(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
式Ｌａ1-fＲＥf（Ｆｅ1-a-b-c-d-eＳｉaＣｏbＸcＹdＺe）13
(式中、ＲＥはＬａを除く、Ｓｃ及びＹを含む希土類元素から選ばれる少なくとも１種の元素、ＸはＧａ及びＡｌの少なくとも１種の元素、ＹはＧｅ、Ｓｎ、Ｂ及びＣからなる群より選択される少なくとも１種の元素、ＺはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ及びＺｒからなる群より選択される少なくとも１種の元素を示す。ａは０．０３≦ａ≦０．１７、ｂは０．００３≦ｂ≦０．０６、ｃは０．０２≦ｃ≦０．１０、ｄは０≦ｄ≦０．０４、ｅは０≦ｅ≦０．０４、ｆは０≦ｆ≦０．５０である。)で表される組成からなり、平均結晶粒径が０．０１μｍ以上３μｍ以下、キュリー温度が２５０Ｋ以上であり、かつ２テスラまでの磁場変化における磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）の最大値（−ΔＳmax）が５Ｊ／ｋｇＫ以上を示し、前記磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）における温度曲線の半値幅（Ｋ）が４０Ｋ以上を示す物性を有する磁気冷凍材料。
【請求項２】
２テスラまでの磁場変化における磁気冷凍能力を示す相対冷却力が３００Ｊ／ｋｇ以上を示す物性を有する請求項１記載の磁気冷凍材料。
【請求項３】
請求項１又は２記載の磁気冷凍材料を用いた磁気冷凍デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍庫、冷蔵庫などの家電製品や自動車用のエアコンなどに好適に用いられる磁気冷凍材料およびこれを用いた磁気冷凍デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化などの環境問題を引き起こすフロン系ガスを冷媒とする従来の気体冷凍方式に替わる磁気冷凍方式が提案されている。
この磁気冷凍方式では、磁気冷凍材料を冷媒とし、等温状態で磁性材料の磁気秩序を磁場で変化させた際に生じる磁気エントロピー変化および断熱状態で磁性材料の磁気秩序を磁場で変化させた際に生じる断熱温度変化を利用する。したがって、この磁気冷凍方式によれば、フロンガスを使用せずに冷凍を行なうことができ、従来の気体冷凍方式に比べて冷凍効率が高いという利点がある。【０００３】
この磁気冷凍方式に用いられる磁気冷凍材料としてＧｄ（ガドリニウム）又は／及びＧｄ系化合物などのＧｄ系材料が知られている。これらのＧｄ系材料は動作温度範囲の広い材料として知られているが、磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）が小さいという欠点がある。またＧｄは希土類元素の中でも希少で高価な金属であり、工業的に実用性のある材料とは言い難い。【０００４】
そこで、Ｇｄ系材料よりも大きな磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）を示す材料で、ＮａＺｎ13型Ｌａ（ＦｅＳｉ）13系化合物が提案されている。また、さらなる特性向上のため、例えば、非特許文献１には、コバルト（Ｃｏ）置換をはじめとした多様な置換元素の検討がなされている。特許文献１には、Ｌａの一部をＣｅで置換および水素を吸収させることによりＬａ1-zＣｅz（ＦｅxＳｉ1-x）13Ｈyとし、キュリー温度を高温化する工夫がなされている。特許文献２には、Ｌａ（Ｆｅ1-x-yＣｏyＳｉx）13でのＣｏ、Ｆｅ、Ｓｉの比率を調整することにより、動作温度範囲を拡大する工夫がなされている。
また、これらの材料を製造するための手段として、例えば、特許文献３には、ロール急冷法により凝固させる方法、特許文献４には、加圧処理しつつ通電加熱焼結する方法、特許文献５には、Ｆｅ−Ｓｉ合金と酸化Ｌａとを反応させる方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−０８９８３９号公報
【特許文献２】特開２００９−２２１４９４号公報
【特許文献３】特開２００５−２００７４９号公報
【特許文献４】特開２００６−３１６３２４号公報
【特許文献５】特開２００６−２７４３４５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「磁気冷凍技術の常温域への展開」 まぐね Ｖｏｌ．１，Ｎｏ．７（２００６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献１や特許文献１で報告されているＬａＦｅＳｉ系材料は、磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）の最大値（−ΔＳmax）を保ちつつキュリー温度を上昇させるものの、Ｇｄ系材料よりも磁気冷凍材料の動作温度範囲が狭いため、動作温度範囲が異なる複数種の材料で磁気冷凍システムを構成する必要があり、取り扱いが難しいという問題がある。また一般的にＬａＦｅＳｉ系材料は、キュリー温度が２００Ｋ付近であるため、このままでは室温域を対象にした磁気冷凍材料として用いることができないといった問題がある。
また特許文献２には、磁気冷凍性能を示す指標として相対冷却力（Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ，以下ＲＣＰ）が提示されている。この指標で判断するとこれらに記載されている磁気冷凍材料では、磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）の最大値は大きいが動作温度範囲が狭い、もしくは動作温度範囲が広くなるが磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）の最大値（−ΔＳmax）が減少傾向にあるため、ＲＣＰはＧｄ系材料とほぼ同等であり、性能を大きく上回る磁気冷凍材料とは言い難い。【０００８】
本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされたものである。従来技術では着目されていなかった結晶粒径と合金組成について詳細に検討することにより上記課題を解決するに至った。
本発明の課題は、キュリー温度が２５０Ｋ以上であり、かつ永久磁石による磁場変化が可能と考えられる２テスラ付近までで、従来の冷凍性能を大幅に超える磁気冷凍材料を提供することにある。
本発明の別の課題は、磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）が大きいだけでなく動作温度範囲も広い、即ち、ＲＣＰが大きい磁気冷凍材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、式Ｌａ1-fＲＥf（Ｆｅ1-a-b-c-d-eＳｉaＣｏbＸcＹdＺe）13
(式中、ＲＥはＬａを除く、Ｓｃ及びＹを含む希土類元素から選ばれる少なくとも１種の元素、ＸはＧａ及びＡｌの少なくとも１種の元素、ＹはＧｅ、Ｓｎ、Ｂ及びＣからなる群より選択される少なくとも１種の元素、ＺはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ及びＺｒからなる群より選択される少なくとも１種の元素を示す。ａは０．０３≦ａ≦０．１７、ｂは０．００３≦ｂ≦０．０６、ｃは０．０２≦ｃ≦０．１０、ｄは０≦ｄ≦０．０４、ｅは０≦ｅ≦０．０４、ｆは０≦ｆ≦０．５０である。)で表される組成からなり、平均結晶粒径が０．０１μｍ以上３μｍ以下、キュリー温度が２５０Ｋ以上であり、かつ２テスラまでの磁場変化における磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）の最大値（−ΔＳmax）が５Ｊ／ｋｇＫ以上を示す物性を有することを特徴とする磁気冷凍材料が提供される。
また本発明によれば、前記磁気冷凍材料を用いた磁気冷凍デバイス、さらには磁気冷凍システムが提供される。
更に本発明によれば、キュリー温度２５０Ｋ以上で、かつ２テスラまでの磁場変化における磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）の最大値（−ΔＳmax）が５Ｊ／ｋｇＫ以上を示す物性を有する磁気冷凍材料を製造するための、上記式で表される組成であり、平均結晶粒径が０．０１μｍ以上３μｍ以下であり、キュリー温度が２５０Ｋ以上である合金の使用が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、キュリー温度２５０Ｋ以上で、磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）が大きいだけでなく動作温度範囲も広い、つまり従来材料で得られる冷凍性能を大幅に超える物性を有する磁気冷凍材料を提供することができる。さらには本発明の磁気冷凍材料を用いることで、これまでよりも少ない種類の材料で磁気冷凍システムを構成することが可能となる。また、異なるキュリー温度を持つ本発明の磁気冷凍材料を選択することにより、例えば、家庭用空調機と産業用冷凍冷蔵庫といった異なる用途に応じた磁気冷凍システムを構成することが可能となる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を更に詳細に説明する。
本発明の磁気冷凍材料は、式Ｌａ1-fＲＥf（Ｆｅ1-a-b-c-d-eＳｉaＣｏbＸcＹdＺe）13で表される組成であり、特定の平均結晶粒径及び特定のキュリー温度を有する合金を用いる。
式中、ＲＥはＬａを除く、Ｓｃ及びＹを含む希土類元素から選ばれる少なくとも１種の元素、ＸはＧａ及びＡｌの少なくとも１種の元素、ＹはＧｅ、Ｓｎ、Ｂ及びＣからなる群より選択される少なくとも１種の元素、ＺはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ及びＺｒからなる群より選択される少なくとも１種の元素を示す。ａは０．０３≦ａ≦０．１７、ｂは０．００３≦ｂ≦０．０６、ｃは０．０２≦ｃ≦０．１０、ｄは０≦ｄ≦０．０４、ｅは０≦ｅ≦０．０４、ｆは０≦ｆ≦０．５０である。
【００１２】
本発明の磁気冷凍材料は、合金中のＬａの一部を、上記ＲＥで置換することが可能である。ｆは、Ｌａの一部を置換する元素ＲＥの含有量を示す。ｆは、０≦ｆ≦０．５０である。ＬａとＲＥ元素はキュリー温度や動作温度範囲、さらにはＲＣＰを調整することが可能である。ただし、ｆが０．５０を超えると磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）が低下する。
【００１３】
ａは、Ｓｉ元素の含有量を表す。ａは０．０３≦ａ≦０．１７である。Ｓｉは、キュリー温度や動作温度範囲、さらにはＲＣＰを調整することが可能である。また、化合物の融点の調整、機械強度の増加などの効果がある。ａが０．０３より小さいとキュリー温度が下がる。一方、ａが０．１７より大きいと磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）が下がる。
【００１４】
ｂは、Ｃｏ元素の含有量を表す。ｂは０．００３≦ｂ≦０．０６である。Ｃｏはキュリー温度や磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）を調整するのに効果がある元素である。ｂが０．００３より小さいと磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）が下がる。一方、ｂが０．０６を超えると磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）における温度曲線の半値幅が狭くなる。
【００１５】
ｃは、Ｘ元素の含有量を表す。ｃは０．０２≦ｃ≦０．１０である。Ｘは、動作温度範囲を調整するのに効果がある元素である。ｃが０．０２より小さいと磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）における温度曲線の半値幅が狭くなる。一方、ｃが０．１０より大きいと磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）が下がる。
【００１６】
ｄは、Ｙ元素の含有量を表す。ｄは０≦ｄ≦０．０４である。Ｙは、キュリー温度や動作温度範囲、さらにはＲＣＰを調整することが可能である。また、化合物の融点の調整、機械強度の増加などの効果がある。ｄが０．０４より大きいと磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）が下がる、もしくは磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）における温度曲線の半値幅が狭くなる。
【００１７】
ｅは、Ｚ元素の含有量を表す。ｅは０≦ｅ≦０．０４である。Ｚは、α−Ｆｅの析出を抑制したり、キュリー温度を制御したり、粉末の耐久性を改善したりすることが可能である。ただし、所定の範囲を外れると所望量のＮａＺｎ13型結晶構造相を有する化合物相が得られず、磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）が低下する。ｅが０．０４より大きいと磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）が下がる、もしくは磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）における温度曲線の半値幅が狭くなる。
【００１８】
１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ−ｅは、Ｆｅの含有量を表す。１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ−ｅは、０．７５≦１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ≦０．９４７が好ましい。Ｆｅは、ＮａＺｎ13型結晶構造相を有する化合物相の生成効率に影響を及ぼす。
【００１９】
本発明の磁気冷凍材料の平均結晶粒径は、０．０１μｍ以上３μｍ以下である。
磁気冷凍材料の合金組織は、上記範囲の結晶粒径を持つ粒子が等軸的に存在しており、それぞれの粒子は異なる結晶方位を持っている。結晶粒径は、ＳＥＭまたはＴＥＭ等の電子顕微鏡を用いて確認することができ、結晶粒径は視野内に確認できる粒子の短径と長径の平均値である。平均結晶粒径は、視野内に確認できる粒子１００個の結晶粒径の平均値とした。
磁気冷凍材料の合金を製造するあたり、比較的遅い速度で鋳造を行った場合、合金組織は柱状晶となる。しかし、そのような組織では、結晶の短軸方向の長さは小さくても長軸方向の長さが大きくなり、方位の揃った結晶粒となり好ましくない。平均結晶粒径が０．０１μｍより小さいと、磁場中での磁化が小さくなり、磁気エントロピー変化が小さくなる。また、平均結晶粒径が３μｍより大きい場合も、磁気エントロピー変化が小さくなる。
【００２０】
上記式で表される合金は、酸素、窒素及び原料の不可避的不純物の含有量は少ない方が好ましいが微量であれば含有しても良い。
【００２１】
本発明の磁気冷凍材料を製造する方法は、結晶粒径を微細化可能な方法であれば特に限定されず、例えば、メルトスパンのようなロールを用いた超急冷法によって、一旦、アモルファス状態の合金を作製し、再結晶化熱処理によって微細結晶を得る方法や、アーク溶解法、金型鋳造法、ストリップキャストなどの単ロール鋳造法やアトマイズ法によって、一旦母合金を作製した後、特定温度範囲で水素ガスの吸放出を行わせることによって微細結晶を得るＨＤＤＲ法、前記母合金の平均粒径が３μｍ以下になるように粉砕した後、粒成長が起きない条件で焼結させる焼結法が好ましく挙げられる。更に、得られた合金を、粗粉砕してから、例えば、１８メッシュ〜３０メッシュのふるいにより分級し、粉末とすることが好ましい。
【００２２】
本発明において、磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）、磁気冷凍能力を示すＲＣＰ、並びに磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）における温度曲線の半値幅は以下の方法により求められる。
まず磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）は、ＳＱＵＩＤ磁束計（カンタムデザイン社製、商品名ＭＰＭＳ−７）を用いて特定温度範囲において２テスラまでの一定強度の印加磁場のもとで磁化を測定した磁化−温度曲線から、下記に示すＭａｘｗｅｌｌの関係式を用いて求めることができる。
【００２３】
【数１】
0006055407.tif 000002
但し、Ｍは磁化、Ｔは温度、Ｈは印加磁場を表す。
【００２４】
磁気冷凍能力を示すＲＣＰは、上記で得られた磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）の最大値（−ΔＳmax）と、磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）における温度曲線の半値幅の積により、次式より算出することができる。
ＲＣＰ＝−ΔＳmax×δＴ
但し、−ΔＳmaxは−ΔＳMの最大値を示し、δＴは−ΔＳMのピークの半値幅を示す。ここで半値幅とは、磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）における温度曲線での磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）の最大値（−ΔＳmax）の半分の値における半値全幅、即ち、最大値をピークとした山形曲線の広がりの程度を示す指標を意味する。
【００２５】
本発明の磁気冷凍材料は、従来のＮａＺｎ13型Ｌａ（ＦｅＳｉ）13系化合物の磁気冷凍材料に比べて、磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）の最大値（−ΔＳmax）を示す温度であるキュリー温度を高くすることができる。
本発明の磁気冷凍材料は、キュリー温度２５０Ｋ以上という高い温度域において使用することが可能である。さらに磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）における温度曲線の半値幅が広いため、従来の材料よりも少ない材料で磁気冷凍システムを構成することが可能である。
【００２６】
本発明の磁気冷凍材料は、２テスラまでの磁場変化における磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）（Ｊ／ｋｇＫ）の最大値（−ΔＳmax）が５Ｊ／ｋｇＫ以上を示す物性を有する。磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）の最大値（−ΔＳmax）が５Ｊ／ｋｇＫより低い場合は、磁気冷凍性能が不足し、磁気冷凍の効率が低下する。
【００２７】
本発明の磁気冷凍材料は、２テスラまでの磁場変化において測定・算出された磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）における温度曲線の半値幅（Ｋ）が４０Ｋ以上を示す物性を有することが好ましい。該半値幅が４０Ｋ以上を示す物性を有する場合は、使用温度領域が広くなる。一方、該半値幅が４０Ｋ未満の物性である場合は、使用温度領域が狭くなり、取り扱いが困難になるおそれがある。
【００２８】
本発明の磁気冷凍材料は、２テスラまでの磁場変化における磁気冷凍能力を示すＲＣＰが３００Ｊ／ｋｇ以上を示す物性を有することが好ましい。ＲＣＰが３００Ｊ／ｋｇ以上を示す物性を有する場合は、磁気冷凍材料による冷凍能力が高く、磁気冷凍材料の使用量を低減できる。
【００２９】
本発明の磁気冷凍デバイス、さらに磁気冷凍システムは、本発明の磁気冷凍材料を使用する。本発明の磁気冷凍材料は、各種の形状に加工したものが使用できる。例えば、短冊状等に機械加工した形状、粉末形状、粉末を焼結した形状が挙げられる。この磁気冷凍デバイス、さらに磁気冷凍システムは、その種類によって特に限定されない。例えば、磁気冷凍作業室内に配置した本発明の磁気冷凍材料の表面を熱交換媒体が流通するように、磁気冷凍作業室の一方の端部に熱交換媒体の導入配管、他方の端部に熱交換媒体の排出配管を設けるとともに、磁気冷凍作業室の近傍に永久磁石を配置し、かつ本発明の磁気冷凍材料に対する永久磁石の相対位置を変化させて磁界の印加及び除去を行う駆動装置を備えるものが好ましく挙げられる。
【００３０】
上記好ましい磁気冷凍デバイスやシステムの主な作用は、例えば、上記駆動装置を作動させて磁気冷凍作業室と永久磁石との相対位置を変化させると、本発明の磁気冷凍材料に対して磁界が印加された状態から、除去された状態に切り替わる際、結晶格子から電子スピンにエントロピーが移動し、電子スピン系のエントロピーが増加する。それによって、本発明の磁気冷凍材料の温度が低下し、それが熱交換用媒体に伝達され、熱交換用媒体の温度が低下する。このようにして温度が低下した熱交換用媒体は、磁気冷凍作業室から排出配管を通って排出され、外部の低温消費施設に冷媒を供給することができる。
【実施例】
【００３１】
以下、実施例および比較例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されない。
製法１
各種原料を秤量した後、高周波溶解炉にてアルゴンガス雰囲気中で溶解し、合金溶融物とした。続いて、この合金溶融物を、周速度４０ｍ／ｓで回転する銅製ロールに注湯して厚み約５０μｍの合金リボンを得た。その後、得られた合金をアルゴンガス雰囲気中において８５０℃、２０分間で再結晶化熱処理を行ない、その後乳鉢により粉砕を行った。粉砕した粉末を、１８メッシュ〜３０メッシュのふるいで分級して合金粉末を得た。【００３２】
製法２
各種原料を秤量した後、高周波溶解炉にてアルゴンガス雰囲気中で溶解し、合金溶融物とした。続いて、この合金溶融物を、銅製金型に注湯して厚み１０ｍｍの合金を得た。得られた合金をアルゴンガス雰囲気中において１１５０℃、１２０時間で熱処理を行ない、その後乳鉢により粗粉砕を行った。粉砕した粉末を１８メッシュ〜３０メッシュのふるいで分級して合金粉末を得た。【００３３】
製法３
再結晶化熱処理の条件を５００℃、２０分間とした以外は製法１と同様にして合金粉末を得た。【００３４】
実施例１〜９
表１に示す組成１〜９の合金原料を用い、上記製法１により、磁気冷凍材料用合金粉末を作製した。得られた磁気冷凍材料用合金粉末の組成を表１の１〜９に示す。次に、得られた合金粉末の平均結晶粒径及び該合金粉末を用いてキュリー温度、２テスラまでの磁場変化における磁気エントロピー変化量最大値（−ΔＳmax）、磁気エントロピー変化量（−ΔＳM）における温度曲線の半値幅およびＲＣＰを上述の方法に従って評価した。結果を表２に示す。【００３５】
比較例１〜１２
表１に示す組成２〜７、９〜１４の合金原料を用い、それぞれ表２に示す
上記製法１〜３により、磁気冷凍材料用合金粉末を作製した。得られた磁気
冷凍材料用合金粉末の組成を表１に示す。次、得られた合金粉末について、
実施例１〜９と同様に各評価を行った。結果を表２に示す。
【００３６】
【表１】
0006055407.tif 000003
【００３７】
【表２】
0006055407.tif 000004