JP5355071B2

JP5355071B2 - 磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システム

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Publication number: JP5355071B2
Application number: JP2008332077A
Authority: JP
Inventors: 忠彦小林; 志織加治; 明子斉藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2028-12-26
Also published as: JP2010151407A

Description

本発明は、磁気熱量効果を有する磁性体粒子を用いる磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システムに関する。

現在、人間の日常生活に密接に関係する室温域の冷凍技術、例えば、冷蔵庫、冷凍庫、室内冷暖房などの大半は、気体の圧縮膨張サイクルが使用されている。しかし、気体の圧縮膨張サイクルに基づく冷凍技術に関しては、特定フロンガスの環境排出に伴う環境破壊が大きな問題となっている。更に、代替フロンガスについてもその環境への影響が懸念されている。そこで、最近では、自然冷媒（ＣＯ_２等）やイソブタンを用いた改良を行っている。このような背景から、作業ガスの廃棄に伴う環境破壊の問題がない、クリーンでかつ効率の高い冷凍技術の実用化が求められている。

近年、このような環境配慮型でかつ効率の高い冷凍技術の一つとして、磁気冷凍への期待が高まり、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。１８８１年、Ｗａｒｂｕｒｇによって鉄（Ｆｅ）における磁気熱量効果が見出された。磁気熱量効果とは、断熱状態で磁性物質に対して外部印加磁場を変化させると、その磁性物質の温度が変化する現象である。

磁気冷凍では、磁気熱量効果を利用して以下のように低温を生成している。磁性物質では、磁場印加時の状態と磁場除去時の状態の間で、電子磁気スピン系の自由度の相違に起因してエントロピーが変化する。このようなエントロピー変化に伴い、電子磁気スピン系と格子系との間で、エントロピーの移動が起こる。磁気冷凍では大きな電子磁気スピンを持った磁性物質を使用する。そして、磁場印加時と磁場除去時の間での大きなエントロピーの変化を利用し、電子磁気スピン系と格子系との間でエントロピーの授受を行わせ低温を生成している。

１９００年代前半に磁気熱量効果を有する磁気冷凍作業物質としてＧｄ_２（ＳＯ_４）_３・８Ｈ_２Ｏなどの常磁性塩やＧｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２（ガドリニウム・ガリウム・ガーネット；ＧＧＧ）に代表される常磁性化合物を用いた冷凍デバイスが開発された。常磁性物質を使用した磁気冷凍を実現する冷凍デバイスでは、２０Ｋ以下の極低温領域に適用されるものが中心であり、超伝導磁石を用いて得ることができる１０テスラ程度の磁場が用いられている。

これに対して、より高温での磁気冷凍を実現すべく１９７０年代以降、強磁性物質における常磁性状態と強磁性状態との間の磁気相転移を利用した磁気冷凍の研究が盛んに行なわれた。そして、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｇｄなどのランタン系列の希土類元素単体やＧｄ−Ｙ、Ｇｄ−Ｄｙのような２種以上の希土類合金系材料、ＲＡｌ_２（Ｒは希土類元素を表す、以下において同じ）、ＲＮｉ_２、ＧｄＰｄなどの希土類金属間化合物など、単位体積当たりの電子磁気スピンが大きな希土類を含む磁性物質が数多く提案されている。

１９７４年に米国のＢｒｏｗｎは、強磁性相転移温度（Ｔｃ）が約２９４Ｋの強磁性物質Ｇｄを用いて、室温域における磁気冷凍を初めて実現した。しかしながら、Ｂｒｏｗｎの実験では、冷凍サイクルを連続的に運転したものの定常状態には至らなかった。１９８２年、米国のＢａｒｃｌａｙは、これまで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することを考案し、磁気物質に、磁気熱量効果による磁気冷凍作業に加えて、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冷凍方式を提案した（特許文献１参照）。この磁気冷凍方式は、ＡＭＲ（ＡｃｔｉｖｅＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ）方式と呼ばれている。これらの冷凍デバイスは、両者共に超伝導磁石を用いた強磁場下での動作である。

１９９７年、米国のＺｉｍｍ、Ｇｓｃｈｎｅｉｄｎｅｒ、Ｐｅｃｈａｒｓｋｙらは、細かい球形状のＧｄが充填された充填筒を用いてＡＭＲ方式の磁気冷凍デバイスを試作し、室温域における磁気冷凍サイクルの連続定常運転に成功した。これによると、室温域で、超伝導磁石を使用して磁場を０テスラから５テスラへ変化させることによって、約３０℃の冷凍に成功し、冷凍温度差（ΔＴ）が１３℃の場合に、非常に高い冷凍効率（ＣＯＰ＝１５；但し、磁場発生手段への投入パワーを除く）を得たことが報告されている。因みに、従来のフロンを用いた圧縮サイクルにおける家庭用冷蔵庫などのＣＯＰ（ＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ：成績係数）は１〜３程度である。

２０００年にはスペインのＢｏｈｉｇａｓらにて永久磁石を用いた報告例もある。これは、固定された対向する永久磁石の空隙中に回転駆動系を伴う磁気冷凍作業物質を挿入した構造である。磁気冷凍作業物質にＧｄを用いて磁界強度：０．３Ｔ、冷媒：オリーブ油、回転数：４−５０ｒｐｍの条件で室温域環境にて１．５℃の冷却を実証している。

これ以降、永久磁石を用いた室温冷凍技術の開発が活発に行われている。磁場の印加・除去手段は、大別すると回転型と往復動型がある。回転型は、固定された磁気冷凍作業物質に対して回転方向に磁石が移動する方式である。一方、往復動型は、磁場を発生する磁気回路と磁気冷凍作業物質とが相対的に往復動作する方式である。

そして、回転型、往復型に関わらず、ＡＭＲ方式の磁気冷凍サイクルを得るためには、磁場ＯＮ→高温側に冷媒移動→磁場ＯＦＦ→低温端に冷媒移動、を繰り返す。したがって、ＡＭＲ方式の磁気冷凍デバイスには、従来、磁場印加除去のための動力源と、冷媒移動の動力源および磁気冷凍サイクルのタイミングを図り、磁場印加除去機構と冷媒移動機構を同期させるための制御回路が用いられていた。
米国特許第４３３２１３５号明細書

もっとも、磁場印加除去機構と冷媒移動機構で２つの動力源を用いると、磁気冷凍デバイスの動作入力電力が大きくなり冷凍効率が低下するという問題点がある。ここで、冷凍効率は、ＣＯＰで表され、実際のＣＯＰ＝冷凍能力Ｗ／入力電力Ｗの関係がある。磁気冷凍デバイスの冷凍効率を向上させるためには、一定の冷凍能力を得るための入力電力を低減させることが必要である。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、動力源を削減することで入力電力を低減させ、冷凍効率が向上する磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システムを提供することにある。

本発明の一態様の磁気冷凍デバイスは、磁気熱量効果を有する磁性体粒子が充填される熱交換容器と、前記磁性体粒子への磁場の印加および除去を、磁石と前記熱交換容器との相対運動により実現する磁場印加除去機構と、前記熱交換容器の一端側に設けられる低温側熱交換部と、前記熱交換容器の他端側に設けられる高温側熱交換部と、前記磁石または前記熱交換容器の位置変化を機械的に伝達することにより、前記位置変化を生じさせるのと同一の動力源で、前記熱交換容器内を前記一端側から前記他端側またはその逆方向に流れる熱輸送冷媒流を形成する液体冷媒移動機構と、を備え、前記液体冷媒移動機構が、前記熱交換容器の両端に設けられ液体冷媒を移動させるピストンと、前記磁石または前記熱交換容器の位置変化に連動して圧力を発生する圧力発生器と、前記圧力発生器で発生する圧力を前記ピストンに伝達する圧力配管と、を備え、前記圧力配管に、前記磁石または前記熱交換容器の位置変化に弁の開閉が連動する圧力開閉弁が設けられることを特徴とする。

上記態様の磁気冷凍デバイスにおいて、前記磁石と前記熱交換容器が相対的に直線運動することが望ましい。

上記態様の磁気冷凍デバイスにおいて、前記磁石と前記熱交換容器が相対的に回転運動し、前記液体冷媒移動機構が前記磁石または前記熱交換容器の回転運動を、直線運動に変換する運動方向変換部を有することが望ましい。

上記態様の磁気冷凍デバイスにおいて、前記磁場印加除去機構が、複数の動力源と、前記熱交換容器の冷熱・冷凍状態をモニタする冷熱・冷凍状態モニタ部と、前記冷熱・冷凍状態モニタ部によるモニタ結果に応じて前記動力源を切り替える動力源切り替え部を有することが望ましい。

上記態様の磁気冷凍デバイスにおいて、前記磁場印加除去機構の動力源に波力、風力または水力による機械的エネルギーを用いることが望ましい。

本発明の一態様の磁気冷凍システムは、上記態様の磁気冷凍デバイスと、前記低温側熱交換部に熱的に接続される冷却部と、前記高温側熱交換部に熱的に接続される排熱部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、動力源を削減することで入力電力を低減させ、冷凍効率が向上する磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システムを提供することが可能となる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態の磁気冷凍デバイスは、磁気熱量効果を有する磁性体粒子が充填される熱交換容器と、これらの磁性体粒子への磁場の印加および除去を、磁石と熱交換容器との相対運動により実現する磁場印加除去機構と、この熱交換容器の一端側に設けられる低温側熱交換部と、この熱交換容器の他端側に設けられる高温側熱交換部と、磁石または熱交換容器の位置変化を機械的に伝達することにより、熱交換容器内を一端側から他端側またはその逆方向に流れる熱輸送冷媒流を形成する液体冷媒移動機構と、を備える。

なお、ここで機械的に伝達するとは、機械的エネルギーを、例えば電気的エネルギー等の別のエネルギー形態に変換しないで、機械的エネルギーのまま伝達するという意味である。

図１は、本実施の形態の磁気冷凍デバイスの模式的構造断面図である。この磁気冷凍デバイス１０においては、磁気熱量効果を有する磁性体粒子１２が、たとえばメッシュ状の仕切り板を用いて熱交換容器１４内に充填されている。

そして、磁場印加除去機構２０を備える。この磁場印加除去機構２０は、永久磁石（以下、単に磁石とも記載）１６ａ、１６ｂと、この永久磁石１６ａ、１６ｂを図中黒矢印の方向に、駆動させる動力源１８を有している。磁場印加除去機構２０は、磁石１６ａ、１６ｂと熱交換容器１４との相対運動により、熱交換容器１４中の磁性体粒子１２への磁場の印加および除去を可能にしている。

永久磁石１６ａ、１６ｂとしては、例えば、ＮｄＦｅＢ磁石、ＳｍＣｏ磁石、フェライト磁石等を適用することが可能である。また、磁石１６ａ、１６ｂの配置は、コの字型、円筒型、ハルバッハ型などが用いられ、磁石１６ａ、１６ｂと磁気ヨーク（図示せず）は磁束のリターンパスを有効かつ高効率化するための磁気回路を形成している。

そして、この磁気冷凍デバイス１０は、熱交換容器１４内の一端側に配管３０に接続されて設けられる低温側熱交換部２２と、熱交換容器１４の他端側に、配管３０に接続されて設けられる高温側熱交換部２４を備えている。ここで、低温側熱交換部２２は、デバイス外部と冷熱を交換する機能をもたせることが可能である。高温側熱交換部２４は、デバイス外部と高熱を交換する機能をもたせることが可能である。

そして、この磁気冷凍デバイス１０は、図中白抜き矢印で示すように、低温側熱交換部２２から熱交換容器１４内を径由して高温側熱交換部２４の方向またはその逆方向に流れる熱輸送冷媒流を形成する液体冷媒移動機構２６を備えている。この液体冷媒移動機構２６は、図中黒矢印で示す磁石１６ａ、１６ｂと熱交換容器１４の相対的な位置変化を機械的に伝達することにより熱輸送冷媒流を形成する。

ここでは、熱交換容器１４が固定され、磁石１６ａ、１６ｂが位置変化する場合を例に説明する。この双方向の熱輸送冷媒流は、磁場印加除去機構２０による磁性体粒子１２への磁場の印加および除去に同期している。

熱交換容器１４、低温側熱交換部２２、高温側熱交換部２４は、その内部に液体冷媒、例えばエチレングリコール水溶液を通す配管３０によって接続され、冷媒が循環する冷媒回路を形成している。そして、この液体冷媒を移動・循環させるための、動力源１８以外のあらたな動力源は設けられない。

本実施の形態の磁気冷凍デバイス１０では、熱交換容器１４内部には、磁気熱量効果を有する、例えばＧｄ（ガドリニウム）のような磁性体粒子１２が充填されている。そして、永久磁石１６ａ、１６ｂを、この磁性体粒子１２に対峙させることにより、磁性体粒子が発熱する。この熱エネルギーを、液体冷媒移動機構２６で生じる熱輸送冷媒流により、高温側熱交換部２４側へと移動させる。

そして、永久磁石１６ａ、１６ｂを、動力源１８を用いた磁場印加除去機構２０により、磁性体粒子１２から遠ざけることで、磁性体粒子１２は吸熱する。この熱エネルギーを、液体冷媒移動機構２６で生じる熱輸送冷媒流により、逆方向の低温側熱交換部２２側へと移動させる。この動作（以後、磁気冷凍サイクルと称する）を繰り返すことにより、熱交換容器１４内で、磁性体粒子１２の蓄熱効果に伴い、温度勾配が生じ、低温側熱交換部２２側では冷熱が、高温側熱交換部２４側では高熱が得られるようになる。

そして、磁気冷凍デバイス１０では、磁石１６ａ、１６ｂの位置変化が機械的に伝達されることにより熱輸送冷媒流を形成する。すなわち、磁石１６ａ、１６ｂと液体冷媒の移動を一つの動力源１８で実行している。

図２は、本実施の形態の磁気冷凍デバイスの要部の模式的構造断面図である。図２では、特に図１の液体冷媒移動機構２６の動力伝達機構を詳細に示す。まず、磁石１６ａ、１６ｂは磁石支持部材３２ａ、３２ｂにより、熱交換容器１４に対して図中上下方向に移動可能に支持される。

さらに、磁石支持部材３２ｂには動力伝達板３４が取り付けられている。この動力伝達板３４は、磁石１６ａ、１６ｂおよび磁石支持部材３２ａ、３２ｂの位置変化を液体冷媒に伝達する。

そして、磁気冷凍デバイス１０は、磁石１６ａ、１６ｂおよび磁石支持部材３２ａ、３２ｂの位置変化を液体冷媒に伝達するための圧力配管３６を備えている。圧力配管３６を介して、熱交換容器１４の低温端側の低温端側ピストン３８、低温端側圧力発生器４０、高温端側圧力発生器４２および高温端側の高温端側ピストン４４が接続されている。

低温端側ピストン３８および高温端側ピストン４４は、熱交換容器１４内に充填された液体冷媒を移動させるためのピストン構造をしている。そして、低温端側ピストン３８からは低温側熱交換部２２（図１）に通じる流路３０ａが、高温端側ピストン４４からは高温側熱交換部２４（図１）に通じる流路３０ｂが、設けられている。また、低温端側圧力発生器４０および高温端側圧力発生器４２は、圧力配管３６内の空気に圧力を伝達するためのピストン構造をしている。

そして、固定端４８ａ、４８ｂに、低温端側圧力開閉弁５０と高温端側圧力開閉弁５２がそれぞれ固定されている。この低温端側圧力開閉弁５０および高温端側圧力開閉弁５２も、圧力配管３６に接続される。そして、磁石１６ａ、１６ｂの位置変化に弁の開閉が連動することで、液体冷媒の流れを磁場印加除去機構２０による磁性体粒子１２への磁場の印加および除去に同期させる機能を有している。

図３は、低温端側圧力開閉弁５０および高温端側圧力開閉弁５２に用いられる２段式圧力開閉弁の断面図である。台座５４に２個の圧力開閉弁、すなわち開放弁５６、圧力弁５８が取り付けられている。

そして、開放弁５６内および圧力弁５８内のシリンダにそれぞれに摺動可能にピストン５６ａ、５８ａが設けられている。ピストン５６ａ、５８ａには貫通孔５６ｂ、５８ｂが設けられている。また、シリンダ側面には、圧力配管３６につながる空気管５６ｃ、５８ｃが設けられているそして、シリンダの台座５４側とピストン５６ａ、５８ａの間にはバネ５６ｄ、５８ｄが設けられている。

また、ピストン５６ａ、５８ａの双方に共通に稼働板５９が接続されている。稼働板５９の移動によりピストン５６ａ、５８ａが移動して、貫通孔５６ｂ、５８ｂが、圧力配管３６（図２）につながる空気管５６ｃ、５８ｃに位置的に一致したとき、弁が開いた状態になる構造となっている。

空気管５６ｃと空気管５８ｃの位置は、図に示すように一定距離ｄだけ異なっている。したがって、この２段式圧力開閉弁においては、稼働板５９が押し込まれると、まず開放弁５６が開いた状態になり、所定の遅延時間をおいて、圧力弁５８が開いた状態になるという機能を有している。本実施の形態においては、圧力配管３６内の空気の圧力を開放するための開放端３６ａ、３６ｂ（図２）が、この開放弁５６の空気管５６ｃの一端に相当する部分に接続される。

次に、磁気冷凍デバイス１０の磁気冷凍サイクルに即した動作手順を説明する。図４〜８は、本実施の形態の磁気冷凍デバイスの動作手順の説明図である。

図４の位置を磁気冷凍サイクルのスタートと定義する。動力源１８によって、永久磁石１６ａ、１６ｂが直線運動し、熱交換容器１４の低温端側へ移動する。これとともに、動力伝達板３４も上昇し、低温端側圧力発生器４０のピストンを押し始める。図４の状態では、低温端側圧力開閉弁５０と高温端側圧力開閉弁５２のすべての弁が閉じた状態となっている。

さらに、図５に示すように永久磁石１６ａ、１６ｂが熱交換容器１４の低温端側へ移動する。これによって、磁性体粒子１２に磁場が印加され、磁性体粒子１２が発熱を開始する。

磁石支持部材３２ａが、低温端側圧力開閉弁５０に接触し、まず開放弁が開かれ、開放端３６ａにおいて圧力配管３６が開放される。そして、さらに永久磁石１６ａ、１６ｂが熱交換容器１４の低温端側へ移動すると、所定の遅延時間をおいて、低温端側圧力開閉弁５０の圧力弁が開放される。

そして、低温端側圧力発生器４０で圧力配管３６内の空気に加えられる圧力が、黒矢印に示すように圧力配管３６内を、開かれた低温端側圧力開閉弁５０の圧力弁を経由して低温端側ピストン３８のピストンを押し、液体冷媒を熱交換容器１４の低温端側から高温端側へ移動させる。そして、液体冷媒は、流路３０ｂを通って高温側熱交換部２４（図１）へと流れる。

次に、図６に示すように、永久磁石１６ａ、１６ｂが熱交換容器１４の高温端側へ移動を開始する。これによって、磁性体粒子１２から磁場が除去されはじめ、磁性体粒子１２が吸熱を開始する。そして、低温端側圧力開閉弁５０の圧力弁、開放弁はともに閉じられる。

次に、図７に示すように永久磁石１６ａ、１６ｂが熱交換容器１４の高温端側へさらに移動する。これによって、磁性体粒子１２から磁場がほぼ除去される。動力伝達板３４も下降し、高温端側圧力発生器４２のピストンを押し始める。

さらに、図８に示すように永久磁石１６ａ、１６ｂが熱交換容器１４の高温端側へ移動すると動力伝達板３４が、高温端側圧力開閉弁５２に接触する。まず開放弁が開かれ、開放端３６ｂにおいて圧力配管３６が開放される。そして、さらに永久磁石１６ａ、１６ｂが熱交換容器１４の高温端側へ移動すると、所定の遅延時間をおいて、高温端側圧力開閉弁５２の圧力弁が開放される。

そして、高温端側圧力発生器４２で圧力配管３６内の空気に加えられる圧力が、黒矢印に示すように圧力配管３６内を、開かれた高温端側圧力開閉弁５２の圧力弁を経由して高温端側ピストン４４のピストンを押し、液体冷媒を熱交換容器１４の高温端側から低温端側へ移動させる。そして、液体冷媒は、流路３０ａを通って低温側熱交換部２２（図１）へと流れる。

上記した動作を経て図４の位置に戻り、これらの動作を繰り返すことで磁気冷凍サイクルが実現される。

このように、本実施の形態によれば、磁場印加除去機構の磁石の位置変化を機械的に液体冷媒移動機構の圧力発生器に伝達することにより、冷媒移動用の独立したアクチュエータやポンプ等の動力源が不要となる。したがって、冷媒移動のために要する入力電力が減少し、高いＣＯＰが実現できる。

また、磁場印加除去機構の磁石の位置変化を機械的に圧力開閉弁に伝達することにより、磁性体粒子への磁場の印加後または除去後、所定のタイミングで熱交換容器の高温端側または低温端側へ冷媒が移動可能となる。このため、磁気冷凍サイクルのタイミングを計る位置モニタや制御回路等が必要ない。したがって、デバイスの簡略化、さらなるＣＯＰの向上が実現可能となる。

なお、圧力配管に、磁石または熱交換容器の位置変化に弁の開閉が連動する圧力開閉弁が設けられることは、必ずしも必須ではない。磁気冷凍サイクルのタイミングを計る位置モニタや制御回路等を別途設けても、冷媒移動用の独立したアクチュエータやポンプ等の動力源が不要となることで、高いＣＯＰが実現できる。

また、本実施の形態の磁場印加除去機構の動力源に、自然界の機械的エネルギー、例えば、波力、風力、水力または地熱蒸気を、電気エネルギーに変換せずに、直接に機械的エネルギーとして用いることが望ましい。電気的に変換することによるエネルギーロスがなくなり、さらなるＣＯＰの向上が実現可能となるからである。

また、本実施の形態では、磁石が位置変化する構成としたが、磁石が固定され熱交換容器が位置変化する構成であっても構わない。

本実施の形態の磁気熱量効果を有する磁性体粒子は特に限定されるものではない。上述のＧｄに限らず、磁気熱量効果を発現する磁性体粒子であれば、例えば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化合物、ＬａＦｅ_１３系化合物、ＬａＦｅ_１３Ｈなどの磁性体粒子を用いることが可能である。

磁性体粒子は、略球状で、平均粒子径は１００μｍΦ以上２０００μｍΦ以下であることが望ましい。この磁性体粒子の平均粒径の測長は、目視下でのノギス等、あるいは、顕微鏡下での直接観察や顕微鏡写真での測定によることで評価可能である。

圧力損失を低下させ、表面積を大きくして熱交換効率を高くするには、略球状の形状が適している。また、平均粒子径が、この範囲より小さくなると、圧力損失が著しく増大して熱輸送冷媒の移動が妨げられ、磁気冷凍デバイスの冷凍効率が低下するおそれがあるからである。また、この範囲を上回ると、表面積が小さくなり熱輸送にかかわる冷媒量がきわめて少なくなることから、本実施の形態の熱交換効率向上効果が発現されにくくなるからである。

圧力損失を低減し、熱交換効率を向上させる観点からは、磁性体粒子の８０ｗｔ％以上のアスペクト比が２以下であり、かつ、磁性体粒子径（長径）が１００μｍΦ以上２０００μｍΦ以下であることが望ましい。

また、冷凍温度差（ΔＴｓｐａｎ）をさらに、大きくする観点から、平均粒子径は２００μｍΦ以上８００μｍΦ以下であることがより望ましい。なお、冷凍温度差（ΔＴｓｐａｎ）の定義は、高温端温度と低温端温度との温度差である。

熱交換容器に対する磁性体粒子の体積充填率は、４０％以上７０％以下であることが望ましい。上記範囲を下回ると、熱交換面積の低下により、冷凍温度差（ΔＴｓｐａｎ）が大幅に低減するからである。また、上記範囲を下回ると、磁場印加除去に伴う磁気トルクおよび冷媒の流れによる磁性体粒子の振動・衝突がおこり微細粉が発生し圧力損失も生じやすくなるからである。また、上記範囲を上回ると、圧力損失の増大により、冷凍温度差（ΔＴｓｐａｎ）が減少するからである。体積充填率は、５０％以上６５％以下であることがより望ましい。

なお、冷媒としては、水が最も比熱が高く安価であるので適しているが、０℃以下の温度域では、鉱油やシリコン等のオイル系冷媒、不凍液、エチレングリコール等のアルコール類などの溶剤系冷媒も使用することができる。

冷凍サイクルの運転温度域に合わせて上記した、オイル系冷媒、溶剤系冷媒、水やこれらの混合液などを適宜選択することができる。磁性体粒子の平均粒子径も、使用される冷媒の粘性（表面張力）や熱交換容器のサイズに応じて、上記の範囲内で最適な粒子径を選ぶことが望ましい。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態の磁気冷凍デバイスは、磁場印加除去機構が複数の動力源と、熱交換容器の冷熱・冷凍状態をモニタする冷熱・冷凍状態モニタ部と、冷熱・冷凍状態モニタ部によるモニタ結果に応じて複数の動力源を切り替える動力源切り替え部を有する。複数の動力源、冷熱・冷凍状態モニタ部、および動力源切り替え部を有すること以外については第１の実施の形態と同様であるので重複する内容については記載を省略する。

図９は、本実施の形態の磁気冷凍デバイスの要部の模式的構造断面図である。図に示すように、磁場印加除去機構が、第１の動力源６０と第２の動力源６２を備えている。また、これらの動力源が接続され、２つの動力源を切り替える動力源切り替え部６４を備えている。

さらに、熱交換容器１４の冷熱・冷凍状態をモニタする冷熱・冷凍状態モニタ部６６を備えている。また、冷熱・冷凍状態モニタ部６６によるモニタ結果を信号として受け取り、動力源切り替え部６４を制御する動力源制御回路６８を有している。

ここで、第１の動力源６０は、例えば、自然界の機械的エネルギー、例えば、波力、風力、水力または地熱蒸気を電気エネルギーに変換せずにそのまま機械的エネルギーとして用いるものである。また、第２の動力源６２は、例えば、内燃機関や電気エネルギーより変換された直線運動するアクチュエータである。

本実施の形態の磁気冷凍デバイスによれば、例えば、不安定な自然界の機械的エネルギーを用いる第１の動力源６０だけでは、冷熱・冷凍状態が安定しない場合に、動力源を第２の動力源６２に切り換えることで、安定した冷熱・冷凍状態を維持することができる。よって、自然界の機械的エネルギーを直接用いて入力電力を低減し、ＣＯＰを向上させながらも、安定した冷凍能力を発揮すること可能である。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態の磁気冷凍デバイスは、磁石または熱交換容器が相対的に回転運動し、液体冷媒移動機構が、磁石または熱交換容器の回転運動を直線運動に変換する運動方向変換部を有する。磁石または熱交換容器が相対的に直線運動ではなく回転運動すること、運動方向変換部を有すること以外については第１の実施の形態と同様であるので重複する内容については記載を省略する。

図１０は、本実施の形態の磁気冷凍デバイスの要部の模式的構造断面図である。図１１は、図１０のＡ−Ａ断面図である。図１２は、図１０のＢ−Ｂ断面図である。図１３は、図１０の上面図である。

この磁気冷凍デバイスは、磁石７０ａ、ｂ、ｃ、ｄと、磁石７０ａ、ｃを支持する磁石支持板７２ａと、磁石７０ｂ、ｄを支持する磁石支持板７２ｂとを備えている。そして、これらの磁石７０ａ〜ｄは、回転軸７４を中心とし、動力源７６により熱交換容器７８ａ、７８ｂに対して回転運動可能なように構成されている。

図１１に示すように、熱交換容器７８ａ、ｂの低温端側には低温端側ピストン８０ａ、ｂ、高温端側には高温端側ピストン８２ａ、ｂが接続されている。そして、低温端側ピストン８０ａ、ｂは圧力配管により低温端側圧力発生器（図示せず）に接続される。高温端側ピストン８２ａ、ｂは圧力配管により高温端側圧力発生器（図示せず）に接続される。

低温端側ピストン８０ａ、ｂ、および高温端側ピストン８２ａ、ｂは、熱交換容器７８ａ、ｂ内に充填された液体冷媒を移動させるためのピストン構造をしている。そして、低温端側ピストン８０ａ、ｂからは低温側熱交換部（図示せず）に通じる流路８４ａ、ｂが、高温端側ピストン８２ａ、ｂからは高温側熱交換部（図示せず）に通じる流路８６ａ、ｂが設けられている。

さらに、図１３に示すように、運動方向変換部８８を備えている。運動方向変換部８８は、例えば、磁石支持板７２ａの回転運動を、クランク軸のようなエキセントリック機構を用いて直線運動に変換する。この直線運動を用いて、第１の実施の形態同様、液体冷媒機構を作動させ、液体冷媒を移動する。

なお、回転運動から直線運動への変換は、変換効率、構造の容易性の観点から、クランク軸のようなエキセントリック機構を用いることが望ましい。しかし、例えば、遊星ギアやボールネジを用いる機構であっても構わない。

本実施の形態によれば、第１の実施の形態同様、動力源を削減することでＣＯＰの向上した磁気冷凍デバイスの実現が可能である。さらに、本実施の形態の動力源として、回転運動に変換容易な自然界の機械的エネルギーである、風力や水力を用いると、更なるＣＯＰの向上が可能であるため望ましい。

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態の磁気冷凍性システムは、第１ないし第３の実施の形態に記載の磁気冷凍デバイスと、低温側熱交換部に熱的に接続される冷却部と、高温側熱交換部に熱的に接続される排熱部とを備える。以下、第１ないし第３の実施の形態に記載した内容と重複する内容については、記述を省略する。

図１４は、本実施の形態の磁気冷凍システムの模式的構造断面図である。この磁気冷凍システムは、図１の磁気冷凍デバイス１０に加え、低温側熱交換部２２に熱的に接続される冷却部９０と、高温側熱交換部２４に熱的に接続される排熱部１００とを備えている。

低温側熱交換部２２は、低温の冷媒を貯留する低温側貯留層９２と、その内部に冷媒に接するよう設けられた低温側熱交換器９４とで構成される。同様に、高温側熱交換部２４は、高温の冷媒を貯留する高温側貯留層１０２と、その内部に冷媒に接するよう設けられた高温側熱交換器１０４とで構成される。そして、低温側熱交換器２２に熱的に冷却部９０が接続され、高温側熱交換器２４に熱的に排熱部１００が接続されている。

ここで、この磁気冷凍システムを、例えば家庭用冷蔵庫に適用することができる。この場合、冷却部９０は、冷却される対象物である冷凍・冷蔵室であり、排熱部１００は、例えば、放熱板である。

また、この磁気冷凍システムを、例えば漁船用冷凍庫に適用することができる。この場合、冷却部９０は、冷却される対象物である冷凍庫であり、排熱部１００は、例えば、放熱板である。そして、動力源１８として波力を用いることが好ましい。このとき、例えば、海面に浮かせたフロートの、波による直線的な上下動を磁場除去印加機構として用いる。波力を用いることで、入力電力が削減でき、一層のＣＯＰ向上が可能となる。

なお、この磁気冷凍システムは特に限定されるものではない。上述の家庭用冷凍冷蔵庫や漁船用冷凍庫の他に、例えば、家庭用冷凍冷蔵庫、家庭用空調機、産業用冷凍冷蔵庫、大型冷凍冷蔵倉庫、液化ガス貯蔵・運搬用冷凍庫等の冷凍システムに適用することが可能である。それぞれ、適用場所によって必要な冷凍能力と制御温度域が異なる。しかし、磁性体粒子の使用量により冷凍能力を可変させることが出来る。さらに、制御温度域については、磁性体粒子の材質を制御することで磁気転移温度を可変させることが出来るため、特定の温度域に合わせることが可能である。さらに、磁気冷凍デバイスの排熱を暖房として利用した家庭用空調機、産業用空調機などの空調システムにも適用することが出来る。冷却と発熱の両方を利用したプラントに適用しても良い。

本実施の形態の磁気冷凍システムにより、磁気冷凍効率を向上させる磁気冷凍システムの実現が可能となる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、実施の形態の説明においては、磁気冷凍デバイス、磁気冷凍システム等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる磁気冷凍デバイス、磁気冷凍システム等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての磁気冷凍デバイス、磁気冷凍システムは、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。

第１の実施の形態の磁気冷凍デバイスの模式的構造断面図である。第１の実施の形態の磁気冷凍デバイスの要部の模式的構造断面図である。第１の実施の形態の２段式圧力開閉弁の断面図である。第１の実施の形態の磁気冷凍デバイスの動作手順の説明図である。第１の実施の形態の磁気冷凍デバイスの動作手順の説明図である。第１の実施の形態の磁気冷凍デバイスの動作手順の説明図である。第１の実施の形態の磁気冷凍デバイスの動作手順の説明図である。第１の実施の形態の磁気冷凍デバイスの動作手順の説明図である。第２の実施の形態の磁気冷凍デバイスの要部の模式的構造断面図である。第３の実施の形態の磁気冷凍デバイスの要部の模式的構造断面図である。図１０のＡ−Ａ断面図である。図１０のＢ−Ｂ断面図である。図１０の上面図である。第４の実施の形態の磁気冷凍システムの模式的構造断面図である。

符号の説明

１０磁気冷凍デバイス
１２磁性体粒子
１４熱交換容器
１６ａ、ｂ永久磁石
１８動力源
２０磁場印加除去機構
２２低温側熱交換部
２４高温側熱交換部
２６液体冷媒移動機構
３０配管
３２ａ、ｂ磁石支持部材
３４動力伝達板
３６圧力配管
３８低温端側ピストン
４０低温端側圧力発生器
４２高温端側圧力発生器
４４高温端側ピストン
４８ａ、ｂ固定端
５０低温端側圧力開閉弁
５２高温端側圧力開閉弁
５４台座
５６開放弁
５６ａピストン
５６ｂ貫通孔
５６ｃ空気管
５８圧力弁
５８ａピストン
５８ｂ貫通孔
５８ｃ空気管
５９稼働板
６０第１の動力源
６２第２の動力源
６４動力源切り替え部
６６冷熱・冷凍状態モニタ部
６８動力源制御回路
７０ａ〜ｄ磁石
７２ａ、ｂ磁石支持板
７４回転軸
７６動力源
７８ａ、ｂ熱交換容器
８０ａ、ｂ低温端側ピストン
８２ａ、ｂ高温端側ピストン
８６ａ、ｂ流路
８８運動方向変換部
９０冷却部
９２低温側貯留層
９４低温側熱交換器
１００排熱部
１０２高温側貯留層
１０４高温側熱交換器

Claims

磁気熱量効果を有する磁性体粒子が充填される熱交換容器と、
前記磁性体粒子への磁場の印加および除去を、磁石と前記熱交換容器との相対運動により実現する磁場印加除去機構と、
前記熱交換容器の一端側に設けられる低温側熱交換部と、
前記熱交換容器の他端側に設けられる高温側熱交換部と、
前記磁石または前記熱交換容器の位置変化を機械的に伝達することにより、前記位置変化を生じさせるのと同一の動力源で、前記熱交換容器内を前記一端側から前記他端側またはその逆方向に流れる熱輸送冷媒流を形成する液体冷媒移動機構と、
を備え、
前記液体冷媒移動機構が、
前記熱交換容器の両端に設けられ液体冷媒を移動させるピストンと、
前記磁石または前記熱交換容器の位置変化に連動して圧力を発生する圧力発生器と、
前記圧力発生器で発生する圧力を前記ピストンに伝達する圧力配管と、
を備え、
前記圧力配管に、前記磁石または前記熱交換容器の位置変化に弁の開閉が連動する圧力開閉弁が設けられることを特徴とする磁気冷凍デバイス。
前記磁石と前記熱交換容器が相対的に直線運動することを特徴とする請求項１記載の磁気冷凍デバイス。
前記磁石と前記熱交換容器が相対的に回転運動し、前記液体冷媒移動機構が前記磁石または前記熱交換容器の回転運動を直線運動に変換する運動方向変換部を有することを特徴とする請求項１記載の磁気冷凍デバイス。
前記磁場印加除去機構が、複数の動力源と、前記熱交換容器の冷熱・冷凍状態をモニタする冷熱・冷凍状態モニタ部と、前記冷熱・冷凍状態モニタ部によるモニタ結果に応じて前記動力源を切り替える動力源切り替え部を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか一項に記載の磁気冷凍デバイス。
前記磁場印加除去機構の動力源に波力、風力または水力による機械的エネルギーを用いることを特徴とする請求項１ないし請求項４いずれか一項に記載の磁気冷凍デバイス。
請求項１ないし請求項５いずれか一項に記載の磁気冷凍デバイスと、
前記低温側熱交換部に熱的に接続される冷却部と、
前記高温側熱交換部に熱的に接続される排熱部と、
を備えることを特徴とする磁気冷凍システム。