JP5728489B2

JP5728489B2 - 磁気冷凍システム

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Publication number: JP5728489B2
Application number: JP2012540598A
Authority: JP
Inventors: 亮介八木; 斉藤　明子; 明子斉藤; 忠彦小林; 志織加治
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2030-10-29
Also published as: US20130227965A1; JPWO2012056560A1; WO2012056560A1

Description

本発明の実施形態は、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、磁気熱量効果を利用して、磁気冷凍サイクルを構成し、高温部と低温部とを生成する磁気冷凍技術への期待が高まり、研究開発が活発化してきている。
このような磁気冷凍技術の一つとして、極低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、磁気熱量効果を利用した磁気冷凍作業を磁気熱量効果材料を含んだ要素に行わせるとともに、この磁気冷凍作業により生成された冷熱を当該要素に蓄える蓄熱効果を同時に担わせるＡＭＲ（Active Magnetic Regenerative Refrigeration）方式と呼ばれる冷凍技術が提案されている。
ＡＭＲ方式によれば、気体の圧縮・膨張サイクルを利用した気体冷凍技術と比べて高い熱交換効率を得ることができる。
しかしながら、省エネルギー化などの観点からさらなる熱交換効率の向上が望まれていた。

米国特許第４，３３２，１３５号明細書特開２００９−２１０１６５号公報

本発明の実施形態は、熱交換効率の向上を図ることができる磁気冷凍システムを提供する。

実施形態によれば、磁気熱量効果材料を含む第１の熱交換部と、前記第１の熱交換部に対する磁場を変化させる磁場変化部と、第１の熱輸送媒体と、前記第１の熱輸送媒体とは分離され、単位体積あたりの比熱が異なる第２の熱輸送媒体と、前記第１の熱輸送媒体と、前記第２の熱輸送媒体と、を前記第１の熱交換部に順次導入する輸送部と、を備え、前記第１の熱輸送媒体は配管で形成される流路を循環し、前記第２の熱輸送媒体は前記第１の熱輸送媒体とは分離されて前記流路を循環し、前記磁場変化部は、前記輸送部により前記第１の熱交換部に前記第１の熱輸送媒体が導入された場合に、前記第１の熱交換部に磁場を印加し、前記輸送部により前記第１の熱交換部に前記第２の熱輸送媒体が導入された場合に、前記第１の熱交換部に対して前記磁場の印加を除去することを特徴と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システムを例示するための模式構成図である。第１の実施形態に係る熱交換部を例示するための模式断面図である。第１の実施形態に係る熱交換部の作用を例示するためのフローチャートである。第１の実施形態に係る熱交換部における熱交換の様子を例示するための模式断面図である。（ａ）は熱交換部に磁場が印加される場合、（ｂ）は熱交換部に印加していた磁場が除去された場合である。第２の実施形態に係る磁気冷凍システムを例示するための模式構成図である。第３の実施形態に係る磁気冷凍システムを例示するための模式構成図である。（ａ）は磁気熱量効果材料の発熱のみを利用する磁気冷凍システム、（ｂ）は磁気熱量効果材料の吸熱のみを利用する磁気冷凍システムを例示するための模式構成図である。本実施の形態に係る磁気冷凍システムの熱交換部を例示するための模式断面図である。（ａ）は磁場が印加された場合を表し、（ｂ）は印加された磁場が除去された場合を表している。比較例に係るＡＭＲ式磁気冷凍システムの熱交換部を例示するための模式断面図である。実施例１における熱輸送効率と、比較例１における熱輸送効率との比較を示すグラフ図である。

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
[第１の実施形態]
図１は、第１の実施形態に係る磁気冷凍システムを例示するための模式構成図である。
図１に示すように、磁気冷凍システム１００には、熱交換部（ＡＲＭｂｅｄ）１（第１の熱交換部）、磁場発生部２、移動部３、高温側熱交換部４（第２の熱交換部）、低温側熱交換部５（第２の熱交換部）、配管６、配管７、熱輸送媒体８、熱輸送媒体９、輸送部１０、輸送部１１、制御部２４が設けられている。

図２は、熱交換部を例示するための模式断面図である。
図２においては、熱輸送媒体８、９の移動方向をｘ方向とし、それと垂直な方向をｙ方向としている。
磁気熱量効果材料を含む熱交換部１には、領域１４と、配管６と接続された領域１２（第１の領域）と、配管７と接続された領域１３（第２の領域）と、が設けられている。

領域１４は、磁気熱量効果材料を含んだものとされている。領域１４は、例えば、Ｇｄ（ガドリニウム）などの磁気熱量効果材料を含んだものとすることができる。
領域１２は、領域１４を貫通するようにして設けられている。そのため、領域１２の外周面が領域１４と接している。領域１２は、例えば、領域１４を貫通する流路とすることができる。
そして、配管６を介して導入された熱輸送媒体８が領域１２を流通できるようになっている。

領域１３は、領域１４を貫通するようにして設けられている。そのため、領域１３の外周面が領域１４と接している。領域１３は、例えば、領域１４を貫通する流路とすることができる。
そして、配管７を介して導入された熱輸送媒体９が領域１３を流通できるようになっている。
なお、領域１２を流通する熱輸送媒体８と、領域１３を流通する熱輸送媒体９とは、領域１４によって相互に分離されており熱輸送媒体８と熱輸送媒体９とが混合しないようになっている。

後述するように、領域１４においては発熱と吸熱とが生じる。そして、領域１４と、領域１２にある熱輸送媒体８との間において熱交換が行われる。また、領域１４と、領域１３にある熱輸送媒体９との間において熱交換が行われる。
この場合、例えば、領域１２に熱輸送媒体８０ａが導入される場合には、領域１３に熱輸送媒体９０ｂが導入され、領域１２に熱輸送媒体８０ｂが導入される場合には、領域１３に熱輸送媒体９０ａが導入される。

また、前述した領域１４は、熱輸送媒体８、９が透過し、各熱輸送媒体が混合しないような構成（例えば、空隙などのない板状体）とされていることが好ましいが、これに限定されるわけではない。
例えば、領域１４と領域１２との間、領域１４と領域１３との間に熱輸送媒体が透過しないような図示しない仕切り部を設けるようにすることもできる。例えば、図示しない仕切り部として管状体を設け、管状体の内部を領域１２、１３とし、管状体の外部を領域１４とすることができる。この様にすれば、領域１４を空隙を有する焼結体から形成されたものとしたり、粒状体を充填することで形成されたものとしたりすることができる。

なお、磁気熱量効果材料は、前述したＧｄ（ガドリニウム）に限定されるわけではなく、磁気熱量効果を発現する材料であればよい。磁気熱量効果材料は、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化合物、ＬａＦｅ_１３系化合物、ＬａＦｅ_１３Ｈなどの各種磁性体を用いることができる。

磁場発生部２は、熱交換部１の外部に配置されており、熱交換部１に磁場を印加する。
磁場発生部２は、例えば、永久磁石などとすることができる。永久磁石としては、ＮｄＦｅＢ（ネオジム・鉄・ホウ素）磁石、ＳｍＣｏ（サマリウムコバルト）磁石、フェライト磁石などを例示することができる。

移動部３は、磁場発生部２と接続され、熱交換部１と磁場発生部２との相対位置を変化させる。
ここで、相対位置を変化させるとは、磁場発生部２が熱交換部１に磁場を印加する位置２２（ＯＮ位置）と、熱交換部１に磁場を印加しない位置２３（ＯＦＦ位置）とが切り替えられるように、熱交換部１と磁場発生部２との相対位置を変化させることを意味する。
そのため、移動部３により熱交換部１と磁場発生部２との相対位置を変化させることで、熱交換部１に磁場を印加したり、熱交換部１に印加されていた磁場を除去したりすることができる。熱交換部１においては、磁場の印加と磁場の除去により発熱と吸熱とが生じるが、熱交換部１の作用に関する詳細は後述する。

移動部３は、例えば、熱交換部１と磁場発生部２との相対位置を変化させるために磁場発生部２に機械的変動を印加するものとすることができる。
図１に例示をしたものの場合には、磁場発生部２と移動部３とが熱交換部１に対する磁場を変化させる磁場変化部となる。

図１に例示をしたものの場合には、移動部３と磁場発生部２とを接続し磁場発生部２に機械的変動を与えているが、移動部３と熱交換部１とを接続し熱交換部１に機械的変動を与えても良い。
移動部３は、例えば、モータなどの駆動手段を備えたものとすることができる。

なお、磁場発生部２として永久磁石を例示したが、例えば、磁場発生部２として電磁石などを用いることもできる。磁場発生部２として電磁石を用いる場合には、磁場発生部２に機械的変動を与える移動部３とすることもできるが、電磁石への通電と通電の停止とを切り替えるスイッチなどを移動部３とすることもできる。

高温側熱交換部４は、熱交換部１において加熱された熱輸送媒体８と図示しない熱交換先との間における熱交換を行う。高温側熱交換部４としては、例えば、高温の熱輸送媒体８と空気との間における熱交換を行うことで、空気を加熱するようなものを例示することができる。

低温側熱交換部５は、熱交換部１において吸熱された熱輸送媒体９と図示しない熱交換先との間における熱交換を行う。低温側熱交換部５としては、例えば、低温の熱輸送媒体９と空気との間における熱交換を行うことで、空気を冷却するようなものを例示することができる。

配管６は、熱交換部１、高温側熱交換部４、輸送部１０を閉ループ状に接続する。そのため、熱交換部１、高温側熱交換部４、輸送部１０、配管６で形成される閉ループの流路に熱輸送媒体８を循環させることができる。

配管７は、熱交換部１、低温側熱交換部５、輸送部１１を閉ループ状に接続する。そのため、熱交換部１、低温側熱交換部５、輸送部１１、配管７で形成される閉ループの流路に熱輸送媒体９を循環させることができる。

熱輸送媒体８は、単位体積あたりの比熱が異なる２つ以上の熱輸送媒体から構成されるものとすることができる。熱輸送媒体８は、例えば、熱輸送媒体８０ａ（第１の熱輸送媒体）と、熱輸送媒体８０ａよりも単位体積あたりの比熱が低い熱輸送媒体８０ｂ（第２の熱輸送媒体）とから構成される。
熱輸送媒体９は、単位体積あたりの比熱が異なる２つ以上の熱輸送媒体から構成されるものとすることができる。熱輸送媒体９は、例えば、熱輸送媒体９０ａ（第１の熱輸送媒体）と、熱輸送媒体９０ａよりも単位体積あたりの比熱が低い熱輸送媒体９０ｂ（第２の熱輸送媒体）とから構成される。

また、熱輸送媒体８０ａと熱輸送媒体８０ｂとは相互に分離されている。熱輸送媒体９０ａと熱輸送媒体９０ｂとは相互に分離されている。
ここで、分離されているとは、単位体積あたりの比熱が異なる熱輸送媒体が、熱輸送媒体の移動方向に対して各々の相を形成することを意味する。
相を形成する時、各々の熱輸送媒体に異なる熱輸送媒体が混入しないことが好ましい。ただし、ある特定の熱輸送媒体に、異なる熱輸送媒体が体積比率で３０％以下混入する場合も、各々の相を形成するとしても良い。
例えば、熱輸送媒体が、水と、水よりも単位体積あたりの比熱が低い空気である場合には、水の中に空気が一部溶け込むことがある。しかしながら、空気の水への溶解度は０ｖｏｌ％以上、３０ｖｏｌ％以下であるため、各々の相を形成することができる。すなわち、水の相と空気の相とが分離されているとすることができる。

また、熱輸送媒体は、気体、液体、固体のいずれでも良く、単位体積あたりの比熱の異なるものを適宜選択して用いることができる。
この場合、単位体積あたりの比熱の差が大きくなる様な組み合わせとすることが好ましく、例えば、気体−液体、固体−液体、固体−気体などの組み合わせとすることができる。

気体の熱輸送媒体としては、例えば、空気、窒素ガスなどを例示することができる。気体の熱輸送媒体とすれば、輸送時の圧力損失を低減させることができる。また、液体の熱輸送媒体としては、例えば、水、鉱油やシリコンなどのオイル系媒体、アルコール類（例えば、エチレングリコールなど）などの溶剤系媒体などとすることができる。
この場合、水は最も比熱が高く安価である。ただし、０℃以下の温度域では凍結するおそれがあるのでオイル系媒体、溶剤系媒体、水とオイル系媒体との混合液、水と溶剤系媒体との混合液などとすることが好ましい。そのため、磁気冷凍システム１００の運転温度域に応じて液体の種類や混合比などを適宜変更することができる。

固体の熱輸送媒体としては、例えば、樹脂、金属、セラミックスなどの無機物などとすることができる。
この場合、例えば、一体的に構成された固体の熱輸送媒体とすることもできるし、粒状の固体の集合体を熱輸送媒体とすることもできる。ただし、一体的に構成された固体の熱輸送媒体とすれば、異なる熱輸送媒体が混入することを抑制することができる。

なお、熱輸送媒体８と熱輸送媒体９とを同じ構成とすることもできるし、異なる構成とすることもできる。

輸送部１０は、熱交換部１、高温側熱交換部４、輸送部１０、配管６で形成される閉ループの流路に熱輸送媒体８を循環させる。すなわち、熱輸送媒体８０ａと熱輸送媒体８０ｂとを熱交換部１に順次導入し、熱交換部１において加熱された熱輸送媒体８０ａ、熱輸送媒体８０ｂを高温側熱交換部４に送り、高温側熱交換部４において図示しない熱交換先との間で熱交換された熱輸送媒体８０ａ、熱輸送媒体８０ｂを再び熱交換部１に送るようにする。
輸送部１１は、熱交換部１、低温側熱交換部５、輸送部１１、配管７で形成される閉ループの流路に熱輸送媒体９を循環させる。すなわち、熱輸送媒体９０ａと熱輸送媒体９０ｂとを熱交換部１に順次導入し、熱交換部１において吸熱された熱輸送媒体９０ａ、熱輸送媒体９０ｂを低温側熱交換部５に送り、低温側熱交換部５において図示しない熱交換先との間で熱交換された熱輸送媒体９０ａ、熱輸送媒体９０ｂを再び熱交換部１に送るようにする。
輸送部１０、１１としては、例えば、各種ポンプを用いることができる。

制御部２４は、移動部３、輸送部１０、輸送部１１の動作を制御する。
すなわち、制御部２４は、熱交換部１に熱輸送媒体８０ａ、熱輸送媒体９０ｂが導入された場合には熱交換部１に磁場が印加されるように移動部３、輸送部１０、輸送部１１の動作を制御する。また、制御部２４は、熱交換部１に熱輸送媒体８０ｂ、熱輸送媒体９０ａが導入された場合には熱交換部１に印加されていた磁場が除去されるように移動部３、輸送部１０、輸送部１１の動作を制御する。

例えば、発熱を行う際には、輸送部１０を制御して熱輸送媒体８０ｂよりも単位体積あたりの比熱が高い熱輸送媒体８０ａを熱交換部１に導入し、磁場変化部を構成する移動部３を制御して熱交換部１に対して磁場を印加する。
また、例えば、吸熱を行う際には、輸送部１１を制御して熱輸送媒体９０ｂよりも単位体積あたりの比熱が高い熱輸送媒体９０ａを熱交換部１に導入し、磁場変化部を構成する移動部３を制御して熱交換部１に対して磁場を除去する。
なお、熱交換部１における磁場の印加、磁場の除去と、単位体積あたりの比熱が異なる熱輸送媒体との関係に関しては後述する。

次に、磁気冷凍システム１００の作用について例示をする。
図３は、第１の実施形態に係る熱交換部の作用を例示するためのフローチャートである。
図４は、第１の実施形態に係る熱交換部における熱交換の様子を例示するための模式断面図である。なお、図４（ａ）は熱交換部１に磁場が印加される場合、図４（ｂ）は熱交換部に印加していた磁場が除去された場合である。

まず、図３に示すように、熱交換部１に熱輸送媒体８０ａ、熱輸送媒体９０ｂを導入する（ステップＳ１）。
すなわち、制御部２４により輸送部１０を制御して熱交換部１の領域１２に熱輸送媒体８０ａを導入する。また、制御部２４により輸送部１１を制御して熱交換部１の領域１３に熱輸送媒体９０ｂを導入する。

次に、制御部２４により移動部３を制御して、熱交換部１に磁場を印加する位置２２（ＯＮ位置）に磁場発生部２を移動させる（ステップＳ２）。
この際の状態は図４（ａ）に例示をしたもののようになる。
熱交換部１に磁場が印加されると、領域１４を形成する磁気熱量効果材料が発熱する。そのため、発生した熱は、領域１２に導入された輸送媒体８０ａと、領域１３に導入された輸送媒体９０ｂとに吸収される。

次に、制御部２４により輸送部１０を制御して熱交換部１の領域１２に熱輸送媒体８０ｂを導入する。また、制御部２４により輸送部１１を制御して熱交換部１の領域１３に熱輸送媒体９０ａを導入する（ステップＳ３）。
これにより、輸送媒体８０ａは領域１２から高温側熱交換部４へ向けて排出される。輸送媒体９０ｂは領域１３から低温側熱交換部５へ向けて排出される。

次に、制御部２４により移動部３を制御して、熱交換部１に磁場を印加しない位置２３（ＯＦＦ位置）に磁場発生部２を移動させる（ステップＳ４）。
この際の状態は図４（ｂ）に例示をしたもののようになる。
熱交換部１に印加されていた磁場が除去されると領域１４を形成する磁気熱量効果材料が吸熱する。そのため、領域１２に導入された熱輸送媒体８０ｂと、領域１３に導入された熱輸送媒体９０ａとから熱が奪われる。

ステップＳ４の後はステップＳ１に戻る。
すなわち、制御部２４により輸送部１０を制御して熱交換部１の領域１２に熱輸送媒体８０ａを導入する。また、制御部２４により輸送部１１を制御して熱交換部１の領域１３に熱輸送媒体９０ｂを導入する。
これにより、輸送媒体８０ｂは領域１２から高温側熱交換部４へ向けて排出される。輸送媒体９０ａは領域１３から低温側熱交換部５へ向けて排出される。

以上の手順を繰り返すことで、熱輸送媒体８（熱輸送媒体８０ａ、８０ｂ）は高温側熱交換部４へと送られる。熱輸送媒体９（熱輸送媒体９０ａ、９０ｂ）は低温側熱交換部５へと送られる。
そして、例えば、高温側熱交換部４において熱輸送媒体８から取り出した熱を暖房に利用することができる。また、例えば、低温側熱交換部５において熱輸送媒体９に熱を吸収させることで冷房に利用することができる。

なお、磁場を印加することで磁気熱量効果材料が発熱することや、印加されていた磁場が除去されることで磁気熱量効果材料が吸熱することは既知の現象であるため、これに関する説明は省略する。

次に、単位体積あたりの比熱が異なる熱輸送媒体が熱交換部１の領域１２、１３に導入されることに関してさらに説明する。
磁場を印加して磁気熱量効果材料を発熱させ、単位体積あたりの比熱が異なる熱輸送媒体に熱を吸収させる場合、同じ温度環境下であっても単位体積あたりの比熱が高い熱輸送媒体の方が熱を多く吸収する。
また、磁場の印加を除去して磁気熱量効果材料に吸熱をさせ、単位体積あたりの比熱が異なる熱輸送媒体から熱を奪う場合、同じ温度環境下であっても単位体積あたりの比熱が高い熱輸送媒体の方が熱を多く奪われる。

ここで、磁気熱量効果材料が発熱するステップＳ２においては、単位体積あたりの比熱が高い熱輸送媒体８０ａが熱交換部１の領域１２に導入され、単位体積あたりの比熱が低い熱輸送媒体９０ｂが熱交換部１の領域１３に導入される。
そのため、磁気熱量効果材料からの熱は単位体積あたりの比熱が高い熱輸送媒体８０ａにより多く吸収される。すなわち、熱輸送媒体８０ａに選択的に熱が与えられる。

一方、磁気熱量効果材料が吸熱するステップＳ４においては、単位体積あたりの比熱が低い熱輸送媒体８０ｂが熱交換部１の領域１２に導入され、単位体積あたりの比熱が高い熱輸送媒体９０ａが熱交換部１の領域１３に導入される。
そのため、単位体積あたりの比熱が高い熱輸送媒体９０ｂからより多くの熱量が奪われる。すなわち、熱輸送媒体９０ｂから選択的に熱が奪われる。

ここで、熱輸送媒体８においては、磁気熱量効果材料が発熱するステップＳ２の場合に単位体積あたりの比熱が高い熱輸送媒体８０ａが熱交換部１の領域１２に導入され、磁気熱量効果材料が吸熱するステップＳ４の場合に単位体積あたりの比熱が低い熱輸送媒体８０ｂが熱交換部１の領域１２に導入される。
そのため、磁気熱量効果材料が発熱した際の熱量が選択的に熱輸送媒体８０ａに与えられる。一方、磁気熱量効果材料が吸熱する際には熱輸送媒体８０ｂから奪われる熱量を抑制することができる。その結果、生成した温熱を高温側熱交換部４へ効率よく送ることができる。

また、熱輸送媒体９においては、磁気熱量効果材料が吸熱するステップＳ４の場合に単位体積あたりの比熱が高い熱輸送媒体９０ａが熱交換部１の領域１３に導入され、磁気熱量効果材料が発熱するステップＳ２の場合に単位体積あたりの比熱が低い熱輸送媒体９０ｂが熱交換部１の領域１３に導入される。
そのため、磁気熱量効果材料が吸熱する際には熱輸送媒体９０ａから選択的に熱量が奪われ、磁気熱量効果材料が発熱した際には熱輸送媒体９０ｂから吸収される熱量を抑制することができる。その結果、生成した冷熱を低温側熱交換部５へ効率よく送ることができる。

[第２の実施形態]
図５は、第２の実施形態に係る磁気冷凍システムを例示するための模式構成図である。
図５に示すように、磁気冷凍システム１０１には、熱交換部１、磁場発生部２、移動部３、高温側熱交換部４、低温側熱交換部５、配管６、配管７、熱輸送媒体８、熱輸送媒体９、輸送部１０、輸送部１１、高温側排出部１６、低温側排出部１７、導入部１８、制御部３４が設けられている。

前述した磁気冷凍システム１００の場合と同様に高温側熱交換部４は、熱交換部１において加熱された熱輸送媒体８と図示しない熱交換先との間における熱交換を行う。また、低温側熱交換部５は、熱交換部１において吸熱された熱輸送媒体９と図示しない熱交換先との間における熱交換を行う。

この際、熱輸送媒体８、９が高温側熱交換部４、低温側熱交換部５の内部で滞留すると熱交換効率が低下するおそれがある。
ここでは、一例として、熱輸送媒体８０ａ、９０ａが液体（例えば、水など）、熱輸送媒体８０ｂ、９０ｂが気体（例えば、空気など）の場合について説明する。

例えば、気体である熱輸送媒体８０ｂ、９０ｂが高温側熱交換部４、低温側熱交換部５の内部で滞留すると、熱輸送媒体８０ａ、９０ａの流入が阻害され高温側熱交換部４、低温側熱交換部５における熱交換効率が低下するおそれがある。また、加熱されることで熱輸送媒体８０ａの温度が上昇した場合、液体である熱輸送媒体８０ａの一部が蒸発し、熱輸送媒体８０ａの中に蒸発による気体が共存（浮遊）するおそれがある。この様な場合、熱輸送媒体８０ａと熱輸送媒体８０ｂの相が混合してしまうほか、高温側熱交換部４における熱交換効率が低下するおそれがある。

そこで、本実施の形態においては、高温側排出部１６、低温側排出部１７を設けて、熱交換に対する寄与が低い気体が高温側熱交換部４、低温側熱交換部５に流入する前に大気中へ排出するようにしている。
すなわち、高温側熱交換部４の流入側（上流側）において熱輸送媒体８０ｂを排出する高温側排出部１６を設け、低温側熱交換部５の流入側（上流側）において熱輸送媒体９０ｂを排出する低温側排出部１７を設けている。
高温側排出部１６、低温側排出部１７としては、例えば、気液分離膜を備えた気液分離器などを例示することができる。
高温側排出部１６、低温側排出部１７を設ける様にすれば、前記課題を解決することができる。

なお、図５に例示をした高温側排出部１６、低温側排出部１７は、高温側熱交換部４、低温側熱交換部５とは別個に設けられるものとしたがこれに限定されるわけではない。例えば、高温側熱交換部４の内部に高温側排出部１６を設け、低温側熱交換部５の内部に低温側排出部１７を設けても良い。
また、熱輸送媒体９０ａには蒸発による気体が共存しているおそれが少ないので低温側排出部１７を省略して高温側排出部１６のみを設けても良い。

導入部１８は、熱輸送媒体８、９を再構成する。
例えば、導入部１８は、高温側排出部１６により排出された熱輸送媒体８０ｂが高温側熱交換部４の流出側（下流側）で再度形成されるようにする。また、導入部１８は、低温側排出部１７により排出された熱輸送媒体９０ｂが低温側熱交換部５の流出側（下流側）で再度形成されるようにする。
前述したものの場合には、熱輸送媒体８０ａが高温側熱交換部４を通過した後、導入部１８により所定量の熱輸送媒体８０ｂを配管６内に導入し、熱輸送媒体８０ａと熱輸送媒体８０ｂとから構成される熱輸送媒体８を再構成する。また、熱輸送媒体９０ａが低温側熱交換部５を通過した後、導入部１８により所定量の熱輸送媒体９０ｂを配管７内に導入し、熱輸送媒体９０ａと熱輸送媒体９０ｂとから構成される熱輸送媒体９を再構成する。

制御部３４は、移動部３、輸送部１０、輸送部１１、導入部１８の動作を制御する。
すなわち、制御部３４は、熱交換部１に熱輸送媒体８０ａ、熱輸送媒体９０ｂが導入された場合には熱交換部１に磁場が印加されるように移動部３、輸送部１０、輸送部１１の動作を制御する。また、制御部３４は、熱交換部１に熱輸送媒体８０ｂ、熱輸送媒体９０ａが導入された場合には熱交換部１に印加していた磁場が除去されるように移動部３、輸送部１０、輸送部１１の動作を制御する。また、制御部３４は、熱輸送媒体８、９が再構成されるように導入部１８の動作を制御する。

次に、磁気冷凍システム１０１の作用について例示をする。
熱交換部１の作用に関しては、図３に例示をしたものと同様とすることができる。
つまり、熱交換部１に磁場を印加して発熱させる時には、領域１２に単位体積あたりの比熱が高い熱輸送媒体８０ａが導入され、領域１３に単位体積あたりの比熱が低い熱輸送媒体９０ｂが導入される。

前述したように、熱輸送媒体９０ｂの方が単位体積あたりの比熱が低いため、同じ温度環境下において発熱した熱量は単位体積あたりの比熱が高い熱輸送媒体８０ａに多く吸収される。よって、発熱による熱量は、熱輸送媒体８０ａに選択的に吸収され、熱輸送媒体８０ａが効率よく加熱される。

一方、熱交換部１に印加されていた磁場を除去して吸熱させる時には、領域１２に単位体積あたりの比熱が低い熱輸送媒体８０ｂが導入され、領域１３に単位体積あたりの比熱が高い熱輸送媒体９０ａが導入される。

前述したように、熱輸送媒体８０ｂの方が単位体積あたりの比熱が低いため、同じ温度環境下において単位体積あたりの比熱が高い熱輸送媒体９０ａの方がより多くの熱量を磁気熱量効果材料に奪われる。よって、熱輸送媒体９０ａから磁気熱量効果材料に選択的に熱が奪われ、熱輸送媒体９０ａが効率よく冷却される。

そして、熱輸送媒体８（熱輸送媒体８０ａ、８０ｂ）は高温側熱交換部４へと送られる。熱輸送媒体９（熱輸送媒体９０ａ、９０ｂ）は低温側熱交換部５へと送られる。
この際、高温側排出部１６により、熱輸送媒体８０ｂが高温側熱交換部４に流入する前に除去される。また、低温側排出部１７により、熱輸送媒体９０ｂが低温側熱交換部５に流入する前に除去される。

高温側熱交換部４においては、例えば、熱輸送媒体８０ａから取り出した熱を暖房に利用することができる。また、低温側熱交換部５においては、例えば、熱輸送媒体９０ａに熱を吸収させることで冷房に利用することができる。

そして、導入部１８により高温側熱交換部４の流出側（下流側）において熱輸送媒体８が再構成される。また、導入部１８により低温側熱交換部５の流出側（下流側）において熱輸送媒体９が再構成される。

[第３の実施形態]
図６は、第３の実施形態に係る磁気冷凍システムを例示するための模式構成図である。なお、図６（ａ）は磁気熱量効果材料の発熱のみを利用する磁気冷凍システム１００ａ、図６（ｂ）は磁気熱量効果材料の吸熱のみを利用する磁気冷凍システム１００ｂを例示するための模式構成図である。

図６（ａ）に示すように、磁気冷凍システム１００ａには、熱交換部１、磁場発生部２、移動部３、高温側熱交換部４、配管６、熱輸送媒体８、輸送部１０、制御部２４ａが設けられている。
制御部２４ａは、移動部３、輸送部１０の動作を制御する。
すなわち、制御部２４ａは、熱交換部１に熱輸送媒体８０ａが導入された場合には熱交換部１に磁場が印加されるように移動部３、輸送部１０の動作を制御する。また、制御部２４ａは、熱交換部１に熱輸送媒体８０ｂが導入された場合には熱交換部１に印加していた磁場が除去されるように移動部３、輸送部１０の動作を制御する。

そのため、磁気熱量効果材料が発熱した場合には、単位体積あたりの比熱が高い熱輸送媒体８０ａにより熱を効率よく吸収することができる。また、磁気熱量効果材料が吸熱した場合には、単位体積あたりの比熱が低い熱輸送媒体８０ｂにより磁気熱量効果材料に熱が奪われることを抑制することができる。その結果、熱交換効率の向上を図ることができる。

図６（ｂ）に示すように、磁気冷凍システム１００ｂには、熱交換部１、磁場発生部２、移動部３、低温側熱交換部５、配管７、熱輸送媒体９、輸送部１１、制御部２４ｂが設けられている。
制御部２４ｂは、移動部３、輸送部１１の動作を制御する。
すなわち、制御部２４ｂは、熱交換部１に熱輸送媒体９０ｂが導入された場合には熱交換部１に磁場が印加されるように移動部３、輸送部１１の動作を制御する。また、制御部２４ｂは、熱交換部１に熱輸送媒体９０ａが導入された場合には熱交換部１に印加していた磁場が除去されるように移動部３、輸送部１１の動作を制御する。

そのため、磁気熱量効果材料が発熱した場合には、単位体積あたりの比熱が低い熱輸送媒体９０ｂにより熱を吸収することが抑制される。また、磁気熱量効果材料が吸熱した場合には、単位体積あたりの比熱が高い熱輸送媒体９０ａにより磁気熱量効果材料に熱が効率よく奪われる。その結果、熱交換効率の向上を図ることができる。

なお、磁気冷凍システム１００ａに図５において例示をした高温側排出部１６、導入部１８を設けるようにすることもできる。また、１００ｂに図５において例示をした低温側排出部１７、導入部１８を設けるようにすることもできる。

以上に例示をした実施形態においては、単位体積あたりの比熱が異なる熱輸送媒体の相をそれぞれ形成し、形成された熱輸送媒体の相を熱交換部１に順次導入する場合を例示したがこれに限定されるわけではない。
例えば、切換弁などを用いて、熱交換部１に導入される熱輸送媒体を切り替えることで、単位体積あたりの比熱が異なる熱輸送媒体が熱交換部１に順次導入されるようにしても良い。
すなわち、単位体積あたりの比熱が異なる熱輸送媒体が熱交換部１に順次導入されるようにすれば良い。

[実施例]
次に、本実施の形態に係る磁気冷凍システムの効果を検討するために行った比較例に係るＡＭＲ式磁気冷凍システムとの比較について説明する。

（実施例１）
図７は、本実施の形態に係る磁気冷凍システムの熱交換部１を例示するための模式断面図である。なお、図７（ａ）は磁場が印加された場合を表し、図７（ｂ）は印加された磁場が除去された場合を表している。
図７に例示をする熱交換部１の領域１４は、Ｇｄ（ガドリニウム）板から形成されている。Ｇｄ板の重量は１００ｇ、ｚ方向厚みは３ｍｍ、ｘ方向長さは１１５ｍｍとした。領域１２、領域１３は、前記Ｇｄ板上に、ｚ方向深さ３ｍｍ、ｙ方向幅２ｍｍ、ｘ方向長さ１１５ｍｍの直線状の流路を各々形成した。そして、領域１２と配管６、領域１３と配管７にはそれぞれ水の相と空気の相を交互に形成した。また、水の相と空気の相との体積比率が等しくなるようにした。それぞれの相一つあたりの占有体積は、前記流路体積と同じになるようにした。

まず、図７（ａ）に示すように領域１２に水の相が位置するようにし、領域１３に空気の相が位置するようにした。その後、熱交換部１に磁場を印加することで磁気熱量効果材料（Ｇｄ（ガドリニウム））を発熱させた。
次に、図７（ｂ）に示すように領域１２から水の相を排出し、領域１２に空気の相が位置するようにした。また、領域１３から空気の相を排出し、領域１３に水の相が位置するようにした。その後、熱交換部１に印加されていた磁場を除去することで磁気熱量効果材料に吸熱させた。

以上の過程を１サイクルとし、１サイクル中に領域１２を流れた空気と水の温度Ｔ_Ｈを領域１２内の空気、水と接する熱電対で測定した。その際の温度変化、水の相の重量、空気の相の重量から吸熱量を求め、熱輸送効率を測定した。

この場合、熱輸送効率は、式（１）で定義した。

熱輸送効率＝（領域１２における水の吸熱量+空気の吸熱量）/１サイクル中の磁場印加時におけるＧｄ（ガドリニウム）１００ｇの理論発熱量・・・（１）

ここで、水の吸熱量は、水の比熱（４．２ｋＪ／ｋｇ／ｋ）×水の密度（１０００ｋｇ／ｍ^３）×領域１２の体積（ｍ^３）×水の最大温度上昇量（ΔＴ_Ｈ２Ｏ）、空気の吸熱量は、空気の比熱（１ｋＪ／ｋｇ／ｋ）×空気の密度（１．２９ｋｇ／ｍ^３）×領域１２の体積（ｍ^３）×空気の温度上昇量（ΔＴ_ａｉｒ）である。また、１サイクル中の磁場印加時におけるＧｄ１００ｇの理論発熱量（ＱＧｄ）は、ＱＧｄ＝Ｔ（２９８ｋ）×磁気エントロピー変化（ΔＳ：２．５ｋＪ／ｋｇ／ｋ）×０．１（ｋｇ−Ｇｄ）より求めた。

（比較例１）
図８は、比較例に係るＡＭＲ式磁気冷凍システムの熱交換部５１を例示するための模式断面図である。
まず、磁気熱量効果を有する直径１ｍｍのＧｄ（ガドリニウム）粒子１００ｇを、内径１５ｍｍ、長さ１１５ｍｍの円筒容器５２に充填率６０％で充填し、端部には金属メッシュから成る仕切り板５３を設けた。そして、熱交換部５１内部の残りの空間に水を満し、熱交換部５１を作成した。

熱交換部５１に対し、実施例１と同じ強度の磁場を印加することでＧｄ（ガドリニウム）粒子を発熱させた。
その後、Ｘ軸方向に＋１ｃｍ仕切り板５３を移動させることで、水を移動させた。移動速度は、０．４ｃｍ/ｓとした。
次に、印加された磁場を除去し、除去後、Ｘ軸方向に−１ｃｍ仕切り板５３を移動させることで、水を移動させた。移動速度は、０．４ｃｍ/ｓとした。

以上の過程を１サイクルとし、１サイクル中における水の温度の経時変化を水中に配置した熱電対で測定した。そして、その温度変化と水の重量から発熱時の熱輸送効率を測定した。

この場合、熱輸送効率の算出には、以下の式（２）を用いた。

熱輸送効率＝水の吸熱量／１サイクル中の磁場印加時におけるＧｄ１００ｇの理論発熱量・・・（２）

ここで、水の吸熱量は、水の比熱（４．２ｋＪ／ｋｇ／ｋ）×水の密度（１０００ｋｇ／ｍ^３）×円筒容器５２中への水の充填体積（ｍ^３）×水の最大温度上昇量（ΔＴ_Ｈ２Ｏ）である。また、１サイクル中の磁場印加時におけるＧｄ１００ｇの理論発熱量（ＱＧｄ）は、ＱＧｄ＝Ｔ（２９８ｋ）×磁気エントロピー変化（ΔＳ：２．５ｋＪ／ｋｇ／ｋ）×０．１（ｋｇ−Ｇｄ）より求めた。

図９は、実施例１における熱輸送効率と、比較例１における熱輸送効率との比較を示すグラフ図である。
なお、温度の測定においては、水の初期温度、空気の初期温度を環境温度と等しい２５℃とした。
図９に示すように、実施例１における熱輸送効率は５０％、比較例１における熱輸送効率は2.6％となった。すなわち、比較例１に比べて実施例１の方が格段に高い熱輸送効率を得られることが確認された。

以上説明した実施形態によれば、熱交換効率の向上を図ることができる磁気冷凍システムを実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、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、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、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及びそれと等価とみなされるものの範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

例えば、磁気冷凍システム１００、磁気冷凍システム１０１、磁気冷凍システム１００ａ、磁気冷凍システム１００ｂなどが備える各要素の形状、寸法、材質、配置などは、例示をしたものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

１熱交換部
２磁場発生部
３磁場移動部
４高温側熱交換部
５低温側熱交換部
６配管
７配管
８熱輸送媒体
９熱輸送媒体
１０輸送部
１１輸送部
１２領域
１３領域
１４領域
１６高温側排出部
１７低温側排出部
１８導入部
２４制御部
２４ａ制御部
２４ｂ制御部
３４制御部
８０ａ熱輸送媒体
８０ｂ熱輸送媒体
９０ａ熱輸送媒体
９０ｂ熱輸送媒体
１００磁気冷凍システム
１００ａ磁気冷凍システム
１００ｂ磁気冷凍システム
１０１磁気冷凍システム

Claims

磁気熱量効果材料を含む第１の熱交換部と、
前記第１の熱交換部に対する磁場を変化させる磁場変化部と、
第１の熱輸送媒体と、
前記第１の熱輸送媒体とは分離され、単位体積あたりの比熱が異なる第２の熱輸送媒体と、
前記第１の熱輸送媒体と、前記第２の熱輸送媒体と、を前記第１の熱交換部に順次導入する輸送部と、
を備え、
前記第１の熱輸送媒体は配管で形成される流路を循環し、前記第２の熱輸送媒体は前記第１の熱輸送媒体とは分離されて前記流路を循環し、
前記磁場変化部は、前記輸送部により前記第１の熱交換部に前記第１の熱輸送媒体が導入された場合に、前記第１の熱交換部に磁場を印加し、前記輸送部により前記第１の熱交換部に前記第２の熱輸送媒体が導入された場合に、前記第１の熱交換部に対して前記磁場の印加を除去することを特徴とする磁気冷凍システム。
前記輸送部は、前記第２の熱輸送媒体よりも単位体積あたりの比熱が高い前記第１の熱輸送媒体を前記第１の熱交換部に導入し、
前記磁場変化部は、前記第１の熱交換部に対して磁場を印加することにより、前記熱交換部が発熱することを特徴とする請求項１記載の磁気冷凍システム。
前記輸送部は、前記第２の熱輸送媒体よりも単位体積あたりの比熱が高い前記第１の熱輸送媒体を前記第１の熱交換部に導入し、
前記磁場変化部は、前記第１の熱交換部に対して磁場の印加を除去することにより、前記熱交換部が吸熱することを特徴とする請求項１記載の磁気冷凍システム。
前記第１の熱交換部は、熱輸送媒体を流通させる第１の領域と、第２の領域と、を有し、
前記第１の領域に前記第１の熱輸送媒体が導入される場合には、前記第２の領域に前記第２の熱輸送媒体が導入され、
前記第１の領域に前記第２の熱輸送媒体が導入される場合には、前記第２の領域に前記第１の熱輸送媒体が導入されることを特徴とする請求項１記載の磁気冷凍システム。
前記第１の熱輸送媒体と前記第２の熱輸送媒体は、いずれか一方が液体であり、他方が気体であることを特徴とする請求項１記載の磁気冷凍システム。
前記第１の熱交換部から流出した前記第１の熱輸送媒体と、熱交換先との間における熱交換を行う第２の熱交換部と、
前記第２の熱交換部の流入側において前記第２の熱輸送媒体を排出する排出部と、
前記第２の熱交換部の流出側において前記第２の熱輸送媒体を導入する導入部と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の磁気冷凍システム。