JPWO2015199139A1 - 磁気冷凍装置 - Google Patents

Abstract

磁性体と熱交換流体との熱交換方法を改善し、また磁場印加方法を工夫することによって冷凍能力と冷凍効率を高めた磁気冷凍機を提供する。内部に冷媒を収容している筒型のＡＭＲ容器と、ＡＭＲ容器の軸方向に設けられた２個の磁性体であって、ＡＭＲ容器の軸方向に移動可能に構成されると共に、磁気熱量効果材料よりなる前記２個の磁性体と、ＡＭＲ容器の２個の磁性体に対向して位置する少なくとも２個の永久磁石と、ＡＭＲ容器の２個の磁性体の間に位置する回転軸であって、前記少なくとも２個の永久磁石の間に位置する前記回転軸と、前記永久磁石を前記回転軸を中心として回転運動させる磁石回転運動部であって、当該回転運動に伴って前記永久磁石と前記２個の磁性体は接近と離脱とを繰り返す前記磁石回転運動部とを備える。

Description

本発明は、建造物の冷暖房システム、個別室内の空気調和を行うエアコン、カーエアコン、冷蔵庫等に用いて好適な磁気冷凍装置に関し、さらに詳しくは、大気圏のオゾン層保護に有効なフロン代替冷媒やフッ素系温室効果ガスに関する規制に対処した冷媒を用いた磁気冷凍装置に関する。

日本における冷暖房システムでは、フロンガスによるオゾン層破壊の深刻化により、現行冷媒として例えばＨＦＣ−１３４ａ（ＣＨ_２Ｆ−ＣＦ_３）等の代替フロンガスが使用されている。しかし、この代替フロンガスによると、温室効果ガスであるＣＯ_２と比較しても、１３００倍の温室効果があるため、現行冷媒の地球環境への漏えいは多大な影響がある。そこで、欧州では，京都議定書中のＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン），ＰＦＣ（パーフルオロカーボン），ＳＦ_６（六フッ化硫黄）をＦガスと呼び、そして欧州カーエアコン冷媒指令によって、新型車については既にＨＦＣ−１３４ａの使用禁止措置がなされている。北米においても、将来の禁止化が検討されている（非特許文献１、非特許文献２参照）。

他方で、冷暖房システムとして、代替フロンガスを用いない磁気冷凍方式が注目されている。磁気冷凍方式によれば、代替フロンガスを用いないため、大気圏のオゾン層保護や温室効果ガスによる地球温暖化の抑制が期待できる。
ここで、磁気冷凍方式とは、磁性体の磁気熱量効果を熱交換流体によって効果的に伝搬し、所定の冷凍サイクルを駆動することによって冷凍温度幅や冷凍能力を得る方法である。これは一般的にＡＭＲ（Active Magnetic Regenerator＝能動的蓄冷器）冷凍法と呼ばれ、高温領域、特に室温の磁気冷凍において不可欠な方法であると広く認識されている（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。

従来公知のＡＭＲ装置は、図１に示すように円筒形等の容器１０に粒状などに成形した磁性体１２を詰め込み、この内部を熱交換流体（水やエチレングリコール）としての冷媒１１を流すことで構成される（以降、この容器をＡＭＲ容器と呼ぶ）。ＡＭＲ容器１０の両端には、冷媒１１を駆動するピストン１４ａ、１４ｂが設けられている。２台のピストン１４ａ、１４ｂは矢印Ｃ方向に移動して、磁性体１２内部で冷媒１１を流している。ＡＭＲ容器１０の一方の端部は低温側となり、他方の端部は高温側となる。

典型的なＡＭＲ装置は図２に示すように、ＡＭＲ容器２０中に保持された磁性体２２に永久磁石２４等によって磁場を与え、容器の両端に設置されたピストン（図示せず）等を用いて熱交換流体を流す構造となっている。
即ち、まず初期状態として、磁性体２２はＡＭＲ容器２０内の中ほどに位置する（図２（Ａ））。磁性体２２の温度は均一である。次に、ＡＭＲ容器１０の外部に設置された磁場発生装置２４によりＡＭＲ容器２０中の磁性体２２に磁場を印加する（図２（Ｂ））。磁性体２２の温度は均一に、初期状態よりも上昇する。次に、磁性体２２はＡＭＲ容器２０内を矢印方向に移動して、ＡＭＲ容器２０内の一方の端部である低温側に至る（図２（Ｃ））。冷媒２１と磁性体２２が熱交換するため、磁性体２２に温度勾配が発生し、図中右端が一番低く左端が一番高くなる。

次に、磁場発生装置２４を消磁する（図２（Ｄ））。磁性体２２の温度は図２（Ｃ）の過程で形成された温度勾配を保持しながら、一様に低下する。次に、例えばスプリングのような復元力により磁性体２２はＡＭＲ容器２０内を反対側の矢印方向に移動して、ＡＭＲ容器２０内の他方の端部である高温側に至る（図２（Ｅ））。磁性体２２の移動により、冷媒２１と磁性体２２が熱交換し、温度勾配が更に大きくなる。以上の工程を図２（Ｂ）から図２（Ｅ）まで繰り返すことによって、ＡＭＲ容器２０内部に右端が一番低く左端が一番高くなるような温度勾配が形成される。両端に熱交換部を設置すれば、冷凍効果が得られる。

このようにして、磁性体２２の軸方向の往復運動に同期して、磁性体２２の内部に熱交換流体を流すことにより冷凍サイクルを駆動すると、ＡＭＲ装置の両端に温度差が発生する。また、円盤の一部にＡＭＲ容器を配置し、回転する磁性体あるいは磁場によってＡＭＲサイクルを作動させる、回転型ＡＭＲも往復動型と等価な効果を与えることが知られている。
あるいは、他の典型的なＡＭＲ装置の構造としては、図３に示すように、ＡＭＲ容器１０の中で磁性体１２をピストン１４ｃで矢印Ｄ方向に駆動し、熱交換流体１１を磁性体中に流す構造を採用してもよい。このような構造によっても、図２の装置と等価な効果を得ることが出来る。

しかしながら、従来のＡＭＲ方式によれば、以下の課題があった。
（ｉ）磁性体や熱交換流体の駆動機構が必要であり、これに伴うエネルギー入力が大きいこと、
（ｉｉ）回転型ＡＭＲでは高温と低温の熱交換流体の切り替えが必要であり、切り替え時における流体の混合による熱損失が発生すること、
（ｉｉｉ）上述の複雑な駆動装置により冷凍サイクルの周波数を増加することが困難であること。

特開２０１２−３７１１２号公報 米国特許第５７４３０９５号公報 米国特許第６５０２４０４号公報

ＥＵに於けるＦ−ガス規制の動向と業界の対応について、２０１３年２月１日、（一社）日本冷凍空調設備工業連合会、石井進http://www.kikonet.org/event/doc/130201-4.pdf 欧米でのカーエアコン冷媒規制動向と国内改正フロン法への対応検討、２０１４年４月２４日、（一社）日本自動車工業会、カーエアコン冷媒ＷＧ、http://www.meti.go.jp/committee/sankoushin/seizou/kagaku/ freon_wg2/pdf/004_02_01.pdf

本発明は、磁性体と熱交換流体との熱交換方法を改善し、また磁場印加方法を工夫することによって冷凍能力と冷凍効率を高めた磁気冷凍装置を提供することを目的とする。

発明が解決するための手段

本発明の磁気冷凍装置は、例えば図４に示すように、内部に冷媒３１ａ、３１ｂを収容している筒型のＡＭＲ容器３０と、ＡＭＲ容器３０の軸方向に設けられた２個の磁性体３２ａ、３２ｂであって、ＡＭＲ容器３０の軸方向に移動可能に構成されると共に、磁気熱量効果材料よりなる前記２個の磁性体と、ＡＭＲ容器３０の２個の磁性体に対向して位置する少なくとも２個の永久磁石３４ａ１、３４ａ２、３４ｂ１、３４ｂ２と、ＡＭＲ容器３０の２個の磁性体の間に位置する回転軸３５であって、前記少なくとも２個の永久磁石の間に位置する回転軸３５と、前記永久磁石又はＡＭＲ容器３０を回転軸３５を中心として回転運動させる回転運動部（図示せず）であって、当該回転運動に伴って前記永久磁石と前記２個の磁性体は接近と離脱とを繰り返す回転運動部とを備え、ＡＭＲ容器３０の内部で前記磁性体と前記冷媒とが熱交換することによりＡＭＲ容器内に温度差を発生することを特徴とする。

本発明の磁気冷凍装置において、好ましくは、前記磁石回転運動部は、ＡＭＲ容器３０の上方と下方に対向して位置する２枚の磁石装着板を有し、前記２枚の磁石装着板は其々前記２個の磁性体に対向して位置する少なくとも２個の永久磁石を有するとよい。
本発明の磁気冷凍装置において、好ましくは、さらに、前記２個の磁性体を軸方向に往復運動させる磁性体往復運動部３６であって、当該往復運動は、一方の磁性体が前記ＡＭＲ容器の軸方向外側に移動している時は、他方の磁性体も前記外側に移動するように駆動する前記磁性体往復運動部を備えるとよい。

本発明の磁気冷凍装置において、好ましくは、ＡＭＲ容器３０の両端側に設けられる高温側熱交換部４０ａ、４０ｂと、ＡＭＲ容器３０の回転軸側に設けられる低温側熱交換部３８ａ、３８ｂとをさらに有するとよい。
本発明の磁気冷凍装置において、好ましくは、複数のＡＭＲ容器３０が回転軸３５を中心として同一層を形成するように配列され、当該複数のＡＭＲ容器を配列した層の上方と下方に対向して位置する２枚の磁石装着板を有し、前記２枚の磁石装着板は其々ＡＭＲ容器３０に対向して位置する少なくとも２個の永久磁石を有すると共に、当該永久磁石の装着個数は２個以上であってＡＭＲ容器３０の配列個数の２倍と比較して少ない個数であるとよい。

本発明の磁気冷凍装置は、内部に冷媒を収容している筒型のＡＭＲ容器と、前記ＡＭＲ容器の軸方向に設けられた２個の磁性体であって、前記ＡＭＲ容器の軸方向に移動可能に構成されると共に、磁気熱量効果材料よりなる前記２個の磁性体と、前記２個の磁性体を軸方向に往復運動させる磁性体往復運動部であって、当該往復運動は、一方の磁性体が前記ＡＭＲ容器の軸方向外側に移動している時は、他方の磁性体も前記外側に移動するように駆動する前記磁性体往復運動部と、磁場を印加除去して磁気力を発生させると共に、前記発生した磁気力により前記磁性体を駆動する磁場印加除去機構とを備え、前記ＡＭＲ容器の内部で前記磁性体と前記冷媒とが熱交換することによりＡＭＲ容器内に温度差を発生することを特徴とする。

本発明の磁気冷凍装置において、好ましくは、前記磁場印加除去機構は、前記ＡＭＲ容器の２個の磁性体に対向して位置する少なくとも２個の永久磁石を有するとよい。
本発明の磁気冷凍装置において、好ましくは、前記磁性体往復運動部は、前記２個の磁性体の間に設けられた弾性体であるとよい。
本発明の磁気冷凍装置において、好ましくは、前記磁性体往復運動部は、前記２個の磁性体の間に設けられた軸方向に伸縮するアクチュエーターであるとよい。

本発明の磁気冷凍装置は、例えば図９（Ａ）、（Ｂ）に示すように、内部に冷媒を収容している筒型の第１と第２のＡＭＲ容器９１、９２であって、ＡＭＲ容器９１、９２は其々の軸方向の中心部で交差して結合され、冷媒が前記結合部を通してＡＭＲ容器９１、９２の間を移動可能にされており、ＡＭＲ容器９１、９２の其々の内部に、軸方向に沿って前記結合部を挟んで配置された磁気熱量効果材料よりなる２個の磁性体と、ＡＭＲ容器９１、９２の其々の両端部に配置された、前記冷媒を一定の体積を保持したまま圧縮又は吸引する伸縮動作を行う駆動装置と、前記結合部に設置された低温側熱交換部と、ＡＭＲ容器９１、９２の両端部に設置された高温側熱交換部と、ＡＭＲ容器９１、９２の２個の磁性体に対向して位置する少なくとも２個の永久磁石と、前記結合部に設けたＡＭＲ容器９１、９２に垂直な回転軸と、前記永久磁石又はＡＭＲ容器９１、９２を回転軸を中心として回転運動させ、当該回転運動に伴って前記永久磁石と前記磁性体は接近と離脱とを繰り返す回転運動部とを備え、ＡＭＲ容器９１が前記永久磁石に接近した時に、ＡＭＲ容器９２の両端の駆動装置は圧縮動作を行うと同時にＡＭＲ容器９１の両端の駆動装置は吸引動作を行い、次にＡＭＲ容器が前記永久磁石９２に接近した時に、ＡＭＲ容器９１の両端の駆動装置は圧縮動作を行うと同時にＡＭＲ容器９２の両端の駆動装置は吸引動作を行い、この動作により、冷媒がＡＭＲ容器内を移動する過程で、磁性体と冷媒とが熱交換する結果、ＡＭＲ容器の前記結合部と前記両端部で温度差を発生させ、前記低温側熱交換部と前記高温側熱交換部により、其々吸熱、発熱を外部に取り出すことを特徴とする。

本発明の磁気冷凍装置において、好ましくは、前記回転運動部は、前記第１又は第２のＡＭＲ容器の上方と下方に対向して位置する２枚の磁石装着板を有し、前記２枚の磁石装着板は其々前記２個の磁性体に対向して位置する少なくとも２個の永久磁石を有するとよい。

本発明の磁気冷凍装置において、好ましくは、前記第１又は第２のＡＭＲ容器の端部の前記駆動装置は、前記冷媒に接したピストンと、当該ピストンを軸方向に伸縮させるアクチュエーター又はスプリングの復元力であるとよい。

本発明の磁気冷凍装置によれば、次に列挙する効果がある。
１）２つの磁性体からなるＡＭＲサイクルを1回の磁場操作で駆動できる、
２）磁性体は磁気力と磁性体をつなぐ弾性体の復元力によって駆動されるため、外部から磁性体を駆動する機構が不要である、
３）熱交換流体はＡＭＲ容器中で磁性体に対して静止しており外部からの駆動が不要であり、構造が単純になる、
４）ＡＭＲ容器又は永久磁石を搭載した部材の回転操作によりサイクルの高速化が容易である。

従来公知の往復運動型のＡＭＲ装置を示す構成図である。 図１に示す構造を有するＡＭＲ装置の動作を説明する図である。 従来公知の他の典型的なＡＭＲ装置を示す構成図である。 本発明の第１の実施の形態を示す水平対向型のＡＭＲ装置を示す要部構成図である。 本発明の第２の実施の形態を示す構成図で、水平対向型のＡＭＲ装置を２台組み合わせた装置を示す要部構成図である。 本発明の第３の実施の形態を示す構成図で、水平対向型のＡＭＲ装置を４台組み合わせた装置であって、ＡＭＲ容器が回転する類型の要部構成図である。 本発明の第３の実施の形態の変形実施例を示す構成図で、水平対向型のＡＭＲ装置を４台組み合わせた装置であって、永久磁石が回転する類型の要部構成図である。 本発明の第４の実施の形態を示す構成図で、水平対向型のＡＭＲ装置を２台積層した装置を示す要部構成図である。 本発明の第５の実施の形態を示す構成図で、水平対向型のＡＭＲ装置を２台積層した装置であって、冷媒が移動する類型の要部構成図である。（Ａ）は永久磁石が一方のＡＭＲ容器に接近している状態、（Ｂ）は永久磁石が他方のＡＭＲ容器に接近している状態を示す。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
図４は、本発明の一実施の形態を示す水平対向２筒型のＡＭＲ装置を示す構成断面図で、（Ａ）は励磁状態、（Ｂ）は消磁状態を示している。水平対向２筒型のＡＭＲ装置は、２筒に対応する左右各１つのシリンダー型の磁性体３２ａ、３２ｂの運動が同一軸上で対向しており、互いの磁性体が１次振動、２次振動を打ち消し合う構造となっている。さらに偶力によるみそすり運動（偶力振動）もキャンセルされる。水平対向２筒型のＡＭＲ装置は、１８０°位相のずれた直列のシリンダー型の磁性体を左右に組み合わせたような構造である。すなわち水平対向２筒型は、ＡＭＲ装置全長の長い直列２筒型と同様に１次振動、２次振動、偶力振動ともバランスする振動特性のよいＡＭＲ装置であり、小型軽量且つ低振動の理想的なＡＭＲ装置となる。

即ち、図４において、ＡＭＲ容器３０は、内部が左右各１つの磁性体３２ａ、３２ｂと冷媒３１ａ、３１ｂで満たされた容器で、例えば非磁性体材料が用いられる。非磁性体材料としては、例えば、アルミニウム等の金属やプラスチック等の樹脂を用いることが出来る。冷媒３１ａ、３１ｂは、磁気熱量効果によって生じた熱を輸送する機能を担うもので、例えば、水や、エチレングリコール水溶液等の不凍液が用いられる。ＡＭＲ容器３０は、左右各１つの磁性体３２ａ、３２ｂの間に位置する低温側熱交換部３８ａ、３８ｂによって、各磁性体を収容する室が形成されている。

磁性体３２ａ、３２ｂは、例えば磁気熱量効果を有する磁性体粒子が充填された磁性体容器で、左右各１つの磁性体の運動が同一軸上で対向してある。磁性体粒子は、例えばＧｄ（ガドリニウム）である。また、磁性体３２ａ、３２ｂは、ＡＭＲ容器３０内の移動が可能となるよう構成されており、互いに近づく方向に移動する態様と（図４（Ａ））、互いに離反する方向に移動する態様（図４（Ｂ））を交互に繰り返す。磁性体３２ａ、３２ｂは、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ＡＭＲ容器３０内を白矢印Ａ、Ｂの方向に移動するもので、永久磁石３４ａ１、３４ａ２、３４ｂ１、３４ｂ２が近接しているときは磁性体３２ａ、３２ｂは回転軸３５側に位置し、永久磁石３４ａ１、３４ａ２、３４ｂ１、３４ｂ２が離れているときは磁性体３２ａ、３２ｂは両端部４０ａ、４０ｂ側に位置する。そして、磁性体３２ａ、３２ｂの両端部は、磁性体粒子を容器内に保持しつつ、冷媒３１ａ、３１ｂと磁性体粒子の相対移動が可能となるよう、メッシュ状の仕切り板を有している。磁性体３２ａ、３２ｂを構成する磁性体容器の材料としては、例えば非磁性体材料が用いられる。非磁性体材料としては、例えば、アルミニウム等の金属やプラスチック等の樹脂を用いることが出来る。

磁場印加除去機構の一構成要素である永久磁石３４ａ１、３４ａ２、３４ｂ１、３４ｂ２は、ＡＭＲ容器３０の外部に、左右の磁性体３２ａ、３２ｂの夫々について各２個を一組とする永久磁石３４ａ１、３４ａ２、３４ｂ１、３４ｂ２で挟みこむように設けられたもので、磁気回路を構成する。永久磁石３４ａ１、３４ｂ１は、例えばＡＭＲ容器３０の上側に位置する円板（図示せず）上に設置される。また、永久磁石３４ａ２、３４ｂ２は、ＡＭＲ容器３０の下側に位置する円板（図示せず）上に設置される。図示せぬ回転機構により、回転軸３５を中心としてＡＭＲ容器３０を回転させることで、励磁状態と消磁状態とを交互に発生させる。この場合、永久磁石３４ａ１、３４ａ２、３４ｂ１、３４ｂ２を載置した２枚組の円板は姿勢を固定する。回転軸３５は、ＡＭＲ容器３０と２枚組の円板とで同軸となるように構成されている。

なお、回転機構は、永久磁石３４ａ１、３４ａ２、３４ｂ１、３４ｂ２を載置した２枚組の円板を回転させ、ＡＭＲ容器３０は固定させてもよく、またＡＭＲ容器３０を２枚組の円板と反対方向に回転させてもよい。さらに、永久磁石３４ａ１、３４ａ２、３４ｂ１、３４ｂ２をＡＭＲ容器３０の厚み方向に移動させて、励磁状態と消磁状態とを交互に発生させる機構としてもよい。
永久磁石３４ａ１、３４ａ２、３４ｂ１３４ｂ２が、移動することにより、磁性体３２ａ、３２ｂへの磁場の印加および除去が可能になる。また、磁性体３２ａ、３２ｂに対し、永久磁石３４ａ１、３４ａ２、３４ｂ１３４ｂ２および磁性体３２ａ、３２ｂの移動方向と同一方向の磁気トルク発生を可能にする。

磁性体往復運動部３６は、左右の低温側熱交換部３８ａ、３８ｂの中間に設けられるもので、磁性体往復運動部３６の駆動力と永久磁石３４ａ１、３４ａ２、３４ｂ１３４ｂ２の磁気トルクにより、磁性体３２ａ、３２ｂが同一軸上で対向して軸方向に伸縮する。磁性体往復運動部３６は、アクチュエーター等の駆動装置でもよく、またコイルばね（スプリングばね）等の弾性体でもよい。磁性体往復運動部３６が弾性体の場合は、駆動力はばねの復元力（弾性力）となる。

低温側熱交換部３８ａ、３８ｂと高温側熱交換部４０ａ、４０ｂは、例えば、熱伝導率の高いＣｕ（銅）で形成されるが、アルミニウム、ステンレス製フィン、ステンレス製メッシュでもよい。磁気冷凍サイクルで冷媒３１ａ、３１ｂに生じる温熱と冷熱が、低温側熱交換部３８ａ、３８ｂと高温側熱交換部４０ａ、４０ｂのそれぞれに伝達される。後に詳述するように、本実施の形態の磁気冷凍デバイスを用いた磁気冷凍装置では、低温側熱交換部３８ａ、３８ｂから温熱が排熱部へ輸送されると共に、高温側熱交換部４０ａ、４０ｂから冷熱が冷却部へ輸送される。

このように構成された装置の動作を次に説明する。
ＡＭＲ容器３０の内部に、スプリング等の磁性体往復運動部３６で結合した２つの磁性体３２ａ、３２ｂを設置する。ＡＭＲ容器３０の内部には、水等の熱交換冷媒３１ａ、３１ｂが充填されていると共に、２つの磁性体（磁気熱量効果材料）３２ａ、３２ｂを対称に配置し、磁性体３２ａ、３２ｂの回転軸側の端部３８ａ、３８ｂを磁性体往復運動部３６としてのスプリング等の弾性体で結ぶ。

次に、固定された外部の磁石３４ａ１、３４ａ２、３４ｂ１、３４ｂ２に対しＡＭＲ容器３０を回転することにより、２つの磁性体３２ａ、３２ｂに対する磁場の印加・消磁を行う。２つの磁性体３２ａ、３２ｂに対して適切な位置に磁性体を配置することにより、ＡＭＲ容器３０を回転することで２つの磁性体３２ａ、３２ｂは磁気力によって対称的に磁性体容器３０内を移動することができる。その際にＡＭＲ容器３０内の熱交換流体３１ａ、３１ｂと熱交換を行い、既に図２で説明したＡＭＲ冷凍工程と同等のサイクルを駆動する。その結果、図４の構成を有する水平対向２筒型のＡＭＲ装置では、回転の中心部３８ａ、３８ｂに低温寒冷が、両端部４０ａ、４０ｂに高温排熱が生ずる。

次に、磁気冷凍装置の熱移動について、さらに詳細に説明する。
やや回転軸に近い位置に設置された磁石３４ａ１、３４ａ２、３４ｂ１、３４ｂ２によって磁場が印加されると、２つの磁性体３２ａ、３２ｂは磁気力によって夫々回転軸側３８ａ、３８ｂへ引き寄せられる。このとき、磁性体３２ａ、３２ｂの磁性材料は磁気熱量効果によって発熱しながら磁性材料の移動によって冷媒と熱交換を行い、ＡＭＲ容器３０の両端部４０ａ、４０ｂには相対的に高い温度の冷媒が停滞する。

更に回転を進め、磁場からＡＭＲ容器３０が引き出されると、２つの磁性体３２ａ、３２ｂの磁性材料はスプリング３６の復元力によって吸熱しながら端部４０ａ、４０ｂへ移動する。この過程で冷媒と熱交換を行い、回転軸３５に近い中心部に寒冷を発生することになる。これを繰り返すと、ＡＭＲ容器３０の中心部温度は低下し、両端部温度は上昇する。中心部には熱交換部３８ａ、３８ｂを設置し、これに外部から別系統の冷媒を流すことで、寒冷を外に取り出すことができる。両端部には熱交換部４０ａ、４０ｂを設置し、これに外部からファン等で空冷を行うことで排熱させることができる。

本発明の実施形態によれば、水平対向２筒型のＡＭＲ装置を用いているので、以下の効果がある。
（ｉ）一回の磁場操作によって２つの磁気熱量効果材料の磁気冷凍サイクルを駆動できる。そこで、従来の単筒型のＡＭＲ装置と比較して、２倍の冷凍効果を発生できる。
（ｉｉ）また、冷媒の移動が不要なため、従来の単筒型のＡＭＲ装置のような外部に設置された冷媒駆動用のポンプを用いる必要がなく、装置が大幅に簡略化され、これに伴う熱損失の低減や冷凍サイクルの高速化が可能となる。
（ｉｉｉ）２つ以上のＡＭＲ容器を磁石に対し適切に配置することによって、磁石に入る時の磁気トルクと磁石から出るときの磁気トルクを相殺することが可能となり、駆動力の低減に大きく寄与する。これは、冷凍効率の増加と等価の意味をもつ。

図５は、本発明の第２の実施の形態を示す構成図で、水平対向型のＡＭＲ装置を２台組み合わせた装置を示す要部構成図である。図５は、図１に示した水平対向２筒型のＡＭＲ装置を、位相をずらして２台組み合わせた磁気冷凍装置を示している。

図５において、ＡＭＲ容器５０Ａ、５０Ｂは、其々スプリング等の磁性体往復運動部で結合した２つの磁性体を設置したもので、内部の状態は図１と同様なので、図示を省略してある。ＡＭＲ容器５０Ａは、図５において水平状態に描かれているもので、永久磁石５４ａ、５４ｂと重なる状態に位置している。ＡＭＲ容器５０Ｂは、ＡＭＲ容器５０Ａと直交する方向に位置するもので、永久磁石５４ａ、５４ｂと離れた場所に位置している。回転軸５５は、ＡＭＲ容器５０Ａ、５０Ｂと、磁石５４ａ、５４ｂが装着される２枚組の円板（図示せず）の回転中心軸である。

このように構成された磁気冷凍装置においては、水平対向型のＡＭＲ装置を２台組み合わせた装置であるため、ＡＭＲ容器５０Ａ、５０Ｂが矢印方向に回転する際には、固定された磁石５４ａ、５４ｂを通過する。この通過時に、ＡＭＲ容器５０Ａ、５０Ｂが相互に磁気力を相殺できる。

図６は、本発明の第３の実施の形態を示す構成図で、水平対向型のＡＭＲ装置を４台組み合わせた装置を示す要部構成図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ方向の断面図である。ここでは、水平対向型のＡＭＲ装置を４台組み合わせた装置であると共に、各ＡＭＲ装置に設けられた低温側熱交換部から、冷熱がさらに冷却器６８、７０へと輸送される構造になっている。また各ＡＭＲ装置に設けられた高温側熱交換部から、温熱がさらに排熱部６９、７２へと輸送される構造になっている。各ＡＭＲ装置の回転軸中心部６５、６８は、熱交換と駆動の便宜を考慮して、共通部材で設けられている。そこで、ＡＭＲ装置の回転軸中心部からみると、８本の単筒型のＡＭＲ装置がハブ・スポーク型で設けられているようにも見える。また、矢印はＡＭＲ容器の回転を意味する。

図６において、ＡＭＲ容器６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄは、其々スプリング等の磁性体往復運動部で結合した２つの磁性体を内部に設置したもので、内部の状態は図４と同様なので、図示を省略してある。ＡＭＲ容器６０Ａは、図６において水平状態に描かれているもので、永久磁石６４Ａａ、６４Ａｂと重なる状態に位置している。ＡＭＲ容器６０Ｂは、ＡＭＲ容器６０Ａと直交する方向に位置するもので、永久磁石６４Ｂａ、６４Ｂｂと重なる状態に位置している。ＡＭＲ容器６０Ｃ、６０Ｄは、ＡＭＲ容器６０Ａ、６０Ｂと斜め４５度方向に位置するもので、永久磁石６４Ａａ、６４Ａｂ、６４Ｂａ、６４Ｂｂと離れた場所に位置している。回転軸６５は、ＡＭＲ容器６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄと、磁石６４Ａａ、６４Ａｂ、６４Ｂａ、６４Ｂｂが装着される２枚組の円板（図示せず）の回転中心軸である。２枚組の円板は、ＡＭＲ容器６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄの位置する部位に対して、其々上または下方向に位置している。

低温側熱交換部６８は、その中心部が回転軸６５に装着されていると共に、外周面は８本の単筒型のＡＭＲ装置の一端が装着されている。高温側熱交換部６９は、円環状をしており、内周面には８本の単筒型のＡＭＲ装置の他端が装着されている。冷却側熱交換器７０は、低温側熱交換部６８に冷媒を流し、冷却を行うものである。排熱側熱交換器７２は、高温側熱交換部６９に冷媒を流し、排熱を行うものである。

このように構成された磁気冷凍装置においては、水平対向型のＡＭＲ装置を４台組み合わせた装置であるため、ＡＭＲ容器６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄが矢印方向に回転する際には、固定された永久磁石６４Ａａ、６４Ａｂ、６４Ｂａ、６４Ｂｂを通過する。この通過時に、ＡＭＲ容器６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄが相互に磁気力を相殺できる。

図７は、本発明の第３の実施の形態の変形実施例を示す構成図で、水平対向型のＡＭＲ装置を４台組み合わせた装置を示す要部構成図である。図７では、矢印は永久磁石の回転を意味し、ＡＭＲ容器は固定側になっている。即ち、図６に示す第３の実施の形態と比較すると、ＡＭＲ容器と永久磁石の固定と回転の関係が逆になっている。ここで、磁石を回転させるか、ＡＭＲ容器を回転させるかは相対的な運動の相違であり、図６と図７の両実施の形態ともに磁性体を往復動させることが可能で、結果として実行される冷凍サイクルに相違は生じない。しかし、磁気冷凍装置の機構上の相違としては、回転軸が磁石（又は永久磁石を設置している構造体）と連動する類型か、あるいはＡＭＲ容器と連動する類型かという相違がある。

図６、図７に示す本発明の第３の実施の形態によれば、４本のＡＭＲ容器から構成される磁気冷凍機は、固定された磁石を通過する際に相互に磁気力を相殺する構造をとることができ、２つ以上のＡＭＲ容器を対称に配置することで、駆動力を低減することが可能となる。

図８は、本発明の第４の実施の形態を示す構成図で、水平対向型のＡＭＲ装置を２台積層した装置を示す要部構成図である。図８において、ＡＭＲ容器８２、８３は、其々スプリング等の磁性体往復運動部で結合した２つの磁性体を設置したもので、内部の状態は図４と同様なので、図示を省略してあるが、中央部には低温側熱交換部８８、８９が設けてあり、両端部には高温側熱交換部８６、８７が設けてある。

ＡＭＲ容器８２は、図８において上段に位置して描かれているもので、永久磁石８４ａ１、８４ａ２、８４ｂ１、８４ｂ２と重なる状態に位置している。ＡＭＲ容器８３は、ＡＭＲ容器８２の下段に位置するもので、永久磁石８５ａ１、８５ａ２、８５ｂ１、８５ｂ２と離れた場所に位置している。回転軸８０、８１は、ＡＭＲ容器８２、８３又は永久磁石８４ａ１、８４ａ２、８４ｂ１、８４ｂ２、８５ａ１、８５ａ２、８５ｂ１、８５ｂ２が装着される２枚組の円板（図示せず）の回転中心軸で、回転軸８０と回転軸８１は回転中心軸を共通にして接続してある。

低温側熱交換部８８は、その中心部に回転軸８０が装着されていると共に、外周面がＡＭＲ容器８２の中央部に装着されている。高温側熱交換部８６は、例えば円環状をしており、内周面にはＡＭＲ容器８２の両端部が装着されている。低温側熱交換部８９は、その中心部に回転軸８１が装着されていると共に、外周面がＡＭＲ容器８３の中央部に装着されている。高温側熱交換部８７は、例えば円環状をしており、内周面にはＡＭＲ容器８３の両端部が装着されている。冷却側熱交換器１００は、低温側熱交換部８８、８９に冷媒を流し、冷却を行うものである。排熱側熱交換器１０２は、高温側熱交換部８６、８７に冷媒を流し、排熱を行うものである。

このように構成された磁気冷凍装置においては、水平対向型のＡＭＲ装置を２台積層した装置であるため、ＡＭＲ容器８２、８３が回転する際には、固定された永久磁石８４ａ１、…、８５ｂ２を通過する。あるいは、永久磁石８４ａ１、…、８５ｂ２が回転する際には、固定されたＡＭＲ容器８２、８３を通過する。この通過時に、熱交換が行われる。第４の実施の形態では、水平対向型のＡＭＲ装置を２台積層してあるので、冷凍能力の増加が容易である。

図９（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の第５の実施の形態を示す構成図である。磁性体９０と熱交換流体で満たされた２つの容器９１と９２が中間部で結合され、２つの容器の熱交換流体は相互に移動可能となっている。ここでは、磁性体９０は容器に対して固定されており、熱交換流体は容器９１と９２の両端に設置されたピストン９３と９４によって、容器内及び磁性体９０中を移動できる。ピストン９３と９４は位相を反転して駆動され、容器９２の両端のピストン９４が押されるときに容器９１の両端のピストン９３が同時に外側へ移動し、内部の熱交換流体の体積が一定に保持されるように駆動される。ピストンの駆動には、スプリングの復元力やアクチュエーター等の駆動装置を用いる。

本実施の形態では、容器９１と９２は静止させ、磁石９７を回転させる。図９（Ａ）は、磁石９７が容器９１の磁性体９０の位置にある場合を示す。磁石９７が容器９１の磁性体９０を磁化すると同時に、容器９２のピストン９４を中心方向に駆動し、また同時に容器９１のピストン９３を外側へ駆動する。これによって、熱交換流体は容器９２の中を矢印９５のように流れ、結合部を経由して矢印９６のように容器９１の両端側へ移動する。このとき、寒冷は結合部に発生し、容器９１内の磁性体で発生した熱は容器９１の両端部へ移動する。

次に、磁石９７を駆動軸９９を中心に回転させて、容器９１から９２の位置へ移動した場合を図９（Ｂ）に示す。図９（Ａ）の場合と位相を反転してピストンを駆動することにより、同様に中間の結合部に寒冷が集まり、容器９１と９２の両端部には発熱が集積する。中間の結合部に低温側熱交換部を、両端部に高温側熱交換部を其々設置することにより、吸熱、発熱を外部に取り出すことができる。本方式は、磁性体は容器に固定し、熱交換流体の体積変化を一定に保持しながら、２つの容器に設置されたピストンの位相を反転して駆動し、かつこの駆動を磁石の回転と同期させていることに特徴があるが、前記実施の形態で示した磁性体を駆動する方式と作用は等価であり、同様のＡＭＲ効果が得られる。

なお、上記の実施形態において、各種の水平対向型のＡＭＲ装置を用いた磁気冷凍装置を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、当業者に自明な範囲において各種の設計変更が可能であり、これらの各種の設計変更も解釈上本発明の権利範囲に含まれるべき筋合いのものである。

本発明の磁気冷凍装置は、室温から極低温領域に至る冷凍冷却装置に用いて好適である。具体的には、本発明の磁気冷凍装置は、空調機器、冷蔵庫、冷凍庫、極低温冷凍機等などに用いて好適である。

１０、２０、３０ ＡＭＲ容器
１１、２１、３１ａ、３１ｂ 冷媒
１２、２２、３２ａ、３２ｂ 磁性体
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ ピストン
２４、３４ａ１、３４ａ２、３４ｂ１、３４ｂ２、５４、６４、８４ａ１、８４ａ２、８４ｂ１、８４ｂ２、９４ａ１、８５ａ２、８５ｂ１、８５ｂ２ 磁石
３５、５５、６５、８０、８１、９９ 回転軸
３６ 磁性体往復運動部
５０Ａ、５０Ｂ、６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄ、８２、８３ ＡＭＲ容器
３８ａ、３８ｂ、６８、８８、８９ 低温側熱交換部
４０ａ、４０ｂ、６９、８６、８７ 高温側熱交換部
７０、１００ 冷却側熱交換器
７２、１０２ 排熱側熱交換器

Claims (12)

1. 内部に冷媒を収容している筒型のＡＭＲ容器と、
   前記ＡＭＲ容器の軸方向に設けられた２個の磁性体であって、前記ＡＭＲ容器の軸方向に移動可能に構成されると共に、磁気熱量効果材料よりなる前記２個の磁性体と、
   前記ＡＭＲ容器の２個の磁性体に対向して位置する少なくとも２個の永久磁石と、
   前記ＡＭＲ容器の２個の磁性体の間に位置する回転軸であって、前記少なくとも２個の永久磁石の間に位置する前記回転軸と、
   前記永久磁石又は前記ＡＭＲ容器を前記回転軸を中心として回転運動させる回転運動部であって、当該回転運動に伴って前記永久磁石と前記２個の磁性体は接近と離脱とを繰り返す前記回転運動部と、
   を備え、前記ＡＭＲ容器の内部で前記磁性体と前記冷媒とが熱交換することによりＡＭＲ容器内に温度差を発生することを特徴とする磁気冷凍装置。
2. 前記回転運動部は、前記ＡＭＲ容器の上方と下方に対向して位置する２枚の磁石装着板を有し、前記２枚の磁石装着板は其々前記２個の磁性体に対向して位置する少なくとも２個の永久磁石を有することを特徴とする請求項１記載の磁気冷凍装置。
3. 請求項１又は２記載の磁気冷凍装置において、さらに、
   前記２個の磁性体を前記軸方向に沿って往復運動させる磁性体往復運動部であって、当該往復運動は、一方の磁性体が前記ＡＭＲ容器の前記軸方向の外側に移動している時は、他方の磁性体も前記外側に移動するように駆動する前記磁性体往復運動部を備えることを特徴とする磁気冷凍装置。
4. 前記ＡＭＲ容器の両端側に設けられる高温側熱交換部と、
   前記ＡＭＲ容器の回転軸側に設けられる低温側熱交換部と、
   をさらに有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の磁気冷凍装置。
5. 複数の前記ＡＭＲ容器が前記回転軸を中心として同一層を形成するように配列され、
   当該複数のＡＭＲ容器を配列した層の上方と下方に対向して位置する２枚の磁石装着板を有し、前記２枚の磁石装着板は其々前記ＡＭＲ容器に対向して位置する少なくとも２個の永久磁石を有すると共に、当該永久磁石の装着個数は２個以上であって前記ＡＭＲ容器の配列個数の２倍と比較して少ない個数であることを特徴とする請求項４記載の磁気冷凍装置。
6. 内部に冷媒を収容している筒型のＡＭＲ容器と、
   前記ＡＭＲ容器の軸方向に設けられた２個の磁性体であって、前記ＡＭＲ容器の前記軸方向に移動可能に構成されると共に、磁気熱量効果材料よりなる前記２個の磁性体と、
   前記２個の磁性体を前記軸方向に沿って往復運動させる磁性体往復運動部であって、当該往復運動は、一方の磁性体が前記ＡＭＲ容器の前記軸方向の外側に移動している時は、他方の磁性体も前記外側に移動するように駆動する前記磁性体往復運動部と、
   磁場を印加除去して磁気力を発生させると共に、前記発生した磁気力により前記磁性体を駆動する磁場印加除去機構と、
   を備え、前記ＡＭＲ容器の内部で前記磁性体と前記冷媒とが熱交換することによりＡＭＲ容器内に温度差を発生することを特徴とする磁気冷凍装置。
7. 前記磁場印加除去機構は、前記ＡＭＲ容器の２個の磁性体に対向して位置する少なくとも２個の永久磁石を有することを特徴とする請求項６記載の磁気冷凍装置。
8. 前記磁性体往復運動部は、前記２個の磁性体の間に設けられた弾性体であることを特徴とする請求項６又は７記載の磁気冷凍装置。
9. 前記磁性体往復運動部は、前記２個の磁性体の間に設けられた軸方向に伸縮するアクチュエーターであることを特徴とする請求項６又は７記載の磁気冷凍装置。
10. 内部に冷媒を収容している筒型の第１と第２のＡＭＲ容器であって、前記第１と第２のＡＭＲ容器は其々の軸の中心部で交差して結合され、前記冷媒が前記結合部を通して前記第１と第２のＡＭＲ容器の間を移動可能にされた、前記第１と第２のＡＭＲ容器と、
    前記第１と第２のＡＭＲ容器の其々の内部に、前記軸方向に沿って前記結合部を挟んで配置された磁気熱量効果材料よりなる２個の磁性体と、
    前記第１と第２のＡＭＲ容器の其々の両端部に配置された、前記冷媒を一定の体積を保持したまま圧縮又は吸引する伸縮動作を行う駆動装置と、
    前記結合部に設置された低温側熱交換部と、
    前記第１と第２のＡＭＲ容器の両端部に設置された高温側熱交換部と、
    前記第１又は第２のＡＭＲ容器の２個の磁性体の其々に対向して位置する少なくとも２個の永久磁石と、
    前記結合部に設けた前記第１と第２のＡＭＲ容器に垂直な回転軸と、
    前記永久磁石又は前記第１と第２のＡＭＲ容器を前記回転軸を中心として回転運動させる回転運動部であって、当該回転運動に伴って前記永久磁石と前記磁性体は接近と離脱とを繰り返す前記回転運動部とを含み、
    前記第１のＡＭＲ容器が前記永久磁石に接近した時に、前記第２のＡＭＲ容器の両端の前記駆動装置は圧縮動作を行うと同時に前記第１のＡＭＲ容器の両端の前記駆動装置は吸引動作を行い、次に前記第２のＡＭＲ容器が前記永久磁石に接近した時に、前記第１のＡＭＲ容器の両端の前記駆動装置は圧縮動作を行うと同時に前記第２のＡＭＲ容器の両端の前記駆動装置は吸引動作を行い、この動作により、前記冷媒が前記第１と第２のＡＭＲ容器内を移動する過程で前記磁性体と前記冷媒とが熱交換する結果、前記第１と第２のＡＭＲ容器の前記結合部と前記両端部で温度差を発生させ、前記低温側熱交換部と前記高温側熱交換部により、其々吸熱、発熱を外部に取り出すことを特徴とする磁気冷凍装置。
11. 前記回転運動部は、前記第１又は第２のＡＭＲ容器の上方と下方に対向して位置する２枚の磁石装着板を有し、前記２枚の磁石装着板は其々前記２個の磁性体に対向して位置する少なくとも２個の永久磁石を有することを特徴とする請求項１０記載の磁気冷凍装置。
12. 前記第１又は第２のＡＭＲ容器の端部の前記駆動装置は、前記冷媒に接したピストンと、当該ピストンを軸方向に伸縮させるアクチュエーター又はスプリングの復元力であることを特徴とする請求項１０又は１１記載の磁気冷凍装置。