WO2018083841A1 - 磁気冷凍機用の磁性部材 - Google Patents

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WO2018083841A1
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magnetic member
magnetic
wall
passage
outer layer
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PCT/JP2017/025816
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芳郎 菊池
義政 小林
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日本碍子株式会社
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    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]

Definitions

  • An entropy change occurs internally, and a magnetic material whose temperature changes is known.
  • An AMR (Active Referential Refrigeration) type refrigeration technology is known, in which a magnetic member made of the magnetic material is disposed in a container and a heat transport medium is circulated to cause a temperature difference between both ends of the container.
  • the granular magnetic member is filled in the container or processed into a mesh shape.
  • the magnetic members are stacked, or a honeycomb-shaped magnetic member in which thin plates are bent in a bellows shape is disposed.
  • FIG. 9 shows an outline of a refrigerator (heat exchanger) 100 using the AMR method.
  • the magnetic member 52 is disposed in the container 50.
  • openings 50a and 50b are provided to allow the heat transport medium to flow in and out.
  • FIG. 10 shows the temperature distribution in the magnetic member 52.
  • the horizontal axis indicates the position of the magnetic member 52
  • the vertical axis indicates the temperature of the magnetic member.
  • heat exchange between the magnetic member and the heat transport medium can be favorably performed by increasing the contact area between the magnetic member and the heat transport medium or slowing the moving speed of the heat transport medium.
  • the moving speed of the heat transport medium is reduced, temperature gradients are less likely to occur in the steps (b) and (d), and as a result, the temperature difference between both ends of the magnetic member becomes smaller.
  • the contact area between the magnetic member and the heat transport medium is increased, the pressure loss generally increases and the moving speed of the heat transport medium decreases.
  • An object of the present invention is to provide a magnetic member of a novel structure used in a magnetic refrigerator.
  • the magnetic member may comprise an outer layer and a wall.
  • the outer layer may be tubular.
  • the wall may have a magnetocaloric effect.
  • the wall extends along the axial direction of the outer layer inside the outer layer, divides the inner space of the outer layer into a plurality of spaces, is a single piece, and extends the axially extending passages of the outer layer inside the outer layer. You may form.
  • the said magnetic member adjusts the heat exchange rate of a magnetic member and a heat transport medium by adjusting the porosity "(volume inside the outer layer-volume of a wall) / (volume inside the outer layer)" of the outer layer. It can be adjusted. Further, by adjusting the size of the space (passage) partitioned by the wall, the movement resistance of the heat transport medium can be reduced and the pressure loss of the magnetic member can be reduced. By using the above magnetic member, a high performance magnetic refrigerator having a large temperature gradient can be realized.
  • the wall is an integral body
  • the wall defining the space is an integral structure, and the plurality of parts are not joined and integrated as a result. In other words, there is no joint surface on the wall around the space.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view along the line II-II in FIG. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
  • Sectional drawing of the refrigerator using the magnetic member of 1st Example is shown.
  • Sectional drawing of the magnetic member of 2nd Example is shown.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line VV of FIG. 4;
  • Sectional drawing of the magnetic member of 3rd Example is shown.
  • Sectional drawing of the magnetic member of 4th Example is shown.
  • the figure for demonstrating the state of the particle which comprises a wall is shown.
  • BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The cross-sectional view of the refrigerator using an AMR system is shown.
  • the figure for demonstrating the temperature change of the magnetic member in AMR system is shown.
  • the magnetic members disclosed herein may be used in a magnetic refrigerator.
  • the magnetic refrigerator may include a hollow case and a magnetic member disposed in the hollow case. Openings (a first opening, a second opening) may be provided at both ends of the hollow case to allow the heat transport medium to flow in and out.
  • the magnetic member may be disposed between the first opening and the second opening.
  • the magnetic member may comprise a passage for the heat transport medium to move from the first opening to the second opening (or from the second opening to the first opening).
  • the magnetic member may comprise a tubular outer layer and a wall provided inside the outer layer. The wall has a magnetocaloric effect and may extend inside the outer layer along the axial direction of the outer layer.
  • the wall may be an integral body, and may divide the inner space of the outer layer into a plurality of spaces, and may form a plurality of passages extending in the axial direction of the outer layer inside the outer layer.
  • the heat transport medium may move in the passage partitioned by the wall. Examples of the heat transport medium include water, alcohols, oils, air and the like.
  • a space is provided inside the magnetic member.
  • the wall itself may be formed of a porous body. In this case, space also exists inside the wall.
  • the space partitioned by the wall is referred to as a "passage”
  • the space inside the wall is referred to as a "void”.
  • the ratio of the "passage” in the inner space of the outer layer is referred to as “porosity”
  • the ratio of the "void” in the interior of the wall is referred to as "porosity”.
  • the shape of the magnetic member can take various shapes according to the shape of the hollow case.
  • the shape of the cross section (surface orthogonal to the axial direction) of the magnetic member may be circular, elliptical, polygonal or the like.
  • the outer layer may have a magnetocaloric effect or may not have a magnetocaloric effect.
  • the outer layer may be made of metal, resin, ceramic, composite material thereof, or the like.
  • the thickness of the outer layer may be 0.3 mm to 5 mm.
  • the porosity of the magnetic member may be 50% to 90%. By setting the porosity to 50% or more, a passage for the heat transport medium to move in the magnetic member can be sufficiently secured. Further, by setting the porosity to 90% or less, it is possible to secure sufficient strength and secure sufficient heat quantity.
  • the wall may be formed of a material having a magnetocaloric effect.
  • Gd gallium
  • Gd compounds La (Fe, Si) 13- based compounds, La (Fe, Si) 13 H-based compounds, (Mn, Fe) 2 (P, Si) -based compounds as materials having magnetocaloric effect Ni 2 MnGa alloy etc. are mentioned.
  • the wall may be formed of only the above-described material, or may be a cured mixture of a powder (or particles) of the above-described material and a binder.
  • the binder may, for example, be an inorganic binder such as clay, Al 2 O 3 , SiO 2 , glass or silicone resin, a thermosetting resin such as phenol resin, or a thermoplastic resin such as polypropylene (PP). Since the contact between the magnetic bodies is suppressed, the heat transfer in the axial direction of the magnetic member is suppressed, and the wall body obtained by curing the mixed material of the powder (magnetic body) having the magnetocaloric effect and the binder is suppressed. The temperature difference between both ends of the member can be maintained large. Moreover, in order to improve the strength of the wall, the wall may contain fibers such as cellulose, glass, and aluminosilicate.
  • the wall structure may form a honeycomb structure in which a plurality of passages of the same shape are formed inside the outer layer.
  • the cross-sectional shape (cross-sectional shape orthogonal to the axial direction) of the passage may be circular, elliptical, polygonal or the like.
  • the wall may be in one piece. For example, by forming the wall by extrusion, the wall of a single body can be formed.
  • the thickness of the wall may be 50 ⁇ m to 1 mm. By setting the thickness of the wall to 50 ⁇ m or more, the strength of the passage through which the heat transport medium passes is secured. Further, by setting the thickness of the wall to 1 mm or less, the porosity on the inside of the outer layer can be increased, and the contact area between the heat transport medium and the wall (magnetic body) can be increased. In addition, the inside of the passage may be partially closed, and the heat transport medium may be moved to the adjacent passage through the wall. In that case, the thickness of the wall may be 500 ⁇ m or less in order to suppress the movement resistance of the heat transport medium.
  • the porosity of the wall may be 70% or less.
  • the porosity of the wall may be 30% or more.
  • the porosity of the wall may be 70% or less from the viewpoint of maintaining the strength.
  • the magnetic member may be a combination of a plurality of partial magnetic members having different magnetic dislocation temperatures (Curie temperatures).
  • the magnetic member may be one in which a plurality of partial magnetic members are joined in the axial direction.
  • the plurality of partial magnetic members may be axially aligned in the order of the magnetic transition temperature. That is, the magnetic member comprises at least a first partial magnetic member and a second partial magnetic member having different magnetic transition temperatures between the first partial magnetic member, and the first partial magnetic member and the second partial magnetic member are magnetic members. It may be joined in the axial direction of When an axial temperature gradient occurs in the magnetic member, the magnetocaloric effect is appropriately generated in each of the partial magnetic members.
  • the first partial magnetic member and the second partial magnetic member may be joined by a material having a thermal conductivity lower than that of the wall body. Heat transfer is less likely to occur between the first partial magnetic member and the second partial magnetic member, and the axial temperature gradient can be suppressed from becoming smaller.
  • a sealing body may be provided to close the space in the passage.
  • the sealing body may be provided on a part of the magnetic member in the axial direction.
  • the heat transport medium can not pass from one end to the other end in one passage, and passes through the wall to move to the adjacent passage on the way of movement. As the heat transport medium passes through the wall, greater heat exchange occurs between the heat transport medium and the wall (magnetic material).
  • the sealing body may be provided at the middle of the passage or at the end in the axial direction of the magnetic member. The configuration in which the sealing body is provided at the end of the passage is easy to manufacture as compared with the configuration in which it is provided in the middle.
  • sealing is provided at the end of each passage, and the first and second partial magnetic members are joined, resulting in sealing.
  • a body may be provided in the middle of the passage.
  • the sealing body may have a higher density than the wall body.
  • the sealing body may be a material having a heat capacity higher than that of the wall body.
  • Alumina, stainless steel, resin, glass etc. are mentioned as a material of a sealing material.
  • the magnetic member 2 and the refrigerator 30 will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
  • the magnetic member 2 has a prismatic shape, and includes an outer layer 4 and a wall 6.
  • the wall 6 extends in the axial direction of the magnetic member 2 (outer layer 4) inside the outer layer 4.
  • the wall 6 defines a plurality of passages 8.
  • the passage 8 extends from one end of the magnetic member 2 to the other end. That is, the passage 8 is exposed at both axial end surfaces of the magnetic member 2 (one end surface appears in FIGS. 1 and 2).
  • the magnetic member 2 has a honeycomb structure.
  • the magnetic member 2 is manufactured by extruding a mixture of particles of a La (Fe, Si) 13- based compound having a magnetocaloric effect and a glass powder functioning as an inorganic binder.
  • the outer layer 4 and the wall 6 are integrally molded of the same material.
  • the particle 6a and the inorganic binder 6b which comprise the wall 6 are demonstrated.
  • the particles 6a and 6a are joined by the inorganic binder 6b. Since the inorganic binder 6b is present between the particles 6a and 6a, the particles 6a are not in contact with each other.
  • the inorganic binder 6b is in contact with part of the surface of the particle 6a and does not cover the entire surface of the particle 6a. In other words, part of the surface of the particle 6a is exposed to the void.
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view of the refrigerator 30 provided with the magnetic member 2.
  • the refrigerator 30 includes a container 20 and a magnetic member 2.
  • the magnetic member 2 is disposed at the central portion 20 c of the container 20.
  • a first opening 20a and a second opening 20b are provided, respectively.
  • the heat transport medium (for example, water) flows in and discharged from the openings 20a and 20b.
  • the inner diameter of the container 20 continuously increases from the end (the openings 20a and 20b) toward the central portion 20c.
  • the heat transport medium which has flowed in from the openings 20a and 20b can smoothly move to the passage 8 on the outer side of the magnetic member 2 (the passage on the outer portion of the surface orthogonal to the axial direction (the surface shown in FIG. 2)). it can. That is, the heat transport member can be prevented from concentrating on the passage 8 at the center of the magnetic member 2 (the passage at the central portion in the plane orthogonal to the axial direction).
  • the heat transport medium is moved in the direction of the arrow 54 in a state where the magnetic member 2 is excited, and the heat transport medium is moved in the direction of the arrow 56 in a state where the magnetic member 2 is demagnetized.
  • the cycle of (a) to (d) described in FIGS. 9 and 10 is repeated to generate a temperature gradient in the magnetic member 2 from the first end 10a to the second end 10b.
  • the first end 10a has a high temperature
  • the second end 10b has a low temperature.
  • the heat transport medium is moved by a pump (not shown) connected to the refrigerator 30.
  • the magnetic member 2 has a honeycomb shape in which the inside of the outer layer 4 is divided into a plurality of spaces (passages 8) by the wall body 6 of an integral body.
  • the magnetic member 2 which is a honeycomb structure can easily control the structure of the flow path, for example, as compared with the magnetic member having a structure filled with particles.
  • the magnetic member 2 can secure a linear passage 8 having the same size from one end to the other end in the axial direction (see FIG. 3).
  • the magnetic member 2 can control the porosity (ratio of the passage to the magnetic member) and the size (area, hydraulic diameter, etc.) of the passage by adjusting the arrangement of the wall 6.
  • a magnetic member of the type obtained by processing a thin plate into a bellows shape and winding the thin plate, or a magnetic member of the type obtained by laminating a flat plate and a thin plate of bellows shape is also a magnetic member having a honeycomb structure.
  • the magnetic members having such a honeycomb structure can also secure a linear passage from one end in the axial direction to the other end.
  • the material of the wall is limited and the porosity of the wall is also limited in order to realize the bellows-like processing.
  • the thin plates are joined to form a passage. Since another thin plate or another portion of the thin plate is joined, the plates may collide with each other due to vibration or the like, resulting in wear or breakage.
  • the durability is high, and the thickness of the wall body, the size of the passage, etc. can be adjusted. A large temperature difference can be produced at both ends of the component.
  • the particles 6a, 6a constituting the wall body 6 are not in contact with each other, the heat transfer between the particles 6a, 6a is suppressed. Since the heat is prevented from diffusing in the axial direction of the wall 6, the temperature difference between the first end 10a and the second end 10b can be well maintained.
  • the magnetic member 102 will be described with reference to FIGS. 4 and 5.
  • the magnetic member 102 can be used instead of the magnetic member 2 in the refrigerator 30 (see FIG. 3).
  • the magnetic member 102 is a modification of the magnetic member 2.
  • description may be abbreviate
  • one axial end of the passage 8 is closed by the sealing bodies 12 and 14. Specifically, a part of the first end 10 a of the magnetic member 102 is closed by the first sealing body 12, and a part of the second end 10 b is closed by the second sealing body 14. .
  • the second sealing body 14 is provided in the passage 8 (passage 8b) next to the passage 8 (passage 8a) in which the first sealing body 12 is provided. That is, the first sealing body 12 is not provided in the passage 8 next to the passage 8 in which the first sealing body 12 is provided, and the second sealing body 14 is provided next to the passage 8 The second sealing body 14 is not provided in the passage 8 of FIG.
  • the heat transport medium can not pass each passage 8 from one end to the other end, passes through the wall 6, and moves to the adjacent passage 8.
  • the heat transport medium supplied from the first end 10a to the passage 8b passes through the inside of the wall 6 and moves to the adjacent passages 8a and 8c, It is discharged from the end 10b.
  • the heat transport medium supplied from the second end 10b to the passage 8c passes through the inside of the wall 6 to move to the adjacent passages 8b and 8d as shown by the arrow 54, and the first end 10a Discharged from
  • the wall 6 is composed of the particles 6a and the inorganic binder 6b, and a part of the surface of the particles 6a is exposed in the void (see FIG. 8). Therefore, when the heat transport medium passes through the inside of the wall 6, heat exchange is efficiently performed between the particles 6a (magnetic material) and the heat transport medium.
  • the heat transport medium moves from the supplied passage 8 through the wall body 6 to the adjacent passage 8 while moving in the magnetic member 102 (in the passage 8), and the supplied passage It is discharged from the passage 8 next to 8.
  • the heat transport medium does not move linearly in the passage 8
  • the heat transport medium does not always move in the wall 6, so compared with the magnetic member filled with particles. Pressure loss can be reduced.
  • the magnetic member 202 will be described with reference to FIG.
  • the magnetic member 202 can also be used instead of the magnetic member 2 in the refrigerator 30 (see FIG. 3).
  • the magnetic member 202 is a modified example of the magnetic member 102, and the description of the magnetic member 202 having the same configuration as the magnetic member 102 may be omitted by attaching the same reference numerals as the magnetic member 102.
  • the magnetic member 202 includes a first partial magnetic member 202a, a second partial magnetic member 202b, and a third partial magnetic member 202c.
  • the structure of each of the partial magnetic members 202a, 202b and 202c is substantially the same as that of the magnetic member 102.
  • the partial magnetic members 202a, 202b and 202c are formed of materials having different magnetic transition temperatures.
  • the first partial magnetic member 202a constituting the first end 10a is formed of a material having the highest magnetic dislocation temperature
  • the third partial magnetic member 202c constituting the second end 10b is formed of a material having the lowest magnetic dislocation temperature ing. That is, as the magnetic member 202 proceeds from the high temperature side (the first end 10 a side) to the low temperature side (the second end 10 b side), a material having a lower magnetic dislocation temperature is used.
  • the first partial magnetic member 202 a and the second partial magnetic member 202 b are connected such that the passages 8 where the sealing bodies 12 and 14 are not provided communicate with each other, and the second partial magnetic member 202 a
  • the sealing body 14 and the first sealing body 12 of the second partial magnetic member 202 b are connected so as to be in contact with each other.
  • the magnetic member 202 is provided with the passage 8 in which the first sealing body 12 of the first partial magnetic member 202a is provided, and the passage in which the second sealing body 14 of the second partial magnetic member 202b is provided.
  • the passage 8 (passages 8a and 8c) is connected, and a pass 8 in which the second seal 14 of the first partial magnetic member 202a is provided and a first seal 12 of the second partial magnetic member 202b are provided
  • the passage 8 (the passages 8b and 8d) is connected.
  • the partial magnetic members 202a, 202b and 202c are connected by a resin.
  • the resin has lower thermal conductivity than the wall 6.
  • the connection state of the second partial magnetic member 202b and the third partial magnetic member 202c is substantially the same as the connection state of the first partial magnetic member 202a and the second partial magnetic member 202b, so the description will be omitted.
  • the partial magnetic members 202a, 202b, and 202c are connected to the magnetic member 202 such that the first sealing body 12 and the second sealing body 14 are in contact with each other. Since the sealing body (sealing bodies 12 and 14) exists in the middle part of the passage 8, the heat transport medium is from the first end 10a to the second end 10b (or from the second end 10b to the first end 10a) While moving, it passes through the wall 6 multiple times (three times in the case of the magnetic member 202). The heat exchange rate between the heat transport medium and the magnetic member 202 can be further increased. Moreover, in the magnetic member 202, since the material whose magnetic dislocation temperature is higher as it goes from the low temperature side to the high temperature side is used, heat exchange can be performed efficiently in each temperature region.
  • the respective partial magnetic members 202a, 202b and 202c are connected by a material (resin) having a thermal conductivity lower than that of the material constituting the wall 6, the first partial magnetic member 202a and the second partial magnetic member 202a are connected. It is possible to suppress heat transfer from occurring between the second partial magnetic member 202b and the third partial magnetic member 202c between the members 202b. The temperature difference between the first end 10a and the second end 10b can be maintained.
  • FIG. 7 shows the magnetic member 302.
  • the magnetic member 302 is a modified example of the magnetic member 202, and the description of the magnetic member 302 having the same configuration as the magnetic member 202 may be omitted by giving the same reference numerals as the magnetic member 202.
  • the magnetic member 302 can also be used instead of the magnetic member 2 in the refrigerator 30 (see FIG. 3).
  • the magnetic member 302 includes a first partial magnetic member 302a, a second partial magnetic member 302b, and a third partial magnetic member 302c. Each of the partial magnetic members 302a, 302b, and 302c has substantially the same structure and different magnetic transition temperatures.
  • the first partial magnetic member 302a is formed of a material having the highest magnetic dislocation temperature
  • the third partial magnetic member 302c is formed of a material having the lowest magnetic dislocation temperature.
  • the magnetic member 302 also uses a material whose magnetic dislocation temperature is higher as it goes from the low temperature side to the high temperature side.
  • the magnetic member 302 has no sealing body in the passage 8. Therefore, in the magnetic member 302, the heat transport medium moves linearly in each passage 8 from one end to the other end. That is, in the magnetic member 302, the heat transport medium does not move to the adjacent passage 8 after passing through the wall 6.
  • the magnetic member 302 can make pressure loss smaller than that of the magnetic member 202.
  • the magnetic member may include both a passage in which no seal is provided in the passage and a passage in which the first seal or the second seal is provided in the passage.
  • the third and fourth embodiments an example in which one magnetic member is formed of three partial magnetic members has been described, but the number of partial magnetic members may be two or four or more. .

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Abstract

磁気冷凍機用の磁性部材（２）は、筒状の外層（４）と、磁気熱量効果を有する壁体（６）を備えている。壁体（６）は、外層（４）の内側で外層（４）の軸方向に沿って伸びており、外層（４）の内側空間を複数の空間に区画している。壁体（６）は、一体物であり、外層（４）の内側に外層（４）の軸方向に伸びる複数の通路（８）を形成している。

Description

磁気冷凍機用の磁性部材
　本出願は、２０１６年１１月２日に出願された日本国特許出願第２０１６－２１５５８９号に基づく優先権を主張する。その出願の全ての内容は、この明細書中に参照により援用されている。本明細書は、磁気冷凍機に用いられ、磁気熱量効果を有する磁性部材に関する技術を開示する。
　磁場変化を与えることにより、内部でエントロピー変化が起こり、温度が変化する磁性材料が知られている。その磁性材料で作製した磁性部材を容器内に配置し、熱輸送媒体を流通させることにより、容器の両端に温度差を生じさせるＡＭＲ（Active Regenerative Refrigeration）方式の冷凍技術が知られている。特開２００７－１４７２０９号公報には、熱輸送媒体の流動性、熱輸送媒体と磁性部材との熱交換性を確保するため、容器内に、粒状の磁性部材を充填したり、メッシュ状に加工した磁性部材を積層したり、薄板を蛇腹状に曲げたハニカム状の磁性部材を配置する例が開示されている。
　まず、図９及び図１０を参照し、ＡＭＲ方式について説明する。図９はＡＭＲ方式を利用した冷凍機（熱交換器）１００の概略を示している。容器５０内に磁性部材５２が配置されている。容器５０の端部に、熱輸送媒体を流入・排出させる開口部５０ａ，５０ｂが設けられている。図１０は磁性部材５２内の温度分布を示している。横軸は磁性部材５２の位置を示し、縦軸は磁性部材の温度を示している。磁性部材５２に磁場を印加すると、（ａ）に示すように、磁性部材５２の温度が線６０から線６２のように全体的に上昇する。次に、開口部５０ｂから５０ａに向けて、矢印５４方向に熱輸送媒体を移動させると、熱輸送媒体は磁性部材５２の熱を奪いながら磁性部材５２内を移動する。その結果、（ｂ）の線６４に示すように、磁性部材５２の端部５２ａと端部５２ｂの間で温度差が生じる。その後、磁性部材５２を消磁すると、（ｃ）の線６６に示すように、線６４の傾きを維持したまま磁性部材５２の温度が全体的に下がる。その後、開口部５０ａから５０ｂに向けて、矢印５６方向に熱輸送媒体を移動させると、熱輸送媒体は磁性部材５２に熱を与えながら磁性部材５２内を移動し、（ｄ）の線６８に示すように、端部５２ａと端部５２ｂの温度差がさらに大きくなる。（ａ）～（ｄ）のサイクルを繰り返すことにより、端部５２ａと５２ｂの温度差はより大きくなる。
　ＡＭＲ方式を利用した冷凍機では、磁性部材の両端に大きな温度差を生じさせることが必要である。そのために、磁性部材と熱輸送媒体の熱交換を起こり易くすることが必要である。例えば、磁性部材と熱輸送媒体の接触面積を大きくしたり、熱輸送媒体の移動速度を遅くすることによって、磁性部材と熱輸送媒体の熱交換を良好に行うことができる。しかしながら、熱輸送媒体の移動速度を遅くすると、上記（ｂ），（ｄ）工程において温度勾配が生じ難くなり、結果的に磁性部材の両端の温度差が小さくなる。また、磁性部材と熱輸送媒体の接触面積を大きくすると、一般的に、圧力損失が大きくなり、熱輸送媒体の移動速度が低下する。その結果、磁性部材の両端の温度差が小さくなることがある。高効率な磁気冷凍機を実現するために、磁性部材の構造を改善することが必要である。本明細書は、磁気冷凍機で用いる新規な構造の磁性部材を提供することを目的とする。
　本明細書は、磁気冷凍機用の磁性部材を開示する。その磁性部材は、外層と壁体を備えていてよい。外層は、筒状であってよい。壁体は、磁気熱量効果を有していてよい。壁体は、外層の内側で外層の軸方向に沿って伸びており、外層の内側空間を複数の空間に区画し、一体物であり、外層の内側に外層の軸方向に伸びる複数の通路を形成していてよい。
　上記磁性部材は、外層の内側の気孔率「（外層の内側の体積－壁体の体積）／（外層の内側の体積）」を調整することにより、磁性部材と熱輸送媒体の熱交換率を調整することができる。また、壁体で区画された空間（通路）のサイズを調整することにより、熱輸送媒体の移動抵抗を小さくし、磁性部材の圧力損失を低減することができる。上記磁性部材を用いることにより、大きな温度勾配を有する高性能な磁気冷凍機を実現することができる。なお、「壁体は一体物である」とは、空間を画定する壁が一体構造であり、複数部品を接合して結果として一体化しているものではないことを意味している。換言すると、空間の周りの壁に接合面が存在しないということである。
第１実施例の磁性部材の斜視図を示す。 図１のII-II線に沿った断面図を示す。 第１実施例の磁性部材を用いた冷凍機の断面図を示す。 第２実施例の磁性部材の断面図を示す。 図４のＶ-Ｖ線に沿った断面図を示す。 第３実施例の磁性部材の断面図を示す。 第４実施例の磁性部材の断面図を示す。 壁体を構成する粒子の状態を説明するための図を示す。 ＡＭＲ方式を利用した冷凍機の断面図を示す。 ＡＭＲ方式における磁性部材の温度変化を説明するための図を示す。
　以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
　本明細書で開示する磁性部材は、磁気冷凍機で用いられてよい。磁気冷凍機は、中空ケースと、中空ケース内に配置されている磁性部材を備えていてよい。中空ケースの両端に、熱輸送媒体を流入・排出させる開口部（第１開口部，第２開口部）が設けられていてよい。磁性部材は、第１開口部と第２開口部の間に配置されていてよい。磁性部材は、熱輸送媒体が第１開口部から第２開口部（または、第２開口部から第１開口部）に移動するための通路を備えていてよい。磁性部材は、筒状の外層と、外層の内側に設けられている壁体を備えていてよい。壁体は、磁気熱量効果を有し、外層の内側で外層の軸方向に沿って伸びていてよい。また、壁体は、一体物であり、外層の内側空間を複数の空間に区画し、外層の内側に外層の軸方向に伸びる複数の通路を形成していてよい。壁体で区画された通路内を、熱輸送媒体が移動してよい。熱輸送媒体の一例として、水、アルコール類、油類、空気等が挙げられる。
　上記したように、磁性部材の内部には空間（通路）が設けられる。また、壁体自体が、多孔質体で形成されることもある。この場合、壁体の内部にも空間が存在する。本明細書では、これらの空間を区別するため、壁体によって区画された空間（壁体が存在しない外層の内側空間）は「通路」と称し、壁体内部の空間は「空隙」と称する。また、外層の内側空間における「通路」の割合を「気孔率」と称し、壁体内部における「空隙」の割合を「空隙率」と称する。
　磁性部材（外層）の形状は、中空ケースの形状に応じて、種々の形状を採ることができる。磁性部材の断面（軸方向に直交する面）の形状は、円形，楕円形，多角形等であってよい。外層は、磁気熱量効果を有していてもよいし、磁気熱量効果を有していなくてもよい。外層は、金属製、樹脂製、セラミックス製、または、それらの複合材料製等であってよい。外層の厚みは０．３ｍｍ～５ｍｍであってよい。また、磁性部材の気孔率は５０％～９０％であってよい。気孔率を５０％以上とすることにより、磁性部材内に熱輸送媒体が移動するための通路を十分に確保することができる。また、気孔率を９０％以下とすることにより、十分な強度を確保することができるとともに十分な熱量を確保することができる。
　壁体は、磁気熱量効果を有する材料で形成されていてよい。磁気熱量効果を有する材料としてＧｄ（ガドリニウム）、Ｇｄ化合物、Ｌａ（Ｆｅ，Ｓｉ）１３系化合物、Ｌａ（Ｆｅ，Ｓｉ）１３Ｈ系化合物、（Ｍｎ，Ｆｅ）２（Ｐ，Ｓｉ）系化合物、Ｎｉ２ＭｎＧａ合金等が挙げられる。壁体は、上記した材料のみで形成されていてもよいし、上記した材料の粉体（あるいは、粒子）と結合材を混合した混合材料を硬化したものであってもよい。結合材として、粘土、Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ガラス，シリコーン樹脂等の無機バインダー、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）等の熱可塑性樹脂が挙げられる。磁気熱量効果を有する粉体（磁性体）と結合材との混合材料を硬化した壁体は、磁性体同士の接触が抑制されるので、磁性部材の軸方向への伝熱が抑制され、磁性部材の両端の温度差を大きく維持することができる。また、壁体の強度を向上させるため、壁体にセルロース、ガラス、アルミノシリケート等の繊維が含まれていてもよい。
　壁体によって、外層の内側に、同じ形状の通路が複数形成されたハニカム構造が形成されていてよい。通路の断面形状（軸方向に直交する断面形状）は、円形，楕円形，多角形等であってよい。壁体は、一体物であってよい。例えば、押出成形によって壁体を形成することにより、一体物の壁体を形成することができる。
　壁体の厚みは、５０μｍ～１ｍｍであってよい。壁体の厚みを５０μｍ以上とすることにより、熱輸送媒体が通過する通路の強度が確保される。また、壁体の厚みを１ｍｍ以下とすることにより、外層の内側の気孔率を大きくすることができ、熱輸送媒体と壁体（磁性体）との接触面積を大きくすることができる。なお、通路内を部分的に塞ぎ、熱輸送媒体を、壁体を通過させて隣りの通路に移動させる場合がある。その場合、熱輸送媒体の移動抵抗を抑制するため、壁体の厚みは５００μｍ以下であってよい。
　壁体の空隙率は、７０％以下であってよい。なお、熱輸送媒体を壁体を通過させて隣りの通路に移動させる場合、壁体の空隙率は３０％以上であってよい。また、熱輸送媒体を隣りの通路に移動させない場合、強度を維持するという観点より、壁体の空隙率は７０％以下であってよい。
　磁性部材は、磁気転位温度（キュリー温度）が異なる複数の部分磁性部材の組み合わせであってよい。具体的には、磁性部材は、軸方向において、複数の部分磁性部材を接合したものであってよい。複数の部分磁性部材は、磁気転位温度の高さの順に、軸方向に並んでいてよい。すなわち、磁性部材は、少なくとも、第１部分磁性部材と第１部分磁性部材とは磁気転位温度が異なる第２部分磁性部材とを備え、第１部分磁性部材と第２部分磁性部材が、磁性部材の軸方向で接合されていてよい。磁性部材に軸方向の温度勾配が生じたときに、各部分磁性部材において適切に磁気熱量効果が生じる。第１部分磁性部材と第２部分磁性部材は、壁体よりも熱伝導率が低い材料で接合されていてよい。第１部分磁性部材と第２部分磁性部材の間で熱移動が起こり難くなり、軸方向の温度勾配が小さくなることを抑制することができる。
　壁体で囲まれた通路内に、通路内の空間を塞ぐ封止体が設けられていてよい。封止体は、磁性部材の軸方向の一部に設けられていてよい。封止体を設けることにより、熱輸送媒体は、一つの通路内を一端から他端に向けて通過することができず、移動の途中で壁体を通過して隣りの通路に移動する。熱輸送媒体が壁体を通過するときに、熱輸送媒体と壁体（磁性体）との間でより大きな熱交換が行われる。封止体は、磁性部材の軸方向において、通路の中間に設けられていてもよいし、端部に設けられていてもよい。封止体を通路の端部に設ける形態は、中間に設ける形態と比較して、製造が容易である。また、上記した第１部分磁性部材と第２部分磁性部材において、各々通路の端部に封止体を設け、第１部分磁性部材と第２部分磁性部材を接合することにより、結果として封止体が通路の中間に設けられていてもよい。なお、封止体は、壁体より密度が高くてよい。また、封止体は、壁体より熱容量の高い材料であってよい。封止材の材料として、アルミナ、ステンレススチール、樹脂、ガラス等が挙げられる。
（第１実施例）
　図１～図３を参照し、磁性部材２及び冷凍機３０について説明する。図１及び図２に示すように、磁性部材２は角柱状であり、外層４と壁体６を備えている。壁体６は、外層４の内側で、磁性部材２（外層４）の軸方向に伸びている。壁体６は、複数の通路８を画定している。通路８は、磁性部材２の一端から他端まで伸びている。すなわち、通路８は、磁性部材２の軸方向の両端面に露出している（図１，２には一端面が現れている）。磁性部材２は、ハニカム構造を有している。磁性部材２は、磁気熱量効果を有するＬａ（Ｆｅ，Ｓｉ）１３系化合物の粒子と、無機バインダーとして機能するガラス粉末の混合物を押出成型することにより製造されている。外層４及び壁体６は、同じ材料で、一体に成型されている。
　ここで、図８を参照し、壁体６（磁性部材２）を構成する粒子６ａと無機バインダー６ｂについて説明する。図８に示すように、粒子６ａ，６ａ間が、無機バインダー６ｂで接合されている。粒子６ａ，６ａ間に無機バインダー６ｂが存在するので、各粒子６ａ同士は接触していない。無機バインダー６ｂは、粒子６ａの表面の一部に接しており、粒子６ａの表面の全面を覆っていない。換言すると、粒子６ａの表面の一部は、空隙に露出している。
　図３は、磁性部材２を備えた冷凍機３０の断面図を示している。冷凍機３０は、容器２０と磁性部材２を備えている。磁性部材２は、容器２０の中央部２０ｃに配置されている。容器２０の両端に、各々第１開口部２０ａ，第２開口部２０ｂが設けられている。開口部２０ａ，２０ｂより、熱輸送媒体（例えば、水）が流入・排出される。容器２０は、端部（開口部２０ａ，２０ｂ）から中央部２０ｃに向けて、内径が連続的に増加している。そのため、開口部２０ａ，２０ｂから流入した熱輸送媒体は、磁性部材２の外側の通路８（軸方向に直交する面（図２に示す面）における外側部分の通路）にスムーズに移動することができる。すなわち、熱輸送部材が磁性部材２の中央の通路８（軸方向に直交する面における中央部分の通路）に集中することを抑制することができる。
　冷凍機３０では、例えば、磁性部材２を励磁した状態で矢印５４方向に熱輸送媒体を移動させ、磁性部材２を消磁した状態で矢印５６方向に熱輸送媒体を移動させる。具体的には、図９，１０で説明した（ａ）～（ｄ）のサイクルを繰り返し、第１端１０ａから第２端１０ｂに向けて磁性部材２内に温度勾配を生じさせる。第１端１０ａが高温となり、第２端１０ｂが低温となる。熱輸送媒体の移動は、冷凍機３０に接続されたポンプ（図示省略）で行う。
　磁性部材２の利点について説明する。上記したように、磁性部材２は、外層４の内部が一体物の壁体６で複数の空間（通路８）に区画されたハニカム形状である。ハニカム構造体である磁性部材２は、例えば粒子を充填した構造の磁性部材と比較して、流路の構造を制御しやすい。具体的には、磁性部材２は、軸方向一端から他端までのサイズが等しい直線状の通路８を確保することができる（図３を参照）。また、磁性部材２は、壁体６の配置を調整することにより、気孔率（磁性部材に占める通路の割合）、通路のサイズ（面積，水力直径等）を制御することができる。磁性部材２を用いることにより、冷凍機３０内の圧力損失、熱輸送媒体と磁性部材の熱交換率を精度よく制御することができる。
　なお、薄板を蛇腹状に加工し、その薄板を捲回したタイプの磁性部材、あるいは、平板と蛇腹状の薄板を積層したタイプの磁性部材も、ハニカム構造を有する磁性部材である。これらのハニカム構造を有する磁性部材も、軸方向の一端から他端まで直線状の通路を確保することができる。しかしながら、このような磁性部材は、蛇腹状に加工するために薄板の厚み（磁性部材２の壁体６の厚みに相当）が制限されたり、通路のサイズを調整することが困難である。また、蛇腹状の加工を実現するために、壁体の材料が制限されたり、壁体の空隙率も制限される。また、蛇腹状の薄板を利用したハニカム構造は、薄板同士を接合して通路を形成する。別の薄板、あるいは、薄板の別部分を接合しているので、振動等により板同士がぶつかり、摩耗や破損が生じることがある。本実施例のように、外層４の内部を一体物の壁体６で区画したハニカム構造体を用いることにより、耐久性が高く、壁体の厚み、通路のサイズ等の調整が可能となり、磁性部材の両端に大きな温度差を生じさせることができる。
　また、壁体６を構成する粒子６ａ，６ａ同士が接触していないので、粒子６ａ，６ａ間の伝熱が抑制される。熱が壁体６の軸方向に拡散することが抑制されるので、第１端１０ａと第２端１０ｂの温度差を良好に維持することができる。
（第２実施例）
　図４及び図５を参照し、磁性部材１０２について説明する。磁性部材１０２は、冷凍機３０（図３を参照）において、磁性部材２に代えて用いることができる。磁性部材１０２は、磁性部材２の変形例である。磁性部材１０２について、磁性部材２を同じ構成については、磁性部材２を同じ参照番号を付すことにより、説明を省略することがある。
　磁性部材１０２では、通路８の軸方向の一端が、封止体１２，１４によって塞がれている。具体的には、磁性部材１０２の第１端１０ａの一部が第１封止体１２によって塞がれており、第２端１０ｂの一部が第２封止体１４によって塞がれている。通路８ａ，８ｂのように、第１封止体１２が設けられている通路８（通路８ａ）の隣の通路８（通路８ｂ）に、第２封止体１４が設けられている。すなわち、第１封止体１２が設けられている通路８の隣の通路８には第１封止体１２が設けられておらず、第２封止体１４が設けられている通路８の隣の通路８には第２封止体１４が設けられていない。封止体１２，１４を設けることにより、熱輸送媒体は、各通路８を一端から他端まで通過することができず、壁体６を通過して、隣りの通路８に移動する。具体的には、第１端１０ａから通路８ｂに供給された熱輸送媒体は、矢印５６に示すように、壁体６の内部を通過して、隣りの通路８ａ，８ｃに移動し、第２端１０ｂから排出される。同様に、第２端１０ｂから通路８ｃに供給された熱輸送媒体は、矢印５４に示すように、壁体６の内部を通過して、隣りの通路８ｂ，８ｄに移動し、第１端１０ａから排出される。なお、上記したように、壁体６は粒子６ａと無機バインダー６ｂで構成されており、粒子６ａの表面の一部は空隙に露出している（図８を参照）。そのため、熱輸送媒体が壁体６の内部を通過するときに、粒子６ａ（磁性体）と熱輸送媒体の間で効率よく熱交換が行われる。
　磁性部材１０２では、熱輸送媒体が、磁性部材１０２内（通路８内）を移動する途中で、供給された通路８から壁体６を通過して隣の通路８に移動し、供給された通路８の隣の通路８から排出される。壁体６を通過するときに、壁体６を構成する磁性体と接触し、より効率的に熱交換が行われる。なお、磁性部材１０２では、熱輸送媒体は通路８内を直線的に移動しないが、熱輸送媒体が常に壁体６内を移動している訳ではないので、粒子を充填した磁性部材と比較して、圧力損失を小さくすることができる。
（第３実施例）
　図６を参照し、磁性部材２０２について説明する。磁性部材２０２も、冷凍機３０（図３を参照）において、磁性部材２に代えて用いることができる。磁性部材２０２は、磁性部材１０２の変形例であり、磁性部材２０２について磁性部材１０２と同じ構成については、磁性部材１０２と同じ参照番号を付すことにより、説明を省略することがある。
　磁性部材２０２は、第１部分磁性部材２０２ａと、第２部分磁性部材２０２ｂと、第３部分磁性部材２０２ｃを備えている。各部分磁性部材２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃの構造は、磁性部材１０２と実質的に同じである。部分磁性部材２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃは、各々磁気転位温度の異なる材料で形成されている。第１端１０ａを構成する第１部分磁性部材２０２ａが最も磁気転位温度が高い材料で形成されおり、第２端１０ｂを構成する第３部分磁性部材２０２ｃが最も磁気転位温度が低い材料で形成されている。すなわち、磁性部材２０２の高温側（第１端１０ａ側）から低温側（第２端１０ｂ側）に向かうに従い、磁気転位温度が低い材料が用いられている。
　第１部分磁性部材２０２ａと第２部分磁性部材２０２ｂは、封止体１２，１４が設けられていない通路８同士が連通するように接続されており、また、第１部分磁性部材２０２ａの第２封止体１４と第２部分磁性部材２０２ｂの第１封止体１２が接するように接続されている。具体的には、磁性部材２０２は、第１部分磁性部材２０２ａの第１封止体１２が設けられている通路８と第２部分磁性部材２０２ｂの第２封止体１４が設けられている通路８（通路８ａ，８ｃ）が接続され、第１部分磁性部材２０２ａの第２封止体１４が設けられている通路８と第２部分磁性部材２０２ｂの第１封止体１２が設けられている通路８（通路８ｂ，８ｄ）が接続されている。なお、部分磁性部材２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃは、樹脂によって接続されている。樹脂は、壁体６より熱伝導率が低い。第２部分磁性部材２０２ｂと第３部分磁性部材２０２ｃの接続状態については、実質的に第１部分磁性部材２０２ａと第２部分磁性部材２０２ｂの接続状態と同一のため、説明を省略する。
　磁性部材２０２は、第１封止体１２と第２封止体１４が接するように、各部分磁性部材２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃが接続されている。通路８の中間部分に封止体（封止体１２，１４）が存在するので、熱輸送媒体は、第１端１０ａから第２端１０ｂ（または、第２端１０ｂから第１端１０ａ）に移動する間に、壁体６を複数回（磁性部材２０２の場合、３回）通過する。熱輸送媒体と磁性部材２０２の熱交換率をより高くすることができる。また、磁性部材２０２では、低温側から高温側に向かうに従って磁気転位温度が高い材料が用いられているので、各温度領域において、効率よく熱交換を行うことができる。また、各部分磁性部材２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃは、壁体６を構成している材料より熱伝導率の低い材料（樹脂）で接続されているので、第１部分磁性部材２０２ａと第２部分磁性部材２０２ｂの間、第２部分磁性部材２０２ｂと第３部分磁性部材２０２ｃの間で熱移動が起こることを抑制することができる。第１端１０ａと第２端１０ｂの温度差を維持することができる。
（第４実施例）
　図７は、磁性部材３０２を示している。磁性部材３０２は、磁性部材２０２の変形例であり、磁性部材３０２について磁性部材２０２と同じ構成については、磁性部材２０２と同じ参照番号を付すことにより、説明を省略することがある。磁性部材３０２も、冷凍機３０（図３を参照）において、磁性部材２に代えて用いることができる。
　磁性部材３０２は、第１部分磁性部材３０２ａと、第２部分磁性部材３０２ｂと、第３部分磁性部材３０２ｃを備えている。各部分磁性部材３０２ａ，３０２ｂ，３０２ｃは、実質的に同じ構造であり、磁気転位温度が異なる。第１部分磁性部材３０２ａが最も磁気転位温度が高い材料で形成されており、第３部分磁性部材３０２ｃが最も磁気転位温度が低い材料で形成されている。磁性部材３０２も、低温側から高温側に向かうに従って、磁気転位温度が高い材料が用いられている。
　磁性部材３０２は、通路８内に封止体が設けられていない。そのため、磁性部材３０２では、熱輸送媒体は、各通路８内を一端から他端まで直線的に移動する。すなわち、磁性部材３０２では、熱輸送媒体は、壁体６と通過して隣りの通路８に移動しない。磁性部材３０２は、磁性部材２０２よりも、圧力損失を小さくすることができる。
　上記実施例２、３では、全ての通路に、第１封止体又は第２封止体が設けられている例について説明した。しかしながら、磁性部材は、通路内に封止体が設けられていない通路と、通路内に第１封止体又は第２封止体が設けられている通路の双方を備えていてもよい。また、実施例３，４では、３個の部分磁性部材によって１個の磁性部材が形成されている例を説明したが、部分磁性部材の数は、２個でもよいし、４個以上でもよい。
　以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
 

Claims (4)

  1. 　磁気冷凍機用の磁性部材であり、
    　筒状の外層と、
    　磁気熱量効果を有するとともに、外層の内側で外層の軸方向に沿って伸びており、外層の内側空間を複数の空間に区画し、外層の内側に前記軸方向に伸びる複数の通路を形成している一体物の壁体と、
    　を備えている磁性部材。
  2. 　複数の通路のうちの少なくとも１つに、通路内の空間を塞ぐ封止体が、前記軸方向の一部に設けられている請求項１に記載の磁性部材。
  3. 　封止体が、通路の端部に設けられている請求項２に記載の磁性部材。
  4. 　磁性部材は、第１部分磁性部材と、第１部分磁性部材とは磁気転位温度が異なる第２部分磁性部材を備えており、
    　第１部分磁性部材と第２部分磁性部材が、前記軸方向で接合されている請求項１から３のいずれか一項に記載の磁性部材。
     
PCT/JP2017/025816 2016-11-02 2017-07-14 磁気冷凍機用の磁性部材 WO2018083841A1 (ja)

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