁気冷凍システムとして実現することができる。

図１２は、本実施形態の磁気冷凍システムの模式的斜視図を示している。図１で示したような構造を有する４つの磁気冷凍デバイス１が第１の円周上に配置され、２対の磁場印加部６Ａ、６Ｂが同様に第１の円周の上下に同一中心軸を有するように定められた第２及び第３の円周上に配置されている。一例として、２個の磁場印加部６Ａは、第２の円周を定める上部回転板３０Ａに固定され、２個の磁場印加部６Ｂは、第３の円周を定める下部回転板３０Ｂに固定されている。ここで、４つの磁気冷凍デバイス１は、接触駆動部１０及び磁場印加部６Ａ、６Ｂを除く固体蓄熱材３及び磁性体２を具備する磁気冷凍デバイス部として構成されている。

上部回転板３０Ａ及び下部回転板３０Ｂは、磁気冷凍デバイス１が設けられる第１の円周の中心に設けられる回転軸３２に固定され、この回転軸３２を中心に上部回転板３０Ａ及び下部回転板３０Ｂが同期して回転されている。回転軸３２は、例えば、図示せぬモータによって回転される。この回転に伴い、磁場印加部６Ａ、６Ｂは、同時に磁気冷凍デバイス１に接近され、また、離反されることを繰り返すことになり、この磁気冷凍デバイス１への磁場印加部６Ａ、６Ｂの接近及び離反によって磁気冷凍デバイス１において、既に説明したように、熱の伝播が生じる。

また、この実施形態のシステムにおいては、回転板３０Ａ、３０Ｂには、２対の磁場印加部６Ａ、６Ｂが取り付けられているが、２対に限らず、１対または３対以上であっても良い。もっとも、回転板３０Ａ、３０Ｂの回転を安定させる観点からは、複数対の磁場印加部６Ａ、６Ｂが回転軸３２に対して点対称に配置されることが好ましい。

また、本実施形態においては、同一円周上には、４つの磁気冷凍デバイス１が配置されているが、４つの磁気冷凍デバイス１に限らず、１〜３つの磁気冷凍デバイス１、または、５つ以上の磁気冷凍デバイス１が配置されても良い。

図１３は、他の実施の形態を示す磁気冷凍システムの配置構造を模式的に示す平面図である。図１３に示すように上部及び下部回転板３０Ａ、３０Ｂ上にこの回転板３０Ａ、３０Ｂの回転軸３２を中心として４つの磁気冷凍デバイス１−１、１−２、１−３、１−４が同一円周上に配置されている。

磁気冷凍デバイス１−１の高温側熱交換部７−１、７−２、７−３、７−４が熱的に並列に放熱部３４に接続されている。また、それぞれの磁気冷凍デバイス１の低温側熱交換部８−１、８−２、８−３、８−４が熱的に並列に吸熱部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７−１、７−２、７−３、７−４で生じた温熱は、例えば熱交換器３７−１、３７−２、３７−３、３７−４を介して、放熱部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８−１、８−２、８−３、８−４生じた冷熱は、例えば、熱交換器３８−１、３８−２、３８−３、３８−４を介して、吸熱部３６に輸送される。

図中実線及び点線で示す、温熱及び冷熱の放熱部３４及び吸熱部３６への熱輸送は、公知の熱交換ガスや液体、固体熱伝導などを利用することで実現可能である。

図１４は、更に他の実施の形態の磁気冷凍システムの構造を模式的に示す平面図である。図１４に示す実施の形態は、図１３に示す実施形態とは異なり、磁気冷凍デバイス１−１、１−２、１−３、１−４が熱的に互いに直列に接続されている。

隣接する磁気冷凍デバイス１−１、１−２、１−３、１−４の端部は、熱伝導体４０−１、４０−２、４０−２を介して夫々接続されている。４個の磁気冷凍デバイス１−１、１−２、１−３、１−４の内、末端部の磁気冷凍デバイス１−１の末端側に高温側熱交換部７が設けられ、高温側熱交換部７が熱伝導体４２−１を介して放熱部３４に接続されている。また、他方の末端部の磁気冷凍デバイス１−４の末端側に低温側熱交換部８が設けられ、低温側熱交換部８が熱伝導体４２−２を介して吸熱部３６に接続されている。

さらに、高温側熱交換部７を備える末端部の磁気冷凍デバイス１−１の磁性体の磁気転移温度が、低温側熱交換部８を備える他方の末端部の磁気冷凍デバイス１−４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７を備える末端部の磁気冷凍デバイス１−１の磁性体から、隣接する磁気冷凍デバイス１−２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８を備える他方の末端部の磁気冷凍デバイス１−４の磁性体が最低の磁気転移温度を有するよう構成されている。

図１４に示す実施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７が熱的に放熱部３４に接続されている。また、低温側熱交換部８が熱的に吸熱部３６に接続されている。

図１４に示す実施形態によれば、異なる磁気転移温度を有する磁性体を用いた磁気冷凍デバイス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。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。上記、実施形態はあくまで、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、各実施形態の構成要素を適宜組み合わせても良い。

また、磁場印加除去機構について、磁場印加部が回転運動する場合を例に説明したが、磁場印加部を磁気冷凍デバイスに対して往復運動させても良い。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、磁場印加部と磁気冷凍デバイス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、特許請求の範囲及びその均等物の範囲によって定義されるものである。

以上のように、本実施形態の磁気冷凍デバイスは、上記構成を備えることで、冷媒を移動させる必要が無く、冷凍サイクルの高速化が可能になる。したがって、小型化、及び高出力化できる磁気冷凍デバイスを提供することが可能となる。また、本実施形態の磁気冷凍デバイスを用いることで、小型化、及び高出力化できる磁気冷凍システムを提供することが可能となる。

上述した説明においては、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１、１−１、１−２、１−３、１−４・・・磁気冷凍デバイス、２・・・磁性体、３、３Ａ、３Ｂ・・・固体蓄熱材、４・・・間隙、５・・・スペーサ、６Ａ、６Ｂ・・・磁場印加部、７、７−１、７−２、７−３、７−４・・・高温側熱交換部、８、８−１、８−２、８−３、８−４・・・低温側熱交換部、９・・・絶縁層、１０・・・接触駆動部、１２・・・駆動回路、１３・・・電圧源、１４・・・スイッチング回路、２１・・・減圧容器、３０Ａ・・・上部回転板、３０Ｂ・・・下部回転板、３２・・・回転軸、３４・・・放熱部、３６・・・吸熱部、

Claims (8)

1. 磁気熱量効果及び蓄熱効果を有する磁性体と蓄熱効果を有する固体蓄熱材との一方で作られている固定部であって、当該隣接する固定部が対向され、この対向される固定部間に間隙が設けられるように並列配置されている複数の固定部と、
   前記磁気熱量効果及び前記蓄熱効果を有する前記磁性体と前記蓄熱効果を有する前記固体蓄熱材との他方で作られ、前記間隙内で前記対向される固定部に向けて可動されて当該固定部に熱的に接触可能なように並列配置されている複数の可動部と、
   前記磁性体に対し外部からの磁場を印加し、また、印加された磁場を除去することが可能な磁場印加部と、
   前記磁場印加部の磁場の印加及び除去に同期して前記可動部を前記固定部に選択的に接触させる可動機構と、
   を具備する磁気冷凍デバイス。
2. 前記可動機構は、前記可動部を外部磁場による磁気吸引力で駆動する駆動部を含む請求項１の磁気冷凍デバイス。
3. 前記可動機構は、前記可動部を静電力で駆動する駆動部を含む請求項１の磁気冷凍デバイス。
4. 前記間隙に対向する前記固定部及び前記可動部の少なくとも一方の表面には、絶縁層が形成されている請求項３の磁気冷凍デバイス。
5. 前記間隙を減圧された空間に維持する密閉手段を更に備える請求項１の磁気冷凍デバイス。
6. 前記請求項１から請求項５のいずれかに記載の磁気冷凍デバイスを含む磁気冷凍システム。
7. 磁気熱量効果及び蓄熱効果を有する磁性体と蓄熱効果を有する固体蓄熱材との一方で作られている固定部であって、当該隣接する固定部が対向され、この対向される固定部間に間隙が設けられるように並列配置されている複数の固定部と、及び
   前記磁気熱量効果及び前記蓄熱効果を有する前記磁性体と前記蓄熱効果を有する前記固体蓄熱材との他方で作られ、前記間隙内で前記対向される固定部に向けて可動されて当該固定部に熱的に接触可能なように並列配置されている複数の可動部と、
   から各々が構成され、略円周に沿って配列されている複数の磁気冷凍デバイス部と、
   前記複数の磁気冷凍デバイス部の前記円周上及び又は前記円周下で前記円周に沿って配置され、回転される１又は複数の磁場印加部であって、当該磁場印加部の回転に伴い前記磁性体に磁場を印加し、また、印加された磁場を除去している磁場印加部と、
   前記磁場印加部の磁場の印加及び除去に同期して前記可動部を前記固定部に選択的に接触させる可動機構と、
   を具備する磁気冷凍システム。
8. 前記複数の磁気冷凍デバイス部が直列或いは並列に熱的接続されている請求項７の磁気冷凍システム。

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