(57)【要約】【課題】磁気熱量材料により強い磁気を印加することができるようにした磁気冷暖房装置を提供する。【解決手段】半径方向（列方向）に２個、円周方向に４列、合計８個の磁気熱量材料１１〜１８がそれぞれ間隔をあけて配置されていて、磁気熱量材料１１〜１８に対して磁気印加時に上下から挟むように、上下一対となる磁石構造体２１と２５、２２と２６、２３と２７、２４と２８が、列方向および円周方向およびそれぞれ磁気熱量材料に対して一つおきとなるように配置されて磁気回路を構成している。各磁石構造体２１〜２８は、磁化の向きが互いに異なるハルバッハ配列とした複数の永久磁石からなり、磁石構造体によって形成される磁力線の向きが一対の磁石構造体２１、２５の間において両方とも同じ方向となるように配置されている磁気冷暖房装置。【選択図】図１
2014095535.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隔を設けて列状に配置され、磁気の印加および除去により温度変化する複数の磁気熱量材料と、
前記複数の磁気熱量材料のそれぞれへの磁気の印加および除去を行うための磁気回路と、
を有し、
前記磁気回路は、
前記磁気熱量材料に磁気を印加する状態において、前記磁気熱量材料を間に挟んで一対となる磁石構造体からなり、
前記磁石構造体は、磁化の向きが互いに異なるハルバッハ配列とした複数の永久磁石からなり、
前記磁石構造体によって形成される磁力線の向きが、前記一対の磁石構造体の間において前記一対の磁石構造体の両方とも同じ方向であることを特徴とする磁気冷暖房装置。
【請求項２】
前記複数の永久磁石は、その磁化の向きが１８０度になるまで漸次変化するように並べられていることを特徴とする請求項１に記載の磁気冷暖房装置。
【請求項３】
前記磁化の向きが１８０度になるまで漸次変化するように並べられている前記複数の永久磁石を１セットとして、前記磁石構造体は少なくとも前記１セットの前記複数の永久磁石を用いていることを特徴とする請求項２に記載の磁気冷暖房装置。
【請求項４】
前記磁石構造体の両端に、軟磁性材料からなる部材をさらに有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の磁気冷暖房装置。
【請求項５】
前記磁石構造体、前記磁気熱量材料、前記磁石構造体、前記磁気熱量材料、…前記磁石構造体となるように複数積層されており、磁気熱量材料の間にある前記磁石構造体は、その磁石構造体の一側に位置する磁気熱量材料と反対側に位置する磁気熱量材料に対して磁気を印加することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の磁気冷暖房装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気冷暖房装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来用いられている室温域の冷凍装置、たとえば、冷蔵庫、冷凍庫、エアコンなどの冷凍装置の大半は、フロンガスや代替フロンガスなどの気体冷媒の熱伝達を利用している。最近では、フロンガスの排出に伴うオゾン層破壊の問題が露呈し、さらに、代替フロンガスの排出に伴う地球温暖化への影響も懸念されている。このため、フロンガスや代替フロンガスなどの気体冷媒を用いた冷凍装置に代わる、クリーンでかつ熱輸送能力の高い、革新的な冷凍装置の開発が強く望まれている。
【０００３】
このような背景から、最近になって注目されるようになった冷凍技術が磁気冷凍技術である。磁性体の中には、その磁性体に印加する磁界の大きさが変化すると、その変化に応じて自身の温度が変化する、いわゆる磁気熱量効果（ＭＣＥ：Ｍａｇｎｅｔｏｃａｌｏｒｉｃ  Ｅｆｆｅｃｔ）を発現するものがある。このような磁気熱量効果により温度変化する磁性体は磁気熱量材料（ＭＣＭ：Ｍａｇｎｅｔｏｃａｌｏｒｉｃ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）と称されている（磁気熱量効果材料と称されることもある）。そして、この磁気熱量効果を発現する磁性体を利用して熱を輸送する冷凍技術が磁気冷凍技術である。
【０００４】
磁気冷凍技術を応用したものとしては、たとえば、固体物質の熱伝達を利用して熱を輸送する磁気冷暖房装置がある（特許文献１）。この磁気冷暖房装置は以下のような構成によって熱を伝達させる。
【０００５】
磁気を印加すると温度が上昇する正の磁気熱量材料と、磁気を印加すると温度が下降する負の磁気熱量材料とを、所定の間隔で交互に配置する。正負一対の磁気熱量材料で１つの磁気熱量材料ブロックを形成する。この磁気熱量材料ブロックを環状に複数個配置して磁気熱量材料ユニットを形成する。磁気熱量材料ユニットに配置された正負の磁気熱量材料の間で挿脱される熱伝達部材を正負の磁気熱量材料の間に配置する。この磁気熱量材料ユニットと同心で内径と外径が略等しいハブ状の回転体に永久磁石を配置して磁気回路を形成する。そして、永久磁石が配置されている回転体を磁気熱量材料ユニットと対向するように配置して磁気熱量材料ユニットに対し相対的に回転させる。この回転体の回転によって正負の磁気熱量材料に同時に磁気が印加されまた除去される。この回転体の回転に伴って熱伝達部材を一定のタイミングで正負の磁気熱量材料の間に挿脱させる。磁気熱量効果により磁気熱量材料が発生する熱を、熱伝達部材を介して磁気熱量材料が配置される一方向に輸送する。
【０００６】
このような磁気冷暖房装置において、磁気熱量材料に磁気を印加するための磁気回路に磁化の向きを９０°回転させて円環状ハルバッハ配列とした永久磁石を使用し、磁石の端部がなくなるように構成した技術がある（特許文献２）。
【０００７】
この技術では、対にした円環状ハルバッハ配列の永久磁石磁気回路を、互いの磁極が対向するように配置して、その間に磁気熱量材料を配置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１４７２０９号公報
【特許文献２】特開２０１１−２２６７３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献２の技術では、対となった永久磁石の間の磁気熱量材料が配置されている部分では、それぞれの永久磁石によって形成される磁力線の向きが反対となる部分と磁力線の向きが同じになる部分ができる。磁力線の向きが反対となる部分では磁気熱量材料に作用する磁力が弱くなってしまうため、このような磁力線の向きが反対となる部分は、磁場印加には使えない。そこで従来技術では磁力線の向きが同じになる部分のみを使用して磁気熱量材料に磁気（磁場）を印加するようにしている。
【００１０】
このため、従来技術では、磁気熱量材料の使用量に対して大量の磁石を使うことになってしまい、永久磁石の利用効率がわるいものとなっている。
【００１１】
そこで本発明の目的は、磁気回路で強い磁場を発生させることができ、かつ永久磁石の利用効率のよい磁気冷暖房装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するための本発明に係る磁気冷暖房装置は、間隔を設けて列状に配置され、磁気の印加および除去により温度変化する複数の磁気熱量材料と、複数の磁気熱量材料のそれぞれへの磁気の印加および除去を行うための磁気回路と、を有する。そしてこの磁気回路は、磁気熱量材料に磁気を印加する状態において、磁気熱量材料を間に挟んで一対となる磁石構造体からなる。この磁石構造体は、磁化の向きが互いに異なるハルバッハ配列とした複数の永久磁石からなり、磁石構造体によって形成される磁力線の向きが、一対の磁石構造体の間において一対の磁石構造体の両方とも同じ方向である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る磁気冷暖房装置によれば、それぞれ磁化方向が異なるハルバッハ配列とした複数の永久磁石からなる磁石構造体を一対としてその間に磁気熱量材料を配置している。そして一対となった磁石構造体のそれぞれによって発生する磁力線の向きが、一対となった磁石構造体の間では同じ向きとなるようにした。これにより一対となった磁石構造体の間に作用する磁力は同じ向きとなるので、その間にある磁気熱量材料に対してより強い磁気を印加することができる。したがって、磁気熱量材料に対して、少ない永久磁石により効率良く、強い磁気（磁場）を印加できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態の磁気冷暖房装置の構成を説明するための概略斜視図である。
【図２】磁気冷暖房装置の半径方向の断面図である。
【図３】磁石構造体の構成を説明するための図であって、一対となった磁石構造体とその間の磁気熱量材料を示す断面図である。
【図４】ハルバッハ配列の磁石構造体の他の例を示す図である。
【図５】ハルバッハ配列の磁石構造体の他の例を示す図である。
【図６】ハルバッハ配列とした永久磁石の列の両端に軟磁性材料からなる部材を配置した例を示す図である。
【図７】（ａ）は実施例１のモデルを示す図であり、（ｂ）は実施例１のモデルによる磁場解析のシミュレーション結果である磁気特性プロファイルを示すコンピュータ出力された図である。
【図８】（ａ）は比較例１のモデルを示す図であり、（ｂ）は比較例１のモデルによる磁場解析のシミュレーション結果である磁気特性プロファイルを示すコンピュータ出力された図である。
【図９】（ａ）は比較例２のモデルを示す図であり、（ｂ）は比較例２のモデルによる磁場解析のシミュレーション結果である磁気特性プロファイルを示すコンピュータ出力された図である。
【図１０】（ａ）は実施例２のモデルを示す図であり、（ｂ）は実施例２のモデルによる磁場解析のシミュレーション結果である磁気特性プロファイルを示すコンピュータ出力された図である。
【図１１】（ａ）は実施例３のモデルを示す図であり、（ｂ）は実施例３のモデルによる磁場解析のシミュレーション結果である磁気特性プロファイルを示すコンピュータ出力された図である。
【図１２】実施形態２における磁気暖房装置の直径方向断面図である。
【図１３】（ａ）は実施形態２における磁気熱量材料の配置を示す平面図、（ｂ）は実施形態２における磁石構造体の配置を示す平面図である。
【図１４】実施形態２の作用を説明するための図で磁気暖房装置の部分拡大図である。
【図１５】実施形態２と比較するためのヨーク付き積層形態の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる。
【００１６】
（実施形態１）
図１は、実施形態の磁気冷暖房装置の構成を説明するための概略分解斜視図である。また図２は、磁気冷暖房装置の半径方向の断面図である。
【００１７】
図示する磁気冷暖房装置１は、外形が円筒形状をなし、中心部から外周方向へ熱を移動する。このため半径方向（列方向）に２個、円周方向に４列、合計８個の磁気熱量材料１１〜１８がそれぞれ間隔をあけて配置されている。
【００１８】
そして、磁気熱量材料を磁気印加時に上下から挟むように、上下で一対となる磁石構造体２１〜２８が、円周方向および列方向にそれぞれ磁気熱量材料に対して一つおきとなるように配置されて磁気回路を構成している。ここでは、磁石構造体２１と２５、２２と２６、２３と２７、２４と２８がそれぞれ一対となっている（上側が２１〜２４、下側が２５〜２８）。たとえば、磁気熱量材料１１および１５の部分の半径方向断面を見れば、図２に示すように、一対となった磁石構造体２１と２５が磁気熱量材料１１の上下に位置して、磁気熱量材料１１に対して磁気を印加する状態となっている。
【００１９】
磁石構造体２１〜２４および２５〜２８はそれぞれが円盤状の基板２０に固定されていて、各基板２０が連動して回転することで磁気熱量材料１１〜１８に対して、その上下から磁気の印加、除去を行う。基板２０は、低温側熱交換器４１（後述）に対して、回転自在となるようにボールベアリングなどの軸受（不図示）によって接続されている。
【００２０】
この磁石構造体２１〜２８は、一つひとつの磁石構造体が複数の永久磁石をハルバッハ配列した構造となっている。磁石構造体の詳細な構造については後述する。
【００２１】
磁気冷暖房装置の中心部には低温側熱交換器４１、外周には高温側熱交換器４２が備えられている（両者を区別しない場合は単に熱交換器という）。低温側熱交換器４１は、たとえば円筒形の熱伝導部材、あるは円筒形の内部に流体を流すことでさらに熱を移動させることができるようにしてあってもよい。一方、高温側熱交換器４２は、磁気冷暖房装置１を覆う外形が円筒形状の筐体（不図示）と接続され、外部に熱を放出する。円筒形状の筐体には放熱フィンを設けたり、あるいは高温側熱交換器４２内に流体を流すことでさらに熱を移動させることができるようにしてあってもよい。
【００２２】
低温側熱交換器４１、磁気熱量材料１１〜１８、および高温側熱交換器４２の、それぞれの列方向の間、すなわち、低温側熱交換器４１と磁気熱量材料１５の間、磁気熱量材料１５と１１の間、磁気熱量材料１１と高温側熱交換器４２の間には熱スイッチ３１、３２、３３が設けられている。低温側熱交換器４１と磁気熱量材料１６の間、磁気熱量材料１６と１２の間、磁気熱量材料１２と高温側熱交換器４２の間、低温側熱交換器４１と磁気熱量材料１７の間、磁気熱量材料１７と１３の間、磁気熱量材料１３と高温側熱交換器４２の間、低温側熱交換器４１と磁気熱量材料１８の間、磁気熱量材料１８と１４の間、磁気熱量材料１４と高温側熱交換器４２の間（以下ではこれらの間を磁気熱量材料等の間という場合がある）にも、それぞれ中心側から順に熱スイッチ３１、３２、３３が設けられているが、図１においては図面の見易さを考慮し、省略した。
【００２３】
また、磁気熱量材料１１〜１８のそれぞれの円周方向の間は空間または断熱材によって互いに熱的に隔離されている。
【００２４】
以下、このように構成された磁気冷暖房装置の各部について説明する。
【００２５】
磁気熱量材料１１〜１８は、磁気を印加すると発熱し除去すると吸熱する正の磁気熱量材料を用いるか、磁気を印加すると吸熱し除去すると発熱する負の磁気熱量材料のいずれか一方のみを用いる。正の磁気熱量材料と負の磁気熱量材料とでは、発現される磁気熱量効果が正反対であり、磁気熱量効果の種類が異なる。本実施形態では、負の磁気熱量材料に比較して安価な正の磁気熱量材料を用いている。これは、負の磁気熱量材料は希少な磁気熱量材料から製造しなければならないのでコスト高になるし、負の磁気熱量材料の磁気熱量効果の大きさが正の磁気熱量材料の磁気熱量効果の大きさよりも小さいからである。
【００２６】
熱スイッチ３１〜３３はいずれも同じものであり、磁気熱量材料等の間で、熱の伝達、遮断を行う。熱スイッチとしては、たとえば、金属／絶縁相転移体を用いることができる。金属／絶縁相転移体は、電圧を印加すると絶縁体から金属に相転移し、熱伝導率が大きくなり、逆に、電圧を遮断すると金属から絶縁体に相転移し、熱伝導率が小さくなる性質を持つものである。金属と絶縁体の相互間の相転移を示す絶縁体は、無機酸化物モット絶縁体または有機モット絶縁体がある。無機酸化物モット絶縁体は少なくとも遷移金属元素を含む。モット絶縁体としては、ＬａＴｉＯ３、ＳｒＲｕＯ４、ＢＥＤＴ−ＴＴＦ（ＴＣＮＱ）が知られている。金属と絶縁体の相互間の相転移が可能なデバイスとして現在知られているものは、ＺｎＯ単結晶薄膜電気二重層ＦＥＴ、ＴＭＴＳＦ／ＴＣＮＱ積層型ＦＥＴ素子がある。熱は、熱電子および格子結晶によって移送することができる。ＺｎＯ単結晶薄膜電気二重層ＦＥＴおよびＴＭＴＳＦ／ＴＣＮＱ積層型ＦＥＴ素子は、電圧を印加すると熱電子が活発に移動するようになる性質を利用する。より具体的には、金属／絶縁相転移体に、少なくとも遷移金属元素を含む無機酸化物モット絶縁体、有機モット絶縁体、ＺｎＯ単結晶薄膜電気二重層ＦＥＴ、ＴＭＴＳＦ／ＴＣＮＱ積層型ＦＥＴ素子など、電圧の印加除去によって熱伝導率が大きく変化するものを用いることが好ましい。
【００２７】
熱スイッチ３１〜３３は、このような金属／絶縁相転移体を用いたものに限定されるものではなく、そのほかさまざまな形態のものを使用してもよい。たとえば、磁石構造体を固定した円盤に取り付けて、円盤の回転により磁気熱量材料等の間を移動する熱伝導部材を用いてもよい。熱伝導部材としては、熱伝導のよい金属、たとえばアルミニウム、ニッケル、鉄、あるいはさまざまな金属の合金などを用いることができる。
【００２８】
磁石構造体２１〜２８について説明する。図３は、磁石構造体の構成を説明するための図であって、一対となった磁石構造体とその間の磁気熱量材料を示す断面図である。
【００２９】
本実施形態で用いている一つひとつの磁石構造体は、それぞれ磁化方向の異なる複数の永久磁石を接合して一体化したものである。
【００３０】
磁石構造体２１は、９０度ずつ漸次変化させたハルバッハ配列の３個の永久磁石を１セットとして、このセットを２セット連続して接合し、合計６個の永久磁石の列としている。各セット２１１と２１２における各永久磁石の磁化の向きは、磁化方向が変化する向きが互いに逆回転するようにしている。すなわち、第１セット２１１は、磁化の向きが上向き（これを０度とする）の永久磁石２０１から始まり、９０度反時計回りに変化した永久磁石２０２、さらに９０度反時計回りに変化した永久磁石２０３からなる。第２セット２１２は、磁化の向きが第１セット２１１とは逆回転するように変化している。すなわち、９０度ずつ１８０度になるまで時計回りに変化するように３個の永久磁石２０１、２０４、２０３を配列している。図においては、永久磁石内の矢印が磁化の向きを示しており、磁化の向きが同じ永久磁石を同じ符号で示した（他の図においても同様）。
【００３１】
磁石構造体２１の対になる磁石構造体２５は、同様にハルバッハ配列とした複数の永久磁石を２セット用いているが、各永久磁石の磁化方向は磁石構造体２１と逆になるように配列してある。すなわち、磁石構造体２５の第１セット２５１は、下向きの永久磁石２０３から始まり、時計回りに９０度変化した永久磁石２０４、さらに９０度時計回りに変化した永久磁石２０１となるように配列している。第２セット２５２は、これとは逆回転方向（反時計回り）に３個の永久磁石２０３、２０２、２０１と配列されている。
【００３２】
これにより一対となる磁石構造体２１および２５においては、それぞれを構成する永久磁石の磁化の向きが互いに対向する位置にある永久磁石同士で逆向きとなっているのである。
【００３３】
このように構成された磁石構造体は、略８の字を横にした磁場が発生する。図においては、相対的に強い磁場を実線、弱い磁場を点線で示し、それらの矢印が発生する磁場における磁力線の方向を示している（後述の各図においても同様）。
【００３４】
一つの磁石構造体２１に着目すれば、左側の第１セット２１１は上で強く下で弱い磁場が発生し、右側の第２セット２１２は上で弱く下で強い磁場が発生する。
【００３５】
一方、磁石構造体２１に対して各永久磁石の磁化の向きを逆にした磁石構造体２５においては、左側の第１セット２５１は上で強く下で弱い磁場が発生し、右側の第２セット２１２は上で弱く下で強い磁場が発生する。
【００３６】
すなわち、このようなハルバッハ配列とした複数の永久磁石によって磁石構造体は特定の方向、ここでは磁石構造体の上または下に強い磁場を形成することができるのである。
【００３７】
これにより上下一対の磁石構造体２１および２５の間、すなわち磁気熱量材料１１が存在している部分では、それぞれの磁石構造体２１および２５により生じる磁場の磁力線の向きが同じになる。このため上下一対の磁石構造体２１および２５の間に配置される磁気熱量材料１１には、上下一対の磁石構造体２１および２５によって強められた磁気（磁場）が印加されることになる。図では一対の磁石構造体２１および２５の間で左向きの磁力線となるようにしているが、これは逆向きとなるように一対の磁石構造体２１および２５を上下逆に配置してもよい。
【００３８】
このようなハルバッハ配列とする永久磁石の数は、６個に限定されるものではなく、多様なバリエーションが可能である。
【００３９】
図４および図５は、ハルバッハ配列の磁石構造体の他の例を示す図である。
【００４０】
たとえば、図４の例は一対の磁石構造体２１および２５をそれぞれ１０個の磁石による構成したものである。
【００４１】
磁石構造体２１は、磁化の方向を４５度ずつ、１８０度になるまで反時計回り方向に漸次変化させたハルバッハ配列の５個の永久磁石２０１，２０５，２０２，２０６，２０３を第１セット２１１とし、これに磁化方向が時計回りに漸次変化するようにした永久磁石２０１，２０７，２０４，２０８，２０３を第２セットとして接合している。発生する磁場は図において略８の字を横にした磁場となり、第１セット２１１では上で強く、下で弱い。第２セット２１２では下で強く、上で弱い。
【００４２】
磁石構造体２５は、磁化の方向を４５度ずつ、１８０度になるまで反時計回り方向に漸次変化させたハルバッハ配列の５個の永久磁石２０３，２０８，２０４，２０７，２０１を第１セット２５１とし、これに磁化方向が時計回りに漸次変化するようにした永久磁石２０３，２０６，２０４，２０８，２０１を第２セットとして接合している。発生する磁場は図において略８の字を横にした磁場であり、第１セット２５１では上で強く、下で弱い。第２セット２５２では下で強く、上で弱い。
【００４３】
このように、一つの磁石構造体を構成する永久磁石の数を増やしても、磁石構造体２１および２５の間では、磁力線が同じ方向を向いて強い磁場を得ることができる。
【００４４】
また図５（ａ）および（ｂ）の例では、それぞれ１セットだけ使用した例である。図５４（ａ）は、磁化方向を９０度ずつずらしてハルバッハ配列とした３個の永久磁石２０１，２０２，２０３によって一つの磁石構造体２１、同様に３個の永久磁石２０３，２０４，２０１によって一つの磁石構造体２５を構成しこれらが一対となっている。
【００４５】
また、図５（Ｂ）は磁化の方向を４５度ずつ、１８０度になるまで反時計回り方向に漸次変化させたハルバッハ配列の５個の永久磁石２０１，２０５，２０２，２０６，２０３で磁石構造体２１を構成し、同様に５個の永久磁石２０３，２０８，２０４，２０７，２０１で磁石構造体２５を構成している。
【００４６】
このように１セット分の磁石構造体であっても、図３および図４で説明したものと同様に、上に強く、下に弱い磁場が発生し、結果的に磁石構造体２１および２５の間では、磁力線が同じ方向を向き強い磁場を得ることができる。
【００４７】
これら以外にも、１セット分をさらに多くの永久磁石で構成したり、一つの磁石構造体をさらに多くのセットにより構成してもよい。
【００４８】
図６は、ハルバッハ配列とした永久磁石の列の両端に軟磁性材料からなる部材を配置した例を示す図である。
【００４９】
図６に示した一対の磁石構造体２１および２５は、磁石構造体２１および２５のそれぞれの永久磁石の列の両端に軟磁性材料の部材（軟磁性部材５０という）を配置したものである。このように永久磁石の列の両端に軟磁性部材５０を配置することで、磁気熱量材料１１より外側に出る磁場を弱くして、その分、磁気熱量材料１１に印加される磁力をいっそう強くすることができる。磁石構造体２１および２５の両端に設けた軟磁性部材５０は、磁化させておく（すなわち磁石となっている）必要はない。
【００５０】
ここで軟磁性材料とは、保磁力が小さく透磁率が大きい材料である。たとえば、鉄、ケイ素鋼、パーマロイなどである。一方、軟磁性材料に対する用語として硬磁性材料があり、これは保磁力が大きい材料である。本実施形態においても、ハルバッハ配列させた永久磁石は硬磁性材料を用いている。ハルバッハ配列させた永久磁石として用いる硬磁性材料としては、たとえば、アルニコ磁石、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石、ネオジム磁石、サマリウム鉄窒素磁石など様々な磁石を用いることができる。
【００５１】
なお、図６では、６個の永久磁石からなる磁石構造体を例に示したが、３個、５個、１０個など他の永久磁石の列であっても同様にそれらの両端に軟磁性部材５０を配置することで、磁気熱量材料１１より外側に出る磁場を弱くして、その分、磁気熱量材料１１に印加される磁力をいっそう強くすることができる。
【００５２】
このように構成された磁石構造体２１および２５における個々の永久磁石の並び方向（個々の永久磁石の磁化方向ではない）は、図１に示した磁気冷暖房装置においては、半径方向でもよいし、周方向でもよい。
【００５３】
以上、磁石構造体の構造について、磁気熱量材料１１の上下に配置された一対の磁石構造体２１および２５を例に説明したが、他の一対の磁石構造体２２と２６、２３と２７、２４と２８についても同じ構造である。
【００５４】
次に、これら本実施形態におけるハルバッハ配列の永久磁石列からなる磁石構造体２１および２５について、永久磁石の構成（永久磁石の磁化方向や配置、数など）を様々に変更して、磁場分布をシミュレーションした結果を説明する。
【００５５】
磁場解析は、２次元の有限要素法磁場解析ソフトであるＦＥＭＭ４．２を使用した。計算は、このソフトを使用してメッシュを自動生成させた。解析対象の永久磁石は、このソフトがシミュレーションによって磁気特性プロファイルを生成すためにデフォルトで有するネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）を用いた。また、永久磁石の磁化方向は、図３〜５などで矢印「→」で示した方向である。
【００５６】
（実施例１）
図７（ａ）は実施例１のモデルを示す図である。実施例１は、前述した図４と同様の構造の永久磁石の列をモデルとした。すなわち、一つの磁石構成体は、磁化方向を４５度ずつずらしてハルバッハ配列させた５個の永久磁石を１セットとして磁化方向の回転を逆にして２セット連続させて接合した合計１０個の永久磁石の列である。この磁石構成体を上下一対２１および２５とし、一対の磁石構成体２１および２５を構成する個々の永久磁石の磁化方向が互いに逆方向となるように隙間をあけて配置している。大きさは、一対の磁石構成体２１および２５ともに同じで、一つの磁石構成体の全体の長さが２００ｍｍ、高さ２０ｍｍとした。また、永久磁石１個は１辺が長さ２０ｍｍでこれを並べて２００ｍｍとしている。上下の磁石構成体同士の間の間隔は２ｍｍとした。なお、シミュレーションは２次元における磁力を解析するものであるため、このモデルにおいて奥行きはない（他の実施例、比較例のシミュレーションモデルにおいて同様）。
【００５７】
図７（ｂ）は実施例１のモデルによる磁場解析のシミュレーション結果である磁気特性プロファイルを示すコンピュータ出力された図である。図示するように、磁石構成体の外側で発生する磁場の強度を示す磁力線が、上に位置する磁石構成体の左側の１セット部分の上部と、下に位置する磁石構成体の右側の１セット部分の下に僅かに張り出しているが、そのほかの部分ではほとんどないことがわかる。したがって、上下一対となっている磁石構造体の外への磁束の漏れが少ないことがわかる。なお、磁場の強さは磁束密度（Ｔ（テスラ）で示している）。
【００５８】
（比較例１）
図８（ａ）は、比較例１のモデルを示す図である。この比較例１のモデルは、高さ２００ｍｍ、全長２００ｍｍの一つの永久磁石である。そして、磁石１００に対向するヨーク１０１を設けた。ヨークの寸法は高さ２０ｍｍである。ただし磁石１００に対向部分のみ、磁石１００に相当する厚さを持たせるため４０ｍｍとしている。磁石１００とヨーク１０１の間隔は実施例１同様に２ｍｍとした。また、磁石１００の磁化方向（一つひとつの永久磁石の磁化方向）は、ヨーク１０１との隙間の方向としている。
【００５９】
図８（ｂ）は、比較例１のモデルによる磁場解析のシミュレーション結果である磁気特性プロファイルを示すコンピュータ出力された図である。
【００６０】
図示するように、比較例１のモデルでは、永久磁石で発生する磁場を示す磁力線は、ほぼすべてがヨーク内を通っている。したがって、永久磁石とヨークとの間の隙間には強い磁場がある。
【００６１】
ここで、実施例１と比較例１を対比すると、ハルバッハ配列とした実施例１では、磁力線の通り道となるヨークを用いていないにもかかわらず、磁束の漏れが非常に少ない。したがって、ヨークを用いることなく磁気冷凍装置として磁気熱量材料に十分な磁気を与えることが可能となることがわかる。このため磁気冷暖房装置として小型軽量化に適している。
【００６２】
ヨークは一般的に鉄材を用い、しかも図８（ａ）からわかるとおり、磁石以外の部分で磁力線の通り道を形成する必要からその分重量が増して大型化してしまう。一方、実施例１は、磁石のみで磁束の漏れをなくすことができるので、その分小型軽量化が可能となる。
【００６３】
（比較例２）
さらにハルバッハ配列の上下一対の磁石構造体を用いて、上下の磁石構造体を形成する永久磁石の列における各永久磁石の磁化方向を同じにした場合についてシミュレーションを行った。
【００６４】
図９（ａ）は、比較例２のモデルを示す図である。図示するように、この比較例２では、上下の磁石構造体１２１および１２５を形成するそれぞれの永久磁石はハルバッハ配列とした１０個の永久磁石を用いているが、一対の磁石構造体１２１および１２５は共に磁化方向が、同じになるようにしている。それ以外は、実施例１と同じである。各部の寸法も同じであるため図示省略した。
【００６５】
図９（ｂ）は、比較例２のモデルによる磁場解析のシミュレーション結果である磁気特性プロファイルを示すコンピュータ出力された図である。
【００６６】
図示するように、比較例２では、実施例１よりも磁石の外側に出ている磁力線が多く、磁束の漏れが認められる。したがって、同じハルバッハ配列した一対の磁石構造体を用いた場合、実施例１のごとく、それぞれを構成する複数の永久磁石の磁化方向を上下で逆方向となるようにすることで、磁束を閉じ込める効果が高いことがわかる。
【００６７】
（実施例２）
図１０（ａ）は、実施例２のモデルを示す図である。実施例２は、図３に示した構造と同様に、一つの磁石構成体を、磁化方向を９０度ずつずらしてハルバッハ配列させた３個の永久磁石を１セットとして磁化方向を逆にして２セット連続させて接合した合計６個用いている。この磁石構成体を上下一対とし、この一対の磁石構成体２１および２５を構成する個々の永久磁石の磁化方向が互いに逆方向となるように隙間をあけて配置している。各部の寸法は、全長５０ｍｍ、高さ５ｍｍとした。隙間は５ｍｍとした。各永久磁石の前兆方向の長さは全長５０ｍｍを６分割した大きさ（約８．３ｍｍ）である。
【００６８】
図１０（ｂ）は、実施例２のモデルによる磁場解析のシミュレーション結果である磁気特性プロファイルを示すコンピュータ出力された図である。
【００６９】
図示するように、実施例２では、実施例１と比較すれば、磁束の漏れが認められる。しかし、磁束の多くは上下一対の磁石構造体２１および２５内に閉じ込められている。したがって、ハルバッハ配列させる永久磁石の数を減らしても、磁束を閉じ込める効果のあることがわかる。
【００７０】
（実施例３）
次に、実施例３として、ハルバッハ配列した永久磁石列の両端に軟磁性材料を配置して接合したモデルを用いてシミュレーションを行った。軟磁性材料は鉄（Ｆｅ）を想定した。
【００７１】
図１１（ａ）は、実施例３のモデルを示す図である。実施例３は、一つの磁石構成体を、磁化方向を９０度ずつずらしてハルバッハ配列させた３個の永久磁石を１セットとして磁化方向を逆にして２セット連続させて接合した合計６個の永久磁石からなる。この磁石構成体を上下一対とし、この一対の磁石構成体２１および２５を構成する個々の永久磁石の磁化方向が互いに逆方向となるように隙間をあけて配置している。そして、この永久磁石の列の両端に軟磁性部材５０を接合した。
【００７２】
図１１（ｂ）は、実施例３のモデルによる磁場解析のシミュレーション結果である磁気特性プロファイルを示すコンピュータ出力された図である。
【００７３】
図示するように、実施例３では、実施例２と比較して、永久磁石列の両端における磁束の漏れが少なくなっていることがわかる。したがって、永久磁石列の両端に軟磁性材料を配置することで、いっそう磁気熱量材料１１に対して多くの磁束を集中させうることが可能となる。
【００７４】
次に、磁気冷暖房装置の動作について説明する。ここではすでに説明したように正の磁気熱量材料を用いている。したがって、磁気熱量材料は、磁気が印加された励磁時に温度が上昇し、磁気が除去された消磁時に温度が下がる。
【００７５】
図１に示した状態では磁気熱量材料１１、１５の列に着目すると、磁気熱量材料１１の上下に一対の磁石構造体２１および２５が位置している。このため磁気熱量材料１１は磁気が印加された状態となっていて（励磁時）、磁気熱量材料１１は温度が上昇する。一方、磁気熱量材料１５には磁石構造体がなく磁気が印加されていない（消磁時）ため、磁気熱量材料１５は温度が下がる。
【００７６】
この状態では、磁気熱量材料１１と１５の間の熱スイッチ３２はオフであり、磁気熱量材料１１と１５の間は断熱されている。一方、熱交換器４１および４２との間の熱スイッチ３１、３２はオンとなって、低温側熱交換器４１から磁気熱量材料１５へ、磁気熱量材料１１から高温側熱交換器４２へとそれぞれ熱伝導されるようになる。
【００７７】
次に、図１に示した状態の位置から基板２０が４５度回転する。これにより磁気熱量材料１１の上下に位置していた一対の磁石構造体２１および２５が磁気熱量材料１２の位置へ移動して、磁気熱量材料１１の位置からなくなる。これと共に一対の磁石構造体２４および２８が磁気熱量材料１５の位置にくる。磁気熱量材料１１は磁気が除去されるため、消磁されて吸熱して温度が下がる。一方、磁気熱量材料１５は磁気が印加されて、励磁され発熱して温度が上昇する。このとき熱スイッチ３２はオンであり、磁気熱量材料１１と１５の間で熱伝導される。一方、熱交換器４１および４２との間の熱スイッチ３１、３２はオフとなって、低温側熱交換器４１と磁気熱量材料１５、磁気熱量材料１１と高温側熱交換器４２のそれぞれの間は断熱される。
【００７８】
以後、基板２０が４５度ずつ回転することでこの動作が繰り返されて、低温側熱交換器４１から高温側熱交換器４２へ熱の移動が行われる。他の磁気熱量材料の列（磁気熱量材料１２と１６、１３と１７、１４と１８）についても同様に動作して、装置全体として中心部にある低温側熱交換器４１から外周の高温側熱交換器４２へ熱の移動が行われる。
【００７９】
（実施形態２）
図１２は、実施形態２における磁気暖房装置の直径方向の概略断面図である。図１３（ａ）は磁気熱量材料の配置を示す平面図、図１３（ｂ）は磁石構造体の配置を示す平面図である。
【００８０】
実施形態２の磁気暖房装置２は、前述した実施形態１の磁気暖房装置を基本形として、磁気熱量材料１１を半径方向（列方向）に６個、これを円周方向に１２列並べて合計７２個の磁気熱量材料１１を円盤状に配置している。そしてこの円盤状に配置した磁気熱量材料１１を、図においては４層積層している。なお積層数について制限はなく、何層積層してもよい。積層数が多いほど冷却能力が高くなる。
【００８１】
そして各円盤状に配置した磁気熱量材料１１を上下から挟むように磁石構造体２１および２５を積層している。つまり、この磁気暖房装置２は、磁石構造体２１、磁気熱量材料１１、磁石構造体２５、磁気熱量材料１１、磁石構造体２１、…磁石構造体２１となるように、磁気熱量材料１１と磁石構造体２１および２５が交互に積層されている。
【００８２】
円盤状に配置した磁気熱量材料１１の半径方向（列方向）の間には、熱スイッチ３０が配置されている。また、円盤の中心に低温側熱交換器４１、円盤の外周に高温側熱交換器４２が設けられている。この低温側熱交換器４１と一番内側にある磁気熱量材料１１の間にも熱スッチ３０がある。同様に、高温側熱交換器４２と一番外側にある磁気熱量材料１１の間にも熱スイッチ３０がある。
【００８３】
また、磁気熱量材料１１および熱スイッチ３０からなる半径方向の列は、断熱材８０などにより区切られていている。断熱材８０については樹脂材料などを充填していてもよいし、隙間を開けた空気層であってもよい。
【００８４】
そして、磁気熱量材料１１および熱スイッチ３０、ならびに断熱材８０は、円盤状に一体物となっていて、最内周に位置する熱スイッチ３０を介して低温側熱交換器４１に接続されている。
【００８５】
低温側熱交換器４１の内部には流体を流すことができる。また、高温側熱交換器４２は、内部が中空であり、高温側熱交換器４２の端部に入口４３ａ、出口４３ｂが設けられていて、高温側熱交換器４２の中に流体を流すことができるようになっている（図中矢印方向に流体が流れる）。
【００８６】
磁石構造体２１および２５は、それぞれ円盤状の基板２０に固定されていて、列方向、円周方向ともに磁気熱量材料１１に対して一つおきとなるように配置されている。
【００８７】
磁石構造体２１および２５は、既に説明したハルバッハ配列とした複数の永久磁石からなる。そして、磁石構造体２１および２５におけるハルバッハ配列とした複数の永久磁石における磁化方向が、互いに逆方向となっている。なお、磁石構造体２１および２５は、両端に軟磁性部材５０があってもよい。
【００８８】
磁石構造体２１および２５を固定しているそれぞれの基板２０は、その内側で低温側熱交換器４１に対して軸受６１８（たとえばボールベアリング）により回転自在に支持されている。一方、外側では高温側熱交換器４２の上下に設けた軸受６２（たとえばボールベアリング）により回転自在に支持されている。また、基板２０の外周にはギヤ７３が設けられている。このギヤ７３には、モータ７０および軸７２によって回転するギヤ７１が噛み合されている。ギヤ７１は、軸７２によって連動して回転する。これによりモータ７０の回転によって、すべての基板２０が同期して回転するようになっている。
【００８９】
なお、積層方向の最上層および最下層の基板２０は筐体の一部８５に対して、軸受６２により回転自在となるように支持されている。
【００９０】
このように構成された磁気暖房装置２の動作は、基本的に実施形態１と同じである。すなわち、基板２０が回転することで、磁石構造体２１および２５が次々に磁気熱量材料１１に対して磁気の印加、除去を行い、それに伴って磁気熱量材料１１の発熱、吸熱が起きる。このとき各熱スイッチ３０のオン（熱伝達状態）、オフ（非熱伝達状態）を連動させることで、内側から外側へ熱が伝わって、低温側熱交換器４１から高温側熱交換器４２に熱の移動が行われる。
【００９１】
図１４は、実施形態２の作用を説明するための図で磁気暖房装置の部分拡大図である。図１５は実施形態２と比較するためのヨーク付き積層形態の拡大図である。
【００９２】
一つの磁気熱量材料１１に着目すると、実施形態２では、図１４に示すように、一つの磁気熱量材料１１の上下に一対となる磁石構造体２１および２５が配置されている。これは各層においてすべて同じである。つまり、本実施形態２では、磁石構造体と磁気熱量材料が交互に積層されたものとなっているのである。
【００９３】
一方、ヨーク付き積層形態は、図１５に示すように、一つの磁気熱量材料１１の上側に一つの永久磁石１００を配置して、この永久磁石１００の磁場が外に漏れないようにヨーク１０１を磁気熱量材料１１の下側にまでめぐらした構造となる。そして磁気熱量材料１１を複数層とするために、永久磁石１００とヨーク１０１、およびその間の磁気熱量材料１１を１セットとして複数積層することになる。これにより、一つひとつの磁気熱量材料１１は、その上下から磁気を印加できるようになっている。
【００９４】
実施形態２の構成とヨーク付き積層形態とを比較すると、実施形態２では、すでに説明したように、磁石構造体と磁気熱量材料が交互に積層されたものとなっているのである。しかも、磁石構造体２１および２５にハルバッハ配列による複数永久磁石を用いているため、磁束の漏れは少なくヨークを用いた場合と同程度となっている（前述したシミュレーションのとおり）。
【００９５】
一方、ヨーク付き積層形態とでは、積層方向の上下から磁気熱量材料１１に磁気を印加するために、ヨークが必要となっている。このため各層ごとに磁気熱量材料１１の上に永久磁石１００があり、下にヨーク１０１が配置されることになる。このため、ヨーク付き積層形態では積層方向の磁気熱量材料１１の間に永久磁石とヨークが存在することなる。
【００９６】
このように、実施形態２では積層方向の磁気熱量材料１１の間には永久磁石のみであるのに対して、ヨーク付き積層形態ではさらにヨークが存在することになる。したがって、ヨークが存在しない分、実施形態２の方が、磁気暖房装置全体としての厚みを薄くすることができる。
【００９７】
またヨークは、図１５に示したように、磁気熱量材料１１の側方に突出させなければならない。一方、実施形態２では磁気熱量材料１１の側方にこのような突出物は必要がないため、直径方向も小さくすることができる。
【００９８】
これらのことから、同程度の強さの磁気を印加することができるように構成した場合、実施形態２はヨークを用いた場合よりも、おおむね２０％程度小型化することができ、またヨークのような重量物を配置しないため軽量にすることもできる。
【００９９】
なお、磁気熱量材料の数は、列方向、層方向ともに、実施形態２として示した以外に、さらに多くてもよいし、また少なくてもよい。これらは、所望する冷暖房能力と、磁気熱量材料の発熱、吸熱量などに応じて決定すればよいものである。
【０１００】
以上説明した実施形態の効果を説明する。
【０１０１】
（１）本実施形態は、磁気熱量材料に磁気を印加する状態において、磁気熱量材料を間に挟んで一対となる磁石構造体を配置している。そしてこの磁石構造体は、磁化の向きが互いに異なるハルバッハ配列とした複数の永久磁石からなり、一対の磁石構造体における磁力線の向きがその間（すなわち磁気熱量材料が配置されている部分）において、両方とも同じ方向となるようにしている。これにより一対となった磁石構造体の間に作用する磁力は同じ向きとなるので、その間にある磁気熱量材料に対してより強い磁気（磁場）を印加することができる。しかも、一対となった磁石構造体の両方の磁気（磁場）を、その間に配置した磁気熱量材料に対して作用させることができるため、磁気熱量材料に対する永久磁石の利用効率も非常に良いものとなる。
【０１０２】
特に、実施形態２のように、複数の磁気熱量材料を積層した場合、その上下に位置する磁石構造体の間に必ず磁気熱量材料を配置することができるようになる。このような配置は、磁気熱量材料の間にある磁石構造体に着目すれば、その上下に磁気熱量材料が来ることになって、磁石構造体を構成する永久磁石の利用効率がいっそう高くなっているものである。
【０１０３】
（２）本実施形態においては、一つの磁石構造体は、複数の永久磁石によって構成され、複数の永久磁石はそれぞれの磁化の向きが１８０度になるまで漸次変化するように並べられている。このようなハルバッハ配列とした複数の永久磁石によって、磁石構造体は特定の方向、ここでは磁石構造体の上または下に強い磁場を形成することができ、一対となる磁石構造体の間に配置された磁気熱量材料に対して強い磁気を印加することができ、磁気回路で発生する強い磁場を効率良く、磁気熱量材料に印加できる。
【０１０４】
（３）本実施形態においては、磁化の向きが１８０度になるまで漸次変化するように並べられている複数の永久磁石を１セットとして、この１セットとなる複数の永久磁石を少なくとも１セット用いている。したがって、この１セットとなる複数の永久磁石だけでも一対の磁石構造体の間に配置された磁気熱量材料に対して強い磁気を印加することができる。そして、このセットを複数用いることで、様々な大きさの磁気熱量材料に磁石構造体の大きさを合わせることができる。
【０１０５】
（４）本実施形態においては、磁石構造体の両端に、軟磁性材料からなる部材をさらに設けた。これにより、磁石構造体によって形成される磁場の方向をいっそう特定の方向にむけることができる。ここでは磁石構造体の上または下の方向へ磁場を形成することができる。
【０１０６】
（５）本実施形態においては、磁石構造体、磁気熱量材料、磁石構造体、磁気熱量材料、…磁石構造体となるように複数積層されており、磁気熱量材料の間にある磁石構造体は、その磁石構造体の一側に位置する磁気熱量材料と反対側に位置する磁気熱量材料に対して磁気を印加するようにした。このように、本実施形態では、磁気熱量材料と磁気熱量材料の間に磁石構造体があるだけで、ヨークがなくても磁気熱量材料に対して強い磁気を印加することができる。したがって、ヨーク構造を有する場合よりも小型軽量化を図ることができる。
【０１０７】
以上、本発明を適用した実施形態を説明したが、本発明はここで説明した実施形態以外の構成であってもよく、本発明は特許請求の範囲により規定した事項によって定められる様々な変形形態が可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【０１０８】
１１〜１８  磁気熱量材料、
２０  基板、
２１〜２８  磁石構造体、
３０〜３３  熱スイッチ、
５０  軟磁性部材、
２０１〜２０８  永久磁石。
【図１】
2014095535.tif 000003
【図２】
2014095535.tif 000004
【図３】
2014095535.tif 000005
【図４】
2014095535.tif 000006
【図５】
2014095535.tif 000007
【図６】
2014095535.tif 000008
【図１２】
2014095535.tif 000009
【図１３】
2014095535.tif 000010
【図１４】
2014095535.tif 000011
【図１５】
2014095535.tif 000012
【図７】
2014095535.tif 000013
【図８】
2014095535.tif 000014
【図９】
2014095535.tif 000015
【図１０】
2014095535.tif 000016
【図１１】
2014095535.tif 000017