JP5772194B2 - 熱的異方性を備えた熱伝導部材及びそれを用いた磁気冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、熱的異方性を備えた熱伝導部材及びそれを用いた磁気冷凍機に係り、特に、磁性体間で効率的に熱を伝導させることができる熱的異方性を備えた熱伝導部材及びそれを用いた磁気冷凍機に関する。

従来用いられている室温域の冷凍機、例えば、冷蔵庫、冷凍庫、エアコンなどの冷凍機の大半は、フロンガスや代替フロンガスなどの気体冷媒の熱伝導を利用している。最近では、フロンガスの排出に伴うオゾン層破壊の問題が露呈し、さらに、代替フロンガスの排出に伴う地球温暖化への影響も懸念されている。このため、フロンガスや代替フロンガスなどの気体冷媒を用いた冷凍機に代わる、クリーンでかつ熱輸送能力の高い、革新的な冷凍機の開発が強く望まれている。

このような背景から、最近になって注目されるようになった冷凍技術が磁気冷凍技術である。磁性体の中には、その磁性体に印加する磁界の大きさが変化すると、その変化に応じて自身の温度を変化させる、いわゆる磁気熱量効果を発現するものがある。この磁気熱量効果を発現する磁性体を利用して熱を輸送する冷凍技術が磁気冷凍技術である。

磁気冷凍技術を応用したものとしては、例えば、下記特許文献１に記載されているような、固体物質の熱伝導を利用して熱を輸送する磁気冷凍機がある。この磁気冷凍機は以下のような構成によって熱を伝導させる。

磁気を印加すると温度が上昇する正の磁性体と、磁気を印加すると温度が下降する負の磁性体とを、所定の間隔で交互に複数一方向に並べて配置する。正負一対の磁性体で１つの磁性体ブロックを形成する。一方向に並ぶ複数の磁性体ブロックを環状に複数配置して磁性体ユニットを形成する。この磁性体ユニットと同心で内径と外径が略等しいハブ状の回転体に永久磁石を配置して磁気回路を形成する。正負の磁性体の間を挿脱する熱伝導部材を正負の磁性体の間で摺動自在となるように配置する。永久磁石が配置されている回転体を磁性体ユニットと対向するように配置して磁性体ユニットに対し相対的に回転させる。正負の磁性体の間で挿脱される熱伝導部材を磁性体ユニットに対し相対的に回転させる。この回転体の回転によって正負の磁性体に同時に磁気が印加されまた除去される。また、熱伝導部材が回転方向に並ぶ正負の磁性体の間で挿脱される。磁気熱量効果により磁性体が発生する熱を磁性体が配置される一方向に熱伝導部材を介して輸送する。

特開２００７−１４７２０９号公報

しかしながら、引用文献１の発明の場合、熱伝導部材が回転方向に隣り合う磁性体にまたがった位置にあるときには、磁性体が配置される一方向に向かって熱が輸送されるだけではなく、回転方向に隣り合う磁性体側にも熱が輸送されてしまう。したがって、回転方向に隣り合う磁性体に輸送される熱は損失となり、磁気冷凍機の熱輸送能力及び熱輸送効率の低下を招く。

本発明は、上記の問題を解決するために成されたものであり、熱輸送能力及び熱輸送効率を向上することができる、熱的異方性を備えた熱伝導部材及びそれを用いた磁気冷凍機の提供を目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る熱的異方性を備えた熱伝導部材は、磁気熱量効果を発現する少なくとも１対の磁性体の間に挿脱して熱を伝導させる。熱伝導部材を構成する基材の熱伝導率は、少なくとも１対の磁性体が並ぶ一方向の熱伝導率に比較して、前記少なくとも１対の磁性体が並ぶ一方向と交差する方向の熱伝導率を小さくしてある。したがって、熱伝導部材は、熱の伝導方向によって熱伝導率が異なる、熱的異方性を備えている。

上記目的を達成するための本発明に係る磁気冷凍機は、磁性体配置板、低温側熱交換部、高温側熱交換部、磁気印加部及び熱伝導部材を有する。

磁性体配置板には間隔を設けて複数の磁性体が配置される。低温側熱交換部は磁性体配置板の一端に位置する磁性体と間隔を設けて隣り合っている。高温側熱交換部は磁性体配置板の他端に位置する磁性体と間隔を設けて隣り合っている。磁気印加部は磁性体配置板の各磁性体に対して磁気を印加する。熱伝導部材は磁性体配置板の複数の磁性体間、磁性体配置板の一端に位置する磁性体と低温側熱交換部との間、磁性体配置板の他端に位置する磁性体と高温側熱交換部との間で挿脱されて熱を伝導させる。熱伝導部材の熱伝導率は、磁性体が並ぶ一方向の熱伝導率に比較して、前記磁性体が並ぶ一方向と交差する方向の熱伝導率を小さくしており、熱的異方性を備えている。

以上のように構成された本発明によれば、熱伝導部材は、少なくとも１対の磁性体が並ぶ一方向に向けてほとんどの熱を伝達させることができるため、熱輸送能力及び熱輸送効率を向上させることができ、磁気冷凍機の小型化、軽量化、低コスト化が実現できる。

本発明に適用する磁気冷凍の原理図である。 本発明の磁気冷凍の効果を示すグラフである。 図１の原理図において熱が移動していく様子を説明するための図である。 磁性体板の構成図である。 磁気回路板の構成図である。 本実施形態に係る熱的異方性を備えた熱伝導部材の必要性を説明するための図である。 本実施形態に係る熱的異方性を備えた熱伝導部材の必要性を説明するための図である。 本実施形態に係る熱的異方性を備えた熱伝導部材の断面図である。 本実施形態に係る熱的異方性を備えた熱伝導部材の効果を説明するための図である。 繊維状の材料によって形成した基材の拡大図である。 熱伝導率の異なる複数の熱伝導材料を積層して形成した基材の拡大図である。 熱伝導率の異なる複数の熱伝導材料を配合し配向することによって形成した基材の拡大図である。 基材の形状を示す図である。 基材の磁性体と対峙する面にナノチューブを配列してナノ構造体を形成した熱伝導部材を示す図である。 本実施形態に係る磁気冷凍機の概略構成を示す上面図である。 図１５に示した磁気冷凍機を構成する熱交換部支持盤の上面図である。 図１５に示した磁気冷凍機を構成する磁性体配置板の上面図である。 図１５に示した磁気冷凍機を構成する磁石／熱伝導部配置板の上面図である。 図１５に示した磁気冷凍機の分解断面図である。 本実施形態に係る磁気冷凍機の磁石／熱伝導部配置板を回転させたときに熱が移動していく様子を説明するための模式図である。 本実施形態に係る磁気冷凍機の動作説明に供する図である。 本実施形態に係る磁性体の断面図である。 本実施形態に係る磁性体の効果を説明するための図である。 他の実施形態に係る磁気冷凍機の概略構成図である。

まず、本発明の実施形態の説明をする前に、本発明に適用する磁気冷凍の原理を図面に基づいて詳細に説明する。

（磁気冷凍の原理）
図１は、本発明に適用する磁気冷凍の原理図である。磁性体１０Ａ−１０Ｆには、発現される磁気熱量効果の種類が同じ同一材料の磁性体として正の磁性体を用いている。磁性体１０Ａ、１０Ｂで磁性体ブロック１００Ａを形成し、磁性体１０Ｃ、１０Ｄで磁性体ブロック１００Ｂを形成し、磁性体１０Ｅ、１０Ｆで磁性体ブロック１００Ｃを形成する。また、磁性体ブロック１００Ａ−１００Ｃで磁性体ユニット２００を形成する。

磁気回路２０Ａ、２０Ｂ、磁気回路２０Ｃ、２０Ｄ、磁気回路２０Ｅ、２０Ｆは、磁性体１０Ａ−１０Ｆの間で往復移動する。つまり、図１Ａの状態から、磁気回路２０Ａ、２０Ｂが磁性体１０Ａから１０Ｂに、磁気回路２０Ｃ、２０Ｄが磁性体１０Ｃから１０Ｄに、磁気回路２０Ｅ、２０Ｆが磁性体１０Ｅから１０Ｆに、一斉に移動して、図１Ｂの状態になる。次に、図１Ｂの状態から、磁気回路２０Ａ、２０Ｂが磁性体１０Ｂから１０Ａに、磁気回路２０Ｃ、２０Ｄが磁性体１０Ｄから１０Ｃに、磁気回路２０Ｅ、２０Ｆが磁性体１０Ｆから１０Ｅに、一斉に移動して、磁気回路と磁性体の位置関係が図１の状態に戻る。したがって、磁気回路が往復移動すると、図１Ａと図１Ｂの状態が交互に繰り返される。

ここで、同一材料から成る複数の磁性体１０Ａ−１０Ｆには、磁気回路２０Ａ、２０Ｂ−磁気回路２０Ｅ、２０Ｆで磁気を印加すると発熱し除去すると吸熱する正の磁性体を用いるか、磁気回路２０Ａ、２０Ｂ−磁気回路２０Ｅ、２０Ｆで磁気を印加すると吸熱し除去すると発熱する負の磁性体のいずれか一方のみを用いる。正の磁性体と負の磁性体とでは、発現される磁気熱量効果が正反対であり、磁気熱量効果の種類が異なる。図１の場合、負の磁性体に比較して安価な正の磁性体を用いる。負の磁性体は希少な磁性材料から製造しなければならないのでコスト高になるし、負の磁性体の磁気熱量効果の大きさが正の磁性体の磁気熱量効果の大きさよりも小さいからである。

磁気回路２０Ａ、２０Ｂ−２０Ｅ、２０Ｆには永久磁石（図示せず）が備えられている。磁気回路２０Ａ、２０Ｂ、磁気回路２０Ｃ、２０Ｄ、磁気回路２０Ｅ、２０Ｆそれぞれが一体となって、図示左右方向に往復移動することで、磁性体１０Ａ−１０Ｆに個別に磁気を印加する。

熱伝導部材３０Ａ−３０Ｇは、磁性体１０Ａ−１０Ｆが磁気熱量効果により発生した熱を低温側熱交換部４０Ａから高温側熱交換部４０Ｂに向けて伝導する。熱伝導部材３０Ａ−３０Ｇは、熱的異方性を有し、磁性体１０Ａ−１０Ｆが並ぶ一方向に向けて効率的に熱を伝達させることができる。熱伝導部材３０Ａは、低温側熱交換部４０Ａとこれと隣り合う磁性体１０Ａとの間で挿脱されて両者を機械的に接続する。熱伝導部材３０Ｂは、磁性体１０Ａと１０Ｂとの間で挿脱されて両者を機械的に接続する。同様に、熱伝導部材３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅ、３０Ｆは、磁性体１０Ｂと１０Ｃとの間、磁性体１０Ｃと１０Ｄとの間、磁性体１０Ｄと１０Ｅとの間、磁性体１０Ｅと１０Ｆとの間で挿脱されて両者を機械的に接続する。熱伝導部材３０Ｇは、磁性体１０Ｆと高温側熱交換部４０Ｂとの間で挿脱されて両者を機械的に接続する。熱伝導部材３０Ｂ、３０Ｄ、３０Ｆは、同じタイミングで、磁性体１０Ａと１０Ｂとの間、磁性体１０Ｃと１０Ｄとの間、磁性体１０Ｅと１０Ｆとの間で挿脱されて両者を機械的に接続する。また、熱伝導部材３０Ａ、３０Ｃ、３０Ｅ、３０Ｇも、同じタイミングで、低温側熱交換部４０Ａと磁性体１０Ａとの間、磁性体１０Ｂと１０Ｃとの間、磁性体１０Ｄと１０Ｅとの間、磁性体１０Ｆと高温側熱交換部４０Ｂとの間で挿脱されて両者を機械的に接続する。熱伝導部材３０Ｂ、３０Ｄ、３０Ｆと熱伝導部材３０Ａ、３０Ｃ、３０Ｅ、３０Ｇは交互に挿脱が繰り返される。

図１Ａに示すように、磁気回路２０Ａ、２０Ｂが磁性体ブロック１００Ａの磁性体１０Ａに、磁気回路２０Ｃ、２０Ｄが磁性体ブロック１００Ｂの磁性体１０Ｃに、磁気回路２０Ｅ、２０Ｆが磁性体ブロック１００Ｃの磁性体１０Ｅに、それぞれ位置する。このときには、磁性体１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｅに対して磁気が印加され、磁性体１０Ｂ、１０Ｄ、１０Ｆには磁気が印加されておらず磁気が除去されている。したがって、磁性体１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｅは発熱する。そして同時に、熱伝導部材３０Ｂが磁性体１０Ａと１０Ｂとの間に、熱伝導部材３０Ｄが磁性体１０Ｃと１０Ｄとの間に、熱伝導部材３０Ｆが磁性体１０Ｅと１０Ｆとの間に、それぞれ挿入される。したがって、各磁性体ブロック内の隣り合う磁性体間で熱が伝導される。すなわち、磁性体１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｅが磁気熱量効果により発生した熱を磁性体１０Ｂ、１０Ｄ、１０Ｆにそれぞれ移動する。また、このときには、熱伝導部材３０Ａと３０Ｇは低温側熱交換部４０Ａと磁性体１０Ａとの間及び高温側熱交換部４０Ｂと磁性体１０Ｆとの間には挿入されない。また、磁性体ブロック間の熱伝導を行う熱伝導部材３０Ｃ、３０Ｅも磁性体１０Ｂ、１０Ｃとの間及び磁性体１０Ｄ、１０Ｅとの間には挿入されない。

次に、図１Ｂに示すように、磁気回路２０Ａ、２０Ｂが磁性体ブロック１００Ａの磁性体１０Ｂに、磁気回路２０Ｃ、２０Ｄが磁性体ブロック１００Ｂの磁性体１０Ｄに、磁気回路２０Ｅ、２０Ｆが磁性体ブロック１００Ｃの磁性体１０Ｆに、それぞれ位置する。このときには、磁性体１０Ｂ、１０Ｄ、１０Ｆに対して磁気が印加され、磁性体１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｅには磁気が印加されておらず磁気が除去されている。したがって、磁性体１０Ｂ、１０Ｄ、１０Ｆは発熱する。また、熱伝導部材３０Ａが低温側熱交換部４０Ａと磁性体１０Ａとの間に、熱伝導部材３０Ｃが磁性体１０Ｂと１０Ｃとの間に、熱伝導部材３０Ｅが磁性体１０Ｄと１０Ｅとの間に、熱伝導部材３０Ｇが磁性体１０Ｆと高温側熱交換部４０Ｂとの間に、それぞれ挿入される。このときには、低温側熱交換部４０Ａ、高温側熱交換部４０Ｂと磁性体ユニット２００の両端に位置する磁性体１０Ａ、１０Ｆとの間、及び、隣り合う磁性体ブロックの隣り合う磁性体との間で熱が伝導される。すなわち、磁性体１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｅが磁気熱量効果により吸熱され、磁性体１０Ｂ、１０Ｄ、１０Ｆが磁気熱量効果により発熱する。したがって、低温側熱交換部４０Ａから磁性体１０Ａに、磁性体１０Ｂから磁性体１０Ｃに、磁性体１０Ｄから磁性体１０Ｅに、磁性体１０Ｆから高温側熱交換部４０Ｂに熱が移動する。また、このときには、磁性体ブロック内の熱伝導を行う熱伝導部材３０Ｂ、３０Ｄ、３０Ｆは磁性体１０Ａ、１０Ｂとの間、磁性体１０Ｃ、１０Ｄとの間、磁性体１０Ｅ、１０Ｆとの間には挿入されない。

以上のように、各磁性体ブロック１００Ａ−１００Ｃに対応させて設けた磁気回路を図示左右方向に連動して往復移動させることによって、各磁性体ブロック１００Ａ−１００Ｃの両端に位置する磁性体は交互に磁気の印加と除去を繰り返す。さらに、磁気回路の移動に連動させて、熱伝導部材３０Ａ−３０Ｇの低温側熱交換部４０Ａ、磁性体１０Ａ−１０Ｆ、高温側熱交換部４０Ｂそれぞれの間への挿脱を繰り返す。このことによって、磁気熱量効果により得られた熱が低温側熱交換部４０Ａから高温側熱交換部４０Ｂに移動する。

図２は、本発明の磁気冷凍の効果を示すグラフである。このグラフに示すように、磁気冷凍機が動作を開始した後の比較的初期時には、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間の温度差は小さい。時間が経過するにしたがって低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間の温度差が次第に大きくなっていき、最終的には、長時間経過後の直線で示すように、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間の温度差が最大になる。この状態で、低温側熱交換部４０Ａの熱を利用して、たとえば室内の温度を下げることができ、高温側熱交換部４０Ｂの熱を利用して、たとえば室内の温度を上げることができる。

次に、図１のように、各磁性体ブロックに対応して設けた磁気回路を図示左右方向に連動して往復移動させたときに熱が移動していく様子を図３の模式図に基づいて説明する。

まず前提として、磁性体ユニット２００を形成する全ての磁性体は同一材料で形成されており、全ての磁性体の磁気熱量効果が同一の種類であって、温度変化量が５℃のものを用いた場合を想定する。具体的には、全ての磁性体は、磁気を印加されると５℃温度が上昇し、磁気が除去されると５℃温度が下降する特性を持っていると想定する。

まず、図３の（１）に示すように、初期の状態では全ての磁性体が室温の２０℃になっている。

次に、図３の（２）に示すように、この状態で磁気回路を右側に移動させ、各磁性体ブロックの１００Ａ−１００Ｃの一端に位置する磁性体から磁気を除去し、他端に位置する磁性体に磁気を印加する。これと同時に、隣り合う磁性体ブロック１００Ａ−１００Ｃの隣り合う磁性体との間、磁性体ユニット２００の一端に位置する磁性体と低温側熱交換部４０Ａとの間及び磁性体ユニット２００の他端に位置する磁性体と高温側熱交換部４０Ｂとの間の熱伝導が可能となるように熱伝導部材を挿入する。

図３の（２）の状態では、磁気が除去された磁性体の温度が１５℃に低下し、磁気が印加された磁性体の温度が２５℃に上昇する。このため、図に示すように、熱伝導部材を介して温度の高い方から温度の低いほうに熱が移動する。

この熱の移動によって、図３の（２）´に示すように、磁性体ユニット２００の一端に位置する磁性体と低温側熱交換部４０Ａの温度が１８℃になり、磁性体ユニット２００の他端に位置する磁性体と高温側熱交換部４０Ｂの温度が２２℃になる。

次に、図３の（３）に示すように、この状態で磁気回路を左側に移動させ、各磁性体ブロック１００Ａ−１００Ｃの他端に位置する磁性体から磁気を除去し、一端に位置する磁性体に磁気を印加する。これと同時に、各磁性体ブロック内１００Ａ−１００Ｃの隣り合う磁性体との間の熱伝導が可能となるように熱伝導部材を挿入する。

図３の（３）の状態では、磁気が印加された磁性体の温度が図３の（２）´の状態の温度から５℃上昇し、磁気が除去された磁性体の温度が図３の（２）´の状態の温度から５℃低下する。このため、図に示すように、各磁性体ブロック内１００Ａ−１００Ｃで熱伝導部材を介して温度の高い方から温度の低いほうに熱が移動する。

この熱の移動によって、図３の（３）´に示すように、低温側熱交換部４０Ａの温度が１８℃になり、磁性体ブロック１００Ａの磁性体の温度が１９℃になる。また、磁性体ブロック１００Ｂの磁性体の温度が２０℃になり、磁性体ブロック１００Ｃの磁性体の温度が２１℃になる。そして、高温側熱交換部４０Ｂの温度が２２℃になる。

以上のように、磁気回路を磁性体に沿って左右に往復移動させ、磁気回路の移動に同期させて熱伝導部材の挿脱を行うことによって、低温側熱交換部４０Ａから高温側熱交換部４０Ｂに熱が移動していく。時間が経過するにしたがって低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間の温度差が大きくなっていく。最終的には、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間の温度差が一定になる。この状態で、低温側熱交換部４０Ａの熱を利用して、たとえば室内の温度を下げることができ、高温側熱交換部４０Ｂの熱を利用して、たとえば室内の温度を上げることができる。

なお、図１及び図３の説明は、発現される磁気熱量効果の種類が同じ同一材料の磁性体として正の磁性体を用いた場合に当てはまる。発現される磁気熱量効果の種類が同じ同一材料の磁性体として負の磁性体を用いた場合には、熱の移動方向は図３に示した方向とは逆になる。したがって、負の磁性体を用いた場合低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂの位置が図１及び図３とは逆になる。

以上が、本発明に適用する磁気冷凍の原理である。以上では、２つの磁性体で磁性体ブロックを形成し、この磁性体ブロックをさらに３つ一列に配列して磁性体ユニットを形成する形態について述べた。

しかし、本発明は、この形態には限られず、さらに多くの磁性体を一列に配列して磁性体ブロックを形成し、さらに多くの磁性体ブロックを一列に配列して磁性体ユニットを形成する形態にも適用できる。この形態の場合にも、磁性体ブロックごとに磁気回路を設けるのは、上記の形態の場合と同一である。

また、以上のように多くの磁性体を一列に配列した磁性体ユニットを、磁性体の配列方向に対して直交方向に複数配列したり、環状に複数配列したりして、磁性体板を形成する形態にも適用できる。

この形態の場合には、図４に示すように、磁性体板１５の磁性体１０Ａａ−１０Ａｆ、１０Ｂａ−１０Ｂｆ、１０Ｃａ−１０Ｃｆに対して、図５に示すように、磁気回路板２５に、磁気回路２０Ａａ−２０Ａｅ、２０Ｂｂ−２０Ｂｆ、２０Ｃａ−２０Ｃｅを市松模様のように飛び飛びに設ける。その磁気回路２０Ａａ−２０Ａｅ、２０Ｂｂ−２０Ｂｆ、２０Ｃａ−２０Ｃｅに熱伝導部材３０Ａｂ−３０Ａｆ、３０Ｂａ−３０Ｂｇを取り付ける。磁性体板１５に磁気回路板２５を対向させ、磁性体板１５に対して磁性体ユニットの並び方向（図４の矢印方向）に磁気回路板２５を相対的に移動する。磁性体に正の磁性体を用いたときには、磁気回路板の移動により磁気回路が位置する磁性体が磁気熱量効果によって発熱する。また、熱伝導部材が、磁気回路板２５の移動に伴って、磁性体板１５の磁性体と磁性体との間に挿入される。したがって、磁気回路板の移動により複数の磁性体ユニットで得られた熱が低温側熱交換部４０Ａから高温側熱交換部４０Ｂに移動する。なお、磁性体の磁気熱量効果によって低温側熱交換部４０Ａから高温側熱交換部４０Ｂに熱が伝達される原理は、各磁性体ユニット内においては、図３に示したものと同一である。

本実施形態に係る熱的異方性を備えた熱伝導部材は、上記のように、磁気回路板２５を磁性体板１５に対して磁性体ユニットの並び方向に相対的に移動する形態において、磁性体ユニット内において効率的に熱を伝導させるものである。

（熱伝導部材に熱的異方性を持たせる必要性）
図６及び図７は、本実施形態に係る熱的異方性を備えた熱伝導部材の必要性を説明するための図である。

磁性体板１５に対して磁性体ユニットの並び方向に磁気回路板２５を相対的に移動する（図６の矢印方向）。磁気回路板２５を移動させたときに、磁気回路２０Ａａ、２０Ａｃ、２０Ａｅ（図５参照）が磁性体１０Ａａ、１０Ａｃ、１０Ａｅに対向する位置にあり、熱伝導部材３０Ａｂ、３０Ａｄ、３０Ａｆが磁性体１０Ａａ―１０Ａｂ、磁性体１０Ａｃ―１０Ａｄ、磁性体１０Ａｅ―１０Ａｆ間にある。また、磁気回路２０Ｂｂ、２０Ｂｄ、２０Ｂｆ（図５参照）が磁性体１０Ｂｂ、１０Ｂｄ、１０Ｂｆに対向する位置にあり、熱伝導部材３０Ｂａが低温側熱交換部４０Ａ―磁性体１０Ｂａ間、熱伝導部材３０Ｂｃ、３０Ｂｅが磁性体１０Ｂｂ―１０Ｂｃ、磁性体１０Ｂｄ―１０Ｂｅ間、熱伝導部材３０Ｂｇが磁性体１０Ｂｆ―高温側熱交換部４０Ｂ間にある。

このとき、磁性体１０Ａａを含む磁性体ユニットでは図１Ａの状態にあり、磁性体１０Ｂａを含む磁性体ユニットでは図１Ｂの状態にある。次に、磁気回路板２５を磁気回路1つ分磁性体ユニットの並び方向に移動させると、今度は、磁性体１０Ａａを含む磁性体ユニットが図１Ｂの状態になり、磁性体１０Ｂａを含む磁性体ユニットが図１Ａの状態になる。磁気回路板２５を磁気回路1つ分磁性体ユニットの並び方向に移動させる度に、各磁気ユニット内において図１Ａの状態と図１Ｂの状態が繰り返される。したがって、磁気回路板２５を磁性体板１５に対して相対的に移動させることで、図３で説明した原理によって、低温側熱交換部４０Ａから高温側熱交換部４０Ｂに熱が伝達される。

ところが、図７に示すように、磁気回路板２５を磁性体板１５に対して相対的に移動させるときに、熱伝導部材が、隣り合う磁性体ユニットの磁性体にまたがって位置される瞬間がある。

図７に示すように、磁気回路板２５を移動させたときに、熱伝導部材３０Ａｂ、３０Ａｄ、３０Ａｆが磁性体１０Ａａ―１０Ａｂ、磁性体１０Ａｃ―１０Ａｄ、磁性体１０Ａｅ―１０Ａｆ間だけではなく、磁性体１０Ｂａ―１０Ｂｂ、磁性体１０Ｂｃ―１０Ｂｄ、磁性体１０Ｂｅ―１０Ｂｆ間にも位置されるときがある。

また、熱伝導部材３０Ｂａが低温側熱交換部４０Ａ―磁性体１０Ｂａ間、熱伝導部材３０Ｂｃ、３０Ｂｅが磁性体１０Ｂｂ―１０Ｂｃ、磁性体１０Ｂｄ―１０Ｂｅ間、熱伝導部材３０Ｂｇが磁性体１０Ｂｆ―高温側熱交換部４０Ｂ間だけではなく、磁性体１０Ｃａ間、磁性体１０Ｃｂ―１０Ｃｃ、磁性体１０Ｃｄ―１０Ｃｅ間、磁性体１０Ｃｆ―高温側熱交換部４０Ｂ間にも位置されるときがある。

熱伝導部材３０Ａｂ−３０Ｂｇは、熱伝達が効率的に行なえるように熱伝導率が大きな材料で構成される。したがって、図７に示すように、熱伝導部材３０Ａｂ−３０Ｂｇが隣り合う磁性体ユニットの磁性体にまたがって位置されると、本来は1つの磁性体ユニット間でのみ熱を伝達させたいのに、隣の磁性体ユニットに熱が漏れてしまう。これでは、熱輸送能力及び熱輸送効率の低下を招く。本実施形態に係る熱的異方性を備えた熱伝導部材はこの問題を熱伝達率に異方性を付与することによって解決する。

（熱伝導部材の構成）
本実施形態に係る熱的異方性を備えた熱伝導部材は、磁気熱量効果を発現する磁性体を通じて熱を伝導させる熱伝導部材であり、熱伝導部材を構成する基材の熱伝導率は、磁性体が並ぶ一方向の熱伝導率に比較して、磁性体が並ぶ当該一方向と交差する方向の熱伝導率を小さくしてある。

図８は本実施形態に係る熱的異方性を備えた熱伝導部材の断面図である。この図において、熱伝導部材３０は、熱伝導部材の核となる基材３２と、基材の表面を覆うナノ構造体３４とで構成される。

熱伝導部材３０構成する基材３２の熱伝導率は、基材３２の幅方向の熱伝導率λｖよりも基材３２の長手方向の熱伝導率λＬが小さくなっている。ここで、基材３２の幅方向とは、図８の左から右に向かう基材３２の厚み方向であり、磁性体ユニットを構成する磁性体が並ぶ方向（一方向）である。さらに具体的には、図６及び図７において、磁性体１０Ａａ-１０Ａｆが並んでいる方向である。また、基材３２の長手方向とは、図８の上から下に向かう基材３２の長さ方向であり、これは磁性体が並ぶ一方向と交差する方向である。さらに具体的には、図６及び図７において、磁性体１０Ａａ-１０Ａｆの磁性体ユニット、磁性体１０Ｂａ-１０Ｂｆの磁性体ユニット、磁性体１０Ｃａ-１０Ｃｆの磁性体ユニットが並んでいる方向である。

基材３２の表面を覆うナノ構造体３４は少なくとも磁性体と対峙する面に設ける。例えば、図６及び図７において、ナノ構造体３４は磁性体１０Ａａと１０Ａｂに対峙する面に設ける。図８に示すように、ナノ構造体３４は、基材３２の幅方向に厚みをつけて基材３２の長さ方向に向けて形成する。ナノ構造体３４を設けることによって、熱伝導部材３０の幅方向の熱伝達率を上げることができる。なお、基材３２にナノ構造体を配列する技術は公知の技術（例えば特表２００９−５３７３３９号公報参照）を用いる。

熱伝導部材３０を以上のような構成とすると、例えば、図７、図９に示すように、熱伝導部材３０Ａｂが磁性体１０Ａａ―１０Ａｂ間と磁性体１０Ｂａ―１０Ｂｂ間に位置されても、磁性体１０Ａａと１０Ａｂと間、磁性体１０Ｂａと１０Ｂｂと間でほとんどの熱の伝達が行われる。一方、磁性体１０Ａａと１０Ｂａとの間、磁性体１０Ａａと１０Ｂｂとの間では、ほとんど熱の伝達が行われない。

これは、熱伝導部材３０の幅方向の熱伝導率λｖが長手方向の熱伝導率λＬよりも圧倒的に大きくなっているからである。したがって、本実施形態の熱伝達部材によれば、低温側熱交換部４０Ａから高温側熱交換部４０Ｂに向かう熱の熱輸送能力及び熱輸送効率の低下を防止することができる。なお、実験によれば、熱伝導部材３０の長手方向の熱伝導率λＬが熱伝導部材３０の幅方向の熱伝導率λｖの１／１０になると、冷凍能力が２０％向上する。

低温側熱交換部４０Ａから高温側熱交換部４０Ｂに向かう熱の熱輸送能力及び熱輸送効率の低下を防止する効果は、基材３２の表面にナノ構造体３４を形成している熱伝導部材３０を用いることによって、一層大きくすることができる。ナノ構造体３４を設けることによって、熱伝導部材３０の幅方向の熱伝達率が上がるからである。

（基材の構成）
熱伝導部材３０を構成する基材３２は、熱的異方性を持たせるために、次のような構成とする。

図１０は繊維状の材料によって形成した基材３２の拡大図である。基材３２は、繊維状の複数の熱伝導材料を、熱伝導材料の断面を磁性体の並び方向に向けて、磁性体の並び方向と交差する方向に束ねて形成する。

具体的には、図１０に示すように、基材３２を形成する繊維状の材料として、繊維の長さ方向に熱伝導率が大きい円筒状の繊維３３を用いる。繊維３３の形状は円筒状に限らず四角形、三角形、楕円形などさまざまな形状とすることができる。繊維３３の径方向の熱伝導率は長さ方向の熱伝導率よりも小さい。

この繊維３３を、磁性体と接する面に繊維３３の円形の断面が配置されるようにして、基材３２の厚み方向及び長手方向に束ねる。なお、図示はしていないが、繊維３３の隙間に熱伝導率の小さい材料を埋め込んでも良い。熱伝導率の小さい材料を埋め込むことによって、繊維３３の径方向の熱伝導率を長さ方向の熱伝導率よりもさらに小さくすることができる。

このように繊維３３で基材３２を形成すると基材３２の長手方向の熱伝導率が小さくなる。したがって、図８に示したように、磁性体が並ぶ一方向の熱伝導率λｖは大きく、これ以外の方向の熱伝導率λＬは小さくすることができ、熱伝導部材３０に熱的異方性を持たせることができる。

図１１は熱伝導率の異なる複数の熱伝導材料を積層して形成した基材３２の拡大図である。図１１Ａは基材３２を図６及び図７のように上から見た平面図であり、図１１Ｂは基材３２の斜視図である。

図１１に示すように、基材３２は、熱伝導率の大きな熱伝導材料３４Ａと熱伝導率の小さな熱伝導材料３４Ｂを、磁性体の並び方向と交差する方向に交互に配列し積層して形成する。なお、熱伝導率の大きな熱伝導材料としては銅、アルミニウム、炭化珪素などの金属を用い、熱伝導率の小さな熱伝導材料としてはガラスなどの金属以外の材料を用いる。

熱伝導率の大きな熱伝導材料３４Ａの厚み（基材３２の長手方向の厚み）は熱伝導率の小さな熱伝導材料３４Ｂの厚みよりも大きくする。このようにしないと、基材３２の幅方向の熱伝導率が高くなってしまい、熱的異方性を大きくできないからである。このため、図１１に示すように、熱伝導率の大きな熱伝導材料３４Ａの厚みを伝導率の小さな熱伝導材料３４Ｂの厚みの４倍から１０倍程度とすることが好ましい。

熱伝導材料３４Ａと熱伝導材料３４Ｂの厚みの比率をこのようにすると基材３２の長手方向の熱伝導率が小さくなる。したがって、図８に示したように、磁性体が並ぶ一方向の熱伝導率λｖは大きく、磁性体が並ぶ当該一方向と交差する方向の熱伝導率λＬは小さくすることができ、熱伝導部材３０に熱的異方性を持たせることができる。

図１２は熱伝導率の異なる複数の熱伝導材料を配合し配向することによって形成した基材３２の拡大図である。

図１２に示すように、基材３２は、ポリマーなどの熱伝導率の小さな熱伝導材料３６に、カーボンナノチューブやグラフェンなどの熱伝導率の大きな熱伝導材料３７を配合し、磁性体の並び方向の熱伝導率に比較して、磁性体の並び方向と交差する方向の熱伝導率の方が小さくなるように配向して形成する。具体的には、図１２に示すように、熱伝導率の小さな熱伝導材料３６内にカーボンナノチューブやグラフェンを混入し、カーボンナノチューブやグラフェンの長軸が基材３２の幅方向に向かうように並べる。

カーボンナノチューブやグラフェンの長軸を基材３２の幅方向に向かうように並べると、並べたカーボンナノチューブやグラフェンが相互にネットワークを形成する。このため基材３２の長手方向の熱伝導率が小さくなる。したがって、図８に示したように、磁性体が並ぶ一方向の熱伝導率λｖは大きく、磁性体が並ぶ当該一方向と交差する方向の熱伝導率λＬは小さくすることができ、熱伝導部材３０に熱的異方性を持たせることができる。

図１３は、基材３２の形状を示す図である。以上の実施形態では、矩形状の基材３２を例示して説明した。基材の形状はこの形状以外にも、図１３Ａに示すように矩形の角部が面取りされた形状、図１３Ｂに示すように矩形の両端が三角形状に形成された形状、図１３Ｃに示すように矩形の一端が三角形状に形成された形状、図１３Ｄに示すように流線形化された楕円形状など、さまざまな形状とすることができる。

熱伝導部材３０は、磁性体と磁性体との間を移動しながら挿入されることになるので、基材３２の形状を熱伝導部材３０の移動方向に向かって尖った形状とすることで、磁性体と磁性体との間での挿入がスムースに行われるようになり、挿入抵抗を低減させることができる。特に、図１３Ｂ、図１３Ｃ、図１３Ｄに示すような形状を採用することが好ましい。

（ナノ構造体の構成）
図１４は、基材３２の磁性体と対峙する面にナノチューブを配列してナノ構造体を形成した熱伝導部材を示す図である。

図８に示した基材３２の表面を覆うナノ構造体３４は、図１４に示すように基材３２の表面から磁性体が並ぶ一方向に向かって伸びるカーボンナノチューブ３４Ｃを配列することによって形成する。図１４Ａの場合、矩形状の基材３２の厚み方向に向けて、すなわち図１４の左から右に向かう方向であり磁性体ユニットを構成する磁性体が並ぶ方向に向けて、カーボンナノチューブ３４Ｃを成長させ、これを基材３２の長手方向に均一の密度で配列させる。このように、ナノ構造体３４をカーボンナノチューブ３４Ｃで形成することによって、熱伝導部材３０の幅方向の熱伝達率を上げることができる。

図１４Ｂの場合、一端が三角形状となっている矩形状の基材３２の厚み方向に向けてカーボンナノチューブ３３４Ｃを成長させている。カーボンナノチューブ３４Ｃの配列の密度は、基材３２の三角形状となっている部分（先端部分）を他の部分よりも粗くしている。これは、熱伝導部材３０が磁性体と磁性体との間に挿入されるときの挿入抵抗を低減するためである。

図１４Ｃの場合、流線形化された楕円形状の基材３２の厚み方向に向けてカーボンナノチューブ３４Ｃを成長させている。カーボンナノチューブ３４Ｃの配列の密度は、基材３２両端部分を他の部分よりも粗くしている。これは、熱伝導部材３０が磁性体と磁性体との間に挿入されるときの挿入抵抗を低減するためである。この熱伝導部材３０の場合、熱伝導部材３０の両端でカーボンナノチューブ３４Ｃの配列の密度を粗くしてあるので、熱伝導部材３０をその長手方向に沿う両方向の移動に対して挿入抵抗が低減できる。

図１４Ｄの場合、図１４Ｃと同様に、流線形化された楕円形状の基材３２の厚み方向に向けてカーボンナノチューブ３４Ｃを成長させている。カーボンナノチューブ３４Ｃの配列の密度は基材３２の長手方向に均一である。また、カーボンナノチューブ３４Ｃの長さは基材３２の中央部分が短く、基材３２の両端に向かって長くなるようにしてある。

図８に示した基材３２の表面を覆うナノ構造体３４は、繊維状のナノチューブを縦横に絡めたスポンジ構造とすることができる。スポンジ構造は、カーボンナノチューブを多数ランダムに成長させ繊維状に絡めることで形成することができる。このように、ナノ構造体３４をスポンジ構造とすることによって、熱伝導部材３０の幅方向の熱伝達率を上げることができ、同時に、磁性体との接触に対する耐摩耗性を備えさせることができる。したがって、熱伝導部材３０の耐久性を高めることができる。

さらに、スポンジ構造のナノ構造体３４内に熱伝導率の大きな微粒子を含有する潤滑剤を含ませることもできる。熱伝導率の大きな微粒子としてはナノダイアモンド（粉末状のダイアモンド）を例示することができる。ナノダイアモンドを含有する潤滑剤をナノ構造体３４内に含ませると、ナノ構造体３４が磁性体と接触するときに柔軟に変形し磁性体との間の熱の伝達が良好になる。また、ナノダイアモンドを含有しているので、磁性体との摩擦に対し熱伝導部材３０の耐久性を高めることができる。

以上が本実施形態に係る熱的異方性を備えた熱伝導部材の構成である。次に、この熱伝導部材を用いた磁気冷凍機について説明する。

（磁気冷凍機の構成、動作）
図１５は、本実施形態に係る磁気冷凍機の概略構成を示す上面図であり、磁性体、磁気回路を形成する永久磁石及び熱伝導部材の位置関係が理解できるように上面から透視した状態を示した図である。図１６Ａ−図１６Ｃは、図１５に示した磁気冷凍機を構成する、熱交換部支持盤、磁性体配置板、磁石／熱伝導部配置板の上面図である。図１７は、図１５に示した磁気冷凍機の分解断面図である。図１８は、本実施形態に係る磁気冷凍機の磁石／熱伝導部配置板を回転させたときに熱が移動していく様子を説明するための模式図である。図１９は、本実施形態に係る磁気冷凍機の動作説明に供する図である。なお、図１８は発明の理解を容易にするために図１７に示した駆動部の記載を省略した。

本実施形態に係る磁気冷凍機は、図１に示した磁気冷凍と同一の原理を用いる。この原理を用いて磁気冷凍が行えるように、次のように構成してある。

図１５から図１８に示すように、本実施形態に係る磁気冷凍機５００は、円形の熱交換部支持盤６００（特に図１６Ａ参照）、中心部が開口した中空円板状の磁性体配置板７００（特に図１６Ｂ参照）、中心部が開口した中空円板状の磁石／熱伝導部配置板８００（特に図１６Ｃ参照）を有する。熱交換部支持盤６００はその中心部に低温側熱交換部４０Ａを有し、その外周部に高温側熱交換部４０Ｂを有する。磁石／熱伝導部配置板８００は、隙間を設けて配置した、上側の円板８００Ａと下側の円板８００Ｂの２つの円板を有する（特に図１７参照）。磁気冷凍機５００は、熱交換部支持盤６００、磁性体配置板７００、磁石／熱伝導部配置板８００を同心状に配置している（特に図１５、図１７、図１８参照）。磁性体配置板７００は、磁石／熱伝導部配置板８００の上側の円板８００Ａと下側の円板８００Ｂとの間に挿入される（特に図１７、図１８参照）。低温側熱交換部４０Ａは、磁性体配置板７００と磁石／熱伝導部配置板８００の中心部の中空部内に配置される。高温側熱交換部４０Ｂは、磁性体配置板７００と磁石／熱伝導部配置板８００の外周部に配置される（特に図１５、図１７、図１８参照）。なお、本実施形態では、磁性体配置板７００に正の磁性体を配置することを想定しているので、熱交換部支持盤６００には、その中心部に低温側熱交換部４０Ａを配置し、その外周部に高温側熱交換部４０Ｂを配置している。磁性体配置板７００に負の磁性体を配置した場合には、熱交換部支持盤６００の中心部に高温側熱交換部４０Ｂを配置し、その外周部に低温側熱交換部４０Ａを配置する。低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂの配置は、磁性体配置板７００に正負いずれの磁性体を用いるかによって異なる。

図１６Ａに示すように、磁気冷凍機５００の熱交換部支持盤６００の中心部には、磁石／熱伝導部配置板８００の固定軸ともなる円柱状の低温側熱交換部４０Ａが立設してある。また、熱交換部支持盤６００の外周部には、磁性体配置板７００を固定する円筒状の高温側熱交換部４０Ｂが熱交換部支持盤６００の外周に沿って立設してある。

図１６Ｂに示すように、磁性体配置板７００は、その中心部が開口した中空円板であり、その中心部の開口径は円柱状の低温側熱交換部４０Ａの直径よりも若干大きくしてある。また、磁性体配置板７００の直径は円筒状の高温側熱交換部４０Ｂの内周の寸法と同一にしてある。図１７及び図１８に示すように、磁性体配置板７００は高温側熱交換部４０Ｂに固定してある。磁性体配置板７００と高温側熱交換部４０Ｂとの間には、磁性体配置板７００と高温側熱交換部４０Ｂ相互間で熱が移動しないように、図示しない断熱材を介在させることが好ましい。

磁性体配置板７００の片面（円板８００Ａの対向面）には、図１６Ｂに示すように、環状かつ放射状に複数の磁性体を互いに間隔を設けて形成してある。本実施形態では、中心角を３０°として分割した磁性体配置板７００上の領域に、周方向に隣り合わせて、１２個の磁性体ユニット２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、…、２００Ｇ、…、２００Ｌを形成している。それぞれの磁性体ユニット２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、…、２００Ｇ、…、２００Ｌは、磁性体配置板７００の中心部から外周部に向けて６つの磁性体を配置している。例えば、磁性体ユニット２００Ａは、磁性体１０Ａａ、１０Ａｂ、１０Ａｃ、１０Ａｄ、１０Ａｅ、１０Ａｆを、磁性体ユニット２００Ｂは、磁性体１０Ｂａ、１０Ｂｂ、１０Ｂｃ、１０Ｂｄ、１０Ｂｅ、１０Ｂｆをそれぞれ配置する。各磁性体ユニットでは、２つの磁性体が１組になって磁性体ブロックを形成する。例えば、磁性体ユニット２００Ａでは、磁性体１０Ａａ、１０Ａｂで磁性体ブロック１００Ａａを、磁性体１０Ａｃ、１０Ａｄで磁性体ブロック１００Ａｂを、磁性体１０Ａｅ、１０Ａｆで磁性体ブロック１００Ａｃを形成する。また、磁性体ユニット２００Ｂでは、磁性体１０Ｂａ、１０Ｂｂで磁性体ブロック１００Ｂａを、磁性体１０Ｂｃ、１０Ｂｄで磁性体ブロック１００Ｂｂを、磁性体１０Ｂｅ、１０Ｂｆで磁性体ブロック１００Ｂｃを形成する。

したがって、本実施形態の磁性体配置板７００は、磁性体ユニット２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、…、２００Ｇ、…、２００Ｌのそれぞれが３つの磁性体ブロック１００Ａａ−１００Ａｂ−１００Ａｃ、１００Ｂａ−１００Ｂｂ−１００Ｂｃ、…で形成される。また、磁性体ブロック１００Ａａ、１００Ａｂ、１００Ａｃ、１００Ｂａ、１００Ｂｂ、１００Ｂｃ、…のそれぞれは２つの磁性体、１０Ａａ−１０Ａｂ、１０Ａｃ−１０Ａｄ、１０Ａｅ−１０Ａｆ、１０Ｂａ−１０Ｂｂ、１０Ｂｃ−１０Ｂｄ、１０Ｂｅ−１０Ｂｆ、…で形成される。本実施形態の磁性体配置板７００の１つの磁性体ユニット２００Ａに注目すると、磁性体ユニット２００Ａは、６つの磁性体１０Ａａ、１０Ａｂ、１０Ａｃ、１０Ａｄ、１０Ａｅ、１０Ａｆから形成される。これらの磁性体は３つの磁性体ブロック１００Ａａ、１００Ａｂ、１００Ａｃを有する。これらの磁性体ブロックは２つの磁性体１０Ａａ−１０Ａｂ、１０Ａｃ−１０Ａｄ、１０Ａｅ−１０Ａｆの組から形成される。磁性体ユニット２００Ｂから２００Ｌも磁性体ユニット２００Ａと同じように形成される。このため、本実施形態の磁性体配置板７００は、図１Ａに示した磁性体ユニット２００を１２列並列に並べたものと等価な構成となる。

本実施形態では、図２０に示すように、磁性体配置板７００に配置した磁性体１０Ａａ−１０Ｂｆ…の表面にＤＬＣ（ダイアモンドライクカーボン）膜１５を形成する。ＤＬＣ膜１５は、後述する熱伝導部材と対峙する面に設ける。磁性体の全面に設けることもできるが、ＤＬＣ膜１５が磁気抵抗となってしまうので、できるだけ対峙する面のみに形成することが好ましい。熱伝導部材と対峙する面にＤＬＣ膜１５を形成すると、磁性体の表面を保護することができ、熱伝導部材に対する耐摩耗性を向上させることができる。

本実施形態で用いる磁性体１０Ａａ、…は、磁性体配置板７００上に直接形成しても良いが、磁気熱量効果を有効に利用できるようにするためには、磁性体配置板７００は熱抵抗の大きな材料で構成することが望ましい。熱抵抗が小さいと、磁性体１０Ａａ、…で発生した熱が磁性体配置板７００を伝って放熱されてしまうからである。また、熱抵抗を大きくするために、磁性体１０Ａａ、…は、磁性体配置板７００上に直接形成するのではなく、磁性体１０Ａａ、…と磁性体配置板７００との間に熱絶縁性フィルムや熱絶縁層を設けても良い。

また、磁性体１０Ａａ、…は、熱絶縁性フィルムや熱絶縁層を介して磁性体ユニット２００Ａ、…として磁性体配置板７００上で一体的に形成しても良い。また、熱絶縁性フィルムや熱絶縁層を介して磁性体ブロック１００Ａａ、…ごとに分割して形成し、これを磁性体配置板７００上で配列するようにしても良い。

磁性体１０Ａａ、…は、本実施形態では同一材料で形成しており、同一材料として正の磁性体を用いる。正の磁性体は、磁気を印加していないときには常磁性状態（磁気スピンが無秩序の状態）となり、磁気を印加すると強磁性状態（磁気スピンが一方向に揃う状態）となる、常磁性状態と強磁性状態が可逆的に生じる材料を用いて製造する。

正の磁性体の材料としては、ＧｄやＧｄをベースとした合金である、Ｇｄ−Ｙ系、Ｇｄ−Ｄｙ系、Ｇｄ−Ｅｒ系、Ｇｄ−Ｈｏ系、Ｌａ（Ｆｅ，Ｓｉ）１３やＬａ（Ｆｅ，Ａｌ）１３などの磁性材料を用いることができる。

一方、本実施形態では用いていないが、磁性体１０Ａａ、…に同一材料として負の磁性材料を用いることもできる。負の磁気材料は、磁気を印加していないときと磁気を印加したときとでそれぞれが別の秩序状態となる。かつ、負の磁気材料は、磁気を印加していないときの方が磁気を印加したときよりも秩序度が高い状態となる。負の磁気材料は、このような２つの秩序状態の間で、磁気の印加／除去に伴って秩序−秩序転移を生じるような物質を用いる。また、負の磁性体は、磁気を印加していないときには反強磁性状態（隣り合うスピンがそれぞれ反対方向を向いて整列する状態）となり、磁気を印加すると強磁性状態（隣り合うスピンが一方向に揃う状態）となる。負の磁性体は、材料の磁気モーメント自体が大きく変化すると反強磁性状態と強磁性状態が可逆的に生じる材料を用いても製造される。

負の磁性体の材料としては、ＦｅＲｈ合金、ＣｏＭｎＳｉＧｅ系、ＮｉＭｎＳｎ系などの磁性材料を用いることができる。

一般的に、正の磁性体と負の磁性体は、磁気の印加に対して、熱発生が、発熱するか、吸熱するか反対なので、正の磁性体と負の磁性体の磁気熱量効果による温度変化の大きさは相違する。したがって、本実施形態のように、正か負のどちらか一方の磁性体を用いた場合には、全ての磁性体の磁気熱量効果による温度変化の大きさが同一になる。したがって、磁気冷凍機全体として安定した熱伝達特性が得られ熱輸送効率が向上する。また、正の磁性体の磁気熱量効果に比較して負の磁性体の磁気熱量効果の方が小さいので、熱輸送効率を考慮すると、正の磁性体を用いて磁性体配置板７００を構成することが好ましい。さらに、負の磁性体の材料は正の磁性体の材料に比較して希少な材料を用いることになるので、コストの面でも正の磁性体を用いて磁性体配置板７００を構成することが好ましい。

本実施形態では、磁性体１０Ａａ、…の形状を、図１５、図１６Ｂ、図１９に示したような、扇を径方向に一定の幅で切り取ったような形状としたが、これ以外の形状、例えば、球状、楕円体状、立方体状、円柱状、楕円柱状などの形状を採用しても良い。

以上のように、磁性体配置板７００は、同一材料の磁性体１０Ａａ…を複数列状に間隔を設けて径方向に配置した磁性体ブロック１００Ａａ、…を有する。さらに、磁性体ブロック１００Ａａ…を磁性体１０Ａａ、…の配置方向に間隔を設けて複数列状に配置した磁性体ユニット２００Ａを有する。磁性体配置板７００は、磁性体ユニット２００Ａをさらに磁性体１０Ａａ、…の配置方向と交差する円周方向に間隔を設けて複数隣り合わせて環状に配置している。

磁性体配置板７００は以上のように構成してあるので、低温側熱交換部４０Ａは、磁性体配置板７００に形成されている磁性体ユニット２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、…、２００Ｇ、…、２００Ｌの一端に位置する磁性体１０Ａａ、１０Ｂｂ、…と間隔を設けて隣り合う。また、高温側熱交換部４０Ｂは、磁性体配置板７００に形成されている磁性体ユニット２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、…、２００Ｇ、…、２００Ｌの他端に位置する磁性体１０Ａｆ、１０Ｂｆ、…と間隔を設けて隣り合う。

図１６Ｃに示すように、磁石／熱伝導部配置板８００は、その中心部が開口した中空円板であり、その中心部の開口径は熱交換部支持盤６００が有する円柱状の低温側熱交換部４０Ａの直径よりも若干大きくしてある。また、磁石／熱伝導部配置板８００の直径は熱交換部支持盤６００が有する円筒状の高温側熱交換部４０Ｂの内周の寸法よりも若干小さくしてある。磁石／熱伝導部配置板８００が低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間で回転できるようにするためである。磁石／熱伝導部配置板８００は、図１７及び図１８に示すように、隙間を設けて磁性体配置板７００を挟む磁気的に接続された、上側及び下側の２枚の円板８００Ａ、８００Ｂで構成される。

上側及び下側の２枚の円板８００Ａ、８００Ｂは、低温側熱交換部４０Ａを中心に別々に回転できるように、低温側熱交換部４０Ａに備える軸受けと、上側及び下側の２枚の円板８００Ａ、８００Ｂの外周端に備える軸受けで支持してある。図１７に示すように、上側の円板８００Ａは軸受け５２０Ａａ、５２０Ａｂによって回転自在に支持され、下側の円板８００Ｂは軸受け５２０Ｂａ、５２０Ｂｂによって回転自在に支持される。したがって、上側の円板８００Ａは下側の円板８００Ｂと別々に回転できる。

磁石／熱伝導部配置板８００を取り囲むように支持盤５３０が配置される。支持盤５３０は、上側及び下側の２枚の円板８００Ａ、８００Ｂを別々に回転させるためのサーボモータ５４０Ａ、５４０Ｂを固定する。支持盤５３０の上側の円板８００Ａに対向する部分にサーボモータ５４０Ａを、支持盤５３０の下側の円板８００Ｂに対向する部分にサーボモータ５４０Ｂをそれぞれ固定する。サーボモータ５４０Ａ、５４０Ｂのそれぞれの回転軸にはギア５５０Ａ、５５０Ｂが取り付けてある。上側の円板８００Ａの外周部には、ギア５５０Ａと噛み合うリングギア５６０Ａが取り付けてある。また、下側の円板８００Ｂの外周部には、ギア５５０Ｂと噛み合うリングギア５６０Ｂが取り付けてある。なお、サーボモータ５４０Ａ、５４０Ｂ、ギア５５０Ａ、５５０Ｂ及びリングギア５６０Ａ、５６０Ｂによって駆動部を構成する。

サーボモータ５４０Ａが回転すると、ギア５５０Ａと噛み合うリングギア５６０Ａが自転して上側の円板８００Ａが回転する。また、サーボモータ５４０Ｂが回転すると、ギア５５０Ｂと噛み合うリングギア５６０Ｂが自転して下側の円板８００Ｂが回転する。サーボモータ５４０Ａ、５４０Ｂを同期して回転させると、上側及び下側の２枚の円板８００Ａ、８００Ｂが一体となって回転する。

本実施形態では、サーボモータ５４０Ａ、５４０Ｂを同期して回転させる。したがって、磁石／熱伝導部配置板８００は低温側熱交換部４０Ａを中心に、上側及び下側の２枚の円板８００Ａ、８００Ｂで磁性体配置板７００挟むようにして、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間で回転する。

磁石／熱伝導部配置板８００を形成する上側の円板８００Ａの片面（図１７及び図１８に示す円板８００Ａの図示下側）には図１６Ｃに示すように、環状かつ放射状に複数の永久磁石と複数の熱伝導部材を配置してある。ここに配置している熱伝導部材の構成は、図８から図１４に示したものである。すなわち、磁性体に対峙する面にナノ構造体が形成されているものである。

永久磁石は、図１６Ｂに示した磁性体配置板７００の磁性体ユニット２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、…、２００Ｇ、…、２００Ｌのそれぞれの磁性体ブロック１００Ａａ、１００Ａｂ、１００Ａｃ、１００Ｂａ、１００Ｂｂ、１００Ｂｃ、…に対して永久磁石が１つずつ対峙されるように配置している。永久磁石は、磁石／熱伝導部配置板８００が３０°回転して、隣の磁性体ユニットに移行する度に、隣り合う磁性体ユニット２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、…、２００Ｇ、…、２００Ｌの磁性体ブロック１００Ａａ、１００Ａｂ、１００Ａｃ、１００Ｂａ、１００Ｂｂ、１００Ｂｃ、…において径方向に往復移動する。

例えば、図１５、図１６Ｂ、図１６Ｃ、図１８に示すように、図面上、磁石／熱伝導部配置板８００の上側の円板８００Ａにおいて、磁性体ユニット２００Ａの対応位置にある永久磁石２０Ａａ、２０Ａｃ、２０Ａｅは、磁性体配置板７００の磁性体ユニット２００Ａの磁性体１０Ａａ、１０Ａｃ、１０Ａｅとそれぞれ対峙する位置にある。また、磁性体ユニット２００Ｂの対応位置にある永久磁石２０Ｂａ、２０Ｂｃ、２０Ｂｅは、磁性体ユニット２００Ｂの磁性体１０Ｂｂ、１０Ｂｄ、１０Ｂｆとそれぞれ対峙する位置にある。この状態で、磁石／熱伝導部配置板８００が３０°時計方向に回転すると、磁性体ユニット２００Ａの対応位置にある永久磁石２０Ａａ、２０Ａｃ、２０Ａｅは、磁性体ユニット２００Ｂの磁性体１０Ｂａ、１０Ｂｃ、１０Ｂｅとそれぞれ対峙する位置となる。また、磁性体ユニット２００Ｌの対応位置にある永久磁石は、磁性体ユニット２００Ａの磁性体１０Ａｂ、１０Ａｄ、１０Ａｆとそれぞれ対峙する位置となる。つまり、磁石／熱伝導部配置板８００が３０°時計方向に回転する度に、各磁性体ユニット２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、…、２００Ｇ、…、２００Ｌにおいて、磁性体ブロックごとに永久磁石が往復移動する。この永久磁石と磁性体との位置関係は、磁石／熱伝導部配置板８００が３０°回転する度に図１Ａの位置関係と図１Ｂの位置関係を繰り返すのと同一の位置関係である。

したがって、磁石／熱伝導部配置板８００を磁性体ユニット２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、…、２００Ｇ、…、２００Ｌの並び方向に移動させると、永久磁石と磁性体との位置関係は次のように移行する。

まず、図１５、図１８Ａに示すように、永久磁石２０Ａａ、２０Ａｃ、２０Ａｅは、隣り合う一方の磁性体ユニット２００Ａの各磁性体ブロック１００Ａａ、１００Ａｂ、１００Ａｃの一端に位置する磁性体１０Ａａ、１０Ａｃ、１０Ａｅに同時に磁気を印加する。また、図１５、図１８Ｂに示すように、永久磁石２０Ｂａ、２０Ｂｃ、２０Ｂｅは、隣り合う他方の磁性体ユニット２００Ｂの各磁性体ブロック１００Ｂａ、１００Ｂｂ、１００Ｂｃの他端に位置する磁性体１０Ｂｂ、１０Ｂｄ、１０Ｂｆに同時に磁気を印加する。他の磁性体ユニット２００Ｃ−２００Ｌにおいても、隣り合う２つの磁性体ユニット間の永久磁石と磁性体との位置関係は磁性体ユニット２００Ａ、２００Ｂの場合と同一である。隣り合う２つの磁性体ユニット間の以上のような永久磁石と磁性体との位置関係を状態１という。

次に、磁石／熱伝導部配置板８００を３０°時計方向に回転させると、永久磁石２０Ａａ、２０Ａｃ、２０Ａｅは、隣り合う他方の磁性体ユニット２００Ｂの各磁性体ブロック１００Ｂａ、１００Ｂｂ、１００Ｂｃの一端に位置する磁性体１０Ｂａ、１０Ｂｃ、１０Ｂｅに同時に磁気を印加する。この状態は、図１８Ｂに示す永久磁石２０Ｂａ、２０Ｂｃ、２０Ｂｅが、左側の磁性体磁性体１０Ｂａ、１０Ｂｃ、１０Ｂｅに移動することに等しい。一方、磁性体ユニット２００Ｌの対応位置に存在する永久磁石は、隣り合う一方の磁性体ユニット２００Ａの各磁性体ブロック１００Ａａ、１００Ａｂ、１００Ａｃの他端に位置する磁性体１０Ａｂ、１０Ａｄ、１０Ａｆに同時に磁気を印加する。この状態は、図１８Ａに示す永久磁石２０Ａａ、２０Ａｃ、２０Ａｅが、右側の磁性体１０Ａｂ、１０Ａｄ、１０Ａｆに移動することに等しい。他の磁性体ユニット２００Ｃ−２００Ｌにおいても、隣り合う２つの磁性体ユニット間の永久磁石と磁性体との位置関係は磁性体ユニット２００Ａ、２００Ｂの場合と同じように遷移する。隣り合う２つの磁性体ユニット間の以上のような永久磁石と磁性体との位置関係を状態２という。

このように、磁石／熱伝導部配置板８００が３０°回転する度に、全ての磁性体ユニット２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、…、２００Ｇ、…、２００Ｌにおいて、上記の状態１と状態２が繰り返される。つまり、それぞれの磁性体ユニット２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、…、２００Ｇ、…、２００Ｌにおいて、図１Ａと図１Ｂの状態が繰り返されることになる。

磁石／熱伝導部配置板８００を形成する下側の円板８００Ｂの片面（図１７及び図１８に示す円板８００Ｂの図示上側）には磁気突起が形成される。磁気突起は上側の円板８００Ａの片面に配置している永久磁石の配置と対応させて配置する。例えば、図１７及び図１８に示すように、永久磁石２０Ａａに対応させて磁気突起２０Ａｂが、永久磁石２０Ａｃに対応させて磁気突起２０Ａｄが、永久磁石２０Ａｅに対応させて磁気突起２０Ａｆがそれぞれ配置されている。また、永久磁石２０Ｂａに対応させて磁気突起２０Ｂｂが、永久磁石２０Ｂｃに対応させて磁気突起２０Ｂｄが、永久磁石２０Ｂｅに対応させて磁気突起２０Ｂｆがそれぞれ配置されている。それぞれの永久磁石からの磁力線を対峙する磁気突起で受け止めて、永久磁石と磁気突起との間の磁気抵抗を極力小さくするためと、永久磁石からの磁力線が磁性体を漏れなく通過できるようにするためである。

熱伝導部材配置板８００は隙間を設けて磁性体配置板７００を挟む磁気的に接続された２枚の平板で構成される。上側の円板８００Ａに配置されている永久磁石と下側の円板８００Ｂに配置されている磁気突起は、上側の円板８００Ａと下側の円板８００Ｂとの間で磁気回路を形成する。この磁気回路は磁気印加部を構成する。本実施形態では、磁気印加部に磁気を発生させる手段として永久磁石を用いた。しかし、永久磁石の使用に代えて、超伝導磁石や電磁石を使用することもできる。磁気回路を電磁石によって構成すると、磁性体に印加する磁気の大きさをある範囲で変更することができるので、磁気印加部に汎用性を持たせることができる。しかし、省エネルギーや実用性の観点からは、永久磁石の使用が望ましい。

なお、本実施形態では、上側の円板８００Ａに永久磁石を配置し、下側の円板８００Ｂに磁気突起を配置しているが、これとは逆に、上側の円板８００Ａに磁気突起を配置し、下側の円板８００Ｂに永久磁石を配置させることも可能である。また、本実施形態では、両円板を一体として回転させているが、両円板は磁気的に接続されていれば別々に設けても良い。上側の円板８００Ａと下側の円板８００Ｂが磁気的に接続され、永久磁石と磁気突起が対峙して設けてあるので、永久磁石からの磁束を有効に活用でき、永久磁石の小型化、軽量化が可能である。

磁石／熱伝導部配置板８００が備える全ての永久磁石には、図１５、図１６Ｃ、図１７、図１８に示すように、それぞれの外周側に熱伝導部材が取り付けられる。熱伝導部材は、磁性体と磁性体との間、磁性体と低温側熱交換部との間、磁性体と高温側熱交換部との間で、磁石／熱伝導部配置板８００の回転方向に挿脱される。熱伝導部材が磁性体と磁性体との間に挿入されると磁性体間で熱が伝導する。また、熱伝導部材が磁性体と低温側熱交換部との間に挿入されると磁性体と低温側熱交換部との間で熱が伝導する。さらに、熱伝導部材が磁性体と高温側熱交換部との間に挿入されると磁性体と高温側熱交換部との間で熱が伝導する。

図１６Ｃに示すように、熱伝導部材は、磁石／熱伝導部配置板８００を形成する上側の円板８００Ａの片面（図１７及び図１８に示す円板８００Ａの図示下側）に、磁性体ユニット２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、…、２００Ｇ、…、２００Ｌのそれぞれに対し４箇所または３箇所に設けられる。図１６Ｃに示すように、磁性体ユニット２００Ａの対応位置には、３つの熱伝達部材３０Ａｂ、３０Ａｄ、３０Ａｆが永久磁石２０Ａａ、２０Ａｃ、２０Ａｅの外周側に設けられる。磁性体ユニット２００Ｂの対応位置には、４つの熱伝達部材３０Ｂａ、３０Ｂｃ、３０Ｂｅ、３０Ｂｇが設けられる。熱伝達部材３０Ｂａは低温側熱交換部４０Ａに接する位置に設けられる。また、熱伝達部材３０Ｂｃ、３０Ｂｅ、３０Ｂｇは永久磁石２０Ｂａ、２０Ｂｃ、２０Ｂｅの外周側に設けられる。

全ての熱伝導部材３０Ａｂ、３０Ａｄ、３０Ａｆ、３０Ｂａ、３０Ｂｃ、３０Ｂｅ、３０Ｂｇ、…は、上記のように、熱的異方性を備えた固体の熱伝導材料で構成する。また、熱伝導部材３０Ａｂ、…が磁性体１０Ａａ、…、低温側熱交換部４０Ａ、高温側熱交換部４０Ｂと接触して摺動する部分は、図１４に示したように、カーボンナノチューブ３４Ｃを配列してある。したがって、図２１に示すように、熱伝導部材３０Ａｂが磁性体１０Ａａ―１０Ａｂ間と磁性体１０Ｂａ―１０Ｂｂ間に位置されても、磁性体１０Ａａと１０Ａｂと間、磁性体１０Ｂａと１０Ｂｂと間でほとんどの熱の伝達が行われる。一方、磁性体１０Ａａと１０Ｂａとの間、磁性体１０Ａａと１０Ｂｂとの間では、ほとんど熱の伝達が行われない。これは、熱伝導部材３０の幅方向の熱伝導率λｖが長手方向の熱伝導率λＬよりも圧倒的に大きくなっているからである。磁性体１０Ａａ、…の熱伝導部材３０と接する面にはＤＬＣ膜１５が形成してあるので、磁性体１０Ａａ、…の耐摩耗性が向上する。

熱伝導部材の径方向の厚みは、磁性体と磁性体との間、磁性体と低温側熱交換部４０Ａとの間、磁性体と高温側熱交換部４０Ｂとの間の隙間にぴったりと収まる寸法か若干大きめに形成する。例えば、熱伝導部材３０Ａｂ、３０Ａｄ、３０Ａｆ、３０Ｂａ、３０Ｂｃ、３０Ｂｅ、３０Ｂｇ、…の径方向の厚みは、磁性体１０Ａａ−１０Ａｂ、１０Ａｃ−１０Ａｄ、１０Ａｅ−１０Ａｆ、低温側熱交換部４０Ａ−磁性体１０Ｂａ、磁性体１０Ｂｂ−１０Ｂｃ、１０Ｂｄ−１０Ｂｅ、磁性体１０Ｂｆ−高温側熱交換部４０Ｂ間のそれぞれの隙間に挿入されつつこれらの間で熱の伝導が可能な寸法である。また、熱伝導部材３０Ａｂ、３０Ａｄ、３０Ａｆ、３０Ｂａ、３０Ｂｃ、３０Ｂｅ、３０Ｂｇ、…の形状は、磁性体１０Ａａ−１０Ａｂ、１０Ａｃ−１０Ａｄ、１０Ａｅ−１０Ａｆ、低温側熱交換部４０Ａ−磁性体１０Ｂａ、磁性体１０Ｂｂ−１０Ｂｃ、１０Ｂｄ−１０Ｂｅ、磁性体１０Ｂｆ−高温側熱交換部４０Ｂ間のそれぞれの間の隙間の形状と一致した形状とすることが望ましい。

以上のように、本実施形態の磁気冷凍機は、間隔を設けて複数の磁性体を配置した磁性体配置板７００、磁性体配置板７００の一端に位置する磁性体と間隔を設けて隣り合う低温側熱交換部４０Ａ、磁性体配置板７００の他端に位置する磁性体と間隔を設けて隣り合う高温側熱交換部４０Ｂを有する。また、磁性体配置板７００の各磁性体に対して磁気を印加する磁気印加部、磁性体配置板７００の複数の磁性体との間、磁性体配置板７００の一端に位置する磁性体と低温側熱交換部４０Ａとの間、磁性体配置板の他端に位置する磁性体と高温側熱交換部４０Ｂとの間に挿脱し熱を伝導させる熱伝導部材を有する。熱伝導部材は、図８から図１４に示したいずれかの構造を有する。

以上のような構成を有する磁石／熱伝導部配置板８００が磁性体配置板７００に対して回転すると、熱伝導部材３０Ａｂ、…は次のようにして熱を伝達させる。

まず、永久磁石と磁性体との位置関係が、図１５及び図１９に示す状態１にあるとき、磁性体ユニット２００Ａの対応位置では、熱伝導部材と磁性体との位置関係は図１８Ａに示すようになっている。

状態１の場合、図１８Ａに示すように、永久磁石２０Ａａが磁性体１０Ａａに、永久磁石２０Ａｃが磁性体１０Ａｃに、永久磁石２０Ａｅが磁性体１０Ａｅに、それぞれ位置する。このときには、磁性体１０Ａａ、１０Ａｃ、１０Ａｅに対して磁気が印加され、磁性体１０Ａｂ、１０Ａｄ、１０Ａｆには磁気が印加されておらず磁気が除去されている。このとき、磁性体１０Ａａ、１０Ａｃ、１０Ａｅは発熱する。そして同時に、熱伝導部材３０Ａｂが磁性体１０Ａａと１０Ａｂとの間に、熱伝導部材３０Ａｄが磁性体１０Ａｃと１０Ａｄとの間に、熱伝導部材３０Ａｆが磁性体１０Ａｅと１０Ａｆとの間に、それぞれ挿入される。このため、各磁性体ブロック内の隣り合う磁性体との間の熱伝導が行われる。すなわち、磁性体１０Ａａ、１０Ａｃ、１０Ａｅが磁気熱量効果により発生した熱を磁性体１０Ａｂ、１０Ａｄ、１０Ａｆにそれぞれ移動する。また、このときには、低温側熱交換部４０Ａと磁性体１０Ａａとの間及び高温側熱交換部４０Ｂと磁性体１０Ａｆとの間の熱の伝導は行わない。また、磁性体ブロック間の熱の伝導も行わない。

また、磁性体ユニット２００Ｂの対応位置では、熱伝導部材と磁性体との位置関係は図１８Ｂに示すようになっている。

図１８Ｂに示すように、永久磁石２０Ｂａが磁性体１０Ｂｂに、永久磁石２０Ｂｃが磁性体１０Ｂｄに、永久磁石２０Ｂｅが磁性体１０Ａｆに、それぞれ位置する。このときには、磁性体１０Ｂｂ、１０Ｂｄ、１０Ｂｆに対して磁気が印加され、磁性体１０Ｂａ、１０Ｂｃ、１０Ｂｅには磁気が印加されておらず磁気が除去されている。このとき、磁性体１０Ｂｂ、１０Ｂｄ、１０Ｂｆは発熱する。そして同時に、熱伝導部材３０Ｂａが低温側熱交換部４０Ａと磁性体１０Ｂａとの間に、熱伝導部材３０Ｂｃが磁性体１０Ｂｂと１０Ｂｃとの間に、熱伝導部材３０Ｂｅが磁性体１０Ｂｄと１０Ｂｅとの間に、熱伝導部材３０Ｂｇが磁性体１０Ｂｆと高温側熱交換部４０Ｂとの間に、それぞれ挿入される。このため、隣り合う磁性体ブロック１００Ｂａ、１００Ｂｂ、１００Ｂｃの隣り合う磁性体１０Ｂｂ−１０Ｂｃ、１０Ｂｄ−１０Ｂｅ間の熱伝導が行われる。また、磁性体ユニット２００Ｂの一端に位置する磁性体１０Ｂａと低温側熱交換部４０Ａとの間及び磁性体ユニット２００Ｂの他端に位置する磁性体１０Ｂｆと高温側熱交換部４０Ｂとの間で熱伝導が行われる。すなわち、１０Ｂａ、１０Ｂｃ、１０Ｂｅが磁気熱量効果により吸熱され、磁性体１０Ｂｂ、１０Ｂｄ、１０Ｂｆ磁気熱量効果により発熱する。このため、低温側熱交換部４０Ａから磁性体１０Ｂａに、磁性体１０Ｂｂから磁性体１０Ｂｃに、磁性体１０Ｂｄから磁性体１０Ｂｅに、磁性体１０Ｂｆから高温側熱交換部４０Ｂに熱が移動する。

以上のように、磁石／熱伝導部材配置板８００に配置されている複数の磁気印加部は、磁石／熱伝導部材配置板８００と磁性体配置板７００との相対移動によって、磁性体配置板７００に配置されている複数の磁性体に近接離反して磁気熱量効果を発現させる。また、磁石／熱伝導部材配置板８００に配置されている複数の熱伝導部材は、磁石／熱伝導部材配置板８００と磁性体配置板７００との相対移動によって、磁性体配置板７００に配置されている磁性体と磁性体との間、低温側熱交換部４０Ａと磁性体との間、高温側熱交換部４０Ｂと磁性体との間を挿脱されて、磁気熱量効果により発生した熱を伝導させる。

上記の状態１は図１９Ａに示す通りである。磁性体ユニット２００Ａの対応位置では、各磁性体ブロック内の隣り合う磁性体との間で熱を伝導させ、磁性体ユニット２００Ｂの対応位置では、隣り合う磁性体ブロックの隣り合う磁性体との間並びに磁性体ユニット２００Ｂの一端に位置する磁性体と低温側熱交換部４０Ａとの間及び磁性体ユニット２００Ｂの他端に位置する磁性体と高温側熱交換部４０Ｂとの間で熱を伝導させる。

永久磁石と磁性体との位置関係が、図１９Ａに示す状態１にあるとき、磁性体ユニット２００Ａの対応位置では、熱伝導部材と磁性体との位置関係は図１８Ａに示すものと等価になっている。同時に、磁性体ユニット２００Ｂの対応位置では、熱伝導部材と磁性体との位置関係は図１８Ｂに示すものと等価になっている。

次に、磁石／熱伝導部配置板８００を３０°時計方向に回転し、永久磁石と磁性体との位置関係が、図１９に示す状態２にあるとき、磁性体ユニット２００Ａの対応位置では、熱伝導部材と磁性体との位置関係は図１８Ｂに示すものと等価になっている。同時に、磁性体ユニット２００Ｂの対応位置では、熱伝導部材と磁性体との位置関係は図１８Ａに示すものと等価になっている。状態２における永久磁石と磁性体との位置関係は、状態1における永久磁石と磁性体との位置関係を、隣り合う磁気ユニット間で逆にしたものである。

上記の状態２は図１９Ｂに示す通りである。磁性体ユニット２００Ａの対応位置では、隣り合う磁性体ブロックの隣り合う磁性体との間並びに磁性体ユニット２００Ａの一端に位置する磁性体と低温側熱交換部４０Ａとの間及び磁性体ユニット２００Ａの他端に位置する磁性体と高温側熱交換部４０Ｂとの間で熱を伝導させ、磁性体ユニット２００Ｂの対応位置では、各磁性体ブロック内の隣り合う磁性体との間で熱を伝導させる。

以上のように、磁石／熱伝導部材配置板８００の熱伝導部材は、状態１のときには、隣り合う一方の磁性体ユニットの各磁性体ブロック内の隣り合う磁性体との間で熱を伝導させ、他方の磁性体ユニットの隣り合う磁性体ブロックの隣り合う磁性体との間並びに前記他方の磁性体ユニットの一端に位置する磁性体と前記低温側熱交換部との間及び前記他方の磁性体ユニットの他端に位置する磁性体と前記高温側熱交換部との間で熱を伝導させる。また、状態２のときには、前記隣り合う他方の磁性体ユニットの各磁性体ブロック内の隣り合う磁性体との間で熱を伝導させ、一方の磁性体ユニットの隣り合う磁性体ブロックの隣り合う磁性体との間並びに前記一方の磁性体ユニットの一端に位置する磁性体と前記低温側熱交換部との間及び前記一方の磁性体ユニットの他端に位置する磁性体と前記高温側熱交換部との間で熱を伝導させる。

そして、状態１から状態２に遷移するときには、熱伝導部材の熱的異方性により、隣り合う磁性体ユニットには熱が逃げず、磁性体ユニット内で効率的に熱を伝達させる。

低温側熱交換部４０Ａ及び高温側熱交換部４０Ｂは、例えば室内の空気などの外部環境との熱交換ができる機構を備えている。例えば、外部から冷媒を供給し、その冷媒を介して外部環境との熱交換ができるようにした機構を採用しても良い。

以上のように構成されている本実施形態に係る磁気冷凍機５００は次のようにして磁気冷凍を行う。

まず、駆動部９００を作動させて磁石／熱伝導部材配置板８００を時計または反時計方向に回転させると、３０°回転するごとに、それぞれの磁性体ユニットにおいて、図１Ａと図１Ｂの状態、すなわち図１８Ａと図１８Ｂの状態を繰り返すことになる。つまり、状態１と状態２を繰り返す。この繰り返しによって、それぞれの磁気ユニットにおいて、低温側熱交換部４０Ａから高温側熱交換部４０Ｂに熱が移動する。最終的には、図２に示すグラフのように、低温側熱交換部４０Ａの温度を下げ、高温側熱交換部４０Ｂの温度を上げることができ、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間に温度差を生じさせることができる。なお、以上の状態１と状態２を繰り返す動作によって、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間の温度差が拡大していく原理は、図３に基づいて説明した原理と同一である。

本実施形態の磁気冷凍機は、室内の空調を行うエアコン、冷蔵庫、車室内の空調を行うエアコン、車両の冷凍装置などに適用させることができる。

さらに、本実施形態では、磁性体配置板７００と磁石／熱伝導部材配置板８００を円盤状にして両板を相対的に回転させるものを例示したが、磁性体配置板７００と磁石／熱伝導部材配置板８００を平板状にして両板を相対的に直線的に往復移動させるものであっても良い。

以上のように磁気冷凍機を構成すると、磁性体配置板７００と磁石／熱伝導部材配置板８００を磁性体ユニットの配置方向に相対的に移動させだけで、磁気冷凍を行うことができるので、磁気冷凍機の構成を単純化でき、小型化、軽量化、低コスト化が実現できる。

（他の実施形態に係る磁気冷凍機の構成、動作）
以上の実施形態では、磁性体配置板７００と磁石／熱伝導部材配置板８００を円盤状にして両板を相対的に回転させるものを例示した。次に説明する実施形態は、磁性体を一列に配置し、その磁性体間に熱伝導部材を進退させて挿脱し、磁性体ユニットの熱を移動させる磁気冷凍機である。つまり、図１の原理を用いた磁気冷凍機である。

図２２は、他の実施形態に係る磁気冷凍機の概略構成図である。この実施形態に係る磁気冷凍機は、熱伝導部材の挿脱の構成に特徴があるので、発明の理解を容易にするためこの構成を中心に説明する。

この実施形態に係る磁気冷凍機は、図示するように、６つの磁性体１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆを一列に配置する。磁性体１０Ａに隣接して低温側熱交換部４０Ａを配置する。磁性体１０Ｆに隣接して高温側熱交換部４０Ｂを配置する。

低温側熱交換部４０Ａと磁性体１０Ａとの間には熱伝導部材３０Ａを、磁性体１０Ｂと１０Ｃとの間には熱伝導部材３０Ｃを、磁性体１０Ｄと１０Ｅとの間には熱伝導部材３Ｅを、磁性体１０Ｆと高温側熱交換部４０Ｂとの間には熱伝導部材３０Ｇをそれぞれ挿脱自在に配置する。熱伝導部材３０Ａ、３０Ｃ、３０Ｅ、３０Ｇはロッド５０Ａに取り付けてある。ロッド５０Ａはリニアモータ６０Ａに取り付けてある。リニアモータ６０Ａはロッド５０Ａを図示のように往復移動させる。ロッド５０Ａの往復移動によって熱伝導部材３０Ａ、３０Ｃ、３０Ｅ、３０Ｇが磁性体などの間を挿脱される。

磁性体１０Ａと１０Ｂとの間には熱伝導部材３０Ｂを、磁性体１０Ｃと１０Ｄとの間には熱伝導部材３０Ｄを、磁性体１０Ｅと１０Ｆとの間には熱伝導部材３０Ｆをそれぞれ挿脱自在に配置する。熱伝導部材３０Ｂ、３０Ｄ、３０Ｆはロッド５０Ｂに取り付けてある。ロッド５０Ａはリニアモータ６０Ｂに取り付けてある。リニアモータ６０Ｂはロッド５０Ｂを図示のように往復移動させる。ロッド５０Ｂの往復移動によって熱伝導部材３０Ｂ、３０Ｄ、３０Ｆが磁性体の間を挿脱される。

磁気冷凍機の動作中はリニアモータ６０Ａと６０Ｂが交互に動作する。つまり、図に示すように、リニアモータ６０Ａが動作したときにはリニアモータ６０Ｂは動作せず、逆に、リニアモータ６０Ｂが動作したときにはリニアモータ６０Ａが動作しない。したがって、熱伝導部材３０Ａ、３０Ｃ、３０Ｅ、３０Ｇと熱伝導部材３０Ｂ、３０Ｄ、３０Ｆは交互に磁性体などの間を挿脱される。

熱伝導部材３０Ａ−３０Ｇの構成は図８から図１４に示した通りである。また、磁性体１０Ａ−１０Ｆは正の磁性体で構成し、その熱伝導部材との摺動面には図２０に示したようにＤＬＣ膜１５を形成する。熱伝導部材及び磁性体をこのように構成することによって熱伝達特性を高めることができ、同時に耐摩耗性も高めることができる。

この磁気冷凍機が動作することで、低温側熱交換部４０Ａから高温側熱交換部４０Ｂに向かって熱を伝達させることができる。熱が伝達する原理は図１から図３に説明したとおりである。

１０Ａａ−１０Ａｆ、１０Ｂａ−１０Ｂｆ、１０Ｃａ−１０Ｃｆ 磁性体、
２０Ａａ−２０Ａｅ、２０Ｂａ−２０Ｂｅ、２０Ｃａ−２０Ｃｅ 永久磁石、
２０Ａｂ−２０Ａｆ 磁気突起、
３０Ａｂ−３０Ａｆ、３０Ｂａ−３０Ｂｇ 熱伝導部材、
３２ 基材、
３３ 繊維、
３４ ナノ構造体、
３４Ａ、３７ 熱伝導率の大きな熱伝導材料、
３４Ｂ、３６ 熱伝導率の小さな熱伝導材料、
３４Ｃ カーボンナノチューブ、
４０Ａ 低温側熱交換部、
４０Ｂ 高温側熱交換部、
５００ 磁気冷凍機、
６００ 熱交換部支持盤、
７００ 磁性体配置板、
８００ 磁石／熱伝導部材配置板。

Claims (10)

1. 磁気熱量効果を発現する少なくとも１対の磁性体の間に挿脱し、前記少なくとも１対の磁性体に接触して熱を伝導させる熱伝導部材であって、
   前記熱伝導部材を構成する基材の熱伝導率は、前記少なくとも１対の磁性体が並ぶ一方向の熱伝導率に比較して、前記少なくとも１対の磁性体が並ぶ一方向と交差する方向の熱伝導率を小さくしたことを特徴とする熱的異方性を備えた熱伝導部材。
2. 前記基材は、繊維状の複数の熱伝導材料を、前記熱伝導材料の断面を前記磁性体の並び方向に向けて、前記磁性体の並び方向と交差する方向に束ねて形成することを特徴とする請求項１に記載の熱伝導部材。
3. 前記基材は、熱伝導率の異なる複数の熱伝導材料を、前記磁性体の並び方向と交差する方向に交互に配列して形成することを特徴とする請求項１に記載の熱伝導部材。
4. 前記基材は、熱伝導率の異なる複数の熱伝導材料を、前記磁性体の並び方向の熱伝導率に比較して、前記磁性体の並び方向と交差する方向の熱伝導率の方が小さくなるように配向して形成することを特徴とする請求項１に記載の熱伝導部材。
5. 前記基材の少なくとも磁性体と対峙する面にはナノ構造体を形成することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の熱伝導部材。
6. 前記ナノ構造体は、ナノチューブを配列することによって形成したことを特徴とする請求項５に記載の熱伝導部材。
7. 前記ナノ構造体は、繊維状のナノチューブを縦横に絡めたスポンジ構造を有することを特徴とする請求項６に記載の熱伝導部材。
8. 前記スポンジ構造の内部は、熱伝導率の大きな微粒子を含有する潤滑剤を含むことを特徴とする請求項７に記載の熱伝導部材。
9. 間隔を設けて複数の磁性体を配置した磁性体配置板と、
   前記磁性体配置板の一端に位置する磁性体と間隔を設けて隣り合う低温側熱交換部と、
   前記磁性体配置板の他端に位置する磁性体と間隔を設けて隣り合う高温側熱交換部と、
   前記磁性体配置板の各磁性体に対して磁気を印加する磁気印加部と、
   前記磁性体配置板の複数の磁性体との間、前記磁性体配置板の一端に位置する磁性体と低温側熱交換部との間、前記磁性体配置板の他端に位置する磁性体と高温側熱交換部との間に挿脱し熱を伝導させる熱伝導部材と、を有し、
   前記熱伝導部材は、請求項１から８のいずれかの構成を有することを特徴とする磁気冷凍機。
10. 前記磁性体配置板に配置した磁性体は、少なくとも前記熱伝導部材と対峙する面にＤＬＣ膜を形成したことを特徴とする請求項９に記載の磁気冷凍機。