JP6586401B2 - 磁気冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気熱量効果に基づく磁気冷凍装置に関するものである。

断熱状態で、強磁性体に磁場を印加すると、磁気エントロピーが減少して結晶格子のエントロピーが増加するため、強磁性体は発熱し、強磁性体の温度が上昇する。一方、断熱状態で、強磁性体に印加されている磁場を除去すると、磁気エントロピーが増加して結晶格子のエントロピーが減少するため、強磁性体は吸熱し、強磁性体の温度が下降する。このように、断熱状態で、磁場の印加又は磁場の除去に伴って、強磁性体が発熱又は吸熱する効果は、磁気熱量効果と称される。また、顕著な磁気熱量効果を有する強磁性体は、磁気作業物質と称される。そして、磁気作業物質の磁気熱量効果を利用して冷熱を発生する冷凍装置は、磁気冷凍装置と称される。

このような磁気冷凍装置として、温熱又は冷熱を発生する本体部と、本体部で発生された冷熱を取り出す冷熱取り出し部と、を備え、本体部が、回転子と、固定子と、を備えるものがある。回転子は、回転軸を中心として回転可能に設けられ、且つ、磁場を発生する磁場発生部を有する。固定子は、熱発生部を有し、熱発生部は、磁場の強度の変化に伴って温度が変化する磁気作業物質を含む。磁場発生部の回転に伴って、磁気作業物質に印加される磁場の増減が繰り返され、磁気作業物質の温度の増減が繰り返される際に、熱発生部が温熱又は冷熱を発生する。

特開２００２−１０６９９９号公報（特許文献１）には、磁気冷凍装置において、磁場を発生する磁場発生手段と、磁場の増減に応じて温度が変化する磁気作業物質を有する磁気作業体と、磁気作業物質に印加される磁場を増減させる磁場増減手段と、を備える技術が開示されている。上記特許文献１に記載された磁気冷凍装置において、磁場発生手段は、回転可能な円板状又は放射状部材の周端部に複数設けられ、磁気作業体は磁場発生手段に対向する固定側に複数配設され、磁場発生手段は、磁場発生手段の回転に伴って磁気作業物質に印加される磁場を増減させる。

特開２０１１−２２６７３５号公報（特許文献２）には、磁気冷凍装置において、回転子と、固定子とを備える技術が開示されている。上記特許文献２に記載された磁気冷凍装置において、回転子は、円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路を対にして間隔を設定した永久磁石組立体と、永久磁石組立体を嵌合する共通回転軸とを有し、固定子は、固定部材によって支持された磁気作業物質を収めたダクトを有する。

特開２００２−１０６９９９号公報 特開２０１１−２２６７３５号公報

このような、磁場発生部を有する回転子と、磁気作業物質を含む熱発生部を有する固定子を備えた磁気冷凍装置において、磁場発生部が、磁場発生部の回転方向に沿って互いに間隔を空けて配列された複数の永久磁石を有し、これらの複数の永久磁石の各々が、回転軸を中心として外周側にＮ極又はＳ極を有する永久磁石である場合を考える。

例えば外周側にＮ極を有する永久磁石が熱発生部と対向している場合、その永久磁石のＮ極から出た磁力線の一部は当該永久磁石の側面部を回り込んで当該永久磁石のＳ極に入る。或いは、外周側にＳ極を有する永久磁石が熱発生部と対向している場合、その永久磁石のＮ極から出た磁力線の一部は当該永久磁石の側面部を回り込んで永久磁石のＳ極に入る。そのため、外周側のＮ極から出た磁力線、又は、外周側のＳ極に入る磁力線が、永久磁石よりも外周側にあまり広がらず、熱発生部に含まれる磁気作業物質に印加される磁場の強度の時間変化における極大値を大きくすることができない。

このように、磁気作業物質に印加される磁場の強度の時間変化における極大値を大きくすることができない場合には、磁気作業物質の温度の時間変化における極大値と極小値との差を大きくすることができない。従って、磁気作業物質が発生する冷熱を大きくすることができず、磁気冷凍装置の冷凍能力を大きくすることができない。

本発明は、上述のような従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、磁気作業物質に印加される磁場の強度の時間変化における極大値を大きくすることができ、冷凍能力を大きくすることができる磁気冷凍装置を提供することを目的とする。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本発明の一態様としての磁気冷凍装置は、第１軸を中心として回転可能に設けられ、且つ、磁場を発生する磁場発生部と、磁場発生部を回転駆動する回転駆動部と、磁場発生部よりも外周側に設けられ、且つ、回転駆動部により磁場発生部が回転駆動される際に、温熱又は冷熱を発生する熱発生部と、を備えている。また、当該磁気冷凍装置は、熱発生部よりも外周側に設けられた第１継鉄部を備えている。磁場発生部は、磁場発生部の回転方向に沿ってハルバッハ配列された複数の永久磁石を有する。熱発生部は、磁場発生部の回転方向に沿って配列された複数の容器部と、複数の容器部の各々にそれぞれ格納され、且つ、印加される磁場の強度の変化に伴って温度が変化する磁気作業物質をそれぞれ含む複数の磁気作業部と、を有する。熱発生部は、回転駆動部により磁場発生部が回転駆動され、複数の磁気作業部の各々に印加される磁場の強度の増減が繰り返され、複数の磁気作業部の温度の増減が繰り返される際に、温熱又は冷熱を発生する。

また、他の一態様として、複数の永久磁石は、磁場発生部よりも外周側の磁場の強度が、磁場発生部よりも内周側の磁場の強度よりも大きくなるように、磁場発生部の回転方向に沿ってハルバッハ配列されていてもよい。

また、他の一態様として、複数の永久磁石は、第１軸の周りに円環状に配列されていてもよい。

また、他の一態様として、磁場発生部は、磁場発生部の回転方向に沿って順次配置された、第１永久磁石、第１永久磁石群、及び、第２永久磁石を有してもよい。第１永久磁石群は、磁場発生部の回転方向に沿って配列された複数の第３永久磁石を含んでもよい。第１永久磁石は、第１永久磁石の外周側に配置され、且つ、第１極性を有する第１磁極と、第１永久磁石の内周側に配置され、且つ、第１極性と反対の第２極性を有する第２磁極と、を含んでもよい。第２永久磁石は、第２永久磁石の外周側に配置され、且つ、第２極性を有する第３磁極と、第２永久磁石の内周側に配置され、且つ、第１極性を有する第４磁極と、を含んでもよい。そして、複数の第３永久磁石の各々は、磁場発生部の回転方向に沿って第１永久磁石側に配置され、且つ、第１極性を有する第５磁極と、磁場発生部の回転方向に沿って第１永久磁石側と反対側に配置され、且つ、第２極性を有する第６磁極と、を含んでもよい。

また、他の一態様として、磁場発生部は、磁場発生部の回転方向に沿って順次配置された、第２永久磁石群、第２継鉄部、及び、第３永久磁石群を有してもよい。そして、第２永久磁石群は、磁場発生部の回転方向に沿って配列された複数の第４永久磁石を含み、第３永久磁石群は、磁場発生部の回転方向に沿って配列された複数の第５永久磁石を含んでもよい。

また、他の一態様として、第２永久磁石群は、複数の第４永久磁石として、第２永久磁石群の第２継鉄部側の端部に配置された第６永久磁石と、第６永久磁石よりも第２継鉄部側と反対側に配置された第７永久磁石と、を含んでもよい。第３永久磁石群は、複数の第５永久磁石として、第３永久磁石群の第２継鉄部側の端部に配置された第８永久磁石と、第８永久磁石よりも第２継鉄部側と反対側に配置された第９永久磁石と、を含んでもよい。第７永久磁石は、第７永久磁石の外周側に配置され、且つ、第３極性を有する第７磁極と、第７永久磁石の内周側に配置され、且つ、第３極性と反対の第４極性を有する第８磁極と、を含んでもよい。第９永久磁石は、第９永久磁石の外周側に配置され、且つ、第４極性を有する第９磁極と、第９永久磁石の内周側に配置され、且つ、第３極性を有する第１０磁極と、を含んでもよい。第６永久磁石は、磁場発生部の回転方向に沿って第７永久磁石側に配置され、且つ、第３極性を有する第１１磁極と、磁場発生部の回転方向に沿って第７永久磁石側と反対側に配置され、且つ、第４極性を有する第１２磁極と、を含んでもよい。そして、第８永久磁石は、磁場発生部の回転方向に沿って第９永久磁石側と反対側に配置され、且つ、第３極性を有する第１３磁極と、磁場発生部の回転方向に沿って第９永久磁石側に配置され、且つ、第４極性を有する第１４磁極と、を含んでもよい。

また、他の一態様として、第１継鉄部は、第１軸を中心とした円環形状を有する環状部を含んでもよい。

また、他の一態様として、第１継鉄部は、環状部の内周面からそれぞれ突出し、且つ、複数の容器部の各々とそれぞれ対向した複数の突出部を含んでもよい。

また、他の一態様として、複数の容器部は、第１軸の周りに円環状に配列されていてもよい。

また、他の一態様として、複数の磁気作業部は、回転駆動部により磁場発生部が回転駆動される際に、温熱又は冷熱を発生し、磁気冷凍装置は、更に、複数の磁気作業部により発生された温熱又は冷熱の内の冷熱を取り出す冷熱取り出し部を備えていてもよい。そして、冷熱取り出し部は、冷熱取り出し部と複数の容器部の各々との間で熱交換媒体を循環させることにより、複数の磁気作業部により発生された温熱又は冷熱の内の冷熱を取り出してもよい。

本発明の一態様を適用することで、磁気作業物質に印加される磁場の強度の時間変化における極大値を大きくすることができ、磁気冷凍装置の冷凍能力を大きくすることができる。

実施の形態の磁気冷凍装置の構成を模式的に示す図である。 実施の形態の磁気冷凍装置の本体部の構成を模式的に示す図その１である。 比較例の磁気冷凍装置の本体部の構成を模式的に示す図である。 実施の形態の磁気冷凍装置のロータリー弁の動作を模式的に示す図その１である。 実施の形態の磁気冷凍装置の本体部の構成を模式的に示す図その２である。 実施の形態の磁気冷凍装置のロータリー弁の動作を模式的に示す図その２である。 実施の形態の磁気冷凍装置の第１変形例の本体部の構成を模式的に示す図である。 実施の形態の磁気冷凍装置の第２変形例の本体部の構成を模式的に示す図である。 実施の形態の磁気冷凍装置の第２変形例の他の例の本体部の構成を模式的に示す図である。 実施の形態の磁気冷凍装置の第２変形例の更に他の例の本体部の構成を模式的に示す図である。

以下に、本発明の各実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実施の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。

また本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。

（実施の形態）
＜磁気冷凍装置＞
初めに、本発明の一実施形態である実施の形態の磁気冷凍装置について説明する。図１は、実施の形態の磁気冷凍装置の構成を模式的に示す図である。

図１に示すように、本実施の形態の磁気冷凍装置１は、温熱又は冷熱を発生する本体部２と、本体部２で発生された冷熱を取り出す冷熱取り出し部３と、を備えている。なお、本実施の形態の磁気冷凍装置１は、磁気熱量効果を用いて低温部分から高温部分へ熱を移動させる、磁気ヒートポンプである。

本体部２は、回転駆動部４と、回転子５と、固定子６と、を備えている。回転駆動部４は、例えば回転軸７を備えたモータ８を有する。回転子５は、回転軸７を中心として回転可能に設けられ、且つ、磁場を発生する磁場発生部９を有する。具体的には、例えば磁場発生部９が接続部材１０により回転軸７に接続されることにより、磁場発生部９は、回転軸７を中心として回転可能に設けられており、回転駆動部４は、回転軸７を中心として磁場発生部９を回転駆動する。固定子６は、温熱又は冷熱を発生する熱発生部１１と、継鉄部としてのヨーク１２と、を有する。

熱発生部１１は、容器部としてのダクトＤＵを複数個有する。複数のダクトＤＵは、回転子５の回転方向、即ち磁場発生部９の回転方向に沿って配列されている。複数のダクトＤＵの各々には、磁気作業部１３が格納されている。磁気作業部１３は、磁場発生部９により印加される磁場の強度の変化に伴って温度が変化する磁気作業物質１４を含む。複数の磁気作業部１３は、磁場発生部９が回転駆動される際に、温熱又は冷熱を発生する。即ち、熱発生部１１は、回転駆動部４により磁場発生部９が回転駆動され、回転駆動部４により回転駆動された磁場発生部９により複数の磁気作業部１３の各々に印加される磁場の強度の増減が繰り返され、複数の磁気作業部１３の温度の増減が繰り返される際に、温熱又は冷熱を発生する。なお、本体部２の詳細な構成については、後述する。

冷熱取り出し部３は、冷却器１５と、循環器としてのポンプ１６と、排熱交換器１７と、ロータリー弁１８と、を有する。冷熱取り出し部３は、冷熱取り出し部３と複数のダクトＤＵの各々との間で熱交換媒体（室温域における典型例は水）を循環させることにより、複数のダクトＤＵの各々にそれぞれ含まれる複数の磁気作業部１３により発生された冷熱を取り出し、冷却器１５中で被冷却体１９を冷却する。即ち、冷熱取り出し部３は、複数の磁気作業部１３により発生された冷熱を取り出す。

冷熱取り出し部３と複数のダクトＤＵの各々との間で熱交換媒体を循環させるために、複数のダクトＤＵの各々には、冷却器１５側に低温配管ＰＬが接続され、排熱交換器１７側に高温配管ＰＨが接続されている。即ち、複数のダクトＤＵの各々は、低温配管ＰＬを介して低温側の冷却器１５に接続され、高温配管ＰＨを介して高温側の排熱交換器１７に接続されている。なお、冷却器１５と排熱交換器１７との間で、複数のダクトＤＵは、並列に接続されていてもよく、或いは、直列に接続されていてもよい。

図１に示す例では、回転子５の回転方向に沿って順次、４つのダクトＤＵとして、ダクトＤＵ１、ＤＵ２、ＤＵ３及びＤＵ４が配置されている。

ダクトＤＵ１の冷却器１５側には低温配管ＰＬ１が接続され、ダクトＤＵ１の排熱交換器１７側には高温配管ＰＨ１が接続されている。ダクトＤＵ２の冷却器１５側には低温配管ＰＬ２が接続され、ダクトＤＵ２の排熱交換器１７側には高温配管ＰＨ２が接続されている。ダクトＤＵ３の冷却器１５側には低温配管ＰＬ３が接続され、ダクトＤＵ３の排熱交換器１７側には高温配管ＰＨ３が接続されている。ダクトＤＵ４の冷却器１５側には低温配管ＰＬ４が接続され、ダクトＤＵ４の排熱交換器１７側には高温配管ＰＨ４が接続されている。

図１に示す例では、冷却器１５と排熱交換器１７との間で、ダクトＤＵ１とダクトＤＵ３とは、直列に接続されている。このとき、ダクトＤＵ１に接続された高温配管ＰＨ１と、ダクトＤＵ３に接続された低温配管ＰＬ３とは、接続されている。また、ダクトＤＵ１に接続された低温配管ＰＬ１は、冷却器１５に接続され、ダクトＤＵ３に接続された高温配管ＰＨ３は、ロータリー弁１８を介して、排熱交換器１７に接続されている。

図１に示す例では、冷却器１５と排熱交換器１７との間で、ダクトＤＵ２とダクトＤＵ４とは、直列に接続されている。このとき、ダクトＤＵ２に接続された高温配管ＰＨ２と、ダクトＤＵ４に接続された低温配管ＰＬ４とは、接続されている。また、ダクトＤＵ２に接続された低温配管ＰＬ２は、冷却器１５に接続され、ダクトＤＵ４に接続された高温配管ＰＨ４は、ロータリー弁１８を介して、排熱交換器１７に接続されている。

＜本体部＞
次に、本実施の形態の磁気冷凍装置の本体部について、比較例の磁気冷凍装置の本体部と比較しながら説明する。図２は、実施の形態の磁気冷凍装置の本体部の構成を模式的に示す図その１である。図３は、比較例の磁気冷凍装置の本体部の構成を模式的に示す図である。

まず、実施の形態の磁気冷凍装置のうち、比較例の磁気冷凍装置と同様の部分について説明する。

前述したように、本体部２は、回転駆動部４と、回転子５と、固定子６と、を備え、回転子５は、磁場発生部９を有し、固定子６は、熱発生部１１と、ヨーク１２と、を有し、熱発生部１１は、ダクトＤＵを複数個有する。図２及び図３に示す例では、複数のダクトＤＵは、磁場発生部９の回転方向に沿って配列されている。複数のダクトＤＵの各々には、磁気作業部１３が格納されている。磁気作業部１３は、磁気作業物質１４を含む。

磁気作業物質１４として、例えばガドリニウムなどの室温で強磁性体に相転移する磁性体を用いることができる。

図２及び図３に示す例では、図１に示した例と同様に、回転子５の回転方向に沿って順次、４つのダクトＤＵとして、ダクトＤＵ１、ＤＵ２、ＤＵ３及びＤＵ４が配置されている。従って、ダクトＤＵ１、ＤＵ２、ＤＵ３及びＤＵ４は、ダクトＤＵ１の回転軸７を中心とした回転角を０°としたときに、ダクトＤＵ２、ＤＵ３及びＤＵ４の各々の回転軸７を中心とした回転角が、例えば９０°、１８０°及び２７０°のそれぞれになるように、配置されている。

前述したように、ヨーク１２は、回転軸７を中心として熱発生部１１よりも外周側に設けられている。また、ヨーク１２は、継鉄部とも称され、例えば日本工業規格（Japanese Industrial Standards：ＪＩＳ）においてＳＳ４００と称される鋼材などの、高い比透磁率を有する強磁性体よりなる。これにより、熱発生部１１よりも外周側で、磁力線がヨーク１２内を通るため、磁場発生部９により発生された磁場が、熱発生部１１よりも外周側に大きく広がることを防止又は抑制することができる。そのため、回転軸７を中心として熱発生部１１よりも外周側にヨーク１２が設けられている場合、回転軸７を中心として熱発生部１１よりも外周側にヨーク１２が設けられていない場合に比べ、熱発生部１１に印加される磁場の強度を大きくすることができる。

次に、実施の形態の磁気冷凍装置のうち、比較例の磁気冷凍装置と異なる部分について、比較例の磁気冷凍装置と比較しながら説明する。

図３に示すように、比較例の磁気冷凍装置では、磁場発生部９は、磁場発生部９の回転方向に沿って順次配置された２つの永久磁石ＰＭ１０１及びＰＭ１０２を有する。永久磁石ＰＭ１０１及びＰＭ１０２は、永久磁石ＰＭ１０１の回転軸７を中心とした回転角を例えば０°としたときに、永久磁石ＰＭ１０２の回転軸７を中心とした回転角が例えば１８０°になるように、配置されている。

なお、図３では、永久磁石ＰＭ１０１及びＰＭ１０２の各々の磁化の向きを矢印により示している。

永久磁石ＰＭ１０１は、Ｎ極と、Ｓ極と、を有する。永久磁石ＰＭ１０１のＮ極は、回転軸７を中心として永久磁石ＰＭ１０１の外周側に配置され、永久磁石ＰＭ１０１のＳ極は、回転軸７を中心として永久磁石ＰＭ１０１の内周側に配置されている。

永久磁石ＰＭ１０２は、Ｎ極と、Ｓ極と、を有する。永久磁石ＰＭ１０２のＮ極は、回転軸７を中心として永久磁石ＰＭ１０２の内周側に配置され、永久磁石ＰＭ１０２のＳ極は、回転軸７を中心として永久磁石ＰＭ１０２の外周側に配置されている。

更に、比較例の磁気冷凍装置では、磁場発生部９は、ヨークＹＫ１０１を有する。ヨークＹＫ１０１は、永久磁石ＰＭ１０１と永久磁石ＰＭ１０２との間に配置されている。図３に示す例では、回転軸７に沿った方向から視たときに、ヨークＹＫ１０１は、回転軸７を中心とした径方向における両側に延伸し、永久磁石ＰＭ１０１及びＰＭ１０２は、ヨークＹＫ１０１の回転軸７を中心とした径方向における両側の端部の各々に、接続されている。

このような比較例の磁気冷凍装置において、磁場発生部９が回転する際に、永久磁石ＰＭ１０１がダクトＤＵ１と対向し、永久磁石ＰＭ１０２がＤＵ３と対向している時を考える。このような時、永久磁石ＰＭ１０１のＮ極から出た磁力線は、ダクトＤＵ１、ヨーク１２及びダクトＤＵ３を通って、永久磁石ＰＭ１０２のＳ極に入る。また、永久磁石ＰＭ１０２のＮ極から出た磁力線は、ヨークＹＫ１０１を通って、永久磁石ＰＭ１０１のＳ極に入る。そのため、永久磁石ＰＭ１０１、ヨーク１２、永久磁石ＰＭ１０２及びヨークＹＫ１０１よりなる磁気回路が形成され、ダクトＤＵ１に印加される磁場の強度は、時間変化において極大となり、ダクトＤＵ３に印加される磁場の強度は、時間変化において極大となる。また、ダクトＤＵ２に印加される磁場の強度は、時間変化において極小（ほぼ零）となり、ダクトＤＵ４に印加される磁場の強度は、時間変化において極小（ほぼ零）となる。

次に、磁場発生部９が図３に示す状態から９０°回転し、永久磁石ＰＭ１０１がダクトＤＵ２と対向し、永久磁石ＰＭ１０２がＤＵ４と対向している時を考える。このような時、ダクトＤＵ２に印加される磁場の強度は、時間変化において極大となり、ダクトＤＵ４に印加される磁場の強度は、時間変化において極大となり、ダクトＤＵ１に印加される磁場の強度は、時間変化において極小（ほぼ零）となり、ダクトＤＵ３に印加される磁場の強度は、時間変化において極小（ほぼ零）となる。

従って、回転駆動部４により回転軸７を中心として磁場発生部９を回転させる際に、ダクトＤＵ１、ＤＵ２、ＤＵ３及びＤＵ４の各々に印加される磁場の強度の、増加と減少とが、即ち増減が、繰り返される。そして、ダクトＤＵ１、ＤＵ２、ＤＵ３及びＤＵ４の各々に印加される磁場の増加と減少とが繰り返される際に、磁気作業物質１４の、温度の上昇と下降とが、即ち温度の増減が、繰り返され、磁気作業物質１４の温度が下降する際に、磁気作業物質１４が冷熱を発生することができる。

ところが、比較例では、永久磁石ＰＭ１０１のＮ極から出た磁力線の一部は永久磁石ＰＭ１０１の側面部を回り込んで永久磁石ＰＭ１０１のＳ極に入る。そのため、図３に示す回転角度位置において、ダクトＤＵ１に印加される磁場の強度の時間変化における極大値を大きくすることは困難である。

また、比較例では、永久磁石ＰＭ１０２のＮ極から出た磁力線の一部は永久磁石ＰＭ１０２の側面部を回り込んで永久磁石ＰＭ１０２のＳ極に入る。そのため、図３に示す回転角度位置において、ダクトＤＵ３に印加される磁場の強度の時間変化における極大値を大きくすることは困難である。

このように、ダクトＤＵに印加される磁場の強度の時間変化における極大値を大きくすることができない場合には、磁気作業物質１４の温度の時間変化における極大値と極小値との差を大きくすることができない。従って、磁気作業物質１４が発生する冷熱を大きくすることができず、磁気冷凍装置の冷凍能力を大きくすることができない。

或いは、ダクトＤＵに印加される磁場の強度の最大値を大きくすることができない場合には、磁気作業物質１４の温度の最大値と最小値との差を大きくすることができない。従って、磁気作業物質１４が発生する冷熱を大きくすることができず、磁気冷凍装置の冷凍能力を大きくすることができない。

一方、図２に示すように、本実施の形態の磁気冷凍装置では、磁場発生部９に含まれる複数の永久磁石ＰＭは、回転軸７の周りに、磁場発生部９の回転方向に沿ってハルバッハ（Halbach）配列されている。そして、本実施の形態の磁気冷凍装置では、磁場発生部９に含まれる複数の永久磁石ＰＭは、回転軸７を中心として磁場発生部９よりも外周側の磁場の強度が、回転軸７を中心として磁場発生部９よりも内周側の磁場の強度よりも大きくなるように、磁場発生部９の回転方向に沿ってハルバッハ配列されている。

ここで、磁場発生部９よりも外周側の磁場の強度を、例えば、回転軸７に垂直な断面において、磁場発生部９の回転方向における、ある永久磁石ＰＭの外周の中心位置から、回転軸７を中心とした径方向において外周側にある距離ＬＲ１だけ離れた位置ＰＳ１における磁場の強度であると定義する。このような場合、磁場発生部９よりも内周側の磁場の強度を、回転軸７に垂直な断面において、磁場発生部９の回転方向における、当該永久磁石ＰＭの内周の中心位置から、回転軸７を中心とした径方向において内周側即ち中心側に距離ＬＲ２だけ離れた位置ＰＳ２における磁場の強度であると定義することができる。なお、距離ＬＲ２を距離ＬＲ１と等しくすることができる。

また、複数の永久磁石ＰＭが、回転軸７を中心として磁場発生部９よりも外周側の磁場の強度が、回転軸７を中心として磁場発生部９よりも内周側の磁場の強度よりも大きくなるように、ハルバッハ配列されている場合とは、具体的には、例えば次のように配列されている場合が含まれる。

図２に示すように、磁場発生部９は、磁場発生部９の回転方向に沿って順次配置された、永久磁石ＰＭ１、永久磁石群ＧＭ１、永久磁石ＰＭ２及び永久磁石群ＧＭ２を有する。

永久磁石群ＧＭ１は、磁場発生部９の回転方向に沿って配列された複数の永久磁石ＰＭ３１を含み、永久磁石群ＧＭ２は、磁場発生部９の回転方向に沿って配列された複数の永久磁石ＰＭ３２を含む。永久磁石ＰＭ１、複数の永久磁石ＰＭ３１、永久磁石ＰＭ２、及び、複数の永久磁石ＰＭ３２は、磁場発生部９の回転方向に沿って円環状に配列されている。即ち、本実施の形態の磁気冷凍装置では、複数の永久磁石ＰＭは、磁場発生部９の回転方向に沿って全周に亘ってハルバッハ配列されている。

なお、図２では、永久磁石ＰＭ１、複数の永久磁石ＰＭ３１、永久磁石ＰＭ２、及び、複数の永久磁石ＰＭ３２の各々の磁化の向きを矢印により示している（図５及び図７〜図１０においても同様）。

永久磁石ＰＭ１は、回転軸７を中心として磁場発生部９の径方向に沿って永久磁石ＰＭ１の外周側に配置されたＮ極と、回転軸７を中心として磁場発生部９の径方向に沿って永久磁石ＰＭ１の内周側に配置されたＳ極と、を含む。永久磁石ＰＭ２は、回転軸７を中心として磁場発生部９の径方向に沿って永久磁石ＰＭ２の外周側に配置されたＳ極と、回転軸７を中心として磁場発生部９の径方向に沿って永久磁石ＰＭ２の内周側に配置されたＮ極と、を含む。

複数の永久磁石ＰＭ３１の各々は、磁場発生部９の回転方向に沿って永久磁石ＰＭ１側に配置されたＮ極と、磁場発生部９の回転方向に沿って永久磁石ＰＭ１側と反対側に配置されたＳ極と、を含む。複数の永久磁石ＰＭ３２の各々は、磁場発生部９の回転方向に沿って永久磁石ＰＭ１側に配置されたＮ極と、磁場発生部９の回転方向に沿って永久磁石ＰＭ１側と反対側に配置されたＳ極と、を含む。

なお、本実施の形態では、Ｎ極を第１極性を有する第１磁極と定義し、Ｓ極を第１極性と反対の第２極性を有する第２磁極と定義する。しかし、本実施の形態において、全てのＮ極と全てのＳ極とを入れ替え、Ｓ極を第１極性を有する第１磁極と定義し、Ｎ極を第１極性と反対の第２極性を有する第２磁極と定義してもよい。

このように複数の永久磁石を配置することにより、永久磁石ＰＭ１のＮ極から出た磁力線は、永久磁石ＰＭ１と隣り合う永久磁石ＰＭ３１のＮ極、及び、永久磁石ＰＭ１と隣り合う永久磁石ＰＭ３２のＮ極、のいずれにも入らないため、永久磁石ＰＭ１よりも外周側に大きく広がる。しかし、永久磁石ＰＭ１のＳ極に入る磁力線は、永久磁石ＰＭ１と隣り合う永久磁石ＰＭ３１のＮ極、及び、永久磁石ＰＭ１と隣り合う永久磁石ＰＭ３２のＮ極のいずれかから出たものであるため、永久磁石ＰＭ１よりも内周側にはあまり広がらない。そのため、永久磁石ＰＭ１よりも外周側における磁場の強度が、永久磁石ＰＭ１よりも内周側における磁場の強度よりも大きい。

また、永久磁石ＰＭ２のＳ極に入る磁力線は、永久磁石ＰＭ２と隣り合う永久磁石ＰＭ３１のＳ極、及び、永久磁石ＰＭ２と隣り合う永久磁石ＰＭ３２のＳ極、のいずれからも出たものではないため、永久磁石ＰＭ２よりも外周側に大きく広がる。しかし、永久磁石ＰＭ２のＮ極から出た磁力線は、永久磁石ＰＭ２と隣り合う永久磁石ＰＭ３１のＳ極、及び、永久磁石ＰＭ２と隣り合う永久磁石ＰＭ３２のＳ極のいずれかに入るため、永久磁石ＰＭ２よりも内周側にはあまり広がらない。そのため、永久磁石ＰＭ２よりも外周側における磁場の強度が、永久磁石ＰＭ２よりも内周側における磁場の強度よりも大きい。

従って、本実施の形態の磁気冷凍装置では、本実施の形態における永久磁石ＰＭ１として、例えば比較例における永久磁石ＰＭ１０１（図３参照）の磁化と等しい磁化を有する永久磁石を用いた場合でも、比較例の磁気冷凍装置に比べ、ダクトＤＵに印加される磁場の強度の時間変化における極大値を大きくすることができる。また、本実施の形態における永久磁石ＰＭ２として、例えば比較例における永久磁石ＰＭ１０２（図３参照）の磁化と等しい磁化を有する永久磁石を用いた場合も、同様である。

即ち、本実施の形態の磁気冷凍装置は、複数の永久磁石ＰＭを有し、回転軸７を中心として回転可能に設けられた磁場発生部９と、複数のダクトＤＵを含み、回転軸７を中心として磁場発生部９よりも外周側に設けられた熱発生部１１と、回転軸７を中心として熱発生部１１よりも外周側に設けられたヨーク１２と、を備えている。そして、磁場発生部９に含まれる複数の永久磁石は、回転軸７を中心として磁場発生部９よりも外周側の磁場の強度が、回転軸７を中心として磁場発生部９よりも内周側の磁場の強度よりも大きくなるように、回転軸７の周りに、磁場発生部９の回転方向に沿ってハルバッハ配列されている。

このような本実施の形態の磁気冷凍装置によれば、磁気作業物質１４に印加される磁場の強度の時間変化における極大値を大きくすることができ、磁気作業物質１４の温度の時間変化における極大値と極小値との差を大きくすることができる。そのため、磁気作業物質１４が発生する冷熱を大きくすることができ、磁気冷凍装置の冷凍能力を大きくすることができる。これにより、冷凍能力の高いヒートポンプとしての磁気冷凍装置が得られるので、フロンガスを熱交換媒体として用いる蒸気圧縮方式のヒートポンプとしての冷凍装置を置き換えることができ、地球温暖化の原因となるフロンガスの使用量を削減することができる。

或いは、このような本実施の形態の磁気冷凍装置によれば、磁気作業物質１４に印加される磁場の強度の最大値を大きくすることができ、磁気作業物質１４の温度の最大値と最小値との差を大きくすることができる。そのため、磁気作業物質１４が発生する冷熱を大きくすることができ、磁気冷凍装置の冷凍能力を大きくすることができる。

なお、回転軸７を中心として回転可能に設けられた磁場発生部９が、熱発生部１１よりも中心側即ち内周側に配置されることにより、磁場発生部９が回転する際の、接続部材１０と、例えば高温配管ＰＨ（図１参照）又は低温配管ＰＬ（図１参照）との干渉を考慮する必要がないので、磁気冷凍装置を容易に設計することができる。

また、本実施の形態における永久磁石ＰＭ１、永久磁石ＰＭ２、複数の永久磁石ＰＭ３１、及び、複数の永久磁石ＰＭ３２の各々として、例えばネオジウム鉄ホウ素（ＮｄＦｅＢ）などの強磁性合金よりなる永久磁石を用いることができる。

また、図２に示す例では、回転軸７を中心として磁場発生部９の外周側の磁場の強度が、磁場発生部９の回転方向に沿って極大になる永久磁石ＰＭの数、即ち、外周側に配置された磁極を有する永久磁石ＰＭの数は、２（永久磁石ＰＭ１及びＰＭ２）である。しかし、外周側に配置された磁極を有する永久磁石ＰＭの数は２に限定されず、任意の偶数にすることができる。また、図２に示す例では、ダクトＤＵの数は４であるが、ダクトＤＵの数は４に限定されず、複数のダクトＤＵの各々に磁場の印加と除去を交互に行うためには、ダクトＤＵの数を、外周側に配置された磁極を有する永久磁石ＰＭの数の倍数にすることができる。なお、外周側に配置された磁極を有する永久磁石ＰＭとは、回転軸７を中心とした径方向に沿った磁化を有する永久磁石ＰＭを意味する。

図２に示す例では、永久磁石ＰＭ１、５つの永久磁石ＰＭ３１、永久磁石ＰＭ２、及び、５つの永久磁石ＰＭ３２が、磁場発生部９の回転方向に沿って円環状に配列されている。一方、図２に示す例では、４つのダクトＤＵが、磁場発生部９の回転方向に沿って互いに間隔を空けて配列されている。

具体的には、永久磁石ＰＭ１、５つの永久磁石ＰＭ３１、永久磁石ＰＭ２、及び、５つの永久磁石ＰＭ３２よりなる１２の永久磁石ＰＭは、磁場発生部９の回転方向に沿って互いに隣り合う永久磁石ＰＭの間の、回転軸７を中心とした中心角が、例えば３０°になるように、配置されている。また、４つのダクトＤＵは、磁場発生部９の回転方向に沿って互いに隣り合うダクトＤＵの間の、回転軸７を中心とした中心角が、例えば９０°になるように、配置されている。

本実施の形態では、好適には、ヨーク１２は、回転軸７を中心とした円環形状を有する環状部１２ａを含む。磁場発生部９に含まれる複数の永久磁石ＰＭが、回転軸７の周りに円環状に配列されている場合を考える。このような場合には、ヨーク１２が環状部１２ａを含むことによって、回転駆動される磁場発生部９により各ダクトＤＵに印加される磁場の強度の時間変化における極大値を、互いに等しくすることができ、回転駆動される磁場発生部９により各ダクトＤＵに印加される磁場の強度の時間変化における極小値（ほぼ零値）を、互いに等しくすることができる。

ヨーク１２として、例えばＪＩＳにおいてＳＳ４００と称される鋼材などを用いることができる。

好適には、ヨーク１２は、環状部１２ａの内周面から内周側即ち中心側にそれぞれ突出し、且つ、複数のダクトＤＵの各々とそれぞれ対向した複数の突出部１２ｂを含む。一方、磁場発生部９の回転方向に沿って、複数のダクトＤＵの各々とそれぞれ対向しない複数の位置の各々では、環状部１２ａの内周面から内周側にそれぞれ突出した複数の突出部は設けられていない。

磁場発生部９の回転方向に沿って、例えば永久磁石ＰＭ１の径方向で外周側に突出部１２ｂが設けられている場合、永久磁石ＰＭ１のＮ極から出た磁力線が突出部１２ｂに入るため、磁場発生部９の回転方向に広がりにくい。そのため、磁場発生部９の回転方向に沿って、例えば永久磁石ＰＭ２の径方向で外周側に突出部１２ｂが設けられている場合、例えば永久磁石ＰＭ２の径方向で外周側に突出部が設けられていない場合に比べ、ダクトＤＵに印加される磁場の強度が大きくなる。

＜磁気冷凍装置の冷熱発生動作＞
次に、図２及び図４乃至図６を参照し、磁気冷凍装置の冷熱発生動作について説明する。図４は、実施の形態の磁気冷凍装置のロータリー弁の動作を模式的に示す図その１である。図５は、実施の形態の磁気冷凍装置の本体部の構成を模式的に示す図その２である。図６は、実施の形態の磁気冷凍装置のロータリー弁の動作を模式的に示す図その２である。

図４は、磁場発生部９を有する回転子５の回転角度位置が、図２に示す回転角度位置であるときの、ロータリー弁１８の動作を模式的に示す。図５に示す回転角度位置は、図２に示す回転角度位置から９０°回転したときの回転角度位置である。図６は、磁場発生部９を有する回転子５の回転角度位置が、図５に示す回転角度位置であるときの、ロータリー弁１８の動作を模式的に示す。

図２及び図４に示す回転角度位置では、ダクトＤＵ１及びＤＵ３に印加される磁場の強度が、時間変化において極大となり、ダクトＤＵ１及びＤＵ３の各々に格納された磁気作業部１３に含まれる磁気作業物質１４の温度が、時間変化において極大となる。一方、ダクトＤＵ２及びＤＵ４に印加される磁場の強度は、時間変化において極小（ほぼ零）となり、ダクトＤＵ２及びＤＵ４の各々に格納された磁気作業部１３に含まれる磁気作業物質１４の温度は、時間変化において極小となる。

また、ロータリー弁１８は、ダクトＤＵ１及びＤＵ３に接続された高温配管ＰＨ１及びＰＨ３が、排熱交換器１７に接続され、ダクトＤＵ２及びＤＵ４に接続された高温配管ＰＨ２及びＰＨ４が、ポンプ１６に接続されるように、切り替えられている。

このような場合、排熱交換器１７で熱交換された熱交換媒体としての水は、ポンプ１６により、ロータリー弁１８を介して高温配管ＰＨ２及びＰＨ４を通ってダクトＤＵ２及びＤＵ４に送られ、ダクトＤＵ２及びＤＵ４で温度が下降した磁気作業部１３により冷却される。そして、ダクトＤＵ２及びＤＵ４で冷却された水は、低温配管ＰＬ２及びＰＬ４を通って冷却器１５に送られ、冷却器１５中で被冷却体１９を冷却する。冷却器１５中で被冷却体１９を冷却した水は、低温配管ＰＬ１及びＰＬ３を通ってダクトＤＵ１及びＤＵ３に送られ、ダクトＤＵ１及びＤＵ３で温度が上昇した磁気作業部１３により加熱される。そして、ダクトＤＵ１及びＤＵ３で加熱された水は、高温配管ＰＨ１及びＰＨ３を通ってロータリー弁１８を介して排熱交換器１７に送られ、排熱交換器１７中で熱交換される。

一方、図５及び図６に示す回転角度位置では、ダクトＤＵ２及びＤＵ４に印加される磁場の強度が、時間変化において極大となり、ダクトＤＵ２及びＤＵ４の各々に格納された磁気作業部１３に含まれる磁気作業物質１４の温度が、時間変化において極大となる。一方、ダクトＤＵ１及びＤＵ３に印加される磁場の強度は、時間変化において極小（ほぼ零）となり、ダクトＤＵ１及びＤＵ３の各々に格納された磁気作業部１３に含まれる磁気作業物質１４の温度は、時間変化において極小となる。

また、ロータリー弁１８は、ダクトＤＵ２及びＤＵ４に接続された高温配管ＰＨ２及びＰＨ４が、排熱交換器１７に接続され、ダクトＤＵ１及びＤＵ３に接続された高温配管ＰＨ１及びＰＨ３が、ポンプ１６に接続されるように、切り替えられている。

このような場合、排熱交換器１７で熱交換された熱交換媒体としての水は、ポンプ１６により、ロータリー弁１８を介して高温配管ＰＨ１及びＰＨ３を通ってダクトＤＵ１及びＤＵ３に送られ、ダクトＤＵ１及びＤＵ３で温度が下降した磁気作業部１３により冷却される。そして、ダクトＤＵ１及びＤＵ３で冷却された水は、低温配管ＰＬ１及びＰＬ３を通って冷却器１５に送られ、冷却器１５中で被冷却体１９を冷却する。冷却器１５中で被冷却体１９を冷却した水は、低温配管ＰＬ２及びＰＬ４を通ってダクトＤＵ２及びＤＵ４に送られ、ダクトＤＵ２及びＤＵ４で温度が上昇した磁気作業部１３により加熱される。そして、ダクトＤＵ２及びＤＵ４で加熱された水は、高温配管ＰＨ２及びＰＨ４を通ってロータリー弁１８を介して排熱交換器１７に送られ、排熱交換器１７中で熱交換される。

このように、磁場発生部９を回転させるとともに、磁場発生部９の回転と同期してロータリー弁１８を切り替えることにより、冷却器１５中で被冷却体１９を連続して冷却することができる。

図２に示す例では、磁場発生部９の回転方向に沿った永久磁石群ＧＭ１の長さＬＧ１、即ち周長は、磁場発生部９の回転方向に沿った永久磁石ＰＭ１の長さＬＭ１、即ち周長よりも長く、且つ、磁場発生部９の回転方向に沿った永久磁石ＰＭ２の長さＬＭ２、即ち周長よりも長い。即ち、磁場発生部９の回転方向に沿った複数の永久磁石ＰＭ３１の各々の長さＬＭ３１の総和は、磁場発生部９の回転方向に沿った永久磁石ＰＭ１の長さＬＭ１よりも長く、且つ、磁場発生部９の回転方向に沿った永久磁石ＰＭ２の長さＬＭ２よりも長い。

また、磁場発生部９の回転方向に沿った永久磁石群ＧＭ２の長さＬＧ２、即ち周長は、磁場発生部９の回転方向に沿った永久磁石ＰＭ１の長さＬＭ１、即ち周長よりも長く、且つ、磁場発生部９の回転方向に沿った永久磁石ＰＭ２の長さＬＭ２、即ち周長よりも長い。即ち、磁場発生部９の回転方向に沿った複数の永久磁石ＰＭ３２の各々の長さＬＭ３２の総和は、磁場発生部９の回転方向に沿った永久磁石ＰＭ１の長さＬＭ１よりも長く、且つ、磁場発生部９の回転方向に沿った永久磁石ＰＭ２の長さＬＭ２よりも長い。

これにより、磁場発生部９の回転方向に沿った永久磁石ＰＭ１と永久磁石ＰＭ２との間隔を、磁場発生部９の回転方向に沿った永久磁石ＰＭ１及びＰＭ２の各々の長さよりも長くすることができるので、複数のダクトＤＵの各々の温度が下降した時間帯と、複数のダクトＤＵの各々の温度が上昇した時間帯を切り離すことができる。そのため、複数のダクトＤＵの各々の温度が下降又は上昇する際に、各ダクトＤＵの温度が安定し、熱交換媒体としての水を、各ダクトＤＵで温度が下降又は上昇した磁気作業部１３により確実に冷却又は加熱することができる。

なお、上記特許文献１の図１８には、環状にハルバッハ配列された永久磁石を含む永久磁石群が設けられ、当該永久磁石群の中心に強力な磁場が形成される磁気冷凍装置が記載されている。このとき、磁気作業体が、駆動部により当該永久磁石群の中心で昇降され、磁気作業体の温度の増減が繰り返される際に、磁気作業体が温熱又は冷熱を発生する。

しかし、上記特許文献１の図１８に記載された磁気冷凍装置では、永久磁石群に含まれる複数の永久磁石は、永久磁石群の内周側における磁場の強度が、永久磁石群の外周側における磁場の強度よりも大きくなるように、ハルバッハ配列されている。そのため、上記特許文献１の図１８に記載された磁気冷凍装置では、永久磁石群の中心で１つの磁気作業体が昇降され、その１つの磁気作業体の温度が増減を繰り返すことになるが、これでは冷熱を断続的に発生することになり、冷熱を連続的に発生することができない。従って、上記特許文献１の図１８に記載された磁気冷凍装置では、冷凍能力を時間的に連続して大きくすることができない。

また、上記特許文献１の図１９には、環状にハルバッハ配列された永久磁石を含む永久磁石群が、互いに同心に２つ設けられ、２つの永久磁石群のいずれか一方を回動機構により回動させることにより、２つの永久磁石群の中心に形成される磁場の増減を繰り返す磁気冷凍装置が記載されている。このとき、磁気作業体が当該永久磁石群の中心に配置され、磁気作業体の温度が増減を繰り返す際に、磁気作業体が温熱又は冷熱を発生する。

しかし、上記特許文献１の図１９に記載された磁気冷凍装置では、２つの永久磁石群に含まれる複数の永久磁石は、２つの永久磁石群の各々の内周側における磁場の強度が、当該永久磁石群の外周側における磁場の強度よりも大きくなるように、ハルバッハ配列されている。そのため、上記特許文献１の図１９に記載された磁気冷凍装置では、互いに同心に設けられた２つの永久磁石群の中心に１つの磁気作業体が配置され、その１つの磁気作業体の温度の増減が繰り返されることになるが、これでは冷熱を断続的に発生することになり、冷熱を連続的に発生することができない。従って、上記特許文献１の図１９に記載された磁気冷凍装置では、磁気冷凍装置の冷凍能力を時間的に連続して大きくすることができない。

一方、本実施の形態の磁気冷凍装置においては、磁場発生部９に含まれる複数の永久磁石ＰＭは、回転軸７を中心として磁場発生部９よりも外周側の磁場の強度が、回転軸７を中心として磁場発生部９よりも内周側の磁場の強度よりも大きくなるように、回転軸７の周りに、磁場発生部９の回転方向に沿ってハルバッハ配列されている。

このような本実施の形態の磁気冷凍装置においては、熱発生部１１に含まれる複数のダクトＤＵは、回転軸７を中心として磁場発生部９よりも外周側に設けられている。このとき、磁場発生部９が回転駆動され、複数の磁気作業部１３の各々に印加される磁場の強度の増減が繰り返され、複数のダクトＤＵの各々にそれぞれ格納された複数の磁気作業部１３の温度の増減が繰り返される際に、複数の磁気作業部１３の各々が互いに異なるタイミングで冷熱を発生することができる。従って、本実施の形態の磁気冷凍装置では、上記特許文献１に記載された磁気冷凍装置に比べて、磁気冷凍装置の冷凍能力を時間的に連続して大きくすることができる。

なお、上記特許文献１の図１５には、磁場発生手段が、回転可能な円板状又は放射状部材の周端部に複数設けられ、磁気作業体が、磁場発生手段に対向する固定側に複数配設され、磁場発生手段が、磁場発生手段の回転に伴って磁気作業物質に印加される磁場を増減させる磁気冷凍装置が記載されている。

しかし、上記特許文献１の図１５に記載された、磁場発生手段に対向する固定側に複数配設された磁気作業体に、上記特許文献１の図１８又は図１９に記載された、環状にハルバッハ配列された複数の永久磁石を含む永久磁石群を組み合わせても、磁気冷凍装置の冷凍能力を大きくすることができない。なぜなら、上記特許文献１の図１８又は図１９に記載された、環状にハルバッハ配列された複数の永久磁石は、永久磁石群の内周側における磁場の強度が、永久磁石群の外周側における磁場の強度よりも大きくなるように、ハルバッハ配列されているため、上記特許文献１の図１５に記載された磁気作業体に印加される磁場の強度を大きくすることができないからである。

また、上記特許文献２には、回転子が、円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路を対にして間隔を設定した永久磁石組立体を有する磁気冷凍装置が記載されている。

しかし、上記特許文献１の図１５に記載された、磁場発生手段に対向する固定側に複数配設された磁気作業体に、特許文献２に記載された、円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路を組み合わせても、磁気冷凍装置の冷凍能力を大きくすることができない。なぜなら、特許文献２に記載された永久磁石磁気回路に含まれる複数の永久磁石は、一方の永久磁石磁気回路の、他方の永久磁石磁気回路との対向面側における磁場の強度が、当該対向面側と反対側における磁場の強度よりも大きくなるように、ハルバッハ配列されているため、上記特許文献１の図１５に記載された磁気作業体に印加される磁場の強度を大きくすることができないからである。

また、上記特許文献２に記載された磁気冷凍装置を大型化して冷凍能力を大きくする場合には、永久磁石磁気回路同士の間隔を広げると当該間隔における磁場が弱くなってしまうので、回転軸に沿った方向には大型化できず、径方向に大型化する必要があるが、径方向に大型化する場合、例えば機械的強度を大きくするなど、再び強度設計を行う必要がある。そのため、上記特許文献２に記載された磁気冷凍装置を大型化することは困難である。

一方、本実施の形態の磁気冷凍装置を大型化する場合、単純に回転軸７を延長し、磁場発生部９、熱発生部１１及びヨーク１２を、単純に回転軸７に沿った方向に延長すればよい。そのため、本実施の形態の磁気冷凍装置を容易に大型化することができる。

なお、本実施の形態において、磁場発生部９に含まれる複数の永久磁石ＰＭがハルバッハ配列されることにより、磁気作業物質１４が発生する冷熱を大きくする、という技術思想については、被冷却体１９を冷却する冷却用の磁気ヒートポンプだけでなく、被加熱体を加熱する加熱用の磁気ヒートポンプにも適用可能である。このような磁気ヒートポンプにおいては、被冷却体１９を冷却する冷却用の磁気ヒートポンプと逆にロータリー弁１８を切り替えることにより、被冷却体１９を冷却する冷却用の磁気ヒートポンプと逆に熱交換媒体としての水が送られ、冷却器１５改め加熱器中で被冷却体１９改め被加熱体を連続して加熱することができる。

＜実施の形態の第１変形例＞
次に、本実施の形態の磁気冷凍装置の第１変形例について説明する。図７は、実施の形態の磁気冷凍装置の第１変形例の本体部の構成を模式的に示す図である。

本第１変形例の磁気冷凍装置のうち、本体部２以外の部分は、実施の形態の磁気冷凍装置の各部分と同様にすることができ、それらの説明を省略する。

また、本第１変形例の磁気冷凍装置の本体部２のうち、磁場発生部９以外の部分は、実施の形態の磁気冷凍装置の本体部２の各部分と同様にすることができ、それらの説明を省略する。

図７に示すように、本第１変形例の磁気冷凍装置でも、実施の形態の磁気冷凍装置と同様に、磁場発生部９に含まれる複数の永久磁石ＰＭは、回転軸７の周りに、磁場発生部９の回転方向に沿ってハルバッハ配列されている。そして、本第１変形例の磁気冷凍装置でも、実施の形態の磁気冷凍装置と同様に、磁場発生部９に含まれる複数の永久磁石ＰＭは、回転軸７を中心として磁場発生部９よりも外周側の磁場の強度が、回転軸７を中心として磁場発生部９よりも内周側の磁場の強度よりも大きくなるように、ハルバッハ配列されている。

一方、具体的な配列としては、図７に示すように、本第１変形例の磁気冷凍装置では、実施の形態の磁気冷凍装置と異なり、磁場発生部９は、磁場発生部９の回転方向に沿って順次配置された、永久磁石群ＧＭ３、継鉄部としてのヨークＹＫ２１、永久磁石群ＧＭ４及び継鉄部としてのヨークＹＫ２２を有する。

即ち、本第１変形例の磁気冷凍装置では、実施の形態の磁気冷凍装置で、磁場発生部９の回転方向に沿って全周に亘ってハルバッハ配列された複数の永久磁石のうち一部の永久磁石を、ヨークＹＫ２１及びＹＫ２２に置き換えている。

永久磁石群ＧＭ３は、磁場発生部９の回転方向に沿って配列された複数の永久磁石ＰＭ４を含む。永久磁石群ＧＭ４は、磁場発生部９の回転方向に沿って配列された複数の永久磁石ＰＭ５を含む。複数の永久磁石ＰＭ４と複数の永久磁石ＰＭ５との間にヨークＹＫ２１又はヨークＹＫ２２が配置されることにより、磁場発生部９に含まれる永久磁石ＰＭの数を削減することができる。

好適には、永久磁石群ＧＭ３は、複数の永久磁石ＰＭ４として、永久磁石ＰＭ４１、ＰＭ４２及びＰＭ４３を含む。永久磁石ＰＭ４１は、永久磁石群ＧＭ３のヨークＹＫ２１側の端部に配置され、永久磁石ＰＭ４２は、永久磁石ＰＭ４１よりもヨークＹＫ２１側と反対側に配置されている。また、永久磁石ＰＭ４３は、永久磁石群ＧＭ３のヨークＹＫ２１側と反対側、即ちヨークＹＫ２２側の端部に配置されている。

好適には、永久磁石群ＧＭ４は、複数の永久磁石ＰＭ５として、永久磁石ＰＭ５１、ＰＭ５２及びＰＭ５３を含む。永久磁石ＰＭ５１は、永久磁石群ＧＭ４のヨークＹＫ２１側の端部に配置され、永久磁石ＰＭ５２は、永久磁石ＰＭ５１よりもヨークＹＫ２１側と反対側に配置されている。また、永久磁石ＰＭ５３は、永久磁石群ＧＭ４のヨークＹＫ２１側と反対側、即ちヨークＹＫ２２側の端部に配置されている。

永久磁石ＰＭ４２は、回転軸７を中心として磁場発生部９の径方向に沿って永久磁石ＰＭ４２の外周側に配置されたＮ極と、回転軸７を中心として磁場発生部９の径方向に沿って永久磁石ＰＭ４２の内周側に配置されたＳ極と、を含む。永久磁石ＰＭ４１は、磁場発生部９の回転方向に沿って永久磁石ＰＭ４２側に配置されたＮ極と、磁場発生部９の回転方向に沿って永久磁石ＰＭ４２側と反対側に配置されたＳ極と、を含む。永久磁石ＰＭ４３は、磁場発生部９の回転方向に沿って永久磁石ＰＭ４２側に配置されたＮ極と、磁場発生部９の回転方向に沿って永久磁石ＰＭ４２側と反対側に配置されたＳ極と、を含む。

永久磁石ＰＭ５２は、回転軸７を中心として磁場発生部９の径方向に沿って永久磁石ＰＭ５２の外周側に配置されたＳ極と、回転軸７を中心として磁場発生部９の径方向に沿って永久磁石ＰＭ５２の内周側に配置されたＮ極と、を含む。永久磁石ＰＭ５１は、磁場発生部９の回転方向に沿って永久磁石ＰＭ５２側と反対側に配置されたＮ極と、磁場発生部９の回転方向に沿って永久磁石ＰＭ５２側に配置されたＳ極と、を含む。永久磁石ＰＭ５３は、磁場発生部９の回転方向に沿って永久磁石ＰＭ５２側に配置されたＳ極と、磁場発生部９の回転方向に沿って永久磁石ＰＭ５２側と反対側に配置されたＮ極と、を含む。

なお、本第１変形例でも、実施の形態と同様に、Ｎ極を第１極性を有する第１磁極と定義し、Ｓ極を第１極性と反対の第２極性を有する第２磁極と定義する。しかし、本第１変形例において、全てのＮ極と全てのＳ極とを入れ替え、Ｓ極を第１極性を有する第１磁極と定義し、Ｎ極を第１極性と反対の第２極性を有する第２磁極と定義してもよい。

このように複数の永久磁石を配置することにより、永久磁石ＰＭ４２のＮ極から出た磁力線は、永久磁石ＰＭ４２と隣り合う永久磁石ＰＭ４１のＮ極、及び、永久磁石ＰＭ４２と隣り合う永久磁石ＰＭ４３のＮ極、のいずれにも入らないため、永久磁石ＰＭ４２よりも外周側に大きく広がる。しかし、永久磁石ＰＭ４２のＳ極に入る磁力線は、永久磁石ＰＭ４２と隣り合う永久磁石ＰＭ４１のＮ極、及び、永久磁石ＰＭ４２と隣り合う永久磁石ＰＭ４３のＮ極のいずれかから出たものであるため、永久磁石ＰＭ４２よりも内周側にはあまり広がらない。そのため、永久磁石ＰＭ４２よりも外周側における磁場の強度が、永久磁石ＰＭ４２よりも内周側における磁場の強度よりも大きい。

また、永久磁石ＰＭ５２のＳ極に入る磁力線は、永久磁石ＰＭ５２と隣り合う永久磁石ＰＭ５１のＳ極、及び、永久磁石ＰＭ５２と隣り合う永久磁石ＰＭ５３のＳ極、のいずれからも出たものではないため、永久磁石ＰＭ５２よりも外周側に大きく広がる。しかし、永久磁石ＰＭ５２のＮ極から出た磁力線は、永久磁石ＰＭ５２と隣り合う永久磁石ＰＭ５１のＳ極、及び、永久磁石ＰＭ５２と隣り合う永久磁石ＰＭ５３のＳ極のいずれかに入るため、永久磁石ＰＭ５２よりも内周側にはあまり広がらない。そのため、永久磁石ＰＭ５２よりも外周側における磁場の強度が、永久磁石ＰＭ５２よりも内周側における磁場の強度よりも大きい。

そのため、本第１変形例の磁気冷凍装置では、本第１変形例における永久磁石ＰＭ４２として、例えば比較例における永久磁石ＰＭ１０１（図３参照）の磁化と等しい磁化を有する永久磁石を用いた場合でも、実施の形態の磁気冷凍装置と同様に、比較例の磁気冷凍装置に比べ、ダクトＤＵに印加される磁場の強度の時間変化における極大値を大きくすることができる。また、本第１変形例における永久磁石ＰＭ５２として、例えば比較例における永久磁石ＰＭ１０２（図３参照）の磁化と等しい磁化を有する永久磁石を用いた場合も、同様である。

それに加えて、本第１変形例の磁気冷凍装置では、実施の形態の磁気冷凍装置で、磁場発生部９の回転方向に沿って全周に亘ってハルバッハ配列された複数の永久磁石のうち一部の永久磁石を、ヨークＹＫ２１及びＹＫ２２に置き換えている。そのため、永久磁石群ＧＭ３及びＧＭ４によりヨークＹＫ２１及びＹＫ２２に印加される磁場が、ヨークＹＫ２１及びＹＫ２２が飽和する磁場以下であれば、実施の形態の磁気冷凍装置に比べ、磁場発生部９に含まれる永久磁石の数を削減することができるので、磁気冷凍装置の製造コストを低減することができる。

なお、ヨークＹＫ２１及びＹＫ２２として、実施の形態と同様に、例えばＪＩＳにおいてＳＳ４００と称される鋼材を用いることができる。

＜実施の形態の第２変形例＞
次に、本実施の形態の磁気冷凍装置の第２変形例について説明する。図８は、実施の形態の磁気冷凍装置の第２変形例の本体部の構成を模式的に示す図である。図９は、実施の形態の磁気冷凍装置の第２変形例の他の例の本体部の構成を模式的に示す図である。図１０は、実施の形態の磁気冷凍装置の第２変形例の更に他の例の本体部の構成を模式的に示す図である。

本第２変形例の磁気冷凍装置のうち、本体部２以外の部分は、実施の形態の磁気冷凍装置の各部分と同様にすることができ、それらの説明を省略する。

また、本第２変形例の磁気冷凍装置の本体部２のうち、磁場発生部９は、実施の形態の磁気冷凍装置の磁場発生部９と同様にすることができ、それらの説明を省略する。

図８に示すように、本第２変形例では、実施の形態と異なり、複数のダクトＤＵは、回転軸７の周りに円環状に配列されている。これにより、磁場発生部９の回転方向に沿って配列されているダクトＤＵの数を増加させることができ、複数のダクトＤＵの各々に格納された磁気作業部１３に含まれる磁気作業物質１４の量の総和を増加させることができる。そのため、本第２変形例の磁気冷凍装置では、実施の形態の磁気冷凍装置に比べ、磁気冷凍装置の冷凍能力を更に大きくすることができる。

図８に示す例では、図２に示した例と同様に、永久磁石ＰＭ１、５つの永久磁石ＰＭ３１、永久磁石ＰＭ２、及び、５つの永久磁石ＰＭ３２が、磁場発生部９の回転方向に沿って円環状に配列されている。一方、図８に示す例では、図２に示した例とは異なり、１２のダクトＤＵが、磁場発生部９の回転方向に沿って円環状に配列されている。

具体的には、永久磁石ＰＭ１、５つの永久磁石ＰＭ３１、永久磁石ＰＭ２、及び、５つの永久磁石ＰＭ３２よりなる１２の永久磁石ＰＭは、磁場発生部９の回転方向に沿って互いに隣り合う永久磁石ＰＭの間の、回転軸７を中心とした中心角が、例えば３０°になるように、配置されている。また、１２のダクトＤＵは、磁場発生部９の回転方向に沿って互いに隣り合うダクトＤＵの間の、回転軸７を中心とした中心角が、例えば３０°になるように、配置されている。

前述したように、ダクトＤＵの数は４に限定されず、ダクトＤＵの数を、外周側に配置された磁極を有する永久磁石ＰＭの数の倍数にすることができる。図８に示す例では、外周側に配置された磁極を有する永久磁石ＰＭの数を２にし、ダクトＤＵの数を２の倍数である１２にしている。

本第２変形例では、ヨーク１２は、環状部１２ａを含むものの、環状部１２ａの内周面から内周側即ち中心側にそれぞれ突出し、且つ、複数のダクトＤＵの各々とそれぞれ対向した複数の突出部を含まない。そのため、ヨーク１２自身が、回転軸７を中心とした円環形状を有する。

なお、本第２変形例の他の例を図９に示すように、本第２変形例では、実施の形態の第１変形例と同様に、磁場発生部９の回転方向に沿って全周に亘ってハルバッハ配列された複数の永久磁石のうち一部の永久磁石を、ヨークＹＫ２１及びＹＫ２２に置き換えてもよい。

また、前述したように、外周側に配置された磁極を有する永久磁石ＰＭの数は２に限定されず、任意の偶数にすることができ、ダクトＤＵの数は４に限定されず、外周側に配置された磁極を有する永久磁石ＰＭの数の倍数にすることができる。本第２変形例の更に他の例を図１０に示すように、外周側に配置された磁極を有する永久磁石ＰＭの数を４にし、ダクトＤＵの数を４の倍数である１２にしてもよい。外周側に配置された磁極を有する永久磁石ＰＭの数を４にした場合、外周側に配置された磁極を有する永久磁石ＰＭの数を２にした場合に比べて、磁場発生部９が一回転する間に磁気作業物質１４の温度が増減を繰り返す回数を、２回から４回に増加させることができる。

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

例えば、前述の各実施の形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除若しくは設計変更を行ったもの、又は、工程の追加、省略若しくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。

本発明は、磁気熱量効果に基づく磁気冷凍装置に適用して有効である。

１ 磁気冷凍装置
２ 本体部
３ 冷熱取り出し部
４ 回転駆動部
５ 回転子
６ 固定子
７ 回転軸
８ モータ
９ 磁場発生部
１０ 接続部材
１１ 熱発生部
１２ ヨーク
１２ａ 環状部
１２ｂ 突出部
１３ 磁気作業部
１４ 磁気作業物質
１５ 冷却器
１６ ポンプ
１７ 排熱交換器
１８ ロータリー弁
１９ 被冷却体
ＤＵ、ＤＵ１、ＤＵ２、ＤＵ３、ＤＵ４ ダクト
ＧＭ１、ＧＭ２、ＧＭ３、ＧＭ４ 永久磁石群
ＬＧ１、ＬＧ２ 長さ
ＬＭ１、ＬＭ２、ＬＭ３１、ＬＭ３２ 長さ
ＬＲ１、ＬＲ２ 距離
ＰＨ、ＰＨ１、ＰＨ２、ＰＨ３、ＰＨ４ 高温配管
ＰＬ、ＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３、ＰＬ４ 低温配管
ＰＭ、ＰＭ１、ＰＭ２、ＰＭ３１、ＰＭ３２ 永久磁石
ＰＭ４、ＰＭ４１、ＰＭ４２、ＰＭ４３ 永久磁石
ＰＭ５、ＰＭ５１、ＰＭ５２、ＰＭ５３ 永久磁石
ＰＭ１０１、ＰＭ１０２ 永久磁石
ＰＳ１、ＰＳ２ 位置
ＹＫ２１、ＹＫ２２ ヨーク
ＹＫ１０１ ヨーク

Claims (5)

1. 第１軸を中心として回転可能に設けられ、且つ、磁場を発生する磁場発生部と、
   前記磁場発生部を回転駆動する回転駆動部と、
   前記磁場発生部よりも外周側に設けられ、且つ、前記回転駆動部により前記磁場発生部が回転駆動される際に、温熱又は冷熱を発生する熱発生部と、
   前記熱発生部よりも外周側に設けられた第１継鉄部と、
   を備え、
   前記磁場発生部は、前記磁場発生部の回転方向に沿ってハルバッハ配列された複数の永久磁石を有し、
   前記熱発生部は、
   前記磁場発生部の回転方向に沿って配列された複数の容器部と、
   前記複数の容器部の各々にそれぞれ格納され、且つ、印加される磁場の強度の変化に伴って温度が変化する磁気作業物質をそれぞれ含む複数の磁気作業部と、
   を有し、
   前記熱発生部は、前記回転駆動部により前記磁場発生部が回転駆動され、前記複数の磁気作業部の各々に印加される磁場の強度の増減が繰り返され、前記複数の磁気作業部の温度の増減が繰り返される際に、温熱又は冷熱を発生し、
   前記磁場発生部は、前記磁場発生部の回転方向に沿って順次配置された、第１永久磁石、第１永久磁石群、及び、第２永久磁石を有し、
   前記第１永久磁石群は、前記磁場発生部の回転方向に沿って配列された複数の第３永久磁石を含み、
   前記複数の第３永久磁石は、互いに隣り合い、
   前記第１永久磁石は、前記複数の第３永久磁石のうち前記磁場発生部の回転方向に沿って前記第１永久磁石に最も近い位置に配置された第３永久磁石と隣り合い、
   前記第２永久磁石は、前記複数の第３永久磁石のうち前記磁場発生部の回転方向に沿って前記第１永久磁石から最も遠い位置に配置された第３永久磁石と隣り合い、
   前記第１永久磁石は、
   前記第１永久磁石の外周側に配置され、且つ、第１極性を有する第１磁極と、
   前記第１永久磁石の内周側に配置され、且つ、前記第１極性と反対の第２極性を有する第２磁極と、
   を含み、
   前記第２永久磁石は、
   前記第２永久磁石の外周側に配置され、且つ、前記第２極性を有する第３磁極と、
   前記第２永久磁石の内周側に配置され、且つ、前記第１極性を有する第４磁極と、
   を含み、
   前記複数の第３永久磁石の各々は、
   前記磁場発生部の回転方向に沿って前記第１永久磁石側に配置され、且つ、前記第１極性を有する第５磁極と、
   前記磁場発生部の回転方向に沿って前記第１永久磁石側と反対側に配置され、且つ、前記第２極性を有する第６磁極と、
   を含み、
   前記磁場発生部の回転方向に沿った前記第１永久磁石群の長さは、前記磁場発生部の回転方向に沿った前記第１永久磁石の長さよりも長く、且つ、前記磁場発生部の回転方向に沿った前記第２永久磁石の長さよりも長い、磁気冷凍装置。
2. 請求項１に記載の磁気冷凍装置において、
   前記第１継鉄部は、
   前記第１軸を中心とした円環形状を有する環状部を含む、磁気冷凍装置。
3. 請求項２に記載の磁気冷凍装置において、
   前記第１継鉄部は、前記環状部の内周面からそれぞれ突出し、且つ、前記複数の容器部の各々とそれぞれ対向した複数の突出部を含む、磁気冷凍装置。
4. 請求項２に記載の磁気冷凍装置において、
   前記複数の容器部は、前記第１軸の周りに円環状に配列されている、磁気冷凍装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気冷凍装置において、
   前記複数の磁気作業部は、前記回転駆動部により前記磁場発生部が回転駆動される際に、温熱又は冷熱を発生し、
   前記磁気冷凍装置は、更に、前記複数の磁気作業部により発生された温熱又は冷熱の内の冷熱を取り出す冷熱取り出し部を備え、
   前記冷熱取り出し部は、前記冷熱取り出し部と前記複数の容器部の各々との間で熱交換媒体を循環させることにより、前記複数の磁気作業部により発生された温熱又は冷熱の内の冷熱を取り出す、磁気冷凍装置。

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