JP7178140B2 - 磁気冷凍モジュール、磁気冷凍システム及び冷却方法 - Google Patents
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Description
本願は、2019年7月25日に、日本に出願された特願2019-136731号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
そして、磁性体等の物質に磁場を付加または除去することによって、物質が発熱または吸熱する現象を利用した磁気冷凍システムは、従来の気体の圧縮・膨張による発熱または吸熱現象を利用した熱サイクルシステムに代わるものとして注目されている。現状技術の開発磁気冷凍システムは、それぞれの組成にあった温度領域で現象を発現するよう複数の組成の物質を複合させて、機能する温度範囲を広げている(例えば、特許文献1参照)。また、負荷する磁場は、ゼロから数Tと広く印加させている。発熱または吸熱現象が生じる磁場は、磁場による磁化現象が大きく変化する部分が特に有効であり、印加磁場幅が大きいことは効率を減少させていることになる。
また、従来技術では、磁場の印加方法として、常電導、超伝導または永久磁石の場合でも、ハイブリット構造でないため、ベース磁場となる固定磁場に変動磁場を重畳できず、高磁場を実現し難いという問題点があった。
[3]上記態様に係る磁気冷凍モジュールにおいて、好ましくは、前記磁気冷凍動作部は、棒状、平板上、円筒状、または管状である。
[4]上記態様に係る磁気冷凍モジュールにおいて、好ましくは、前記磁気冷凍材料は、H0(ホロミウム)、Gd5(Ge1-xSix)4 (x=0~1)、Co(SxSe1-x)2 (x=0.8~1.0)、(Sm1-xGdx)0.55Sr0.45MnO3 (x=0~1)、Eu0.55Sr0.45MnO3、希土類単体Tb(テルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、Er(エルビウム)、又はこれらを組み合わせた合金である。
[6]上記態様に係る磁気冷凍モジュールにおいて、好ましくは、前記固定磁場の磁場強度が1.5T以下である場合、前記固定磁場励磁部は永久磁石であり、前記固定磁場の磁場強度が1.5T以上である場合、前記固定磁場励磁部は超電導磁石である。
[7]本発明の第二の態様に係る磁気冷凍システムは、第一の態様に係る磁気冷凍モジュールを少なくとも1つ備える磁気冷凍システムであって、前記固定磁場励磁部が前記磁気冷凍動作部に与える磁場強度は、前記長手方向に連続的または階段状に強くなるように分布している。
[10]上記態様に係る磁気冷凍システムにおいて、前記変動磁場印加部が前記磁気冷凍動作部に印加する変動磁場の磁場強度は、前記長手方向で一定であってもよい。
[11]本発明の第三の態様に係る磁気冷凍システムは、第一の態様に係る磁気冷凍モジュールをただ一つ備える磁気冷凍システムであって、前記固定磁場励磁部が前記磁気冷凍動作部に印加する磁場強度は、前記長手方向に連続的に強くなるように分布しており、前記変動磁場励磁部が前記磁気冷凍動作部に印加する変動磁場の磁場強度は、前記長手方向に連続的に強くなるように分布している。
[12]上記態様に係る磁気冷凍システムにおいて、固定磁場の磁場強度と変動磁場の磁場強度との和は、前記ON状態のとき急傾斜領域に対応する磁場強度以上であり、前記OFF状態のとき前記急傾斜領域に対応する磁場強度以下であり、前記急傾斜領域は、前記磁気冷凍動作部に加わる磁場変化に対して磁化が急傾斜で変化する領域であってもよい。
[13]上記態様に係る磁気冷凍システムは、高温端が第1温度となるように設定され、低温端が第2温度に設定された、磁気冷凍システムであって、前記ON状態のとき、前記高温端に加わる磁場強度は、前記第1温度における前記急傾斜領域に対応する磁場強度より強く、前記OFF状態のとき、前記高温端に加わる磁場強度は、前記第1温度における前記急傾斜領域に対応する磁場強度よりも弱く、前記ON状態のとき、前記低温端に加わる磁場強度は、前記第2温度における前記急傾斜領域に対応する磁場強度より強く、前記OFF状態のとき、前記低温端に加わる磁場強度は、前記第2温度における前記急傾斜領域に対応する磁場強度よりも弱くてもよい。
[14]上記態様に係る磁気冷凍システムは、前記低温端の温度が10K以上であり、前記高温端の温度が150K以下であってもよい。
[15]本発明の第四の態様に係る冷却方法は、上記態様に係る磁気冷凍モジュールまたは磁気冷凍システムを用いる冷却方法であって、変動磁場を上昇させ、前記磁気冷凍動作部の温度を上昇させる励磁過程と、前記ON状態で、前記低温端から前記高温端に向かって冷却対象ガスを流す、抜熱過程と、変動磁場を減磁し、前記磁気冷凍動作部の温度を降下させる断熱減磁過程と、前記高温端から前記低温端に向かって前記冷却対象ガスを流し冷却過程と、を有し、前記冷却対象ガスとして前記磁気冷凍動作部の内部に水素ガスを用いる。
(i)本発明の磁気冷凍システムによれば、温度によって磁化(M)-磁場(H)特性(以下、M-H特性という場合がある)がシフトする磁気冷凍材料を用い、M-H特性が大きく変化する急傾斜領域を活用することによって、高効率な磁気冷凍システムを実現できる。
(ii)従来技術では、動作温度に合わせた複数組成の動作物質が必要であったが、本発明では単一組成で1種類の動作物質であっても実施することができる。
(iii)本発明では、固定磁場(ベース磁場)に変動磁場を重畳させた磁場印加方法とすることにより、M-H特性が大きく変化する急傾斜領域を活用し、効率向上させることができる。
(1) 磁気熱量効果 磁性体に印加した磁場を変化させることにより、温度変化が誘発されること。図15のように磁性体に印加した磁場を切ると、磁気エントロピーが増加し、吸熱が起こる。このとき吸収する熱量は、磁気エントロピー変化と絶対温度の積で与えられるため、より大きな磁気エントロピー変化が得られれば、より大きな熱量が吸収される。この磁性体に印加した磁場を切るという過程は、気体冷凍における気体膨張の過程に対応している。
(2)強磁性体 隣り合う電子スピン同士が同一の方向を向いた磁気構造を示す磁性体のこと。零磁場下で磁化が存在し、磁石を引き寄せる性質を持つ。また、強磁性磁気構造が現れる温度をキュリー温度と呼ぶ。
(3)反強磁性体 隣り合う電子スピン同士が逆向きの方向を向いた磁気構造を示す磁性体のこと。零磁場下では、磁化は存在せず、磁石を引き寄せる性質を持っていない。また、反強磁性磁気構造が現れる温度をネール温度と呼ぶ。
(4)非強磁性的な磁気構造 強磁性磁気構造のように電子スピンが同じ方向に揃っていない磁気構造のこと。例えば、反強磁性磁気構造、螺旋磁気構造、および複合磁性体の示す磁気構造などがこれに該当する。
(5)磁気エントロピー スピン状態の乱雑さを表す示量性状態量のこと。低温において現れる強磁性構造や反強磁性構造では、隣同士の電子スピンがそれぞれ同じ方向または逆方向に揃っているため、磁気エントロピーは小さくなる。一方、高温において現れる電子スピンがランダムな方向を向いた常磁性構造(図15右のような磁気構造)では、大きな磁気エントロピーが観測される。
図1Aは、本発明で用いる磁気冷凍材料の、磁化(M)-磁場(H)曲線において、磁化(M)-磁場(H)曲線において、磁場変化に対して磁化が急傾斜で変化する領域を説明する図である。図1Aでは、磁場の低い曲線から順に2K、10K、20K、30K、40K、50K、60K、70K、80K、90Kおよび100Kにおける磁化(M)-磁場(H)曲線が示されており、実線は外部磁場を加える際の変化、点線は外部磁場減少させる際の変化を示す。
ここでは、磁化の低い状態から順に、低位側緩傾斜領域、低位側接続領域、急傾斜領域、高位側接続領域、高位側緩傾斜領域の5個の領域に区分している。低位側緩傾斜領域は、磁場変化に対して磁化が緩傾斜で変化する領域で、磁気冷凍材料の磁性イオンのスピンが螺旋を描くように周期的に並んだ螺旋磁性状態である。図1Aにおいて、40Kのグラフに着目すると、低位側緩傾斜領域は、原点Oから境界点M1の領域に相当している。高位側緩傾斜領域は、磁場変化に対して磁化が緩傾斜で変化し又は飽和する領域である。高位側緩傾斜領域は、磁気冷凍材料の磁性イオンのスピンが磁場方向に揃っている磁気飽和状態に対応する。高位側緩傾斜領域は、図1Aでは境界点M4からM5の領域に相当している。
即ち、低位側接続領域は、磁化(M)-磁場(H)曲線において、低位側緩傾斜領域と急傾斜領域の接続される領域である。すなわち、低位側接続領域は図1Aでは境界点M1からM2の領域に相当している。高位側接続領域は、磁化(M)-磁場(H)曲線において、急傾斜領域と低位側緩傾斜領域の接続される領域である。高位側接続領域は、図1Aでは境界点M3からM4の領域に相当している。
尚、ここまで40Kのグラフに特に着目し、低位側緩傾斜領域、低位側接続領域、急傾斜領域、高位側接続領域、高位側緩傾斜領域の5個の領域およびその境界点について説明したが、いずれの温度においても上記5個の領域および境界点は存在する。温度が上昇すると、境界点に対応する磁場の大きさが大きくなる傾向にある。
図1Bはホルミウム単体の磁化(M)-磁場(H)曲線を示す図である。図1Bでは、磁場の低い曲線から順に2K、10K、20K、30K、40K、50K、60K、70K、80K、90K、100Kおよび200Kにおける磁化(M)-磁場(H)曲線が示されており、実線は外部磁場を加える際の変化、点線は外部磁場減少させる際の変化を示す。温度によって、M-H特性が変化し、かつ急激な磁化変化挙動を示す。磁化は、ある限られた磁場範囲で急激に増大する。すなわち、この範囲でのみスピンの配列状態が大きく変化している。そこで、所定の大きさの磁場H0から0.1Tの磁場hをさらに加えたときの磁気エントロピー変化量(-ΔS)を磁化-温度曲線から、Maxwellの関係式を用いて求めた(図2参照)。図中で、ΔSの大きさは濃淡で示され、濃い領域ほど値が大きいことを示す。図中でΔSの最大値は3.0(Jkg-1K-1)であった。
表1は、Maxwellの関係式を用いて求めた磁気エントロピー変化量(-ΔS)およびMaxwellの関係式に用いた条件を示す。例えば、条件1では、温度TM=20Kで、磁場H0=0.2Tが与えられていたホルミウム単体に与える磁場を0.1Tだけ強めると、磁気エントロピー変化量(-ΔS)が2.4J・kg-1・K-1だけ変化していることを示す。この条件1において、単位駆動力あたりの磁場変化量{-ΔS/Δ(μ0h)}は、24(J・kg-1・K-1・T-1)であった。
従来技術では、単位磁場あたりの磁気エントロピー変化量{-ΔS/Δ(μ0h)}は、約6Kであった。表1に示すように磁場変動に対する単位磁場あたりの磁気エントロピー変化量{-ΔS/Δ(μ0h)}は、30K付近で従来技術の最大値の約5倍である。このことは、ベース磁場にM-H特性の変化の大きい部分だけ変動磁場を付加する効果がもたされたためであると考えられる。
図3(b)に示すように、第1サイクルと第2サイクルとを比較すると、第1サイクルは、第2サイクルよりも磁場の変化幅は大きいが、磁場の変化幅に対して温度変化量は小さく、効率が低いことがわかる。
ベース磁場H0から変動磁場ΔHを用いた磁気冷凍の熱サイクル(等温励磁過程(A’→B’)、断熱減磁過程(B’→C’))におけるエントロピー変化ΔS’と温度変化ΔT’は、ゼロ磁場から高磁場H1までの磁場を磁気冷凍熱サイクルとして用いる場合(A→B、B→C)のエントロピー変化ΔSと温度変化ΔTと、おおよそ等しく同様の効果が得られる。
図5は、本発明の実施例2を示すもので、20Kから50K程度までの様々な温度Tにあるホルミウム単体にベース磁場H0から0.4Tの磁場hをさらに加え、hを除去したときの温度変化を示す図である。
単体ホルミウムの外周部に、ベース磁場として0.0T~1.5Tまで0.033T間隔のベース磁場を発生させつつ同時に0.4Tの変動磁場を発生する磁石をセットし、それぞれのベース磁場において印加磁場を変化させた。
適切な固定磁場としてのベース磁場を用いることで20-40Kの範囲内のいずれの温度からでも蓄熱体を兼ねるホルミウムを1.2-1.5K冷却できた。
図7Aは、本実施形態の磁気冷凍システム100の断面を示す概略図である。図7Bは、図7Aの切断線VIIB-VIIBに沿う断面図(VIIB-VIIB線断面図)を示している。
図8Aは、変形例1に係る磁気冷凍システム101の断面図である。磁気冷凍システム101は、磁気冷凍動作部1Aを有する点が図7Aに示す磁気冷凍システム100と異なる。磁気冷凍動作部1Aは、第1方向に貫通する貫通孔を有していない。磁気冷凍動作部1Aは粒子状やペレット状である。そのため、磁気冷凍動作部1Aの内部に冷却対象ガスを流し、冷却することが可能である。この際、磁気冷凍動作部1Aの内部には、冷媒流路が形成されていると捉えてもよい。その他の構成は、図7Aに示す磁気冷凍システム100と同様であり、説明を省く。
図8Bは、変形例2に係る磁気冷凍システム102の断面図である。磁気冷凍システム102は、変動磁場励磁部3Bが複数の独立した変動磁場励磁部3B~3fからなる点が図7Aに示す磁気冷凍システム100と異なる。変動磁場励磁部3Bは、磁気冷凍動作部1に磁場を与える際、第1方向に沿って、変動磁場の磁場強度が階段状に強くなるように分布している。この場合、磁気冷凍モジュール10aにおける変動磁場の磁場強度は、磁気冷凍モジュール10a~10fにおける変動磁場の中で最も小さく、磁気冷凍モジュール10fにおける変動磁場の磁場強度は、磁気冷凍モジュール10a~10fの中で最も大きい。
図8Cは、変形例3に係る磁気冷凍システム103の断面図である。磁気冷凍システム103は、接続管6´を有している点が、磁気冷凍システム100と異なる。磁気冷凍システム103の有する磁気冷凍動作部1Cおよび固定磁場励磁部2Cは、同心円状に配置されていない。隣接する磁気冷凍モジュールにおける磁気冷凍動作部は、接続管6´により接続されている。接続管6´の形状は、任意に選択される。図8Cにおいては、各磁気冷凍モジュール10における磁気冷凍動作部1Cおよび固定磁場励磁部2の中心位置がずれている例を示したが、固定磁場励磁部2および磁気冷凍動作部1の厚みが磁気冷凍モジュール毎に異なる構成などであってもよい。また磁気冷凍動作部1および固定磁場励磁部2の構成に合わせて変動磁場励磁部3の厚みや位置を適宜調整してもよい。
図9Aは、変形例4に係る磁気冷凍システム104の断面図である。磁気冷凍システム104は、固定磁場励磁部2が変動磁場励磁部3の外周方向に位置する点が図7Aに示す磁気冷凍システム100と異なる。その他の構成は、図7Aに示す磁気冷凍システム100と同様であり、説明を省く。図9Bは、磁気冷凍システム104の切断線IXB-IXB線断面図である。
本実施形態に係る磁気冷凍システムを用いることで、励磁過程と、抜熱過程と、断熱減磁過程と、冷却過程と、を有する冷却方法を実施できる。この冷却方法では、第1温度の冷却対象ガスを利用し、高温端4を第1温度、低温端5を第2温度にすることができる。以下、図7Aに示す磁気冷凍システム100を用いた実施例を示すことで、その動作について説明する。尚、本実施形態に係る磁気冷凍システム100は、この例で用いる数値などの条件に限定されない。
磁気冷凍動作部1は、動作物質としての単体ホルミウムを有するもので、単体ホルミウムは粒子状やペレット状に成形してもよく、ポーラスでもよく、更には密実な固体であってもよい。粒子状やペレット状であれば、磁気冷凍動作部1の内部に冷却対象ガスを流すことができる。密実な場合は、冷却対象ガスを流すのは冷媒流路6となる。ポーラスな場合は、流体抵抗が低い場合は、磁気冷凍動作部1の内部に冷却対象ガスを流すことができるが、流体抵抗が著しく高い場合は冷媒流路6を設けて冷却対象ガスを流す。磁気冷凍動作部1の全体形状は、円筒形が好ましいが、棒状、平板状又は管状でもよい。
変動磁場励磁部3は、一定幅の変動磁場(h;h>0)により、磁気冷凍材料の急傾斜領域の低位側接続領域から高位側接続領域迄の変動磁場振幅に対応する変動磁場を印加するもので、例えば常電導または超伝導磁石よりなる。変動磁場励磁部3が作用する際における変動磁場の磁場強度は、例えば0.4Tに設定される。
この実施例では、変動磁場励磁部3が磁気冷凍動作部1の外周側に管状に設けられ、固定磁場励磁部2が変動磁場励磁部3の外周側に管状に設けられる。固定磁場励磁部2と変動磁場励磁部3の配置順序は、図7Aに示す順で同心円状に配置されるとよいが、逆の順番で配置されていてもよい。
低温端5は、磁気冷凍動作部1の高温端となるもので、固定磁場励磁部2で発生する磁場に高低の傾斜が設けられている場合には、低磁場側に位置している。低温端5は、冷媒の流れによって冷却対象ガスと熱交換したり、或いは冷却対象ガスを冷媒ガスとして利用する構造としてもよい。
冷媒流路6は、磁気冷凍動作部1の長手方向に沿って設けられたもので、高温端4と低温端5との間で冷媒が移動可能であると共に、冷媒流路6に存在する冷媒は前記磁気冷凍材料との間で熱交換をするように構成されている。
図7Aに示す磁気冷凍システムは、6個の磁気冷凍モジュールで構成されている。隣接する磁気冷凍モジュールは、固定磁場の磁場強度が、それぞれ0.2Tから1.2Tまで0.2T間隔である。
磁気冷凍動作部1において動作物質としての単体ホルミウムには、冷却対象である水素またはヘリウムガスが通過熱交換できる冷媒流路6が設けてある。水素の場合、ホルミウムと反応するので間接的に熱交換できる流路構造とする必要がある。冷媒流路6は、各磁気冷凍モジュール毎に独立して設けてもよく、また各磁気冷凍モジュールと共通に設けてもよい。冷媒流路6を各磁気冷凍モジュール毎に独立して設ける場合には、各冷媒流路6を接続する接続管を設ける必要がある。
最初に、図10(a)に示す励磁過程で、変動磁場を0.4T上昇させ(ON状態にし)、磁気冷凍動作部1に含まれる動作物質としての単体ホルミウムの温度を上昇させる。
この次に、図10(b)に示す動作物質の抜熱過程で、低温端5から高温端4に向かって約50Kの冷却対象ガスを通過させて、磁気冷凍動作部1を構成する単体ホルミウムの抜熱を行う。
次に、図10(c)に示す断熱減磁過程で、変動磁場をゼロに減磁し(OFF状態にし)、単体ホルミウムの温度を降下させる。
さらに、図10(d)に示したように、冷却対象ガスを高温端4から低温端5に向かって通過させて、冷却対象ガスを冷却させる。
変動磁場励磁部3は、超伝導磁石でも可能であり、酸化物超伝導線材を用い、液体窒素温度(77K)で運転することによりエネルギー効率は改善される。
図7Aに示す装置では、固定磁場発生に永久磁石を用い、変動磁場発生には、常電導(または超伝導)磁石を用いて、高温端が50K、低温端が20K、温度勾配が30Kの磁気冷凍システムが実現された。
図11は、本発明の実施例1,2を基にした変形例Aの磁気冷凍システム105を示す概略図である。磁気冷凍システム105は、ただ一つの固定磁場励磁部7を有する点が磁気冷凍システム100と異なる。固定磁場励磁部7は、第1方向に沿って固定磁場の磁場強度が連続的または階段状に変化する。固定磁場励磁部7の磁場が階段状に変化する場合、図11に示されるように磁気冷凍モジュール10a~10fに区分される。固定磁場の両端における磁場強度が異なるため、図11に示す構成の全体としては、磁気冷凍システムである。固定磁場励磁部7の磁場が連続的に変化する場合であっても、長手方向における断面での固定磁場の磁場強度は所定の値であり、磁気冷凍システム105は、少なくとも1つの磁気冷凍モジュールを有する。以下、磁気冷凍システム105の具体的な動作の一例について説明する。
磁気冷凍システム105は、固定磁場励磁部7としてとして0.2~2.5Tまで傾斜磁場を持った超伝導磁石を、磁気冷凍動作部1を構成する単体ホルミウムの外側に配置した。変動磁場励磁部3として、固定磁場励磁部2の外側に0.4Tの変動磁場を発生する超伝導または常電導磁石を配置した。単体ホルミウムには、冷却対象である水素またはヘリウムガスが通過熱交換(直接的または間接的)できる冷媒流路6が設けてある。
最初に、図10(a)に示す励磁過程に相当する過程で、変動磁場を0.4T上昇させ、磁気冷凍動作部1に含まれる動作物質としての単体ホルミウムの温度を上昇させる。
この次に、図10(b)に示す動作物質の抜熱過程に相当する過程で、低温端5から高温端4に向かって液体窒素で77Kに予備冷却された水素、または液化天然ガスで120Kに予備冷却されたヘリウムを冷却対象ガスとして通過させて、磁気冷凍動作部1を構成する単体ホルミウムの抜熱をする。
次に、図10(c)に示す断熱減磁過程に相当する過程で、変動磁場をゼロに減磁し、単体ホルミウムの温度を降下させる。
さらに、図10(d)に示す冷却過程に相当する過程で、冷却対象ガスを高温端4から低温端5に向かって通過させて、冷却対象ガスを冷却させる。
上記の例では、固定磁場発生に傾斜磁場超伝導磁石を用い、変動磁場発生には常電導(または超伝導)磁石を用いて、高温端が77K(または120K)、低温端が20K(ヘリウムでは17K)、温度勾配が57K(100K)の磁気冷凍システムが実現された。
単体ホロミウムと同様に、温度によって磁化(M)-磁場(H)特性が異なり、かつ磁化(M)がある磁場(H)から急激に変化する現象は、Gd5(Ge1-xSix)4;x=0~1、Co(SxSe1-x)2;x=0.8~1.0、(Sm1-xGdx)0.55Sr0.45MnO3;x=0~1、Eu0.55Sr0.45MnO3、希土類単体Tb,Dy,Er、およびそれらを組み合わせた合金でも起こる。
例として、図12にGd5Ge4の磁化(M)-磁場(H)曲線(16Kから100Kまで3K刻み)、図13にCo(SxSe1-x)2の磁化(M)-磁場(H)曲線、および図14に(Gd0.5Sm0.5)0.55Sr0.45MnO3の磁化(M)-磁場(H)曲線を示した。図14では、実線は外部磁場を加える際の変化、点線は外部磁場減少させる際の変化を示す。
Gd5Ge4、Co(SxSe1-x)2、(Gd0.5Sm0.5)0.55Sr0.45MnO3でも単体ホルミウムと同様に、温度によってM-H特性は異なり、かつM-H特性は、ある磁場から急激に変化する。従って、単体ホルミウムと同様の磁気冷凍効果が期待できる。
表2に、水素の液化用に適した低温用の代表的な磁気冷凍材料を挙げる。表2では、温度TMにおいて、固定磁場としての磁場を磁気冷凍材料に与えず、所定の変動磁場(磁場)のみを与えたときのエントロピー変化およびエントロピー変化効率を示す。表2において、エントロピー変化効率の列における「@」以降の数値は変動磁場として与えた磁場強度を示す。例えば、サンプルAにおいては、変動磁場として5T加えると、14.9(J・kg-1・K-1)だけ変化することを示す。エントロピー変化効率は、変動磁場として1T加えたときのエントロピー変化である。
また例えば、上記の実施例では、磁気冷凍動作部や固定磁場励磁部・変動磁場励磁部には、相互の位置関係を変動させる機構を設けていないが、本発明の磁気冷凍モジュール及びこれを用いた磁気冷凍システムにおいては、磁気冷凍材料物質に発熱または吸熱を生じさせる物質または変動磁場励磁部を往復または回転移動させる機構を設けてもよい。
固定磁場励磁部は、磁気冷凍動作部の厚み方向又は幅方向の少なくとも一方に、磁気冷凍動作部を挟む状態で設けられた上部固定磁場励磁部及び下部固定磁場励磁部よりなり、例えば平板状の永久磁石を用いる。変動磁場励磁部は、上部固定磁場励磁部及び下部固定磁場励磁部によって発生した固定磁場に加えて、変動磁場を発生させる平板状の電磁石で、例えば常電導または超伝導磁石よりなるとよい。
また、本発明の磁気冷凍システムによれば、ベース磁場に変動磁場を重畳させた磁場印加構造とすることにより、磁気冷凍効果の最も大きい磁場範囲だけの印加を可能とし、効率向上させることができる。
2:固定磁場励磁部
3:変動磁場励磁部
4:第1端(高温端)
5:第2端(低温端)
6:冷媒流路
7:固定磁場励磁部
10:磁気冷凍モジュール
100,101,102,103,104,105:磁気冷凍システム
Claims (15)
- 磁気冷凍材料を有し、長手方向に延在する磁気冷凍動作部と、
前記磁気冷凍動作部の前記長手方向と交差する方向にそれぞれ離間して配置された固定磁場励磁部と変動磁場励磁部と、を有し、
前記固定磁場励磁部は、前記磁気冷凍動作部に、時間の経過とともに磁場強度が変化しない固定磁場を印加し、
前記変動磁場励磁部は、ON状態のとき前記磁気冷凍動作部に変動磁場を印加し、OFF状態のとき前記磁気冷凍動作部に変動磁場を印加しない、磁気冷凍モジュール。 - 前記変動磁場励磁部は、前記固定磁場励磁部の外周方向に配置されている、請求項1に記載の磁気冷凍モジュール。
- 前記磁気冷凍動作部は、棒状、平板上、円筒状、または管状である、請求項1または2に記載の磁気冷凍モジュール。
- 前記磁気冷凍材料は、Ho(ホロミウム)、Gd5(Ge1-xSix)4 (x=0~1)、Co(SxSe1-x)2 (x=0.8~1.0)、(Sm1-xGdx)0.55Sr0.45MnO3 (x=0~1)、Eu0.55Sr0.45MnO3、希土類単体Tb(テルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、Er(エルビウム)、又はこれらを組み合わせた合金である、請求項1~3のいずれか一項に記載の磁気冷凍モジュール。
- 前記変動磁場励磁部は、少なくとも超伝導磁石および常電導磁石の一つ以上が用いられる、請求項1~4のいずれか一項に記載の磁気冷凍モジュール。
- 前記固定磁場の磁場強度が1.5T以下である場合、前記固定磁場励磁部は永久磁石であり、
前記固定磁場の磁場強度が1.5T以上である場合、前記固定磁場励磁部は超電導磁石である、請求項1~5のいずれか一項に記載の磁気冷凍モジュール。 - 請求項1から6のいずれか一項に記載の磁気冷凍モジュールを少なくとも1つ備える磁気冷凍システムであって、
前記固定磁場励磁部が前記磁気冷凍動作部に与える磁場強度は、前記長手方向に連続的または階段状に強くなるように分布している、磁気冷凍システム。 - 前記磁気冷凍モジュールを複数備える、請求項7に記載の磁気冷凍システム。
- 前記変動磁場励磁部が前記磁気冷凍動作部に印加する変動磁場の磁場強度は、前記長手方向に連続的または階段状に強くなるように分布している、請求項7または8に記載の磁気冷凍システム。
- 前記変動磁場励磁部が前記磁気冷凍動作部に印加する変動磁場の磁場強度は、前記長手方向で一定である、請求項7または8に記載の磁気冷凍システム。
- 請求項1から6のいずれか一項に記載の磁気冷凍モジュールをただ一つ備える磁気冷凍システムであって、
前記固定磁場励磁部が前記磁気冷凍動作部に印加する磁場強度は、前記長手方向に連続的に強くなるように分布しており、
前記変動磁場励磁部が前記磁気冷凍動作部に印加する変動磁場の磁場強度は、前記長手方向に連続的に強くなるように分布している、磁気冷凍システム。 - 固定磁場の磁場強度と変動磁場の磁場強度との和は、前記ON状態のとき急傾斜領域に対応する磁場強度以上であり、前記OFF状態のとき前記急傾斜領域に対応する磁場強度以下であり、
前記急傾斜領域は、前記磁気冷凍動作部に加わる磁場変化に対して磁化が急傾斜で変化する領域である、請求項9~11のいずれか一項に記載の磁気冷凍システム。 - 高温端が第1温度となるように設定され、低温端が第2温度に設定された、磁気冷凍システムであって、
前記ON状態のとき、前記高温端に加わる磁場強度は、前記第1温度における前記急傾斜領域に対応する磁場強度より強く、
前記OFF状態のとき、前記高温端に加わる磁場強度は、前記第1温度における前記急傾斜領域に対応する磁場強度よりも弱く、
前記ON状態のとき、前記低温端に加わる磁場強度は、前記第2温度における前記急傾斜領域に対応する磁場強度より強く、
前記OFF状態のとき、前記低温端に加わる磁場強度は、前記第2温度における前記急傾斜領域に対応する磁場強度よりも弱い、請求項12に記載の磁気冷凍システム。 - 前記磁気冷凍システムの低温端の温度が10K以上であり、前記磁気冷凍システムの高温端の温度が150K以下である、請求項9~13のいずれか一項に記載の磁気冷凍システム。
- 請求項1~7のいずれか一項に記載の磁気冷凍モジュールまたは請求項8~14のいずれか一項に記載の磁気冷凍システムを用いる冷却方法であって、
変動磁場を上昇させ、前記磁気冷凍動作部の温度を上昇させる励磁過程と、
前記ON状態で、前記低温端から前記高温端に向かって冷却対象ガスを流す、抜熱過程と、
変動磁場を減磁し、前記磁気冷凍動作部の温度を降下させる断熱減磁過程と、
前記高温端から前記低温端に向かって前記冷却対象ガスを流し冷却過程と、を有し、
前記冷却対象ガスとして前記磁気冷凍動作部の内部に水素ガスを用いる、冷却方法。
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