JPWO2012056577A1 - 熱交換器および磁気冷凍システム - Google Patents

Abstract

本発明の実施形態に係る熱交換器は、熱輸送媒体が導入される容器と、前記容器の内部に設けられ、前記熱輸送媒体が流れる方向に延在した磁気熱量効果材料を含む基部と、前記基部の表面に設けられた複数の熱伝導部と、を有した熱交換要素と、を備えている。そして、前記熱伝導部の熱伝導率は、前記基部の熱伝導率よりも高くなっている。

Description

本発明の実施形態は、熱交換器および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、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。

このような磁気冷凍技術の一つとして、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蓄える蓄熱効果を同時に担わせる室温ＡＭＲ（Ａｃｔｉｖｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ）方式が提案されている。

ＡＭＲ方式では、例えば、従来のフロンなどの気体の圧縮・膨張サイクルを利用した冷凍方式に比べ高い熱交換効率が得られることが期待されている。

もっとも、省エネルギー化の観点から、さらに熱交換効率の高い磁気冷凍技術の開発が望まれている。

特開２００６−２８３９８７号公報 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熱交換器および磁気冷凍システムを提供する。

実施形態によれば、熱輸送媒体が導入される容器と、前記容器の内部に設けられ、前記熱輸送媒体が流れる方向に延在した磁気熱量効果材料を含む基部と、前記基部の表面に設けられた複数の熱伝導部と、を有した熱交換要素と、を備え、前記熱伝導部の熱伝導率は、前記基部の熱伝導率よりも高いこと、を特徴とする熱交換器が提供される。

第１の実施形態に係る熱交換器の構成を例示するための模式図である。（ａ）は熱交換要素を例示するための模式図、（ｂ）は複数の熱交換要素から構成された層状構成体を例示するための模式図、（ｃ）は層状構成体を収納する容器を例示するための模式図、（ｄ）は熱交換器の両端部に低温側熱交換器、高温側熱交換器を配置した状態を例示するための模式図である。 本発明の実施形態に係るハイブリッド構造の熱交換器を例示するための模式図である。 本発明の実施形態に係る熱交換要素を例示するための模式図である。（ａ）は熱交換要素の側面図、（ｂ）は熱交換要素の平面図、（ｃ）は（ｂ）におけるＡ部の拡大図である。 本発明の実施形態に係る等方的で不連続な配設パターンとなるように基部に熱伝導部を配設する場合を例示するための模式図である。（ａ）は平面視において矩形状を呈する熱伝導部の場合、（ｂ）は平面視において円状を呈する熱伝導部の場合、（ｃ）は平面視において楕円状を呈する熱伝導部の場合である。 本発明の実施形態に係る層状構成体を例示するための模式図である。（ａ）は層状構成体の模式側面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線矢視断面図である。 第４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系統図である。 本発明の実施形態に係るＡＭＲ冷凍サイクルを例示するための模式図である。（ａ）は、熱交換器に磁場を印加した状態を例示するための模式図であり、（ｂ）は、熱交換器に印加されていた磁場を除去した状態を例示するための模式図である。

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。
また、図中において、矢印ｘ、ｙ、ｚは互いに直交する三方向（軸）を表している。そして、ｚ方向を磁場の方向としている。
[第１の実施形態]
図１は、第１の実施形態に係る熱交換器の構成を例示するための模式図である。図１（ａ）は熱交換要素を例示するための模式図、図１（ｂ）は複数の熱交換要素から構成された層状構成体を例示するための模式図、図１（ｃ）は層状構成体を収納する容器を例示するための模式図、図１（ｄ）は熱交換器の両端部に低温側熱交換器、高温側熱交換器を配置した状態を例示するための模式図である。

図１（ａ）に示すように、熱交換要素１には、基部１０、熱伝導部１１が設けられている。すなわち、熱交換要素１は、容器４の内部に設けられ、熱輸送媒体１１７が流れる方向に延在した磁気熱量効果材料を含む基部１０と、基部１０の表面に設けられた複数の熱伝導部１１と、を有している。また、熱伝導部１１の熱伝導率は、基部１０の熱伝導率よりも高くなっている。また、熱伝導部１１は、熱輸送媒体１１７が流れる方向において互いに接しないように配設されている。
なお、本明細書において熱輸送媒体１１７が流れる方向とは、容器４内の熱輸送媒体１１７の流線をいい、容器４への熱輸送媒体１１７の導入方向ではない。
ここで、流線とは、ｙ方向の中心点をＹ０，ｘとし、Ｙ０，ｘと同じｘ位置におけるｙ方向の端点（容器４の壁面と接する点）をＹｒ，ｘ、Ｙ−ｒ，ｘ、とした場合、Ｙ０，ｘとＹｒ，ｘとの距離が等距離となる軌跡を書いた線Ｌ１、および、Ｙ０，ｘとＹ−ｒ，ｘとの距離が等距離となる軌跡を描いた線Ｌ２、で定義する。例えば、容器４の断面が図１のような長方形の場合、Ｌ１、Ｌ２はｘ軸方向に平行である。
なお、熱交換要素１に関する詳細は後述する。

図１（ｂ）に示すように、層状構成体３は、熱輸送媒体１１７が流れることになる空隙２を介して複数の熱交換要素１を積層した構成となっている。すなわち、層状構成体３は、熱交換要素１と、熱輸送媒体１１７の流路となる空隙２とが繰り返し積層された構成となっている。なお、図１（ｂ）においては、煩雑化を避けるため熱伝導部１１を省略して描いている。また、熱交換要素１の積層数は図示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。

図１（ｃ）に示すように、容器４は、層状構成体３をその内部に収納して固定することができるようになっている。容器４は、非磁性体であり、例えば、プラスチック等の樹脂から形成されるようにすることができる。また、容器４は、機械的強度を向上させるためにステンレスやアルミニウム合金等の金属から形成されるようにすることもできる。ただし、容器４が金属から形成されるものとすれば、後述する温度勾配を維持するための図示しない断熱層を設ける必要がある。またさらに、磁場の印加・除去に伴う渦電流の発生を抑制する必要もある。そのため、これらの観点からは熱伝導がし難く、電気抵抗も高い樹脂から形成されるようにすることが好ましい。
なお、容器４の内部に複数の熱交換要素１が収納、固定されたものが本実施の形態に係る熱交換器（ＡＲＭ ｂｅｄ）２０となる。

図１（ｄ）に示すように、層状構成体３が収納された容器４の一方の端部には低温側熱交換器１１５、他方の端部には高温側熱交換器１１６を設けるようにすることができる。この場合、熱輸送媒体１１７は、低温側熱交換器１１５または高温側熱交換器１１６を介して容器４内に設けられた層状構成体３の空隙２を流れる。

図２は、いわゆるハイブリッド構造の熱交換器を例示するための模式図である。図２に示すように、複数の熱交換器（ＡＲＭ ｂｅｄ）２０ａ〜２０ｃを直列に接続して一つの熱交換器とすることができる。
この場合、熱交換器２０ａ〜２０ｃに設けられた各熱交換要素が、それぞれ異なるキュリー温度（磁気転移温度）を有する磁気熱量効果材料を含んだものとすることができる。

ＡＭＲ方式の磁気冷凍システムにおいては、熱交換器の両端（高温端と低温端）の間に温度勾配が形成された状態で運転が行われる。すなわち、磁気熱量効果材料を含んだ熱交換要素の蓄熱効果によって温度勾配が形成され、温度勾配が形成された状態で運転が行われる。

そのため、高温端側の熱交換器２０ａにはキュリー温度の高い磁気熱量効果材料を含んだ熱交換要素を設け、低温端側の熱交換器２０ｃにはキュリー温度の低い磁気熱量効果材料を含んだ熱交換要素を設けるようにする。そして、高温端側と低温端側の中間にある熱交換器２０ｂには、これらの中間となるようなキュリー温度を有する熱交換要素を設けるようにする。
この様に、熱交換器の熱輸送媒体１１７が流れる方向に生じる温度勾配に即して、キュリー温度の異なる磁気熱量効果材料を含んだ熱交換要素を設けるようにすれば、より広い温度領域において効率のよい熱交換を行うことができる。

次に、熱交換要素１についてさらに例示をする。
図３は、熱交換要素を例示するための模式図である。なお、図３（ａ）は熱交換要素の側面図、図３（ｂ）は熱交換要素の平面図、図３（ｃ）は図３（ｂ）におけるＡ部の拡大図である。
図３に示すように、熱交換要素１には、基部１０、熱伝導部１１が設けられている。

基部１０は、板状を呈し、熱輸送媒体１１７が流れる方向に伸びるようにして設けられている（図１を参照）。
基部１０は、磁気熱量効果材料を含んだものとすることができる。磁気熱量効果材料としては、例えば、Ｇｄ（ガドリニウム）、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系化合物、ＬａＦｅ_１３系化合物、ＬａＦｅ_１３Ｈ系化合物などを例示することができる。ただし、例示をしたものに限定されるわけではなく、磁気熱量効果を発現することができる材料を適宜選択することができる。

ここで、磁気冷凍システムにおいては、熱交換器２０の両端（高温端と低温端）の間に温度勾配が形成される。すなわち、熱輸送媒体１１７が流れる方向における基部１０の両端（図３（ａ）、（ｂ）においては基部１０の長手方向の両端）の間に温度勾配が形成される。そのため、両端に形成される高温端−低温端の間は、材料物性値である熱伝導の大きさに比例して、高温側は低温側に、低温側は高温側に熱的につながる軸熱伝導が生じる。このような軸熱伝導が生じると高温端−低温端の間における温度差が減少するので、磁気冷凍システムの出力低下や熱交換効率の低下などを招くことになる。

そのため、熱交換要素１においては、基部１０の表面に熱伝導部１１を設けることで、軸熱伝導を抑制するとともに熱交換要素１と熱輸送媒体１１７との間における熱交換効率を向上させるようにしている。

熱伝導部１１は、基部１０の材料が有する熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料を用いて形成されたものとすることができる。この場合、基部１０の材料が有する熱伝導率と、熱伝導部１１の材料が有する熱伝導率との差を大きくすることで、軸熱伝導の抑制や熱交換効率の向上をさらに図ることができる。また、熱伝導率を高くすることで、熱伝導部１１の厚さを薄くできる効果もある。

熱伝導部１１は、熱輸送媒体１１７が流れる方向と交差する方向に伸びるようにして設けることができる。すなわち、熱伝導部１１は、熱輸送媒体１１７が流れる方向と交差する方向に延在している。熱伝導部１１を熱輸送媒体１１７が流れる方向と交差する方向に伸びるようにして設ければ、熱伝導部１１による軸熱伝導を抑制することができる。

また、熱伝導部１１の材料が有する熱伝導率は、基部１０の材料が有する熱伝導率よりも高いので、軸熱伝導により基部１０中を移動する熱移動量よりも熱伝導部１１を介して熱輸送媒体１１７に受け渡す熱移動量の方が多くなる。そのため、見かけ上の軸熱伝導を小さくすることができる。

図３に例示をした熱交換要素１においては、基部１０の主面にライン状の熱伝導部１１を設けている。熱伝導部１１は、熱輸送媒体１１７が流れる方向と直交する方向に伸びるようにして設けられている。熱伝導部１１は、熱輸送媒体１１７が流れる方向に所定の間隔で複数設けられている。
熱輸送媒体１１７が流れる方向と直交する方向に伸びるような熱伝導部１１とすれば、熱伝導部１１による軸熱伝導をさらに小さくすることができる。

熱伝導部１１の厚み寸法は、１μｍ以上、１００μｍ以下とすることができる。熱伝導部１１の厚み寸法が１μｍ未満となれば、前述した軸熱伝導の抑制効果や熱交換効率の向上効果が著しく低下するおそれがある。熱伝導部１１の厚み寸法が１００μｍを超えるものとなれば、熱輸送媒体１１７との間の熱交換に時間がかかったり、段差（障壁）が高くなることで圧力損失が増大したりするおそれがある。

ライン状の熱伝導部１１を複数設ける場合には、図３（ｂ）に例示をしたようなライン＆スペースの配設パターンとすることができる。
この場合、図３（ｃ）に示すように、熱伝導部１１の幅寸法をＬ、熱伝導部１１と熱伝導部１１との間の寸法をＳとすると、Ｌ／Ｓ比は、０．５以上、２０以下とすることができる。また、Ｌ／Ｓ比は、０．５以上、１０以下とすることがより好ましい。
Ｌ／Ｓ比が０．５未満となれば熱伝導部１１の面積が小さくなりすぎるため軸熱伝導の抑制効果や熱交換効率の向上効果が著しく低下するおそれがある。Ｌ／Ｓ比が２０を超えるものとなれば、熱伝導部１１の面積が全体の９５％を越えてしまうことになり、熱伝導部１１による軸熱伝導が大きくなるおそれがある。

熱伝導部１１は、Ａｕ（金）やＣｕ（銅）などの非磁性体から形成するようにすることができる。後述するように、熱交換要素１に対しては磁場の印加と除去が行われるので、磁場変化の影響を受けることになる。そのため、熱伝導部１１を非磁性体から形成するようにすれば、磁場変化の影響を低減させることができる。

また、熱伝導部１１は、非金属から形成するようにすることができる。熱交換要素１に対しては磁場の印加と除去が行われるので、熱伝導部１１を電気抵抗が低い材料から形成すると渦電流が生じてジュール熱が発生する。そのため、高温端−低温端の間における温度差が小さい場合やより高性能な熱交換器２０とする場合などにおいては、熱伝導部１１を非金属から形成するようにすることが好ましい。この場合、渦電流の発生を抑制するために、熱伝導部１１を高抵抗且つ熱伝導性の高いセラミックス材料から形成するようにすることができる。この様なセラミックス材料としては、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）やＡｌＮ（窒化アルミニウム）などの高熱伝導性セラミックス材料を例示することができる。

熱伝導部１１の形成方法としては、例えば、メッキ法や気相成長法などを例示することができる。
例えば、メッキ法を用いて熱伝導部１１を形成する場合には、基部１０の主面に所望の配設パターン形状を有するマスクを施した後、Ｃｕ（銅）メッキなどを行い、その後マスクを取り除くことで熱伝導部１１を形成するようにすることができる。

また、熱伝導部１１の表面に酸化防止膜を形成するようにすることができる。例えば、熱伝導部１１がＣｕ（銅）などから形成される場合には、熱輸送媒体１１７と反応して酸化してしまう場合がある。そのため、熱伝導部１１の表面に酸化防止膜を形成することで、熱輸送媒体１１７との反応を抑制するようにすることができる。

[第２の実施の形態］
熱交換要素１が設けられた熱交換器２０においては、熱輸送媒体１１７に接する熱交換要素１の面積が大きくなるほど熱交換効率が向上する。従って、熱交換要素１の厚み寸法を薄くして、なるべく多くの熱交換要素１が熱交換器２０に設けられるようにすることが好ましい。また、なるべく多くの熱交換要素１が熱交換器２０に設けられるように空隙２も狭くすることが好ましい。

ところが、熱交換要素１の厚み寸法を薄くすれば、すなわち、基部１０の厚み寸法を薄くすれば、機械的強度が低下することになる。また、磁気冷凍システムを運転した際に振動が発生する場合がある。例えば、熱輸送媒体１１７の流動により機械的振動が発生したり、印加磁場および磁気トルク変動により磁歪振動が発生したりする場合がある。

この様な振動が発生すると、熱交換要素１が撓み、熱輸送媒体１１７の流路となる空隙２を塞いでしまうおそれがある。このことは、熱交換要素１（基部１０）の厚み寸法を薄くするほど、また、空隙２を狭くするほど顕著となる。

本実施の形態においては、等方的な配設パターンとなるように基部１０に熱伝導部を配設することで、熱交換要素全体としての機械的強度を向上させるようにしている。
さらに、等方的で不連続な配設パターンとなるように基部１０に熱伝導部を配設することで、軸熱伝導の低減と機械的強度の向上の両立を図るようにしている。

なお、ここで等方的とは、基部１０の表面に形成された熱伝導部の配設パターンに方向性（異方性）がないことを意味する。
例えば、図３（ｂ）に例示をした熱伝導部１１は、互いに平行となるように設けられているので配設パターンに方向性（異方性）があり異方的な配設パターンとなる。この様な異方的な配設パターンとすれば、特定の方向における機械的強度を向上させることができるが、他の方向における機械的強度を向上させることができない。
これに対して、等方的な配設パターンとすれば、どの方向でも機械的強度を一様に向上させることができる。
また、不連続とは、熱伝導部が独立して形成されており、熱伝導部同士が接していないことを意味する。

図４は、等方的で不連続な配設パターンとなるように基部に熱伝導部を配設する場合を例示するための模式図である。
図４（ａ）〜（ｃ）に例示をするように、熱伝導部は基部１０の表面に点在したものとすることができる。

図４（ａ）は、平面視において矩形状を呈する熱伝導部１１ａを等方的で不連続な配設パターンとなるように基部１０に設けた場合である。
熱輸送媒体１１７が流れる方向に対して不連続となるように熱伝導部１１ａを基部１０に設けるようにすれば、熱伝導部１１ａによる軸熱伝導を抑制することができる。
また、隣接する熱伝導部１１ａ同士の軸線が互いに交差するようにすれば等方的な配設パターンとすることができる。

図４（ｂ）は、平面視において円状を呈する熱伝導部１１ｂを等方的で不連続な配設パターンとなるように基部１０に設けた場合である。
平面視において円状を呈する熱伝導部１１ｂを互いに接触しないように設けることで、熱輸送媒体１１７が流れる方向に対して不連続となるように熱伝導部１１ｂを基部１０に設けることができる。この様にすれば、熱伝導部１１ｂによる軸熱伝導を抑制することができる。
また、熱伝導部１１ｂを千鳥格子状に設けるようにすれば等方的な配設パターンとすることができる。

図４（ｃ）は、平面視において楕円状を呈する熱伝導部１１ｃを等方的で不連続な配設パターンとなるように基部１０に設けた場合である。
平面視において楕円状を呈する熱伝導部１１ｃを互いに接触しないように設けることで、熱輸送媒体１１７が流れる方向に対して不連続となるように熱伝導部１１ｃを基部１０に設けることができる。この様にすれば、熱伝導部１１ｃによる軸熱伝導を抑制することができる。
また、熱伝導部１１ｃを千鳥格子状に設けるようにすれば等方的な配設パターンとすることができる。なお、隣接する熱伝導部１１ｃの長軸または短軸が互いに交差するようにすることで等方的な配設パターンとしてもよい。

また、熱伝導部を必ずしも規則的に配設する必要はない。例えば、熱伝導部は基部１０の表面に任意の形態で点在したものとすることもできる。
また、平面視において矩形状、円状、楕円状を呈する熱伝導部を例示したが、これらの形状に限定されるわけではない。平面視における熱伝導部の形状は適宜変更することができる。例えば、三角形などの他の多角形、任意の曲線から形成された形状、任意の曲線と任意の直線とから形成された形状などとすることもできる。また、形状や大きさなどが異なる熱伝導部が混在していても良い。

[第３の実施の形態］
容器４の内部に複数の熱交換要素を設ける場合には、容器４の内壁に熱交換要素の厚みと空隙２とを考慮した溝を加工し、加工された溝に熱交換要素を挿入することで容器４の内部に層状構成体を形成するようにすることができる。しかしながら、熱交換要素の厚みが薄いため熱交換要素を溝に挿入する際に破損したり、曲がって挿入されたりするおそれがある。また、基部１０の厚み寸法に、熱伝導部の厚みの２倍の寸法を加えた長さ以上のピッチ寸法で溝を加工する必要がある。そのため、容器４の内部に設けられる熱交換要素の数が少なくなったり、熱交換器が大型化したりするおそれがある。

本実施の形態においては、支持部１２を介して複数の熱交換要素１ａを層状に積層した層状構成体３ａを形成し、これを容器４の内部に収納するようにしている。
図５は、層状構成体を例示するための模式図である。なお、図５（ａ）は層状構成体の模式側面図、図５（ｂ）は図５（ａ）におけるＢ−Ｂ線矢視断面図である。

図５（ａ）、（ｂ）に示すように、層状構成体３ａは、熱交換要素１ａと、熱交換要素１ａに積層して設けられた熱交換要素１ｂと、を有している。そして、熱交換要素１ｂに面する熱交換要素１ａの主面に設けられた熱伝導部１１ｂ１と、熱交換要素１ａに面する熱交換要素１ｂの主面に設けられた熱伝導部１１ｂ２と、が積層方向から見て少なくとも一部が重ならないようになっている。

なお、図５（ａ）においては、一例として、熱伝導部１１ｂ１と、熱伝導部１１ｂ２と、が積層方向から見て重ならないようになっている。例えば、配設周期を半ピッチずらすなどすれば、熱伝導部１１ｂ１と、熱伝導部１１ｂ２と、が積層方向から見て重ならないようにすることができる。

また、所定の寸法を空けて熱交換要素同士を重ね合わせるための支持部１２が設けられている。支持部１２を設けることで熱交換要素同士の間に形成される空隙２が、熱輸送媒体１１７が流れる流路となる。

この様にすれば、熱交換要素同士をより近接させることができるので、容器４の内部に設けられる熱交換要素の数を増加させることができる。また、熱交換器の小型化を図ることができる。
また、容器４の外部において層状構成体を形成し、これを容器４に収納するようにしているので、熱交換要素の組立て精度や組立の作業性などを向上させることができる。

ここで、熱交換器２０においては、空隙２を熱輸送媒体１１７が流れる。そのため、熱伝導部の厚み、熱伝導部の厚み方向の断面形状、配設パターンの形態、熱伝導部の配設に関する面内密度などにより熱輸送媒体１１７の圧力損失が変化する。この場合、圧力損失が大きくなると内部摩擦などにより発熱が生じ、磁気冷凍システムの出力が低下してしまうおそれがある。そのため、圧力損失が小さくなるようにすることが好ましい。

例えば、図５（ａ）に例示をしたように、熱伝導部１１ｂ１、１１ｂ２の厚み方向の断面形状を円弧状とすれば、熱輸送媒体１１７の圧力損失を低減させることができる。また、熱伝導部１１ｂ１、１１ｂ２の厚み方向の断面形状を円弧状とすれば、熱交換要素と熱輸送媒体１１７との間における熱交換効率を向上させることができる。すなわち、熱輸送媒体１１７が空隙２をＳ字状に流れるため熱伝導部１１ｂ１、１１ｂ２と熱輸送媒体１１７とが接する面積を増加させることができる。そのため、基部１０における温度変化を熱輸送媒体１１７に効率良く伝えることができる。
なお、メッキ法を用いて厚み方向の断面形状が円弧状の熱伝導部を形成するには、例えば、配設パターンを形状する際に用いるマスクの厚みや、析出速度などを制御するようにすればよい。

［実施例］
次に、実施例について例示をする。

まず、以下の手順に従い図３に例示をした熱交換要素１を作成した。
基部１０の材料（磁気熱量効果材料）はＧｄ（ガドリニウム）とした。また、基部１０は矩形の板とし、その寸法を厚み０．５ｍｍ、幅１５ｍｍ、長さ３０ｍｍとした。

熱伝導部１１は、メッキ法を用いて形成した。
基部１０の両主面にフィルム製マスクを接着固定し、既知のメッキ法を用いてＣｕ（銅）からなる熱伝導部１１を形成した。
熱伝導部１１の形成後、フィルム製マスクを溶剤加熱により剥がし、熱交換要素１を作成した。
フィルム製マスクには、Ｌ／Ｓ比が５となる配設パターンを形成するためのスリットが設けられている。この場合、Ｌを１ｍｍ、Ｓを０．２ｍｍとした。また、形成される熱伝導部１１の厚み（Ｃｕ（銅）の厚み）を約２０μｍとした。

次に、樹脂製の容器４の内壁に幅０．５１ｍｍの溝を互いに対向させるようにして形成した。そして、形成された溝に熱伝導部１１を挿入することで、容器４の内部に熱伝導部１１を収納した。収納した熱伝導部１１は２０枚とした。なお、熱輸送媒体１１７の流路となる空隙２は０．１ｍｍとした。
そして、熱伝導部１１が動かないようにするために、容器４の両端を仕切り板で固定した。これにより、熱交換器２０が形成されたことになる。

また、熱交換器２０の両端部に低温側熱交換器１１５、高温側熱交換器１１６を設けた。そして、熱交換器２０に熱輸送媒体１１７を導入させるためのポンプを配管を介して接続した。なお、ポンプは低温側熱交換器１１５、高温側熱交換器１１６に接続され、低温側熱交換器１１５または高温側熱交換器１１６を介して熱交換器２０に熱輸送媒体１１７が導入されるようになっている。

この場合、低温側熱交換器１１５は、例えば、断熱槽に冷熱が熱輸送できるようになっている。また、高温側熱交換器１１６は、例えば、断熱槽に温熱が熱輸送できるようになっている。この断熱槽は、例えば、冷凍庫内であったり暖房された空調室に相当する。

また、熱輸送媒体１１７は純水とした。
熱交換器２０に対する磁場の印加には永久磁石による磁気回路を用いた。また、磁気回路の位置をモータを用いて変化させることで、熱交換器２０に対する磁場の印加と除去とが繰り返し行えるようにした。

そして、「磁場の印加⇒高温端側への熱輸送媒体１１７の移動⇒磁場の除去⇒低温端側への熱輸送媒体１１７の移動」のＡＭＲ冷凍サイクルを繰り返し、熱交換要素１の両端（高温端と低温端）の間に温度勾配を形成させた。

この結果、高温端と低温端との間に形成された温度差は約１９℃であった。
また、比較のために、熱伝導部１１を設けていない熱交換要素を用いて高温端と低温端との間に形成された温度差を測定したところ、温度差は約１０℃であった。

また、厚みが４０μｍのＣｕ（銅）をメッキし、さらにその上に厚みが３μｍのＡｕ（金）をメッキしたものを熱伝導部とした。なお、熱伝導部の厚みと材料構成以外は前述した熱伝導部１１と同様とした。
この場合、高温端と低温端との間に形成された温度差を測定したところ、温度差は約２３℃であった。

また、Ｌ／Ｓ比を０．２としたものを熱伝導部とした。なお、Ｌ／Ｓ比以外は前述した熱伝導部１１と同様とした。
この場合、高温端と低温端との間に形成された温度差を測定したところ、温度差は約１１℃であった。
また、Ｌ／Ｓ比を３０としたものを熱伝導部とした。なお、Ｌ／Ｓ比以外は前述した熱伝導部１１と同様とした。
この場合、高温端と低温端との間に形成された温度差を測定したところ、温度差は約９℃であった。
すなわち、Ｌ／Ｓ比を０．２、３０とすれば温度差が小さくなることが判明した。

また、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなる熱伝導部を形成した。熱伝導部の厚みは１μｍ程度とし、熱伝導部の配設パターンは図４に例示をしたものとした。すなわち、平面視において矩形状、円状、楕円状の熱伝導部とした。なお、熱伝導部の形成法は既知のスパッタ法とした。
平面視において矩形状の熱伝導部の場合、高温端と低温端との間に形成された温度差を測定したところ、温度差は約２３℃であった。
平面視において円状の熱伝導部の場合、高温端と低温端との間に形成された温度差を測定したところ、温度差は約２２℃であった。
平面視において楕円状の熱伝導部の場合、高温端と低温端との間に形成された温度差を測定したところ、温度差は約２５℃であった。
なお、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）の場合とＡｌＮ（窒化アルミニウム）の場合とでは温度差に大きな差はなかった。

また、図５に例示をした層状構成体３ａを作成し高温端と低温端との間に形成された温度差を測定した。
熱伝導部１１ｂ１、１１ｂ２は、平面視において円状を呈したものとした。熱伝導部１１ｂ１、１１ｂ２は、厚み方向の断面形状が円弧状となっており、最も厚い部分の寸法（頂点部分の厚み）を３０μｍとした。熱伝導部１１ｂ１、１１ｂ２は、Ｃｕ（銅）から形成し、形成法は既知のメッキ法とした。
また、支持部１２の寸法は、直径３ｍｍ、高さ０．１３ｍｍとし、その材料は樹脂とした。
熱伝導部１１ｂ１、１１ｂ２が設けられた熱交換要素を２０枚重ねることで層状構成体３ａを作成し、容器４内に収納、固定した。
なお、熱伝導部１１ｂ１と、熱伝導部１１ｂ２と、が積層方向から見て重ならないようになっている。
この様な層状構成体３ａの場合、高温端と低温端との間に形成された温度差を測定したところ、温度差は約２６℃であった。

次に、図２に例示をしたハイブリッド構造の熱交換器を作成し高温端と低温端との間に形成された温度差を測定した。
基部１０は矩形の板とし、その寸法を厚み０．４ｍｍ、幅２０ｍｍ、長さ１５ｍｍとした。
熱伝導部１１ｂ１、１１ｂ２は、平面視において円状を呈したものとした。熱伝導部１１ｂ１、１１ｂ２は、厚み方向の断面形状が円弧状となっており、最も厚い部分の寸法（頂点部分の厚み）を３０μｍとした。熱伝導部１１ｂ１、１１ｂ２は、Ｃｕ（銅）から形成し、形成法は既知のメッキ法とした。
また、支持部１２の寸法は、直径３ｍｍ、高さ０．１３ｍｍとし、その材料は樹脂とした。
熱伝導部１１ｂ１、１１ｂ２が設けられた熱交換要素を２５枚重ねることで層状構成体３ａを作成し、容器４内に収納、固定した。
なお、熱伝導部１１ｂ１と、熱伝導部１１ｂ２と、が積層方向から見て重ならないようになっている。

また、基部１０の材料（磁気熱量効果材料）は、Ｇｄ、ＧｄＹ合金、ＧｄＨｏ合金とした。
ここで、低温端側で用いる基部１０をキュリー温度が低いＧｄＨｏ合金から形成されたものとし、高温端側で用いる基部１０をキュリー温度が高いＧｄから形成されたものとした。また、低温端側と高温端側との中間で用いる基部１０をキュリー温度がこれらの中間にあるＧｄＹ合金から形成されたものとした。

この場合、高温端と低温端との間に形成された温度差を測定したところ、温度差は最大で３０℃であった。

[第４の実施の形態］
図６は、第４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系統図である。
なお、ここでは一例として、前述した熱交換器２０が備えられた磁気冷凍システム１００について説明する。

図６に示すように、磁気冷凍システム１００には、熱交換器２０、配管１０３、磁場発生部１０５ａ、磁場発生部１０５ｂ、移動部１０６、低温側熱交換器１１５、高温側熱交換器１１６、輸送部１１１が設けられている。
図６に示すように、熱交換器２０を間に挟むように、一対の磁場発生部１０５ａ、１０５ｂが設けられている。磁場発生部１０５ａ、１０５ｂは、互いに対向するとともに、ヨーク（図示せず）を介して互いに結合されている。これによって、互いに対を成す磁場発生部１０５ａ、１０５ｂの間隙部分に、磁場空間が形成される。
磁場発生部１０５ａ、１０５ｂ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１０６は、磁場発生部１０５ａ、１０５ｂと接続され、熱交換器２０と磁場発生部１０５ａ、１０５ｂ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１０５ａ、１０５ｂが熱交換器２０に磁場を印加する位置（ＯＮ位置）と、熱交換器２０に磁場を印加しない位置（ＯＦＦ位置）とが切り替えられるように、熱交換器２０と磁場発生部１０５ａ、１０５ｂ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１０６により熱交換器２０と磁場発生部１０５ａ、１０５ｂとの相対位置を変化させることで、熱交換器２０に磁場を印加したり、熱交換器２０に印加されていた磁場を除去したりすることができる。

移動部１０６は、例えば、熱交換器２０と磁場発生部１０５ａ、１０５ｂとの相対位置を変化させるために磁場発生部１０５ａ、１０５ｂに機械的変動を印加するものとすることができる。
図６に例示をしたものの場合には、磁場発生部１０５ａ、１０５ｂと移動部１０６とが熱交換器２０に対する磁場を変化させる磁場変化部となる。

図６に例示をしたものの場合には、移動部１０６と磁場発生部１０５ａ、１０５ｂとを接続し磁場発生部１０５ａ、１０５ｂに機械的変動を与えているが、移動部１０６と熱交換器２０とを接続し熱交換器２０に機械的変動を与えても良い。移動部１０６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１０５ａ、１０５ｂとして永久磁石を例示したが、例えば、磁場発生部１０５ａ、１０５ｂとして電磁石などを用いることもできる。磁場発生部１０５ａ、１０５ｂとして電磁石を用いる場合には、磁場発生部１０５ａ、１０５ｂに機械的変動を与える移動部１０６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１０６とすることもできる。

低温側熱交換器１１５は、温度が下降した熱交換器２０の低温端側において図示しない熱交換先との間における熱交換を行う。低温側熱交換器１１５としては、例えば、低温の熱輸送媒体１１７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。

高温側熱交換器１１６は、温度が上昇した熱交換器２０の高温端側において図示しない熱交換先との間における熱交換を行う。高温側熱交換器１１６としては、例えば、高温の熱輸送媒体１１７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。
配管１０３は、低温側熱交換器１１５、熱交換器２０、高温側熱交換器１１６、輸送部１１１を閉ループ状に接続する。

熱輸送媒体１１７は、磁気熱量効果によって生じた熱を輸送する役割を担う。熱輸送媒体１１７は、例えば、水や、エチレングリコール水溶液など有機系媒体、鉱油やシリコンなどのオイル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有機系媒体などのいわゆる不凍液を用いるようにすることができる。また、磁気冷凍システム１００の到達温度域における熱輸送媒体１１７の粘性などを考慮して適宜選択するようにすることもできる。

輸送部１１１は、熱輸送媒体１１７を輸送する。すなわち、輸送部１１１は、配管１０３、低温側熱交換器１１５を介して熱輸送媒体１１７を熱交換器２０に導入する。また、輸送部１１１は、配管１０３、高温側熱交換器１１６を介して熱輸送媒体１１７を熱交換器２０に導入する。そして、「磁場の印加⇒高温端側への熱輸送媒体１１７の移動⇒磁場の除去⇒低温端側への熱輸送媒体１１７の移動」のＡＭＲ冷凍サイクルを繰り返させ、熱交換要素１の両端（高温端と低温端）の間に温度勾配を形成させる。輸送部１１１は、例えば、ポンプなどとすることができる。

次に、磁気冷凍システム１００の運転について例示をする。
磁気冷凍システム１００は、ＡＭＲ冷凍サイクルを繰り返すことにより熱交換要素１の両端（高温端と低温端）の間に温度勾配を形成させる。すなわち、高温端側の温度を上昇させ、低温端側の温度を下降させる。
そして、低温端側に設けられた低温側熱交換器１１５を介して、例えば、冷凍庫内に冷熱を移動させたり、空調により室内温度を下げたりすることができる。また、高温端側に設けられた高温側熱交換器１１６を介して、例えば、空調により室内温度を上げたりすることができる。

図７は、ＡＭＲ冷凍サイクルを例示するための模式図である。図７（ａ）は、熱交換器２０に磁場を印加した状態を例示するための模式図である。図７（ｂ）は、熱交換器２０に印加されていた磁場を除去した状態を例示するための模式図である。

図７（ａ）に示すように、移動部１０６により磁場発生部１０５ａ、１０５ｂの位置を変化させて、熱交換器２０に磁場を印加する。
熱交換器２０に磁場が印加されると、磁気熱量効果により熱交換要素１（基部１０）の温度が上昇する。熱交換器２０に磁場が印加された状態で、図７（ａ）中の矢印方向に熱輸送媒体１１７を移動させて、高温端側への熱の移動を行う。すなわち、温度上昇した熱交換要素１の表面と、これに接触する熱輸送媒体１１７との間における熱交換を経て、高温端側への熱の移動を行う。

次に、図７（ｂ）に示すように、移動部１０６により磁場発生部１０５ａ、１０５ｂの位置を変化させて、熱交換器２０に印加されていた磁場を除去する。
熱交換器２０に印加されていた磁場が除去されると、熱交換要素１（基部１０）の温度が下降する。熱交換器２０に印加されていた磁場が除去された状態で、図７（ｂ）中の矢印方向に熱輸送媒体１１７を移動させて、低温端側への熱の移動を行う。すなわち、温度下降した熱交換要素１の表面と、これに接触する熱輸送媒体１１７との間における熱交換を経て、低温端側への熱の移動を行う。

本実施の形態に係る磁気冷凍システム１００に備えられた熱交換器には、前述した熱交換要素が設けられているので、出力や熱交換効率などを向上させることができる。

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熱交換器および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、熱交換器２０、２０ａ〜２０ｃ、磁気冷凍システム１００などが備える各要素の形状、寸法、材質、配置、数などは、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 熱交換要素
１ａ 熱交換要素
１ｂ 熱交換要素
２ 空隙
３ 層状構成体
３ａ 層状構成体
４ 容器
１０ 基部
１１ 熱伝導部
１１ａ〜１１ｃ 熱伝導部
１１ｂ１ 熱伝導部
１１ｂ２ 熱伝導部
１２ 支持部
２０ 熱交換器
２０ａ〜２０ｃ 熱交換器
１００ 磁気冷凍システム
１０５ａ 磁場発生部
１０５ｂ 磁場発生部
１０６ 移動部
１１１ 輸送部
１１５ 低温側熱交換器
１１６ 高温側熱交換器
１１７ 熱輸送媒体

Claims (6)

1. 熱輸送媒体が導入される容器と、
   前記容器の内部に設けられ、前記熱輸送媒体が流れる方向に延在した磁気熱量効果材料を含む基部と、前記基部の表面に設けられた複数の熱伝導部と、を有した熱交換要素と、
   を備え、
   前記熱伝導部の熱伝導率は、前記基部の熱伝導率よりも高いこと、を特徴とする熱交換器。
2. 前記複数の熱伝導部は、前記熱輸送媒体が流れる方向において互いに接していないことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記複数の熱伝導部は、前記熱輸送媒体が流れる方向と交差する方向に延在したことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
4. 前記複数の熱伝導部は、隣接する熱伝導部同士の軸線が互いに交差したことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
5. 前記複数の熱伝導部は、前記基部の表面に点在したことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
6. 請求項１に記載された熱交換器と、
   前記熱交換部に対する磁場を変化させる磁場変化部と、
   前記熱交換部に熱輸送媒体を導入する輸送部と、
   を備えたことを特徴とする磁気冷凍システム。

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